JPWO2014147757A1 - Motor drive system, motor control device and motor - Google Patents
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Abstract
実施形態に係るモータ駆動システムは、励磁電流により機械的な歪みが生じる歪み部位を有するモータと、モータの駆動を制御するモータ制御装置と、モータの歪み部位に生じる歪みを検出する歪み検出部とを備える。モータ制御装置は、歪み検出部によって検出された歪み部位の歪みに基づき、モータの速度および位置のうち少なくとも一方を推定する推定部を備える。A motor drive system according to an embodiment includes a motor having a distortion portion that causes mechanical distortion due to an excitation current, a motor control device that controls driving of the motor, and a distortion detection unit that detects distortion generated in the distortion portion of the motor. Is provided. The motor control device includes an estimation unit that estimates at least one of the speed and the position of the motor based on the distortion of the distortion portion detected by the distortion detection unit.
Description
開示の実施形態は、モータ駆動システム、モータ制御装置およびモータに関する。 Embodiments disclosed herein relate to a motor drive system, a motor control device, and a motor.
従来、モータを備えたシステムにおいて、モータの駆動制御を行う場合、エンコーダなどの位置センサを用いてモータの位置や速度を検出する方法(例えば、特許文献1参照)や、モータの電圧や電流によってモータの位置や速度を求める方法(例えば、特許文献2参照)が知られている。 Conventionally, in a system equipped with a motor, when driving control of the motor is performed, a method of detecting the position and speed of the motor using a position sensor such as an encoder (for example, refer to Patent Document 1), a voltage or current of the motor A method for obtaining the position and speed of a motor is known (for example, see Patent Document 2).
しかしながら、エンコーダなどの位置センサを用いる方法は、振動や衝撃といった耐環境性能を向上させることが難しい。また、モータの電圧や電流によってモータの位置や速度を求める方法は、耐環境性能を向上できるが、適用できるモータの種類や速度範囲に制約が多い。 However, it is difficult for a method using a position sensor such as an encoder to improve environmental resistance such as vibration and impact. In addition, the method for obtaining the position and speed of the motor based on the voltage and current of the motor can improve the environmental resistance, but there are many restrictions on the type and speed range of the applicable motor.
実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、耐環境性能に優れた新たなモータ駆動システム、モータ制御装置およびモータを提供することを目的とする。 One aspect of the embodiments has been made in view of the above, and an object thereof is to provide a new motor drive system, motor control device, and motor that are excellent in environmental resistance.
実施形態の一態様に係るモータ駆動システムは、モータと、モータ制御装置と、歪み検出部とを備える。前記モータは、励磁電流により機械的な歪みが生じる歪み部位を有する。前記モータ制御装置は、前記モータの駆動を制御する。前記歪み検出部は、前記歪み部位に生じる歪みを検出する。前記モータ制御装置は、前記歪み検出部によって検出された前記歪み部位の歪みに基づき、前記モータの速度および位置のうち少なくとも一方を推定する推定部を備える。 A motor drive system according to an aspect of an embodiment includes a motor, a motor control device, and a distortion detection unit. The motor has a distortion portion where mechanical distortion is caused by an excitation current. The motor control device controls driving of the motor. The strain detection unit detects strain generated in the strain site. The motor control device includes an estimation unit that estimates at least one of a speed and a position of the motor based on the distortion of the distortion portion detected by the distortion detection unit.
実施形態の一態様によれば、耐環境性能に優れた新たなモータ駆動システム、モータ制御装置およびモータを提供することができる。 According to one aspect of the embodiment, it is possible to provide a new motor drive system, motor control device, and motor that are excellent in environmental resistance.
以下、図面を参照して、本願の開示するモータ駆動システム、モータ制御装置およびモータの実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of a motor drive system, a motor control device, and a motor disclosed in the present application will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by embodiment shown below.
図1は、実施形態に係るモータ駆動システムの構成例を示す図である。図1に示すように、実施形態に係るモータ駆動システム1は、3相交流モータ2(以下、モータ2と記載する)と、モータ制御装置3とを備える。
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a motor drive system according to the embodiment. As shown in FIG. 1, the
モータ2は、例えば、IPM(Interior Permanent Magnet)モータやSPM(Surface Permanent Magnet)モータなどの永久磁石同期電動機である。かかるモータ2の出力軸には機械負荷5が連結される。なお、モータ2は、駆動機能を有するモータだけでなく、発電性能を有するモータジェネレータやジェネレータであってもよい。例えば、モータ2は、風車のロータなどに接続されたジェネレータであってもよい。
The
モータ制御装置3は、電力変換部11と、電流検出部12と、制御部13とを備える。かかるモータ制御装置3は、直流電源4から供給される直流電力を公知のPWM(Pulse Width Modulation)制御によって所望の周波数および電圧の3相交流電力へ変換し、モータ2へ出力する。かかるモータ制御装置3は、直流電源4を備えてもよい。
The
電力変換部11は、直流電源4とモータ2との間に接続され、制御部13から供給されるPWM信号に応じた電圧および電流をモータ2へ供給する。かかる電力変換部11は、例えば、6個のスイッチング素子が3相ブリッジ接続されて構成される3相インバータ回路である。
The
なお、直流電源4は、交流電力を直流電力に変換して出力する構成、例えば、ダイオードによる整流回路および平滑用コンデンサを組み合わせた構成でもよい。この場合、整流回路の入力側には交流電源が接続される。 Note that the DC power supply 4 may have a configuration in which AC power is converted to DC power and output, for example, a configuration in which a rectifier circuit using a diode and a smoothing capacitor are combined. In this case, an AC power supply is connected to the input side of the rectifier circuit.
