JP2022002433A - Motor controller, starting method of motor and image forming device - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、モーター制御装置、モーターの起動方法、および画像形成装置に関し、特にセンサレス方式のブラシレスDCモーター(永久磁石同期モーターとも称する)の制御に関するものである。 The present disclosure relates to a motor control device, a method of starting a motor, and an image forming device, and particularly to control of a sensorless brushless DC motor (also referred to as a permanent magnet synchronous motor).
センサレス方式のブラシレスDCモーターの制御では、巻線抵抗値および鎖交磁束値などのモーター定数を使用して磁極位置を推定することにより、モーターに印加する電圧を調整する。このとき、周囲温度の変化およびモーターの駆動による発熱によって巻線温度および磁石温度が変化するために、磁極位置の計算に必要な巻線抵抗値および鎖交磁束値などのモーター定数の値も変化する。したがって、モーター定数の値を当初の値のまま変化させずに磁極位置を推定すると、実際のモーター定数の値とずれが生じるために、モーター効率が低下したり、脱調を生じたりする。 In the control of a sensorless brushless DC motor, the voltage applied to the motor is adjusted by estimating the magnetic pole position using motor constants such as winding resistance value and interlinkage magnetic flux value. At this time, since the winding temperature and magnet temperature change due to changes in the ambient temperature and heat generated by driving the motor, the values of the motor constants such as the winding resistance value and the interlinkage magnetic flux value required for calculating the magnetic pole position also change. do. Therefore, if the magnetic pole position is estimated without changing the value of the motor constant as the initial value, the motor efficiency may decrease or step-out may occur because the value deviates from the actual motor constant value.
特開2018−11403号公報(特許文献1)は、巻線抵抗の測定値に基づいて、鎖交磁束を示すパラメーター値を補正するパラメーター補正処理の一例を開示する。具体的に、まず、巻線抵抗の抵抗値が、検出されたU相電流およびV相電流の値と当該電流に対応する電圧指令値に基づいて求められる。次に、巻線抵抗の抵抗値に基づいて巻線温度が推定され、巻線温度に基づいて磁石温度が推定される。そして、磁石温度に基づいて鎖交磁束の値が推定される(段落[0062]〜[0067]を参照)。 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2018-11403 (Patent Document 1) discloses an example of a parameter correction process for correcting a parameter value indicating an interlinkage magnetic flux based on a measured value of winding resistance. Specifically, first, the resistance value of the winding resistance is obtained based on the detected U-phase current and V-phase current values and the voltage command value corresponding to the current. Next, the winding temperature is estimated based on the resistance value of the winding resistance, and the magnet temperature is estimated based on the winding temperature. Then, the value of the interlinkage magnetic flux is estimated based on the magnet temperature (see paragraphs [0062] to [0067]).
さらに、上記の文献によれば、モーター制御装置は、起動指令が上位制御装置から与えられたときに、パラメーター補正処理を実行する。パラメーター補正処理においてパラメーター値(鎖交磁束φh、巻線抵抗値Rh)が補正された後に、モーター制御装置は、センサレス制御を開始する(段落[0085],[0086]を参照)。 Further, according to the above document, the motor control device executes the parameter correction process when the start command is given by the host control device. After the parameter values (interlinkage magnetic flux φh, winding resistance value Rh) are corrected in the parameter correction process, the motor control device starts sensorless control (see paragraphs [805] and [0086]).
モーターの起動前にモーター定数を補正するためにモーターのステーター巻線に電流を流すと、その電流によって生じるトルクによってローターが回転駆動される場合がある。特に、慣性が小さいインナーローター型のブラシレスDCモーターの場合にはローターが回転駆動されやすい。この場合、以下のような問題が生じる。 If a current is passed through the stator windings of the motor to correct the motor constant before the motor is started, the torque generated by the current may drive the rotor to rotate. In particular, in the case of an inner rotor type brushless DC motor having a small inertia, the rotor is likely to be rotationally driven. In this case, the following problems occur.
まず、モーターの起動時にローターの磁極の初期位置を推定した後に、巻線抵抗の測定のためにステーター巻線に電流を流す場合には、ローターの回転によって初期磁極位置に誤差が生じる。さらに、モーターの起動時にローターの初速度が0でない場合には起動直後に速度偏差が生じる。この速度偏差を補正するために、モーター制御装置は、ローターを逆回転方向に駆動しようとするので、モーターが発振状態に陥ることがある。以上の原因により、しばしばモーターが脱調する。 First, when the initial position of the magnetic pole of the rotor is estimated at the time of starting the motor and then a current is passed through the stator winding for measuring the winding resistance, an error occurs in the initial magnetic pole position due to the rotation of the rotor. Further, if the initial speed of the rotor is not 0 when the motor is started, a speed deviation occurs immediately after the start. In order to correct this speed deviation, the motor control device tries to drive the rotor in the reverse rotation direction, so that the motor may fall into an oscillating state. Due to the above causes, the motor often goes out of step.
この開示は、上記の問題点を考慮してなされたものである。この開示の目的の一つは、センサレス方式のブラシレスDCモーターの起動時に、モーターの脱調を抑制することが可能なモーター制御装置を提供することである。 This disclosure has been made in consideration of the above problems. One of the objects of this disclosure is to provide a motor control device capable of suppressing step-out of a motor when a sensorless brushless DC motor is started.
一実施形態のモーター制御装置は、センサレス方式のモーターを制御するモーター制御装置である。モーター制御装置は、モーターのステーター巻線に電圧を印加する駆動回路と、駆動回路をベクトル制御方式によって制御する制御部とを備える。制御部は、モーターの起動時に、モーターの駆動履歴に基づいてステーター巻線の抵抗値を含むモーターパラメーターの値を推定し、推定したモーターパラメーターに基づいてモーターを起動する。 The motor control device of one embodiment is a motor control device that controls a sensorless type motor. The motor control device includes a drive circuit that applies a voltage to the stator windings of the motor, and a control unit that controls the drive circuit by a vector control method. When the motor is started, the control unit estimates the value of the motor parameter including the resistance value of the stator winding based on the drive history of the motor, and starts the motor based on the estimated motor parameter.
上記の実施形態によれば、モーターの起動時に、モーターの駆動履歴に基づいてステーター巻線の抵抗値を含むモーターパラメーターの値を推定し、推定したモーターパラメーターに基づいてモーターを起動することによって、モーターの脱調を抑制できる。 According to the above embodiment, when the motor is started, the value of the motor parameter including the resistance value of the stator winding is estimated based on the drive history of the motor, and the motor is started based on the estimated motor parameter. It is possible to suppress the step-out of the motor.
以下、各実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。以下の説明において、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰り返さない場合がある。また、以下の説明において乗算記号を「・」または「×」で表す。 Hereinafter, each embodiment will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, the same or corresponding parts may be designated by the same reference numerals and the description may not be repeated. Further, in the following description, the multiplication symbol is represented by "・" or "×".
<実施の形態1>
[モーター制御装置の全体構成]
図1は、モーター制御装置の全体構成を示すブロック図である。モーター制御装置10は、センサレス方式の3相ブラシレスDCモーター(BLDCM:Brushless DC Motor)30を駆動制御する。図1に示すように、モーター制御装置10は、駆動回路40と、センサレスベクトル制御回路50と、上位制御回路70とを含む。センサレス方式であるため、ローターの回転位置を検出するためのホール素子またはエンコーダーは備えられていない。
<
[Overall configuration of motor control device]
FIG. 1 is a block diagram showing an overall configuration of a motor control device. The
駆動回路40は、PWM(Pulse Width Modulation)制御方式のインバーター回路であり、直流駆動電圧DVを3相交流電圧に変換して出力する。具体的に、駆動回路40は、センサレスベクトル制御回路50から受けたPWM信号であるインバーター駆動信号U+,U−,V+,V−,W+,W−に基づいて、ブラシレスDCモーター30にU相電圧UM、V相電圧VM、W相電圧WMを供給する。駆動回路40は、インバーター回路41と、U相電流検出回路43Uと、V相電流検出回路43Vと、プリドライブ回路44とを含む。
The
インバーター回路41は、U相アーム回路42Uと、V相アーム回路42Vと、W相アーム回路42Wとを含む。これらのアーム回路42U,42V,42Wは、直流駆動電圧DVが与えられたノードと、接地電圧GNDが与えられたノードとの間に互いに並列に接続される。以下、記載を簡潔にするため、直流駆動電圧DVが与えられたノードを駆動電圧ノードDVと記載し、接地電圧GNDが与えられたノードを接地ノードGNDと記載する場合がある。
The
U相アーム回路42Uは、互いに直列に接続された高電位側のU相トランジスタFU+および低電位側のU相トランジスタFU−を含む。U相トランジスタFU+およびFU−の接続ノードNuは、ブラシレスDCモーター30のU相巻線31Uの一端と接続される。U相巻線31Uの他端は中性点32に接続される。
The
なお、図1に示すように、ブラシレスDCモーター30のU相巻線31U、V相巻線31V、およびW相巻線31Wの結線はスター結線である。この明細書では、U相巻線31U、V相巻線31V、およびW相巻線31Wを総称して、ステーター巻線31と称する。
As shown in FIG. 1, the connection of the U-phase winding 31U, the V-phase winding 31V, and the W-phase winding 31W of the
同様に、V相アーム回路42Vは、互いに直列に接続された高電位側のV相トランジスタFV+および低電位側のV相トランジスタFV−を含む。V相トランジスタFV+およびFV−の接続ノードNvは、ブラシレスDCモーター30のV相巻線31Vの一端と接続される。V相巻線31Vの他端は中性点32に接続される。
Similarly, the V-
同様に、W相アーム回路42Wは、互いに直列に接続された高電位側のW相トランジスタFW+および低電位側のW相トランジスタFW−を含む。W相トランジスタFW+およびFW−の接続ノードNwは、ブラシレスDCモーター30のW相巻線31Wの一端と接続される。W相巻線31Wの他端は中性点32に接続される。
Similarly, the W-
U相電流検出回路43UおよびV相電流検出回路43Vは、2シャント方式でモーター電流を検出するための回路である。具体的に、U相電流検出回路43Uは、低電位側のU相トランジスタFU−と接地ノードGNDとの間に接続される。V相電流検出回路43Vは、低電位側のV相トランジスタFV−と接地ノードGNDとの間に接続される。
The U-phase
U相電流検出回路43UおよびV相電流検出回路43Vは、シャント抵抗を含む。シャント抵抗の抵抗値は1/10Ωオーダーの小さい値である。このため、U相電流検出回路43Uによって検出されたU相電流Iuを表す信号およびV相電流検出回路43Vによって検出されたV相電流Ivを表す信号は、アンプ(不図示)によって増幅される。その後、U相電流Iuを表す信号およびV相電流Ivを表す信号は、AD(Analog-to-Digital)変換器(不図示)によってAD変換されてから、センサレスベクトル制御回路50に取り込まれる。
The U-phase
W相電流Iwは、U相電流IuとV相電流Ivとからキルヒホッフの電流則、すなわち、Iw=−Iu−Ivから求めることができるので、検出する必要はない。より一般的には、U相電流Iu、V相電流Iv、およびW相電流Iwのうち、いずれか2相の電流を検出すればよく、他の1相の電流値は検出した2相の電流値から計算することができる。 The W-phase current Iw can be obtained from Kirchhoff's current law, that is, Iw = -Iu-Iv, from the U-phase current Iu and the V-phase current Iv, and therefore does not need to be detected. More generally, the current of any two of the U-phase current Iu, the V-phase current Iv, and the W-phase current Iw may be detected, and the current value of the other one phase is the detected two-phase current. It can be calculated from the value.
