JP2008029115A - Single-phase position sensorless permanent magnet motor controller - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は単相位置センサレス永久磁石モータ制御装置に関し、特に単相の永久磁石モータを位置センサレスで運転制御し、それによって、自動車などの車載に適した、低振動,低騒音,小型軽量,低コストの単相位置センサレス永久磁石モータ制御装置を提供するものである。 The present invention relates to a single-phase position sensorless permanent magnet motor control device, and more particularly, to control operation of a single-phase permanent magnet motor without a position sensor, and thereby, low vibration, low noise, small size, light weight, and low speed suitable for in-vehicle use. A cost-effective single-phase position sensorless permanent magnet motor controller is provided.
ファンの駆動源として価格が安いことから単相の永久磁石モータ制御装置を使用している。 A single-phase permanent magnet motor controller is used as a fan drive source because of its low cost.
この単相永久磁石モータ制御装置は一般の3相モータに比較して、巻線が1組(3相では3組)で、かつ変換回路もHブリッジですむために構成素子数も4個(3相では6個要)となり、価格メリットが大きい。また、位置検出器を付ける場合には、ホール素子が1個(3相では3個要)で済み、3相モータに対して価格メリットを持っている。 This single-phase permanent magnet motor controller has one set of windings (three sets for three-phase) and four conversion elements (three-phase) because it requires only one set of windings (three sets for three-phase) and a conversion circuit. In this case, the cost advantage is great. In addition, when a position detector is attached, only one hall element is required (three for three phases), which has a price advantage over a three-phase motor.
一方、ファン等の起動トルクが大きくない、また、立ち上がり時間の緩いところでは、センサレス駆動を行うために、確立した3相モータのセンサレス駆動に対して、単相永久磁石モータのセンサレス駆動は逆に複雑化する課題がある。 On the other hand, the sensorless drive of a single-phase permanent magnet motor is opposite to the sensorless drive of an established three-phase motor in order to perform sensorless drive where the starting torque of a fan or the like is not large and the rise time is slow. There is a problem to be complicated.
さらに、単相永久磁石モータは3相モータに対して、原理上、単相の巻線に流した電流と永久磁石の磁束とによるトルクが少なくとも回転方向で、電気角1サイクルで、2回の零もしくは負のトルク領域を生じる課題がある。これに対して、一応は、固定子鉄心の周方向の空隙長を変化させて、固定子鉄心と永久磁石によるコギングトルクで前記零もしくは負のトルクを埋め合わせ、負のトルクが生じないように制御、もしくは固定子鉄心の形状を工夫して対処はしている。 Furthermore, the single-phase permanent magnet motor is, in principle, twice as many as the torque caused by the current flowing through the single-phase winding and the magnetic flux of the permanent magnet at least in the rotational direction, with one electrical angle cycle. There is a problem of generating a zero or negative torque region. On the other hand, the gap length in the circumferential direction of the stator core is changed, and the zero or negative torque is compensated by the cogging torque generated by the stator core and the permanent magnet so that no negative torque is generated. Or, the shape of the stator core is devised to deal with it.
また、用途としては、前記のファンの他に自動車用を主としたポンプへの応用が増加する傾向がある。自動車の燃費向上として、エンジンによるポンプ駆動に変わってモータ制御をすることによって省電力制御が達成できる点、あるいは、アイドルストップの実施でエンジンでのポンプ駆動が制約される点等が電気モータによるポンプ駆動の採用,拡大の大きな理由である。この場合、低価格が非常に重要であり、かつファン,ポンプの場合、大きな起動トルクを必要とせず、単相大きな永久磁石モータの課題である起動トルクが出にくい等の課題が問題とならない。このため、単相永久磁石モータを採用し易い点である。 Moreover, as a use, there exists a tendency for the application to the pump mainly used for motor vehicles other than the said fan. As an improvement in automobile fuel efficiency, it is possible to achieve power-saving control by controlling the motor instead of pump driving by the engine, or the pump driving by the engine is restricted by the implementation of idle stop. This is a major reason for the adoption and expansion of the drive. In this case, a low price is very important, and in the case of a fan or a pump, a large starting torque is not required, and problems such as difficulty in generating a starting torque, which is a problem of a single-phase large permanent magnet motor, do not become a problem. For this reason, it is a point which is easy to employ | adopt a single phase permanent magnet motor.
