WO2024043245A1 - モータ制御装置 - Google Patents

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WO2024043245A1
WO2024043245A1 PCT/JP2023/030215 JP2023030215W WO2024043245A1 WO 2024043245 A1 WO2024043245 A1 WO 2024043245A1 JP 2023030215 W JP2023030215 W JP 2023030215W WO 2024043245 A1 WO2024043245 A1 WO 2024043245A1
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WO
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estimated
axis
error
determination
voltage
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/030215
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English (en)
French (fr)
Inventor
光 河村
Original Assignee
株式会社アドヴィックス
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/12Monitoring commutation; Providing indication of commutation failure
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14Electronic commutators
    • H02P6/16Circuit arrangements for detecting position
    • H02P6/18Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements

Definitions

  • the present disclosure relates to a motor control device.
  • Patent Document 1 describes the following for the purpose of detecting synchronization with a simple configuration that eliminates the need for additional current detectors and voltage detectors.
  • the model voltage calculation unit 10 uses a PM motor model based on the voltage equation of the PM motor 2 to calculate dq-axis model voltages vd*, vq* from the speed of the PM motor speed command and the dq-axis current of the current command.
  • the step-out determination unit 11 determines whether the PM motor has step-out by comparing the model voltage and the voltage commands vd and vq of the inverter. Furthermore, when calculating the model voltage, the dq-axis current detection values can be used instead of the PM motor current command. Furthermore, step-out can be determined using only the model voltage of the q-axis component.
  • Patent Document 2 describes the following so that step-out can be reliably detected even in sensorless control.
  • the brushless motor control device rotationally drives a brushless motor 4 that provides rotational driving force to an oil pump 5 that supplies hydraulic pressure in response to a control signal from a host device 12 .
  • the brushless motor control device 3 controls energization of the brushless motor so that the target torque received by the control signal from the host device is achieved.
  • the step-out detection means 37A determines that step-out has been detected when a deviation occurs between the target rotational speed and the actual rotational speed and the target rotational speed reaches the lower limit threshold.
  • An object of the present invention is to provide a motor control device that performs sensorless control of a brushless motor, which takes errors into account and can determine step-out of the brushless motor.
  • a motor control device (MS) includes a control unit (BC) that performs sensorless control of a brushless motor (BM) having three phases, a determination voltage (Vqj) calculated from the rotational speed ( ⁇ ) of the brushless motor, and a determination unit that determines whether or not step-out occurs in the brushless motor (BM) by comparing a deviation (hV) from the estimated q-axis command voltage (Vqc) of the sensorless control with a determination threshold (Hs); BH) and.
  • BC control unit
  • Vqj determination voltage
  • the determination unit (BH) calculates a calculation map (Zhs) for calculating the determination threshold value (Hs) when the brushless motor (BM) is out of step.
  • the first error (Es) is set to be larger than the characteristic (Zes) of the first error (Es) included in the sensorless control when the sensorless control is not performed.
  • the determination unit (BH) sets the calculation map (Zhs) such that the higher the rotational speed ( ⁇ ) is, the larger the determination threshold value (Hs) is determined.
  • the determination threshold Hs is determined so as not to be included in the range Hes of the first error Es. In the motor control device, the first error Es is taken into account and its influence is compensated for.
  • the determination unit (BH) stops the brushless motor (BM) based on the estimated d-axis output current (Ids) and the rotational speed ( ⁇ ).
  • the voltage deviation (Vqj) determined by the state is calculated as the stop voltage (Vqt), and the A second error (Et) included in the stop voltage (Vqt) is calculated, and the determination threshold (Hs) is greater than or equal to the value (Vqx) obtained by subtracting the second error (Et) from the stop voltage (Vqt). If so, the above determination is prohibited.
  • step-out determination is prohibited when the determination threshold Hs is included in the range Het of the second error Et.
  • the second error Et is taken into account and its influence is compensated for.
  • FIG. 1 is a block diagram for explaining an embodiment of a motor control device MS.
  • FIG. 3 is a block diagram for explaining a determination unit BH.
  • FIG. 4 is a characteristic diagram for explaining the setting of the determination threshold value Hs and the determination of whether step-out determination is possible.
  • the brushless motor BM is a synchronous motor provided with three-phase coils: U-phase, V-phase, and W-phase.
  • Brushless motor BM is controlled (driven) by motor control device MS.
  • the brushless motor BM is of a sensorless type. Therefore, a position sensor (rotation angle sensor) for detecting the position (ie, rotation angle) of the rotor of the brushless motor BM is not provided.
  • the motor control device MS that drives the brushless motor BM is composed of a control section BC and a determination section BH.
  • Control unit BC Since the brushless motor BM is a sensorless type, the control unit BC performs sensorless control (also referred to as "sensorless vector control"). Sensorless control is a known motor drive method (for example, see Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2008-011616, 2019-208329, and 2022-110307). The control unit BC will be briefly explained below.
  • the brushless motor BM is driven by subjecting the d-axis component current and the q-axis component current perpendicular to the d-axis to vector control.
  • d axis, q axis are control axes in rotational coordinates (also referred to as “dq coordinates”) of vector control.
  • the "d-axis” extends in the direction of the magnetic flux axis of the permanent magnet, and the “q-axis” extends in the torque direction.
  • the d-axis and the q-axis are orthogonal.
  • the actual d-axis and actual q-axis are connected to the rotation angle sensor. It is identified by the detection result (i.e., rotation angle).
  • the d-axis and q-axis are estimated and vector control (that is, sensorless vector control) is executed.
  • a control axis estimated as the d-axis of the rotational coordinate is called an "estimated d-axis (or virtual d-axis).”
  • the control axis estimated as the q-axis of the rotational coordinate is referred to as the "estimated q-axis (or virtual q-axis).”
  • the estimated d-axis and the estimated q-axis are orthogonal. Note that the error between the actual d-axis and actual q-axis and the estimated d-axis and estimated q-axis is expressed as "axis error ⁇ (angular error)."
  • the current instruction values for the estimated d-axis and estimated q-axis are referred to as "estimated d-axis and estimated q-axis instruction currents Idc and Iqc.”
  • the currents generated in the estimated d-axis and estimated q-axis corresponding to the estimated d-axis and estimated q-axis command currents Idc and Iqc are called "estimated d-axis and estimated q-axis output currents Ids and Iqs". be done.
  • Estimated d-axis and estimated q-axis output currents Ids and Iqs are estimated based on three-phase detection currents Ius, Ivs, and Iws (U-phase, V-phase, and W-phase detection currents).
  • the estimated d-axis and estimated q-axis output currents Ids and Iqs are also referred to as "estimated d-axis and estimated q-axis currents Ids and Iqs (or estimated d-axis and estimated q-axis response currents Ids and Iqs)."
  • the control unit BC includes a command current calculation block IC, a command voltage calculation block VC, a first coordinate conversion block ZC, a second coordinate conversion block ZS, and a speed estimation block WS.
  • the command current calculation block IC calculates estimated d-axis and estimated q-axis command currents Idc and Iqc based on the command rotation speed ⁇ c (target value of motor rotation speed) and estimated rotation speed ⁇ s (estimated value of motor rotation speed). is calculated. Specifically, the command current calculation block IC subtracts the estimated rotation speed ⁇ s calculated by the speed estimation block WS from the command rotation speed ⁇ c. Then, based on the calculation result " ⁇ c- ⁇ s" (referred to as "rotational speed error ⁇ "), the estimated d-axis command current Idc to be followed by the estimated d-axis output current Ids is determined.
  • the instruction current calculation block IC calculates an estimated q-axis instruction current Iqc to be followed by the estimated q-axis output current Iqs based on the estimated d-axis instruction current Idc and the like. That is, the command currents Idc and Iqc in the estimated d-axis and the estimated q-axis are calculated so that the rotational speed error ⁇ becomes "0" and the estimated rotational speed ⁇ s matches the commanded rotational speed ⁇ c.
  • the command current calculation block IC performs processing to match the estimated rotation speed ⁇ s with the command rotation speed ⁇ c, and functions as a "speed controller (controller for controlling the rotation speed)".
  • the command voltage calculation block VC calculates the estimated d-axis, Estimated q-axis command voltages Vdc and Vqc (target values) are calculated.
  • the estimated d-axis and the current errors "Iqc-Iqs" and “Idc-Ids” in the estimated d-axis are both "0"
  • the estimated d-axis and estimated q-axis output currents Ids and Iqs are Estimated d-axis and estimated q-axis instruction voltages Vdc and Vqc are calculated to match estimated d-axis and estimated q-axis instruction currents Idc and Iqc.