プリドライブ回路44は、センサレスベクトル制御回路50から受けたPWM信号であるインバーター駆動信号U+,U−,V+,V−,W+,W−を増幅して、トランジスタFU+,FU−,FV+,FV−,FW+,FW−のゲートにそれぞれ出力する。
The
トランジスタFU+,FU−,FV+,FV−,FW+,FW−の種類は特に限定されない。たとえば、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)であってもよいし、バイポーラトランジスタであってもよいし、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であってもよい。 The types of transistors FU +, FU−, FV +, FV−, FW +, and FW− are not particularly limited. For example, it may be a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), a bipolar transistor, or an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
センサレスベクトル制御回路50は、ブラシレスDCモーター30をベクトル制御するための回路であり、インバーター駆動信号U+,U−,V+,V−,W+,W−を生成して駆動回路40に供給する。さらに、センサレスベクトル制御回路50は、ブラシレスDCモーター30を起動させる際には、静止状態にあるローターの磁極の初期位置をインダクティブセンス方式によって推定する。
The sensorless
センサレスベクトル制御回路50は、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)などの専用回路として構成されていてもよいし、FPGA(Field Programmable Gate Array)および/またはマイクロコンピュータなどを利用してその機能を実現するように構成されていてもよい。
The sensorless
上位制御回路70は、CPU(Central Processing Unit)およびメモリなどを備えたコンピュータをベースに構成される。上位制御回路70は、センサレスベクトル制御回路50に起動指令、停止指令、および速度指令値などを出力する。
The
なお、上記と異なり、センサレスベクトル制御回路50および上位制御回路70が1つの制御回路としてASICまたはFPGAなどによって構成されていてもよい。この開示では、駆動回路40を制御する主体を総称して制御部20と称する。制御部20は、センサレスベクトル制御回路50に対応すると考えてもよいし、センサレスベクトル制御回路50と上位制御回路70とを組み合わせた全体と考えてもよい。また、制御部20は、ASICなどの専用回路によって構成されていてもよいし、FPGAまたはマイクロコンピュータなどによって構成されていてもよいし、それらのうちのいくつかを組み合わせて構成されていてもよい。
Unlike the above, the sensorless
[センサレスベクトル制御方式の座標軸について]
図2は、センサレスベクトル制御における交流電流および磁極位置を表示するための座標軸について説明するための図である。角度は、駆動回路40の出力電圧および出力電流の位相である電気角で表示される。
[About the axis of the sensorless vector control method]
FIG. 2 is a diagram for explaining a coordinate axis for displaying an alternating current and a magnetic pole position in sensorless vector control. The angle is expressed by an electric angle which is a phase of the output voltage and the output current of the
図2を参照して、ベクトル制御では、3相ブラシレスDCモーター30のステーター巻線31に流れる3相交流(U相、V相、W相)を、ローターの永久磁石と同期して回転する2相の成分に変数変換する。具体的に、ローター35の磁極の方向をd軸とし、d軸から電気角で90°位相が進んだ方向をq軸とする。さらに、U相座標軸からのd軸の角度(電気角)をθと定義する。
With reference to FIG. 2, in vector control, the three-phase alternating current (U-phase, V-phase, W-phase) flowing through the stator winding 31 of the three-phase
ここで、ローターの回転角度を検出する位置センサーを持たない制御方式である、センサレスベクトル制御方式の場合には、ローターの回転角度を表す位置情報を何らかの方法で推定する必要がある。推定された磁極方向をγ軸とし、γ軸から電気角で90°位相が進んだ方向をδ軸とする。U相座標軸からのγ軸の角度(電気角)をθMとする。θに対するθMの遅れを、Δθと定義する。 Here, in the case of the sensorless vector control method, which is a control method that does not have a position sensor for detecting the rotation angle of the rotor, it is necessary to estimate the position information representing the rotation angle of the rotor by some method. The estimated magnetic pole direction is defined as the γ axis, and the direction in which the phase advances by 90 ° in electrical angle from the γ axis is defined as the δ axis. Let θ M be the angle (electrical angle) of the γ axis from the U phase coordinate axis. The delay of θ M with respect to θ is defined as Δθ.
モーターを起動させる際に、インダクティブセンス方式で静止状態にあるローターの磁極の初期位置を推定するときにも、図2の座標軸が用いられる。この場合、ローターの磁極の真の位置を電気角θで表す。磁極の初期位置を推定するために、ステーター巻線31に流す電流の電気角(通電角度または電圧印加角度とも称する)をθMで表す。 The coordinate axes of FIG. 2 are also used when estimating the initial position of the magnetic poles of the rotor in a stationary state by the inductive sense method when starting the motor. In this case, the true position of the magnetic poles of the rotor is represented by the electrical angle θ. In order to estimate the initial position of the magnetic pole, the electric angle (also referred to as energization angle or voltage application angle) of the current flowing through the stator winding 31 is represented by θ M.
ここで、インダクティブセンス方式は、ローターが回転しないレベルの電圧を複数の電気角でステーター巻線に印加したとき、ローターの磁極位置とステーター巻線による電流磁界との位置関係に応じて、実効的なインダクタンスが微妙に変化する性質を利用している。具体的に、ローターの磁極の方向に対応するd軸方向にステーター電流を流した場合には、ローターの永久磁石による磁束と電流による磁束とが加算される。これにより、磁気飽和が生じるためにインダクタンスが低下し、インダクタンスの低下をステーター電流の変化によって検出することができる。また、永久磁石埋め込み型(IPM:Interior Permanent Magnet)モーターの場合には、q軸方向のインダクタンスがd軸方向のインダクタンスよりも大きくなる突極性が生じる。したがって、この場合には、磁気飽和が生じなくも、d軸電流の場合に実効的なインダクタンスが低下する。 Here, the inductance method is effective when a voltage at a level at which the rotor does not rotate is applied to the stator windings at a plurality of electric angles, depending on the positional relationship between the magnetic pole position of the rotor and the current magnetic field due to the stator windings. It utilizes the property that the small inductance changes slightly. Specifically, when the stator current is passed in the d-axis direction corresponding to the direction of the magnetic poles of the rotor, the magnetic flux due to the permanent magnet of the rotor and the magnetic flux due to the current are added. As a result, the inductance decreases due to the occurrence of magnetic saturation, and the decrease in inductance can be detected by the change in the stator current. Further, in the case of a permanent magnet embedded type (IPM: Interior Permanent Magnet) motor, a salient polarity is generated in which the inductance in the q-axis direction is larger than the inductance in the d-axis direction. Therefore, in this case, even if magnetic saturation does not occur, the effective inductance decreases in the case of d-axis current.
[センサレスベクトル制御回路の構成]
図3は、センサレスベクトル制御回路の構成および動作の一例を示す機能ブロック図である。図3を参照して、センサレスベクトル制御回路50は、座標変換部55と、回転速度制御部51と、電流制御部52と、座標変換部53と、PWM変換部54と、磁極位置推定部56と、初期位置推定部57と、接続切替スイッチ58,59と、パラメーター補正部60と、不揮発性メモリによって構成された記憶部61とを含む。
[Configuration of sensorless vector control circuit]
FIG. 3 is a functional block diagram showing an example of the configuration and operation of the sensorless vector control circuit. With reference to FIG. 3, the sensorless
図3を参照して、モーター運転中の場合には、接続切替スイッチ58がT1側に切り替えられることによって、電流制御部52と座標変換部53とが接続される。さらに、接続切替スイッチ59がT3側に切り替えられることによって、座標変換部55と磁極位置推定部56とが接続される。一方、モーター停止中におけるローターの初期磁極位置の推定時には、接続切替スイッチ58がT2側に切り替えられることによって、初期位置推定部57と座標変換部53とが接続される。さらに、接続切替スイッチ59がT4側に切り替えられることによって、座標変換部55と初期位置推定部57とが接続される。
With reference to FIG. 3, when the motor is in operation, the
なお、接続切替スイッチ58,59については、機能的構成として示したものであり、具体的な構成を限定するものではない。たとえば、接続切替スイッチ58,59の切替え機能を、半導体スイッチなどのハードウェアによって実現してもよいし、ソフトウェアによって実現してもよい。 The connection changeover switches 58 and 59 are shown as functional configurations, and the specific configuration is not limited. For example, the switching function of the connection changeover switches 58 and 59 may be realized by hardware such as a semiconductor switch or by software.
