JP2015076971A - モータ制御装置及びロータ位置検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズの影響を受けることなく高い精度でロータの位置検出を行うことができるモータ制御装置を提供する。
【解決手段】２つのステータ突極に設けられた相互誘導用巻線１５ｘ，１５ｙに特定の電圧信号を注入する注入回路２３と、注入回路２３の接続される相とは異なる相を構成する２つの突極に設けられた相互誘導用巻線において電圧信号により誘起される誘起電圧の検出を行う検出回路２４と、検出回路２４により得られた誘起電圧をもとにロータの位置を推定するロータ位置推定部とを備え、検出回路２４及び注入回路２３に、２つの突極に巻かれた相互誘導用巻線１５ｘ、１５ｙにおいて励磁電流により誘起される電圧変化を相互に相殺する相殺部であるディファレンシャルモードチョークコイル１８を設けており、前記ロータ位置推定部により推定したロータ位置に基づいて励磁電流を与える相の切り替えを行うように構成した。
【選択図】図３

Description

本発明は、突極性のロータと巻線を伴うステータを有し、励磁電流の切り替えを行うことで回転するモータに用いるモータ制御装置及びロータ位置検出装置に関するものである。

突極性のロータと巻線を伴うステータを備えるモータの一つとしてスイッチトリラクタンスモータ（以下「ＳＲモータ」と称す。）がある。ＳＲモータは構造が簡単であり、永久磁石を必要としないため、高速運転や高温環境での運転に適している。ＳＲモータの回転原理は次のようになる。ステータの突極とロータの突極が対向しつつ整列した時（突極対称状態）磁気インピーダンスが小さくなり巻線のインダクタンスが最大になる。そのため、磁束が流れにくい突極非対称状態にある突極の巻線に励磁電流が流れると、磁束が最も流れやすい突極対称状態になるようにロータが回転する。したがって、ロータの位置情報に基づいて特定の相に励磁電流を供給することで、連続的な磁気吸引力を発生させ、ロータを回転させることができる。

ロータの位置情報を得る手段として、従来、ロータの位置検出センサが用いられてきたが、こうしたセンサは上述した高速運転や高温環境下等の過酷な使用条件での使用には適さない。

そのため、近年では、位置検出センサを用いることなくセンサレスでロータの回転位置を検出し、その検出結果に基づいて励磁電流の供給先を切り替える制御を行うモータ制御装置が提案されている。このようなモータ制御装置としては、例えば下記特許文献１に記載されているものがある。特許文献１に記載のモータ制御装置は、３組の相を有するステータを備えたＳＲモータに用いることを前提とし、励磁相の突極がロータの突極と対向するいわゆる突極対称状態において、これ以外の２組の非励磁相に表れる誘起電圧が等しくなることを利用し、この電圧差が所定値未満になったタイミングで励磁相を切り替えることでＳＲモータを駆動するものとなっている。

特開２００１−３０９６９１号公報

しかしながら、従来より見られる多くのモータ制御装置では、モータに駆動電力を供給する電圧や電流、電流リップルの大きさによって位置を推定しており、モータ供給電流のスパイクノイズ等の様々なノイズの影響を受け、正確な位置検出を行うことができないとの問題があった。すなわち、正確な位置検出を行うことができないことにより、励磁電流の切り替えタイミングを適正化することができず、これまで以上の高速化や回転効率の向上を図ることが困難であった。

なお、ＳＲモータを高速回転させる場合にはインダクタンスによる電流の遅れが問題を生じることも知られており、こうした場合には励磁相を進相、すなわち励磁電流の切り替えタイミングを早くすることが適切といえることから、これを実現するためにも位置検出の精度を高めることはより重要となる。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、モータ供給電流に含まれるノイズの影響を受けることなく高い精度でロータの位置検出を行うことができ、高速化及び回転効率の向上を図ることのできるモータ制御装置及びロータ位置検出装置を提供することにある。

本発明は、係る目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。

すなわち、本発明のモータ制御装置は、２以上の相を構成する複数の突極を備え各突極に励磁巻線を設けたステータと、複数の突極を備え前記ステータ内に配置されたロータとを備え、励磁電流を与える相を切り替えることでロータを回転させるモータに用いるモータ制御装置であって、いずれかの相を構成する２つの突極に設けられた相互誘導用巻線に特定の電圧信号を注入する注入回路と、当該注入回路の接続される相とは異なる相を構成する２つの突極に設けられた相互誘導用巻線において前記電圧信号により誘起される誘起電圧の検出を行う検出回路と、当該検出回路により得られた誘起電圧をもとにロータの位置を推定するロータ位置推定部とを備え、検出回路及び注入回路の少なくともいずれか一方に、前記２つの突極に巻かれた相互誘導用巻線において前記励磁電流により誘起される電圧変化を相互に相殺する相殺部を設けており、前記ロータ位置推定部により推定したロータ位置に基づいて励磁電流を与える相の切り替えを行うようにしていることを特徴とする。