電流検出部12は、電力変換部11からモータ2へ供給される電流(以下、出力電流と記載する)を検出する。具体的には、電流検出部12は、電力変換部11とモータ2のU相、V相およびW相との間にそれぞれ流れる電流の瞬時値Iu、Iv、Iw(以下、出力電流IUVWと記載する)を検出する。なお、電流検出部12は、例えば、磁電変換素子であるホール素子を利用して電流を検出する電流センサである。The
制御部13は、電力変換部11を構成するスイッチング素子をオン/オフ制御するPWM信号を生成し、電力変換部11へ出力する。かかる制御部13は、励磁電流によるモータ2の機械的な歪みに基づいて、モータ2の速度および位置を推定する推定部15を有しており、かかる推定部15の推定結果に基づいて、電力変換部11へ出力するPWM信号を生成する。
The
モータ2は、励磁電流によって機械的な歪みを生じる歪み部位Gを有しており、歪み部位Gの機械的な歪みは、歪み検出部6によって検出される。かかる歪み検出部6によって検出されたモータ2の機械的な歪みに応じた情報が歪み検出信号εfbとして制御部13へ出力される。制御部13は、歪み部位Gの機械的な歪み情報に基づき、モータ2の速度および位置を推定する。The
以下、モータ駆動システム1の構成の具体例について詳細に説明する。まず、励磁電流によるモータ2の機械的な歪みについて説明する。
Hereinafter, a specific example of the configuration of the
図2は、モータ2の構成例を示す側面模式図であり、図3は、図2に示すA−A線断面模式図である。なお、説明の便宜上、図2および図3ではモータ2を模式的に表している。また、モータ2の一例として2極6スロットのモータを図2に示しているが、モータ2は、2極を超える極数(例えば、4極や6極)および適当なスロット数のモータであってもよい。
FIG. 2 is a schematic side view showing a configuration example of the
図3に示すように、モータ2は、シャフト20と、回転子21と、固定子22とを備え、モータ制御装置3から供給される電流によって回転子21が回転軸Bを中心に回転する。回転子21は、シャフト20に取り付けられ、固定子22は、回転子21の外周面と所定の空隙を介して対向配置される。
As shown in FIG. 3, the
回転子21は、回転子コア31と、永久磁石32a、32bとを備える。回転子コア31は、筒状に形成されており、外周面には永久磁石32a、32bが周方向に沿って並べて配設される。永久磁石32aと永久磁石32bとは極性が異なり、例えば、永久磁石32aがN極であり、永久磁石32bがS極である。
The
固定子22は、ヨーク部33と、ティース部34と、コイル35とを備える。ヨーク部33は、円筒状に形成され、かかるヨーク部33の内周面に沿って複数のティース部34が間隔を空けて配置される。各ティース部34にはコイル35が巻装される。ヨーク部33とティース部34によって固定子コアが形成され、かかる固定子コアは、例えば、薄板状の電磁鋼板を複数枚積層して形成される。
The
次に、モータ2に励磁電流を供給した場合に、モータ2に加わる磁気力について説明する。図4Aは、モータ2に加わる磁気反発力と励磁電流との関係を示す図であり、図4Bは、モータ2に加わる磁気吸引力と励磁電流との関係を示す図である。
Next, the magnetic force applied to the
モータ2に正極性の励磁電流(+d軸電流)を流した場合(図4Aの左図参照)、図4Aの右図に示すように、回転子21と固定子22との間で回転軸Bと直交する方向(以下、ラジアル方向と記載する)に磁気反発力が生じる。一方、モータ2に負極性の励磁電流(−d軸電流)を流した場合(図4Bの左図参照)、図4Bの右図に示すように、回転子21と固定子22との間でラジアル方向に磁気吸引力が生じる。
When a positive polarity excitation current (+ d-axis current) is supplied to the motor 2 (see the left diagram in FIG. 4A), as shown in the right diagram in FIG. 4A, the rotation axis B is between the
このように、モータ2に励磁電流を流した場合、ラジアル方向に作用する力が働く。そこで、本実施形態に係るモータ駆動システム1では、励磁電流によりラジアル方向で機械的な歪みが生じる歪み部位Gをモータ2に設け、かかる歪み部位Gの機械的な歪みを検出することで、モータ2の速度および位置を推定する。
Thus, when an exciting current is passed through the
まず、モータ2において励磁電流によりラジアル方向に機械的な歪みが生じる歪み部位Gについて説明する。図2および図3に示すモータ2では、円筒状のヨーク部33において励磁電流によりラジアル方向に機械的な歪みが生じるようにヨーク部33の厚みDaが薄く設定され、ヨーク部33が薄肉状に形成される。すなわち、ヨーク部33を歪み部位Gとしている。
First, the distortion part G in which mechanical distortion occurs in the radial direction due to the excitation current in the
図2に示すように、ヨーク部33は、ティース部34を介して回転子21に対向する領域のうち、回転軸B方向の中央部36を薄肉状の歪み部位Gとし、両端部37を厚肉状としている。両端部37を厚肉状とすることで、ヨーク部33の強度を向上させることができる。
As shown in FIG. 2, in the
回転軸B方向の中央部36の長さLは、歪み検出部6によって検出できる程度の歪みを生じる長さであればよく、図2に示す態様に限定されるものではない。また、図2および図3に示す例では、ヨーク部33の中央部36を薄肉状にしているが、両端部37の一端部または全部を薄肉状に形成することもできる。
The length L of the
ヨーク部33の中央部36外周面には、歪み検出部6として歪みゲージ41〜44が取り付けられる。かかる歪みゲージ41〜44は、ヨーク部33の外周面に沿って90度間隔で配置される。
Strain gauges 41 to 44 are attached to the outer peripheral surface of the
