JP6463183B2 - Motor control device and rotor position detection device - Google Patents
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Description
本発明は、突極性のロータと励磁巻線を伴うステータを有し、励磁電流の切り替えを行うことで回転するモータに用いるモータ制御装置及びロータ位置検出装置に関するものである。 The present invention relates to a motor control device and a rotor position detection device that are used in a motor that has a saliency rotor and a stator with excitation windings and rotates by switching excitation current.
突極性のロータと励磁巻線を伴うステータを備えるモータの一つとしてスイッチトリラクタンスモータ(以下「SRモータ」と称す。)がある。SRモータは構造が簡単であり、永久磁石を必要としないため、高速運転や高温環境での運転に適している。SRモータの回転原理は次のようになる。ステータの突極とロータの突極が対向しつつ整列した時(突極整列状態)で磁気インピーダンスが小さくなり巻線のインダクタンスが最大になる。そのため、磁束が流れにくい突極非整列状態にある突極の巻線に励磁電流が流れると、磁束が最も流れやすい突極整列状態になるようにロータが回転する。したがって、ロータの位置情報に基づいて特定の相に励磁電流を供給することで、連続的な磁気吸引力を発生させ、ロータを回転させることができる。 One of the motors having a saliency rotor and a stator with exciting windings is a switched reluctance motor (hereinafter referred to as “SR motor”). Since the SR motor has a simple structure and does not require a permanent magnet, it is suitable for high speed operation and operation in a high temperature environment. The rotation principle of the SR motor is as follows. When the salient poles of the stator and the salient poles of the rotor are aligned while facing each other (the salient pole alignment state), the magnetic impedance is reduced and the inductance of the winding is maximized. Therefore, when an exciting current flows through the salient pole windings in a salient pole non-aligned state where magnetic flux does not easily flow, the rotor rotates so that the salient pole is aligned most easily. Therefore, by supplying an exciting current to a specific phase based on the position information of the rotor, a continuous magnetic attraction force can be generated and the rotor can be rotated.
ロータの位置情報を得る手段として、従来、ロータの位置検出センサが用いられてきたが、こうしたセンサは上述した高速運転や高温環境下等の過酷な使用条件での使用には適さない。 Conventionally, a rotor position detection sensor has been used as a means for obtaining rotor position information. However, such a sensor is not suitable for use under severe operating conditions such as high-speed operation and high-temperature environments described above.
そのため、近年では、位置検出センサを用いることなくセンサレスでロータの回転位置を検出し、その検出結果に基づいて励磁電流の供給先を切り替える制御を行うモータ制御装置が提案されている。このようなモータ制御装置としては、例えば下記特許文献1に記載されているものがある。特許文献1に記載のモータ制御装置は、3組の相を有するステータを備えたSRモータに用いることを前提とし、励磁相の突極がロータの突極と対向するいわゆる突極整列状態において、これ以外の2組の非励磁相に現れる誘起電圧が等しくなることを利用し、この電圧差が所定値未満になったタイミングで励磁相を切り替えることでSRモータを駆動するものとなっている。
Therefore, in recent years, there has been proposed a motor control device that detects the rotational position of the rotor without using a position detection sensor and performs control for switching the supply destination of the excitation current based on the detection result. An example of such a motor control device is described in
しかしながら、従来より見られる多くのモータ制御装置では、モータに駆動電力を供給する電圧や電流、電流リップルの大きさによって位置を推定しており、モータ供給電流のスパイクノイズ等の様々なノイズの影響を受け、正確な位置検出を行うことができないとの問題があった。すなわち、正確な位置検出を行うことができないことにより、励磁電流の切り替えタイミングを適正化することができず、これまで以上の高速化や回転効率の向上を図ることが困難であった。 However, in many conventional motor control devices, the position is estimated based on the magnitude of voltage, current, and current ripple that supply driving power to the motor, and the influence of various noises such as spike noise of the motor supply current. As a result, there has been a problem that accurate position detection cannot be performed. That is, since accurate position detection cannot be performed, the switching timing of the excitation current cannot be optimized, and it has been difficult to achieve higher speed and higher rotation efficiency than ever.
なお、SRモータを高速回転させる場合にはインダクタンスによる電流の遅れが問題を生じることも知られており、こうした場合には励磁相を進相、すなわち励磁電流の切り替えタイミングを早くすることが適切といえることから、これを実現するためにも位置検出の精度を高めることはより重要となる。 It is also known that when the SR motor is rotated at a high speed, a delay in current due to inductance causes a problem. In such a case, it is appropriate to advance the excitation phase, that is, to accelerate the switching timing of the excitation current. Therefore, it is more important to improve the accuracy of position detection in order to realize this.
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、モータ供給電流に含まれるノイズの影響を受けることなく高い精度でロータの位置検出を行うことができ、その結果、高速化及び回転効率の向上を図るとともに、そのための解決策がモータに複雑な製造工程を要求するものとならず、S/Nの低下も回避できるようにした、モータ制御装置及びロータ位置検出装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and the object thereof is to detect the position of the rotor with high accuracy without being affected by noise included in the motor supply current. Motor control device and rotor position detection device that achieves higher speed and improved rotation efficiency, and does not require a complicated manufacturing process for the motor, and avoids a decrease in S / N. Is to provide.