このように構成すると、注入回路は当該注入回路が接続された相互誘導用巻線へ電圧信号を注入し、検出回路は当該検出回路が接続された相互誘導用巻線に表れた電磁誘導による誘起電圧を検出するため、検出された誘起電圧を基にしてロータの位置を推定しつつモータを制御することが可能となる。また、検出回路及び注入回路の少なくともいずれか一方に相殺部が設けられているため、ロータを回転させるために要する励磁電流に誘起される電圧変化を相殺することで、励磁電流に起因するノイズ等の影響を小さくして検出信号の波形の乱れを抑制でき、ロータ位置検出精度を向上することが可能となることから、より適切なタイミングでの励磁電流の切り替えを可能としてモータの高速化及び回転効率の向上を実現することができる。

さらに、上記の相殺部を、高い動作安定性を備えつつ、より簡単で低コストに実現するためには、前記相殺部を設けられる回路の少なくとも一部が、前記２つの突極に設けた相互誘導用巻線を直列に接続するとともに、接続後の両端部より取り出した信号線を結線することで構成される閉回路を含んでおり、前記相殺部が、前記相互誘導用巻線に直列方向に流れる電流により発生する磁束が互いに打ち消し合うよう各信号線に接続された一対のチョークコイルによって構成されていることが好ましい。

また、励磁電流を流すために必要な励磁電圧が検出信号に与える影響を低減するには、前記特定の電圧信号が前記励磁電流よりも高い周波数を有する高周波信号であり、前記２つの信号線が当該高周波信号の周波数成分と前記励磁電流の周波数成分とを分離するためのキャパシタをそれぞれ直列に備えるように構成することが効果的である。

前記相殺部を通じて、注入回路より電圧信号を損失なく相互誘導用巻線に供給するとともに、検出回路より検出する検出信号には励磁電流に起因したノイズが重畳されない構成を容易に実現するためには、前記相殺部を設けられる回路が、前記相互誘導用巻線の中性点に接続される第１チョークコイルと、この第１チョークコイルに磁気的に結合された第２チョークコイルとをそれぞれ備えており、この第２チョークコイルを介して電圧信号の注入又は誘起電圧の検出を行うように構成することが好ましい。

前記注入回路と前記検出回路を共通化して簡易的な構成とするには、前記注入回路と前記検出回路とが共通の注入検出回路として構成されており、内部に備えるスイッチを切り替えることで前記電圧信号を発生する電圧信号発生手段又は前記誘起電圧の検出を行う電圧検出手段に選択的に接続されるように構成することが有効である。

また、電源からモータに供給される基準電圧が変動してもその影響を受けないようにするには、検出した誘起電圧の絶対値を得ることなく、複数を比較するのみでロータ位置を推定することが望ましく、そのためには、前記検出回路が異なる相にそれぞれ設けられており、前記ロータ位置推定部は各検出回路より検出される誘起電圧の相違又は大小関係に基づいて、ロータの位置を推定するように構成することが好適である。

そして、巻線を容易に構成して更なるコストの低減を図るためには、前記相互誘導用巻線が、前記励磁巻線と兼用されるように構成することが好ましい。

また、本発明のロータ位置検出装置は、２以上の相を構成する複数の突極を備え励磁電流を流す励磁巻線を各突極に設けたステータと、複数の突極を備え前記ステータ内に配置されたロータとを備え、励磁電流を与える相を切り替えることでロータを回転させるモータに用いるロータ位置検出装置であって、いずれかの相を構成する２つの突極に設けられた相互誘導用巻線に特定の電圧信号を注入する注入回路と、前記注入回路の接続される相とは異なる相を構成する２つの突極に設けられた相互誘導用巻線において前記電圧信号により誘起される誘起電圧の検出を行う検出回路とを備え、検出回路及び注入回路の少なくともいずれか一方に、前記２つの突極に巻かれた相互誘導用巻線において前記励磁電流により誘起される電圧変化を相互に相殺する相殺部を設けたことを特徴とする。

このように構成することで、注入回路は当該注入回路が接続された相互誘導用巻線へ電圧信号を注入し、検出回路は当該検出回路が接続された相互誘導用巻線に表れた電磁誘導による誘起電圧を検出するため、検出された誘起電圧を基にしてロータの位置を推定することが可能となる。また、検出回路及び注入回路の少なくともいずれか一方に相殺部が設けられているため、ロータを回転させるために要する励磁電流に誘起される電圧変化を相殺することで、励磁電流に起因するノイズ等の影響を小さくして検出信号の波形の乱れを抑制でき、ロータ位置検出精度を向上することが可能となる。

以上説明した本発明によれば、簡易な構成でありながら、モータ供給電流に含まれるノイズの影響を受けることなく高い精度でロータの位置検出を行うことができ、高速化及び回転効率の向上を図ることのできるモータ制御装置及びロータ位置検出装置を提供することが可能となる。

