JP2015133853A

JP2015133853A - センサレスモータ装置

Info

Publication number: JP2015133853A
Application number: JP2014004662A
Authority: JP
Inventors: 隼一馬籠; Junichi Magome; 山口　浩二; Koji Yamaguchi; 浩二山口; 裕司佐々木; Yuji Sasaki; 真義山本; Masayoshi Yamamoto; 健志郎桂; Kenshiro Katsura; 佐々木　康雄; Yasuo Sasaki; 康雄佐々木
Original assignee: IHI Corp; Shimane University
Current assignee: IHI Corp; Shimane University
Priority date: 2014-01-14
Filing date: 2014-01-14
Publication date: 2015-07-23

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】２相のモータを備えるセンサレスモータ装置であって、モータの２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２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、モータの回転開始時、２相に同じ駆動電力を供給するように、駆動回路を制御し、続いて、電流センサによる検出結果に基づいて２相の電流値を比較し、比較によって低い方と判断した電流値（第１電流値）がピークに達すると、該第１電流値に対応する駆動電力の供給を停止するように、駆動回路を制御する制御手段とを具備する。
【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、回転開始時、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、２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２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２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、前記モータの回転開始時、前記２相に同じ駆動電力を供給するように、前記駆動回路を制御し、続いて、前記電流センサによる検出結果に基づいて２相の電流値を比較し、比較によって低い方と判断した電流値（第１電流値）がピークに達すると、該第１電流値に対応する駆動電力の供給を停止するように、前記駆動回路を制御する制御手段とを具備する、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、前記制御手段は、前記第１電流値に対応する駆動電力の供給を停止した後、高い方の電流値（第２電流値）のボトムを検出した場合、該第２電流値に対応する駆動電力の供給を停止すると共に、前記第１電流値に対応する駆動電力の供給を開始し（第１動作）、続いて、前記第１電流値のボトムを検出した場合、該第１電流値に対応する駆動電力の供給を停止すると共に、前記第２電流値に対応する駆動電力の供給を開始し（第２動作）、前記第１動作及び前記第２動作を交互に繰り返すように、前記駆動回路を制御する、という手段を採用する。

本発明によれば、モータの回転開始時、２相に同じ駆動電力を供給するように、駆動回路を制御し、続いて、電流センサによる検出結果に基づいて２相の電流値を比較し、比較によって低い方と判断した電流値（第１電流値）がピークに達すると、該第１電流値に対応する駆動電力の供給を停止することによって、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、回転開始時に、ロータ１ｂの初期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の回転開始時、２相に同じ駆動電力を供給するように、駆動回路１０ａを制御し、続いて、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２相の電流値を比較し、比較によって低い方と判断した電流値（第１電流値）がピークに達すると、該第１電流値に対応する駆動電力の供給を停止するように、駆動回路１０ａを制御する。

スイッチトリラクタンスモータ１において、磁極１ａ１〜１ａ４は、ロータ１ｂとの位置関係に応じてインダクタンスが変化する。つまり、磁極１ａ１〜１ａ４は、ロータ１ｂの突極１ｂ１，１ｂ２と近ければ、近い程、インダクタンスが大きくなり、励磁電流が流れにくくなる。一方、磁極１ａ１〜１ａ４は、ロータ１ｂの突極１ｂ１，１ｂ２と遠ければ、遠い程、インダクタンスが小さくなり、励磁電流が流れ易くなる。

例えば、スイッチトリラクタンスモータ１の回転開始時、図２（ａ）あるいは図３（ａ）に示すように、ロータ１ｂがＶ相（磁極１ａ２，１ａ４）よりもＵ相（磁極１ａ１，１ａ３）に近い場合、Ｕ相（磁極１ａ１，１ａ３）のインダクタンスが、Ｖ相（磁極１ａ２，１ａ４）のインダクタンスよりも大きいため、図２（ｂ）あるいは図３（ｂ）に示すように、Ｕ相に流れる励磁電流が、Ｖ相に流れるものよりも小さくなる。

この際、駆動回路制御部１０ｂは、Ｕ相に流れる励磁電流と、Ｖ相に流れる励磁電流とを比較し、低いと判断したＵ相に流れる励磁電流がピークに達すると、Ｕ相に流れる励磁電流に対応する駆動電力の供給を停止するように、駆動回路１０ａを制御する。この結果、ロータ１ｂは、最初、突極１ｂ１，１ｂ２がＵ相（磁極１ａ１，１ａ３）に向けて回転し、続いて、Ｖ相（磁極１ａ２，１ａ４）に向けて回転する。

