JP2018040757A - Motor speed detection method and motor speed control method - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、モータ速度検出方法及び上記モータ速度検出方法を用いたモータ速度制御方法に関する。 The present invention relates to a motor speed detection method and a motor speed control method using the motor speed detection method.
モータの回転速度を検出する方法として、位置検出センサであるホールセンサを用いて検出する方法がある。例えば、特許文献1には、三相ブラシレスモータの回転数を、3つのホールセンサを用いて検出する方法が記載されている。ブラシレスモータでは、固定子に三相の巻線が設けられ、回転子に永久磁石が設けられている。3つのホールセンサは、回転子の回転軸を中心とする円周上に電気角120度の位相差で配置されている。各ホールセンサで検出される信号変化(エッジ)の計算が、各ホールセンサから出力されるパルス状のホールセンサ信号の立ち上がりエッジ及び立ち下がりエッジの両方を用いて行われる。これにより、ホールセンサ信号の立ち上がりエッジ間による回転子1回転の周期うちの半周期の時間間隔が求められ、半周期の時間間隔に基づいてモータの回転数としての角速度が求められる。そして、3つのホールセンサから得られるモータ回転数のうちの最新の回転数に基づき、モータの制御が実施される。これにより、回転数を計算する周期が1/6周期となり、各ホールセンサの取り付け位置のばらつきに起因する回転数の計算誤差を低減している。
As a method of detecting the rotational speed of the motor, there is a method of detecting using a hall sensor which is a position detection sensor. For example,
特許文献1に記載されるモータの回転数の検出方法では、ホールセンサ信号のエッジ間の時間からモータの回転数が計算されている。モータの低速域では、エッジ間隔が長くなり、回転数の更新周期が長くなる。一方、モータの高速域では、エッジ間隔が短くなるため、検出される回転数の精度が悪化する。つまり、モータの速度域によって、回転数の検出精度にばらつきが生じる。特許文献1では、各ホールセンサからのホールセンサ信号における半周期の時間間隔でモータの回転数を計算しているため、各ホールセンサから検出される回転数の精度に、モータの速度域に応じてばらつきが生じる。
In the method for detecting the rotational speed of the motor described in
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り、速度域による検出精度のばらつきを低減するモータ速度検出方法及び上記モータ速度検出方法を用いたモータ速度制御方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and provides a motor speed detection method for reducing variations in detection accuracy depending on a speed range and a motor speed control method using the motor speed detection method. With the goal.
上記の課題を解決するために、この発明に係るモータ速度検出方法は、回転子の回転を検知するホールセンサを用いたモータのモータ速度検出方法において、所定時間の間にホールセンサが出力する信号のエッジ数に基づき、所定時間経過毎の回転子の角速度を算出するステップを含む。 In order to solve the above-described problems, a motor speed detection method according to the present invention is a motor speed detection method for a motor using a Hall sensor that detects the rotation of a rotor. And calculating the angular velocity of the rotor every predetermined time based on the number of edges.
また、この発明に係るモータ速度制御方法は、上記モータ速度検出方法により算出された回転子の第1角速度を用いてモータの速度を制御する。 In the motor speed control method according to the present invention, the motor speed is controlled using the first angular velocity of the rotor calculated by the motor speed detection method.
この発明に係るモータ速度検出方法及び上記モータ速度検出方法を用いたモータ速度制御方法によれば、モータの速度域による速度検出精度のばらつきを低減することが可能になる。 According to the motor speed detection method and the motor speed control method using the motor speed detection method according to the present invention, it is possible to reduce variations in speed detection accuracy due to the motor speed range.
