JP5972248B2

JP5972248B2 - 同期電動機の回転位相検出装置

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Publication number: JP5972248B2
Application number: JP2013237541A
Authority: JP
Inventors: 和弘西脇; 中村　亮; 亮中村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-11-18
Filing date: 2013-11-18
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2033-11-18
Also published as: JP2015100142A

Description

本発明は、同期電動機の回転位相を検出するものに係り、特に、１個の位置センサを用いて回転位相を確実かつ高速に検出することができる同期電動機の回転位相検出装置に関するものである。

位置センサを用いた同期電動機の制御装置は、複数の位置センサ信号から回転位置を所定の角度ごとに検出し、検出された角度間の位置を速度・加速度から推定して制御を行う。例えば、特許文献１には、３個の位置センサを用いた電動機の制御において、回転位置を所定の角度ごとに検出し、検出された角度間の位置を、検出した速度で補間する技術が提案されている。

また、例えば、特許文献２には、検出された角度間の位置を、推定した加速度から推定して制御を行うことで、同期電動機の反転動作時の位置推定を正確に行なう技術が提案されている。更に、例えば、特許文献３では、１個の位置センサを用いたＤＣファンモータの制御装置において、始動用励磁パターンによって停止状態から低速で始動し、始動用励磁パターンの速度と位置センサにより検出される速度が一致した後に位置センサにより検出された位置に基づく制御に切り替えることで、１個の位置センサでは検出速度に基づく位置推定が行なうことのできない停止状態から始動する技術が提案されている。

特許第４１９６６６０号公報特開２００３−３３０７６号公報特開２００６−１７４６４７号公報

しかし、これらの方法では、１個の位置センサのみを用いて同期電動機を停止状態から高速に始動させることができないという課題がある。例えば、特許文献１に開示される技術では、同期電動機の制御には３個の位置センサ信号を必要とする。
また、特許文献２は、位置センサの個数に限定はないが、洗濯機等の反転駆動を繰り返す電動機に適用されるもので、停止の状態から始動する一般的な電動機ではそのまま適用することができない。

更に、特許文献３に開示される技術は、始動用励磁パターンにより始動してから、位置センサの検出速度に基づく位相推定に切り替えるまで時間がかかるため、停止状態から高速に始動を行うことができない。また、特許文献３の技術による始動を予め行い、同期電動機を極低速回転にて余回転させておき、同期電動機の駆動指令が与えられたときに検出速度に基づく位相推定を即座に行う方法も考えられるが、待機状態においても常時余回転させる必要があるため余剰に電力を消費するという課題がある。

本発明の目的は、上記の課題に対し、同期電動機の回転位相を１個の位置センサによって確実かつ高速に検出することが出来る同期電動機の回転位相検出装置を提供することである。

本発明に係る同期電動機の回転位相検出装置は、同期電動機の回転子側に取り付けられたセンサターゲット、同期電動機の固定子側に取り付けられセンサターゲットとの周方向の相対位置関係に応じてＨまたはＬの位置センサ信号を出力する１個の位置センサ、位置センサ信号が切り替わる時間間隔から回転子の回転速度を検出する速度検出部、および位置センサ信号と回転速度とに基づき回転子の回転位相を推定する位相推定部を備えた同期電動機の回転位相検出装置において、
位相推定部は、同期電動機を所定の始動加速度で始動させた後、位置センサ信号の切り替わりが２回検出されるまでの第一期間において、位置センサ信号のＨまたはＬに対応して定まる基準位相と始動加速度を始動時から積分することで得られる補間位相との和から位相を推定する第一位相推定手段および第一期間経過後の第二期間において、切り替わった位置センサ信号に基づく基準位相と該切り替わり前に検出された回転速度を該切り替わり時から積分することで得られる補間位相との和から位相を推定する第二位相推定手段を備えたものである。

以上のように、本発明に係る同期電動機の回転位相検出装置の位相推定部は、第一位相推定手段により同期電動機の始動時から確実に位相推定が可能となり、その後、位置センサ信号の切り替わりが始動から数えて２回検出されると、速度検出値が得られるので、第二位相推定手段による速度検出値に基づく確実な位相推定動作となり、高速で確実な位相検出が可能となる。

