JP4046070B2 - モータ駆動装置のオフセット補正回路 - Google Patents

Description

本発明は、モータ駆動装置における電流検出器に存在するオフセットの補償を行うオフセット補正回路に関する。

従来、図４に示されるような３相交流モータ駆動装置における電流制御では、電流検出器に直流分の電流オフセットが存在する。この電流オフセットは電気角１周期に対して１回発生するトルクリップルとなり、問題となっている。このような電流オフセットを補正する方法としては、一定速度制御状態におけるトルクコマンドと電気角に対応した値との乗算値を電気角で複数周期分の間サンプリングし、周期毎に積算してサンプリング回数で除した値をオフセット値として電流検出系のオフセットを推定し、推定されたオフセット値を電流検出値から差し引くことによって電流オフセットを調整している。この方法は、一定速度制御状態においては電気角ｎ周期間の電流検出値の積算値がオフセット成分を除けば理論上０となることを利用している（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００１−１６９５７８号公報

しかしながら、上記従来例においては、一定速度制御状態においてしか適用できないといった制約や、また、一定速度制御状態においても外乱や共振などによりトルクが振動している場合などにおいては電流オフセット値が正確に求まらない等の問題があった。

本発明は、この従来の課題を解決するもので、一定速度制御状態のみならず、加減速時、トルク振動時などの場合においても電流オフセット値を正確に調整することができるオフセット補正回路を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本願発明では、オフセットを有する電流検出器で検出した電流を入力し、２相分の電流が一致した時の電流値と電流一致信号を出力する電流一致検出器と、モータ位置検出器の位置信号を入力し、現在の電気角を出力する電気角カウンタと、前記電流一致信号が入力された時の現在の電気角と計算で求められる２相の電流が一致する指定電気角とを入力し、電気角誤差信号を出力する電気角誤差検出器と、前記電気角誤差から２相分の電流オフセット補正値を出力する第１段オフセット補正器と、直接検出する２相のうちの１相と直接検出しない残りの１相との電流値が一致する電気角の理論値と現在の電気角を入力し、一致した時に電気角一致信号を出力する電気角一致検出器と、前記電気角一致信号が入力された時に直接検出する２相の電流値のうち、電気角一致検出器で入力とした電気角の理論値の計算に使ったほうの電流値を直接検出不可な相の電流値とし、３相分の電流値の平均を出し、その値を第２段オフセット補正値として出力する第２段オフセット補正器とを備え、前記電気角誤差検出器は、あらかじめ正の値で一致した時と、負の値で一致したときの電気角の理論値をそれぞれ計算しておき、電流一致信号が入力された時に、実際に一致した電流値が正の時は、正の値で一致する電気角の理論値から実際に一致した時の電気角を引いた値を出力し、電流値が負の時は、負の値で一致する電気角の理論値から実際に一致した時の電気角を引いた値を出力し、前記第１段オフセット補正器は、入力された電気角誤差と一致した時の電流値のそれぞれの正負の組み合わせからオフセット補正値の値に一定の定数を足し引きすることで直接検出可能な２相のオフセット誤差を一致させ、前記第２段オフセット補正器の出力を用いてオフセットを自動補正する。このため、速度、トルクの状態によらず電流値と電気角の比較のみで電流オフセ
ットの自動補正を可能とする。

本願発明によれば、電気角と電流値の瞬時値のみを用いて電流オフセットの推定が可能となるため、従来のような一定速度状態下という制限もなく、加減速時や外乱・共振振動などによるトルク変動にも影響を受けず、モータが回転さえしていればオフセットの自動補正が可能となるという効果が得られる。

請求項１に記載のモータ駆動装置のオフセット補正回路は、オフセットを有する電流検出器で検出した電流を入力し、２相分の電流が一致した時の電流値と電流一致信号を出力する電流一致検出器と、モータ位置検出器の位置信号を入力し、現在の電気角を出力する電気角カウンタと、前記電流一致信号が入力された時の現在の電気角と計算で求められる２相の電流が一致する指定電気角とを入力し、電気角誤差信号を出力する電気角誤差検出器と、前記電気角誤差から２相分の電流オフセット補正値を出力する第１段オフセット補正器と、直接検出する２相のうちの１相と直接検出しない残りの１相との電流値が一致する電気角の理論値と現在の電気角を入力し、一致した時に電気角一致信号を出力する電気角一致検出器と、前記電気角一致信号が入力された時に直接検出する２相の電流値のうち、電気角一致検出器で入力とした電気角の理論値の計算に使ったほうの電流値を直接検出不可な相の電流値とし、３相分の電流値の平均を出し、その値を第２段オフセット補正値として出力する第２段オフセット補正器とを備え、前記電気角誤差検出器は、あらかじめ正の値で一致した時と、負の値で一致したときの電気角の理論値をそれぞれ計算しておき、電流一致信号が入力された時に、実際に一致した電流値が正の時は、正の値で一致する電気角の理論値から実際に一致した時の電気角を引いた値を出力し、電流値が負の時は、負の値で一致する電気角の理論値から実際に一致した時の電気角を引いた値を出力し、前記第１段オフセット補正器は、入力された電気角誤差と一致した時の電流値のそれぞれの正負の組み合わせからオフセット補正値の値に一定の定数を足し引きすることで直接検出可能な２相のオフセット誤差を一致させ、前記第２段オフセット補正器の出力を用いてオフセットを自動補正する。

