(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
逆極性の磁石が交互に配置された磁石ロータからの漏れ磁束に感応する磁気感応素子と、
前記磁気感応素子の出力変化をロータ磁極の基本基準位置として検出し、磁極基準位置及びロータ回転角度演算時のステータ電流の大きさと電流位相とに応じて基本基準位置を補正し、回転角度を演算する演算手段とを備え、
前記磁石ロータは、前記各磁石毎に磁性体片を備え、該磁性体片が前記各磁石毎の磁束により磁化されるように当該磁石ロータの回転軸方向の端面に設けられ、
前記磁気感応素子は、前記磁性体片と対峙して該磁性体片からの磁束に感応するように装置ケース内に固定され、
前記演算手段は、前記磁気感応素子の出力の立上がり、立下がりエッジをロータ磁極の基本基準位置として検出し、前記回転角度の演算を行うことを特徴とする電動機の磁極位置検出装置。
【請求項２】
前記演算手段は、電気角での補正量を、前記磁性体片間の間隔の周方向角度を磁極数で除した数値以下に制限することを特徴とする請求項１に記載の電動機の磁極位置検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気感応素子を用いた電動機の磁極位置検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、磁気感応素子を用いたブラシレスＤＣ電動機の駆動装置としては、特開平１１−２１５８８１号公報に記載された図１５に示すブラシレスＤＣ電動機が知られている。
【０００３】
図１５において、ブラシレス電動機２０１には、３相のステータ巻線２０３（Ｕ，Ｖ，Ｗ）が巻回されたステータ（図示せず）と、このステータ（図示せず）に磁気的結合関係を保ち、近接して配置され、回転自在に支持されたロータ２０５とが設けられている。また、ブラシレス電動機２０１には、ロータ２０５の回転位置を検知するための回転位置検出部２０７が設けられている。
【０００４】
この回転位置検出部２０７は、ロータ２０５と回転中心が同一でロータ２０５と同一の磁極数に外周面が磁化された回転位置検出円盤２０９と、この回転位置検出円盤２０９の外周面に近接してそれぞれ機械角で６０°（磁極数が４であるため、電気角で１２０°）ずつ離れて配置された３つの回転位置信号発生器２１１（Ｕ，Ｖ，Ｗ）を具備している。回転位置信号発生器２１１は、ホールＩＣで構成され、回転位置信号ＣＳＵ，ＣＳＶ，ＣＳＷをそれぞれ出力する。
【０００５】
また、従来、図１６に示すように、ロータ２５１内の磁石２５３からの磁束を直接検出する構成も知られている。この従来例の場合、ロータ２５１の回転軸方向の端面から所定間隔を開けてホール素子２５５を設け、さらに、磁石２５３からの漏れ磁束をホール素子２５５に集磁するためにホール素子２５５の後部に磁性体片２５７を設け、このホール素子２５５からの出力信号を測定する。
【０００６】
さらに特開平９−１２１５８４号公報に記載された電動機のように、ロータ磁石の漏れ磁束を直接にホール素子のような磁気感応素子によって検出し、磁極位置を検出するものも知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の図１５に示したような構成の電動機の磁極位置検出装置では、回転位置検出円盤をロータとは別に設ける必要があって装置が大型化し、電動機を小型・軽量化する上で障害となっていた。また着磁プレート分コストが上昇するので、電動機そのもののコスト低減を困難にしていた。
【０００８】
また図１６に示したような構成の装置の場合、ステータ電流の影響を受けて、漏れ磁束を検出するホール素子の出力の位相がずれ、磁極位置の検出精度が期待できない問題点があった。すなわち、ステータコイルに電流を流していない場合には、ロータの磁石磁束（磁極位置）に同期してホール素子の出力が変化するが、ステータに電流を流した際にその電流が作る磁束の影響で見かけ上の磁束位置が変化する。このため、回転角度がずれるのでトルク精度が低下したり、トルクの低下、変動レベルの増大などがあり、精度の良い電動機制御ができなかった。
