JP2013198299A - Motor control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力変換回路のスイッチング素子を操作することで、q軸インダクタンスがd軸インダクタンスより大きい三相モータに電圧を印加するモータ制御装置に関する。 The present invention relates to a motor control device that applies a voltage to a three-phase motor having a q-axis inductance larger than a d-axis inductance by operating a switching element of a power conversion circuit.
ブラシレスモータをセンサレスで駆動する方式として、ステータのコイルに誘起される誘起電圧が基準電圧と一致するゼロクロスタイミングに基づいて、モータの各相に矩形波形状の電圧を印加する方式が知られている。特に、モータの回転速度、トルク、及び電流を制御する場合は、矩形波形状の電圧をパルス幅変調(PWM)して印加するPWM制御方式が知られている。 As a method of driving a brushless motor without a sensor, a method of applying a rectangular waveform voltage to each phase of the motor based on a zero cross timing at which an induced voltage induced in a stator coil matches a reference voltage is known. . In particular, when controlling the rotational speed, torque, and current of a motor, a PWM control method is known in which a rectangular wave voltage is applied by pulse width modulation (PWM).
PWM制御方式の1つとして、3相電力変換回路に含まれる3組の上下スイッチング素子のうち、第3相の上下スイッチング素子をオフにし、第2相の下スイッチング素子をオンにし、第1相の上スイッチング素子をオンオフして電圧を印加する方式(非相補PWM方式)がある。この方式は、第1相の上スイッチング素子をオンした期間でしかゼロクロスタイミングを検出できないため、デューティ比が小さい低速時においてロータの磁極位置を検出することが困難という問題がある。 As one of the PWM control methods, among the three sets of upper and lower switching elements included in the three-phase power conversion circuit, the third phase upper and lower switching elements are turned off, the second phase lower switching elements are turned on, and the first phase There is a method (non-complementary PWM method) in which a voltage is applied by turning on and off the upper switching element. This method has a problem that it is difficult to detect the magnetic pole position of the rotor at a low speed when the duty ratio is small because the zero cross timing can be detected only during the period when the upper switching element of the first phase is turned on.
これに対し、特許文献1や特許文献2のように、3相電力変換回路に含まれる3組の上下スイッチング素子のうち、第3相の上下スイッチング素子をオフにしたまま、第1相の上スイッチング素子をオンにし第2相の下スイッチング素子をオンにした第1状態と、第1相の下スイッチング素子をオンにし第2相の上スイッチング素子をオンにした第2状態とを交互に切り替えて電圧を印加する方式(相補PWM方式)がある。なお、相補PWM方式では、各相の上下スイッチング素子の一方がオンの時に他方はオフにされる。
On the other hand, as in
特許文献1では、第3相の端子に現れる誘起電圧と基準電圧とが一致するタイミングを、ゼロクロスタイミングとしている。しかしながら、特許文献1では、ロータの磁極位置の変化による巻線インダクタンスの変化は考慮されていない。q軸インダクタンスがd軸インダクタンスより大きいIPMモータ等では、ロータの磁極位置に応じてインダクタンスが変化する。そのため、第3相の端子に現れる誘起電圧は、スイッチング素子を第1状態と第2状態とに切り替えるごとに、上下に変動する。それゆえ、ロータの磁極位置を誤検出してしまうおそれがある。
In
一方、特許文献2では、第1状態のときの第3相の端子電圧と、第2状態のときの第3相の端子電圧との差がゼロとなるタイミングを、ゼロクロスタイミングとしている。この検出方法では、電圧デューティ比を100%とした場合、一方のスイッチング状態が存在しないこととなり、ゼロクロスタイミングを検出できない。よって、電圧デューティ比を100%とした場合は、第3相の電圧と基準電圧とを比較する方法などに切り替える必要がある。なお、電圧デューティ比が100%に近い場合でも、いわゆるリンギングにより電圧が安定しないため、第1状態のときの第3相の端子電圧と、第2状態のときの第3相の端子電圧との差がゼロとなるタイミングを検出することは難しい。
On the other hand, in
本発明は、上記実情を鑑みてなされたものである。本発明は、低速時から高速時まで、簡易な方法で精度良くロータの磁極位置を検出可能なモータ制御装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances. An object of the present invention is to provide a motor control device capable of detecting the magnetic pole position of a rotor with high accuracy by a simple method from a low speed to a high speed.
