JP6284207B1 - 電動機の界磁位置検出方法 - Google Patents
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Abstract
Description
これにより、モータ静止状態で、三相コイルに三相センシングパルス(定電圧矩形波パルス)電圧を順次加えて測定対象相となるコイルへの通電時間を測定することで瞬時に永久磁石界磁の静止位置を特定することができる。よって、静止状態にある永久磁石界磁位置に対して120°矩形波による二相通電を行って始動することができ、簡易な駆動回路及び制御ソフトにより低コストで電動機を静止状態から閉ループ制御で始動することができる。
これにより、モータ静止状態で、三相コイルに三相センシングパルス(定電圧矩形波パルス)電圧を順次加えて測定対象相となるコイルへのピークコイル電流を測定することで瞬時に永久磁石界磁の静止位置を特定することができる。また、既存回路への組み込みが容易であり、特にコイル電流測定手段をすでに備えているモータ駆動回路の場合はプログラムの変更だけで組み込むことができる。
或いは前記制御手段は、前記ピークコイル電流値が最大となる通電パターンに隣接する通電パターンどうしの測定データを大小比較することで、最大となる通電パターンから特定される60°電気角の界磁位置情報を二分して電気角30°単位で永久磁石界磁位置を特定するようにしてもよい。
これにより、60°電気角で特定される永久磁石界磁位置情報の区間中央に二相コイルの通電時間の交点があり大小関係が反転するため、隣接する最小通電パターン若しくは最大通電パターン双方の測定データを大小比較することで電気角30°ピッチで回転子位置をより細かく判別することができる。
従来の大電流低周波数のサイン波通電に比べ本案は短時間の矩形波パルスを印可するため、電流波形は鋸波となり投入エネルギーを抑制でき、また急速にエネルギーを放出する期間を設けることとあいまって初期位置検出時間を1ms程度と大幅に短縮することができる。
センシング通電を同一相にて正方向通電・逆方向通電と連続して行うことでセンシング通電による微振動を打ち消し、それにより測定誤差が低減され高精度測定ができる。
永久磁石界磁極性によるインダクタンス変化を検出することから従来は位置検出が困難であった突極比が小さくリラクタンス変化がほとんどない表面磁石型モータやスロットレスモータでも位置検出でき、各種の幅広い範囲のセンサレスモータあるいはリニアアクチュエータについて、静止時の永久磁石界磁位置を電気角60°または電気角30°単位で特定することができる。
モータ駆動電圧に無関係に数Vの低電圧領域で測定でき、測定回路は低電圧回路で構成でき複雑な位置推定演算も不要である。よってハード・ソフトの両面からローコストな駆動回路を実現できる。
さらに始動時の低速回転域に本案を適用することでクローズドループ制御により誘起電圧を検出可能な回転数まで立ち上げる事ができる。また、過負荷あるいは停止位置にて静止した場合でも励磁を継続でき脱調を防止できる。さらに正逆回転が可能なことから従来のセンサレス駆動では不可能であった突き当て停止を含む往復運動にも使用することができる。
図8を参照して本発明に係る3相ブラシレスDCモータの一実施例を示す。一例として2極永久磁石ロータと3スロットを設けた固定子4を備えた3相ブラシレスDCモータを例示する。モータはインナーロータ型でもアウターロータ型でもいずれでもよい。また、永久磁石型界磁としては永久磁石埋め込み型(IPM型)モータや表面永久磁石型(SPM型)モータのいずれであってもよい。
始動時の駆動方式としては120°通電バイポーラ矩形波励磁を想定している。
MOTORは三相センサレスモータである。MPU51はマイクロコントローラ(制御手段)である。MPU51は、三相コイル(U,V,W)に対する6通りの通電パターンと各通電パターンに対応する120°通電の励磁切り替え区間(区間1〜区間6)を指定する界磁位置情報を記憶し、上位コントローラ50からの回転指令に応じて出力手段をスイッチング制御して励磁状態を任意に切り替える。
