JP3654003B2 - センサレスモータの回転子位置検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、回転位置センサなしで動作するセンサレスモータ、例えばセンサレススイッチドリラクタンスモータ（以下センサレスＳＲモータと称す）の回転子の位置を検出する装置に関するものであり、特に回転子と固定子の位置関係によって変化する固定子巻線のインダクタンスの変化から回転子の位置を検出することに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は従来の一般的なＳＲモータとその駆動回路を示すものである。１は固定子、３は巻線、５は回転軸４を中心として回転する回転子である。固定子１は、６個の固定子突極２と３組の巻線３で構成されている。図では簡単のために一対のＵ相Ｕ１、Ｕ２だけを示す。回転子５は積層鋼板で構成され、回転子５の回転軸４から外方向へ放射状に延び、回転子５の周辺部を中心にして円周方向に一様な間隔で４個の回転子突極６を構成している。回転子５と同様に、固定子１も積層鋼板で構成されている。
【０００３】
直径方向に相対する固定子突極２における巻線３は、同一方向に磁界を発生するように直列接続されて相巻線を構成しており、巻線数は３個（Ｕ、Ｖ、Ｗ）である。ここでは簡単のためにコイル組のＶ、Ｗは図示していないが、それらの相巻線に組み合わされる固定子突極に「Ｖ」、「Ｗ」の符号がつけられている。
【０００４】
７はＳＲモータを駆動する駆動回路であり、ＳＲモータのＵ相巻線Ｕ１とＵ２を励磁するために用いられる基本的な電気回路だけを図示している。８ａ、８ｂはＵ相巻線３に流れる電流をＯＮ、ＯＦＦする一対のトランジスタ、９ａ、９ｂはトランジスタ８ａ、８ｂがＯＦＦしたときに発生する逆起電力を回生する方向に流すためのダイオード、１０はＳＲモータを駆動するための電流を供給する電源である母線電圧、１１は回転子５の回転位置を検出する位置検出センサ、１２はトランジスタ対８ａ、８ｂのＯＮ−ＯＦＦを制御する制御回路である。
【０００５】
次に、動作について図１０、図１１により説明する。ＳＲモータの場合、固定子突極２が励磁されることにより回転子突極６が磁気抵抗が最小となる向きに回転子５が磁気吸引され回転するため、励磁された固定子突極２の磁極には依存しない。従って、駆動回路７から供給される電流は一方向の電流だけでいいことになる。そして、相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗを順次励磁し、回転子突極６を固定子の励磁されている突極２に同期して向き合わせることにより回転子５を回転させる。
【０００６】
まず、Ｕ相巻線３に対しては、トランジスタ対８ａ、８ｂがＯＮすると、電源１０→トランジスタ８ａ→巻線Ｕ１とＵ２→トランジスタ８ｂの順に電流が流れる。トランジスタ対８ａ、８ｂがＯＦＦすると、巻線Ｕ１とＵ２に逆起電力が発生する。この逆起電力のエネルギーは、ダイオード９ａ→巻線Ｕ１とＵ２→ダイオード９ｂを通って回生される。この励磁動作は各巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに対して順次行われ、モータとしての回転動作を行う。トランジスタ対８ａ、８ｂのＯＮ−ＯＦＦの切り替えるタイミングは、回転子５の回転位置を検出する位置検出センサ１１からの情報をもとに制御回路１２によって行われる。
【０００７】
図１１（ａ）〜（ｄ）は、固定子突極２と回転子突極６の位置関係をあらわしたものである。Ｕ相を基準に説明すると、図１１（ａ）のように固定子突極２と回転子突極６が離れているときにＵ相に電圧を印加すると、固定子突極２が励磁され磁気吸引力により固定子突極２に最も近い回転子突極６が磁気吸引される。磁気吸引によって、図１１（ｂ）のように固定子突極２に回転子突極６が近づいていく。さらに固定子突極２に回転子突極６が近づき、図１１（ｃ）のように固定子突極２と回転子突極６が向かい合う。このとき、回転子突極６に働く吸引力は直径方向のみとなり回転子５を回転させるトルクは発生しない。さらに、図１１（ｄ）のように回転子５が回転すると、ふたたび、回転子突極６に回転方向の力が働き、回転子５に回転トルクが発生する。この時発生する回転トルクは、図１１（ａ）〜（ｃ）と反対に方向となる。回転子５が時計方向に回転しているとすれば、その回転を停止する制動力となる。
【０００８】
回転子５を一方向に回転させるためには、常に同じ回転方向のトルクが発生するようにしなければならない。そこで、図１１（ｃ）のように固定子突極３と回転子突極６が向かい合う前に固定子突極３の励磁を停止しなければならない。このように、ＳＲモータを一定方向に回転するためには、回転子突極６に対する固定子突極２の位置に同期して、固定子巻線３に通電するタイミングを切り換えなければならない。このため、従来は回転子４の位置を検出するために、レゾルバ等の位置検出センサ１１によって回転子５の位置を検出し、その回転子位置信号を制御回路１２へ帰還することにより、固定子突極巻線３を回転子５の位置に同期して通電していた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のＳＲモータ駆動装置のように、位置検出センサ１１を設けることにより、ＳＲモータから出てくる結線が増えるため、例えば、圧縮機のように容器の中の冷媒や油が存在する特殊な空間内でモータを動かす場合、容器の内と外を結ぶための端子の数が増してしまうと形状やコスト、信頼性などの面で制約を受けてしまう。このため、その位置検出センサ１１を不要とすることが望ましい。
【００１０】
ＳＲモータの場合、ＤＣブラシレスモータのように回転子５にマグネットがないため固定子巻線３と鎖交する磁束の変化を利用することはできない。そこで、固定子突極２に対する回転子突極６の位置によって固定子突極２の巻線３のインダクタンスが変化するというＳＲモータの特性を利用して回転子突極６の位置を検出することができる。
【００１１】
図１２は回転子突極６の回転角に対する固定子突極巻線３のインダクタンスの一般的な変化を示したものである。図１２の回転角θ１はインダクタンスが最小で、固定子突極２と回転子突極６の位置関係は図１１（ａ）のようになっている。そこから図１１（ｂ）のように時計方向に回転すると、図１２のθ２のように固定子突極巻線３のインダクタンスは増加していく。図１１（ｃ）の位置では、図１２のθ３のように最大値となる。さらに図１１（ｄ）のように回転させると、図１２のθ４のようにインダクタンスは減少していく。このように、固定子突極２に対する回転子突極６の位置によって固定子突極２の巻線インダクタンスの大きさは、図１２のように周期的に変化する。
【００１２】
従って、固定子巻線３を励磁するときの固定子突極２に対する回転子突極６の位置をあらかじめ決めておき、その時の固定子巻線のインダクタンスを求め、その値に達したときの固定子突極２を励磁するタイミングを作るようにすれば、図９の位置検出センサ１１を設けなくても回転子突極６に同期して固定子突極２を励磁することができる。
【００１３】
このように、インダクタンスの値が分かれば、固定子突極２に対する回転子突極６の位置を推定することができるが、図１２からも分かるように回転子突極角θ３を中心に対称的になっているため、インダクタンスの値から一義的に回転子突極６の位置を検出することはできない。しかし、ＳＲモータの駆動タイミング上、任意の固定子突極２を励磁しているときは、その直前に励磁していた固定子突極２の巻線インダクタンスは減少しているので、この期間にインダクタンスの値を検出すれば、固定子突極２に対する回転子突極６の位置が一義的に決まってくる。
【００１４】
ただし、固定子突極２との位置関係が分かるのは固定子突極２に最も近い回転子突極６との位置関係であり、回転子のある決まった突極との位置関係は分からない。しかし、固定子突極２を励磁するタイミングは、回転子の決まった突極との位置関係で切り換えるのではなく、固定子突極２の近傍にある回転子突極６の位置で決まるため、その位置関係は必要ない。
【００１５】
