JP2015133868A - Motor controller, motor-driven actuator system, and motor control method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、モータ制御装置、電動式アクチュエータシステム及びモータ制御方法に関するものである。 The present invention relates to a motor control device, an electric actuator system, and a motor control method.
ブラシレスモータ(以下、モータ)をロータの角度位置検出装置を用いずに駆動する技術(センサレスモータ駆動制御)が公知となっている。センサレスモータ駆動制御では、ロータ角度(磁極位置)の推定を行うが、ロータが停止あるいは低速の状態では、モータのインダクタンスの変動に基づいて、ロータ角度の推定を行っている。 A technique (sensorless motor drive control) for driving a brushless motor (hereinafter referred to as a motor) without using an angular position detection device of a rotor is known. In sensorless motor drive control, the rotor angle (magnetic pole position) is estimated. When the rotor is stopped or at a low speed, the rotor angle is estimated based on the fluctuation of the motor inductance.
例えば、特許文献1では、位置検出用の高調波電圧を指令信号に重畳し、その時にモータに流れる高調波電流の差分電流を検出し、高調波電圧と差分電流とを用いた演算処理を行うことでインダクタンスを算出すると共に、当該インダクタンスの変動に基づいてロータ角度の推定値を算出している。ここで、図5の模式図に示すように、ロータ角度をθとすると、ロータ角度θの周期は360°であるのに対してインダクタンスの変動周期は半分の180°である。このため、インダクタンスを用いてロータ角度の推定値を算出する場合には、位相が180°異なるロータ角度を識別することができない。例えば、図5に示すように、インダクタンスから推定したロータ角度が45°を示すとき、実際のロータ角度θは45°の場合と225°の場合があり得る。つまり、インダクタンス周期がロータ角度の270°〜90°に対応している場合には、ロータ角度の実際値が90°〜270°の範囲では、ロータ角度の実際値とロータ角度の推定値とが180°ずれて(すなわち磁極が反転された状態で)算出されることになる。
For example, in
そこで、このような問題を解決するため、特許文献2には、モータの制御開始前に、磁極の向きを判別する処理を行うことで、ロータ角度の実際値とロータ角度の推定値とを一致させる方法が開示されている。特許文献2の方法では、インダクタンスの変動に基づき推定した磁極方向(推定したd軸)に電流を流して磁界を発生させたとき、電流により発生した磁界と磁石により発生した磁界の方向が同一である磁束の飽和状態と、電流により発生した磁界と磁石により発生した磁界の方向が逆である磁束の非飽和状態とで、モータの各相に流れるモータ電流の状態が変化することを利用し、この変化を判別してロータの磁極の向き(磁極軸の極性)を判断している。このような特許文献2の方法によれば、図5に示すように、磁極判別により推定したd軸と磁極の極性との関係を一致あるいは反転で判別し、これによって、例えば、インダクタンスから推定したロータ角度が45°を示すとき、実際のロータ角度θが45°であるか225°であるかの判断している。 Therefore, in order to solve such a problem, Patent Document 2 describes that the actual value of the rotor angle agrees with the estimated value of the rotor angle by performing a process of determining the direction of the magnetic pole before starting the control of the motor. Is disclosed. In the method of Patent Literature 2, when a magnetic field is generated by flowing a current in the magnetic pole direction (estimated d-axis) estimated based on a variation in inductance, the direction of the magnetic field generated by the current is the same as the direction of the magnetic field generated by the magnet. Utilizing the fact that the state of the motor current flowing in each phase of the motor changes between the saturation state of a certain magnetic flux and the non-saturation state of the magnetic flux in which the direction of the magnetic field generated by the current and the direction of the magnetic field generated by the magnet is opposite, This change is discriminated to determine the direction of the magnetic pole of the rotor (the polarity of the magnetic pole axis). According to such a method of Patent Document 2, as shown in FIG. 5, the relationship between the d-axis estimated by the magnetic pole discrimination and the polarity of the magnetic pole is discriminated by coincidence or inversion, thereby estimating from the inductance, for example. When the rotor angle indicates 45 °, it is determined whether the actual rotor angle θ is 45 ° or 225 °.
しかしながら、特許文献2の方法では、モータの制御開始前に必ず磁極の向きを判別する処理を行う必要があり、モータの制御開始までに時間を要する。 However, in the method of Patent Document 2, it is necessary to always perform the process of determining the direction of the magnetic pole before starting the motor control, and it takes time to start the motor control.
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、インダクタンス変動に基づくロータ角度の推定値によって回転が制御されるブラシレスモータを短時間で始動可能とすることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to enable a brushless motor whose rotation is controlled by an estimated value of a rotor angle based on an inductance variation to be started in a short time.
上記課題を解決するための手段として、第1の発明は、ストッパによって回転終端位置にてロータの回転が規制されると共に上記ロータが付勢手段により上記回転終端位置に向けて付勢されるブラシレスモータをインダクタンスの変動に基づいて磁極位置を推定するセンサレスベクトル制御を行うモータ制御装置であって、上記ストッパによって回転が規制されたときのロータ角度の実際値によって一義的に定まる磁極軸の極性を記憶する初期設定部と、インダクタンス変動及び上記初期設定部に記憶された上記磁極軸の極性に基づいてロータ角度の推定値を算出する角度推定部と、上記角度推定部で求められた上記ロータ角度の推定値に基づいてブラシレスモータに印加する実電圧を生成するインバータとを備えるという構成を採用する。 As a means for solving the above-mentioned problem, the first invention is a brushless in which the rotation of the rotor is restricted at the rotation end position by the stopper and the rotor is biased toward the rotation end position by the biasing means. A motor control device that performs sensorless vector control for estimating a magnetic pole position based on a change in inductance of a motor, and determines a polarity of a magnetic pole axis that is uniquely determined by an actual value of a rotor angle when rotation is restricted by the stopper. An initial setting unit for storing, an angle estimation unit for calculating an estimated value of a rotor angle based on inductance variation and the polarity of the magnetic pole axis stored in the initial setting unit, and the rotor angle obtained by the angle estimation unit And an inverter that generates an actual voltage to be applied to the brushless motor based on the estimated value.
