JP4406687B2

JP4406687B2 - 回転子位置検出装置、および回転子位置検出方法

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Publication number: JP4406687B2
Application number: JP2003380130A
Authority: JP
Inventors: 正司西方
Original assignee: Tokyo Denki University
Current assignee: Tokyo Denki University
Priority date: 2003-11-10
Filing date: 2003-11-10
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2023-11-10
Also published as: JP2005143271A

Description

本発明は、永久磁石同期電動機の回転子の初期位置を求める回転子位置検出装置、および回転子位置検出方法に関する。

永久磁石同期電動機（以降、ＰＭＳＭと称す：Permanent Magnet Synchronous Motor）は保守性に優れ、また、高効率であることから産業界で広く利用されている。

ＰＭＳＭを駆動する場合、回転子の絶対位置を得て、正確な電流制御を行う必要があり、回転子の絶対位置を得るためには、エンコーダやレゾルバなどの回転子位置検出器を用いることが一般的である。また、近年、製造コストや回転子位置検出器の構成の複雑さ等、さまざまな問題があることから、回転子位置検出器を用いずに回転子の位置を求める方法が提案されている。

ところで、直流電源を用いてＰＭＳＭを駆動する場合、３相のうち１相、または２相を選択して正方向や負方向に励磁すると、非励磁相に誘導起電力が発生するが、この発生する誘導起電力の大きさにはある特徴があり、また、回転子の位置は、この発生する誘導起電力の大きさに密接な関係があることが実験によって確認されている。従って、１相または２相を励磁した際に発生する誘導起電力の大きさを比較することによって回転子の位置をある幅をもって特定することが可能である。
特開平９−１９１６９８号公報特開平９−３３１６９５号公報特開２０００−６９７８９号公報

直流電源を用いて１相または２相を励磁した際に発生する誘導起電力の大小関係を基に、永久磁石同期電動機の回転子の初期位置を求める回転子位置検出装置、および回転子位置検出方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、直流電源とインバータ回路によって駆動される永久磁石同期電動機の回転子の初期位置を検出する回転子位置検出装置であって、直流電圧を印加して１相を励磁した場合に、他の２相にそれぞれ発生する誘導起電力の絶対値の大小関係に対応した前記回転子の初期位置が記録された第１の誘導起電力データと、直流電圧を印加して１相を正方向に励磁して励磁相に流れる電流を遮断した場合に他の１相に発生する誘導起電力のピーク値の絶対値と、直流電圧を印加して当該１相を負方向に励磁して励磁相に流れる電流を遮断した場合に当該他の１相に発生する誘導起電力のピーク値の絶対値との大小関係に対応した回転子の初期位置が記録された第２の誘導起電力データとを記憶する記憶手段と、直流電圧を印加して１相を励磁した場合に他の２相に発生する誘導起電力の絶対値をそれぞれ取得し、両絶対値の大きさを比較する誘導起電力比較手段と、直流電圧を印加して１相を正方向に励磁して励磁相に流れる電流を遮断した場合に他の１相に発生する誘導起電力のピーク値の絶対値と、直流電圧を印加して当該１相を負方向に励磁して励磁相に流れる電流を遮断した場合に当該他の１相に発生する誘導起電力のピーク値の絶対値とを取得し、両絶対値の大きさを比較する正負ピーク値比較手段と、前記誘導起電力比較手段からの比較結果と前記第１の誘導起電力データとに基づいて、前記回転子の初期位置の存在範囲を取得し、その取得結果、前記正負ピーク値比較手段からの比較結果、および前記第２の誘導起電力データに基づいて、前記回転子の初期位置の存在範囲を取得する初期位置検出手段とを備えることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の回転子位置検出装置であって、前記記憶手段は、直流電圧を印加して２相を正方向および負方向に励磁した場合に、非励磁相にそれぞれ発生する誘導起電力のピーク値の絶対値の大小関係に対応した前記回転子の初期位置が記録された第３の誘導起電力データを記憶し、前記正負ピーク値比較手段は、直流電圧を印加して２相を正方向に励磁して励磁相に流れる電流を遮断した場合に非励磁相に発生する誘導起電力と、当該２相を負方向に励磁して励磁相に流れる電流を遮断した場合に非励磁相に発生する誘導起電力とを取得し、両誘導起電力のピーク値の絶対値を比較し、前記初期位置検出手段は、前記誘導起電力比較手段からの比較結果と前記第１の誘導起電力データとに基づいて、前記回転子の初期位置の存在範囲を検出し、その検出結果、前記正負ピーク値比較手段からの比較結果、および前記第３の誘導起電力データに基づいて、前記回転子の初期位置の存在範囲を取得することを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１乃至請求項２に記載の回転子位置検出装置であって、前記誘導起電力比較手段は、１相を励磁して非励磁相に発生する誘導起電力をそれぞれ取得して両誘導起電力の絶対値を比較した後、他の２相のうち少なくとも１相を励磁して非励磁相に発生する誘導起電力をそれぞれ取得して両誘導起電力の絶対値を比較することを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、直流電源とインバータ回路によって駆動される永久磁石同期電動機の回転子の初期位置を検出する回転子位置検出方法であって、直流電圧を印加して１相を励磁した場合に他の２相に発生する誘導起電力をそれぞれ取得し、両誘導起電力の絶対値を比較する誘導起電力比較工程と、直流電圧を印加して１相を励磁した場合に他の２相にそれぞれ発生する誘導起電力の絶対値の大小関係と前記回転子の初期位置との対応関係と、前記誘導起電力比較工程での比較結果とに基づいて、前記回転子の初期位置の存在範囲を取得する第１の初期位置検出工程と、直流電圧を印加して１相を正方向に励磁して励磁相に流れる電流を遮断した場合に他の１相に発生する誘導起電力と、直流電圧を印加して当該１相を負方向に励磁して励磁相に流れる電流を遮断した場合に当該他の１相に発生する誘導起電力とを取得し、両誘導起電力のピーク値の絶対値を比較する正負ピーク値比較工程と、直流電圧を印加して１相を正方向に励磁して励磁相に流れる電流を遮断した場合に他の１相に発生する誘導起電力のピーク値の絶対値と、直流電圧を印加して当該１相を負方向に励磁して励磁相に流れる電流を遮断した場合に当該他の１相に発生する誘導起電力のピーク値の絶対値との大小関係と回転子の初期位置との対応関係と、前記第１の初期位置検出工程での取得結果、および前記正負ピーク値比較工程での比較結果とに基づいて、前記回転子の初期位置の存在範囲を取得する第２の初期位置検出工程とを有することを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の回転子位置検出方法であって、前記正負ピーク値比較工程では、直流電圧を印加して２相を正方向に励磁して励磁相に流れる電流を遮断した場合に非励磁相に発生する誘導起電力と、当該２相を負方向に励磁して励磁相に流れる電流を遮断した場合に非励磁相に発生する誘導起電力とを取得し、両誘導起電力のピーク値の絶対値を比較し、直流電圧を印加して２相を正方向および負方向に励磁した場合に、当該非励磁相にそれぞれ発生する誘導起電力のピーク値の絶対値の大小関係と前記回転子の初期位置との対応関係と、前記第１の初期位置検出工程での取得結果、および前記正負ピーク値比較工程での比較結果とに基づいて、前記回転子の初期位置の存在範囲を取得する第３の初期位置検出工程を有することを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項４乃至請求項５に記載の回転子位置検出方法であって、前記誘導起電力比較工程では、１相を励磁して非励磁相に発生する誘導起電力をそれぞれ取得して両誘導起電力の絶対値を比較した後、他の２相のうち少なくとも１相を励磁して非励磁相に発生する誘導起電力をそれぞれ取得して両誘導起電力の絶対値を比較することを特徴とする。

