JP2013172634A

JP2013172634A - モータ駆動装置

Info

Publication number: JP2013172634A
Application number: JP2012037213A
Authority: JP
Inventors: Norihiro Naoi; 紀拓直井
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2012-02-23
Filing date: 2012-02-23
Publication date: 2013-09-02

Abstract

【課題】電流検出回路に重畳するノイズによるロータ初期位置の誤推定を抑制することができるモータ駆動装置を提供する。
【解決手段】本発明は、モータ駆動装置であって、制御部３は、パルス電圧をロータの印加位置に印加するパルス印加部３７２、３３と、パルス電圧の印加により各通電相のステータコイルに流れる電流を検出する電流検出部３８と、１つの印加位置におけるパルス電圧の印加回数が所定回数（３回以上）に達する毎に、印加位置を所定角だけ移動させる位置変更部３７１と、１つの印加位置における所定回数の電流のうち最大値と最小値を除いた値に基づいて測定値を設定する測定値設定部３７３と、位置変更部がロータの印加位置を電気角合計３６０度以上移動させた後に、測定値のうち最大値となる印加位置に基づいてロータの初期位置を推定する初期位置推定部３７３と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、センサレス制御を用いた埋込磁石形同期モータのモータ駆動装置に関する。

埋込永久磁石形同期モータ（ＩＰＭＳＭ：Interior Permanent Magnet Synchronous Motor）の駆動装置において、コストやセンサ自身の耐久性の観点からセンサを用いない場合が多い。センサレス方式を採用するにあたり、停止状態においてロータの初期位置を推定した上で、起動させる必要がある。初期位置の推定方法は、例えば特開２００６−１５７９９４号公報（特許文献１）に開示されている。この方法では、位置検出用の電圧を各通電相のステータコイルに所定時間順次印加して、電機子電流の大小に基づきロータの初期位置を推定している。

特開２００６−１５７９９４号公報

しかしながら、検出用電圧の印加により検出された電流値の大小関係から初期位置を推定する方式において、電流の検出回路に重畳されるノイズによりロータ初期位置の誤推定（誤判定）が生じるおそれがある。また、パルス電圧を印加することによる電機子電流は、スイッチングのリンギングによりピーク値付近で値が振動することがあり、電流の測定誤差が生じやすくなっている。電流の測定誤差が大きい場合、電流の大小関係のみで初期位置を推定することで初期位置を誤ることがある。誤った初期位置から回転を始動させた場合、モータに対して過電流や起動失敗が生じるおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、電流検出回路に重畳するノイズによるロータ初期位置の誤推定を抑制することができるモータ駆動装置を提供することを目的とする。

本発明は、センサレス制御によりＩＰＭＳＭを駆動させるモータ駆動装置であって、前記モータの各通電相のステータコイルに電圧を印加するスイッチング回路部と、駆動指令又は初期位置推定指令に基づいて前記スイッチング回路部のスイッチングを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記初期位置推定指令に基づき、前記ロータが回転しない所定のパルス電圧が前記ロータの印加位置に印加されるよう前記スイッチング回路部を制御するパルス印加部と、前記パルス電圧の印加により各通電相のステータコイルに流れる電流を検出する電流検出部と、１つの前記印加位置における前記パルス電圧の印加回数が、予め３回以上に設定された所定回数に達する毎に、前記パルス印加部における前記印加位置を所定角だけ移動させる位置変更部と、１つの前記印加位置における前記所定回数の電流のうち最大値と最小値を除いた値に基づいて当該印加位置における測定値を設定する測定値設定部と、前記位置変更部が前記ロータの印加位置を電気角合計３６０度以上移動させた後に、前記測定値設定部で設定された各前記印加位置の測定値のうち最大値となる前記印加位置に基づいて前記ロータの初期位置を推定する初期位置推定部と、を備える。