第2の発明は、ストッパによって回転終端位置にてロータの回転が規制されると共に上記ロータが付勢手段により上記回転終端位置に向けて付勢されるブラシレスモータをインダクタンスの変動に基づいて磁極位置を推定するセンサレスベクトル制御を行うモータ制御装置であって、上記ストッパによって回転が規制されたときのロータ角度の実際値を記憶する初期設定部と、インダクタンス変動に基づいてロータ角度の推定値を算出する角度推定部と、上記角度推定部で求められた上記ロータ角度の推定値に基づいてブラシレスモータに印加する実電圧を生成するインバータとを備え、上記角度推定部は、θ^(n+1)がロータ角度の推定値の更新値、ω^(n+1)がロータ角速度の推定値の更新値、Δtが前回の制御周期におけるロータ角度の推定値の算出時からの経過時間、θ^(n)が前回の制御周期におけるロータ角度の推定値、ω^(n)が前回の制御周期におけるロータ角速度の推定値、K1及びK2が演算ゲイン、θe(n)が前回の制御周期における位相差推定値を示す下式(1)によって上記ロータ角度の推定値の算出を行い、上記初期設定部で記憶するロータ角度の実際値が式(1)におけるn=0の時のθ^(0)であり、上記角度推定部は、当該実際値を初期値として上記ロータ角度の推定値を算出するという構成を採用する。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a brushless motor in which the rotation of the rotor is restricted at the rotation end position by the stopper and the rotor is biased toward the rotation end position by the biasing means based on the variation in inductance. Is a motor control device that performs sensorless vector control to estimate the initial value of the rotor angle when rotation is restricted by the stopper, and calculates the estimated value of the rotor angle based on the inductance variation And an inverter that generates an actual voltage to be applied to the brushless motor based on the estimated value of the rotor angle obtained by the angle estimation unit, wherein the angle estimation unit has θ ^ (n + 1) The updated value of the estimated value of the rotor angle, ω ^ (n + 1) is the updated value of the estimated value of the rotor angular velocity, and Δt is the low value in the previous control cycle. The elapsed time from the calculation of the estimated angle value, θ ^ (n) is the estimated value of the rotor angle in the previous control period, ω ^ (n) is the estimated value of the rotor angular speed in the previous control period, and K1 and K2 are The estimated value of the rotor angle is calculated by the following equation (1) in which the calculation gain, θe (n) indicates the phase difference estimated value in the previous control cycle, and the actual value of the rotor angle stored in the initial setting unit is expressed by the equation It is θ ^ (0) when n = 0 in (1), and the angle estimation unit employs a configuration in which the estimated value of the rotor angle is calculated using the actual value as an initial value.
第3の発明は、上記第1または第2の発明において、上記ブラシレスモータの始動時に上記回転終端位置に向かう方向の駆動力を上記ロータに発生させる上記実電圧を生成するという構成を採用する。 According to a third invention, in the first or second invention, a configuration is adopted in which the actual voltage is generated to cause the rotor to generate a driving force in a direction toward the rotation end position when the brushless motor is started.
第4の発明は、ストッパによって回転終端位置にてロータの回転が規制されると共に上記ロータが付勢手段により上記回転終端位置に向けて付勢されるブラシレスモータを有する電動式アクチュエータと、当該ブラシレスモータをインダクタンスの変動に基づいてベクトル制御するモータ制御装置とを備える電動式アクチュエータシステムであって、上記モータ制御装置として、上記第1〜第3いずれかの発明であるモータ制御装置を備えるという構成を採用する。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an electric actuator having a brushless motor in which the rotation of the rotor is restricted by the stopper at the rotation end position and the rotor is biased toward the rotation end position by the biasing means. An electric actuator system including a motor control device that performs vector control of a motor based on a variation in inductance, and includes the motor control device according to any one of the first to third inventions as the motor control device. Is adopted.
第5の発明は、上記第4の発明において、上記ストッパは、上記回転終端位置におけるロータ角度の実際値が、上記磁極軸の極性が反転するロータ角度の実際値を中心とする45°の範囲を避けて設定される位置に設けられているという構成を採用する。 In a fifth aspect based on the fourth aspect, the stopper is configured such that the actual value of the rotor angle at the rotation end position is in a range of 45 ° centered on the actual value of the rotor angle at which the polarity of the magnetic pole axis is reversed. A configuration is adopted in which it is provided at a position that is set to avoid this.
