JP2013146136A - 電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】線間誘起電圧の位相の検出精度を向上させて、回転角度を検出するためのセンサを備えることなく、適切に制御し得る電動機を提供する。
【解決手段】多相のコイルがティースに巻装されるステータを備え、コイルへの通電によりロータを回転駆動する電動機と、コイルに通電する電流を制御するインバータと、インバータに備えられ、任意の２相のコイルを短絡したとき、各相のコイル間に流れる線間電流のゼロクロスタイミングと、該線間電流の変化量のゼロクロスタイミングとを検出してロータの回転位置を検出する制御部とを備えた電動機において、各コイルのインダクタンスを揃えた。
【選択図】図６

Description

この発明は、インバータのスイッチング素子を操作することで回転制御を行う電動機に関するものである。

従来、ブラシレスの３相モータの回転角度制御を、インバータにより回転角度センサを必要とすることなく制御可能とした制御装置が提案されている。このような制御装置では、３相モータの全相が短絡されたとき、任意の２相間に流れる線間電流がゼロとなるタイミングと、その線間電流の変化がゼロとなるタイミングとを一致させる制御を行うことが提案されている。

すなわち、全相が短絡されているとき、線間電流がゼロとなるタイミングにおいて、各相の線間誘起電圧は線間電流の変化量によって定まるため、上記のような制御により各相の線間誘起電圧のゼロクロスタイミングと線間電流のゼロクロスタイミングとを一致させることが可能となる。

従って、３相モータの回転角度を検出するためのセンサを備えることなく、３相モータを適切に制御可能となる。
上記のような３相モータでは、線間電流がゼロとなるゼロクロスタイミングで、当該線間の誘起電圧を線間電流の変化量によって表現することができる。このため、線間電流がゼロとなるゼロクロスタイミングと線間電流の変化量のゼロクロスタイミングとには、線間電流と線間の誘起電圧との関係情報が含まれる。この関係情報を用いて電圧の指令値を設定することで、多相回転機の回転を制御可能である。

特に、線間電流と各相の電流との間には位相差が生じるため、特許文献１に開示されるように、線間電流を用いて電圧の指令値を設定することで高変調率時であっても、線間電流ゼロクロス検出手段や電流変化ゼロクロス検出手段による検出可能期間を確保しやすくなる。従って、変調率に関わらずその制御性を高く維持することができる。

特許第４３９６７６２号公報

特許文献１に開示される制御装置を備えた３相モータでは、短絡された任意の２相のインダクタンスに差があると、線間電流の変化量のゼロクロスタイミングと線間誘起電圧のゼロクロスタイミングとの間にずれが生じ、誘起電圧位相の検出精度が低下する。

この発明の目的は、線間誘起電圧の位相の検出精度を向上させて、回転角度を検出するためのセンサを備えることなく、適切に制御し得る電動機を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、多相のコイルがティースに巻装されるステータを備え、前記コイルへの通電によりロータを回転駆動する電動機と、前記コイルに通電する電流を制御するインバータと、前記インバータに備えられ、各相の前記コイル間に流れる線間電流のゼロクロスタイミングと、該線間電流の変化量のゼロクロスタイミングとを検出して前記ロータの回転位置を検出する制御部とを備えた電動機において、前記各コイルのインダクタンスを揃えたことを特徴とする。

この発明では、各コイルのインダクタンスのばらつきが抑制されるので、ロータの回転位置の検出精度を向上させることができる。
請求項２に記載の発明は、前記コイルの通電に基づいて前記ステータに発生する磁束密度を、該磁束密度の変化特性線上で変曲点以下として前記各コイルのインダクタンスを揃えたことを特徴とする。

この発明では、ステータに発生する磁束密度が変曲点以下となる範囲で磁束を発生させるので、各コイルのインダクタンスのばらつきを抑制して、ロータの回転位置の検出精度を向上させることができる。

請求項３に記載の発明は、前記ステータを、電磁鋼板を積層して形成したことを特徴とする。
この発明では、電磁鋼板で形成したステータで各コイルのインダクタンスのばらつきを抑制することができる。