本発明の実施の形態１における回転位相検出に係る構成を含む同期電動機の制御装置の構成図である。本発明の実施の形態１における同期電動機の制御装置の動作を説明するフローチャートである。図２のステップＳ４を担う第二位相推定手段を示す制御ブロック図である。図３の第二位相推定手段の動作を説明するタイミングチャートである。図２のステップＳ３を担う第一位相推定手段を示す制御ブロック図である。図５の第一位相推定手段の動作を説明するタイミングチャートである。本発明の実施の形態２における同期電動機の制御装置の動作を説明するフローチャートである。図７のステップＳ３を担う第一位相推定手段Ａを示す制御ブロック図である。図８の第一位相推定手段Ａの動作を説明するタイミングチャートである。本発明の実施の形態３における位置センサ２およびセンサターゲット１８を説明するための、同期電動機を軸方向から見た図である。図１０の各部を側方から見た部分断面図である。コギングトルクから安定停止点と不安定停止点を説明する図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における回転位相検出に係る構成を含む同期電動機の制御装置を説明するための構成図である。本実施の形態１では、同期電動機を電動過給機の駆動用に用いる場合を例とする。
電動過給機とは、内燃機関の出力を増加させるために過給機を電動機によって駆動する装置である。従来使用されている過給機（例えば、スーパーチャージャーやターボチャージャー）に比べて、電動過給機は電動機を高速に駆動して過給機を動作させることにより高い始動応答性を持つという特徴がある。そのため、停止状態から同期電動機を高速で始動させる必要がある。

先ず、制御装置の概要について説明する。
同期電動機１の回転子の回転位相は、１個のホールＩＣ等の位置センサ２から出力される位置センサ信号に基づき検出され、この位置センサ信号は制御部３へ送られる。制御部３では、速度検出部４において同期電動機１の速度を検出し、位相推定部５において同期電動機１の回転位相を推定してインバータ制御部６へ出力する。インバータ制御部６では、検出された速度・位相に基づいてＰＷＭ信号を生成し、インバータ７へゲート信号として出力する。
インバータ７は、ゲート信号に基づき、バッテリ８より供給される直流電力を交流電力へ変換して同期電動機１へと供給し、同期電動機１はコンプレッサ９を駆動して空気を圧縮して過給を行う。

図２は、同期電動機１の制御部３の動作、主として、その位相推定部５の動作を説明するフローチャートである。先ず、ステップＳ１では、速度検出部４により位置センサ２からの位置センサ信号が切り替わる時間間隔から後述する回転子１７の回転速度を検出して速度検出値を出力する。
但し、後述するように、同期電動機１を所定の始動速度で始動させた後、位置センサ信号の切り替わりが２回検出されるまでの第一期間では、位置センサ信号が切り替わる時間間隔自体が得られないので、この第一期間では、速度検出部４は、速度検出値＝０を出力する。

ステップＳ２では、速度検出部４からの速度検出値が０か否かを判断し、速度検出値＝０であれば（ステップＳ２でＹＥＳ）、即ち、第一期間では、後段の図５で示す第一位相推定手段により推定位相θｉを出力する（ステップＳ３）。
ステップＳ２でＮＯ、即ち、速度検出値≠０、従って、第一期間が経過して位置センサ信号が切り替わる時間間隔から速度検出値が得られる第二期間に入ると、後段の図３に示す第二位相推定手段により推定位相θｉを出力する（ステップＳ４）。
ステップＳ３またはＳ４からの推定位相θｉはインバータ制御部６に出力され、インバータ制御が実行される（ステップＳ５）。

図３は、図２のステップＳ４の動作を担う第二位相推定手段を示す制御ブロック図である。位置センサ信号がＨ／Ｌに切り替わる時間間隔から、電気角分解能１８０ｄｅｇで位相を検出することができる。
図３において、基準位相検出部１０では、位置センサ信号のＨまたはＬに対応して定まる基準位相、即ち、位置センサ信号がＨの場合はθｂａｓｅ＝１８０ｄｅｇ（π）、Ｌの場合はθｂａｓｅ＝０ｄｅｇ（０）を出力する。そして、速度検出部１１では、位置センサ信号のＨ／Ｌが切り替わるエッジ間隔を計測し、計測した時間から速度を検出する。この基準位相と検出した速度の積分値（補間位相）とを加算して速度補間を行なうことで推定位相θｉを出力することができる。

図４は、図３の第二位相推定手段の動作を説明するタイミングチャートである。検出速度ωおよび制御時刻ｔｉにおける推定位相θｉは、式（１）（２）で求められる。

ω ＝ π／（ｔ２−ｔ１）・・・（１）
θｉ＝ ω×（ｔｉ−ｔ２）＋θｂａｓｅ・・・（２）

図５は、図２のステップＳ３の動作を担う第一位相推定手段を示す制御ブロック図である。ここでは、速度検出値＝０であるので、第二位相推定手段のように検出速度に基づく速度補間を行なうことができない。
そこで、始動速度生成部１３により、同期電動機１の始動方法に応じた、加速度０、即ち、所定の一定値である始動速度を与え、この始動速度の１階積分値を加算することで始動時の位相を推定する。