本発明は、係る目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。 In order to achieve the object, the present invention takes the following means.
すなわち、本発明のモータ制御装置は、2以上の相を構成する複数の突極を備え各突極にそれぞれ励磁巻線を並列に設けたステータと、複数の突極を備え前記ステータ内に配置されたロータとを備え、励磁電流を与える相を切り替えることでロータを回転させるモータに用いるモータ制御装置であって、何れかの相の励磁巻線を誘導用巻線として利用してこの誘導用巻線に特定の電圧信号を注入する注入回路と、当該注入回路が電圧信号を注入する相若しくはその相とは異なる相の励磁巻線を誘導用巻線として利用して前記電圧信号より誘起される電流または誘起電圧からインダクタンスの検出を行う検出回路と、当該検出回路により得られたインダクタンスをもとにロータの位置を推定するロータ位置推定部とを備え、検出回路及び注入回路の少なくともいずれか一方に、前記励磁巻線を利用した誘導用巻線において前記励磁電流により誘起される電圧変化を磁気的に相殺する閉じたコアを設けるとともに、このコアを通じて誘導用巻線への特定の電圧信号の注入、または誘導用巻線からのインダクタンスの検出を行うように構成し、前記ロータ位置推定部により推定したロータ位置に基づいて励磁電流を与える相の切り替えを行うようにしたことを特徴とする。 That is, the motor control device of the present invention includes a plurality of salient poles constituting two or more phases and a stator in which excitation windings are provided in parallel on each salient pole, and a plurality of salient poles arranged in the stator. A motor control device for use in a motor that rotates a rotor by switching a phase to which an excitation current is applied, and uses the excitation winding of any phase as an induction winding. An induction circuit for injecting a specific voltage signal into the winding, and an excitation winding of the phase in which the injection circuit injects the voltage signal or a phase different from the phase is used as the induction winding, and is induced from the voltage signal. A detection circuit that detects an inductance from a current or an induced voltage, and a rotor position estimation unit that estimates a rotor position based on the inductance obtained by the detection circuit. At least one of the above is provided with a closed core that magnetically cancels a voltage change induced by the excitation current in the induction winding using the excitation winding, and through this core, the induction winding is connected to the induction winding. It is configured to inject a specific voltage signal or detect inductance from the induction winding, and to switch the phase for applying the excitation current based on the rotor position estimated by the rotor position estimation unit. It is characterized by.
このように構成すると、注入回路から誘導用巻線へ電圧信号を注入し、検出回路は誘導用巻線に現れた電磁誘導による電流または誘起電圧からインダクタンスを検出するため、検出されたインダクタンスを基にしてロータの位置を推定しつつモータを制御することが可能となる。また、検出回路及び注入回路の少なくともいずれか一方に相殺部が設けられているため、ロータを回転させるために要する励磁電流に誘起される電圧変化を相殺することで、励磁電流に起因するノイズ等の影響を小さくして検出信号の波形の乱れを抑制でき、ロータ位置検出精度を向上することが可能となる。 In this configuration, a voltage signal is injected from the injection circuit to the induction winding, and the detection circuit detects the inductance from the electromagnetic induction current or induced voltage that appears in the induction winding. Thus, the motor can be controlled while estimating the position of the rotor. In addition, since at least one of the detection circuit and the injection circuit is provided with a canceling unit, it is possible to cancel the voltage change induced by the excitation current required to rotate the rotor, thereby causing noise or the like due to the excitation current. Therefore, the disturbance of the waveform of the detection signal can be suppressed and the rotor position detection accuracy can be improved.
しかも、各相の突極に設ける誘導用巻線すなわち励磁巻線は並列でよいため、例えば誘導用巻線(励磁巻線)を直列に接続して中性点と両端を結ぶ閉回路間で電流同士をディファレンシャルチョークコイル等で相殺させる場合に比べて励磁巻線を細くでき、モータを製造容易でコスト抑制が図れるものにすることができる。さらに、コアを用いることで、励磁電流と高周波信号成分とを分離するキャパシタが不要となるため、微分要素を排してS/N比も有効に向上させることが可能となる。 Moreover, since the induction windings or excitation windings provided on the salient poles of each phase may be in parallel, for example, between the closed circuit connecting the neutral point and both ends by connecting the induction windings (excitation windings) in series. Compared with the case where the currents are canceled by a differential choke coil or the like, the excitation winding can be made thinner, and the motor can be manufactured easily and the cost can be reduced. Further, by using the core, a capacitor that separates the excitation current and the high-frequency signal component is not required, so that the differential element can be eliminated and the S / N ratio can be effectively improved.
この場合、相殺部を簡易に構成するためには、各相においてそれぞれ並列をなす誘導用巻線を前記相殺部のコアに、各誘導用巻線に流れる電流によりコア内部に逆向きの磁束を生じさせるように係わり合わせるとともに、このコアに補助巻線を通じて前記電圧信号を発生する電圧信号発生手段又はインダクタンスの検出を行うインダクタンス検出手段を磁気的に結合させていることが望ましい。 In this case, in order to easily configure the canceling unit, inductive windings that are arranged in parallel in each phase are provided in the core of the canceling unit, and a reverse magnetic flux is generated inside the core by the current flowing in each induction winding. It is desirable to engage with each other so as to generate the voltage signal generating means for generating the voltage signal or the inductance detecting means for detecting the inductance through the auxiliary winding.
