JP6529452B2 - モータ駆動装置及びモータ駆動装置における相電流検出方法 - Google Patents

モータ駆動装置及びモータ駆動装置における相電流検出方法 Download PDF

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Description

本発明は、モータ駆動装置及びモータ駆動装置における相電流検出方法に関し、詳しくは、インバータの直流母線電流を検出する電流検出器の出力から、3相ブラシレスモータの3相の相電流をそれぞれに検出する技術に関する。
特許文献1には、インバータの電源側若しくは接地側にA/D変換部を有する1シャント式電流検出回路が接続され、各相のデューティ指令値をキャリア周期の最前、中央、最後に固定すると共に、各相デューティ指令値を所定方向にシフトする機能を有し、モータの各相電流を検出してA/D変換する電流検出タイミングを所定位置に対応させて固定する、モータ制御装置が開示されている。
特開2013−251971号公報
インバータの直流母線電流を検出する電流検出器を構成するオペアンプのオフセット電圧は、周囲温度などにより変動し、係るオフセット電圧の変動によって電流検出値にオフセット誤差が生じることになる。
係る温度変化などによる電流検出値のオフセット誤差は3相それぞれの相電流検出値に付加されることになる一方、3相の相電流の総和は零になるから、3相それぞれの相電流を電流検出器で検出することでオフセット誤差を求めることができる。
そして、オフセット誤差に応じて電流検出値を補正するオフセット補正を行うことで、温度変化があっても相電流の検出精度が維持され、引いては、モータトルクの制御精度が維持される。
しかし、各相のデューティ指令値をキャリア周期の所定位置に固定し、電流検出タイミングを前記所定位置に対応させて固定して相電流を検出する方式では、デューティ指令値によっては、相電流を検出できない相が生じたり相電流検出期間が必要期間よりも短くなったりして、前記オフセット誤差の検出に必要な3相電流検出値を求めることができなくなる場合がある。
このため、各相のデューティ指令値をキャリア周期の所定位置に固定する方式での相電流検出処理では、オフセット誤差の検出頻度(オフセット補正量の更新頻度)が低くなり、温度環境の変化に対してオフセット補正量を応答よく追従させることができずに相電流の検出精度が低下してしまう可能性があった。
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、3相全てについて相電流を検出できる機会を拡大できる、モータ駆動装置及びモータ駆動装置の相電流検出方法を提供することを目的とする。
そのため、本願発明に係るモータ駆動装置は、3相ブラシレスモータに交流電力を供給するインバータと、前記インバータの直流母線電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器の出力を入力し前記インバータをPWM制御する制御部と、を含むモータ駆動装置であって、前記制御部は、各相のPWMパルスのオン/オフの組み合わせが所定の組み合わせであるときの前記電流検出器の出力から各相の相電流を検出する相電流検出手段を備え、前記相電流検出手段は、PWMパルスの位相をシフトさせるパルスシフト処理によって前記PWM制御の第1PWM周期と第2PWM周期とで各相のPWMパルスの位相関係を異ならせ、前記第1PWM周期と前記第2PWM周期との2周期で前記電流検出器の出力から3相それぞれの相電流を検出する2周期3相検出手段を含むようにした。
また、本願発明に係るモータ駆動装置における相電流検出方法は、3相ブラシレスモータに交流電力を供給するインバータと前記インバータの直流母線電流を検出する電流検出器とを含み前記インバータがPWM制御されるモータ駆動装置において相電流を検出する方法であって、前記PWM制御の第1PWM周期においてPWMパルスの位相をシフトさせるパルスシフト処理によって1相乃至2相の相電流検出区間を生成する第1ステップと、前記第1PWM周期に生成された相電流検出区間における前記電流検出器の出力から前記1相乃至2相の相電流を検出する第2ステップと、前記PWM制御の第2PWM周期においてPWMパルスの位相をシフトさせるパルスシフト処理によって残りの2相乃至1相の相電流検出区間を生成する第3ステップと、前記第2PWM周期に生成された相電流検出区間における前記電流検出器の出力から前記残りの2相乃至1相の相電流を検出する第4ステップと、を含むようにした。
上記発明によると、電流検出器の出力から3相全ての相電流を検出できる機会が、PWMパルスの位相が固定される場合よりも増える。
したがって、電流検出のオフセット誤差を全相の相電流検出値に基づき求めて電流検出値をオフセット補正する場合は、オフセット補正値の更新頻度が高まると共に高い精度でオフセット補正値を求めることができる。
本発明の実施形態における駆動回路及び3相ブラシレスモータの回路図である。 本発明の実施形態における3相ブラシレスモータのPWM制御の機能ブロック図である。 本発明の実施形態におけるオフセット補正値の学習処理を示すフローチャートである。 本発明の実施形態における2周期3相検出におけるパルスシフト処理の一例を示すタイムチャートである。 本発明の実施形態における2周期3相検出におけるパルスシフト処理の一例を示すタイムチャートである。 本発明の実施形態における2周期3相検出におけるパルスシフト処理の一例を示すタイムチャートである。 本発明の実施形態における2周期3相検出におけるパルスシフト処理の一例を示すタイムチャートである。 本発明の実施形態における2周期3相検出におけるパルスシフト処理の一例を示すタイムチャートである。 本発明の実施形態における2周期3相検出と1周期3相検出とを使い分けてオフセット補正値を学習する処理を示すフローチャートである。 本発明の実施形態における1周期3相検出におけるパルスシフト処理の一例を示すタイムチャートである。
