JP2010193667A

JP2010193667A - モータ制御装置

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Publication number: JP2010193667A
Application number: JP2009037155A
Authority: JP
Inventors: Seishi Tojo; 威士東條; Hiroyuki Inagaki; 浩之稲垣
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2009-02-19
Filing date: 2009-02-19
Publication date: 2010-09-02
Anticipated expiration: 2029-02-19
Also published as: JP5376218B2

Abstract

【課題】ロータの回転速度に拘わらず、位置検出センサを用いずに、ロータの回転位置を検出して、モータをベクトル制御するモータ制御装置を提供する。
【解決手段】目標電流と２相電流とに基づいて、駆動電流を演算すると共に駆動電圧を演算する電流制御部２と、モータ１２のロータの回転数と目標トルクとに基づいて駆動電圧に重畳される高周波電圧の周波数を設定する周波数設定部７と、高周波電圧を駆動電圧に重畳する高周波電圧重畳部１６と、高周波電圧の周波数に応じて阻止する周波数帯域が設定され、２相電流をフィルタリングするバンドストップフィルタ９と、高周波電圧の周波数に応じて通過させる周波数帯域が設定され、２相電流をフィルタリングするバンドパスフィルタ８を通過した後の２相電流に基づいてロータの回転数及び回転位置を演算する回転状態演算部１１とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、直流電源を交流に変換して交流モータを駆動するモータ制御装置に関する。

永久磁石型の交流モータ、例えば３相同期モータの制御方法として、ベクトル制御（field oriented control : FOC）と呼ばれる制御方法が知られている。ベクトル制御では、交流モータの３相各相のステータコイルに流れるモータ電流を、回転子に配置された永久磁石が発生する磁界の方向であるｄ軸と、ｄ軸に直交するｑ軸とのベクトル成分に座標変換してフィードバック制御を行う。ベクトル制御を用いて交流モータを高精度且つ高速に制御するためには、モータのロータの位置を精度良く検出する必要がある。ロータ位置検出センサを用いてロータの位置を検出方法もあるが、ロータ位置検出センサは比較的体積が大きく、装置が大型化したり、配置上の制約を受けたりする可能性がある。これに対して、永久磁石を有するロータが回転することによって、ステータコイルに誘起される逆起電力を検出することで、電気的にロータ位置を検出する技術が知られている。しかし、ロータが停止中には逆起電力が生じず、ロータの動き初めは逆起電力も小さい。従って、モータの始動時にはロータの位置を検出できないという課題がある。この課題に鑑みて、ロータの回転速度とは異なる高周波電流をモータに印加し、ロータの磁気抵抗の差を検出することでロータの位置を推定する方法が特開２００１−３３９９９９号公報（特許文献１）に記載されている。

特開２００１−３３９９９９号公報（第７〜１０、４３〜６８段落等）

特許文献１において重畳される高周波電流の周波数は、例えば５００Ｈｚの固定値である。ロータが回転を始めると逆起電力が生じ始めるため、推定精度が低下する可能性がある。従って、ロータの回転速度に拘わらず、良好にロータ位置を推定する技術が求められる。

本発明は、上記課題に鑑みて創案されたもので、モータのロータの回転速度に拘わらず、位置検出センサを用いることなく、ロータの回転位置を検出して、モータをベクトル制御するモータ制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係るモータ制御装置の特徴構成は、
交流モータのロータに配置された永久磁石が発生する磁界の方向であるｄ軸と当該ｄ軸に直交するｑ軸とにおける目標電流と、ｄ軸及びｑ軸の２相電流に変換されてフィードバックされた前記交流モータのステータコイルに流れる３相電流の検出結果とに基づいて、ｄ軸及びｑ軸上における駆動電流を演算すると共に、当該駆動電流に基づいてｄ軸及びｑ軸上における駆動電圧を演算する電流制御部と、
前記ロータの回転数と前記目標トルクとに基づいて前記駆動電圧に重畳される高周波電圧の周波数を設定する周波数設定部と、
設定された前記周波数を有する前記高周波電圧を前記駆動電圧に重畳する高周波電圧重畳部と、
前記高周波電圧の周波数に応じて阻止する周波数帯域が設定され、前記２相電流をフィルタリングして前記電流制御部へフィードバックするバンドストップフィルタと、
前記高周波電圧の周波数に応じて通過させる周波数帯域が設定され、前記２相電流をフィルタリングするバンドパスフィルタと、
前記バンドパスフィルタを通過した後の前記２相電流に基づいて前記ロータの回転数及び前記ロータの回転位置を演算する回転状態演算部と、
を備える点にある。

