JP5988033B2 - 検出方法および三相永久磁石同期モータ - Google Patents

Description

本発明は、検出方法および三相永久磁石同期モータに関する。

モータの起動を精度よく行うためには、ロータの磁極と各コイルとの相対的な周方向の初期位置を検出する必要がある。このため、従来、ホールＩＣやエンコーダ等のセンサ部品を用いて、ロータの磁極の位置を検出する技術が知られている。しかしながら、これらのセンサ部品を用いると、モータの小型化や製造コストの削減が、困難となる場合がある。

また、従来、センサレスベクトル制御駆動回路を用いて、ロータの磁極位置を検出する技術が知られている。センサレスベクトル制御駆動回路は、コイルの電流や印加電圧等の情報に基づき、ロータの磁束や誘起電圧を推定演算し、ロータの磁極の位置と回転速度とを算出する。しかしながら、センサレスベクトル制御駆動回路は、モータの停止または低回転時には、精度のよい検出を行うことができない。

また、モータの起動前に、コイルへの通電によって、一旦ロータを所定の位置まで強制的に回転させる「引き込み処理」を行う場合もある。引き込み処理を行えば、ロータの磁極が所望の位置に配置される。しかしながら、引き込み処理を行う場合には、１／２の確率でモータが逆方向に回転する。また、モータに接続された負荷と電流との関係によっては、引き込み処理によってロータが振動する場合がある。そして、振動が収束しないままモータを起動させると、モータが脱調する場合がある。

また、特許第４６８４７６３号公報には、モータの静止持における回転子の位置を検出する技術が、記載されている。当該公報では、モータの負荷に交番電流を流し、当該交番電流が値αから値βに変動するまででの第１時間と、交番電流が値βからαに変動するまでの第２時間とを計測する。そして、計測された時間を用いて、静止時における回転子の位置を判定している（請求項１）。
特許第４６８４７６３号公報

しかしながら、特許第４６８４７６３号公報の方法では、交番電流の値がαまたはβに達したことを認識するために、電流の測定値と既定値とを比較するコンパレータが必要となる。したがって、モータの駆動回路を構成するマイクロコントローラが、コンパレータの機能を有していない場合には、当該機能を追加しなければならない。そうすると、回路構成が複雑化する。

本発明の目的は、電流を検出する回路を具備するセンサレスベクトル制御駆動回路において、追加のセンサ部品を必要とせず、ロータを回転させることもなく、かつ、回路構成の複雑化も抑制しながら、回転開始前におけるロータの磁極と各コイルとの間の相対的な周方向の初期位置を検出できる検出方法および三相永久磁石同期モータを提供することである。

本願の例示的な第１発明は、三相永久磁石同期モータにおいて、回転開始前におけるロータの磁極と、三相の各コイルとの間の相対的な周方向の初期位置を検出する検出方法であって、ａ）三相に対応する３つのコイルから選択されるＵＶ・ＶＷ・ＷＵの組み合わせに対して、それぞれ、一方向と他方向とにパルス電流を通電し、各パルス電流の通電開始から一定時間後の過渡電流の大きさを測定して測定値を得るステップと、ｂ）前記ステップａ）において得られた複数の過渡電流の測定値の大小関係に基づいて、前記初期位置を検出するステップと、を有し、前記ステップｂ）は、ｂ−１）各相のコイルにおいて、一方向へ流れる２つのパルス電流の過渡電流の測定値の合計と、他方向へ流れる２つのパルス電流の過渡電流の測定値の合計との差分値を取得するステップと、ｂ−２）前記ｂ−１）において取得された前記差分値に基づいて、前記初期位置を検出するステップと、を有する検出方法である。

本願の例示的な第１発明によれば、ロータの磁極とコイルとの相対位置により過渡電流の大きさが変化することを利用して、回転開始前におけるロータの磁極と、三相の各コイルとの間の相対的な周方向の初期位置を検出できる。これにより、電流を検出する回路以外のセンサ部品を必要とせず、かつ、ロータを回転させることもなく、当該初期位置を検出できる。

また、本願の例示的な第１発明によれば、過渡電流の測定値が規定値となるまでの時間ではなく、通電開始から一定時間後の過渡電流の大きさを測定する。このため、過渡電流の測定値と既定値とを比較するためのコンパレータが不要である。したがって、回路構成の複雑化を抑制できる。

図１は、ＲＬ直列回路の例を示した図である。 図２は、過渡電流の径時変化を示したグラフである。 図３は、ロータの回転角度と、ロータ磁束およびインダクタンスとの関係を示すグラフである。 図４は、過渡電流の経時変化を２つのインダクタンスで示したグラフである。 図５は、モータの構成を示した図である。 図６は、電子回路とコイルとを含む回路図である。 図７は、検出処理の流れを示すフローチャートである。 図８は、スイッチング素子に与えられるゲート信号のタイミングチャートである。 図９は、通電シーケンスを示す図である。 図１０は、ロータの初期位置と過渡電流の差分値との関係を示したグラフである。 図１１は、変形例に係る通電シーケンスを示す図である。 図１２は、変形例に係る通電シーケンスを示す図である。 図１３は、変形例に係る通電シーケンスを示す図である。

