JP4026427B2 - モーター制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同期モーターおよびリラクタンスモーターの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンコーダーやレゾルバーなどのセンサーを用いずに同期モーターの磁極位置を検出し、同期モーターの制御を行うモーター制御装置が知られている（例えば特開２００１−１６９５９０号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のモーター制御装置では、搬送波の半周期ごとに磁極位置検出用の電圧をモーターに印加しているので、停止時や低速時のモータートルクが必要ないときにもインバーターのスイッチング動作が行われ、ＰＷＭによる高周波騒音が発生するという問題がある。
【０００４】
本発明の目的は、低速時や停止時の高周波騒音を低減することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、交流モーターに流れる交流電流に基づいて交流モーターの磁極位置を検出するとともに、磁極位置の変化に基づいて交流モーターの回転速度を検出する。さらに、搬送波の半周期は正の矩形波とし次の半周期は負の矩形波とする搬送波１周期分の磁極位置検出用電圧を生成するとともに、交流モーターの回転速度に応じて磁極位置検出用電圧の重畳間隔を変更し、ｄ軸電圧指令値に磁極位置検出用電圧を重畳する。
【０００６】
【発明の効果】
本発明によれば、モーターの低速時や停止時の高周波騒音を低減することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１に一実施の形態の構成を示す。コントローラー１は、インバーター２を制御して３相同期モーター３の回転速度Ｎ[rpm]とトルクＴを制御する。インバーター２は、コントローラー１からの３相ＰＷＭパルスＰu、Ｐv、Ｐwにしたがってバッテリー４の直流電力を交流電力に変換し、同期モーター３に３相交流電圧を印加する。電流センサー５、６はそれぞれ、３相同期モーター３のＵ相とＶ相に流れる交流電流ｉu、ｉvを検出する。
【０００８】
コントローラー１は、マイクロコンピューターとメモリ、Ａ／Ｄコンバーターなどの周辺部品から構成され、マイクロコンピューターのソフトウエア形態またはハードウエア形態により構成される電流指令値発生部１１、電流制御部１２、加算器１３、座標変換部１４、ＰＷＭ信号発生部１５、重畳電圧生成部１６、座標変換部１７、電流検出部１８、速度検出部１９、磁極位置検出部２０などを備えている。
【０００９】
電流指令値発生部１１は、同期モーター３のトルクＴがトルク指令値Ｔrefに等しくなるようにｄ軸電流指令値ｉdrとｑ軸電流指令値ｉqrを決定する。ここで、ｄ軸は同期モーター３の磁極位置（磁束の方向）θを示し、ｑ軸は電気的にｄ軸に直交する方向を示す。これらによりｄｑ軸座標系を構成する。電流指令値発生部１１は、同期モーター３の回転速度Ｎに基づいて、最少のモーター損失でモーター３からトルク指令値Ｔrefに等しいトルクＴを発生させるためのｄ軸電流指令値ｉdrとｑ軸電流指令値ｉqrを決定する。
【００１０】
電流検出部１８は、電流センサー５，６からの信号に基づいてＵ相電流ｉuとＶ相電流ｉvを検出する。また、磁極位置検出部２０は同期モーター３の磁極位置θを検出する。この磁極位置θの検出方法については後述する。速度検出部１９は、磁極位置θの変化量に基づいてモーター回転速度Ｎを検出する。
【００１１】
座標変換部１７は、電流センサー５により検出したＵ相電流ｉuと電流センサー６により検出したＶ相電流ｉvとによりＷ相電流ｉwを演算により求め、これらの３相交流電流ｉu、ｉv、ｉwをｄ軸電流ｉdとｑ軸電流ｉqへ変換する。電流制御部１２は、ｄ軸電流指令値ｉdrとｄ軸電流ｉdとの偏差と、ｑ軸電流指令値ｉqrとｑ軸電流ｉqとの偏差を演算し、それぞれの電流偏差に対して比例・積分演算制御を施し、電流偏差を０にするためのｄ軸電圧指令値Ｖdsとｑ軸電圧指令値Ｖqsを算出する。加算器１３は、ｄ軸電圧指令値Ｖdsと位置検出用の重畳電圧指令値（磁極位置検出用電圧）Ｖpとを加算し、最終的なｄ軸電圧指令値Ｖds1を求める。位置検出用重畳電圧指令値Ｖpについては後述する。
【００１２】
座標変換部１４は、ｄ軸電圧指令値Ｖds1とｑ軸電圧指令値Ｖqsを磁極位置θに基づいて静止座標系の３相電圧指令値Ｖus、Ｖvs、Ｖwsに変換する。ＰＷＭ信号発生部１５は、３相電圧指令値Ｖus、Ｖvs、Ｖwsと搬送波とを比較演算することによって３相ＰＷＭパルス信号Ｐu、Ｐv、Ｐwを生成するとともに、搬送波の頂点のタイミングで電流検出タイミング信号Ｐdを出力する。インバーター２は３相ＰＷＭパルス信号Ｐu、Ｐv、ＰwにしたがってＩＧＢＴなどのスイッチング素子を駆動し、バッテリー４の直流電力を交流電力に変換する。
【００１３】
