JP2006014424A - ３相交流電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】３相交流電動機の電流センサにおいて、その検出値に生じるオフセットの検出間隔を短くする。
【解決手段】電流センサで検出した電流値を用いて、３相の内の任意の１相である第一の相（例えばＵ相）の所定の位相における電流値と、第一の相よりも１２０°遅れた第二の相（例えばＶ相）における前記第一の相の所定の位相よりも６０°前の電流値とを比較することにより、前記第一の相における電流値のオフセットを検出し、その検出したオフセット分だけ前記第一の相の電流値を補正する。一つの相のオフセットを６０°毎に検出して補正できる、つまり３相で１８０°毎にオフセットの検出と補正が可能になるので、従来よりも検出間隔が短くなる。
【選択図】図１

Description

本発明は３相交流電動機の制御装置に関し、特に電流センサのオフセットを補正する技術に関する。

各相の巻線に、互いに１２０°の位相差を持った交流電流を供給して駆動する３相交流電動機においては、電動機各相の巻線に流れる電流を電流センサによって検出し、検出された電流値がトルク指令値等によって算出された目標電流値となるように制御することによって電動機の制御が行われる。従って、電流センサの検出値にオフセットが発生すると正確な電流が制御できず、そのため所望のトルクが得られなくなるおそれが有る。
電流センサのオフセットを検出する従来の方法としては、例えば１周期分の電流値を積分したり、１周期中の電流値の正負の時間比から算出する方法が考えられている（下記特許文献１参照）。

特開平５−２５２７８５号公報

しかしながら、上記のように交流波１周期分（３６０°）の電流検出値を積分、または交流波１周期間の電流値の正負の時間比から電流センサのオフセットを算出するという構成においては、オフセットの検出間隔が交流波１周期となるので検出間隔が長くなり、特に電動機回転が低い時などにおいて検出間隔が長くなる、という問題があった。
本発明は上記のごとき従来技術の問題を解決するためになされたものであり、オフセットの検出間隔を短くすることの出来る３相交流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、電流検出手段で検出した電流値を用いて、任意の１相である第一の相（例えばＵ相）の所定の位相における電流値と、第一の相よりも１２０°遅れた第二の相（例えばＶ相）における前記第一の相の所定の位相よりも６０°前の電流値とを比較することにより、前記第一の相における電流値のオフセットを検出し、その検出したオフセット分だけ前記第一の相の電流値を補正するように構成している。

本発明においては、一つの相のオフセットを６０°毎に検出して補正できる、つまり３相で１８０°毎にオフセットの検出と補正が可能になるので、従来よりも検出間隔が短くなる、という効果が得られる。
また、電動機の動作時におけるオフセットだけではなく、停止時における初期オフセットの補正も行うことができる、という効果が得られる。

（実施例１）
以下、本発明の一実施例について図面に基づいて詳述する。
図１は本発明を適用する３相交流電動機のベクトル制御を行う電流フィードバック制御ブロックの一実施例図である。

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や電動機の回転速度等からトルク指令値Ｔ^＊を演算し、トルク指令値Ｔ^＊をデジタル信号として出力する。なお、一般的には、外部から与えられたトルク指令値Ｔ^＊を用いればよい。

電流指令演算部１では、上記のトルク指令値Ｔ^＊に見合った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（実電流値）Ｉｄ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^＊（以下、両者を一括する際にはｄ軸ｑ軸電圧指令値と記載）は、必要に応じて非干渉演算処理を施され、２相３相変換部３により３相電圧指令値Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊に変換される。

上記の３相電圧指令値Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊はＰＷＭ変換部４に与えられ、ＰＷＭ信号に変換される。
インバータ５は上記ＰＷＭ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６（以下、電動機をモータと略記する）を駆動する。
この際に流れる３相の各相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを電流センサ７−１、７−２、７−３でそれぞれ検出し、Ａ／Ｄ変換部９でディジタル信号の電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗに変換する。そして３相２相変換部１０によりｄ軸電流値Ｉｄおよびｑ軸電流値Ｉｑに変換し、前記電流ＰＩ制御部２にフィードバックする。
なお、３相交流は Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝０ の関係があるので、３相のうちの何れか２相の電流値を検出すれば、残りの１相の電流値は計算によって算出することが出来る。