以下、本発明の例示的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。

＜１．過渡応答について＞
本実施形態のモータは、コイルにパルス電流を通電したときの過渡応答を利用して、ロータの初期位置を検出する。このため、まず、コイルの過渡応答について説明する。

モータの各コイルは、抵抗ＲとインダクタンスＬとを直列接続したＲＬ直列回路とみなすことができる。図１は、ＲＬ直列回路の例を示した図である。ＲＬ直列回路に電圧Ｖを与えると、当該回路に流れる電流は、インダクタンスＬの影響で徐々に増加する。そして、十分に時間が経過すると、回路に流れる電流が最大値Ｉ＝Ｖ／Ｒに達する。図２は、このような過渡電流の径時変化を示したグラフである。電圧Ｖの付与から時間ｔ経過後の過渡電流ｉの大きさは、次の式（１）で表される。
ｉ＝Ｖ／Ｒ｛１−ｅｘｐ（−Ｒ／Ｌ・ｔ）｝ （１）

一方、コイルのインダクタンスＬの大きさは、当該コイルとロータの磁極との相対位置によって、変化する。これは、ロータの永久磁石から発生するロータ磁束と、コイルへの通電により発生するステータ磁束との相対的な方向によって、コイルの磁芯における磁気飽和の起こりやすさが異なるためである。

図３は、ロータの回転角度と、コイルに作用するロータ磁束およびコイルのインダクタンスとの関係を示すグラフである。当該グラフの横軸は、ロータの磁極とコイルとの相対的な周方向の位置を示している。また、当該グラフの縦軸は、ロータ磁束のコイル方向の成分Φと、コイルのインダクタンスＬとを示している。

図３に示すように、ロータ磁束のコイル方向の成分Φは、ロータの回転に伴い、正弦波状に変化する。また、これによって、コイルのインダクタンスＬも、略正弦波状に変化する。コイルからＮ極およびＳ極が共に離れたとき（図３の例では、０，π，２πのとき）には、コイルのインダクタンスＬが極大となる。また、ロータのＮ極またはＳ極がコイルに最も接近したとき（図３の例では、π／２，３π／２のとき）には、コイルのインダクタンスＬが極小となる。

ただし、ロータのＮ極がコイルに最も接近したときと、ロータのＳ極がコイルに最も接近したときとでは、コイルのインダクタンスＬに差ΔＬが生じる。図３の例では、ロータのＮ極がコイルに最も接近したとき（π／２のとき）のコイルのインダクタンスＬは、ロータのＳ極がコイルに最も接近したとき（３π／２のとき）のコイルのインダクタンスよりも、小さい。コイルに流す電流の方向を逆にすれば、この大小関係は逆となる。

図４は、過渡電流の経時変化を、２つの異なるインダクタンスＬで比較したグラフである。インダクタンスＬが増加すると、上述した式（１）の時定数（Ｒ／Ｌ）が低くなる。このため、図４中の白抜き矢印Ａ１のように、過渡電流の経時変化は緩やかとなる。逆に、インダクタンスＬが低下すると、上述した式（１）の時定数（Ｒ／Ｌ）が高くなる。このため、図４中の白抜き矢印Ａ２のように、過渡電流の経時変化は急になる。

したがって、コイルにパルス電流を通電して、一定時間ｔ経過後の過渡電流の測定値ｉ１，ｉ２を取得すると、コイルのインダクタンスＬを反映した測定値が得られる。したがって、当該測定値から、ロータの磁極とコイルとの相対的な周方向の位置を検出することができる。

＜２．モータの構成について＞
図５は、本発明の一実施形態に係るモータ１の構成を示した図である。図５に示すように、本実施形態のモータ１は、電機子１０、ロータ２０、および回路基板３０を有する。

電機子１０は、磁性体からなるステータコア１１と、３つのコイル１２ｕ，１２ｖ，１２ｗとを有する。ステータコア１１は、環状のコアバック１１１と、中心軸９に対して放射状に延びる３本のティース１１２ｕ，１１２ｖ，１１２ｗとを有する。コイル１２ｕ，１２ｖ，１２ｗは、各ティース１１２ｕ，１１２ｖ，１１２ｗに巻かれた導線により構成されている。３本のティース１１２ｕ，１１２ｖ，１１２ｗおよび３つのコイル１２ｕ，１２ｖ，１２ｗは、中心軸９の周囲において、周方向に略等間隔に配列されている。

このモータ１は、三相交流を利用してロータ２０を回転させる三相永久磁石同期ブラシレスモータである。３つのコイル１２ｕ，１２ｖ，１２ｗは、三相交流のＵ相、Ｖ相、およびＷ相の各相に、それぞれ対応している。

ロータ２０は、中心軸９に対して回転可能に支持されている。ロータ２０は、周方向に配列された複数のマグネット２１を有する。ロータ２０の外周面には、Ｎ極の磁極面と、Ｓ極の磁極面とが、周方向に交互に配列されている。

回路基板３０は、コイル１２ｕ，１２ｖ，１２ｗと電気的に接続されている。回路基板３０には、コイル１２ｕ，１２ｖ，１２ｗに駆動電流を供給するための電子回路３１が、搭載されている。モータ１の駆動時には、回路基板３０からコイル１２ｕ，１２ｖ，１２ｗに、所定の順序で駆動電流が供給される。これにより、電機子１０とロータ２０との間に周方向のトルクが生じる。その結果、中心軸９を中心としてロータ２０が回転する。また、回路基板３０の当該電子回路３１は、モータ１の起動時に、後述する検出処理を実行する。

