JP2957832B2

JP2957832B2 - 交流電動機の電流検出方法

Info

Publication number: JP2957832B2
Application number: JP5051450A
Authority: JP
Inventors: 哲夫百瀬
Original assignee: Sankyo Seiki Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Nidec Instruments Corp
Priority date: 1993-02-17
Filing date: 1993-02-17
Publication date: 1999-10-06
Anticipated expiration: 2014-10-06
Also published as: JPH06245537A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、交流電動機の電流検出
方法に関し、さらに詳しくはＰＷＭインバータの出力信
号により駆動される交流電動機の電流検出方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】昨今、マイクロプロセッサの低価格化に
伴い、電動機の制御系はソフトウェア化されつつある。
１つのシリコンウェハー上に、汎用ＣＰＵと入出力ポー
ト、メモリ、タイマー、ＡＤ変換器、ＤＡ変換器等を構
成した所謂シングルチップマイコン（以下単にＭＰＵと
記す）は、経済性が良いことから、低価格の交流サーボ
モータの制御装置に良く用いられている。

【０００３】電流制御系をソフトウェア化する場合に
は、電流センサの出力電圧をマイクロプロセッサで扱う
量、すなわちデジタル量に変換するＡＤ変換手段が必要
とされる。ＭＰＵに内蔵されているＡＤ変換器は、図７
に示されるように、逐次比較形が主流であり、この逐次
比較形ＡＤ変換器１７ｃの前段には、数個のアナログ電
圧信号ｖ_a ，ｖ_b から所望の信号を選択するマルチプレ
クサ１７ａ、変換中の入力電圧を一定にしておくサンプ
ルホールド回路１７ｂが一般的に設けられている。

【０００４】さて、３相３線式の交流電動機において、
相電流を精度良く制御しようとすれば、少なくとも２相
の電流量を検出する必要がある。しかしながら、上述の
ようなＭＰＵを用いる場合には、逐次比較形ＡＤ変換器
１７ｃ及びサンプルホールド回路１７ｂが１組しかない
ために、電流を２相以上同時に標本化することはできな
い。従って、電流を時分割で標本化、変換しなければな
らない。

【０００５】ところで、電流の標本化は、インバータ
が、変調波信号と、その変調波信号より十分に高い周波
数の搬送波信号とを受ける電圧形サブハーモニック方式
の場合、特公平４−４７５５４号公報等に記載されてい
るように、搬送波の頂点に同期させると電流の平均値に
近い値を標本化させるようになっており、従来より一般
的に用いられている。

【０００６】ここで、上述の構成を採用した、例えば
３相無整流子電動機の電流制御装置の一例を示したの
が、図５、図６、図７であり、図５は電流制御装置の機
能ブロック図を、図６はそのハードウェア構成を、図７
は図６中のＡＤ変換器及びその周辺回路の具体的構成を
それぞれ示している。図における符号１は永久磁石形同
期電動機を、符号５は永久磁石形同期電動機１に直結さ
れるエンコーダを、６はエンコーダ５の出力パルスを受
信し位置信号θ（ｎ）を送出する磁極位置検出部を、２
ａ，２ｂは永久磁石形同期電動機１に流れるＡ相、Ｂ相
の電流ｉ_ａ，ｉ_ｂをそれぞれ検出する電流センサを、７
は電流センサ２ａ，２ｂからの電圧信号ｖ_ａ，ｖ_ｂ、位
置信号θ（ｎ）、トルク指令Ｔ^＊（ｎ）及びデジタル搬
送波発生回路４ｂからの割り込み要求信号ＩＮＴに応じ
て電圧指令ｖ^＊（ｎ）を出力するＭＰＵをそれぞれ示し
ている。このＭＰＵ７は、ハードウェア構成で示すと、
図６に示されるように、ＣＰＵ７ａ、入出力ポート７ｂ
〜７ｇ、ＮＡＤ変換器及びその周辺回路７ｈ（詳しくは
図７参照）より構成されており、一方機能ブロック図で
示すと、図５に示されるように、位置信号θ（ｎ）及び
トルク指令Ｔ^＊（ｎ）を受信して電流指令ｉ^＊（ｎ）を
送出する電流指令作成部７ｊ、電圧信号ｖ_ａ，ｖ_ｂを受
信して電流指令ｉ（ｎ）を送出するＡＤ変換部７ｈ）電
流指令ｉ^＊（ｎ），ｉ（ｎ）を受信して電圧指令ｖ
^＊（ｎ）を出力する電流制御部７ｋより構成されてい
る。

