JP2017028940A - スイッチドリラクタンスモータのセンサレス駆動装置、および該センサレス駆動装置を備えたモータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】確実かつ速やかにスイッチドリラクタンスモータを始動させることができるセンサレス駆動装置を提供する。【解決手段】センサレス駆動装置は、電磁石に電流を間欠的に流して電磁石を励磁させ、ロータ１０の突極と電磁石との間に磁気力を発生させることでロータ１０を回転させるモータドライバ５５と、複数の電磁石の内、非励磁相の電磁石に流れるリップル電流の大きさに基づいてロータ１０の角度を検出するロータ角検出器６０とを備える。モータドライバ５５は、ロータ１０の角度に従って、複数の電磁石を順番に励磁させるように構成されており、予め設定された時間の間にロータ１０の角度が変化しなかった場合は、次の電磁石を励磁させる。【選択図】図１０

Description

本発明は、スイッチドリラクタンスモータのセンサレス駆動装置に関し、特にセンサを用いずにロータの位置を検出する機能を備えたセンサレス駆動装置に関する。また、本発明は、スイッチドリラクタンスモータと、そのセンサレス駆動装置を備えたモータ装置に関する。

スイッチドリラクタンスモータは、永久磁石を持たない磁性材からなるロータを有し、安価に製作できるモータとして期待されている。このスイッチドリラクタンスモータは、ロータの位置に基づいてステータのコイルに電流を間欠的に流し、ロータの突極とステータの突極との間に作用する引力によってロータを回転させる。図１２にスイッチドリラクタンスモータの概略図を示す。この図は、４極のロータ１０１と６極のステータ１０２を組み合わせたスイッチドリラクタンスモータを示している。対向する一対の突極１０５に取り付けられたコイル１１０に電流を流して突極１０５を励磁し、ロータ１０１を引き付けるためのトルクを発生させる。

ロータ１０１が回転するに従い、ステータ１０２の突極１０５とロータ１０１の突極の距離が変化するので、磁気抵抗、すなわちリラクタンスが変化する。このリラクタンスの変化によりトルクが発生し、このトルクを利用してロータ１０１を回転させる。磁気抵抗が変化すると、コイル１１０のインダクタンスも変化する。そのため、このインダクタンス変化を検出すればロータ１０１の位置（角度）を検出することができる。

特開２００１−３０９６９１号公報 特開２００２−１８６２８３号公報

しかしながら、スイッチドリラクタンスモータの始動時には、次のような問題点が生じることがある。あるコイル１１０への電流を流し始める点、いわゆる電流の転流点にロータ１０１がある場合、ロータ１０１からそのコイル１１０が巻かれた突極１０５までの距離が大きいため力が足りず、ロータ１０１を回転させることができないことがある。また、ロータ１０１が隣接する２つのコイル１１０の中間点にあるとき、一時的にこれら２つのコイル１１０は非通電となるため、ロータ１０１を始動させることができない。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、確実かつ速やかにスイッチドリラクタンスモータを始動させることができるセンサレス駆動装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、磁性材からなる複数の突極を有するロータと、前記ロータを囲うように配置された複数の電磁石を有するステータとを備えたスイッチドリラクタンスモータを駆動するためのセンサレス駆動装置であって、前記電磁石に電流を間欠的に流して前記電磁石を励磁させ、前記ロータの突極と前記電磁石との間に磁気力を発生させることで前記ロータを回転させるモータドライバと、前記複数の電磁石の内、非励磁相の電磁石に流れるリップル電流の大きさに基づいてロータの角度を検出するロータ角検出器とを備え、前記モータドライバは、前記ロータの角度に従って、前記複数の電磁石を順番に励磁させるように構成されており、予め設定された時間の間に前記ロータの角度が変化しなかった場合は、次の電磁石を励磁させることを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記電磁石に流す電流の大きさを制限する電流リミッタをさらに備えたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ロータ角検出器は、前記リップル電流の大きさが所定の値に達したか否かを決定することにより、前記ロータが所定の角度に達したか否かを決定することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記モータドライバは、前記リップル電流の大きさが前記所定の値に達したときに、前記複数の電磁石の内、少なくとも１つの電磁石に電流を流すことを特徴とする。

本発明の他の態様は、磁性材からなる複数の突極を有するロータと、前記ロータを囲うように配置された複数の電磁石を有するステータとを備えたスイッチドリラクタンスモータと、前記スイッチドリラクタンスモータを駆動するための上記センサレス駆動装置とを備えたことを特徴とするモータ装置である。