前記注入回路と前記検出回路を共通化して簡易的な構成とするには、前記注入回路と前記検出回路とが共通の注入検出回路として構成されており、内部に備えるスイッチを切り替えることで前記電圧信号を発生する電圧信号発生手段又は前記インダクタンスの検出を行うインダクタンス検出手段に選択的に接続されるように構成することが有効である。 In order to make the injection circuit and the detection circuit common and to have a simple configuration, the injection circuit and the detection circuit are configured as a common injection detection circuit, and the voltage can be changed by switching a switch provided inside. It is effective to be configured to be selectively connected to voltage signal generating means for generating a signal or inductance detecting means for detecting the inductance.
また、電源からモータに供給される基準電圧が変動してもその影響を受けないようにするには、検出した誘起電圧の絶対値を得ることなく、複数を比較するのみでロータ位置を推定することが望ましく、そのためには、前記検出回路が前記注入回路とは異なる相において機能するように構成され、前記ロータ位置推定部は各検出回路より検出される誘起電圧から得られる相互インダクタンスの相違又は大小関係に基づいて、ロータの位置を推定するように構成することが好適である。 In addition, in order not to be affected even if the reference voltage supplied from the power source to the motor fluctuates, the rotor position is estimated only by comparing a plurality without obtaining the absolute value of the detected induced voltage. For this purpose, the detection circuit is configured to function in a phase different from that of the injection circuit, and the rotor position estimator is different in mutual inductance obtained from the induced voltage detected by each detection circuit or It is preferable that the configuration is such that the position of the rotor is estimated based on the magnitude relationship.
同様の趣旨で、前記検出回路が前記注入回路と同じ相において機能するように構成され、前記ロータ位置推定部は各検出回路より検出される電流から得られる自己インダクタンスの相違又は大小関係に基づいて、ロータの位置を推定するように構成しても構わない。 For the same purpose, the detection circuit is configured to function in the same phase as the injection circuit, and the rotor position estimation unit is based on the difference or magnitude relationship of the self-inductance obtained from the current detected by each detection circuit. The rotor position may be estimated.
以上説明した本発明によれば、簡易な構成でありながら、モータ供給電流に含まれるノイズの影響を受けることなく高い精度でロータの位置検出を行うことができ、その結果、高速化及び回転効率の向上を図ることを可能にするとともに、そのための解決策がモータに複雑な製造工程を要求するものとならず、S/Nの低下も回避できるようにした、新規有用なモータ制御装置及びロータ位置検出装置を提供することが可能となる。 According to the present invention described above, it is possible to detect the position of the rotor with high accuracy without being affected by noise included in the motor supply current while having a simple configuration. New and useful motor control apparatus and rotor that can improve the performance of the motor, and the solution for the motor does not require a complicated manufacturing process for the motor, and the S / N can be prevented from decreasing. A position detection device can be provided.
以下、本発明の実施形態に係るモータ制御装置を、図面を参照しつつ説明する。 Hereinafter, a motor control device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明のモータ制御装置を備えたSRモータの構成を示した簡略図である。図1に示されたSRモータ(スイッチトリラクタンスモータ)10は、内壁面に突出した6個の突極11を有するステータ12と、ステータ12の内部で回転する4個の突極13を有するロータ14とからなり、ステータ12の突極11が60度毎に、ロータ14の突極13が90度毎にそれぞれ等間隔に設置されている。そして、ステータ12の互いに対向する突極11aと11a、11bと11b、11cと11cにはそれぞれ励磁巻線15aと15a、15bと15b、15cと15cが巻回されており、励磁巻線15a、15aが巻回された突極の対11a、11aをA相、励磁巻線15b、15bが巻回された突極の対11b、11bをB相、励磁巻線15c、15cが巻回された突極の対11c、11cをC相とする3相のステータ12を構成している。各励磁巻線15a〜15cには、励磁回路28(図3参照)が接続され、選択的にA〜C相のいずれかに励磁電圧を印加することができるようになっている。
