JP2014050122A - ロータ位置推定装置、電動機制御システムおよびロータ位置推定方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】突極性を有するロータを備えた電動機のロータ位置を推定するロータ位置推定装置において、電動機の回路定数の特性の影響を受けず、ロータ位置を精度良く推定する。
【解決手段】ロータ位置推定部270は、交流電動機M1の停止中に制御軸であるd−q軸を所定角度ずつ回転させながら回転角度ごとにd軸電圧を印加し、d軸電圧印加時間の終了時点に交流電動機M1に流れるq軸電流を検出する。そして、q軸電流の検出値が零に最も近くなるときのd−q軸に対応するロータ位置を、交流電動機M1の停止中におけるロータ位置と推定する。ロータ位置推定部270は、交流電動機M1の回路定数の特性と、d−q軸の角度変化量に対するq軸電流の検出値の変化量との相関に基づいて、d軸電圧の電圧値および電圧印加時間を設定する。
【選択図】図2
【解決手段】ロータ位置推定部270は、交流電動機M1の停止中に制御軸であるd−q軸を所定角度ずつ回転させながら回転角度ごとにd軸電圧を印加し、d軸電圧印加時間の終了時点に交流電動機M1に流れるq軸電流を検出する。そして、q軸電流の検出値が零に最も近くなるときのd−q軸に対応するロータ位置を、交流電動機M1の停止中におけるロータ位置と推定する。ロータ位置推定部270は、交流電動機M1の回路定数の特性と、d−q軸の角度変化量に対するq軸電流の検出値の変化量との相関に基づいて、d軸電圧の電圧値および電圧印加時間を設定する。
【選択図】図2
Description
本発明は、突極性を有するロータを備えた電動機のロータ位置を推定するロータ位置推定装置およびロータ位置推定方法に関する。
車両の動力源として交流電動機を搭載した電動車両(電気自動車やハイブリッド自動車など)においては、交流電動機に、ロータに永久磁石を用いた永久磁石式同期電動機等の同期電動機を適用し、ロータの位置情報に基づいて同期電動機の通電制御を行なう。この同期電動機の通電制御においては、ロータの位置情報に基づいて同期電動機の各相コイルに供給する電流を制御する。そのため、通常、レゾルバ等のロータ位置を検出する回転位置センサが用いられる。
しかしながら、上述のように、回転位置センサを用いてロータ位置を検出する構成では、回転位置センサの取り付け位置に誤差があると、これがオフセット誤差となり、回転位置センサによって検出されるロータ位置が実ロータ位置からずれてしまう。その結果、同期電動機の通電制御の精度を低下させる可能性がある。したがって、同期電動機の実ロータ位置を推定し、この推定した実ロータ位置に基づいて回転位置センサのオフセット誤差を検出する必要がある。
同期電動機のロータ位置を推定する技術として、たとえば特開平7−245981号公報(特許文献1)には、電動機に交番電圧を印加したときの電動機電流を電流検出器で検出し、電流検出器の検出値に基づいて電動機の磁極位置(ロータ位置)を推定する電動機の磁極位置検出装置が記載されている。この特許文献1によれば、ロータの磁束軸推定位置と同方向の交番電圧を電動機に印加したときに検出される電動機電流を、印加している交番電圧に対する平行成分および直交成分に分離する。そして、電動機電流の平行成分および直交成分の少なくとも一方に基づいてロータの磁束軸推定位置を磁束軸実際位置に一致させるべく磁束軸推定位置を変化させ、この磁束軸推定位置をもって電動機の磁極位置を検出する。
しかしながら、上記の特許文献1においては、電動機に交番電圧を印加したときの電動機電流は、電動機の回路定数の特性(回路定数の温度特性や磁気飽和特性など)によって変化してしまう。そのため、同じ交番電圧が印加されても、上記要因により電動機電流の電流値が変化する可能性がある。電動機電流の電流値が変化すると、ロータの磁束軸推定位置を変化させたときの電動機電流の変化量が変動してしまうため、正確なロータ位置の推定が困難となる。これにより、同期電動機の通電制御の精度が低下してしまう可能性がある。
この発明はこのような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、電動機の回路定数の特性の影響を受けず、電動機のロータ位置を精度良く推定することである。
この発明のある局面では、突極性を有するロータを備えた電動機のロータ位置を推定するロータ位置推定装置は、電動機の停止中に電動機にd軸電圧を印加する電圧印加手段と、d軸電圧の電圧印加時間の終了時点における電動機のq軸電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段によって検出されたq軸電流に基づいて、電動機の停止中におけるロータ位置を推定する推定手段とを備える。電圧印加手段は、電動機の回転座標系として設定されたd−q軸を所定角度ずつ回転させながら回転角度ごとにd軸電圧を印加する。推定手段は、q軸電流の検出値が零に最も近くなるときのd−q軸に対応するロータ位置を、電動機の停止中におけるロータ位置と推定する。ロータ位置推定装置は、電動機の回路定数の特性と、d−q軸の角度変化量に対するq軸電流の検出値の変化量との相関に基づいて、d軸電圧の電圧値および電圧印加時間を設定する設定手段をさらに備える。
好ましくは、設定手段は、電動機のd軸およびq軸インダクタンスの温度特性、電機子巻線抵抗の温度特性、およびd軸およびq軸インダクタンスの磁気飽和特性と、d−q軸の角度変化量に対するq軸電流の検出値の変化量との相関に基づいて、d軸電圧の電圧値および電圧印加時間を設定する。
