JP5175569B2 - 同期電動機の駆動システム - Google Patents

Description

本発明は、電動機駆動装置及び電動機駆動用集積回路装置、たとえばハードディスクドライバ（ＨＤＤ）、光ディスクドライバ、スピンドルモータ、ファン、ポンプ、圧縮機などの回転速度制御に利用する技術に関する。

ＨＤＤ装置のスピンドルモータや、ファン、ポンプなどのモータ駆動装置では、小型・高効率の永久磁石モータ（同期電動機）が幅広く用いられている。

しかし、永久磁石モータを駆動させるには、モータの回転子の位置情報が必要であり、そのための位置センサが必要であった。近年では、この位置センサを排除し、永久磁石モータの回転数やトルク制御を行うセンサレス制御が広く普及している。

センサレス制御の実用化によって、位置センサにかかる費用（センサ自体、センサの配線にかかるコストなど）の削減、装置の小型化が実現できる。また、センサが不要となることで、劣悪な環境下での使用が可能となる等のメリットがある。

現在、永久磁石モータのセンサレス制御は、永久磁石モータの回転子が回転することによって発生する誘起電圧(速度起電圧)を直接検出し、回転子の位置情報として永久磁石モータの駆動を行う方法や、対象となるモータの数式モデルから、回転子位置を推定演算する位置推定技術、などが採用されている。

これらのセンサレス制御にも大きな課題がある。それは低速運転時の位置検出方法である。現在実用化されている大半のセンサレス制御は、永久磁石モータの発生する誘起電圧に基づくものであるため、誘起電圧の小さい停止、低速域では、感度が低下してしまい、位置情報がノイズに埋もれる可能性がある。この問題に対しては種々の解決策が提案されている。

特開平９−３２７１９４号公報(特許文献１)記載の発明は、停止、低速域において、オープンループ制御である同期駆動と、誘起電圧検出を併用して行い、低速域の駆動特性を改善するものである。

特開２００１―２７５３８７号公報（特許文献２）記載の発明は、三相固定子巻線のうち、二相を順次選択してパルス状の電圧を印加し、そのパルス電圧によって誘起される非通電相の誘起電圧（この場合は、変圧器起電圧となる）を検出しその電圧パターンから回転子の位置を推定するものである。これは、回転子の位置により、磁気回路の飽和状態が変化することから、位置に応じた誘起電圧が非通電相に発生するためである。このため、特許文献２記載の発明では、完全な停止状態であっても位置情報の取得が可能である。

特開２００３―１８９６７４号公報（特許文献３）記載の発明は、特許文献２記載の手法を起動時(加速時)に部分的に採用し、回転子位置を確認しながら、確実に加速を行っていくものである。

特開２０００−２３２７９７号公報（特許文献４）記載の発明は、三相固定子巻線の接続点の電位である「中性点電位」を検出して、位置情報を得るものである。固定子巻線の中性点を引き回す手間はかかるが、三相同時に通電状態であっても位置情報が得られるため、永久磁石モータを正弦波電流で、理想的に駆動することができる。
特開平９−３２７１９４号公報 特開２００１―２７５３８７号公報 特開２００３―１８９６７４号公報 特開２０００−２３２７９７号公報

しかし、特許文献１に記載の発明では、モータの回転による誘起電圧が検出可能な値になっている必要があり、極低速時においては、従来のオープンループによる同期駆動と等価になってしまう場合がある。

また、特許文献２及び３に記載の発明では、低速からの加速中に、位置検出のための特殊な電圧パターンが挿入される必要がある。結果、加速時間が遅くなる問題が生じる。

さらに、特許文献４に記載の発明についても、中性点に生じる三次高調波はロータの回転に伴う速度起電圧であるため、低速域の特性改善には結びつかない。

本発明の目的は、停止状態若しくは極低速状態において位置センサや特殊な位置検出信号を用いることなく、永久磁石モータの位置検出を行う方法を提供することにある。

また、上記目的とあわせて、加速時間を短縮し、高応答なモータ駆動システムを提供することにある。

本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次の通りである。

本発明の代表的な実施の形態に関わる同期電動機の駆動システムは、三相同期電動機と、この三相同期電動機に接続され、複数のスイッチング素子より構成されるインバータと、インバータを制御する制御器を有し、この制御器は、モード指令及び三相同期電動機の状態に基づきモード切替トリガを出力するモード切替トリガ発生器と、モード切替トリガに基づき通電モードを切り替え前記モード指令を出力する通電モード決定器と、インバータにＰＷＭ信号を出力するゲート信号切替器を含むことを特徴とする。

この同期電動機の駆動システムにおいて、モード切替トリガ発生器は、三相同期電動機の非通電相を選択し、選択された非通電相の電位と三相同期電動機の中性点電位との電位差を比較する非通電相電位選択器と、モード指令に従い非通電相の起電圧の基準となる基準レベルを出力する基準レベル切替器と、基準レベル及び非通電相電位選択器の出力を比較しモード切替トリガを出力する比較器を有することを特徴としても良い。

