JP2019022353A - オフセット推定器、および、インバータ制御装置、および、オフセット推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】オフセット推定器において、トルク特性やパラメータ等の事前知識を必要とせず、電流を制御するだけで位置検出センサのオフセットを推定する。
【解決手段】オフセット推定値θｏｆｓの候補となる前記ＰＭモータ１２の回転角θ_k＝２πｋ／ｎ（ｋ＝１，…，ｎ）毎に、モータトルクＴｅとトルク推定値との残差の二乗和ｒ_sq,kを演算する。残差の二乗和ｒ_sq,kが最小となる回転角を位置検出センサ１５のオフセット推定値θｏｆｓとして推定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＰＭモータの位置検出センサにおけるオフセット推定値を電流とトルクの関係から推定する技術に関する。

インバータによってＰＭモータを精度よく運転するためには、ＰＭモータの位置検出センサにおける検出位相（回転角）のオフセット誤差を補正する必要がある。

ＰＭモータの位置検出センサにおける検出位相（回転角）のオフセット誤差を推定する方法には、電流と電圧の関係から推定する方法、インバータへの入力電力とモータの機械的出力の関係から推定する方法、電流とトルクの関係から推定する方法などがある。

電流とトルクの関係から推定する方法はトルクを計測する手段が必要になるが、モータを一定回転数で駆動する必要が無いため、モータが駆動対象となる機器に取り付けられた状態であっても推定可能であるという利点がある。電流とトルクの関係から位置検出センサのオフセットを補正する先行技術として特許文献１，２が開示されている。

特開２００７−３１８８９４号公報 特開２０１４−１７６１４３号公報 特開２００９−２１３２１２号公報

特許文献１は、トルク＝０となるようにモータ電流を制御したときに、位置検出センサのオフセットによって発生してしまうトルクを検出し、トルクと電流の関係から位相検出センサのオフセットを逆算する方法である。

特許文献１の段落［００２２］に「測定した回転角速度ωｒｅと、予めモータコントローラに記憶されているイナーシャＪおよび負荷トルクＴＬを用いて、（１）式および（２）式によりモータトルクＴ＝０となるｄｑ軸実電流位相差βを逆算する」と記載されている。位相差βが位相検出センサのオフセットに相当する。特許文献１の（２）式にはψａ、Ｌｄ、Ｌｑといったモータパラメータが含まれており、位相検出センサのオフセットを逆算するためには事前にモータパラメータを得る必要がある。

特許文献２は、モータのトルク特性に従って目標トルクを出力するようモータを駆動したときに、位置センサに誤差があると目標トルクよりも実トルクが小さくなることを利用して位置センサのオフセットを推定する手法である。

特許文献２の段落［００３０］，［００３１］に記載されているように、位相オフセット計測対象のモータの電流を大きさは一定のまま位相だけ変化させ、モータに対向したトルク計測用モータの電流が最大となる位相、すなわちある大きさの電流でトルクが最大となる位相を探索する。

したがって、この手法で位相オフセットを知るには磁極方向と最大トルク／電流となる位相の関係を知る必要がある。非突極性のＳＰＭＳＭであれば最大トルク／電流となる位相は常に磁極方向と直交する位相なので既知である。

しかし、突極性のＩＰＭＳＭの場合、最大トルク／電流となる位相はトルクに応じて変化し、あるトルクにおいて最大トルク／電流となる位相を算出するためにはモータパラメータψａ、Ｌｄ、Ｌｑが必要である。従って、特許文献２においてもモータパラメータを予め得る必要がある。

以上示したようなことから、オフセット推定器において、トルク特性やパラメータ等の事前知識を必要とせず、電流を制御するだけで位置検出センサのオフセットを推定することが課題となる。

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、モータの位置検出センサのオフセットを推定するオフセット推定器であって、オフセット推定値の候補となる前記モータの回転角毎に、モータトルクとトルク推定値との残差の二乗和を演算し、前記残差の二乗和が最小となる回転角を前記位置検出センサのオフセット推定値として推定することを特徴とする。

