JP2011135652A

JP2011135652A - モータ制御装置及びモータ制御方法

Info

Publication number: JP2011135652A
Application number: JP2009291380A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Takeda; 勇一武田
Original assignee: Samsung Yokohama Research Institute
Current assignee: Samsung R&D Institute Japan Co Ltd
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2011-07-07

Abstract

【課題】電動モータＭを位置センサレス制御する場合において、低い制御周波数であっても、コストアップを招くことなく、制御応答性を向上させる。
【解決手段】電動モータＭに流れる電流値に基づいてロータの位置誤差を推定し、推定された前記位置誤差d_BEMFからロータの回転速度を推定し、推定された前記回転速度ω^と予め設定した設定速度との偏差に少なくとも基づいて前記電動モータＭに付与すべき制御電圧又は制御電流を設定する。その際に、電動モータＭの慣性モーメントを測定しておき、前記回転速度ω^の推定パラメータとして、前記位置誤差d_BEMFに加えて前記慣性モーメントを用いるようにした。
【選択図】図４

Description

本発明は、電動モータをセンサレスでベクトル制御するモータ制御装置に関するものである。

洗濯機等のように負荷が変動する環境で用いられる電動モータをセンサレスで制御する場合において、制御応答を劣化させない、又は向上するために、従来、主として次のような技術が考えられている。

（１）Ｌｑを補正することで制御不安定動作の改善をする。より具体的には、図１に示すように、位置誤差（又は位相誤差）であるΔθを推定するにあたって、その値がｑ軸のインダクタンスＬｑの変化によって影響を受け、真の値からずれることにより、制御不安定になると考え、ｑ軸電流値ｉｑよってＬｑを補正し、位置誤差を推定演算するようにしたものである。
しかしながら、制御周波数が低い制御系の場合はＬｑの値によるΔθのずれが不安定動作の原因ではないため、このような対策を講じても制御応答の改善は十分でない場合が多い。

（２）慣性モーメントが変化しているにもかかわらず速度制御ループの制御ゲインが変化していないことで負荷追従性能が劣化していると考え、慣性モーメントを推定して速度制御ゲイン又は電流制御ゲインを補正する。

図２に、速度制御ゲインを補正するようにした一例を示す。この類型に属するものとして特許文献１を挙げることができる。速度制御の比例ゲインと積分ゲインはイナーシャＪの関数となるため、慣性モーメントの変化にあわせて速度制御ゲインを補正し、制御応答を改善する技術である。
しかしながら、このような対策を講じても、制御周波数が低い制御系の場合は、速度制御ゲインを補正しても十分な制御応答が得られない場合が多い。

図３に、電流制御ゲインを補正するようにした一例を示す。この類型に属するものとして特許文献２を挙げることができる。電流制御ゲインをコントロールすることで、磁気飽和による制御不安定動作を改善した技術である。
しかしながら、制御周波数が低い制御系の場合は磁気飽和による不安定動作ではなく、制御応答が悪いための不安定動作であるためこのような対策を講じても制御応答の改善は十分でない場合が多い。

（３）現代制御を活用して制御応答を劣化させないよう制御を構成する。しかしながら、このようなものでは、演算が複雑になり、低能力のＣＰＵでは処理に時間がかかって対応できない。

（４）ＣＰＵ演算能力の高いものを使い、制御周波数を高くすることで制御応答の劣化をさせない。しかしながら、このようなものでは高コストとなり、低価格化が難しくなる。

その他に、特許文献３に示す構成も考えられているが、このものは、電機子電圧より位相誤差を求め、位相差誤差をホールドすることで制御応答を改善するものであり、可変の制御ゲインが制御応答を改善するものではない。

特開２００１−３５２７７３号公報特開２００３−１８９６５２号公報特開２０００−９２８８３号公報

このように、従来のものは、制御周波数が高い場合、すなわち制御の１ループにかかる時間が十分に短い場合には、それ相応の効果を確かに得られるものの、制御周波数が低い場合には、上述したように負荷が変動する環境で用いられる電動モータをセンサレスで制御する場合において、制御応答性を改善することは非常に難しい。

