JP5386813B2 - ブラシレスモータのセンサレス制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、ブラシレスモータのセンサレス制御装置に関する。

従来、ブラシレスモータの駆動を制御する制御装置として、固定座標系（互いに１２０°の角度をなして１点で交わるｕ軸、ｖ軸およびｗ軸からなる座標系）における３相の電流値を回転座標系（界磁極の磁束方向を示すｄ軸およびこれと直交するｑ軸からなる座標系）における２相の電流（ｄ軸電流およびｑ軸電流）に変換して、この２相の電流を用いて制御するベクトル制御を行うものが知られている。

ベクトル制御を行うに際し、ブラシレスモータのロータの角度を直接検出するためのセンサを使用せずに、ロータの角度および速度を推定するセンサレス制御装置も知られており、このようなブラシレスモータ(1)のセンサレス制御装置(40)として、図３に示すように、２軸座標系における電流指令値を算出する速度制御部(41)と、２軸座標系における電流指令値に基づいて２軸座標系における電圧指令値を算出する電流制御部(42)と、２軸座標系における電圧指令値に基づいて３相の電圧指令値を算出する座標変換部(43)と、３相の電圧指令値に基づいてモータのステータコイルに直流駆動電流を供給するＰＷＭインバータ(44)と、モータのステータコイルに流れる相電流を検出する電流検出部(45)と、電流検出部(45)で検出された相電流に基づいて２軸座標系における電流値を算出する座標変換部(46)と、ロータ角度およびロータ速度を求める位置・速度推定部(47)とを備えているものが知られている。
特開２００７−５３８２９号公報

上記従来のブラシレスモータのセンサレス制御装置では、ブラシレスモータのロータの角度および速度を推定するために、モータモデルを用いて、ブラシレスモータを構成するステータコイルのインダクタンスや抵抗からロータの角度を推定するため、ループ処理を行って頻繁に角度を推定することが必要であり、この際の演算負荷が大きく、高性能な演算処理能力を有する高コストのＣＰＵを使用する必要があるという問題があった。

また、ブラシレスモータを構成するコイルのインダクタンスや抵抗等のモータモデルは、ブラシレスモータごとに異なっているため、制御するブラシレスモータによって、角度を推定するための演算処理プログラムを変更する必要があるという問題もあった。

この発明の目的は、高コストのＣＰＵを使用しなくても、演算処理を行うことが可能で、しかも、制御対象のブラシレスモータが変わっても、演算処理プログラムを変更する必要がないブラシレスモータのセンサレス制御装置を提供することにある。

この発明によるブラシレスモータのセンサレス制御装置は、複数相のステータコイルを有するステータと、永久磁石を有するロータとを備えているブラシレスモータに対して、ｄ軸およびｑ軸からなる２軸の回転座標系を利用したセンサレスベクトル制御を行うセンサレス制御装置において、ｄ軸電流の電流値と指令値とに基づいてロータの補正角度を算出する角度制御部と、所定時間経過する間の角度変化量から現在のロータの速度を算出する速度算出部と、前回サンプリング時に得られたロータの角度、角度制御部で得られた補正角度および速度算出部で得られた速度を使用して現在のロータの角度を算出する角度算出部と、外部から入力された指令速度ω＊から速度算出部によって算出されたω’を減算し、その減算結果（ω＊−ω’）に基づいてｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値を算出して電流制御部へ出力する速度制御部とを備えており、角度制御部は、Ｃｐ：ＰＩ制御の比例ゲイン、Ｅ：ｄ軸電流値ｉｄと所定の指令値ｄ＊との偏差、Ｃｉ：ＰＩ制御の積分ゲインおよびＦ：Ｅの累積値として、ロータの補正角度（Δθ）を式Δθ＝Ｃｐ×Ｅ＋Ｃｉ×Ｆによって求めるものであり、速度算出部は、１回転に要する時間Ｔを使用して、現在のロータの速度ωをω＝２π／Ｔとして求め、これを角度算出部に出力する第１速度算出部と、所定時間Ｔｋ経過する間の角度算出部における角度変化量Ｓから現在のロータの速度ω’をω’＝Ｓ／Ｔｋで求め、これを速度制御部に出力する第２速度算出部とよりなり、第１速度算出部は、角度算出部において電気角２π分の時間をカウントすることにより得られた１回転に要する時間Ｔを使用して、現在のロータの速度ωを求めものであることを特徴とするものである。

