JP2021197752A - トルク推定装置およびトルク推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】推定精度の高いトルク推定装置を提供する。【解決手段】トルク推定装置は、インバータに入力される直流電力の電圧と、出力トルク推定部と、回転角度取得部と、角速度算出部と、非線形カルマンフィルタにより算出される回転角度の推定値および角速度の推定値と、観測値に基づき、前記回転角度の誤差および前記角速度の誤差を取得する誤差取得部と、補正値を前記非線形カルマンフィルタにフィードバックさせる補正部と、を備え、前記補正値と出力トルクの観測値とに基づき、前記モータの前記出力トルクを推定する。【選択図】図２

Description

本発明は、トルク推定装置およびトルク推定方法に関する。

従来、電動機の制御の技術の分野において、モータの出力トルクの推定方法について、日々改良が進められている。トルク推定は、目標トルクに対する出力のフィードバックとしてモータ指令電流の計算を参考としているが、例えば、電動車両のモータ指令電流に供給電圧を乗じ、モータの回転数により除することにより、モータの出力トルクを推定する方法が知られている。

本願発明の背景技術として、下記の特許文献１が知られている。特許文献１では、クランク角度の測定値を取得する取得部とクランク角速度計算部と、非線形カルマンフィルタに基づいてエンジントルクの推定値を導出する推定部と、によってエンジントルクの推定精度を高める技術が開示されている。

特開２０１７−０８２６６２号公報

従来のようなタイプの回転数を使用したトルク推定技術では、低速時などの回転数が尠少な領域で精度が悪化する。それによりトルク推定が正確に出来ない場合、目標トルクとの乖離が大きくなるため、余分な電流を指令したり電力効率の悪化につながったりする可能性がある。

これを鑑みて、本発明の課題は、同様に非線形カルマンフィルタを用いつつ、推定精度の高いトルク推定装置を提供することである。

本発明におけるトルク推定装置は、インバータから出力される交流電流を用いて回転駆動するモータの出力トルクを推定するトルク推定装置であって、前記インバータに入力される直流電力の電圧と、前記交流電流の電流値とに基づいて、前記出力トルクの観測値を推定する出力トルク推定部と、前記モータの回転角度の観測値を取得する回転角度取得部と、前記回転角度取得部が取得した前記回転角度の観測値から前記モータの角速度の観測値を算出する角速度算出部と、前記回転角度の観測値および前記角速度の観測値に基づいて非線形カルマンフィルタにより算出される前記回転角度の推定値および前記角速度の推定値と、前記回転角度の観測値および前記角速度の観測値とに基づき、前記回転角度の誤差および前記角速度の誤差を取得する誤差取得部と、前記誤差取得部により取得された前記回転角度の誤差および前記角速度の誤差に基づく補正値を前記非線形カルマンフィルタにフィードバックさせる補正部と、を備え、前記非線形カルマンフィルタにフィードバックされた前記補正値と、前記出力トルク推定部により推定された前記出力トルクの観測値とに基づき、前記非線形カルマンフィルタを用いて前記モータの前記出力トルクを推定する。

本発明によれば、推定精度の高いトルク推定装置を提供できる。

本発明に係る、電力変換装置の説明図である。 本発明の一実施形態に係る、トルク推定装置の図である。 図２のカルマンフィルタシステムのブロック図である。 図２のカルマンフィルタシステムの動作フローチャートである。

以下、図面を用いて本発明の一実施形態に係るトルク推定装置の構成について図１〜図３を用いて説明する。トルク推定方法は図４を用いて説明する。

（一実施形態およびトルク推定装置の構成）
図１は、本発明の一実施形態に係るトルク推定装置を含むモータ駆動装置の構成図である。

モータ駆動装置１は、バッテリ１０から供給される電力を用いてモータ６０を回転駆動させる装置であり、トルク推定装置２、インバータ制御装置３およびインバータ４を備えて構成される。モータ駆動装置１には、電流センサ３０と、位置センサ４０とが接続されている。

バッテリ１０は、モータ駆動装置１に電圧Vdの直流電力を供給している。モータ駆動装置１は、バッテリ１０から供給される直流電力を三相交流電力に変換し、モータ６０に出力する。電流センサ３０は、モータ駆動装置１から出力された三相交流電力の各相の電流値Iu、Iv、Iwを検出し、モータ駆動装置１にフィードバックする。位置センサ４０は、駆動したモータ６０の回転子の位置を表す回転角度の観測値θを検出し、検出した回転角度観測値θをモータ駆動装置１に出力する。