また、分圧回路55(REF)は、界磁極性による磁気抵抗変化を検出可能な電流閾値に対応するリファレンス電圧(電圧基準値)を発生させる。分圧回路55の出力端子は、コンパレータ54のリファレンス側入力端子に接続されている。尚、本実施例では、分圧回路に固定抵抗を用いたがD/Aコンバータを用いることもでき、任意の閾値を設定することができる。
そして、MPU51は、三相通電の6通電パターンについて到達時間測定を行い、最小の測定データから最小パターンを検出し、それに対応するあらかじめ記憶されている永久磁石界磁位置情報を回転子位置とする。
コイルに定電圧パルスを印可した時の電流は次式で上昇する。
I(t)=(L/R)・(1−e(―t・R/L))
但し、Iはコイル電流、Lはコイルインダクタンス、Rはコイル抵抗
図1にてコイルに定電圧矩形波パルスを印可したときの電流波形模式図を示す。
ここでコイル抵抗Rは一定でありピーク電流値I(t)を所定値とすれば通電開始t0からピーク電流値I(t)に到達するまでの到達時間tはインダクタンスLを反映する。或いは、パルス時間tを所定値とすれば、ピーク電流値I(t)はインダクタンスLを反映する。
表1
図2に、三相コイルに出力オフ期間を置きコイル電流ゼロ状態として上記6個の三相通電パターンを順次選択して高周波定電圧矩形波パルスを印可した時の電流波形を示す。上記センシングパルスにより回転子位置を検出する方法としては、ピーク電流値を所定の一定値としてパルス時間tを測定する第一の方法と、パルス時間tを所定の一定値としてピーク電流値を測定する第二の方法がある。
Δta=−cos2θ、−cos(2θ+π)(但しθ=界磁位置)
他の2相についてはθを+120°、−120°すれば得られる。
図3に小電流時の界磁位置に対する到達時間変化の近似値波形を示す。
Δtb=−cos2θ、−cos(2θ+π)(但しθ=界磁位置:θが0〜π/2及び3π/2〜2πはΔtb=1とする)
他の2相についてはθを+120°、−120°すれば得られる。
図4に大電流時の界磁位置に対する到達時間変化の近似値波形を示す。
図5に大電流時の到達時間変化の実測波形を示す。1°ごとに三相通電パターン6個それぞれについて所定電流までの到達時間を測定し、合計2160データをプロットしたものである。図中のアンダーバー表記は逆方向通電相を表す。本例はハードディスクドライブのスピンドルモータを測定したものであるが、リラクタンスによる変化よりも磁気抵抗変化のほうが優勢で2周期性成分はほとんど表れていない。図示しないがIPMモータあるいはスロットレスモータなど磁気抵抗変化が比較的少ないモータではリラクタンス変化による2周期性が優勢となるが、磁気抵抗変化による1周期性成分が重畳することから必ず最大値ピークは1か所となり位置検出が可能である。
図4及び図5から明らかなように、到達時間最小の通電パターンは120°通電の励磁区間である60°ピッチで切り替わる。従って到達時間最小の通電パターンが判れば一義的に回転子位置が決定でき、120°矩形波通電にて始動できる。
表2
表2を用いて回転子位置を特定する具体的な方法を説明する。
静止時に三相通電の6パターンについてそれぞれ通電し一定電流に到達する時間を測定する。通電パターンの順序は表1に準ずる。その結果例えばU−VW通電時の到達時間が最小であったとすると、表2より界磁は電気角150°〜210°の区間に位置していると判る。そして120°矩形波通電方式にてV相を正側電源に接続しW相を接地側に接続するV−W励磁を行えば回転子は正転方向に始動し、逆方向のW−V励磁を行えば回転子は逆転する。このように本案によれば極めて容易に位置検出を行うことが可能となる。
ΔIa=cos2θ、cos(2θ+π)(但しθ=界磁位置)
他の2相についてはθの値を+120°、−120°とすれば得られる。
ΔIb=cos2θ、cos(2θ+π)(但しθ=界磁位置:θが0〜π/2及び3π/2〜2πはΔIb=−1とする)
他の2相についてはθの値を+120°、−120°とすれば得られる。
図11に長い時間のパルスを印可時の電流変化の実測波形を示す。1°ごとに三相通電パターン6個それぞれについて所定時間のパルスを印可してピーク電流を測定し、合計2160データをプロットしたものである。使用したモータは図5と同じハードディスクドライブのスピンドルモータである。