歪み検出部6は、歪みゲージ41〜44の変形率に基づき、歪み部位Gの歪みを検出する。図5は、歪み検出部6の構成例を示す図である。図5に示す歪み検出部6は、歪みゲージ41〜44がブリッジ接続されて構成され、また、電源入力端子Tv1、Tv2と信号出力端子Tp、Tnとを有する。
The strain detector 6 detects the strain at the strain site G based on the deformation rate of the strain gauges 41 to 44. FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration example of the distortion detection unit 6. The strain detection unit 6 shown in FIG. 5 is configured by connecting
歪み検出部6は、電源入力端子Tv1、Tv2へ電圧Vaが印加されることで、信号出力端子Tp、Tnから歪み部位Gの歪みに応じた歪み検出信号εfbを出力する。なお、歪み検出部6は、図5の構成に限られず、モータ2の歪み部位Gの歪みが検出できる歪みゲージの数および配置であればよい。また、歪み検出部6は、歪みゲージ以外であってもよく、例えば、ピエゾ抵抗素子などを用いることもできる。The distortion detector 6 outputs a distortion detection signal ε fb corresponding to the distortion of the distortion region G from the signal output terminals Tp and Tn by applying the voltage Va to the power input terminals Tv1 and Tv2. Note that the strain detection unit 6 is not limited to the configuration of FIG. The strain detector 6 may be other than a strain gauge, and for example, a piezoresistive element or the like can be used.
また、固定子22の外周面を円筒状のフレームの内周面に固定してもよい。例えば、ヨーク部33およびフレームをそれぞれ薄肉状に形成し、ヨーク部33およびフレームが励磁電流によりラジアル方向に機械的な歪みが生じるようにする。これにより、ヨーク部33およびフレームにより歪み部位Gを形成することができる。この場合、歪み検出部6は、ヨーク部33の外周とフレームの内周との間またはフレームの外周に設けることで、励磁電流による歪みを検出することができる。
Further, the outer peripheral surface of the
また、ヨーク部33およびフレーム以外に歪み部位Gを設けるようにしてもよい。図6は、モータ2の他の構成を示す断面模式図であり、図7は、図6に示すE領域の部分斜視模式図である。ヨーク部33やフレームの強度によってはヨーク部33やフレームに薄肉状の部位を設けることが容易ではない場合があるが、このような場合であっても、モータ2に歪み部位Gを配置することができる。
Moreover, you may make it provide the distortion site | part G other than the
図6に示すモータ2では、回転子21と固定子22との間隙に円環部材45が歪み部位Gとして配置される。円環部材45は、ティース部34の先端面に当接されて保持される。また、図7に示すように、円環部材45の外周面とティース部34の先端面との間には、歪みゲージ41が配置される。他の歪みゲージ42〜44も同様に、円環部材45の外周面とティース部34の先端面との間に配置される。これにより、歪みゲージ41〜44の固定を安定的に行うことができる。
In the
なお、円環部材45の歪みを検出できるように歪みゲージ41〜44を円環部材45に取り付けることができればよく、歪みゲージ41〜44は、例えば、円環部材45の内周面に取り付けてもよい。
The strain gauges 41 to 44 need only be attached to the
また、円環部材45は、例えば、非磁性体によって構成することで、モータ特性への影響を回避できるが、モータ特性への影響が問題にならなければ非磁性体でなくてもよい。また、円環部材45に代えて、円弧状部材を用いるようにしてもよい。この場合、例えば、隣接するティース部34の先端面間に円弧状部材を配置し、かかる円弧状部材に歪みゲージを配置する。
Further, the
なお、図6に示すモータ2は、ティース部34が配置される構成であるが、コイル35が巻装されるティース部34を持たないコアレスモータの場合でも、円環部材45や円弧状部材を適用することができる。図8は、図1に示すモータ2のさらに他の構成を示す断面模式図である。
The
図8に示すモータ2は、ティース部34(図6参照)がないコアレスモータであり、コイル35の回転子21側表面に円環部材45が配置される。また、図示しないが、円環部材45の外周面または内周面には、歪みゲージ41〜44が図6および図7に示すモータ2の場合と同様に配置される。
The
このように、実施形態に係るモータ2は、励磁電流によりラジアル方向に機械的な歪みが生じる歪み部位Gを有しており、かかる歪み部位Gに歪み検出部6が設けられる。そして、歪み検出部6から歪み部位Gの歪みに応じた歪み検出信号εfbが出力される。As described above, the
モータ制御装置3からモータ2へ供給される励磁電流は、モータ2へ供給される電流のうち回転子21の回転に同期したdq軸回転座標系のd軸成分の電流(d軸電流)である。モータ制御装置3では、歪み検出部6から出力される歪み検出信号εfbに基づき、モータ2の位置および速度を推定し、dq軸回転座標系での電流制御を行う。The excitation current supplied from the
