JP2008253115A - 電動機制御装置および電動機制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】単独のシャント抵抗に流れる電流値から駆動電圧のＰＷＭ制御へのフィードバックを行なうモータ制御装置において、シャント抵抗からの電流検出区間を確保すること。
【解決手段】モータ２の出力が低下し、ＰＷＭによるスイッチング制御において駆動電圧がオン状態である時間が短くなる場合に、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０を利用して駆動電圧を降圧する。このように駆動電圧を下げることで、モータを所定の出力で駆動するために必要なオン状態の時間が長くなるので、シャント抵抗に電流が流れる時間が長くなり、電流検出を行なう区間を確保することができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、電動機（モータ）を制御する電動機制御装置および電動機制御方法に関し、特に単独のシャント抵抗で電動機の各相の電圧を検出する電動機制御装置および電動機制御方法に関する。

ブラシレスモータの電流フィードバックによるベクトル制御を行なうに際し、モータ３相の電流のうち２相以上を電流検出しなければならない。従来では、３相各相あるいは２相に電流センサを設けてセンシングする方式を採用していたが、コスト、実装面を考えると、インバータ直流側に電流検出用抵抗（シャント抵抗）を一つ設け、この電流検出用抵抗に流れる電流値を検出することで３相全ての電流を検出することが望ましい。

しかしながら、この方法ではＰＷＭ（Pulse Width Modulation）の周期内で各相の制御信号がそれぞれオンとなった状態で検出する必要がある。そのため、出力が小さい場合にはオン状態となる時間、すなわち電流検出用抵抗に電流が流れる通流時間が減少し、電流検出が困難になってしまう。

かかる問題の対策案として、従来、スイッチングのキャリア周波数を小さくし、検出区間を広げる技術が考案されている（たとえば特許文献１参照。）。

特開２００４−１０４９７７号公報

しかしながら、上述したように周波数を小さくすると、電流のリップルが大きくなり、電源平滑用フィルタの効果が得られにくくなり、ノイズ性能の悪化を引き起こす危険がある。さらに、周波数を変更する構成では、制御時の応答性にも問題を引き起こす危険がある。

そのため、スイッチングのキャリア周波数を小さくすることなく、シャント抵抗からの電流検出区間を確保する技術の実現が重要な課題であった。

本発明は、上述した従来技術における問題点を解消し、課題を解決するためになされたものであり、スイッチングのキャリア周波数を小さくすることなく、シャント抵抗からの電流検出区間を確保することのできる電動機制御装置および電動機制御方法を提供すること目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、電動機制御装置および電動機制御方法は、電動機を駆動するインバータ回路に設けられた電流検出用抵抗に流れる電流を検出し、検出した電流値に基づいてインバータに電動機駆動電圧のスイッチング指示を送出する際に、電流検出抵抗から電流値を検出する検出時間を確保するよう、電動機の出力に基づいて電動機駆動電圧の値を変更する。

本発明によれば電動機制御装置および電動機制御方法は、インバータ回路に設けられた電流検出用抵抗に流れる電流を検出し、検出した電流値に基づいてインバータの電動機駆動電圧スイッチングを制御する場合に、電流検出抵抗から電流値を検出する検出時間を確保するよう、電動機の出力に基づいて電動機駆動電圧の値を変更するので、出力が小さい場合には駆動電圧を下げてオン状態の時間を長くすることで電流検出区間を確保することのできる電動機制御装置および電動機制御方法を得ることができるという効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、この発明に係る電動機制御装置および電動機制御方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。

１．発明の概要
まず、図１を参照し、本発明の概要について説明する。本発明では、モータ制御装置１は、インバータ回路２０をモータ２に接続し、演算装置であるＣＰＵ１０がＰＷＭでインバータ回路２０のスイッチングを制御することで電動機（モータ）２の動作を制御する。

具体的には、インバータ回路２０内のシャント抵抗に流れる電流値をＣＰＵ１０が取得し、得られた電流値からモータの三相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の電流を求めて制御内容にフィードバックし、インバータ回路２０に対してＰＷＭ制御信号を送信する。

