JP5312195B2 - DC brushless motor control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はDCブラシレスモータの制御装置に関する。 The present invention relates to a control device for a DC brushless motor.
突極性のロータを備えたDCブラシレスモータの運転制御を行う場合に、レゾルバ等の磁極位置検出用センサを使用せずに(所謂センサレスで)、ロータの磁極の回転角度位置(電気角での回転角度位置)を示すロータ角度を推定する技術が本願出願人により提案されている(例えば特許文献1を参照)。 When controlling the operation of a DC brushless motor equipped with a saliency rotor, without using a magnetic pole position detection sensor such as a resolver (so-called sensorless), the rotational angle position of the rotor magnetic pole (rotation at an electrical angle) A technique for estimating a rotor angle indicating (angular position) has been proposed by the present applicant (see, for example, Patent Document 1).
この技術は、モータの電機子に印加する駆動電圧に所定のパターンの高周波の周期信号を重畳した状態で、所定期間ずつ、電機子の電流変化を観測し、その観測値から、ロータ角度の推定値と実際値との位相差θeの2倍角2θeの正弦関数値sin(2θe)に応じた値としての正弦参照値や、モータの平均インダクタンスに応じた値としてのインダクタンス参照値を算出する。そして、正弦参照値をインダクタンス参照値で正規化してなる値を、ロータ角度の推定値と実際値(真値)との位相差に応じて変化する位相差推定値として求め、この位相差推定値に応じて、ロータ角度の推定値を逐次更新する。 This technology observes the current change of the armature for each predetermined period with the high-frequency periodic signal with a predetermined pattern superimposed on the drive voltage applied to the armature of the motor, and estimates the rotor angle from the observed value. A sine reference value as a value according to the sine function value sin (2θe) of the double angle 2θe of the phase difference θe between the actual value and the inductance reference value as a value according to the average inductance of the motor is calculated. Then, a value obtained by normalizing the sine reference value with the inductance reference value is obtained as a phase difference estimated value that changes according to the phase difference between the estimated value of the rotor angle and the actual value (true value), and this phase difference estimated value Accordingly, the estimated value of the rotor angle is sequentially updated.
ところで、特許文献1におけるロータ角度の推定技術においては、ロータ角度の推定値を実際値に安定に収束させるために(上記位相差θeを“0”に収束させるために)、上記位相差θeの2倍角2θeに対する位相差推定値の波形が、常に、ほぼ一定の波形となると共に、位相差θeの値が正の値であるときの位相差推定値の波形と、位相差θeの値が負の値であるときの位相差推定値の波形とが互いに逆極性で対称的な波形になることが理想的である。例えば、前記位相差推定値の波形が、常にほぼ一定の正弦波形になることが好ましい。
By the way, in the rotor angle estimation technique in
しかるに、モータに“0”でない出力トルクを発生させるように該モータの電機子に電流を通電させた状態(該電流の大きさが比較的大きなものとなる状態)では、一般にモータの磁気飽和が発生しやすい。そして、該磁気飽和が発生すると、位相差θeに対する位相差推定値の波形が正弦波状の波形から崩れた波形となる。ひいては、位相差推定値の波形の振幅が正側と負側とでアンバランスとなると共に、位相差推定値が正の値となる位相差θeの範囲と位相差推定値が負の値となる位相差θeの範囲とのうちのいずれかの範囲が狭くなり過ぎる場合がある。 However, in a state where a current is applied to the armature of the motor so that an output torque other than “0” is generated in the motor (a state where the magnitude of the current is relatively large), in general, the magnetic saturation of the motor does not occur. Likely to happen. When the magnetic saturation occurs, the waveform of the phase difference estimated value with respect to the phase difference θe becomes a waveform that is collapsed from the sinusoidal waveform. As a result, the amplitude of the waveform of the phase difference estimated value becomes unbalanced between the positive side and the negative side, and the range of the phase difference θe where the phase difference estimated value becomes a positive value and the phase difference estimated value become a negative value. One of the ranges of the phase difference θe may be too narrow.
そして、このような場合には、位相差推定値が正の値又は負の値となる状況で、位相差θeを“0”に安定に収束させるように、ロータ角度の推定値を更新し得る位相差θeの範囲(以下、安定収束範囲ということがある)が狭いものとなる。従って、ロータ角度の推定値が実際値に対して発散してしまう恐れがある。 In such a case, the estimated value of the rotor angle can be updated so that the phase difference θe converges stably to “0” in a situation where the estimated value of the phase difference is a positive value or a negative value. The range of the phase difference θe (hereinafter sometimes referred to as a stable convergence range) is narrow. Therefore, the estimated value of the rotor angle may diverge from the actual value.
ここで、特許文献1に見られる技術では、位相差推定値に適切なオフセット値を加えるようにしている。このようにすることで、上記安定収束範囲が狭くなり過ぎるのを防止することは可能である。但し、このようにした場合には、ロータ角度の推定値の収束値が、実際値からずれることとなり、ロータ角度の推定値の誤差が増大する。このため、該ロータ角度の推定値を使用して、モータの出力トルクを制御した場合に、実際の出力トルクが目標とするトルクよりも低くなってしまうという不都合が発生しやすい。
Here, in the technique found in
本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、磁気飽和の発生状態によらずに、ロータ角度の推定を安定且つ精度よく行う上で好適な波形に保たれる位相差推定値を生成することができ、ひいては、磁気飽和の発生状態によらずに、ロータ角度の推定を安定且つ精度よく行うことができるDCブラシレスモータの制御装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a background, and generates a phase difference estimation value that is maintained in a waveform suitable for stable and accurate estimation of the rotor angle regardless of the state of occurrence of magnetic saturation. Therefore, an object of the present invention is to provide a control device for a DC brushless motor capable of estimating the rotor angle stably and accurately regardless of the state of occurrence of magnetic saturation.
本発明のDCブラシレスモータの制御装置は、かかる目的を達成するために、DCブラシレスモータの電機子に流れる相電流を検出する電流検出手段と、該モータのロータ角度を推定するロータ角度推定手段と、前記電流検出手段による相電流の検出値と前記ロータ角度推定手段によるロータ角度の推定値とを用いて所定のフィードバック演算処理を実行することによって、前記相電流の検出値を目標とする電流に収束させるために前記電機子に印加すべき駆動電圧を規定するd軸電圧の基本値とq軸電圧の基本値とを決定するdq基本電圧決定手段とを備え、少なくとも前記d軸電圧の基本値及びq軸電圧の基本値より規定される駆動電圧を前記電機子に印加して該電機子の通電制御を行うDCブラシレスモータの制御装置において、前記d軸電圧の基本値及びq軸電圧の基本値より規定される駆動電圧に高周波の周期信号を重畳してなる高周波重畳駆動電圧を前記電機子に印加させる高周波重畳手段と、前記高周波重畳駆動電圧の印加状態で、前記電機子の相電流の変化に対応するd軸電流及びq軸電流の変化を前記相電流の検出値とロータ角度の推定値とに基づき観測し、該d軸電流及びq軸電流の変化の観測値に基づいて、前記ロータ角度の推定値と該ロータ角度の実際値との位相差の2倍角に応じて変化する値となり、且つ、該2倍角に対する変化の波形がモータの磁気飽和の発生状態に依存して変化する位相差基本参照値を算出すると共に、モータの平均インダクタンスに依存する値としてのインダクタンス参照値を算出する基本参照値算出手段と、少なくとも前記位相差基本参照値とインダクタンス参照値とを線形結合することによって、前記位相差に対する変化の波形が前記モータの磁気飽和の発生状態に依存して変化するのを前記位相差基本参照値よりも抑制してなる位相差推定値を算出する位相差推定値算出手段とを備え、前記ロータ角度推定手段は、前記位相差推定値に応じて前記ロータ角度の推定値を更新することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the DC brushless motor control apparatus according to the present invention includes a current detection means for detecting a phase current flowing in the armature of the DC brushless motor, and a rotor angle estimation means for estimating the rotor angle of the motor. Then, by executing a predetermined feedback calculation process using the detected value of the phase current by the current detecting means and the estimated value of the rotor angle by the rotor angle estimating means, the detected value of the phase current is set to a target current. Dq basic voltage determining means for determining a basic value of a d-axis voltage and a basic value of a q-axis voltage that define a drive voltage to be applied to the armature for convergence, and at least a basic value of the d-axis voltage And a control device for a DC brushless motor that applies a drive voltage defined by a basic value of a q-axis voltage to the armature to control energization of the armature. High-frequency superimposing means for applying to the armature a high-frequency superimposed drive voltage obtained by superimposing a high-frequency periodic signal on a drive voltage defined by the basic value of the axial voltage and the basic value of the q-axis voltage; In the applied state, changes in the d-axis current and the q-axis current corresponding to the change in the phase current of the armature are observed based on the detected value of the phase current and the estimated value of the rotor angle. Based on the observed value of the change in current, the value changes according to the double angle of the phase difference between the estimated value of the rotor angle and the actual value of the rotor angle, and the waveform of the change with respect to the double angle is Basic reference value calculation means for calculating a phase difference basic reference value that changes depending on the state of occurrence of magnetic saturation, and for calculating an inductance reference value as a value that depends on the average inductance of the motor; By linearly combining the difference basic reference value and the inductance reference value, the change waveform with respect to the phase difference is suppressed from changing depending on the state of occurrence of magnetic saturation of the motor, compared to the phase difference basic reference value. Phase difference estimated value calculating means for calculating the phase difference estimated value, wherein the rotor angle estimating means updates the estimated value of the rotor angle according to the phase difference estimated value.
なお、本発明において、d軸電流とq軸電流とは、DCブラシレスモータのロータの界磁極の磁束方向とこれに直交する方向との一方をd軸方向、他方をq軸方向とするdq座標系においてモータの電機子に流れる電流を表現した場合におけるd軸電機子(d軸上の電機子)とq軸電機子(q軸上の電機子)とにそれぞれ流れる電流を意味する。 In the present invention, the d-axis current and the q-axis current are dq coordinates in which one of the magnetic flux direction of the field pole of the rotor of the DC brushless motor and the direction perpendicular thereto is the d-axis direction and the other is the q-axis direction. When the current flowing through the armature of the motor is expressed in the system, it means the current flowing through the d-axis armature (armature on the d-axis) and the q-axis armature (armature on the q-axis).
ここで、前記d軸電流及びq軸電流の変化の観測値に基づいて算出した前記位相差基本参照値と前記インダクタンス参照値とを、それぞれに掛かる適当な重み係数を使用して線形結合すると、前記位相差に対する該線形結合値の変化の波形を、モータの磁気飽和の発生状態が変化しても、概ね一定形状の波形に保つようにすることが可能である。すなわち、上記線形結合によって、位相差に応じて変化する一方、モータの磁気飽和の発生状態に対する依存性が抑制された参照値を求めることができる。 Here, when the phase difference basic reference value calculated based on the observed value of the change in the d-axis current and the q-axis current and the inductance reference value are linearly combined using appropriate weighting factors applied to each, It is possible to keep the waveform of the change of the linear combination value with respect to the phase difference in a substantially constant waveform even when the state of occurrence of magnetic saturation of the motor changes. That is, by the linear combination, it is possible to obtain a reference value that changes in accordance with the phase difference while suppressing dependency on the state of occurrence of magnetic saturation of the motor.
そこで、第1発明では、少なくとも前記位相差基本参照値とインダクタンス参照値とを線形結合することによって、前記位相差に対する変化の波形が前記モータの磁気飽和の発生状態に依存して変化するのを前記位相差基本参照値よりも抑制してなる位相差推定値を算出する位相差推定値算出手段とを備えるようにした。 Therefore, in the first invention, at least the phase difference basic reference value and the inductance reference value are linearly combined to change the waveform of the change with respect to the phase difference depending on the state of occurrence of magnetic saturation of the motor. Phase difference estimated value calculating means for calculating a phase difference estimated value that is suppressed more than the phase difference basic reference value is provided.
これにより、磁気飽和の影響を受け難い位相差推定値を算出することが可能となる。そして、前記ロータ角度推定手段は、この位相差推定値に応じて前記ロータ角度の推定値を更新する。 This makes it possible to calculate a phase difference estimated value that is not easily affected by magnetic saturation. And the said rotor angle estimation means updates the estimated value of the said rotor angle according to this phase difference estimated value.
従って、第1発明によれば、モータの磁気飽和の発生状態によらずに、ロータ角度の推定を安定且つ精度よく行う上で好適な波形に保たれる位相差推定値を生成することができ、ひいては、磁気飽和の発生状態によらずに、ロータ角度の推定を安定且つ精度よく行うことができる。 Therefore, according to the first aspect of the present invention, it is possible to generate a phase difference estimation value that maintains a waveform suitable for stable and accurate estimation of the rotor angle regardless of the state of magnetic saturation of the motor. As a result, the rotor angle can be estimated stably and accurately regardless of the state of occurrence of magnetic saturation.
かかる第1発明では、前記位相差推定値算出手段は、前記線形結合における前記位相差基本参照値に掛かる重み係数と、前記インダクタンス参照値に掛かる重み係数とのうちの少なくともいずれか一方の重み係数として、前記モータの出力トルクに依存して値が変化するように設定した重み係数を用いることが好適である(第2発明)。 In the first invention, the phase difference estimated value calculation means includes at least one of a weighting coefficient applied to the phase difference basic reference value in the linear combination and a weighting coefficient applied to the inductance reference value. It is preferable to use a weighting factor that is set so that the value changes depending on the output torque of the motor (second invention).
すなわち、モータの出力トルクが大きいほど、モータの電機子に流す相電流の大きさが大きくなるので、モータの磁気飽和の発生が生じやすい。従って、モータの磁気飽和の発生状態は、モータの出力トルクに対する依存性がある。そこで、第2発明では、前記重み係数をモータの出力トルクに依存して変化させるように設定するようにした。 That is, as the motor output torque increases, the magnitude of the phase current that flows through the armature of the motor increases, and therefore magnetic saturation of the motor tends to occur. Therefore, the state of occurrence of magnetic saturation of the motor has a dependency on the output torque of the motor. Therefore, in the second invention, the weighting factor is set to change depending on the output torque of the motor.
これにより、モータの磁気飽和の発生状態に応じた前記位相差推定値の波形(位相差に対する変化の波形)の変化を抑制する上で最適な重み係数を用いて前記線形結合を行うことが可能となる。ひいては、位相差に対する変化の波形が、モータの磁気飽和の発生状態によらずにほぼ一定形状に保たれるような位相差推定値を生成することが可能となる。 As a result, the linear combination can be performed using an optimum weighting factor in suppressing the change in the waveform of the phase difference estimation value (the waveform of the change with respect to the phase difference) according to the state of occurrence of magnetic saturation of the motor. It becomes. As a result, it is possible to generate a phase difference estimation value such that the waveform of the change with respect to the phase difference is maintained in a substantially constant shape regardless of the state of occurrence of magnetic saturation of the motor.
