JP2005057901A - 電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】デッドタイムを設定したことに起因する回転角度補償値のずれを解消して精度のよい電動機制御を可能にした電動機の制御装置を提供する。
【解決手段】回転角度検出部１２によって検出された回転角度θreに基づいて、次回のＰＷＭ制御周期の中央から（ｔｄ／２）後の回転角度θre'を推定する回転角度推定部１３を備え、２相３相変換部３は、回転角度として回転角度推定部１３で推定した回転角度θre'を用いて電圧指令値Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊を演算するように構成した電動機の制御装置。デッドタイムを設定した場合に、２相３相変換部の演算精度を上げて、より精度の高いモータ制御が可能となり、過渡応答性能を向上させることが出来る。
【選択図】図１

Description

本発明は電動機の制御装置に関し、特に電動機に電力を供給するインバータの駆動制御技術に関する。

ＰＷＭ信号でインバータを駆動して電動機を駆動制御するシステムをコンピュータで制御する場合に、電流演算処理では、割込み起動時の回転角度情報と電流情報を取り込み、次周期で使用するＰＷＭ周期およびＰＷＭのデューティを設定する。したがって次周期のＰＷＭ周期の中心で考えると、電流演算で使用した回転角度は１周期半前の値で計算していることになり、制御に影響を及ぼす。そのため従来は割込み起動時に取り込んだ回転角度に対し、１周期半分（１.５周期分）の角度補償を行い、割込み起動時の電流演算において使用していた。
例えば、下記非特許文献１に記載のように、回転角度θreと電流指令値Ｉｄ^＊およびＩｑ^＊に基づいて、次制御周期の回転角度を補償して（１.５周期＝１５０ｍｓｅｃ間の回転角度を補償して）電圧指令値を演算し、算出した電圧指令値に基づいてインバータの駆動信号を出力している。つまり、１５０ｍｓｅｃ後の回転角度を推定し、その推定された回転角度に基づいた電圧指令値を出力していることになる。なお、インバータの制御においては、上アーム側スイッチング素子（電源の正側に接続されたスイッチング素子）と下アーム側スイッチング素子（電源の負側に接続されたスイッチング素子）とが同時にオンになることを避けるため、一方がオフになってから短い遅れ時間後に他方がオンになるようにしており、この遅れ時間をデッドタイムという。

ＮＥＣ Ｖ８５０Ｅ／ＩＡ１ ユーザーズマニュアル

前記のようにデッドタイムｔｄを設定した場合には、実際の回転角度と補償された回転角度（つまりＰＷＭの中心と制御周期の中心）とは（ｔｄ／２）のずれが生じて制御精度が悪くなる。つまり、デッドタイムはＰＷＭ出力の下アーム側立下りからｔｄ、上アーム側立下りからｔｄのあいだ設けられる、という構成になっているので、ＰＷＭ出力波形の中心が、ＰＷＭ生成タイマの中心からデッドタイムｔｄの１／２だけずれてしまい、回転角度補償値がずれる、という問題があった。
本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、デッドタイムを設定したことに起因する回転角度補償値のずれを解消して精度のよい電動機制御を可能にした電動機の制御装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明においては、回転角度検出手段によって検出された回転角度に基づいて、次回のＰＷＭ制御周期の中央から（ｔｄ／２）後の回転角度を推定する回転角度推定手段を備え、電圧指令値演算手段は、回転角度として前記回転角度推定手段で求めた推定回転角度を用いて電圧指令値を演算するように構成している。

デッドタイムを設定した方式の電動機制御においても、デッドタイムに起因する回転角度補償値のずれを解消することが出来るので、より精度のよい電動機制御が可能となり、過渡応答性能を向上させることが出来る、という効果がある。

図１は、本発明の一実施例の構成を示すブロック図である。なお、本実施例は３相同期電動機（以下、３相モータと略記）を電気自動車の駆動用モータに適用したものとして説明するが、これに限られるものではない。
電気自動車においては、図示しないアクセル開度センサを用いてアクセル開度を検出して出力する。また、図示しないトルク指令値演算部はアクセル開度センサによって検出されたアクセル開度からトルク指令値Ｔ^＊を演算し、トルク指令値をデジタル信号として出力する。