本発明の実施形態に係るＳＲモータの断面を示す模式図。 ＳＲモータの回転原理を示す図。 本発明の実施形態に係るモータ制御装置を構成する注入検出回路の回路図。 本発明の実施形態に係るモータ制御装置のブロック図。 Ａ相の自己インダクタンスおよびＡ相とＢ，Ｃ相との相互インダクタンスを示すグラフ。 本発明の実施形態に係る励磁相の切り替え状態の一つを示す模式図。 図６とは異なる励磁相の切り替え状態の一つを示す模式図。 図６及び図７とは異なる励磁相の切り替え状態の一つを示す模式図。 本発明に係る高周波信号の経路を示す回路図。 本発明に係る励磁電流に起因するノイズの経路を示す回路図。

以下、本発明の実施形態に係るモータ制御装置を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明のモータ制御装置を備えたＳＲモータの構成を示した簡略図である。図１に示されたＳＲモータ１０は、内壁面に突出した６個の突極１１を有するステータ１２と、ステータ１２の内部で回転する４個の突極１３を有するロータ１４とからなり、ステータ１２の突極１１が６０度毎に、ロータ１４の突極１３が９０度毎にそれぞれ等間隔に設置されている。そして、ステータ１２の互いに対向する突極１１ａと１１ａ、１１ｂと１１ｂ、１１ｃと１１ｃにはそれぞれ励磁巻線である巻線１５ａと１５ａ、１５ｂと１５ｂ，１５ｃと１５ｃが巻回されており、巻線１５ａ，１５ａが巻回された突極の対１１ａ，１１ａをＡ相、巻線１５ｂ，１５ｂが巻回された突極の対１１ｂ，１１ｂをＢ相、巻線１５ｃ，１５ｃが巻回された突極の対１１ｃ，１１ｃをＣ相とする３相のステータ１２を構成している。各巻線１５ａ〜１５ｃには、後述する励磁電圧供給源２８（図３参照）が接続され、選択的にＡ〜Ｃ相のいずれかに励磁電圧を印加することができるようになっている。

ここで、図２を用いてＳＲモータ１０の回転原理を説明する。図２（ａ）はステータ１２とロータ１４の突極１１ａ〜１１ｃ，１３ａ〜１３ｂ同士が対向しておらず磁束が流れにくい突極非対称状態にあるロータ１４の位置を示していて、この時点ではステータ１２の巻線１５ａ、すなわちＡ相が励磁している。このとき、磁束が最も流れやすい突極対称状態、すなわち突極１１ａとロータ１４の突極１３ａが整列するようにロータ１４にトルクが生じ、ロータ１４が回転する。そして、ロータ１４が図２（ｂ）に示す突極対称状態になるまで回転したタイミングで励磁させる相をＢ相に切り替えると、ステータ１２の突極１１ｂとロータ１４の突極１３ｂが整列するようにトルクが生じる。その後、ステータ１２の突極１１ｂとロータ１４の突極１３ｂが整列したタイミングで励磁させる相をＣ相に切り替えると、今度はステータ１２の突極１１ｃとロータ１４の突極１３ａが整列するようにトルクが生じる。このように、ロータ１４の位置に基づいて励磁相を切り替えることで、連続的な磁気吸引力によるトルクが発生し、ＳＲモータ１０が回転する。

次に、図３は本実施形態に係るモータ制御装置を構成する注入検出回路２２の回路図である。この図に示された回路は、特定の電圧信号としての高周波信号の注入および検出の両方に用いられる注入検出回路２２であって、相互誘導用巻線である巻線１５ｘおよび１５ｙ、キャパシタ１６ｘおよび１６ｙ、コモンモードチョークコイル１７およびディファレンシャルモードチョークコイル１８、高周波発生手段１９、電圧検出手段２０、スイッチ２１を有している。

単一の注入検出回路２２を構成する相互誘導用巻線１５ｘ，１５ｙは、１つの相を構成する励磁巻線１５ａ（１５ｂ，１５ｃ），１５ａ（１５ｂ，１５ｃ）（図１参照）と兼用されており、より簡易な構成を実現している。

相互誘導用巻線１５ｘ，１５ｙは直列に接続されるとともに、その両端より引き出された信号線Ｃｘ，Ｃｙには、キャパシタ１６ｘ，１６ｙ、チョークコイル１８ａ，１８ｂが順次接続されるとともに、点Ｑにおいて結線されることで、注入検出回路２２内に１つの閉回路を構成している。チョークコイル１８ａ，１８ｂは、対をなして上述のディファレンシャルモードチョークコイル１８を構成している。

