JP3381509B2 - 電気角検出装置および同期モータの駆動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、同期モータにおけ
る電気角を検出する電気角検出装置およびこの電気角検
出装置を用いた同期モータの駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、同期モータにおける電気角を、ロ
ータが停止した状態、あるいは低速回転の状態でも、精
度良く検出することができる装置として、本願出願人
は、巻線に流れる電流の挙動を検出し、この挙動に基づ
いて電気角を検出する装置を既に提案している（特開平
７−１７７７８８号公報）。この電気角検出装置は、例
えば三相同期モータの場合、いずれか二つの相に流れる
電流の挙動を検出することにより、少なくとも電気角の
０からπもしくはπ〜２πの範囲において電気角を一意
に決定することができるとの知見に基づいてなされたも
のである。また、多相巻線の総ての電流値を検出する必
要がなく、例えば三相同期モータであれば、２相分の電
流を検出することで、電気角の検出が可能であった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】かかる電気角検出装置
は、ロータ（回転子）が停止した状態や低速回転の状態
でも、精度良く電気角を検出することができるという優
れたものであるが、実際に同期モータの電気角検出装置
として使用すると、検出時に異音を生じる場合があっ
た。この点を、詳細に説明する。上記電気角検出装置で
は、電圧を印加する巻線の相間を次々に変えながら測定
を行なう。即ち、図１６（Ａ）および（Ｃ）に示すよう
に、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相に電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを流して
同期モータを駆動しながら、所定のタイミングで、まず
Ｕ−ＶＷ相間に電圧を印加してＵ相に流れる電流値を測
定し（図１６（Ｃ）、タイミングｍ１）、次にＶ−ＷＵ
相間に電圧を印加してＶ相に流れる電流を測定し（タイ
ミングｍ２）、最後にＷ−ＵＶ相間に電圧を印加してＷ
相に流れる電流を測定する（タイミングｍ３）のであ
る。なお、三相に流れる電流の総和は０なので、電流セ
ンサは２箇所（例えばＵ相およびＶ相）に設けておけば
足りる。

【０００４】電気角を検出するために、このように所定
の相間に電圧を印加した場合の各相の電流を回測定する
と、電気角の検出に数ミリセカンドの時間を必要として
しまう。また、電気角の測定精度をある程度確保しよう
とすると、十数ミリセカンド毎に電気角の測定を行なう
必要があった。この結果、図１６に示したように、十数
ミリセカンド毎に数ミリセカンドに亘って測定用の電流
を流すことになり、このとき異音が発生すると考えられ
る。また、複数回に分けて測定を行なうので、Ｕ相につ
いて測定したタイミングとＷ相について測定したタイミ
ングとでは、数ミリセカンドのずれを生じてしまい、電
気角の測定精度を低下させてしまうことも考えられた。

【０００５】本発明は、上述した電気角検出装置の問題
を解決するものであり、上記の電気角測定手法の利点を
生かしつつ、異音発生の抑制や検出精度の更なる向上を
図ることを目的としてなされた。

【０００６】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】か
かる目的を達成する本発明の第１の電気角検出装置は、
三相交流を巻線に流し、該巻線による磁界と永久磁石に
よる磁界との相互作用により回転子を回転させるＵ相、
Ｖ相、Ｗ相を有する三相同期モータの電気角検出装置で
あって、Ｕ相−ＶＷ相間、Ｖ相−ＵＷ相間およびＷ相−
ＵＶ相間の各相間の組み合わせに電圧を印加した場合
に、印加した電圧に応じて前記各相に流れる電流の挙動
と電気角との関係を前記各相間の組み合わせについて予
め記憶する記憶手段と、前記各相間の組み合わせの内の
１つの相間の組み合わせに対して所定時間内に前記各巻
線が磁気飽和に達する電流が流れる大きさの電圧を印加
する電圧印加手段と、該電圧印加手段により印加された
電圧によって前記各相に流れる電流の挙動を各々検出す
る検出手段と、該検出手段により検出された前記各相の
電流の挙動に基づいて、前記記憶手段に記憶された関係
を参照し、前記モータの電気角を０〜２πの間で求める
電気角演算手段とを備えたことを要旨とする。

【０００７】この電気角検出装置は、記憶手段が、Ｕ相
−ＶＷ相間、Ｖ相−ＵＷ相間およびＷ相−ＵＶ相間の各
相間の組み合わせに電圧を印加した場合に、印加した電
圧に応じて前記各相に流れる電流の挙動と電気角との関
係を前記各相間の組み合わせについて予め記憶してい
る。実際に電気角を測定する場合には、電圧印加手段に
より、各相間の組み合わせの内の１つの相間の組み合わ
せに対して、所定時間内に前記各巻線が磁気飽和に達す
る電流が流れる大きさの電圧を印加し、この電圧印加手
段により印加された電圧によって各相に流れる電流の挙
動を検出手段より、各々検出する。こうして検出された
各相の電流の挙動に基づいて、電気角演算手段は、記憶
手段に記憶された関係を参照し、同期モータの電気角を
０〜２πの間で求める。

【０００８】したがって、電流の検出を一時に済ませる
ことができるので、異音発生が抑制される。しかも、電
気角測定に時間経過に伴う誤差が生じないので、測定精
度が一層向上するという利点がある。

【０００９】かかる電気角検出装置において、さらに、
電気角が０〜πもしくはπ〜２πのいずれの区間に属す
るかを特定する区間特定手段と、前記検出手段により検
出された各相に流れる電流の挙動が、前記電気角の０〜
２πにおいて２値的なものであるとき、前記特定された
区間から、ただ一つの電気角を決定する電気角決定手段
とを備えることもできる。