また請求項２に記載の本願発明は、第１段オフセット補正器において、入力された電気角誤差と一致した時の電流値のそれぞれの正負の組み合わせからオフセット補正値の値に電気角の誤差にある比率をかけた値を加算または減算することを特徴としており、電気角の誤差の大きさに応じたオフセット値の調整が可能となる。

本願発明の実施例１に係るモータ駆動装置の電流制御ブロック図を図１に、本願発明の実施例１におけるオフセット補正回路のブロック図を図２に記す。

通常電流検出器５はオフセットを持つため、従来からこのオフセットを推定し、検出した電流値から引くことでオフセット補正を行ってきた。電流検出値をＩｕ、Ｉｗ、電流オフセット推定値をＩｏｕ’、Ｉｏｗ’、オフセット補正後の電流値をＩｕ’、Ｉｗ’とすると、
Ｉｕ’＝Ｉｕ−Ｉｏｕ’・・・（式１）
Ｉｗ’＝Ｉｗ−Ｉｏｗ’・・・（式２）
とし、Ｉｕ’、Ｉｗ’を用いて電流制御を行うことでオフセットの影響を受けない制御が可能となる。本発明は、まず第１段オフセット補正器１９で（式１）、（式２）に示すＩｕ’、Ｉｗ’が持つオフセット値を一致させる第１段階と、第２段オフセット補正器２２でＩｕ’、Ｉｗ’が持つオフセット値を求める第２段階の２段階のオフセット補正値を算出する構成をもつ。
まず、第１段階について説明する。Ｉｕ’、Ｉｗ’は、電流指令をＩｏ、電流検出器が持つオフセットをＩｏｕ、Ｉｏｗとすると次式で表される。

Ｉｕ’＝Ｉｏ×ｓｉｎθ＋Ｉｏｕ−Ｉｏｕ’・・・（式３）
Ｉｖ’＝Ｉｏ×ｓｉｎ（θ＋１２０°）−（Ｉｏｕ−Ｉｏｕ’＋Ｉｏｗ−Ｉｏｗ’）・・・（式４）
Ｉｗ’＝Ｉｏ×ｓｉｎ（θ−１２０°）＋Ｉｏｗ−Ｉｏｗ’・・・（式５）
ここでＩｏｕ−Ｉｏｕ’＝Ｉｏｗ−Ｉｏｗ’と仮定すると、（式３）、（式４）からＩｕ’とＩｗ’が一致する時の電気角θを求めると、
θ＝１５０°、３３０°・・・（式６）
となる。つまり、Ｉｕ’＝Ｉｗ’となる電気角θが１５０°、３３０°となるようにＩｏｕ’、Ｉｏｗ’を調整することで、Ｉｕ’、Ｉｗ’がもつオフセット値Ｉｏｕ−Ｉｏｕ’、Ｉｏｗ−Ｉｏｗ’を一致させることができる。

具体的には、電流一致検出器１７の入力を第一段オフセット補正後のＵ相電流値３０（Ｉｕ’）、第一段オフセット補正後のＷ相電流値３１（Ｉｗ’）とし、現在の電気角２５を電気角カウンタ２０で求め、電流一致信号２４が入力された時に電気角誤差検出器１８で現在の電気角２５と１５０°、３３０°と比較し、電気角誤差信号２７から第１段オフセット補正器１９で、Ｕ相電流オフセット補正値２８（Ｉｏｕ’）、Ｗ相電流オフセット補正値２９（Ｉｏｗ’）を調整し、Ｉｏｕ−Ｉｏｕ’＝Ｉｏｗ−Ｉｏｗ’となるようにする。これが、第１段階での目的である。

