JP2014224731A - 回転角度検出装置及びモータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】主系の回転角度検出部の異常を、安価、高信頼で検出可能な従系の回転角度検出部を備えた回転角度検出装置及びモータ制御装置を提供する。【解決手段】交流の励磁信号を生成する励磁信号生成部と、励磁信号が入力されるレゾルバからのアナログ出力信号を主系のデジタル回転角度信号に変換する主系のレゾルバデジタル変換部と、励磁信号のピークを検出するピーク検出部とピーク検出部の検出信号に基づいてＡ／Ｄ変換タイミング信号を生成するＡ／Ｄ変換指令部と、アナログ出力信号を、Ａ／Ｄ変換タイミング信号に基づき従系の正弦、余弦信号に変換する従系のＡ／Ｄ変換部と、従系の正弦、余弦信号を入力とし、従系のデジタル回転角度信号を出力する従系の回転角度変換部とを有し、従系のデジタル回転角度信号に対し、主系のレゾルバデジタル変換部と異なる回転角度フィルタを実施する回転角度検出装置。【選択図】図１

Description

本発明は、回転角度検出装置、及びこれを備えたモータ制御装置に関する。

サーボ制御系では回転角を検出しフィードバック制御を実施するために回転角度センサが必要である。またブラシレスモータのモータ制御においてはモータの回転角に応じてモータのコイルに電圧を印加する必要があるために、サーボ制御系に限らず回転角度センサが必要である。回転角度センサとして従来からレゾルバが、その単純な構成に起因する堅牢さ、耐環境性から広く用いられている。

また、ブラシレスモータ制御中に、回転角検出装置が故障した場合には、モータのトルクが意図しないトルクとなる場合があるため、安全確保のために回転角度検出装置の故障検出機能が必要とされる。

レゾルバからのアナログ信号に基づき回転角に変換する装置としては、レゾルバデジタル変換器が開発されており、この変換器を用いて、アナログ信号をデジタルデータに変換して、マイクロコンピュータに入力する。

また、特許文献１によれば、レゾルバデジタル変換器を用いずにレゾルバ信号を処理する方法が開示されている。さらに、特許文献２によれば、主系に用いられるレゾルバデジタル変換器の故障等の異常が発生した際に、最小限安全にバックアップ可能な精度を持つ従系の回転角度検出が開示されている。

特開２０００−５５６９５号公報 特開２００７−２０６０１８号公報

上記の文献１の技術では、レゾルバの信号の断線等の異常は検出可能であるが、レゾルバ信号処理本体の処理異常に対して配慮が必要である。

また、上記の文献２の技術では、レゾルバの出力信号の正弦変調信号及び余弦変調信号に歪みやノイズが発生した場合に、従系の回転角度検出の耐ノイズ性について、さらなる考慮が望ましい。主系のレゾルバデジタル変換器では、ハードウェアフィルタと高速処理されるソフトウェアフィルタ等により歪みやノイズの情報が取り除かれるため、従系の回転角度と主系の回転角度の誤差が生じ、レゾルバデジタル変換器の異常を誤診断してしまう。これを回避するには、従系の回転角度についても主系と同等のフィルタが必要となる。主系と同等のフィルタを構成するには、正弦変調信号と余弦変調信号について、それぞれに同じフィルタが必要となり、高速処理が可能なマイクロコンピュータが必要となる。また、主系のレゾルバデジタル変換器の異常検出が数ｍｓ以上と時間がかかるという問題がある。

そこで、本発明は、主系の回転角度検出装置の異常を、安価、高信頼で検出可能な従系の回転角度検出装置を備えたモータ制御装置を提供する。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、交流の励磁信号を生成する励磁信号生成部と、前記励磁信号が入力されるレゾルバからのアナログ出力信号を主系のデジタル回転角度信号に変換する主系のレゾルバデジタル変換部と、前記励磁信号のピークを検出するピーク検出部とピーク検出部の検出信号に基づいてＡ／Ｄ変換タイミング信号を生成するＡ／Ｄ変換指令部と、前記アナログ出力信号を、前記Ａ／Ｄ変換タイミング信号に基づき従系の正弦、余弦信号に変換する従系のＡ／Ｄ変換部と、前記従系の正弦、余弦信号を入力とし、従系のデジタル回転角度信号を出力する従系の回転角度変換部とを有し、前記従系のデジタル回転角度信号に対し、前記主系のレゾルバデジタル変換部と異なる回転角度フィルタを実施することを特徴とする。

