JP2019213376A - Motor controller - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、ブラシレスモータのロータ位置を推定する技術に関する。 The present disclosure relates to a technique for estimating a rotor position of a brushless motor.
下記特許文献1には、3個のホールICを用いてブラシレスモータのロータ位置を検出する技術が記載されている。具体的には、マイクロコンピュータ(以下、マイコン)が有するハードウェアタイマを利用して、1個のホールIC信号の電気角周期を表す周期カウント値Ccy計測すると共に、予め設定された処理周期毎にハードウェアタイマの瞬時値を表す瞬時カウント値Cinを取得する。そして、ロータ位置を表す電気角θ[deg]を、下式を用いて算出する。
θ=Cin÷Ccy×360[deg] θ = Cin ÷ Ccy × 360 [deg]
しかしながら、発明者の詳細な検討の結果、特許文献1に記載の従来技術では、ロータが、タイマの計測範囲外となるような低速で動作している場合、ロータ位置を精度よく推定できないという課題が見出された。
However, as a result of detailed studies by the inventors, the conventional technique described in
即ち、ハードウェアタイマのビット幅は固定値であるため、ハードウェアタイマを動作させるクロックの周波数によって、ロータ回転数の分解能と、計測可能なロータ回転数の下限(以下、下限回転数)とが決まる。実際には、要求される分解能が得られるようにクロックの周波数を設定することによって、下限回転数が決まる。 That is, since the bit width of the hardware timer is a fixed value, the resolution of the rotor rotational speed and the lower limit of the measurable rotor rotational speed (hereinafter referred to as the lower rotational speed) depend on the clock frequency for operating the hardware timer. Determined. In practice, the lower limit rotational speed is determined by setting the clock frequency so as to obtain the required resolution.
そして、ロータが下限回転数より低い回転数で動作(以下、低速動作)している場合、一周期の計測が終了する前にハードウェアタイマのカウント値が飽和するため、周期を正確に計測できない。その結果、ハードウェアタイマのカウント値からはロータ位置を推定できず、3個のホールICから出力される信号のパターンから60[deg]間隔という荒い精度でロータ位置を推定することになる。つまり、従来技術では、低速動作時には、ロータ位置の推定精度が劣化し、モータ制御の性能が損なわれていた。 When the rotor is operating at a speed lower than the lower limit speed (hereinafter referred to as low speed operation), the count value of the hardware timer is saturated before the measurement of one period is completed, and therefore the period cannot be measured accurately. . As a result, the rotor position cannot be estimated from the count value of the hardware timer, and the rotor position is estimated with rough accuracy of 60 [deg] intervals from the pattern of signals output from the three Hall ICs. In other words, in the prior art, at the time of low speed operation, the estimation accuracy of the rotor position deteriorates and the performance of motor control is impaired.
本開示の1つの局面は、ロータの位置を精度よく推定できる範囲を、回転数のより低い範囲に拡大する技術を提供することにある。 One aspect of the present disclosure is to provide a technique for expanding a range in which the position of the rotor can be accurately estimated to a range with a lower rotational speed.
本開示の一態様によるモータ制御装置(1)は、ブラシレスモータを駆動する。モータ制御装置は、パターン生成部(31)と、第1周期計測部(35)と、第2周期計測部(32)と、相当値算出部(36)と、瞬時値調停部(37)と、電気角算出部(38)と、を備える。 A motor control device (1) according to an aspect of the present disclosure drives a brushless motor. The motor control device includes a pattern generation unit (31), a first cycle measurement unit (35), a second cycle measurement unit (32), an equivalent value calculation unit (36), and an instantaneous value arbitration unit (37). And an electrical angle calculation unit (38).
パターン生成部は、電気角周期の間に取り得る複数の回転位置に対応した検出パターンを生成する。電気角周期は、ロータが電気角で1回転する期間である。
第1周期計測部は、第1タイマ(3c)を用いて、電気角周期を表す第1周期値を算出
する。第1タイマは、予め設定されたビット幅を有し、ロータの回転数の分解能に応じて周期が設定されたクロック信号に従ってカウント動作を行い、検出パターンに従って電気角周期毎にカウント値がリセットされるハードウェアタイマである。
The pattern generation unit generates detection patterns corresponding to a plurality of rotational positions that can be taken during the electrical angle period. The electrical angle period is a period during which the rotor makes one electrical revolution.
A 1st period measurement part calculates the 1st period value showing an electrical angle period using the 1st timer (3c). The first timer has a preset bit width, performs a count operation in accordance with a clock signal whose cycle is set according to the resolution of the rotational speed of the rotor, and the count value is reset for each electrical angular cycle in accordance with the detection pattern. Hardware timer.
第2周期計測部は、第2タイマを用いて、検出パターンが変化する周期を表す第2周期値を算出する。第2タイマは、クロック信号の周期より長く設定されたカウント周期毎にカウント動作を行い、検出パターンが変化する毎にカウント値がリセットされる。 The second cycle measuring unit calculates a second cycle value representing a cycle in which the detection pattern changes using the second timer. The second timer performs a count operation every count cycle set longer than the cycle of the clock signal, and the count value is reset every time the detection pattern changes.
相当値算出部は、第2タイマのカウント値である第2タイマ値を取得し、該第2タイマ値を、検出パターンと第2周期値とを用いて、タイマ相当値に換算する。タイマ相当値は、電気角周期の基点となるタイミングから第2タイマ値が得られたタイミングまでの期間を、カウント周期でカウントした値に相当する。 The equivalent value calculation unit obtains a second timer value that is a count value of the second timer, and converts the second timer value into a timer equivalent value using the detection pattern and the second period value. The timer equivalent value corresponds to a value obtained by counting the period from the timing serving as the base point of the electrical angle cycle to the timing when the second timer value is obtained in the count cycle.
