JP2017093164A - ロータ位置検出装置及びモータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】非励磁状態かつ回転中であっても有効な位置検出を行うことが可能なロータ位置検出装置を提供する。【解決手段】ロータ位置検出装置Ｙは、複数の相に対応する突極を備え各突極に励磁巻線１５ａ〜１５ｃを設けたステータと、複数の突極を備えステータ内に配置されたロータとを具備するＳＲモータ１０に適用するにあたり、励磁巻線１５ａ等に微小定電流を印加する微小定電流印加部（回路）２３と、ＳＲモータ１０のステータに現われる磁束の極性反転を検出する極性反転検出手段Ｘとを設け、突極対向位置を磁束の極性反転位置を通じて検出するようにした。【選択図】図５

Description

本発明は、突極性のロータと巻線を伴うステータを有しロータの位置を検出しながら励磁相の切り替えを行うモータに適用される、ロータ位置検出装置及びモータ制御装置に関するものである。

突極性のロータと励磁巻線を伴うステータを備えるモータの一つとしてスイッチトリラクタンスモータ（以下「ＳＲモータ」と称す。）がある。ＳＲモータは構造が簡単であり、永久磁石を必要としないため、高速運転や高温環境での運転に適している。ＳＲモータの回転原理は次のようになる。ステータの突極とロータの突極が整列した時（突極整列状態）で磁気インピーダンスが小さくなり巻線のインダクタンスが最大になる。そのため、磁束が流れにくい突極非整列状態にある突極の巻線に励磁電流が流れると、磁束が最も流れやすい突極整列状態になるようにロータが回転する。したがって、ロータの位置情報に基づいて励磁電流を供給する相を切り替えることで、連続的な磁気吸引力を発生させ、ロータを回転させることができる。

ロータの位置情報を得る手段として、従来、位置検出センサが用いられてきたが、こうしたセンサは上述した高速運転や高温環境下等の過酷な使用条件での使用には適さない。

そのため、近年では、位置検出センサを用いることなくセンサレスでロータの回転位置を検出する手法が提案されている（非特許文献１）。

非特許文献１は、図８〜図１０に示すように、ＳＲモータの自己インダクタンス分布を利用してロータ位置の推定を行う手法である。図８は自己インダクタンスの空間ベクトルを表示した図、図９は空間ベクトルに表されるベクトル間の関係式であり、図１０はある条件で電圧パルスを印加した際の電流波形を示している。これらにおいてＬｕ、Ｌｖ、Ｌｗは各相の自己インダクタンスの大きさ、θ_ｅｌｅｃは空間ベクトルＬの位相（電気角）、ＶｄｃはＤＣリンク電圧、ΔＴはＤＣリンク電圧印加時間、Ｌｊはｊ相のインダクタンス（ｊはｕまたはｖまたはｗ）、ΔＩｊはｊ相にＤＣリンク電圧をΔＴ時間印加したときの電流の増加量である。この自己インダクタンス分布を近似し空間ベクトルを定義すると、空間ベクトルの角度とロータ位置が一致することからロータ位置の推定を行う。

図９の式（１）は自己インダクタンスの空間ベクトルを表している。この空間ベクトルは大きさが一定でロータ角度（電気角）と同期して回転するベクトルであり、空間ベクトルの角度を算出することでロータ位置が推定できる。図８で示される空間ベクトルの位相θ_ｅｌｅｃは式（２）で算出することができる。

よって、各相の自己インダクタンス値から空間ベクトルの位相を算出することができ、この位相はロータ位置と一致することから、ロータ位置を推定することができる。

各相の自己インダクタンスは、停止時に電圧パルスを印加し、そのときの電流応答（図１０参照）から算出する。このように各相へ同時にＤＣリンク電圧を短時間印加したときの電流応答より図９の式（３）を用いて各相の自己インダクタンスを算出する。その自己インダクタンスから空間ベクトル表示を利用して位置推定を行うことができる。

小松崎晃義、三浦陽二郎、三木一郎「自己インダクタンスの空間ベクトル表示を利用したＳＲＭの位置センサレス制御」電気学会研究会資料．ＲＭ、回転機研究会 ２００８（９０）、１１−１６、２００８−１１−１２

