JPWO2017199371A1 - 電動機の制御システム - Google Patents

Abstract

温度を検出するセンサを用いず、レゾルバの温度を推定する電動機の制御システムを提供する。電動機の制御システムは、レゾルバ２の励磁巻線のインピーダンスの変化を検出するインピーダンス変化検出部６及びレゾルバ２の出力電圧を検出する出力電圧検出部５の少なくとも一方と、インピーダンス変化検出部６により検出されたインピーダンスの変化及び出力電圧検出部５により検出された出力電圧の変化の少なくとも一方に基づいてレゾルバ２の温度を推定するレゾルバ温度推定部７と、を備える。

Description

本発明は、電動機の制御システムに関する。

電動機の制御に用いられるレゾルバは、一般的に角度誤差を有するが、温度変動に頑強な位置センサとして知られている。また、レゾルバの角度誤差には温度依存性が有ることが知られている。下記特許文献１には、レゾルバ信号をレゾルバ‐デジタル変換することで得られたデジタル角度信号を予め記憶された補正データを使用して補正する技術が記載されている。この技術では、レゾルバが搭載された機器の温度に応じて異なる補正データが使用される。

日本特開２００８−７６０７８号公報

特許文献１に記載の技術は、温度を検出するセンサが設けられていない機器に対して適用できない。

本発明は、上記の課題を解決するためになされた。その目的は、温度を検出するセンサを用いず、レゾルバの温度を推定する電動機の制御システムを提供することである。

本発明に係る電動機の制御システムは、レゾルバの励磁巻線のインピーダンスの変化を検出するインピーダンス変化検出部及びレゾルバの出力電圧を検出する出力電圧検出部の少なくとも一方と、インピーダンス変化検出部により検出されたインピーダンスの変化及び出力電圧検出部により検出された出力電圧の変化の少なくとも一方に基づいてレゾルバの温度を推定するレゾルバ温度推定部と、を備える。

本発明に係る電動機の制御システムにおいて、レゾルバ温度推定部は、インピーダンス変化検出部により検出されたインピーダンスの変化及び出力電圧検出部により検出された出力電圧の変化の少なくとも一方に基づいてレゾルバの温度を推定する。このため、本発明によれば、温度を検出するセンサを用いず、レゾルバの温度を推定することができる。

本発明の実施の形態１における電動機の制御システムの一例を示す構成図である。 本発明の実施の形態２における電動機の制御システムの第１の例を示す構成図である。 本発明の実施の形態２における電動機の制御システムの第２の例を示す構成図である。 電動機の制御システムのハードウェア構成図である。

添付の図面を参照して、本発明を詳細に説明する。各図では、同一又は相当する部分に同一の符号を付している。重複する説明は、適宜簡略化あるいは省略する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１における電動機の制御システムの一例を示す構成図である。電動機の制御システムは、電動機１に適用される。

図１に示すように、電動機の制御システムは、レゾルバ２、励磁電圧発生器３、レゾルバ‐デジタルコンバータ４、出力電圧検出部５、インピーダンス変化検出部６、レゾルバ温度推定部７、角度誤差推定部８、角度誤差補正部９、駆動指令作成部１０及び駆動制御部１１を備える。以下、レゾルバ‐デジタルコンバータ４を「ＲＤコンバータ４」とも呼ぶ。

励磁電圧発生器３、ＲＤコンバータ４、出力電圧検出部５、インピーダンス変化検出部６、レゾルバ温度推定部７、角度誤差推定部８、角度誤差補正部９、駆動指令作成部１０及び駆動制御部１１は、一体の機器として形成されていてもよい。励磁電圧発生器３、ＲＤコンバータ４、出力電圧検出部５、インピーダンス変化検出部６、レゾルバ温度推定部７、角度誤差推定部８、角度誤差補正部９、駆動指令作成部１０及び駆動制御部１１は、個別の機器として形成されていてもよい。