また、この同期電動機の駆動システムにおいて、更に仮想中性点発生器を含み、モード切替トリガ発生器は、三相同期電動機の非通電相を選択し、選択された非通電相の電位と仮想中性点発生器の中性点電位との電位差を比較する非通電相電位選択器と、モード指令に従い非通電相の起電圧の基準となる基準レベルを出力する基準レベル切替器と、基準レベル及び非通電相電位選択器の出力を比較し前記モード切替トリガを出力する比較器を有することを特徴としても良い。

この同期電動機の駆動システムにおいて、モード切替トリガ発生器は、三相同期電動機の非通電相を選択し、選択された非通電相の電位と三相同期電動機の中性点電位との電位差を比較する非通電相電位選択器と、モード指令に従い非通電相の起電圧の基準となる基準レベルを出力する基準レベル切替器と、基準レベル及び非通電相電位選択器の出力を比較しモード切替トリガを出力する比較器と、モード切替トリガの発生間隔を計測することで三相同期電動機の回転数を計測し、回転数情報を基準レベル切替器に出力する回転数演算器を有し、基準レベル切替器は回転数情報に基づき出力する基準レベルを変更することを特徴としても良い。

この同期電動機の駆動システムにおいて、基準レベル切替器は三相同期電動機の回転数が増加するに伴い、基準レベルを低減することを特徴としても良い。

この同期電動機の駆動システムにおいて、モード切替トリガ発生器は、三相同期電動機の非通電相を選択し、選択された非通電相の電位と三相同期電動機の中性点電位との電位差を比較する非通電相電位選択器と、非通電相電位選択器の出力の絶対値を導出する絶対値演算器と、非通電相の起電圧の基準となる基準レベルを出力する基準電圧出力器と、絶対値演算器の出力と基準電圧出力器の出力を比較しモード切替トリガを出力する比較器を有することを特徴としても良い。

これらの同期電動機の駆動システムにおいて、通電モード決定器の出力するモード指令がゲート信号切替器に入力され、モード指令に基づきゲート信号切替器がＰＷＭ信号を出力することを特徴としても良い。

この同期電動機の駆動システムにおいて、更に通電モードを周期的に切り替える通電モード自動発生器と、通電モード自動発生器の出力と通電モード決定器の出力であるモード指令を選択的に切り替えゲート信号切替器に出力するスイッチとを有し、モード切替トリガ発生器は、三相同期電動機の非通電相を選択し選択された非通電相の電位と三相同期電動機の中性点電位との電位差を比較する非通電相電位選択器と、モード指令に従い非通電相の起電圧の基準となる基準レベルを出力する基準レベル切替器と、基準レベル及び非通電相電位選択器の出力を比較しモード切替トリガを出力する比較器と、基準レベル切替器の基準レベルを設定する基準レベル設定器と、非通電相電位選択器の出力を基準レベル設定器または比較器のいずれに出力するかを決定するスイッチを含むことを特徴としても良い。

これらの同期電動機の駆動システムにおいて、非通電相電位選択器はサンプリングタイミングを通電期間の後半にすることを特徴としても良い。

この同期電動機の駆動システムにおいて、更に仮想中性点発生器を含み、モード切替トリガ発生器は、三相同期電動機の中性点電位と仮想中性点発生器の中性点電位の電位差を増幅する中性点電位増幅器と、モード指令に従い非通電相の起電圧の基準となる基準レベルを出力する基準レベル切替器と、基準レベル及び前記中性点電位増幅器の出力を比較しモード切替トリガを出力する比較器を有することを特徴としても良い。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下の通りである。

本発明の代表的な実施の形態に関わる同期電動機の駆動システムは、従来の１２０度通電センサレス方式の制御構成とほぼ同様の構成で停止状態からの極低速駆動を実現できる。

また、本発明の代表的な実施の形態に関わる同期電動機の駆動システムは、特殊な位置検出電圧を挿入することなく、スムーズな加速を得ることが可能となる。

また、本発明の代表的な実施の形態に関わる同期電動機の駆動システムは、方式自体がシンプルであり、専用ＩＣ化する場合にも非常に有効である。

以下、図を用いて本発明の実施の形態を詳述する。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に関わる同期電動機の駆動システム（以下モータ駆動システムと示す）の構成を表すブロック図である。

このモータ駆動システムは永久磁石モータ４の駆動を目的とするものである。大別すると、このモータ駆動システムはＶ＊発生器１、制御器２、インバータ３および駆動対象である永久磁石モータ４を含んで構成される。

Ｖ＊発生器１は永久磁石モータ４の印加電圧指令であるＶ＊を発生する回路である。Ｖ＊発生器１は制御器２の上位に位置する制御器である。たとえば、永久磁石モータ４の電流を制御する場合に、Ｖ＊発生器１の出力は、電流制御器の出力とみなすことができる。この印加電圧指令Ｖ＊に相当する電圧に対してパルス幅変調（ＰＷＭ）を行って、永久磁石モータ４へ印加するように動作する。

制御器２は永久磁石モータ４への印加電圧を演算し、インバータ３へのパルス幅変調波（ＰＷＭ）信号を生成する回路である。制御器２はＰＷＭ発生器５、通電モード決定器６、ゲート信号切替器７、モード切替トリガ発生器８より構成される。