電流指令値演算部１では、入力した上記のトルク指令値Ｔ^＊と３相モータの回転角度θreとに基づき、予め定められたマップを参照してｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊およびｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊を出力する。それらの電流指令値は電流ＰＩ制御部２に入力される。
電流ＰＩ制御部２は、ｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊とｄ軸電流値Ｉｄ（現在値）との偏差に基づき比例積分演算を行ってｄ軸電圧指令値Ｖｄ^＊を出力し、同様にｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊とｑ軸電流値Ｉｑ（現在値）との偏差に基づいてｑ軸電圧指令値Ｖｑ^＊を出力する。

上記のｄ軸電圧指令値Ｖｄ^＊とｑ軸電圧指令値Ｖｑ^＊は２相３相変換部３に与えられる。２相３相変換部３では、後述する回転角度推定部１３によって推定された推定回転角度θre'に基づいて、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ^＊とｑ軸電圧指令値Ｖｑ^＊から３相モータ７の３相電圧指令値Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊の瞬時値を算出して出力する。つまり電流ＰＩ制御部２からは回転子電流を直流化するために定義した軸（ｄｑ軸）上の電圧目標値が与えられるため、これをＵ、Ｖ、Ｗ各相の電圧指令値に戻すための逆変換を行う。

デューティ指令値演算部４では、３相電圧指令値Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊からＰＷＭ信号のデューティ指令値を演算する。
駆動信号出力部５は、デューティ指令値演算部４からのデューティ指令値と図示しない所定のキャリア信号（三角波や鋸歯状波など）とを比較することにより、駆動信号Ａ〜Ｆを出力する。
インバータ６は上記駆動信号に応じて図示しない直流電源（バッテリ等）の電力を３相交流電力に変換し、３相モータ７を駆動する。なお、インバータ６の詳細については後述する。

この際に流れる３相の各相電流のうち、Ｕ相実電流ｉｕとＶ相実電流ｉｖを電流センサ８−１、８−２でそれぞれ検出し、アナログ信号としてＡ／Ｄ変換部１０へ送る。
Ａ／Ｄ変換部１０では、３相電流の総和が０になることを利用して、２相のｉｕとｉｖから
ｉｗ＝−（ｉｕ＋ｉｖ）
の演算を行ってＷ相実電流ｉｗを算出し、かつ、Ａ／Ｄ変換を行ってデジタル信号の３相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを出力する。

３相／２相変換部１１は、回転角度検出部１２から出力された回転角θreとＡ／Ｄ変換部１０から出力された電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗをｄ軸およびｑ軸の２相に変換して、ｄ軸実電流値Ｉｄおよびｑ軸実電流値Ｉｑとして出力し、前記電流ＰＩ制御部２にフィードバックする。

エンコーダ９は、３相モータ７の回転角度に応じた信号を出力する。
回転角度検出部１２は、エンコーダ９からの信号に基づいて、３相モータ７の回転角度θre（３相モータ７の回転子の回転角度）を検出する。この回転角度θreは、前記３相２相変換部１１における座標変換演算に用いられると共に、回転角度推定部１３へ送られ、推定回転角度θre’の演算に用いられる。

回転角度推定部１３は、回転角度検出部１２によって検出された現在の回転角度θreに基づいて次のＰＷＭ制御周期の回転角度θre'を推定演算する。すなわち後述する演算を行って、次回のＰＷＭ制御周期の中央からｔｄ／２（デッドタイムｔｄの１／２）後の３相モータ７の回転角度θre'を推定する。
以上が図１の概略説明である。

図２は、インバータ６の回路図である。
図２に示すように、インバータ６は、２個のスイッチング素子（トランジスタ）が直列接続された直列回路を３相分備え、前記２個のスイッチング素子の接続点から３相モータ７の３相巻線の各相に接続されたものであり、電源２０の正側に接続された方のスイッチング素子２１、２３、２５を上アーム側スイッチング素子、電源２０の負側に接続された方のスイッチング素子２２、２４、２６を下アーム側スイッチング素子と呼ぶ。
また、図６のＡ〜Ｆは各スイッチング素子を開閉する駆動信号であり、前記駆動信号出力部５から与えられる。各直列回路の上アーム側と下アーム側の駆動信号は、相互に逆相になっており、一つの直列回路における２個のスイッチング素子が同時にオンになることはないように制御する。例えば図２に破線で示したように、３相モータ７のＵ相からＶ相に電流を流す場合は、上アーム側の駆動信号Ａと下アーム側の駆動信号Ｄが“Ｈｉ”、下アーム側の駆動信号Ｂと上アーム側の駆動信号Ｃが“Ｌｏ”となり、スイッチング素子２１と２４がオン、スイッチング素子２２と２３がオフになる。この際、下アーム側の駆動信号が“Ｌｏ”になるタイミングと上アーム側駆動信号が“Ｈｉ”になるタイミングには短い遅れ時間が設けてあり、この遅れ時間をデッドタイムｔｄと呼ぶ（図３参照）。

