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
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
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。
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。
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(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (8)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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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