JP6080745B2

JP6080745B2 - 同期電動機の回転位相検出装置

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Publication number: JP6080745B2
Application number: JP2013237540A
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: 2017-02-15
Anticipated expiration: 2033-11-18
Also published as: JP2015100141A

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の時間間隔から演算した回転速度を利用した補間演算により推定位相を生成し、推定位相に基づいてインバータを制御する。例えば、特許文献１には、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方法が提案されている。

特開２００６−１７４６４７号公報

特許文献１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、位置センサにより検出された位置に基づく制御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１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、および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個の位置センサを備え、位置センサ信号に基づき回転子の回転速度を検出しこの回転速度と位置センサ信号とに基づき回転位相を検出するものにおいて、
位置センサ信号が切り替わるときの回転子の回転位置が、同期電動機に発生するコギングトルクで定まる安定停止点から所定の角度以上離反した位置となるよう位置センサを設置し、
コギングトルクの振幅をＴａ、コギングトルクの次数をＮ、同期電動機の停止時に働く摩擦トルクをＴｆとしたとき、所定の角度Ｘを次式
Ｘ＝{ｓｉｎ ^−１（Ｔｆ／Ｔａ）}／Ｎ
で設定し、
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、および回転速度と位置センサ信号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、
位相推定部は、同期電動機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では、位置センサ信号が切り替わるときの回転子の回転位置が、コギングトルクで定まる安定停止点から所定の角度以上離反した位置となるよう位置センサを設置したので、同期電動機の始動時、回転子が、位置センサ信号が切り替わる位置またはその近傍から始動することによる検出位相誤差の増大が防止され、１個の位置センサを用いるものであっても同期電動機の回転位相を確実かつ高速に検出することが出来る。
更に、上述したように位置センサの設置位置をより具体的に設定したので、検出位相誤差の増大が確実に防止され、また、回転子の回転位相を推定する位相推定部を、上述の第一位相推定手段と第二位相推定手段とで構成するようにしたので、位置センサ信号の切り替わりが２回検出されれば検出された回転速度に基づく位相検出が可能となり、確実で高速な位相検出が実現する。

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。図１の同期電動機１を軸方向から見た図である。図２の各部を側方から見た部分断面図である。この発明の位置センサの設置位置とコギングトルクとの関係を説明する図である。位置センサ位置の詳細を説明する図である。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６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７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６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９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。図９の第一位相推定手段の、位置センサ信号の初期値が図１０とは異なる場合の動作を説明するタイミングチャートである。位置センサ２を本来の位置からずらして設置した場合の状況を説明する図である。図１２の場合の、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における位置センサ２およびセンサターゲット１２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。本発明の実施の形態３におけるセンサターゲット１２Ａを示す斜視図である。本発明の実施の形態３における位置センサ２Ａおよびセンサターゲット１２Ａ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１６の各部を側方から見た部分断面図である。

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および図３は、図１の同期電動機１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１２の構造・配置を説明するための構成図である。図２は、同期電動機１に位置センサ２とセンサターゲット１２を設置した場合の軸方向から見た図を示し、図３は側方から見た部分断面図を示す。

センサターゲット１２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１２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１１には、そのシャフト１４を介してセンサターゲット１２が設置されている。センサターゲット１２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１２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１３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１２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１２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２に示すように、位置センサ２は、固定子１３のコイル１０のＵ相の中央部に設置し、センサターゲット１２の凹凸のエッジ部は、回転子１１のＮ極中央に位置するよう配置する場合、後段の図４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１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１２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４および図５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ある。図４は、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（１）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）・・・（１）

図４において、白丸で示す所が、いわゆる安定停止点となる。安定停止点は、コギングトルクがゼロで、かつ、その傾きが負、即ち、式（２）が成立する位置に相当する。

Ｔｃｏｇ＝０ａｎｄｄＴｃｏｇ／ｄθｅ＜０・・・（２）

この位置では、コギングトルクがゼロで、その位置を通過しても元に戻ろうとするトルクが働くため、回転子が停止しやすい安定停止点となる。図４の場合、電気角θｅ＝３０、９０、１５０、２１０、２７０、３３０ｄｅｇの６箇所がコギングトルクの磁気吸引力により停止しやすい安定停止点となる。

この発明は、同期電動機１が、この安定停止点の位置で停止しても、その位置が、位置センサ信号がＨからＬに、またはＬからＨに切り替わる位置に合致しないようにすることで、後述するような始動失敗を来すような大きな検出位相誤差の発生を未然に防止し、確実で高速の位相検出を実現するものである。

