JP2006158166A - Sensorless synchronous motor, and its driving method and device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、センサレス同期電動機とその駆動方法及び装置に関し、小型化した場合でも高効率な出力と安定な始動トルクが得られ、始動時及び回転時のロータの回転位置を容易に検出できる構造を有し、始動特性及び回転時の制御性を向上させたセンサレス同期電動機とその駆動方法及び装置に関する。 The present invention relates to a sensorless synchronous motor and a driving method and apparatus thereof, and has a structure capable of obtaining a high-efficiency output and a stable starting torque even when downsized, and easily detecting the rotational position of a rotor at the time of starting and rotating. The present invention relates to a sensorless synchronous motor having improved starting characteristics and controllability during rotation, and a driving method and apparatus therefor.
従来より、特許文献1に記載されているように、センサレス同期電動機(以下、電動機をモータと記す)が知られている。センサレス同期モータは、ロータ側にマグネットを配置するとともに、ステータ側に駆動コイルを巻いて、回転位置センサを用いないで電圧や電流からロータの回転位置を検出し、この回転位置を元にステータ側の駆動コイル電流を制御して回転磁界を発生させ、ロータを回転させている。この同期モータとしては、ロータ側のマグネットの配置の相違により、図5(a)に示したようなロータ102を構成するヨーク部108の表面にN極のマグネット107NとS極のマグネット107Sを交互に配置して固定した表面磁石構造(SPM)型のものと、図5(b)に示したようなロータ102を構成するヨーク部108の内部にN極のマグネット107NとS極のマグネット107Sを交互に埋め込んだ埋め込み磁石構造(IPM)型のものとがある。IPM型の同期モータは、大型機を高速回転させた場合にマグネットの脱落の虞がなく、磁極間に透磁率の大きい突極構造110を持っているので、マグネットトルクの他にリラクタンストルクを発生させることができ、高効率で可変速範囲の広いモータとして、コンプレッサ、スピンドルモータ、電気自動車用モータ等に広く用いられている。 Conventionally, as described in
上記のセンサレス同期モータの駆動制御において、ロータの回転位置をセンサレスで検出する方法には、特許文献1に記載されているように、ロータの回転位置情報を含んでいるステータ側の駆動コイルの相電流、又は駆動コイルに誘起される電圧により、ロータの回転位置を検出する方法がある。このようなセンサレスによる駆動制御は、ロータが回転状態であることが前提となる。しかしながら、始動時には、ロータが停止しているため、ロータの回転位置が検出できず、センサレスによる駆動制御ができない。そこで、ロータの回転位置が不明なまま、ロータを正転させる論理に従い、駆動コイルに順次駆動電流を流すことにより、ロータを回転させて始動させようとすると、初期の段階では、ロータの停止位置によっては、意図する回転方向とは逆方向に回転したり、回転を始めなかったりする場合がある。このように、センサレスによる駆動制御では、始動特性に問題があった。なお、SPM型の同期モータでは、始動トルクが安定に得られない。始動トルクを安定に得るためには、IPM型の同期モータが有する突極構造が必要条件となっている。 In the sensorless synchronous motor drive control described above, a method for detecting the rotational position of the rotor without a sensor is described in
上述のような始動特性の問題の解決策としては、停止時にロータのN極とS極を識別して位置検出するために、ステータの駆動コイルに比較的大きい電流を流して、対向するロータ側のマグネットの飽和/不飽和状態による駆動コイルのインダクタンスの差を検出するという方法がある(特許文献2参照)。即ち、マグネットの磁束と駆動コイル電流によるステータの磁束が同一方向にある場合は、マグネットから見れば、ステータからの磁束が更に磁化させる方向にあるので、マグネットはヒステリシス特性の飽和領域の性質を示す。即ち、マグネットは非磁性体として作用するので、駆動コイルのインダクタンスは最小になる。一方、マグネットの磁束と駆動コイル電流によるステータの磁束が逆方向にある場合は、マグネットから見れば、ステータからの磁束が逆に磁化させる方向にあるので、マグネットはヒステリシス特性の線形領域に近い部分の性質を示す。即ち、マグネットは磁性体として作用するので、駆動コイルのインダクタンスは最大になる。このインダクタンスの差により、停止時のロータの磁極がN極かS極かを識別して位置検出をする方法である。この検出されたロータ停止時の磁極の位置を元に駆動電流を制御することにより、初期の段階から、センサレス同期モータを意図する方向にスムーズに回転させることができ、始動特性を改善することができるとしている。
しかしながら、上記従来の技術では、以下のような問題点があった。即ち、第1の問題点として、上記従来の技術が適用できる同期モータとしては、始動トルクが安定に得られる突極構造を有しているIPM型のものが必要条件となっているが、数キロワット以上の出力の大型の同期モータでは、突極構造を容易に作成できるものの、それより小さい1キロワット未満から数十ワット程度までの出力の小型の同期モータでは、突極構造が採りにくいという問題があった。その理由の一つは、図5(b)に示すように突極構造を採ると、ロータの磁束がヨーク内部でショートしていることと、加工の限界により、小型化に対応してロータとステータ間のギャップを小さくすることができないことにより、ロータの外部でステータとの相互作用で回転力を発生させるのに利用できる有効磁束が少なくなり、効率が低下してしまう為である。また、もう一つの理由は、小型化するほど、マグネットをロータ内に埋め込んで突極構造を設ける加工が、加工の限界により、困難になってくる為である。このことは、IPM型の同期モータの小型化が困難である、という問題でもある。 However, the above conventional technique has the following problems. That is, as a first problem, an IPM type motor having a salient pole structure that can stably obtain a starting torque is a necessary condition as a synchronous motor to which the above-described conventional technology can be applied. A large synchronous motor with an output of more than kilowatts can easily create a salient pole structure, but a small synchronous motor with an output of less than 1 kilowatt to several tens of watts is less likely to adopt a salient pole structure. was there. One of the reasons is that when a salient pole structure is adopted as shown in FIG. 5 (b), the rotor magnetic flux is short-circuited inside the yoke, and due to processing limitations, the rotor This is because the gap between the stators cannot be reduced, so that the effective magnetic flux that can be used to generate the rotational force by the interaction with the stator outside the rotor is reduced and the efficiency is lowered. Another reason is that the smaller the size is, the more difficult it is to embed the magnet in the rotor to provide the salient pole structure due to the limitations of the processing. This is also a problem that it is difficult to reduce the size of the IPM type synchronous motor.
