JPH04359691A - ブラシレスモータの回転子位置検出装置 - Google Patents
ブラシレスモータの回転子位置検出装置Info
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- JPH04359691A JPH04359691A JP3174981A JP17498191A JPH04359691A JP H04359691 A JPH04359691 A JP H04359691A JP 3174981 A JP3174981 A JP 3174981A JP 17498191 A JP17498191 A JP 17498191A JP H04359691 A JPH04359691 A JP H04359691A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、永久磁石を回転子に
有する３相ブラシレスモータを磁極センサなしで駆動す
る場合等に用いて好適な回転子位置検出装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】ブラシレスモータは、直流電動機が機械
的に転流を行なうのに対し、電気的なスイッチを用いて
転流を行ない同期電動機を駆動するものである。その転
流は最も力率良く運転できるように行なう必要があるが
、永久磁石形の同期電動機ではそのタイミングが、回転
子に組み込まれている永久磁石による磁極の位置で一義
的に決まる。そのため、ブラシレスモータを駆動するに
は磁極位置を検出するセンサが不可欠となる。このため
、ブラシレスモータはセンサが必要になるだけでなく、
センサからの信号を制御装置に伝達するための信号線を
必要とすることからコスト，小型軽量，信頼性などの点
で問題がある。そこで、このようなセンサを用いないブ
ラシレスモータが提案されている。これは、モータの逆
起電圧を検出し、これにより転流のタイミングを決める
ものである。ただ、始動時または低速時には逆起電圧が
ないため、検出に充分な電圧が発生するまでモータを開
ループにて（同期電動機として）運転し、或る速度以上
においてブラシレスモータとしての運転に切り換えるよ
うにしている。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】以上のように、センサ
レス方式では始動時または低速時に通常のブラシレスモ
ータとして運転できないので、例えば位置制御を行なう
サーボモータには適用することができない。また、低速
時用の開ループ制御回路、および閉ループ制御回路への
切り換え回路などが必要なため装置が複雑になるだけで
なく、切り換え時にショックが発生するという問題もあ
る。したがって、この発明の課題はブラシレスモータの
回転子位置を、モータが低速時でもセンサなし（センサ
レス）で検出し得るようにすることにある。 【０００４】 【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るため、第１の発明では、固定子巻線と永久磁石を持つ
回転子とからなる３相ブラシレスモータと、この固定子
巻線のうちの２つの相を交流励磁する交流電源と、この
交流電源からの出力電圧，出力電流をそれぞれ検出する
電圧，電流検出手段と、この電圧，電流検出手段の出力
値からインダクタンスを演算する演算手段と、その演算
値から前記回転子の位置を判断する判断手段とを備え、
３相巻線のうちの少なくとも２通り以上の組み合わせで
前記固定子巻線の２つの相を交流励磁し、その結果前記
演算手段を介して得られる少なくとも２通りの巻線イン
ダクタンス値にもとづき、前記判断手段にて回転子の停
止位置を検出することを特徴としている。 【０００５】第２の発明では、固定子巻線と永久磁石を
持つ回転子とからなる３相ブラシレスモータと、この固
定子巻線のうちの２つの相を交流励磁し電圧形ＰＷＭイ
ンバータからなる交流電源と、この交流電源の出力電流
を検出する電流検出手段と、前記電圧形ＰＷＭインバー
タの電圧指令値と電流検出値とからインダクタンスを演
算する演算手段と、その演算値から前記回転子の位置を
判断する判断手段とを備え、３相巻線のうちの少なくと
も２通り以上の組み合わせで前記固定子巻線の２つの相
を交流励磁し、その結果前記演算手段を介して得られる
少なくとも２通りの巻線インダクタンス値にもとづき、
前記判断手段にて回転子の停止位置を検出することを特
徴としている。 【０００６】第３の発明では、固定子巻線と永久磁石を
持つ回転子とからなる３相ブラシレスモータと、この固
定子巻線のうちの２つの相を交流励磁し電流マイナルー
プ付き電圧形ＰＷＭインバータからなる交流電源と、こ
の交流電源の出力電圧を検出する電圧検出手段と、前記
電流マイナループ付き電圧形ＰＷＭインバータの電流指
令値と電圧検出値とからインダクタンスを演算する演算
手段と、その演算値から前記回転子の位置を判断する判
断手段とを備え、３相巻線のうちの少なくとも２通り以
上の組み合わせで前記固定子巻線の２つの相を交流励磁
し、その結果前記演算手段を介して得られる少なくとも
２通りの巻線インダクタンス値にもとづき、前記判断手
段にて回転子の停止位置を検出することを特徴としてい
る。 【０００７】第４の発明では、固定子巻線と永久磁石を
持つ回転子とからなる３相ブラシレスモータと、固定子
巻線のうち３相巻線を用いて任意の空間角度で直流励磁
し電圧形ＰＷＭインバータからなる直流電源と、この直
流電源からの出力電流を検出する電流検出手段と、前記
電圧形ＰＷＭインバータの電圧指令値と電流検出値とか
らインダクタンスを演算する演算手段と、その演算値か
ら前記回転子の位置を判断する判断手段とを備え、前記
判断手段を介して得られる回転子位置から力率が零とな
る空間的に１８０角度の異なる位置で、それぞれ巻線時
定数よりも短い時間だけ直流励磁し、前記電流検出手段
により２つの角度における直流励磁期間中の或る一定期
間における電流増加の大小から回転子にある永久磁石の
Ｎ極，Ｓ極の判別を可能にしたことを特徴としている。 【０００８】第５の発明では、固定子巻線と永久磁石を
持つ回転子とからなる３相ブラシレスモータと、電圧形
ＰＷＭインバータからなる交流電源と、この交流電源に
対し電圧指令値を与える電圧指令回路と、この電圧指令
値と電流検出値とから電圧，電流の位相差を演算する位
相差演算手段と、前記交流電源を介して任意の空間角度
で固定子の３相巻線を交番電圧にて交流励磁したときの
電圧指令値，電流検出値と予め既知の巻線抵抗値、また
は電圧指令値，電流検出値と前記位相差演算手段を介し
て得られる電圧，電流の位相差とから巻線インダクタン
スを演算する演算手段とを備え、その演算値から前記回
転子の位置を検出することを特徴としている。 【０００９】第６の発明では、固定子巻線と永久磁石を
持つ回転子とからなる３相ブラシレスモータと、電圧形
ＰＷＭインバータからなる交流電源と、この交流電源に
対し電圧指令値を与える電圧指令回路と、この電圧指令
値と電流検出値とから電圧，電流の位相差を演算する位
相差演算手段と、前記交流電源を介して任意の空間角度
で固定子の３相巻線を交番電圧にて交流励磁したとき前
記位相差演算手段にて演算される位相差を記憶する記憶
手段と、前記空間角度を最初に設定した空間角度から電
気角で１８０度または３６０度になるまで或る所定の角
度ずつ順次変化させて行きながら、その都度演算される
電圧，電流の位相差を前記記憶手段に順次記憶して行き
、この記憶された位相差が最大の空間角度をもって永久
磁石がつくる磁束と直交しているものと判断し、前記位
相差が最小の空間角度をもって永久磁石がつくる磁束と
平行しているものと判断することを特徴としている。 【００１０】第７の発明では、第６の発明において、前
記交流励磁するときの電圧指令値の中で最大の振幅とな
る相を選択する選択手段を付加し、選択された相の電圧
指令値とこれに対応する電流検出値とから位相差を検出
することを特徴としている。また、第８の発明では、第
５ないし第７のいずれかの発明において、前記交流電源
を電流マイナループ付きの電圧形ＰＷＭインバータとし
て前記電圧指令回路の代わりに電流指令回路を設け、前
記位相差をこの電流指令回路からの電流指令値と電圧検
出値とから演算することを特徴としている。 【００１１】 【作用】ブラシレスモータがトルクを発生するためには
、回転子にある永久磁石が発生する磁束に直交した電流
を流せば良い。また、ブラシレスモータの２相巻線間を
交流励磁しても交流の半周期毎に発生トルクは反転する