以下に本発明の実施の形態を説明する。
図1は、3相ブラシレスモータ1及びモータ駆動装置2の一例を示す回路図である。
図1の3相ブラシレスモータ1は、例えば、車両の電動パワーステアリング装置において操舵のアシストトルクを発生する電動アクチュエータとして用いられたり、車両の各種ポンプを駆動する電動アクチュエータとして用いられる。
3相ブラシレスモータ1を駆動するモータ駆動装置2は、駆動回路212と制御部213とを備える。
制御部213は、A/D変換器213aとマイクロコンピュータ213bとを備え、マイクロコンピュータ213bは、CPU,MPUなどのマイクロプロセッサやROM、RAMなどのメモリデバイスを含んで構成される。
3相ブラシレスモータ1は、スター結線されるU相、V相及びW相の3相巻線215u、215v、215wを図示省略した円筒状の固定子に備え、該固定子の中央部に形成した空間に永久磁石回転子(ロータ)216を回転可能に備える、3相DCブラシレスモータである。
3相ブラシレスモータ1は回転子の位置情報を検出するセンサを備えず、制御部213は、3相ブラシレスモータ1の駆動制御を回転子の位置情報を検出するセンサを用いないセンサレス駆動方式によって行う。
但し、3相ブラシレスモータ1に磁極位置センサを備え、制御部213は、係る磁極位置センサの出力に基づきロータの角度(磁極位置)を検出して3相ブラシレスモータ1を駆動制御することができる。
駆動回路212は、逆並列のダイオード218a〜218fを含んでなるスイッチング素子217a〜217fを3相ブリッジ接続したインバータ212aと、直流の電源回路219とを有し、インバータ212aは3相ブラシレスモータ1に交流電力を供給する。
インバータ212aのスイッチング素子217a〜217fは例えばFETで構成され、スイッチング素子217a〜217fの各制御端子(ゲート端子)は制御部213の出力ポートに接続される。そして、スイッチング素子217a〜217fのオン/オフは制御部213によって制御される。
制御部213は、インバータ212aのスイッチング素子217a〜217fのオン/オフを三角波比較方式のPWM(Pulse Width Modulation)によって制御して、3相ブラシレスモータ1に印加する電圧を制御する。
三角波比較方式のPWM制御においては、三角波(キャリア)と、指令デューティ比(指令電圧)に応じて設定されるPWMタイマとを比較することで、各スイッチング素子217a〜217fをオン/オフさせるタイミング、換言すれば、各相のスイッチング素子の制御信号であるPWMパルスの立ち上げ及び立ち下げのタイミングを検出する。
なお、制御部213は、各相の上アームのオン/オフを制御するPWMパルスに対し、各相の下アームのオン/オフを制御するPWMパルスを逆相とする相補方式で、インバータ212aのスイッチング素子217a〜217fをPWM制御する。
また、インバータ212aの直流母線電流を検出する電流検出器220を、各相の下アーム(スイッチング素子217b,217d,217f)と電源回路219の接地側との間に設けてある。
電流検出器220は、各相の下アームと電源回路219の接地側との間に直列に接続したシャント抵抗220aと、オペアンプなどを含む検出回路220bとから構成される。検出回路220bは、シャント抵抗220aの抵抗分で発生する電流に比例した電圧を検出し、係る電圧のアナログ信号を出力する。
検出回路220bの電圧アナログ信号(直流母線電流の検出信号)は、A/D変換器213aでA/D変換されてマイクロコンピュータ213bに読み込まれる。
制御部213は、例えば、回転子位置と指令トルクとに基づくベクトル制御方式によって3相指令電圧Vu、Vv、Vwを決定し、この指令電圧に基づきインバータ212aをPWM制御する。
制御部213は、電流検出器220の出力を入力して各相の相電流を検出し、検出した相電流を用いてベクトル制御を実施する。
電流検出器220は、インバータ212aの直流母線電流を検出するが、各相のPWMパルスのオン/オフの組み合わせによって電流検出器220の出力が1つの相の相電流を検出する状態となることを利用して、制御部213は、各相の相電流を電流検出器220の出力から検出する。
例えば、U相の上アームがオンで、V相及びW相の上アームが共にオフである場合は、U相に流れた電流がV相及びW相に分かれて流れ、電流検出器220はU相の相電流Iuを検出することになる。また、U相及びV相の上アームが共にオンで、W相の上アームがオフである場合は、U相に流れた電流及びV相に流れた電流が合流してW相に流れることになり、電流検出器220はW相の相電流Iwを検出することになる。
このように、各相の上アームのうちの1つ又は2つがオンであるPWMパルスの状態において、電流検出器220の出力は、パルス状態で決まる1つの相の相電流を表すことになる。そこで、制御部213は、係る特性を利用して電流検出器220の出力から各相の電流を検出し、検出した相電流値をPWM制御に用いる。
図2は、制御部213の機能ブロック図であり、ベクトル制御方式による3相指令電圧Vu、Vv、Vwの設定処理を示す。
図2において、相電流検出部501(相電流検出手段)は、検出回路220bの出力のA/D変換値、換言すればインバータ212aの直流母線電流に基づき、各相の相電流Iu、Iv、Iwを検出する。