この発明の別の局面では、突極性を有するロータを備えた電動機を制御する電動機制御システムは、電動機のロータ位置を検出する回転位置検出手段と、電動機の停止中における電動機のロータ位置を推定するロータ位置推定手段と、ロータ位置推定手段によるロータ位置の推定値に対する回転位置検出手段によるロータ位置の検出値の誤差を検出する誤差検出手段と、誤差検出手段によって検出された誤差を用いて、回転位置検出手段によって検出されるロータ位置を補正する補正手段と、補正手段によって補正されたロータ位置に基づいて、電動機の通電制御を行なう制御手段とを備える。ロータ位置推定手段は、電動機の停止中に電動機にd軸電圧を印加する電圧印加手段と、d軸電圧の電圧印加時間の終了時点における電動機のq軸電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段によって検出されたq軸電流に基づいて、電動機の停止中におけるロータ位置を推定する推定手段とを含む。電圧印加手段は、電動機の回転座標系として設定されたd−q軸を所定角度ずつ回転させながら回転角度ごとにd軸電圧を印加する。推定手段は、q軸電流の検出値が零に最も近くなるときのd−q軸に対応するロータ位置を、電動機の停止中におけるロータ位置と推定する。ロータ位置推定手段は、電動機の回路定数の特性と、d−q軸の角度変化量に対するq軸電流の検出値の変化量との相関に基づいて、d軸電圧の電圧値および電圧印加時間を設定する設定手段さらに含む。
この発明の別の局面では、突極性を有するロータを備えた電動機のロータ位置を推定するロータ位置推定方法は、電動機の停止中に電動機にd軸電圧を印加するステップと、d軸電圧の電圧印加時間の終了時点における電動機のq軸電流を検出するステップと、q軸電流を検出するステップによって検出されたq軸電流に基づいて、電動機の停止中におけるロータ位置を推定するステップとを備える。d軸電圧を印加するステップは、電動機の回転座標系として設定されたd−q軸を所定角度ずつ回転させながら回転角度ごとにd軸電圧を印加する。ロータ位置を推定するステップは、q軸電流の検出値が零に最も近くなるときのd−q軸に対応するロータ位置を、電動機の停止中におけるロータ位置と推定する。ロータ位置推定方法は、電動機の回路定数の特性と、d−q軸の角度変化量に対するq軸電流の検出値の変化量との相関に基づいて、d軸電圧の電圧値および電圧印加時間を設定するステップをさらに備える。
好ましくは、d軸電圧の電圧値および電圧印加時間を設定するステップは、電動機のd軸およびq軸インダクタンスの温度特性、電機子巻線抵抗の温度特性、およびd軸およびq軸インダクタンスの磁気飽和特性と、d−q軸の角度変化量に対するq軸電流の検出値の変化量との相関に基づいて、d軸電圧の電圧値および電圧印加時間を設定する。
本発明によれば、突極性を有するロータを備えた電動機のロータ位置を精度良く推定することができる。
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は原則的に繰り返さないものとする。
(全体構成)
図1は、本発明の実施の形態に従うロータ位置推定装置が適用される電動機制御システムの概略構成図である。
図1は、本発明の実施の形態に従うロータ位置推定装置が適用される電動機制御システムの概略構成図である。
図1を参照して、電動機制御システム100は、直流電圧発生部10♯と、平滑コンデンサC0と、インバータ14と、制御装置30と、交流電動機M1とを備える。
交流電動機M1は、突極性を有するロータを備えた同期電動機であり、たとえばロータに永久磁石を用いた永久磁石型同期電動機が適用される。
本実施の形態では、交流電動機M1は、ハイブリッド自動車または電気自動車等の電動車両の駆動輪を駆動するためのトルクを発生する駆動用電動機である。なお、電動車両は、エンジンを搭載しない電気自動車を含め、車両駆動力発生用の電動機を搭載する車両全般を含むものである。なお、交流電動機M1は、一般的には、電動機および発電機の機能を併せ持つように構成される。また、この交流電動機M1は、ハイブリッド自動車では、エンジンにて駆動される発電機の機能を持つように構成されてもよい。さらに、交流電動機M1は、エンジンに対して電動機として動作し、たとえば、エンジン始動を行ない得るようなものとしてハイブリッド自動車に組み込まれるようにしてもよい。
直流電圧発生部10♯は、直流電源Bと、システムリレーSR1,SR2と、平滑コンデンサC1と、コンバータ12とを含む。
直流電源Bは、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池、燃料電池や電気二重層キャパシタ、あるいは、これらの組合せから成る。直流電源Bに設けられたセンサ10によって、直流電源Bの電圧(Vb)、電流および温度が検知される。センサ10による検出値は、制御装置30へ出力される。
システムリレーSR1は、直流電源Bの正極端子および電力線6との間に接続され、システムリレーSR2は、直流電源Bの負極端子および電力線5の間に接続される。システムリレーSR1,SR2は、制御装置30からの信号SEによりオン/オフされる。平滑コンデンサC1は、電力線6および電力線5の間に接続される。電力線6および電力線5の間の直流電圧VLは、電圧センサ11によって検出される。電圧センサ11による検出値は、制御装置30へ送出される。
コンバータ12は、リアクトルL1と、電力用半導体スイッチング素子Q1,Q2と、ダイオードD1,D2とを含む。
電力用半導体スイッチング素子Q1およびQ2は、電力線7および電力線5の間に直列に接続される。電力用半導体スイッチング素子Q1およびQ2のオン・オフは、制御装置30からのスイッチング制御信号S1およびS2によって制御される。
この発明の実施の形態において、電力用半導体スイッチング素子(以下、単に「スイッチング素子」と称する)としては、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、電力用MOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタあるいは、電力用バイポーラトランジスタ等を用いることができる。スイッチング素子Q1,Q2に対しては、逆並列ダイオードD1,D2が配置されている。
リアクトルL1は、スイッチング素子Q1およびQ2の接続ノードと電力線6の間に接続される。また、平滑コンデンサC0は、電力線7および電力線5の間に接続される。