上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明はq軸インダクタンスがd軸インダクタンスより大きい三相モータに接続された電力変換回路のスイッチング素子を操作することで、前記モータに電圧を印加するモータ制御装置であって、前記モータの第1相から第2相へ通電する場合に、前記第1相が前記電力変換回路の高電位側入力端子に前記第2相が前記電力変換回路の低電位側入力端子にそれぞれ導通された第1スイッチング状態と、前記第1相が前記電力変換回路の低電位側入力端子に前記第2相が前記電力変換回路の高電位側入力端子にそれぞれ導通された第2スイッチング状態とを、交互に切り替えるように前記スイッチング素子を操作するパルス幅変調手段と、前記第1相から前記第2相に通電する場合に、前記モータの第3相の端子に生じる誘起電圧が基準電圧と一致するゼロクロスタイミングの検出に基づいて、前記モータに含まれるロータの磁極位置を検出する位置検出手段とを備え、前記位置検出手段は、前記パルス幅変調手段により前記第1スイッチング状態に切り替えられている期間であることを条件として、前記磁極位置を検出する。
In order to solve the above problem, the invention according to
上記構成によれば、三相モータの第1相が電力変換回路の高電位側入力端子に第2相が電力変換回路の低電位側入力端子にそれぞれ導通された第1スイッチング状態と、第1相が電力変換回路の低電位側入力端子に第2相が電力変換回路の高電位側入力端子にそれぞれ導通された第2スイッチング状態とを、交互に切り替えるようにスイッチング素子を操作して、モータの第1相から第2相へ通電させる。そして、第1スイッチング状態の期間において、モータの第3相の端子に生じる誘起電圧が基準電圧と一致するゼロタイミングの検出に基づいて、ロータの磁極位置を検出する。 According to the above configuration, the first switching state in which the first phase of the three-phase motor is electrically connected to the high potential side input terminal of the power conversion circuit and the second phase is respectively connected to the low potential side input terminal of the power conversion circuit; The motor is operated by operating the switching element to alternately switch between the second switching state in which the phase is conducted to the low potential side input terminal of the power conversion circuit and the second phase is conducted to the high potential side input terminal of the power conversion circuit. Current from the first phase to the second phase. Then, during the period of the first switching state, the magnetic pole position of the rotor is detected based on detection of zero timing at which the induced voltage generated at the third phase terminal of the motor matches the reference voltage.
突極性を有するモータの場合、ロータの磁極位置の変化に伴い、巻線インダクタンスが変化する。それにより、第1スイッチング状態の期間において第3相の端子に生じる誘起電圧は、突極性を有しないモータの場合と比較して、基準電圧との差が大きくなる方向に変動する。一方、第2スイッチング状態の期間において第3相の端子に生じる誘起電圧は、突極性を有しないモータの場合と比較して、基準電圧との差が小さくなる方向に変動する。 In the case of a motor having saliency, the winding inductance changes as the rotor magnetic pole position changes. Thereby, the induced voltage generated at the terminal of the third phase in the period of the first switching state fluctuates in a direction in which the difference from the reference voltage becomes larger than in the case of the motor having no saliency. On the other hand, the induced voltage generated at the terminal of the third phase in the period of the second switching state fluctuates in a direction in which the difference from the reference voltage becomes smaller than in the case of a motor having no saliency.
したがって、基準電圧との差が大きくなる第1スイッチング状態の期間では、ゼロクロスタイミングを精度よく検出することができる。よって、第1スイッチング状態の期間である場合にロータの磁極位置を検出し、第1スイッチング状態の期間でない場合にロータの磁極位置を検出しないようにすることにより、低速回転時から高速回転時まで、簡易な方法でロータの磁極位置を精度良く検出することができる。 Therefore, the zero-cross timing can be detected with high accuracy in the period of the first switching state in which the difference from the reference voltage is large. Therefore, by detecting the magnetic pole position of the rotor when it is in the period of the first switching state and not detecting the magnetic pole position of the rotor when it is not the period of the first switching state, from low speed rotation to high speed rotation The magnetic pole position of the rotor can be detected with high accuracy by a simple method.
モータ制御装置を車両用エアコンのファンモータに適用した一実施形態について図面を参照しつつ説明する。まず、図1を参照して、本実施形態にかかるモータ制御装置を適用したモータシステムの全体構成を説明する。 An embodiment in which a motor control device is applied to a fan motor of a vehicle air conditioner will be described with reference to the drawings. First, an overall configuration of a motor system to which the motor control device according to the present embodiment is applied will be described with reference to FIG.