以下では、まず、モーター運転中におけるセンサレスベクトル制御回路50の動作について説明する。次に、静止状態にあるローターの磁極の初期位置推定について説明する。その次に、センサレスベクトル制御において用いられるパラメーターである、巻線抵抗値Rhおよび鎖交磁束値φhの補正について説明する。
Hereinafter, the operation of the sensorless
[モーター運転中におけるセンサレスベクトル制御]
モーター運転中に、座標変換部55は、駆動回路40のU相電流検出回路43Uで検出されたU相電流Iuと、V相電流検出回路43Vで検出されたV相電流Ivとを表す信号を受け取る。座標変換部55は、U相電流IuとV相電流IvとからW相電流Iwを計算する。そして、座標変換部55は、U相電流Iu、V相電流Iv、およびW相電流Iwを座標変換することによって、γ軸電流Iγとδ軸電流Iδとを生成する。
[Sensorless vector control during motor operation]
During the motor operation, the coordinate
具体的にはまず、座標変換部55は、Clarke変換に従って、U相、V相、W相の3相電流をα軸電流Iαおよびβ軸電流Iβの2相電流に変換する。次に、座標変換部55は、Park変換に従って、α軸電流Iαおよびβ軸電流Iβを回転座標系であるγ軸電流Iγおよびδ軸電流Iδに変換する。Park変換では、磁極位置推定部56によって推定された磁極方向の電気角θM、すなわち、U相座標軸からのγ軸の角度が用いられる。座標変換部55は、接続切替スイッチ59を介して、磁極位置推定部56から推定磁極位置θMの情報を受け取る。
Specifically, first, the coordinate
回転速度制御部51は、上位制御回路70から起動命令、停止命令、および目標回転速度Nf*を受け取る。目標電気角速度ω*は、極対数Npを用いて、2π×Np×Nf*によって計算できる。回転速度制御部51は、目標電気角速度ω*と、磁極位置推定部56によって推定されたローター35の電気角速度ωMとから、たとえば、PI制御(比例・積分制御)またはPID制御(比例・積分・微分制御)などにより、ブラシレスDCモーター30へのγ軸電流指令値Iγ*およびδ軸電流指令値Iδ*を決定する。
The rotation
電流制御部52は、回転速度制御部51から与えられたγ軸電流指令値Iγ*およびδ軸電流指令値Iδ*と、座標変換部55から与えられた現時点のγ軸電流Iγおよびδ軸電流Iδとから、たとえば、PI制御またはPID制御などにより、γ軸電圧指令値Vγ*およびδ軸電圧指令値Vδ*を決定する。
The
座標変換部53は、電流制御部52からγ軸電圧指令値Vγ*およびδ軸電圧指令値Vδ*を受け取る。座標変換部53と電流制御部52とは、接続切替スイッチ58を介して接続される。座標変換部53は、γ軸電圧指令値Vγ*およびδ軸電圧指令値Vδ*を座標変換することにより、U相電圧指令値Vu*、V相電圧指令値Vv*、およびW相電圧指令値Vw*を生成する。
The coordinate
具体的にはまず、座標変換部53は、逆Park変換に従って、γ軸電圧指令値Vγ*およびδ軸電圧指令値Vδ*を、α軸電圧指令値Vα*およびβ軸電圧指令値Vβ*に変換する。逆Park変換では、磁極位置推定部56によって推定された磁極方向の電気角θM、すなわち、U相座標軸からのγ軸の角度が用いられる。次に、座標変換部53は、逆Clarke変換に従って、α軸電圧指令値Vα*およびβ軸電圧指令値Vβ*を、3相のU相電圧指令値Vu*、V相電圧指令値Vv*、およびW相電圧指令値Vw*に変換する。なお、α,βの2相からU,V,Wの3相への変換は、逆Clarke変換に代えて空間ベクトル変換を用いることもできる。
Specifically, first, the coordinate
PWM変換部54は、U相電圧指令値Vu*、V相電圧指令値Vv*、およびW相電圧指令値Vw*に基づいて、トランジスタFU+,FU−,FV+,FV−,FW+,FW−のゲートをそれぞれ駆動するためのPWM信号であるインバーター駆動信号U+,U−,V+,V−,W+,W−を生成する。
The
磁極位置推定部56は、γ軸電流Iγおよびδ軸電流Iδとγ軸電圧指令値Vγ*およびδ軸電圧指令値Vδ*とから、ローター35の現時点の電気角速度ωMと、磁極位置を表す電気角θMとを推定する。具体的に、磁極位置推定部56は、γ軸誘起電圧を0にするような電気角速度ωMを算出し、電気角速度ωMから磁極位置を表す電気角θMを推定する。磁極位置推定部56は、推定した電気角速度ωMを上位制御回路70に出力するとともに回転速度制御部51に出力する。また、磁極位置推定部56は、推定した磁極位置を表す電気角θMの情報を、座標変換部53,55に出力する。
The magnetic pole position estimation unit 56 represents the current electric angular velocity ω M of the
[静止状態にあるローターの磁極の初期位置推定]
上述した磁極位置推定部56は、ステーター巻線31に生じる誘起電圧を利用したものであるので、ローターが静止しているときには使用することができない。このため、磁極位置推定部56に代えて、インダクティブセンス方式でローター35の磁極の初期位置を推定する初期位置推定部57が用いられる。
[Estimation of the initial position of the magnetic poles of the rotor in the stationary state]
Since the magnetic pole
ここで、インダクティブセンス方式では、複数の通電角度を順次変更しながらステーター巻線31に連続的またはPWMによって間欠的に定電圧を印加し、通電角度ごとにステーター巻線31に流れる電流の変化が検出される。ここで、ステーター巻線31への通電時間および印加電圧の大きさは、ローター35が回転しないレベルに設定される。ただし、通電時間が短すぎたり、印加電圧の大きさが小さすぎたりすると、磁極の初期位置を検出できなくなるので注意が必要である。
Here, in the inductive sense method, a constant voltage is continuously or intermittently applied to the stator winding 31 while sequentially changing a plurality of energization angles, and the change in the current flowing through the stator winding 31 changes for each energization angle. Detected. Here, the energization time to the stator winding 31 and the magnitude of the applied voltage are set to a level at which the
具体的にローターの磁極の方向を検知するためにしばしば用いられる手法は、通電角度ごとの通電時間および印加電圧の指令値(具体的にはγ軸電圧の指令値)を一定にして、通電時間内でのγ軸電流のピーク値を検出し、最大のピーク値が得られた通電角度(すなわち、実効的なインダクタンスが最小となる通電角度)が磁極の方向であると判定するものである。 Specifically, the method often used to detect the direction of the magnetic poles of the rotor is to keep the energization time for each energization angle and the command value of the applied voltage (specifically, the command value of the γ-axis voltage) constant, and energize time. The peak value of the γ-axis current is detected, and it is determined that the energization angle at which the maximum peak value is obtained (that is, the energization angle at which the effective inductance is minimized) is the direction of the magnetic pole.
図3を参照して、ローター35の初期磁極位置を推定する際には、接続切替スイッチ58がT2側に切り替えられることによって、初期位置推定部57と座標変換部53とが接続される。さらに、接続切替スイッチ59がT4側に切り替えられることによって、座標変換部55と初期位置推定部57とが接続される。この場合、センサレスベクトル制御回路50の構成要素のうち、初期位置推定部57と、座標変換部53と、PWM変換部54と、座標変換部55とが用いられる。
When estimating the initial magnetic pole position of the
初期位置推定部57は、γ軸電圧指令値Vγ*の大きさ、ステーター巻線31に印加する各相電圧の電気角θM(通電角度θMとも称する)、および通電時間を設定する。初期位置推定部57は、δ軸電圧指令値Vδ*を0に設定する。
The initial
γ軸電圧指令値Vγ*の大きさおよび通電時間は、ローター35を回転させない範囲で十分なSN比のγ軸電流Iγが得られるような大きさに設定される。電気角θMは、0度から360度の範囲で複数の角度に設定される。たとえば、初期位置推定部57は、電気角θMを30度刻みで0度から330度まで変化させる。
The magnitude of the γ-axis voltage command value Vγ * and the energization time are set to such a magnitude that a γ-axis current Iγ having a sufficient SN ratio can be obtained within a range in which the
座標変換部53は、γ軸電圧指令値Vγ*およびδ軸電圧指令値Vδ*(=0)を座標変換することにより、U相電圧指令値Vu*、V相電圧指令値Vv*、およびW相電圧指令値Vw*を生成する。この座標変換には、たとえば、前述の逆Park変換および逆Clarke変換が用いられる。
The coordinate
図4は、U相電圧指令値、V相電圧指令値、およびW相電圧指令値と電気角との関係を示す図である。図4では、電圧指令値の振幅を1に規格化している。図4に示すように、U相電圧指令値Vu*、V相電圧指令値Vv*、およびW相電圧指令値Vw*は、任意のθMに対して定めることができる。たとえば、θM=0°のとき、Vu*=1、Vv*=Vw*=−0.5である。θM=30°のとき、Vu*=(√3)/2、Vv*=0、Vw*=−(√3)/2である。 FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the U-phase voltage command value, the V-phase voltage command value, and the W-phase voltage command value and the electric angle. In FIG. 4, the amplitude of the voltage command value is standardized to 1. As shown in FIG. 4, the U-phase voltage command value Vu *, the V-phase voltage command value Vv *, and the W-phase voltage command value Vw * can be set for any θ M. For example, when θ M = 0 °, Vu * = 1 and Vv * = Vw * = −0.5. When θ M = 30 °, Vu * = (√3) / 2, Vv * = 0, Vw * = − (√3) / 2.
再び図3を参照して、PWM変換部54は、U相電圧指令値Vu*、V相電圧指令値Vv*、およびW相電圧指令値Vw*に基づいて、トランジスタFU+,FU−,FV+,FV−,FW+,FW−のゲートをそれぞれ駆動するためのPWM信号であるインバーター駆動信号U+,U−,V+,V−,W+,W−を生成する。
With reference to FIG. 3 again, the
生成されたインバーター駆動信号U+,U−,V+,V−,W+,W−に従って、駆動回路40は、ブラシレスDCモーター30のU相巻線31U、V相巻線31V、およびW相巻線31WにU相電圧UM、V相電圧VM、W相電圧WMを供給する。インバーター駆動信号のパルスの総数は、設定された通電時間に対応している。駆動回路40に設けられたU相電流検出回路43UおよびV相電流検出回路43Vは、U相電流IuおよびV相電流Ivをそれぞれ検出する。検出されたU相電流IuおよびV相電流Ivを表す信号は、座標変換部55に入力される。
According to the generated inverter drive signals U +, U−, V +, V−, W +, W−, the
座標変換部55は、U相電流IuとV相電流IvとからW相電流Iwを計算する。そして、座標変換部55は、U相電流Iu、V相電流Iv、およびW相電流Iwを座標変換することによって、γ軸電流Iγとδ軸電流Iδとを生成する。この座標変換には、前述のClarke変換およびPark変換が用いられる。ここで、γ軸電流Iγは通電角度と同じ電気角を有する電流成分に相当し、δ軸電流Iδは通電角度と90度だけ電気角が異なる電流成分に相当する。
The coordinate
初期位置推定部57は、ローターの永久磁石の位置に応じたγ軸電流Iγの大きさの変化に基づいて初期磁極位置θ(電気角)を推定する。たとえば、初期位置推定部57は、γ軸電流Iγがピーク値を有するときの電気角θMを初期磁極位置とする。
The initial
[パラメーター補正部60の動作]
次に、巻線抵抗値Rhおよび鎖交磁束値φhの補正について説明する。これらのモーターパラメーター(モーター定数とも称する)は、ブラシレスDCモーター30に対してセンサレスベクトル制御を実行する際に用いられる。モーター定数は、モーターの運転中にローターの位置および回転速度の演算周期ごとに補正されるとともに、モーターを起動する直前に補正される。モーター定数の補正演算には、ブラシレスDCモーター30の駆動履歴および演算に必要となるパラメーターなどの補正情報が用いられる。これらの駆動履歴および補正情報は、たとえば、不揮発性メモリとしての記憶部61に格納される。
[Operation of parameter correction unit 60]
Next, the correction of the winding resistance value Rh and the interlinkage magnetic flux value φh will be described. These motor parameters (also referred to as motor constants) are used when performing sensorless vector control on the
図3に示すようにパラメーター補正部60は、モーターの運転中には、電圧指令値Vγ*およびVδ*と、当該電圧指令値に対応するγ軸電流Iγおよびδ軸電流Iδ(U相電流IuおよびV相電流Ivの検出値に基づく)とから、巻線抵抗値Rhを計算する。パラメーター補正部60は、算出した巻線抵抗値Rhに基づいて鎖交磁束値φhの補正値を推定する。推定方法の詳細は、図6を参照して後述する。
As shown in FIG. 3, during operation of the motor, the
