JP2022101781A - 制御装置、モータシステム及び同定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】モータのイナーシャと粘性係数の少なくとも一方の同定精度を確保可能な制御装置、モータシステム及び同定方法を提供すること。
【解決手段】モータのｑ軸電流をステップ状に変化させることで前記モータの速度の立ち上がり時間を測定し、前記立ち上がり時間の測定値に応じた同定条件で、前記モータのイナーシャと粘性抵抗の少なくとも一方を同定する同定部を備える、制御装置。例えば、前記同定部は、前記立ち上がり時間の測定値に対応するプリイナーシャを推定し、前記プリイナーシャの推定値に対応する前記同定条件を決定する。例えば、前記同定部は、前記プリイナーシャと前記同定条件との対応テーブルを用いて、前記プリイナーシャの推定値に対応する前記同定条件を決定する。
【選択図】図４

Description

本開示は、制御装置、モータシステム及び同定方法に関する。

モータの発生トルクからモータ速度への伝達関数の係数を最小二乗法により推定することで、モータのイナーシャと粘性係数を同定する同定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、トルク指令とモータ位置情報に基づき最小二乗推定処理を行い、イナーシャ推定値及び粘性摩擦係数推定値を出力する技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。さらに、ｑ軸の電流指令値をステップ状に変化させることで上昇する角速度推定値の上昇カーブから角加速度を算出し、角加速度の算出値を用いてモータの全慣性モーメントを算出する技術が知られている（例えば、特許文献３参照）。

特開平８－２２０１９７号公報 国際公開第２０１４／１５６１６４号 特開２００４－２４２４３０号公報

しかしながら、モータ速度の変動のさせ方によっては、モータのイナーシャと粘性係数の少なくとも一方を同定する精度が低下する場合がある。

本開示は、モータのイナーシャと粘性係数の少なくとも一方の同定精度を確保可能な制御装置、モータシステム及び同定方法を提供する。

本開示の一態様では、
モータのｑ軸電流をステップ状に変化させることで前記モータの速度の立ち上がり時間を測定し、前記立ち上がり時間の測定値に応じた同定条件で、前記モータのイナーシャと粘性抵抗の少なくとも一方を同定する同定部を備える、制御装置が提供される。

本開示によれば、モータのイナーシャと粘性係数の少なくとも一方の同定精度を確保できる。

本開示の実施の形態１に係るモータシステムの構成例を示す図である。 モータシステムの速度制御系における機械系モデルの一例を示すブロック線図である。 モータの機械的パラメータを最小二乗法により同定する同定部の一例を示す機能ブロック図である。 同定方法１を示すフローチャートである。 対応テーブルの一例を示す図である。

以下、図面を参照して、本開示の実施の形態に係るモータ制御装置、モータシステム及びモータ制御方法について詳細に説明する。

図１は、本開示の実施の形態１に係るモータシステム１の構成例を示す図である。図１に示すモータシステム１は、モータ４のロータと同期して回転する直交回転座標軸であるｄｑ軸上でモータ４を制御することで、高性能なトルク制御や速度制御を実現する。

ｄ軸は、ロータの実際の磁極位置を表す実角度方向（ロータの磁石により発生する磁束の方向）に伸びる軸であり、ｑ軸は、ｄ軸から電気角で９０°進んだ方向に伸びる軸である。ｄ軸及びｑ軸は、合わせて、ｄｑ軸又はｄ，ｑ軸と称することがある。ｄｑ軸は、ベクトル制御におけるモデル上の軸である。ロータの磁極位置θは、モータの基準コイル（例えば、Ｕ相コイル）の位置を基準に、ｄ軸が進む角度で表される。なお、ｄ軸及びｑ軸は、ベクトル制御におけるモデル上の軸であり、各種センサの有無にかかわらず、ｄ軸及びｑ軸を用いることができる。

モータシステム１が搭載される機器は、例えば、コピー機、パーソナルコンピュータ、冷蔵庫、ポンプ等であるが、当該機器は、これらに限られない。モータシステム１は、モータ４と、モータ制御装置１００とを少なくとも備える。