本発明によれば、予め設定された時間の間にロータの角度が変化しない場合、すなわちロータの回転が開始されなかった場合は、強制的に次の電磁石が励磁される。例えば、Ｕ相の電磁石を励磁した状態で、予め設定された時間の間にロータの角度が変化しない場合は、次のＶ相の電磁石が励磁される。別の例では、ロータの初期の角度が非励磁区間にある場合、電磁石は励磁されないため、予め設定された時間の間にロータの角度は変化しない。したがって、この場合も、次の電磁石が強制的に励磁される。このような制御によれば、やがてはロータに電磁石からの引力が作用し、ロータは回転し始めることができる。ロータの回転が一旦始まれば、ロータの角度に従って電磁石は順次励磁され、ロータは正常に回転する。このため、モータ始動用の複雑な制御シーケンスを実装することなく、シンプルな定常運転用の制御アルゴリズムのみを用いてスイッチドリラクタンスモータの運転が可能となる。

スイッチドリラクタンスモータを示す断面図である。 磁極Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２の接続例を説明する図である。 各相の磁極の励磁タイミングの一例を示す図である。 図１に示すスイッチドリラクタンスモータを駆動するためのセンサレス駆動装置の構成の一例を示す模式図である。 図４に記載のロータ角検出器の一例の詳細を示す図である。 Ｕ相電流と、ＡＭ変調波と、ＡＭ変調波の復調信号の一例を示す図である。 転流タイミングを説明する図である。 ２つの非励磁相の復調信号を用いてロジック信号を生成するロジック信号生成部の一例を示す図である。 スイッチドリラクタンスモータの始動時の各相の電磁石の励磁タイミングの一例を示す図である。 本実施形態によるスイッチドリラクタンスモータの始動時の各相の電磁石の励磁タイミングの一例を示す図である。 本実施形態によるスイッチドリラクタンスモータの始動時の各相の電磁石の励磁タイミングの他の例を示す図である。 一般的なスイッチドリラクタンスモータの概略図である。

以下、スイッチドリラクタンスモータおよびそのセンサレス駆動装置の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、スイッチドリラクタンスモータを示す断面図である。図１に示すスイッチドリラクタンスモータ１は、６極ステータ２と４極ロータ１０を備えた３相スイッチドリラクタンスモータである。ステータ２およびロータ１０は、ケイ素鋼板などの磁性材で構成される。ロータ１０には４つの突極１１があり、ステータ２には６つの突極３がある。ステータ２はロータ１０を囲うように配置されている。ステータ２のそれぞれの突極３にコイル（巻線）６が取り付けられ、それぞれ磁極Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２を形成している。コイル６に電流を流すことで磁極Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２は電磁石となり、これら電磁石がロータ１０の突極１１を引き寄せる磁力を発生させる。

図２は、磁極Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２の接続例を説明する図である。磁極Ｕ１のコイル６と磁極Ｕ２のコイル６は直列に接続されており、Ｕ相の電磁石を形成する。Ｕ相に電流iＵを流すことで、磁極Ｕ１がＮ極に、磁極Ｕ２がＳ極となるようコイル６の巻き方向を決定している。同様に、磁極Ｖ１と磁極Ｖ２、磁極Ｗ１と磁極Ｗ２もそれぞれＶ相の電磁石およびＷ相の電磁石を形成する。

ロータ１０が１回転するとき、ロータ１０の４つの突極１１は各磁極（例えば、磁極Ｕ１）を４回通過することになる。すなわち、各相のコイル６に４回電流を流し、ロータ１０の突極１１を磁力で引き寄せることでロータ１０は３６０度回転する。図３に各相の磁極の励磁タイミングの一例を示す。この例では、磁極Ｕ１とロータ１０の突極１１の１つが、直線的に最も近づく時のロータ１０の角度（機械角）を０度としている。Ｕ相の電磁石（磁極Ｕ１，Ｕ２）を励磁している時は、Ｖ相の電磁石（磁極Ｖ１，Ｖ２）およびＷ相の電磁石（磁極Ｗ１，Ｗ２）は非励磁としている。同様に、Ｖ相の電磁石を励磁している時は、Ｗ相の電磁石およびＵ相の電磁石は非励磁であり、Ｗ相の電磁石を励磁している時は、Ｕ相の電磁石およびＶ相の電磁石は非励磁としている。

図１では、６極ステータ２および４極ロータ１０を有する３相モータの構成を示しているが、例えば、１２極ステータ、８極ロータで、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相それぞれの磁極を４つとしてもよい。また、４相など相の数を変えることもできることは言うまでもない。

図４は、図１に示すスイッチドリラクタンスモータ１を駆動するためのセンサレス駆動装置２０の構成の一例を示す模式図である。モータ装置は、図１に示すスイッチドリラクタンスモータ１と、図４に示すセンサレス駆動装置２０とから構成される。このセンサレス駆動装置２０は、目標電流生成器２１、ＰＷＭコントローラ３０、ドライブ回路４０、電流センサ５０、ロータ角検出器（転流タイミング生成器）６０、およびロータ角速度決定部９０を備えている。