インバータ14は、電力線7および電力線5の間に並列に設けられる、U相アーム15と、V相アーム16と、W相アーム17とから成る。各相アームは、電力線7および電力線5の間に直列接続されたスイッチング素子から構成される。たとえば、U相アーム15は、スイッチング素子Q3,Q4から成り、V相アーム16は、スイッチング素子Q5,Q6から成り、W相アーム17は、スイッチング素子Q7,Q8から成る。また、スイッチング素子Q3〜Q8に対して、逆並列ダイオードD3〜D8がそれぞれ接続されている。スイッチング素子Q3〜Q8のオン・オフは、制御装置30からのスイッチング制御信号S3〜S8によって制御される。
各相アームの中間点は、交流電動機M1の各相コイルの各相端に接続されている。代表的には、交流電動機M1は、3相の永久磁石モータであり、U,V,W相の3つのコイルの一端が中点に共通接続されて構成される。さらに、各相コイルの他端は、各相アーム15〜17のスイッチング素子の中間点と接続されている。
コンバータ12は、基本的には、各スイッチング周期内でスイッチング素子Q1およびQ2が相補的かつ交互にオン・オフするように制御される。コンバータ12は、昇圧動作時には、直流電源Bから供給された直流電圧VLを直流電圧VH(インバータ14への入力電圧に相当するこの直流電圧を、以下「システム電圧」とも称する)へ昇圧する。この昇圧動作は、スイッチング素子Q2のオン期間にリアクトルL1に蓄積された電磁エネルギを、スイッチング素子Q1および逆並列ダイオードD1を介して、電力線7へ供給することにより行なわれる。
また、コンバータ12は、降圧動作時には、直流電圧VHを直流電圧VLに降圧する。この降圧動作は、スイッチング素子Q1のオン期間にリアクトルL1に蓄積された電磁エネルギを、スイッチング素子Q2および逆並列ダイオードD2を介して、電力線6へ供給することにより行なわれる。これらの昇圧動作または降圧動作における電圧変換比(VHおよびVLの比)は、上記スイッチング周期に対するスイッチング素子Q1,Q2のオン期間比(デューティ比)により制御される。なお、スイッチング素子Q1およびQ2をオンおよびオフにそれぞれ固定すれば、VH=VL(電圧変換比=1.0)とすることもできる。
平滑コンデンサC0は、電力線7上の直流電圧を平滑化する。電圧センサ13は、平滑コンデンサC0の両端の電圧、すなわち、システム電圧VHを検出し、その検出値を制御装置30へ出力する。
インバータ14は、交流電動機M1のトルク指令値が正(Trqcom>0)の場合には、制御装置30からのスイッチング制御信号S3〜S8に応答したスイッチング素子Q3〜Q8のスイッチング動作によって、電力線7上の直流電圧を交流電圧に変換して正のトルクを出力するように交流電動機M1を駆動する。また、インバータ14は、交流電動機M1のトルク指令値が零の場合(Trqcom=0)には、スイッチング制御信号S3〜S8に応答したスイッチング動作により、直流電圧を交流電圧に変換してトルクが零になるように交流電動機M1を駆動する。これにより、交流電動機M1は、トルク指令値Trqcomによって指定された零または正のトルクを発生するように駆動される。
さらに、電動機制御システム100が搭載された電動車両の回生制動時には、交流電動機M1のトルク指令値Trqcomは負に設定される(Trqcom<0)。この場合には、インバータ14は、スイッチング制御信号S3〜S8に応答したスイッチング動作により、交流電動機M1が発電した交流電圧を直流電圧に変換し、その変換した直流電圧(システム電圧)を平滑コンデンサC0を介してコンバータ12へ供給する。なお、ここで言う回生制動とは、電動車両を運転するドライバーによるフットブレーキ操作があった場合の回生発電を伴う制動や、フットブレーキを操作しないものの、走行中にアクセルペダルをオフすることで回生発電をさせながら車両を減速(または加速の中止)させることを含む。
電流センサ24は、交流電動機M1に流れる電流(相電流)を検出し、その検出値を制御装置30へ出力する。なお、三相電流iu,iv,iwの瞬時値の和は零であるので、図1に示すように2相分のモータ電流(たとえば、V相電流ivおよびW相電流iw)を検出するように配置してもよい。
回転位置センサ(レゾルバ)25は、交流電動機M1のロータ位置(ロータの磁極位置)θcを検出し、その検出したロータ位置θcを制御装置30へ送出する。制御装置30では、ロータ位置θc基づき交流電動機M1の回転数および回転角速度ωを算出できる。
温度センサ26は、交流電動機M1のステータコイルや潤滑油の温度を測定するように配置される。温度センサ26は、検出した温度Thmを制御装置30へ送出する。
制御装置30は、電子制御ユニット(ECU)により構成され、予め記憶されたプログラムを図示しないCPU(Central Processing Unit)で実行することによるソフトウェア処理および/または専用の電子回路によるハードウェア処理により、電動機制御システム100の動作を制御する。
代表的な機能として、制御装置30は、センサ10による検出値、トルク指令値Trqcom、電圧センサ11によって検出された直流電圧VL、電圧センサ13によって検出されたシステム電圧VHおよび電流センサ24によって検出されるモータ電流iv,iw、回転位置センサ25からのロータ位置θc等に基づいて、コンバータ12およびインバータ14の動作を制御する。すなわち、コンバータ12およびインバータ14を上記のように制御するためのスイッチング制御信号S1〜S8を生成して、コンバータ12およびインバータ14へ出力する。
具体的には、制御装置30は、システム電圧VHをフィードバック制御し、システム電圧VHが電圧指令値に一致するようにスイッチング制御信号S1,S2を生成する。また、制御装置30は、後述する制御方式により交流電動機M1がトルク指令値Trqcomに従ったトルクを出力するように、スイッチング制御信号S3〜S8を生成してインバータ14へ出力する。さらに、制御装置30は、電動機制御システム100の起動/停止に応答して、システムリレーSR1,SR2のオン・オフを制御する。
(制御構成)
次に、制御装置30によって制御される、インバータ14における電力変換について説明する。
