JP6324600B1 - 電動機の界磁位置検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シンプルなハード及びソフトによりローコスト化を図り、始動時にセンシング音を発生することなく１２０°通電における励磁区間単位でロータ位置を検出できる界磁位置検出方法を提供する。【解決手段】ＭＰＵ５１は、Ａ／Ｄ変換回路５３に測定された通電相電圧から中性点電位を演算により求め、また中性点電位に対する非通電相電圧の差分を求め、差分を現在位置が奇数区間なら負側閾値と、偶数区間なら正側閾値と大小比較し、差分が中性点電位から離れる方向へ閾値を超えたら当該６０°通電区間の終点と判定する。【選択図】図８

Description

本発明は、ブラシレスＤＣモータなどの電動機の静止時及び低速時の界磁位置検出方法に関する。

従来、小型直流モータはブラシ付きＤＣモータが用いられてきたが、ブラシ音・電気ノイズ・耐久性等に問題がありブラシレスＤＣモータが登場した。さらに最近では小型軽量化・堅牢化・ローコスト化等の観点から位置センサを持たないセンサレスモータが注目され、まず情報機器分野のハードディスクドライブ等に採用されたがベクトル制御技術の発展により家電・車載分野でも採用され始めた。

図９に位置センサを備えないセンサレスモータの一例として３相ブラシレス直流（ＤＣ）モータの構成を示す。回転子軸１を中心に回転する回転子２にはＳ極とＮ極で一対の永久磁石３が設けられている。永久磁石界磁の磁極構造（ＩＰＭ，ＳＰＭ）あるいは極数等は様々である。固定子４には１２０°位相差で設けられた極歯に電機子巻線（コイル）Ｕ，Ｖ，Ｗが配置され、中性点（コモン）Ｃを介してスター結線されている。

図１０に従来のセンサレス駆動回路例のブロックダイアグラムを示す。ＭＯＴＯＲは３相センサレスモータである。ＭＰＵ５１はマイクロコントローラ（制御手段）である。ＭＰＵ５１は、三相コイル（Ｕ，Ｖ，Ｗ）に対する６通りの通電パターンと各通電パターンに対応する界磁位置情報を記憶し、上位コントローラ５０からの回転指令ＲＵＮに応じて出力手段（ＩＮＶ５２）をスイッチング制御して励磁状態を任意に切り替える。ＩＮＶ５２は、３相ハーフブリッジ構成のインバータ回路（出力手段）である。ＺＥＲＯはゼロクロスコンパレータとダミーコモン生成部である。なお実際の回路にはこのほかに電源部、ホストインターフェース部等が必要であるが煩雑化を避けるため省略してある。

図１１に３相ブラシレスＤＣモータの駆動方式の代表的な例として１２０°通電のタイミングチャートを示す。区間１はＵ相からＶ相に、区間２はＵ相からＷ相に、区間３はＶ相からＷ相に、区間４はＶ相からＵ相に、区間５はＷ相からＵ相に、区間６はＷ相からＶ相に、矩形波通電される。破線は誘起電圧波形である。ＨＵ〜ＨＷはモータに内蔵されるホールセンサの出力波形であり、従来の位置センサ付きブラシレスＤＣモータはこの信号に基づいて励磁切り替えが行われる。

センサレス駆動では誘起電圧から回転子位置を検出するが、静止時は誘起電圧が発生しないため回転子位置が判らず始動できない。静止時の回転子位置を検出するためにコイル電流センサと電流検出回路を設け、インバータを用いてＰＷＭ駆動によりコイルにサイン波状のコイル電流を流して電流応答から位置を推定する方法がある。電流センサ及び電流検出回路を備えてコイル電流を検出している先行技術として以下の文献が知られている。

特開２００６−２５４６２６号公報 特開２０１４−５０３１７０号公報

静止時の回転子位置は上述に代表される方法を用いてインダクタンス偏差から検出できる。あるいは位置センシングすることなく強制転流にて回転子を回転させ位置を確定することもできる。
しかしながら一旦始動が始まれば回転のための通電が行われるためセンシングパルスを与えてインダクタンス偏差からロータ位置を検出する方法は困難となる。例えば励磁電流に高周波電流を重畳させインダクタンス偏差を検出することが考えられるがハード及びソフトともに大がかりとなる。また磁気飽和や誘起電圧の影響も考慮しなければならず、さらにはモータ及び駆動回路の固有誤差など推定困難な要素も含まれる。
そのため位置検出を行わず固定励磁にて強制的に回転子を位置決めしたのち、同期をとりながら回転数を徐々に上昇させるランプスタート法が広く行われている。しかしながらこの方法は、回転子の位置決めに長い時間を要しさらに逆転する問題がある。またオープンループ制御にて同期をとるため加速にも時間がかかり負荷変動により同期が外れやすい欠点があり、それを回避するために大電流で始動しており効率が低下しＤＣ電源も大型化する。負荷変動時は脱調するため用途が限定され、往復運動機構あるいは外力で回転する用途や、粘性負荷や負荷が変動する用途などでは使用できない。

また複数のＰＷＭパルスごとに周期ゆらぎを加え、その応答性からロータ位置を推定する空間ベクトルＰＷＭ法あるいは周期的な位置センシングパルスを印可して回転子位置を検出する方法も提案されている。しかしこれらの方法はいずれも可聴域のセンシング音が発生するという課題がある。

