JP2008278606A - 回転電機の回転位置検出装置及び回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子の基準回転位置を容易に求めることができる回転電機の回転位置検出装置及び回転電機を得る。
【解決手段】回転機１００を駆動し電機子巻線１０２に発生するＵ相電圧とＷ相電圧をコンパレータ１２１に入力する。コンパレータ１２１が両相の電圧交点（Ｕ相電圧上昇／Ｗ相電圧下降）を検出すると出力信号Ｃｒは立ち下がる。原点位置算出処理部１３０はコンパレータ１２１から出力される出力信号Ｃｒの立ち下がり時の位置情報θを位置変換器１１２から取得する。なお、位置変換器１１２には、位置センサ（レゾルバ）１１１から、回転子の回転位置情報が入力される。デジタルＩＣ１３１では、この回転位置情報θを予め設定した所定回数ｎ回だけ取得し、これらを平均して平均値θａｖｅを求め、回転子の基準回転位置（原点位置）θｏとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機の回転位置検出装置及び回転電機に関する。

位置検出器を使用する際には、あらかじめ回転電機の回転子位置と位置検出器の出力のずれを検出し、何らかの手段を講じて調整する必要がある。これを実現するために、回転電機としてのブラシレスモータを外部駆動することにより得られたＵ相誘起電圧をＡＤコンバータにより電圧データに変換し、中央演算器にて当該電圧データ及び角度データを元に位置合わせパラメータを算出するものがある（例えば、特許文献１参照）。
また、取付調整するための同様の技術として、車両の電動発電機の固定子コイルのＷＵ間並びに界磁コイルに直流通電し、両者の電磁力によって回転子を固定子に対して所定位置に電気的に固定する。次に、固定子コイルのＵＶ間並びに界磁コイルに直流通電し、両者の電磁力によって回転子を所定角度回転させ固定子に対して所定位置に電気的に固定する。回転子が所定角度回転したことはレゾルバの検出ステータの信号から検出できるので、この状態で検出ステータからの信号が所定の信号となるように、検出ステータの物理的位置を調整する（例えば、特許文献２参照）。

特開平１１−２９９２８２号公報（段落番号０００８〜００１０及び図１） 特開２００４−７２８９４号公報（段落番号００２２及び図４）

従来の回転電機の回転位置検出装置は以上のように構成され、ブラシレスモータを外部駆動することにより得られた誘起電圧を用いるものにあっては、誘起電圧の変換にＡＤコンバータを必要としていた。しかし、ＡＤコンバータを使用すると、ＡＤコンバータの変換精度や量子化誤差の影響により調整結果にばらつきが生じるため誤差の増大を招くおそれがあった。また、ＡＤコンバータの変換時間遅れを考慮する必要があるので高速動作には不向きであったり、アルゴリズムが複雑になったりするなどの問題点があった。また、誘起電圧を検出する際に、誘起電圧の０レベル立ち上がりあるいは立ち下がりを基準とした場合は、０レベル以下を検知するためにマイナス電源が必要であったり、一般的にノイズに弱い０レベル付近を使用するため、装置の大型化・高コスト化・誤差の増大を招く要因となっていた。一方、誘起電圧の任意の電圧レベルにて基準を検出する場合には、この電圧レベルを合わせるための回転速度や界磁電流などのパラメータを正確に調整する必要があり、工数の増大による生産性低下などの影響が懸念される。

また、車両の電動発電機の固定子コイル及び界磁コイルに直流通電するものにおいては、通電のための直流電源装置が必要であり、回転電機の回転子が巻線界磁式の場合には、電機子と界磁の抵抗値の相違により通電用の共通電源装置の選定が困難であったり、場合によっては２つの電源装置が必要となり、調整装置が大型化し、さらに調整機種ごとに直流電源装置へ結線する必要があり、生産性低下を招くなどの問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、回転子の基準回転位置を容易に求めることができる回転電機の回転位置検出装置及び回転電機を得ることを目的とする。

