JP6207458B2

JP6207458B2 - 電動機の制御装置

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Publication number: JP6207458B2
Application number: JP2014099727A
Authority: JP
Inventors: 和弘西脇; 雅宏家澤; 敏川村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-05-13
Filing date: 2014-05-13
Publication date: 2017-10-04
Anticipated expiration: 2034-05-13
Also published as: JP2015216815A

Description

この発明は、位置センサを有する電動機の制御装置に関するものである。

位置センサを有する電動機を制御する制御装置は、単一または複数の位置センサ信号の時間間隔に基づいて、ロータが回転する速度を検出する。そして位置センサ信号から粗い分解能の位置を検出し、検出した速度を用いて位置の補間演算を行うことで、高分解能の位置を検出する。この位置検出方法では、電動機が加速もしくは減速する場合、または位置センサに機械的な誤差がある場合に位置センサ信号の時間間隔が変化し、速度および位置検出に誤差が発生する。

例えば特許文献１では、ロータの回転速度の変化に応じて回転速度算出値を補正し、加速および減速に対応する方法が提案されている。また、特許文献２では、ロータの１回転分の時間に対応する位置センサ信号の時間間隔の合算値、即ち機械角１周期を電動機の磁極数で割って電気角１周期を算出することにより、位置センサの機械的誤差による検出ばらつきを抑制する方法が提案されている。

特開２０１１−１１７７６９号公報特開２０１２−８０６４９号公報

しかし、特許文献１に開示されている方法では、機械的誤差に起因した位置センサ信号の時間間隔のばらつきを、加速または減速を繰り返していると誤認識する課題があった。また、特許文献２に開示されている方法では、位置センサ信号の時間間隔を電動機の極対数で平均化して算出するために、電動機の加速および減速時に遅れが発生する課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、位置センサの機械的誤差に起因する位置センサ信号の時間間隔のばらつきを抑制することを目的とする。

この発明に係る電動機の制御装置は、電動機のロータの位置を検出する位置センサからロータの位置を表す二値信号を取得してエッジ間の時間間隔を検出する時間間隔検出部と、時間間隔検出部が検出した時間間隔をロータの１回転分累積して機械角周期を算出する時間間隔累積部と、時間間隔累積部が算出した機械角周期からロータの速度を検出する速度検出部と、二値信号のエッジが最後に検出された時点からの経過時間を計測する計時部と、速度検出部が検出した速度と計時部が計測した経過時間とを用いて電気角を算出する位置算出部と、位置算出部が算出した電気角を用いて電動機のインバータ回路を制御するインバータ制御部と、速度検出部が前回検出した速度と今回検出した速度との差分を用いて加速度を推定し、当該加速度を用いて時間間隔累積部の演算による遅れ時間分だけ今回検出した速度を進ませる補正を行う速度補正部とを備え、位置算出部は、速度補正部が補正した速度と計時部が計測した経過時間とを用いて電気角を算出するものである。

この発明によれば、位置センサの二値信号の時間間隔をロータ１回転分累積した機械角周期から速度を検出するようにしたので、位置センサの機械的誤差に起因する二値信号の時間間隔のばらつきを抑制し、速度検出の誤差を抑制することができる。

この発明の実施の形態１に係る電動機の制御装置の構成例を示すブロック図である。実施の形態１において電動機の電気角と位置センサの位置センサ信号との関係を示すグラフである。実施の形態１において位置センサに機械的誤差がある場合の電気角と位置センサ信号との関係を示すグラフである。実施の形態１の効果を説明するための参考図であり、電動機加速時の位置センサ信号と時間間隔累積部が無い場合に速度検出部の計算結果との関係を示すグラフである。実施の形態１において電動機加速時の位置センサ信号と時間間隔累積部がある場合の速度検出部の計算結果との関係を示すグラフである。実施の形態１において位置センサ信号と位置算出部が算出する電気角との関係を示すグラフである。この発明の実施の形態２に係る電動機の制御装置の構成例を示すブロック図である。実施の形態２において電動機を低速から加速運転する場合の電動機の速度およびトルクの時間履歴を示すグラフである。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る制御装置１０の構成例を示すブロック図である。この制御装置１０は、電動機Ｍのロータ位置を検出する位置センサ１の信号を取得し、スイッチング素子等で構成されたインバータ回路２を制御して電動機Ｍを駆動する。