ＰＷＭ発生器５は、Ｖ＊発生器１の出力に基づきパルス幅変調されたＰＷＭ波を生成する回路である。

通電モード決定器６は、インバータ３のスイッチングモードを決定するモード指令信号を順次出力する。通電モード決定器６は、モード切替トリガ発生器８が発生するモード切替トリガ信号をトリガとして通電モードを切り替えていく。

ゲート信号切替器７はインバータ主回路部３２の各スイッチング素子Ｓｕｐ、Ｓｕｎ、Ｓｖｐ、Ｓｖｎ、Ｓｗｐ、Ｓｗｎ（後述）がどのような動作でスイッチングするかを、通電モード決定器６の出力であるモード指令信号に基づいて決定する。この決定に従い、最終的な６つのゲートパルス信号をインバータ３に出力する。

モード切替トリガ発生器８は、ゲート信号切替器７に対して、モードの変更を通知し、ゲートパルス信号の切り替えを、モード切替トリガ信号で指示する回路である。モード切替トリガ発生器８中には、基準レベル切替器９、非通電相電位選択器１０、比較器１１を含む。

基準レベル切替器９は、永久磁石モータ４の非通電相の起電圧の基準となる基準レベルを発生する回路である。この切り替えのタイミングは、通電モード決定器６の出力であるモード指令信号が用いられる。

非通電相電位選択器１０は永久磁石モータ４の三相端子電圧の中から非通伝相をモード指令信号に従い選択し、永久磁石モータ４の中性点電位Ｖｎとの電位差を出力する回路である。

比較器１１は、基準レベル切替器９の出力と非通電相電位選択器１０の出力を比較し、通電モード決定器６にモード切替トリガを出力する比較器である。

インバータ３は直流電源から交流電圧を発生する回路である。インバータ３にはインバータに電力を供給する直流電源３１、６個のスイッチング素子Ｓｕｐ、Ｓｕｎ、Ｓｖｐ、Ｓｖｎ、Ｓｗｐ、Ｓｗｎより構成されるインバータ主回路部３２、インバータ主回路部３２を直接駆動する出力プリドライバ３３を含んで構成される。

インバータ主回路部３２は、出力プリドライバ３３の出力に従い、決定されたスイッチングモードの動作を実行すべく、各スイッチング素子を切り替える。

出力プリドライバ３３は、通電モード決定器６の出力によって決定されたゲート信号切替器７の出力に従い、各スイッチング素子の切替信号をインバータ主回路部３２に出力する。

次に、本実施の形態の基本動作について説明する。

図２は本実施の形態で制御の対象となる永久磁石モータ４の通電モードの定義と、各相の電圧波形の例を表す図である。この図では、電気角６０度毎に切り替わる通電モード（図２の縦軸「モード」）１から６と、このときの各相のインバータ出力を示している。たとえば、モード３においては、Ｕ相は非通電相となっており、図１のインバータ主回路部３２のスイッチング素子Ｓｕｐ、Ｓｕｎはいずれもオフ、Ｖ相はＳｖｐがＰＷＭ（パルス幅変調）動作を行い、Ｗ相はＳｗｎがオンし続けるような動作となる。

このようにモードが、電気角６０度ごとに順次切り替わることで、モータは回転力を得て駆動される。このとき、永久磁石が取り付けられている回転子に対して、トルクが発生するように、回転位置に応じた通電モードの選択、及び、次のモードに切り替えるタイミングが重要となる。

一般的な１２０度通電における位置センサレス方式では、非通電相に発生する誘起電圧（速度起電圧）の信号をトリガに通電モードの切り替えを行う。たとえば、図１のモード３及びモード６は、Ｕ相が非通電相である。このとき、モータの誘起電圧であるＥｍｕは各モードの中間時に「０」ボルトをクロスすることが分かる。よって、この「０」クロス信号を基準にして、次のモードへの移行を行うことが可能である。

しかしながら、回転速度が極端に低い領域では、誘起電圧（速度起電圧）はノイズに埋もれてしまい、検出が難しくなる。よって、別方式による回転子位置情報の推定が必要になる。

既述の特許文献２及び特許文献３では変圧器起電力による位置検出が公開されている。この原理を図３、図４に示す。

図３（ａ）は図２のモード３、図３（ｂ）は図２のモード６の状態に相当するパルスを印加している様子を示す模式図である。図４は本実施の形態に関わるパルス誘起電圧とモード（角度）との対応を示す模式図である。また、図５は通常ＰＷＭ時にモード３及びモード６で発生する誘起電圧を示す模式図である。

モード３及びモード６に対して、回転子の位置角度を電気角一周期分変化させた場合、非通電相に現れる誘起電圧は図４のようになる。この回転子位置によって、Ｕ相の誘起電圧が変化する様子が分かる。

この誘起電圧は、速度起電圧ではなく、Ｖ相とＷ相によって生じる磁束変化率の差異がＵ相にて観測されたものである。よって、停止状態・低速状態であっても、回転子位置に応じた起電圧が観測できる。特許文献２及び特許文献３では６通りの通電モードを順次モータに印加し、そのときの各々の非通電電位を観測して回転子位置情報を得るというものである。