本発明によれば、主系の回転角度信号処理の異常を、安価、高信頼で検出可能な従系の回転角度検出装置を備えたモータ制御装置を提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明におけるモータ制御装置の全体ブロック図。 レゾルバ励磁信号と正弦信号と余弦信号の関係図。 ＶｓｉｎとＶｃｏｓに対する回転角度（θｒ）の関係図。 歪みやノイズが発生したときのレゾルバ励磁信号と正弦信号と余弦信号の関図。 ＶｓｉｎとＶｃｏｓが歪んだ場合の主系の回転角度情報と従系の回転角度情報を比較した図。 回転角度フィルタ部の一実施例であるＰＬＬフィルタを示した図。 ＰＬＬフィルタ適用後の主系のレゾルバ回転角度情報と従系の回転角度情報を比較した図。

以下、図面を用いて実施例を説明する。

図１は、この発明の実施例１によるモータ制御装置の全体ブロック図である。モータ装置４００は、レゾルバ３２０または主系のレゾルバデジタル変換部１４０の処理異常を高速に検出して、モータ駆動を停止する用途に適したものである。

モータ装置４００は、モータ部３００とインバータ部１００（モータ部を制御するモータ制御装置）を有している。インバータ部１００は、モータ電流制御部１１０、レゾルバ信号処理診断部１２０を有している。バッテリ２００は、インバータ部１００の直流電圧源であり、バッテリ２００の直流電圧Ｅｄｃは、インバータ部１００のインバータ回路１３０によって可変電圧、可変周波数の３相交流に変換され、モータ３１０に印加される。

モータ３１０は、３相交流の供給により回転駆動される同期モータである。モータ３１０には、モータ３１０の誘起電圧の位相に合わせて３相交流の印加電圧の位相を制御するためにレゾルバ３２０が取り付けられており、レゾルバデジタル変換部１４０にてレゾルバ３２０のアナログ入力信号からデジタル回転角度信号を生成する。

インバータ部１００は、モータ３１０の出力を制御するためのモータ電流制御部１１０を有しており、電流検出部１１１にて、３相のモータ電流値（Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）と回転角度検出部１１５にて検出した回転角度θｅとからｄｑ変換した電流検出値（Ｉｄ＾、Ｉｑ＾）を出力する。電流制御部１１２は、電流検出値（Ｉｄ＾、Ｉｑ＾）と電流指令部１１３から出力された電流指令値（Ｉｄ＊、Ｉｑ＊）とが一致するように電圧指令（Ｖｄ＊、Ｖｑ＊）を出力する。３相電圧変換部１１４では、電圧指令（Ｖｄ＊，Ｖｑ＊）と回転角度θｅとから３相のモータ印加電圧に一度変換した後、パルス幅変調（ＰＷＭ）したドライブ信号によって、インバータ回路１３０の半導体スイッチ素子をオン／オフ制御して出力電圧を調整する。

さらに、インバータ部１００は、レゾルバ３２０または主系のレゾルバデジタル変換部１４０の異常を検出するためのレゾルバ信号診断部１２０を有しており、レゾルバ信号診断部１２０は、従来のレゾルバ異常診断部１２４とレゾルバ正弦余弦信号診断部１２５とレゾルバ回転角度処理診断部１２１を有している。従来のレゾルバ異常診断部１２４は、主系のレゾルバデジタル変換部１４０が出力する複数の回転角度情報（θｉｏとθｓｐｉ等）を比較して、レゾルバデジタル変換部１４０とＣＰＵ１７０との間の通信ラインの異常を検出する。さらに、レゾルバデジタル変換部１４０が有する異常検知処理の機能を利用して異常を診断する。この従来のレゾルバ異常診断部１２４により、レゾルバ３２０とインバータ部１００間の接続線の断線、天絡、地絡等の異常やレゾルバデジタル変換部１４０とＣＰＵ１７０との間の異常を検出可能であるが、レゾルバデジタル変換部１４０の内部の回転角度算出の処理工程が正常に実施されているかの診断については、更なる考慮が望ましい。また、レゾルバデジタル変換部１４０の異常検知処理は異常が発生してから検出するまでに数ｍｓの時間を要する。モータトルクの意図しない出力を回避するには、レゾルバ回転角度診断を、パルス幅変調（ＰＷＭ）と同等の周期で実施する方が望ましい。パルス幅変調（ＰＷＭ）と同等の周期で診断することにより、誤った電圧指令（Ｖｄ＊，Ｖｑ＊）を出力する前に、安全な状態に制御することが可能になる。