また、回転角検出器８は、３相モータ６の回転角θ（ロータ：回転子の回転角）を検出する。この回転角θは、前記２相３相変換部３および３相２相変換部１０における座標変換演算および電流指令演算部１における演算に用いられる。
以上の処理を繰り返して３相モータ６の電流フィードバックによるベクトル制御を行う。

本発明は、上記のような３相モータの電流制御において、３相２相変換部１０で電流センサ７−１、７−２、７−３の検出値からＩｕ、Ｉｖ、Ｉｗを読み取る時に、電流センサ７−１、７−２、７−３のオフセット量を補正するものであり、図１のオフセット検出部１１においてオフセット量を検出し、その結果に応じてオフセット量の補正を行う。

以下、オフセット検出部１１の動作を説明する。
オフセット検出部１１は、下記の２種類のオフセット算出機能を有する。
（機能１）モータ停止時の電流センサ初期オフセット算出機能。
（機能２）モータ動作時のリアルタイムでの電流センサオフセット算出機能。

始めに、（機能１）モータ停止時の電流センサ初期オフセット算出機能について詳述する。
ここではモータ電流が流れていない確証がある場合（詳細後述）の各相の電流センサの出力を計測し、その値を電流センサ初期オフセット値とする。つまり、この場合にはモータに電流が流れていないのであるから、電流センサの示す電流値がその電流センサのオフセットに相当する。例えば、起動／終了信号（本装置の起動／終了を制御する信号、例えば電気自動車のキースイッチの信号等）から弱電電源投入後（図１においてインバータ５と３相モータ６を除いた制御装置の電源投入後）であり、かつ強電電源投入前（モータ駆動前：３相モータ６の巻線への電流供給前）である（つまりモータ電流が流れていない）ことを判定して、その時の各相の電流センサ７−１、７−２、７−３の出力を複数回計測し、各相での計測値の平均値を各相の電流センサ初期オフセットとする。なお、初期オフセットは電流センサの感度のバラツキや経時変化によるものであり、短い期間では一定の値であると考えられる。

次に、（機能２）モータ動作時のリアルタイムでの電流センサオフセット算出機能について詳述する。なお、モータ動作時のオフセットは、温度変化等のモータの作動に応じて発生するものであり、「全オフセット量＝初期オフセット＋モータ動作時オフセット」である。
図２は、３相モータのＵ、Ｖ、Ｗ各相の電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ相互の関係を示す図である。図２に示すように、各相の電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは各々１２０°位相のずれた正弦波となっており、その波形はモータの通電電流に応じて波高値が変化し、モータ回転速度に応じて周期が変動するものの、Ｕ、Ｖ、Ｗ相各々の位相関係は変わらず、毎６０°間隔で
Ｕ相電流０ポイントＩ（Ｕ相電流Ｉｕが０アンペアになる点）
Ｗ相電流０ポイントＩ
Ｖ相電流０ポイントＩ
Ｕ相電流０ポイントII
Ｗ相電流０ポイントII
Ｖ相電流０ポイントII
のように各相の０が繰り返される。

（機能２）では上記の特性を利用してモータ動作時のリアルタイムでの電流センサオフセット算出を行う。すなわち、或る第一の相の所定の位相における電流値と、該第一の相よりも１２０°遅れの第二の相における上記所定の位相よりも６０°前の電流値とを比較することによって上記第一の相のオフセットを検出する。

