JP6667076B2 - モータ制御装置、およびこのモータ制御装置におけるトルク定数の補正方法 - Google Patents

Description

本発明は、同期モータを制御するモータ制御装置およびこのモータ制御装置における補正トルク係数の算出方法に関するものである。

同期モータにおいて速度制御を行う場合、トルク指令と実際にモータから出力される実トルクとの間の関係を表す変換定数は、一般的にトルク定数と呼ばれている。通常、トルク定数は、速度や電流値に関わらず一定値であるとして速度制御系を構成している。しかし、実際にはトルク定数は一定とは限らず、モータに流れる電流や電流制御回路などの影響によってトルク定数は一定とはならない。

これらの対策技術として、従来、例えば特許文献１のような手法がある。特許文献１では、モータを実際に駆動して、トルク指令に対する実際の出力トルクを測定し、その関係からトルク指令に対して補正する手段を介在させている。特許文献１では、その補正されたトルク指令を用いてモータ制御することで、トルク定数を一定に保つようにしている。

しかしながら、上記従来の手法では、モータ仕様に応じたトルク定数は補正することができるが、モータの製造ばらつきや駆動回路の電子部品の特性ばらつきなどの個体差の影響までは補正できないという課題を有している。

特開平１１−１９１９９０号公報

本発明のモータ制御装置は、モータの回転速度を制御する速度制御部を有し、モータの個体差によるトルク定数のばらつきを抑制するように補正するトルク補正手段を備える。これにより、モータ個体毎のトルクばらつきの影響をなくし、高精度なトルク制御を実現することができる。

図１は、本発明の実施の形態１におけるモータ制御装置を備えたブラシレスモータのブロック図である。 図２は、本発明の実施の形態１のブラシレスモータにおける同期モータの構成例を示す図である。 図３は、ブラシレスモータの速度とトルクの関係を示す図である。 図４Ａは、本発明の実施の形態１のブラシレスモータにおけるトルク指令補正部の構成例を示す図である。 図４Ｂは、本発明の実施の形態１のブラシレスモータにおけるトルク指令補正部の他の構成例を示す図である。 図５は、本発明の実施の形態２におけるモータ制御装置を備えたブラシレスモータのブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるモータ制御装置１０を備えたブラシレスモータ１００のブロック図である。

図１に示すように、本実施の形態のブラシレスモータ１００は、モータ制御装置１０と同期モータ４０とを含む構成であり、モータ制御装置１０が同期モータ４０を通電駆動することにより、本実施の形態のモータである同期モータ４０が回転動作する。

図１において、モータ制御装置１０は、交流電源２０からの交流電圧を整流回路２１により直流化し、平滑キャパシタ２２を通して平滑化した後、その直流電圧は、モータ制御装置１０内に備えた三相のインバータ２３に供給される。三相のインバータ２３は、供給された直流電圧を任意の電圧に交流化し、交流化された交流電圧の駆動電圧が、永久磁石を備えた同期モータ４０に供給される。本実施の形態では、このように、互いに１２０度位相が異なるＵ相、Ｖ相、Ｗ相とする三相で同期モータ４０を駆動している。

図２は、本実施の形態における同期モータ４０の構成例を示す図である。図２に示すように、同期モータ４０は、ロータ４１とステータ４５とを備えている。ロータ４１は、シャフト４２を中心として永久磁石４３を保持している。ステータ４５は、ステータコア４６にモータ巻線４７を巻回して構成されている。

さらに、本実施の形態では、同期モータ４０内にモータ制御装置１０として機能する回路部品４８ｐを内蔵してブラシレスモータ１００を構成している。これらの回路部品４８ｐは、回路基板４８ｂに実装されており、例えば、インバータ２３を構成するスイッチング素子が回路基板４８ｂ上に実装されている。さらに、ロータ４１の永久磁石４３と対向するように、ロータ４１の回転位置を検出するための位置検出器５１が配置されている。このような構成において、インバータ２３からの三相の交流電圧を各相のモータ巻線４７に印加してモータ巻線４７を通電駆動することで、ロータ４１が、軸受４４に回転自在に支持されながら回転する。

