JP2016019359A - 永久磁石型モータの一次抵抗同定方法及びインバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの回転を極力抑制しつつ一次抵抗を同定できる永久磁石型モータの一次抵抗同定方法を提供する。
【解決手段】実施形態の永久磁石型モータの一次抵抗同定方法によれば、モータの初期位相を検出すると、その初期位相に応じて、モータの位相を、インバータ回路を構成する上下アームの一方側の１相と他方側の２相とにそれぞれ流れる電流が、何れもゼロ付近となることを回避する状態に調整してから一次抵抗を同定する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、永久磁石型モータの一次抵抗同定方法、及び前記方法を実行するインバータ装置に関する。

モータの一次抵抗をチューニング（同定）するには、所定の位相で直流制動を行う場合のように、ベクトル制御におけるＤ軸電流指令だけを与えて指令電圧をモータに印加して、電流制御による出力電圧を安定させる。その状態で、出力電圧指令と検出電流値とに基づき一次抵抗をチューニングする。誘導モータの場合は、位相を０度に固定して、例えばＵ相に流した電流をＶ，Ｗ相にそれぞれ１／２ずつ流すようにする。このようにチューニングすることで、各相に流れる電流が安定するので、一次抵抗のチューニング結果をバラつきなく得ることができる。

一方、永久磁石型モータの場合、所定の位相（例えば、電気角０度）で直流電流を印加すると、その時のロータ位置によってはモータが回転してしまい、安定した電流、電圧情報が得られず、一次抵抗を正しくチューニングできない。永久磁石型モータの初期位相を検出し、検出した位置に基づき直流電流を印加すると、モータを回転させずに一次抵抗をチューニングできるが、ロータ位置によってはある相に流れる電流が小さく、ゼロになるケースもある。

この場合、インバータ側でハードウェアにより電流符号に応じた電圧ドロップ補正（スイッチング素子の導通端子間電圧の補正）を行っていると、ある相の電流が小さい場合、前記補正に誤差が生じる。また、電流が小さくなると電流の検出誤差も生じ、永久磁石型モータの一次抵抗のチューニング結果にも影響が及ぶ。つまり、永久磁石型モータの初期位置によって、一次抵抗のチューニング結果にバラつきが発生する可能性がある。

特開２００８−１８２８８１号公報

特許文献１には、主に永久磁石型モータの定数（一次抵抗、Ｄ軸及びＱ軸インダクタンス）のチューニング方法が記載されているが、一次抵抗をチューニングする前に、ロータの初期位相を推定することなく、ロータを所定の位置に引き込んでからチューニングしている。このような方法では、最初にモータが大きく回転する可能性が避けられない。

そこで、モータの回転を極力抑制しつつ一次抵抗を同定できる永久磁石型モータの一次抵抗同定方法、及びその方法を実行するインバータ装置を提供する。

本実施形態の永久磁石型モータの一次抵抗同定方法によれば、モータの初期位相を検出すると、その初期位相に応じて、モータの位相を、インバータ回路を構成する上下アームの一方側の１相と他方側の２相とにそれぞれ流れる電流が、何れもゼロ付近となることを回避する状態に調整してから一次抵抗を同定する。

第１実施形態であり、一次抵抗をチューニングする処理手順を示すフローチャート 電気角１周期について、シフト目標とする位相を示す図 電気角０°の場合に、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相に流れる電流をモデル的に示す図 図３の場合に対応して実際に観測される各相電流を示す図 インバータシステムの構成を示す機能ブロック図 ロータ位置を電気角１周期に亘り変化させた場合に、各位置でチューニングした１次抵抗Ｒ１の値を正規化してモデル的に示す図 電気角３３０°の場合に、実際に観測される各相電流を示す図 第２実施形態であり、電気角１周期について、シフト目標とする位相を示す図 一次抵抗をチューニングする処理手順を示すフローチャート

