JP4154687B2 - モータ制御装置 - Google Patents
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【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータ制御装置に係り、特に、インバータを用いて永久磁石同期モータを１８０度通電（正弦波）駆動してモータの速度を制御するに好適なモータ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
モータの速度を制御するに際して、磁極位置センサなどの位置センサを用いて永久磁石同期モータを１８０度通電駆動するモータ制御装置が多数発表されている。中でも、モータ電流センサを使用せずに、低分解能位置センサのみでのベクトル制御を採用し、このベクトル制御にしたがって永久磁石同期モータを１８０度通電制御することにより、低騒音化を実現したものが提案されている（非特許文献１）。
【０００３】
【非特許文献１】
平成１１年度電気学会東京支部茨城支所研究発表会論文「インバータ制御全自動洗濯機の開発」
具体的には、電気角１２０度間隔で取り付けられた磁極位置センサの出力による位置信号を用いて、永久磁石同期モータの回転速度ωｒを求めるとともに、永久磁石同期モータの磁極基準位相θｄｐｓを求め、磁極基準位相θｄｐｓと制御装置の制御位相θｄとの位相誤差を算出し、この位相誤差を０にするための補正信号を求め、この補正信号と回転信号ωｒとから制御位相θｄを算出し、さらに、回転速度指令ωｒ＊に回転速度ωｒを一致させるためのトルク電流指令Ｉｑ＊を算出し、回転速度ωｒとモータ電流指令（励磁電流指令Ｉｄ＊＋トルク電流指令Ｉｑ＊）から永久磁石同期モータに対する電圧指令（ｄ軸電圧指令Ｖｄ＊＋ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊）を算出し、算出された電圧指令と制御位相θｄとから印加電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗ（ＰＷＭ信号）を生成し、生成された印加電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗをインバータで三相交流電圧に変換して永久磁石同期モータに印加し、永久磁石同期モータを１８０度通電制御するように構成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術においては、上位（外部）装置から入力される回転速度指令ωｒ＊に対して回転速度ωｒが一致するようにトルク電流指令Ｉｑ＊を変更して速度制御を行う方式を採用している。このため、従来技術によれば、回転速度指令ωｒ＊に対して必要なトルクを発生し、永久磁石同期モータの速度制御が可能になる。
【０００５】
言い替えると、モータ電流を検出することなく、安価な回路構成で永久磁石同期モータの１８０度通電制御が可能になる。
【０００６】
しかし、従来技術の方式の場合には、永久磁石同期モータに対する電圧指令を算出するに対して、モータ定数や印加電圧などに誤差が生じると、トルク電流指令Ｉｑ＊と実電流値とが異なり、トルク電流指令に対応したトルクが発生できなくなる。
【０００７】
しかも従来技術においては、回転速度指令ωｒ＊を基にトルク電流指令Ｉｑ＊を生成する速度制御部が設置されている場合、必要なトルクを発生させるために、トルク電流指令Ｉｑ＊を増加させることで、最終的には回転速度を制御できるが、必要なトルク出力までの時間は速度制御部の制御に依存する。言い替えると、瞬時に必要なトルクを発生することができない。
【０００８】
また、従来技術においては、低分解能の磁極位置センサを使用しているので、電気角６０度ごとの磁極位置信号と基準位相θｄｐｓとの比較（位相誤差演算）を行い、位相補正処理により細かい制御位相θｄを作成しているが、磁極位置センサの取付誤差などがあると、磁極位置信号自体にばらつきが生じ、制御位相θｄが変動することになる。
【０００９】
特に、高速回転時には、磁極位置信号の入力時間間隔が短くなり、位相誤差演算、位相補正を含む処理が間に合わなくなる。このため、高速時には、電気角６０度ごとの処理から、例えば、電気角３６０度ごとの処理に切替るなどの方法が試みられているが、位相誤差の補正精度が悪くなる。
【００１０】
反対に、低速回転時には、位相補正処理の動作周期が長くなり、十分な位相補正ができなくなる。
【００１１】
本発明の課題は、モータ定数や印加電圧などの誤差が発生しても、トルク電流指令と実電流を一致させて指定のトルクを瞬時に出力でき、かつ、起動時から高速回転まで正確な制御位相を作成して安定したモータ制御を可能にすることにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、直流電源に接続され永久磁石同期モータを駆動するインバータと、永久磁石同期モータの磁極位置を検出する磁極位置センサと、該磁極位置センサから出力される磁極位置信号に基づいて前記永久磁石同期モータの回転速度を演算する速度演算部と、前記永久磁石同期モータに流れるモータ電流を検出するモータ電流検出手段と、与えられる電流指令と前記回転速度に基づいてモータ電圧指令を生成する電圧指令生成手段と、前記モータ電圧指令と制御位相指令に基づいて前記永久磁石同期モータに印加すべき印加電圧を算出して前記インバータを制御する印加電圧算出手段を備えてなるモータ制御装置を前提構成とする。特に、前記課題を解決するために、前記制御位相指令と前記磁極位置信号から得られた実位相との第１の位相誤差を算出する第１の位相誤差算出手段と、前記モータ電流検出手段により検出されたモータ検出電流及び前記回転速度に基づいて前記永久磁石同期モータのモデル式を用いて求めたモータ電圧と前記モータ電圧指令から第２の位相誤差を算出する第２の位相誤差算出手段と、前記第１の位相誤差と前記第２の位相誤差のうちいずれか一方を選択する位相誤差選択手段とを備え、該位相誤差選択手段は、前記モータ電流検出手段により前記モータ電流を検出できないときは第１の位相誤差を選択することを特徴とする。