図６は、図５の第一位相推定手段の動作を説明するタイミングチャートである。制御時刻ｔｉにおける推定位相θｉは、始動速度ωｓｔａｒｔを用いて式（３）で求められる。

θｉ＝ ωｓｔａｒｔ×（ｔｉ−ｔ１）＋θｂａｓｅ・・・（３）

ここでは、制御部３は、始動速度ωｓｔａｒｔを速度指令として、いわゆるフィードフォワード制御により同期電動機１を回転駆動するので、現実の速度は、始動後０から次第に上昇していくが、位相推定は、一定の速度ωｓｔａｒｔを用いて演算されるので、推定位相と位相実値との差が相対的に増大する。

時刻ｔ２に至り、位置センサ信号のＨ／Ｌの切り替わりが始動から数えて２回検出されると、速度検出値が得られるので、この時刻ｔ２以降からは、図４で説明したステップＳ４の第二位相推定手段の速度検出値に基づく確実な位相推定動作となり、特に特許文献３と比較した場合、高速な位相検出が可能となる。

以上のように、本発明の実施の形態１における同期電動機の回転位相検出装置は、始動直後の速度検出値が得られない第一期間では、第一位相推定手段により、位置センサ信号に基づく基準位相と始動速度を始動時から１階積分することで得られる補間位相との和から位相を推定し、回転子が回転し、位置センサ信号の切り替わりが２回検出され速度検出が可能になる第二期間になると、第二位相推定手段により、切り替わった位置センサ信号に基づく基準位相と該切り替わり前に検出された回転速度を該切り替わり時から１階積分することで得られる補間位相との和から位相を推定するので、始動時から確実で高速な位相検出が実現する。

実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２による同期電動機の制御装置の動作、主として、その位相推定部５の動作を説明するフローチャートである。もっとも、先の実施の形態１の図２と異なるのは、そのステップ３のみであるので、その動作を担う第一位相推定手段Ａについて以下に説明する。

図８は、その第一位相推定手段Ａを示す制御ブロック図である。ここでは、先の図２で説明したように、速度検出値＝０であるので、ステップＳ４の第二位相推定手段のように検出速度に基づく速度補間を行うことができない。
そこで、始動加速度生成部１４により、同期電動機１の始動方法に応じた、所定の始動加速度ａｃｓｔａｒｔを与え、２階積分器１５により、この始動加速度ａｃｓｔａｒｔの２階積分値を加算することで始動時の位相を推定する。

図９は、図８の第一位相推定手段Ａの動作を説明するタイミングチャートである。制御時刻ｔｉにおける推定位相θｉは、始動加速度ａｃｓｔａｒｔを用いて式（４）で求められる。

θｉ＝（１／２）・ａｃｓｔａｒｔ×（ｔｉ^２−ｔ１^２）＋θｂａｓｅ・・（４）

式（４）の右辺第１項は、式（５）に示すように、ａｃｓｔａｒｔを時刻０からｔｉまで２階積分することにより得られる。

なお、式（５）において、０からｔまで積分している部分が、加速度から速度を計算している部分に相当し、この積分結果をｔ１からｔｉまで積分している部分が、速度から補間位相を計算している部分に相当する。そして、速度から補間位相を計算する積分器の動作を位置センサ信号のエッジ入力でリセットする（積分区間を０〜ｔｉではなく、ｔ１〜ｔｉと設定する）ことで、時刻ｔ１で補間位相がゼロになるように演算している。

制御部３は、始動加速度ａｃｓｔａｒｔを加速度指令として、いわゆるフィードフォワード制御により同期電動機１を回転駆動する。

始動加速度ａｃｓｔａｒｔとしては、例えば、同期電動機１の最大トルクを電動機のイナーシャで除して得られる最大加速度に設定する。
本発明は、既述したとおり、電動過給機等への適用を対象としており、この電動過給機は、特に、始動後の目標回転数への加速性能が重視される。このため、始動加速度ａｃｓｔａｒｔとして上述した最大加速度を設定することで、始動後、位置センサ信号の切り替わりが２回発生するまでの短い期間（第一期間）であっても、速度が大きく増大し、図９から分かるように、位相推定誤差が低減し、推定位相が位相実値にかなり近接して追従している。