この特徴構成によれば、駆動電圧に重畳される高周波電圧の周波数が、ロータの回転数と目標トルクとに基づいて設定される。従って、高周波電圧が重畳された後の駆動電圧に基づいて制御されるインバータ回路を介して直流電源から交流モータに供給される駆動電流に重畳される高周波電流も、ロータの回転数と目標トルクとに応じて異なるものとなる。従来のモータ制御装置とは異なり、重畳される高周波電流の周波数が固定値ではないため、ロータが回転を始めた後の逆起電力に起因して、ロータ位置の推定精度が低下する可能性が抑制される。また、モータのステータコイルに流れる電流には、高周波電流が含まれるが、この高周波電流が含まれる３相電流は、２相電流に変換された後でバンドストップフィルタを介して電流制御部へフィードバックされる。バンドストップフィルタは、高周波電流の周波数帯域に応じて阻止する周波数帯域が設定されるので、ロータ位置を検出するために意図的に重畳された高周波成分は、電流制御部へフィードバックされる前に除去される。従って、電流制御部は高周波成分の影響を受けることなく、電流制御を実施することができる。以上、本特徴構成によって、モータのロータの回転速度に拘わらず、位置検出センサを用いることなく、ロータの回転位置を検出して、モータをベクトル制御するモータ制御装置を提供することが可能となる。

また、本発明に係るモータ制御装置の前記周波数設定部は、前記ロータの回転数と前記目標トルクとを引数とする周波数テーブルを有して構成されると好適である。

これによれば、ロータの回転数と目標トルクとを引数とする周波数テーブルにより、周波数が設定されるので、システム構成を簡素にすることが可能となる。

交流モータを駆動するモータ制御システムの構成例を模式的に示すブロック図モータ制御装置の構成例を模式的に示すブロック図周波数テーブルの一例を示す説明図

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、交流モータを駆動するモータ制御システムの構成を模式的に示すブロック図である。交流モータであるモータ１２を駆動するモータ制御システムは、モータ１２と直流電源２０との間に介在されて、直流電源２０の出力を３相交流に変換するインバータ回路５を有して構成される。インバータ回路５は、複数のスイッチング素子を有して構成される。スイッチング素子には、ＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）やＭＯＳＦＥＴ（metal oxide semiconductor field effect transistor）を適用すると好適である。ここでは、スイッチング素子としてＩＧＢＴを用いる場合を例示している。

インバータ回路５は、３相のブリッジ回路により構成されている。インバータ回路５の入力プラス側２１と入力マイナス側２２との間に２つのＩＧＢＴが直列に接続され、この直列回路が３回線並列接続される。つまり、モータ１２のステータコイルｕ相、ｖ相、ｗ相のそれぞれに一組の直列回路が対応したブリッジ回路が構成される。図１において、ＩＧＢＴＱ５、Ｑ１、Ｑ３は、それぞれｕ相、ｖ相、ｗ相に対応する上段側のスイッチング素子である。また、ＩＧＢＴＱ６、Ｑ２、Ｑ４は、それぞれｕ相、ｖ相、ｗ相に対応する下段側のスイッチング素子である。尚、ＩＧＢＴＱ１〜Ｑ６には、それぞれフライホイールダイオード（回生ダイオード）が並列に接続される。フライホイールダイオードは、カソード端子がＩＧＢＴのコレクタ端子に接続され、アノード端子がＩＧＢＴのエミッタ端子に接続される形で並列に接続される。

各相の上段側のＩＧＢＴＱ１、Ｑ３、Ｑ５のコレクタはインバータ回路５の入力プラス側２１に接続され、エミッタは各相の下段側のＩＧＢＴＱ２、Ｑ４、Ｑ６のコレクタに接続されている。また、各相の下段側のＩＧＢＴＱ２、Ｑ４、Ｑ６のエミッタは、インバータ回路５の入力マイナス側２２（グラウンド）に接続されている。対となる各相のＩＧＢＴ（Ｑ５，Ｑ６）、（Ｑ３，Ｑ４）、（Ｑ１，Ｑ２）による直列回路の中間点（ＩＧＢＴの接続点）は、モータ１２のｕ相、ｖ相、ｗ相のステータコイル１２ｕ、１２ｖ、１２ｗにそれぞれ接続されている。