請求項４に記載の発明は、前記コイルの通電に基づいて前記ステータに発生する磁束密度を、１．３Ｔ以下としたことを特徴とする。
この発明では、ステータに発生する磁束密度を、１．３Ｔ以下とすることにより、ステータに発生する磁束密度を変曲点以下とすることができる。

請求項５に記載の発明は、前記コイルを前記ティースに集中巻で巻装したことを特徴とする。
この発明では、集中巻で巻装したコイルのインダクタンスを揃えることができる。

本発明によれば、線間誘起電圧の位相の検出精度を向上させて、回転角度を検出するためのセンサを備えることなく、適切に制御し得る電動機を提供することができる。

電動機とインバータを示す回路図である。 インバータの制御部を示すブロック図である。 ２相短絡時のインバータと電動機を示す等価回路図である。 ２相短絡時の電動機を示す等価回路図である。 ３相電動機の誘起電圧及び線間電流を示す波形図である。 磁界の強さと磁束密度との関係を示す説明図である。 電動機の内部構成を示す概要図である。

以下、この発明を具体化した電動機の一実施形態を図面に従って説明する。図１及び図２に示す３相電動機の制御装置は、特許文献１に開示されたものと同様であり、電動機１の３つの相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）にはインバータ２が接続されている。

前記インバータ２は３相インバータであり、３つの相のそれぞれとバッテリ３の正極側又は負極側とを導通させるべく、ＭＯＳトランジスタで構成されるスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６が接続されている。各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６にはフライホィールダイオードＤ１〜Ｄ６が並列に接続されている。

前記バッテリ３の両電極間には、バッテリ３の出力電圧を平滑する平滑コンデンサ４と、バッテリ３の出力電圧を検出する電圧計５が接続されされている。
前記各スイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ４，ＳＷ６と前記バッテリ３の負極との間には、シャント抵抗Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗがそれぞれ接続されている。そして、各スイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ４，ＳＷ６及びフライホィールダイオードＤ２，Ｄ４，Ｄ６に流れる電流を電圧信号に変換して、制御部６に出力可能となっている。

制御部６は、前記シャント抵抗Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗに流れる電流に基づいて各ゲート回路１３を介して前記各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６の動作を制御する。
前記制御部６において、前記スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６の動作を制御するための構成を図２に従って説明する。

振幅設定部７は、電動機１に対する速度の指令値ωｄに基づいて、各相の指令電圧Ｖｕｃ１，Ｖｖｃ１，Ｖｗｃ１の振幅Ｖｍを設定する。
指令電圧設定部８は、振幅設定部７によって設定された振幅Ｖｍ、速度指令値ωｄ及び位相設定部９によって設定される位相設定信号φに基づき、指令電圧Ｖｕｃ１，Ｖｖｃ１，Ｖｗｃ１を設定する。

デューティ信号設定部１０では、指令電圧Ｖｕｃ１，Ｖｖｃ１，Ｖｗｃ１をバッテリ３の電圧ＶＢの「１／２」で除算することで、バッテリ３の電圧ＶＢの「１／２」で規格化されたデューティ信号Ｄｕ１，Ｄｖ１，Ｄｗ１を生成する。

２相変調部１１では、デューティ信号Ｄｕ１，Ｄｖ１，Ｄｗ１の各相間の差を保ちつつ、これらのうちの最小となるものをバッテリ３の負極電位と一致させる２相変調を行う。すなわち、デューティ信号Ｄｕ１，Ｄｖ１，Ｄｗ１のオフセット補正量を算出する。オフセット補正量は、デューティ信号Ｄｕ１，Ｄｖ１，Ｄｗ１の最小値とバッテリ３の負極側端子電圧との差である。そして、デューティ信号Ｄｕ１，Ｄｖ１，Ｄｗ１にオフセット量を加算することで、デューティ信号Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗを算出する。