電流センサ５０は、ドライブ回路４０からスイッチドリラクタンスモータ１に流れる三相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の電流を測定する電流計測装置である。ＰＷＭコントローラ３０は、目標電流ｉ_Ｕ ^＊，ｉ_Ｖ ^＊，ｉ_Ｗ ^＊がスイッチドリラクタンスモータ１に流れるように、ドライブ回路４０のＵ相，Ｖ相，Ｗ相のＰＷＭゲート信号Ｇ_Ｕ，Ｇ_Ｖ，Ｇ_Ｗを生成する。より具体的には、減算器３１は、電流センサ５０からフィードバックされた電流の測定値を目標電流値ｉ_Ｕ ^＊，ｉ_Ｖ ^＊，ｉ_Ｗ ^＊から減算し、減算して得られた信号をＰＩＤ補償器３２に入力する。比較器３３は、ＰＩＤ補償器３２で適度に調整された信号を三角波のＰＷＭキャリアと比較することで、ドライブ回路４０のＵ相，Ｖ相，Ｗ相のＰＷＭゲート信号Ｇ_Ｕ，Ｇ_Ｖ，Ｇ_Ｗを生成する。ＰＷＭキャリアは三角波に限らず、例えばノコギリ波であってもよい。

ドライブ回路４０は、駆動電圧Ｖ_ＤＣを生成する直流電圧生成器４２と、この直流電圧生成器４２に接続された複数のスイッチング素子４４を有している。これらのスイッチング素子４４は、ＰＷＭゲート信号Ｇ_Ｕ，Ｇ_Ｖ，Ｇ_Ｗに従って開閉（ＯＮ／ＯＦＦ）する。ドライブ回路４０はスイッチドリラクタンスモータ１に接続されている。Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相それぞれのコイル６には、ＰＷＭゲート信号がＯＮの時は駆動電圧Ｖ_ＤＣ、ＯＦＦの時は−Ｖ_ＤＣが印加される。このようにして各相のコイル６に目標の電流が流れ、電磁石が励磁される。ＰＷＭコントローラ３０およびドライブ回路４０は、ステータ２の電磁石に電流を間欠的に流して電磁石を励磁させ、ロータ１０の突極１１と電磁石との間に磁気力を発生させることでロータ１０を回転させるモータドライバ５５を構成する。このタイプのモータドライバ５５は、ＰＷＭドライバである。

ロータ角検出器６０は、電流センサ５０で測定した電流値に基づいてロジック信号Ｐ_Ｕ，Ｐ_Ｖ，Ｐ_Ｗを生成する。ロジック信号Ｐ_Ｕ，Ｐ_Ｖ，Ｐ_Ｗは、各相の電磁石に電流を流すタイミングを決定する信号であり、ＯＮ信号とＯＦＦ信号とから構成される。ＯＮ信号は、各相の電磁石への電流供給を開始させるための指令信号であり、ＯＦＦ信号は、各相の電磁石への電流供給を停止させるための指令信号である。ロータ１回転当たり、各相の電磁石への電流供給と電流供給の停止は、それぞれ４回繰り返される。より具体的には、ロジック信号Ｐ_Ｕ，Ｐ_Ｖ，Ｐ_Ｗは、それぞれ「１」と「０」から構成され、「１」はＯＮ信号、すなわち電流供給の開始を表し、「０」はＯＦＦ信号、すなわち電流供給の停止を表す。ロジック信号が１の時は電磁石を励磁し、０の時は電磁石は非励磁となる。

ロータ角検出器６０は、さらに、ロジック信号のＯＮ／ＯＦＦ周期あるいは復調信号（後述する）からロータ１０の位置、すなわち角度θを推定する。例えば、ロータ角検出器６０は、ＯＮ信号からＯＦＦ信号へ（またはＯＦＦ信号からＯＮ信号へ）のロジック信号の切り換えタイミングの間隔から角度θを推定する。推定されたロータ１０の角度θは、およびロータ角速度決定部９０に送られる。このロータ角速度決定部９０は、ロータ１０の角度θの時間的変化を計算することで、ロータ１０の角速度ωを決定する。

ロータ１０の角速度ωは、目標電流生成器２１にフィードバックされる。目標電流生成器２１は、減算器２２、ＰＩＤ補償器２３、電流リミッタ２６、および乗算器２５を備えている。減算器２２は、角速度ωを目標角速度ω^＊から減算して目標角速度ω^＊と角速度ωとの差を求め、ＰＩＤ補償器２３は上記差に基づいて目標電流信号ｉ^＊を生成する。さらに、乗算器２５は、目標電流信号ｉ^＊をロジック信号Ｐ_Ｕ，Ｐ_Ｖ，Ｐ_Ｗに乗算することで、目標電流値ｉ_Ｕ ^＊，ｉ_Ｖ ^＊，ｉ_Ｗ ^＊を生成する。電流リミッタ２６は、後述するように、目標電流信号ｉ^＊を制限するためのものである。

このようなセンサレス駆動装置２０によれば、ロータ１０に負荷が加わった時は角速度ωが目標角速度ω^＊よりも遅くなるため、目標電流信号ｉ^＊が大きくなる。つまり、ロータ１０の負荷に応じてステータ２の電磁石が励磁される。このように、ステータ２の電磁石は、角速度ωが目標角速度ω^＊に追従するように磁気力、すなわちトルクを発生する。

