JP4614766B2 - モータ駆動制御 - Google Patents
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Description
前記制御手段を、単一のPWM期間に前記相のすべての前記インダクタンスを測定するように配置することができる。この場合に、前記制御手段が、必要なモータ出力を作るためのPWM期間内の複数の出力作成期間中の複数の導通状態および前記テスト期間中の複数の導通状態にスイッチング手段を切り替えるように配置され、前記テスト期間が、前記出力作成期間および前記テスト期間が前記PWM期間の全体を占めるのに十分に長い期間である。
前記制御手段が、複数のPWM期間にわたって前記相のすべての前記インダクタンスが測定されるようにするために、前記インダクタンスが測定される1つまたは複数の相を変更するように配置されることが好ましい。
本発明の好ましい実施形態を、例としてのみ添付図面を参照してこれから説明する。
図3を参照すると、例として、この例では、回転子の回りでNとSの間で交番する6つの極を提供するように配置されたたとえば6つの埋め込まれた磁石4を有する回転子2を含む3相ブラシレスモータ1が提供される。したがって、この回転子は、回転子の回りに均等な間隔の3つの直接軸またはd軸と、d軸の間に置かれた3つの直角軸またはq軸を確定する。d軸は、回転子からの磁束の線が半径方向にある、磁石4の磁極に位置合せされ、q軸は、d軸の間で間隔をあけられ、回転子からの磁束の線が接線方向にある。
L0=(Lq+Ld)/2
ΔL=(Lq―Ld)/2 (1a)、(1b)
と定義される。所与の回転子角度でのインダクタンスL(θ)は、2つの反対に回転する複素ベクトルの和の実部すなわち、
L(θ)=Re{L0ejθ−ΔLe−jθ} (2)
であり、これを再配置すると、
L(θ)=Re{L0−ΔLe−2jθ} (3)
が得られる。
LA(θ)=Re{L0−ΔLe−2jθ}
LB(θ)=Re{L0−ΔLe−2j[θ−2π/3]} (4)
LC(θ)=Re{L0−ΔLe−2j[θ−4π/3]}
であり、これは、
LA(θ)=L0−ΔL cos(2θ)
LB(θ)=L0−ΔL cos(2[θ−2π/3]) (5a)−(5c)
LC(θ)=L0−ΔL cos(2[θ−4π/3])
と書き直すことができる。
相インダクタンスは、正負のテスト電圧に応答する相電流の変化の速度を測定することによって決定することができる。これは、システム式から逆起電力項を除去するので堅牢な技法である。この逆起電力は、除去されない場合に、正確に決定することが難しく、測定誤差につながる可能性がある。
1.正の電圧+Vを十分な時間だけ相に印加して、電流の変化の立ち上がり変化率di1/dtを決定する。
2.負の電圧−Vを十分な時間だけ相に印加して、電流の変化の立ち下がり変化率di2/dtを決定する。
図6に、印加される電圧V(t)、相インダクタンスLph、およびモータ逆起電力eを組み込んだ、駆動の1つの相の単純化された回路モデルを示す。
コントローラ33は、これから説明するように、モータの出力トルクを制御するために、パルス幅変調(PWM)を使用して、相A、B、およびCに印加される電圧を制御するように配置される。
相のそれぞれにまたがる正負のインダクタンス測定電圧を組み込まれた電圧テストパターンが、適用されるPWM電圧パターンに余分な非ゼロ状態を挿入することによって、3相PWM波形に組み込まれる。この技法を、本明細書で空間ベクトル変調(SVM)を使用して便利に説明するが、すべてのPWM変調方式を、この技法を実施するように適合させることができる。
典型的なテストパターン
巻線に印加されるテスト電圧を表すテストベクトルの例を、図9に示す。この図では、2対のテストベクトルが印加され、これによって、2つの相(この例ではAおよびC)のインダクタンスを同時にすなわち同一のPWM期間に測定できるようになる。このパターンが、正負の相Aベクトルおよび正負の相Cベクトルからなることがわかる。これらのベクトルが、同一の長さであるすなわち、状態1および4のそれぞれで費やされる時間と、状態2および5のそれぞれで費やされる時間が同一であると仮定すると、テストベクトルからの正味の電圧が0になることを諒解されたい。
図9および10に、0の変調指数に印加されるテスト電圧ベクトルを示す。0を超える変調指数について、テストベクトルは、モータの所望の出力トルクを作るために計算された、相電流生成する電圧デマンドベクトルに重畳されなければならない。これの通常の例を、図11の空間ベクトル図に示す。要求される状態ベクトルvは、2つの主状態ベクトル+Aおよび−Cからなり、4つのテスト期間ベクトルは、それぞれ長さTsdである。この場合の通常のPWMパターンおよびセンサ出力を、図12に示す。