以下、回転角度推定部１３における角度推定演算について説明する。
図３は、回転角度推定部１３における角度推定演算を説明するためのタイムチャートであり、１周期１００μｓのＰＷＭ生成タイマの動作を示す。

図３において、（１）および（２）に示した「ＰＷＭ電流演算」は、図１において電流指令値演算部１でのトルク指令値Ｔ^＊入力からデューティ指令値演算部４でのデューティ指令値出力までの演算を行うことを示す。
３相同期モータ７のＰＷＭ電流制御において、制御演算を行うマイクロコンピュータではＰＷＭ生成タイマの０コンペアマッチの時点ｔ１でＰＷＭ電流演算（１）を開始している。ここでは、推定回転角度演算と電流演算とを行い、最終的なＰＷＭのデューティ指令値を演算する。ここで計算されたデューティ指令値は制御周期（演算周期）の１周期後（１００μｍ後）の０コンペアマッチの時点ｔ２で実際の指令値に反映される。そのため、ＰＷＭデューティの中心位置の時点ｔ３で考えると、ＰＷＭ電流制御で使用した回転角度θreは１５０μｓ前の値で計算していることになり、制御に影響を及ぼす。この影響を避けるため時点ｔ１で取り込んだ回転角度θreに対し、１５０μｓ後の回転角度θre’を推定し、その推定回転角度θre’を回転角度として２相３相変換部３における電流演算に使用する。

また、デッドタイムｔｄはデッドタイムタイマにより設定されるが、デッドタイムｔｄが下アーム側駆動信号の立ち下がり時点ｔ４後、および上アーム側駆動信号の立ち下がり時点ｔ５後に設定される場合には、デッドタイムｔｄ＝５μｓとすれば、ＰＷＭデューティの中心が前記の時点ｔ３から２.５μｓ（５／２＝２.５μｓ）ずれてしまう。そのため、本発明では時点ｔ１で取り込んだ回転角度θreに対し、１５２.５μｓ後の回転角度θre'を推定し、回転角度として電流演算で使用するように構成している。

次に、角度推定演算の具体的な方法について説明する。
図４は、角度推定演算の方法を説明するためのタイムチャートである。
図４において、前々回演算時の回転角度をθre_z２、前回演算時の回転角度をθre_z、今回演算時の回転角度をθre、前回回転角度偏差を△θre_z、今回回転角度偏差を△θreとすると、
△θre_z＝θre_z−θre_z２ であり、
△θre＝θre−θre_z である。

ここで△θre_z、△θreは、１制御周期１００μｓの間に進んだ角度偏差であり、１５２.５μｓ後における角度補正量は上記の二つの偏差の平均値の１.５２５倍（１５２.５μｓ／１００μｓ）と考えられる。
一般化すれば、現在から、次回のＰＷＭ制御周期の中央より（ｔｄ／２）後までの時間と１制御周期との比を２制御周期分の偏差の平均値に乗算した値が角度補正量となり、推定回転角度θre'は検出した回転角度の現在値θreに上記の角度補正量を加算した値となる。

したがって推定回転角度θre'は、下記の式で示される。
θre'＝θre＋〔（△θre＋△θre_z）／２〕×（α／Ｔ）
ただし、α：現在から、次回のＰＷＭ制御周期の中央より（ｔｄ／２）後までの時間
Ｔ：制御周期
なお、前記の例においては、現在から、次回のＰＷＭ制御周期の中央より（ｔｄ／２）後までの時間αは、１制御周期の１.５倍（１５０μｓ）にデッドタイムｔｄの１／２（２.５μｓ）を加算した値、つまり
α＝１.５Ｔ＋０.５ｔｄ
となる。
例えば、制御周期Ｔを１００μｓ、デッドタイムｔｄを５μｓとすれば、推定回転角度θre'は、
θre'＝θre＋〔（△θre＋△θre_z）／２〕×１.５２５
となる。
上記の演算で算出された推定回転角度θre'を２相３相変換部３における演算で使用する。

