JP2012175747A - Motor - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a motor which is controlled in a sensor-less state with winding configuration of unbalance V connection.SOLUTION: The V-connection motor whose phase voltages are unbalanced since inter-terminal impedance is unbalanced detects an inter-terminal voltage, a current Iy of a Y phase, and a current Iz of a Z phase, finds an induced voltage component of winding by calculating a voltage component of a self-inductance, a voltage component of mutual inductance, and a voltage drop component due to winding resistance, and detects a rotor rotational position θre from the induced voltage component to control the voltage and current.

Description

本発明は、自動車やトラック等に搭載される制御回路を含むモータに関する。また、産業用機器、家庭電化製品などへの適用も可能である。   The present invention relates to a motor including a control circuit mounted on an automobile, a truck, or the like. Also, it can be applied to industrial equipment, home appliances and the like.

3相交流電圧、3相交流電流のモータは自動車用途、産業用途、家電用途などに広く使用されている。そして、モータシステムの低コスト化、小型化、高信頼化の要求に応えるために、エンコーダを使用しない、いわゆるセンサレス速度制御、センサレス位置制御などのモータが研究され、製品化されてきた。
図30に従来のセンサレス制御のモータ構成の例を示す(特許文献1、2参照)。2Eは直流電圧源、451、452はU相電流Iuを通電するトランジスタ、453、454はV相電流Ivを通電するトランジスタ、455、456はW相電流Iwを通電するトランジスタである。457、458、459、45A、45B、45Cは前記の各トランジスタに逆並列に接続されたダイオードである。45DはモータのU相巻線、45EはV相巻線、45FはW相巻線である。45Nは前記3相の巻線をY結線するときの接続点であり、電位的には中性点である。
Three-phase AC voltage and three-phase AC current motors are widely used in automobile applications, industrial applications, home appliance applications, and the like. In order to meet the demands for cost reduction, size reduction, and high reliability of motor systems, motors such as so-called sensorless speed control and sensorless position control that do not use an encoder have been studied and commercialized.
FIG. 30 shows an example of a conventional motor configuration for sensorless control (see Patent Documents 1 and 2). 2E is a DC voltage source, 451 and 452 are transistors for supplying a U-phase current Iu, 453 and 454 are transistors for supplying a V-phase current Iv, and 455 and 456 are transistors for supplying a W-phase current Iw. Reference numerals 457, 458, 459, 45A, 45B, and 45C denote diodes connected in antiparallel to the transistors. 45D is a U-phase winding of the motor, 45E is a V-phase winding, and 45F is a W-phase winding. 45N is a connection point when the three-phase winding is Y-connected, and is a neutral point in terms of potential.

45HはU相巻線45Dの端子電圧を検出するためのローパスフィルタである。モータの電圧、電流をトランジスタによるパルス幅変調PWMを行って制御する場合、端子電圧に重畳している高調波成分を除去する必要があり、ローパスフィルタ45Hを使用している。同様に、45JはV相巻線45Eの端子電圧を検出するためのローパスフィルタである。同様に、45KはW相巻線45Fの端子電圧を検出するためのローパスフィルタである。これらのローパスフィルタ45H、45J、45Kにより、3相各端子電圧の基本波電圧成分を検出している。これらのローパスフィルタ45H、45J、45Kの出力を制御部45Lに出力し、ロータ回転位置情報を検出し、モータの3相交流電圧、3相交流電流を制御する。
なお、本発明に関わるモータの例は、特許文献3に示されるモータである。これは2個のループ状巻線を備えるモータで、3相交流の不平衡な巻線のモータがある。
45H is a low-pass filter for detecting the terminal voltage of the U-phase winding 45D. When controlling the voltage and current of the motor by performing pulse width modulation PWM using a transistor, it is necessary to remove harmonic components superimposed on the terminal voltage, and the low-pass filter 45H is used. Similarly, 45J is a low-pass filter for detecting the terminal voltage of the V-phase winding 45E. Similarly, 45K is a low-pass filter for detecting the terminal voltage of the W-phase winding 45F. These low-pass filters 45H, 45J, and 45K detect the fundamental wave voltage components of the three-phase terminal voltages. The outputs of these low-pass filters 45H, 45J, and 45K are output to the control unit 45L, and rotor rotational position information is detected to control the three-phase AC voltage and three-phase AC current of the motor.
An example of a motor according to the present invention is a motor disclosed in Patent Document 3. This is a motor having two loop-shaped windings, and there is a motor with three-phase AC unbalanced windings.

特開平7−115789号公報(図4)Japanese Patent Laid-Open No. 7-115789 (FIG. 4) 国際公開第96/05650号パンフレット(図1)International Publication No. 96/05650 pamphlet (Figure 1) 特許第4007339号公報(図1)Japanese Patent No. 4007339 (FIG. 1)

上記の図30に示す方法では、ローパスフィルタを使用するため、応答に遅れがある。従って、急加減速を必要とする用途では時間的な高速応答が必要であり、問題がある。
また、ロータが停止している場合、あるいは、低速で回転している場合には、各巻線の誘起電圧が小さく、ロータ回転位置θreの検出が難しい。従って、低速回転でのセンサレス制御には適さない面がある。なお、低速回転での位置検出が難しい場合、停止状態からセンサレス位置検出が可能となるある程度の中速の回転速度までは、3相電流を低速から徐々に中速の回転速度まで周波数を高めて、同期運転で始動させる方法が一般的に使用されている。
Since the method shown in FIG. 30 uses a low-pass filter, there is a delay in response. Accordingly, there is a problem in applications that require rapid acceleration / deceleration because a high-speed response in time is required.
In addition, when the rotor is stopped or rotating at a low speed, the induced voltage of each winding is small and it is difficult to detect the rotor rotational position θre. Therefore, there are aspects that are not suitable for sensorless control at low speed. If it is difficult to detect the position at low speed, the three-phase current is gradually increased from the low speed to the medium speed until the sensorless position can be detected. In general, a method of starting in synchronous operation is used.

他の方法として、拡張誘起電圧方式と言われるような、低速回転から高速回転まで、高速な応答速度でロータ回転位置θreを検出できる方法などもあるが、回転座標系での演算を行うなど高度な計算が必要となり、ある程度の処理能力を有するマイコンが必要となり、コストの問題、制御回路部のサイズの問題などがある。また、ロータの回転方向によりインダクタンスの値が異なることも利用した位置検出方法なので、ロータ表面に一様に永久磁石を配置した表面磁石形ロータの場合は、拡張誘起電圧方式であっても低速回転のロータ位置検出が難しい。   As another method, there is a method that can detect the rotor rotational position θre at a high speed response speed from low speed rotation to high speed rotation, which is called an extended induced voltage method. Calculation is required, a microcomputer having a certain level of processing capability is required, and there are problems such as cost and size of the control circuit unit. In addition, since the position detection method uses the fact that the inductance value varies depending on the rotor rotation direction, in the case of a surface magnet type rotor in which permanent magnets are uniformly arranged on the rotor surface, even if the extended induced voltage method is used, the rotation speed is low. It is difficult to detect the rotor position.

また、いわゆる120°通電方式のブラシレスモータの駆動方法がある。
120°通電方式は、U、V、W相の3線の内の2線に通電して順次通電相を変えてモータを回転する方法である。この駆動方法における特有のセンサレス位置検出方法も使用されている。3線の内の1線には電流が通電されていないので通電しない相の高調波電圧が少ないことを利用して、前記の中性点45Nが零ボルトになる位相を検出する方法がある。このセンサレス位置検出方法は、簡素な構成であり、低コストなモータシステムとすることができる。
しかしこの方法は、巻線のインダクタンスが大きい場合、相電流の切り替え時に発生するいわゆるスパイク電圧の時間幅が広くなり、センサレス位置検出の時間的検出マージンが低下する問題がある。また、当然のことながら、150°通電方式、180°通電方式、正弦波通電方式などの駆動方式に適用することはできない。従って、低騒音化の限界などの問題がある。
There is also a so-called 120 ° energization brushless motor driving method.
The 120 ° energization method is a method of rotating the motor by energizing two of the three U, V, and W phases and sequentially changing the energization phase. A unique sensorless position detection method in this driving method is also used. There is a method of detecting the phase at which the neutral point 45N becomes zero volts by utilizing the fact that the current is not applied to one of the three wires and the harmonic voltage of the non-energized phase is small. This sensorless position detection method has a simple configuration and can be a low-cost motor system.
However, this method has a problem that when a winding inductance is large, a time width of a so-called spike voltage generated at the time of phase current switching is widened, and a temporal detection margin for sensorless position detection is lowered. Further, as a matter of course, it cannot be applied to driving methods such as a 150 ° energization method, a 180 ° energization method, and a sine wave energization method. Therefore, there are problems such as the limitation of noise reduction.

本発明で示す3相の不平衡な巻線を備えるモータのセンサレス制御は、今までにその様な不平衡な巻線のモータに関する試みがなかったため、発明者らの知る限り、公知技術がない。また、不平衡な巻線であるため、従来の3相巻線が平衡であることを前提とした種々のセンサレス位置検出方法は、不平衡巻線では種々の問題が発生する。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、不平衡なV結線の巻線構成においてセンサレスで制御するモータを提供することにある。
In the sensorless control of a motor having three-phase unbalanced windings shown in the present invention, there has been no attempt related to a motor with such unbalanced windings so far, as far as the inventors know, there is no known technique. . In addition, since the winding is unbalanced, various sensorless position detection methods based on the premise that the conventional three-phase winding is balanced have various problems in the unbalanced winding.
The present invention has been made based on the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a motor that performs sensorless control in an unbalanced V-connection winding configuration.

(請求項1に係る発明)
請求項1に記載の発明は、3相の交流モータにおいて、モータの入力である端子あるいはリード線をX端子、Y端子、Z端子とし、前記X端子とY端子との間に配置したU相巻線WUと、前記Z端子とX端子との間に配置したW相巻線WWと、前記U相巻線WUのU相電圧Vuを検出する電圧検出手段DVutと、前記U相巻線WUに通電する電流Iyを検出する電流検出手段DIyと、前記W相巻線WWに通電する電流Izを検出する電流検出手段DIzと、前記U相巻線WUの誘起電圧成分Vurを計算する計算手段CVurと、前記計算手段CVurの出力Vurを基にロータの回転位置θreを検出する位置検出手段POSuとを備え、前記U相巻線WUの誘起電圧成分Vurを使用してロータの回転位置θreの情報を検出して制御するモータの構成である。
この構成によれば、3相モータの各巻線の内部インピーダンスが異なっていても、正確に各巻線の誘起電圧成分を検出することができ、センサレスで制御を行えるモータとすることができる。
(Invention according to Claim 1)
The invention according to claim 1 is a three-phase AC motor, wherein a terminal or lead wire that is an input of the motor is an X terminal, a Y terminal, and a Z terminal, and the U phase is disposed between the X terminal and the Y terminal. A winding WU, a W-phase winding WW arranged between the Z terminal and the X terminal, voltage detection means DVut for detecting a U-phase voltage Vu of the U-phase winding WU, and the U-phase winding WU Current detecting means DIy for detecting the current Iy energized in the current, current detecting means DIz for detecting the current Iz energized in the W-phase winding WW, and calculating means for calculating the induced voltage component Vur of the U-phase winding WU CVur and position detecting means POSu for detecting the rotational position θre of the rotor based on the output Vur of the calculating means CVur, and using the induced voltage component Vur of the U-phase winding WU, the rotational position θre of the rotor is detected. Detect and control information It is the structure of the motor which performs.
According to this configuration, even if the internal impedances of the windings of the three-phase motor are different, the induced voltage component of each winding can be detected accurately, and the motor can be controlled without a sensor.

請求項2に記載の発明は、請求項1において、前記計算手段CVurは、U相巻線WUの抵抗値Ruも使用してU相巻線WUの誘起電圧成分Vurを計算し、制御するモータの構成である。
この構成によれば、巻線の抵抗による電圧降下も計算するので、特に巻線抵抗による電圧降下の比率の大きい小型のモータにおいて、より正確なセンサレスで制御を行えるモータとすることができる。
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the calculation means CVur calculates and controls the induced voltage component Vur of the U-phase winding WU using the resistance value Ru of the U-phase winding WU. It is the composition.
According to this configuration, since the voltage drop due to the resistance of the winding is also calculated, it is possible to provide a motor that can be controlled more accurately without a sensor, particularly in a small motor having a large ratio of the voltage drop due to the winding resistance.

請求項3に記載の発明は、3相の交流モータにおいて、モータの入力である端子あるいはリード線をX端子、Y端子、Z端子とし、前記X端子とY端子との間に配置したU相巻線WUと、前記Z端子とX端子との間に配置したW相巻線WWと、前記U相巻線WUのU相電圧Vuを検出する電圧検出手段DVuと、前記U相巻線WUに通電する電流Iyを検出する電流検出手段DIyと、前記W相巻線WWのW相電圧Vwを検出する電圧検出手段DVwと、前記W相巻線WWに通電する電流Izを検出する電流検出手段DIzと、前記U相巻線WUの誘起電圧成分Vurを計算する計算手段CVurと、前記W相巻線WWの誘起電圧成分Vwrを計算する計算手段CVwrと、前記計算手段CVurの出力Vurを基にロータの回転位置θreを検出する位置検出手段POSuと、前記計算手段CVwrの出力Vwrを基にロータの回転位置θreを検出する位置検出手段POSwとを備え、前記U相巻線WUの誘起電圧成分Vurと前記W相巻線WWの誘起電圧成分Vwrとを使用してロータの回転位置θreの情報を検出して制御するモータの構成である。
この構成によれば、2相、あるいは、3相の誘起電圧成分を用いてセンサレスで制御を行えるので、精度の向上と応答性の向上を行えるモータとすることができる。
The invention according to claim 3 is a three-phase AC motor, wherein a terminal or lead wire which is an input of the motor is an X terminal, a Y terminal and a Z terminal, and is arranged between the X terminal and the Y terminal. A winding WU, a W-phase winding WW disposed between the Z terminal and the X terminal, voltage detection means DVu for detecting a U-phase voltage Vu of the U-phase winding WU, and the U-phase winding WU Current detection means DIy for detecting the current Iy energized in the current, voltage detection means DVw for detecting the W-phase voltage Vw of the W-phase winding WW, and current detection for detecting the current Iz energized in the W-phase winding WW Means DIz, calculation means CVur for calculating the induced voltage component Vur of the U-phase winding WU, calculation means CVwr for calculating the induced voltage component Vwr of the W-phase winding WW, and output Vur of the calculation means CVur Based on the rotational position of the rotor θre Position detecting means POSu for detecting and position detecting means POSw for detecting the rotational position θre of the rotor based on the output Vwr of the calculating means CVwr, and the induced voltage component Vur of the U-phase winding WU and the W-phase winding This is a configuration of a motor that detects and controls information on the rotational position θre of the rotor using the induced voltage component Vwr of the line WW.
According to this configuration, since control can be performed without using a two-phase or three-phase induced voltage component, a motor capable of improving accuracy and responsiveness can be obtained.

請求項4に記載の発明は、請求項3において、前記計算手段CVurは、U相巻線WUの抵抗値Ruも使用してU相巻線WUの誘起電圧成分Vurを計算し、前記計算手段CVwrは、W相巻線WWの抵抗値Rwも使用してW相巻線WWの誘起電圧成分Vwrを計算し、制御するモータの構成である。
この構成によれば、請求項3において巻線の抵抗による電圧降下も計算するので、特に巻線抵抗による電圧降下の比率の大きい小型のモータにおいて、より正確なセンサレスで制御を行えるモータとすることができる。
According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect, the calculating means CVur calculates an induced voltage component Vur of the U-phase winding WU using the resistance value Ru of the U-phase winding WU, and the calculating means CVwr is a configuration of a motor that uses the resistance value Rw of the W-phase winding WW to calculate and control the induced voltage component Vwr of the W-phase winding WW.
According to this configuration, since the voltage drop due to the winding resistance is also calculated in claim 3, the motor can be controlled more accurately without a sensor, particularly in a small motor having a large ratio of the voltage drop due to the winding resistance. Can do.

請求項5に記載の発明は、請求項3において、U相巻線WUに関わる情報とZ相巻線WZに関わる情報からV相の誘起電圧成分Vvrを求め、この誘起電圧成分Vvrを使用してロータの回転位置θreの情報を検出して制御するモータの構成である。
この構成によれば、2相、あるいは、3相の誘起電圧成分を用いてセンサレスで制御を行えるので、精度の向上と応答性の向上を行えるモータとすることができる。
According to a fifth aspect of the present invention, in the third aspect, an induced voltage component Vvr of the V phase is obtained from information related to the U-phase winding WU and information related to the Z-phase winding WZ, and the induced voltage component Vvr is used. This is a configuration of a motor that detects and controls information on the rotational position θre of the rotor.
According to this configuration, since control can be performed without using a two-phase or three-phase induced voltage component, a motor capable of improving accuracy and responsiveness can be obtained.

請求項6に記載の発明は、請求項1または請求項3において、MOSFETなどの電力素子を含む半導体素子のボンディングワイヤあるいはリード端子の抵抗値を利用してモータへ通電する電流成分を検出し、制御するモータの構成である。
この構成によれば、電流検出に使用するシャント抵抗の機能をボンディングワイヤ等を使用して構成することができるので、小型化、低コスト化を行えるモータとすることができる。
The invention according to claim 6 detects the current component energized to the motor in claim 1 or claim 3 using the resistance value of the bonding wire or lead terminal of the semiconductor element including the power element such as MOSFET, It is the structure of the motor to control.
According to this configuration, the function of the shunt resistor used for current detection can be configured by using a bonding wire or the like, so that the motor can be reduced in size and cost.

請求項7に記載の発明は、請求項1または請求項3において、モータ巻線WAAの温度を計測、あるいは、推測して求め、ある温度で抵抗値Raaのモータ巻線WAAへ電流Iaaを通電して発生する抵抗電圧降下成分VaaRを計算し、制御するモータの構成である。
この構成によれば、モータ巻線の電流通過により発生する電圧降下の温度変化を考慮することができるので、センサレス位置検出の検出精度を向上したモータとすることができる。
A seventh aspect of the present invention is the method according to the first or third aspect, wherein the temperature of the motor winding WAA is measured or estimated, and the current Iaa is supplied to the motor winding WAA having the resistance value Raa at a certain temperature. The resistance voltage drop component VaaR generated in this way is calculated and controlled.
According to this configuration, since the temperature change of the voltage drop caused by the current passing through the motor winding can be taken into consideration, the motor with improved detection accuracy in sensorless position detection can be obtained.