また、前記第1及び第2発明では、前記位相差推定値算出手段は、前記位相差基本参照値とインダクタンス参照値とを線形結合してなる値に、前記モータの出力トルクに依存して値が変化するように設定した補正項を加えることによって、前記位相差推定値を算出することが好ましい(第3発明)。 In the first and second aspects of the invention, the phase difference estimated value calculation means is a value obtained by linearly combining the phase difference basic reference value and the inductance reference value depending on the output torque of the motor. It is preferable to calculate the phase difference estimated value by adding a correction term set so as to change (third invention).
すなわち、前記位相差基本参照値とインダクタンス参照値とを線形結合してなる値の、位相差に対する変化の波形は、その形状がモータの磁気飽和の発生状態に応じて変化するのが抑制されるようになっても、該波形の全体が、モータの磁気飽和の発生状態に応じてオフセットを生じる場合がある。そこで、第3発明では、前記位相差基本参照値とインダクタンス参照値とを線形結合してなる値に、前記モータの出力トルクに依存して値が変化するように設定した補正項を加えることによって、前記位相差推定値を算出するようにした。 That is, the waveform of the change with respect to the phase difference of the value obtained by linearly combining the phase difference basic reference value and the inductance reference value is suppressed from changing its shape according to the state of magnetic saturation of the motor. Even in this case, the entire waveform may be offset depending on the state of occurrence of magnetic saturation of the motor. Therefore, in the third aspect of the invention, a correction term set so that the value changes depending on the output torque of the motor is added to a value obtained by linearly combining the phase difference basic reference value and the inductance reference value. The phase difference estimation value is calculated.
これにより、位相差に対する位相差推定値の変化の波形の形状が磁気飽和の発生状態に応じて変化することと、その波形の全体のオフセットが磁気飽和の発生状態に応じて生じることが抑制された位相差推定値を算出することが可能となる。 As a result, the waveform shape of the phase difference estimated value change with respect to the phase difference changes according to the state of occurrence of magnetic saturation, and the entire offset of the waveform is suppressed from occurring according to the state of occurrence of magnetic saturation. It is possible to calculate the estimated phase difference.
その結果、モータの磁気飽和の発生状態によらずに、ロータ角度の推定をより一層精度よく、安定に行うことが可能となる。ひいては、モータの電機子に流す相電流を、目標とする出力トルクをモータに発生させる上で適切な電流に制御することを、モータの磁気飽和の発生状態の影響を受けることがなく行うことが可能となる。 As a result, the rotor angle can be estimated more accurately and stably regardless of the state of magnetic saturation of the motor. As a result, the phase current flowing through the armature of the motor is controlled to an appropriate current for generating the target output torque in the motor without being affected by the state of magnetic saturation of the motor. It becomes possible.
なお、本発明では、例えば次のような構成によって前記位相差基本参照値及びインダクタンス参照値を算出することが好適である。 In the present invention, it is preferable to calculate the phase difference basic reference value and the inductance reference value by the following configuration, for example.
すなわち、前記d軸電圧の基本値及びq軸電圧の基本値より規定される駆動電圧(以下、基本駆動電圧ということがある)に前記高周波重畳手段により重畳する前記高周波の周期信号を、n個(n:2以上の整数)の連続した制御サイクルを含む所定期間における該周期信号の電圧値の総和が“0”となるパターンにあらかじめ設定しておく。 That is, n high-frequency periodic signals to be superimposed by the high-frequency superimposing means on a drive voltage defined by the basic value of the d-axis voltage and the basic value of the q-axis voltage (hereinafter sometimes referred to as a basic drive voltage). A pattern is set in advance in which the sum of the voltage values of the periodic signals in a predetermined period including (n: an integer of 2 or more) continuous control cycles is “0”.
そして、前記dq基本電圧決定手段は、前記所定期間において前記基本駆動電圧を一定に保つようにd軸電圧の基本値とq軸電圧の基本値とを決定する。さらに、前記参照値算出手段は、前記所定期間内の各制御サイクルと次の制御サイクルとの間の期間における前記d軸電流の一階差分と前記q軸電流の一階差分とを前記相電流の検出値とロータ角度の推定値とに基づき観測し、その観測値を用いて所定の演算処理により前記位相差基本参照値とインダクタンス参照値とを算出する。 The dq basic voltage determining means determines a basic value of the d-axis voltage and a basic value of the q-axis voltage so as to keep the basic driving voltage constant during the predetermined period. Further, the reference value calculation means calculates the first-order difference of the d-axis current and the first-order difference of the q-axis current in the period between each control cycle and the next control cycle within the predetermined period as the phase current. The phase difference basic reference value and the inductance reference value are calculated by a predetermined calculation process using the observed value and the estimated value of the rotor angle.
この場合、前記d軸電流の一階差分の観測値と前記q軸電流の一階差分の観測値とから例えば、以下に示す式(1)の右辺の演算によって算出される左辺のL0の値を、前記インダクタンス参照値として使用することができる。 In this case, for example, the value of L0 on the left side calculated from the observation value of the first-order difference of the d-axis current and the observation value of the first-order difference of the q-axis current by the calculation of the right side of Equation (1) below. Can be used as the inductance reference value.
また、例えば、式(1)の右辺の演算によって算出されるVsdqの値(式(1)の左辺の縦ベクトルの第1成分の値)を、前記位相差基本参照値として使用することができる。あるいは、式(1)の右辺の演算によって左辺のVsdqの値とL0の値とを算出し、算出したVsdqの値をL0の値により除算(正規化)してなる値Vsdq/L0を前記位相差基本参照値として設定するようにしてもよい。あるいは、式(1)の右辺の演算によって左辺のVsdqの値とVcdqの値とを算出し、算出したVsdqの値を、このVsdqの値の2乗値とVcdqの値の2乗値との和の平方根(=√(Vsdq2+Vcdq2))により除算してなる値(=Vsdq/√(Vsdq2+Vcdq2))を前記位相差基本参照値として設定するようにしてもよい。 Further, for example, the value of Vsdq calculated by the calculation of the right side of Expression (1) (the value of the first component of the vertical vector of the left side of Expression (1)) can be used as the phase difference basic reference value. . Alternatively, the value of Vsdq on the left side and the value of L0 are calculated by the calculation of the right side of Equation (1), and the value Vsdq / L0 obtained by dividing (normalizing) the calculated value of Vsdq by the value of L0 is You may make it set as a phase difference basic reference value. Alternatively, the value of Vsdq and the value of Vcdq on the left side are calculated by the calculation of the right side of Equation (1), and the calculated value of Vsdq is calculated as the square value of the value of Vsdq and the square value of the value of Vcdq. A value (= Vsdq / √ (Vsdq 2 + Vcdq 2 )) obtained by dividing by the square root of the sum (= √ (Vsdq 2 + Vcdq 2 )) may be set as the phase difference basic reference value.
なお、式(1)におけるCdqは、次式(2),(3)により定義される行列、dIdq(i+j)(j=1,2,…,n)は、次式(4)により定義される縦ベクトルである。この場合、式(3)におけるVhd(i+j)(j=1,2,…,n)は、前記所定期間内のj番目の制御サイクルで前記周期信号がd軸電機子に印加するd軸電圧(前記周期信号の電圧をdq座標系で表現した場合におけるd軸電圧成分)、Vhq(i+j)(j=1,2,…,n)は、前記所定期間内のj番目の制御サイクルで前記周期信号がq軸電機子に印加するq軸電圧(前記周期信号の電圧をdq座標系で表現した場合におけるq軸電圧成分)である。また、式(4)におけるdId(i+j)(j=1,2,…、n)は、前記所定期間内のj番目の制御サイクルと次の制御サイクルとの間の期間におけるd軸電流の一階差分の観測値、dIq(i+j)(j=1,2,…、n)は、前記所定期間内のj番目の制御サイクルと次の制御サイクルとの間の期間におけるq軸電流の一階差分の観測値である。 Cdq in equation (1) is a matrix defined by the following equations (2) and (3), and dIdq (i + j) (j = 1, 2,..., N) is expressed by the following equation (4). A vertical vector defined. In this case, Vhd (i + j) (j = 1, 2,..., N) in the expression (3) is expressed as d when the periodic signal is applied to the d-axis armature in the jth control cycle within the predetermined period. The axis voltage (d-axis voltage component when the voltage of the periodic signal is expressed in the dq coordinate system), Vhq (i + j) (j = 1, 2,..., N) is the jth value within the predetermined period. The periodic signal is a q-axis voltage applied to the q-axis armature in a control cycle (a q-axis voltage component when the voltage of the periodic signal is expressed in the dq coordinate system). In addition, dId (i + j) (j = 1, 2,..., N) in Expression (4) is a d-axis current in a period between the j-th control cycle and the next control cycle within the predetermined period. , DIq (i + j) (j = 1, 2,..., N) is the q axis in the period between the jth control cycle and the next control cycle within the predetermined period. It is an observed value of the first-order difference of current.
また、d軸電流の一階差分dId(i+j)は、i+j番目の制御サイクルでのd軸電流Id(i+j)をその次の制御サイクルでのd軸電流Id(i+j+1)から減算した値(=Id(i+j+1)−Id(i+j))を1制御サイクルの期間の時間ΔTで除算してなる値として算出される。q軸電流の一階差分dIq(i+j)についても同様である。 Further, the first-order difference dId (i + j) of the d-axis current is obtained by replacing the d-axis current Id (i + j) in the i + j-th control cycle with the d-axis current Id (i + j +) in the next control cycle. It is calculated as a value obtained by dividing the value (= Id (i + j + 1) −Id (i + j)) subtracted from 1) by the time ΔT of one control cycle period. The same applies to the first-order difference dIq (i + j) of the q-axis current.
また、式(1)〜(4)において、iは、前記周期信号の所定期間が開始する制御サイクルの1つ前の制御サイクルの番数を意味している。 In the expressions (1) to (4), i means the number of the control cycle immediately before the control cycle in which the predetermined period of the periodic signal starts.
補足すると、位相差基本参照値としては、上記に例示したVsdq、Vsdq/L0、Vsdq/√(Vsdq2+Vcdq2)の他、例えば、それぞれの値に所定値(≠0)の比例定数を乗じた値を改めて位相差基本参照値として用いてもよい。インダクタンス参照値についても同様である。 Supplementally, as the phase difference basic reference value, in addition to Vsdq, Vsdq / L0, Vsdq / √ (Vsdq 2 + Vcdq 2 ) exemplified above, for example, each value is multiplied by a proportional constant of a predetermined value (≠ 0). This value may be used again as the phase difference basic reference value. The same applies to the inductance reference value.
ここで、詳細は後述するが、前記式(1)の右辺の演算によって算出されるL0は、モータのd軸電機子の平均インダクタンスをLd、q軸電機子の平均インダクタンスをLqとおいたとき、これらのLd,Lqに対して後述する式(7)に示す関係(L0=((1/Ld)+(1/Lq))/2という関係)を有する値である。従って、インダクタンス参照値として上記に例示したL0(又はL0に所定値の比例定数を乗じてなるインダクタンス参照値)は、モータの平均インダクタンスに依存する値としての意味を持つ。 Here, although details will be described later, L0 calculated by the calculation of the right side of the equation (1) is Ld as the average inductance of the d-axis armature of the motor and Lq as the average inductance of the q-axis armature. These Ld and Lq are values having a relationship (L0 = ((1 / Ld) + (1 / Lq)) / 2) shown in the following formula (7). Therefore, L0 exemplified above as an inductance reference value (or an inductance reference value obtained by multiplying L0 by a proportional constant of a predetermined value) has a meaning as a value depending on the average inductance of the motor.
また、前記d軸電流及びq軸電流の一階差分の観測値dId,dIqから前記式(1)の右辺の演算によって算出されるVsdqと、前記所定期間内におけるロータ角度の実際値と推定値との位相差θe(=実際値−推定値)との間には、原理的には(少なくともモータの磁気飽和が発生していない状態で)、Vsdq=L1・sin(2θe)という関係が成立する。また、式(1)の右辺の演算によって算出されるVcdqと、前記所定期間内における位相差θeとの間には、原理的には(少なくともモータの磁気飽和が発生していない状態で)、Vcdq=L1・cos(2θe)という関係が成立する。 Further, Vsdq calculated by the calculation of the right side of the equation (1) from the observed values dId and dIq of the first-order difference of the d-axis current and the q-axis current, and the actual value and the estimated value of the rotor angle within the predetermined period. In principle, a relationship of Vsdq = L1 · sin (2θe) is established between the phase difference θe (= actual value−estimated value) and the phase difference θe (= actual value−estimated value). To do. In principle, between Vcdq calculated by the calculation of the right side of the formula (1) and the phase difference θe within the predetermined period (at least in a state where magnetic saturation of the motor has not occurred), The relationship Vcdq = L1 · cos (2θe) is established.
なお、L1は、上記の平均インダクタンスLd,Lqに対して後述する式(7)に示される関係(L1=−((1/Ld)−(1/Lq))/2という関係)を有する値である。 Note that L1 is a value having the relationship (L1 = − ((1 / Ld) − (1 / Lq)) / 2) expressed by the equation (7) described later with respect to the average inductances Ld and Lq. It is.
従って、上記に例示した位相差基本参照値Vsdq、Vsdq/L0、Vsdq/√(Vsdq2+Vcdq2)(又はこれらの値に所定値の比例定数を乗じてなる位相差基本参照値)は、原理的には位相差θeの2倍角の正弦関数値(sin2θe)に応じた値(sin2θeに比例する値)としての意味を持つものである。但し、これらの位相差基本参照値は、モータの磁気飽和が発生している状態では、一般に位相差θeの2倍角に対する変化の波形が正弦波状の波形から崩れた波形になる。 Therefore, the phase difference basic reference values Vsdq, Vsdq / L0, Vsdq / √ (Vsdq 2 + Vcdq 2 ) (or the phase difference basic reference values obtained by multiplying these values by a predetermined proportional constant) are Specifically, it has a meaning as a value (a value proportional to sin2θe) corresponding to a sine function value (sin2θe) of a double angle of the phase difference θe. However, these phase difference basic reference values generally have a waveform in which the waveform of the change with respect to the double angle of the phase difference θe collapses from a sinusoidal waveform when the magnetic saturation of the motor occurs.
そして、上記に例示した位相差基本参照値とインダクタンス参照値とを、適当な重み係数(位相差基本参照値とインダクタンス参照値とにそれぞれ掛かる重み係数)を用いて線形結合することによって、モータの磁気飽和の発生状態によらずに、位相差θeに対する変化の波形が一定の波形に保たれるような位相差推定値を算出することができる。 Then, the phase difference basic reference value and the inductance reference value exemplified above are linearly combined using appropriate weighting factors (weighting factors respectively applied to the phase difference basic reference value and the inductance reference value), so that the motor Regardless of the state of occurrence of magnetic saturation, it is possible to calculate a phase difference estimated value such that the waveform of the change with respect to the phase difference θe is kept constant.