ここで、インバータ回路２０のスイッチングによってモータ２に与えられる駆動電圧は、電源であるバッテリ１ａとインバータ回路２０との間にＤＣ−ＤＣコンバータ回路３０を介在させることで変更可能としている。

従来のモータ制御装置では、モータが高回転状態である場合に高い逆起電圧が生じ、応答性が低下することを防ぐためにＤＣ−ＤＣコンバータを利用していた。すなわち、モータの高回転状態を検知した場合に、一時的に駆動電圧を昇圧することで応答性を向上していた。このようなＤＣ−ＤＣコンバータを利用した応答性向上制御は、例えば車両用の電動パワーステアリングコントローラに使用するモータで採用されている。

本発明では、モータの出力が低下し、ＰＷＭによるスイッチング制御において駆動電圧がオン状態である時間が短くなる場合に、シャント抵抗からの電流検出区間を確保するため、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０を利用して駆動電圧を降圧する。駆動電圧を下げることで、モータを所定の出力で駆動するために必要なオン状態の時間が長くなるので、シャント抵抗に電流が流れる時間が長くなり、電流検出を行なう区間を確保することができる。

このように、モータの駆動電圧を降圧することでスイッチングのキャリア周波数を変更することなく電流検出区間を確保する点に本発明の主たる特徴がある。そのため、応答性向上などを目的としてＤＣ−ＤＣコンバータなどの電圧変更機能を既に有するモータ制御装置に本発明を適用すれば、既存の機能を利用して本発明を簡易に実施することができる。

２．本発明の構成例
つづいて、図２を参照し、本発明の具体的な構成例について説明する。まず、インバータ回路２０は、モータの各相に対してそれぞれ駆動電圧を与えるスイッチング素子として機能するＦＥＴ群に加え、各ＦＥＴのオンオフ制御を実行するドライバ２０ａ、インバータの直流側に設けられた電流検出用抵抗（シャント抵抗）２１を有する。

ドライバ２０ａは、ＣＰＵ１０からの制御を受け、各ＦＥＴのオンオフ制御を実行する。また、ドライバ２０ａは各ＦＥＴのゲート電圧の値を変更する制御電圧変更機能を有する。これは、本発明においてはインバータがモータに与える駆動電圧が変化ので、駆動電圧に対応して適切な制御電圧をＦＥＴに与えることができるようにするためである。

ＤＣ−ＤＣコンバータ回路３０は、その内部にスイッチング素子として機能するＦＥＴ３１，３２、およびＣＰＵ１０からの制御を受けてＦＥＴ３１，３２のオンオフ制御を実行するドライバ３０ａを備えており、ＦＥＴ３１，３２の制御によってバッテリ１ａの電圧を昇圧、もしくは降圧する。

ＣＰＵ１０は、アンプ１ｂによって増幅されたシャント抵抗２１の電流値を取得し、この電流値に基づいてインバータ回路２０を制御する。また、モータ２の出力が低下したときにはＣＰＵ１０はＤＣ−ＤＣコンバータ回路３０を制御して駆動電圧を降圧する降圧処理を行なって電流検出区間を大きくする電流検出区間制御を行なう。さらに、モータ２が高回転状態となった（所定値以上の回転数、即ち出力が高くなった）場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路３０を制御して駆動電圧を昇圧させる処理を行なう。昇圧処理は所定値、或いは回転状態に応じて昇圧（段階的であっても、回転数に比例した値であってもよい）する。

具体的には、昇圧動作を行なう場合には、ＦＥＴ３１をＰＷＭ駆動し、ＦＥＴ３２はＯＦＦ駆動とし、寄生ダイオード特性を利用して逆流を防止する。また、出力が高い場合にはＦＥＴ３１のＯＦＦ区間中にＦＥＴ３２をＯＮ動作させることで回生時のダイオード損失を減らす同期整流を行なうことも可能である。

降圧動作を行なう場合には、ＦＥＴ３２をＰＷＭ駆動し、ＦＥＴ３１をＯＦＦ駆動として、回生時に寄生ダイオード特性を利用する。また、昇圧動作時と同様にＦＥＴ３２のＯＦＦ区間中にＦＥＴ３１をＯＮ動作させてダイオード損失を減らす同期整流を行なうことも可能である。