モータ４は、複数のコイルを有するモータである。モータ４は、例えば、Ｕ相コイルとＶ相コイルとＷ相コイルとを含む３相コイルを有する。モータ４の具体例として、３相のブラシレス直流モータ、ステッピングモータなどが挙げられる。モータ４は、少なくとも一つの永久磁石が配置されるロータと、ステータとを有する。モータ４は、例えば、送風用のファンを回すファンモータである。モータ４は、ロータの磁石の角度位置（磁極位置）を検出する位置センサを使用しないモータ（センサレス型モータ）でも、位置センサを使用するモータ（センサ付きモータ）でもよい。

モータ制御装置１００は、モータ４が３相のブラシレス直流モータの場合、３相ブリッジ接続された複数のスイッチング素子を３相のＰＷＭ信号を含む通電パターンに従いオンオフ（ＯＮ、ＯＦＦ）制御することで、インバータ１２を介してモータ４を駆動する。モータ制御装置１００は、モータ４がステッピングモータの場合、例えば２相接続された複数のスイッチング素子を２相のＰＷＭ信号を含む通電パターンに従いオンオフ制御することで、インバータ１２を介してモータ４を駆動する。

モータ制御装置１００は、例えば、インバータ１２、ＰＷＭ回路１３、電流検出部１１、位置・速度検出部１９、速度制御部２０、電流制御部３０、電流座標変換器１４、電圧座標変換器１５及び同定部４０を備える。同定部４０等の各部の機能は、メモリに記憶されたプログラムに従ってＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサが動作することにより実現される。

インバータ１２は、モータ４が３相のブラシレス直流モータの場合、直流電源から供給される直流を複数のスイッチング素子のスイッチングによって３相交流に変換し、３相交流の駆動電流をモータ４に流すことによって、モータ４のロータを回転させる回路である。インバータ１２は、ＰＷＭ回路１３によって生成される複数の通電パターン（より具体的には、３相のＰＷＭ信号）に基づいて、モータ４を駆動する。ＰＷＭとは、Pulse Width Modulation（パルス幅変調）を意味する。インバータ１２は、モータ４がステッピングモータの場合、直流電源から供給される直流を複数のスイッチング素子のスイッチングによって複数の交流に変換し、複数の駆動電流をモータ４に流すことによって、モータ４のロータを回転させる回路である。

電流検出部１１は、モータ４が３相のブラシレス直流モータの場合、ＰＷＭ回路１３によって生成される複数の通電パターン（より具体的には、３相のＰＷＭ信号）に基づいて、モータ４に流れるＵ，Ｖ，Ｗ各相の相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検出する。例えば、電流検出部１１は、インバータ１２の直流側に設けられる１つのシャント抵抗に発生する電圧に基づいて、各相の相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検出する。電流検出部１１は、インバータ１２とモータ４との間に流れる電流を検出する電流センサによって、相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検出してもよい。電流検出部１１は、モータ４がステッピングモータの場合、ＰＷＭ回路１３によって生成される複数の通電パターンに基づいて、モータ４に流れる各相の相電流を検出する。

位置・速度検出部１９は、電流座標変換器１４により生成されたｄ軸電流検出値ｉ_ｄ及びｑ軸電流検出値ｉ_ｑと、電流制御部３０により生成されたｄ軸電圧指令値ｖ_ｄ ^＊及びｑ軸電圧指令値ｖ_ｑ ^＊とに基づいて、ロータの磁極位置θ及び回転速度ωを検出する。位置・速度検出部１９は、モータ４に位置センサが取り付けられている場合、当該位置センサの出力信号に基づいて、磁極位置θ及び回転速度ωを検出してもよい。磁極位置θは、モータ４のロータの磁極位置（電気角）を表し、回転速度ωは、モータ４のロータの電気角速度を表す。位置・速度検出部１９により検出される回転速度ωの検出値を、速度検出値ωとも称する。