しかしながら、かかる手法は、電流応答から自己インダクタンスを算出するものであるため、回転子が静止しており、インダクタンスに変化がない状態である必要がある。このため、ＳＲモータが外部より回転させられている状況において位置推定することができないという課題がある。

本発明は、これらの課題に着目し、主巻線に駆動用励磁が行われていない非励磁状態で外部から回転されている状況下において有効な位置検出を行うことが可能なロータ位置検出装置及びモータ制御装置を提供することを目的としている。

本発明は、かかる目的を達成するために次のような手段を講じたものである。

すなわち、本発明のロータ位置検出装置は、複数の相に対応する突極を備え各突極に励磁巻線を設けたステータと、複数の突極を備え前記ステータ内に配置されたロータとを具備するモータに適用するにあたり、前記励磁巻線に微小定電流を印加する微小定電流印加部と、前記モータのステータに現われる磁束の極性反転を検出する極性反転検出手段とを設けたことを特徴とする。

このようにすれば、突極対向位置を磁束の極性反転位置を通じて検出することができるため、複雑な演算の必要がなく、ロータが回転中であっても、さらには高速回転中であっても、ロータ位置検出を行うことができる。その際、ロータは一定速度状態である必要はなく、速度変動下にもロータ位置検出が可能である。

比較的簡単なハード構成で非励磁回転中のロータ位置検出を行うためには、極性反転検出手段が、ステータティース部又はステータヨーク部に巻回した補助巻線と、この補助巻線に現われる誘起電圧のゼロクロスを検出するゼロクロス検出部とを備えていることが好ましい。

より簡単なハード構成で非励磁回転中のロータ位置検出を行うためには、極性反転検出手段が、ステータティース部に巻回した励磁巻線を利用し、この励磁巻線の電圧のゼロクロスを検出するゼロクロス検出部を備えることが望ましい。

これら以外に、比較的簡単なハード構成で非励磁回転中のロータ位置検出を行うものとして、極性反転検出手段を、ステータヨーク部又はステータティース部を流れる磁束を直接検出するホール素子と、このホール素子が検出する磁束の傾きのゼロクロスを検出するゼロクロス検出部とを備えて構成することも好適である。

以上のようなロータ位置検出装置を適用し、磁束反転したタイミングで励磁を開始する等すれば、簡易な構成で突極性モータを非励磁状態から励磁状態に適切に移行させることが可能となる。

以上説明した本発明によれば、主巻線に駆動用励磁が行われていない非励磁状態で外部から回転されている状況下においても有効なロータの位置検出を行うことができ、高温などの環境制限やスペースの制限により位置センサが取り付けられないシステムであっても有効に適用することが可能なロータ位置検出装置を提供することが可能となる。

本発明の一実施形態が適用されるＳＲモータの模式的な断面図。 同ＳＲモータの回転原理を示す図。 同ＳＲモータに設けた補助巻線とそこを流れる磁束の関係を示す図。 同ＳＲモータのロータ位置に応じたインダクタンス誘起電圧ゼロクロスの関係を示す図。 同ＳＲモータのロータ位置検出装置を適用したモータ制御装置の模式的な構成図。 本発明の変形例を示す図３に対応した図。 本発明の他の変形例を示す図５に対応した図。 従来例に係る自己インダクタンスの空間ベクトルを表示した図。 同空間ベクトルに表されるベクトル間の関係式を示す図。 停止時に各相へＤＣリンク電圧を短時間印加したときの電流波形図。

以下、本発明の実施形態に係るモータ制御装置を、図面を参照して説明する。

図１は、本発明のモータ制御装置Ｚが適用される突極性モータたるＳＲモータ１０の構成を示した簡略図である。図１に示されたＳＲモータ１０は、円環状のステータヨーク部１２ａから内側に向けて突出した６個の突極（ステータティース部）１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）を有するステータ１２と、ステータ１２の内側に回転可能に配置され外側に向けて突出した４個の突極１３を有するロータ１４とからなり、ステータ１２の突極１１が６０度毎に、ロータ１４の突極１３が９０度毎にそれぞれ等間隔に設置された、ロータ４極・ステータ６極構成（いわゆる４−６モータ）を構成している。