つまり、相電流検出部501は、各相の上アームのうちの1つ又は2つがオンであるPWMパルス区間を相電流検出区間とし、また、いずれの相の上アームがオンであるかに基づき前記相電流検出区間で相電流が検出される1つの相を特定する。
そして、相電流検出部501は、前記相電流検出区間内に相電流検出タイミング(検出回路220bの出力のA/D変換値のサンプリングタイミング)を設定し、この相電流検出タイミングで電流検出器220の出力をサンプリングし、サンプリング値から求めた電流値をそのときに検出対象として特定されている相の相電流検出値とする。
角度・角速度演算部502は、モータ角度(磁極位置)及び角速度(モータ回転数)を推定する。
ここで、制御部213がセンサレス駆動方式で3相ブラシレスモータ1をPWM制御する場合、角度・角速度演算部502は、モータの逆起電力に基づき回転子位置を推定し、推定した回転子位置に基づき角速度を演算する。一方、3相ブラシレスモータ1が磁極位置センサを有する場合、角度・角速度演算部502は、磁極位置センサの出力から回転子位置を検出し、検出した回転子位置に基づき角速度を演算する。
また、3相−2軸変換器503は、相電流検出部501による相電流検出値Iu、Iv、Iwを、そのときのモータ角度(磁極位置)θに基づいて2軸の回転座標系(d−q座標系)の実電流Id,Iqに変換する。
ベクトル制御部504には、指令トルクに応じたd軸指令電流及びq軸指令電流、角度・角速度演算部502で算出された角速度、3相−2軸変換器503で求めたd−q座標系の実電流Id,Iqが入力される。
そして、ベクトル制御部504は、d軸,q軸指令電流、角速度、及び実電流Id,Iqに基づきd−q座標系の指令電圧Vq,Vdを決定し、決定した指令電圧Vq,Vdを2軸−3相変換器505に出力する。
2軸−3相変換器505は、ベクトル制御部504が出力する指令電圧Vq,Vdを3相指令電圧Vu、Vv、Vwに変換してPWM変調部506に出力する。
なお、2軸−3相変換器505は、指令電圧Vu、Vv、Vwを補正することにより、三角波キャリアの谷を中心として生成されるPWMパルスを前後にシフトさせるパルスシフト処理機能を有する。上記のパルスシフト処理は、相電流の検出区間を確保するために実施される処理であり、後に詳細に説明する。
そして、PWM変調部506では、各相のスイッチング素子(上アーム及び下アーム)を駆動するためのスイッチングゲート波形(PWMパルス)の立ち上げ、立ち下げタイミングを、変調波としての3相指令電圧Vu、Vv、Vwと三角波キャリアとの比較によって決定し、インバータ212aの各スイッチング素子217a〜217fの各制御端子(ゲート端子)に出力する。
PWM変調部506は、U相指令電圧Vuと三角波キャリアとを比較し、U相指令電圧Vuが三角波キャリアよりも大きいときに、U相の上アーム(スイッチング素子217a)を駆動するためのスイッチングゲート波形(PWMパルス)をハイレベルとし、U相指令電圧Vuが三角波キャリアよりも小さいときにU相の上アーム(スイッチング素子217a)を駆動するためのスイッチングゲート波形(PWMパルス)をローレベルとする。
更に、PWM変調部506は、U相の上アーム(スイッチング素子217a)を駆動するためのスイッチングゲート波形(PWMパルス)の反転信号を、U相の下アーム(スイッチング素子217b)を駆動するためのスイッチングゲート波形(PWMパルス)として生成する。
同様にして、PWM変調部506は、V相の上下アームを駆動するためのスイッチングゲート波形(PWMパルス)、及び、W相の上下アームを駆動するためのスイッチングゲート波形(PWMパルス)を生成する。
また、制御部213は、電流検出器220のオフセット誤差を補正するオフセット補正部(オフセット補正手段)507を備える。
オフセット補正部507は、相電流検出部501が電流検出器220の出力に基づき検出した3相の相電流Iu、Iv、Iwに基づき電流検出器220のオフセット誤差を求め、当該オフセット誤差に基づきオフセット補正量を定め、係るオフセット補正量に基づき電流検出器220で検出される電流値を補正する。
次に、相電流検出部501における相電流の検出処理を詳述する。
インバータ212aの直流母線電流に基づき各相の相電流を検出する場合、2相の相電流を電流検出器220の出力から検出できれば、残りの1相の電流は相電流の総和が零になることを用いて演算により求めることができる。
そして、ベクトル制御部504は、指令電圧Vq,Vdの演算処理を、電流検出器220の出力から検出した2相の相電流検出値と、これらに基づき演算した残る1相の相電流値とを用いて行える。
しかし、電流検出器220のオフセット誤差を検出する場合、相電流検出部501は、3相全ての相電流を電流検出器220の出力から検出する。
つまり、電流検出器220を構成するオペアンプのオフセット電圧が周囲温度の変化などにより変動して電流検出値にオフセット誤差が生じた場合、係るオフセット誤差は各相の相電流検出値にそれぞれ付加され、これにより3相の相電流検出値の総和が零からずれることになる。
ここで、相電流検出値の総和の零からのずれ量は各相の相電流検出値に付加されたオフセット誤差の総和になり、前記ずれ量から個々の電流検出値に付加されているオフセット誤差を求めることができるから、相電流検出部501は、オフセット誤差を求める場合には3相の相電流をそれぞれ電流検出器220の出力から検出し、検出した3相それぞれの相電流をオフセット補正部507に出力する。
そして、オフセット補正部507は、3相それぞれの相電流検出値の総和に基づきオフセット誤差を算出し、算出したオフセット誤差に基づきオフセット補正量を決定してメモリに格納し、メモリに格納されたオフセット補正量に基づき電流検出器220による電流検出値をオフセット補正する。