速度制御部２０は、外部からの速度指令値ω^＊と位置・速度検出部１９によって検出される速度検出値ωとの差が零に収束するように、ｄ－ｑ座標系におけるｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊及びｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊を生成する。速度指令値ω^＊は、モータ４のロータの電気角速度で表される回転速度の指令値を表す。速度制御部２０は、例えば、減算器１６、速度調節器１７及び電流指令演算部１８を有する。

減算器１６は、速度指令値ω^＊と速度検出値ωとの偏差を演算する。速度調節器１７は、減算器１６により演算された偏差を増幅することで、電流指令値ｉ^＊を演算する。トルク指令値τ^＊は、電流指令値ｉ^＊に係数を掛けたもので、電流値に比例する値と等価であり、モータ４のトルクＴの指令値を表す。

電流指令演算部１８は、電流指令値ｉ^＊及び速度検出値ωに基づき、モータ４のｄ軸方向に流すｄ軸電流の指令値であるｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊とモータ４のｑ軸方向に流すｑ軸電流の指令値であるｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊を演算する。モータ４に生じるトルクＴは、ｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊に比例して大きくなる。

電流制御部３０は、ｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊とｄ軸電流検出値ｉ_ｄとの差が零に収束するように、モータ４のｄ軸方向に生じるｄ軸電圧の指令値であるｄ軸電圧指令値ｖ_ｄ ^＊を生成する。電流制御部３０は、ｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊とｑ軸電流検出値ｉ_ｑとの差が零に収束するように、モータ４のｑ軸方向に生じるｑ軸電圧の指令値であるｑ軸電圧指令値ｖ_ｑ ^＊を生成する。

モータ４がブラシレスモータ直流モータの場合、電圧座標変換器１５は、位置・速度検出部１９によって検出された磁極位置θを用いて、ｄ軸電圧指令値ｖ_ｄ ^＊及びｑ軸電圧指令値ｖ_ｑ ^＊を、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の相電圧指令ｖ_ｕ*，ｖ_ｖ*，ｖ_ｗ*に変換する。電流座標変換器１４は、位置・速度検出部１９によって検出された磁極位置θを用いて、電流検出部１１により検出された３相の相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを、２相のｄ軸電流検出値ｉ_ｄ及びｑ軸電流検出値ｉ_ｑに変換する。

モータ４がステッピングモータの場合、電圧座標変換器１５は、位置・速度検出部１９によって検出された磁極位置θを用いて、ｄ軸電圧指令値ｖ_ｄ ^＊及びｑ軸電圧指令値ｖ_ｑ ^＊を、各相の相電圧指令値に変換する。電流座標変換器１４は、位置・速度検出部１９によって検出された磁極位置θを用いて、電流検出部１１により検出された各相の相電流を、２相のｄ軸電流検出値ｉ_ｄ及びｑ軸電流検出値ｉ_ｑに変換する。

同定部４０は、モータ４の機械的パラメータ（イナーシャ、粘性抵抗など）を同定する。同定部４０により同定された機械的パラメータを含む機械系モデルを用いて、モータシステム１の速度制御系を構成してもよい。

図２は、モータシステムの速度制御系における機械系モデルの一例を示す図である。図２に示すモータ速度系３３は、モータ４の機械系モデル３４を含む。機械系モデル３４は、モータ４のトルクＴを入力としモータ４の回転速度ωを出力とする伝達関数で表される。Ｊはモータ４のイナーシャ、Ｄはモータ４の粘性抵抗、ｓはラプラス演算子を表す。同定部４０は、例えば、機械系モデル３４を表す伝達関数の２つの係数を最小二乗法により推定することで、モータ４の機械的パラメータ（イナーシャＪと粘性係数Ｄ）を同定する。なお、モータ４に機械的負荷が接続されている場合、同定部４０は、その機械的負荷とモータ４を合わせた状態での機械的パラメータ（イナーシャＪと粘性係数Ｄ）を同定する。