第2の問題点としては、ステータに対向する停止状態のロータのN極とS極を、ロータのマグネットの飽和/不飽和状態による駆動コイルのインダクタンスの差により識別して位置検出をする場合、そのインダクタンスの差はわずかであるため、S/N比が悪く、信号処理が複雑化し、検出精度が低いという問題である。 As a second problem, when detecting the position by identifying the N pole and S pole of the stopped rotor facing the stator by the difference in inductance of the drive coil due to the saturation / unsaturation state of the rotor magnet, Since the difference in inductance is small, the S / N ratio is poor, the signal processing is complicated, and the detection accuracy is low.
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、小型化した場合でも高効率な出力と安定な始動トルクが得られ、回転時のみならず始動時にもロータの回転位置が容易に検出できる構造を有し、始動特性と回転時の制御性を向上させることができるセンサレス同期電動機とその駆動方法及び装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problem, and even when downsized, a high-efficiency output and a stable starting torque can be obtained, and the rotational position of the rotor is easy not only during rotation but also during startup. It is an object of the present invention to provide a sensorless synchronous motor, a driving method thereof, and a device capable of improving the starting characteristics and controllability during rotation.
上記の目的を達成するため、本発明によるセンサレス同期電動機は、ステータに対向するロータ表面には一つの磁極としてマグネットで形成したN極とS極の内の一方の磁極を配置し、この一つの磁極に隣接するロータ表面にはヨーク部で形成したN極とS極の内の他方の磁極を配置したことを特徴とする。 In order to achieve the above object, in a sensorless synchronous motor according to the present invention, one of the N poles and S poles formed by a magnet is arranged as one magnetic pole on the rotor surface facing the stator. The rotor surface adjacent to the magnetic pole is characterized in that the other magnetic pole of the N pole and S pole formed by the yoke portion is arranged.
あるいは、上記のセンサレス同期電動機に係り、前記一つの磁極であるマグネットで形成したN極とS極の内の一方の磁極と、この一つの磁極に隣接する磁極であるヨーク部で形成したN極とS極の内の他方の磁極とを、対として多極構造のロータを構成したことを特徴とする。 Alternatively, according to the sensorless synchronous motor described above, one of the N pole and the S pole formed by the magnet that is the one magnetic pole, and the N pole formed by the yoke portion that is a magnetic pole adjacent to the one magnetic pole. And the other magnetic pole of the S poles constitutes a rotor having a multipolar structure.
また、上記の目的を達成するため、本発明によるセンサレス同期電動機の駆動方法は、上記したセンサレス同期電動機を対象とした駆動方法であって、停止中の各駆動コイルのインダクタンスを表すものを測定又は検出し、このインダクタンスを表すものの値が当該駆動コイルを巻いたステータに対向するロータ表面が透磁率の小さいマグネットの場合に最小となり、透磁率の大きいヨーク部の場合に最大となることを利用して、前記測定又は検出した各駆動コイルのインダクタンスを表すものから、ロータ表面のマグネットとヨーク部の停止位置とこれらの停止位置から一義的に定まる磁極の停止位置とを表す位置検出信号を生成し、この生成した位置検出信号を元に始動時の駆動を行うことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the sensorless synchronous motor driving method according to the present invention is a driving method for the sensorless synchronous motor described above, which measures or represents the inductance of each driving coil that is stopped. It is detected that the value representing this inductance is minimum when the rotor surface facing the stator wound with the drive coil is a magnet having a low permeability, and is maximum when the yoke portion has a high permeability. Then, a position detection signal is generated that represents the stop position of the magnet and yoke part on the rotor surface and the stop position of the magnetic pole that is uniquely determined from the stop position, from the measured or detected inductance of each drive coil. The driving at the start is performed based on the generated position detection signal.