本発明によれば、回転子位置検出器を用いずに、１相または２相を励磁した際に発生する誘導起電力の大小関係に基づいて回転子の初期位置を求めるので、装置の構成や処理は簡素になり、かつ非常に短持間で回転子の初期位置を得ることができる。また、回転子位置検出器を用いずに駆動する際に発生していたモータの逆回転を防止することができる。

本発明の実施形態を、図１〜図２１を用いて説明する。

図１に、回転子位置検出装置１の機能構成と、検査対象となる三相永久磁石同期電動機（以降、三相ＰＭＳＭ９と称す）を駆動する駆動回路の構成を示す。回転子位置検出装置１は、図１に示すように、初期位置検出部２、誘導起電力比較部３、正負ピーク値比較部４、および信号選択部５を備え、図示しない記憶装置に誘導起電力データ６ａ，６ｂ，６ｃを記憶する。また、検査対象となる三相ＰＭＳＭ９を駆動する駆動回路は、直流電源Ｖｄ、平滑用コンデンサ、およびモータ駆動用インバータ８とから構成されるが、本実施形態においては、さらに回転子の初期位置（回転角度）を検出する際に電流制御を行う切替スイッチ７を備える。

初期位置検出部２は、切替スイッチ７のＯＮ／ＯＦＦを制御する機能、モータ駆動用インバータ８を構成するスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御する機能、正負ピーク値比較部４を構成する各スイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御する機能、信号選択部５を構成する各スイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御する機能を有し、誘導起電力比較部３の比較結果による信号と正負ピーク値比較部４の比較結果による信号と、誘導起電力データ６ａ，６ｂ，６ｃとに基づいて回転子の初期位置を取得し、出力する機能を有する。

また、誘導起電力比較部３は、図２に示すように、ローパスフィルター１１ａ，１１ｂ（以降、ＬＰＦと略す：Low Pass Filter）、反転増幅器１２ａ，１２ｂ、およびコンパレータ１３とから構成され、１相を励磁した際に発生する誘導起電力の大きさを比較し、比較結果に応じてHighまたはLowの信号を出力する機能を有する。

具体的には、次のように信号処理が行われる。まず、信号選択部５によって選択されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれか２相の誘導起電力（電圧）がそれぞれinput_1とinput_2とに入力され、ＬＰＦ１１ａ，１１ｂは、それぞれの入力信号の電磁波ノイズを除去する。この時の遮断周波数は、例えば４ｋＨｚである。なお、電磁波ノイズの影響を無視してよい環境であれば、ＬＰＦ１１ａ，１１ｂは省略しても良い。

ＬＰＦ１１ａ，１１ｂによって電磁波ノイズを除去された後、反転増幅器１２ａ，１２ｂは電圧を増幅し、コンパレータ１３は、一方の電圧を基準電圧として増幅された電圧の大きさを比較し、比較結果に応じてHighまたはLowの信号を出力する。なお、本実施形態においては、反転増幅器１２ｂ（input_2）の電圧を基準電圧とする。

また、正負ピーク値比較部４は、図３に示すように、ＬＰＦ２１、スイッチ２２ａ，２２ｂ、ピークホールド回路２５ａ，２５ｂ、およびコンパレータ２６とから構成され、１相を励磁した際の磁極の極性判定、または２相を励磁した際の磁極の極性判定を行い、判定結果に応じてHighまたはLowの信号を出力する機能を有する。このスイッチ２２ａ，２２ｂは一般的なスイッチング素子でかまわない。

具体的には、次のように信号処理が行われる。まず、信号選択部５によって選択されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれか１相の誘導起電力（電圧）がinput_3に入力され、ＬＰＦ２１は、入力信号の電磁波ノイズを除去する。この時の遮断周波数は、例えば４ｋＨｚである。なお、電磁波ノイズの影響を無視してよい環境であれば、ＬＰＦ２１は省略しても良い。