次に第２段階について説明する。第１段階により、Ｉｏｕ−Ｉｏｕ’＝Ｉｏｗ−Ｉｏｗ’＝Ｉｏｆ’とおくと、（式３）、（式４）、（式５）は次式となる。

Ｉｕ’＝Ｉｏ×ｓｉｎθ＋Ｉｏｆ’・・・（式７）
Ｉｖ’＝Ｉｏ×ｓｉｎ（θ＋１２０°）−２×Ｉｏｆ’・・・（式８）
Ｉｗ’＝Ｉｏ×ｓｉｎ（θ−１２０°）＋Ｉｏｆ’・・・（式９）
ここで、直接検出しないＶ相に着目する。直接検出するＵ、Ｗ相のうちのどちらかとＶ相の電流値が一致する電気角を求める。ここでは、Ｕ相とＶ相が一致する場合を例として挙げる。
Ｉｏｆ’＝０とすると、Ｉｖ’とＩｕ’が一致する時のθを求めると、
θ＝３０°、２１０°・・・（式１０）
となる。つまり、電気角θが３０°と２１０°の時は、Ｉｖ’をＩｕ’に置き換えることができる。そうなると、（式７）、（式８）、（式９）は、
Ｉｕ’＝Ｉｏ×ｓｉｎθ＋Ｉｏｆ’・・・（式７）
Ｉｖ’＝Ｉｕ’・・・（式８）
Ｉｗ’＝Ｉｏ×ｓｉｎ（θ−１２０°）＋Ｉｏｆ’・・・（式９）
となり、Ｉｕ’＋Ｉｖ’＋Ｉｗ’＝０の関係から、
Ｉｏｆ’＝（２×Ｉｕ’＋Ｉｗ’）／３・・・（式１０）
と求まる。よってオフセット補正後の電流値Ｉｕ’’、Ｉｗ’’は次式となる。

Ｉｕ’’＝Ｉｕ’−Ｉｏｆ’・・・（式１１）
Ｉｖ’’＝−Ｉｕ’’−Ｉｗ’’・・・（式１２）
Ｉｗ’’＝Ｉｗ’−Ｉｏｆ’・・・（式１３）
具体的には、電気角一致検出器２１で現在の電気角２５が３０°、２１０°となったときに電気角一致信号３３を出力し、第２段オフセット補正器２２で第一段オフセット補正後のＵ相電流値３０（Ｉｕ’）、第一段オフセット補正後のＷ相電流値３１（Ｉｗ’）を用いて（式１０）に基づき第２段オフセット補正値３４（Ｉｏｆ’）を出力する。

本願発明では、電流値、電気角の瞬時値を用いて電流オフセットの自動補正を行うことを特徴としており、これにより、モータが回転さえしていれば、どんな状態でも電流オフセットの補正を行うことが可能となる。

本願発明の実施例２は図２と同じ構成であり、そのなかの電気角誤差検出器１８の処理が異なるものである。

（式６）からＩｕ’＝Ｉｗ’となる電気角θは１５０°と３３０°の２つある。１５０°の時は（式３）、（式５）内のｓｉｎθ、ｓｉｎ（θ−１２０°）は正の値となり、３３０°の時は負の値となるため、一致電流値２３が正の時は現在の電気角２５と１５０°との誤差を出力とし、負の時は現在の電気角２５と３３０°との誤差を出力する。

本願発明の実施例３は図２と同じ構成で、そのなかの第１段オフセット補正器１９の処理が異なるものである。

一致電流値２３（Ｉｕｗ）と電気角誤差信号２７（θｅ）の符号とＵ相電流オフセット補正値２８（Ｉｏｕ’）とＷ相電流オフセット補正値２９（Ｉｏｗ’）の補正処理の関係を図３に記す。図中の補正値αを一定値で与えることでオフセット推定値の補正を行う。

本願発明の実施例４は図２と同じ構成で、そのなかの第１段オフセット補正器１９の処理が異なるものである。

実施例３との違いは、図３の補正値αを電気角誤差信号２７（θｅ）の大きさにある比率をかけた値とすることで、オフセット補正の効率化が図れるという点である。

本願発明の実施例５は図２と同じ構成で、そのなかの電気角一致検出器２１の処理が異なるものである。

（式１０）からＩｕ’＝Ｉｖ’となる電気角θは、３０°と２１０°である。電気角一致検出器２１は、現在の電気角２５と３０°、２１０°を比較し、そのいずれかと一致した時に電気角一致信号３３を出力することで、第２段オフセット補正器２２を動作させる。