以上のように構成されたブラシレスモータ１００において、ロータ４１を回転制御するため、図１に示すように、本実施の形態では、モータ制御装置１０が、上述のようなインバータ２３などに加えて、電流検出器３１と、トルク変換部３２と、速度演算部５２と、速度制御部５３と、トルク指令補正部５４と、電流制御部５５とを備えている。また、モータ制御装置１０には、位置検出器５１からロータの位置を示すロータ位置情報Ｐｒが通知される。さらに、モータ制御装置１０には、例えば外部のコントローラなどから、同期モータ４０を回転制御するための指令として、回転速度を制御するための速度指令ω＊が通知される。

次に、図１のモータ制御装置１０において、速度演算部５２は、位置検出器５１によって検出したロータ位置情報Ｐｒから、例えば微分演算によりモータ速度を算出し、検出速度ωとして速度制御部５３に通知する。速度制御部５３は、速度指令ω＊と検出速度ωとの偏差が零となるようなトルク指令ｉｑ＊を算出して出力する。すなわち、速度制御部が、速度指令ω＊と検出速度ωとの偏差に基づきトルク指令ｉｑ＊を算出している。トルク指令補正部５４では、速度制御部５３から出力されたトルク指令ｉｑ＊に対して、補正トルク係数Ｃ（ｃｒｒ）を乗算して補正を行い、得られた補正トルク指令ｉｑ＊(ｃｒｒ)を電流制御部５５に渡す。本実施の形態では、速度偏差に基づくトルク指令をさらに補正するトルク指令補正部５４を設けることによって、トルク定数を一定に保っている。すなわち、本実施の形態では、モータの個体差によるトルク定数のばらつきを抑制するように補正するトルク補正手段として、このトルク指令補正部５４を備えている。

また、電流検出器３１は、駆動用の交流電圧である駆動電圧Ｖｄｒをモータ巻線４７に印加したときに流れる電流を検出し、モータ電流Ｉｄｅｔとしてトルク変換部３２に出力する。トルク変換部３２は、電流検出器３１によって検出したモータ電流Ｉｄｅｔをトルクに単位変換し、検出トルクｉｑとして電流制御部５５に出力する。電流制御部５５は、補正後のトルク指令ｉｑ＊(ｃｒｒ)と検出トルクｉｑとの偏差が零となるような電圧指令Ｖｃを算出し三相のインバータ２３に出力する。すなわち、電流制御部５５は、補正トルク指令ｉｑ＊(ｃｒｒ)と検出したモータ電流Ｉｄｅｔとに基づき、同期モータ４０のモータ巻線４７を駆動するための電圧指令Ｖｃを生成している。そして、インバータ２３が、電圧指令Ｖｃに基づき駆動電圧Ｖｄｒを生成し、生成した駆動電圧Ｖｄｒをモータ巻線４７に印加する。

次に、前述のトルク指令補正部５４の構成および動作について、さらに詳しく説明する。

まず、ｄ−ｑ軸としてモータのベクトル制御でよく知られているように、ブラシレスモータ１００のロータ４１の永久磁石４３の磁束方向の軸をｄ軸、ｄ軸から回転方向に９０度位相が進んだ軸をｑ軸とする。そして、ｄ軸の電流をｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸の電流をｑ軸電流ｉｑ、モータ巻線４７のｄ軸インダクタンスをＬｄ、ｑ軸インダクタンスをＬｑ、同期モータ４０の誘起電圧定数をＫｅ、極対数をＰｎとすると、ブラシレスモータ１００のトルクＴは次の式（１）で表される。

ブラシレスモータの最も一般的で従来から用いられている制御の手法として、ｄ軸電流を０に保つｉｄ＝０制御がある。この場合、電流ベクトルは負荷状態に応じてｑ軸上を移動することになる。ｄ軸電流ｉｄ＝０となると、式（１）からわかるようにリラクタンストルクＴｒ＝０となり、発生トルクはマグネットトルクＴｍのみとなる。そして、この場合、式（１）は、次の式（２）のように変形して示される。すなわち、式（２）から明らかなように、トルクは、ｑ軸電流ｉｑのみに比例するため、トルクの線形制御が容易になる。

ところで、図３は、ブラシレスモータ１００の速度とトルクの関係を表した図である。ブラシレスモータ１００のモータ巻線４７へ印加電圧Ｖを印加すると、無負荷時のモータ速度ω０は、次の式（３）で表される。