また、スイッチ２２ａとスイッチ２２ｂは、それぞれ初期位置検出部２によってＯＮ／ＯＦＦが制御され、極性判定の際に、負方向に励磁された場合はスイッチ２２ａがＯＮ、スイッチ２２ｂがＯＦＦになり、正方向に励磁された場合はスイッチ２２ａがＯＦＦ、スイッチ２２ｂがＯＮになる。

負方向に励磁された場合は、反転増幅器２３が入力された電圧を反転増幅し、正方向に励磁された場合は、非反転増幅器２４が入力された電圧を増幅し、ピークホールド回路２５ａ，２５ｂが、それぞれの場合における電圧のピーク値を保持する。コンパレータ２６は、一方の電圧のピーク値を基準電圧として増幅された電圧の大きさを比較し、比較結果に応じてHighまたはLowの信号を出力する。なお、本実施形態においては、ピークホールド回路２５ｂが保持するピーク値を基準電圧とする。

また、信号選択部５は、図４に示すように、スイッチ３１ａ〜３１ｇの７つのスイッチから構成され、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相から入力される電圧を選択して誘導起電力比較部３と正負ピーク値比較部４へ供給する機能を有する。

具体的には、スイッチ３１ａ〜３１ｇは、それぞれ初期位置検出部２によってＯＮ／ＯＦＦが制御され、１相励磁でＵ相が励磁された場合は、スイッチ３１ｅとスイッチ３１ｇがＯＮになり、Ｖ相が励磁された場合は、スイッチ３１ｄとスイッチ３１ｇがＯＮになり、Ｗ相が励磁された場合は、スイッチ３１ｄとスイッチ３１ｆがＯＮになる。

また、２相を励磁した際の磁極の極性判定で非励磁相がＵ相の場合は、スイッチ３１ａがＯＮになり、非励磁相がＶ相の場合は、スイッチ３１ｂがＯＮになり、非励磁相がＷ相の場合は、スイッチ３１ｃがＯＮになる。

また、１相を励磁した際の磁極の極性判定で励磁相がＵ相の場合は、スイッチ３１ｂまたはスイッチ３１ｃのいずれか一方がＯＮになり、励磁相がＶ相の場合は、スイッチ３１ａまたはスイッチ３１ｃのいずれか一方がＯＮになり、励磁相がＷ相の場合は、スイッチ３１ａまたはスイッチ３１ｂのいずれか一方がＯＮになる。

また、誘導起電力データ６ａ，６ｂ，６ｃは、１相および２相を励磁した際にＵ相、Ｖ相、およびＷ相のそれぞれに発生する誘導起電力の大小関係と回転子の初期位置θ（回転角度）、および誘導起電力比較部３または正負ピーク値比較部４の出力信号（HighまたはLow）との対応関係を記録したデータである（詳細については後述）。

また、切替スイッチ７は、ダイオードＤ７およびＤ８がそれぞれ並列接続されたスイッチＨＰとスイッチＨＮとから構成される。これらスイッチＨＰおよびスイッチＨＮは、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等のスイッチング素子であり、初期位置検出部２からの信号はゲートに印加される。また、三相ＰＭＳＭ９の中性点（Ｎ点）はスイッチＨＰ（ソース）とスイッチＨＮ（ドレイン）との間に接続される。なお、この切替スイッチ７は、回転子の初期位置検出の際だけに用いられ、三相ＰＭＳＭ９を駆動する際には用いられない。

また、モータ駆動用インバータ８は、図５に示すように、ダイオードＤ１〜Ｄ６がそれぞれ並列接続されたスイッチＵＰ、ＶＰ、ＷＰ、ＵＮ、ＶＮ、ＷＮから構成され、三相ＰＭＳＭ９が接続される。これらスイッチＵＰ、ＶＰ、ＷＰ、ＵＮ、ＶＮ、ＷＮは、例えば、ＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子であり、初期位置検出部２からの信号はゲートに印加され、ＯＮ／ＯＦＦが制御される。

図６に、三相ＰＭＳＭ９の一例を示す。図６に示す三相ＰＭＳＭ９はアウタロータ型のモータであり、Ｕ相巻線の巻線軸を基準軸とし、永久磁石のＮ極の中心を通る軸が一致する時を回転角度０°とし、時計方向にθ°とする。また、インナーロータ型のモータでも同様である。

なお、１相励磁時のＵ相の誘導起電力をe_U[V]、Ｖ相の誘導起電力をe_V[V]、Ｗ相の誘導起電力をe_W[V]とし、また、Ｕ相に流れる電流をi_U[A]、V相に流れる電流をi_V[A]、Ｗ相に流れる電流をi_W[A]とする。また、磁極の極性判定の際に、正方向に励磁した場合の誘導起電力のピーク値をE_mP[V]、負方向に励磁した場合の誘導起電力のピーク値をE_mN [V]、切替スイッチ７から三相ＰＭＳＭ９のＮ点へ流れる中性点電流をi_N [A]とする。

なお、以下に示す初期位置を特定する処理が行われる際には、初期位置検出部２、誘導起電力比較部３、正負ピーク値比較部４、および信号選択部５では、上記の信号処理が行われることとする。

≪１相励磁≫
次に、１相を励磁して回転子の初期位置を特定する処理について、図７に示すフローチャートに基づいて説明する。

１相を励磁した際に、他の２相（非励磁相）に発生する誘導起電力の大きさは、回転子の初期位置に応じて異なる。例えば、回転子の初期位置θの角度が１５°であった場合にＵ相を励磁すると、励磁直後に、非励磁相であるＶ相とＷ相に誘導起電力e_Vおよび誘導起電力e_Wが発生する。

図８に示すように、Ｕ相を励磁した直後に発生する誘導起電力e_Vと誘導起電力e_Wとの絶対値には差があり、回転子の初期位置θに応じて大小関係が異なることが実験によって確認されており、この回転角度と誘導起電力の大小関係を記録したものが誘導起電力データ６ａである。

