JP4196660B2

JP4196660B2 - 電動機制御装置

Info

Publication number: JP4196660B2
Application number: JP2002354815A
Authority: JP
Inventors: 宏石井
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-12-06
Filing date: 2002-12-06
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2022-12-06
Also published as: JP2004187464A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機（モータ）の制御装置に関し、特に同期電動機の起動時等の低速時の制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
モータの制御装置として、モータの回転位置を示す回転位置信号に基づき、電気角60°毎の回転位置信号の時間間隔を測定し、時間間隔に基づき回転角度を補間して推定回転角度を作成し、推定回転角度に基づき、ステータ巻線に流す電流もしくはステータ巻線に印加する電圧を算出する装置が知られている（例えば、特許文献１、２及び３参照。）。
【０００３】
この従来の方法により、回転位置信号の角度間隔が大きくても、補間演算にて間の角度情報を補うので、回転位置信号発生装置を簡素化しつつ検出精度を保つことができるという効果があり、さらに演算回数を減らして演算負荷を低減できるという効果があった。また、信号検出位相幅が大きいほど、信号の検出時間のばらつきによる誤差の影響を相対的に小さく出来るという効果もある。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−２４３６８９号公報
【特許文献２】
特開２００２−２７２１６６号公報
【特許文献３】
特開２００２−１１２５７９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の技術では、補間演算が出来ない低回転では角度検出精度が低いため、トルク変動が生じる。またコギングトルクの正確な角度検出が必要であるという問題があった。
【０００６】
この発明はこのような従来の問題点に着目してなされたもので、角度検出分解能の低い低速時において演算負荷をかけずにモータ出力トルクの変動を軽減することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の電動機の制御装置は、電動機に電流を供給するインバータと、ロータの回転位相を検出する複数のセンサと、ロータの回転位相の検出値に応じた電流を電動機に供給するようインバータへ指令信号を送出するコントローラを備えている。前記コントローラは、所定速度以下の電動機の低速回転時では該複数のセンサの信号からロータ位相が位置する位相区間の判別を実行し、該位相区間内の所定位相にロータの回転位相の検出値を設定し、所定速度以上の電動機の通常回転時は、位相推定演算を実行することによりロータの回転位相と回転速度を検出し、目標トルクと前記回転速度をもとにステータコイルに印加する電流を決定する。
【０００８】
前記位相区間の判別はコギングトルクの周期の半周期の位相毎で行われ、かつ隣接する位相判別区間の境界の位相はコギングトルクが最大になる位相および最小となる位相になるように前記複数のセンサが配置される。さらに、前記コントローラは、コギングトルクが最小になる位相から位相区間の幅に比較して小さい所定値だけ離れた位相において電磁トルクが最大となるように、各位相区間において、電流指令ベクトル位相を設定する。
【０００９】
【作用・効果】