  • the command voltage calculation block VC is a processing block for matching the estimated d-axis and estimated q-axis output currents Ids and Iqs with the estimated d-axis and estimated q-axis command currents Idc and Iqc. It functions as a controller for controlling the current.
  • U-phase, V-phase, and W-phase indicated voltages Vuc, Vvc, and Vwc are calculated based on the estimated d-axis and estimated q-axis indicated voltages Vdc and Vqc (target values).
  • Ru the estimated d-axis and estimated q-axis command voltages Vdc and Vqc are coordinate-transformed from 2-phase to 3-phase based on the estimated rotation angle ⁇ s calculated by the speed estimation block WS, so that U Phase, V-phase, and W-phase instruction voltages Vuc, Vvc, and Vwc are determined.
  • the U-phase, V-phase, and W-phase command voltages Vuc, Vvc, and Vwc are output to the inverter INV.
  • PWM control pulse width modulation control
  • Vuc, Vvc, and Vwc the brushless motor BM
  • Vwc the brushless motor BM
  • pulse width modulated signals are determined according to the U-phase, V-phase, and W-phase instruction voltages Vuc, Vvc, and Vwc.
  • switching elements MOS-FET, IGBT, etc.
  • U-phase, V-phase, W-phase supply currents Ius, Iuv, Iws also referred to as "detection currents" to the brushless motor BM are controlled.
  • a current sensor IA is provided to detect motor currents Ius, Iuv, and Iws supplied from the inverter INV to the brushless motor BM. Since the phase difference between the U-phase, V-phase, and W-phase supply currents Ius, Iuv, and Iws is known, the current sensor IA detects the supply currents of two of the three phases (for example, the U-phase detection current Ius and The V-phase detection current Ivs) may be detected, and the remaining one-phase supply current (for example, the W-phase detection current Iws) may be estimated. That is, by detecting the supply currents of at least two of the three phases by the current sensor IA, the currents actually supplied to the three phases are detected.
  • estimated d-axis and estimated q-axis output currents Ids and Iqs are calculated based on the U-phase, V-phase, and W-phase detected currents Ius, Iuv, and Iws. Specifically, the detected currents Ius, Iuv, and Iws are coordinate-transformed from three phases to two phases based on the estimated rotation angle ⁇ s calculated by the speed estimation block WS, so that the estimated d-axis and the estimated q Shaft output currents Ids and Iqs are determined.
  • the estimated d-axis and estimated q-axis output currents Ids and Iqs correspond to the estimated d-axis and estimated q-axis command currents Idc and Iqc (input values and target values).
  • an estimated rotational speed ⁇ s and an estimated rotational angle ⁇ s are calculated based on the estimated d-axis and estimated q-axis output currents Ids and Iqs.
  • the estimated rotational speed ⁇ s is calculated.
  • the estimated rotational speed ⁇ s is integrated to determine the estimated rotational angle ⁇ s.
  • a known method such as a current drawing method, a harmonic superimposition method, a magnetic flux observer method, an extended induced voltage method, etc. is adopted.
  • the control amount of the PLL control when the axis error ⁇ is controlled to follow "0 (target value)" is determined as the estimated rotational speed ⁇ s, as shown in the blowout part Ru.
  • PLL control Phase Locked Loop
  • feedback control is applied based on an input periodic signal, and a phase-synchronized signal is output from another oscillator.
  • the axis error ⁇ is input to the PLL control block.
  • the axis error ⁇ is multiplied by the proportional gain Kp to calculate a proportional term.
  • the axis error ⁇ is time-integrated and multiplied by an integral gain Ki to calculate an integral term.
  • the axis error ⁇ (angular error between the actual q-axis and the estimated q-axis) are used based on the rotational speed.
  • the axis error ⁇ is determined based on a harmonic superposition method.
  • the harmonic superposition method also referred to as "disturbance superposition method”
  • a pulse (or sine wave) high-frequency voltage is superimposed (applied) on the estimated d-axis command voltage Vdc.
  • the axis error ⁇ is estimated based on the amplitude change of the high frequency component of the estimated q-axis output voltage Iqs at this time.
  • the axis error ⁇ is calculated based on the extended induced voltage method.
  • the axis error ⁇ (angular error) is calculated by estimating the induced voltage from the voltage and current. Specifically, the axis error is calculated based on the estimated rotational speed ⁇ s (previous value in the calculation cycle), estimated d-axis, estimated q-axis output currents Ids, Iqs, and estimated d-axis, estimated q-axis command voltages Vdc, Vqc. ⁇ is estimated.
  • the estimated rotational speed ⁇ s calculated by the speed estimation block WS is input to the command current calculation block IC and the determination unit BH. Further, the estimated rotation angle ⁇ s calculated by the speed estimation block WS is input to the first and second coordinate transformation blocks ZC and ZS.
  • the determination unit BH determines whether there is step-out in the brushless motor BM.
  • the optimum coil phase for torque generation is always determined based on rotation angle information, so step-out (out-of-sync between the rotating magnetic field and the rotor with permanent magnets) does not occur. do not have.
  • step-out in a brushless motor that does not have a rotation angle sensor, synchronization between the rotating magnetic field and the rotor is performed by estimation, so step-out may occur under high load or when the load suddenly changes.
  • the determination unit BH determines whether synchronization has occurred based on the estimated rotational speed ⁇ s, the estimated q-axis command voltage Vqc, and the estimated d-axis and q-axis output currents Ids and Iqs.
  • a determination signal Fd is outputted to the instruction current calculation block IC.
  • ⁇ Details of determination section BH Details of the determination unit BH will be described with reference to the block diagram of FIG. 2.
  • the estimated rotational speed ⁇ s, the estimated q-axis command voltage Vqc, and the estimated d-axis and q-axis output currents Ids and Iqs are input to the determination unit BH.
  • the determination unit BH calculates the deviation hV (voltage deviation) between the estimated rotational speed ⁇ s and the estimated d-axis and estimated q-axis output currents Ids and Iqs, and the estimated q-axis command voltage Vqc and the judgment voltage Vqj. . Then, by comparing the voltage deviation hV with the determination threshold value Hs, it is determined whether or not the brushless motor BM has lost synchronization.
  • the determination unit BH includes a determination voltage calculation block VJ, a voltage deviation calculation block HV, a determination threshold value calculation block HS, a limit voltage calculation block VX, an acceptability determination block HK, and a determination processing block HN.
  • the determination voltage calculation block VJ calculates the determination voltage Vqj based on the estimated rotational speed ⁇ s and the estimated d-axis and q-axis output currents Ids and Iqs.
  • “Determination voltage Vqj” is a voltage that should be applied to the estimated q-axis when it is assumed that the brushless motor BM has not stepped out and is rotating at the estimated rotational speed ⁇ s. Specifically, the determination voltage Vqj is determined based on equation (1).
  • Vqj R ⁇ Iqs+ ⁇ s ⁇ ( ⁇ +Ld ⁇ Ids) ...Formula (1)
  • R is the resistance value (nominal value) of the brushless motor BM
  • is the interlinkage magnetic flux (nominal value) of the brushless motor BM
  • Ld is the d-axis inductance (nominal value) of the brushless motor BM. ), respectively.
  • the "nominal value” is the average value of actually measured data.
  • a second term Sv2 (also referred to as "second component") corresponding to the back electromotive force in the brushless motor BM is calculated based on the estimated rotational speed ⁇ s and the estimated d-axis output current Ids. Then, the sum of the first component Sv1 and the second component Sv2 is determined as the determination voltage Vqj.
  • the determination voltage Vqj is a voltage corresponding to the estimated q-axis command voltage Vqc in a state where no step out occurs and the brushless motor BM is properly operating at the estimated rotational speed ⁇ s. Therefore, the voltage deviation hV, which is the difference between the determination voltage Vqj and the estimated q-axis command voltage Vqc, is a state quantity (state variable) representing the degree (degree) of step-out. Therefore, the greater the degree of step-out of the brushless motor BM (the difference between the commanded rotational speed ⁇ c and the actual motor rotational speed), the larger the voltage deviation hV is calculated.
  • the brushless motor BM does not step out and is properly driven by sensorless control (that is, the estimated rotational speed ⁇ s substantially matches the actual motor rotational speed)
  • the estimated q-axis instruction Voltage Vqc and determination voltage Vqj become equal. Therefore, in this state, the voltage deviation hV is "0".