（第１実施形態）
以下、第１実施形態について図１から図７を参照して説明する。図５は、インバータシステムの構成を示す機能ブロック図である。電圧演算部１には、図示しない上位の制御装置であるマイクロコンピュータ等からＤ軸電流指令ｉdrefとＱ軸電流指令ｉqrefとが入力され、座標変換部２からはＤ軸電流ｉdとＱ軸電流ｉqとが入力されている。電圧演算部１は、各軸電流指令値と各軸電流との差分について例えばＰＩ制御演算を行い、Ｄ軸電圧指令ｖdrefとＱ軸電圧指令ｖqrefとを決定し、座標変換部３に入力する。

座標変換部２及び３には、位相シフト部４より位相指令Theta＿R1が入力され、座標変換部３は、Ｄ軸電圧指令ｖdref及びＱ軸電圧指令ｖqrefを位相指令Theta＿R1に応じて３相電圧指令ｖu、ｖv、ｖwに変換し、インバータ回路５に入力する。インバータ回路５の直流入力端子には直流電圧Ｖdcが与えられており、インバータ回路５の各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）出力端子は、永久磁石型モータ６（ＰＭモータ；以下、単にモータ６と称す）の図示しない各相固定子巻線にそれぞれ接続されている。

また、インバータ回路５のＵ相、Ｗ相出力端子とモータ６のそれぞれ対応する固定子巻線との間には電流センサ７ｕ、７ｗが配置されており、これらの電流センサ７ｕ、７ｗが検出した相電流ｉu、ｉwは、座標変換部２及び初期位相推定部８に入力されている。座標変換部２は、相電流ｉu、ｉwから残り１相の電流ｉvを求めると、それら３相の電流を直交２軸電流に変換し、更にＤＱ軸電流に変換して出力する。

初期位相推定部８には、直流電圧Ｖdcも入力されており、初期位相推定部８は、各入力パラメータに基づいてモータ６の初期状態の位相（電気角）である初期位相Theta＿Estを推定し、位相シフト部４に入力する。位相シフト部４は、初期位相Theta＿Estに応じて位相指令Theta＿R1を決定すると、座標変換部２及び３に入力する。

Ｒ１演算部９には、Ｄ軸電流指令ｉdref、Ｄ軸電圧指令ｖdref及びＤ軸電流ｉdが入力されており、Ｒ１演算部９は、それらのパラメータに基づいてモータ６の１次抵抗Ｒ１を演算してチューニングし、その演算結果を外部に出力する。尚、図５に示す構成において、インバータ回路５及びモータ６を除いた部分は、マイクロコンピュータのソフトウェアによって実現される機能である。また、図５に示す構成において、モータ６を除いた部分がインバータ装置１０である。

次に、本実施形態の作用について説明する。図６は、モータ６のロータ位置を電気角１周期に亘り変化させた場合に、各位置でチューニングした１次抵抗Ｒ１の値を正規化してモデル的に示したものである。尚、電気角０度はＵ相に合わせている。この図に示すように、電気角３０°、９０°、１５０°、２１０°、２７０°、３３０°において、１次抵抗Ｒ１の値が正規化値「１」に対して大きく低下している。

この原因は、電気角が上記の各値をとった場合に、インバータ回路５を介してモータ６の各相巻線に電流を通電すると、Ｕ、Ｖ、Ｗの何れか１相には電流が殆ど流れない状態となるからである。例えば、上アームのＵ相から流入した電流はほぼ下アームのＶ相に流れて、Ｗ相には殆ど流れない。この状態に対応する電気角３３０°のケースを図７に示す。この時、Ｗ相下アームのスイッチング素子（例えばＩＧＢＴなど）又は並列に接続される還流ダイオードには極僅かの電流（ゼロ付近の値）が流れるが、その僅かな電流の変動に応じてスイッチング素子の両端に発生する電圧は、非飽和領域において大きく変動する。一般に、１次抵抗Ｒ１をチューニングする際には、スイッチング素子の両端電圧を用いるため、上記の電圧変動が１次抵抗Ｒ１のチューニングに対する誤差要因となる。