このように、ＳＲモータの特性を生かし、固定子突極巻線のインダクタンスを検出することにより回転子突極の位置を検出したものとして、例えば、特開平６−１８９５８０号公報に記載された技術がある。このブラシレス整流モータの各相巻線へ加えられる電力信号の切換え周波数を制御する装置は、巻線のインダクタンスとＲＣ回路からなるタンク回路へ低電力の周波数信号Ｆ１を供給し、インダクタンスの変化に応じて変化するタンク回路の共振周波数Ｆ０の包絡線の変化がその共振周波数信号の振幅の移動平均値より大きいか小さいかにより、またはＦ１−Ｆ０の最小値を検出して回転位置を見つけようというものである。しかし、雑音を除くために低電力の周波数信号Ｆ１を生成する回路や発振信号の振幅を出力する絶対値回路などが必要となり、回路が複雑になってしまうという問題があった。
【００１６】
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、専用の回転位置検出センサを用いることなしに、簡単な回路により、ＳＲモータの回転子に対する固定子の位置を検出する小型で、信頼性の高いセンサレスモータの回転子位置検出装置を得ることを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わるセンサレスモータの回転子位置検出装置は、固定子巻線のインダクタンス成分と前記固定子巻線の端子間に接続したコンデンサの共振現象を用いた発振回路と、発振回路の発振信号周波数の周波数値を変換する信号変換回路と、を備え、信号変換回路の変換された出力に応じて回転子の位置を検出するものである。
【００１８】
また、信号変換回路は発振周波数値を等価的に電圧に変換するｆ／Ｖ変換回路または発振周波数値をパルス数として測定するパルス数測定回路であって、信号変換回路により変換された電圧またはパルス数と回転子突極の位置に対応してあらかじめ定められた電圧またはパルス数とにより回転子の位置を検出するものである。
【００１９】
また、センサレスモータを駆動するために固定子巻線に励磁している期間は回転子の位置を検出しないように回転位置検出回路を制御するものである。
【００２０】
また、発振回路にスイッチ手段を備え、センサレスモータを駆動するために固定子巻線に励磁している期間は前記スイッチ手段により発振回路を停止させるものである。
【００２１】
また、回転位置検出回路は、信号変換回路により変換された信号をあらかじめ定められた信号と比較する比較回路と、比較回路の出力と励磁する相の前に励磁していた固定子巻線への励磁信号とを判定する論理回路と、を備えたものである。
【００２２】
回転子の回転により固定子巻線の変化するインダクタンス成分と固定子巻線の端子間に接続したコンデンサとで共振現象を発生させる発振回路と、発振回路に接続され発振回路により生成された発振信号周波数の周波数値を変換する信号変換回路と、信号変換回路により変換された信号とあらかじめ記憶された信号を比較する比較回路と、比較回路の出力と固定子巻線への励磁信号とを判定する論理回路と、を備えたものである。
【００２３】
また、固定子巻線を励磁する相の前に励磁していた期間で、回転子の位置を検出する回転位置検出回路と、を備えたものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、実施の形態１を図を用いて説明する。図１は実施の形態１である回転子位置検出装置を備えたセンサレスＳＲモータの駆動装置の構成図であり、説明をしやすくするため、１相分（ここではＵ相）について示している。図２は回転子位置検出装置の動作波形図である。図１において１０はＳＲモータを駆動するための電流を供給する母線電圧であり、一般に交流電源をダイオードにより整流して生成される。８ａは固定子巻線３の一端と母線電圧１０間に接続されたトランジスタ、８ｂは固定子巻線３の他端とＧＮＤ間に接続されたトランジスタ、９ａは固定子巻線３の一端とＧＮＤ間に接続されたダイオード、９ｂは固定子巻線３の他端と母線電圧１０の間に接続されたダイオードである。１２はトランジスタ対８ａ、８ｂを固定子巻線励磁信号によってＯＮ−ＯＦＦさせる制御回路である。
また固定子巻線３の一端には抵抗１５とコンデンサ１３が接続され、コンデンサ１３は母線電圧のＧＮＤとは異なる第２のＧＮＤに接続されている。抵抗１５の他端はＮＯＴゲート１６の入力端子に接続され、ＮＯＴゲート１６の出力端子とコンデンサ１４が固定子巻線３の他端と接続されている。またコンデンサ１４はコンデンサ１３と同様に第２のＧＮＤに接続されている。
【００２５】
点線で囲われた部分で固定子巻線３を含むＬＣの発振回路２０が構成される。母線電圧１０とは別の検出用電源である直流電源２１により発振回路２０を動作させる。図１に示す発振回路２０はコルピッツ発振回路を用いた例であり、この発振回路２０の発振周波数ｆは
ｆ＝１／（２×π×√（Ｌ×Ｃ）） …………（１）
Ｃ＝Ｃ１３×Ｃ１４／（Ｃ１３＋Ｃ１４） …………（２）
となる。ここで、πは円周率、Ｌは固定子巻線３のインダクタンス値、Ｃ１３およびＣ１４はそれぞれコンデンサ１３および１４の既知の容量である。
【００２６】
つづいて動作について説明する。前述のように固定子巻線３のインダクタンス値Ｌは回転子突極６の位置に応じて、図２（ａ）に示すように変化する。ここで（１）式よりＬの変化に応じて発振周波数ｆが変化し、発振回路２０は図２（ｂ）に示す発振信号を出力する。（１）式より、インダクタンス値Ｌが小さいときは発振回路２０の発振周波数ｆが高く、Ｌが大きいときはｆが低くなる。
つづいて、この発振信号がｆ／Ｖ変換回路１７に入力される。ｆ／Ｖ変換回路１７は入力された発振信号の発振周波数ｆを等価的にアナログ電圧Ｖに変換する回路であり、周波数ｆが高いときはアナログ電圧Ｖを大きく、ｆが低いときはＶを小さく出力し、図２（ｂ）に示す発振信号が入力されると、ｆ／Ｖ変換回路１７は図２（ｃ）のｆ／Ｖ変換電圧を出力する。
出力されたｆ／Ｖ変換電圧が回転位置検出回路１８に入力される。回転位置検出回路１８では入力されたｆ／Ｖ変換電圧とあらかじめ設定された電圧Ｖｓの大小を比較し、図２（ｄ）に示す回転位置検出電圧を出力する。ここでＶｓをあらかじめ設定された固定子突極２に対する回転子突極６の位置のインダクタンス値に対応した電圧に設定することにより、図２（ｄ）の回転位置検出電圧の立ち下がりタイミングが回転子突極６の位置検出信号となる。
【００２７】
例えば固定子巻線３のインダクタンスＬの最小値が１ｍＨ、最大値が７ｍＨ程度のときは、コンデンサ１３および１４の値をＣ１３＝Ｃ１４＝０．１μＦ程度にすると、発振周波数ｆが８．５〜２２．５ｋＨｚまで広範囲で変化するため、ｆ／Ｖ変換電圧も広範囲で変化させることができ、安価な回路構成で精度良く回転子突極６の位置を検出することができる。
位置検出信号を制御回路１２に送り、制御回路１２は送られた位置検出信号から固定子巻線３を励磁するタイミングを計算し、トランジスタ対８をＯＮまたはＯＦＦする信号をトランジスタ対８に出力する。同様にして、Ｖ相とＷ相に対しても行う。上記の方法によれば、従来のように回転軸４の回転角を検出する位置検出センサ１１を設けることなく、安価な回路構成で回転子突極６の位置に同期して固定子突極２を励磁することができる。
【００２８】
なお、本実施の形態では発振回路２０にコルピッツ発振回路を用いた例について示したが、ハートレー発振回路などの別の方式の発振回路を用いても同様の効果が得られる。また発振回路２０の内部のコンデンサ１３および１４を母線電圧１０のＧＮＤとは異なる第２のＧＮＤに接続したが、これはノイズなどの誤動作に対して、更に精度良く回転子位置を検出するためである。すなわち、ＳＲモータを駆動するための電流の影響を受けにくくなることにより精度良く回転し位置を検出することが出来る。但し、母線電圧１０のＧＮＤと接続しても同様の効果が得られる。直流電源２１は商用電源などからダイオードにより整流すれば得ることが出来、個々に電源トランスを用いればアースを別にすることが出来る。
また上記説明は４個の回転子突極に対する３相６個の固定子突極の構成で説明したが、回転子突極と固定子突極の組み合わせはどのような数字のものであっても良いし、又、単純な構成図で説明したごとくこのような簡略化が可能であれば３相でなく例えば２相であっても同様な効果を奏し得る。
【００２９】