あるいは、本発明によるセンサレス同期電動機の駆動方法は、上記したセンサレス同期電動機を対象とした駆動方法であって、回転中の駆動を一定時間毎に中断して各駆動コイルのインダクタンスを表すものを測定又は検出し、このインダクタンスを表すものの値が当該駆動コイルを巻いたステータに対向するロータ表面が透磁率の小さいマグネットの場合に最小となり、透磁率の大きいヨーク部の場合に最大となることを利用して、前記測定又は検出した各駆動コイルのインダクタンスを表すものから、ロータ表面のマグネットとヨーク部の回転位置とこれらの回転位置から一義的に定まる磁極の回転位置とを表す位置検出信号を生成し、この生成した位置検出信号を元に回転中の駆動を続けることを特徴とする。 Alternatively, the driving method of the sensorless synchronous motor according to the present invention is a driving method for the above-described sensorless synchronous motor, and measures what represents the inductance of each driving coil by interrupting the driving during rotation at regular intervals. Alternatively, it is detected that the value representing this inductance is minimized when the rotor surface facing the stator around which the drive coil is wound is a magnet having a low permeability, and is maximized when the yoke portion has a high permeability. Then, a position detection signal that represents the rotation position of the magnet and the yoke portion on the rotor surface and the rotation position of the magnetic pole uniquely determined from these rotation positions is generated from the measured or detected inductance of each drive coil. Then, the driving during rotation is continued based on the generated position detection signal.
あるいは、上記のセンサレス同期電動機の駆動方法に係り、前記停止中に測定又は検出した各駆動コイルのインダクタンスを表すものから生成した位置検出信号を元に始動時の駆動を行った後、前記回転中に測定又は検出した各駆動コイルのインダクタンスを表すものから生成した位置検出信号を元に回転中の駆動を続けることを特徴とする。 Alternatively, according to the driving method of the sensorless synchronous motor described above, after driving at the start based on the position detection signal generated from the one representing the inductance of each driving coil measured or detected during the stop, The driving during rotation is continued based on the position detection signal generated from the one representing the inductance of each drive coil measured or detected.
また、上記の目的を達成するため、本発明によるセンサレス同期電動機の駆動装置は、上記したセンサレス同期電動機を対象とした駆動装置であって、各駆動コイルのインダクタンスを表すものを測定又は検出する手段と、このインダクタンスを表すものが当該駆動コイルを巻いたステータに対向するロータ表面が透磁率の小さいマグネットの場合に最小となり、透磁率の大きいヨーク部の場合に最大となることを利用して、前記測定又は検出した各駆動コイルのインダクタンスを表すものからロータ表面のマグネットとヨーク部の回転位置及びこれらの回転位置から一義的に定まる磁極の回転位置を表す位置検出信号を生成する手段と、この生成した位置検出信号を元に始動時の駆動を行う手段とを、有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a sensorless synchronous motor drive device according to the present invention is a drive device intended for the sensorless synchronous motor described above, and means for measuring or detecting the one representing the inductance of each drive coil. And, using the fact that this inductance represents the minimum when the rotor surface facing the stator around which the drive coil is wound is a magnet with a low permeability and the maximum when the rotor is a yoke with a high permeability, Means for generating a position detection signal representing the rotation position of the magnet and yoke part on the rotor surface and the rotation position of the magnetic pole uniquely determined from these rotation positions from the measured or detected inductance of each drive coil; And means for driving at the time of starting based on the generated position detection signal.
あるいは、本発明によるセンサレス同期電動機の駆動装置は、上記したセンサレス同期電動機を対象とした駆動装置であって、一定時間毎に回転中の駆動を中断して、各駆動コイルのインダクタンスを表すものを測定又は検出する手段と、このインダクタンスを表すものが当該駆動コイルを巻いたステータに対向するロータ表面が透磁率の小さいマグネットの場合に最小となり、透磁率の大きいヨーク部の場合に最大となることを利用して、前記測定又は検出した各駆動コイルのインダクタンスを表すものからロータ表面のマグネットとヨーク部の回転位置及びこれらの回転位置から一義的に定まる磁極の回転位置を表す位置検出信号を生成する手段と、この生成した位置検出信号を元に回転中の駆動を続ける手段とを、有することを特徴とする。 Alternatively, a sensorless synchronous motor drive device according to the present invention is a drive device for the above-described sensorless synchronous motor, which interrupts driving during rotation at regular intervals and represents the inductance of each drive coil. Means for measuring or detecting, and what represents this inductance is minimum when the rotor surface facing the stator around which the drive coil is wound is a magnet having a low magnetic permeability, and is maximum when the yoke portion has a high magnetic permeability. Is used to generate a position detection signal that represents the rotational position of the magnet and yoke part on the rotor surface and the rotational position of the magnetic pole that is uniquely determined from the rotational position of the rotor and the magnet that represents the measured or detected inductance of each drive coil. And means for continuing driving during rotation based on the generated position detection signal. That.
あるいは、上記のセンサレス同期電動機の駆動装置に係り、前記停止中に測定又は検出した各駆動コイルのインダクタンスを表すものから生成した位置検出信号を元に始動時の駆動を行う為の上記の各手段と、始動時の駆動を行った後、前記回転中に測定又は検出した各駆動コイルのインダクタンスを表すものから生成した位置検出信号を元に回転中の駆動を続ける為の上記の各手段とを有することを特徴とする。 Alternatively, the above-described means for driving at the start based on the position detection signal generated from the one representing the inductance of each drive coil measured or detected during the stop, in the drive device for the sensorless synchronous motor described above And each means for continuing the driving during rotation based on the position detection signal generated from the one representing the inductance of each driving coil measured or detected during the rotation after driving at the start. It is characterized by having.