以下では、制御部213(相電流検出部501)における相電流の検出処理を、詳細に説明する。
図3のフローチャートに示すルーチンは、制御部213によって所定時間毎に割り込み実行される。
まず、ステップS101で、制御部213は、オフセット補正量の更新処理の実行条件が成立しているか否かを判別する。
制御部213は、例えば、前回の更新処理からの経過時間が所定時間を超えていることや、電流検出器220やインバータ212aなどに故障がないことなどを実行条件として判別する。
オフセット補正量の更新処理の実行条件が成立している場合、制御部213は、ステップS102に進み、PWM制御における第1PWM周期において2相乃至1相の相電流を検出するためのPWMパルスの位相を前後にシフトさせるパルスシフト処理を実施し、2相乃至1相の相電流を電流検出器220の出力から検出する相電流検出区間を第1PWM周期に生成する。
なお、図3のフローチャートに示すルーチンにおける相電流の検出は、後述するようにPWM制御の2周期で3相の相電流を検出するよう構成され、このPWM制御の2周期を1単位とするときの始めの1周期を第1PWM周期とし、直後の1周期を第2PWM周期とする。
次いで、制御部213は、ステップS103に進み、ステップS102のパルスシフトで生成した相電流検出区間内に相電流検出タイミングを設定し、この相電流検出タイミングで電流検出器220の出力をサンプリングして、2相乃至1相の相電流を検出する。
第1PWM周期で相電流の検出を行うと、制御部213は、ステップS104へ進み、第1PWM周期直後の第2PWM周期においてPWMパルスのパルスシフト処理を第1PWM周期とは異なるパターンで実施して、第1PWM周期で相電流を検出していない残る1相乃至2相の相電流を電流検出器220の出力から検出する相電流検出区間を第2PWM周期に生成する。
つまり、制御部213は、第1PWM周期と第2PWM周期とで各相のPWMパルスの位相関係を異ならせ、第1PWM周期で相電流を検出する相と、第2PWM周期で相電流を検出する相とに振り分ける。
次いで、制御部213は、ステップS105に進み、ステップS104のパルスシフトで生成した相電流検出区間内に相電流検出タイミングを設定し、この相電流検出タイミングで電流検出器220の出力をサンプリングして、1相乃至2相の相電流を検出する。
以上のステップS102−ステップS105の処理(2周期3相検出手段)により、制御部213は、PWM周期の2周期で3相の相電流Iu、Iv、Iwを電流検出器220の出力からそれぞれ検出する。前述のように、第1PWM周期でのパルスシフトと第2PWM周期でのパルスシフトとにより、第1PWM周期と第2PWM周期との2周期で3相の相電流を検出する構成であれば、PWMパルスの種々のパターンにおいて3相の相電流を検出でき、オフセット誤差の検出頻度を向上させることができる。
そして、制御部213は、ステップS106に進み、相電流検出値Iu、Iv、Iwの総和を3で割った値を、オフセット誤差量ΔIとして算出する(ΔI=(Iu+Iv+Iw)/3)。
温度変化などによる電流検出器220のオフセット誤差量ΔIは、各相電流検出値Iu、Iv、Iwに等しく付加され、真の相電流値をIuo、Ivo、Iwoとすると、オフセット誤差を含んだ検出値はそれぞれIuo+ΔI、Ivo+ΔI、Iwo+ΔIとなり、Iuo+Ivo+Iwo=0であるから、検出値の総和は、Iuo+ΔI+Ivo+ΔI+Iwo+ΔI=ΔI×3となる。したがって、相電流検出値Iu、Iv、Iwの総和を3で割る処理で、オフセット誤差量ΔIが求まることになる。
オフセット誤差量ΔIを求めた後、制御部213は、ステップS107に進み、オフセット誤差量ΔIに基づき、電流検出器220の検出電流値をオフセット補正するためのオフセット補正量を更新する。
各相電流検出値Iu、Iv、Iwがオフセット補正後の値である場合、今回S107で演算されたオフセット誤差量ΔIは、オフセット誤差量ΔIの変動分となり、制御部213は、ステップS107にて、オフセット誤差量ΔIの変動分だけオフセット補正量を変更する。
なお、制御部213は、オフセット誤差量ΔIを複数回求めてその平均値を求め、係る平均値に基づいてオフセット補正量を変更することができ、また、前回までのオフセット補正量と今回求めたオフセット誤差量ΔIに基づくオフセット補正量との平均値を、更新後のオフセット補正量とすることができる。
また、オフセット誤差量ΔIが閾値を超える値である場合、制御部213は、たとえオフセット補正を行ったとしても電流検出器220による電流の検出精度が悪化するものと判断し、相電流の検出値に基づくモータ制御を停止することができる。
制御部213(オフセット補正手段)は、ステップS107で更新したオフセット補正量を用いて、電流検出器220による検出電流値をオフセット補正し、オフセット補正後の電流検出値を用いてベクトル制御や磁極位置の検出などを行う。
ここで、ステップS102−ステップS105での処理(2周期3相検出手段)を、具体例に基づき詳細に説明する。
図4は、3相のPWMパルスの幅(3相の指令電圧)が同じである場合のパルスシフト処理及び相電流検出タイミングを例示する。
図4(A)のパルスシフト処理前の状態(三角波キャリアの谷をPWMパルスの中心とする標準状態)では、3相のPWMパルスの幅が同じであるためPWMパルスのオン期間が3相全てで重なっていて、1相又は2相のPWMパルスのみがオンである期間がなく、電流検出器220によって1つの相に流れる電流を検出できない。
そこで、図4(B)に示すパルスシフト処理の一例では、第1PWM周期でV相のPWMパルスの位相を時間Δt1だけ遅らせ、更に、W相のPWMパルスの位相を時間Δt2(Δt2>Δt1)だけ遅らせるパルスシフト処理を実施する。