モータ10は、ロータに永久磁石を埋設し、ステータにコイルを巻きつけた3相のIPM(Interior Permanent Magnet)モータである。ステータの3つの相は、U相、V相、W相の順に、0°から電気角120°ピッチで配置されている。また、モータ10は、ロータの磁極位置を検出するホール素子等を備えていない、センサレスモータである。後述するモータ制御装置20が、コイルの各相に発生する誘起電圧のゼロクロスタイミングに基づいてロータの磁極位置を検出し、モータ10の通電相を切り替えている。
The
モータ10の各相には、電圧を印加するインバータ12(電力変換回路)が接続されている。インバータ12は、3相インバータであり、スイッチング素子SW1とSW2との直列接続体と、スイッチング素子SW3とSW4との直列接続体と、スイッチング素子SW5とSW6との直列接続体とが並列接続されたブリッジ回路である。そして、上アーム側スイッチング素子SW1、SW3及びSW5は、バッテリ14の正極側(高電位側入力端子)と接続され、下アーム側スイッチング素子SW2、SW4及びSW6は、バッテリ14の負極側(低電位側入力端子)及びGNDと接続されている。さらに、スイッチング素子SW1とスイッチング素子SW2とを直列接続する接続点と、スイッチング素子SW3とスイッチング素子SW4とを直列接続する接続点、及びスイッチング素子SW5とスイッチング素子SW6とを直列接続する接続点は、それぞれモータのU相、V相、W相と接続されている。また、スイッチング素子SW1〜6には、それぞれフライホイールダイオードD1〜6が並列接続されている。
Each phase of the
なお、上アーム側スイッチング素子SW1、SW3及びSW5は、PチャネルMOS電界効果型トランジスタから構成され、モータ制御装置20から各ゲート電極に負電圧を印加されると、閉状態(オン状態)となる。一方、下アーム側スイッチング素子SW2、SW4及びSW6は、NチャネルMOS電解効果トランジスタから構成され、モータ制御装置20から各ゲート電極に正電圧を印加されると、閉状態となる。また、フライホイールダイオードD1〜6は、MOS電界効果トランジスタの寄生ダイオードとして構成されている。
The upper arm side switching elements SW1, SW3, and SW5 are formed of P-channel MOS field effect transistors, and are closed (on) when a negative voltage is applied to each gate electrode from the
モータ制御装置20は、位置検出手段及びパルス幅変調手段を含み、スイッチング素子SW1〜6を操作して、モータ10を矩形波駆動させる。詳しくは、ゼロクロスタイミングに基づいてロータの磁極位置を検出する。そして、ロータの磁極位置に基づいてモータ10の通電相を切り替え、ロータを回転させる。また、モータ制御装置20は、PWMでスイッチング素子SW1〜6に印加する電圧を制御することにより、モータ10の回転速度やトルク、電流を制御する。なお、モータ制御装置20は、例えば専用制御ICやマイクロコンピュータにより構成される。
The
ロータの磁極位置の検出に用いられるゼロクロスタイミングは、モータ10の各相の端子電圧Vu、Vv、Vwに誘起電圧が現れる期間において、誘起電圧が基準電圧と一致するタイミングとして検出される。具体的には、各相の端子電圧Vu、Vv、Vwを、それぞれ比較器24〜26の+入力端子に入力し、基準電圧を比較器24〜26の−入力端子に入力する。比較器24〜26のそれぞれの出力が反転したタイミングを、ゼロクロスタイミングとして検出する。そして、ゼロクロスタイミングから所定の電気角(例えば30°)遅角したタイミングにおいて、通電相を切り替えるようにスイッチング素子SW1〜6を操作する。なお、基準電圧は、バッテリ14の電圧(電源電圧)を、同じ大きさの抵抗R1とR2で分圧した電圧である。すなわち、基準電圧は、電源電圧の半分の電圧である。したがって、基準電圧は、モータ10の端子電圧を平均化した電圧である仮想中性点電圧のように、誘起電圧に応じて変動することはない。また、端子電圧Vu、Vv、Vwは、それぞれ抵抗Ru、Rv、Rwにより比較器24〜26の電源電圧範囲内に収まる電圧とされ、比較器24〜26に入力される。
The zero cross timing used for detecting the magnetic pole position of the rotor is detected as the timing at which the induced voltage matches the reference voltage in the period in which the induced voltage appears in the terminal voltages Vu, Vv, Vw of each phase of the
図2(a)〜(f)に、スイッチング素子SW1〜6の操作態様の推移をそれぞれ示す。また、図2(g)と(h)に、ゼロクロスタイミングと転流(通電相の切り替え)タイミングとをそれぞれ示す。図示されるように、インバータ12の3つの相のうち1つの相は、上アーム側と下アーム側の両スイッチング素子が開状態(オフ状態)となっている。一方、他の2つの相は、一方の相の上アーム側スイッチング素子と他の相の下アーム側スイッチング素子とが閉となる第1スイッチング状態と、一方の相の下アーム側スイッチング素子と他の相の上アーム側スイッチング素子とが閉となる第2スイッチング状態とが交互に切り替えられている。この場合、各相の上下スイッチング素子の一方が閉状態のとき、他方は開状態となっている。以下、図3及び図4を参照しつつ、詳しく説明する。
FIGS. 2A to 2F show changes in the operation modes of the switching elements SW1 to SW6, respectively. FIGS. 2G and 2H show the zero-cross timing and the commutation (switching of energized phases) timing, respectively. As shown in the drawing, in one of the three phases of the
図3及び図4は、図2のA期間の回路を示す。A期間では、モータ10のV相(第1相)からU相(第2相)へ通電する。図3は、SW3及びSW2を閉状態とし、V相がバッテリ14の正極側(インバータ12の高電位側入力端子)に、U相がバッテリ14の負極側(インバータ12の低電位側入力端子)にそれぞれ導通された第1スイッチング状態を示す。この場合、V相の端子電圧Vvは、バッテリ14の電圧VB(より正確には、これよりもスイッチング素子SW3のソースとドレイン間の電圧降下量程度低い値)となる。また、U相の端子電圧Vuは、接地電位GND(より正確には、これよりもスイッチング素子SW2のソースとドレイン間の電圧降下量程高い値)となる。なお、開状態のSW5及びSW6と接続されているモータ10のW相(第3相)は、ハイインピーダンス状態となっている。モータ制御装置20は、非通電相であるW相の端子に生じる誘起電圧が基準電圧と一致するゼロクロスタイミングの検出に基づいて、ロータの磁極位置を検出する。
3 and 4 show a circuit during period A in FIG. In the period A, the