速度制御部において、外部から入力された指令速度ω＊と速度算出部によって算出されたω’とを使用してｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値が算出され、電流制御部において、ｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値を使用してｄ軸電流値およびｑ軸電流値が求められる。ｄ軸電流値は、所定間隔（サンプリング間隔）Ｔｓで検出（サンプリング）され、これに応じて、ロータの補正角度Δθおよび現在（今回サンプリング時）のロータの角度θが算出される。

角度制御部は、ｄ軸電流値ｉｄを指令値ｉｄ＊（具体的には例えば０）に収束させるように、ロータの角度θを補正するための補正角度Δθを算出し、これにより、ロータの角度のずれが補正される。

角度算出部では、サンプリング間隔Ｔｓごとに、前回サンプリング時に得られたロータの角度θ’および速度ωを使用してθ＝θ’＋ω×Ｔｓ＋Δθによって現在（今回サンプリング時）のロータの角度θが求められる。

第１速度算出部では、例えば、ロータが１回転するのに要する時間Ｔを求め、ω＝２π／Ｔとして現在のロータの速度ωを求めることができる。

角度制御部で得られた補正角度Δθ、第１速度算出部で得られた速度ωおよび角度算出部で得られたロータの角度θ’に基づいて、現在のロータの角度θが算出されることにより、ロータの角度θをロータの真の角度に収束させることができ、モータモデルを用いずに演算負荷の小さい簡単な演算でセンサレスベクトル制御を行うことができる。また、演算負荷が減少して、高性能なコストの高いＣＰＵを使用する必要がないので、コストを低減することができる。さらに、モータモデルを用いずにロータの角度をロータの真の角度に収束することができるため、制御するブラシレスモータに対応させて、演算処理プログラムを変更する必要がなく、汎用性の高いセンサレス制御装置を得ることができる。

上記において、現在のロータの速度は、速度制御部および角度算出部の両方で使用されている。ｄ軸電流を使用しての制御は、ロータが１回転するのに要する時間Ｔよりも短いサンプリング間隔Ｔｓで行われており、ロータが１回転するのに要する時間Ｔを使用して、ω’＝２π／Ｔとして現在のロータの速度ω’を求めた場合、速度制御部における速度指令値ω’は、更新のタイミングが制御ループの更新のタイミングよりも遅くかつ回転数に依存するので、低速運転時に制御が不安定になる可能性がある。したがって、速度制御部で使用されるロータの速度ω’としては、所定時間Ｔｋ経過する間の角度算出部における角度変化量Ｓからω’をω’＝Ｓ／Ｔｋとして求めることが好ましい。角度変化量Ｓは、θ＝θ’＋ω×Ｔｓ＋Δθのω×Ｔｓ＋ΔθをＫ（ｎ）とした時の変化分ΔＫ＝Ｋ（ｎ）−Ｋ（ｎ−１）を演算周期ごとに積算し、一定時間Ｔｋ積算した値（角度カウンタ値）として求められる。

一方、角度算出部で使用されるロータの速度は、θ＝θ’＋ω×Ｔｓ＋Δθによってロータの角度θを求めて、Δθを変化させることで収束させるという点から、ある程度の時間の遅れが必要であり、ω＝２π／Ｔとして求める方が好ましい。

そこで、この発明のセンサレス制御装置では、ロータの速度を角度算出部に出力する第１速度算出部は、角度算出部から電気角２π分の時間カウンタ値（１回転に要する時間）Ｔをもらって、現在のロータの速度ωをω＝２π／Ｔとして求めるものとされ、ロータの速度を速度制御部に出力する第２速度算出部は、角度算出部から角度カウンタ値（所定時間Ｔｋ経過する間の角度変化量）Ｓをもらって、現在のロータの速度ω’をω’＝Ｓ／Ｔｋとして求めるものとされている。これにより、速度制御部へは短い時間で更新された速度が入力され、安定した速度制御を行うことができる。

この発明のブラシレスモータのセンサレス制御装置によると、モータモデルを用いて角度および速度を推定する従来のものに比べて、演算負荷の小さい簡単な演算でセンサレスベクトル制御を行うことができ、また、制御するブラシレスモータに対応させて、演算処理プログラムを変更する必要がなく、コストを低減しかつ汎用性の高いセンサレス制御装置を得ることができる。そして、速度算出部を第１および第２速度算出部からなるものとして、角度算出部で使用されるロータの速度ωをω＝２π／Ｔとして求め、速度制御部で使用されるロータの速度ω’をω’＝Ｓ／Ｔｋとして求めることにより、安定した速度制御を行うことができる。

