JP7277597B2 - 3相ブラシレスモータの制御装置及び制御方法 - Google Patents

3相ブラシレスモータの制御装置及び制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、3相ブラシレスモータの制御装置及びその制御方法に関する。
3相ブラシレスモータを制御する技術として、特開2005-39912号公報(特許文献1)に記載されるように、1シャント電流検出方式を使用して、3相ブラシレスモータを目標値に収束するようにベクトル制御する技術が知られている。1シャント電流検出方式は、3相ブラシレスモータを駆動するインバータの母線(直流ライン)に配設された1つのシャント抵抗によって2相の電流を検出し、「3相の電流の総和=0」という特性を利用して、他の1相の電流を検出する電流検出方法である。
特開2005-39912号公報
ところで、1シャント電流検出方式では、3相ブラシレスモータの各相コイルを駆動するPWM(Pulse Width Modulation)のパルス信号が短時間でON/OFFされると、リンギングなどによって2相電流を正確に取得できなくなってしまう。2相電流を正確に取得できない期間が現れる周期と2相電流の取得周期とが異なる場合には問題が発生し難いが、例えば、3相ブラシレスモータの回転速度が変化すると、2相電流の取得周期と2相電流を正確に取得できない期間とが一致してしまうおそれがある。このような状態において3相ブラシレスモータをベクトル制御すると、2相電流を正確に取得できないことから、シャント抵抗によって検出した電流と実電流とが乖離し、不適切なベクトル制御によって実電流が大きく変動してしまうおそれがあった。3相ブラシレスモータの実電流が大きく変動すると、例えば、3相ブラシレスモータの回転速度や回転角度を目標値に収束させることが困難となってしまう。
そこで、本発明は、1シャント電流検出方式を使用して3相ブラシレスモータをベクトル制御するときの実電流の変動を抑制した、3相ブラシレスモータの制御装置及び制御方法を提供することを目的とする。
本実施形態の一態様によれば、3相ブラシレスモータの制御装置は、3相ブラシレスモータを駆動する駆動回路の母線に配設された1つのシャント抵抗を使用し、所定のタイミングで3相ブラシレスモータの2相電流を取得して、3相ブラシレスモータをベクトル制御する。このとき、3相ブラシレスモータの制御装置は、2相電流を正確に取得できない期間に応じて、シャント抵抗により検出されるシャント電流に対する2相電流の取得タイミングを変更する。
本実施形態の他の態様によれば、3相ブラシレスモータの制御装置は、3相ブラシレスモータを駆動する駆動回路の母線に配設された1つのシャント抵抗を使用し、所定のタイミングで3相ブラシレスモータの2相電流を取得して、3相ブラシレスモータをベクトル制御する。このとき、3相ブラシレスモータの制御装置は、前回の制御周期における3相ブラシレスモータの制御内容から推定した2相電流を正確に取得できない期間に応じて、3相ブラスレスモータをベクトル制御する周期を変更する。
本発明によれば、1シャント電流検出方式を使用して3相ブラシレスモータをベクトル制御するときに、3相ブラシレスモータの実電流の変動を抑制することができる。
車両に搭載された内燃機関の一例を示すシステム図である。 可変圧縮比コントローラ及び三相ブラシレスモータの説明図である。 マイクロコンピュータの内部構造の説明図である。 3相ブラシレスモータをベクトル制御する機能ブロックの説明図である。 2相電流を正確に取得できない状態が発生する原因の説明図である。 2相電流取得方法の第1実施形態の概要図である。 2相電流取得方法の第1実施形態のフローチャートである。 2相電流取得方法の第1実施形態の作用の説明図である。 2相電流取得方法の第2実施形態の概要図である。 2相電流取得方法の第2実施形態のフローチャートである。 2相電流取得方法の第2実施形態の作用の説明図である。 2相電流取得方法の第3実施形態の概要図である。 2相電流取得方法の第3実施形態のフローチャートである。 2相電流取得方法の第3実施形態の作用の説明図である。 2相電流取得方法の第4実施形態の概要図である。 2相電流取得方法の第4実施形態のフローチャートである。 2相電流取得方法の第4実施形態の作用の説明図である。 従来技術による制御結果の説明図である。 本実施形態による制御結果の説明図である。
以下、添付された図面を参照し、本発明を実施するための実施形態について詳述する。
図1は、自動車などの車両に搭載された内燃機関100の一例を示している。
内燃機関100は、シリンダブロック110と、シリンダブロック110のシリンダボア112に往復動可能に嵌挿されたピストン120と、吸気ポート130A及び排気ポート130Bが形成されたシリンダヘッド130と、吸気ポート130Aの開口端を開閉する吸気バルブ132と、排気ポート130Bの開口端を開閉する排気バルブ134と、を有している。
ピストン120は、クランクシャフト140に対して、ロアリンク150A及びアッパリンク150Bを含むコネクティングロッド150を介して連結されている。そして、ピストン120の冠面120Aとシリンダヘッド130の下面との間に、燃焼室160が形成されている。燃焼室160を形成するシリンダヘッド130の略中央には、燃料と空気との混合気を着火する点火プラグ170が取り付けられている。
また、内燃機関100は、クランクシャフト140に対する吸気バルブ132の開期間の位相を可変とする可変バルブタイミング(VTC:Valve Timing Control)機構180と、燃焼室160の容積を変更することで、圧縮比を可変とする可変圧縮比(VCR:Variable Compression Ratio)機構190と、を更に備えている。
VTC機構180は、例えば、電動モータや油圧モータなどのアクチュエータによって、クランクシャフト140に対する吸気カムシャフト200の位相を変更することで、吸気バルブ132の作動角を一定としたまま、作動角の中心位相を進角又は遅角させる。