次いで、デューティ信号Ｄｕ１，Ｄｖ１，Ｄｗ１のうち、その絶対値が１よりも大きいものがあるか否かを判断する。この処理は、デューティ信号Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗにガード処理が必要か否かを判断するものである。そして、絶対値が「１」を超えたものについて、その絶対値を「１」に制限するガード処理を行う。

こうして算出されるデューティ信号Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗが、最終的な指令電圧Ｖｕｃ１，Ｖｖｃ１，Ｖｗｃ１を、バッテリ電圧ＶＢの「１／２」で規格化した信号である。
ＰＷＭ信号生成部１２では、デューティ信号Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗとキャリア信号との大小関係に基づき、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６の操作信号ｇｕｐ，ｇｕｎ，ｇｖｐ，ｇｖｎ，ｇｗｐ，ｇｗｎを生成する。

この実施形態では、前記指令電圧Ｖｕｃ１，Ｖｖｃ１，Ｖｗｃ１及びデューティ信号Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗの算出がキャリア信号の周期に同期して行われる。キャリア信号は電圧の上昇速度及び下降速度が等しい三角波信号であり、その三角波信号の電圧値が下限値となる度に前記デューティ信号Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗが算出される。

従って、デューティ信号Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗはキャリア信号が下限値から次の下限値となるまでの１周期に亘って変化しない。このため、デューティ信号Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗとキャリア信号の大小関係は、キャリアが上限値となるタイミングに対して線対称となる。従って、操作信号ｇｕｐ，ｇｕｎ，ｇｖｐ，ｇｖｎ，ｇｗｐ，ｇｗｎは、キャリア信号が上限値となるタイミングに対して線対称となる。

前記スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６の操作態様は、８個の電圧ベクトルＶ０〜Ｖ７によって表される。電圧ベクトルＶ０は、下側アームのスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ４，ＳＷ６の全てがオン状態となる。

また、奇数の電圧ベクトルＶ１，Ｖ３，Ｖ５は、上段のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ３，ＳＷ５のうち１相のみがオン状態となり、他の２相は下段のスイッチング素子がオン状態となる。

また、偶数の電圧ベクトルＶ２，Ｖ４，Ｖ６は、下段のスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ４，ＳＷ６のうち１相のみがオン状態となり、他の２相は上段のスイッチング素子がオン状態となる。

そして、電圧ベクトルＶ７は上側アームのスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ３，ＳＷ５の全てがオン状態となる。
位相設定部９は、電動機１に供給する電流を最小としながら、出力トルクを最大とする最大トルク制御を行うように前記指令電圧設定部８に出力する位相設定信号φを制御する。この制御は、電動機１の磁石に対して９０度進んだ位相で電流を供給することで実現される。

このとき、各相の誘起電圧の位相と相電流の位相とが一致する。また、ＵＶ相間、ＶＷ相間及びＷＵ相間の各線間の誘起電圧の位相と線間電流の位相も一致する。
従って、最大トルク制御を行うためには、線間誘起電圧の位相に対して線間電流の位相が遅れた場合には線間電流の位相を進め、線間誘起電圧の位相に対して線間電流の位相が進んだ場合には線間電流の位相を遅らせればよいこととなる。

このような制御を行うために、本実施形態では電圧ベクトルＶ０において線間電流がゼロとなるゼロクロスタイミングと、線間電流の変化量がゼロとなるゼロクロスタイミングとを一致させるようにしている。

具体的には、図２に示すように、本実施形態の制御部６では前記シャント抵抗Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗによる電圧降下量ｒｕ，ｒｖ，ｒｗに基づき、線間電流の極性を検出する極性検出部１４と、線間電流の変化量の極性を検出する変化極性検出部１５とを備えている。

そして、極性検出部１４によって検出される極性のタイミングとしての線間電流のゼロクロスタイミングと、変化極性検出部１５によって検出される極性の反転タイミングとしての線間電流の変化量のゼロクロスタイミングとに基づき、位相設定部９により指令電圧Ｖｕｃ１，Ｖｖｃ１，Ｖｗｃ１の位相が設定される。このような動作は例えば所定周期で繰り返される。