本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、シンプルなハード及びソフトによりローコスト化を図り、始動時にセンシング音を発生することなく１２０°通電における励磁区間単位でロータ位置を検出できる界磁位置検出方法を提供することにある。

永久磁石界磁を有する回転子と三相コイルを有する固定子を備え、定電圧直流電源を供給して１２０°通電により始動する電動機の界磁位置検出方法であって、ハーフブリッジ型インバータ回路を介してコイルに双方向通電する出力手段と、コイル電圧をＡ／Ｄ変換して制御手段に送出する測定手段と、上位コントローラからの指令によりコイル出力をＰＷＭ制御し、連続回転が可能な６０°通電区間単位の通電角度情報と通電パターン情報とを記憶し、それに基づいて前記出力手段をスイッチング制御して通電状態を切り替え、前記測定手段の測定値を入力し前記６０°通電区間の終点を判定する制御手段と、を備え、
電気角３０°〜９０°通電区間を区間番号１、電気角９０°〜１５０°通電区間を区間番号２、電気角１５０°〜２１０°通電区間を区間番号３、電気角２１０°〜２７０°通電区間を区間番号４、電気角２７０°〜３３０°通電区間を区間番号５、電気角３３０°〜３０°通電区間を区間番号６とするとき、前記制御手段にあらかじめ通電相間電圧の１／２の中性点電位に対し、非通電相電圧のピーク電圧あるいはボトム電圧を超えない範囲で所定の電位差をもつ正側及び負側の閾値を設定しておき、前記６０°通電区間単位で前記回転子の現在位置と回転方向が決定されているとき、前記出力手段により２相固定通電により自励停止する位置が当該６０°通電区間の始点位置と一致する通電パターンにて周期的にオフサイクルを含むＰＷＭ通電を行い、前記測定手段によりＰＷＭ通電のオンサイクルにて通電相電圧及び非通電相電圧を測定し、前記制御手段は、前記測定手段にて測定された通電相電圧から前記中性点電位を演算により求め、前記非通電相電圧が中性点を横切ることを検出したら当該６０°通電区間の始点と判定し、前記中性点電位に対する前記非通電相電圧の差分を求め、前記差分を現在位置が奇数区間なら前記負側閾値と、偶数区間なら前記正側閾値と大小比較し、前記差分が中性点電位から離れる方向へ閾値を超えたら当該６０°通電区間の終点と判定することを特徴とする。
このように、セットアップ位置に隣接するピーク部あるいはボトム部に位置する区間終点はあらかじめ設定した閾値にて界磁位置を検出することができる。そして、非通電相電圧が閾値を超えたら区間番号を回転角度が大きくなる方向に回転するとき（ＣＷ回転時）は＋１、回転角度が小さくなる方向に回転するとき（ＣＣＷ回転時）は−１とすれば連続回転することができる。
また、例えば、区間１においてＵ−Ｖ励磁によりＣＷ回転しているときに、一瞬Ｗ−Ｕ励磁に切り換えて非通電相Ｖ相電圧を測定すれば３０°より手前か通り過ぎたか判別できる。３０°を通過するまで周期的に測定を繰り返せば区間始点即ち励磁切り替え位置を検出することができる。ＣＣＷ回転時の区間始点９０°の検出についてもＣＷ回転時と同様にＷ−Ｖ励磁を行い、非通電相Ｕ相電圧を測定することで９０°位置を検出することができる。セットアップ位置である３０°あるいは９０°の前後では電圧変化勾配が急で正負判定は容易であり位相シフトも少ないことから確実に位置検出を行うことができる。

永久磁石界磁を有する回転子と三相コイルを有する固定子を備え、定電圧直流電源を供給して１２０°通電により始動する電動機の界磁位置検出方法であって、ハーフブリッジ型インバータ回路を介してコイルに双方向通電する出力手段と、コイル電圧をＡ／Ｄ変換して制御手段に送出する測定手段と、上位コントローラからの指令によりコイル出力をＰＷＭ制御し、連続回転が可能な６０°通電区間単位の通電角度情報と通電パターン情報とを記憶し、それに基づいて前記出力手段をスイッチング制御して通電状態を切り替え、前記測定手段の測定値を入力し前記６０°通電区間の終点を判定する制御手段と、を備え、電気角３０°〜９０°通電区間を区間番号１、電気角９０°〜１５０°通電区間を区間番号２、電気角１５０°〜２１０°通電区間を区間番号３、電気角２１０°〜２７０°通電区間を区間番号４、電気角２７０°〜３３０°通電区間を区間番号５、電気角３３０°〜３０°通電区間を区間番号６とするとき、前記制御手段にあらかじめ通電相間電圧の１／２の中性点電位に対し、非通電相電圧のピーク電圧あるいはボトム電圧を超えない範囲で所定の電位差をもつ正側及び負側の閾値を設定しておき、あらかじめモータの誘起電圧定数を記憶させておき、回転時は区間時間等から回転数を求め、回転数×誘起電圧定数×ｓｉｎ３０°の演算結果を正側閾値に対して加算し、負側閾値に対して減算する演算を行い、前記６０°通電区間単位で前記回転子の現在位置と回転方向が決定されているとき、前記出力手段によりオフサイクルを含むＰＷＭ通電を行い、前記測定手段によりＰＷＭ通電のオンサイクルにて通電相電圧及び非通電相電圧を測定し、前記制御手段は、前記測定手段にて測定された通電相電圧から前記中性点電位を演算により求め、また中性点電位に対する非通電相電圧の差分を求め、前記差分を現在位置が奇数区間なら前記負側閾値と、偶数区間なら前記正側閾値と大小比較し、前記差分が中性点電位から離れる方向へ閾値を超えたら当該６０°通電区間の終点と判定することを特徴とする。
これにより、モータ回転数による区間終点位置の検出誤差を小さくすることができる。

