JP3906429B2

JP3906429B2 - 同期モータの駆動装置

Info

Publication number: JP3906429B2
Application number: JP08171299A
Authority: JP
Inventors: 辰哉上松; 紀元蓑島
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 1999-03-25
Filing date: 1999-03-25
Publication date: 2007-04-18
Anticipated expiration: 2019-03-25
Also published as: DE10014626A1; JP2000278989A; US6433503B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転子の位置を検出する位置検出手段の出力信号に基づいて各相巻線への励磁電流の供給タイミングを制御する同期モータの駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の同期モータの駆動装置が適用されたスイッチト・リラクタンスモータ（以下、「ＳＲモータ」という）を図５に示す。図５に示すＳＲモータは３相ＳＲモータであり、固定子（ステータ）と回転子（ロータ）とを有している。固定子は、機械角で６０度（電気角で１２０度）の間隔で設けられた６個の磁極歯５１〜５６を有する固定子鉄心と、各磁極歯５１〜５６に巻回された巻線により構成されている。なお、対向配置された２個の磁極歯に巻回されている２つの巻線が直列に接続されて、各相の巻線、例えばＵ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線が形成されている。回転子は、回転軸と、回転軸に取り付けられた回転子鉄心５７と、回転軸の外周に周方向に設けられた磁極（例えば、永久磁石）５８とにより構成されている。図５では、８個の磁極が４５度の間隔で設けられている。また、回転子の位置を検出する位置検出手段、例えば磁極５８の磁界を検出するホール素子により構成されているＵ相〜Ｗ相のホールＩＣ６３ｕ〜６３ｗが、それぞれＵ相の磁極歯５１、Ｖ相の磁極歯５６、Ｗ相の磁極歯５２の中心位置に配設されている。
駆動装置（図示していない）は、各相のホールＩＣ６３ｕ〜６３ｗの出力信号に基づいてＵ相巻線〜Ｗ相巻線への励磁電流の供給タイミングを制御することによって、回転子を正転あるいは逆転させる。
【０００３】
従来の同期モータの駆動装置による各相巻線への励磁電流の供給タイミングを図６に示す。
各相巻線のインダクタンスは、回転子の回転位置に応じて図に示すように変化する。また、各相のホールＩＣ６３ｕ〜６３ｗの出力信号波形は、回転子の回転位置に応じて図に示すような波形となる。同期モータは、回転子の回転に伴って相巻線のインダクタンスが増加する時に相巻線に励磁電流を供給すると、回転子を回転方向に回転させるトルク（正トルク）が発生する。一方、回転子の回転に伴って固定子巻線のインダクタンスが減少する時に固定子巻線に励磁電流を供給すると、回転子を回転方向と反対方向に回転させるトルク（負トルク）が発生する。
そこで、駆動装置は、正転駆動時には、各相のホールＩＣ６３ｕ〜６３ｗの出力信号に基づいて、正転論理により、各相巻線への励磁電流の供給タイミングを制御する。この場合、例えばＵ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線の順に励磁電流が供給される。すなわち、Ｕ相巻線については、同じ相であるＵ相のホールＩＣ６３ｕの出力信号の立ち下がり時点で励磁電流の供給を開始し、次の励磁相であるＶ相のホールＩＣ６３ｖの出力信号の立ち下がり時点で停止する。同様に、Ｖ相、Ｗ相の相巻線については、それぞれ同じ相であるＶ相、Ｗ相のホールＩＣ６３ｖ、６３ｗの出力信号の立ち下がり時点で励磁電流の供給を開始し、次の励磁相であるＷ相、Ｕ相のホールＩＣ６３ｗ、６３ｕの出力信号の立ち下がり時点で励磁電流の供給を停止する。なお、正転駆動時の電気角は、Ｕ相の磁極歯の中心位置を０度とし、Ｕ相の磁極歯の中心位置から回転子が正転方向へ回転した時の方向で示している。