図５は、以上の観点から、位置センサ２を設置すべき位置を決定する要領を説明するものである。
図５は、電気角と回転子１１に加わる負荷トルクの関係を示している。負荷トルクＴｌは、コギングトルクＴｃｏｇと摩擦トルクＴｆとの和であり、式（３）のように表される。

Ｔｌ＝Ｔａ×ｓｉｎ（Ｎ×θｅ）＋Ｔｆ・・・（３）

図５は、摩擦トルクＴｆを含めた負荷トルクＴｌにより、停止しやすい位置（Ｔｌ＝０かつｄＴｌ／ｄθｅ＜０の位置）が、先の安定停止点から角度Ｘずれることを示している。
この角度Ｘは、図５から式（４）で表される。

Ｘ＝ {ｓｉｎ^−１（Ｔｆ／Ｔａ）}／Ｎ（０≦Ｘ＜２π／Ｎ）・・・（４）

ところで、この摩擦トルクＴｆは、実際には、Ｔｆを最大値としてその値以下にも変化し、極性も変化し得ることを考えると、停止しやすい位置は、コギングトルクで決まる安定停止点の前後Ｘの範囲内で変化し得ることになる。
そこで、図４に示すように、安定停止点前後Ｘの範囲内を位置センサ設置不可範囲とし、位置センサ２は、この不可範囲以外の位置センサ設置可能範囲に設置するようにする。
図２の構成図における場合、安定停止点から３０ｄｅｇ離した電気角０ｄｅｇ（図４では、左端に位置する）に位置センサを配置している。

なお、図４の下段は、位置センサ信号の波形を示し、先の図２と対応して判るように、位置センサ２は、固定子１３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１２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４の最下段には、回転子１１の磁極Ｎ（Ｓ）をその磁極の周方向中央位置に示す。

図６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回転子１１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９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７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７は、図６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７において、基準位相検出部１６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１８０ｄｅｇ、Ｌの場合は０ｄｅｇを出力する。そして、速度検出部１７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８は、図７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（５）（６）で求められる。

ω ＝（θ２−θ１）／（ｔ２−ｔ１）＝１８０／（ｔ２−ｔ１）・・・（５）
θｉ＝ ω×（ｔｉ−ｔ２）＋θ２・・・（６）

なお、上式において、検出速度ωは、最新の切り替わり時点（ｔ２）で得られる値、即ち、基準位相最新値θ２から基準位相前回値θ１を差し引いた（θ２−θ１）を検出時間最新値ｔ２から検出時間前回値ｔ１を差し引いた（ｔ２−ｔ１）で除した値を採用する。

図９は、図６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１９により、同期電動機１の始動方法に応じた所定の一定値である始動速度を与え、この始動速度の積分値を加算することで始動時の位相を推定する。

図１０は、図９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（７）で求められる。

θｉ＝ ωｓｔａｒｔ×（ｔｉ−ｔ１）＋θ２・・・（７）

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８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１と比較した場合、高速な位相検出が可能となる。

図１１は、始動時における位置センサ信号のレベルが図１０と異なる場合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。即ち、先の図１０では、始動時の位置センサ信号の出力はＬレベルでそのときの基準位相はθ１であるが、図１１では、始動時の位置センサ信号の出力はＨレベルで、従って、そのときの基準位相がθ２となっている点を除いて先の図１０の場合と同様である。

図１２は、比較例として示すもので、位置センサ２の設置位置に関する本願発明の要件を逸脱し、あえて、位置センサ信号の切り替わりが安定停止点近傍で生じるよう、位置センサ設置不可範囲内に位置センサ２を設置した状態を示す。
位置センサ２を本願発明本来の位置センサ設置可能範囲内に設置した図４の場合、位置センサ信号がＬレベルの区間内（０〜１８０ｄｅｇ）の安定停止点は、３０、９０、１５０ｄｅｇで、回転子１１が停止する際の安定停止点からのずれをεとすると、基準位置０ｄｅｇからの推定位相誤差は、３０±ε、９０±ε、１５０±εになる。

これに対し、位置センサ２を位置センサ設置不可範囲内の安定停止点に設置した図１２の場合、位置センサ信号がＬレベルの区間内（３０〜２１０ｄｅｇ）の安定停止点は、３０、９０、１５０、２１０ｄｅｇで、基準位置３０ｄｅｇからの推定位相誤差は、±ε、６０±ε、１２０±ε、１８０±εとなる。従って、推定位相誤差が最大１８０ｄｅｇと位置センサ信号の分解能まで大きくなる可能性がある。
これは、図１０または図１１において、始動時から時刻ｔ１に至る間での推定位相誤差が大きくなり得ることを示している。