また、その一態様として、前記モータトルクは、前記モータの軸トルクに機械損を加算した値であることを特徴とする。

また、その一態様として、（９）式のようにｎ個ある回転角毎に、（４）式〜（６）式を用いて最小二乗法により係数ｐを求め、（７）式，（８）式でモータトルクとトルク推定値との前記残差の二乗和を算出し、ｎ個求めた前記残差の二乗和の中から、前記残差の二乗和が最小となる前記回転角を求め、その時の前記回転角を前記位置検出センサのオフセット推定値とすることを特徴とする。

また、その一態様として、前記残差の二乗和が最小となるときの係数ｐに基づいて、前記モータのトルク−電流特性を推定することを特徴とする。

本発明によれば、オフセット推定器において、トルク特性やパラメータ等の事前知識を必要とせず、電流を制御するだけで位置検出センサのオフセットを推定することが可能となる。

実施形態におけるモータ制御装置を示す構成図。 実施形態におけるオフセット推定器を示すブロック図。 従来の同期電動機の可変速駆動装置の一例を示すブロック図。

以下、本願発明におけるオフセット推定器の実施形態を図１〜図３に基づいて詳述する。

［実施形態］
図１に位置検出センサのオフセット推定器を有するモータ駆動装置の構成を示す。

図１に示すように、インバータ１１によりＰＭモータ１２の電流（インバータ１１の出力電流）を制御し、ＰＭモータ１２により負荷機器１３を駆動する。電流センサ１４により、三相電流ｉａ，ｉｂ，ｉｃを検出し、インバータ１１，オフセット推定器１７に出力する。位置検出センサ１５により、ＰＭモータ１２の回転角θを検出し、インバータ１１，オフセット推定器１７に出力する。トルクセンサ１６により、ＰＭモータ１２の軸トルクＴを計測し、オフセット推定器１７に出力する。位置検出センサ１５で計測された回転角θはオフセットを含んでおり、オフセット推定器１７によって推定される。

図２は、オフセット推定器１７の構成を示すブロック図である。図２に示すように、オフセット推定器１７では、まず、データの変換を行う。座標変換部２１は、三相電流ｉａ，ｉｂ，ｉｃを回転角θに基づいて、同期座標の表現のｄ軸，ｑ軸電流ｉｄ，ｉｑに変換する。三相電流ｉａ，ｉｂ，ｉｃからｄ軸，ｑ軸電流ｉｄ，ｉｑへの座標変換は、以下の（１）式によって行う。

計測された軸トルクＴは、モータトルクＴｅから機械損分のトルクが減算された値となる。そこで、速度検出部２２で、回転角θを時間微分することにより速度ωを計算する。機械損計算部２３は、速度ωから機械損Ｔｌｏｓｓを計算する。速度ωと機械損Ｔｌｏｓｓの関係は予め求めておく必要がある。加算器２４において、軸トルクＴと機械損Ｔｌｏｓｓを加算してモータトルクＴｅを算出する。

ｄ軸，ｑ軸電流ｉｄ、ｉｑ、モータトルクＴｅのデータは、データ記録器２５に蓄えられる。このデータ記録器２５におけるデータ蓄積は、事前試験によって行う。事前試験では、図１においてオフセット推定器１７がオフセット推定値θｏｆｓを出力しない状態でインバータを運転させる。

次に、オフセット推定演算部２６は、データ記録器２５に蓄えられたｉｄｄａｔａ，ｉｑｄａｔａ，Ｔｅｄａｔａから以下の方法でオフセット推定値θｏｆｓの推定を行う。まず、ＰＭモータ１２のモータトルクＴｅとｄ軸電流ｉｄとｑ軸電流ｉｑの関係は以下の（２）式で与えられることが知られている。