一方、パラメーター補正部60は、モーターの起動時には、ブラシレスDCモーター30の駆動履歴に基づいて、巻線抵抗値Rhおよび鎖交磁束値φhを推定する。推定方法の詳細は、図7および図8を参照して後述する。このように、モーターの起動時には、巻線抵抗の測定のためにステーター巻線31に電流を流さないようにすることによって、ローターの不要な回転を防止できる。
On the other hand, when the motor is started, the
[ブラシレスDCモーター30の制御手順]
以下、センサレスベクトル制御回路50によるブラシレスDCモーター30の制御手順について簡単に説明する。
[Control procedure for brushless DC motor 30]
Hereinafter, the control procedure of the
図5は、あるジョブでのブラシレスDCモーターの制御手順を示すフローチャートである。図5に示すジョブは、図1および図3に示す上位制御回路70からの指令に従って実行される。
FIG. 5 is a flowchart showing a control procedure of a brushless DC motor in a certain job. The job shown in FIG. 5 is executed according to a command from the
ステップS10において、センサレスベクトル制御回路50の初期位置推定部57は、上位制御回路70からのモーター起動指令を受けると、初期磁極位置を推定する。初期磁極位置の推定には、たとえば、前述のインダクティブセンス方式が用いられる。
In step S10, the initial
次のステップS20において、センサレスベクトル制御回路50のパラメーター補正部60は、巻線抵抗値Rhおよび鎖交磁束値φhの補正処理を実行する。具体的手順は、図7および図8を参照して後述する。
In the next step S20, the
その次のステップS30において、センサレスベクトル制御回路50は、補正後の巻線抵抗値Rhおよび鎖交磁束値φhを用いて、ブラシレスDCモーター30を起動する。その後、上位制御回路70は、ローター35の電気角速度ωMが、上位制御回路70から与えられた目標電気角速度ω*になるように、ブラシレスDCモーター30を制御する。
In the next step S30, the sensorless
ブラシレスDCモーター30の運転中に、パラメーター補正部60は、巻線抵抗値Rhおよび鎖交磁束値φhの補正処理を、ローター位置の演算周期ごとに実行する(ステップS40)。具体的手順は、図6を参照して後述する。センサレスベクトル制御回路50は、補正後の巻線抵抗値Rhおよび鎖交磁束値φhを用いて、ブラシレスDCモーター30の制御を実行する。
While the
ステップS50において、センサレスベクトル制御回路50は、上位制御回路70から停止指令を受けると、ローター35の回転を停止させる。
In step S50, the sensorless
その後、ジョブが継続する場合には(ステップS60でNO)、処理はステップS10に戻る。この場合、センサレスベクトル制御回路50は、上位制御回路70からのモーター起動指令を受けると、初期磁極位置を推定するとともに(ステップS10)、巻線抵抗値Rhおよび鎖交磁束値φhの補正処理を実行する(ステップS20)。そして、上記のステップS30〜S50が実行される。
After that, if the job continues (NO in step S60), the process returns to step S10. In this case, when the sensorless
[モーター運転中におけるパラメーター補正]
以下、図5のステップS40に示したようなモーター運転中における、巻線抵抗値Rhおよび鎖交磁束値φhの補正手順について詳しく説明する。巻線抵抗値Rhおよび鎖交磁束値φhの補正には、次の関係式(1)〜(3)が用いられる。
[Parameter correction during motor operation]
Hereinafter, the procedure for correcting the winding resistance value Rh and the interlinkage magnetic flux value φh during motor operation as shown in step S40 of FIG. 5 will be described in detail. The following relational expressions (1) to (3) are used to correct the winding resistance value Rh and the interlinkage magnetic flux value φh.
まず、基準温度Tsにおける巻線抵抗値をRsとし、温度係数をα1とした場合、巻線温度T1におけ巻線抵抗値Rhは、
(Rh−Rs)/Rs=α1・(T1−Ts) …(1)
で与えられる。銅線などの金属材料の場合、温度係数α1は正の値であり、巻線抵抗値Rhは巻線温度T1が増加するほど増加する。
First, when the winding resistance value at the reference temperature Ts is Rs and the temperature coefficient is α1, the winding resistance value Rh at the winding temperature T1 is
(Rh-Rs) / Rs = α1 · (T1-Ts) ... (1)
Given in. In the case of a metal material such as copper wire, the temperature coefficient α1 is a positive value, and the winding resistance value Rh increases as the winding temperature T1 increases.
次に、基準温度Tsにおける鎖交磁束値をφsとし、温度係数をα2とした場合、磁石温度T2における鎖交磁束値φhは、
(φh−φs)/φs=α2・(T2−Ts) …(2)
で与えられる。ネオジウム磁石のような希土類磁石では、一般に温度係数α2は負の値であり、鎖交磁束値φhは磁石温度T2が増加するほど減少する。
Next, when the interlinkage magnetic flux value at the reference temperature Ts is φs and the temperature coefficient is α2, the interlinkage magnetic flux value φh at the magnet temperature T2 is
(Φh−φs) / φs = α2 ・ (T2-Ts)… (2)
Given in. In rare earth magnets such as neodymium magnets, the temperature coefficient α2 is generally a negative value, and the interlinkage magnetic flux value φh decreases as the magnet temperature T2 increases.
さらに、周囲温度を基準温度Tsとして実験を行った結果として、巻線温度T1と磁石温度T2との間には、比率βを用いて、
T2−Ts=β・(T1−Ts) …(3)
で表される関係がある。すなわち、磁石温度T2は巻線温度T1に概ね追随して変化する。ただし、T1≦TsまたはT2≦Tsの場合、T1=T2とする。インナーローター型のブラシレスDCモーターの場合、比率βの値は1に近い値、たとえば、0.95である。アウターローター型のブラシレスDCモーターの場合、比率βの値は0.5程度である。
Further, as a result of conducting an experiment with the ambient temperature as the reference temperature Ts, a ratio β was used between the winding temperature T1 and the magnet temperature T2.
T2-Ts = β ・ (T1-Ts)… (3)
There is a relationship represented by. That is, the magnet temperature T2 changes substantially following the winding temperature T1. However, in the case of T1 ≦ Ts or T2 ≦ Ts, T1 = T2. In the case of the inner rotor type brushless DC motor, the value of the ratio β is close to 1, for example, 0.95. In the case of an outer rotor type brushless DC motor, the value of the ratio β is about 0.5.
図6は、モーター運転中における鎖交磁束値を推定する手順を示すフローチャートである。以下、図3の機能ブロック図を参照しながら、図6のフローチャートについて説明する。 FIG. 6 is a flowchart showing a procedure for estimating the interlinkage magnetic flux value during motor operation. Hereinafter, the flowchart of FIG. 6 will be described with reference to the functional block diagram of FIG.
まず、ステップS100において、パラメーター補正部60は、電圧指令値Vγ*,Vδ*と、検出した電流値Iu,Ivから計算したγ軸電流Iγおよびδ軸電流Iδとに基づいて、巻線抵抗値Rhを計算する。
First, in step S100, the
具体的に、ブラシレスDCモーターの電圧方程式によれば、
Vγ*=(Rh+p・Lγ)・Iγ−ωM・Lδ・Iδ …(4A)
Vδ*=ωM・Lγ・Iγ+(Rh+p・Lδ)・Iδ+ωM・φh …(4B)
が成り立つ。上式(4A)および(4B)において、時間微分演算子をpで表し、γ軸インダクアンス値をLγで表し、δ軸インダクタンス値をLδで表し、電気角速度をωMで表している。時間微分演算子pを0で近似すると、上式(4A)から、
Rh=(Vγ*+ωM・Lδ・Iδ)/Iγ …(5)
によって、巻線抵抗値Rhを計算できる。上式(4B)を用いて巻線抵抗値Rhを計算してもよい。上記の計算に必要なパラメーターであるインダクタンスLγ,Lδの値は、補正情報として記憶部61に格納されている。
Specifically, according to the voltage equation of the brushless DC motor,
Vγ * = (Rh + p ・ Lγ) ・ Iγ-ω M・ Lδ ・ Iδ… (4A)
Vδ * = ω M・ Lγ ・ Iγ + (Rh + p ・ Lδ) ・ Iδ + ω M・ φh… (4B)
Is true. In the above equations (4A) and (4B), the time derivative operator is represented by p, the γ-axis inductance value is represented by Lγ, the δ-axis inductance value is represented by Lδ, and the electric angular velocity is represented by ω M. When the time derivative operator p is approximated by 0, from the above equation (4A),
Rh = (Vγ * + ω M・ Lδ ・ Iδ) / Iγ… (5)
Can calculate the winding resistance value Rh. The winding resistance value Rh may be calculated using the above equation (4B). The values of the inductances Lγ and Lδ, which are parameters necessary for the above calculation, are stored in the
次のステップS200において、パラメーター補正部60は、上式(1)〜(3)に基づいて巻線抵抗値Rhから鎖交磁束値φhを計算する。たとえば、パラメーター補正部60は、上式(1)に基づいて巻線抵抗値Rhから巻線温度T1を計算し、上式(3)に基づいて巻線温度T1から磁石温度T2を計算し、上式(2)に基づいて磁石温度T2から鎖交磁束値φhを計算する。
In the next step S200, the
上記の計算において、上式(1)〜(3)を用いる計算に必要な各種パラメーター、すなわち、温度係数α1,α2、比率β、基準温度Ts、ならびに基準温度Tsにおける巻線抵抗値Rsおよび鎖交磁束値φsは、補正情報として記憶部61に格納されている。パラメーター補正部60は、これらの補正情報を参照することにより上式(1)〜(3)の計算を実行する。
In the above calculation, various parameters necessary for the calculation using the above equations (1) to (3), that is, the temperature coefficients α1 and α2, the ratio β, the reference temperature Ts, and the winding resistance value Rs and the chain at the reference temperature Ts. The cross flux value φs is stored in the
なお、上記の変形例として、上式(1)〜(3)に基づいて巻線抵抗値Rhと鎖交磁束値φhとの関係を示すテーブルを予め準備しておいてもよい。この場合、パラメーター補正部60は、当該テーブルを参照することにより、巻線抵抗値Rhに対応する鎖交磁束値φhを決定する。
As a modification of the above, a table showing the relationship between the winding resistance value Rh and the interlinkage magnetic flux value φh may be prepared in advance based on the above equations (1) to (3). In this case, the
[モーターの起動時におけるパラメーター補正方法]
次に、図5のステップS20に示されるようなモーターの起動時における、巻線抵抗値Rhおよび鎖交磁束値φhの補正方法について詳しく説明する。
[Parameter correction method when starting the motor]
Next, a method for correcting the winding resistance value Rh and the interlinkage magnetic flux value φh at the time of starting the motor as shown in step S20 of FIG. 5 will be described in detail.
