(57)【要約】【課題】従来の永久磁石同期電動機における回転子の位置検出では、信頼性の向上や実装環境の制約などの観点からセンサを用いない方が望ましく、センサを使用しない場合にあっても装置が複雑になるという問題点があった。【解決手段】永久磁石同期電動機ＰＭにおいて回転子Ｒの位置を検出する方法であって、固定子Ｓの三相巻線の一相に電圧を印加し、他の二相に発生した電圧波形の最大値の比較結果と、同電圧波形の正負の傾きの比較結果に基づいて、回転子Ｒの位置を検出する位置検出方法とし、センサを用いずに、装置を複雑化させることなく回転子Ｒの位置を検出可能にした。【選択図】  図１
2005065361.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石同期電動機において起動前の回転子の位置を検出する方法であって、固定子の三相巻線の一相に電圧を印加し、他の二相に発生した電圧波形の最大値の比較結果と、同電圧波形の正負の傾きの比較結果に基づいて、回転子の位置を検出することを特徴とする永久磁石同期電動機における回転子の位置検出方法。
【請求項２】
固定子の三相巻線の各相について、一相への電圧の印加と、他の二相に発生した電圧波形の最大値の比較及び正負の傾きの比較を行うことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石同期電動機における回転子の位置検出方法。
【請求項３】
永久磁石同期電動機において起動前の回転子の位置を検出する装置であって、固定子の三相巻線から選択した一相に電圧を印加するための励磁相選択回路と、他の二相で発生した電圧波形を取り込むための電圧比較相選択回路と、電圧比較相選択回路から入力した二相の電圧波形の最大値を比較する電圧最大値比較回路と、電圧比較相選択回路から入力した二相の電圧波形の正負の傾きを比較する電圧波形傾き比較回路を備えたことを特徴とする永久磁石同期電動機における回転子の位置検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石同期電動機において、起動前に回転子の位置を検出するのに用いる位置検出方法及び位置検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
永久磁石同期電動機は、高効率であることから産業界において広く用いられている。この電動機は、例えば、永久磁石を設けた回転子と、三相巻線を有する固定子を備えており、起動時の同期外れを防ぐために回転子の位置に同期した電圧を固定子の三相巻線に印加する必要があるので、起動前に回転子の位置を検出する必要がある。そして、このような永久磁石同期電動機において、回転子の位置検出を行う手段としては、固定子にホール素子を設け、このホール素子で回転子の永久磁石の極性を検出して回転子の位置を検出するものが周知である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記したような永久磁石同期電動機における回転子の位置検出にあっては、信頼性の向上や実装環境の制約などの観点からセンサを用いない方が望ましく、このような背景から、センサを用いずに回転子の位置を検出する研究が盛んに行われていたが、いずれの場合も装置が複雑になるという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。
【０００４】
【発明の目的】
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、センサを用いずに、装置を複雑化させることなく回転子の位置を検出することができる永久磁石同期電動機における回転子の位置検出方法及び位置検出装置を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる永久磁石同期電動機における回転子の位置検出方法は、永久磁石同期電動機において起動前の回転子の位置を検出する方法であって、固定子の三相巻線の一相に電圧を印加し、他の二相に発生した電圧波形の最大値の比較結果と、同電圧波形の正負の傾きの比較結果に基づいて、回転子の位置を検出する構成とし、より好ましい実施の形態として、固定子の三相巻線の各相について、一相への電圧の印加と、他の二相に発生した電圧波形の最大値の比較及び正負の傾きの比較を行う構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