ので、回転子が回転し続けることはなく、励磁周波数に
応じて微小振動が生じる。ところで、この回転子の微小
振動によって永久磁石の磁束も変化するので、各巻線に
は速度起電圧が生じるが、この速度起電圧は見かけ上固
定子巻線のインダクタンスを減少させるように働く。 また、微小振動の振幅は交流励磁した相の空間的角度と
永久磁石による磁束との角度、すなわち回転子位置によ
って異なる。このことは、ブラシレスモータの３相巻線
間を交流励磁する場合も同様に当てはまる。したがって
、固定子巻線のインダクタンスを求めることにより、回
転子位置を知ることが可能となる。 【００１２】ここで、実施例について説明する前に、ま
ず原理につき説明する。図１２は永久磁石形ブラシレス
モータの２相間を交流励磁した場合の、磁極位置と線間
インダクタンスとの関係を示すものである。ここで、図
１２の横軸は磁極位置、すなわち回転子の位置を電気角
で表わしたもので、図１３に示すようにＵ相巻線と永久
磁石２０とがつくる磁束が一致する角度をθ＝０°の基
準としている。図１２は、各相のインダクタンスが電気
角の２倍の周期で正弦波状に変化していることを示して
おり、例えばＵ相とＶ相の２相を交流励磁した場合のイ
ンダクタンスＬＵＶを例にとると、θ＝４５°，２２５
°において最小値となり、θ＝１３５°，３１５°にお
いて最大値となる。いま、交流励磁したときに各巻線に
流れる電流を巻線の位置に対応した電流ベクトルと考え
ると、インダクタンスが最小になる角度はＵ相電流ベク
トルとＶ相電流ベクトルとの合成ベクトルと平行であり
、最大となるのは垂直となる角度である。このことを、
数式を用いて以下に説明する。 【００１３】まず、合成電流ベクトルｉを次式とする。 ｉ＝Ｉ・ｓｉｎωｔ
…（１） （Ｉ：電流の振幅、ω：励
磁電源の角周波数）いま、合成電流ベクトルｉと永久磁
石が作る磁束とのなす角度をψとすると、合成電流によ
って発生するトルクτは次式で与えられる。 τ＝Ｉφ・ｓｉｎψ・ｓｉｎωｔ
…
（２） （φ：磁束の大きさ）
次に、微小振動時のブ
ラシレスモータの機械系を慣性体Ｊのみとして近似する
と、次式が成立する。 τ＝Ｊ・ｄωｍ ／ｄｔ＝Ｉφ・ｓｉｎψ・ｓｉｎ
ωｔ …（３） （
ｄωｍ ／ｄｔ：微小振動の回転角加速度）【００１４
】したがって、（３）式の両辺を積分するとωｍ を求
めることができる。このとき、微小振動による角度の変
位は少ないので、ｓｉｎψを定数と考えると次式となる
。 ωｍ ＝−Ａ・ｓｉｎψ・ｃｏｓωｔ
…
（４） （Ａ＝Ｉφ／Ｊ） そして、回転子が回転すると回転子上の永久磁石による
磁束も回転するので、速度起電圧ｅが発生する。この起
電圧ｅは速度と磁束に比例するが、励磁される２相巻線
に誘起する電圧は同じくψの関数となり、速度起電力定
数をｋとすると次式を得る。 ｅ＝−ｋ・ωｍ ・φ・ｓｉｎψ ＝−ｋＡφ・ｓｉｎψ・ｓｉｎψ・ｃｏｓωｔ
＝−Ｂ・（−ｃｏｓ２ψ＋１）・ｃｏｓωｔ
…（５）
（Ｂ＝（ｋＩφ２ ）／２Ｊ）
【００１５】図１４に合成電流ベクト
ルｉと速度起電圧ｅとの関係を示す。すなわち、同図の
ように電流とそれによって誘起される電圧との位相関係
は容量性負荷の特性を示している（電流が電圧よりも進
み位相関係にある）ことから、微小振動によってインダ
クタンスはあたかも減少したかのように見える。また、
（５）式に示すとおり、この影響は回転子と励磁する巻
線の位置に依存し、図１２のように電気角の２倍の周期
で正弦波状に変化することがわかる。なお、上記ψと図
１２のθとは基準軸が３０°異なっている。以上のこと
から、固定子の或る２相を交流励磁した場合のインダク
タンス値は励磁電圧と電流の関係から求まり、このイン
ダクタンス値から逆に回転子位置を知ることができる。 以上が、この発明の原理である。 【００１６】 【実施例】図１はこの発明の実施例を示すブロック図で
ある。同図に示すように、この実施例は星形結線された
３相ブラシレスモータ１と、これに機械的に結合された
パルスエンコーダ（ＰＥ）２と、ブラシレスモータ１の
巻線を励磁する交流電源３と、交流電源３の出力電圧を
検出する電圧検出器４と、同じく電流を検出する電流検
出器５と、異なる線間を励磁するための切換スイッチ６
と、各検出器４，５の検出値から磁極位置を演算する磁
極位置演算回路１０とから構成される。なお、この磁極
位置演算回路１０は電圧，電流の検出値よりインダクタ
ンスを演算する演算手段と、演算したインダクタンスの
値から回転子位置を判断する判断手段とから構成される
。かかる構成において、まず、最初に任意の２相間、例
えばＵ相−Ｖ相間を交流電源３によって励磁するととも
に、そのときの励磁電圧実効値と電流実効値を検出器４
，５を用いて検出する。磁極位置演算回路１０のインダ
クタンスを演算する演算手段において、これらの値ＶＵ
Ｖ，ＩＵＶと既知である線間の抵抗値Ｒとにより、線間
インダクタンスＬＵＶが次式で求められる。 ＬＵＶ＝｛（ＶＵＶ／ＩＵＶ）２ −Ｒ２ ｝１／
２ ／２πｆ …
（６）【００１７】なお、励磁電圧実効値および電流実
効値と電圧，電流波形から両者の位相差を検出し、力率
から線間インダクタンスを測定することも可能である。 次に磁極位置演算回路１０の回転子位置を判断する判断
手段において、インダクタンス値より回転子位置を判断
する。 インダクタンスが検出できれば、この値およびブラシレ
スモータの励磁条件によって固有の値となる図１２のＬ
０ ，Ｌ１ などにより、磁極位置は電気角３６０°の
うちのいずれか４点上にあることが分かる。このことを
数式を用いて説明する。まず、磁極位置の基準軸を図１
２と同じとすると、磁極位置θとＬＵＶとの関係は次式
で与えられる。 ＬＵＶ＝Ｌ１ −Ｌａ・ｓｉｎ（２θ＋３０°）
…（７）
したがって、θは次式となる。 ２θ＝ｓｉｎ−１｛（Ｌ１ −ＬＵＶ）／Ｌａ｝−
３０° …（８）ここ
で、２θのとり得る値としては０〜７２０°となるので
、４個の角度に限定できることになる。 【００１８】次に、励磁する線間を切換スイッチ６によ
り切り換えてインダクタンスを測定すれば上記と同様に
４つの角度データが得られるが、これを利用することに
よって４つのうちの２つに絞ることができる。図１２で
、例えば第１回目にＵ，Ｗ間を励磁して４つの位置（イ
ンダクタンス値に相当する）Ｐ１〜Ｐ４が得られ、２回
目にＶ，Ｗ間を励磁して４つの位置Ｑ１〜Ｑ４が得られ
たとすると、この場合はＰ１，Ｐ３の２つに限定できる
ことになる。このように、インダクタンスの角度変化に
より磁極位置の検出を行なうが、角度変化の関数がｓｉ
ｎ２θなので、０≦θ≦１８０°と１８０°≦θ＜３６
０°の区別、つまり、上記の例ではＰ１の位置なのかＰ
３の位置なのかを区別することができない。これは、検
出した値を用いて運転すると、力率１または力率−１の
どちらになるか不明であることを意味している。 しかし、この問題はトルク指令を反転する回路を付加し
、運転の最初においてトルク指令の極性と回転方向を判
別し、極性と回転方向が一致しない場合はトルク指令の
反転出力を用いることにより、容易に解決することがで
きる。 【００１９】図２はこの発明の第２の実施例を示すブロ
ック図である。同図において、７は電圧形ＰＷＭインバ
ータ、８はＰＷＭ回路、１１Ａは電圧指令値演算回路で
、その他は図１と同様である。なお、磁極位置演算回路
１１Ｂは、この実施例においては、電圧形ＰＷＭインバ
ータの電圧指令値と電流検出値とからインダクタンスを
演算する演算手段と、その演算値から回転子の位置を判
断する判断手段とから構成されている。この例は、エン
コーダ２が結合された３相ブラシレスモータ１をＰＷＭ
インバータ７により交流励磁する点が特徴である。ブラ
シレスモータ１およびＰＷＭインバータ７の制御回路１
１は電圧指令値演算回路１１Ａから電圧形ＰＷＭインバ
ータ７の電圧指令値ｖ＊ を出力し、ＰＷＭ回路８によ
り６個のスイッチング素子のスイッチングパターンを求
め、これを出力する。このとき、２相励磁となるように
スイッチングパターンが決定される。また、磁極位置演
算回路１１Ｂが設けられるが、励磁電流は電流検出器５
により検出し、励磁電圧は制御回路１１内の電圧指令値
演算回路１１Ａからの電圧指令値ｖ＊ を用いる点で若
干異なっている。 【００２０】図３はこの発明の第３の実施例を示すブロ
ック図である。これは、図２の変形例を示し、制御回路
１２内に電流指令値演算回路１２Ａを設け、これから出
力される電流指令値ｉ＊ と電流検出器５からの電流検
出値とから電圧形ＰＷＭインバータ７のスイッチングパ
ターンを出力する電流制御回路９を有する点、および磁
極位置演算回路１２Ｂが電流指令値ｉ＊ と電圧検出器