なお、ＰＷＭ制御は電解コンデンサの正極付近の電圧をモニタし、目標の電圧になるようにＦＥＴ（昇圧時はＦＥＴ３１，降圧時はＦＥＴ３２）のＯＮ Ｄｕｔｙを可変する。

つづいて図３を参照し、モータ制御装置１の処理動作について説明する。モータ制御装置１は、電流フィードバックによるトルク制御を行なう。具体的には、ＣＰＵ１０は、トルクセンサなどで取得したトルク情報Ｔｒに基づいて指令電流Ｉｑ＿ｒｅｆ，Ｉｄ＿ｒｅｆを算出する。その一方で、モータ２から電気角情報θを、インバータ回路からシャント電流値Ｉｖを取得してモータの三相をｄ，ｑ変換し、算出電流Ｉｑ，Ｉｄを得る。

そして指令電流Ｉｑ＿ｒｅｆ，Ｉｄ＿ｒｅｆと算出電流Ｉｑ，Ｉｄを比較してフィードバックし、指令電圧Ｖｑ，Ｖｄを算出する。この指令電圧Ｖｑ，ＶｄをＰＷＭ変換して、ｕ相、ｖ相、ｗ相のそれぞれに対するＰＷＭ制御信号Ｖｕ＿ｄｔ，Ｖｖ＿ｄｔ，Ｖｗ＿ｄｔをインバータ回路２０に送信する。

インバータ回路２０は、このＰＷＭ制御信号に基づいてＦＥＴのオンオフ制御を実行し、ｕ相、ｖ相、ｗ相にそれぞれ駆動電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを与える。

ここまでの処理は、従来と同様のモータ駆動制御であるが、本発明においてはトルク情報Ｔｒとモータ電気角情報θから目標駆動電圧を設定し、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０を制御して駆動電圧を降圧する電流検出区間制御を行ない、駆動電圧の値をＰＷＭ変換に反映させる。

この電流検出区間制御では、ＣＰＵ１０は、まずモータ電気角情報θの単位時間あたりの変化から算出した角速度ωとトルク情報Ｔｒとを積算し、必要とする出力値Ｗｏｕｔを求める。

そして得られたＷｏｕｔに応じてモータ駆動電圧Ｖｃｐの目標値を決定し、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０に送信する。ＤＣ−ＤＣコンバータ３０は、設定された目標値になるようＦＥＴ３１，３２のスイッチング制御を行なうことで駆動電圧Ｖｃｐを得る。

ここで、出力値Ｗｏｕｔと駆動電圧Ｖｃｐとの対応関係は、予め実験や検査を行なって十分な電流検出区間ができる対応関係を求めてマップとして格納し、このマップを参照することで出力値Ｗｏｕｔから駆動電圧Ｖｃｐを求めるようにすればよい。

ここで、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０の応答性は、出力値Ｗｏｕｔに追従できるほど高くないので、出力値Ｗｏｕｔの所定時間の平均値Ｗａｖに対して駆動電圧Ｖｃｐを対応付けるようにすることが好適である。

この出力平均値Ｗａｖと駆動電圧Ｖｃｐとの対応マップの具体例を図４に示す。同図に示す例では、出力平均値Ｗａｖに対して駆動電圧Ｖｃｐを階段状に対応付けている。

そして、出力平均値Ｗａｖが所定範囲内であれば、通常時の駆動電圧ＶｃｐＵを駆動電圧として与えるが、出力平均値Ｗａｖが所定範囲より小さければ、駆動電圧ＶｃｐをＶｃｐＵよりも下げて電流検出区間を確保する。また、一方で、出力平均値Ｗａｖが所定範囲より大きい場合、すなわちモータの回転数が高い場合には駆動電圧ＶｃｐをＶｃｐＵよりも上げて逆起電圧に対向し、応答性を向上する。