本実施例の構成によれば、デッドタイムを設定した場合に、２相３相変換部の演算精度を上げて、より精度の高いモータ制御が可能となり、過渡応答性能を向上させることが出来る。

本発明の一実施例のブロック図。 インバータの構成を示す回路図。 回転角度推定部１３における角度推定演算を説明するためのタイムチャート。 角度推定演算の方法を説明するためのタイムチャート。

符号の説明

１…電流指令値演算部 ２…電流ＰＩ制御部
３…２相３相変換部 ４…デューティ指令値演算部
５…駆動信号出力部 ６…インバータ
７…３相モータ ８−１、８−２…電流センサ
９…エンコーダ １０…Ａ／Ｄ変換部
１１…３相２相変換部 １２…回転角度検出部
１３…回転角度推定部

Claims (4)

1. トルク指令値に基づいて電流指令値を算出する電流指令値演算手段と、
   電動機の巻線に流れる電流である実電流を検出する実電流検出手段と、
   電動機の回転子の回転角度を検出する回転角度検出手段と、
   前記電流指令値と前記実電流値と前記回転角度とに基づいて、電動機の各相の電圧指令値を算出する電圧指令値演算手段と、
   前記電圧指令値に基づいて、ＰＷＭ信号のデューティ指令値を算出するデューティ指令値演算部と、
   上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子との直列回路を電動機の相数分備え、各直列回路の上アーム側が電源の正側に、下アーム側が電源の負側に接続され、前記両スイッチング素子の接続点から電動機の各相巻線に接続されたインバータと、
   前記デューティ指令値と所定のキャリア信号とを比較し、キャリア信号がデューティ指令値以上となった時点から所定のデッドタイムｔｄ後に前記上アーム側スイッチング素子をオンし、キャリア信号がデューティ指令値以下となった時点でオフすると共に、キャリア信号がデューティ指令値以上となった時点で前記下アーム側スイッチング素子をオフし、キャリア信号がデューティ指令値以下となった時点から所定のデッドタイムｔｄ後にオンする様に前記インバータの各スイッチング素子を駆動する駆動信号を出力する駆動信号出力手段と、を備えた電動機の制御装置であって、
   前記回転角度検出手段によって検出された回転角度に基づいて、次回のＰＷＭ制御周期の中央から（ｔｄ／２）後の回転角度を推定する回転角度推定手段を備え、
   前記電圧指令値演算手段は、回転角度として前記回転角度推定手段で求めた推定回転角度を用いて前記電圧指令値を演算することを特徴とする電動機の制御装置。
2. 前記電流指令値演算手段は、トルク指令値に基づいてｄ軸およびｑ軸の電流指令値を算出し、前記実電流検出手段は、電動機の各相に流れる電流をｄ軸およびｑ軸に変換してｄ軸およびｑ軸の実電流値を検出し、前記電圧指令値演算手段は、前記ｄ軸およびｑ軸の電流指令値とｄ軸およびｑ軸の実電流値と回転角度推定手段に求められた推定回転角度から電圧指令値を算出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。
3. 前記回転角度推定手段は、前記回転角検出手段によって検出された回転角から前々回のＰＷＭ制御周期間の回転角度の変化量△θre_zと、前回のＰＷＭ制御周期間の回転角度の変化量△θreとを算出し、該算出した前々回の変化量△θre_zと前回の変化量△θreとの平均値を求め、現在から次回のＰＷＭ制御周期の中央より（ｔｄ／２）後までの時間と前記平均値とに基づいて推定回転角度θre'を算出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。
4. 前記回転角度推定手段は、推定回転角度θre'を下記の数式に基づいて算出することを特徴とする請求項３に記載の電動機の制御装置。
   θre'＝θre＋〔（△θre＋△θre_z）／２〕×（α／Ｔ）
   ただし、
   θre'：推定回転角度
   θre：検出した現在の回転角度
   △θre：前回のＰＷＭ制御周期間の電動機の回転角度の変化量
   △θre_z：前々回のＰＷＭ制御周期間の電動機の回転角度の変化量
   α：現在から、次回のＰＷＭ制御周期の中央より（ｔｄ／２）後までの時間
   Ｔ：１ＰＷＭ制御周期

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