次に、制御装置30によって制御される、インバータ14における電力変換について説明する。
図2は、制御装置30によって実行されるパルス幅変調(PWM)制御方式の機能ブロック図である。本発明の実施の形態では、インバータ14における電力変換に、一般的なPWM制御方式である正弦波PWM制御を適用する。なお、交流電動機M1の運転条件(代表的には、トルク・回転数)に応じて、正弦波PWM制御方式と、過変調PWM制御方式と、矩形波電圧制御とを切替えて適用する構成としてもよい。
図2を参照して、制御装置30は、電流指令生成部210と、座標変換部220,250と、回転数演算部230と、PI演算部240と、PWM信号生成部260と、ロータ位置推定部270とを含む。
電流指令生成部210は、予め作成されたテーブル等に従って、トルク指令値Trqcomに応じたd軸電流指令値Idcomおよびq軸電流指令値Iqcomを生成する。
座標変換部220は、後述するロータ位置推定部270から出力される交流電動機M1のロータ位置θc♯を用いた座標変換(3相→2相)により、電流センサ24によって検出されたV相電流ivおよびW相電流iwを基に、d軸電流Idおよびq軸電流Iqを算出する。回転数演算部230は、ロータ位置推定部270からのロータ位置θc♯に基づいて、交流電動機M1の回転数Nmt(あるいは回転角速度ω)を演算する。
PI演算部240には、d軸電流の指令値に対する偏差ΔId(ΔId=Idcom−Id)およびq軸電流の指令値に対する偏差ΔIq(ΔIq=Iqcom−Iq)が入力される。PI演算部240は、d軸電流偏差ΔIdおよびq軸電流偏差ΔIqについて所定のゲインによるPI演算を行なって制御偏差を求め、この制御偏差に応じたd軸電圧指令値Vd♯およびq軸電圧指令値Vq♯を生成する。
座標変換部250は、ロータ位置推定部270からの交流電動機M1のロータ位置θc♯を用いた座標変換(2相→3相)によって、d軸電圧指令値Vd♯およびq軸電圧指令値Vq♯をU相、V相、W相の各相電圧指令値Vu,Vv,Vwに変換する。なお、d軸,q軸電圧指令値Vd♯,Vq♯から各相電圧指令値Vu,Vv,Vwへの変換には、システム電圧VHも反映される。
PWM信号生成部260は、各相における電圧指令値Vu,Vv,Vwと所定の搬送波(キャリア信号)との比較に基づいて、図1に示したスイッチング制御信号S3〜S8を生成する。インバータ14が、制御装置30によって生成されたスイッチング制御信号S3〜S8に従ってスイッチング制御されることにより、電流指令生成部210に入力されたトルク指令値Trqcomに従ったトルクを出力するための交流電圧が印加される。
このように、トルク指令値Trqcomに応じた電流指令値(Idcom,Iqcom)へモータ電流を制御する閉ループが構成されることにより、交流電動機M1の出力トルクはトルク指令値Trqcomに従って制御される。
(ロータ位置推定)
上述したように、交流電動機M1の通電制御は、回転位置センサ25により検出されるロータ位置θcに基づいて行なわれる。しかしながら、回転位置センサ25の取り付け位置に誤差があると、これがオフセット誤差となって、回転位置センサ25の出力θcが実際のロータ位置(以下、「実ロータ位置」とも称する)からずれてしまう可能性がある。この結果、交流電動機M1の通電制御の精度が低下するため、トルク指令値Trqcomに従ったトルクを出力することが困難となる虞がある。したがって、回転位置センサ25のオフセット誤差を求め、当該オフセット誤差を用いて回転位置センサ25の出力を補正する必要がある。
上述したように、交流電動機M1の通電制御は、回転位置センサ25により検出されるロータ位置θcに基づいて行なわれる。しかしながら、回転位置センサ25の取り付け位置に誤差があると、これがオフセット誤差となって、回転位置センサ25の出力θcが実際のロータ位置(以下、「実ロータ位置」とも称する)からずれてしまう可能性がある。この結果、交流電動機M1の通電制御の精度が低下するため、トルク指令値Trqcomに従ったトルクを出力することが困難となる虞がある。したがって、回転位置センサ25のオフセット誤差を求め、当該オフセット誤差を用いて回転位置センサ25の出力を補正する必要がある。
本実施の形態では、ロータ位置推定部270は、インダクタンスの突極性を利用して、交流電動機M1の停止時における実ロータ位置を推定する。そして、この実ロータ位置に対する回転位置センサ25の出力θcの偏差であるオフセット誤差を求める。ロータ位置推定部270は「ロータ位置推定装置」に対応する。
図3は、交流電動機M1の回転座標系のオフセット誤差を説明するための図である。
交流電動機M1の制御では、ロータの永久磁石の磁束方向(d軸)と、それに直交する方向(q軸)との2軸の回転座標系が用いられる。図3には、実ロータ位置θに基づいた回転座標(d−q座標)系上でのモータモデルが示される。図3にはさらに、交流電動機M1の通電制御に用いられる回転座標(dc−qc座標)系が示される。この制御に用いられる回転座標系とは、回転位置センサ25の出力θcを基に定められたロータの永久磁石の磁束方向(dc軸)と、それに直交する方向(qc軸)とを有する。この制御に用いられる回転座標(dc−qc座標)系のdc−qc軸について、以下では、「制御軸」とも称する。
交流電動機M1の制御では、ロータの永久磁石の磁束方向(d軸)と、それに直交する方向(q軸)との2軸の回転座標系が用いられる。図3には、実ロータ位置θに基づいた回転座標(d−q座標)系上でのモータモデルが示される。図3にはさらに、交流電動機M1の通電制御に用いられる回転座標(dc−qc座標)系が示される。この制御に用いられる回転座標系とは、回転位置センサ25の出力θcを基に定められたロータの永久磁石の磁束方向(dc軸)と、それに直交する方向(qc軸)とを有する。この制御に用いられる回転座標(dc−qc座標)系のdc−qc軸について、以下では、「制御軸」とも称する。
ここで、回転位置センサ25の取り付け位置に誤差があると、実ロータ位置θに対する回転位置センサ25の出力θcの偏差であるオフセット誤差Δθが生じる。これにより、制御軸(dc−qc軸)は、実ロータ位置θによるd−q軸に対してオフセット誤差Δθを有することとなる。