【００１０】かかる各巻線間と回転子に設けられた永久
磁石との関係が、電気角の０〜π及びπ〜２πで全く対
称になっていると、多相の各巻線間に電流が流れる所定
の組み合わせにおいて測定された各相の電流が、電気角
の０〜２π間で、全く同一となる点が２カ所存在する可
能性がある。この場合に、この電気角検出装置では、区
画特定手段により０〜πもしくはπ〜２πのいずれの区
間に電気角を属するかを特定するので、容易に現在の電
気角を求めることができる。

【００１１】また、本発明の第２の電気角検出装置は、
三相交流を巻線に流し、該巻線による磁界と永久磁石に
よる磁界との相互作用により回転子を回転させる三相同
期モータの電気角検出装置であって、Ｕ相−ＶＷ相間、
Ｖ相−ＵＷ相間およびＷ相−ＵＶ相間の各相間の組み合
わせに電圧を印加した場合に、印加した電圧に応じて前
記各相に流れる電流の挙動と電気角との関係を前記各相
間の組み合わせについて予め記憶する記憶手段と、電気
角の検出を行なう前記モータの回転数上限値により定ま
る電気角πに要する時間以内に、前記各相間の組み合わ
せの内の１つの相間の組み合わせに対して所定時間内に
前記各巻線が磁気飽和に至る電圧よりも小さな電圧を印
加する電圧印加手段と、該印加された電圧に応じて、前
記各相に流れる電流の挙動を各々検出する検出手段と、
該検出手段により検出された各相の電流の挙動に基づい
て、前記記憶手段に記憶された関係を参照し、前記モー
タの電気角を電気角０〜πもしくはπ〜２πの区間内で
求める角度検出手段と、少なくとも１回、前記電圧印加
手段によって電圧が印加された相間の組み合わせに対し
て所定時間内に前記各巻線が磁気飽和に達する電流が流
れる大きさの電圧を印加することにより、電気角が０〜
πもしくはπ〜２πのいずれの区間に属するかを特定す
る区間特定手段と、前記検出された電気角および該特定
された区間から、電気角の初期値を決定すると共に、そ
の後は前記角度検出手段により検出された電気角を用い
て現在の電気角を更新する電気角更新手段とを備えたこ
とを要旨とする。

【００１２】この電気角検出装置は、記憶手段が、Ｕ相
−ＶＷ相間、Ｖ相−ＵＷ相間およびＷ相−ＵＶ相間の各
相間の組み合わせに電圧を印加した場合に、印加した電
圧に応じて前記各相に流れる電流の挙動と電気角との関
係を前記各相間の組み合わせについて予め記憶してい
る。実際に電気角を測定する場合には、電圧印加手段に
より、電気角の検出を行なうモータの回転数上限値によ
り定まる電気角πに要する時間以内に、各相間の組み合
わせの内の１つの相間の組み合わせに対して所定時間内
に各巻線が磁気飽和に至る電圧よりも小さな電圧を印加
し、この電圧印加手段により印加された電圧によって各
相に流れる電流の挙動を検出手段より、各々検出する。
こうして検出された各相の電流の挙動に基づいて、角度
検出手段は、記憶手段に記憶された関係を参照し、同期
モータの電気角を０〜πもしくはπ〜２πの間で検出す
る。更に、このいずれの区間に属するかを、少なくとも
１回、前記電圧印加手段によって電圧が印加された相間
の組み合わせに対して所定時間内に前記各巻線が磁気飽
和に達する電流が流れる大きさの電圧を印加することに
より、区間特定手段により特定することにより、電気角
の初期値を決定し、それ以後は、角度検出手段により検
出した電気角を用いて、現在の電気角を更新する。した
がって、少なくとも１回、区間特定手段により電気角の
区間を特定しさえすれば、その後は、角度検出手段によ
る電気角の検出が、区間０〜πもしくはπ〜２πのいず
れの区間かを特定することなく行なわれても、いずれの
区間に属するかを判断することは容易であり、電気角を
正しく更新することができる。

【００１３】本発明の第１の電気角検出装置において、
前記電圧印加手段は、前記電圧を印加した一つの相間の
組み合わせによっては前記電気角を決定することができ
ない場合には、前記各相間の組み合わせの内の他の組合
わせに対して所定時間内に前記各巻線が磁気飽和に達す
る電流が流れる大きさの電圧を印加しても良い。

【００１４】本願発明の同期モータの駆動装置は、上述
した電気角検出装置と、前記同期モータに対して要求さ
れるトルク指令値を入力するトルク指令値入力手段と、
該検出された電気角と前記入力されたトルク指令値とに
基づいて、前記各相の巻線に流す電流を制御する電流制
御手段とを備えたことを要旨としている。

【００１５】この同期モータの駆動装置は、上述した電
気角検出装置により電気角を検出しており、この電気角
と同期モータに対して出力されるトルク指令値とに基づ
いて、各相の巻線に流す電流を制御する。したがって、
かかる駆動装置によれば、精度良く検出した電気角に基
づいて巻線に流す電流の制御を行なうことができ、同期
モータを効率よく運転することができる。

【００１６】

【発明の他の態様】このほか、本発明の他の態様とし
て、例えば、電圧印加手段を、その印加する電圧の周波
数を、駆動用に前記巻線に印加される交流電圧の周波数
より高い周波数した手段とした電気角検出装置等を考え
ることができる。この場合には、駆動用の交流電圧を印
加したまま測定を行なうことが可能となる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以上説明した本発明の構成・作用
を一層明らかにするために、以下本発明の好適な実施例
について説明する。図１は本発明の一実施例としての電
気角検出装置を含むモータ制御装置１０の概略構成を示
すブロック図、図２は制御対象となっている三相同期モ
ータ４０の概略構成を示す説明図、図３はこの三相同期
モータ４０の固定子３０と回転子５０との関係を示す端
面図、である。

【００１８】まず、図２を用いて、三相同期モータ４０
の全体構造について説明する。この三相同期モータ４０
は、固定子３０と回転子５０とこれらを収納するケース
６０とからなる。回転子５０は、外周に永久磁石５２が
貼付されており、その軸中心に設けられた回転軸５５
を、ケース６０に設けられた軸受６１，６２により回転
自在に軸支している。

