JP2015133852A - センサレスモータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電圧センサを必要とせず、また、モータのインダクタンスからロータの回転位置を導き出すためのデータテーブルを設ける必要がない。【解決手段】モータの複数相各々に駆動電力を供給する駆動回路と、駆動回路からモータの複数相各々に供給される駆動電力の電流を検出する電流センサと、モータの回転時、複数相各々に順番に切り替えて駆動電力を供給するように駆動回路を制御し、その際、複数相各々に順番に現れる電流同士のピーク間の第１時間を、電流センサによる検出結果に基づいて計測すると共に、第１時間内における駆動電力の供給開始から電流がピークに達するまでの第２時間を、電流センサによる検出結果に基づいて計測し、第１時間から第２時間を引いた第３時間を算出し、算出した第３時間に基づいて駆動回路による次の駆動電力の供給停止タイミング及び次の駆動電力の供給開始タイミングを決める制御手段を具備する。【選択図】図１

Description

本発明は、センサレスモータ装置に関する。

モータ装置には、ロータの回転位置を検出するための回転位置センサを設けないセンサレスモータ装置が提案されている。例えば、下記特許文献１には、物理的な回転子位置検出器を用いることなくスイッチトリラクタンス駆動装置を制御する制御方法が開示されている。該制御方法は、位相に関連する定常磁束鎖交を計算し、この概算値を用いて次の回転子位置の計算を改善する。本方法は、電流が連続であるか不連続であるかにかかわらず、確実にうまく動作する。

特開２００４−３６４４９８号公報

ところで、上記従来技術におけるセンサレスモータ装置では、回転時、通常、励磁電流を検出するための電流センサと、印加電圧を検出するための電圧センサとが設けられ、この電流値及び電圧値に基づいてインダクタンスを求め、該インダクタンスを予め記憶するデータテーブルに照らし合わすことによって、ロータの回転位置を算出するので、電圧センサが必ず必要であった。また、上記従来技術では、予めモータの特性を解析するなどの手間によって、上記データテーブルを作成しなければならなかった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、電圧センサを必要とせず、また、モータのインダクタンスからロータの回転位置を導き出すためのデータテーブルを設ける必要がないことを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、複数相のモータを備えるセンサレスモータ装置であって、前記モータの複数相各々に駆動電力を供給する駆動回路と、前記駆動回路から前記モータの複数相各々に供給される駆動電力の電流を検出する電流センサと、前記モータの回転時、前記複数相各々に順番に切り替えて駆動電力を供給するように前記駆動回路を制御し、その際、前記複数相各々に順番に現れる電流同士のピーク間の第１時間を、前記電流センサによる検出結果に基づいて計測すると共に、前記第１時間内における駆動電力の供給開始から電流がピークに達するまでの第２時間を、前記電流センサによる検出結果に基づいて計測し、前記第１時間から前記第２時間を引いた第３時間を算出し、算出した第３時間に基づいて前記駆動回路による次の駆動電力の供給停止タイミング及び次の駆動電力の供給開始タイミングを決める制御手段を具備する、という手段を採用する。

本発明では、第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、算出した前記第３時間から、前記駆動回路による次の駆動電力の供給停止タイミング及び次の駆動電力の供給開始タイミングの少なくとも一方を変更して、次の駆動電力の供給停止タイミング及び次の駆動電力の供給開始タイミングを異ならせる、という手段を採用する。

本発明によれば、モータの回転時、複数相各々に順番に切り替えて駆動電力を供給するように駆動回路を制御し、その際、複数相各々に順番に現れる電流同士のピーク間の第１時間を、電流センサによる検出結果に基づいて計測すると共に、第１時間内における駆動電力の供給開始から電流がピークに達するまでの第２時間を、電流センサによる検出結果に基づいて計測し、第１時間から第２時間を引いた第３時間を算出し、算出した第３時間に基づいて駆動回路による次の駆動電力の供給停止タイミング及び次の駆動電力の供給開始タイミングを決めることによって、電圧センサを必要とせず、また、モータのインダクタンスからロータの回転位置を導き出すためのデータテーブルを設ける必要がない。

本発明の一実施形態に係るセンサレスモータ装置の模式図である。 本発明の一実施形態に係るセンサレスモータ装置の動作の一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係るセンサレスモータ装置の動作の問題点を示す図である。 本発明の一実施形態に係るセンサレスモータ装置の動作の一例を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係るセンサレスモータ装置は、スイッチトリラクタンスモータ１と、駆動部１０とを備え、後述するスイッチトリラクタンスモータ１のロータ１ｂの回転位置を検出するための回転位置センサが設けられていないものである。