制御部213は、三角波キャリアを補正タイミングの基準として指令電圧を補正することで、PWMパルスの立ち上がり及び立ち下がりのタイミングを制御し、PWMパルスの位相をシフトさせる。
図4(B)のV相のPWMパルスを遅らせる時間Δt1よりもW相のPWMパルスを遅らせる時間Δt2の方が長いから、U相のPWMパルスが立ち下がってからV相のPWMパルスが立ち下がるまでの期間P1(時間Δt1の期間)は、U相のPWMパルスがオフでV相及びW相のPWMパルスがオンである期間となり、この期間P1ではV相及びW相に流れた電流が合流してU相に流れる。したがって、制御部213は、期間P1内にU相電流検出タイミングを設定し、このU相電流検出タイミングで電流検出器220の出力をサンプリングして、U相の相電流検出値Iuを求める。
一方、図4(B)のV相のPWMパルスの位相を遅らせる時間Δt1よりもW相のPWMパルスの位相を遅らせる時間Δt2の方が長いから、V相のPWMパルスが立ち下がってからW相のPWMパルスが立ち下がるまでの期間P2(時間Δt2の期間)は、U相及びV相のPWMパルスがオフでW相のPWMパルスがオンである期間となり、この期間P2ではW相に流れた電流がU相及びV相に分かれて流れる。したがって、制御部213は、期間P2にW相電流検出タイミングを設定し、このW相電流検出タイミングで電流検出器220の出力をサンプリングして、W相の相電流検出値Iwを求める。
つまり、3相のPWMパルスの幅が同じときに、制御部213は、第1PWM周期でV相のPWMパルスをΔt1だけ遅らせ、更に、W相のPWMパルスをΔt2(Δt2>Δt1)だけ遅らせるパルスシフト処理を実施することで、第1PWM周期の後半でU相及びW相の2相の相電流Iu、Iwを検出する。
上記の第1PWM周期におけるパルスシフト処理ではV相の相電流Ivを検出できる区間が生成されないので、制御部213は、第1PWM周期直後の第2PWM周期でV相の相電流Ivを検出できる区間を生成するためのパルスシフト処理を実施する。
V相の相電流Ivを検出する区間を生成するパルスシフト処理として、制御部213は、V相のPWMパルスの位相を時間Δt3だけ進ませる処理を行う。
第2PWM周期で制御部213がV相のPWMパルスのみを時間Δt3だけ進ませれば、U相及びW相のPWMパルスがオフでV相のPWMパルスがオンである期間P3(時間Δt3の期間)が第2PWM周期の前半に生成されることになり、この期間P3ではV相に流れた電流がU相及びW相に分かれて流れる。したがって、制御部213は、期間P3にV相電流検出タイミングを設定し、このV相電流検出タイミングで電流検出器220の出力をサンプリングして、V相の相電流検出値Ivを求める。
つまり、制御部213は、第2PWM周期でV相のPWMパルスを時間Δt3だけ進ませるパルスシフト処理を実施することで、第2PWM周期の前半でV相の相電流Ivを検出する。これにより、第1PWM周期と第2PWM周期との2周期で、3相全ての相電流が電流検出器220により検出される。
なお、遅延時間Δt1、Δt2、Δt3は、前記期間P1、P2、P3の長さが電流検出に必要な最小時間よりも長くなるように設定され、更に、各相電流検出タイミングが、第1PWM周期と第2PWM周期との境界近く設定され、最初にU相の相電流Iuが検出されてから最後にV相の相電流Ivが検出されるまでの時間が極力短くなるように設定される。
上記のように、第1PWM周期と第2PWM周期との2周期で3相それぞれの相電流を検出する場合、最初の相電流検出タイミングから最後に相電流検出タイミングまでの時間が長くなると、相電流の時間変化に影響されてオフセット誤差の検出精度が低下する。
そこで、第1PWM周期の後半で2相の相電流を検出し第2PWM周期の前半で残りの1相の相電流を検出させることで、3相の相電流が検出される区間が短くするが、更に、第1PWM周期の後半での2相の相電流検出タイミングを極力遅らせ、また、第2PWM周期の前半での1相の相電流検出タイミングを極力早めることで、3相の相電流が短時間で検出されるようにする。
例えば、図5(A)に示すように、制御部213は、第2PWM周期においてV相のPWMパルスの位相を遅らせるパルスシフトを実施することによって、V相のPWMパルスがオフで他の相のPWMパルスがオンである期間を生成し、第2PWM周期の前半でV相の相電流Ivを検出することができる。しかし、図5(A)に示すように第2PWM周期においてV相のPWMパルスの位相を遅らせる場合は、図5(B)に示すようにV相のPWMパルスの位相を進ませる場合に比べてV相の相電流Ivの検出タイミングが遅れ、結果として3相全ての相電流が検出される区間の長さが長くなって、オフセット誤差の検出精度が低下する。
したがって、制御部213は、第1PWM周期では電流検出区間がなるべく遅く設定されるようにPWMパルスの位相を遅らせる処理を実施し、第2PWM周期では電流検出区間がなるべく早く設定されるようにPWMパルスの位相を進ませる処理を実施して、3相の相電流が短時間で検出されるようにする。
なお、制御部213は、第1PWM周期でPWMパルスの位相を遅らせる2つの相、第2PWM周期でPWMパルスの位相を進ませる1つの相を図4のパターンとは異ならせ、例えば、第1PWM周期でU相のPWMパルスの位相を遅らせるパルスシフト処理を実施し、更に、第1PWM周期でV相のPWMの位相をU相よりも大きく遅らせるパルスシフト処理を実施し、第2PWM周期でU相のPWMパルスの位相を進ませるパルスシフト処理を実施すれば、第1PWM周期の後半でV相とW相の相電流Iv、Iwを検出させ、第2PWM周期の前半でU相の相電流Iuを検出することができる。