この価格メリットを有する単相永久磁石モータのセンサレス駆動の代表的な制御の開示例を特公平7−63232号公報に示す。 Japanese Patent Publication No. 7-63232 discloses a typical control disclosure example of sensorless driving of a single-phase permanent magnet motor having this price merit.
特公平7−63232号公報は単相永久磁石モータの誘起電圧の正負間の切り替わり点の近傍において、通電停止期間を設け、誘起電圧を巻線間に発生させてその正負の判別によって回転子の位置(印加電圧の切り替わり点)を検出している。 In Japanese Patent Publication No. 7-63232, an energization stop period is provided in the vicinity of the switching point between the positive and negative of the induced voltage of the single-phase permanent magnet motor, the induced voltage is generated between the windings, and the polarity of the rotor is determined by determining the polarity. The position (switching point of applied voltage) is detected.
前記特公平7−63232号公報では、単相永久磁石モータの誘起電圧の正負間の切り替わり点の近傍において、通電停止期間を設け、誘起電圧を巻線間に発生させてその正負の判別によって回転子の位置を検出し、それによって、常に正のトルクを発生できる印加電圧の極性を確認できることから、センサレス駆動をすることができる。しかし。この方式は基本的に誘起電圧を巻線上に出力させる電流の休止区間を設けるために、効率の低下,脈動トルクの増加を来たし、それによって、騒音,振動の大きいモータとなってしまう恐れがある。 In the above Japanese Patent Publication No. 7-63232, an energization stop period is provided in the vicinity of the switching point between the positive and negative of the induced voltage of the single-phase permanent magnet motor, the induced voltage is generated between the windings, and the rotation is determined by the positive / negative discrimination. Since the position of the child is detected, and the polarity of the applied voltage that can always generate positive torque can be confirmed, sensorless driving can be performed. However. Since this method basically provides a pause period for the current that causes the induced voltage to be output on the windings, the efficiency decreases and the pulsation torque increases, which may result in a motor with high noise and vibration. .
本発明は、以上示した従来例の課題を除き、効率低下の少ない、低騒音,低振動の単相永久磁石モータ制御装置及びそれを用いたファン、もしくはポンプを供給するものである。 The present invention provides a low-noise, low-vibration single-phase permanent magnet motor control device with little reduction in efficiency and a fan or pump using the same, excluding the problems of the conventional examples described above.
本発明の一つの特徴は、単相永久磁石モータを駆動する電力変換器を制御する単相位置センサレス永久磁石モータ制御装置において、モータ電流測定手段と、端子電圧測定手段と、モータ定数のインピーダンス降下を補正する手段とを有し、その制御によって、誘起電圧を求める手段とを備え、求められた誘起電圧の値によって、端子電圧の極性を決定することを特徴としたことである。 One feature of the present invention is that in a single-phase position sensorless permanent magnet motor control apparatus for controlling a power converter that drives a single-phase permanent magnet motor, motor current measuring means, terminal voltage measuring means, motor constant impedance drop And a means for obtaining an induced voltage by the control thereof, and the polarity of the terminal voltage is determined by the value of the obtained induced voltage.
トルク脈動の少ない、低騒音,低振動,高効率の単相位置センサレス永久磁石モータを提供することができる。 A low-noise, low-vibration, high-efficiency single-phase position sensorless permanent magnet motor with little torque pulsation can be provided.
図1は、本発明対象の一実施形態による単相位置センサレス永久磁石モータ制御装置の構成を示す。図2はその動作説明図を示す。 FIG. 1 shows a configuration of a single-phase position sensorless permanent magnet motor control device according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram for explaining the operation.