  • the brushless motor BM is out of step and its rotation has completely stopped (that is, the estimated rotational speed ⁇ s is occurring but the actual rotational speed is "0")
  • the command voltage Vqc does not include the second component Sv2 corresponding to the back electromotive force. Therefore, the voltage deviation hV matches the second component Sv2.
  • a judgment threshold Hs is calculated based on the estimated rotational speed ⁇ s.
  • the "judgment threshold Hs" is a threshold for determining the presence or absence of step-out.
  • a calculation map Zhs which is a characteristic for calculating the determination threshold Hs, is set in advance as a characteristic of the determination threshold Hs with respect to the estimated rotational speed ⁇ s.
  • the characteristic Zhs is stored in a microprocessor within the motor control device MS.
  • the determination threshold Hs is determined to increase as the estimated rotational speed ⁇ s increases, according to a preset calculation map Zhs.
  • the determination voltage Vqj and the estimated q-axis command voltage Vqc are equal, so the voltage deviation hV is "0". ” is determined.
  • the detection results Ius, Ivs, and Iws (current detection values) of the current sensor IA include variations (errors).
  • the resistance value R the interlinkage magnetic flux ⁇ , and the d-axis and q-axis inductances Ld and Lq (induction coefficients).
  • the error Es is called a "steady error”
  • its characteristic Zes is called a "steady error characteristic”.
  • the steady error Es is an error that is constantly included in the sensorless control due to errors (dispersions, fluctuations) in the detected value of the current sensor IA, the characteristics of the brushless motor BM, etc.
  • the maximum value (worst value) of the steady-state error Es is determined for each motor rotation speed using the motor rotation speed as a parameter in combination with the above-mentioned variations and temperature conditions. Then, the maximum value of the steady error Es is plotted against the motor rotation speed, and the steady error characteristic Zes is set. That is, the steady error Es occurs in a range Hes (referred to as a "steady error range") surrounded by the horizontal axis (axis of estimated rotational speed ⁇ s) and the steady deviation characteristic Zes.
  • the calculation map Zhs for calculating the determination threshold Hs is set to be always larger than the steady error characteristic Zes. Specifically, a predetermined margin (margin value) is added to the steady-state error characteristic Zes to set the calculation map Zhs. As a result, for example, when the estimated rotational speed ⁇ s is the value ⁇ 1, the determination threshold Hs according to the calculation map Zhs becomes larger than the steady error Es according to the steady error characteristic Zes by the margin value mj. It is calculated as follows. Since the determination threshold Hs is never included in the range Hes (steady error range) of the steady error Es, step-out can be accurately determined.
  • the calculation map Zhs is set to become larger as the estimated rotational speed ⁇ s becomes larger. Furthermore, the calculation map Zhs is provided with an upper limit hx. Further, a lower limit speed ⁇ o is provided in the calculation map Zhs so that the step-out determination is limited when the estimated rotational speed ⁇ s is low. That is, if the estimated rotational speed ⁇ s is less than the lower limit speed ⁇ o, no determination regarding step-out is performed.
  • the "upper limit hx" and the "lower limit speed ⁇ o" are predetermined values (constants) set in advance.
  • a limit voltage calculation block VX calculates a limit voltage Vqx based on the estimated rotational speed ⁇ s and the estimated d-axis and q-axis output currents Ids and Iqs.
  • "Limited voltage Vqx” is the worst value (maximum value) of error Et (referred to as “detection error (or second error)”) with respect to the second component Sv2 (maximum value that voltage deviation hV can take). is the value taken into consideration.
  • Detection error or second error
  • the voltage deviation hV in a state where the brushless motor BM has stepped out and the actual motor rotation speed is "0" is calculated as the "stop voltage Vqt” by the following equation (3).
  • the stop voltage Vqt is equal to the second component Sv2.
  • is the flux linkage (nominal value) of the brushless motor BM
  • “Ld” is the d-axis inductance (nominal value) of the brushless motor BM.
  • the detection error Et (second error) included in the stop voltage Vqt is calculated using the following equation (4).
  • Et R ⁇ Iqs ⁇ ( ⁇ R+ ⁇ I ⁇ V) ⁇ s ⁇ Ld ⁇ Ids ⁇ I ...Formula (4)
  • ⁇ R is the variation error in the resistance value of the brushless motor BM
  • ⁇ I is the error related to current (also referred to as “current monitor error”)
  • ⁇ V is the error related to voltage (“voltage monitor error”). ”) respectively.
  • the estimated d-axis, estimated q-axis output currents Ids, Iqs, estimated d-axis, estimated q-axis command voltages Vdc, Vqc, etc.
  • the current monitor error ⁇ I and the voltage monitor error ⁇ V are caused by errors included in the currents Ius, Ivs, and Iws detected by the current sensor IA.
  • the limit voltage Vqx is the minimum value that the stop voltage Vqt can take, taking into account the detection error Et.
  • Vqx Vqt-Et...Formula (5)
  • Fk also referred to as the "availability flag
  • the presence or absence of step-out is determined based on a comparison between the availability flag Fk, the voltage deviation hV, and the determination threshold Hs. This determination is called a "step-out determination.”
  • the step-out determination is performed based on "whether the voltage deviation hV has reached the determination threshold Hs or not." Specifically, if the voltage deviation hV is less than the determination threshold Hs, the occurrence of synchronization is denied. On the other hand, if the voltage deviation hV is greater than or equal to the judgment threshold Hs, from the time when this is satisfied for the first time (corresponding calculation cycle), the state (that is, the voltage deviation hV reaches the judgment threshold Hs) The time Tx (referred to as "duration time”) during which the current state) continues is counted. Then, when the duration time Tx of the state where "hV ⁇ Hs" reaches the determination time tx, the occurrence of step-out is confirmed.
  • the "judgment time tx" is a predetermined value (constant) set in advance.
  • the determination threshold Hs is a threshold corresponding to the voltage deviation hV for identifying whether or not step-out has occurred in the brushless motor BM. As described above, the determination threshold Hs is calculated based on the estimated rotational speed ⁇ s and the preset calculation map Zhs. Specifically, it is determined that the larger (higher) the estimated rotational speed ⁇ s is, the larger the estimated rotational speed ⁇ s is, according to the calculation map Zhs.
  • the steady-state error Es is determined by the sensorless motor BM in a state where the brushless motor BM is normally driven by sensorless control (that is, a state where step-out has not occurred and the estimated rotational speed ⁇ s is properly estimated). This is an error that is regularly included in control.
  • the steady-state error Es is caused by variations, temperature, etc., and is included in the detected value of the current sensor IA, the characteristics of the brushless motor BM, etc.
  • the maximum value (worst value) of the steady error Es is plotted against the estimated rotational speed ⁇ s and set as the steady error characteristic Zes.
  • the steady-state error Es occurs in a range equal to or less than the value along the characteristic line of the steady-state error characteristic Zes.
  • the possible range of the steady error Es is the steady error range Hes. Note that the steady-state error characteristic Zes can be determined in advance by experiment, analysis, calculation, or the like.
  • the calculation map Zhs is set in advance as a characteristic larger than the steady error characteristic Zes so that the calculation map Zhs is not included in the steady error range Hes.
  • the determination threshold value Hs is determined to be a value larger than the steady-state error Es, so that the influence of the steady-state error Es on the determination threshold value Hs is eliminated.
  • the detection error Et is an error included in the stop voltage Vqt (the above second component Sv2) representing the limit of the voltage deviation hV when a step-out occurs in the brushless motor BM.
  • the causes of the detection error Et include errors in the U-phase, V-phase, and W-phase detection currents Ius, Ivs, and Iws detected by the current sensor IA.
  • the stop voltage Vqt is calculated to the value vta.
  • the detection error Et is calculated into the value eta.
  • the stop voltage Vqt is calculated to the value vtb
  • the detection error Et is calculated to the value etb.
  • the determination threshold Hs is calculated to the value hsb.
  • the influence of the detection error Et is not set in advance and compensated for, but is determined whether or not step-out determination is possible for each calculation cycle in which the determination threshold Hs is calculated (i.e., whether or not the determination threshold Hs is calculated). Compensation is performed by determining whether Hs is not included in the detection error range Het or not. This ensures a sufficient range in which step-out determination can be made, taking into account the effects of various errors Es and Et.