請求項8に記載の発明は、U相巻線WUとV相巻線WVとW相巻線WWとをY結線し、V相巻線WVのV相電圧Vvを検出する電圧検出手段DVvと、V相巻線WVの電流Ivを検出する電流検出手段DIvと、V相巻線WVの誘起電圧成分Vvrを計算する計算手段CVvr2と、前記計算手段CVvr2の出力Vvrを基にロータの回転位置θreを検出する位置検出手段POSvとを備え、前記V相巻線WVの誘起電圧成分Vvrを使用してロータの回転位置θreの情報を検出し、U相、V相、W相の電圧と電流を制御するモータの構成である。
この構成によれば、3個の巻線をY結線とした3相交流モータにおいて、相電圧を検出してセンサレス位置検出を行えるモータとすることができる。
According to an eighth aspect of the present invention, voltage detection means DVv for Y-connecting the U-phase winding WU, the V-phase winding WV, and the W-phase winding WW to detect the V-phase voltage Vv of the V-phase winding WV; Current detecting means DIv for detecting the current Iv of the V-phase winding WV, calculating means CVvr2 for calculating the induced voltage component Vvr of the V-phase winding WV, and the rotational position of the rotor based on the output Vvr of the calculating means CVvr2. position detecting means POSv for detecting θre, detecting information on the rotational position θre of the rotor using the induced voltage component Vvr of the V-phase winding WV, and the voltage and current of the U-phase, V-phase, and W-phase It is the structure of the motor which controls.
According to this configuration, in a three-phase AC motor in which three windings are Y-connected, a motor capable of detecting a phase voltage and detecting a sensorless position can be obtained.

請求項9に記載の発明は、U相巻線WUとV相巻線WVとW相巻線WWとをY結線し、直列に接続したU相巻線WUとW相巻線WWとの両端の端子間電圧Vuwを検出する電圧検出手段DVuw2と、V相巻線WVの電流Ivを検出する電流検出手段DIvと、W相巻線WWの電流Iwを検出する電流検出手段DIwと、U相巻線WUの誘起電圧成分VurとW相巻線WWの誘起電圧成分Vwrとの差Vuwrを計算する計算手段CVuwr2と、前記計算手段CVuwr2の出力Vuwrを基にロータの回転位置θreを検出する位置検出手段POSuw2とを備え、前記U相巻線WUとW相巻線WWとの誘起電圧成分Vuwrを使用してロータの回転位置θreの情報を検出し、U相、V相、W相の電圧と電流を制御するモータの構成である。
この構成によれば、3個の巻線をY結線とした3相交流モータにおいて、端子間電圧を検出してセンサレス位置検出を行えるモータとすることができる。
In the invention according to claim 9, the U-phase winding WU, the V-phase winding WV, and the W-phase winding WW are Y-connected, and both ends of the U-phase winding WU and the W-phase winding WW connected in series are connected. Voltage detecting means DVuw2 for detecting the inter-terminal voltage Vuw, current detecting means DIv for detecting the current Iv of the V phase winding WV, current detecting means DIw for detecting the current Iw of the W phase winding WW, U phase The calculation means CVuwr2 for calculating the difference Vuwr between the induced voltage component Vur of the winding WU and the induced voltage component Vwr of the W-phase winding WW, and the position for detecting the rotational position θre of the rotor based on the output Vuwr of the calculation means CVuwr2. Detecting means POSuw2, and detecting information on the rotational position θre of the rotor using the induced voltage component Vuwr of the U-phase winding WU and the W-phase winding WW, and detecting U-phase, V-phase, and W-phase voltages. And the motor configuration that controls the current. The
According to this configuration, in a three-phase AC motor in which three windings are Y-connected, a motor capable of detecting a sensorless position by detecting a voltage between terminals can be obtained.

請求項10に記載の発明は、請求項1、請求項3、請求項8、請求項9のいずれか一つにおいて、各相の正の電流あるいは負の電流の通電角幅が電気角で145°から180°の範囲とするモータの構成である。
この構成によれば、各相の電圧、電流の通電角幅を145°以上の種々の値とすることにより、電圧、電流の波形をより正弦波に近づけ、高調波を低減でき、簡素なセンサレス位置検出において低騒音の運転を行えるモータとすることができる。
According to a tenth aspect of the present invention, in any one of the first, third, eighth, and ninth aspects, the conduction angle width of the positive current or the negative current of each phase is 145 in electrical angle. The configuration of the motor is in the range of from ° to 180 °.
According to this configuration, the voltage and current conduction angle width of each phase is set to various values of 145 ° or more, so that the voltage and current waveforms can be made closer to a sine wave, harmonics can be reduced, and simple sensorless A motor capable of low noise operation in position detection can be obtained.

請求項11に記載の発明は、請求項1、請求項3、請求項8、請求項9のいずれか一つにおいて、各相の電流の波形形状が、概略、正弦波電流制御であるモータの構成である。 この構成によれば、概略、正弦波電流、電圧のモータ運転とすることにより、簡素なセンサレス位置検出において低騒音の運転を行えるモータとすることができる。   According to an eleventh aspect of the present invention, there is provided a motor according to any one of the first, third, eighth, and ninth aspects, wherein the waveform shape of the current of each phase is substantially sinusoidal current control. It is a configuration. According to this configuration, it is possible to obtain a motor that can perform low-noise operation in simple sensorless position detection by performing motor operation with a sine wave current and voltage.

本発明の対象とするモータの縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the motor made into the object of this invention. ロータ表面の磁石の円周方向形状を直線状に展開した図である。It is the figure which developed the circumferential direction shape of the magnet of the rotor surface in the shape of a straight line. 図1のステータの各相磁極がロータに対向する面の円周方向形状を直線状に展開した図である。FIG. 2 is a diagram in which a circumferential shape of a surface where each phase magnetic pole of the stator of FIG. 1 faces a rotor is linearly developed. 図3のステータの各相磁極形状を変形した例である。It is the example which deform | transformed each phase magnetic pole shape of the stator of FIG. 図3のステータの各相磁極形状を変形した例である。It is the example which deform | transformed each phase magnetic pole shape of the stator of FIG. (a)図1のコイルの縦形状を示す正面図、(b)図1のコイルの横形状を示す側面図である。(A) The front view which shows the vertical shape of the coil of FIG. 1, (b) The side view which shows the horizontal shape of the coil of FIG. 図1の各相のコイルの円周方向形状を直線状に展開した図である。It is the figure which developed the shape of the circumference direction of the coil of each phase of Drawing 1 in the shape of a straight line. 図7に示すコイルの内、同一スロットに配置する2個のコイルを1個に統合したコイル形状の展開図である。FIG. 8 is a developed view of a coil shape in which two coils arranged in the same slot among the coils shown in FIG. 7 are integrated into one. 3相のデルタ結線のモータに関し、3相の電圧ベクトルVu、Vv、Vwを基準に、通電する3相の電流Iu、Iv、Iw等を付記した図である。FIG. 5 is a diagram in which three-phase currents Iu, Iv, Iw, and the like are added with reference to three-phase voltage vectors Vu, Vv, Vw for a three-phase delta-connected motor. 図1、図8に示すモータ構成で、V結線とした巻線と3相電流を供給するインバータを示す図である。It is a figure which shows the inverter which supplies the coil | winding used as V connection and a three-phase electric current with the motor structure shown in FIG. 1, FIG. 図1、図8に示すモータ構成の電圧ベクトル、電流ベクトル、トルクの関係の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the relationship between the voltage vector of the motor structure shown in FIG. 1, FIG. 8, a current vector, and a torque. 図10に示すV結線とした巻線の等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit of the coil | winding made into the V connection shown in FIG. V結線の巻線からロータ回転位置θreを検出する構成を示す図である。It is a figure which shows the structure which detects rotor rotational position (theta) re from the coil | winding of V connection. 3相の誘起電圧成分からロータ回転位置θreの領域判定を行う関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship which performs area | region determination of rotor rotational position (theta) re from the induced voltage component of 3 phases. 図1、図8、図13に示す構成で、120°通電を行うシミュレーション結果である。It is the simulation result which performs 120 degree electricity supply with the structure shown in FIG.1, FIG.8, FIG.13. 図1、図10の構成を含む速度制御システムの概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the speed control system containing the structure of FIG. 1, FIG. 図13に示す要素を構成することができる演算増幅器の活用例として、(a)加減算器、(b)微分器の例を示す図である。It is a figure which shows the example of (a) adder-subtracter and (b) differentiator as an example of utilization of the operational amplifier which can comprise the element shown in FIG. モータの起動から速度制御を行う制御の例を示す図である。It is a figure which shows the example of control which performs speed control from starting of a motor. 半導体の集積回路素子の断面および内部接続に使用するボンディングワイヤ等を示す図である。It is a figure which shows the bonding wire etc. which are used for the cross section and internal connection of a semiconductor integrated circuit element. モータ巻線の抵抗値およびシャント抵抗の抵抗値を定電流回路で計測する構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example which measures the resistance value of a motor winding, and the resistance value of shunt resistance with a constant current circuit. 3相モータのY結線の相電圧を検出してセンサレス位置検出を行う構成例である。This is a configuration example in which sensorless position detection is performed by detecting the phase voltage of the Y connection of the three-phase motor. 3相交流、4極、集中巻き巻線構成のモータの縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the motor of 3 phase alternating current, 4 poles, and concentrated winding structure. 図22に示すモータの横断面図である。It is a cross-sectional view of the motor shown in FIG. Y結線の3相モータの相電圧、相電流、端子間電圧の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship of the phase voltage of a 3-phase motor of Y connection, a phase current, and the voltage between terminals. Y結線の3相モータの等価回路である。This is an equivalent circuit of a Y-connected three-phase motor. 3相モータのY結線の端子間電圧を検出してセンサレス位置検出を行う構成例である。This is a configuration example in which the voltage between the terminals of the Y connection of the three-phase motor is detected to detect the sensorless position. 図1、図8、図13に示す構成で、150°通電を行うシミュレーション結果である。It is the simulation result which performs 150 degree electricity supply with the structure shown in FIG.1, FIG.8, FIG.13. 図1、図8、図13に示す構成で、180°通電を行うシミュレーション結果である。It is the simulation result which performs 180 degree electricity supply with the structure shown in FIG.1, FIG.8, FIG.13. 図1、図8、図13に示す構成で、正弦波電流制御を行うシミュレーション結果である。It is the simulation result which performs sinusoidal current control by the structure shown in FIG.1, FIG.8, FIG.13. 従来のセンサレス位置検出の構成例である。It is an example of composition of conventional sensorless position detection.

本発明を実施するための最良の形態を以下の実施例により詳細に説明する。   The best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the following examples.

(実施例1)
本発明で示す3相の不平衡な巻線を備えるモータの例は、特許文献3に示されるモータであり、2個のループ状巻線を備えている。但し、3相の不平衡な巻線を備えるモータのセンサレス制御は、今までにその様な不平衡な巻線のモータに関する試みがなかったため、発明者らの知る限り、公知技術がない。
そこで、本発明では、制御回路を含め、簡素で低コストなモータシステムを提案する。また、生活の場に近いところで使用される各種のファンなどの用途では静かさが重要であり、極めて静粛なモータ構成も提案する。
Example 1
An example of a motor having three-phase unbalanced windings according to the present invention is the motor shown in Patent Document 3, which includes two loop windings. However, sensorless control of a motor having three-phase unbalanced windings has not been known so far, as far as the inventors know, because there has been no attempt regarding such a motor with unbalanced windings.
Therefore, the present invention proposes a simple and low-cost motor system including a control circuit. In addition, quietness is important in applications such as various fans used in places close to daily life, and an extremely quiet motor configuration is also proposed.

図1から図11に、本発明の対象とする、3相の不平衡な巻線を備えるモータの構成例を示す。図1はその概略的な構成を示す縦断面図の例である。Q11はロータ軸、Q12はロータ表面に取り付けられたN極永久磁石およびS極永久磁石、Q13はU相ステータ磁極、Q14はV相ステータ磁極、Q15はW相ステータ磁極、Q1Aはステータ磁路のバックヨーク部、Q16は円周方向に環状形状のU相巻線、Q17とQ18はV相巻線、Q19はW相巻線、Q1Bはモータケース、Q1Cは軸受けである。
図2は前記永久磁石Q12の円周方向の表面形状を直線状に展開した図で、円周方向を紙面で水平方向として示し、機械的角度を付記している。Q21はN極永久磁石、Q22はS極永久磁石であり、8極のロータの例である。
図3は図1に示すロータの永久磁石に対向するU、V、W各相のステータ磁極の円周方向形状を直線状に展開した図である。U相ステータ磁極Q13、V相ステータ磁極Q14、W相ステータ磁極Q15は相互に機械角で30°の位相差、電気角で120°の位相差を持たせて配置している。
FIG. 1 to FIG. 11 show a configuration example of a motor provided with a three-phase unbalanced winding, which is an object of the present invention. FIG. 1 is an example of a longitudinal sectional view showing a schematic configuration thereof. Q11 is the rotor shaft, Q12 is the N pole permanent magnet and S pole permanent magnet attached to the rotor surface, Q13 is the U phase stator pole, Q14 is the V phase stator pole, Q15 is the W phase stator pole, and Q1A is the stator magnetic path. The back yoke portion, Q16 is an annular U-phase winding in the circumferential direction, Q17 and Q18 are V-phase windings, Q19 is a W-phase winding, Q1B is a motor case, and Q1C is a bearing.
FIG. 2 is a diagram in which the surface shape in the circumferential direction of the permanent magnet Q12 is developed in a straight line. The circumferential direction is shown as a horizontal direction on the paper surface, and a mechanical angle is added. Q21 is an N-pole permanent magnet, Q22 is an S-pole permanent magnet, and is an example of an 8-pole rotor.
FIG. 3 is a diagram in which the circumferential shape of the stator magnetic poles of the U, V, and W phases facing the permanent magnet of the rotor shown in FIG. 1 is linearly developed. The U-phase stator magnetic pole Q13, the V-phase stator magnetic pole Q14, and the W-phase stator magnetic pole Q15 are disposed with a mechanical phase difference of 30 ° and an electrical angle of 120 °.

ロータの永久磁石に対向する各相のステータ磁極の形状は種々の変形が可能である。例えば図4に示すように長方形の形状とすることもできる。Q31はU相ステータ磁極、Q32はV相ステータ磁極、Q33はW相ステータ磁極である。図4の各ステータ磁極形状にスキューを加えることもできる。
また、図5に示すように、各相のステータ磁極の形状を台形とひし形の組み合わせとすることもできる。Q41はU相ステータ磁極、Q42はV相ステータ磁極、Q43はW相ステータ磁極である。各相ステータ磁極形状の面積は同じであり、相対的な位相差は電気角で120°である。この場合、各ステータ磁極を通過する磁束のロータ回転角θreと共に変化する値は、図4の場合が矩形形状であるのに比較して、より正弦波形状に近くなり、トルクリップルが低減する効果がある。
The shape of the stator magnetic pole of each phase facing the permanent magnet of the rotor can be variously modified. For example, a rectangular shape as shown in FIG. Q31 is a U-phase stator pole, Q32 is a V-phase stator pole, and Q33 is a W-phase stator pole. A skew can be added to each stator magnetic pole shape of FIG.
Moreover, as shown in FIG. 5, the shape of the stator magnetic pole of each phase can be a combination of a trapezoid and a rhombus. Q41 is a U-phase stator pole, Q42 is a V-phase stator pole, and Q43 is a W-phase stator pole. The area of each phase stator pole shape is the same, and the relative phase difference is 120 ° in electrical angle. In this case, the value that changes with the rotor rotation angle θre of the magnetic flux passing through each stator magnetic pole becomes closer to a sine wave shape compared to the rectangular shape in FIG. 4, and torque ripple is reduced. There is.

図6は図1に示した各相の環状形状の巻線であり、同図(a)は正面図、同図(b)は側面図である。Q16は環状形状の巻線、UはU相巻線の一端でNは他端である。
図7は図1および図6に示した環状形状の各相巻線の円周方向形状を直線状に展開した図である。
ここで、図1に示した巻線Q16とQ17は、同一のスロットに平行に巻回した巻線であり、1個の環状巻線に統合することが可能である。具体的には、図7の負のU相巻線Q16と正のV相巻線Q17の巻線を、図8の巻線Q71へ等価に置き換えることができる。但し、巻線Q71へ通電する電流はU相巻線Q16とV相巻線Q17へ通電する電流を加算した値の電流を通電する必要がある。
6A and 6B are annular windings of each phase shown in FIG. 1, wherein FIG. 6A is a front view and FIG. 6B is a side view. Q16 is an annular winding, U is one end of a U-phase winding, and N is the other end.
FIG. 7 is a diagram in which the circumferential shape of each of the annular windings shown in FIGS. 1 and 6 is linearly developed.
Here, the windings Q16 and Q17 shown in FIG. 1 are windings wound in parallel in the same slot, and can be integrated into one annular winding. Specifically, the negative U-phase winding Q16 and the positive V-phase winding Q17 in FIG. 7 can be equivalently replaced with the winding Q71 in FIG. However, the current to be supplied to winding Q71 needs to be supplied by adding a current obtained by adding the current to be supplied to U-phase winding Q16 and V-phase winding Q17.

この時、図7と図8の該当するスロットに流れる電流値は同じであるので、電磁気的には全く等価である。図8のように巻線を統合した方が巻線が単純化できる点が有利である。また、U相巻線Q16へ通電する負のU相電流(−Iu)とV相巻線Q17へ通電する正のV相電流Ivとの位相差が電気角で60°なので、巻線Q71へ通電するそれらの和(−Iu+Iv)の電流実効値は統合する前の電流実効値の0.866倍であり、巻線のジュール熱換算では2乗となるので0.75倍となり、25%の発熱低減となる。
同様に、図7の巻線Q18、Q19も図8の巻線Q72へ置き換えることが可能であり、簡素化できる。図8の巻線の場合、図1のモータは、巻線が2個の3相交流モータとなる。
At this time, since the current values flowing in the corresponding slots in FIGS. 7 and 8 are the same, they are electromagnetically equivalent. It is advantageous that the windings can be simplified if they are integrated as shown in FIG. Further, since the phase difference between the negative U-phase current (−Iu) energized to the U-phase winding Q16 and the positive V-phase current Iv energized to the V-phase winding Q17 is 60 ° in terms of electrical angle, to the winding Q71. The current effective value of the sum (-Iu + Iv) of those energized is 0.866 times the current effective value before integration, and becomes 0.75 because it is squared in terms of the Joule heat of the winding, and 25% Heat generation is reduced.
Similarly, the windings Q18 and Q19 in FIG. 7 can be replaced with the winding Q72 in FIG. 8, and can be simplified. In the case of the winding shown in FIG. 8, the motor shown in FIG. 1 is a three-phase AC motor having two windings.