【０００９】
この問題点をさらに詳しく説明する。図１７、図１８はホール素子が検出する磁極位置がステータ電流によってずれることを概念的に示している。図１７に示すように、ロータの漏れ磁束はロータ内の磁石位置に同期して変化する（図１７（ａ））。まず、ｄ軸電流Ｉｄ＝０（位相角β＝０）の状態でｑ軸電流Ｉｑを流す。この場合、ロータ磁石が作る磁束に対して、ロータに対向するステータに発生する磁束は逆向きで９０°（電気角）進んでいる（図１７（ｂ））。このとき、ロータ断面に向かい合う形で設置されたホール素子に影響する磁束は、ロータからの漏れ磁束と９０°進んだステータコイルの電流が作る磁束との和となる（図１８（ｂ））。ホール素子がこのときに検出する磁極位置は、電流の大きさに基づく磁束の大きさと位相角との関数であり、真の磁極位置に対して送れることが分かる。この状態で、弱め界磁を行う（ｄ軸電流を増加させる）と、電流の位相角βに応じて、ステータ電流が形成する磁束の位相も進むことになる（図１７（ｂ）〜（ｆ））。この結果、磁石磁束と電流とが作る磁束の和に基づいて、ホール素子が検出する磁束（磁極位置）も位相が進む（図１８（ｂ）〜（ｆ））。このように、ホール素子のような磁気感応素子によってロータ磁石の漏れ磁束を検出する際には、ステータ電流の影響で見かけ上、磁極位置が変化してしまうのである。
【００１０】
また本願の発明者が先に出願した特願２０００−０３３５００号の発明では、磁性体の端部にロータ漏れ磁束を集中させ、磁極位置検出精度を向上させることができる。しかしながら、この方式では、ステータ電流の影響を低減することができるが、磁性体の形状と電流の大きさにより、磁性体間（非磁性体若しくは空隙）内で、ステータ電流の大きさや位相の影響を受けて、わずかにホール素子の出力の位相が変化することが分かった。
【００１１】
なお、電動機の回転角度位置を厳密に検出する装置としてレゾルバやエンコーダが知られているが、これらはホール素子のような磁気感応素子を利用した検出装置に比べてコストが高く、特にコスト削減を要求される用途には採用できない。
【００１２】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、磁気感応素子を用いて精度よく磁極位置の回転角度の検出ができ、コスト的にも低廉に抑えることができる電動機の磁極位置検出装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の電動機の磁極位置検出装置は、逆極性の磁石が交互に配置された磁石ロータからの漏れ磁束に感応する磁気感応素子と、前記磁気感応素子の出力変化をロータ磁極の基本基準位置として検出し、磁極基準位置及びロータ回転角度演算時のステータ電流の大きさと電流位相とに応じて基本基準位置を補正し、回転角度を演算する演算手段とを備えたものであり、前記磁石ロータは、前記各磁石毎に磁性体片を備え、該磁性体片が前記各磁石毎の磁束により磁化されるように当該磁石ロータの回転軸方向の端面に設けられ、前記磁気感応素子は、前記磁性体片と対峙して該磁性体片からの磁束に感応するように装置ケース内に固定され、前記演算手段は、前記磁気感応素子の出力の立上がり、立下がりエッジをロータ磁極の基本基準位置として検出し、前記回転角度の演算を行うものである。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１の電動機の磁極位置検出装置において、前記演算手段は、電気角での補正量を、前記磁性体片間の間隔の周方向角度を磁極数で除した数値以下に制限するものである。
【００１７】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、コストの低い磁気感応素子を用いながらも、その磁気感応素子がステータ電流と位相により受ける影響を補正し、磁石ロータの回転角度を精度よく検出することができる。さらに、隣り合う磁性体片間で磁気感応素子から急峻な変化を示す出力信号を得ることができ、磁石ロータの回転角度を精度よく検出することができる。