【００１９】回転子５０は、無方向性電磁鋼板を打ち抜
いて成形したロータ５７を複数枚積層したものである。
このロータ５７は、図３に示すように、直交する位置に
４箇所の突極７１ないし７４を備える。ロータ５７を積
層した後、回転軸５５を圧入し、積層したロータ５７を
仮止めする。この電磁鋼板を素材とするロータ５７に
は、その表面に絶縁層と接着層が形成されており、積層
後所定温度に加熱して接着層を溶融・固定している。

【００２０】こうして回転子５０を形成した後、回転子
５０の外周面であって、突極７１ないし７４の中間位置
に、永久磁石５１ないし５４を軸方向に亘って貼付す
る。この永久磁石は、厚み方向に磁化されている。回転
子５０を固定子３０に組み付けた状態では、一組の永久
磁石５１，５２に着目すると、この永久磁石５１，５２
は、ロータ５７およびステータ２０を貫く磁路Ｍｄを形
成する（図３一点鎖線参照）。

【００２１】固定子３０を構成するステータ２０は、ロ
ータ５７と同じく無方向性電磁鋼板の薄板を打ち抜くこ
とで形成されており、図３に示すように、計１２個のテ
ィース２２を備える。ティース２２間に形成されたスロ
ット２４には、固定子３０に回転磁界を発生させるコイ
ル３２が巻回されている。尚、ステータ２０の外周に
は、固定用のボルト３４を通すボルト孔が設けられてい
るが、図３では図示を省略してある。

【００２２】固定子３０は、板状のステータ２０を積層
し互いに押圧した状態として、接着層を加熱・溶融する
ことで一応固定される。この状態で、コイル３２をティ
ース２２に巻回して固定子３０を完成した後、これをケ
ース６０に組み付け、ボルト孔に固定用のボルト３４を
通し、これを締め付けて全体を固定する。更に回転子５
０をケース６０の軸受６１，６２により回転自在に組み
付けることにより、この三相同期モータ４０は完成す
る。

【００２３】固定子３０の固定子コイル３２に回転磁界
を発生するよう励磁電流を流すと、図３に示すように、
隣接する突極およびロータ５７，ステータ２０を貫く磁
路Ｍｑが形成される。尚、上述した永久磁石５２により
形成される磁束が回転子５０を径方向に貫く軸をｄ軸と
呼び、固定子３０の固定子コイル３２により形成される
磁束が回転子５０を径方向に貫く軸をｑ軸と呼ぶ。この
実施例（極数４）では、両軸は電気的には、９０度の角
度をなしている。

【００２４】次に、図１に従ってモータ制御装置１０の
構成について説明する。モータ制御装置１０は、外部か
らのトルク指令を受けて三相同期モータ４０の三相
（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）のモータ電流を制御するモータ電流制
御回路１００、三相同期モータ４０のＵ相電流Ｉｕ，Ｖ
相電流ＩｖおよびＷ相電流Ｉｗを検出する電流検出器１
０２，１０４，１０６、検出したＵ相電流ＩｕおよびＶ
相電流Ｉｖに基づいてトルク値を求める電流−トルク換
算器１１０、同じく検出した電流値をディジタルデータ
に変換する３個のアナログディジタル変換器（ＡＤＣ）
１１２，１１４，１１６、電気角の演算を行なう１チッ
プマイクロプロセッサ（ＣＰＵ）１２０、電気角を演算
するためのテーブルを記憶したメモリ１２２から構成さ
れている。電流−トルク換算器１１０により換算された
トルクは、トルク指令値との差分を取るように加えら
れ、三相同期モータ４０の実際のトルクをフィードバッ
ク制御する構成となっている。また、モータ電流制御回
路１００には、トルク指令に基づいて決定されたモータ
の各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが得られるようモータの各
コイル間に印加する電圧を決定する電圧印加部１３０
が、その出力段に設けられている。ＣＰＵ１２０からの
制御出力が、この電圧印加部１３０に出力されており、
三相同期モータ４０の各コイルに印加される電圧を外部
から制御することが可能となっている。

【００２５】次に、かかる構成の三相同期モータ４０お
よびこれを制御するモータ制御装置１０において、回転
子５０の電気角を検出する原理および実際の構成につい
て詳しく説明する。図４は、三相同期モータ４０の等価
回路図である。図示するように、三相同期モータ４０の
Ｕ相とＶＷ相間に所定の電圧Ｅ１をステップ関数的に加
えた場合、ここに流れる電流Ｉｕ（ｔ）は、回路のイン
ダクタンス成分Ｌにより定まる過渡応答を示す。即ち、
回路のインダクタンスＬの大小により、電圧印加後の所
定時間での電流値Ｉｍは異なったものとなる。この様子
を図５に示した。実際の三相同期モータ４０では、イン
ダクタンスＬは、その時の回転子５０の電気角θの関数
となっているから、所定の巻線間に、所定時間、所定電
圧を加えた場合の各相電流は、電気角に応じた固有の値
となる。