低速判定部は、ロータの回転数が、下限回転数より小さいか否かを判定する。下限回転数は、第1タイマのカウント値を第1タイマ値として、電気角周期の間に第1タイマ値が飽和するロータの回転数である。 The low speed determination unit determines whether or not the rotational speed of the rotor is smaller than the lower limit rotational speed. The lower limit rotational speed is the rotational speed of the rotor at which the first timer value is saturated during the electrical angle period, with the count value of the first timer as the first timer value.
瞬時値調停部は、低速判定部にて、ロータの回転数が下限回転数以上であると判定された場合は第1タイマ値を選択し、下限回転数より小さいと判定された場合はタイマ相当値を選択する。 The instantaneous value arbitration unit selects the first timer value when the low-speed determination unit determines that the rotation speed of the rotor is equal to or higher than the lower limit rotation speed, and corresponds to the timer when it is determined that the rotation speed is smaller than the lower limit rotation speed. Select a value.
電気角算出部は、選択部で選択された値である瞬時値と第1周期値とを用いて、電気角周期内での電気角を表す基準電気角を算出する。
このような構成によれば、ロータの回転数が下限回転数以上である場合、第1タイマ値を用いて、電気角周期内での位相である基準電気角が算出される。また、ロータの回転数が下限回転数より小さい場合、より低速のカウント周期で動作する第2タイマのカウント値を用いて、検出パターンが変化する期間内での位相を、電気角周期内での位相に換算したタイマ相当値を用いて、基準電気角が算出される。
The electrical angle calculation unit calculates a reference electrical angle representing an electrical angle within the electrical angle cycle, using the instantaneous value that is the value selected by the selection unit and the first cycle value.
According to such a configuration, when the rotational speed of the rotor is equal to or higher than the lower limit rotational speed, the reference electrical angle that is the phase within the electrical angle cycle is calculated using the first timer value. Further, when the rotational speed of the rotor is smaller than the lower limit rotational speed, the phase within the period in which the detection pattern changes can be calculated within the electrical angular period using the count value of the second timer that operates at a slower count period. A reference electrical angle is calculated using a timer equivalent value converted into a phase.
このため、ロータの回転数が、第1タイマでは測定不能な下限回転数より低い場合でも、ロータ位置を精度よく測定することができる。また、高速性が要求される第1タイマにはハードウェアタイマが用いられるが、より低速な第2タイマはソフトウェアによって構成することができる。第2タイマをソフトウェアで構成した場合、カウント値のビット幅もハードウェアに制約されることがないため、任意の大きさに設定でき、これにより、測定可能な回転数の下限値を大幅に改善することができる。 For this reason, even when the rotational speed of the rotor is lower than the lower limit rotational speed that cannot be measured by the first timer, the rotor position can be accurately measured. A hardware timer is used as the first timer requiring high speed, but the slower second timer can be configured by software. When the second timer is configured by software, the bit width of the count value is not limited by hardware, so it can be set to an arbitrary size, which greatly improves the lower limit of measurable rotation speed. can do.
また、第2タイマを用いた測定結果を、第1タイマ値と同等のタイマ相当値に変換しており、ロータの回転数に応じて第1タイマ値およびタイマ相当値のいずれかを瞬時値として選択するため、いずれが選択された場合でも同一の演算によって基準電気角を算出できる。 In addition, the measurement result using the second timer is converted into a timer equivalent value equivalent to the first timer value, and either the first timer value or the timer equivalent value is set as an instantaneous value according to the rotational speed of the rotor. Since either one is selected, the reference electrical angle can be calculated by the same calculation.
なお、この欄及び特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本開示の技術的範囲を限定するものではない。 Note that the reference numerals in parentheses described in this column and in the claims indicate the correspondence with the specific means described in the embodiment described later as one aspect, and the technical scope of the present disclosure It is not limited.
以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態を説明する。
[1.構成]
図1に示すモータ制御装置1は、ブラシレスモータ5を駆動制御する装置である。ブラシレスモータ5は、三相モータであり、ロータ51と、複数のステータ52と、3個のホールIC53とを備える。
Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described with reference to the drawings.