尚、上記のようなＩＧＢＴのコレクタ電流−導通電圧特性については、例えば特開２０１０−１５４７２６号公報の図５、明細書の段落［００５２］〜［００６３］に関連する記載がある。例えば上記公報の「数１３」式の電圧Ｖ_ＣＥは、コレクタ電流Ｉ_Ｃがゼロ付近では実際は低い値であるにもかかわらず、切片値Ｖ_１Ｃよりも大きな値として近似される。これにより、１次抵抗Ｒ１の補正の精度が低下する。

そこで、本実施形態では、１次抵抗Ｒ１のチューニングを行う前に、何れか１相に流れる電流の値がゼロ付近になることを回避するため（つまり、スイッチング素子の両端電圧の近似値と実際値との差が大きくなる領域を回避するため）、ロータ位置を、Ｕ、Ｖ、Ｗの各相に電流が確実に流れる電気角に予め調整する。図２において、電気角０°、６０°、９０°、１２０°、１８０°、２４０°、３００°は、インバータ回路５における上下アームの一方で１相に流れる電流量を「１」とすると、他方で２相に流れる電流量の比がそれぞれ「０．５」となる理想的な角度である。

電気角０°のケースを図３及び図４に示す。このケースでは、上アームのＵ相から中性点に流入した電流（電流比１）が、下アームのＶ，Ｗ相にそれぞれ電流比０．５に等分されて中性点より流出する。この状態で、１次抵抗Ｒ１のチューニングを行うようにする。図１に示すように、先ず、初期位相推定部８がモータ６の初期位相を推定することで（Ｓ１）、初期位相Theta＿Estを取得する（Ｓ２）。尚、ここで行う初期位相の推定処理は周知技術であり、例えば特表２０１１−５２６４７９号公報や、米国特許第６４９８４５２号、同第７０６７９７７号明細書等に開示されている手法を用いる。

次に、位相シフト部４が、チューニングに理想的な電気角０°／６０°／９０°／１２０°／１８０°／２４０°／３００°のうち、初期位相Theta＿Estに最も近いものをTheta＿R1として選択する（Ｓ３）。条件式で示すと下記のようになる。
IF Theta_Est≦３０° Then Theta_R1＝０°
ELSE IF ３０° ＜Theta_Est≦９０° Then Theta_R1＝６０°
ELSE IF ９０° ＜Theta_Est≦１５０° Then Theta_R1＝１２０°
ELSE IF １５０°＜Theta_Est≦２１０° Then Theta_R1＝１８０°
ELSE IF ２１０°＜Theta_Est≦２７０° Then Theta_R1＝２４０°
ELSE IF ２７０°＜Theta_Est≦３３０° Then Theta_R1＝３００°
ELSE IF ３３０°＜Theta_Est Then Theta_R1＝０°

そして、選択した位相Theta＿R1を、位相指令として座標変換部２及び３に出力する（Ｓ４）。これにより、電気角がTheta＿R1に定まるので、この状態で１次抵抗Ｒ１のチューニングを実施する（Ｓ５）。それから、チューニング結果に基づき１次抵抗Ｒ１を演算すると、その演算結果を保存する（Ｓ６）。保存した１次抵抗Ｒ１の値は、例えばモータ６を駆動制御する際のベクトル制御演算等のパラメータとして使用される。

また、ステップＳ５における１次抵抗Ｒ１のチューニング方法も周知技術であり、例えば特開昭６０−１８３９５３号公報や、特開平６−５９０００号公報等に開示されている手法を用いれば良い。これにより、Ｕ、Ｖ、Ｗの何れか一相に電流比１の電流が流れ、他の２相にそれぞれ電流比０．５の電流が流れた状態で１次抵抗Ｒ１のチューニングを行うことができるので、何れかの相に流れる電流がほぼ「０」になること状態を回避でき、一次抵抗のチューニング値のバラつきが改善される。