【０００６】
また、本発明に係わる永久磁石同期電動機における回転子の位置検出装置は、永久磁石同期電動機において起動前の回転子の位置を検出する装置であって、固定子の三相巻線から選択した一相に電圧を印加するための励磁相選択回路と、他の二相で発生した電圧波形を取り込むための電圧比較相選択回路と、電圧比較相選択回路から入力した二相の電圧波形の最大値を比較する電圧最大値比較回路と、電圧比較相選択回路から入力した二相の電圧波形の正負の傾きを比較する電圧波形傾き比較回路を備えたことを特徴としている。
【０００７】
【発明の効果】
本発明の請求項１に係わる永久磁石同期電動機における回転子の位置検出方法によれば、センサを用いることなく、簡単な回路を用いて回転子の位置を検出することができ、永久磁石同期電動機の良好な起動に貢献し得るものとなる。
【０００８】
本発明の請求項２に係わる永久磁石同期電動機における回転子の位置検出方法によれば、請求項１と同様の効果を得ることができるうえに、回転子の位置検出精度をより高めることができる。
【０００９】
本発明の請求項３に係わる永久磁石同期電動機における回転子の位置検出装置によれば、センサを用いることなく、簡単な回路構成で回転子の位置を検出することができる。また、動作の信頼性が高く、実装環境に好適なものになると共に、永久磁石同期電動機の良好な起動を実現することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて、本発明に係わる永久磁石同期電動機における回転子の位置検出方法及び位置検出装置の一実施形態を説明する。
【００１１】
図１（ａ）に示す永久磁石同期電動機（以下、『電動機』とする）ＰＭは、スター結線されたＵ相、Ｖ相及びＷ相の三相巻線を有する固定子Ｓと、永久磁石Ｍ１，Ｍ２を有する回転子Ｒを備えており、図１（ｂ）に示すように、インバータＩｖを介して直流電源Ｖに接続してある。なお、図１では二極機を例示しているが、これに限定されることはない。
【００１２】
上記の電動機ＰＭを駆動するための駆動装置は、デジタル制御装置１と、起動前の回転子Ｒの位置を検出する位置検出装置２と、回転子Ｒの位置検出を行う際に固定子Ｓの一相に電圧を印加するためのスライダック３を備えている。デジタル制御回路１は、デジタルシグナルプロセッサＤＳＰと、インバータ制御回路４を備えている。
【００１３】
位置検出装置２は、固定子Ｒの三相巻線（Ｕ相、Ｖ相及びＷ相）から選択した一相に電圧を印加するための励磁相選択回路５と、他の二相で発生した電圧波形を取り込むための電圧比較相選択回路６と、電圧比較相選択回路６から入力した二相の電圧波形の最大値を比較する電圧最大値比較回路７と、電圧比較相選択回路６から入力した二相の電圧波形の正負の傾きを比較する電圧波形傾き比較回路８を備えている。
【００１４】
上記の駆動装置は、デジタルシグナルプロセッサＤＳＰにおいて電圧を印加する一相（励磁相）を決定し、その指令信号を励磁相選択回路５に送ることで、選択された一相にスライダック３から電圧を印加する。また、これと同時に、デジタルシグナルプロセッサＤＳＰにおいて電圧を印加しない二相（非励磁相）を決定し、その指令信号を電圧比較相選択回路６に送ることで、他の二相で発生した電圧波形を取り込み、同電圧波形を電圧最大値比較回路７及び電圧波形傾き比較回路８に入力する。
【００１５】
電圧最大値比較回路７は、図２（ａ）に示すように、二相に対応する入力１及び２に対して、夫々の増幅回路９Ａ，９Ｂ及びピークホールド回路１０Ａ，１０Ｂと、比較器１１を備えており、入力１のピークホールド回路１０Ａから得られた電圧波形の最大値が、入力２のピークホールド回路１０Ｂから得られた電圧波形の最大値よりも大きい場合（入力１＞入力２）に、比較器１１から『Ｈｉｇｈ』を出力し、その逆の場合には『Ｌｏｗ』を出力する。
【００１６】
電圧波形傾き比較回路８は、図２（ｂ）に示すように、二相に対応する入力に対して、ローパスフィルタ１２と、微分器１３と、反転器１４と、夫々のピークホールド回路１５Ａ，１５Ｂと、比較器１６を備えている。この電圧波形傾き比較回路８は、ローパスフィルタ１２を経た電圧波形を微分器１３に入力して、元の波形における正の傾き（波形の上昇部分の傾き）の大きさを正の最大値に置き換えると共に、元の波形における負の傾き（波形の下降部分の傾き）の大きさを負の最大値に置き換える。