図10に、3相交流インバータとの接続する例を示す。巻線Q71の一端45Eへ(−Iu+Iv)を通電し、巻線Q72の一端45Fへ(−Iv+Iw)を通電し、巻線Q71と巻線Q72の接続点45Gへ(−Iw+Iu)を通電する。3相電流Iu、Iv、Iwの位相差が相互に120°で同一振幅の正弦波であるとき、前記(−Iu+Iv)と(−Iv+Iw)と(−Iw+Iu)は相互に位相差が120°で同一振幅の正弦波となる。ここで、451、452、453、454、455、456は3相インバータを構成するトランジスタである。457、458、459、45A、45B、45Cは前記各トランジスタに逆並列に接続したダイオードである。
以上示したように、図1および図8に示すようなモータは、巻線が環状形状の簡素な構成の巻線なので巻線の製作が容易で、巻線占積率の向上も期待できる。そして、従来のコイルエンドの有るモータに比較してロータ軸方向の長さを短縮でき小型化できる特徴がある。
FIG. 10 shows an example of connection with a three-phase AC inverter. (-Iu + Iv) is energized to one end 45E of winding Q71, (-Iv + Iw) is energized to one end 45F of winding Q72, and (-Iw + Iu) is energized to connection point 45G between winding Q71 and winding Q72. When the phase differences of the three-phase currents Iu, Iv, and Iw are 120 ° and sine waves having the same amplitude, (−Iu + Iv), (−Iv + Iw), and (−Iw + Iu) have a phase difference of 120 °. Sine waves with the same amplitude. Here, reference numerals 451, 452, 453, 454, 455, and 456 denote transistors constituting a three-phase inverter. Reference numerals 457, 458, 459, 45A, 45B, and 45C denote diodes connected in antiparallel to the transistors.
As described above, since the motor as shown in FIGS. 1 and 8 has a simple configuration in which the winding has an annular shape, it is easy to manufacture the winding, and an improvement in the winding space factor can be expected. And compared with the motor with the conventional coil end, the length of a rotor axial direction can be shortened and it has the characteristics which can be reduced in size.

次に、図1に示すモータの巻線Q71、Q72の接続関係とインバータによる駆動方法を説明するため、一般的な3相デルタ結線の電圧、電流の関係を図9に示す。601はU相の巻線に発生するU相の電圧ベクトルVuであり、U相電流Iuを通電する。602はV相の巻線に発生するV相の電圧ベクトルVvであり、V相電流Ivを通電する。603はW相の巻線に発生するW相の電圧ベクトルVwであり、W相電流Iwを通電する。インバータによりデルタ結線の各接続点へは、それぞれ、下記の電流を通電する。
Ix=Iu−Iw (1)
Iy=Iv−Iu (2)
Iz=Iw−Iv (3)
Next, in order to explain the connection relationship between the windings Q71 and Q72 of the motor shown in FIG. 1 and the driving method by the inverter, the relationship between the voltage and current of a general three-phase delta connection is shown in FIG. Reference numeral 601 denotes a U-phase voltage vector Vu generated in the U-phase winding, and supplies a U-phase current Iu. Reference numeral 602 denotes a V-phase voltage vector Vv generated in the V-phase winding, and energizes the V-phase current Iv. Reference numeral 603 denotes a W-phase voltage vector Vw generated in the W-phase winding, and energizes the W-phase current Iw. The following currents are applied to each connection point of the delta connection by the inverter.
Ix = Iu−Iw (1)
Iy = Iv−Iu (2)
Iz = Iw−Iv (3)

図10は3相インバータにより図1、図8に示すモータのU相巻線Q71、W相巻線Q72へ電圧、電流を印加する構成を示す図である。インバータは図30と同じ構成である。45GはX端子、45EはY端子、45FはZ端子である。X端子45GとY端子45Eとの間に前記巻線Q71を接続する。Z端子45FとX端子45Gとの間に前記巻線Q72を接続する。X端子45GへはX相電流Ix=Iu−Iwを通電し、Y端子45EへはY相電流Iy=Iv−Iuを通電し、Z端子45FへはZ相電流Iz=Iw−Ivの電流を通電する。図1、図8に示すモータではV相巻線を省略した構成としているので、図9と図10に対比して示すように、V相電流IvはU相巻線Q71とW相巻線Q72とへ直列に通電することになる。Vv=−Vu−Vwなので、図10のV相電流Ivは図9のV相電流Ivと原理的に同じ機能である。
このように、図1に示したモータは、2個の巻線Q71、Q72でいわゆるV結線を構成することができる。3相の不平衡な2個の巻線ではあるが、原理的には3相交流モータを構成することができる。
FIG. 10 is a diagram showing a configuration in which voltage and current are applied to the U-phase winding Q71 and W-phase winding Q72 of the motor shown in FIGS. 1 and 8 by a three-phase inverter. The inverter has the same configuration as in FIG. 45G is an X terminal, 45E is a Y terminal, and 45F is a Z terminal. The winding Q71 is connected between the X terminal 45G and the Y terminal 45E. The winding Q72 is connected between the Z terminal 45F and the X terminal 45G. An X-phase current Ix = Iu-Iw is applied to the X terminal 45G, a Y-phase current Iy = Iv-Iu is applied to the Y terminal 45E, and a Z-phase current Iz = Iw-Iv is applied to the Z terminal 45F. Energize. Since the motor shown in FIGS. 1 and 8 has a configuration in which the V-phase winding is omitted, as shown in comparison with FIGS. 9 and 10, the V-phase current Iv is the U-phase winding Q71 and the W-phase winding Q72. Will be energized in series. Since Vv = −Vu−Vw, the V-phase current Iv in FIG. 10 has the same function in principle as the V-phase current Iv in FIG. 9.
As described above, the motor shown in FIG. 1 can form a so-called V-connection with the two windings Q71 and Q72. Although there are two unbalanced windings of three phases, in principle, a three-phase AC motor can be configured.

図11は、図1、図8、図10に示した各相の電圧Vu、Vv、Vwと各相の電流Iu、Iv、Iwと合成した各相の電流Ix、Iy、IzおよびトルクTa、Tbを示すベクトル図である。ここで、電圧ベクトルVuと電流ベクトルIuを同じ矢印で示している。同様に、VvとIv、VwとIwも同じ矢印で示している。また、巻線抵抗、巻線インダクタンスは無視している。 図11のトルクTaは、図10に示す巻線Q71が生成するトルクであり、電圧(−Vu)へ(2)式の電流Iy=Iv−Iuを通電し、それらの積として得ている。図11のトルクTbは、図10に示す巻線Q72が生成するトルクであり、電圧Vwへ(3)式の電流Iz=Iw−Ivを通電し、それらの積として得ている。トルクTaとTbはベクトル的に直交しており、それらの和は一定となる。従って、ロータが回転してもトルクの合計は一定値となる。   FIG. 11 shows the currents Ix, Iy, Iz and torque Ta of each phase synthesized with the voltages Vu, Vv, Vw of each phase shown in FIGS. 1, 8, 10 and the currents Iu, Iv, Iw of each phase. It is a vector diagram which shows Tb. Here, the voltage vector Vu and the current vector Iu are indicated by the same arrow. Similarly, Vv and Iv, and Vw and Iw are indicated by the same arrows. In addition, winding resistance and winding inductance are ignored. The torque Ta in FIG. 11 is a torque generated by the winding Q71 shown in FIG. 10, and is obtained as a product of the current (Iy = Iv−Iu) of the equation (2) supplied to the voltage (−Vu). The torque Tb in FIG. 11 is the torque generated by the winding Q72 shown in FIG. 10, and is obtained as a product of the current Iz = Iw−Iv in the equation (3) supplied to the voltage Vw. The torques Ta and Tb are orthogonal in vector, and their sum is constant. Therefore, even if the rotor rotates, the total torque becomes a constant value.

以上、2個の巻線を使用する不平衡な3相交流モータの電磁気的な関係について説明した。2個のループ状巻線で構成できるので、特に小型のモータでは巻線占積率を格段に向上することができ、効率を向上できる。コイルエンドが無く、ロータ軸方向の長さを大幅に短縮でき、小型化が可能である。自動車の補機に使用するような小型のモータでは、ステータの磁気回路は電磁鋼板の打ち抜きと折り曲げおよび絞りで容易に製作することができる。また、ステータ磁極の形状自在性を活用することにより、ロータ永久磁石に安価なフェライト磁石を使用することが技術的に容易である。従って、部品構成が簡単で部品点数も少ないことから低コスト化を実現できる。今後の量産用小型モータとして期待できる。しかし、このような構成のモータのセンサレス位置検出技術が確立していない。以降にこれらのモータに適したセンサレス位置検出の技術を示す。   The electromagnetic relationship of the unbalanced three-phase AC motor using two windings has been described above. Since it can be constituted by two loop-shaped windings, the winding space factor can be remarkably improved particularly in a small motor, and the efficiency can be improved. Since there is no coil end, the length in the rotor axial direction can be greatly shortened, and miniaturization is possible. In small motors such as those used in automobile accessories, the magnetic circuit of the stator can be easily manufactured by punching and bending electromagnetic steel sheets and drawing. Moreover, it is technically easy to use an inexpensive ferrite magnet for the rotor permanent magnet by utilizing the shape flexibility of the stator magnetic pole. Therefore, cost reduction can be realized because the parts configuration is simple and the number of parts is small. It can be expected as a small motor for mass production in the future. However, a sensorless position detection technique for a motor having such a configuration has not been established. A sensorless position detection technique suitable for these motors is described below.

図8、図10、図11に示すU相巻線Q71およびW相巻線Q72の等価回路を図12に示す。VurはU相巻線の誘起電圧成分、VwrはW相巻線の誘起電圧成分である。Rは巻線抵抗、Lsは自己インダクタンス、Lmは相互インダクタンスである。Y相の端子には、Iy=Iv−Iuの電流を通電する。Z相の端子には、Iz=Iw−Ivの電流を通電する。U相巻線電圧をVu、W相巻線電圧をVwとする。
特に、図1に示すモータが表面磁石形のロータである場合には、下記の電圧方程式となる。
Vu=Vur−Iy・R−Ls・(dIy/dt)
−Lm・(dIz/dt) (4)
Vw=Vwr+Iz・R+Ls・(dIz/dt)
+Lm・(dIy/dt) (5)
An equivalent circuit of the U-phase winding Q71 and the W-phase winding Q72 shown in FIGS. 8, 10, and 11 is shown in FIG. Vur is an induced voltage component of the U-phase winding, and Vwr is an induced voltage component of the W-phase winding. R is a winding resistance, Ls is a self-inductance, and Lm is a mutual inductance. A current of Iy = Iv−Iu is applied to the Y-phase terminal. A current of Iz = Iw−Iv is applied to the Z-phase terminal. The U-phase winding voltage is Vu, and the W-phase winding voltage is Vw.
In particular, when the motor shown in FIG. 1 is a surface magnet type rotor, the following voltage equation is obtained.
Vu = Vur−Iy · R−Ls · (dIy / dt)
-Lm · (dIz / dt) (4)
Vw = Vwr + Iz.R + Ls. (DIz / dt)
+ Lm · (dIy / dt) (5)

このモータは2個の巻線で駆動する不平衡な3相交流モータなので、特有な電圧方程式となる。なお、各電圧、各電流などの定義を変更して、等価な内容を異なる形式で表現することも可能である。
両相の誘起電圧成分Vur、Vwrを求めると次式となる。
Vur=Vu+Iy・R+Ls・(dIy/dt)
+Lm・(dIz/dt) (6)
Vwr=Vw−Iz・R−Ls・(dIz/dt)
−Lm・(dIy/dt) (7)
各制御変数の値Vu、Vw、Iy、Izを検出することにより、誘起電圧成分Vur、Vwrを求めることができる。そして、これらの誘起電圧成分よりロータの電気角での回転位置θreを求めることができる。
Since this motor is an unbalanced three-phase AC motor driven by two windings, it has a specific voltage equation. It is also possible to express equivalent contents in different formats by changing the definitions of each voltage, each current, and the like.
When the induced voltage components Vur and Vwr of both phases are obtained, the following equation is obtained.
Vur = Vu + Iy.R + Ls. (DIy / dt)
+ Lm · (dIz / dt) (6)
Vwr = Vw-Iz.R-Ls. (DIz / dt)
-Lm · (dIy / dt) (7)
By detecting the values Vu, Vw, Iy, and Iz of the control variables, the induced voltage components Vur and Vwr can be obtained. The rotational position θre at the electrical angle of the rotor can be obtained from these induced voltage components.

図13は、(6)式、(7)式などに示した3相交流モータのセンサレス位置検出の構成、方法の例を示す図である。NB1はY相電流Iyを検出するためのシャント抵抗である。NB2はZ相電流Izを検出するためのシャント抵抗である。これらのシャント抵抗NB1、NB2は、通常、巻線の近くではなく、インバータなどの制御回路の近傍に配置して使用する。351はX端子、352はY端子、354はZ端子である。353はY相電流検出用のシャント抵抗NB1の他端、355はZ相電流検出用のシャント抵抗NB2の他端である。
NB3はU相電圧Vuの検出手段で、その出力はU相電圧検出値Vusである。NB4はW相電圧Vwの検出手段で、その出力はW相電圧検出値Vwsである。NB5はY相電流Iyの検出手段で、その出力はY相電流検出値Iysである。NB6はZ相電流Izの検出手段で、その出力はZ相電流検出値Izsである。NB7は微分器で、Y相電流検出値Iysの微分値(dIy/dt)を得る。NB8は微分器で、Z相電流検出値Izsの微分値(dIz/dt)を得る。
FIG. 13 is a diagram showing an example of the configuration and method of sensorless position detection of the three-phase AC motor shown in equations (6) and (7). NB1 is a shunt resistor for detecting the Y-phase current Iy. NB2 is a shunt resistor for detecting the Z-phase current Iz. These shunt resistors NB1 and NB2 are usually used in the vicinity of a control circuit such as an inverter, not near the windings. 351 is an X terminal, 352 is a Y terminal, and 354 is a Z terminal. 353 is the other end of the shunt resistor NB1 for detecting the Y-phase current, and 355 is the other end of the shunt resistor NB2 for detecting the Z-phase current.
NB3 is a means for detecting the U-phase voltage Vu, and its output is a U-phase voltage detection value Vus. NB4 is a means for detecting the W-phase voltage Vw, and its output is a W-phase voltage detection value Vws. NB5 is a means for detecting the Y-phase current Iy, and its output is a Y-phase current detection value Iys. NB6 is a detection means for the Z-phase current Iz, and its output is a Z-phase current detection value Izs. NB7 is a differentiator and obtains a differential value (dIy / dt) of the Y-phase current detection value Iys. NB8 is a differentiator and obtains a differential value (dIz / dt) of the Z-phase current detection value Izs.

NB9はU相の誘起電圧Vurを計算する演算器で、(6)式に示す計算、すなわち、モータパラメータであるR、Ls、Lmとの比例計算と加減算を行う。具体的には(6)式の通りであり、U相電圧検出値VusとY相電流検出値Iysに抵抗値Rを乗じた値(Iy・R)、Y相電流検出値Iysの微分値に自己インダクタンスLsを乗じた値Ls・(dIy/dt)、Z相電流検出値Izsの微分値に相互インダクタンスLmを乗じた値Lm・(dIz/dt)をそれぞれ加算している。演算器NB9の出力NBHは、U相の誘起電圧成分Vurである。   NB9 is an arithmetic unit for calculating the induced voltage Vur of the U phase, and performs the calculation shown in the equation (6), that is, the proportional calculation with the motor parameters R, Ls, Lm, and addition / subtraction. Specifically, it is as shown in the equation (6), and is obtained by multiplying the U-phase voltage detection value Vus and the Y-phase current detection value Iys by the resistance value R (Iy · R), and the differential value of the Y-phase current detection value Iys. A value Ls · (dIy / dt) multiplied by the self-inductance Ls and a value Lm · (dIz / dt) obtained by multiplying the differential value of the Z-phase current detection value Izs by the mutual inductance Lm are added. The output NBH of the arithmetic unit NB9 is a U-phase induced voltage component Vur.

NBAはW相の誘起電圧Vurを計算する演算器で、(7)式に示す計算、すなわち、モータパラメータであるR、Ls、Lmとの比例計算と加減算を行う。具体的には(7)式の通りであり、W相電圧検出値VwsとZ相電流検出値の負の値(−Izs)に抵抗値Rを乗じた値(−Iz・R)、Z相電流検出値の負の値(−Izs)の微分値に自己インダクタンスLsを乗じた値Ls・(−dIz/dt)、Y相電流検出値の負の値(−Iys)の微分値に相互インダクタンスLmを乗じた値Lm・(−dIy/dt)をそれぞれ加算している。演算器NBAの出力NBJは、W相の誘起電圧成分Vwrである。   NBA is an arithmetic unit for calculating the induced voltage Vur of the W phase, and performs the calculation shown in the equation (7), that is, the proportional calculation with the motor parameters R, Ls, and Lm, and addition / subtraction. Specifically, it is as shown in Equation (7), and a value (−Iz · R) obtained by multiplying the negative value (−Izs) of the W phase voltage detection value Vws and the Z phase current detection value by the resistance value R, and the Z phase A value Ls · (−dIz / dt) obtained by multiplying the differential value of the negative value (−Izs) of the current detection value by the self-inductance Ls, and the mutual inductance of the differential value of the negative value (−Iys) of the negative value of the Y-phase current detection value A value Lm · (−dIy / dt) multiplied by Lm is added. An output NBJ of the arithmetic unit NBA is a W-phase induced voltage component Vwr.

