JP4811145B2 - 多相電動機の回転角検出装置 - Google Patents
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Description
位置検出のための高周波電流を小さくする場合、PWM電圧出力及び電流入力の分解能及び精度を上げる必要があるが、PWM電圧出力の分解能及び精度を上げる場合にはマイコンのタイマの分解能、パワー半導体のスイッチングの遅れ・ばらつき、デッドタイム補償のずれ等により実現が難しく、電流入力での分解能及び精度を上げる場合には電流センサのS/N、マイコンのAD変換器の分解能・精度等の制限などにより実現が難しいという問題がある。従って、位置検出のための高周波電流はある程度の大きさが必要となり、音や振動、電力損失の低減が難しいという問題があった。
駆動用巻線に駆動電流を流して駆動する多相電動機の回転角検出装置であって、
前記駆動用巻線に隣接して(即ち、その近傍、例えば、駆動用巻線を収容しているスロット内に)設けられた位置検出用巻線と、
前記位置検出用巻線に前記駆動電流または電圧よりも高周波の高周波電流または電圧を供給したときに前記位置検出用巻線に流れる高周波の電流または電圧(例えば、電流ベクトル軌跡或いは電圧ベクトル軌跡)に基づき、前記多相電動機の回転角を検出する回転角検出手段(回路)と、
を具え、前記位置検出用巻線への電流供給線が、前記駆動用巻線に流れる電流を検出する電流センサを構成する鉄心に複数回巻き回されていることを特徴とする。
前記位置検出用巻線が、前記駆動用巻線の誘起電圧よりも小さい誘起電圧を持つ、
ことを特徴とする。
前記位置検出用巻線の各々が、各駆動用巻線に対して同一の位置に設けられている、
ことを特徴とする。
例えば、スロットに各駆動用巻線が収容されている場合には、位置検出用巻線を、スロット内の位置を各相で一致させる(手前なら手前で統一、奥なら奥で統一)ことで同一の位置関係にすることができる。
前記位置検出用巻線の各々が、前記駆動用巻線の各々が収容されている固定子の各スロット内において前記駆動用巻線よりもスロット開口側(例えば、スロット内において、駆動用巻線とモータ中心とを結んだ線上であって、モータ中心の側)に設けられている、
ことを特徴とする。
前記位置検出用巻線が、前記多相電動機における複数の極のうち1極のみ(例えば、3相モータであれば同じ極にあたるUVW相で1セットになる3つの駆動用巻線のみ)に設けられている、
ことを特徴とする。
前記位置検出用巻線が、互いに隣り合う固定子のスロット内に設けられている、
ことを特徴とする。
前記多相電動機が3相であり、3相のうち2相の前記位置検出用巻線への電流供給線が、これに対応する2相分の電流センサを構成する鉄心にそれぞれ複数回巻き回されており、
前記2相以外のもう1相の前記位置検出用巻線の電流供給線に、前記2相分の電流センサを構成する鉄心に複数回巻き回された各巻線に相当するインダクタンス成分を設ける(即ち、3相平衡となるように、センサ鉄心へ巻いた1つの巻線に相当するようなインダクタンスLを残りの相の電流供給線に設ける)、
(そして、前記回転角検出手段が、前記2相分の位置検出用巻線に流れる高周波電流の電流ベクトル軌跡若しくは電圧ベクトル軌跡に基づき、前記多相電動機の回転角を検出する、)
ことを特徴とする。
また、この発明の他の態様による多相電動機の回転角検出装置は、
前記位置検出用巻線に供給される前記高周波電圧に、前記位置検出用巻線に発生する誘起電圧に等しい電圧を重畳することを特徴とする。
また、この発明の他の態様による多相電動機の回転角検出装置は、
前記回転角検出手段には誘起電圧または誘起電圧によって流れる電流を除去する誘起電圧除去手段を設けたことを特徴とする。
また、この発明の他の態様による多相電動機の回転角検出装置は、
前記回転角検出手段は電圧に基づき前記多相電動機の回転角を検出するものであって、前記位置検出用巻線への電流供給線に、前記位置検出用巻線に発生する誘起電圧を除去する誘起電圧除去手段を挿置したことを特徴とする。