通常、モーターの停止中には、ブラシレスDCモーター30のステーター巻線31に電流を流すことによって巻線抵抗値Rhを測定できる。しかしながら、実施の形態1のモーター制御装置では、このような巻線抵抗値Rhの実測は、モーターを起動する直前には行われない。この理由は、ステーター巻線31への電圧印加によって、ローターが回転してしまう危険性を避けるためである。
Normally, while the motor is stopped, the winding resistance value Rh can be measured by passing a current through the stator winding 31 of the
そこで、実施の形態1のモーター制御装置は、ブラシレスDCモーター30の駆動履歴と、モーターを停止してからの経過時間とに基づいて、モーターの起動時のステーター巻線31の温度を推定する。
Therefore, the motor control device of the first embodiment estimates the temperature of the stator winding 31 at the time of starting the motor based on the drive history of the
具体的に、ブラシレスDCモーター30の電力損失Ploss[W]、モーターの筐体の表面積A[m2]、モーターの筐体表面から外部への熱伝達係数h[W/m2K]、筐体表面温度T3、モーターの筐体の熱容量C[J/K]、周囲温度Ts、時間tを用いて、ブラシレスDCモーター30のエネルギー収支に関する方程式、すなわち、
Ploss−h・A(T3−Ts)=C・dT3/dt …(6)
が成り立つ。
Specifically, the power loss Plus [W] of the
Plus-h ・ A (T3-Ts) = C ・ dT3 / dt… (6)
Is true.
上式(6)の左辺第1項の電力損失Plossは、熱その他の損失としてモーターの各部で消費される単位時間あたりのエネルギー(すなわち、単位時間当たりにモーター内部に発生する熱量)を表す。電力損失Plossは、ブラシレスDCモーター30への入力電力Pin[W]から出力電力Pout[W](すなわち、単位時間あたりの外部への仕事)を減算することによって求めることができる。すなわち、
Ploss=Pin−Pout …(7)
が成り立つ。
The power loss Plus in the first term on the left side of the above equation (6) represents the energy per unit time consumed in each part of the motor as heat or other loss (that is, the amount of heat generated inside the motor per unit time). The power loss Plus can be obtained by subtracting the output power Pout [W] (that is, the work to the outside per unit time) from the input power Pin [W] to the
Plus = Pin-Pout… (7)
Is true.
入力電力Pinは、γ軸電流Iγ、δ軸電流Iδ、γ軸電圧指令値Vγ*、およびδ軸電圧指令値Vδ*を用いることにより、
Pin=Iγ・Vγ*+Iδ・Vγ* …(8)
に従って計算できる。もしくは、入力電力Pinは、U相電流Iu、V相電流Iv、W相電流Iw、U相電圧指令値Vu*、V相電圧指令値Vv*、およびW相電圧指令値Vw*を用いることにより、
Pin=Iu・Vu*+Iv・Vv*+Iw・Vw* …(9)
に従って計算してもよい。
The input power Pin is obtained by using the γ-axis current Iγ, the δ-axis current Iδ, the γ-axis voltage command value Vγ *, and the δ-axis voltage command value Vδ *.
Pin = Iγ ・ Vγ * + Iδ ・ Vγ *… (8)
Can be calculated according to. Alternatively, the input power Pin uses the U-phase current Iu, the V-phase current Iv, the W-phase current Iw, the U-phase voltage command value Vu *, the V-phase voltage command value Vv *, and the W-phase voltage command value Vw *. ,
Pin = Iu ・ Vu * + Iv ・ Vv * + Iw ・ Vw *… (9)
It may be calculated according to.
出力電力Poutは、モーターの回転速度Nf[1/秒]およびモーターのトルクTf[N・m]を用いることにより、
Pout=2π・Nf・Tf …(10)
に従って計算できる。さらに、モータートルクTfは、δ軸電流Iδ、鎖交磁束値φh、おおび極対数Npを用いて、
Tf=Np・Iδ・φh …(11)
に従って計算できる。現時点の鎖交磁束値φhは、図6を参照して説明した方法で計算できる。極対数Npは、補正情報として記憶部61に格納されている。
The output power Pout is obtained by using the rotation speed Nf [1 / sec] of the motor and the torque Tf [Nm] of the motor.
Pout = 2π ・ Nf ・ Tf… (10)
Can be calculated according to. Further, the motor torque Tf uses the δ-axis current Iδ, the interlinkage magnetic flux value φh, and the pole logarithm Np.
Tf = Np ・ Iδ ・ φh… (11)
Can be calculated according to. The current interlinkage magnetic flux value φh can be calculated by the method described with reference to FIG. The pole logarithm Np is stored in the
上式(6)の左辺第2項は、モーターを収納する筐体表面から単位時間当たりに流出する熱量[J/s]を表す。ファンなどを用いて強制的に熱を放出させる場合には、熱伝達係数hがより大きい値に変更される。 The second term on the left side of the above equation (6) represents the amount of heat [J / s] that flows out from the surface of the housing that houses the motor per unit time. When the heat is forcibly released by using a fan or the like, the heat transfer coefficient h is changed to a larger value.
上式(6)の右辺は、モーターの筐体内部に蓄積される全熱エネルギーEの時間変化(すなわち、dE/dt)を表す。演算周期Δtの間に筐体表面温度がT3(n−1)からT3(n)に変化したとすると(ただし、nは整数)、上式(6)の右辺は、
[T3(n)−T3(n−1)]・C/Δt …(12)
のように近似できる。上記の式(6)〜(12)を用いることにより、演算周期Δtごとに筐体表面温度T3を数値的に計算できる。
The right side of the above equation (6) represents the time change (that is, dE / dt) of the total thermal energy E stored inside the housing of the motor. Assuming that the housing surface temperature changes from T3 (n-1) to T3 (n) during the calculation period Δt (where n is an integer), the right-hand side of the above equation (6) is
[T3 (n) -T3 (n-1)] · C / Δt ... (12)
Can be approximated as. By using the above equations (6) to (12), the housing surface temperature T3 can be calculated numerically for each calculation period Δt.
さらに、周囲温度Tsを基準温度として実験を行った結果として、巻線温度T1と筐体表面温度T3との間には、比率ηを用いて、
T3−Ts=η・(T1−Ts) …(13)
で表される関係がある。すなわち、筐体表面温度T3は巻線温度T1に概ね追随して変化する。ただし、T1≦TsまたはT3≦Tsの場合、T1=T3とする。この(13)式を用いることにより、筐体表面温度T3から巻線温度T1を計算できる。
Further, as a result of conducting an experiment using the ambient temperature Ts as a reference temperature, a ratio η was used between the winding temperature T1 and the housing surface temperature T3.
T3-Ts = η ・ (T1-Ts)… (13)
There is a relationship represented by. That is, the housing surface temperature T3 changes substantially following the winding temperature T1. However, in the case of T1 ≦ Ts or T3 ≦ Ts, T1 = T3. By using this equation (13), the winding temperature T1 can be calculated from the housing surface temperature T3.
図7は、パラメーター補正部による筐体表面温度の推定手順を示す機能ブロック図である。筐体表面温度T3の時間変化の計算方法についてこれまでの説明を総括する。 FIG. 7 is a functional block diagram showing a procedure for estimating the housing surface temperature by the parameter correction unit. The explanations so far about the calculation method of the time change of the housing surface temperature T3 are summarized.
図7を参照して、パラメーター補正部60は、機能的に見て、出力電力演算部80と、入力電力演算部81と、定数乗算器84,85と、減算器82,83,88と、加算器86と、筐体温度記憶部87と、巻線温度推定部89とを含む。
With reference to FIG. 7, the
出力電力演算部80は、座標変換部55によって算出されたγ軸電流Iγと、磁極位置推定部56によって推定された電気角速度ωMと、記憶部61に格納された鎖交磁束値φhとに基づき、前述の(10),(11)式に従って出力電力Poutを計算する。
The output
入力電力演算部81は、電流制御部52から出力されたγ軸電圧指令値Vγ*およびδ軸電圧指令値Vδ*と、座標変換部55によって計算されたγ軸電流Iγおよびδ軸電流Iδとを用いることにより、前述の式(8)に従って入力電力Pinを計算する。減算器82は、入力電力Pinから出力電力Poutを減算することにより電力損失Plossを計算する。
The input
一方、減算器88は、一演算周期前に算出された筐体表面温度T3(n−1)から周囲温度Tsを減算する。定数乗算器85は、減算器88の減算結果、すなわち、T3(n−1)−Tsに熱伝達係数hとモーターの筐体の表面積Aとを乗算する。
On the other hand, the
減算器83は、電力損失Plossから、定数乗算器85の演算結果、すなわち、h×A×[T3(n−1)−Ts]を減算する。これにより、単位時間当たりの全熱エネルギーEの変化量が算出される。
The
定数乗算器84は、減算器83の減算結果に、経過時間Δtとして演算周期を乗算し、さらにこの乗算結果を筐体の熱容量Cで除算する。これにより、経過時間Δtの間の筐体表面温度T3の変化量が算出される。加算器86は、この筐体表面温度T3の変化量に、一演算周期前の筐体表面温度T3(n−1)を加算することにより、現時点の筐体表面温度T3(n)を計算する。
The
筐体温度記憶部87は、算出された現時点の筐体表面温度T3(n)を記憶する。さらに、減算器88は、前述したように、算出された現時点の筐体表面温度T3(n)からTsを減算する。以下、同様の手順が繰り返される。
The housing
上記は、モーター駆動中の場合の筐体表面温度T3の推定方法である。ブラシレスDCモーター30が停止中の場合には、入力電力Pin、出力電力Pout、および電力損失Plossがいずれも0になる。この場合、モーターの停止直前に算出された筐体表面温度T3(n)に基づいて、以降の筐体表面温度T3の変化が計算できる。なお、周囲温度Tsが時間に伴って変化しない場合には、電力損失Plossを0とした場合の式(6)を積分することによって、モーターの停止時点から所定時間経過後の周囲温度Tsを解析的に計算できる。
The above is a method of estimating the housing surface temperature T3 when the motor is being driven. When the
巻線温度T1は、巻線温度推定部89によって算出される。具体的に、巻線温度推定部89は、現時点の筐体表面温度T3から、前述の式(13)に従って巻線温度T1を計算する。なお、モーター駆動中の巻線温度T1は、図6を参照して説明した方法によっても計算できるので、この計算結果と式(13)に基づく巻線温度T1の計算結果とを比較することによって、式(13)の比率ηを較正できる。
The winding temperature T1 is calculated by the winding
[モーター起動時のパラメーター補正手順]
以下、図8のタイミング図および図9のフローチャートを参照して、モーター起動時のパラメーター補正手順について説明する。
[Parameter correction procedure when starting the motor]
Hereinafter, the parameter correction procedure at the time of starting the motor will be described with reference to the timing diagram of FIG. 8 and the flowchart of FIG.
図8は、モーターの起動および停止が繰り返される場合において、モーター起動時の巻線抵抗等のパラメーターを推定する手順を説明するためのタイミング図である。図8のタイミング図において、筐体表面温度T3の時間変化は破線で示され、モーター回転速度Nfの時間変化は実線で示される。これらの値は、特徴を強調して示されており、実際の値に比例したものではない。 FIG. 8 is a timing diagram for explaining a procedure for estimating parameters such as winding resistance at the time of starting the motor when the motor is repeatedly started and stopped. In the timing diagram of FIG. 8, the time change of the housing surface temperature T3 is shown by a broken line, and the time change of the motor rotation speed Nf is shown by a solid line. These values are shown with emphasis on features and are not proportional to actual values.