FIG. 1 is a simplified diagram showing a configuration of an SR motor provided with a motor control device of the present invention. An SR motor (switched reluctance motor) 10 shown in FIG. 1 includes a
各突極の対をなす励磁巻線15aと15a、15bと15b、15cと15は、それぞれ励磁回路28に並列に接続されている。具体的には、励磁回路28からの一対の給電経路には、第1のノードN1および第2のノードN2の先に、それぞれ対をなす励磁巻線15aと15a、15bと15b、15cと15cが並列に接続されている。
ここで、図2を用いてSRモータ10の回転原理を説明する。図2(a)はステータ12とロータ14の突極11a〜11c、13a〜13b同士が対向しておらず磁束が流れにくい突極非整列状態にあるロータ14の位置を示していて、この時点ではステータ12の励磁巻線15a、すなわちA相が励磁している。このとき、磁束が最も流れやすい突極整列状態、すなわち突極11aとロータ14の突極13aが整列するようにロータ14にトルクが生じ、ロータ14が回転する。そして、ロータ14が図2(b)に示す突極整列状態になるまで回転したタイミングで励磁させる相をB相に切り替えると、ステータ12の突極11bとロータ14の突極13bが整列するようにトルクが生じる。その後、ステータ12の突極11bとロータ14の突極13bが整列したタイミングで励磁させる相をC相に切り替えると、今度はステータ12の突極11cとロータ14の突極13aが整列するようにトルクが生じる。このように、ロータ14の位置に基づいて励磁相を切り替えることで、連続的な磁気吸引力によるトルクが発生し、SRモータ10が回転する。
Here, the principle of rotation of the
次に、図3は本実施形態に係るモータ制御装置を構成する注入検出回路22の回路図である。この図に示された回路は、特定の電圧信号としての高周波信号の注入および検出の両方に用いられる注入検出回路22であって、誘導用巻線15xおよび15y、磁性材からなる閉じたコアであるトロイダルコア18a、高周波発生手段19、電圧検出手段20、スイッチ21を有している。
Next, FIG. 3 is a circuit diagram of the
単一の注入検出回路22を構成する誘導用巻線15x、15yは、1つの相を構成する励磁巻線15a(15b、15c)、15a(15b、15c)(図1参照)と兼用されており、より簡易な構成を実現している。
The
誘導用巻線15x、15yも誘導用巻線15a、15a{(15b、15)、(15c、15c)}を利用していることから、給電経路における第1のノードおよび第2のノードに対して並列に接続された関係をなしている。
Since the
そして、A相における一対の励磁巻線15a、15a(誘導用巻線15x、15y)の各々の一端と第2のノードN2との間にトロイダルコア18aを用いた相殺部18を設け、B相、C相についても同様にトロイダルコア18aを用いた相殺部18を設けている。A相の相殺部18は、一対の励磁巻線15a、15a(誘導用巻線15x、15y)をトロイダルコア18aに対して逆方向に係わり合わせている。具体的には、一方の励磁巻線15a(誘導用巻線15x)はトロイダルコア18aの軸心方向の一方から入って他方に抜けるように、また他方の励磁巻線15a(誘導用巻線15y)はトロイダルコア18aの軸心方向の他方から入って一方に抜けるように挿し通している。B相、C相についても同様である。
A canceling
また、トロイダルコア18aには補助巻線18bが巻回してあり、高周波発生手段19から注入される高周波信号をトロイダルコア18a内で発生させる磁束を介して誘導用巻線15x、15yに注入し、あるいは誘導用巻線15x、15yに現れる誘起電圧をトロイダルコア内に発生する磁束を介してインダクタンス検出手段である電圧検出手段20で検出するように構成されている。
An auxiliary winding 18b is wound around the
そして、3つの前記注入検出回路22がA相、B相、C相のそれぞれに接続され、3相のうち励磁している相が注入回路23、残りの励磁していない2相が検出回路24として動作して、スイッチ21が作動することで注入回路23と検出回路24の何れかが入れ替わるようにしている。
The three
図4は、本発明の実施形態に係るモータ制御装置のブロック図を示している。ロータ位置推定部25は、A相注入検出回路22a、B相注入検出回路22b、C相注入検出回路22cのいずれか2つの回路で検出された検出電圧をもとにロータ位置を推定し、ロータ14(図2参照)が突極整列状態に到達したタイミングで、注入検出切替部27および励磁相切替部26に切替信号を送信する。そして注入検出切替部27は切替信号を受けて注入検出回路22のスイッチ21(図3参照)を動作させ、注入回路23と検出回路24のいずれか1つの機能を選択して切り替える。励磁相切替部26は、切替信号を受けて励磁回路28より励磁電圧を与える相を切り替える。
FIG. 4 shows a block diagram of the motor control device according to the embodiment of the present invention. The rotor
そして、本実施形態では、注入回路23と接続して高周波信号を注入される相と励磁される相を同一となるようにしている(図6参照)。高周波発生手段19は、励磁電流よりも十分に高い周波数の高周波信号を生成する。
And in this embodiment, it connects with the injection | pouring
次に、上記の実施形態を採ったときの作用を説明する。 Next, an operation when the above embodiment is adopted will be described.