この発明に係る回転電機の回転位置検出装置においては、複数相の巻線を有する電機子と回転子を備えた回転電機の回転子の回転位置を検出するものであって、回転子に結合される位置センサを有しこの位置センサの検出出力により回転子の回転位置を検出する位置検出器と、回転子を所定の回転速度にて回転させて電機子に発生する任意の２つの相の電圧波形の交点が検出されたときの位置検出器により検出された回転子の回転位置である交点検出時回転位置に基づいて回転子の基準とすべき基準回転位置を求める基準回転位置決定手段とを備えたものである。

そして、この発明に係る回転電機においては、回転電機本体及びこの回転電機本体と一体に取り付けられた回転電機の回転位置検出装置を備えたものである。

この発明に係る回転電機の回転位置検出装置は、複数相の巻線を有する電機子と回転子を備えた回転電機の回転子の回転位置を検出するものであって、回転子に結合される位置センサを有しこの位置センサの検出出力により回転子の回転位置を検出する位置検出器と、回転子を所定の回転速度にて回転させて電機子に発生する任意の２つの相の電圧波形の交点が検出されたときの位置検出器により検出された回転子の回転位置である交点検出時回転位置に基づいて回転子の基準とすべき基準回転位置を求める基準回転位置決定手段とを備えたものであるので、容易に基準回転位置を求めることができる。

そして、この発明に係る回転電機においては、回転電機本体及びこの回転電機本体と一体に取り付けられた回転電機の回転位置検出装置を備えたものであるので、容易に基準回転位置を求めることができる。

実施の形態１．
図１〜図４は、この発明を実施するための実施の形態１を示すものであり、図１は回転位置検出装置を備えた回転電機の構成を示す構成図、図２は動作を説明するためのタイミングチャートである。図３は２つの相電圧の交点近傍を拡大して示す波形図、図４は制御基準原点の説明図である。図１において、回転電機１は、回転機本体１００とこの回転電機本体１００と一体に設けられた位置検出装置１０を有する。回転電機本体１００は、この実施の形態においては電気自動車用の車輪駆動用の電動機であり、巻線界磁式の回転子（図示せず）及び電機子１０１を有する。電機子１０１は三相Ｙ結線された電機子巻線１０２を有する。位置検出装置１０は、位置検出器１１０、相電圧交点検出手段１２０、基準回転位置決定部である原点位置算出処理部１３０を有する。なお、相電圧交点検出手段１２０及び原点位置算出処理部１３０がこの発明の基準回転位置決定手段である。電機子巻線１０２に発生する例えばＵ相電圧ＶｕとＷ相電圧Ｖｗとは相電圧交点検出手段１２０のコンパレータ１２１の反転入力端子及び非反転入力端子にそれぞれ入力され、出力信号Ｃｒが生成され、原点位置算出処理部１３０のデジタルＩＣ１３１に出力される。コンパレータ１２１は、一般的にオープンコレクタ出力のため立ち下がり時間が短いので、検出したい対象が立ち下がりとなるように反転／非反転端子に印加する入力を選択するとよい。このため、この実施の形態においては、デジタルＩＣ１３１においてＵ相電圧ＶｕとＷ相電圧Ｖｗとが等しくなる点すなわち両電圧波形の交点を検出したときに出力信号Ｃｒが立ち下がるように設計している。

一方、回転電機本体１００の回転子位置を検出するための位置検出器１１０は、位置センサ１１１と、この位置センサ１１１の出力Ｓｇを位置情報に変換する位置変換器１１２を有する。位置センサ１１１としては、一般的にレゾルバ、ロータリーエンコーダやリニアホール素子などの絶対位置を検出可能なアブソリュート型センサが用いられるが、この実施の形態においてはレゾルバを用いている。位置変換器１１２では、相電圧交点検出手段１２０からの出力信号Ｃｒの立ち下がりのタイミングにて、位置センサ１１１の出力Ｓｇから位置情報θを算出して、デジタルＩＣ１３１へ伝送する。

ここで、デジタルＩＣ１３１とは、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ、マイクロコンピュータやロジックＩＣなどの主としてデジタル値を処理する素子などを指す。なお、図１では、位置変換器１１２と原点位置算出処理を行うデジタルＩＣ１３１とは、別々である例を示したが、デジタルＩＣ１３１と位置変換器１１２と一体化したＩＣ等を用いてもよい。