図11および12の例によって、2つの相のインダクタンスを同時にすなわち、同一のPWM期間に測定するために普通のPWM波形をどのように適合させることが可能であるかが示されている。しかし、PWM波形は、1つ、2つ、または3つのインダクタンスを同時に測定するように適合させることができ、このそれぞれが異なる結果を有する。
図13aに、3つのすべてのインダクタンスを同時に測定するのに必要なテストベクトルを示す。要求電圧は、やはり、2つのベクトル+Aおよび−Cからなり、それぞれが長さTsdの6つのテスト電圧ベクトルがあり、この6つのテストベクトルに、6つの主ベクトル+A、−A、+B、−B、+C、および−Cのそれぞれ1つが含まれ、0の正味電圧が作られる。明らかに、6つの非0ベクトルが必要なので、有用な電圧の生成に使用可能な時間は、6Tsdだけ減る。
TsdおよびTsiがPWM期間Tpの10%である通常のシステムでは、これによって、0.46の最大理論変調指数が与えられる。明らかに、実際の例では、この数を多少減らすインターロック遅延(むだ時間)の効果を考慮に入れなければならない。
2相測定パターン(上で図11を参照して説明したものなど)では、テストパターンを作ることで浪費される時間の長さが4Tsdに減る。単一のPWM期間に2つの相だけが測定されるので、測定できるベクトルの対の3つの異なる組合せがある。各組合せは、電圧需要があるSVMベクトル空間のセクタに依存して、3つの異なるタイプのパターンをもたらす。パターンの中に、他のパターンより実現が簡単なものがある。
図17aおよび17bは、1つの相すなわち、ベクトル空間のセクタ1の相Aだけのインダクタンス測定に関する状態ベクトル図および状態要約である。図18aおよび18bは、相Bの対応する図であり、図19aおよび19bは、相Cの対応する図である。相AおよびCについて、PWMパターンに対する制限なしでインダクタンスを測定することができる。しかし、相Bについて、ゼロ状態空間ベクトル7にパターンを組み込むことができないが、やはり、これによって大きい実施の問題は提示されない。一般に、所与のセクタについて、正または負のベクトルがセクタに隣接しない相のインダクタンスを測定するのに必要なパターンは、状態ベクトル7に組み込まれない。
TsdおよびTsiがPWM期間Tpの10%である、上で説明した通常のシステムでは、最大変調指数が、min{0.92,0.93}=0.93になる。
相のインダクタンスがわかったならば、式(5(a)−(c))を解くことによって、回転子位置を決定することができる。3つのすべての相インダクタンスが同時に測定される時には、このプロセスは単純である。しかし、一時にインダクタンスのうちの2つまたは1つだけが測定される時には、古いインダクタンス測定値と新しいインダクタンス測定値を組み合わせて位置を決定する必要がある。これらの測定値を組み合わせる形は、位置信号の精度および動的特性に影響する。
3つのすべての相インダクタンスが同時に測定される時に、連立方程式(5(a)−(c))を同時に解くことによって、回転子位置を直接に決定することができる。この手法は、最高の帯域幅と最高の精度を有する位置信号を与える。
1つまたは2つのインダクタンスだけが各PWM期間に測定される時に、あるサンプル時に測定されなかった相の古いインダクタンス測定値を使用することによって、位置を推定することができる。図21に、インダクタンスが対で測定される状況を示す。時刻t2に、B相およびC相のインダクタンスの現在値(LB2およびLC2)と、時刻t1の前PWM期間の前サンプルからの相Aインダクタンスの値(LA1)とを使用することによって、位置を決定することができる。古い相Aのインダクタンスが、時間的に前に外挿されるので、計算される位置にわずかな誤差がある。しかし、1サンプル時間Δt中に回転子が移動する角度Δθが小さい場合に、位置誤差も小さくなる。
上の技法を使用して、他の既知の注入技法を用いて達成できるものよりはるかに高い速度で位置信号を計算することが可能である。この理由から、一部の応用例および実施形態で、位置信号にフィルタリングを適用して、信号品質を改善することが可能である。具体的に言うと、位置をオブザーバに供給して、より正確な表現を与えることができる。
上の議論から、2相および単一相のインダクタンス測定技法が、3相技法よりはるかに実用的な解決策であることを諒解されたい。しかし、これらの手法を使用して正確な高帯域幅位置信号を得るために、2相技法では2つのテストベクトルパターン(パターンIおよびII)の間、単一相技法では3つのテストパターン(相A、B、およびC)の間で素早く切り替えることが必要である。