【００２６】図４に示す等価回路において流れる電流
（以下、Ｕ相電流と呼ぶ）Ｉｕ（ｔ）は、次式（１）の
応答を示す。 Ｉｕ（ｔ）＝｛１−ｅｘｐ（−Ｒｔ／Ｌ）｝Ｅ１／Ｒ … （１） ここで、ｅｘｐ（）は、指数関数を示し、Ｒは回路のイ
ンピーダンスを、ｔは時間を示す。この場合のＵ相電流
Ｉｕ（ｔ）は、インダクタンスＬが大きければ電流の増
加は遅く、電圧印加後の所定時間で電流を計測すれば、
インダクタンスＬを介して電気角θを計測することがで
きることになることは上述した通りである。予め、様々
な電気角での各相電流を計測した。これを図６に示す。
図６は、図４に示したように、Ｕ相−ＶＷ相間に電圧を
印加した場合であって、しかもコイルが磁気飽和する程
度の大きな電流を流した場合の各相電流を示している。
この電流Ｉｕ，｜Ｉｖ｜，｜Ｉｗ｜は、電流検出器１０
２ないし１０６により計測した。これらの測定値Ｉｕ，
｜Ｉｖ｜，｜Ｉｗ｜は、磁気飽和を起こしていることか
ら、対称性が崩れており、Ｕ相電流Ｉｕが電流値ｉｅ以
下の範囲を除いて、これらの測定値から電気角θを明瞭
に弁別することができる。各相電流Ｉｕ，｜Ｉｖ｜，｜
Ｉｗ｜の関係を整理して電気角θと対応付けたマップを
図７として示した。実施例では、これらの関係を予め測
定し、メモリ１２２に記憶している。

【００２７】以上の説明から、Ｕ−ＶＷ相間に電圧を印
加して各相に流れる電流を測定すれば、Ｕ相の電流が所
定値ｉｅより小さい範囲を除いて、電気角θを精度良く
検出することができることが分かった。そこで、次に、
本実施例のＣＰＵ１２０が行なっている電気角検出処理
について説明する。図８は、ＣＰＵ１２０が実施する電
気角検出処理ルーチンを示すフローチャートである。な
お、この処理ルーチンの実行に先立って、処理ルーチン
で、巻線間に印加される電圧Ｅ１をこの同期モータ４０
の巻線間に印加し、電気角と各Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相のコイ
ルに流れる電流を計測し、図７に示したマップを予め作
成する。このマップは、ＣＰＵ１２０に接続されたメモ
リ１２２に予め記憶されている。

【００２８】ＣＰＵ１２０は、図８に示した処理ルーチ
ンを、同期モータ４０の最高回転数における電気角０〜
πの変化に要する時間より短い間隔で繰り返し実行す
る。例えば、同期モータ４０の最高回転数３６００ｒｐ
ｍであれば、回転子５０の１回転に要する最短時間は約
１６．７ミリセカンドであり、電気角０〜πに要する時
間は、約４ミリセカンドである。本実施例では、ＣＰＵ
１２０は、図８の処理ルーチンを、タイマ割込を利用し
て、２．５ミリセカンド毎に実行する。

【００２９】ＣＰＵ１２０は、図８の処理が起動される
と、まず、電気角θの検出を初めて行なうか否かの判断
を行なう（ステップＳ２００）。電気角θの検出は、一
旦検出が成されてしまえば、次の検出の時点で回転子５
０の回転位置はある程度予測可能となる。これに対して
初回は、回転子５０がどの位置にあるか分からない。そ
のため、電気角θの検出が初めてか否かにより、処理を
変えるのである。角度検出の初回であると判断される
と、次に巻線のＵ−ＶＷ間に所定電圧Ｅ１を印加する処
理を行なう（ステップ２１０）。この場合、印加される
電圧Ｅ１は、巻線において磁気飽和を生じる程度の電流
が流れる大きさとして、予め定められた電圧であり、図
７に示すマップを作成するのに用いられた電圧と等しい
電圧である。Ｕ−ＶＷ相間に電圧を印加すると、巻線間
にそのインダクタンスに応じた電流が流れるから、次に
この電流を電流検出器１０２ないし１０６を用いて検出
する処理を行なう（ステップＳ２２０）。Ｕ−ＶＷ相間
に印加した電圧と、各相電流との関係の一例を、図９に
示す。図示するように、ステップ関数として電圧Ｅ１を
印加すると、印加期間中に亘って電流は増加し、電圧の
印加をやめると、電流は漸減する。測定は、電圧Ｅ１の
印加をやめる直前に行なう。

【００３０】次に、検出した三相の電流のうちＵ相電流
について、その値が、図６に示した所定値ｉｅより小さ
いか否かの判断を行なう（ステップＳ２３０）。既述し
たように、正電圧を印加する側のコイルの電流が所定値
ｉｅより小さい範囲では、電気角θの検出の精度はさほ
ど高くない。そこで、正電圧を印加したコイルの電流が
所定値ｉｅにより小さい場合には、電圧を印加する相間
をＶ−ＷＵ相に変更して再度電圧Ｅ１の印加（ステップ
Ｓ２４０）、各相電流の検出（ステップＳ２５０）を行
なう。同期モータ４０の場合、Ｕ−ＶＷ相間もＶ−ＷＵ
相間も電気的には等価なので、単に電圧を印加する相間
を変更しただけである。この場合の電気角θと各相電流
との関係は、図６に示したグラフを、１２０度（２π／
３）ずつずらしたものに相当する。Ｕ相電流Ｉｕが、所
定値ｉｅ以上であれば、ステップＳ２４０およびＳ２５
０は実行しない。

【００３１】こうして電圧Ｅ１の印加に伴って各相コイ
ルに流れる電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを、電流検出器１０２
ないし１０６により検出し、その値をＡＤＣ１１２，１
１４，１１６を介して読み取った後、図７に示した各相
電流と電気角との関係を示すマップを参照して、電気角
θを決定する処理を行なう（ステップＳ２６０）。な
お、図７における｜Ｉｖ｜，｜Ｉｗ｜は、Ｕ相に正電圧
を印加した場合には、Ｖ相，Ｗ相には、図９に実例を示
したように実際には負電流が流れるので、図７のマップ
が、絶対値により作表したものであることを示してい
る。

【００３２】この実施例では、Ｕ−ＶＷ相間に印加する
電圧Ｅ１を、コイルが磁気飽和する電流が流れる程度の
大きさに設定しているので、各コイルに流れる電流は、
図６に示したように、電気角０〜πおよびπ〜２πで、
同一とはなっていない。したがって、正電圧を印加した
相に流れる電流が所定値ｉｅ以上であるようにしておけ
ば、各相電流から電気角θを一意に求めることができ
る。図７のマップを参照して電気角θを決定した後、
「ＥＮＤ」に抜けて処理を終了する。