式（３）を変形すると、誘起電圧定数Ｋｅは次の式（４）となる。

一方、式（２）から、あらかじめ誘起電圧定数Ｋｓｔｄが明確となっている基準モータのトルクＴｓｔｄは、次の式（５）で表される。

ここで、量産モータのトルクＴｓｍｐｌ、誘起電圧定数Ｋｓｍｐｌとして、式（５）に代入すると、次の式（６）となる。

ここで、式（４）から基準モータに任意の電圧Ｖａを印加した時の無負荷速度をωｓｔｄとすると、誘起電圧定数Ｋｓｔｄは次の式（７）で表される。

また、同条件で量産モータに任意の電圧Ｖａを印加した時の無負荷速度をωｓｍｐｌとすると、誘起電圧定数Ｋｓｍｐｌは次の式（８）で表される。

式（６）に式（７）、（８）を代入すると、次の式（９）となる。

以上から、量産モータにおけるｑ軸電流ｉｑに対して、ωｓｍｐｌ／ωｓｔｄを乗算することによって基準モータと同様のトルク値となることがわかる。ここで、トルク指令補正部５４の補正トルク係数Ｃ（ｃｒｒ）が、このωｓｍｐｌ／ωｓｔｄ、すなわち、量産モータにおける無負荷速度をωｓｍｐｌと基準モータにおける無負荷速度をωｓｔｄとの比である。

図４Ａは、このような補正処理を行うトルク指令補正部５４の構成例を示す図である。図４Ａに示すように、トルク指令補正部５４は、乗算器５４ｘを有しており、入力されたトルク指令ｉｑ＊に対して、補正トルク係数Ｃ（ｃｒｒ）＝ωｓｍｐｌ／ωｓｔｄを乗算し、乗算結果を補正トルク指令ｉｑ＊(ｃｒｒ)として出力する。

このように、本実施の形態では、トルク補正手段としてトルク指令補正部５４を設けることにより、速度制御部５３から出力されたトルク指令ｉｑ＊に対して補正トルク係数Ｃ（ｃｒｒ）を用いて補正を行っている。そして、このようなトルク指令（ｑ軸電流指令）の補正によって、モータ個体差が影響するトルクばらつきをなくし、トルク定数を一定に保つことができる。

つまり、あらかじめ標準品としてトルク定数がわかっている基準モータで、あらかじめ定めた所定の電圧をモータ巻線へ印加したときの無負荷最高速度を測定しておき、量産工程においてモータ全数を同条件で無負荷最高速度を測定する。そして、その速度と標準品の速度、すなわち、無負荷状態において基準モータのモータ巻線に所定の電圧を印加したときの無負荷速度ωｓｔｄと、無負荷状態において同期モータ４０のモータ巻線４７に所定の電圧を印加したときの無負荷速度ωｓｍｐｌとの比ωｓｍｐｌ／ωｓｔｄから、トルクを補正する補正トルク係数Ｃ（ｃｒｒ）を算出し、トルク指令ｉｑ＊に対して補正トルク係数Ｃ（ｃｒｒ）を乗算して補正を行う本実施の形態でのトルク定数の補正方法を実施することで、モータ毎のトルクばらつきを改善することができる。また、具体的には、例えば、量産工程において測定した無負荷最高速度に基づく補正トルク係数Ｃ（ｃｒｒ）をメモリなどの記憶部に記憶させ、トルク指令補正部５４によって補正するような構成すればよい。

なお、以上の説明では、モータ巻線への印加電圧を一定とした無負荷速度に基づく補正トルク係数Ｃ（ｃｒｒ）によって、補正処理する方法を示したが、トルク補正手段として、モータ速度を一定とした時の印加電圧値に基づく補正トルク係数Ｃｖ（ｃｒｒ）によって補正をしてもよい。