また、駆動装置は、逆転駆動時には、各相のホールＩＣ６３ｕ〜６３ｗの出力信号に基づいて、逆転論理により各相巻線への励磁電流の供給タイミングを制御する。この場合、例えばＵ相巻線、Ｗ相巻線、Ｖ相巻線の順に励磁電流が供給される。すなわち、Ｕ相巻線については、同じ相であるＵ相のホールＩＣ６３ｕの出力信号の立ち上がり時点で励磁電流の供給を開始し、次の励磁相であるＷ相のホールＩＣ６３ｗの出力信号の立ち上がり時点で励磁電流の供給を停止する。同様に、Ｗ相、Ｖ相の相巻線については、それぞれ同じ相であるＷ相、Ｖ相のホールＩＣ６３ｗ、６３ｖの出力信号の立ち上がり時点で励磁電流の供給を開始し、次の励磁相であるＶ相、Ｕ相のホールＩＣ６３ｖ、６３ｕの出力信号の立ち上がり時点で励磁電流の供給を停止する。なお、逆転駆動時の電気角は、Ｕ相の磁極歯の中心位置を０度とし、Ｕ相の磁極歯の中心位置から回転子が逆転方向へ回転した時の方向で示している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このようなＳＲモータにおいては、各相巻線への励磁電流の供給開始タイミング（通電開始タイミング）を図６に示す開始タイミングより進める（進み位相制御）ことによりモータ効率を向上させることができる。
この各相巻線への通電開始タイミングを進ませる進み位相制御を、ホールＩＣ等の位置検出手段の配設位置を調整することによって達成することが考えられる。しかしながら、この場合には、正転方向及び逆転方向でモータ特性が変わるため、正転方向及び逆転方向の両方向にそれぞれホールＩＣを配設しなければならない。また、ホールＩＣ等の位置検出手段は、分解能が低いため、所定の進み位相角の位置に正確に配設するのが困難である。また、モータの回転速度に応じて進み位相角を調整することができない。
本出願人は、種々検討した結果、３相同期モータでは、位置検出手段を一方の回転方向に対して電気角で３０度進ませた位置に配設すれば、同じ位置検出手段の出力信号に基づいて、正転駆動時及び逆転駆動時に各相巻線への励磁電流の供給タイミングを電気角で３０度進ませることができることを見出した。また、モータ効率が最大となる通電開始タイミングはほぼ３０度以内であり、これは遅延回路等を用いることによって可能であることを見出した。
そこで、本発明は、同じ位置検出手段の出力信号に基づいて正転駆動時及び逆転駆動時に進み位相制御を行うことができる同期モータの駆動装置を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明の第１発明は、請求項１に記載されたとおりの同期モータの駆動装置である。
請求項１に記載の同期モータの駆動装置を用いれば、複数の位置検出手段の出力信号に基づいて正転駆動時及び逆転駆動時に進み位相制御を行うことができる。
また、本発明の第２発明は、請求項２に記載されたとおりの同期モータの駆動装置である。
請求項２に記載の同期モータの駆動装置を用いれば、進み位相角を、例えば同期モータの回転速度に応じた最適な進み位相角に容易に調整することができる。
さらに、本発明の第３発明は、請求項３に記載されたとおりの同期モータの駆動装置である。
請求項３に記載の同期モータの駆動装置を用いれば、スイッチト・リラクタンスモータについて複数の位置検出手段の出力信号に基づいて正転駆動時及び逆転駆動時に進み位相制御を行うことができる。
そして、本発明の第４発明は、請求項４に記載されたとおりの同期モータの駆動装置である。