図２は搬送波に対する重畳電圧Ｖpと電流検出タイミングを示す。この例では、搬送波の周波数を１０ｋHzとし、重畳電圧Ｖpの周期Ｔtを０．１ｍsecとする。なお、搬送波の周波数はこの一実施の形態の１０ｋHzに限定されない。電流検出部１８は、電流センサー５，６により検出されるＵ相電流とＶ相電流を電流検出タイミング信号Ｐdのタイミングでサンプリングし、Ｕ相電流ｉu、Ｖ相電流ｉvとして出力する。
【００１４】
上述した磁極位置検出部２０は、搬送波の１周期ごとに磁極位置θを検出する。図２のｔ０〜ｔ１区間において、検出したＵ相電流ｉuとＶ相電流ｉvから、ｄ軸電圧指令値Ｖdsに重畳電圧指令値Ｖｐ、−Ｖpを重畳したことにより発生する搬送波半周期ごとの電流差分Δｉu(t1)、Δｉv(t1)を求める。
【数１】
Δｉu(t1)＝ｉu(t1)−ｉu(t0)、
Δｉv(t1)＝ｉv(t1)−ｉv(t0)
これらの電流差分Δｉu(t1)、Δｉv(t1)をそれぞれ２相交流（αβ）座標系の電流差分Δｉα(t1)、Δｉβ(t1)に変換する。同様の演算をｔ２からｔ３間で行い、電流偏差Δｉα(t3)、Δｉβ(t3)を求める。さらに、ｔ０〜ｔ１区間とｔ２〜ｔ３区間のΔｉαおよびΔｉβの差ΔΔｉα、ΔΔｉβを求める。
【数２】
ΔΔｉα＝Δｉα(t3)−Δｉα(t1)、
ΔΔｉβ＝Δｉβ(t3)−Δｉβ(t1)
【００１５】
次に、図３に示すように、ΔΔｉαとΔΔｉβの位相角θabを求め、これを磁極位置θとする。以上の演算はＶp≠０のとき行い、Ｖp＝０のときは行わない。つまり、後述する重畳電圧指令値Ｖpの重畳間隔に応じて磁極位置θの演算を行う。
【００１６】
重畳電圧生成部１６は、図２に示すように、搬送波に同期して搬送波の最初の半周期はＶpを、次の半周期は−Ｖpを出力して搬送波１周期分の正負の矩形波、すなわち磁極位置検出用重畳電圧指令値（磁極位置検出用電圧）を生成する。図２に示す例では、重畳電圧指令値Ｖpと−Ｖpの正負の矩形波の繰り返し間隔（重畳間隔）Ｔtは、１０ｋHzの搬送波の周期０．１ｍsecと同一であり、そのため１周期の磁極位置検出用重畳電圧指令値Ｖp、−Ｖpが繰り返し常時、重畳されることになる。
【００１７】
重畳電圧生成部１６は、同期モーター３の回転速度Ｎに応じて磁極位置検出用の重畳電圧指令値Ｖp、−Ｖpの重畳間隔Ｔtを決定する。今、搬送波の周波数を１０ｋHzとすると、低回転速度でモータートルクを精度よく制御するためには、電気角１度ごとに磁極位置θを検出できれば十分である。磁極位置θが電気角１度動く時間Ｔ１は、モーター極数Ｐｌ、回転速度Ｎのとき、
【数３】
Ｔ１＝１／（Ｎ＊ｐｌ＊３６０／１２０）
となる。図４はモーター回転速度｜Ｎ｜に対する重畳間隔Ｔtの関係を示し、図中の破線が磁極位置θが電気角１度で動くラインである。
【００１８】
磁極位置検出用重畳電圧指令値Ｖp、−Ｖpの重畳間隔Ｔtは、最小値が搬送波周期の０．１ｍsecである。一方、最大値は、モーター３が停止状態から外乱で動く可能性があるため、無限大にすることはできない。この実施の形態では、図４に実線で示すラインに沿ってモーター回転速度｜Ｎ｜に応じて重畳間隔Ｔtをステップ状に設定する。なお、この一実施の形態ではモーター回転速度｜Ｎ｜に応じて重畳間隔Ｔtをステップ状に変化させる例を示すが、モーター回転速度｜Ｎ｜に応じて重畳間隔Ｔtを連続的に変化させるようにしてもよい。
【００１９】
図５は、重畳電圧生成部１６で実行される重畳間隔Ｔtの決定処理を示すフローチャートである。ステップ１で｜Ｎ｜＞２００rpmの場合はステップ２へ進み、重畳間隔Ｔtを０．１ｍsecとしてｄ軸電圧指令値Ｖdsに磁極位置検出用重畳電圧指令値Ｖp、−Ｖpを重畳する。この場合は磁極位置検出用重畳電圧指令値Ｖp、−Ｖpが間断なく繰り返し重畳される。ステップ３で２００rpm≧｜Ｎ｜＞８０rpmの場合はステップ４へ進み、重畳間隔Ｔtを０．２ｍsecとして電圧重畳を行う。ステップ５で８０rpm≧｜Ｎ｜＞４０rpmの場合はステップ６へ進み、重畳間隔Ｔtを０．５ｍsecとして電圧重畳を行う。ステップ７で４０rpm≧｜Ｎ｜＞１０rpmの場合はステップ８へ進み、重畳間隔Ｔtを１ｍsecとして電圧重畳を行う。また、｜Ｎ｜≦１０rpmの場合はステップ９へ進み、重畳間隔Ｔtを４ｍsecとして電圧重畳を行う。
【００２０】
図６は、重畳間隔Ｔtが０．２msecの場合の磁極位置検出用重畳電圧指令値Ｖp、−Ｖpを示す。この場合は、搬送波の前の半周期に電圧Ｖpの矩形波を出力し、後の半周期に電圧−Ｖpの矩形波を出力して、搬送波１周期分の磁極位置検出用重畳電圧指令値Ｖp、−Ｖpを搬送波の２周期に１回出力する。重畳しない期間（図６のｔ２〜ｔ４）は、重畳電圧指令値Ｖp、−Ｖpを０とする。図示を省略するが同様に、重畳間隔Ｔtが４ｍsecの場合は搬送波の４０周期で１回、磁極位置検出用重畳電圧指令値Ｖp、−Ｖpを重畳する。
【００２１】