この場合、補正トルク係数Ｃｖ（ｃｒｒ）は次のように算出すればよい。

まず、式（４）から、基準モータを所定の速度ωａで回転制御しているときの印加電圧をＶｓｔｄとすると、誘起電圧定数Ｋｓｔｄは次の式（１０）で表される。

また、同条件で量産モータにて所定の速度ωａで回転制御しているときの印加電圧をＶｓｍｐｌとすると、誘起電圧定数Ｋｓｍｐｌは次の式（１１）で表される。

式（６）に式（１０）、（１１）を代入すると、次の式（１２）となる。

以上から、量産モータにおけるトルク指令（ｑ軸電流指令）ｉｑ＊に対して、Ｖｓｔｄ／Ｖｓｍｐｌとなる補正トルク係数Ｃｖ（ｃｒｒ）を乗算することでもモータ個体差が影響するトルクばらつきを補正することができる。すなわち、補正トルク係数Ｃｖ（ｃｒｒ）を、無負荷状態において、あらかじめトルク定数がわかっている基準モータが所定の速度で回転制御されているときのモータ巻線への印加電圧Ｖｓｔｄと、個々のブラシレスモータ１００が同様の所定の速度で回転制御されているときのモータ巻線４７への印加電圧Ｖｓｍｐｌとの比Ｖｓｔｄ／Ｖｓｍｐｌとしてもよい。

図４Ｂは、このような補正処理を行う場合のトルク指令補正部５４の構成を示す図である。図４Ｂに示すように、トルク指令補正部５４は、乗算器５４ｘを有しており、入力されたトルク指令ｉｑ＊に対して、補正トルク係数Ｃｖ（ｃｒｒ）＝Ｖｓｔｄ／Ｖｓｍｐｌを乗算し、乗算結果を補正トルク指令ｉｑ＊(ｃｒｒ)として出力する。

なお、本実施の形態では、補正したトルクである補正トルク指令ｉｑ＊(ｃｒｒ)は電流制御部５５のみで使用しているが、その他の制御器、または、演算で使用しても良い。

（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２におけるモータ制御装置１１を備えたブラシレスモータ１０１のブロック図である。本モータ制御装置１１は、図１で示す実施の形態１との比較において、トルク指令ｉｑ＊の補正に代えて、検出トルクｉｑを補正する検出トルク補正部３３を備えている。なお、図５において図１と同じ構成要素については同じ符号を付しており、これら要素については詳細な説明は省略する。

図５において、速度演算部５２は、位置検出器５１によって検出したロータ位置情報Ｐｒからモータ速度を算出し、検出速度ωとして速度制御部５３に通知する。速度制御部５３は、速度指令ω＊と検出速度ωとの偏差が零となるようなトルク指令ｉｑ＊を算出して出力する。

一方、トルク変換部３２は、電流検出器３１によって検出したモータ電流Ｉｄｅｔをトルクに単位変換し、検出トルクｉｑとして出力する。そして、検出トルク補正部３３は、検出トルクｉｑに対して、補正トルク係数Ｃｄ（ｃｒｒ）を用いて補正を行い、得られた補正トルクｉｑ(ｃｒｒ)を電流制御部５５に渡す。本実施の形態では、検出したモータ電流Ｉｄｅｔに基づく検出トルクをさらに補正する検出トルク補正部３３を設けることによって、トルク定数を一定に保っている。

そして、電流制御部５５は、トルク指令ｉｑ＊と補正トルクｉｑ(ｃｒｒ)との偏差が零となるような電圧指令Ｖｃを算出し三相のインバータ２３に出力する。

ここで、検出トルク補正部３３の補正内容に関しては、検出トルク（検出したｑ軸電流）に対して、実施形態１の式（式９）のように、補正トルク係数Ｃｄ（ｃｒｒ）＝ωｓｍｐｌ／ωｓｔｄを乗算することによって、基準モータと同様のトルク値を得ている。本実施の形態では、このような検出トルクｉｑに対する補正によって、モータ個体差が影響するトルクばらつきをなくし、トルク定数を一定に保つことができる。

また、本実施の形態では、検出トルク（検出したｑ軸電流）に対して、実施形態１の式（１２）のように補正トルク係数Ｃｄｖ（ｃｒｒ）＝Ｖｓｔｄ／Ｖｓｍｐｌを乗算することでもモータ個体差が影響するトルクばらつきを補正することができる。

以上のように、本発明にかかるモータ制御装置はモータ個体差によるトルクばらつきを解消することが可能となるので、サーボモータなどの速度制御部（電流マイナーループを含む）を持つモータ制御装置全般に利用することができる。