レゾルバ２は、電動機１に取り付けられている。レゾルバ２は、図示しないロータ、ステータ、少なくとも１つの励磁巻線及び少なくとも１つの出力巻線を有している。励磁巻線に励磁電流が流れると、ロータの回転位置に応じて、出力巻線からの出力電圧の振幅が変動する。つまり、出力電圧は、ロータの回転角度に応じて振幅が変動する。励磁巻線及び出力巻線のいずれかが複数ある場合、当該複数ある巻線の電圧位相は、互いにずれている。

以下、一例として、レゾルバ２を１相励磁２相出力のレゾルバとして説明する。なお、電動機の制御システムは、２相励磁１相出力のレゾルバについても適用可能である。

励磁電圧発生器３は、励磁電圧の供給源である。励磁電圧発生器３は、レゾルバ２を駆動するための励磁巻線の両端に励磁電圧を加える。励磁電圧発生器３は、交流電圧源あるいは交流電流源が望ましいが、励磁巻線に励磁電圧を加えるものであれば、一定電圧の電圧源でもよい。励磁電圧発生器３は、励磁巻線に励磁電圧を加えるものであれば、一定電流の電流源でもよい。励磁電圧発生器３は、励磁巻線に励磁電圧を加えるものであれば、その他の電源でもよい。

電動機の制御システムは、励磁電流を検出する手段として電流センサ等を備えてもよい。電動機の制御システムは、励磁電圧を検出する手段として電圧センサ等を備えてもよい。

ＲＤコンバータ４は、レゾルバ２のロータの回転角度を検出する手段として働く。ＲＤコンバータ４は、レゾルバ２の出力電圧に基づいて、ロータの回転角度を示すデジタル信号を出力する。当該デジタル信号が示す回転角度は、ＲＤコンバータ４の出力分解能に応じた値で表される。ＲＤコンバータ４は、電動機１回転の間に、軸倍角Ｎと同じ数だけ繰り返しデジタル信号を出力する。信号処理のために、励磁電圧をＲＤコンバータ４へ入力する場合もある。

ＲＤコンバータ４は、図１で励磁電圧発生器３とは別個に記載されているが、励磁電圧を発生させる機能を有していてもよい。つまり、ＲＤコンバータ４は、励磁電圧発生器３の機能を有していてもよい。この場合、励磁電圧発生器３でなくＲＤコンバータ４が励磁電圧を出力してもよい。

ＲＤコンバータ４により検出される回転角度には、角度誤差が含まれ得る。以下、当該角度誤差を「レゾルバ角度誤差」とも呼ぶ。レゾルバ角度誤差には、レゾルバ２の温度の変動に起因するものが含まれる。

レゾルバ２の温度が変動した場合、電気的な影響として、励磁巻線のインピーダンスが変動する。レゾルバ２の温度が上昇すると、励磁巻線のインピーダンスのうち、特に抵抗成分が増加する。励磁巻線の温度上昇により、励磁電流の振幅は小さくなる。励磁巻線の温度上昇により、励磁電圧に対する励磁電流の位相ずれは、温度上昇前に比べて相対的に小さくなる。温度上昇による励磁電流の変化によって、出力電圧の振幅も小さくなる。温度上昇による励磁電流の変化によって、励磁電圧に対する出力電圧の位相ずれも変動する。

レゾルバ２の温度が上昇した場合、機械的な影響として、熱膨張によってロータとステータとの間の空隙が縮小する。ロータ‐ステータ間の空隙の幅が変化すると、ロータ‐ステータ間のパーミアンスが変化する。ロータ‐ステータ間のパーミアンスが変化すると、出力電圧が変化する。このため、レゾルバ２の温度が上昇した場合に、組立時の応力の影響等によって空隙の幅が不均一に縮小すると、パーミアンスの変動に伴って出力電圧が変動する。なお、空隙の幅とパーミアンスとの関係は下記（１）式で表される。