各相のコイル６に流れる電流には、ＰＷＭキャリアの周波数（キャリア周波数という）に同期したリップル電流が重畳する。このリップル電流は、ＰＷＭコントローラ３０およびドライブ回路４０によって生成される。リップル電流の大きさは、コイル６のインダクタンスに反比例する。つまり、ロータ１０の突極１１がステータ２の突極３に接近するとリップル電流が小さくなり、離れると大きくなる。したがって、このリップル電流の脈動を検出することでロータ１０の角度θを推定することができる。ロータ角検出器６０は、リップル電流の大きさ（振幅）に基づいてロータ１０の位置、すなわち角度θを検出する。

図５は図４に記載のロータ角検出器６０の一例の詳細を示す。ロータ角検出器６０は、復調部７０と、ロジック信号生成部８０とから構成される。まず復調部７０について説明する。復調部７０は、バンドパスフィルタ（ＡＭ変調波抽出器）７１、絶対値回路７３、ノッチフィルタ７５、およびローパスフィルタ７７を備えている。バンドパスフィルタ７１、絶対値回路７３、ノッチフィルタ７５、およびローパスフィルタ７７は、この順に直列に接続されている。

上述したように、各相のコイル６に流れる電流には、キャリア周波数に同期したリップル電流が重畳する。電流センサ５０で検出した電流値ｉ_Ｕ，ｉ_Ｖ，ｉ_Ｗは、ＰＷＭキャリアの周波数を通過帯域の中心周波数とするバンドパスフィルタ７１に通される。これによりロータ１０の角度に応じて振幅が変動する正弦波信号、すなわちＡＭ変調波を抽出できる。すなわち、ロータ１０の突極１１がステータ２の突極３に接近すると波高値が小さくなり、ロータ１０の突極１１がステータ２の突極３から離れると波高値が大きくなるようなＡＭ変調波を抽出できる。

ＡＭ変調波は次に絶対値回路７３に送られる。絶対値回路７３は、ＡＭ変調波のマイナス側成分をプラス側に折り返す。すなわち、絶対値回路７３は、ＡＭ変調波のマイナス側成分をプラス側成分に変換する。そうすることでＡＭ変調波はプラス側成分のみから構成され、ＡＭ変調波の周波数はＰＷＭキャリアの周波数の２倍となる。このプラス側成分のみを持つＡＭ変調波は、キャリア周波数の２倍の周波数を阻止帯域の中心周波数に持つノッチフィルタ７５に通され、ノッチフィルタ７５によってＡＭ変調波の波高値のみが抽出される。そしてわずかに残るキャリア周波数ノイズを除去するため、ＡＭ変調波を、キャリア周波数の１／１０程度にカットオフ周波数を設定したローパスフィルタ７７に通過させる。このようにしてリップル電流から抽出したＡＭ変調波の復調信号Ｓ_Ｕ，Ｓ_Ｖ，Ｓ_Ｗを得る。ノイズが小さければローパスフィルタ７７は不要である。

図６は、Ｕ相電流と、ＡＭ変調波と、ＡＭ変調波の復調信号の一例を示す図である。ステータ２のコイル６の直流抵抗やスイッチング損失が存在しない理想的な状態では、ＰＷＭのデューティ比が５０％のときにドライブ回路４０から出力される平均電流は一定となる。ドライブ回路４０は、デューティ比が５０％より大きいときは電流が上昇し、５０％未満のときは下降するよう動作する。実際には、ステータ２のコイル６の直流抵抗やスイッチング損失が存在するため、デューティ比を５０％に固定した場合でも電流は一定とならず下降傾向となる。

ドライブ回路４０の特性上、電流の流れる方向は一方向のみである。すなわち、必ず図２の端子Ｕ＋からコイル６に電流が流入し、端子Ｕ−に戻ってくる。電流０近辺ではマイナスの電流が流せないため、図６に示すようにステータ２の磁極が非励磁状態であってもリップル電流の平均値は０近辺である。このことから、ステータ２の磁極が非励磁の時はＰＷＭのデューティ比を５０％近辺に固定してもよい。デューティ比を所定の値に固定することで安定したリップル電流が得られ、ノイズの少ないＡＭ変調波や復調信号が得られる。

上述した復調部７０は、ＡＭ変調波のピーク（波高値）を抽出する包絡線検波方式であるが、これに代えて、復調器はＰＷＭコントローラ３０のキャリア周波数と同期した参照波を用いてＡＭ変調波を復調する同期検波方式であってもよい。