以下、この４−６モータに基づいて説明するが、極数はこれに限定されるものではない。ステータ１２の互いに対向する突極１１ａと１１ａ、１１ｂと１１ｂ、１１ｃと１１ｃには、それぞれ励磁用主巻線１５ａと１５ａ、１５ｂと１５ｂ，１５ｃと１５ｃが巻回されており、励磁用主巻線１５ａ，１５ａが巻回された突極の対１１ａ，１１ａをＡ相、励磁用主巻線１５ｂ，１５ｂが巻回された突極の対１１ｂ，１１ｂをＢ相、励磁用主巻線１５ｃ，１５ｃが巻回された突極の対１１ｃ，１１ｃをＣ相とする３相のステータ１２を構成している。各巻線１５ａ〜１５ｃには、図５に基づいて主回路２８が接続され、制御回路２２で選択的にＡ〜Ｃ相のいずれかに励磁電圧を印加するためのゲート駆動信号が主回路２８に向けて出力されるようになっている。

ここで、図２を用いてＳＲモータ１０の回転原理を説明する。図２（ａ）はステータ１２とロータ１４の突極１１ａ〜１１ｃ，１３ａ〜１３ｂ同士が対向しておらず磁束が流れにくい突極非整列状態にあるロータ１４の位置を示していて、この時点ではステータ１２の巻線１５ａ、すなわちＡ相が励磁している。このとき、磁束が最も流れやすい突極整列状態、すなわち突極１１ａとロータ１４の突極１３ａが整列するようにロータ１４にトルクが生じ、ロータ１４が回転する。そして、ロータ１４が図２（ｂ）に示す突極整列状態になるまで回転したタイミングで図５に示す制御回路２２が励磁する相をＢ相に切り替えると、ステータ１２の突極１１ｂとロータ１４の突極１３ｂが整列するようにトルクが生じる。その後、ステータ１２の突極１１ｂとロータ１４の突極１３ｂが整列したタイミングで制御回路２２が励磁する相をＣ相に切り替えると、今度はステータ１２の突極１１ｃとロータ１４の突極１３ａが整列するようにトルクが生じる。このように、ロータ１４の位置に基づいて励磁相を切り替えることで、連続的な磁気吸引力によるトルクが発生し、ＳＲモータ１０が回転する。

このような構成において、本実施形態は、非励磁中かつ回転中のロータ位置を検出すべく、励磁用主巻線１１ａに図５に示す微小定電流印加部（回路）２３を接続して主回路１５ａ〜１５ｃの何れか（本実施形態では１５ａ）に微小定電流を印加可能にするとともに、励磁用主巻線１１ａ、１１ｂ、１１ｃとは別に図３及び図５に示すように、ステータヨーク部１２ａにロータ位置検出用の補助巻線１１ｄと、この補助巻線１１ｄに現われる誘起電圧のゼロクロスを検出するゼロクロス検出部（回路）２４とにより磁束の極性反転検出手段Ｘを構成して、ロータ検出装置Ｙとしている。補助巻線１１ｄは１つ以上であれば数に限定されず、また図３のようにＢ相−Ｃ相間である必要もなく、ステータヨーク部１２ａであればどこに何個設けても構わない。

ＳＲモータ１０の各相において自己誘導により磁束が流れる際の自己インダクタンスの大きさは、図３のようにＡ相のステータ１２とロータ１４の突極１３が対向した整列状態のときに図４のようにＡ相の自己インダクタンスは最大となり、そこから非整列方向に外れるにつれて自己インダクタンスはステータ１２とロータ１４の突極位置関係に依存して小さくなる。

つまり、自己インダクタンスの最大点を観測できえれば、１回転に４度突極対向位置を検出することができる。しかしながら、自己インダクタンスを直接観測することは困難であるため、この実施形態ではステータヨーク部１２ａに設けた補助巻線１１ｄに発生する誘起電圧を利用する。

