JP5542168B2

JP5542168B2 - 電動機の制御装置

Info

Publication number: JP5542168B2
Application number: JP2012101267A
Authority: JP
Inventors: 雅彦秋山; 裕司蓑田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2012-04-26
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2032-04-26
Also published as: JP2013230035A

Description

本発明は、電動機の制御装置に関する。

従来、例えば電動機の磁極位置を直接的に検出するセンサを省略したセンサレス制御装置において、電動機の起動時に、電動機の誘起電圧に基づく磁極位置に無関係に通電を行なう運転モード（他制制御）から、電動機の誘起電圧に基づく磁極位置に応じた通電を行なう運転モード（自制制御）へと切り替える場合に、電動機の印加電圧を増大させるセンサレス制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−６９８６６号公報

ところで、上記従来技術に係るセンサレス制御装置によれば、電動機の起動時における他制制御から自制制御への切り替え時は、電動機の加速状態であることに加えて、磁極位置に関する情報が少ないことから、所望の切り替え回転速度を大きく超えた回転速度で他制制御から自制制御に移行する場合が生じる。
このような場合において、さらに、他制制御から自制制御への切り替え前後において電動機の印加電圧が増大させられると、より一層、回転速度が増大してしまい、所望の切り替え回転速度に対して過大なオーバーシュートが発生するという問題が生じる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、電動機の制御を他制制御から自制制御へと切り替えるときに回転速度が所望の切り替え回転速度に対して過大にオーバーシュートすることを抑制することが可能な電動機の制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明の請求項１に係る電動機の制御装置は、電動機（例えば、実施の形態でのモータ１１）を駆動する駆動回路（例えば、実施の形態でのインバータ１３）と、前記電動機の誘起電圧に基づいて磁極位置を検出する磁極位置検出手段（例えば、実施の形態での磁極位置検出回路２３または磁極位置推定部）と、前記磁極位置に基づいて他制制御および自制制御を切り替えて実行し、前記駆動回路を制御する制御手段（例えば、実施の形態でのモータ制御装置１４）と、を備え、前記制御手段は、前記電動機の電流を制御して指令電圧値を出力する電流制御手段（例えば、実施の形態での電流制御部３７）と、前記磁極位置に基づいて前記電動機の回転速度を演算する回転速度演算手段（例えば、実施の形態での回転速度推定部３１）と、を備え、前記制御手段は、前記他制制御の実行時に、前記電動機の回転速度に関わらずに前記電流に対する指令電流値を所定固定値あるいは該所定固定値に向かい徐々に変化する所定値とし、かつ前記指令電圧値を、前記他制制御の実行から前記自制制御の実行に切り替える所定回転速度、並びに前記電動機および前記駆動回路に通電可能な最大電流値に応じた所定制限値以下に制限し、前記回転速度が前記所定回転速度以上となった場合に前記他制制御の実行から前記自制制御の実行に切り替える。

さらに、本発明の請求項２に係る電動機の制御装置では、前記制御手段は、前記電動機の回転速度を制御して前記指令電流値を出力する速度制御手段（例えば、実施の形態での速度制御部３４）を備え、前記速度制御手段は、前記制御手段によって前記他制制御の実行から前記自制制御の実行に切り替えられるときに、前記指令電流値を前記他制制御での前記指令電流値または実電流値とする。

さらに、本発明の請求項３に係る電動機の制御装置では、前記制御手段は、前記所定固定値を少なくとも前記電動機および前記駆動回路に通電可能な最大電流値とする。

本発明の第１態様に係る電動機の制御装置によれば、電動機の磁極位置にかかわらずに回転磁界を発生させる他制制御から電動機の磁極位置に応じて回転磁界を発生させる自制制御への切り替えに先立って、他制制御の実行時に、電動機の電流に対する指令電流値を所定固定値あるいは該所定固定値に向かい徐々に変化する所定値とし、かつ電動機の電圧に対する指令電圧値を所定制限値以下に制限する。
これにより、電動機に所定制限値を超える電圧が印加されることに起因して過大な回転速度が発生することを防止し、他制制御から自制制御への切り替え時に、電動機の電流を指令電流値よって制御しつつ、回転速度が所定回転速度に対して過大にオーバーシュートすることを抑制することができる。