【００１７】
次に、一方のピークホールド回路１５Ａには、微分器１３を通したままの波形を入力し、他方のピークホールド回路１５Ｂには、反転器１４で反転させた波形を入力し、比較器１６においては、元の波形の正の傾きと負の傾きの大きさを比較して、正の傾きの最大値が負の傾きの最大値よりも小さい場合（正の傾き＜負の傾き）に『Ｈｉｇｈ』を出力し、その逆の場合には『Ｌｏｗ』を出力する。なお、この電圧波形傾き比較回路８に入力する電圧は、二相（非励磁相）のうち最大値が小さい方の相を選択する。
【００１８】
そして、本発明の回転子の位置検出方法では、上記構成を備えた位置検出装置２を用いて、固定子Ｓの三相巻線のいずれか一相に電圧を印加し、このとき他の二相に発生した電圧波形の最大値の比較結果と、同電圧波形の正負の傾きの比較結果、すなわち電圧最大値比較回路７からの『Ｈｉｇｈ』及び『Ｌｏｗ』の信号、並びに電圧波形傾き比較回路８からの『Ｈｉｇｈ』及び『Ｌｏｗ』の信号に基づいて回転子Ｒの位置を検出する。
【００１９】
ここで、二つの非励磁相に生じた電圧波形の最大値及び正負の傾きの各比較結果に基づいて回転子Ｒの位置を検出する原理をより詳細に説明する。
【００２０】
電動機ＰＭでは、図１（ａ）に示すように、三相巻線のうちのＵ相の巻線軸とＮ極の中心が一致している状態を０度とし、この状態でＵ相に単相交流電圧を印加すると、同図中に矢印で示すように、永久磁石のＮ極から発生した磁束がＶ相及びＷ相に均等に分かれてＳ極に達する。このとき、Ｕ相の電流の極性により永久磁石との合成磁束は増減し、励磁相であるＵ相巻線に負の電流が流れるときは鉄心の磁束が増加するので、非励磁相であるＶ相及びＷ相の鉄心は飽和状態になる。これらの結果、非励磁相であるＶ相及びＷ相には図３（ａ）に示す電圧が生じる。そして、図１（ａ）に示す状態から、回転子Ｒを反時計方向に回転させて３０度毎にＵ相に電圧を印加すると、回転子Ｒの位置によってＵ相巻線に錯交する磁束数が変化するので、巻線内の磁束の総量が変化し、図３（ａ）〜（ｈ）及び図４（ａ）〜（ｅ）に示すように、Ｖ相及びＷ相に生じる電圧波形が変化する。
【００２１】
上記の電圧波形の調波解析を行うと、波形は第二次高調波を含むもので、両電圧波形の最大値は、図５に示すようにほぼ９０度毎で入れ替わり、両電圧波形の第二次高調波の位相は、図６に示すように０度又は１８０度で各相について半周期毎に入れ替わる。また、両電圧波形は、図３（ａ）に示す０度の状態では正の傾き（上昇部分の傾き）が大きく、回転角度が進むにつれて傾きが変化し、図３（ｇ）に示す１８０度の状態では正の傾きが小さくなる。さらに、両電圧波形の第二次高調波の含有率は、図７に示すように、誘起電圧の最大値が小さい方の相で第二次高調波成分が大きくなる。
【００２２】
表１には、回転子Ｒの回転角度と、二つの非励磁相（Ｖ相及びＷ相）に生じた電圧波形の最大値の比較結果を示し、表２には、回転子Ｒの回転角度と、二つの非励磁相に生じた電圧波形の正負の傾きの比較結果を示す。また、表３には、両比較結果のまとめとして、回転子Ｒの回転角度と、電圧波形の最大値の大小関係と、電圧波形の正負の傾きの大小関係を示す。
【００２３】
【表１】
2005065361.tif 000003
【００２４】
【表２】
2005065361.tif 000004
【００２５】
【表３】
2005065361.tif 000005
【００２６】
表３に示すように、二つの非励磁相に生じた電圧波形は、最大値の大小関係や正負の傾きの大小関係が、回転子Ｒの回転位置に関する情報に成り得ることが明らかである。
【００２７】
そして、上記の電圧に関する大小関係の比較は、先述した位置検出装置２を含む駆動装置で行うことができ、表３に示した非励磁相の電圧波形の特性は、図８に示すように、電圧最大値比較回路７及び電圧波形傾き比較回路８の各々の比較結果、すなわち回転角度に応じた『Ｈｉｇｈ』及び『Ｌｏｗ』の信号とで表され、９０度毎に『Ｈｉｇｈ』と『Ｌｏｗ』を組み合わせた四個の基準データが得られる。換言すれば、双方の比較結果の組み合わせ（『Ｈｉｇｈ』と『Ｌｏｗ』の組み合わせ）から回転子Ｒの回転角度が求められる。