以下、この発明の実施の形態に係るモータ速度検出方法及びモータ速度制御方法について添付図面に基づいて説明する。
図1は本発明を用いたモータの速度を検出しモータを制御する制御部のブロックを示し、図2はホールセンサによって出力される信号の一例を示す波形図である。図1のモータ1は、永久磁石を含む回転子1aと、三相巻線を含む固定子1bとを備える三相交流モータである。モータ1には、インバータ2を介して直流電源3が接続されている。インバータ2は、直流電源3からの直流電力を三相交流電力に変換してモータ1に供給する。
Hereinafter, a motor speed detection method and a motor speed control method according to embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows a block of a control unit that detects the speed of a motor and controls the motor using the present invention, and FIG. 2 is a waveform diagram showing an example of a signal output by a hall sensor. A
モータ1の固定子1bには、位置検出センサであるホールセンサ4が取り付けられている。ホールセンサ4は、回転する回転子1aの永久磁石の磁界変化を検知して信号として出力する。ホールセンサ4の出力信号は、図2に示すようなパルス波形であり、その周波数は回転子1aの回転速度に比例している。出力信号は、信号レベルがLレベルからHレベルに切り替わる立ち上がりエッジE1と、信号レベルがHレベルからLレベルに切り替わる立ち下がりエッジE2とを含んでいる。ホールセンサ4は、その出力信号をモータ1の制御部5に送る。
A hall sensor 4 that is a position detection sensor is attached to the
制御部5は、ホールセンサ4の出力信号に基づきインバータ2の動作を制御して、モータ1への電力供給を調節する。すなわち、制御部5は、ホールセンサ4の出力信号に基づきモータ1の回転駆動を制御する。
The control unit 5 controls the operation of the inverter 2 based on the output signal of the hall sensor 4 and adjusts the power supply to the
制御部5は、信号検出部51、タイマ52、演算部53、電流検出部54及び指令部55を有している。
The control unit 5 includes a
信号検出部51は、ホールセンサ4の出力信号を受け取り、その出力信号の立ち上がりエッジE1及び立ち下がりエッジE2を検出する。また、信号検出部51は、エッジE1,E2を検出する毎に演算部53に通知する。なお、本実施の形態では、回転子1aが1回転する間、立ち上がりエッジE1及び立ち下がりエッジE2がそれぞれ12回ずつ検出され、24回のエッジの検出が信号検出部51から演算部53に通知される。
The
タイマ52は、時間を計測する。
演算部53は、所定時間当たりに信号検出部51が検出するエッジ数をカウントし、カウントしたエッジ数に基づき、回転子1aの回転数つまり角速度を求める。後に詳しく説明するように、演算部53が求める角速度には、所定時間当たりのエッジ数から算出される第1角速度と、所定時間をより細かい周期に分割した際にそれらの周期毎に推定される第2角速度とが含まれる。
The
The
電流検出部54は、インバータ4からモータ1に供給される電流値を検出する。
指令部55は、演算部53によって求められた角速度と電流検出部54によって検出された電流値とに基づき、回転子1aの角速度を目標とする角速度とするようにインバータ4からモータ1への電力供給を調節する。
The
Based on the angular velocity obtained by
演算部53が回転子1aの角速度を求める方法を以下に説明する。
A method by which the
<第1角速度について>
タイマ52は、回転子1aの回転中、つまり固定子1bへ電力が供給されている間、経過時間を計測し、所定時間tp経過毎に、演算部53に通知する。なお、本実施の形態では、所定時間tpを0.1秒として説明する。
<About the first angular velocity>
The
演算部53は、所定時間tpの間に、信号検出部51から通知されたホールセンサ4の出力信号のエッジ数Neをカウントする。
また、演算部53は、カウントしたエッジ数Neに基づき、回転子1aの角速度ω(ω=dθ/dt、θは回転角度;ωの単位:rad/sec)を算出する(第1角速度)。回転子1aの角速度ωは、以下の式に基づき算出される。
ω=2πNe/(Ner・tp)=2πNe/(24×0.1)=5πNe/6
なお、Nerは、回転子1aが1回転する間にカウントされるエッジ数であり、本実施の形態では24である。
The
Further, the
ω = 2πNe / (Ner · tp) = 2πNe / (24 × 0.1) = 5πNe / 6
Ner is the number of edges counted during one rotation of the rotor 1a, and is 24 in the present embodiment.
