JP6509683B2 - 回転位置検出装置及び回転位置検出方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、モータの回転位置を検出する装置及び方法に関する。

近年省電力化が進む中、例えば、３相のブラシレスＤＣモータを駆動するための電力変換装置は、正負の直流電源線間にハーフブリッジ回路が３相分並列に接続された構成（所謂インバータ回路）となっている。ハーフブリッジ回路は、直流電源線間に直列に接続された一対の半導体スイッチング素子と、それら半導体スイッチング素子のそれぞれに逆並列接続された還流ダイオードとからなる。上記構成の電力変換装置においては、各半導体スイッチング素子の駆動がＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御される。これにより、直流電源線から与えられる直流電力が３相の交流電力に変換され、モータの固定子巻線に電流が通電される。

ブラシレスＤＣモータを駆動する回路としては、特に始動トルクが必要な用途においては位置センサを使用するセンサ駆動方式が提案されている。しかしながら、低コスト化や小型化を実現するためには、位置センサを用いることなくモータを制御する装置が求められる。

例えば、ホール素子などの位置センサによりモータの回転位置を検出する代わりに、モータの固定子巻線に発生する誘起電圧を利用して回転位置を検出し、これに基づいてモータ電圧を出力する方法がある。例えば、１相の通電電気角が１２０°である矩形波状の電圧を出力する１２０°矩形波駆動方式では、電圧出力が停止する６０°区間において誘起電圧を検出できる。しかしながら、１２０°矩形波駆動方式は、正弦波状の電圧を出力する１８０°正弦波駆動方式と比較すると、騒音・振動がより大きくなるという問題がある。

また、位置センサを用いることなく正弦波駆動するため、モータ電圧方程式に基づいて誘起電圧を算出し、その誘起電圧を使って回転位置を推定する方法がある。この方法を実現するには、演算負荷が高いことから高価なマイコンを使用する必要があると共に、モータ定数等が必要となる。

さらに、特許文献１に示すように、インバータ回路の下側又は上側半導体スイッチング素子が全てオンとなるゼロ電圧ベクトル出力時に、モータ電流変化量のゼロクロス点を検出することで誘起電圧のゼロクロス点を検出して、回転位置を推定する方法がある。この方法によれば、演算負荷は低く、モータ定数が不要となる。

特開２００７−３３６６４１号公報

しかしながら、特許文献１のような方法では、モータの低速回転時に誘起電圧が小さくなると誘起電圧のゼロクロス点が検出しにくくなるため、位置推定精度が低下するという問題がある。また、モータを高速で回転させる等して変調率が上昇すると、電流変化量を検出するゼロ電圧ベクトルの出力期間が短くなるため、位置推定精度が低下するという問題がある。

そこで、変調率が高い制御領域においても、位置推定精度の低下を防止できる回転位置検出装置及び回転位置検出方法を提供する。

実施形態の回転位置検出装置によれば、モータの固定子巻線に通電を行うための通電部と、前記固定子巻線に流れる電流を検出する電流検出部と、前記通電部を介して前記固定子巻線を短絡状態にした際に検出される電流の変化量から誘起電圧のゼロクロス点を検出するゼロクロス点検出部と、前記誘起電圧の位相と前記電流の位相とが一致している制御状態において、前記ゼロクロス点の前又は後に前記固定子巻線に印加される電圧と前記電圧の印加時における電流の変化量とから、前記モータのインダクタンスを検出するインダクタンス検出部とを備える。

一実施形態であり、モータ制御装置の構成を示す図 モータの等価回路を示す図 ゼロ電圧ベクトル出力時のモータ回転位置と誘起電圧・電流変化との関係を示す図 モータの回転位置を特定するための条件を示す図 変調率が０．５のときモータ回転位置と指令電圧との関係を示す図 変調率が１．０のときモータ回転位置と指令電圧との関係を示す図 図５に対応するゼロ電圧ベクトルの出力期間を示す図 図６に対応するゼロ電圧ベクトルの出力期間を示す図 誘起電圧Ｅｕと電流ｉｕの位相が一致している状態を示す波形図 誘起電圧Ｅｕと電流ｉｕの位相が不一致の状態を示す波形図 制御装置が実行する処理を示すフローチャート

以下、一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、モータ制御装置の構成を示している。直流電源１には、平滑コンデンサ２及びインバータ回路３（通電部）が並列に接続されている。インバータ回路３は、６個の例えばＩＧＢＴ（スイッチング素子）４Ｕ，４Ｖ，４Ｗ，４Ｘ，４Ｙ，４Ｚを３相ブリッジ接続して構成されている。各ＩＧＢＴ４（Ｕ〜Ｚ）のコレクタ，エミッタ間には、フリーホイールダイオード５（Ｕ〜Ｚ）が接続されている。インバータ回路３の各相出力端子は、３相のブラシレスＤＣモータ６（永久磁石型同期モータ，以下、単にモータと称す）の各相固定子巻線（図示せず）に接続されている。