あるいは、上記のセンサレス同期電動機の駆動装置に係り、前記各駆動コイルのインダクタンスを表すものを測定又は検出する手段が、3相の駆動コイルの内の2相の駆動コイルにパルス電流を流して残りの相の駆動コイルに相互インダクタンスに応じて誘起される電圧を検出するものであることを特徴とする。 Alternatively, in the sensorless synchronous motor driving apparatus described above, the means for measuring or detecting the one representing the inductance of each of the driving coils flows a pulse current through the two-phase driving coils of the three-phase driving coils, and remains. It is characterized in that a voltage induced in accordance with the mutual inductance is detected in the drive coil of the other phase.
本発明の上記の構成によれば、ロータの構造において、一方の磁極をマグネットとしてロータ表面に露出させ、これに隣接する他方の磁極をヨーク部で形成する構造としたので、回転力を発生させる為の磁束の有効利用が可能になるとともに、突極性も有し、同期モータを小型化しても、高効率な出力と安定な始動トルクが得られ、加工が容易であるという、第1の効果が得られる。 According to the above configuration of the present invention, in the rotor structure, one magnetic pole is exposed as a magnet on the rotor surface, and the other magnetic pole adjacent to the rotor is formed by the yoke portion, so that a rotational force is generated. The first effect is that the magnetic flux can be effectively used, the saliency is also provided, and even if the synchronous motor is miniaturized, a high-efficiency output and a stable starting torque can be obtained and machining is easy. Is obtained.
また、一方の磁極は全てマグネットとし、他方の磁極は全てヨーク部としたので、両者による駆動コイルのインダクタンスの差が大きく、インダクタンスを表すものの測定又は検出結果は、S/N比が良く、信号処理が容易で、高い検出精度が得られるとともに、インダクタンスを表すものから生成される位置検出信号の値は、ステータ対向する磁極がマグネットかヨーク部かを示すため、一義的に定まっているN極かS極かを示し、所定の周期でインダクタンスを表すものの測定又は検出が為されるので、位置センサと同等の位置検出信号が得られ、回転時のみならず始動時にもロータの回転位置を容易に検出でき、始動特性と回転時の制御性が向上できるという、第2の効果が得られる。 Also, since one of the magnetic poles is a magnet and the other magnetic pole is a yoke part, the difference in inductance of the drive coil between them is large, and the measurement or detection result of the inductance shows a good S / N ratio, The processing is easy, high detection accuracy is obtained, and the value of the position detection signal generated from what represents the inductance indicates whether the magnetic pole opposed to the stator is a magnet or a yoke part. Or S pole, which represents the inductance in a predetermined cycle, is measured or detected, so a position detection signal equivalent to that of the position sensor can be obtained, and the rotational position of the rotor can be easily set not only during rotation but also during start-up The second effect is that the starting characteristic and the controllability during rotation can be improved.
本発明は、小型化した場合でも高効率な出力と安定な始動トルクが得られ、回転時のみならず始動時にもロータの回転位置が容易に検出できる構造を有し、始動特性と回転時の制御性を向上させることができるセンサレス同期電動機とその駆動方法及び装置を提供するという目的を、ロータの構造において、一方の磁極をマグネットとしてロータ表面に露出させ、これに隣接する他方の磁極をヨーク部を形成して、回転力を発生させる為の磁束の有効利用を可能にとし、突極性も有する構造としたこと、及び、このセンサレス同期電動機が、回転位置によって対向するロータの磁極の透磁率が一方の磁極のマグネットであるか、他方の磁極のヨーク部であるかによって大きく異なることにより、対向するステータのインダクタンスが変化することと、マグネットかヨーク部かで、一義的にN極かS極かが定まることを利用し、ステータの駆動コイルに検出用電流を流して検出される各駆動コイルのインダクタンスに応じた電圧から、ステータに対向するロータ表面がN極かS極か又はその比率に応じた磁極の位置かを表す位置検出信号を生成し、この生成した磁極の位置検出信号に基づいて始動時の駆動と回転時の駆動の一方又は双方を行うことで実現した。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。説明は、実施例を用いて具体的に行う。The present invention has a structure in which a highly efficient output and a stable starting torque can be obtained even when it is downsized, and the rotational position of the rotor can be easily detected not only at the time of rotation but also at the time of starting. An object of the present invention is to provide a sensorless synchronous motor capable of improving controllability and a method and apparatus for driving the same. In the structure of a rotor, one magnetic pole is exposed as a magnet on the rotor surface, and the other magnetic pole adjacent thereto is a yoke. Forming a section, enabling effective use of magnetic flux for generating rotational force, and having a structure having saliency, and the magnetic permeability of the magnetic pole of the rotor facing this sensorless synchronous motor depending on the rotational position Varies greatly depending on whether the magnet is a magnet of one magnetic pole or the yoke part of the other magnetic pole, thereby changing the inductance of the opposing stator. From the voltage corresponding to the inductance of each drive coil detected by passing a detection current through the stator drive coil using the fact that the N pole or S pole is uniquely determined by the magnet or yoke part. A position detection signal indicating whether the rotor surface facing the stator is N pole or S pole or the position of the magnetic pole according to the ratio is generated, and driving and rotation at the start are performed based on the generated magnetic pole position detection signal Realized by performing one or both of the driving at the time.