【００１６】
これによれば、モータの停止中および低速時には第１の位相誤差を選択し、中高速時には第２の位相誤差を選択し、選択した位相誤差を用いて制御位相を更新することで、起動時から高速回転時まで正確な制御位相を作成して安定したモータ制御が可能になる。この結果、起動時から高速回転時まで指令に対応したトルクを発生することが可能になり、高トルク、高速起動を頻繁に繰返す用途への適応が可能なモータ制御装置を実現することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示すモータ制御装置のブロック構成図である。本実施形態は、電動車など、高トルク、高速起動が要求される電気駆動装置のモータ駆動装置に適用した場合の構成を示している。図１において、モータ制御装置は、三相８極の突極型モータとして構成された永久磁石同期モータ１を制御対象として、インバータ２、低分解能位置センサ３、マイクロコンピュータを用いて構成されている。
【００１８】
インバータ２は、直流電源２１を入力として、三相ブリッジ結線されたＰＷＭ制御型のインバータとして構成されており、永久磁石同期モータ１に印加すべき印加電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗ（ＰＷＭ信号）を基に直流電圧を交流電圧に変換して永久磁石同期モータ１を回転駆動するように構成されている。
【００１９】
低分解能位置センサ３は、電気角で１２０度間隔に３個取付られており、永久磁石同期モータ１の磁極位置を検出して磁極位置信号を出力する位置検出手段として構成されている。すなわち、位置センサ３は、図２（ａ）に示すように、永久磁石モータ１が正転（ＣＷ）方向に回転したときには、永久磁石同期モータ１の誘起電圧に対応して、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相各相の磁極位置を検出し、検出した各相の磁極位置と磁極位置信号として速度演算部４と位相作成部５に出力するようになっている。
【００２０】
一方、マイクロコンピュータは、速度演算部４、位相作成部５、電流再現部６、電流制御部７、演算部８、ｄ軸電流制御部１０、第２の位相誤差演算部１１、位相誤差選択部１２、切替判定部１２１を備えて構成されており、電流制御部７とｄ軸電流制御部１０には、電気駆動装置の上位制御系（回路）からトルク電流指令Ｉｑ＊が入力されている。
【００２１】
速度演算部４は、位置センサ３の出力による磁極位置信号を用いて永久磁石同期モータ１の回転速度ωｒを演算する速度演算手段として構成されており、回転速度ωｒは、演算部８のベクトル演算部８Ａ、位相作成部５の乗算器５Ｄ、第２の位相誤差演算部１１、切替判定部１２１に出力されるようになっている。
【００２２】
位相作成部５は、位相更新部５Ａ、位相補正部５Ｂ、第１の位相誤差演算部５Ｃ、乗算器５Ｄを備えて構成されている。第１の位相誤差演算部５Ｃは、位置センサ３の出力による磁極位置信号に対応した磁極基準位相θｄｐｓと永久磁石同期モータ１の制御位相θｄとの差である第１の位相誤差Δθｄ１を算出する第１の位相誤差算出手段として構成されており、第１の位相誤差Δθｄ１は位相誤差選択部１２に出力されるようになっている。
【００２３】
一方、電流再現部６は、永久磁石同期モータ１の実際の電流に相当する電流を検出するために、インバータ２に流入する直流電流ＩＤＣから永久磁石同期モータ１に流れる検出モータ電流（Ｉｄ、Ｉｑ）を制御位相θｄに対応づけて順次再現するモータ電流検出手段として構成されており、検出モータ電流（Ｉｄ、Ｉｑ）は、電流制御部７、第２の位相誤差演算部１１に出力されるようになっている。
【００２４】
電流制御部７は、複数の加算器と演算器を備え、トルク電流指令Ｉｑ＊と励磁電流指令Ｉｄ＊を含む第１のモータ電流指令と、電流再現部６で再現された検出モータ電流（Ｉｄ、Ｉｑ）とを一致させるための第２のモータ電流指令（Ｉｄ＊＊、Ｉｑ＊＊）を生成してベクトル演算部８Ａに出力する電流制御手段として構成されている。
【００２５】
ベクトル演算部８Ａは、第２のモータ電流指令（Ｉｄ＊＊、Ｉｑ＊＊）と回転速度ωｒとから次の（１）式に示すモデル式にしたがって永久磁石同期モータ１に関するモータ電圧指令（Ｖｄ＊、Ｖｑ＊）を生成する電圧指令生成手段として構成されており、モータ電圧指令（Ｖｄ＊、Ｖｑ＊）は印加電圧作成部８Ｂと第２の位相誤差演算部１１に入力されている。
【００２６】
【数１】
ここで、Ｉｄ＊＊は第２の励磁電流指令、Ｉｑ＊＊は第２のトルク電流指令である。
【００２７】