一方、スイッチトリラクタンスモータ１の回転開始時、図４（ａ）あるいは図５（ａ）に示すように、ロータ１ｂがＵ相（磁極１ａ１，１ａ３）よりもＶ相（磁極１ａ２，１ａ４）に近い場合、Ｖ相（磁極１ａ２，１ａ４）のインダクタンスが、Ｕ相（磁極１ａ１，１ａ３）のインダクタンスよりも大きいため、図４（ｂ）あるいは図５（ｂ）に示すように、Ｖ相に流れる励磁電流が、Ｕ相に流れるものよりも小さくなる。

この際、駆動回路制御部１０ｂは、Ｕ相に流れる励磁電流と、Ｖ相に流れる励磁電流とを比較し、低いと判断したＶ相に流れる励磁電流がピークに達すると、Ｖ相に流れる励磁電流に対応する駆動電力の供給を停止するように、駆動回路１０ａを制御する。この結果、ロータ１ｂは、最初、突極１ｂ１，１ｂ２がＶ相（磁極１ａ２，１ａ４）に向けて回転し、続いて、Ｕ相（磁極１ａ１，１ａ３）に向けて回転する。

続いて、駆動回路制御部１０ｂは、第１電流値に対応する駆動電力の供給を停止した後、高い方の電流値（第２電流値）のボトムを検出した場合、該第２電流値に対応する駆動電力の供給を停止すると共に、第１電流値に対応する駆動電力の供給を開始し（第１動作）、続いて、第１電流値のボトムを検出した場合、該第１電流値に対応する駆動電力の供給を停止すると共に、第２電流値に対応する駆動電力の供給を開始し（第２動作）、第１動作及び第２動作を交互に繰り返すように、駆動回路１０ａを制御する。

例えば、スイッチトリラクタンスモータ１の回転開始時、ロータ１ｂがＶ相（磁極１ａ２，１ａ４）よりもＵ相（磁極１ａ１，１ａ３）に近い場合、Ｕ相（磁極１ａ１，１ａ３）のインダクタンスが、Ｖ相（磁極１ａ２，１ａ４）のインダクタンスよりも大きいため、Ｕ相に流れる励磁電流が、Ｖ相に流れるものよりも小さくなる。したがって、駆動回路制御部１０ｂは、Ｕ相に流れる励磁電流と、Ｖ相に流れる励磁電流とを比較し、低いと判断したＵ相に流れる励磁電流がピークに達すると、Ｕ相に流れる励磁電流に対応する駆動電力の供給を停止するように、駆動回路１０ａを制御する。

そして、駆動回路制御部１０ｂは、図６に示すように、Ｕ相に流れる励磁電流に対応する駆動電力の供給を停止した後、Ｖ相に流れる励磁電流のボトムを検出した場合、Ｖ相に流れる励磁電流に対応する駆動電力の供給を停止すると共に、Ｕ相に流れる励磁電流に対応する駆動電力の供給を開始し（第１動作）、続いて、Ｕ相に流れる励磁電流のボトムを検出した場合、該Ｕ相に流れる励磁電流に対応する駆動電力の供給を停止すると共に、Ｖ相に流れる励磁電流に対応する駆動電力の供給を開始し（第２動作）、第１動作及び第２動作を交互に繰り返すように、駆動回路を制御する。

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の回転開始時、２相に同じ駆動電力を供給するように、駆動回路１０ａを制御し、続いて、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２相の電流値を比較し、比較によって低い方と判断した電流値（第１電流値）がピークに達すると、該第１電流値に対応する駆動電力の供給を停止することによって、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。

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。

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２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２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、
前記モータの回転開始時、前記２相に同じ駆動電力を供給するように、前記駆動回路を制御し、続いて、前記電流センサによる検出結果に基づいて２相の電流値を比較し、比較によって低い方と判断した電流値（第１電流値）がピークに達すると、該第１電流値に対応する駆動電力の供給を停止するように、前記駆動回路を制御する制御手段とを具備することを特徴とするセンサレスモータ装置。
前記制御手段は、前記第１電流値に対応する駆動電力の供給を停止した後、高い方の電流値（第２電流値）のボトムを検出した場合、該第２電流値に対応する駆動電力の供給を停止すると共に、前記第１電流値に対応する駆動電力の供給を開始し（第１動作）、続いて、前記第１電流値のボトムを検出した場合、該第１電流値に対応する駆動電力の供給を停止すると共に、前記第２電流値に対応する駆動電力の供給を開始し（第２動作）、前記第１動作及び前記第２動作を交互に繰り返すように、前記駆動回路を制御する請求項１に記載のセンサレスモータ装置。