本発明は、かかる問題点を解決すべくなされたものであって、電動モータを位置センサレス制御する場合において、低い制御周波数であっても、コストアップを招くことなく、制御応答性を向上させることをその主たる所期課題としたものである。

すなわち本発明に係るモータ制御装置は、制御対象となる電動モータに流れる電流値に基づいてロータの位置誤差を推定する位置誤差推定部と、推定された位置誤差からロータ速度を推定する速度推定部とを具備し、推定された前記ロータ速度と予め設定した設定速度との偏差に少なくとも基づいて前記電動モータに付与すべき制御電圧又は制御電流を設定するものであって、前記電動モータの慣性モーメントを検出する慣性モーメント検出部をさらに備え、前記速度推定部におけるロータ速度の推定算出パラメータとして、前記位置誤差に加えて前記慣性モーメントを用いるようにしたことを特徴とする。

このようなものであれば、慣性モーメントの変化を測定して、フィードフォワードによる速度推定部の補正が追加されることとなる。すなわち、慣性モーメントの変化に対し、ロータ速度を推定する速度推定部の演算式を直接補正することができるので、制御中の無駄時間、時定数による遅れに影響されることなくロータ速度の補正ができ、制御周波数が低い場合でも慣性モーメントの変化に対して制御応答性を向上させることができるようになる。

より具体的には、制御対象となる電動モータのｄ軸及びｑ軸に流れる電流値に基づいてロータの位置誤差を推定する位置誤差推定部と、推定された前記位置誤差にＰＬＬ演算を施してロータ速度を推定する速度推定部とを具備し、推定された前記ロータ速度と予め設定した設定速度との偏差に少なくとも基づいて前記電動モータに付与すべき制御電圧又は制御電流を設定するものであって、前記速度推定部におけるロータ速度の推定パラメータとして、前記位置誤差に加え、前記ｑ軸に流れる電流値を用いるようにしたものである。このようなものであれば慣性モーメントを測定するための専用のセンサ等が不要で、演算の複雑化も招かないため、コストアップを抑制できるというメリットがある。

さらに詳細には、前記速度推定部のＰＬＬゲインを、前記ｑ軸に流れる電流値を用いて補正するようにしたものが好ましい。

以上のように構成した本発明によれば、慣性モーメントの変化に対し、ロータ速度を推定する速度推定部の演算式をフィードフォワードにより直接補正することができるので、制御中の無駄時間、時定数による遅れに影響されることなくロータ速度の補正ができ、制御周波数が低い場合でも慣性モーメントの変化に対して制御応答性を向上させることができるようになる。また、特殊なハードウェアや演算処理を必要としないので、コストアップを抑制できるという効果も得られる。

従来のモータ制御方式の一例を示す制御ブロック図である。従来のモータ制御方式の一例を示す制御ブロック図である。従来のモータ制御方式の一例を示す制御ブロック図である。本発明の一実施形態におけるモータ制御装置の制御方式を示す制御ブロック図。同実施形態におけるモータ制御方法を適用した場合と適用しなかった場合とを比較したシミュレーション結果である。同実施形態におけるモータ制御方法を適用した場合と適用しなかった場合とを比較したシミュレーション結果である。同実施形態におけるモータ制御方法を適用した場合と適用しなかった場合とを比較したシミュレーション結果である。本発明の他の実施形態におけるモータ制御装置の制御方式を示す制御ブロック図。

以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

図１に本発明に係るモータ制御装置１００を示す。なお、同図では制御対象である電動モータＭも記載してある。
このモータ制御装置１００は、位置センサレスベクトル制御を利用して、ロータ（図示しない）の回転速度を予め与えられた設定速度に制御するものであり、物理的にはＣＰＵ、メモリ等を含む電気回路によって構成されている。そして、前記メモリに記憶されたプログラムにしたがってＣＰＵやその周辺機器が作動することにより、図４に示すように、出力座標変換部１、位置誤差推定部２、速度推定部３、速度制御部４、電流制御部５、入力座標変換部６、位置推定部７等としての機能を発揮する。

次に、各部の説明を兼ねて、ここでの位置センサレスベクトル制御の概要を説明する。
モータＭに流れる各相（３相）の電流は、出力座標変換部１で仮想の制御軸、すなわちｄ軸及びｑ軸にそれぞれ流れる２相の電流id及びiqに変換される。