制御装置１０において、時間間隔検出部１１は位置センサ１が出力する位置センサ信号のエッジの時間間隔を検出する。この時間間隔は電気角周期に対応する。時間間隔累積部１２は、検出された時間間隔を、今回値からＮ回前の値（Ｎ：電動機Ｍの極対数）まで累積して、ロータ１回転に対応する機械角周期を算出する。速度検出部１３は、機械角周期から速度を検出する。速度補正部１４は、速度検出部１３で検出された速度の前回値と今回値との差分から加速度を推定し、推定加速度に伴い加速・減速による速度補正を行う。また、加速・減速による速度補正を行う際に、時間間隔累積部１２による演算遅れ分だけ時間を進ませることにより、時間間隔累積部１２に起因する演算遅れの補正を同時に行う。そして、補正された速度と、計時部１５により計時される位置センサ信号のエッジのエッジを最後に検出してからの経過時間とを用いて、位置算出部１６がロータの位置を検出する。インバータ制御部１７は、外部指令と検出された速度と位置とを用いてインバータ制御信号を生成する。インバータ回路２は、インバータ制御信号に従って電動機Ｍに通電する。

制御装置１０は、不図示のＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）で構成されており、このＣＰＵが内部メモリに格納されたプログラムを実行することによって、時間間隔検出部１１、時間間隔累積部１２、速度検出部１３、速度補正部１４、計時部１５、位置算出部１６、およびインバータ制御部１７としての機能を実現する。
また、制御装置１０の一部を専用の回路で構成しても構わない。

図２は、電動機Ｍの電気角と位置センサ１の位置センサ信号との関係を示すグラフである。位置センサ１は、一般に、ロータに固定されて一体に回転するセンサターゲットと、センサターゲットの位置を検出するホール素子とから構成され、ロータの回転位置に応じたハイ（Ｈ）とロー（Ｌ）の二値信号（位置センサ信号）を出力する。従って、位置センサ信号は、電動機Ｍの電気角１周期につき１回のパルスを含む。

時間間隔検出部１１は、位置センサ１の位置センサ信号を取得し、立ち上がりエッジ間の時間間隔Ｔを検出する。図２の場合、時間間隔検出部１１は時間間隔Ｔ（１），Ｔ（２），Ｔ（３），Ｔ（４）を検出する。図２の場合はロータが一定速度で回転しているため、時間間隔Ｔ（１）〜Ｔ（４）は全て等間隔である。なお、時間間隔検出部１１が立ち上がりエッジではなく立ち下がりエッジを検出してもよい。

図３は、位置センサ１に機械的誤差がある場合の電気角と位置センサ信号との関係を示すグラフである。センサターゲットがアンバランスな場合または回転軸が偏心している場合、電動機Ｍが一定速度で回転していたとしても位置センサ信号は不等間隔になる。このような場合、パルス１周期のＤｕｔｙが５０％にならず、電気角１周期である時間間隔Ｔ（１）と時間間隔Ｔ（２）とが異なるという特徴がある。しかし、電動機Ｍの極対数Ｎが２の場合（磁極数は４）、ロータ１回転に相当する時間間隔Ｔ（１）＋Ｔ（２）、時間間隔Ｔ（２）＋Ｔ（３）、時間間隔Ｔ（３）＋Ｔ（４）は一定である。

そこで、時間間隔累積部１２は、下式（１）のように極対数Ｎの回数だけ時間間隔Ｔを累積演算することにより、機械角周期Ｔｍを算出し、位置センサ１の機械的誤差の影響を排除する。
そして、速度検出部１３では、時間間隔累積部１２が算出した機械角周期Ｔｍを用いて、下式（２）のようにロータの速度ωｅを演算する。