本発明によれば、１つの印加位置において所定回数測定した電流値のうち最大値と最小値を除いた値に基づいて測定値を設定することで、電流検出回路に重畳するノイズによる初期位置の推定誤差の発生を抑制することができる。

本実施形態のモータ制御装置の構成を示す構成図である。本実施形態の制御部の構成を示す構成図である。本実施形態の初期位置推定制御を説明するためのフローチャートである。パルス電圧に対するγ軸電流を説明するための図である。

次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。なお、図面は、構成を説明のための概念図である。

駆動対象のモータ９は、埋込磁石形同期モータ（ＩＰＭＳＭ）であり、図１に示すように、埋め込み磁石形のロータ９１と、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のステータコイル９２１〜９２３を固定子鉄心（図示せず）に巻装してなるステータ９２と、を備えている。ステータコイル９２１〜９２３は、Ｙ結線されている。ロータ９１の永久磁石は、２極対（４極）で配置されている。本実施形態では、ロータ９１の電気角３６０度は、ロータ９１の機械角１８０度（３６０度／ｎ：ｎは極対数）に相当する。

本実施形態のモータ駆動装置１は、図１に示すように、スイッチング回路部２と、制御部３と、を備えている。スイッチング回路部２は、複数のスイッチング素子２１〜２６と複数の整流素子２ａとで構成されている。スイッチング素子２１〜２６は、トランジスタである。スイッチング回路部２において、スイッチング素子２１〜２３が直流電源７の正極に接続されたハイサイドを構成し、スイッチング素子２４〜２６が直流電源７の負極に接続されたローサイドを構成している。スイッチング回路部２は、制御部３のスイッチング制御（オン／オフ）に応じて、ステータコイル９２１〜９２３に電圧を印加する。スイッチング回路部２は、インバータとして機能している。

制御部３は、スイッチング回路部２に接続された電子制御ユニット（ＥＣＵ）であって、マイコン（図示せず）やメモリ（図示せず）を有している。具体的に、制御部３は、図２に示すように、速度制御部３１と、電流制御部３２と、第一座標変換部３３と、第二座標変換部３４と、回転時位置推定部３５と、速度推定部３６と、初期位置検出部３７と、電流検出部３８と、スイッチ部３ａ、３ｂと、を備えている。制御部３は、指令上流側において、駆動指令や初期位置検出指令を送信する駆動ＥＣＵ８に接続されている。制御部３は、スイッチング回路部２にＰＷＭ制御を行う。なお、スイッチ部３ａ、３ｂは、経路を変更する手段であって、例えばリレースイッチである。スイッチ部３ａ、３ｂは、駆動制御時にはＢ接点に接続され、初期位置推定制御時にはＡ接点に接続される。

（駆動制御）
速度制御部３１は、駆動ＥＣＵ８、電流制御部３２、及び速度推定部３６に接続されている。速度制御部３１は、駆動ＥＣＵ８からの速度指令（駆動指令）を受信し、当該速度指令と、速度推定部３６で推定された実速度に基づいて、流すべき電流値を決定する。具体的には、速度制御部３１は、速度指令における速度と実速度との差をＰＩ演算している。速度制御部３１は、決定した電流値による電流指令を電流制御部３２に送信する。

電流制御部３２は、速度制御部３１、スイッチ部３ａ、第二座標変換部３４、及び回転時位置推定部３５に接続されている。電流制御部３２は、速度制御部３１から受信した電流指令と、第二座標変換部３４から受信する実電流とに基づいて、モータ９に印加するγ軸およびδ軸電圧値をそれぞれ決定する。具体的には、電流制御部３２は、電流指令における電流値と実電流との差をＰＩ演算している。電流制御部３２は、決定した電圧値による電圧指令を、スイッチ部３ａを介して第一座標変換部３３に送信する。