上述した一実施の形態によれば、モーターの停止時および低回転速度時に磁極位置検出用重畳電圧指令値Ｖp、−Ｖpの重畳間隔Ｔtを大きく、つまり重畳回数を低減でき、特に、モーター３の停止時や低回転速度時でトルクが不要な場合は、磁極位置検出用重畳電圧指令値Ｖp、−Ｖpを重畳していないときにインバーター２のスイッチング動作を停止することができ、磁極位置検出のための電力損失を低減できる上に、耳障りなＰＷＭによる高周波騒音を低減することができる。
【００２２】
−−−一実施の形態の変形例−−−
モータートルク指令値Ｔrefに応じて磁極位置検出用重畳電圧指令値Ｖpの重畳間隔Ｔtを補正するようにした変形例を説明する。上述した一実施の形態ではモーター回転速度Ｎに応じて重畳間隔Ｔtを決定したが、モータートルクＴにより回転速度Ｎが急変するような場合には、モーター回転速度Ｎを予測して重畳間隔Ｔtを決定する。
【００２３】
磁極位置検出用重畳電圧指令値Ｖpの前回の重畳から今回の重畳までの重畳間隔をＴt(n)、現在のモーター回転速度をＮ(n)、トルク指令値をＴref(n)（ｎはサンプリング回数）とすると、次回の電圧重畳時におけるモーター回転速度Ｎ２を次式により予測することができる。
【数４】
Ｎ２＝Ｎ(n)＋（Ｔref(n)／Ｊ）・Ｔt(n)
ここで、Ｊはモーター軸におけるイナーシャである。
【００２４】
図７は、重畳電圧生成部１６で実行される重畳間隔Ｔtの決定処理の変形例を示すフローチャートである。ステップ１１において、重畳間隔Ｔt(n)、Ｎ(n)、Ｔref(n)に基づいて上記数式４により次回の電圧重畳時のモーター回転速度Ｎ２を演算する。続くステップ１２〜２３において、次回の電圧重畳時のモーター回転速度｜Ｎ２｜に応じて重畳間隔Ｔtを設定する。まず、ステップ１２で｜Ｎ２｜≦１０rpmの場合はステップ１４へ進み、次回までの重畳間隔Ｔt(n+1)を４ｍsecとしてｄ軸電圧指令値Ｖdsに磁極位置検出用重畳電圧指令値Ｖp、−Ｖpを重畳する。一方、｜Ｎ２｜＞１０rpmの場合はステップ１３へ進み、重畳間隔Ｔt(n)を１ｍsecとして数式４によりＮ２を再演算する。
【００２５】
ステップ１５で｜Ｎ２｜≦４０rpmの場合はステップ１７へ進み、次回までの重畳間隔Ｔt(n+1)を１ｍsecとして電圧重畳を行う。一方、｜Ｎ２｜＞４０rpmの場合はステップ１６へ進み、重畳間隔Ｔt(n)を０．５ｍsecとして数式４によりＮ２を再演算する。ステップ１８で｜Ｎ２｜≦８０rpmの場合はステップ２０へ進み、次回までの重畳間隔Ｔt(n+1)を０．５ｍsecとして電圧重畳を行う。一方、｜Ｎ２｜＞８０rpmの場合はステップ１９へ進み、重畳間隔Ｔt(n)を０．２ｍsecとして数式４によりＮ２を再演算する。
【００２６】
ステップ２１で｜Ｎ２｜≦２００rpmの場合はステップ２３へ進み、次回までの重畳間隔Ｔt(n+1)を０．２ｍsecとして電圧重畳を行う。一方、｜Ｎ２｜＞２００rpmの場合はステップ２２へ進み、次回までの重畳間隔Ｔt(n+1)を０．１ｍsecとして電圧重畳を行う。
【００２７】
この変形例によれば、磁極位置検出用重畳電圧指令値Ｖpの今回の重畳から次回の重畳までの重畳間隔Ｔt(n+1)を、次回の電圧重畳時におけるモーター回転速度予測値Ｎ２に応じて図４に示す関係から決定するようにしたので、上述した一実施の形態の効果に加え、モータートルクＴによるモーター回転速度Ｎの急変時にも対応することができ、適切な重畳間隔（重畳回数）を設定して磁極位置を精度よく検出することができる。
【００２８】
−−−一実施の形態の他の変形例−−−
モーター電流ｉd、ｉqの変化量に応じて重畳間隔Ｔtを補正するようにした他の変形例を説明する。上述した変形例ではモータートルクＴによる回転変化に対応するようにしているが、外乱トルクによる回転数の変化に対応するため、同期モーター３のｄｑ軸電流ｉd、ｉqの変化量の絶対値｜Δｉd｜、｜Δｉq｜と、トルク指令の変化量ΔＴrefから外乱トルクを認識し、重畳間隔Ｔtを補正する。
【００２９】
図８は変形例の重畳電圧生成部１６の構成を示す。重畳間隔Ｔt算出部１６ａは、トルク指令値Ｔrefとモーター回転速度Ｎに基づいて上記数式４により次回の電圧重畳時のモーター回転速度Ｎ２を算出し、図４に示すような回転速度絶対値｜Ｎ｜に対する重畳間隔Ｔtのマップから｜Ｎ２｜に対応する重畳間隔Ｔtを算出する。
【００３０】
重畳間隔Ｔt補正部１６ｂは、図９に示す電流変化量による重畳間隔Ｔtの補正処理手順にしたがって、重畳間隔Ｔtの補正を行う。ステップ３１において、トルク指令値Ｔrefの変化量絶対値｜ΔＴref（＝Ｔref(n)−Ｔref(n-1)）｜がしきい値α（αは適値）より小さいか否かを確認する。｜ΔＴref｜がしきい値α以上のときは外乱トルクの混入はないと判断し、ステップ３５へ進んで重畳間隔Ｔtの補正を行わない。一方、｜ΔＴref｜がしきい値αより小さいときは、ｄｑ軸電流変化量の絶対値｜Δｉd｜、｜Δｉq｜を求める。
【数５】
｜Δｉd｜＝｜ｉd(n)−ｉd(n-1)｜，
｜Δｉq｜＝｜ｉq(n)−ｉq(n-1)｜
【００３１】