図1において、単相位置センサレス永久磁石モータ制御装置1は単相永久磁石モータ2と直流電源Edcから単相永久磁石モータ2に交流電力を供給する役目を持つ変換回路5と変換回路5の出力電流を制御する制御回路6とから構成される。
In FIG. 1, a single-phase position sensorless permanent magnet
単相永久磁石モータ2は固定子3と回転子4とから構成される。ここでは、固定子3が内周で、回転子4を外周に配置したいわゆる外転型モータで説明するが、内転型モータ、もしくはその他のモータでも同様である。また、回転子4は永久磁石の極数が4の例で示したが、本発明の効果は極数には依存しない。
The single-phase
図1で、固定子3は固定子鉄心9と固定子鉄心9に巻回した固定子巻線10とその支持装置(ここでは図示せず)とから構成される。一般的に、固定子鉄心9は薄板の珪素鋼板を打ち抜き、積層したものが、一般使用されているが、圧粉鉄心等によって、作られたものでも良い。固定子鉄心9の突極は図示のように、4個で、回転子4の永久磁石7の個数4と等しくする。4個の固定子巻線10に直列に接続されて変換回路5に図示のように接続される。
In FIG. 1, the
また、回転子4は永久磁石7とその外周に配置され、永久磁石7の磁気回路を構成すると共に出力軸であるシャフト(図示せず)への機械的な連結の役割を有する回転子鉄心8とから構成される。ここで磁石は一般には低価格のためにフェライトのゴム磁石、あるいはプラスチックの磁石が使用される。
Further, the
図1で、固定子鉄心9の空隙面には、回転子4と固定子3との空隙が回転方向では、回転方向の固定子鉄心9の表面は92で示すように空隙長が小さくほぼ一定に、反回転方向(ここでは回転子4は反時計方向に回転するものとする)では徐々に拡大するように、選定する。単相永久磁石モータは原理上、単相の巻線に流した電流と永久磁石の磁束とによるトルクが少なくとも回転方向で、電気角1サイクルで、2回の零もしくは負のトルク領域を生じる。上記の形状を取ることによって、前記零もしくは負のトルクを埋め合わせうるコギングトルクを効果的に発生でき、低振動,低騒音にすることができるものである。
In FIG. 1, when the gap between the
一般の単相永久磁石モータでは、回転子4の永久磁石7の軸端には、固定子3に位置検出器が(一般にはホール素子が使用され、永久磁石7の磁束を検出する方式である)が配置され、これによって、永久磁石7の位置を検出し、変換回路5を介して、単相永久磁石モータ2に効果的な電流を通電させる役目を持っている。しかし、自動車用等の用途では使用環境が高温であり、ホール素子の使用ができない場合がある。また、位置検出素子、回路の実装上、困難な場合には、開示例で示したようなセンサレス駆動方式が考えられる。
In a general single-phase permanent magnet motor, a position detector is used for the
本発明は制御回路6として、電流センサ16の情報と、予め蓄えられた固定子巻線10の巻線抵抗情報11とインダクタンス情報12とから単相永久磁石モータ2の誘起電圧を算出する誘起電圧算出手段14と、速度制御回路13と、前者の信号を合成する駆動信号演算作成回路15とを有することが特徴である。本発明は、上記の誘起電圧算出手段14によって得られた情報に基づいて回転子の位置を決定し、印加電圧のタイミングを決定するものである。それによって、連続的な通電が可能であり、トルク脈動の少ない単相センサレス運転を可能にする。これに従って、磁極位置検出器を不要とし、センサレス運転することができる。
In the present invention, as the
以下、本発明の動作を図2により説明する。 The operation of the present invention will be described below with reference to FIG.