【００２８】
したがって、位置検出装置２を含む駆動装置では、上記の基準データを取得しておき、起動前に回転子Ｒの位置検出を行う際に、選択した一相に電圧を印加し、これにより他の二相に発生した電圧波形について、最大値の比較と正負の傾きの比較を行う。その結果、例えば、電圧最大値比較回路７から『Ｌｏｗ』が出力され、電圧波形傾き比較回路８から『Ｈｉｇｈ』が出力された場合には、図８を参照すると、回転子Ｒが９０〜１８０度の回転角度にあることがわかる。
【００２９】
また、本発明の回転子の位置検出方法では、回転子Ｒの位置検出精度をより高めるために、固定子Ｓの三相巻線の各相について、一相への電圧の印加と、他の二相に発生した電圧波形の最大値の比較及び正負の傾きの比較を行う。
【００３０】
この場合には、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相が１２０度間隔で配置してあることから、図９に示すように、Ｕ相を励磁相としたときのＶ相及びＷ相の電圧波形の比較結果（上段）に対して、Ｖ相を励磁相としたときのＵ相及びＷ相の電圧波形の比較結果（中段）が１２０度ずれたものとなり、これに対して、Ｗ相を励磁相としたときのＵ相及びＶ相の電圧波形の比較結果（下段）がさらに１２０度ずれたものとなる。したがって、この場合には、先の電圧に関する大小関係の比較によって３０度毎に１２個の基準データが得られることとなり、回転子Ｒの位置検出精度がより高められることが明らかである。
【００３１】
以上のように得られた回転子Ｒの位置検出結果は、図１に示す駆動装置において、インバータＩｖの制御に用いる。駆動装置は、回転子Ｒの位置検出が終了すると、位置検出装置２を遮断すると共に、デジタルシグナルプロセッサＤＳＰからインバータ制御回路４に位置検出信号を入力し、位置検出した回転子Ｒの磁石Ｍ１，Ｍ２に対向する各相の鉄心頭部にＮ極又はＳ極が発生するようにインバータＩｖを制御する。
【００３２】
このとき、実際には、図８及び図９に示す基準パターンに対応して、予めインバータＩｖの制御パターン（励磁相を選択するパターン）を設定しておけばよく、これにより回転子Ｒの位置検出からインバータ制御に速やかに移行して、電動機ＰＭを円滑に起動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】永久磁石同期電動機を説明する断面図（ａ）及び位置検出装置を含む駆動装置を説明するブロック図（ｂ）である。
【図２】電圧最大値比較回路を説明するブロック図（ａ）及び電圧波形傾き比較回路を説明するブロック図（ｂ）である。
【図３】非励磁相に発生した電圧波形を３０度毎に示すグラフ（ａ）〜（ｈ）である。
【図４】図３に続いて非励磁相に発生した電圧波形を３０毎に示すグラフ（ａ）〜（ｅ）である。
【図５】回転子の回転角度と非励磁相に発生した電圧波形の最大値との関係を示すグラフである。
【図６】回転子の回転角度と非励磁相に発生した電圧波形の第二次高調波の位相との関係を示すグラフである。
【図７】回転子の回転角度と第二次高調波の含有率との関係を示すグラフである。
【図８】Ｕ相を励磁相として、回転子の回転角度に対する電圧最大値比較回路及び電圧波形傾き比較回路の出力信号を示す説明図である。
【図９】各相を順に励磁相として、回転子の回転角度に対する電圧最大値比較回路及び電圧波形傾き比較回路の出力信号を示す説明図である。
【符号の説明】
ＰＭ    永久磁石同期電動機
Ｒ      回転子
Ｓ      固定子
５      励磁相選択回路
６      電圧比較相選択回路
７      電圧最大値比較回路
８      電圧波形傾き比較回路
【図１】
2005065361.tif 000006
【図２】
2005065361.tif 000007
【図３】
2005065361.tif 000008
【図４】
2005065361.tif 000009
【図５】
2005065361.tif 000010
【図６】
2005065361.tif 000011
【図７】
2005065361.tif 000012
【図８】
2005065361.tif 000013
【図９】
2005065361.tif 000014