本発明は、上記で説明したようにｆ／Ｖ変換回路１７を使用した例を示した。このｆ／Ｖ変換回路は特定の周波数に対しては特定の電圧を出力するものでこの周波数信号の大小に関係なく周波数値が決まれば出力が決まるものである。ｆ／Ｖ変換回路は積分器やコンデンサ、抵抗などが一体となった汎用ＩＣとして市販されている。このように周波数値を電圧と言うごとく全く種類の異なる信号に変換することによりノイズなどの雑音を防ぐことが出来る。
図９にこの発明のｆ／Ｖ変換回路１７ではなくパルス数測定回路３０を使用した一例を示す。このパルス数測定回路は共振回路で生成された大きさも周波数値も変動する周波数信号を特定のレベルの電圧値における周波数の立ち上がり部を検出することによりパルスとしてカウントすることが出来、このパルスを時間当たりもしくは一定時間内のパルス数として捉え、あらかじめマイコン内に記憶され、設定されたパルス数／時間と比較することにより回転子の位置を検出することが、ｆ／Ｖ変換回路でなくパルス数測定回路を使用した場合でも図２（ｃ）と同様に処理できる。図２における横軸は回転子突極位置であり、
図２（ｂ）信号により特定電圧における周波数の立ち上がり部を検出することによりパルスを検出でき、図２（ｃ）の縦軸をパルス数／時間とすれば所定のパルス数（相当する電圧Ｖｓの線と同様に判断）より多いか少ないかに基づいて図２（ｄ）のごとく回転位置（縦軸はパルス数となる）を検出することが出来る。
【００３０】
実施の形態２．
この発明の実施の形態を図にて説明する。図３は実施の形態２である回転子位置検出装置を備えたセンサレスＳＲモータの駆動装置の構成図であり、実施の形態１に示す駆動装置の固定子巻線３とコンデンサ１３および１４の間にスイッチ回路１９を設けたものである。図３において実施の形態１で示した図１と同一または相当部分には、同じ符号を付し、説明を省略する。図４は回転子位置検出装置の動作波形図である。
つづいて動作について説明する。制御回路１２がトランジスタ対８をＯＮさせると、母線電圧１０→トランジスタ８ａ→固定子巻線３→トランジスタ８ｂの経路でＳＲモータの駆動電流が流れる。駆動電流が流れているときは、スイッチ回路１９をＯＦＦさせて、発振回路２０の動作を停止させる。またトランジスタ対８がＯＦＦのときにスイッチ回路１９をＯＮさせて、発振回路２０を動作させる。つまり固定子巻線３に駆動電流が流れていないときにのみ発振回路２０を動作させるようにしたものである。
【００３１】
次に以上の動作を図４により詳しく説明する。前述のように固定子巻線３のインダクタンス値Ｌは回転子突極６の位置に応じて、図４（ａ）に示すように変化する。固定子巻線励磁信号である駆動信号が図４（ｅ）である。駆動信号によりトランジスタ対８がＯＮし
ているときは、スイッチ回路１９をＯＦＦさせるため、発振回路２０は動作せず、発振周波数ｆ＝０である。トランジスタ対８がＯＦＦしているときは、発振回路が通常の動作を行うため、実施の形態１で示したとおり固定子巻線３のインダクタンス値に応じて発振し、発振回路２０は図４（ｂ）に示す発振信号を出力する。
つづいて、この発振信号がｆ／Ｖ変換回路１７に入力される。トランジスタ対８がＯＮしているときは発振周波数ｆ＝０であるため、ｆ／Ｖ変換回路１７の出力であるｆ／Ｖ変換電圧もＶ＝０となり、ｆ／Ｖ変換回路１７は図４（ｃ）に示すｆ／Ｖ変換電圧を出力する。
出力されたｆ／Ｖ変換電圧が回転位置検出回路１８に入力される。回転位置検出回路１８では入力されたｆ／Ｖ変換電圧とあらかじめ設定された電圧Ｖｓの大小を比較し、図４（ｄ）に示す回転位置検出電圧を出力する。図４（ｄ）の回転位置検出電圧の立ち下がりタイミングが回転子突極６の位置検出信号となる。
【００３２】
この位置検出信号を制御回路１２に送り、制御回路１２は送られた位置検出信号から固定子巻線３を励磁するタイミングを計算し、トランジスタ対８をＯＮまたはＯＦＦする信号をトランジスタ対８に出力する。同様にして、Ｖ相とＷ相に対しても行う。
ＳＲモータの駆動電流は制御回路の出力信号の電流と比較すると非常に大きな電流が流れているため、駆動電流により発振回路２０やｆ／Ｖ変換回路１７などに悪影響を及ぼし、回路が誤動作したり、最悪の場合には回路の破壊に至る可能性もある。上記の方法によれば、駆動電流が流れているときはスイッチ回路１９をＯＦＦさせることにより、駆動電流の影響を防止して、信頼性の高いＳＲモータの駆動回路を得ることができる。ここでスイッチ回路１９にリレーやトランジスタなどを用いることにより、安価な回路構成で上記の効果を得られる。
【００３３】
実施の形態３．
この発明の実施の形態を図にて説明する。図５は実施の形態３を示す図であり、実施の形態１の図１で示した回転子位置検出装置の回転位置検出回路１８の構成図である。図５において２２、２３は検出用電源２１の電圧Ｖｃｃを分圧して電圧Ｖｓを生成する抵抗、２４はｆ／Ｖ変換電圧を電圧Ｖｓと比較するコンパレータ、２５はＡＮＤゲートである。
次に動作を説明する。まず、検出用電源２１の電圧Ｖｃｃを抵抗２２と２３で分圧し、電圧Ｖｓを生成する。生成された電圧Ｖｓは抵抗２２と２３の抵抗値がそれぞれＲ２２、Ｒ２３であるとすると、
Ｖｓ＝Ｖｃｃ×Ｒ２３／（Ｒ２２＋Ｒ２３） …………（３）
となり、Ｖｓを固定子突極２に対する回転子突極６の位置に対応した値になるようにＲ２２とＲ２３を設定する。
【００３４】
一方、実施の形態１の発振回路２０の発振信号により、ｆ／Ｖ変換回路１７で生成されたｆ／Ｖ変換電圧がコンパレータ２４に入力される。そして、コンパレータ２４は、ｆ／Ｖ変換電圧を抵抗２２と２３で設定された電圧Ｖｓと比較する。比較した結果をＡＮＤゲート２５に入力する。またＡＮＤゲート２５に固定子巻線励磁信号である駆動信号を入力することにより、ＳＲモータの駆動電流が流れているときは回転位置検出電圧をＯＦＦするようにする。このＡＮＤゲート２５の出力が回転位置検出信号となる。
【００３５】
次に、以上の動作を図６により詳しく説明する。実施の形態１に示した図６（ｃ）に示すｆ／Ｖ変換電圧は、コンパレータ２４により抵抗２２と２３で設定された電圧Ｖｓと比較され、ｆ／Ｖ変換電圧がＶｓ以下のときに、コンパレータ２４は”Ｈ”を出力し、ｆ／Ｖ変換電圧がＶｓ以上のときにコンパレータ２４は”Ｌ”を出力する（図６（ｆ）の比較出力電圧参照）。
このコンパレータ２４の出力である比較出力電圧がＡＮＤゲート２５に入力されているが、固定子巻線励磁信号である駆動信号（図６（ｅ）参照）がＡＮＤゲート２５に入力されているため、駆動信号が”Ｈ”になるまで、ＡＮＤゲート２５は”Ｌ”を出力する。駆動信号が”Ｈ”になったタイミングでＡＮＤゲート２５は”Ｈ”を出力する。ｆ／Ｖ変換電圧がＶｓ以上になるタイミングでＡＮＤゲート２５は”Ｌ”を出力し、回転位置検出電圧となる（図６（ｄ）参照）。この立ち下がりタイミングが回転子突極６の位置検出信号となる。
この位置検出信号を制御回路１２に送り、制御回路１２は送られた位置検出信号から固定子巻線３を励磁するタイミングを計算し、トランジスタ対８をＯＮまたはＯＦＦする信号をトランジスタ対８に出力する。同様にして、Ｖ相とＷ相に対しても行う。
【００３６】
前述のとおり、ＳＲモータの駆動電流は制御回路の出力信号の電流と比較すると非常に大きな電流が流れているため、駆動電流により発振回路２０やｆ／Ｖ変換回路１７などに悪影響を及ぼす可能性があるが、上記の方法によれば、駆動電流が流れているときは回転位置検出電圧をＯＦＦすることにより、簡素な回路構成により固定子巻線３のインダクタンスを検出し、回転子の位置を検出することができる。
【００３７】
実施の形態４．
この発明の実施の形態を図にて説明する。図７は実施の形態４を示す図であり、実施の形態３の図５にＮＯＴゲート２６を付加して、ＮＯＴゲート２６に励磁する前の相の駆動信号を入力した回転位置検出回路１８の構成図である。図８は回転位置検出回路１８の動作説明図である。図７において実施の形態３で示した図５と同一または相当部分には同じ符号を付し、説明は省略する。２６は入力されるＷ相駆動信号を反転するＮＯＴゲートである。
【００３８】
次に動作を図７、図８により説明する。まず、検出用電源２１の電圧Ｖｃｃを抵抗２２と２３で分圧し、電圧Ｖｓを生成する。一方、ｆ／Ｖ変換回路１７で生成されたｆ／Ｖ変換電圧（図８（ｃ）参照）がコンパレータ２４に入力される。そして、コンパレータ２４において、ｆ／Ｖ変換電圧を電圧Ｖｓと比較し、図８（ｆ）に示す比較出力電圧を出力する。