本発明の第1実施形態を以下に図1〜図9を参照して説明する。 A first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
図1において、1はDCブラシレスモータ、10はDCブラシレスモータ1(以下、単にモータ1という)の運転を制御する制御装置である。 In FIG. 1, 1 is a DC brushless motor, and 10 is a control device that controls the operation of a DC brushless motor 1 (hereinafter simply referred to as a motor 1).
DCブラシレスモータ1(以下、単にモータ1という)は、詳細な図示は省略するが、そのロータに複数の永久磁石が埋め込まれたIPM(Interior Permanent Magnet)型の同期モータである。そのロータは突極性を有する。また、モータ1のロータの周囲に配置されたステータ(図示しない)には、複数相の電機子、例えばU相、V相、W相の3相の電機子2u,2v,2wが装着されている。なお、以降の説明では、各相の電機子2u,2v,2wを区別する必要がないときは、単に電機子2という。
Although not shown in detail, the DC brushless motor 1 (hereinafter simply referred to as the motor 1) is an IPM (Interior Permanent Magnet) type synchronous motor in which a plurality of permanent magnets are embedded in the rotor. The rotor has saliency. A stator (not shown) arranged around the rotor of the
制御装置10は、CPU、RAM、ROM等から構成される演算処理部11と、3相のうちの任意の2つの相の電機子、例えばU相電機子2u及びW相電機子2wのそれぞれの通電電流(相電流)を検出する電流センサ12u,12wと、複数のスイッチ素子(図示省略)を有するインバータ回路により構成されたパワー・ドライブ・ユニット13(以下、PDU13という)とから構成される。
The
本実施形態では、上記電流センサ12u,12wにより本発明における電流検出手段が実現される。
In the present embodiment, the current detection means in the present invention is realized by the
なお、U相、V相、W相のそれぞれの電機子2u,2v,2wの相電流の総和は“0”になる。従って、3相のうちの任意の2つの相の電機子2の相電流を検出すれば、それらの相電流検出値から、残りの1相の相電流も特定できることとなる。このため、本実施形態では、2つの電流センサ12u,12wを備えている。ただし、3相のそれぞれの相電流を各別の電流センサで検出するようにしてもよい。
The sum of the phase currents of the
PDU13は、モータ1の電源としての図示しない直流電源に接続されていると共に各相の電機子2に接続されている。さらに、PDU13には、その動作を規定する制御指令として、演算処理部11で後述するように逐次算出される相電圧指令値Vu_c,Vv_c,Vw_cが入力される。この相電圧指令値Vu_c,Vv_c,Vw_cはそれぞれ、U相電機子2u、V相電機子2v、W相電機子2wに印加すべき駆動電圧(相電圧)の指令値である。そして、PDU13は、入力された相電圧指令値Vu_c,Vv_c,Vw_cに応じて、PWM方式でインバータ回路のスイッチ素子のON・OFF動作を行う。これにより、PDU13は、相電圧指令値Vu_c,Vv_c,Vw_cの駆動電圧を上記直流電源から各相の電機子2に印加し、各相の電機子2の通電を行う。
The
演算処理部11には、電流センサ12uの出力が示すU相の相電流検出値Iu_sと、電流センサ12wの出力が示すW相の相電流検出値Iw_sとが入力される。
The arithmetic processing unit 11 receives the U-phase phase current detection value Iu_s indicated by the output of the
この演算処理部11は、その機能を概略的に説明すると、各相の電機子2の相電流を目標とする電流にフィードバック制御する機能を有する。この場合、本実施形態では、演算処理部11は、上記フィードバック制御の演算処理を行うために、例えばモータ1のロータの界磁極(永久磁石による界磁極)の磁束方向をq軸方向、このq軸方向と直交する方向をd軸方向とする回転座標系(ロータの電気角速度で回転する座標系)であるdq座標系を用いる。そして、演算処理部11は、モータ1を、q軸上の電機子(q軸電機子)と、d軸上の電機子(d軸電機子)とを備える等価回路に変換して取り扱う。すなわち、演算処理部11は、モータ1の電機子2全体の電流及び電圧をdq座標系上でのベクトル量(d軸方向成分とq軸方向成分とからなるベクトル量)として表現する、所謂dqベクトル制御の演算処理によって、モータ1の各相の電機子2の相電流をフィードバック制御する。
The arithmetic processing unit 11 has a function of feedback control to a target current with respect to the phase current of the
なお、本実施形態では、モータ1のロータの界磁極の磁束方向をq軸方向と定義したが、該磁束方向をd軸方向と定義するようにしてもよい。
In the present embodiment, the magnetic flux direction of the field pole of the rotor of the
以降の説明では、dq座標系におけるd軸電機子の通電電流としてのd軸電流と、q軸電機子の通電電流としてのq軸電流とをそれぞれ参照符号Id、Iqを付して表記する。また、d軸電機子の電圧としてのd軸電圧と、q軸電機子の電圧としてのq軸電圧とをそれぞれ参照符号Vd、Vqを付して表記する。また、d軸電流Idとq軸電流Iqとから構成されるベクトル(Id,Iq)t(添え字tは転置を意味する)をdq電流ベクトルIdq、d軸電圧Vdとq軸電圧Vqとから構成されるベクトル(Vd,Vq)tをdq電圧ベクトルVdqということがある。 In the following description, the d-axis current as the energization current of the d-axis armature and the q-axis current as the energization current of the q-axis armature in the dq coordinate system are denoted by reference numerals Id and Iq, respectively. Further, a d-axis voltage as a voltage of the d-axis armature and a q-axis voltage as a voltage of the q-axis armature are denoted by reference signs Vd and Vq, respectively. Further, a vector (Id, Iq) t (subscript t means transposition) composed of the d-axis current Id and the q-axis current Iq is obtained from the dq current vector Idq, the d-axis voltage Vd, and the q-axis voltage Vq. The constructed vector (Vd, Vq) t may be referred to as a dq voltage vector Vdq.
また、演算処理部11は、所謂センサレスで(レゾルバ等のロータ角度検出用のセンサを使用せずに)、モータ1のロータの磁極位置を示すロータ角度(ロータの電気角での回転角度位置)を推定する機能を有する。この機能は、ロータ角度を推定するために、各相の相電流を目標とする電流に収束させるために各相の電機子2に印加すべき駆動電圧(フィードバック制御用の駆動電圧)としての基本駆動電圧に、高周波の周期信号(電圧信号)を重畳してなる高周波重畳駆動電圧を各相の電機子2に印加する機能を包含する。そして、演算処理部11は、算出したロータ角度の推定値θ^を、ベクトル制御の演算処理において、モータ1の相電流又は相電圧と、dq座標系での電流又は電圧との間の変換処理に用いる。
The arithmetic processing unit 11 is so-called sensorless (without using a sensor for detecting the rotor angle such as a resolver), and the rotor angle indicating the magnetic pole position of the rotor of the motor 1 (rotational angle position at the electrical angle of the rotor). It has the function to estimate. This function is basically used as a drive voltage (drive voltage for feedback control) to be applied to the
これらの機能は、演算処理部11が所定の制御サイクルで逐次実行する処理によって実現される。以下に、この演算処理部11の処理の詳細を説明する。 These functions are realized by processing that the arithmetic processing unit 11 sequentially executes in a predetermined control cycle. Details of the processing of the arithmetic processing unit 11 will be described below.
演算処理部11は、入力される相電流検出値Iu_s,Iw_sからd軸電流Idの検出値としてのd軸電流検出値Id_sと、q軸電流Iqの検出値としてのq軸電流検出値Iq_sとの組(換言すれば、dq電流ベクトルIdqの検出値)を算出する3相−dq変換部21を備える。 The arithmetic processing unit 11 calculates the d-axis current detection value Id_s as the detection value of the d-axis current Id from the input phase current detection values Iu_s and Iw_s, and the q-axis current detection value Iq_s as the detection value of the q-axis current Iq. 3 (in other words, the detected value of the dq current vector Idq) is provided.
この3相−dq変換部21は、相電流検出値Iu_s,Iw_sを成分とするベクトル(Iu_s,Iw_s)t、あるいは、相電流検出値Iu_s,Iw_sとV相の相電流検出値Iv_s(但し、Iv_s=−(Iu_s+Iw_s))を成分とするベクトル(Iu_s,Iv_s,Iw_s)tに、所定の変換行列を乗じることによって、dq電流ベクトルIdqの検出値(Id_s,Iq_s)tを算出する。該変換行列は、周知の如く、その各行及び各列の成分値が、ロータ角度に応じて決定される変換行列である。この場合、3相−dq変換部21は、該変換行列の各成分値を決定するためのロータ角度の値として、後述するロータ角度推定部30で算出されたロータ角度の推定値θ^を用いる。
The three-phase-dq
また、演算処理部11は、d軸電流Idの目標値であるd軸電流指令値Id_cとq軸電流Iqの目標値であるq軸電流指令値Iq_cとの組(換言すれば、dq電流ベクトルIdqの指令値)を逐次決定する電流指令値決定部22と、d軸電流指令値Id_cとd軸電流検出値Id_sとの偏差であるd軸電流偏差ΔId(=Id_c_−Id_s)を算出するd軸電流偏差算出部23と、q軸電流指令値Iq_cとq軸電流検出値Iq_sとの偏差であるq軸電流偏差ΔIq(=Iq_c_−Iq_s)を算出するq軸電流偏差算出部24と、d軸電流偏差ΔId及びq軸電流偏差ΔIqを“0”に収束させるために要求されるdq電圧ベクトルVdqの目標値としてのd軸電圧FB指令値Vfbd及びq軸電圧FB指令値Vfbqの組をフィードバック制御則を用いて算出する電流FB制御部25と、モータ1の各相の電機子2に実際に印加すべき駆動電圧の組を規定するdq電圧ベクトルVdqの目標値としてのd軸電圧指令値Vd_c及びq軸電圧指令値Vq_cの組を、前記相電圧指令値Vu_c,Vv_c,Vw_cの組に変換するdq−3相変換部26とを備える。
Further, the arithmetic processing unit 11 sets a set of a d-axis current command value Id_c that is a target value of the d-axis current Id and a q-axis current command value Iq_c that is a target value of the q-axis current Iq (in other words, a dq current vector). Current command
この場合、本実施形態では、演算処理部11の電流指令値決定部22には、モータ1の出力トルクの目標値であるトルク指令値Tr_cが外部から逐次入力されるようになっている。そして、前記電流指令値決定部22は、入力されたトルク指令値Tr_cから、あらかじめ設定されたデータテーブル(Tr_cとIq_cとの間の関係、及びTr_cとId_cとの間の関係をそれぞれ規定するデータテーブル)に基づいてdq電流ベクトルIdqの指令値(Id_c,Iq_c)tを決定する。該データテーブルは、それにより決定されるdq電流ベクトルIdqの指令値(Id_c,Iq_c)tが、トルク指令値Tr_cの出力トルクを効率よくモータ1に発生させる上で適切な指令値となるように設定されている。この場合、本実施形態では、例えば、モータ1の突極性に起因するリラクタンストルクを効率よく発生させ、モータ1の電機子2に流す電流をできるだけ少なくしつつ、トルク指令値Tr_cの出力トルクをモータ1に発生させることができるように、dq電流ベクトルIdqの指令値(Id_c,Iq_c)tが決定される。
In this case, in this embodiment, the torque command value Tr_c, which is the target value of the output torque of the
また、電流FB制御部25は、前記d軸電流偏差ΔId及びq軸電流偏差ΔIqから、例えばフィードバック制御則としてのPI則(比例・積分則)を用いて、d軸電圧FB指令値Vfbd及びq軸電圧FB指令値Vfbqをそれぞれ算出する。具体的には、電流FB制御部25は、d軸電流偏差ΔIdに所定値の比例ゲインを乗じてなる比例項と、ΔIdの積分値(制御サイクル毎の累積加算値)に所定値の積分ゲインを乗じてなる積分項とを加え合わせることによってΔIdを“0”に収束させるためのフィードバック操作量(d軸電圧FB指令値Vfbdの基本値)を算出する。同様に、電流FB制御部25は、q軸電流偏差ΔIqに所定値の比例ゲインを乗じてなる比例項と、ΔIqの積分値(制御サイクル毎の累積加算値)に所定値の積分ゲインを乗じてなる積分項とを加え合わせることによって、ΔIqを“0”に収束させるためのフィードバック操作量(q軸電圧FB指令値Vfbqの基本値)を算出する。
Further, the current
なお、上記フィードバック制御則としては、PI則に限らず、比例則等の他のフィードバック制御則を用いてもよい。 The feedback control law is not limited to the PI law, and other feedback control law such as a proportional law may be used.
そして、電流FB制御部25は、d軸とq軸との間で干渉し合う速度起電力の影響(q軸電流及びd軸電流に対する影響)を打ち消すための非干渉化処理によって、Vfbdの基本値とVfbqの基本値とを補正することによって、d軸電圧FB指令値Vfbd及びq軸電圧FB指令値Vfbqを決定する。
Then, the current
この非干渉化処理においては、上記速度起電力の影響を打ち消すためのd軸側の電圧指令値の補正量であるd軸電圧補正量Vdxを、前記q軸電流検出値Iq_sと、後述するロータ角度推定部30でロータ角度の推定値θ^と併せて算出されるモータ1のロータの電気角速度の推定値ω^とから所定の演算式又はマップに基づいて算出する。同様に、q軸側の電圧指令値の補正量であるq軸電圧補正量Vqxを、前記d軸電流検出値Id_sと、モータ1のロータの電気角速度の推定値ω^とから所定の演算式又はマップに基づいて算出する。そして、Vfbdの前記基本値に上記d軸電圧補正量Vdxを加えてなる値をd軸電圧FB指令値Vfbdとして算出する。また、Vfbqの前記基本値に、上記q軸電圧補正量Vqxを加えてなる値をq軸電圧FB指令値Vfbqとして算出する。
In this non-interacting process, the d-axis voltage correction amount Vdx, which is the correction amount of the d-axis side voltage command value for canceling the influence of the speed electromotive force, is used as the q-axis current detection value Iq_s and the rotor described later. The
なお、d軸とq軸との間で干渉し合う速度起電力の影響が十分に小さいものとなる状況では、上記非干渉化処理を省略し、Vfbdの前記基本値とVfbqの前記基本値とをそれぞれ、そのまま、d軸電圧FB指令値Vfbd、q軸電圧FB指令値Vfbqとして決定するようにしてもよい。 In a situation where the influence of the speed electromotive force that interferes between the d-axis and the q-axis is sufficiently small, the decoupling processing is omitted, and the basic value of Vfbd and the basic value of Vfbq are May be determined as the d-axis voltage FB command value Vfbd and the q-axis voltage FB command value Vfbq, respectively.
以降の説明では、d軸電圧FB指令値Vfbd及びq軸電圧FB指令値Vfbqの組から成るdq電圧ベクトル(Vfbd,Vfbq)tをdq電圧FB指令ベクトルVfbdqということがある。 In the following description, a dq voltage vector (Vfbd, Vfbq) t composed of a set of the d-axis voltage FB command value Vfbd and the q-axis voltage FB command value Vfbq may be referred to as a dq voltage FB command vector Vfbdq.