図３は、モータの機械的パラメータを最小二乗法により同定する同定部の一例を示す機能ブロック図である。同定部４０は、例えば、周期信号生成部５１、推定モデル５３及び推定部５４を有する。実モデル５２は、図２に示す機械系モデル３４に相当する。周期信号生成部５１は、同定部４０（図３参照）の内部にあってもよいし、モータ制御装置１００（図１参照）の外部にあってもよい。

図３において、周期信号生成部５１は、振幅と周波数とオフセットとが可変の周期信号を生成し、生成した周期信号を、ｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊として出力する。周期信号の波形は、正弦波に限らず、疑似正弦波、三角波又は鋸波などの他の周期波形でもよい。また、オフセットは０としてもよい。トルクＴは電流値に比例することから、電流値にトルク係数を乗算すればトルクが算出されるので、電流値の変化は結果としてトルクの変化となる。よって、電流値の指令はトルクの指令と等価となり、実際の同定においては、電流と速度が用いられてもよい。

推定モデル５３は、モータ４に生じるトルクＴの指令値であるトルク指令値τ^＊として周期信号生成部５１から出力されて推定モデル５３に入力される周期信号から、速度検出値ωの推定値である速度推定値ω_ｍを出力する。推定モデル５３は、実モデル５２と同じ伝達関数で表される。Ｊ_ｍは、推定モデル５３上のイナーシャ、Ｄ_ｍは、推定モデル５３上の粘性抵抗を表す。

推定部５４は、実モデル５２から出力される速度検出値ω（位置・速度検出部１９により実際に得られる速度検出値ω）と推定モデル５３から出力される速度推定値ω_ｍとの誤差の二乗和を最小とするような"イナーシャＪ及び粘性抵抗Ｄ"を算出（同定）する。推定部５４は、イナーシャＪ及び粘性抵抗Ｄの各々の算出値を同定値としてメモリに保存する。推定部５４により導出されるイナーシャＪ及び粘性抵抗Ｄの各々の同定値は、速度制御部２０（図１）の制御ゲインの設定に利用される。なお、制御ゲインを設定するにあたり、必ずしもイナーシャＪ及び粘性抵抗Ｄの各々の同定値が速度制御部２０に入力されなくてもよい。例えば、同定部４０は、イナーシャＪ及び粘性抵抗Ｄの各々の同定値をユーザに提示し、ユーザから入力される情報に応じて、制御ゲインを設定してもよい。

ところが、周期信号生成部５１により生成される周期信号（ｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊）の振幅、周波数及びオフセットなどの同定条件が適切でない場合、イナーシャＪ及び粘性抵抗Ｄの各々の同定値が動作時の本来の値と大きく異なる（同定精度が低下する）場合がある。例えば、周期信号生成部５１により生成される周期信号の振幅が小さいと、速度検出値ω及び速度推定値ω_ｍの振幅も小さくなるため、イナーシャＪ及び粘性抵抗Ｄの各々の同定値が動作時の本来の値と大きく異なる（同定精度が低下する）場合がある。また、同定条件が適切でない場合、制御システムの動作が異常動作となる場合もある。速度や電流値は、モータ４やモータ４に繋がる負荷により変化するので、周期信号の振幅（変動幅）や周波数等の同定条件を適切に設定することが難しい。

本開示の同定部４０は、回転速度ωの立ち上がり時間に応じて推定したプリイナーシャを用いて同定条件を決定することで、イナーシャ及び粘性抵抗の同定精度を確保する機能を有する。以下、回転速度ωの立ち上がり時間に応じて推定したプリイナーシャを用いて決定した同定条件でイナーシャ及び粘性抵抗を算出する同定方法１について、図４を参照して説明する。

＜同定方法１＞
図４は、同定方法１を示すフローチャートである。最初に、同定部４０は、モータ制御装置１００をベクトル制御による電流制御に設定し、ｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊を零に固定した状態でｑ軸電流を制御する電流制御に設定する（ステップＳ１０）。