始動加速度ａｃｓｔａｒｔの事例として、同期電動機１の速度指令に対応して設定される加速レートを採用してもよい。加速レートとは、負荷等の条件から加速度の上限が規定されている場合、始動後、電動機の速度が、上位制御系から与えられた速度指令に到達するまでに設定される加速度のことで、この場合も、負荷を含めた駆動系で許容される最大加速度で始動するので、上述したと同様、位相推定誤差が低減するという効果がある。

図９において、時刻ｔ２に至り、位置センサ信号のＨ／Ｌの切り替わりが始動から数えて２回検出されると、先の実施の形態１で説明したように、速度検出値が得られるので、この時刻ｔ２以降からは、図７のステップＳ４の第二位相推定手段の速度検出値に基づく確実な位相推定動作となり、特に特許文献３と比較した場合、高速な位相検出が可能となる。

以上のように、本発明の実施の形態２における同期電動機の回転位相検出装置は、始動直後の速度検出値が得られない第一期間では、第一位相推定手段Ａにより、位置センサ信号に基づく基準位相と始動加速度を始動時から２階積分することで得られる補間位相との和から位相を推定し、回転子が回転し、位置センサ信号の切り替わりが２回検出され速度検出が可能になる第二期間になると、第二位相推定手段により、切り替わった位置センサ信号に基づく基準位相と該切り替わり前に検出された回転速度を該切り替わり時から１階積分することで得られる補間位相との和から位相を推定するので、始動時から確実で高速な位相検出が実現する。

実施の形態３．
図１０および図１１は、本発明の実施の形態３による同期電動機の制御装置において、回転位相検出を担う位置センサ２とセンサターゲット１８の構造・配置を説明するための構成図である。図１０は、同期電動機１に位置センサ２とセンサターゲット１８を設置した場合の軸方向から見た図を示し、図１１は側方から見た部分断面図を示す。

センサターゲット１８は、同期電動機１の回転子側に取り付けられている。位置センサ２は、固定子側に取り付けられており、センサターゲット１８との周方向の相対位置関係に応じて位置センサ信号を出力する。
具体的には、同期電動機１の回転子１７には、そのシャフト２０を介してセンサターゲット１８が設置されている。センサターゲット１８は、径方向に凹凸を持つギアトゥース型の磁性体である。
このため、センサターゲット１８は、その構成部材が少なく回転軸のバランス調整が容易で、特に電動過給機に適用する場合、その超高速回転遠心力に対して堅固で十分な強度を有するものとなる。

固定子１９に設置された位置センサ２は、磁石を有しており、センサターゲット１８との対向距離の上下変化に応じた磁束を検出し、所定の閾値と比較することでセンサターゲット１８の凹凸に応じたＨまたはＬのデジタルの位置センサ信号を出力する。

図１０に示すように、位置センサ２は、固定子１９のコイル１６のＵ相の中央部に設置し、センサターゲット１８の凹凸のエッジ部は、回転子１７のＮ極中央に位置するよう配置する場合、後段の図１２で説明するように、電気角０ｄｅｇと１８０ｄｅｇにおいて位置センサ信号のＨ／Ｌ出力が切り替わる。

なお、本実施の形態３では、例として、位置センサ２にホールＩＣを使用する場合で説明したが、凹凸を形成した磁性体のセンサターゲット１８との対向距離の変化に基づく磁気の変化量を実質的に検出できる手段であれば、位置センサとしては、例えば、ＭＲセンサや渦電流センサでもよい。

図１２は、位置センサ２の配置位置の決定方法を説明するための図で、同期電動機１における電気角とコギングトルクとの関係を示している。コギングトルクは、極数と固定子スロット数との最小公倍数を極対数で除した値の次数の成分である。
コギングトルクの振幅をＴａ、次数をＮ、電気角をθｅとすると、コギングトルクＴｃｏｇは式（６）のように表される。本実施の形態１の場合、極数４、極対数２、スロット数６のため、コギングトルクの次数Ｎ＝６である。

Ｔｃｏｇ＝Ｔａ×ｓｉｎ（Ｎ×θｅ）・・・（６）

図１２において、白角で示す所が、いわゆる不安定停止点となる。不安定停止点は、コギングトルクがゼロで、かつ、その傾きが正、即ち、式（７）が成立する位置に相当する。

Ｔｃｏｇ＝０ａｎｄｄＴｃｏｇ／ｄθｅ＞０・・・（７）

この位置では、コギングトルクがゼロで、その位置から離れようとするトルクが働くため、回転子が停止し難い不安定停止点となる。図１２の場合、電気角θｅ＝０、６０、１２０、１８０、２４０、３００ｄｅｇの６箇所がコギングトルクの磁気吸引力により停止し難い不安定停止点となる。