さらに、本発明の第２態様に係る電動機の制御装置によれば、他制制御から自制制御に切り替えられることに伴い、回転速度に対する制御での指令電流値、つまり自制制御の実行時の指令電流値の初期値（例えば、フィードバック制御での積分項の初期値など）を、他制制御の実行時の指令電流値あるいは実際の電流値（実電流値）とすることによって、電動機の回転速度が意図せずに低下してしまうことを防止することができる。

さらに、本発明の第３態様に係る電動機の制御装置によれば、電動機の起動時における回転速度の立ち上がりを早めることができ、的確に電動機を起動させることができるとともに、他制制御から自制制御への切り替えを早期に実施することができる。

本発明の実施形態に係る電動機の制御装置の構成図である。本発明の実施形態に係る電動機の制御装置による電動機の起動時における回転速度の変化の一例を示す図である。

以下、本発明の電動機の制御装置の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。

この実施形態による電動機の制御装置１０は、例えば３相交流のブラシレスＤＣモータ１１（以下、単に、モータ１１と呼ぶ）を、回転角度を直接的に検出すること無しに制御するものであって、このモータ１１は、界磁に利用する永久磁石を有する回転子と、この回転子を回転させる回転磁界を発生する固定子とを備えて構成されている。
そして、電動機の制御装置１０は、例えば図１に示すように、バッテリ１２を直流電源とするインバータ１３と、モータ制御装置１４とを備えて構成されている。

この３相（例えば、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相）交流のモータ１１の駆動はモータ制御装置１４から出力される制御指令を受けてインバータ１３によりおこなわれる。
インバータ１３は、スイッチング素子（例えば、ＭＯＳＦＥＴ：Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor）を複数用いてブリッジ接続してなるブリッジ回路１３ａと平滑コンデンサＣとを具備し、このブリッジ回路１３ａがパルス幅変調（ＰＷＭ）された信号によって駆動される。

このブリッジ回路１３ａでは、例えば各相毎に対をなすハイ側およびロー側Ｕ相トランジスタＵＨ，ＵＬと、ハイ側およびロー側Ｖ相トランジスタＶＨ，ＶＬと、ハイ側およびロー側Ｗ相トランジスタＷＨ，ＷＬとがブリッジ接続されている。
そして、各トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨはドレインがバッテリ１２の正極側端子に接続されてハイサイドアームを構成し、各トランジスタＵＬ，ＶＬ，ＷＬはソースがバッテリ１２の接地された負極側端子に接続されてローサイドアームを構成している。

さらに、各相毎に、ハイサイドアームの各トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨのソースはローサイドアームの各トランジスタＵＬ，ＶＬ，ＷＬのドレインに接続され、各トランジスタＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬのドレイン−ソース間には、ソースからドレインに向けて順方向となるようにして、各ダイオードＤＵＨ，ＤＵＬ，ＤＶＨ，ＤＶＬ，ＤＷＨ，ＤＷＬが接続されている。

インバータ１３は、例えばモータ１１の駆動時などにおいてモータ制御装置１４から出力されて各トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨ，ＵＬ，ＶＬ，ＷＬのゲートに入力されるスイッチング指令であるゲート信号（つまり、ＰＷＭ信号）に基づき、各相毎に対をなす各トランジスタのオン（導通）／オフ（遮断）状態を切り替える。
これによって、バッテリ１２から供給される直流電力を３相交流電力に変換し、３相のステータ巻線への通電を順次転流させることで、各相のステータ巻線に交流のＵ相電流ＩｕおよびＶ相電流ＩｖおよびＷ相電流Ｉｗを通電する。

モータ制御装置１４は、例えば、モータ１１のステータ巻線に通電される各相電流を制御するとともに、モータ１１の回転速度を制御する。
例えば図２に示すように、モータ制御装置１４は、モータ１１の制御モードとして、他制制御と自制制御とを切り替えて実行する。