第２の位相誤差演算部１１は、次の（２）式を基に、電流再現部６の出力である検出モータ電流（Ｉｄ、Ｉｑ）とベクトル演算部８Ａの出力によるモータ電圧指令（Ｖｄ＊、Ｖｑ＊）、速度演算部４の出力による回転速度ωｒから制御位相θｄと実位相との差である第２の位相誤差Δθｄ２を算出する第２の位相誤差算出手段として構成されており、第２の位相誤差Δθｄ２は位相誤差選択部１２に出力されるようになっている。
【００２８】
【数２】
位相誤差選択部１２は、第１の位相誤差Δθｄ１と第２の位相誤差Δθｄ２のうちいずれか一方を切替信号１２ｓに応答して選択し、選択した位相誤差を位相誤差信号Δθｄとして位相補正部５Ｂに出力するようになっている。切替信号１２ｓは、切替判定部１２１から出力されるようになっており、切替判定部１２１は、電流再現部６で検出モータ電流Ｉｄ、Ｉｑが再現されたか否かを示す再現情報信号６ｓと回転速度ωｒとを基に第１の位相誤差Δθｄ１または第２の位相誤差Δθｄ２のうちいずれか一方を選択するための切替信号１２ｓを位相誤差選択部１２に出力するようになっている。
【００２９】
位相補正部５Ｂは、位相誤差信号Δθｄを０に抑制するための補正を行って補正信号Δωｐｌｌを出力する位相補正手段として構成されている。この補正信号Δωｐｌｌは乗算器５Ｄで回転速度ωｒと乗算され、この乗算によって得られた信号ω１は位相更新部５Ａに入力されるようになっている。位相更新部５Ａは、図２（ｂ）に示すように、信号ω１を順次積分しながら制御位相θｄを更新する積分手段として構成されている。すなわち、位相補正部５Ｂ、乗算器５Ｄ、位相更新部５Ａは、位相誤差信号Δθｄを基に制御位相θｄを算出する制御位相算出手段として構成されており、算出された制御位相θｄは、位相作成部５と印加電圧作成部８Ｂおよび電流再現部６に出力されるようになっている。
【００３０】
印加電圧作成部８Ｂは、永久磁石同期モータ１の磁極位置に対応して算出された制御位相θｄとベクトル演算部８Ａの出力によるモータ電圧指令（Ｖｄ＊、Ｖｑ＊）とから印加電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを算出する印加電圧算出手段として構成されており、算出された印加電圧Ｖｕ、Ｖｖ、ＶｗはＰＷＭ信号としてそれぞれインバータ２に出力されるようになっている。
【００３１】
なお、ｄ軸電流制御部１０は、トルク電流指令Ｉｑ＊を入力として最適な励磁電流指令Ｉｄ＊を算出するように構成されている。
【００３２】
次に、電流再現部６で行われる電流再現方法について図３を用いて説明する。以下の説明に当たっては、インバータ２が三相ブリッジ結線型インバータであって、上アーム側のスイッチング素子をＵ＋、Ｖ＋、Ｗ＋、下アーム側のスイッチング素子をＵ−、Ｖ−、Ｗ−の記号で表す。
【００３３】
図３は、印加電圧作成部８Ｂで行われるＰＷＭ信号作成方法と、インバータ２の上アームのスイッチング素子Ｕ＋、Ｖ＋、Ｗ＋に入力されるゲート信号および図示した期間でのインバータ２と永久磁石モータ１の巻線の接続図を示している。なお、インバータ２のスイッチング動作は相補ＰＷＭ動作である。
【００３４】
また、ＰＷＭ信号の作成には、各相のモータ電圧指令（Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊）と三角波（搬送波）とを比較して作成している。図３の例では、Ｕ相が最大電圧相、Ｖ相が中間電圧相、Ｗ相が最小電圧相を示している。
【００３５】
このような場合、インバータ２のスイッチング素子がオンしている組合わせは、（Ｕ＋、Ｖ＋、Ｗ−）、（Ｕ＋、Ｖ−、Ｗ−）、（Ｕ−、Ｖ−、Ｗ−）、（Ｕ＋、Ｖ＋、Ｗ＋）の４通りである。ここで、（Ｕ＋、Ｖ＋、Ｗ＋）と（Ｕ−、Ｖ−、Ｗ−）の組合わせは、上アームもしくは下アームのスイッチング素子が全てオンしている状態であり、直流電流は０であって、モータ電流は再現されない状態である。
【００３６】
そこで、（Ｕ＋、Ｖ＋、Ｗ−）と（Ｕ＋、Ｖ−、Ｗ−）の状態に着目すると、（Ｕ＋、Ｖ＋、Ｗ−）では、図３（ａ）に示すように、Ｗ相のモータ電流が直流電流として流れ、（Ｕ＋、Ｖ−、Ｗ−）では、図３（ｂ）に示すように、Ｕ相のモータ電流が直流電流として流れることが分かる。言い替えると、最大電圧相と最小電圧相の２相分のモータ電流が直流電流から観測可能である。２相分のモータ電流が再現できれば、再現された２相分の電流から残りの相のモータ電流を再現することができる。
【００３７】
第２の位相誤差演算部１１において第２の位相誤差を算出するに際しては、前記（２）式を用いることで、広範囲に渡って正確な位相誤差を算出することができる。ただし、モータ１の停止中はモータ電流を再現できないため、第２の位相誤差を算出することはできない。すなわち、第２の位相誤差を基に制御位相θｄを算出する方式は、中高速域での位相作成に適した方式である。
【００３８】
上記のことを考慮し、次に、切替判定部１２１で作成された切替信号１２ｓを基に位相誤差の選択方法について説明する。
【００３９】
第１の位相誤差θｄ１は、位置センサ３の出力による磁極位置信号に基づいた位相誤差であるため、モータ１の停止中においても停止中の位相を電気角６０度間隔で検出することはできる。しかし、第１の位相誤差Δθｄ１は位置センサ３の取付精度によってその精度が変化する。またモータ１が高速回転となる高速域では、単位時間当たりの磁極位置信号の入力回数が増加し、演算処理が間に合わなくなるため、位相誤差演算処理を電気角６０度ごとから、例えば、電気角３６０度ごとに間引き処理を行うために、位相誤差の演算回数を低減することが余儀なくされる。
【００４０】
