技術解説ブラシレスモータのセンサレス駆動技術

2018年02月16日

今回は小型化、高信頼化、低コスト化を可能にするセンサーによらないローター回転位置の検出方法について説明します。

ブラシレスモータをより小型、高信頼性、低コストを追求してゆくには、どうしてもセンサを使用しない（センサレスモータ）は避けて通れません。本章では、センサレス制御を紹介したいと思います。

実際にセンサレスモータは、エアコン用モータ、ハードディスクやハイブリッドカーやドローンなどに使用される様になり、普及が加速しています。今後も様々な用途に広く使用されてきており、センサレス制御技術の需要、重要度は一層増えています。

ホールセンサの様なロータ位置検出センサを使用しないため、センサの代わりに各相コイルの誘起電圧検出を行いロータ位置を推定する方法をとります。これをセンサレス制御と呼んでいます。

センサレス制御では、ロータが回転しコイル相の切替時に発生する誘起電圧を検出することでホールモータ同様にロータ位置を知る方法です。

回路的には、モータ出力電圧から誘起電圧を比較検出するコンパレータと位置推定処理（マイコン等の演算器）回路が必要になります。よって、ホールモータに比べ回路構成がより複雑になります。

3相ブラシレスモータのスター状のコイル結線では、常に3つのコイル全てに電流を流すことは無く、下図の様に通電駆動していないコイル相が必ず存在します。

モータは回転すると、必ず逆起電力（BEMF）が発生します。通電していないコイル相でこの逆起電圧が観測することができます。

U、V、W相の各コイルの内オフになっている相が必ず1組存在するので、通電していない相のモータ端子電圧が印加電源電圧の中点電位（1/2）になる箇所（ゼロクロス点）を検出することでロータの位置が得られます。ホールセンサ同様に電気角60度毎に特定できる仕組みです。

通電セクタパターンは、ホールモータと同じく「6ステップ区間の繰り返し」で位相が進みます。

この方法の欠点は、モータ停止（もしくは極低速）状態では逆起電力が発生しない（限りなく微弱）のでロータ位置検出ができないことです。

●メリット：

①小型化できる: ロータ位置検出用のセンサを使用しないので取り付けスペースが不要になり小型軽量化が容易になります。
②モータ組立加工、調整の省力: ロータ位置センサを取り付けるには、ロータ磁石位置とセンサの相対位置関係を正確に合わせる必要があり、かなりの手間と時間が掛かります。センサレスにすればこの作業は必要ありませんのでモータの組立／調整工程が大幅に少なくなります。
③信頼性の向上: ロータ位置検出に用いる磁気センサの特性は、温度環境で大きく変動します。従って、高温度の環境下では使用できない制限もあります。センサレスモータでは、この温度環境制限範囲は大幅に広がります。また、ケーブルハーネス等含めた使用部品点数も少なくなるため、モータトータルの寿命／信頼性が高くなります。

●デメリット：

①低速運転が苦手: センサレス制御では、一般的にモータ最高速度の10%程度が下限といわれます。センサレス制御は、ロータ位置検出を仮想的にモータコイルの電気位相の切り替わりで発生する逆起電圧を検出することで行っています。従って、原理的に極低速度での運転は困難です。一般的にモータ最高速度の10%程度が下限です。
②応答性が悪い: センサモータに比べ、制御ループ系の中で位置、速度の推定処理が必要なため変化応答性は、どうしてもセンサモータよりも劣ります。
③モータ個体ばらつきが直に性能に影響する: センサレス制御では、センサの代わりにモータコイル電流、電圧、コイル定数（L,R）などのモータパラメータ値を用いて、位置や速度を推定演算しますので、モータの個体差は顕著に出ます。更にコイル巻線抵抗値は、温度変動量も大きいため温度変動範囲も考慮して制御系を設計する必要があります。