４からの検出値を用いる点が異なるだけで、その他は図
２と同じである。なお、磁極位置演算回路１２Ｂは、こ
の実施例においては、電流マイナループ付き電圧形ＰＷ
Ｍインバータの電流指令値と電圧検出値とからインダク
タンスを演算する演算手段と、その演算値から回転子位
置を判断する判断手段とから構成されている。図４に図
３で用いられる電流制御回路の具体例を示す。電流制御
回路９を加減算器９Ａ，電流調節器（ＡＣＲ）９Ｂおよ
びＰＷＭ回路９Ｃから構成し、加減算器９Ａにて電流指
令値と検出値との偏差を得、これを電流調節器９Ｂに入
力することによって電圧指令値ｖ＊ を得、これをＰＷ
Ｍ回路９Ｃに入力してスイッチングパターンを得るもの
である。 【００２１】図５はこの発明の第４実施例を示すブロッ
ク図である。以上の実施例では磁極位置の検出は可能で
あるが、その極性の判別ができない。そこで、ブラシレ
スモータの磁気飽和を利用して極性を判断可能にしよう
とするのが、この例である。このため、２通りの位相で
特定期間（固定子の時定数よりも短い期間）だけブラシ
レスモータ１を直流励磁してそのときの電流の増加量を
記憶し、増加量の大小からＮ極，Ｓ極の判断を行なう極
性判別回路１１Ｃを設けている。このとき、永久磁石が
作る磁束と同方向または逆方向に電流を流すが、これは
磁極位置が磁極位置演算回路１１Ｂの出力により分かる
ので、このような方向に電流を流すことは容易である。 なお、このようにするのは磁束と平行な電流は力率０で
あり、モータを回転させない（トルクを出さない）よう
にするためである。磁束と平行となる電流を両方向に流
すと、そのうちのどちらかは磁束と同方向なので、通電
によってモータのギャップ磁束は増磁され、もう一方は
逆方向なので減磁される。モータのギャップは一般に飽
和特性を有しているので、増磁か減磁かにより巻線イン
ダクタンスが変化する。従って、直流励磁して電流の変
化量（ｄｉ／ｄｔ）を検出すれば増磁か減磁、すなわち
Ｎ極かＳ極かを判別できることになる。 【００２２】図５では、磁極位置演算回路１１Ｂから力
率０となる２つの角度θ０ （θ０１，θ０２は互いに
１８０°の角度差がある）を出力して電圧指令値演算回
路１１Ａに与え、この電圧指令値演算回路１１Ａにより
巻線の時定数よりも短い特定期間だけθ０１，θ０２に
応じた角度の直流電圧を指令する。極性判別回路１１Ｃ
は直流励磁から一定時間後の電流値を電流検出器５より
取り込み、２つのデータを比べて大きい方が増磁，小さ
い方が減磁であることから、Ｎ極，Ｓ極の判別が可能と
なる。なお、ＰＷＭ回路８からは直流励磁可能となるよ
うなスイッチングパターンが出力されることは云うまで
もない。 【００２３】以上の２つの巻線を交流励磁するものでは
３通りの組み合わせでしか励磁できないので、ロータと
電流ベクトルの角度によって変化するインダクタンスの
最大値や最小値を必ずしも検出し得るとは限らない。そ
のため、インダクタンスの演算精度が低く、また、各巻
線間インダクタンス値から磁極位置を検出するので、各
巻線のインピーダンスの違いなどが誤差となって磁極位
置の検出精度を高めるのが難しい。そこで、次のように
することが考えられる。図６はこの発明の第５実施例を
示すブロック図である。これは、ブラシレスモータ１と
、モータ１に流れる電流を検出する電流検出器５と、例
えば電圧形ＰＷＭインバータのように各相に指令された
電圧を増幅してモータ１に電圧を印加する電力増幅器７
Ａと、電力増幅器７Ａの各相の電圧指令値を演算する電
圧指令回路１３と、電圧指令値と検出した電流値をもと
に回転子位置を演算する磁極位置演算回路１４とからな
り、モータ１を３相励磁する例である。 【００２４】電圧指令回路１３は主として、モータ１の
各巻線に印加される電圧を空間的に合成した電圧ベクト
ルｖの空間角度の指令値αと、そのベクトルの振幅の指
令値ｖ＊ とを与えられるベクトル回転器１３Ａからな
り、各相の電圧指令値は次式で与えられる。 ｖｕ＝ｖ＊ ・ｃｏｓα
…（９ａ） ｖｖ＝ｖ＊ ・ｃｏｓ（α−１２
０°）
…（９ｂ） ｖｗ＝ｖ＊ ・ｃｏｓ（α＋１
２０°）
…（９ｃ）これらを空間的に合成した電圧ベ
クトルは、指令された空間角度で交番電圧となるのでα
（＝α０ ）は一定値であり、振幅ｖ＊ はＶ０ を一
定値として次式となる。 ｖ＊ ＝Ｖ０ ｓｉｎωｔ
…（１０）これを（９ａ）〜（９ｃ）に代入す
ると次式となる。 ｖｕ＝ｋｕ・Ｖ０ ・ｓｉｎωｔ
…（１
１ａ） ｖｖ＝ｋｖ・Ｖ０ ・ｓｉｎωｔ
…（１１ｂ） ｖｗ＝ｋｗ・Ｖ０ ・ｓｉｎωｔ
…（１１ｃ）ここに、ｋｕ＝ｃｏｓα０ ，ｋｖ
＝ｃｏｓ（α０ −１２０°），ｋｗ＝ｃｏｓ（α０
＋１２０°）である。 【００２５】これらの電圧によってモータ１に流れる各
相の電流は次式となる。 ｉｕ＝ｋｕ・ｉ・ｓｉｎ（ωｔ＋β）
…（１２ａ）
ｉｖ＝ｋｖ・ｉ・ｓｉｎ（ωｔ＋β）
…（１２ｂ）
ｉｗ＝ｋｗ・ｉ・ｓｉｎ（ωｔ＋β）
…（１２ｃ）ただし
、電流の振幅ｉおよび相電圧と上記相電流との位相差β
は、巻線１相当たりのインピーダンスｚを（１３）式で
定義すると、（１４），（１５）式となる。 ｚ＝Ｒ＋ｊωＬ
…（１３） ｉ＝Ｖ０ ／（Ｒ２ ＋ω２
Ｌ２ ）１／２
…（１４） β＝ｔａｎ−
（ωＬ／Ｒ）
…（１５）ここ
で、インダクタンスＬは交流励磁した電圧，電流の空間
角度と磁極位置θとの関係によって、図７のように変化
する。したがって、図６のように相電圧指令値とその相
の電流検出値とからＬを演算し、この結果より磁極位置
を判断するようにする。この場合、Ｌの演算方法として
次の（１６）式の如く電圧，電流の振幅と予め測定して
おいた抵抗値とから演算する方法と、次の（１７）式の
如く電圧，電流の振幅と位相βとから演算する方法とが
ある。 Ｌ＝｛（Ｖ０ ／ｉ）２ −Ｒ２ ｝１／２ ／ω
…
（１６） Ｌ＝（Ｖ０ ／ｉ）・ｓｉｎβ
…（１７）【００２６】こうしてインダクタン
ス値が求められれば、図７を用いることにより磁極位置
を検出することができる。すなわち、図７に示すインダ
クタンス値Ｌは、 Ｌ＝Ｌ０ ＋Ｌａ・ｃｏｓ２θ
…（１８）となり、Ｌ０ ，Ｌａの値
が既知であれば、演算または関数テーブルを用いること
により、まず、０°≦θ＜１８０°，１８０°≦θ＜３
６０°の各領域でそれぞれ２通りの位置を検出すること
ができ、続いて設定角度αを変えて再度検出することに
より、各領域での磁極位置を一義的に求めることができ
る。このため、図６の磁極位置演算回路１４には、１相
分の相電圧指令値と電流検出器５からの電流検出値を取
り込んで上記（１７）式の演算に必要な電圧，電流の位
相差を演算する位相差演算回路１４Ａと、相電圧指令値
と電流検出器５からの電流検出値と既知の巻線抵抗値、
または相電圧指令値と電流検出器５からの電流検出値と
電圧，電流の位相差とから（１６）式または（１７）式
に従ってインダクタンスを演算するインダクタンス演算
回路１４Ｂと、演算したインダクタンス値から磁極位置
を検出する磁極位置検出回路１４Ｃとが設けられている
。したがって、図６は（１７）式を利用する実施例とい
うことになるが、（１６）式を利用する場合は位相差演
算回路１４Ａは不要となる。 【００２７】図８にこの発明の第６実施例を示す。
ここでは、電圧指令回路１３’には交流励磁する際の空
間角度αを順次切り換える空間角度指令回路１３Ｂを設
け、磁極位置演算回路１４’には電圧指令値と電流指令
値との位相差を演算する位相差演算回路１４Ａと、演算
された位相差を記憶する記憶回路１４Ｄと、各空間角度
における位相差のうち最大値または最小値となる空間角
度を判断して、最大値においては電圧の空間角度と永久
磁石が作る磁束とは平行であると判断し、最小値におい
ては垂直と判断する磁極特定位置検出回路１４Ｅとを設
けて構成される。すなわち、この実施例は電圧，電流の
振幅の検出、インダクタンスの演算およびインダクタン
スの値から磁極位置検出のための演算または関数テーブ
ルなしに磁極位置を検出しようとするものである。この
ため、空間角度指令回路１３Ｂから任意の空間角度α０
を指令してこの角度で交流励磁し、この角度における
位相差を位相差演算回路１４Ａで演算し、記憶回路１４
Ｄに記憶する。次に、α０ に対して或る一定角度だけ
変化させたα１ を指令し、同様にその時の位相差を記
憶する。このようにして順次角度を変化させて行き、α
０ に対して１８０°または３６０°変化させたならば
励磁を終了する。そして、記憶した位相差の大小比較を
行ない、最大値である空間角度を磁極と平行と判断し、
最小値を示す角度を磁極と垂直であると判断する。 【００２８】この点について、図９を参照して具体的に