[1. Constitution]
A
ロータ51は、複数の磁極対を回転自在に支持する。磁極対には、永久磁石が用いられる。磁極対は、ロータ51の外周においてN極とS極とが交互かつ均等に並ぶように配置される。本実施形態では、磁極対の数をNとして、N=5である場合について例示するが、これに限定されるものではなく、磁極対の数は任意でよい。
The
ステータ52は、ロータ51の周囲に等角度間隔で配置され、巻線が巻回される。ステータ52は、U相、V相およびW相のいずれかの巻線がそれぞれ巻回される。本実施形態では、ステータ52の数が3である場合について例示するが、これに限定されるものではなく、ステータ52の数は、3の倍数であればよい。
The
3個のホールIC53は、いずれもホール素子が組み込まれた集積回路であり、ロータと一体に回転する永久磁石の磁極を検出して、磁極の極性に対応した信号レベルを有する検出信号Su,Sv,Swを出力する。検出信号Su,Sv,Swの信号レベルは、例えば、ホールIC53と対向する磁極がN極であるときにハイレベルHi、S極であるときにロウレベルLoとなる。
Each of the three
3個のホールIC53は、電気角で120[deg]ずつ離れた位置に配置される。電気角とは、個々のホールIC53が出力する検出信号の1周期を360[deg]とした時の角度を表す。ここでは、ロータ51が5個の磁極対(即ち、磁極数は10)を有するため、機械角では、24(=120/5)[deg]ずつ離れた位置に配置される。但し、機械角での配置間隔は24[deg]に限るものではなく、例えば96(=120/5+360/5)[deg]でもよい。機械角とは、ロータ51の1回転を360[deg]としたときの角度を表す。これにより、3つの検出信号Su,Sv,Swは、図4に示すように、120[deg]ずつ位相が異なる。
The three
モータ制御装置1は、インタフェース(以下、I/F)部2と、制御部3と、駆動回路4とを備える。
I/F部2は、3つの検出信号Su,Sv,Swを入力し、これらの信号に、増幅処理や波形整形処理などを施して制御部3へ出力する。
The
The I /
制御部3は、検出信号Su,Sv,Swにより電気角60[deg]単位で表現される低精度な回転位置から、より高精度に回転位置を表現する基準電気角θを推定し、この基準電気角θに応じたデューティ比を有するPWM信号を生成して、駆動回路4に出力する。
The
駆動回路4は、PWM信号に応じた所定の周期で各相のステータ52の巻線に通電することで、巻線と磁極との間に発生する吸引力および反発力によって、ロータ51を回転させる。
The
制御部3は、CPU3aと、例えば、RAM又はROM等の半導体メモリ(以下、メモリ3b)と、ハードウェアタイマ3cと、を有するマイクロコンピュータを備える。制御部3の各機能は、CPU3aが非遷移的実体的記録媒体に格納されたプログラムを実行することにより実現される。この例では、メモリ3bが、プログラムを格納した非遷移的実体的記録媒体に該当する。また、このプログラムが実行されることで、プログラムに対応する方法が実行される。なお、制御部3は、1つのマイクロコンピュータを備えてもよいし、複数のマイクロコンピュータを備えてもよい。
The
メモリ3bには、プログラムの他、制御部3の機能を実現するために必要なデータとしてパターンテーブルが記憶される。パターンテーブルは、図2に示すように、検出パターン(U,V,W)と、該検出パターン(U,V,W)に対応づけられるリミット値とが記憶されている。検出パターン(U,V,W)は、検出信号Su,Sv,Swによって表現される信号レベルの組み合わせパターンである。なお、図1に示したロータ51の時計周りをCW、反時計周りをCCWと表記するものとして、検出パターン(U,V,W)は、ロータ51の回転方向がCWである場合に変化する順番に記憶される。各検出パターンのリミット値は、それぞれ上限角および下限角を有する。上限角と下限角とは、両者の差が60[deg]となり、且つ、順方向に並ぶ先の検出パターンの上限角と後の検出パターンの下限角とが一致するように設定される。ここでは、検出信号Su,Sv,SwのハイレベルHiを1、ロウレベルLoを0で表すものとする。そして、検出パターン(U,V,W)が(1,0,1)である場合における下限角を基準(即ち、0[deg])にして設定される。
In addition to the program, the
ハードウェアタイマ3cは、第1タイマに相当する。ハードウェアタイマ3cは、カウント値が16ビットで表現される。ハードウェアタイマ3cは、所定の周波数を有するクロックCKによって駆動される。ハードウェアタイマ3cのカウント値を第1タイマ値HCとして出力すると共に、いずれか一つのホールIC53からの検出信号、ここではU相の検出信号Suの立ち上がりエッジをトリガに、カウント値を第1周期値Crとして保存し、計測用のカウンタをリセットする。
The
ハードウェアタイマ3cを駆動するクロックCKの周波数fhwt[Hz]は、ロータ51の回転数(以下、ロータ回転数)がNrated[rpm]の時に、±Nerror[rpm]以下の回転数精度が得られるように設定される。詳しくは、ロータ回転数Nratedに相当する電気角周期を、周波数fhwtでカウントしたときのカウント値を求め、そのカウント値を1カウント変化させたときにロータ回転数の変化がNerror以下となるように、周波数fhwtを設定する。但し、周波数fhwtは、ハードウェアタイマ3cの駆動用に用意されたクロックを分周することで得られる周波数の中から、上記条件を満たす最小の周波数が選択される。なお、ハードウェアタイマ3cのビット数は、上述の16ビットに限定されるものではない。
The frequency fhwt [Hz] of the clock CK for driving the
周波数がfhwtである場合、ハードウェアタイマ3cのカウント値がカウント開始から飽和するまでに要する時間が216/fhwt[s]である。また、ハードウェアタイマ3cによって検出可能なロータ回転数の下限である下限回転数は60÷極対数÷(216/fhwt)[rpm]となる。
When the frequency is fhwt, the time required until the count value of the
制御部3は、図3に示すように、パターン生成部31と、第2周期計測部32と、回転判定部33と、低速判定部34と、第1周期計測部35と、相当値算出部36と、瞬時値調停部37と、電気角算出部38と、信号生成部39と、を備える。これら制御部3に含まれる各部の機能を実現する手法は、ソフトウェアに限るものではなく、その一部又は全部の機能は、一つあるいは複数のハードウェアを用いて実現されてもよい。例えば、上記機能がハードウェアである電子回路によって実現される場合、その電子回路は、デジタル
回路、又はアナログ回路、あるいはこれらの組合せによって実現されてもよい。
As shown in FIG. 3, the
なお、瞬時値調停部37、電気角算出部38、および信号生成部39は、予め設定された処理周期Tp毎に処理が実行される。処理周期Tpは、例えば、fp[Hz]として、Tp=1/fp[s]に設定される。また、第2周期計測部32、回転判定部33、低速判定部34、および相当値算出部36は、処理周期Tpより長く設定されたカウント周期Tc毎に処理が実行される。カウント周期Tcは処理周期Tpの整数倍の長さを有する。
Note that the instantaneous value arbitration unit 37, the electrical