また、上記の閉回路を対称に二分するように、相互誘導用巻線１５ｘ，１５ｙ間に設けられた中性点Ｐと点Ｑとの間が第１チョークコイル１７ａを介して接続されている。さらに、第１チョークコイル１７ａと磁気的に接続された第２チョークコイル１７ｂを設け、第１チョークコイル１７ａと第２チョークコイル１７ｂとによってコモンモードチョークコイル１７を構成している。

ここで、上述したコモンモードチョークコイル１７は同一の磁性コアに２つのチョークコイル１７ａ，１７ｂを巻くことで構成されており、各チョークコイル１７ａ，１７ｂに接続される信号線に対して同相の電流が流れるとチョークコイル１７ａ，１７ｂの磁束が足し合わされてインダクタンスが大きくなり、逆相の電流が流れるとチョークコイル１７ａ，１７ｂの磁束が打ち消し合うことでインダクタンスが小さくなる性質を有している。ディファレンシャルモードチョークコイル１８も同一の磁性コアに２つのチョークコイル１８ａ，１８ｂを巻くことで構成されており、各チョークコイル１８ａ，１８ｂに接続される信号線に対して逆相の電流が流れるとチョークコイル１８ａ，１８ｂの磁束が足し合わされてインダクタンスが大きくなり、同相の電流が流れるとチョークコイル１８ａ，１８ｂの磁束が打ち消し合うことでインダクタンスが小さくなる性質を有している。

そして、３つの前記注入検出回路２２がＡ相、Ｂ相、Ｃ相のそれぞれに接続され、３相のうち励磁している相が注入回路２３、残りの励磁していない２相が検出回路２４として動作して、スイッチ２１が作動することで注入回路２３と検出回路２４の何れかが入れ替わるようになっている。

また、図４は本発明の実施形態に係るモータ制御装置のブロック図を示している。ロータ位置推定部２５は、Ａ相注入検出回路２２ａ、Ｂ相注入検出回路２２ｂ、Ｃ相注入検出回路２２ｃのいずれか２つの回路で検出された検出電圧をもとにロータ位置を推定し、ロータ１４（図２参照）が突極対称状態に到達したタイミングで、注入検出切替部２７および励磁相切替部２６に切替信号を送信する。そして注入検出切替部２７は切替信号を受けて注入検出回路２２ａ〜２２ｃのスイッチ２１（図３参照）を動作させ、注入回路２３と検出回路２４のいずれか１つの機能を選択して切り替える。励磁相切替部２６は、切替信号を受けて励磁電圧供給源２８より励磁電圧を与える相を切り替える。

そして、本実施形態では、注入回路２３と接続して高周波信号を注入される相と励磁される相を同一となるようにしている（図６参照）。

次に、上記の実施形態を採ったときの作用を説明する。

以下、前記注入検出回路２２の動作を説明する。図３において、注入検出回路２２は、スイッチ２１が高周波発生手段１９側に切り替えられることで注入回路２３として機能し、電圧検出手段２０側に切り替えられることで検出回路２４として機能する。高周波発生手段１９は、励磁電流よりも十分に高い周波数の高周波信号を生成するようになっている。

注入検出回路２２が注入回路２３として機能する場合は、高周波発生手段１９によって発生した高周波信号がコモンモードチョークコイル１７を構成する第２チョークコイル１７ｂに印加されると、絶縁された状態で他方の第１チョークコイル１７ａにほぼ損失なく現れる。その後、ディファレンシャルモードチョークコイル１８とキャパシタ１６ｘ、１６ｙを経由して巻線１５ｘ、１５ｙに供給され、巻線１５ｘ、１５ｙの中性点Ｐを通ってコモンモードチョークコイル１７の第１チョークコイル１７ａに戻るループを形成する。

このとき、ディファレンシャルモードチョークコイル１８を構成する２つのチョークコイル１８ａ，１８ｂに印加された高周波信号は、図１０の実線の矢印Ｄｃで示すように同相であって、互いのチョークコイル１８ａ，１８ｂの磁束を弱める方向に流れ、当該高周波信号に対するチョークコイル１８ａ，１８ｂのインダクタンスがほぼゼロとなるため、高周波信号は損失なく巻線１５ｘ，１５ｙに供給されることになる。一方、励磁電圧やこれに含まれるノイズは、図９の破線の矢印Ｄｄで示すように、ディファレンシャルモードチョークコイル１８に対して逆相であって、当該ディファレンシャルモードチョークコイル１８を構成する２つのチョークコイル１８ａ，１８ｂの磁束を強める方向に流れ、インダクタンスが各々２倍となり計４倍に大きくなることから、注入回路２３側にほとんど流れることはない。

以上のことから、注入回路２３は、巻線１５ｘ，１５ｙに供給されている励磁電圧やスイッチングに起因するノイズの影響を受けずに、巻線１５ｘ，１５ｙに対して高周波信号を与えることができる。すなわち、励磁電圧の切り替えに伴って発生するスパイクノイズや、励磁電圧そのものに加わる電圧変動等による高周波信号への影響を抑制することができる。

