JP2008029115A - 単相位置センサレス永久磁石モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単相永久磁石モータ制御装置に関し、特に、低価格でかつ出力トルクの平坦な低振動，低騒音の単相永久磁石モータ制御装置、及びこれを用いたファン並びにポンプに関する。
【解決手段】上記の目的を達成するために、直流電源と、直流を交流に変換する変換器と、この変換器を制御する制御装置と、それによって駆動する単相永久磁石モータ制御装置において、モータ電流測定手段と、端子電圧測定手段と、モータ定数のインピーダンス降下を補正する手段とを有し、その制御によって、誘起電圧を求める手段とを備え、求められた誘起電圧の値によって、端子電圧の方向を決定することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は単相位置センサレス永久磁石モータ制御装置に関し、特に単相の永久磁石モータを位置センサレスで運転制御し、それによって、自動車などの車載に適した、低振動，低騒音，小型軽量，低コストの単相位置センサレス永久磁石モータ制御装置を提供するものである。

ファンの駆動源として価格が安いことから単相の永久磁石モータ制御装置を使用している。

この単相永久磁石モータ制御装置は一般の３相モータに比較して、巻線が１組（３相では３組）で、かつ変換回路もＨブリッジですむために構成素子数も４個(３相では６個要)となり、価格メリットが大きい。また、位置検出器を付ける場合には、ホール素子が１個（３相では３個要）で済み、３相モータに対して価格メリットを持っている。

一方、ファン等の起動トルクが大きくない、また、立ち上がり時間の緩いところでは、センサレス駆動を行うために、確立した３相モータのセンサレス駆動に対して、単相永久磁石モータのセンサレス駆動は逆に複雑化する課題がある。

さらに、単相永久磁石モータは３相モータに対して、原理上、単相の巻線に流した電流と永久磁石の磁束とによるトルクが少なくとも回転方向で、電気角１サイクルで、２回の零もしくは負のトルク領域を生じる課題がある。これに対して、一応は、固定子鉄心の周方向の空隙長を変化させて、固定子鉄心と永久磁石によるコギングトルクで前記零もしくは負のトルクを埋め合わせ、負のトルクが生じないように制御、もしくは固定子鉄心の形状を工夫して対処はしている。

また、用途としては、前記のファンの他に自動車用を主としたポンプへの応用が増加する傾向がある。自動車の燃費向上として、エンジンによるポンプ駆動に変わってモータ制御をすることによって省電力制御が達成できる点、あるいは、アイドルストップの実施でエンジンでのポンプ駆動が制約される点等が電気モータによるポンプ駆動の採用，拡大の大きな理由である。この場合、低価格が非常に重要であり、かつファン，ポンプの場合、大きな起動トルクを必要とせず、単相大きな永久磁石モータの課題である起動トルクが出にくい等の課題が問題とならない。このため、単相永久磁石モータを採用し易い点である。

この価格メリットを有する単相永久磁石モータのセンサレス駆動の代表的な制御の開示例を特公平７−６３２３２号公報に示す。

特公平７−６３２３２号公報は単相永久磁石モータの誘起電圧の正負間の切り替わり点の近傍において、通電停止期間を設け、誘起電圧を巻線間に発生させてその正負の判別によって回転子の位置（印加電圧の切り替わり点）を検出している。

特公平７−６３２３２号公報

前記特公平７−６３２３２号公報では、単相永久磁石モータの誘起電圧の正負間の切り替わり点の近傍において、通電停止期間を設け、誘起電圧を巻線間に発生させてその正負の判別によって回転子の位置を検出し、それによって、常に正のトルクを発生できる印加電圧の極性を確認できることから、センサレス駆動をすることができる。しかし。この方式は基本的に誘起電圧を巻線上に出力させる電流の休止区間を設けるために、効率の低下，脈動トルクの増加を来たし、それによって、騒音，振動の大きいモータとなってしまう恐れがある。