これに対して、第２の位相誤差Δθｄ２は、モータ１の停止中は、モータ電流が再現できないので算出できないが、中高速域に関しては、精度良く算出することが可能である。なお、第２の位相誤差Δθｄ２を用いて制御位相θｄを算出する方式の場合には、検出モータ電流や電圧指令と実電圧との誤差、設定定数誤差などに起因した誤差は生じるが、位置センサ３の取付誤差に比べるとその精度はかなり低いものとなる。またこの方式の場合には、あらかじめ決まった処理周期ごとに位相誤差演算処理を行っているので、モータ１の回転数に依存しない。
【００４１】
したがって、モータ１の停止中および低速（極低速）時は第１の位相誤差Δθｄ１を選択し、中速から高速時には第２の位相誤差Δθｄ２を選択し、選択した位相誤差を基に制御位相θｄを生成することで、起動時から高速回転時まで正確な制御位相を作成して安定したモータ制御が可能になる。
【００４２】
また、何らかの理由で電流再現部６でモータ電流が再現できない状態のときには、第２の位相誤差は算出できなくなるが、このような場合には、第１の位相誤差を選択することで対応することができる。逆に、位置センサ３の出力が得られなくなったときには、第２の位相誤差を選択することで対応することができる。これにより、一方の位相誤差が得られなくても、他方の位相誤差を使用することにより、モータ制御を継続することができ、安全性の高いシステムを構築することができ、特に、電動車などには重要な機能となる。
【００４３】
さらに、モータ１が回っている状態から起動するいわゆる拾い込み起動時にも、最初は第１の位相誤差を選択して制御位相を生成し、制御が安定したあとに、第２の位相誤差に切替ることにより、スムーズな拾い込み起動が可能になる。
【００４４】
また、ｄ軸電流制御部１０においては、次の（３）式を用いてトルク電流指令Ｉｑ＊から最適な励磁電流指令Ｉｄ＊を選出することができる。
【００４５】
【数３】
上記（３）式により、永久磁石同期モータ１を最大効率で運転することができる。この場合、ｄ軸電流制御部１０は、通常は、上記（３）式を用いて最大効率運転を行い、必要なときには、弱め界磁制御など別の制御を行うことも可能である。
【００４６】
以上のように、本実施形態によれば、位置センサ３のみ（モータ電流センサレス）を用いたモータ制御装置において、起動時から所望のトルクを出力し、高速回転まで安定したモータ制御を実現することができる。また位置センサ３があるため、モータの停止／起動を頻繁に繰返す用途に適用しても確実な起動ができる。
【００４７】
前記実施形態においては、トルク電流指令を入力してモータトルクを制御する例について説明したが、本発明は、速度指令を入力してトルク電流指令を作成する速度制御型モータ制御装置に適用することも可能である。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、起動時から高速回転まで正確な制御位相を作成して安定したモータ制御を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すモータ制御装置のブロック構成図である。
【図２】（ａ）は永久磁石同期モータの誘起電圧と磁極位置信号との関係を示す波形図、（ｂ）は制御位相の波形図である。
【図３】モータ電流の再現方法を説明するための図である。
【符号の説明】
１ 永久磁石同期モータ
２ インバータ
３ 低分解能位置センサ
４ 速度演算部
５ 位相作成部
５Ａ 位相更新部
５Ｂ 位相補正部
５Ｃ 第１の位相誤差演算部
５Ｄ 乗算器
６ 電流再現部
７ 電流制御部
８Ａ ベクトル演算部
８Ｂ 印加電圧作成部
１０ ｄ軸電流制御部
１１ 第２の位相誤差演算部
１２１ 切替判定部
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータ制御装置に係り、特に、インバータを用いて永久磁石同期モータを１８０度通電（正弦波）駆動してモータの速度を制御するに好適なモータ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
モータの速度を制御するに際して、磁極位置センサなどの位置センサを用いて永久磁石同期モータを１８０度通電駆動するモータ制御装置が多数発表されている。中でも、モータ電流センサを使用せずに、低分解能位置センサのみでのベクトル制御を採用し、このベクトル制御にしたがって永久磁石同期モータを１８０度通電制御することにより、低騒音化を実現したものが提案されている（非特許文献１）。
【０００３】
【非特許文献１】
平成１１年度電気学会東京支部茨城支所研究発表会論文「インバータ制御全自動洗濯機の開発」
具体的には、電気角１２０度間隔で取り付けられた磁極位置センサの出力による位置信号を用いて、永久磁石同期モータの回転速度ωｒを求めるとともに、永久磁石同期モータの磁極基準位相θｄｐｓを求め、磁極基準位相θｄｐｓと制御装置の制御位相θｄとの位相誤差を算出し、この位相誤差を０にするための補正信号を求め、この補正信号と回転信号ωｒとから制御位相θｄを算出し、さらに、回転速度指令ωｒ＊に回転速度ωｒを一致させるためのトルク電流指令Ｉｑ＊を算出し、回転速度ωｒとモータ電流指令（励磁電流指令Ｉｄ＊＋トルク電流指令Ｉｑ＊）から永久磁石同期モータに対する電圧指令（ｄ軸電圧指令Ｖｄ＊＋ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊）を算出し、算出された電圧指令と制御位相θｄとから印加電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗ（ＰＷＭ信号）を生成し、生成された印加電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗをインバータで三相交流電圧に変換して永久磁石同期モータに印加し、永久磁石同期モータを１８０度通電制御するように構成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術においては、上位（外部）装置から入力される回転速度指令ωｒ＊に対して回転速度ωｒが一致するようにトルク電流指令Ｉｑ＊を変更して速度制御を行う方式を採用している。