特開 2016-178841 モータ制御装置及びロータ位置検出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2016-178841(P2016-178841A)

(43)【公開日】2016年10月6日

(54)【発明の名称】モータ制御装置及びロータ位置検出装置

(51)【国際特許分類】

   H02P 25/08 20160101AFI20160909BHJP

【ＦＩ】

   H02P7/00 501

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2015-58984(P2015-58984)

(22)【出願日】2015年3月23日

(71)【出願人】

【識別番号】595106947

【氏名又は名称】高橋 久

(71)【出願人】

【識別番号】399067848

【氏名又は名称】山本 健司

(71)【出願人】

【識別番号】000002059

【氏名又は名称】シンフォニアテクノロジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100137486

【弁理士】

【氏名又は名称】大西 雅直

(72)【発明者】

【氏名】高橋 久

(72)【発明者】

【氏名】山本 健司

(72)【発明者】

【氏名】池田 宏史

(72)【発明者】

【氏名】富崎 猛

(72)【発明者】

【氏名】村田 裕彦

【テーマコード（参考）】

5H501

【Ｆターム（参考）】

5H501BB07

5H501DD04

5H501DD09

5H501HB16

5H501JJ04

5H501JJ26

5H501LL14

5H501LL16

5H501LL35

5H501LL60

(57)【要約】      （修正有）

【課題】モータ供給電流に含まれるノイズの影響を受けることなく高い精度でロータの位置検出を行うことができ、高速化及び回転効率の向上を図ることのできるモータ制御装置を提供する。
【解決手段】電圧信号を注入する注入回路２３と、電圧信号より誘起される誘起電圧からインダクタンスの検出を行う検出回路２４と、インダクタンスをもとにロータ１４の位置を推定するロータ位置推定部とを備え、検出回路２４及び注入回路２３に、励磁巻線１５ａ、１５ｂ、１５ｃを利用した誘導用巻線１５ｘ、１５ｙにおいて励磁電流により誘起される電圧変化を閉じたコアにおいて磁気的に相殺する相殺部１８を設け、この相殺部１８を通じて誘導用巻線１５ｘ、１５ｙへの特定の電圧信号の注入、または誘導用巻線１５ｘ、１５ｙからのインダクタンスの検出を行うように構成し、推定したロータ位置に基づいて励磁電流を与える相の切り替えを行うように構成した。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

２以上の相を構成する複数の突極を備え各突極にそれぞれ励磁巻線を並列に設けたステータと、複数の突極を備え前記ステータ内に配置されたロータとを備え、励磁電流を与える相を切り替えることでロータを回転させるモータに用いるモータ制御装置であって、
何れかの相の励磁巻線を誘導用巻線として利用してこの誘導用巻線に特定の電圧信号を注入する注入回路と、当該注入回路が電圧信号を注入する相若しくはその相とは異なる相の励磁巻線を誘導用巻線として利用して前記電圧信号より誘起される電流または誘起電圧からインダクタンスの検出を行う検出回路と、当該検出回路により得られたインダクタンスをもとにロータの位置を推定するロータ位置推定部とを備え、
検出回路及び注入回路の少なくともいずれか一方に、前記励磁巻線を利用した誘導用巻線において前記励磁電流により誘起される電圧変化を閉じたコアにおいて磁気的に相殺する相殺部を設けるとともに、
この相殺部を通じて誘導用巻線への特定の電圧信号の注入、または誘導用巻線からのインダクタンスの検出を行うように構成し、
前記ロータ位置推定部により推定したロータ位置に基づいて励磁電流を与える相の切り替えを行うようにしたことを特徴とするモータ制御装置。

【請求項2】

各相においてそれぞれ並列をなす誘導用巻線を前記相殺部のコアに、各誘導用巻線に流れる電流によりコア内部に逆向きの磁束を生じさせるように係わり合わせるとともに、このコアに補助巻線を通じて前記電圧信号を発生する電圧信号発生手段又はインダクタンスの検出を行うインダクタンス検出手段を磁気的に結合させている請求項１に記載のモータ制御装置。

【請求項3】

前記注入回路と前記検出回路とが共通の注入検出回路として構成されており、内部に備えるスイッチを切り替えることで前記電圧信号を発生する電圧信号発生手段又は前記インダクタンスの検出を行うインダクタンス検出手段に選択的に接続されるように構成されている請求項１又は２の何れかに記載のモータ制御装置。

【請求項4】

前記検出回路が前記注入回路とは異なる相において機能するように構成されており、前記ロータ位置推定部は各検出回路より検出される誘起電圧から得られる相互インダクタンスの相違又は大小関係に基づいて、ロータの位置を推定するように構成されている請求項１〜３の何れかに記載のモータ制御装置。