上述したように本発明の解決手段を装置として説明してきたが、本発明の一部はこれらに実質的に相当する方法、プログラム、プログラムを記録した記憶媒体としても実現し得るものであり、本発明の範囲にはこれらも包含されるものと理解されたい。
また、この発明の他の態様によれば、駆動用巻線より位置検出用巻線のターン数又は直列数を少なくすることなどによって誘起電圧を抑えた構成を取ることができるため、微小な電圧出力が可能である安価な汎用品の別回路で動作させることができる。
また、この発明の他の態様によれば、位置検出用の巻線が、例えばスロット内などで決まった位置に配設される構成なので、磁束の漏れの影響を無くすことができ、各相のインピーダンスがばらつかないため、位置検出性能を上げることが出来る。
また、この発明の他の態様によれば、位置検出用巻線への結線が容易であり生産性が向上する。
また、この発明の他の態様によれば、位置検出用の巻線が全極に巻かれていない構成なので、通常の電動機を製作する場合に比べた場合の追加工数を少なくできる。
さらに、この発明の他の態様によれば、位置検出用巻線に電流センサの入っていない相がある場合には、その相の電流供給線に電流センサ相当のインダクタンスLを挿入することで、インダクタンスを合わせることができるため、位置検出性能を上げることが出来る。
さらに、この発明の他の態様によれば、位置検出巻線自身の誘起電圧が回転角検出手段に与える影響を回避して、回転角を正確に検出することができる。
図1は、本発明による多相電動機の回転角検出装置の基本的な構成(実施例1)を示す図である。図に示すように、このシステムでは、高電圧の直流電源1をインバータ3によりスイッチングし、交流電圧を3相モータ7を構成する駆動巻線7aに印加する。流れる電流を電流センサ5で検出し、PI制御等で電流目標値に追従させる。この交流電圧制御を行うため、図1に示す上位コントローラは回転角検出手段11との間で3相モータ7の回転速度に関する情報を送受信する。上位コントローラから3相モータ7の目標回転速度(低周波の目標周波数)を入力される回転角検出手段11は、低電圧電源9を制御する。駆動用巻線7aに隣接して配設された位置検出用巻線7bには、低電圧電源9からの交流電圧(高周波)を印加して、後述および図10に示す関係になる微小な電流を流す。位置検出用巻線7bは、駆動巻線7aに比べてターン数を減らしており、最高回転数で制御が失陥した場合でも、高い誘起電圧が出ないため、低電圧の交流電圧を発生する回路は、安価かつ汎用品の弱電回路で構成できる。
低電圧電源9が位置検出用巻線7bに印加する高周波の交流電圧は、図12に示すような三相平衡(振幅が一定で、位相差が120[°]の三相電圧)とし、流れる電流を電流センサで検出する。あるいは低電圧電源9が位置検出用巻線7bに通電する交流電流は、図12に示すものと同様の波形および位相を持った三相平衡(振幅が一定で、位相差が120[°]の三相電流)とし、印加する電圧を電流制御を行っている場合は電圧指令値に基づいて、あるいは電流フィードバック制御を行っている場合は電圧センサで検出する。
位置検出用巻線7bの電流センサ5は駆動用巻線7aの電流センサ5に比べて、検出範囲を小さくしておく。なお、位置検出用巻線7bに電流を流して位置検出を行うのは低回転が適しており、高回転時には誘起電圧を用いた位置推定に切り替えることもできる。このように位置検出用巻線7bの電流を電流センサ5で取得し、その取得データによる電流ベクトル軌跡或いは電圧ベクトル軌跡に基づきに回転角検出手段11が、回転角を算出する。
ところで3相モータ7の停止中は、位置検出用巻線7bに誘起電圧が生じないため、電流センサ5が検出するの取得データは図13(a)に示すような高周波成分のみの電流波形となる(図を見易くするため図13には三相のうちの1相のみを表す)。