VCR機構190は、例えば、特開2002-276446号公報に開示されるような複リンク機構によって、燃焼室160の容積を変更させることで、内燃機関100の圧縮比を可変とする。以下、VCR機構190の一例について説明する。
クランクシャフト140は、複数のジャーナル部140Aと複数のクランクピン部140Bとを有し、シリンダブロック110の主軸受(図示せず)に、ジャーナル部140Aが回転可能に支持されている。クランクピン部140Bは、ジャーナル部140Aから偏心しており、ここにロアリンク150Aが回転可能に連結されている。アッパリンク150Bは、下端側が連結ピン152によりロアリンク150Aの一端に回動可能に連結され、上端側がピストンピン154によりピストン120に回動可能に連結されている。コントロールリンク192は、上端側が連結ピン194によりロアリンク150Aの他端に回動可能に連結され、下端側が制御シャフト196を介してシリンダブロック110の下部に回動可能に連結されている。詳しくは、制御シャフト196は、回転可能に機関本体(シリンダブロック110)に支持されていると共に、その回転中心から偏心している偏心カム部196Aを有し、この偏心カム部196Aにコントロールリンク192の下端部が回転可能に嵌合している。制御シャフト196は、圧縮比制御アクチュエータの一例である3相ブラシレスモータ198によって回動位置が制御される。
このような複リンク機構を用いたVCR機構190においては、制御シャフト196が3相ブラシレスモータ198によって回動されると、偏心カム部196Aの中心位置、つまり、機関本体(シリンダブロック110)に対する相対位置が変化する。これにより、コントロールリンク192の下端の搖動支持位置が変化すると、ピストン上死点(TDC)におけるピストン120の位置が高くなったり低くなったりして、燃焼室160の容積が増減し、内燃機関100の圧縮比が変更される。このとき、3相ブラシレスモータ198の作動を停止させると、ピストン120の往復動によって、制御シャフト196の偏心カム部196Aに対してコントロールリンク192が回転し、圧縮比が低圧縮側へと推移する。
VTC機構180及びVCR機構190は、マイクロコンピュータを内蔵した、VTCコントローラ220及びVCRコントローラ230によって夫々電子制御される。VTCコントローラ220及びVCRコントローラ230は、例えば、車載ネットワークの一例であるCAN(Controller Area Network)240を介して、内燃機関100を電子制御する、マイクロコンピュータを内蔵したエンジンコントローラ250に接続されている。従って、VTCコントローラ220、VCRコントローラ230及びエンジンコントローラ250の間では、CAN240を介して任意のデータを送受信することができる。なお、車載ネットワークとしては、CAN240に限らず、FlexRay(登録商標)などの公知のネットワークを使用することができる。ここで、VCRコントローラ230が、3相ブラシレスモータ198の制御装置の一例として挙げられる。
エンジンコントローラ250には、内燃機関100の運転状態の一例として、内燃機関100の回転速度Neを検出する回転速度センサ260、及び内燃機関100の負荷Qを検出する負荷センサ270の各出力信号が入力されている。ここで、内燃機関100の負荷Qとしては、例えば、吸気負圧、吸気流量、過給圧力、アクセル開度、スロットル開度など、要求トルクと密接に関連する状態量を使用することができる。エンジンコントローラ250は、例えば、回転速度及び負荷に適合した目標値が設定されたマップを参照し、内燃機関100の回転速度Ne及び負荷Qに応じた、VTC機構180の目標角度及びVCR機構190の目標圧縮比を夫々算出する。そして、エンジンコントローラ250は、CAN240を介して、目標角度をVTCコントローラ220に送信すると共に、目標圧縮比をVCRコントローラ230に送信する。
目標角度を受信したVTCコントローラ220は、図示しないセンサによって検出された実際の角度(実角度)が目標角度に収束するように、VTC機構180のアクチュエータに出力する駆動電流を制御する。また、目標圧縮比を受信したVCRコントローラ230は、詳細を後述するように、図示しないセンサによって検出された実際の圧縮比(実圧縮比)が目標圧縮比に収束するように、VCR機構190の3相ブラシレスモータ198をベクトル制御する。このようにすることで、VTC機構180及びVCR機構190は、内燃機関100の運転状態に応じた目標値に制御される。
図2は、3相ブラシレスモータ198及びこれをベクトル制御するVCRコントローラ230の内部構造の一例を示している。
3相ブラシレスモータ198は、U相コイル198U、V相コイル198V及びW相コイル198Wがスター結線されつつ巻き回された略円筒形状のステータ198Sと、ステータ198Sの内周面に回転自由に配設されたロータ198Rと、を備えている。ロータ198Rの回転駆動軸は、ステータ198Sの軸方向の端部から外部へと突出し、その突出部に減速装置を介してVCR機構190の制御シャフト196が連結されている。3相ブラシレスモータ198の所定箇所には、基準位置を基点としたロータ198Rの回転角度に応じた角度信号を出力する回転角度センサ198Aが取り付けられている。回転角度センサ198Aとしては、例えば、エンコーダやレゾルバなどを使用することができる。
VCRコントローラ230は、3相ブラシレスモータ198を駆動する駆動回路としてのインバータ232と、マイクロコンピュータ234と、を備えている。
インバータ232は、車両に搭載されたバッテリ280から供給される直流電流を交流電流に変換し、これを3相ブラシレスモータ198のU相コイル198U、V相コイル198V及びW相コイル198Wに選択的に印加して駆動する電源回路である。インバータ232は、還流ダイオードを有するNチャネル型のMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)など、スイッチング素子232A~232Fを適宜接続して構成された3相ブリッジ回路である。
