JP4242569B2

JP4242569B2 - モータのデッドタイム補償器及びデッドタイム補償方法

Info

Publication number: JP4242569B2
Application number: JP2001000847A
Authority: JP
Inventors: 尚勲李
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2001-01-05
Filing date: 2001-01-05
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2021-01-05
Also published as: JP2002218794A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータの駆動のためのサーボドライバやインバータ部等に用いられるスイッチング素子のデッドタイム(Dead Time)の補償方法及びデッドタイム補償器に係り、特に、所定のアルゴリズムにより電流命令を発生させる電流命令発生部と、前記電流命令に基づいて電圧命令を発生させる電流制御部と、を含むモータ駆動制御装置のデッドタイム補償器及びデッドタイム補償方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、モータの駆動のためのスイッチングトランジスタは、定格を超過した電流が流れれば、素子が破壊される。ところが、一対のスイッチングトランジスタが同時にオンされる区間では、二つの素子に過電流が流れることを防止するための一対のスイッチングトランジスタを全部オフさせるデッドタイムを印加させる。デッドタイム中には、通常のモータから逆起電力によりダイオードに電流が流れる。
【０００３】
図１は従来のデッドタイム補償器を備えたモータ駆動回路図である。
図示したように、従来のモータ駆動回路は、モータ３と、交流電源を直流電源に整流するコンバータ部１と、コンバータ部１からの直流電源を所定の信号に変換してモータに印加するインバータ部２と、モータ３に印加される電流を感知する電流センサ部５と、デッドタイム補償器６ａを備えており、電流センサ部５で感知された電流値に基づいて、電圧命令を生成する制御部６と、制御部６からの電圧命令に基づいて、パルス幅を変調し、インバータ部２に制御信号を印加するパルス幅変調部７と、を含む。
【０００４】
前記のような構成によって、コンバータ部１は、三相交流電源を六つの整流ダイオード（Ｄ₁）を通じて整流し、整流ダイオード（Ｄ₁）と並列連結された平滑コンデンサ（Ｃ₁）を通じて平滑する。
電流センサ部５は、モータ３に印加された電流を感知し、感知された電流値を制御部６に提供する。制御部は、提供された電流値に基づいて、三相電圧命令信号（Ｖ^*）を発生させる。パルス幅変調部７は、電圧命令信号（Ｖ^*）に基づいて、パルス幅変調を行い、制御信号を生成して、インバータ部２のスイッチング素子（Ｔ₁、Ｔ₂）の各ゲートに印加する。
【０００５】
インバータ部２は、スイッチング素子（Ｔ₁、Ｔ₂）の各ゲートに印加された直流電圧を、パルス幅変調部７からの制御信号に基づいてスイッチングして、モータ３に印加する。
一方、スイッチング素子（Ｔ₁、Ｔ₂）には、モータ３からの逆起電力による損傷を防止するためのダイオード（Ｄ₁、Ｄ₂）が夫々並列連結されている。
図２Ａ及び図２Ｂは、電流の方向によるスイッチング素子（Ｔ₁、Ｔ₂）の動作及び電流の流れを示した概略図である。
【０００６】
先に、電流がインバータ部２からモータ３に流れる時の符号を陽（＋）に、モータ３からインバータ部２に流れる時の符号を陰（−）に現わす。
デッドタイム中には、一対のスイッチング素子（Ｔ₁、Ｔ₂）が同時にオフされても、ダイオード（Ｄ₁、Ｄ₂）を通じて電流が流れる。図示したように、電流の符号が陽（＋）である場合には、Ｔ₂がオンされた場合のように電流が流れ、電流の符号が陰（−）である場合には、Ｔ₁がオンされた場合のように電流が流れる。
【０００７】
従って、電流センサ部５がモータ３に印加された電流を感知すると、制御部６は感知された電流値の極性を判断し、感知された電流値が陽である場合には、デッドタイム補償器６ａを通じて所定の陽の電圧補償値を電圧命令に加え、また、感知された電流値が陰である場合には、所定の陰の電圧補償値を電圧命令に加えることにより、まるでデッドタイムがないのような効果を得られることができる。
【０００８】