各ＩＧＢＴＱ１〜Ｑ６のゲートは、ドライバ回路５１を介して制御部としてのＥＣＵ５０に接続されており、それぞれ個別にスイッチング制御される。ＥＣＵ５０は、マイクロコンピュータなどの論理回路を中核として構成される。ＥＣＵ５０は、本発明のモータ制御装置に相当する。高電圧をスイッチングするＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴのゲートに入力される駆動信号は、一般的な論理回路の電圧よりも高い電圧を必要とするため、ドライバ回路５１を介してインバータ回路５に入力される。

ＥＣＵ５０は、ＩＧＢＴＱ１〜Ｑ６を、モータ１２に対する目標トルク及び回転数に基づいてＰＷＭ制御することで、モータ１２に３相の交流駆動電流を供給する。これにより、モータ１２は、回転数、目標トルクに応じて力行する。尚、モータ１２が発電機として働き、モータ１２側からインバータ回路５が電力を受ける回生時も力行時と同様である。ＥＣＵ５０は、ＩＧＢＴＱ１〜Ｑ６を、モータ１２に対する目標トルク及び回転数に基づいてＰＷＭ制御することで、発電された電力を直流に変換する。尚、単純に、ＩＧＢＴＱ１〜Ｑ６に並列接続されたフライホイールダイオードを用いて整流することも可能である。

また、ＥＣＵ５０は、回転数やモータ電流に基づいてフィードバック制御を行う。図１に示すように、モータ２のｕ相、ｖ相、ｗ相の各ステータコイル１２ｕ、１２ｖ、１２ｗへ供給される駆動電流を計測するために、電流検出部１３として機能する電流センサが備えられている。電流センサによる検出値は、ＥＣＵ５０が受け取り、フィードバック制御に用いられる。本例では、３相全ての電流を計測する構成を示しているが、３相は平衡状態にあり、電流の瞬時値の総和は零であるので２相のみの電流を計測して、ＥＣＵ５０において残りの１相の電流を演算により求めてもよい。

モータ１２には、レゾルバなどの回転検出センサが備えられる場合があるが、本実施形態においては、機械的にロータの回転角を検出するセンサは設けられていない。後述するように、本実施形態においては、永久磁石を有するロータが回転することによって、ステータコイル１２ｕ、１２ｖ、１２ｗに誘起される逆起電力を検出することで、電気的にロータ位置を検出する方法が用いられる。電気的にロータ位置を検出する技術については、特許文献１等に記載されているように公知であるので詳細な説明は省略する。電気的に求められたロータ位置（回転角）やロータ位置に基づく電気角θを用いて、モータ１の回転数（角速度ω）や、インバータ回路５の各ＩＧＢＴＱ１〜Ｑ６の制御タイミングが演算される。

図２は、モータ制御装置としてのＥＣＵ５０の構成を模式的に示すブロック図である。図２では、モータ制御システムの内、ＥＣＵ５０以外の構成については適宜簡略化して表している。上述したように、ＥＣＵ５０は、ベクトル制御によりモータ１２を制御する機能部であり、マイクロコンピュータなどの論理回路を中核として構成される。従って、ＥＣＵ５０の各機能部は、それぞれ独立して構成される必要はなく、プログラムと共通のハードウェアとの協働によって各機能が実現されれば充分である。

ＥＣＵ５０は、図２に示すように、ベクトル制御を行うために、目標電流設定部１と、電流制御部２と、２相／３相変換部３及びＰＷＭ制御部４を含むインバータ回路制御部１０と、３相／２相変換部６とを備えて構成される。また、ＥＣＵ５０は、ロータ位置や回転数などの回転状態を演算するための回転状態演算部１１を備えて構成される。また、ＥＣＵ５０は、回転状態を電気的に検出するために、ベクトル制御において決定される駆動電圧に高周波成分を重畳させるための機能部である、周波数設定部７、高周波電圧設定部１５、高周波電圧重畳部１６を備えて構成される。さらに、ＥＣＵ５０は、重畳される高周波電圧の周波数成分に応じて周波数帯域が設定されるバンドパスフィルタ８やバンドストップフィルタ９を備えて構成される。

ベクトル制御では、交流モータの３相各相のステータコイルに流れるモータ電流を、回転子に配置された永久磁石が発生する磁界の方向であるｄ軸と、ｄ軸に直交するｑ軸とのベクトル成分に座標変換してフィードバック制御を行う。目標電流設定部１は、モータ１２の回転数と目標トルクとに基づいて、モータ１２を駆動するためのｄ軸とｑ軸とにおける目標電流を設定する機能部である。目標電流設定部１は、ＥＣＵ５０とは別の制御部、例えば車両全体を制御するＥＣＵなどから、モータ１２に要求される目標トルクを受け取り、この目標トルクとモータ１２の回転数などの回転状態に基づいて目標電流値を演算する。モータ１２の回転状態は、回転状態演算部１１の回転数演算部１９により演算される。