この比較出力電圧がＡＮＤゲート２５に入力されているが、前の相の固定子巻線励磁信号であるＷ相駆動信号（図８（ｇ）参照）がＡＮＤゲート２５に入力されているため、Ｗ相駆動信号が”Ｈ”になるまで、ＡＮＤゲート２５は”Ｌ”を出力する。Ｗ相駆動信号が”Ｈ”になったタイミングでＡＮＤゲート２５は”Ｈ”を出力する。ｆ／Ｖ変換電圧がＶｓ以上になるタイミングでＡＮＤゲート２５は”Ｌ”を出力し、回転位置検出電圧となる（図８（ｄ）参照）。この立ち下がりタイミングが回転子突極６の位置検出信号となる。
この位置検出信号を制御回路１２に送り、制御回路１２は送られた位置検出信号から固定子巻線３を励磁するタイミングを計算し、トランジスタ対８をＯＮまたはＯＦＦする信号をトランジスタ対８に出力する。同様にして、Ｖ相とＷ相に対しても行う。
【００３９】
図８（ｇ）に示すとおり、通常はＵ相→Ｖ相→Ｗ相→Ｕ相の順に通電することにより、ＳＲモータは一定方向に回転を続けることができる。また前述のとおり、例えば、Ｕ相の通電が終了し、Ｖ相に通電しているときもＵ相の固定子巻線３の両端には逆起電力が発生し、この逆起電力のエネルギーは図１に示すダイオード９ａ、９ｂを通って回生されることがある。しかし通常の場合、Ｗ相の通電中であれば、Ｕ相の逆起電力のエネルギーはすべて回生されており、固定子巻線３には電流が流れていない場合が多い。
回生期間は固定子巻線３の両端に電圧が残っているため、この期間でインダクタンスの検出を行うと、逆起電力により発振回路２０やｆ／Ｖ変換回路１７などに悪影響を及ぼし、回路が誤動作する可能性があり、正確にインダクタンスの検出を行えない場合がある。
上記の方法によれば、Ｕ相の固定子巻線３に電流が流れていないＷ相の通電期間においてＵ相の回転位置を検出するようにしたため、簡素な回路構成により更に精度良く固定子巻線３のインダクタンスを検出し、回転子の位置を検出することができる。
【００４０】
上記の説明ではセンサレスＳＲモータの構造と特性により説明してきたが、固定子巻線のインダクタンス成分と固定子巻線の端子間に接続したコンデンサの共振現象を用いた発振回路を備え、発振回路により固定子巻線のインダクタンスに応じた発振周波数が変化するモータであれば何でも良いことは明らかである。例えば固定子巻線は上記の例のような集中巻きでない分布巻きでも可能である。また永久磁石を使用したＤＣ−ＢＬＭでも可能である。
【００４１】
【発明の効果】
この発明は、以上のように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。この発明に係るセンサレスモータの回転子位置検出装置は、固定子巻線のインダクタンス成分と固定子巻線の端子間に接続したコンデンサを接地した回路に検出用の直流を加えて共振現象を発生させる発信回路を備え、発信回路にて生成された共振周波数の周波数値の周波数値により回転子の位置を検出するので、位置検出センサを設けることなく、単純な回路構成で回転子の位置を検出することが出来る精度の良い装置を得ることが出来る。
【００４２】
また、信号変換回路は発振周波数値を等価的に電圧に変換するｆ／Ｖ変換回路または発振周波数値をパルス数として測定するパルス数測定回路であって、信号変換回路により変換された電圧またはパルス数と回転子の位置に対応してあらかじめ定められた電圧またはパルス数とにより回転子の位置を検出するので、小型で信頼性の高い回転子位置検出装置を得ることができる。
【００４３】
また、センサレスモータを駆動するために固定子巻線に励磁している期間は回転子の位置を検出しないように回転位置検出回路を制御するので、駆動電流の影響を防止して、信頼性の高い回転子位置検出装置を得ることができる。
【００４４】
また、発振回路にスイッチ手段を備え、センサレスモータを駆動するために固定子巻線に励磁している期間は前記スイッチ手段により発振回路を停止させるので、駆動電流の影響を防止して、信頼性の高い回転子位置検出装置を得ることができる。
【００４５】
また、回転位置検出回路は、ｆ／Ｖ変換回路により変換された電圧またはパルス数をあらかじめ定められた電圧またはパルス数と比較する比較回路と、比較回路の出力と励磁する相の前に励磁していた固定子巻線への励磁信号とを判定する論理回路と、を備えたので、簡素な回路構成で回転子位置検出装置を得ることができる。
【００４６】
また、この発明は、固定子巻線の変化するインダクタンス成分と固定子巻線の端子間に接続したコンデンサを接地した回路に検出用の直流を加えて共振現象を発生させる発信回路と、発信回路に接続され発信回路により生成された発信信号周波数の周波数値を変換し信号を出力する信号変換回路と、信号変換回路により変換された信号とあらかじめ記憶された信号を比較する比較回路と、比較回路の出力と固定子巻線への励磁信号とを判定する論理回路と、を備えたので、簡素な回路構成で回転子位置検出装置を得ることが出来る。
【００４７】
また、固定子巻線を励磁する相の前に励磁していた期間で、回転子の位置を検出する回転位置検出回路と、を備えたので、駆動電流の影響を防止して、信頼性の高い回転子位置検出装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１である回転子位置検出装置を備えたセンサレスＳＲモータの駆動回路の構成図である。
【図２】 この発明の実施の形態１である回転子位置検出装置の動作波形を示す図である。
【図３】 この発明の実施の形態２である回転子位置検出装置を備えたセンサレスＳＲモータの駆動回路の構成図である。
【図４】 この発明の実施の形態２である回転子位置検出装置の動作波形を示す図である。
【図５】 この発明の実施の形態３である回転子位置検出装置の回転位置検出回路の構成図である。
【図６】 この発明の実施の形態３である回転子位置検出装置の動作波形を示す図である。
【図７】 この発明の実施の形態４である回転子位置検出装置の回転位置検出回路の構成図である。
【図８】 この発明の実施の形態４である回転子位置検出装置の動作波形を示す図である。
【図９】 この発明の実施の形態の一例である回転子位置検出装置を備えたセンサレスＳＲモータの駆動回路の構成図である。
【図１０】 従来の一般的なＳＲモータとその駆動回路の構成図である。
【図１１】 一般的なＳＲモータの固定子と回転子の位置関係を示す図である。
【図１２】 一般的なＳＲモータの固定子巻線のインダクタンス変化を示す図である。
【符号の説明】
１ 固定子、２ 固定子突極、３ 固定子巻線、５ 回転子、６ 回転子突極、７ 駆動回路、８ａ、８ｂ トランジスタ、９ａ、９ｂ ダイオード、１０ 母線電圧、１３、１４ コンデンサ、１５、２２、２３ 抵抗、１６、２６ ＮＯＴゲート、１７ ｆ／Ｖ変換回路、１８ 回転位置検出回路、１９ スイッチ回路、２０ 発振回路、２１ 検出用電源、２４ コンパレータ、２５ ＡＮＤゲート。
【発明の属する技術分野】
この発明は、回転位置センサなしで動作するセンサレスモータ、例えばセンサレススイッチドリラクタンスモータ（以下センサレスＳＲモータと称す）の回転子の位置を検出する装置に関するものであり、特に回転子と固定子の位置関係によって変化する固定子巻線のインダクタンスの変化から回転子の位置を検出することに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は従来の一般的なＳＲモータとその駆動回路を示すものである。１は固定子、３は巻線、５は回転軸４を中心として回転する回転子である。固定子１は、６個の固定子突極２と３組の巻線３で構成されている。図では簡単のために一対のＵ相Ｕ１、Ｕ２だけを示す。回転子５は積層鋼板で構成され、回転子５の回転軸４から外方向へ放射状に延び、回転子５の周辺部を中心にして円周方向に一様な間隔で４個の回転子突極６を構成している。回転子５と同様に、固定子１も積層鋼板で構成されている。
【０００３】
直径方向に相対する固定子突極２における巻線３は、同一方向に磁界を発生するように直列接続されて相巻線を構成しており、巻線数は３個（Ｕ、Ｖ、Ｗ）である。ここでは簡単のためにコイル組のＶ、Ｗは図示していないが、それらの相巻線に組み合わされる固定子突極に「Ｖ」、「Ｗ」の符号がつけられている。