ωｅ（ｎ）＝２π×Ｎ／Ｔｍ（ｎ）（２）

図４は、実施の形態１の効果を説明するための参考図であり、電動機Ｍの加速時の位置センサ信号と時間間隔累積部１２が無い場合の速度検出部１３の計算結果との関係を示すグラフである。図４の上部は位置センサ信号、下部は速度実値と時間間隔累積部１２が無い場合の速度検出部１３が検出する速度ωｅである。速度検出部１３は、時間間隔Ｔが更新されるごとに速度ωｅを演算するため、速度ωｅは階段状に増加する値となる。図４の時刻ｔにおける速度ωｅ（ｎ）は、最後と１回前の立ち上がりエッジの時間間隔Ｔ（ｎ）から算出される。この速度ωｅ（ｎ）は、過去の時間間隔Ｔ（ｎ）における速度実値の平均値であるため、時刻ｔにおける速度実値より速度誤差Δωｅだけ小さい値となる。

図５は、電動機Ｍの加速時の位置センサ信号と時間間隔累積部１２がある場合の速度検出部１３の計算結果との関係を示すグラフである。図５の上部は位置センサ信号、下部は速度実値と時間間隔累積部１２がある場合の速度検出部１３が検出する速度ωｅである。また、図５では、電動機Ｍの極対数Ｎ＝２の場合の例を示している。速度検出部１３が上式（１），（２）の計算により速度ωｅを計算した場合、図５の時刻ｔにおける速度ωｅ（ｎ）は過去の機械角周期Ｔｍ（ｎ）における速度の平均値であるため、速度誤差Δωｅは図４の参考図に比べてさらに大きくなる。

そこで、速度補正部１４は、速度検出部１３が検出した速度ωｅを補正する。速度補正部１４は、式（３）のように速度ωｅに速度誤差Δωｅを加算して、補正速度ωｅ’を得る。速度誤差Δωｅは式（４）より推定する。時間間隔Ｔ（ｎ）の間に速度がωｅ（ｎ−１）からωｅ（ｎ）へ変化することから、式（４）では加速度を推定して速度誤差Δωｅを演算する。
ωｅ’（ｎ）＝ωｅ（ｎ）＋Δωｅ（３）
Δωｅ＝｛ωｅ（ｎ）−ωｅ（ｎ−１）｝／Ｔ（ｎ）×ΔＴ（４）

上式（４）のΔＴは、加速度補正における進み時間を示している。この進み時間ΔＴは、図５では速度ωｅ（ｎ）が速度実値に対応する時刻である機械角周期Ｔｍ（ｎ）の中央部から、次に検出される時間間隔Ｔ（ｎ＋１）の中央部と推定される時刻までの間隔を示している。次回の時間間隔Ｔ（ｎ＋１）≒今回の時間間隔Ｔ（ｎ）として、進み時間ΔＴは式（５）のように示される。速度補正部１４は、進み時間ΔＴを用いて時間間隔累積部１２の演算による遅れ時間を補正する。
ΔＴ＝Ｔｍ（ｎ）／２＋Ｔ（ｎ）／２（５）

図６は、位置センサ１の位置センサ信号と位置算出部１６が算出する電気角との関係を示すグラフである。位置算出部１６は、計時部１５にて検出された位置センサ信号の最後のエッジから現在時刻ｔまでの時間ｃｎｔと、速度補正部１４が演算した補正速度ωｅ’（ｎ）とから、式（６）を用いて電気角θｅを算出する。
θｅ＝２π×ωｅ’（ｎ）×ｃｎｔ（６）