図9は、モーター起動時の巻線抵抗等のパラメーターを推定する手順を示すフローチャートである。 FIG. 9 is a flowchart showing a procedure for estimating parameters such as winding resistance when the motor is started.
図8の時刻t11まで、モーターは停止状態である。この停止状態はかなりの時間継続しているため、巻線温度T1、磁石温度T2、および筐体表面温度T3は、いずれも周囲温度Tsに等しくなっているとする。パラメーター補正部60は、このときの周囲温度Tsを、筐体表面の初期温度T3(0)として取得し、図7の筐体温度記憶部87に格納する(図9のステップS200)。
The motor is stopped until the time t11 in FIG. Since this stopped state continues for a considerable period of time, it is assumed that the winding temperature T1, the magnet temperature T2, and the housing surface temperature T3 are all equal to the ambient temperature Ts. The
時刻t11にモーターが起動されると、パラメーター補正部60は、入力電力Pinおよび出力電力Poutを計算する。パラメーター補正部60は、計算された入力電力Pinおよび出力電力Poutと、周囲温度Tsとを用いて、筐体表面温度の初期温度T3(0)から一演算周期Δtだけ後の筐体表面温度T3(1)を計算する。以下同様に、パラメーター補正部60は、演算周期ごとに筐体表面温度T3(2),T3(3),…を計算する(ステップS210)。
When the motor is started at time t11, the
時刻t12にモーターが停止されると、入力電力Pinおよび出力電力Poutの計算結果は0になる。この場合、パラメーター補正部60は、モーターの停止直前に算出された筐体表面温度T3(x)に基づいて次の演算周期における筐体表面温度T3(x+1)を計算する。以下同様に、パラメーター補正部60は、演算周期ごとに筐体表面温度T3(x+2),T3(x+3),…を計算する(ステップS220)。なお、周囲温度Tsが一定の場合には、モーターの停止直前に算出された筐体表面温度T3(x)から解析的に所定時間経過後(たとえば、次のモーター起動直前)の筐体表面温度T3を計算することができる(ステップS220)。
When the motor is stopped at time t12, the calculation results of the input power Pin and the output power Pout become 0. In this case, the
時刻t13にモーターが起動される。パラメーター補正部60は、時刻t13の直前に計算された筐体表面温度T3を用いて、巻線温度T1、巻線抵抗値Rh、および鎖交磁束値φhを推定する。
The motor is started at time t13. The
具体的に、パラメーター補正部60は、前述の式(13)に従って、筐体表面温度T3から巻線温度T1を推定する(ステップS230)。次に、パラメーター補正部60は、前述の式(1)に従って、巻線温度T1から巻線抵抗値Rhを推定する(ステップS240)。さらに、パラメーター補正部60は、前述の式(2)および(3)に従って、巻線温度T1から鎖交磁束値φhを推定する(ステップS250)。センサレスベクトル制御回路50は、これらの推定されたパラメーターを用いて起動時のブラシレスDCモーター30を制御する。
Specifically, the
以下同様に、時刻t13から時刻t14までの間、時刻t15から時刻t16までの間、時刻t17から時刻t18までの間、および時刻t19から時刻t20までの間に、ブラシレスDCモーター30は動作状態に制御される。パラメーター補正部60は、ブラシレスDCモーター30を起動するタイミングt15,t17,t19において、巻線温度T1、巻線抵抗値Rh、および鎖交磁束値φhを推定する。パラメーター補正部60は、時刻t15において各種のパラメーターを推定するときには、時刻t13における筐体表面温度T3の推定値を初期温度として利用する(図9のステップS200)。
Similarly, the
[モーター起動時の補正手順の変形例]
図9の推定手順では、モーター駆動中も入力電力Pin、出力電力Pout、および周囲温度Tsに基づいて筐体表面温度T3を推定した。一方、図6を参照して説明したように、モーター駆動中には、電圧指令値Vγ*,Vδ*と、検出した電流値Iu,Ivから計算したγ軸電流Iγおよびδ軸電流Iδとに基づいて、巻線抵抗値Rhを計算できる。したがって、図9の推定手順に代えて、計算した巻線抵抗値Rhから、巻線温度T1および筐体表面温度T3を推定できる。以下、図面を参照して説明する。
[Modification example of correction procedure when starting the motor]
In the estimation procedure of FIG. 9, the housing surface temperature T3 was estimated based on the input power Pin, the output power Pout, and the ambient temperature Ts even while the motor was being driven. On the other hand, as described with reference to FIG. 6, while the motor is being driven, the voltage command values Vγ * and Vδ * and the γ-axis currents Iγ and the δ-axis currents Iδ calculated from the detected current values Iu and Iv are used. Based on this, the winding resistance value Rh can be calculated. Therefore, instead of the estimation procedure of FIG. 9, the winding temperature T1 and the housing surface temperature T3 can be estimated from the calculated winding resistance value Rh. Hereinafter, description will be given with reference to the drawings.
図10は、図9のパラメーター推定手順の変形例を示すフローチャートである。図10の推定手順では、図9のステップS200,S210に代えて、ステップS205,S215が実行される。その後のステップS220〜S250は、図9の場合と同様であるので説明を繰り返さない。 FIG. 10 is a flowchart showing a modified example of the parameter estimation procedure of FIG. In the estimation procedure of FIG. 10, steps S205 and S215 are executed instead of steps S200 and S210 of FIG. Subsequent steps S220 to S250 are the same as in the case of FIG. 9, and thus the description will not be repeated.
図10のステップS205において、パラメーター補正部60は、モーター停止直前の電圧指令値Vγ*,Vδ*と、検出した電流値Iu,Ivから計算したγ軸電流Iγおよびδ軸電流Iδとに基づいて、前述の式(4A)に従って巻線抵抗値Rhを計算する。
In step S205 of FIG. 10, the
次のステップS215において、パラメーター補正部60は、計算した巻線抵抗値Rhに基づいて、前述の式(1)に従って巻線温度T1を計算する。さらに、パラメーター補正部60は、計算した巻線温度T1に基づいて、前述の式(13)に従って筐体表面温度T3を推定する。
In the next step S215, the
[実施の形態1の効果]
上記の通り、実施の形態1のモーター制御装置によれば、モーター駆動時に巻線抵抗値Rhなどのモーターパラメーターを補正する場合に、ステーター巻線31に電流を流すことによって巻線抵抗値Rhを実測しない。これに代えて、モーター制御装置は、モーターの駆動履歴に基づいてモーター起動時の巻線温度T1を推定し、推定した巻線温度T1に基づいて巻線抵抗値Rhおよび鎖交磁束値φhを推定する。これによって、巻線抵抗値Rhの実測のためにモーターが回転することを防止できるので、起動直後のモーターの脱調を防止できる。以下、図面を参照して、実施の形態1の効果についてさらに説明する。
[Effect of Embodiment 1]
As described above, according to the motor control device of the first embodiment, when the motor parameter such as the winding resistance value Rh is corrected at the time of driving the motor, the winding resistance value Rh is set by passing a current through the stator winding 31. Not actually measured. Instead, the motor control device estimates the winding temperature T1 at the time of starting the motor based on the drive history of the motor, and determines the winding resistance value Rh and the interlinkage magnetic flux value φh based on the estimated winding temperature T1. presume. As a result, it is possible to prevent the motor from rotating due to the actual measurement of the winding resistance value Rh, so that it is possible to prevent the motor from stepping out immediately after starting. Hereinafter, the effect of the first embodiment will be further described with reference to the drawings.
図11は、モーター起動時のU相電流およびローター回転速度の時間変化を概念的に示すタイミング図である。図11および後続する図12および図18においてU相電流Iuおよびローター回転速度Nfは、特徴を強調して示されており、実際の値に比例したものではない。 FIG. 11 is a timing diagram conceptually showing the time change of the U-phase current and the rotor rotation speed at the time of starting the motor. In FIG. 11 and subsequent FIGS. 12 and 18, the U-phase current Iu and the rotor speed Nf are shown with emphasis on features and are not proportional to actual values.
図11を参照して、時刻t1から時刻t2までの間でセンサレスベクトル制御回路50の初期位置推定部57は、インダクティブセンス方式を用いてローターの磁極の初期位置を推定する。図11に示すように、インダクティブセンス方式では、大きさが比較的小さい短時間のパルス状の電流が繰り返しステーター巻線31に印加される。したがって、この期間においてローターは回転せず、ローター回転速度Nfは0のままで維持される。
With reference to FIG. 11, the initial
時刻t2の直前に、パラメーター補正部60は、巻線温度T1を推定し、推定した巻線温度T1に基づいて巻線抵抗値Rhおよび鎖交磁束値φhを補正する。センサレスベクトル制御回路50は、時刻t2にこれらの推定したモーターパラメーターに基づいて、ベクトル制御によりブラシレスDCモーター30を起動する。ブラシレスDCモーター30は正常に起動され、ローター回転速度Nfは緩やかに上昇し、若干のオーバーシュートの後に定常値に落ち着く。
Immediately before time t2, the
図12は、図11の比較例を示すタイミング図である。図12を参照して、時刻t1から時刻t2の間、図11の場合と同様に、初期位置推定部57は、インダクティブセンス方式を用いてローターの磁極の初期位置を推定する。
FIG. 12 is a timing diagram showing a comparative example of FIG. With reference to FIG. 12, between time t1 and time t2, the initial
次の時刻t2から時刻t3の間に、センサレスベクトル制御回路50は、ステーター巻線31の巻線抵抗値Rhを測定するために、ステーター巻線31に電流を流す。パラメーター補正部60は、電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*とU相電流IuおよびV相電流Ivの検出値とに基づいて、巻線抵抗値Rhを計算する。さらに、パラメーター補正部60は、巻線抵抗値Rhに基づいて鎖交磁束値φhを補正する。
Between the next time t2 and time t3, the sensorless
センサレスベクトル制御回路50は、時刻t3にこれらの推定したモーターパラメーターに基づいて、ベクトル制御によりブラシレスDCモーター30を起動する。しかしながら、図12の場合には、抵抗測定の際のステーター巻線31によってローターが回転している。すなわち、時刻t3においてローターの初速度は0ではない。この場合、起動直後に速度偏差が生じるので、センサレスベクトル制御回路50は、この速度偏差を補正するためにローターに逆回転方向のトルクを与える。この結果、ローター回転速度Nfが振動し、モーターが脱調する。
The sensorless
図13は、抵抗測定時のステーター巻線への電圧印加によって生じるローターの回転を説明するための図である。図13を参照して、センサレスベクトル制御回路50は、ステーター巻線31の抵抗値Rhの測定時に、V相巻線およびW相巻線からU相巻線の方向に電流を流す。この場合、図13に破線で示す方向の磁束が発生する。
FIG. 13 is a diagram for explaining the rotation of the rotor caused by applying a voltage to the stator winding during resistance measurement. With reference to FIG. 13, the sensorless
一方、モーター停止時のローターの磁極の方向を実線で示す。図13に示すように電流磁界の方向と磁極の方向とが異なっている場合には、トルクが発生する。この結果、図13の場合には、右回りの方向にローターが回転する。 On the other hand, the direction of the magnetic poles of the rotor when the motor is stopped is shown by a solid line. As shown in FIG. 13, when the direction of the current magnetic field and the direction of the magnetic pole are different, torque is generated. As a result, in the case of FIG. 13, the rotor rotates in the clockwise direction.