【００１８】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、演算手段が電気角での補正量を、磁性体片間の間隔の周方向角度を磁極数で除した数値以下に制限することにより、必要以上の補正を行わなくして、磁石ロータの回転角度を精度よく検出することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。図１は、本発明の１つの実施の形態に係る電動機の磁極位置検出装置１１の機能的な構成を示すブロック図であり、図２及び図３はその機械的な構成を示す断面図である。だたし、本実施の形態の機械的な構成は、先願である特願２０００−３３５００号の図１と同様であるが、制御機能が異なっている。
【００２４】
まず、図２及び図３を用いて機械的な構成を説明する。電動機１３は、磁極となる逆極性の磁石１５が交互に配置されたロータ１７と、ロータ１７の外周に設けられ界磁巻線を有するステータ１９と、ロータ１７の回転軸２１方向の端面となるエンドプレート２３に設けられ、ロータ１７に設けられた磁石１５（磁極）からの磁束により磁化される磁性体片２５とから構成されている。
【００２５】
また、電動機１３のケース内には、磁性体片２５と対峙して磁性体片２５からの磁束に感応する磁気感応素子２７が固定されている。図１に示すように、磁気感応素子２７は、電動機の磁石ロータの漏れ磁束を検出するために３個用意されている。なお、磁気感応素子２７としては、ホール素子やＭＲ素子やＧＭＲ素子が利用される。
【００２６】
そして、磁気感応素子２７からの出力信号は電動機の駆動装置（図示せず）に出力され、この出力信号によりロータ１７の磁極位置を検出して、各相分の必要トルクに対応する界磁電流を生成し、ステータ１９に設けられた各界磁巻線に出力する。
【００２７】
次に、図１を用いて、第１の実施の形態の機能構成を説明する。電動機１の磁石ロータ１７の漏れ磁束は３組のホールＩＣ（磁気感応素子）２７で検出する。このホールＩＣ２７の出力は位相角演算部２に入力される。位相角演算部２は、３個のホールＩＣ２７から１８０°毎にオン／オフ信号が１２０°ずつずれて入力されるので、結果的に６０°毎に基準位置を検出することができる。
【００２８】
電動機１の界磁巻線に流れるＩＵ，ＩＶ，ＩＷの３相電流を電流センサ３Ｕ，３Ｖ，３Ｗによって検出し、３相−２相変換部４に出力する。３相−２相変換部４では、位相角演算部２の出力する現在の位相角θｒｅをもとにして３相を２相に変換した電流値Ｉｄ，Ｉｑを計算して２相電流指令演算部５に出力する。
【００２９】
２相電流指令演算部５は、外から与えられる目標トルクＴ＊と２相実電流Ｉｄ，Ｉｑとを比較して２相電流指令Ｉｄ＊，Ｉｑ＊を求め、これを２相の電圧指令に変換し、２相−３相変換部６に出力する。２相−３相変換部６は、ＰＷＭ指令電圧を計算するために、入力される電圧指令値Ｉｄ＊，Ｉｑ＊をＰＷＭの平均位相θｒｅ′で２相−３相変換し、電力変換部７に出力する。電力変換部７はこの３相電圧指令に基づいてＰＷＭ動作し、電動機１に３相電流ＩＵ，ＩＶ，ＩＷを供給する。
【００３０】
このような構成の電動機の磁極位置検出装置において、実際にステータに電流を流したときの磁極位置検出性能を図４を用いて説明する。図４は１相分の検出信号の立上りエッジ、立下りエッジを示している。測定は、測定用にロータに設置したエンコーダの基準位置信号（Ｚ相）を基準信号として行なった。この測定結果から、電流一定（２０００ｒｐｍ，５０Ａ）で位相角を０°から９０°まで変えたときの立上りエッジ、立下りエッジの変化は、電流位相が進むとエッジ入力も進んでいることが分かる。そして電流を変えれば、その影響も変わる。図４では、磁極位置検出用の磁性体片２５の扇角αは４２°（電気角度１６８°）に設定してあるので、その磁極位置の検出ずれは約１°〜２．５°と小さい。さらに、磁性体片２５の角度αを大きく（ただし、α＜４５°、電気角でα＜１８０°）とすることにより、ずれ量をさらに低減することが可能であるが、それでも電流の影響を補正する必要がある。