第6の発明は、ストッパによって回転終端位置にてロータの回転が規制されると共に上記ロータが付勢手段により上記回転終端位置に向けて付勢されるブラシレスモータをインダクタンスの変動に基づいて磁極位置を推定するセンサレスベクトル制御を行うモータ制御方法であって、上記ブラシレスモータの始動時に、上記ロータを上記回転終端位置まで回転させ、インダクタンス変動及び上記ストッパによって回転が規制されたときのロータ角度の実際値によって一義的に定まる磁極軸の極性に基づいてロータ角度の推定値を算出するという構成を採用する。 According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a brushless motor in which the rotation of the rotor is restricted at the rotation end position by the stopper and the rotor is biased toward the rotation end position by the biasing means. A motor control method for performing sensorless vector control for estimating the actual rotation angle when the brushless motor is started and the rotor is rotated to the rotation end position and the rotation is restricted by the inductance variation and the stopper. A configuration is adopted in which the estimated value of the rotor angle is calculated based on the polarity of the magnetic pole axis that is uniquely determined by the value.
本発明によれば、ブラシレスモータの始動時に、ストッパによって回転が規制される回転終端位置までロータを回転させることにより、始動時におけるロータ角度は常に一定となる。このため、回転終端位置まで回転させたロータにおける磁極軸の極性は一義的に定まる。よって、回転終端位置まで回転させたロータにおける磁極軸の極性に基づいて、始動時のロータ角度の推定値を算出することによって、ブラシレスモータを正確に制御することができる。このような本発明によれば、磁極の向きを判別する処理を行う必要がないことから、ブラシレスモータを短時間で制御可能とする。 According to the present invention, when the brushless motor is started, the rotor angle at the start is always constant by rotating the rotor to the rotation end position where the rotation is restricted by the stopper. For this reason, the polarity of the magnetic pole axis in the rotor rotated to the rotation end position is uniquely determined. Therefore, the brushless motor can be accurately controlled by calculating the estimated value of the rotor angle at the start based on the polarity of the magnetic pole shaft in the rotor rotated to the rotation end position. According to the present invention, the brushless motor can be controlled in a short time because there is no need to perform the process of determining the direction of the magnetic pole.
以下、図面を参照して、本発明に係るモータ制御装置、電動式アクチュエータシステム及びモータ制御方法の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, an embodiment of a motor control device, an electric actuator system and a motor control method according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the scale of each member is appropriately changed in order to make each member a recognizable size.
図1は、本実施形態の電動式アクチュエータシステムSの概略構成を示す機能ブロック図である。この図に示すように、本実施形態の電動式アクチュエータシステムSは、モータ制御装置1と、電動式アクチュエータ20とを備えている。
FIG. 1 is a functional block diagram showing a schematic configuration of the electric actuator system S of the present embodiment. As shown in this figure, the electric actuator system S of this embodiment includes a
まず電動式アクチュエータ20について説明する。図2は、電動式アクチュエータ20の概略構成を示す縦断面図である。この図に示すように、電動式アクチュエータ20は、ケーシング21と、モータ22と、ボールネジ23と、プランジャ24と、ストッパ25と、圧縮バネ26(付勢手段)と、リザーバタンク27と、検出部28とを備えている。
First, the
ケーシング21は、モータ22、ボールネジ23、プランジャ24等を収容する金属製の容器である。このケーシング21の端部には、作動油をケーシング21の外部に押し出すための吐出孔21aが設けられている。また、ケーシング21の内部には、当該吐出孔21aに連続する充填室21bが設けられており、この充填室21bに作動油が充填されている。さらに、ケーシング21には、充填室21bに臨むように開口されたポート21cが形成されており、当該ポート21cを介してリザーバタンク27が充填室21bに接続されている。なお、ポート21cは、プランジャ24がボールネジ23によって押され(すなわち図2の右側に押されて)移動されたときに、後述するプランジャ24の本体部24aによって閉塞される位置に設けられている。
The
モータ22は、吐出孔21aと反対側の端部近傍においてケーシング21に収容されたブラシレスDCモータである。このモータ22は、ステータ22aと、ロータ22bとを有している。ステータ22aは、ケーシング21の内壁面に対して円環状に固定されており、コイルからなる電機子22cと、当該電機子22cを支持するインシュレータ22dとを有している。なお、本実施形態においては、3相(U、V、W)の電機子22cが設けられている。ロータ22bは、ステータ22aに囲まれるように軸受により支持されており、ボールネジ23に接続されている。このロータ22bは、ステータ22aに対向して配置される複数の永久磁石22eを有している。このような永久磁石22eによって、ロータ22bに対してN極とS極とが形成される。このロータ22bは、ステータ22aの電機子22cへの通電によって磁界が形成されることによって回転駆動される。
The
なお、以下の説明において、磁極軸とは、これらのN極とS極とを結ぶ軸を意味する。また、磁極軸の極性とは、磁極軸に存在する2つの端部の極性(すなわちN極であるかS極であるか)を意味し、磁極軸の向きを意味する。 In the following description, the magnetic pole axis means an axis connecting these N pole and S pole. Further, the polarity of the magnetic pole axis means the polarities of two end portions existing on the magnetic pole axis (that is, whether it is N pole or S pole), and means the direction of the magnetic pole axis.