パターン生成部31は、処理周期Tp毎に、検出信号Su,Sv,Swの信号レベルがハイレベルかロウレベルかを判断し、判断結果である検出パターン(U,V,W)をバッファに記憶する。パターン生成部31は、現在の検出パターンである現パターンと、バッファに記憶された検出パターンである前パターンとを比較して、現パターンが前パターンから変化したか否かを判断し、その判断結果を表す切替信号Sxを生成する。パターン生成部31は、現パターンが前パターンから変化した場合に、バッファの記憶内容を更新する。切替信号Sxは、第2周期計測部32に入力される。バッファの記憶内容は、第2周期計測部32、回転判定部33および相当値算出部36に入力される。
The
第2周期計測部32は、ソフトウェアによって実現されるタイマである第2タイマを有する。第2周期計測部32は、カウント周期Tc毎に第2タイマのカウント動作を実行し、切替信号Sxに従い、検出パターン(U,V,W)の変化をトリガとしてカウント値がリセットされる。第2周期計測部32は、リセットの直前に得られるカウント値を、パターンが変化する周期Tptを表す第2周期値Cptとして出力する。また、第2周期計測部32は、リセット時点からの経過時間に対応した値として、カウント値C2を出力する。第2周期値Cptは低速判定部34および相当値算出部36に入力され、カウント値C2は相当値算出部36に入力される。
The second
回転判定部33は、図2に示したパターンテーブルを参照して、過去に取得された検出パターンと新たに取得された検出パターンとを比較し、検出パターン(U,V,W)の変化の仕方から、ロータ51の回転方向を判定し、その判定結果を示す回転判定信号Srを出力する。つまり、検出パターン(U,V,W)が、パターンテーブルの上から下へ向かうように変化する場合はCWと判定し、下から上へ向かうように変化する場合はCCWと判定する。回転判定信号Srは、相当値算出部36および電気角算出部38に入力される。
The rotation determination unit 33 refers to the pattern table shown in FIG. 2, compares the detection pattern acquired in the past with the newly acquired detection pattern, and changes the detection pattern (U, V, W). From the way, the rotation direction of the
低速判定部34は、第2周期計測部32で計測された第2周期値Cptが予め設定された低速閾値を超えたか否かを判断し、その判断結果を表す低速判定信号Svを出力する。低速判定信号Svは、第1周期計測部35および瞬時値調停部37に入力される。低速閾値は、ロータ回転数の下限回転数に相当するパターン周期Tptを、カウント周期Tcで除した値に設定される。つまり、低速判定部34は、第2周期値Cptが低速閾値を超えている場合に、ロータ回転数が下限回転数に満たない、即ち、ハードウェアタイマ3cでは計測不能な回転数まで低下していると判定する。また、低速判定部34は、カウント値C2が低速閾値を超えてもリセットされない場合にも、ロータ回転数が下限回転数に満たないと判定する。
The low
第1周期計測部35は、周期バッファ351と、周期調停部353とを備える。
ハードウェアタイマ3cは、ハードウェアタイマ3cが検出信号Suに従ってリセットされる毎に、リセット直前のカウント値Crを、周期バッファ351に記憶する。バッファリングは、ソフトウェアにより実行される。周期バッファ351は、ロータ51の磁極対と同数である過去5回分のカウント値Crが少なくとも記憶される。なお、図3において[n]はバッファに記憶された最新のカウント値Crであることを表す。[max]は
ハードウェアタイマ3cのカウント値の上限である飽和値を表す。周期バッファ351は、[n]を第1データとし、[max]を第2データとして出力する。
The first
The
周期調停部353は、低速判定信号Slowに従って、第1データ[n]および第2データ[max]のいずれかを選択し、ロータ51の電気角周期を表す第1周期値Ccyの算出に必要な周期データDcyとして出力する。具体的には、低速判定信号Slowにより、ロータ回転数が下限回転数より低下していることが示されている場合は、第2データ[max]が周期データDcyとして選択される。ロータ回転数が下限回転数以上である場合は、第1データ[n]が周期データDcyとして選択される。選択された周期データDcyは、電気角算出部38に入力される。
The
相当値算出部36は、符号付与部361と、リミット設定部362と、換算部363と、を備える。
符号付与部361は、カウント周期Tc毎に第2周期計測部32からカウント値C2および第2周期値Cptを取得し、(1)式に従って、パターン周期内での位相を表す符号付きカウント値SCを算出する。
The equivalent
The
SC=Sign×(C2÷Cpt)×([max]×60÷360) (1)
即ち、符号付与部361は、カウント値C2を第2周期値Cptで除した結果に、ハードウェアタイマ3cのカウント値の上限である飽和値[max]をパターン周期(即ち、60[deg])分の値に換算した値を乗じ、更に、回転判定信号Srに従って符号Signを付与することで符号付きカウント値SCを算出する。符号Signは、具体的には、回転判定信号Srにより示される回転方向がCWである場合はプラス符号となり、回転方向がCCWである場合はマイナス符号となる。
SC = Sign × (C2 ÷ Cpt) × ([max] × 60 ÷ 360) (1)
That is, the
リミット設定部362は、パターン生成部31から検出パターン(U,V,W)を取得し、パターンテーブルを参照して、取得した検出パターン(U,V,W)に応じた下限角αLおよび上限角αUを取得し、(2)(3)式に従って、下限値CLおよび上限値CUを算出する。
The
CL=αL÷360×[max] (2)
CU=αU÷360×[max] (3)
即ち、リミット設定部362は、取得した下限角αLおよび上限角αUを、それぞれ360[deg]で除した結果に、ハードウェアタイマ3cのカウント値の上限である飽和値[max]を乗じることで、下限値CLおよび上限値CUを算出する。この下限値CLおよび上限値CUは、取得した検出パターン(U,V,W)の状態が維持されている間に、タイマ相当値Ceが取り得る値の範囲を表す。
CL = αL ÷ 360 × [max] (2)
CU = αU ÷ 360 × [max] (3)
That is, the
換算部363は、回転判定信号Srに従い、回転方向がCWである場合は下限値CLを基準値Cfとして選択し、回転方向がCCWである場合は上限値CUを基準値Cfとして選択する。また、換算部363は、選択された基準値Cfに、符号付与部361からの符号付きカウント値SCを加算する。具体的には、回転方向がCWの場合は、基準値Cfである下限値CLとプラス符号のカウント値との加算が実行され、回転方向がCCWの場合は、基準値Cfである上限値CUとマイナス符号のカウント値との加算、即ち、上限値CUからのカウント値の減算が実行される。更に換算部363は、加算結果が下限値CLから上限値CUまでの許容範囲内にある場合は、加算結果をそのままタイマ相当値Ceとして出力する。また換算部363は、加算結果が許容範囲外にある場合は、ガード値によって制限された値をタイマ値Ceとして出力する。具体的には、加算結果が、上限値CUより大きな値であれば、ガード値である上限値CUをタイマ相当値Ceとし、下限値CLより小さな値であれば、ガード値である下限値CLをタイマ相当値Ceとして出力する。タ