【請求項5】

前記検出回路が前記注入回路と同じ相において機能するように構成されており、前記ロータ位置推定部は各検出回路より検出される電流から得られる自己インダクタンスの相違又は大小関係に基づいて、ロータの位置を推定するように構成されている請求項１〜３の何れかに記載のモータ制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、突極性のロータと励磁巻線を伴うステータを有し、励磁電流の切り替えを行うことで回転するモータに用いるモータ制御装置及びロータ位置検出装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

突極性のロータと励磁巻線を伴うステータを備えるモータの一つとしてスイッチトリラクタンスモータ（以下「ＳＲモータ」と称す。）がある。ＳＲモータは構造が簡単であり、永久磁石を必要としないため、高速運転や高温環境での運転に適している。ＳＲモータの回転原理は次のようになる。ステータの突極とロータの突極が対向しつつ整列した時（突極整列状態）で磁気インピーダンスが小さくなり巻線のインダクタンスが最大になる。そのため、磁束が流れにくい突極非整列状態にある突極の巻線に励磁電流が流れると、磁束が最も流れやすい突極整列状態になるようにロータが回転する。したがって、ロータの位置情報に基づいて特定の相に励磁電流を供給することで、連続的な磁気吸引力を発生させ、ロータを回転させることができる。

【0003】

ロータの位置情報を得る手段として、従来、ロータの位置検出センサが用いられてきたが、こうしたセンサは上述した高速運転や高温環境下等の過酷な使用条件での使用には適さない。

【0004】

そのため、近年では、位置検出センサを用いることなくセンサレスでロータの回転位置を検出し、その検出結果に基づいて励磁電流の供給先を切り替える制御を行うモータ制御装置が提案されている。このようなモータ制御装置としては、例えば下記特許文献１に記載されているものがある。特許文献１に記載のモータ制御装置は、３組の相を有するステータを備えたＳＲモータに用いることを前提とし、励磁相の突極がロータの突極と対向するいわゆる突極整列状態において、これ以外の２組の非励磁相に現れる誘起電圧が等しくなることを利用し、この電圧差が所定値未満になったタイミングで励磁相を切り替えることでＳＲモータを駆動するものとなっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００１−３０９６９１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、従来より見られる多くのモータ制御装置では、モータに駆動電力を供給する電圧や電流、電流リップルの大きさによって位置を推定しており、モータ供給電流のスパイクノイズ等の様々なノイズの影響を受け、正確な位置検出を行うことができないとの問題があった。すなわち、正確な位置検出を行うことができないことにより、励磁電流の切り替えタイミングを適正化することができず、これまで以上の高速化や回転効率の向上を図ることが困難であった。

【0007】

なお、ＳＲモータを高速回転させる場合にはインダクタンスによる電流の遅れが問題を生じることも知られており、こうした場合には励磁相を進相、すなわち励磁電流の切り替えタイミングを早くすることが適切といえることから、これを実現するためにも位置検出の精度を高めることはより重要となる。

【0008】

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、モータ供給電流に含まれるノイズの影響を受けることなく高い精度でロータの位置検出を行うことができ、その結果、高速化及び回転効率の向上を図るとともに、そのための解決策がモータに複雑な製造工程を要求するものとならず、Ｓ／Ｎの低下も回避できるようにした、モータ制御装置及びロータ位置検出装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明は、係る目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。

【0010】

すなわち、本発明のモータ制御装置は、２以上の相を構成する複数の突極を備え各突極にそれぞれ励磁巻線を並列に設けたステータと、複数の突極を備え前記ステータ内に配置されたロータとを備え、励磁電流を与える相を切り替えることでロータを回転させるモータに用いるモータ制御装置であって、何れかの相の励磁巻線を誘導用巻線として利用してこの誘導用巻線に特定の電圧信号を注入する注入回路と、当該注入回路が電圧信号を注入する相若しくはその相とは異なる相の励磁巻線を誘導用巻線として利用して前記電圧信号より誘起される電流または誘起電圧からインダクタンスの検出を行う検出回路と、当該検出回路により得られたインダクタンスをもとにロータの位置を推定するロータ位置推定部とを備え、検出回路及び注入回路の少なくともいずれか一方に、前記励磁巻線を利用した誘導用巻線において前記励磁電流により誘起される電圧変化を磁気的に相殺する閉じたコアを設けるとともに、このコアを通じて誘導用巻線への特定の電圧信号の注入、または誘導用巻線からのインダクタンスの検出を行うように構成し、前記ロータ位置推定部により推定したロータ位置に基づいて励磁電流を与える相の切り替えを行うようにしたことを特徴とする。

【0011】

このように構成すると、注入回路から誘導用巻線へ電圧信号を注入し、検出回路は誘導用巻線に現れた電磁誘導による電流または誘起電圧からインダクタンスを検出するため、検出されたインダクタンスを基にしてロータの位置を推定しつつモータを制御することが可能となる。また、検出回路及び注入回路の少なくともいずれか一方に相殺部が設けられているため、ロータを回転させるために要する励磁電流に誘起される電圧変化を相殺することで、励磁電流に起因するノイズ等の影響を小さくして検出信号の波形の乱れを抑制でき、ロータ位置検出精度を向上することが可能となる。