【０００７】符号４は電圧指令ｖ^* （ｎ）に応じてスイ
ッチング信号Ｓを送出するサブハーモニックＰＷＭを、
３はスイッチング信号Ｓに応じて永久磁石形同期電動機
１に電圧を印加する電圧形インバータをそれぞれ示して
おり、サブハーモニックＰＷＭ４は、図６に示されるよ
うに、デジタル搬送波及び割り込み要求信号ＩＮＴを発
生するデジタル搬送波発生回路４ｂと、搬送波及び電圧
指令ｖ^* （ｎ）を受信してスイッチング信号Ｓを送出す
るＰＷＭ回路４ａとから構成されており、一方電圧形イ
ンバータ３は、トランジスタ３ａ〜３ｆ、ダイオード３
ｇ〜３ｌより構成されている。なお、符号Ｌは電動機の
電機子巻線を示している。

【０００８】ここで、上記ｉ^＊（ｎ），ｉ（ｎ），ｖ
^＊（ｎ），ｖ^＊ _ａ（ｎ），ｖ^＊ _ｂ（ｎ），ｖ
^＊ _ｏ（ｎ），ｉ，Ｓはそれぞれ次式で表される。

【数１】

【数２】

【数３】

【数４】

【数５】

【数６】

【数７】

【０００９】そして、該電流制御装置のＣＰＵ７ａには
プログラムが書き込まれ、図８に示されるフローチャー
トに従って制御されている。以下、プログラムに従いこ
の装置の動作を説明する。先ず、プログラムがスタート
すると、ステップ１において、前処理が行われ、サブハ
ーモニック方式ＰＷＭ４のデジタル搬送波発生回路４ｂ
より発生する搬送波が、図９に示されるように、頂点に
なると、デジタル搬送波発生回路４ｂからＭＰＵ７の入
力ポート７ｇに割り込み要求信号ＩＮＴが出力され、割
り込みルーチンに移行する。そして、ステップ２におい
て、Ａ相電流ｉ_a をホールド回路１７ｂでサンプルホー
ルドし、ＡＤ変換器１７ｃでＡＤ変換を開始して、ステ
ップ３へ進み、ステップ３において、電流制御部７ｋよ
り電圧指令ｖ^* （ｎ−１）を出力して、ステップ４へ進
み、ステップ４において、ＡＤ変換が終了するまで待っ
てステップ５へ進み、ステップ５において、ｉ_a （ｎ）
を電流制御部７ｋに入力して、ステップ６へ進み、ステ
ップ６において、今度はＢ相電流ｉ_b をホールド回路１
７ｂでサンプルホールドし、ＡＤ変換器１７ｃでＡＤ変
換を開始して、ステップ７へ進み、ステップ７におい
て、ＡＤ変換が終了するまで待ってステップ８へ進み、
ステップ８において、ｉ_b （ｎ）を電流制御部７ｋに入
力して、ステップ９へ進み、ステップ９において、磁極
位置θ（ｎ）及びトルク指令Ｔ^* （ｎ）を電流指令作成
部７ｊに入力して、ステップ１０へ進み、ステップ１０
において、電流指令ｉ^* （ｎ）を算出して、ステップ１
１へ進み、ステップ１１において、電圧指令ｖ^* （ｎ）
を算出してリターンし、次回の割り込み要求信号ＩＮＴ
待ちとなる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、搬送波の頂
点の近傍においては、図１０に示されるように、インバ
ータ３のトランジスタアームのプラス側３ａ，３ｃ，３
ｅまたはマイナス側３ｂ，３ｄ，３ｆが全てオンしてい
る。ここで、例えばマイナス側３ｂ，３ｄ，３ｆが全て
オンしている場合、すなわち搬送波が凸の場合を考えて
見ると、永久磁石形同期電動機１はトルクと回転方向が
一致している状態にあって、電流ｉ_a が電動機１に流入
し、電流ｉ_b ，ｉ_cが電動機１より流出していると仮定
すると、等価回路は、図１１に示されるようになる。符
号Ｅ_a ，Ｅ_b ，Ｅ_c は電動機１の誘起電圧を示してお
り、便宜上定電圧として表している。この状態において
は、電流は、電動機１の巻線抵抗Ｒと誘起電圧Ｅ_a ，Ｅ
_b ，Ｅ_c によって、図１２に示されるように、時間と共
に減少して行く。

【００１１】従って、Ａ相より遅れて標本化が行われる
Ｂ相では、図１２に示されるように、Ａ相と同時に標本
化が行われる場合よりΔｉ_b だけ少ない値が標本化され
ることになる。この関係は、電動機１のトルクと回転方
向が一致している状態であれば、トランジスタアームの
プラス側３ａ，３ｃ，３ｅが全てオンしている場合にお
いても、また電流の向きが図１２と異なる場合において
も同様に発生する。