このため、従来技術によれば、回転速度指令ωｒ＊に対して必要なトルクを発生し、永久磁石同期モータの速度制御が可能になる。
【０００５】
言い替えると、モータ電流を検出することなく、安価な回路構成で永久磁石同期モータの１８０度通電制御が可能になる。
【０００６】
しかし、従来技術の方式の場合には、永久磁石同期モータに対する電圧指令を算出するに対して、モータ定数や印加電圧などに誤差が生じると、トルク電流指令Ｉｑ＊と実電流値とが異なり、トルク電流指令に対応したトルクが発生できなくなる。
【０００７】
しかも従来技術においては、回転速度指令ωｒ＊を基にトルク電流指令Ｉｑ＊を生成する速度制御部が設置されている場合、必要なトルクを発生させるために、トルク電流指令Ｉｑ＊を増加させることで、最終的には回転速度を制御できるが、必要なトルク出力までの時間は速度制御部の制御に依存する。言い替えると、瞬時に必要なトルクを発生することができない。
【０００８】
また、従来技術においては、低分解能の磁極位置センサを使用しているので、電気角６０度ごとの磁極位置信号と基準位相θｄｐｓとの比較（位相誤差演算）を行い、位相補正処理により細かい制御位相θｄを作成しているが、磁極位置センサの取付誤差などがあると、磁極位置信号自体にばらつきが生じ、制御位相θｄが変動することになる。
【０００９】
特に、高速回転時には、磁極位置信号の入力時間間隔が短くなり、位相誤差演算、位相補正を含む処理が間に合わなくなる。このため、高速時には、電気角６０度ごとの処理から、例えば、電気角３６０度ごとの処理に切替るなどの方法が試みられているが、位相誤差の補正精度が悪くなる。
【００１０】
反対に、低速回転時には、位相補正処理の動作周期が長くなり、十分な位相補正ができなくなる。
【００１１】
本発明の課題は、モータ定数や印加電圧などの誤差が発生しても、トルク電流指令と実電流を一致させて指定のトルクを瞬時に出力でき、かつ、起動時から高速回転まで正確な制御位相を作成して安定したモータ制御を可能にすることにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、直流電源に接続され永久磁石同期モータを駆動するインバータと、永久磁石同期モータの磁極位置を検出する磁極位置センサと、該磁極位置センサから出力される磁極位置信号に基づいて前記永久磁石同期モータの回転速度を演算する速度演算部と、前記永久磁石同期モータに流れるモータ電流を検出するモータ電流検出手段と、与えられる電流指令と前記回転速度に基づいてモータ電圧指令を生成する電圧指令生成手段と、前記モータ電圧指令と制御位相指令に基づいて前記永久磁石同期モータに印加すべき印加電圧を算出して前記インバータを制御する印加電圧算出手段を備えてなるモータ制御装置を前提構成とする。特に、前記課題を解決するために、前記制御位相指令と前記磁極位置信号から得られた実位相との第１の位相誤差を算出する第１の位相誤差算出手段と、前記モータ電流検出手段により検出されたモータ検出電流及び前記回転速度に基づいて前記永久磁石同期モータのモデル式を用いて求めたモータ電圧と前記モータ電圧指令から第２の位相誤差を算出する第２の位相誤差算出手段と、前記第１の位相誤差と前記第２の位相誤差のうちいずれか一方を選択する位相誤差選択手段とを備え、該位相誤差選択手段は、前記モータ電流検出手段により前記モータ電流を検出できないときは第１の位相誤差を選択することを特徴とする。
【００１６】
これによれば、モータの停止中および低速時には第１の位相誤差を選択し、中高速時には第２の位相誤差を選択し、選択した位相誤差を用いて制御位相を更新することで、起動時から高速回転時まで正確な制御位相を作成して安定したモータ制御が可能になる。この結果、起動時から高速回転時まで指令に対応したトルクを発生することが可能になり、高トルク、高速起動を頻繁に繰返す用途への適応が可能なモータ制御装置を実現することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示すモータ制御装置のブロック構成図である。本実施形態は、電動車など、高トルク、高速起動が要求される電気駆動装置のモータ駆動装置に適用した場合の構成を示している。図１において、モータ制御装置は、三相８極の突極型モータとして構成された永久磁石同期モータ１を制御対象として、インバータ２、低分解能位置センサ３、マイクロコンピュータを用いて構成されている。
【００１８】
インバータ２は、直流電源２１を入力として、三相ブリッジ結線されたＰＷＭ制御型のインバータとして構成されており、永久磁石同期モータ１に印加すべき印加電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗ（ＰＷＭ信号）を基に直流電圧を交流電圧に変換して永久磁石同期モータ１を回転駆動するように構成されている。
