WO2016035298A1 - モータ駆動装置およびブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

本モータ駆動装置は、モータ巻線を巻回した固定子と永久磁石を保持した回転子とを含む同期モータに対して、同期駆動する同期運転から、回転子の位置に基づいてモータ巻線に印加する電流を制御する位置センサレスベクトル制御への切り替えを行う。本モータ駆動装置は、同期運転の期間中には、検出した電流および電圧に基づいて誘起電圧誤差を推定演算し、推定誘起電圧と内部角度に基づいて演算された目標誘起電圧の誤差が一致するように電流指令振幅を制御し、誤差が所定値以内に低減した後、センサレスモードに切り替える。また、同期運転中に、電流指令を徐々に下げることで、誘起電圧誤差の絶対値を所定値以内に低減させる。

Description

モータ駆動装置およびブラシレスモータ

　本発明は、回転子が永久磁石を保持した同期モータを駆動するモータ駆動装置およびこの同期モータを含むブラシレスモータに関するものである。

　このような同期モータのトルクを高速・高精度に制御する方法として、位置センサから検出した回転子の位置と同期した回転座標系で、同期モータの電流を制御するベクトル制御が知られている。ところが、位置センサは、取り付けスペースの増加、コストの増加、モータの使用環境が位置センサの使用環境に制限される等の問題がある。

　この問題の解決策の一手法として、モータの電流、電圧および巻線抵抗等のモータ定数から計算したモータの誘起電圧をもとに、回転子位置情報を推定する位置センサレスベクトル制御が実用化されている。

　また、誘起電圧はモータの回転速度に比例するため、起動時などの低速のときは誘起電圧が低すぎて、回転子位置の推定精度が低下する。このため、モータの起動時には同期運転を行うとともに、適度な回転速度となった時点で、位置センサレスベクトル制御に移行するような手法が知られている。すなわち、この手法では、モータの起動時は、同期運転を行う同期運転モードとして、モータ巻線に所定の電流を流し、電流の周波数を徐々に上げてモータを加速させていく。そして、回転子の位置推定が可能となる所定回転速度まで加速した後に、位置センサレスベクトル制御モードに切り替えている。

　ところが、この２つのモードを用いた手法では、位置センサレスベクトル制御モードへの切り替え時に発生するモータ巻線に流す電流の位相の変化によって、振動・騒音の発生やモータ急加速の原因となる。

　このため、これらの対策技術として、従来、例えば特許文献１の手法が提案されている。特許文献１では、まず、同期運転中にセンサレス推定で軸誤差を推定し、推定した軸誤差と電流指令値の位相差とを一致させるように帰還制御する。次に、推定した軸誤差が所定範囲内に低減後に、同期運転からセンサレス制御に切り替える。その後、位置センサレスベクトル制御の電流位相へと徐々に変更している。

　しかしながら、特許文献１のような従来の方法では、同期運転から位置センサレスベクトル制御に切り替えた後、位置センサレスベクトル制御の電流位相へと徐々に変更するため、完全な位置センサレスベクトル制御への移行に時間を要する。

特開２０１０－２９０１６号公報

　本発明のモータ駆動装置は、モータ巻線を巻回した固定子と永久磁石を保持した回転子とを含む同期モータに対して、同期駆動する同期運転から、回転子の位置に基づいてモータ巻線に印加する電流を制御する位置センサレスベクトル制御への切り替えを行うモータ駆動装置である。本モータ駆動装置は、同期運転の期間中に、検出した電流および電圧に基づいて誘起電圧誤差を算出し、誘起電圧誤差の絶対値を所定値以内に低減させた後に、位置センサレスベクトル制御に切り替える構成である。

　また、本発明のブラシレスモータは、このモータ駆動装置を備えている。

　これにより、同期運転から位置センサレスベクトル制御へ高速に切り替えることができ、モータ起動から目標指令に到達するまでの時間を短縮することができる。このように、本発明によれば、同期運転から位置センサレスベクトル制御へ高速に移行することが可能なモータ駆動装置およびブラシレスモータを提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態におけるモータ駆動装置を備えたブラシレスモータのブロック図である。 図２は、同モータ駆動装置の同期モータの構造例を示す図である。 図３は、同モータ駆動装置の誘起電圧誤差の求め方を説明するための図である。 図４は、同モータ駆動装置の同期運転中のｄ軸、ｑ軸、ｄｃ軸、ｑｃ軸の電流ベクトル図である。 図５は、同モータ駆動装置のモータ起動時のモータ巻線電流波形とモータ速度とを示すタイミングチャートである。

