JP2012506684A - 直流電動機、および、直流電動機の駆動方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つの永久磁石を有するロータと、少なくとも３つのステータコイルを有するステータと、前記ロータの回転位置を求め、該回転位置に応じて前記ステータコイルへの通電を開始する制御装置とを備え、前記制御装置は、高回転数領域では、前記少なくとも３つのステータコイルのうちいずれかに誘導される電圧に基づいて回転位置を求めるように構成されている、直流電動機に関する。本発明によれば、低回転数領域で直流電動機をロータの回転位置に応じて制御できるようにするために、前記制御装置は、低回転数領域では、前記少なくとも３つのステータコイルのうちのいずれかに電圧が印加されたときの電流に基づいて回転位置を求めるように構成されている。

Description

本発明は、請求項１の上位概念記載の直流電動機、および、請求項２の上位概念記載の直流電動機の駆動方法に関する。

従来技術
いわゆるブラシレスセンサレス直流電動機は、少なくとも１つの永久磁石を備えたロータと、少なくとも３つのステータコイルを備えたステータと、ロータの回転位置を求め、この回転位置に応じてステータコイルへの通電を開始する制御装置とを備えており、ここで、制御装置は、高回転数領域では、少なくとも３つのステータコイルのうちいずれかに誘導される電圧に基づいて回転位置を求めるように構成されている。

ただし、当該の直流電動機には、回転数が低い場合に充分な電圧をステータコイルに誘導できないという欠点がある。この場合、ロータの回転位置を求めることができない。このため、ステータコイルは、電動機が徐々に回転数が上昇する方向へ動作しているときの低回転数領域では、いわば"盲打ちで"切り換えられるので、ステータコイルの通電が電動機の加速をもたらさず、ロータが停止してしまうことがある。この場合、ロータは少なくとも長い時間をかけないと高回転数領域へ移行しない。

発明の開示
本発明の課題は、冒頭に言及した形式の直流電動機および直流電動機の駆動方法において、低回転数領域においても直流電動機をロータの回転位置に基づいて制御できるようにすることである。

この課題は、請求項１記載の特徴を有する直流電動機、および、請求項２記載の特徴を有する直流電動機の駆動方法により解決される。

本発明の直流電動機では、制御装置が、低回転数領域で、いずれかのステータコイルに電圧が印加されたときの電流に基づいて回転位置を求めるように構成されている。低回転数領域とは、一般に、回転位置を求めるのに充分な電圧がステータコイルに誘導されない下方の回転数領域であって、典型的には５００回転／ｍｉｎより低い領域のことであり、高回転数領域とは、典型的にはロータ回転数が５００回転／ｍｉｎより高い領域のことである。本発明では、低回転数領域の回転数を求める別個のセンサを設けなくてよいので有利である。また、直流電動機は、理想的には、２次磁極モータ（コンシクエントポールモータ）である。

本発明はさらに直流電動機の駆動方法に関しており、本発明の方法は、低回転数領域において、いずれかのステータコイルに所定の電圧を印加するステップと、電圧の印加されたステータコイルの電流を求めるステップと、この電流の特性に基づいてロータ位置を求めるステップと、求められたロータ位置に基づいてステータコイルへの通電を行うステップとを有する。本発明において"電流を求める"とは、電流の数値を精確に算出することを意味するが、電流に比例するパラメータのみを算出することであってもよい。

本発明の有利な実施形態では、少なくとも１つの第２のステータコイルに所定の電圧が印加され、この第２のステータコイルの電流が求められ、求められた電流の特性に基づいて回転位置が求められる。これにより、ロータが複数の異なる回転位置に位置しているか否かが識別される。

本発明の別の有利な実施形態では、印加される所定の電圧は電圧パルスである。当該の電圧パルスは典型的には数１００μｓの持続時間を有する。これにより、ロータの回転位置を精確に求めることができる。また、回転位置を求めるには直流電動機の通常動作を一時的に中断しなければならないが、その時間を１回限りの短いものにすることができる。

本発明の別の有利な実施形態では、電圧パルスが反復して印加され、その際に、反復の時間間隔が徐々に低下される。これにより、電圧パルスの印加の反復の時間間隔がロータの回転数の増大分に適合化される。