これに対し、3相モータ7の回転中は位置検出用巻線7bに誘起電圧が発生する。したがって、図12に示すような高周波成分のみからなる三相平衡電圧を印加すれば、低周波の当該誘起電圧の影響を受けてしまい、上述のように電流センサ5が検出する位置検出用巻線7bの取得データが、図13(b)に示すような高周波成分および低周波成分を重ね合わせた電流波形となってしまう(図を見易くするため図13には三相のうちの1相のみを表す)。つまり、電流センサ5の取得データは、図13(b)に複数周期分表示される低電圧電源9に由来する高周波の交流電流と、図13(b)に1周期分表示される位置検出用巻線7bの誘起電圧に由来する低周波の交流電流とを、重ね合わせた波形になる。このような図13(b)に示す高周波成分および低周波成分の重ね合わせ波形では、回転角検出手段11が3相モータ7の正確な回転角を検出できない。
そこで、低電圧電源9は、上述した誘起電圧を、上述した高周波電圧に重畳する。
この結果、電流センサ5が検出する位置検出用巻線7bの取得データは、3相モータ7の回転速度にかかわらず図13(a)に示すような高周波成分のみからなる電流波形となる。したがって、回転角検出手段11は正確な回転角を検出することができる。
なお、低電圧電源9が位置検出用巻線7bに交流電圧ではなく交流電流を電流フィードバック制御して通電する場合は、フィードバック制御による結果として上記と同様に高周波電圧に誘起電圧が重畳された電圧が印加される。この例では多相電動機として三相電動機を示しているが、三相以上の交流電動機でも同様に本発明を実現することができる。
電流センサによって得られた電流をdq軸上の電流ベクトルに変換すると、その軌跡は電動機のインダクタンスの大小によりd軸側に膨らむ。これを検出することで、位置を検出することができる。図10は、真円の電圧ベクトル軌跡と楕円の電流ベクトル軌跡とを示す図であり、図11は、真円の電流ベクトル軌跡と楕円の電圧ベクトル軌跡とを示す図である。例えば、三相平衡電圧の回転電圧をモータ(位置検出用巻線7b)に印加すると、図10(a)に示すように、二相交流座標系であるα−β座標系に交換したときに電圧ベクトル軌跡が真円の状態となる。この回転電圧は、モータを駆動する為の駆動電圧周波数に同期しない高周波の電圧であるため、この回転電圧によってモータが回転することはない。なお、このモータのようにd軸とq軸とでインダクタンスに差がある場合には、図10(b)に示すように電流ベクトル軌跡はd軸方向に膨らんだ楕円となる。本実施例ではこのような原理を用いてd軸の位相角θを求める。同様に、図11は、電圧ベクトル軌跡に基づき、d軸の位相角θを求める場合の原理を示したものである。この図11から明らかなように、三相平衡電流の回転電流をモータ(位置検出用巻線7b)に印加した際の電圧ベクトル軌跡に基づいて、d軸の位相角θを求めることも可能である。さらにまた、例えば、特開2002-191188号公報に記載されている様に、推定したd軸(γ軸)方向に高周波電流を重畳し、その際のγ軸に直行するδ軸上の電流(δ軸電流)における重畳波成分の振幅に基づいて、γ軸と実際のd軸との誤差を求めることも可能であり、これらのd軸位相角検出方法は適宜変更可能である。
N/S判定は、q軸電流は0のままd軸にある程度の大きな負の電流を流し、磁気飽和の度合いを重畳した高周波電流の大きさにより判定する。つまり、d軸電流id>0のとき磁気飽和が生じて高周波電流が大きくなる一方、id<0のときは磁気飽和が起こらず高周波電流が大きくならないといった性質を利用し、ロータ停止時にd軸にのみ電流を流して磁気飽和の有無によりN/S判定を行う(例えば、特開2001-339999号公報を参照されたい)。
以下、N/S判定の手法を詳細に説明する。図7は、d軸電流による磁気飽和を示す図である。図に示すように、高周波電流の大きさが変わるのは、磁気飽和のためである。d軸に負の電流を流すと磁石の磁束を弱めることになり磁気飽和は起こらないが、正の電流を流すと磁石の磁束を強めることになるので磁気飽和が起こる。磁気飽和が起こるとインダクタンスが下がり、振幅が等しい高周波電圧に対して流れる高周波電流が大きくなる、という仕組みである。従って、流れる高周波電流の振幅に基づいて、N/S判定を行うことができる。
図3および図4は、位置検出用巻線の設置の態様を示す図である。図3のように位置検出用巻線7bを1極対分のみ、或いは、図4のように1極分のみに巻くことができる。全極に巻く場合に比べ、製作が簡便になる。さらに、互いに隣り合うスロットに巻けば、結線が容易になるというメリットもある。