第一座標変換部３３は、スイッチ部３ａ、３ｂ、及びスイッチング回路部２に接続されている。第一座標変換部３３は、電流制御部３２から受信した電圧指令における電圧値を、スイッチング回路部２に応じて座標変換する。具体的に、第一座標変換部３３は、電圧指令であるγ軸及びδ軸の２軸（γδ座標系）上の電圧値を、スイッチング回路部２の相に合わせたＵ軸、Ｖ軸、及びＷ軸の３軸（ＵＶＷ座標系）上の電圧値に座標変換する。この際、第一座標変換部３３は、スイッチ３ｂを介して回転時位置推定部３５から受信した位置情報を基に座標変換を行う。第一座標変換部３３は、座標変換された電圧値に基づいて、スイッチング素子２１〜２６のオン・オフを制御する。つまり、第一座標変換部３３は、スイッチング素子２１〜２６の制御端子に接続されている。

ここで、ｄｑ座標系およびγδ座標系は、モータ制御において一般に用いられているものである。簡単に説明すると、ｄ軸は、ロータ９１の回転中心と、ロータ９１に配置された永久磁石（Ｎ極）の中央とを通る軸である。換言すると、ｄ軸は、ロータ９１回転中心からＮ極磁石中央に向かう方向に延びている。ｄ軸に対し電気角で直交する軸は、ｑ軸と称される。一方、γδ座標系はロータ９１の中心を通る任意の回転座標系であり、ｄｑ軸同様にγ軸およびδ軸は互いに直交している。センサレス制御時にはd軸及びq軸が直接的に把握できないため、γδ座標系において電流や電圧が制御されることになるが、センサレス制御により正確にロータ９１の位置が把握できている場合には、ｄｑ軸とγδ軸は一致する。

ここで、電流検出部３８は、スイッチング回路部２とモータ９の間に配置された電流センサである。電流検出部３８は、ステータコイル９２１〜９２３に流れる電流を検出する。電流検出部３８は、検出した電流値を電圧に変換し、当該電圧を電流値情報として第二座標変換部３４に送信する。

第二座標変換部３４は、電流検出部３８から受信した電流値情報をＡＤ変換（アナログ−デジタル変換）するとともに、ＡＤ変換した値に対し、ＵＶＷ座標系からγδ座標系に座標変換する。この際、第二座標変換部３４は、スイッチ３ｂを介して回転時位置推定部３５から受信した位置情報を基に座標変換を行う。第二座標変換部３４は、γδ座標系に変換された実電流である電流値情報を電流制御部３２、回転時位置推定部３５、及び初期位置検出部３７に送信する。

回転時位置推定部３５は、電流制御部３２、第二座標変換部３４、スイッチ３ｂ、及び速度推定部３６に接続されている。回転時位置推定部３５は、第二座標変換部３４から電流値情報（実電流）を受信するとともに、電流制御部３２からモータに印加する電圧指令（γδ座標系）を受信する。回転時位置推定部３５は、電流値情報と電圧指令に基づいて、回転時（主に高速回転時）のロータ９１の位置を推定する。位置の算出方法は、公知の方法（例えば電圧方程式に基づく推定方法）を用いている。回転時位置推定部３５は、推定した位置情報を、スイッチ３ｂを介して第一座標変換部３３及び第二座標変換部３４に送信（フィードバック）するとともに、速度推定部３６にも送信する。

速度推定部３６は、回転時位置推定部３５及び速度制御部３１に接続されている。速度推定部３６は、回転時位置推定部３５から受信した位置情報に基づいて、ロータ９１の回転速度を推定する。具体的に、速度推定部３６は、位置情報を時間で微分して回転速度を算出する。速度推定部３６は、算出された実速度である速度情報を速度制御部３１に送信する。

（初期位置推定制御）
制御部３は、ロータ９１停止時において、駆動ＥＣＵ８から初期位置推定指令を受信すると、スイッチ部３ａ、３ｂをＡ接点と接続させ、初期位置検出部３７を作動させる。第一座標変換部３３および第二座標変換部３４において任意かつ固定の位置情報を用いて座標変換を行う。初期位置検出部３７は、パルス印加位置指令部３７１と、パルス電圧指令部３７２と、初期位置推定部３７３と、を備えている。

