JP4501365B2

JP4501365B2 - 巻線界磁電動機の制御装置

Info

Publication number: JP4501365B2
Application number: JP2003175829A
Authority: JP
Inventors: 重俊大道寺; 浩横溝
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-06-20
Filing date: 2003-06-20
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2023-06-20
Also published as: JP2005012952A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、巻線界磁電動機をセンサレスで駆動する巻線界磁電動機の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開２００２−２１８７９７号公報
【特許文献２】
特開２０００−２３６６９１号公報
従来の界磁巻線を備えた３相巻線界磁電動機の制御装置としては、例えば特許文献１に記載のように、磁極位置を検出する磁極位置センサを備え、この磁極位置センサによって検出された磁極位置に基づいて電動機の各相の電機子巻線に電圧を印加して制御を行うことが知られている。
【０００３】
また、磁極位置センサを用いない例としては、例えば特許文献２に記載のように、電動機回転時に各相の電機子巻線に発生する誘起電圧のゼロクロス点に基づいて電動機を制御することによって磁極位置センサを用いずに電動機の制御を行う装置も開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１の方法では、磁極位置センサを必要とするため、コスト高になるという問題がある。
【０００５】
また、特許文献２の方法では、磁極位置センサは必要ないが、電動機が停止状態である場合にはゼロクロス点を検出することができない。そのため、ゼロクロス点を検出するために、磁極位置に関係無く各相の電機子巻線に電圧を印加して強制的に電動機を回転させて、電動機の回転時のゼロクロス点に基づいて電動機を制御している。この場合には磁極位置に関係無く各相の電機子巻線に電圧を印加しているため電動機の始動トルクが小さく、かつ、安定しないため、例えば車両のエンジン始動に用いられるスタータ電動機のような高トルクの始動トルクが必要な電動機には適用できないという問題があった。
【０００６】
本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、磁極位置センサを用いることなく、しかも高トルクで安定した始動を行うことの出来る巻線界磁電動機の制御装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明においては、巻線界磁電動機において、始動時に界磁巻線に電圧を印加し、各相の電機子巻線に誘起される電圧に基づいて電動機始動時の回転子の磁極位置を検出し、その検出した磁極位置に基づいて各相の電機子巻線に電圧を印加して電動機を始動するように構成している。
【０００８】
【発明の効果】
本発明によれば、各相の電機子巻線に誘起される電圧に基づいて電動機始動時の磁極位置を検出するので、特別な回路やセンサを追加することなく、センサレスで動作させることが可能となり、低価格のセンサレス駆動方式を実現することが出来る。また、従来のように磁極位置を検出せずに始動する方法と比べて、高トルクで安定した始動が可能になる、という効果が得られる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００１０】
本発明の実施の形態について、図１〜９、表１〜４を用いて説明する。
【００１１】
図１は本発明の実施の形態の概略的な回路構成図である。この図１を用いて実施の形態の構成を説明する。車両のエンジン始動に用いられる界磁巻線型３相交流電動機（巻線界磁電動機、以下、電動機と略記する）１はエンジンに連結されており、回転子（図示せず）に界磁巻線１−４が装着されている。パワーモジュール３は電動機１を駆動するために電源５の電圧を電動機１の３相の電機子巻線１−１〜１−３に加えるために接続される３相ブリッジ回路（図１ではＭＯＳＦＥＴ・Ａ〜ＭＯＳＦＥＴ・Ｆで構成している）と界磁巻線１−４に電源５の電圧を加え回転子を励磁するＭＯＳＦＥＴ・Ｇより構成される。パワーモジュール３の各ＭＯＳＦＥＴ・Ａ〜Ｆのゲートには、各ＭＯＳＦＥＴ・Ａ〜Ｆに対応したドライブ回路４−１が接続されており、各ドライブ回路４−１は駆動信号発生部２０３からの制御信号に基づき、各ＭＯＳＦＥＴ・Ａ〜Ｆをオン／オフし、電動機１の各電気子巻線１−１〜１−３に電源５の電圧を加え電動機１を駆動するために、各ＭＯＳＦＥＴ・Ａ〜Ｆのゲートにオン／オフ信号を加える。また、ＭＯＳＦＥＴ・Ｇのゲートには界磁制御ドライブ回路４−２が接続されており、界磁制御ドライブ回路４−２は界磁制御部２０４からの制御信号に基づき、ＭＯＳＦＥＴ・Ｇをオン／オフし、電動機１の回転子を励磁する界磁巻線１−４に電源１の電圧を加えるために、ＭＯＳＦＥＴ・Ｇのゲートにオン／オフ信号を加える。