なお、本実施形態では、前記3相−dq変換部21、d軸電流偏差算出部23、q軸電流偏差算出部24、及び電流FB制御部25により本発明におけるdq基本電圧決定手段が実現される。この場合、dq電流ベクトルIdqの指令値(Id_c,Iq_c)tに対応する3相の相電流が目標とする電流に相当する。また、d軸電圧FB指令値Vfbdと、q軸電圧FB指令値Vfbqとがそれぞれ、d軸電圧の基本値、q軸電圧の基本値に相当する。
In the present embodiment, the three-phase-
前記dq−3相変換部26は、入力されるd軸電圧指令値Vd_c及びq軸電圧指令値Vq_cの組から成るdq電圧ベクトルVdqの指令値(Vd_c,Vq_c)tに、所定の変換行列を乗じることによって、相電圧指令値Vu_c,Vv_c,Vw_cの組から成るベクトル(Vu_c,Vv_c,Vw_c)tを算出する。該変換行列は、前記3相−dq変換部21の変換処理で用いる変換行列と同様に、その各行及び各列の成分値が、ロータ角度に応じて決定される変換行列(3相−dq変換部21での変換処理と逆の変換処理を行う変換行列)である。この場合、dq−3相変換部26は、その処理での変換行列の各成分値を決定するためのロータ角度の値として、後述するロータ角度推定部30で算出されたロータ角度の推定値θ^を用いる。
The dq-3
ここで、前記d軸電流偏差ΔId及びq軸電流偏差ΔIqを“0”に収束させるように、モータ1の各相の電機子2の相電流をフィードバック制御する上では、電流FB制御部25で上記の如く算出したd軸電圧FB指令値Vfbd及びq軸電圧FB指令値Vfbqの組からなるdq電圧FB指令ベクトルVfbdqを、dq電圧ベクトルVdqの指令値としてdq−3相変換部26に入力することによって相電圧指令値Vu_c,Vv_c,Vw_cの組に変換し、そのVu_c,Vv_c,Vw_cを前記PDU13に入力すればよい。このとき、dq電圧FB指令ベクトルVfbdqを変換してなる相電圧指令値Vu_c,Vv_c,Vw_cの駆動電圧が、各相の電機子2に印加される。これにより、モータ1の各相の電機子2に流れる相電流が、目標とする相電流(d軸電流指令値Id_cとq軸電流指令値Iq_cとの組により規定される相電流)にフィードバック制御されることとなる。
Here, in the feedback control of the phase current of the
一方、本実施形態におけるロータ角度の推定手法は、モータ1のロータのインダクタンスがロータ角度に応じて変化することを利用してロータ角度を推定することで、ロータの回転速度が“0”もしくはそれに近い低速である場合でも、ロータ角度の推定を行い得るようにしたものである。このために、演算処理部11は、各相の電機子2に印加する駆動電圧に、高周波の周期信号(電圧信号)を付加的に重畳する。
On the other hand, the rotor angle estimation method in the present embodiment estimates the rotor angle using the fact that the inductance of the rotor of the
この場合、本実施形態では、dq座標系上で(dq−3相変換部26の変換処理の前段で)、前記d軸電圧FB指令値Vfbd及びq軸電圧FB指令値Vfbqの組に、高周波の周期信号を重畳する。 In this case, in this embodiment, on the dq coordinate system (before the conversion process of the dq-3 phase conversion unit 26), a set of the d-axis voltage FB command value Vfbd and the q-axis voltage FB command value Vfbq has a high frequency. The periodic signal is superimposed.
そこで、演算処理部11は、電機子2の駆動電圧に重畳する上記周期信号の電圧をdq座標系上のベクトル量として表現した場合における該ベクトル量(dq座標系で見た周期信号の電圧ベクトル)のd軸方向成分Vhd(以下、d軸側重畳電圧Vhdという)とq軸方向成分Vhq(以下、q軸側重畳電圧Vhqという)との組を出力する周期信号発生部27と、d軸側重畳電圧Vhdを前記d軸電圧FB指令値Vfbdに加算(重畳)してなる値を、dq−3相変換部26に入力する前記d軸電圧指令値Vd_cとして算出するd軸側重畳部28と、q軸側重畳電圧Vhqを前記q軸電圧FB指令値Vfbqに加算(重畳)してなる値を、dq−3相変換部26に入力する前記q軸電圧指令値Vq_cとして算出するq軸側重畳部29とを備える。
Therefore, the arithmetic processing unit 11 represents the vector amount (the voltage vector of the periodic signal viewed in the dq coordinate system) when the voltage of the periodic signal superimposed on the driving voltage of the
以降の説明では、上記周期信号をdq座標系上で表現するdq電圧ベクトル(Vhd,Vhq)tをdq重畳電圧ベクトルVhdqということがある。 In the following description, the dq voltage vector (Vhd, Vhq) t expressing the periodic signal on the dq coordinate system may be referred to as a dq superimposed voltage vector Vhdq.
なお、本実施形態では、上記周期信号発生部27、d軸側重畳部28及びq軸側重畳部29により本発明における高周波重畳手段が実現される。
In the present embodiment, the
前記周期信号発生部27が出力する前記周期信号は、本実施形態では、n個(n≧2)の連続する制御サイクルを1周期とし、その1周期の期間内のdq重畳電圧ベクトルVhdq(各制御サイクル毎のdq重畳電圧ベクトルVhdq)の時系列が次式(5)を満たす周期信号である。従って、該周期信号は、その1周期の期間での各制御サイクルのdq重畳電圧ベクトルVhdqの総和が“0”になる(該1周期内で周期信号の電圧の平均値が“0”になる)ように設定された周期信号である。
In the present embodiment, the periodic signal output from the periodic
なお、Vhd(j),Vhq(j)(j=1,2,…,n)は、周期信号の1周期内でのj番目の制御サイクルにおけるVhd,Vhqの値である。 Vhd (j) and Vhq (j) (j = 1, 2,..., N) are values of Vhd and Vhq in the jth control cycle within one period of the periodic signal.
本実施形態では、周期信号発生部27が出力する周期信号は、例えば、図2(a)に示すようなパターン(時系列パターン)で設定された周期信号である。この例では、周期信号は、そのdq重畳電圧ベクトルVhdqが、3制御サイクルを1周期とし(n=3とする)、且つ、その1周期の各制御サイクル(時刻T11、T12、T13の制御サイクル)におけるVhdの総和とVhqの総和とが“0”になるようなパターンで設定された周期信号である。なお、図2(a)の丸付き数字を付した各矢印が、周期信号の1周期の各制御サイクル(時刻T11、T12、T13の制御サイクル)におけるdq重畳電圧ベクトルVhdqを示している。また、丸付き数字は、周期信号の1周期の各制御サイクルにおける重畳電圧ベクトルVhdqの発生順番を示している。
In the present embodiment, the periodic signal output by the
補足すると、周期信号のパターンは、図2(a)に示したパターンに限られるものではない。例えば図2(b)に示すように周期信号のパターンを設定してもよい。この例では、周期信号は、4制御サイクルを1周期とし、且つ、その1周期内の連続した2制御サイクル毎のdq重畳電圧ベクトルVhdqの総和(時刻T21,T22の2つの制御サイクルにおけるVhd,Vhqのそれぞれの値の総和と、時刻T23,T24の2つの制御サイクルにおけるVhd,Vhqのそれぞれの値の総和)が“0”となるようなパターンで設定される。なお、図2(b)の丸付き数字を付した各矢印および該丸付き数字の意味は、図2(a)の場合と同様である。 Supplementally, the pattern of the periodic signal is not limited to the pattern shown in FIG. For example, a periodic signal pattern may be set as shown in FIG. In this example, the periodic signal has four control cycles as one period, and the sum of the dq superimposed voltage vectors Vhdq for every two consecutive control cycles in the one period (Vhd in two control cycles at times T21 and T22, The sum of the respective values of Vhq and the sum of the respective values of Vhd and Vhq in the two control cycles at times T23 and T24) are set in a pattern that is “0”. In addition, each arrow which attached | subjected the circled number of FIG.2 (b), and the meaning of this circled number are the same as that of the case of Fig.2 (a).
本実施形態では、図2(a)に示したようなパターンを有する周期信号のdq重畳電圧ベクトルVhdqの時系列が、周期信号発生部27から周期的に出力される。そして、該dq重畳電圧ベクトルVhdqのd軸側重畳電圧Vhdを、d軸側重畳部28でd軸電圧FB指令値Vfbdに加算することによってd軸電圧指令値Vd_cが決定される。また、該周期信号のdq重畳電圧ベクトルVhdqのq軸側重畳電圧Vhqを、q軸側重畳部29でq軸電圧FB指令値Vfbqに加算することによってq軸電圧指令値Vq_cが決定される。
In this embodiment, a time series of the dq superimposed voltage vector Vhdq of the periodic signal having a pattern as shown in FIG. 2A is periodically output from the
従って、モータ1の電機子2の相電流を目標とする電流に収束させるために各相の電機子2に印加すべき駆動電圧をdq座標系で表現してなるdq電圧ベクトルVdqとしての前記dq電圧FB指令ベクトルVfbdqにdq重畳電圧ベクトルVhdqが重畳されることとなる。これにより、電機子2に実際に印加する駆動電圧を規定するd軸電圧指令値Vd_c及びq軸電圧指令値Vq_cの組(dq電圧ベクトルVdqの指令値)が決定される。
Therefore, in order to converge the phase current of the
なお、演算処理部11は、上記のようにdq電圧FB指令ベクトルVfbdqにdq重畳電圧ベクトルVhdqを重畳するとき、周期信号の各周期の期間において、dq重畳電圧ベクトルVhdqを重畳するdq電圧FB指令ベクトルVfbdqのd軸電圧FB指令値Vfbd及びq軸電圧FB指令値Vfbqを一定値に保持する。換言すれば、周期信号の各周期毎に(本実施形態では3制御サイクル毎に)、dq電圧FB指令ベクトルVfbdqのd軸電圧FB指令値Vfbd及びq軸電圧FB指令値Vfbqを更新する。 Note that, when the dq superimposed voltage vector Vhdq is superimposed on the dq voltage FB command vector Vfbdq as described above, the arithmetic processing unit 11 superimposes the dq voltage FB command on which the dq superimposed voltage vector Vhdq is superimposed in each period of the periodic signal. The d-axis voltage FB command value Vfbd and the q-axis voltage FB command value Vfbq of the vector Vfbdq are held at a constant value. In other words, the d-axis voltage FB command value Vfbd and the q-axis voltage FB command value Vfbq of the dq voltage FB command vector Vfbdq are updated for each cycle of the periodic signal (every three control cycles in this embodiment).
そして、演算処理部11は、上記の如く決定されたq軸電圧指令値Vq_c及びd軸電圧指令値Vd_cの組を、dq−3相変換部26により、3相の相電圧指令値Vu_c,Vv_c,Vw_cの組に変換して、PDU13に出力する。このとき、dq電圧FB指令ベクトルVfbdqにdq重畳電圧ベクトルVhdqを加え合わせたdq電圧ベクトルVdqの指令値により規定される相電圧指令値Vu_c,Vv_c,Vw_cの駆動電圧がモータ1の各相の電機子2に印加される。この場合、モータ1の各相の電機子2に印加される駆動電圧は、dq電圧FB指令ベクトルVfbdqに対応する駆動電圧(Vfbdqをdq−3相変換部26で変換してなる駆動電圧)を中心として、前記周期信号と同じ周期で微小変動するような電圧になる。
Then, the arithmetic processing unit 11 uses the dq-3
補足すると、周期信号をdq座標系で表現してなるdq重畳電圧ベクトルVhdqをdq電圧FB指令ベクトルVfbdqに重畳するということは、dq電圧FB指令ベクトルVfbdqをdq−3相変換部26により変換してなる各相の相電圧指令値に、dq重畳電圧ベクトルVhdqをdq−3相変換部26により変換してなる各相の周期信号(この周期信号もその1周期における電圧値の総和が“0”になる)を重畳することと等価である。従って、周期信号の重畳は、dq−3相変換部26の入力側で行う代わりに、出力側で行うようにしてもよい。
Supplementally, superimposing the dq superimposed voltage vector Vhdq representing the periodic signal in the dq coordinate system on the dq voltage FB command vector Vfbdq means that the dq voltage FB command vector Vfbdq is converted by the dq-3
演算処理部11は、さらに、上記のように周期信号のdq重畳電圧ベクトルVhdqをdq電圧FB指令ベクトルVfbdqに重畳した状態で、前記3相−dq変換部21及びdq−3相変換部26の変換処理に使用するロータ角度の推定値θ^を算出するロータ角度推定部30を備える。
Further, the arithmetic processing unit 11 further superimposes the dq superimposed voltage vector Vhdq of the periodic signal on the dq voltage FB command vector Vfbdq as described above, with the three-phase-
ここで、このロータ角度推定部30によるロータ角度の推定処理の概要を以下に説明する。
Here, an outline of the rotor angle estimation processing by the rotor
ロータ角度の推定値θ^を用いて各軸方向を特定したdq座標系(以下、推定dq座標系という)における電流と電圧との間の関係を表現するモデルは、ロータの電気角速度が“0”もしくはそれに近い値であり、且つ、d軸電機子及びq軸電機子の抵抗による電圧降下が十分に小さなレベルである場合に、以下の式(6)により表される。 A model that expresses the relationship between current and voltage in a dq coordinate system (hereinafter referred to as an estimated dq coordinate system) in which each axial direction is specified using the estimated value θ ^ of the rotor angle, the electrical angular velocity of the rotor is “0”. "Or a value close thereto, and when the voltage drop due to the resistance of the d-axis armature and the q-axis armature is at a sufficiently small level, it is expressed by the following equation (6).
この式(6)におけるId^は推定dq座標系でのd軸電流、Iq^は推定座標系でのq軸電流、Vd^は推定dq座標系でのd軸電圧、Vq^は推定dq座標系でのq軸電圧、θeはロータ角度の実際値θと推定値θ^との位相差(=θ−θ^)である。 In this equation (6), Id ^ is the d-axis current in the estimated dq coordinate system, Iq ^ is the q-axis current in the estimated coordinate system, Vd ^ is the d-axis voltage in the estimated dq coordinate system, and Vq ^ is the estimated dq coordinate. The q-axis voltage, θe, in the system is the phase difference (= θ−θ ^) between the actual value θ of the rotor angle and the estimated value θ ^.
また、式(6)におけるL0,L1は、実際のd軸上のd軸電機子の平均インダクタンスLdと、実際のq軸上のq軸電機子の平均インダクタンスLqとに対して次式(7)の関係を有するものとして定義された変数である。 Further, L0 and L1 in the equation (6) are expressed by the following equation (7) with respect to the average inductance Ld of the d-axis armature on the actual d-axis and the average inductance Lq of the q-axis armature on the actual q-axis. ) Is a variable defined as having a relationship.