【００３１】
そこで、磁性体片２５を採用した場合、表１の補正データテーブル及び図５、図６に示すように力行時、回生時の出力状態に対応した補正角度を設定し、これを位相角演算部２にマップデータとして記憶させておき、電流検出器３が検出し、３相−２相変換部４が３相−２相変換した実電流Ｉｄ，ＩｑとホールＩＣ２７の検出する位相角θに対してこのマップデータを参照して補正量Δθを決定し、電流値計算用の位相角θｒｅ、ＰＷＭの指令電圧の計算用の位相角θｒｅ′を求めてそれぞれ、３相−２相変換部４、２相−３相変換部６に与える。
【００３２】
【表１】
0003546817.tif 000002
次に、図７〜図１２に基づき位相角演算部２が実行する補正演算処理について、さらに詳しく説明する。位相角演算部２の演算周期は当該ＣＰＵの制御演算処理性能に依存するが、この実施の形態では１００μｓｅｃとしている。そして位相角演算部２はホールＩＣ２７によるＵ，Ｖ，Ｗ各相のエッジトリガータイミング毎に図１１に示すテーブルに基づき位相角θを求めてストアし、同時に内蔵するクロックによって図９に示す状態遷移時間ｔ１と演算タイミングまでの所要時間ｔ２を求めてストアする（図１０のフローチャートにおけるステップＳ０５〜Ｓ１５）。
【００３３】
例えば、Ｕ相のホールＩＣ２７の出力に立下りエッジトリガ（つまり、“Ｈ”レベルから“Ｌ”レベルへの遷移）があれば、Ｖ相、Ｗ相それぞれも調べ、Ｖ相が“Ｈ”、Ｗ相が“Ｌ”であれば、状態１と判定し、この場合の位相角θ＝０°と決定する。続いてＷ相のホールＩＣ２７の出力に立ち上がりエッジトリガ（“Ｈ”→“Ｌ”）があれば、この際のＵ相、Ｖ相も調べ、Ｕ相が“Ｌ”、Ｖ相が“Ｈ”であれば、状態２と判定し、この場合の位相角θ＝６０°と決定する。そして状態１→状態２の遷移に要した時間ｔ１を求め、また、演算出力タイミングまでの所要時間ｔ２を求めるのである。
【００３４】
次に、求めた位相角θ、時間ｔ１，ｔ２を用いて演算出力タイミングにおける位相角θｒｅを求め、またＰＷＭ制御のための指令電圧を計算するための位相角θｒｅ′を求める（ステップＳ２０）。
【００３５】
続いて、実電流値と位相角θｒｅ，θｒｅ′とを用いて、表１のマップデータを参照して補正角Δθをピックアップし、これらの位相角θｒｅ，θｒｅ′の補正演算を行ない、これらを位相角演算部２から３相−２相変換部４、２相−３相変換部６に出力する（ステップＳ２５）。
【００３６】
なお、ステップＳ２０における時間ｔ１，ｔ２による比例演算は、制御タイミングにおける電動機１の位相角を厳密に推定するためのものであり、また「１５０μｓｅｃ」は電力変換部７の遅効性を考慮したものである。
【００３７】
こうして、図１２に示すように、真の磁極位置（同図（ａ））に対してホールＩＣ２７が検出する磁極位置がステータコイルに流れる電流の影響を受けてΔθ（回生時には＋Δθ、力行時には−Δθ）だけずれるので、このΔθ分をホールＩＣの検出する位相角θに対して補正することにより、常に正しい磁極位置の検出ができるようになる。
【００３８】
なお、上記の実施の形態では磁石ロータの周囲に磁性体片２７を設け、ホールＩＣ２７が検出するエッジの立上り、立下りのエッジを鋭くするようにしたが、これに限らず、本発明の発明思想はこのような磁性体片２７を採用していない電動機についても同様に適用することができる。そしてその場合には、基準位置の補正には表２のマップデータを用いる。
【００３９】
【表２】
0003546817.tif 000003
この場合、磁極位置検出感度向上用の磁性体片２５を設けていない分、大きな補正量が必要となる。図７（力行時）及び図８（回生時）はそのような磁性体片を用いない場合に採用する補正角度のマップデータを示している。
【００４０】