回転子位置を決定する代替技術が、平均インダクタンスパラメータL0およびピークインダクタンスパラメータΔLの知識を使用することである。これらのパラメータが既知の場合に、式7(a)−(c)からの適当な式を解くことによって、単一の相インダクタンス測定値から位置を決定することが可能である。これは、サンプルごとに異なる相インダクタンス測定の間で交番するのではなく、完全なセクタにまたがるインダクタンス測定に同一の相を使用することができるという長所を有する。これによって、上で図24aから24dを参照して説明した潜在的な音響雑音の問題を減らすことができる。さらに、インダクタンスが対で測定される場合に、余分な変数の冗長性を使用して、測定の不正確さを訂正することが可能になる場合がある。
複数の方法を使用して、相巻線の電流の変化率(di/dt)を決定して、インダクタンスを決定できるようにすることができる。1つの方法が、各相巻線に電流センサを置き、ある瞬間の電流を測定し、短い時間の後に電流を測定し、この2つの差を計算することである。この技術は、単一電流センサ技術にも適する。たとえば、図4の実施形態で、di/dtセンサを削除し、電流センサ34の複数のサンプルを使用して電流の変化率を測定することができる。この技法の短所は、di/dtを測定するために2つの電流測定値をとるのに要求される時間である。これは、Tsdの実行不可能なほどに大きい値をもたらす可能性がある。さらに、アナログディジタル変換器(ADC)の量子化限度が、非常に低分解能のdi/dtをもたらす可能性がある。
Claims (26)
- 複数の相を含む多相ブラシレス電気モータの駆動システムであって、前記システムは、
前記相のそれぞれにまたがって印加される相電圧を変更するように配置されたスイッチ手段を含む駆動回路と、
前記モータの機械的出力を制御するために前記相電圧のPWM制御を提供するために前記スイッチ手段を制御するように配置された制御手段とを含み、
前記制御手段は、さらに、テスト期間を含むようにPWM電圧パターンを制御し、前記テスト期間中の前記相の少なくとも1つの電流の変化率を測定し、その変化率から前記相の少なくとも1つのインダクタンスを決定し、これによって前記モータの回転位置を決定するように配置され、
前記制御手段は、テスト期間の少なくとも1つの対を定義し、テスト期間の前記対の一方の前記相電圧が、テスト期間の前記対の他方の前記相電圧と反対になるようにし、
前記制御手段は、テスト期間の前記対で測定された前記電流の変化率から、前記相のうちの1つのインダクタンスを決定するように配置され、テスト期間の前記対の両方が、同一のPWM期間に、出力トルクを作る前記PWM期間内の出力作成期間に加えて提供される、駆動システム。 - 前記制御手段は、単一のPWM期間に前記相のすべての前記インダクタンスを測定するように配置される、請求項1に記載のシステム。
- 前記制御手段は、必要なモータ出力を作るためのPWM期間内の複数の出力作成期間中の複数の導通状態および前記テスト期間中の複数の導通状態にスイッチング手段を切り替えるように配置され、前記テスト期間は、前記出力作成期間および前記テスト期間が前記PWM期間の全体を占めるのに十分に長い期間である、請求項2に記載のシステム。
- 前記制御手段は、単一のPWM期間に前記相の一部だけの前記インダクタンスを測定するように配置される、請求項1に記載のシステム。
- 3相を有するモータについて、前記制御手段は、単一のPWM期間に前記相のうちの2つだけの前記インダクタンスを測定するように配置される、請求項4に記載のシステム。
- 前記モータのすべての位置について、前記PWM期間がゼロV状態を含むようにするために、前記インダクタンスを測定できる3つの相から2対を選択することができ、前記制御手段は、1つのPWM期間に前記対の一方の前記インダクタンスを測定し、後続PWM期間に他方の対の前記インダクタンスを測定するように配置される、請求項5に記載のシステム。
- 前記制御手段は、連続するPWM期間の相の前記対の間でインダクタンス測定を交番するように配置される、請求項6に記載のシステム。
- 前記制御手段は、1つのPWM期間に前記相の1つだけの前記インダクタンスを測定するように配置される、請求項1に記載のシステム。
- 前記制御手段は、複数のPWM期間にわたって前記相のすべての前記インダクタンスが測定されるようにするために、前記インダクタンスが測定される1つまたは複数の相を変更するように配置される、請求項3ないし8のいずれかに記載のシステム。
- 前記制御手段は、少なくとも1つの相のインダクタンス測定を可能にするために第1PWM期間に第1PWMパターンを提供し、前記第1PWM期間に測定されない少なくとも1つの相のインダクタンス測定を可能にするために第2PWM期間に第2の異なるPWMパターンを提供し、前記第1期間と前記第2期間との間のPWM期間に少なくとも1つの中間PWMパターンを作るように配置され、前記中間パターンは、形状において前記第1パターンと前記第2パターンの間の中間である、請求項8又は9に記載のシステム。