図9は、モータ制御装置3の構成例を示す図である。図9に示すように、モータ制御装置3は、推定部15と、位置制御部16と、速度制御部17と、高周波電流指令器18と、電流制御部19とを備える。なお、図9に示すモータ制御装置3は、モータ2を位置制御する場合の構成例であり、モータ2を速度制御する場合には、位置制御部16を省くことができる。また、高周波電流指令器18は、モータ制御装置3とは別の外部装置として設けてもよい。また、図示しないが、モータ制御装置3は、歪み検出部6に対し電圧Vaを供給する部位を有し、また、歪み検出部6から出力される歪み検出信号εfbを入力する部位を有する。FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration example of the
推定部15は、歪み検出部6から出力される歪み検出信号εfbに基づき、モータ2の位置および速度を推定する。推定部15により推定されるモータ2の位置は、モータ2の回転位置であり、ここでは、電気角θeである。また、推定部15により推定されるモータ2の速度は、モータ2の機械角速度ωmである。The
推定部15は、推定したモータ2の電気角θeの情報を推定電気角θ^eとして出力し、また、推定したモータ2の機械角速度ωmの情報を推定機械角速度ω^mとして出力する。かかる推定部15については、後で詳述する。
位置制御部16は、積分器61と、減算器62およびAPR(自動位置調整装置)63を備え、位置指令P*と推定機械角速度ω^mとに基づき、速度制御部17へ速度指令ω*を出力する。積分器61は、推定部15からの推定機械角速度ω^mを積分して機械角Pmの推定値として推定機械角P^mを出力する。減算器62は、位置指令P*と推定機械角P^mとを比較して位置指令P*と推定機械角P^mとの偏差をAPR63へ出力する。APR63は、位置指令P*と推定機械角P^mとの偏差がゼロになるように速度指令ω*を生成して出力する。The
速度制御部17は、減算器65と、ASR(自動速度調整装置)66とを備え、速度指令ω*と推定機械角速度ω^mとに基づき、電流制御部19へq軸電流指令Iq*を出力する。減算器65は、速度指令ω*と推定機械角速度ω^mとを比較して速度指令ω*と推定機械角速度ω^mとの偏差をASR66へ出力する。ASR66は、速度指令ω*と推定機械角速度ω^mとの偏差がゼロになるようにq軸電流指令Iq*を生成して出力する。The
高周波電流指令器18は、高周波電流指令Idhfiを生成して電流制御部19へ出力する。高周波電流指令Idhfiの周波数は、モータ2を駆動する電圧の周波数や所望の速度制御帯域よりも高く設定され、かつ電流制御周波数と同等以下に設定される。The high frequency
電流制御部19は、三相/dq座標変換器71と、加算器72と、ACRd(d軸電流制御器)73と、ACRq(q軸電流制御器)74と、加算器75、76と、dq/三相座標変換器77とを備える。
The
三相/dq座標変換器71は、電流検出部12によって検出された出力電流IUVWを三相/二相変換し、さらに、推定電気角θ^eに応じて回転する直交座標のdq軸成分へ変換する。これにより、出力電流IUVWがdq軸回転座標系のq軸成分であるq軸電流Iqfb(トルク電流)とd軸成分であるd軸電流Idfb(励磁電流)へ変換される。The three-phase / dq coordinate
加算器72は、d軸電流指令Id*に高周波電流指令Idhfiを加算して生成したd軸電流指令Id**をACRd73へ出力する。d軸電流指令Id*は、例えば、モータ2を定トルク領域で駆動する場合にはゼロに設定され、定出力領域でモータ2を駆動する場合にはモータ2の機械角速度ωmに応じた値に設定される。The
ACRd73は、d軸電流指令Id**とd軸電流Idfbとの偏差がゼロになるようにd軸電圧指令Vd*を生成して加算器75へ出力する。また、ACRq74は、q軸電流指令Iq*とq軸電流Iqfbとの偏差がゼロになるようにq軸電圧指令Vq*を生成して加算器76へ出力する。The
加算器75は、d軸電圧指令Vd*にd軸補償電圧Vdffを加算してd軸電圧指令Vd**を生成し、加算器76は、q軸電圧指令Vq*にq軸補償電圧Vqffを加算してq軸電圧指令Vq**を生成する。なお、d軸補償電圧Vdffおよびq軸補償電圧Vqffは、d軸とq軸間の干渉および誘起電圧を補償するものであり、例えば、d軸電流Idfb、q軸電流Iqfbおよびモータパラメータなどを用いて、算出される。The
dq/三相座標変換器77は、推定電気角θ^eに基づいた座標変換により、d軸電圧指令Vd**およびq軸電圧指令Vq**を3相電圧指令VUVW *へ変換する。3相電圧指令VUVW *は図示しないPWM信号生成部へ入力され、PWM信号生成部によって3相電圧指令VUVW *に応じたPWM信号が生成されて電力変換部11へ出力される。The dq / three-phase coordinate
次に、推定部15の構成について具体的に説明する。図9に示すように、推定部15は、減算器81と、絶対値演算器82と、LPF(ローパスフィルタ)83と、微分器84と、減算器85と、PI制御器86と、積分器87と、機械角演算部88とを備える。
Next, the configuration of the
減算器81は、歪み検出信号εfbから歪みオフセット値εoffsetを減算する。これにより、歪み検出信号εfbのオフセットがキャンセルされて、絶対値演算器82へ出力される。オフセット値εoffsetは、例えば、歪み検出部6が図5に示す構成の場合、電圧Vaの1/2の電圧Vb(=Va/2)や、歪みゲージ41〜44のばらつきなどによって生じる電圧Vcを考慮して設定される。例えば、オフセット値εoffset=Vb+Vcである。The
このように歪み検出信号εfbのオフセットをキャンセルすることで、歪み部位Gの歪みに応じた信号を抽出できる。なお、d軸電流指令Id*がゼロでない場合には、d軸電流指令Id*も歪み検出信号εfbのオフセットとして現れるため、推定部15は、歪みオフセット値εoffsetをd軸電流指令Id*に応じて調整する。また、歪みオフセット値εoffsetを減算する減算器81の代わりに、歪み検出信号εfbから高周波電流指令Idhfiの成分のみを抽出するバンドパスフィルタを用いてもよい。By canceling the offset of the strain detection signal ε fb in this way, a signal corresponding to the strain at the strain site G can be extracted. Note that when the d-axis current command Id * is not zero, the d-axis current command Id * also appears as an offset of the distortion detection signal ε fb , so the