【0012】

しかも、各相の突極に設ける誘導用巻線すなわち励磁巻線は並列でよいため、例えば誘導用巻線（励磁巻線）を直列に接続して中性点と両端を結ぶ閉回路間で電流同士をディファレンシャルチョークコイル等で相殺させる場合に比べて励磁巻線を細くでき、モータを製造容易でコスト抑制が図れるものにすることができる。さらに、コアを用いることで、励磁電流と高周波信号成分とを分離するキャパシタが不要となるため、微分要素を排してＳ／Ｎ比も有効に向上させることが可能となる。

【0013】

この場合、相殺部を簡易に構成するためには、各相においてそれぞれ並列をなす誘導用巻線を前記相殺部のコアに、各誘導用巻線に流れる電流によりコア内部に逆向きの磁束を生じさせるように係わり合わせるとともに、このコアに補助巻線を通じて前記電圧信号を発生する電圧信号発生手段又はインダクタンスの検出を行うインダクタンス検出手段を磁気的に結合させていることが望ましい。

【0014】

前記注入回路と前記検出回路を共通化して簡易的な構成とするには、前記注入回路と前記検出回路とが共通の注入検出回路として構成されており、内部に備えるスイッチを切り替えることで前記電圧信号を発生する電圧信号発生手段又は前記インダクタンスの検出を行うインダクタンス検出手段に選択的に接続されるように構成することが有効である。

【0015】

また、電源からモータに供給される基準電圧が変動してもその影響を受けないようにするには、検出した誘起電圧の絶対値を得ることなく、複数を比較するのみでロータ位置を推定することが望ましく、そのためには、前記検出回路が前記注入回路とは異なる相において機能するように構成され、前記ロータ位置推定部は各検出回路より検出される誘起電圧から得られる相互インダクタンスの相違又は大小関係に基づいて、ロータの位置を推定するように構成することが好適である。

【0016】

同様の趣旨で、前記検出回路が前記注入回路と同じ相において機能するように構成され、前記ロータ位置推定部は各検出回路より検出される電流から得られる自己インダクタンスの相違又は大小関係に基づいて、ロータの位置を推定するように構成しても構わない。

【発明の効果】

【0017】

以上説明した本発明によれば、簡易な構成でありながら、モータ供給電流に含まれるノイズの影響を受けることなく高い精度でロータの位置検出を行うことができ、その結果、高速化及び回転効率の向上を図ることを可能にするとともに、そのための解決策がモータに複雑な製造工程を要求するものとならず、Ｓ／Ｎの低下も回避できるようにした、新規有用なモータ制御装置及びロータ位置検出装置を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の実施形態に係るＳＲモータの断面を示す模式図。

【図2】ＳＲモータの回転原理を示す図。

【図3】本発明の実施形態に係るモータ制御装置を構成する注入検出回路を励磁回路とともに示す回路図。

【図4】本発明の実施形態に係るモータ制御装置のブロック図。

【図5】Ａ相の自己インダクタンスおよびＡ相とＢ、Ｃ相との相互インダクタンスを示すグラフ。

【図6】本発明の実施形態に係る励磁相の切り替え状態の一つを示す模式図。

【図7】図６とは異なる励磁相の切り替え状態の一つを示す模式図。

【図8】図６及び図７とは異なる励磁相の切り替え状態の一つを示す模式図。

【図9】本発明の変形例に係るＡ相、Ｂ相、Ｃ相の自己インダクタンスを示すグラフ。

【図10】同変形例に係るモータ制御装置を構成する注入検出回路を励磁回路とともに示す回路図。

【図11】自己インダクタンスを利用した注入検出回路における干渉防止の一例を示す図。

【図12】自己インダクタンスを利用した注入検出回路における干渉防止の他の例を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明の実施形態に係るモータ制御装置を、図面を参照しつつ説明する。

【0020】

図１は、本発明のモータ制御装置を備えたＳＲモータの構成を示した簡略図である。図１に示されたＳＲモータ（スイッチトリラクタンスモータ）１０は、内壁面に突出した６個の突極１１を有するステータ１２と、ステータ１２の内部で回転する４個の突極１３を有するロータ１４とからなり、ステータ１２の突極１１が６０度毎に、ロータ１４の突極１３が９０度毎にそれぞれ等間隔に設置されている。そして、ステータ１２の互いに対向する突極１１ａと１１ａ、１１ｂと１１ｂ、１１ｃと１１ｃにはそれぞれ励磁巻線１５ａと１５ａ、１５ｂと１５ｂ、１５ｃと１５ｃが巻回されており、励磁巻線１５ａ、１５ａが巻回された突極の対１１ａ、１１ａをＡ相、励磁巻線１５ｂ、１５ｂが巻回された突極の対１１ｂ、１１ｂをＢ相、励磁巻線１５ｃ、１５ｃが巻回された突極の対１１ｃ、１１ｃをＣ相とする３相のステータ１２を構成している。各励磁巻線１５ａ〜１５ｃには、励磁回路２８（図３参照）が接続され、選択的にＡ〜Ｃ相のいずれかに励磁電圧を印加することができるようになっている。