位相区間判別は、コギングトルクの周期の1/2倍の位相毎に行われ、かつ位相判別の境界位相はコギングトルクが最大になる位相および最小となる位相の近傍になるように構成され、各検出角度区間において、電流指令ベクトルの位相は、コギングトルクが最小になる位相の近傍において電磁トルクが最大となるように設定される。こうして、電磁トルク変動とコギングトルクが逆相となり互いに打ち消しあう作用でモータの総合トルクの変動を低減できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１１】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明による電動機制御装置で同期モータのロータの位相を検出する実施形態を示している。図において、同期モータ１は、バッテリ３の直流電力を交流に変換するインバータ２からの三相交流電力を受けて回転駆動される。なお、同期モータ１をジェネレータとして使用する場合は、発電された電力がインバータ２を介してバッテリ３に供給される。同期モータ１のロータ２１には、非磁性体の検出プレート４が取付けられており、この検出プレート４上に、位相信号発生手段としての３つのホールセンサ５ｕ、５ｖ、５ｗ（ホールＩＣセンサ）が配設されている。なお、検出プレート４を設けずにロータの周囲にホールセンサ５ｕ、５ｖ、５ｗを直接配設した構成としてもよい。
【００１２】
インバータ２へ指令信号（例えばＰＷＭ信号）を供給して同期モータ１の回転を制御するコントローラ１０は、互いに結合されている一つ以上の中央演算装置 (CPU)、読み出し専用メモリ (ROM) 、ランダムアクセスメモリ (RAM) 及び入出力インタフェース (I/O インタフェース) を有するマイクロコンピュータから構成されている。コントローラ１０は、同期モータ１に対する外部からの操作量を受けて目標トルクｔＴを発生させるトルク指令発生部１１、ホールセンサ５ｕ、５ｖ、５ｗからの位相信号を受けて現在の位相を算出する位相検出部１２、トルク指令発生部１１からの目標トルクｔＴと位相検出部１２からの検出位相θｋを受けてインバータ２への指令信号を作成する指令信号作成部１３を備えている。位相検出部１２とトルク指令発生部１１は、メモリ及びＣＰＵで構成されてよいし、マイクロコンピュータが実行するプログラムの機能から構成される仮想的な部材を表すものであってもよい。さらに、位相検出部１２は、時間計測手段としてのタイマカウンタと記憶手段としてのメモリと各種の演算処理を行うＣＰＵとを備えており、回転角速度算出手段、位相算出手段等がＣＰＵの実行するプログラムとしてソフトウエア的に構成されている。
【００１３】
図２は、本発明の同期モータ１の構成を示す軸方向の部分断面図である。同期モータ１には円筒形状のロータ２１とステータ２６が、空隙（エアギャップ）を介して設けられる。ロータ２１は、回転中心２８の周りで回転可能な状態で図示しないケースに支持される。ロータ２１は、出力軸に相当する回転軸３４に固定され、その周りに配置される。ロータ２１には隣り合う磁極が異極となるように磁石２２が設置される。同期モータ１のロータ２１と連動して回る検出プレート４に対向してラッチタイプのホールセンサ５が設置される。
【００１４】
図３は、ロータ２１の軸方向垂直な端面図である。以下、４極対モータの場合を例にとり説明する。ロータ２１には、磁石２２が回転軸３４の周りで周方向に４５°間隔で配置される。これに対応して、磁石２２上には、磁性体片３０を周方向に４５°間隔で埋め込んだ検出プレート４が設置されている。検出プレート４の磁性体片３０は、磁石２２の極に対応してＮ極・Ｓ極となるよう各磁石２２上に配置されている。磁性体片３０を固定する固定ピン３２による磁界乱れが位相検出に影響しない程度に、ホールセンサ５の検出プレート４上での検出位置を連ねた円状の軌跡からピンを離して配置する。
【００１５】
図４は、ステータ２６の図示しないティースに巻かれたコイル２３とホールセンサ５の位置との関係を示す。ホールセンサ５ｕ、５ｖ、５ｗは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相にそれぞれ対応し電気角１２０°（実際の角度で３０°）おきに検出プレート４直上に設置される。このときコイル２３の中心位置（つまりティースの中心位置）とホールセンサ５の位置との円周方向における角度間隔αは15°となる（α＝１５°）。別な表現をすると、回転中心２８とホールセンサ５を結ぶ半径方向の平面が、ステータ２６のスロット２７の中心を通るような位置、つまりスロット２７の中心にホールセンサ５に対峙する位置に、ホールセンサ５ｕ、５ｖ、５ｗは配置されている。