次に、これら相電圧波形から位置情報θを取得する手順を説明する。なお、これら手順における一連の信号波形を図２に示す。まず、相電圧波形を求めるために、回転電機本体１００を図示しない駆動モータで無負荷状態でかつ所定の回転数で駆動するとともに図示しない界磁巻線に励磁電流を流して励磁し、電機子巻線１０２に所定の電圧を発生させる。なお、上記回転数や電圧は、定格値である必要はない。図２において、コンパレータ１２１がＵ相電圧ＶｕとＷ相電圧Ｖｗの交点（Ｕ相電圧上昇／Ｗ相電圧下降）を検出すると、コンパレータ１２１の出力信号Ｃｒは立ち下がり、Ｗ相電圧ＶｗとＵ相電圧Ｖｕ交点（Ｗ相電圧上昇／Ｕ相電圧下降）を検出すると、出力信号Ｃｒは立ち上がる。そして、原点位置算出処理部１３０はコンパレータ１２１から出力される出力信号Ｃｒの立ち下がり時の回転子の位置情報θを位置変換器１１２から取得する。デジタルＩＣ１３１では、回転電機本体１００の回転に伴い、この位置情報θを予め設定した所定回数ｎ回だけ取得し、これらを平均して平均値θａｖｅを求め、回転子の回転位置の原点位置θｏとする。なお、この原点位置θｏが必要に応じて回転電機を制御するときの制御の基準回転位置とされる。

なお、位置情報θの平均値θａｖｅを求めこれを原点位置θｏとする原点位置調整処理は、回転電機を使用するたびに行ってもよいが、理論上、この取付位置に依存するずれが回転電機の製作後に変動する可能性は低い。そのため、生産ライン工程にてこれらの原点位置調整処理を行い、記憶装置（図示しない）などに記憶し、使用するごとにこの値を読み出すようにするとよい。しかし、回転電機本体１００と原点位置θｏを記憶させた装置とが対応しない場合、それぞれがどのものに対応するかを管理する必要がある。また、何らかの理由で回転電機本体１００の製造番号などの識別情報や原点位置を記憶させた装置を交換する場合、これらの値を継承しにくいので、この実施の形態のように回転電機本体１００に位置センサ１１１を装着するとともに位置変換器１１２、コンパレータ１２１、デジタルＩＣ１３１を取り付けて一体型にする方がよい。

このようにして得られた基準回転位置である原点位置θｏは、Ｕ相、Ｗ相電圧のそれぞれ正側の交点位置であり、Ｕ相電圧の立ち上がりからは、理論上電気角で３０［ｄｅｇ］遅れた位置となる。無負荷状態では、相電圧と誘起電圧は等しいので、例えば、Ｕ相誘起電圧の立ち上がり位置を回転電機本体１００を制御する上での制御原点とすると、図３のような関係となる。すなわち、この実施の形態では通常の制御状態において、位置検出器１１０にて検出した位置をλとすると、制御原点基準での位置φについて、図４に示すように、次の式（１）の関係が成り立つ。
φ＝λ＋（３６０−θａｖｅ）＋３０ （１）
そこで、回転電機本体１００を制御する上での制御原点をどこに設定するかにより、相電圧交点検出手段１２０に入力する相電圧を適宜変更するとよい。

以上のように、この実施の形態によれば、回転子の基準回転位置を容易に求めることができ、また誤差の増大や生産性の低下を招くおそれがない。
さらに、次のような多様な効果を奏する。
ａ．相電圧の交点を使用するので、
・基準となる電圧の影響を受けない
・中性点などの引き出しが不要である
・制御基準位置（例えば、Ｕ相誘起電圧立ち上がり）からの相対位置を確定できる
・ノイズに対して強い（０レベル付近は特にノイズの影響を受けやすい）ので、正確な原点位置を決定することができる。
・本例で入力した相電圧から得られる位置とは、回転電機本体１００の電機子巻線１０２のＷ相からＵ相へ電流を通電した場合に拘束される位置と同じである。すなわち、相電圧の交点を利用して基準回転位置を決定すれば、従来の拘束調整方式（例えば特許文献２：特開２００４−７２８９４号公報参照）のように拘束状態で調整したものとの置き換えや資産の流用が可能であるという利点もある。
ｂ．０レベルの立ち上がりや立ち下がりを基準として検出しないので、マイナス電源を必要としない。また、相電圧の任意の電圧レベルにて基準を検出しないので、電圧レベルを合わせるためのパラメータ（回転速度や界磁電流など）を正確に調整する手間がかかない。