なお、図５には、ロータ２０が電機子１０より径方向内側に位置する、いわゆるインナロータ型のモータ１が示されている。しかしながら、本発明のモータは、ロータが電機子より径方向外側に位置する、いわゆるアウタロータ側のモータであってもよい。

＜３．電子回路の構成について＞
図６は、回路基板３０に搭載された電子回路３１と、モータ１の３つのコイル１２ｕ，１２ｖ，１２ｗとを含む回路図である。既述の通り、コイル１２ｕ，１２ｖ，１２ｗは、それぞれ、抵抗とインダクタンスとを直列接続したＲＬ直列回路と見なすことができる。図６に示すように、本実施形態の電子回路３１は、インバータ回路４０、マイクロコントローラ５０、および電流測定部６０を有する。

インバータ回路４０は、６つのスイッチング素子４１uh，４１ul，４１vh，４１vl，４１wh，４１wlを有している。スイッチング素子４１uh，４１vh，４１whは、電圧源４２から各コイル１２ｕ，１２ｖ，１２ｗへの通電を、それぞれ許可または禁止する。スイッチング素子４１ul，４１vl，４１wlは、各コイル１２ｕ，１２ｖ，１２ｗからアース４３への通電を、それぞれ許可または禁止する。

各スイッチング素子４１uh，４１ul，４１vh，４１vl，４１wh，４１wlは、定常時には、ドレインからソースへの通電を禁止し、ゲートにゲート信号が与えられたときにのみ、ドレインからソースへの通電を許可する。スイッチング素子４１uh，４１ul，４１vh，４１vl，４１wh，４１wlには、例えば、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を使用することができる。

スイッチング素子４１uh，４１vh，４１whの各ドレインは、電圧源４２と電気的に接続されている。スイッチング素子４１uhのソースおよびスイッチング素子４１ulのドレインは、Ｕ相のコイル１２ｕと電気的に接続されている。スイッチング素子４１vhのソースおよびスイッチング素子４１vlのドレインは、Ｖ相のコイル１２ｖと電気的に接続されている。スイッチング素子４１whのソースおよびスイッチング素子４１wlのドレインは、Ｗ相のコイル１２ｗと電気的に接続されている。また、スイッチング素子４１ul，４１vl，４１wlの各ソースは、後述するシャント抵抗６１を介して、アース４３と電気的に接続されている。

コイル１２ｕ，１２ｖ，１２ｗの他端同士は、中性点１３を介して、互いに電気的に接続されている。すなわち、本実施形態のコイル１２ｕ，１２ｖ，１２ｗは、Ｙ結線にて互いに接続されている。ただし、コイル１２ｕ，１２ｖ，１２ｗの結線方式は、Ｙ結線と等価なΔ結線であってもよい。

また、各スイッチング素子４１uh，４１ul，４１vh，４１vl，４１wh，４１wlのドレインとソースとは、ダイオード４４を介して接続されている。ダイオード４４は、ドレインからソースへの通電を禁止し、ソースからドレインへ通電を許可する。

マイクロコントローラ５０は、スイッチング素子４１uh，４１ul，４１vh，４１vl，４１wh，４１wlにゲート信号を与えることにより、コイル１２ｕ，１２ｖ，１２ｗへの通電を制御するプロセッサである。マイクロコントローラは、スイッチング素子４１uh，４１ul，４１vh，４１vl，４１wh，４１wlの各ゲートに対して、ゲート信号を出力するゲート出力部５１uh，５１ul，５１vh，５１vl，５１wh，５１wlを有する。

電流測定部６０は、シャント抵抗６１と、差動増幅器６２と、マイクロコントローラ５０内のＡ／Ｄ変換器５２とで構成されている。各コイル１２ｕ，１２ｖ，１２ｗからアース４３へ電流が流れると、シャント抵抗６１の両端に電位差が生じる。当該電位差は、差動増幅器６２により増幅され、Ａ／Ｄ変換器によりＡ／Ｄ変換されて、マイクロコントローラ５０に取り込まれる。これにより、シャント抵抗６１を通る電流の大きさが測定される。

電流測定部６０は、モータ１の駆動時には、シングルシャントベクトル制御を行うために使用される。すなわち、マイクロコントローラ５０は、シャント抵抗６１において得られた電流の測定値に基づき、各コイル１２ｕ，１２ｖ，１２ｗへの通電を制御する。また、後述する検出処理を行うときには、電流測定部６０が、シャント抵抗６１に流れる過渡電流を測定する。

このように、本実施形態では、マイクロコントローラ５０内のＡ／Ｄ変換器５２を用いて、過渡電流の大きさを測定する。このようにすれば、過渡電流の大きさを測定するためのＡ／Ｄ変換器を、マイクロコントローラ５０とは別に用意する必要がない。したがって、電子回路３１の回路構成が複雑化することを、抑制できる。