以上より、実施の形態１によれば、電動機Ｍの制御装置１０は、位置センサ１から二値信号（位置センサ信号）を取得してエッジ間の時間間隔を検出する時間間隔検出部１１と、時間間隔検出部１１が検出した時間間隔をロータの１回転分累積して機械角周期を算出する時間間隔累積部１２と、時間間隔累積部１２が算出した機械角周期からロータの速度を検出する速度検出部１３と、二値信号のエッジが最後に検出された時点からの経過時間を計測する計時部１５と、速度検出部１３が検出した速度と計時部１５が計測した経過時間とを用いて電気角を算出する位置算出部１６と、位置算出部１６が算出した電気角を用いて電動機Ｍのインバータ回路２を制御するインバータ制御部１７とを備える構成にした。このため、位置センサ１の機械的誤差に起因する二値信号の時間間隔のばらつきを抑制し、速度検出の誤差を抑制することができる。

また、実施の形態１によれば、速度補正部１４は、速度検出部１３が前回検出した速度と今回検出した速度との差分を用いて加速度を推定し、当該加速度を用いて今回検出した速度を補正し、位置算出部１６は、速度補正部１４が補正した速度と計時部１５が計測した経過時間とを用いて電気角を算出する構成にした。このため、電動機Ｍの加速および減速に起因する速度および電気角の検出誤差を抑制することができる。
また、先立って説明した特許文献１，２に開示された方法では、電動機Ｍの加速および減速に対する補正と、位置センサ１の機械的誤差の抑制を同時に達成することができなかったが、実施の形態１では速度補正部１４の補正および時間間隔累積部１２の時間間隔累積によって電動機Ｍの加速および減速に対する補正と位置センサ１の機械的誤差の抑制を同時に達成することができる。

また、実施の形態１によれば、速度補正部１４は、速度検出部１３が前回検出した速度と今回検出した速度との差分を用いて加速度を推定し、当該加速度を用いて時間間隔累積部１２の演算による遅れ時間分だけ今回検出した速度を進ませる補正を行い、位置算出部１６は、速度補正部１４が補正した速度と計時部１５が計測した経過時間とを用いて電気角を算出する構成にした。このため、位置センサ１の機械的誤差を抑制する時間間隔累積部１２の演算の遅れに起因する速度および電気角の検出誤差を抑制することができる。

なお、上記実施の形態１では、時間間隔検出部１１が位置センサ信号の立ち上がりエッジを検出する場合を説明したが、立ち上がりエッジと立ち下がりエッジの両方を検出する構成にしてもよい。その場合、機械角周期Ｔｍを算出する上式（１）が、下式（７）のようになる。

また、上記実施の形態１では、位置算出部１６が上式（６）により補正速度の補間計算のみで電気角θｅを算出しているが、下式（８）、（９）のように位置センサ１の位置センサ信号から１８０度分解能の検出位置に対して速度補間することでも算出できる。
θｅ＝θｂａｓｅ＋θｓｕｂ（８）
θｓｕｂ＝π×ωｅ’（ｎ）×ｃｎｔ（９）

ここで、θｂａｓｅは、位置センサ信号がＬの場合は０、Ｈの場合はπである１８０度分解能の検出位置である。ｃｎｔは最後の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジから現在時刻ｔまでの時間である。

また、上記実施の形態１では位置センサ１を１個使用した場合を説明したが、位置センサ１を複数個使用する場合においても同様に適用可能である。

実施の形態２．
図７は、実施の形態２に係る制御装置１０の構成例を示すブロック図である。図７において、位置センサ１、時間間隔検出部１１、時間間隔累積部１２、速度検出部１３、速度補正部１４、計時部１５、および位置算出部１６は上記実施の形態１と同様である。インバータ制御部１７は、電流指令生成部２１と、電圧指令生成部２２と、ＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御部２３とから構成される。電流指令生成部２１は、外部指令と速度補正部１４が演算した補正速度ωｅ’とに基づいてｄｑ軸電流指令Ｉｄｒｅｆ，Ｉｑｒｅｆを生成する。電圧指令生成部２２は、ｄｑ軸電流指令と補正速度ωｅ’とに基づいてｄｑ軸電圧指令Ｖｄｒｅｆ，Ｖｑｒｅｆを生成する。ＰＷＭ制御部２３は、ｄｑ軸電圧指令Ｖｄｒｅｆ，Ｖｑｒｅｆと位置算出部１６が演算した電気角θｅとに基づいてインバータ制御信号を生成する。