  • step-out determination Various state quantities used for step-out determination include variations in the characteristics of the brushless motor BM (resistance value R, inductance Ld, Lq, flux linkage ⁇ , etc.), temperature-dependent changes in the characteristics of the brushless motor BM, and current sensor IA. This includes various errors such as detection errors.
  • the determination threshold Hs is determined by a preset calculation map Zhs so as not to be included in the range Hes of the first error Es, which is a steady error in sensorless control.
  • the calculated determination threshold value Hs is a limit voltage Vqx in which a second error Et including a detection error of the current sensor IA, etc. is taken into consideration. compared to Then, based on the comparison result, it is determined whether the step-out determination is possible using the determination threshold value Hs. That is, in the motor control device MS, both the first error Es and the second error Et are taken into consideration, and highly reliable step-out determination is executed.
  • the estimated rotational speed ⁇ s is used to calculate the voltage deviation hV, the determination threshold Hs, the limit voltage Vqx, and the like.
  • the commanded rotational speed ⁇ c may be used in these calculations instead of the estimated rotational speed ⁇ s.
  • the commanded rotational speed ⁇ c is used instead of the estimated rotational speed ⁇ s.
  • the detection error Et (second error) is reflected in the stop voltage Vqt to determine the limit voltage Vqx, and based on the magnitude relationship between the determination threshold Hs and the limit voltage Vqx, whether or not step-out determination is possible is determined. Ru. As a result, in the step-out determination, the detection error Et is taken into consideration, and a feasible region is secured.
  • the commanded rotational speed ⁇ c or the estimated rotational speed ⁇ s is employed as the state quantity related to the rotational speed of the brushless motor BM.
  • the commanded rotational speed ⁇ c and the estimated rotational speed ⁇ s are collectively referred to as "rotational speed ⁇ .” Therefore, the determination voltage Vqj, the stop voltage Vqt, the second error Et, and the limit voltage Vqx are calculated based on the rotational speed ⁇ . Further, in the calculation map Zhs, the higher (larger) the rotational speed ⁇ , the larger the determination threshold Hs is determined.
  • the motor control device MS includes a control unit BC that performs sensorless control of the three-phase brushless motor BM, and a determination unit BH that determines whether or not the brushless motor BM has lost synchronization.
  • the determination unit BH calculates a deviation hV (voltage deviation) between the determination voltage Vqj calculated from the rotational speed ⁇ of the brakeless motor BM and the estimated q-axis command voltage Vqc of sensorless control. Then, by comparing the voltage deviation hV with the determination threshold value Hs, it is determined whether or not synchronization has occurred.
  • the rotational speed ⁇ is either the commanded rotational speed ⁇ c or the estimated rotational speed ⁇ s.
  • the determination threshold Hs is always determined to be outside the range Hes of the first error Es. That is, in the step-out determination, the first error Es is taken into consideration, and the determination threshold Hs is appropriately determined so that its influence is compensated for.
  • the first error Es increases as the motor rotation speed increases.
  • the second component Sv2 representing the degree of step-out changes depending on the rotational speed ⁇ (a general term for the instruction value ⁇ c and the estimated value ⁇ s). Therefore, the calculation map Zhs for calculating the determination threshold value Hs is set as a characteristic of the determination threshold value Hs with respect to the rotational speed ⁇ . Furthermore, in the calculation map Zhs, the higher (larger) the rotational speed ⁇ , the larger the determination threshold Hs is determined. Thereby, the determination threshold Hs can efficiently avoid the range Hes of the first error Es, and the step-out determination can be appropriately executed.