この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。

図１は、この発明によるブラシレスモータのセンサレス制御装置を示している。

ブラシレスモータは、永久磁石界磁同期モータ(1)とセンサレス制御装置(2)とから構成されている。同期モータ(1)は、複数相（この例では３相）のステータコイル(3)を有するステータ(4)と、永久磁石を有するロータ(5)とを備えている。

センサレス制御装置(2)は、センサレスベクトル制御を行うもので、２軸座標系におけるｄ軸・ｑ軸電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊を算出する速度制御部(11)と、２軸座標系におけるｄ軸・ｑ軸電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊に基づいて２軸座標系におけるｄ軸・ｑ軸電圧指令値Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を算出する電流制御部(12)と、２軸座標系におけるｄ軸・ｑ軸電圧指令値Ｖｄ＊，Ｖｑ＊に基づいて３相の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を算出する３相への座標変換部(13)と、３相の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に基づいてモータ(1)のステータコイル(3)に直流駆動電流を供給するＰＷＭインバータ(14)と、ステータコイル(3)に流れる相電流Ｉｕ，Ｉｖに基づいて各相の電流値ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを求める電流検出部(15)と、相電流値ｉｕ，ｉｖ，ｉｗに基づいて２軸座標系におけるｄ軸・ｑ軸電流値ｉｄ，ｉｑを算出する２相への座標変換部(16)と、補正角度Δθを算出する角度制御部(17)と、速度ωを算出する第１速度算出部(18)と、速度ω’を算出する第２速度算出部(19)と、角度θを算出する角度算出部(20)とを備えている。

角度制御部(17)、第１速度算出部(18)、第２速度算出部(19)および角度算出部(20)は、本発明の特徴部分で、これらの構成によって、従来使用されていた位置・速度推定部（図３参照）が省略されている。

上記各部(11)(12)(13)(14)(15)(16)(17)(18)(19)(20)は、作業用記憶領域を有するＲＡＭを用いて、ＲＯＭに記憶された演算処理プログラムおよび制御処理プログラムを実行するＣＰＵ（図示略）により動作する。

速度制御部(11)は、外部から入力された指令速度ω＊から第２速度算出部(19)によって算出されたω’を減算し、その減算結果（ω＊−ω’）に基づいて、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊とｑ軸電流指令値ｉｑ＊を算出して電流制御部(12)へ出力する。なお、一般的には、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊は０である。

電流制御部(12)は、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊から２相への座標変換部(16)によって算出されたｄ軸電流値ｉｄを減算し、その減算結果（ｉｄ＊−ｉｄ）に基づいて、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊を算出して３相への座標変換部(13)へ出力するとともに、ｑ軸電流指令値ｉｑ＊から２相への座標変換部(16)によって算出されたｑ軸電流値ｉｑを減算し、その減算結果（ｉｑ＊−ｉｑ）に基づいて、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を算出して３相への座標変換部(13)へ出力する。

３相への座標変換部(13)は、角度算出部(20)によって算出された角度θを用いて、ｄ軸電圧指令値ｖｄ＊とｑ軸電圧指令値ｖｑ＊に対して座標変換を施して、３相の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を作成し、これらの電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊をＰＷＭインバータ(14)に出力する。

ＰＷＭインバータ(14)は、各電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に対応した電圧が３相のステータコイル(3)に印加されるように、Ｕ相電流Ｉｕ，Ｖ相電流ＩｖおよびＷ相電流Ｉｗを供給してモータ(1)を駆動する。

電流検出部(15)は、ＰＷＭインバータ(14)によってモータ(1)へ供給される電流をサンプリング時間Ｔｓの間隔でサンプリングすることにより、３相（Ｕ相、Ｖ相およびＷ相）の相電流の電流値ｉｕ，ｉｖおよびｉｗを求め、これを２相への座標変換部(16)へ出力する。なお、電流検出部(15)は、例えば、２相の電流Ｉｕ，Ｉｖを検出して、３相目の電流値ｉｖについては、これらの２相の電流値ｉｕ，ｉｖに基づいて算出するものとされるが、これに限定されるものではない。また、サンプリング時間Ｔｓは、ロータ(5)が１回転するための時間よりも短い時間とされる。