補助巻線１１ｄに発生する誘起電圧（Ｖ）、鎖交磁束数（Φ）、電流（Ｉ）、インダクタンス（Ｌ）の関係を説明する。

鎖交磁束数は（１）式となる。

ＬＩ＝Φ …（１）

また補助巻線に生じる誘導起電力（誘起電圧）はファラデーの法則により（２）式となる。

Ｖ＝−ｄΦ／ｄｔ …（２）

ここで電流を一定とすると（３）式となる。

Ｖ＝−ｄΦ／ｄｔ＝−（ｄＬ／ｄｔ）×Ｉ …（３）

よって、誘起電圧ＶはインダクタンスＬの微分値と電流Iの積となる。また、図４より突極対向位置でインダクタンスＬの微分値の極性が反転するため、誘起電圧Ｖの極性も反転する。

そこで、前記微小定電流印加部（回路）２３によってＳＲモータ１０の主巻線１５ａ〜１５ｃの何れか（本実施形態では１５ａ）に微小直流電流を印加し、ゼロクロス検出部（回路）２４で補助巻線１１ｄに現われる誘起電圧Ｖのゼロクロスを検出してその位置検出信号を制御回路２２に入力し、その検出信号のゼロクロスタイミングをもってロータ１４が突極対向位置にきたことを検出している。図４の検出信号は誘起電圧がプラスになるところをコンパレータで拾っているが、ゼロクロスを検出できればどのような構成であってもかまわない。

このようにしてロータ位置が検出できれば、ロータ１４の速度がわかり、Ａ相が突極整列状態に至ったタイミングがわかるため、モータ制御装置ＺはＳＲモータ１０を非励磁状態から励磁状態に切り替える際に、制御回路２２において励磁開始タイミング制御等に利用することができる。

なお、印加電流を定格電流の１００分の１程度の微小電流とすれば、発生するトルクも無視できる程度に小さいため、非励磁中の回転動作に影響を与えることはない。

以上のように、本実施形態のロータ位置検出装置Ｙは、複数の相に対応する突極１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）を備え各突極１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）に励磁巻線１５ａ、１５ｂ、１５ｃを設けたステータ１２と、複数の突極１３を備えステータ１２内に配置されたロータ１４とを具備するＳＲモータ１０に適用するにあたり、励磁巻線１５ａ等に微小定電流を印加する微小定電流印加部（回路）２３と、ＳＲモータ１０のステータ１２に現われる磁束の極性反転を検出する極性反転検出手段Ｘとを設け、突極対向位置に達したことを磁束の極性反転を通じて検出するようにしたので、複雑な演算の必要がなく、ロータ１４が高速回転中であっても、ロータ位置検出を行うことができる。その際、ロータ１４は一定速度状態である必要はなく、速度変動下にもロータ位置検出が可能である。

具体的には、極性反転検出手段Ｘが、ステータヨーク部１２ａに巻回した補助巻線１１ｄと、この補助巻線１１ｄに現われる誘起電圧のゼロクロスを検出するゼロクロス検出部（回路）２４とにより構成されるものであり、微小定電流印加部（回路）２３に加え、極性反転検出手段Ｘとして補助巻線１１ｄとゼロクロス検出部（回路）２４を設けるだけでよいため、比較的簡単なハード構成で非励磁回転中のロータ位置検出を行うことが可能となる。

そして、このようなロータ位置検出装置Ｙを適用し、磁束反転を検出した際のロータ位置に基づいてモータ制御装置Ｚが励磁開始のタイミングを図ることができるので、簡易な構成で突極性モータを非励磁状態から励磁状態に適切に移行させることが可能となる。

なお、各部の具体的な構成は上述した実施形態のみに限定されるものではない。

例えば、図６に示すように、補助巻線１１ｄを突極（ステータティース部）１３に巻回し、前述した微小定電流印加部（回路）２３により電流を与えた際に補助巻線１１ｄに現われる誘起電圧のゼロクロスをゼロクロス検出部２４で検出するようにして極性反転検出手段Ｘを構成しても構わない。

このようにしても、微小定電流印加部（回路）２３に加え、極性反転検出手段Ｘとして補助巻線１１ｄとゼロクロス検出部（回路）２４を設けるだけでよいため、比較的簡単なハード構成で非励磁回転中のロータ位置検出を行うことが可能となる。