上述のようにして、演算部53は、ホールセンサ4の出力信号のエッジ数に基づき、所定時間tpである0.1秒経過毎に回転子1aの角速度ωを算出する(第1角速度)。このとき、回転子1aの角速度が新たに算出される角速度に更新される周期は0.1秒であり、更新頻度は10Hzである。
As described above, the
<第2角速度について>
演算部53は、角速度の更新周期を短縮するために、0.1秒間をさらに細かい周期Tに分割し、分割した各周期経過後の角速度を推定する。本実施の形態では、演算部53は、0.1秒間を1/2000毎に分割し、0.5×10−4秒の更新周期Tの角速度を推定することとする。つまり、更新頻度を20kHzとして演算部53が角速度を推定することとする。
<About the second angular velocity>
The
演算部53は、角速度の推定に際し、以下の式1に示されるモータ1の回転運動の運動方程式を用いる。
The
式1において、Jは、モータ1の回転力であり、d2θ/dt2は、回転子1aの角加速度である。KTは、トルク定数であり、Iは、インバータ4からモータ1の固定子1bに供給される電流値である。そして、KTIは、モータ1の発生トルクを示す。Lは、モータ1のロストルクを示す。モータ1が発生したトルクが全て、回転力に変わるわけでなく、ロストルクが発生する。このため、モータ発生トルクKTIからロストルクLを減じている。ロストルクLは、回転子1aの角速度に比例し、L=M|ω|となる。なお、Mは、回転子1aのイナーシャに応じて定められる係数である。
よって、式1は、以下の式2のように変換できる。
In
Therefore,
そして、演算部53は、式2に対して、周期Tの間、すなわち0.5×10−4秒間の積分を行うことで、周期T毎に回転子1aの角速度を推定する(第2角速度)。
And the calculating
以下、角速度の推定についてより具体的に説明する。
タイマ52が0.1秒経過毎に示す時刻のうちの時刻t1を計測したとき、時刻t1−0.1から時刻t1までの間におけるホールセンサ4の出力信号のエッジ数に基づき演算部53が算出した回転子1aの角速度をω1とする。また、時刻t1でのインバータ4によるモータ1への供給電流値をI1とする。この時、演算部53は、時刻t1から0.1秒経過するまでの間における0.5×10−4秒経過毎の回転子1aの角速度を以下のように推定する。
Hereinafter, the estimation of the angular velocity will be described more specifically.
When the
まず、演算部53は、時刻t1から時刻t1+0.5×10−4まで、つまり時刻t1から時刻t1+Tまでの間について、以下の式3に示すような積分を行う。式3は、ω1及びI1が代入された式2を時刻t1から時刻t1+Tまで時間積分したものである。
First, the
式3において、左辺は、時刻t1+Tにおける角速度の推定値ωT(時刻t1+Tにおける第2角速度)である。時刻t1+Tにおける角速度の推定値ωTは、式3を変形した以下の式4によって表される。
ωT=(KTI1−M|ω1|)・T/J (式4)
In Equation 3, the left side is an estimated value of angular velocity ω T (second angular velocity at time t1 + T) at time t1 + T. Estimate omega T of the angular velocity at time t1 + T is represented by Equation 4 below obtained by modifying the Equation 3.
ω T = (K T I 1 -M | ω 1 |) · T / J (Formula 4)
また、演算部53は、時刻t1+Tにおける角速度の推定値ωTを用いて、時刻t1+Tから時刻t1+2Tまでの間について、以下の式5に示すような積分を行う。式5は、先の角速度の推定値ωT及びI1が代入された式2を時刻t1+Tから時刻t1+2Tまで時間積分したものである。
In addition, the
なお、式5では、インバータ4によるモータ1への供給電流値がI1のままとされている。これは、時刻t1+Tについて推定した角速度ωTに基づき、回転子1aが目標となる角速度となるようにモータ1への供給電流値が指令部55によって調節されるが、実際の供給電流値には時間遅れが発生するためである。この供給電流値I1は、時刻t1から0.1秒経過するまでの間、角速度の推定に使用される。
In Equation 5, the value of the current supplied to the
時刻t1+2Tにおける推定角速度ω2Tは、式5を変形した以下の式6によって表される。
ω2T=(KTI1−M|ωT|)・T/J (式6)
Estimated angular velocity ω 2T at time t1 + 2T is expressed by the following expression 6 obtained by modifying expression 5.