【０００４】
７はＳＲモータを駆動する駆動回路であり、ＳＲモータのＵ相巻線Ｕ１とＵ２を励磁するために用いられる基本的な電気回路だけを図示している。８ａ、８ｂはＵ相巻線３に流れる電流をＯＮ、ＯＦＦする一対のトランジスタ、９ａ、９ｂはトランジスタ８ａ、８ｂがＯＦＦしたときに発生する逆起電力を回生する方向に流すためのダイオード、１０はＳＲモータを駆動するための電流を供給する電源である母線電圧、１１は回転子５の回転位置を検出する位置検出センサ、１２はトランジスタ対８ａ、８ｂのＯＮ−ＯＦＦを制御する制御回路である。
【０００５】
次に、動作について図１０、図１１により説明する。ＳＲモータの場合、固定子突極２が励磁されることにより回転子突極６が磁気抵抗が最小となる向きに回転子５が磁気吸引され回転するため、励磁された固定子突極２の磁極には依存しない。従って、駆動回路７から供給される電流は一方向の電流だけでいいことになる。そして、相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗを順次励磁し、回転子突極６を固定子の励磁されている突極２に同期して向き合わせることにより回転子５を回転させる。
【０００６】
まず、Ｕ相巻線３に対しては、トランジスタ対８ａ、８ｂがＯＮすると、電源１０→トランジスタ８ａ→巻線Ｕ１とＵ２→トランジスタ８ｂの順に電流が流れる。トランジスタ対８ａ、８ｂがＯＦＦすると、巻線Ｕ１とＵ２に逆起電力が発生する。この逆起電力のエネルギーは、ダイオード９ａ→巻線Ｕ１とＵ２→ダイオード９ｂを通って回生される。この励磁動作は各巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに対して順次行われ、モータとしての回転動作を行う。トランジスタ対８ａ、８ｂのＯＮ−ＯＦＦの切り替えるタイミングは、回転子５の回転位置を検出する位置検出センサ１１からの情報をもとに制御回路１２によって行われる。
【０００７】
図１１（ａ）〜（ｄ）は、固定子突極２と回転子突極６の位置関係をあらわしたものである。Ｕ相を基準に説明すると、図１１（ａ）のように固定子突極２と回転子突極６が離れているときにＵ相に電圧を印加すると、固定子突極２が励磁され磁気吸引力により固定子突極２に最も近い回転子突極６が磁気吸引される。磁気吸引によって、図１１（ｂ）のように固定子突極２に回転子突極６が近づいていく。さらに固定子突極２に回転子突極６が近づき、図１１（ｃ）のように固定子突極２と回転子突極６が向かい合う。このとき、回転子突極６に働く吸引力は直径方向のみとなり回転子５を回転させるトルクは発生しない。さらに、図１１（ｄ）のように回転子５が回転すると、ふたたび、回転子突極６に回転方向の力が働き、回転子５に回転トルクが発生する。この時発生する回転トルクは、図１１（ａ）〜（ｃ）と反対に方向となる。回転子５が時計方向に回転しているとすれば、その回転を停止する制動力となる。
【０００８】
回転子５を一方向に回転させるためには、常に同じ回転方向のトルクが発生するようにしなければならない。そこで、図１１（ｃ）のように固定子突極３と回転子突極６が向かい合う前に固定子突極３の励磁を停止しなければならない。このように、ＳＲモータを一定方向に回転するためには、回転子突極６に対する固定子突極２の位置に同期して、固定子巻線３に通電するタイミングを切り換えなければならない。このため、従来は回転子４の位置を検出するために、レゾルバ等の位置検出センサ１１によって回転子５の位置を検出し、その回転子位置信号を制御回路１２へ帰還することにより、固定子突極巻線３を回転子５の位置に同期して通電していた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のＳＲモータ駆動装置のように、位置検出センサ１１を設けることにより、ＳＲモータから出てくる結線が増えるため、例えば、圧縮機のように容器の中の冷媒や油が存在する特殊な空間内でモータを動かす場合、容器の内と外を結ぶための端子の数が増してしまうと形状やコスト、信頼性などの面で制約を受けてしまう。このため、その位置検出センサ１１を不要とすることが望ましい。
【００１０】
ＳＲモータの場合、ＤＣブラシレスモータのように回転子５にマグネットがないため固定子巻線３と鎖交する磁束の変化を利用することはできない。そこで、固定子突極２に対する回転子突極６の位置によって固定子突極２の巻線３のインダクタンスが変化するというＳＲモータの特性を利用して回転子突極６の位置を検出することができる。
【００１１】
図１２は回転子突極６の回転角に対する固定子突極巻線３のインダクタンスの一般的な変化を示したものである。図１２の回転角θ１はインダクタンスが最小で、固定子突極２と回転子突極６の位置関係は図１１（ａ）のようになっている。そこから図１１（ｂ）のように時計方向に回転すると、図１２のθ２のように固定子突極巻線３のインダクタンスは増加していく。図１１（ｃ）の位置では、図１２のθ３のように最大値となる。さらに図１１（ｄ）のように回転させると、図１２のθ４のようにインダクタンスは減少していく。このように、固定子突極２に対する回転子突極６の位置によって固定子突極２の巻線インダクタンスの大きさは、図１２のように周期的に変化する。
【００１２】
従って、固定子巻線３を励磁するときの固定子突極２に対する回転子突極６の位置をあらかじめ決めておき、その時の固定子巻線のインダクタンスを求め、その値に達したときの固定子突極２を励磁するタイミングを作るようにすれば、図９の位置検出センサ１１を設けなくても回転子突極６に同期して固定子突極２を励磁することができる。
【００１３】
このように、インダクタンスの値が分かれば、固定子突極２に対する回転子突極６の位置を推定することができるが、図１２からも分かるように回転子突極角θ３を中心に対称的になっているため、インダクタンスの値から一義的に回転子突極６の位置を検出することはできない。しかし、ＳＲモータの駆動タイミング上、任意の固定子突極２を励磁しているときは、その直前に励磁していた固定子突極２の巻線インダクタンスは減少しているので、この期間にインダクタンスの値を検出すれば、固定子突極２に対する回転子突極６の位置が一義的に決まってくる。
【００１４】
ただし、固定子突極２との位置関係が分かるのは固定子突極２に最も近い回転子突極６との位置関係であり、回転子のある決まった突極との位置関係は分からない。しかし、固定子突極２を励磁するタイミングは、回転子の決まった突極との位置関係で切り換えるのではなく、固定子突極２の近傍にある回転子突極６の位置で決まるため、その位置関係は必要ない。
【００１５】
このように、ＳＲモータの特性を生かし、固定子突極巻線のインダクタンスを検出することにより回転子突極の位置を検出したものとして、例えば、特開平６−１８９５８０号公報に記載された技術がある。このブラシレス整流モータの各相巻線へ加えられる電力信号の切換え周波数を制御する装置は、巻線のインダクタンスとＲＣ回路からなるタンク回路へ低電力の周波数信号Ｆ１を供給し、インダクタンスの変化に応じて変化するタンク回路の共振周波数Ｆ０の包絡線の変化がその共振周波数信号の振幅の移動平均値より大きいか小さいかにより、またはＦ１−Ｆ０の最小値を検出して回転位置を見つけようというものである。しかし、雑音を除くために低電力の周波数信号Ｆ１を生成する回路や発振信号の振幅を出力する絶対値回路などが必要となり、回路が複雑になってしまうという問題があった。
【００１６】
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、専用の回転位置検出センサを用いることなしに、簡単な回路により、ＳＲモータの回転子に対する固定子の位置を検出する小型で、信頼性の高いセンサレスモータの回転子位置検出装置を得ることを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わるセンサレスモータの回転子位置検出装置は、固定子巻線のインダクタンス成分と前記固定子巻線の端子間に接続したコンデンサの共振現象を用いた発振回路と、発振回路の発振信号周波数の周波数値を変換する信号変換回路と、を備え、信号変換回路の変換された出力に応じて回転子の位置を検出するものである。
