JPH05137376A - ブラシレスモータの回転子位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ブラシレスモータの回転子位置を、これを大
きく回転させる事なく安定に、しかも短時間で検出可能
とし、かつ検出終了後の過渡現象を抑制する。 【構成】 スイッチ４８および４９を図示の位置にし
て、指令部４６からトルク電流指令ｉ_T ’と励磁周波数
に対応する回転角速度指令ω’を出力し、ベクトル回転
器４４および電力増幅器３を介してモータ１を駆動する
と微小振動が発生することから、この微小振動にて生じ
る回転角度θまたは回転角速度検出値ｎと、前記回転角
速度指令ω’を積分器４１Ｂにて積分して得られる回転
角度指令φ’との位相差をエンコーダ２，パルス処理回
路５，速度検出部４０および回転角度演算部４１Ａ等を
介して検出部４７により求め、これを磁極位置信号φ₀
として出力する。そして、回転子位置検出終了後には回
転角速度指令ω’を徐々に上げて行くか、または電圧
（電流）指令を零になるまで徐々に減少させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、永久磁石を回転子に
有する３相ブラシレスモータを、磁極センサなし（セン
サレス）で駆動する場合などに用いて好適な回転子位置
検出装置の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】ブラシレスモータは、直流電動機が機械
的に転流を行なうのに対し、電気的なスイッチを用いて
転流を行なうことにより駆動される。その転流は最も力
率良く運転できるように行なう必要があるが、永久磁石
形のブラシレスモータではそのタイミングが、回転子に
組み込まれている永久磁石による磁極の位置で一義的に
決まる。そのため、ブラシレスモータを駆動するには磁
極位置を検出するセンサが不可欠となる。このため、ブ
ラシレスモータはセンサが必要になるばかりでなく、セ
ンサからの信号を制御装置に伝達するための信号線を必
要とすることからコスト，小型軽量，信頼性などの点で
問題がある。そこで、このようなセンサを用いないブラ
シレスモータが、例えば特開昭６３−５９７８３号公
報，特開平２−２４１３８８号公報などで提案されてい
る（以下、従来方式ともいう）。これらに記載のもの
は、ブラシレスモータを通常の制御を行なう前に任意の
角度で直流励磁し、そのときの発生トルクの方向と大き
さを検出することにより、磁極位置（回転子位置）を検
出するものである。

【０００３】しかし、上記従来方式では予め設定された
角度で直流電流を通流し、その期間の回転子の回転角度
の変化から発生トルクの大きさを検出するようにしてい
るため、以下の如き問題がある。 回転角度の変化を正確に検出するには、通流を開始す
る時の速度と加速度を正確に零にしておく必要があるの
で、次に設定角度を切り換えるためには充分な時間をお
かなければならず、検出時間が長くなる。 負荷のイナーシャや摩擦トルクが未知の場合には、最
適な直流電流の振幅を決定することが困難である。

【０００４】そこで、出願人は次のような回転子位置検
出装置を提案している（特願平３−１７８８７７号：以
下、既提案装置ともいう）。図５はかかる既提案装置を
示す構成図である。同図に示すように、この既提案装置
は回転子が永久磁石からなるブラシレスモータ１、その
回転子に結合されたエンコーダ（ＰＥ）２、指令された
電流をモータ１に供給する電力変換器を含む電力増幅器
３、この電力増幅器３に電流指令値を与える制御装置４
およびエンコーダ２により検出されたパルス（２相パル
スＡ，Ｂ）を与えられて、サンプリング周期内の回転角
度信号を出力するパルス処理回路５などから構成され
る。制御装置４はモータ１の通常の制御を行なう部分
と、磁極位置検出を行なう部分とを内蔵している。すな
わち、通常の制御を行なう部分は、サンプリング周期内
のエンコーダパルス数Δθより速度ｎを検出する速度検
出部４０、そのΔθを積分して回転角度θを演算する回
転角度演算部（積分器）４１Ａ、加算器４２により速度
指令値と速度検出値（実際値）との誤差を演算し、これ
を入力としてトルク指令電流値ｉ_T ^* を演算する速度調
節器（ＡＳＲ）４３、トルク電流指令値ｉ_T ^* をモータ
１の各相電流指令値に変換するベクトル回転器４４、検
出した磁極位置信号φ₀ と回転角度θとを加算し、ベク
トル回転器４４に与える角度φを演算する加算器４５な
どから構成される。