本発明は、以上示した従来例の課題を除き、効率低下の少ない、低騒音，低振動の単相永久磁石モータ制御装置及びそれを用いたファン、もしくはポンプを供給するものである。

本発明の一つの特徴は、単相永久磁石モータを駆動する電力変換器を制御する単相位置センサレス永久磁石モータ制御装置において、モータ電流測定手段と、端子電圧測定手段と、モータ定数のインピーダンス降下を補正する手段とを有し、その制御によって、誘起電圧を求める手段とを備え、求められた誘起電圧の値によって、端子電圧の極性を決定することを特徴としたことである。

トルク脈動の少ない、低騒音，低振動，高効率の単相位置センサレス永久磁石モータを提供することができる。

図１は、本発明対象の一実施形態による単相位置センサレス永久磁石モータ制御装置の構成を示す。図２はその動作説明図を示す。

図１において、単相位置センサレス永久磁石モータ制御装置１は単相永久磁石モータ２と直流電源Ｅｄｃから単相永久磁石モータ２に交流電力を供給する役目を持つ変換回路５と変換回路５の出力電流を制御する制御回路６とから構成される。

単相永久磁石モータ２は固定子３と回転子４とから構成される。ここでは、固定子３が内周で、回転子４を外周に配置したいわゆる外転型モータで説明するが、内転型モータ、もしくはその他のモータでも同様である。また、回転子４は永久磁石の極数が４の例で示したが、本発明の効果は極数には依存しない。

図１で、固定子３は固定子鉄心９と固定子鉄心９に巻回した固定子巻線１０とその支持装置（ここでは図示せず）とから構成される。一般的に、固定子鉄心９は薄板の珪素鋼板を打ち抜き、積層したものが、一般使用されているが、圧粉鉄心等によって、作られたものでも良い。固定子鉄心９の突極は図示のように、４個で、回転子４の永久磁石７の個数４と等しくする。４個の固定子巻線１０に直列に接続されて変換回路５に図示のように接続される。

また、回転子４は永久磁石７とその外周に配置され、永久磁石７の磁気回路を構成すると共に出力軸であるシャフト（図示せず）への機械的な連結の役割を有する回転子鉄心８とから構成される。ここで磁石は一般には低価格のためにフェライトのゴム磁石、あるいはプラスチックの磁石が使用される。

図１で、固定子鉄心９の空隙面には、回転子４と固定子３との空隙が回転方向では、回転方向の固定子鉄心９の表面は９２で示すように空隙長が小さくほぼ一定に、反回転方向（ここでは回転子４は反時計方向に回転するものとする）では徐々に拡大するように、選定する。単相永久磁石モータは原理上、単相の巻線に流した電流と永久磁石の磁束とによるトルクが少なくとも回転方向で、電気角１サイクルで、２回の零もしくは負のトルク領域を生じる。上記の形状を取ることによって、前記零もしくは負のトルクを埋め合わせうるコギングトルクを効果的に発生でき、低振動，低騒音にすることができるものである。

一般の単相永久磁石モータでは、回転子４の永久磁石７の軸端には、固定子３に位置検出器が（一般にはホール素子が使用され、永久磁石７の磁束を検出する方式である）が配置され、これによって、永久磁石７の位置を検出し、変換回路５を介して、単相永久磁石モータ２に効果的な電流を通電させる役目を持っている。しかし、自動車用等の用途では使用環境が高温であり、ホール素子の使用ができない場合がある。また、位置検出素子、回路の実装上、困難な場合には、開示例で示したようなセンサレス駆動方式が考えられる。

本発明は制御回路６として、電流センサ１６の情報と、予め蓄えられた固定子巻線１０の巻線抵抗情報１１とインダクタンス情報１２とから単相永久磁石モータ２の誘起電圧を算出する誘起電圧算出手段１４と、速度制御回路１３と、前者の信号を合成する駆動信号演算作成回路１５とを有することが特徴である。本発明は、上記の誘起電圧算出手段１４によって得られた情報に基づいて回転子の位置を決定し、印加電圧のタイミングを決定するものである。それによって、連続的な通電が可能であり、トルク脈動の少ない単相センサレス運転を可能にする。これに従って、磁極位置検出器を不要とし、センサレス運転することができる。

