JP6580296B2 - アクチュエータの制御装置および制御方法 - Google Patents
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Description
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係るアクチュエータ1の制御装置3の構成例を示すブロック図である。アクチュエータ1は、動力源である同期電動機101、同期電動機101が出力するトルクを増大させる減速機構102、減速機構102の出力軸の回転運動を直動運動に変換する直動変換機構103、および同期電動機101の出力軸101aの角度を検出するセンサ110を備える。このアクチュエータ1は、直動変換機構103の出力軸103aに連結されたレバー4等を作動させる。例えば、車両用のアクチュエータ1は、レバー4を作動させることにより、レバー4に連結された図示しない排気再循環(EGR)バルブまたはウェイストゲートバルブ等を開閉させる。
例えば、センサ110の出力信号は、0.5Vから4.5Vまで直線的に変化して0度から360度を表現する信号である。多回転処理部301は、センサ110の出力信号の電圧値を例えば5ミリ秒ごとにサンプリングし、サンプリングした電圧値を0度から360度までのいずれかの単回転角度に変換する。
ここで、多回転補正のための360度および−360度を、多回転補正値と呼ぶ。
y=(1−Kf)・x+Kf・Dy (1)
また、位置FB部302は、フィードバックおよびフィードフォワードにて操作した電圧ベクトルの振幅aを、電圧飽和が生じる最大値以下に制限した後、三相発振部309に出力してもよい。
また、位相差FB部305は、多回転処理部301から出力される回転速度に応じた速度範囲になるよう電気角速度ωを制限してもよい。例えば、位相差FB部305は、多回転処理部301から出力された最新の回転速度に応じて、速度範囲の上限値と下限値を設定する。この場合、積分制御部307は、制限後の電気角速度ωを積分する。
目標位相差306として固定値を用いる場合、位相差FB部305は、電気角90度を同期電動機101の極対数で除算して機械角を求め、この機械角を目標位相差306として用いる。
目標位相差306として変動値を用いる場合、位相差FB部305は、上述した制限後の電気角速度ωと位相差との関係を示すルックアップテーブルを予め保持しており、上述した制限後の電気角速度ωに対応する位相差をルックアップテーブルから選択して目標位相差306として用いる。また、位相差FB部305は、相電流または相電圧等の大きさをもとに目標位相差306を決定してもよい。
図3Aは、位相検出部304から位相差FB部305に入力される電圧ベクトルの位相(黒色で示す)と、位相差FB部305が求める回転子の機械角(灰色で示す)のグラフである。図3Bは、位相差FB部305が求める電圧ベクトルの位相と回転子の機械角との位相差(黒色で示す)と、固定値である目標位相差306(灰色で示す)のグラフである。図3Cは、位相差FB部305が操作する電気角速度ωのグラフである。図3Dは、電気角加速度のグラフである。電気角加速度は、積分制御部307が電気角速度ωを操作するために算出する積分項である。
三相発振部309は、波形記憶部310が記憶しているベクトルを参照し、U要素として、0.2ミリ秒サンプル周期の位相θに対応する電気角のベクトル要素値を抽出し、V要素として、上記位相θに240度を加算した電気角のベクトル要素値を抽出し、W要素として、上記位相θに120度を加算した電気角のベクトル要素値を抽出する。続いて三相発振部309は、位置FB部302から出力される振幅aをU要素、V要素およびW要素のそれぞれに乗算し、0.5を加算することによって電圧値からデューティ値へ変換し、U相、V相およびW相のデューティ値を求める。そして、三相発振部309は、U相、V相およびW相のデューティ値を用いて、U相、V相およびW相のパルス信号を生成し、駆動回路311に出力する。
駆動回路311は、図4に示される電圧波形から生成されたパルス信号に応じて同期電動機101に通電することで、回転子を正方向に駆動する場合は電気角でd軸位置+90度の方向に通電でき、負方向に駆動する場合はd軸位置−90度の方向に通電できるため、効率よく同期電動機101を駆動できる。
ステップST1において、多回転処理部301は、センサ110により検出される1回転以上の角度を多回転角度に換算する。
ステップST2において、位相差FB部305は、同期電動機101の電気角と機械角との位相差を目標位相差306にフィードバック制御する。
ステップST3において、位置FB部302は多回転処理部301により換算される多回転角度を目標位置303にフィードバック制御する。
ステップST4において、三相発振部309は、位相差FB部305および位置FB部302の制御結果に基づいてパルス信号を生成して駆動回路311へ出力することによって、同期電動機101の通電を制御する。