【００１２】ここで、数４における利得Ｋが充分大きい
と仮定すると、電流指令ｉ^* （ｎ）とフィードバックさ
れるｉ（ｎ）とにおいては、次式が成り立つ。

【数８】

【００１３】従って、電流標本化が常にＡ相に比べて遅
れるＢ相は、等価的にＡ相に比べてフィードバック量が
少なくなり、結果として実際に電動機１に流れる電流の
振幅が、Ａ相より大きな値となってしまう。なお、Ｃ相
電流ｉ_c は、Ａ，Ｂ相電流ｉ_a ，ｉ_b の従属関数となる
ために、次式で表される。

【数９】

【００１４】さてここで、トルク定数Ｋ_t （θ）を次式
のように仮定する。

【数１０】ここで、Ｋ_t は定数とする。すると、相電流ｉと発生ト
ルクＴ（θ）との関係式は次式となる。

【数１１】

【００１５】もし、数１１において、各相電流の振幅が
等しくＩであり、歪みがないとすれば、発生トルクＴ
（θ）は次式のようになり、電気角θに依存せず、一定
となる。

【数１２】

【００１６】しかしながら、相電流の振幅が、ｉ_a ，ｉ
_b で異なった場合には、発生トルクＴ（θ）は次式のよ
うになり、電気角２π当たり２周期の脈動が生じること
になる。

【数１３】ここで、α；（ｉ_b の振幅）／（ｉ_a の振幅）Ｉ；ｉ_a の振幅

【００１７】このように、従来技術の電動機の電流検出
方法においては、電流の標本化が常にＡ相より遅れるＢ
相は、電流の振幅がＡ相より大きくなり、トルクリップ
ルを、図１３に示されるように、電気角２π当たり２周
期の割合で生じてしまい、その結果、速度制御時におい
ては速度ムラが大きくなり、位置制御時においては高精
度の位置決めがなされないといった問題がある。

【００１８】そこで本発明は、トルクリップルを減少せ
しめ、速度制御時における速度ムラを少なくすると共
に、位置制御時における高精度の位置決めを可能とする
交流電動機の電流検出方法を提供することを目的とす
る。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明の交流電動機の電
流検出方法は上記目的を達成するために、変調波信号と
搬送波信号とを重畳したＰＷＭインバータの出力信号に
より、交流電動機を駆動する装置において、少なくとも
２相のインバータ出力電流を順にサンプルホールドし、
ＡＤ変換して電圧指令部に帰還し、電流量を設定して前
記変調波信号として出力し、前記サンプルホールドの順
番を１回毎に順に入れ替えることを特徴としている。ま
た、上記第１の手段に加えて、電動機に電力を供給する
電力変換手段は、前記電流指令部からの電圧指令と前記
搬送波信号とを受けて、前記ＰＷＭインバータの出力信
号を形成するためのスイッチング信号を送出する電圧形
サブハーモニック方式ＰＷＭインバータであり、電流量
の標本化は、搬送波信号と同期していることを特徴とし
ている。また、上記第２の手段に加えて、電流量の標本
化は、搬送波信号の頂点近傍で行うことを特徴としてい
る。

【００２０】

【作用】このような手段における交流電動機の電流検出
方法によれば、サンプルホールドの順番を１回毎に順に
入れ替えていることから、平均すると各相の電流の振幅
は凡そ等しくなり、トルクリップルが減少するようにな
る。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１は本発明の一実施例を示す交流電動機の電流
検出方法の電流標本化及びそのタイミングを模式的に表
した図、図２はＣＰＵに記憶されているプログラムのフ
ローチャートである。本電流検出方法は、従来技術の図
５、図６、図７で説明した電流制御装置に適用されてお
り、装置構成の説明は重複を避けるために省略する。本
実施例の電流検出方法が従来技術のそれと違う点は、イ
ンバータ３の出力電流ｉ_a ，ｉ_b のサンプルホールドの
順番を１回毎に逆にして入れ替えたことである。このプ
ログラムは、電流制御装置のＣＰＵ７ａに書き込まれて
おり、図２に示されるようになる。

【００２２】以下、図２に示されるフローチャートに従
って動作を説明する。先ず、プログラムがスタートする
と、ステップ１において、前処理が行われ、次いでステ
ップ２へ進み、ステップ２において、Ｘ＝１に設定す
る。ここで、このＸは、電流をサンプルホールドする順
番を定めるための変数であり、本実施例においては、Ｘ
＝１の場合にＡ相電流を、Ｘ＝−１の場合にＢ相電流を
サンプルホールドするよう設定している。