この手法は停止状態の初期位置を測定するには優れるが、加速中に実行すると加速トルクが失われ、回転速度が低下する。

本発明は、図１で示したモード切替トリガ発生器８を導入することで、この問題を解決する。

図３（ａ）、（ｂ）に示した印加パルスは、特許文献２、３では位置推定のための特殊パルスとして記載されている。しかし、この動作は通常の１２０度通電方式でも存在することに着目した。これは、図３（ａ）の状態と等価である。また、モード６も同様に、図３（ｂ）のパルス印加と等価になっている。

このときのＵ相の誘起電圧は図５の太い矢印のようになる。すなわち、モード３では、マイナス方向に減少し、モード６ではプラス方向に増加するような起電圧が観測される。この観測電圧をそのまま用いて、モード切替用のトリガに使用すれば、特殊な信号を印加することなく、モード切り替えのトリガを発生することができる。

図６は本実施の形態の通電モードと非通電相及び誘起電圧の関係を表す図である。通電モードが切り替わるたびに、誘起電圧が正負それぞれ上昇減少を繰り返す様子が分かる。そこで、正側の基準電圧Ｖｈｐ、負側の基準電圧Ｖｈｎをそれぞれ設定しておき、それと誘起電力の大小関係から、モード切り替えのトリガを発生させることにする。なお、原理的にはＶｈｎ、Ｖｈｐの絶対値は等しくなる。

図７は基準レベル切替器９の構造を示すブロック図である。基準レベル切替器９は正側基準電圧設定器９１、負側基準電圧設定器９２、切替スイッチ９３を含んで構成される。モード切替トリガ発生器８が発生するモード指令がモード１、３、５を表す場合、切替スイッチ９３を１側にして、基準レベルをＶｈｎにする。一方、モード指令がモード２、４、６を表す場合、切替スイッチ９３を２側にして、基準レベルをＶｈｐにする。

比較器１１では、基準レベル切替器９の出力する基準レベルと非通電相の誘起電圧を比較し、モード切替トリガを発生する。これにより、回転子の位置に応じて、適切なモータ駆動トルクが得られる。既述の通り、非通電相の誘起電圧は変圧器起電圧であるため、極低速状態であっても感度良く検出することが可能である。

図８は非通電相電位選択器１０の構成を表す回路図である。

非通電相電位選択器１０では、通電モード決定器６の出力するモード指令を受けて、永久磁石モータ４に印加されている電圧の中から、通電されていない1相を、非通電相選択部１０１にて選択する。切替スイッチ１０２では、通電されてない相の電圧を選び、サンプルホールド回路１０３へ信号を伝達する。サンプルホールド回路１０３は、サンプラーのスイッチと、サンプルした電位を維持するコンデンサから成っている一般的な構成のものである。非通電相の電位は、ＰＷＭパルスが印加されるのに合わせて、サンプルホールド回路１０３にてサンプルホールドされる。この信号が、比較器11へ送られる。この構成によって、非通電相の必要な電位が得られることになる。

以上のような構成により、本発明の目的の一つである、低速時の位置検出をセンサなしに行うことが可能となる。

（第２の実施の形態）
次に、図９、図１０を用いて、本発明の第２の実施の形態について説明する。

図９は本実施の形態に関わるモータ駆動システムの構成を表すブロック図である。第１の実施の形態と本実施の形態との相違点は、永久磁石モータ４とインバータ３が永久磁石モータ４Ａとインバータ３Ａに変わった事である。

永久磁石モータ４Ａは中性点電位Ｖｎの端子を有さないモータである。モータの種類によっては中性点電位の取り出しにくい構造のもの（たとえば、巻線がΔ結線のもの）や、エアコンの圧縮機に内蔵されるモータのように、コストの関係上端子数を極力少なくしたいモータがある。本実施の形態はそのような場合での使用を想定したものである。

インバータ３Ａには、インバータ出力部に仮想中性点発生器３４が接続されている。仮想中性点発生器３４はＹ結線された抵抗器である。これらの抵抗器の接続点を仮想中性点電位Ｖｎｃとして、第１の実施の形態のＶｎの代わりに用いる。

図１０は本実施の形態に関わる中性点電位の別の作成方法を表した図である。この実施の形態では、直流電源部に仮想中性点発生器３４Ｂを接続し、中性点電位Ｖｎｃを得ている。この仮想中性点発生器３４Ｂは直流電源３１を抵抗器によって分圧したものである。

これらの実施の形態の構成であっても、非通電相に発生する誘起電圧は観測されるため、低速域からのセンサレス駆動が可能である。

（第３の実施の形態）
次に本発明の第３の実施の形態について説明する。

図１１は本発明の、第３の実施の形態のモータ駆動システムを表すブロック図である。本実施の形態の相違点は、制御器２を制御器２Ｃに変更していることである。

本実施の形態の制御器２Ｃは、永久磁石モータ４の端子電圧は検出せず、代わりに永久磁石モータ４の中性点電位Ｖｎと、インバータの出力に接続された仮想中性点電位Ｖｎｃを読み込んでいる。