スイッチトリラクタンスモータ１は、ステータ１ａと、ロータ１ｂとを備えている。ステータ１ａは、ロータ１ｂの回転軸方向から見て、ロータ１ｂを囲う略円筒形状の部材であり、鉄等の磁性体を基材として形成されている。例えば、このステータ１ａの内周側には、図１に示すように、４つの磁極１ａ１〜１ａ４が設けられている。これらの磁極１ａ１〜１ａ４は、周方向に等間隔で配置されている。この磁極１ａ１〜１ａ４は、ステータ１ａの基材である磁性体を各鉄心２ａ１〜２ａ４として、コイルが巻き回されて設けられている。

なお、磁極１ａ１に設けられるコイルをコイル３ａ１と称し、磁極１ａ２に設けられるコイルをコイル３ａ２と称し、磁極１ａ３に設けられるコイルをコイル３ａ３と称し、磁極１ａ４に設けられるコイルをコイル３ａ４と称する。これらのコイル３ａ１〜３ａ４は、電流が供給されることによって、ロータ１ｂを回転駆動するための磁界を形成する。

ロータ１ｂは、ステータ１ａの内部に収容され、回転軸方向から見て、２つの突極１ｂ１，１ｂ２を有する部材ならなり、ステータ１ａと同様に、鉄等の磁性体によって形成されている。上記突極１ｂ１，１ｂ２は、周方向に等間隔で配置されている。

また、４つの磁極１ａ１〜１ａ４は、ロータ１ｂの回転軸を中心とする回転角度に応じて２つの相（Ｕ相及びＶ相）に分類されている。本実施形態においては、回転するロータ１ｂの突極１ｂ１，１ｂ２と対向するタイミングごとに２つの相が存在し、磁極１ａ１，１ａ３がＵ相に属し、一方磁極１ａ２，１ａ４がＶ相に属する。

駆動部１０は、駆動回路１０ａと、駆動回路制御部１０ｂ（制御手段）と、Ｕ相電流センサ１０ｃと、Ｖ相電流センサ１０ｄとを備えている。

駆動回路１０ａは、平滑コンデンサ及び２つのブリッジ回路からなるコンバータである。駆動回路１０ａは、駆動回路制御部１０ｂから供給されるＰＷＭ信号に基づいてスイッチングすることにより、直流電源から供給される直流電力を、Ｕ相及びＶ相からなる２相の駆動電力に変換し、該駆動電力を、スイッチトリラクタンスモータ１の４つの磁極１ａ１〜１ａ４に供給する。

駆動回路制御部１０ｂは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及び電気的に駆動回路１０ａと、Ｕ相電流センサ１０ｃと、Ｖ相電流センサ１０ｄと各種信号の送受信を行うインターフェイス回路等から構成されたＩＣチップである。駆動回路制御部１０ｂは、上記ＲＯＭに記憶された各種演算制御プログラムと、Ｕ相電流センサ１０ｃ及びＶ相電流センサ１０ｄの検出結果とに基づいて各種の演算処理を行うと共に各部と通信を行うことにより駆動部１０の全体動作を制御する。

Ｕ相電流センサ１０ｃは、駆動回路１０ａとスイッチトリラクタンスモータ１とを接続するＵ相電力線に流れるＵ相励磁電流を検出して、駆動回路制御部１０ｂに出力する。

Ｖ相電流センサ１０ｄは、駆動回路１０ａとスイッチトリラクタンスモータ１とを接続するＶ相電力線に流れるＶ相励磁電流を検出して、駆動回路制御部１０ｂに出力する。

次に、このように構成された本センサレスモータ装置の動作について説明する。
本センサレスモータ装置では、電圧センサや、モータのインダクタンスからロータの回転位置を導き出すためのデータテーブルがなくても、回転時に、ロータ１ｂの位置を特定することが可能である。

具体的には、センサレスモータ装置において、駆動回路制御部１０ｂは、スイッチトリラクタンスモータ１の回転時、２相各々に順番に切り替えて駆動電力を供給するように駆動回路１０ａを制御する。

