JP2005130654A - モータケーブル抵抗検出方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 モータおよびモータとインバータとを接続するケーブルの抵抗を正確に検出する。
【解決手段】 電流指令符号設定部２により、正負の電流指令を交互に出力し、差算出部３及びＰＩ演算部４により、電流制御演算を行い、モータ電流検出部８及び３相−２相変換部９により、α軸、β軸上の実電流Ｉα、Ｉβを算出し、電圧指令設定部１０により、回転子位置角θに応じて軸電圧指令Ｖα、Ｖβの一方を対象電圧指令として設定し、モータケーブル抵抗算出部１１により、設定された電圧指令値及びモータ電流を用いて所定の演算を行ってモータ及びモータとインバータとを接続するケーブルの抵抗Ｒ０を算出し、モータケーブル抵抗補正部１２により、所定の補正式を用いて抵抗Ｒ０を補正する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、モータをインバータで駆動するシステムにおいて、モータおよびモータとインバータとを接続するケーブルの抵抗を検出するための方法およびその装置に関する。

同期モータを駆動するためには、回転子の磁極位置を検出し、検出した磁極位置を基準として固定子巻線への通電を制御する必要がある。そして、回転子の磁極位置を検出するための方法として、ロータリーエンコーダーなどのセンサを用いる方法、モータ印加電圧、モータ供給電流を入力としてモータモデルに基づく演算を行う方法などが知られている。

そして、モータモデルを正確に構築できれば、回転子の磁極位置を正確に検出できることも知られている。

しかし、モータとインバータとを接続するケーブルの長さは一様には定まらないことが多いのであるから、モータおよびモータとインバータとを接続するケーブルの抵抗としてモータモデルに設定される画一的な抵抗値と、実際のモータおよびモータとインバータとを接続するケーブルの抵抗とが一致しないことが多い。

このような場合に、モータモデルを用いて回転子の磁極位置を演算すると、抵抗値の差に応じて磁極位置の推定誤差が大きくなり、推定誤差が大きくなると、所望のトルクを出力することができなくなり、最悪の場合には、モータを起動できなくなったり、モータが逆転してしまうなどの問題がある。

この発明のモータケーブル抵抗検出方法は、インバータの出力をモータに供給し、モータ電流を検出して、モータ電流、電圧、およびモータモデルを用いてモータの回転子の磁極位置を検出し、または推定し、この磁極位置を基準としてインバータを制御するシステムにおいて、
直流電流指令値に対する電流制御を実行し、そのときの電流値及び印加電圧値からモータ及びケーブルを含む抵抗値を算出する方法である。

ここで、電流制御は、３相−２相変換をしたαβ軸上で実行することが好ましく、電流制御座標を一方のみとし、しかも回転子の磁極位置によって電流制御座標をα軸またはβ軸に切換えることがさらに好ましい。さらに、電流指令値を正及び負の値に設定し、それぞれの設定値で電流制御を実行することが好ましい。さらにまた、電流制御演算によって得られた電圧指令値をｄ軸方向の電圧ベクトルに変換して出力することが好ましい。

また、抵抗値の算出は、電流制御を実行した軸（α軸またはβ軸）上の電流値及び電圧指令値を用いて行うことが好ましく、電圧値を直流電源電圧値で補正することがさらに好ましく、予め測定した抵抗値から導出された補正関数を用いて抵抗算出値を補正することがさらに好ましい。

この発明のモータケーブル抵抗検出装置は、インバータの出力をモータに供給し、モータ電流を検出して、モータ電流、電圧、およびモータモデルを用いてモータの回転子の磁極位置を検出し、または推定し、この磁極位置を基準としてインバータを制御するシステムにおいて、
直流電流指令値に対する電流制御を実行し、そのときの電流値及び印加電圧値からモータ及びケーブルを含む抵抗値を算出する手段を含むものである。

ここで、前記手段は、電流制御を、３相−２相変換をしたαβ軸上で実行するものであることが好ましく、電流制御に当たって、電流制御座標を一方のみとし、しかも回転子の磁極位置によって電流制御座標をα軸またはβ軸に切換えるものであることがさらに好ましい。さらに、前記手段は、電流指令値を正及び負の値に設定し、それぞれの設定値で電流制御を実行するものであることが好ましい。さらにまた、前記手段は、電流制御演算によって得られた電圧指令値をｄ軸方向の電圧ベクトルに変換して出力するものであることが好ましい。