【００１６】
これらのホールセンサ５ｕ、５ｖ、５ｗは、電気角によるロータ２１の回転位相（ロータ位相）に応じて図５に示す信号を出力する。なお、図３のロータの位置を回転位相０°にとってある。ホールセンサ５ｕ、５ｖ、５ｗは、ロータの回転によって、オン・オフ信号を出力する。すなわち、第１ホールセンサ５ｕはロータ位相が−３０°〜１５０°の間でオンとなり、第２ホールセンサ５ｖはロータ位相が９０°〜２７０°の間でオンとなり、第３ホールセンサ５ｗはロータ位相が２１０°〜−３０°（３９０°）の間でオンとなる。よって、第２ホールセンサ５ｖは第１ホールセンサ５ｕより１２０°位相が遅れた信号を出力し、第３ホールセンサ５ｗは第２ホールセンサ５ｖよりさらに１２０°位相が遅れた信号を出力する。
【００１７】
この３つの出力信号の組合わせから、６０°の分解能でロータ位相（ロータの回転角）を検出することができる。例えば、第１ホールセンサ５ｕの出力がオンで、第２ホールセンサ５ｖの出力がオフで、第３ホールセンサ５ｗの出力がオフのときは、ロータ位相は３０°から９０°の間にあることが分かる。このようにして図５においてα´＝７．５°×４（極対数）＝３０°となるように、位相判別区間１〜６が構成される。ここで、位相判別区間ｍは、｛３０°+（ｍ−１）×６０°｝から｛３０°+ｍ×６０°｝の区間である。また、位相判別区間ｍの始点をθａ（ｍ）＝３０°+（ｍ−１）×６０°と定義する。
【００１８】
図６を参照して、位相判別区間とコギングトルクとの関係について説明する。コギングトルクは、ロータ２１の磁石２２の中心がコイル２３の中心またはスロット２７の中心に直面する位置にきた時、ゼロであり、ロータ２１の磁石と磁石の境界がスロット中心に位置した時、最大または最小になる。従って、図６のように、ロータの電気角位相に関して１２０°周期で変動し、６０°間隔で、最大と最小を繰り返す。
【００１９】
上記のように三相のホールセンサ５ｕ、５ｖ、５ｗを配置することにより、隣り合う位相判別区間の境界位相はコギングトルクが最大になる位相および最小となる位相になるように構成される。なお、ホールセンサ５ｕ、５ｖ、５ｗの配置を電気角で６０°（実際の角度で１５°）円周方向にずらしても、位相判別区間の境界位相をコギングトルクが最大になる位相および最小となる位相に設定可能である。
【００２０】
本発明では、同期モータ１の始動時は3相のホールセンサ５の信号の組み合わせから図６のような区間判別を行い、各位相判別区間に対応して電流指令ベクトル位相（回転角）を設定する。各位相判別区間（区間１〜区間６）と各区間での設定される電流指令ベクトル位相（θ１〜θ６）との対応は制御モードにより異なる。なお、電流指令ベクトル位相（θ１〜θ６）は、ロータ回転速度が０且つロータ位相が０°のときに最大の電磁トルクを生じる電流ベクトル位相を基準（０°）として測られる電流指令ベクトルの回転角である。
【００２１】
ロータ２１がある程度の回転速度No以上で回転していれば、各位相判別区間での位相をロータ回転速度の利用による補間演算によりロータ２１のほぼ正確な位相が推定できる（これは後述の通常制御モードに相当する）が、回転速度が非常に低いロータ２１の停止時または始動時においては、区間内のどこにロータ位相があるかは判別できない。このため、このような場合には、区間ｍ（ｍ＝１〜６）内でロータ位相を固定位置θｍ（固定位相）にあるとして検出して、検出値θｋ＝θｍとし、最大トルクを狙った電流ベクトル位相がθｍ（＝θ１〜θ６）に設定される。従って、図６（又は図７）に示すように、固定位置からの実際のロータ位相のずれ（位相検出誤差）に伴い実際に発生する電磁トルクが変動（低下）する。なお、ロータ位相の検出誤差による電磁トルクの変動については、特開２００２−２７２１６６に詳述されている。
【００２２】
