JP2006129667A - ロータ位置のセンサレス検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 検出精度を低下させることなく電流の通電音を低減するロータ位置のセンサレス検出方法を提供する。
【解決手段】 第一インバータ３、第二インバータ４により単一のモータＭを駆動又は回生するモータＭのロータ位置を検出するロータ位置のセンサレス検出方法であって、前記第一、第二インバータ３，４の内の第一インバータ３に電流ｉを通電して、この電流ｉにより変化するモータＭの合成インダクタンスからロータの位置を検出する工程を有することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、ロータ位置のセンサレス検出方法に関するものである。

従来、インバータ等によって駆動制御を行う三相ブラシレスタイプのモータが知られている。この三相ブラシレスタイプのモータでは、始動時の十分なトルクを発生させるためにロータの停止位置を検出して巻線に通電する順序を適正化する必要がある。そのため、このようなモータでは、通常、レゾルバ等の回転位置検出センサを用いたロータ位置検出を行っている。しかし、このようなロータ位置の検出方法では、部品点数が増加するとともに、コストが増加するという問題があった。また、レゾルバ等回転位置検出センサの設置箇所が高温環境下であるため、レゾルバ等回転位置検出センサの更なるコスト増加となっていた。そこで近年、レゾルバ等の回転位置検出センサを用いずに三相ブラシレスモータのロータ位置を検出するセンサレス検出方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この一例を図３〜図５に基づいて説明する。図３は三相ブラシレスタイプのモータｍと、これを駆動するインバータ３０との回路を示している。同図において、３１はバッテリを示しており、このバッテリ３１はインバータ３０に電流を供給している。前記インバータ３０は、この入力端子間に接続されたコンデンサ３２と、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に対応したアーム３３Ｕ、３３Ｖ、３３Ｗとで構成されている。これらの各アーム３３Ｕ、３３Ｖ、３３Ｗはスイッチング素子である高電位側のトランジスタ３４と低電位側のトランジスタ３５とを直列に接続し、前記高電位側トランジスタ３４と低電位側トランジスタ３５のコレクタ端子とエミッタ端子との間にエミッタ端子からコレクタ端子に向けて順方向となるダイオード３６を設けたものである。

そして、前記インバータ３０の各アーム３３Ｕ，３３Ｖ，３３Ｗには、高電位側トランジスタ３４と低電位側トランジスタ３５との間から分岐して、三相ブラシレスタイプのモータｍのＵ相巻線３７Ｕ、Ｖ相巻線３７Ｖ、Ｗ相巻線３７Ｗが接続されている。前記Ｕ相巻線３７Ｕ、Ｖ相巻線３７Ｖ、Ｗ相巻線３７Ｗとは、それぞれ６個ずつの巻線３８が並列接続されたものであり、これらの各巻線３８が前記モータｍのステータのティースに巻回されている。例えば、Ｕ相巻線３７Ｕに電流Ｉを通電する場合には、この通電電流Ｉが並列に接続された６個の巻線３８全てに分岐して流れることとなる。
さらに、前記Ｕ相巻線３７Ｕ、Ｖ相巻線３７Ｖ、Ｗ相巻線３７Ｗと、アーム３３Ｕ，３３Ｖ，３３Ｗとの間には電流検出用のセンサ３９が接続され、このセンサ３９の検出信号が図示しない制御装置に入力されている。

図４はモータｍのロータ４０とティース４１との位置関係を簡略化して示したものであり、上述したモータｍの場合には、実際は１８個のティース４１が図示しないステータの内周面から径方向内側に向かって形成されることとなる。前述したようにステータのティース４１には巻線３８が巻回されている。一方、前記モータｍのロータ４０を構成する鉄心の左右面には永久磁石４３がそれぞれ固定され、この永久磁石４３はそれぞれＳ極とＮ極とを呈している。このように鉄心４２に永久磁石４３，４３を固定した場合、ロータ４０の表面に鉄心４２が露出した部分と露出しない部分とが形成されるため、図５（ａ）に示すように、前記ロータ４０を回転させると、前述したティース４１の内側面に対して前記鉄心４２が露出した部分と露出していない部分とが交互に向かい合うことになる。ここで、前記ティース４１は高電位側トランジスタ３４がＯＮとなるアームに接続されている巻線を巻回したものを示している。