【０００５】これに対し、磁極位置検出のための制御部
分は、磁極検出時にトルク電流指令値ｉ_T ’と励磁周波
数に対応した回転角速度指令（周波数指令）ω’を出力
する指令部４６、この回転角速度指令ω’を積分して励
磁の角度φ’を得る積分器４１Ｂ、磁極位置検出中の回
転角度θまたは回転速度検出値ｎと回転角度指令φ’と
の位相差を検出し磁極位置信号φ₀ を出力する検出部４
７、磁極位置検出モードと通常の運転モードとで切り換
えられるスイッチ４８，４９などより構成される。これ
らのスイッチを切り換えることにより磁極位置検出モー
ドと通常の制御モードのいずれかが選択されることにな
るが、磁極位置検出をせずに通常の制御はできないの
で、一般には制御装置４に電源が投入された直後に磁極
位置検出モードを実行し、磁極位置を検出した後、通常
の制御を行なうような始動時のシーケンスを予め用意し
ておくこととする。また、ここでは３相交流励磁するに
当たり、電流指令値を電力増幅器３に与え、電流を制御
することにより行なっているが、電圧指令を与えて電圧
制御を行なう電力増幅器を用いるようにしても良いこと
は云うまでもない。また、励磁電流の位相を検出するに
当たり、電流指令値または実際値のいずれを用いても本
質的な差異はないものである。

【０００６】図５における磁極位置検出方法について説
明する。すなわち、スイッチ４８，４９を図示の位置に
した状態で、指令部４６からトルク電流指令値ｉ_T ’と
励磁周波数に対応した回転角速度ω’を指令し、この回
転角速度指令（周波数指令）ω’から積分器４１Ｂにて
回転角度φ’を求め、これとトルク電流指令値ｉ_T ’と
をベクトル回転器４４に与え、電力増幅器３を介してモ
ータ１を駆動すると上述の如き微小振動が生じるので、
これに伴って発生するエンコーダ２からの発生パルスを
パルス処理回路５により処理して速度検出部４０および
回転角度演算部４１Ａに与え、さらにこれらの出力を検
出部４７へ入力することにより、回転角度θまたは回転
速度検出値ｎと回転角度指令φ’との位相差、つまり磁
極位置信号φ₀ を得るものである。

【０００７】ところで、図５において、磁極位置検出開
始と同時に一気に所定の電流または電圧指令および周波
数指令を与えて３相交流励磁すると、過渡現象により安
定かつ正確な検出が困難となるおそれがある。そこで、
３相交流励磁の方法を以下のように工夫する。図６は図
５に示す指令部の具体例を示すブロック図、図７はその
動作を説明するための説明図である。これは、トルク電
流指令値ｉ_T ’の設定器４６１、励磁周波数の初期値
（図３のω０参照）の設定器４６２、励磁周波数を低減
するために単位時間当たりの低減周波数（図３のΔω参
照）の設定器４６３、その出力を順次積分する積分器４
６４、周波数の低減を一定値に制限する（低減を停止す
る）ためのリミッタ４６５、周波数の初期値から低減周
波数を差し引いて励磁のための角速度（周波数指令）
ω’を出力する加算器４６６等からなり、３相交流励磁
する周波数を図７の実線のように、最初は充分高い周波
数から時間の経過とともに徐々に低減して行き、予め定
めた所定の周波数、または励磁による微小振動にもとづ
く回転角度の変動もしくは回転角速度が、所定の振幅と
なった時点ｔ０で周波数の低減を中止し、この時点から
回転子位置の検出を開始するようにしたものである。こ
のようにすれば、磁極位置検出モードの開始時の励磁周
波数は高いことから、微小振動によって生じる回転角速
度，回転角度ともに小さいため、開始時の過渡現象の影
響も少なく、安定かつ円滑な検出が可能となる。