【0021】

各突極の対をなす励磁巻線１５ａと１５ａ、１５ｂと１５ｂ、１５ｃと１５は、それぞれ励磁回路２８に並列に接続されている。具体的には、励磁回路２８からの一対の給電経路には、第1のノードＮ１および第２のノードＮ２の先に、それぞれ対をなす励磁巻線１５ａと１５ａ、１５ｂと１５ｂ、１５ｃと１５ｃが並列に接続されている。

【0022】

ここで、図２を用いてＳＲモータ１０の回転原理を説明する。図２（ａ）はステータ１２とロータ１４の突極１１ａ〜１１ｃ、１３ａ〜１３ｂ同士が対向しておらず磁束が流れにくい突極非整列状態にあるロータ１４の位置を示していて、この時点ではステータ１２の励磁巻線１５ａ、すなわちＡ相が励磁している。このとき、磁束が最も流れやすい突極整列状態、すなわち突極１１ａとロータ１４の突極１３ａが整列するようにロータ１４にトルクが生じ、ロータ１４が回転する。そして、ロータ１４が図２（ｂ）に示す突極整列状態になるまで回転したタイミングで励磁させる相をＢ相に切り替えると、ステータ１２の突極１１ｂとロータ１４の突極１３ｂが整列するようにトルクが生じる。その後、ステータ１２の突極１１ｂとロータ１４の突極１３ｂが整列したタイミングで励磁させる相をＣ相に切り替えると、今度はステータ１２の突極１１ｃとロータ１４の突極１３ａが整列するようにトルクが生じる。このように、ロータ１４の位置に基づいて励磁相を切り替えることで、連続的な磁気吸引力によるトルクが発生し、ＳＲモータ１０が回転する。

【0023】

次に、図３は本実施形態に係るモータ制御装置を構成する注入検出回路２２の回路図である。この図に示された回路は、特定の電圧信号としての高周波信号の注入および検出の両方に用いられる注入検出回路２２であって、誘導用巻線１５ｘおよび１５ｙ、磁性材からなる閉じたコアであるトロイダルコア１８ａ、高周波発生手段１９、電圧検出手段２０、スイッチ２１を有している。

【0024】

単一の注入検出回路２２を構成する誘導用巻線１５ｘ、１５ｙは、１つの相を構成する励磁巻線１５ａ（１５ｂ、１５ｃ）、１５ａ（１５ｂ、１５ｃ）（図１参照）と兼用されており、より簡易な構成を実現している。

【0025】

誘導用巻線１５ｘ、１５ｙも誘導用巻線１５ａ、１５ａ｛（１５ｂ、１５）、（１５ｃ、１５ｃ）｝を利用していることから、給電経路における第1のノードおよび第2のノードに対して並列に接続された関係をなしている。

【0026】

そして、Ａ相における一対の励磁巻線１５ａ、１５ａ（誘導用巻線１５ｘ、１５ｙ）の各々の一端と第２のノードＮ２との間にトロイダルコア１８ａを用いた相殺部１８を設け、Ｂ相、Ｃ相についても同様にトロイダルコア１８ａを用いた相殺部１８を設けている。Ａ相の相殺部１８は、一対の励磁巻線１５ａ、１５ａ（誘導用巻線１５ｘ、１５ｙ）をトロイダルコア１８ａに対して逆方向に係わり合わせている。具体的には、一方の励磁巻線１５ａ（誘導用巻線１５ｘ）はトロイダルコア１８ａの軸心方向の一方から入って他方に抜けるように、また他方の励磁巻線１５ａ（誘導用巻線１５ｙ）はトロイダルコア１８ａの軸心方向の他方から入って一方に抜けるように挿し通している。Ｂ相、Ｃ相についても同様である。

【0027】

また、トロイダルコア１８ａには補助巻線１８ｂが巻回してあり、高周波発生手段１９から注入される高周波信号をトロイダルコア１８ａ内で発生させる磁束を介して誘導用巻線１５ｘ、１５ｙに注入し、あるいは誘導用巻線１５ｘ、１５ｙに現れる誘起電圧をトロイダルコア内に発生する磁束を介してインダクタンス検出手段である電圧検出手段２０で検出するように構成されている。

【0028】

そして、３つの前記注入検出回路２２がＡ相、Ｂ相、Ｃ相のそれぞれに接続され、３相のうち励磁している相が注入回路２３、残りの励磁していない２相が検出回路２４として動作して、スイッチ２１が作動することで注入回路２３と検出回路２４の何れかが入れ替わるようにしている。