実施の形態1のモーター制御装置では、巻線抵抗値Rhはモーターの駆動履歴に基づいて推定され、ステーター巻線31に電流を流すことはないので、上記の原因によるローターの回転を防止できる。 In the motor control device of the first embodiment, the winding resistance value Rh is estimated based on the drive history of the motor, and no current is passed through the stator winding 31, so that the rotation of the rotor due to the above-mentioned cause can be prevented.
<実施の形態2>
実施の形態2のモーター制御装置は、モーター起動時の起動条件に応じて、巻線抵抗値Rhを駆動履歴から推定する場合と、ステーター巻線31に電流を印加して巻線抵抗値Rhを実測する場合とが切り替えられるように構成される。
<Embodiment 2>
The motor control device of the second embodiment estimates the winding resistance value Rh from the drive history according to the starting condition at the time of starting the motor, and applies a current to the stator winding 31 to obtain the winding resistance value Rh. It is configured so that it can be switched between the case of actual measurement and the case of actual measurement.
なお、図1に示すモーター制御装置10のハードウェア構成ならびに図3および図7に示す制御部20の機能的構成は、実施の形態2の場合も基本的に同じである。したがって、これらの説明を繰り返さない。また、図5に示すブラシレスDCモーター30の制御手順は、ステップS20の一部を除いて実施の形態2の場合も同様である。したがって、詳しい説明を繰り返さない。
The hardware configuration of the
[モーター起動時のパラメーター補正手順]
図14は、実施の形態2のモーター制御装置において、モーター起動時の巻線抵抗等のモーターパラメーターを推定する手順を示すフローチャートである。なお、図8に示されるように、1つのジョブ内においてモーターの起動および停止が繰り返されるものとする。
[Parameter correction procedure when starting the motor]
FIG. 14 is a flowchart showing a procedure for estimating motor parameters such as winding resistance at the time of starting the motor in the motor control device of the second embodiment. As shown in FIG. 8, it is assumed that the start and stop of the motor are repeated in one job.
図14を参照して、ステップS300において、パラメーター補正部60は、今回のモーターの起動が実行中のジョブ内で1回目のモーターの起動であるという起動条件を満たしているか否かを判断する。1回目のモーター起動でない場合に(ステップS300でNO)、パラメーター補正部60は処理をステップS310に進める。
With reference to FIG. 14, in step S300, the
ステップS310において、パラメーター補正部60は、モーターの起動履歴に基づいて起動時の巻線温度T1を推定する。具体的には、図9のステップS200〜S230で説明した方法を用いてもよいし、図10のステップS205〜S230で説明した方法を用いてもよい。
In step S310, the
次のステップS320において、パラメーター補正部60は、前述の式(1)に従って、巻線温度T1から巻線抵抗値Rhを推定する。その次のステップS340において、パラメーター補正部60は、前述の式(2)および(3)に従って、巻線温度T1から鎖交磁束値φhを推定する。
In the next step S320, the
一方、ステップS300において、パラメーター補正部60は、ジョブ内の1回目のモーターの起動であると判断した場合には(ステップS300でYES)、処理をステップS330に進める。
On the other hand, in step S300, if the
ステップS330において、センサレスベクトル制御回路50は、ステーター巻線31に電流を流すことによって巻線抵抗値Rhを測定する。具体的な手順は、図15を参照して後述する。
In step S330, the sensorless
次のステップS340において、パラメーター補正部60は、前述の式(2)および(3)に従って、巻線温度T1から鎖交磁束値φhを推定する。
In the next step S340, the
図15は、図14のステップS330の手順を詳細に示すフローチャートである。図5のステップS10において、既にインダクティブセンス方式によって初期磁極位置θMの推定値が得られているものとする。 FIG. 15 is a flowchart showing the procedure of step S330 of FIG. 14 in detail. In step S10 of FIG. 5, it is assumed that the estimated value of the initial magnetic pole position θ M has already been obtained by the inductive sense method.
図15を参照して、ステップS400において、センサレスベクトル制御回路50は、推定した初期磁極位置を表す電気角θMでステーター巻線31に電圧Vu*,Vv*,Vw*を印加する。具体的に、γ軸電圧指令値Vγ*を所定の値に設定し、δ軸電圧指令値Vδ*を0に設定すれば、電圧振幅Voを用いて各相の電圧指令値は、
Vu*=Vo・cosθM …(14A)
Vv*=Vo・cos(θM−120°) …(14B)
Vw*=Vo・cos(θM−240°) …(14C)
と表される。
With reference to FIG. 15, in step S400, the sensorless
Vu * = Vo ・ cosθ M … (14A)
Vv * = Vo · cos (θ M −120 °)… (14B)
Vw * = Vo · cos (θ M −240 °)… (14C)
It is expressed as.
このように推定された初期磁極位置を表す電気角θMでステーター巻線31に電圧Vu*,Vv*,Vw*を印加することによって、ローター35にはトルクがかからない。したがって、ローター35の回転を防止できる。
By applying the voltages Vu *, Vv *, and Vw * to the stator winding 31 at the electric angle θ M representing the initial magnetic pole position estimated in this way, no torque is applied to the
次のステップS410において、パラメーター補正部60は、検出されたU相電流IuおよびV相電流Ivからγ軸電流Iγを計算する。そして、パラメーター補正部60は、式(5)に基づいてγ軸電圧指令値Vγ*をγ軸電流Iγで除することによって巻線抵抗値Rhを計算する。
In the next step S410, the
[実施の形態2の変形例]
モーターの起動時に巻線抵抗値Rhを駆動履歴から推定するか、ステーター巻線31に電流を印加して巻線抵抗値Rhを実測するかの選択は、他の条件に基づいてもよい。
[Modified Example of Embodiment 2]
The selection of whether to estimate the winding resistance value Rh from the drive history at the start of the motor or to actually measure the winding resistance value Rh by applying a current to the stator winding 31 may be based on other conditions.
図16は、図14のパラメーター推定手順の第1の変形例を示すフローチャートである。図16のパラメーター推定手順は、ステップS300に代えてステップS300Aが実行される点で図14の場合と異なる。ブラシレスDCモーター30およびモーター制御装置は、電気機器に搭載されているとする。
FIG. 16 is a flowchart showing a first modification of the parameter estimation procedure of FIG. The parameter estimation procedure of FIG. 16 is different from the case of FIG. 14 in that step S300A is executed instead of step S300. It is assumed that the
図16のステップS300Aにおいて、パラメーター補正部60は、今回のモーターの起動が、電気機器の電源をオンした後の1回目のモーターの起動であるという起動条件を満たしているか否かを判断する。パラメーター補正部60は、1回目の起動でない場合に(ステップS300AでNO)処理をステップS310に進め、1回目の起動である場合に(ステップS300AでYEs)処理をステップS330に進める。図16のその他のステップは図14の場合と同様であるので、同一または相当するステップには同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。
In step S300A of FIG. 16, the
図17は、図14のパラメーター推定手順の第2の変形例を示すフローチャートである。図17のパラメーター推定手順は、ステップS300に代えてステップS300Bが実行される点で図14の場合と異なる。 FIG. 17 is a flowchart showing a second modification of the parameter estimation procedure of FIG. The parameter estimation procedure of FIG. 17 differs from that of FIG. 14 in that step S300B is executed instead of step S300.
図17のステップS300Bにおいて、パラメーター補正部60は、モーターを停止してから今回のモーターを起動するまでの休止時間間隔が予め定められた時間間隔Tr以上であるという起動条件を満たしているか否かを判断する。パラメーター補正部60は、休止時間間隔が定められた時間間隔Tr未満の場合に(ステップS300BでNO)処理をステップS310に進め、休止時間間隔が定められた時間間隔Tr以上の場合に(ステップS300BでYES)処理をステップS330に進める。図17のその他のステップは図14の場合と同様であるので、同一または相当するステップには同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。
In step S300B of FIG. 17, the
[実施の形態2の効果]
上記のとおり、実施の形態2のモーター制御装置によれば、モーター起動時に定められた起動条件が満たされた場合には、ステーター巻線31に実際に電流を印加して巻線抵抗値Rhを測定する。これによって、駆動履歴に基づいて巻線抵抗値Rhおよび鎖交磁束値φhなどのモーターパラメーターを推定する場合に比べて、より正確にモーターパラメーターを補正できる。
[Effect of Embodiment 2]
As described above, according to the motor control device of the second embodiment, when the starting condition determined at the time of starting the motor is satisfied, a current is actually applied to the stator winding 31 to set the winding resistance value Rh. Measure. As a result, the motor parameters can be corrected more accurately than in the case of estimating the motor parameters such as the winding resistance value Rh and the interlinkage magnetic flux value φh based on the drive history.
さらに、ステーター巻線31に電流を印加する場合には、インダクティブセンス方式によって推定された初期磁極位置を表す電気角θMでステーター巻線31に電圧Vu*,Vv*,Vw*が印加される。これによって、ローター35にはトルクがかからないので、ローター35の回転を防止できる。
Further, when a current is applied to the stator winding 31, voltages Vu *, Vv *, Vw * are applied to the stator winding 31 at an electric angle θ M representing the initial magnetic pole position estimated by the inductive sense method. .. As a result, no torque is applied to the
なお、インダクティブセンス方式によって推定された初期磁束位置には誤差が含まれる場合がある。したがって、巻線抵抗値Rhの十分な測定精度が得られる範囲内でステーター巻線31に流す電流値を低減したほうが望ましい。以下、図面を参照して、実施の形態2の効果についてさらに説明する。 The initial magnetic flux position estimated by the inductive sense method may include an error. Therefore, it is desirable to reduce the current value flowing through the stator winding 31 within a range in which sufficient measurement accuracy of the winding resistance value Rh can be obtained. Hereinafter, the effect of the second embodiment will be further described with reference to the drawings.
図18は、実施の形態2の場合におけるモーター起動時のU相電流およびローター回転速度の時間変化を概念的に示すタイミング図である。 FIG. 18 is a timing diagram conceptually showing the time change of the U-phase current and the rotor rotation speed at the time of starting the motor in the case of the second embodiment.