静止時に三相通電の6パターンについてそれぞれ一定時間通電しピーク電流を測定する。通電パターンの順序は表1に準ずる。
その結果例えばU−VW通電時のピーク電流値が最大であったとすると、表2より界磁は150°〜210°の区間に位置していると判る。そして120°通電方式にてV相を電源+側にW相を接地側に接続するV−W励磁を行えば正転方向に始動し、逆方向のW−V励磁を行えば逆転する。
図6に第一の方法による最小通電パターンと前後区間の最小通電パターンの3波形のみを記載し残りの3波形を省略した波形を示す。界磁位置が特定されると表2から隣接する区間の最小通電パターンが判る。例えば測定の結果、W−UVパターンが最小値の場合は回転子が30°〜90°の区間に位置していることになり、前方区間電気角330°〜30°の最小通電パターンはWV−Uであり後方区間電気角90°〜150°の最小通電パターンはUW−Vである。
回転時はセンシング時間をできるだけ短くする必要があるが、上記センシング方法を用いれば静止時の6通電パターンが2通電パターンとなり、測定時間を1/3に短縮できる。測定時間はモータと駆動回路の条件により増減するが概ね300us程度である。
これにより回転方向の制約がなくなり正転・逆転いずれでも回転することが可能となる。また外力で強制的に回転している場合でも位置検出して任意の方向にトルクを発生できる。なお上記センシング方法を用いれば静止時の6パターンが3パターンとなり、測定時間を1/2に短縮することができる。
電流センサ53(電流検出手段)の出力はA/Dコンバータ57(ADC:Analog-to-Digital Converter,アナログ‐デジタル変換回路、A/Dコンバータ手段)へ送出される。A/Dコンバータ57は、電流センサ53の出力からコイル電流値を測定する。また、センシングパルスの通電時間を測定するタイマー56(TMR:タイマー手段)を設ける。タイマー56は、センシングパルスの所定通電時間の経過を測定する。A/Dコンバータ57とタイマー56は高性能なものは必要なく、低廉なMPU51に内蔵されるもので実用になる。例えば、12ビット、データアクイジョン時間1us、変換時間20us程度のADCは一般的な汎用MPUマイクロプロセッシングユニットに搭載されており本案の目的に対しては充分である。またタイマー56に関しても10MHz程度の低速のMPUクロックでも使用可能である。以上の構成により三相通電の6通電パターンについてピークコイル電流値測定を行い、最大の測定データから最大パターンを検出し、それに対応するあらかじめMPU51に記憶されている界磁位置情報を回転子位置として特定する。
Claims (6)
- 永久磁石界磁を有する回転子とスター結線された三相コイルを有する固定子を備え、定電圧直流電源を供給して120°矩形波通電により始動する電動機の界磁位置検出方法であって、
三相ハーフブリッジ型インバータ回路を介して三相コイルに通電する出力手段と、
前記三相コイルに正方向通電及び逆方向通電の合計6通りの通電パターンと各通電パターンに対応する120°通電の励磁切り替え区間を指定する界磁位置情報を記憶し、上位コントローラからの回転指令に応じて前記出力手段をスイッチング制御して励磁状態を切り替える制御手段と、
前記出力手段の接地側端子と接続し、コイル電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段により検出されたコイル電流に対応する検出電圧と界磁極性による磁気抵抗変化を検出可能な電流閾値に対応するリファレンス電圧を比較して前記コイル電流が電流閾値に到達したことを検出するコンパレータ手段と、
前記三相コイルに対するセンシング通電開始から前記コンパレータ手段により検出されるコイル電流が電流閾値に到達するまでのパルス幅時間を測定するタイマー手段と、を備え、
前記三相コイルに対するセンシング通電直前に前記出力手段の出力をすべて遮断しすべてのコイルに蓄積されたコイル蓄積エネルギーを放出させてコイル電流ゼロ状態とする期間を設ける通電オフステップと、
前記三相コイルのうち中性点で分岐のない1相通電となる相を測定対象相として、前記制御手段は6通りの通電パターンから順次一つを選択して前記出力手段から前記三相コイルにセンシング用の定電圧矩形波パルス電圧を印加し、前記電流検出手段で検出されたコイル電流が前記電流閾値に到達するまでのパルス幅時間を前記タイマー手段により測定し、測定データとして記憶する測定ステップと、