説明する。この図は先の（１１ａ）式，（１２ａ）式で
表わされる電圧，電流波形を示しており、例えば商用周
波数などでは電動機の巻線は誘導性負荷となるので、電
圧（ｕ相の電圧ｖｕ）に対して電流（ｕ相の電流ｉｕ）
は遅れ力率となることを示している。ところで、巻線の
インダクタンスは図７の如く、励磁する空間角度によっ
て変化するので、これに応じて電圧に対する電流の位相
も図９のように変化する。したがって、電圧と電流の位
相差を検出すれば、演算により磁束の位置と励磁した空
間角度との角度差を求めることができ、これから磁極の
位置を検出することができる。ただし、図７のように検
出するインダクタンスと上記角度差の関係より、位相差
が最大となる時はインダクタンスが大きいので角度差が
０°（または１８０°）であり、位相差が最小となる時
はインダクタンスが小さいので角度差が９０°（または
２７０°）となることから、位相差の最大値または最小
値を検出すれば良いことになる。 【００２９】図１０に位相差検出回路の具体例を示す。 これは、コンパレータ１５によって電圧および電流の極
性信号を作り、これらを論理積回路１６に入力すること
によって両者の位相差に比例するパルス幅信号を作成し
、このパルス幅信号をパルス幅計測回路１７で計測して
位相差βを検出するもので、公知のディジタル回路にて
極めて容易に構成することができる。 【００３０】図１１にこの発明の第７実施例を示す。こ
れは、図６に示すものとほとんど同じであるが、３相の
電圧指令値と３相の電流指令値のうちの各１相ずつを選
択する切換スイッチ６Ａ，６Ｂを設けた点が特徴である
。この切換スイッチ６Ａ，６Ｂは空間角度指令値αによ
って切り換えられ、（９ａ）〜（９ｃ）式で示される電
圧指令の中で振幅が最大値となる相を選択するようにし
たものである。すなわち、αとの関係は以下のようにな
る。 −６０°＜α≦６０° ：ａ相を選択する６０°
＜α≦１８０° ：ｂ相を選択する１８０°＜α≦３
００° ：ｃ相を選択するその他の点は図６の場合と
同様なので、詳細は省略する。図６以下の説明では、す
べて交流励磁する電源を電圧源としており、電圧と電流
の位相差を検出するために、電圧指令値と検出した電流
値とを利用するようにしている。そこで、電流制御付き
の電源、例えば電流制御ループを有する電圧形インバー
タを用いる場合は、電流指令値と検出した電圧とから位
相差を求めるようにしても良く、電圧検出値の代わりに
電流制御ループ内の電圧指令値を用いるようにしても良
い。 【００３１】 【発明の効果】この発明によれば、３相ブラシレスモー
タの２つの巻線間を交流励磁することによって発生する
微小振動による逆起電圧のために位置の関数となる線間
インダクタンスを測定することにより、停止時において
も磁極位置検出が可能となり、ブラシレスモータを用い
たサーボシステムの磁極位置センサを不要とすることが
できる。また、線間インダクタンスを測定するに当たり
、ＰＷＭインバータまたは電流マイナループ付ＰＷＭイ
ンバータを用いることにより、インダクタンスを測定す
る電源とモータを駆動する回路を共通にできるため、コ
ストを低減することができる。さらに、検出された磁極
位置から力率０の角度に直流励磁し、そのときの直流電
流の変化量からＮ極，Ｓ極の極性判断ができるだけでな
く、トルク指令値と発生トルクの極性が互いに逆の関係
とならないようにすることが可能である。３相巻線を用
い、予め設定した空間角度で交流励磁するようにすれば
、磁極位置に対し任意の空間角度にて励磁できるので、
インダクタンスの変化から磁極位置を検出する場合の検
出精度を向上させることができる。また、交流励磁する
空間角度を或る角度ずつ変化させそれぞれの角度におい
て励磁した電圧と電流との位相差を検出し、その位相差
が最大となる設定角度を磁束と平行と判断し、最小の設
定角度を磁束と直交と判断するアルゴリズムを採用すれ
ば、複雑なインダクタンスの演算と角度演算が不要とな
り、磁極位置検出アルゴリズムが著しく簡単となり、検
出に必要なコストまたはを低減することができ、マイク
ロプロセッサを用いた場合はその実行時間を短縮するこ
とができる。さらに、上記アルゴリズムを採用する場合
に、位相差を検出する相として指令電圧が最大となる相
を選択し、かつその選択に当たっては設定した空間角度
を用いるようにすれば、精度をより一層向上させること
ができる。
有する３相ブラシレスモータを磁極センサなしで駆動す
る場合等に用いて好適な回転子位置検出装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】ブラシレスモータは、直流電動機が機械
的に転流を行なうのに対し、電気的なスイッチを用いて
転流を行ない同期電動機を駆動するものである。その転
流は最も力率良く運転できるように行なう必要があるが
、永久磁石形の同期電動機ではそのタイミングが、回転
子に組み込まれている永久磁石による磁極の位置で一義
的に決まる。そのため、ブラシレスモータを駆動するに
は磁極位置を検出するセンサが不可欠となる。このため
、ブラシレスモータはセンサが必要になるだけでなく、
センサからの信号を制御装置に伝達するための信号線を
必要とすることからコスト，小型軽量，信頼性などの点
で問題がある。そこで、このようなセンサを用いないブ
ラシレスモータが提案されている。これは、モータの逆
起電圧を検出し、これにより転流のタイミングを決める
ものである。ただ、始動時または低速時には逆起電圧が
ないため、検出に充分な電圧が発生するまでモータを開
ループにて（同期電動機として）運転し、或る速度以上
においてブラシレスモータとしての運転に切り換えるよ
うにしている。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】以上のように、センサ
レス方式では始動時または低速時に通常のブラシレスモ
ータとして運転できないので、例えば位置制御を行なう
サーボモータには適用することができない。また、低速
時用の開ループ制御回路、および閉ループ制御回路への
切り換え回路などが必要なため装置が複雑になるだけで
なく、切り換え時にショックが発生するという問題もあ
る。したがって、この発明の課題はブラシレスモータの
回転子位置を、モータが低速時でもセンサなし（センサ
レス）で検出し得るようにすることにある。 【０００４】 【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るため、第１の発明では、固定子巻線と永久磁石を持つ
回転子とからなる３相ブラシレスモータと、この固定子
巻線のうちの２つの相を交流励磁する交流電源と、この
交流電源からの出力電圧，出力電流をそれぞれ検出する
電圧，電流検出手段と、この電圧，電流検出手段の出力
値からインダクタンスを演算する演算手段と、その演算
値から前記回転子の位置を判断する判断手段とを備え、
３相巻線のうちの少なくとも２通り以上の組み合わせで
前記固定子巻線の２つの相を交流励磁し、その結果前記
演算手段を介して得られる少なくとも２通りの巻線イン
ダクタンス値にもとづき、前記判断手段にて回転子の停
止位置を検出することを特徴としている。 【０００５】第２の発明では、固定子巻線と永久磁石を
持つ回転子とからなる３相ブラシレスモータと、この固
定子巻線のうちの２つの相を交流励磁し電圧形ＰＷＭイ
ンバータからなる交流電源と、この交流電源の出力電流
を検出する電流検出手段と、前記電圧形ＰＷＭインバー
タの電圧指令値と電流検出値とからインダクタンスを演
算する演算手段と、その演算値から前記回転子の位置を
判断する判断手段とを備え、３相巻線のうちの少なくと
も２通り以上の組み合わせで前記固定子巻線の２つの相
を交流励磁し、その結果前記演算手段を介して得られる
少なくとも２通りの巻線インダクタンス値にもとづき、
前記判断手段にて回転子の停止位置を検出することを特
徴としている。 【０００６】第３の発明では、固定子巻線と永久磁石を
持つ回転子とからなる３相ブラシレスモータと、この固
定子巻線のうちの２つの相を交流励磁し電流マイナルー
プ付き電圧形ＰＷＭインバータからなる交流電源と、こ
の交流電源の出力電圧を検出する電圧検出手段と、前記
電流マイナループ付き電圧形ＰＷＭインバータの電流指
令値と電圧検出値とからインダクタンスを演算する演算
手段と、その演算値から前記回転子の位置を判断する判
断手段とを備え、３相巻線のうちの少なくとも２通り以
上の組み合わせで前記固定子巻線の２つの相を交流励磁
し、その結果前記演算手段を介して得られる少なくとも