２相への座標変換部(16)は、角度算出部(20)によって算出された角度θを用いて、相電流の電流値ｉｕ，ｉｖおよびｉｗに対して座標変換を施すことにより、ｄ軸電流値ｉｄおよびｑ軸電流値ｉｑを算出し、これらを電流制御部(12)へ出力する。ここで、ｄ軸電流値ｉｄは、角度制御部(17)へも出力される。

角度制御部(17)は、２相への座標変換部(16)からｄ軸電流値ｉｄが入力されるごとに、このｄ軸電流値ｉｄに基づいて補正角度Δθを算出する。算出された補正角度Δθは、角度算出部(20)に出力されて、ロータ(5)の角度θの制御に使用される。Δθの算出には、ＰＩ制御、ＰＩＤ制御またはＰ制御が使用される。

ＰＩ制御（比例・積分）を行う場合、補正角度Δθは、Ｅ：ｄ軸電流値ｉｄと所定の指令値ｄ＊（例えば０）との偏差、Ｃｐ：ＰＩ制御の比例ゲイン、Ｆ：ｄ軸電流値ｉｄと所定の指令値ｄ＊との偏差であるＥの累積値、Ｃｉ：ＰＩ制御の積分ゲインとして、次の式で算出される。

Δθ＝Ｃｐ×Ｅ＋Ｃｉ×Ｆ
ＣｐおよびＣｉは、制御装置(2)にモータ(1)を実際に制御させた結果により最適な値が定められる。このため、制御装置(2)は、制御されるモータ(1)を構成するステータコイル(3)のインダクタンスや抵抗に依存せずに、モータ(1)を制御することができ、汎用性の高いものとなる。

第１速度算出部(18)および第２速度算出部(19)は、角度算出部(20)で算出されたロータの角度θを用いて、互いに異なる式によってロータの速度ω’およびωを求めている。第１速度算出部(18)は、得られたロータの速度ωを角度算出部(20)に出力し、第２速度算出部(19)は、得られたロータの速度ω’を速度制御部(11)に出力している。

第１速度算出部(18)では、サンプリング間隔Ｔｓごとにロータの速度を求めるのではなく、ロータ(5)が３６０°回転したか否かを判断し、３６０°回転した場合に、これに要した時間Ｔを求めて、２π（＝３６０°）／Ｔにより、ロータの速度ωを求めている。

第２速度算出部(19)では、所定時間Ｔｋ経過する間の角度算出部における角度変化量Ｓからω’をω’＝Ｓ／Ｔｋとして求められている。ここで、角度変化量Ｓは、θ＝θ’＋ω×Ｔｓ＋Δθのω×Ｔｓ＋Δθをω×Ｔｓ＋Δθ＝Ｋ（ｎ）とした時の変化分ΔＫ＝Ｋ（ｎ）−Ｋ（ｎ−１）を演算周期ごとに積算し、一定時間Ｔｋ積算した値（角度カウンタ値）として求められている。

角度算出部(20)は、相電流の電流値ｉｕ，ｉｖおよびｉｗがサンプリングされるごとに（サンプリング時間Ｔｓ間隔で）、角度制御部(17)で算出された補正角度Δθ、第１速度算出部(18)で算出された速度ωおよびサンプリング時間Ｔｓを用いて、ロータの角度θを算出する。具体的には、前回のサンプリング時に算出されたロータの角度θｋを用いて、今回のサンプリング時（現在）のロータの角度θ(ｋ＋１)は、次の式により算出される。

θ(ｋ＋１)＝θｋ＋ω×Ｔｓ＋Δθ
ここで、θ(ｋ＋１)は、電気角２π分のカウンタ値とされ、θ(ｋ＋１)が２π以上の場合には、２πを減算し、０≦θ(ｋ＋１)＜２πの関係が満たされる。

上記の算出により、図２に示すように、ロータ(5)が図中の矢印Ｒの方向へ回転する場合、所定時刻ｎにおけるロータ(5)の角度θｎと、これからサンプリング間隔Ｔｓが経過する間にロータ(5)が回転する角度ω×Ｔｓと、角度制御部(17)で算出された補正角度Δθとの和として、現在のロータ(5)の角度θｎ＋１が求められる。この現在のロータ(5)の角度θｎ＋１に補正角度Δθが含まれていることにより、現在のロータ(5)の角度θｎ＋１をロータ(5)の実際の角度へ収束させることができる。算出された角度θは、各座標変換部(13)(16)に出力される。