ｃ．Ａ／Ｄ変換器を使用しないので、
・Ａ／Ｄ変換器を使用するものに（例えば、特許文献１：特開平１１−２９９２８２号公報参照）と比して
・調整結果がＡＤ変換器の変換精度に依存しない
・変換時間遅れを考慮する必要がない→高速動作可能である
・量子化誤差の影響を受けない
・デジアナ混載の複雑な製造プロセス不要である
・システム構成が簡易となり安価、小型化可能である
ｄ．拘束調整方式（上述）を使用しないので、
・ロック調整時に必要となる通電電流用の電源が不要である
・巻線界磁式の場合、電機子と界磁の抵抗値の相違により、難しい通電電流用の電源の選定の問題が発生したり、２電源を必要となる場合なども生じない
・電源部への結線が不要である。

ｅ．無負荷状態の検出信号を用いることにより、
・正確な原点位置の算出が可能となる
・電機子電流が流れないので、ノイズの影響を排除できる。
ｆ．コンパレータ使用するだけで済むので、
・システム構成が簡易となる
・０電位を使用しないため、マイナス電源が不要である
・制御基準位置からの相対位置が確定する
・基準となる電圧の影響を受けない。
ｇ．一体型であるので、
・個別に調整した値を継承可能である
・調整部と回転電機の組み合わせ管理が不要であるので信頼性や生産性を向上できる
・回転位置検出装置が一体化されているので、回転電機を据え付ける際の現地調整が不要である。

実施の形態２．
図５〜図７は、実施の形態２を示すものであり、図５は回転位置検出装置を備えた回転電機の構成を示す構成図、図６は動作を説明するためのタイミングチャート、図７は記憶装置の構成を示す構成図である。図５において、回転電機２は、回転機本体１００とこの回転電機本体１００と一体に設けられた位置検出装置２０を有する。位置検出装置２０は、位置検出器１１０、相電圧交点検出手段１２０、原点位置算出処理部２３０を有する。原点位置算出処理部２３０は、記憶装置２３２を有する。原点位置算出処理部２３０は、上述した実施の形態１における原点位置算出処理部１３０における原点位置算出方法と異なる方法によって原点位置を算出するものである。その他の構成については、図１に示した実施の形態１と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。

次に動作を説明する。まず、原点位置算出処理部２３０は相電圧交点検出手段１２０の出力信号Ｃｒが立ち下がった際の回転子の位置情報θを取得する。この位置情報θは回転子の回転に伴って次々と取得可能であり、回転電機本体１００の電気角と位置センサ１１１の電気角は、必ずしも１対１とならないシステムも存在する。例えば、回転電機本体１００の極対数を８とすると図６に示すように、回転電機本体１００の極対数と１対１で出力するものもあれば、２対１や４対１で出力するものもある。一般的には、極対数の約数比で出力するものが制御上よく使用される。図６において、回転電機本体１００の極対数を８として、位置センサ１１１の検出コイルの極対数を８，４，２，１とすると、位置センサ１１１の検出出力は波形図ａ１，ａ２，ａ３，ａ４のようになる。従って、位置センサ１１１の極対数が一対しかない場合は、波形図ａ４のようになり、回転位置検出は回転電機本体１００が機械的に１回転する間に１回しか行われない。

