(57)【要約】【課題】高い精度でロータ位置を検出することができ、ロータを効率よく回転させることができるスイッチドリラクタンスモータのセンサレス駆動装置を提供する。【解決手段】センサレス駆動装置は、複数の電磁石Ｕ１〜Ｗ２に電流を間欠的に流して電磁石Ｕ１〜Ｗ２を励磁させ、ロータ１０の突極１１と電磁石Ｕ１〜Ｗ２との間に磁気力を発生させることでロータ１０を回転させるモータドライバ３０，４０と、電磁石Ｕ１〜Ｗ２に流れる電流を測定する電流センサ５０と、複数の電磁石Ｕ１〜Ｗ２の内、非励磁相の電磁石に流れるリップル電流の大きさに基づいてロータ１０の角度を検出するロータ角検出器６０とを備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性材からなる複数の突極を有するロータと、前記ロータを囲うように配置された複数の電磁石を有するステータとを備えたスイッチドリラクタンスを駆動するためのセンサレス駆動装置であって、
前記電磁石に電流を間欠的に流して前記電磁石を励磁させ、前記ロータの突極と前記電磁石との間に磁気力を発生させることで前記ロータを回転させるモータドライバと、
前記電磁石に流れる電流を測定する電流センサと、
前記複数の電磁石の内、非励磁相の電磁石に流れるリップル電流の大きさに基づいてロータの角度を検出するロータ角検出器とを備えたことを特徴とするセンサレス駆動装置。
【請求項２】
前記ロータ角検出器は、前記リップル電流の大きさが所定の値に達したか否かを決定することにより、前記ロータが所定の角度に達したか否かを決定することを特徴とする請求項１に記載のセンサレス駆動装置。
【請求項３】
前記モータドライバは、前記リップル電流の大きさが前記所定の値に達したときに、前記複数の電磁石の内、少なくとも１つの電磁石に電流を流すことを特徴とする請求項２に記載のセンサレス駆動装置。
【請求項４】
前記モータドライバはＰＷＭドライバであって、
前記ロータ角検出器は、
前記非励磁相の電磁石に流れる前記リップル電流から、前記ＰＷＭドライバのキャリア周波数と同じ周波数を持つＡＭ変調波を抽出するＡＭ変調波抽出器と、
前記ＡＭ変調波を復調し、復調信号を生成する復調器と、
前記復調信号を所定の値と比較する比較器とを備え、
前記ＰＷＭドライバは、前記復調信号が前記所定の値に達した時に前記複数の電磁石の内、少なくとも１つの電磁石に電流を流すことを特徴とする請求項１に記載のセンサレス駆動装置。
【請求項５】
前記モータドライバはＰＷＭドライバであって、
前記ロータ角検出器は、
２つの非励磁相の電磁石に流れる前記リップル電流から、前記ＰＷＭドライバのキャリア周波数と同じ周波数を持つ２つのＡＭ変調波を抽出するＡＭ変調波抽出器と、
前記２つのＡＭ変調波を復調し、それぞれの復調信号を生成する復調器と、
前記復調信号の差分を算出する比較器と、を備え、
前記ＰＷＭドライバは、前記差分が所定の値に達した時に前記複数の電磁石の内、少なくとも１つの電磁石に電流を流すことを特徴とする請求項１に記載のセンサレス駆動装置。
【請求項６】
前記リップル電流の平均値は０近傍であることを特徴とする請求項１に記載のセンサレス駆動装置。
【請求項７】
前記リップル電流は前記ＰＷＭドライバのデューティ比を一定に固定した時の電流であることを特徴とする請求項３または４に記載のセンサレス駆動装置。
【請求項８】
前記リップル電流は前記ＰＷＭドライバのデューティ比を一定に固定した時の電流であり、
前記比較器が前記復調信号を前記所定の値と比較していない時はデューティ比を０にすることを特徴とする請求項４に記載のセンサレス駆動装置。
【請求項９】
前記リップル電流は前記ＰＷＭドライバのデューティ比を一定に固定した時の電流であり、
前記比較器が前記復調信号の差分を算出していない時はデューティ比を０にすることを特徴とする請求項４に記載のセンサレス駆動装置。
【請求項１０】
前記ロータ角検出器は、前記リップル電流または前記復調信号のゲインを調整するゲイン調整器をさらに有することを特徴とする請求項４または５に記載のセンサレス駆動装置。
【請求項１１】
前記ＡＭ変調波抽出器はバンドパスフィルタであり、前記バンドパスフィルタの通過帯域の中心周波数は前記キャリア周波数に等しいことを特徴とする請求項４または５に記載のセンサレス駆動装置。
【請求項１２】
前記復調器は、前記ＡＭ変調波の波高値を抽出する包絡線検波方式であることを特徴とする請求項４または５に記載のセンサレス駆動装置。
【請求項１３】
前記復調器は、前記キャリア周波数と同期した参照波を用いてＡＭ変調波を復調する同期検波方式であることを特徴とする請求項４または５に記載のセンサレス駆動装置。
【請求項１４】
前記電磁石に流れる電流の方向が一方向であることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載のセンサレス駆動装置。
【請求項１５】
磁性材からなる複数の突極を有するロータと、前記ロータを囲うように配置された複数の電磁石を有するステータとを備えたスイッチドリラクタンスモータと、
前記スイッチドリラクタンスモータを駆動するための請求項１乃至１４のいずれか一項に記載のセンサレス駆動装置とを備えたことを特徴とするモータ装置。
【請求項１６】