【００２３】そして、サブハーモニック方式ＰＷＭ４の
デジタル搬送波発生回路４ｂより発生する搬送波が、図
１に示されるように、頂点になると、デジタル搬送波発
生回路４ｂからＭＰＵ７の入力ポート７ｇに割り込み要
求信号ＩＮＴが出力され、割り込みルーチンに移行す
る。そして、ステップ３において、Ｘ＝１か否かが判定
され、Ｘ＝１の場合には、ステップ４へ進み、一方Ｘ＝
１ではない場合、すなわちＸ＝−１の場合にはステップ
１５へ進む。ここで、本実施例においては、ステップ２
において、Ｘ＝１と設定しているので、ステップ４へ進
む。

【００２４】ここで、ステップ４〜ステップ１３までの
フローは、従来技術の図８で説明したステップ２〜ステ
ップ１１と同様であり、ステップ４において、Ａ相電流
ｉ_aをホールド回路１７ｂでサンプルホールドし、ＡＤ
変換器１７ｃでＡＤ変換を開始して、ステップ５へ進
み、ステップ５において、電流制御部７ｋより電圧指令
ｖ^* （ｎ−１）を出力して、ステップ６へ進み、ステッ
プ６において、ＡＤ変換が終了するまで待ってステップ
７へ進み、ステップ７において、ｉ_a （ｎ）を電流制御
部７ｋに入力して、ステップ８へ進み、ステップ８にお
いて、今度はＢ相電流ｉ_b をホールド回路１７ｂでサン
プルホールドし、ＡＤ変換器１７ｃでＡＤ変換を開始し
て、ステップ９へ進み、ステップ９において、ＡＤ変換
が終了するまで待ってステップ１０へ進み、ステップ１
０において、ｉ_b （ｎ）を電流制御部７ｋに入力して、
ステップ１１へ進み、ステップ１１において、磁極位置
θ（ｎ）及びトルク指令Ｔ^* （ｎ）を電流指令作成部７
ｊに入力して、ステップ１２へ進み、ステップ１２にお
いて、電流指令ｉ^* （ｎ）を算出して、ステップ１３へ
進み、ステップ１３において、電圧指令ｖ^* （ｎ）を算
出して、ステップ１４へ進む。

【００２５】そして、ステップ１４において、Ｘの正負
を逆にする、すなわちＸ＝Ｘ・（−１）に再設定して、
リターンし、次回の割り込み要求信号ＩＮＴ待ちとな
る。

【００２６】ここで、次の割り込み要求信号ＩＮＴが入
力されると、ステップ３において、Ｘ＝１か否かが判定
され、今度は前回と正負が逆にされてＸ＝−１と設定さ
れているので、ステップ１５へ進む。

【００２７】ステップ１５〜ステップ２１までのフロー
は、ステップ４〜ステップ１０までのフローのＡ，Ｂ相
の電流ｉ_a ，ｉ_b のサンプルホールドの順番を逆にした
ものである。すなわち、ステップ１５において、Ｂ相電
流ｉ_b をホールド回路１７ｂでサンプルホールドし、Ａ
Ｄ変換器１７ｃでＡＤ変換を開始して、ステップ１６へ
進み、ステップ１６において、電流制御部７ｋより電圧
指令ｖ^* （ｎ−１）を出力して、ステップ１７へ進み、
ステップ１７において、ＡＤ変換が終了するまで待って
ステップ１８へ進み、ステップ１８において、ｉ_b
（ｎ）を電流制御部７ｋに入力して、ステップ１９へ進
み、ステップ１９において、今度はＡ相電流ｉ_a をホー
ルド回路１７ｂでサンプルホールドし、ＡＤ変換器１７
ｃでＡＤ変換を開始して、ステップ２０へ進み、ステッ
プ２０において、ＡＤ変換が終了するまで待ってステッ
プ２１へ進み、ステップ２１において、ｉ_a （ｎ）を電
流制御部７ｋに入力して、ステップ１１へ進み、以下ス
テップ１１〜ステップ１４まで同様なフローとなる。そ
して、ステップ１４において、Ｘの正負が再度逆にされ
るので、次回の割り込み要求信号ＩＮＴが入力される
と、サンプルホールドの順番は今度はＡ相、Ｂ相の順番
となる。上記電流の標本化及びそのタイミングを示した
のが、図１である。

【００２８】ここで、本発明者は、上記方法を用いて試
験した結果、図３に示される発生トルクを得た。同図に
示されるように、本実施例のトルクリップルが、図１３
に示される従来技術のそれに比べて減少しているのが分
かる。