  • a determination voltage Vqj determined when the brushless motor BM is in a stopped state is calculated as a stop voltage Vqt based on the estimated d-axis output current Ids and the rotational speed ⁇ in sensorless control. Furthermore, a detection error Et (second error) included in the stop voltage Vqt is calculated based on the estimated d-axis and estimated q-axis output currents Ids, Iqs, and rotational speed ⁇ in sensorless control. If the determination threshold Hs is equal to or greater than the value obtained by subtracting the detection error Et from the stop voltage Vqt (that is, the limit voltage Vqx), step-out determination is prohibited.
  • the determination threshold Hs is equal to or higher than the limit voltage Vqx, the determination threshold Hs is included in the range Het of the second error Et. Therefore, execution of step-out determination is prohibited.
  • the second error Et is taken into consideration for each calculation period of the determination threshold Hs. Specifically, each time the determination threshold Hs is calculated, it is compared with the limit voltage Vqx. Through this comparison, it is determined whether or not the determination threshold Hs is included in the range Het of the second error Et. As a result, the second error Et is taken into consideration after ensuring a sufficient area in which step-out determination can be performed. As a result, in the motor control device MS, the first and second errors Es and Et can be appropriately compensated, and highly accurate step-out determination can be performed.

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Abstract

モータ制御装置MSは、3相を有するブラシレスモータBMをセンサレス制御する制御部BCと、ブレシレスモータの回転速度ωから算出される判定電圧Vqjとセンサレス制御の推定q軸指示電圧Vqcとの偏差hVを判定しきい値Hsと比較することにより、ブラシレスモータBMの脱調の有無の判定を行う判定部BHと、を備える。判定部BHは、判定しきい値Hsを演算するための演算マップZhsを、ブラシレスモータBMが脱調していない状態においてセンサレス制御に含まれる第1誤差Esの特性Zesよりも大きく設定する。例えば、判定部BHは、演算マップZhsを、回転速度ωが高いほど、判定しきい値Hsが大きく決定されるように設定する。

Description

モータ制御装置
 本開示は、モータ制御装置に関する。
 特許文献1には、電流検出器や電圧検出器の増設を不要にした簡易な構成で脱調検出を行うことを目的に、以下のことが記載されている。モデル電圧演算部10は、PMモータ2の電圧方程式を基にしたPMモータモデルを使って、PMモータの速度指令の速度と電流指令のdq軸電流からdq軸モデル電圧vd*、vq*を求め、脱調判定部11は、モデル電圧とインバータの電圧指令vd、vqの比較によりPMモータの脱調の有無を判定する。また、モデル電圧を演算する際にPMモータの電流指令に代えてdq軸電流検出値を用いることができる。更に、q軸成分のモデル電圧のみを使って脱調判定をすることができる。
 特許文献2には、センサレス制御においても、確実に脱調を検出できるよう、以下のことが記載されている。ブラシレスモータ制御装置は、油圧を供給するオイルポンプ5に回転駆動力を与えるブラシレスモータ4を、上位装置12からの制御信号に応じて回転駆動する。ブラシレスモータ制御装置3は、上位装置からの制御信号により受信した目標トルクとなるように、ブラシレスモータへの通電を制御する。脱調検知手段37Aは、目標回転速度と実回転速度とにズレが発生し、目標回転速度が下限しきい値に到達した時に、脱調検知と判断する。
 ところで、脱調の判定に用いられる各種状態量には、誤差が含まれる。このため、脱調判定では、誤差が考慮された上で実行されることが好ましい。
特開2010-252503号公報 特開2012-060782号公報
 本発明の目的は、ブラシレスモータをセンサレス制御するモータ制御装置において、誤差が考慮されて、ブラシレスモータの脱調が判定され得るものを提供することである。
 本発明に係るモータ制御装置(MS)は、3相を有するブラシレスモータ(BM)をセンサレス制御する制御部(BC)と、前記ブレシレスモータの回転速度(ω)から算出される判定電圧(Vqj)と前記センサレス制御の推定q軸指示電圧(Vqc)との偏差(hV)を判定しきい値(Hs)と比較することにより、前記ブラシレスモータ(BM)の脱調の有無の判定を行う判定部(BH)と、を備える。
 本発明に係るモータ制御装置(MS)では、前記判定部(BH)は、前記判定しきい値(Hs)を演算するための演算マップ(Zhs)を、前記ブラシレスモータ(BM)が脱調していない状態において前記センサレス制御に含まれる第1誤差(Es)の特性(Zes)よりも大きく設定する。例えば、前記判定部(BH)は、前記演算マップ(Zhs)を、前記回転速度(ω)が高いほど、前記判定しきい値(Hs)が大きく決定されるように設定する。上記構成によれば、判定しきい値Hsは、第1誤差Esの範囲Hesに含まれないように決定される。モータ制御装置では、第1誤差Esが考慮され、その影響が補償される。
 本発明に係るモータ制御装置(MS)では、前記判定部(BH)は、前記推定d軸出力電流(Ids)、及び、前記回転速度(ω)に基づいて、前記ブラシレスモータ(BM)の停止状態で決定される前記電圧偏差(Vqj)を停止電圧(Vqt)として演算し、前記推定d軸、推定q軸出力電流(Ids、Iqs)、及び、前記回転速度(ω)に基づいて、前記停止電圧(Vqt)に含まれる第2誤差(Et)を演算し、前記判定しきい値(Hs)が、前記停止電圧(Vqt)から前記第2誤差(Et)を減じた値(Vqx)以上である場合には、前記判定を禁止する。上記構成によれば、判定しきい値Hsが、第2誤差Etの範囲Hetに含まれる場合には脱調判定が禁止される。モータ制御装置では、第2誤差Etが考慮され、その影響が補償される。
モータ制御装置MSの実施形態を説明するためのブロック図である。 判定部BHを説明するためのブロック図である。 判定しきい値Hsの設定、及び、脱調判定の可否判定を説明するための特性図である。
<構成部材等の記号、及び、値の大小関係の表現>
 以下の説明において、「BM」等の如く、同一記号を付された構成部材、演算処理、信号、特性、及び、値は、同一機能のものである。加えて、各種状態量(Hs、hV等)の値についての大小関係は、それらの大きさ(絶対値)に基づいて表現される。電流、電圧等は、モータの回転方向に応じて、正負(+/-)の符号が付される。例えば、モータが正転方向に駆動される場合には正符号が付され、モータが逆転方向に駆動される場合には負符号が付される。つまり、モータの回転方向で、状態量の符号が異なる。更に、電圧偏差hVは判定電圧Vqjと推定q軸指示電圧Vqcとの差分として演算されるが、電圧偏差hVの演算方法によって符号が逆になる。つまり、「hV=Vqj-Vqc」で演算される場合と、「hV=Vqc-Vqj」で演算される場合とでは、電圧偏差hVの符号は逆になる。このため、以下の説明では、説明の煩雑さが回避されるよう、値の大小(又は、高低)については、値の絶対値(大きさ)を基準として表現する。
<モータ制御装置MSの実施形態>
 図1のブロック図を参照して、モータ制御装置MSの実施形態について説明する。ブラシレスモータBMは、U相、V相、及び、W相の3相のコイルが設けられる同期モータである。ブラシレスモータBMは、モータ制御装置MSによって制御(駆動)される。ブラシレスモータBMには、センサレス型のものが採用される。このため、ブラシレスモータBMの回転子の位置(即ち、回転角)を検出する位置センサ(回転角センサ)が備えられていない。