【０００８】図８は図５に示す指令部の別の具体例を示
すブロック図、図９はその動作を説明するための説明図
である。すなわち、励磁周波数ω’の設定器４６１’、
トルク電流指令値ｉ_T ’を徐々に大きくするための単位
時間当たりの変化量（図５のΔｉ_T ’参照）の設定器４
６２’、その出力を積分する積分器４６３’、およびト
ルク電流指令値を一定値に制限する（大きくなることを
停止する）ためのリミッタ４６４’等から構成され、３
相交流励磁する電圧または電流を図５のように、最初は
零またはこれに等しい充分に小さい値から時間の経過と
ともに徐々に増大して行き、微小振動による回転角度の
変動または回転角速度が所定の振幅となった時点ｔ０で
電圧または電流の増大を中止し、この時点から回転子位
置の検出を開始するようにしたものである。このように
すれば、磁極位置検出モードの開始時の励磁電流は小さ
いことから、この場合も図６の例と同様に、微小振動に
よって生じる回転角速度，回転角度ともに小さいため、
開始時の過渡現象の影響も少なく、安定かつ円滑な検出
が可能となる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、３相交
流励磁することにより回転子の位置を検出する既提案装
置には、回転子位置の検出終了時に過渡現象によって回
転子の回転角度が大きく変動し、その結果、検出値に大
きな誤差が生じるという問題が残されている。つまり、
既提案装置では回転子位置の検出終了時の手当てが何ら
なされていない、というわけである。したがって、この
発明の課題は特に回転子位置検出終了時の過渡現象によ
って回転子の回転角度が大きく変動しないようにし、検
出精度を向上させるようにすることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るため、この発明では、固定子巻線と永久磁石を持つ回
転子とからなる３相ブラシレスモータと、その回転子軸
にとりつけられたエンコーダと、このエンコーダから発
せられるパルスを計数する計数手段と、前記モータに対
して電圧指令または電流指令と周波数指令とを与える制
御装置と、これらの指令を増幅して前記３相ブラシレス
モータを駆動する電力増幅器とを備え、前記制御装置お
よび電力増幅器を介して、モータの固定子巻線に所定の
回転角度の回転磁界が生じるように所定の電圧指令また
は電流指令と周波数指令とを与えて３相交流励磁し、そ
の結果発生する同じ周波数の微小振動を前記エンコーダ
および計数手段を介して検出し、励磁信号と発生トルク
または微小振動によって生じる回転角度信号または回転
角速度信号との位相差から前記モータの回転子位置を検
出するブラシレスモータの回転子位置検出装置におい
て、 （１）回転子位置の検出終了後には、前記３相交流励磁
の周波数指令を時間の経過とともに徐々に上げて行き、
回転子の回転角度の振幅が充分に小さくなった時点で、
前記電圧指令または電流指令を零とする。 （２）回転子位置の検出終了後には、前記３相交流励磁
の電圧指令または電流指令を零になるまで徐々に減少さ
せる。のいずれかとすることを特徴としている。

【００１１】

【作用】回転子位置検出終了後から３相交流励磁を終了
するまでの間は、周波数指令を徐々に上げて行き、回転
子の回転角度の振幅が充分に小さくなった時点で、前記
電圧指令または電流指令を零とするか、あるいは電圧ま
たは電流指令を零になるまで徐々に減少させて行くこと
により、特に回転子位置検出終了後から３相交流励磁終
了に至るまでの間の過渡現象を抑制し、過渡現象による
回転子位置の変化を小さくする。つまり、回転子位置検
出終了後についても３相交流励磁開始の際と同様の手当
てを講じることにより、過渡現象の抑制を図るものであ
る。

【００１２】

【実施例】図１はこの発明の実施例を示すブロック図、
図２はその動作を説明するための説明図である。図１は
図５における指令部の詳細を示すもので、図６の改良例
を示す。すなわち、図６に示すものが主として周波数指
令を与える場合の過渡現象を抑制するものであるのに対
し、この実施例は検出終了後の過渡現象を抑制するもの
である。したがって、周波数指令を与えるための構成は
図６と同様であるが、検出終了後の過渡現象を抑制する
ために、図６に示すものに対し、周波数指令を徐々に高
くするための単位時間当たりの変化量（図２のΔω２参
照）を設定する設定器４６７、回転子位置検出終了直後
にオンとされるスイッチ４６８および設定器４６７から
の出力を積分する積分器４６９を付加して構成され、３
相交流励磁の周波数指令を図２のように、回転子位置の
検出終了時ｔ１以降は時間の経過とともに徐々に高くし
て行き、回転子の回転角度の振幅が充分小さくなった時
点ｔ２で、３相交流励磁を終了する（電圧または電流指
令を零とする）ものである。こうすることで、回転子位
置検出終了後の３相交流励磁終了に至るまでの過渡現象
が抑制され、これによる回転子位置の変化を小さくし得
るため、回転子位置の検出精度をより向上させることが
できる。

【００１３】図３はこの発明の他の実施例を示すブロッ
ク図、図４はその動作を説明するための説明図である。
これは、図８に示すものに対し、電流指令値を徐々に小
さくするための単位時間当たりの変化量（図４のΔｉ_T
２’参照）を設定する設定器４６５’、回転子位置検出
終了直後にオンとされるスイッチ４６６’、設定器４６
５’からの出力を積分する積分器４６７’、電流指令値
を一定値に制限するためのリミッタ４６８’および励磁
のための電流指令ｉ_T ’を出力する加算器４６９’等を
付加して構成した点が特徴である。そして、３相交流励
磁の電流指令を図４のように、回転子位置の検出終了時
ｔ１以降は時間の経過とともに徐々に減少させて行き、
時刻ｔ２で零とすることにより、上記と同様に回転子位
置検出終了から３相交流励磁終了するまでの間の過渡現
象を抑制し、これによる回転子位置の変化を小さくし
て、回転子位置の検出精度を従来のものより上げるよう
にしたものである。なお、図１，図３の例では周波数指
令や電流指令を一次関数的に変化させるようにしている
が、これに限らず、例えば平方根や指数関数などにより
変化させても上記と同様の効果を得ることができる。