例えば、モータ制御装置１４は、モータ１１の停止時においては、モータ１１の回転駆動に対する負荷を超えるようにして電圧を印加することによってモータ１１の磁極位置を固定する。なお、この磁極位置固定の処理は、例えば負荷が小さい場合などにおいては省略されてもよい。
そして、モータ１１の起動時において回転速度が所定回転速度未満となる低速域では、他制制御を実行し、所定の指令電流値に基づき、オープンループ制御を実行する。
なお、所定の指令電流値は、所定固定値（例えば、モータ１１およびインバータ１３に通電可能な最大電流値など）であってもよいし、あるいは、この所定固定値まで徐々に増大するようにして変化してもよい。

そして、モータ制御装置１４は、回転速度が中高速域の所定回転速度以上に到達した場合に他制制御の実行を停止し、自制制御の実行を開始する。
この自制制御の実行時には、モータ１１の誘起電圧に基づいて磁極位置を検出するとともに、磁極位置の検出結果に基づいて回転速度を推定し、この回転速度の推定結果（推定回転速度）と所定の指令回転速度とに応じた指令電流値に基づき、クローズループ制御を実行する。

モータ制御装置１４は、例えば、ＤＣ電流検出回路２１と、バッテリ電圧検出回路２２と、磁極位置検出回路２３と、処理装置２４と、を備えて構成されている。

ＤＣ電流検出回路２１は、例えば、インバータ１３のブリッジ回路１３ａとバッテリ１２の負極側端子との間において、インバータ１３のブリッジ回路１３ａの直流側電流を検出し、検出結果の信号を出力する。
なお、ＤＣ電流検出回路２１は、例えば、インバータ１３のブリッジ回路１３ａとバッテリ１２の正極側端子との間に配置されてもよい。

バッテリ電圧検出回路２２は、例えば、バッテリ１２の端子間電圧を検出し、検出結果の信号を出力する。

磁極位置検出回路２３は、例えば、モータ１１の各相端子電圧を検出し、これらの検出結果に基づいて磁極位置を検出する。
例えば、磁極位置検出回路２３は、モータ１１が１２０度通電方式によって通電される場合に、各相端子電圧と、巻線中性点電圧、あるいは電源電圧（つまり平滑コンデンサＣの電圧）の１／２などとを比較して、この比較結果から６０度毎に発生する誘起電圧のゼロクロスを検出し、この検出結果に基づき磁極位置を検出する。

なお、磁極位置検出回路２３による各相端子電圧の検出は省略されてもよく、例えばモータ１１が１８０度通電方式によって通電される場合などにおいては、所定モデルに基づいて磁極位置を演算してもよい。

処理装置２４は、例えば、回転速度推定部３１と、相電流推定部３２と、指令回転速度フィルタ３３と、速度制御部３４と、制御切替部３５と、指令電流フィルタ３６と、電流制御部３７と、指令電圧制限部３８と、Ｄｕｔｙ演算部３９と、ＰＷＭ信号生成部４０と、を備えて構成されている。

回転速度推定部３１は、例えば、磁極位置検出回路２３によって検出された磁極位置に基づいて回転速度を推定し、推定結果（推定回転速度）を出力する。

相電流推定部３２は、後述するＤｕｔｙ演算部３９から出力されるゲート信号（つまり、ＰＷＭ信号）に応じた検出タイミングでＤＣ電流検出回路２１により検出される直流側電流に基づき、実際にインバータ１３からモータ１１に通電される各相電流を推定する。

指令回転速度フィルタ３３は、例えば、モータ１１の回転速度に対して要求される所定の指令回転速度に低域通過フィルタ処理などの所定のフィルタ処理を行なう。

速度制御部３４は、例えば、指令回転速度フィルタ３３から出力される所定の指令回転速度と、回転速度推定部３１から出力される推定回転速度と、に応じたクローズループ制御により指令電流値を演算し、演算結果を出力する。