この制御装置によると、電流検出部(15)によって、各相の電流値ｉｕ，ｉｖおよびｉｗが求められ、これに基づいて、２相への座標変換部(16)によって、ｄ軸電流値およびｑ軸電流値が算出される。次いで、ｄ軸電流値を用いて、角度制御部(17)によって補正角度Δθが算出される。次いで、角度算出部(20)によって、サンプリング間隔Ｔｓ後のロータの角度θが算出される。ロータが３６０°回転した場合には、第１速度算出部(18)によって、ロータの速度ωが算出されて、角度算出部(20)で使用されるロータの速度ωの値が更新される。速度制御部(11)へは第２速度算出部(19)において短い時間で更新された速度ω’が入力される。

こうして、制御装置(2)は、演算処理プログラムおよび制御処理プログラムを実行して、モータモデルを用いずにロータの角度θを算出し、ｄ軸電流を０に収束させるように、ロータの角度のずれが補正される。この制御装置(2)では、ロータの角度および速度を求めるに際してモータモデルを用いないことから、制御するブラシレスモータに対応させて、演算処理プログラムを変更する必要がなく、しかも、演算負荷の小さい簡単な演算でセンサレスベクトル制御を行うことができる。そして、速度算出部を第１速度算出部(18)および第２速度算出部(19)からなるものとすることで、角度算出部(20)で使用されるロータの速度ωおよび速度制御部(11)で使用されるロータの速度ω’をそれぞれに適したものとすることができ、安定した速度制御を行うことができる。

上記ブラシレスモータのセンサレス制御装置は、例えば、電動ポンプに適用されるほか、その他の全てのブラシレスモータの正弦波センサレス駆動に適用することができる。

図１は、この発明によるブラシレスモータのセンサレス制御装置を示すブロック図である。 図２は、角度算出部が算出する角度を説明する図である。 図３は、従来のブラシレスモータのセンサレス制御装置を示すブロック図である。

(1) モータ
(2) センサレス制御装置
(3) ステータコイル
(4) ステータ
(5) ロータ
(11) 速度制御部
(12) 電流制御部
(17) 角度制御部
(18) 第１速度算出部
(19) 第２速度算出部
(20) 角度算出部

Claims (1)

1. 複数相のステータコイルを有するステータと、永久磁石を有するロータとを備えているブラシレスモータに対して、ｄ軸およびｑ軸からなる２軸の回転座標系を利用したセンサレスベクトル制御を行うセンサレス制御装置において、
   ｄ軸電流の電流値と指令値とに基づいてロータの補正角度を算出する角度制御部と、所定時間経過する間の角度変化量から現在のロータの速度を算出する速度算出部と、前回サンプリング時に得られたロータの角度、角度制御部で得られた補正角度および速度算出部で得られた速度を使用して現在のロータの角度を算出する角度算出部と、外部から入力された指令速度ω＊から速度算出部によって算出されたω’を減算し、その減算結果（ω＊−ω’）に基づいてｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値を算出して電流制御部へ出力する速度制御部とを備えており、
   角度制御部は、Ｃｐ：ＰＩ制御の比例ゲイン、Ｅ：ｄ軸電流値ｉｄと所定の指令値ｄ＊との偏差、Ｃｉ：ＰＩ制御の積分ゲインおよびＦ：Ｅの累積値として、ロータの補正角度（Δθ）を式Δθ＝Ｃｐ×Ｅ＋Ｃｉ×Ｆによって求めるものであり、
   速度算出部は、１回転に要する時間Ｔを使用して、現在のロータの速度ωをω＝２π／Ｔとして求め、これを角度算出部に出力する第１速度算出部と、所定時間Ｔｋ経過する間の角度算出部における角度変化量Ｓから現在のロータの速度ω’をω’＝Ｓ／Ｔｋで求め、これを速度制御部に出力する第２速度算出部とよりなり、
   第１速度算出部は、角度算出部において電気角２π分の時間をカウントすることにより得られた１回転に要する時間Ｔを使用して、現在のロータの速度ωを求めものであることを特徴とするブラシレスモータのセンサレス制御装置。

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