ところが、このような従来のデッドタイム補償器及びデッドタイムの補償方法によると、電流の大きさが小さい場合、電流が０点を通過して符号が変わる領域で問題が発生する。即ち、スイッチング素子の非線形性により誤差のポションが大きくなり、電圧命令と実印加電圧との差が大きくなることにより、電流波形が歪曲されてモータの発熱と騒音が増加する問題がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、スイッチング素子による電圧降下等のスイッチング素子の特性を充分に反映することにより、デッドタイムを補償することができるデッドタイム補償器及びその方法を提供する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するため、所定のアルゴリズムにより、電流命令を発生させる電流命令発生部と、前記電流命令に基づいて電圧命令を発生させる電流制御部と、を含むモータ駆動制御装置のデッドタイム補償方法において、前記電流命令を変えながら、これに対する前記電圧命令を測定する段階と；前記測定された電圧命令値に基づいて、前記モータの固定子の抵抗値を推定する段階と；前記推定された固定子の抵抗値に基づいて、デッドタイムを補償する段階と；を含み、前記デッドタイムを補償する段階は、前記推定された固定子の抵抗値と、前記電流命令を掛け、この計算値を前記測定された電圧命令から引くことにより、電圧補償分を求める段階と；前記求めた電圧補償分を貯蔵する段階と；前記電圧命令から、対応する電圧補償分を引いて、電圧命令を発生させる段階と；を含むことを特徴とするデッドタイム補償方法により達成される。
【００１１】
ここで、前記固定子の抵抗値を推定する段階は、前記電流命令に対する電圧命令の変化率を、固定子の抵抗値と推定することが好ましい。
【００１２】
一方、モータのデッドタイム補償器において、前記モータに様々な大きさの電流命令を印加する電流命令印加部と；前記電流命令に基づいて、電圧命令を発生させる電流制御部と；前記電圧命令を測定する電圧命令測定部と；前記測定された電圧命令に基づいて、前記モータの固定子の抵抗を推定する固定子の抵抗推定部と；前記推定された固定子の抵抗に基づいて、デッドタイムの補償のための電圧補償分を推定する電圧補償分推定部と；を含み、前記電圧補償分推定部は、前記推定した固定子の抵抗値と、前記電流命令を掛け、この計算値を前記測定された電圧命令から引くことにより、前記電流命令に対する電圧補償分を求めることを特徴とするデッドタイム補償器によっても達成される。
【００１３】
ここで、前記固定子の抵抗推定部は、前記電流命令に対する前記電圧命令の変化率を、前記固定子の抵抗と推定することが望ましい。また、前記電圧命令測定部は、移動平均フィルタを含むことが望ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面を参照して本発明の実施形態を詳しく説明する。
図３は本発明によるデッドタイム補償器を備えたモータ駆動装置の回路図であり、図４は図３の詳細部分図である。
図３に示したように、本発明によるデッドタイム補償器を備えたモータ駆動装置において、従来のモータ駆動装置と同じ構成要素に対しては、同じ番号を付け、重複した説明は省略する。
【００１５】
制御部６０は、電流センサ部５で感知されてモータ３に印加された電流値に基づいて、パルス幅変調部７に電圧命令（Ｖ^*）を発生させる。制御部６０は図４に示したように、所定のアルゴリズムにより、電流命令を発生させる電流命令発生部６１と、電流命令発生部６１からの電流命令値から電流センサ部５で感知された電流値を引く第１減算器６４と、第１減算器６４からの出力値に基づいて、電圧命令（Ｖ’）を発生させる電流制御部６２と、電圧誤差（ΔＶ）を推定するためのデッドタイム補償器６３と、電圧命令（Ｖ’）から電圧誤差（ΔＶ）を引いて、電圧命令（Ｖ^*）を発生させる第２減算器６６と、を備える。
【００１６】
図５は本発明によるデッドタイム補償器６３を具現するために、必要値を求めるためのデッドタイム補償用変数推定器のブロック図であり、図６はデッドタイムを補償するための変数推定の過程を示したフローチャートである。
【００１７】
デッドタイム補償用変数推定器は、モータ３に印加される電流を感知する電流センサ部５と、モータ３に様々な大きさの電流命令（ｉ^*）を印加する電流命令発生部６１と、電流命令発生部６１から減算器５５を通った電流命令（ｉ^*）に基づいて電圧命令（Ｖ’）を発生させる電流制御部６２と、電流制御部６２からの電圧命令（Ｖ’）を測定する電圧命令測定部５３と、測定された電圧命令（Ｖ’）に基づいて、モータ３の固定子の抵抗（Ｒ）を推定する固定子抵抗推定部５０と、推定された固定子の抵抗（Ｒ）に基づいて、デッドタイムの補償のための電圧補償分(voltage compensation amount)（ΔＶ）を推定する電圧補償分推定部５１と、を含む。