リップル電流の波高値は通常インダクタンスに反比例する。しかしながら、励磁開始時および励磁終了時はＰＷＭのデューティ比がそれぞれ１００％、０％となり、ＰＷＭスイッチングをやめてしまうため、リップル電流が発生しなくなる。また、励磁中は電流が大きいほどステータ２およびロータ１０は磁気飽和していき、インダクタンスが低下する。このようにインダクタンスと励磁電流には非線形な関係が成立している。つまり非励磁状態では安定したインダクタンスの検出、つまりロータ１０の角度検出を行うことができるが、励磁状態では励磁電流と共にインダクタンスが変化するため精度が良いロータ１０の角度検出ができない。

そこで、本実施形態では、非励磁相のコイル６に流れるリップル電流から生成された復調信号を用いてロータ１０の角度検出が行われ、さらに各相の転流タイミングが決定される。次に、ロジック信号生成部８０について、図５および図７を参照しながら説明する。ここでは説明の簡略化のためＵ相の転流タイミングについてのみ説明する。復調信号Ｓ_ＵはＵ相の磁極Ｕ１，Ｕ２が励磁されている時は、本来であれば前述の通り非線形性の影響で精度よく検出できないが、図７では簡略化のために常に非励磁状態として記載する。Ｖ相、Ｗ相についても同様である。

Ｕ相のインダクタンスは、ロータ１０の角度θが０度の時に最も大きくなる。従って、ロータ１０の角度θが０度の時、リップル電流の振幅は小さくなり、復調信号Ｓ_Ｕも小さくなる。ロータ１０の角度θが４５度の時はインダクタンスが最小となるため、復調信号Ｓ_Ｕは最大となる。このように、復調信号Ｓ_Ｕは４５度毎に最小、最大を繰り返す。Ｖ相の復調信号Ｓ_ＶはＵ相の復調信号Ｓ_Ｕから３０度遅れで、Ｗ相の復調信号Ｓ_ＷはＵ相の復調信号Ｓ_Ｕから６０度遅れで最小、最大を繰り返す。

Ｕ相の磁極Ｕ１，Ｕ２の励磁開始および励磁停止のタイミングを正確に決定するため、非線形性の影響がない非励磁相の復調信号を使う。図７に示す例では、非励磁のＶ相の復調信号Ｓ_Ｖと閾値Ｐ_ＵＯＮを比較し、復調信号Ｓ_Ｖが閾値Ｐ_ＵＯＮに達した時に、ロジック信号Ｐ_ＵはＯＦＦ信号からＯＮ信号に切り替わる。また非励磁のＷ相の復調信号Ｓ_Ｗと閾値Ｐ_ＵＯＦＦを比較し、復調信号Ｐ_Ｗが閾値Ｐ_ＵＯＦＦに達した時に、ロジック信号Ｐ_ＵはＯＮ信号からＯＦＦ信号に切り替わる。このように、非励磁相のコイル６に流れるリップル電流から生成された復調信号の変化に基づいて、ロジック信号Ｐ_ＵのＯＮ信号とＯＦＦ信号の切り替え、すなわち磁極の励磁開始および励磁停止のタイミングが決定される。Ｖ相、Ｗ相のロジック信号Ｐ_Ｖ，Ｐ_Ｗについても同様である。

ロジック信号Ｐ_Ｕ，Ｐ_Ｖ，Ｐ_Ｗは、図５に示すロジック信号生成部８０にて生成される。すなわち、各比較器８１は、非励磁相の復調信号と閾値とを比較し、加算器８３は復調信号と閾値との比較結果に基づいて、ＯＮ信号とＯＦＦ信号からなるロジック信号を生成する。

ロジック信号Ｐ_ＵのＯＮ信号とＯＦＦ信号とが切り替わるタイミングは、ロータ１０の角度θに依存して変わる。したがって、ロジック信号Ｐ_Ｕからロータ１０の角度θを算出することができる。例えば、ロータ１０の角度θが６０度のときに、ロジック信号Ｐ_ＵがＯＦＦ信号からＯＮ信号に切り替わるように閾値Ｐ_ＵＯＮを設定しておけば、ロジック信号Ｐ_ＵがＯＮ信号に切り替わった時のロータ１０の角度θが６０度であると決定できる。図５に示すロジック信号生成部８０に設けられた角度計算器８５は、ロジック信号Ｐ_Ｕからロータ１０の角度θを算出するように構成されている。図５ではロジック信号Ｐ_Ｕを使ってロータ１０の角度θを計算しているが、ロジック信号Ｐ_Ｖあるいはロジック信号Ｐ_Ｗからロータ１０の角度θを計算してもよい。

ロータ１０の角度θが分かれば、ロータ角速度決定部９０は、ＣＰＵ（中央処理装置）やＤＳＰ（デジタル信号処理装置）などの演算器と、タイマーカウンターとを用いることにより、角度θの時間的な変化、すなわち角速度ωを算出することができる。ロジック信号生成部８０全体をＣＰＵやＤＳＰで構成してもよい。