図５（ｂ）は縦軸をインダクタンス、横軸をロータ角度とした場合の巻線３８の合成インダクタンスの変化を示している。ここで、前記巻線３８に電流を通電すると、鉄心４２の露出した面が前記ティース４１に対向する時（図４において、ロータの太い矢印がティースを指す時）にはロータ４０の鉄心４２部分が磁束の磁路となるため、前記モータｍの合成インダクタンスが大きくなる。一方、鉄心４２が露出していない面が前記ティース４１に対向する時（図４において、ロータの細い矢印がティースを指す時）には、磁気抵抗が大きい前記永久磁石４３を貫通して磁束が確立するため、前記合成インダクタンスは小さくなる。

つまり、図５（ｂ）に示すように、ロータ４０の回転位置によって前記Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各巻線３７Ｕ，３７Ｖ，３７Ｗの合成インダクタンスＬ３７は最大値と最小値との間を単調に増減する曲線を描くこととなる。そして、これらの合成インダクタンスＬ３７の最大値と最小値との和を半分にした値を基準インダクタンスとし、モータｍの始動前の短時間に巻線３８に電流を流して合成インダクタンスＬ３７を測定し、これを前記基準インダクタンスと比較することによって、インダクタンスのレベルが測定される。そして、各Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相巻線３７Ｕ，３７Ｖ，３７Ｗから個別に電流を流した際のインダクタンスのレベルを予め求めて記憶しておき、測定されたインダクタンスのレベルと同一のインダクタンスのレベルの通電パターンを検索することで、ロータ４０の停止位置を検出することができる。尚、図５（ａ）の破線と一点鎖線で示す曲線は、それぞれ１２０°、２４０°の位置に配置されたティース４１の巻線から電流を通電した場合の合成インダクタンスを示している。
特開２００１−１３６７７９号公報

しかしながら、上述したロータ位置のセンサレス検出方法では、全ての巻線３８に高周波の大電流を通電して合成インダクタンスＬ３７を求めているため、通電音が大きくなるという問題がある。また、通電音を小さくするべく巻線３８の通電電流を小さくすると、合成インダクタンスＬ３７の検出レベルが低くなり、位置検出の精度が低下する問題がある。

そこで、この発明は、検出精度を低下させることなく電流の通電音を低減するロータ位置のセンサレス検出方法を提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、複数のインバータ（例えば、実施の形態における第一インバータ３、第二インバータ４）により単一のモータ（例えば、実施の形態におけるモータＭ）を駆動又は回生するモータのロータ位置を検出するロータ位置のセンサレス検出方法であって、前記複数のインバータの内の１つのインバータに電流（例えば、実施の形態における電流ｉ）を通電して、この電流により変化するモータのインダクタンス（例えば、実施の形態における合成インダクタンスＬ）からロータの位置を検出する工程を有することを特徴とする。
このように構成することで、センサレス制御用の電流を流す巻線を限定して通電する電流値を小さくすることができる。

請求項１に記載した発明によれば、センサレス制御用の電流を流す巻線を限定し、インバータから通電する電流値を小さくすることができるため、通電音を低減することができると共に、電流を制御するインバータで発生する放射ノイズや導通損失を低減する効果がある。一方、巻線当たりの通電電流を増加させることもできるため、検出信号のレベルを増加させて位置検出の精度を向上させることができる効果がある。

次に、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。この実施の形態のモータＭは前述した従来のモータｍと同様に三相ブラシレスタイプのモータＭであって、このモータＭのステータの内周面から径方向中心に向かって１８個のティースが形成され、このティースに巻き数が等しい巻線が各々巻回されているものである。
図１に示すように、モータＭは２組の三相巻線であるＵ，Ｖ，Ｗ相巻線１Ｕ，１Ｖ，１ＷとＲ，Ｓ，Ｔ相巻線１Ｒ，１Ｓ，１Ｗとで構成されている。前記Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線１Ｕ，１Ｖ，１ＷとＲ，Ｓ，Ｔ相巻線１Ｒ，１Ｓ，１Ｗとは、各相がそれぞれ３つの巻線２を並列接続したものであり、これらのＵ，Ｖ，Ｗ相巻線１Ｕ，１Ｖ，１Ｗ、Ｒ，Ｓ，Ｔ巻線１Ｒ，１Ｓ，１Ｗがそれぞれロータ中心に対して２０°毎、ステータ内周面からの計１８箇所に形成されたティースに巻回されている。そして、これらＵ，Ｖ，Ｗ相巻線１Ｕ，１Ｖ，１ＷとＲ，Ｓ，Ｔ相巻線１Ｒ，１Ｓ，１Ｗとの同一相の３つの巻線はそれぞれ６０°毎に配置されている。