＜４．検出処理について＞
＜４−１．通電および過渡電流の測定＞
続いて、上述したモータ１において、回転開始前におけるロータ２０の磁極と、各コイル１２ｕ，１２ｖ，１２ｗとの間の相対的な周方向の初期位置を検出する処理について、説明する。図７は、当該検出処理の流れを示すフローチャートである。

ロータ２０の初期位置を検出するときには、まず、３つのコイル１２ｕ，１２ｖ，１２ｗから選択されるＵＶ・ＶＷ・ＷＵの各組み合わせに対して、それぞれ、一方向と他方向とにパルス電流を通電する。すなわち、コイル１２ｕ，１２ｖの組と、コイル１２ｖ，１２ｗの組と、コイル１２ｗ，１２ｕの組と、のそれぞれに対して、予め設定された通電シーケンスに従って、一方向と他方向とにパルス電流を通電する。そして、各パルス電流の通電開始から一定時間後の過渡電流の大きさを、電流測定部６０により測定して、測定値を得る（ステップＳ１）。

図８は、ステップＳ１において、スイッチング素子４１uh，４１ul，４１vh，４１vl，４１wh，４１wlに与えられるゲート信号のタイミングチャートである。図８には、シャント抵抗６１に流れる電流の経時変化と、過渡電流の測定のタイミングも、併せて示されている。また、図９は、３つのコイル１２ｕ，１２ｖ，１２ｗに流れるパルス電流の順序（通電シーケンス）を示す図である。

図８に示すように、ステップＳ１では、まず、マイクロコントローラ５０が、スイッチング素子４１uh，４１vlに対するゲート信号をＯＮとする。そうすると、電圧源４２から、スイッチング素子４１uh、コイル１２ｕ、中性点１３、コイル１２ｖ、スイッチング素子４１vlを通ってシャント抵抗６１へ、パルス電流が通電される。すなわち、図９に示すように、Ｕ相のコイル１２ｕから中性点１３を通ってＶ相のコイル１２ｖへ、第１パルス電流７１が流れる。

第１パルス電流７１は、コイル１２ｕ，１２ｖのインダクタンスＬに応じた過渡応答を示し、当該過渡電流ｉの大きさは、図８に示すように徐々に大きくなる。電流測定部６０は、第１パルス電流７１の通電開始から一定時間ｔ後の過渡電流ｉの大きさを測定して、測定値を得る。

過渡電流ｉの測定が終わると、マイクロコントローラ５０は、全てのスイッチング素子４１uh，４１ul，４１vh，４１vl，４１wh，４１wlに対するゲート信号を、一旦ＯＦＦとする。そうすると、コイル１２ｕ，１２ｖに残留する電流が、ダイオード４４を通って、電圧源４２側へ回生される。それにより、コイル１２ｕ，１２ｖの電流が略０Ａに戻る。このように、コイル１２ｕ，１２ｖに残留する電流を略０Ａに戻す回生処理を行えば、当該コイル１２ｕ，１２ｖにおいて次の過渡電流を、より正確に測定できる。

続いて、マイクロコントローラ５０は、スイッチング素子４１uh，４１wlに対するゲート信号をＯＮとする。そうすると、電圧源４２から、スイッチング素子４１uh、コイル１２ｕ、中性点１３、コイル１２ｗ、スイッチング素子４１wlを通ってシャント抵抗６１へ、パルス電流が通電される。すなわち、図９に示すように、Ｕ相のコイル１２ｕから中性点１３を通ってＷ相のコイル１２ｗへ、第２パルス電流７２が流れる。

第２パルス電流７２は、コイル１２ｕ，１２ｗのインダクタンスＬに応じた過渡応答を示し、当該過渡電流ｉの大きさは、図８に示すように徐々に大きくなる。電流測定部６０は、第２パルス電流７２の通電開始から一定時間ｔ後の過渡電流ｉの大きさを測定して、測定値を得る。

以下、引き続き、ゲート信号のＯＮ／ＯＦＦを行うことにより、図９のように、Ｖ相のコイル１２ｖからＷ相のコイル１２ｗへ流れる第３パルス電流７３と、Ｖ相のコイル１２ｖからＵ相のコイル１２ｕへ流れる第４パルス電流７４と、Ｗ相のコイル１２ｗからＵ相のコイル１２ｕへ流れる第５パルス電流７５と、Ｗ相のコイル１２ｗからＶ相のコイル１２ｖへ流れる第６パルス電流７６と、をこの順に通電する。そして、各パルス電流の通電開始から一定時間ｔ後の過渡電流ｉの大きさを測定する。

各パルス電流７１，７２，７３，７４，７５，７６の長さは、ロータ２０が実質的に回転しない程度の長さであることが好ましい。また、各パルス電流の通電の間には、回生処理を挟むことが好ましい。

そして、電子回路３１は、このような図９の通電シーケンスを、複数回繰り返す。その結果、複数の過渡電流ｉの測定値が得られる。得られた複数の過渡電流ｉの測定値は、図３および図４において説明したとおり、ロータ２０の磁極の位置を反映した値となっている。

＜４−２．残留磁束の相殺について＞
ここで、各パルス電流の通電後には、各コイル１２ｕ，１２ｖ，１２ｗに磁束が残る。この残留磁束は、ロータ２０から生じる磁束と同様に、過渡電流ｉの測定値に影響を与える。したがって、過渡電流ｉを正確に測定するためには、残留磁束の影響を相殺できる通電シーケンスを選択することが、好ましい。