NBBはフィルタで、ノイズなどの高調波成分を除去する。各相巻線の誘起電圧を検出するための理論の観点では不要である。出力はU、V、W相の3相の誘起電圧成分Vur、Vvr、Vwrである。なお、NBBでは、平衡3相交流電圧の内の2相の交流電圧Vur、Vwrを入力としているので、V相の誘起電圧成分Vurも(−Vur−Vwr)として計算して出力することができる。これらの3相の誘起電圧成分の例を図14に示す。図14の横軸は電気角で示すロータ回転位置θreである。   NBB is a filter that removes harmonic components such as noise. This is not necessary from a theoretical point of view for detecting the induced voltage of each phase winding. The outputs are three-phase induced voltage components Vur, Vvr, and Vwr of U, V, and W phases. Since NBB uses two-phase AC voltages Vur and Vwr of the balanced three-phase AC voltage as input, V-phase induced voltage component Vur can also be calculated and output as (−Vur−Vwr). . Examples of these three-phase induced voltage components are shown in FIG. The horizontal axis of FIG. 14 is the rotor rotational position θre indicated by an electrical angle.

NBCはコンパレータで、3相の誘起電圧成分Vur、Vvr、Vwrの正負を比較してNBD、NBE、NBFを出力し、それらは図14のPu、Pv、Pwに示すように、論理信号へ変換する。これらの論理信号Pu、Pv、Pwより、Puvwで示すようなロータ回転位置θreの60°ごとの領域A1、A2、A3、A4、A5、A6を認識することができる。さらには、3相の誘起電圧成分Vur、Vvr、Vwrより、より細かな領域判定を行うことができる。あるいは、より詳細なロータ回転位置θreの検出も、公知の三角関数の演算などにより、比較的容易に行うことができる。   NBC is a comparator that compares the positive and negative of the three-phase induced voltage components Vur, Vvr, and Vwr and outputs NBD, NBE, and NBF, which are converted into logic signals as indicated by Pu, Pv, and Pw in FIG. To do. From these logic signals Pu, Pv, Pw, it is possible to recognize the regions A1, A2, A3, A4, A5, A6 every 60 ° of the rotor rotational position θre as indicated by Puvw. Furthermore, a finer region determination can be made from the three-phase induced voltage components Vur, Vvr, and Vwr. Alternatively, more detailed detection of the rotor rotational position θre can be performed relatively easily by calculation of a known trigonometric function.

図15は、図10の構成において、いわゆる120°通電方式でモータを制御する場合の各部の電圧、電流のシミュレーション結果の例である。横軸は電気角で示すロータ回転位置θreである。図10の直流電圧源2Eの負側を0ボルトとする時の45G、45E、45Fの電位が図15のVx、Vy、Vzである。その結果、U相巻線Q71に印加される電圧およびW相巻線Q72に印加される電圧が図15のVu、Vwである。そして、Iy=Iv−Iu、Iz=Iw−IvはY相電流、Z相電流である。   FIG. 15 is an example of simulation results of voltage and current of each part when the motor is controlled by the so-called 120 ° energization method in the configuration of FIG. The horizontal axis represents the rotor rotational position θre indicated by an electrical angle. The potentials of 45G, 45E, and 45F when the negative side of the DC voltage source 2E in FIG. 10 is 0 volts are Vx, Vy, and Vz in FIG. As a result, the voltage applied to the U-phase winding Q71 and the voltage applied to the W-phase winding Q72 are Vu and Vw in FIG. Iy = Iv−Iu and Iz = Iw−Iv are a Y-phase current and a Z-phase current.

(6)式に示されるU相巻線の自己インダクタンスLsの電圧成分は(Ls・dIy/dt)、相互インダクタンスの電圧成分は(Lm・dIz/dt)である。(7)式に示されるW相巻線の自己インダクタンスLsの電圧成分は(Ls・dIz/dt)、相互インダクタンスの電圧成分は(Lm・dIy/dt)である。これらの電圧、電流から(6)式、(7)式に基づいて計算される3相の誘起電圧成分は、図15のVur、Vvr、Vwrである。なお、Vvrは(−Vur−Vwr)として得られる。以上、シミュレーション結果の例を示したように、複雑な形状の電圧信号、電流信号の中から3相の正弦波形状の誘起電圧成分Vur、Vvr、Vwrを検出することができる。   The voltage component of the self-inductance Ls of the U-phase winding expressed by the equation (6) is (Ls · dIy / dt), and the voltage component of the mutual inductance is (Lm · dIz / dt). The voltage component of the self-inductance Ls of the W-phase winding shown in the equation (7) is (Ls · dIz / dt), and the voltage component of the mutual inductance is (Lm · dIy / dt). The three-phase induced voltage components calculated from these voltages and currents based on the equations (6) and (7) are Vur, Vvr, and Vwr in FIG. Vvr is obtained as (−Vur−Vwr). As described above, as shown in the simulation results, it is possible to detect the induced voltage components Vur, Vvr, and Vwr having a three-phase sine wave shape from the voltage signal and current signal having a complicated shape.

図16は回転速度制御を行うモータ制御システム全体の概要を示す図である。図16の例は、3相交流モータの電圧および電流を厳密に制御するシステムではなく、比較的小型のモータで、簡素な制御で低コストなモータシステムを構成する例である。
NC9は制御対象のモータを示している。U相巻線Q71、W相巻線Q72、Y相電流検出用のシャント抵抗NB1、および、Z相電流検出用のシャント抵抗NB2は、図13と同じである。図13のその他の検出および演算を行っている部分がセンサレス位置検出手段NCBである。NCEは電流情報で、NCCはロータ回転位置θreなどの位置情報である。NCDは速度検出手段で、その出力ωreはロータの回転速度信号である。
ωrcは速度指令であり、加減算器NC1でロータ回転速度ωreとの差分を求め、電流制御手段NC3へ出力する。電圧制御手段NC5は、電流制御手段NC3の出力である電流振幅指令NC4と前記位置情報NCCを入力とし、U相電圧指令NC6およびW相電圧指令NC7を出力する。
FIG. 16 is a diagram showing an overview of the entire motor control system that performs rotation speed control. The example of FIG. 16 is not a system that strictly controls the voltage and current of a three-phase AC motor, but an example in which a low-cost motor system is configured with simple control using a relatively small motor.
NC9 indicates a motor to be controlled. U-phase winding Q71, W-phase winding Q72, shunt resistor NB1 for detecting the Y-phase current, and shunt resistor NB2 for detecting the Z-phase current are the same as in FIG. The other part of FIG. 13 performing detection and calculation is the sensorless position detection means NCB. NCE is current information, and NCC is position information such as the rotor rotational position θre. NCD is a speed detection means, and its output ωre is a rotation speed signal of the rotor.
ωrc is a speed command, and an adder / subtractor NC1 obtains a difference from the rotor rotational speed ωre and outputs it to the current control means NC3. The voltage control means NC5 receives the current amplitude command NC4, which is the output of the current control means NC3, and the position information NCC, and outputs a U-phase voltage command NC6 and a W-phase voltage command NC7.

なお、前記位置情報NCCは図14の各信号などであり、これらの情報に基づいて図15のVx、Vy、Vzに示すように、モータの各端子へ電圧を印加すべきロータ回転位置情報を得て、印加すべきタイミング、印加すべき区間を制御している。
NC8はパワートランジスタを含む電力変換器で、モータの電圧と電流を制御する。NC8の一つである前記電流情報NCEにより、モータの巻線へ過大な電流が流れた場合の電流制限を行い、パワートランジスタおよびモータ巻線の過電流保護を行っている。特に自動車の補機用小型モータの制御においては、バッテリー電源電圧が12ボルト近傍の低電圧なので、200ボルト系のモータ制御に比較して低電圧大電流モータとなり、過電流保護に対する制御法が異なることがある。
The position information NCC is each signal of FIG. 14 and the like, and based on these information, as shown by Vx, Vy, and Vz of FIG. 15, the rotor rotational position information to which a voltage is to be applied to each terminal of the motor. The timing to be applied and the section to be applied are controlled.
NC8 is a power converter including a power transistor, and controls the voltage and current of the motor. The current information NCE, which is one of NC8, limits the current when an excessive current flows to the motor winding, and protects the power transistor and the motor winding overcurrent. Especially in the control of small motors for automobile auxiliary machinery, the battery power supply voltage is a low voltage of about 12 volts, so it becomes a low-voltage high-current motor compared to the 200-volt motor control, and the control method for overcurrent protection is different. Sometimes.

次に、図13に示した各検出手段、各演算手段の具体的な実現方法の例について説明する。図17は演算増幅器の例であり、図13の演算をこれらの演算増幅器を使用して構成することができる。図17の(a)は加減算器であり、IN1は入力信号の一つでその電位をV1とし、IN2は入力信号の一つでその電位をV2とし、VSGはコモン電位VCとし、RR1は抵抗器でありその抵抗値をRV1とし、RR2は抵抗器でありその抵抗値をRV2とし、OUT1は出力電位VOとすると、それらの関係は次式となる。
(VO−VC)={(V1−VC)−(V2−VC)}×RV2/RV1 (8)
=(V1−V2)×RV2/RV1 (9)
Next, an example of a specific method for realizing each detection unit and each calculation unit illustrated in FIG. 13 will be described. FIG. 17 shows an example of operational amplifiers, and the operation of FIG. 13 can be configured using these operational amplifiers. 17A shows an adder / subtracter, IN1 is one of the input signals and its potential is V1, IN2 is one of the input signals and its potential is V2, VSG is common potential VC, and RR1 is resistance. Assuming that the resistance value is RV1, the resistance value is RV2, the resistance value is RV2, and OUT1 is the output potential VO, the relationship between them is as follows.
(VO−VC) = {(V1−VC) − (V2−VC)} × RV2 / RV1 (8)
= (V1-V2) x RV2 / RV1 (9)

さらに、コモン電位VCが零ボルトであれば、次式となる。
VO=(V1−V2)×RV2/RV1 (10)
この(10)式は加減算(V1−V2)と増幅(RV2/RV1)とを行う加減算増幅器である。従って、検出手段NB3、NB4、NB5、NB6等に使用することができる。また、図17の(a)は入力抵抗RR1を並列に付加することにより多入力とすることもできる。前記演算器NB9、NBAは4入力の加減算器なので、図17の(a)を応用して構成することができる。
Further, if the common potential VC is zero volts, the following equation is obtained.
VO = (V1-V2) * RV2 / RV1 (10)
This equation (10) is an addition / subtraction amplifier that performs addition / subtraction (V1-V2) and amplification (RV2 / RV1). Therefore, it can be used for the detecting means NB3, NB4, NB5, NB6, etc. Moreover, (a) of FIG. 17 can also be made into multi-input by adding input resistance RR1 in parallel. Since the arithmetic units NB9 and NBA are 4-input adder / subtracters, they can be constructed by applying FIG.

前記フィルタNBBはローパスフィルタなので、例えば、図17の(a)の抵抗器RR2に並列にコンデンサを取り付けることにより構成することができる。前記コンパレータNBCは抵抗器RR2を大きな値の抵抗値とすることにより実現することができる。
図17の(b)は微分器であり、IN3は入力信号でその電位をV3とし、CC1はコンデンサでありその値をCV1とし、RR4は抵抗器でありその抵抗値をRV4とし、OUT2は出力電位VOとすると、それらの関係は次式となる。
(VO−VC)=−CV1×RV4×d(V3−VC)/dt (11)
さらに、コモン電位VCが零ボルトであれば、次式の微分器となる。
VO=−CV1×RV4×d(V3)/dt (12)
Since the filter NBB is a low-pass filter, for example, it can be configured by attaching a capacitor in parallel to the resistor RR2 of FIG. The comparator NBC can be realized by making the resistor RR2 have a large resistance value.
17B is a differentiator, IN3 is an input signal whose potential is V3, CC1 is a capacitor and its value is CV1, RR4 is a resistor and its resistance value is RV4, and OUT2 is an output. When the potential is VO, the relationship between them is as follows.
(VO-VC) =-CV1 * RV4 * d (V3-VC) / dt (11)
Further, if the common potential VC is zero volts, a differentiator of the following equation is obtained.
VO = −CV1 × RV4 × d (V3) / dt (12)

従って、前記微分器NB7、NB8へ応用することができる。以上示したように、図13の各回路は、演算増幅器を利用して構成することができる。
また、図13の各構成要素は、演算増幅器とデジタル論理回路で構成することもできる。あるいは、アナログ電圧信号をAD変換器でデジタル信号に変換して、デジタル論理回路で構成することができる。あるいは、アナログ電圧信号をAD変換器でデジタル信号に変換して、マイクロコンピュータを使用してそのソフトウェアで制御し構成することができる。このように、図13に示した各機能を具現化するハードウエアは種々のものを選択することができる。
Therefore, it can be applied to the differentiators NB7 and NB8. As described above, each circuit in FIG. 13 can be configured using an operational amplifier.
Each component in FIG. 13 can also be configured with an operational amplifier and a digital logic circuit. Alternatively, the analog voltage signal can be converted into a digital signal by an AD converter and configured by a digital logic circuit. Alternatively, the analog voltage signal can be converted into a digital signal by an AD converter and controlled and configured by software using a microcomputer. In this way, various hardware can be selected as the hardware for realizing each function shown in FIG.

図16の例に示したように、モータNC9にロータ回転位置検出用のエンコーダを取り付けることなく、速度制御ができることを示した。しかし、始動時にはロータが回転しておらず、前記の各相誘起電圧成分Vur、Vvr、Vwrであり、図13の方法ではロータ回転位置θreを検出することはできない。この方法の場合、ある回転速度以下では、各相電流を強制的に通電して同期電動機の同期特性を利用して始動する。回転速度が零の近傍で使用することの多いサーボモータ用途での使用は困難であるが、例えば、ファンなどの用途では特定の特殊な方法で始動し、大半の運転時間はセンサレス制御で効率良くモータを駆動することができる。   As shown in the example of FIG. 16, it was shown that speed control can be performed without attaching an encoder for detecting the rotor rotational position to the motor NC9. However, the rotor is not rotating at the start, and the phase induced voltage components Vur, Vvr, Vwr are described above, and the rotor rotational position θre cannot be detected by the method of FIG. In the case of this method, at a certain rotational speed or less, each phase current is forcibly energized to start using the synchronous characteristics of the synchronous motor. Although it is difficult to use in servo motor applications that are often used near a rotation speed of zero, for example, applications such as fans start with a specific special method, and most of the operation time is efficient with sensorless control The motor can be driven.

図18にファンなどの用途での運転シーケンスの例をフローチャートにして示す。
STARTでモータ運転を開始し、421で「起動位置への位置決め」が完了しているかを判定し、「起動位置への位置決め」が完了していない場合は422の「起動位置への位置決め」を実行する。起動位置への位置決めは、例えば、各相の電流に特定電流を通電して、ロータが同期位置へ位置決めする動作である。
422の「起動位置への位置決め」が実行された後は、423の起動へ進む。421で「起動位置への位置決め」が完了している場合は、423の起動へ進む。
FIG. 18 is a flowchart showing an example of an operation sequence for a fan or the like.
The motor operation is started at START, and it is determined whether or not “positioning to the starting position” is completed in 421. If “positioning to the starting position” is not completed, “positioning to the starting position” in 422 is performed. Execute. The positioning to the starting position is, for example, an operation in which a specific current is applied to each phase current and the rotor is positioned to the synchronous position.
After the “positioning to the starting position” 422 is executed, the process proceeds to 423 starting. If “positioning to the activation position” is completed in 421, the process proceeds to activation of 423.

423の起動では、「起動開始」の状態かどうかを判定する。「起動開始」の状態であれば、424の起動動作を行う。起動動作は、例えば、起動位置への位置決めを行う電流で静止した状態から徐々にインバータの周波数を上昇して、モータの同期トルクを利用して回転数を上昇するように加速する。423で「起動開始」の状態ではなく、既にある程度の回転速度で回転している場合は、次の425へ進む。
425では、所定回転数Nmin以上であって、前記の各相誘起電圧成分Vur、Vvr、Vwrによりロータの回転位置θreの検出が可能であるかどうかを判定する。ロータ回転位置検出ができていないか、あるいは、所定回転数Nmin以下の場合には、421へもどり、起動動作を継続する。所定回転数Nmin以上である場合には、426へ進む。
In the activation of 423, it is determined whether or not it is in the “activation start” state. If it is in the “start-up” state, a start-up operation 424 is performed. In the starting operation, for example, the frequency of the inverter is gradually increased from a state where the current is stationary at the current for positioning to the starting position, and acceleration is performed using the synchronous torque of the motor so as to increase the rotational speed. If it is not in the “start-up” state at 423 but is already rotating at a certain rotational speed, the routine proceeds to the next 425.
At 425, it is determined whether or not the rotational speed θre of the rotor can be detected by each of the phase induced voltage components Vur, Vvr, and Vwr, which is equal to or higher than the predetermined rotational speed Nmin. If the rotor rotational position is not detected or if the rotational speed is less than or equal to the predetermined rotational speed Nmin, the process returns to 421 and the starting operation is continued. If it is equal to or higher than the predetermined rotation speed Nmin, the process proceeds to 426.

426では、センサレス位置検出を行い、図16に示すような速度制御を行う。すなわち、速度指令ωrcに従ってロータの回転速度ωreを制御する。図18ではファンなどの用途での運転シーケンスの例を示しており、回転終了の指令が来るまではこの速度制御を継続する。
427では「回転終了」の判定を行う。「回転終了」でない場合は、421へ戻り、速度制御を継続する。「回転終了」の指令がある場合には、428へ進み、モータ各相の電流を遮断し、終了する。
At 426, sensorless position detection is performed, and speed control as shown in FIG. 16 is performed. That is, the rotational speed ωre of the rotor is controlled according to the speed command ωrc. FIG. 18 shows an example of an operation sequence for an application such as a fan, and this speed control is continued until a rotation end command is received.
In 427, “end of rotation” is determined. If it is not “end of rotation”, the process returns to 421 to continue the speed control. If there is a command for "end of rotation", the process proceeds to 428, the current of each phase of the motor is cut off, and the process ends.