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The description will be made specifically with reference to examples.
図1は、本発明の第1の実施例であるセンサレス同期電動機の断面から見た構成図である。本実施例では、説明を簡単にするために3相駆動の2極構造のロータの例について述べる。本実施例のセンサレス同期電動機1は、固定側のステータ2u,2v,2w(以下、代表する場合は、2と記す)と、回転軸4を中心に回転するロータ3を有する。本発明は、このロータ3の磁極の構造に特徴がある。 FIG. 1 is a configuration diagram viewed from a cross section of a sensorless synchronous motor according to a first embodiment of the present invention. In this embodiment, an example of a three-phase driven two-pole rotor will be described for the sake of simplicity. The sensorless
まず、ステータ2の構成について述べる。ステータ2は、ロータ3の周面と狭いギャップを保ち、その周面を3分割するように配置されている。各ステータ2u,2v,2wは、モータ全体をカバーするようなヨーク部5により一体化されており、各相の駆動コイル6u,6v,6w(以下、代表する場合は、6と記す)が巻かれている。次に、ロータ3の構成について述べる。ロータ3は、周面の一方の半周にマグネット7の一方の磁極(図例では、N極)を露出させ、他方の半周をロータ3のヨーク部8で形成する。マグネット7の他方の磁極(図例では、S極)は、ロータ3内部でヨーク部8に接する構造となる。このため、ロータ3のヨーク部8で形成された他方の半周の周面はS極となる。つまり、マグネット7の表面はN極、ヨーク部8の表面はS極というように、一義的に定まる。本発明のモータは、通常のモータと比べて、ロータ表面のマグネットが半分に減少しているため、トルクも減少する。これを補うためには、マグネットの厚みを2倍程度に増加させればよい。 First, the configuration of the
以上の構成によるセンサレス同期電動機の停止時の作用について述べる。透磁率μは、マグネットではμ≒1、ヨーク部ではμ≒5000である。従って、ステータ2に対向するロータ3の周面がマグネット7のときは、透磁率μが小さいため駆動コイル6のインダクタンスが最小となり、ヨーク部8のときには、透磁率μが大きいため駆動コイル6のインダクタンスが最大となる。この差を利用すると、ステータ2を小電流で励磁してインダクタンスを検出した場合でも、各相のステータ2u,2v,2wの対向面にあるロータ3の磁極が大きなS/N比で検出することができる。即ち、図例の場合、駆動コイル6のインダクタンスが最小であれば、マグネット7側のN極と、駆動コイル6のインダクタンスが最大であれば、ヨーク部8側のS極と判別することができる。また、中間の値であれば、その大きさからN極とS極の比率が分かる。 The operation when the sensorless synchronous motor configured as described above is stopped will be described. The magnetic permeability μ is μ≈1 for the magnet and μ≈5000 for the yoke portion. Therefore, when the circumferential surface of the
また、マグネット7から出る磁束は、表面の磁極(図例ではN極)から出てロータ3の周面を通り、ヨーク部8の表面の磁極(図例ではS極)に至るため、従来の突極構造のように表面側の磁束がロータ内でショートされない。このため、この磁束を回転力を得るための磁束として有効利用することができ、モータ1が小型であるために、ステータ2とロータ3の間のギャップがモータの寸法に比例して小さくできない場合でも、高効率な出力の同期モータが得られる。なお、この高効率な出力の同期モータが得られるという効果は、モータの大小にかかわらず得られる。 In addition, the magnetic flux emitted from the
上記の実施例は3相駆動による2極構造の同期モータの例であったが、4極構造以上の偶数極構造の同期モータにも同様に適用可能である。図2(a)は、本発明による3相駆動による4極構造のセンサレス同期モータの実施例を示す断面から見た構成図、図2(b)は、本発明による3相駆動による6極構造のセンサレス同期モータの実施例を示す断面から見た構成図、図2(c)は、本発明による3相駆動による8極構造のセンサレス同期モータの実施例を示す断面から見た構成図である。 The above embodiment is an example of a synchronous motor having a two-pole structure by three-phase driving. FIG. 2A is a cross-sectional view showing an embodiment of a sensorless synchronous motor having a four-pole structure by three-phase driving according to the present invention, and FIG. 2B is a six-pole structure by three-phase driving according to the present invention. FIG. 2 (c) is a structural view seen from a cross section showing an embodiment of a sensorless synchronous motor having a three-phase drive according to the present invention. .