【００１９】
低分解能位置センサ３は、電気角で１２０度間隔に３個取付られており、永久磁石同期モータ１の磁極位置を検出して磁極位置信号を出力する位置検出手段として構成されている。すなわち、位置センサ３は、図２（ａ）に示すように、永久磁石モータ１が正転（ＣＷ）方向に回転したときには、永久磁石同期モータ１の誘起電圧に対応して、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相各相の磁極位置を検出し、検出した各相の磁極位置と磁極位置信号として速度演算部４と位相作成部５に出力するようになっている。
【００２０】
一方、マイクロコンピュータは、速度演算部４、位相作成部５、電流再現部６、電流制御部７、演算部８、ｄ軸電流制御部１０、第２の位相誤差演算部１１、位相誤差選択部１２、切替判定部１２１を備えて構成されており、電流制御部７とｄ軸電流制御部１０には、電気駆動装置の上位制御系（回路）からトルク電流指令Ｉｑ＊が入力されている。
【００２１】
速度演算部４は、位置センサ３の出力による磁極位置信号を用いて永久磁石同期モータ１の回転速度ωｒを演算する速度演算手段として構成されており、回転速度ωｒは、演算部８のベクトル演算部８Ａ、位相作成部５の乗算器５Ｄ、第２の位相誤差演算部１１、切替判定部１２１に出力されるようになっている。
【００２２】
位相作成部５は、位相更新部５Ａ、位相補正部５Ｂ、第１の位相誤差演算部５Ｃ、乗算器５Ｄを備えて構成されている。第１の位相誤差演算部５Ｃは、位置センサ３の出力による磁極位置信号に対応した磁極基準位相θｄｐｓと永久磁石同期モータ１の制御位相θｄとの差である第１の位相誤差Δθｄ１を算出する第１の位相誤差算出手段として構成されており、第１の位相誤差Δθｄ１は位相誤差選択部１２に出力されるようになっている。
【００２３】
一方、電流再現部６は、永久磁石同期モータ１の実際の電流に相当する電流を検出するために、インバータ２に流入する直流電流ＩＤＣから永久磁石同期モータ１に流れる検出モータ電流（Ｉｄ、Ｉｑ）を制御位相θｄに対応づけて順次再現するモータ電流検出手段として構成されており、検出モータ電流（Ｉｄ、Ｉｑ）は、電流制御部７、第２の位相誤差演算部１１に出力されるようになっている。
【００２４】
電流制御部７は、複数の加算器と演算器を備え、トルク電流指令Ｉｑ＊と励磁電流指令Ｉｄ＊を含む第１のモータ電流指令と、電流再現部６で再現された検出モータ電流（Ｉｄ、Ｉｑ）とを一致させるための第２のモータ電流指令（Ｉｄ＊＊、Ｉｑ＊＊）を生成してベクトル演算部８Ａに出力する電流制御手段として構成されている。
【００２５】
ベクトル演算部８Ａは、第２のモータ電流指令（Ｉｄ＊＊、Ｉｑ＊＊）と回転速度ωｒとから次の（１）式に示すモデル式にしたがって永久磁石同期モータ１に関するモータ電圧指令（Ｖｄ＊、Ｖｑ＊）を生成する電圧指令生成手段として構成されており、モータ電圧指令（Ｖｄ＊、Ｖｑ＊）は印加電圧作成部８Ｂと第２の位相誤差演算部１１に入力されている。
【００２６】
【数１】
【００２７】
第２の位相誤差演算部１１は、次の（２）式を基に、電流再現部６の出力である検出モータ電流（Ｉｄ、Ｉｑ）とベクトル演算部８Ａの出力によるモータ電圧指令（Ｖｄ＊、Ｖｑ＊）、速度演算部４の出力による回転速度ωｒから制御位相θｄと実位相との差である第２の位相誤差Δθｄ２を算出する第２の位相誤差算出手段として構成されており、第２の位相誤差Δθｄ２は位相誤差選択部１２に出力されるようになっている。
【００２８】
【数２】
【００２９】
位相補正部５Ｂは、位相誤差信号Δθｄを０に抑制するための補正を行って補正信号Δωｐｌｌを出力する位相補正手段として構成されている。この補正信号Δωｐｌｌは乗算器５Ｄで回転速度ωｒと乗算され、この乗算によって得られた信号ω１は位相更新部５Ａに入力されるようになっている。位相更新部５Ａは、図２（ｂ）に示すように、信号ω１を順次積分しながら制御位相θｄを更新する積分手段として構成されている。すなわち、位相補正部５Ｂ、乗算器５Ｄ、位相更新部５Ａは、位相誤差信号Δθｄを基に制御位相θｄを算出する制御位相算出手段として構成されており、算出された制御位相θｄは、位相作成部５と印加電圧作成部８Ｂおよび電流再現部６に出力されるようになっている。
【００３０】
印加電圧作成部８Ｂは、永久磁石同期モータ１の磁極位置に対応して算出された制御位相θｄとベクトル演算部８Ａの出力によるモータ電圧指令（Ｖｄ＊、Ｖｑ＊）とから印加電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを算出する印加電圧算出手段として構成されており、算出された印加電圧Ｖｕ、Ｖｖ、ＶｗはＰＷＭ信号としてそれぞれインバータ２に出力されるようになっている。
【００３１】
なお、ｄ軸電流制御部１０は、トルク電流指令Ｉｑ＊を入力として最適な励磁電流指令Ｉｄ＊を算出するように構成されている。
【００３２】
次に、電流再現部６で行われる電流再現方法について図３を用いて説明する。以下の説明に当たっては、インバータ２が三相ブリッジ結線型インバータであって、上アーム側のスイッチング素子をＵ＋、Ｖ＋、Ｗ＋、下アーム側のスイッチング素子をＵ−、Ｖ−、Ｗ−の記号で表す。
【００３３】