パルス印加位置指令部３７１（「位置変更部」に相当する）は、ステータ９２において、パルス電圧を印加する位置を決定する。パルス印加位置指令部３７１は、パルス電圧指令部３７２に接続されており、決定した位置をパルス電圧指令部３７２に送信する。

パルス印加位置指令部３７１は、パルス電圧を印加する位置を、予め設定された基準位置にして、基準位置からの電気角が０度、３０度、６０度、・・・３６０度、となるように３０度ずつ印加位置を移動させる。パルス印加位置指令部３７１は、一つの位置にパルス電圧が所定回数（本実施形態では３回）印加された後に印加位置を３０度移動させる。パルス印加位置指令部３７１は、第一座標変換部３３からの情報を受け、同位置におけるパルス電圧の印加回数をカウントしている。このように、パルス印加位置指令部３７１は、パルス印加回数が所定回数に達する毎に、パルス電圧の印加位置を所定角α（ここでは電気角３０度）だけ移動させる。

パルス電圧指令部３７２は、パルス印加位置指令部３７１から受信した位置の情報に基づき、γδ座標系におけるパルス電圧値を決定する。パルス電圧は、ロータ９１が回転しない程度の電圧であり、パルス幅（電圧印加時間）もロータ９１が回転しないように所定幅に設定されている。例えば、パルス電圧は、ロータ９１の回転抵抗を超えないように設定されている。パルス電圧指令部３７２は、スイッチ部３ａを介して、パルス電圧指令を第一座標変換部３３に送信する。

第一座標変換部３３は、上記駆動指令時と同様、受信したパルス電圧指令に対し、γδ座標系をＵＶＷ座標系に変換して、スイッチング回路部２のスイッチングを制御する。このように、パルス電圧指令部３７２及び第一座標変換部３３は、パルス電圧がロータ９１の印加位置に印加されるようスイッチング回路部２を制御する部分（「パルス印加部」に相当する）である。

スイッチング回路部２により各ステータコイル９２１〜９２３に電圧が印加され、電流が流れる。電流検出部３８は、上記同様、スイッチング回路部２とステータ９２とをつなぐ配線を流れる電流を検出し、当該電流値を電圧に変換して、電圧で表現された電流値情報（アナログ）を第二座標変換部３４に送信する。

第二座標変換部３４は、ＵＶＷ座標系の電流値情報のうちピークとなる電流値（ピーク電流値）を検出してＡＤ変換する。一般に、パルス電圧がオフする際に電流値がピークとなる（図４参照）。第二座標変換部３４は、ＡＤ変換されたピーク電流値の座標を、ＵＶＷ座標系からγδ座標系に変換する。第二座標変換部３４は、変換した電流値情報のうちγ軸電流を初期位置推定部３７３に送信する。第二座標変換部３４は、初期位置推定部３７３から位置情報を受信する。

初期位置推定部３７３（「測定値設定部」及び「初期位置推定部」に相当する）は、受信した電流値情報を一時記憶し、同位置で３回分の電流値情報を得た後に、当該３回のうち最大値となる電流値情報及び最小値となる電流値情報を削除し、中間の電流値情報を当該位置での電流値（測定値）として記憶する。

突極性を有するＩＰＭＳＭにおいて、一般的にｄ軸に一致した位置にパルス電圧を印加することで流れる電流は、他の位置に印加した場合に比べ大きくなる。この原理を利用し、パルス電圧を印加した際に最も大きな電流が流れる印加位置が、ロータ９１のｄ軸が存在する位置と推定できる。
初期位置推定部３７３は、パルス電圧の印加位置の１周期（電気角３６０度）分の測定値が記憶された後、当該測定値を比較して最大値を決定する。最大値の決定方法は、上記に限られず、例えば、測定値が設定される毎に前回の測定値と比較し、値が大きい方の測定値を記憶していき、１周期移動したところで記憶されていた測定値を最大値として決定する方法でも良い。なお、本実施形態において印加位置が１周したか否かの判定は、パルス印加位置指令部３７１の移動させた合計電気角が３６０度となったか否かで判定しているが、初期位置推定部３７３の測定値の記憶回数で判定しても良い。