なお、急速減速が必要な場合は、負トルクが発生するように速度制御を行うこともできる。また、前記の所定回転数Nmin以下においても急速減速が必要な場合は、起動時の加速と同様に、強制的な電流を通電して同期トルクにより急速減速も可能である。前記の強制的な電流とは、図10のインバータ出力の3相電流をある振幅で同期回転数で通電し、その電流の周波数を減少させ、同期トルクを発生させ、モータの速度を制御する方法である。この強制的な速度制御は、センサレス位置検出のできない起動および停止の時に使用することができる。しかし、その時の力率は低いので、モータ効率は低くなる。この強制的な電流により同期トルクを発生させて回転数制御を行う方法は、ごく一般的に使用されている方法である。   When rapid deceleration is required, speed control can be performed so that negative torque is generated. Further, when rapid deceleration is required even at the predetermined rotational speed Nmin or less, as with acceleration at the time of start-up, forced deceleration can be applied and rapid deceleration can be performed by synchronous torque. The compulsory current is a method in which the three-phase current of the inverter output in FIG. 10 is energized at a synchronous rotation speed with a certain amplitude, the frequency of the current is reduced, the synchronous torque is generated, and the motor speed is controlled. It is. This forced speed control can be used at the time of starting and stopping where sensorless position detection is not possible. However, since the power factor at that time is low, the motor efficiency is low. The method of performing the rotational speed control by generating the synchronous torque by this forcible current is a method generally used.

なお、図13、図15などに示したように、図1、図10等に示すモータのセンサレス位置検出を行うことができる。そして、前記領域信号A1、A2、A3、A4、A5、A6等を利用してこのモータの電圧、電流制御を行うことができる。前記のセンサレス位置検出では、図10に示すパワートランジスタがパルス幅変調PWMによる電圧のオン、オフ制御を行っているときにも、3相の誘起電圧成分Vur、Vvr、Vwrを連続的に正確に検出することが可能である。従って後に示すように、3相交流モータのいわゆる120°通電方式のモータ制御、150°通電方式のモータ制御、180°通電方式のモータ制御、あるいは、3相正弦波電流駆動方式のモータ制御などの種々の方式へ適用することができる。   As shown in FIGS. 13 and 15, the sensorless position detection of the motor shown in FIGS. 1 and 10 can be performed. The voltage and current of the motor can be controlled using the area signals A1, A2, A3, A4, A5, A6 and the like. In the sensorless position detection described above, the three-phase induced voltage components Vur, Vvr, and Vwr are continuously and accurately detected even when the power transistor shown in FIG. 10 performs on / off control of the voltage by pulse width modulation PWM. It is possible to detect. Therefore, as will be shown later, a so-called 120 ° energization method motor control of a three-phase AC motor, a 150 ° energization method motor control, a 180 ° energization method motor control, a three-phase sinusoidal current drive motor control, etc. It can be applied to various systems.

次に、請求項1の発明について説明する。
図13およびその説明で、U相の誘起電圧VurとW相の誘起電圧Vwrとを検出し、ロータの回転位置情報を検出する方法を示した。エンコーダ等の位置検出器を使用しない、いわゆるセンサレス位置検出である。センサレス位置検出にも種々のニーズがあり、位置検出分解能を高く必要とする用途、センサレス位置検出の応答速度が重要である用途、コストが優先される用途、信頼性が要求される用途などである。ここで、ファンなどの回転速度制御においては、回転速度の増減は必要であるが急激な加減速を行う必要性が低く、そのような用途も多い。その様な場合、U相の誘起電圧Vurだけの、単相の電圧検出でも十分に速度制御が可能である。
Next, the invention of claim 1 will be described.
In FIG. 13 and the description thereof, a method of detecting the rotational position information of the rotor by detecting the U-phase induced voltage Vur and the W-phase induced voltage Vwr is shown. This is so-called sensorless position detection without using a position detector such as an encoder. There are various needs for sensorless position detection, such as applications that require high position detection resolution, applications where the response speed of sensorless position detection is important, applications where cost is a priority, and applications where reliability is required. . Here, in the rotational speed control of a fan or the like, it is necessary to increase or decrease the rotational speed, but it is less necessary to perform rapid acceleration / deceleration, and there are many such applications. In such a case, the speed can be sufficiently controlled even by single-phase voltage detection using only the U-phase induced voltage Vur.

U相の誘起電圧Vurだけを検出する場合は、図13の検出回路において、W相用のNB4とNBAが不要であり、NBBとNBCのW相部分を簡略化することができる。そして、小型化、低コスト化も可能となる。
また、高効率モータでは巻線抵抗を小さく設計するので、巻線抵抗Rは小さな値となり、センサレス位置検出の計算では無視することも可能である。その様な場合には、演算器NB9のU相の誘起電圧の計算において、巻線抵抗の電圧降下(Iy・R)の計算を省略することができる。
In the case of detecting only the U-phase induced voltage Vur, the W-phase NB4 and NBA are unnecessary in the detection circuit of FIG. 13, and the W-phase portion of NBB and NBC can be simplified. Further, downsizing and cost reduction are possible.
In addition, since the winding resistance is designed to be small in a high efficiency motor, the winding resistance R becomes a small value and can be ignored in the calculation of sensorless position detection. In such a case, the calculation of the voltage drop (Iy · R) of the winding resistance can be omitted in the calculation of the U-phase induced voltage of the arithmetic unit NB9.

次に、請求項2の発明について説明する。
小型のモータで、例えば、モータ効率が50%から80%くらいのモータでは、巻線抵抗Rの電圧降下(Iy・R)が大きくなる。その場合には、巻線抵抗の電圧降下(Iy・R)を求めてU相の誘起電圧の計算を行うことにより、より正確なU相の誘起電圧Vurを検出することができる。そして、より正確なロータ回転位置を検出することができる。
Next, the invention of claim 2 will be described.
In a small motor, for example, a motor having a motor efficiency of about 50% to 80%, the voltage drop (Iy · R) of the winding resistance R becomes large. In this case, the U-phase induced voltage Vur can be detected more accurately by calculating the U-phase induced voltage by obtaining the voltage drop (Iy · R) of the winding resistance. A more accurate rotor rotational position can be detected.

次に、請求項3〜5の発明について説明する。
センサレス位置検出の応答速度がある程度求められ、また、位置検出分解能もある程度求められる場合には、図13およびその説明で示した2相のセンサレス位置検出、あるいは、3相のセンサレス位置検出が適している。なお、U相の誘起電圧VurとW相の誘起電圧Vwrとを検出できれば、V相の誘起電圧は、Vvr=−Vur−Vwrとして求められるので3相の誘起電圧検出ができる。また、高効率モータでは巻線抵抗を小さく設計するので、巻線抵抗Rは小さな値となり、センサレス位置検出の計算では無視することも可能である。
Next, the invention of Claims 3-5 is demonstrated.
When the sensorless position detection response speed is required to some extent and the position detection resolution is also required to some extent, the two-phase sensorless position detection or the three-phase sensorless position detection shown in FIG. Yes. If the U-phase induced voltage Vur and the W-phase induced voltage Vwr can be detected, the V-phase induced voltage can be obtained as Vvr = −Vur−Vwr, so that the three-phase induced voltage can be detected. In addition, since the winding resistance is designed to be small in a high efficiency motor, the winding resistance R becomes a small value and can be ignored in the calculation of sensorless position detection.

小型のモータで、例えば、モータ効率が50%から80%くらいのモータでは、巻線抵抗Rの電圧降下(Iy・R)が大きくなる。その場合には、各相の巻線抵抗の電圧降下分を計算し、3相各相の誘起電圧の計算を行うことにより、より正確なセンサレス位置検出を行うことができる。従って、加減速運転もより高速に行うことができる。
なお、図14に示す各相誘起電圧成分Vur、Vvr、Vwrの値から、Puvwに示すように、電気角360°の範囲を電気角60°ごとの領域A1、A2、A3、A4、A5、A6に分けて領域検出を行うことができるが、さらに、高分解能な位置検出も可能である。良く知られているように、論理的、数学的には、Vur、Vvr、Vwrの値から、無限大の分解能の位置検出が可能である。実際には、電流や電圧の検出誤差、モータの不完全性、ノイズなどにより有限の分解能のセンサレス位置検出となる。
In a small motor, for example, a motor having a motor efficiency of about 50% to 80%, the voltage drop (Iy · R) of the winding resistance R becomes large. In that case, more accurate sensorless position detection can be performed by calculating the voltage drop of the winding resistance of each phase and calculating the induced voltage of each phase of the three phases. Therefore, the acceleration / deceleration operation can be performed at a higher speed.
Note that, from the values of the phase induced voltage components Vur, Vvr, and Vwr shown in FIG. 14, as shown by Puvw, the range of electrical angle 360 ° is changed to regions A1, A2, A3, A4, A5 for each electrical angle 60 °, Although region detection can be performed separately for A6, position detection with high resolution is also possible. As is well known, logically and mathematically, position detection with infinite resolution is possible from the values of Vur, Vvr, and Vwr. In practice, sensorless position detection with finite resolution is caused by current and voltage detection errors, motor imperfections, noise, and the like.

次に、請求項6の発明について説明する。
電流検出用のシャント抵抗として駆動回路用の集積素子LSIのボンディングワイヤあるいはリード端子の抵抗値を利用する方法を図19に示し、説明する。小型モータの駆動回路は高集積化が進んでおり、制御回路とパワートランジスタの全てが1個の半導体チップに集積することも増えている。その場合には、半導体素子からモータへ直接配線され、従来使用されているプリント基板も省略されることがある。このような使い方の場合には、電流検出用にシャント抵抗の大きさとその発熱量が問題となる。
図19において、NE5はMOSFETなどのモータ電流を制御するパワートランジスタを含む集積回路を示している。NE3は半導体のチップ、NE4はボンディングワイヤ、NE2は集積回路NE5の外部と電気的に接続するためのリード端子である。NE1は樹脂などのパッケージである。
Next, the invention of claim 6 will be described.
A method of using the resistance value of the bonding wire or lead terminal of the integrated element LSI for the drive circuit as the shunt resistor for current detection will be described with reference to FIG. The drive circuit of a small motor is highly integrated, and the control circuit and the power transistor are all integrated on a single semiconductor chip. In that case, a printed circuit board that is directly wired from the semiconductor element to the motor and used conventionally may be omitted. In such a usage, the magnitude of the shunt resistor and the amount of heat generated become a problem for current detection.
In FIG. 19, NE5 indicates an integrated circuit including a power transistor for controlling a motor current such as a MOSFET. NE3 is a semiconductor chip, NE4 is a bonding wire, and NE2 is a lead terminal for electrical connection to the outside of the integrated circuit NE5. NE1 is a package of resin or the like.

ここで、モータの電流はボンディングワイヤNE4とリード端子NE2を通って供給されるので、これらをモータの電流値を検出するシャント抵抗として使用することができる。具体的には、ボンディングワイヤNE4あるいはリード端子NE2を、例えば、図13のシャント抵抗NB1の代わりに使用することができる。
シャント抵抗器として求められる特性として、放熱特性、抵抗値精度、抵抗値の温度変化特性がある。放熱特性に関しては、通常の抵抗値が十分小さく設計されているので、熱的には問題ない。逆に、検出電圧が小さい問題があるが、その近傍に差動増幅器を設けることにより解決できる。抵抗値精度については、そのバラツキを許容するか、抵抗値を個別に計測する方法もある。抵抗値の温度変化特性については、抵抗値の変化を計測するか、あるいは、近傍の温度を計測して温度補償を行うことも可能である。なお、ボンディングワイヤNE4の機能は電気的な接続であり、他の電気的接続体に置き換えることもできる。
Here, since the motor current is supplied through the bonding wire NE4 and the lead terminal NE2, these can be used as a shunt resistor for detecting the current value of the motor. Specifically, for example, the bonding wire NE4 or the lead terminal NE2 can be used instead of the shunt resistor NB1 of FIG.
Characteristics required as a shunt resistor include heat dissipation characteristics, resistance value accuracy, and resistance temperature change characteristics. Regarding the heat dissipation characteristics, since the normal resistance value is designed to be sufficiently small, there is no thermal problem. Conversely, there is a problem that the detection voltage is small, but this can be solved by providing a differential amplifier in the vicinity thereof. As for the resistance value accuracy, there is a method of allowing the variation or individually measuring the resistance value. With respect to the temperature change characteristic of the resistance value, it is possible to measure the change of the resistance value or perform temperature compensation by measuring the temperature in the vicinity. Note that the function of the bonding wire NE4 is an electrical connection and can be replaced with another electrical connection body.

次に、請求項7の発明について説明する。
モータ巻線の電流による電圧降下について考える。図13に示したように、前記の検出した電流値Iy、Izは、モータ巻線の電流による電圧降下(Iy・R)、(Iz・R)の計算に使用する。モータ巻線には、通常、銅線を使用するが、銅の温度係数は約0.4%/℃なので100℃の温度変化で抵抗値が40%変化することになる。特に、100W以下の小型モータでは巻線抵抗の電圧降下成分が大きく、図13の構成においてセンサレス位置検出の精度を上げるためには、モータ巻線の抵抗値の精度を向上する必要がある。 図20にモータ巻線の抵抗値を計測する例を示す。NL1はモータの巻線、NL2は電流検出用のシャント抵抗、Iaはモータ電流である。
Next, the invention of claim 7 will be described.
Consider the voltage drop due to the motor winding current. As shown in FIG. 13, the detected current values Iy and Iz are used to calculate voltage drops (Iy · R) and (Iz · R) due to motor winding current. A copper wire is usually used for the motor winding, but since the temperature coefficient of copper is about 0.4% / ° C., the resistance value changes by 40% with a temperature change of 100 ° C. In particular, in a small motor of 100 W or less, the voltage drop component of the winding resistance is large, and in order to improve the accuracy of sensorless position detection in the configuration of FIG. 13, it is necessary to improve the accuracy of the resistance value of the motor winding. FIG. 20 shows an example of measuring the resistance value of the motor winding. NL1 is a motor winding, NL2 is a shunt resistor for current detection, and Ia is a motor current.

今、例として、モータは連続使用ではなく、時々は停止している用途について考えることにする。すなわち、モータ電流Iaが零となるタイミングがある様な用途である。その様なタイミングで、トランジスタNL3と低電流回路NL4を動作させ、電流Issを通電してモータ巻線の両端電圧Vssを計測することにより、巻線抵抗の値(Vss/Iss)を計測することができる。同時に、同様に、シャント抵抗器NL2の抵抗値を計測することもできる。なお、VMは正側の電源電圧、VLは負側の電源電圧である。
このように、モータ巻線の電流による電圧降下(Iy・R)、(Iz・R)の正確に計算することができる。
As an example, let us consider an application in which the motor is not continuously used but is sometimes stopped. That is, there is an application where there is a timing when the motor current Ia becomes zero. At such timing, the value of the winding resistance (Vss / Iss) is measured by operating the transistor NL3 and the low current circuit NL4, energizing the current Iss, and measuring the voltage Vss across the motor winding. Can do. At the same time, similarly, the resistance value of the shunt resistor NL2 can be measured. Note that VM is a positive power supply voltage, and VL is a negative power supply voltage.
Thus, the voltage drops (Iy · R) and (Iz · R) due to the motor winding current can be accurately calculated.

なお、通常、(6)、(7)式のインダクタンスに起因する電圧成分はモータの温度の影響は小さい。また、逆に巻線の抵抗値の変化から巻線温度を計測、推測することも可能であり、モータの異常検出、保護に使用することができる。
他の温度影響を低減する方法として、モータを連続使用する場合においても、モータの抵抗値を計測することも可能である。例えば、モータが回転中の数msecの間、モータ電流Iaを零とする。そして、その短時間の間に電流Issを可変し、その間の巻線電圧を計測する。この時、Issの複数の電流値により、比較的緩やかな時間変化を示す誘起電圧成分を除去することができる。モータ電流Iaをごく短時間遮断しても、多くの用途では問題ない。
Normally, the voltage component resulting from the inductances of the equations (6) and (7) is less affected by the motor temperature. Conversely, the winding temperature can be measured and estimated from the change in the resistance value of the winding, and can be used for detecting and protecting the motor abnormality.
As another method for reducing the influence of temperature, even when the motor is used continuously, the resistance value of the motor can be measured. For example, the motor current Ia is set to zero for several milliseconds while the motor is rotating. Then, the current Iss is varied during the short time, and the winding voltage between them is measured. At this time, an induced voltage component showing a relatively gradual time change can be removed by a plurality of current values of Iss. Even if the motor current Ia is cut off for a very short time, there is no problem in many applications.

また、モータの電流値の検出は、電力素子であるMOSFETのカレントミラー回路を利用して行うこともできる。その時の検出電流値のバラツキ、温度変化についても、センサー部のバラツキ計測、センサー部の温度特性による補正などにより高精度化が可能である。また、巻線の誘起電圧成分が回転数に比例することから、ロータの回転速度検出も可能である。その場合にも、永久磁石の温度特性を考慮し、補正して検出することができる。特にこの方法は、小型モータの量産において、制御回路部と電力変換部とを一つのチップに高集積化、小型化、低コスト化する場合において、外付けのシャント抵抗などを必要としないので効果的な電流検出方法である。   The motor current value can also be detected using a current mirror circuit of a MOSFET that is a power element. The variation in the detected current value and the temperature change at that time can be increased in accuracy by measuring the variation in the sensor unit and correcting the temperature characteristic of the sensor unit. Further, since the induced voltage component of the winding is proportional to the rotational speed, the rotational speed of the rotor can be detected. Even in that case, detection can be performed with correction in consideration of the temperature characteristics of the permanent magnet. This method is particularly effective in mass production of small motors, where the control circuit unit and power conversion unit are highly integrated, miniaturized, and low cost on a single chip, so that no external shunt resistor is required. Current detection method.

次に、請求項8の発明について説明する。
平衡した3相巻線を備える3相交流モータのセンサレス位置検出の構成例を図21に示す。3相巻線はY結線の例である。NBKは3相交流モータのU相巻線、NBLはV相巻線、NBMはW相巻線である。NBNはU相端子であってU相端子の電位をVuuとし、U相巻線NBKに印加する電圧はVuで、電流Iuが通電する。352はV相端子であってV相端子の電位をVvvとし、V相巻線NBLに印加する電圧はVvで、電流Ivが通電する。354はW相端子であってW相端子の電位をVwwとし、W相巻線NBMに印加する電圧はVwで、電流Iwが通電する。
Next, the invention of claim 8 will be described.
FIG. 21 shows a configuration example of sensorless position detection of a three-phase AC motor provided with balanced three-phase windings. A three-phase winding is an example of Y-connection. NBK is a U-phase winding of the three-phase AC motor, NBL is a V-phase winding, and NBM is a W-phase winding. NBN is a U-phase terminal, the potential of the U-phase terminal is Vuu, the voltage applied to the U-phase winding NBK is Vu, and the current Iu is energized. Reference numeral 352 denotes a V-phase terminal, the potential of the V-phase terminal is Vvv, the voltage applied to the V-phase winding NBL is Vv, and the current Iv is energized. Reference numeral 354 denotes a W-phase terminal. The potential of the W-phase terminal is Vww, the voltage applied to the W-phase winding NBM is Vw, and the current Iw is energized.

