JP6401495B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本開示は、センサレスモータを制御するモータ制御装置に関する。

特許文献１は、モータの制御において、回転子の位相を検出するホールセンサなどの位相センサを使用しない、センサレスモータのモータ制御装置を開示している。センサレスモータのモータ制御装置では、モータに印加する電圧とコイル電流から回転子の位相を求めている。

特開２０１２−１３０１００号公報

センサレスモータは、モータに印加する電圧とコイル電流から回転子の位相を求めるものであるため、例えば、回転子が停止していると、回転子の位相を検出できない。このため、センサレスモータでは、回転子の位相を検出できる様になるまでの間、所定の周波数の同期信号により駆動する強制駆動を行い、その後、通常のセンサレス駆動、つまり定常駆動に切り替えを行う。センサレスモータでは、この遷移時における回転子の回転の安定性が求められる。

本発明は、強制駆動から定常駆動への安定した遷移を行うモータ制御装置を提供するものである。

本発明の一側面によると、センサレスモータをベクトル制御するモータ制御装置は、前記センサレスモータの回転子の位相を推定して位相推定値を求める推定手段と、前記位相推定値と前記回転子の位相指令値から前記ベクトル制御における回転座標系と静止座標系の位相差である位相変換値を生成する生成手段と、を備えており、前記生成手段は、前記回転子の回転を開始させる際には、前記位相指令値を前記位相変換値として出力し、前記回転子の回転を開始させた後の所定のタイミングから、前記位相変換値が前記位相推定値に近づく様に前記位相変換値を変化させることを特徴とする。

本発明によると、強制駆動から定常駆動への安定した遷移を行うことができる。

一実施形態によるモータ制御装置の構成図。 一実施形態による推定演算器の構成図。 一実施形態による変換位相生成部の構成図。 一実施形態によるモータ起動時のフローチャート。 一実施形態による座標変換位相の変化を示す図。 一実施形態によるモータ起動時のフローチャート。 一実施形態によるモータ制御装置の構成図。

以下、本発明の例示的な実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態は例示であり、本発明を実施形態の内容に限定するものではない。また、以下の各図においては、実施形態の説明に必要ではない構成要素については図から省略する。

＜第一実施形態＞
図１は、本実施形態によるセンサレスモータのベクトル制御を行うモータ制御装置１００の構成図である。モータ制御装置１００は、入力される速度指令値ω^＊ _ｒｅにより、ＤＣブラシレスモータ１０１（以下、単に、モータ１０１と呼ぶ）を駆動するための電圧をモータ１０１に印加する。電流検出部１０４は、モータ１０１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に流れている電流を測定し、電流測定値であるＵ相電流値ｉ_ｕ、Ｖ相電流値ｉ_ｖ、Ｗ相電流値ｉ_ｗをそれぞれモータ制御部１０２に出力する。モータ制御部１０２は、速度指令値ω^＊ _ｒｅと、電流検出部１０４からのＵ相電流値ｉ_ｕ、Ｖ相電流値ｉ_ｖ、Ｗ相電流値ｉ_ｗと、に基づき、Ｕ相電流操作量Ｖ^＊ _ｕ、Ｖ相電流操作量Ｖ^＊ _ｖ、Ｗ相電流操作量Ｖ^＊ _ｗを電圧印加部１０３に出力する。なお、以下の説明において、電流操作量とは、印加すべき電圧を示す電圧指令値を意味している。電圧印加部１０３は、各相の電流操作量に基づいてモータ１０１に電圧を印加する。なお、電流検出部１０４は、任意の二相の電流を検出し、演算処理によって残り一相の電流値を算出する構成とすることができる。モータ制御部１０２は、適切なプログラムをプロセッサ（ＣＰＵ）に実行させることで実現することができる。しかしながら、モータ制御部１０２は、ＦＰＧＡや、カスタムＬＳＩを使用して実現することや、プロセッサ、ＦＰＧＡ、カスタムＬＳＩの２つ以上を組み合わせて実現することもできる。

