JP3914107B2 - Dcブラシレスモータの制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、突極型のDCブラシレスモータのロータ角度を位置検出センサを用いることなく検出し、該ロータ角度に基づいて該モータの電機子電流を制御するDCブラシレスモータの制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
DCブラシレスモータを駆動して所望のトルクを得るためには、磁極を有するロータの電気角(以下、ロータ角度という)に対応した適切な位相で電機子に電圧を印加する必要がある。そして、ロータ角度を検出する位置検出センサを省いてDCブラシレスモータとモータ制御装置のコストダウンを図るべく、位置検出センサを用いずにロータ角度を検出する種々の方法が提案されている。
【0003】
本願発明者らも、先の出願(特願2001−288303)において、位置検出センサを用いずにロータ角度を検出するロータ角度検出装置を提案している。かかるロータ角度検出装置においては、突極型のDCブラシレスモータの3相の電機子に印加する駆動電圧に高周波電圧を重畳したときに、該3相の電機子のうちの第1相に流れる電流の検出値及び第2相に流れる電流の検出値と、該高周波電圧に応じた高周波成分とを用いて、該モータのロータ角度の2倍角の正弦値に応じた正弦参照値と該2倍角の余弦値に応じた余弦参照値とを算出する。そして、前記正弦参照値と前記余弦参照値とを用いてDCブラシレスモータのロータ角度を算出している。
【0004】
ここで、モータ制御装置においては、モータの電機子に流れる電流の検出値(電機子検出電流)が所定の指令電流と一致するように、モータの電機子に印加される駆動電圧を決定する電機子電流のフィードバック制御が行なわれるが、前記高周波電圧を重畳した影響により電機子検出電流には高周波成分が重畳する。
【0005】
そこで、ローパスフィルタにより電機子検出電流から高周波成分を除去する処理が行われるが、ローパスフィルタによる高周波成分の除去が不十分であると、電機子検出電流に重畳した高周波成分により電機子検出電流と指令電流との偏差が増大し、前記フィードバック制御によるモータの出力トルクの追従性が悪化するという不都合がある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記不都合を解消し、モータの駆動電圧にロータ角度検出用の高周波電圧を重畳させたときに生じる電機子電流のフィードバック制御への影響を抑制したDCブラシレスモータの制御装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、突極型のDCブラシレスモータの3相の電機子に駆動電圧を印加する電圧印加手段と、該駆動電圧に高周波電圧を重畳する高周波重畳手段と、該3相の電機子のうちの第1相の電機子に流れる電流を検出する第1電流検出手段と、該3相の電機子のうちの第2相の電機子に流れる電流を検出する第2電流検出手段と、前記高周波重畳手段により前記駆動電圧に前記高周波電圧が重畳されたときに前記第1電流検出手段により検出される第1電流値及び前記第2電流検出手段により検出される第2電流値と、前記高周波電圧に応じた高周波成分とを用いて、前記モータのロータ角度の2倍角の正弦値に応じた正弦参照値と該2倍角の余弦値に応じた余弦参照値とを抽出する参照値抽出手段と、前記正弦参照値と前記余弦参照値とを用いて前記モータのロータ角度を算出するロータ角度算出手段と、前記モータを該モータのロータの磁束方向であるq軸上にあるq軸電機子と、q軸と直交するd軸上にあるd軸電機子とを有する等価回路に変換して扱い、前記ロータ角度算出手段により算出された前記モータのロータ角度と前記第1電流値と前記第2電流値とに基づいて、該q軸電機子に流れるq軸検出電流と該d軸電機子に流れるd軸検出電流とを算出する3相/dq変換手段と、前記q軸検出電流にローパスフィルタを施したq軸参照電流が所定のq軸指令電流と一致し、且つ、前記d軸検出電流にローパスフィルタを施したd軸参照電流が所定のd軸指令電流と一致するように、前記駆動電圧を決定する電流制御手段とを備えたDCブラシレスモータの制御装置の改良に関する。
【0008】
そして、前記高周波電圧を、該高周波電圧を前記モータの電機子に印加したときに生じる回転磁界の方向と前記駆動電圧による前記モータの回転方向とが逆方向となるように設定したことを特徴とする。
【0009】