（１）式におけるＰは、パーミアンスである。μは、大気中の透磁率である。Ｓは、磁路断面積である。Δは、空隙の幅であり、磁路長さに相当する。（１）式によれば、空隙の幅が縮小すると、パーミアンスは増加する。レゾルバ２のロータとステータとの間に温度差が生じている時には、ステータの温度が同一のままであっても、パーミアンスは変化してしまう。

このように、レゾルバ２の温度の変動によって、出力電圧が変動する。変動する出力電圧をＲＤコンバータ４で処理すると、角度誤差を含んだ回転角度が検出される。

出力電圧検出部５は、レゾルバ２の出力電圧を検出する。出力電圧検出部５は、例えば、ＲＤコンバータ４の入力部に設置される図示しないＡＤコンバータであってもよい。ＡＤコンバータは、「アナログ‐デジタルコンバータ」の略称である。

インピーダンス変化検出部６は、レゾルバ２の励磁巻線のインピーダンスの変化を検出する。インピーダンス変化検出部６は、例えば、電流センサによって検出された励磁電流及び電圧センサによって検出された励磁電圧から励磁巻線のインピーダンスを算出してもよい。インピーダンス変化検出部６は、例えば、電圧センサによって検出された励磁電圧と出力電圧検出部５によって検出された出力電圧との位相ずれ量の変化に基づいて、励磁巻線のインピーダンスの変化を算出してもよい。インピーダンス変化検出部６は、その他の方法で励磁巻線のインピーダンスの変化を算出してもよい。

レゾルバ温度推定部７は、レゾルバ２の温度を推定する。レゾルバ温度推定部７により推定される温度は、電動機１におけるレゾルバ取付箇所の温度でもある。以下、レゾルバ温度推定部７による温度推定方法の例について説明する。

レゾルバ温度推定部７は、例えば、インピーダンス変化検出部６により検出されたインピーダンスの変化に基づいて、レゾルバ２の温度を推定する。この場合、レゾルバ温度推定部７又は図示しない記憶部等は、基準温度における励磁巻線の抵抗値及びインピーダンスを予め記憶している。基準温度とは、例えば、２０℃である。励磁巻線のインピーダンスの変化が、温度変化に伴う抵抗値の変化のみによって生じているとすれば、温度上昇時の励磁電流値から温度上昇時のインピーダンスの抵抗成分を概算できる。概算された温度上昇時の抵抗成分を基準温度における励磁巻線の抵抗値と比較することで、温度上昇時の励磁巻線の温度を推定できる。

あるいは、レゾルバ温度推定部７は、例えば、出力電圧検出部５により検出された出力電圧に基づいて、レゾルバ２の温度を推定する。この場合、レゾルバ温度推定部７又は図示しない記憶部等は、基準温度におけるレゾルバ２の出力電圧の振幅値を予め記憶している。基準温度とは、例えば、２０℃である。温度上昇時の出力電圧の振幅値を基準温度における出力電圧の振幅値と比較することで、ロータ‐ステータ間のパーミアンスの変化を算出できる。（１）式で表される関係によれば、パーミアンスの変化から、ロータ‐ステータ間の空隙の幅の変化を算出できる。空隙の幅の変化は、レゾルバ２のロータコア及びステータコアが熱膨張により伸びた量に相当する。このため、空隙の幅の変化、ロータコアの線膨張係数及びステータコアの線膨張係数に基づいて、温度上昇時の励磁巻線の温度を推定できる。ロータコア及びステータコアの線膨張係数は、例えば、レゾルバ温度推定部７又は図示しない記憶部等に予め記憶されていればよい。なお、出力電圧の振幅値は、例えば、出力電圧検出部５を用いてピークホールドによって算出してもよいし、周波数解析によって算出してもよい。

このように、レゾルバ温度推定部７は、励磁巻線のインピーダンスの変化及びレゾルバ２の出力電圧振幅の変化の少なくとも一方に基づいて、レゾルバ２の温度を推定することが可能である。インピーダンスの変化及び出力電圧振幅の変化の両方を用いた場合、レゾルバ温度推定部７は、より高い精度でレゾルバ２の温度を推定する。以下、レゾルバ温度推定部７により推定された温度をレゾルバ２の「推定温度」とも呼ぶ。