更に精度のよいロジック信号Ｐ_Ｕを生成するために、２つの非励磁相の復調信号を用いてもよい。例えば、磁極Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２が非励磁の時の復調信号Ｓ_Ｕと復調信号Ｓ_Ｖを比較し、Ｓ_ＶとＳ_Ｕとの差が所定の値に達した時にロジック信号Ｐ_ＵをＯＦＦ信号からＯＮ信号に切り替える。さらに、磁極Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２が非励磁の時の復調信号Ｓ_Ｖと復調信号Ｓ_Ｗを比較し、Ｐ_ＷとＰ_Ｖとの差が所定の値に達した時にロジック信号Ｐ_ＵをＯＮ信号からＯＦＦ信号に切り替える。復調信号Ｓ_Ｕ，Ｓ_Ｖ，Ｓ_Ｗそれぞれを増幅するゲイン調整器を設け、ロータ１０の角度θが所定の角度となった時にロジック信号Ｐ_ＵのＯＮ信号またはＯＦＦ信号が切り替わるようにそれぞれの復調信号の増幅度を調整してもよい。

このように２つの非励磁相の復調信号を使うことで、個体差や温度変化等によるインダクタンス特性変化の影響をキャンセルでき、より精度が高くロバスト性に優れた転流タイミング制御を実現できる。２つの非励磁相の復調信号を用いてロジック信号を生成するロジック信号生成部８０の一例を図８に示す。図８に示すように、ロジック信号生成部８０は、復調信号Ｓ_Ｕ，Ｓ_Ｖ，Ｓ_Ｗそれぞれを増幅するゲイン調整器Ｇ１〜Ｇ１２を備えている。ゲイン調整器Ｇ１〜Ｇ１２は、比較器８１の前に配置されており、それぞれのロジック信号Ｐ_Ｕ，Ｐ_Ｖ，Ｐ_ＷのＯＮ信号とＯＦＦ信号の切り替えタイミングを細かく調整できるようになっている。図８に示す実施形態では、比較器８１は、２つの非励磁相の復調信号Ｓ_Ｖ，Ｓ_Ｕの差を算出し、角度計算器８５は、復調信号Ｓ_Ｖ，Ｓ_Ｕの差が所定の値（例えば０）に達したときにロータ１０の角度θが所定の角度に達したことを決定する。

復調信号Ｓ_Ｕ，Ｓ_Ｖ，Ｓ_Ｗの大きさの変化がどの角度θでも安定しているならば、復調信号Ｓ_Ｕ，Ｓ_Ｖ，Ｓ_Ｗそれぞれに対応する３つのゲイン調整器のみを設けてもよい。また、復調部７０で復調する前にリップル電流のゲインを調整しても同じ効果が得られる。

非励磁相の復調信号は、閾値や他の非励磁相の復調信号と比較され、ロジック信号のＯＮ信号とＯＦＦ信号の切り替えタイミングが決定される。ロジック信号のＯＮ／ＯＦＦ切り替えタイミングを決定するとき以外は復調信号を正確に求める必要はない。このため、例えば、復調信号を閾値や他相の復調信号の比較していない時は、ＰＷＭのデューティ比を完全に０％として、リップル電流を完全にゼロとし、銅損や鉄損、スイッチング損失を低減してもよい。ロータ１０の角速度が安定していれば、ロジック信号が完全に周期的となるため、復調信号が必要となる時間、および必要としない時間が明確になる。したがって、デューティ比を０％にするタイミングを正確に判断できる。またロータ１０の角速度に変化が生じたときは、速やかに非励磁時のデューティ比０％の制御を中止し、デューティ比を５０％程度に切り換えてもよい。

リップル電流の波高値は、電磁石のインダクタンスに反比例するとともに、駆動電圧Ｖ_ＤＣに比例する。駆動電圧Ｖ_ＤＣに変動が生じる場合、ロータ角度情報以外のノイズが発生する。この駆動電圧Ｖ_ＤＣの変動に起因するノイズを除去するために、閾値Ｐ_ＵＯＮ，Ｐ_ＵＯＦＦ，Ｐ_ＶＯＮ，Ｐ_ＶＯＦＦ，Ｐ_ＷＯＮ，Ｐ_ＷＯＦＦを駆動電圧Ｖ_ＤＣに比例して変化させてもよい。