本発明の実施の形態３では、位置センサ信号のＨ／Ｌ信号が切り替わるときの回転子１７の回転位置が、この不安定停止点に来るように位置センサ２を設置する。
なお、図１２の下段は、位置センサ信号の波形を示し、先の図１０と対応して判るように、位置センサ２は、固定子１９のＵ相コイルの周方向中央、従って、Ｕ相コイルが巻回されるティースの中心に設置されており、位置センサ２は、センサターゲット１８の凸部と対向する時はＬレベルの信号を、凹部と対向する時はＨレベルの信号を出力する。
また、図１２の最下段には、回転子１７の磁極Ｎ（Ｓ）をその磁極の周方向中央位置に示す。

先の図２や図７のステップＳ１で説明した速度検出の動作において、電動機が停止位置から始動する場合に、例えば、位置センサ信号が切り替わる位置で、回転子が微少な往復動作をすると、位置センサは微少なパルスを出力し、この信号を受けて速度検出部は、実際には回転していないにも拘わらず、高速回転していると誤検出し始動の失敗を起こす可能性がある。

この点、この実施の形態３では、位置センサ信号の切り替わりが、不安定停止点となるよう位置センサを設置しているので、停止位置で位置センサ信号が切り替わることが回避され、たとえ、始動時に回転子が微少な往復動作をしても、上述したような始動の失敗を防止することができる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

本発明に係る同期電動機の回転位相検出装置は、１個の位置センサを用いて、簡便に、回転位相を確実高速に検出できる点で電動過給機に適用するのが適当であるが、電動過給機以外の一般の用途に使用される電動機にも広く適用でき同等の効果を奏することは勿論である。

１同期電動機、２位置センサ、３制御部、４速度検出部、５位相推定部、
１０基準位相検出部、１１速度検出部、１２積分器、１３始動速度生成部、
１４始動加速度生成部、１５２階積分器、１７回転子、１８センサターゲット、１９固定子。

Claims

同期電動機の回転子側に取り付けられたセンサターゲット、前記同期電動機の固定子側に取り付けられ前記センサターゲットとの周方向の相対位置関係に応じてＨまたはＬの位置センサ信号を出力する１個の位置センサ、前記位置センサ信号が切り替わる時間間隔から前記回転子の回転速度を検出する速度検出部、および前記位置センサ信号と前記回転速度とに基づき回転子の回転位相を推定する位相推定部を備えた同期電動機の回転位相検出装置において、
前記位相推定部は、前記同期電動機を所定の始動加速度で始動させた後、前記位置センサ信号の切り替わりが２回検出されるまでの第一期間において、前記位置センサ信号の前記ＨまたはＬに対応して定まる基準位相と前記始動加速度を前記始動時から積分することで得られる補間位相との和から位相を推定する第一位相推定手段および前記第一期間経過後の第二期間において、切り替わった前記位置センサ信号に基づく前記基準位相と該切り替わり前に検出された前記回転速度を該切り替わり時から積分することで得られる補間位相との和から位相を推定する第二位相推定手段を備えたことを特徴とする同期電動機の回転位相検出装置。
前記第一位相推定手段は、前記始動加速度を加速度０の所定の始動速度とし、前記位置センサ信号に基づく前記基準位相と前記始動速度を前記始動時から１階積分することで得られる補間位相との和から位相を推定することを特徴とする請求項１記載の同期電動機の回転位相検出装置。
前記第一位相推定手段は、前記始動加速度を前記同期電動機の最大トルクをイナーシャで除して得られる最大加速度とし、前記位置センサ信号に基づく前記基準位相と前記最大加速度を前記始動時から２階積分することで得られる補間位相との和から位相を推定することを特徴とする請求項１記載の同期電動機の回転位相検出装置。
前記第一位相推定手段は、前記始動加速度を前記同期電動機の速度指令に対応して設定される加速レートとし、前記位置センサ信号に基づく前記基準位相と前記加速レートを前記始動時から２階積分することで得られる補間位相との和から位相を推定することを特徴とする請求項１記載の同期電動機の回転位相検出装置。
前記位置センサ信号が切り替わるときの前記回転子の回転位置が、前記同期電動機に発生するコギングトルクで定まる不安定停止点となるよう前記位置センサを設置したことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の同期電動機の回転位相検出装置。