JP2007189836A - モータ駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータ・ステータ間のギャップ付近に多数の磁束センサを設置することなくベクトル制御を行えるモータ駆動制御装置を提供する。
【解決手段】磁極鉄心２２と磁極鉄心２２との間のバックヨーク２１の最外周に磁束センサ２７ａ，２７ｂを埋め込み、電力変換部・制御部１６において、磁束センサ２７ａと磁束センサ２７ｂとの差分をもって磁極磁束検出値とし、磁極磁束検出値と磁極磁束指令値とを比較して巻き線２３への印加電圧を制御する信号を生成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ステータ巻き線への印加電圧を制御するモータ駆動制御装置に関する。

交流モータの制御はステータ巻き線に接続されたインバータで行われるが、特にベクトル制御とよばれる、ロータの位置や回転速度を勘案してステータの瞬時巻き線電流を決定し、これにより瞬時トルクを制御する制御方法においては、各巻き線の瞬時電流を測定することが不可欠であり、巻き線毎に電流センサまたは磁束センサを設置する必要があった。
特開２００４−２９７８８１号公報

電流センサでは磁束平衡型とよばれる、電流を測るべき主導体をコアに巻きつけ、これで誘導されるコア内の磁束を、同一コアに巻かれた２次巻き線の電流を調整することによりキャンセルし、このキャンセルに必要な２次巻き線電流値をもって電流測定値とする、という方法が一般的である。この方法では、電流センサはコア（強磁性体）、２次巻き線、コア磁束測定素子（ホール素子）、２次巻き線制御用回路、などを組み立てた複合部品となるため、コスト・小形化が困難であるという問題があると共に、耐久性・信頼性をコントロールすることが難しい。電流センサに起因する問題は、巻き線の多重化（特許文献１）などを進める上ではより大きな課題となってくる。

一方、電流センサではなく磁束センサを使用する方式も考えられる。磁束センサは電流センサに比べ低コスト化・小形化が可能である。モータのベクトル制御は、ロータに対してロータ・ステータ間のギャップの周方向磁束分布を合成するものであるので、このギャップ磁束を直接測るべく、ギャップに多数の磁束センサを設置することが行われているが、ギャップに設置するがゆえに、設置場所・配線などの問題点がある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、大形で高コストの電流センサを用いることなく、またロータ・ステータ間のギャップに多数の磁束センサを設置することなくベクトル制御を行えるモータ駆動制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、モータのステータのバックヨーク部分に磁束センサを埋め込み、磁束センサの検出信号を用いて巻き線への印加電圧を制御することを特徴とし、集中巻きの巻き線を有するモータにおいては、磁極鉄心と磁極鉄心との間のバックヨーク部分に磁束センサを埋め込み、隣の磁束センサとの差分をもって磁極磁束検出値とし、磁極磁束検出値と磁極磁束指令値とを比較して磁極巻き線への印加電圧を制御することを特徴とする。磁束センサは、バックヨークの、ロータとは反対側、あるいはバックヨークのロータ側、あるいはバックヨークの厚み方向中心部に埋め込むことが好ましい。

本発明は、モータのバックヨーク部分に磁束センサを埋め込み、磁束センサからの信号で巻き線に与える電圧を操作してフィードバック制御するので、大形でコスト高の電流センサを用いることなく、また、磁束センサを設置困難なロータ・ステータ間のギャップ付近に設置することなく、モータのベクトル制御を行うことができる。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明に用いるモータの概略構成を示す図である。ここでは、ラジアルギャップ型のモータについて説明する。モータ１１を、ステータ１２と、ステータ１２のバックヨークの外周部に配置された電力変換部・制御部１６と、永久磁石を備えたロータ１３と、略円筒形状のケース１５により構成する。ステータ１２と回転空隙を介して隣接するロータ１３の回転軸１４を、図示しないベアリングを介してケース１５により支持する。

制御部・電力変換部１６では、制御部からの制御信号（例えばＰＷＭ）に応じて、電力変換部のスイッチ部を制御することにより、直流電源１７から供給される直流電流をｎ相、ここでは３相交流電流に変換する。

次に、ステータの構成の第１の実施例を図２を用いて説明する。図２は、ステータの一部の概略構成を示している。ステータを、ロータ１３に向かって突出した磁極鉄心２２を備えるバックヨーク２１と、磁極鉄心２２に巻装した巻き線（コイル）２３とから構成する。磁極鉄心２２は、実際には周方向に９個均等に備えるが、図では３個のみを表示している。また、巻き線（コイル）２３は、集中巻により構成する。ここでは、モータは３相交流電流により駆動されるので、同相となる磁極鉄心２２が各相に対して３個ずつ存在する。

