JPWO2023286272A5

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Publication number: JPWO2023286272A5
Application number: JP2023534569A
Authority: JP
Filing date: 2021-07-16
Publication date: 2024-02-08
Anticipated expiration: 2041-07-16

Description

モータ制御部１１０は、上述したようにモータ９１の回転子位置および速度などの状態量を制御するものであり、この制御のためにモータ９１を流れる電流も制御する。モータ制御部１１０は、エンコーダ９２からの回転角度θと外部からの回転角度指令θ＊が入力され、回転角度θと回転角度指令θ＊との差から回転速度指令ωｒｍ＊を生成して出力する位置制御部１１１と、回転角度θが入力され、回転角度θの時間変化からモータ９１の回転速度ωｒｍを計算して出力する速度計算部１１２と、回転速度ωｒｍと回転速度指令ωｒｍ＊との差から、ｄｑ軸直交回転座標系における電流指令、すなわちｄ軸電流指令ｉｄ＊およびｑ軸電流指令ｉｑ＊を生成して出力する速度制御部１１３とを備える。速度制御部１１３は、ＰＩ制御（比例・積分制御）等により、回転速度ωｒｍと回転速度指令ωｒｍ＊とが一致するようにｄ軸電流指令ｉｄ＊およびｑ軸電流指令ｉｑ＊を生成する。

検波処理部１５１の検波処理による電気回路定数の測定は、モータ９１の回路方程式である式（１）に基づく。なお、以下で説明する数式においては、各信号（ｑ軸電流信号ｉｑ、ｑ軸電圧指令ｖｑ＊など）が示す電流値または電圧値を、その信号の符号と同じ符号で記載する。例えば、ｑ軸電流信号ｉｑが示す電流値は、ｑ軸電流ｉｑと記載する。

式（１）において、ｑ軸電圧ｖｑには、ｑ軸電流ｉｑに比例する電圧降下成分（Ｒ・iｑ）が含まれ、この電圧降下成分の比例係数が測定対象である抵抗値Ｒとなる。このため、ｑ軸電圧信号ｖｑを対象信号ＳｉｇＤｅｔに設定し、ｑ軸電流信号ｉｑを基準信号ＳｉｇＢａｓｅに設定すると、抵抗値Ｒを測定することができる。なお、図１に示す検波処理部１５１では、ｑ軸電圧信号ｖｑの代替としてｑ軸電圧指令ｖｑ＊を対象信号ＳｉｇＤｅｔに設定している。このように、実際の電圧値を対応する電圧指令に置き換えて対象信号ＳｉｇＤｅｔに設定してもよい。

この時、コサイン関数においてθｄ一周期の積分を行った場合、位相成分のうちθｄに応じて時間変化する成分がゼロ、すなわち式（６）においてｎ=ｍの条件を満たす場合にのみ、ゼロでない値が残る。従って、式（６）は以下の式（７）に変形できる。ここでは式変形の過程でｎ=ｍとして、最終的に添字をｎで統一している。

