JP2017046406A - Rotation position detection device and rotation position detection method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、永久磁石モータの回転位置を検出する装置及び方法に関する。 Embodiments described herein relate generally to an apparatus and a method for detecting a rotational position of a permanent magnet motor.
従来、永久磁石同期モータの回転位置を推定する方法の1つとして、特許文献1では、電圧印加中の電流微分値を用いることで、安価な構成で正弦波状の電流を通電可能な回転位置検出方式が提案されている。この方式は、モータの相電圧方程式に基づいてゼロ電圧ベクトル発生時の電流変化量を求め、その電流変化量に含まれているモータの回転位置情報を利用するものである。
Conventionally, as one method for estimating the rotational position of a permanent magnet synchronous motor,
しかしながら、特許文献1のような方法では、モータを高速で回転させる等して変調率が上昇すると、図8に示すように、図7に示す場合と比較して電流変化量を検出するゼロ電圧ベクトルの出力期間が短くなるため、位置推定精度が低下するという問題がある。
そこで、変調率が高い制御状態においても位置推定精度を維持できる回転位置検出装置及び回転位置検出方法を提供する。
However, in the method as disclosed in
Therefore, a rotational position detection device and a rotational position detection method that can maintain position estimation accuracy even in a control state with a high modulation rate are provided.
実施形態の回転位置検出装置は、3相の永久磁石モータを駆動するインバータ回路と、このインバータ回路より出力される各相電流を検出する電流検出部と、前記相電流の変化量を検出する電流変化量検出部と、前記インバータ回路を構成する3相アームのうち、任意の2相の下側アームがオンしている期間及び3相の下側アームがオンしている期間に検出される前記2相の電流変化量と、3相の下側アームがオンしている期間に検出される、前記2相を除く1相の電流変化量とから回転位置の情報が含まれている演算結果を求め、前記演算結果より前記永久磁石モータの回転位置を検出する回転位置検出部とを備える。 The rotational position detection device according to the embodiment includes an inverter circuit that drives a three-phase permanent magnet motor, a current detection unit that detects each phase current output from the inverter circuit, and a current that detects a change amount of the phase current. Of the three-phase arms constituting the change amount detecting unit and the inverter circuit, the two-phase lower arm is detected during the period when the two-phase lower arm is on and the three-phase lower arm is detected during the period. A calculation result including rotational position information from a two-phase current change amount and a one-phase current change amount excluding the two phases, which is detected while the lower arm of the three phases is on. And a rotational position detector that detects the rotational position of the permanent magnet motor from the calculation result.
以下、一実施形態について図1から図6を参照して説明する。図1は、モータ制御装置の構成を示す機能ブロック図である。直流電源1は、回転子に永久磁石を備える永久磁石同期モータ(以下、単にモータと称す)2を駆動する電力源である。直流電源1は、交流電源を直流に変換したものでも良い。インバータ回路3は、6個のスイッチング素子,例えばNチャネルMOSFET4U+,4Y+,4W+,4U−,4Y−,4W−を3相ブリッジ接続して構成されており、後述するPWM生成部5で生成される3相分6つのスイッチング信号に基づいて、モータ2を駆動する電圧を生成する。
Hereinafter, an embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 6. FIG. 1 is a functional block diagram showing the configuration of the motor control device. The