上記のケースでは、初期位相推定値に対してシフトする目標となる位相が０°／６０°／１２０°／１８０°／２４０°／３００°のうちに何れかに最も近い位相となるので、シフト位相幅の最大値が３０°となる。これにより、チューニング時にモータ６を極力回転させないようにして、１次抵抗Ｒ１の値が確実に高い精度で得られるようになる。

以上のように本実施形態によれば、インバータ装置１０は、モータ６の初期位相Theta＿Estを検出すると、その初期位相Theta＿Estに応じて、モータ６の位相を、インバータ回路５を構成する上下アームの一方側の１相と他方側の２相とにそれぞれ流れる電流が、何れもゼロ付近となることを回避する状態に調整してから一次抵抗をチューニングする。具体的には、初期位相Theta＿Estに応じて、上下アームの一方に流れる１相の電流量を「１」とすると、他方に流れる２相の電流量の比がそれぞれ「０．５」となる特定位相０°、６０°、１２０°、１８０°、２４０°、３００°の何れかにシフトさせる。したがって、Ｕ、Ｖ、Ｗの各相に電流が確実に流れる状態で１次抵抗Ｒ１をチューニングできるようになり、チューニング精度を向上させることができる。

（第２実施形態）
図８及び図９は第２実施形態を示すものであり、第１実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分について説明する。第２実施形態では、初期位相Theta＿Estの値に応じて位相シフトを行う条件を限定する。第１実施形態においてシフトする目標となる位相０°／６０°／１２０°／１８０°／２４０°／３００°は、１次抵抗Ｒ１をチューニングするに当たり理想的な電気角（以下、目標位相と称す）である。図６に示すように、３０°／９０°／１５０°／２１０°／２７０°／３３０°の付近では、一次抵抗Ｒ１のチューニング値が大きく低下しているが、それ以外の領域では誤差が小さい。したがって、初期位相Theta＿Estが目標位相の近傍の値であれば、位相シフトを行う必要性は低いと言える。

そこで、第２実施形態では、図８に示すように、初期位相Theta＿Estの値が、目標位相の何れかについて±αの範囲内にある場合は位相シフトを行わない。そして、何れかの相に流れる電流がゼロになる位相（以下、回避位相と称する）３０°／９０°／１５０°／２１０°／２７０°／３３０°の何れかについて±βの範囲内にある場合にだけ位相シフトを行う。ここでα、βは、
０°＜α＜３０°、０°＜β＜３０°、α＋β＝３０°
となる条件で適宜設定する。

図９に示すフローチャートは、第１実施形態のステップＳ３をステップＳ１１〜Ｓ１３に置き換えたものである。ステップＳ１１では、初期位相Theta＿Estの値がシフトさせる範囲内にあるか、つまり何れかの回避位相について±β未満の範囲内にあるか否かを判断する。そして、前記範囲内にあれば（ＹＥＳ）、位相指令Theta＿R1を、初期位相Theta＿Estに最も近い「目標位相」±αに設定する（Ｓ１２）。

一方、ステップＳ１１において、初期位相Theta＿Estの値が前記範囲内に無ければ（ＮＯ）位相シフトは行わず、位相指令Theta＿R1を初期位相Theta＿Estに設定する（Ｓ１３）。以上の処理を条件式で示すと、下記のようになる。
IF 0° ＋α＜Theta_Est≦30° Then Theta_R1＝0° ＋α
ELSE IF 30° ＜Theta_Est＜60° −α Then Theta_R1＝60° −α
ELSE IF 60° ＋α＜Theta_Est≦90° Then Theta_R1＝60° ＋α
ELSE IF 90° ＜Theta_Est＜120°−α Then Theta_R1＝120°−α
ELSE IF 120°＋α＜Theta_Est≦150° Then Theta_R1＝120°＋α
ELSE IF 150° ＜Theta_Est＜180°−α Then Theta_R1＝180°−α
ELSE IF 180°＋α＜Theta_Est≦210° Then Theta_R1＝180°＋α
ELSE IF 210° ＜Theta_Est＜240°−α Then Theta_R1＝240°−α
ELSE IF 240°＋α＜Theta_Est≦270° Then Theta_R1＝240°＋α
ELSE IF 270° ＜Theta_Est＜300°−α Then Theta_R1＝300°−α
ELSE IF 300°＋α＜Theta_Est≦330° Then Theta_R1＝300°＋α
ELSE IF 330° ＜Theta_Est＜360°−α Then Theta_R1＝360°−α
ELSE Theta_R1＝Theta_Est
例えばα＝１０°に設定すると、初期位相推定値が１４０°であれば位相指令Theta＿R1は１３０°となり、初期位相推定値が１６０°であれば位相指令Theta＿R1は１７０°となる。