制御モード１では、図６のように、位相判別区間ｍにおける電流指令ベクトル位相θｍはコギングトルクが最小になる位相（αc1〜αｃ3）の近傍に設定される。なお、制御モード１は、後述するようにモータ１の始動直後の低トルク、低回転時に実行される。
【００２３】
制御モード１では、区間１と２において、電流指令ベクトル位相θ１とθ２は区間１と区間２の境界位相αc1（＝９０°）の近傍に、区間３と４において、電流指令ベクトル位相θ３とθ４は区間３と区間４の境界位相αc２（＝２１０°）の近傍に、区間５と６において、電流指令ベクトル位相θ５とθ６は、区間５と区間６の境界位相αc３（＝３３０°）の近傍に設定される。ここで、電磁トルクの降下代Tdがモータの総合的なトルクの変動を増幅しないことを考慮して、電流指令ベクトル位相のコギングトルクが最小になる位相からの所定の変位αoffが決定される。所定の変位αoffは、位相判別区間の幅（６０°）に比して極小さな値である。また、ここで、総合的なトルクとは、電磁トルクにコギングトルクを加えたものである。
【００２４】
区間ｍにおいて、実際のロータ位相がθｍ（ｍ＝１〜６）の時、ロータ位相の検出値θｋをθｍとして、電流指令ベクトル位相を電磁トルク最大とする位相θｍに設定することにより、電磁トルクは最大値となる。しかし、実際のロータ位相θがθｍからはずれた場合、ロータ位相の検出値をθｍとし電流指令ベクトル位相をθｍに設定することは適切でなく、電磁トルクは最大値から減少する。つまり、この場合、ロータ位相の検出誤差により電磁トルクが変動する。
【００２５】
しかし、制御モード１では、電磁トルク変動とコギングトルクが逆相となり互いに打ち消しあうように、つまりコギングトルクが最小になるロータ位相近傍において電磁トルクが最大となるように、電流指令ベクトル位相θｍが区間ｍにおいて設定されているので、モータ１の総合トルクの変動を低減することができる。
【００２６】
制御モード２での電流指令ベクトル位相は図６のように、位相判別区間の中間位相（θａ（ｍ）+３０°）とする。なお、制御モード２は、後述するようにモータ１の始動直後の高トルク、低回転時に、制御モード１に続いて実行される。目標トルクｔＴがトルク境界値Ｔｓよりも大きい場合に、電流指令ベクトル位相を区間の中心近傍にすることにより、モータの最大出力が低減されることを防止し、低速・高負荷下での動作性能を確保できる。
【００２７】
始動後のモータ１の通常運転時は、通常制御モードとして、位相の検出時のタイマカウンタ値（時間）をもとに、位相補間演算により位相を推定検出する。図７のように、位相補間演算では、現在のロータ位相θが属する位相判別区間ｍの始点をθａ（ｍ）とすると、ロータ位相がθａ（ｍ）となった時刻ｔｍと現在の時刻ｔｉとの差にロータ回転速度Ｎを乗じ、これにθａ（ｍ）を加えた値をロータ位相θと推定する。つまり、式θ＝θａ（ｍ）+Ｎ×（ｔｉ−ｔｍ）のようにロータ位相は推定される。
【００２８】
コントローラ１０の位相検出部１２は、ロータ回転速度算出処理を、例えば、図９のフローチャートに従って実行する。この場合、ロータ回転速度算出処理は、第１〜第３ホールセンサ５ｕ〜２ｗの何れかの出力が変化（オフからオン又はオンからオフに変化）する毎に、すなわち、ロータが６０°回転する毎に実行される。
【００２９】
一定微小時間毎に加算されるタイマカウンタから現在のカウント値を取得し、その値をｔ０とする（Ｓ１）。そして、ｔ１の値をｔ２へ入力し、ステップＳ１で取得したｔ０の値をｔ１へ入力する。この入力はｔ２←ｔ１、ｔ１←ｔ０の順で行う。よって、ｔ１は現在の時刻を表し、ｔ２はこのロータ回転速度算出処理が前回実行されたときの時刻を表す。そして、６０°を（ｔ１−ｔ２）で除し、ロータ回転速度Ｖを算出する。
【００３０】
すなわち、ｔ２は、前回ロータの６０°の回転が検出された時間であり、ｔ１は、今回ロータの６０°の回転が検出された時間である。よって、ｔ２〜ｔ１の間にロータは６０°回転しているので、Ｎ＝６０／（ｔ１−ｔ２）でロータ回転速度が求まる。
【００３１】
なお、通常モードでの、位相補間演算については、本発明の主題から外れるため概略だけ説明したが、特開２００２−２７２１６６と特開２００２−１１２５７９において詳述されている。