回転角検出手段11にハイパスフィルタ12を設けることにより、3相モータ7の回転角を正確に検出することができる。
3 インバータ
5 電流センサ
7 3相モータ
7a 駆動巻線
7b 位置検出用巻線
9 低電圧電源
7c 固定子
7d 開口部
5a 鉄心
9a,9b,9c 電流供給線
9aa,9bb 巻線
L インダクタンス
11 回転角検出手段
12, ハイパスフィルタ
13 低周波除去手段
Claims (10)
- 駆動用巻線に駆動電流を流して駆動する多相電動機の回転角検出装置であって、
前記駆動用巻線に隣接して設けられた位置検出用巻線と、
前記位置検出用巻線に前記駆動電流または電圧よりも高周波の高周波電流または電圧を供給したときに前記位置検出用巻線に流れる高周波の電流または電圧に基づき、前記多相電動機の回転角を検出する回転角検出手段と、
を具え、前記位置検出用巻線への電流供給線が、前記駆動用巻線に流れる電流を検出する電流センサを構成する鉄心に複数回巻き回されていることを特徴とする多相電動機の回転角検出装置。 - 請求項1に記載の多相電動機の回転角検出装置において、
前記位置検出用巻線が、前記駆動用巻線の誘起電圧よりも小さい誘起電圧を持つ、
ことを特徴とする多相電動機の回転角検出装置。 - 請求項1または2に記載の多相電動機の回転角検出装置において、
前記位置検出用巻線の各々が、各駆動用巻線に対して同一の位置に設けられている、
ことを特徴とする多相電動機の回転角検出装置。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の多相電動機の回転角検出装置において、
前記位置検出用巻線の各々が、前記駆動用巻線の各々が収容されている固定子の各スロット内において前記駆動用巻線よりもスロット開口側に設けられている、
ことを特徴とする多相電動機の回転角検出装置。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載の多相電動機の回転角検出装置において、
前記位置検出用巻線が、前記多相電動機における複数の極のうち1極のみに設けられている、
ことを特徴とする多相電動機の回転角検出装置。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載の多相電動機の回転角検出装置において、
前記位置検出用巻線が、互いに隣り合う固定子のスロット内に設けられている、
ことを特徴とする多相電動機の回転角検出装置。 - 請求項1〜6のいずれか1項に記載の多相電動機の回転角検出装置において、
前記多相電動機が3相であり、3相のうち2相の前記位置検出用巻線への電流供給線が、これに対応する2相分の電流センサを構成する鉄心にそれぞれ複数回巻き回されており、
前記2相以外のもう1相の前記位置検出用巻線の電流供給線に、前記2相分の電流センサを構成する鉄心に複数回巻き回された各巻線に相当するインダクタンス成分を設ける、
ことを特徴とする多相電動機の回転角検出装置。 - 請求項1〜7のいずれか1項に記載の多相電動機の回転角検出装置において、
前記位置検出用巻線に供給される前記高周波電圧に、前記位置検出用巻線に発生する誘起電圧に等しい電圧を重畳する、
ことを特徴とする多相電動機の回転角検出装置。 - 請求項1〜7のいずれか1項に記載の多相電動機の回転角検出装置において、
前記回転角検出手段には誘起電圧または誘起電圧によって流れる電流を除去する誘起電圧除去手段を設けた、
ことを特徴とする多相電動機の回転角検出装置。 - 請求項1〜7のいずれか1項に記載の多相電動機の回転角検出装置において、
前記回転角検出手段は電圧に基づき前記多相電動機の回転角を検出するものであって、
前記位置検出用巻線への電流供給線に、前記位置検出用巻線に発生する誘起電圧を除去する誘起電圧除去手段を挿置した、
ことを特徴とする多相電動機の回転角検出装置。
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