Y結線の3相交流モータの具体的な例は、図1に示すような環状巻線を持つ構成のモータを3相巻線化した構成のモータへ適用することができる。また、小型モータで幅広く使用されている集中巻きの3相交流モータへ適用することもできる。
図22は集中巻きの3相交流モータの縦断面図、図23は図22に示すモータの横断面図であり、4極のモータ例である。
図22の511はロータ出力軸、519はロータ表面の永久磁石、512はロータのバックヨークである。514はステータコア、515はステータ巻線のコイルエンド部である。516はモータケースで、513は軸受けである。
A specific example of a Y-connected three-phase AC motor can be applied to a motor having a configuration in which a motor having an annular winding as shown in FIG. It can also be applied to concentrated winding three-phase AC motors widely used in small motors.
22 is a longitudinal sectional view of a concentrated winding three-phase AC motor, FIG. 23 is a transverse sectional view of the motor shown in FIG. 22, and is an example of a four-pole motor.
In FIG. 22, 511 is a rotor output shaft, 519 is a permanent magnet on the rotor surface, and 512 is a back yoke of the rotor. Reference numeral 514 denotes a stator core, and 515 denotes a coil end portion of the stator winding. Reference numeral 516 denotes a motor case, and 513 denotes a bearing.

3相交流モータの横断面図である図23は、縦断面図である図22の断面AA−AAの断面図である。TBU1とTBU2はU相のステータ磁極で、WBU1とWBU2はU相の集中巻きの巻線で直列に接続している。TBV1とTBV2はV相のステータ磁極で、WBV1とWBV2はV相の集中巻きの巻線で直列に接続している。TBW1とTBW2はW相のステータ磁極で、WBW1とWBW2はW相の集中巻きの巻線で直列に接続している。これらのステータの3相巻線は、図21のNBK、NBL、NBMに示すようにY結線としている。   FIG. 23 which is a cross-sectional view of the three-phase AC motor is a cross-sectional view taken along a section AA-AA in FIG. 22 which is a longitudinal cross-sectional view. TBU1 and TBU2 are U-phase stator magnetic poles, and WBU1 and WBU2 are connected in series with U-phase concentrated windings. TBV1 and TBV2 are V-phase stator magnetic poles, and WBV1 and WBV2 are connected in series with a V-phase concentrated winding. TBW1 and TBW2 are W-phase stator poles, and WBW1 and WBW2 are connected in series with W-phase concentrated windings. The three-phase windings of these stators are Y-connected as indicated by NBK, NBL and NBM in FIG.

次に、これらのY結線の3相交流モータの電圧方程式について説明する。特に、図21に示すモータが表面磁石形のロータである場合には、下記の電圧方程式となる。
Vu=Vur+Iu・R+Ls・(dIu/dt)
−Lm・(dIv/dt)−Lm・(dIw/dt) (13)
Vv=Vvr+Iv・R+Ls・(dIv/dt)
−Lm・(dIu/dt)−Lm・(dIw/dt) (14)
Vw=Vwr+Iw・R+Ls・(dIw/dt)
−Lm・(dIu/dt)−Lm・(dIv/dt) (15)
ここで、各相巻線の抵抗値はR、各相巻線の自己インダクタンスはLs、各相巻線の相互インダクタンスはLm、U相巻線の誘起電圧成分はVur、V相巻線の誘起電圧成分はVvr、W相巻線の誘起電圧成分はVwrとする。なお、(13)、(14)、(15)式の各相互インダクタンスLmの各値は、一般的にはそれぞれが異なる値であるが、特に表面磁石形のロータである場合にはほぼ同一の値として扱うことができる。
Next, voltage equations of these Y-connected three-phase AC motors will be described. In particular, when the motor shown in FIG. 21 is a surface magnet type rotor, the following voltage equation is obtained.
Vu = Vur + Iu.R + Ls. (DIu / dt)
−Lm · (dIv / dt) −Lm · (dIw / dt) (13)
Vv = Vvr + Iv.R + Ls. (DIv / dt)
−Lm · (dIu / dt) −Lm · (dIw / dt) (14)
Vw = Vwr + Iw.R + Ls. (DIw / dt)
−Lm · (dIu / dt) −Lm · (dIv / dt) (15)
Here, the resistance value of each phase winding is R, the self-inductance of each phase winding is Ls, the mutual inductance of each phase winding is Lm, the induced voltage component of the U phase winding is Vur, and the induction of the V phase winding is The voltage component is Vvr, and the induced voltage component of the W-phase winding is Vwr. The values of the mutual inductances Lm in the equations (13), (14), and (15) are generally different values, but they are almost the same particularly in the case of a surface magnet type rotor. Can be treated as a value.

また、W相端子354に対するU相端子NBNの電圧をVuw、U相端子NBNに対するV相端子353の電圧をVvu、V相端子353に対するW相端子354の電圧をVwvとすると下記式の関係となる。
Vuw=Vu−Vw (16)
Vvu=Vv−Vu (17)
Vwv=Vw−Vv (18)
また、3相モータの各相は、正弦波電圧および正弦波電流に限らず、下記式の関係となる。
Iu+Iv+Iw=0 (19)
Vuw+Vvu+Vwv=0 (20)
Further, when the voltage of the U-phase terminal NBN with respect to the W-phase terminal 354 is Vuw, the voltage of the V-phase terminal 353 with respect to the U-phase terminal NBN is Vvu, and the voltage of the W-phase terminal 354 with respect to the V-phase terminal 353 is Vwv, Become.
Vuw = Vu−Vw (16)
Vvu = Vv−Vu (17)
Vwv = Vw−Vv (18)
In addition, each phase of the three-phase motor is not limited to the sine wave voltage and the sine wave current, and has a relationship represented by the following expression.
Iu + Iv + Iw = 0 (19)
Vuw + Vvu + Vwv = 0 (20)

(13)、(14)、(15)式を変形し、(19)式を代入して次式となる。
Vur=Vu−Iu・R−Ls・(dIu/dt)
+Lm・(dIv/dt)+Lm・(dIw/dt)
=Vu−Iu・R−(Ls+Lm)・(dIu/dt) (21)
Vvr=Vv−Iv・R−(Ls+Lm)・(dIv/dt) (22)
Vwr=Vw−Iw・R−(Ls+Lm)・(dIw/dt) (23)
図21のセンサレス位置検出では、(22)、(23)式に従い、V相巻線の誘起電圧成分Vvr、W相巻線の誘起電圧成分Vwrを求め、その後、U相巻線の誘起電圧成分Vurを下式により推定計算し、3相の誘起電圧成分よりロータ回転位置を検出している。 Vur+Vvr+Vwr=0 (24)
The equations (13), (14), and (15) are modified, and the following equation is obtained by substituting the equation (19).
Vur = Vu-Iu.R-Ls. (DIu / dt)
+ Lm · (dIv / dt) + Lm · (dIw / dt)
= Vu-Iu.R- (Ls + Lm). (DIu / dt) (21)
Vvr = Vv-Iv.R- (Ls + Lm). (DIv / dt) (22)
Vwr = Vw-Iw.R- (Ls + Lm). (DIw / dt) (23)
In the sensorless position detection of FIG. 21, the induced voltage component Vvr of the V-phase winding and the induced voltage component Vwr of the W-phase winding are obtained according to the equations (22) and (23), and then the induced voltage component of the U-phase winding. Vur is estimated and calculated by the following equation, and the rotor rotational position is detected from the three-phase induced voltage components. Vur + Vvr + Vwr = 0 (24)

図21のNB3はV相の電圧検出手段で、図13と同様の構成、作用であり、V相巻線NBLの両端電位からV相電圧Vvを検出する。NB4はW相の電圧検出手段であり、W相巻線NBMの両端電位からW相電圧Vwを検出する。NB5はV相の電流検出手段であり、シャント抵抗NB1の両端電位からV相電流Ivを検出する。NB6はW相の電流検出手段であり、シャント抵抗NB2の両端電位からW相電流Iwを検出する。NB7は微分器で、V相電流検出値Ivsの微分値(dIv/dt)を得る。NB8は微分器で、W相電流検出値Iwsの微分値(dIw/dt)を得る。なお、図13と図21に示すNB3、NB4、NB5、NB6、NB7、NB8の各構成は同一の機能である。   NB3 in FIG. 21 is a V-phase voltage detection means, which has the same configuration and operation as in FIG. 13, and detects the V-phase voltage Vv from the potentials at both ends of the V-phase winding NBL. NB4 is a W-phase voltage detecting means for detecting the W-phase voltage Vw from the potentials at both ends of the W-phase winding NBM. NB5 is a V-phase current detection means, and detects the V-phase current Iv from the potential across the shunt resistor NB1. NB6 is a W-phase current detection unit that detects the W-phase current Iw from the potentials at both ends of the shunt resistor NB2. NB7 is a differentiator and obtains a differential value (dIv / dt) of the V-phase current detection value Ivs. NB8 is a differentiator and obtains a differential value (dIw / dt) of the W-phase current detection value Iws. The configurations of NB3, NB4, NB5, NB6, NB7, and NB8 shown in FIGS. 13 and 21 have the same function.

図21のNBQはV相の誘起電圧Vvrを計算する演算器で、(22)式に示す計算、すなわち、モータパラメータであるR、Ls、Lmとの比例計算と加減算を行う。具体的には(22)式の通りであり、V相電圧検出値VvsとV相電流検出値の負の値(−Ivs)に抵抗値Rを乗じた値(−Iv・R)、V相電流検出値の負の値(−Ivs)の微分値に自己インダクタンスLsを乗じた値Ls・(−dIv/dt)、V相電流検出値の負の値(−Ivs)の微分値に相互インダクタンスLmを乗じた値Lm・(−dIv/dt)をそれぞれ加算している。演算器NBQの出力NBSは、V相の誘起電圧成分Vvrである。   NBQ in FIG. 21 is an arithmetic unit for calculating the V-phase induced voltage Vvr, and performs the calculation shown in the equation (22), that is, the proportional calculation and addition / subtraction with the motor parameters R, Ls, and Lm. Specifically, it is as shown in Equation (22), and a value (−Iv · R) obtained by multiplying the negative value (−Ivs) of the V-phase voltage detection value Vvs and the V-phase current detection value by the resistance value R, V-phase A value Ls · (−dIv / dt) obtained by multiplying the differential value of the negative value (−Ivs) of the current detection value by the self-inductance Ls, and a mutual inductance of the differential value of the negative value (−Ivs) of the V-phase current detection value A value Lm · (−dIv / dt) multiplied by Lm is added. The output NBS of the calculator NBQ is a V-phase induced voltage component Vvr.

図21のNBRはW相の誘起電圧Vwrを計算する演算器で、(23)式に示す計算、すなわち、モータパラメータであるR、Ls、Lmとの比例計算と加減算を行う。具体的には(23)式の通りであり、W相電圧検出値VwsとW相電流検出値の負の値(−Iws)に抵抗値Rを乗じた値(−Iw・R)、W相電流検出値の負の値(−Iws)の微分値に自己インダクタンスLsを乗じた値Ls・(−dIw/dt)、W相電流検出値の負の値(−Iws)の微分値に相互インダクタンスLmを乗じた値Lm・(−dIw/dt)をそれぞれ加算している。演算器NBAの出力NBTは、W相の誘起電圧成分Vwrである。   NBR in FIG. 21 is an arithmetic unit that calculates the induced voltage Vwr of the W phase, and performs the calculation shown in the equation (23), that is, the proportional calculation and addition / subtraction with the motor parameters R, Ls, and Lm. Specifically, it is as the equation (23), and a value (−Iw · R) obtained by multiplying the negative value (−Iws) of the W phase voltage detection value Vws and the W phase current detection value by the resistance value R, W phase A value Ls · (−dIw / dt) obtained by multiplying the differential value of the negative value (−Iws) of the current detection value by the self-inductance Ls, and the mutual inductance of the differential value of the negative value (−Iws) of the W phase current detection value A value Lm · (−dIw / dt) multiplied by Lm is added. An output NBT of the arithmetic unit NBA is a W-phase induced voltage component Vwr.

図21のフィルタNBBおよびコンパレータNBCの機能は図13のそれぞれと同様の機能である。それらの出力NBD、NBE、NBFは、図14のPu、Pv、Pwに示すような論理信号である。図13の場合と同様に、ロータの回転位置を検出したことになる。
図21およびその説明で、V相の誘起電圧VvrとW相の誘起電圧Vwrとを検出し、ロータの回転位置情報を検出する方法を示した。エンコーダ等の位置検出器を使用しない、いわゆるセンサレス位置検出である。センサレス位置検出にも種々のニーズがあり、位置検出分解能を高く必要とする用途、センサレス位置検出の応答速度が重要である用途、コストが優先される用途、信頼性が要求される用途などである。
The functions of the filter NBB and the comparator NBC in FIG. 21 are the same as those in FIG. These outputs NBD, NBE and NBF are logic signals as indicated by Pu, Pv and Pw in FIG. As in the case of FIG. 13, the rotational position of the rotor is detected.
In FIG. 21 and the description thereof, a method for detecting the rotational position information of the rotor by detecting the V-phase induced voltage Vvr and the W-phase induced voltage Vwr is shown. This is so-called sensorless position detection without using a position detector such as an encoder. There are various needs for sensorless position detection, such as applications that require high position detection resolution, applications where the response speed of sensorless position detection is important, applications where cost is a priority, and applications where reliability is required. .

ここで、ファンなどの回転速度制御においては、回転速度の増減は必要であるが急激な加減速を行う必要性が低く、そのような用途も多い。その様な場合、V相の誘起電圧Vvrだけの、単相の電圧検出でも十分に速度制御が可能である。
V相の誘起電圧Vvrだけを検出する場合は、図21の検出回路において、W相用のNB4とNB6とNB8とNBRが不要であり、NBBとNBCのW相部分を簡略化することができる。そして、小型化、低コスト化も可能となる。
また、高効率モータでは巻線抵抗を小さく設計するので、巻線抵抗Rは小さな値となり、センサレス位置検出の計算では無視することも可能である。その様な場合には、演算器NBQのU相の誘起電圧の計算において、巻線抵抗の電圧降下(Iv・R)の計算を省略することができる。
Here, in the rotational speed control of a fan or the like, it is necessary to increase or decrease the rotational speed, but it is less necessary to perform rapid acceleration / deceleration, and there are many such applications. In such a case, the speed can be sufficiently controlled even by single-phase voltage detection using only the V-phase induced voltage Vvr.
When detecting only the V-phase induced voltage Vvr, the NB4, NB6, NB8, and NBR for the W phase are unnecessary in the detection circuit of FIG. 21, and the W-phase portion of the NBB and NBC can be simplified. . Further, downsizing and cost reduction are possible.
In addition, since the winding resistance is designed to be small in a high efficiency motor, the winding resistance R becomes a small value and can be ignored in the calculation of sensorless position detection. In such a case, the calculation of the voltage drop (Iv · R) of the winding resistance can be omitted in the calculation of the U-phase induced voltage of the arithmetic unit NBQ.

次に、平衡したY結線の3相巻線を備える3相交流モータのセンサレス位置検出の他の構成例を図26に示し、説明する。
図26の場合は、Y結線の中性点NBPの電位を検出せずにロータ回転位置を検出する方法である。通常、モータとモータの制御回路とは分離して配置する場合が多く、モータの端子間電圧は制御回路側で容易に検出することができる。しかし、中性点NBPの電位を検出するためには、その検出のためにモータから制御装置までの配線を1本追加する必要があり、コスト的、物理的な増加となり負担である。この対応として、図26では、中性点NBPの電位を使用せず、Y結線の端子間電圧を検出してロータ回転位置を検出する方法を示す。
Next, another configuration example of sensorless position detection of a three-phase AC motor having a balanced Y-connected three-phase winding will be described with reference to FIG.
In the case of FIG. 26, the rotor rotational position is detected without detecting the potential of the neutral point NBP of the Y connection. Usually, the motor and the motor control circuit are often arranged separately, and the voltage between the terminals of the motor can be easily detected on the control circuit side. However, in order to detect the potential of the neutral point NBP, it is necessary to add one wiring from the motor to the control device for the detection, which is a burden in terms of cost and physical increase. As a countermeasure, FIG. 26 shows a method of detecting the rotor rotation position by detecting the voltage between the terminals of the Y connection without using the potential of the neutral point NBP.