前記測定対象相に対する正方向通電パターンに続いて逆方向通電パターンを選択して通電し、残る二相についても正方向通電パターンに続いて逆方向通電パターンを選択し合計6通電パターンについてセンシング通電とパルス幅時間の測定を繰り返し、測定データとして記憶する作業を繰り返すステップと、を含み、
前記制御手段は、6通りの通電パターンに対応する通電時間の測定データのうち最小値となる通電パターンに対応する前記界磁位置情報から永久磁石界磁位置を特定することを特徴とする電動機の界磁位置検出方法。 - 前記制御手段は、前記通電時間が最小となる通電パターンに隣接する通電パターンどうしの測定データを大小比較することで、最小となる通電パターンから特定される60°電気角の界磁位置情報を二分して電気角30°単位で永久磁石界磁位置を特定する請求項1記載の電動機の界磁位置検出方法。
- 永久磁石界磁を有する回転子とスター結線された三相コイルを有する固定子を備え、定電圧直流電源を供給して120°矩形波通電により始動する電動機の界磁位置検出方法であって、
三相ハーフブリッジ型インバータ回路を介して三相コイルに通電する出力手段と、
三相コイルに正方向通電及び逆方向通電の合計6通りの通電パターンと各通電パターンに対応する120°通電の励磁切り替え区間を指定する界磁位置情報を記憶し、上位コントローラからの回転指令に応じて前記出力手段をスイッチング制御して励磁状態を切り替える制御手段と、
前記出力手段の接地側端子と接続し、コイル電流を検出する電流検出手段と、
前記三相コイルに対するセンシング通電開始から界磁極性による磁気抵抗変化を検出可能な電流値に到達するまでの所定のセンシング通電時間を測定するタイマー手段と、
前記電流検出手段の出力からコイル電流値を測定可能なA/Dコンバータ手段と、を備え、
前記三相コイルに対するセンシング通電直前に前記出力手段の出力をすべて遮断しすべてのコイルに蓄積されたコイル蓄積エネルギーを放出させてコイル電流ゼロ状態とする通電オフステップと、
前記三相コイルのうち中性点で分岐のない1相通電となる相を測定対象相として、前記制御手段は6通りの通電パターンから順次一つを選択し前記三相コイルに定電圧矩形波パルスを所定のセンシング通電時間だけ印可し、前記A/Dコンバータ手段によりセンシング通電終了直前のピークコイル電流値を測定して測定データとして記憶する測定ステップと、
前記測定対象相に対する正方向通電パターンに続いて逆方向通電パターンを選択し、残る二相についても正方向通電パターンに続いて逆方向通電パターンを選択し合計6通電パターンについて通電オフとセンシング通電によるピークコイル電流値の測定を繰り返し、各センシング通電終了直前のピークコイル電流値を測定して測定データとして記憶するステップと、
前記制御手段は、6通電パターンの測定データのうち測定値が最大となる通電パターンを選択し、最大通電パターンに対応する前記界磁位置情報から永久磁石界磁位置を特定することを特徴とする電動機の界磁位置検出方法。 - 前記制御手段は、前記ピークコイル電流値が最大となる通電パターンに隣接する通電パターンどうしの測定データを大小比較することで、最大となる通電パターンから特定される60°電気角の界磁位置情報を二分して電気角30°単位で永久磁石界磁位置を特定する請求項3記載の電動機の界磁位置検出方法。
- 永久磁石界磁を有する回転子が始動した後、現在区間及び回転方向に隣接する区間に対応する2個の通電パターンについてセンシングを行い、双方の測定データの大小比較により次に出現する励磁区間境界点を検出する請求項1乃至請求項4のうちいずれか1項記載の電動機の界磁位置検出方法。
- 永久磁石界磁を有する回転子が始動した後、現在区間及び正転方向及び逆転方向に隣接する区間に対応する3個の通電パターンについてセンシングを行い、それぞれの測定データの大小比較により次に出現する励磁区間境界点を検出し回転方向も判別する請求項1乃至請求項4のうちいずれか1項記載の電動機の界磁位置検出方法。
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