この誘導起電力データ６ａは、図９に示すように、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相がそれぞれ励磁された際に発生する誘導起電力の絶対値の大小関係と、誘導起電力の絶対値の大小関係に応じて誘導起電力比較部３が出力する信号（HighまたはLow）と、回転子の回転角度の対応関係が記録されたデータテーブルであり、図９の誘導起電力データ６ａでは、３０°間隔で誘導起電力の絶対値の大小関係と出力信号の対応が示されている。

例えば、Ｕ相を励磁した際に発生する誘導起電力e_Vと誘導起電力e_Wとの絶対値の大小関係が、｜e_W｜＞｜e_V｜であれば、誘導起電力比較部３が出力する信号はLowとなるので、回転子の初期位置θは９０°〜１８０°、または２７０°〜３６０°のいずれかの範囲にあることになる。

まず、初期位置検出部２は、スイッチＨＮをＯＮする制御信号を出力し、続いてスイッチＵＰをＯＮする制御信号を出力し、Ｕ相を励磁する（ステップＳ０１）。また、初期位置検出部２は、同時に信号選択部５のスイッチ３１ｅとスイッチ３１ｇをＯＮする制御信号を出力する。

スイッチＵＰのみがＯＮされるとＵ相のみが励磁され、Ｕ相電流i_Uが流れ、非励磁相であるＶ相とＷ相に誘導起電力e_Vおよび誘導起電力e_Wが発生する。また、信号選択部５のスイッチ３１ｅとスイッチ３１ｇがＯＮになることによって、Ｖ相の誘導起電力e_VとＷ相の誘導起電力e_Wが誘導起電力比較部３へ入力される。なお、Ｕ相を励磁するのは単なる一例であって、他の１相、Ｖ相またはＷ相を励磁しても良い。

初期位置検出部２が各制御信号を出力すると、誘導起電力比較部３に信号選択部５を介して誘導起電力e_Vおよび誘導起電力e_Wが入力され、誘導起電力比較部３は、誘導起電力e_Vおよび誘導起電力e_Wのピーク値を比較し（ステップＳ０２）、比較結果に応じてHighまたはLowの信号を出力する。

初期位置検出部２は、誘導起電力比較部３からHighまたはLowの信号が供給されると、誘導起電力データ６ａを参照して、絶対値の大小関係に応じた回転子の初期位置θの存在範囲を取得する（ステップＳ０３）。

例えば、誘導起電力比較部３から供給される信号がHighであれば、誘導起電力e_Vと誘導起電力e_Wとの絶対値の大小関係が｜e_V｜＞｜e_W｜であることを示し、三相ＰＭＳＭ９の回転子の初期位置θは、０°〜９０°、または１８０°〜２７０°の範囲内にあることになる。

なお、Ｕ相の励磁を終了するためにスイッチＵＰをＯＦＦにするが、Ｕ相に流れていた電流を還流させるためにスイッチＨＮは所定の時間長だけＯＮのままにしておき、所定の時間経過後ＯＦＦにする。また、信号選択部５のスイッチ３１は全てＯＦＦにする。

次に、初期位置検出部２は、スイッチＨＮをＯＮする制御信号を出力し、続いてスイッチＶＰをＯＮする制御信号を出力し、Ｖ相（他の１相）を励磁する（ステップＳ０４）。また、初期位置検出部２は、信号選択部５のスイッチ３１ｄとスイッチ３１ｇをＯＮする制御信号を出力する。スイッチＶＰのみがＯＮされるとＶ相のみが励磁され、Ｖ相電流i_Vが流れ、非励磁相であるＵ相とＷ相に誘導起電力e_Uおよび誘導起電力e_Wが発生する。

初期位置検出部２が各制御信号を出力すると、誘導起電力比較部３に信号選択部５を介して誘導起電力e_Uおよび誘導起電力e_Wが入力され、誘導起電力比較部３は、誘導起電力e_Uおよび誘導起電力e_Wを比較し（ステップＳ０５）、比較結果に応じてHighまたはLowの信号を出力する。

初期位置検出部２は、誘導起電力比較部３からHighまたはLowの信号が供給されると、誘導起電力データ６ａを参照して、絶対値の大小関係に応じた回転子の初期位置θの存在範囲を取得する（ステップＳ０６）。

例えば、誘導起電力比較部３から供給される信号がLowであり、誘導起電力e_Uと誘導起電力e_Wとの絶対値の大小関係が、｜e_W｜＞｜e_U｜であれば、三相ＰＭＳＭ９の回転子の初期位置θは、１２０°〜２１０°、または３００°〜３０°の範囲内にあることになるが、ステップＳ０３で、回転子の初期位置θは、０°〜９０°、または１８０°〜２７０°の範囲内にあることになっているので、回転子の初期位置θは、両範囲が一致する０°〜３０°、または１８０°〜２１０°の範囲内にあることになる。

なお、Ｖ相の励磁を終了するためにスイッチＶＰをＯＦＦにするが、Ｖ相に流れていた電流を還流させるためにスイッチＨＮは所定の時間長だけＯＮのままにしておき、所定の時間経過後ＯＦＦにする。また、信号選択部５のスイッチ３１は全てＯＦＦにする。

次に、初期位置検出部２は、スイッチＨＮをＯＮする制御信号を出力し、続いてスイッチＷＰをＯＮする制御信号を出力し、Ｗ相（残りの１相）を励磁する（ステップＳ０７）。また、初期位置検出部２は、信号選択部５のスイッチ３１ｄとスイッチ３１ｆをＯＮする制御信号を出力する。スイッチＷＰのみがＯＮされるとＷ相のみが励磁され、Ｗ相電流i_Wが流れ、非励磁相であるＵ相とＶ相に誘導起電力e_Uおよび誘導起電力e_Vが発生する。