請求項４に記載の同期モータの駆動装置を用いれば、速度検出信号に応じて位置検出手段の出力信号を遅延させるので、モータ効率が最大となる進み位相角で進み位相制御を行うことができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明の同期モータの駆動装置の一実施の形態が適用されるＳＲモータを示す図である。図１に示すＳＲモータは、６−４極３相ＳＲモータであり、固定子（ステータ）と回転子（ロータ）とを有している。固定子は、機械角で６０度（電気角で１２０度）の間隔で設けられた６個の磁極歯１〜６を有する固定子鉄心と、各磁極歯１〜６に巻回された巻線により構成されている。対向配置された２個の磁極歯に巻回されている２つの巻線が直列に接続されて、各相の巻線、例えばＵ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線が形成されている。回転子は、回転軸と、回転軸に取り付けられた回転子鉄心７と、回転軸の外周に周方向に設けられた磁極（例えば、永久磁石）８とにより構成されている。図１では、８個の磁極が４５度の間隔で設けられている。また、回転子の位置を検出する位置検出手段、例えば磁極８の磁界を検出するホール素子により構成されているホールＩＣが配設されている。本実施の形態では、Ｕ相のホールＩＣ２３ｕ、Ｖ相のホールＩＣ２３ｖ、Ｗ相のホールＩＣ２３ｗが、それぞれＵ相の磁極歯１、Ｖ相の磁極歯６、Ｗ相の磁極歯２の中心位置から一方の回転方向、本実施の形態では逆転方向（図１では反時計方向）に電気角で３０度（機械角で７．５度）の位置に配設されている。
【０００７】
図１に示した３相ＳＲモータに適用される本発明の同期モータの駆動装置の一実施の形態のブロック図を図２に示す。
図２において、１０は処理装置（ＣＰＵ）である。減算回路１１は、速度指令信号Ｎｓと速度信号Ｎｒとの偏差信号を比例回路１２及び積分回路１３に出力する。加算回路１４は、比例回路１２及び積分回路１３から出力される信号を加算し、制限回路１５に出力する。ＰＷＭ（パルス幅変調）回路１６は、制限回路１５から出力される制御信号Ｉｓに応じたＰＷＭ信号をＦＥＴ等により構成されている駆動回路２１に出力する。
ホールＩＣ等の位置検出手段２３は、３相ＳＲモータ２２の回転子の回転位置を検出して位置検出信号を出力する。遅延回路１７は、位置検出手段２３から出力される位置検出信号を設定時間だけ遅延させて駆動回路２１及び周期測定回路１８に出力する。周期測定回路１８は、遅延回路１８から出力される位置検出信号の周期Ｔｍを測定する。そして、速度検出回路１９は、位置検出信号の周期Ｔｍに基づいて回転速度を演算し、速度検出信号Ｎｒを出力する（例えば、Ｎｒ＝１／Ｔｍ）。
駆動回路２１は、遅延回路１７で遅延された位置検出信号に基づいて３相ＳＲモータ２２の各相巻線への励磁電流の供給タイミングを制御し、ＰＷＭ回路１６から出力されるＰＷＭ信号に基づいて各相巻線に供給する励磁電流のデューティ比を制御する。
本実施の形態では、処理装置１０、駆動回路２１及び位置検出手段２３が本発明の同期モータの駆動装置に対応し、駆動回路２１が本発明の駆動手段に対応する。
【０００８】
次に、位置検出信号に基づいて各相巻線への励磁電流の供給タイミングを制御する方法を図３を用いて説明する。
各相巻線のインダクタンスは、回転子の回転位置に応じて図に示すように変化する。また、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のホールＩＣ２３ｕ〜２３ｗの出力信号波形は、回転子の回転位置に応じて図に示すような波形となる。ここで、各相のホールＩＣ２３ｕ〜２３ｗは、各相の磁極歯の中心位置から逆転方向に電気角で３０度の位置に配設されている。このため、各相のホールＩＣ２３ｕ〜２３ｗの出力信号波形は、図６に示した、磁極歯の中心位置に配設した場合の出力信号波形に対して逆転方向に電気角で３０度だけ位相が進んだ波形となる。