インバータ回路３におけるＩＧＢＴ４Ｘ，４Ｙ，４Ｚのエミッタと負側電源線との間には、電流検出用の抵抗素子７Ｕ，７Ｖ，７Ｗ（電流検出部）がそれぞれ挿入されている。そして、前記エミッタは、制御装置８の各入力端子にそれぞれ接続されている。制御装置８は、電流検出部１１（電流検出部），誘起電圧ゼロクロス検出部１２（ゼロクロス点検出部），回転位置算出部１３（回転位置検出部），通電信号生成部１４（制御部）及びパラメータ算出部１５（インダクタンス検出部，抵抗検出部）を備えている。電流検出部１１は、抵抗素子７Ｕ，７Ｖ，７Ｗの端子電圧をＡ／Ｄ変換して各相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを検出する。

誘起電圧ゼロクロス検出部１２は、通電信号生成部１４がインバータ回路３の各ＩＧＢＴ４のゲートに出力する通電信号のパターンがゼロ電圧ベクトルを示す期間に、各相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗのうち２相の電流変化量を比較する。そして、各相の固定子巻線に発生する誘起電圧のゼロクロス点を求める。回転位置算出部１３は、誘起電圧のゼロクロス点間隔（電気角６０°）からより詳細な回転位置を算出し、通電信号生成部１４に出力する。通電信号生成部１４は、前記回転位置に応じて前記通電信号を生成する。

パラメータ算出部１５は、電流検出部１１より得られる電流と、通電信号生成部１４より得られる電圧とに基づいて、制御演算に用いるモータ６の固定子巻線の抵抗やインダクタンス等のパラメータを算出する。

図２は、モータ６の等価回路を示しており、Ｒは抵抗、Ｌはインダクタンス、ＶｕはＵ相への印加電圧、ＥｕはＵ相誘起電圧である。Ｕ相誘起電圧Ｅｕは次のように表わされる。
Ｅｕ＝Ｖｕ−Ｒ・ｉｕ−Ｌ・ｄｉｕ／ｄｔ …（１）

ゼロ電圧ベクトル時には、下側のＩＧＢＴ４Ｘ〜４Ｚが全てオン、又は上側のＩＧＢＴ４Ｕ〜４Ｗが全てオンとなり、モータ６は直流電源１と切り離された状態となる。また、モータ６の各相巻線は、インバータ回路３を介して短絡された状態になる。このとき、Ｕ相誘起電圧Ｅｕは次のように表わされる。
Ｅｕ＝−Ｒ・ｉｕ−Ｌ・ｄｉｕ／ｄｔ …（２）

図３は、ゼロ電圧ベクトル出力時のモータ回転位置（角度）と誘起電圧・電流の関係を示している。この図から分かるように、各相電流の変化量と電流極性の変化とを参照することで、図４に示す条件に従い回転位置を求めることができる。
角度［deg] 条件
０ diu／dt＜０ ｉｕの符号が＋から−に変化
６０ diw／dt＞０ ｉｗの符号が−から＋に変化
１２０ div／dt＜０ ｉｖの符号が＋から−に変化
１８０ diu／dt＞０ ｉｕの符号が−から＋に変化
２４０ diw／dt＜０ ｉｗの符号が＋から−に変化
３００ div／dt＞０ ｉｖの符号が−から＋に変化

ここで、インバータ回路３により２相変調を行う場合で、図５に変調率が０．５のとき、図６に変調率が１．０のときのモータ回転位置と指令電圧（インバータ回路２３の出力電圧）の関係を示す。変調率が０．５のときに、角度−１２０°における上側アーム；ＩＧＢＴ２４Ｕ，２４Ｖ，２４Ｗがオンする割合は、それぞれ５０％，０%，２５％であり、下側アームＩＧＢＴ２４Ｘ，２４Ｙ，２４Ｚが全てオンとなるゼロ電圧ベクトル発生割合は５０％である（図７参照）。

また、変調率が１．０のとき、角度−１２０°における上側アームがオンする割合は、Ｕ相で１００％、Ｖ相で０％、Ｗ相で５０％であり、ゼロ電圧ベクトル発生割合は０％である（図８参照）。そのため、ゼロ電圧ベクトル時の電流変化量を検出できず、上述した原理に基づく回転位置推定が不可能となる。また、ゼロ電圧ベクトルが発生しても、その発生時間があまりにも短かければ電流変化量を精度良く検出できず、やはり回転位置推定が不可能となる。

そこで、変調率が高くゼロ電圧ベクトルが発生し難い条件下では、以下のように回転位置推定を行う。電流と誘起電圧の位相が一致しているとき、Ｕ相の誘起電圧のゼロクロス点ではＥｕ＝Ｉｕ＝０であるから、（１）式は次のように表わされる。
Ｖｕ＝Ｌ（ｄｉｕ／ｄｔ） …（３）