【００３３】ステップＳ２００において、電気角の検出
が既に行なわれていると判断された場合には、ステップ
Ｓ２７０に移行し、次の処理を行なって、所定の相間に
電圧を印加する。つまり、既に電気角の検出が行なわれ
ていることから、ＣＰＵ１２０は、現在の同期モータ４
０の回転数（電気角の所定時間内の変化の逆数）、回転
の加速度（回転数の微分値）を知ることができる。そこ
で、これらの情報から回転子５０のおおよその位置を推
定し、その位置が、正電圧が印加されたコイルに流れる
電流が所定値ｉｅ未満となる位置になる可能性があるか
否かを判断する。その可能性がなければ、そのまま予め
予定した相間に電圧を印加する。他方、正電圧を印加し
たコイルに流れる電流が所定値ｉｅ未満となる可能性が
あれば、電圧を印加する相間の組み合わせを変更し、電
圧Ｅ１を印加する。その上で、各相電流を電流検出器１
０２ないし１０６により検出する（ステップＳ２８
０）。即ち、このステップＳ２７０での判断およびステ
ップＳ２８０での各相電流の検出は、実際に電圧を印加
して行なったステップＳ２１０ないしＳ２５０の処理
を、判断の上で行なうことに等しい。

【００３４】ステップＳ２８０の処理の後、検出した各
相電流に基づいて、図７のマップを参照し、電気角θを
決定する（ステップＳ２６０）。こうして求められた電
気角θの情報は、モータ制御回路１００に出力され、モ
ータ４０を起動（初回の検出値）および運転制御（初回
以外の検出値）する際の回転子５０の回転位置の情報と
して、固定子コイル３２のＵ，Ｖ，Ｗ各相に印加する信
号の位相の設定に用いられる。

【００３５】以上説明した実施例によれば、回転子５０
の位置（電気角）を検出するために行なう電圧の印加は
各測定において１回で済ませることができる。したがっ
て、電気角測定用の電圧の印加に伴う異音や振動の発生
を低減することができる。また、電気角検出用の電圧の
印加は原則として一種類の巻線間で済ませられるので、
各相電流の測定も一度で済み、検出の時間的なずれに起
因する誤差を生じる可能性がほとんどない。なお、本実
施例では、正電圧を印加する相の電流が極小となる近傍
では、電圧を印加する相間を変更しているので、特定の
範囲で電気角の検出精度が低下するということもない。
更に、一度電気角を計測してしまえば、その後は、回転
子５０の回転数や加速度から測定時の回転子５０の位置
を推定し、こうした検出精度の低い領域を避けて各相電
流の検出を行なうので、電圧の印加は１回ですませるこ
とが可能となっている。

【００３６】また、本実施例では、回転子５０の回転位
置による巻線間のインダクタンスの違いを利用して電気
角の検出を行なっているので、回転子５０が停止してい
る状態でも電気角を検出することができ、三相同期モー
タ４０をスムースに始動し、所望の制御を回転開始時か
ら行なうことができる。しかも、回転子５０の回転位置
（電気角）を検出するセンサとしては、制御に必要な電
流検出器１０２ないし１０６を流用しているので、セン
サを別に設ける必要がない。なお、Ｕ−ＶＷ間の巻線に
印加する電圧Ｅ１の大きさもしくはその印加時間を、モ
ータの起動トルクを上回る電流が流れる電圧もしくは印
加時間以下に抑えておけば、モータ４０が起動するおそ
れはない。この結果、停止状態でも電気角θを検出して
制御可能なセンサレスの同期モータ制御装置１０を容易
に構成することができ、装置の小型化、高信頼化も達成
される。起動時に、不慮のモータの回転を生じることも
ない。

【００３７】次に本発明の第２実施例について説明す
る。上記第１実施例では、相間に印加する電圧を磁気飽
和を生じる程度の電流に対応したものとし、電気角と電
流（インダクタンス）とが、電気角０〜πおよびπ〜２
πで異なっているものとした。その上で、３つの相に流
れる電流を同時に検出することで電気角を測定したが、
以下の実施例では、各相コイルの線形領域を用い（即
ち、磁気飽和が生じない範囲の電流を流し）、電気角を
０〜πもしくはπ〜２πの範囲内で測定し、その後、追
加的に測定もしくは演算を行なって、電気角がいずれの
範囲（０〜πもしくはπ〜２π）に属するかを決定する
ことで、電気角を最終的に求めている。この点で、第１
実施例とは異なる。なお、以下の説明において、０〜π
もしくはπ〜２πのいずれかの範囲内で特定された電気
角をφと記載し、０〜２πの範囲で一義的に特定された
電気角をθと呼んで区別する。

【００３８】まず、第２実施例の同期モータとその制御
装置の構成から説明する。図１０は、第３実施例のモー
タ制御装置の概略構成図である。このモータ制御装置
は、三相同期モータ４０を駆動する装置であり、演算制
御を司る電子制御ユニット（以下、単にＥＣＵと呼ぶ）
３００と、ＥＣＵ３００からの制御信号を受けて実際に
三相同期モータ４０を駆動するインバータ３１０とから
構成されている。ＥＣＵ３００は、周知のＣＰＵ３０
１，ＲＯＭ３０２，ＲＡＭ３０３などを備えた算術論理
演算回路として構成されており、後述するように、検出
した各相電流ＩＵ，ＩＶ，ＩＷを入力ポート３０６を介
して入力し、電気角の検出を行なうと共に、出力ポート
３０７を介して制御信号をインバータ３１０へ出力し、
各相への通電時間を制御する。