本発明の別の有利な実施形態では、印加される所定の電圧の極性が反転され、極性反転された電圧に対してステータコイルの電流が求められ、求められた電流の特性に基づいて回転位置が求められる。有利には、極性反転された電圧も、極性反転されない電圧パルスと同じ持続時間を有する電圧パルスである。相互に反対の極性を有する２つの電圧パルスを用いることにより、ロータの回転数への影響をきわめて小さくすることができる。

本発明の別の有利な実施形態では、所定の電圧および極性反転された電圧に対する各ステータコイルでの電流増大分の値がそれぞれ加算されて電流増大分の和が形成され、電流増大分の和の最大値と他の電流増大分の和とが比較されて、回転位置が求められる。このようにすれば、電流のオフセット誤差が抽出される。また、比較の基準を設定する際にトレランスを適切に設定すれば、ロータの回転位置の存在する角度領域を検出することができる。

本発明の別の有利な実施形態では、高回転数領域で回転数を求める際に、ステータコイルのうちいずれかに誘導される電圧と同じ電圧値が、電気角３６０゜の整数倍（少なくとも２倍）に対して、求められる。ここでの電圧値は同じロータ位置に対する電圧値である。これにより、ロータの極間に偏差があっても回転位置の検出に影響しないことが保証される。

通電装置を備えた直流電動機の概略図である。 図１の通電装置を備えた直流電動機の詳細図である。 図１の直流電動機の電圧比較器を示す図である。 図１の直流電動機の電圧増幅器を示す図である。 Ａは電気角α_ｅｌ＝０゜のときの直流電動機、Ｂは電気角α_ｅｌ＝１２０゜のときの直流電動機、Ｃは電気角α_ｅｌ＝２４０゜のときの直流電動機を示す図である。 誘導電圧の振幅と電気角との関係を示すグラフである。

本発明を以下に図示の実施例に則して詳細に説明する。

図１には、通電装置２を備えた直流電動機１の概略図が示されている。こうした直流電動機は例えば車両の冷却剤ポンプに対して用いられる。

通電装置２は電流線路３，４，５を介して直流電動機１への通電を行う。通電装置２は、制御回路６、チャージポンプを備えたドライバ回路７、複数のスイッチングトランジスタを備えた切換装置８、電圧比較器９および電圧増幅器１０を含む。さらに、通電装置２には、電圧制御回路１１、誤接続保護回路１２，過電圧保護回路１３、コンデンサ１４および抵抗１５も設けられている。コンデンサ１４はステータコイルの誘導負荷によってフィードバックされるエネルギをバッファリングする（図２を参照）。抵抗１５は小さい抵抗値を有しており、当該の抵抗１５を通ってアース端子へ流れる電流が電圧増幅器１０によって増幅されることが保証される。誤接続保護回路１２は、給電電圧Ｖ_ｒｅｆが誤った極性で接続されて通電装置２が損傷することがないように保護する手段である。電圧制御回路１１は制御回路６に印加される電圧を所定の値へ制御する。過電圧保護回路１３は、ドライバ回路７が過電圧によって損傷しないように保護する手段である。制御回路６はドライバ回路７を電圧比較器９の信号または電圧増幅器１０の信号に依存して制御する。ドライバ回路７は切換装置８の各スイッチングトランジスタがオンオフするようこれらのスイッチングトランジスタへ適切な電圧を印加する。

図２には、図１の直流電動機１および切換装置８の詳細図が示されている。直流電動機１は６つの鉄心突出部１７を備えた鉄心１６を有しており、鉄心突出部１７にはそれぞれステータコイルｕ，ｖ，ｗ，ｕ’，ｖ’，ｗ’のいずれか１つが６０゜ずつずらされて巻き回されている。ステータコイルｕ，ｖ，ｗ，ｕ’，ｖ’，ｗ’はそれぞれ直列に接続された２つのステータコイルから成る３つのコイル対ｕｕ’，ｖｖ’，ｗｗ’を形成しており、各コイル対のコイルは１８０゜ずつ、ずれている。各コイル対ｕｕ’，ｖｖ’，ｗｗ’の第１の端部はドライバ回路７によって閉成または開放される２つのスイッチングトランジスタＴ１，Ｔ２またはＴ３，Ｔ４またはＴ５，Ｔ６へ接続されている。スイッチングトランジスタＴ１，Ｔ３，Ｔ５は各コイル対を電圧Ｖ_ｒｅｆの高電位側に接続するかまたはこの高電位側から分離する。スイッチングトランジスタＴ２，Ｔ４，Ｔ６は各コイル対を接続点２５の低電位側に接続するかまたはこの低電位側から分離する。各コイル対ｕｕ’，ｖｖ’，ｗｗ’の第２の端部は相互に接続されている。