ここで、ＰＯＬＥは極数、λ_mは磁石磁束、Ｌｄ，Ｌｑはｄ軸、ｑ軸のインダクタンスである。（２）式をｄ軸電流ｉｄ，ｑ軸電流ｉｑの多項式と見なし、以下の（３）式で表す。

データ記録器２５にＮ個のデータセット［ｉｄｄａｔａ，ｉｑｄａｔａ，Ｔｅｄａｔａ］、ｉｄｄａｔａ＝［ｉｄｄａｔａ１，…，ｉｄｄａｔａＮ］^T、ｉｑｄａｔａ＝［ｉｑｄａｔａ１，…，ｉｑｄａｔａＮ］^T、Ｔｅｄａｔａ＝［Ｔｅｄａｔａ１，…，ＴｅｄａｔａＮ］^Tが蓄えられているとする。

次に、本実施形態では、最小二乗法で（３）式を、蓄えられたデータ［ｉｄｄａｔａ，ｉｑｄａｔａ，Ｔｅｄａｔａ］にフィットさせ、係数ｐ＝［ｐ１，ｐ２］^Tを推定する。その方法を以下に説明する。

Ｎ×２の行列Ｘを以下の（４）式で定義する。

（３）式より、Ｎ個のデータセットの電流とトルクの関係は以下の（５）式で表される。

従って、ｐの最小二乗推定は以下の（６）式で得られる。

このとき、モータトルクＴｅ（＝Ｔ＋Ｔｌｏｓｓ）とトルク推定値Ｘｐとの残差ｒ_err＝［ｒ_err,1，…，ｒ_err,N］^Tは以下の（７）式で与えられる。

Ｎ個のデータセットの残差の二乗和ｒ_sqは以下の（８）式で計算される。

次に、（９）式に示す０ｒａｄから２πｒａｄの角度をｎ分割したものをオフセットの候補θ₁，…，θ_nとする。

ただしｎは、２以上の自然とする。

蓄えられている電流データを以下の（１０）式でθｋ回転させる。

θｋ回転させた電流データで同様に（４）〜（６）式を用いて、最小二乗法で係数ｐ_err,kを求め、さらに（７）式，（８）式を用いて、残差の二乗和ｒ_sq,kを計算する。この計算を、ｎ個あるオフセットの候補ごとに行う。

次に、ｎ個求めた残差の二乗和ｒ_sq,1，…，ｒ_sq,nの中より、残差の二乗和ｒ_sq,kが最小となるｋを求め、その時の角度２πｋ／ｎを位置検出センサ１５のオフセット推定値θｏｆｓとする。また、対象となるＰＭモータ１２のトルク−電流特性は残差の二乗和が最小となるときの係数ｐにより（３）式で与えられる。

位置検出センサ１５のオフセットをθｅｒｒとする。このとき、実際のｄ軸，ｑ軸電流ｉｄ，ｉｑと計測したｄ軸，ｑ軸電流ｉｄｍ，ｉｑｍの関係は以下の（１１）式になる。

θｅｒｒ≒０であるため、（１１）式では近似式を用いている。これを（３）式に代入すると、以下の（１２）式となる。

電流とトルクの関係は、回転角θに誤差が無い場合は（３）式、誤差がある場合は（１２）式で与えられる。したがって、（３）式を、蓄えられたデータにフィットさせたときは、回転角θに誤差が無い場合（θｅｒｒ＝０の場合）にモータトルクＴｅとトルク推定値との残差が最小となる。

以上の理由から、オフセットの候補となるＰＭモータ１２の回転角θｋ＝２πｋ／ｎをｋ＝１，…，ｎでスイープさせて残差の二乗和を比較し、残差の二乗和が最小となるオフセットの候補となる回転角θ_kを、位置検出センサのオフセット推定値θｏｆｓとすることができる。