第１の実施の形態の制御器２Ｃと本実施の形態の制御器２Ｃの相違点は、モード切替トリガ発生器８Ｃにある。本実施の形態のモード切替トリガ発生器８Ｃは、永久磁石モータ４の中性点電位Ｖｎと仮想中性点電位Ｖｎｃの電位差を中性点電位増幅器１０Ｃで増幅する。この中性点電位増幅器１０Ｃの出力と、基準レベル切替器９の出力を比較器１１で比較し、モード切替トリガを発生させている。

このような構成にするのは、以下の原理による。すなわち、これまでは、変圧器起電力の差異を非通電相の電位から検出することを原理としていた。しかし、変圧器起電力の差異が生じる状態、すなわち回転子の位置が変化する状態にあっては、回転子の位置によって、通電中のコイルの自己インダクタンスも変化する。この自己インダクタンスの変化により、中性点電位Ｖｎも変化する。すなわち中性点電位を観測すれば回転子の位置情報検出が可能となる。

このような構成にすることで、非通電相の電位を制御器２Ｃへ引き回す必要が無くなる。また、このような構成にすることで、非通電相の選択、及びそれに用いる非通電相電位選択器１０も不要となる。

さらに、モータが高圧の場合、第１の実施の形態の場合には端子電圧を制御器入力にあわせてレベルシフトする必要が生じるが、本実施の形態では、大幅に回路構成等を簡略化できる利点がある。これにより、更にシンプルな構成で低速からの位置センサレス駆動が可能となる。

（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態について図１２を用いて説明する。

図１２は、本実施の形態におけるモード切替トリガ発生器８Ｄのブロック図である。このモード切替トリガ発生器８Ｄを第１の実施の形態の回路構成や第２の実施の形態の回路構成に適用することで本実施の形態になる。

このモード切替トリガ発生器８Ｄは、基準レベル切替器９Ｄ、非通電相電位選択器１０、比較器１１、絶対値演算器１２を有する。この中で、本実施の形態特有の基準レベル切替器９Ｄ及び絶対値演算器１２について説明する。

第３の実施の形態までは、通電モードに応じて正負を切り替えるものであった。第１の実施の形態の基準レベル切替器９では２つの基準電圧設定器を有していた。これに対し、本実施の形態の基準レベル切替器９Ｄでは、基準電圧設定器となる基準レベル切替器９Ｄは一つしかない。

一方、入力される永久磁石モータ４の三相端子電圧は正負が存在する。そこで絶対値演算器１２を設けることで、絶対値を求める。

これにより、シンプルな構成かつ制御が可能な低速センサレス駆動が可能となる。

（第５の実施の形態）
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。

図１３は誘起電圧のサンプリングタイミングを表す概念図である。

本発明の原理は、ＰＷＭ波形によって、非通電相に誘起される電圧を検出するものである。パルス印加時には過渡現象が伴うため、実際の誘起電圧は図１３に示すようになだらかなカーブを描くこととなる。

この際、図１３（ｂ）のようにパルス出力期間の最終値付近をサンプルホールドしたものと、図１３（ａ）のようにパルス出力期間の平均値をサンプルホールドしたもの、の二通りのサンプリングの仕方が考えられる。パルス期間中の平均値を取ったほうが正確な値が求められるように思えるが、図１３（ａ）に示すように、本来必要な電圧とは程遠い結果が得られてしまう可能性がある。

また、印加パルスが短い場合（キャリア周波数が高い場合など）には、本来必要な電位が得られず、誤動作する可能性がある。

そこで、過渡現象を避けるため、なるべく印加パルスの後半（パルスの中間以降）にて、サンプルホールド回路１０３は非通電相の電位のサンプリングを行う。たとえばＰＷＭパルスの立ち下がりエッジを使って、非通電相のサンプリングを行うようにすれば最終結果に近い電位を得ることが可能になり、より精度の高いセンサレス駆動が実現できる。

（第６の実施の形態）
次に本発明の第６の実施の形態について説明する。

図１４は本実施の形態に関わる新たな制御器２Ｅを表すブロック図である。

第１の実施の形態にかかわる制御器２と本実施の形態にかかわる制御器２Ｅとの相違点は、モード切替トリガ発生器８Ｅにある。

このモード切替トリガ８Ｅ発生器は基準レベル切替器９Ｅ及び回転数演算器１３が加えられているところに特徴がある。

基準レベル切替器９Ｅはモードに応じてＶｈｐ、Ｖｈｎを切り替える点で第１の実施の形態の基準レベル切替器９と同様である。しかし、基準レベル切替器９Ｅは回転数演算器１３から与えられる速度情報に基づきＶｈｐ、Ｖｈｎを増減できる点で基準レベル切替器９と相違する。

回転数演算器１３はモード切替トリガの発生間隔を計測し、永久磁石モータ４の回転数を演算して求める回路である。

本実施の形態の基本的な動作を以下に説明する。

本発明で検出する誘起電圧は変圧器起電力である。それに加えて、回転数が増加するに従い、ロータの回転に伴って発生する速度起電力が発生する。

図５に示すように、非通電期間の速度起電圧（たとえばＵ相のＥｍｕ）は、変圧器起電力と同方向に増加する傾向にある。よって、本発明による通電モード切り替えを実施していくと、加速と共に速度起電圧が加算され、基準レベルに早めに到達するようになる。結果、通電モードの切替タイミングが早くなり、発生トルクが低下し、加速時間が長くなる弊害が生じる。