かかる本発明によれば、詳細は後述するが、前記高周波電圧を、該高周波電圧を前記モータの電機子に印加したときに生じる回転磁界の方向と前記駆動電圧による前記モータの回転方向とが逆方向となるように設定した場合、該高周波電圧を前記モータの電機子に印加したときに生じる回転磁界の方向と前記駆動電圧による前記モータの回転方向とが同じ方向となるように設定した場合よりも、前記3相/dq変換手段により算出される前記q軸検出電流と前記d軸検出電流に重畳する高周波電流の周波数が高くなる。
【0010】
そのため、前記ローパスフィルタによる前記q軸検出電流とd軸検出電流に重畳した高周波電流の減衰効果が高くなり、該高周波電流の影響による前記q軸参照電流と前記q軸指令電流との偏差、及び前記d軸参照電流と前記d軸指令電流との偏差が減少する。そして、これにより、前記d軸指令電流と前記q軸指令電流に応じた前記モータの出力トルクの追従性を向上させることができる。
【0011】
また、前記参照値抽出手段は、次式(3)と(4)により前記正弦参照値と前記余弦参照値を抽出したことを特徴とする。
【0012】
【数3】
【0013】
【数4】
【0014】
但し、上記式(3)〜(4)において、Vs:前記正弦参照値、Vc:前記余弦参照値、Iu:前記第1電流値、Iw:前記第2電流値、ω:前記高周波電圧の角速度。
【0015】
かかる本発明によれば、前記参照値抽出手段は、上記式(3),(4)により、前記第1電流値(Iu)と前記第2電流値(Iw)と前記高周波電圧の角速度(ω)から、前記正弦参照値(Vs)と前記余弦参照値(Vc)を算出することができる。そして、前記ロータ角度算出手段は、前記正弦参照値(Vs)と前記余弦参照値(Vc)を用いて前記モータのロータ角度を算出することができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態の一例について図1〜図2を参照して説明する。図1はDCブラシレスモータの構成図、図2は図1に示したDCブラシレスモータの作動を制御するモータコントローラの制御ブロック図である。
【0017】
図2に示したモータコントローラ10(本発明のDCブラシレスモータの制御装置に相当する)は、図1に示した突極型のDCブラシレスモータ1の電機子3,4,5に流れる電流をフィードバック制御するものであり、DCブラシレスモータ1(以下、モータ1という)を、ロータ2の界磁極の磁束方向であるq軸上にあるq軸電機子と該q軸と直交するd軸上にあるd軸電機子とを有するdq座標系による等価回路に変換して扱う。
【0018】
そして、モータコントローラ10は、外部から与えられるd軸電機子に流れる電流(以下、d軸電流という)の指令値であるd軸指令電流Id_cとq軸電機子に流れる電流(以下、q軸電流という)の指令値であるq軸指令電流Iq_cとが、実際にモータ1の3相の電機子に流れる電流の検出値から3相/dq変換により算出したd軸検出電流Id_sとq軸検出電流Iq_sとに、それぞれ一致するように、モータ1の3相の電機子に印加する電圧を制御する。
【0019】
モータコントローラ10は、d軸電機子に印加する電圧(以下、d軸電圧という)の指令値であるVd_cとq軸電機子に印加する電圧(以下、q軸電圧という)の指令値であるVq_cとを、モータ1のU,V,Wの3相の電機子に印加する電圧の指令値であるVU_c,VV_c,VW_cに変換するdq/3相変換部20、dq/3相変換部20から出力されるVU_c,VV_c,VW_cに、それぞれ高周波電圧vu,vv,vwを重畳する高周波重畳部21(本発明の高周波重畳手段に相当する)、及び該高周波電圧が重畳されたVU_c,VV_c,VW_cに応じた電圧VU,VV,VWをモータ1のU,V,Wの各相の電機子にそれぞれ印加するパワードライブユニット22(本発明の電圧印加手段に相当する)を備える。
【0020】
さらに、モータコントローラ10は、モータ1のU相(本発明の第1相に相当する)の電機子に流れる電流を検出するU相電流センサ23(本発明の第1電流検出手段に相当する)、モータ1のW相(本発明の第2相に相当する)の電機子に流れる電流を検出するW相電流センサ24(本発明の第2電流検出手段に相当する)、U相電流センサ23の検出電流値Iu_sとW相電流センサ24の検出電流値Iw_sとを用いてモータ1のロータ角度θ(図1参照)を検出する角度検出部25、Iu_sとIw_sとを用いてId_sとIq_sとを算出する3相/dq変換部26(本発明の3相/dq変換手段に相当する)、及びd軸とq軸間で干渉し合う速度起電力の影響を打消す処理を行なう非干渉演算部27を備える。