電流制御部２は、比例制御（Ｐ制御）や、比例積分制御（ＰＩ制御）などを用いた電流制御によりｄ軸及びｑ軸上における駆動電流を演算すると共に、当該駆動電流に基づいてｄ軸及びｑ軸上における駆動電圧を演算する機能部である。電流制御部２は、目標電流設定部１により設定されたｄ軸及びｑ軸上の目標電流と、フィードバックされた２相電流とに基づいて、ｄ軸及びｑ軸上における駆動電流を演算する。フィードバックされる２相電流は、ステータコイル１２ｕ、１２ｖ、１２ｗに流れる３相電流の電流検出部１３による検出結果が、３相／２相変換部６においてｄ軸及びｑ軸の２相電流に変換されたものである。さらに詳しくは、後述するように、フィードバックされる２相電流は、３相／２相変換部６において２相電流に変換されたのち、バンドストップフィルタ９を介してフィードバックされたものである。駆動電流を演算すると、電流制御部２は、決定した駆動電流の値を電圧方程式へ代入して演算し、２相の駆動電圧であるｄ軸電圧及びｑ軸電圧を決定する。

インバータ回路制御部１０は、２相／３相変換部３及びＰＷＭ制御部４を有して構成される機能部である。２相／３相変換部３は、電流制御部２が決定した２相の駆動電圧を、実際に３相のステータコイル１２ｖ〜１２ｗに駆動電流を流すための駆動電圧である３相の駆動電圧に変換する機能部である。ＰＷＭ制御部４は、当該３相の駆動電圧に基づいて、直流電源２０とモータ１２との間に介在され、直流を３相交流に変換するインバータ回路５を駆動制御する駆動信号を生成する機能部である。つまり、ＰＷＭ制御部４は、２相／３相変換部３において決定された３相の駆動電圧を発生させるべく、インバータ回路５の各ＩＧＢＴＱ１〜Ｑ６をスイッチングするゲート駆動信号を生成する。インバータ回路５は、ＰＷＭ制御部４によりスイッチング制御されて、直流電源２０の出力を交流に変換して、モータ１２を駆動する。

このように、モータ１２の３相のステータコイル１２ｖ〜１２ｗに流れる電流を検出し、これをフィードバックしてモータ１２がベクトル制御される。但し、本実施形態においては、ステータコイル１２ｕ、１２ｖ、１２ｗに誘起される逆起電力を検出することで、電気的にロータ位置を検出する方法が用いられる。従って、ＥＣＵ５０には、ベクトル制御のための各機能部に加えて、電気的にロータ位置を検出するための機能部が付加され、ベクトル制御のための各機能部と協働する。

例えば、インバータ回路制御部１０と電流制御部２との間には、高周波電圧重畳部１６が備えられ、電流制御部２が決定した駆動電圧に、高周波電圧が重畳される。インバータ回路制御部１０は、この高周波電圧が重畳された駆動電圧を受け取る。従って、２相／３相変換部３は、高周波電圧が重畳されたｄ軸及びｑ軸上における駆動電圧を３相の駆動電圧に変換することになる。そして、この３相の駆動電圧に基づいてＰＷＭ制御が実施されるので、ステータコイル１２ｖ〜１２ｗに流れる電流にも高周波電流が重畳されることになる。電流検出部１３において検出される電流に高周波成分が含まれるため、３相／２相変換部６により２相電流に変換された後にも高周波成分が含まれることとなる。

高周波成分は、電気的にロータ位置を検出するために重畳されたものである。従って、高周波成分は、回転状態演算部１１においてロータ位置やロータの回転数を演算する上では非常に重要な情報である。そこで、３相／２相変換部６において変換された後の２相電流は、高周波電圧の周波数に応じて通過させる周波数帯域が設定されるバンドパスフィルタ８を介して、回転状態演算部１１へ伝達される。バンドパスフィルタ８は、高周波電圧の周波数に応じて周波数帯域が設定される可変フィルタである。

