JP4045747B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータ制御装置の電流検出方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＣＰＵ・周辺ＩＣの進歩により、制御のディジタル化は一般的となり、アナログ制御では実現困難な制御を行うことで、機器の高性能・高機能化に大きく貢献している。これは高速演算が必要とされる電流制御においても例外ではなく、マイコン・ＤＳＰ・モータ制御用ＬＳＩなどを用いて、さまざまな電流制御が実用化されている。
【０００３】
ここで、一般的なモータ制御装置の電流制御ブロック図について説明する。
【０００４】
図１４において、サーボアンプ３は、３相モータ１に取り付けられたエンコーダ２からモータ位置情報を得る。電流検出器４で得られた３相電流検出値は、モータ位置に応じてｄ−ｑ変換器５を通じてロータと共に回転するｄ−ｑ軸の２相電流に変換される。これらは電流制御器６で電流指令と比較され、ｄ−ｑ軸上での電圧指令が生成される。この電圧指令は３相変換器７を通じて３相電圧指令に変換され、ＰＷＭ回路８により実際に３相モータの各相へ電圧が印加される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、アナログ制御と比較すると、図１４のディジタル演算部９には必ず電流制御演算遅れが存在する。またＰＷＭ回路８でも実際に電圧指令値がモータ電圧に反映されるまでには、平均ＰＷＭ周期の１／４の遅れがある。
【０００６】
さらに、電流検出器４の応答特性などを合わせたこれらの遅れは、電流制御系の位相遅れ要素となり、電流応答性向上の大きな妨げとなっていた。
【０００７】
電流制御演算遅れについては、電流制御周期を短くすることで小さくできるが、これには高性能なＣＰＵを用いる必要があり、コスト面での限界が生ずる。
【０００８】
また、ディジタル制御を行っている限り、この遅れは０にはならないことから、アナログ制御による電流制御系に対しては、応答性が劣るという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、電流制御の位相遅れを補償し、電流制御系の応答性を向上させる手段を備えたモータ制御装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明は、３相モータの各相の電圧指令値と電流検出値からモータ１相分のモデルを用いて現在の電流値を推定するカレントオブザーバと、各相の電圧指令値と電流検出値からモータ１相分のモデルを用いて現在の外乱電圧を最小次元オブザーバで推定する外乱オブザーバとから成る電流検出オブザーバと、前記電流検出オブザーバの出力を用いて電流を推定する電流予測部とを備え、前記電流検出オブザーバは、カレントオブザーバで使用する１回前の外乱電圧Ｅｕ（ｎ−１）に外乱オブザーバの過去の推定値Ｅｕ＾（ｎ−１）と、前記外乱オブザーバで使用する１回前の電流検出値Ｉｕ（ｎ−１）にカレントオブザーバの過去の推定値Ｉｕ＾（ｎ−１）とを用いて電流検出時点の電流推定値を計算し、前記電流予測部は、モータ１相分のモデルを用いて演算周期の整数倍だけ未来の電流推定値を計算し、補間した電流推定値を電流制御に使用することで、遅れの少ない滑らかな電流検出値を得ると共に、モータモデルを用いて、設定される時間だけ未来の電流情報を推定して電流検出値として用い、電流制御の位相遅れを補償し、応答性を向上させることが可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
上記の課題を解決するために本発明は、３相モータの各相の電圧指令値と電流検出値からモータ１相分のモデルを用いて現在の電流値を推定するカレントオブザーバと、各相の電圧指令値と電流検出値からモータ１相分のモデルを用いて、現在の外乱電圧を最小次元オブザーバで推定する外乱オブザーバとから成る電流検出オブザーバと、前記電流検出オブザーバの出力を用いて電流を推定する電流予測部とを備え、前記電流検出オブザーバは、カレントオブザーバで使用する１回前の外乱電圧Ｅｕ（ｎ−１）に外乱オブザーバの過去の推定値Ｅｕ＾（ｎ−１）と、前記外乱オブザーバで使用する１回前の電流検出値Ｉｕ（ｎ−１）にカレントオブザーバの過去の推定値Ｉｕ＾（ｎ−１）とを用いて電流検出時点の電流推定値を計算し、前記電流予測部は、モータ１相分のモデルを用いて演算周期の整数倍だけ未来の電流推定値を計算し、補間した電流推定値を電流制御に使用することで、遅れが小さくばらつきの少ない、電流検出時点での電流推定値が得られる。