一方、注入検出回路２２が検出回路２４として機能する場合は、巻線１５ｘ，１５ｙに誘起された高周波信号は、キャパシタ１６ｘ、１６ｙを経由してディファレンシャルモードチョークコイル１８を構成する各チョークコイル１８ａ，１８ｂを通過して、コモンモードチョークコイル１７の第１チョークコイル１７ａを通って巻線１５ｘ，１５ｙの中性点Ｐに戻るループが形成される。

なお、キャパシタ１６ｘ、１６ｙは、高周波信号に含まれる直流成分や、低周波の周波数成分をカットして、高周波成分のみを残すようになっている。

さらに、ディファレンシャルモードチョークコイル１８の２つのチョークコイル１８ａ，１８ｂにそれぞれ表れる高周波信号はチョークコイル１８ａ，１８ｂの磁束を互いに弱める方向に流れ（図１０の実線矢印Ｄｃ）、当該高周波信号に対するチョークコイル１８ａ，１８ｂのインダクタンスがゼロとなるため、高周波信号は損失をほとんど生じることなくコモンモードチョークコイル１７を構成する第１チョークコイル１７ａに供給され、第２チョークコイル１７ｂを経由し電圧検出手段２０によって検出される。一方、励磁電圧やこれに含まれるノイズは、上記注入回路２３を流れる場合と同様、ディファレンシャルモードチョークコイル１８を構成する２つのチョークコイル１８ａ，１８ｂに生じる磁束を互いに強め合う方向に流れ（図９の破線矢印Ｄｄ）、インダクタンスが当該２つのチョークコイル１８ａ，１８ｂで各々２倍となり計４倍に大きくなるため、検出回路２４側にほとんど流れることはない。この場合においても、励磁電圧の切り替えに伴うスパイクノイズや、励磁電圧そのものに加わる電圧変動等による高周波信号への影響を抑制することができる。

次に、図６〜８を用いてロータ位置推定部２５の動作を説明する。

まず、図６に示すように、Ａ相が励磁している場合を状態１として考える。このとき、Ａ相の回路はスイッチ２１によって高周波発生手段１９に接続され、Ｂ相およびＣ相の回路はスイッチ２１によって電圧検出手段２０に接続されている。ずなわち、Ａ相が励磁しているとき、Ａ相に高周波信号が注入され、Ｂ相、Ｃ相に接続された注入検出回路２２は検出回路２４として動作する。このとき、検出手段２４の電圧検出手段２０によって検出されたＢ相、Ｃ相に誘起されている高周波信号は、ロータ位置推定部２５を構成する比較器２９によって、振幅の大きさが一致したかどうかを判定される。そして、ロータ１４が回転して２つの高周波信号が一致した時、Ａ相の突極１１ａとロータ１４の突極１３ａまたは１３ｂが整列した突極対称状態に達したと判断する。

このことについて、図１を参照しつつ図５のグラフを用いて詳述する。図５のグラフはある回転位置を基準としてロータ角を変化させた場合の、Ａ相巻線１５ａ，１５ａに生じる自己インダクタンスＬａ、Ａ相とＢ相との間に生じる相互インダクタンスＭａｂ、及び、Ａ相とＣ相との間に生じる相互インダクタンスＭａｃの値の実測例を示している。なお、相互インダクタンスＭａｂ，Ｍａｃは、検出した誘起電圧を基にして得られたものであり、相互インダクタンスと誘起電圧の変化はほとんど同一のものとなる。グラフ上でロータ角が８０度付近、直線ｌｓ上にある値を見ると、Ａ相巻線１５ａ，１５ａの自己インダクタンス値Ｌａは最大値をとり、Ａ相とＢ相の間の相互インダクタンス値Ｍａｂと、Ａ相とＣ相との間の相互インダクタンス値Ｍａｃは等しくなっている。これはステータ１２およびロータ１４の対称性によるものである。そして、この性質を利用することで、Ｂ相、Ｃ相に誘起されている高周波信号が一致した時が突極対称状態であると判断しているのである。

そして、Ｂ相とＣ相の電圧検出手段２０で検出された電圧の振幅の大きさ（ｘおよびｙ）が異なる間、状態１を保持していたロータ位置推定部２５は、ロータ１４の位置が突極対称状態に達したと判断される、すなわち図６においてｘ＝ｙ，ｚ＝１となった時、励磁する相をＢ相に切り替える（状態１→状態２）。Ｂ相が励磁されている時（図７の状態２）、Ｃ相が励磁されている時（図８の状態３）においても同様であり、各状態において２つの非励磁相で検出された電圧の振幅の大きさが等しくなるタイミングで次の状態に変化する構成となっている。