【０００９】
まず、遅延回路１７の遅延時間が「０」に設定されている場合について説明する。
駆動回路２１は、正転駆動時には、各相のホールＩＣ２３ｕ〜２３ｗの出力信号に基づいて、正転論理により、各相巻線への励磁電流の供給タイミングを制御する。この場合、例えばＵ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線の順に励磁電流が供給される。すなわち、Ｕ相巻線については、同じ相であるＵ相のホールＩＣ２３ｕの出力信号の立ち下がり時点で励磁電流の供給を開始し、次の励磁相であるＶ相のホールＩＣ２３ｖの出力信号の立ち下がり時点で停止する。同様に、Ｖ相、Ｗ相の相巻線については、それぞれ同じ相であるＶ相、Ｗ相のホールＩＣ２３ｖ、２３ｗの出力信号の立ち下がり時点で励磁電流の供給を開始し、次の励磁相であるＷ相、Ｕ相のホールＩＣ６３ｗ、６３ｕの出力信号の立ち下がり時点で励磁電流の供給を停止する。この場合、上記したように、各相のホールＩＣ２３ｕ〜２３ｗは、各相の磁極歯の中心位置から逆転方向に電気角で３０度の位置に配設されているため、進み角３０度の進み位相制御をすることができる。なお、正転駆動時の電気角は、Ｕ相の磁極歯の中心位置を０度とし、Ｕ相の磁極歯の中心位置から回転子が正転方向（図１では時計方向）へ回転した時の方向で示している。
また、駆動回路２１は、逆転駆動時には、各相のホールＩＣ２３ｕ〜２３ｗの出力信号に基づいて、逆転論理により、各相巻線への励磁電流の供給タイミングを制御する。この場合、例えばＵ相巻線、Ｗ相巻線、Ｖ相巻線の順に励磁電流が供給される。すなわち、Ｕ相巻線については、次の励磁相であるＷ相のホールＩＣ２３ｗの出力信号の立ち下がり時点で励磁電流の供給を開始し、前の励磁相であるＶ相のホールＩＣ２３ｖの出力信号の立ち下がり時点で励磁電流の供給を停止する。同様に、Ｗ相、Ｖ相の相巻線については、それぞれ次の励磁相であるＶ相、Ｕ相のホールＩＣ２３ｖ、２３ｕの出力信号の立ち下がり時点で励磁電流の供給を開始し、前の励磁相であるＵ相、Ｗ相のホールＩＣ２３ｕ、２３ｗの出力信号の立ち下がり時点で励磁電流の供給を停止する。従って、各相のホールＩＣ２３ｕ〜２３ｗが各相の磁極歯の中心位置から逆転方向に電気角で３０度の位置に配設された構成において、正転時とは異なる逆転論理、すなわち各相巻線への励磁電流の供給開始・停止を制御するためのホールＩＣ２３ｕ〜２３ｗからの信号の組合わせを異ならせることにより、逆転時においてもホールＩＣを増やすことなく進み角３０度の進み位相制御をすることができる。なお、逆転駆動時の電気角は、Ｕ相の磁極歯の中心位置を０度とし、Ｕ相の磁極歯の中心位置から回転子が逆転方向（図１では反時計方向）へ回転した時の方向で示している。
【００１０】
ここで、ＳＲモータ等の同期モータでは、各相巻線への励磁電流の供給開始タイミング（通電開始タイミング）を進める（進み位相制御）ことによりモータ効率を向上させることができる。モータ効率が最大となる通電開始タイミングは、図４に示すように、モータの回転速度に応じて変化する。
そこで、処理装置１０は、モータの回転速度、例えば速度検出回路１９から出力される速度検出信号Ｎｒに応じて遅延回路１７の遅延時間を変化させ、位置検出手段２３から出力される位置検出信号を遅延時間だけ遅らせる。駆動回路２１は、遅延回路１７から出力される位置検出信号に基づいて、前記した正転論理あるいは逆転論理により各相巻線への励磁電流供給タイミングを決定する。このため、各相巻線への励磁電流供給開始タイミング、したがって励磁電流供給タイミングが正転時及び逆転時に、モータ効率が最大となる進み位相角で進み位相制御を行うことができる。
【００１１】
以上の実施の形態では、遅延回路１７を設けたが、進み位相角を３０度に固定する場合には、遅延回路１７は不要である。