【００３９】インバータ３１０は、ＥＣＵ３００とのイ
ンタフェースを司るインタフェース部３１２、６個の大
電力スイッチングトランジスタからなり三相同期モータ
４０の各相への通電を直接制御する主ドライブ回路３１
４、この主ドライブ回路３１４をソース側とシンク側で
ドライブするプリドライブ回路３１６，３１８、Ｕ相，
Ｖ相，Ｗ相の電流を検出する電流検出器３２０，３２
１，３２２から構成されている。図中記号「＋」「−」
には三相同期モータ４０をドライブする主電源が接続さ
れており、記号「＋Ｖ」「−Ｖ」には、インバータ３１
０内部の安定化された制御用の正負の電源が、それぞれ
図示しない電源回路から接続されている。

【００４０】インタフェース部３１２は、ＥＣＵ３００
からの信号を受け取り、プリドライブ回路３１６，３１
８に必要な信号を出力する回路であり、特に主ドライブ
回路３１４の一対のトランジスタが同時にオン状態とな
らないように、デッドタイムを生成するデッドタイム生
成回路を備える。また、ＥＣＵ３００からＳＨＵＴＤＯ
ＷＮ信号が出力された場合に、プリドライブ回路３１
６，３１８側への一切の信号を遮断するゲートも設けら
れている。

【００４１】プリドライブ回路３１６，３１８は、主ド
ライブ回路３１４の大電力スイッチングトランジスタを
高速でスイッチングさせる回路である。なお、本実施例
では、大電力スイッチングトランジスタとして、絶縁ゲ
ートバイポーラモードトランジスタ（ＩＧＢＴ）を使用
した。

【００４２】この第２実施例の電気角検出装置は、ＥＣ
Ｕ３００内部で実現されており、その概要を図１１のフ
ローチャートに示した。即ち、ＥＣＵ３００内部で実現
された電気角検出装置は、まず、Ｕ−ＶＷ相間に電圧を
印加し（ステップＳ３００）、この電圧に対応し各相コ
イルに流れる各相電流を測定する（ステップＳ３１
０）。ここで、Ｕ−ＶＷ相間に印加する電圧は、各相コ
イルにおいて磁気飽和を生じない程度の電流となるよう
予め定めた電圧である。Ｕ−ＶＷ相間に印加する電圧の
大きさは、第１実施例とは異なる。したがって、この電
圧に応じて流れる各相電流と電気角との関係を記憶した
マップも第１実施例と異なる。

【００４３】次に、検出した各相電流を用いて、データ
を正規化する処理を行なう（ステップＳ３２０）。この
正規化の処理は、次のように行なう。図１２は、ステッ
プＳ３００の処理により各相に流れた電流をロータの電
気角θに応じて示したグラフである。図示するように、
正電圧を印加したＵ相では正の電流が流れ、負電圧を印
加したＶ相，Ｗ相では負の電流が流れている。図４に示
したように、Ｕ相を流れる電流は、Ｖ相，Ｗ相に流れる
電流の総和に等しいから、Ｕ相を流れる電流は、他の２
相の電流の平均の２倍となっている。そこで、まずＵ相
の検出電流Ｉｕを１／２にし、更に、その電流の平均値
が０となるようＵ相の検出電流Ｉｕをシフトする。他
方、Ｖ相，Ｗ相の検出電流Ｉｖ，Ｉｗも平均電流が０と
なるようシフトする。この結果、図１３として示したよ
うに、各電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗがそれぞれ１２０度（２
π／３）だけずれた関係が得られる。これが正規化の処
理である。相間に印加した電圧は、磁気飽和とならない
程度の電流に対応したものとなっているので、正規化に
より得られた各電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは、ほぼ同一の波
形をしている。

【００４４】図１２から明らかなように、各相電流Ｉ
ｕ，Ｉｖ，Ｉｗの関係は、区間０〜πと区間π〜２πと
で、同一である。即ち、各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを測
定しても、得られた三者の値からは、電気角がいずれの
区間であるかは特定することができない。そこで、ま
ず、電気角φをこのいずれかの区間にあるとして演算し
（図１１ステップＳ３３０）、次に角度検出が初めてか
否かを判断し（ステップＳ３４０）、初めてであれば以
下に説明する手法により、電気角が区間０〜πもしくは
π〜２πのいずれに属するかを特定する処理を行なう
（ステップＳ３５０）。他方、角度検出が既に行なわれ
ているのであれば、前回の位置（電気角）とその回転の
速度とから、現在の回転子５０の位置（電気角）の属す
る区間を特定する処理を行なう（ステップＳ３６０）。
第１実施例でも説明したように、所定のインターバルで
繰り返し電気角の検出を行なっていれば、現在の同期モ
ータ４０の回転数から、次の位置はおおよそ特定できる
ので、現在の電気角の属する区間を誤る心配はない。以
上の処理によって、最終的に０〜２πの範囲での電気角
θを求めることができる。

【００４５】以上説明した処理のうち、所定の相間に電
圧を印加して電気角φを０〜πもしくはπ〜２πのいず
れかの区間で演算する処理を、以下、第１ステップと呼
び、電気角がいずれの区間に属するかを判定する処理
を、第２ステップと呼ぶものとする。これらの両ステッ
プは、独立の処理として扱うことができる。本出願人
は、これらの各ステップの様々な実現方法、実施する装
置について、特願平６−２３８５００号（特開平７−１
７７７８８号）により提案している。その中の一つの手
法について、以下簡略に説明するが、他の手法も当然適
用可能である。