初期位置検出部２が各制御信号を出力すると、誘導起電力比較部３に信号選択部５を介して誘導起電力e_Uおよび誘導起電力e_Vが入力され、誘導起電力比較部３は、誘導起電力e_Uおよび誘導起電力e_Vを比較し（ステップＳ０８）、比較結果に応じてHighまたはLowの信号を出力する。

初期位置検出部２は、誘導起電力比較部３からHighまたはLowの信号が供給されると、誘導起電力データ６を参照して、絶対値の大小関係に応じた回転子の初期位置θの存在範囲を取得する（ステップＳ０９）。

なお、Ｗ相の励磁を終了するためにスイッチＷＰをＯＦＦにするが、Ｗ相に流れていた電流を還流させるためにスイッチＨＮは所定の時間長だけＯＮのままにしておき、所定の時間経過後ＯＦＦにする。また、信号選択部５のスイッチ３１は全てＯＦＦにする。

また、ステップＳ０６までで得られた回転子の初期位置θが０°〜３０°あるいは１８０°〜２１０°にあった場合、ステップＳ０７〜Ｓ０９の処理は省略可能である。

ステップＳ０１〜ステップＳ０９までの処理で、三相ＰＭＳＭ９の回転子の初期位置θは０°〜３０°、または１８０°〜２１０°の範囲内にあることが分かるが、これは０°〜３０°の範囲内に永久磁石のＮ極があるのかＳ極があるのか、この時点では不明であることを示している。従って、Ｎ極またはＳ極のどちらがあるのか極性を判別しなければならない。

１相を励磁した際に非励磁相に発生する誘導起電力の大きさは、回転子の初期位置θに応じて異なる。例えば、回転子の初期位置θの角度が１５°であった場合、Ｖ相を正方向に励磁して、Ｖ相電流i_Vを遮断すると、図１０に示すように、遮断直後、Ｖ相電流i_Vが減少しつつＵ相に誘導起電力E_mP（0.390[V]）が発生する。また、Ｖ相を負方向に励磁して、Ｖ相電流i_Vを遮断すると、図１１に示すように、遮断直後、Ｖ相電流i_Vが減少しつつＵ相に誘導起電力E_mN（-0.396[V]）が発生する。

図１０と図１１に示すように、誘導起電力E_mPと誘導起電力E_mNとのピーク値の絶対値は、0.006[V]の差があり、回転子の初期位置θ（回転角度）に応じて異なることが実験によって確認されており、この回転角度と誘導起電力の大小関係を記録したものが誘導起電力データ６ｂである。

この誘導起電力データ６ｂは、図１２に示すように、１相が正方向および負方向に励磁された際に発生する誘導起電力のピーク値の絶対値の大小関係と、誘導起電力のピーク値の絶対値の大小関係に応じて正負ピーク値比較部４が出力する信号（HighまたはLow）と、回転子の回転角度の対応関係が記録されたデータテーブルであり、図１２の誘導起電力データ６ｂでは、３０°間隔で誘導起電力のピーク値の絶対値の大小関係と出力信号の対応が示されている。

例えば、Ｖ相を正方向と負方向に励磁した際に発生する誘導起電力E_mPと誘導起電力E_mNとのピーク値の絶対値の大小関係が、｜E_mN｜＞｜E_mP｜であれば、正負ピーク値比較部４が出力する信号はHighとなるので、回転子の初期位置θは３３０°〜３０°または２１０°〜２７０°の範囲にあることを示している。

また、図１２中に示す誘導起電力データ６ｂを基に、ステップＳ０１〜ステップＳ０９までの処理で得られた回転子の初期位置θの範囲から、励磁する１相が決定される。例えば、範囲が０°〜３０°、１８０°〜２１０°であれば、Ｖ相またはＷ相を励磁することが示されている。

初期位置検出部２は、ステップＳ０１〜ステップＳ０９までの処理で得られた回転子の初期位置の範囲が０°〜３０°、１８０°〜２１０°であったので、スイッチＨＮをＯＮする制御信号を出力し、続いてスイッチＶＰをＯＮする制御信号を出力し、Ｖ相を正方向に励磁する。また、初期位置検出部２は、信号選択部５のスイッチ３１ａと正負ピーク値比較部４のスイッチ２２ｂをＯＮする制御信号を出力する。

スイッチＶＰのみがＯＮされるとＶ相が正方向に励磁され、Ｖ相に流れる電流i_Vが一定になった後、初期位置検出部２は、スイッチＶＰをＯＦＦする制御信号を出力する（ステップＳ１０）。すると、非励磁相であるＵ相に誘導起電力E_mPが発生する。なお、Ｖ相を励磁するのは単なる一例であって、Ｗ相を励磁しても良い。

初期位置検出部２が各制御信号を出力すると、正負ピーク値比較部４に信号選択部５を介して誘導起電力E_mPが入力され、正負ピーク値比較部４のピークホールド回路２５ｂは、誘導起電力E_mPのピーク値を保持する。

初期位置検出部２は、スイッチＨＰをＯＮする制御信号を出力し、続いてスイッチＶＮをＯＮする制御信号を出力し、Ｖ相を負方向に励磁する。また、初期位置検出部２は、信号選択部５のスイッチ３１ａと正負ピーク値比較部４のスイッチ２２ａをＯＮする制御信号を出力する（ステップＳ１１）。

スイッチＶＮのみがＯＮされるとＶ相が負方向に励磁され、Ｖ相に流れる電流i_Vが一定になった後、初期位置検出部２は、スイッチＶＮをＯＦＦする制御信号を出力する。すると、非励磁相であるＵ相に誘導起電力E_mNが発生する。

初期位置検出部２が各制御信号を出力すると、正負ピーク値比較部４に信号選択部５を介して誘導起電力E_mNが入力され、正負ピーク値比較部４のピークホールド回路２５ａは、誘導起電力E_mNのピーク値を保持する。