続いて、モータ制御部１０２の構成について説明する。管理部１０８は、モータ制御部１０２のシーケンスを管理し、速度制御器１０５、電流制御部１０６及び推定演算器１０７の動作を制御する。電流制御部１０６の三相二相変換器１１０は、電流検出部１０４が検出したＵ相電流値ｉ_ｕ、Ｖ相電流値ｉ_ｖ、Ｗ相電流値ｉ_ｗに対して座標変換処理を行い、α軸電流値i_αとβ軸電流値i_βを求める。なお、α−β軸は静止座標系である。例えば、α軸をいずれかの相方向、例えば、Ｕ相方向とし、β軸をα軸と直交する方向とすることができる。回転座標変換器１１１は、座標変換処理を行い、α軸電流値ｉ_αとβ軸電流値ｉ_βから、ｄ軸電流値ｉ_ｄとｑ軸電流値ｉ_ｑを求める。なお、ｄ−ｑ軸は回転座標系である。例えば、ｄ軸を回転子の所定の方向、例えば、Ｎ極方向とし、ｑ軸をｄ軸に直交する方向とすることができる。なお、回転座標変換器１１１は、座標変換処理において、推定演算器１０７が出力する位相変換値、つまり、α軸とｄ軸との位相差を示す座標変換位相θ_ｃｔｒｌを使用する。

速度制御器１０５は、速度指令値ω^＊ _ｒｅと、推定演算器１０７が出力する、モータ１０１の回転子の推定速度ω_ｒｅから、モータ１０１の速度を調整するためのｑ軸電流指令値ｉ^＊ _ｑを決定して出力する。電流制御器１０９は、ｑ軸電流指令値ｉ^＊ _ｑ、ｄ軸電流値ｉ_ｄ及びｑ軸電流値ｉ_ｑと、管理部１０８からのｄ軸電流指令値ｉ^＊ _ｄと、に基づき、ｄ軸電流操作量Ｖ^＊ _ｄとｑ軸電流操作量Ｖ^＊ _ｑを求めて静止座標変換器１１２に出力する。静止座標変換器１１２は、推定演算器１０７からの座標変換位相θ_ｃｔｒｌに基づき座標変換処理を行い、ｄ軸電流操作量Ｖ^＊ _ｄとｑ軸電流操作量Ｖ^＊ _ｑから、α軸電流操作量Ｖ^＊ _αとβ軸電流操作量Ｖ^＊ _βとを求める。二相三相変換器１１３は、α軸電流操作量Ｖ^＊ _αとβ軸電流操作量Ｖ^＊ _βに対して座標変換処理を行い、Ｕ相電流操作量Ｖ^＊ _ｕ、Ｖ相電流操作量Ｖ^＊ _ｖ、Ｗ相電流操作量Ｖ^＊ _ｗを求めて電圧印加部１０３に出力する。

推定演算器１０７は、α軸電流操作量Ｖ^＊ _α、β軸電流操作量Ｖ^＊ _β、α軸電流値ｉ_αと、β軸電流値ｉ_βから、座標変換位相θ_ｃｔｒｌ及び推定速度ω_ｅを求めて出力する。図２は、推定演算器１０７の構成図である。位相推定部２０１は、α軸電流操作量Ｖ^＊ _α、β軸電流操作量Ｖ^＊ _β、α軸電流値ｉ_α、β軸電流値ｉ_βから、モータ１０１のα軸及びβ軸に生じる誘起電圧の推定値を算出する。そして、この誘起電圧の推定値に基づきモータ１０１の回転子の回転位相の位相推定値、つまり、α軸とｄ軸との位相差の推定値である推定位相θ_ｒｅを算出する。なお、位相推定部２０１は、α−β座標系ではなく、ｄ−ｑ座標系の各値から推定位相θ_ｒｅを算出する構成であっても良い。さらに、モータ１０１に生じる誘起電圧の推定値から、位相を推定するのではなく、磁束密度を推定し、推定した磁束密度から推定位相を算出する構成であっても良い。