イマ相当値Ceは、瞬時値調停部37に入力される。
According to the rotation determination signal Sr, the
つまり、相当値算出部36では、検出パターン(U,V,W)によって特定される電気角で60[deg]の範囲内での位相(即ち、ロータ51の回転位置)を推定し、更に、検出パターン(U,V,W)を用いて電気角で360[deg]の範囲(即ち、1周期)内での位相を表す値に換算したものをタイマ相当値Ceとして出力する。
That is, the equivalent
瞬時値調停部37は、低速判定信号Svに従い、ロータ回転数が下限回転数以上である場合は、第1タイマ値HCを選択し、ロータ回転数が下限回転数より低い場合は、タイマ相当値Ceを選択して、選択された値を瞬時値Cinとして出力する。瞬時値Cinは、電気角算出部38に入力される。
In accordance with the low speed determination signal Sv, the instantaneous value arbitration unit 37 selects the first timer value HC when the rotor rotational speed is equal to or higher than the lower limit rotational speed, and when the rotor rotational speed is lower than the lower limit rotational speed, Ce is selected, and the selected value is output as an instantaneous value Cin. The instantaneous value Cin is input to the electrical
電気角算出部38は、周期データDcyを第1周期値Ccyとし、この第1周期値Ccyと、瞬時値Cinと、回転判定信号Srとに基づき、回転判定信号SrがCWの時は(4)式に従って、回転判定信号SrがCCWの時は(5)式に従って、基準電気角θを算出する。(4)及び(5)式は、回転方向によりロータ位置と立上がりエッジの関係が180[deg]変化することを意味する。
The electrical
θ=Cin÷Ccy×360[deg] (4)
θ=−Cin÷Ccy×360+180[deg] (5)
ここでは、第1周期値Ccyとして、周期データDcyをそのまま用いているが、これに限定されるものではない。例えば、過去N周期分の周期データDcyをD1〜DNで表すものとして、(6)式に示すように、機械角で1周期分に相当する電気角でN周期分の周期データD1〜DNの平均値を、第1周期値Ccyとして用いてもよい。なお、平均化するデータ数は、N個に限定されるものではない。
θ = Cin ÷ Ccy × 360 [deg] (4)
θ = −Cin ÷ Ccy × 360 + 180 [deg] (5)
Here, the cycle data Dcy is used as it is as the first cycle value Ccy, but is not limited to this. For example, assuming that the cycle data Dcy for the past N cycles is represented by D1 to DN, as shown in the equation (6), the cycle data D1 to DN of the N cycles with an electrical angle corresponding to one cycle in mechanical angle. The average value may be used as the first period value Ccy. Note that the number of data to be averaged is not limited to N.
Ccy=(D1+D2+…+DN)/N (6)
信号生成部39は、基準電気角θに従って、ステータ52の巻線の通電制御に用いる3種類のPWM信号を生成する。
Ccy = (D1 + D2 +... + DN) / N (6)
The
[2.動作]
図4に示すように、検出信号Su,Sv,Swは、電気角で120degずつずれたタイミングで信号レベルが変化し、回転方向が一定である場合、電気角周期(即ち、360deg)の間に6つの検出パターン(U,V,W)が現れる。
[2. Operation]
As shown in FIG. 4, the detection signals Su, Sv, and Sw change when the signal level changes at a timing shifted by 120 deg in electrical angle and the rotation direction is constant, during the electrical angle period (ie, 360 deg). Six detection patterns (U, V, W) appear.
第1タイマ値HCは処理周期Tp毎に取得される。第2タイマ値C2は、カウント周期Tc毎に取得される。なお、第2タイマ値C2は、第1タイマ値HCより緩やかに変化する。 The first timer value HC is acquired every processing cycle Tp. The second timer value C2 is acquired every count cycle Tc. The second timer value C2 changes more slowly than the first timer value HC.
図示を省略するが、第1周期値Ccyは、処理周期Tp毎またはカウント周期Tc毎に取得され、その値は電気角の1周期毎に変化する。第2周期値Cptは、カウント周期Tc毎に取得され、その値は、電気角の60[deg]毎に変化する。タイマ相当値Ceは、カウント周期Tc毎に算出される。 Although illustration is omitted, the first cycle value Ccy is acquired every processing cycle Tp or every count cycle Tc, and the value changes every cycle of the electrical angle. The second cycle value Cpt is acquired every count cycle Tc, and the value changes every 60 [deg] of the electrical angle. The timer equivalent value Ce is calculated every count cycle Tc.
基準電気角θは、処理周期Tp毎に算出される。
回転判定信号Srは、処理周期Tp毎に確認され、検出パターン(U,V,W)が変化するタイミングで変化する。低速判定値Svは、カウント周期Tc毎に確認される。
低速判定は、カウント周期毎に行われる。
The reference electrical angle θ is calculated every processing cycle Tp.