【００１２】
制御部２は、各電気子巻線１−１〜１−３の各相の相電圧を検出する電圧検出部２０１と、検出した相電圧に含まれる誘起電圧（誘起される電圧）によって、磁極位置（以下、位置と略記する）１〜６を切り替えるタイミングを決め、それに基づいて位置１〜６を決めるセンサレス駆動制御部２０２と、位置１〜６から３相ブリッジ回路ヘのオン／オフ制御信号を発生する駆動信号発生部２０３と、回転子の磁界巻線１−４への印加電圧を制御する界磁制御部２０４とを備える。
【００１３】
次に本実施の形態の動作について、図１〜９および表１〜４を用いて説明する。図２は本実施の形態の全体的な動作の概要を示すフローチャートであり、この図２に沿い制御装置の概略的な動作を説明する。
【００１４】
電動機１の運転を開始すると、まず初期位置検出Ｓ１５１手続きが実行される。本手続きＳ１５１は停止中の電動機１の回転子の磁極角度（電気角、以後、回転子角度と記す）を検出（回転子の磁極位置の検出）する手続きであり、出力として回転子角度０〜３６０°と現在位置１〜６を出力する。次に確定した現在位置１〜６に基づき駆動信号発生部２０３から各ＭＯＳＦＥＴ・Ａ〜Ｆのオン／オフを制御する制御信号の出力を開始し、各電機子巻線１−１〜１−３ヘの通電を開始する（Ｓ１５２）。各電機子巻線１−１〜１−３に通電を開始すると電動機１は回転を開始するが、回転数が非常に低いため通電していない相の電機子巻線１−１〜１−３にはゼロクロスを検出できるほど誘起電圧が発生しない。このため、誘起電圧が検出できない１回目の位置切替を決めるのが１回目位置切替Ｓ１５３手続きである。１回目の位置切替が決まると更新された位置１〜６が出力され、駆動信号発生部２０３がその位置に対応した制御信号を出力し、電機子巻線１−１〜１−３の通電相の切替を行う。
【００１５】
誘起電圧が検出できる２回目以降の位置切替は、運転が終了するまで、転流区間検出Ｓ１５４手続きと位置切替Ｓ１５５手続きを繰り返し、電動機１をセンサレス駆動する。
【００１６】
転流区間検出手続きＳ１５４は誘起電圧検出において転流電流のため誘起電圧が検出不可能な区間を識別し、位置切替検出のためには使用しないようにするための手続きであり、位置切替Ｓ１５５手続きは誘起電圧から位置の切り替え点を判断し、更新された位置（１〜６）を出力する。駆動信号発生部２０３がその位置に対応した制御信号を出力し、電機子巻線１−１〜１−３の通電相の切替を行う。
【００１７】
次に図３に示す初期位置検出フローチャートに基づき、初期位置検出Ｓ１５１手続きの詳細について説明する。
【００１８】
本初期位置検出Ｓ１５１手続きは電動機１が回転していない、各電機子巻線（１−１〜１−３）に通電する前に実施される。まず、界磁巻線１−４に電源１の電圧を加えるＭＯＳＦＥＴ・Ｇを数ｍｓｅｃ程度の短時間（例えば２ｍｓｅｃ）オンする信号を出力する（Ｓ１１）。すると界磁巻線１−４に電圧が印加され回転子が励磁されるとＵ、Ｖ、Ｗの各相の電機子巻線１−１〜１−３に誘起電圧が誘起される。各相の電機子巻線１−１〜１−３に誘起する電圧は、界磁巻線１−４に電圧が印加された時の回転子角度によって異なり、図４に示す停止時に誘起する各相の電機子巻線の相電圧のようになる。なお、図４において、誘起電圧は１に規格化して示している。
【００１９】
これら各相の電機子巻線１−１〜１−３に誘起する誘起電圧を読み込む（Ｓ１２）。この読み込み（Ｓ１２）が終了したら、界磁巻線１−４に印加した電圧を遮断するため、ＭＯＳＦＥＴ・Ｇをオフする（Ｓ１３）。次に読み込んだ各相の誘起電圧値から回転子角度を演算する（Ｓ１４）。
【００２０】
図４に示す回転子角度とＵ、Ｖ、Ｗの各相の電機子巻線１−１〜１−３に誘起する電圧の関係があるので、例えば、Ｕ、Ｖ、Ｗ各相の誘起電圧の比率から三角関数を用い、分解能良く回転子角度を推定することも可能であるが、三角関数を用いた場合、演算が複雑で、多くの演算時間やメモリを必要とする。しかし、電動機１をパワーモジュール３による矩形波駆動のセンサレス駆動する場合には、初期角度推定は１５°程度の分解能があればよいので、表１に示す初期回転子磁極位置推定計算の関係を用いることにより、初期角度推定に必要な処理は各相の誘起電圧の大小関係と正負を判定するだけで、１２°あるいは１８°の分解能（２４分解能）で角度を堆定することができる。この簡単な表引きで初期角度が推定され、この表引きにより現在位置１〜６が決まる（Ｓ１５）。
【００２１】
【表１】