冗長ＡＤＣにおいて、レゾルバ３２０のアナログ出力信号の正弦変調信号（Ｓｉｎθｍ）と余弦変調信号（Ｃｏｓθｍ）から正弦電圧信号（Ｖｓｉｎ）と余弦電圧信号（Ｖｃｏｓ）を生成し、この信号を入力として回転角度変換部１２２にて回転角度情報（θｒ）を生成する。回転角度フィルタ部１２３は、生成した回転角度情報（θｒ）に含まれる特定の周波数を除き、フィルタされた回転角度情報（θｆ）を出力する。レゾルバ回転角度処理診断部１２１は、主系のレゾルバデジタル変換部１４０の回転角度情報（θｉｏ）とフィルタされた回転角度情報（θｆ）を比較して主系のレゾルバデジタル変換部１４０の異常を早期検出する。また、別系統で実施するレゾルバ正弦余弦信号診断部１２５は、正弦波（Ｓｉｎθ）と余弦波（Ｃｏｓθ）との間の三角関数の公式である以下の数式（１）の関係を利用して、正弦電圧信号（Ｖｓｉｎ）と余弦電圧信号（Ｖｃｏｓ）から、レゾルバ信号の異常を診断する。
Ｓｉｎθ²＋Ｃｏｓθ² ＝ １ …（１）

図２（１）（２）は、レゾルバ励磁信号と正弦信号と余弦信号の関係を示した図である。励磁信号のピーク点においてＳｉｎθｍとＣｏｓθｍをサンプリングすることで、正弦波のＶｓｉｎとＶｃｏｓを取得することができる。図２（３）（４）は、モータ３１０の回転数が早くなった場合のレゾルバ励磁信号と正弦信号と余弦信号の関係を示した図である。モータ３１０の回転数が速くなると、正弦波の周期が短くなるため、一周期あたりのサンプリング数は少なくなる。

図３（１）は、ＶｓｉｎとＶｃｏｓに対する回転角度（θｒ）の関係を示した図である。また、この関係式は以下の数式（２）で表される。
θｒ＝ｔａｎ^-1（Ｖｓｉｎ／Ｖｃｏｓ） …（２）

図３（１）に示すように、ＶｓｉｎとＶｃｏｓは０°から３６０°の角度において、正弦波の周期的な情報である。モータ３１０が一定回転している時で、サンプリング周期が３０°と一致した時を考えると図３（２）のようにＶｓｉｎとＶｃｏｓは周期的に増減する。また、図３（３）に示すように、サンプリング周期毎の変化量ΔＶｓｉｎ、ΔＶｃｏｓが一定でない特徴がある。また、このサンプリング周期毎の変化量は、高速回転ほど大きくなる。

角度θｒは、図３（１）に示すように、０°から３６０°のノコギリ波の周期的な情報である。しかし、角度θｒは、３６０°と０°は同じ角度の情報であり、３９０°と３０°も同じ角度の情報である。したがって、モータ３１０が一定回転している時には、角度θｒは図３（３）に示すように変化量が一定で増加する情報となる。モータのイナーシャが大きいシステムでは、モータの回転数の急変が起こりにくいため、角度θｒの変化量Δθｒは、急変しない。したがって、ＶｓｉｎとＶｃｏｓに対してフィルタを実施するより、角度θｒに対してフィルタを実施する方が、フィルタによる遅れや減衰に対して有効である。また、フィルタの数も１つで対応可能となる。角度θｒに対してフィルタを実施する方法は、サンプリング数が少なくなる高速回転域で特に有効である。

図４は、歪みやノイズが発生したときのレゾルバ励磁信号と正弦信号と余弦信号の関係を示した図である。ＳｉｎθｍとＣｏｓθｍに歪みやノイズが発生すると、励磁信号のピークでサンプリングするＶｓｉｎとＶｃｏｓは、歪みやノイズを取得することになり、歪んだ波形となる。このＶｓｉｎとＶｃｏｓの歪み成分を除去するフィルタを構成する方法もあるが、高速域で、取り除きたい周波数成分を特定するには、励磁周波数よりも高い周波数でサンプリングする必要があり、アナログフィルタ等のハードウェアフィルタや、高速サンプリング可能なマイクロコンピュータが必要となる。

図５は、ＶｓｉｎとＶｃｏｓが歪んだ場合の主系の回転角度情報と従系の回転角度情報を比較した図である。主系の回転角度情報は実線で表され、高性能のフィルタにより歪みやノイズに対する回転角度情報への影響を除去されている。しかし、点線で表される従系の回転角度情報は、サンプリングしたＶｓｉｎとＶｃｏｓから回転角度情報を算出するため、歪みやノイズに対する影響を受ける。したがって、回転角度情報を誤って取得する。この状態では、主系の回転角度情報と従系の回転角度情報に誤差が発生するため、レゾルバ回転角度診断処理１２１にて誤診断し、インバータ部１００がモータ３１０への通電を停止する事態が発生する。