また、前記手段は、抵抗値の算出を、電流制御を実行した軸（α軸またはβ軸）上の電流値及び電圧指令値を用いて行うものであることが好ましく、電圧値を直流電源電圧値で補正するものであることがさらに好ましく、予め測定した抵抗値から導出された補正関数を用いて抵抗算出値を補正するものであることがさらに好ましい。

この発明のモータケーブル抵抗検出方法及びその装置は、直流電流指令値に対する電流制御を実行し、そのときの電流値及び印加電圧値からモータ及びケーブルを含む抵抗値を算出するのであるから、モータ及びモータとインバータとを接続するケーブルの抵抗の算出精度を高めることができる。この結果、モータモデルを正確に構築することができ、回転子の磁極位置を正確に検出し、または推定することができる。

また、抵抗検出の際の電流制御のための電流指令値を回転子の磁極位置に応じて変えることにより、常に電流値の大きい軸上で電流制御が可能となり、抵抗同定の精度を向上することができる。

また、回転子の磁極位置に応じて常にｄ軸方向（トルクの出ない方向）に電流が流れるので、回転子を静止状態に保持することができ、特に位置センサを持たない場合、回転子の磁極位置検出をした後で回転子が動いてしまうと、起動トルクが減少したり、最悪の場合逆転してしまうという不都合の発生を未然に防止することができる。

また、抵抗検出の際の電流制御の電流指令値を正負に設定して電流制御を実施することにより、磁石磁束による影響を低減でき、抵抗同定の精度を向上することができる。

また、電流制御による抵抗推定値に対して、予め測定した実測値に基づいて導出された補正関数によって補正をすることにより、より正確な抵抗推定値を簡単な計算によって得ることができる。

以下、添付図面を参照して、この発明のモータケーブル抵抗検出方法およびその装置の実施の形態を詳細に説明する。

図１はこの発明のモータケーブル抵抗検出装置の一実施例を示すブロック図である。

このモータケーブル抵抗測定装置は、電流指令設定部１と、設定された電流指令として正負の値を設定する電流指令符号設定部２と、正負の値が設定された電流指令と対応する軸の実電流との差を算出する差算出部３と、ＰＩ演算部４と、電圧合成部５と、インバータ６と、モータ７と、モータ電流検出部８と、３相−２相変換部９と、電圧指令設定部１０と、モータケーブル抵抗算出部１１と、モータケーブル抵抗補正部１２と、回転子位置角検出部１３とを有している。

前記電流指令設定部１は、３相−２相変換されたαβ座標系上の電流指令Ｉαβ＿ｒｅｆを入力としてα軸、β軸上の電流指令Ｉα＿ｒｅｆ、Ｉβ＿ｒｅｆを得、従来公知の方法（例えば、位置センサを用いる検出方法、位置センサを用いない検出方法）によって回転子位置角検出部１３において予め検出した回転子磁極位置（回転子位置角）θを用いて何れかの電流指令を制御対象電流指令として設定する。具体的には、例えば、回転子位置角θがα軸に対して０＜θ＜４５度（電気角）または１３５度（電気角）＜θ＜１８０度（電気角）である場合に、α軸電流指令を設定し、回転子位置角θがα軸に対して４５度（電気角）＜θ＜１３５度（電気角）である場合に、β軸電流指令を設定する。また、回転子位置角θが１８０度（電気角）以上の場合には、θから１８０度（電気角）を減算した値に上記条件を当てはめて設定する。これにより、回転子がどの位置にあっても電流値が大きいほうの座標軸で制御可能となり、電流制御精度を向上させることができる。

ただし、θ＝４５度（電気角）の場合、θ＝１３５度（電気角）の場合には、何れの軸電流指令を設定してもよい。

前記電流指令符号設定部２は、設定された軸電流指令を入力として、正負の電流指令＋Ｉ＿ｒｅｆ、−Ｉ＿ｒｅｆを交互に出力する。このように正負の電流指令を交互に出力することによって、非線形の特性差（回転子に磁石がある場合における磁石磁束の影響）を相殺することが可能となる。