上記式(6)を離散時間系で表現し、且つ、各制御サイクルにおけるdq電圧ベクトル(Vd^,Vq^)tとして、前記dq重畳電圧ベクトルVhdqを前記dq電圧FB指令ベクトルVfbdqに重畳してなるdq電圧ベクトル(=Vfbdq+Vhdq)を用いることによって、次式(8)が得られる。 The above equation (6) is expressed in a discrete time system, and the dq superimposed voltage vector Vhdq is superimposed on the dq voltage FB command vector Vfbdq as a dq voltage vector (Vd ^, Vq ^) t in each control cycle. The following equation (8) is obtained by using the following dq voltage vector (= Vfbdq + Vhdq).
なお、この式(8)におけるMdqは、式(9)に示す如く前記式(6)の右辺の行列と同じ行列である。また、dId(i),dIq(i)は、それぞれ、式(10)に示す如く、i番目の制御サイクルと次の制御サイクルとの間のd軸電流の一階差分、q軸電流の一階差分である。また、Vfbdq(i)はi番目の制御サイクルにおけるdq電圧FB指令ベクトルVfbdq、Vhdq(i)はi番目の制御サイクルにおけるdq重畳電圧ベクトルVhdqである。なお、式(10)におけるΔTは、1制御サイクルの期間の時間である。 Note that Mdq in equation (8) is the same matrix as the matrix on the right side of equation (6) as shown in equation (9). Further, dId (i) and dIq (i) are respectively the first-order difference of the d-axis current between the i-th control cycle and the next control cycle, and the q-axis current as shown in the equation (10). It is a floor difference. Vfbdq (i) is a dq voltage FB command vector Vfbdq in the i-th control cycle, and Vhdq (i) is a dq superimposed voltage vector Vhdq in the i-th control cycle. Note that ΔT in Equation (10) is the time of one control cycle.
そして、前記式(2),(3)により定義した行列と、上記式(8)(より詳しくは、i+1番目からi+n番目まで各制御サイクルでのn個の式(8))とから次式(12)が得られる。 Then, from the matrix defined by the equations (2) and (3) and the above equation (8) (more specifically, n equations (8) in each control cycle from i + 1 to i + n) (12) is obtained.
ここで、i+1番目から第i+n番目までのn個の制御サイクルを含む期間におけるdq電圧FB指令ベクトルVfbdqのd軸電圧FB指令値Vfbd及びq軸電圧FB指令値Vfbqが一定値に保たれ(Vfbdq(i+1)=Vfbdq(i+2)=…=Vfbdq(i+n)となる)、また、この期間における周期信号のdq重畳電圧ベクトルVhdqが前記式(5)を満たすように設定されている場合には、上式(12)の右辺の第1項は“0”となる。従って、次式(13)が得られる。 Here, the d-axis voltage FB command value Vfbd and the q-axis voltage FB command value Vfbq of the dq voltage FB command vector Vfbdq in a period including n control cycles from the (i + 1) th to the (i + n) th control cycle are kept constant (Vfbdq (i + 1) = Vfbdq (i + 2) =... = Vfbdq (i + n)), and the dq superimposed voltage vector Vhdq of the periodic signal in this period is set to satisfy the above equation (5). The first term on the right side of the above equation (12) is “0”. Therefore, the following equation (13) is obtained.
この式(13)の左辺は、前記式(1)の右辺と同じである。この場合、上式(13)と、前記式(1)とを比較して明らかなように、前記式(1)の左辺のVsdqは、ロータ角度の推定値θ^の誤差としての前記位相差θeの2倍角の正弦関数値sin2θeに応じて(比例して)変化する値としての意味を持つ。また、前記式(1)の左辺のVcdqは、該位相差θeの2倍角の余弦関数値cos2θeに応じて(比例して)変化する値としての意味を持つ。さらに、前記式(1)の左辺のL0は、前記したようにd軸電機子及びq軸電機子の平均インダクタンスLd,Lqに応じて変化する値としての意味を持つ。なお、以降、Vsdqを正弦参照値、Vcdqを余弦参照値ということがある。 The left side of the formula (13) is the same as the right side of the formula (1). In this case, as apparent from comparison between the above equation (13) and the above equation (1), Vsdq on the left side of the above equation (1) is the phase difference as an error of the estimated value θ ^ of the rotor angle. It has a meaning as a value that changes (in proportion) according to a sinusoidal function value sin2θe of a double angle of θe. Further, Vcdq on the left side of the equation (1) has a meaning as a value that changes (in proportion) according to a cosine function value cos2θe of a double angle of the phase difference θe. Further, L0 on the left side of the equation (1) has a meaning as a value that changes according to the average inductances Ld and Lq of the d-axis armature and the q-axis armature as described above. Hereinafter, Vsdq may be referred to as a sine reference value and Vcdq may be referred to as a cosine reference value.
そこで、ロータ角度推定部30は、連続したn個(本実施形態では3個)の制御サイクルを含む期間におけるdq電圧FB指令ベクトルVfbdqのd軸電圧FB指令値Vfbd及びq軸電圧FB指令値Vfbqを一定値に保つようにしつつ、前記式(5)を満たすような周期信号のdq重畳電圧ベクトルVhdqをdq電圧FB指令ベクトルVfbdqに重畳した状態で、上記期間内の各制御サイクルとその次の制御サイクルとの間のd軸電流Id及びq軸電流Iqの一階差分を観測する。そして、ロータ角度推定部30は、これらの一階差分の観測値から、式(13)の左辺の演算、すなわち、前記式(1)の右辺の演算を行うことによって、前記式(1)の左辺のVsdq,Vcdq,L0を算出する。
Therefore, the rotor
そして、本実施形態では、ロータ角度推定部30は、本発明におけるインダクタンス参照値として、例えば、前記式(1)の右辺の演算によって算出した上記L0の値を設定する。また、ロータ角度推定部30は、本発明における位相差基本参照値(以降、これに参照符号ΘEbを付する)として、例えば、前記式(1)の右辺の演算によって算出した正弦参照値Vsdqをインダクタンス参照値L0で除算してなる値Vsdq/L0を設定する。
In this embodiment, the rotor
ここで、このようにして算出した位相差基本参照値ΘEb(=Vsdq/L0)は、モータ1の磁気飽和が発生していない状態(例えばモータ1のトルク指令値Tr_cを0[N・m]とした状態)では、位相差θeに対するΘEbの値の変化の波形が、図3(a)のグラフで例示する如く、概ね2倍角2θeの正弦関数値sin2θeに比例した波形となる。しかるに、モータ1の磁気飽和が発生している状態(例えばモータ1のトルク指令値Tr_cを最大トルクとした状態)では、ΘEbの波形は、図3(b)のグラフで例示する如く、磁気飽和が発生していない状態での正弦波状の波形(図3(a)のグラフで示す波形)から崩れた波形となる。そして、この波形の崩れは、モータ1の出力トルクが大きいほど(ひいては、電機子2に流れる相電流が大きいほど)、顕著になる。さらに、磁気飽和の発生に起因してΘEbの波形全体のレベルのオフセットも発生する。例えば図3(b)のグラフに例示するΘEbの波形は、図3(a)に例示するΘEbの波形に対して、負側にオフセットしている。
Here, the phase difference basic reference value ΘEb (= Vsdq / L0) calculated in this way is a state in which no magnetic saturation of the
なお、図3(a),(b)のグラフは、ロータ角度の実際値をある所定値とした場合の実測データのグラフである。また、磁気飽和が発生している状態で位相差基本参照値ΘEbの値の波形が上記の如く崩れるという傾向は、ΘEbとして、Vsdq/L0の他、先に例示したVsdq、あるいはVsdq/√(Vsdq2+Vcdq2)を使用した場合でも同様である。 Note that the graphs of FIGS. 3A and 3B are graphs of actual measurement data when the actual value of the rotor angle is set to a predetermined value. In addition, the tendency that the waveform of the phase difference basic reference value ΘEb collapses as described above in a state where magnetic saturation occurs is that Vsdq or Vsdq / √ (Vsdq / L0 exemplified above as Vsdq / L0 as ΘEb. The same applies when Vsdq 2 + Vcdq 2 ) is used.
一方、前記式(1)により算出されるインダクタンス参照値L0に着目すると、該インダクタンス参照値L0は、モータ1の磁気飽和が発生している状態で、例えば図4のグラフで示す如く、位相差θeに対して変化する傾向を有する。同図示のように、L0は、モータ1の磁気飽和が発生している状態でも、θeが“0”近傍の範囲内で線形性を有する。
On the other hand, paying attention to the inductance reference value L0 calculated by the above equation (1), the inductance reference value L0 is in a state in which the magnetic saturation of the
このため、上記位相差基本参照値ΘEbと、インダクタンス参照値L0とを適切な重み係数を使用して線形結合することによって、あるいは、その線形結合値にさらに適切な補正項を加算することによって、位相差θeに対する変化の波形が、モータ1の磁気飽和の発生状態によらずにほぼ一定に保たれるような参照値を生成することができると考えられる。
Therefore, by linearly combining the phase difference basic reference value ΘEb and the inductance reference value L0 using an appropriate weighting factor, or by adding a more appropriate correction term to the linearly combined value, It is considered that a reference value can be generated such that the waveform of the change with respect to the phase difference θe is kept substantially constant regardless of the state of occurrence of magnetic saturation of the
そこで、本実施形態におけるロータ角度推定部30は、上記インダクタンス参照値L0と、位相差基本参照値ΘEbとを用いて、次式(14)の演算によって、ロータ角度θeの2倍角2θeに応じて値が変化する位相差推定値ΘEを決定する。
Therefore, the rotor
ΘE=α・L0+β・ΘEb+γ ……(14)
すなわち、ロータ角度推定部30は、インダクタンス参照値L0と、位相差基本参照値ΘEbとにそれぞれ掛かる重み係数をα、βとして、これらのL0,ΘEbを線形結合してなる値(=α・L0+β・ΘEb)に、さらに補正項γを加算した値を位相差推定値ΘEとして算出する。
ΘE = α · L0 + β · ΘEb + γ (14)
That is, the
この場合、モータ1の電機子2に流れる相電流が大きくなって、モータ1の磁気飽和が強く発生するほど、ΘEbの上記した波形の崩れが顕著になる。このため、ロータ角度推定部30は、上記重み係数α、βと、補正項γの値を、モータ1の出力トルク(本実施形態ではトルク指令値Tr_c)に応じて変化させるように設定する。
In this case, as the phase current flowing through the
そして、ロータ角度推定部30は、上記の如く求めた位相差推定値ΘEを用いて、次式(15)により表されるオブザーバによって、ロータ角度の推定値θ^と、その変化速度であるロータ角速度の推定値ω^とを算出する。
Then, the rotor
この式(15)におけるΔtはロータ角度の推定値θ^の更新サイクルの時間、kはθ^の更新番数、K1,K2は、あらかじめ設定された所定値のゲイン係数である。 In this equation (15), Δt is the time of the update cycle of the estimated value θ ^ of the rotor angle, k is the update number of θ ^, and K1 and K2 are preset gain coefficients.
かかる式(15)により表されるオブザーバは、位相差推定値ΘEを“0”に収束させ、ひいては、位相差θeを“0”に収束させるように、ロータ角度の推定値θ^をΔtのサイクルで逐次更新しつつ算出するものである。 The observer represented by the equation (15) converges the estimated value θ ^ of the rotor angle to Δt so that the estimated phase difference value ΘE converges to “0” and eventually the phase difference θe converges to “0”. It is calculated while sequentially updating in cycles.