また、位置センサ１１１の取付けに起因する芯ずれの影響により、回転電機本体１００の機械角１周に対して位置センサ１１１の極対数の整数倍の揺らぎが発生することがある。そこで、これらの影響を排除するために、図７に示すような位置情報θを収容するための２次元配列の記憶装置２３２に、位置情報θをθ１１→θ１２→θ１３と順に収容していく。収容数が位置センサ１１１の極対数ｙ個になるとθ２１→θ２２→・・・→θ２ｙ→θ３１→θ３２→・・・θｘｙと順次位置情報θをｘ×ｙ個収容していく。記憶する位置情報の数は、この実施形態１では、単純に位置情報θをｎ個取得し平均していたので、この実施の形態２に当てはめると平均値θａｖｅは次の式（２）で表すことができる。

さらに、位置センサ１１１の極対数ごとに発生する偏心の影響には、極対数倍ごとに式（３）により平均値θｉ＿ａｖｅを算出する。

また、ある極対数の組み合わせごとに発生する偏心の場合には、その極対数の組み合わせごとに平均処理を行うと、原点位置算出において取付けに起因する偏心などの影響を除くことができる。

以上のようにこの実施の形態によれば、上述の実施の形態１の効果に加え、次のような効果を奏する。
・位置検出器の取付け精度などにより生じる検出誤差の影響を排除できる。
・回転電機の極対数ごとに原点位置を持てるので高精度の原点調整が可能である。

実施の形態３．
図８及び図９は実施の形態３を示すものであり、図８は回転位置検出装置を備えた回転電機の構成を示す構成図、図９は動作を説明するためのタイミングチャートである。この実施の形態は、所定の条件を満たしたときに原点位置の算出を行うものである。図８において、回転電機本体１００に界磁巻線１０５を図示した。界磁巻線１０５に直列に、電界効果トランジスタによる開閉スイッチ３０５が設けられている。

回転電機３は、回転機本体１００とこの回転電機本体１００と一体に設けられた位置検出装置３０を有する。位置検出装置３０は、位置検出器１１０、相電圧交点検出手段１２０、原点位置算出処理部３３０を有する。原点位置算出処理部３３０は、デジタルＩＣ１３１と位置変換部３３２とマスク信号生成部３３３とを有し、これらが一体にＩＣ回路として形成されている。デジタルＩＣ１３１にマスク信号生成部３１２を介してコンパレータ１２１の出力信号Ｃｒが入力される。位置変換部３３２に位置センサ１１１の出力Ｓｇが入力される。なお、位置センサ１１１と位置変換部３３２とが、この発明における位置検出器である。

次に動作を説明する。図９は、一連のタイミングチャートを示すものであり、図９において、界磁巻線１０５に通電するために開閉スイッチ３０５に電流指令Ｓｃを与えると、界磁電流Ｊｆが流れるが、界磁電流Ｊｆは界磁巻線１０５を含む界磁回路の時定数の影響によりすぐには立ち上がらない。そのため、電機子巻線１０２に誘起される相電圧も徐々に上昇していくことになる。この過渡状態での相電圧交点検出は、Ｓ／Ｎ比が高いので正確な位置検出ができないおそれがある。
そこで、この影響を排除するために、相電圧交点検出手段１２０からの出力信号Ｃｒを所定時間Ｔ１の間マスクするマスク信号Ｅｄｇｅをマスク信号生成部３１２にて生成し、この信号Ｅｄｇｅの立ち下がり以後に位置情報θを取得するようにする。すなわち、図９の位置情報θは、Ａ点（（□内に○）のときには更新せずに、Ｂ点（（□内に×）のときのみ更新し、原点位置算出を行う。

この所定時間Ｔ１は、界磁回路の時定数及び位置検出器のスタンバイ時間などにて決定されるものであり、所定時間Ｔ１として、コンパレータ１２１の出力信号Ｃｒの立ち下がり回数が所定回数に達するまでの時間や、界磁電流が所定の値に達するまでの時間を用いることもできる。