前記複数の突極はそれぞれ非対称の断面形状を有しており、前記ロータの回転方向において前記突極の上流側の断面は、下流側の断面よりも大きいことを特徴とする請求項１５に記載のモータ装置。
【請求項１７】
前記ロータは、前記複数の突極にそれぞれ隣接する複数の補助極を有し、
前記複数の補助極は、前記ロータの半径方向において前記複数の突極よりも短く、
前記複数の突極と前記複数の補助極は、前記ロータの周方向に沿って交互に配列されていることを特徴とする請求項１５に記載のモータ装置。
【請求項１８】
前記補助極は、リング形状を有していることを特徴とする請求項１７に記載のモータ装置。
【請求項１９】
前記補助極は、一部が薄肉のリング形状を有していることを特徴とする請求項１８に記載のモータ装置。
【請求項２０】
前記補助極は、一部に切り欠きが形成されたリング形状を有していることを特徴とする請求項１８に記載のモータ装置。
【請求項２１】
磁性材からなる複数の突極を有するロータと、前記ロータを囲うように配置された複数の電磁石を有するステータとを備えたスイッチドリラクタンスを駆動するためのセンサレス駆動方法であって、
前記電磁石に流れる電流を測定し、
前記複数の電磁石の内、非励磁相の電磁石に流れるリップル電流の大きさに基づいてロータの角度を検出することを特徴とするセンサレス駆動方法。
【請求項２２】
前記リップル電流の大きさが所定の値に達したか否かを決定することにより、前記ロータが所定の角度に達したか否かを決定することを特徴とする請求項２１に記載のセンサレス駆動方法。
【請求項２３】
前記リップル電流の大きさが前記所定の値に達したときに、前記複数の電磁石の内、少なくとも１つの電磁石に電流を流すことを特徴とする請求項２２に記載のセンサレス駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチドリラクタンスモータのセンサレス駆動装置に関し、特にセンサを用いずにロータの位置を検出する機能を備えたセンサレス駆動装置に関する。また、本発明は、スイッチドリラクタンスモータと、そのセンサレス駆動装置を備えたモータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
スイッチドリラクタンスモータは、永久磁石を持たない磁性材からなるロータを有し、安価に製作できるモータとして期待されている。このスイッチドリラクタンスモータは、ロータの位置に基づいてステータのコイルに電流を間欠的に流し、ロータの突極とステータの突極との間に作用する引力によってロータを回転させる。図１５にスイッチドリラクタンスモータの概略図を示す。この図は、４極のロータ１０１と６極のステータ１０２を組み合わせたスイッチドリラクタンスモータを示している。対向する一対の突極１０５に取り付けられたコイル１１０に電流を流して突極１０５を励磁し、ロータ１０１を引き付けるためのトルクを発生させる。
【０００３】
ロータ１０１が回転するに従い、ステータ１０２の突極１０５とロータ１０１の突極の距離が変化するので、磁気抵抗、すなわちリラクタンスが変化する。このリラクタンスの変化によりトルクが発生し、このトルクを利用してロータ１０１を回転させる。磁気抵抗が変化すると、コイル１１０のインダクタンスも変化する。そのため、このインダクタンス変化を検出すればロータ１０１の位置（角度）を検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−３０９６９１号公報
【特許文献２】特開２００２−１８６２８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
センサ等の別部材を備えることなしにロータの位置検出を行う従来技術として、上記特許文献１，２に開示されるものがある。これら特許文献１，２は、励磁相からの磁束により発生した非励磁相での起電力を利用してロータの位置を検出する技術を開示している。これら特許文献に記載の技術によれば、位置検出センサなどの別部材を用いることなく、スイッチドリラクタンスモータを回転させることができる。
【０００６】
前述のインダクタンス変化を利用する場合では、実際には、磁気回路には強い非線形性があり、インダクタンスにはロータ位置情報以外の情報が混入している。図１６は実験用モータのコイルのインダクタンスを計測したデータを示す図である。図１６に示すグラフにおいて、縦軸はステータコイルのインダクタンスを表し、横軸はステータコイルに流した直流電流を表している。５本の曲線は、それぞれ、ステータの突極とロータの突極の距離（以下、ギャップ長さという）を変化させて計測されたインダクタンスと直流電流との関係を示している。これらの曲線から、ギャップ長さの変化に応じてインダクタンスが変化していることがわかる。
【０００７】
しかし、コイルに流す直流電流によってもインダクタンスが変化していることが図１６からわかる。よって、単にインダクタンス計測を行っただけでは、インダクタンスの変化がギャップ長の変化に起因するものか、またはコイル電流の変化に起因するものか区別がつかない。理想的な磁気回路であればコイル電流が変化してもインダクタンスは変化しないが、実際には磁気回路の非線形性によってこのようにインダクタンスが変化してしまう。スイッチドリラクタンスモータでは、コイル電流は磁気回路の飽和領域まで使用され、かつコイル電流は大幅に変動する。さらに、スイッチドリラクタンスモータの転流タイミングを決めるロータ位置検出には高い精度と高い分解能が要求される。広範囲な負荷変動、量産時の個体差、生産時の調整（個体ごとにインダクタンスカーブを多数計測する）等を考えると、従来の技術では、センサレススイッチドリラクタンスモータの実用化は難しかった。