【００１８】
また、信号変換回路は発振周波数値を等価的に電圧に変換するｆ／Ｖ変換回路または発振周波数値をパルス数として測定するパルス数測定回路であって、信号変換回路により変換された電圧またはパルス数と回転子突極の位置に対応してあらかじめ定められた電圧またはパルス数とにより回転子の位置を検出するものである。
【００１９】
また、センサレスモータを駆動するために固定子巻線に励磁している期間は回転子の位置を検出しないように回転位置検出回路を制御するものである。
【００２０】
また、発振回路にスイッチ手段を備え、センサレスモータを駆動するために固定子巻線に励磁している期間は前記スイッチ手段により発振回路を停止させるものである。
【００２１】
また、回転位置検出回路は、信号変換回路により変換された信号をあらかじめ定められた信号と比較する比較回路と、比較回路の出力と励磁する相の前に励磁していた固定子巻線への励磁信号とを判定する論理回路と、を備えたものである。
【００２２】
回転子の回転により固定子巻線の変化するインダクタンス成分と固定子巻線の端子間に接続したコンデンサとで共振現象を発生させる発振回路と、発振回路に接続され発振回路により生成された発振信号周波数の周波数値を変換する信号変換回路と、信号変換回路により変換された信号とあらかじめ記憶された信号を比較する比較回路と、比較回路の出力と固定子巻線への励磁信号とを判定する論理回路と、を備えたものである。
【００２３】
また、固定子巻線を励磁する相の前に励磁していた期間で、回転子の位置を検出する回転位置検出回路と、を備えたものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、実施の形態１を図を用いて説明する。図１は実施の形態１である回転子位置検出装置を備えたセンサレスＳＲモータの駆動装置の構成図であり、説明をしやすくするため、１相分（ここではＵ相）について示している。図２は回転子位置検出装置の動作波形図である。図１において１０はＳＲモータを駆動するための電流を供給する母線電圧であり、一般に交流電源をダイオードにより整流して生成される。８ａは固定子巻線３の一端と母線電圧１０間に接続されたトランジスタ、８ｂは固定子巻線３の他端とＧＮＤ間に接続されたトランジスタ、９ａは固定子巻線３の一端とＧＮＤ間に接続されたダイオード、９ｂは固定子巻線３の他端と母線電圧１０の間に接続されたダイオードである。１２はトランジスタ対８ａ、８ｂを固定子巻線励磁信号によってＯＮ−ＯＦＦさせる制御回路である。
また固定子巻線３の一端には抵抗１５とコンデンサ１３が接続され、コンデンサ１３は母線電圧のＧＮＤとは異なる第２のＧＮＤに接続されている。抵抗１５の他端はＮＯＴゲート１６の入力端子に接続され、ＮＯＴゲート１６の出力端子とコンデンサ１４が固定子巻線３の他端と接続されている。またコンデンサ１４はコンデンサ１３と同様に第２のＧＮＤに接続されている。
【００２５】
点線で囲われた部分で固定子巻線３を含むＬＣの発振回路２０が構成される。母線電圧１０とは別の検出用電源である直流電源２１により発振回路２０を動作させる。図１に示す発振回路２０はコルピッツ発振回路を用いた例であり、この発振回路２０の発振周波数ｆは
ｆ＝１／（２×π×√（Ｌ×Ｃ）） …………（１）
Ｃ＝Ｃ１３×Ｃ１４／（Ｃ１３＋Ｃ１４） …………（２）
となる。ここで、πは円周率、Ｌは固定子巻線３のインダクタンス値、Ｃ１３およびＣ１４はそれぞれコンデンサ１３および１４の既知の容量である。
【００２６】
つづいて動作について説明する。前述のように固定子巻線３のインダクタンス値Ｌは回転子突極６の位置に応じて、図２（ａ）に示すように変化する。ここで（１）式よりＬの変化に応じて発振周波数ｆが変化し、発振回路２０は図２（ｂ）に示す発振信号を出力する。（１）式より、インダクタンス値Ｌが小さいときは発振回路２０の発振周波数ｆが高く、Ｌが大きいときはｆが低くなる。
つづいて、この発振信号がｆ／Ｖ変換回路１７に入力される。ｆ／Ｖ変換回路１７は入力された発振信号の発振周波数ｆを等価的にアナログ電圧Ｖに変換する回路であり、周波数ｆが高いときはアナログ電圧Ｖを大きく、ｆが低いときはＶを小さく出力し、図２（ｂ）に示す発振信号が入力されると、ｆ／Ｖ変換回路１７は図２（ｃ）のｆ／Ｖ変換電圧を出力する。
出力されたｆ／Ｖ変換電圧が回転位置検出回路１８に入力される。回転位置検出回路１８では入力されたｆ／Ｖ変換電圧とあらかじめ設定された電圧Ｖｓの大小を比較し、図２（ｄ）に示す回転位置検出電圧を出力する。ここでＶｓをあらかじめ設定された固定子突極２に対する回転子突極６の位置のインダクタンス値に対応した電圧に設定することにより、図２（ｄ）の回転位置検出電圧の立ち下がりタイミングが回転子突極６の位置検出信号となる。
【００２７】
例えば固定子巻線３のインダクタンスＬの最小値が１ｍＨ、最大値が７ｍＨ程度のときは、コンデンサ１３および１４の値をＣ１３＝Ｃ１４＝０．１μＦ程度にすると、発振周波数ｆが８．５〜２２．５ｋＨｚまで広範囲で変化するため、ｆ／Ｖ変換電圧も広範囲で変化させることができ、安価な回路構成で精度良く回転子突極６の位置を検出することができる。
位置検出信号を制御回路１２に送り、制御回路１２は送られた位置検出信号から固定子巻線３を励磁するタイミングを計算し、トランジスタ対８をＯＮまたはＯＦＦする信号をトランジスタ対８に出力する。同様にして、Ｖ相とＷ相に対しても行う。上記の方法によれば、従来のように回転軸４の回転角を検出する位置検出センサ１１を設けることなく、安価な回路構成で回転子突極６の位置に同期して固定子突極２を励磁することができる。
【００２８】
なお、本実施の形態では発振回路２０にコルピッツ発振回路を用いた例について示したが、ハートレー発振回路などの別の方式の発振回路を用いても同様の効果が得られる。また発振回路２０の内部のコンデンサ１３および１４を母線電圧１０のＧＮＤとは異なる第２のＧＮＤに接続したが、これはノイズなどの誤動作に対して、更に精度良く回転子位置を検出するためである。すなわち、ＳＲモータを駆動するための電流の影響を受けにくくなることにより精度良く回転し位置を検出することが出来る。但し、母線電圧１０のＧＮＤと接続しても同様の効果が得られる。直流電源２１は商用電源などからダイオードにより整流すれば得ることが出来、個々に電源トランスを用いればアースを別にすることが出来る。
また上記説明は４個の回転子突極に対する３相６個の固定子突極の構成で説明したが、回転子突極と固定子突極の組み合わせはどのような数字のものであっても良いし、又、単純な構成図で説明したごとくこのような簡略化が可能であれば３相でなく例えば２相であっても同様な効果を奏し得る。
【００２９】
本発明は、上記で説明したようにｆ／Ｖ変換回路１７を使用した例を示した。このｆ／Ｖ変換回路は特定の周波数に対しては特定の電圧を出力するものでこの周波数信号の大小に関係なく周波数値が決まれば出力が決まるものである。ｆ／Ｖ変換回路は積分器やコンデンサ、抵抗などが一体となった汎用ＩＣとして市販されている。このように周波数値を電圧と言うごとく全く種類の異なる信号に変換することによりノイズなどの雑音を防ぐことが出来る。
図９にこの発明のｆ／Ｖ変換回路１７ではなくパルス数測定回路３０を使用した一例を示す。このパルス数測定回路は共振回路で生成された大きさも周波数値も変動する周波数信号を特定のレベルの電圧値における周波数の立ち上がり部を検出することによりパルスとしてカウントすることが出来、このパルスを時間当たりもしくは一定時間内のパルス数として捉え、あらかじめマイコン内に記憶され、設定されたパルス数／時間と比較することにより回転子の位置を検出することが、ｆ／Ｖ変換回路でなくパルス数測定回路を使用した場合でも図２（ｃ）と同様に処理できる。図２における横軸は回転子突極位置であり、
図２（ｂ）信号により特定電圧における周波数の立ち上がり部を検出することによりパルスを検出でき、図２（ｃ）の縦軸をパルス数／時間とすれば所定のパルス数（相当する電圧Ｖｓの線と同様に判断）より多いか少ないかに基づいて図２（ｄ）のごとく回転位置（縦軸はパルス数となる）を検出することが出来る。
【００３０】
実施の形態２．