前記各Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線１Ｕ，１Ｖ，１ＷとＲ，Ｓ，Ｔ相巻線１Ｒ，１Ｓ，１Ｗとには、前者の駆動電流を制御する第一インバータ（インバータ）３と、後者の駆動電流を制御する第二インバータ（インバータ）４とがそれぞれ接続されている。前記第一インバータ３と第二インバータ４とは前記Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線１Ｕ，１Ｖ，１Ｗ、Ｒ，Ｓ，Ｔ相巻線１Ｒ，１Ｓ，１Ｗの各相に対応した３組のアーム５Ｕ，５Ｖ，５Ｗとアーム５Ｒ，５Ｓ，５Ｔとを各々有しており、各アーム５Ｕ，５Ｖ，５Ｗ，５Ｒ，５Ｓ，５Ｔは高電位側トランジスタ６と低電位側トランジスタ７とで構成されている。そして、前記Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線１Ｕ，１Ｖ，１Ｗと第一インバータ３との間には電流センサ８Ｕ，８Ｖ，８Ｗが各々取り付けられており、この電流センサ８の検出信号が後述する制御装置９に入力されている。尚、高電位側トランジスタ６と低電位側トランジスタ７とのコレクタ−エミッタ間にはエミッタからコレクタに向かって順方向となるダイオード１０が接続されている。

前記第一インバータ３と第二インバータ４との高電位側トランジスタ６にはバッテリ１１のプラス端子が接続され、低電位側トランジスタ７にはバッテリ１１のマイナス側端子が接続されている。つまり、前記バッテリ１１には第一インバータ３と第二インバータ４とが並列に接続され、このバッテリ１１から各第一、第二インバータ３，４に対してモータＭの駆動電流が均等に供給されている。前記バッテリ１１にはプラス端子とマイナス端子との間にノイズ除去用のコンデンサ１２が接続されている。

前記第一インバータ３と第二インバータ４とには、これらのＰＷＭデューティを制御する制御装置９がインターフェース回路１３を介して接続されている。この制御装置９には前記バッテリ１１の端子間の電圧Ｅを検出する電圧検出器１４と電流センサ８との検出信号が入力されている。さらに、前記制御装置９には、記憶装置１５が接続されている。この記憶装置１５は各高電位側トランジスタ６、低電位側トランジスタ７のスイッチングを制御するプログラムを含む各種データを収容したものである。前記制御装置９は前記電圧検出器１４と電流センサ８の検出信号に基づいて第一、第二インバータ３，４のＰＷＭデューティを算出し、この算出結果であるＰＷＭ制御信号を前記第一インバータ３と第二インバータ４とに出力している。つまり、前記制御装置９は前記第一インバータ３と第二インバータ４とを個別に制御しているのである。

ところで、前記制御装置９では、モータＭ始動時のロータ位置を測定するためにモータＭの始動直前に前記第一インバータ３を駆動して前記Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線１Ｕ，１Ｖ，１Ｗに測定電流ｉを通電させている。この時、前記制御装置９では前記電圧検出器１４と電流センサ８との検出信号に基づいて合成インダクタンス（インダクタンス）Ｌを求めている。
具体的には、第一インバータ３を駆動して前記Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線１Ｕ，１Ｖ，１Ｗにバッテリ１１の出力電圧である電圧Ｅを印加すると測定電流ｉが時間的に変化する。すなわち、電圧Ｅは、

となり、前記合成インダクタンスＬを検出するには、電圧Ｅと前記電流ｉの時間変化分（ｄｉ／ｄｔ）とを検出すれば良い。ここで、前記Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線１Ｕ，１Ｖ，１Ｗに数１００μ秒から数ｍ秒程度電源電圧を印加して、この時の電圧Ｅと測定電流ｉの時間変化分とを検出し、前記制御装置９で合成インダクタンスＬを算出している。尚、電圧Ｅの印加時間は測定時にロータ回転トルクを発生させないように短時間で完了させることが望ましい。