式（８）の計算結果により推定比例係数Ｐｃｅｓｔを更新し、式（４）へフィードバックさせることで、式（７）の計算結果をゼロに収束させることができる。式（７）の計算結果がゼロになったときの推定比例係数Ｐｃｅｓｔは比例係数Ｐｃに一致している。上述したように、比例係数Ｐｃは測定対象の電気回路定数の真値に収束する比例係数であるので、比例係数Ｐｃに一致する推定比例係数Ｐｃｅｓｔは測定対象の電気回路定数の値を示す。このことは、推定比例係数Ｐｃｅｓｔを比例係数Ｐｃに収束させることを通じて、測定対象の電気回路定数の測定が実現できていることを意味する。計算された推定比例係数Ｐｃｅｓｔが比例係数Ｐｃに収束している場合、その時の推定比例係数Ｐｃｅｓｔの値を測定結果ｍｅｓとして出力する。図１においては、測定結果ｍｅｓは抵抗値Ｒの測定結果Ｒ＿ｍｅｓとして、検波処理部１５１からモータ制御部１１０に送られる。モータ制御部１１０は、モータ９１の制御において、測定結果Ｒ＿ｍｅｓを抵抗値Ｒとして用いる。
なお、ここで「収束」は、必ずしも更新前後の値が一致した場合のみならず、更新前後の値の差が、十分小さく設定された閾値よりも小さくなった場合も含む。
また、上記のような収束判定を行うことなく、式（７）の計算結果がゼロになったとき（ゼロを通過したとき）に、「収束した」とみなしもよい。予め取得した基準としての収束時間を経過した場合に「収束した」とみなすこともできる。この場合、所定の運転パターンでモータ９１を運転させた状態で検波処理部１５１による検波処理を予め実施し、その時の推定比例係数Ｐｃｅｓｔの収束時間を測定することで、基準となる収束時間を取得しておく。

電気回路定数の測定を高精度で行うためには、式（１２）の結果がゼロになることが望ましい。式（１２）の結果がゼロになる条件は複数あるが、以下の式（１３）に示す位相条件を満たすと確実にゼロとなる。

式（１３）は、交流基準信号ＳｉｇＢａｓｅＡＣと外乱信号ＳｉｇＤｉｓｔのそれぞれの高調波成分の位相差が±９０°で、直交する信号であることを示している。なお、上記位相差は、±９０°に限らず、±９０°の奇数倍であってもよい。

なお、図２の検波処理部１５１は、対象信号ＳｉｇＤｅｔおよび基準信号ＳｉｇＢａｓｅが直流成分のみとなった場合、ハイパスフィルタ１５１ａおよびハイパスフィルタ１５１ｂの出力がゼロとなり、推定比例係数Ｐｃｅｓｔの収束処理が停止する。このように推定比例係数Ｐｃｅｓｔの収束処理が停止したときは、他の周期性を利用することができる。図１に示した例のように抵抗値Ｒを測定する場合、図６Ａに示すようなモータ９１の加速減速に伴う電流波形から、モータ９１の加速減速の周期を一周期ととらえる。これにより、直流成分を除去して交流成分を得ることができる。このようにして交流成分を得る手法を上述の検波処理と合わせて用いることにより、測定ノイズに対してもロバストな測定が可能となる。

また、特殊な条件を満たす場合を除き、上記で説明したｑ軸電圧とｑ軸電流は、ｄ軸電流と同相となる挙動はない。また、モータ９１の内部においては、ｑ軸電流はトルクに変換され、モータ９１自体を含む負荷の機械モデルの伝達特性を介して機械速度に変換される。機械モデルの伝達特性は多くの場合、イナーシャによる積分要素の伝達特性となる。従って機械モデルへの入力信号となるモータトルクと、機械モデルの出力信号となる機械速度において、その入出力信号の交流成分は９０°の位相差が発生する。モータトルクはｑ軸電流に比例し、機械速度は電気角速度に比例する。このため、ｑ軸電流と電気角速度も同位相となる条件は少ない。多くの運転条件において、ｑ軸電流と電気角速度は９０°の位相差を持つことが期待される。このことと式（１３）を考慮すると、ｑ軸電流と電気角速度の積は、多くの場合で平均化処理によってゼロになると考えられる。以上のことから、多くの運転条件において、図２に示した検波処理部１５１の処理によって電気回路定数の測定を行うことができると言える。従って、測定対象以外の電気回路定数の精度に関わらず、高精度な測定が可能となる。言い換えると、検波処理部１５１による電気回路定数の測定は、測定対象以外の電気回路定数に含まれている可能性がある誤差の影響を排し、高精度な電気回路定数の測定を可能としている。