モータ駆動装置１において、トルク推定装置２は、バッテリ１０の電圧Vdと、電流センサ３０により検出された電流値Iu、Iv、Iwと、位置センサ４０により検出された回転角度観測値θとに基づき、モータ６０の出力トルクを推定する。トルク推定装置２は、その推定結果を、トルク推定値Neとしてインバータ制御装置３に出力する。

インバータ制御装置３は、トルク推定装置２により推定されたトルク推定値Neと、不図示の上位制御装置より入力されるトルク指令値N*とに基づき、モータ６０の出力トルクをトルク指令値N*に近づけるための電流指令値を算出し、算出した電流指令値に応じたゲート信号Gを生成する。

インバータ４は、三相の上下アームにそれぞれ対応するスイッチング素子を有しており、インバータ制御装置３により生成されたゲート信号Gに基づき、各スイッチング素子の切替状態を制御する。これにより、バッテリ１０から供給される直流電力が三相交流電力に変換され、モータ６０に出力される。

図２は本発明の一実施形態に係る、トルク推定装置の構成図である。

トルク推定装置２は、角速度算出部５０、回転角度取得部７０、出力トルク推定部８０、非線形カルマンフィルタ１００（以下カルマンフィルタ１００）、誤差取得部１１０、補正部１２０を有する。

回転角度取得部７０は、図１の位置センサ４０からモータ６０の回転角度観測値θを取得し、カルマンフィルタ１００および角速度算出部５０に出力する。角速度算出部５０は、回転角度取得部７０が取得した回転角度観測値θから回転子の角速度の観測値ωを算出し、算出した角速度観測値ωをカルマンフィルタ１００に出力する。

出力トルク推定部８０は、電流センサ３０からフィードバックされた電流値Iu、Iv、Iwと、バッテリ１０から供給される直流電力の電圧Vdと、位置センサ４０から入力される回転角度観測値θと、を取得する。出力トルク推定部８０は、電流値Iu、Iv、Iwに基づくインバータ４の出力電流とバッテリ１０の電圧Vdとを乗算するとともに、取得した回転角度観測値θに基づいてモータ６０の回転数を算出する。出力トルク推定部８０は、乗算した値を算出したモータ６０の回転数により除算することで、モータ６０の出力トルクの観測値Nを推定し、カルマンフィルタ１００に出力する。

カルマンフィルタ１００は、回転角度取得部７０、角速度算出部５０、出力トルク推定部８０からそれぞれ入力された回転角度観測値θ、角速度観測値ω、トルク観測値Nを、システムの状態初期値に応じた初期推定値として設定する。さらに、カルマンフィルタ１００は、取得した回転角度観測値θ、角速度観測値ωおよびトルク観測値Nに対して、補正部１２０からフィードバックされる回転角度補正値θrおよび角速度補正値ωrを用いたカルマンフィルタ演算を適用することにより、回転角度の推定値θeおよび角速度の推定値ωeを算出するとともに、トルク推定値Neを算出する。

カルマンフィルタ１００へのフィードバックされる補正値について説明する。誤差取得部１１０は、カルマンフィルタ１００で演算された回転角度推定値θeと回転角度取得部７０で取得された回転角度観測値θとの差分、および、カルマンフィルタ１００で演算された角速度推定値ωeと角速度算出部５０で算出された角速度観測値ωとの差分をそれぞれ算出することで、回転角の誤差Δθおよび角速度の誤差Δωを取得する。

補正部１２０は、誤差取得部１１０が取得した回転角誤差Δθおよび角速度誤差Δωに対して、システムの状態に応じたカルマンゲインをそれぞれ乗算し、算出した値を回転角度補正値θrおよび角速度補正値ωrとしてカルマンフィルタ１００にフィードバックする。

これにより、カルマンフィルタ１００がはじめに取得した回転角度と角速度とトルクの初期推定値が更新され、更新後のトルクがトルク推定値Neとして、トルク推定装置２からインバータ制御装置３に出力される。こうした処理を所定の演算周期で繰り返し実行することで、トルク推定値Neが逐次更新され、精度の高いトルク推定装置２が実現できる。

また、この方法で行うことで、たとえば、従来のモータ１回転（回転角度３６０度）でのトルク推定をしていた方法よりも、位置センサ４０の配置分、トルク推定の誤差を抑制することができ（例えば位置センサ４０が９０度ずつの配置であれば、誤差を１／４に抑えられる）、また出力トルクの推定をこの方法により逐次更新できるため、さらに推定精度を高められる。