 ブラシレスモータBMを駆動するモータ制御装置MSは、制御部BC、及び、判定部BHにて構成される。
≪制御部BC≫
 ブラシレスモータBMはセンサレス型であるため、制御部BCでは、センサレス制御(「センサレスベクトル制御」ともいう)が実行される。センサレス制御は、公知のモータ駆動方法である(例えば、特開2008-011616号公報、特開2019-208329号公報、特開2022-110307号公報を参照)。以下、制御部BCについて、簡単に説明する。
 制御部BCでは、d軸成分の電流とd軸に直交するq軸成分の電流とがベクトル制御されることで、ブラシレスモータBMが駆動される。「d軸、q軸」は、ベクトル制御の回転座標(「d-q座標」ともいう)における制御軸である。「d軸」は永久磁石の磁束軸の方向に延び、「q軸」はトルク方向に延びる。ここで、d軸とq軸とは直交している。回転角センサを有するブラシレスモータでは、実際のd軸、実際のq軸(「実d軸、実q軸」、或いは、「真のd軸、真のq軸」ともいう)が、回転角センサの検出結果(即ち、回転角)によって識別される。
 センサレス型ブラシレスモータBMには、回転角センサが備えられないため、d軸、及び、q軸が推定されて、ベクトル制御(即ち、センサレスベクトル制御)が実行される。センサレス制御において、回転座標のd軸として推定される制御軸が、「推定d軸(又は、仮想d軸)」と称呼される。また、回転座標のq軸として推定される制御軸が、「推定q軸(又は、仮想q軸)」と称呼される。実d軸、実q軸の関係と同様に、推定d軸と推定q軸とは直交している。なお、実d軸、実q軸と、推定d軸、推定q軸との誤差が、「軸誤差Δθ(角度誤差)」と表記される。
 推定d軸、推定q軸における電流指示値が、「推定d軸、推定q軸指示電流Idc、Iqc」と称呼される。そして、推定d軸、推定q軸指示電流Idc、Iqcに対応して、推定d軸、推定q軸にて発生される電流が、「推定d軸、推定q軸出力電流Ids、Iqs」と称呼される。推定d軸、推定q軸出力電流Ids、Iqsは、3相の検出電流Ius、Ivs、Iws(U相、V相、W相検出電流)に基づいて推定される。推定d軸、推定q軸出力電流Ids、Iqsは、「推定d軸、推定q軸推定電流Ids、Iqs(又は、推定d軸、推定q軸応答電流Ids、Iqs)」とも称呼される。
 制御部BCは、指示電流演算ブロックIC、指示電圧演算ブロックVC、第1座標変換ブロックZC、第2座標変換ブロックZS、及び、速度推定ブロックWSにて構成される。
 指示電流演算ブロックICでは、指示回転速度ωc(モータ回転速度の目標値)、及び、推定回転速度ωs(モータ回転速度の推定値)に基づいて、推定d軸、推定q軸指示電流Idc、Iqcが演算される。具体的には、指示電流演算ブロックICでは、指示回転速度ωcから、速度推定ブロックWSにて算出される推定回転速度ωsが減算される。そして、演算結果「ωc-ωs」(「回転速度誤差Δω」という)に基づいて、推定d軸出力電流Idsが追従すべき推定d軸指示電流Idcが決定される。また、指示電流演算ブロックICでは、推定d軸指示電流Idc等に基づいて推定q軸出力電流Iqsが追従すべき推定q軸指示電流Iqcが演算される。つまり、回転速度誤差Δωが「0」になり、推定回転速度ωsが指示回転速度ωcに一致するように、推定d軸、推定q軸における指示電流Idc、Iqcが演算される。指示電流演算ブロックICは、推定回転速度ωsを指示回転速度ωcに一致するための処理であり、「速度制御器(回転速度を制御するためのコントローラ)」として機能する。
 指示電圧演算ブロックVCでは、推定d軸、推定q軸指示電流Idc、Iqc(目標値)、及び、推定d軸、推定q軸出力電流Ids、Iqs(出力値)に基づいて、推定d軸、推定q軸指示電圧Vdc、Vqc(目標値)が演算される。指示電圧演算ブロックVCでは、推定d軸、推定d軸における電流誤差「Iqc-Iqs」、「Idc-Ids」が共に「0」になり、推定d軸、推定q軸出力電流Ids、Iqsが、推定d軸、推定q軸指示電流Idc、Iqcに一致するように、推定d軸、推定q軸における指示電圧Vdc、Vqcが演算される。指示電圧演算ブロックVCは、推定d軸、推定q軸出力電流Ids、Iqsを、推定d軸、推定q軸指示電流Idc、Iqcに一致するための処理ブロックであるため、「電流制御器(推定電流を制御するためのコントローラ)」として機能する。
 第1座標変換ブロックZCでは、推定d軸、推定q軸指示電圧Vdc、Vqc(目標値)に基づいて、U相、V相、W相指示電圧Vuc、Vvc、Vwc(目標値)が演算される。具体的には、推定d軸、推定q軸指示電圧Vdc、Vqcが、速度推定ブロックWSにて演算される推定回転角θsに基づいて、2相から3相に座標変換されることで、U相、V相、W相指示電圧Vuc、Vvc、Vwcが決定される。U相、V相、W相指示電圧Vuc、Vvc、Vwcは、インバータINVに出力される。
 インバータINVでは、U相、V相、W相指示電圧Vuc、Vvc、Vwcに基づいて、PWM制御(パルス幅変調制御)によって、ブラシレスモータBMに給電が行われ、ブラシレスモータBMが駆動される。具体的には、U相、V相、W相指示電圧Vuc、Vvc、Vwcに応じてパルス幅変調された信号が決定される。そして、該信号に応じて、スイッチング素子(MOS-FET、IGBT等)が制御されて、ブラシレスモータBMへのU相、V相、W相供給電流Ius、Iuv、Iws(「検出電流」ともいう)が調整される。つまり、U相、V相、W相指示電圧Vuc、Vvc、Vwcの結果として、U相、V相、W相供給電流Ius、Iuv、Iwsが制御される。
 インバータINVからブラシレスモータBMに供給されるモータ電流Ius、Iuv、Iwsを検出するよう、電流センサIAが設けられる。U相、V相、W相供給電流Ius、Iuv、Iwsの位相差は既知であるため、電流センサIAによって、3相のうちの2相の供給電流(例えば、U相検出電流Ius、及び、V相検出電流Ivs)が検出され、残りの1相の供給電流(例えば、W相検出電流Iws)が推定されてもよい。つまり、電流センサIAによって、3相のうちの少なくとも2相の供給電流が検出されることによって、3相に実際に供給される電流が検出される。
 第2座標変換ブロックZSにて、U相、V相、W相検出電流Ius、Iuv、Iwsに基づいて、推定d軸、推定q軸出力電流Ids、Iqsが演算される。具体的には、検出電流Ius、Iuv、Iwsが、速度推定ブロックWSにて演算される推定回転角θsに基づいて、3相から2相に座標変換されることで、推定d軸、推定q軸出力電流Ids、Iqsが決定される。ここで、推定d軸、推定q軸出力電流Ids、Iqs(出力値)は、推定d軸、推定q軸指示電流Idc、Iqc(入力値であり、目標値)に対応している。
 速度推定ブロックWSにて、推定d軸、推定q軸出力電流Ids、Iqsに基づいて、推定回転速度ωs、及び、推定回転角θsが演算される。速度推定ブロックWSでは、先ず、推定回転速度ωsが演算される。そして、推定回転速度ωsが積分されて、推定回転角θsが決定される。推定回転速度ωsの演算には、電流引き込み方式、高調波重畳方式、磁束オブザーバ方式、拡張誘起電圧方式等、公知の方法が採用される。
 例えば、速度推定ブロックWSでは、吹出部XWSに示すように、軸誤差Δθが「0(目標値)」に追従するように制御される際のPLL制御の制御量が推定回転速度ωsとして決定される。ここで、PLL制御(Phase Locked Loop)では、入力される周期的な信号を元にフィードバック制御が加えられ、別の発振器から位相が同期した信号が出力される。
 軸誤差Δθの目標値は「0」にされているので、軸誤差Δθが、PLL制御ブロックに入力される。PLL制御ブロックでは、軸誤差Δθに比例ゲインKpが乗算されて、比例項が演算される。また、軸誤差Δθが時間積分され、積分ゲインKiが乗算されて、積分項が演算される。そして、比例項と積分項との和が、推定回転速度ωsとして決定される(即ち、「ωs=Kp・Δθ+Ki・∫Δθ・dt」)。更に、推定回転速度ωsが時間積分されて、推定回転角θsが決定される(即ち、「θs=∫ωs・dt」)。
 例えば、速度推定ブロックWSでは、回転速度に基づいて、軸誤差Δθ(実q軸と推定q軸との角度誤差)の演算方法が使い分けられる。回転速度が小さい場合(低速時)には、高調波重畳方式に基づいて軸誤差Δθが決定される。高調波重畳方式(「外乱重畳方式」ともいう)では、パルス(又は、正弦波)の高周波電圧が推定d軸指示電圧Vdcに重畳(印加)される。そして、このときの推定q軸出力電圧Iqsの高周波成分の振幅変化に基づいて、軸誤差Δθが推定される。
 これに対して、回転速度が大きい場合(高速時)には、拡張誘起電圧方式に基づいて軸誤差Δθが演算される。拡張誘起電圧方式では、電圧と電流から誘起電圧が推定されることによって、軸誤差Δθ(角度誤差)が演算される。具体的には、推定回転速度ωs(演算周期における前回値)、推定d軸、推定q軸出力電流Ids、Iqs、及び、推定d軸、推定q軸指示電圧Vdc、Vqcに基づいて、軸誤差Δθが推定される。
 速度推定ブロックWSにて演算された推定回転速度ωsは、指示電流演算ブロックIC、及び、判定部BHに入力される。また、速度推定ブロックWSにて演算された推定回転角θsは、第1、第2座標変換ブロックZC、ZSに入力される。
≪判定部BH≫
 判定部BHでは、ブラシレスモータBMにおける脱調の有無が判定される。回転角センサを有するブラシレスモータでは、回転角の情報に基づいて、常時、トルク発生に最適なコイル相が決定されるため、脱調(回転磁界と永久磁石を有する回転子との非同期)は生じない。しかし、回転角センサを有しないブラシレスモータでは、回転磁界と回転子との同期が推定によって行われるため、高負荷時、負荷の急変時等で、脱調が発生することがある。