【００４６】＜第１ステップについて＞上記実施例で
は、三相の各コイル電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗと電気角φと
のマップを予め記憶しておき、これから区間０〜πもし
くはπ〜２πのいずれかの範囲で、電気角φを求めるも
のとした。このほかに、第１ステップの手法としては、
次のような構成が考えられる。図１３に示したように、
正規化された各相間の電流は、１２０度ずつずれている
から、電気角０〜１８０度に着目すると、各相の最大電
流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの関係は、３０度ずつ変化し、全部
で６通りの組合わせになることが分かる。即ち、 区分１（０〜３０度） →Ｉｕ＞Ｉｖ＞Ｉｗ 区分２（３０〜６０度） →Ｉｖ＞Ｉｕ＞Ｉｗ 区分３（６０〜９０度） →Ｉｖ＞Ｉｗ＞Ｉｕ 区分４（９０〜１２０度） →Ｉｗ＞Ｉｖ＞Ｉｕ 区分５（１２０〜１５０度）→Ｉｗ＞Ｉｕ＞Ｉｖ 区分６（１５０〜１８０度）→Ｉｕ＞Ｉｗ＞Ｉｖ

【００４７】各区間の各相最大電流のうち、中間の大き
さを持つもの（例えば区分１ではＩｖ、区分２ではＩｕ
・・・）をこの区分で直線であるとみなして近似するこ
とができる。この例であれば、各相最大電流の平均値を
Ｉav、ｎ番目の区分で直線近似する電流をＩｎ、直線の
傾きをｍとして、電気角φは、次式（２）により求める
ことができる。 φ＝（ｎ−１）×３０＋１５＋ｓｇｎ×（Ｉav−Ｉｎ）×ｍ … （２） なお、ここで、ｓｇｎ＝１：区分１，３，５、−１：区
分２，４，６である。即ち、奇数区分ではｓｇｎは値１
であり、偶数の区分ではｓｇｎは値−１である。また、
区分１，４ではＩｎ＝Ｉｖ、区分２，５ではＩｎ＝Ｉ
ｕ、区分３，６ではＩｎ＝Ｉｗである。

【００４８】＜第２ステップについて＞第１ステップで
は、磁気飽和しない程度の磁束となるように、相間コイ
ルに印加する電圧を制限したが、第２ステップでは、磁
気飽和による非対称性を利用して、第１ステップで求め
た電気角φが、０〜π（１８０度）もしくはπ（１８０
度）〜２π（３６０度）のいずれの範囲に属するか、即
ち図１４に示した区分１ａ，２ａ，３ａ，４ａ，５ａ，
６ａと区分１ａ′，２ａ′，３ａ′，４ａ′，５ａ′，
６ａ′のいずれに属するかを判定する。

【００４９】Ｕ−ＶＷ相間に、Ｕ相を正、Ｖ相Ｗ相を負
として、磁気飽和を生じる程度の電流が流れるような電
圧を所定時間印加した場合のコイル電流（以下、これを
Ｉｕ＋と表記する）の一例を、第１実施例において図６
として示した。他方、Ｕ相を負、Ｖ相Ｗ相に正とした場
合のコイル電流Ｉｕ−を極性を入れ換えて、コイル電流
Ｉｕ＋と重ねて描いたのが、図１５である。図示するよ
うに、第１ステップの上記実施例で示した６つの区分１
ないし６に対して、コイル電流Ｉｕ＋は、区分１ないし
３および区分４′ないし６′でコイル電流Ｉｕ−を上回
り、区分４ないし６および区分１′ないし３′でコイル
電流Ｉｕ−を下回る。従って、両コイル電流Ｉｕ＋，Ｉ
ｕ−を測定すれば、区分１と１′（２と２′、以下同
様）を判別することができる。

【００５０】そこで、上述した第１ステップと第２ステ
ップの組み合わせることにより、電気角θを区間０〜２
πの範囲内で位置に決定することができる。実際に行な
われる測定の様子を図１６に示した。電気角測定の初回
には、図１６に示すように、まずＵ−ＶＷ相間に、磁気
飽和が生じない程度の電流が流れる電圧を印加し、この
ときの各相コイル電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを、電流検出器
３２０ないし３２２により検出する。この検出結果に基
づいて、第１ステップの処理により、区間０〜πもしく
はπ〜２πのいずれかの範囲において電気角φを特定す
る。次に、同じＵ−ＶＷ相間に、磁気飽和が生じる程度
の高い電圧を印加し、そのときのＵ相コイル電流Ｉｕ＋
を検出し、更に同じ相間にプラスマイナスを逆にして電
圧を印加し、同様にＵ相コイル電流Ｉｕ−を検出する。
これが第２ステップの処理に相当する。以上の第２ステ
ップの処理の後、電気角θの属する区間を特定し、第１
ステップの処理結果と併せて電気角θを特定する。

【００５１】なお、電気角の検出が初回でなければ、先
に検出した電気角θから、次の検出時点における電気角
θの存在範囲は推定することができるから、第２ステッ
プの処理を行なうことなく、電気角θを特定することが
できる。こうして得られた電気角θに基づいて、ＥＣＵ
３００は、インバータ３１０を介して同期モータ４０の
駆動電流を制御し、停止状態から回転状態まで、入力し
たトルク指令値に応じて、同期モータ４０を効率よく運
転することができる。この場合でも、電気角の検出用の
電圧は、原則として１回印加すれば足りるので、測定用
電圧の印加に起因する異音の発生やトルク変動の発生
は、格段に抑制される。また、この実施例では、第１ス
テップの処理のために印加する電圧を第１実施例より小
さくすることができるので、この点で、異音の抑制やト
ルク変動の低減に更に有利である。

【００５２】以上本発明のいくつかの実施例について説
明したが、本発明はこれらの実施例に何等限定されるも
のではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内におい
て、種々なる態様で実施できることはもちろんである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の概略構成を示すブロック
図である。