3相駆動による場合、ロータ極数対ステータのスロット数の比率は、上記2極構造のロータの実施例と同様の2対3の比率、乃至は2対6の比率が一般的である。図例は、2対3の比率の場合を示しており、ロータ極数が4の場合ではステータのスロット数は6、ロータ極数が6の場合ではステータのスロット数は9、ロータ極数が8の場合ではステータのスロット数は12となる。ロータの構成では、周面の1/n(nは極数)の表面に一方の磁極(図例ではN極)を構成するマグネット7を露出させ、隣接する周面の1/nをロータ3のヨーク部8とし、この対の繰り返しで極数nのロータを構成する。マグネット7の他方の磁極(図例では、S極)は、ロータ3内部でヨーク部8に接する構造となるため、ロータ3のヨーク部8で形成された1/nの周面はS極となる。つまり、第1の実施利と同様に、マグネット7の表面はN極、ヨーク部8の表面はS極という具合に、一義的に定まる。この実施例の作用は第1の実施例と同様であり、容易に類推可能なので、その説明は省略する。 In the case of three-phase driving, the ratio of the number of rotor poles to the number of slots in the stator is generally a ratio of 2 to 3, or a ratio of 2 to 6, similar to the embodiment of the rotor having the above-described two-pole structure. The example shows a case of a ratio of 2 to 3, where the number of stator slots is 6 when the number of rotor poles is 4, the number of stator slots is 9 when the number of rotor poles is 6, and the number of rotor poles is In the case of 8, the number of stator slots is 12. In the configuration of the rotor, the
図3は、本発明の第3の実施例であるセンサレス同期電動機の駆動装置の電気的構成を示すブロック図である。本実施例では、3相の駆動例について述べる。本実施例の駆動装置の制御対象となるセンサレス同期モータ(以下、単にモータと略記する)1は、第1、第2の実施例で述べたモータであって、一方の磁極を露出させたマグネット7及び他方の磁極を形成させたヨーク部8で構成したロータ3と、駆動コイル6u、6v、6wを巻いたステータ2とを備えている。 FIG. 3 is a block diagram showing an electrical configuration of a sensorless synchronous motor driving apparatus according to a third embodiment of the present invention. In this embodiment, a three-phase driving example will be described. A sensorless synchronous motor (hereinafter simply abbreviated as a motor) 1 to be controlled by the drive device of this embodiment is the motor described in the first and second embodiments, and a magnet with one magnetic pole exposed. 7 and a
この駆動装置は、一例として、制御部11、インバータ部12、位置検出信号生成部13、A/D変換部14、及び位置検出用の抵抗Ru,Rv,Rwから構成される。制御部11は、マイクロコンピュータ及びそのプログラムとデータ等を格納するメモリ等からなり、速度指令機能手段11a、速度制御機能手段11b、PWM制御機能手段11c、位置・速度検出機能手段11d、及び出力切替機能手段11eを有する。これらの機能手段は、プログラムによって実現されるが、一部又は全部をハードウェアによって構成してもよい。 As an example, the drive device includes a control unit 11, an inverter unit 12, a position detection
インバータ部12は、トランジスタ等のスイッチング素子Qu1,Qv1,Qw1と、同じく、トランジスタ等のスイッチング素子Qu2,Qv2,Qw2との直並列回路からなり、各直列の接続点が、例えば、スター結線されたモータ1の駆動コイル6u、6v、6wのそれぞれに接続される。このインバータ部12を構成する各スイッチング素子は、通常の回転制御時には制御部11のPWM制御機能手段11cにより、各駆動コイル6u、6v、6wのインダクタンス測定時には位置・速度検出機能手段11dにより、オン/オフ制御される。出力切替機能手段11eは、位置・速度検出機能手段11dの指令により、インバータ部12への出力をPWM制御機能手段11cからにするか、位置・速度検出機能手段11dからにするかを、切り替える。この例では、PWM駆動を行う構成としているが、既存技術のPAM駆動やサイン波駆動を行う構成にしても良い。 The inverter unit 12 is composed of a series-parallel circuit of switching elements Qu1, Qv1, Qw1 such as transistors and switching elements Qu2, Qv2, Qw2 such as transistors, and each series connection point is, for example, star-connected. Connected to each of the drive coils 6u, 6v, 6w of the
制御部11の位置・速度検出機能手段11dは、速度指令機能手段11aにより起動されて、所定の周期、例えば数ms間隔で、各駆動コイル6u、6v、6wのインダクタンスを測定するためのパルス電流を流すために、インバータ部12を制御する機能を有する。位置・速度検出機能手段11dは、まず、出力切替機能手段11eに指令し、インバータ部12への出力を位置・速度検出機能手段11d側に切り替える。次に、インバータ部12のスイッチング素子(例えば、Qu1とQv2)をオンに制御して2つの相の駆動コイル(例えば、6u、6v)に1乃至数個のパルス電流(例えば、10kHz程度)を流し、もう1つの相の駆動コイル(例えば、6w)の検出電圧を得る。これを残りの駆動コイルについも順次に行って、3つの駆動コイル6u、6v、6wの検出電圧を獲得する。パルス電流を流し終えた後は、出力切替機能手段11eに指令し、インバータ部12への出力をPWM制御機能手段11c側に戻す。上記の検出電圧は相互インダクタンスに応じた値であり、相互インダクタンスの値は対向するロータ表面の磁極の種類(マグネット7の磁極かヨーク部8の磁極かで一義的に定まる)の比率に応じた値となるので、3つの駆動コイル6u、6v、6wの検出電圧は位置検出信号を表している。 The position / speed