図９の通電シーケンスでは、例えば、第３パルス電流７３は、Ｖ相のコイル１２ｖから中性点１３を通ってＷ相のコイル１２ｗへ通電される。Ｖ相のコイル１２ｖに通電される１つ前のパルス電流は、第１パルス電流７１である。その第１パルス電流７１は、Ｖ相のコイル１２ｖに対して、第３パルス電流７３と逆方向に通電される。また、Ｗ相のコイル１２ｗに通電される１つ前のパルス電流は、第２パルス電流７２である。その第２パルス電流７２は、Ｗ相のコイル１２ｗに対して、第３パルス電流７３と同方向に通電される。

したがって、第３パルス電流７３の通電直前には、Ｖ相のコイル１２ｖとＷ相のコイル１２ｗとに、逆方向の残留磁束が生じている。したがって、第３パルス電流７３の過渡電流ｉを測定する際には、Ｖ相のコイル１２ｖにおける残留磁束の影響と、Ｗ相のコイル１２ｗにおける残留磁束の影響とが、相殺される。その結果、第３パルス電流７３の過渡電流ｉを、正確に測定できる。

このように、図９の通電シーケンスでは、各パルス電流７１〜７６が、２つのコイルの一方に対して、１つ前のパルス電流と同方向に流れ、かつ、２つのコイルの他方に対して、２つ前のパルス電流と逆方向に流れる。これにより、各コイル１２ｕ，１２ｖ，１２ｗの残留磁束による磁気飽和の影響を相殺できる。その結果、各パルス電流７１〜７６の過渡電流ｉの大きさを、より正確に測定できる。

＜４−３．測定値に基づく演算処理について＞
各パルス電流７１〜７６の過渡電流ｉの大きさが測定されると、マイクロコントローラ５０は、次の式（２）に従って、過渡電流の差分値Δｉｕ，Δｉｖ，Δｉｗを算出する（ステップＳ２）。
Δｉｕ＝ｉuv＋ｉuw−ｉvu−ｉwu
Δｉｖ＝ｉvw＋ｉvu−ｉwv−ｉuv （２）
Δｉｗ＝ｉwu＋ｉwv−ｉuw−ｉvw

なお、本実施形態の式（２）では、ｉuv，ｉuw，ｉvw，ｉvu，ｉwu，ｉwvを、次のように定義している。
ｉuv：Ｕ相のコイルからＶ相のコイルへ流れる過渡電流ｉの測定値
ｉuw：Ｕ相のコイルからＷ相のコイルへ流れる過渡電流ｉの測定値
ｉvw：Ｖ相のコイルからＷ相のコイルへ流れる過渡電流ｉの測定値
ｉvu：Ｖ相のコイルからＵ相のコイルへ流れる過渡電流ｉの測定値
ｉwu：Ｗ相のコイルからＵ相のコイルへ流れる過渡電流ｉの測定値
ｉwv：Ｗ相のコイルからＶ相のコイルへ流れる過渡電流ｉの測定値

例えば、差分値Δｉｕは、Ｕ相のコイル１２ｕから他相のコイル１２ｖ，１２ｗへ流れた過渡電流の測定値を加算し、他相のコイル１２ｖ，１２ｗからＵ相のコイル１２ｕへ流れた過渡電流の測定値を減算した値である。このように、各相のコイル１２ｕ，１２ｖ，１２ｗにおいて、一方向へ流れる２つのパルス電流の過渡電流の測定値の合計と、他方向へ流れる２つのパルス電流の過渡電流の測定値の合計との差分値を取得する。

式（２）の演算を行うことで、差分値Δｉｕは、ロータ２０の磁束がＵ相のコイル１２ｕのインダクタンスに与えた影響を反映した値となる。差分値Δｉｖ，Δｉｗについても同様である。

図１０は、ロータ２０の初期位置と過渡電流の差分値Δｉｕ，Δｉｖ，Δｉｗとの関係を示したグラフである。図１０の横軸は、Ｕ相のティース１１２ｕとロータ２０のＮ極とが一致した点を０［rad］としたときのロータ２０の回転角度を示している。図１０の縦軸は、過渡電流の差分値Δｉｕ，Δｉｖ，Δｉｗを示している。

図１０のように、差分値Δｉｕ，Δｉｖ，Δｉｗは、それぞれ正弦波状に変化する。また、差分値Δｉｕ，Δｉｖ，Δｉｗは、互いに２π／３［rad］の位相差をもつ。このため、差分値Δｉｕ，Δｉｖ，Δｉｗの正負は、次の表１に示すように変化する。

マイクロコントローラ５０は、差分値Δｉｕ，Δｉｖ，Δｉｗのそれぞれの正負に基づいて、ロータ２０の初期位置を、約π／３［rad］の分解能で検出する（ステップＳ３）。約π／３［rad］の分解能でロータ２０の初期位置を検知できれば、モータ１の起動時に逆転現象が起こらないように、起動シーケンスを開始することができる。