次に、同定部４０は、ステップ状のｑ軸電流（Ｉ_ｑ電流）の電流値を設定し、Ｉ_ｑ電流が零から所定の電流値に変化するステップ状のｑ軸電流を印加する（ステップＳ１１）。同定部４０は、モータ４の回転速度ωを観測し、回転速度ωが所定の速度に上昇するまでの立ち上がり時間ｔｒを測定する（ステップＳ１２）。同定部４０は、例えば、周期信号生成部５１により生成される周期信号（ｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊）をステップ状に変化させることで、立ち上がり時間ｔｒを測定する。なお、この時、ｄ軸の電流値を監視し、零または零に近い値になっていることを確認する。

同定部４０は、立ち上がり時間ｔｒとイナーシャに相関関係があることから（実際のイナーシャが大きいほど立ち上がり時間ｔｒは長くなる）、立ち上がり時間ｔｒの測定値に対応するプリイナーシャを推定する（ステップＳ１３）。プリイナーシャとは、最終的な同定によって得られるイナーシャの前に想定されるイナーシャ（仮イナーシャ）である。同定部４０は、例えば、立ち上がり時間ｔｒとプリイナーシャとの関係則（例えば、対応テーブルや演算式など）に基づいて、立ち上がり時間ｔｒの測定値に対応するプリイナーシャを推定する。対応テーブル等の関係則又は関係則を導出するためのデータは、予め、メモリ等に記憶されている。

同定部４０は、プリイナーシャの推定値を用いて、イナーシャ及び粘性抵抗の同定条件を決定する（ステップＳ１４）。同定部４０は、例えば、プリイナーシャと同定条件との関係則（例えば、対応テーブルや演算式など）を用いて、プリイナーシャの推定値に対応する同定条件を選択（決定）する。対応テーブル等の関係則又は関係則を導出するためのデータは、予め、メモリ等に記憶される。同定条件には、例えば、ｑ軸電流の電流値、ｑ軸電流の変動周波数、同定実行時間（同定を行う期間）などがあり、より具体的には、周期信号生成部５１により生成される周期信号（ｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊）の振幅、周波数及びオフセットなどがある。

図５は、対応テーブルの一例を示す図である。同定部４０は、例えば、立ち上がり時間ｔｒの測定値が０よりも大きくｔ１以下の場合、プリイナーシャＪの推定値を推定値Ｊ１と導出する。同定部４０は、プリイナーシャの推定値に対応する同定条件を、対応テーブルから導出する。同定部４０は、例えば立ち上がり時間ｔｒの測定値が０よりも大きくｔ１以下の場合（プリイナーシャが推定値Ｊ１と推定された場合）、周期信号生成部５１により生成される周期信号（ｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊）の振幅を、推定値Ｊ１に対応する電流値ｉ１に決定する。同様に、同定部４０は、当該周期信号（ｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊）の変動周波数を、推定値Ｊ１に対応する周波数ｆ１に決定する。また、同定部４０は、この同定条件で同定を実行する時間（期間）を、推定値Ｊ１に対応する時間ｔ１に決定する。立ち上がり時間ｔｒの測定値が他の範囲の場合も、同定条件は、同様に、導出される。なお、図５において、各値の大小関係は、例えば、ｉ１＜ｉ２＜ｉ３＜ｉ４＜ｉ５、ｆ１＞ｆ２＞ｆ３＞ｆ４＞ｆ５、ｔ１＜ｔ２＜ｔ３＜ｔ４＜ｔ５、Ｊ１＜Ｊ２＜Ｊ３＜Ｊ４＜Ｊ５である。

同定部４０は、ステップＳ１４で決定された同定条件で、モータ４のイナーシャ及び粘性抵抗を上述の最小二乗法等の計算処理を使って同定する（ステップＳ１５）。同定部４０は、同定の計算処理により得られたイナーシャ及び粘性抵抗の算出値（同定値）をメモリに保存する。