前記制御手段は、予め正常始動時の１区間の最長通電時間より長い最大時間を設定しておき、当該通電区間の通電開始から区間終点検出までの時間を測定し、前記最大時間を超えても区間終点を検出しないときは当該通電を中止し、任意の方法にて初期位置検出を行い、その位置に基づいて通電と区間終点検出を再開することが好ましい。
これにより、回転子の逆転状態或いは停止状態から抜け出して正常回転に復帰させることができる。

前記制御手段にあらかじめ通電電圧の基準値を設定しておき、励磁時に測定される通電相間電圧と前記基準値の比率から補正値を求め、前記閾値に補正値を乗じて当該閾値を補正しておくことが望ましい。
これにより、閾値にコイル印加電圧の変動を反映させて補正することで界磁位置の検出精度が向上する。

前記制御手段にあらかじめ区間ごとに、通電相間電圧の１／２の中性点電位に対し、区間始点位置の非通電相電圧に相当する所定の始点閾値を設定しておき、極低速回転時において、当該区間の非通電相電圧の測定ごとに非通電相電圧と前記始点閾値とを大小比較し、前記非通電相電圧が前記始点閾値を超えた場合は当該区間の始点を逆転状態で超えたものと判定し、通電区間番号を逆転方向へ１区間戻して励磁するようにしてもよい。
これにより、特段の界磁位置検出励磁を行うことなく駆動励磁状態にて始点を検出できる。よって通電効率を低下することなくまたセンシング通電による電磁音も発生しない。また、始点を検出することで逆転状態からブレーキをかけて正転に復帰させることができる。

静止時及び低速回転時に位置センサを用いることなく回転子位置を検出してクローズドループ制御できることから、迅速確実に始動でき脱調しない。これにより停止時にトルクを発生するストール運転も可能となり、過負荷などで停止した場合でも励磁を継続でき、突き当て停止を含む往復運転や外力で逆転中からでも始動できる。
クローズドループにて始動できることから始動電流を抑制してスロースタートとすることができ、また脱調防止あるいは強制同期のための過大な電流も必要がないことから効率が高くさらにＤＣ電源を小型化できる。
ゼロクロスコンパレータや電流検出アンプ等が不要となりローコストで駆動回路を構成できる。
駆動用のＰＷＭパルスを用いて位置検出することからセンシングのための電力を要さず効率が高くまたセンシング音もなく静音運転ができる（逆方向回転時を除く）。
これらの優れた諸特性によりホールセンサ付きモータあるいはブラシ付きモータをセンサレスモータに置き換えることが可能となり、電気自動車やドローンなどモバイル機器用のモータの小型軽量化・高効率化・ローコスト化に寄与することができる。

Ｕ−Ｖ励磁時のインダクタンス及び非通電相電圧波形図である。 Ｕ−Ｗ励磁時のインダクタンス及び非通電相電圧波形図である。 Ｖ−Ｗ励磁時のインダクタンス及び非通電相電圧波形図である。 Ｖ−Ｕ励磁時のインダクタンス及び非通電相電圧波形図である。 Ｗ−Ｕ励磁時のインダクタンス及び非通電相電圧波形図である。 Ｗ−Ｖ励磁時のインダクタンス及び非通電相電圧波形図である。 非通電相電圧の実測波形図である。 本案による駆動回路実施例のブロックダイアグラム例である。 スター結線された３相ブラシレスＤＣモータの構成図である。 従来のモータ駆動回路のブロックダイアグラムである。 １２０°通電タイミングチャートである。

以下、本発明に係る電動機の界磁位置検出方法の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。本願発明は、電動機の一例として、回転子に永久磁石界磁を備え、固定子に巻き線を１２０°位相差で配置してスター結線し、相端がモータ出力手段に接続されたセンサレスモータを用いて説明する。

以下では、一例として３相ＤＣブラシレスモータをセンサレス駆動するセンサレスモータの永久磁石界磁位置検出方法について、センサレスモータ駆動装置の構成と共に説明する。図９を参照して本発明に係る３相ブラシレスＤＣモータの一実施例を示す。一例として２極永久磁石ロータと３スロットを設けた固定子４を備えた３相ブラシレスＤＣモータを例示する。モータはインナーロータ型でもアウターロータ型でもいずれでもよい。また、永久磁石型界磁としては永久磁石埋め込み型（ＩＰＭ型）モータや表面永久磁石型（ＳＰＭ型）モータのいずれであってもよい。

図９において、回転子軸１には回転子２が一体に設けられ、界磁として２極の永久磁石３が設けられている。固定子４には１２０°位相差で極歯Ｕ，Ｖ，Ｗが永久磁石３に対向して配置されている。固定子４の各極歯Ｕ，Ｖ，Ｗに巻線ｕ，ｖ，ｗを設けて相間をコモンＣでスター結線して後述するモータ駆動装置に配線された３相ブラシレスＤＣモータとなっている。尚、コモン線は、不要であるので省略されている。