インバータ232は、具体的には、スイッチング素子232A及び232Bが直列接続されたU相アームと、スイッチング素子232C及び232Dが直列接続されたV相アームと、スイッチング素子232E及び232Fが直列接続されたW相アームと、を有している。なお、スイッチング素子232A~232Fとしては、Nチャネル型のMOSFETに限らず、Pチャネル型のMOSFET、NPN型のトランジスタ、PNP型のトランジスタ、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などであってもよい。
U相アームでは、上段のスイッチング素子232Aのドレインがバッテリ280のプラス端子280Aに接続され、上段のスイッチング素子232Aのソースが下段のスイッチング素子232Bのドレインに接続され、下段のスイッチング素子232Bのソースがバッテリ280のマイナス端子280Bに接続されている。そして、上段のスイッチング素子232Aと下段のスイッチング素子232Bとの間に位置する電路は、U相駆動ラインを介して3相ブラシレスモータ198のU相コイル198Uに接続されている。
V相アームでは、上段のスイッチング素子232Cのドレインがバッテリ280のプラス端子280Aに接続され、上段のスイッチング素子232Cのソースが下段のスイッチング素子232Dのドレインに接続され、下段のスイッチング素子232Dのソースがバッテリ280のマイナス端子280Bに接続されている。そして、上段のスイッチング素子232Cと下段のスイッチング素子232Dとの間に位置する電路は、V相駆動ラインを介して3相ブラシレスモータ198のV相コイル198Vに接続されている。
W相アームでは、上段のスイッチング素子232Eのドレインがバッテリ280のプラス端子280Aに接続され、上段のスイッチング素子232Eのソースが下段のスイッチング素子232Fのドレインに接続され、下段のスイッチング素子232Fのソースがバッテリ280のマイナス端子280Bに接続されている。そして、上段のスイッチング素子232Eと下段のスイッチング素子232Fとの間に位置する電路は、W相駆動ラインを介して3相ブラシレスモータ198のW相コイル198Wに接続されている。
下段のスイッチング素子232B,232D及び232Fのソースとバッテリ280のマイナス端子280Bとを接続する共通電路、即ち、インバータ232の母線には、1シャント電流検出方式を実現するための1つのシャント抵抗232Gが配設されている。このシャント抵抗232Gは、3相ブラシレスモータ198のU相コイル198U、V相コイル198V及びW相コイル198Wのうち、選択的に駆動される2相のコイルに流れる2相電流を検出する。
マイクロコンピュータ234は、図3に示すように、プロセッサAと、不揮発性メモリBと、揮発性メモリCと、通信回路Dと、入出力回路Eと、これらを相互通信可能に接続する内部バスFと、を内蔵している。
プロセッサAは、アプリケーションプログラムに記述された命令セットを実行するハードウエアであって、例えば、CPU(Central Processing Unit)などからなる。不揮発性メモリBは、電源供給が遮断されてもデータを保持可能な半導体記憶素子であって、例えば、EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)やフラッシュROM(Read Only Memory)などからなる。揮発性メモリCは、電源供給が遮断されるとデータが消失する半導体記憶素子であって、例えば、DRAM(Dynamic Random Access Memory)やSRAM(Static Random Access Memory)などからなる。通信回路Dは、CANを含む車載ネットワークを介して他のコントローラと通信するためのデバイスであって、例えば、CANトランシーバなどからなる。入出力回路Eは、各種のセンサ又はスイッチなどからアナログ信号又はデジタル信号を読み込むと共に、アクチュエータなどにアナログ又はデジタルの駆動信号を出力するデバイスであって、例えば、A/Dコンバータ、D/Dコンバータなどからなる。
そして、マイクロコンピュータ234には、その入出力回路Eを介して、3相ブラシレスモータ198の回転角度センサ198Aの角度信号、及びインバータ232のシャント抵抗232Gの2相電流信号が夫々入力されている。
マイクロコンピュータ234のプロセッサAは、不揮発性メモリBに格納されたアプリケーションプログラムを実行することで、図4に示すように、相電流算出部234A、角度・角速度算出部234B、3相2軸変換部234C、目標電流設定部234D、ベクトル制御部234E、2軸3相変換部234F及びパルスシフト処理部234Gを夫々実装する。
相電流算出部234Aは、インバータ232のシャント抵抗232Gから2相電流信号を読み込み、「3相の電流の総和=0」という特性を利用して、3相ブラシレスモータ198のU相電流I、V相電流I及びW相電流Iを夫々算出する。角度・角速度算出部234Bは、3相ブラシレスモータ198の回転角度センサ198Aから角度信号を読み込み、角度信号に対して所定の演算を行うことで、3相ブラシレスモータ198のロータ198Rの回転角度θを算出する。また、角度・角速度算出部234Bは、ロータ198Rの回転角度θに加え、回転角度θの時間変化から3相ブラシレスモータ198のロータ198Rの角速度ωを算出する。3相2軸変換部234Cは、相電流算出部234AからU相電流I、V相電流I及びW相電流I、並びに角度・角速度算出部234Bから回転角度θを夫々読み込み、空間ベクトル変換によって固定座標から回転座標へと座標変換することで、回転座標系におけるd軸電流I及びq軸電流Iを夫々算出する。ここで、d軸電流は回転座標系においてトルクに寄与しない電流成分、q軸電流は回転座標系においてトルクに寄与する電流成分である。
目標電流設定部234Dは、外部のエンジンコントローラ250から目標圧縮比、角度・角速度算出部234Bから回転角度θ及び角速度ω、並びに3相2軸変換部234Cからd軸電流I及びq軸電流Iを夫々読み込み、3相ブラシレスモータ198を目標圧縮比に収束させるためのd軸電流指令I 及びq軸電流指令I を夫々設定する。即ち、目標電流設定部234Dは、目標圧縮比に応じた目標回転角度に回転角度θが近付くように比例積分制御(PI制御)などのフィードバック制御を実行し、3相ブラシレスモータ198を目標圧縮比に変更するためのd軸電流指令I 及びq軸電流指令I を夫々設定する。