ω 2T = (K T I 1− M | ω T |) · T / J (Formula 6)
よって、時刻t1+nTと時刻t1+(n+1)Tとにおける推定角速度の関係は、以下の式7のようになる。式7では、ロストルクの要素M|ω|のうちの変数|ω|に、時刻t1+nTについて推定した推定角速度を適用することによって、時刻t1+(n+1)Tにおける推定角速度が求まる。
ω(n+1)T=(KTI1−M|ωnT|)・T/J (式7)
Therefore, the relationship between the estimated angular velocities at time t1 + nT and time t1 + (n + 1) T is as shown in the following
ω (n + 1) T = (K T I 1− M | ω nT |) · T / J (Expression 7)
演算部53は、式7を繰り返し用いて計算することによって、時刻t1+3T、t1+4T、t1+5T、・・・・、t1+nT、・・・・、t1+0.1における推定角速度ω3T、ω4T、ω5T、・・・・、ωnT、・・・・、ω0.1を算出する。
The
指令部55は、ホールセンサ4の出力信号のエッジ数に基づき演算部53が算出した回転子1aの角速度ω1と、演算部53が推定した角速度ωT、ω2T、ω3T、・・・・、ωnT、・・・・とに基づき、回転子1aの角速度が目標角速度となるように、インバータ4によるモータ1への供給電流値を調節する。指令部55は、上記の各時刻に対して推定した推定角速度を速度フィーバックとして使用して、回転子1aの角速度を制御する。
The
指令部55は、角速度ω1、ωT、ω2T、ω3T、・・・・、ωnTを個々に使用してもよいが、所定数の角速度の平均値を使用してもよい。所定数の角速度を使用する場合、所定数の角速度が得られるまでは個々の角速度が使用され、所定数の角速度が得られた後に所定数の角速度の平均値が使用され得る。平均値の算出に使用される所定数の角速度は、最も新しく求められた角速度から求められた順に選定され得る。例えば、最も新しく求められた角速度をωmnとし、ωmnから1つ及び2つ前に求められた角速度をωmn−1及びωmn−2とし、平均値の算出に使用される角速度の数を3とした場合、ωmn、ωmn−1及びωmn−2の3つの角速度が使用される。すなわち、平均値の算出に使用される角速度が時間の経過とともに順次更新され得る。
The
このようなモータ速度検出方法及びモータ速度制御方法では、回転子1aの角速度が、所定時間の間にホールセンサ4の出力信号のエッジ数に基づき算出されている。このため、回転子1aが低速域で回転されていようと高速域で回転されていようと、ホールセンサ4の検出結果を用いた角速度の更新周期が一様であり、それにより、検出される角速度の精度も一様になる。すなわち、速度域による検出精度のばらつきを低減できる。 In such a motor speed detection method and motor speed control method, the angular speed of the rotor 1a is calculated based on the number of edges of the output signal of the Hall sensor 4 during a predetermined time. Therefore, regardless of whether the rotor 1a is rotated in the low speed range or the high speed range, the angular velocity update period using the detection result of the Hall sensor 4 is uniform, and thereby the detected angular velocity The accuracy of becomes uniform. That is, variation in detection accuracy due to the speed range can be reduced.
また、検出された角速度に基づき、所定時間をさらに細かい時間周期に分割し、所定時間内における時間周期毎に角速度が推定されるため、角速度の更新周期が短縮される。これにより、短周期で更新される角速度に基づいて、回転子1aの回転が制御されるため、回転子1aの回転制御の速度応答性が向上する。 Further, since the predetermined time is divided into finer time periods based on the detected angular velocities and the angular velocities are estimated for each time period within the predetermined time, the angular velocity update period is shortened. Thereby, since rotation of the rotor 1a is controlled based on the angular velocity updated in a short cycle, the speed responsiveness of the rotation control of the rotor 1a is improved.