２つの永久磁石２７を備えたロータ２６は回転位置α_ｅｌ＝０゜に位置している。このとき電気角α_ｅｌ＝３６０゜は機械角α_ｍｅｃ＝１８０゜に相当し、各ステータコイルｕ，ｖ，ｗ，ｕ’，ｖ’，ｗ’はロータ２６の完全な１回転で所定の極性を有する磁極を２回通過する。Ｓ極の磁極は永久磁石２７の外側に位置しており、反対のＮ極の磁極は２つの永久磁石２７のあいだに位置している。こうした直流電動機は２次磁極モータ（コンシクエントポールモータ）と称される。スイッチングトランジスタＴ１は、電気角α_ｅｌが３０゜から１５０゜までオンとなる。スイッチングトランジスタＴ２は、電気角α_ｅｌが２１０゜から３３０゜までオンとなる。スイッチングトランジスタＴ３は、電気角α_ｅｌが１５０゜から２７０゜までオンとなる。スイッチングトランジスタＴ４は、電気角α_ｅｌが３３０゜から９０゜までオンとなる。スイッチングトランジスタＴ５は、電気角α_ｅｌが２７０゜から３０゜までオンとなる。スイッチングトランジスタＴ６は、電気角α_ｅｌが９０゜から２１０゜までオンとなる。つねに２つずつのトランジスタがオンとなるので、そのつど電流は２つのコイル対を通って流れることになる。

図３には、図１の電圧比較器９の詳細図が示されている。電圧比較器９は同じタイプの３つの比較回路１８，１９，２０を含んでおり、各比較回路１８，１９，２０は、各コイル対ｕｕ’，ｖｖ’，ｗｗ’に対応する電流線路３，４，５に印加される電圧と、星形接続点２１にかかる電圧、すなわち、３つの電流線路の電圧の和に依存する電圧とを比較する。比較回路１８は複数の抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３およびオペアンプＯＰ１を含んでおり、他の比較回路１９，２０も同様である。前述したように、通常動作では、交番的に、つねに２つのコイルのみに通電が行われる。通電される２つのコイルにかかる電圧は、通電されない第３のコイルの誘導電圧がゼロ交差した時点で、同じ絶対値および反対の極性を有する。星形接続点２１にはゼロ交差の際に内部電圧０Ｖ、すなわちここではＶ_ｒｅｆ／２として定義される電圧がかかる。また、ゼロ交差によって電圧は符号を反転させるので、通電されない第３のコイルに対応するオペアンプＯＰ１の出力側２２（または出力側２３，２４）の電圧の符号も反転する。接続点２２，２３，２４にかかる電圧は制御回路６へ供給される。

図４には、図１の電圧増幅器１０の詳細図が示されている。電圧増幅器１０は複数の抵抗Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８，Ｒ９，Ｒ１０，Ｒ１１，コンデンサＣ４および２つのオペアンプＯＰ２，ＯＰ３を含む。抵抗Ｒ８，Ｒ１１あるいは抵抗Ｒ９，Ｒ１０はそれぞれ同じ大きさである。接続点２５，２８，２９は図１に示されている点である。抵抗Ｒ６と抵抗Ｒ７とは同じ大きさであり、このため、第１のオペアンプＯＰ２の非反転入力側および出力側に電圧Ｖ_ｒｅｆ／２（内部電圧０Ｖ）が印加される。接続点２５および接続点２９に同じ電圧が印加される場合、図１の抵抗１５に電流は流れず、接続点２８に内部電圧０Ｖがかかる。第２のオペアンプＯＰ３は反転増幅器として設けられており、当該の第２のオペアンプＯＰ３の出力側、ひいては接続点２８には、図１の抵抗１５を介して、電流方向にしたがって比例電圧がかかり、これが制御回路６の動作に用いられる。