この際、駆動回路制御部１０ｂは、２相各々に順番に現れる電流同士のピーク間の第１時間Ｔppを、Ｕ相電流センサ１０ｃ及びＶ相電流センサ１０ｄによる検出結果に基づいて計測すると共に、第１時間Ｔpp内における駆動電力の供給開始から電流がピークに達するまでの第２時間Ｔriseを、Ｕ相電流センサ１０ｃあるいはＶ相電流センサ１０ｄによる検出結果に基づいて計測する。

そして、駆動回路制御部１０ｂは、第１時間Ｔppから第２時間Ｔriseを引いた第３時間Ｔoffを算出し、算出した第３時間Ｔoffに基づいて駆動回路１０ａによる次の駆動電力の供給停止タイミング及び次の駆動電力の供給開始タイミングを決める。

例えば、駆動回路制御部１０ｂが、Ｖ相（磁極１ａ２，１ａ４）とＵ相（磁極１ａ１，１ａ３）とに順番に切り替えて駆動電力を供給するように駆動回路１０ａを制御した場合、Ｖ相とＵ相には、図２に示すように、交互にピークが現れる励磁電流が流れる。

この際、駆動回路制御部１０ｂは、２相各々に順番に現れる電流同士のピーク間の第１時間Ｔpp（図２参照）を、Ｕ相電流センサ１０ｃ及びＶ相電流センサ１０ｄによる検出結果に基づいて計測する。また、駆動回路制御部１０ｂは、例えば、算出した第１時間Ｔppにおいて、Ｖ相への駆動電力の供給を開始する場合、このＶ相への駆動電力の供給開始から電流がピークに達するまでの第２時間Ｔrise（図２参照）を計測する。

そして、駆動回路制御部１０ｂは、第１時間Ｔppから第２時間Ｔriseを引いた第３時間Ｔoff（図２参照）を算出する。続いて、駆動回路制御部１０ｂは、Ｖ相の励磁電流がピークに達してから第３時間Ｔoff経過した後に、Ｖ相への駆動電力の供給を停止すると共に、Ｕ相への駆動電力の供給を開始する。

また、本センサレスモータ装置では、図２に示すように、第３時間Ｔoffに基づいて次の駆動電力の供給停止タイミング及び次の駆動電力の供給開始タイミングを同じにしてもよいし、一方、次の駆動電力の供給停止タイミング及び次の駆動電力の供給開始タイミングを異ならせるようにしてもよい。

例えば、本センサレスモータ装置では、スイッチトリラクタンスモータ１の運転状態（トルク等）を変更する場合には、上述したように、次の駆動電力の供給停止タイミング及び次の駆動電力の供給開始タイミングを異ならせるようにする。

具体的には、駆動回路制御部１０ｂは、図３に示すように、Ｖ相への駆動電力の供給を停止するタイミングと、Ｕ相への駆動電力の供給を開始するタイミングとを同じにする共に、Ｕ相への駆動電力の供給を停止するタイミングと、Ｖ相への駆動電力の供給を開始するタイミングとを同じにしていたものを、図４に示すように、Ｖ相への駆動電力の供給を停止するタイミングと、Ｕ相への駆動電力の供給を開始するタイミングとを異ならせると共に、Ｕ相への駆動電力の供給を停止するタイミングと、Ｖ相への駆動電力の供給を開始するタイミングとを異ならせるようにする。

つまり、駆動回路制御部１０ｂは、図４に示すように、Ｖ相の励磁電流がピークに達してから第３時間Ｔoff経過した後に、Ｖ相への駆動電力の供給を停止し、その後、時間を遅らせて、Ｕ相への駆動電力の供給を開始する。また、駆動回路制御部１０ｂは、図４に示すように、Ｕ相の励磁電流がピークに達してから第３時間Ｔoff経過した後に、Ｕ相への駆動電力の供給を停止し、その後、時間を遅らせて、Ｖ相への駆動電力の供給を開始する。

この結果、Ｖ相への駆動電力の供給を停止するタイミングと、Ｕ相への駆動電力の供給を開始するタイミングとが異なると共に、Ｕ相への駆動電力の供給を停止するタイミングと、Ｖ相への駆動電力の供給を開始するタイミングとが異なることによって、図４に示すように、Ｖ相への駆動電力の供給を停止するタイミングと、Ｕ相への駆動電力の供給を開始するタイミングとの間に差が生じると共に、Ｕ相への駆動電力の供給を停止するタイミングと、Ｖ相への駆動電力の供給を開始するタイミングとの間に差（図４参照）が生じる。