以下、本発明の動作を図２により説明する。

図２は本発明の上記の制御の動作説明図を示したものである。
（ａ）はモータの端子電圧Ｅｔ（θ）を示す。ここで、端子電圧の大きさはＰＷＭ
（Pulse width Modulation）等によって調節される。また、正負の半サイクル間のＰＷＭは一般には一定とする。なお、零クロス点から一定時間遅らせることによって、（ｂ）で示す誘起電圧に対して進ませることも、あるいは遅らせることも可能である。端子電圧
Ｅｔ（θ）の値はマイコンの中に持つことも可能である。
（ｃ）は回転電気角に対する誘起電圧を示す。
誘起電圧は前述の固定子鉄心の空隙面上の形状によって左右非対象の波形をしているのが特徴である。ここで、誘起電圧Ｅ０（θ）は、誘起電圧演算手段１４によって、端子電圧Ｅｔ（θ），電流センサｉ（θ），巻線の抵抗ｒ，巻線のインダクタンスＬの情報を使って、以下の式から、算出することができる。

ここで、Ｅｔ（θ）は（ａ）で示した端子電圧である。
ｒは巻線の抵抗を示す。
Ｌは巻線のインダクタンスを示す。
ｉ（θ）は電流センサ１６によって測定された電流値である。
（ｂ）は電流ｉ（θ）であり、電流センサ１６より取り込まれる情報である。
（ｄ）はコギングトルクＴｗ（θ）を示す。これは、固定子鉄心の空隙面の形状，固定子突極間のスリットの大きさ等と、永久磁石の磁束分布との磁気的な作用によって発生するものである。
（ｅ）は永久磁石による磁束（誘起電圧）と固定子巻線に流れる電流との電磁気的なトルクＴｗ（θ）で次式で算出できる。

ここで、ωは回転角速度の情報を、
Ｅ０（θ）は各速度ωにおける角度θに対する誘起電圧情報を
Ｉ（θ）は電流センサにより得られた電流情報を示す。
ωは回転角速度の情報を示す
（ｆ）は全体トルクＴｔ（θ）を示し、上述のトルクＴｗ（θ）とコギングトルク
Ｔｃｏｇ（θ）の和として次式で算出できる。

ここで、Ｔｃｏｇ（θ）は回転角に対するコギングトルクを示す。

本発明では、図１において単相永久磁石モータは速度制御回路１３によって一般には速度指令Ｎｓになるように制御する。速度制御するためには単相永久磁石モータの速度情報が必要となるが、前述のように誘起電圧演算手段１４によって得られた誘起電圧情報からその電気角１サイクルの周期から演算された速度フィードバック情報を利用し、必要に応じて、速度誤差に応じて比例積分制御等を用いて一定速度制御を行うものとする。以上の制御によって、モータはＮｓなる速度に制御することができる。

また、本発明では、端子電圧Ｅｔ（θ）の正負の切り替えは、誘起電圧演算手段１４で（１）式により得られた誘起電圧情報に基づいて行う。一例として、誘起電圧が正の最高の部分から下がって一定値以下になったところで、正から負へ端子電圧を切り替える。このように制御されたものが図２（ａ）で示した端子電圧である。

ここでは、次の切り替え点まで、電圧は一定に制御されるものとするが、必要に応じて切り替えの近辺で立ち上がり部，立ち下がり部などの電圧変化を付けることも可能である。このような制御によって、電流を連続的に制御することができる。

図３は、従来の制御による動作原理図を示す。

半サイクル中に、端子電圧を検出するために電流の休止区間を設けることによって、出力トルクの急峻なトルク変動が発生する結果となり、また、電流停止区間を設けることによって他の通電区間の電流を増加する必要があり、効率を低下せしめる結果となる。