次に、本案による三相ｄｃブラシレスモータの駆動回路の一例を図８に示す。
始動時の駆動方式としては１２０°通電バイポーラ矩形波励磁を想定している。
ＭＯＴＯＲは三相センサレスモータである。ＭＰＵ５１はマイクロコントローラ（制御手段）である。ＭＰＵ５１は、三相コイル（Ｕ，Ｖ，Ｗ）に対する６通りの通電パターンと各通電パターンに対応する１２０°通電の励磁切り替え区間（区間１〜区間６）を指定する界磁位置情報を記憶し、上位コントローラ５０からの回転指令ＲＵＮに応じて出力手段をスイッチング制御して励磁状態を任意に切り替える。

インバータ回路５２（ＩＮＶ：出力手段）は、三相コイルに通電し、モータトルクを制御するために励磁相切り替えあるいはＰＷＭ制御などのスイッチング動作を行う。インバータ回路５２は、スイッチング素子に逆並列に接続されるダイオードを備え、正極電源ライン及び接地電源ラインに任意に接続可能なハーフブリッジ型スイッチング回路が３相分設けられている。
Ａ／Ｄ変換回路５３（ＡＤＣ：測定手段）は、コイル出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗが接続され、ＭＰＵ５１からの変換開始信号により三相それぞれのコイル電圧を同時サンプリングし、順次アナログ・デジタル変換し、変換結果をＭＰＵ５１に送出する。通常ＡＤＣ５３はＭＰＵ５１に内蔵されており、内蔵ＡＤＣ５３を利用する場合は最大入力電圧が低いため抵抗による分圧回路を設けることが望ましい。このように本案によれば駆動回路は非常にシンプルに構成できる。

（測定波形）
回転子角度θによるインダクタンス変化（空間高調波）はΔＬ＝−ｃｏｓ（２θ）と近似され、電気角当たり２周期性をもつことが知られている。一方、本願発明者は矩形波ＰＷＭ通電にて２相通電すると、非通電相にはθに応じて中性点電位を中心に２周期性の電圧変動が観測されることを見出した。

図１にＰＷＭ通電にてＵ−Ｖ励磁しながら１電気角回転させたときの、非通電相の電圧変化波形ΔＶｗと、Ｕ相及びＶ相のインダクタンス変化（ΔＬｕ、ΔＬｖ）及び２相の合成インダクタンス変化ΔＬｕ−ｖの理論値波形を示す。なお電圧変化波形は合成インダクタンス変化波形の極性を反転したものとしコイル印可電圧の１／２の中性点電位を中心として正負に振れるものとした。

図７Ａにインナーロータ型モータを用いた非通電相電圧の実測波形を示す。前記非通電相の電圧波形理論値はインダクタンスを反映して逆極性となるものとしたが、波形はほぼ近似しており仮定が正しいことが判る。また矩形波通電の場合、誘導電圧にはリンギングが発生するが、実測の結果、リンギング時間は非常に短く各種モータにおいて数ｕｓ〜数十ｕｓで測定誤差の範囲内に収束し、モータ駆動用の矩形波ＰＷＭ通電パルスでも誘導電圧を精度よく検出できることが判った。

引き続き磁気飽和の影響を説明する。
コイルに大電流を流すと磁気飽和を起しインダクタンスが変化しなくなり、特に小型アウターロータ型モータで顕著である。磁気飽和を起すと２周期性のインダクタンス変化波形は、２相固定通電により自励停止するセットアップ位置に隣接するピークとボトムは残るが他方のピークとボトムは消失して１周期性となる。
図７Ｂに磁気飽和により１周期性となったインダクタンス波形例を示す。測定に用いたモータは小型アウターロータ型モータで、図７Ａで用いたモータとは異なる。Ｕ−Ｖ通電時のセットアップ位置は１５０°であり、ΔＶｗ波形ではセットアップ位置に隣接するピークとボトムのみが明瞭に観測されている。

２相固定通電により自励停止するセットアップ位置は、インダクタンスゼロクロス点であると同時に誘起電圧ゼロクロス点でもあり、セットアップ点及び隣接するピークとボトムは磁気飽和に対しても安定している。
図７Ａ及びＢから判るように非通電相の電圧変動は回転子角度θを反映しておりしかも区間内では単調性が担保されていることから、静止時の誘起電圧が発生していない場合でも励磁電流を流すことにより回転子位置を推定可能である。電圧変動幅はコイル印可電圧の１０％以上発生し数ボルトオーダーにもなり、従来方法では始動時にミリボルトオーダーの誘起電圧を検出していることを考えれば圧倒的に有利である。

以上説明した通り、本案ではモータ駆動用の矩形波ＰＷＭ制御を用いてインダクタンス変化を検出し、セットアップ位置近傍のインダクタンス変化だけを利用することで、静止状態から低速回転域にかけて安定した位置検出を可能としている。これによりセンシング手順が簡略化され、センシングに電力を要さず効率が向上し、センシング音も発生せず静音化される。

１２０°通電の通電区間ごとの角度と通電パターンを下表にまとめる。表中のＣＷ通電とは角度が大きくなる方向に回転する通電パターンであり、ＣＣＷ通電とは角度が小さくなる方向に回転する通電パターンである。セットアップ通電は表中枠内の（）に記載した角度で自励停止する通電パターンであり区間ごとに始点及び終点の双方を記載した。各通電パターンは＋電源側に接続する相を先に、ＧＮＤ側に接続する相をハイフンの後に記載してある。

（区間終点の検出）
表１記載の区間番号が大きくなる回転方向をＣＷとし、小さくなる回転方向をＣＣＷとする。区間終点位置は、ＣＷ時は隣接する＋側区間、ＣＣＷ時は−側区間との境界点である。例えば区間１の場合、ＣＷ時は区間２との境界点９０°、ＣＣＷ時は区間６との境界点３０°となる。