【0029】

図４は、本発明の実施形態に係るモータ制御装置のブロック図を示している。ロータ位置推定部２５は、Ａ相注入検出回路２２ａ、Ｂ相注入検出回路２２ｂ、Ｃ相注入検出回路２２ｃのいずれか２つの回路で検出された検出電圧をもとにロータ位置を推定し、ロータ１４（図２参照）が突極整列状態に到達したタイミングで、注入検出切替部２７および励磁相切替部２６に切替信号を送信する。そして注入検出切替部２７は切替信号を受けて注入検出回路２２のスイッチ２１（図３参照）を動作させ、注入回路２３と検出回路２４のいずれか１つの機能を選択して切り替える。励磁相切替部２６は、切替信号を受けて励磁回路２８より励磁電圧を与える相を切り替える。

【0030】

そして、本実施形態では、注入回路２３と接続して高周波信号を注入される相と励磁される相を同一となるようにしている（図６参照）。高周波発生手段１９は、励磁電流よりも十分に高い周波数の高周波信号を生成する。

【0031】

次に、上記の実施形態を採ったときの作用を説明する。

【0032】

注入検出回路２２が注入回路２３として機能する場合、高周波発生手段１９によって発生する高周波信号は補助巻線１８ｂが巻かれたトロイダルコア１８ａ内に磁束を発生させ、これによって誘導用巻線１５ｘ、１５ｙとトロイダルコア１８ａとの磁気的結合部を通じて、図中矢印Ｖで示すように各々の励磁巻線１５ａ、１５ｂに高周波信号を重畳させる。逆に、注入検出回路２２が検出回路２４として機能する場合、誘導用巻線１５ｘ、１５ｙに誘起された電流は、同じく矢印Ｖ（実線と破線があるのは交流のため）で示すようにトロイダルコア１８ａとの磁気的結合部を通じて、電圧検出手段２０に誘起電圧として検出される。検出時の誘導用巻線１５ｘの電流と誘導用巻線１５ｙの電流とは、ノードＮ１、Ｎ２においてそれぞれ矢印Ｖで示すように流入、流出の関係にあり打ち消し合うので、励磁回路２８を通ることが回避もしくは低減される。注入時の高周波信号も同様、ノードＮ１、Ｎ２で消失して励磁回路２８を通ることが回避もしくは低減される。

【0033】

このため、注入した高周波信号は損失なく巻線１５ｘ、１５ｙに供給され、巻線１５ｘ、１５ｙで発生した誘起電圧は損失なく検出されることになる。

【0034】

一方、励磁回路２８から出力したモータ駆動用の励磁電流Ｉ０は、ノードＮ１、Ｎ２の先に並列接続した励磁巻線１５ａと１５ａ（１５ｂと１５ｂ、１５ｃと１５ｃ）ではそれぞれＩ１、Ｉ２の電流となる。並列接続する２つの励磁巻線の特性をそろえることで、Ｉ１とＩ２はほぼ同じ値となる。

【0035】

Ｉ１とＩ２はトロイダルコア１８ａにそれぞれ磁束φ１とφ２を発生させるが、トロイダルコア１８ａに対して逆方向に流れるため、φ１とφ２は互いに打ち消し合う。Ｉ１＝Ｉ２であれば、φ１＋φ２＝０となり、トロイダルコア１８ａには磁束が発生しない。

【0036】

このため、励磁電流が高周波発生手段１９より注入する高周波信号に影響を及ぼすことが回避され、また、電圧検出手段２０が検出する誘起電圧に影響を及ぼすことも回避される。

【0037】

以上のことから、注入回路２３や検出回路２４は、巻線１５ｘ、１５ｙに供給されている励磁電圧やスイッチングに起因するノイズの影響を低減しつつ、巻線１５ｘ、１５ｙに対して高周波信号を与えることができ、また巻線１５ｘ、１５ｙに誘起される電圧を取り出すことができる。すなわち、励磁電圧の切り替えに伴って発生するスパイクノイズや、励磁電圧そのものに加わる電圧変動等による高周波信号や誘起電圧への影響を抑制することができる。

【0038】

次に、図６〜８を用いてロータ位置推定部２５の動作を説明する。

【0039】

まず、図６に示すように、Ａ相が励磁している場合を状態１として考える。このとき、Ａ相の回路はスイッチ２１によって高周波発生手段１９に接続され、Ｂ相およびＣ相の回路はスイッチ２１によって電圧検出手段２０に接続されている。すなわち、Ａ相が励磁しているとき、Ａ相に接続された注入検出回路２２は注入回路２３として動作してＡ相に高周波信号が注入され、Ｂ相、Ｃ相に接続された注入検出回路２２は検出回路２４として動作する。このとき、検出手段２４の電圧検出手段２０によって検出されたＢ相、Ｃ相に誘起されている高周波信号は、ロータ位置推定部２５を構成する比較器２９によって、振幅の大きさが一致したかどうかを判定される。そして、ロータ１４が回転して２つの高周波信号が一致した時、Ａ相の突極１１ａとロータ１４の突極１３ａまたは１３ｂが整列した突極整列状態に達したと判断する。