【００１８】
ここで、電流命令発生部６１、電流制御部６２、電流センサ部５は、図４のモータ駆動制御装置に含まれたものと同一である。
前記の構成により、電流命令発生部６１は、モータ定格の＋３０％から−３０％まで多段階に変化させながら電流命令（ｉ^*）を発生させる（６０１）。電流センサ部５は、モータ３で感知された電流値（ｉ）を減算器５５に出力し、減算器５５は電流命令（ｉ^*）から電流値（ｉ）を引いて、その結果を電流制御部６２に出力する（６０２）。電流制御部６２は、入力値（I^*−ｉ）に基づいて、電圧命令（Ｖ’）を出力し、電圧命令測定部５３は、電流制御部６２からの電圧命令（Ｖ’）を測定して（６０３）、所定のメモリに貯蔵する。この時、電圧命令測定部５３は、電圧命令測定時に含まれる騒音の影響を減らすために、移動平均フィルタ（Moving Average Filter）を用いて平均値を測定する。また、電流命令の絶対値が所定値（本実施形態では１Ａ）以下の部分では、測定段階をさらに増やして測定する。なぜなら、電流の絶対値が小さいから、相対的にスイッチング素子の非線形性等による誤差率が大きくなるためである。ただ、モータ及び駆動装置の特性によって、特定基準値は異なりに設定することができる。
【００１９】
図７は電流命令（ｉ^*）と測定された電圧命令（Ｖ’）との関係を示したグラフである。
グラフに現れたように、電流命令（ｉ^*）の絶対値が１Ａより大きい区間では、電流命令と電圧命令が線形的な関係を示しているが、絶対値が１Ａより小さい区間では、傾いた程度がひどいことを見ることができる。前記の通り、電流命令の絶対値が小さい時には、スイッチング素子の非線形性による影響が及んだことをわかることができる。
【００２０】
一方、電流命令（ｉ^*）の絶対値が１Ａより大きい区間での傾きは、オームの法則によって、モータ３の固定子（図示せず）の抵抗値を意味する。従って、固定子抵抗推定部５０は、電圧命令測定部５３で測定された電圧命令（Ｖ’）と、電流命令発生部６１からの電流命令（ｉ^*）とに基づいて、電流の測定誤差のポーションが反映可能な最小自乗法等を用いてモータ３の固定子の抵抗値（Ｒ）を推定する（６０４）。
【００２１】
また、電圧補償分推定部５１は、次の数式によって、推定された固定子の抵抗値（Ｒ）と電流命令（ｉ^*）を掛け、この計算値を測定された電圧命令（Ｖ’）から引くことにより、電圧補償分、即ち、スイッチング素子の非線形性によりモータ３に印加された電圧（ΔＶ）を求めることができる（６０５）。
【００２２】
（数式１）
ΔＶ＝Ｖ’−Ｒ×ｉ^*
【００２３】
図８は求めた電圧補償分（ΔＶ）と電流命令（ｉ^*）との関係を現わしたグラフである。
図示したように、電圧補償分（ΔＶ）は、電流命令（ｉ^*）の絶対値が１Ａ以下の区間で傾いた程度がひどいので、前記した通り、前記区間でのスイッチング素子の非線形性による影響の増加を確認することができる。
【００２４】
本発明によるデッドタイム補償器６３は、デッドタイム補償用変数推定器により推定された電圧補償分（ΔＶ）のデータが貯蔵されるメモリ６３ａを備えており、電流制御部６２からの電圧命令（Ｖ’）に基づいて、当該電圧補償分（ΔＶ）を第２減算器６６に提供する。
【００２５】
これによって、電流命令発生部６１が所定のアルゴリズムにより電流命令（ｉ^*）を発生させると、第１減算器６４は、電流センサ部５で感知されたモータ３への印加電流感知値（ｉ）を引いて、電流制御部６２に提供する。電流制御部６２は、提供された電流値（ｉ^*−ｉ）に基づいて、電圧命令（Ｖ’）を発生させる。
【００２６】
一方、デッドタイム補償器６３は、電流命令発生部６１からの電流命令（ｉ^*）値を受けて、メモリ６３ａに貯蔵した対応電圧補償分（ΔＶ）を第２減算器６６に出力する。その後、第２減算器６６は、電流制御部６２からの電圧命令（Ｖ’）から電圧補償分（ΔＶ）を引いて、パルス幅変調部７にスイッチング素子の非線形性等の影響を除去した電圧命令値（Ｖ^*）を出力する。従って、パルス幅変調部７により変調されて、スイチング素子（Ｔ₁、Ｔ₂）のゲートに印加される制御信号は、既にスイッチング素子（Ｔ₁、Ｔ₂）の非線形性を除去した値のため、実際にモータに印加される電圧と、電圧命令（Ｖ^*）との偏差が極めて小さくなる。
【００２７】