図３は、図２の変換位相生成部２０２の構成図である。変換位相生成部２０２のスイッチ３０５は、管理部１０８からの信号ＳＷによりオン／オフ制御される。図３に示す様に、スイッチ３０５は、乗算器３０２の出力を加算器３０４に入力させるか否かを選択する選択部として機能する。本実施形態では、スイッチ３０５は、モータ１０１が停止状態であるとオフ状態にされ、モータ１０１が強制駆動状態から定常駆動状態への遷移を開始する際にオン状態に切り替えられる。スイッチ３０５がオフ状態であると、変換位相生成部２０２は、速度指令値ω^＊ _ｒｅを積分器３０１で積分した値を座標変換位相θ_ｃｔｒｌとし、速度指令値ω^＊ _ｒｅを、推定速度ω_ｒｅとして出力する。つまり、座標変換位相θ_ｃｔｒｌ及び推定速度ω_ｒｅは、それぞれ、以下の式により計算される。
θ_ｃｔｒｌ＝ω^＊ _ｒｅ／ｓ （１）
ω_ｒｅ＝ω^＊ _ｒｅ （２）
なお、上記式のｓはラプラス演算子である。

速度指令値ω^＊ _ｒｅを積分した値は、モータ１０１に対する位相指令値でもある。よって、スイッチ３０５がオフ状態であると、座標変換位相θ_ｃｔｒｌは、位相指令値に一致する。本実施形態において、減算器３０３及び乗算器３０２は、誤差算出部として機能し、推定位相θ_ｒｅと座標変換位相θ_ｃｔｒｌとの差である推定位相誤差θ_{ｒｅ＿ｅｒｒ}に所定の係数を乗じた値を出力する。具体的には、減算器３０３は、推定位相θ_ｒｅと座標変換位相θ_ｃｔｒｌとの差である推定位相誤差θ_{ｒｅ＿ｅｒｒ}を求めて出力する。また、乗算器３０２は、推定位相誤差θ_{ｒｅ＿ｅｒｒ}に対してゲインＫを乗じた値を出力する。なお、ゲインＫは、管理部１０８が設定する。よって、スイッチ３０５がオン状態であると、加算器３０４は、推定位相誤差θ_{ｒｅ＿ｅｒｒ}に対して所定のゲインＫを乗じた値と、速度指令値ω^＊ _ｒｅを加算する。この場合、変換位相生成部２０２は、推定位相誤差θ_{ｒｅ＿ｅｒｒ}に対して所定のゲインＫを乗じた値と、速度指令値ω^＊ _ｒｅの加算値を積分器３０１で積分し、積分した値を座標変換位相θ_ｃｔｒｌとして出力する。よって、スイッチ３０５をオン状態にすると、変換位相生成部２０２は、座標変換位相θ_ｃｔｒｌを、推定位相θ_ｒｅに一致させる様に動作する。スイッチ３０５をオン状態にしたときの、座標変換位相θ_ｃｔｒｌ及び推定速度ω_ｒｅは、それぞれ、以下の式により計算される。
θ_ｃｔｒｌ＝Ｋ・θ_ｒｅ／（ｓ＋Ｋ）＋（ｓ／（ｓ＋Ｋ））・（ω^＊ _ｒｅ／ｓ） （３）
ω_ｒｅ＝ｓＫ・θ_ｒｅ／（ｓ＋Ｋ）＋（ｓ／（ｓ＋Ｋ））・（ω^＊ _ｒｅ／ｓ） （４）
なお、上記式のｓはラプラス演算子である。

この様に、スイッチ３０５をオン状態にすると、座標変換位相θ_ｃｔｒｌは、ゲインＫに応じた速度で推定位相θ_ｒｅにと徐々に近づいていくことになる。なお、ゲインＫを１とする場合には、乗算器３０２については省略できる。また、推定速度ω_ｒｅについては、推定位相θ_ｒｅを微分して求める構成であっても良い。