さらに、モータの発生トルクがモータへの供給電流に比例するものとして算出され、モータにおけるロストルクが回転子の角速度に比例するものとして算出されるので、より精度良く角速度を推定することができる。 Further, since the torque generated by the motor is calculated as being proportional to the current supplied to the motor, and the loss torque in the motor is calculated as being proportional to the angular velocity of the rotor, the angular velocity can be estimated with higher accuracy.
さらにまた、回転子の角速度を推定するステップにおいて、モータの発生トルクと記モータにおけるロストルクとを要素として含むモータの回転運動の運動方程式を時間周期毎に積分するので、より精度良く角速度を推定することができる。 Furthermore, in the step of estimating the angular velocity of the rotor, the equation of rotation of the motor including the generated torque of the motor and the loss torque of the motor as elements is integrated every time period, so that the angular velocity can be estimated more accurately. be able to.
なお、実施の形態では、時刻t1から時刻t1+0.1までの間の角速度の推定の際、モータ1への供給電流値をI1のまま一定としていたが、推定角速度で回転子1aが回転する際の供給電流値を推定し、推定した電流値を式7に使用するようにしてもよい。
Incidentally, in the embodiment, when the angular velocity of the estimation during the period from time t1 to time t1 + 0.1, although the value of the current supplied to the
また、実施の形態では、回転子1aの角速度をパラメータとして使用していたが、回転子1aの回転数をパラメータとして使用してもよい。 In the embodiment, the angular velocity of the rotor 1a is used as a parameter. However, the rotational speed of the rotor 1a may be used as a parameter.
1 モータ、1a 回転子、4 ホールセンサ、5 制御部。 1 Motor, 1a Rotor, 4 Hall sensor, 5 Control unit.
Claims (6)
所定時間の間に前記ホールセンサが出力する信号のエッジ数に基づき、前記所定時間経過毎の前記回転子の角速度を算出するステップ
を含むことを特徴とするモータ速度検出方法。 In the motor speed detection method of the motor using the Hall sensor that detects the rotation of the rotor,
A method for detecting a motor speed, comprising: calculating an angular speed of the rotor at every elapse of the predetermined time based on the number of edges of a signal output by the Hall sensor during a predetermined time.
を含み、
前記回転子の角速度を推定するステップでは、
推定すべき前記回転子の角速度と、前記モータの発生トルクと、推定すべき前記回転子の角速度に対応する前記時間周期の直前での前記回転子の角速度に基づいた前記モータにおけるロストルクとの関係に基づき、前記回転子の角速度が推定される
ことを特徴とする請求項1記載のモータ速度検出方法。 Dividing the predetermined time into finer time periods, and estimating an angular velocity of the rotor for each time period elapsed within the predetermined time,
In the step of estimating the angular velocity of the rotor,
The relationship between the angular velocity of the rotor to be estimated, the torque generated by the motor, and the loss torque in the motor based on the angular velocity of the rotor immediately before the time period corresponding to the angular velocity of the rotor to be estimated The motor speed detection method according to claim 1, wherein an angular speed of the rotor is estimated based on
前記モータにおけるロストルクは、前記回転子の角速度に比例するものとして算出される請求項2に記載のモータ速度検出方法。 The generated torque of the motor is calculated as being proportional to the current supplied to the motor,
The motor speed detection method according to claim 2, wherein the loss torque in the motor is calculated as being proportional to the angular speed of the rotor.
ことを特徴とするモータ速度制御方法。 The motor speed control method characterized by controlling the speed of the motor using the first angular velocity of the rotor calculated by the motor speed detection method according to claim 1.
ことを特徴とする請求項5記載のモータ速度制御方法。 The motor speed control method according to claim 5, further comprising controlling the speed of the motor by further using the second angular speed of the rotor estimated by the motor speed detection method according to claim 2.
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Cited By (1)
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CN111537759A (en) * | 2020-04-16 | 2020-08-14 | 北京航空航天大学 | Rotating body angular speed non-contact measurement and control system |
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2016
- 2016-09-09 JP JP2016176511A patent/JP2018040757A/en active Pending
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