ロータ位置推定部270は、交流電動機M1の停止時における実ロータ位置θを推定する。そして、この推定した実ロータ位置θを用いて、回転位置センサ25のオフセット誤差Δθを算出する。ロータ位置推定部270は、算出されたオフセット誤差Δθを用いて回転位置センサ25により検出されるロータ位置θcを補正し、補正されたロータ位置θc♯を座標変換部220,250および回転数演算部230に出力する。
以下、本実施の形態によるロータ位置推定部270におけるロータ位置推定について詳細に説明する。
図2に戻って、ロータ位置推定部270は、交流電動機M1の停止時に、制御軸であるdc軸に所定のパルス電圧を印加し、当該パルス電圧を印加したときの電流センサ24の出力に基づいて実ロータ位置θを推定する。
具体的には、交流電動機M1の通電制御に用いるdc−qc座標系(制御軸)におけるd軸電圧指令値を0以外の所定値Vdに設定するとともに、q軸電圧指令値を0に設定する。すなわち、dc−qc座標系のdc軸上に電圧ベクトルを制御するように設定する。以下の説明では、交流電動機M1の通電制御におけるd軸電圧指令値Vd♯およびq軸電圧指令値Vq♯と区別するために、ロータ位置推定のためのd軸電圧指令値およびq軸電圧指令値を、「d軸電圧指令値Vdc」および「q軸電圧指令値Vqc」とも表記する。
座標変換部250は、ロータ位置推定部270から、d軸電圧指令値Vdc(=Vd)およびq軸電圧指令値Vqc(=0)と、回転位置センサ25により検出されたロータ位置(交流電動機M1の停止時のロータ位置)θcと、d軸電圧印加時間Tdとを受ける。なお、d軸電圧印加時間Tdとは、dc軸に印加する所定のパルス電圧のパルス幅に相当する。また、d軸電圧指令値Vdcは、当該パルス電圧のパルス高さに相当する。
座標変換部250は、回転位置センサ25により検出されたロータ位置θcを用いた座標変換(2相→3相)によって、d軸電圧指令値Vdcおよびq軸電圧指令値VqcをU相、V相、W相の各相電圧指令値Vu,Vv,Vwに変換する。PWM信号生成部260は、各相における電圧指令値Vu,Vv,Vwとキャリア信号との比較に基づいてスイッチング制御信号S3〜S8を生成する。インバータ14が、制御装置30によって生成されたスイッチング制御信号S3〜S8に従ってスイッチング制御されることにより、dc軸に所定のパルス電圧が印加される。
ここで、一般的に知られているように、永久磁石型同期電動機におけるU相、V相、W相の各相の電圧方程式は、次式(1)で示される。
式(1)において、Rは電機子巻線抵抗を示し、φは永久磁石の電機子鎖交磁束数を示す。
交流電動機M1を、図3に示す回転座標(d−q軸)系上でのモータモデルとして扱うことにより、上記式(1)の電圧方程式は、次式(2)に示すd−q軸上の電圧方程式に変換される。
式(2)において、ωは交流電動機M1の電気角速度を示し、Ldはd軸インダクタンスを示し、Lqはq軸インダクタンスを示している。
さらに、上記式(2)に示すd−q軸上の電圧方程式を、d−q軸に対してオフセット誤差Δθを有する制御軸(dc−qc軸)上の電圧方程式に変換することにより、制御軸(dc−qc軸)上の電圧方程式は、次式(3)で示される。
式(3)において、Vdc,Vqcは制御軸(dc−qc軸)上でのd軸電圧およびq軸電圧を示し、Idc,Iqcは制御軸(dc−qc軸)上でのd軸電流およびq軸電流を示している。すなわち、式(3)は、回転位置センサ25の出力θcに基づいた制御軸(dc−qc軸)上でのモータモデルを数式化したものである。
いま、交流電動機M1は停止していることから、式(3)における交流電動機M1の電気角速度ω=0とする。そして、式(3)を制御軸(dc−qc軸)上での電流Idc,Iqcについて解くことによって、次式(4),(5)が得られる。
上記式(4),(5)の電流方程式において、回転位置センサ25のオフセット誤差Δθ=0の場合、すなわち、実ロータ位置θと回転位置センサ25の出力θcとが一致する場合を考える。この場合、各式において、sin2Δθ=0およびcos2Δθ=1となるため、式(4),(5)はそれぞれ、次式(6),(7)に置き換えられる。
そして、上記式(6),(7)におけるd軸電圧Vdcおよびq軸電圧に、上述したd軸電圧指令値Vdc(=Vd)およびq軸電圧指令値Vqc(=0)を適用すると、制御軸(dc−qc軸)上の電流方程式は、次式(8),(9)となる。
上記式(8),(9)に示されるように、交流電動機M1の停止中に制御軸であるdc軸に所定のパルス電圧を印加したとき、回転位置センサ25のオフセット誤差Δθ=0の場合には、d軸電流Idcが0以外の所定値となる一方で、q軸電流Iqc=0となる。すなわち、オフセット誤差Δθ=0の場合には、d軸電流Idcのみが流れ、q軸電流Iqcが流れない。
したがって、dc軸に所定のパルス電圧を印加したときにq軸電流Iqc=0となる制御軸を求めることにより、当該制御軸に対応するロータ位置θcを交流電動機M1の停止時における実ロータ位置θと推定することができる。
本実施の形態では、ロータ位置推定部270は、回転位置センサ25の出力θcに基づいた制御軸(dc−qc軸)を予め定められた回転角度範囲内で回転させ、回転角度ごとに制御軸のdc軸に所定のパルス電圧を印加する。そして、当該所定のパルス電圧を印加したときのq軸電流Iqcが0に最も近くなるときの制御軸に対応するロータ位置θcを、実ロータ位置θcと推定する。
図4は、本発明の実施の形態に従うロータ位置推定を実現するための制御処理手順を説明するフローチャートである。図4に示す制御処理は、交流電動機M1の停止中において、制御装置30によって実行される。なお、図4の各ステップの制御処理は、制御装置30によって実行される所定プログラムおよび/または制御装置30内の電子回路(ハードウェア)による制御演算処理によって実現されるものとする。
図4を参照して、制御装置30は、ステップS01により、回転位置センサ25で検出された交流電動機M1の停止中におけるロータ位置θcを取得する。