【０００８】
そこで、本発明は、高い精度でロータ位置を検出することができ、ロータを効率よく回転させることができるスイッチドリラクタンスモータのセンサレス駆動装置を提供することを目的とする。また、本発明は、スイッチドリラクタンスモータと、そのセンサレス駆動装置を備えたモータ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、磁性材からなる複数の突極を有するロータと、前記ロータを囲うように配置された複数の電磁石を有するステータとを備えたスイッチドリラクタンスを駆動するためのセンサレス駆動装置であって、前記電磁石に電流を間欠的に流して前記電磁石を励磁させ、前記ロータの突極と前記電磁石との間に磁気力を発生させることで前記ロータを回転させるモータドライバと、前記電磁石に流れる電流を測定する電流センサと、前記複数の電磁石の内、非励磁相の電磁石に流れるリップル電流の大きさに基づいてロータの角度を検出するロータ角検出器とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
前記ロータ角検出器は、前記リップル電流の大きさが所定の値に達したか否かを決定することにより、前記ロータが所定の角度に達したか否かを決定することを特徴とする。
前記モータドライバは、前記リップル電流の大きさが前記所定の値に達したときに、前記複数の電磁石の内、少なくとも１つの電磁石に電流を流すことを特徴とする。
【００１１】
前記モータドライバはＰＷＭドライバであって、前記ロータ角検出器は、前記非励磁相の電磁石に流れる前記リップル電流から、前記ＰＷＭドライバのキャリア周波数と同じ周波数を持つＡＭ変調波を抽出するＡＭ変調波抽出器と、前記ＡＭ変調波を復調し、復調信号を生成する復調器と、前記復調信号を所定の値と比較する比較器とを備え、前記ＰＷＭドライバは、前記復調信号が前記所定の値に達した時に前記複数の電磁石の内、少なくとも１つの電磁石に電流を流すことを特徴とする。
【００１２】
前記モータドライバはＰＷＭドライバであって、前記ロータ角検出器は、２つの非励磁相の電磁石に流れる前記リップル電流から、前記ＰＷＭドライバのキャリア周波数と同じ周波数を持つ２つのＡＭ変調波を抽出するＡＭ変調波抽出器と、前記２つのＡＭ変調波を復調し、それぞれの復調信号を生成する復調器と、前記復調信号の差分を算出する比較器と、を備え、前記ＰＷＭドライバは、前記差分が所定の値に達した時に前記複数の電磁石の内、少なくとも１つの電磁石に電流を流すことを特徴とする。
【００１３】
前記リップル電流の平均値は０近傍であることを特徴とする。
前記リップル電流は前記ＰＷＭドライバのデューティ比を一定に固定した時の電流であることを特徴とする。
前記リップル電流は前記ＰＷＭドライバのデューティ比を一定に固定した時の電流であり、前記比較器が前記復調信号を前記所定の値と比較していない時はデューティ比を０にすることを特徴とする。
前記リップル電流は前記ＰＷＭドライバのデューティ比を一定に固定した時の電流であり、前記比較器が前記復調信号の差分を算出していない時はデューティ比を０にすることを特徴とする。
【００１４】
前記ロータ角検出器は、前記リップル電流または前記復調信号のゲインを調整するゲイン調整器をさらに有することを特徴とする。
前記ＡＭ変調波抽出器はバンドパスフィルタであり、前記バンドパスフィルタの通過帯域の中心周波数は前記キャリア周波数に等しいことを特徴とする。
前記復調器は、前記ＡＭ変調波の波高値を抽出する包絡線検波方式であることを特徴とする。
前記復調器は、前記キャリア周波数と同期した参照波を用いてＡＭ変調波を復調する同期検波方式であることを特徴とする。
前記電磁石に流れる電流の方向が一方向であることを特徴とする。
【００１５】
本発明の他の態様は、磁性材からなる複数の突極を有するロータと、前記ロータを囲うように配置された複数の電磁石を有するステータとを備えたスイッチドリラクタンスモータと、前記スイッチドリラクタンスモータを駆動するための上記センサレス駆動装置とを備えたことを特徴とするモータ装置である。
前記複数の突極はそれぞれ非対称の断面形状を有しており、前記ロータの回転方向において前記突極の上流側の断面は、下流側の断面よりも大きいことを特徴とする。
前記ロータは、前記複数の突極にそれぞれ隣接する複数の補助極を有し、前記複数の補助極は、前記ロータの半径方向において前記複数の突極よりも短く、前記複数の突極と前記複数の補助極は、前記ロータの周方向に沿って交互に配列されていることを特徴とする。
前記補助極は、リング形状を有していることを特徴とする。
前記補助極は、一部が薄肉のリング形状を有していることを特徴とする。
前記補助極は、一部に切り欠きが形成されたリング形状を有していることを特徴とする。
【００１６】