ボールネジ23は、ロータ22bの軸方向に延在する棒状部材であり、ボール23aを介してロータ22bと螺合されている。このボールネジ23は、ロータ22bの回転によって長手方向に直線移動される。
The ball screw 23 is a rod-like member extending in the axial direction of the
プランジャ24は、ボールネジ23の先端に固定されており、ボールネジ23の移動に伴ってロータ22bの軸方向に移動される。このプランジャ24は、本体部24aと、シールリング24bと、弁機構24cとを備えている。
The
本体部24aは、ボールネジ23に対して固定される円柱状部材である。この本体部24aは、移動方向の中央部に作動油が充填される充填室24dを備えている。図3は、プランジャ24の本体部24aとストッパ25とを図示した斜視図である。この図に示すように、この充填室24dの天井部と底部とには、図3に示すように、ストッパ25が挿通されるスリット24eが設けられている。このスリット24eは、本体部24aがロータ22bの軸方向に移動可能となるように、当該方向に延在して形成されている。また、本体部24aの先端部には、弁機構24cの円筒部材24gが摺動可能に嵌合される貫通孔24fが設けられている。なお、図2(及び後述する図4)に示すように、プランジャ24は、スリット24eの吐出孔21a側の端部がストッパ25に当接することにより、移動が規制される。
The
シールリング24bは、本体部24aの外周面側に取り付けられており、プランジャ24とケーシング21との隙間からモータ22側に作動油が漏出することを防止している。
The
弁機構24cは、円筒部材24gと、支持部24hと、圧縮バネ24iとを備えている。円筒部材24gは、有底円筒型の部材であり、底部(図2における右側端部)を吐出孔21a側に向けて、本体部24aの貫通孔24fに摺動可能に嵌合されている。この円筒部材24gは、貫通孔24fよりも長く、開口端側がストッパ25に当接している。また、円筒部材24gの底部近傍には、円筒部材24gの外部と内部とを連通する貫通孔24jが設けられている。支持部24hは、本体部24aの先端に固定された有底円筒型の部材であり、底部(図2における右側端部)に貫通孔24kが設けられている。この支持部24hは、自らの内部に収容された圧縮バネ24iを円筒部材24gとの間で狭持する。圧縮バネ24iは、支持部24hの底部と円筒部材24gとの間に配置されており、円筒部材24gを常にストッパ25側に付勢する。
The
ストッパ25は、ケーシング21に固定され、上述のように、プランジャ24のスリット24eを通ってプランジャ24の本体部24aを上下方向に貫通して設けられている。このストッパ25は、圧縮バネ24iによってモータ22側に付勢されるプランジャ24の移動終端位置を規定している。このストッパ25にスリット24eの端部が当接することによってプランジャ24が移動終端位置にて停止される。なお、プランジャ24がストッパ25によって移動が規制されることによって、プランジャ24にボールネジ23を介して接続されているモータ22のロータ22bの回転も規制される。すなわち、ストッパ25は、ロータ22bの回転終端位置も規定している。つまり、このような本実施形態の電動式アクチュエータ20では、ストッパ25によって、回転終端位置にてロータ22bの回転が規制される。
The
圧縮バネ26は、充填室21b内に収容されており、プランジャ24をモータ22側に付勢している。すなわち、圧縮バネ26は、プランジャ24をロータ22bが回転終端位置に向かう方向に付勢する。リザーバタンク27は、作動油を貯留するタンクであり、ポート21cを介して充填室21bと接続されている。検出部28は、プランジャ24の位置(すなわちストローク位置)を検出し、その結果をストローク位置検出信号Saとして出力する。
The
このような構成を有する電動式アクチュエータ20では、モータ22のロータ22bをボールネジ23がモータ22側に移動されるように回転させてプランジャ24をストッパ25によって停止される位置(移動終端位置)まで引いた場合には、図4(a)に示すように、ストッパ25から円筒部材24gが押圧されることによって圧縮バネ24iが縮み、円筒部材24gに形成された貫通孔24jが充填室21b内(支持部24hの内部)に露出する。また、ポート21cが開放される。この結果、充填室21bと、リザーバタンク27と、本体部24aの充填室24dとがつながり、油圧が発生しない状態となる。圧縮バネ26によってプランジャ24がモータ22側に付勢されていることから、モータ22におけるトルクをゼロあるいは微小とすることによって、図4(a)に示す状態(すなわち油圧が発生していない状態)となる。また、電動式アクチュエータ20では、モータ制御装置1によって、モータ22の始動時に回転終端位置に向かう方向の駆動力をロータ22bに発生させるように実電圧を生成することで、確実にプランジャ24をストッパ25によって停止される位置まで引くことができる。
In the
一方、モータ22のロータ22bをボールネジ23が吐出孔21a側に移動されるように回転させた場合には、図4(b)に示すように、プランジャ24が吐出孔21a側に移動されることで円筒部材24gが圧縮バネ24iによってモータ22側に押し戻され、円筒部材24gに形成された貫通孔24jが本体部24aによって閉鎖される。また、ポート21cも閉鎖される。この結果、充填室21bが、リザーバタンク27及び本体部24aの充填室24dと隔離され、プランジャ24の吐出孔21a側への移動によって油圧が発生する状態となる。
On the other hand, when the
次に、モータ制御装置1について説明する。モータ制御装置1によって回転が制御される電動式アクチュエータ20のモータ22は、上述のように、永久磁石22eを備えるロータ22bと、このロータ22b周りに配置された3相(U、V、W)の電機子22cとを備えるブラシレスDCモータである。モータ制御装置1は、このようなモータ22の電機子22cに流れる電流をフィードバック制御する。モータ制御装置1は、モータ22のロータ22bの界磁極の磁束方向をq軸とし、これと直交する方向をd軸とし、モータ22をd軸上に設けられた電機子(d軸電機子)とq軸上に設けられた電機子(q軸電機子)とを有する等価回路に変換して扱うベクトル制御を行う。
Next, the
このようなモータ制御装置1は、例えば車載されるECU(エンジンコントロールユニット)からなり、各種プログラムや計算に必要なデータを記憶する記憶部、各種演算を行う演算処理部、これらの記憶部及び演算処理部が実装される基板等のハードウェアからなる。
Such a
図1に示すように、モータ制御装置1は、指令角度算出部2と、第1減算部3と、位置制御部4と、第2減算部5と、速度制御部6と、第3減算部7と、電流・非干渉制御部8と、制御切替部9と、加算部10と、逆dq変換部11と、インバータ12と、位置検出用信号生成部13と、角度推定部14と、dq変換部15と、実角度算出部16と、実角速度算出部17と、初期設定部18を備える。
As shown in FIG. 1, the