以上が、ロータ角度推定部30の処理の概要である。なお、本実施形態では、このロータ角度推定部30により本発明におけるロータ角度推定手段が実現される。この場合、ロータ角度推定部30は、本発明における基本参照値算出手段及び位相差推定値算出手段としての機能を包含している。
The above is the outline of the processing of the rotor
このロータ角度推定部30の処理を含めた演算処理部11の処理は、より具体的には、図5のフローチャートに示す如く実行される。このフローチャートの処理は、前記制御サイクルで逐次実行される処理である。
More specifically, the processing of the arithmetic processing unit 11 including the processing of the rotor
以下説明すると、まず、STEP1において、演算処理部11は、U相電流センサ12u及びW相電流センサ12wのそれぞれの出力であるU相電流検出値Iu_sとW相電流検出値Iw_sとを取り込む。
In the following, in
次いで、STEP2において、演算処理部11は、前回の制御サイクルから今回の制御サイクルまでの1制御サイクルの期間におけるU相電流検出値Iu_sの一階差分dIuとW相電流検出値Iw_sの一階差分dIwとをロータ角度推定部30によって算出する。具体的には、ロータ角度推定部30は、U相電流検出値Iu_sの今回値(今回の制御サイクルで取り込んだ値)から前回値(前回の制御サイクルで取り込んだ値)を差し引いた値を1制御サイクルの時間ΔTで除算してなる値(すなわち1制御サイクルの時間当たりのU相電流検出値Iu_sの変化量)を、U相側の一階差分dIuとして算出する。W相側の一階差分dIwについても同様である。なお、1制御サイクルの時間当たりのU相電流検出値Iu_sの変化量及びW相電流検出値Iw_sの変化量に、それぞれ所定値のゲイン(例えばΔT)を乗じた値を、一階差分dIu,dIwとして算出するようにしてもよい。
Next, in
次いで、STEP3において、演算処理部11のロータ角度推定部30は、上記一階差分dIu,dIwから、前記3相−dq変換部21と同様の変換処理によって、d軸電流の一階差分dIdと、q軸電流の一階差分dIqとの組を算出する。すなわち、ロータ角度推定部30は、dIu,dIwを成分とするベクトル(dIu,dIw)tに、変換行列を乗じることによって、ベクトル(dId,dIq)t(以降、一階差分電流ベクトルdIdqという)を算出する。この場合、該変換行列の各行及び各列の成分値は、後述するSTEP9の処理で更新されたdq変換用のロータ角度の推定値θ^の最新値に応じて決定される。
Next, in
次いで、STEP4において、演算処理部11は、カウンタ変数ptrの現在値が“1”であるか否かを判断する。このときptr=1である場合には、演算処理部11は、STEP5〜9の処理を実行し、ptr=1でない場合には、演算処理部11は、STEP10からの処理を実行する。
Next, in
ここで、カウンタ変数ptrは、後述するSTEP15で各制御サイクル毎にインクリメントされ、そのインクリメント後のptrの値が“3”になると、“0”にリセットされる変数である。このため、前記周期信号の1周期に相当する3制御サイクルが経過する毎にSTEP4の判断結果が肯定的となり、STEP5〜9の処理が実行される。なお、以降の説明では、各制御サイクルの開始時のカウンタ変数ptrの値が“0”、“1”、“2”となる制御サイクルをそれぞれ制御サイクル(0)、制御サイクル(1)、制御サイクル(2)ということがある。
Here, the counter variable ptr is a variable that is incremented for each control cycle in STEP 15 described later, and is reset to “0” when the incremented ptr value is “3”. For this reason, every time three control cycles corresponding to one period of the periodic signal elapse, the determination result of
STEP4の判断結果がptr=1である場合(今回の制御サイクルが制御サイクル(1)である場合)には、演算処理部11は、ロータ角度推定部30によって、STEP5〜7の処理を実行する。この場合、まず、STEP5において、ロータ角度推定部30は、前記式(1)(詳しくは、式(1)におけるnをn=3としてなる式)の右辺の演算を行うことによって、正弦参照値Vsdqおよび余弦参照値Vcdqと、インダクタンス参照値L0とを算出する。
When the determination result of
具体的には、ロータ角度推定部30は、前々回の制御サイクル(2)で算出した1階差分電流ベクトルdIdqと、前回の制御サイクル(0)で算出した1階差分電流ベクトルdIdqと、今回の制御サイクル(1)で算出した1階差分電流ベクトルdIdqとを、それぞれ式(1)のdIdq(i+1)、dIdq(i+2)、dIdq(i+3)(=dIdq(i+n))として用いて、式(1)の左辺の演算を実行することによって、正弦参照値Vsdq、余弦参照値Vcdq及びインダクタンス参照値L0を算出する。なお、この場合、式(1)の行列Cdqの各成分値を規定するdq重畳電圧ベクトルVhdq(i+1),Vhdq(i+2),Vhdq(i+3)(=Vhdq(i+n))は、それぞれ、前記周期信号発生部27が制御サイクル(1)、制御サイクル(2)、制御サイクル(0)で出力するdq重畳電圧ベクトルVhdqの値である。本実施形態では、後述するように、周期信号発生部27が各制御サイクルで出力するdq重畳電圧ベクトルVhdqに対応する電圧成分は、その次の制御サイクルモータ1の各相の電機子2に印加される。
Specifically, the rotor
次いで、STEP6において、ロータ角度推定部30は、上記の如く算出した正弦参照値Vsdqと、インダクタンス参照値L0とから前記した如く位相差基本参照値ΘEbを算出する。すなわち、VsdqをL0により除算してなる値(=Vsdq/L0)を、ΘEbとして算出する。なお、本実施形態では余弦参照値Vcdqの値を使用しないので、前記STEP5において、余弦参照値Vcdqの算出処理は省略してもよい。
Next, in STEP 6, the rotor
さらに、STEP7において、ロータ角度推定部30は、上記の如く算出したインダクタンス参照値L0と、位相差基本参照値ΘEbとを用いて、前記式(14)により、位相差推定値ΘEを算出する。
Further, in STEP7, the rotor
この場合、ロータ角度推定部30は、式(14)の演算に用いる重み係数α,β及び補正項γの値を、トルク指令値Tr_cから、図6(a),(b),(c)に示す如くあらかじめ設定されたデータテーブルに基づいて決定する。図6(a),(b),(c)はそれぞれ、重み係数α、重み係数β、補正項γに対応するデータテーブルである。
In this case, the
これらのデータテーブルにおけるα、β、γの値は、図中の四角点における各トルク指令値Tr_cにおいて、前記式(14)の演算により算出される位相差推定値ΘEの波形(位相差θeに対するΘEの変化の波形)を目標とする波形に一致させるように最小二乗法等の手法により同定したものである。この場合、目標とする波形は、例えば、トルク指令値Tr_cを0[N・m]とした状態(モータ1の磁気飽和が発生していない状態)での位相差基本参照値ΘEbの波形である。従って、Tr_c=0[N・m]であるときのα、β、γの値は、それぞれ、“0”、“1”、“0”に設定される。このため、Tr_c=0[N・m]であるときは、位相差推定値ΘEは、位相差基本参照値ΘEbに一致する。
The values of α, β, and γ in these data tables are the waveforms of the phase difference estimated value ΘE calculated by the calculation of the equation (14) (with respect to the phase difference θe) at each torque command value Tr_c at the square points in the figure. (The waveform of change in ΘE) is identified by a method such as a least square method so as to match the target waveform. In this case, the target waveform is, for example, a waveform of the phase difference basic reference value ΘEb in a state where the torque command value Tr_c is 0 [N · m] (a state where no magnetic saturation of the
なお、図中の四角点における各トルク指令値Tr_c以外のトルク指令値Tr_cに対応するα、β、γの値は、例えば線形補間によって決定される。 Note that the values of α, β, and γ corresponding to the torque command values Tr_c other than the torque command values Tr_c at the square points in the figure are determined by linear interpolation, for example.
ロータ角度推定部30は、以上のSTEP5〜7の処理により、位相差推定値ΘEを算出する。
The
次いで、STEP8に進んで、演算処理部11は、STEP1で取り込んだ相電流検出値Iu_s,Iw_sの組を3相−dq変換部21により前記した如く変換することで、電流フィードバック制御用のd軸電流検出値Id_sとq軸電流検出値Iq_sとの組(dq電流ベクトルIdqの検出値(Id_s,Iq_s)t)を算出して保持する。このSTEP8で算出した電流ベクトルIdqの検出値は、次次回(次回の次の回)の制御サイクル(0)の後述するSTEP11での処理(前記d軸電流偏差算出部23、q軸電流偏差算出部24、及び電流FB制御部25の処理)で使用される。
Next, proceeding to STEP 8, the arithmetic processing unit 11 converts the set of phase current detection values Iu_s and Iw_s taken in
なお、STEP8で3相−dq変換部21の処理で使用するロータ角度の推定値θ^は、今回の制御サイクル(1)のSTEP3の処理で使用したθ^の値と同じである。
Note that the estimated value θ ^ of the rotor angle used in the process of the three-phase-
次いで、STEP9において、演算処理部11は、dq変換用のロータ角度の推定値θ^の値(詳しくは、3相−dq変換部21及びdq−3相変換部26の処理とSTEP3の処理とで使用するθ^の値)を、前回の制御サイクル(0)の後述するSTEP12でロータ角度推定部30により新たに決定された値に更新する。従って、前記STEP3の処理で使用するθ^の値は、制御サイクル(2)から制御サイクル(1)までの3制御サイクルの期間において一定に維持される。また、この3制御サイクルの期間のうちの制御サイクル(1)でSTEP8の3相−dq変換部21の処理に使用するθ^の値は、当該3制御サイクルの期間においてSTEP3の処理で使用するθ^の値と同じになる。
Next, in STEP 9, the arithmetic processing unit 11 determines the value of the rotor angle estimation value θ ^ for dq conversion (specifically, the processing of the 3-phase-
上記のようにSTEP9の処理を実行した後、あるいは、前記STEP4でptr≠1である場合には、演算処理部11は、STEP10においてカウンタ変数ptrの現在値が“0”であるか否かを判断する。
After performing the processing of STEP 9 as described above, or when ptr ≠ 1 in
このときptr=0である場合には、演算処理部11は、STEP11,12の処理を順次実行し、ptr≠0である場合には、演算処理部11は、STEP13からの処理を実行する。 At this time, when ptr = 0, the arithmetic processing unit 11 sequentially executes the processing of STEPs 11 and 12, and when ptr ≠ 0, the arithmetic processing unit 11 executes the processing from STEP13.
STEP10でptr=0である場合(今回の制御サイクルが制御サイクル(0)である場合)においては、まず、演算処理部11は、STEP11において、前記d軸電流偏差算出部23、q軸電流偏差算出部24、及び電流FB制御部25の処理を実行することによって、前記d軸電圧FB指令値Vfbd及びq軸電圧FB指令値Vfbqの組(dq電圧FB指令ベクトルVfbdq)を算出する。
In the case where ptr = 0 in STEP 10 (when the current control cycle is the control cycle (0)), first, in STEP 11, the arithmetic processing unit 11 performs the d-axis current
この場合、dq電圧FB指令ベクトルVfbdqを算出するために必要となるd軸電流偏差ΔId及びq軸電流偏差ΔIqは、前々回の制御サイクル(1)の前記STEP8で算出・保持した電流ベクトルIdqの検出値(Id_s,Iq_s)tと、dq電流ベクトルIdqの指令値(Id_c,Iq_c)tの前々回値とから算出される。 In this case, the d-axis current deviation ΔId and the q-axis current deviation ΔIq necessary for calculating the dq voltage FB command vector Vfbdq are detected as the current vector Idq calculated and held in STEP 8 of the previous control cycle (1). value (Id_s, Iq_s) is calculated from the t, the command value of the dq current vector Idq (Id_c, Iq_c) second preceding value of t and.
次いで、STEP12に進んで、演算処理部11は、ロータ角度推定部30により、ロータ角度の推定値θ^を前記式(15)により更新する。この場合、ロータ角度の推定値θ^の更新に必要な位相差推定値θEとして、前々回の制御サイクル(1)の前記STEP7で算出された値が用いられる。
Next, proceeding to STEP 12, the arithmetic processing unit 11 causes the rotor
以上のようにして、ptr=0となる制御サイクル(0)では、dq電圧FB指令ベクトルVfbdq(=(Vfbd,Vfbq)t)が更新されると共に、ロータ角度の推定値θ^が更新される。従って、3制御サイクル毎に、dq電圧FB指令ベクトルVfbdqとロータ角度の推定値θ^とが更新される。そして、dq電圧FB指令ベクトルVfbdqとロータ角度の推定値θ^とは、制御サイクル(0)のSTEP12で更新された後は、3制御サイクル後の次の制御サイクル(0)までの期間において一定値に保たれる。 As described above, in the control cycle (0) in which ptr = 0, the dq voltage FB command vector Vfbdq (= (Vfbd, Vfbq) t ) is updated and the estimated value θ ^ of the rotor angle is updated. . Therefore, the dq voltage FB command vector Vfbdq and the estimated value θ ^ of the rotor angle are updated every three control cycles. Then, the dq voltage FB command vector Vfbdq and the estimated value θ ^ of the rotor angle are constant in a period until the next control cycle (0) after three control cycles after being updated in STEP12 of the control cycle (0). Kept at the value.
なお、前記STEP9の処理を有するため、STEP12で更新されたロータ角度の推定値θ^は、次回の制御サイクル(1)のSTEP9の処理が実行されるまでは、STEP3,8の処理では使用されず、次次回の制御サイクル(2)から制御サイクル(1)までの3制御サイクルの期間において、前記STEP3の処理で使用されると共に、この3制御サイクルの期間のうちの制御サイクル(1)において、前記STEP8の処理(3相−dq変換部21の処理)で使用される。
Since the process of STEP 9 is included, the estimated rotor angle θ ^ updated in STEP 12 is used in the processes of
上記のようにSTEP12の処理を実行した後、あるいは、前記STEP10でptr≠0である場合には、演算処理部11は、STEP13において、前記周期信号発生部27、d軸側重畳部28及びq軸側重畳部29により、前記周期信号のdq重畳電圧ベクトルVhdq(=(Vhd,Vhq)t)をdq電圧FB指令ベクトルVfbdq(=(Vfbd,Vfbq)t)の現在値に重畳する(加算する)ことにより、d軸電圧指令値Vd_c及びq軸電圧指令値Vq_cの組(dq電圧ベクトルVdqの指令値(Vd_c,Vq_c)t)を算出する。
After executing the processing of STEP12 as described above or when ptr ≠ 0 in STEP10, the arithmetic processing unit 11 in STEP13 determines that the periodic
この場合、dq重畳電圧ベクトル(Vhd,Vhq)tを重畳するdq電圧FB指令ベクトル(Vfbd,Vfbq)tの現在値は、ptr=0となる最新の制御サイクル(0)のSTEP11で算出された値である。また、周期信号発生部27は、制御サイクル(0)から制御サイクル(2)までの3制御サイクルの期間を1周期として、周期信号のdq重畳電圧ベクトルVhdqを発生する。そして、この1周期の期間におけるdq重畳電圧ベクトルVhdqの総和は0であるので、該期間におけるdq電圧ベクトルVdqの指令値(Vd_c,Vq_c)tの平均値は、該期間で一定値となるdq電圧FB指令ベクトルVfbdqに一致する。
In this case, dq superposed voltage vector (Vhd, Vhq) dq voltage FB command vector for superimposing the t (Vfbd, Vfbq) the current value of t, calculated in STEP11 latest control cycle (0) to be ptr = 0 Value. In addition, the
次いで、STEP14に進み、演算処理部11は、STEP13で求めたdq電圧ベクトルVdqの指令値(Vd_c,Vq_c)tを前記dq−3相変換部26により相電圧指令値Vu_c,Vv_c,Vw_cの組に変換する。
Next, proceeding to STEP 14, the arithmetic processing unit 11 uses the dq-3
なお、このSTEP14におけるdq−3相変換部26の処理で使用するロータ角度の推定値θ^の値は、ptr=1となる最新の(直近の)制御サイクル(1)におけるSTEP9で更新された値である。。
Note that the estimated value θ ^ of the rotor angle used in the processing of the dq-3
また、このSTEP14で算出された相電圧指令値Vu_c,Vv_c,Vw_cは次回の制御サイクルにおいて、前記PDU13に出力される。従って、STEP14で算出された相電圧指令値Vu_c,Vv_c,Vw_cの駆動電圧を、PDU13によりモータ1の各相の電機子2に実際に印加することは、1制御サイクル遅れて行なわれる。
The phase voltage command values Vu_c, Vv_c, and Vw_c calculated in STEP 14 are output to the
次いで、STEP15に進んで、演算処理部11は、カウンタ変数ptrの値を1だけインクリメントする。さらに、演算処理部11は、STEP16において、インクリメント後のptrの値が“3”であるか否かを判断する。そして、演算処理部11は、ptr=3である場合には、STEP17において、ptrの値を“0”にリセットし、今回の制御サイクルの処理を終了する。また、ptr≠3である場合には、そのまま今回の制御サイクルの処理を終了する。 Next, proceeding to STEP 15, the arithmetic processing unit 11 increments the value of the counter variable ptr by 1. Further, the arithmetic processing unit 11 determines whether or not the incremented ptr value is “3” in STEP 16. Then, when ptr = 3, the arithmetic processing unit 11 resets the value of ptr to “0” in STEP 17 and ends the process of the current control cycle. If ptr ≠ 3, the process of the current control cycle is terminated as it is.