この後、Ｂ相が励磁している間はＡ相、Ｃ相が検出回路２４として動作し、ロータ位置推定部２５を構成する比較器２９は上記Ａ相が励磁している場合と同様にロータ位置を推定する。このようにして、励磁する相と高周波信号を注入する相を同期して順に切り替えていくことで、ロータ１４の位置を推定しつつロータ１４を回転させ、モータをセンサレスで駆動させることができる。このように比較器２９を用いてロータ位置の推定を行うように構成することで、高度な演算を伴うことのない簡易な構成としながら高速にロータ位置の検出を行うことが可能となる。

以上のように、本実施形態のモータ制御装置は、２以上の相を構成する複数の突極１１を備え各突極１１に励磁巻線としての巻線１５ａ〜１５ｃを設けたステータ１２と、複数の突極１３を備え前記ステータ１２内に配置されたロータ１４とを備え、励磁電流を与える相を切り替えることでロータ１４を回転させるモータ１０に用いるモータ制御装置であって、いずれかの相を構成する２つの突極１１ａ，１１ａに設けられた相互誘導用巻線１５ａ，１５ａに特定の電圧信号を注入する注入回路２３と、当該注入回路２３の接続される相とは異なる相を構成する２つの突極１１に設けられた相互誘導用巻線１５ｂ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｃにおいて前記電圧信号により誘起される誘起電圧の検出を行う検出回路２４と、当該検出回路２４により得られた誘起電圧をもとにロータ１４の位置を推定するロータ位置推定部２５とを備え、検出回路２４及び注入回路２３に、前記２つの突極１１ｂ，１１ｃに巻かれた相互誘導用巻線１５において前記励磁電流により誘起される電圧変化を相互に相殺する相殺部であるディファレンシャルモードチョークコイル１８を設けており、前記ロータ位置推定部２５により推定したロータ位置に基づいて励磁電流を与える相の切り替えを行うように構成したものである。

このように構成しているため、注入回路２３が相互誘導用巻線１５ａへ電圧信号を注入し、検出回路２４が相互誘導用巻線１５ｂ，１５ｃに表れた電磁誘導による誘起電圧を検出することによって、検出された誘起電圧を基にしてロータ１４の位置を推定しつつモータを制御することが可能となっている。また、検出回路２４及び注入回路２３に相殺部であるディファレンシャルモードチョークコイル１８が設けられているため、ロータ１４を回転させるために要する励磁電流により誘起される電圧変化を相殺することで、励磁電流に起因するノイズの影響を小さくして電圧波形の乱れを抑制でき、ロータ位置検出精度を向上することが可能となることから、より適切なタイミングでの励磁電流の切り替えを可能としてモータの高速化及び回転効率の向上を実現することが可能となる。

さらには、ディファレンシャルモードチョークコイル１８を設けられる検出回路２４及び注入回路２３の少なくとも一部が、前記２つの突極１１に設けた相互誘導用巻線１５ａ（１５ｂ，１５ｃ），１５ａ（１５ｂ，１５ｃ）を直列に接続するとともに、接続後の両端部より取り出した信号線Ｃｘ，Ｃｙを結線することで構成される閉回路を含んでおり、ディファレンシャルモードチョークコイル１８が、相互誘導用巻線１５ａ（１５ｂ，１５ｃ），１５ａ（１５ｂ，１５ｃ）に直列方向に流れる電流により発生する磁束が互いに打ち消し合うよう各信号線Ｃｘ，Ｃｙに接続された一対のチョークコイル１８ａ，１８ｂによって構成されているため、上記の相殺部を、高い動作安定性を備えつつ、より簡単で低コストに実現することが可能となる。

さらに、前記特定の電圧信号が前記励磁電流よりも高い周波数を有する高周波信号であり、前記２つの信号線Ｃｘ，Ｃｙが当該高周波信号の周波数成分と前記励磁電流の周波数成分とを分離するためのキャパシタ１６ｘ、１６ｙをそれぞれ直列に備えているため、励磁電圧が検出電圧に与える影響を低減することが可能となる。

また、ディファレンシャルモードチョークコイル１８を設けられる検出回路２４及び注入回路２３が、前記相互誘導用巻線１５ａ（１５ｂ，１５ｃ），１５ａ（１５ｂ，１５ｃ）の中性点Ｐに接続される第１チョークコイル１７ａと、この第１チョークコイル１７ａに磁気的に結合された第２チョークコイル１７ｂとからなるコモンモードチョークコイル１７を備えており、この第２チョークコイル１７ｂを介して電圧信号の注入又は誘起電圧の検出を行うように構成しているため、前記ディファレンシャルモードチョークコイル１８を通じて、注入回路２３より電圧信号を損失なく相互誘導用巻線１５ａ（１５ｂ，１５ｃ），１５ａ（１５ｂ，１５ｃ）に供給するとともに、検出回路２４より検出する検出信号には励磁電流に起因したノイズが重畳されない構成が容易に実現可能となる。