図１にてＵ−Ｖ励磁でＣＷ方向回転時の通電区間始点をＡ点で、通電区間終点をＢ点で図示する。セットアップ点はＣ点であり、Ｂ点のあるボトム部は位相が安定しており位置検出に使用できる。そこで中性点電位に対し所定の電位差を持つ正側及び負側の閾値Ｖｔｈをあらかじめ設定しておき、測定ごとに非通電相電圧ΔＶｗと閾値Ｖｔｈを大小比較し、閾値を超えたら区間終点を超えたことを検出できる。
ＣＣＷ方向回転時はＶ−Ｕ通電することから図４を参照する。回転子は電気角９０°側から電気角３０°側に向かって回転する。よって区間終点は電気角３０°である。セットアップ点は電気角３３０°であるから電気角３０°側のボトム部は位相が安定しており位置検出に使用できる。そこでＣＷ時と同様に非通電相Ｗの電圧と閾値Ｖｔｈを大小比較することにより区間終点を検出できる。

電気角９０°から電気角１５０°の区間２ではＵ−Ｗ励磁が選択される。
図２にＵ−Ｗ励磁時のインダクタンス変化及び非通電相電圧の変化を示す。波形は図１の波形を６０°シフトし極性を反転させたものとなり、非通電相はＶ相であり、セットアップ位置Ｃ点は電気角２１０°である。
区間２に位置しＣＷ方向に回転している場合、非通電相電圧は必ずＢ点を通過するから、その時点で回転子位置は電気角１５０°であり、Ｂ点を検出したら区間３に切り替えれば連続回転することができる。

電気角１５０°から電気角２１０°の区間３ではＶ−Ｗ励磁が選択される。
図３にＶ−Ｗ励磁時のインダクタンス変化及び非通電相電圧の変化を示す。波形は図２の波形を６０°シフトし極性を反転させたものとなり、非通電相はＵ相であり、セットアップ位置Ｃ点は電気角２７０°である。
区間３に位置しＣＷ方向に回転している場合、非通電相電圧は必ずＢ点を通過するから、その時点で回転子位置は電気角２１０°であり、Ｂ点を検出したら区間４に切り替えれば連続回転することができる。

電気角２１０°から電気角２７０°の区間４ではＶ−Ｕ励磁が選択される。
図４にＶ−Ｕ励磁時のインダクタンス変化及び非通電相電圧の変化を示す。波形は図３の波形を６０°シフトし極性を反転させたものとなり、非通電相はＷ相であり、セットアップ位置Ｃ点は電気角３３０°である。
区間４に位置しＣＷ方向に回転している場合、非通電相電圧は必ずＢ点を通過するから、その時点で回転子位置は電気角２７０°であり、Ｂ点を検出したら区間５に切り替えれば連続回転することができる。

電気角２７０°から電気角３３０°の区間５ではＷ−Ｕ励磁が選択される。
図５にＷ−Ｕ励磁時のインダクタンス変化及び非通電相電圧の変化を示す。波形は図４の波形を６０°シフトし極性を反転させたものとなり、非通電相はＶ相であり、セットアップ位置Ｃ点は電気角３０°である。
区間５に位置しＣＷ方向に回転している場合、非通電相電圧は必ずＢ点を通過するから、その時点で回転子位置は電気角３３０°であり、Ｂ点を検出したら区間６に切り替えれば連続回転することができる。

電気角３３０°から電気角３０°の区間６ではＷ−Ｖ励磁が選択される。
図６にＷ−Ｖ励磁時のインダクタンス変化及び非通電相電圧の変化を示す。波形は図５の波形を６０°シフトし極性を反転させたものとなり、非通電相はＵ相であり、セットアップ位置Ｃ点は電気角９０°である。
区間６に位置しＣＷ方向に回転している場合、非通電相電圧は必ずＢ点を通過するから、その時点で回転子位置は電気角３０°であり、Ｂ点を検出したら区間１に切り替えれば連続回転することができる。

このようにセットアップ位置に隣接するピーク部あるいはボトム部に位置する区間終点はあらかじめ設定した閾値にて検出することができる。そして非通電相電圧が閾値を超えたら区間番号をＣＷ時は＋１、ＣＣＷ時は−１すれば連続回転することができる。

（区間始点の検出）
前述と同様に、区間番号が大きくなる回転方向をＣＷとし、小さくなる回転方向をＣＣＷとする。区間始点位置は、ＣＷ時は隣接する−（マイナス）側区間、ＣＣＷ時は＋（プラス）側区間との境界点である。例えば通電区間１の場合、ＣＷ時は通電区間６との境界点３０°、ＣＣＷ時は通電区間２との境界点９０°となる。

図１にてＵ−Ｖ通電でＣＷ時の区間始点をＡ点で図示する。通常運転では所望の回転方向に回転するため区間始点の検出は不要であるが、外力で所望の回転方向とは反対方向に低速回転させられている場合に正しく励磁切り替えするために始点検出が必要となる。高速回転時はブレーキを掛けて減速する必要があり始点位置の検出は低速回転時のみと考えられる。
さて、反対方向に回転している場合は誘起電圧が問題となる。図１において非通電相Ｗの誘起電圧は区間中央の電気角６０°位置がゼロクロス点であり、正転方向に回転した場合はインダクタンス変化による勾配と誘起電圧の勾配は一致し確実に区間終点を検出することができる。しかし逆方向に回転したときは、両者の勾配は反対になりインダクタンス変化による波形は打ち消されてしまい区間始点を検出することは困難になる。さらに磁気飽和により１周期性となるモータの場合は区間始点の検出はほぼ不可能に近い。