図７の制御装置１０は電流センサレス制御系である。そのため、電圧指令生成部２２は、電動機Ｍの電圧方程式を用いて式（１０）、（１１）のように電圧指令を生成する。
Ｖｄｒｅｆ＝（Ｒ＋ｐＬｄ）×Ｉｄｒｅｆ−ωｅ’×Ｌｑ×Ｉｑｒｅｆ（１０）
Ｖｑｒｅｆ＝ωｅ’×Ｌｄ×Ｉｄｒｅｆ＋（Ｒ＋ｐＬｑ）×Ｉｑｒｅｆ
＋ωｅ’×φｄｑ（１１）

ここで、Ｒは電動機Ｍの抵抗、Ｌｄ，Ｌｑはｄｑ軸インダクタンス、φｄｑはｄｑ軸磁束、ｐは微分演算子である。

図８は、実施の形態２の制御装置１０が電動機Ｍを低速から加速運転する場合の、電動機Ｍの速度およびトルクの時間履歴を示すグラフである。速度とトルクの各グラフにおいて、点線が速度補正部１４による速度補正有りの場合、実線が速度補正無しの場合である。速度補正有りの場合、加速開始時から一定のトルクによる加速が行われている。一方、速度補正無しの場合、加速開始時にトルクが低いため、加速性能が低下する。これは、上式（１０）、（１１）の補正速度ωｅ’の代わりに、加速に伴う補正を行わない速度ωｅを用いることにより、速度ωｅが速度実値より小さいためｑ軸電圧指令Ｖｑｒｅｆが小さくなり、インバータ回路２から電動機Ｍに流れるｑ軸電流がｑ軸電流指令Ｉｑｒｅｆより小さくなるためである。

以上説明した実施の形態２の構成により、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。

なお、本発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、各実施の形態の任意の構成要素の変形、または各実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１位置センサ、２インバータ回路、１０制御装置、１１時間間隔検出部、１２時間間隔累積部、１３速度検出部、１４速度補正部、１５計時部、１６位置算出部、１７インバータ制御部、２１電流指令生成部、２２電圧指令生成部、２３ＰＷＭ制御部、Ｍ電動機。

Claims

電動機のロータの位置を検出する位置センサから前記ロータの位置を表す二値信号を取得してエッジ間の時間間隔を検出する時間間隔検出部と、
前記時間間隔検出部が検出した時間間隔を前記ロータの１回転分累積して機械角周期を算出する時間間隔累積部と、
前記時間間隔累積部が算出した機械角周期から前記ロータの速度を検出する速度検出部と、
前記二値信号のエッジが最後に検出された時点からの経過時間を計測する計時部と、
前記速度検出部が検出した速度と前記計時部が計測した経過時間とを用いて電気角を算出する位置算出部と、
前記位置算出部が算出した電気角を用いて前記電動機のインバータ回路を制御するインバータ制御部と、
前記速度検出部が前回検出した速度と今回検出した速度との差分を用いて加速度を推定し、当該加速度を用いて前記時間間隔累積部の演算による遅れ時間分だけ前記今回検出した速度を進ませる補正を行う速度補正部とを備え、
前記位置算出部は、前記速度補正部が補正した速度と前記計時部が計測した経過時間とを用いて電気角を算出することを特徴とする電動機の制御装置。
前記速度補正部は、さらに、前記電動機の加速および減速に起因する誤差に対して、前記加速度を用いて前記今回検出した速度を補正し、
前記位置算出部は、前記速度補正部が補正した速度と前記計時部が計測した経過時間とを用いて電気角を算出することを特徴とする請求項１記載の電動機の制御装置。