図４は、モータ１０１の駆動開始時においてモータ制御部１０２が実行する制御のフローチャートである。モータ制御部１０２は、Ｓ１０において、管理部１０８から駆動指示を受けるまで待機する。モータ制御部１０２は、駆動指示を受けると、モータ制御部１０２の各部に対してそれぞれ駆動指示を行う。これにより、電流制御部１０６は、モータ１０１の強制駆動を開始する。モータ制御部１０２は、強制駆動開始後、Ｓ１２で所定時間が経過するまで待機し、所定時間が経過すると、Ｓ１３で信号ＳＷを出力してスイッチ３０５をオフ状態からオン状態に切り替える。既に説明した様に、スイッチ３０５をオン状態にすると、座標変換位相θ_ｃｔｒｌは、ゲインＫに応じた速度で推定位相θ_ｒｅに徐々に近づいていくことになる。モータ制御部１０２は、座標変換位相θ_ｃｔｒｌと、推定位相θ_ｒｅとの差である推定位相誤差θ_{ｒｅ＿ｅｒｒ}をＳ１４で監視し、推定位相誤差θ_{ｒｅ＿ｅｒｒ}が所定値より小さくなるまで待機する。モータ制御部１０２は、推定位相誤差θ_{ｒｅ＿ｅｒｒ}が所定値より小さくなると、定常駆動状態へ遷移する。

図５は、停止状態から定常駆動状態に遷移するまでの座標変換位相θ_ｃｔｒｌの変化をグラフで示したものである。Ｓ１１における強制駆動の開始後、Ｓ１３でスイッチ３０５をオン状態とするまでは、座標変換位相θ_ｃｔｒｌは、速度指令値ω^＊ _ｒｅを積分した位相指令値θ^＊ _ｒｅに一致する。ここで、スイッチ３０５をオン状態にするまでの期間を強制駆動期間と呼ぶものとする。スイッチ３０５がオン状態になると、既に説明した様に、座標変換位相θ_ｃｔｒｌは、ゲインＫに応じた速度で推定位相θ_ｒｅに徐々に近づいていくことになる。つまり、スイッチ３０５がオン状態となっても、座標変換位相θ_ｃｔｒｌは、１回の変化により推定位相θ_ｒｅになるわけではない。ゲインＫにより、座標変換位相θ_ｃｔｒｌは、複数回に渡る変化を受け、これにより推定位相θ_ｒｅに徐々に近づける様にすることができる。その後、推定位相誤差θ_{ｒｅ＿ｅｒｒ}が所定値より小さくなると、例えば、略０になると、モータ制御部１０２は、定常駆動状態へ遷移する。ここで、スイッチ３０５をオン状態とした後、推定位相誤差θ_{ｒｅ＿ｅｒｒ}が所定値より小さくなるまでの期間を過渡期間と呼び、その後の期間を定常駆動期間と呼ぶものとする。

なお、強制駆動期間においては、速度制御器１０５を開ループ制御とし、ｑ軸電流指令値ｉ^＊ _ｑの代わりに、管理部１０８が出力するｑ軸電流指令値ｉ^＊ _{ｑ＿ｒｅｆ}に基づいて電流制御を行う。なお、ｑ軸電流指令値ｉ^＊ _{ｑ＿ｒｅｆ}をｑ軸電流指令値ｉ^＊ _ｑに変更するタイミングは、定常駆動期間に遷移した時とすることができる。強制駆動の詳細については、本実施形態の本質に関わるものではないため詳細な説明は割愛する。なお、強制駆動は、例えば、モータ１０１の特性に基づくフィードフォワード制御とすることもできる。また、定常駆動期間においては、推定位相θ_ｒｅを、そのまま、座標変換位相θ_ｃｔｒｌとして出力する構成であっても良い。さらに、図４のフローチャートでは、所定時間が経過するとスイッチ３０５をオン状態にしていたが、例えば、推定位相θ_ｒｅが所定の値になったタイミングでスイッチ３０５をオン状態にすることもできる。