【００３２】
図１０は、本発明の実施の形態のメイン処理を示すフローチャートである。このメイン処理は、コントローラ１０の指令信号作成部１３により所定周期毎に実行され、このメイン処理によりインバータ５を制御し、モータ１の電流が制御される。
【００３３】
まず、ステップＳ１０において、ロータ位相θを検出（算出）する、つまりロータ位相の検出値θｋが設定される。ロータ位相θの検出方法の詳細は図１１にて後述する。そして、このロータ位相の検出値θｋに応じて、電磁トルク最大となるように電流指令ベクトル位相を設定する（Ｓ２０）。そして、電流振幅Ｉを算出する（Ｓ３０）。この電流振幅Ｉは、ロータ２１の回転速度Ｎと目標トルクｔＴから記憶されているマップに従って算出される。
【００３４】
そして、電流指令ベクトル位相と電流振幅Ｉとに基づき、目標ｄ軸電流ｔＩｄと目標ｑ軸電流ｔＩｑとを算出する（Ｓ４０）。その後、目標ｄ軸電流ｔＩｄ、目標ｑ軸電流ｔＩｑ及び検出されたロータ位相θｋに基づき、インバータ５へのＰＷＭ信号を生成し、インバータ５のスイッチングセンサがこのＰＷＭ信号に応じてオン・オフすることでモータ１のステータコイルに流れる電流が制御される。
【００３５】
図１１は、本発明の実施の形態のロータ位相の算出（検出）処理を示すフローチャートである。このロータ位相算出処理は、インバータ５への指令値を算出するための前述したメイン処理（図１０のステップＳ１０）から呼び出されるサブルーチンである。
【００３６】
まず、ロータ位相検出器２の第１〜第３ホールセンサ５ｕ〜５ｗのオン・オフ信号の組合わせから、ロータ位相がどの位相判別区間ｍにあるかを判別して、判別されたロータ位相の区間ｍが始まる位相θa（ｍ）を求める（Ｓ１００）。
【００３７】
そして、タイマカウンタから現在のカウント値を取得し、その値をｔｉとする（Ｓ１０１）。次に、ロータ回転速度算出処理（図９のステップＳ３）で算出したロータ回転速度Ｎと、所定値Ｎoとを比較する（Ｓ１０２）。このＮoは、ロータが停止状態又はロータが極めて低速の回転状態にあるか否かを判断するため、予め定められている閾値である。所定値Ｎo以上では、通常制御モードでの位相補間演算が過大な誤差を生じることなく行える。
【００３８】
ステップＳ１０２で回転速度Ｎが始動モード境界回転速度Ｎoに対してＮ＞Ｎoであると、ステップＳ１０６で通常制御モードに遷移する。通常制御モードでは、ロータ位相測定点の間のロータ位相を推定する補間演算によってロータ位相θを検出（算出）する。つまり、式θｋ＝θａ（ｍ）+Ｎ×（ｔｉ−ｔｍ）よりロータ位相の検出値θｋを設定する。ステップＳ１０２で、Ｎ≦Ｎoである場合は、ステップＳ１０３で目標トルクｔＴとトルク境界値Ｔsを比較する。ここでトルク境界値Ｔsは制御モード１の状態における最大トルク近傍の値またはそれ以上とする。簡単には、トルク境界値Ｔsは制御モード１の状態の最大トルクとしてよい。ステップＳ１０３で、Ｔｃ≦Ｔsの場合はステップＳ１０４で制御モード１に遷移する。ステップＳ１０３で、Ｔｃ＞Ｔsの場合は制御モード２へ遷移する。
【００３９】
前述のように制御モード１では、ロータ位相の検出値θｋを固定位相θｍに設定する（つまりθｋ＝θｍ）。なお、固定位相θｍは、コギングトルクが最小になる位相（αc1〜αｃ3）の近傍の位相である。この場合、図１０のステップS２０において、電流指令ベクトル位相も固定位相θｍに設定されている。
【００４０】
前述のように制御モード２では、ステップＳ１００で選択したθａ（ｍ）に３０°を加算した値をロータ位相θの検出値として設定する。ここでは、位相判別区間の中間位相θａ（ｍ）+３０°にロータ位相の検出値θｋを設定する。（θｋ＝θａ（ｍ）+３０°）この場合、図１０のステップS２０において、位相判別区間ｍ内で電流指令ベクトル位相も位相判別区間の中間位相θａ（ｍ）+３０°に設定されている。
【００４１】