　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

　（実施の形態）
　図１は、本発明の実施の形態におけるモータ駆動装置１０を備えたブラシレスモータ１００のブロック図である。

　図１に示すように、本実施の形態のブラシレスモータ１００は、モータ駆動装置１０と同期モータ４０とを含む構成であり、モータ駆動装置１０が同期モータ４０を通電駆動することにより、同期モータ４０が回転動作する。

　図１において、モータ駆動装置１０は、交流電源２０を整流回路２１により直流化し、平滑コンデンサ２２を通して平滑化した後、その直流電圧は、モータ駆動装置１０内に備えた三相のインバータ２３に供給される。三相のインバータ２３は、その直流電圧を任意の電圧に交流化し、交流化された交流電圧が永久磁石を備えた同期モータ４０に供給される。本実施の形態では、このように、互いに１２０度位相が異なるＵ相、Ｖ相、Ｗ相とする三相で同期モータ４０を駆動している。

　図２は、本実施の形態における同期モータ４０の構造例を示す図である。図２に示すように、同期モータ４０は、回転子４１と固定子４５とを備えている。回転子４１は、シャフト４２を中心として永久磁石４３を保持している。固定子４５は、固定子コア４６にモータ巻線４７を巻回して構成されている。

　さらに、本実施の形態では、同期モータ４０内にモータ駆動装置１０として機能する回路部品４８ｐを内蔵してブラシレスモータ１００を構成している。これらの回路部品４８ｐは、回路基板４８ｂに実装されており、例えば、インバータ２３を構成するスイッチング素子が回路基板４８ｂ上に実装されている。このような構成において、インバータ２３からの交流電圧をモータ巻線４７に印加してモータ巻線４７を通電駆動することで、回転子４１が軸受４４に回転自在に支持されて、回転する。

　このような回転子４１を回転制御するため、本実施の形態では、モータ駆動装置１０が、上述のようなインバータ２３に加えて、誘起電圧誤差検出部５１と、位置・速度検出部５２と、速度制御部５３と、同期運転用電流指令生成器５４と、切替器５５とを備えている。また、モータ駆動装置１０には、例えば外部のコントローラなどから、同期モータ４０を回転制御するための指令として、回転速度を制御するための速度指令ω＊が通知される。

　誘起電圧誤差検出部５１は、電流検出器３１によって検出したモータ電流Ｉｍと、電圧検出器３２によって検出したモータ電圧Ｖｍを入力する。そして、誘起電圧誤差検出部５１は、入力したモータ電流Ｉｍおよびモータ電圧Ｖｍと予め測定しておいたモータ定数とに基づき、誘起電圧誤差Δｅを算出し、位置・速度検出部５２および切替器５５に出力する。なお、算出の仕方は後述する。

　位置・速度検出部５２は、誘起電圧誤差Δｅを入力し、モータの推定位置θｅｓｔと推定速度ωｅｓｔを算出し、推定位置θｅｓｔを電流制御部５６へ、推定速度ωｅｓｔを速度制御部５３へ出力する。なお、算出の仕方は後述する。

　速度制御部５３は、位置センサレスベクトル制御時において、外部から指令された速度である速度指令ω＊をうけ、推定速度ωｅｓｔと速度指令ω＊との偏差が零となるような電流指令Ｉ＊を切替器５５へ出力する。