以上、強制駆動状態から、定常駆動状態（センサレス駆動状態）への遷移時において、座標変換位相θ_ｃｔｒｌを、位相指令値θ^＊ _ｒｅから推定位相θ_ｒｅへと徐々に遷移させる。この構成により、安定性の高い遷移が可能となる。更に、本実施形態では、複雑な演算が不要であり、コストを増加させることなく強制駆動から定常駆動状態に遷移させることができる。

＜第二実施形態＞
続いて、第二実施形態について第一実施形態との相違点を中心に説明する。本実施形態では、強制駆動時と定常駆動時とでゲインＫを変更する。図６は、本実施形態においてモータ制御部１０２が実行する制御のフローチャートである。図４のフローチャートとは、Ｓ１２の後にＳ２０の処理を実行し、Ｓ１４の後にＳ２１の処理を実行する点で相違する。まず、本実施形態では、Ｓ１３でスイッチ３０５をオン状態にする際に、ゲインＫの値をＫａに設定する。その後、Ｓ１４において、推定位相誤差θ_{ｒｅ＿ｅｒｒ}が所定値より小さくなると、Ｓ２１で、ゲインＫの値をＫｂに設定する。なお、値Ｋｂは、値Ｋａより大きい値とする。この構成により、定常駆動状態において制御に対する応答性を高めることができる。

＜第三実施形態＞
続いて、第三実施形態について第一実施形態との相違点を中心に説明する。図７は、本実施形態によるモータ制御装置７００の構成図である。第一実施形態との相違点は、モータ１０１の速度を検出する速度検出部７０１を設け、モータ制御装置７００は、検出したモータ速度に基づいて速度制御を行う点である。本実施形態においては、速度検出部７０１が、回転子の実際の回転速度ωを出力するため、速度制御器１０５は、第一実施形態の様に推定速度ω_ｅではなく、速度情報ωを使用してｑ軸電流指令値ｉ^＊ _ｑを出力する。

［その他の実施形態］
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア（プログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムを読み出して実行する処理である。

２０１：位相推定部、２０２：変換位相生成部

Claims (19)