指令角度算出部2は、電動式アクチュエータのプランジャ24のストローク位置を指定する指令信号であるストローク位置指令信号Sb(指令信号)が外部より入力され、このストローク位置指令信号Sbに基づいてロータ指令角度θ*を算出する。このロータ指令角度θ*は、ストローク位置指令信号Sbに基づくストローク位置にプランジャ24を配置するときのロータ角度を示すものである。第1減算部3は、指令角度算出部2によって算出されたロータ指令角度θ*と、実角度算出部16によって算出されるロータ実角度θm(ロータ角度の実際値)との差分値を算出する。このロータ実角度θmは、検出部28から出力されるストローク位置検出信号Saに基づくロータ角度の実際値を示すものである。
The command angle calculation unit 2 receives a stroke position command signal Sb (command signal), which is a command signal for designating the stroke position of the
位置制御部4は、第1減算部3で算出された差分値が入力され、この差分値に基づいてロータ指令角速度ω*(ロータ角速度の指令値)を算出する。この位置制御部4は、例えば、PID要素Kp+Ki/S+KDSで表される。第2減算部5は、位置制御部4によって算出されたロータ指令角速度ω*と、実角速度算出部17によって算出されるロータ実角速度ωm(ロータ角速度の実際値)との差分値を算出する。このロータ実角速度ωmは、ロータ実角度θmに基づいて算出されるロータ角速度の実際値を示すものである。
The position control unit 4 receives the difference value calculated by the
速度制御部6は、第2減算部5で算出された差分値が入力され、この差分値に基づいて、d軸指令電流Id*とq軸指令電流Iq*とを算出する。この速度制御部6は、例えば、PID要素で表される。
The speed control unit 6 receives the difference value calculated by the
第3減算部7は、速度制御部6によって算出されたd軸指令電流Id*と、dq変換部15によって算出されるd軸推定実電流Id^との差分値を算出する。また、第3減算部7は、速度制御部6によって算出されたq軸指令電流Iq*と、dq変換部15によって算出されるq軸推定実電流Iq^との差分値を算出する。このd軸推定実電流Id^は及びq軸推定実電流Iq^は、インバータ12から出力されるU相実電流Iu、V相実電流Iv及びW相実電流Iwをd軸電機子に供給される電流とq軸電機子に供給される電流とに変換することによって得られる。d軸推定実電流Id^はd軸電機子に供給される電流であり、q軸推定実電流Iq^はq軸電機子に供給される電流である。
The third subtraction unit 7 calculates a difference value between the d-axis command current Id * calculated by the speed control unit 6 and the d-axis estimated actual current Id ^ calculated by the
電流・非干渉制御部8は、第3減算部7で算出された差分値に対してPI処理を施し、さらにd軸とq軸間で干渉し合う速度起電力の影響を打ち消す処理を施して、d軸指令電圧Vd*とq軸指令電圧Vq*とを算出する。
The current /
制御切替部9は、突き当てモードと位置制御モードとのモード切替を行う。突き当てモードでは、プランジャ24をストッパ25の位置に突き当てる方向に駆動する適当なトルク軸電流Id*を第3減算部7に入力する。位置制御モードでは、速度制御部6の出力をそのまま第3減算部7に出力する。この制御切替部9は、外部からの指令に基づいて、制御切替部9のモードを突き当てモードから位置制御モード、あるいは、位置制御モードから突き当てモードへ切り替える。
The
加算部10は、電流・非干渉制御部8で算出されたd軸指令電圧Vd*に対して、位置検出用信号生成部13で生成されたd軸検出用電圧Vhdを重畳する。また、加算部10は、電流・非干渉制御部8で算出されたq軸指令電圧Vq*に対して、位置検出用信号生成部13で生成されたq軸検出用電圧Vhqを重畳する。
The
逆dq変換部11は、d軸検出用電圧Vhdが重畳されたd軸指令電圧Vd*とq軸検出用電圧Vhqが重畳されたq軸指令電圧Vq*とを、モータ22のU、V、Wの3相の電機子22cに印加する指令電圧に変換する。なお、U相の電機子に印加する指令電圧をU相指令電圧Vu*、V相の電機子に印加する指令電圧をV相指令電圧Vv*、W相の電機子に印加する指令電圧をW相指令電圧Vw*とする。
The
インバータ12は、逆dq変換部11によって求められたU相指令電圧Vu*、V相指令電圧Vv*及びW相指令電圧Vw*に応じて、モータ22の電機子22cに実際に印加する実電圧を生成し、この実電圧をモータ22の電機子22cに対して印加する。このインバータ12は、U相指令電圧Vu*に応じてモータ22のU相の電機子22cに実際に印加する実電圧であるU相実電圧Vuを生成し、V相指令電圧Vv*に応じてモータ22のV相の電機子22cに実際に印加する実電圧であるV相実電圧Vvを生成し、W相指令電圧Vw*に応じてモータ22のW相の電機子22cに実際に印加する実電圧であるW相実電圧Vwを生成する。
The
また、インバータ12は、モータ22に供給される実電流を検出してその値を出力する。このインバータ12は、U相の電機子22cに供給される実電流をU相実電流Iu、V相の電機子22cに供給される実電流をV相実電流Iv、W相の電機子22cに供給される実電流をW相実電流Iwとして出力する。
The
位置検出用信号生成部13は、モータ22のロータ角度推定に用いられるd軸検出用電圧Vhd及びq軸検出用電圧Vhqを生成する。これらのd軸検出用電圧Vhd及びq軸検出用電圧Vhqは、モータ制御装置1の3制御サイクル(T11、t12、T13)を1周期として、1周期で各相(d軸検出用電圧Vhd及びq軸検出用電圧Vhq)の出力電圧の総和がゼロとなるように出力パターンが設定された高調波電圧である。なお、必ずしも3制御サイクルを1周期とする必要はない。
The position
角度推定部14は、位置制御部4で算出されるロータ指令角速度ω*と、位置検出用信号生成部13で生成されるd軸検出用電圧Vhd及びq軸検出用電圧Vhqと、dp変換部15で求められるd軸推定実電流Id^及びq軸推定実電流Iq^と、実角速度算出部17で算出されるロータ実角速度ωmとが入力される。
The
角度推定部14は、入力されるこれらの値に基づいて、正弦参照値Vsdq及び余弦参照値Vcdqとインダクタンス参照値L0とを求め、さらにロータ推定角度θ^とロータ実角度θmとの位相差推定値θeを求め、さらにオブザーバを用いてロータ推定角度θ^の更新を行う。ここで、角度推定部14は、θ^(n+1)がロータ推定角度の更新値、ω^(n+1)がロータ推定角速度の更新値、Δtが前回の制御周期におけるロータ推定角度の算出時からの経過時間、θ^(n)が前回の制御周期におけるロータ推定角度、ω^(n)が前回の制御周期におけるロータ推定角速度、K1及びK2が演算ゲイン、θe(n)が前回の制御周期における位相差推定値を示す上述の式(1)によってロータ推定角度θ^の算出を行う。また、角度推定部14は、電動式アクチュエータ20の始動時(すなわちモータ22の始動時)には、初期設定部18に記憶された磁極軸の極性に基づいてロータ推定角度θ^を算出する。
The