【0040】

このことについて、図１を参照しつつ図５のグラフを用いて詳述する。図５のグラフはある回転位置を基準としてロータ角を変化させた場合の、Ａ相巻線１５ａ、１５ａに生じる自己インダクタンスＬａ、Ａ相とＢ相との間に生じる相互インダクタンスＭａｂ、及び、Ａ相とＣ相との間に生じる相互インダクタンスＭａｃの値の解析例を示している。なお、相互インダクタンスＭａｂ、Ｍａｃは、検出した誘起電圧を基にして得られたものであり、電圧検出手段２０で検出した相互インダクタンスと誘起電圧の変化はほとんど同一のものとなる。グラフ上でロータ角が９０度付近、直線ｌｓ上にある値を見ると、Ａ相巻線１５ａ、１５ａの自己インダクタンス値Ｌａは最大値をとり、Ａ相とＢ相の間の相互インダクタンス値Ｍａｂと、Ａ相とＣ相との間の相互インダクタンス値Ｍａｃは等しくなっている。これはステータ１２およびロータ１４の対称性によるものである。そして、この性質を利用することで、Ｂ相、Ｃ相に誘起されている高周波信号が一致した時が突極整列状態であると判断しているのである。

【0041】

そして、Ｂ相とＣ相の電圧検出手段２０で検出された電圧の振幅の大きさ（ｘおよびｙ）が異なる間、状態１を保持していたロータ位置推定部２５は、ロータ１４の位置が突極整列状態に達したと判断される、すなわち図６においてｘ＝ｙ、ｚ＝１となった時、励磁する相をＢ相に切り替える（状態１→状態２）。Ｂ相が励磁されている時（図７の状態２）、Ｃ相が励磁されている時（図８の状態３）においても同様であり、各状態において２つの非励磁相で検出された電圧の振幅の大きさが等しくなるタイミングで次の状態に変化する構成となっている。

【0042】

この後、Ｂ相が励磁している間はＡ相、Ｃ相が検出回路２４として動作し、ロータ位置推定部２５を構成する比較器２９は上記Ａ相が励磁している場合と同様にロータ位置を推定する。このようにして、励磁する相と高周波信号を注入する相を同期して順に切り替えていくことで、ロータ１４の位置を推定しつつロータ１４を回転させ、モータをセンサレスで駆動させることができる。このように比較器２９を用いてロータ位置の推定を行うように構成することで、高度な演算を伴うことのない簡易な構成としながら高速にロータ位置の検出を行うことが可能となる。

【0043】

以上のように、本実施形態のモータ制御装置は、２以上の相を構成する複数の突極１１を備え各突極１１にそれぞれ励磁巻線１５ａ〜１５ｃを設けたステータ１２と、複数の突極１３を備え前記ステータ１２内に配置されたロータ１４とを備え、励磁電流を与える相を切り替えることでロータ１４を回転させるモータ１０に用いるモータ制御装置であって、何れかの相の励磁巻線１５ａ、１５ａを誘導用巻線１５ｘ、１５ｙとして利用してこの誘導用巻線１５ｘ、１５ｙに特定の電圧信号を注入する注入回路２３と、当該注入回路２３が電圧信号を注入する相とは異なる相の誘導用巻線１５ｂ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｃを誘導用巻線１５ｘ、１５ｙとして利用して前記電圧信号より誘起される誘起電圧からインダクタンスの検出を行う検出回路２４と、当該検出回路２４により得られたインダクタンスをもとにロータ１４の位置を推定するロータ位置推定部２５とを備え、検出回路２４及び注入回路２３に、励磁巻線１５ａ、１５ｂ、１５ｃを利用した誘導用巻線１５ｘ、１５ｙにおいて前記励磁電流により誘起される電圧変化を閉じたコア１８ａにおいて磁気的に相殺する相殺部１８を設けるとともに、この相殺部１８を通じて誘導用巻線１５ｘ、１５ｙへの特定の電圧信号の注入、または誘導用巻線１５ｘ、１５ｙからのインダクタンスの検出を行うように構成し、前記ロータ位置推定部２５により推定したロータ位置に基づいて励磁電流を与える相の切り替えを行うように構成したものである。