また、図２ではステータのバックヨーク２１の外周部に電力変換部・制御部１６を配置し、磁極鉄心２２に巻かれている巻き線２３と電力変換部・制御部１６を巻き線給電線２６で結線すると同時に、バックヨーク２１の磁極鉄心と磁極鉄心との間であって、バックヨーク２１の最外周（ロータの反対側）に磁束センサ２７ａ，２７ｂを埋め込み、磁束センサ２７ａ，２７ｂと電力変換部・制御部１６とを結線する。図２では、１つの磁極部分のみについて、電力変換部・制御部１６、巻き線給電線２６、磁束センサ２７ａ，２７ｂを表示するが、実際には、各磁極についてこれらが配置されている。磁束センサ２７ａ，２７ｂとしては、例えばホール素子、磁気抵抗素子等を用いることができる。磁束センサ２７ａ，２７ｂは、アキシャルギャップ型のモータの場合は、バックヨーク背面に設置する。

図３に本発明のモータ駆動制御装置のシステム構成図を示す。本発明のモータ駆動制御装置は、磁極を単位として、磁極鉄心、巻き線、バックヨーク、バックヨークに埋め込まれた磁束センサ、巻き線毎の電力変換部・制御部（パワー半導体チップとドライバ・制御部品）を一体のモジュールとし、磁束制御系を構成している。図３は、１つのモジュールである磁極１モジュールについて示しており、モジュール数は、モータの磁極数、相数に応じて増減する。

次に、磁極１モジュールの動作を説明する。なお、バックヨークの磁極鉄心と磁極鉄心との間に埋め込まれる磁束センサをそれぞれ１Ａ，１Ｂとする。磁束指令値計算部は、モータトルク指令値に対して、瞬時ロータ角・ロータ角速度を引数とする磁束指令値テーブルを有しており、モータトルク指令値が、磁束指令値計算部に与えられると、モータトルク指令値は、ロータ位置、ロータ速度（界磁巻き線のある場合はさらに界磁電流）などから各巻き線の磁極磁束指令値へと変換される。その磁極磁束指令値を受け取った磁極１モジュールの制御部では、磁極１モジュールのバックヨーク部に埋め込まれた磁束センサ１Ａと磁束センサ１Ｂの検出信号の差分を当該磁極磁束検出値とし、これと先の磁極磁束指令値との偏差により電力変換部への操作量を計算する。電力変換部では操作量に応じて半導体素子のＯＮ／ＯＦＦ信号を生成し、これで巻き線に印加する電圧を制御して、磁極の磁束を制御する。

隣り合う磁極モジュールは、磁束センサを共有できるため、磁極２モジュールのバックヨークの磁極鉄心間部に埋め込まれる磁束センサをそれぞれ２Ａ，２Ｂとしたとき、磁極１モジュールでは、磁束センサ２Ａの検出値を磁束センサ１Ｂの検出値として用いることもできる。Ｎ相モータにおいては、これら磁極モジュールがＮ個存在し、２Ｎ個の磁束センサをバックヨーク内に埋め込むことになるが、先のセンサ共用によりＮ個の磁束センサに集約することも可能である。ここで、Ｎ相モータとは、集中巻き、分布巻きのモータにかかわりなく、独立な電流を流せるＮ本の回路を持っているモータのことであり、集中巻きのラジアルギャップ型モータの場合はＮ極モータのことである。

また、一般に磁束の合計値は符号も含めて常にゼロになるため、１〜（Ｎ−１）個目の磁束センサ検出値φ１〜φ（Ｎ−１）を用いて、Ｎ個目の磁束センサ検出値φＮを、φＮ＝−φ１−φ２−φ３・・・−φ（Ｎ−１）と算出することもできる。したがって、Ｎ相モータ（集中巻きのラジアルギャップ型モータではＮ極モータ）では、バックヨークへ少なくとも（Ｎ−１）個の磁束センサを埋め込めば良く、磁束センサ設置の困難なギャップ部分に多数の磁束センサを設置することなく、ギャップの磁束分布を検出することができる。