【００２９】このように、本実施例においては、インバ
ータ３の出力電流ｉ_a ，ｉ_b のサンプルホールドの順番
を１回毎に逆にして入れ替えるようにしたので、平均す
ると各相の電流の振幅は凡そ等しくなり、トルクリップ
ルを減少し得るようになっている。従って、速度制御時
においては、速度ムラを少なくできるようになり、一方
位置制御時においては、高精度の位置決めを行うことが
可能となっている。

【００３０】図４は本発明の他の実施例を示す電流検出
方法の電流標本化及びそのタイミングを模式的に表した
図である。この実施例の電流検出方法が先の実施例のそ
れと違う点は、電流の標本化を、搬送波の全ての頂点で
行っていない点であるが、インバータ３の出力電流ｉ
_a ，ｉ_b のサンプルホールドの順番を１回毎に逆にして
入れ替えるという点は先の実施例と同様である。このよ
うにしても、先の実施例と同様な効果を得られるという
のはいうまでもない。

【００３１】以上本発明者によってなされた発明を各実
施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記各実施
例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範
囲で種々変形可能であるというのはいうまでもなく、例
えば、上記各実施例においては、搬送波を３角波として
いるが、３角波に限定されるものではなく、鋸波等でも
良い。

【００３２】また、電動機１は３相無整流子電動機に限
定されるものではなく、誘導電動機やリラクタンス交流
電動機等であっても良い。

【００３３】なお、本発明は３相以外の交流電動機に対
しても適用可能であり、その場合には、インバータの出
力電流のサンプルホールドの順番を１回毎に順に入れ替
えるようにすれば良い。

【００３４】

【発明の効果】以上述べたように本発明の交流電動機の
電流検出方法によれば、インバータ出力電流のサンプル
ホールドの順番を１回毎に順に入れ替えるようにしたの
で、平均すると各相の電流の振幅は凡そ等しくなってト
ルクリップルが減少するようになり、従って速度制御時
においては速度ムラが少なくなり、位置制御時において
は高精度の位置決めを行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す交流電動機の電流検出
方法の電流標本化及びそのタイミングを模式的に表した
図である。

【図２】ＣＰＵに記憶されているプログラムのフローチ
ャートである。

【図３】トルクリップルの減少を示す試験結果図であ
る。

【図４】本発明の他の実施例を示す交流電動機の電流検
出方法の電流標本化及びそのタイミングを模式的に表し
た図である。

【図５】従来の交流電動機の電流検出方法を適用した電
流制御装置の機能ブロック図である。

【図６】従来の交流電動機の電流検出方法を適用した電
流制御装置のハードウェア構成図である。

【図７】図６中のＡＤ変換器及びその周辺回路を具体的
に示す構成図である。

【図８】図６中のＣＰＵに記憶されている従来のプログ
ラムのフローチャートである。

【図９】従来の電流標本化及びそのタイミングを模式的
に表した図である。

【図１０】各トランジスタアームのオンオフと搬送波と
の関係を表した図である。

【図１１】図６の要部の等価回路図である。

【図１２】各相の電流の経時的変化を示す図である。

【図１３】従来方法により発生するトルクリップルを示
す図である。

【符号の説明】１交流電動機３インバータ４サブハーモニック方式ＰＷＭ回路７ＭＰＵ７ｈ，１７ｃＡＤ変換器１７ｂサンプルホールド回路ｉ_a ，ｉ_b ，ｉ_c インバータ出力電流

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H02M 7/42 - 7/98 H02P 7/628 - 7/632

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】変調波信号と搬送波信号とを重畳したＰ
ＷＭインバータの出力信号により、交流電動機を駆動す
る装置において、少なくとも２相のインバータ出力電流を順にサンプルホ
ールドし、ＡＤ変換して電圧指令部に帰還し、電流量を
設定して前記変調波信号として出力し、前記サンプルホールドの順番を１回毎に順に入れ替える
ことを特徴とする交流電動機の電流検出方法。
【請求項２】電動機に電力を供給する電力変換手段
は、前記電圧指令部からの電圧指令と前記搬送波信号と
を受けて、前記ＰＷＭインバータの出力信号を形成する
ためのスイッチング信号を送出する電圧形サブハーモニ
ック方式ＰＷＭインバータであり、電流量の標本化は、搬送波信号と同期していることを特
徴とする請求項１記載の交流電動機の電流検出方法。
【請求項３】電流量の標本化は、搬送波信号の頂点近
傍で行うことを特徴とする請求項２記載の交流電動機の
電流検出方法。