制御装置30は、ステップS02により、ステップS01で取得した回転位置センサ25の出力θcに基づいて制御軸(dc−qc軸)を設定する。具体的には、制御装置30は、回転位置センサ25の出力θcを、図4のステップS02〜S10の実行周期ごとに所定角度θsずつ変化させる。これにより、当該実行周期ごとに制御軸を所定角度θsずつ回転させる。なお、制御軸の回転角度範囲は、回転位置センサ25の出力θcに対して±θs×N(Nは自然数)の幅を持つように設定されている。一例として、制御装置30は、(θc−θs×N)を初期値として所定角度θsずつ増加するように、回転位置センサ25の出力θcを変化させる。
制御装置30は、ステップS03により、制御軸のdc軸に所定のパルス電圧を印加するように、d軸電圧指令値Vdcおよびq軸電圧指令値Vqcを設定する。上述したように、制御装置30は、所定のパルス電圧のパルス高さに相当するd軸電圧指令値Vdcを0以外の所定値Vdに設定するとともに、当該パルス電圧のパルス幅に相当するd軸電圧印加時間Tdを設定する。また、制御装置30は、q軸電圧指令値Vqc=0に設定する。
図5には、交流電動機M1に印加されるd軸電圧Vdcおよび交流電動機M1に流れるq軸電流Iqcの出力波形が示される。
回転位置センサ25のオフセット誤差Δθ≠0のとき、dc軸に一定電圧Vdcを印加したときのq軸電流Iqcは、上記式(7)となり、図5に示すような過渡応答特性を示す。すなわち、d軸電圧Vdcが印加されると(時刻t1)、q軸電流Iqcは、d軸電圧に対してインダクタンスLd,Lq分だけ遅れて増加し、時刻t3でピークとなった後、緩やかに減少する。
なお、q軸電流Iqcの過渡応答特性は、交流電動機M1の回路定数の特性によって変化する。この回路定数の特性には、インダクタンスLd,Lqおよび電機子巻線抵抗Rの温度特性、およびインダクタンスLd,Lqの磁気飽和特性が含まれる。したがって、同じd軸電圧Vdcが印加されても、上記要因によりq軸電流Iqcのピーク値およびピークとなる時点が変化する。
図6は、d軸電圧印加時におけるq軸電流Iqcの変化を拡大して示す出力波形図である。
図6を参照して、dc軸に一定電圧Vdcを印加したとき、q軸電流Iqcは、回転位置センサ25のオフセット誤差Δθに応じて異なる出力波形を示す。詳細には、オフセット誤差Δθ=0の場合、q軸電流Iqc=0となる(図中の波形k1)。これに対して、オフセット誤差Δθ≠0の場合、q軸電流Iqcは、図中の波形k2,k3に示すような過渡応答特性を示す。詳細には、オフセット誤差Δθ≠0の場合、q軸電流Iqcは、オフセット誤差Δθが大きくなるに従って大きくなる。図5では、波形k2で示すq軸電流Iqcよりも波形k3で示すq軸電流Iqcの方が、オフセット誤差Δθが大きい。
ここで、図4のステップS02において制御軸を所定角度θsずつ回転させることにより、オフセット誤差Δθが所定角度θsずつ変化する。そして、オフセット誤差Δθが変化することにより、q軸電流Iqcが変化する。ロータ位置推定部270は、このq軸電流Iqcの変化を検出することによって、q軸電流Iqcが0に最も近くなるときの制御軸を求める。
具体的には、ロータ位置推定部270は、d軸電圧印加時間Tdの終了時点(時刻t2)における電流センサ24の検出値を取得すると、回転位置センサ25から出力されるロータ位置θcを用いた座標変換(3相→2相)により、電流センサ24によって検出されたV相電流ivおよびW相電流iwを基に、d軸電流Idcおよびq軸電流Iqcを算出する。
しかしながら、上述したように、回路定数の特性に起因してq軸電流Iqcの過渡応答特性が変化するため、同じd軸電圧Vdcを同じd軸電圧印加時間Tdだけ印加しても、d軸電圧印加時間Tdの終了時点におけるq軸電流Iqcにばらつきが生じる。
ここで、上述したように、ロータ位置推定部270は、制御軸を所定角度θsずつ回転させながら回転角度ごとにdc軸にパルス電圧を印加し、そのときのq軸電流Iqcの変化を検出する。そのため、制御軸の角度変化量θsに対するq軸電流Iqcの変化量が小さいと、q軸電流Iqcの変化を正確に検出することができず、ロータ位置の推定精度を低下させる虞がある。
詳細には、図7に示すように、回路定数(d,q軸インダクタンスLd,Lqおよび電機子巻線抵抗R)は、交流電動機M1が高温になるほど高くなるという温度特性を有している。そのため、q軸電流Iqcは、上記式(7)により、高温になるほど減少する。これにより、制御軸の角度変化量θsに対するq軸電流Iqcの変化量(=ΔIqc/θs)は、高温になるほど小さくなるという温度特性を示す。
また、交流電動機M1は、図8に示すように、電流が大きい領域では、電機子巻線の磁気飽和が生じることによりd,q軸インダクタンスLd,Lqが低下するという磁気飽和特性を有している。なお、このインダクタンスLd,Lqの磁気飽和特性は、図8(a),(b)に示すように、交流電動機の構造によって異なったものとなる。たとえば、交流電動機が図8(a)の磁気飽和特性を有する場合、電流が大きい領域では突極比(Lq/Ld)が小さくなる。本実施の形態はインダクタンスの突極性を利用してロータ位置を推定するため、電流が大きくなるに従って推定精度が低下する可能性がある。よって、推定精度の低下を防止するためには、交流電動機に流す電流を制限する必要が生じる。
一方、交流電動機M1が図8(b)に示す磁気飽和特性を有する場合、電流が大きい領域でも突極比が低下しない。そのため、上述した電流の制限が不要となるため、図8(a)の交流電動機を比較してより大きな電流を流すことができる。
たとえば、交流電動機M1が高温状態のときには、図7に示すように、低温状態のときと比較して、制御軸の角度変化量θsに対するq軸電流Iqcの変化量が小さくなる。このような場合、d軸電圧Vdcおよび/またはd軸電圧印加時間Tdを増加させてq軸電流Iqcを増やすことによって、制御軸の角度変化量θsに対するq軸電流Iqcの変化量を大きくすることができる。