なお、ステータの構成の第１の実施例では、集中巻きステータ構成のモータの場合について説明したが、本発明は、分布巻きステータ構成のモータの場合についても適用できるものである。分布巻きステータ構成の場合は、分布巻きされているコイルセットの中心と、隣り合うコイルセットの中心との中間のバックヨーク部分に磁束センサを設置し、隣り合う磁束センサの差分をもって、その２つの磁束センサ間のギャップ磁束の平均磁束密度検出値とする。

ステータの構成の第１の実施例では、バックヨーク２１の磁極鉄心と磁極鉄心との間であって、バックヨーク２１の最外周（ロータの反対側）に磁束センサがあるため、外部へのセンサ配線（信号線や給電線の配線）が容易となる。また、内部配線が終了し、制御機能まで完結したモジュールを作成し、これを組み合わせるだけでモータのステータ部分を得られるので、鉄心の組み立て後にセンサを組み込んだり、その配線作業をする必要がないため、組付け性向上や信頼性向上を図ることができる。

次に、ステータの構成の第２の実施例を説明する。図５は、ステータの一部の概略構成を示している。第２の実施例では、ステータは、バックヨーク２１の磁極鉄心と磁極鉄心との間であって、バックヨーク２１の最内周（ロータ側）に磁束センサ２７ａ，２７ｂを埋め込む構成であり、その他は、第１の実施例と同様である。磁束センサは、アキシャルギャップ型のモータの場合は、ロータ側に設置する。第２の実施例では、バックヨーク内で最も磁束密度の大きい部分で磁束を検出するので、Ｓ／Ｎ比の良好な信号の検出が可能である。

次に、ステータの構成の第３の実施例を説明する。図６は、ステータの一部の概略構成を示している。第３の実施例では、ステータは、バックヨーク２１の磁極鉄心と磁極鉄心との間であって、バックヨーク２１の最外周と最内周との中間部（バックヨークの厚み方向中心部）に磁束センサ２７ａ，２７ｂを埋め込む構成であり、その他は、第１の実施例と同様である。第３の実施例では、バックヨークの厚み方向中心部の磁束密度がバックヨーク部分の平均磁束密度に近いため、バックヨーク内の磁束密度分布が一様でない場合でも、安定した磁束の検出が可能である。

本発明に用いるモータの概略構成を示す図である。 ステータの構成の第１の実施例を示すステータの一部概略構成図である。 本発明のモータ駆動制御装置のシステム構成図である。 ステータの構成の第２の実施例を示すステータの一部概略構成図である。 ステータの構成の第３の実施例を示すステータの一部概略構成図である。

符号の説明

１１ モータ
１２ ステータ
１３ ロータ
１４ 回転軸
１５ ケース
１６ 電力変換部・制御部
１７ 直流電源
２１ バックヨーク
２２ 磁極鉄心
２３ 巻き線（コイル）
２６ 巻き線給電線
２７ａ，２７ｂ 磁束センサ

Claims (8)

1. モータのステータのバックヨーク部分に磁束センサを埋め込み、磁束センサの検出信号を用いて巻き線への印加電圧を制御することを特徴とするモータ駆動制御装置。
2. 集中巻きの巻き線を有するモータにおいて、磁極鉄心と磁極鉄心との間のバックヨーク部分に磁束センサを埋め込み、隣の磁束センサとの差分をもって磁極磁束検出値とし、前記磁極磁束検出値と磁極磁束指令値とを比較して磁極巻き線への印加電圧を制御することを特徴とするモータ駆動制御装置。
3. 分布巻きの巻き線を有するモータにおいて、分布巻きされているコイルセットの中心と、隣り合うコイルセットの中心との間のバックヨーク部分に磁束センサを埋め込み、隣の磁束センサとの差分をもって磁極磁束検出値とし、前記磁極磁束検出値と磁極磁束指令値とを比較して巻き線への印加電圧を制御することを特徴とするモータ駆動制御装置。
4. 独立な電流を流せるＮ本の回路を有するモータでは、バックヨーク部分に少なくとも（Ｎ−１）個の磁束センサを埋め込むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のモータ駆動制御装置。
5. 前記ステータの鉄心、巻き線、バックヨーク、バックヨーク部に埋め込んだ磁束センサ、巻き線への印加電圧を制御する電力変換部・制御部を一体のモジュールとすることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のモータ駆動制御装置。
6. 前記磁束センサは、バックヨークの、ロータとは反対側に埋め込むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のモータ駆動制御装置。
7. 前記磁束センサは、バックヨークのロータ側に埋め込むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のモータ駆動制御装置。
8. 前記磁束センサは、バックヨークの厚み方向中心部に埋め込むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のモータ駆動制御装置。

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