従来技術と比較すると、従来は出力トルク推定部８０が行う動作によって得られた値だけを推定値として使用していたが、本発明ではこれにさらに回転数として挙動の検出が出来ない成分であるモータ６０の回転角度と角速度とを、カルマンフィルタ１００に与えている違いがある。

また、カルマンフィルタ１００の誤差計算および推定には、算出の都合上、誤差共分散が必要になるが、以下の数式によって定義づけられたシステムにおいて、サンプル点や接線による近似を行うことで、誤差共分散の値が求められる。これにより、回転角度、角速度の推定値θe、ωeを出力したり、次回の出力トルク推定値の更新時の計算に用いる値を算出したりする。定義づけ以外の詳細な計算方法については省略する。

なお、回転角度取得部７０が取得した回転角度観測値θと、角速度算出部５０が算出した角速度観測値ωと、出力トルク推定部８０が推定したトルク観測値Nは、数１に示す状態変数ｚとしてベクトルに変換される。この生成された状態変数ｚにより、カルマンフィルタ１００から次回の回転角度推定値θe、角速度推定値ωeおよびトルク推定値Neを推定することができる。また、出力ｙは、数２によって定義される。また、カルマンフィルタ１００において、図１のモータ駆動装置１とモータ６０からなるシステムは、数３の非線形状態方程式で表現される。なお、数１〜３において、ｋは時刻、ｖは状態に付随するシステム雑音、ｗは出力に付随する観測雑音である。

図３は、図２のカルマンフィルタシステムのブロック図である。

補正部１２０は、前述の誤差共分散を用いてカルマンゲイン１２１を算出する。そして、誤差補正部１２２において、誤差取得部１１０が取得した回転角誤差Δθおよび角速度誤差Δωに算出したカルマンゲイン１２１をそれぞれ乗算することで、回転角度補正値θrおよび角速度補正値ωrを算出し、カルマンフィルタ１００にフィードバックする。

カルマンフィルタ１００は、推定値更新部１０１において、入力された回転角度観測値θ、角速度観測値ωおよびトルク観測値Nと、システム状態に応じた非線形状態方程式とに基づき、周知の非線形カルマンフィルタ演算を行うことで、次回の回転角度と角速度の推定値（補正前の推定値）をそれぞれ算出するとともに、トルク推定値Neを算出する。

そして、算出した回転角度と角速度の推定値に、補正部１２０からフィードバックされた回転角度補正値θrおよび角速度補正値ωrをそれぞれ加算することで、これらの推定値を補正する。これにより、回転角度推定値θeおよび角速度推定値ωeが算出される。なお、図１に示すように、トルク推定値Neは、インバータ制御装置３に出力されてゲート信号Gの生成に用いられる。これを逐次実施することで、出力トルクを更新させて、トルク推定の誤差を抑制することができ、推定精度の高いトルク推定装置２を提供することができる。

（トルク推定方法）
図４は、図２のカルマンフィルタシステムの動作フローチャートである。

ステップＳ１では、カルマンフィルタ１００が、回転角度取得部７０、角速度算出部５０、出力トルク推定部８０から、回転角度観測値θ、角速度観測値ωおよびトルク観測値Nをそれぞれ取得する。

ステップＳ２では、カルマンフィルタ１００が、ステップＳ１で取得した回転角度観測値θ、角速度観測値ωおよびトルク観測値Nに基づいてカルマンフィルタ演算を実施し、それぞれの推定値（回転角度推定値θe、角速度推定値ωe、トルク推定値Ne）を算出する。

ステップＳ３では、誤差取得部１１０で、回転角度推定値θeと回転角度観測値θとの差分、および、角速度推定値ωeと角速度観測値ωとの差分を算出することで、回転角の誤差Δθおよび角速度の誤差Δωを取得する。

ステップＳ４では、ステップＳ３で算出した差分値である回転角の誤差Δθおよび角速度の誤差Δωに、誤差補正部１２２でカルマンゲイン１２１をそれぞれ乗算する。乗算した値である回転角度補正値θrおよび角速度補正値ωrを、カルマンフィルタ１００にフィードバックして、処理を終了する。これにより、次回のステップＳ２では、フィードバックされた回転角度補正値θrおよび角速度補正値ωrを用いたカルマンフィルタ演算を実施して、出力トルク推定値Neを算出できる。