初期位置推定部３７３は、最大の測定値が検出された印加位置をγ軸に設定する。初期位置推定部３７３は、スイッチ部３ｂを介して第一座標変換部３３及び第二座標変換部３４に初期位置情報を送信する。

ここで、図３を参照して制御部３による初期位置推定制御の流れについて説明する。角度はすべて電気角を意味する。図３に示すように、制御部３が初期位置推定指令を受信すると、パルス印加位置指令部３７１がパルス電圧の印加位置を基準位置（０度）にセットする（Ｓ３０１）。そして、パルス電圧指令部３７２、第一座標変換部３３、及びスイッチング回路部２により、ステータ９２の基準位置にパルス電圧が印加される（Ｓ３０２）。

そして、電流検出部３８及び第二座標変換部３４により、パルス電圧印加により流れる電流（γ軸電流）のピーク電流が計測され、その値がＡＤ変換されて一時記憶される（Ｓ３０３）。続いて、制御部３は、γ軸電流が安定する時間だけ待機する（Ｓ３０４）。γ軸電流が安定する時間（所定時間）は、γ軸電流が０Ａとなる時間以上であって、本実施形態では、電気的時定数τの約３倍に設定されている。電気的時定数τは、図４に示す値であって、回路のインダクタンス等で決まる値である。なお、上記所定時間は、電気的時定数τの３倍〜５倍が好ましい。

上記時間の経過後、パルス印加位置指令部３７１により、１つの印加位置（ここでは基準位置）でピーク電流値が３回計測されたか否かが判定される（Ｓ３０５）。３回未満の場合（Ｓ３０５：Ｎｏ）、再度パルス電圧が印加される（Ｓ３０２）。一方、３回の場合（Ｓ３０５：Ｙｅｓ）、初期位置推定部３７３により、３つのピーク電流値のうち最大値と最小値を除いた中間値が、当該印加位置での測定値としてメモリに記憶される（Ｓ３０６）。そして、パルス印加位置指令部３７１は、パルス電圧の印加位置を、現在の印加位置（基準位置）から所定角度α（本実施形態ではα＝１８０／６＝３０［度］）だけ移動させる（Ｓ３０７）。

ここで、パルス印加位置指令部３７１は、印加位置を基準位置から移動した電気角の合計が３６０度以上であるか否かを判定する（Ｓ３０８）。３６０度未満の場合（Ｓ３０８：Ｎｏ）、移動させた印加位置でパルス電圧が印加される（Ｓ３０２）。３６０度以上の場合（Ｓ３０８：Ｙｅｓ）、初期位置推定部３７３は、記録された測定値の中から最大値を検索する（Ｓ３０９）。初期位置推定部３７３は、最大値となる印加位置を初期位置（ロータ９１のｄ軸がある位置）として決定する（Ｓ３１０）。

このように、本実施形態によれば、パルス電圧印加により流れる電流を所定回数計測し、その最大値と最小値を除いた値に基づいて、当該印加位置における電流値（測定値）を記憶する。これにより、電流検出回路に重畳するノイズによる誤った初期位置推定の発生を抑制することができる。

また、測定値はピーク電流を対象としているが、パルス電圧印加により計測されるピーク電流は、同じ印加位置においても、インダクタンスのバラツキやピーク付近の値の揺れ等により誤差が生じ、初期位置推定精度の低下が懸念されていた。しかし、本実施形態では、上記のとおり、中間値を測定値として採用するため、誤差による初期位置推定精度の低下を防止することができる。