抵抗Ru,Rv,Rwは、インバータ部12と各相の駆動コイル6u、6v、6wの各接続線とグランド間に接続され、各接続線側が位置検出信号生成部13に接続されている。抵抗Ru,Rv,Rwの抵抗値は,通常の駆動に影響しないような高抵抗とする。位置検出信号生成部13は、ハイパスフィルタとピークホールド回路や積分回路等からなり、抵抗Ru,Rv,Rwで検出した電圧からPWMによる回転制御で誘起される数100Hz程度の電圧を遮断して、位置・速度検出機能手段11dがインダクタンスを測定するために流したパルス電流に応答して誘起された、例えば10kHz程度の検出電圧のみ通過させ、この検出電圧をピークホールド回路や積分回路等を通して、滑らかに連続する位置検出信号を生成する。A/D変換部14は、生成されたアナログの位置検出信号をデジタル値に変換して位置・速度検出機能手段11dに入力する。位置・速度検出機能手段11dは、入力された位置検出信号を元に回転位置情報を作成するとともに、位置検出信号の周期を元に回転速度を算出する。 The resistors Ru, Rv, and Rw are connected between the connection lines of the inverter unit 12 and the drive coils 6u, 6v, and 6w of the respective phases and the ground, and the connection line sides are connected to the position detection
制御部11の速度指令機能手段11aは、外部からの速度指令を受けると、位置・速度検出機能手段11dを起動するとともに、外部からの速度指令と位置・速度検出機能手段11dで算出したモータ1の回転速度とを比較し、誤差信号を速度制御機能手段11bに渡す。速度制御機能手段11bは、誤差信号を現速度信号の大きさに加えるとともに、位置・速度検出機能手段11dで作成した回転位置情報を元に各相の速度信号の転極のタイミングを決定して、PWM制御機能手段11cへ渡す。PWM制御機能手段11cは、速度信号の大きさをパルス幅変調し、指示されたタイミングで転極しながら、インバータ部12を構成するスイッチング素子Qu1,Qv1,Qw1と、スイッチング素子Qu2,Qv2,Qw2のオン/オフを制御する。これにより、ステータの各相の駆動コイル6u、6v、6wに3相の各相電流が流れて回転磁界が発生し、ロータ2が回転する。なお、始動時や停止時、負荷変動時のように誤差信号が大きくなった場合には、速度信号を徐々に変化させて回転速度の急変を避けるようにしても良い。また、この例では、正回転の制御を想定しているが、正逆回転の制御も同様にして可能である。この場合、方向の明示が必要な制御値に、正逆回転に対応する符号を付加して制御を行う。 When receiving a speed command from the outside, the speed command function means 11a of the control unit 11 activates the position / speed detection function means 11d, and the
以上の構成による実施例の動作例と作用について述べる。図3は、その動作例を説明するフローチャートであり、s1〜s14はステップを表している。 An operation example and an operation of the embodiment having the above configuration will be described. FIG. 3 is a flowchart for explaining the operation example, and s1 to s14 represent steps.
始めに、モータ1が停止状態にあるときに、外部から速度指令を受けたとする(s1)。まず、制御部11の速度指令機能手段11aが起動し、この速度指令機能手段11aが位置・速度検出機能手段11dを起動する(s2)。位置・速度検出機能手段11dは、出力切替機能手段11eのインバータ部12への出力を位置・速度検出機能手段11d側に切り替え(s3)、インバータ部12のスイッチング素子を制御して2つの相の駆動コイルにパルス電流を流し、もう1つの相の駆動コイルから相互インダクタンスに応じた検出電圧を得ることを、全ての駆動コイル6u、6v、6wについて行い(s4)、出力切替機能手段11eのインバータ部12への出力をPWM制御機能手段11c側に戻す(s5)とともに、位置信号生成部13及びA/D変換部14を通して各相の位置検出信号を得る(s6)。位置・速度検出機能手段11dは、この位置検出信号を元に回転位置情報を作成する(s7)とともに、位置検出信号の周期を元に速度を算出する(s8)。 First, assume that a speed command is received from the outside when the
次に、速度指令機能手段11aは、この算出速度と外部からの速度指令とを比較し、誤差信号を作成する(s9)。ここで、算出された速度が「0」であり、誤差信号も「0」あれば(s10)、モータ1は停止したとして、各機能手段を停止させて(s11)、終了する。停止状態でなければ(s10)、速度制御機能手段11bは、誤差信号と回転位置情報を元に各相の速度信号と転極のタイミングを決定し指示する(s12)。PWM制御機能手段11cは、指示された速度信号の大きさをパルス幅変調し、指示されたタイミングで転極するように、インバータ部12のPWM制御を行う(s13)。これにより、同期モータ1が始動し、あるいは回転を続ける。 Next, the speed command function means 11a compares this calculated speed with an external speed command to create an error signal (s9). Here, if the calculated speed is “0” and the error signal is also “0” (s10), it is determined that the
次に、所定の周期に達したか否かを判断し、達していなければ(s14)、位置検出信号の獲得(s6)からPWM制御(s13)までを繰り返し実行する。達していれば(s14)、位置検出の処理(s3〜s5)からPWM制御(s13)までを実行する。 Next, it is determined whether or not a predetermined cycle has been reached. If it has not been reached (s14), the position detection signal acquisition (s6) to PWM control (s13) are repeatedly executed. If it has reached (s14), the process from the position detection process (s3 to s5) to the PWM control (s13) is executed.