また、制御部213は、第1PWM周期でPWMパルスの位相を遅らせる相を1相のみとし、第2PWM周期でPWMパルスの位相を進ませる相を2相とし、第1PWM周期で1相の相電流を検出し、第2PWM周期で残る2相の相電流を検出することができる。
例えば、第1PWM周期でV相のPWMパルスの位相を遅らせるパルスシフト処理を実施し、第2PWM周期でV相のPWMパルスの位相を進ませるパルスシフト処理を実施し、更に、第2PWM周期でW相のPWMパルスの位相をV相よりも大きく進ませるパルスシフト処理を実施することで、第1PWM周期でV相の相電流Ivを検出させ、第2PWM周期でU相及びW相の相電流Iu、Iwを検出することができる。
また、図6は、3相のPWMパルスの幅のうち2相が同じで1相が異なる場合のパルスシフト処理及び相電流検出タイミングを例示する。
図6に示す例は、U相及びV相のPWMパルス幅が同じで、W相のPWMパルス幅がU相及びV相のPWMパルス幅よりも短い場合である。
そして、図6(A)は、パルスシフト処理前の各相のPWMパルスの位相状態を示す。パルスシフトを実施していない状態では、U相及びV相のPWMパルスがオンでW相のPWMパルス幅がオフである期間P4は、U相及びV相に流れ込んだ電流が合流してW相に流れることから、電流検出器220の出力からW相の相電流Iwを検出できる期間となるが、U相及びV相の相電流Iu、Ivを検出できる区間が生成されない。
そこで、制御部213は、図6(B)に示すように、第1PWM周期でU相のPWMパルスの位相を進ませ、更に、第1PWM周期でV相のPWMパルスの位相を遅らせ、第1PWM周期の後半に、V相のPWMパルスがオンでU相及びW相のPWMパルスがオフである期間P5を生成し、係る期間P5での電流検出器220の出力からV相の相電流Ivを検出する。
一方、制御部213は、第1PWM周期直後の第2PWM周期で、U相のPWMパルスの位相を進ませ、更に、V相のPWMパルスの位相を遅らせることで、U相のPWMパルスのみがオンであってU相の相電流を電流検出器220の出力から検出できる期間P6と、W相のPWMパルスのみがオフであってW相の相電流を電流検出器220の出力から検出できる期間P7とを生成し、第2PWM周期の前半でU相の相電流Iu及びW相の相電流Iwを検出する。
なお、図6(B)の例では、第1PWM周期において、制御部213は、U相のPWMパルスの位相を進ませる処理と、V相のPWMパルスの位相を遅らせる処理との双方を実施するが、これは、U相及びV相のPWMパルス幅がPWM制御の1周期に近く、U相とV相のいずれか一方のみのパルスシフト処理を実施しても、十分に長い電流検出区間を生成できないためである。
したがって、U相及びV相のPWMパルス幅が図6の例よりも短い場合には、制御部213は、例えば、第1PWM周期においてV相のPWMパルスの位相を遅らせる処理のみを実施してV相の相電流Ivを検出できる場合がある。
同様に、第2PWM周期におけるU相のPWMパルスの位相を進ませる処理及びV相のPWMパルスの位相を遅らせる処理は、U相の相電流検出区間の長さを確保するための処理である。
また、図6(B)において、制御部213は、W相の相電流Iwを第1PWM周期後半のW相のPWMパルスのみがオフである期間P8で検出し、第1PWM周期でV相の相電流Iv及びW相の相電流Iwを検出し、第2PWM周期でU相の相電流Iuを検出することができる。
また、制御部213は、図6に示す例において、W相のPWMパルスに比べて幅が長いU相及びV相のPWMパルスのパルスシフト処理を実施することで、パルスシフト処理で位相を遅らせたり早めたりする時間を抑制しつつ、第1PWM周期の後半から第2PWM周期の前半にかけての短い区間で3相の相電流を検出する。
なお、例えば、3相のPWMパルスのうちの2相が同じで、残る1相のPWMパルスが他の2相のPWMパルスよりも幅大きい場合も、制御部213は、図7に例示するようにして、パルスシフト処理によりPWM2周期で3相の相電流を検出できる。
図7は、3相のPWMパルスのうちのU相及びV相のPWMパルスが同じで、W相のPWMパルスが他よりも短い場合のパルスシフト処理の例を示す。
図7に示す例では、制御部213は、第1PWM周期でV相及びW相のPWMパルスの位相を遅らせ、U相の相電流Iu検出期間P9及びW相の相電流Iw検出期間P10を生成する一方、第2PWM周期でV相のPWMパルスが最初に立ちあがるように位相を進ませる処理を実施し、V相の相電流Iv検出期間P11を生成する。
なお、PWMパルスの幅などの条件がパルスシフト処理によってPWM2周期で3相の相電流を電流検出器220の出力から検出することが困難な条件であるときは、制御部213は、オフセット補正量の更新処理をキャンセルすることができる。
また、図8は、PWMパルス幅が3相で全て異なる場合におけるパルスシフト処理及び電流検出タイミングの設定を例示する。
図8の例では、各相のPWMパルス幅は、U相PWMパルス幅>W相PWMパルス幅>V相PWMパルス幅の関係になっていて、かつ、W相PWMパルス幅とV相PWMパルス幅とが近似している。
そして、パルスシフト処理を実施しない場合、図8(A)に示すように、U相の相電流Iu検出期間が生成されるが、W相の相電流Iw検出期間が生成されず、V相の相電流Iv検出期間は生成されるものの電流検出に必要な最小時間を確保できない。
そこで、制御部213は、図8(B)に示すように、第1PWM周期においてV相のPWMパルスの位相をU相のPWMパルスが立ち下がる時期以降にオンになるように遅らせることで、第1PWM周期においてU相及びV相の相電流Iu、Ivを検出し、第2PWM周期において、U相のPWMパルスの位相を遅らせるパルスシフト処理とともにW相のPWMパルスの位相を進ませる処理を実施することで、W相のPWMパルスがU相のPWMパルスの立ち上がり時期以前にオンになるようにして、このW相のPWMパルスのみがオンである期間P12でW相の相電流Iwを検出する。