図4は、図3の第1スイッチング状態から、SW1及びSW4を閉状態とした第2スイッチング状態に切り替えた場合を示す。第2スイッチング状態は、V相がバッテリ14の負極側(インバータ12の低電位側入力端子)に、U相がバッテリ14の正極側(インバータ12の高電位側入力端子)にそれぞれ導通されたスイッチング状態となる。この切り替えに際しては、コイルのインダクタンスにより、スイッチング状態を切り替えた後も、スイッチング状態を切り替える前と同じようにV相からU相へ電流を流そうとする起電力が生じる。このため、SW4からV相へ電流が流れ、U相からSW1へ電流が流れる。この場合、V相の端子電圧Vvは、接地電位GND(より正確には、これよりもスイッチング素子SW4のソースとドレイン間の電圧降下量程低い値)となる。また、U相の端子電圧Vuは、バッテリ14の電圧VB(より正確には、これよりもスイッチング素子SW1のソースとドレイン間の電圧降下量程度高い値)となる。なお、W相は、第1スイッチング状態と同様に、ハイインピーダンス状態となっている。 FIG. 4 shows a case where the first switching state in FIG. 3 is switched to the second switching state in which SW1 and SW4 are closed. In the second switching state, the V phase is conducted to the negative side of the battery 14 (low potential side input terminal of the inverter 12) and the U phase is conducted to the positive side of the battery 14 (high potential side input terminal of the inverter 12). It becomes a state. At the time of this switching, an electromotive force that causes a current to flow from the V-phase to the U-phase is generated after switching the switching state due to the inductance of the coil in the same manner as before switching the switching state. For this reason, a current flows from SW4 to the V phase, and a current flows from the U phase to SW1. In this case, the V-phase terminal voltage Vv becomes the ground potential GND (more precisely, the value of the voltage drop between the source and drain of the switching element SW4 is lower than this). Further, the U-phase terminal voltage Vu is the voltage VB of the battery 14 (more precisely, a value about the amount of voltage drop between the source and drain of the switching element SW1). Note that the W phase is in a high impedance state, as in the first switching state.
図2のA期間では、図3の第1スイッチング状態と図4の第2スイッチング状態が交互に切り替えられる。すなわち、モータ10の第1相から第2相へ通電する場合、第1相がインバータ12の高電位側入力端子に、第2相がインバータ12の低電位側入力端子にそれぞれ導通された第1スイッチング状態と、第1相がインバータ12の低電位側入力端子に、第2相がインバータ12の高電位側入力端子にそれぞれ導通された第2スイッチング状態とを、交互に切り替えるようにスイッチング素子がPWM信号により制御される。これによりPWM信号に応じた電圧がモータ10に印加される。なお、通電相の組み合わせは6パターンあり、60°ごとに切り替えられて合計で1周期(電気角360°)となる。
In the period A in FIG. 2, the first switching state in FIG. 3 and the second switching state in FIG. 4 are switched alternately. That is, when the
次に、非通電相に現れる誘起電圧の変動について述べる。図5に、ロータがU相からV相の方向へ電気角で360°回転する際における、モータ10の各相のインダクタンスLu、Lv、Lwを示す。図示されるように、各相のインダクタンスLu、Lv、Lwは、ロータの磁極位置に応じて変動している。ここで、ロータの磁極が作る磁束の方向をd軸と設定し、d軸と電気的、磁気的に直交する方向をq軸と設定する。そうすると、突極性を有するモータ10では、d軸のインダクタンスLdとq軸のインダクタンスLqの比(突極比)Lq/Ldが1より大きくなる。よって、モータ10の各相のインダクタンスLu、Lv、Lwは、ロータの磁極位置に応じて変動する。なお、突極性を有しない(突極比=1)モータの場合は、各相のインダクタンスLu、Lv、Lwは、ロータの磁極位置に関わらず一定である。
Next, the fluctuation of the induced voltage that appears in the non-conduction phase will be described. FIG. 5 shows inductances Lu, Lv, and Lw of each phase of the
図6は、突極性を有しないモータのV相(第1相)からU相(第2相)に通電した際に、W相(第3相)の端子に現れる誘起電圧を示す。この場合、第1スイッチング状態のデューティ比を55%、第2スイッチング状態のデューティ比を45%とし、第1スイッチング状態と第2スイッチング状態を交互に切り替えて、V相からU相に通電している。図示されるように、第1スイッチング状態に切り替えられている期間の誘起電圧と、第2スイッチング状態に切り替えられている期間の誘起電圧とは、同じ曲線上に乗っている。すなわち、第1スイッチング状態に切り替えられている期間と第2スイッチング状態に切り替えられている期間とにおいて、誘起電圧の変動はない。 FIG. 6 shows the induced voltage that appears at the terminal of the W phase (third phase) when the U phase (second phase) is energized from the V phase (first phase) of the motor having no saliency. In this case, the duty ratio in the first switching state is 55%, the duty ratio in the second switching state is 45%, the first switching state and the second switching state are alternately switched, and the current is supplied from the V phase to the U phase. Yes. As shown in the drawing, the induced voltage during the period in which the first switching state is switched and the induced voltage during the period in which the second switching state is switched are on the same curve. In other words, there is no change in the induced voltage between the period in which the first switching state is switched and the period in which the second switching state is switched.