ベクトル制御部234Eは、角度・角速度算出部234Bから角速度ω、3相2軸変換部234Cからd軸電流I及びq軸電流I、並びに目標電流設定部234Dからd軸電流指令I 及びq軸電流指令I を夫々読み込み、3相ブラシレスモータ198をベクトル制御するためのd軸電圧指令V及びq軸電圧指令Vを夫々算出する。なお、d軸電圧指令V及びq軸電圧指令Vの具体的な算出方法は、当業者にとって周知技術であるため、その詳細については省略することとする。
2軸3相変換部234Fは、角度・角速度算出部234Bから回転角度θ、並びにベクトル制御部234Eからd軸電圧指令V及びq軸電圧指令Vを夫々読み込み、空間ベクトル変換によって回転座標から固定座標へと座標変換することで、固定座標におけるU相電圧指令V、V相電圧指令V及びW相電圧指令Vを夫々算出する。パルスシフト処理部234Gは、2軸3相変換部234FからU相電圧指令V、V相電圧指令V及びW相電圧指令Vを読み込み、三角波キャリアを使用して、インバータ232のスイッチング素子232A~232Fを駆動するためのPWMパルスのデューティ比を生成して出力する。
従って、VCRコントローラ230は、目標圧縮比、並びに3相ブラシレスモータ198のロータ198Rの回転角度θ及び2相電流に応じて、U相コイル198UからV相コイル198V、U相コイル198UからW相コイル198W、V相コイル198VからW相コイル198W、V相コイル198VからU相コイル198U、W相コイル198WからU相コイル198U、W相コイル198WからV相コイル198Vへと順次電流を流すことで、VCR機構190を任意の目標圧縮比に変更することができる。
ここで、図5を参照して、1シャント電流検出方式の課題について説明する。
3相ブラシレスモータ198のベクトル制御では、三角波キャリアがU相電圧指令V以上になると、U相アーム上段のスイッチング素子232AがONになり、三角波キャリアがV相電圧指令V以上になると、V相アーム上段のスイッチング素子232CがONになり、三角波キャリアがW相電圧指令V以上になると、W相アーム上段のスイッチング素子232EがONになる。インバータ232のスイッチング素子232A~232FをON又はOFFに切り替えた直後には、シャント抵抗232Gによって検出されるシャント電流が変動するリンギングが発生する。各スイッチング素子232A,232C及び232EがON/OFFするタイミング間で、U相コイル198U、V相コイル198V又はW相コイル198Wを流れる電流を検出することができる。
しかし、図示の例では、例えば、W相アーム上段のスイッチング素子232EがONになってからU相アーム上段のスイッチング素子232AがONになるまでの時間が短いことから、その間にリンギングが終了せず、W相コイル198Wを流れる電流を含んだ2相電流を正確に取得することができない。従って、3相ブラシレスモータ198のU相コイル198U、V相コイル198V及びW相コイル198Wを駆動するためのPWMパルスのデューティ比に応じた周期で、2相電流を正確に取得することができない状態が発生する。要するに、PWMパルスのデューティ比に応じて、2相電流を正確に取得することができない期間が周期的に現れる。ここで、2相電流を正確に取得することができない期間が現れる周期としては、例えば、2相のコイルを駆動するPWMパルスのデューティ比が等しくなるか若しくは略等しくなる状態が発生する周期、3相交流電流のいずれかの相電流が他の相電流とクロスする状態が発生する周期、電気角60°ごとの周期などがある。以下の説明においては、2相電流を正確に取得することができない期間を「電流取得不可期間」と呼ぶこととする。
電流取得不可期間が現れる周期と2相電流の取得周期とが異なる場合には問題が発生し難い。しかし、VCR機構190の3相ブラシレスモータ198をベクトル制御する場合、実圧縮比が目標圧縮比に収束するように電流を変化させるため、3相ブラシレスモータ198の回転速度が変化し、電流取得不可期間が現れる周期と2相電流の取得周期とが等しくなってしまうおそれがある。この場合、2相電流の取得周期と電流取得不可期間とが一致してしまう可能性があり、シャント抵抗232Gによって取得した電流と実電流とが乖離し、3相ブラシレスモータ198を適切にベクトル制御することが困難になってしまう。
そこで、本実施形態では、1シャント電流検出方式を使用して3相ブラシレスモータ198をベクトル制御するときに、電流取得不可期間に応じて、2相電流の取得タイミングを変更するか、又は3相ブラシレスモータ198の制御周期を変更する。このようにすると、電流取得不可期間と2相電流の取得周期とが一致しなくなるため、シャント抵抗232Gによって取得した電流と実電流との差が小さく又はなくなり、3相ブラシレスモータ198の実電流の変動を抑制することができる。そして、3相ブラシレスモータ198の実電流の変動が抑制されることで、3相ブラシレスモータ198のトルク変動が小さくなり、例えば、VCR機構190の異音発生を防止したり、内燃機関100の圧縮比の変更速度を向上させたりすることができる。以下、1シャント電流検出方式によって2相電流を取得する電流取得方法について、具体的な実施形態を挙げて説明する。
1.第1実施形態
図6は、電流取得方法の第1実施形態の概要を示している。第1実施形態では、3相ブラシレスモータ198をベクトル制御する制御周期は、電流取得不可期間の2倍以上という条件下で、例えば、要求される制御精度などに応じた固定値に設定されている。また、PWMパルスの周期は、電流取得不可期間が現れる周期以下に設定されている。