また、処理回路１０を速度指令信号と速度検出信号との偏差に応じて励磁電流を制御するように構成したが、処理回路は一定の励磁電流を供給する等種々の構成が可能である。
また、６−４極３相ＳＲモータに適用した場合について説明したが、本発明の同期モータの駆動装置は、６−８極、１２−８極、１８−１２極等種々の極数の３相ＳＲモータに適用可能である。
また、ＳＲモータに適用した場合について説明したが、本発明の同期モータの駆動装置は、ＳＲモータ以外の、ブラシレス同期モータ等の種々の同期モータに適用可能である。
【００１２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の同期モータの駆動装置を用いれば、複数の位置検出手段の出力信号に基づいて正転駆動時及び逆転駆動時に進み位相制御を行うことができる。
また、請求項２に記載の同期モータの駆動装置を用いれば、進み位相角を任意の進み位相角に容易に調整することができる。
さらに、請求項３に記載の同期モータの駆動装置を用いれば、スイッチト・リラクタンスモータについて複数の位置検出手段の出力信号に基づいて正転駆動時及び逆転駆動時に進み位相制御を行うことができる。
そして、請求項４に記載の同期モータの駆動装置を用いれば、速度検出信号に応じて位置検出手段の出力信号を遅延させるので、モータ効率が最大となる進み位相角で進み位相制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の同期モータの駆動装置の一実施の形態が適用される３相ＳＲモータを示す図である。
【図２】本発明の同期モータの駆動装置の一実施の形態を示すブロック図である。
【図３】本発明の同期モータの駆動装置の一実施の形態による各相巻線への励磁電流供給タイミングを示す図である。
【図４】モータ回転速度と最大モータ効率が得られる進み位相角との関係を示す図である。
【図５】従来の同期モータの駆動装置を適用した３相ＳＲモータを示す図である。
【図６】従来の同期モータの駆動装置による各相巻線への励磁電流供給タイミングを示す図である。
【符号の説明】
１０処理回路
１７遅延回路
２１駆動回路
２２３相ＳＲモータ
２３位置検出手段

Claims

固定子鉄心の各磁極歯に各相巻線が巻回された固定子と、各磁極歯に対向する磁石が設けられた回転子とを有する同期モータの駆動装置であって、回転子の位置を検出する複数の位置検出手段と、位置検出手段の出力信号に基づいて各相巻線への励磁電流の供給タイミングを制御する駆動手段とを備え、複数の位置検出手段は、それぞれの位置検出手段から出力される位置検出信号に対応して励磁される固定子鉄心の各磁極歯の中心位置から一方の回転方向に電気角で３０度進ませた位置に配設し、駆動手段は、正転駆動時には各位置検出手段の出力信号の組み合わせに基づく第１の論理により各相巻線への励磁電流の供給タイミングを制御し、逆転駆動時には第１の論理とは異なる各位置検出手段の出力信号の組み合わせに基づく第２の論理により各相巻線への励磁電流の供給タイミングを制御する同期モータの駆動装置。
請求項１に記載の同期モータの駆動装置であって、駆動手段は、各位置検出手段の出力信号を遅延させることによって進み位相角を調整する同期モータの駆動装置。
請求項１または２に記載の同期モータの駆動装置であって、前記同期モータがスイッチト・リラクタンスモータであることを特徴とする同期モータの駆動装置。
請求項１から３のいずれか一項に記載の同期モータの駆動装置であって、モータの回転速度を検出して速度検出信号を出力する速度検出回路と、前記速度検出回路から出力される速度検出信号に応じて位置検出手段の出力信号を遅延させる遅延回路とを備え、前記駆動手段は遅延回路から出力される位置検出信号に基づいて各相巻線への励磁電流の供給タイミングを制御する同期モータの駆動装置。