【００１４】

【発明の効果】この発明によれば、３相ブラシレスモー
タ内に回転磁界は発生するが回転子は回転しないような
周波数で３相交流励磁し、その結果発生する振動トルク
またはその発生トルクによって生じる微小振動の回転角
度または回転角速度の位相と、交流励磁している電圧ま
たは電流との位相差を検出することで磁極位置を検出す
るようにしたので、一回の励磁で磁極位置を検出するこ
とができて検出所要時間が小さくなり、しかも検出時の
回転子の回転角度を極めて小さくすることが可能となる
利点が得られる。また、３相交流励磁を終了するに当た
り、周波数指令を徐々に上げて行き、回転子の回転角度
の振幅が充分に小さくなった時点で、前記電圧指令また
は電流指令を零とするか、あるいは電圧または電流指令
を零になるまで徐々に減少させて行くことにより、回転
子位置検出終了後から３相交流励磁終了に至るまでの間
の過渡現象を抑制し、これによる回転子位置の変化を小
さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示すブロック図である。

【図２】図１の動作を説明するための説明図である。

【図３】この発明の他の実施例を示すブロック図であ
る。

【図４】図３の動作を説明するための説明図である。

【図５】既提案装置を示す構成図である。

【図６】図５の指令部の具体例を示すブロック図であ
る。

【図７】図６の動作を説明するための説明図である。

【図８】図５の指令部の別の具体例を示すブロック図で
ある。

【図９】図８の動作を説明するための説明図である。

【符号の説明】

１…ブラシレスモータ、２…エンコーダ（ＰＥ）、３…
電力増幅器、４…制御装置、５…パルス処理回路、４０
…速度検出部、４２，４５，４６６，４６９’…加算
器、４３…速度調節器、４４…ベクトル回転器、４６…
指令部、４７…検出部、４８，４９，４６８，４６６’
…スイッチ、４６１，４６２，４６３，４６７，４６
１’，４６２’，４６５’…設定器、４１Ａ，４１Ｂ，
４６４，４６９，４６３’，４６７’…積分器、４６
５，４６４’，４６８’…リミッタ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固定子巻線と永久磁石を持つ回転子とか
   らなる３相ブラシレスモータと、その回転子軸にとりつ
   けられたエンコーダと、このエンコーダから発せられる
   パルスを計数する計数手段と、前記モータに対して電圧
   指令または電流指令と周波数指令とを与える制御装置
   と、これらの指令を増幅して前記３相ブラシレスモータ
   を駆動する電力増幅器とを備え、前記制御装置および電
   力増幅器を介して、モータの固定子巻線に所定の回転角
   度の回転磁界が生じるように所定の電圧指令または電流
   指令と周波数指令とを与えて３相交流励磁し、その結果
   発生する同じ周波数の微小振動を前記エンコーダおよび
   計数手段を介して検出し、励磁信号と発生トルクまたは
   微小振動によって生じる回転角度信号または回転角速度
   信号との位相差から前記モータの回転子位置を検出する
   ブラシレスモータの回転子位置検出装置において、 回転子位置の検出を終了した後は、前記３相交流励磁の
   周波数指令を時間の経過とともに徐々に上げて行き、回
   転子の回転角度の振幅が充分に小さくなった時点で、前
   記電圧指令または電流指令を零とすることを特徴とする
   ブラシレスモータの回転子位置検出装置。
2. 【請求項２】 固定子巻線と永久磁石を持つ回転子とか
   らなる３相ブラシレスモータと、その回転子軸にとりつ
   けられたエンコーダと、このエンコーダから発せられる
   パルスを計数する計数手段と、前記モータに対して電圧
   指令または電流指令と周波数指令とを与える制御装置
   と、これらの指令を増幅して前記３相ブラシレスモータ
   を駆動する電力増幅器とを備え、前記制御装置および電
   力増幅器を介して、モータの固定子巻線に所定の回転角
   度の回転磁界が生じるように所定の電圧指令または電流
   指令と周波数指令とを与えて３相交流励磁し、その結果
   発生する同じ周波数の微小振動を前記エンコーダおよび
   計数手段を介して検出し、励磁信号と発生トルクまたは
   微小振動によって生じる回転角度信号または回転角速度
   信号との位相差から前記モータの回転子位置を検出する
   ブラシレスモータの回転子位置検出装置において、 回転子位置の検出を終了した後は、前記３相交流励磁の
   電圧指令または電流指令を零になるまで徐々に減少させ
   ることを特徴とするブラシレスモータの回転子位置検出
   装置。