図2は本発明の上記の制御の動作説明図を示したものである。
(a)はモータの端子電圧Et(θ)を示す。ここで、端子電圧の大きさはPWM
(Pulse width Modulation)等によって調節される。また、正負の半サイクル間のPWMは一般には一定とする。なお、零クロス点から一定時間遅らせることによって、(b)で示す誘起電圧に対して進ませることも、あるいは遅らせることも可能である。端子電圧
Et(θ)の値はマイコンの中に持つことも可能である。
(c)は回転電気角に対する誘起電圧を示す。
誘起電圧は前述の固定子鉄心の空隙面上の形状によって左右非対象の波形をしているのが特徴である。ここで、誘起電圧E0(θ)は、誘起電圧演算手段14によって、端子電圧Et(θ),電流センサi(θ),巻線の抵抗r,巻線のインダクタンスLの情報を使って、以下の式から、算出することができる。
FIG. 2 is a diagram for explaining the operation of the control according to the present invention.
(A) shows the terminal voltage Et (θ) of the motor. Here, the magnitude of the terminal voltage is PWM
(Pulse width modulation) etc. In general, PWM between positive and negative half cycles is constant. In addition, it is possible to advance with respect to the induced voltage shown in FIG. The value of the terminal voltage Et (θ) can be held in the microcomputer.
(C) shows the induced voltage with respect to the rotating electrical angle.
The induced voltage is characterized by having a left-right non-target waveform depending on the shape on the gap surface of the stator core. Here, the induced voltage E0 (θ) is calculated by the induced voltage calculation means 14 using information on the terminal voltage Et (θ), the current sensor i (θ), the resistance r of the winding, and the inductance L of the winding. It can be calculated from the following formula.
rは巻線の抵抗を示す。
Lは巻線のインダクタンスを示す。
i(θ)は電流センサ16によって測定された電流値である。
(b)は電流i(θ)であり、電流センサ16より取り込まれる情報である。
(d)はコギングトルクTw(θ)を示す。これは、固定子鉄心の空隙面の形状,固定子突極間のスリットの大きさ等と、永久磁石の磁束分布との磁気的な作用によって発生するものである。
(e)は永久磁石による磁束(誘起電圧)と固定子巻線に流れる電流との電磁気的なトルクTw(θ)で次式で算出できる。
r represents the resistance of the winding.
L represents the inductance of the winding.
i (θ) is a current value measured by the
(B) is the current i (θ), which is information taken in from the
(D) shows the cogging torque Tw (θ). This is caused by the magnetic action of the shape of the gap surface of the stator core, the size of the slit between the stator salient poles, and the magnetic flux distribution of the permanent magnet.
(E) is an electromagnetic torque Tw (θ) between the magnetic flux (induced voltage) generated by the permanent magnet and the current flowing through the stator winding, and can be calculated by the following equation.
E0(θ)は各速度ωにおける角度θに対する誘起電圧情報を
I(θ)は電流センサにより得られた電流情報を示す。
ωは回転角速度の情報を示す
(f)は全体トルクTt(θ)を示し、上述のトルクTw(θ)とコギングトルク
Tcog(θ)の和として次式で算出できる。
E0 (θ) is the induced voltage information for the angle θ at each speed ω.
I (θ) indicates current information obtained by the current sensor.
ω indicates information on the rotational angular velocity (f) indicates the total torque Tt (θ), and can be calculated by the following equation as the sum of the above-described torque Tw (θ) and cogging torque Tcog (θ).
本発明では、図1において単相永久磁石モータは速度制御回路13によって一般には速度指令Nsになるように制御する。速度制御するためには単相永久磁石モータの速度情報が必要となるが、前述のように誘起電圧演算手段14によって得られた誘起電圧情報からその電気角1サイクルの周期から演算された速度フィードバック情報を利用し、必要に応じて、速度誤差に応じて比例積分制御等を用いて一定速度制御を行うものとする。以上の制御によって、モータはNsなる速度に制御することができる。
In the present invention, in FIG. 1, the single-phase permanent magnet motor is generally controlled by the
また、本発明では、端子電圧Et(θ)の正負の切り替えは、誘起電圧演算手段14で(1)式により得られた誘起電圧情報に基づいて行う。一例として、誘起電圧が正の最高の部分から下がって一定値以下になったところで、正から負へ端子電圧を切り替える。このように制御されたものが図2(a)で示した端子電圧である。 Further, in the present invention, the positive / negative switching of the terminal voltage Et (θ) is performed based on the induced voltage information obtained by the induced voltage calculation means 14 according to the expression (1). As an example, the terminal voltage is switched from positive to negative when the induced voltage drops from a positive maximum part and becomes a certain value or less. The terminal voltage shown in FIG. 2A is controlled in this way.