前記差算出部３は、正負の値が設定された電流指令と対応する軸の実電流との差を算出する。

前記ＰＩ演算部４は、差算出部３から出力される差を入力として電流制御演算としてのＰＩ制御演算を行い、各軸電圧指令Ｖα、Ｖβを出力する。

前記電圧合成部５は、軸電圧Ｖα、Ｖβと回転子位置角θとを用いてαβ座標系上の電圧指令Ｖαβを合成し、電圧デューティー指令としてインバータ６に供給する。

前記インバータ６は、電圧デューティー指令を入力としてスイッチング素子のスイッチング動作を行って交流電力を出力し、モータ７に供給する。

前記モータ電流検出部８は、３相分のモータ電流の相電流、例えば、２相分のモータ電流Ｉｕ、Ｉｖを検出する。

前記３相−２相変換部９は、検出された２相分のモータ電流Ｉｕ、Ｉｖを入力として従来公知の３相−２相変換演算を行ってα軸、β軸上の実電流Ｉα、Ｉβを算出し、前記差算出部３に供給する。

前記電圧指令設定部１０は、電流指令設定部１と同様に、回転子位置角θに応じて軸電圧指令Ｖα、Ｖβの一方を対象電圧指令として設定する。

前記モータケーブル抵抗算出部１１は、設定された電圧指令値及びモータ電流を用いて｛Ｖ（＋）−Ｖ（−）｝／｛Ｉ（＋）−Ｉ（−）｝の演算を行ってモータ及びモータとインバータとを接続するケーブルの抵抗Ｒ０を算出する。

前記モータケーブル抵抗補正部１２は、ケーブル長に対する抵抗値の算出値｛Ｒ０＝ｍ１・Ｌ＿ｃａｂｌｅ＋ｍ０｝と実測値｛Ｒ＝Ｋ１・Ｌ＿ｃａｂｌｅ＋Ｋ０｝との関係（図２参照）に基づいて予め算出されている補正式｛Ｒ＝Ｋ１（Ｒ０−ｍ０）／ｍ１＋Ｋ０｝を用いて抵抗Ｒ０を補正する。なお、Ｋ１、ｍ１はＲ、Ｒ０の傾きであり、Ｋ０、ｍ０はＲ、Ｒ０の切片であり、Ｌ＿ｃａｂｌｅはケーブル長である。

このように抵抗値の算出値を補正することによって、インダクタンス、電流検出誤差などの影響を排除して正確に抵抗値を算出することができる。

上記の構成のモータケーブル抵抗検出装置の作用は次のとおりである。

電流指令値は、予め検出した回転子位置に基づき、３相−２相変換をしたαβ軸上でのα軸またはβ軸で設定する。その設定は回転子位置角θがα軸に対して
０＜θ＜４５度（電気角）または
１３５度（電気角）＜θ＜１８０度（電気角）の場合にα軸
４５度（電気角）＜θ＜１３５度（電気角）の場合にβ軸
のように設定する。１８０度（電気角）以上の場合も回転子位置角θから１８０度（電気角）ひいた値に上記条件を当てはめて設定する。これにより、回転子がどの位置にあっても電流値が大きい方の座標軸で制御可能となり、電流制御精度が向上する。

電流指令値は正及び負の値を交互に設定し、それぞれにおいて電流制御を実行する。これにより、回転子に磁石がある場合に、磁石磁束による影響を磁石の極性に関係なく一定にできる。

電流値はモータの相電流（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗまたは何れか２つ）をαβ軸上に座標変換し、電流指令値が設定された軸上での電流値を用いて電流制御を実行する。制御演算によって得られた電圧指令値を回転子位置角θからｄ軸上のベクトルに変換し、この値を用いてインバータのスイッチング波形を例えば空間ベクトル法を用いて生成する。これによりｄ軸上に電流が流れることになり、トルクが発生しないため回転子の位置が変化することを防ぐことが可能となる。スイッチング波形は、２相−3相変換し、それぞれの相電圧指令に対してPWMを用いて生成してもよい。

電流指令値を正及び負の値に設定し、電流制御を実行した際の電流値と電圧指令値から抵抗値を算出する。このときの電圧指令値としては、インバータ６の直流部の電圧を検出して補正した値を採用することにより、より正確な結果を得ることができる。

実際には、インダクタンスの影響や電流検出誤差なども含まれるのでモータケーブル長が変化することにより実際の抵抗値とは違った値となる（図２参照）。そこで、予めモータケーブル長に対する抵抗の変化を測定しておき、実測値との補正式を１次関数で持ち、それを用いて算出値に対して補正をすることにより、高精度の抵抗値推定が可能となる。