本発明のさらに他の態様は、磁性材からなる複数の突極を有するロータと、前記ロータを囲うように配置された複数の電磁石を有するステータとを備えたスイッチドリラクタンスを駆動するためのセンサレス駆動方法であって、前記電磁石に流れる電流を測定し、前記複数の電磁石の内、非励磁相の電磁石に流れるリップル電流の大きさに基づいてロータの角度を検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ロータのトルク発生に寄与しない非励磁相の電磁石に流れるリップル電流の変化に基づいて、ロータ位置が検出される。したがって、磁気回路の非線形性の影響を受けることなく正確なロータ位置の検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】スイッチドリラクタンスモータを示す断面図である。
【図２】磁極Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２の接続例を説明する図である。
【図３】各相の磁極の励磁タイミングの一例を示す図である。
【図４】図１に示すスイッチドリラクタンスモータを駆動するためのセンサレス駆動装置の構成の一例を示す模式図である。
【図５】図４に記載のロータ角検出器の一例の詳細を示す図である。
【図６】Ｕ相電流と、ＡＭ変調波と、ＡＭ変調波の復調信号の一例を示す図である。
【図７】転流タイミングを説明する図である。
【図８】２つの非励磁相の復調信号を用いてロジック信号を生成するロジック信号生成部の一例を示す図である。
【図９】ロータの別の構成例を示す図である。
【図１０】図９に示すロータが回転するときのステータコイルのインダクタンスの変化を示すグラフである。
【図１１】リング形状を有する補助極の例を示す図である。
【図１２】ロータのさらに別の構成例を示す図である。
【図１３】ロータのさらに別の構成例を示す図である。
【図１４】ロータのさらに別の構成例を示す図である。
【図１５】一般的なスイッチドリラクタンスモータの概略図である。
【図１６】実験用モータのコイルのインダクタンスを計測したデータを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、スイッチドリラクタンスモータおよびそのセンサレス駆動装置の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、スイッチドリラクタンスモータを示す断面図である。図１に示すスイッチドリラクタンスモータ１は、６極ステータ２と４極ロータ１０を備えた３相スイッチドリラクタンスモータである。ステータ２およびロータ１０は、ケイ素鋼板などの磁性材で構成される。ロータ１０には４つの突極１１があり、ステータ２には６つの突極３がある。ステータ２はロータ１０を囲うように配置されている。ステータ２のそれぞれの突極３にコイル（巻線）６が取り付けられ、それぞれ磁極Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２を形成している。コイル６に電流を流すことで磁極Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２は電磁石となり、これら電磁石がロータ１０の突極１１を引き寄せる磁力を発生させる。
【００２０】
図２は、磁極Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２の接続例を説明する図である。磁極Ｕ１のコイル６と磁極Ｕ２のコイル６は直列に接続されており、Ｕ相の電磁石を形成する。Ｕ相に電流iＵを流すことで、磁極Ｕ１がＮ極に、磁極Ｕ２がＳ極となるようコイル６の巻き方向を決定している。同様に、磁極Ｖ１と磁極Ｖ２、磁極Ｗ１と磁極Ｗ２もそれぞれＶ相の電磁石およびＷ相の電磁石を形成する。
【００２１】
ロータ１０が１回転するとき、ロータ１０の４つの突極１１は各磁極（例えば、磁極Ｕ１）を４回通過することになる。すなわち、各相のコイル６に４回電流を流し、ロータ１０の突極１１を磁力で引き寄せることでロータ１０は３６０度回転する。図３に各相の磁極の励磁タイミングの一例を示す。この例では、磁極Ｕ１とロータ１０の突極１１の１つが、直線的に最も近づく時のロータ１０の回転角（機械角）を０度としている。Ｕ相の電磁石（磁極Ｕ１，Ｕ２）を励磁している時は、Ｖ相の電磁石（磁極Ｖ１，Ｖ２）およびＷ相の電磁石（磁極Ｗ１，Ｗ２）は非励磁としている。同様に、Ｖ相の電磁石を励磁している時は、Ｗ相の電磁石およびＵ相の電磁石は非励磁であり、Ｗ相の電磁石を励磁している時は、Ｕ相の電磁石およびＶ相の電磁石は非励磁としている。
【００２２】
図１では、６極ステータ２および４極ロータ１０を有する３相モータの構成を示しているが、例えば、１２極ステータ、８極ロータで、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相それぞれの磁極を４つとしてもよい。また、４相など相の数を変えることもできることは言うまでもない。
【００２３】
図４は、図１に示すスイッチドリラクタンスモータ１を駆動するためのセンサレス駆動装置２０の構成の一例を示す模式図である。モータ装置は、図１に示すスイッチドリラクタンスモータ１と、図４に示すセンサレス駆動装置２０とから構成される。このセンサレス駆動装置２０は、目標電流生成器２１、ＰＷＭコントローラ３０、ドライブ回路４０、電流センサ５０、ロータ角検出器（転流タイミング生成器）６０、およびロータ角速度決定部９０を備えている。