絶対値演算器82は、オフセットがキャンセルされた歪み検出信号εfbの絶対値である歪み信号εrを演算してLPF83へ出力する。LPF83(歪み率演算器の一例)は、高周波電流指令Idhfiの周波数よりも高い周波数をカットオフ周波数とし、歪み信号εrに平均化処理を施すことで歪み部位Gの歪み率を示す情報である歪み率εlpfを求める。The
図10は、d軸電流Idfb、歪み検出信号εfb、歪み信号εrおよび歪み率εlpfの関係を示す図である。なお、図10に示すd軸電流Idfbや歪み検出信号εfbは、説明の便宜上、オフセットがない状態を示している。FIG. 10 is a diagram illustrating a relationship among the d-axis current Id fb , the strain detection signal ε fb , the strain signal ε r, and the strain rate ε lpf . Note that the d-axis current Id fb and the distortion detection signal ε fb shown in FIG. 10 show a state in which there is no offset for convenience of explanation.
上述のように、d軸電流指令Id*には高周波電流指令Idhfiが加算されることから、d軸電流Idfbには、高調波信号が重畳される。かかるd軸電流Idfbは、モータ2の励磁電流であることから、高調波信号は高調波励磁電流であり、モータ2の歪み部位Gに歪みを生じさせる。そのため、歪み検出部6から出力される歪み検出信号εfbは高周波電流指令Idhfiと同じ周波数で、かつ、高周波電流指令Idhfiに応じた大きさの信号である。As described above, since the high-frequency current command Id hfi is added to the d-axis current command Id * , a harmonic signal is superimposed on the d-axis current Id fb . Since the d-axis current Id fb is an excitation current of the
ここで、歪み率εlpfと推定電気角θ^eの誤差Δθeとの関係を図11を参照して説明する。図11は、推定電気角θ^eの誤差Δθeと高周波電流指令Idhfiとの関係を示す図である。Here, the relationship between the distortion rate ε lpf and the error Δθ e of the estimated electrical angle θ ^ e will be described with reference to FIG. Figure 11 is a diagram showing the relationship between the error [Delta] [theta] e and the high-frequency current command Id HFI of estimated electrical angle theta ^ e.
推定電気角θ^eに誤差Δθe(=θe−θ^e)がある場合、図11に示すように、高周波電流指令Idhfiは、誤差Δθe分だけ回転したd’軸上にある。これは、推定電気角θ^eによってdq軸回転座標系が設定されるからであり、高周波電流指令Idhfiによってモータ2に流れるd軸電流の成分は、Idhfi×cos(Δθe)である。If the estimated electrical angle theta ^ e is an error Δθ e (= θ e -θ ^ e), as shown in FIG. 11, the high-frequency current command Id HFI is on d 'axis obtained by rotating by an error [Delta] [theta] e min . This is because the dq axis rotation coordinate system is set by the estimated electrical angle θ ^ e , and the component of the d axis current flowing to the
そのため、歪み率εlpfは、推定部15が推定する推定電気角θ^eの誤差Δθeが小さいと大きくなり(図12A参照)、逆に、推定電気角θ^eの誤差Δθeが大きいと小さくなる(図12B参照)。図12Aは、モータ2の電気角θeを精度よく推定できている場合の歪み信号εrおよび歪み率εlpfの状態を示す図であり、図12Bは、モータ2の電気角θeを精度よく推定できていない場合の歪み信号εrおよび歪み率εlpfの状態を示す図である。なお、図12Aおよび図12Bにおいては、高周波電流指令Idhfiの大きさが同一である。Therefore, distortion factor epsilon lpf is greater the error [Delta] [theta] e of the estimated electrical angle theta ^ e the
そこで、推定部15は、歪み率εlpfが最大となるようにPLL(Phase Locked Loop)を構成して推定電気角θ^eを調整するようにしており、これにより、モータ2の電気角θeを精度よく推定している。具体的には、推定部15の微分器84は、歪み率εlpfを推定電気角θ^eで1階微分して極性を反転することで、歪み微分値dεである−dεlpf/dθ^eを求める。極性を反転することで、PLLをネガティブフィードバックとする。Therefore, the estimating
なお、微分器84は、歪み率εlpfの時間微分εlpf/dtと、推定電気角θ^eの時間微分θ^e/dtとを求め、(εlpf/dt)/(θ^e/dt)とすることで、歪み微分値dεとして−dεlpf/dθ^eを求めることもできる。この場合、推定電気角θ^eの時間変化が小さいと、演算誤差が増大する傾向があることから、微分器84は、推定電気角θ^eが所定値変化した場合に演算を行う。これにより、演算誤差を抑制することができる。推定電気角θ^eが所定値変化した場合に演算することに代えて、例えば、適応同定法(例えば、固定トレース法)などの技術を適用することもできる。Incidentally,