角度誤差推定部８は、レゾルバ角度誤差を推定する。角度誤差推定部８は、ある温度におけるレゾルバ角度誤差を推定するものであって、レゾルバ２が温度変動した場合においても温度変動前の角度誤差推定値を出力する。以下、角度誤差推定部８により推定されたレゾルバ角度誤差を「角度誤差推定値」とも呼ぶ。

角度誤差補正部９は、レゾルバ２の推定温度に応じて角度誤差推定値を補正する。角度誤差補正部９は、温度と角度誤差補正値との関係を示す情報に基づいて、推定温度に対応する角度誤差補正値を用いて角度誤差推定値を補正する。角度誤差補正部９は、補正された角度誤差推定値及びＲＤコンバータ４により検出された回転角度に基づいて、補正された回転角度情報を出力する。

温度と角度誤差補正値との関係を示す情報は、例えば、当該関係がテーブル化又は数式化されたものである。温度と角度誤差補正値との関係を示す情報は、例えば、角度誤差補正部９又は図示しない記憶部等に予め記憶されていればよい。

駆動指令作成部１０は、電動機１の駆動指令を作成及び出力する。電動機１の駆動指令には、トルク指令及び速度指令が含まれる。トルク指令は、電流指令とも呼ぶ。速度指令は、電圧指令とも呼ぶ。

駆動制御部１１は、電動機１の動作を制御する。駆動制御部１１は、電動機１の電流センサ、速度制御器及び電流制御器等を含んでいてもよい。駆動制御部１１は、補正された回転角度情報を用いて駆動指令作成部１０の出力する駆動指令に追従するように電動機１を駆動させる。

実施の形態１において、レゾルバ温度推定部７は、インピーダンス変化検出部６により検出されたインピーダンスの変化及び出力電圧検出部５により検出された出力電圧の振幅の変化の少なくとも一方に基づいて、レゾルバ２の温度を推定する。このため、実施の形態１によれば、温度を検出するセンサを用いず、レゾルバの温度を推定することができる。その結果、例えば、より簡単な構成で、精度よく電動機を制御することができる。

実施の形態１において、角度誤差推定部８は、レゾルバ２の出力電圧に基づいてＲＤコンバータ４から出力されるデジタル信号が示す回転角度の角度誤差を推定する。角度誤差補正部９は、レゾルバ温度推定部７により推定された温度に基づいて、角度誤差推定部８により推定された角度誤差を補正する。駆動制御部１１は、角度誤差補正部９により補正された角度誤差を示す情報に基づいて、電動機１の動作を制御する。このため、実施の形態１によれば、温度を検出するセンサを用いることなく、レゾルバの温度に応じて変動する検出角度の誤差を補正できる。その結果、レゾルバの検出角度の誤差が温度によって変動する場合に、高精度で角度誤差が補正された角度情報を用いて電動機を制御することができる。また、インピーダンスの変化及び出力電圧振幅の変化の両方を用いた場合には、より高精度でレゾルバ角度誤差を補正することができる。

実施の形態２．
以下、実施の形態１との相違点を中心に、電動機の制御システムの構成を説明する。実施の形態１と同一又は相当する部分には同一の符号を付して、一部の説明を省略する。

図２は、実施の形態２における電動機の制御システムの第１の例を示す構成図である。

図２に示す電動機の制御システムは、推定温度判定部１２及び指令値リミッター１３を備えている。図２に示す電動機の制御システムにおいて、レゾルバ２の温度を推定するための構成は、実施の形態１と同様である。図２に示す電動機の制御システムは、実施の形態１と同様の励磁電圧発生器３、ＲＤコンバータ４、角度誤差推定部８及び角度誤差補正部９を備えていてもよい。