次に図５に示す１回目位置切替フローチャートに基づき、１回目位置切替Ｓ１５３手続きの詳細について説明する。
【００２２】
初期位置検出Ｓ１５１手続きにより推定した初期角度推定値（２４分解能）に基づき（Ｓ５１）、次の位置切替（通電相切替）を決めるために、初期角度推定値から次の位置切替までの時間を設定する（Ｓ５２）。位置切替は電動機１を始動してから１回目の位置切替までの時間が、初期角度推定値から次の位置切替までに回転子が移動する角度に依存することを利用する。
【００２３】
例えば、初期角度推定値が７２〜９０°と推定された場合、表１により位置は２であり、次の位置切替角度（磁極位置切替角）は１２０°である。ゆえに初期角度推定値から次の位置切替までに回転子が移動する角度は約４０°であり、表２より表引きし、次の位置切替までの時間（切替時間）を２４ｍｓｅｃと設定する。なお、表２は電動機１の特性に合わせ予め測定し、作成した後、センサレス駆動制御部２の中に記録しておく。同様に、初期角度推定値が６０〜７２°であれば、位置は同じ２であるが次の位置切替えまでの角度は約５５°であり、次の切替えまでの時間を３２ｍｓｅｃに設定する。また、初期角度推定値が０〜１２°と検出された場合には、位置が１のため、次の位置切替角度は６０°であり、次の切替えまでの角度は約５５°として、表２より表引きにより、次の切替えまでの時間を３２ｍｓｅｃとして設定する。
【００２４】
【表２】