また、ゼロ電圧ベクトル時は、図１に示すＩＧＢＴ４の下側が全てオン、あるいは上側が全てオンとなり、モータ６は直流電源と切り離された状態となる。ゼロ電圧ベクトル時の電流変化量がゼロの時，誘起電圧のゼロクロス点であり，その前後の電圧と電流変化量からインダクタンスＬを検出することが可能となる。
Ｌ＝Ｖｕ／（ｄｉｕ／ｄｔ） …（４）

このときの電圧は直接検出せずとも、電源電圧と出力しているＰＷＭ信号のデューティ比から推定することができる。また、電源電圧が固定であれば、電圧を推定する際に電源電圧を検出する必要もなくなる。

図９は誘起電圧と電流の位相を一致させたときの電圧Ｖｕ，誘起電圧Ｅｕ，電流ｉｕの関係を示している。パラメータ算出部１５は、変調率が低いときに（４）式よりインダクタンスＬを算出しておく。そして、変調率が高くゼロ電圧ベクトルの出力期間が短くなった場合は、（３）式が成立するときを誘起電圧のゼロクロス点として検出する。

また図１０は、例えば弱め界磁制御の実行時のように、誘起電圧と電流の位相が不一致であるときの電圧，誘起電圧，電流の関係を示している。このとき、誘起電圧Ｅｕのゼロクロス点ではｉｕ≠０であるから、次式が成立するときを誘起電圧のゼロクロス点として検出する。
Ｖｕ＝Ｒ・ｉｕ＋Ｌ（ｄｉｕ／ｄｔ） …（５）
（５）式における抵抗Ｒは、モータ６を起動する際の電圧と電流とを用い、次式より求める。
Ｒ＝Ｖｕ／ｉｕ …（６）

次に、本実施形態の作用について図１１を参照して説明する。図１１は、制御装置８が上述した説明に応じて実行する処理の流れを示すフローチャートである。先ず、モータ６を起動すると、パラメータ算出部１５が（６）式より抵抗Ｒを求める（Ｓ１）。続いて、電流検出部１１が、１回目の電流検出と、所定時間の経過後に２回目の電流検出とを行なう（Ｓ２）。ここでは３相全ての電流を検出しても良いが、現在の回転位置に応じて必要な相だけを検出しても良い。そして、誘起電圧ゼロクロス検出部１２は、各相電流の変化量を求める（Ｓ３）。

弱め界磁制御等の実行中でなければ（Ｓ４；ＮＯ）、その時の３相ＰＷＭ信号の出力パターンにおけるゼロ電圧ベクトルの出力期間が、続くステップＳ６及びＳ７で電流変化量を検出するのに不十分（小）か否かを判断する（Ｓ５）。ゼロ電圧ベクトルの出力期間が十分な長さであれば（ＮＯ）、ステップＳ３で検出した電流変化量がゼロか否かを判断する（Ｓ６）。電流変化量がゼロであれば（ＹＥＳ）誘起電圧のゼロクロス点を検出したことになるので、その時点のモータ６への印加電圧Ｖと電流変化量ｄｉ／ｄｔとを検出する（Ｓ７）。そして、（５）式よりインダクタンスＬを算出する（Ｓ８）。

次に、電流変化量の符号を確認すると（Ｓ９）、図４に従い検出角度を確定させる（Ｓ１０）。そして、前回に検出角度を確定した時点からの経過時間に基づいて回転速度を算出する（Ｓ１１）。すると、回転位置算出部１３が、検出された角度と算出された回転速度とに基づいてモータ６の詳細な回転角度（回転位置）を算出する。通電信号生成部１４は、入力される回転角度に基づいてモータ６を駆動制御するように、インバータ回路３を構成する各ＩＧＢＴ４のゲートにＰＷＭ信号を出力する。

また、弱め界磁制御等の実行中でありステップＳ４で「ＹＥＳ」と判断すると、（５）式が成立するか否かで誘起電圧のゼロクロス点を検出する（Ｓ１２）。また、ゼロ電圧ベクトルの出力期間が短くステップＳ５で「ＹＥＳ」と判断すると、（３）式が成立するか否かで誘起電圧のゼロクロス点を検出する（Ｓ１３）。尚、本実施形態の内容は、マイコンやＩＣ（集積回路）への適用が可能である。