そして、このｄ軸電流id及びｑ軸電流iqに基づいて、位置誤差推定部２が、前記制御軸基準でのロータの推定位置と実際のロータ位置との誤差d_BEMFを推定算出する。

その後、速度推定部３がＰＬＬ演算を施して前記誤差d_BEMFを零にするようにロータの回転速度ω＾を推定算出する。ちなみにその算出式は、以下の式（１）で表される。
ω^ = PLL_kp・d_BEMF ＋ 1 / ｓ・(PLL_ki・d_BEMF) ・・・（１）
PLL_kp：速度推定部３でのＰＬＬゲインのうちの比例ゲイン
PLL_ki：速度推定部３でのＰＬＬゲインのうちの積分ゲイン
s：微分演算子
ω^：推定速度
d_BEMF：推定位置誤差

そして、速度制御部４が、前記推定回転速度ω^と予め定めた設定回転速度ω_refとの偏差ω_errに基づいてｑ軸電流指令値Iq_refを算出し、さらに電流制御部５が、前記ｑ軸電流指令値Iq_refと前記ｑ軸電流Iqとの偏差Iq_errに基づいて、電動モータＭに付与すべきｑ軸電圧Vqを算出する。

一方、位置推定部７は、前記推定速度ω^を時間積分することでロータの位置θ^を推定算出しており、前記入力座標変換部６が、前記ｑ軸電圧Vqと前記推定位置θ^から電動モータＭに付与する実際の各相電圧Vu、Vv、Vwを算出する。

以上が位置センサレスベクトル制御の概要であるが、この実施形態では、前記慣性モーメントの変化を推定し、速度推定部３での演算に前記慣性モーメントをパラメータとしたフィードフォワードによる補正を追加するようにしている。

より具体的には、図４に示すように、ゲイン制御部８を設けて速度推定部３のＰＬＬゲインを慣性モーメントの変化に応じて直接補正するようにしている。このことによって、制御中の無駄時間、時定数による遅れに影響されることなくロータ速度の補正ができ、慣性モーメントの変化に対しての制御応答性の向上を実現できる。

しかしてこの実施形態では、慣性モーメントの変化がトルク電流、すなわちｑ軸電流Iqに反映されることから、ｑ軸電流の測定機構を慣性モーメント検出部と見なすとともに、ｑ軸電流Iqに基づいて速度推定部３でのＰＬＬゲインを以下の式を用いて補正するようにしている。
PLL_kp = KP_GAIN + (Iq・KP_HOSEI) ・・・（２）
PLL_ki = KI_GAIN + (Iq・KI_HOSEI) ・・・（３）
KP_GAIN：比例ゲイン初期値
KI_GAIN：積分ゲイン初期値
KP_HOSEI：比例ゲイン補正値
KI_HOSEI：積分ゲイン補正値

次に、このように構成したモータ制御装置１００の効果をその理由とともに説明する。
回転負荷の慣性モーメントにおいて、粘性負荷がイナーシャと比べて極めて小さい場合の運動方程式は以下のようになる。
T = ( J + ｍｒ²）・ｓ・ω＝KT・Iq ・・・（４）
T：トルク
J：イナーシャ
ω：回転速度
KT：トルク定数
s：微分演算子
ｍ：負荷重量
ｒ：回転負荷の回転半径

速度を一定に保つよう制御する場合、つまり加速度（s・ω）ゼロが目標の場合、発生した加速分だけトルクを制御することになるから、慣性モーメント( J + ｍｒ²）は、Iqによって、次のように表わされる。
( J + ｍｒ²）＝ Iq・（K_T・s・ω）・・・（５）

速度制御部４でのゲイン、すなわち速度制御ゲインKω_P及びKω_Iは通常、以下のように値が設定される。
Kω_P ＝ J・ω_sc/K_T ・・・（６）
Iq_Kp ＝ Kω_P・ω_err ＝ J・ω_sc / K_T・ω_err ・・・（７）
Kω_I ＝ J・ω_sc²/ （2・KT）・・・（８）
Iq_Ki ＝ 1 / ｓ・（Kω_I・ω_err）
＝ 1 / ｓ・(J・ω_sc²/ （2・KT）・ω_err）・・・（９）
ω_sc：交差各周波数
Iq_Kp：電流指令値の比例成分
Iq_Ki：電流指令値の成分成分
なお、電流指令値Iq_ref = Iq_Kp + Iq_Ki