以上の制御によって、トルク脈動の少ない、低騒音，低振動，高効率の単相永久磁石モータを提供することができる。

このように、本発明では、直流電源と、直流を交流に変換する変換器と、この変換器を制御する制御装置と、それによって駆動する単相永久磁石モータ制御装置において、モータ電流測定手段と、端子電圧測定手段と、モータ定数のインピーダンス降下を補正する手段とを有し、その制御によって、誘起電圧を求める手段とを備え、求められた誘起電圧の値によって、端子電圧の極性を決定することを特徴とした単相位置センサレス永久磁石モータ制御装置にすることによって、３相モータに対して、図１で示したように一般の３相モータに比較して巻線が１組でホール素子が１個（３相では３個要）で済み、かつ変換回路もＨブリッジで済むために構成素子数も４個となり、価格メリットが大きい。一方、前記のような制御によって、運転トルクを平坦化でき、３相モータに対して遜色のない低騒音，低振動の永久磁石モータ制御装置を提供することができる。

なお、この単相永久磁石モータ制御装置を電動ファン、及び電動ポンプに採用し、備えることによって、簡単な構成で、低価格，小型軽量，低騒音，低振動の電動ファン，電動ポンプ（例えば車両の客室内に配備されるような場合には低騒音で、低価格が大きな武器となる）を提供することが可能である。

以上は、制御回路６として、マイクロコンピュータを用いたシステムを念頭に説明したが、アンプ，抵抗，コンデンサ等により、ディスクリートの回路で構成しても誘起電圧演算手段１４を含む制御回路６の単相位置センサレス永久磁石モータ制御装置を実現できる。この場合には、より安価な構成で実現できる。

なお、起動時には誘起電圧の情報が無く、電圧の通電方法が不明であるが、固定子巻線に電流を通電する機構を有し、これによって、回転子が正のトルクを出せる電流方向を判別する極性判別を利用することで安定な起動を可能にすることができる。

本発明の一実施例の単相位置センサレス永久磁石モータ駆動回路を示す。 本発明の一実施例の要部の詳細を示す。 本発明の一実施例の動作説明図を示す。

符号の説明

１…単相位置センサレス永久磁石モータ制御装置、２…単相永久磁石モータ、３…固定子、４…回転子、５…変換回路、６…制御回路、７…永久磁石、８…回転子鉄心、９…固定子鉄心、１０…固定子巻線、１１…巻線抵抗情報、１２…インダクタンス情報、１３…速度制御回路、１４…誘起電圧演算手段、１５…駆動信号演算作成回路、１６…電流センサ、９１…固定子鉄心表面の空隙長大きい部分、９２…固定子鉄心表面の空隙長小さい部分、Ｅｄｃ…直流電源。

Claims (5)

1. 単相永久磁石モータを駆動する電力変換器を制御する単相位置センサレス永久磁石モータ制御装置において、
   モータ電流測定手段と、端子電圧測定手段と、モータ定数のインピーダンス降下を補正する手段とを有し、その制御によって、誘起電圧を求める手段とを備え、求められた誘起電圧の値によって、端子電圧の極性を決定することを特徴とした単相位置センサレス永久磁石モータ制御装置。
2. 特許請求範囲の第１項記載の単相位置センサレス永久磁石モータ制御装置において、起動時において、単相永久磁石モータに電流を通電して、端子電圧の方向を決定したことを特徴とする単相位置センサレス永久磁石モータ制御装置。
3. 単相永久磁石モータを駆動する電力変換器を制御する単相位置センサレス永久磁石モータ制御装置において、
   モータ電流測定手段と、端子電圧制御手段と、モータ定数のインピーダンス降下を補正する手段とを有し、その制御によって、誘起電圧を求める手段とを備え、求められた誘起電圧の値によって、通電電流の連続的な制御を行ったことを特徴とする単相位置センサレス永久磁石モータ制御装置。
4. 単相永久磁石モータを駆動する電力変換器を制御する単相位置センサレス永久磁石モータ制御装置において、
   モータ電流検出手段と、端子電圧制御手段と、モータ定数のインピーダンス降下を補正する手段とを有し、その制御によって、誘起電圧を求める手段とを備え、求められた誘起電圧の絶対値の高い位置で端子電圧の正負間の切り替えを行わせたことを特徴とする単相位置センサレス永久磁石モータ制御装置。
5. 特許請求範囲の第１項記載の単相位置センサレス永久磁石モータ制御装置を備えたファン及びポンプ。
   

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