The rotation determination signal Sr is confirmed every processing cycle Tp, and changes at the timing when the detection pattern (U, V, W) changes. The low speed determination value Sv is confirmed every count cycle Tc.
The low speed determination is performed every count cycle.
第1周期値Ccyは、周期データDcyに基づいて処理周期Tp毎またはカウント周期
Tc毎に算出され、基準電気角θは、瞬時値Cinと第1周期値Ccyを用いて処理周期Tp毎に算出される。
The first cycle value Ccy is calculated for each processing cycle Tp or the count cycle Tc based on the cycle data Dcy, and the reference electrical angle θ is calculated for each processing cycle Tp using the instantaneous value Cin and the first cycle value Ccy. Is done.
瞬時値Cinは、ロータ回転数が下限回転数以上である非低速動作時には第1タイマ値HCが用いられ、ロータ回転数が下限回転数より小さい低速動作時にはタイマ相当値Ceが用いられる。 As the instantaneous value Cin, the first timer value HC is used during non-low speed operation where the rotor rotational speed is equal to or higher than the lower limit rotational speed, and the timer equivalent value Ce is used during low speed operation where the rotor rotational speed is lower than the lower limit rotational speed.
非低速動作時には、周期データDcyとして第1データ[n]が選択される。つまり、ハードウェアタイマ3cから得られる電気周期のカウント値である第1データ[n]が、周期データDcy、ひいては第1周期値Ccyとして使用される。
During the non-low speed operation, the first data [n] is selected as the cycle data Dcy. That is, the first data [n], which is the count value of the electrical cycle obtained from the
低速動作時には、周期データDcyとして第2データ[max]が選択される。つまり、下限回転数のときの周期を表す飽和値が、周期データDcy、ひいては第1周期値Ccyとして使用される。 During the low speed operation, the second data [max] is selected as the cycle data Dcy. That is, the saturation value representing the cycle at the lower limit rotational speed is used as the cycle data Dcy, and hence the first cycle value Ccy.
図4では、ロータ51が非低速動作である場合のタイミング図を示しているが、低速動作である場合、検出信号Su,Sv,Sw、検出パターン(U,V,W)が時間軸方向に引き伸ばされる点、ハードウェアタイマ3cの代わりにソフトウェアで動作する第2タイマを用いて算出された瞬時値Cin(即ち、タイマ相当値Ce)が用いられる点以外は、同様なタイミング図となる。
FIG. 4 shows a timing chart when the
図5は、回転方向が変化するときに回転数がゼロとなる前後で生じる低速動作時において、タイマ相当値に基づいて算出される基準電気角θおよび検出パターンから設定されるガード値を例示したグラフである。図5の下側のグラフにおいて、実線は基準電気角θであり、一点鎖線はガード値であり、破線は基準電気角θの理論値である。 FIG. 5 illustrates a reference electrical angle θ calculated based on a timer equivalent value and a guard value set from a detection pattern during low-speed operation that occurs before and after the rotation speed becomes zero when the rotation direction changes. It is a graph. In the lower graph of FIG. 5, the solid line is the reference electrical angle θ, the alternate long and short dash line is the guard value, and the broken line is the theoretical value of the reference electrical angle θ.
低速動作時には、第1周期値Ccyの算出に、下限回転数の時の周期を表すカウント値[max]が用いられるため、回転数がゼロに近づくほど、第1周期値Ccyは実際の値より小さく見積もられることになり、基準電気角θは、理論値より大きめの値が算出される。しかし、検出パターン(U,V,W)が変化するパターン周期毎にガード値が設定され、ガード値によって基準電気角θの値が制限されるため、パターン周期を跨いで誤差が蓄積されることがない。 During the low speed operation, the count value [max] representing the cycle at the lower limit rotational speed is used for the calculation of the first periodic value Ccy. Therefore, as the rotational speed approaches zero, the first periodic value Ccy is greater than the actual value. As a result, the reference electrical angle θ is calculated to be larger than the theoretical value. However, since a guard value is set for each pattern cycle in which the detection pattern (U, V, W) changes, and the value of the reference electrical angle θ is limited by the guard value, errors accumulate across the pattern cycle. There is no.
なお、ガード値は、検出パターン(U,V,W)に従って設定されるため、応答性よく正しく設定されるが、回転方向の判定は、複数のパターン周期に渡る検出パターンの比較が必要であり、実際の状況に対して遅延が生じる。この影響で、図5中の時刻6の周辺では、実際には電気角が減少しているにも関わらず、基本電気角θが増加するというずれが生じている。しかし、回転方向の判定が正しく反映された後の基本電気角θは、理論値とのずれが十分に抑制されている。
Since the guard value is set according to the detection pattern (U, V, W), it is set correctly with good responsiveness. However, the determination of the rotation direction requires comparison of detection patterns over a plurality of pattern periods. , There will be a delay with respect to the actual situation. Due to this influence, in the vicinity of
[3.効果]
以上詳述した第1実施形態によれば、以下の効果を奏する。
(1)モータ制御装置1では、ロータ回転数がハードウェアタイマ3cでは測定不能となる下限回転数より低い場合、より低速のカウント周期Tcで動作する第2タイマを用いて基準電気角θを算出する。このため、ロータ回転数が、下限回転数より低い場合でも、ロータ位置を精度よく推定することができる。具体的には、fhwt[Hz]のクロックで動作するハードウェアタイマ3cでは、計測可能な下限回転数は60÷極対数÷(216/fhwt)[rpm]である。これに対して、カウント周期Tc(>1/fhwt)のクロックで動作することに相当する第2タイマを用いることで、計測可能な下限回転数を60÷極対数÷(216/(1/Tc))[rpm]に引き下げることができる。
[3. effect]
According to the first embodiment described in detail above, the following effects are obtained.