dq変換部15は、インバータ12から出力されるU相実電流Iuと、V相実電流Ivと、W相実電流Iwとを、d軸電機子に供給するd軸推定実電流Id^と、q軸電機子に供給するq軸推定実電流Iq^とに変換する。ここで、dq変換部15は、逆dq変換部11の行列式の逆行列を用いて、U相実電流Iuと、V相実電流Ivと、W相実電流Iwとを、d軸推定実電流Id^及びq軸推定実電流Iq^に変換する。
The
実角度算出部16は、検出部28からストローク位置検出信号Saが入力され、この実際のストローク位置に基づいてロータ実角度θmを算出する。実角速度算出部17は、実角度算出部16で算出されたロータ実角度θmが入力され、このロータ実角度θmからロータ実角速度ωmを算出する。ここで、実角速度算出部17は、例えば、ロータ実角度θmの値を時間微分することによってロータ実角速度ωmを算出する。
The actual
初期設定部18は、電動式アクチュエータ20のストッパ25によって回転が規制されたときのロータ実角度によって一義的に定まる磁極軸の極性を記憶している。すなわち、初期設定部18は、ストッパ25によって回転終端位置で停止されたロータ22bの磁極軸の極性(すなわち磁極軸のN極側の端部の向き)について予め記憶している。または、ロータ22bが回転終端位置のときのロータ実角度θ0を記憶している。
The
電動式アクチュエータ20の始動のときに、突き当てモードになり、ロータ22bを回転終端位置まで回転させるための適当なトルク軸電流Id*が第3減算部7に入力することに基づいてU相指令電圧Vu、V相指令電圧Vv及びW相指令電圧Vwが生成される。
When the
なお、電流・非干渉制御部8でのd軸指令電圧Vd*及びq軸指令電圧Vq*の算出方法、逆dq変換部11におけるd軸指令電圧Vd*とq軸指令電圧Vq*とからU相指令電圧Vu*、V相指令電圧Vv*及びW相指令電圧Vw*への変換方法、角度推定部14における正弦参照値Vsdq、余弦参照値Vcdq、インダクタンス参照値L0、位相差推定値θe及びロータ推定角度θ^等の算出方法については、上記特許文献1等に詳しいため、ここでの説明は省略する。また、ベクトル制御の方法については、「ACサーボシステムの理論と設計の実際:杉本英彦著、総合電子出版」等に詳しく記載されている。
The calculation method of the d-axis command voltage Vd * and the q-axis command voltage Vq * in the current /
このような構成の電動式アクチュエータシステムSでは、始動時には、突き当てモードに基づき、U相実電圧Vu、V相実電圧Vv及びW相実電圧Vwが生成されて、モータ22の各電機子22cに印加される。これによって、ロータ22bが回転終端位置まで回転される。
In the electric actuator system S having such a configuration, at the time of starting, the U-phase actual voltage Vu, the V-phase actual voltage Vv, and the W-phase actual voltage Vw are generated based on the abutting mode, and each
続いて、角度推定部14は、初期設定部18に記憶された磁極軸の極性または回転終端位置のときのロータ実角度θ0とに基づいて、上式(1)からなるオブザーバによりロータ推定角度θ^を算出する。なお、このとき、ロータ角度を推定する際に用いる初期値θ^(0)は、磁極軸の極性によって0°または180°が用いられるのが通例であるが、ロータ実角度θ0を用いる方が収束演算を短期間で終了し、ロータ推定角度θ^を短時間で求めることができる。
Subsequently, based on the polarity of the magnetic pole axis stored in the
このように、角度推定部14が、インダクタンス変動及び初期設定部18に記憶された磁極軸の極性または実角度θ0に基づいてストッパ25によって回転が規制されているときのロータ角度すなわち始動時のロータ角度の推定値を算出すると、その後、指令角度算出部2にストローク位置指令信号Sbを入力して電動式アクチュエータシステムSを自由に操作可能となる。ここで、始動毎に、ストッパ25によって回転が規制されているときのロータ角度を推定するのは、ストッパ25の摩耗や変形等、電動式アクチュエータ20の部品の経年劣化や製品毎の寸法誤差等によって、終端位置におけるロータ実角度が変動することを想定しているためである。
As described above, the
このような本実施形態の電動式アクチュエータシステムSによれば、モータ22の始動時に、ストッパ25によって回転が規制される回転終端位置までロータ22bを回転させることにより、始動時におけるロータ実角度は常に一定となる。このため、回転終端位置まで回転させたロータ22bにおける磁極軸の極性は一義的に定まる。よって、回転終端位置まで回転させたロータ22bにおける磁極軸の極性に基づいて、始動時のロータ推定角度θ^を算出することによって、モータ22を正確に制御することができる。このような本実施形態の電動式アクチュエータシステムSによれば、磁極の向きを判別する処理を行う必要がないことから、モータ22を短時間で制御可能とする。
According to such an electric actuator system S of the present embodiment, when the
なお、本実施形態においては、ストッパ25が、回転終端位置におけるロータ実角度θ0が、磁極軸の極性が反転するロータ実角度を中心とする45°の範囲を避けて設定される位置に設けられていることが望ましい。例えば、ロータ実角度が90°及び270°を境として磁極軸の極性が反転する場合、回転終端位置におけるロータ実角度θ0が90°あるいは270°の近傍であると、電動式アクチュエータ20の部品の経年劣化や製品毎の寸法誤差によって、回転終端位置におけるロータ実角度が僅かにずれた場合であっても、実際の磁極軸の極性が初期設定部18で記憶する磁極軸の極性と異なってしまう可能性がある。したがって、このような場合には、ストッパ25の位置を、回転終端位置におけるロータ実角度θ0が90°及び270°を中心とする45°の範囲を避けて設定することが望ましい。
In the present embodiment, the
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。 As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described referring an accompanying drawing, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to the said embodiment. Various shapes, combinations, and the like of the constituent members shown in the above-described embodiments are examples, and various modifications can be made based on design requirements and the like without departing from the spirit of the present invention.