図３に示すように、Ｕ相の電磁石、Ｖ相の電磁石、およびＷ相の電磁石を順次励磁させる通電サイクルは、６つの制御区間Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４，Ｅ５，Ｅ６から構成される。制御区間Ｅ１は、Ｕ相の電磁石（磁極Ｕ１，Ｕ２）が励磁される区間である。Ｖ相の電磁石（磁極Ｖ１，Ｖ２）およびＷ相の電磁石（磁極Ｗ１，Ｗ２）は非励磁である。制御区間Ｅ２は、Ｕ相の電磁石（磁極Ｕ１，Ｕ２）、Ｖ相の電磁石（磁極Ｖ１，Ｖ２）、およびＷ相の電磁石（磁極Ｗ１，Ｗ２）のすべてを非励磁とする区間である。制御区間Ｅ３は、Ｖ相の電磁石（磁極Ｖ１，Ｖ２）が励磁される区間である。Ｕ相の電磁石（磁極Ｕ１，Ｕ２）およびＷ相の電磁石（磁極Ｗ１，Ｗ２）は非励磁である。制御区間Ｅ４は、Ｕ相の電磁石（磁極Ｕ１，Ｕ２）、Ｖ相の電磁石（磁極Ｖ１，Ｖ２）、およびＷ相の電磁石（磁極Ｗ１，Ｗ２）のすべてを非励磁とする区間である。制御区間Ｅ５は、Ｗ相の電磁石（磁極Ｗ１，Ｗ２）が励磁される区間である。Ｕ相の電磁石（磁極Ｕ１，Ｕ２）およびＶ相の電磁石（磁極Ｖ１，Ｖ２）は非励磁である。制御区間Ｅ６は、Ｕ相の電磁石（磁極Ｕ１，Ｕ２）、Ｖ相の電磁石（磁極Ｖ１，Ｖ２）、およびＷ相の電磁石（磁極Ｗ１，Ｗ２）のすべてを非励磁とする区間である。つまり、制御区間Ｅ１，Ｅ３，Ｅ５は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電磁石の励磁区間であり、制御区間Ｅ２，Ｅ４，Ｅ６は非励磁区間である。これら６つの制御区間Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４，Ｅ５，Ｅ６が順次繰り返されることにより、ロータ１０は回転することができる。

図９は、スイッチドリラクタンスモータ１の始動時の各相の電磁石の励磁タイミングの一例を示す図である。スイッチドリラクタンスモータ１の始動時においても、図３と同じように、６つの制御区間Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４，Ｅ５，Ｅ６からなる通電サイクルが繰り返される。なお、図９に示す例では、通電サイクルは制御区間Ｅ１から開始されているが、ロータ１０の初期角度（初期位置）によって他の制御区間から開始されることもある。

ロータ１０が回転しているとき、リップル電流の大きさが変化し、図７を参照して説明したように、リップル電流の大きさに基づいて各相の転流タイミングが決定される。したがって、ロータ１０が一旦回転し始めると、６つの制御区間Ｅ１〜Ｅ６が繰り返され、ロータ１０が回転する。

スイッチドリラクタンスモータ１を始動するとき、まず、停止しているロータ１０の角度（初期角度）θが検出される。この停止しているロータ１０の角度θは、前述の定格運転時と同様に２つの非励磁相の電磁石に流れるリップル電流の大きさ（振幅）から推定することができ、適切な相に電流を流すことができる。しかしながら、推定されたロータ１０の角度θによっては、センサレス駆動装置はスイッチドリラクタンスモータ１の始動に失敗することがある。例えば、ロータ１０の角度θが、図９に示す、Ｕ相の電磁石（磁極Ｕ１，Ｕ２）への通電開始点である転流点ｔ１にある場合、ロータ１０からＵ相の突極３までの距離が大きいため力が足りず、ロータ１０を回転させることができないことがある。別の例では、ロータ１０の角度θが、図９に示す制御区間Ｅ２にある場合、三相の電磁石には電流が供給されないので、ロータ１０は回転を開始することができない。

そこで、本実施形態では、ロータ１０の角度θが予め設定された時間の間に変化しなかった場合には、モータドライバ５５は、次の電磁石を励磁させるように構成されている。図１０は、本実施形態によるスイッチドリラクタンスモータ１の始動時の各相の電磁石の励磁タイミングの一例を示す図である。この図１０に示す例では、ロータ１０の初期角度θは、制御区間Ｅ１の始点、すなわち転流点ｔ１にある。この転流点ｔ１では、ロータ１０には十分な力が作用しないため、ロータ１０の角度θが変化しない。そこで、モータドライバ５５は、予め設定された時間Ｔ１の間に、ロータ１０の角度θが変化しない場合は、Ｕ相の電磁石への電流の供給を停止し（制御区間Ｅ２）、次の相の電磁石であるＶ相の電磁石（磁極Ｖ１，Ｖ２）に電流を供給してＶ相の電磁石を励磁する（制御区間Ｅ３）。つまり、制御区間は、次の励磁区間である制御区間Ｅ３に強制的に切り替えられる。図１０の例では、予め設定された時間Ｔ１の始点は、Ｕ相の電磁石への電流の供給が開始された時点であるが、本発明はこの例に限定されない。

Ｖ相の電磁石（磁極Ｖ１，Ｖ２）が励磁されると、ロータ１０はＶ相の電磁石に引き寄せられ、ロータ１０は回転し始めることができる。このように、モータドライバ５５は、予め設定された時間Ｔ１の間に、ロータ１０の角度θが変化しない場合は、次の相の電磁石を強制的に励磁することにより、スイッチドリラクタンスモータ１を始動させることができる。本実施形態によれば、始動用の複雑な制御シーケンスを備える必要はなく、モータドライバ５５は、定格運転時の制御シーケンスを用いてスイッチドリラクタンスモータ１を始動させることが可能である。