また、本実施形態では、１つの位置でのパルス印加回数（所定回数）を３回に設定しており、複数の演算なしに容易に推定精度低下を防止することができる。ただし、所定回数は、３回以上であれば良い。例えば、所定回数を４回以上に設定した場合、それらの値のうち最大値と最小値を除いた残りの値の平均を演算し、当該平均値を測定値として記憶しても良い。また、所定回数を奇数に設定した場合、それら値のうち中間の値を測定値として記憶しても良い。

また、パルス印加位置指令部３７１が移動させる所定角αは、上記（３０度）に限られないが、処理時間及び推定精度を考慮すると電気角１０〜１５度以上４５度以下であることが好ましい。

また、本発明は、初期位置推定方法としても記載できる。すなわち、本発明の初期位置推定方法は、センサレスモータセンサレス制御によりＩＰＭＳＭを駆動させるモータ駆動装置におけるロータの初期位置推定方法であって、初期位置推定指令に基づき、ロータが回転しない所定のパルス電圧が、ロータの印加位置に印加されるようスイッチング回路部を制御するパルス印加ステップと、パルス電圧の印加により各通電相のステータコイルに流れる電流を検出する電流検出ステップと、１つの印加位置におけるパルス電圧の印加回数が、予め３回以上に設定された所定回数に達する毎に、パルス印加部における印加位置を所定角だけ移動させる位置変更ステップと、１つの印加位置における所定回数の電流のうち最大値と最小値を除いた値に基づいて当該印加位置における測定値を設定する測定値設定ステップと、位置変更ステップにおいてロータの印加位置が電気角合計３６０度以上移動した後に、測定値設定ステップで設定された各印加位置の測定値のうち最大値となる印加位置に基づいてロータの初期位置を推定する初期位置推定ステップと、を含む。この方法によっても、本実施形態同様の効果が発揮される。

また、上記実施形態では、モータ９のロータ軸は、コンプレッサ（図示せず）に直結されている。コンプレッサは、例えばヒートポンプで用いられるものである。つまり、本実施形態のモータ９では、パルス電圧印加で回転しない程度の大きいイナーシャが生じている。

１：モータ制御装置、２：スイッチング回路部、
３：制御部、３１：速度制御部、３２：電流制御部、
３３：第一座標変換部（パルス印加部）、３４：第二座標変換部、
３５：回転時位置推定部、３６：速度推定部、３７：初期位置検出部、
３７１：パルス印加位置指令部（位置変更部）、
３７２：パルス電圧指令部（パルス印加部）、
３７３：初期位置推定部（測定値設定部及び初期位置推定部）、
３８：電流検出部、８：駆動ＥＣＵ、
９：モータ、９１：ロータ、９２：ステータ、
９２１、９２２、９２３：ステータコイル

Claims

センサレス制御によって埋込永久磁石形同期モータを駆動させるモータ駆動装置であって、
前記センサレスモータの各通電相のステータコイルに電圧を印加するスイッチング回路部と、
駆動指令又は初期位置推定指令に基づいて前記スイッチング回路部のスイッチングを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記初期位置推定指令に基づき、前記ロータが回転しない所定のパルス電圧が前記ロータの印加位置に印加されるよう前記スイッチング回路部を制御するパルス印加部と、
前記パルス電圧の印加により各通電相のステータコイルに流れる電流を検出する電流検出部と、
１つの前記印加位置における前記パルス電圧の印加回数が、予め３回以上に設定された所定回数に達する毎に、前記パルス印加部における前記印加位置を所定角だけ移動させる位置変更部と、
１つの前記印加位置における前記所定回数の電流のうち最大値と最小値を除いた値に基づいて当該印加位置における測定値を設定する測定値設定部と、
前記位置変更部が前記ロータの印加位置を電気角合計３６０度以上移動させた後に、前記測定値設定部で設定された各前記印加位置の測定値のうち最大値となる前記印加位置に基づいて前記ロータの初期位置を推定する初期位置推定部と、
を備えるモータ駆動装置。