このように、マイクロコントローラ５０は、ステップＳ１において得られた複数の過渡電流ｉの測定値の大小関係に基づいて、ロータ２０の初期位置を検出する。すなわち、ロータ２０の磁極とコイル１２ｕ，１２ｖ，１２ｗとの相対位置により過渡電流の大きさが変化することを利用して、回転開始前におけるロータ２０の磁極と、三相の各コイル１２ｕ，１２ｖ，１２ｗとの間の相対的な周方向の初期位置を検出する。これにより、ホールＩＣやエンコーダ等のセンサ部品を必要とせず、かつ、ロータ２０を回転させることもなく、当該初期位置を検出できる。ロータ２０の初期位置を検出できれば、引き込み処理が不要となり、起動時から所望のトルクを発生させるように、通電を開始させることができる。これにより、起動に失敗する確率が大幅に減少する。

また、本実施形態の検出処理では、過渡電流ｉの測定値が規定値となるまでの時間ではなく、通電開始から一定時間後の過渡電流ｉの大きさを測定する。このため、過渡電流ｉの測定値と既定値とを比較するためのコンパレータが不要である。したがって、回路構成の複雑化を抑制できる。

＜５．変形例＞
以上、本発明の例示的な実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。

図１１は、一変形例に係る通電シーケンスを示す図である。図１１の例では、Ｕ相のコイル１２ｕからＶ相のコイル１２ｖへ流れる第１パルス電流７１と、Ｗ相のコイル１２ｗからＶ相のコイル１２ｖへ流れる第２パルス電流７２と、Ｗ相のコイル１２ｗからＵ相のコイル１２ｕへ流れる第３パルス電流７３と、Ｖ相のコイル１２ｖからＵ相のコイル１２ｕへ流れる第４パルス電流７４と、Ｖ相のコイル１２ｖからＷ相のコイル１２ｗへ流れる第５パルス電流７５と、Ｕ相のコイル１２ｕからＷ相のコイル１２ｗへ流れる第６パルス電流７６と、をこの順に通電する。そして、このような通電シーケンスを、１回または複数回行う。

図１１の通電シーケンスにおいても、各パルス電流は、２つのコイルの一方に対して、１つ前のパルス電流と同方向に流れ、かつ、２つのコイルの他方に対して、２つ前のパルス電流と逆方向に流れる。したがって、各コイル１２ｕ，１２ｖ，１２ｗの残留磁束による磁気飽和の影響を相殺できる。その結果、各パルス電流７１〜７６の過渡電流ｉの大きさを、正確に測定できる。

図１２は、他の変形例に係る通電シーケンスを示す図である。図１２の例では、Ｕ相のコイル１２ｕからＶ相のコイル１２ｖへ流れる第１パルス電流７１と、Ｖ相のコイル１２ｖからＵ相のコイル１２ｕへ流れる第２パルス電流７２と、Ｖ相のコイル１２ｖからＷ相のコイル１２ｗへ流れる第３パルス電流７３と、Ｗ相のコイル１２ｗからＶ相のコイル１２ｖへ流れる第４パルス電流７４と、Ｗ相のコイル１２ｗからＵ相のコイル１２ｕへ流れる第５パルス電流７５と、Ｕ相のコイル１２ｕからＷ相のコイル１２ｗへ流れる第６パルス電流７６と、をこの順に通電する。そして、このような通電シーケンスを、１回または複数回行う。

図１２の通電シーケンスでは、例えば、第５パルス電流７５は、Ｗ相のコイル１２ｗから中性点１３を通ってＵ相のコイル１２ｕへ通電される。Ｗ相のコイル１２ｖに通電される１つ前のパルス電流は、第４パルス電流７４である。その第４パルス電流７４は、Ｗ相のコイル１２ｗに対して、第５パルス電流７５と同方向に通電される。また、Ｕ相のコイル１２ｕに通電される１つ前のパルス電流は、第２パルス電流７２である。その第２パルス電流７２は、Ｕ相のコイル１２ｕに対して、第５パルス電流７５と同方向に通電される。この場合、残留磁束の影響により、第５パルス電流７５の過渡電流ｉwuの測定値は大きくなる。

一方、第６パルス電流７６は、Ｕ相のコイル１２ｕおよびＷ相のコイル１２ｗに対して、１つ前の第５パルス電流７５と逆方向に通電される。この場合、残留磁束の影響により、第６パルス電流７６の過渡電流ｉuwの測定値は小さくなる。同様に、図１２の例では、ｉuvおよびｉvwの測定値が、残留磁束の影響により大きくなり、ｉvuおよびｉwvの測定値が、残留磁束の影響により小さくなる。

このため、式（２）の差分値Δｉｕ，Δｉｖ，Δｉｗを採れば、残留磁束の影響は相殺される。したがって、ロータ２０の初期位置を、正確に検出できる。

図１３は、他の変形例に係る通電シーケンスを示す図である。図１３の例では、Ｕ相のコイル１２ｕからＶ相のコイル１２ｖへ流れる第１パルス電流７１と、Ｖ相のコイル１２ｖからＵ相のコイル１２ｕへ流れる第２パルス電流７２と、Ｗ相のコイル１２ｗからＵ相のコイル１２ｕへ流れる第３パルス電流７３と、Ｕ相のコイル１２ｕからＷ相のコイル１２ｗへ流れる第４パルス電流７４と、Ｖ相のコイル１２ｕからＷ相のコイル１２ｗへ流れる第５パルス電流７５と、Ｗ相のコイル１２ｗからＶ相のコイル１２ｖへ流れる第６パルス電流７６と、をこの順に通電する。そして、このような通電シーケンスを、１回または複数回行う。