図３はこの発明のモータケーブル抵抗検出方法の一実施例を示すフローチャートである。

ステップＳＰ１において、従来公知の方法（例えば、位置センサを用いる検出方法、位置センサを用いない検出方法）によって回転子磁極位置（回転子位置角）θ（例えば、３相−２相変換されたαβ座標系上におけるα軸に対する角度）を検出する。

ステップＳＰ２において、検出した回転子位置角θに基づいて電流制御軸の設定を行う。具体的には、例えば、回転子位置角θがα軸に対して０＜θ＜４５度（電気角）または１３５度（電気角）＜θ＜１８０度（電気角）である場合に、α軸電流指令を設定し、回転子位置角θがα軸に対して４５度（電気角）＜θ＜１３５度（電気角）である場合に、β軸電流指令を設定する。ただし、θ＝４５度（電気角）の場合、θ＝１３５度（電気角）の場合には、何れの軸電流指令を設定してもよい。

ステップＳＰ３において、設定された電流指令値の符号を＋に設定する。

ステップＳＰ４において、符号を＋に設定した電流指令値に基づく電流制御を実行する。

ステップＳＰ５において、電流制御により得られた電圧指令のｄ軸方向への変換処理を行う。

ステップＳＰ６において、モータ電流値Ｉ（＋）および電圧指令値Ｖ（＋）を保存する。

ステップＳＰ７において、時間（ステップＳＰ３の処理を行った後の経過時間）が所定の時間Ｔ０を越えたか否かを判定する。

そして、時間が所定の時間Ｔ０を越えるまではステップＳＰ４、ステップＳＰ５、ステップＳＰ６の処理を反復する。

ステップＳＰ７において時間が所定の時間Ｔ０を越えたと判定された場合には、ステップ８において、設定された電流指令値の符号を−に設定する。

ステップＳＰ９において、符号を−に設定した電流指令値に基づく電流制御を実行する。

ステップＳＰ１０において、電流制御により得られた電圧指令のｄ軸方向への変換処理を行う。

ステップＳＰ１１において、モータ電流値Ｉ（−）および電圧指令値Ｖ（−）を保存する。

ステップＳＰ１２において、時間（ステップＳＰ８の処理を行った後の経過時間）が所定の時間Ｔ０を越えたか否かを判定する。

そして、時間が所定の時間Ｔ０を越えるまではステップＳＰ９、ステップＳＰ１０、ステップＳＰ１１の処理を反復する。

ステップＳＰ１２において時間が所定の時間Ｔ０を越えたと判定された場合には、ステップＳＰ１３において、インバータの直流部の電圧を用いて電圧指令値を補正する。

ステップＳＰ１３において、モータ電流値および補正された電圧指令値を用いて、モータ及びインバータとモータとを接続するケーブルの抵抗値を算出する。

ステップＳＰ１４において、ケーブル長に対する抵抗値の算出値と実測値との関係に基づいて予め算出されている補正式を用いて抵抗値を補正する。

したがって、この実施例の場合にも、高精度に抵抗値の推定を行うことができる。

前記時間Ｔ０は、図４に示すように、電流が静定するまでの時間であり、予め試験などを行なって測定し、測定結果に基づいて設定しておく。そして、時間Ｔ０まで、電流制御周期毎に電圧指令値、電流値を測定し、最後に平均処理を行う。ただし、過渡状態であるＴ１までの間は電流の測定を行わないことが好ましい。なお、時間Ｔ１についても、予め試験などを行なって測定し、測定結果に基づいて設定しておけばよい。

図５はＴ１までの間は電流の測定を行わないようにした処理の一例を説明するフローチャートである。

このフローチャートが図３のフローチャートと異なる点は、ステップＳＰ５とステップＳＰ６との間に、時間がＴ１を超えたか否かを判定し、超えたと判定された場合にステップＳＰ６の処理を行わせ、超えていないと判定された場合に再びステップＳＰ４の処理を行わせるようにしたステップＳＰ５ａを挿入した点、ステップＳＰ１０とステップＳＰ１１との間に、時間がＴ１を超えたか否かを判定し、超えたと判定された場合にステップＳＰ１１の処理を行わせ、超えていないと判定された場合に再びステップＳＰ９の処理を行わせるようにしたステップＳＰ１０ａを挿入した点、ステップＳＰ７とステップＳＰ８との間に、電流値、電圧指令値の平均化を行うステップＳＰ７ａを挿入した点、およびステップＳＰ１３の処理に代えて、電流値、電圧指令値の平均化を行うステップＳＰ１３ａを採用した点のみである。