以上のように第２実施形態によれば、電気角０°、６０°、１２０°、１８０°、２４０°、３００°を特定位相とすると、初期位相Theta_Estが、前記６つの特定位相の何れかを基準とする±αの範囲内であれば、モータ６の位相をシフトさせずに一次抵抗Ｒ１を同定する。また、初期位相Theta_Estが、前記６つの特定位相の何れかを基準とする±αの範囲外（６つの回避位相±βの範囲内）であれば、モータ６の位相を、前記６つの±αの範囲のうち最も近い位相にシフトさせてから一次抵抗Ｒ１をチューニングする。したがって、チューニングを実行する前にモータ６を回転させる範囲が第１実施形態よりも小さくなり、回転を抑制することができる。また、位相シフト領域内であれば位相シフトさせるが、そのシフト量は第１実施形態よりも小さくなるので、一次抵抗値Ｒ１をチューニングする前にモータを回転させる量も最低限にすることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
第２実施形態では、シフト目標とする位相を、６つの特定位相についてαを同じ値としたが、必ずしも全て同じ値にする必要はない。例えば、特定位相ごとにαの値を変えたり、複数の特定位相をまとめてグルーピングし、各グループについてαの値を変えたりしても良い。

図面中、５はインバータ回路、６は永久磁石型モータ、９はＲ１演算部、１０はインバータ装置を示す。

Claims (6)

1. インバータ回路を介して駆動される３相永久磁石型モータの一次抵抗を同定する方法において、
   前記モータの初期状態の位相（初期位相と称す）を検出すると、
   前記初期位相に応じて、前記モータの位相を、前記インバータ回路を構成する上下アームの一方側の１相と他方側の２相とにそれぞれ流れる電流が、何れもゼロ付近となることを回避する状態に調整してから、前記一次抵抗を同定することを特徴とする永久磁石型モータの一次抵抗同定方法。
2. 前記初期位相に応じて、前記上下アームの一方に流れる１相の電流量を「１」とすると、他方に流れる２相の電流量の比がそれぞれ「０．５」となる特定位相にシフトさせることを特徴とする請求項１記載の永久磁石型モータの一次抵抗同定方法。
3. 前記特定位相を、３相のうち何れか１相の位相が０°に一致する条件で、
   ０°、６０°、１２０°、１８０°、２４０°、３００°の何れかとすることを特徴とする請求項１記載の永久磁石型モータの一次抵抗同定方法。
4. 電気角０°、６０°、１２０°、１８０°、２４０°、３００°を特定位相とすると、
   前記初期位相が、前記６つの特定位相の何れかを基準として±α（α＜３０°）の範囲内であれば、前記モータの位相をシフトさせずに前記一次抵抗を同定することを特徴とする請求項１記載の永久磁石型モータの一次抵抗同定方法。
5. 前記初期位相が、前記６つの特定位相の何れかを基準とする±αの範囲外であれば、前記モータの位相を、前記６つの範囲のうち最も近い範囲内にシフトさせて、前記一次抵抗を同定することを特徴とする請求項４記載の永久磁石型モータの一次抵抗同定方法。
6. 前記インバータ回路を備え、請求項１から５の何れか一項に記載の永久磁石型モータの一次抵抗同定方法を実行することを特徴とするインバータ装置。

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