図３は、Ｖ相にｘアンペアのオフセットが生じた場合の３相交流電流波形を示す図である。図３ではオフセットの発生していないＵ相、Ｗ相の０ポイントでは電流０が検出されるのに対し、Ｖ相の０ポイントでのＶ相電流センサの検出値はオフセット量−ｘとなる。例えば、Ｖ相についてオフセットを検出する場合、Ｖ相電流０ポイントＩから６０°前（左側）のＷ相電流０ポイントＩの値（この場合は０）とＶ相電流の値とを比較すると、この場合のＶ相電流の値、つまりＶ相電流０ポイントＩ’におけるＶ相電流センサの検出値は−ｘとなり、−ｘのオフセットが生じていることが判る。

つまり、或る第一の相（例えばＶ相）の位相０°（上記所定の位相）の電流値と、該第一の相よりも１２０°遅れの第二の相（例えばＷ相）における上記所定の位相よりも６０°前の電流値とを比較することによって上記第一の相のオフセットを検出することが出来る。

このようにしてオフセットが検出された相では、その電流値をオフセット分だけ補正して次の相のオフセット検出に用いる。例えば上記の例では、次のＵ相のオフセットを検出する際に、Ｕ相電流０ポイントIIにおける電流値Ｉｕ（図３の場合は０）と、前記Ｖ相電流０ポイントＩ’における電流Ｉｖをオフセット分だけ補正した値（補正後の値は０）とを比較する。この場合、Ｉｖは−ｘだけオフセットしているので、−ｘ分だけ減算することにより、Ｉｖ−オフセット＝−ｘ−（−ｘ）＝０となる。

ただし、初期オフセットが検出された場合は、初期オフセットの値も補正した値によって比較する。つまり、モータ動作時において、電流センサの値をそのまま用いて、或る第一の相の所定の位相における電流値と、該所定の位相よりも６０°前の位相における第二の相の電流値とを比較してオフセットを検出した場合には、第二の相に初期オフセットがあると第一の相にオフセットがない場合でも比較した際に差が生じ、第一の相にオフセットがあるものと誤判断されることになる。そのため、まず、初期オフセットを検出し、初期オフセットが存在する相では、初期オフセットの値を補正した値でモータ作動時のオフセット検出を行う。

上記のように、初期オフセットが検出された場合には、まず初期オフセットを補正し、その後、動作中に或る相でオフセットが検出された場合には、次の相のオフセット検出の際には、動作中のオフセット分も補正した値を用いて次の相のオフセット検出を行う。

オフセット検出部１１は、これらの機能により算出されたＵ、Ｖ、Ｗ各相の初期オフセット値、および動作時のオフセット検出値をモータの停止／動作に応じて選択してオフセット値として、３相２相変換部１０へ伝達する。

停止時）Ｕ相オフセット値＝Ｕ相初期オフセット値
Ｖ相オフセット値＝Ｖ相初期オフセット値
Ｗ相オフセット値＝Ｗ相初期オフセット値
動作時）Ｕ相オフセット値＝Ｕ相オフセット検出値
Ｖ相オフセット値＝Ｖ相オフセット検出値
Ｗ相オフセット値＝Ｗ相オフセット検出値
３相２相変換部１０では、上記のようにして検出したオフセット量を補正した電流値を用いて３相２相変換を行う。

以下、オフセット検出部１１におけるオフセット検出動作と３相２相変換部１０における３相２相変換動作をフローチャートを用いて説明する。
図４は、ｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊とｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊を決定する２ｍｓ定期処理ルーチンを示すフローチャートである。
図４において、ステップ１ではトルク指令値を読み込み、ステップ２に移行する。ステップ２では回転角検出器８の出力から回転速度を算出し、ステップ３へ移行する。ステップ３では上記ステップ１、２で読み込んだ回転速度とトルク指令値からｄ軸、ｑ軸の電流指令値Ｉｄ^＊、Ｉｑ^＊を算出して、ステップ４へ移行する。ステップ４では電流センサオフセットルーチン（図５で詳述）を実行して処理を終了する。