ステップ３２〜３３において、｜ΔＴref｜が小さいにもかかわらず、｜Δｉd｜が既定値βより大きい場合、もしくは｜Δｉq｜が既定値γより大きい場合は、外乱トルクが混入していると判断してステップ３４へ進む。ステップ３４では、重畳間隔Ｔtを最小値、この変形例では０．１ｍsecに設定する。なお、既定値βはトルク指令値Ｔrefの変化量しきい値αに対して、｜Δｉd｜がβだけ変わったときにモータートルク変化量がα以上となる値に設定する。既定値γも同様に、｜Δｉq｜がγだけ変わったときにモータートルク変化量がα以上となる値に設定する。一方、｜Δｉd｜が既定値β以下で、且つ｜Δｉq｜が既定値γ以下の場合はステップ３５へ進み、重畳間隔Ｔtの補正を行わない。
【００３２】
Ｖp出力部１６ｃは、補正処理後の重畳間隔Ｔtにしたがって、搬送波に同期した磁極位置検出用重畳電圧指令値Ｖp、−Ｖpを生成し、出力する。
【００３３】
この他の変形例によれば、上述した一実施の形態とその変形例の効果に加え、外乱トルクによるモーター回転速度の変動にも対応することができ、適切な重畳間隔（重畳回数）を設定して外乱混入による磁極位置検出精度の低下を防止することができる。
【００３４】
特許請求の範囲の構成要素と一実施の形態の構成要素との対応関係は次の通りである。すなわち、電流制御部１２が電流制御手段を、電流センサー５．６および電流検出部１８が電流検出手段を、磁極位置検出部２０が磁極位置検出手段を、加算器１３が電圧重畳手段を、座標変換部１４が変換手段を、ＰＷＭ信号発生部１５がＰＷＭパルス生成手段を、インバーター２が電力変換手段を、速度検出部１９が速度検出手段を、重畳電圧生成部１６が電圧生成手段を、重畳間隔変更手段および重畳間隔補正手段を、電流指令値発生部１１が電流指令値発生手段をそれぞれ構成する。なお、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 一実施の形態の構成を示す図である。
【図２】 磁極位置検出用重畳電圧指令値Ｖpと電流検出タイミングを示す図である。
【図３】 電流変化分の位相差から磁極位置θを求める方法を説明するための図である。
【図４】 モーター回転速度｜Ｎ｜に対する磁極位置検出用重畳電圧指令値Ｖpの重畳間隔Ｔtの関係を示す図である。
【図５】 モーター回転速度Ｎによる重畳間隔Ｔtの決定処理を示すフローチャートである。
【図６】 重畳間隔Ｔtが０．２ｍsecの場合の搬送波と磁極位置検出用重畳電圧指令値Ｖpを示す図である。
【図７】 変形例のモーター回転速度Ｎとトルク指令値Ｔrefによる重畳間隔Ｔtの決定処理を示すフローチャートである。
【図８】 他の変形例の重畳電圧生成部１６の構成を示す図である。
【図９】 他の変形例の重畳間隔Ｔtの補正処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ コントローラー
２ インバーター
３ 同期モーター
４ バッテリー
５．６ 電流センサー
１１ 電流指令値発生部
１２ 電流制御部
１３ 加算器
１４ 座標変換部
１５ ＰＷＭ信号発生部
１６ 重畳電圧生成部
１７ 座標変換部
１８ 電流検出部
１９ 速度検出部
２０ 磁極位置検出部
【発明の属する技術分野】
本発明は、同期モーターおよびリラクタンスモーターの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンコーダーやレゾルバーなどのセンサーを用いずに同期モーターの磁極位置を検出し、同期モーターの制御を行うモーター制御装置が知られている（例えば特開２００１−１６９５９０号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のモーター制御装置では、搬送波の半周期ごとに磁極位置検出用の電圧をモーターに印加しているので、停止時や低速時のモータートルクが必要ないときにもインバーターのスイッチング動作が行われ、ＰＷＭによる高周波騒音が発生するという問題がある。
【０００４】
本発明の目的は、低速時や停止時の高周波騒音を低減することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、交流モーターに流れる交流電流に基づいて交流モーターの磁極位置を検出するとともに、磁極位置の変化に基づいて交流モーターの回転速度を検出する。さらに、搬送波の半周期は正の矩形波とし次の半周期は負の矩形波とする搬送波１周期分の磁極位置検出用電圧を生成するとともに、交流モーターの回転速度に応じて磁極位置検出用電圧の重畳間隔を変更し、ｄ軸電圧指令値に磁極位置検出用電圧を重畳する。
【０００６】
【発明の効果】
本発明によれば、モーターの低速時や停止時の高周波騒音を低減することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１に一実施の形態の構成を示す。コントローラー１は、インバーター２を制御して３相同期モーター３の回転速度Ｎ[rpm]とトルクＴを制御する。インバーター２は、コントローラー１からの３相ＰＷＭパルスＰu、Ｐv、Ｐwにしたがってバッテリー４の直流電力を交流電力に変換し、同期モーター３に３相交流電圧を印加する。電流センサー５、６はそれぞれ、３相同期モーター３のＵ相とＶ相に流れる交流電流ｉu、ｉvを検出する。