これにより、電流命令（ｉ^*）の絶対値が１Ａ以下の区間でも、スイッチング素子の非線形性による影響を正確に補償することができる。そのため、モータの精密な低速制御が可能になる。即ち、モータに印加しようとする電圧命令（Ｖ^*）を正確に印加することができるので、モータに印加される電流を精密に制御することにより、モータの騒音及び発熱を顕著に減少させることができる。
【００２８】
一方、前述したデッドタイム補償器を具現するために採択されたデッドタイム補償用変数推定器の固定子の抵抗推定方法は、モータの高性能制御のための種種のアルゴリズムにも独立的に用いられることができるので、駆動システムの性能向上をもたらす。
【００２９】
なぜなら、スイッチング素子の非線性によって、モータの固定子の実抵抗値よりも、インバータ部やサーボドライバ側で見るモータの固定子の抵抗値がさらに大きいが、前記した固定子抵抗推定方法によると、スイッチング素子の非線形性を除去した、モータの固定子の実抵抗値を把握することができるためである。
【００３０】
【発明の効果】
前述したように、本発明によるデッドタイム補償器及びデッドタイム補償方法によると、スイッチング素子の非線形性による影響を正確に補償することにより、モータの低速制御が精密に行われる。即ち、モータに所望する電圧命令を正確に印加することにより、モータに印加される電流を精密に制御することができるので、モータの騒音及び発熱を顕著に減少させることができる。
また、前述したモータの固定子の抵抗推定方法は、モータの高性能制御のための、種種のアルゴリズムに独立的に適用することができるので、駆動システムの性能向上をもたらすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のデッドタイム補償器を備えたモータ駆動回路図である。
【図２】電流の方向によるスイッチング素子の動作及び電流の流れを示した概略図である。
【図３】本発明によるデッドタイム補償器を備えたモータ駆動装置の回路図である。
【図４】図３の部分詳細図である。
【図５】本発明によるデッドタイム補償用変数推定器のブロック図である。
【図６】デッドタイムを補償するための変数推定の過程を示したフローチャートである。
【図７】電流命令と測定された電圧命令との関係を示したグラフである。
【図８】電圧補償分と電流命令との関係を示したグラフである。
【符号の説明】
３モータ
５電流センサ部
７パルス幅変調部
５０固定子抵抗推定部
５１電圧補償分推定部
５３電圧命令測定部
６１電流命令発生部
６２電流制御部
６３デッドタイム補償器
６３ａメモリ
６４第１減算器
６６第２減算器

Claims

所定のアルゴリズムにより、電流命令を発生させる電流命令発生部と、前記電流命令に基づいて電圧命令を発生させる電流制御部と、を含むモータ駆動制御装置のデッドタイム補償方法において、
前記電流命令を変えながら、これに対する前記電圧命令を測定する段階と；前記測定された電圧命令値に基づいて、前記モータの固定子の抵抗値を推定する段階と；前記推定された固定子の抵抗値に基づいて、デッドタイムを補償する段階と；を含み、
前記デッドタイムを補償する段階は、前記推定された固定子の抵抗値と、前記電流命令を掛け、この計算値を前記測定された電圧命令から引くことにより、電圧補償分を求める段階と；前記求めた電圧補償分を貯蔵する段階と；前記電圧命令から、対応する電圧補償分を引いて、前記電圧命令を発生させる段階と；を含むことを特徴とするデッドタイム補償方法。
前記固定子の抵抗値を推定する段階は、前記電流命令に対する電圧命令の変化率を、固定子の抵抗値と推定することを特徴とする請求項１に記載のデッドタイム補償の制御方法。
モータのデッドタイム補償器において、
前記モータに様々な大きさの電流命令を印加する電流命令印加部と；前記電流命令に基づいて、電圧補償された電圧命令を発生させる電流制御部と；前記電圧命令を測定する電圧命令測定部と；前記測定された電圧命令に基づいて、前記モータの固定子の抵抗を推定する固定子の抵抗推定部と；前記推定された固定子の抵抗に基づいて、デッドタイムの補償のための電圧補償分を推定する電圧補償分推定部と；を含み、
前記電圧補償分推定部は、前記推定した固定子の抵抗値と、前記電流命令を掛け、この計算値を前記測定された電圧命令から引くことにより、前記電流命令に対する電圧補償分を求めることを特徴とするデッドタイム補償器。
前記固定子の抵抗推定部は、前記電流命令に対する前記電圧命令の変化率を、前記固定子の抵抗と推定することを特徴とする請求項３に記載のデッドタイム補償器。
前記電圧命令測定部は、移動平均フィルタを含むことを特徴とする請求項３に記載のデッドタイム補償器。