次に、図５はオフセット算出ルーチンを示すフローチャートである。
図５のルーチンは、図４のステップ４（２ｍｓ定期処理ルーチン）で実行される。
図５において、ステップ１では初期オフセット値が算出済みか否かを判定し、算出済みであればステップ８へ、未算出であればステップ２へ移行する。ステップ２では例えば起動／終了信号（前記図１参照）により、モータ停止中で電流非通電状態の電流センサ初期オフセット測定が可能状態か否かを判定し、可能であればステップ３へ、不可能であれば処理を終了する。

ステップ３ではＵ、Ｖ、Ｗ各相の初期オフセットを算出してステップ４へ移行し、ステップ４ではＵ、Ｖ、Ｗ各相のオフセツトとしてステップ３で測定したＵ、Ｖ、Ｗ各相の初期オフセット値をセットしてステップ５へ移行する。ステップ５ではＵ相オフセット検出要求フラグをセットしてステップ６へ移行し、ステップ６では角度６０°毎割り込み発生角度をセットし、ステップ７へ移行する。ステップ７では角度６０°毎割り込み発生を許可して処理を終了する。

ステップ８ではモータが回転中であるか否かを判定し、回転中であれば処理を終了し、回転中でなければステップ９へ移行する。ステップ９ではＵ、Ｖ、Ｗ各相のオフセットとしてステップ３で測定したＵ、Ｖ、Ｗ各相の初期オフセット値をセットして処理を終了する。

上記のように、初期オフセットを検出するのは、第一の相（例えばＵ相）のオフセットを検出する際に、６０°前の第二の相の電流検出値が初期オフセットしていた場合に、オフセットしていない第一の相の電流センサがオフセットしていると誤判定されるのを避けるためである。初期オフセットがある場合は、その相の初期オフセットを補正した値を用いる。例えばＶ相に初期オフセットが検出された場合は、６０°前の（Ｉｖ−初期オフセット）の値とＩｕとを比較する。

次に、図６は、図５のステップ７で許可された角度進み６０°割り込み処理ルーチンを示すフローチャートである。
図６において、ステップ１ではＵ相オフセット検出要求フラグがあるか否かを判定し、なければステップ５へ、あればステップ２へ移行する。ステップ２では前記のように、６０°前のＶ相の値（Ｉｖ−初期オフセット）とＵ相の値（Ｉｕ−初期オフセット）とを比較することによってＵ相オフセットを検出し、Ｕ相オフセット検出要求フラグをクリアしてステップ３へ移行する。ただし、前記のように、動作中にオフセットが検出された相では、そのオフセットを補正した値を用いて次の相のオフセット検出を行う。

ステップ３では現行の６０°毎割り込み発生角度に６０°プラスした次回６０°毎割り込み発生角度をセットし、Ｗ相オフセット検出要求フラグをセットしてステップ４へ移行する。ステップ４ではＵ相のオフセットとしてステップ２で測定したＵ相オフセット検出値をセットして処理を終了する。

次に、ステップ５ではＷ相オフセット検出要求フラグがあるか否かを判定し、なければステップ９へ、あればステップ６へ移行する。
ステップ６では前記と同様に、Ｗ相の検出値と、６０°前のＵ相の値とを比較することによってＷ相オフセットを検出し、Ｗ相オフセット検出要求フラグをクリアしてステップ７へ移行する。この際、前記ステップ２でＵ相にオフセットが検出された場合には、ステップ４でセットしたＵ相オフセット検出値を用いて、前記のように、Ｕ相の検出値をオフセット分だけ補正した値を用いてＷ相のオフセットを検出する。

ステップ７では現行の６０°毎割り込み発生角度に６０°プラスした次回６０°毎割り込み発生角度をセットし、Ｖ相オフセット検出要求フラグをセットしてステップ８へ移行する。ステップ８ではＷ相のオフセットとしてステップ６で測定したＷ相オフセット検出値をセットして処理を終了する。