一方、前記記憶装置１５にはモータＭ始動前に測定された基準インダクタンスＬ０のデータが収容されている。この基準インダクタンスＬ０は、合成インダクタンスＬの最大値と最小値との和を半分にしたものであり、前記制御装置９ではこの基準インダクタンスＬ０と、制御装置９で算出された合成インダクタンスＬとを比較してインダクタンスレベルＬ１を求めている。
また、前記記憶装置１５には予めＵ，Ｖ，Ｗ相巻線１Ｕ，１Ｖ，１Ｗのそれぞれから測定電流ｉを通電した場合のインダクタンスレベルＬ２と、このインダクタンスレベルＬ２に対応したロータ位置のデータとが収容されている。前記インダクタンスレベルＬ２と、前記合成インダクタンスＬによって求められたインダクタンスレベルＬ１とを比較すると、これらインダクタンスレベルＬ２の中でインダクタンスレベルＬ１に一致するものが求まり、この一致するインダクタンスレベルＬ２の通電パターンに対応したロータ位置を現在のロータ位置として検出することができる。

次に、図２のフローチャートに基づいて、制御装置のロータ位置検出処理を説明する。
まず、ステップＳ１ではエンジンの始動指令を出力する。ステップＳ２ではロータ位置検出に用いる３相のインバータを用いて、モータの各相巻線に電流を流す。ステップＳ３では電圧検出器と電流センサとの検出信号に基づいて合成インダクタンスを算出し、これに対応したロータ位置を検出する。

したがって、上述した実施の形態によれば、従来と比較して巻線２の並列接続の数が半分の３つとなり約２倍の合成インダクタンスＬを有する前記Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線１Ｕ，１Ｖ，１Ｗだけに第一のインバータ３によって測定電流ｉを通電することができるため、合成インダクタンスＬの検出レベルを確保しつつ、測定電流ｉを半分にすることができる。そして、測定電流ｉが小さくなることで、ロータ位置検出時の通電音を低減することができると共に、第一インバータ３での放射ノイズや同通損失を低減することができる。

また、前記Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線１Ｕ，１Ｖ，１Ｗに通電する測定電流ｉを従来の半分よりも大きく設定すると、例えば、従来と同じ測定電流以下であっても検出される電圧Ｅのレベルが増加するため、例えば図５（ｂ）に示すような合成インダクタンスＬの曲線の最大値と最小値との間の範囲が広がり、Ｓ／Ｎ比を向上させることができ、この結果、ロータ位置検出の精度を向上させることができる。
尚、この発明は上述した実施の形態に限られるものではなく、ティースの数は適宜選択して用いてもよい。
また、上記実施の形態では第一、第二インバータを設けてある場合について説明したが、複数のインバータを設ければよく、例えばインバータと三相巻線とをｎ組設けた場合に、この内の１組に測定電流を通電してもよく、この場合、測定電流をｎ分の一にすることができる。さらに複数のインバータと複数の３相巻線とを設けた場合に、測定電流の通電は一つの三相巻線に限られるものではなくインバータと三相巻線の組数ｎに対して、ｎ−α（１≦α＜ｎ）組に限定して測定電流を通電するようにしてもよい。

本発明の実施の形態におけるモータシステムの回路図である。 本発明の実施の形態におけるロータ位置検出処理のフローチャートである。 従来のモータシステムの回路図である。 ロータと巻線との配置の説明図である。 ロータとステータとの配置と合成インダクタンスとの関係を示すグラフである。

符号の説明

３ 第一インバータ（インバータ）
４ 第二インバータ（インバータ）
Ｍ モータ
ｉ 電流

Claims (1)

1. 複数のインバータにより単一のモータを駆動又は回生するモータのロータ位置を検出するロータ位置のセンサレス検出方法であって、前記複数のインバータの内の１つのインバータに電流を通電して、この電流により変化するモータのインダクタンスからロータの位置を検出する工程を有するロータ位置のセンサレス検出方法。
   

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