一方、図7は、突極性を有するモータ10のV相(第1相)からU相(第2相)に通電した際に、W相(第3相)の端子に現れる誘起電圧を示す。破線は、突極比=1の場合の誘起電圧である。図5に示すように、ロータ位置が0°〜60°ではLu<Lv、60°〜120°ではLu>Lvとなる。この場合も、図6と同様に、第1スイッチング状態のデューティ比を55%、第2スイッチング状態のデューティ比を45%とし、第1スイッチング状態と第2スイッチング状態を交互に切り替えて、V相からU相に通電している。
On the other hand, FIG. 7 shows the induced voltage that appears at the W-phase (third phase) terminal when the
図示されるように、第1スイッチング状態に切り替えられている期間の誘起電圧は、突極比=1の場合の誘起電圧より振幅が大きくなっている。すなわち、突極比=1の場合と比較して、基準電圧との差が大きくなる方向に変動している。これに対し、第2スイッチング状態に切り替えられている期間の誘起電圧は、突極比=1の場合の誘起電圧より振幅が小さくなっている。すなわち、突極比=1の場合と比較して、基準電圧との差が小さくなる方向に変動している。第1スイッチング状態ではインダクタンスLv(第1相のインダクタンス)による誘起電圧が現れ、第2スイッチング状態ではインダクタンスLu(第2相のインダクタンス)による誘起電圧が現れる。そのため、突極性を有するモータの場合、第1スイッチング状態と第2スイッチング状態とを切り替えるごとに、誘起電圧が変動する。 As shown in the drawing, the amplitude of the induced voltage during the period of switching to the first switching state has a larger amplitude than the induced voltage when the salient pole ratio = 1. That is, as compared with the case where the salient pole ratio = 1, the difference from the reference voltage increases. In contrast, the amplitude of the induced voltage during the period of switching to the second switching state is smaller than the induced voltage in the case where the salient pole ratio = 1. That is, the difference from the reference voltage is smaller than that in the case where the salient pole ratio = 1. In the first switching state, an induced voltage due to inductance Lv (first phase inductance) appears, and in the second switching state, an induced voltage due to inductance Lu (second phase inductance) appears. Therefore, in the case of a motor having saliency, the induced voltage varies each time the first switching state and the second switching state are switched.
さらに、モータ10が低速回転している場合及び高速回転している場合において、誘起電圧の変動について詳しく述べる。図8に、モータ10のロータが低速回転(1000rpm)している場合において、W相(第3相)の端子に現れる誘起電圧を示す。振幅の大きい曲線(実線)は、第1スイッチング状態でV相(第1相)からU相(第2相)に通電したときの誘起電圧である。振幅の小さい曲線(一点鎖線)は、第2スイッチング状態でV相(第1相)からU相(第2相)に通電したときの誘起電圧である。破線は、突極比=1の場合の誘起電圧である。
Further, the fluctuation of the induced voltage will be described in detail when the
図示されるように、第1スイッチング状態においては、基準電圧と一致するゼロクロスタイミングは、ロータの位置が60°の時にのみ検出される。しかしながら、第2スイッチング状態においては、ロータの位置が60°のとき以外にも、ゼロクロスタイミングが検出される。低速回転時では、非通電相に生じる誘起電圧が小さい。第2スイッチング状態では、非通電相に生じる誘起電圧と基準電圧との差は特に小さくなる。そのため、本来のゼロクロスタイミング以外のタイミングでも、誘起電圧と基準電圧が一致してしまうことがある。したがって、第2スイッチング状態に切り替えられている期間において、ゼロクロスタイミングの検出に基づいてロータの磁極位置を検出すると、誤検出するおそれがある。一方、第1スイッチング状態に切り替えられている期間では、ゼロクロスタイミングの検出に基づいてロータの磁極位置を精度良く検出できる。そこで、第1スイッチング状態に切り替えられている期間であることを条件として、ロータの磁極位置を検出する。 As shown in the figure, in the first switching state, the zero cross timing that matches the reference voltage is detected only when the position of the rotor is 60 °. However, in the second switching state, the zero cross timing is detected in addition to when the rotor position is 60 °. During low speed rotation, the induced voltage generated in the non-energized phase is small. In the second switching state, the difference between the induced voltage generated in the non-conduction phase and the reference voltage is particularly small. Therefore, the induced voltage and the reference voltage may coincide with each other at a timing other than the original zero cross timing. Therefore, if the magnetic pole position of the rotor is detected based on the detection of the zero cross timing during the period in which the second switching state is switched, there is a risk of erroneous detection. On the other hand, during the period of switching to the first switching state, the magnetic pole position of the rotor can be accurately detected based on the detection of the zero cross timing. Therefore, the magnetic pole position of the rotor is detected on the condition that the period is switched to the first switching state.