２通りの巻線インダクタンス値にもとづき、前記判断手
段にて回転子の停止位置を検出することを特徴としてい
る。 【０００７】第４の発明では、固定子巻線と永久磁石を
持つ回転子とからなる３相ブラシレスモータと、固定子
巻線のうち３相巻線を用いて任意の空間角度で直流励磁
し電圧形ＰＷＭインバータからなる直流電源と、この直
流電源からの出力電流を検出する電流検出手段と、前記
電圧形ＰＷＭインバータの電圧指令値と電流検出値とか
らインダクタンスを演算する演算手段と、その演算値か
ら前記回転子の位置を判断する判断手段とを備え、前記
判断手段を介して得られる回転子位置から力率が零とな
る空間的に１８０角度の異なる位置で、それぞれ巻線時
定数よりも短い時間だけ直流励磁し、前記電流検出手段
により２つの角度における直流励磁期間中の或る一定期
間における電流増加の大小から回転子にある永久磁石の
Ｎ極，Ｓ極の判別を可能にしたことを特徴としている。 【０００８】第５の発明では、固定子巻線と永久磁石を
持つ回転子とからなる３相ブラシレスモータと、電圧形
ＰＷＭインバータからなる交流電源と、この交流電源に
対し電圧指令値を与える電圧指令回路と、この電圧指令
値と電流検出値とから電圧，電流の位相差を演算する位
相差演算手段と、前記交流電源を介して任意の空間角度
で固定子の３相巻線を交番電圧にて交流励磁したときの
電圧指令値，電流検出値と予め既知の巻線抵抗値、また
は電圧指令値，電流検出値と前記位相差演算手段を介し
て得られる電圧，電流の位相差とから巻線インダクタン
スを演算する演算手段とを備え、その演算値から前記回
転子の位置を検出することを特徴としている。 【０００９】第６の発明では、固定子巻線と永久磁石を
持つ回転子とからなる３相ブラシレスモータと、電圧形
ＰＷＭインバータからなる交流電源と、この交流電源に
対し電圧指令値を与える電圧指令回路と、この電圧指令
値と電流検出値とから電圧，電流の位相差を演算する位
相差演算手段と、前記交流電源を介して任意の空間角度
で固定子の３相巻線を交番電圧にて交流励磁したとき前
記位相差演算手段にて演算される位相差を記憶する記憶
手段と、前記空間角度を最初に設定した空間角度から電
気角で１８０度または３６０度になるまで或る所定の角
度ずつ順次変化させて行きながら、その都度演算される
電圧，電流の位相差を前記記憶手段に順次記憶して行き
、この記憶された位相差が最大の空間角度をもって永久
磁石がつくる磁束と直交しているものと判断し、前記位
相差が最小の空間角度をもって永久磁石がつくる磁束と
平行しているものと判断することを特徴としている。 【００１０】第７の発明では、第６の発明において、前
記交流励磁するときの電圧指令値の中で最大の振幅とな
る相を選択する選択手段を付加し、選択された相の電圧
指令値とこれに対応する電流検出値とから位相差を検出
することを特徴としている。また、第８の発明では、第
５ないし第７のいずれかの発明において、前記交流電源
を電流マイナループ付きの電圧形ＰＷＭインバータとし
て前記電圧指令回路の代わりに電流指令回路を設け、前
記位相差をこの電流指令回路からの電流指令値と電圧検
出値とから演算することを特徴としている。 【００１１】 【作用】ブラシレスモータがトルクを発生するためには
、回転子にある永久磁石が発生する磁束に直交した電流
を流せば良い。また、ブラシレスモータの２相巻線間を
交流励磁しても交流の半周期毎に発生トルクは反転する
ので、回転子が回転し続けることはなく、励磁周波数に
応じて微小振動が生じる。ところで、この回転子の微小
振動によって永久磁石の磁束も変化するので、各巻線に
は速度起電圧が生じるが、この速度起電圧は見かけ上固
定子巻線のインダクタンスを減少させるように働く。 また、微小振動の振幅は交流励磁した相の空間的角度と
永久磁石による磁束との角度、すなわち回転子位置によ
って異なる。このことは、ブラシレスモータの３相巻線
間を交流励磁する場合も同様に当てはまる。したがって
、固定子巻線のインダクタンスを求めることにより、回
転子位置を知ることが可能となる。 【００１２】ここで、実施例について説明する前に、ま
ず原理につき説明する。図１２は永久磁石形ブラシレス
モータの２相間を交流励磁した場合の、磁極位置と線間
インダクタンスとの関係を示すものである。ここで、図
１２の横軸は磁極位置、すなわち回転子の位置を電気角
で表わしたもので、図１３に示すようにＵ相巻線と永久
磁石２０とがつくる磁束が一致する角度をθ＝０°の基
準としている。図１２は、各相のインダクタンスが電気
角の２倍の周期で正弦波状に変化していることを示して
おり、例えばＵ相とＶ相の２相を交流励磁した場合のイ
ンダクタンスＬＵＶを例にとると、θ＝４５°，２２５
°において最小値となり、θ＝１３５°，３１５°にお
いて最大値となる。いま、交流励磁したときに各巻線に
流れる電流を巻線の位置に対応した電流ベクトルと考え
ると、インダクタンスが最小になる角度はＵ相電流ベク
トルとＶ相電流ベクトルとの合成ベクトルと平行であり
、最大となるのは垂直となる角度である。このことを、
数式を用いて以下に説明する。 【００１３】まず、合成電流ベクトルｉを次式とする。 ｉ＝Ｉ・ｓｉｎωｔ
…（１） （Ｉ：電流の振幅、ω：励
磁電源の角周波数）いま、合成電流ベクトルｉと永久磁
石が作る磁束とのなす角度をψとすると、合成電流によ
って発生するトルクτは次式で与えられる。 τ＝Ｉφ・ｓｉｎψ・ｓｉｎωｔ
…
（２） （φ：磁束の大きさ）
次に、微小振動時のブ
ラシレスモータの機械系を慣性体Ｊのみとして近似する
と、次式が成立する。 τ＝Ｊ・ｄωｍ ／ｄｔ＝Ｉφ・ｓｉｎψ・ｓｉｎ
ωｔ …（３） （
ｄωｍ ／ｄｔ：微小振動の回転角加速度）【００１４
】したがって、（３）式の両辺を積分するとωｍ を求
めることができる。このとき、微小振動による角度の変
位は少ないので、ｓｉｎψを定数と考えると次式となる
。 ωｍ ＝−Ａ・ｓｉｎψ・ｃｏｓωｔ
…
（４） （Ａ＝Ｉφ／Ｊ） そして、回転子が回転すると回転子上の永久磁石による
磁束も回転するので、速度起電圧ｅが発生する。この起
電圧ｅは速度と磁束に比例するが、励磁される２相巻線
に誘起する電圧は同じくψの関数となり、速度起電力定
数をｋとすると次式を得る。 ｅ＝−ｋ・ωｍ ・φ・ｓｉｎψ ＝−ｋＡφ・ｓｉｎψ・ｓｉｎψ・ｃｏｓωｔ
＝−Ｂ・（−ｃｏｓ２ψ＋１）・ｃｏｓωｔ
…（５）
（Ｂ＝（ｋＩφ２ ）／２Ｊ）
【００１５】図１４に合成電流ベクト
ルｉと速度起電圧ｅとの関係を示す。すなわち、同図の
ように電流とそれによって誘起される電圧との位相関係
は容量性負荷の特性を示している（電流が電圧よりも進
み位相関係にある）ことから、微小振動によってインダ
クタンスはあたかも減少したかのように見える。また、
（５）式に示すとおり、この影響は回転子と励磁する巻
線の位置に依存し、図１２のように電気角の２倍の周期
で正弦波状に変化することがわかる。なお、上記ψと図
１２のθとは基準軸が３０°異なっている。以上のこと
から、固定子の或る２相を交流励磁した場合のインダク
タンス値は励磁電圧と電流の関係から求まり、このイン
ダクタンス値から逆に回転子位置を知ることができる。 以上が、この発明の原理である。 【００１６】 【実施例】図１はこの発明の実施例を示すブロック図で
ある。同図に示すように、この実施例は星形結線された
３相ブラシレスモータ１と、これに機械的に結合された
パルスエンコーダ（ＰＥ）２と、ブラシレスモータ１の
巻線を励磁する交流電源３と、交流電源３の出力電圧を
検出する電圧検出器４と、同じく電流を検出する電流検
出器５と、異なる線間を励磁するための切換スイッチ６
と、各検出器４，５の検出値から磁極位置を演算する磁
極位置演算回路１０とから構成される。なお、この磁極
位置演算回路１０は電圧，電流の検出値よりインダクタ
ンスを演算する演算手段と、演算したインダクタンスの
値から回転子位置を判断する判断手段とから構成される
。かかる構成において、まず、最初に任意の２相間、例
えばＵ相−Ｖ相間を交流電源３によって励磁するととも
に、そのときの励磁電圧実効値と電流実効値を検出器４
，５を用いて検出する。磁極位置演算回路１０のインダ
クタンスを演算する演算手段において、これらの値ＶＵ
Ｖ，ＩＵＶと既知である線間の抵抗値Ｒとにより、線間
インダクタンスＬＵＶが次式で求められる。 ＬＵＶ＝｛（ＶＵＶ／ＩＵＶ）２ −Ｒ２ ｝１／
２ ／２πｆ …
（６）【００１７】なお、励磁電圧実効値および電流実
効値と電圧，電流波形から両者の位相差を検出し、力率