【0021】
モータコントローラ10は、d軸指令電流Id_cとd軸検出電流Id_sから第1ローパスフィルタ40により所定周波数以上の高周波成分を除去したd軸参照電流Id_rとを第1減算器28で減算し、その減算結果に第1のPI演算部29でPI(比例積分)処理を施し、第1加算器30で非干渉成分を加算して、Id_cとId_rとの偏差に応じたd軸電圧の指令値Vd_cを生成する。
【0022】
また、モータコントローラ10は、同様にして、q軸指令電流Iq_cとq軸検出電流Iq_sから第2ローパスフィルタ40により所定周波数以上の高周波成分を除去したq軸参照電流Iq_rとを第2減算器31で減算し、その減算結果に第2のPI演算部32でPI処理を施し、第2加算器33で非干渉成分を加算して、Iq_cとIq_rとの偏差に応じたq軸電圧の指令値Vq_cを生成する。
【0023】
そして、モータコントローラ10は、d軸電圧の指令値Vd_cとq軸電圧の指令値Vq_cとをdq/3相変換部20に入力する。これにより、パワードライブユニット22を介して、d軸指令電流Id_cとd軸参照電流Id_rとの偏差、及びq軸指令電流Iq_cとq軸参照電流Iq_rとの偏差を解消するように、モータ1の電機子に3相電圧VU,VV,VWが印加され、モータ1の電機子に流れる電流がフィードバック制御される。
【0024】
なお、第1減算器28、第2減算器31、第1のPI演算部29、第2のPI演算部32、dq/3相変換部20、及びパワードライブユニット22により、本発明の電流制御手段が構成される。
【0025】
ここで、3相/dq変換部26は、U相電流センサ23の検出電流値Iu_sと、W相電流センサ24の検出電流値Iw_sと、モータ1のロータ角度θとからd軸検出電流Id_sとq軸検出電流Iq_sとを、以下の式(5)と式(6)から算出するため、モータコントローラ10はロータ角度θを検出する必要がある。
【0026】
【数5】
【0027】
【数6】
【0028】
そして、モータコントローラ10は、レゾルバ等の位置検出センサを用いずに、dq/3相変換部20から出力されるU,V,W相に印加する電圧の指令値VU_c,VV_c,VW_cに対して、高周波重畳部21から出力される高周波電圧vu,vv,vw(以下の式(7)で表される)をそれぞれ重畳することによってロータ角度θを検出する。
【0029】
【数7】
【0030】
すなわち、第3加算器34でVU_cにvuを加算し、第4加算器35でVV_cにvvを加算し、第5加算器36でVW_cにvwを加算する。そして、角度検出部25は、高周波電圧vu,vv,vwを重畳したときに、U相電流センサ23により検出される電流値Iu_sとW相電流センサ24により検出される電流値Iw_sとを用いて、ロータ角度θを検出する。なお、角度検出部25は、本発明の参照値抽出手段とロータ角度算出手段の機能を含む。
【0031】
角度検出部25は、上述した式(5)と式(6)のIuとIwに、U相電流センサ23により検出された電流値Iu_sとW相電流センサ24により検出された電流値Iw_sをそれぞれ代入し、式(5)と式(6)のωに高周波重畳部21により重畳された上記式(7)の高周波電圧vu,vv,vwの角速度ωを代入して、以下の式(8)と式(9)に示したように、ロータ角度θの2倍角の正弦参照値Vsと余弦参照値Vcとを算出する。
【0032】
【数8】
【0033】
【数9】
【0034】
但し、Iudc:U相の電機子に流れる電流の直流成分、Iwdc:W相の電機子に流れる電流の直流成分。
【0035】
なお、式(8)と式(9)におけるωtについてのsin,cos成分が本発明の重畳した高周波電圧に応じた高周波成分に該当する。また、式(8)と式(9)における演算ゲインKは、以下の式(10)で示した形となる。
【0036】
【数10】
【0037】
但し、l:モータ1の各相の自己インダクタンスの直流分、Δl:lの変動分、m:各相間の相互インダクタンスの直流分。
【0038】
なお、上記式(8)と式(9)では、積分期間を0〜2π/ωとして、IuとIwの直流成分(Iudc,Iwdc)に関する積分値が0になるようにしたが、IuとIwが直流成分を含まず、以下の式(11),(12)の形で表される場合には、以下の式(13),(14)に示したように、積分期間を0〜π/ωとしても正弦参照値Vsと余弦参照値Vcを算出することができる。
【0039】
【数11】
【0040】
【数12】
【0041】
【数13】
【0042】
【数14】
【0043】