1. センサレスモータをベクトル制御するモータ制御装置であって、
   前記センサレスモータの回転子の位相を推定して位相推定値を求める推定手段と、
   前記位相推定値と前記回転子の位相指令値から前記ベクトル制御における回転座標系と静止座標系の位相差である位相変換値を生成する生成手段と、
   を備えており、
   前記生成手段は、前記回転子の回転を開始させる際には、前記位相指令値を前記位相変換値として出力し、前記回転子の回転を開始させた後の所定のタイミングから、前記位相変換値が前記位相推定値に近づく様に前記位相変換値を変化させることを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記位相指令値は、入力される前記回転子の速度指令値を積分することで得られることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記生成手段は、
   前記位相推定値と生成した前記位相変換値の差である位相誤差に基づく値を出力する誤差算出手段と、
   前記誤差算出手段の出力及び前記速度指令値を入力として加算する加算手段と、
   前記加算手段の出力を積分することで前記位相変換値を生成して出力する積分手段と、
   前記誤差算出手段の出力を前記加算手段に入力させるか否かを選択する選択手段と、
   を備えており、
   前記選択手段は、前記回転子の回転を開始させる際には、前記誤差算出手段の出力を前記加算手段に入力させず、前記所定のタイミングから前記誤差算出手段の出力を前記加算手段に入力させることを特徴とする請求項２に記載のモータ制御装置。
4. 前記誤差算出手段は、
   前記位相誤差を求める減算手段と、
   前記位相誤差に所定の係数を乗じて前記選択手段に出力する乗算手段と、
   を備えていることを特徴とする請求項３に記載のモータ制御装置。
5. 前記位相誤差が所定値より小さくなると、前記所定の係数をより大きい値に変更する変更手段をさらに備えていることを特徴とする請求項４に記載のモータ制御装置。
6. 前記速度指令値と、前記回転子の速度から、前記センサレスモータに流す電流を示す電流指令値を決定する決定手段をさらに備えていることを特徴とする請求項３から５のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
7. 前記加算手段の出力を前記回転子の速度とすることを特徴とする請求項６に記載のモータ制御装置。
8. 前記所定のタイミングは、前記回転子の回転を開始させた後、所定の時間が経過したときであることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
9. 前記所定のタイミングは、前記位相推定値が所定値になったときであることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
10. 前記推定手段は、前記センサレスモータに印加する電圧指令値と、前記センサレスモータに流れている電流を測定した電流測定値から、前記位相推定値を求めることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
11. 前記生成手段は、前記位相変換値を変化させることにより、前記位相変換値を前記位相推定値に一致させることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
12. 前記生成手段は、前記位相変換値が前記位相推定値に近づく様に前記位相変換値を複数回に渡り変化させることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
13. 前記生成手段は、
    前記位相推定値と前記位相変換値との差である位相誤差に基づく値を出力する誤差演算手段と、
    前記誤差演算手段が出力する前記値と前記回転子の速度指令値とを加算する加算手段と、
    オン状態で前記誤差演算手段と前記加算手段とを接続し、オフ状態で前記誤差演算手段と前記加算手段とを切り離す切替手段と、
    を備え、
    前記生成手段は、前記回転子が停止状態から回転を開始する際には前記切替手段を前記オフ状態に設定し、前記回転子が回転を開始した後の所定タイミングで前記切替手段を前記オン状態に設定することで、前記位相変換値が前記位相推定値に近づく様に前記位相変換値を変化させることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
14. 前記生成手段は、前記加算手段の出力を積分することで前記位相変換値を生成して出力する積分手段を備え、
    前記切替手段により前記誤差演算手段と前記加算手段とが切り離されていると、前記積分手段には、前記加算手段に入力される前記速度指令値が入力され、
    前記切替手段により前記誤差演算手段と前記加算手段とが接続されていると、前記積分手段には、前記誤差演算手段が出力する前記値と、前記加算手段に入力される前記速度指令値との和が入力される、ことを特徴とする請求項１３に記載のモータ制御装置。
15. 前記誤差演算手段は、
    前記位相誤差を求める減算手段と、
    前記位相誤差に所定の係数を乗じて結果を前記切替手段に出力する乗算手段と、
    を備えていることを特徴とする請求項１３又は１４に記載のモータ制御装置。
16. モータをベクトル制御するモータ制御装置であって、
    前記モータの回転子の位相を推定して位相推定値を求める推定手段と、
    前記位相推定値と前記回転子の位相指令値から前記ベクトル制御における回転座標系と静止座標系との間の座標変換に使用する位相変換値を生成する生成手段と、
    を備えており、
    前記生成手段は、
    前記位相推定値と前記位相変換値との差である位相誤差に基づく値を出力する誤差演算手段と、
    前記誤差演算手段が出力する前記値と前記回転子の速度指令値とを加算する加算手段と、
    前記加算手段の出力を積分することで前記位相変換値を生成して出力する積分手段と、
    前記誤差演算手段が出力する前記値を前記加算手段に入力するか否かを選択する選択手段と、を備え、
    前記選択手段は、前記回転子が回転を開始する際には前記誤差演算手段が出力する前記値を前記加算手段に入力せず、前記回転子が回転を開始した後の所定タイミングから前記誤差演算手段が出力する前記値を前記加算手段に入力することを特徴とするモータ制御装置。
17. 前記誤差演算手段は、
    前記位相誤差を求める減算手段と、
    前記位相誤差に所定の係数を乗じて結果を前記選択手段に出力する乗算手段と、
    を備えていることを特徴とする請求項１６に記載のモータ制御装置。
18. 前記位相誤差が所定値より小さくなると、前記所定の係数をより高い値に変更する変更手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１７に記載のモータ制御装置。
19. 前記生成手段は、前記位相変換値が前記位相推定値に近づく様に、前記位相変換値を、複数回、変更することを特徴とする請求項１６から１８のいずれか１項に記載のモータ制御装置。

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