図３は、印加電圧作成部８Ｂで行われるＰＷＭ信号作成方法と、インバータ２の上アームのスイッチング素子Ｕ＋、Ｖ＋、Ｗ＋に入力されるゲート信号および図示した期間でのインバータ２と永久磁石モータ１の巻線の接続図を示している。なお、インバータ２のスイッチング動作は相補ＰＷＭ動作である。
【００３４】
また、ＰＷＭ信号の作成には、各相のモータ電圧指令（Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊）と三角波（搬送波）とを比較して作成している。図３の例では、Ｕ相が最大電圧相、Ｖ相が中間電圧相、Ｗ相が最小電圧相を示している。
【００３５】
このような場合、インバータ２のスイッチング素子がオンしている組合わせは、（Ｕ＋、Ｖ＋、Ｗ−）、（Ｕ＋、Ｖ−、Ｗ−）、（Ｕ−、Ｖ−、Ｗ−）、（Ｕ＋、Ｖ＋、Ｗ＋）の４通りである。ここで、（Ｕ＋、Ｖ＋、Ｗ＋）と（Ｕ−、Ｖ−、Ｗ−）の組合わせは、上アームもしくは下アームのスイッチング素子が全てオンしている状態であり、直流電流は０であって、モータ電流は再現されない状態である。
【００３６】
そこで、（Ｕ＋、Ｖ＋、Ｗ−）と（Ｕ＋、Ｖ−、Ｗ−）の状態に着目すると、（Ｕ＋、Ｖ＋、Ｗ−）では、図３（ａ）に示すように、Ｗ相のモータ電流が直流電流として流れ、（Ｕ＋、Ｖ−、Ｗ−）では、図３（ｂ）に示すように、Ｕ相のモータ電流が直流電流として流れることが分かる。言い替えると、最大電圧相と最小電圧相の２相分のモータ電流が直流電流から観測可能である。２相分のモータ電流が再現できれば、再現された２相分の電流から残りの相のモータ電流を再現することができる。
【００３７】
第２の位相誤差演算部１１において第２の位相誤差を算出するに際しては、前記（２）式を用いることで、広範囲に渡って正確な位相誤差を算出することができる。ただし、モータ１の停止中はモータ電流を再現できないため、第２の位相誤差を算出することはできない。すなわち、第２の位相誤差を基に制御位相θｄを算出する方式は、中高速域での位相作成に適した方式である。
【００３８】
上記のことを考慮し、次に、切替判定部１２１で作成された切替信号１２ｓを基に位相誤差の選択方法について説明する。
【００３９】
第１の位相誤差θｄ１は、位置センサ３の出力による磁極位置信号に基づいた位相誤差であるため、モータ１の停止中においても停止中の位相を電気角６０度間隔で検出することはできる。しかし、第１の位相誤差Δθｄ１は位置センサ３の取付精度によってその精度が変化する。またモータ１が高速回転となる高速域では、単位時間当たりの磁極位置信号の入力回数が増加し、演算処理が間に合わなくなるため、位相誤差演算処理を電気角６０度ごとから、例えば、電気角３６０度ごとに間引き処理を行うために、位相誤差の演算回数を低減することが余儀なくされる。
【００４０】
これに対して、第２の位相誤差Δθｄ２は、モータ１の停止中は、モータ電流が再現できないので算出できないが、中高速域に関しては、精度良く算出することが可能である。なお、第２の位相誤差Δθｄ２を用いて制御位相θｄを算出する方式の場合には、検出モータ電流や電圧指令と実電圧との誤差、設定定数誤差などに起因した誤差は生じるが、位置センサ３の取付誤差に比べるとその精度はかなり低いものとなる。またこの方式の場合には、あらかじめ決まった処理周期ごとに位相誤差演算処理を行っているので、モータ１の回転数に依存しない。
【００４１】
したがって、モータ１の停止中および低速（極低速）時は第１の位相誤差Δθｄ１を選択し、中速から高速時には第２の位相誤差Δθｄ２を選択し、選択した位相誤差を基に制御位相θｄを生成することで、起動時から高速回転時まで正確な制御位相を作成して安定したモータ制御が可能になる。
【００４２】
また、何らかの理由で電流再現部６でモータ電流が再現できない状態のときには、第２の位相誤差は算出できなくなるが、このような場合には、第１の位相誤差を選択することで対応することができる。逆に、位置センサ３の出力が得られなくなったときには、第２の位相誤差を選択することで対応することができる。これにより、一方の位相誤差が得られなくても、他方の位相誤差を使用することにより、モータ制御を継続することができ、安全性の高いシステムを構築することができ、特に、電動車などには重要な機能となる。
【００４３】
さらに、モータ１が回っている状態から起動するいわゆる拾い込み起動時にも、最初は第１の位相誤差を選択して制御位相を生成し、制御が安定したあとに、第２の位相誤差に切替ることにより、スムーズな拾い込み起動が可能になる。
【００４４】
また、ｄ軸電流制御部１０においては、次の（３）式を用いてトルク電流指令Ｉｑ＊から最適な励磁電流指令Ｉｄ＊を選出することができる。
【００４５】
【数３】
【００４６】
以上のように、本実施形態によれば、位置センサ３のみ（モータ電流センサレス）を用いたモータ制御装置において、起動時から所望のトルクを出力し、高速回転まで安定したモータ制御を実現することができる。また位置センサ３があるため、モータの停止／起動を頻繁に繰返す用途に適用しても確実な起動ができる。
【００４７】
前記実施形態においては、トルク電流指令を入力してモータトルクを制御する例について説明したが、本発明は、速度指令を入力してトルク電流指令を作成する速度制御型モータ制御装置に適用することも可能である。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、起動時から高速回転まで正確な制御位相を作成して安定したモータ制御を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すモータ制御装置のブロック構成図である。