から線間インダクタンスを測定することも可能である。 次に磁極位置演算回路１０の回転子位置を判断する判断
手段において、インダクタンス値より回転子位置を判断
する。 インダクタンスが検出できれば、この値およびブラシレ
スモータの励磁条件によって固有の値となる図１２のＬ
０ ，Ｌ１ などにより、磁極位置は電気角３６０°の
うちのいずれか４点上にあることが分かる。このことを
数式を用いて説明する。まず、磁極位置の基準軸を図１
２と同じとすると、磁極位置θとＬＵＶとの関係は次式
で与えられる。 ＬＵＶ＝Ｌ１ −Ｌａ・ｓｉｎ（２θ＋３０°）
…（７）
したがって、θは次式となる。 ２θ＝ｓｉｎ−１｛（Ｌ１ −ＬＵＶ）／Ｌａ｝−
３０° …（８）ここ
で、２θのとり得る値としては０〜７２０°となるので
、４個の角度に限定できることになる。 【００１８】次に、励磁する線間を切換スイッチ６によ
り切り換えてインダクタンスを測定すれば上記と同様に
４つの角度データが得られるが、これを利用することに
よって４つのうちの２つに絞ることができる。図１２で
、例えば第１回目にＵ，Ｗ間を励磁して４つの位置（イ
ンダクタンス値に相当する）Ｐ１〜Ｐ４が得られ、２回
目にＶ，Ｗ間を励磁して４つの位置Ｑ１〜Ｑ４が得られ
たとすると、この場合はＰ１，Ｐ３の２つに限定できる
ことになる。このように、インダクタンスの角度変化に
より磁極位置の検出を行なうが、角度変化の関数がｓｉ
ｎ２θなので、０≦θ≦１８０°と１８０°≦θ＜３６
０°の区別、つまり、上記の例ではＰ１の位置なのかＰ
３の位置なのかを区別することができない。これは、検
出した値を用いて運転すると、力率１または力率−１の
どちらになるか不明であることを意味している。 しかし、この問題はトルク指令を反転する回路を付加し
、運転の最初においてトルク指令の極性と回転方向を判
別し、極性と回転方向が一致しない場合はトルク指令の
反転出力を用いることにより、容易に解決することがで
きる。 【００１９】図２はこの発明の第２の実施例を示すブロ
ック図である。同図において、７は電圧形ＰＷＭインバ
ータ、８はＰＷＭ回路、１１Ａは電圧指令値演算回路で
、その他は図１と同様である。なお、磁極位置演算回路
１１Ｂは、この実施例においては、電圧形ＰＷＭインバ
ータの電圧指令値と電流検出値とからインダクタンスを
演算する演算手段と、その演算値から回転子の位置を判
断する判断手段とから構成されている。この例は、エン
コーダ２が結合された３相ブラシレスモータ１をＰＷＭ
インバータ７により交流励磁する点が特徴である。ブラ
シレスモータ１およびＰＷＭインバータ７の制御回路１
１は電圧指令値演算回路１１Ａから電圧形ＰＷＭインバ
ータ７の電圧指令値ｖ＊ を出力し、ＰＷＭ回路８によ
り６個のスイッチング素子のスイッチングパターンを求
め、これを出力する。このとき、２相励磁となるように
スイッチングパターンが決定される。また、磁極位置演
算回路１１Ｂが設けられるが、励磁電流は電流検出器５
により検出し、励磁電圧は制御回路１１内の電圧指令値
演算回路１１Ａからの電圧指令値ｖ＊ を用いる点で若
干異なっている。 【００２０】図３はこの発明の第３の実施例を示すブロ
ック図である。これは、図２の変形例を示し、制御回路
１２内に電流指令値演算回路１２Ａを設け、これから出
力される電流指令値ｉ＊ と電流検出器５からの電流検
出値とから電圧形ＰＷＭインバータ７のスイッチングパ
ターンを出力する電流制御回路９を有する点、および磁
極位置演算回路１２Ｂが電流指令値ｉ＊ と電圧検出器
４からの検出値を用いる点が異なるだけで、その他は図
２と同じである。なお、磁極位置演算回路１２Ｂは、こ
の実施例においては、電流マイナループ付き電圧形ＰＷ
Ｍインバータの電流指令値と電圧検出値とからインダク
タンスを演算する演算手段と、その演算値から回転子位
置を判断する判断手段とから構成されている。図４に図
３で用いられる電流制御回路の具体例を示す。電流制御
回路９を加減算器９Ａ，電流調節器（ＡＣＲ）９Ｂおよ
びＰＷＭ回路９Ｃから構成し、加減算器９Ａにて電流指
令値と検出値との偏差を得、これを電流調節器９Ｂに入
力することによって電圧指令値ｖ＊ を得、これをＰＷ
Ｍ回路９Ｃに入力してスイッチングパターンを得るもの
である。 【００２１】図５はこの発明の第４実施例を示すブロッ
ク図である。以上の実施例では磁極位置の検出は可能で
あるが、その極性の判別ができない。そこで、ブラシレ
スモータの磁気飽和を利用して極性を判断可能にしよう
とするのが、この例である。このため、２通りの位相で
特定期間（固定子の時定数よりも短い期間）だけブラシ
レスモータ１を直流励磁してそのときの電流の増加量を
記憶し、増加量の大小からＮ極，Ｓ極の判断を行なう極
性判別回路１１Ｃを設けている。このとき、永久磁石が
作る磁束と同方向または逆方向に電流を流すが、これは
磁極位置が磁極位置演算回路１１Ｂの出力により分かる
ので、このような方向に電流を流すことは容易である。 なお、このようにするのは磁束と平行な電流は力率０で
あり、モータを回転させない（トルクを出さない）よう
にするためである。磁束と平行となる電流を両方向に流
すと、そのうちのどちらかは磁束と同方向なので、通電
によってモータのギャップ磁束は増磁され、もう一方は
逆方向なので減磁される。モータのギャップは一般に飽
和特性を有しているので、増磁か減磁かにより巻線イン
ダクタンスが変化する。従って、直流励磁して電流の変
化量（ｄｉ／ｄｔ）を検出すれば増磁か減磁、すなわち
Ｎ極かＳ極かを判別できることになる。 【００２２】図５では、磁極位置演算回路１１Ｂから力
率０となる２つの角度θ０ （θ０１，θ０２は互いに
１８０°の角度差がある）を出力して電圧指令値演算回
路１１Ａに与え、この電圧指令値演算回路１１Ａにより
巻線の時定数よりも短い特定期間だけθ０１，θ０２に
応じた角度の直流電圧を指令する。極性判別回路１１Ｃ
は直流励磁から一定時間後の電流値を電流検出器５より
取り込み、２つのデータを比べて大きい方が増磁，小さ
い方が減磁であることから、Ｎ極，Ｓ極の判別が可能と
なる。なお、ＰＷＭ回路８からは直流励磁可能となるよ
うなスイッチングパターンが出力されることは云うまで
もない。 【００２３】以上の２つの巻線を交流励磁するものでは
３通りの組み合わせでしか励磁できないので、ロータと
電流ベクトルの角度によって変化するインダクタンスの
最大値や最小値を必ずしも検出し得るとは限らない。そ
のため、インダクタンスの演算精度が低く、また、各巻
線間インダクタンス値から磁極位置を検出するので、各
巻線のインピーダンスの違いなどが誤差となって磁極位
置の検出精度を高めるのが難しい。そこで、次のように
することが考えられる。図６はこの発明の第５実施例を
示すブロック図である。これは、ブラシレスモータ１と
、モータ１に流れる電流を検出する電流検出器５と、例
えば電圧形ＰＷＭインバータのように各相に指令された
電圧を増幅してモータ１に電圧を印加する電力増幅器７
Ａと、電力増幅器７Ａの各相の電圧指令値を演算する電
圧指令回路１３と、電圧指令値と検出した電流値をもと
に回転子位置を演算する磁極位置演算回路１４とからな
り、モータ１を３相励磁する例である。 【００２４】電圧指令回路１３は主として、モータ１の
各巻線に印加される電圧を空間的に合成した電圧ベクト
ルｖの空間角度の指令値αと、そのベクトルの振幅の指
令値ｖ＊ とを与えられるベクトル回転器１３Ａからな
り、各相の電圧指令値は次式で与えられる。 ｖｕ＝ｖ＊ ・ｃｏｓα
…（９ａ） ｖｖ＝ｖ＊ ・ｃｏｓ（α−１２
０°）
…（９ｂ） ｖｗ＝ｖ＊ ・ｃｏｓ（α＋１
２０°）
…（９ｃ）これらを空間的に合成した電圧ベ
クトルは、指令された空間角度で交番電圧となるのでα
（＝α０ ）は一定値であり、振幅ｖ＊ はＶ０ を一
定値として次式となる。 ｖ＊ ＝Ｖ０ ｓｉｎωｔ
…（１０）これを（９ａ）〜（９ｃ）に代入す
ると次式となる。 ｖｕ＝ｋｕ・Ｖ０ ・ｓｉｎωｔ
…（１
１ａ） ｖｖ＝ｋｖ・Ｖ０ ・ｓｉｎωｔ
…（１１ｂ） ｖｗ＝ｋｗ・Ｖ０ ・ｓｉｎωｔ
…（１１ｃ）ここに、ｋｕ＝ｃｏｓα０ ，ｋｖ
＝ｃｏｓ（α０ −１２０°），ｋｗ＝ｃｏｓ（α０
＋１２０°）である。 【００２５】これらの電圧によってモータ１に流れる各
相の電流は次式となる。 ｉｕ＝ｋｕ・ｉ・ｓｉｎ（ωｔ＋β）
…（１２ａ）
ｉｖ＝ｋｖ・ｉ・ｓｉｎ（ωｔ＋β）
…（１２ｂ）
ｉｗ＝ｋｗ・ｉ・ｓｉｎ（ωｔ＋β）
…（１２ｃ）ただし
、電流の振幅ｉおよび相電圧と上記相電流との位相差β
は、巻線１相当たりのインピーダンスｚを（１３）式で
定義すると、（１４），（１５）式となる。 ｚ＝Ｒ＋ｊωＬ