図18を参照して、時刻t1から時刻t2までの間でセンサレスベクトル制御回路50の初期位置推定部57は、インダクティブセンス方式を用いてローターの磁極の初期位置を推定する。図11の場合と同様に、インダクティブセンス方式では、大きさが比較的小さい短時間のパルス状の電流が繰り返しステーター巻線31に印加される。
With reference to FIG. 18, the initial
次の時刻t2から時刻t3の間に、センサレスベクトル制御回路50は、ステーター巻線31の巻線抵抗値Rhを測定するために、ステーター巻線31に電流を流す。巻線抵抗値Rhを測定する場合には、ステーター巻線31に流れる電流が飽和するまで電圧を印加する必要があるので、電圧印加時間は比較的長い。しかしながら、実施の形態2の場合には、インダクティブセンス方式によって推定された初期磁極位置を表す電気角θMでステーター巻線31に電圧Vu*,Vv*,Vw*が印加されるので、ローターは回転せず、ローター回転速度Nfは0のままで維持される。
Between the next time t2 and time t3, the sensorless
パラメーター補正部60は、電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*とU相電流IuおよびV相電流Ivの検出値とに基づいて、巻線抵抗値Rhを計算する。さらに、パラメーター補正部60は、巻線抵抗値Rhに基づいて鎖交磁束値φhを補正する。
The
センサレスベクトル制御回路50は、時刻t3にこれらの推定したモーターパラメーターに基づいて、ベクトル制御によりブラシレスDCモーター30を起動する。ブラシレスDCモーター30は正常に起動され、ローター回転速度Nfは緩やかに上昇し、若干のオーバーシュートの後に定常値に落ち着く。
The sensorless
<実施の形態3>
実施の形態3では、実施の形態1,2で説明したモーター制御装置が、画像形成装置の給紙ローラー、タイミングローラー、および搬送ローラー等を駆動するためのブラシレスDCモーターの制御に用いられる例について説明する。
<Embodiment 3>
In the third embodiment, the motor control device described in the first and second embodiments is used to control a brushless DC motor for driving a paper feed roller, a timing roller, a transfer roller, and the like of the image forming apparatus. explain.
[画像形成装置の構成例]
図19は、画像形成装置の構成の一例を示す断面図である。図19の断面図は模式的なものであって、図解を容易にするために一部を拡大して示したり、縦横比を変更したりしている点に注意されたい。
[Configuration example of image forming apparatus]
FIG. 19 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of the image forming apparatus. It should be noted that the cross-sectional view of FIG. 19 is schematic, and a part of the cross-sectional view is enlarged or the aspect ratio is changed to facilitate the illustration.
図19を参照して、画像形成装置180は、タンデムカラープリンターとして構成される作像部181と、給紙機構182と、温度センサー190と、スキャナーとしての原稿読み取り装置160とを備える。画像形成装置180は、ネットワークに接続されてプリンター、スキャナー、コピー機、ファクシミリなどの機能を兼ね備えた多機能周辺装置(MFP:Multifunction Peripheral)として構成されていてもよい。
With reference to FIG. 19, the
プリンターとしての作像部181は、4個の感光体カートリッジ191,192,193,194と、1次転写ローラー131と、転写ベルト132と、トナーボトル123と、2次転写ローラー133と、定着装置105とを備える。
The
感光体カートリッジ191,192,193,194は、それぞれ、イエロー(Y)、マゼンタ(M)、シアン(C)およびブラック(K)の4色のトナー像を形成する。感光体カートリッジ191,192,193,194の各々は、円筒の感光体110と、帯電器111と、光源を含む画像露光装置112と、現像ローラー121を含む現像装置102とを備える。
The photoconductor cartridges 191, 192, 193, and 194 form toner images of four colors of yellow (Y), magenta (M), cyan (C), and black (K), respectively. Each of the photoconductor cartridges 191, 192, 193, and 194 includes a
帯電器111は、感光体110の表面を一様に所定電位に帯電する。画像露光装置112は、感光体110の帯電域に、原稿画像に応じた画像を露光する。これによって、感光体110上に静電潜像が形成される。現像装置102は、現像バイアスが印加された現像ローラー121を利用して静電潜像にトナーを付着させることにより、可視トナー像を形成する。
The
なお、感光体カートリッジ191,192,193,194にそれぞれ対応して、4個のトナーボトル123が設けられる。トナーボトル123から対応の感光体カートリッジにトナーが供給される。トナーボトル123の内部には、トナーを攪拌するための攪拌羽124が設けられる。
It should be noted that four
4個の感光体110にそれぞれ対向して4個の1次転写ローラー131が設けられている。各感光体110と対応する1次転写ローラー131とで転写ベルト132を圧接する。さらに、1次転写ローラー131にはトナーを引き寄せるバイアスが印加されている。これによって、現像後の感光体110表面の可視トナー像は転写ベルト132に転写される。
Four
転写ベルト132の上に転写された可視トナー像は、2次転写ローラー133の位置まで搬送される。2次転写ローラー133にも1次転写ローラーと同様に転写電圧が印加されている。これによって、転写ベルト132によって搬送された可視トナー像は、2次転写ローラー133と転写ベルト132とのニップ部で、記録媒体183である用紙に転写される。
The visible toner image transferred onto the
記録媒体183に転写された可視トナー像は、定着装置105まで搬送される。定着装置105は、定着ローラー150を有し、定着ローラー150によって記録媒体183を加熱および加圧することによって記録媒体183上に可視トナー像を定着させる。定着後の記録媒体183は、排紙ローラー151によって排紙トレー152に排出される。
The visible toner image transferred to the recording medium 183 is conveyed to the
給紙機構182は、記録媒体183としての用紙を給紙カセット140,142から取り込んで2次転写ローラー133まで搬送する。給紙機構182は、給紙カセット140,142と、給紙ローラー141,143と、搬送ローラー144と、タイミングローラー145とを含む。
The
1段目の給紙カセット140に収容された記録媒体183は、給紙ローラー141によって1枚ずつ取り出され、タイミングローラー145まで搬送される。2段目の給紙カセット142に収容された記録媒体183は、給紙ローラー143によって1枚ずつ取り出され、搬送ローラー144を介してタイミングローラー145まで搬送される。
The recording media 183 housed in the first-
タイミングローラー145は、供給された記録媒体183を一旦停止させる。これによって、転写ベルト132上に転写された可視トナー像が2次転写ローラー133まで搬送されるタイミングと、記録媒体183が2次転写ローラー133に供給するタイミングとを調整する。
The
温度センサー190は、各種のローラーを駆動するためのブラシレスDCモーターの周囲温度Tsを検出する。
The
原稿読み取り装置160は、原稿用紙161上の原稿画像を読み取ることによって、画像データを生成する。図17に示す例では、原稿読み取り装置160は、作像部181の上部に設けられる。原稿読み取り装置160は、原稿台162と、給紙ローラー170と、原稿搬送ローラー163,171と、原稿排出ローラー172と、排紙トレー173と、光源164と、ミラー165と、レンズ166と、CCD(Charged-Coupled Devices)などのイメージセンサー167とを備える。
The
原稿台162に載置された原稿用紙161は、給紙ローラー170によって1枚ずつ取り込まれる。原稿用紙161は、原稿搬送ローラー163,171によって搬送されることにより、原稿読み取り位置に到達する。
The
原稿読み取り位置において、原稿用紙161上の原稿画像に、光源164からの光が照射される。原稿用紙161の表面で反射された光は、ミラー165で反射された後にレンズ166で集光されてイメージセンサー167に入射される。この結果、原稿用紙161の上の原稿画像がイメージセンサー167のセンサー面上に結像し、イメージセンサー167によって原稿画像の画像データが生成される。
At the document reading position, the document image on the
原稿読み取り位置を通過した原稿用紙161は、原稿排出ローラー172によって排紙トレー173に排出される。
The
[実施の形態3の効果]
上記の画像形成装置180では、用紙の搬送に使われるタイミングローラー145などを駆動するブラシレスDCモーターは、起動および停止を頻繁に繰り返す。この場合、モーターの起動前にローターが動いてしまうと、それに伴って用紙が送り出されるためにジャムの原因になる。実施の形態1,2で説明したモーター制御装置を適用することによって、モーター起動前にローターが動いてしまうことを極力防止できるので、ジャムの発生を抑制できる。
[Effect of Embodiment 3]
In the
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この出願の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiments disclosed this time should be considered to be exemplary and not restrictive in all respects. The scope of this application is indicated by the scope of claims rather than the above description, and is intended to include all modifications within the meaning and scope of the claims.
10 モーター制御装置、20 制御部、30 ブラシレスDCモーター、31 ステーター巻線、35 ローター、40 駆動回路、50 センサレスベクトル制御回路、56 磁極位置推定部、57 初期位置推定部、60 パラメーター補正部、61 記憶部、70 上位制御回路、80 出力電力演算部、81 入力電力演算部、141,143,170 給紙ローラー、144 搬送ローラー、145 タイミングローラー、180 画像形成装置、181 作像部、182 給紙機構、190 温度センサー。 10 motor control device, 20 control unit, 30 brushless DC motor, 31 stator winding, 35 rotor, 40 drive circuit, 50 sensorless vector control circuit, 56 magnetic pole position estimation unit, 57 initial position estimation unit, 60 parameter correction unit, 61 Storage unit, 70 upper control circuit, 80 output power calculation unit, 81 input power calculation unit, 141,143,170 paper feed roller, 144 transport roller, 145 timing roller, 180 image forming device, 181 image drawing unit, 182 paper feed Mechanism, 190 temperature sensor.
Claims (11)
前記モーターのステーター巻線に電圧を印加する駆動回路と、
前記駆動回路をベクトル制御方式によって制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記モーターの起動時に、前記モーターの駆動履歴に基づいて前記ステーター巻線の抵抗値を含むモーターパラメーターの値を推定し、前記推定したモーターパラメーターに基づいて前記モーターを起動する、モーター制御装置。 A motor control device that controls a sensorless motor.
A drive circuit that applies a voltage to the stator windings of the motor,
A control unit that controls the drive circuit by a vector control method is provided.
When the motor is started, the control unit estimates the value of the motor parameter including the resistance value of the stator winding based on the drive history of the motor, and starts the motor based on the estimated motor parameter. Motor control device.
前記第1の起動条件は、前記ジョブの1回目の前記モーターの起動であることを含む、請求項2〜4のいずれか1項に記載のモーター制御装置。 The control unit executes a job of repeatedly starting and stopping the motor, and the control unit executes the job.
The motor control device according to any one of claims 2 to 4, wherein the first start condition is the first start of the motor of the job.
前記モーターは、ベクトル制御方式によって駆動制御され、
前記起動方法は、
前記モーターの駆動履歴に基づいてステーター巻線の抵抗値を含むモーターパラメーターの値を推定するステップと、
前記推定したモーターパラメーターに基づいて前記モーターを起動するステップとを備える、モーターの起動方法。 It is a method of starting a sensorless motor,
The motor is driven and controlled by a vector control method.
The above-mentioned activation method is
The step of estimating the value of the motor parameter including the resistance value of the stator winding based on the drive history of the motor, and
A method of starting a motor, comprising a step of starting the motor based on the estimated motor parameters.
前記搬送された用紙に画像を形成するプリンターと、
前記複数のローラーの少なくとも1つを駆動するモーターを制御する請求項1〜9のいずれか1項に記載のモーター制御装置とを備える、画像形成装置。
A transport mechanism that transports paper from a paper cassette using multiple rollers,
A printer that forms an image on the conveyed paper,
An image forming apparatus comprising the motor control device according to any one of claims 1 to 9, which controls a motor for driving at least one of the plurality of rollers.
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