図１３は、位置センサ信号の切り替わりが安定停止点の極近傍に位置する状態で位置センサ２が設置された結果、始動時の位相誤差が大きく、９０ｄｅｇを超え、逆トルクが印加されて回転子が逆転し、始動失敗が発生した場合を示している。

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、位置センサ信号の切り替わるときの回転子１１の回転位置が、安定停止点から、コギングトルクの振幅Ｔａ、摩擦トルクＴｆを用いた式（４）で求められる角度Ｘ以上離反した位置となるよう、位置センサ２を設置したので、用いる位置センサ２が１個であっても位相誤差の極端な増大がなく、また、位置センサ信号の切り替わりが２回検出されれば検出された回転速度に基づく位相検出が可能になり、確実で高速な位相検出が実現する。

実施の形態２．
図１４は、本発明の実施の形態２による同期電動機の回転位相検出装置における位置センサ２およびセンサターゲット１２を説明するための、同期電動機１を軸方向から見た図である。
先の図２の位置センサ２とセンサターゲット１２の配置に対し、相互の位置関係を維持したまま４５ｄｅｇずらして配置している。

以上のように、この実施の形態２の同期電動機の回転位相検出装置においても、その位置センサ２とセンサターゲット１２との相互の位置関係は先の実施の形態１の場合と同一であるので、位置センサ信号の切り替わるときの回転子１１の回転位置が、安定停止点から、先の式（４）で求められる角度Ｘ以上離反した位置となるよう、位置センサ２を設置するという条件は実施の形態１の場合と全く同様に充足しており、実施の形態１で説明したと同様の効果を奏する。

従って、上述した本発明の条件が満足されるようにしておけば、位置センサ２やセンサターゲット１２のそれぞれ固定子１３や回転子１１への取り付けに係る構造上の条件に応じて適切な取り付け位置を選択すればよい。

実施の形態３．
図１５は、本発明の実施の形態３におけるセンサターゲット１２Ａを示す斜視図である。先の実施の形態１では、ギアトゥース形のセンサターゲット１２は、径方向に凹凸を持つ形状をしていたが、図１５のように、軸方向に位置センサ２Ａとの対向距離が上下する凹凸を持つ形状としてもよい。
図１６は、位置センサ２Ａおよびセンサターゲット１２Ａを説明するための、同期電動機１を軸方向から見た図、図１７は、その各部を側方から見た部分断面図である。

図１６において、センサターゲット１２Ａのエッジは先の実施の形態１と同様に、Ｎ極・Ｓ極の中央に配置されている。また、位置センサ２Ａは、図１７に示すように、センサターゲット１２Ａの軸方向から凹凸を検出するように配置される。

以上のように、本発明の実施の形態３の同期電動機の回転位相検出装置においては、回転子１１のシャフト１４の軸方向に位置センサ２Ａを配置することにより、センサターゲット１２Ａが高速回転時の遠心力によって径方向に振動した場合においても、位置センサ２Ａとセンサターゲット１２Ａとの距離を一定に保つことができ、軸振動に対して安定した位置センサ信号を得ることができる。

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、２，２Ａ位置センサ、３制御部、４速度検出部、
５位相推定部、１１回転子、１２，１２Ａセンサターゲット、１３固定子、
１６基準位相検出部、１７速度検出部、１８積分器、１９始動速度生成部。

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、および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個の位置センサを備え、前記位置センサ信号に基づき回転子の回転速度を検出しこの回転速度と前記位置センサ信号とに基づき回転位相を検出するものにおいて、
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安定停止点から所定の角度以上離反した位置となるよう前記位置センサを設置し、
前記コギングトルクの振幅をＴａ、前記コギングトルクの次数をＮ、前記同期電動機の停止時に働く摩擦トルクをＴｆとしたとき、前記所定の角度Ｘを次式
Ｘ＝{ｓｉｎ ^−１（Ｔｆ／Ｔａ）}／Ｎ
で設定し、
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、および前記回転速度と前記位置センサ信号とに基づき前記回転子の回転位相を推定する位相推定部を備え、
前記位相推定部は、前記同期電動機を所定の始動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。
前記位置センサは、磁気を検出しその大きさに応じて前記位置センサ信号を出力する磁気センサであり、前記センサターゲットは、前記位置センサとの対向距離が電気角１８０度ごとに上下する凹凸を形成した磁性体からな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。
前記センサターゲットは、前記回転子の径方向に前記位置センサとの対向距離が上下する凹凸を形成したことを特徴とする請求項２記載の同期電動機の回転位相検出装置。
前記センサターゲットは、前記回転子の軸方向に前記位置センサとの対向距離が上下する凹凸を形成したことを特徴とする請求項２記載の同期電動機の回転位相検出装置。