【００１２】
また、電流検出オブザーバで推定された電流検出時点の電流推定値から、モータ１相分のモデルを用いて、演算周期の整数倍だけ未来の電流推定値を計算して電流制御に用い、電流制御演算の結果が反映される未来の時点の電流値を予測することで、電流制御の位相遅れを補償し、電流制御の応答性を向上させることができる。
【００１３】
また、演算周期の整数倍未来の電流推定値を補間して、設定時間だけ未来の電流推定値を計算して電流制御に用いるので、より精度よく、電流制御全体の位相遅れを補償することができる。
【００１４】
また、電流検出オブザーバで用いる電圧指令値と電流検出値について、移動平均フィルタを通した値を電流検出オブザーバの計算に用いるので、電流検出値の変動による電流推定のばらつきが大きくなる現象を抑え、推定精度を向上させることができる。
【００１５】
また、電流検出オブザーバで推定された外乱電圧推定値を電圧指令値から減算するもので、外乱電圧の抑圧特性を向上させ、誘起電圧やデッドタイムにより生じる誤差電圧の電流制御への影響を、ｄ−ｑ座標上での制御演算で行われる補償と比較して、より高速に抑えることができる。
【００１６】
また、モータ１相分のモデルに、モータ回転速度に比例した誘起電圧を外乱電圧として含めるもので、外乱推定からあらかじめ推測できる誘起電圧分を除くことができ、全体としての外乱電圧の推定速度を高め、電流制御への影響をより高速に抑圧することができる。
【００１７】
さらに、モータ１相分のモデルに、モータ電流の関数で表されるデッドタイム誤差電圧を外乱電圧として含めることで、外乱推定からあらかじめ推測できるデッドタイムにより生ずる電圧誤差分を除くことができ、全体としての外乱電圧の推定速度を高め、電流制御への影響をより高速に抑圧することができる。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図を参照しながら説明する。
【００１９】
（実施例１）
図１は、電流検出オブザーバの構成を表すブロック図で、電流検出オブザーバは、モータ１相分の電圧指令値と電流指令値から現在の電流値と電圧外乱値を推定する。この電流検出オブザーバは（数１）で表すことができる。
【００２０】
【数１】
【００２１】
この（数１）の記号の意味と導出方法について、以下に説明する。
【００２２】
３相モータのＵ相・Ｖ相・Ｗ相は、図２のブロック図に示すように、ｓ領域で記された（数２）のモータ１相分モデル（連続系）で表すことができる。
【００２３】
【数２】
【００２４】
この（数２）を連続系の状態方程式に直すと（数３）となる。
【００２５】
【数３】
【００２６】
これをディジタル演算に便利なように離散化すると、図３に示すようにｚ領域で記されたモータ１相分モデル（離散系）となる。
【００２７】
この例では遅れ時間Ｔを、電流制御演算１回とその他の遅れ要素を見込んで、演算周期の２倍と考えている。
状態方程式は（数４）で表される。
【００２８】
【数４】
【００２９】
このモータ１相分モデルを用いて、ｎ回目の電流値に対するカレントオブザーバを構成すると図４のようになり、（数５）で表される。
【００３０】
【数５】
【００３１】
また、外乱電圧に対しては、観測できる電流検出値を用いて、最小次元オブザーバが（数６）のように構成できる。
【００３２】
【数６】
【００３３】
これを変形すると、図５に対応した（数７）で表現できる。
【００３４】
【数７】
【００３５】
図４と図５を比較すると、モータ１相分のモデル部（式でｚ１、ｚ２を算出する部分）は、Ｉｕ（ｎ−１）とＥｕ（ｎ−１）に実測値を用いるか推測値を用いるかの違いがあるだけなので、互いのオブザーバの推測値Ｉｕ＾（ｎ−１）とＥｕ＾（ｎ−１）を計算に用いることで、ｚ１（ｎ）＝ｚ２（ｎ）となり処理を共用化できる。
【００３６】
そこで、ｚ１（ｎ）＝ｚ２（ｎ）をｚ（ｎ）で置き換えてまとめると、図１および（数１）に示す電流検出オブザーバが構成できる。
【００３７】
この電流検出オブザーバにおける電流推定値Ｉｕ＾（ｎ）は、カレントオブザーバゲインＫ１により真値Ｉｕ（ｎ）への収束を調節できるため、検出雑音などの影響を低減し、ばらつきの少ない推定値を得ることができる。
【００３８】
また、同時に推定される外乱電圧Ｅｕ＾（ｎ）は、後述の実施例５のようにフィードフォワードで外乱を抑圧するために用いることができる。
【００３９】
（実施例２）
本発明の実施例２について、図６のブロック図に示す。
【００４０】