この発明の実施の形態を図にて説明する。図３は実施の形態２である回転子位置検出装置を備えたセンサレスＳＲモータの駆動装置の構成図であり、実施の形態１に示す駆動装置の固定子巻線３とコンデンサ１３および１４の間にスイッチ回路１９を設けたものである。図３において実施の形態１で示した図１と同一または相当部分には、同じ符号を付し、説明を省略する。図４は回転子位置検出装置の動作波形図である。
つづいて動作について説明する。制御回路１２がトランジスタ対８をＯＮさせると、母線電圧１０→トランジスタ８ａ→固定子巻線３→トランジスタ８ｂの経路でＳＲモータの駆動電流が流れる。駆動電流が流れているときは、スイッチ回路１９をＯＦＦさせて、発振回路２０の動作を停止させる。またトランジスタ対８がＯＦＦのときにスイッチ回路１９をＯＮさせて、発振回路２０を動作させる。つまり固定子巻線３に駆動電流が流れていないときにのみ発振回路２０を動作させるようにしたものである。
【００３１】
次に以上の動作を図４により詳しく説明する。前述のように固定子巻線３のインダクタンス値Ｌは回転子突極６の位置に応じて、図４（ａ）に示すように変化する。固定子巻線励磁信号である駆動信号が図４（ｅ）である。駆動信号によりトランジスタ対８がＯＮし
ているときは、スイッチ回路１９をＯＦＦさせるため、発振回路２０は動作せず、発振周波数ｆ＝０である。トランジスタ対８がＯＦＦしているときは、発振回路が通常の動作を行うため、実施の形態１で示したとおり固定子巻線３のインダクタンス値に応じて発振し、発振回路２０は図４（ｂ）に示す発振信号を出力する。
つづいて、この発振信号がｆ／Ｖ変換回路１７に入力される。トランジスタ対８がＯＮしているときは発振周波数ｆ＝０であるため、ｆ／Ｖ変換回路１７の出力であるｆ／Ｖ変換電圧もＶ＝０となり、ｆ／Ｖ変換回路１７は図４（ｃ）に示すｆ／Ｖ変換電圧を出力する。
出力されたｆ／Ｖ変換電圧が回転位置検出回路１８に入力される。回転位置検出回路１８では入力されたｆ／Ｖ変換電圧とあらかじめ設定された電圧Ｖｓの大小を比較し、図４（ｄ）に示す回転位置検出電圧を出力する。図４（ｄ）の回転位置検出電圧の立ち下がりタイミングが回転子突極６の位置検出信号となる。
【００３２】
この位置検出信号を制御回路１２に送り、制御回路１２は送られた位置検出信号から固定子巻線３を励磁するタイミングを計算し、トランジスタ対８をＯＮまたはＯＦＦする信号をトランジスタ対８に出力する。同様にして、Ｖ相とＷ相に対しても行う。
ＳＲモータの駆動電流は制御回路の出力信号の電流と比較すると非常に大きな電流が流れているため、駆動電流により発振回路２０やｆ／Ｖ変換回路１７などに悪影響を及ぼし、回路が誤動作したり、最悪の場合には回路の破壊に至る可能性もある。上記の方法によれば、駆動電流が流れているときはスイッチ回路１９をＯＦＦさせることにより、駆動電流の影響を防止して、信頼性の高いＳＲモータの駆動回路を得ることができる。ここでスイッチ回路１９にリレーやトランジスタなどを用いることにより、安価な回路構成で上記の効果を得られる。
【００３３】
実施の形態３．
この発明の実施の形態を図にて説明する。図５は実施の形態３を示す図であり、実施の形態１の図１で示した回転子位置検出装置の回転位置検出回路１８の構成図である。図５において２２、２３は検出用電源２１の電圧Ｖｃｃを分圧して電圧Ｖｓを生成する抵抗、２４はｆ／Ｖ変換電圧を電圧Ｖｓと比較するコンパレータ、２５はＡＮＤゲートである。
次に動作を説明する。まず、検出用電源２１の電圧Ｖｃｃを抵抗２２と２３で分圧し、電圧Ｖｓを生成する。生成された電圧Ｖｓは抵抗２２と２３の抵抗値がそれぞれＲ２２、Ｒ２３であるとすると、
Ｖｓ＝Ｖｃｃ×Ｒ２３／（Ｒ２２＋Ｒ２３） …………（３）
となり、Ｖｓを固定子突極２に対する回転子突極６の位置に対応した値になるようにＲ２２とＲ２３を設定する。
【００３４】
一方、実施の形態１の発振回路２０の発振信号により、ｆ／Ｖ変換回路１７で生成されたｆ／Ｖ変換電圧がコンパレータ２４に入力される。そして、コンパレータ２４は、ｆ／Ｖ変換電圧を抵抗２２と２３で設定された電圧Ｖｓと比較する。比較した結果をＡＮＤゲート２５に入力する。またＡＮＤゲート２５に固定子巻線励磁信号である駆動信号を入力することにより、ＳＲモータの駆動電流が流れているときは回転位置検出電圧をＯＦＦするようにする。このＡＮＤゲート２５の出力が回転位置検出信号となる。
【００３５】
次に、以上の動作を図６により詳しく説明する。実施の形態１に示した図６（ｃ）に示すｆ／Ｖ変換電圧は、コンパレータ２４により抵抗２２と２３で設定された電圧Ｖｓと比較され、ｆ／Ｖ変換電圧がＶｓ以下のときに、コンパレータ２４は”Ｈ”を出力し、ｆ／Ｖ変換電圧がＶｓ以上のときにコンパレータ２４は”Ｌ”を出力する（図６（ｆ）の比較出力電圧参照）。
このコンパレータ２４の出力である比較出力電圧がＡＮＤゲート２５に入力されているが、固定子巻線励磁信号である駆動信号（図６（ｅ）参照）がＡＮＤゲート２５に入力されているため、駆動信号が”Ｈ”になるまで、ＡＮＤゲート２５は”Ｌ”を出力する。駆動信号が”Ｈ”になったタイミングでＡＮＤゲート２５は”Ｈ”を出力する。ｆ／Ｖ変換電圧がＶｓ以上になるタイミングでＡＮＤゲート２５は”Ｌ”を出力し、回転位置検出電圧となる（図６（ｄ）参照）。この立ち下がりタイミングが回転子突極６の位置検出信号となる。
この位置検出信号を制御回路１２に送り、制御回路１２は送られた位置検出信号から固定子巻線３を励磁するタイミングを計算し、トランジスタ対８をＯＮまたはＯＦＦする信号をトランジスタ対８に出力する。同様にして、Ｖ相とＷ相に対しても行う。
【００３６】
前述のとおり、ＳＲモータの駆動電流は制御回路の出力信号の電流と比較すると非常に大きな電流が流れているため、駆動電流により発振回路２０やｆ／Ｖ変換回路１７などに悪影響を及ぼす可能性があるが、上記の方法によれば、駆動電流が流れているときは回転位置検出電圧をＯＦＦすることにより、簡素な回路構成により固定子巻線３のインダクタンスを検出し、回転子の位置を検出することができる。
【００３７】
実施の形態４．
この発明の実施の形態を図にて説明する。図７は実施の形態４を示す図であり、実施の形態３の図５にＮＯＴゲート２６を付加して、ＮＯＴゲート２６に励磁する前の相の駆動信号を入力した回転位置検出回路１８の構成図である。図８は回転位置検出回路１８の動作説明図である。図７において実施の形態３で示した図５と同一または相当部分には同じ符号を付し、説明は省略する。２６は入力されるＷ相駆動信号を反転するＮＯＴゲートである。
【００３８】
次に動作を図７、図８により説明する。まず、検出用電源２１の電圧Ｖｃｃを抵抗２２と２３で分圧し、電圧Ｖｓを生成する。一方、ｆ／Ｖ変換回路１７で生成されたｆ／Ｖ変換電圧（図８（ｃ）参照）がコンパレータ２４に入力される。そして、コンパレータ２４において、ｆ／Ｖ変換電圧を電圧Ｖｓと比較し、図８（ｆ）に示す比較出力電圧を出力する。
この比較出力電圧がＡＮＤゲート２５に入力されているが、前の相の固定子巻線励磁信号であるＷ相駆動信号（図８（ｇ）参照）がＡＮＤゲート２５に入力されているため、Ｗ相駆動信号が”Ｈ”になるまで、ＡＮＤゲート２５は”Ｌ”を出力する。Ｗ相駆動信号が”Ｈ”になったタイミングでＡＮＤゲート２５は”Ｈ”を出力する。ｆ／Ｖ変換電圧がＶｓ以上になるタイミングでＡＮＤゲート２５は”Ｌ”を出力し、回転位置検出電圧となる（図８（ｄ）参照）。この立ち下がりタイミングが回転子突極６の位置検出信号となる。
この位置検出信号を制御回路１２に送り、制御回路１２は送られた位置検出信号から固定子巻線３を励磁するタイミングを計算し、トランジスタ対８をＯＮまたはＯＦＦする信号をトランジスタ対８に出力する。同様にして、Ｖ相とＷ相に対しても行う。
【００３９】
図８（ｇ）に示すとおり、通常はＵ相→Ｖ相→Ｗ相→Ｕ相の順に通電することにより、ＳＲモータは一定方向に回転を続けることができる。また前述のとおり、例えば、Ｕ相の通電が終了し、Ｖ相に通電しているときもＵ相の固定子巻線３の両端には逆起電力が発生し、この逆起電力のエネルギーは図１に示すダイオード９ａ、９ｂを通って回生されることがある。しかし通常の場合、Ｗ相の通電中であれば、Ｕ相の逆起電力のエネルギーはすべて回生されており、固定子巻線３には電流が流れていない場合が多い。