回転数上昇時には、直流電動機１の通常動作が低回転数領域で検査休止期間により中断される。検査休止期間にはコイル対ｕｕ’，ｖｖ’，ｗｗ’のそれぞれに対して相互に反対極性の２つの電圧パルスが順次に印加される。各電圧パルスは全て同じ長さ、同じ振幅を有する。相互に反対極性を有する２つの電圧パルスを印加することにより、生じうるオフセットエラーが補償される。さらに、ロータ２６の運動の影響がほとんどなくなる。

コイル対ｕｕ’に対しては、第１の電圧パルスのあいだトランジスタＴ１，Ｔ４，Ｔ６がオンとなり、第２の電圧パルスのあいだトランジスタＴ２，Ｔ３，Ｔ５がオンとなる。各電圧パルスは数１００μｓの持続時間を有する。ロータ２６は全検査休止期間にわたってほぼ同じ回転位置に位置する。コイル対ｖｖ’に対しては、第１の電圧パルスのあいだトランジスタＴ３，Ｔ２，Ｔ６がオンとなり、第２の電圧パルスのあいだトランジスタＴ４，Ｔ１，Ｔ５がオンとなる。コイル対ｗｗ’に対しては、第１の電圧パルスのあいだトランジスタＴ５，Ｔ２，Ｔ４がオンとなり、第２の電圧パルスのあいだトランジスタＴ６，Ｔ１，Ｔ３がオンとなる。したがって、そのつどいずれかのコイル対を通って全電流が流れ、この全電流が他の２つのコイル対へ分割される。

図５のＡ，Ｂ，Ｃには、電気角α_ｅｌ＝０゜，α_ｅｌ＝１２０゜，α_ｅｌ＝２４０゜のときの直流電動機１において、通電されているコイル対ｕｕ’によって形成された磁界の磁力線特性が示されている。ロータ２６の回転位置にしたがって、永久磁石２７を貫通する磁力線が多くなったり少なくなったりする。これにより、コイル対ｕｕ’のインダクタンスが変化する。回転位置α_ｅｌ＝０゜ではコイル対ｕｕ’内の電流が電圧パルスに対して迅速に上昇し、回転位置α_ｅｌ＝１２０゜または回転位置α_ｅｌ＝２４０゜では緩慢に上昇する。この電流値に比例する電圧値が制御回路６へ供給される。制御回路６はロータ２６が回転位置α_ｅｌ＝０゜に位置しているか否かを求める。同様に、制御回路６はロータ２６が回転位置α_ｅｌ＝１２０゜またはα_ｅｌ＝２４０゜に位置しているかどうかを求める。回転位置を求めるために、制御回路６は、まず、第１の電圧パルスおよび第２の電圧パルスに対する各コイル対ｕｕ’，ｖｖ’，ｗｗ’の電流増大分の値を求める。次に、制御回路６は各コイル対に対する２つの値を加算して、電流増大分の和を形成する。ついで、制御回路６は３つの電流増大分の和のうちの最大の和の値と、残りの２つの和の平均値とを求め、当該の和の平均値を最大の和の値から減算し、その差と所定の閾値とを比較する。差が閾値よりも大きい場合には、ロータ２６は最大の和の値を有する電流が流れているステータコイルの配置された回転位置にあることになる。当該の閾値を適切に選定することにより、回転位置の角度領域を制限したり増大したりすることができる。そして、制御回路６は、検出された１つまたは複数の回転位置からロータ２６がどの時点で所定のトランジスタをオンオフする回転位置にあるかを計算し、所定のトランジスタが所望にしたがって定められた回転位置でオンオフされるように、ドライバ回路７をトリガする。

検査休止期間は、低回転数領域では、連続的に反復される。この場合、検査休止期間の時間間隔は、回転位置の算出が回転数の増大に適合するように、連続的に低減される。所定の時間の経過後、直流電動機２は５００回転／ｍｉｎより大きい高回転数に達する。迅速に回転するロータ２６の磁界により、コイル対ｕｕ’，ｖｖ’，ｗｗ’に測定可能な電圧が誘導される。制御回路６は、前述したように、誘導電圧のゼロ交差を、出力側２２，２３，２４での電圧の符号反転によって識別するので、ロータの回転位置を検出するために直流電動機の通常動作を中断する必要はない。こうしたゼロ交差は、所定の電気角α_ｅｌに相当する。