一方、ベクトル制御におけるフィードバック電流として、電流制御部２へフィードバックされる場合には、高周波成分はノイズ成分である。そこで、２相電流は、高周波電圧の周波数に応じて阻止する周波数帯域が設定されるバンドストップフィルタ９を介して、電流制御部２へフィードバックされる。バンドストップフィルタ９は、高周波電圧の周波数に応じて周波数帯域が設定される可変フィルタである。２相電流に含まれる高周波成分の周波数帯域に応じて阻止する周波数帯域が設定されるので、ロータ位置を検出するために意図的に重畳された高周波成分は、電流制御部２へフィードバックされる前に除去される。その結果、電流制御部２は高周波成分の影響を受けることなく、電流制御を実施することができる。

バンドパスフィルタ８及びバンドストップフィルタ９の周波数帯域は、高周波電圧の周波数に応じて設定されるが、高周波電圧の周波数は、周波数設定部７において設定される。周波数設定部７は、ロータの回転数と目標トルクとに基づいて駆動電圧に重畳される高周波電圧の周波数を設定する。周波数設定部７は、逐次計算を行うことによって周波数を設定してもよいが、図３に示すように、ロータの回転数と目標トルクとを引数とする周波数テーブルを有して構成されて、テーブル参照によって周波数を設定すると好適である。つまり、より簡素な構成で周波数設定部７を構成できると共に、ロータの回転数や目標トルクの小さな変化に対する影響を受けずに安定して周波数を設定することができる。

高周波電圧設定部１５は、設定された周波数を有する高周波電圧を設定する機能部である。そして、高周波電圧重畳部１６は、周波数設定部７により設定された周波数を有する高周波電圧を電流制御部２が演算した駆動電圧に重畳する機能部である。つまり、高周波電圧重畳部１６により、目標トルク及びロータの回転数に応じた高周波電圧が重畳される。従来のモータ制御装置とは異なり、重畳される高周波の周波数が固定値ではないため、ロータが回転を始めた後の逆起電力に起因して、ロータ位置の推定精度が低下する可能性が抑制される。

以上、説明したように、本発明のモータ制御装置は、ベクトル制御を実施する各機能部と協調してロータ位置を推定する機能部が備えられる。従って、モータ制御装置の規模を抑制しつつ、高精度でロータ位置を推定することが可能となる。また、ベクトル制御を実施する各機能部と協調しつつも、ベクトル制御のためのフィードバック電流には、高周波成分に起因するノイズ成分が抑制される構成を採用している。また、高周波成分の周波数は、目標トルクとロータの回転数とに応じて設定されるので、ロータの回転速度に拘わらず、位置検出センサを用いることなく、ロータの回転位置が良好に推定される。

以上、本発明によって、ロータの回転速度に拘わらず、位置検出センサを用いることなく、ロータの回転位置を検出して、モータをベクトル制御するモータ制御装置を提供することができる。

１：目標電流設定部
２：電流制御部
５：インバータ回路
７：周波数設定部
８：バンドパスフィルタ
９：バンドストップフィルタ
１０：インバータ回路制御部
１１：回転状態演算部
１２：モータ（交流モータ）
１２ｕ、１２ｖ、１２ｗ：ステータコイル
１６：高周波電圧重畳部

Claims

交流モータのロータに配置された永久磁石が発生する磁界の方向であるｄ軸と当該ｄ軸に直交するｑ軸とにおける目標電流と、ｄ軸及びｑ軸の２相電流に変換されてフィードバックされた前記交流モータのステータコイルに流れる３相電流の検出結果とに基づいて、ｄ軸及びｑ軸上における駆動電流を演算すると共に、当該駆動電流に基づいてｄ軸及びｑ軸上における駆動電圧を演算する電流制御部と、
前記ロータの回転数と前記目標トルクとに基づいて前記駆動電圧に重畳される高周波電圧の周波数を設定する周波数設定部と、
設定された前記周波数を有する前記高周波電圧を前記駆動電圧に重畳する高周波電圧重畳部と、
前記高周波電圧の周波数に応じて阻止する周波数帯域が設定され、前記２相電流をフィルタリングして前記電流制御部へフィードバックするバンドストップフィルタと、
前記高周波電圧の周波数に応じて通過させる周波数帯域が設定され、前記２相電流をフィルタリングするバンドパスフィルタと、
前記バンドパスフィルタを通過した後の前記２相電流に基づいて前記ロータの回転数及び前記ロータの回転位置を演算する回転状態演算部と、
を備えるモータ制御装置。
前記周波数設定部は、前記ロータの回転数と前記目標トルクとを引数とする周波数テーブルを有して構成される請求項１に記載のモータ制御装置。