以上が制御装置10の演算処理部11の処理の詳細である。
The above is the details of the processing of the arithmetic processing unit 11 of the
なお、本実施形態では、ロータ角度推定部30が実行する前記STEP2,3,5,6の処理によって、本発明における基本参照値算出手段が実現される。また、STEP7の処理によって、本発明における位相差推定値算出手段が実現される。
In the present embodiment, the basic reference value calculation means in the present invention is realized by the processing of
以上説明した処理によって、モータ1の各相の電機子2に実際に印加される駆動電圧に含まれるdq電圧FB指令値(Vfbd,Vfbq)tに対応する成分は、制御サイクル(1)から制御サイクル(0)までの3制御サイクル分の期間(周期信号の1周期の期間)において一定に維持される。そして、この3制御サイクル分の期間において、モータ1の各相の電機子2に実際に印加される駆動電圧に含まれる前記周期信号(dq重畳電圧ベクトル(Vhd,Vhq)tに対応する電圧成分)は、該期間を1周期として、該期間内の各制御サイクル毎に変化する。但し、該期間において各相の電機子2に実際に印加される駆動電圧の平均値は、dq電圧FB指令ベクトル(Vfbd,Vfbq)tに対応する一定値となる。このため、該期間におけるモータ1の各相の電機子2の相電流の平均値が、dq電流ベクトルの指令値(Id_c,Iq_c)tに対応する電流値に一致するように制御されることとなる。
By the processing described above, the component corresponding to the dq voltage FB command value (Vfbd, Vfbq) t included in the drive voltage actually applied to the
上記のように、高周波の周期信号を含む駆動電圧をモータ1の各相の電機子2に印加する駆動電圧に周期信号を重畳した状態で、d軸電流検出値Id_s及びq軸電流検出値Iq_sの一階差分dId,dIq(制御サイクル(1)から制御サイクル(0)までの各制御サイクルとその次の制御サイクルとの間の電流変化)が観測される。そして、これらの観測値から、前記した如くロータ角度推定部30によって、位相差基本参照値ΘEbとインダクタンス参照値L0とが算出される。さらに、このΘEbとL0とを用いて前記式(14)により位相差推定値ΘEが算出される。さらに、この位相差推定値ΘEから、前記式(15)に示すオブザーバの演算によって、ロータ角度の推定値θ^が更新される。
As described above, the d-axis current detection value Id_s and the q-axis current detection value Iq_s are obtained in a state where the drive signal including the high-frequency periodic signal is superimposed on the drive voltage applied to the
これにより、位相差推定値ΘEを“0”に収束させ、ひいては、位相差θeを“0”に収束させるように、ロータ角度の推定値θ^が3制御サイクル毎に更新される。 As a result, the estimated value θ ^ of the rotor angle is updated every three control cycles so that the estimated phase difference value ΘE converges to “0” and consequently the phase difference θe converges to “0”.
ここで、本実施形態では、上記オブザーバの演算に用いる位相差推定値ΘE、換言すれば、ロータ角度の推定値θ^の更新量を規定する位相差推定値ΘEが、前記式(14)の演算により算出される。そして、この場合、重み係数α,βと補正項γとが、前記した如く設定されたデータテーブルを用いて、トルク指令値Tr_cに応じて決定される。 Here, in the present embodiment, the phase difference estimated value ΘE used for the operation of the observer, in other words, the phase difference estimated value ΘE that defines the update amount of the rotor angle estimated value θ ^ is expressed by the equation (14). Calculated by calculation. In this case, the weighting factors α and β and the correction term γ are determined according to the torque command value Tr_c using the data table set as described above.
このため、算出される位相差推定値ΘEは、位相差θeに対するΘEの値の変化の波形が、モータ1の実際の磁気飽和の発生状態によらずに、モータ1の磁気飽和が発生していない状態での波形(sin2θeにほぼ比例する正弦波状の波形)に保たれるような値になる。すなわち、ΘEの値が、sin2θeに、所定値の比例定数を乗じた値に一致もしくはほぼ一致するようになる。
Therefore, in the calculated phase difference estimated value ΘE, the magnetic saturation of the
実際、本願発明者によるシミュレーション結果によれば、ΘEの波形は、例えば、図7(a),(b),(c)のグラフに例示するような波形になることが確認された。ここで、図7(a)〜(c)は、ロータ角度の実際値をある所定値に設定すると共に、トルク指令値Tr_cを互いに異なる値に設定した状態(ひいてはモータ1の磁気飽和の発生状態を互いに異ならせた状態)でのΘEの波形を示すグラフである。この場合、図7(a)に示すΘEの波形は、トルク指令値Tr_cを0[N・m]とした状態(モータ1の磁気飽和が発生していない状態)での波形である。また、図7(b),(c)に示すΘEの波形は、それぞれトルク指令値Tr_cを最大トルクの半分、最大トルクとした状態(これらの状態は、モータ1の磁気飽和が発生する状態である)でのΘEの波形である。
Actually, according to the simulation result by the present inventor, it has been confirmed that the waveform of ΘE becomes, for example, a waveform as illustrated in the graphs of FIGS. 7 (a), (b), and (c). Here, FIGS. 7A to 7C show a state in which the actual value of the rotor angle is set to a predetermined value and the torque command value Tr_c is set to a different value (as a result, the state of occurrence of magnetic saturation of the motor 1). Is a graph showing the waveform of ΘE in a state where the values are different from each other. In this case, the waveform of ΘE shown in FIG. 7A is a waveform in a state where the torque command value Tr_c is 0 [N · m] (a state where the magnetic saturation of the
これらのグラフに示されるように、トルク指令値Tr_cによらずに、ひいては、モータ1の磁気飽和の発生状態によらずに、位相差θeに対する位相差推定値ΘEの変化の波形が、ほぼ一定の正弦波状の波形に保たれることが判る。この場合、位相差推定値ΘEは、sin2θeにほぼ比例するので、位相差θeが“0”であるときに、ΘE≒0となる。また、位相差θeが正極性である場合と負極性である場合とで、ΘEの値は、互いに逆極性で、且つ、対称的なものとなる。
As shown in these graphs, the waveform of the change in the phase difference estimated value ΘE with respect to the phase difference θe is substantially constant regardless of the torque command value Tr_c and, consequently, regardless of the state of occurrence of magnetic saturation of the
なお、図示は省略するが、トルク指令値Tr_cを上記の各値(0[N・m]、最大トルクの半分、最大トルク)に設定した状態において、ロータ角度の実際値を他の種々様々の角度に設定しても、ΘEの波形は図7(a)〜(c)に示す波形のそれぞれとほぼ同等の波形になることが確認された。また、トルク指令値Tr_cを上記の各値(0[N・m]、最大トルクの半分、最大トルク)以外に、例えば、最大トルクの25%、75%、10%、30%、60%、80%の値に設定した場合においても、ΘEの波形は、図7(a)〜(c)と同様の正弦波状の波形に保たれることが確認された。この場合、Tr_cを最大トルクの10%、30%、60%、80%の値に設定した場合のα、β、γの値は、前記図6(a)〜(c)に示すデータテーブルから線形補間により決定している。 Although illustration is omitted, in the state where the torque command value Tr_c is set to each of the above values (0 [N · m], half of the maximum torque, maximum torque), the actual value of the rotor angle is changed to various other values. Even when the angle is set, it has been confirmed that the waveform of ΘE is substantially the same as each of the waveforms shown in FIGS. In addition to the above values (0 [N · m], half of the maximum torque, maximum torque), the torque command value Tr_c is, for example, 25%, 75%, 10%, 30%, 60% of the maximum torque, Even when the value was set to 80%, it was confirmed that the waveform of ΘE was maintained in a sinusoidal waveform similar to that shown in FIGS. In this case, the values of α, β, and γ when Tr_c is set to 10%, 30%, 60%, and 80% of the maximum torque are obtained from the data tables shown in FIGS. 6 (a) to 6 (c). It is determined by linear interpolation.
以上のように、位相差θeに対する位相差推定値ΘEの変化の波形は、モータ1の磁気飽和の発生状態によらずに、ほぼ一定の正弦波状の波形に保たれる。このため、前記式(15)のオブザーバにより更新・算出されるロータ角度の推定値θ^を、モータ1の磁気飽和の発生状態によらずに、精度よく且つ安定に実際値に収束させることができることとなる。すなわち、モータ1の磁気飽和の発生状態によらずに、ロータ角度を精度よく安定に推定できる。
As described above, the waveform of the change in the estimated phase difference value ΘE with respect to the phase difference θe is maintained in a substantially constant sinusoidal waveform regardless of the state of occurrence of magnetic saturation in the
また、ロータ角度を精度よく安定に推定できることから、ロータの突極性に起因するリラクタンストルクを有効に活用することができ、モータ1の所望のトルクを効率よく発生させることができる。
Further, since the rotor angle can be estimated accurately and stably, the reluctance torque resulting from the saliency of the rotor can be used effectively, and the desired torque of the
本実施形態における上記の如き効果について検証したシミュレーション結果を図8(a),(b)に示す。また、これと比較するために、従来のロータ角度の推定手法を使用した場合のシミューレーション結果を図9(a),(b)に示す。 The simulation result verified about the above effects in this embodiment is shown to Fig.8 (a), (b). In addition, for comparison with this, the simulation results when the conventional rotor angle estimation method is used are shown in FIGS. 9 (a) and 9 (b).
図8(a)は、本実施形態により算出されたロータ角度の推定値θ^の変化と、該ロータ角度の実際値θの変化とをそれぞれ実線、破線で示すグラフである(図では、実線と破線がほとんど重なっている)。なお、モータ1の電機子2の通電電流は、モータ1の出力トルクがほぼ最大トルクとなるように設定された電流である。また、ロータ角度の実際値θの変化速度、すなわち、ロータの電気角速度は、一定値である。
FIG. 8A is a graph showing a change in the estimated value θ ^ of the rotor angle calculated according to the present embodiment and a change in the actual value θ of the rotor angle by a solid line and a broken line, respectively (in the figure, a solid line) And the broken line almost overlap). The energization current of the
図示の如く、ロータ角度の推定値θ^は、実際値θに高精度で合致しつつ、該実際値θに追従して変化している。このように、本実施形態では、ロータ角度の推定値θ^を高精度に実際値θに合致させることができる。 As shown in the drawing, the estimated value θ ^ of the rotor angle changes following the actual value θ while matching the actual value θ with high accuracy. Thus, in this embodiment, the estimated value θ ^ of the rotor angle can be matched with the actual value θ with high accuracy.
なお、図8(b)は、モータ1の実際の出力トルクの変化を示すグラフである。図示の如く、該出力トルクは最大トルク付近のトルクでほぼ一定に保たれる。
FIG. 8B is a graph showing a change in the actual output torque of the
一方、図9(a)は、従来のロータ角度の推定手法を使用して算出されたロータ角度の推定値θ^の時間的な変化と、該ロータ角度の実際値θの時間的な変化とをそれぞれ実線、破線で示すグラフである。ここで、従来のロータ角度の推定手法は、本実施形態における位相差推定値ΘEの代わりに、前記位相差基本参照値ΘEb(=Vsdq/L0)に所定のオフセット値(−0.25)を加えてなる値を用いてロータ角度を推定するものである。なお、モータ1の通電電流は、図8(a)の場合と同じに設定されている。また、ロータ角度の実際値θの変化速度(電気角速度)も図8(a)の場合と同じである。
On the other hand, FIG. 9A shows a temporal change in the estimated value θ ^ of the rotor angle calculated using a conventional rotor angle estimation method and a temporal change in the actual value θ of the rotor angle. Are graphs indicated by a solid line and a broken line, respectively. Here, the conventional rotor angle estimation method uses a predetermined offset value (−0.25) for the phase difference basic reference value ΘEb (= Vsdq / L0) instead of the phase difference estimation value ΘE in the present embodiment. The rotor angle is estimated using the added value. The energization current of the
この場合、図9(a)に示す如く、従来のロータ角度の推定手法によるロータ角度の推定値θ^は、実際値θに対して図8(a)に示したものよりも誤差が大きくなる。 In this case, as shown in FIG. 9A, the estimated value θ ^ of the rotor angle by the conventional rotor angle estimation method has an error larger than that shown in FIG. 8A with respect to the actual value θ. .
また、この場合、モータ1の実際の出力トルクは、図9(b)のグラフで示す如く変化する。この図9(b)のグラフを図8(b)のグラフと比較して判るように、従来の手法でロータ角度を推定した場合よりも、本実施形態の手法でロータ角度を推定した場合の方が、出力トルクの平均値を高めることができることが判る。
In this case, the actual output torque of the
次に、本発明の第2実施形態を図10及び図11を参照して説明する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
本実施形態は、位相差基本参照値ΘEbとして用いる値を第1実施形態と異ならせたものである。従って、第1実施形態と同一構成のものについては、第1実施形態と同一の参照符号を用い、詳細な説明を省略する。 In the present embodiment, the value used as the phase difference basic reference value ΘEb is different from that of the first embodiment. Accordingly, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those in the first embodiment, and detailed description thereof is omitted.
前記第1実施形態では、前記正弦参照値Vsdqをインダクタンス参照値L0により除算してなる値Vsdq/L0を位相差基本参照値ΘEbとして算出した。これに対して、本実施形態では、前記式(1)により算出した前記正弦参照値Vsdqをそのまま、位相差基本参照値ΘEbとして使用する。 In the first embodiment, the value Vsdq / L0 obtained by dividing the sine reference value Vsdq by the inductance reference value L0 is calculated as the phase difference basic reference value ΘEb. On the other hand, in this embodiment, the sine reference value Vsdq calculated by the equation (1) is used as it is as the phase difference basic reference value ΘEb.
この場合、位相差θeに対する位相差基本参照値ΘEb(=Vsdq)の変化の波形は、概略的には正弦波状となるものの、前記第1実施形態におけるΘEb(=Vsdq/L0)の変化の波形と相違する。例えば、本実施形態における位相差基本参照値ΘEb(=Vsdq)の変化の波形は、その振幅等が、前記第1実施形態におけるΘEb(=Vsdq/L0)の変化の波形よりも、モータ1の磁気飽和の発生状態に依存して大きく変化する傾向がある。 In this case, the waveform of the change in the phase difference basic reference value ΘEb (= Vsdq) with respect to the phase difference θe is roughly sinusoidal, but the waveform of the change in ΘEb (= Vsdq / L0) in the first embodiment. Is different. For example, the waveform of the change in the phase difference basic reference value ΘEb (= Vsdq) in the present embodiment has a larger amplitude or the like than the waveform of the change in ΘEb (= Vsdq / L0) in the first embodiment. There is a tendency to vary greatly depending on the state of occurrence of magnetic saturation.
このため、本実施形態では、位相差基本参照値ΘEbとインダクタンス参照値L0とから、位相差推定値ΘEを求める時に、前記線形結合における重み係数α,βと、補正項γとをモータ1の出力トルク(トルク指令値Tr_c)に応じて決定するためのデータテーブルとして、前記第1実施形態と異なるデータテーブルを使用する。
Therefore, in this embodiment, when the phase difference estimated value ΘE is obtained from the phase difference basic reference value ΘEb and the inductance reference value L0, the weighting coefficients α, β and the correction term γ in the linear combination are obtained from the
具体的には、本実施形態では、重み係数α,βと、補正項γとを決定するためのデータテーブルは、それぞれ、図10(a),(b),(c)に例示する如く設定されている。 Specifically, in this embodiment, the data tables for determining the weighting factors α and β and the correction term γ are set as illustrated in FIGS. 10A, 10B, and 10C, respectively. Has been.