１０，１１ モータ制御装置
２０ 交流電源
２１ 整流回路
２２ 平滑キャパシタ
２３ インバータ
３１ 電流検出器
３２ トルク変換部
３３ 検出トルク補正部
４０ 同期モータ
４１ ロータ
４２ シャフト
４３ 永久磁石
４４ 軸受
４５ ステータ
４６ ステータコア
４７ モータ巻線
４８ｂ 回路基板
４８ｐ 回路部品
５１ 位置検出器
５２ 速度演算部
５３ 速度制御部
５４ トルク指令補正部
５４ｘ 乗算器
５５ 電流制御部
１００，１０１ ブラシレスモータ

Claims (7)

1. モータの回転速度を制御する速度制御部を少なくとも有するモータ制御装置において、
   前記モータの個体差によるトルク定数のばらつきを抑制するように補正するトルク補正手段を備え、
   前記トルク補正手段は、印加電圧が一定の場合の無負荷最高速度に基づき前記トルク定数を補正することを特徴とするモータ制御装置。
2. モータの回転速度を制御する速度制御部を少なくとも有するモータ制御装置において、
   前記モータの個体差によるトルク定数のばらつきを抑制するように補正するトルク補正手段を備え、
   前記トルク補正手段は、前記モータの速度が一定の場合のモータ印加電圧に基づき前記トルク定数を補正することを特徴とするモータ制御装置。
3. 前記トルク補正手段を用いて、前記速度制御部から出力されるトルク指令を補正することを特徴とする請求項１または２に記載のモータ制御装置。
4. 前記トルク補正手段を用いて、前記モータの検出電流または検出トルクを補正することを特徴とする請求項１または２に記載のモータ制御装置。
5. 速度指令と検出速度との偏差に基づきトルク指令を算出する前記速度制御部と、
   前記トルク指令に対して補正トルク係数を乗算して補正を行い、補正トルク指令として出力する前記トルク補正手段としてのトルク指令補正部と、
   前記補正トルク指令と検出したモータ電流とに基づき、前記モータのモータ巻線を駆動するための電圧指令を生成する電流制御部と、
   前記電流制御部からの電圧指令に基づき、前記モータ巻線を通電駆動するための駆動電圧を生成するインバータと、を備え、
   前記補正トルク係数は、無負荷状態において、あらかじめトルク定数がわかっている基準モータのモータ巻線に所定の電圧を印加したときの無負荷速度と、前記モータのモータ巻線に所定の電圧を印加したときの無負荷速度との比であることを特徴とするモータ制御装置。
6. 速度指令と検出速度との偏差に基づきトルク指令を算出する前記速度制御部と、
   前記トルク指令に対して補正トルク係数を乗算して補正を行い、補正トルク指令として出力する前記トルク補正手段としてのトルク指令補正部と、
   前記補正トルク指令と検出したモータ電流とに基づき、前記モータのモータ巻線を駆動するための電圧指令を生成する電流制御部と、
   前記電流制御部からの電圧指令に基づき、前記モータ巻線を通電駆動するための駆動電圧を生成するインバータと、を備え、
   前記補正トルク係数は、無負荷状態において、あらかじめトルク定数がわかっている基準モータが所定の速度で回転制御されているときのモータ巻線への印加電圧と、前記モータが前記所定の速度で回転制御されているときのモータ巻線への印加電圧との比であることを特徴とするモータ制御装置。
7. 請求項５または６に記載のモータ制御装置におけるトルク定数の補正方法であって、
   あらかじめ標準品として前記トルク定数がわかっている基準モータで、あらかじめ定めた所定の電圧をモータ巻線へ印加したときの無負荷最高 速度を測定するステップと、
   量産工程においてモータ全数を同条件で無負荷最高速度を測定するステップと、
   無負荷状態において前記基準モータのモータ巻線に所定の電圧を印加したときの無負荷速度と、無負荷状態において前記モータのモータ巻線に所定の電圧を印加したときの無負荷速度との比を算出し、前記補正トルク係数とするステップと、
   前記トルク指令に対して前記補正トルク係数を乗算して補正するステップと、を備えたことを特徴とするモータ制御装置におけるトルク定数の補正方法。
   

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