そして、上記式(8)と式(9)、または上記式(13)と式(14)から、以下の式(15)によりモータ1のロータ角度を算出することができる。
【0044】
【数15】
【0045】
なお、tanー1関数は正弦参照値(Vs)及び余弦参照値(Vc)の変化に対する変動分が大きいため、上記式(15)によりモータ1のロータ角度を算出したときに、正弦参照値(Vs)と余弦参照値(Vc)の算出誤差の影響を受けてロータ角度の検出誤差が大きくなる場合がある。
【0046】
そこで、以下の式(16)の関係式から、ロータ角度の推定値θ^と実際値θとの位相差(θ−θ^)に応じた位相差データとして以下の式(17)に示すΔθを算出し、該位相差(θ−θ^)を解消するように構成した以下の式(18)で表されるオブザーバによる追従演算によりロータ角度を算出してもよい。
【0047】
この場合、高周波成分の大きさ(√(Vs2+Vc2))の変動に伴うゲインの変動を抑制してロータ角度算出の安定性を高めることができる。
【0048】
【数16】
【0049】
【数17】
【0050】
【数18】
【0051】
但し、θ(n),θ^(n),ω^(n)は、それぞれあるサンプリング時点nにおけるロータ角度θの実際値と推定値及びロータの角速度ωの推定値であり、θ^(n+1),ω^(n+1)は、それぞれnの次のサンプル時点n+1におけるロータ角度θの推定値とロータの角速度ωの推定値である。またΔtはサンプリング時間であり、K1,K2は演算ゲインである。
【0052】
また、角度検出部25の演算能力が低く、上記式(17)の平方根演算に要する時間が問題となる場合は、以下の式(19)に示す近似を行ってもよい。
【0053】
【数19】
【0054】
なお、本実施の形態では、角度検出部25は、前記式(8),(9)において、時間に応じて変化する高周波成分に対して積分演算を行うことにより、ロータ角度θの2倍角の正弦参照値Vsと余弦参照値Vcを算出したが、ローパスフィルタを施して正弦参照値Vsと余弦参照値Vcを出力するように処理してもよい。
【0055】
ここで、3相/dq変換部26は、モータ1の電機子3,4,5に流れる交流電流の和がゼロになることを利用して、以下の式(20)により3相/dqの変換演算を行う。
【0056】
【数20】
【0057】
そして、高周波重畳部21により上記式(7)の高周波電圧vu,vv,vwが第3加算器34,第5加算器35,第6加算器36により、U,V,W相に印加される駆動電圧の指令値VU_c,VV_c,VW_cにそれぞれ重畳されると、3相/dq変換部26により算出されるd軸検出電流Id_sとq軸検出電流Iq_sは、以下の式(21)で表される高周波電流Id_h,Iq_hを含むものとなる。
【0058】
【数21】
【0059】
但し、ω:ロータ2の角速度、ωs:高周波電圧の角速度、α:高周波電圧に対する高周波電流の位相遅れ。
【0060】
この場合、ロータ2の回転方向(角速度ωの符号に応じて反転する)と、高周波電圧(vu,vv,vw)により生じる回転磁界の方向(角速度ωsの符号に応じて反転する)の異同により、以下の式(22),(23)に示したように、高周波電流Id_h,Iq_hの周波数が相違する。
【0061】
【数22】
【0062】
但し、ロータ2の回転方向と高周波電圧により生じる回転磁界の方向が同じ場合(ωとωsが同符号)。
【0063】
【数23】
【0064】
但し、ロータ2の回転方向と高周波電圧により生じる回転磁界の方向が異なる場合(ωとωsが異符号)。
【0065】
すなわち、モータ1のロータ2の回転方向と高周波電圧vu,vv,vwにより生じる回転磁界の方向が同じである場合(角速度ωとωsの符号が同じ場合)よりも、モータ1のロータ2の回転方向と高周波電圧vu,vv,vwにより生じる回転磁界の方向が異なる場合(角速度ωとωsの符号が異なる場合)の方が、高周波電流Id_h,Iq_hの周波数が高くなる。
【0066】
そこで、高周波重畳部21は、モータ1の回転方向と逆向きの回転磁界を発生させる高周波電圧vu,vv,vwを出力する。そして、これにより、高周波電圧vu,vv,vwの重畳によってd軸検出電流Id_sに重畳する高周波電流Id_hとq軸検出電流Iq_sに重畳する高周波電流Iq_hとが、第1ローパスフィルタ40及び第2ローパスフィルタ41により、確実に除去されるようにしている。
【0067】
そして、d軸検出電流Id_sからd軸高周波電流Id_hを除去したd軸参照電流Id_rが第1減算器28に入力され、q軸検出電流Iq_sからq軸高周波電流Iq_hを除去したq軸参照電流Iq_rが第2減算器31に入力される。