電圧検出部6は、直流電源1の電圧VDCを検出する。電流検出部7は、一般にシャント抵抗やホールCTなどを用いた電流センサ及び信号処理回路で構成され、モータ2に流れる電流Iu,Iv,Iwを検出する。図1ではインバータ回路3の各相下側に3つ(7U,7V,7W)配置した場合を例示しており、別の形態として,各相の上側に配置される場合、インバータ回路3の各相出力線に配置される場合がある。
The
電流変化量検出部8は、後述する検出タイミング信号生成部9からの信号t1,t2,t3に基づき3相電流値を検出し、それぞれの変化量dIu,dIv,dIwを算出する。検出タイミングは、3回の検出で2回の間の変化量を求めるため、変化量は3相につき2種類ずつ,合計で6つの信号となる。
The current change
尚、図1において、電流変化量検出部8より出力される電流微分値をdIa,dIb,dIcとしているが、これは後述するように、インバータ回路3のスイッチングパターンにおける空間ベクトルのエリアに応じて、使用する電圧ベクトルが異なるため、表記を簡略化したものである。すなわち、a,b,cは、u,v,wの何れかに対応する。また、(bc0)の表記は、b,c相の何れか一方の下側スイッチがオン「1」になり、他方及びa相の下側スイッチがオフ「0」になることを示しており、「bc0」の並びは「1,0」の配列を固定したものではない(後述する(1)〜(3)式参照)。
In FIG. 1, the current differential values output from the current change
誘起電圧演算部10(回転位置検出部)は、検出した3相の電流変化量dIu,dIv,dIwから3相の誘起電圧差分推定値Euvw,Evwu,Ewuvを演算する。回転位置演算部11(回転位置検出部)は、上記推定値Euvw,Evwu,Ewuvからモータ2の回転位置検出値θcを算出する。3相電圧指令値生成部12は、指令値である電圧振幅指令値Vampと電圧位相指令値φvとから、3相の電圧指令値Vu,Vv,Vwを生成する。
The induced voltage calculation unit 10 (rotational position detection unit) calculates three-phase induced voltage difference estimated values Euvw, Evwu, and Ewuv from the detected three-phase current change amounts dIu, dIv, and dIw. The rotational position calculator 11 (rotational position detector) calculates the rotational position detected value θc of the
デューティ生成部13は、3相電圧指令値Vu,Vv,Vwを直流電圧VDCで除することで各相の変調指令Du,Dv,Dwを演算する。PWM生成部5は、3相変調指令Du,Dv,Dwと三角波状のキャリアとを比較して各相のPWM信号パルスを生成する。1相当たりのパルスにはデッドタイムが付加され、それぞれ3相上下のNチャネルMOSFET44に出力するスイッチング信号U+,U−,V+,V−,W+,W−を生成する。
The
以上の構成において、モータ2,インバータ回路3及びPWM生成部5を除いたものが、回転位置検出装置14を構成している。そして、回転位置検出装置14にPWM生成部5を加えたものが、モータ制御装置15を構成している。
In the above configuration, the
次に、本実施形態における回転位置検出方法の概要を、図2から図5を参照して説明する。インバータ回路3が発生する電圧は、図2に示すように空間ベクトルで表すと、6つの実電圧ベクトルと2つのゼロ電圧ベクトルとに区分される。ここで電圧ベクトルV1(100)とは、U相の上側スイッチ(FET4U+)がオン、V相及びW相の下側スイッチ(FET4Y−,4W−)がオンという状態で発生する電圧を示す。また図3は、各電圧ベクトルを出力した際のモータ2の各相電圧値を示している。
Next, an outline of the rotational position detection method in the present embodiment will be described with reference to FIGS. When the voltage generated by the
例えば図4に示すように、U相の上側スイッチのみがオンしている電圧ベクトルV1(100)と、ゼロ電圧ベクトルV0(000)とが出力されている期間に、図中に示すタイミングt1〜t3で検出した3相電流の差分値は次式で表される。
dIw(100)-(000):電圧ベクトルV1及びV0印加時の時刻t1−t3間のW相電流変化量[A]
dIu(100):電圧ベクトルV0印加時の時刻t1−t2間のU相電流変化量[A]
Ev,Ew,Eu:v,w,u相の誘起電圧[V]
θ:モータ回転位置[rad]
L:モータ相インダクタンス[H]
ω:モータ角速度[rad/s]
φf:電機子鎖交磁束[Wb]
ここで、(1)式の右辺第1項及び第2項が、回転位置θに対して変化する信号となっている。このように、発生する電圧ベクトルV1(100),V0(000)に応じて誘起電圧差分推定値Evwuを演算することで、モータ2の回転位置に基づく信号を得ることができる。これを利用して回転位置検出を行う。
For example, as shown in FIG. 4, the timings t <b> 1 to t <b> 1 shown in the figure are output during a period in which the voltage vector V <b> 1 (100) in which only the U-phase upper switch is on and the zero voltage vector V <b> 0 (000) are output. The difference value of the three-phase current detected at t3 is expressed by the following equation.