加えて、前記注入回路２３と前記検出回路２４とが共通の注入検出回路２２として構成されており、内部に備えるスイッチ２１を切り替えることで電圧発生手段としての高周波発生手段１９又は誘導電圧の検出を行う電圧検出手段２０に選択的に接続されるように構成していることで、前記注入回路２３と前記検出回路２４を共通化して簡易的な構成とすることが可能となる。

また、検出回路２４が異なる相にそれぞれ設けられており、ロータ位置推定部２５としての比較器２９は各検出回路２４より検出される誘起電圧の相違に基づいて、ロータ１４の位置を推定するように構成しているため、電源からモータに供給される基準電圧が変動してもその影響を受けないよう、検出した誘起電圧の絶対値を得ることなく、複数を比較するのみでロータ位置を推定することが可能となる。

そして、相互誘導用巻線１５ｘ，１５ｙが、励磁巻線１５ａ〜１５ｃと兼用して構成されているため、相互誘導用巻線１５ｘ，１５ｙを容易に構成して更なるコストの低減を図ることが可能となる。

なお、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではない。

例えば、本実施形態のモータ制御装置はロータ１４に磁石を有さないスイッチトリラクタンスモータに適用したが、突極を持つロータ１４であれば、磁石を有するロータ１４を備える他のモータに適用することも可能である。

また、上述の実施形態では励磁させる相と高周波信号を注入する相を同期させる構成を説明したが、高周波信号の注入・検出の切り替えタイミングと巻線１５ａ〜１５ｃへの励磁相の切り替えタイミングを非同期に行う構成をとることもできる。そのため、高速回転時にモータのインダクタンス等による電流変化の遅れに対して励磁相を進相する場合もその進相制御を容易に行うことができる。

さらに、注入する高周波信号の周波数をより高くすることで、超高速回転までセンサレスで駆動することも可能である。

また、本実施形態記載のモータ制御装置を、さらにＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御が可能となるように構成してもよい。具体的には、励磁電圧供給源２８によりＰＷＭ信号に応じた矩形パルス状の励磁電圧を生成させるようにするとともに、ＰＷＭ信号のデューティ比を変更させることでロータの速度を調整することも可能となる。

また、注入回路２３より注入する電圧信号を高周波信号としていたが、ロータの回転速度に対して十分な分解能が得られるのであれば、高周波信号に限らず別の形態の電圧信号を用いることも可能である。

さらに、上述の実施形態では、励磁電流を与えるためにＳＲモータが備える駆動用の励磁巻線１５ａ〜１５ｃに注入検出回路２２を直接接続するようにしていたが、注入又は検出に用いる巻線を駆動用の励磁巻線１５ａ〜１５ｃとは別に設ける構成とすることも可能である。

また、上述の実施形態では励磁電流を与える励磁相の切り替えと連動して、注入検出回路２２の切り替えも行うようにしていたが、この注入検出回路２２の切り替えはロータ位置の推定を行うために必須なものではない。例えば、検出回路２４により得られる検出値の変化パターンを見ることで、ロータの位置を把握することもできる。また、回転方向を別の手段で検出し、組み合わせることで検出回路２４が一つであってもロータ１４の位置検出を行うことが可能である。すなわち、切り替え機能を有していない注入回路２３と検出回路２４とをそれぞれ一つずつ異なる相に設けておけば、ロータ１４の位置検出を行うことも可能であり、こうした構成にすれば、より回路構成を簡単にしつつ低コストのモータ制御装置を実現することができる。

また、注入回路２３と検出回路２４とを独立して設ける場合においては、いずれか一方に相殺部を設けさえすれば、注入する高周波信号あるいは検出信号の精度を高めることが可能となり、上記に類する効果を得ることが可能となる。

また、上記の実施形態においては、位置推定部２１として比較器２９を導入して非励磁相における検出電圧の相違によって励磁相の切り替えを行っていたが、当該検出電圧同士が特定の電圧差になることを検知することで、突極対称状態の判定のみならず、ロータが特定の角度に位置することを検出することも可能である。こうすることで、磁束発生の遅れに対応する進相制御を行い、よりモータの回転効率を高めることも可能となる。

さらに、上述の実施形態で用いたディファレンシャルモードチョークコイル１８及びコモンモードチョークコイル１７は、対をなすチョークコイル１７ａと１７ｂ，１８ａと１８ｂを鉄心コアに巻く方向の違いによって互いを区別されるものであるから、各チョークコイル１７ａ〜１８ｂの端子に接続する向きを変えることで他方のものを用いても良いことは言うまでもない。