制御周期の始期において3相ブラシレスモータ198がベクトル制御され、内燃機関100の圧縮比を目標圧縮比に近づけるためのフィードバック制御が行われる。1シャント電流検出方式では、上述したように、PWMパルスのデューティ比に応じた周期で電流取得不可期間が現れてしまう。そこで、今回のベクトル制御において算出されたU相コイル198U、V相コイル198V及びW相コイル198WのPWMパルスのデューティ比に応じて、次の制御周期における電流取得不可期間を避けた2相電流取得タイミングを設定する。そして、2相電流取得タイミングになったとき、シャント抵抗232Gから2相電流を取得する。このように取得された2相電流は、次の制御周期において参照され、3相ブラシレスモータ198のベクトル制御に利用される。
図7は、第1実施形態に係る電流取得方法が組み込まれた、3相ブラシレスモータ198のベクトル制御処理のフローチャートの一例を示している。ベクトル制御処理は、VCRコントローラ230が起動されたことを契機として、そのマイクロコンピュータ234のプロセッサAが制御周期の始期において実行する。なお、ベクトル制御処理は、マイクロコンピュータ234のプロセッサAが、不揮発性メモリBに格納されたアプリケーションプログラムを実行することで機能的に実装される。
ステップ1(図7では「S1」と略記する。以下同様。)では、マイクロコンピュータ234のプロセッサAが、図4に関連して説明したベクトル制御を実行し、外部のエンジンコントローラ250から与えられた目標圧縮比となるように3相ブラシレスモータ198をベクトル制御する。このとき、マイクロコンピュータ234のプロセッサAは、3相ブラシレスモータ198のU相コイル198U、V相コイル198V及びW相コイル198WのPWMパルスのデューティ比を夫々算出する。なお、ベクトル制御の詳細については、必要であれば、図4に関連して説明した事項を参照されたい(以下同様)。
ステップ2では、マイクロコンピュータ234のプロセッサAが、3相ブラシレスモータ198のU相コイル198U、V相コイル198V及びW相コイル198WのPWMパルスのデューティ比に応じて、次の制御周期において2相電流を正確に取得可能な2相電流取得可能期間を推定する。即ち、マイクロコンピュータ234のプロセッサAは、PWMパルスのデューティ比に応じた電流取得不可期間を避けた2相電流取得可能期間を推定する。
ステップ3では、マイクロコンピュータ234のプロセッサAが、2相電流取得可能期間内において、その次の制御周期におけるベクトル制御開始直前の2相電流取得タイミングを設定する。即ち、マイクロコンピュータ234のプロセッサAは、2相電流取得可能期間において、できるだけベクトル制御開始時点に近い2相電流取得タイミングを設定する。なお、2相電流取得タイミングは、1つのPWMパルスについて1回のみ設定することができる(以下同様)。
ステップ4では、マイクロコンピュータ234のプロセッサAが、2相電流取得タイミングになったとき、シャント抵抗232Gの2相電流信号を読み込むことで、2相電流を取得する。
かかるベクトル制御処理によれば、図8に示すように、制御周期Xの始期においてベクトル制御を実行するときに、次の制御周期Yに先だって、その2相電流取得タイミングが設定される。そして、制御周期Yの2相電流取得タイミングとなったとき、シャント抵抗232Gから2相電流を取得し、これを揮発性メモリCに一時的に格納しておく。その後、制御周期Zの始期において、揮発性メモリCに一時的に格納されている2相電流を参照し、3相ブラシレスモータ198をベクトル制御する。
この過程において、制御周期Yの始期では2相電流が取得できていないため、例えば、2相電流を0(3相ブラシレスモータ198を制御していない状態)としてもよい。このようにすれば、ベクトル制御処理の開始直後の2つの制御周期においてq軸電流が多少変動するおそれがあるが、その絶対値が0に近いためこの変動を無視することができる(以下同様)。
従って、制御周期Z以降の制御周期においては、前の制御周期において2相電流が取得できているため、シャント抵抗232Gから取得した2相電流と実際の2相電流との乖離が小さく若しくはなくなり、実電流、特に、q軸電流が大きく変動してしまうことを抑制できる。
2.第2実施形態
図9は、電流取得方法の第2実施形態の概要を示している。第2実施形態では、3相ブラシレスモータ198をベクトル制御する制御周期は、先の第1実施形態と同様に、電流取得不可期間の2倍以上という条件下で、例えば、要求される制御精度などに応じた固定値に設定されている。また、PWMパルスの周期は、先の第1実施形態と同様に、電流取得不可期間が現れる周期以下に設定されている。
制御周期の始期において3相ブラシレスモータ198がベクトル制御され、内燃機関100の圧縮比を目標圧縮比に近づけるためのフィードバック制御が行われる。1シャント電流検出方式では、上述したように、PWMパルスのデューティ比に応じた周期で電流取得不可期間が現れてしまう。そこで、PWMパルスに同期してすべての2相電流取得タイミングで、シャント抵抗232Gから2相電流を取得する。このように取得された2相電流は、図9から容易に理解できるように、電流取得不可期間に取得した可能性がある。このため、PWMパルスのデューティ比から2相電流を正確に取得できたか否かを判定し、2相電流が正常に取得できたならば、2相電流を保持するバッファの内容を更新し、2相電流が正常に取得できなければ、その2相電流を破棄する。このように取得された2相電流は、次の制御周期において参照され、3相ブラシレスモータ198のベクトル制御に利用される。
図10は、3相ブラシレスモータ198のベクトル制御とは異なるタスクとして、PWMパルスに同期して実行される、第2実施形態に係る電流取得処理のフローチャートの一例を示している。なお、電流取得処理は、マイクロコンピュータ234のプロセッサAが、不揮発性メモリBに格納されたアプリケーションプログラムを実行することで機能的に実装される。
ステップ11では、マイクロコンピュータ234のプロセッサAが、シャント抵抗232Gから2相電流信号を読み込むことで、2相電流を取得する。
ステップ12では、マイクロコンピュータ234のプロセッサAが、2相電流を取得したタイミングにおけるPWMパルスのデューティ比に応じて、そのタイミングは電流取得不可期間でない電流検出可能期間であったか否かを判定する。そして、マイクロコンピュータ234のプロセッサAは、2相電流を取得したタイミングは電流検出可能期間であったと判定すれば(Yes)、処理をステップ13へと進める。一方、マイクロコンピュータ234のプロセッサAは、2相電流を取得したタイミングは電流検出可能期間でない、即ち、電流取得不可期間であったと判定すれば(No)、タスクの処理を終了させる。