Y結線の3相巻線を備える3相交流モータの端子間電圧Vuw、Vvu、Vwvおよび相電圧Vu、Vv、Vwおよび相電流Iu、Iv、Iwの関係を図24のベクトル図に示す。U相巻線WUの抵抗値、自己インダクタンスLs、相互インダクタンスLm、U相誘起電圧Vur、および、V相巻線WVの抵抗値、自己インダクタンスLs、相互インダクタンスLm、V相誘起電圧Vvr、および、W相巻線WWの抵抗値、自己インダクタンスLs、相互インダクタンスLm、W相誘起電圧Vwrなどの等価回路を図25に示す。
図25の各相の間の誘起電圧成分Vuwr、Vvur、Vwvrは次式となる。
Vuwr=Vur−Vwr (25)
Vvur=Vvr−Vur (26)
Vwvr=Vwr−Vvr (27)
The vector diagram of FIG. 24 shows the relationship between terminal voltages Vuw, Vvu, Vwv, phase voltages Vu, Vv, Vw and phase currents Iu, Iv, Iw of a three-phase AC motor having a Y-connected three-phase winding. Resistance value of U-phase winding WU, self-inductance Ls, mutual inductance Lm, U-phase induced voltage Vur, resistance value of V-phase winding WV, self-inductance Ls, mutual inductance Lm, V-phase induced voltage Vvr, and FIG. 25 shows an equivalent circuit such as the resistance value of the W-phase winding WW, the self-inductance Ls, the mutual inductance Lm, and the W-phase induced voltage Vwr.
The induced voltage components Vuwr, Vvur, Vwvr between the respective phases in FIG.
Vuwr = Vur-Vwr (25)
Vvur = Vvr−Vur (26)
Vwvr = Vwr−Vvr (27)

ロータの回転位置を検出する方法としては、各相の間の誘起電圧成分Vuwr、Vvur、Vwvrを検出する方法と各相の誘起電圧成分Vur、Vvr、Vwrを検出する方法とがある。後に両方法について説明する。なお、両グループは30°の位相差があるが容易に補正できる。また、各変数、各パラメータの関係は、(13)式から(24)式に示した関係である。
3相の端子間電圧Vuw、Vvu、Vwvは、図24、図25の関係であり、(16)、(17)、(18)式へ(13)、(14)、(15)式を代入し、変形すると下式となる。
As a method for detecting the rotational position of the rotor, there are a method for detecting the induced voltage components Vuwr, Vvur, Vwvr between the phases and a method for detecting the induced voltage components Vur, Vvr, Vwr of each phase. Both methods will be described later. Both groups have a phase difference of 30 °, but can be easily corrected. The relationship between each variable and each parameter is the relationship shown in the equations (13) to (24).
The three-phase terminal voltages Vuw, Vvu, and Vwv are in the relationship shown in FIGS. 24 and 25, and the expressions (13), (14), and (15) are substituted into the expressions (16), (17), and (18). However, when deformed, the following equation is obtained.

Vuw=Vur+Iu・R+Ls・(dIu/dt)
−Lm・(dIv/dt)−Lm・(dIw/dt)
−(Vwr+Iw・R+Ls・(dIw/dt)
−Lm・(dIu/dt)−Lm・(dIv/dt)
=Vur−Vwr+(Iu−Iw)・R
+(Ls+Lm)・(d(Iu−Iw)/dt) (28)
Vvu=Vvr−Vur+(Iv−Iu)・R
+(Ls+Lm)・(d(Iv−Iu)/dt) (29)
Vwv=Vwr−Vvr+(Iw−Iv)・R
+(Ls+Lm)・(d(Iw−Iv)/dt) (30)
Vuw = Vur + Iu.R + Ls. (DIu / dt)
−Lm · (dIv / dt) −Lm · (dIw / dt)
− (Vwr + Iw · R + Ls · (dIw / dt)
−Lm · (dIu / dt) −Lm · (dIv / dt)
= Vur-Vwr + (Iu-Iw) .R
+ (Ls + Lm). (D (Iu-Iw) / dt) (28)
Vvu = Vvr−Vur + (Iv−Iu) · R
+ (Ls + Lm). (D (Iv-Iu) / dt) (29)
Vwv = Vwr−Vvr + (Iw−Iv) · R
+ (Ls + Lm). (D (Iw−Iv) / dt) (30)

3相の線間の誘起電圧成分Vuwr、Vvur、Vwvrは、(25)、(26)、(27)式と(28)、(29)、(30)式より次式となる。
Vuwr=Vuw−(Iu−Iw)・R
−(Ls+Lm)・(d(Iu−Iw)/dt) (31)
Vvur=Vvu−(Iv−Iu)・R
−(Ls+Lm)・(d(Iv−Iu)/dt) (32)
Vwvr=Vwv−(Iw−Iv)・R
−(Ls+Lm)・(d(Iw−Iv)/dt) (33)
The induced voltage components Vuwr, Vvur, Vwvr between the three-phase lines are expressed by the following equations based on the equations (25), (26), (27) and (28), (29), (30).
Vuwr = Vuw− (Iu−Iw) · R
− (Ls + Lm) · (d (Iu−Iw) / dt) (31)
Vvur = Vvu− (Iv−Iu) · R
− (Ls + Lm) · (d (Iv−Iu) / dt) (32)
Vwvr = Vwv− (Iw−Iv) · R
− (Ls + Lm) · (d (Iw−Iv) / dt) (33)

また、各相巻線の誘起電圧成分Vur、Vvr、Vwrは、(25)、(26)、(27)式より次式となる。
Vur=(Vuwr−Vvur)/3 (34)
Vvr=(Vvur−Vwvr)/3 (35)
Vwr=(Vwvr−Vuwr)/3 (36)
なお、ここで、3相の誘起電圧はバランスしていると仮定して、下式とする。
Vur+Vvr+Vwr=0 (37)
Vuwr+Vvur+Vwvr=0 (38)
In addition, the induced voltage components Vur, Vvr, and Vwr of each phase winding are expressed by the following equations from the equations (25), (26), and (27).
Vur = (Vuwr−Vvur) / 3 (34)
Vvr = (Vvur−Vwvr) / 3 (35)
Vwr = (Vwvr−Vuwr) / 3 (36)
Here, assuming that the three-phase induced voltages are balanced, the following equation is obtained.
Vur + Vvr + Vwr = 0 (37)
Vuwr + Vvur + Vwvr = 0 (38)

次に、請求項9の発明について説明する。
U相とW相との相関の誘起電圧成分Vuwrを検出して、ロータの回転位置θreを検出する方法である。(31)式に従い、図26の構成で誘起電圧成分Vuwrを求めることができる。
図26のNB3はW相巻線NBMの端子354に対するU相巻線NBKの端子NBNの443で示す端子間電圧Vuwを検出する電圧検出手段である。図26のNB5はV相の電流検出手段であり、シャント抵抗NB1の両端電位からV相電流Ivを検出する。NB6はW相の電流検出手段であり、シャント抵抗NB2の両端電位からW相電流Iwを検出する。
Next, the invention of claim 9 will be described.
In this method, the induced voltage component Vuwr of the correlation between the U phase and the W phase is detected to detect the rotational position θre of the rotor. According to the equation (31), the induced voltage component Vuwr can be obtained with the configuration of FIG.
NB3 in FIG. 26 is voltage detection means for detecting a terminal voltage Vuw indicated by 443 of the terminal NBN of the U-phase winding NBK with respect to the terminal 354 of the W-phase winding NBM. NB5 in FIG. 26 is a V-phase current detection unit, and detects the V-phase current Iv from the potential across the shunt resistor NB1. NB6 is a W-phase current detection unit that detects the W-phase current Iw from the potentials at both ends of the shunt resistor NB2.

442は演算器であり、入力であるIv、Iwから444で示す出力(Iu−Iw)を演算する。446は出力(Iv−Iu)である。NB7は微分器で、前記電流値(Iu−Iw)の微分値(d(Iu−Iw)/dt)を出力する。
図26のNBQは演算器で、U相とW相との相関の誘起電圧成分Vuwrを求めるため、(31)式に従って演算する。すなわち、モータパラメータであるR、Ls、Lmとの比例計算と加減算を行う。その出力449はU相とW相との相関の誘起電圧成分Vuwrであり、高調波ノイズをフィルタNBBで除去し、コンパレータNBCで比較し論理信号NBDを得る。その論理信号NBDは図14のPuに対して、(U−W)の相なので、位相が電気角で30°進んでいる。
An arithmetic unit 442 calculates an output (Iu−Iw) indicated by 444 from Iv and Iw as inputs. Reference numeral 446 denotes an output (Iv-Iu). NB7 is a differentiator and outputs a differential value (d (Iu-Iw) / dt) of the current value (Iu-Iw).
NBQ in FIG. 26 is an arithmetic unit and calculates according to the equation (31) in order to obtain the induced voltage component Vuwr of the correlation between the U phase and the W phase. That is, proportional calculation and addition / subtraction with motor parameters R, Ls, and Lm are performed. The output 449 is an induced voltage component Vuwr of the correlation between the U phase and the W phase, and the harmonic noise is removed by the filter NBB and compared by the comparator NBC to obtain the logic signal NBD. Since the logic signal NBD has a phase (U−W) with respect to Pu in FIG. 14, the phase is advanced by 30 ° in electrical angle.

以上の説明で、単相のセンサレス位置検出ができたことになる。ファンなどの用途のように、加減速が急激である必要が少なく、負荷変動も比較的少ない用途では、このような単相のセンサレス位置検出を適用することができる。検出回路が少なくて済み、低コストである。しかし、モータの急激な加減速制御が必要な用途、負荷変動の大きな用途、あるいは、高精度な速度制御が求められる用途では、図14に示したような3相のセンサレス位置検出が必要である。   With the above description, single-phase sensorless position detection can be performed. Such a single-phase sensorless position detection can be applied to an application such as a fan that requires less rapid acceleration / deceleration and relatively less load fluctuation. Fewer detection circuits and lower costs. However, in applications that require rapid acceleration / deceleration control of the motor, applications with large load fluctuations, or applications that require high-accuracy speed control, three-phase sensorless position detection as shown in FIG. 14 is required. .

図26の残りの検出手段、演算手段等について説明する。NB4はU相巻線NBKの端子NBNに対するV相巻線NBLの端子NBNの352で示す端子間電圧Vvuを検出する電圧検出手段である。NB8は微分器で、前記電流値(Iv−Iu)の微分値(d(Iv−Iu)/dt)を出力する。NBRは演算器で、V相とU相との相関の誘起電圧成分Vvurを求めるため、(32)式に従って演算する。すなわち、モータパラメータであるR、Ls、Lmとの比例計算と加減算を行う。その出力44AはV相とU相との相関の誘起電圧成分Vuwrであり、高調波ノイズをフィルタNBBで除去し、コンパレータNBCで比較し論理信号NBEを得る。その論理信号NBEは図14のPvに対して、(V−U)の相なので、位相が電気角で30°進んでいる。
この時、(38)式の関係から、同時にW相とV相との相関の誘起電圧成分Vuwrについてもその論理信号NBFを求めることができ、図14のPwに対して、(W−V)の相なので、位相が電気角で30°進んでいる。
The remaining detection means, calculation means, etc. in FIG. 26 will be described. NB4 is a voltage detection means for detecting the inter-terminal voltage Vvu indicated by 352 of the terminal NBN of the V-phase winding NBL with respect to the terminal NBN of the U-phase winding NBK. NB8 is a differentiator and outputs a differential value (d (Iv-Iu) / dt) of the current value (Iv-Iu). NBR is an arithmetic unit, which calculates according to the equation (32) in order to obtain the induced voltage component Vvur of the correlation between the V phase and the U phase. That is, proportional calculation and addition / subtraction with motor parameters R, Ls, and Lm are performed. The output 44A is an induced voltage component Vuwr of the correlation between the V phase and the U phase, the harmonic noise is removed by the filter NBB, and the result is compared by the comparator NBC to obtain the logic signal NBE. Since the logic signal NBE has a phase of (V-U) with respect to Pv in FIG. 14, the phase is advanced by 30 ° in electrical angle.
At this time, the logical signal NBF can be obtained for the induced voltage component Vuwr of the correlation between the W phase and the V phase simultaneously from the relationship of the equation (38). For Pw in FIG. The phase is advanced by 30 ° in electrical angle.

以上説明したように、図26の構成により図14に示すような3相のセンサレス位置検出を実現することができる。3相の位置検出は、原理的には位置検出分解能を無限大に高めることができるので、モータの急激な加減速制御が必要な用途、負荷変動の大きな用途、あるいは、高精度な速度制御が求められる用途への対応も可能となる。なお、図26では相間電圧を求める方法を示したが、(34)、(35)、(36)式の関係から相電圧を検出することも可能であり、(13)、(14)、(15)式を使用するなど、相電圧検出を基準としたセンサレス位置検出も可能である。そして、図26の各検出手段、各演算手段の構成を変形することも可能である。   As described above, three-phase sensorless position detection as shown in FIG. 14 can be realized by the configuration of FIG. In principle, three-phase position detection can increase the position detection resolution to infinity, so applications that require rapid motor acceleration / deceleration control, applications with large load fluctuations, or high-accuracy speed control can be used. It is also possible to meet the required applications. Although FIG. 26 shows a method for obtaining the interphase voltage, it is also possible to detect the phase voltage from the relationship of the equations (34), (35), and (36), and (13), (14), ( Sensorless position detection based on phase voltage detection is also possible, such as using equation (15). And it is also possible to modify the structure of each detection means and each calculation means of FIG.

次に、請求項10の発明について説明する。
ここで、図1、図8、図10、図13に示したモータとその制御装置において、3相各相の電圧を電気角でほぼ150°幅の通電角で制御するシミュレーションの例を図27に示す。定常回転、定常負荷トルクの場合の例である。図27の電位Vx、Vy、Vzは、直流電圧源2Eの出力電圧が0ボルト、12ボルトとしたときのインバータ出力の電位である。図27のVuはQ71のU相巻線に印加する電圧Vu=(Vx−Vy)である。図27のVwはQ72のW相巻線に印加する電圧Vw=(Vz−Vx)である。各相の通電区間内では、パルス幅変調PWMを行い、制御している。
Next, the invention of claim 10 will be described.
Here, in the motor and its control device shown in FIGS. 1, 8, 10, and 13, an example of simulation for controlling the voltage of each phase of the three phases with an electric angle of approximately 150 ° in electrical angle is shown in FIG. Shown in It is an example in the case of steady rotation and steady load torque. Electric potentials Vx, Vy, and Vz in FIG. 27 are inverter output potentials when the output voltage of the DC voltage source 2E is 0 volts and 12 volts. Vu in FIG. 27 is a voltage Vu = (Vx−Vy) applied to the U-phase winding of Q71. Vw in FIG. 27 is a voltage Vw = (Vz−Vx) applied to the W-phase winding of Q72. In the energization section of each phase, pulse width modulation PWM is performed and controlled.

図27のIy、IzはY相電流、Z相電流である。Ls・dIy/dt、Lm・dIz/dt、Ls・dIz/dt、Lm・dIy/dtはそれぞれの演算値である。Vur、Vvr、Vwrは3相の誘電圧成分で、図15のフィルタNBBの出力として得られる。印加された電位Vx、Vy、Vzはパワートランジスタのオン、オフで制御される電圧であるが、検出される3相の誘電圧成分Vur、Vvr、Vwrはほぼ正弦波状の電圧であり、正確に誘電圧成分が検出されることが解る。
次に、図28は図27に類似しているが、3相各相の電圧を電気角でほぼ180°幅の通電角で制御するシミュレーションの例である。図28の電流Iy、Izの波形が図27とは、それらの高調波成分が異なることが視覚的に認識できる。どちらのモータ制御方法においても、3相の誘電圧成分Vur、Vvr、Vwrはほぼ正弦波状の電圧であり、正確に検出されることが解る。
In FIG. 27, Iy and Iz are a Y-phase current and a Z-phase current. Ls · dIy / dt, Lm · dIz / dt, Ls · dIz / dt, and Lm · dIy / dt are respective calculated values. Vur, Vvr, and Vwr are three-phase dielectric pressure components, and are obtained as the output of the filter NBB in FIG. The applied potentials Vx, Vy, Vz are voltages controlled by turning on / off the power transistor, but the detected three-phase dielectric pressure components Vur, Vvr, Vwr are almost sinusoidal voltages, It can be seen that the dielectric pressure component is detected.
Next, FIG. 28 is similar to FIG. 27, but is an example of simulation in which the voltage of each phase of the three phases is controlled with an electrical angle of approximately 180 ° in terms of electrical angle. It can be visually recognized that the waveforms of the currents Iy and Iz in FIG. 28 are different from those in FIG. 27 in their harmonic components. In either motor control method, it is understood that the three-phase dielectric pressure components Vur, Vvr, and Vwr are substantially sinusoidal voltages and are accurately detected.

次に、請求項11の発明について説明する。
ここで、図29は図27および図28と同様のシミュレーションであるが、印加する電位Vx、Vy、Vzがパルス幅変調PWMで正弦波状の電圧を与え、正弦波状の電流Iy、Izを通電する例である。各図を比較すると、各電圧波形、各電流波形が異なる。しかし、検出される3相の誘電圧成分Vur、Vvr、Vwrはほぼ正弦波状の電圧であり、正確に検出されることが解る。
なお、生活の場に近いところで使用される各種のファンなどの用途では極めて静粛であることを求められることも多い。一般的に、3相モータの電圧、電流を正弦波化することにより静粛化できることが知られている。本発明のセンサレス位置検出の方法は、モータの正弦波制御、あるいは、正弦波に近い制御においても適用が可能である。
Next, the invention of claim 11 will be explained.
Here, FIG. 29 is a simulation similar to FIG. 27 and FIG. 28, but the applied potentials Vx, Vy, and Vz give a sinusoidal voltage by pulse width modulation PWM, and energize the sinusoidal currents Iy and Iz. It is an example. When each figure is compared, each voltage waveform and each current waveform are different. However, it is understood that the detected three-phase dielectric pressure components Vur, Vvr, and Vwr are substantially sinusoidal voltages and are accurately detected.
In many applications, such as various fans used near the place of life, it is often required to be extremely quiet. In general, it is known that the voltage and current of a three-phase motor can be made quiet by converting it into a sine wave. The sensorless position detection method of the present invention can be applied to sine wave control of a motor or control close to a sine wave.

従来のセンサレス位置検出の方法には、120°通電方式などの特定のモータ制御方式の時にだけ適用が可能なセンサレス位置検出の方法があるが、この点では本発明のセンサレス位置検出の方法とは異なる。具体的には、図13に示した本発明のセンサレス位置検出方法は、図15に示したいわゆる120°通電方式でのモータ制御、図27に示したいわゆる150°通電方式でのモータ制御、図28に示したいわゆる180°通電方式でのモータ制御、および、図29に示したいわゆる正弦波電圧・電流通電方式でのモータ制御においても、3相の誘電圧成分Vur、Vvr、Vwrはほぼ正弦波状の電圧であり、正確に検出されることを確認した。各種のモータの電圧制御法、電流制御法においても本発明のセンサレス位置検出を適用することができる。
また、図21および図26に示す、Y結線の3相モータのセンサレス位置検出方法においても、同様に各種のモータの電圧制御法、電流制御法において、各相の誘起電圧成分が正確に得られ、センサレス位置検出およびモータ制御を実現することができる。
As a conventional sensorless position detection method, there is a sensorless position detection method that can be applied only in a specific motor control method such as a 120 ° energization method. In this respect, the sensorless position detection method of the present invention is different from the sensorless position detection method. Different. Specifically, the sensorless position detection method of the present invention shown in FIG. 13 includes motor control by the so-called 120 ° energization method shown in FIG. 15, motor control by the so-called 150 ° energization method shown in FIG. In the motor control by the so-called 180 ° energization method shown in FIG. 28 and the motor control by the so-called sinusoidal voltage / current energization method shown in FIG. 29, the three-phase dielectric pressure components Vur, Vvr, and Vwr are almost sinusoidal. It was confirmed that the wave voltage was detected accurately. The sensorless position detection of the present invention can also be applied to various motor voltage control methods and current control methods.
In addition, in the sensorless position detection method of the Y-connected three-phase motor shown in FIGS. 21 and 26, similarly, the induced voltage component of each phase can be accurately obtained in various motor voltage control methods and current control methods. Sensorless position detection and motor control can be realized.