なお、W相PWMパルス幅とV相PWMパルス幅との差が、V相の相電流Iv検出期間が十分な長さとなる大きさである場合でも、制御部213は、図8(B)に示すようにしてパルスシフト処理を実施することで、より短時間で3相の相電流を検出することができる。
上記に例示した、PWM2周期で3相の相電流を電流検出器220の出力から検出するためのパルスシフト処理は一例であり、各相のPWMパルス幅に応じて適宜設定できることは明らかである。つまり、制御部213は、第1PWM周期で1相乃至2相の相電流を検出し第2PWM周期の前半で残る2相乃至1相の相電流を検出できるように、各相のPWMパルス幅に応じてパルスシフト処理のパターンを適宜選定できる。
ところで、図3のフローチャートに例示した制御では、制御部213は、オフセット補正量の更新処理を行うときにPWM2周期で3相の相電流を検出するが、制御部213は、PWM2周期で3相の相電流を検出する処理とPWM1周期で3相の相電流を検出する処理とを使い分けることができる。
図9のフローチャートは、PWM2周期で3相の相電流を検出する処理(2周期3相検出手段)と、PWM1周期で3相の相電流を全て検出する処理(1周期3相検出手段)とを使い分ける制御の一例を示す。
まず、ステップS201で、制御部213は、オフセット補正量の更新処理の実行条件が成立しているか否かを判別する。
そして、実行条件が成立している場合、制御部213は、ステップS202(選択作動手段)へ進んで、PWM1周期で3相の相電流を検出する条件と、PWM2周期で3相の相電流を検出する条件とのいずれが成立しているかを、そのときの各相のPWMパルス幅の状態などから判断する。
制御部213は、例えば、各相のPWMパルス幅の状態が、パルスシフト処理を行ってもPWM1周期で3相の相電流を検出することが難しい第1状態であるときに、PWM2周期で3相の相電流を検出する第1条件が成立していると判断し、各相のPWMパルス幅の状態が、パルスシフト処理を行うことでPWM1周期で3相の相電流を検出することができる第2状態であるときに、PWM1周期で3相の相電流を検出する第2条件が成立していると判断することができる。
また、制御部213は、トルク指令値が一定であって各相の相電流が安定しているときにPWM1周期で3相の相電流を検出する第2条件が成立していると判断し、トルク指令値が変動するときにPWM2周期で3相の相電流を検出する第1条件が成立していると判断することができる。このような選択条件とするのは、PWM1周期で3相の相電流を検出する場合、3相全ての相電流が検出される期間が長くなって相電流の変動によってオフセット誤差の検出精度が低下する場合があり、相電流が安定している場合には3相全ての相電流が検出される期間が長くなってもオフセット誤差の検出精度の低下を抑制できるためである。
PWM2周期で3相の相電流を検出する処理に比べPWM1周期で3相の相電流を検出する処理の演算負荷が小さいため、上記のようにしてPWM2周期で3相の相電流を検出する処理とPWM1周期で3相の相電流を全て検出する処理とを使い分ければ、制御部213における演算負荷を抑制できる。
なお、制御部213は、トルク指令値が一定であって各相の相電流が安定していて、かつ、PWM1周期で3相の相電流を検出することができるときに、PWM1周期で3相の相電流を検出する第2条件が成立していると判断し、係る第2条件が成立しない場合にPWM2周期で3相の相電流を検出する第1条件が成立していると判断することができる。
制御部213は、ステップS202において、PWM2周期で3相の相電流を検出する第1条件が成立し、PWM1周期で3相の相電流を検出する第2条件が成立していないと判断すると、ステップS203−ステップS206の処理を実施することでPWM2周期で3相の相電流を検出する。
なお、ステップS203−ステップS206の処理は、図3のフローチャートのステップS102−ステップS105と同じであり、詳細な説明は省略する。
一方、制御部213は、ステップS202において、PWM2周期で3相の相電流を検出する第1条件が成立せず、PWM1周期で3相の相電流を検出する第2条件が成立していると判断すると、ステップS207に進み、PWM1周期で3相の相電流を検出するためのパルスシフト処理を実施し、次のステップS208ではパルスシフト処理で生成される3相それぞれの電流検出期間内に電流検出タイミングを設定して、PWM1周期で3相の相電流を検出する。
図10は、PWM1周期で3相の相電流を検出するためのパルスシフト処理、及び、パルスシフト処理後のPWMパルスにおける電流検出タイミングを例示する。
図10(A)は、パルスシフト処理前の各相のPWMパルスを示し、U相及びV相のPWMパルス幅が同じで、W相のPWMパルス幅がU相及びV相のPWMパルス幅よりも短い場合を例示する。
係るPWMパルスのパターンでは、電流検出期間が、U相及びV相のPWMパルスがオンでW相のPWMパルスがオフであってW相の相電流Iwを検出できる期間に限定され、U相及びV相の相電流を検出できる区間が生成されない。
そこで、制御部213は、図10(B)に例示するようにしてパルスシフト処理を実施し、3相それぞれの相電流検出期間をPWM1周期内に生成する。
具体的には、制御部213は、U相のPWMパルスの位相を進める一方でV相のPWMパルスの位相を遅らせるパルスシフト処理を実施することで、PWM1周期の初期にU相のPWMパルスのみがオンでU相の相電流Iuを検出できる区間を生成し、PWM1周期の終期にV相のPWMパルスのみがオンでV相の相電流Ivを検出できる区間を生成し、これらの区間内にU相の相電流Iu検出タイミング、V相の相電流Iv検出タイミングを設定して、電流検出器220の出力から相電流Iu、Ivを検出する。