図１３の通電シーケンスも、図１４の通電シーケンスと同様に、第１パルス電流７１と第２パルス電流７２、第３パルス電流７３と第４パルス電流７４、第５パルス電流７５と第６パルス電流７６が、それぞれ逆方向に通電される。このため、過渡電流の測定値自体には、残留磁束の影響が大きく現れる。しかしながら、式（２）の差分値Δｉｕ，Δｉｖ，Δｉｗを採れば、残留磁束の影響は相殺される。したがって、ロータ２０の初期位置を、正確に検出できる。

上述した図９，図１１，図１２，図１３の各通電シーケンスは、それぞれ、２回以上繰り返されることが好ましい。これによって、１回目の通電シーケンスでは、一部のパルス電流について、残留磁束の影響が残っていたとしても、２回目の通電シーケンスによって、より精度の高い検出が可能となる。例えば、１回目の通電シーケンスで取得した過渡電流の測定値は、差分値Δｉｕ，Δｉｖ，Δｉｗの算出には用いず、２回目以降の通電シーケンスで取得した過渡電流の測定値を、差分値Δｉｕ，Δｉｖ，Δｉｗの算出に用いるとよい。

また、通電シーケンスを複数回繰り返せば、測定値のばらつきを抑えて、検出精度をより向上させることができる。

また、１回目の通電シーケンスを実行する前に、残留磁束の相殺のための準備通電を行ってもよい。例えば、図９および図１１の通電シーケンスでは、１回目の通電シーケンスを実行する前に、第５パルス電流７５および第６パルス電流を、この順に通電してもよい。また、図１２および図１３の通電シーケンスでは、１回目の通電シーケンスを実行する前に、第４パルス電流７４、第５パルス電流７５、および第６パルス電流７６を、この順に通電してもよい。このようにすれば、１回目の通電シーケンスにおいて、各コイル１２ｕ，１２ｖ，１２ｗの残留磁束による磁気飽和の影響を、抑制できる。

また、図９または図１１の通電シーケンスを採用する場合には、上述した式（２）に代えて、次の式（３）を用いて、過渡電流の差分値Δｉuv，Δｉvw，Δｉwuを取得してもよい。
Δｉuv＝ｉuv−ｉvu
Δｉvw＝ｉvw−ｉwv （３）
Δｉwu＝ｉwu−ｉuw

例えば、差分値ΔｉuvはＵ相のコイル１２ｕおよびＶ相のコイル１２ｖについて、一方向の過渡電流の測定値から、他方向の過渡電流の測定値を減算した値である。このように、ＵＶ・ＶＷ・ＷＵの各組み合わせについて、一方向の過渡電流の測定値と、他方向の過渡電流の測定値との差分値を取得する。取得された差分値Δｉuv，Δｉvw，Δｉwuは、図１０と同様に、互いに２π／３［rad］の位相差をもつ正弦波状の波形を示す。したがって、差分値Δｉuv，Δｉvw，Δｉwuのそれぞれの正負に基づいて、ロータ２０の初期位置を、約π／３［rad］の分解能で検出できる。

上記実施形態の図５のモータ１は、Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相のコイル１２ｕ，１２ｖ，１２ｗを１組だけ有していた。しかしながら、本発明の三相永久磁石同期モータは、Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相のコイルを、複数組有していてもよい。その場合、図１０の横軸となる回転角は、Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相のコイル１組に相当する角度を２πとしたときの電気角と考えればよい。

また、各部材の細部の形状については、本願の各図に示された形状と、相違していてもよい。また、上記の実施形態や変形例に登場した各要素を、矛盾が生じない範囲で、適宜に組み合わせてもよい。

本発明は、検出方法および三相永久磁石同期モータに利用できる。

１ モータ
９ 中心軸
１０ 電機子
１１ ステータコア
１２ｕ，１２ｖ，１２ｗ コイル
１３ 中性点
２０ ロータ
２１ マグネット
３０ 回路基板
３１ 電子回路
４０ インバータ回路
４１uh，４１ul，４１vh，４１vl，４１wh，４１wl スイッチング素子
４２ 電圧源
４３ アース
４４ ダイオード
５０ マイクロコントローラ
５１uh，５１ul，５１vh，５１vl，５１wh，５１wl ゲート出力部
５２ Ａ／Ｄ変換器
６０ 電流測定部
６１ シャント抵抗
６２ 差動増幅器
７１ 第１パルス電流
７２ 第２パルス電流
７３ 第３パルス電流
７４ 第４パルス電流
７５ 第５パルス電流
７６ 第６パルス電流
１１１ コアバック
１１２ｕ，１１２ｖ，１１２ｗ ティース

Claims (10)