以上、本発明について説明した。モータについては各種のモータへ適用することができる。例えば、アウタロータモータ、アキシャルギャップ型のモータ、リニアモータ、複合化されたモータなどへの適用も可能である。多極化、多相化、2相モータ等への適用も可能である。特に、ロータ表面にフェライト磁石を配置した表面磁石形のブラシレスモータの場合、フェライト磁石の比透磁率が空気に近く、各相の相互インダクタンスLmの変動が小さいので、本発明のセンサレス位置検出の精度が向上する。小型モータの領域では、フェライト磁石の表面磁石形ロータ、希土類磁石の表面磁石形モータが広く使用されている。   The present invention has been described above. The motor can be applied to various motors. For example, the present invention can be applied to an outer rotor motor, an axial gap type motor, a linear motor, a combined motor, and the like. Application to multi-pole, multi-phase, two-phase motors, etc. is also possible. In particular, in the case of a surface magnet type brushless motor in which a ferrite magnet is arranged on the rotor surface, the relative permeability of the ferrite magnet is close to that of air, and the fluctuation of the mutual inductance Lm of each phase is small. Will improve. In the area of small motors, surface magnet type rotors of ferrite magnets and surface magnet type motors of rare earth magnets are widely used.

本発明の実施例で示した各検出手段、演算手段には種々のものを活用できる。例えば、電流の検出手段としてシャント抵抗の例を示したが、ホール素子を活用した電流検出手段、磁気抵抗素子を活用した電流検出手段、パワートランジスタなどの電力変換素子の電圧降下を利用した電流検出手段なども使用することができる。パワートランジスタのカレントミラーの効果を活用した電流検出も可能である。また、巻線電圧の検出手段については、絶縁型の電圧検出手段にも適用できる。
また、特に、モータの各電圧は制御装置がパワートランジスタのオン、オフを決定しているので、制御装置の演算部に電圧情報を持っている。従って、モータ巻線の電圧計測は行わず、モータへの電圧指令情報を電圧検出器の代わりに、電圧検出手段として使用することができる。
Various detection means and calculation means shown in the embodiments of the present invention can be used. For example, although an example of a shunt resistor has been shown as a current detection means, a current detection means utilizing a Hall element, a current detection means utilizing a magnetoresistive element, a current detection utilizing a voltage drop of a power conversion element such as a power transistor Means and the like can also be used. Current detection using the effect of the current mirror of the power transistor is also possible. The winding voltage detection means can also be applied to an insulated voltage detection means.
In particular, each voltage of the motor has voltage information in the calculation unit of the control device because the control device determines whether the power transistor is on or off. Therefore, the voltage measurement of the motor winding is not performed, and the voltage command information to the motor can be used as voltage detection means instead of the voltage detector.

また、各検出手段、各演算手段にはいくつかの実現手段がある。一つの方法として、演算増幅器を使用して、アナログ電圧で検出する方法がある。また、アナログ電圧をAD変換器でデジタル信号化し、デジタル演算で計算することもできる。例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイFPGAなども広く使用されている。また、マイクロコンピュータを活用することもできる。これらの混在したシステムとすることもできる。実現手法は、コスト、信頼性、生産数量、周辺回路の都合などにより選択することができる。
パワートランジスタには、MOSFET、IGBT、SJFET、SiCなど種々の素子を使用することができる。インバータの形態についても種々変形が可能である。特に小型のモータで生産数量の多い用途では、制御回路と電力変換部とが一つのチップ上に製作される、いわゆる1チップ化も進んでいる。種々の素子、形態を使用することができる。また、モータの制御については、速度制御だけでなく、位置制御、トルク制御等も可能である。
Each detection means and each calculation means have some realization means. As one method, there is a method of detecting with an analog voltage using an operational amplifier. In addition, an analog voltage can be converted into a digital signal by an AD converter and calculated by digital calculation. For example, a field programmable gate array FPGA is widely used. A microcomputer can also be used. These systems can be mixed. The realization method can be selected depending on the cost, reliability, production quantity, convenience of peripheral circuits, and the like.
Various elements such as MOSFET, IGBT, SJFET, and SiC can be used for the power transistor. Various modifications can be made to the form of the inverter. In particular, in applications where a small motor has a large production quantity, so-called one-chip production in which the control circuit and the power conversion unit are manufactured on one chip is also progressing. Various elements and forms can be used. As for motor control, not only speed control but also position control, torque control, and the like are possible.

本発明のセンサレス位置検出方法を使用して制御するモータは、比較的構成が簡単で低コスト化および高温でも使用できる仕様特性とすることができる。近年の高集積化技術により各検出手段、演算手段は低コスト化が可能となってきている。小型モータを量産する場合、極端には、各検出手段、演算手段、電力素子を含めて一つの半導体チップに集積することができる。しかも、マイクロコンピュータを使用しない、簡素な構成とすることもできる。その結果、低コスト化、小型化、高信頼性化をも実現することができる。
従来のマイクロコンピュータを使用する、いわゆる回転子座標系のdq軸制御を基本としたセンサレス位置検出技術を用い、実際のモータ電流、電圧は固定座標系で制御する方法とは異なる手法である。回転子座標系のdq軸制御を使用する場合は、その演算等が必要であることからマイクロコンピュータを使用することが多く、コスト、温度使用環境などの点で制約が発生する。
センサレス位置検出の性能およびモータの制御性能についても十分な性能を確認している。その結果、自動車用、家電用、産業用などの各種用途に利用することができる。
The motor controlled using the sensorless position detection method of the present invention can have a relatively simple configuration, low cost, and specification characteristics that can be used even at high temperatures. Due to the recent high integration technology, it is possible to reduce the cost of each detection means and calculation means. When mass-producing a small motor, it can be integrated on a single semiconductor chip including each detection means, calculation means, and power element. In addition, a simple configuration that does not use a microcomputer can be used. As a result, cost reduction, downsizing, and high reliability can be realized.
Using a sensorless position detection technique based on dq axis control of a so-called rotor coordinate system using a conventional microcomputer, the actual motor current and voltage are different from those controlled by a fixed coordinate system. When the dq axis control of the rotor coordinate system is used, a microcomputer is often used because the calculation is necessary, and there are restrictions in terms of cost, temperature use environment, and the like.
Sufficient performance has been confirmed for sensorless position detection performance and motor control performance. As a result, it can be used for various applications such as automobiles, home appliances, and industrial use.

Ix X相電流
Iy Y相電流
Iz Z相電流
Vu U相電圧
Vv V相電圧
Vw W相電圧
Q71 U相巻線
Q72 W相巻線
NB1 シャント抵抗
NB2 シャント抵抗
351 X端子
352 Y端子
354 Z端子
NB3 電圧検出手段
NB4 電圧検出手段
NB5 電流検出手段
NB6 電流検出手段
NB7 微分器
NB8 微分器
NB9 演算器
NBA 演算器
NBB フィルタ
NBC 比較器
NBH U相誘起電圧成分
NBJ W相誘起電圧成分
NBD U相論理信号
NBE V相論理信号
NBF W相論理信号
Ix X phase current Iy Y phase current Iz Z phase current Vu U phase voltage Vv V phase voltage Vw W phase voltage Q71 U phase winding Q72 W phase winding NB1 Shunt resistance NB2 Shunt resistance 351 X terminal 352 Y terminal 354 Z terminal NB3 Voltage detection means NB4 Voltage detection means NB5 Current detection means NB6 Current detection means NB7 Differentiator NB8 Differentiator NB9 Operator NBA Operator NBB Filter NBC Comparator NBH U-phase induced voltage component NBJ W-phase induced voltage component NBD E-phase logic signal NBD V phase logic signal NBF W phase logic signal

Claims (11)

3相の交流モータにおいて、モータの入力である端子あるいはリード線をX端子、Y端子、Z端子とし、
前記X端子とY端子との間に配置したU相巻線WUと、
前記Z端子とX端子との間に配置したW相巻線WWと、
前記U相巻線WUのU相電圧Vuを検出する電圧検出手段DVutと、
前記U相巻線WUに通電する電流Iyを検出する電流検出手段DIyと、
前記W相巻線WWに通電する電流Izを検出する電流検出手段DIzと、
前記U相巻線WUの誘起電圧成分Vurを計算する計算手段CVurと、
前記計算手段CVurの出力Vurを基にロータの回転位置θreを検出する位置検出手段POSuとを備え、
前記U相巻線WUの誘起電圧成分Vurを使用してロータの回転位置θreの情報を検出して制御することを特徴とするモータ。
In a three-phase AC motor, the terminal or lead wire that is the motor input is the X terminal, Y terminal, Z terminal,
A U-phase winding WU disposed between the X terminal and the Y terminal;
A W-phase winding WW disposed between the Z terminal and the X terminal;
Voltage detection means DVut for detecting the U-phase voltage Vu of the U-phase winding WU;
Current detection means DIy for detecting a current Iy energized to the U-phase winding WU;
Current detection means DIz for detecting a current Iz energizing the W-phase winding WW;
Calculation means CVur for calculating an induced voltage component Vur of the U-phase winding WU;
Position detecting means POSu for detecting the rotational position θre of the rotor based on the output Vur of the calculating means CVur;
A motor characterized by detecting and controlling information on a rotational position θre of the rotor using an induced voltage component Vur of the U-phase winding WU.
請求項1に記載したモータにおいて
前記計算手段CVurは、U相巻線WUの抵抗値Ruも使用してU相巻線WUの誘起電圧成分Vurを計算し、制御することを特徴とするモータ。
2. The motor according to claim 1, wherein the calculation unit CVur calculates and controls an induced voltage component Vur of the U-phase winding WU using the resistance value Ru of the U-phase winding WU.
3相の交流モータにおいて、モータの入力である端子あるいはリード線をX端子、Y端子、Z端子とし、
前記X端子とY端子との間に配置したU相巻線WUと、
前記Z端子とX端子との間に配置したW相巻線WWと、
前記U相巻線WUのU相電圧Vuを検出する電圧検出手段DVuと、
前記U相巻線WUに通電する電流Iyを検出する電流検出手段DIyと、
前記W相巻線WWのW相電圧Vwを検出する電圧検出手段DVwと、
前記W相巻線WWに通電する電流Izを検出する電流検出手段DIzと、
前記U相巻線WUの誘起電圧成分Vurを計算する計算手段CVurと、
前記W相巻線WWの誘起電圧成分Vwrを計算する計算手段CVwrと、
前記計算手段CVurの出力Vurを基にロータの回転位置θreを検出する位置検出手段POSuと、
前記計算手段CVwrの出力Vwrを基にロータの回転位置θreを検出する位置検出手段POSwとを備え、
前記U相巻線WUの誘起電圧成分Vurと前記W相巻線WWの誘起電圧成分Vwrとを使用してロータの回転位置θreの情報を検出して制御することを特徴とするモータ。
In a three-phase AC motor, the terminal or lead wire that is the motor input is the X terminal, Y terminal, Z terminal,
A U-phase winding WU disposed between the X terminal and the Y terminal;
A W-phase winding WW disposed between the Z terminal and the X terminal;
Voltage detection means DVu for detecting the U-phase voltage Vu of the U-phase winding WU;
Current detection means DIy for detecting a current Iy energized to the U-phase winding WU;
Voltage detection means DVw for detecting the W-phase voltage Vw of the W-phase winding WW;
Current detection means DIz for detecting a current Iz energizing the W-phase winding WW;
Calculation means CVur for calculating an induced voltage component Vur of the U-phase winding WU;
Calculation means CVwr for calculating an induced voltage component Vwr of the W-phase winding WW;
Position detecting means POSu for detecting the rotational position θre of the rotor based on the output Vur of the calculating means CVur;
Position detecting means POSw for detecting the rotational position θre of the rotor based on the output Vwr of the calculating means CVwr;
A motor characterized by detecting and controlling information on the rotational position θre of the rotor using the induced voltage component Vur of the U-phase winding WU and the induced voltage component Vwr of the W-phase winding WW.
請求項3に記載したモータにおいて
前記計算手段CVurは、U相巻線WUの抵抗値Ruも使用してU相巻線WUの誘起電圧成分Vurを計算し、
前記計算手段CVwrは、W相巻線WWの抵抗値Rwも使用してW相巻線WWの誘起電圧成分Vwrを計算し、制御することを特徴とするモータ。
In the motor according to claim 3, the calculation means CVur also uses the resistance value Ru of the U-phase winding WU to calculate the induced voltage component Vur of the U-phase winding WU,
The calculation means CVwr uses the resistance value Rw of the W-phase winding WW to calculate and control the induced voltage component Vwr of the W-phase winding WW.
請求項3に記載したモータにおいて
U相巻線WUに関わる情報とZ相巻線WZに関わる情報からV相の誘起電圧成分Vvrを求め、この誘起電圧成分Vvrを使用してロータの回転位置θreの情報を検出して制御することを特徴とするモータ。
4. The motor according to claim 3, wherein an induced voltage component Vvr of V phase is obtained from information relating to the U phase winding WU and information relating to the Z phase winding WZ, and the rotational position θre of the rotor is obtained using the induced voltage component Vvr. A motor characterized by detecting and controlling the information.
請求項1または3に記載したモータにおいて
MOSFETなどの電力素子を含む半導体素子のボンディングワイヤあるいはリード端子の抵抗値を利用してモータへ通電する電流成分を検出し、制御することを特徴とするモータ。
The motor according to claim 1 or 3, wherein a current component energized to the motor is detected and controlled using a resistance value of a bonding wire or a lead terminal of a semiconductor element including a power element such as a MOSFET. .
請求項1または3に記載したモータにおいて
モータ巻線WAAの温度を計測、あるいは、推測して求め、ある温度で抵抗値Raaのモータ巻線WAAへ電流Iaaを通電して発生する抵抗電圧降下成分VaaRを計算し、制御することを特徴とするモータ。
4. A resistance voltage drop component generated by measuring or estimating the temperature of the motor winding WAA and applying the current Iaa to the motor winding WAA having the resistance value Raa at a certain temperature in the motor according to claim 1 or 3. A motor characterized by calculating and controlling VaaR.
U相巻線WUとV相巻線WVとW相巻線WWとをY結線し、
V相巻線WVのV相電圧Vvを検出する電圧検出手段DVvと、
V相巻線WVの電流Ivを検出する電流検出手段DIvと、
V相巻線WVの誘起電圧成分Vvrを計算する計算手段CVvr2と、
前記計算手段CVvr2の出力Vvrを基にロータの回転位置θreを検出する位置検出手段POSvとを備え、
前記V相巻線WVの誘起電圧成分Vvrを使用してロータの回転位置θreの情報を検出し、U相、V相、W相の電圧と電流を制御することを特徴とするモータ。
U-phase winding WU, V-phase winding WV and W-phase winding WW are Y-connected,
Voltage detection means DVv for detecting the V-phase voltage Vv of the V-phase winding WV;
Current detection means DIv for detecting the current Iv of the V-phase winding WV;
Calculation means CVvr2 for calculating the induced voltage component Vvr of the V-phase winding WV;
Position detecting means POSv for detecting the rotational position θre of the rotor based on the output Vvr of the calculating means CVvr2,
A motor characterized in that information on the rotational position θre of the rotor is detected using the induced voltage component Vvr of the V-phase winding WV, and the voltage and current of the U-phase, V-phase, and W-phase are controlled.
U相巻線WUとV相巻線WVとW相巻線WWとをY結線し、
直列に接続したU相巻線WUとW相巻線WWとの両端の端子間電圧Vuwを検出する電圧検出手段DVuw2と、
V相巻線WVの電流Ivを検出する電流検出手段DIvと、
W相巻線WWの電流Iwを検出する電流検出手段DIwと、
U相巻線WUの誘起電圧成分VurとW相巻線WWの誘起電圧成分Vwrとの差Vuwrを計算する計算手段CVuwr2と、
前記計算手段CVuwr2の出力Vuwrを基にロータの回転位置θreを検出する位置検出手段POSuw2とを備え、
前記U相巻線WUとW相巻線WWとの誘起電圧成分Vuwrを使用してロータの回転位置θreの情報を検出し、U相、V相、W相の電圧と電流を制御することを特徴とするモータ。
U-phase winding WU, V-phase winding WV and W-phase winding WW are Y-connected,
Voltage detection means DVuw2 for detecting a voltage Vuw between terminals of both ends of the U-phase winding WU and the W-phase winding WW connected in series;
Current detection means DIv for detecting the current Iv of the V-phase winding WV;
Current detection means DIw for detecting the current Iw of the W-phase winding WW;
Calculation means CVuwr2 for calculating a difference Vuwr between the induced voltage component Vur of the U-phase winding WU and the induced voltage component Vwr of the W-phase winding WW;
Position detecting means POSuw2 for detecting the rotational position θre of the rotor based on the output Vuwr of the calculating means CVuwr2,
Information on the rotational position θre of the rotor is detected using the induced voltage component Vuwr of the U-phase winding WU and W-phase winding WW, and the voltage and current of the U-phase, V-phase, and W-phase are controlled. Characteristic motor.
請求項1、3、8、9のいずれか一つに記載したモータにおいて
各相の正の電流あるいは負の電流の通電幅が電気角で145°から180°の範囲であることを特徴とするモータ。
The motor according to any one of claims 1, 3, 8, and 9, wherein the conduction width of the positive current or the negative current of each phase is in the range of 145 ° to 180 ° in electrical angle. motor.
請求項1、3、8、9のいずれか一つに記載したモータにおいて
各相の電流の波形形状が、概略、正弦波電流制御であることを特徴とするモータ。
The motor according to any one of claims 1, 3, 8, and 9, wherein the waveform shape of the current of each phase is roughly sinusoidal current control.
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