 判定部BHでは、推定回転速度ωs、推定q軸指示電圧Vqc、及び、推定d軸、推定q軸出力電流Ids、Iqsに基づいて、脱調発生の有無が判定される。そして、脱調の発生が判定されると、判定信号Fdが、指示電流演算ブロックICに向けて出力される。例えば、判定信号Fdは、制御フラグ(「判定フラグ」ともいう)として送信される。具体的には、判定フラグFdでは、「0」によって脱調が発生していないことが表され、「1」によって脱調が発生したことが表される。従って、「Fd=0」から「Fd=1」に遷移する時点(対応する演算周期)が、脱調の発生時点である。
 制御部BCの指示電流演算ブロックICでは、判定フラグFdに基づいて、脱調状態を回復する処理が実行される。例えば、「Fd=1」が受信された時点から、指示回転速度ωcが減少される。
<判定部BHの詳細>
 図2のブロック図を参照して、判定部BHの詳細について説明する。判定部BHには、推定回転速度ωs、推定q軸指示電圧Vqc、及び、推定d軸、推定q軸出力電流Ids、Iqsが入力される。判定部BHでは、推定回転速度ωs、及び、推定d軸、推定q軸出力電流Ids、Iqsから算出される判定電圧Vqjと推定q軸指示電圧Vqcとの偏差hV(電圧偏差)が演算される。そして、該電圧偏差hVが、判定しきい値Hsと比較されることによって、ブラシレスモータBMの脱調の有無が判定される。
 判定部BHは、判定電圧演算ブロックVJ、電圧偏差演算ブロックHV、判定しきい値演算ブロックHS、制限電圧演算ブロックVX、可否判定ブロックHK、及び、判定処理ブロックHNにて構成される。
 判定電圧演算ブロックVJでは、推定回転速度ωs、及び、推定d軸、推定q軸出力電流Ids、Iqsに基づいて、判定電圧Vqjが演算される。「判定電圧Vqj」は、ブラシレスモータBMが脱調しておらず、推定回転速度ωsにて回転していると仮定される場合に、推定q軸に対して付与されるべき電圧である。具体的には、判定電圧Vqjは、式(1)に基づいて決定される。
  Vqj=R・Iqs+ωs・(φ+Ld・Ids)  …式(1)
  ここで、「R」はブラシレスモータBMの抵抗値(ノミナル値)を、「φ」はブラシレスモータBMの鎖交磁束(ノミナル値)を、「Ld」はブラシレスモータBMのd軸インダクタンス(ノミナル値)を、夫々表す。ここで、「ノミナル値」は、実測データの平均値である。
 式(1)の第1項Sv1(=「R・Iqs」)は、推定q軸出力電流Iqsが通電された場合のブラシレスモータBMにおける電圧降下に相当する。また、式(1)の第2項Sv2(=「ωs・(φ+Ld・Ids)」)は、推定回転速度ωsで回転している場合のブラシレスモータBMにおける逆起電圧に相当する。従って、判定電圧Vqjの演算では、推定q軸出力電流Iqsに基づいて、ブラシレスモータBMでの電圧降下に相当する第1項Sv1(「第1成分」ともいう)が演算される。また、推定回転速度ωs、及び、推定d軸出力電流Idsに基づいて、ブラシレスモータBMでの逆起電圧に相当する第2項Sv2(「第2成分」ともいう)が演算される。そして、第1成分Sv1と第2成分Sv2との和が、判定電圧Vqjとして決定される。
 電圧偏差演算ブロックHVにて、判定電圧Vqj、及び、推定q軸指示電圧Vqcに基づいて、判定電圧Vqjと推定q軸指示電圧Vqcとの差である電圧偏差hVが演算される。例えば、電圧偏差hVは、式(2)に基づいて決定される。
  hV=Vqj-Vqc  …式(2)
 上述するように、判定電圧Vqjは、脱調が非発生で、ブラシレスモータBMが推定回転速度ωsにて適切に作動している状態での、推定q軸指示電圧Vqcに対応する電圧である。従って、判定電圧Vqjと推定q軸指示電圧Vqcとの差分である電圧偏差hVは、脱調の程度(度合い)を表す状態量(状態変数)である。従って、ブラシレスモータBMの脱調の程度(指示回転速度ωcと実際のモータ回転速度との差)が大きいほど、電圧偏差hVは大きく演算される。
 例えば、ブラシレスモータBMが脱調せずに、センサレス制御にて適切に駆動されている状態(即ち、推定回転速度ωsが実際のモータ回転速度に略一致している状態)では、推定q軸指示電圧Vqcと判定電圧Vqjとは等しくなる。従って、該状態では、電圧偏差hVは「0」である。これに対し、ブラシレスモータBMが脱調し、完全にその回転が停止した状態(即ち、推定回転速度ωsは生じているが、実際の回転速度が「0」である状態)では、推定q軸指示電圧Vqcには、逆起電圧に相当する第2成分Sv2が含まれない。このため、電圧偏差hVは、第2成分Sv2に一致する。従って、ブラシレスモータBMが脱調し、実際のモータ回転速度が「0」である場合には「hV=ωs・(φ+Ld・Ids)=Sv2」が演算される。つまり、電圧偏差hVの最大値は第2成分Sv2であり、電圧偏差hVは、「0」から第2成分Sv2の範囲で変化する。
 判定しきい値演算ブロックHSにて、推定回転速度ωsに基づいて、判定しきい値Hsが演算される。「判定しきい値Hs」は、脱調の有無を判定するためのしきい値である。判定しきい値Hsを演算するための特性である演算マップZhsは、推定回転速度ωsに対する判定しきい値Hsの特性として、予め設定されている。そして、該特性Zhsは、モータ制御装置MS内のマイクロプロセッサに記憶されている。判定しきい値Hsは、予め設定された演算マップZhsに従って、推定回転速度ωsが大きいほど、大きくなるように決定される。
 上述するように、ブラシレスモータBMが適正に作動している場合(即ち、脱調の非発生時)には、判定電圧Vqjと推定q軸指示電圧Vqcとは等しいので、電圧偏差hVは「0」に決定される。しかしながら、モータ制御装置MSにおいて、電流センサIAの検出結果Ius、Ivs、Iws(電流検出値)にはバラツキ(誤差)が含まれる。同様に、ブラシレスモータBMにおいても、抵抗値R、鎖交磁束φ、及び、d軸、q軸のインダクタンスLd、Lq(誘導係数)にはバラツキが存在する。更に、電流センサIAの検出値(Ius等)、及び、ブラシレスモータBMの特性(R、φ等)は、温度等によって変動する。そこで、ブラシレスモータBMが脱調していない状態(即ち、「hV=0」の状態)において、センサレス制御に含まれる誤差Esの特性Zesが予め算出される。該誤差Esが「定常誤差」と称呼され、その特性Zesが「定常誤差特性」と称呼される。定常誤差Esは、電流センサIAの検出値、ブラシレスモータBMの特性等の誤差(バラツキ、変動)に起因して、センサレス制御に定常的に含まれる誤差である。
 定常誤差Esの最大値(最悪値)が、上記バラツキと温度条件との組み合わせにおいて、モータ回転速度をパラメータにして、モータ回転速度毎に決定される。そして、モータ回転速度に対して、定常誤差Esの最大値がプロットされて、定常誤差特性Zesが設定される。つまり、定常誤差Esは、横軸(推定回転速度ωsの軸)と定常偏差特性Zesとで囲まれた範囲Hes(「定常誤差範囲」という)で発生する。
 判定しきい値Hsを演算するための演算マップZhsは、定常誤差特性Zesよりも、常に大きくなるように設定される。具体的には、定常誤差特性Zesに対して、所定のマージン(余裕値)が加算されて、演算マップZhsが設定される。これにより、例えば、推定回転速度ωsが値ω1である場合には、演算マップZhsに応じた判定しきい値Hsは、余裕値mjだけ、定常誤差特性Zesに応じた定常誤差Esよりも大きくなるように演算される。判定しきい値Hsが、定常誤差Esの範囲Hes(定常誤差範囲)に含まれることがないため、脱調が正確に判定され得る。
 定常誤差特性Zesでは、モータ回転速度が高いほど、定常誤差Esは大きくなる。判定しきい値Hsが定常誤差Esの誤差範囲に含まれることが効率的に回避されるよう、演算マップZhsは、推定回転速度ωsが大きいほど、大きくなるように設定される。更に、演算マップZhsには、上限値hxが設けられる。また、演算マップZhsには、推定回転速度ωsが低い場合には脱調判定が制限されるよう、下限速度ωoが設けられる。つまり、推定回転速度ωsが下限速度ωo未満である場合には脱調に係る判定は実行されない。ここで、「上限値hx」、及び、「下限速度ωo」は、予め設定された所定値(定数)である。
 制限電圧演算ブロックVXにて、推定回転速度ωs、及び、推定d軸、推定q軸出力電流Ids、Iqsに基づいて、制限電圧Vqxが演算される。「制限電圧Vqx」は、上記の第2成分Sv2(電圧偏差hVが取り得る最大値)に対して、誤差Et(「検出誤差(又は、第2誤差)」という)の最悪値(最大値)が考慮された値である。以下、制限電圧Vqxの演算について説明する。
 制限電圧演算ブロックVXでは、先ず、ブラシレスモータBMが脱調し、実際のモータ回転速度が「0」である状態の電圧偏差hVが、「停止電圧Vqt」として、以下の式(3)にて演算される。ここで、停止電圧Vqtは、第2成分Sv2に等しい。
  Vqt=ωs・(φ+Ld・Ids)=Sv2  …式(3)
 上述するように、「φ」はブラシレスモータBMの鎖交磁束(ノミナル値)であり、「Ld」はブラシレスモータBMのd軸インダクタンス(ノミナル値)である。
 次に、停止電圧Vqtに含まれる検出誤差Et(第2誤差)が、以下の式(4)にて演算される。
  Et=R・Iqs・(ΔR+ΔI-ΔV)-ωs・Ld・Ids・ΔI  …式(4)
 ここで、「ΔR」はブラシレスモータBMの抵抗値のバラツキ誤差を、「ΔI」は電流に係る誤差(「電流モニタ誤差」ともいう)を、「ΔV」は電圧に係る誤差(「電圧モニタ誤差」ともいう)を、夫々表している。センサレス制御では、推定d軸、推定q軸出力電流Ids、Iqs、推定d軸、推定q軸指示電圧Vdc、Vqc等は、電流センサIAの検出結果Ius、Ivs、Iws(U相、V相、W相検出電流)に基づいて決定される。このため、電流モニタ誤差ΔI、及び、電圧モニタ誤差ΔVは、電流センサIAによる検出電流Ius、Ivs、Iwsに含まれる誤差に起因している。