…（１３） ｉ＝Ｖ０ ／（Ｒ２ ＋ω２
Ｌ２ ）１／２
…（１４） β＝ｔａｎ−
（ωＬ／Ｒ）
…（１５）ここ
で、インダクタンスＬは交流励磁した電圧，電流の空間
角度と磁極位置θとの関係によって、図７のように変化
する。したがって、図６のように相電圧指令値とその相
の電流検出値とからＬを演算し、この結果より磁極位置
を判断するようにする。この場合、Ｌの演算方法として
次の（１６）式の如く電圧，電流の振幅と予め測定して
おいた抵抗値とから演算する方法と、次の（１７）式の
如く電圧，電流の振幅と位相βとから演算する方法とが
ある。 Ｌ＝｛（Ｖ０ ／ｉ）２ −Ｒ２ ｝１／２ ／ω
…
（１６） Ｌ＝（Ｖ０ ／ｉ）・ｓｉｎβ
…（１７）【００２６】こうしてインダクタン
ス値が求められれば、図７を用いることにより磁極位置
を検出することができる。すなわち、図７に示すインダ
クタンス値Ｌは、 Ｌ＝Ｌ０ ＋Ｌａ・ｃｏｓ２θ
…（１８）となり、Ｌ０ ，Ｌａの値
が既知であれば、演算または関数テーブルを用いること
により、まず、０°≦θ＜１８０°，１８０°≦θ＜３
６０°の各領域でそれぞれ２通りの位置を検出すること
ができ、続いて設定角度αを変えて再度検出することに
より、各領域での磁極位置を一義的に求めることができ
る。このため、図６の磁極位置演算回路１４には、１相
分の相電圧指令値と電流検出器５からの電流検出値を取
り込んで上記（１７）式の演算に必要な電圧，電流の位
相差を演算する位相差演算回路１４Ａと、相電圧指令値
と電流検出器５からの電流検出値と既知の巻線抵抗値、
または相電圧指令値と電流検出器５からの電流検出値と
電圧，電流の位相差とから（１６）式または（１７）式
に従ってインダクタンスを演算するインダクタンス演算
回路１４Ｂと、演算したインダクタンス値から磁極位置
を検出する磁極位置検出回路１４Ｃとが設けられている
。したがって、図６は（１７）式を利用する実施例とい
うことになるが、（１６）式を利用する場合は位相差演
算回路１４Ａは不要となる。 【００２７】図８にこの発明の第６実施例を示す。
ここでは、電圧指令回路１３’には交流励磁する際の空
間角度αを順次切り換える空間角度指令回路１３Ｂを設
け、磁極位置演算回路１４’には電圧指令値と電流指令
値との位相差を演算する位相差演算回路１４Ａと、演算
された位相差を記憶する記憶回路１４Ｄと、各空間角度
における位相差のうち最大値または最小値となる空間角
度を判断して、最大値においては電圧の空間角度と永久
磁石が作る磁束とは平行であると判断し、最小値におい
ては垂直と判断する磁極特定位置検出回路１４Ｅとを設
けて構成される。すなわち、この実施例は電圧，電流の
振幅の検出、インダクタンスの演算およびインダクタン
スの値から磁極位置検出のための演算または関数テーブ
ルなしに磁極位置を検出しようとするものである。この
ため、空間角度指令回路１３Ｂから任意の空間角度α０
を指令してこの角度で交流励磁し、この角度における
位相差を位相差演算回路１４Ａで演算し、記憶回路１４
Ｄに記憶する。次に、α０ に対して或る一定角度だけ
変化させたα１ を指令し、同様にその時の位相差を記
憶する。このようにして順次角度を変化させて行き、α
０ に対して１８０°または３６０°変化させたならば
励磁を終了する。そして、記憶した位相差の大小比較を
行ない、最大値である空間角度を磁極と平行と判断し、
最小値を示す角度を磁極と垂直であると判断する。 【００２８】この点について、図９を参照して具体的に
説明する。この図は先の（１１ａ）式，（１２ａ）式で
表わされる電圧，電流波形を示しており、例えば商用周
波数などでは電動機の巻線は誘導性負荷となるので、電
圧（ｕ相の電圧ｖｕ）に対して電流（ｕ相の電流ｉｕ）
は遅れ力率となることを示している。ところで、巻線の
インダクタンスは図７の如く、励磁する空間角度によっ
て変化するので、これに応じて電圧に対する電流の位相
も図９のように変化する。したがって、電圧と電流の位
相差を検出すれば、演算により磁束の位置と励磁した空
間角度との角度差を求めることができ、これから磁極の
位置を検出することができる。ただし、図７のように検
出するインダクタンスと上記角度差の関係より、位相差
が最大となる時はインダクタンスが大きいので角度差が
０°（または１８０°）であり、位相差が最小となる時
はインダクタンスが小さいので角度差が９０°（または
２７０°）となることから、位相差の最大値または最小
値を検出すれば良いことになる。 【００２９】図１０に位相差検出回路の具体例を示す。 これは、コンパレータ１５によって電圧および電流の極
性信号を作り、これらを論理積回路１６に入力すること
によって両者の位相差に比例するパルス幅信号を作成し
、このパルス幅信号をパルス幅計測回路１７で計測して
位相差βを検出するもので、公知のディジタル回路にて
極めて容易に構成することができる。 【００３０】図１１にこの発明の第７実施例を示す。こ
れは、図６に示すものとほとんど同じであるが、３相の
電圧指令値と３相の電流指令値のうちの各１相ずつを選
択する切換スイッチ６Ａ，６Ｂを設けた点が特徴である
。この切換スイッチ６Ａ，６Ｂは空間角度指令値αによ
って切り換えられ、（９ａ）〜（９ｃ）式で示される電
圧指令の中で振幅が最大値となる相を選択するようにし
たものである。すなわち、αとの関係は以下のようにな
る。 −６０°＜α≦６０° ：ａ相を選択する６０°
＜α≦１８０° ：ｂ相を選択する１８０°＜α≦３
００° ：ｃ相を選択するその他の点は図６の場合と
同様なので、詳細は省略する。図６以下の説明では、す
べて交流励磁する電源を電圧源としており、電圧と電流
の位相差を検出するために、電圧指令値と検出した電流
値とを利用するようにしている。そこで、電流制御付き
の電源、例えば電流制御ループを有する電圧形インバー
タを用いる場合は、電流指令値と検出した電圧とから位
相差を求めるようにしても良く、電圧検出値の代わりに
電流制御ループ内の電圧指令値を用いるようにしても良
い。 【００３１】 【発明の効果】この発明によれば、３相ブラシレスモー
タの２つの巻線間を交流励磁することによって発生する
微小振動による逆起電圧のために位置の関数となる線間
インダクタンスを測定することにより、停止時において
も磁極位置検出が可能となり、ブラシレスモータを用い
たサーボシステムの磁極位置センサを不要とすることが
できる。また、線間インダクタンスを測定するに当たり
、ＰＷＭインバータまたは電流マイナループ付ＰＷＭイ
ンバータを用いることにより、インダクタンスを測定す
る電源とモータを駆動する回路を共通にできるため、コ
ストを低減することができる。さらに、検出された磁極
位置から力率０の角度に直流励磁し、そのときの直流電
流の変化量からＮ極，Ｓ極の極性判断ができるだけでな
く、トルク指令値と発生トルクの極性が互いに逆の関係
とならないようにすることが可能である。３相巻線を用
い、予め設定した空間角度で交流励磁するようにすれば
、磁極位置に対し任意の空間角度にて励磁できるので、
インダクタンスの変化から磁極位置を検出する場合の検
出精度を向上させることができる。また、交流励磁する
空間角度を或る角度ずつ変化させそれぞれの角度におい
て励磁した電圧と電流との位相差を検出し、その位相差
が最大となる設定角度を磁束と平行と判断し、最小の設
定角度を磁束と直交と判断するアルゴリズムを採用すれ
ば、複雑なインダクタンスの演算と角度演算が不要とな
り、磁極位置検出アルゴリズムが著しく簡単となり、検
出に必要なコストまたはを低減することができ、マイク
ロプロセッサを用いた場合はその実行時間を短縮するこ
とができる。さらに、上記アルゴリズムを採用する場合
に、位相差を検出する相として指令電圧が最大となる相
を選択し、かつその選択に当たっては設定した空間角度
を用いるようにすれば、精度をより一層向上させること
ができる。
【図１】この発明の第１実施例を示す構成図である。
【図２】この発明の第２実施例を示す構成図である。
【図３】この発明の第３実施例を示す構成図である。
【図４】電流制御回路の具体的構成を示すブロック図で
ある。
ある。
【図５】この発明の第４実施例を示す構成図である。
【図６】この発明の第５実施例を示す構成図である。
【図７】交流励磁するために設定された空間角度と、磁
極がつくる磁束との空間角度差θと相インダクタンスの
関係を説明するための説明図である。
極がつくる磁束との空間角度差θと相インダクタンスの
関係を説明するための説明図である。
【図８】この発明の第６実施例を示す構成図である。