図６には、誘導電圧の振幅が電気角に関して示されている。制御回路６は、連続的に検出されるゼロ交差から回転数を計算し、この回転数および所定の電気角α_ｅｌから、ロータ２６がどの時点で所定のトランジスタのオンオフされる回転位置にあるかを推論する。ここで、制御回路６は、永久磁石２７のあいだに配置された磁極（図２のＮ極）でなく、永久磁石２７の前方にシャープに定義された磁極（図２のＳ極）のみを利用する。回転数を求めるために、制御回路６は、有利には、ロータ２６の完全な１回転（３６０゜）、すなわち、所定の磁極に対応するゼロ交差どうしを比較する。ここで、制御回路６は、シャープに定義された２つの磁極に対応するゼロ交差を分析し、できるだけ多くのデータからロータ２６の回転位置と時間との関数関係を求める。シャープに定義された２つの磁極はロータの１８０゜回転ぶんだけずれている。このように、制御回路６は、所望にしたがって定められた回転位置で所定のトランジスタがオンオフされるように、ドライバ回路をトリガする。

Claims (8)

1. 少なくとも１つの永久磁石（２７）を有するロータ（２６）と、
   少なくとも３つのステータコイル（ｕ，ｖ，ｗ，ｕ’，ｖ’，ｗ’）を有するステータ（１６）と、
   前記ロータの回転位置を求め、該回転位置に応じて前記ステータコイルへの通電を開始する制御装置（６）と
   を備え、
   前記制御装置は、高回転数領域では、前記少なくとも３つのステータコイルのうちいずれかに誘導される電圧に基づいて回転位置を求めるように構成されている、
   直流電動機（１）において、
   前記制御装置は、低回転数領域では、前記少なくとも３つのステータコイルのうちのいずれかに電圧が印加されたときの電流に基づいて回転位置を求めるように構成されている
   ことを特徴とする直流電動機。
2. 少なくとも１つの永久磁石（２７）を有するロータ（２６）と、少なくとも３つのステータコイル（ｕ，ｖ，ｗ，ｕ’，ｖ’，ｗ’）を有するステータ（１６）とを備え、低回転数領域から高回転数領域へ移行しつつ動作する直流電動機の駆動方法であって、
   前記ロータの回転位置に応じて前記ステータコイルへの通電を開始し、高回転数領域では前記少なくとも３つのステータコイルのうちいずれかに誘導される電圧に基づいてロータの回転位置を求める、
   直流電動機の駆動方法において、
   低回転数領域では、
   前記少なくとも３つのステータコイルのうちいずれかに所定の電圧を印加するステップ、
   該所定の電圧の印加されたステータコイルの電流を求めるステップと、
   該電流の特性に基づいてロータ位置を検出するステップと、
   検出されたロータ位置に基づいて前記ステータコイルへの通電を行うステップと
   を含む
   ことを特徴とする直流電動機の駆動方法。
3. 少なくとも１つの別のステータコイルに所定の電圧を印加し、該別のステータコイルの電流を求め、該求められた電流の特性に基づいて前記回転位置を求める、請求項２記載の直流電動機の駆動方法。
4. 印加される前記所定の電圧は電圧パルスである、請求項３記載の直流電動機の駆動方法。
5. 前記電圧パルスを反復して印加し、その際に、該反復の時間間隔を徐々に低下させる、請求項４記載の直流電動機の駆動方法。
6. 印加される前記所定の電圧の極性を反転させ、該極性反転された電圧に対して前記ステータコイルの電流を求め、該求められた電流の特性に基づいて前記回転位置を求める、請求項３から５までのいずれか１項記載の直流電動機の駆動方法。
7. 所定の電圧および極性反転された電圧に対するステータコイルでの電流増大分の値を加算して電流増大分の和を形成し、形成された電流増大分の和の最大値と他の２つの和の値とを比較して前記回転位置を求める、請求項３から６までのいずれか１項記載の直流電動機の駆動方法。
8. 高回転数領域では、回転数を求めるために、前記ステータコイルのうちいずれかに誘導される電圧と同じ電圧値が、電気角３６０゜の整数倍に対して求められる、請求項２から７までのいずれか１項記載の直流電動機の駆動方法。

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