dIw (100)-(000): W phase current change amount [A] between time t1 and time t3 when voltage vectors V1 and V0 are applied
dIu (100): U-phase current change amount [A] between time t1 and time t2 when voltage vector V0 is applied
Ev, Ew, Eu: v, w, u phase induced voltage [V]
θ: Motor rotation position [rad]
L: Motor phase inductance [H]
ω: Motor angular velocity [rad / s]
φf: Armature flux linkage [Wb]
Here, the first term and the second term on the right side of the equation (1) are signals that change with respect to the rotational position θ. Thus, the signal based on the rotational position of the
そして、図2に示すように、空間ベクトルの6つの領域をセクタ1〜6とすると、セクタ2及び3については(2)式により誘起電圧差分推定値Ewuvを演算する。
dIu(010)-(000):電圧ベクトルV3及びV0印加時の時刻t1−t3間のU相
dIv(000):電圧ベクトルV0印加時の時刻t1−t2間のV相電流変化量[A]
電流変化量[A]
セクタ4及び5については(3)式により誘起電圧差分推定値Euvwを演算する。
dIv(001)-(000):電圧ベクトルV5及びV0印加時の時刻t1−t3間のV相
dIw(000):電圧ベクトルV0印加時の時刻t1−t2間のW相電流変化量[A]
電流変化量[A]
As shown in FIG. 2, assuming that the six areas of the space vector are
dIu (010)-(000): U phase between time t1 and t3 when voltage vector V3 and V0 are applied dIv (000): V phase current change amount between time t1 and t2 when voltage vector V0 is applied [A]
Current change [A]
For
dIv (001)-(000): V phase between time t1 and t3 when voltage vectors V5 and V0 are applied dIw (000): W phase current change amount between time t1 and t2 when voltage vector V0 is applied [A]
Current change [A]
図5は、各相の誘起電圧に応じて変化する誘起電圧差分推定値Evwu,Ewuv,Evwuを示している。それぞれ細い線で表示しているのは、電気角1周期に亘る全ての波形であり、太い線で表示している部分は、実際に電圧セクタ1〜6に応じて(1)〜(3)式により検出する波形の区間を示している。セクタ毎に太線部分の推定値Evwu,Ewuv,Evwuを用い、それぞれのゼロクロス点を検出することで回転位置を求めることができる。つまり、誘起電圧差分推定値Evwu,Ewuv,Evwuは「回転位置の情報が含まれている演算結果」に相当する。
FIG. 5 shows induced voltage difference estimated values Evwu, Ewuv, and Evwu that change according to the induced voltage of each phase. The thin lines indicate all the waveforms over one period of electrical angle, and the portions indicated by the thick lines are actually (1) to (3) according to the
ここで、本実施形態における各部の動作について再度説明する。電流変化量検出部8は、電流検出部7で検出した電流から、所定のタイミングで各相の電流変化量を検出する。電流変化量を検出するタイミングt1〜t3は、(1)〜(3)式及び図4に示したように、ゼロ電圧ベクトルと各実電圧ベクトルが発生している期間である。したがって、検出タイミング信号生成部9からの検出タイミング信号t1〜t3は、各相のデューティDu,Dv,Dwがデューティ生成部13で決定された後、電流変化量検出部8に出力される。誘起電圧演算部10は、(1)〜(3)式より誘起電圧に比例する数値を演算する。
Here, the operation of each unit in this embodiment will be described again. The current change
図6に、回転位置演算部11の構成の一例を示す。コンパレータ21u,21v,21wは、演算された誘起電圧差分推定値Evwu,Ewuv,Evwuと閾値とを比較し、パルス状の信号を生成する。各誘起電圧差分推定値に応じて得られたパルス信号は、図5に示すように、電圧ベクトルに応じてどの相の誘起電圧を用いるかで変化する回転位置が異なる。このため、θc’演算部22は、各相のデューティDu,Dv,Dwを用いて、適宜用いるパルスを切り替える。
FIG. 6 shows an example of the configuration of the rotational
次に、得られた信号θc’を速度演算部23及び回転位置補正部24に入力する。速度演算部23は、信号θc’が変化するタイミングで、その変化量からモータ速度検出値θcを(4)式にて演算する。さらに、回転位置補正部24は、モータ速度検出値ωcと信号θc’を用いて、信号θc’が変化してから次に変化するまでの間の変化量を(5)式にて補正する。信号θc’z−1は、信号θc’が変化した際の前回値であり、tは信号θc’が変化してからの経過時間であり、信号θc’が変化するとゼロにクリアされる。これらの処理により、モータの回転位置θに対応する位置検出値θcが得られる。
図1に示す3相電圧指令値生成部12は、得られた回転位置θcに基づき、3相の電圧指令値を例えば(6)式のように演算する。電圧振幅指令値Vampは印加する電圧の大きさであり、φvは、誘起電圧位相に対する各相電圧の位相差である。
生成された3相の電圧指令値Vu,Vv,Vwは、(7)式に示すようにデューティ生成部13において直流電源電圧VDCで除されて正規化され、変調指令(デューティ)Du,Dv,Dwとなる。さらに、これらのディーティDu,Dv,Dwは三角波キャリアと比較されて各相PWM信号へと変換され、インバータ回路3の各FET4に入力され、モータ2を駆動する電圧を発生させる。