制御切替部３５は、例えば、回転速度推定部３１から出力される推定回転速度が所定回転速度未満であるか否かに応じて他制制御と自制制御とを切り替え、他制制御においては所定の指令電流値および速度制御部３４から出力される指令電流値のうち、所定の指令電流値を選択して出力し、自制制御においては速度制御部３４から出力される指令電流値を選択して出力する。
なお、所定の指令電流値は、例えば、所定固定値あるいは該所定固定値に向かい徐々に変化する所定値（例えば、ランプ関数による線形増加やステップ状に増加する所定値など）とされる。

なお、速度制御部３４は、制御切替部３５によって他制制御から自制制御に切り替えられるときに、指令電流値、つまり自制制御の実行時の指令電流値の初期値（例えば、フィードバック制御での積分項の初期値など）を、他制制御の実行時の指令電流値あるいは実際の電流値（実電流値）とする。

例えば、速度制御部３４は、ＰＩ（比例・積分）動作によるフィードバック制御において、下記数式（１）に示すように、任意の自然数Ｎに対する指令電流値Ｉ^＊ _ｐｉ［Ｎ］を比例項Ｉ^＊ _ｐ［Ｎ］および積分項Ｉ^＊ _ｉ［Ｎ］の和とし、各比例項Ｉ^＊ _ｐ［Ｎ］および積分項Ｉ^＊ _ｉ［Ｎ］を、各制御ゲインＫｓｐおよびＫｓｉと、指令回転速度Ｎｅ^＊［Ｎ］と、推定回転速度Ｎｅ［Ｎ］とによって記述している。
そして、Ｎ＝１である場合の積分項Ｉ^＊ _ｉ［Ｎ］の初期値Ｉ^＊ _ｉ［０］を他制制御の実行時の所定固定値とする。

指令電流フィルタ３６は、例えば、制御切替部３５から出力される指令電流値に機械系の共振周波数に係る成分を排除するための低域通過フィルタ処理などの所定のフィルタ処理を行なう。

電流制御部３７は、例えば、指令電流フィルタ３６から出力される指令電流値と、相電流推定部３２から出力される各相電流とに基づき、電流のフィードバック制御を行う。

例えば、電流制御部３７は、指令電流フィルタ３６から出力される指令電流値に応じて、指令電流値と実電流値との偏差がゼロとなるような指令電圧値を演算し、演算結果を出力する。

指令電圧制限部３８は、例えば、バッテリ電圧検出回路２２から出力されるバッテリ１２の端子間電圧に基づき、他制制御の実行時に電流制御部３７から出力される指令電圧値を所定制限値以下に制限する。
なお、所定制限値Ｖｌｉｍは、バッテリ１２の端子間電圧以下の値であって、例えば、モータ１１およびインバータ１３に通電可能な最大電流値Ｉｍａｘに応じた値である。

例えばＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）モータなどのブラシレスＤＣモータの電圧方程式は、既知である抵抗ＲおよびインダクタンスＬおよび誘起電圧定数φおよび極対数ｑと、他制制御から自制制御へと切り替えられるときの所定回転速度ωｓｗと、によって下記数式（２）に示すように記述される。これにより、所定制限値Ｖｌｉｍは、例えば、既知である磁気抵抗Ｒｍおよび磁気インダクタンスＬｍに基づいて、下記数式（３）に示すように記述される。

Ｄｕｔｙ演算部３９は、例えば、バッテリ電圧検出回路２２から出力されるバッテリ１２の端子間電圧と、電流制御部３７から出力される指令電圧値とに基づき、インバータ１３の各トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨ，ＵＬ，ＶＬ，ＷＬをオン／オフ駆動させるゲート信号のデューティを演算する。

ＰＷＭ信号生成部４０は、例えば、磁極位置検出回路２３によって検出された磁極位置に基づいて同期がとられて、Ｄｕｔｙ演算部３９によって演算されたデューティに応じてインバータ１３の各トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨ，ＵＬ，ＶＬ，ＷＬをオン／オフ駆動させるゲート信号（つまり、ＰＷＭ信号）を生成する。