以上のとおり、本実施例では、モータの始動から通常の速度制御、及び停止までを、極めて単純なアルゴリズムで実施することができるので、制御部が高速で高い処理能力を持つ必要はなく、安価な1つのマイクロコンピュータで構成することができる。制御部11を構成するマイクロコンピュータの処理能力に余裕があれば、抵抗での検出電圧をそのままA/D変換して制御部に入力し、制御部内でプログラムによるハイパスフィルタ処理と包絡線処理により、位置検出信号を生成することも可能である。 As described above, in this embodiment, from the start of the motor to the normal speed control and stop can be performed with an extremely simple algorithm, the control unit does not need to have high processing capacity at high speed, and is inexpensive. It can be composed of a single microcomputer. If there is a margin in the processing capacity of the microcomputer constituting the control unit 11, the detection voltage at the resistor is A / D converted and input to the control unit as it is, and by the high-pass filter processing and envelope processing by the program in the control unit, It is also possible to generate a position detection signal.
また、本実施例では、検出電圧から位置検出信号を生成しているが、この検出電圧は相互インダクタンスの値に応じて変化するので、インダクタンスの値から位置検出信号を生成していることになる。この相互インダクタンスの値は、透磁率の大小に応じて変化するので、ロータ表面の磁極がマグネットであれば、透磁率は約1と小さいため小さく、その磁極がヨーク部であれば、透磁率は約5000と大きいため大きい。従って、S/N比が大きく、信号処理が容易で、高い検出精度が得られる。また、ステータの中央部に、マグネットの磁極が近づけば検出電圧が最小となり、ヨーク部の磁極が近づけば検出電圧が最大となる。ここで、マグネットの磁極とヨーク部の磁極とは一義的に定めているので、検出電圧は、位置検出信号を表すものとなり、センサレスでありながら、位置センサを設けた場合と同等の位置検出信号が得られる。 In this embodiment, the position detection signal is generated from the detection voltage. However, since the detection voltage changes according to the mutual inductance value, the position detection signal is generated from the inductance value. . The mutual inductance value changes according to the magnitude of the magnetic permeability. Therefore, if the magnetic pole on the rotor surface is a magnet, the magnetic permeability is as small as about 1, and if the magnetic pole is a yoke portion, the magnetic permeability is Large because it is as large as about 5000. Therefore, the S / N ratio is large, signal processing is easy, and high detection accuracy can be obtained. The detection voltage is minimized when the magnetic pole of the magnet is brought close to the center of the stator, and the detection voltage is maximized when the magnetic pole of the yoke is brought closer. Here, since the magnetic pole of the magnet and the magnetic pole of the yoke part are uniquely determined, the detection voltage represents a position detection signal, and is a sensorless but position detection signal equivalent to the case where a position sensor is provided. Is obtained.
以上、本発明の実施例を図面により詳述してきたが、具体的な構成は本実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。例えば、上述の実施例では、小型のセンサレス同期モータに適用することを前提に説明したが、大型のセンサレス同期モータにも同様に適用可能である。大型のセンサレス同期モータで、高速回転させる場合には、ロータ表面からのマグネットの脱落を防ぐために、保護管を被せるのが好適である。また、センサレスによる駆動制御も、上記実施例の3相制御に限るものではなく、その他の多相制御であっても良い。この場合、その制御に合わせて、ステータのスロット数を変更する。制御部の速度制御機能としては実施例に限らず、既存技術の電流ベクトル制御やオブザーバ制御等を実施しても良い。ただし、既存の制御方法によっては、電流センサやタコジェネレータ等が必要となる場合がある。 The embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to the present embodiment, and the present invention can be changed even if there is a design change or the like without departing from the gist of the present invention. include. For example, although the above embodiment has been described on the assumption that it is applied to a small sensorless synchronous motor, the present invention can be similarly applied to a large sensorless synchronous motor. When a large sensorless synchronous motor is rotated at a high speed, it is preferable to cover a protective tube in order to prevent the magnet from falling off the rotor surface. Further, the sensorless drive control is not limited to the three-phase control in the above embodiment, and may be other multiphase control. In this case, the number of stator slots is changed in accordance with the control. The speed control function of the control unit is not limited to the embodiment, and current vector control, observer control, and the like of the existing technology may be performed. However, depending on the existing control method, a current sensor, a tachometer, or the like may be required.
本発明は、小型のセンサレス同期モータに限らず、従来の大型のセンサレス同期モータにも好適に利用可能である。 The present invention can be suitably used not only for a small sensorless synchronous motor but also for a conventional large sensorless synchronous motor.
1…センサレス同期電動機
2u,2v,2w…ステータ
3…ロータ
4…回転軸
5…ヨーク部
6u,6v,6w…駆動コイル
7…マグネット
8…ヨーク部
11…制御部
12…インバータ部
13…位置検出信号生成部
14…A/D変換部
Ru,Rv,Rw…抵抗DESCRIPTION OF
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|---|---|---|---|
| JP2004374828A JP2006158166A (en) | 2004-11-27 | 2004-11-27 | Sensorless synchronous motor, and its driving method and device |
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009213229A (en) * | 2008-03-03 | 2009-09-17 | Honda Motor Co Ltd | Brushless motor controller and motor-driven steering system |
| WO2013073264A1 (en) * | 2011-11-14 | 2013-05-23 | 株式会社安川電機 | Motor and motor system |
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| KR20250087697A (en) | 2022-11-22 | 2025-06-16 | 닛폰세이테츠 가부시키가이샤 | Grain-oriented electrical steel sheet with excellent iron loss characteristics |
-
2004
- 2004-11-27 JP JP2004374828A patent/JP2006158166A/en active Pending
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