【0044】

このように構成しているため、注入回路２３から誘導用巻線１５ａへ電圧信号を注入し、検出回路２４が誘導用巻線１５ｂ、１５ｃに現れた電磁誘導による誘起電圧からインダクタンスを検出することによって、検出されたインダクタンスを基にしてロータ１４の位置を推定しつつモータを制御することが可能となる。また、検出回路２４及び注入回路２３に相殺部１８が設けられているため、ロータ１４を回転させるために要する励磁電流により誘起される電圧変化を相殺することで、励磁電流に起因するノイズの影響を小さくして電圧波形の乱れを抑制でき、ロータ位置検出精度を向上することが可能となることから、より適切なタイミングでの励磁電流の切り替えを可能としてモータの高速化及び回転効率の向上を実現することが可能となる。

【0045】

しかも、各相の突極１１に設ける誘導用巻線１５ｘ、１５ｙすなわち励磁巻線１５ａ、１５ａ｛（１５ｂ、１５ｂ）、（１５ｃ、１５ｃ）｝は並列でよいため、例えば誘導用巻線１５ｘ、１５ｙすなわち励磁巻線１５ａ、１５ａ｛（１５ｂ、１５ｂ）、（１５ｃ、１５ｃ）｝を直列に接続して中性点と両端を結ぶ閉回路間で電流同士をディファレンシャルチョークコイル等で相殺させるように構成する場合等に比べて、励磁巻線１５ａ、１５ｂ、１５ｃを細くでき、自動巻きを可能にするなどモータを製造容易でコスト抑制が図れるものにすることができる。さらに、コア１８ａを用いることで、励磁電流と高周波信号成分とを分離するキャパシタが不要となるため、微分要素を排してＳ／Ｎ比も有効に向上させることが可能となる。

【0046】

この場合、各相においてそれぞれ並列をなす誘導用巻線１５ｘ、１５ｙを相殺部１８のコア１８ａに、各誘導用巻線１５ｘ、１５ｙに流れる電流Ｉ１、Ｉ２によりコア１８ａの内部に逆向きの磁束φ１、φ２を生じさせるように係わり合わせるとともに、このコア１８ａに補助巻線１８ｂを通じて電圧信号を発生する電圧信号発生手段１９および誘起電圧の検出を行う電圧検出手段２０を磁気的に結合させているため、相殺部１８を簡易に構成することが可能となる。

【0047】

加えて、前記注入回路２３と前記検出回路２４とが共通の注入検出回路２２として構成されており、内部に備えるスイッチ２１を切り替えることで電圧発生手段としての高周波発生手段１９又はインダクタンス検出のための誘導電圧の検出を行う電圧検出手段２０に選択的に接続されるように構成していることで、前記注入回路２３と前記検出回路２４を共通化して簡易的な構成とすることが可能となる。

【0048】

また、検出回路２４が注入回路２３とは異なる相において機能するように構成され、ロータ位置推定部２５を構成する比較器２９は各検出回路２４より検出される誘起電圧すなわち相互インダクタンスの相違に基づいて、ロータ１４の位置を推定するように構成しているため、電源からモータに供給される基準電圧が変動してもその影響を受けないよう、検出した誘起電圧の絶対値を得ることなく、複数を比較するのみでロータ位置を推定することが可能となる。

【0049】

さらに、コアとして、一般的にノイズ対策として使用されるトロイダルコア１８ａを用いているため、磁束漏れの少ない実績のあるものを採用して、本発明の特殊な目的・用途に有効に適合させることができる。

【0050】

なお、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではない。

【0051】

例えば、上記実施形態ではロータ位置検出用に計測する特性として相互インダクタンスを利用したが、自己インダクタンスを利用してもよい。

【0052】

図９に、電圧信号発生手段１９からみた各相の自己インダクタンスの一例を示す。図４では、０、９０、１８０ｄｅｇのときにロータがＡ相のステータと整列しているが、この時、Ｂ相とＣ相の自己インダクタンスが一致する。同様に、ロータがＢ相ステータと整列した時にはＣ相とＡ相、Ｃ相ステータと整列した時にはＡ相とＢ相の自己インダクタンスが一致する。

【0053】

そこで、図１０に示すように、検出回路２４が注入回路２３と同じ相において機能するように注入検出回路２２を、電圧信号発生手段１９とインダクタンス検出手段たる電流検出手段１２０とを直列に接続することにより構成して、電流検出手段１２０より検出される電流から自己インダクタンスを計測可能とし、ロータ位置推定部２５には、励磁相以外の２相において各検出回路２４から得られる自己インダクタンスの相違又は大小関係に基づきロータの位置を推定させるように構成することができる。すなわち、自己インダクタンスＬは、注入する信号の電圧Ｖ、電流Ｉ、周波数ｆから、式

【0054】

Ｌ＝Ｖ／（２×π×ｆ×Ｉ）
によって求めることができ、このような自己インダクタンスＬを図９に示すように各区間で２相ずつ計測する。２相の自己インダクタンスが一致した時に、ロータ１４と計測していない相のステータ１２の突極同士が整列したものと判断し、計測を切り替えれば、上記実施形態と同様のモータ制御が可能となる。