図６Ｂおよび図６Ｃは、ともに図６Ａに示した波形を持つ各信号、およびこれらから得られるデータに基づいている。また、図６Ａに示した波形を持つ各信号は、モータ９１の通常の位置決め運転に伴って得られるものである。このことから、実施の形態１における検波処理により、モータ９１の制御に伴って、複数の電気回路定数の測定を同時に行うことが可能であることが分かる。

また、インダクタンス値も温度依存性がある。これは、モータ９１の固定子鉄芯の透磁率の温度依存性によるもので、鉄芯温度Ｔ＿ｃｏｒｅが上昇すると透磁率の増加により、インダクタンス値（ｑ軸インダクタンス値Ｌｑ）が上昇する。このため、測定結果Ｌｑ＿ｍｅｓから鉄芯温度Ｔ＿ｃｏｒｅを計算することができる。

以上は、埋め込み磁石型永久磁石同期モータを例にとり説明したが、リラクタンストルクが発生しない表面磁石型永久磁石同期モータの場合では、図１２に示す実施の形態３の他の例のように、より簡単な構成とすることができる。すなわち、リラクタンストルクが発生しない場合は、トルク指令Ｔｑ＊とｑ軸電流指令ｉｑ＊は式（１５）に示すような関係となる。式（１５）より、極対数Ｐと誘起電圧定数Φの測定結果Φ＿ｍｅｓが分かればトルク指令Ｔｑ＊からｑ軸電流指令ｉｑ＊を容易に計算することができる。図１２に示すモータ制御装置３００１では、トルク推定部３０１を省略し、検波処理部３５２の測定結果Φ＿ｍｅｓをモータ制御部３１０のトルク制御部３１１１に出力する。トルク制御部３１１１は、式（１５）による計算を行って得たｑ軸電流指令ｉｑ＊を電流制御部１１７に出力する。リラクタンストルクが発生しない場合は、この構成によりトルク制御が実現される。

通常、誘起電圧定数Φの計算において誘起電圧を電気角速度で除算する手順を用いる場合、電気角速度が高いほど誘起電圧も高くなるため、他の電気回路定数の精度の影響が低下するが、電気角速度が低い場合、相対的に他の電気回路定数の精度の影響を受け、特に、抵抗値Ｒの精度の影響を受ける。一方、上述した実施の形態４の他の例のように、ｄ軸電流指令ｉｄ＊を加振処理して抵抗値Ｒを測定することにより、電気角速度が低い場合でも、高精度に誘起電圧定数Φを計算することができる。また、上述した検波処理による電気回路定数の測定の性質を利用することにより、ｄｑ軸インダクタンス（Ｌｄ・Ｌｑ）の精度の影響は受けない。なお、式（１６）に記載した平均値計算は、ｄ軸電流によるｑ軸側への干渉成分を除去するものであるので、ローパスフィルタで代替可能であることは言うまでもない。

実施の形態５．
次に、実施の形態５を図１５に基づいて説明する。なお、図１から図１４と同一または相当部分については同一符号を付し、その説明を省略する。実施の形態５は、実施の形態１から４で説明した方法により得られた電気回路定数、およびこれに基づいて計算される温度情報などの情報を外部に出力するための構成を追加したものである。図１５は、実施の形態５におけるモータ制御装置の構成図である。モータ制御装置５００は、モータ制御部１１０および電気回路定数測定部５５０を備える。さらに、モータ制御装置５００は、温度計算部５６０および出力インターフェース部５０３を備える。