減算器85は、微分器84から出力される歪み微分値dεとゼロとを比較し、歪み微分値dεとゼロとの偏差を求める。PI制御器86は、歪み微分値dεとゼロとの偏差がゼロになるように推定電気角速度ω^eを求めて出力する。推定電気角速度ω^eは、モータ2の電気角速度ωeの推定値である。The
図13は、歪み率εlpfと歪み微分値dε(=−dεlpf/dθ^e)との関係を示す図であり、縦軸が歪み率εlpfや歪み微分値dεの大きさを示し、横軸が電気角θeに対する推定電気角θ^eの誤差Δθeを示す。図13に示すように、歪み微分値dεがゼロの場合に歪み率εlpfが最大になることが分かる。そこで、推定部15は、歪み微分値dεがゼロになるように推定電気角速度ω^eを求めるようにしている。これにより、推定電気角速度ω^eをモータ2の電気角θeに精度よく合わせることができる。FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the strain rate ε lpf and the strain differential value dε (= −dε lpf / dθ ^ e ), and the vertical axis shows the magnitude of the strain rate ε lpf and the strain differential value dε. The horizontal axis indicates the error Δθ e of the estimated electrical angle θ ^ e with respect to the electrical angle θ e . As shown in FIG. 13, it can be seen that the strain rate ε lpf is maximized when the strain differential value dε is zero. Therefore, the
積分器87は、推定電気角速度ω^eを積分し、推定電気角θ^eを求めて出力する。推定電気角θ^eは、モータ2の電気角速度ωeの推定値である。また、機械角演算部88は、推定電気角速度ω^eをモータ2の極数(図3に示す例では2極)で除算することで、推定機械角速度ω^mを求める。かかる推定機械角速度ω^mを積分することによって推定機械角P^m(図9参照)を得ることができる。The
このようにモータ制御装置3は、推定部15および歪み検出部6を有しており、推定部15は、モータ2の歪み部位Gの歪みに基づき、モータ2の位置および速度を推定する。これにより、エンコーダを用いることなく、モータ2の位置および速度を検出することができる。上述の例では、モータ制御装置3において、モータ2の位置および速度を推定したが、モータ2の位置および速度のうち少なくとも一方を推定するようにしてもよい。
As described above, the
また、モータの誘起電圧に基づきモータの位置や速度を推定する従来のセンサレスでは、モータの速度が低く誘起電圧が生じないような場合には適切な位置推定が難しい。一方、本実施形態のモータ駆動システム1では、モータ2の誘起電圧が生じない場合であっても、モータ2の位置や速度を容易に推定することができる。
Further, in the conventional sensorless method in which the position and speed of the motor are estimated based on the induced voltage of the motor, it is difficult to estimate the position appropriately when the speed of the motor is low and no induced voltage is generated. On the other hand, in the
また、モータの磁気突極性を利用してモータの位置や速度を推定する従来のセンサレス制御は、磁気突極性を有するモータ(例えば、IPMモータ)を前提に設計されており、SPMモータなどのようにパワー密度に優れたモータに適用が難しい。一方、本実施形態のモータ駆動システム1では、励磁電流によるモータ2の歪みを利用することから、SPMモータなどの位置や速度も容易に推定することができる。
Further, the conventional sensorless control that estimates the position and speed of the motor by using the magnetic saliency of the motor is designed on the assumption of a motor having a magnetic saliency (for example, an IPM motor), such as an SPM motor. It is difficult to apply to motors with excellent power density. On the other hand, in the
また、従来のセンサレス制御では、一般に、モータ位置(位相)の推定帯域を十分に確保することが難しく、そのため、トルクリプルや速度リプルを十分に補償することができないおそれがある。一方、本実施形態のモータ駆動システム1では、モータ位置(位相)の推定帯域を容易に確保することができ、これにより、動作性能の向上を図ることができる。
Further, in the conventional sensorless control, it is generally difficult to secure a sufficient estimation band of the motor position (phase), and therefore there is a possibility that torque ripple and speed ripple cannot be sufficiently compensated. On the other hand, in the