以上のように本実施形態によれば、誘起電圧ゼロクロス検出部１２は、インバータ回路３がゼロ電圧ベクトルを出力することで、インバータ回路３を介してモータ６の３相の固定子巻線を短絡状態にした際に検出される電流の変化量に基づいて誘起電圧のゼロクロス点を取得する。パラメータ算出部１５は、誘起電圧の位相と電流の位相とが一致している制御状態において、ゼロクロス点の前又は後に固定子巻線に印加される電圧と前記電圧の印加時における電流の変化量とから、モータ６のインダクタンスＬを検出する。印加される電圧と電流の変化量は、ゼロクロス点前後の平均値を使用することも可能である。

回転位置算出部１３は、誘起電圧の位相と電流の位相とが一致している制御状態において、インダクタンスＬと、固定子巻線に印加される電圧Ｖと当該電圧Ｖの印加時における電流の変化量ｄｉ／ｄｔとから、モータ６のロータ回転位置を検出する。このように構成すれば、ゼロ電圧ベクトルの出力期間が短く、電流変化量に基づくゼロクロス点の検出が困難な場合であっても回転位置を検出できる。そして、通電信号生成部１４は、得られた回転角度に従いモータ６を駆動制御するので、制御精度を向上させることができる。

また、パラメータ算出部１５は、モータ６の起動時に固定子巻線に印加される電圧Ｖとこの電圧Ｖの印加時における電流ｉとから抵抗Ｒを検出し、回転位置算出部１３は、誘起電圧の位相と電流の位相とが一致しない制御状態において、抵抗Ｒと、インダクタンスＬと、その際の印加電圧Ｖと、電圧Ｖの印加時における電流ｉ及び電流の変化量ｄｉ／ｄｔとから回転位置を検出する。したがって、弱め界磁制御の実行時についても回転位置を検出できる。

（その他の実施形態）
電流検出部はシャント抵抗でなくＣＴ（Current Trans）でも良い。
スイッチング素子はＭＯＳＦＥＴ以外にＩＧＢＴやパワートランジスタさらにはＳｉＣ,ＧａＮ等のワイドギャップ半導体等を使用しても良い。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、３はインバータ回路（通電部）、６はブラシレスＤＣモータ、７Ｕ，７Ｖ，７Ｗは抵抗素子（電流検出部）、８は制御装置、１１は電流検出部、１２は誘起電圧ゼロクロス検出部（ゼロクロス点検出部）、１３は回転位置算出部（回転位置検出部）、１５はパラメータ算出部（インダクタンス検出部，抵抗検出部）を示す。

Claims (6)

1. モータの固定子巻線に通電を行うための通電部と、
   前記固定子巻線に流れる電流を検出する電流検出部と、
   前記通電部を介して前記固定子巻線を短絡状態にした際に検出される電流の変化量から誘起電圧のゼロクロス点を検出するゼロクロス点検出部と、
   前記誘起電圧の位相と前記電流の位相とが一致している制御状態において、前記ゼロクロス点の前又は後に前記固定子巻線に印加される電圧と前記電圧の印加時における電流の変化量とから、前記モータのインダクタンスを検出するインダクタンス検出部とを備える回転位置検出装置。
2. 前記誘起電圧の位相と前記電流の位相とが一致している制御状態において、前記インダクタンスと、前記固定子巻線に印加される電圧と前記電圧の印加時における電流の変化量とから、前記モータのロータ回転位置を検出する回転位置検出部を備える請求項１記載の回転位置検出装置。
3. 前記モータの起動時に前記固定子巻線に印加される電圧と前記電圧の印加時における電流とから、前記固定子巻線の抵抗を検出する抵抗検出部を備え、
   前記回転位置検出部は、前記誘起電圧の位相と前記電流の位相とが一致しない制御状態において、前記抵抗と、前記インダクタンスと、前記固定子巻線に印加される電圧と、前記電圧の印加時における電流及び電流の変化量とから、前記ロータ回転位置を検出する請求項２記載の回転位置検出装置。
4. モータの固定子巻線に発生する誘起電圧の位相と前記固定子巻線に流れる電流の位相とが一致している制御状態において、前記固定子巻線を短絡状態にした際の電流の変化量から検出した誘起電圧のゼロクロス点の前又は後に前記固定子巻線に印加される電圧と、前記電圧の印加時における電流の変化量とから、前記モータのインダクタンスを検出する回転位置検出方法。
5. 前記誘起電圧の位相と前記電流の位相とが一致している制御状態において、前記インダクタンスと、前記固定子巻線に印加される電圧と前記電圧の印加時における電流の変化量とから、前記モータのロータ回転位置を検出する請求項４記載の回転位置検出方法。
6. 前記モータの起動時に前記固定子巻線に印加される電圧と前記電圧の印加時における電流とから、前記固定子巻線の抵抗を検出し、
   前記誘起電圧の位相と前記電流の位相とが一致しない制御状態において、前記抵抗と、前記インダクタンスと、前記固定子巻線に印加される電圧と、前記電圧の印加時における電流及び電流の変化量とから、前記ロータ回転位置を検出する請求項５記載の回転位置検出方法。

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