このように本実施の形態では、表２を記憶しておけば初期角度推定値から簡単に次の切替位置までに要する時間を設定出来る。
【００２５】
次に、回転子の初期角度推定値から表２から表引きした、次の位置切替えまでの時間が来るまで、経過時間（電動機始動からの経過時間）計測Ｓ５３と切替時間到達Ｓ５４の判断を実施し、切替時間に到達したら位置を次に進め、出力する（Ｓ５５）。
【００２６】
次に図６に示す転流区間検出フローチャートに基づき、転流区間検出Ｓ１５４の手続きの詳細について説明する。転流区間検出は位置切り替えに伴う転流電流の影響で誘起電圧が読めない区間であり、誘起電圧のゼロクロス点検出を確実にするためである。
【００２７】
電動機１の各電気子巻線１−１〜１−３に電源１の電圧を加え、電動機１を駆動するために、表３に示すように位置１〜６により、パワーモジュール３のＭＯＳＦＥＴ・Ａ〜Ｆのオン／オフのスイッチング状態を切替えて電機子巻線１−１〜１−３の通電相を切り替えることが必要であり、このスイッチング状態での各電機子巻線１−１〜１−３に発生する相電圧を示したのが、図７である。図７において合成値として示している電圧は、各電機子巻線１−１〜１−３に通電していないときに発生する誘起電圧（図７に各相の電圧上に丸印で示した部分）を合成して示している。
【００２８】
【表３】

この各電機子巻線１−１〜１−３に通電していないときに発生する誘起電圧の合成した波形は概ね図８に示すような波形である。この誘起電圧は表４に示すように位置１〜６により決まる各電機子巻線１−１〜１−３に発生する相電圧（表３において誘起電圧と記載）である。
【００２９】
【表４】

図８の誘起電圧波形の中でＴ１０１〜Ｔ１０５、Ｔ１０４の区間や、Ｔ１０６〜Ｔ１１０、Ｔ１０９の区間は位置切替えに伴う転流電流の影響で誘起電圧が読めない区間であり、この区間を以下の手順で検出する。
【００３０】
まず、現在の位置を判断（Ｓ１０２）し、処理を分岐する。現在の位置が１、３、５の場合は転流電流により相電圧は正電圧となり、誘起電圧は負からゼロ方向へ増加してくる。転流区間の電圧は正となるため、変数の初期値を負の最大値にセットする（Ｓ１０３、ここでは−１２８にセット）。次に誘起電圧を読み込み変数ＮＥＷに格納する（Ｓ１０４）。今読み込んだ値が直前の値（変数ＯＬＤ２に格納されている）と等しいかどうか判断し、等しい場合は今読み込んだ値を無視し、次の誘起電圧読み込みに戻り、新たな誘起電圧を読み取る。等しくない場合は次のＳ１０６に進む。ＮＥＷ＝ＯＬＤ２を判断するのは、頂点検出を確実にするためである。Ｓ１０６では４つの変数（ＯＬＤ４、ＯＬＤ３、ＯＬＤ２、ＮＥＷ）を比較し、ＯＬＤ３が最も小さいことを判断（条件：ＯＬＤ４＞ＯＬＤ３＜ＯＬＤ２＜ＮＥＷ）し、下向きの頂点となっていないか判断する。この条件が成立していない場合にはＳ１０７にてデータを更新し、誘起電圧読み取り（Ｓ１０４）にもどる。この手順により、４個の誘起電圧読み込み値を順次更新、比較していき、例えば図８の波形において、ＯＬＤ４＝Ｔ１０５、ＯＬＤ３＝Ｔ１０４、ＯＬＤ２＝Ｔ１０３、ＮＥＷ＝Ｔ１０２のとき、Ｓ１０６の条件が成立し、Ｔ１０４（ＯＬＤ３）が頂点であることが検出できるために、転流区間の終了を認識し、本転流区間検出Ｓ１５４の手続きを終了して位置切替Ｓ１５５へ進む。
【００３１】
現在の位置が２、４、６の場合には転流電流により相電圧は負電圧となり、誘起電圧は正からゼロ方向へ減少していき、転流区間の電圧は負となるため、誘起電圧値を入力する変数の初期値を正の最大値にセットする（Ｓ２０３、ここでは１２８にセット）のと、頂点検出条件（Ｓ２０６、条件：ＯＬＤ４＜ＯＬＤ３＞ＯＬＤ２＞ＮＥＷ）が異なるのみなので、位置が１、３、５の場合と同様の処理により上向きの頂点（図８のＴ１０９）を検出する。
【００３２】
次に図９に示す位置切替フローチャートに基づき、位置切替Ｓ１５５の手続きの詳細について説明する。まず、誘起電圧を読み込む（Ｓ８１）。転流区間検出Ｓ１５４手続きにて転流区間検出が終了しているため、転流区間が終了した後の誘起電圧を読み込む。読み込まれた誘起電圧が０を超えたか、すなわちゼロクロスが成立したか、を判断する（Ｓ８２）。ゼロクロスの判断条件は、誘起電圧が正から始まった場合は負になった時点、誘起電圧が負から始まった場合は正になった時点である。条件が成立すると、位置切替タイミングであり、位置を次に進め、出力する（Ｓ８３）。
【００３３】
以上述べたごとく、本実施の形態によれば、回転子の初期角度検出によって特別な回路・検出手段を追加することなく、巻線界磁電動機をセンサレスで動作させることが可能となり、かつ、簡単な誘起電圧検出回路と制御方式により低価格の巻線界磁電動機のセンサレス駆動方式を実現できる。また、位置を検出せずに始動する方法と比べ安定した高速始動が可能となる。さらに表１からの表引きで、初期角度推定値が求められので、複雑な算術演算を使用しないため高速で処理できる。また、三角関数を用いた表を使用しないため、必要なメモリが少ないという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態の概略的な回路構成図。
【図２】本実施の形態の全体的な動作の概要を示すフローチャート。
【図３】初期位置検出フローチャート。
【図４】停止時に誘起する各相の電機子巻線の相電圧。
【図５】１回目位置切替フローチャート。
【図６】転流区間検出フローチャート。
【図７】各相の誘起電圧波形。
【図８】転流区間検出説明図。
【図９】位置切替フローチャート。
【符号の説明】
１…電動機
１−１、１−２、１−３…電機子巻線
１−４…界磁巻線