【００２４】
電流センサ５０は、ドライブ回路４０からスイッチドリラクタンスモータ１に流れる三相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の電流を測定する電流計測装置である。ＰＷＭコントローラ３０は、目標電流ｉＵ＊，ｉＶ＊，ｉＷ＊がスイッチドリラクタンスモータ１に流れるように、ドライブ回路４０のＵ相，Ｖ相，Ｗ相のＰＷＭゲート信号ＧＵ，ＧＶ，ＧＷを生成する。より具体的には、減算器３１は、電流センサ５０からフィードバックされた電流の測定値を目標電流値ｉＵ＊，ｉＶ＊，ｉＷ＊から減算し、減算して得られた信号をＰＩＤ補償器３２に入力する。比較器３３は、ＰＩＤ補償器３２で適度に調整された信号を三角波のＰＷＭキャリアと比較することで、ドライブ回路４０のＵ相，Ｖ相，Ｗ相のＰＷＭゲート信号ＧＵ，ＧＶ，ＧＷを生成する。ＰＷＭキャリアは三角波に限らず、例えばノコギリ波であってもよい。
【００２５】
ドライブ回路４０は、駆動電圧ＶＤＣを生成する直流電圧生成器４２と、この直流電圧生成器４２に接続された複数のスイッチング素子４４を有している。これらのスイッチング素子４４は、ＰＷＭゲート信号ＧＵ，ＧＶ，ＧＷに従って開閉（ＯＮ／ＯＦＦ）する。ドライブ回路４０はスイッチドリラクタンスモータ１に接続されている。Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相それぞれのコイル６には、ＰＷＭゲート信号がＯＮの時は駆動電圧ＶＤＣ、ＯＦＦの時は−ＶＤＣが印加される。このようにして各相のコイル６に目標の電流が流れ、電磁石が励磁される。ＰＷＭコントローラ３０およびドライブ回路４０は、ステータ２の電磁石に電流を間欠的に流して電磁石を励磁させ、ロータ１０の突極１１と電磁石との間に磁気力を発生させることでロータ１０を回転させるモータドライバを構成する。このタイプのモータドライバは、ＰＷＭドライバである。
【００２６】
ロータ角検出器６０は、電流センサ５０で測定した電流値に基づいてロジック信号ＰＵ，ＰＶ，ＰＷを生成する。ロジック信号ＰＵ，ＰＶ，ＰＷは、各相の電磁石に電流を流すタイミングを決定する信号であり、ＯＮ信号とＯＦＦ信号とから構成される。ＯＮ信号は、各相の電磁石への電流供給を開始させるための指令信号であり、ＯＦＦ信号は、各相の電磁石への電流供給を停止させるための指令信号である。ロータ１回転当たり、各相の電磁石への電流供給と電流供給の停止は、それぞれ４回繰り返される。より具体的には、ロジック信号ＰＵ，ＰＶ，ＰＷは、それぞれ「１」と「０」から構成され、「１」はＯＮ信号、すなわち電流供給の開始を表し、「０」はＯＦＦ信号、すなわち電流供給の停止を表す。ロジック信号が１の時は電磁石を励磁し、０の時は電磁石は非励磁となる。
【００２７】
ロータ角検出器６０は、さらに、ロジック信号のＯＮ／ＯＦＦ周期あるいは復調信号（後述する）からロータ１０の位置、すなわち回転角θを推定する。例えば、ロータ角検出器６０は、ＯＮ信号からＯＦＦ信号へ（またはＯＦＦ信号からＯＮ信号へ）のロジック信号の切り換えタイミングの間隔から回転角θを推定する。推定されたロータ１０の回転角θは、およびロータ角速度決定部９０に送られる。このロータ角速度決定部９０は、ロータ１０の回転角θの時間的変化を計算することで、ロータ１０の角速度ωを決定する。
【００２８】
ロータ１０の角速度ωは、目標電流生成器２１にフィードバックされる。目標電流生成器２１は、減算器２２、ＰＩＤ補償器２３、および乗算器２５を備えている。減算器２２は、角速度ωを目標角速度ω＊から減算して目標角速度ω＊と角速度ωとの差分を求め、ＰＩＤ補償器２３は上記差分に基づいて目標電流信号ｉ＊を生成する。さらに、乗算器２５は、目標電流信号ｉ＊をロジック信号ＰＵ，ＰＶ，ＰＷに乗算することで、目標電流値ｉＵ＊，ｉＶ＊，ｉＷ＊を生成する。
【００２９】
このようなセンサレス駆動装置２０によれば、ロータ１０に負荷が加わった時は角速度ωが目標角速度ω＊よりも遅くなるため、目標電流信号ｉ＊が大きくなる。つまり、ロータ１０の負荷に応じてステータ２の電磁石が励磁される。このように、ステータ２の電磁石は、角速度ωが目標角速度ω＊に追従するように磁気力、すなわちトルクを発生する。
【００３０】
各相のコイル６に流れる電流には、ＰＷＭキャリアの周波数（キャリア周波数という）に同期したリップル電流が重畳する。このリップル電流は、ＰＷＭコントローラ３０およびドライブ回路４０によって生成される。リップル電流の大きさは、コイル６のインダクタンスに反比例する。つまり、ロータ１０の突極１１がステータ２の突極３に接近するとリップル電流が小さくなり、離れると大きくなる。したがって、このリップル電流の脈動を検出することでロータ１０の回転角θを推定することができる。ロータ角検出器６０は、リップル電流の大きさ（振幅）に基づいてロータ１０の位置、すなわち回転角θを検出する。
【００３１】