なお、推定部15は、図9に示す構成に限られるものではない。例えば、推定部15は、歪み信号εrの振幅や歪み検出信号εfbの振幅が最大となるように推定電気角速度ω^eを調整する構成でもよい。In addition, the
また、モータ2の歪み部位Gは、上述した構成に限定されるものではなく、モータ制御装置3から供給される励磁電流による磁気反発力および磁気吸引力の少なくともいずれか一方に対して歪みを生じる構成であればよい。
Further, the distortion portion G of the
また、高周波電流指令器18は、図12Aおよび図12Bに示すように、ゼロを中心として正負に変動する正弦波状の高周波電流指令Idhfiを出力するものとして説明したが、高周波電流指令Idhfiは、かかる波形の信号に限られない。例えば、高周波電流指令Idhfiは、正側または負側にオフセットされた正弦波の信号であってもよい。また、歪み信号εrと同様に、正弦波の半波波形が連続して正側のみに値を有する波形であってもよい。このような波形とすることで、絶対値演算器82を省くことができる。The high frequency
また、図5に示す歪み検出部6では、4つの歪みゲージ41〜44をブリッジ構成にすることによって、歪み検出信号εfbを生成したが、上述したように、歪み検出部6の構成はかかる構成に限定されるものではない。例えば、1つの歪みゲージと抵抗値検出器とによって歪み検出部6を構成してもよい。この場合、歪み検出部6は、1つの歪みゲージの抵抗値を抵抗値検出器で検出し、かかる抵抗値に応じた大きさの信号を歪み検出信号εfbとして出力する。Further, in the strain detection unit 6 shown in FIG. 5, the strain detection signal ε fb is generated by making the four
また、モータ駆動システム1では、1つの歪み検出部6によってモータ2の歪み部位Gの歪みを検出することとしたが、2つ以上の歪み検出部6によってモータ2の歪み部位Gの歪みを検出し、検出した歪みの平均値を歪み検出信号εfbとしてもよい。In the
(他の実施形態)
ここで、モータ駆動システム1の他の実施形態について説明する。図14は、他の実施形態に係るモータ駆動システムを示す説明図である。なお、図14では、図1および図9に示す構成のうち、モータ駆動システム1と異なる要素を主に記載し、モータ駆動システム1と同様の機能を有する構成要素については記載を省略し、または、同一符号を付して説明を省略する。(Other embodiments)
Here, another embodiment of the
図14に示すモータ駆動システム1Aは、モータ駆動システム1の構成に加え、さらにモータ2の位置を検出するエンコーダ7を備える。また、モータ制御装置3Aは、判定部14を備える。
A
判定部14は、エンコーダ7からの位置検出信号θfbと、位置制御部16から出力される推定機械角P^mを入力し、位置検出信号θfbと推定機械角P^mとの差が所定値以上である場合に、エンコーダ7が異常であると判定する。The determination unit 14 receives the position detection signal θ fb from the encoder 7 and the estimated mechanical angle P ^ m output from the
制御部13Aは、エンコーダ7に異常がない場合は、エンコーダ7からの位置検出信号θfbを位置フィードバック信号としてモータ2を制御する。一方、エンコーダ7の異常を判定した場合、制御部13Aは、推定部15で推定した推定電気角θ^eや推定機械角速度ω^mを用いてモータ2を制御する。When there is no abnormality in the encoder 7, the
かかる構成により、モータ駆動システム1Aでは、モータ制御に用いられていたエンコーダ7に不具合が生じても、歪み検出部6に基づくモータ制御が可能となり、フェールセーフ機能を低コストで実現することができる。
With this configuration, in the
以上、説明してきたように、実施形態に係るモータ駆動システム1、1Aは、励磁電流により機械的な歪みが生じる歪み部位Gを有するモータ2と、モータ2の駆動を制御するモータ制御装置3、3Aと、歪み部位Gの歪みを検出する歪み検出部6とを備える。そして、モータ制御装置3、3Aは、歪み検出部6によって検出された歪み部位Gの歪みに基づき、モータ2の位置および速度のうち少なくとも一方を推定する推定部15を備える。
As described above, the
かかるモータ駆動システム1、1Aによれば、堅牢かつ低コストな歪み検出方式を用いてモータ2の位置および速度のうち少なくとも一方を推定することができ、これにより、耐環境性能の向上やコストの低減を図ることができる。なお、モータ2(モータ本体)および歪み検出部6によってモータを構成することもできる。
According to the
また、本実施形態に係るモータ駆動システム1、1Aは、上述したように、モータ2の永久磁石が埋設型であろうと表面設置型であろうと、特に種類を問わずに適用することができる。そのため、例えば、回転子21の表面に永久磁石を張り合わせたパワー密度の高いSPMモータの使用も可能となり、モータ2の小型化にも寄与する。
Further, as described above, the
さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。 Further effects and modifications can be easily derived by those skilled in the art. Thus, the broader aspects of the present invention are not limited to the specific details and representative embodiments shown and described above. Accordingly, various modifications can be made without departing from the spirit or scope of the general inventive concept as defined by the appended claims and their equivalents.