【０００８】
コントローラー１は、マイクロコンピューターとメモリ、Ａ／Ｄコンバーターなどの周辺部品から構成され、マイクロコンピューターのソフトウエア形態またはハードウエア形態により構成される電流指令値発生部１１、電流制御部１２、加算器１３、座標変換部１４、ＰＷＭ信号発生部１５、重畳電圧生成部１６、座標変換部１７、電流検出部１８、速度検出部１９、磁極位置検出部２０などを備えている。
【０００９】
電流指令値発生部１１は、同期モーター３のトルクＴがトルク指令値Ｔrefに等しくなるようにｄ軸電流指令値ｉdrとｑ軸電流指令値ｉqrを決定する。ここで、ｄ軸は同期モーター３の磁極位置（磁束の方向）θを示し、ｑ軸は電気的にｄ軸に直交する方向を示す。これらによりｄｑ軸座標系を構成する。電流指令値発生部１１は、同期モーター３の回転速度Ｎに基づいて、最少のモーター損失でモーター３からトルク指令値Ｔrefに等しいトルクＴを発生させるためのｄ軸電流指令値ｉdrとｑ軸電流指令値ｉqrを決定する。
【００１０】
電流検出部１８は、電流センサー５，６からの信号に基づいてＵ相電流ｉuとＶ相電流ｉvを検出する。また、磁極位置検出部２０は同期モーター３の磁極位置θを検出する。この磁極位置θの検出方法については後述する。速度検出部１９は、磁極位置θの変化量に基づいてモーター回転速度Ｎを検出する。
【００１１】
座標変換部１７は、電流センサー５により検出したＵ相電流ｉuと電流センサー６により検出したＶ相電流ｉvとによりＷ相電流ｉwを演算により求め、これらの３相交流電流ｉu、ｉv、ｉwをｄ軸電流ｉdとｑ軸電流ｉqへ変換する。電流制御部１２は、ｄ軸電流指令値ｉdrとｄ軸電流ｉdとの偏差と、ｑ軸電流指令値ｉqrとｑ軸電流ｉqとの偏差を演算し、それぞれの電流偏差に対して比例・積分演算制御を施し、電流偏差を０にするためのｄ軸電圧指令値Ｖdsとｑ軸電圧指令値Ｖqsを算出する。加算器１３は、ｄ軸電圧指令値Ｖdsと位置検出用の重畳電圧指令値（磁極位置検出用電圧）Ｖpとを加算し、最終的なｄ軸電圧指令値Ｖds1を求める。位置検出用重畳電圧指令値Ｖpについては後述する。
【００１２】
座標変換部１４は、ｄ軸電圧指令値Ｖds1とｑ軸電圧指令値Ｖqsを磁極位置θに基づいて静止座標系の３相電圧指令値Ｖus、Ｖvs、Ｖwsに変換する。ＰＷＭ信号発生部１５は、３相電圧指令値Ｖus、Ｖvs、Ｖwsと搬送波とを比較演算することによって３相ＰＷＭパルス信号Ｐu、Ｐv、Ｐwを生成するとともに、搬送波の頂点のタイミングで電流検出タイミング信号Ｐdを出力する。インバーター２は３相ＰＷＭパルス信号Ｐu、Ｐv、ＰwにしたがってＩＧＢＴなどのスイッチング素子を駆動し、バッテリー４の直流電力を交流電力に変換する。
【００１３】
図２は搬送波に対する重畳電圧Ｖpと電流検出タイミングを示す。この例では、搬送波の周波数を１０ｋHzとし、重畳電圧Ｖpの周期Ｔtを０．１ｍsecとする。なお、搬送波の周波数はこの一実施の形態の１０ｋHzに限定されない。電流検出部１８は、電流センサー５，６により検出されるＵ相電流とＶ相電流を電流検出タイミング信号Ｐdのタイミングでサンプリングし、Ｕ相電流ｉu、Ｖ相電流ｉvとして出力する。
【００１４】
上述した磁極位置検出部２０は、搬送波の１周期ごとに磁極位置θを検出する。図２のｔ０〜ｔ１区間において、検出したＵ相電流ｉuとＶ相電流ｉvから、ｄ軸電圧指令値Ｖdsに重畳電圧指令値Ｖｐ、−Ｖpを重畳したことにより発生する搬送波半周期ごとの電流差分Δｉu(t1)、Δｉv(t1)を求める。
【数１】
Δｉu(t1)＝ｉu(t1)−ｉu(t0)、
Δｉv(t1)＝ｉv(t1)−ｉv(t0)
これらの電流差分Δｉu(t1)、Δｉv(t1)をそれぞれ２相交流（αβ）座標系の電流差分Δｉα(t1)、Δｉβ(t1)に変換する。同様の演算をｔ２からｔ３間で行い、電流偏差Δｉα(t3)、Δｉβ(t3)を求める。さらに、ｔ０〜ｔ１区間とｔ２〜ｔ３区間のΔｉαおよびΔｉβの差ΔΔｉα、ΔΔｉβを求める。
【数２】
ΔΔｉα＝Δｉα(t3)−Δｉα(t1)、
ΔΔｉβ＝Δｉβ(t3)−Δｉβ(t1)
【００１５】
次に、図３に示すように、ΔΔｉαとΔΔｉβの位相角θabを求め、これを磁極位置θとする。以上の演算はＶp≠０のとき行い、Ｖp＝０のときは行わない。つまり、後述する重畳電圧指令値Ｖpの重畳間隔に応じて磁極位置θの演算を行う。
【００１６】
重畳電圧生成部１６は、図２に示すように、搬送波に同期して搬送波の最初の半周期はＶpを、次の半周期は−Ｖpを出力して搬送波１周期分の正負の矩形波、すなわち磁極位置検出用重畳電圧指令値（磁極位置検出用電圧）を生成する。図２に示す例では、重畳電圧指令値Ｖpと−Ｖpの正負の矩形波の繰り返し間隔（重畳間隔）Ｔtは、１０ｋHzの搬送波の周期０．１ｍsecと同一であり、そのため１周期の磁極位置検出用重畳電圧指令値Ｖp、−Ｖpが繰り返し常時、重畳されることになる。
【００１７】