次に、本発明の第２の実施の形態を図１３及び図１４に基づいて説明する。第２の実施の形態の特徴は、磁石電動機の磁極位置の検出に磁石からの漏れ磁束を検出するのではなく、電動機の回転出力と同期して回転する磁性体、例えば、電動機の出力軸に取り付けた補助歯車３１に近接するように磁気感応素子２７を設けたことを特徴としている。なお、補助歯車３１の一部の歯３２（これは、電動機の位相角０に対応する設定にするのが好ましい）の歯幅Ｄ１を他の歯３３の歯幅Ｄ２と異ならせておくことにより、基準位置を容易に検出できるようにしている。また補助歯車を磁極数１２個の歯を持つようにしてもよい。この場合の制御方法は、ロータ内磁石の磁極を検出する場合と同様である。
【００４１】
この実施の形態でも、磁気感応素子２７が出力する信号波形から位相角（回転角）θを求め、さらにステータ電流による影響を実験的に設定した表２のようなマップデータによって補正量を求め、磁極位置θｒｅ，θｒｅ′を正確に決定することができる。そしてこの実施の形態の場合、磁気感応素子２７の設置場所の自由度が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の電動機の磁極位置検出装置の機能構成を示すブロック図。
【図２】上記の実施の形態の機械的な構成を示す断面図。
【図３】上記の実施の形態による磁極位置検出の動作原理を示す説明図。
【図４】磁性体片を取り付けた磁石電動機における磁束エッジの立下り、立上りの電流位相角によるずれ量を示すグラフ。
【図５】上記の実施の形態で採用する電動機力行時の補正量マップデータ（磁性体片あり）の説明図。
【図６】上記の実施の形態で採用する電動機回生時の補正量マップデータ（磁性体片あり）の説明図。
【図７】上記の実施の形態で採用する電動機力行時の補正量マップデータ（磁性体片なし）の説明図。
【図８】上記の実施の形態で採用する電動機回生時の補正量マップデータ（磁性体片なし）の説明図。
【図９】上記の実施の形態における位相角演算部の位相角演算原理を示す説明図。
【図１０】上記の実施の形態における位相角演算部の位相確保声援算処理のフローチャート。
【図１１】上記の実施の形態においてホールＩＣの検出出力の組み合わせと位相角との関係を示すテーブル。
【図１２】磁石電動機における真の磁極位置とホールＩＣの検出する磁極位置とのずれを示す説明図。
【図１３】本発明の第２の実施の形態の電動機の磁極位置検出装置の概略斜視図。
【図１４】上記の実施の形態において採用する補助歯車の正面図。
【図１５】一般的な永久磁石電動機の回路ブロック図。
【図１６】従来例の永久磁石電動機の断面図。
【図１７】永久磁石電動機において、漏れ磁束がロータ内の磁石位置に同期して変化する様子を示すグラフ。
【図１８】磁極位置検出用のホールＩＣに対して影響を及ぼすロータからの漏れ磁束とステータコイルの電流とが作る磁束との和の変化の様子を示すグラフ。
【符号の説明】
１  電動機
２  位相角演算部
３Ｕ，３Ｖ，３Ｗ  電流検出器
４  ３相−２相変換部
５  ２相電流指令演算部
６  ２相−３相変換部
７  電力変換部
１１  磁極位置検出装置
１５  磁石
１７  ロータ
１９  ステータ
２５  磁性体片
２７  磁気感応素子（ホールＩＣ）
【図１】
0003546817.tif 000004
【図２】
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【図３】
0003546817.tif 000006
【図４】
0003546817.tif 000007
【図５】
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【図６】
0003546817.tif 000009
【図７】
0003546817.tif 000010
【図８】
0003546817.tif 000011
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
0003546817.tif 000015
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
0003546817.tif 000019
【図１７】
0003546817.tif 000020
【図１８】
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