ステップ９では前記と同様に、６０°前のＷ相の値と比較することによってＶ相オフセットを検出し、Ｖ相オフセット検出要求フラグをクリアしてステップ１０へ移行する。ステップ１０では現行の６０°毎割り込み発生角度に６０°プラスした次回６０°毎割り込み発生角度をセットし、Ｕ相オフセット検出要求フラグをセットしてステップ１１へ移行する。ステップ１１ではＶ相のオフセットとしてステップ６で測定したＶ相オフセット検出値をセットして処理を終了する。
上記のようにしてＵＶＷ各相の動作中のオフセットが検出される。

次に、図７は、３相２相変換部１０、２相３相変換部３およびＰＷＭ変換部４におけるｌ００μｓ定期処理ルーチンを示すフローチャートである。
図７において、ステップ１で電流センサ７−１、７−２、７−３および回転角検出器８から３相電流値のＩｕ、Ｉｖ、Ｉｗおよび電気角θを読み込んでステップ２に移行する。ただし、途中にＡ／Ｄ変換部９におけるＡ／Ｄ変換機能が入るが、この説明は省略する。

ステップ２ではステップ１で読み込んだ今回の電気角θおよび前回の１００μｓ定期処理ルーチンで読み込んだ電気角θｚから、１５０μｓ後の推定電気角θ’を演算し、ステップ３へ移行する。なお、このｌ００μｓ定期処理演算では、ｎ回目の演算における演算結果は（ｎ＋１）回目の演算時に出力されるので、（ｎ＋１）回目の中心の電気角θ、つまりｎ回目のｌ００μｓ割り込み時点から「１００＋１００／２＝１５０μｓ」後の推定電気角θ’を演算する。

ステップ３ではステップ１で読み込んだ３相電流値Ｉｕ、Ｉｖおよび電気角θおよびオフセット算出ルーチン（前記図５、図６）で算出したＵ相オフセット、Ｖ相オフセットを用い、検出した電流値Ｉｕ、Ｉｗを上記オフセット値で補正した値を用いて、下記（数１）式、（数２）式を用いた３相２相変換演算を行ってＩｄ、Ｉｑを算出し、ステップ４へ移行する。なお、（数１）式、（数２）式ではＷ相を用いないので、Ｗ相オフセットは使用しない。なお、前記のように３相交流は、３相のうちの何れか２相の値を求めれば、残りの１相は計算によって算出することが出来る。
Ｉｄ＝〔√(3/2)Ｉｕ cosθ＋［√(1/2)Ｉｕ＋√(2)Ｉｖ］sinθ〕 …（数１）
Ｉｑ＝〔−√(3/2)Ｉｕ sinθ＋［√(1/2)Ｉｕ＋√(2)Ｉｖ］cosθ〕 …（数２）
上記（数１）式、（数２）式におけるＩｕ、Ｉｖは上記のようにオフセットを補正した後の値である。

ステップ４では２ｍｓ定期処理ルーチン（図５）で算出された２軸（ｄ、ｑ軸）の電流指令値Ｉｄ^＊、Ｉｑ^＊を読み込んで、ステップ５に移行する。ステップ５ではステップ３で算出したＩｄ、Ｉｑ、ステップ４で読み込んだＩｄ^＊、Ｉｑ^＊およびＲＯＭに保存されたゲイン定数Ｋｐｄ、Ｋｉｄ、Ｋｐｑ、Ｋｉｑより、下記（数３）式、（数４）式を用いた比例積分制御演算を行って２軸（ｄ、ｑ軸）の電圧指令値Ｖｄ^＊、Ｖｑ^＊を演算し、ステップ６に移行する。

Ｖｄ^＊＝(Ｉｄ^＊−Ｉｄ)×Ｋｉｄ×Ｔ＋[(Ｉｄ^＊−Ｉｄ)×Ｋｉｄ×Ｔ]_ｚ−１
＋(Ｉｄ^＊−Ｉｄ)×Ｋｐｄ …（数３）
Ｖｑ^＊＝(Ｉｑ^＊−Ｉｑ)×Ｋｉｑ×Ｔ＋[(Ｉｑ^＊−Ｉｑ)×Ｋｉｑ×Ｔ]_ｚ−１
＋(Ｉｑ^＊−Ｉｑ)×Ｋｐｑ …（数４）
ただし、Ｔ：１００μｓ ［ ]_ｚ−１：［ ］内の前回演算値を表わす。