- 前記制御手段は、前記中間PWM期間に前記相の前記インダクタンスを測定しないように配置される、請求項10に記載のシステム。
- 前記制御手段は、各PWM期間に前記モータの前記位置を決定するように配置される、請求項1から11のいずれかに記載のシステム。
- 前記制御手段は、前記相のそれぞれのインダクタンスの最後の測定値に基づいて前記モータの前記位置を決定するように配置される、請求項12に記載のシステム。
- 前記制御手段は、前記モータの回転中に発振する、前記相の1つの前記インダクタンスの平均値およびピーク値を決定し、その相の瞬時インダクタンスを測定し、前記インダクタンスの前記平均値、前記ピーク値、および前記瞬時値から前記モータの前記位置を決定するように配置される、請求項1に記載のシステム。
- 主電圧の同一の対から作ることができるすべての要求される電圧について、同一の2つの相の前記インダクタンスが測定され、前記要求される電圧が、主電圧の異なる対が必要になり、インダクタンスの異なる対が測定されるように変化する時に、前記相のすべての前記インダクタンスの最後の測定値が、前記インダクタンスの前記平均値および前記ピーク値の決定に使用される、請求項14に記載のシステム。
- 前記テスト期間中に前記相の前記電流を測定するように配置された単一の電流センサをさらに含む、請求項1から15のいずれかに記載のシステム。
- 前記制御手段は、前記電流センサを使用して各PWM期間に2つの相の前記電流の大きさを測定し、これによって前記相のすべての前記電流を決定するように配置される、請求項16に記載のシステム。
- 前記テスト期間は、それぞれ、前記相の1つの前記電流の大きさを前記電流センサによって測定できるようにするのに十分に長い、請求項17に記載のシステム。
- 前記制御手段は、2つの導通状態の間で前記スイッチング手段を切り替えることによって作ることができる要求された電圧のグループを定義するように配置され、前記導通状態の少なくとも1つで必要な時間が、前記電流の前記大きさを測定できるようにするのに不十分であり、これらの要求される電圧が、ゼロ正味電圧のさらなるテスト期間と、前記相の1つの前記電流の前記大きさを測定できるようにするのに十分な長さを追加するのに不十分である、請求項10に記載の場合に請求項17に記載のシステム。
- 前記さらなるテスト期間は、いくつかのパルス幅変調期間でのみ追加される、請求項19に記載のシステム。
- 前記相の1つの前記電流の前記大きさを測定できるようにするために、前記インダクタンス測定テスト期間および出力作成期間が一緒に1PWM期間内の2つの導通状態のそれぞれで十分な時間を提供しない時に限って、前記余分のテスト期間が追加される、請求項20に記載のシステム。
- 電流センサと、前記電流センサからの出力を微分し、これによって前記相インダクタンスを測定するように配置された微分器とを含む、請求項1から21のいずれかに記載のシステム。
- 単一の電流センサは、前記電流の大きさの測定およびインダクタンス測定に使用される、請求項18に記載の場合に請求項22に記載のシステム。
- 前記相の前記電流を測定する複数の電流センサをさらに含む、請求項1ないし15のいずれかに記載のシステム。
- 前記電流センサは、前記相ごとに1つの電流センサを含む、請求項24に記載のシステム。
- 複数の相を含む多相ブラシレス電気モータを制御する方法であって、システムが、前記相のそれぞれにまたがって印加される相電圧を変更するように配置されたスイッチ手段を含む駆動回路を含み、
前記方法は、
前記モータの機械的出力を制御するために前記相電圧のPWM制御を提供するために前記スイッチ手段を制御するステップと、
テスト期間の少なくとも1つの対であって、前記対の一方の前記相電圧が前記対の他方の前記相電圧と反対である前記対を定義するステップと、
テスト期間を含むようにPWM電圧パターンを制御するステップと、
前記テスト期間の前記対の両方を、同一のPWM期間に、出力トルクを作る前記PWM期間内の出力作成期間に加えて提供するステップと、
前記テスト期間中の前記相の少なくとも1つの電流の変化率を測定するステップと、
前記テスト期間の前記対で測定された前記電流の変化率から、前記相のうちの1つのインダクタンスを決定するステップと、
前記相の少なくとも1つの前記インダクタンスによって前記モータの回転位置を決定するステップと
を含む方法。
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