ステップ13では、マイクロコンピュータ234のプロセッサAが、2相電流をバッファに格納して更新する。
かかる電流取得処理によれば、図11に示すように、制御周期とは関係なく、PWMパルスに同期して2相電流が取得される。また、PWMパルスのデューティ比に応じて2相電流が正確に取得できたか否かを判定し、2相電流を正確に取得できた場合のみこれをバッファに格納して更新する。一方、2相電流が正確に取得できなかった場合には、これを廃棄して使用しないようにする。そして、次の制御周期の始期において3相ブラシレスモータ198をベクトル制御するとき、バッファに格納されている2相電流を参照し、3相ブラシレスモータ198をベクトル制御する。
従って、3相ブラシレスモータ198をベクトル制御するときには、図11から容易に理解できるように、正確に取得できた2相電流を参照するようになることから、シャント抵抗232Gから取得した2相電流と実際の2相電流との乖離が小さく若しくはなくなり、実電流、特に、q軸電流が大きく変動してしまうことを抑制できる。
3.第3実施形態
図12は、電流取得方法の第3実施形態の概要を示している。第3実施形態では、3相ブラシレスモータ198をベクトル制御する制御周期は、先の第1実施形態及び第2実施形態と同様に、電流取得不可期間の2倍以上という条件下で、例えば、要求される制御精度などに応じた固定値に設定されている。また、PWMパルスの周期は、先の第1実施形態及び第2実施形態と同様に、電流取得不可期間が現れる周期以下に設定されている。
制御周期の始期において3相ブラシレスモータ198がベクトル制御され、内燃機関100の圧縮比を目標圧縮比に近づけるためのフィードバック制御が行われる。1シャント電流検出方式では、上述したように、PWMパルスのデューティ比に応じた周期で電流取得不可期間が現れてしまう。そこで、今回のベクトル制御において算出されたU相コイル198U、V相コイル198V及びW相コイル198WのPWMパルスのデューティ比に応じて、予め設定された複数の2相電流取得タイミングの中から、次の制御周期において2相電流を正確に取得することができる、その次の制御周期の始期に最も近い2相電流取得タイミングを設定する。ここで、複数の2相電流取得タイミングは、連続する2つの2相電流取得タイミングの間隔が、最長であると考えられる電流取得不可期間以上となるように設定されている。そして、先の第1実施形態及び第2実施形態と同様に、2相電流取得タイミングになったとき、シャント抵抗232Gから2相電流を取得する。このように取得された2相電流は、次の制御周期において参照され、3相ブラシレスモータ198のベクトル制御に利用される。
図13は、第3実施形態に係る電流取得方法が組み込まれた、3相ブラシレスモータ198のベクトル制御処理のフローチャートの一例を示している。ベクトル制御処理は、VCRコントローラ230が起動されたことを契機として、そのマイクロコンピュータ234のプロセッサAが制御周期の始期において実行する。なお、ベクトル制御処理は、マイクロコンピュータ234のプロセッサAが、不揮発性メモリBに格納されたアプリケーションプログラムを実行することで機能的に実装される。
ステップ21では、マイクロコンピュータ234のプロセッサAが、図4に関連して説明したベクトル制御を実行し、外部のエンジンコントローラ250から与えられた目標圧縮比となるように3相ブラシレスモータ198をベクトル制御する。このとき、マイクロコンピュータ234のプロセッサAは、3相ブラシレスモータ198のU相コイル198U、V相コイル198V及びW相コイル198WのPWMパルスのデューティ比を夫々算出する。
ステップ22では、マイクロコンピュータ234のプロセッサAが、3相ブラシレスモータ198のU相コイル198U、V相コイル198V及びW相コイル198WのPWMパルスのデューティ比に応じて、次の制御周期において2相電流を正確に取得可能な2相電流取得可能期間を推定する。
ステップ23では、マイクロコンピュータ234のプロセッサAが、予め設定された複数の2相電流取得タイミングの中から、2相電流取得可能期間かつその次の制御周期におけるベクトル制御開始直前の2相電流取得タイミングを設定する。
ステップ24では、マイクロコンピュータ234のプロセッサAが、2相電流取得タイミングになったとき、シャント抵抗232Gの2相電流信号を読み込むことで、2相電流を取得する。
かかるベクトル制御処理によれば、図14に示すように、制御周期Xの始期においてベクトル制御を実行するときに、予め設定された複数の2相電流取得タイミングの中から、次の制御周期Yにおける2相電流取得タイミングが設定される。そして、制御周期Yの2相電流取得タイミングとなったとき、シャント抵抗232Gから2相電流を取得し、これを揮発性メモリCに一時的に格納しておく。その後、制御周期Zの始期において、揮発性メモリCに一時的に格納されている2相電流を参照し、3相ブラシレスモータ198をベクトル制御する。なお、第3実施形態に係る電流取得方法は、予め設定された複数の2相電流取得タイミングの中から2相電流取得タイミングを設定する点のみが先の第1実施形態と異なっている。このため、その他の作用及び効果は、先の第1実施形態と同様であるので、重複説明を避けるためにその説明を省略するものとする。
4.第4実施形態
図15は、電流取得方法の第4実施形態の概要を示している。第4実施形態では、3相ブラシレスモータ198をベクトル制御する制御周期は、先の第1実施形態~第3実施形態とは異なり、電流取得不可期間の2倍以上という条件下で、例えば、要求される制御精度を満足可能な最長の周期である基本周期に初期設定されており、これが必要に応じて可変となっている。また、PWMパルスの周期は、先の第1実施形態~第3実施形態と同様に、電流取得不可期間が現れる周期以下に設定されている。