注入検出回路22が注入回路23として機能する場合、高周波発生手段19によって発生する高周波信号は補助巻線18bが巻かれたトロイダルコア18a内に磁束を発生させ、これによって誘導用巻線15x、15yとトロイダルコア18aとの磁気的結合部を通じて、図中矢印Vで示すように各々の励磁巻線15a、15bに高周波信号を重畳させる。逆に、注入検出回路22が検出回路24として機能する場合、誘導用巻線15x、15yに誘起された電流は、同じく矢印V(実線と破線があるのは交流のため)で示すようにトロイダルコア18aとの磁気的結合部を通じて、電圧検出手段20に誘起電圧として検出される。検出時の誘導用巻線15xの電流と誘導用巻線15yの電流とは、ノードN1、N2においてそれぞれ矢印Vで示すように流入、流出の関係にあり打ち消し合うので、励磁回路28を通ることが回避もしくは低減される。注入時の高周波信号も同様、ノードN1、N2で消失して励磁回路28を通ることが回避もしくは低減される。
When the
このため、注入した高周波信号は損失なく巻線15x、15yに供給され、巻線15x、15yで発生した誘起電圧は損失なく検出されることになる。
Therefore, the injected high frequency signal is supplied to the
一方、励磁回路28から出力したモータ駆動用の励磁電流I0は、ノードN1、N2の先に並列接続した励磁巻線15aと15a(15bと15b、15cと15c)ではそれぞれI1、I2の電流となる。並列接続する2つの励磁巻線の特性をそろえることで、I1とI2はほぼ同じ値となる。
On the other hand, the excitation current I0 for driving the motor output from the
I1とI2はトロイダルコア18aにそれぞれ磁束φ1とφ2を発生させるが、トロイダルコア18aに対して逆方向に流れるため、φ1とφ2は互いに打ち消し合う。I1=I2であれば、φ1+φ2=0となり、トロイダルコア18aには磁束が発生しない。
I1 and I2 generate magnetic fluxes φ1 and φ2 in the
このため、励磁電流が高周波発生手段19より注入する高周波信号に影響を及ぼすことが回避され、また、電圧検出手段20が検出する誘起電圧に影響を及ぼすことも回避される。 For this reason, it is avoided that the excitation current affects the high-frequency signal injected from the high-frequency generation means 19, and the influence of the induced voltage detected by the voltage detection means 20 is also avoided.
以上のことから、注入回路23や検出回路24は、巻線15x、15yに供給されている励磁電圧やスイッチングに起因するノイズの影響を低減しつつ、巻線15x、15yに対して高周波信号を与えることができ、また巻線15x、15yに誘起される電圧を取り出すことができる。すなわち、励磁電圧の切り替えに伴って発生するスパイクノイズや、励磁電圧そのものに加わる電圧変動等による高周波信号や誘起電圧への影響を抑制することができる。
From the above, the
次に、図6〜8を用いてロータ位置推定部25の動作を説明する。
Next, operation | movement of the rotor
まず、図6に示すように、A相が励磁している場合を状態1として考える。このとき、A相の回路はスイッチ21によって高周波発生手段19に接続され、B相およびC相の回路はスイッチ21によって電圧検出手段20に接続されている。すなわち、A相が励磁しているとき、A相に接続された注入検出回路22は注入回路23として動作してA相に高周波信号が注入され、B相、C相に接続された注入検出回路22は検出回路24として動作する。このとき、検出手段24の電圧検出手段20によって検出されたB相、C相に誘起されている高周波信号は、ロータ位置推定部25を構成する比較器29によって、振幅の大きさが一致したかどうかを判定される。そして、ロータ14が回転して2つの高周波信号が一致した時、A相の突極11aとロータ14の突極13aまたは13bが整列した突極整列状態に達したと判断する。
First, as shown in FIG. 6, a case where the phase A is excited is considered as
このことについて、図1を参照しつつ図5のグラフを用いて詳述する。図5のグラフはある回転位置を基準としてロータ角を変化させた場合の、A相巻線15a、15aに生じる自己インダクタンスLa、A相とB相との間に生じる相互インダクタンスMab、及び、A相とC相との間に生じる相互インダクタンスMacの値の解析例を示している。なお、相互インダクタンスMab、Macは、検出した誘起電圧を基にして得られたものであり、電圧検出手段20で検出した相互インダクタンスと誘起電圧の変化はほとんど同一のものとなる。グラフ上でロータ角が90度付近、直線ls上にある値を見ると、A相巻線15a、15aの自己インダクタンス値Laは最大値をとり、A相とB相の間の相互インダクタンス値Mabと、A相とC相との間の相互インダクタンス値Macは等しくなっている。これはステータ12およびロータ14の対称性によるものである。そして、この性質を利用することで、B相、C相に誘起されている高周波信号が一致した時が突極整列状態であると判断しているのである。
This will be described in detail using the graph of FIG. 5 with reference to FIG. The graph of FIG. 5 shows the self-inductance La generated in the
そして、B相とC相の電圧検出手段20で検出された電圧の振幅の大きさ(xおよびy)が異なる間、状態1を保持していたロータ位置推定部25は、ロータ14の位置が突極整列状態に達したと判断される、すなわち図6においてx=y、z=1となった時、励磁する相をB相に切り替える(状態1→状態2)。B相が励磁されている時(図7の状態2)、C相が励磁されている時(図8の状態3)においても同様であり、各状態において2つの非励磁相で検出された電圧の振幅の大きさが等しくなるタイミングで次の状態に変化する構成となっている。