図１０の例では、Ｕ相の電磁石に電流が供給されている間、ロータ１０の回転速度（角速度）は０であるため、ロータ１０の現在の角速度０と目標角速度ω^＊との差は大きい。このため、図４に示すＰＩＤ補償器２３を備えた目標電流生成器２１は、ロータ１０の現在の角速度０を目標角速度ω^＊との差を最小にするために、より大きな目標電流信号ｉ^＊を生成する。しかしながら、次相の電磁石のコイル６に過大な電流が流れると、コイル６が過度に発熱し損傷するおそれがある。

そこで、図４に示すように、目標電流生成器２１は、各相の電磁石に流す電流の大きさを制限するための電流リミッタ２６を備えている。この電流リミッタ２６は、ＰＩＤ補償器２３の下流側に配置されており、ＰＩＤ補償器２３によって生成された目標電流信号ｉ^＊を制限し、これによって、各相の電磁石のコイル６に流れる電流の大きさを制限する。

図１１は、本実施形態によるスイッチドリラクタンスモータ１の始動時の各相の電磁石の励磁タイミングの他の例を示す図である。図１１に示す例では、モータ始動時のロータ１０の角度θは、非励磁区間である制御区間Ｅ２にある。制御区間Ｅ２では、三相の電磁石には電流が供給されないので、ロータ１０は回転を開始することができない。このような場合も、モータドライバ５５は、予め設定された時間Ｔ２の間に、ロータ１０の角度θが変化しない場合は、次の相の電磁石であるＶ相の電磁石（磁極Ｖ１，Ｖ２）に電流を供給し、Ｖ相の電磁石を励磁する。Ｖ相の電磁石（磁極Ｖ１，Ｖ２）が励磁されると、ロータ１０はＶ相の電磁石に引き寄せられ、ロータ１０は回転し始めることができる。

なお、上述した実施形態では、始動時にまずロータ１０の角度θを検出したが、あらかじめ決められた相の電磁石をまず励磁し、予め設定された時間の間にロータ１０の角度θが変化しない場合は、上述した実施形態と同様に次の相の電磁石を励磁するという方法をとってもよい。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

１ スイッチドリラクタンスモータ
２ ステータ
３ 突極
６ コイル
１０ ロータ
１１ 突極
２０ センサレス駆動装置
２１ 目標電流生成器
２２ 減算器
２３ ＰＩＤ補償器
２５ 乗算器
２６ 電流リミッタ
３０ ＰＷＭコントローラ
３１ 減算器
３２ ＰＩＤ補償器
３３ 比較器
４０ ドライブ回路
４２ 直流電圧生成器
４４ スイッチング素子
５０ 電流センサ
５５ モータドライバ
６０ ロータ角検出器（転流タイミング生成器）
７０ 復調部
７１ バンドパスフィルタ（ＡＭ変調波抽出器）
７３ 絶対値回路
７５ ノッチフィルタ
７７ ローパスフィルタ
８０ ロジック信号生成部
８１ 比較器
８３ 加算器
８５ 角度計算器
９０ ロータ角速度決定部
Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２ 磁極（電磁石）

Claims (5)

1. 磁性材からなる複数の突極を有するロータと、前記ロータを囲うように配置された複数の電磁石を有するステータとを備えたスイッチドリラクタンスモータを駆動するためのセンサレス駆動装置であって、
   前記電磁石に電流を間欠的に流して前記電磁石を励磁させ、前記ロータの突極と前記電磁石との間に磁気力を発生させることで前記ロータを回転させるモータドライバと、
   前記複数の電磁石の内、非励磁相の電磁石に流れるリップル電流の大きさに基づいてロータの角度を検出するロータ角検出器とを備え、
   前記モータドライバは、前記ロータの角度に従って、前記複数の電磁石を順番に励磁させるように構成されており、予め設定された時間の間に前記ロータの角度が変化しなかった場合は、次の電磁石を励磁させることを特徴とするセンサレス駆動装置。
2. 前記電磁石に流す電流の大きさを制限する電流リミッタをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のセンサレス駆動装置。
3. 前記ロータ角検出器は、前記リップル電流の大きさが所定の値に達したか否かを決定することにより、前記ロータが所定の角度に達したか否かを決定することを特徴とする請求項１に記載のセンサレス駆動装置。
4. 前記モータドライバは、前記リップル電流の大きさが前記所定の値に達したときに、前記複数の電磁石の内、少なくとも１つの電磁石に電流を流すことを特徴とする請求項３に記載のセンサレス駆動装置。
5. 磁性材からなる複数の突極を有するロータと、前記ロータを囲うように配置された複数の電磁石を有するステータとを備えたスイッチドリラクタンスモータと、
   前記スイッチドリラクタンスモータを駆動するための請求項１乃至４のいずれか一項に記載のセンサレス駆動装置とを備えたことを特徴とするモータ装置。

Images