推定温度判定部１２は、レゾルバ２の推定温度が予め設定された閾値である「設定温度」を超えたか否かを判定する。設定温度は、例えば、電動機１の部品、電動機１が有する永久磁石又はレゾルバ２等の仕様温度以下に設定される。設定温度は、例えば、推定温度判定部１２又は図示しない記憶部等に予め記憶されていればよい。推定温度判定部１２は、推定温度が設定温度を超えた場合に、温度判定トリガーを出力する。

指令値リミッター１３は、推定温度判定部１２から温度判定トリガーが出力された場合に、電動機１の駆動指令を制限する。指令値リミッター１３によって制限される駆動指令は、トルク指令でもよいし、速度指令でもよい。つまり、指令値リミッター１３は、推定温度判定部１２により推定温度が設定温度を超えたと判定された場合に、電動機１の速度又はトルクを制限する。制限される速度又はトルクの上限値は、例えば、指令値リミッター１３又は図示しない記憶部等に予め記憶されていればよい。

図３は、実施の形態２における電動機の制御システムの第２の例を示す構成図である。

図３に示す電動機の制御システムは、推定温度判定部１２を備えている。図３に示す電動機の制御システムにおいて、レゾルバ２の温度を推定するための構成は、実施の形態１と同様である。図３に示す電動機の制御システムは、実施の形態１と同様の励磁電圧発生器３、ＲＤコンバータ４、角度誤差推定部８及び角度誤差補正部９を備えていてもよい。図３に示す電動機の制御システムは、指令値リミッター１３を備えていてもよい。

図３に示す推定温度判定部１２は、電動機冷却装置１４と電気的に接続されている。電動機冷却装置１４は、例えば、電動機１の冷却用ファン等である。推定温度判定部１２は、温度判定トリガーを用いて電動機冷却装置１４を動作させてもよい。つまり、推定温度判定部１２は、推定温度が設定温度を超えた場合に電動機冷却装置１４の動作を開始させてもよい。

実施の形態２において、電動機の制御システムは、例えば、推定温度判定部１２及び指令値リミッター１３を備える。推定温度判定部１２は、レゾルバ温度推定部７により推定された温度が予め設定された閾値を超えたか否かを判定する。指令値リミッター１３は、推定温度判定部１２により温度が閾値を超えたと判定された場合に、電動機１の速度又はトルクを制限する。このため、実施の形態２によれば、温度を検出するセンサを用いることなく、熱源である電動機を発熱しにくい運転モードへと切り替えることができる。その結果、電動機の発熱量を減少させ、電動機の軸受及び磁石等の寿命を延ばすことができる。

実施の形態２において、電動機の制御システムは、例えば、推定温度判定部１２を備える。推定温度判定部１２は、レゾルバ温度推定部７により推定された温度が予め設定された閾値を超えたか否かを判定し、当該温度が閾値を超えた場合に電動機１の冷却装置の動作を開始させる。このため、実施の形態２によれば、温度を検出するセンサを用いることなく、温度が上昇した時にのみ電動機の冷却装置を動作させることができる。その結果、熱電対又はバイメタル等のようなセンサを追加するコストを発生させることなく、電動機冷却装置のランニングコストを抑えることができる。

実施の形態１及び２において、角度誤差推定部８は、レゾルバ角度誤差を推定できるものであればよい。ただし、レゾルバ２の推定温度を用いてレゾルバ角度誤差を補正する制御システムは、特に、事前に角度誤差学習を行う手法と親和性が高い。当該手法としては、例えば、学習運転時のレゾルバ速度脈動又は電動機の電流脈動についての周波数解析を行うことで得られた特定の成分振幅を評価関数として、当該評価関数がゼロとなるようにレゾルバ角度誤差を補正する方法が望ましい。また、レゾルバ温度推定部７により推定された温度が予め設定された閾値を超えたと推定温度判定部１２により判定された場合に、角度誤差学習を再度実施してもよい。なお、実施の形態１及び２における角度誤差推定部８は、他の方法でレゾルバ角度誤差を推定するものであってもよい。