そこで図５のＷ−Ｕ励磁のセットアップ位置Ｃ点に着目すると、Ｃ点は電気角３０°を通過するので中性点電位と非通電相Ｖ相電圧ΔＶｖを大小比較して、ΔＶｖが中性点電位より小さくなったら電気角３０°を超えて区間６側へ回転したことを検出できる。
従って区間１においてＵ−Ｖ励磁しているときに、一瞬Ｗ−Ｕ励磁に切り換えて非通電相Ｖ相電圧を測定すれば電気角３０°より手前か通り過ぎたか判別できる。電気角３０°を通過するまで周期的に測定を繰り返せば区間始点即ち励磁切り替え位置を検出できる。

ＣＣＷ方向回転時の区間始点電気角９０°の検出についてもＣＷ方向回転時と同様に、図６を参照してＷ−Ｖ励磁を行い、非通電相Ｕ相電圧を測定することで電気角９０°位置を検出できる。
セットアップ位置である電気角３０°あるいは電気角９０°の前後では電圧変化勾配が急で正負判定は容易であり位相シフトも少ないことから確実に位置検出を行うことができる。わずかではあるがセンシングのために電力を消費することからセンシング周期を長くすることが望ましい。

通電区間２〜６に関しても同様にセットアップ点となる通電パターンを選択して周期的にインダクタンスゼロクロス点を検出すれば区間始点を検出できる。始点を検出した場合は逆方向に回転していることになるから区間番号を逆方向に戻せば連続回転できる。

（極低速回転時の始点検出）
回転子が外力により所望の回転方向とは反対方向に極低速で逆転している場合などは正転に復帰するために区間始点を検出して励磁切り替えする必要があり、区間始点は始点閾値を設定して検出することができる。

例えば図１において、区間１に位置していた場合はＡ点電位を始点閾値にすればよい。図２〜６の区間２〜６も同様にそれぞれの区間のＡ点電位を始点閾値とすればよい。そこで中性点電位に対し所定の電位差を持つ始点閾値Ｖｔｈ２をあらかじめ設定しておき、測定ごとに非通電相電圧ΔＶと始点閾値Ｖｔｈ２を大小比較し、始点閾値を超えたら区間始点を超えたことを検出できる。また非通電相電圧ΔＶの勾配を判定することもでき勾配が正転時と反対になっていれば逆転状態であることが検出できる。

従って、回転子が逆転状態で始点を検出したら励磁区間を１区間戻して励磁を行えば正転トルクを発生させて即ちブレーキをかけて逆転を抑制し正転に復帰することができる。
しかしながら逆転時の誘起電圧の極性は正転時と反対となることから区間始点での非通電相電圧ΔＶは正転時より小さくなり始点閾値Ｖｔｈ２を超えなくなる。その場合は誘起電圧を演算により推定し始点閾値Ｖｔｈ２を補正することも可能である。あるいは始点検出を誘起電圧による誤差を無視できる程度の極低速回転時のみに限定してもよい。

この方法によれば特段の界磁位置検出励磁を行うことなく駆動励磁状態にて始点を検出できる。よって通電効率を低下することなくまたセンシング通電による電磁音も発生しない。また、始点を検出することで逆転状態からブレーキをかけて正転に復帰することができる。

（区間終点未検出時の対策：始点検出は音が発生するため使わない場合）
通電区間始点側でインダクタンス変化がほとんどないモータの場合は逆転検出ができない。また外力あるいは惰性回転により逆方向に回転していた場合は誘起電圧を検出すれば逆転を検出できるが、極低速で逆転していた場合は誘起電圧が発生しないため逆転を検出できない。つまりインダクタンスによっても誘起電圧によっても逆転を検出できない可能性がある。そこで時間軸を利用することとする。
正常始動時の１区間の最長の通電時間は使用条件によりあらかじめ予測できる。従って最長通電時間より充分長い時間、区間終点を検出しない場合は、外力により停止しているか逆転していると判定できる。または何らかの原因によりセットアップ位置で自励停止している場合も有り得る。

そこで通常の１区間の最長通電時間より充分に長い最大時間をあらかじめ設定しておき、当該区間の通電時間を測定し、最大時間を超えても区間終点を検出しない場合は通電を中止し、あらためて任意の方法で初期位置検出を行いそれに基づいて通電区間を決め再度通電と区間終点位置検出を行えば、前記の逆転あるいは停止状態から抜け出し正常回転に復帰できる。

突き当て停止状態のときは前記最大時間で周期的に初期位置検出が行われストール運転ができる。外力あるいは惰性走行で高速逆転していた場合は、ブレーキをかけて低速回転に落としてから区間時間の判定を行えば逆転あるいは停止を判定できる。制動通電を行っても１区間内で逆転が解消されない場合、隣接区間まで逆回転してゆくがそこでも上述の最大時間を超えることから再始動がかかり制動トルクが発生し、これを繰り返しているうちに正転に復帰する。
仮に逆転速度が速く最大時間が経過する前に電気角２４０°〜３００°逆転した場合は、正常時の反対方向から区間終点が検出されるが、そこで区間を歩進すると正しい位置となり制動トルクが発生する。また逆転トルクと正転トルクがほぼ等しい条件で逆転していた場合はセットアップ位置で自励停止するいわゆるデッドロック状態となる場合もあるが、この状態からも最大時間経過すれば正常回転に復帰できる。