Then, while the magnitudes of the amplitudes (x and y) of the voltages detected by the B-phase and C-phase voltage detection means 20 are different, the rotor
この後、B相が励磁している間はA相、C相が検出回路24として動作し、ロータ位置推定部25を構成する比較器29は上記A相が励磁している場合と同様にロータ位置を推定する。このようにして、励磁する相と高周波信号を注入する相を同期して順に切り替えていくことで、ロータ14の位置を推定しつつロータ14を回転させ、モータをセンサレスで駆動させることができる。このように比較器29を用いてロータ位置の推定を行うように構成することで、高度な演算を伴うことのない簡易な構成としながら高速にロータ位置の検出を行うことが可能となる。
Thereafter, while the B phase is energized, the A phase and the C phase operate as the
以上のように、本実施形態のモータ制御装置は、2以上の相を構成する複数の突極11を備え各突極11にそれぞれ励磁巻線15a〜15cを設けたステータ12と、複数の突極13を備え前記ステータ12内に配置されたロータ14とを備え、励磁電流を与える相を切り替えることでロータ14を回転させるモータ10に用いるモータ制御装置であって、何れかの相の励磁巻線15a、15aを誘導用巻線15x、15yとして利用してこの誘導用巻線15x、15yに特定の電圧信号を注入する注入回路23と、当該注入回路23が電圧信号を注入する相とは異なる相の誘導用巻線15b、15b、15c、15cを誘導用巻線15x、15yとして利用して前記電圧信号より誘起される誘起電圧からインダクタンスの検出を行う検出回路24と、当該検出回路24により得られたインダクタンスをもとにロータ14の位置を推定するロータ位置推定部25とを備え、検出回路24及び注入回路23に、励磁巻線15a、15b、15cを利用した誘導用巻線15x、15yにおいて前記励磁電流により誘起される電圧変化を閉じたコア18aにおいて磁気的に相殺する相殺部18を設けるとともに、この相殺部18を通じて誘導用巻線15x、15yへの特定の電圧信号の注入、または誘導用巻線15x、15yからのインダクタンスの検出を行うように構成し、前記ロータ位置推定部25により推定したロータ位置に基づいて励磁電流を与える相の切り替えを行うように構成したものである。
As described above, the motor control device of the present embodiment includes the
このように構成しているため、注入回路23から誘導用巻線15aへ電圧信号を注入し、検出回路24が誘導用巻線15b、15cに現れた電磁誘導による誘起電圧からインダクタンスを検出することによって、検出されたインダクタンスを基にしてロータ14の位置を推定しつつモータを制御することが可能となる。また、検出回路24及び注入回路23に相殺部18が設けられているため、ロータ14を回転させるために要する励磁電流により誘起される電圧変化を相殺することで、励磁電流に起因するノイズの影響を小さくして電圧波形の乱れを抑制でき、ロータ位置検出精度を向上することが可能となることから、より適切なタイミングでの励磁電流の切り替えを可能としてモータの高速化及び回転効率の向上を実現することが可能となる。
With this configuration, a voltage signal is injected from the
しかも、各相の突極11に設ける誘導用巻線15x、15yすなわち励磁巻線15a、15a{(15b、15b)、(15c、15c)}は並列でよいため、例えば誘導用巻線15x、15yすなわち励磁巻線15a、15a{(15b、15b)、(15c、15c)}を直列に接続して中性点と両端を結ぶ閉回路間で電流同士をディファレンシャルチョークコイル等で相殺させるように構成する場合等に比べて、励磁巻線15a、15b、15cを細くでき、自動巻きを可能にするなどモータを製造容易でコスト抑制が図れるものにすることができる。さらに、コア18aを用いることで、励磁電流と高周波信号成分とを分離するキャパシタが不要となるため、微分要素を排してS/N比も有効に向上させることが可能となる。
In addition, the
この場合、各相においてそれぞれ並列をなす誘導用巻線15x、15yを相殺部18のコア18aに、各誘導用巻線15x、15yに流れる電流I1、I2によりコア18aの内部に逆向きの磁束φ1、φ2を生じさせるように係わり合わせるとともに、このコア18aに補助巻線18bを通じて電圧信号を発生する電圧信号発生手段19および誘起電圧の検出を行う電圧検出手段20を磁気的に結合させているため、相殺部18を簡易に構成することが可能となる。
In this case,
加えて、前記注入回路23と前記検出回路24とが共通の注入検出回路22として構成されており、内部に備えるスイッチ21を切り替えることで電圧発生手段としての高周波発生手段19又はインダクタンス検出のための誘導電圧の検出を行う電圧検出手段20に選択的に接続されるように構成していることで、前記注入回路23と前記検出回路24を共通化して簡易的な構成とすることが可能となる。
In addition, the
また、検出回路24が注入回路23とは異なる相において機能するように構成され、ロータ位置推定部25を構成する比較器29は各検出回路24より検出される誘起電圧すなわち相互インダクタンスの相違に基づいて、ロータ14の位置を推定するように構成しているため、電源からモータに供給される基準電圧が変動してもその影響を受けないよう、検出した誘起電圧の絶対値を得ることなく、複数を比較するのみでロータ位置を推定することが可能となる。
Further, the
さらに、コアとして、一般的にノイズ対策として使用されるトロイダルコア18aを用いているため、磁束漏れの少ない実績のあるものを採用して、本発明の特殊な目的・用途に有効に適合させることができる。
Furthermore, since a
なお、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではない。 The specific configuration of each unit is not limited to the above-described embodiment.