重畳電圧生成部１６は、同期モーター３の回転速度Ｎに応じて磁極位置検出用の重畳電圧指令値Ｖp、−Ｖpの重畳間隔Ｔtを決定する。今、搬送波の周波数を１０ｋHzとすると、低回転速度でモータートルクを精度よく制御するためには、電気角１度ごとに磁極位置θを検出できれば十分である。磁極位置θが電気角１度動く時間Ｔ１は、モーター極数Ｐｌ、回転速度Ｎのとき、
【数３】
Ｔ１＝１／（Ｎ＊ｐｌ＊３６０／１２０）
となる。図４はモーター回転速度｜Ｎ｜に対する重畳間隔Ｔtの関係を示し、図中の破線が磁極位置θが電気角１度で動くラインである。
【００１８】
磁極位置検出用重畳電圧指令値Ｖp、−Ｖpの重畳間隔Ｔtは、最小値が搬送波周期の０．１ｍsecである。一方、最大値は、モーター３が停止状態から外乱で動く可能性があるため、無限大にすることはできない。この実施の形態では、図４に実線で示すラインに沿ってモーター回転速度｜Ｎ｜に応じて重畳間隔Ｔtをステップ状に設定する。なお、この一実施の形態ではモーター回転速度｜Ｎ｜に応じて重畳間隔Ｔtをステップ状に変化させる例を示すが、モーター回転速度｜Ｎ｜に応じて重畳間隔Ｔtを連続的に変化させるようにしてもよい。
【００１９】
図５は、重畳電圧生成部１６で実行される重畳間隔Ｔtの決定処理を示すフローチャートである。ステップ１で｜Ｎ｜＞２００rpmの場合はステップ２へ進み、重畳間隔Ｔtを０．１ｍsecとしてｄ軸電圧指令値Ｖdsに磁極位置検出用重畳電圧指令値Ｖp、−Ｖpを重畳する。この場合は磁極位置検出用重畳電圧指令値Ｖp、−Ｖpが間断なく繰り返し重畳される。ステップ３で２００rpm≧｜Ｎ｜＞８０rpmの場合はステップ４へ進み、重畳間隔Ｔtを０．２ｍsecとして電圧重畳を行う。ステップ５で８０rpm≧｜Ｎ｜＞４０rpmの場合はステップ６へ進み、重畳間隔Ｔtを０．５ｍsecとして電圧重畳を行う。ステップ７で４０rpm≧｜Ｎ｜＞１０rpmの場合はステップ８へ進み、重畳間隔Ｔtを１ｍsecとして電圧重畳を行う。また、｜Ｎ｜≦１０rpmの場合はステップ９へ進み、重畳間隔Ｔtを４ｍsecとして電圧重畳を行う。
【００２０】
図６は、重畳間隔Ｔtが０．２msecの場合の磁極位置検出用重畳電圧指令値Ｖp、−Ｖpを示す。この場合は、搬送波の前の半周期に電圧Ｖpの矩形波を出力し、後の半周期に電圧−Ｖpの矩形波を出力して、搬送波１周期分の磁極位置検出用重畳電圧指令値Ｖp、−Ｖpを搬送波の２周期に１回出力する。重畳しない期間（図６のｔ２〜ｔ４）は、重畳電圧指令値Ｖp、−Ｖpを０とする。図示を省略するが同様に、重畳間隔Ｔtが４ｍsecの場合は搬送波の４０周期で１回、磁極位置検出用重畳電圧指令値Ｖp、−Ｖpを重畳する。
【００２１】
上述した一実施の形態によれば、モーターの停止時および低回転速度時に磁極位置検出用重畳電圧指令値Ｖp、−Ｖpの重畳間隔Ｔtを大きく、つまり重畳回数を低減でき、特に、モーター３の停止時や低回転速度時でトルクが不要な場合は、磁極位置検出用重畳電圧指令値Ｖp、−Ｖpを重畳していないときにインバーター２のスイッチング動作を停止することができ、磁極位置検出のための電力損失を低減できる上に、耳障りなＰＷＭによる高周波騒音を低減することができる。
【００２２】
−−−一実施の形態の変形例−−−
モータートルク指令値Ｔrefに応じて磁極位置検出用重畳電圧指令値Ｖpの重畳間隔Ｔtを補正するようにした変形例を説明する。上述した一実施の形態ではモーター回転速度Ｎに応じて重畳間隔Ｔtを決定したが、モータートルクＴにより回転速度Ｎが急変するような場合には、モーター回転速度Ｎを予測して重畳間隔Ｔtを決定する。
【００２３】
磁極位置検出用重畳電圧指令値Ｖpの前回の重畳から今回の重畳までの重畳間隔をＴt(n)、現在のモーター回転速度をＮ(n)、トルク指令値をＴref(n)（ｎはサンプリング回数）とすると、次回の電圧重畳時におけるモーター回転速度Ｎ２を次式により予測することができる。
【数４】
Ｎ２＝Ｎ(n)＋（Ｔref(n)／Ｊ）・Ｔt(n)
ここで、Ｊはモーター軸におけるイナーシャである。
【００２４】
図７は、重畳電圧生成部１６で実行される重畳間隔Ｔtの決定処理の変形例を示すフローチャートである。ステップ１１において、重畳間隔Ｔt(n)、Ｎ(n)、Ｔref(n)に基づいて上記数式４により次回の電圧重畳時のモーター回転速度Ｎ２を演算する。続くステップ１２〜２３において、次回の電圧重畳時のモーター回転速度｜Ｎ２｜に応じて重畳間隔Ｔtを設定する。まず、ステップ１２で｜Ｎ２｜≦１０rpmの場合はステップ１４へ進み、次回までの重畳間隔Ｔt(n+1)を４ｍsecとしてｄ軸電圧指令値Ｖdsに磁極位置検出用重畳電圧指令値Ｖp、−Ｖpを重畳する。一方、｜Ｎ２｜＞１０rpmの場合はステップ１３へ進み、重畳間隔Ｔt(n)を１ｍsecとして数式４によりＮ２を再演算する。
【００２５】