しかしながら、その一方で、q軸電流Iqcを増やしたことによって、図8(a)の磁気飽和特性を有する交流電動機では突極比が低下するため、却ってロータ位置の推定精度を低下させてしまう虞がある。したがって、q軸電流Iqcが、ロータ位置の推定に適した突極比となる電流値を超えないように、d軸電圧Vdcおよびd軸電圧印加時間Tdを設定する必要がある。
なお、図8(b)の磁気飽和特性を有する交流電動機においては、q軸電流Iqcの変化に対して突極比が略一定に保たれるため、q軸電流Iqcを増やすようにd軸電圧Vdcおよびd軸電圧印加時間Tdを設定することができる。
このように、交流電動機M1の回路定数の特性が、制御軸の角度変化量θsに対するq軸電流Iqcの変化量と交流電動機の突極比との間にトレードオフをもたらす場合がある。したがって、回路定数の特性を反映してd軸電圧Vdcおよびd軸電圧印加時間Tdを設定しなければ、ロータ位置の推定精度を低下させる可能性がある。
本実施の形態では、ロータ位置推定部270は、交流電動機M1の回路定数の特性と、制御軸の角度変化量θsに対するq軸電流Iqcの変化量との相関に基づいて、dc軸に印加するパルス電圧(d軸電圧Vdcおよびd軸電圧印加時間Td)を設定する。
図9を用いて、ロータ位置推定部270によるd軸電圧Vdcおよびd軸電圧印加時間Tdの設定について詳細に説明する。
図9を参照して、波形k4は、低温状態の交流電動機M1におけるq軸電流Iqcの過渡応答特性を示し、波形k5は、高温状態の交流電動機M1におけるq軸電流Iqcの過渡応答特性を示す。図9では、波形k4で示す過渡応答特性と比較して、波形k5で示す過渡応答特性は、q軸電流Iqcのピーク値が小さく、かつ、ピークとなる時点が早まっている。
そのため、例えば波形k7に示すように、dc軸に印加するパルス電圧のパルス高さ(d軸電圧Vdc)=Vd1とし、かつ、パルス幅(d軸電圧印加時間Td)=T1とした場合、高温状態では、d軸電圧印加時間Tdの終了時点(時刻t2)におけるq軸電流Iqcが低温状態に比べて小さいため、制御軸の角度変化量θsに対するq軸電流Iqcの変化量も小さくなる。その結果、q軸電流Iqcの変化を正確に検出できず、ロータ位置の推定精度を低下させてしまう。
したがって、ロータ位置推定部270は、交流電動機M1が高温状態のときには、波形k8に示すように、d軸電圧Vdcを高くするとともに(Vdc=Vd2>Vd1)、d軸電圧印加時間Tdを短くする(Td=T2<T1)。
なお、波形k8における電圧値Vd2およびd軸電圧印加時間T2については、交流電動機M1が有する、d,q軸インダクタンスの磁気飽和特性(図8)に基づいて、q軸電流Iqcが、ロータ位置の推定に適した突極比となる電流値を超えないように設定する。すなわち、トレードオフの関係にある、制御軸の角度変化量θsに対するq軸電流Iqcの変化量の増加と、突極比低下の抑制とが両立するような適正な値に、d軸電圧Vdcおよびd軸電圧印加時間Tdを設定する。
これにより、q軸電圧Iqcの過渡応答特性は、波形k5に示す特性から波形k6に示す特性に変化する。波形k6に示す特性では、d軸電圧印加時間Tdの終了時点(時刻t3)におけるq軸電流Iqcが増加したことにより、制御軸の角度変化量θsに対するq軸電流Iqcの変化量も大きくなっている。したがって、q軸電流Iqcの変化を正確に検出できるため、ロータ位置の推定精度を保つことができる。
再び図4を参照して、制御装置30は、ステップS04により、回転位置センサ25からのロータ位置θc用いた座標変換(2相→3相)によって、ステップS03で設定したd軸電圧指令値Vdcおよびq軸電圧指令値VqcをU相、V相、W相の各相電圧指令値Vu,Vv,Vwに変換する。
そして、制御装置30は、ステップS05により、各相における電圧指令値Vu,Vv,Vwとキャリア信号との比較に基づいてスイッチング制御信号S3〜S8を生成する。ステップS06において、インバータ14が、制御装置30によって生成されたスイッチング制御信号S3〜S8に従ってスイッチング制御されることにより、制御軸のdc軸に所定のパルス電圧が印加される。
電流センサ24は、ステップS06により制御軸のdc軸に所定のパルス電圧が印加されたときに交流電動機M1に流れる電流(V相電流ivおよびW相電流iw)を検出する。制御装置30は、ステップS07により電流センサ24の検出値を取得すると、ステップS08において、d軸電圧印加時間の終了時点に電流センサ24によって検出されたV相電流ivおよびW相電流iwを基に、回転位置センサ25から出力されるロータ位置θcを用いた座標変換(3相→2相)により、d軸電流Idcおよびq軸電流Iqcを算出する。制御装置30は、算出したq軸電流Iqcを内部メモリに保持する。
次に、制御装置30は、ステップS09により、回転位置センサ25の出力θcが所定の回転角度範囲の最終値(θc+θs×N)に到達したか否かを判定する。回転位置センサ25の出力θcが最終値に到達していない場合(ステップS09のNO判定時)には、制御装置30は、ステップS10に進み、回転位置センサ25の出力θcを所定角度θs増加させた後、処理をステップS02に戻す。
これに対して、回転位置センサ25の出力θcが最終値に到達した場合(ステップS09のYES判定時)には、制御装置30は、ステップS11により、内部メモリに保持している複数のq軸電流Iqcのうち、最も0に近いq軸電流Iqcを選出し、その選出したq軸電流Iqcに対応する制御軸を求める。そして、制御装置30は、この制御軸に対応するロータ位置θcを、実ロータ位置θと推定する。
交流電動機M1の停止中における実ロータ位置θが推定されると、制御装置30は、ステップS12により、この推定した実ロータ位置θを用いて、回転位置センサ25のオフセット誤差Δθを算出する。制御装置30は、その算出したオフセット誤差Δθを内部メモリに保持する。
このようにして回転位置センサ25のオフセット誤差Δθが算出されると、制御装置30は、交流電動機M1の運転時において、このオフセット誤差Δθを用いて回転位置センサ25により検出されるロータ位置θcを補正する。そして、補正したロータ位置θc♯を座標変換部220,250および回転数演算部230に出力する。