Claims

被測定モータの電気回路の電気回路定数を測定する電気回路定数測定部を備えたモータ制御装置であって、
前記電気回路定数測定部は、
前記被測定モータの電気回路における状態量をそれぞれ示す状態量信号のうち、交流成分を有する第１の状態量信号と、交流成分を有し、測定対象の前記電気回路定数を含む係数と前記第１の状態量信号の積からなる信号成分を含む第２の状態量信号とを入力とし、前記信号成分を同期検波により前記第２の状態量信号から取り出して、前記係数から前記測定対象の電気回路定数を測定する検波処理部
を備えていることを特徴とするモータ制御装置。
前記被測定モータのいずれかの部材の温度に依存する前記電気回路定数の測定結果に基づいて、前記いずれかの部材の温度を計算する温度計算部をさらに備えた請求項１に記載のモータ制御装置。
前記温度計算部によって計算された温度が予め定められた閾値を超えた場合に、前記被測定モータの回転速度を予め定められた値以下に制限する保護指令を出力する保護判断部をさらに備えた請求項２に記載のモータ制御装置。
前記被測定モータを流れる電流と、前記検波処理部による前記電気回路定数の測定結果に基づいて、前記被測定モータのトルクを推定するトルク推定部をさらに備え、
前記トルク推定部によって演算された前記被測定モータのトルクの推定値と、前記被測定モータのトルクの指令値に基づいて、前記被測定モータのトルクを制御するトルク制御部を備えた請求項１から３のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
前記検波処理部は、前記第１の状態量信号の交流成分と直交する交流成分からなるノイズ成分を前記第２の状態量信号から除去することにより、前記信号成分を前記第２の状態量信号から取り出す請求項１から４のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
前記検波処理部は、
前記第１の状態量信号が入力され、前記第１の状態量信号の交流成分を取り出す第１のハイパスフィルタと、
フィードバックされた推定比例係数を前記第１の状態量信号の交流成分に乗じ、得られた結果を出力する第１の乗算器と、
前記第２の状態量信号が入力され、前記第２の状態量信号の交流成分を取り出す第２のハイパスフィルタと、
前記第１の乗算器の出力を前記第２の状態量信号の交流成分から減じ、得られた結果を残存信号として出力する減算器と、
前記第１の状態量信号の交流成分を前記残存信号に乗じ、得られた結果を出力する第２の乗算器と、
前記第２の乗算器の出力に平均化処理を施し、得られた結果を平均化後信号として出力する平均化処理部と、
予め定められた積分ゲインを前記平均化後信号に乗じたものを時間積分することにより、前記推定比例係数を更新する積分器とを備え、
前記積分器の出力を前記推定比例係数として前記第１の乗算器にフィードバックし、さらに、前記推定比例係数より前記測定対象の電気回路定数を求め、得られた結果を出力する請求項５に記載のモータ制御装置。
前記第２の状態量信号が示す状態量に対する加振処理を行わせるとともに、前記加振処理に応じた加振位相を前記検波処理部に出力する加振指令生成部をさらに備え、前記平均化処理部は、前記加振位相を基準として前記平均化処理を行う請求項６に記載のモータ制御装置。
前記平均化処理は、前記第１の状態量信号および前記第２の状態量信号の位相について１周期積分する積分処理である請求項６または７に記載のモータ制御装置。
前記検波処理部による前記電気回路定数の測定結果、または該測定結果に基づいて演算された情報を外部に出力する出力インターフェース部をさらに備えた請求項１から８のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
前記検波処理部は、前記第２の状態量信号として、前記第２の状態量信号が示す状態量を制御する制御指令を用いる請求項１から９のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
被測定モータの電気回路の電気回路定数を測定する電気回路定数測定工程を備えたモータ制御方法であって、
前記電気回路定数測定工程は、