つまり速度制御ゲインはイナーシャJに比例した値となるが、回転負荷の場合、慣性モーメントに比例したゲインでなければならない。仮に速度制御ゲインが定数で設定されると、慣性モーメントの変化をω_errの増加で模擬する必要がある。

ω_errを変化させることは、ω^が大きく変化することと同意であり、位置推定誤差d_BEMFの値に対し、比例ゲインを大きくすることでその目的が達せられる。トルクの変化が加速度によらず全て慣性モーメントによるものとして制御系にフィードバックすると、速度制御に対し慣性モーメント変化に対応したゲイン補正が実施されたこととなり、速度制御の応答が改善される。

PLL_kpに慣性モーメントに応じた補正を行なうと、比例係数KP_HOSEIは式（５）より加速度s・ωを使って以下のように表される。
KP_HOSEI ＝ K_T・s・ω ・・・式（１０）

また、同様にPLL_kiに補正を施すと、
KI_HOSEI ＝ K_T・ω_sc / 2・(s・ω) ・・・式（１１）
加速度がわかれば、慣性モーメントによる速度推定部３での演算に対する補正が可能となる。このときの加速度は減速時に正、加速時に負とする。

そうすると、式（２）及び式（１０）から、速度推定部３でのＰＬＬ比例ゲインPLL_kpは、以下のようになる。
PLL_kp = KP_GAIN + Iq・KP_HOSEI
= KP_GAIN + Iq・K_T・s・ω ・・・式（１２）

しかして、補正後のωをω_err_revとすると、
ω_err_rev = (KP_GAIN + Iq・K_T・s・ω・d_BEMF
= KP_GAIN・d_BEMF ＋ Iq・K_T・s・ω・d_BEMF
=ω_err + ω_err_HOSEI ・・・式（１３）
ω_err_HOSEI：ω_err_rev値の補正相当分

また、補正後のIq_KpをIq_Kp_revとすると、
Iq_Kp_rev = Kω_P・ω_err_rev
= J・ω_sc / K_T・ω_err ＋ J・ω_sc / KT・ω_err_HOSEI・・・式（１４）

速度制御により出力される電流指令の比例成分はKP_HOSEIにより増加することがわかる。また、PLL_kiについても同様の結果となる。つまり、速度制御ゲインがKP_HOSEIにより増加することで、速度制御の応答が改善されるのことが明らかにわかる。
位置誤差推定より出力されたd_BEMFの値は、上記速度推定オブザーバの各ゲインより、上記式（１）で示した推定速度となる。
ω^ = PLL_kp・d_BEMF ＋ 1 / ｓ・(PLL_ki・d_BEMF) ・・・再掲式（１）

また、推定速度が補正されることで、推定位置θ^も補正される。
推定位置θ^(n) = θ^(n-1) ＋ ω^・Ts
= θ^(n-1) ＋ △θ^＋Iq・KP_HOSEI・d_BEMF
＋ 1 / ｓ・( Iq・KI_HOSEI)・d_BEMF
= θ^(n-1) ＋ △θ^＋（△θp_rev＋△θI_rev）・・・式（１５）
Ts：１制御サイクルの時間
△θ^：１制御サイクルでのθ^の変化分
△θp_rev：△θ^の比例成分の補正相当分
△θI_rev：△θ^の積分成分の補正相当分

以上のように、速度推定部３の制御ゲインであるＰＬＬゲインを慣性モーメントの変化、すなわちIqで補正していることで制御応答が改善される。さらに、推定位置θ^も制御応答の低い速度制御に影響されずに補正されることから、速度制御のゲインのみをコントロールした場合と比較して制御応答は改善されるとともに、より制御が安定となる。