このような動作により最大トルク制御が行われる。特に、本実施形態では、２相変調処理を施すとともに、線間電流のゼロクロスタイミングを用いることで、ゼロクロスタイミング近傍における電圧ベクトルＶ０の期間を伸張させることができる。

図７は、前記電動機１の一例を示すものであり、３相１２極のブラシレスモータであり、ほぼ円環状のステータ１６の内側にロータ１７が配置されて構成されている。前記ステータ１６は透磁率に優れた電磁鋼板を積層して形成され、径方向内側に延びる１２個のティース１８が形成されている。

前記各ティース１８には前記ロータ１７を回転させる磁界を発生させるためのコイル１９がそれぞれインシュレータ（図示しない）を介して巻装され、そのコイル１９はＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相が所定のティース１８に巻装されている。また、各コイル１９は各ティース１８に対し集中巻にて巻装されている。

前記ステータ１６は、図６に示すように、磁界の強さ（Ｈｍ）の変化に対し磁束密度（Ｂｍ）の変化特性線Ｘの傾きが変曲点Ｐを境目として大きく変化する。一般に、ステータ１６に発生する磁束は、コイル１９に通電される電流により磁気飽和が発生すると、コイル１９のインダクタンスとコイル１９に通電される電流の積にほぼ比例する値となる。

電磁鋼板で形成されるステータ１６では磁束密度が１．３（Ｔ）となる変曲点Ｐに達するまでコイル１９への通電にともなって磁束密度が増大して変化特性線Ｘが急激に上昇する。そして、変曲点Ｐに達した後は、電流の増大にともなって磁束密度が緩やかに増大する。

このため、この電動機１ではコイル１９の巻数を少なくし、あるいはティース１８を太くする等の調整により、ステータ１６の磁束密度が変化特性線Ｘ上のゼロから変曲点Ｐに達するまでの範囲Ａで動作するように設定されている。

次に、上記のように構成された電動機１とその制御部６の作用を説明する。
バッテリ３からインバータ２にバッテリ電圧ＶＢが供給されると、制御部６はスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６に操作信号ｇｕｐ，ｇｕｎ，ｇｖｐ，ｇｖｎ，ｇｗｐ，ｇｗｎを供給する。すると、図５に示すように、電動機１ではＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイル１９に順次電流が供給され、それぞれ位相の異なる誘起電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗが生成される。

また、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相間には線間誘起電圧がそれぞれ生成され、例えばＵ相とＶ相間には線間誘起電圧ＵＶが生成されて、電動機１が回転される。
このとき、インバータ２の極性検出部１４、変化極性検出部１５により各相間の線間電流と線間電流の変化量が検出され、これらの検出信号に基づいて位相設定部９から位相設定信号φが出力される。

この位相設定信号φにより、デューティ信号Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗが調整され、電動機１に流れる電流を最小としながら、出力トルクを最大とする最大トルク制御が行われる。
また、電圧ベクトルＶ０において、線間電流がゼロなるゼロクロスタイミングと、線間電流の変化量がゼロとなるゼロクロスタイミングとを一致させるように動作し、線間電流の変化量がゼロとなるゼロクロスタイミングに基づいて線間誘起電圧のゼロクロスタイミングが検出される。

例えば図５に示すように、Ｕ相とＶ相間の線間電流Ｉｖｕにおいて、ゼロクロスタイミングｔ１において、スイッチング素子のＰＷＭ制御にともなって発生する線間電流ＩｖｕのリップルＬに起因する電流変化量の傾きがゼロとなるように調整される。

この結果、各相の誘起電圧の位相を検出可能となり、ロータ１７の回転位置を検出するセンサを設けることなく、ロータ１７の回転位置を検出可能となる。
また、２相変調処理を施すとともに、線間電流のゼロクロスタイミングを用いることで、ゼロクロスタイミング近傍における電圧ベクトルＶ０の期間を伸張させることができる。このため、線間電流の変化を高精度に算出することが可能となっている。