前記被測定モータの電気回路における状態量をそれぞれ示す状態量信号のうち、交流成分を有する第１の状態量信号と、交流成分を有し、測定対象の前記電気回路定数を含む係数と前記第１の状態量信号の積からなる信号成分を含む第２の状態量信号とを入力とし、前記信号成分を同期検波により前記第２の状態量信号から取り出して、前記係数から前記測定対象の電気回路定数を測定する検波処理工程
を備えていることを特徴とするモータ制御方法。
前記被測定モータのいずれかの部材の温度に依存する前記電気回路定数の測定結果に基づいて、前記いずれかの部材の温度を計算する温度計算工程をさらに備えた請求項１１に記載のモータ制御方法。
前記温度計算工程によって計算された温度が予め定められた閾値を超えた場合に、前記被測定モータの回転速度を予め定められた値以下に制限する請求項１２に記載のモータ制御方法。
前記被測定モータを流れる電流と、前記検波処理工程による前記電気回路定数の測定結果に基づいて、前記被測定モータのトルクを推定する工程をさらに備え、
前記被測定モータのトルクの推定値と前記被測定モータのトルクの指令値に基づいて、前記被測定モータのトルクを制御する請求項１１から１３のいずれか１項に記載のモータ制御方法。
前記検波処理工程は、前記第１の状態量信号の交流成分と直交する交流成分からなるノイズ成分を前記第２の状態量信号から除去することにより、前記信号成分を前記第２の状態量信号から取り出す工程を備える請求項１１から１４のいずれか１項に記載のモータ制御方法。
前記検波処理工程は、
前記第１の状態量信号から交流成分を取り出す工程と、
フィードバックされた推定比例係数を前記第１の状態量信号の交流成分に乗じる工程と、
前記第２の状態量信号から交流成分を取り出す工程と、
前記推定比例係数が乗じられた前記第１の状態量信号の交流成分を前記第２の状態量信号の交流成分から減じ、得られた結果を残存信号として出力する工程と、
前記残存信号に前記第１の状態量信号の交流成分を乗じる工程と、
前記第１の状態量信号の交流成分が乗じられた前記残存信号に平均化処理を施し、得られた結果を平均化後信号として出力する工程と、
予め定められた積分ゲインを前記平均化後信号に乗じたものを時間積分することにより、前記推定比例係数を更新する工程とを備え、
更新された前記推定比例係数をフィードバックし、さらに、前記推定比例係数より前記測定対象の電気回路定数を求め、得られた結果を出力する請求項１５に記載のモータ制御方法。
前記第２の状態量信号が示す状態量に対して加振処理をする工程をさらに備えるとともに、前記加振処理に対応する加振位相を基準として前記平均化処理を行う請求項１６に記載のモータ制御方法。
前記平均化処理は、前記第１の状態量信号および前記第２の状態量信号の位相について１周期積分する積分処理である請求項１６または１７に記載のモータ制御方法。
前記検波処理工程による前記電気回路定数の測定結果、または該測定結果に基づいて演算された情報を外部に出力する工程をさらに備えた請求項１１から１８のいずれか１項に記載のモータ制御方法。
前記第２の状態量信号として、前記第２の状態量信号が示す状態量を制御する制御指令を用いる請求項１１から１９のいずれか１項に記載のモータ制御方法。
被測定モータの電気回路の電気回路定数を測定する電気回路定数測定装置であって、
前記被測定モータの電気回路における状態量をそれぞれ示す状態量信号のうち、交流成分を有する第１の状態量信号と、交流成分を有し、測定対象の前記電気回路定数を含む係数と前記第１の状態量信号の積からなる信号成分を含む第２の状態量信号とを入力とし、前記信号成分を同期検波により前記第２の状態量信号から取り出して、前記係数から前記測定対象の電気回路定数を測定する検波処理部
を備えていることを特徴とする電気回路定数測定装置。
被測定モータの電気回路の電気回路定数を測定する電気回路定数測定方法であって、
前記被測定モータの電気回路における状態量をそれぞれ示す状態量信号のうち、交流成分を有する第１の状態量信号と、交流成分を有し、測定対象の前記電気回路定数を含む係数と前記第１の状態量信号の積からなる信号成分を含む第２の状態量信号とを入力とし、前記信号成分を同期検波により前記第２の状態量信号から取り出して、前記係数から前記測定対象の電気回路定数を測定する検波処理工程
を備えていることを特徴とする電気回路定数測定方法。