この方法は特別に信号測定する必要が無くＭＰＵ５１内のタイマー処理で済むことからプログラムが容易で検出信号に依存しないことから安定で確実な動作が可能で、またセンシング音も発生せず、様々な異常状況にも対応できる点で優れている。また最大時間を適切に選べば検出遅れを小さくでき実用時に違和感なく逆転あるいは静止状態から正転に復帰することができる。

（閾値の補正）
非通電相電圧の変化は、静止時はインダクタンスによるものであるが、回転すると上述のとおり誘起電圧が重畳される。そこで閾値に誘起電圧を加算して補正することが望ましい。これにより回転数による区間終点位置の検出誤差を小さくすることができる。誘起電圧はＶＥ＝ＫＥ・Ｎ・ｓｉｎθで求めることができる。但しＫＥ＝誘起電圧定数、Ｎ＝回転数、θ＝３０°である。従って誘起電圧について閾値を補正する場合は、予めＫＥ（誘起電圧定数）をＭＰＵ５１（制御手段）に記憶させておく必要がある。回転数は常時、区間時間を測定すれば求められる。

また非通電相電圧変化の振幅はコイル印可電圧にほぼ比例する。そこで定電圧電源にて駆動し、基準となるコイル印可電圧を決めておく必要がある。コイル印可電圧が大幅に変動する場合は、閾値にコイル印可電圧の変動を反映させて補正することが望ましい。例えば測定時のコイル印可電圧／基準コイル印可電圧の比率を閾値に乗算すればよい。

以下では、ＭＰＵ５１による始動時の界磁位置検出動作例について説明する。まず、正転する場合の検出動作について述べる。あらかじめ適宜、閾値Ｖｔｈを設定しておく。初期速度と回転方向を測定する。通常は静止が検出される。もし回転していたら回転動作に移行し本案動作から離脱する。静止していたら任意の方法により初期位置を検出する。その結果、例えば区間１に位置しているとする。通電区間１のＣＷ回転に適合する励磁パターンＵ−Ｖ通電を選択する。

インバータ回路５２からＰＷＭ制御にて１パルスだけＵ−Ｖ通電しオンサイクル時に３相のコイル電圧をＡＤＣ５３にてＡ／Ｄ変換する。ＭＰＵ５１は（Ｕ相電圧＋Ｖ相電圧）／２により中性点電位を求める。次いで非通電相Ｗ相電圧−中性点電位がＶｔｈを超えたか判定する。超えていない場合はＰＷＭ制御に戻り通電と測定を繰り返す。超えていたら区間終了点であるから区間番号を歩進する。以後、通電区間１と同様に励磁パターンを選択しＰＷＭ制御にて通電を繰り返し連続回転する。

次に外力により逆転していて始動する場合のＭＰＵ５１による界磁位置検出動作例について説明する。あらかじめ適宜、閾値Ｖｔｈを設定しておく。初期速度と回転方向を測定する。逆転が検出される。もし高速で逆転していたら任意の方法でブレーキをかけ速度を落とす。任意の方法により低速逆転状態の初期位置を検出する。その結果、例えば区間１に位置しているとする。通電区間１のＣＷ回転に適合する励磁パターンＵ−Ｖ通電を選択する。逆転しているからＣＷ回転トルクはブレーキトルクとなる。

インバータ回路５２からＰＷＭ制御にて１パルスだけＵ−Ｖ通電し、オンサイクル時に３相のコイル電圧をＡＤＣ５３にてＡ／Ｄ変換する。ＭＰＵ５１は（Ｕ相電圧＋Ｖ相電圧）／２により中性点電位を求める。次いで非通電相Ｗ相電圧−中性点電位がＶｔｈを超えたか判定する。逆転しているから超えることはないが、仮に超えたら正転と判定し区間を歩進する。超えていない場合はＰＷＭ制御に戻り通電と測定を繰り返す。この時、一定周期で通電区間５に適合するＷ−Ｕ通電を短時間行い、非通電相電圧が中性点を超えたか判定する。中性点を超えていたら区間開始点を超えたことになり逆転しているから区間番号をひとつ戻し通電区間６とする。以下、通電区間１と同様に励磁パターンを選択しＰＷＭ制御を繰り返し連続回転する。正転トルクが逆転トルクより大きければいずれ正転となり始動する。

なお、モータ駆動回路の構成や制御プログラム構成は様々考えられ、本実施例に開示された態様に限定されるものではなく、本案主旨を逸脱しない範囲で電子回路技術者あるいはプログラマー（当業者）であれば当然なし得る回路構成の変更やプログラム構成の変更も含まれる。

１ 回転子軸 ２ 回転子 ３ 永久磁石 ４ 固定子 ５０ 上位コントローラ５１ ＭＰＵ ５２ インバータ回路（ＩＮＶ） ５３ Ａ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ）

Claims (5)