正負ピーク値比較部４のコンパレータ２６は、誘導起電力E_mPのピーク値と誘導起電力E_mNのピーク値の両ピーク値を比較し（ステップＳ１２）、比較結果に応じてHighまたはLowの信号を出力する。

初期位置検出部２は、正負ピーク値比較部４からHighまたはLowの信号が供給されると、誘導起電力データ６ｂを参照して、ピーク値の絶対値の大小関係に応じた回転子の初期位置θの存在範囲を取得し（ステップＳ１３）、三相ＰＭＳＭ９の回転子の初期位置θとして出力する。

例えば、正負ピーク値比較部４から供給される信号がHighであれば、誘導起電力E_mPと誘導起電力E_mNとのピーク値の絶対値の大小関係が｜E_mN｜＞｜E_mP｜であることを示し、回転子の初期位置θは、ステップＳ０１〜ステップＳ０９までの処理結果と合わせて三相ＰＭＳＭ９の回転子の初期位置θは０°〜３０°の範囲内にあることになる。

なお、図１０および図１１では、Ｖ相電流i_Vが飽和した後に遮断しているが、Ｖ相電流i_Vが飽和する前に遮断しても、同様に誘導起電力E_mPと誘導起電力E_mNとのピーク値の絶対値には差が生じることが実験によって確認されている。その飽和前に遮断した際のＶ相電流i_VとＵ相誘導起電力の波形図を図１３および図１４に示す。

例えば、回転子の初期位置θの角度が１５°であった場合、Ｖ相を正方向に励磁して、飽和する前にＶ相電流i_Vを遮断すると、図１３に示すように、遮断直後、Ｖ相電流i_Vが減少しつつＵ相に誘導起電力E_mP（0.712[V]）が発生する。また、Ｖ相を負方向に励磁して、飽和する前にＶ相電流i_Vを遮断すると、図１４に示すように、遮断直後、Ｖ相電流i_Vが減少しつつＵ相に誘導起電力E_mN（-0.790[V]）が発生する。なお、励磁時間は正方向、負方向とも同一である。

このように、誘導起電力E_mPと誘導起電力E_mNとのピーク値の絶対値は、0.078[V]の差があることが確認されており、飽和前に遮断して発生した両誘導起電力のピーク値の絶対
値の差を用いても良い。

≪２相励磁≫
次に、２相を励磁して極性を判別し、回転子の初期位置を特定する処理について、図１５に示すフローチャートに基づいて説明する。なお、ステップＳ２１〜ステップＳ２９までの処理は、１相励磁の際のステップＳ０１〜ステップＳ０９までの処理と同じなので、詳細な説明を省略する。

２相を励磁した際に非励磁相に発生する誘導起電力の大きさは、回転子の初期位置（回転角度）に応じて異なる。例えば、回転子の初期位置θの角度が１５°であった場合、Ｖ相とＷ相を所定の時間長だけ正方向に励磁した後、中性点電流i_Nを遮断すると、図１６に示すように、遮断直後、中性点電流i_Nが減少しつつＵ相に誘導起電力E_mP（1.35[V]）が発生する。また、Ｖ相とＷ相を所定の時間長だけ負方向に励磁して、中性点電流i_Nが飽和する前に遮断すると、図１７に示すように、遮断直後、中性点電流i_Nが減少しつつＵ相に誘導起電力E_mN（-1.45[V]）が発生する。

図１６と図１７に示すように、誘導起電力E_mPと誘導起電力E_mNとのピーク値の絶対値は、0.1[V]の差があり、回転子の初期位置（回転角度）に応じて異なることが実験によって確認されており、この回転角度と誘導起電力の大小関係を記録したものが誘導起電力データ６ｃである。

この誘導起電力データ６ｃは、図１８に示すように、２相が正方向および負方向に励磁された際に発生する誘導起電力のピーク値の絶対値の大小関係と、誘導起電力のピーク値の絶対値の大小関係に応じて正負ピーク値比較部４が出力する信号（HighまたはLow）と、回転子の回転角度の対応関係が記録されたデータテーブルであり、図１８の誘導起電力データ６ｃでは、３０°間隔で誘導起電力のピーク値の絶対値の大小関係と出力信号の対応が示されている。

例えば、Ｖ相とＷ相を正方向と負方向に励磁した際に発生するＵ相の誘導起電力E_mPと誘導起電力E_mNとのピーク値の絶対値の大小関係が、｜E_mN｜＞｜E_mP｜であれば、正負ピーク値比較部４が出力する信号はHighとなるので、回転子の初期位置θは３３０°〜３０°の範囲にあることを示している。

また、図１８中に示す誘導起電力データ６ｃを基に、ステップＳ２１〜ステップＳ２９までの処理で得られた回転子の初期位置θの範囲から、励磁する２相が決定される。例えば、範囲が０°〜３０°、１８０°〜２１０°であれば、Ｖ相とＷ相を励磁することが示されている。

初期位置検出部２は、ステップＳ２１〜ステップＳ２９までの処理で得られた回転子の初期位置θが０°〜３０°、１８０°〜２１０°であったので、スイッチＨＮをＯＮする制御信号を出力し、続いてスイッチＶＰとスイッチＷＰをＯＮする制御信号を出力し、Ｖ相とＷ相を正方向に励磁する。また、初期位置検出部２は、信号選択部５のスイッチ３１ａと正負ピーク値比較部４のスイッチ２２ｂをＯＮする制御信号を出力する。

スイッチＶＰとスイッチＷＰがＯＮされるとＶ相とＷ相が正方向に励磁され、その後、初期位置検出部２は、スイッチＶＰとスイッチＷＰをＯＦＦする制御信号を出力する（ステップＳ３０）。すると、非励磁相であるＵ相に誘導起電力E_mPが発生する。

初期位置検出部２は、スイッチＨＰをＯＮする制御信号を出力し、続いてスイッチＶＮとスイッチＷＮをＯＮする制御信号を出力し、Ｖ相とＷ相を負方向に励磁する。また、初期位置検出部２は、信号選択部５のスイッチ３１ａと正負ピーク値比較部４のスイッチ２２ａをＯＮする制御信号を出力する。