図５は図４に記載のロータ角検出器６０の一例の詳細を示す。ロータ角検出器６０は、復調部７０と、ロジック信号生成部８０とから構成される。まず復調部７０について説明する。復調部７０は、バンドパスフィルタ（ＡＭ変調波抽出器）７１、絶対値回路７３、ノッチフィルタ７５、およびローパスフィルタ７７を備えている。バンドパスフィルタ７１、絶対値回路７３、ノッチフィルタ７５、およびローパスフィルタ７７は、この順に直列に接続されている。
【００３２】
上述したように、各相のコイル６に流れる電流には、キャリア周波数に同期したリップル電流が重畳する。電流センサ５０で検出した電流値ｉＵ，ｉＶ，ｉＷは、ＰＷＭキャリアの周波数を通過帯域の中心周波数とするバンドパスフィルタ７１に通される。これによりロータ１０の回転角に応じて振幅が変動する正弦波信号、すなわちＡＭ変調波を抽出できる。すなわち、ロータ１０の突極１１がステータ２の突極３に接近すると波高値が小さくなり、ロータ１０の突極１１がステータ２の突極３から離れると波高値が大きくなるようなＡＭ変調波を抽出できる。
【００３３】
ＡＭ変調波は次に絶対値回路７３に送られる。絶対値回路７３は、ＡＭ変調波のマイナス側成分をプラス側に折り返す。すなわち、絶対値回路７３は、ＡＭ変調波のマイナス側成分をプラス側成分に変換する。そうすることでＡＭ変調波はプラス側成分のみから構成され、ＡＭ変調波の周波数はＰＷＭキャリアの周波数の２倍となる。このプラス側成分のみを持つＡＭ変調波は、キャリア周波数の２倍の周波数を阻止帯域の中心周波数に持つノッチフィルタ７５に通され、ノッチフィルタ７５によってＡＭ変調波の波高値のみが抽出される。そしてわずかに残るキャリア周波数ノイズを除去するため、ＡＭ変調波を、キャリア周波数の１／１０程度にカットオフ周波数を設定したローパスフィルタ７７に通過させる。このようにしてリップル電流から抽出したＡＭ変調波の復調信号ＳＵ，ＳＶ，ＳＷを得る。ノイズが小さければローパスフィルタ７７は不要である。
【００３４】
図６は、Ｕ相電流と、ＡＭ変調波と、ＡＭ変調波の復調信号の一例を示す図である。ステータ２のコイル６の直流抵抗やスイッチング損失が存在しない理想的な状態では、ＰＷＭのデューティ比が５０％のときにドライブ回路４０から出力される平均電流は一定となる。ドライブ回路４０は、デューティ比が５０％より大きいときは電流が上昇し、５０％未満のときは下降するよう動作する。実際には、ステータ２のコイル６の直流抵抗やスイッチング損失が存在するため、デューティ比を５０％に固定した場合でも電流は一定とならず下降傾向となる。
【００３５】
ドライブ回路４０の特性上、電流の流れる方向は一方向のみである。すなわち、必ず図２の端子Ｕ＋からコイル６に電流が流入し、端子Ｕ−に戻ってくる。電流０近辺ではマイナスの電流が流せないため、図６に示すようにステータ２の磁極が非励磁状態であってもリップル電流の平均値は０近辺である。このことから、ステータ２の磁極が非励磁の時はＰＷＭのデューティ比を５０％近辺に固定してもよい。デューティ比を所定の値に固定することで安定したリップル電流が得られ、ノイズの少ないＡＭ変調波や復調信号が得られる。
【００３６】
上述した復調部７０は、ＡＭ変調波のピーク（波高値）を抽出する包絡線検波方式であるが、これに代えて、復調器はＰＷＭコントローラ３０のキャリア周波数と同期した参照波を用いてＡＭ変調波を復調する同期検波方式であってもよい。
【００３７】
リップル電流の波高値は通常インダクタンスに反比例する。しかしながら、励磁開始時および励磁終了時はＰＷＭのデューティ比がそれぞれ１００％、０％となり、ＰＷＭスイッチングをやめてしまうため、リップル電流が発生しなくなる。また、励磁中は電流が大きいほどステータ２およびロータ１０は磁気飽和していき、インダクタンスが低下する。このようにインダクタンスと励磁電流には非線形な関係が成立している。つまり非励磁状態では安定したインダクタンスの検出、つまりロータ１０の角度検出を行うことができるが、励磁状態では励磁電流と共にインダクタンスが変化するため精度が良いロータ１０の角度検出ができない。
【００３８】
そこで、本実施形態では、非励磁相のコイル６に流れるリップル電流から生成された復調信号を用いてロータ１０の角度検出が行われ、さらに各相の転流タイミングが決定される。次に、ロジック信号生成部８０について、図５および図７を参照しながら説明する。ここでは説明の簡略化のためＵ相の転流タイミングについてのみ説明する。復調信号ＳＵはＵ相の磁極Ｕ１，Ｕ２が励磁されている時は、本来であれば前述の通り非線形性の影響で精度よく検出できないが、図７では簡略化のために常に非励磁状態として記載する。Ｖ相、Ｗ相についても同様である。
【００３９】
Ｕ相のインダクタンスは、ロータ１０の回転角θが０度の時に最も大きくなる。従って、ロータ１０の回転角θが０度の時、リップル電流の振幅は小さくなり、復調信号ＳＵも小さくなる。ロータ１０の回転角θが４５度の時はインダクタンスが最小となるため、復調信号ＳＵは最大となる。このように、復調信号ＳＵは４５度毎に最小、最大を繰り返す。Ｖ相の復調信号ＳＶはＵ相の復調信号ＳＵから３０度遅れで、Ｗ相の復調信号ＳＷはＵ相の復調信号ＳＵから６０度遅れで最小、最大を繰り返す。
【００４０】