図４は、電動機の制御システムのハードウェア構成図である。

励磁電圧発生器３、ＲＤコンバータ４、出力電圧検出部５、インピーダンス変化検出部６、レゾルバ温度推定部７、角度誤差推定部８、角度誤差補正部９、駆動指令作成部１０及び駆動制御部１１の各機能は、処理回路により実現される。処理回路は、専用ハードウェア５０であってもよい。処理回路は、プロセッサ５１及びメモリ５２を備えていてもよい。処理回路は、一部が専用ハードウェア５０として形成され、更にプロセッサ５１及びメモリ５２を備えていてもよい。図４は、処理回路が、その一部が専用ハードウェア５０として形成され、プロセッサ５１及びメモリ５２を備えている場合の例を示している。

処理回路の少なくとも一部が、少なくとも１つの専用ハードウェア５０である場合、処理回路は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、又はこれらを組み合わせたものが該当する。

処理回路が少なくとも１つのプロセッサ５１及び少なくとも１つのメモリ５２を備える場合、励磁電圧発生器３、ＲＤコンバータ４、出力電圧検出部５、インピーダンス変化検出部６、レゾルバ温度推定部７、角度誤差推定部８、角度誤差補正部９、駆動指令作成部１０及び駆動制御部１１の各機能は、ソフトウェア、ファームウェア、又はソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェア及びファームウェアはプログラムとして記述され、メモリ５２に格納される。プロセッサ５１は、メモリ５２に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、各部の機能を実現する。プロセッサ５１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＤＳＰとも呼ぶ。メモリ５２は、例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリー、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ等の、不揮発性又は揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ等が該当する。

このように、処理回路は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はこれらの組み合わせによって、電動機の制御システムの各機能を実現することができる。

以上のように、本発明は、レゾルバが取り付けられた電動機に適用できる。

１ 電動機
２ レゾルバ
３ 励磁電圧発生器
４ ＲＤコンバータ
５ 出力電圧検出部
６ インピーダンス変化検出部
７ レゾルバ温度推定部
８ 角度誤差推定部
９ 角度誤差補正部
１０ 駆動指令作成部
１１ 駆動制御部
１２ 推定温度判定部
１３ 指令値リミッター
１４ 電動機冷却装置
５０ 専用ハードウェア
５１ プロセッサ
５２ メモリ

Claims (5)

1. レゾルバの励磁巻線のインピーダンスの変化を検出するインピーダンス変化検出部及び前記レゾルバの出力電圧を検出する出力電圧検出部の少なくとも一方と、
   前記インピーダンス変化検出部により検出されたインピーダンスの変化及び前記出力電圧検出部により検出された出力電圧の変化の少なくとも一方に基づいて前記レゾルバの温度を推定するレゾルバ温度推定部と、
   を備えた電動機の制御システム。
2. 前記レゾルバの出力電圧に基づいてレゾルバ‐デジタルコンバータから出力されるデジタル信号が示す回転角度の角度誤差を推定する角度誤差推定部と、
   前記レゾルバ温度推定部により推定された温度に基づいて、前記角度誤差推定部により推定された角度誤差を補正する角度誤差補正部と、
   を備えた請求項１に記載の電動機の制御システム。
3. 前記角度誤差推定部は、電動機の電流脈動を周波数解析することによって角度誤差を推定する請求項２に記載の電動機の制御システム。
4. 前記レゾルバ温度推定部により推定された温度が予め設定された閾値を超えたか否かを判定する推定温度判定部と、
   前記推定温度判定部により温度が前記閾値を超えたと判定された場合に電動機の速度又はトルクを制限する指令値リミッターと、
   を備えた請求項１から３のいずれか１項に記載の電動機の制御システム。
5. 前記レゾルバ温度推定部により推定された温度が予め設定された閾値を超えたか否かを判定し、当該温度が前記閾値を超えた場合に電動機の冷却装置の動作を開始させる推定温度判定部を備えた請求項１から３のいずれか１項に記載の電動機の制御システム。

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