図６は、図１に示す回転角度フィルタ部の一実施例であるＰＬＬフィルタを示した図である。

ＰＬＬフィルタは、回転速度ωを積分する構成があるため、速度ωが急変しなければ、θｒとθｆの差分も急変しないため、モータ３１０が高速回転する領域でも安定的に動作する特徴がある。また、ゲインＫｐとゲインＫｉは、インバータ部１００が搭載されるモータ装置４００において、モータ３１０が回転する最大加速度と減速度に応じて調整することでレゾルバ信号ラインに発生するノイズや歪みをフィルタすることが可能となる。さらに、ゲインＫｐとゲインＫｉは、モータ装置４００に要求されるモータトルクや回転数、制御対象のイナーシャに応じて可変可能なように構成しても良い。また、ＰＬＬフィルタは、位相をロックするフィルタであるため、回転角度情報（θｆ）をフィルタにより位相遅れすることなく算出可能である点も回転角度のフィルタに適している。

図７は、ＰＬＬフィルタ適用後の主系のレゾルバ回転角度情報と従系の回転角度情報を比較した図である。主系の回転角度情報は実線で表され、従系の回転角度情報は点線で表される。従系の回転角度フィルタにより、主系と同等の角度情報の取得が可能となり、診断の精度を向上することが可能となる。また、従系の回転角度情報の精度が向上することから、主系の回転角度情報が異常となった場合でも、従系の回転角度情報によりモータ３１０の駆動が可能となる。

上述の実施形態では、本発明のインバータ部１００をイナーシャの大きいモータ３１０を用いるモータ装置４００に適用した場合について説明したが、モータ３１０のイナーシャが小さいシステムにおいても同様の効果が得られる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、実施例の構成の一部について他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１００ インバータ部
１１０ モータ電流制御部
１１１ 電流検出部
１１２ 電流制御部
１１３ 電流指令部
１１４ 三相電圧変換部
１１５ 回転位置検出部
１２０ レゾルバ信号処理診断部
１２１ レゾルバ回転角度処理診断部
１２２ 回転角度変換部
１２３ 回転角度フィルタ部
１２４ 従来レゾルバ異常診断部
１２５ レゾルバ信号診断部
１３０ インバータ回路部
１４０ レゾルバデジタル変換部
１５０ 励磁信号生成部
１６０ 励磁ピーク検出部
１７０ ＣＰＵ
２００ バッテリ
３００ モータ部
３１０ モータ
３２０ レゾルバ
４００ モータ装置

Claims (7)

1. 交流の励磁信号を生成する励磁信号生成部と、
   前記励磁信号が入力されるレゾルバからのアナログ出力信号を主系のデジタル回転角度信号に変換する主系のレゾルバデジタル変換部と、
   前記励磁信号のピークを検出するピーク検出部とピーク検出部の検出信号に基づいてＡ／Ｄ変換タイミング信号を生成するＡ／Ｄ変換指令部と、
   前記アナログ出力信号を、前記Ａ／Ｄ変換タイミング信号に基づき従系の正弦、余弦信号に変換する従系のＡ／Ｄ変換部と、
   前記従系の正弦、余弦信号を入力とし、従系のデジタル回転角度信号を出力する従系の回転角度変換部とを有し、
   前記従系のデジタル回転角度信号に対し、前記主系のレゾルバデジタル変換部と異なる回転角度フィルタを実施する回転角度検出装置。
2. 請求項１に記載の回転角度検出装置であって、
   前記回転角度フィルタを実施した後の従系のデジタル回転角度信号と、主系のデジタル回転角度信号とを比較するレゾルバ処理診断部を有し、
   前記レゾルバ処理診断部は、主系のレゾルバデジタル変換処理の異常を検出する回転角度検出装置。
3. 請求項１に記載の回転角度検出装置であって、
   前記回転角度フィルタにＰＬＬフィルタを用いる回転角度検出装置。
4. 請求項３に記載の回転角度検出装置を備えるモータ制御装置であって、
   前記ＰＬＬフィルタの遮断周波数をモータトルクに基づき変化させるモータ制御装置。
5. 請求項３に記載の回転角度検出装置を備えるモータ制御装置であって、
   前記ＰＬＬフィルタの遮断周波数を回転数に基づき変化させるモータ制御装置。
6. 請求項３に記載の回転角度検出装置を備えるモータ制御装置であって、
   前記ＰＬＬフィルタの遮断周波数を、前記レゾルバと連結された回転軸に連結される制御対象のイナーシャに基づき変化させるモータ制御装置。
7. 請求項２に記載の回転角度検出装置を備えるモータ制御装置であって、
   前記主系のレゾルバデジタル変換処理に異常を検出した場合、前記従系のデジタル回転角度信号によりモータ駆動を継続するモータ制御装置。