以上のように本実施形態によれば、電流検出部7によって、インバータ回路3より出力される各相電流を検出すると、電流変化量検出部8が各相電流の変化量を検出する。誘起電圧演算部10は、インバータ回路3を構成する3相アームのうち、任意の2相の下側アームがオンしている期間及び3相の下側アームがオンしている期間に検出される前記2相の電流変化量と、3相の下側アームがオンしている期間に検出される前記2相を除く1相の電流変化量とから、(1)〜(3)式により回転位置の情報が含まれている演算結果,誘起電圧差分推定値Evwu,Ewuv,Evwuを求める。回転位置演算部11は、前記演算結果より前記永久磁石モータの回転位置θcを検出する。
As described above, according to the present embodiment, when the current detection unit 7 detects each phase current output from the
これにより、モータ制御装置15を安価な演算器で構成してモータ2に正弦波状の電流を通電することができる。また、磁気的突極性が無いモータにも適用可能であり、高い変調率においてもモータが駆動可能になる。更に、電流変化量を検出する期間が長くとれるので、ノイズ耐性も向上する。
また、電流検出部7u,7v,7wを、インバータ回路3を構成する3相の下側アームと負側電源線との間にそれぞれ配置したので、下側のFET4U−,4V−,4W−がオンした期間に各相電流を検出できる。
As a result, the
Further, since the
(その他の実施形態)
電流検出部7を2相の下側アームと負側電源線との間に配置して、残り1相の電流は演算で求めても良い。
電流検出部はシャント抵抗でなくCT(Current Trans)でも良い。
スイッチング素子はMOSFET以外にIGBTやパワートランジスタさらにはSiC,GaN等のワイドギャップ半導体等を使用しても良い。
(Other embodiments)
The current detector 7 may be disposed between the two-phase lower arm and the negative power supply line, and the remaining one-phase current may be obtained by calculation.
The current detection unit may be a CT (Current Trans) instead of a shunt resistor.
As the switching element, an IGBT, a power transistor, or a wide gap semiconductor such as SiC or GaN may be used in addition to the MOSFET.
回転位置演算部11は、閾値との比較によるパルスを用いたが、直接演算によって回転位置を求めても良い。
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。これらの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。
Although the rotation
Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments have been presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
図面中、2は永久磁石同期モータ、3はインバータ回路、7U,7V,7Wは抵抗素子(電流検出部)、8は電流変化量検出部、10は誘起電圧演算部(回転位置検出部)、11は回転位置演算部(回転位置検出部)、14は回転位置検出装置、15はモータ制御装置を示す。
In the drawings, 2 is a permanent magnet synchronous motor, 3 is an inverter circuit, 7U, 7V, and 7W are resistance elements (current detection units), 8 is a current change amount detection unit, 10 is an induced voltage calculation unit (rotation position detection unit),
Claims (3)
このインバータ回路より出力される各相電流を検出する電流検出部と、
前記相電流の変化量を検出する電流変化量検出部と、
前記インバータ回路を構成する3相アームのうち、
任意の2相の下側アームがオンしている期間及び3相の下側アームがオンしている期間に検出される前記2相の電流変化量と、
3相の下側アームがオンしている期間に検出される、前記2相を除く1相の電流変化量とから回転位置の情報が含まれている演算結果を求め、前記演算結果より前記永久磁石モータの回転位置を検出する回転位置検出部とを備える回転位置検出装置。 An inverter circuit for driving a three-phase permanent magnet motor;
A current detector for detecting each phase current output from the inverter circuit;
A current change amount detection unit for detecting a change amount of the phase current;
Of the three-phase arms constituting the inverter circuit,
A current change amount of the two phases detected during a period in which the lower arm of any two phase is on and a period in which the lower arm of the three phase is on;
A calculation result including rotational position information is obtained from a current change amount of one phase excluding the two phases detected during a period when the lower arm of the three phases is on, and the permanent result is obtained from the calculation result. A rotational position detection apparatus comprising: a rotational position detection unit that detects a rotational position of a magnet motor.
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