また、図9に、モータ10のロータが高速回転(5000rpm)している場合において、V相(第1相)からU相(第2相)に通電した際に、W相(第3相)の端子に現れる誘起電圧を示す。低速回転時では、非通電相に生じる誘起電圧が小さいため、第2スイッチング状態に切り替えられている期間においてロータの磁極位置を検出すると、誤検出するおそれがあるという問題があった。これに対して、高速回転時では、図示されるように、非通電相に生じる誘起電圧が大きい。そのため、第2スイッチング状態の期間においても、誘起電圧と基準電圧との差が大きくなり、ロータの磁極位置を精度良く検出できる。よって、高速回転時では、第2スイッチング状態に切り替えられている期間であっても、ロータの磁極位置を検出する。
Further, in FIG. 9, when the rotor of the
次に、図10を参照して、モータ10をセンサレス駆動制御する処理手順を説明する。センサレス矩形波駆動の場合、始動時は誘起電圧が発生していないため、ゼロクロスタイミングの検出に基づいてロータの磁極位置を検出することができない。それゆえ、最初に強制的にロータを回転させ、特定の位置まで移動させる。
Next, a processing procedure for sensorless drive control of the
まずS1では、スイッチング素子SW1、SW4及びSW6をオン状態にし、U相からV相とW相とに電流を流す。このようにすると、ステータの0°の位置にS極が生じ、S極と電気角180°隔てた位置にN極が生じる。そしてロータは、ステータに生じた磁極により強制的に回転される。これを1回か2回行うと、ロータは、ステータの磁極位置に対応して、N極が0°、S極が180°となる位置に移動する。このようにして、ロータの初期位置が決定される。 First, in S1, the switching elements SW1, SW4, and SW6 are turned on, and current flows from the U phase to the V phase and the W phase. If it does in this way, a south pole will arise in the 0-degree position of a stator, and a north pole will arise in the position which is 180 degrees apart from the south pole. The rotor is forcibly rotated by the magnetic pole generated in the stator. When this is performed once or twice, the rotor moves to a position where the N pole is 0 ° and the S pole is 180 ° corresponding to the magnetic pole position of the stator. In this way, the initial position of the rotor is determined.
続いて、S2において、スイッチング素子SW3及びSW2をオン状態にし、V相からU相へ通電させる。このとき、W相はハイインピーダンス状態とする。このようにすると、ステータの電気角150°の位置にS極が生じ、電気角330°の位置にN極が生じる。よって、ロータは、0°から150°の方向(U相からV相の方向)へ回転を始める。 Subsequently, in S2, the switching elements SW3 and SW2 are turned on and energized from the V phase to the U phase. At this time, the W phase is in a high impedance state. If it does in this way, a south pole will arise in the position of the electrical angle 150 degrees of a stator, and a north pole will arise in the position of the electrical angle 330 degrees. Therefore, the rotor starts rotating in the direction from 0 ° to 150 ° (the direction from the U phase to the V phase).
そして、ロータが電気角60°回転したところで、W相の端子に生じる誘起電圧が基準電圧と一致する。よって、W相の端子に生じる誘起電圧が基準電圧と一致したタイミングにおいて、ロータの磁極位置を60°と検出する(S3)。これにより、ロータの磁極位置の最初の検出が行われる。なお、ロータの磁極位置の最初の検出は、周知の他の方法を用いて行ってもよい。 When the rotor rotates 60 electrical degrees, the induced voltage generated at the W-phase terminal coincides with the reference voltage. Therefore, the magnetic pole position of the rotor is detected as 60 ° at the timing when the induced voltage generated at the W-phase terminal coincides with the reference voltage (S3). Thereby, the initial detection of the magnetic pole position of the rotor is performed. The initial detection of the magnetic pole position of the rotor may be performed using another known method.
その後は、通常のセンサレス駆動を始める(S4)。詳しくは、最初に検出した磁極位置60°から電気角30°遅角したタイミングで、通電相を切り替え、W相からU相へ電流を流す。そして、V相に現れる誘起電圧と基準電圧が一致したタイミングをゼロクロスタイミングとして検出し、それから電気角30°遅角したタイミングで、通電相を切り替える。このように、図3に示したスイッチング操作態様で、順次通電相を切り替えて、モータ10を駆動させる。ここでは、第1スイッチング状態に切り替えられている期間であることを条件として、ロータの磁極位置の検出を行う。
Thereafter, normal sensorless driving is started (S4). Specifically, the energized phase is switched at a timing delayed by an electrical angle of 30 ° from the first detected magnetic pole position of 60 °, and a current flows from the W phase to the U phase. Then, the timing at which the induced voltage appearing in the V phase coincides with the reference voltage is detected as the zero cross timing, and the energized phase is switched at a timing delayed by an electrical angle of 30 °. Thus, the
次に、ロータの回転速度が所定回転速度より速いかどうか判定を行う(S5)。ロータの回転速度が所定回転速度以下の場合は(N0)、そのまま、第1スイッチング状態に切り替えられている期間であることを条件として、ロータの磁極位置の検出し、センサレス駆動を行う。 Next, it is determined whether or not the rotational speed of the rotor is faster than a predetermined rotational speed (S5). If the rotational speed of the rotor is equal to or lower than the predetermined rotational speed (N0), the magnetic pole position of the rotor is detected and sensorless driving is performed on the condition that the period is switched to the first switching state.
一方、ロータの回転速度が所定回転速度より速い場合は(YES)、第1スイッチング状態に切り替えられている期間に加えて、第2スイッチング状態に切り替えられている期間においても、ロータの磁極位置の検出を行う(S6)。 On the other hand, when the rotational speed of the rotor is higher than the predetermined rotational speed (YES), the magnetic pole position of the rotor is not changed during the period of switching to the second switching state in addition to the period of switching to the first switching state. Detection is performed (S6).