1、1A モータ駆動システム
2 モータ(モータ部)
3、3A モータ制御装置
4 直流電源
5 機械負荷
6 歪み検出部
7 エンコーダ
11 電力変換部
12 電流検出部
13、13A 制御部
14 判定部
15 推定部
16 位置制御部
17 速度制御部
18 高周波電流指令器
19 電流制御部
21 回転子
22 固定子
82 絶対値演算器
83 LPF(歪み率演算器)
84 微分器1, 1A
3, 3A Motor control device 4
84 Differentiator
Claims (11)
前記モータの駆動を制御するモータ制御装置と、
前記歪み部位に生じる歪みを検出する歪み検出部と
を備え、
前記モータ制御装置は、
前記歪み検出部によって検出された前記歪み部位の歪みに基づき、前記モータの速度および位置のうち少なくとも一方を推定する推定部を備える
ことを特徴とするモータ駆動システム。A motor having a distortion part that causes mechanical distortion due to the excitation current;
A motor control device for controlling the driving of the motor;
A strain detection unit that detects strain generated in the strain site;
The motor control device
A motor drive system comprising: an estimation unit configured to estimate at least one of a speed and a position of the motor based on the distortion of the distortion portion detected by the distortion detection unit.
前記モータへの出力電流に高周波励磁電流を重畳させる高周波電流指令を発生する高周波電流指令器をさらに備え、
前記歪み検出部は、
前記高周波励磁電流によって前記歪み部位に生じる歪みを検出し、
前記推定部は、
前記歪み検出部により検出された前記歪み部位の前記高周波励磁電流による歪みに基づいて、前記モータの速度および位置のうち少なくとも一方を推定する
ことを特徴とする請求項1に記載のモータ駆動システム。The motor control device
A high-frequency current command device for generating a high-frequency current command for superimposing a high-frequency excitation current on the output current to the motor;
The distortion detector
Detecting distortion generated in the distortion site by the high-frequency excitation current,
The estimation unit includes
2. The motor drive system according to claim 1, wherein at least one of a speed and a position of the motor is estimated based on a distortion due to the high-frequency excitation current of the distortion portion detected by the distortion detection unit.
前記歪み検出部により検出される前記歪み部位の歪みが最大となる速度または位置を前記モータの速度または位置として推定する
ことを特徴とする請求項1または2に記載のモータ駆動システム。The estimation unit includes
The motor drive system according to claim 1, wherein a speed or position at which the distortion of the distortion portion detected by the distortion detection unit is maximized is estimated as the speed or position of the motor.
前記歪み検出部からの歪み検出信号の絶対値を演算する絶対値演算器と、
前記絶対値演算器によって演算された前記歪み検出信号の絶対値の平均値を演算し、歪み率として出力する歪み率演算器と、を備え、
前記歪み率が最大となる速度または位置を前記モータの速度または位置として推定する
ことを特徴とする請求項3に記載のモータ駆動システム。The estimation unit includes
An absolute value calculator for calculating an absolute value of a distortion detection signal from the distortion detector;
A distortion rate calculator that calculates an average value of the absolute values of the distortion detection signals calculated by the absolute value calculator and outputs the distortion as a distortion rate;
The motor drive system according to claim 3, wherein a speed or position at which the distortion rate is maximized is estimated as a speed or position of the motor.
前記歪み率を微分する微分器を備え、
前記微分器による微分結果がゼロになるように前記モータの位置を推定する
ことを特徴とする請求項4に記載のモータ駆動システム。The estimation unit includes
A differentiator for differentiating the distortion rate;
The motor drive system according to claim 4, wherein the position of the motor is estimated so that a differentiation result by the differentiator becomes zero.
回転子と、前記回転子と空隙を介して対向配置される固定子と、を備え、
前記固定子に前記歪み部位が形成される
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載のモータ駆動システム。The motor is
A rotor, and a stator disposed opposite to the rotor via a gap,
The motor drive system according to any one of claims 1 to 5, wherein the distortion part is formed in the stator.
回転子と、前記回転子と間隙を介して対向配置される固定子と、を備え、
前記歪み部位は、前記間隙に配置される
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載のモータ駆動システム。The motor is
A rotor, and a stator disposed opposite to the rotor via a gap,
The motor drive system according to any one of claims 1 to 5, wherein the distortion part is disposed in the gap.
前記励磁電流により機械的な歪みが生じる前記モータの歪み部位に生じる歪みを検出する歪み検出部からの歪み検出信号を取得する取得部と、
前記取得部によって取得される歪み検出信号に基づき、前記モータの速度および位置のうち少なくとも一方を推定する推定部と
を備えることを特徴とするモータ制御装置。A power converter for supplying torque current and excitation current to the motor;
An acquisition unit that acquires a distortion detection signal from a distortion detection unit that detects distortion generated in a distortion part of the motor in which mechanical distortion occurs due to the excitation current;
A motor control apparatus comprising: an estimation unit configured to estimate at least one of a speed and a position of the motor based on a distortion detection signal acquired by the acquisition unit.
前記推定部は、
前記歪み検出部により検出された前記歪み部位の前記高周波励磁電流による歪みに基づいて、前記モータの速度および位置のうち少なくとも一方を推定する
ことを特徴とする請求項8に記載のモータ制御装置。A high-frequency current command device for generating a high-frequency current command for superimposing a high-frequency excitation current on the output current to the motor;
The estimation unit includes
The motor control device according to claim 8, wherein at least one of a speed and a position of the motor is estimated based on a distortion due to the high-frequency excitation current of the distortion portion detected by the distortion detection unit.
を備えることを特徴とするモータ。A motor comprising a motor section having a predetermined distortion portion where mechanical distortion is caused by an exciting current.
ことを特徴とする請求項10に記載のモータ。The motor according to claim 10, further comprising a distortion detection unit that detects distortion generated in the distortion site.
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Date | Code | Title | Description |
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A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20161213 |