また、この実施形態では、電圧ベクトルＶ０の長さを確保しつつ電気角の１回転周期内でゼロクロスタイミングを６回検出可能となっている。
上記のような電圧ベクトルＶ０において、インバータ２の動作により３相のコイル１９のうち、任意の２相例えばＵ相とＶ相が図３に示すように短絡されると、その等価回路は図４に示す状態となる。

このとき、Ｕ相とＶ相の誘起電圧をそれぞれｅｕ，ｅｖとし、各コイル１９のインダクタンスをＬとすると、次式が成り立つ。

誘起電圧ｅｕ，ｅｖとインダクタンスＬが等しければ、

となり、線間電流の傾きはゼロとなる。

一方、インダクタンスＬに差異がある場合には、線間電流の変化量がゼロとなるロータ１７の角度位置と、誘起電圧が等しくなるロータ１７の角度位置との間に角度差が生じるため、ロータ１７の位置検出精度が低下する。

しかし、この実施形態では各コイル１９で生成される磁束密度が変化特性線Ｘ上で変曲点Ｐ以下となるように設定されているので、インダクタンスＬに差異はほとんど生じない。従って、ロータ１７の位置検出精度を向上させることが可能である。

上記のように構成された電動機１及びインバータ２では、次に示す効果を得ることができる。
（１）電動機１のロータ１７の回転位置を、専用のセンサを設けることなく精度よく検出することができる。
（２）電動機１のステータ１６の各ティース１８において、コイルへ１９への通電に基づいて生成される磁束密度を、変化特性線Ｘ上で変曲点Ｐ以下に揃えることにより、各コイル１９のインダクタンスを揃えることができる。
（３）各コイル１９のインダクタンスを揃えることにより、線間電流の変化量がゼロとなるロータ１７の角度位置と、誘起電圧が等しくなるロータ１７の角度位置とを一致させて、ロータ１７の回転位置を精度よく検出することができる。
（４）各コイル１９のインダクタンスを揃えることにより、電動機１の出力特性を安定化させることができる。
（５）電磁鋼板で形成したステータ１６の各ティース１８で、磁束密度が１．３Ｔ以下となるように、コイル１９の巻数若しくはティース１８の太さを調整することにより、各ティース１８に巻装されるコイル１９のインダクタンスを揃えることができる。
（６）ステータ１６にコイル１９を集中巻きで巻装した電動機１で、コイル１９のインダクタンスを揃えてロータ１７の回転位置を精度よく検出し、かつ電動機１の出力特性を安定化させることができる。

上記実施形態は、以下の態様で実施してもよい。
・電動機１は、３相以上の多相電動機としてもよい。

１…電動機、２…インバータ、６…制御部、１６…ステータ、１７…ロータ、１８…ティース、１９…コイル、Ｐ…変曲点。

Claims (5)

1. 多相のコイルがティースに巻装されるステータを備え、前記コイルへの通電によりロータを回転駆動する電動機と、
   前記コイルに通電する電流を制御するインバータと、
   前記インバータに備えられ、各相の前記コイル間に流れる線間電流のゼロクロスタイミングと、該線間電流の変化量のゼロクロスタイミングとを検出して前記ロータの回転位置を検出する制御部と
   を備えた電動機において、
   前記各コイルのインダクタンスを揃えたことを特徴とする電動機。
2. 前記コイルの通電に基づいて前記ステータに発生する磁束密度を、該磁束密度の変化特性線上で変曲点以下として、前記各コイルのインダクタンスを揃えたことを特徴とする請求項１記載の電動機。
3. 前記ステータを、電磁鋼板を積層して形成したことを特徴とする請求項２記載の電動機。
4. 前記コイルの通電に基づいて前記ステータに発生する磁束密度を、１．３Ｔ以下としたことを特徴とする請求項２又は３記載の電動機。
5. 前記コイルを前記ティースに集中巻で巻装したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電動機。