このように、出力平均値に基づいて昇圧制御をも行なうこととすれば、単一の制御動作で電流検出区間確保と応答性向上という二つの異なる効果を得ることができる。

なお、通常時の駆動電圧ＶｃｐＵは、バッテリ１ａの電圧値に等しいとは限らない。例えば車載用のモータでは、バッテリの電圧には制約があるので、通常の駆動電圧としてある程度昇圧した値を用いることがありえる。

モータ制御装置１の動作による電流検出区間制御の具体例を図５に示す。同図に示す様に、高出力状態では各相のモータ端子電圧においてオン状態となる時間が長く、電流検出区間を十分にとることができる。

これに対し、出力が低下したときに従来のように駆動電圧を一定とし、ＰＷＭのみでモータ駆動制御を行なうと、各相のモータ端子電圧においてオン状態となる時間が短くなり、電流検出区間を十分に取ることができない。

しかし、本発明のように駆動電圧の低下を伴うＰＷＭ制御では、各相のモータ端子電圧においてオン状態となる時間が長くし、電流検出区間を十分に確保することができる。

上述してきたように、本実施例にかかるモータ制御装置１は、モータ２の出力が低下し、ＰＷＭによるスイッチング制御において駆動電圧がオン状態である時間が短くなる場合に、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０を利用して駆動電圧を降圧する。

このように駆動電圧を下げることで、モータを所定の出力で駆動するために必要なオン状態の時間が長くなるので、シャント抵抗に電流が流れる時間が長くなり、電流検出を行なう区間を確保することができる。

また、スイッチングのキャリア周波数を変更することがないので、ノイズ性能の悪化や制御時の応答性に問題を引き起こすことを回避できる。

以上のように、本発明にかかる電動機制御装置および電動機制御方法は、単独のシャント抵抗による電動機の各相の電圧検出に有用であり、特に簡易な構成での電流検出区間の確保に適している。

本発明の概要について説明する説明図である。 本発明の実施例にかかるモータ制御装置の回路構成を示す回路構成図である。 本発明の実施例にかかるモータ制御装置の処理動作を示す制御ブロック図である。 出力平均値Ｗａｖと駆動電圧Ｖｃｐとの対応マップを説明する説明図である。 駆動電圧降下による電流検出区間確保について説明する説明図である。

符号の説明

１ モータ制御装置
１ａ バッテリ
１ｂ アンプ
２ モータ
１０ ＣＰＵ
２０ インバータ回路
２１ 電流検出用抵抗
２０ａ ドライバ
３０ ＤＣ−ＤＣコンバータ回路
３０ａ ドライバ
３１，３２ ＦＥＴ

Claims (5)

1. 電動機を駆動するインバータ回路と、
   前記インバータ回路に設けられた電流検出用抵抗と、
   前記電流検出抵抗によって検出された電流値に基づいて前記インバータに電動機駆動電圧のスイッチング指示を送出するインバータ制御手段と、
   前記電流検出抵抗から前記電流値を検出する検出時間を確保するよう、前記電動機の出力に基づいて前記電動機駆動電圧の値を変更する駆動電圧変更手段と、
   を備えたことを特徴とする電動機制御装置。
2. 前記駆動電圧変更手段は、前記電動機の回転状態に応じて前記電動機駆動電圧を一時的に変更する処理をさらに行なうことを特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置。
3. 目標となるトルク情報および角度情報から必要な電動機出力値を算出し、該必要電動機出力値に基づいて前記電動機駆動電圧を決定することを特徴とする請求項１または２に記載の電動機制御装置。
4. 前記駆動電圧変更手段は、前記必要電動機出力値と前記電動機駆動電圧との対応関係を規定する対応テーブルを参照し、前記必要電動機出力値から前記電動機駆動電圧を決定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の電動機制御装置。
5. 電動機を駆動するインバータ回路に設けられた電流検出用抵抗に流れる電流を検出する電流検出工程と、
   検出した電流値に基づいて前記インバータに電動機駆動電圧のスイッチング指示を送出するインバータ制御工程と、
   前記電流検出抵抗から前記電流値を検出する検出時間を確保するよう、前記電動機の出力に基づいて前記電動機駆動電圧の値を変更する駆動電圧変更工程と、
   を含んだことを特徴とする電動機制御方法。

Images