図１のオフセット推定器１７は、上記の動作によってオフセット推定値θｏｆｓを演算し、インバータ１１へ入力する。

インバータ１１は、その運転時において、補正後の回転角θ’（＝θ−θｏｆｓ）と三相電流ｉａ、ｉｂ、ｉｃの検出値に基づいた電流制御を行ってＰＷＭ電圧を生成しＰＭモータ１２に印加することで、ＰＭモータ１２を運転する。この電流制御とＰＭモータ１２の運転では、従来技術（例として、特許文献３に記載されている方法）を用いればよい。

図３は、特許文献３における同期電動機の可変駆動装置の構成図である。図３のエンコーダ位置検出器３０の出力θが、本実施形態では補正されることになる。

また、本実施形態では、一度、オフセット推定値θｏｆｓを演算し、その値をインバータ１１に記憶させれば、その後のインバータ１１の運転時には、オフセット推定値θｏｆｓを演算するためにオフセット推定器１７を動作させなくともよい。

特許文献１，２では、オフセットの推定を行うためにモータのトルク特性やモータパラメータを得る必要があった。それに対し、本実施形態では、オフセット推定用データ取得時は回転に同期した電流を流し、その時の電流とトルクを検出するだけでよい。したがって、モータのトルク特性やモータパラメータが得られていない場合でも、オフセットの推定が可能となる。

また、本実施形態では、オフセット推定と同時にＰＭモータ１２のトルク−電流特性が得られる。この特性を用いることでトルク制御を行うことが可能になる。

以上示したように、本実施形態によれば、オフセットの推定と回転角の補正によって、より高精度なＰＭモータの運転を行うことができる。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

１１…インバータ
１２…ＰＭモータ
１３…負荷機器
１４…電流センサ
１５…位置検出センサ
１６…トルクセンサ
１７…オフセット推定器
２１…座標変換部
２２…速度検出部
２３…機械損計算部
２４…減算器
２５…データ記録器
２６…オフセット推定演算部

Claims (6)

1. モータの位置検出センサのオフセットを推定するオフセット推定器であって、
   オフセット推定値の候補となる前記モータの回転角毎に、モータトルクとトルク推定値との残差の二乗和を演算し、前記残差の二乗和が最小となる回転角を前記位置検出センサのオフセット推定値として推定することを特徴とするオフセット推定器。
2. 前記モータトルクは、前記モータの軸トルクに機械損を加算した値であることを特徴とする請求項１記載のオフセット推定器。
3. （９）式のようにｎ個ある回転角毎に、（４）式〜（６）式を用いて最小二乗法により係数ｐを求め、（７）式，（８）式でモータトルクとトルク推定値との前記残差の二乗和を算出し、
   ｎ個求めた前記残差の二乗和の中から、前記残差の二乗和が最小となる前記回転角を求め、その時の前記回転角を前記位置検出センサのオフセット推定値とすることを特徴とする請求項２記載のオフセット推定器。
   

   
4. 前記残差の二乗和が最小となるときの係数ｐに基づいて、前記モータのトルク−電流特性を推定することを特徴とする請求項３記載のオフセット推定器。
5. モータの電流を制御するインバータの制御装置であって、
   オフセット推定値の候補となる前記モータの回転角毎に、モータトルクとトルク推定値との残差の二乗和を演算し、前記残差の二乗和が最小となる回転角を、前記モータの位置検出センサにおけるオフセット推定値として推定し、前記オフセット推定値に基づいて前記位置検出センサが検出した前記モータの回転角検出値を補正して前記インバータを運転することを特徴とするインバータ制御装置。
6. モータの位置検出センサのオフセットを推定するオフセット推定方法であって、
   オフセット推定値の候補となる前記モータの回転角毎に、モータトルクとトルク推定値との残差の二乗和を演算し、前記残差の二乗和が最小となる回転角を前記位置検出センサのオフセット推定値として推定することを特徴とするオフセット推定方法。

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