制御周期の始期において3相ブラシレスモータ198がベクトル制御され、内燃機関100の圧縮比を目標圧縮比に近づけるためのフィードバック制御が行われる。1シャント電流検出方式では、上述したように、PWMパルスのデューティ比に応じた周期で電流取得不可期間が現れてしまう。そこで、今回のベクトル制御において算出されたU相コイル198U、V相コイル198V及びW相コイル198WのPWMパルスのデューティ比に応じて次の制御周期を必要に応じて変更し、2相電流取得タイミングが電流取得不可期間とならないようにする。このように取得された2相電流は、その次の制御周期において参照され、3相ブラシレスモータ198のベクトル制御に利用される。
図16は、第4実施形態に係る電流取得方法が組み込まれた、3相ブラシレスモータ198のベクトル制御処理のフローチャートの一例を示している。ベクトル制御処理は、VCRコントローラ230が起動されたことを契機として、そのマイクロコンピュータ234のプロセッサAが制御周期の始期において実行する。なお、ベクトル制御処理は、マイクロコンピュータ234のプロセッサAが、不揮発性メモリBに格納されたアプリケーションプログラムを実行することで機能的に実装される。
ステップ31では、マイクロコンピュータ234のプロセッサAが、図4に関連して説明したベクトル制御を実行し、外部のエンジンコントローラ250から与えられた目標圧縮比となるように3相ブラシレスモータ198をベクトル制御する。このとき、マイクロコンピュータ234のプロセッサAは、3相ブラシレスモータ198のU相コイル198U、V相コイル198V及びW相コイル198WのPWMパルスのデューティ比を夫々算出する。
ステップ32では、マイクロコンピュータ234のプロセッサAが、3相ブラシレスモータ198のU相コイル198U、V相コイル198V及びW相コイル198WのPWMパルスのデューティ比に応じて、次の制御周期において2相電流を正確に取得可能な2相電流取得可能期間を推定する。
ステップ33では、マイクロコンピュータ234のプロセッサAが、2相電流取得可能期間内において、基本周期以下、かつ基本周期に最も近い2相電流取得タイミングを設定する。
ステップ34では、マイクロコンピュータ234のプロセッサAが、2相電流取得タイミングの直後を次の制御周期におけるベクトル制御の開始タイミングに設定する。要するに、マイクロコンピュータ234のプロセッサAは、その次の制御周期の開始タイミングを早めることで、その制御周期を変更する。
ステップ35では、マイクロコンピュータ234のプロセッサAが、2相電流取得タイミングになったとき、シャント抵抗232Gの2相電流信号を読み込むことで、2相電流を取得する。
かかるベクトル制御処理によれば、図17に示すように、制御周期Xの始期においてベクトル制御を実行するときに、次の制御周期Yにおける2相電流取得タイミングが設定されると共に制御周期Yが変更される。そして、制御周期Yの2相電流取得タイミングとなったとき、シャント抵抗232Gの2相電流を取得し、これを揮発性メモリCに一時的に格納しておく。その後、制御周期Zの始期において、揮発性メモリCに一時的に格納されている2相電流を参照し、3相ブラシレスモータ198をベクトル制御する。
従って、図17から容易に理解できるように、次の電流取得不可期間を避けるように2相電流取得タイミングが設定されると共に、その直後にベクトル制御が開始されるので、シャント抵抗232Gから取得した2相電流と実際の2相電流との乖離が小さく若しくはなくなり、実電流、特に、q軸電流が大きく変動してしまうことを抑制できる。
5.効果の確認
従来技術における1シャント電流検出方式を使用して3相ブラシレスモータ198をベクトル制御すると、電流取得不可期間において2相電流を取得しようとしていたため、図18に示すように、d軸電流及びq軸電流が大きく変動していた。しかしながら、第1実施形態~第4実施形態によって3相ブラシレスモータ198をベクトル制御すると、前回の制御周期で2相電流が取得されるようになったため、図19に示すように、d軸電流及びq軸電流の変動が大幅に小さくなった。
上記各実施形態において、例えば、ノイズなどの予期せぬ原因によって2相電流を正確に取得できなかったならば、正確に取得できた1相電流及び前回の制御周期で正確に取得できた2相電流から2相電流を推定するようにしてもよい。このようにすれば、2相電流が正確に取得できなくても、正確に取得された1相電流及び前回の制御周期で取得できた2相電流から2相電流が推定されるため、3相ブラシレスモータ198のベクトル制御において実電流との乖離をできる限り小さくすることができる。
また、上記各実施形態は、3相ブラシレスモータ198に印加するPWMパルスが過変調の場合に実行するようにしてもよい。このようにすれば、PWMパルスが過変調でないときには、パルスシフトを用いて2相電流を正確に取得できない状態が発生することを回避でき、例えば、制御負荷の増加を抑制することができる。
さらに、上記各実施形態において、2相電流の取得タイミングと2相電流から求められるパラメータの取得タイミングとに時間的な差がある場合、時間的な差に応じてパラメータを補正するようにしてもよい。即ち、2相電流取得タイミングと2相電流から求められるd軸電流I及びIの取得タイミングとに時間的な差がある場合、この時間差に応じてd軸電流I及びq軸電流Iを夫々補正することで、時間的な遅延をなくして制御精度を向上させることができる。
なお、当業者であれば、様々な上記実施形態の技術的思想について、その一部を省略したり、その一部を適宜組み合わせたり、その一部を置換したりすることで、新たな実施形態を生み出せることを容易に理解できるであろう。
その一例を挙げると、制御対象となる3相ブラシレスモータは、VCR機構190のアクチュエータに限らず、例えば、VTC機構180のアクチュエータ、電動ステアリングシステムのアクチュエータ、電動冷却システムのアクチュエータなど、車両に搭載される任意の3相ブラシレスモータとすることができる。
198 3相ブラシレスモータ
230 VCRコントローラ(制御装置)
232 インバータ(駆動回路)
232G シャント抵抗

Claims (20)