例えば、上記実施形態においては、角度推定部14が、実角速度算出部17で算出されるロータ実角速度ωmを第2減算部5及び電流・非干渉制御部8へのフィードバック信号とした。しかしながら、ロータ実角速度ωmを用いずにロータ推定速度ω^を第2減算部5及び電流・非干渉制御部8へのフィードバック信号とすることも可能である。
For example, in the above embodiment, the
S……電動アクチュエータシステム、1……モータ制御装置、2……指令角度算出部、3……第1減算部、4……位置制御部、5……第2減算部、6……速度制御部、7……第3減算部、8……電流・非干渉制御部、9……制御切替部、10……加算部、11……逆dq変換部、12……インバータ、13……位置検出用信号生成部、14……角度推定部、15……dq変換部、16……実角度算出部、17……実角速度算出部、18……初期設定部、S0……指令信号、Sa……ストローク位置検出信号、Sb……ストローク位置指令信号、20……電動式アクチュエータ、21……ケーシング、21a……吐出孔、21b……充填室、21c……ポート、22……モータ、22a……ステータ、22b……ロータ、22c……電機子、22d……インシュレータ、22e……永久磁石、23……ボールネジ、23a……ボール、24……プランジャ、24a……本体部、24b……シールリング、24c……弁機構、24d……充填室、24e……スリット、24f……貫通孔、24g……円筒部材、24h……支持部、24i……圧縮バネ、24j……貫通孔、24k……貫通孔、25……ストッパ、26……圧縮バネ、27……リザーバタンク、28……検出部 S: Electric actuator system, 1 ... Motor controller, 2 ... Command angle calculation unit, 3 ... First subtraction unit, 4 ... Position control unit, 5 ... Second subtraction unit, 6 ... Speed control , 7... 3rd subtraction unit, 8... Current / non-interference control unit, 9... Control switching unit, 10... Addition unit, 11. Detection signal generation unit, 14 ... angle estimation unit, 15 ... dq conversion unit, 16 ... real angle calculation unit, 17 ... real angular velocity calculation unit, 18 ... initial setting unit, S0 ... command signal, Sa ...... Stroke position detection signal, Sb ... Stroke position command signal, 20 ... Electric actuator, 21 ... Case, 21a ... Discharge hole, 21b ... Filling chamber, 21c ... Port, 22 ... Motor, 22a ... Stator, 22b ... Rotor, 22c ... Armature, 2 d: Insulator, 22e: Permanent magnet, 23: Ball screw, 23a ... Ball, 24 ... Plunger, 24a ... Main body, 24b ... Seal ring, 24c ... Valve mechanism, 24d ... Filling chamber, 24e …… slit, 24f …… through hole, 24g …… cylindrical member, 24h …… support portion, 24i …… compression spring, 24j …… through hole, 24k …… through hole, 25 …… stopper, 26 …… compression Spring, 27 ... Reservoir tank, 28 ... Detector
Claims (6)
前記ストッパによって回転が規制されたときのロータ角度の実際値によって一義的に定まる磁極軸の極性を記憶する初期設定部と、
インダクタンス変動及び前記初期設定部に記憶された前記磁極軸の極性に基づいてロータ角度の推定値を算出する角度推定部と、
前記角度推定部で求められた前記ロータ角度の推定値に基づいてブラシレスモータに印加する実電圧を生成するインバータと
を備えることを特徴とするモータ制御装置。 Sensorless vector control for estimating the magnetic pole position based on the fluctuation of the inductance of the brushless motor in which the rotation of the rotor is restricted by the stopper at the rotation end position and the rotor is biased toward the rotation end position by the biasing means. A motor control device for performing
An initial setting unit that stores the polarity of the magnetic pole shaft that is uniquely determined by the actual value of the rotor angle when rotation is restricted by the stopper;
An angle estimator that calculates an estimated value of the rotor angle based on the inductance variation and the polarity of the magnetic pole axis stored in the initial setting unit;
A motor control device comprising: an inverter that generates an actual voltage to be applied to a brushless motor based on the estimated value of the rotor angle obtained by the angle estimation unit.
前記ストッパによって回転が規制されたときのロータ角度の実際値を記憶する初期設定部と、
インダクタンス変動に基づいてロータ角度の推定値を算出する角度推定部と、
前記角度推定部で求められた前記ロータ角度の推定値に基づいてブラシレスモータに印加する実電圧を生成するインバータと
を備え、