実施例１で得られた高精度な電流検出値Ｉｕ＾（ｎ）を、モータ１相分モデルに通すことで、１演算周期先の電流予測値Ｉｕ＾（ｎ＋１）が（数８）より得られる。
【００４１】
【数８】
【００４２】
また、外乱電圧Ｅｕ（ｎ）の演算周期間の変化が十分小さいと仮定すれば、現在の推定値Ｅｕ＾（ｎ）を用いて、２周期先の電流予測値Ｉｕ＾（ｎ＋２）が（数９）より得られる。
【００４３】
【数９】
【００４４】
電圧指令Ｖｕ（ｎ）は、現時点の電流検出値あるいは電流予測値より算出されることから、この実施例では２周期先までの推定が限界である。つまり、電圧指令が実際に電流変化となって検出されるまでの遅れ時間と同じだけ未来まで、同じ方法で電流予測値を得ることができる。
【００４５】
この電流予測値Ｉｕ＾（ｎ＋１）あるいはＩｕ＾（ｎ＋２）を電流検出値として制御に用いることで、電流制御系の位相遅れが補償されるため、電流制御の応答性を大きく改善することができる。
【００４６】
（実施例３）
本発明の実施例３について、図７のブロック図に示す。
【００４７】
図６で得られる未来の予測値に、Ｗ１・Ｗ２・Ｗ３といった重みをつけて平均することで、電流予測値の補間を行い、演算周期の整数倍に限らない未来の時点での電流予測値を、（数１０）のように得ることができる。
【００４８】
【数１０】
【００４９】
これにより、電流制御に存在する遅れ時間に対して正確な補償を行うことができるため、電流制御の特性を最適化することが可能となる。
【００５０】
（実施例４）
本発明の請求項２の実施例を、図８のブロック図に示す。
【００５１】
図１との違いは、電圧指令値Ｖｕ（ｎ）および電流検出値Ｉｕ（ｎ）に移動平均フィルタ（ここでは２回平均）がある点である。電流検出値には雑音成分が必ずあり、カレントオブザーバの効果で多少は軽減できるが、電流予測を行う段階で再び影響が増加する。
【００５２】
実施例４は、この電流検出雑音の影響をオブザーバへの入力時点で減らす効果がある。電圧指令にも同じ移動平均フィルタを入れることで、同期性を維持する。特に電流検出値の変動には、偶数回の周期性がある場合が多く、２回の移動平均をとることが雑音除去と位相遅れのトレードオフの関係から望ましい。
【００５３】
（実施例５）
本発明の請求項３の実施例を、図９のブロック図に示す。
【００５４】
図１との違いは、電流検出オブザーバで推定された外乱電圧値Ｅｕ（ｎ）を、以降の電圧指令Ｖｕ（ｎ）より引くことにある。外乱電圧分がフィードフォワード的に補償され、外乱電圧に対する抑圧特性が向上することで、電流指令への追従が良くなる効果が得られる。
【００５５】
（実施例６）
本発明の請求項４の実施例を、図１０のブロック図に示す。
【００５６】
図１との違いは、モータの回転速度と位置により推定できる誘起電圧分を、モータモデルに含めることにある。このときのモータ１相分モデル（連続系）は図１１のようになり、（数１１）で表される。
【００５７】
【数１１】
【００５８】
このモデルを用いることにより、外乱電圧値Ｅｕ（ｎ）のうち推定可能な分が補償されるため、外乱電圧推定値Ｅｕ＾（ｎ）の真値Ｅｕ（ｎ）への応答性を改善することができる。特に誘起電圧の周波数が高くなる、高速回転時の外乱電圧推定において改善効果が大きい。
【００５９】
（実施例７）
本発明の請求項５の実施例を、図１２のブロック図に示す。
【００６０】
図１との違いは、モータ電流の関数で推定できるデッドタイムによる電圧誤差分を、モータモデルに含めることにある。このときのモータ１相分モデル（連続系）は図１３のようになり、（数１２）で表される。
【００６１】
【数１２】
【００６２】
このモデルを用いることにより、実施例６と同様に外乱電圧値Ｅｕ（ｎ）のうち推定可能な分が補償されるため、外乱電圧推定値Ｅｕ＾（ｎ）の真値Ｅｕ（ｎ）への応答性を改善することができる。
【００６３】
特にｄ−ｑ座標系でなく、３相座標系でオブザーバを構成する利点がここにある。３相側で電流＝０近辺を除けば直流成分と見なせるデッドタイム誤差電圧は、ｄ−ｑ座標系では電流周波数の整数倍の周波数をもつ外乱となるため、本発明のようなフィードフォワード的補償が困難である。
【００６４】
また、オブザ−バにより推定しようとしても、変化の早い外乱の推定には、オブザーバの収束速度を早くとる必要が生じ、安定性が問題となる。逆に実施例６で挙げた誘起電圧の補償は、ｄ−ｑ座標系では直流成分となるため有利である。これらの長所・短所を活かす形で、３相座標側とｄ−ｑ座標側のオブザーバを組み合わせることも、電流制御の改善に効果があると考える。
【００６５】