  1. 3相ブラシレスモータを駆動する駆動回路の母線に配設された1つのシャント抵抗を使用し、所定のタイミングで前記3相ブラシレスモータの2相電流を取得して、前記3相ブラシレスモータをベクトル制御する3相ブラシレスモータの制御装置であって、
    前記2相電流を正確に取得できない期間に応じて、前記シャント抵抗により検出されるシャント電流に対する前記2相電流の取得タイミングを変更する、
    3相ブラシレスモータの制御装置。
  2. 前記3相ブラシレスモータの制御周期は、前記2相電流を正確に取得できない期間の2倍以上に設定され、
    前記3相ブラシレスモータに印加するパルス幅変調パルスの周期は、前記2相電流を正確に取得できない状態が発生する周期以下に設定される、
    請求項1に記載の3相ブラシレスモータの制御装置。
  3. 次の制御周期に先だって、前記2相電流を正確に取得可能なタイミングを推測する、
    請求項2に記載の3相ブラシレスモータの制御装置。
  4. 前記2相電流を正確に取得可能なタイミングは、前記パルス幅変調パルスのデューティ比に応じて推測される、
    請求項3に記載の3相ブラシレスモータの制御装置。
  5. 前記パルス幅変調パルスのデューティ比に応じて、予め設定された複数の2相電流取得タイミングの中から2相電流を正確に取得できるタイミングが選定される、
    請求項3に記載の3相ブラシレスモータの制御装置。
  6. 前記2相電流を正確に取得できなかった場合、正確に取得できた1相電流及び前回の制御周期で正確に取得できた2相電流から2相電流を推定する、
    請求項1に記載の3相ブラシレスモータの制御装置。
  7. 前記3相ブラシレスモータに印加するパルス幅変調パルスが過変調の場合、前記2相電流を正確に取得できない期間に応じて、前記2相電流の取得タイミングを変更する、
    請求項1に記載の3相ブラシレスモータの制御装置。
  8. 前記2相電流の取得タイミングと当該2相電流から求められるパラメータの取得タイミングとに時間的な差がある場合、前記時間的な差に応じて前記パラメータを補正する、
    請求項1に記載の3相ブラシレスモータの制御装置。
  9. 3相ブラシレスモータを駆動する駆動回路の母線に配設された1つのシャント抵抗を使用し、所定のタイミングで前記3相ブラシレスモータの2相電流を取得して、前記3相ブラシレスモータをベクトル制御する3相ブラシレスモータの制御装置であって、
    前回の制御周期における前記3相ブラシレスモータの制御内容から推定された前記2相電流を正確に取得できない期間に応じて、前記3相ブラシレスモータをベクトル制御する周期を変更する、
    3相ブラシレスモータの制御装置。
  10. 前記2相電流を正確に取得できなかった場合、正確に取得できた1相電流及び前回の制御周期で取得できた2相電流から2相電流を推定する、
    請求項9に記載の3相ブラシレスモータの制御装置。
  11. 前記3相ブラシレスモータに印加するパルス幅変調パルスが過変調の場合、前記2相電流を正確に取得できない期間に応じて、前記3相ブラシレスモータをベクトル制御する周期を変更する、
    請求項9に記載の3相ブラシレスモータの制御装置。
  12. 前記2相電流の取得タイミングと当該2相電流から求められるパラメータの取得タイミングとに時間的な差がある場合、前記時間的な差に応じて前記パラメータを補正する、
    請求項9に記載の3相ブラシレスモータの制御装置。
  13. 3相ブラシレスモータを駆動する駆動回路の母線に配設された1つのシャント抵抗を使用し、所定のタイミングで前記3相ブラシレスモータの2相電流を取得して、前記3相ブラシレスモータをベクトル制御する制御装置が、前記2相電流を正確に取得できない期間に応じて、前記シャント抵抗により検出されるシャント電流に対する前記2相電流の取得タイミングを変更する、
    3相ブラシレスモータの制御方法。
  14. 前記3相ブラシレスモータの制御周期が、前記2相電流を正確に取得できない期間の2倍以上に設定され、
    前記制御装置が、前記3相ブラシレスモータに印加するパルス幅変調パルスの周期を、前記2相電流を正確に取得できない状態が発生する周期以下に設定する、
    請求項13に記載の3相ブラシレスモータの制御方法。
  15. 前記制御装置が、次の制御周期に先だって、前記2相電流を正確に取得可能なタイミングを推測する、
    請求項13に記載の3相ブラシレスモータの制御方法。
  16. 前記制御装置が、前記2相電流を正確に取得できなかった場合、正確に取得できた1相電流及び前回の制御周期で正確に取得できた2相電流から2相電流を推定する、
    請求項13に記載の3相ブラシレスモータの制御方法。
  17. 前記制御装置が、前記3相ブラシレスモータに印加するパルス幅変調パルスが過変調の場合、前記2相電流を正確に取得できない期間に応じて、前記2相電流の取得タイミングを変更する、
    請求項13に記載の3相ブラシレスモータの制御方法。
  18. 3相ブラシレスモータを駆動する駆動回路の母線に配設された1つのシャント抵抗を使用し、所定のタイミングで前記3相ブラシレスモータの2相電流を取得して、前記3相ブラシレスモータをベクトル制御する制御装置が、前回の制御周期における前記3相ブラシレスモータの制御内容から推定した前記2相電流を正確に取得できない期間に応じて、前記3相ブラシレスモータをベクトル制御する周期を変更する、
    3相ブラシレスモータの制御方法。
  19. 前記制御装置が、前記2相電流を正確に取得できなかった場合、正確に取得できた1相電流及び前回の制御周期で取得できた2相電流から2相電流を推定する、
    請求項18に記載の3相ブラシレスモータの制御方法。
  20. 前記制御装置が、前記3相ブラシレスモータに印加するパルス幅変調パルスが過変調の場合、前記2相電流を正確に取得できない期間に応じて、前記3相ブラシレスモータをベクトル制御する周期を変更する、
    請求項18に記載の3相ブラシレスモータの制御方法。
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