【図９】交流励磁した際の電圧と電流の関係を説明する
ための説明図である。
ための説明図である。
【図１０】位相差検出回路の具体例を示すブロック図で
ある。
ある。
【図１１】この発明の第７実施例を示す構成図である。
【図１２】２相間を交流励磁した場合の磁極位置と線間
インダクタンスとの関係を説明するための説明図である
。
インダクタンスとの関係を説明するための説明図である
。
【図１３】図１１に示す磁極位置と３相巻線との空間的
な位置関係を説明するための説明図である。
な位置関係を説明するための説明図である。
【図１４】励磁電流と逆起電圧との関係を説明するため
の波形図である。
の波形図である。
１ ブラシレスモータ
２ パルスエンコーダ（ＰＥ）
３ 交流電源
４ 電圧検出器
５ 電流検出器
６ 切換スイッチ
７ 電圧形ＰＷＭインバータ
８ ＰＷＭ回路
９ 電流制御回路
６Ａ 切換スイッチ
６Ｂ 切換スイッチ
７Ａ 電力増幅器
９Ａ 加減算器
９Ｂ 電流調節器
９Ｃ ＰＷＭ回路
１０ 制御回路
１１ 制御回路
１２ 制御回路
１３ 電圧指令回路
１３’電圧指令回路
１４ 磁石位置演算回路
１４’磁石位置演算回路
２０ 永久磁石
１１Ａ 電圧指令値演算回路
１１Ｂ 磁極位置演算回路
１１Ｃ 極性判別回路
１２Ａ 電流指令値演算回路
１２Ｂ 磁極位置演算回路
１３Ａ ベクトル回転器
１３Ｂ 空間角度指令回路
１４Ａ 位相差演算回路
１４Ｂ インダクタンス演算回路
１４Ｃ 磁極位置検出回路
１４Ｄ 記憶回路
１４Ｅ 磁極特定位置検出回路
Claims (8)
- 【請求項１】 固定子巻線と永久磁石を持つ回転子と
からなる３相ブラシレスモータと、この固定子巻線のう
ちの２つの相を交流励磁する交流電源と、この交流電源
からの出力電圧，出力電流をそれぞれ検出する電圧，電
流検出手段と、この電圧，電流検出手段の出力値からイ
ンダクタンスを演算する演算手段と、その演算値から前
記回転子の位置を判断する判断手段とを備え、３相巻線
のうちの少なくとも２通り以上の組み合わせで前記固定
子巻線の２つの相を交流励磁し、その結果前記演算手段
を介して得られる少なくとも２通りの巻線インダクタン
ス値にもとづき、前記判断手段にて回転子の停止位置を
検出することを特徴とするブラシレスモータの回転子位
置検出装置。 - 【請求項２】 固定子巻線と永久磁石を持つ回転子と
からなる３相ブラシレスモータと、この固定子巻線のう
ちの２つの相を交流励磁し電圧形ＰＷＭインバータから
なる交流電源と、この交流電源の出力電流を検出する電
流検出手段と、前記電圧形ＰＷＭインバータの電圧指令
値と電流検出値とからインダクタンスを演算する演算手
段と、その演算値から前記回転子の位置を判断する判断
手段とを備え、３相巻線のうちの少なくとも２通り以上
の組み合わせで前記固定子巻線の２つの相を交流励磁し
、その結果前記演算手段を介して得られる少なくとも２
通りの巻線インダクタンス値にもとづき、前記判断手段
にて回転子の停止位置を検出することを特徴とするブラ
シレスモータの回転子位置検出装置。 - 【請求項３】 固定子巻線と永久磁石を持つ回転子と
からなる３相ブラシレスモータと、この固定子巻線のう
ちの２つの相を交流励磁し電流マイナループ付き電圧形
ＰＷＭインバータからなる交流電源と、この交流電源の
出力電圧を検出する電圧検出手段と、前記電流マイナル
ープ付き電圧形ＰＷＭインバータの電流指令値と電圧検
出値とからインダクタンスを演算する演算手段と、その
演算値から前記回転子の位置を判断する判断手段とを備
え、３相巻線のうちの少なくとも２通り以上の組み合わ
せで前記固定子巻線の２つの相を交流励磁し、その結果
前記演算手段を介して得られる少なくとも２通りの巻線
インダクタンス値にもとづき、前記判断手段にて回転子
の停止位置を検出することを特徴とするブラシレスモー
タの回転子位置検出装置。 - 【請求項４】 固定子巻線と永久磁石を持つ回転子と
からなる３相ブラシレスモータと、固定子巻線のうち３
相巻線を用いて任意の空間角度で直流励磁し電圧形ＰＷ
Ｍインバータからなる直流電源と、この直流電源からの
出力電流を検出する電流検出手段と、前記電圧形ＰＷＭ
インバータの電圧指令値と電流検出値とからインダクタ
ンスを演算する演算手段と、その演算値から前記回転子
の位置を判断する判断手段とを備え、前記判断手段を介
して得られる回転子位置から力率が零となる空間的に１
８０角度の異なる位置で、それぞれ巻線時定数よりも短
い時間だけ直流励磁し、前記電流検出手段により２つの
角度における直流励磁期間中の或る一定期間における電
流増加の大小から回転子にある永久磁石のＮ極，Ｓ極の
判別を可能にしてなることを特徴とするブラシレスモー
タの回転子位置検出装置。 - 【請求項５】 固定子巻線と永久磁石を持つ回転子と
からなる３相ブラシレスモータと、電圧形ＰＷＭインバ
ータからなる交流電源と、この交流電源に対し電圧指令
値を与える電圧指令回路と、この電圧指令値と電流検出
値とから電圧，電流の位相差を演算する位相差演算手段
と、前記交流電源を介して任意の空間角度で固定子の３
相巻線を交番電圧にて交流励磁したときの電圧指令値，
電流検出値と予め既知の巻線抵抗値、または電圧指令値
，電流検出値と前記位相差演算手段を介して得られる電
圧，電流の位相差とから巻線インダクタンスを演算する
演算手段とを備え、その演算値から前記回転子の位置を
検出することを特徴とするブラシレスモータの回転子位
置検出装置。 - 【請求項６】 固定子巻線と永久磁石を持つ回転子と
からなる３相ブラシレスモータと、電圧形ＰＷＭインバ
ータからなる交流電源と、この交流電源に対し電圧指令
値を与える電圧指令回路と、この電圧指令値と電流検出
値とから電圧，電流の位相差を演算する位相差演算手段
と、前記交流電源を介して任意の空間角度で固定子の３
相巻線を交番電圧にて交流励磁したとき前記位相差演算
手段にて演算される位相差を記憶する記憶手段と、前記
空間角度を最初に設定した空間角度から電気角で１８０
度または３６０度になるまで或る所定の角度ずつ順次変
化させて行きながら、その都度演算される電圧，電流の
位相差を前記記憶手段に順次記憶して行き、この記憶さ
れた位相差が最大の空間角度をもって永久磁石がつくる
磁束と直交しているものと判断し、前記位相差が最小の
空間角度をもって永久磁石がつくる磁束と平行している
ものと判断することを特徴とするブラシレスモータの回
転子位置検出装置。 - 【請求項７】 前記交流励磁するときの電圧指令値の
中で最大の振幅となる相を選択する選択手段を付加し、
選択された相の電圧指令値とこれに対応する電流検出値
とから位相差を検出することを特徴とする請求項６に記
載のブラシレスモータの回転子位置検出装置。 - 【請求項８】 前記交流電源を電流マイナループ付き
の電圧形ＰＷＭインバータとして前記電圧指令回路の代
わりに電流指令回路を設け、前記位相差をこの電流指令
回路からの電流指令値と電圧検出値とから演算すること
を特徴とする請求項５ないし７のいずれかに記載のブラ
シレスモータの回転子位置検出装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3174981A JPH04359691A (ja) | 1991-03-22 | 1991-07-16 | ブラシレスモータの回転子位置検出装置 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8108791 | 1991-03-22 | ||
| JP3-81087 | 1991-03-22 | ||
| JP3174981A JPH04359691A (ja) | 1991-03-22 | 1991-07-16 | ブラシレスモータの回転子位置検出装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04359691A true JPH04359691A (ja) | 1992-12-11 |
Family
ID=26422127
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3174981A Pending JPH04359691A (ja) | 1991-03-22 | 1991-07-16 | ブラシレスモータの回転子位置検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04359691A (ja) |
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