(1) In the
(2)第2タイマを用いる場合、電気角周期内での位相を直接計測するのではなく、検出パターン(U,V,W)が変化するパターン周期と、パターン周期内での位相とを計測し、これを電気角周期内での位相を表すタイマ相当値に換算している。このため、電気角周期内での位相を直接計測する場合と比較して、より短時間で基準電気角を推定できる。また、タイマ相当値Ceは、第1タイマ値HCと同等の値であるため、瞬時値Cinとしていずれの値が選択された場合でも、基準電気角θを同一の演算によって算出でき、従来の構成を有効利用できる。 (2) When the second timer is used, the phase within the electrical angle period is not directly measured, but the pattern period in which the detection pattern (U, V, W) changes and the phase within the pattern period are measured. This is converted into a timer equivalent value representing the phase within the electrical angle period. For this reason, the reference electrical angle can be estimated in a shorter time compared to the case where the phase within the electrical angle cycle is directly measured. Further, since the timer equivalent value Ce is a value equivalent to the first timer value HC, the reference electrical angle θ can be calculated by the same calculation regardless of which value is selected as the instantaneous value Cin. Can be used effectively.
(3)パターン周期内での位相を計測する時に、検出パターン(U,V,W)に応じたガード値を設定することで、パターン周期内での誤差が、パターン周期を跨いで蓄積されることがないようにされている。従って、低速動作時は、回転数変化に対する外乱の寄与度大きいにも関わらず、その影響を、個々のパターン周期内だけに留めることができ、全体としての基準電気角θの推定精度を向上させることができる。 (3) When measuring the phase within the pattern period, by setting a guard value according to the detection pattern (U, V, W), an error within the pattern period is accumulated across the pattern period. There has been no such thing. Therefore, at the time of low speed operation, although the contribution of disturbance to the rotation speed change is large, the influence can be kept only within each pattern period, and the estimation accuracy of the reference electrical angle θ as a whole is improved. be able to.
(4)第2タイマは、ソフトウェアにより実現されるため、カウント値のビット幅を、ハードウェアに制約されることなく任意の大きさに設定できるため、計測可能な回転数の下限値を大幅に改善できる。 (4) Since the second timer is realized by software, the bit width of the count value can be set to an arbitrary size without being restricted by hardware, so the lower limit value of the measurable rotation speed is greatly increased. Can improve.
[4.他の実施形態]
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。
[4. Other Embodiments]
As mentioned above, although embodiment of this indication was described, this indication is not limited to the above-mentioned embodiment, and can carry out various modifications.
(a)上記実施形態では、一つの第2タイマを用いて一つのカウント相当値Ceが算出されるように構成されているが、カウント周期Tcの異なる複数の第2タイマを用いて複数のカウント相当値Ceが算出されるように構成されてもよい。即ち、カウント周期Tcを長くするほど、より低速まで計測できる一方で回転数の分解能が低下する。つまり、計測対象となる回転数に応じた分解能を実現する複数のカウント相当値Ceを用いることで、必要な分解能を保持しつつ、計測可能な回転速度の下限をより引き下げることができる。 (A) In the above embodiment, one count equivalent value Ce is calculated using one second timer. However, a plurality of counts using a plurality of second timers having different count periods Tc are used. The equivalent value Ce may be calculated. In other words, the longer the count cycle Tc, the lower the resolution, while the lower the speed can be measured. In other words, by using a plurality of count equivalent values Ce that realize a resolution corresponding to the number of rotations to be measured, it is possible to further lower the lower limit of the measurable rotation speed while maintaining the necessary resolution.
(b)上記実施形態では、相当値算出部36は、検出パターン(U,V,W)と回転方向とで決まる値を基準として、符号付きカウント値SCを加算することで、タイマ相当値Ceを算出しているが、本開示は、これに限定されるものではない。例えば、直前のパターン周期の最後に得られた値を基準として、符号付きカウント値SCを加算することで、タイマ相当値Ceを算出してもよい。この場合、回転方向の判定が誤っている場合でも、パターン周期の開始時点の値は、常に、直前のパターン周期の終了時点の値となる。このため、回転方向の判定が誤っている場合に、そのパターン周期でのタイマ相当値Ceは、開始から終了まで一定の値となるものの、実際の位相変化とは逆方向にタイマ相当値Ceが変化することを阻止できる。
(B) In the above embodiment, the equivalent
(c)上記実施形態における1つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、1つの構成要素が有する1つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、1つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される1つの機能を、1つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。 (C) A plurality of functions of one constituent element in the above embodiment may be realized by a plurality of constituent elements, or a single function of one constituent element may be realized by a plurality of constituent elements. . Further, a plurality of functions possessed by a plurality of constituent elements may be realized by one constituent element, or one function realized by a plurality of constituent elements may be realized by one constituent element. Moreover, you may abbreviate | omit a part of structure of the said embodiment. Further, at least a part of the configuration of the above embodiment may be added to or replaced with the configuration of the other embodiment. In addition, all the aspects included in the technical idea specified from the wording described in the claims are embodiments of the present disclosure.
(d)上述したモータ制御装置の他、当該モータ制御装置を構成要素とするシステム、当該モータ制御装置としてコンピュータを機能させるためのプログラム、このプログラムを記録した半導体メモリ等の非遷移的実態的記録媒体、ロータ位置の推定方法など、種々の形態で本開示を実現することもできる。 (D) In addition to the motor control device described above, a system including the motor control device as a component, a program for causing a computer to function as the motor control device, and a non-transitional actual record such as a semiconductor memory storing the program The present disclosure can also be realized in various forms such as a medium and a rotor position estimation method.