このように、この発明の実施の形態によるロータ位置推定装置によれば、交流電動機M1の停止中にd軸電圧を印加したときの交流電動機M1のq軸電流に基づいて実ロータ位置を推定する構成において、交流電動機M1の回路定数の特性の影響が低減されるため、ロータ位置の推定精度を向上することができる。
上記の実施の形態では、本発明によるロータ位置推定装置が適用される電動機制御システムとして、回転位置センサにより検出されるロータ位置に基づいて交流電動機の通電制御を行なうように構成された電動機制御システムについて説明した。しかしながら、本発明の適用はこのような電動機制御システムに限定されるものではない。具体的には、回転位置センサを用いずにロータ位置を推定して通電制御を行なう、いわゆる位置センサレス制御方式を採用する電動機制御システムについても本発明を適用可能である。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
10♯ 直流電圧発生部、12 コンバータ、13 電圧センサ、14 インバータ、24 電流センサ、25 回転位置センサ、26 温度センサ、30 制御装置、100 電動機制御システム、210 電流指令生成部、220,250 座標変換部、230 回転数演算部、240 PI演算部、260 PWM信号生成部、270 ロータ位置推定部、B 直流電源、M1 交流電動機。
Claims (5)
- 突極性を有するロータを備えた電動機のロータ位置を推定するロータ位置推定装置であって、
前記電動機の停止中に前記電動機にd軸電圧を印加する電圧印加手段と、
前記d軸電圧の電圧印加時間の終了時点における前記電動機のq軸電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段によって検出された前記q軸電流に基づいて、前記電動機の停止中における前記ロータ位置を推定する推定手段とを備え、
前記電圧印加手段は、前記電動機の回転座標系として設定されたd−q軸を所定角度ずつ回転させながら回転角度ごとに前記d軸電圧を印加し、
前記推定手段は、前記q軸電流の検出値が零に最も近くなるときの前記d−q軸に対応するロータ位置を、前記電動機の停止中におけるロータ位置と推定し、
前記電動機の回路定数の特性と、前記d−q軸の角度変化量に対する前記q軸電流の検出値の変化量との相関に基づいて、前記d軸電圧の電圧値および前記電圧印加時間を設定する設定手段をさらに備える、ロータ位置推定装置。 - 前記設定手段は、前記電動機のd軸およびq軸インダクタンスの温度特性、電機子巻線抵抗の温度特性、および前記d軸およびq軸インダクタンスの磁気飽和特性と、前記d−q軸の角度変化量に対する前記q軸電流の検出値の変化量との相関に基づいて、前記d軸電圧の電圧値および前記電圧印加時間を設定する、請求項1に記載のロータ位置推定装置。
- 突極性を有するロータを備えた電動機を制御する電動機制御システムであって、
前記電動機のロータ位置を検出する回転位置検出手段と、
前記電動機の停止中における前記電動機のロータ位置を推定するロータ位置推定手段と、
前記ロータ位置推定手段による前記ロータ位置の推定値に対する前記回転位置検出手段による前記ロータ位置の検出値の誤差を検出する誤差検出手段と、
前記誤差検出手段によって検出された誤差を用いて、前記回転位置検出手段によって検出される前記ロータ位置を補正する補正手段と、
前記補正手段によって補正された前記ロータ位置に基づいて、前記電動機の通電制御を行なう制御手段とを備え、
前記ロータ位置推定手段は、
前記電動機の停止中に前記電動機にd軸電圧を印加する電圧印加手段と、
前記d軸電圧の電圧印加時間の終了時点における前記電動機のq軸電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段によって検出された前記q軸電流に基づいて、前記電動機の停止中における前記ロータ位置を推定する推定手段とを含み、
前記電圧印加手段は、前記電動機の回転座標系として設定されたd−q軸を所定角度ずつ回転させながら回転角度ごとに前記d軸電圧を印加し、
前記推定手段は、前記q軸電流の検出値が零に最も近くなるときの前記d−q軸に対応するロータ位置を、前記電動機の停止中におけるロータ位置と推定し、
前記ロータ位置推定手段は、前記電動機の回路定数の特性と、前記d−q軸の角度変化量に対する前記q軸電流の検出値の変化量との相関に基づいて、前記d軸電圧の電圧値および前記電圧印加時間を設定する設定手段さらに含む、電動機制御システム。 - 突極性を有するロータを備えた電動機のロータ位置を推定するロータ位置推定方法であって、
前記電動機の停止中に前記電動機にd軸電圧を印加するステップと、
前記d軸電圧の電圧印加時間の終了時点における前記電動機のq軸電流を検出するステップと、
前記q軸電流を検出するステップによって検出された前記q軸電流に基づいて、前記電動機の停止中における前記ロータ位置を推定するステップとを備え、
前記d軸電圧を印加するステップは、前記電動機の回転座標系として設定されたd−q軸を所定角度ずつ回転させながら回転角度ごとに前記d軸電圧を印加し、
前記ロータ位置を推定するステップは、前記q軸電流の検出値が零に最も近くなるときの前記d−q軸に対応するロータ位置を、前記電動機の停止中におけるロータ位置と推定し、
前記電動機の回路定数の特性と、前記d−q軸の角度変化量に対する前記q軸電流の検出値の変化量との相関に基づいて、前記d軸電圧の電圧値および前記電圧印加時間を設定するステップをさらに備える、ロータ位置推定方法。 - 前記d軸電圧の電圧値および電圧印加時間を設定するステップは、前記電動機のd軸およびq軸インダクタンスの温度特性、電機子巻線抵抗の温度特性、および前記d軸およびq軸インダクタンスの磁気飽和特性と、前記d−q軸の角度変化量に対する前記q軸電流の検出値の変化量との相関に基づいて、前記q軸電流との相関に基づいて、前記d軸電圧の電圧値および前記電圧印加時間を設定する、請求項4に記載のロータ位置推定方法。
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