【図２】実施例の固定子３０を組み込んだ三相同期モー
タ４０の構造を示す断面図である。

【図３】実施例で用いた三相同期モータ４０の固定子３
０と回転子５０との関係を示す端面図である。

【図４】実施例における三相同期モータの等価回路を示
す説明図である。

【図５】Ｕ−ＶＷ相間に電圧Ｅ１を印加した場合のＵ相
電流Ｉｕ（ｔ）の過渡応答を示すグラフである。

【図６】電気角θと各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗとの関係
を示すグラフである。

【図７】各相電流の組み合わせから電気角θを求めるた
めのマップを示す説明図である。

【図８】第１実施例における電気角検出処理ルーチンを
示すフローチャートである。

【図９】印加電圧Ｅ１に対する検出電流の実例を示すグ
ラフである。

【図１０】第２実施例における電気角検出装置および同
期モータ４０の駆動装置の構成を示すブロック図であ
る。

【図１１】第２実施例における電気角検出処理ルーチン
を示すフローチャートである。

【図１２】第２実施例における各相電流を示すグラフで
ある。

【図１３】正規化された各相電流を示すグラフである。

【図１４】各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗから、電気角を演
算するための近似の手法を示す説明図である。

【図１５】電気角の属する区間を特定するためのコイル
電流Ｉｕ＋とＩｕ−との関係を示すグラフである。

【図１６】第２実施例における測定の様子を示すグラフ
である。

【図１７】従来技術における電気角の測定の様子を示す
グラフである。

【符号の説明】

１０…モータ制御装置 ２０…ステータ ２２…ティース ２４…スロット ３０…固定子 ３２…固定子コイル ３４…ボルト ３６…ボルト孔 ４０…三相同期モータ ５０…回転子 ５２…永久磁石 ５５…回転軸 ５７…ロータ ６０…ケース ６１，６２…軸受 ７１…突極 １００…モータ制御回路 １００…モータ電流制御回路 １０２，１０４，１０６…電流検出器 １１０…トルク換算器 １１２，１１４，１１６…ＡＤＣ １２０…ＣＰＵ １２２…メモリ １３０…電圧印加部 ３００…ＥＣＵ ３１０…インバータ ３２０，３２１，３２２…電流検出器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02P 7/63 H02P 6/16

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 三相交流を巻線に流し、該巻線による磁
   界と永久磁石による磁界との相互作用により回転子を回
   転させるＵ相、Ｖ相、Ｗ相を有する三相同期モータの電
   気角検出装置であって、Ｕ相−ＶＷ相間、Ｖ相−ＵＷ相間およびＷ相−ＵＶ相間
   の各相間の組み合わせに電圧を印加した場合に、 印加し
   た電圧に応じて前記各相に流れる電流の挙動と電気角と
   の関係を前記各相間の組み合わせについて予め記憶する
   記憶手段と、 前記各相間の組み合わせの内の１つの相間の組み合わせ
   に対して所定時間内に前記各巻線が磁気飽和に達する電
   流が流れる大きさの電圧を印加する電圧印加手段と、 該電圧印加手段により印加された電圧によって前記各相
   に流れる電流の挙動を各々検出する検出手段と、 該検出手段により検出された前記各相の電流の挙動に基
   づいて、前記記憶手段に記憶された関係を参照し、前記
   モータの電気角を０〜２πの間で求める電気角演算手段
   とを備えた電気角検出装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の電気角検出装置はさら
   に、 電気角が０〜πもしくはπ〜２πのいずれの区間に属す
   るかを特定する区間特定手段と、 前記検出手段により検出された各相に流れる電流の挙動
   が、前記電気角の０〜２πにおいて２値的なものである
   とき、前記特定された区間から、ただ一つの電気角を決
   定する電気角決定手段とを備えた電気角検出装置。
3. 【請求項３】 三相交流を巻線に流し、該巻線による磁
   界と永久磁石による磁界との相互作用により回転子を回
   転させる三相同期モータの電気角検出装置であって、Ｕ相−ＶＷ相間、Ｖ相−ＵＷ相間およびＷ相−ＵＶ相間
   の各相間の組み合わせに電圧を印加した場合に、 印加し
   た電圧に応じて前記各相に流れる電流の挙動と電気角と
   の関係を前記各相間の組み合わせについて予め記憶する
   記憶手段と、電気角の検出を行なう前記モータの回転数
   上限値により定まる電気角πに要する時間以内に、前記
   各相間の組み合わせの内の１つの相間の組み合わせに対
   して所定時間内に前記各巻線が磁気飽和に至る電圧より
   も小さな電圧を印加する電圧印加手段と、 該印加された電圧に応じて、前記各相に流れる電流の挙
   動を各々検出する検出手段と、 該検出手段により検出された各相の電流の挙動に基づい
   て、前記記憶手段に記憶された関係を参照し、前記モー
   タの電気角を電気角０〜πもしくはπ〜２πの区間内で
   求める角度検出手段と、 少なくとも１回、前記電圧印加手段によって電圧が印加
   された相間の組み合わせに対して所定時間内に前記各巻
   線が磁気飽和に達する電流が流れる大きさの電圧を印加
   することにより、電気角が０〜πもしくはπ〜２πのい
   ずれの区間に属するかを特定する区間特定手段と、 前記検出された電気角および該特定された区間から、電
   気角の初期値を決定すると共に、その後は前記角度検出
   手段により検出された電気角を用いて現在の電気角を更
   新する電気角更新手段とを備えた電気角検出装置。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の電気角検出装置におい
   て、 前記電圧印加手段は、前記電圧を印加した一つの相間の
   組み合わせによっては前記電気角を決定することができ
   ない場合には、前記各相間の組み合わせの内の他の組合
   わせに対して所定時間内に前記各巻線が磁気飽和に達す
   る電流が流れる大きさの電圧を印加する 電気角検出装
   置。
5. 【請求項５】 請求項１もしくは請求項３記載の電気角
   検出装置と、 前記同期モータに対して要求されるトルク指令値を入力
   するトルク指令値入力手段と、 該検出された電気角と前記入力されたトルク指令値とに
   基づいて、前記各相に流す電流を制御する電流制御手段
   とを備えた同期モータの駆動装置。