例えば、上記実施形態ではロータ位置検出用に計測する特性として相互インダクタンスを利用したが、自己インダクタンスを利用してもよい。 For example, although the mutual inductance is used as the characteristic to be measured for detecting the rotor position in the above embodiment, the self-inductance may be used.
図9に、電圧信号発生手段19からみた各相の自己インダクタンスの一例を示す。図4では、0、90、180degのときにロータがA相のステータと整列しているが、この時、B相とC相の自己インダクタンスが一致する。同様に、ロータがB相ステータと整列した時にはC相とA相、C相ステータと整列した時にはA相とB相の自己インダクタンスが一致する。 FIG. 9 shows an example of the self-inductance of each phase as viewed from the voltage signal generating means 19. In FIG. 4, the rotor is aligned with the A-phase stator at 0, 90, and 180 deg. At this time, the B-phase and C-phase self-inductances coincide. Similarly, when the rotor is aligned with the B-phase stator, the C-phase and A-phase self-inductances coincide with each other, and when the rotor is aligned with the C-phase stator, the A-phase and B-phase self-inductances coincide.
そこで、図10に示すように、検出回路24が注入回路23と同じ相において機能するように注入検出回路22を、電圧信号発生手段19とインダクタンス検出手段たる電流検出手段120とを直列に接続することにより構成して、電流検出手段120より検出される電流から自己インダクタンスを計測可能とし、ロータ位置推定部25には、励磁相以外の2相において各検出回路24から得られる自己インダクタンスの相違又は大小関係に基づきロータの位置を推定させるように構成することができる。すなわち、自己インダクタンスLは、注入する信号の電圧V、電流I、周波数fから、式
Therefore, as shown in FIG. 10, the
L=V/(2×π×f×I)
によって求めることができ、このような自己インダクタンスLを図9に示すように各区間で2相ずつ計測する。2相の自己インダクタンスが一致した時に、ロータ14と計測していない相のステータ12の突極同士が整列したものと判断し、計測を切り替えれば、上記実施形態と同様のモータ制御が可能となる。
L = V / (2 × π × f × I)
Such a self-inductance L is measured for each phase as shown in FIG. When the two-phase self-inductances coincide with each other, it is determined that the salient poles of the
この場合、2相の自己インダクタンスを計測するために2相に信号を注入すると、モータ内部で信号が干渉する。そこで、図11に示すように、電圧信号発生手段19から注入する信号の周波数をモータ相毎にf1、f2、f3と変えるとともに、インダクタンス検出としての電流検出部120にバンドパスフィルタBPFを設けて自相に注入した信号成分のみを取り出すように構成することで、他相の信号の影響を取り除くことができる。
In this case, if a signal is injected into two phases in order to measure the two-phase self-inductance, the signal interferes inside the motor. Therefore, as shown in FIG. 11, the frequency of the signal injected from the voltage signal generating means 19 is changed to f1, f2, and f3 for each motor phase, and a bandpass filter BPF is provided in the
また、ロータ位置検出用信号を時間分割してモータに注入するようにしても、信号の干渉を避けることができる。図12はその回路構成を示すもので、注入検出回路22の先にスイッチ121を設け、スイッチ121を切り換えることで、信号注入、インダクタンス計測をする相を切り換えるように構成する。例えば、図9に示すロータ位置60〜90degの区間では、B相とC相に交互に信号を注入して自己インダクタンスを計測すれば干渉を回避することができる。
Further, even if the rotor position detection signal is time-divided and injected into the motor, signal interference can be avoided. FIG. 12 shows the circuit configuration. A
上記以外の変形例としては、次のようなものが挙げられる。 Examples of modifications other than the above include the following.
例えば、本実施形態のモータ制御装置はロータ14に磁石を有さないスイッチトリラクタンスモータに適用したが、突極を持つロータ14であれば、磁石を有するロータ14を備える他のモータに適用することも可能である。
For example, the motor control device of the present embodiment is applied to a switched reluctance motor that does not have a magnet in the
また、上述の実施形態では励磁させる相と高周波信号を注入する相を同期させる構成を説明したが、高周波信号の注入・検出の切り替えタイミングと巻線15a〜15cへの励磁相の切り替えタイミングを非同期に行う構成をとることもできる。そのため、高速回転時にモータのインダクタンス等による電流変化の遅れに対して励磁相を進相する場合もその進相制御を容易に行うことができる。
In the above-described embodiment, the configuration in which the phase to be excited is synchronized with the phase in which the high-frequency signal is injected has been described, but the switching timing of the high-frequency signal injection / detection and the switching timing of the excitation phase to the
さらに、注入する高周波信号の周波数をより高くすることで、超高速回転までセンサレスで駆動することも可能である。 Further, by increasing the frequency of the high-frequency signal to be injected, it is possible to drive the sensorlessly up to ultra high-speed rotation.