以上の制御方法により、本発明の一実施形態が実現され、推定精度の高いトルク推定装置を提供できる。

以上説明した本発明の一実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

（１）インバータ４から出力される交流電流を用いて回転駆動するモータ６０の出力トルクを推定するトルク推定装置２は、インバータ４に入力される直流電力の電圧Ｖｄと、交流電流の電流値Iu,Iv,Iwとに基づいて、出力トルクの観測値を推定する出力トルク推定部８０と、モータ６０の回転角度の観測値θを取得する回転角度取得部７０と、回転角度取得部７０が取得した回転角度の観測値θからモータ６０の角速度の観測値ωを算出する角速度算出部５０と、回転角度の観測値θおよび角速度の観測値ωに基づいて非線形カルマンフィルタ１００により算出される回転角度の推定値θeおよび角速度の推定値ωeと、回転角度の観測値θおよび角速度の観測値ωとに基づき、回転角度の誤差Δθおよび角速度Δωの誤差を取得する誤差取得部１１０と、誤差取得部１１０により取得された回転角度の誤差Δθおよび角速度の誤差ωに基づく補正値θｒ、ωｒを非線形カルマンフィルタ１００にフィードバックさせる補正部１２０と、を備え、非線形カルマンフィルタ１００にフィードバックされた補正値１２０と、出力トルク推定部８０により推定された出力トルクの観測値Nと、に基づき、非線形カルマンフィルタ１００を用いてモータ６０の出力トルクを推定する。このようにしたので、推定精度の高いトルク推定装置を提供することができる。

（２）トルク推定装置２の出力トルク推定部８０は、電流値Iu,Iv,Iwに直流電力の電圧Ｖｄを乗じたものを、モータ６０の回転数により除算することで、出力トルクの観測値Nを推定する。このようにしたので、モータ６０の低回転の影響も考慮しつつ、より精度の高いトルク推定ができる。

（３）トルク推定装置２の回転角度取得部７０により取得された回転角度の観測値θと、角速度算出部５０により算出された角速度の観測値ωと、出力トルク推定部８０により推定された出力トルクの観測値Nとを、初期推定値とする非線形カルマンフィルタ１００を備える。このようにしたので、推定精度の高いトルク推定値算出および更新の準備が可能となる。

（４）トルク推定装置２の非線形カルマンフィルタ１００で生成される状態変数ｚにより、回転角度の推定値θeおよび角速度ωeの推定値を算出する。このようにしたので、カルマンフィルタ１００の性能を生かしたトルク推定ができる。

（５）トルク推定装置２の誤差取得部１１０は、回転角度の推定値θeと観測値θとの差分、および角速度の推定値ωeと観測値ωとの差分を算出することで、回転角度の誤差Δθおよび角速度の誤差Δωを取得する。このようにしたので、トルク推定値Neの算出精度を高めることができる。

（６）トルク推定装置２の補正部１２０は、回転角度の誤差Δθおよび角速度の誤差Δωに、インバータ４およびモータ６０を含むシステムの状態に応じたカルマンゲイン１２１をそれぞれ乗算することで、補正値θｒ、ωｒを算出する。このようにしたので、出力トルクの推定の更新に合わせて、補正値θｒ、ωｒも更新されるため、精度の高いトルク推定装置２が実現できる。

（７）トルク推定装置２の非線形カルマンフィルタ１００は、回転角度の観測値θおよび角速度の観測値ωに基づいて、回転角度と角速度の補正前の推定値θe、ωeをそれぞれ算出し、算出した各推定値θe、ωeに補正値θｒ、ωｒをそれぞれ加算することで、回転角度の推定値θeおよび角速度の推定値ωeを更新する。このようにしたので、より推定精度の高い出力トルク推定装置２を実現できる。

（８）トルク推定装置２の出力トルクの推定値Neは、インバータ４の制御を行うインバータ制御装置３に出力される。このようにしたので、精度の高い出力トルク推定値Neをモータ６０の制御に使用できる。

また、以上の本発明の一実施形態は以下の推定方法によって実現される。

（９）インバータ４から出力される交流電流を用いて回転駆動するモータ６０の出力トルクを推定するトルク推定方法であって、モータ６０の回転角度の観測値θと、回転角度の観測値θから算出された角速度の観測値ωと、出力トルクの観測値Nと、を取得するステップと、回転角度θ、角速度ωおよび出力トルクの観測値Nに基づいて、非線形カルマンフィルタ１００により、回転角度、角速度および出力トルクの推定値θe、ωe、Neを算出するステップと、回転角度および前記角速度の観測値θ、ωから、回転角度および角速度の推定値θe、ωeをそれぞれ減じた誤差の値を用いて補正値θr、ωrを算出し、補正値θr、ωrを非線形カルマンフィルタ１００にフィードバックするステップと、を備えるトルク推定方法を実施する。このようにしたので、推定精度の高いトルク推定装置２のシステムが実現できる。