Claims

回転子に界磁巻線を備えた巻線界磁電動機の制御装置において、
前記巻線界磁電動機の始動時に前記界磁巻線に電圧を印加し、
前記巻線界磁電動機の各相の電機子巻線に誘起される電圧に基づいて前記回転子の磁極位置を検出し、
検出した前記磁極位置に基づいて前記各相の電機子巻線に電圧を印加し、
前記巻線界磁電動機の始動を行い、
前記巻線磁界電動機始動時に検出した前記磁極位置から初回磁極位置切替角を推定し、
前記巻線磁界電動機始動時に検出した前記磁極位置から前記初回磁極位置切替角までに前記回転子が移動する角度を初回回転子移動角度として推定し、
前記回転子が前記初回回転子移動角度を移動するのに要する時間を初回切替時間として推定し、
前記巻線界磁電動機始動からの経過時間が、前記初回切替時間となったとき、前記巻線界磁電動機始動後の初回の磁極位置切替を行う
ことを特徴とする巻線界磁電動機の制御装置。
前記巻線界磁電動機始動時の前記磁極位置は、前記各相の電機子巻線に前記誘起される電圧の大小関係と正負に基づいて決定することを特徴とする請求項１記載の巻線界磁電動機の制御装置。
前記各相の電機子巻線に前記誘起される電圧の大小関係および正負に対応した前記磁極位置を記憶した表を記憶し、前記各相の電機子巻線に前記誘起される電圧の大小関係および正負に基づいて前記記憶した表から表引きして前記磁極位置を決定することを特徴とする請求項２記載の巻線界磁電動機の制御装置。
前記巻線界磁電動機始動後の２回目以降の前記磁極位置切替は、前記誘起される電圧のゼロクロス点に基づいて切替えることを特徴とする請求項１、２または３記載の巻線界磁電動機の制御装置。