また、本実施形態記載のモータ制御装置を、さらにPWM(Pulse Width Modulation)制御が可能となるように構成してもよい。具体的には、励磁回路28によりPWM信号に応じた矩形パルス状の励磁電圧を生成させるようにするとともに、PWM信号のデューティ比を変更させることでロータの速度を調整することも可能となる。
Further, the motor control device described in the present embodiment may be configured such that PWM (Pulse Width Modulation) control can be further performed. Specifically, the
また、注入回路23より注入する電圧信号を高周波信号としていたが、ロータの回転速度に対して十分な分解能が得られるのであれば、高周波信号に限らず別の形態の電圧信号を用いることも可能である。
Further, the voltage signal injected from the
また、注入回路23と検出回路24とを独立して設ける場合においては、いずれか一方に相殺部を設けさえすれば、注入する高周波信号あるいは検出信号の精度を高めることが可能となり、上記に類する効果を得ることが可能となる。
Further, in the case where the
また、上記の実施形態においては、位置推定部21として比較器29を導入して非励磁相における検出電圧の相違によって励磁相の切り替えを行っていたが、当該検出電圧同士が特定の電圧差になることを検知することで、突極整列状態の判定のみならず、ロータが特定の角度に位置することを検出することも可能である。こうすることで、磁束発生の遅れに対応する進相制御を行い、よりモータの回転効率を高めることも可能となる。
Further, in the above embodiment, the
また、上述のモータ制御装置より、励磁相切換部26及び励磁回路28を除いた部分は、レゾルバやエンコーダ等と同様のロータ14の位置検出装置として用いることが可能となる。この場合においても、モータ制御装置と同様、注入回路23が誘導用巻線15aへ電圧信号を注入し、検出回路24が相互誘導用巻線15b、15cに現れた電磁誘導によるインダクタンスを誘起電圧や電流を通じて検出することによって、ロータ14の位置を推定することが可能となる。しかも、検出回路24及び注入回路23にコア18aを用いた相殺部18が設けられているため、ロータ14を回転させるために要する励磁電流により誘起される電圧変化を相殺することで、励磁電流に起因するノイズの影響を小さくして電圧波形の乱れを抑制でき、S/N比の低下を回避しつつロータ位置検出精度を向上することが可能となるうえに、モータにも励磁巻線が並列巻きの製造容易で安価なものを用いることができ。
Further, the portion excluding the excitation
その他の構成も、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。 Other configurations can be variously modified without departing from the spirit of the present invention.
10…スイッチトリラクタンスモータ
11a、11b、11c…ステータの突極
12…ステータ
13…ロータの突極
14…ロータ
15a、15b、15c…励磁巻線
15x、15y…相互誘導用巻線
18…相殺部
18a…トロイダルコア
18b…補助巻線
19…電圧信号発生手段(高周波発生手段)
20…インダクタンス検出手段(電圧検出手段)
21…スイッチ
22…注入検出回路
23…注入回路
24…検出回路
25…ロータ位置推定部
120…インダクタンス検出手段(電流検出手段)
L…自己インダクタンス
M…相互インダクタンス
DESCRIPTION OF
20: Inductance detection means (voltage detection means)
DESCRIPTION OF
L ... Self inductance M ... Mutual inductance
Claims (5)
何れかの相の励磁巻線を誘導用巻線として利用してこの誘導用巻線に特定の電圧信号を注入する注入回路と、当該注入回路が電圧信号を注入する相若しくはその相とは異なる相の励磁巻線を誘導用巻線として利用して前記電圧信号より誘起される電流または誘起電圧からインダクタンスの検出を行う検出回路と、当該検出回路により得られたインダクタンスをもとにロータの位置を推定するロータ位置推定部とを備え、
検出回路及び注入回路の少なくともいずれか一方に、前記励磁巻線を利用した誘導用巻線において前記励磁電流により誘起される電圧変化を閉じたコアにおいて磁気的に相殺する相殺部を設けるとともに、
この相殺部を通じて誘導用巻線への特定の電圧信号の注入、または誘導用巻線からのインダクタンスの検出を行うように構成し、
前記ロータ位置推定部により推定したロータ位置に基づいて励磁電流を与える相の切り替えを行うようにしたことを特徴とするモータ制御装置。 A stator having a plurality of salient poles constituting two or more phases, each having a salient pole provided in parallel with each of the salient poles, and a rotor having a plurality of salient poles arranged in the stator, A motor control device used for a motor that rotates a rotor by switching a phase to be applied,
An injection circuit that injects a specific voltage signal into the induction winding using an excitation winding of any phase as an induction winding, and a phase in which the injection circuit injects a voltage signal or a phase thereof is different A detection circuit for detecting an inductance from a current or an induced voltage induced from the voltage signal using a phase excitation winding as an induction winding, and a position of the rotor based on the inductance obtained by the detection circuit A rotor position estimation unit for estimating
At least one of the detection circuit and the injection circuit is provided with a canceling unit that magnetically cancels the voltage change induced by the exciting current in the induction winding using the exciting winding in the closed core,
It is configured to inject a specific voltage signal into the induction winding or detect the inductance from the induction winding through this canceling unit,
A motor control device characterized in that a phase for applying an excitation current is switched based on a rotor position estimated by the rotor position estimation unit.
The detection circuit is configured to function in the same phase as the injection circuit, and the rotor position estimation unit is configured based on the difference or magnitude relationship of the self-inductance obtained from the current detected by each detection circuit. The motor control device according to claim 1, wherein the motor control device is configured to estimate a position.
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