ここでは、次の切り替え点まで、電圧は一定に制御されるものとするが、必要に応じて切り替えの近辺で立ち上がり部,立ち下がり部などの電圧変化を付けることも可能である。このような制御によって、電流を連続的に制御することができる。 Here, the voltage is controlled to be constant until the next switching point, but it is also possible to add a voltage change such as a rising part or a falling part in the vicinity of the switching as necessary. By such control, the current can be continuously controlled.
図3は、従来の制御による動作原理図を示す。 FIG. 3 shows an operation principle diagram by conventional control.
半サイクル中に、端子電圧を検出するために電流の休止区間を設けることによって、出力トルクの急峻なトルク変動が発生する結果となり、また、電流停止区間を設けることによって他の通電区間の電流を増加する必要があり、効率を低下せしめる結果となる。 By providing a current pause section to detect the terminal voltage during a half cycle, a steep torque fluctuation of the output torque occurs, and by providing a current stop section, the current in other energized sections can be reduced. There is a need to increase, resulting in reduced efficiency.
以上の制御によって、トルク脈動の少ない、低騒音,低振動,高効率の単相永久磁石モータを提供することができる。 With the above control, a low noise, low vibration, high efficiency single phase permanent magnet motor with less torque pulsation can be provided.
このように、本発明では、直流電源と、直流を交流に変換する変換器と、この変換器を制御する制御装置と、それによって駆動する単相永久磁石モータ制御装置において、モータ電流測定手段と、端子電圧測定手段と、モータ定数のインピーダンス降下を補正する手段とを有し、その制御によって、誘起電圧を求める手段とを備え、求められた誘起電圧の値によって、端子電圧の極性を決定することを特徴とした単相位置センサレス永久磁石モータ制御装置にすることによって、3相モータに対して、図1で示したように一般の3相モータに比較して巻線が1組でホール素子が1個(3相では3個要)で済み、かつ変換回路もHブリッジで済むために構成素子数も4個となり、価格メリットが大きい。一方、前記のような制御によって、運転トルクを平坦化でき、3相モータに対して遜色のない低騒音,低振動の永久磁石モータ制御装置を提供することができる。 As described above, in the present invention, in a DC power supply, a converter that converts DC to AC, a control device that controls the converter, and a single-phase permanent magnet motor control device that is driven by the motor current measurement means, A terminal voltage measuring means and a means for correcting the impedance drop of the motor constant, and a means for obtaining an induced voltage by the control thereof, and determining the polarity of the terminal voltage according to the value of the induced voltage obtained. By using a single-phase position sensorless permanent magnet motor control device characterized in that, for a three-phase motor, as shown in FIG. Since only one (three for three phases) is required and the conversion circuit is an H-bridge, the number of constituent elements is four, and the cost merit is great. On the other hand, the control as described above can flatten the operating torque, and provide a permanent magnet motor control device with low noise and low vibration comparable to that of a three-phase motor.
なお、この単相永久磁石モータ制御装置を電動ファン、及び電動ポンプに採用し、備えることによって、簡単な構成で、低価格,小型軽量,低騒音,低振動の電動ファン,電動ポンプ(例えば車両の客室内に配備されるような場合には低騒音で、低価格が大きな武器となる)を提供することが可能である。 By adopting and providing this single-phase permanent magnet motor control device for an electric fan and an electric pump, the electric fan and electric pump (for example, a vehicle) with a simple configuration, low cost, small size, light weight, low noise, and low vibration can be obtained. When it is deployed in a guest room, it is possible to provide low noise and a low price as a great weapon.