　同期運転用電流指令生成器５４は、同期運転中における電流指令Ｉｓを切替器５５へ出力する。

　切替器５５は、モータ起動時の同期運転中は、同期運転用電流指令生成器５４の電流指令Ｉｓを選択し、電流制御部５６にその電流指令Ｉｓを電流指令Ｉｃとして出力する。すなわち、同期運転中では、電流制御部５６は、電流指令Ｉｓに従って所定の振幅の電流をモータ巻線４７に流しながら、インバータ２３の出力周波数が徐々に増加するようにインバータ２３を駆動する。その後、誘起電圧誤差Δｅの絶対値が所定の閾値以下になると、速度制御部５３からの電流指令Ｉ＊を選択するように切り替えられ、電流制御部５６にその電流指令Ｉ＊を電流指令Ｉｃとして出力する。これにより、同期モータ４０の運転を同期運転から位置センサレスベクトル制御へと切り替える。

　電流制御部５６は、切替器５５からの電流指令Ｉｃと、電流検出器３１によって検出したモータ電流Ｉｍと、位置・速度検出部５２から算出される同期モータ４０の推定位置θｅｓｔとから電圧指令Ｖｃを算出し、三相のインバータ２３に出力する。

　次に、誘起電圧誤差検出部５１と位置・速度検出部５２との構成および動作について、さらに詳しく説明する。

　まず、ｄ－ｑ軸としてモータのベクトル制御でよく知られているように、回転子４１の永久磁石４３の磁束方向の軸をｄ軸、ｄ軸から回転方向に９０度位相が進んだ軸をｑ軸とする。そして、ｄ軸電圧をｖｄ、ｑ軸電圧をｖｑ、ｄ軸電流をｉｄ、ｑ軸電流をｉｑ、モータ巻線４７の相抵抗をｒ、モータ巻線４７のｄ軸インダクタンスをＬｄ、ｑ軸インダクタンスをＬｑ、同期モータ４０の誘起電圧定数をＫｅ、モータ速度をωとすると、同期モータ４０の電圧方程式は、次の式（１）で表される。

　図３は、誘起電圧誤差Δｅの求め方を説明するための図である。図３では、位置・速度検出部５２によって算出された同期モータ４０の推定位置θｅｓｔをもとに推定したｄ軸をδ軸、δ軸から回転方向に９０度位相が進んだ軸をγ軸としている。すなわち、ｄ－ｑ軸は、実モータの直交座標軸であるのに対し、このδ－γ軸は、推定制御系の直交座標軸である。また、ｄ－ｑ軸座標に対するδ－γ軸座標の角度差が次の位置誤差（軸誤差）Δθであり、ｄ－ｑ軸座標での誘起電圧に対するδ－γ軸座標での誘起電圧の電圧差が次の誘起電圧誤差Δｅである。また、言い換えると、図３に示すように、誘起電圧Ｋｅωをδ軸方向に分配した成分が誘起電圧誤差Δｅと言える。ここで、δ軸の電圧をｖδ、γ軸の電圧をｖγ、位置誤差をΔθとすると、誘起電圧誤差Δｅは、次の式（２）および式（３）で表される。

　誘起電圧誤差Δｅと位置誤差Δθとは比例関係にある。誘起電圧誤差検出部５１は式（２）から誘起電圧誤差Δｅを算出する。そして、位置・速度検出部５２は、誘起電圧誤差Δｅが零になるように帰還制御することでモータの推定速度ωｅｓｔを式（４）から算出する。なお、Ｋｐは比例ゲイン、Ｋｉは積分ゲインである。

　さらに、モータ速度ωを積分することで回転子４１の推定位置θｅｓｔを算出する。モータ速度ωが小さいと、計算される誘起電圧誤差Δｅも小さくなり、推定位置θｅｓｔの算出精度が悪化する。

　そこで、同期モータ４０の起動時は、同期運転用電流指令生成器５４から出力される電流指令Ｉｓが切替器５５を介して速度制御部５３に供給される。このとき、電流指令Ｉｓは、所定の加速度で回転速度を強制的に上昇させるような値として出力される。このようにして、モータ巻線４７に所定の電流を流し、電流の周波数を徐々に上げて同期モータ４０を加速させる同期運転を行う。その後に、位置センサレスベクトル制御に切り替えるようにしている。

　次に、同期運転から位置センサレスベクトル制御への切り替えについて説明する。図４は、同期運転中のｄ軸、ｑ軸、ｄｃ軸、ｑｃ軸の電流ベクトル図である。同期モータ４０に所定の振幅と周波数の電流を印加し、モータを同期運転している時の制御軸のｄ軸をｄｃ軸、ｑ軸をｑｃ軸とする。