【図２】（ａ）は永久磁石同期モータの誘起電圧と磁極位置信号との関係を示す波形図、（ｂ）は制御位相の波形図である。
【図３】モータ電流の再現方法を説明するための図である。
【符号の説明】
１ 永久磁石同期モータ
２ インバータ
３ 低分解能位置センサ
４ 速度演算部
５ 位相作成部
５Ａ 位相更新部
５Ｂ 位相補正部
５Ｃ 第１の位相誤差演算部
５Ｄ 乗算器
６ 電流再現部
７ 電流制御部
８Ａ ベクトル演算部
８Ｂ 印加電圧作成部
１０ ｄ軸電流制御部
１１ 第２の位相誤差演算部
１２１ 切替判定部
Claims (9)
- 直流電源に接続され永久磁石同期モータを駆動するインバータと、永久磁石同期モータの磁極位置を検出する磁極位置センサと、該磁極位置センサから出力される磁極位置信号に基づいて前記永久磁石同期モータの回転速度を演算する速度演算部と、前記永久磁石同期モータに流れるモータ電流を検出するモータ電流検出手段と、与えられる電流指令と前記回転速度に基づいてモータ電圧指令を生成する電圧指令生成手段と、前記モータ電圧指令と制御位相指令に基づいて前記永久磁石同期モータに印加すべき印加電圧を算出して前記インバータを制御する印加電圧算出手段を備えてなるモータ制御装置において、
前記制御位相指令と前記磁極位置信号から得られた実位相との第１の位相誤差を算出する第１の位相誤差算出手段と、前記モータ電流検出手段により検出されたモータ検出電流及び前記回転速度に基づいて前記永久磁石同期モータのモデル式を用いて求めたモータ電圧と前記モータ電圧指令から第２の位相誤差を算出する第２の位相誤差算出手段と、前記第１の位相誤差と前記第２の位相誤差のうちいずれか一方を選択する位相誤差選択手段とを備え、該位相誤差選択手段は、前記モータ電流検出手段により前記モータ電流を検出できないときは第１の位相誤差を選択することを特徴とするモータ制御装置。 - 直流電源に接続され永久磁石同期モータを駆動するインバータと、永久磁石同期モータの磁極位置を検出する磁極位置センサと、該磁極位置センサから出力される磁極位置信号に基づいて前記永久磁石同期モータの回転速度を演算する速度演算部と、前記永久磁石同期モータに流れるモータ電流を検出するモータ電流検出手段と、与えられる電流指令と前記回転速度に基づいてモータ電圧指令を生成する電圧指令生成手段と、前記モータ電圧指令と制御位相指令に基づいて前記永久磁石同期モータに印加すべき印加電圧を算出して前記インバータを制御する印加電圧算出手段を備えてなるモータ制御装置において、
前記制御位相指令と前記磁極位置信号から得られた実位相との第１の位相誤差を算出する第１の位相誤差算出手段と、前記モータ電流検出手段により検出された検出モータ電流及び前記回転速度に基づいて前記永久磁石同期モータのモデル式を用いて求めたモータ電圧と前記モータ電圧指令から第２の位相誤差を算出する第２の位相誤差算出手段と、前記第１の位相誤差と前記第２の位相誤差のうちいずれか一方を選択する位相誤差選択手段を有し、該選択された位相誤差に基づいて前記制御位相指令を作成し、
前記与えられる電流指令に前記モータ電流検出手段により検出された検出モータ電流が一致するように補正電流指令を算出する電流制御手段を有し、
前記電圧指令生成手段は、少なくとも前記補正電流指令に基づいて前記モータ電圧指令を生成することを特徴とするモータ制御装置。 - 請求項１又は２に記載のモータ制御装置において、
前記モータ電流検出手段は、前記インバータに流入する直流電流に基づいて前記モータ電流を再現して検出モータ電流を検出するものとし、
前記位相誤差選択手段は、前記モータ電流検出手段により前記モータ電流が再現できないときは、前記第１の位相誤差を選択することを特徴とするモータ制御装置。 - 請求項２に記載のモータ制御装置において、前記位相誤差選択手段は、前記永久磁石同期モータの回転速度に応じて前記第１の位相誤差と前記第２の位相誤差を切り替え選択することを特徴とするモータ制御装置。
- 請求項２に記載のモータ制御装置において、前記位相誤差選択手段は、少なくとも起動時は、前記第１の位相誤差を選択することを特徴とするモータ制御装置。
- 請求項２に記載のモータ制御装置において、前記位相誤差選択手段は、少なくとも最大回転数を含む高速回転時に、前記第２の位相誤差を選択することを特徴とするモータ制御装置。
- 請求項２に記載のモータ制御装置において、前記位相誤差選択手段は、前記永久磁石同期モータが前記インバータにより駆動制御されていない場合は、前記第１の位相誤差を選択することを特徴とするモータ制御装置。
- 請求項２、４乃至７のいずれか１項に記載のモータ制御装置において、前記モータ電流検出手段は、前記インバータに流入する直流電流に基づいて前記モータ電流を再現して検出モータ電流を検出するものであることを特徴とするモータ制御装置。
- 請求項４乃至７のいずれか１項に記載のモータ制御装置において、前記モータ電流検出手段は、前記インバータに流入する直流電流に基づいて前記モータ電流を再現して検出モータ電流を検出するものであり、
前記位相誤差選択手段は、前記モータ電流検出手段により前記モータ電流が再現できないときは、前記第１の位相誤差を選択することを特徴とするモータ制御装置。
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