ステップ１５で｜Ｎ２｜≦４０rpmの場合はステップ１７へ進み、次回までの重畳間隔Ｔt(n+1)を１ｍsecとして電圧重畳を行う。一方、｜Ｎ２｜＞４０rpmの場合はステップ１６へ進み、重畳間隔Ｔt(n)を０．５ｍsecとして数式４によりＮ２を再演算する。ステップ１８で｜Ｎ２｜≦８０rpmの場合はステップ２０へ進み、次回までの重畳間隔Ｔt(n+1)を０．５ｍsecとして電圧重畳を行う。一方、｜Ｎ２｜＞８０rpmの場合はステップ１９へ進み、重畳間隔Ｔt(n)を０．２ｍsecとして数式４によりＮ２を再演算する。
【００２６】
ステップ２１で｜Ｎ２｜≦２００rpmの場合はステップ２３へ進み、次回までの重畳間隔Ｔt(n+1)を０．２ｍsecとして電圧重畳を行う。一方、｜Ｎ２｜＞２００rpmの場合はステップ２２へ進み、次回までの重畳間隔Ｔt(n+1)を０．１ｍsecとして電圧重畳を行う。
【００２７】
この変形例によれば、磁極位置検出用重畳電圧指令値Ｖpの今回の重畳から次回の重畳までの重畳間隔Ｔt(n+1)を、次回の電圧重畳時におけるモーター回転速度予測値Ｎ２に応じて図４に示す関係から決定するようにしたので、上述した一実施の形態の効果に加え、モータートルクＴによるモーター回転速度Ｎの急変時にも対応することができ、適切な重畳間隔（重畳回数）を設定して磁極位置を精度よく検出することができる。
【００２８】
−−−一実施の形態の他の変形例−−−
モーター電流ｉd、ｉqの変化量に応じて重畳間隔Ｔtを補正するようにした他の変形例を説明する。上述した変形例ではモータートルクＴによる回転変化に対応するようにしているが、外乱トルクによる回転数の変化に対応するため、同期モーター３のｄｑ軸電流ｉd、ｉqの変化量の絶対値｜Δｉd｜、｜Δｉq｜と、トルク指令の変化量ΔＴrefから外乱トルクを認識し、重畳間隔Ｔtを補正する。
【００２９】
図８は変形例の重畳電圧生成部１６の構成を示す。重畳間隔Ｔt算出部１６ａは、トルク指令値Ｔrefとモーター回転速度Ｎに基づいて上記数式４により次回の電圧重畳時のモーター回転速度Ｎ２を算出し、図４に示すような回転速度絶対値｜Ｎ｜に対する重畳間隔Ｔtのマップから｜Ｎ２｜に対応する重畳間隔Ｔtを算出する。
【００３０】
重畳間隔Ｔt補正部１６ｂは、図９に示す電流変化量による重畳間隔Ｔtの補正処理手順にしたがって、重畳間隔Ｔtの補正を行う。ステップ３１において、トルク指令値Ｔrefの変化量絶対値｜ΔＴref（＝Ｔref(n)−Ｔref(n-1)）｜がしきい値α（αは適値）より小さいか否かを確認する。｜ΔＴref｜がしきい値α以上のときは外乱トルクの混入はないと判断し、ステップ３５へ進んで重畳間隔Ｔtの補正を行わない。一方、｜ΔＴref｜がしきい値αより小さいときは、ｄｑ軸電流変化量の絶対値｜Δｉd｜、｜Δｉq｜を求める。
【数５】
｜Δｉd｜＝｜ｉd(n)−ｉd(n-1)｜，
｜Δｉq｜＝｜ｉq(n)−ｉq(n-1)｜
【００３１】
ステップ３２〜３３において、｜ΔＴref｜が小さいにもかかわらず、｜Δｉd｜が既定値βより大きい場合、もしくは｜Δｉq｜が既定値γより大きい場合は、外乱トルクが混入していると判断してステップ３４へ進む。ステップ３４では、重畳間隔Ｔtを最小値、この変形例では０．１ｍsecに設定する。なお、既定値βはトルク指令値Ｔrefの変化量しきい値αに対して、｜Δｉd｜がβだけ変わったときにモータートルク変化量がα以上となる値に設定する。既定値γも同様に、｜Δｉq｜がγだけ変わったときにモータートルク変化量がα以上となる値に設定する。一方、｜Δｉd｜が既定値β以下で、且つ｜Δｉq｜が既定値γ以下の場合はステップ３５へ進み、重畳間隔Ｔtの補正を行わない。
【００３２】
Ｖp出力部１６ｃは、補正処理後の重畳間隔Ｔtにしたがって、搬送波に同期した磁極位置検出用重畳電圧指令値Ｖp、−Ｖpを生成し、出力する。
【００３３】
この他の変形例によれば、上述した一実施の形態とその変形例の効果に加え、外乱トルクによるモーター回転速度の変動にも対応することができ、適切な重畳間隔（重畳回数）を設定して外乱混入による磁極位置検出精度の低下を防止することができる。
【００３４】
特許請求の範囲の構成要素と一実施の形態の構成要素との対応関係は次の通りである。すなわち、電流制御部１２が電流制御手段を、電流センサー５．６および電流検出部１８が電流検出手段を、磁極位置検出部２０が磁極位置検出手段を、加算器１３が電圧重畳手段を、座標変換部１４が変換手段を、ＰＷＭ信号発生部１５がＰＷＭパルス生成手段を、インバーター２が電力変換手段を、速度検出部１９が速度検出手段を、重畳電圧生成部１６が電圧生成手段を、重畳間隔変更手段および重畳間隔補正手段を、電流指令値発生部１１が電流指令値発生手段をそれぞれ構成する。なお、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 一実施の形態の構成を示す図である。
【図２】 磁極位置検出用重畳電圧指令値Ｖpと電流検出タイミングを示す図である。
【図３】 電流変化分の位相差から磁極位置θを求める方法を説明するための図である。
【図４】 モーター回転速度｜Ｎ｜に対する磁極位置検出用重畳電圧指令値Ｖpの重畳間隔Ｔtの関係を示す図である。