スイッチＶＮとスイッチＷＮがＯＮされるとＶ相とＷ相が負方向に励磁され、その後、初期位置検出部２は、スイッチＶＮとスイッチＷＮをＯＦＦする制御信号を出力する（ステップＳ３１）。すると、非励磁相であるＵ相に誘導起電力E_mNが発生する。

正負ピーク値比較部４のコンパレータ２６は、誘導起電力E_mPのピーク値と誘導起電力E_mNのピーク値の両ピーク値を比較し（ステップＳ３２）、比較結果に応じてHighまたはLowの信号を出力する。

初期位置検出部２は、正負ピーク値比較部４からHighまたはLowの信号が供給されると、誘導起電力データ６ｃを参照して、ピーク値の絶対値の大小関係に応じた回転子の初期位置θの存在範囲を取得し（ステップＳ３３）、三相ＰＭＳＭ９の回転子の初期位置θとして出力する。

例えば、正負ピーク値比較部４から供給される信号がHighであれば、誘導起電力E_mPと誘導起電力E_mNとのピーク値の絶対値の大小関係が｜E_mN｜＞｜E_mP｜であることを示し、回転子の初期位置は、ステップＳ２１〜ステップＳ２９までの処理結果と合わせて三相ＰＭＳＭ９の回転子の初期位置θは０°〜３０°の範囲内にあることになる。

なお、図１６および図１７では、中性点電流i_Nが飽和する前に遮断しているが、中性点電流i_Nが飽和した後に遮断しても、同様に誘導起電力E_mPと誘導起電力E_mNとのピーク値の絶対値には差が生じることが実験によって確認されている。

例えば、回転子の初期位置θの角度が１５°であった場合、Ｖ相とＷ相を正方向に励磁して、中性点電流i_Nが飽和した後に遮断すると、図１９に示すように、遮断直後、中性点電流i_Nが減少しつつＵ相に誘導起電力E_mP（1.57[V]）が発生する。また、Ｖ相とＷ相を負方向に励磁して、中性点電流i_Nが飽和した後に遮断すると、図２０に示すように、遮断直後、中性点電流i_Nが減少しつつＵ相に誘導起電力E_mN（-1.72[V]）が発生する。

このように、誘導起電力E_mPと誘導起電力E_mNとのピーク値の絶対値は、0.15[V]の差があることが確認されており、飽和後に遮断して発生した両誘導起電力のピーク値の絶対値の差を用いても良い。

図２１に、本発明を実施して回転子の初期位置θを求め、三相ＰＭＳＭ９を始動させた時の各相の電圧波形と回転速度の変化を示す。なお、図２１に示す波形は、１相励磁を各相にそれぞれ行い、続いて２相励磁を行って極性判別を行った場合のものである。この波形図からは、回転子の初期位置θを求めるのに要した時間が約0.1秒と非常に短いこと、また、回転速度の変化から逆回転せずに始動していることが分かる。

回転子位置検出装置の機能構成と検査対象となる三相ＰＭＳＭを駆動する駆動回路の構成を示す図である。誘導起電力比較部の機能構成を示す図である。正負ピーク値比較部の機能構成を示す図である。信号選択部の構成を示す図である。三相ＰＭＳＭを駆動する駆動回路を示す図である。三相ＰＭＳＭの一例を示す図である。１相励磁時における回転子の初期位置を特定する処理の手順を示すフローチャートである。１相励磁時の誘導起電力と電流の波形図である。回転子の回転角度と誘導起電力の大小関係を示す図（誘導起電力データ６ａ）である。１相（Ｖ相）正方向励磁時の誘導起電力と電流の波形図（飽和後に遮断）である。１相（Ｖ相）負方向励磁時の誘導起電力と電流の波形図（飽和後に遮断）である。１相励磁時における回転子の回転角度と誘導起電力の大小関係を示す図（誘導起電力データ６ｂ）である。１相（Ｖ相）正方向励磁時の誘導起電力と電流の波形図（飽和前に遮断）である。１相（Ｖ相）負方向励磁時の誘導起電力と電流の波形図（飽和前に遮断）である。２相励磁時における回転子の初期位置を特定する処理の手順を示すフローチャートである。２相（Ｖ，Ｗ相）正方向励磁時の誘導起電力と電流の波形図（飽和前に遮断）である。２相（Ｖ，Ｗ相）負方向励磁時の誘導起電力と電流の波形図（飽和前に遮断）である。２相励磁時における回転子の回転角度と誘導起電力の大小関係を示す図（誘導起電力データ６ｃ）である。２相（Ｖ，Ｗ相）正方向励磁時の誘導起電力と電流の波形図（飽和後に遮断）である。２相（Ｖ，Ｗ相）負方向励磁時の誘導起電力と電流の波形図（飽和後に遮断）である。三相ＰＭＳＭを始動させた時の各相の電圧波形と回転速度の変化を示す波形図である。

符号の説明

１回転子位置検出装置
２初期位置検出部
３誘導起電力比較部
４正負ピーク値比較部
５信号選択部
６ａ、ｂ、ｃ誘導起電力データ
７切替スイッチ
８モータ駆動用インバータ
９三相永久磁石同期電動機（三相ＰＭＳＭ）
１１ａ、ｂローパスフィルター（ＬＰＦ）
１２ａ、ｂ反転増幅器
１３コンパレータ
２１ローパスフィルター（ＬＰＦ）
２２ａ、ｂスイッチ
２３反転増幅器
２４非反転増幅器
２５ａ、ｂピークホールド回路
２６コンパレータ
３１ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇスイッチ

Claims

直流電源とインバータ回路によって駆動される永久磁石同期電動機の回転子の初期位置を検出する回転子位置検出装置であって、
直流電圧を印加して１相を励磁した場合に、他の２相にそれぞれ発生する誘導起電力の絶対値の大小関係に対応した前記回転子の初期位置が記録された第１の誘導起電力データと、
直流電圧を印加して１相を正方向に励磁して励磁相に流れる電流を遮断した場合に他の１相に発生する誘導起電力のピーク値の絶対値と、直流電圧を印加して当該１相を負方向に励磁して励磁相に流れる電流を遮断した場合に当該他の１相に発生する誘導起電力のピーク値の絶対値との大小関係に対応した回転子の初期位置が記録された第２の誘導起電力データとを記憶する記憶手段と、
直流電圧を印加して１相を励磁した場合に他の２相に発生する誘導起電力の絶対値をそれぞれ取得し、両絶対値の大きさを比較する誘導起電力比較手段と、
直流電圧を印加して１相を正方向に励磁して励磁相に流れる電流を遮断した場合に他の１相に発生する誘導起電力のピーク値の絶対値と、直流電圧を印加して当該１相を負方向に励磁して励磁相に流れる電流を遮断した場合に当該他の１相に発生する誘導起電力のピーク値の絶対値とを取得し、両絶対値の大きさを比較する正負ピーク値比較手段と、
前記誘導起電力比較手段からの比較結果と前記第１の誘導起電力データとに基づいて、前記回転子の初期位置の存在範囲を取得し、その取得結果、前記正負ピーク値比較手段からの比較結果、および前記第２の誘導起電力データに基づいて、前記回転子の初期位置の存在範囲を取得する初期位置検出手段と、
を備えることを特徴とする回転子位置検出装置。
前記記憶手段は、直流電圧を印加して２相を正方向および負方向に励磁した場合に、非励磁相にそれぞれ発生する誘導起電力のピーク値の絶対値の大小関係に対応した前記回転子の初期位置が記録された第３の誘導起電力データを記憶し、
前記正負ピーク値比較手段は、直流電圧を印加して２相を正方向に励磁して励磁相に流れる電流を遮断した場合に非励磁相に発生する誘導起電力と、当該２相を負方向に励磁して励磁相に流れる電流を遮断した場合に非励磁相に発生する誘導起電力とを取得し、両誘導起電力のピーク値の絶対値を比較し、
前記初期位置検出手段は、前記誘導起電力比較手段からの比較結果と前記第１の誘導起電力データとに基づいて、前記回転子の初期位置の存在範囲を検出し、その検出結果、前記正負ピーク値比較手段からの比較結果、および前記第３の誘導起電力データに基づいて、前記回転子の初期位置の存在範囲を取得する、
ことを特徴とする請求項１に記載の回転子位置検出装置。
前記誘導起電力比較手段は、１相を励磁して非励磁相に発生する誘導起電力をそれぞれ取得して両誘導起電力の絶対値を比較した後、他の２相のうち少なくとも１相を励磁して非励磁相に発生する誘導起電力をそれぞれ取得して両誘導起電力の絶対値を比較することを特徴とする請求項１乃至請求項２に記載の回転子位置検出装置。
直流電源とインバータ回路によって駆動される永久磁石同期電動機の回転子の初期位置を検出する回転子位置検出方法であって、
直流電圧を印加して１相を励磁した場合に他の２相に発生する誘導起電力をそれぞれ取得し、両誘導起電力の絶対値を比較する誘導起電力比較工程と、
直流電圧を印加して１相を励磁した場合に他の２相にそれぞれ発生する誘導起電力の絶対値の大小関係と前記回転子の初期位置との対応関係と、前記誘導起電力比較工程での比較結果とに基づいて、前記回転子の初期位置の存在範囲を取得する第１の初期位置検出工程と、
直流電圧を印加して１相を正方向に励磁して励磁相に流れる電流を遮断した場合に他の１相に発生する誘導起電力と、直流電圧を印加して当該１相を負方向に励磁して励磁相に流れる電流を遮断した場合に当該他の１相に発生する誘導起電力とを取得し、両誘導起電力のピーク値の絶対値を比較する正負ピーク値比較工程と、
直流電圧を印加して１相を正方向に励磁して励磁相に流れる電流を遮断した場合に他の１相に発生する誘導起電力のピーク値の絶対値と、直流電圧を印加して当該１相を負方向に励磁して励磁相に流れる電流を遮断した場合に当該他の１相に発生する誘導起電力のピーク値の絶対値との大小関係と回転子の初期位置との対応関係と、前記第１の初期位置検出工程での取得結果、および前記正負ピーク値比較工程での比較結果とに基づいて、前記回転子の初期位置の存在範囲を取得する第２の初期位置検出工程と、
を有することを特徴とする回転子位置検出方法。
前記正負ピーク値比較工程では、直流電圧を印加して２相を正方向に励磁して励磁相に流れる電流を遮断した場合に非励磁相に発生する誘導起電力と、当該２相を負方向に励磁して励磁相に流れる電流を遮断した場合に非励磁相に発生する誘導起電力とを取得し、両誘導起電力のピーク値の絶対値を比較し、
直流電圧を印加して２相を正方向および負方向に励磁した場合に、当該非励磁相にそれぞれ発生する誘導起電力のピーク値の絶対値の大小関係と前記回転子の初期位置との対応関係と、前記第１の初期位置検出工程での取得結果、および前記正負ピーク値比較工程での比較結果とに基づいて、前記回転子の初期位置の存在範囲を取得する第３の初期位置検出工程を有することを特徴とする請求項４に記載の回転子位置検出方法。
前記誘導起電力比較工程では、１相を励磁して非励磁相に発生する誘導起電力をそれぞれ取得して両誘導起電力の絶対値を比較した後、他の２相のうち少なくとも１相を励磁して非励磁相に発生する誘導起電力をそれぞれ取得して両誘導起電力の絶対値を比較することを特徴とする請求項４乃至請求項５に記載の回転子位置検出方法。