1. 三相永久磁石同期モータにおいて、回転開始前におけるロータの磁極と、三相の各コイルとの間の相対的な周方向の初期位置を検出する検出方法であって、
   ａ）三相に対応する３つのコイルから選択されるＵＶ・ＶＷ・ＷＵの組み合わせに対して、それぞれ、一方向と他方向とにパルス電流を通電し、各パルス電流の通電開始から一定時間後の過渡電流の大きさを測定して測定値を得るステップと、
   ｂ）前記ステップａ）において得られた複数の過渡電流の測定値の大小関係に基づいて、前記初期位置を検出するステップと、
   を有し
   前記ステップｂ）は、
   ｂ−１）各相のコイルにおいて、一方向へ流れる２つのパルス電流の過渡電流の測定値の合計と、他方向へ流れる２つのパルス電流の過渡電流の測定値の合計との差分値を取得するステップと、
   ｂ−２）前記ｂ−１）において取得された前記差分値に基づいて、前記初期位置を検出するステップと、
   を有する検出方法。
2. 請求項１に記載の検出方法であって、
   前記ステップａ）では、
   Ｕ相のコイルからＶ相のコイルへ流れる第１パルス電流と、
   Ｕ相のコイルからＷ相のコイルへ流れる第２パルス電流と、
   Ｖ相のコイルからＷ相のコイルへ流れる第３パルス電流と、
   Ｖ相のコイルからＵ相のコイルへ流れる第４パルス電流と、
   Ｗ相のコイルからＵ相のコイルへ流れる第５パルス電流と、
   Ｗ相のコイルからＶ相のコイルへ流れる第６パルス電流と、
   をこの順に通電する通電シーケンスを、少なくとも１回行う検出方法。
3. 請求項１に記載の検出方法であって、
   前記ステップａ）では、
   Ｕ相のコイルからＶ相のコイルへ流れる第１パルス電流と、
   Ｗ相のコイルからＶ相のコイルへ流れる第２パルス電流と、
   Ｗ相のコイルからＵ相のコイルへ流れる第３パルス電流と、
   Ｖ相のコイルからＵ相のコイルへ流れる第４パルス電流と、
   Ｖ相のコイルからＷ相のコイルへ流れる第５パルス電流と、
   Ｕ相のコイルからＷ相のコイルへ流れる第６パルス電流と、
   をこの順に通電する通電シーケンスを、少なくとも１回行う検出方法。
4. 請求項１に記載の検出方法であって、
   前記ステップａ）では、
   Ｕ相のコイルからＶ相のコイルへ流れる第１パルス電流と、
   Ｖ相のコイルからＵ相のコイルへ流れる第２パルス電流と、
   Ｖ相のコイルからＷ相のコイルへ流れる第３パルス電流と、
   Ｗ相のコイルからＶ相のコイルへ流れる第４パルス電流と、
   Ｗ相のコイルからＵ相のコイルへ流れる第５パルス電流と、
   Ｕ相のコイルからＷ相のコイルへ流れる第６パルス電流と、
   をこの順に通電する通電シーケンスを、少なくとも１回行う検出方法。
5. 請求項１に記載の検出方法であって、
   前記ステップａ）では、
   Ｕ相のコイルからＶ相のコイルへ流れる第１パルス電流と、
   Ｖ相のコイルからＵ相のコイルへ流れる第２パルス電流と、
   Ｗ相のコイルからＵ相のコイルへ流れる第３パルス電流と、
   Ｕ相のコイルからＷ相のコイルへ流れる第４パルス電流と、
   Ｖ相のコイルからＷ相のコイルへ流れる第５パルス電流と、
   Ｗ相のコイルからＶ相のコイルへ流れる第６パルス電流と、
   をこの順に通電する通電シーケンスを、少なくとも１回行う検出方法。
6. 請求項２から請求項５までのいずれかに記載の検出方法であって、
   前記ステップａ）では、１回目の前記通電シーケンスを行う前に、前記第４パルス電流、前記第５パルス電流、および前記第６パルス電流を、この順に通電する準備通電を行う検出方法。
7. 請求項２から請求項６までのいずれかに記載の検出方法であって、
   前記ステップａ）では、前記通電シーケンスを、複数回行う検出方法。
8. 中心軸に対して回転可能に支持されるロータと、
   前記中心軸の周囲に配列された複数のコイルを有する電機子と、
   前記コイルと電気的に接続された回路基板と、
   を有し、
   前記回路基板は、請求項１から請求項７までのいずれかに記載の検出方法を実行する回路を有し、
   前記回路は、前記複数のコイルへの通電を制御するマイクロコントローラを含み、
   前記回路は、前記ステップａ）において、前記マイクロコントローラ内のＡ／Ｄ変換器を用いて、前記過渡電流の大きさを測定する三相永久磁石同期モータ。
9. 請求項７に記載の三相永久磁石同期モータであって、
   前記回路は、前記ステップａ）において、各パルス電流を通電した後に、前記マイクロコントローラから出力されるゲート信号をＯＦＦとする回生処理を行う三相永久磁石同期モータ。
10. 中心軸に対して回転可能に支持されるロータと、
    前記中心軸の周囲に配列された複数のコイルを有する電機子と、
    前記コイルと電気的に接続された回路基板と、
    を有し、
    前記回路基板は、請求項１に記載の検出方法を実行する回路を有し、
    前記回路は、前記ステップｂ−２）において、前記複数の前記差分値のそれぞれの正負に基づいて、前記初期位置を検出する三相永久磁石同期モータ。
    

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