また、センサ110は、直動変換機構103の出力軸103aのストローク位置を検出し、検出したストローク位置を同期電動機101の出力軸101a等の角度に換算する構成であってもよい。ストローク位置を検出するセンサの出力信号も、特許文献1に記載されているような減速機構の出力軸の角度位置を検出するセンサの出力信号と同様に、同期電動機の回転子の磁極位置を検出するセンサの出力信号に比べて、精度および分解能が悪い。そのような場合にも、実施の形態1に係る制御装置3により、同期電動機101の動作を安定させることができる。
実施の形態1では、電圧ベクトルを用いて同期電動機101への通電を制御する例を説明した。実施の形態2では、電流ベクトルを用いて同期電動機101への通電を制御する例を説明する。
図7Aと図7Bは、各実施の形態に係る制御装置3のハードウェア構成例を示すハードウェア構成図である。制御装置3における駆動回路311は三相インバータである。制御装置3における多回転処理部301、位置FB部302、位相検出部304、位相差FB部305、三相発振部309、電流検出部321、およびベクトル制御部322の各機能は、処理回路により実現される。即ち、制御装置3は、上記各機能を実現するための処理回路を備える。処理回路は、専用のハードウェアとしての処理回路10であってもよいし、メモリ11に格納されるプログラムを実行するプロセッサ12であってもよい。
メモリ11は、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、EPROM(Erasable Programmable ROM)、またはフラッシュメモリ等の不揮発性もしくは揮発性の半導体メモリであってもよいし、ハードディスクまたはフレキシブルディスク等の磁気ディスクであってもよいし、CD(Compact Disc)またはDVD(Digital Versatile Disc)等の光ディスクであってもよい。
波形記憶部310は、メモリ11である。
Claims (9)
- 同期電動機を動力源に用いたアクチュエータの制御装置であって、
前記アクチュエータの出力軸の角度を検出するセンサと、
前記センサにより検出される1回転以上の角度を多回転角度に換算する多回転処理部と、
前記同期電動機の電気角と機械角との位相差を目標位相差にフィードバック制御する位相差フィードバック部と、
前記多回転処理部により換算される多回転角度を前記アクチュエータの目標位置にフィードバック制御する位置フィードバック部と、
前記位相差フィードバック部および前記位置フィードバック部の制御結果に基づいて前記同期電動機の通電を制御する三相発振部とを備えるアクチュエータの制御装置。 - 前記位相差フィードバック部は、前記同期電動機の回転子を正方向および負方向に回転させたときに前記センサにより検出される角度の平均値を、前記回転子のd軸位置として用いることを特徴とする請求項1記載のアクチュエータの制御装置。
- 前記三相発振部は、前記回転子を正方向に回転させる場合、前記d軸位置+90度の方向に通電させ、前記回転子を負方向に回転させる場合、前記d軸位置−90度の方向に通電させることを特徴とする請求項2記載のアクチュエータの制御装置。
- 前記位相差フィードバック部は、前記電気角が遅れている場合に角周波数を高くし、前記電気角が進んでいる場合に角周波数を低くするように電気角速度を操作することを特徴とする請求項1記載のアクチュエータの制御装置。
- 前記位置フィードバック部は、電圧ベクトルまたは電流ベクトルの振幅を操作することを特徴とする請求項1記載のアクチュエータの制御装置。
- 前記多回転処理部は、前記センサにより検出される角度を平滑化するとともに、前記アクチュエータの出力軸が1回転以上した場合に出力値を1回転以内の角度に補正するフィルタ処理を行い、
前記位相差フィードバック部は、前記フィルタ処理後の角度を前記機械角に換算することを特徴とする請求項1記載のアクチュエータの制御装置。 - 前記位相差フィードバック部は、前記同期電動機の回転子の回転速度に応じて変化する速度範囲内に、前記電気角速度を制限することを特徴とする請求項4記載のアクチュエータの制御装置。
- 前記位相差フィードバック部および前記位置フィードバック部のサンプル周期より前記三相発振部のサンプル周期が短いことを特徴とする請求項1記載のアクチュエータの制御装置。
- 同期電動機を動力源に用いたアクチュエータの制御方法であって、
多回転処理部が、センサにより検出される前記アクチュエータの出力軸の1回転以上の角度を多回転角度に換算するステップと、
位相差フィードバック部が、前記同期電動機の電気角と機械角との位相差を目標位相差にフィードバック制御するステップと、
位置フィードバック部が、前記多回転処理部により換算される多回転角度を前記アクチュエータの目標位置にフィードバック制御するステップと、
三相発振部が、前記位相差フィードバック部および前記位置フィードバック部の制御結果に基づいて前記同期電動機の通電を制御するステップとを備えるアクチュエータの制御方法。
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