上述したように、本実施形態による電動機の制御装置１０によれば、モータ１１の磁極位置にかかわらずに回転磁界を発生させる他制制御からモータ１１の磁極位置に応じて回転磁界を発生させる自制制御への切り替えに先立って、他制制御の実行時に、モータ１１の電流に対する指令電流値を所定固定値あるいは該所定固定値に向かい徐々に変化する所定値とし、かつモータ１１の電圧に対する指令電圧値を所定制限値以下に制限する。
これにより、モータ１１に所定制限値を超える電圧が印加されることに起因して過大な回転速度が発生することを防止し、他制制御から自制制御への切り替え時に、モータ１１の電流を制御しつつ、回転速度が所定回転速度に対して過大にオーバーシュートすることを抑制することができる。

さらに、他制制御から自制制御に切り替えられることに伴い、回転速度に対する制御での指令電流値、つまり自制制御の実行時の指令電流値の初期値（例えば、フィードバック制御での積分項の初期値など）を、他制制御の実行時の指令電流値あるいは実電流値とすることによって、モータ１１の回転速度が意図せずに低下してしまうことを防止することができる。

さらに、他制制御の実行時における指令電流値に対する所定固定値をモータ１１およびインバータ１３に通電可能な最大電流値とすることによって、モータ１１の起動時における回転速度の立ち上がりを早めることができ、的確にモータ１１を起動させることができるとともに、他制制御から自制制御への切り替えを早期に実施することができる。

なお、上述した実施の形態においては、磁極位置検出回路２３に代わりに、例えば、指令電圧および指令電流と、実電流および実電圧に基づいて磁極位置を推定する磁極位置推定部を備えてもよい。

なお、上述した実施の形態においては、ＤＣ電流検出回路２１により検出される直流側電流から３相の相電流を推定するとしたが、これに限定されず、３相の相電流を直接的に検出する相電流センサを備えてもよい。

なお、上述した実施の形態において、電動機の制御装置１０は、３相交流のブラシレスＤＣモータ１１を制御するとしたが、これに限定されず、他のモータを制御してもよい。

１０電動機の制御装置
１１モータ（電動機）
１２バッテリ
１３インバータ（駆動回路）
１４モータ制御装置（制御手段）
２１ＤＣ電流検出回路
２２バッテリ電圧検出回路
２３磁極位置検出回路（磁極位置検出手段）
２４処理装置
３１回転速度推定部（回転速度演算手段）
３４速度制御部（速度制御手段）
３５制御切替部
３７電流制御部（電流制御手段）
３８指令電圧制限部

Claims

電動機を駆動する駆動回路と、前記電動機の誘起電圧に基づいて磁極位置を検出する磁極位置検出手段と、前記磁極位置に基づいて他制制御および自制制御を切り替えて実行し、前記駆動回路を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、
前記電動機の電流を制御して指令電圧値を出力する電流制御手段と、
前記磁極位置に基づいて前記電動機の回転速度を演算する回転速度演算手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記他制制御の実行時に、前記電動機の回転速度に関わらずに前記電流に対する指令電流値を所定固定値あるいは該所定固定値に向かい徐々に変化する所定値とし、かつ前記指令電圧値を、前記他制制御の実行から前記自制制御の実行に切り替える所定回転速度、並びに前記電動機および前記駆動回路に通電可能な最大電流値に応じた所定制限値以下に制限し、前記回転速度が前記所定回転速度以上となった場合に前記他制制御の実行から前記自制制御の実行に切り替えることを特徴とする電動機の制御装置。
前記制御手段は、
前記電動機の回転速度を制御して前記指令電流値を出力する速度制御手段を備え、
前記速度制御手段は、前記制御手段によって前記他制制御の実行から前記自制制御の実行に切り替えられるときに、前記指令電流値を前記他制制御での前記指令電流値または実電流値とすることを特徴とする請求項１に記載の電動機の制御装置。
前記制御手段は、前記所定固定値を少なくとも前記電動機および前記駆動回路に通電可能な最大電流値とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動機の制御装置。