前記角度推定部は、θ^(n+1)がロータ角度の推定値の更新値、ω^(n+1)がロータ角速度の推定値の更新値、Δtが前回の制御周期におけるロータ角度の推定値の算出時からの経過時間、θ^(n)が前回の制御周期におけるロータ角度の推定値、ω^(n)が前回の制御周期におけるロータ角速度の推定値、K1及びK2が演算ゲイン、θe(n)が前回の制御周期における位相差推定値を示す下式(1)によって前記ロータ角度の推定値の算出を行い、
前記初期設定部で記憶するロータ角度の実際値が式(1)におけるn=0の時のθ^(0)であり、前記角度推定部は、当該実際値を初期値として前記ロータ角度の推定値を算出する
ことを特徴とするモータ制御装置。
An initial setting unit that stores an actual value of the rotor angle when rotation is restricted by the stopper;
An angle estimator that calculates an estimated value of the rotor angle based on the inductance variation;
An inverter that generates an actual voltage to be applied to the brushless motor based on the estimated value of the rotor angle obtained by the angle estimation unit;
The angle estimator calculates θ ^ (n + 1) as an updated value of the estimated value of the rotor angle, ω ^ (n + 1) as an updated value of the estimated value of the rotor angular velocity, and Δt as an estimated value of the rotor angle in the previous control cycle. The elapsed time from the time, θ ^ (n) is the estimated value of the rotor angle in the previous control cycle, ω ^ (n) is the estimated value of the rotor angular velocity in the previous control cycle, K1 and K2 are the calculation gains, θe (n ) Calculates the estimated value of the rotor angle by the following equation (1) indicating the estimated phase difference value in the previous control cycle,
The actual value of the rotor angle stored in the initial setting unit is θ ^ (0) when n = 0 in Equation (1), and the angle estimation unit estimates the rotor angle using the actual value as an initial value. A motor control device that calculates a value.
前記モータ制御装置として、請求項1〜3いずれかに記載のモータ制御装置を備えることを特徴とする電動式アクチュエータシステム。 An electric actuator having a brushless motor in which the rotation of the rotor is restricted by the stopper at the rotation end position and the rotor is urged toward the rotation end position by the urging means, and the brushless motor is changed in inductance. An electric actuator system comprising a motor control device that performs vector control based on the vector,
An electric actuator system comprising the motor control device according to claim 1 as the motor control device.
前記ブラシレスモータの始動時に、前記ロータを前記回転終端位置まで回転させ、インダクタンス変動及び前記ストッパによって回転が規制されたときのロータ角度の実際値によって一義的に定まる磁極軸の極性に基づいてロータ角度の推定値を算出することを特徴とするモータ制御方法。 Sensorless vector control for estimating the magnetic pole position based on the fluctuation of the inductance of the brushless motor in which the rotation of the rotor is restricted by the stopper at the rotation end position and the rotor is biased toward the rotation end position by the biasing means. A motor control method for performing
When starting the brushless motor, the rotor is rotated based on the polarity of the magnetic pole shaft that is uniquely determined by the actual value of the rotor angle when the rotor is rotated to the rotation end position and the rotation is restricted by the stopper. The motor control method characterized by calculating the estimated value of.
Priority Applications (1)
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JP2014005261A JP2015133868A (en) | 2014-01-15 | 2014-01-15 | Motor controller, motor-driven actuator system, and motor control method |
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