また、補助巻線に発生する誘起電圧ではなく、図７に示すように、主巻線１５ａ〜１５ｃの何れか（例えば１５ａ）に微小定電流を印加する際の励磁電圧のゼロクロスをゼロクロス検出部２４で検出するようにして極性反転検出手段Ｘを構成してもよい。以下で数式を用いて説明する。

ＳＲモータの電圧方程式は、

Ｖ＝Ｉ×Ｒ＋（ｄＩ／ｄｔ）×Ｌ＋ω×（ｄＬ／ｄθ）×Ｉ …（４）
となるが、電流を一定とした場合、（５）式となる。

Ｖ＝Ｉ×Ｒ＋ω×（ｄＬ／ｄθ）×Ｉ …（５）

ここで、”Ｉ×Ｒ”は、電流が微小かつ抵抗が小さく無視できる程度であるとすれば、（６）式となる。

Ｖ＝ω×（ｄＬ／ｄθ）×Ｉ …（６）

したがって印加電圧Ｖは、インダクタンスＬの傾きの極性に依存するため、やはり突極対向位置で極性反転する。よって、補助巻線方式と同様に、主巻線励磁下にゼロクロス検出部（回路）２４を用いても、突極対向位置を検出することができる。しかも、これによれば補助巻線を用いる必要がないため、更に簡単なハード構成で非励磁回転中のロータ位置検出を行うことが可能となる。

なお、（６）式で無視した”Ｉ×Ｒ”は誤差要因となるが、印加電流”Ｉ”も巻線抵抗”Ｒ”も既知であるため補正をかけたり、あるいは無視できるほど小さい状態であったりした場合、本変形例によりロータ位置検出用の補助巻線を不要にすることができる。

さらに、極性反転検出手段が、ステータヨーク部又はステータティース部を流れる磁束を直接検出するホール素子と、このホール素子が検出する磁束の傾きのゼロクロスを検出するゼロクロス検出部とを備えたものであっても構わない。

このようにしても、微小定電流印加部に加え、極性反転検出手段としてホール素子とゼロクロス検出部を設けるだけでよいため、比較的簡単なハード構成で非励磁回転中のロータ位置検出を行うことが可能となる。

その他の構成も、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

１１ａ…突極、ステータティース部
１５ａ〜１５ｃ…主巻線
１１ｄ…補助巻線
１２…ステータ
１２ａ…ステータヨーク部
１３…突極（ロータ側）
１４…ロータ
２３…微小定電流印加部（回路）
２４…ゼロクロス検出部（回路）
Ｘ…極性反転検出手段
Ｙ…ロータ位置検出装置
Ｚ…モータ制御装置

Claims (5)

1. 複数の相に対応する突極を備え各突極に励磁巻線を設けたステータと、複数の突極を備え前記ステータ内に配置されたロータとを具備するモータのロータ位置検出装置であって、
   前記励磁巻線に微小定電流を印加する微小定電流印加部と、前記モータのステータに現われる磁束の極性反転を検出する極性反転検出手段とを設けたことを特徴とするロータ位置検出装置。
2. 極性反転検出手段が、ステータティース部又はステータヨーク部に巻回した補助巻線と、この補助巻線に現われる誘起電圧のゼロクロスを検出するゼロクロス検出部とを備える請求項１に記載のロータ位置検出装置。
3. 極性反転検出手段が、ステータティース部に巻回した励磁巻線を利用し、この励磁巻線の電圧のゼロクロスを検出するゼロクロス検出部を備える請求項１に記載のロータ位置検出装置。
4. 極性反転検出手段が、ステータヨーク部又はステータティース部を流れる磁束を直接検出するホール素子と、このホール素子が検出する磁束の傾きのゼロクロスを検出するゼロクロス検出部とを備える請求項１に記載のロータ位置検出装置。
5. 請求項１〜４に記載のロータ位置検出装置を適用し、磁束反転を検出した際のロータ位置に基づいて励磁を開始することを特徴とするモータ制御装置。
   
   

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