【0055】

この場合、２相の自己インダクタンスを計測するために２相に信号を注入すると、モータ内部で信号が干渉する。そこで、図１１に示すように、電圧信号発生手段１９から注入する信号の周波数をモータ相毎にｆ１、ｆ２、ｆ３と変えるとともに、インダクタンス検出としての電流検出部１２０にバンドパスフィルタＢＰＦを設けて自相に注入した信号成分のみを取り出すように構成することで、他相の信号の影響を取り除くことができる。

【0056】

また、ロータ位置検出用信号を時間分割してモータに注入するようにしても、信号の干渉を避けることができる。図１２はその回路構成を示すもので、注入検出回路２２の先にスイッチ１２１を設け、スイッチ１２１を切り換えることで、信号注入、インダクタンス計測をする相を切り換えるように構成する。例えば、図９に示すロータ位置６０〜９０ｄｅｇの区間では、Ｂ相とＣ相に交互に信号を注入して自己インダクタンスを計測すれば干渉を回避することができる。

【0057】

上記以外の変形例としては、次のようなものが挙げられる。

【0058】

例えば、本実施形態のモータ制御装置はロータ１４に磁石を有さないスイッチトリラクタンスモータに適用したが、突極を持つロータ１４であれば、磁石を有するロータ１４を備える他のモータに適用することも可能である。

【0059】

また、上述の実施形態では励磁させる相と高周波信号を注入する相を同期させる構成を説明したが、高周波信号の注入・検出の切り替えタイミングと巻線１５ａ〜１５ｃへの励磁相の切り替えタイミングを非同期に行う構成をとることもできる。そのため、高速回転時にモータのインダクタンス等による電流変化の遅れに対して励磁相を進相する場合もその進相制御を容易に行うことができる。

【0060】

さらに、注入する高周波信号の周波数をより高くすることで、超高速回転までセンサレスで駆動することも可能である。

【0061】

また、本実施形態記載のモータ制御装置を、さらにＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御が可能となるように構成してもよい。具体的には、励磁回路２８によりＰＷＭ信号に応じた矩形パルス状の励磁電圧を生成させるようにするとともに、ＰＷＭ信号のデューティ比を変更させることでロータの速度を調整することも可能となる。

【0062】

また、注入回路２３より注入する電圧信号を高周波信号としていたが、ロータの回転速度に対して十分な分解能が得られるのであれば、高周波信号に限らず別の形態の電圧信号を用いることも可能である。

【0063】

また、注入回路２３と検出回路２４とを独立して設ける場合においては、いずれか一方に相殺部を設けさえすれば、注入する高周波信号あるいは検出信号の精度を高めることが可能となり、上記に類する効果を得ることが可能となる。

【0064】

また、上記の実施形態においては、位置推定部２１として比較器２９を導入して非励磁相における検出電圧の相違によって励磁相の切り替えを行っていたが、当該検出電圧同士が特定の電圧差になることを検知することで、突極整列状態の判定のみならず、ロータが特定の角度に位置することを検出することも可能である。こうすることで、磁束発生の遅れに対応する進相制御を行い、よりモータの回転効率を高めることも可能となる。

【0065】

また、上述のモータ制御装置より、励磁相切換部２６及び励磁回路２８を除いた部分は、レゾルバやエンコーダ等と同様のロータ１４の位置検出装置として用いることが可能となる。この場合においても、モータ制御装置と同様、注入回路２３が誘導用巻線１５ａへ電圧信号を注入し、検出回路２４が相互誘導用巻線１５ｂ、１５ｃに現れた電磁誘導によるインダクタンスを誘起電圧や電流を通じて検出することによって、ロータ１４の位置を推定することが可能となる。しかも、検出回路２４及び注入回路２３にコア１８ａを用いた相殺部１８が設けられているため、ロータ１４を回転させるために要する励磁電流により誘起される電圧変化を相殺することで、励磁電流に起因するノイズの影響を小さくして電圧波形の乱れを抑制でき、Ｓ／Ｎ比の低下を回避しつつロータ位置検出精度を向上することが可能となるうえに、モータにも励磁巻線が並列巻きの製造容易で安価なものを用いることができ。

【0066】

その他の構成も、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

【符号の説明】

【0067】

１０…スイッチトリラクタンスモータ
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ…ステータの突極
１２…ステータ
１３…ロータの突極
１４…ロータ
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ…励磁巻線
１５ｘ、１５ｙ…相互誘導用巻線
１８…相殺部
１８ａ…トロイダルコア
１８ｂ…補助巻線
１９…電圧信号発生手段（高周波発生手段）
２０…インダクタンス検出手段（電圧検出手段）
２１…スイッチ
２２…注入検出回路
２３…注入回路
２４…検出回路
２５…ロータ位置推定部
１２０…インダクタンス検出手段（電流検出手段）
Ｌ…自己インダクタンス
Ｍ…相互インダクタンス

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】