【0068】
そのため、高周波電流Id_h,Iq_hの影響により、d軸指令電流Id_cに対するd軸電流の偏差及びq軸指令電流Iq_cに対するq軸電流の偏差が増大することが防止され、d軸指令電流Id_c及びq軸指令電流Iq_cに対するモータ1の出力トルクの追従性を高めることが向上できる。
【0069】
また、第1ローパスフィルタ40によるd軸検出電流Id_sからの高周波成分の除去、及び第2ローパスフィルタ41によるq軸検出電流Iq_sからの高周波成分の除去が不十分であると、高周波成分による電流偏差を解消するように、d軸電圧の指令値Vd_cとq軸電圧指令値Vq_cとが決定される。
【0070】
その結果、モータ1の電機子には、dq/3相変換部20とパワードライブユニット22を介して、高周波成分を打ち消す高周波電圧を含む駆動電圧VU,VV,VWが印加され、駆動電圧VU,VV,VWに含まれる高周波成分の波形や位相が、高周波重畳部21により重畳された高周波電圧vu,vv,vwによる高周波成分と異なるものとなる。
【0071】
この場合、角度検出部25によって上記式(3),(4)により算出される正弦参照値Vsと余弦参照値Vcが、上記式(7)による本来の高周波電圧に対する値と異なるものとなるため、上記式(15)により算出されるロータ角度の誤差が大きくなる。
【0072】
そこで、上述したように、高周波重畳部21により、モータ1の回転方向と逆向きの回転磁界を発生させる高周波電圧vu,vv,vwを出力して、d軸検出電流Id_sに重畳する高周波電流Id_hとq軸検出電流Iq_sに重畳する高周波電流Iq_hの周波数を高くし、第1ローパスフィルタ40及び第2ローパスフィルタ41によるId_hとIq_hの減衰効果を高めることによって、ロータ角度の検出誤差を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】DCブラシレスモータの構成図。
【図2】図1に示したDCブラシレスモータの作動を制御するモータコントローラの制御ブロック図。
【符号の説明】
1…DCブラシレスモータ、2…ロータ、3…U相の電機子、4…V相の電機子、5…W相の電機子、10…モータコントローラ、20…dq/3相変換部、21…高周波重畳部、22…パワードライブユニット、23…U相電流センサ、24…W相電流センサ、25…角度検出部、26…3相/dq変換部、27…非干渉演算部、40…第1ローパスフィルタ、41…第2ローパスフィルタ
Claims (2)
- 突極型のDCブラシレスモータの3相の電機子に駆動電圧を印加する電圧印加手段と、該駆動電圧に高周波電圧を重畳する高周波重畳手段と、該3相の電機子のうちの第1相の電機子に流れる電流を検出する第1電流検出手段と、該3相の電機子のうちの第2相の電機子に流れる電流を検出する第2電流検出手段と、
前記高周波重畳手段により前記駆動電圧に前記高周波電圧が重畳されたときに前記第1電流検出手段により検出される第1電流値及び前記第2電流検出手段により検出される第2電流値と、前記高周波電圧に応じた高周波成分とを用いて、前記モータのロータ角度の2倍角の正弦値に応じた正弦参照値と該2倍角の余弦値に応じた余弦参照値とを抽出する参照値抽出手段と、
前記正弦参照値と前記余弦参照値とを用いて前記モータのロータ角度を算出するロータ角度算出手段と、
前記モータを該モータのロータの磁束方向であるq軸上にあるq軸電機子と、q軸と直交するd軸上にあるd軸電機子とを有する等価回路に変換して扱い、前記ロータ角度算出手段により算出された前記モータのロータ角度と前記第1電流値と前記第2電流値とに基づいて、該q軸電機子に流れるq軸検出電流と該d軸電機子に流れるd軸検出電流とを算出する3相/dq変換手段と、
前記q軸検出電流にローパスフィルタを施したq軸参照電流が所定のq軸指令電流と一致し、且つ、前記d軸検出電流にローパスフィルタを施したd軸参照電流が所定のd軸指令電流と一致するように、前記駆動電圧を決定する電流制御手段とを備えたDCブラシレスモータの制御装置において、
前記高周波電圧を、該高周波電圧を前記モータの電機子に印加したときに生じる回転磁界の方向と前記駆動電圧による前記モータの回転方向とが逆方向となるように設定したことを特徴とするDCブラシレスモータの制御装置。
Priority Applications (2)
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