また、上述のモータ制御装置より、励磁相切換部２６及び励磁電圧供給源２８を除いた部分は、レゾルバやエンコーダ等と同様のロータ１４の位置検出装置として用いることが可能となる。この場合においても、モータ制御装置と同様、注入回路２３が相互誘導用巻線１５ａへ電圧信号を注入し、検出回路２４が相互誘導用巻線１５ｂ，１５ｃに表れた電磁誘導による誘起電圧を検出することによって、検出された誘起電圧を基にしてロータ１４の位置を推定することが可能となる。また、検出回路２４及び注入回路２３に相殺部であるディファレンシャルモードチョークコイル１８が設けられているため、ロータ１４を回転させるために要する励磁電流により誘起される電圧変化を相殺することで、励磁電流に起因するノイズの影響を小さくして電圧波形の乱れを抑制でき、ロータ位置検出精度を向上することが可能となる。

その他の構成も、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

１０…スイッチトリラクタンスモータ
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ…ステータの突極
１２…ステータ
１３…ロータの突極
１４…ロータ
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ…巻線（励磁巻線、相互誘導用巻線）
１５ｘ，１５ｙ…相互誘導用巻線
１６ｘ，１６ｙ…キャパシタ
１７…チョークコイル（コモンモードチョークコイル）
１８…相殺部（ディファレンシャルモードチョークコイル）
１９…電圧信号発生手段（高周波発生手段）
２０…電圧検出手段
２１…スイッチ
２２…注入検出回路
２３…注入回路
２４…検出回路
２５…ロータ位置推定部
Ｐ…巻線の中性点

Claims (8)

1. ２以上の相を構成する複数の突極を備え各突極に励磁巻線を設けたステータと、複数の突極を備え前記ステータ内に配置されたロータとを備え、励磁電流を与える相を切り替えることでロータを回転させるモータに用いるモータ制御装置であって、
   いずれかの相を構成する２つの突極に設けられた相互誘導用巻線に特定の電圧信号を注入する注入回路と、当該注入回路の接続される相とは異なる相を構成する２つの突極に設けられた相互誘導用巻線において前記電圧信号により誘起される誘起電圧の検出を行う検出回路と、当該検出回路により得られた誘起電圧をもとにロータの位置を推定するロータ位置推定部とを備え、
   検出回路及び注入回路の少なくともいずれか一方に、前記２つの突極に巻かれた相互誘導用巻線において前記励磁電流により誘起される電圧変化を相互に相殺する相殺部を設けており、
   前記ロータ位置推定部により推定したロータ位置に基づいて励磁電流を与える相の切り替えを行うようにしていることを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記相殺部を設けられる回路の少なくとも一部が、前記２つの突極に設けた相互誘導用巻線を直列に接続するとともに、接続後の両端部より取り出した信号線を結線することで構成される閉回路を含んでおり、
   前記相殺部が、前記相互誘導用巻線に直列方向に流れる電流により発生する磁束が互いに打ち消し合うよう各信号線に接続された一対のチョークコイルによって構成されていることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
3. 前記特定の電圧信号が前記励磁電流よりも高い周波数を有する高周波信号であり、前記２つの信号線が当該高周波信号の周波数成分と前記励磁電流の周波数成分とを分離するためのキャパシタをそれぞれ直列に備えていることを特徴とする請求項２に記載のモータ制御装置。
4. 前記相殺部を設けられる回路が、前記相互誘導用巻線の中性点に接続される第１チョークコイルと、この第１チョークコイルに磁気的に結合された第２チョークコイルとをそれぞれ備えており、この第２チョークコイルを介して電圧信号の注入又は誘起電圧の検出を行うように構成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載のモータ制御装置。
5. 前記注入回路と前記検出回路とが共通の注入検出回路として構成されており、内部に備えるスイッチを切り替えることで前記電圧信号を発生する電圧信号発生手段又は前記誘起電圧の検出を行う電圧検出手段に選択的に接続されるように構成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のモータ制御装置。
6. 前記検出回路が異なる相にそれぞれ設けられており、前記ロータ位置推定部は各検出回路より検出される誘起電圧の相違又は大小関係に基づいて、ロータの位置を推定するように構成されていることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のモータ制御装置。
7. 前記相互誘導用巻線が、前記励磁巻線と兼用して構成されていることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載のモータ制御装置。
8. ２以上の相を構成する複数の突極を備え励磁電流を流す励磁巻線を各突極に設けたステータと、複数の突極を備え前記ステータ内に配置されたロータとを備え、励磁電流を与える相を切り替えることでロータを回転させるモータに用いるロータ位置検出装置であって、
   いずれかの相を構成する２つの突極に設けられた相互誘導用巻線に特定の電圧信号を注入する注入回路と、前記注入回路の接続される相とは異なる相を構成する２つの突極に設けられた相互誘導用巻線において前記電圧信号により誘起される誘起電圧の検出を行う検出回路とを備え、
   検出回路及び注入回路の少なくともいずれか一方に、前記２つの突極に巻かれた相互誘導用巻線において前記励磁電流により誘起される電圧変化を相互に相殺する相殺部を設けたことを特徴とするロータ位置検出装置。
   

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