1. 永久磁石界磁を有する回転子と三相コイルを有する固定子を備え、定電圧直流電源を供給して１２０°通電により始動する電動機の界磁位置検出方法であって、
   ハーフブリッジ型インバータ回路を介してコイルに双方向通電する出力手段と、
   コイル電圧をＡ／Ｄ変換して制御手段に送出する測定手段と、
   上位コントローラからの指令によりコイル出力をＰＷＭ制御し、連続回転が可能な６０°通電区間単位の通電角度情報と通電パターン情報とを記憶し、それに基づいて前記出力手段をスイッチング制御して通電状態を切り替え、前記測定手段の測定値を入力し前記６０°通電区間の終点を判定する制御手段と、を備え、
   電気角３０°〜９０°通電区間を区間番号１、電気角９０°〜１５０°通電区間を区間番号２、電気角１５０°〜２１０°通電区間を区間番号３、電気角２１０°〜２７０°通電区間を区間番号４、電気角２７０°〜３３０°通電区間を区間番号５、電気角３３０°〜３０°通電区間を区間番号６とするとき、前記制御手段にあらかじめ通電相間電圧の１／２の中性点電位に対し、非通電相電圧のピーク電圧あるいはボトム電圧を超えない範囲で所定の電位差をもつ正側及び負側の閾値を設定しておき、
   前記６０°通電区間単位で前記回転子の現在位置と回転方向が決定されているとき、前記出力手段により２相固定通電により自励停止する位置が当該６０°通電区間の始点位置と一致する通電パターンにて周期的にオフサイクルを含むＰＷＭ通電を行い、前記測定手段によりＰＷＭ通電のオンサイクルにて通電相電圧及び非通電相電圧を測定し、前記制御手段は、前記測定手段にて測定された通電相電圧から前記中性点電位を演算により求め、前記非通電相電圧が中性点を横切ることを検出したら当該６０°通電区間の始点と判定し、前記中性点電位に対する前記非通電相電圧の差分を求め、前記差分を現在位置が奇数区間なら前記負側閾値と、偶数区間なら前記正側閾値と大小比較し、前記差分が中性点電位から離れる方向へ閾値を超えたら当該６０°通電区間の終点と判定することを特徴とする電動機の界磁位置検出方法。
2. 永久磁石界磁を有する回転子と三相コイルを有する固定子を備え、定電圧直流電源を供給して１２０°通電により始動する電動機の界磁位置検出方法であって、
   ハーフブリッジ型インバータ回路を介してコイルに双方向通電する出力手段と、
   コイル電圧をＡ／Ｄ変換して制御手段に送出する測定手段と、
   上位コントローラからの指令によりコイル出力をＰＷＭ制御し、連続回転が可能な６０°通電区間単位の通電角度情報と通電パターン情報とを記憶し、それに基づいて前記出力手段をスイッチング制御して通電状態を切り替え、前記測定手段の測定値を入力し前記６０°通電区間の終点を判定する制御手段と、を備え、
   電気角３０°〜９０°通電区間を区間番号１、電気角９０°〜１５０°通電区間を区間番号２、電気角１５０°〜２１０°通電区間を区間番号３、電気角２１０°〜２７０°通電区間を区間番号４、電気角２７０°〜３３０°通電区間を区間番号５、電気角３３０°〜３０°通電区間を区間番号６とするとき、前記制御手段にあらかじめ通電相間電圧の１／２の中性点電位に対し、非通電相電圧のピーク電圧あるいはボトム電圧を超えない範囲で所定の電位差をもつ正側及び負側の閾値を設定しておき、あらかじめモータの誘起電圧定数を記憶させておき、回転時は区間時間等から回転数を求め、回転数×誘起電圧定数×ｓｉｎ３０°の演算結果を正側閾値に対して加算し、負側閾値に対して減算する演算を行い、
   前記６０°通電区間単位で前記回転子の現在位置と回転方向が決定されているとき、前記出力手段によりオフサイクルを含むＰＷＭ通電を行い、前記測定手段によりＰＷＭ通電のオンサイクルにて通電相電圧及び非通電相電圧を測定し、前記制御手段は、前記測定手段にて測定された通電相電圧から前記中性点電位を演算により求め、また中性点電位に対する非通電相電圧の差分を求め、前記差分を現在位置が奇数区間なら前記負側閾値と、偶数区間なら前記正側閾値と大小比較し、前記差分が中性点電位から離れる方向へ閾値を超えたら当該６０°通電区間の終点と判定することを特徴とする電動機の界磁位置検出方法。
3. 前記制御手段に予め正常始動時の１区間の最長通電時間より長い最大時間を設定しておき、当該通電区間の通電開始から区間終点検出までの時間を測定し、前記最大時間を超えても区間終点を検出しないときは当該通電を中止し、任意の方法にて初期位置検出を行い、その初期位置に基づいて通電と区間終点検出を再開する請求項１又は請求項２記載の電動機の界磁位置検出方法。
4. 前記制御手段にあらかじめ通電電圧の基準値を設定しておき、励磁時に測定される通電相間電圧と前記基準値の比率から補正値を求め、前記閾値に補正値を乗じて当該閾値を補正する請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の電動機の界磁位置検出方法。
5. 前記制御手段にあらかじめ区間ごとに、通電相間電圧の１／２の中性点電位に対し、区間始点位置の非通電相電圧に相当する所定の始点閾値を設定しておき、
   極低速回転時において、当該区間の非通電相電圧の測定ごとに非通電相電圧と前記始点閾値とを大小比較し、非通電相電圧が始点閾値を超えた場合は当該区間の始点を逆転状態で超えたものと判定し、通電区間番号を逆転方向へ１区間戻して励磁し、それにより正転トルクを発生させ逆転を抑制しあるいは正転に復帰させる請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の電動機の界磁位置検出方法。