Ｕ相の磁極Ｕ１，Ｕ２の励磁開始および励磁停止のタイミングを正確に決定するため、非線形性の影響がない非励磁相の復調信号を使う。図７に示す例では、非励磁のＶ相の復調信号ＳＶと閾値ＰＵＯＮを比較し、復調信号ＳＶが閾値ＰＵＯＮに達した時に、ロジック信号ＰＵはＯＦＦ信号からＯＮ信号に切り替わる。また非励磁のＷ相の復調信号ＳＷと閾値ＰＵＯＦＦを比較し、復調信号ＰＷが閾値ＰＵＯＦＦに達した時に、ロジック信号ＰＵはＯＮ信号からＯＦＦ信号に切り替わる。このように、非励磁相のコイル６に流れるリップル電流から生成された復調信号の変化に基づいて、ロジック信号ＰＵのＯＮ信号とＯＦＦ信号の切り替え、すなわち磁極の励磁開始および励磁停止のタイミングが決定される。Ｖ相、Ｗ相のロジック信号ＰＶ，ＰＷについても同様である。
【００４１】
ロジック信号ＰＵ，ＰＶ，ＰＷは、図５に示すロジック信号生成部８０にて生成される。すなわち、各比較器８１は、非励磁相の復調信号と閾値とを比較し、加算器８３は復調信号と閾値との比較結果に基づいて、ＯＮ信号とＯＦＦ信号からなるロジック信号を生成する。
【００４２】
ロジック信号ＰＵのＯＮ信号とＯＦＦ信号とが切り替わるタイミングは、ロータ１０の回転角θに依存して変わる。したがって、ロジック信号ＰＵからロータ１０の回転角θを算出することができる。例えば、ロータ１０の回転角θが６０度のときに、ロジック信号ＰＵがＯＦＦ信号からＯＮ信号に切り替わるように閾値ＰＵＯＮを設定しておけば、ロジック信号ＰＵがＯＮ信号に切り替わった時のロータ１０の回転角θが６０度であると決定できる。図５に示すロジック信号生成部８０に設けられた回転角計算器８５は、ロジック信号ＰＵからロータ１０の回転角θを算出するように構成されている。図５ではロジック信号ＰＵを使ってロータ１０の回転角θを計算しているが、ロジック信号ＰＶあるいはロジック信号ＰＷからロータ１０の回転角θを計算してもよい。
【００４３】
ロータ１０の回転角θが分かれば、ロータ角速度決定部９０は、ＣＰＵ（中央処理装置）やＤＳＰ（デジタル信号処理装置）などの演算器と、タイマーカウンターとを用いることにより、回転角θの時間的な変化、すなわち角速度ωを算出することができる。ロジック信号生成部８０全体をＣＰＵやＤＳＰで構成してもよい。
【００４４】
更に精度のよいロジック信号ＰＵを生成するために、２つの非励磁相の復調信号を用いてもよい。例えば、磁極Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２が非励磁の時の復調信号ＳＵと復調信号ＳＶを比較し、ＳＶとＳＵとの差分が所定の値に達した時にロジック信号ＰＵをＯＦＦ信号からＯＮ信号に切り替える。さらに、磁極Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２が非励磁の時の復調信号ＳＶと復調信号ＳＷを比較し、ＰＷとＰＶとの差分が所定の値に達した時にロジック信号ＰＵをＯＮ信号からＯＦＦ信号に切り替える。復調信号ＳＵ，ＳＶ，ＳＷそれぞれを増幅するゲイン調整器を設け、ロータ１０の回転角θが所定の角度となった時にロジック信号ＰＵのＯＮ信号またはＯＦＦ信号が切り替わるようにそれぞれの復調信号の増幅度を調整してもよい。
【００４５】
このように２つの非励磁相の復調信号を使うことで、個体差や温度変化等によるインダクタンス特性変化の影響をキャンセルでき、より精度が高くロバスト性に優れた転流タイミング制御を実現できる。２つの非励磁相の復調信号を用いてロジック信号を生成するロジック信号生成部８０の一例を図８に示す。図８に示すように、ロジック信号生成部８０は、復調信号ＳＵ，ＳＶ，ＳＷそれぞれを増幅するゲイン調整器Ｇ１〜Ｇ１０を備えている。ゲイン調整器Ｇ１〜Ｇ１０は、比較器８１の前に配置されており、それぞれのロジック信号ＰＵ，ＰＶ，ＰＷのＯＮ信号とＯＦＦ信号の切り替えタイミングを細かく調整できるようになっている。図８に示す実施形態では、比較器８１は、２つの非励磁相の復調信号ＳＶ，ＳＵの差分を算出し、回転角計算器８５は、復調信号ＳＶ，ＳＵの差分が所定の値（例えば０）に達したときにロータ１０の回転角θが所定の角度に達したことを決定する。
【００４６】
復調信号ＳＵ，ＳＶ，ＳＷの大きさの変化がどの回転角θでも安定しているならば、復調信号ＳＵ，ＳＶ，ＳＷそれぞれに対応する３つのゲイン調整器のみを設けてもよい。また、復調部７０で復調する前にリップル電流のゲインを調整しても同じ効果が得られる。
【００４７】
非励磁相の復調信号は、閾値や他の非励磁相の復調信号と比較され、ロジック信号のＯＮ信号とＯＦＦ信号の切り替えタイミングが決定される。ロジック信号のＯＮ／ＯＦＦ切り替えタイミングを決定するとき以外は復調信号を正確に求める必要はない。このため、例えば、復調信号を閾値や他相の復調信号の比較していない時は、ＰＷＭのデューティ比を完全に０％として、リップル電流を完全にゼロとし、銅損や鉄損、スイッチング損失を低減してもよい。ロータ１０の角速度が安定していれば、ロジック信号が完全に周期的となるため、復調信号が必要となる時間、および必要としない時間が明確になる。したがって、デューティ比を０％にするタイミングを正確に判断できる。またロータ１０の角速度に変化が生じたときは、速やかに非励磁時のデューティ比０％の制御を中止し、デューティ比を５０％程度に切り換えてもよい。
【００４８】