これを防止するために、永久磁石モータ４の回転速度に応じて、基準レベルを可変とすることで解決する。すなわち、回転数の増加に伴い、基準レベルの絶対値を大きくする対応を取る。図１４における制御器２Ｅは、この処理を具現化するものである。

回転数演算器１３は、モード切替トリガの発生間隔を計測し、永久磁石モータ４の回転数を演算して求める。その回転数に応じて、基準レベル切替器９Ｅで、基準レベルＶｈｐ、Ｖｈｎを変更し、適切な通電モードを切り替えるようにする。

本実施の形態により、誘起電圧に影響されること無く、スムーズな加速が得られるようになる。

（第７の実施の形態）
次に、本発明の第７の実施の形態について説明する。

図１５は、モード３におけるインバータ主回路部３２内のインバータ・スイッチング素子のゲート信号の動作を表す図である。また、図１６は、本実施の形態における通電相（モード３ではＶ相とＷ相）のスイッチング動作を相補的なスイッチングにより実現した例である。

このような相補動作を行うと、一般に電流リプルが増加し、高調波損失が増えてしまう。

しかしながら、本発明は、スイッチングに伴う過渡現象によって、変圧器起電力を発生させることを目的としている。したがって、むしろ電流リプルが大きいほど、検出感度が高くなる傾向にある。

そこで、本実施の形態では出力プリドライバ３３からインバータ主回路部３２に出力される信号を、図１６で表す相補動作を行うようにする。これにより、相補動作をさせない場合に比べ、より確実に通電モードの切り替えを行うことが可能となる。

（第８の実施の形態）
次に、本発明の第８の実施の形態について説明する。

通電モード切り替えに利用している変圧器起電圧は、モータの磁気特性に強く依存している。したがって、事前に設定を行うことは非常に難しい。特に解析結果が入手困難な未知のモータを使用する場合、実物に合わせて基準レベルの設定を行う必要がある。本実施の形態では、このような作業を自動的に行うことを目的とする。

図１７は、本実施の形態に関わる制御器２Ｆを示すブロック図である。本実施の形態の制御器２Ｆにおいては、基準レベル切替器９Ｆ、通電モード自動発生器１４、切替スイッチ１５Ａ、１５Ｂ、基準レベル設定器１６の存在が特徴となっている。

本実施の形態では、通常駆動状態と自動調整状態の２つの動作状態が存在する。切替スイッチ１５Ａ、１５Ｂは図示しない動作状態を指定する信号に基づき動作状態の設定を行うものであり、「０」側が自動調整状態を、「１」側が通常駆動状態を示す。

基準レベル切替器９Ｆは通電モード決定器６の出力であるモード指令に応じてＶｈｐ、Ｖｈｎを切り替えて出力する点では基準レベル切替器９と同じである。ただし、基準レベル切替器９Ｆは基準レベル設定器１６の動作を受けてＶｈｐ、Ｖｈｎの値を変更できる点で基準レベル切替器９と相違する。

通電モード自動発生器１４は自動調整状態の間に擬似的なモード指令信号を順次出力する回路である。

基準レベル設定器１６は自動調整状態で非通電相の電位を記録し、基準レベル切替器９Ｆに対して、Ｖｈｐ及びＶｈｎの設定を指示する回路である。

次にこの制御器２Ｆの動作を説明する。

最初に図示しない動作状態を指定する信号に基づき切替スイッチ１５Ａ、１５Ｂを自動調整状態に入る。自動調整状態では、通電モード自動発生器１４から擬似的なモード指令信号がオープンループで順次出力され、モータはオープンループで駆動される。このとき、非通電相の電位を、基準レベル設定器１６にて記録しておく。この基準レベル設定器１６が記録したデータに基づき、基準レベル切替器９Ｆ内部のＶｈｐ、Ｖｈｎの値を設定する。

設定終了後は、２つの切替スイッチ１５Ａ、１５Ｂを「１」側に切り替える。この後は通常駆動状態でセンサレス駆動を行えばよい。

本実施の形態により、モータに応じた基準レベルの設定作業を自動化でき、作業効率が向上するという利点がある。

（第９の実施の形態）
次に、本発明の第９の実施の形態について説明する。

ここまでの本発明の実施の形態は、１２０度通電センサレス方式を改良したものである。しかし現在、永久磁石モータの駆動方式の主流は正弦波電流による１８０度通電方式に移行しつつある。

一方で、１８０度通電方式では極低速の位置推定は困難である。このため、起動時には１２０度通電センサレス方式を使用し、ある程度加速した時点で正弦波駆動に切り替えるという方式が望ましい。

図１８は本発明の第９の実施の形態に関わるモータ駆動システムの構成を表すブロック図である。本実施の形態では、正弦波駆動制御器２０と本発明に関わる制御器２とを、回転速度領域に応じてスイッチ１５で切り替える。