1…モータ制御装置、2…インタフェース部、3…制御部、3a…CPU、3b…メモリ、3c…ハードウェアタイマ、4…駆動回路、5…ブラシレスモータ、31…パターン生成部、32…第2周期計測部、33…回転判定部、34…低速判定部、35…第1周期計測部、36…相当値算出部、37…瞬時値調停部、38…電気角算出部、39…信号生成部、51…ロータ、52…ステータ、53…ホールIC、351…周期バッファ、353…周期調停部、361…符号付与部、362…リミット設定部、363…換算部。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
ロータ(51)が電気角で1回転する期間を電気角周期として、前記電気角周期の間に取り得る複数の回転位置に対応した検出パターン(U,V,W)を生成するように構成されたパターン生成部(31)と、
予め設定されたビット幅を有し、回転速度の分解能に応じて周期が設定されたクロック信号に従ってカウント動作を行い、前記検出パターンに従って前記電気角周期毎にカウント値がリセットされるハードウェアタイマである第1タイマ(3c)を用いて、前記電気角周期を表す第1周期値(Ccy)を計測するように構成された第1周期計測部(35)と、
前記クロック信号の周期より長く設定されたカウント周期(Tc)毎にカウント動作を行い、前記検出パターンが変化する毎にカウント値がリセットされる第2タイマを用いて、前記検出パターンが変化する周期を表す第2周期値(Cpt)を計測するように構成された第2周期計測部(32)と、
前記第2タイマのカウント値である第2タイマ値(C2)を取得し、該第2タイマ値を、前記検出パターンと前記第2周期値とを用いて、前記カウント周期でカウントした値に相当するタイマ相当値(Ce)に換算するように構成された相当値算出部(36)と、
前記第1タイマのカウント値を第1タイマ値(HC)として、前記電気角周期の間に前記第1タイマ値が飽和する前記ロータの回転数を下限回転数として、前記ロータの回転数が、前記下限回転数より小さいか否かを判定する低速判定部(34)と、
前記低速判定部にて、前記ロータの回転数が前記下限回転数以上であると判定された場合は前記第1タイマ値を選択し、前記下限回転数より小さいと判定された場合は前記タイマ相当値を選択するように構成された瞬時値調停部(37)と、
前記瞬時値調停部で選択された値である瞬時値(Cin)と前記第1周期値とを用いて、前記電気角周期内での電気角を表す基準電気角(θ)を算出するように構成された電気角算出部(38)と
を備えるモータ制御装置。 A motor control device (1) for driving a brushless motor (5),
A period in which the rotor (51) rotates by an electrical angle is defined as an electrical angular period, and detection patterns (U, V, W) corresponding to a plurality of rotational positions that can be taken during the electrical angular period are generated. Pattern generation unit (31),
A hardware timer that has a preset bit width, performs a count operation according to a clock signal whose cycle is set according to the resolution of the rotation speed, and resets the count value for each electrical angular cycle according to the detection pattern A first period measuring unit (35) configured to measure a first period value (Ccy) representing the electrical angular period using a first timer (3c);
A cycle in which the detection pattern changes using a second timer that performs a count operation every count cycle (Tc) set longer than the cycle of the clock signal and resets the count value every time the detection pattern changes. A second period measurement unit (32) configured to measure a second period value (Cpt) representing
A second timer value (C2) that is a count value of the second timer is acquired, and the second timer value is equivalent to a value counted in the count cycle by using the detection pattern and the second cycle value. An equivalent value calculation unit (36) configured to convert the timer equivalent value (Ce)
With the count value of the first timer as the first timer value (HC), the rotation speed of the rotor at which the first timer value is saturated during the electrical angle period as the lower limit rotation speed, the rotation speed of the rotor is A low speed determination unit (34) for determining whether or not it is smaller than the lower limit rotational speed;
When the low-speed determination unit determines that the rotation speed of the rotor is equal to or higher than the lower limit rotation speed, the first timer value is selected, and when it is determined that the rotation speed is lower than the lower limit rotation speed, the timer corresponds An instantaneous value mediator (37) configured to select a value;
A reference electrical angle (θ) representing an electrical angle within the electrical angle period is calculated using an instantaneous value (Cin) that is a value selected by the instantaneous value arbitration unit and the first period value. A motor control device comprising: an electrical angle calculation unit (38) configured.
前記相当値算出部は、前記検出パターン毎に予め設定された下限値から上限値までの範囲内で前記タイマ相当値を生成するように構成された
モータ制御装置。 The motor control device according to claim 1,
The equivalent value calculation unit is configured to generate the timer equivalent value within a range from a lower limit value to an upper limit value set in advance for each detection pattern.
前記第1周期計測部は、前記電気角周期毎に取得される前記カウント値の変化が、予め設定された許容範囲内である場合は、複数の前記電気角周期に渡る前記カウント値の平均値を前記第1周期値とし、該カウント値の変化が前記許容範囲を超える場合は、最新の前記カウント値を前記第1周期値とするように構成された、
モータ制御装置。 The motor control device according to claim 1 or 2,
The first period measurement unit, when the change of the count value acquired for each electrical angle period is within a preset allowable range, an average value of the count values over a plurality of the electrical angle periods When the change in the count value exceeds the allowable range, the latest count value is configured as the first cycle value.
Motor control device.
前記第1周期計測部は、前記ロータの回転数が、前記下限回転数より小さい場合、前記第1タイマの飽和値を前記第1周期値とするように構成された、
モータ制御装置。 The motor control device according to any one of claims 1 to 3, wherein
The first cycle measuring unit is configured to set a saturation value of the first timer as the first cycle value when the rotational speed of the rotor is smaller than the lower limit rotational speed.
Motor control device.
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