以上は、制御回路6として、マイクロコンピュータを用いたシステムを念頭に説明したが、アンプ,抵抗,コンデンサ等により、ディスクリートの回路で構成しても誘起電圧演算手段14を含む制御回路6の単相位置センサレス永久磁石モータ制御装置を実現できる。この場合には、より安価な構成で実現できる。
The above description has been made with a system using a microcomputer as the
なお、起動時には誘起電圧の情報が無く、電圧の通電方法が不明であるが、固定子巻線に電流を通電する機構を有し、これによって、回転子が正のトルクを出せる電流方向を判別する極性判別を利用することで安定な起動を可能にすることができる。 In addition, there is no information on the induced voltage at start-up, and the method of energizing the voltage is unknown, but it has a mechanism to energize the stator windings, and this determines the current direction in which the rotor can produce positive torque Stable start-up can be enabled by using polarity discrimination.
1…単相位置センサレス永久磁石モータ制御装置、2…単相永久磁石モータ、3…固定子、4…回転子、5…変換回路、6…制御回路、7…永久磁石、8…回転子鉄心、9…固定子鉄心、10…固定子巻線、11…巻線抵抗情報、12…インダクタンス情報、13…速度制御回路、14…誘起電圧演算手段、15…駆動信号演算作成回路、16…電流センサ、91…固定子鉄心表面の空隙長大きい部分、92…固定子鉄心表面の空隙長小さい部分、Edc…直流電源。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
モータ電流測定手段と、端子電圧測定手段と、モータ定数のインピーダンス降下を補正する手段とを有し、その制御によって、誘起電圧を求める手段とを備え、求められた誘起電圧の値によって、端子電圧の極性を決定することを特徴とした単相位置センサレス永久磁石モータ制御装置。 In a single-phase position sensorless permanent magnet motor control device that controls a power converter that drives a single-phase permanent magnet motor,
A motor current measuring unit; a terminal voltage measuring unit; a unit for correcting an impedance drop of a motor constant; and a unit for determining an induced voltage by the control thereof. The terminal voltage is determined by a value of the determined induced voltage. A single-phase position sensorless permanent magnet motor control device characterized by determining the polarity of the motor.
モータ電流測定手段と、端子電圧制御手段と、モータ定数のインピーダンス降下を補正する手段とを有し、その制御によって、誘起電圧を求める手段とを備え、求められた誘起電圧の値によって、通電電流の連続的な制御を行ったことを特徴とする単相位置センサレス永久磁石モータ制御装置。 In a single-phase position sensorless permanent magnet motor control device that controls a power converter that drives a single-phase permanent magnet motor,
A motor current measuring means; a terminal voltage control means; a means for correcting an impedance drop of the motor constant; and a means for obtaining an induced voltage by the control; and an energization current depending on the value of the obtained induced voltage. A single-phase position sensorless permanent magnet motor control device characterized by performing continuous control.
モータ電流検出手段と、端子電圧制御手段と、モータ定数のインピーダンス降下を補正する手段とを有し、その制御によって、誘起電圧を求める手段とを備え、求められた誘起電圧の絶対値の高い位置で端子電圧の正負間の切り替えを行わせたことを特徴とする単相位置センサレス永久磁石モータ制御装置。 In a single-phase position sensorless permanent magnet motor control device that controls a power converter that drives a single-phase permanent magnet motor,
A motor current detecting means, a terminal voltage control means, a means for correcting an impedance drop of a motor constant, and a means for obtaining an induced voltage by the control, a position where the absolute value of the obtained induced voltage is high A single-phase position sensorless permanent magnet motor control device characterized in that the terminal voltage is switched between positive and negative.
A fan and a pump comprising the single-phase position sensorless permanent magnet motor control device according to claim 1.
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- 2006-07-21 JP JP2006198879A patent/JP2008029115A/en active Pending
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