なお、以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。また、発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、削除・他の構成に置換・他の構成の追加をすることが可能であり、その態様も本発明の範囲内に含まれる。

１ モータ駆動装置
２ トルク推定装置
３ インバータ制御装置
４ インバータ
１０ バッテリ
３０ 電流センサ
４０ 位置センサ
５０ 角速度算出部
６０ モータ
７０ 回転角度取得部
８０ 出力トルク推定部
１００ カルマンフィルタ
１０１ 推定値更新部
１１０ 誤差取得部
１２０ 補正部
１２１ カルマンゲイン
１２２ 誤差補正部

Claims (9)

1. インバータから出力される交流電流を用いて回転駆動するモータの出力トルクを推定するトルク推定装置であって、
   前記インバータに入力される直流電力の電圧と、前記交流電流の電流値とに基づいて、前記出力トルクの観測値を推定する出力トルク推定部と、
   前記モータの回転角度の観測値を取得する回転角度取得部と、
   前記回転角度取得部が取得した前記回転角度の観測値から前記モータの角速度の観測値を算出する角速度算出部と、
   前記回転角度の観測値および前記角速度の観測値に基づいて非線形カルマンフィルタにより算出される前記回転角度の推定値および前記角速度の推定値と、前記回転角度の観測値および前記角速度の観測値とに基づき、前記回転角度の誤差および前記角速度の誤差を取得する誤差取得部と、
   前記誤差取得部により取得された前記回転角度の誤差および前記角速度の誤差に基づく補正値を前記非線形カルマンフィルタにフィードバックさせる補正部と、を備え、
   前記非線形カルマンフィルタにフィードバックされた前記補正値と、前記出力トルク推定部により推定された前記出力トルクの観測値とに基づき、前記非線形カルマンフィルタを用いて前記モータの前記出力トルクを推定する
   トルク推定装置。
2. 請求項１に記載のトルク推定装置において、
   前記出力トルク推定部は、前記電流値に前記直流電力の電圧を乗じたものを、前記モータの回転数により除算することで、前記出力トルクの観測値を推定する
   トルク推定装置。
3. 請求項２に記載のトルク推定装置において、
   前記回転角度取得部により取得された前記回転角度の観測値と、前記角速度算出部により算出された前記角速度の観測値と、前記出力トルク推定部により推定された前記出力トルクの観測値とを、初期推定値とする前記非線形カルマンフィルタを備える
   トルク推定装置。
4. 請求項３に記載のトルク推定装置において、
   前記非線形カルマンフィルタで生成される状態変数により、前記回転角度の推定値および前記角速度の推定値を算出する
   トルク推定装置。
5. 請求項４に記載のトルク推定装置において、
   前記誤差取得部は、前記回転角度の推定値と観測値との差分、および前記角速度の推定値と観測値との差分を算出することで、前記回転角度の誤差および前記角速度の誤差を取得する
   トルク推定装置。
6. 請求項５に記載のトルク推定装置において、
   前記補正部は、前記回転角度の誤差および前記角速度の誤差に、前記インバータおよび前記モータを含むシステムの状態に応じたカルマンゲインをそれぞれ乗算することで、前記補正値を算出する
   トルク推定装置。
7. 請求項６に記載のトルク推定装置において、
   前記非線形カルマンフィルタは、前記回転角度の観測値および前記角速度の観測値に基づいて、前記回転角度と前記角速度の補正前の推定値をそれぞれ算出し、算出した各推定値に前記補正値をそれぞれ加算することで、前記回転角度の推定値および前記角速度の推定値を更新する
   トルク推定装置。
8. 請求項７に記載のトルク推定装置において、
   前記出力トルクの推定値は、前記インバータの制御を行うインバータ制御装置に出力される
   トルク推定装置。
9. インバータから出力される交流電流を用いて回転駆動するモータの出力トルクを推定するトルク推定方法であって、
   前記モータの回転角度の観測値と、前記回転角度の観測値から算出された角速度の観測値と、前記出力トルクの観測値と、を取得するステップと、
   前記回転角度、前記角速度および前記出力トルクの観測値に基づいて、非線形カルマンフィルタにより、前記回転角度、前記角速度および前記出力トルクの推定値を算出するステップと、
   前記回転角度および前記角速度の観測値から、前記回転角度および前記角速度の推定値をそれぞれ減じた誤差の値を用いて補正値を算出し、前記補正値を前記非線形カルマンフィルタにフィードバックするステップと、
   を備えるトルク推定方法。

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