なお、図11に示すように、上アーム側のスイッチング素子と下アーム側のスイッチング素子とを切り替える際に、リンギングが発生する。そこで、S4及びS6において、磁極位置の検出をする際は、スイッチング素子をオンにした直後から所定時間経過するまでは、磁極位置の検出をしない。以上で、モータ10をセンサレス駆動制御する処理を終える。
As shown in FIG. 11, ringing occurs when switching the switching element on the upper arm side and the switching element on the lower arm side. Therefore, in S4 and S6, when detecting the magnetic pole position, the magnetic pole position is not detected until a predetermined time has elapsed since the switching element was turned on. Thus, the process for controlling the
以上説明した本実施形態は以下の効果を奏する。 The present embodiment described above has the following effects.
・突極性を有するモータ10の場合、ロータの磁極位置の変化に伴い、インダクタンスLu、Lv、Lwが変化する。それにより、第1スイッチング状態の期間において第3相の端子に生じる誘起電圧は、突極性を有しないモータの場合と比較して、基準電圧との差が大きくなる方向に変動する。一方、第2スイッチング状態の期間において第3相の端子に生じる誘起電圧は、突極性を有しないモータの場合と比較して、基準電圧との差が小さくなる方向に変動する。
In the case of the
したがって、基準電圧との差が大きくなる第1スイッチング状態の期間では、ゼロクロスタイミングを精度よく検出することができる。よって、第1スイッチング状態の期間である場合にロータの磁極位置を検出し、第1スイッチング状態の期間でない場合にロータの磁極位置を検出しないようにすることにより、低速回転時から高速回転時まで、簡易な方法でロータの磁極位置を精度良く検出することができる。また、低速回転時から、センサレス駆動が可能なため、騒音を抑制できる。 Therefore, the zero-cross timing can be detected with high accuracy in the period of the first switching state in which the difference from the reference voltage is large. Therefore, by detecting the magnetic pole position of the rotor when it is in the period of the first switching state and not detecting the magnetic pole position of the rotor when it is not the period of the first switching state, from low speed rotation to high speed rotation The magnetic pole position of the rotor can be detected with high accuracy by a simple method. In addition, since sensorless driving is possible from low speed rotation, noise can be suppressed.
・低速回転時では、第3相の端子に生じる誘起電圧が小さいため、第2スイッチング状態の期間においてロータの磁極位置の検出を行うと、誤検出するというおそれがある。しかしながら、高速回転時では、第3相の端子に生じる誘起電圧が大きい。そのため、第2スイッチング状態の期間においても、第3相の端子に生じる誘起電圧と基準電圧との差は大きい。したがって、高速回転時では、第2スイッチ状態の期間においてもゼロクロスタイミングが精度良く検出される。よって、高速回転時では、第2スイッチ状態に切り替えられている期間であっても、ロータの磁極位置の検出を行う。これにより、検出機会が増え、ロータの磁極位置の検出精度が向上する。 At the time of low speed rotation, since the induced voltage generated at the terminal of the third phase is small, if the magnetic pole position of the rotor is detected during the period of the second switching state, there is a risk of erroneous detection. However, during high-speed rotation, the induced voltage generated at the third phase terminal is large. Therefore, even in the period of the second switching state, the difference between the induced voltage generated at the third phase terminal and the reference voltage is large. Therefore, at the time of high speed rotation, the zero cross timing is detected with high accuracy even in the period of the second switch state. Therefore, at the time of high speed rotation, the magnetic pole position of the rotor is detected even during the period when the state is switched to the second switch state. Thereby, detection opportunities increase and the detection accuracy of the magnetic pole position of a rotor improves.
・基準電圧を電源電圧の半分の電圧とすると、モータ10の端子電圧を平均化した電圧である仮想中性点電圧を基準電圧とする場合と比較して、基準電圧が誘起電圧の影響を受けて変動することがない。それゆえ、第3相の端子に生じる誘起電圧と基準電圧との差を大きくできるため、ロータの磁極位置の検出精度が向上する。
-If the reference voltage is half the power supply voltage, the reference voltage is affected by the induced voltage compared to the case where the virtual neutral point voltage, which is the voltage obtained by averaging the terminal voltages of the
・リンキングにより第3相の端子に生じる誘起電圧が不安定になっている期間は、ロータの磁極位置の検出をしないことにより、ゼロクロスタイミングの誤検出を抑制することができる。 -Misdetection of zero cross timing can be suppressed by not detecting the magnetic pole position of the rotor during the period when the induced voltage generated at the third phase terminal is unstable due to linking.
さらに、上記実施形態に限定されず、例えば次のように実施することができる。 Furthermore, it is not limited to the said embodiment, For example, it can implement as follows.
・ロータの回転速度によらず、第1スイッチング状態に切り替えられている期間でのみ、ロータの磁極位置検出を行うようにしてもよい。ロータが高速回転している場合は上記実施形態よりも位置検出機会は減少するが、第1スイッチング状態に切り替えられている期間でのみ位置検出を行っても、精度良くロータの磁極位置を検出できる。 -You may make it detect the magnetic pole position of a rotor only in the period switched to the 1st switching state irrespective of the rotational speed of a rotor. When the rotor is rotating at a high speed, the position detection opportunities are reduced as compared with the above embodiment, but the magnetic pole position of the rotor can be detected with high accuracy even if the position detection is performed only during the period when the rotor is switched to the first switching state. .