ステップ６ではステップ５で算出したｄ、ｑ軸電圧指令値Ｖｄ^＊、Ｖｑ^＊およびステップ２で算出した１５０μｓ後の推定電気角θ'を用いて下記（数５）式、（数６）式、（数７）式を用いた２相→３相変換演算により、３相電圧指令値Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊を算出してステップ７に移行する。

Ｖｕ^＊＝√(2/3)×(Ｖｄ^＊×cosθ'−Ｖｑ^＊×sinθ'） …（数５）
Ｖｖ^＊＝√(1/2)×(Ｖｄ^＊×sinθ'＋Ｖｑ^＊×cosθ'）−Ｖｕ^＊／２ …（数６）
Ｖｗ^＊＝−Ｖｕ^＊−Ｖｖ^＊ …（数７）
ステップ７ではステップ６で算出した３相電圧指令値Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊をそれぞれＰＷＭのｄｕｔｙ指令値に変換し、ステップ８へ移行する。ステップ８ではステップ７で演算されたＵＶＷ各相のＰＷＭｄｕｔｙ指令値をＰＷＭレジスタに設定して割込み処理を終了する。その後は、通常の３相モータのベクトル制御と同様に、上記の設定されたｄｕｔｙ指令値に対応したＰＷＭ信号でインバータ５を制御し、インバータ５の出力で３相モータ６を駆動する。

本発明を適用する３相交流電動機のベクトル制御を行う電流フィードバック制御ブロックの一実施例図。 ３相モータのＵ、Ｖ、Ｗ各相の電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ相互の関係を示す図。 Ｖ相にｘアンペアのオフセットが生じた場合の３相交流電流波形を示す図。 ｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊とｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊を決定する２ｍｓ定期処理ルーチンを示すフローチャート。 オフセット算出ルーチンを示すフローチャート。 角度進み６０°割り込み処理ルーチンを示すフローチャート。 ｌ００μｓ定期処理ルーチンを示すフローチャート。

符号の説明

１…電流指令演算部 ２…電流ＰＩ制御部
３…２相３相変換部 ４…ＰＷＭ変換部
５…インバータ ６…３相モータ
７−１、７−２、７−３…電流センサ ８…回転角検出器
９…Ａ／Ｄ変換部 １０…３相２相変換部
１１…オフセット検出部

Claims (3)

1. 各相の巻線に、互いに１２０°の位相差を持った交流電流を供給して駆動する３相交流電動機の制御装置であって、
   ３相交流のうちの少なくとも２相について、それぞれの電流値を検出する電流検出手段と、
   前記電流検出手段で検出した電流値を用いて、任意の１相である第一の相の所定の位相における電流値と、前記第一の相よりも１２０°遅れた第二の相における前記第一の相の所定の位相よりも６０°前の電流値とを比較することにより、前記第一の相における電流値のオフセットを検出するオフセット検出手段と、
   その検出したオフセット分だけ前記第一の相の電流値を補正するオフセット補正手段と、
   を備えたことを特徴とする３相交流電動機の制御装置。
2. 前記オフセット検出手段は、オフセットが検出された相の電流値を前記オフセット分だけ補正した値を用いて次の相のオフセット検出を行うことを特徴とする請求項１に記載の３相交流電動機の制御装置。
3. 前記オフセット検出手段は、電動機の非動作時における前記電流検出手段で検出した電流値を初期オフセットとして検出し、電動機の動作時に、前記電流検出手段で検出した電流値を前記初期オフセット分だけ補正した値を用いて前記オフセット検出を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の３相交流電動機の制御装置。

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