本願発明の実施例６は図２と同じ構成で、そのなかの第２段オフセット補正器２２の処理が異なるものである。

第２段オフセット補正器２２では、電気角一致信号３３が入力された時の第１段オフセット補正後のＵ相電流値３０（Ｉｕ’）、第１段オフセット補正後のＷ相電流値３１（Ｉｗ’）から（式１０）に基づき、第２段オフセット補正値３４（Ｉｏｆ’）を出力する。

本発明のモータ駆動装置のオフセット補正回路は、速度、トルクの状態によらず電流オフセット調整が可能であり、モータにより位置制御運転や速度制御運転やトルク制御運転される一般機械用途に有用である。

本願発明の実施例１に係るモータ駆動装置の電流制御ブロック図 本願発明の実施例１におけるオフセット補正回路のブロック図 本願発明の実施例３、４におけるオフセット補正値の処理図 従来の電流制御システム図

符号の説明

１ オフセット補正回路
２ 電流制御部
３ 位置検出器
４ エンコーダ
５ 電流検出器
６ Ｕ相電流検出値（Ｉｕ）
７ Ｗ相電流検出値（Ｉｗ）
８ オフセット補正後のＵ相電流値（Ｉｕ’’）
９ オフセット補正後のＶ相電流値（Ｉｖ’’）
１０ オフセット補正後のＷ相電流値（Ｉｗ’’）
１１ Ｕ相電流指令値
１２ Ｖ相電流指令値
１３ Ｗ相電流指令値
１４ モータ回転信号
１５ エンコーダパルス信号
１６ 位置信号
１７ 電流一致検出器
１８ 電気角誤差検出器
１９ 第１段オフセット補正器
２０ 電気角カウンタ
２１ 電気角一致検出器
２２ 第２段オフセット補正器
２３ 一致電流値
２４ 電流一致信号
２５ 現在の電気角
２６ 指定電気角
２７ 電気角誤差信号
２８ Ｕ相電流オフセット補正値（Ｉｏｕ’）
２９ Ｗ相電流オフセット補正値（Ｉｏｗ’）
３０ 第１段オフセット補正後のＵ相電流値（Ｉｕ’）
３１ 第１段オフセット補正後のＷ相電流値（Ｉｗ’）
３２ 電気角の理論値
３３ 電気角一致信号
３４ 第２段オフセット補正値（Ｉｏｆ’）

Claims (2)

1. オフセットを有する電流検出器で検出した電流を入力し、２相分の電流が一致した時の電流値と電流一致信号を出力する電流一致検出器と、モータ位置検出器の位置信号を入力し、現在の電気角を出力する電気角カウンタと、前記電流一致信号が入力された時の現在の電気角と計算で求められる２相の電流が一致する指定電気角とを入力し、電気角誤差信号を出力する電気角誤差検出器と、前記電気角誤差から２相分の電流オフセット補正値を出力する第１段オフセット補正器と、直接検出する２相のうちの１相と直接検出しない残りの１相との電流値が一致する電気角の理論値と現在の電気角を入力し、一致した時に電気角一致信号を出力する電気角一致検出器と、前記電気角一致信号が入力された時に直接検出する２相の電流値のうち、電気角一致検出器で入力とした電気角の理論値の計算に使ったほうの電流値を直接検出不可な相の電流値とし、３相分の電流値の平均を出し、その値を第２段オフセット補正値として出力する第２段オフセット補正器とを備え、前記電気角誤差検出器は、あらかじめ正の値で一致した時と、負の値で一致したときの電気角の理論値をそれぞれ計算しておき、電流一致信号が入力された時に、実際に一致した電流値が正の時は、正の値で一致する電気角の理論値から実際に一致した時の電気角を引いた値を出力し、電流値が負の時は、負の値で一致する電気角の理論値から実際に一致した時の電気角を引いた値を出力し、前記第１段オフセット補正器は、入力された電気角誤差と一致した時の電流値のそれぞれの正負の組み合わせからオフセット補正値の値に一定の定数を足し引きすることで直接検出可能な２相のオフセット誤差を一致させ、前記第２段オフセット補正器の出力を用いてオフセットを自動補正するモータ駆動装置のオフセット補正回路。
2. 第１段オフセット補正器は、入力された電気角誤差と一致した時の電流値のそれぞれの正負の組み合わせからオフセット補正値の値に電気角の誤差にある比率をかけた値を足し引きする請求項１記載のモータ駆動装置のオフセット補正回路。