図１２のタイムチャートにより本発明の作用を示す。時間ｔaで発進し、このときロータ回転速度N≦Noかつ目標トルクｔT≦Tsであり、制御モード1が選択される。時間ｔｂで目標トルクｔT＞Tsとなり制御モード2へと遷移する。時間ｔｃでロータ回転速度N＞Noとなり通常制御モードが選択される。こうして、コギングトルクの悪影響を防止しながら、スムーズなモータ１の始動が行われる。
【００４２】
以上説明してきたように、この発明によれば、始動時に、制御モード１により、モータの電磁トルクの変動とコギングトルクとを逆相にしたためにモータの出力トルクの変動を低減できる。また高付加時において、制御モード２により、区間中心位相をロータ位相の検出値θｋとしたので、最大トルク性能も確保しつつ広い運転範囲でトルク変動の軽減が可能となる。
【００４３】
上記の実施形態の形態は極数が４極のものであるが、他の極数の電動機にも本発明は適用可能である。さらに、本実施形態では、本発明を電動機に適用したが、発電機に適用してもかまわない。
【００４４】
本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】電動機の制御装置の全体構成概要図である。
【図２】電動機の構成を示す軸方向の部分断面図である。
【図３】電動機のロータの軸方向垂直な部分端面図である。
【図４】電動機のロータ及びステータの端面を示す図である。
【図５】ホールセンサ出力信号を示すタイムチャートである。
【図６】制御モード１における電流指令ベクトル位相を示す図である。
【図７】制御モード２における電流指令ベクトル位相を示す図である。
【図８】位相補間演算の概要を示す図である。
【図９】ロータ回転速度算出処理のフローチャートである。
【図１０】コントローラが実行するメイン処理を示すフローチャートである。
【図１１】ロータ位相の検出処理を示すフローチャートである。
【図１２】ロータの始動時のロータ回転数と制御モードの経過時間依存性を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
１同期モータ
２インバータ
３バッテリ
４検出プレート
５ｕ、５ｖ、５ｗホールセンサ
１０コントローラ
２１ロータ
２３コイル
２６ステータ

Claims

電動機に電流を供給するインバータと、電動機のロータの回転位相を検出する複数のセンサと、ロータの回転位相の検出値に応じた電流を電動機に供給するようインバータへ指令信号を送出するコントローラを備え、
前記コントローラは、所定速度以下の電動機の低速回転時では該複数のセンサの信号からロータ位相が位置する位相区間の判別を実行し、該位相区間内の所定位相にロータの回転位相の検出値を設定し、所定速度以上の電動機の通常回転時は、位相推定演算を実行することによりロータの回転位相と回転速度を検出し、目標トルクと前記回転速度をもとにステータコイルに印加する電流を決定する、電動機の制御装置において、
前記位相区間の判別はコギングトルクの周期の半周期の位相毎で行われ、かつ隣接する位相判別区間の境界の位相はコギングトルクが最大になる位相および最小となる位相になるように前記複数のセンサが配置されると共に、
前記コントローラは、各位相区間において、コギングトルクが最小になる位相から位相区間の幅に比較して小さい所定値だけ離れた位相において電磁トルクが最大となるように、電流指令ベクトル位相を設定することを特徴とする電動機の制御装置。
前記コントローラは、目標トルクが所定トルク値よりも大きい場合は、位相判別区間の略中心において電磁トルクが最大になるように電流指令ベクトル位相を設定することを特徴とする請求項１記載の電動機の制御装置。
所定のトルク値が、コギングトルク最小となる位相から前記所定値だけ離れた位相において電磁トルクが最大になるように電流指令ベクトルを設定した状態での、可能な最大トルク値近傍の値もしくはそれ以上の値であることを特徴とする請求項１記載の電動機の制御装置。
前記所定値は、ロータの回転位相の検出誤差による電磁トルクの降下がモータの総合的なトルクの変動を増幅しないように決定されることを特徴とする請求項１記載の電動機の制御装置。
前記複数のセンサがそれぞれ電動機のステータのスロット中心に対峙して設けられることを特徴とする請求項１記載の電動機の制御装置。