これにより完成度の高いモータ駆動システムの実現を可能とする。

（第１０の実施の形態）
次に、本発明の第１０の実施の形態について説明する。

ここまでの実施の形態では、速度起電圧を用いて位置を特定していた。このため、永久磁石モータの回転子が完全に停止した状態では、計測できないという問題がある。

本発明の第１０の実施の形態は、本発明と従来技術とを組み合わせて停止状態からの起動を行うことを目的とする。

図１９は本実施の形態に関わる永久磁石モータの駆動システムの静止状態からの処理を表すフローチャートである。これに従い、本実施の形態の動作を説明する。なお、これらの処理は、モータ駆動システムの図示しない制御回路で行われる。

最初に、特許文献２及び特許文献３などの従来の技術を用いて、停止状態にある永久磁石モータ４の位置情報を取得する（ステップＳ９０１）。このステップＳ９０１で位置情報を特定すると、図示しない制御回路では、特定した位置情報から永久磁石モータ４のモードを特定する（ステップＳ９０２）。

永久磁石モータ４のモードが特定されると、それに基づき永久磁石モータ４の加速を開始する（ステップＳ９０３）。そして、一定の加速が付くと、本発明の他の実施の形態を用いた制御に切り替えることで、本書で記載した極低速状態の処理に切り替える（ステップＳ９０４）。

以上により、極低速状態だけでなく、静止状態での本発明の適用も可能になる。

（第１１の実施の形態）
次に、本発明の第１１の実施の形態について説明する。

図２０は本実施の形態に関わる永久磁石モータの駆動システムの実体図である。図においてはＶ＊発生器１と制御器２を一つの集積回路で実現している。この集積回路から出力されるＰＷＭパルス波形によって、インバータ３を駆動する。

インバータ３は、インバータ主回路部３２と出力プリドライバ３３が一体化（一パッケージ化）している。これにより小型化可能である。

また、制御器２の部分を汎用ＬＳＩ化することで、様々な用途（容量）への適用も可能となる。

図２１は、本実施の形態の別の永久磁石モータの駆動システムの実体図である。Ｖ＊発生器１、制御器２、インバータ３をワンチップ化して実現したものである。本実施の形態では永久磁石モータ４と電源を接続すれば、永久磁石モータ４の可変速駆動が実現でき、小型電動機を駆動する場合には、システム全体を小型化できるメリットがある。

また、制御器分を集積回路化する場合には、演算速度を数〜数１０μｓ以下の高速演算が可能である。

本実施の形態では、いずれも複雑な演算を要さないため、ゲート数を増やすことなく低速からのセンサレス駆動が実現できる。マイコンやＤＳＰ等を制御に用いると演算処理を高速化するのは困難であるが、制御器を専用の集積回路とすることで、この問題は大幅に改善され、本発明の効果は大きくなる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは言うまでもない。

既述の通り、本発明はセンサレスなモータ駆動システムを構築するための技術である。このモータの適用範囲は、ハードディスクドライブの駆動用や、冷暖房機器、光ディスクドライバ、スピンドルモータ、ファン、ポンプ、圧縮機などの回転速度制御に利用可能である。

第１の実施の形態に関わるモータ駆動システムの構成を表すブロック図である。 第１の実施の形態で制御の対象となる永久磁石モータの通電モードの定義と、各相の電圧波形の例を表す図である。 第１の実施の形態に関わるモード３及びモード６の状態に相当するパルスを印加している様子を示す模式図である。 第１の実施の形態に関わるパルス誘起電圧とモード（角度）との対応を示す模式図である。 第１の実施の形態に関わる通常ＰＷＭ時にモード３及びモード６で発生する誘起電圧を示す模式図である。 第1の実施の形態の通電モードと非通電相及び誘起電圧の関係を表す図である。 第1の実施の形態に関わる基準レベル切替器の構造を示すブロック図である。 第1の実施の形態に関わる非通電相電位選択器の構成を表す回路図である。 第２の実施の形態に関わるモータ駆動システムの構成を表すブロック図である。 第２の実施の形態に関わる中性点電位の別の作成方法を表した図である。 第３の実施の形態のモータ駆動システムを表すブロック図である。 第４の実施の形態におけるモード切替トリガ発生器のブロック図である。 第５の実施の形態に関わる誘起電圧のサンプリングタイミングを表す概念図である。 第６の実施の形態に関わる新たな制御器を表すブロック図である。 第７の実施の形態に関わるモード３におけるインバータ主回路部内のインバータ・スイッチング素子のゲート信号の動作を表す図である。 第７の実施の形態に関わる通電相のスイッチング動作を相補的なスイッチングにより実現した例を表す図である。 第８の実施の形態に関わる制御器を示すブロック図である。 第９の実施の形態に関わる永久磁石モータの駆動システムの構成を表すブロック図である。 第１０の実施の形態に関わる永久磁石モータの駆動システムの静止状態からの処理を表すフローチャートである。 第１１の実施の形態に関わる永久磁石モータの駆動システムの実体図である。 第１１の実施の形態に関わる別の永久磁石モータの駆動システムの実体図である。