以上において、図１の回転電機本体１００の電機子巻線１０２は三相Ｙ結線したものを示したが、結線方式に制約はなくΔ結線やそれらを融合させた結線であってもよい。そして、簡易的な例として相電圧交点検出手段１２０はコンパレータ１２１を有するものを示したが、互いに異なる相の電圧の交点を検出可能な手段を適宜用いることができる。さらに、相電圧の交点検出は、３相の電機子巻線１０２に発生するＵ相電圧ＶｕとＷ相電圧Ｖｗを例として説明したが、これに限られるものではなく、三相のうちの任意の２つの相を選べばよい。また、相電圧交点検出手段１２０から位置検出器１１０への出力信号Ｃｒを省略し、位置検出器１１０から原点位置算出処理部１３０へ位置情報θを常に伝送しておき、原点位置算出処理部１３０のデジタルＩＣ１３１が出力信号Ｃｒの立ち下がりのタイミングで位置情報θを取得するようにしてもよい。また、回転電機は電気自動車用の電動機に限らず、電動発電機や電動機であっても、同様の効果を奏する。

以上のようにこの実施の形態によれば、実施の形態１及び２で述べたような効果に加え、次の効果を奏する。
・界磁電流が確実に立ち上がった状態での調整が可能である。
・界磁回路の時定数が大きなシステムにも適用可能である。

実施の形態１である回転位置検出装置を備えた回転電機の構成を示す構成図である。 動作を説明するためのタイミングチャートである。 ２つの相電圧の交点近傍を拡大して示す波形図である。 制御基準原点の説明図である。 実施の形態２である回転位置検出装置を備えた回転電機の構成を示す構成図である。 動作を説明するためのタイミングチャートである。 記憶装置の構成を示す構成図である。 実施の形態３である回転位置検出装置を備えた回転電機の構成を示す構成図である。 動作を説明するためのタイミングチャートである。

符号の説明

１０ 回転電機、１００ 回転電機本体、１０１ 電機子、１０２ 電機子巻線、
１０５ 界磁巻線、１１０ 位置検出器、１１１ 位置センサ、１１２ 位置変換器、
１２０ 相電圧交点検出手段、１２１ コンパレータ、
１３０，２３０，３３０ 原点位置算出処理部、
１３１，２３１，３３１ デジタルＩＣ、３３２ マスク信号生成部、
３３２ 位置変換部。

Claims (7)

1. 複数相の巻線を有する電機子と回転子を備えた回転電機の上記回転子の回転位置を検出するものであって、
   上記回転子に結合される位置センサを有しこの位置センサの検出出力により上記回転子の回転位置を検出する位置検出器と、
   上記回転子を所定の回転速度にて回転させて上記電機子に発生する任意の２つの相の電圧波形の交点が検出されたときの上記位置検出器により検出された上記回転子の回転位置である交点検出時回転位置に基づいて上記回転子の基準とすべき基準回転位置を求める基準回転位置決定手段と、
   を備えた回転電機の回転位置検出装置。
2. 上記基準回転位置決定手段は、上記回転電機の無負荷状態において上記２つの相の電圧波形の交点が検出されたときの上記位置検出器により検出された上記交点検出時回転位置に基づいて上記回転子の基準とすべき基準回転位置を求めるものであることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の回転位置検出装置。
3. 上記基準回転位置決定手段は、コンパレータの反転及び非反転入力端子に上記２つの相の電圧が入力されて上記２つの相の電圧波形の交点が検出されるものであることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の回転位置検出装置。
4. 上記基準回転位置決定手段は、検出された複数の上記交点検出時回転位置を平均して上記基準回転位置とするものであることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の回転位置検出装置。
5. 上記位置センサは所定の極対数の検出巻線を有するレゾルバであり、上記基準回転位置決定手段は上記回転子の所定の回転数分の上記交点検出時回転位置を記憶しておき、上記検出巻線の上記極対ごとの上記交点検出時回転位置の平均値を求め上記極対ごとの上記基準回転位置とするものであることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の回転位置検出装置。
6. 上記回転電機の回転子は巻線界磁式であり、上記基準回転位置決定手段は上記回転子を励磁してから所定時間経過後に上記基準回転位置を求めるものであることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の回転位置検出装置。
7. 回転電機本体及びこの回転電機本体と一体に取り付けられた請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の回転電機の回転位置検出装置を備えた回転電機。

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