なお、U相のPWMパルス及びV相のPWMパルスの双方についてパルスシフト処理を実施するのは、一方の相についてのみパルスシフト処理を行った場合、十分な長さの電流検出期間を生成できないためである。
また、制御部213は、U相及びV相のPWMパルスがオンでW相のPWMパルスがオフであってW相の相電流Iwを検出できる期間内にW相の相電流Iw検出タイミングを設定して、電流検出器220の出力から相電流Iwを検出する。
なお、PWM1周期で3相の相電流を検出する場合のPWMパルス幅の組み合わせ及びパルスシフト処理のパターンは、図10に例示した以外に種々設定できることは明らかである。
以上、好ましい実施形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば種々の変形態様を採り得ることは自明である。
制御部213は、PWM2周期で電流検出器220の出力から検出した3相の相電流Iu,Iv,Iwを3相ブラシレスモータ1のベクトル制御に用いることができる。
また、制御部213は、電流検出器220の出力から3相の相電流を検出するときに、トルク指令値(各相の指令電圧)の変動を抑制する処理を実施し、トルク指令値(各相の指令電圧)の安定状態で3相の相電流を検出することができる。
1…3相ブラシレスモータ、2…モータ駆動装置、212…駆動回路、212a…インバータ、213…制御部、213a…A/D変換器、213b…マイクロコンピュータ、220…電流検出器、220a…シャント抵抗、220b…検出回路

Claims (8)

  1. 3相ブラシレスモータに交流電力を供給するインバータと、前記インバータの直流母線電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器の出力を入力し前記インバータをPWM制御する制御部と、を含むモータ駆動装置であって、
    前記制御部は、各相のPWMパルスのオン/オフの組み合わせが所定の組み合わせであるときの前記電流検出器の出力から各相の相電流を検出する相電流検出手段を備え、
    前記相電流検出手段は、PWMパルスの位相をシフトさせるパルスシフト処理によって前記PWM制御の第1PWM周期と第2PWM周期とで各相のPWMパルスの位相関係を異ならせ、前記第1PWM周期と前記第2PWM周期との2周期で前記電流検出器の出力から3相それぞれの相電流を検出する2周期3相検出手段を含む、モータ駆動装置。
  2. 前記2周期3相検出手段は、前記第1PWM周期の後半で1相又は2相の電流を検出し、前記第1PWM周期の直後の前記第2PWM周期の前半で残る2相又は1相の電流を検出する、請求項1記載のモータ駆動装置。
  3. 前記2周期3相検出手段は、前記第1PWM周期において前記PWMパルスの位相を遅らせるパルスシフト処理を実施し、前記第2PWM周期において前記PWMパルスの位相を進ませるパルスシフト処理を実施する、請求項2記載のモータ駆動装置。
  4. 前記制御部は、PWMパルスの位相をシフトさせるパルスシフト処理によって前記PWM制御の1周期で前記電流検出器の出力から3相それぞれの相電流を検出する1周期3相検出手段と、前記2周期3相検出手段を作動させる第1条件と前記1周期3相検出手段を作動させる第2条件とのいずれが成立しているかに応じて前記2周期3相検出手段と前記1周期3相検出手段とのいずれか一方を作動させる選択作動手段と、を更に含む、請求項1から3のいずれか1つに記載のモータ駆動装置。
  5. 前記制御部は、前記相電流検出手段により検出された3相それぞれの相電流に基づき前記電流検出器による電流検出値をオフセット補正するオフセット補正手段を更に含む、請求項1から4のいずれか1つに記載のモータ駆動装置。
  6. 3相ブラシレスモータに交流電力を供給するインバータと前記インバータの直流母線電流を検出する電流検出器とを含み前記インバータがPWM制御されるモータ駆動装置において相電流を検出する方法であって、
    前記PWM制御の第1PWM周期においてPWMパルスの位相をシフトさせるパルスシフト処理によって1相乃至2相の相電流検出区間を生成する第1ステップと、
    前記第1PWM周期に生成された相電流検出区間における前記電流検出器の出力から前記1相乃至2相の相電流を検出する第2ステップと、
    前記PWM制御の第2PWM周期においてPWMパルスの位相をシフトさせるパルスシフト処理によって残りの2相乃至1相の相電流検出区間を生成する第3ステップと、
    前記第2PWM周期に生成された相電流検出区間における前記電流検出器の出力から前記残りの2相乃至1相の相電流を検出する第4ステップと、
    を含む、モータ駆動装置における相電流検出方法。
  7. 前記第1ステップは、前記第1PWM周期においてPWMパルスの位相を遅らせるパルスシフト処理を実施して前記第1PWM周期の後半に1相乃至2相の相電流検出区間を生成し、
    前記第3ステップは、前記第1PWM周期の直後である前記第2PWM周期においてPWMパルスの位相を進ませるパルスシフト処理を実施して前記第2PWM周期の前半に残りの2相乃至1相の相電流検出区間を生成する、請求項6記載のモータ駆動装置における相電流検出方法。
  8. 3相それぞれの相電流の検出値に基づき前記電流検出器による電流検出値をオフセット補正する第5ステップを更に含む、請求項6又は7記載のモータ駆動装置における相電流検出方法。
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