また、推定位置誤差の結果、d_BEMFは加速が必要な場合、すなわちs・ω＞0のとき、負の値（減速時）であり、推定位置は補正前と比較し、遅れ方向に補正される。従って、慣性モーメントが急増したときに、応答速度の遅い速度制御より先に位置が修正されるため、制御応答の改善と安定が実現できる。

速度推定部３でのゲイン補正は負荷が大きく変動した場合に有効であればよいため、加速度を定数Kaとして、以下の式のように設定しても良い。
KP_HOSEI＝KT・Ka ・・・式（１６）
Ka：加速度を定数に換算した係数 1.0＜Kaで設定
ただし、制御の安定限界に注意して余裕のある制御設計が必要となる。

最後に、表１での各条件で補正をを施した場合と補正無しとの場合でそれぞれシミュレーションした結果を、図５〜図７に示す。図５は条件１、図６は条件２、図７は条件３である。また、KP_GAIN ＝ 1.5 , KP_HOSEI = 0.1 , KI_GAIN ＝ 40.0 , KI_HOSEI = 15.0とした。
各条件にて制御応答が改善されているのが明らかにわかる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、式（２）、（３）、（４）より、ＰＬＬゲインを補正するのではなく、図８に示すように、補正用速度推定部３を別に設け、そこで算出した補正用推定速度ωmom^を用いて直接、推定速度ω^を補正することも可能である。
その他、本発明は前記実施形態に限られず、数値等の設定など、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・モータ制御装置
Ｍ・・・電動モータ
２・・・位置誤差推定部
３・・・速度推定部
Id・・・ｄ軸に流れる電流値
Iq・・・ｑ軸に流れる電流値
d_BEMF・・・推定位置誤差
ω^・・・推定速度
ω_ref・・・設定速度
ω_err・・・偏差
Vu、Vv、Vw・・・制御電圧

Claims

制御対象となる電動モータに流れる電流値に基づいてロータの位置誤差を推定する位置誤差推定部と、推定された位置誤差からロータの回転速度を推定する速度推定部とを具備し、推定された前記回転速度と予め設定した設定速度との偏差に少なくとも基づいて前記電動モータに付与すべき制御電圧又は制御電流を設定するものであって、前記電動モータの慣性モーメントを検出する慣性モーメント検出部をさらに備え、前記速度推定部での回転速度の推定算出パラメータとして、前記位置誤差に加えて前記慣性モーメントを用いるようにしたことを特徴とするモータ制御装置。
制御対象となる電動モータのｄ軸及びｑ軸に流れる電流値に基づいてロータの位置誤差を推定する位置誤差推定部と、推定された前記位置誤差にＰＬＬ演算を施してロータの回転速度を推定する速度推定部とを具備し、推定された前記回転速度と予め設定した設定速度との偏差に少なくとも基づいて前記電動モータに付与すべき制御電圧又は制御電流を設定するものであって、
前記速度推定部での回転速度の推定パラメータとして、前記位置誤差に加え、前記ｑ軸に流れる電流値を用いるようにしたことを特徴とするモータ制御装置。
前記速度推定部のＰＬＬゲインを、前記ｑ軸に流れる電流値を用いて補正することを特徴とする請求項２記載のモータ制御装置。
制御対象となる電動モータに流れる電流値に基づいてロータの位置誤差を推定し、推定された前記位置誤差からロータの回転速度を推定し、推定された前記回転速度と予め設定した設定速度との偏差に少なくとも基づいて前記電動モータに付与すべき制御電圧又は制御電流を設定する方法であって、電動モータの慣性モーメントを測定しておき、前記回転速度の推定パラメータとして、前記位置誤差に加えて前記慣性モーメントを用いるようにしたことを特徴とするモータ制御方法。
制御対象となる電動モータのｄ軸及びｑ軸に流れる電流値に基づいてロータの位置誤差を推定し、推定された前記位置誤差にＰＬＬ演算を施してロータの回転速度を推定し、推定された前記回転速度と予め設定した設定速度との偏差に少なくとも基づいて前記電動モータに付与すべき制御電圧又は制御電流を設定する方法であって、
前記回転速度の推定パラメータとして、前記位置誤差に加え、前記ｑ軸に流れる電流値を用いるようにしたことを特徴とするモータ制御方法。