回生期間は固定子巻線３の両端に電圧が残っているため、この期間でインダクタンスの検出を行うと、逆起電力により発振回路２０やｆ／Ｖ変換回路１７などに悪影響を及ぼし、回路が誤動作する可能性があり、正確にインダクタンスの検出を行えない場合がある。
上記の方法によれば、Ｕ相の固定子巻線３に電流が流れていないＷ相の通電期間においてＵ相の回転位置を検出するようにしたため、簡素な回路構成により更に精度良く固定子巻線３のインダクタンスを検出し、回転子の位置を検出することができる。
【００４０】
上記の説明ではセンサレスＳＲモータの構造と特性により説明してきたが、固定子巻線のインダクタンス成分と固定子巻線の端子間に接続したコンデンサの共振現象を用いた発振回路を備え、発振回路により固定子巻線のインダクタンスに応じた発振周波数が変化するモータであれば何でも良いことは明らかである。例えば固定子巻線は上記の例のような集中巻きでない分布巻きでも可能である。また永久磁石を使用したＤＣ−ＢＬＭでも可能である。
【００４１】
【発明の効果】
この発明は、以上のように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。この発明に係るセンサレスモータの回転子位置検出装置は、固定子巻線のインダクタンス成分と固定子巻線の端子間に接続したコンデンサを接地した回路に検出用の直流を加えて共振現象を発生させる発信回路を備え、発信回路にて生成された共振周波数の周波数値の周波数値により回転子の位置を検出するので、位置検出センサを設けることなく、単純な回路構成で回転子の位置を検出することが出来る精度の良い装置を得ることが出来る。
【００４２】
また、信号変換回路は発振周波数値を等価的に電圧に変換するｆ／Ｖ変換回路または発振周波数値をパルス数として測定するパルス数測定回路であって、信号変換回路により変換された電圧またはパルス数と回転子の位置に対応してあらかじめ定められた電圧またはパルス数とにより回転子の位置を検出するので、小型で信頼性の高い回転子位置検出装置を得ることができる。
【００４３】
また、センサレスモータを駆動するために固定子巻線に励磁している期間は回転子の位置を検出しないように回転位置検出回路を制御するので、駆動電流の影響を防止して、信頼性の高い回転子位置検出装置を得ることができる。
【００４４】
また、発振回路にスイッチ手段を備え、センサレスモータを駆動するために固定子巻線に励磁している期間は前記スイッチ手段により発振回路を停止させるので、駆動電流の影響を防止して、信頼性の高い回転子位置検出装置を得ることができる。
【００４５】
また、回転位置検出回路は、ｆ／Ｖ変換回路により変換された電圧またはパルス数をあらかじめ定められた電圧またはパルス数と比較する比較回路と、比較回路の出力と励磁する相の前に励磁していた固定子巻線への励磁信号とを判定する論理回路と、を備えたので、簡素な回路構成で回転子位置検出装置を得ることができる。
【００４６】
また、この発明は、固定子巻線の変化するインダクタンス成分と固定子巻線の端子間に接続したコンデンサを接地した回路に検出用の直流を加えて共振現象を発生させる発信回路と、発信回路に接続され発信回路により生成された発信信号周波数の周波数値を変換し信号を出力する信号変換回路と、信号変換回路により変換された信号とあらかじめ記憶された信号を比較する比較回路と、比較回路の出力と固定子巻線への励磁信号とを判定する論理回路と、を備えたので、簡素な回路構成で回転子位置検出装置を得ることが出来る。
【００４７】
また、固定子巻線を励磁する相の前に励磁していた期間で、回転子の位置を検出する回転位置検出回路と、を備えたので、駆動電流の影響を防止して、信頼性の高い回転子位置検出装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１である回転子位置検出装置を備えたセンサレスＳＲモータの駆動回路の構成図である。
【図２】 この発明の実施の形態１である回転子位置検出装置の動作波形を示す図である。
【図３】 この発明の実施の形態２である回転子位置検出装置を備えたセンサレスＳＲモータの駆動回路の構成図である。
【図４】 この発明の実施の形態２である回転子位置検出装置の動作波形を示す図である。
【図５】 この発明の実施の形態３である回転子位置検出装置の回転位置検出回路の構成図である。
【図６】 この発明の実施の形態３である回転子位置検出装置の動作波形を示す図である。
【図７】 この発明の実施の形態４である回転子位置検出装置の回転位置検出回路の構成図である。
【図８】 この発明の実施の形態４である回転子位置検出装置の動作波形を示す図である。
【図９】 この発明の実施の形態の一例である回転子位置検出装置を備えたセンサレスＳＲモータの駆動回路の構成図である。
【図１０】 従来の一般的なＳＲモータとその駆動回路の構成図である。
【図１１】 一般的なＳＲモータの固定子と回転子の位置関係を示す図である。
【図１２】 一般的なＳＲモータの固定子巻線のインダクタンス変化を示す図である。
【符号の説明】
１ 固定子、２ 固定子突極、３ 固定子巻線、５ 回転子、６ 回転子突極、７ 駆動回路、８ａ、８ｂ トランジスタ、９ａ、９ｂ ダイオード、１０ 母線電圧、１３、１４ コンデンサ、１５、２２、２３ 抵抗、１６、２６ ＮＯＴゲート、１７ ｆ／Ｖ変換回路、１８ 回転位置検出回路、１９ スイッチ回路、２０ 発振回路、２１ 検出用電源、２４ コンパレータ、２５ ＡＮＤゲート。
Claims (7)
- 回転子の回転する位置により固定子巻線の変化するインダクタンス成分と前記固定子巻線の端子間に接続したコンデンサを接地した回路に検出用の直流を加えて共振現象を発生させる発振回路と、前記発振回路に接続され前記発振回路により生成された発振信号周波数の周波数値を変換し信号を出力する信号変換回路と、前記信号変換回路からの出力に応じて回転子の位置を検出する回転子位置検出回路と、を備え、前記発振回路にて生成される共振周波数の周波数値により回転子の位置を検出することを特徴とするセンサレスモータの回転子位置検出装置。
- 信号変換回路は発振周波数値を等価的に電圧に変換するｆ／Ｖ変換回路または発振周波数値をパルス数として測定するパルス数測定回路であって、前記信号変換回路により変換された電圧またはパルス数と回転子突極の位置に対応してあらかじめ定められた電圧またはパルス数とにより前記回転子の位置を検出する回転位置検出回路を備えたことを特徴とする請求項１記載のセンサレスモータの回転子位置検出装置。
- センサレスモータを駆動するために固定子巻線を励磁している期間は回転子の位置を検出しないように回転位置検出回路を制御することを特徴とする請求項１または２記載のセンサレスモータの回転子位置検出装置。
- 発振回路にスイッチ手段を備え、センサレスモータを駆動するために固定子巻線に励磁している期間は前記スイッチ手段により前記発振回路を停止させることを特徴とする請求項１または２記載のセンサレスモータの回転子位置検出装置。
- 回転子位置検出回路は、信号変換回路により変換された信号をあらかじめ定められた信号と比較する比較回路と、前記比較回路の出力と励磁する相の前に励磁していた固定子巻線への励磁信号とを判定する論理回路と、を備えたことを特徴とする請求項１または２記載のセンサレスモータの回転子位置検出装置。
- 回転子の回転する位置により固定子巻線の変化するインダクタンス成分と前記固定子巻線の端子間に接続したコンデンサを接地した回路に検出用の直流を加えて共振現象を発生させる発振回路と、前記発振回路に接続され前記発振回路により生成された発振信号周波数の周波数値を変換し信号を出力する信号変換回路と、前記信号変換回路により変換された信号とあらかじめ記憶された信号を比較する比較回路と、前記比較回路の出力と前記固定子巻線への励磁信号とを判定する論理回路と、を備えたことを特徴とするセンサレスモータの回転子位置検出装置。
- 固定子巻線を励磁する相の前に励磁していた期間、回転子の位置を検出することを特徴とする請求項１乃至６の内の少なくとも１項記載のセンサレスモータの回転子位置検出装置。
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