また、本センサレスモータ装置では、駆動回路制御部１０ｂは、上述したように、Ｕ相あるいはＶ相への駆動電力の供給開始タイミングを遅らせる以外にも、Ｕ相あるいはＶ相への駆動電力の供給停止タイミング早める、あるいは、Ｕ相あるいはＶ相への駆動電力の供給停止タイミング早めると共に、Ｕ相あるいはＶ相への駆動電力の供給を開始するタイミングを遅らせるようにしてもよい。

このような本実施形態によれば、スイッチトリラクタンスモータ１の回転時、２相各々に順番に切り替えて駆動電力を供給するように駆動回路１０ａを制御し、その際、２相各々に順番に現れる電流同士のピーク間の第１時間Ｔppを、Ｕ相電流センサ１０ｃ及びＶ相電流センサ１０ｄによる検出結果に基づいて計測すると共に、第１時間Ｔpp内における駆動電力の供給開始から電流がピークに達するまでの第２時間Ｔriseを、Ｕ相電流センサ１０ｃ及びＶ相電流センサ１０ｄによる検出結果に基づいて計測し、第１時間Ｔppから第２時間Ｔriseを引いた第３時間Ｔoffを算出し、算出した第３時間Ｔoffに基づいて駆動回路１０ａによる次の駆動電力の供給開始タイミングを決めることによって、電圧センサを必要とせず、また、モータのインダクタンスからロータの回転位置を導き出すためのデータテーブルを設ける必要がない。

また、本実施形態によれば、算出した第３時間Ｔoffから、駆動回路１０ａによる次の駆動電力の供給停止タイミング及び次の駆動電力の供給開始タイミングの少なくとも一方を変更して、次の駆動電力の供給停止タイミング及び次の駆動電力の供給開始タイミングを異ならせることによって、スイッチトリラクタンスモータ１の運転状態（トルク等）を変更する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
上記実施形態は、２相のスイッチトリラクタンスモータ１を備えるセンサレスモータ装置に、本発明を適用したものであるが、スイッチトリラクタンスモータ１以外のモータを有するセンサレスモータ装置に、本発明を適用してもよい。また、上記実施形態は、２相のスイッチトリラクタンスモータ１を備えるセンサレスモータ装置に、本発明を適用したものであるが、２相以外のモータを有するセンサレスモータ装置に、本発明を適用してもよい。つまり、３相以上のモータを有するセンサレスモータ装置に、本発明を適用してもよい。

１…スイッチトリラクタンスモータ、１０…駆動部、１ａ…ステータ、１ｂ…ロータ、１ａ１，１ａ２，１ａ３，１ａ４…磁極、２ａ１，２ａ２，２ａ３，２ａ４…鉄心、３ａ１，３ａ２，３ａ３，３ａ４…コイル、１ｂ１，１ｂ２…突極、１０ａ…駆動回路、１０ｂ…駆動回路制御部（制御手段）、１０ｃ…Ｕ相電流センサ、１０ｄ…Ｖ相電流センサ

Claims (2)

1. 複数相のモータを備えるセンサレスモータ装置であって、
   前記モータの複数相各々に駆動電力を供給する駆動回路と、
   前記駆動回路から前記モータの複数相各々に供給される駆動電力の電流を検出する電流センサと、
   前記モータの回転時、前記複数相各々に順番に切り替えて駆動電力を供給するように前記駆動回路を制御し、その際、前記複数相各々に順番に現れる電流同士のピーク間の第１時間を、前記電流センサによる検出結果に基づいて計測すると共に、前記第１時間内における駆動電力の供給開始から電流がピークに達するまでの第２時間を、前記電流センサによる検出結果に基づいて計測し、前記第１時間から前記第２時間を引いた第３時間を算出し、算出した第３時間に基づいて前記駆動回路による次の駆動電力の供給停止タイミング及び次の駆動電力の供給開始タイミングを決める制御手段を具備することを特徴とするセンサレスモータ装置。
2. 前記制御手段は、算出した前記第３時間から、前記駆動回路による次の駆動電力の供給停止タイミング及び次の駆動電力の供給開始タイミングの少なくとも一方を変更して、次の駆動電力の供給停止タイミング及び次の駆動電力の供給開始タイミングを異ならせることを特徴とする請求項１に記載のセンサレスモータ装置。

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