【発明の効果】
上記の実施例から明らかなように、請求項１記載の発明によれば、電流検出オブザーバによる遅れが小さくばらつきの少ない、電流検出時点での電流推定値が得られ、高精度な電流制御が可能となる。
【００６６】
また、電流制御演算の結果が遅れ時間後に反映される未来の時点の電流値を予測することで、電流制御の位相遅れを補償でき、電流制御の応答性を向上させることができる。
【００６７】
また、未来の電流推定値を補間することで、より精度よく、電流制御全体の位相遅れを補償することができる。
【００６８】
また、請求項２記載の発明によれば、電流検出オブザーバで用いる電圧指令値と電流検出値を移動平均フィルタに通すことで、電流推定のばらつきを抑え、推定精度を向上させる効果がある。
【００６９】
また、請求項３記載の発明によれば、外乱電圧推定値を電圧指令から減算することで、外乱応答を向上させ、誘起電圧やデッドタイムにより生じる誤差電圧の電流制御への影響を、ｄ−ｑ座標上での制御演算で行われる補償と比較して、より高速に抑圧することができる。
【００７０】
また、請求項４記載の発明によれば、誘起電圧分をあらかじめ補償することで、全体としての外乱電圧の推定速度を高め、電流制御への影響をより高速に抑圧することができる。
【００７１】
さらに、請求項５記載の発明によれば、デッドタイム誤差電圧をあらかじめ補償することで、請求項４同様に外乱電圧の推定速度を高め、電流制御への影響を抑圧することができる。
【００７２】
このように、本発明による各種の電流検出方式を適用することで、電流制御の位相遅れを補償でき、電流制御系の応答性が向上したモータ制御装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例１における電流検出オブザーバの構成を表すブロック図
【図２】 本発明の実施例１におけるモータ１相分のモデル（連続系）ブロック図
【図３】 本発明の実施例１におけるモータ１相分のモデル（離散系）ブロック図
【図４】 本発明の実施例１におけるカレントオブザーバの構成を表すブロック図
【図５】 本発明の実施例１における外乱オブザーバの構成を表すブロック図
【図６】 本発明の実施例２における電流検出オブザーバの構成を表すブロック図
【図７】 本発明の実施例３における電流検出オブザーバの構成を表すブロック図
【図８】 本発明の実施例４における電流検出オブザーバの構成を表すブロック図
【図９】 本発明の実施例５における電流検出オブザーバの構成を表すブロック図
【図１０】 本発明の実施例６における電流検出オブザーバの構成を表すブロック図
【図１１】 本発明の実施例６における誘起電圧を含むモータ１相分のモデル（連続系）ブロック図
【図１２】 本発明の実施例７における電流検出オブザーバの構成を表すブロック図
【図１３】 本発明の実施例７におけるデッドタイム誤差電圧を含むモータ１相分のモデル（連続系）ブロック図
【図１４】 従来の電流制御を表すブロック図
【符号の説明】
１ ３相モータ
３ サーボアンプ
４ 電流検出器
８ ＰＷＭ回路

Claims (5)

1. ３相モータの各相の電圧指令値と電流検出値からモータ１相分のモデルを用いて現在の電流値を推定するカレントオブザーバと、各相の電圧指令値と電流検出値からモータ１相分のモデルを用いて現在の外乱電圧を最小次元オブザーバで推定する外乱オブザーバとから成る電流検出オブザーバと、前記電流検出オブザーバの出力を用いて電流を推定する電流予測部とを備え、前記電流検出オブザーバは、カレントオブザーバで使用する１回前の外乱電圧Ｅｕ（ｎ−１）に外乱オブザーバの過去の推定値Ｅｕ＾（ｎ−１）と、前記外乱オブザーバで使用する１回前の電流検出値Ｉｕ（ｎ−１）にカレントオブザーバの過去の推定値Ｉｕ＾（ｎ−１）とを用いて電流検出時点の電流推定値を計算し、前記電流予測部は、モータ１相分のモデルを用いて演算周期の整数倍だけ未来の電流推定値を計算し、補間した電流推定値を電流制御に使用するモータ制御装置。
2. 電流検出オブザーバで用いる電圧指令値と電流検出値について、移動平均フィルタを通した値を電流検出オブザーバの計算に用いる請求項１記載のモータ制御装置。
3. 電流検出オブザーバで推定された外乱電圧推定値を電圧指令値から減算する請求項１記載のモータ制御装置。
4. モータ１相分のモデルに、モータ回転速度に比例した誘起電圧を外乱電圧として含める請求項１記載のモータ制御装置。
5. モータ１相分のモデルに、モータ電流の関数で表されるデッドタイム誤差電圧を外乱電圧として含める請求項１記載のモータ制御装置。