　ここで、ｄ軸とｄｃ軸との位置誤差がΔθで、ｑｃ軸に電流の大きさが｜Ａ｜の電流を印加している場合を考える。電流の大きさを｜Ａ｜から｜Ｂ｜に減らした場合を考えると、永久磁石４３によって発生するマグネットトルクは、ｑ軸電流のみで決まるため、ｑｃ軸は電流｜Ａ｜を印加していた時とｑ軸電流が同じになるＣ点に移動する。

　同じように徐々に電流の大きさを下げていくと、ｑｃ軸はｑ軸に近づいていき位置誤差Δθは減少していく。位置誤差Δθと誘起電圧誤差Δｅは比例関係のため、位置誤差Δθが零になった時の誘起電圧誤差Δｅも零となる。

　図５は、モータ起動時のモータ巻線電流波形とモータ速度とを示すタイミングチャートである。同期モータ４０が停止している状態からモータ巻線４７に所定の振幅の電流を流し、電流の周波数（すなわち、回転速度）を徐々に上げていき、モータ速度を同期速度ωｓｙｎｃまで加速させる（図５の第１同期運転）。

　次に、モータ巻線４７に印加する電流の振幅を下げていき、算出した誘起電圧誤差Δｅの絶対値｜Δｅ｜が所定の閾値以下になった時（図５の第２同期運転）に、同期運転から位置センサレスベクトル制御へ切り替えを行う。このとき、閾値が十分小さければ、図４を用いて説明したように、切り替わり時の制御軸ｄｃとｄ軸は等しくなり、切り替わり時の電流位相の連続性が保たれる。

　このように、本実施の形態では同期運転の期間中に、検出した電流および電圧に基づいて誘起電圧誤差を推定演算し、推定誘起電圧と内部角度に基づいて演算された目標誘起電圧の誤差が一致するよう電流指令振幅を制御し、この誤差が所定値以内に低減した後センサレスモードに切り替えている。

　よって、振動・騒音の発生やモータが急加速すること無く、位置センサレスベクトル制御への切り替えが可能となる。従来のような、切り替えた後の位置センサレスベクトル制御の電流位相へと徐々に変更する処理が不要なため、高速に位置センサレスベクトル制御への切り替えを行うことができる。

　以上のように、本発明は同期運転から位置センサレスベクトル制御への切り換えを高速に行うことができ、位置センサレスベクトル制御によって駆動されるモータ駆動装置全般に利用することができる。

　１０　　モータ駆動装置
　２０　　交流電源
　２１　　整流回路
　２２　　平滑コンデンサ
　２３　　インバータ
　３１　　電流検出器
　３２　　電圧検出器
　４０　　同期モータ
　４１　　回転子
　４２　　シャフト
　４３　　永久磁石
　４４　　軸受
　４５　　固定子
　４６　　固定子コア
　４７　　モータ巻線
　４８ｂ　　回路基板
　４８ｐ　　回路部品
　５１　　誘起電圧誤差検出部
　５２　　位置・速度検出部
　５３　　速度制御部
　５４　　同期運転用電流指令生成器
　５５　　切替器
　５６　　電流制御部
　１００　　ブラシレスモータ

Claims (3)

1. モータ巻線を巻回した固定子と永久磁石を保持した回転子とを含む同期モータに対して、同期駆動する同期運転から、前記回転子の位置に基づいて前記モータ巻線に印加する電流を制御する位置センサレスベクトル制御への切り替えを行うモータ駆動装置であって、
   前記同期運転の期間中に、検出した電流および電圧に基づいて誘起電圧誤差を算出し、前記誘起電圧誤差の絶対値を所定値以内に低減させた後に、位置センサレスベクトル制御に切り替えることを特徴とするモータ駆動装置。
2. 前記同期運転の期間中に、電流指令を徐々に下げることで、前記誘起電圧誤差の絶対値を所定値以内に低減させることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 請求項１または２に記載のモータ駆動装置を備えたことを特徴とするブラシレスモータ。

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