リップル電流の波高値は、電磁石のインダクタンスに反比例するとともに、駆動電圧ＶＤＣに比例する。駆動電圧ＶＤＣに変動が生じる場合、ロータ角度情報以外のノイズが発生する。この駆動電圧ＶＤＣの変動に起因するノイズを除去するために、閾値ＰＵＯＮ，ＰＵＯＦＦ，ＰＶＯＮ，ＰＶＯＦＦ，ＰＷＯＮ，ＰＷＯＦＦを駆動電圧ＶＤＣに比例して変化させてもよい。
【００４９】
図９は、ロータ１０の別の構成例を示す図である。ロータ１０は、突極１１に加え、複数の補助極１２を有している。補助極１２は、ロータ１０の半径方向において突極１１よりも短い。複数の補助極１２は、複数の突極１１にそれぞれ隣接している。複数の突極１１と複数の補助極１２は、ロータ１０の周方向に沿って交互に配列されている。
【００５０】
図１０は、図９に示すロータ１０が回転するときのステータコイル６のインダクタンスの変化を示すグラフである。インダクタンスが最大値に到達するときに、ステータ２のコイル６への通電は停止される。図１０では、ロータ１０の角度が０度のとき、Ｖ相の電磁石は励磁され、Ｕ相，Ｗ相の電磁石は励磁されない。同様に、ロータ１０の角度が３０度のとき、Ｗ相の電磁石は励磁され、Ｕ相，Ｖ相の電磁石は励磁されない。ロータ１０の角度が６０度のとき、Ｕ相の電磁石は励磁され、Ｖ相，Ｗ相の電磁石は励磁されない。
【００５１】
インダクタンスのピーク間には、補助極１２の存在に起因するインダクタンスの小さなピークが現れる。互いに隣り合う２つの突極１１間に設けられた補助極１２は、インダクタンスをわずかに増加させるので、復調信号を閾値や他相の復調信号と比較しやすくなる。例えば、ロータ１０の角度が０度のとき、Ｖ相の復調信号とＷ相の復調信号との差分が算出される。補助極１２の存在により、Ｖ相の復調信号とＷ相の復調信号との差分が大きくなるので、その差分をさらに増幅して所望の信号値を得るようにすることができる。結果として、Ｖ相の磁極を励磁するタイミングをより正確に検出することができ、さらにノイズの影響を小さくすることができる。
【００５２】
ただし、励磁相から見れば、補助極１２には突極性が存在する。このため、補助極１２は、ロータ１０の突極１１に発生するトルクを妨げる（逆トルクの発生）ように磁気回路を構成してしまう。そこで、大きいトルクの発生時（励磁相の電磁石に大電流を流しているとき）には、補助極１２の突極性が上昇しないように、補助極１２はその磁路を磁気飽和させる形状を有することが好ましい。このような形状の例を図１１乃至図１３に示す。
【００５３】
図１１は、リング形状を有する補助極１２の例を示す図である。この補助極１２の中心には空隙が形成されており、補助極１２のリング状の磁路は極端に狭くなっている。これにより、励磁相のコイル６に流れる電流がある程度大きくなると、磁気飽和が生じる（これ以上磁束が補助極１２を通らない）。したがって、補助極１２に発生する逆トルクを小さくすることができる。図１２は、リング形状の一部が薄肉に形成されている補助極１２の例を示す図である。図１３は、リング形状の一部に切り欠きが形成されている補助極１２の例を示す図である。図１２および図１３に示す例も、磁気飽和を生じやすくすることができる。したがって、補助極１２に発生する逆トルクを小さくすることができる。
【００５４】
図１４に示す例には、補助極１２は設けられていない。代わりに、突極１１は非対称の断面形状を有している。ロータ１０の回転方向（矢印で示す）において突極１１の上流側の断面は、下流側の断面よりも大きい。この例では、上述のような補助極１２は設けられていないので、励磁相の電磁石に発生するトルクを妨げるような逆トルクが発生しにくく、その一方で非励磁相のコイル６でのインダクタンスの変化を生じさせることが可能となる。
【００５５】
上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。
【符号の説明】
【００５６】
１      スイッチドリラクタンスモータ
２      ステータ
３      突極
６      コイル
１０      ロータ
１１      突極
２０      センサレス駆動装置
２１      目標電流生成器
２２      減算器
２３      ＰＩＤ補償器
２５      乗算器
３０      ＰＷＭコントローラ
３１      減算器
３２      ＰＩＤ補償器
３３      比較器
４０      ドライブ回路
４２      直流電圧生成器
４４      スイッチング素子
５０      電流センサ
６０      ロータ角検出器（転流タイミング生成器）
７０      復調部
７１      バンドパスフィルタ（ＡＭ変調波抽出器）
７３      絶対値回路
７５      ノッチフィルタ
７７      ローパスフィルタ
８０      ロジック信号生成部
８１      比較器
８３      加算器
８５      回転角計算器
９０      ロータ角速度決定部
Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２      磁極（電磁石）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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