これらのデータテーブルにおけるα、β、γの値は、第1実施形態の場合と同様に、図中の四角点における各トルク指令値Tr_cにおいて、前記式(14)の演算により算出される位相差推定値ΘEの波形(位相差θeに対するΘEの変化の波形)を目標とする波形に一致させるように最小二乗法等の手法により同定したものである。この場合、本実施形態では、目標とする波形は、例えば、第1実施形態でトルク指令値Tr_cを0[N・m]とした状態での位相差基本参照値ΘEb(=ΘE)の波形である。 The values of α, β, and γ in these data tables are the phase differences calculated by the calculation of equation (14) at each torque command value Tr_c at the square points in the figure, as in the first embodiment. The waveform of the estimated value ΘE (the waveform of the change in ΘE with respect to the phase difference θe) is identified by a method such as the least square method so as to match the target waveform. In this case, in this embodiment, the target waveform is, for example, the waveform of the phase difference basic reference value ΘEb (= ΘE) in the state where the torque command value Tr_c is 0 [N · m] in the first embodiment. is there.
なお、第1実施形態の場合と同様に、図10(a),(b),(c)のそれぞれの四角点における各トルク指令値Tr_c以外のトルク指令値Tr_cに対応するα、β、γの値は、例えば線形補間によって決定される。 As in the case of the first embodiment, α, β, γ corresponding to torque command values Tr_c other than the torque command values Tr_c at the respective square points in FIGS. 10A, 10B, and 10C. Is determined by linear interpolation, for example.
本実施形態は、以上説明した事項以外は、第1実施形態と同じである。 The present embodiment is the same as the first embodiment except for the matters described above.
かかる本実施形態においても第1実施形態と同様の効果を奏する。 This embodiment also has the same effect as the first embodiment.
すなわち、本実施形態において算出される位相差推定値ΘEは、位相差θeに対するΘEの値の変化の波形が、第1実施形態と同様にモータ1の実際の磁気飽和の発生状態によらずに、sin2θeにほぼ比例する正弦波状の波形に保たれるような値になる。
That is, the phase difference estimated value ΘE calculated in the present embodiment is such that the waveform of the change in the value of ΘE with respect to the phase difference θe does not depend on the actual magnetic saturation occurrence state of the
実際、本願発明者によるシミュレーション結果によれば、本実施形態における位相差推定値ΘEの波形は、例えば、図11(a),(b),(c)のグラフに例示するような波形になることが確認された。ここで、図11(a)〜(c)は、第1実施形態に係わる図7(a)〜(c)と同様に、ロータ角度の実際値をある所定値に設定すると共に、トルク指令値Tr_cを互いに異なる値に設定した状態でのΘEの波形を示すグラフである。この場合、図11(a)に示すΘEの波形は、トルク指令値Tr_cを0[N・m]とした状態(モータ1の磁気飽和が発生していない状態)での波形である。また、図11(b),(c)に示すΘEの波形は、それぞれトルク指令値Tr_cを最大トルクの半分、最大トルクとした状態(これらの状態は、モータ1の磁気飽和が発生する状態である)でのΘEの波形である。
Actually, according to the simulation result by the present inventor, the waveform of the phase difference estimated value ΘE in the present embodiment is, for example, the waveform illustrated in the graphs of FIGS. 11 (a), (b), and (c). It was confirmed. Here, FIGS. 11 (a) to 11 (c) show the torque command value while setting the actual value of the rotor angle to a certain predetermined value, as in FIGS. 7 (a) to (c) according to the first embodiment. It is a graph which shows the waveform of (theta) E in the state which set Tr_c to a mutually different value. In this case, the waveform of ΘE shown in FIG. 11A is a waveform in a state where the torque command value Tr_c is 0 [N · m] (a state where the magnetic saturation of the
これらのグラフに示されるように、第1実施形態の場合と同様に、トルク指令値Tr_cによらずに、ひいては、モータ1の磁気飽和の発生状態によらずに、位相差θeに対する位相差推定値ΘEの変化の波形が、ほぼ一定の正弦波状の波形に保たれることが判る。この場合、第1実施形態と同様に、位相差推定値ΘEは、sin2θeにほぼ比例するので、位相差θeが“0”であるときに、ΘE≒0となる。また、位相差θeが正極性である場合と負極性である場合とで、ΘEの値は、互いに逆極性で、且つ、対称的なものとなる。
As shown in these graphs, as in the case of the first embodiment, the phase difference estimation with respect to the phase difference θe is performed regardless of the torque command value Tr_c, and thus regardless of the state of occurrence of magnetic saturation of the
なお、図示は省略するが、トルク指令値Tr_cを上記の各値(0[N・m]、最大トルクの半分、最大トルク)に設定した状態において、ロータ角度の実際値を他の種々様々の角度に設定しても、ΘEの波形は図11(a)〜(c)に示す波形のそれぞれとほぼ同等の波形になることが確認された。また、トルク指令値Tr_cを上記の各値(0[N・m]、最大トルクの半分、最大トルク)以外に、例えば、最大トルクの25%、75%、10%、30%、60%、80%の値に設定した場合においても、ΘEの波形は、図11(a)〜(c)と同様の正弦波状の波形に保たれることが確認された。この場合、Tr_cを最大トルクの10%、30%、60%、80%の値に設定した場合のα、β、γの値は、前記図10(a)〜(c)に示すデータテーブルから線形補間により決定している。 Although illustration is omitted, in the state where the torque command value Tr_c is set to each of the above values (0 [N · m], half of the maximum torque, maximum torque), the actual value of the rotor angle is changed to various other values. Even when the angle is set, it has been confirmed that the waveform of ΘE is substantially the same as each of the waveforms shown in FIGS. In addition to the above values (0 [N · m], half of the maximum torque, maximum torque), the torque command value Tr_c is, for example, 25%, 75%, 10%, 30%, 60% of the maximum torque, Even when the value was set to 80%, it was confirmed that the waveform of ΘE was maintained in the same sinusoidal waveform as in FIGS. In this case, the values of α, β, and γ when Tr_c is set to 10%, 30%, 60%, and 80% of the maximum torque are obtained from the data table shown in FIGS. 10 (a) to 10 (c). It is determined by linear interpolation.
以上のように、本実施形態においても、第1実施形態と同様に、位相差θeに対する位相差推定値ΘEの変化の波形は、モータ1の磁気飽和の発生状態によらずに、ほぼ一定の正弦波状の波形に保たれる。このため、前記式(15)のオブザーバにより更新・算出されるロータ角度の推定値θ^を、モータ1の磁気飽和の発生状態によらずに、精度よく且つ安定に実際値に収束させることができることとなる。すなわち、モータ1の磁気飽和の発生状態によらずに、ロータ角度を精度よく安定に推定できる。
As described above, also in the present embodiment, as in the first embodiment, the waveform of the change in the phase difference estimated value ΘE with respect to the phase difference θe is substantially constant regardless of the state of occurrence of magnetic saturation in the
また、ロータ角度を精度よく安定に推定できることから、ロータの突極性に起因するリラクタンストルクを有効に活用することができ、モータ1の所望のトルクを効率よく発生させることができる。
Further, since the rotor angle can be estimated accurately and stably, the reluctance torque resulting from the saliency of the rotor can be used effectively, and the desired torque of the
なお、以上説明した第1及び第2実施形態では、位相差基本参照値ΘEbとして、Vsdq/L0又はVsdqを使用した場合と例にとって説明したが、これら以外で、先に例示したもの(例えばVsdq/√(Vsdq2+Vcdq2))を位相差基本参照値ΘEbとして使用するようにしてもよい。 In the first and second embodiments described above, the case where Vsdq / L0 or Vsdq is used as the phase difference basic reference value ΘEb has been described as an example, but other than those described above (for example, Vsdq / √ (Vsdq 2 + Vcdq 2 )) may be used as the phase difference basic reference value ΘEb.
また、前記各実施形態では、前記重み係数α,βと補正項γとをトルク指令値Tr_cに応じて決定するようにしたが、モータ1の出力トルクにほぼ比例するような他のパラメータに応じてα、β、γの値を可変的に決定するようにしてもよい。例えば、モータ1の電機子2の電流をdq座標系で表現した場合におけるdq電流ベクトルのうちのロータの界磁極の磁束方向と直交する軸方向成分(前記各実施形態ではd軸電流)は、モータ1の出力トルクにほぼ比例する。従って、dq電流ベクトルのうちのロータの界磁極の磁束方向と直交する軸方向成分の検出値又は指令値(目標値)に応じてα、β、γの値を決定するようにしてもよい。
In each of the embodiments, the weighting factors α and β and the correction term γ are determined according to the torque command value Tr_c. However, according to other parameters that are substantially proportional to the output torque of the
また、前記各実施形態では、トルク指令値Tr_cを0[N・m]とした状態での第1実施形態における位相差基本参照値ΘEb(=Vsdq/L0)の波形を、位相差推定値ΘEの目標波形としたが、他の波形をΘEの目標波形として、α、β、γの値を決定するようにしてもよい。例えば、単に、位相差θeの2倍角の正弦関数値sin2θe、又はこれに任意の所定値の比例定数(≠0)を乗じた値の波形を、ΘEの目標波形として、α、β、γの値を決定するようにしてもよい。 In each of the above embodiments, the waveform of the phase difference basic reference value ΘEb (= Vsdq / L0) in the first embodiment in a state where the torque command value Tr_c is 0 [N · m] is used as the phase difference estimated value ΘE. However, the values of α, β, and γ may be determined using another waveform as the target waveform of ΘE. For example, a sine function value sin2θe which is a double angle of the phase difference θe, or a waveform obtained by multiplying this by a proportional constant (≠ 0) of an arbitrary predetermined value is used as a target waveform for ΘE, α, β, γ The value may be determined.
また、前記各実施形態におけるベクトル制御では、ロータの界磁極の磁束方向をq軸方向としたが、該磁束方向をd軸方向と定義してベクトル制御の演算処理を実行するようにしてもよい。 Further, in the vector control in each of the above embodiments, the magnetic field direction of the field pole of the rotor is the q-axis direction, but the magnetic flux direction may be defined as the d-axis direction and the vector control calculation process may be executed. .
1…DCブラシレスモータ、2u,2v,2w…電機子、10…制御装置、12u,12w…電流センサ(電流検出手段)、21…3相−dq変換部(dq基本電圧決定手段)、23…d軸電流偏差算出手段(dq基本電圧決定手段)、24…q軸電流偏差算出手段(dq基本電圧決定手段)、25…電流FB制御部(dq基本電圧決定手段)、27…周期信号発生部(高周波重畳手段)、28…d軸側重畳部(高周波重畳手段)、29…q軸側重畳部(高周波重畳手段)、30…ロータ角度推定部(ロータ角度推定手段)、STEP2,3,5,6…基本参照値算出手段、STEP7…位相差推定値算出手段。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記d軸電圧の基本値及びq軸電圧の基本値より規定される駆動電圧に高周波の周期信号を重畳してなる高周波重畳駆動電圧を前記電機子に印加させる高周波重畳手段と、
前記高周波重畳駆動電圧の印加状態で、前記電機子の相電流の変化に対応するd軸電流及びq軸電流の変化を前記相電流の検出値とロータ角度の推定値とに基づき観測し、該d軸電流及びq軸電流の変化の観測値に基づいて、前記ロータ角度の推定値と該ロータ角度の実際値との位相差の2倍角に応じて変化する値となり、且つ、該2倍角に対する変化の波形がモータの磁気飽和の発生状態に依存して変化する位相差基本参照値を算出すると共に、モータの平均インダクタンスに依存する値としてのインダクタンス参照値を算出する基本参照値算出手段と、
少なくとも前記位相差基本参照値とインダクタンス参照値とを線形結合することによって、前記位相差に対する変化の波形が前記モータの磁気飽和の発生状態に依存して変化するのを前記位相差基本参照値よりも抑制してなる位相差推定値を算出する位相差推定値算出手段とを備え、
前記ロータ角度推定手段は、前記位相差推定値に応じて前記ロータ角度の推定値を更新することを特徴とするDCブラシレスモータの制御装置。 Current detection means for detecting a phase current flowing in the armature of the DC brushless motor, rotor angle estimation means for estimating the rotor angle of the motor, detected value of phase current by the current detection means, and rotor by the rotor angle estimation means A d-axis voltage that defines a drive voltage to be applied to the armature in order to converge the detected value of the phase current to a target current by executing a predetermined feedback calculation process using the estimated value of the angle And dq basic voltage determining means for determining a basic value of q-axis voltage and a basic value of q-axis voltage, and at least a drive voltage defined by the basic value of the d-axis voltage and the basic value of the q-axis voltage is applied to the armature In the DC brushless motor control apparatus for controlling energization of the armature,
High-frequency superimposing means for applying to the armature a high-frequency superimposed drive voltage obtained by superimposing a high-frequency periodic signal on a drive voltage defined by the basic value of the d-axis voltage and the basic value of the q-axis voltage;
In the application state of the high-frequency superimposed drive voltage, changes in the d-axis current and the q-axis current corresponding to the change in the phase current of the armature are observed based on the detected value of the phase current and the estimated value of the rotor angle, Based on the observed values of the change in the d-axis current and the q-axis current, the value changes according to the double angle of the phase difference between the estimated value of the rotor angle and the actual value of the rotor angle, and A basic reference value calculating means for calculating a phase difference basic reference value whose waveform of change changes depending on the state of occurrence of magnetic saturation of the motor, and calculating an inductance reference value as a value depending on the average inductance of the motor;
Based on the phase difference basic reference value, at least the phase difference basic reference value and the inductance reference value are linearly combined to change the waveform of the change with respect to the phase difference depending on the state of magnetic saturation of the motor. A phase difference estimated value calculating means for calculating a phase difference estimated value that is also suppressed,
The said rotor angle estimation means updates the estimated value of the said rotor angle according to the said phase difference estimated value, The control apparatus of the DC brushless motor characterized by the above-mentioned.
前記位相差推定値算出手段は、前記線形結合における前記位相差基本参照値に掛かる重み係数と、前記インダクタンス参照値に掛かる重み係数とのうちの少なくともいずれか一方の重み係数として、前記モータの出力トルクに依存して値が変化するように設定した重み係数を用いることを特徴とするDCブラシレスモータの制御装置。 In the control apparatus of the DC brushless motor according to claim 1,
The phase difference estimated value calculating means outputs the output of the motor as at least one of a weighting coefficient applied to the phase difference basic reference value in the linear combination and a weighting coefficient applied to the inductance reference value. A control apparatus for a DC brushless motor, wherein a weighting factor set so that the value changes depending on torque is used.
前記位相差推定値算出手段は、前記位相差基本参照値とインダクタンス参照値とを線形結合してなる値に、前記モータの出力トルクに依存して値が変化するように設定した補正項を加算することによって、前記位相差推定値を算出することを特徴とするDCブラシレスモータの制御装置。 In the control apparatus of the DC brushless motor according to claim 1 or 2,
The phase difference estimated value calculation means adds a correction term set so that the value varies depending on the output torque of the motor to a value obtained by linearly combining the phase difference basic reference value and the inductance reference value. By doing so, the phase difference estimated value is calculated, and a control device for the DC brushless motor.
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