符号の説明

１…V*発生器、２、２Ｅ、２Ｆ…制御器、３、３Ａ、３Ｂ…インバータ、
４、４Ａ…永久磁石モータ、５…ＰＷＭ発生器、６…通電モード決定器、
７…ゲート信号切替器、８、８Ｄ、８Ｅ…モード切替トリガ発生器、
９、９Ｄ、９Ｆ…基準レベル切替器、１０…非通電相電位選択器、
１０Ｃ…中性点電位増幅器、１１…比較器、１２…絶対値演算器、
１３…回転数演算器、１４…通電モード自動発生器、
１５Ａ、１５Ｂ…スイッチ、３１…直流電源、３２…インバータ主回路部、
３３…出力プリドライバ。

Claims (10)

1. 三相同期電動機と、該三相同期電動機と接続し複数のスイッチング素子により構成されるインバータと、前記三相同期電動機の三相巻線のうち、通電する２つの相を選択し、６通りの通電モードにて、パルス幅変調動作によって前記インバータを通電制御する制御器と、を有する同期電動機の駆動システムであって、
   前記制御器では、非通電相の端子電位、あるいは、前記三相同期電動機の固定子巻線の接続点電位（中性点電位）のうちの少なくとも一方の電位を検出し、該検出値を、通電相の通電パルスに同期してサンプリングを行い、該サンプリング値を、基準電圧とレベル比較し、該レベル比較の結果に応じて、前記通電モードを順次切り替えていく手段を備え、さらに、前記基準電圧に設定される電圧レベルは、前記通電モードに応じて周期的に切り替えるものであり、
   前記非通電相の誘起電圧は、前記三相同期電動機の回転子位置に応じた変圧器起電圧であり、
   前記通電モードの切り替えは、予め設定された正側の基準電圧と負側の基準電圧とのそれぞれと、前記非通電相の前記変圧器起電圧との大小関係からモード切り替えのトリガを発生させて行うことを特徴とする同期電動機の駆動システム。
2. 三相同期電動機と、該三相同期電動機と接続し複数のスイッチング素子により構成されるインバータと、前記三相同期電動機の三相巻線のうち、通電する２つの相を選択し、６通りの通電モードにて、パルス幅変調動作によって前記インバータを通電制御する制御器と、を有する同期電動機の駆動システムであって、
   前記制御器では、非通電相の端子電位、あるいは、前記三相同期電動機の固定子巻線の接続点電位（中性点電位）のうちの少なくとも一方の電位を検出し、該検出値を、通電相の通電パルスに同期してサンプリングを行い、該サンプリング値に対して絶対値を演算する手段を備え、該サンプリング値の絶対値と、基準電圧とのレベル比較を行い、該レベル比較の結果に応じて、通電モードを順次切り替えていく手段を備えたものであり、
   前記非通電相の誘起電圧は、前記三相同期電動機の回転子位置に応じた変圧器起電圧であり、
   前記通電モードの切り替えは、予め設定された正側の基準電圧と負側の基準電圧とのそれぞれと、前記非通電相の前記変圧器起電圧との大小関係からモード切り替えのトリガを発生させて行うことを特徴とする同期電動機の駆動システム。
3. 請求項１乃至２のいずれか１項に記載の同期電動機の駆動システムにおいて、
   更に仮想中性点発生器を含み、
   前記仮想中性点発生器の仮想中性点電位と、前記非通電相の電位あるいは前記中性点電位との電位差をもって、前記基準電圧のレベルとの比較を行うことを特徴とする同期電動機の駆動システム。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の同期電動機の駆動システムにおいて、
   更に基準電圧レベル切替器、及び前記通電モードの切替周期に基づき前記三相同期電動機の回転数を導出する手段を有し、
   前記三相同期電動機の回転数に基づき前記基準電圧レベル切替器が前記基準電圧を変更することを特徴とする同期電動機の駆動システム。
5. 請求項４に記載の同期電動機の駆動システムにおいて、
   前記基準電圧レベル切替器は前記三相同期電動機の回転数が増加するに伴い、前記基準電圧の大きさを増加させることを特徴とする同期電動機の駆動システム。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の同期電動機の駆動システムにおいて、
   前記三相同期電動機に通電する２相のスイッチング動作として、お互いのスイッチング動作が相補動作であることを特徴とする同期電動機の駆動システム。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の同期電動機の駆動システムにおいて、
   該駆動システムの運転前に、前記三相同期電動機をオープンループで駆動し、その時発生する電位差検出値を保持する機能を有し、前記基準電圧の設定値を該保持値に基づいて決定する動作を備えることを特徴とする同期電動機の駆動システム。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の同期電動機の駆動システムにおいて、
   更に非通電相電位選択器を有し、前記非通電相電位選択器はサンプリングタイミングを通電期間の後半にすることを特徴とする同期電動機の駆動システム。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の同期電動機の駆動システムにおいて、
   前記同期電動機が停止状態、あるいは停止近傍の回転数から、最高回転数に至る途中の回転数まで採用し、それ以上の回転数では、誘起電圧を検出する１２０度通電駆動方式、あるいは，正弦波電流による駆動方式に切り替えることを特徴とする同期電動機の駆動システム。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の同期電動機の駆動システムにおいて、
    前記駆動システムは、同じ半導体基板上に形成されていることを特徴とする同期電動機の駆動システム。

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