同定方法１では、同定部４０は、モータ４のｑ軸電流をステップ状に変化させることでモータ４の速度の立ち上がり時間ｔｒを測定し、立ち上がり時間ｔｒの測定値に応じた同定条件でモータ４のイナーシャ及び粘性抵抗を同定する。同定方法１によれば、モータ４及びモータ４に付加された負荷に応じて、適切な同定条件を自動で導出できるので、イナーシャ及び粘性抵抗の同定精度を確保できる。

なお、同定方法１では、同定部４０は、プリイナーシャを推定していたが、プリイナーシャを推定せずに同定条件を導出してもよい。例えば、同定部４０は、立ち上がり時間ｔｒと同定条件との対応テーブル（例えば図５において、プリイナーシャＪの項目がないテーブル）を用いて、立ち上がり時間ｔｒの測定値に対応する同定条件を決定してもよい。

以上、制御装置、モータシステム及び同定方法を実施形態により説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。

例えば、本開示の技術は、イナーシャ及び粘性抵抗を最小二乗法により同定する方法以外の同定方法にも適用できる。また、本開示の技術は、イナーシャと粘性抵抗の両方を同定する方法に限られず、イナーシャと粘性抵抗のどちらか一方を同定する方法にも適用できる。

また、ステップ状のｑ軸電流の電流値は、予め決められた固定値でも、ユーザ等により調整される値でも、モータ４の定格値に応じて設定される値でもよい。定格値は、モータの特性を表す値（特性値）の一例である。定格値には、例えば、モータの容量、電圧又は電流などがある。

同定部４０は、電流値（ステップの高さ）が異なる複数のステップ状のｑ軸電流を複数回印加して得られる複数の立ち上が時間Ｔｒの平均値又は中央値を算出し、当該平均値又は中央値に対応するプリイナーシャを推定してもよい。

１ モータシステム
４ モータ
１１電流検出部
１２ インバータ
１３ ＰＷＭ回路
１４ 電流座標変換器
１５ 電圧座標変換器
１６ 減算器
１７ 速度調節器
１８ 電流指令演算部
１９ 位置・速度検出部
２０ 速度制御部
３０ 電流制御部
３３ モータ速度系
３４ 機械系モデル
４０ 同定部
５１ 周期信号生成部
５２ 実モデル
５３ 推定モデル
５４ 推定部
１００ モータ制御装置

Claims (8)

1. モータのｑ軸電流をステップ状に変化させることで前記モータの速度の立ち上がり時間を測定し、前記立ち上がり時間の測定値に応じた同定条件で、前記モータのイナーシャと粘性抵抗の少なくとも一方を同定する同定部を備える、制御装置。
2. 前記同定部は、前記立ち上がり時間の測定値に対応するプリイナーシャを推定し、前記プリイナーシャの推定値に対応する前記同定条件を決定する、請求項１に記載の制御装置。
3. 前記同定部は、前記プリイナーシャと前記同定条件との対応テーブルを用いて、前記プリイナーシャの推定値に対応する前記同定条件を決定する、請求項２に記載の制御装置。
4. 前記同定部は、前記立ち上がり時間と前記同定条件との対応テーブルを用いて、前記立ち上がり時間の測定値に対応する前記同定条件を決定する、請求項１に記載の制御装置。
5. 前記モータの速度指令値と前記モータの速度検出値との差が零に収束するようにｑ軸電流指令値を生成し、前記ｑ軸電流指令値と前記モータのｑ軸電流検出値との差が零に収束するように前記モータを制御する制御部を備え、
   前記同定部は、前記ｑ軸電流指令値をステップ状に変化させることで、前記立ち上がり時間を測定する、請求項１から４のいずれか一項に記載の制御装置。
6. 前記同定部は、前記同定条件で、前記モータのイナーシャと粘性抵抗の少なくとも一方を最小二乗法により同定する、請求項１から５のいずれか一項に記載の制御装置。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の制御装置と、
   前記モータと、を備える、モータシステム。
8. モータのｑ軸電流をステップ状に変化させることで前記モータの速度の立ち上がり時間を測定し、前記立ち上がり時間の測定値に応じた同定条件で、前記モータのイナーシャと粘性抵抗の少なくとも一方を同定する方法。

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