したがって、この場合には、時間Ｔ１からＴ０までの期間における電流制御周期毎に電圧指令値、電流値を測定し、最後に平均処理を行うことができ、平均処理結果に基づいて抵抗値を計算することができる。

この発明のモータケーブル抵抗検出装置の一実施例を示すブロック図である。 ケーブル長に対する抵抗値の算出値と実測値との関係の一例を示す図である。 この発明のモータケーブル抵抗検出方法の一実施例を示すフローチャートである。 電流値の測定期間を説明する波形図である。 この発明のモータケーブル抵抗検出方法の他の実施例を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 電流指令設定部
２ 電流指令符号設定部
３ 差算出部
４ ＰＩ演算部
５ 電圧合成部
６ インバータ
７ モータ
８ モータ電流検出部
９ ３相−２相変換部
１０ 電圧指令設定部
１１ モータケーブル抵抗算出部
１２ モータケーブル抵抗補正部
１３ 回転子位置角検出部

Claims (14)

1. インバータの出力をモータに供給し、モータ電流を検出して、モータ電流、電圧、およびモータモデルを用いてモータの回転子の磁極位置を検出し、または推定し、この磁極位置を基準としてインバータを制御するシステムにおいて、
   直流電流指令値に対する電流制御を実行し、そのときの電流値及び印加電圧値からモータ及びケーブルを含む抵抗値を算出することを特徴とするモータケーブル抵抗検出方法。
2. 前記電流制御を３相−２相変換をしたαβ軸上で実行する請求項１に記載のモータケーブル抵抗検出方法。
3. 前記電流制御を、電流制御座標を一方のみとし、しかも回転子の磁極位置によって電流制御座標をα軸またはβ軸に切換えることにより実行する請求項２に記載のモータケーブル抵抗検出方法。
4. 前記電流制御を、電流指令値を正及び負の値に設定し、それぞれの設定値で実行する請求項１から請求項３の何れかに記載のモータケーブル抵抗検出方法。
5. 前記抵抗値の算出を、電流制御を実行した軸上の電流値及び電圧指令値を用いて行う請求項１から請求項４の何れかに記載のモータケーブル抵抗検出方法。
6. 前記電圧指令値を直流電源電圧値で補正し、抵抗値の算出を、電流制御を実行した軸上の電流値及び補正された電圧指令値を用いて行う請求項５に記載のモータケーブル抵抗検出方法。
7. 前記算出された抵抗値を、予め測定した抵抗値から導出された補正関数を用いて補正する請求項１から請求項６の何れかに記載のモータケーブル抵抗検出方法。
8. インバータの出力をモータに供給し、モータ電流を検出して、モータ電流、電圧、およびモータモデルを用いてモータの回転子の磁極位置を検出し、または推定し、この磁極位置を基準としてインバータを制御するシステムにおいて、
   直流電流指令値に対する電流制御を実行し、そのときの電流値及び印加電圧値からモータ及びケーブルを含む抵抗値を算出する手段を含むことを特徴とするモータケーブル抵抗検出装置。
9. 前記手段は、前記電流制御を３相−２相変換をしたαβ軸上で実行するものである請求項８に記載のモータケーブル抵抗検出装置。
10. 前記手段は、前記電流制御を、電流制御座標を一方のみとし、しかも回転子の磁極位置によって電流制御座標をα軸またはβ軸に切換えることにより実行するものである請求項９に記載のモータケーブル抵抗検出装置。
11. 前記手段は、前記電流制御を、電流指令値を正及び負の値に設定し、それぞれの設定値で実行するものである請求項８から請求項１０の何れかに記載のモータケーブル抵抗検出装置。
12. 前記手段は、前記抵抗値の算出を、電流制御を実行した軸上の電流値及び電圧指令値を用いて行うものである請求項８から請求項１１の何れかに記載のモータケーブル抵抗検出装置。
13. 前記手段は、前記電圧指令値を直流電源電圧値で補正し、抵抗値の算出を、電流制御を実行した軸上の電流値及び補正された電圧指令値を用いて行うものである請求項１２に記載のモータケーブル抵抗検出装置。
14. 前記手段は、前記算出された抵抗値を、予め測定した抵抗値から導出された補正関数を用いて補正するものである請求項８から請求項１３の何れかに記載のモータケーブル抵抗検出装置。

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