・上記実施形態よりも位置検出精度は低下するものの、基準電圧をモータ10の仮想中性点電圧としてもよい。
Although the position detection accuracy is lower than that in the above embodiment, the reference voltage may be the virtual neutral point voltage of the
・ロータの回転速度が所定回速度より速い場合であっても、電圧デューティ比が所定値より大きいときは、第1スイッチング状態に切り替えられている期間でのみ、ロータの磁極位置の検出を行うようにしてもよい。電圧デューティ比が100%近い値のときは、第2スイッチング状態でのパルス幅は非常に狭くなる。そのため、第2スイッチング状態の期間では、ロータの磁極位置の検出が難しくなるので、位置検出を行わないようにしてもよい。 ・ Even if the rotational speed of the rotor is higher than the predetermined rotation speed, if the voltage duty ratio is larger than the predetermined value, the magnetic pole position of the rotor is detected only during the period when the switching to the first switching state is performed. It may be. When the voltage duty ratio is close to 100%, the pulse width in the second switching state becomes very narrow. Therefore, since it is difficult to detect the magnetic pole position of the rotor during the second switching state, the position detection may not be performed.
・モータ10は、q軸インダクタンスよりd軸インダクタンスが大きいモータとして、インセット型SPMモータを採用してもよい。また、固定子の磁気飽和により、q軸インダクタンスがd軸インダクタンスより大きくなるSPMモータを採用してもよい。
The
10…モータ、12…インバータ、14…バッテリ、20…モータ制御装置、24〜26…比較器。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記モータの第1相から第2相へ通電する場合に、前記第1相が前記電力変換回路の高電位側入力端子に前記第2相が前記電力変換回路の低電位側入力端子にそれぞれ導通された第1スイッチング状態と、前記第1相が前記電力変換回路の低電位側入力端子に前記第2相が前記電力変換回路の高電位側入力端子にそれぞれ導通された第2スイッチング状態とを、交互に切り替えるように前記スイッチング素子を操作するパルス幅変調手段と、
前記第1相から前記第2相に通電する場合に、前記モータの第3相の端子に生じる誘起電圧が基準電圧と一致するゼロクロスタイミングの検出に基づいて、前記モータに含まれるロータの磁極位置を検出する位置検出手段とを備え、
前記位置検出手段は、前記パルス幅変調手段により前記第1スイッチング状態に切り替えられている期間であることを条件として、前記磁極位置を検出することを特徴とするモータ制御装置。 A motor control device that applies a voltage to the motor by operating the switching elements (SW1 to SW6) of the power conversion circuit (12) connected to the three-phase motor (10) whose q-axis inductance is larger than the d-axis inductance. 20)
When energizing from the first phase to the second phase of the motor, the first phase is conducted to the high potential side input terminal of the power conversion circuit, and the second phase is conducted to the low potential side input terminal of the power conversion circuit. And the second switching state in which the first phase is conducted to the low potential side input terminal of the power conversion circuit and the second phase is conducted to the high potential side input terminal of the power conversion circuit, respectively. Pulse width modulation means for operating the switching element to switch alternately;
When the second phase is energized from the first phase, the magnetic pole position of the rotor included in the motor based on the detection of the zero cross timing at which the induced voltage generated at the third phase terminal of the motor matches the reference voltage And position detecting means for detecting
The motor control device according to claim 1, wherein the position detection means detects the magnetic pole position on condition that the period is switched to the first switching state by the pulse width modulation means.
前記モータの第1相から第2相へ通電する場合に、前記第1相が前記電力変換回路の高電位側入力端子に前記第2相が前記電力変換回路の低電位側入力端子にそれぞれ導通された第1スイッチング状態と、前記第1相が前記電力変換回路の低電位側入力端子に前記第2相が前記電力変換回路の高電位側入力端子にそれぞれ導通された第2スイッチング状態とを、交互に切り替えるように前記スイッチング素子を操作するパルス幅変調手段と、
前記第1相から前記第2相に通電する場合に、前記モータの第3相の端子に生じる誘起電圧が基準電圧と一致するゼロクロスタイミングの検出に基づいて、前記モータに含まれるロータの磁極位置を検出する位置検出手段とを備え、
前記位置検出手段は、前記パルス幅変調手段により前記第1スイッチング状態に切り替えられている期間のみに、前記磁極位置を検出することを特徴とするモータ制御装置。 A motor control device that applies a voltage to the motor by operating the switching elements (SW1 to SW6) of the power conversion circuit (12) connected to the three-phase motor (10) whose q-axis inductance is larger than the d-axis inductance. 20)
When energizing from the first phase to the second phase of the motor, the first phase is conducted to the high potential side input terminal of the power conversion circuit, and the second phase is conducted to the low potential side input terminal of the power conversion circuit. And the second switching state in which the first phase is conducted to the low potential side input terminal of the power conversion circuit and the second phase is conducted to the high potential side input terminal of the power conversion circuit, respectively. Pulse width modulation means for operating the switching element to switch alternately;
When the second phase is energized from the first phase, the magnetic pole position of the rotor included in the motor based on the detection of the zero cross timing at which the induced voltage generated at the third phase terminal of the motor matches the reference voltage And position detecting means for detecting
The motor control device according to claim 1, wherein the position detection means detects the magnetic pole position only during a period when the pulse width modulation means is switched to the first switching state.
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