【図５】 モーター回転速度Ｎによる重畳間隔Ｔtの決定処理を示すフローチャートである。
【図６】 重畳間隔Ｔtが０．２ｍsecの場合の搬送波と磁極位置検出用重畳電圧指令値Ｖpを示す図である。
【図７】 変形例のモーター回転速度Ｎとトルク指令値Ｔrefによる重畳間隔Ｔtの決定処理を示すフローチャートである。
【図８】 他の変形例の重畳電圧生成部１６の構成を示す図である。
【図９】 他の変形例の重畳間隔Ｔtの補正処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ コントローラー
２ インバーター
３ 同期モーター
４ バッテリー
５．６ 電流センサー
１１ 電流指令値発生部
１２ 電流制御部
１３ 加算器
１４ 座標変換部
１５ ＰＷＭ信号発生部
１６ 重畳電圧生成部
１７ 座標変換部
１８ 電流検出部
１９ 速度検出部
２０ 磁極位置検出部
Claims (11)
- 交流モーターの磁極位置方向に対応するｄ軸とこのｄ軸と直交するｑ軸とから成るｄｑ軸座標系においてｄ軸とｑ軸のモーター電流を制御し、ｄ軸とｑ軸の電圧指令値を出力する電流制御手段と、
前記交流モーターに流れる交流電流を検出する電流検出手段と、
前記交流モーターに流れる交流電流に基づいて前記交流モーターの磁極位置を検出する磁極位置検出手段と、
前記ｄ軸電圧指令値に後記磁極位置検出用電圧を重畳する電圧重畳手段と、
前記交流モーターの磁極位置に基づいて、後記磁極位置検出用電圧が重畳された前記ｄ軸電圧指令値と前記ｑ軸電圧指令値とを交流電圧指令値に変換する変換手段と、
前記交流電圧指令値を搬送波と比較演算することによってＰＷＭパルス信号を生成するＰＷＭパルス生成手段と、
前記ＰＷＭパルス信号にしたがって直流電力を交流電力に変換し、前記交流モーターに印加する電力変換手段とを備えたモーター制御装置であって、
前記磁極位置の変化に基づいて前記交流モーターの回転速度を検出する速度検出手段と、
前記搬送波の半周期は正の矩形波とし、次の半周期は負の矩形波とする前記搬送波１周期分の磁極位置検出用電圧を生成する電圧生成手段と、
前記交流モーターの回転速度に応じて前記電圧重畳手段による前記磁極位置検出用電圧の重畳間隔を変更する重畳間隔変更手段とを備えることを特徴とするモーター制御装置。 - 請求項１に記載のモーター制御装置において、
前記重畳間隔変更手段は、前記交流モーターの回転速度が低くなるにしたがって前記磁極位置検出用電圧の重畳間隔を長くすることを特徴とするモーター制御装置。 - 請求項２に記載のモーター制御装置において、
前記重畳間隔変更手段は、前記交流モーターの回転速度に対して前記磁極位置検出用電圧の重畳間隔をステップ状に変更することを特徴とするモーター制御装置。 - 請求項２に記載のモーター制御装置において、
前記重畳間隔変更手段は、前記交流モーターの回転速度に対して前記磁極位置検出用電圧の重畳間隔を連続的に変更することを特徴とするモーター制御装置。 - 請求項１〜４のいずれかの項に記載のモーター制御装置において、
前記交流モーターのトルクがトルク指令値に等しくなるように、前記電流制御手段に対するｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値を決定する電流指令値発生手段と、
前記トルク指令値に基づいて前記電圧重畳手段による前記磁極位置検出用電圧の重畳間隔を補正する重畳間隔補正手段とを備えることを特徴とするモーター制御装置。 - 請求項５に記載のモーター制御装置において、
前記重畳間隔補正手段は、前記磁極位置検出用電圧の前回の重畳から今回の重畳までの重畳間隔と、今回の重畳時における前記交流モーターの回転速度およびトルク指令値とに基づいて次回の重畳時における前記交流モーターの回転速度を予測し、この回転速度予測値に基づいて重畳間隔を補正することを特徴とするモーター制御装置。 - 請求項６に記載のモーター制御装置において、
前記重畳間隔補正手段は、前記回転速度予測値が低いほど重畳間隔を長くするように補正することを特徴とするモーター制御装置。 - 請求項５〜７のいずれかの項に記載のモーター制御装置において、
前記重畳間隔補正手段は、前記ｄｑ軸モーター電流と前記トルク指令値とに基づいて重畳間隔を補正することを特徴とするモーター制御装置。 - 請求項８に記載のモーター制御装置において、
前記重畳間隔補正手段は、前記ｄｑ軸モーター電流の変化量と前記トルク指令値の変化量とに基づいて外乱トルクの有無を判断し、判断結果に基づいて重畳間隔を補正することを特徴とするモーター制御装置。 - 請求項９に記載のモーター制御装置において、
前記重畳間隔補正手段は、外乱トルク有りと判断した場合には重畳間隔を最短間隔に補正することを特徴とするモーター制御装置。 - 請求項１〜１０のいずれかの項に記載のモーター制御装置において、
前記交流モーターは同期モーターまたはリラクタンスモーターであることを特徴とするモーター制御装置。
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