 最後に、停止電圧Vqtから検出誤差Etが減算されて、制限電圧Vqxが決定される(式(5)を参照)。制限電圧Vqxは、検出誤差Etが考慮された、停止電圧Vqtが取り得る最小値である。
  Vqx=Vqt-Et  …式(5)
 可否判定ブロックHKにて、判定しきい値Hs、及び、制限電圧Vqxに基づいて、「脱調判定の実行が許可されるか、否か」が判定される。該判定が「可否判定」と称呼される。具体的には、判定しきい値Hsが制限電圧Vqx未満である場合(即ち、「Hs<Vqx」である場合)には、脱調判定の実行が許可される。これに対して、判定しきい値Hsが制限電圧Vqx以上である場合(即ち、「Hs≧Vqx」である場合)には、脱調判定の実行が禁止される。可否判定の結果は、制御フラグFk(「可否フラグ」ともいう)として出力される。「Hs<Vqx」であり、実行許可である場合には、「Fk=0(許可)」に決定される。一方、「Hs≧Vqx」であり、実行不可である場合には、「Fk=1(禁止)」に決定される。
 判定処理ブロックHNにて、可否フラグFk、及び、電圧偏差hVと判定しきい値Hsとの比較に基づいて、脱調の有無が判定される。該判定が、「脱調判定」と称呼される。先ず、判定処理ブロックHNでは、可否フラグFkに基づいて、「脱調判定の実行が許可されているか、否か」が判定される。「Fk=1」にて脱調判定の実行が禁止されている場合には、脱調判定は行われない。「Fk=0」にて脱調判定の実行が許可されている場合には、脱調判定が行われる。
 脱調判定は、「電圧偏差hVが判定しきい値Hsに達しているか、否か」に基づいて行われる。具体的には、電圧偏差hVが判定しきい値Hs未満である場合には、脱調の発生は否定される。一方、電圧偏差hVが判定しきい値Hs以上である場合には、このことが初めて満足された時点(対応する演算周期)から、該状態(即ち、電圧偏差hVが判定しきい値Hsに達した状態)が継続されている時間Tx(「継続時間」という)がカウントされる。そして、「hV≧Hs」である状態の継続時間Txが判定時間txに達した場合に、脱調の発生が肯定される。ここで、「判定時間tx」は予め設定された所定値(定数)である。判定処理ブロックHNでは、脱調発生が否定される場合には「Fd=0(脱調無し)」が出力され、脱調発生が肯定される場合には「Fd=1(脱調有り)」が出力される。
<判定しきい値Hsの設定、及び、脱調判定の可否判定>
 図3の特性図を参照して、定常誤差Esを考慮した判定しきい値Hsの設定、及び、検出誤差Etを考慮した脱調判定に係る可否判定について説明する。
 判定しきい値Hsは、ブラシレスモータBMでの脱調発生の有無を識別するための電圧偏差hVに対応するしきい値である。判定しきい値Hsは、上述するように、推定回転速度ωs、及び、予め設定された演算マップZhsに基づいて演算される。具体的には、演算マップZhsに従って、推定回転速度ωsが大きい(高い)ほど、大きくなるように決定される。
≪定常誤差Es(第1誤差)の補償≫
 演算マップZhsの設定においては、センサレス制御における定常誤差Esが考慮され、その影響が補償される。定常誤差Esは、ブラシレスモータBMが、センサレス制御によって、正常に駆動されている状態(即ち、脱調が発生しておらず、推定回転速度ωsが適正に推定されている状態)において、該センサレス制御に定常的に含まれる誤差である。定常誤差Esは、バラツキ、温度等が要因となり、電流センサIAの検出値、ブラシレスモータBMの特性等に含まれている。定常誤差Esの最大値(最悪値)が、推定回転速度ωsに対してプロットされ、定常誤差特性Zesとして設定される。定常誤差Esは、定常誤差特性Zesの特性線に沿った値以下の範囲で生じる。定常誤差Esの取り得る範囲が、定常誤差範囲Hesである。なお、定常誤差特性Zesは、実験、解析、演算等によって、予め求めることができる。
 演算マップZhsが定常誤差範囲Hesに含まれないよう、演算マップZhsは、定常誤差特性Zesよりも大きい特性として、予め設定される。これにより、判定しきい値Hsは、定常誤差Esよりも大きい値に決定されるので、判定しきい値Hsにおける定常誤差Esの影響は排除される。
≪検出誤差Et(第2誤差)の補償≫
 更に、判定しきい値Hsの演算においては、センサレス制御における検出誤差Etが考慮され、その影響が補償される。検出誤差Etは、ブラシレスモータBMに脱調が発生した場合に、電圧偏差hVの限界を表す停止電圧Vqt(上記の第2成分Sv2)に含まれる誤差である。検出誤差Etの原因は、電流センサIAによって検出されるU相、V相、W相検出電流Ius、Ivs、Iwsの誤差等である。検出誤差Etの最大値(最悪値)が単純に積み上げられると、検出誤差Etの誤差範囲Het(「検出誤差範囲」という)と定常誤差Esの誤差範囲Hesとの重なり部分が生じる。検出誤差範囲Hetと定常誤差範囲Hesとの重複範囲では、判定しきい値Hsがこれらの誤差範囲に含まれ、誤差の排除が困難となる。つまり、検出誤差Etの最悪条件の単純加算では、脱調判定の実行可能な範囲が、極端に狭められる。このため、検出誤差Etは、センサレス制御において、判定しきい値Hsが演算される都度、「判定しきい値Hsが検出誤差範囲Hetに含まれているか、否か」が判定される。つまり、演算された判定しきい値Hsによって、脱調判定が可能であるか、否かが、演算周期毎に決定される。
 例えば、状態(A)にて示される時点(対応する演算周期)では、停止電圧Vqtが値vtaに演算される。同時に、検出誤差Etが値etaに演算される。そして、制限電圧Vqxが値vxa(=vta-eta)に決定される。また、判定しきい値Hsは、演算マップZhsに従って、値hsaに演算される。このとき、値hsa(=Hs)は値vxa(=Vqx)よりも小さい。判定しきい値Hsは、状態(A)での検出誤差範囲Hetである範囲Hta(斜線で示す)から外れているため、脱調判定は許可される。状態(A)の時点で、電圧偏差hVが判定しきい値Hs以上である場合には脱調の発生が肯定される。一方、電圧偏差hVが判定しきい値Hs未満である場合には脱調の発生が否定される。
 これに対して、状態(B)にて示される時点(対応する演算周期)では、停止電圧Vqtが値vtbに、検出誤差Etが値etbに、夫々、演算される。そして、制限電圧Vqxが値vxb(=vtb-etb)に決定される。また、判定しきい値Hsは値hsbに演算される。このとき、値hsb(=Hs)は、値vxb(=Vqx)以上である。判定しきい値Hsは、状態(B)での検出誤差範囲Hetである範囲Htb(斜線で示す)に含まれているため、脱調判定は禁止される。従って、状態(B)では脱調の発生は否定される。
 脱調判定では、初期値として、「Fd=0(脱調の非発生)」が設定されている。そして、「判定しきい値Hsが制限電圧Vqx未満であること」、及び、「電圧偏差hVが判定しきい値Hs以上であること」の両方が満足される場合(詳細には、2つの条件が共に満足される時間Txが判定時間txに亘って継続された場合)に、脱調が発生したことが識別され、「Fd=1(脱調発生)」が決定される。これに対し、「Hs≧Vqx」の場合(即ち、脱調判定の禁止時)、又は、「hV<Hs」の場合(即ち、脱調の非発生時)には、「Fd=0」の状態が維持される。
 検出誤差Etの影響は、予め設定されて補償されるのではなく、判定しきい値Hsが算出される演算周期毎に、脱調判定が可能であるか、否か(即ち、判定しきい値Hsが検出誤差範囲Hetに含まれていないか、含まれているか)が判定されることで補償される。これにより、各種の誤差Es、Etの影響が考慮された上で、脱調判定の可能な範囲が十分に確保される。
 以上、脱調判定における誤差補償についてまとめる。脱調判定に用いられる各種状態量には、ブラシレスモータBMの特性(抵抗値R、インダクタンスLd、Lq、鎖交磁束φ等)のバラツキ、温度に依存するブラシレスモータBMの特性変化、電流センサIAの検出誤差等、各種誤差が含まれる。モータ制御装置MSでは、予め設定された演算マップZhsによって、判定しきい値Hsが、センサレス制御における定常的な誤差である第1誤差Esの範囲Hesに含まれないように決定される。更に、モータ制御装置MSでは、判定しきい値Hsが演算されるときに、演算された判定しきい値Hsは、電流センサIAの検出誤差等を含む第2誤差Etが考慮された制限電圧Vqxと比較される。そして、比較結果に基づいて、判定しきい値Hsを用いた脱調判定の可否が判断される。つまり、モータ制御装置MSでは、第1誤差Es、及び、第2誤差Etの双方が考慮されて、信頼性の高い脱調判定が実行される。
<モータ制御装置MSの変形例>
 上述したモータ制御装置MSの実施形態では、電圧偏差hV、判定しきい値Hs、制限電圧Vqx等の演算に、推定回転速度ωsが用いられた。モータ制御装置MSの変形例として、これらの演算で、推定回転速度ωsに代えて、指示回転速度ωcが採用され得る。具体的には、式(1)、(3)、(4)のうちの少なくとも1つで、推定回転速度ωsに代えて、指示回転速度ωcが用いられる。変形例でも、上記同様の効果を奏する。即ち、判定しきい値Hsに定常誤差Es(第1誤差)が含まれないように、演算マップZhsが設定されているので、脱調判定において、定常誤差Esの影響が排除される。また、停止電圧Vqtに検出誤差Et(第2誤差)が反映されて制限電圧Vqxが決定され、判定しきい値Hsと制限電圧Vqxとの大小関係に基づいて、脱調判定の可否が決定される。これにより、脱調判定において、検出誤差Etが考慮されつつ、その実行可能な領域が確保される。
 モータ制御装置MSでは、ブラシレスモータBMの回転速度に係る状態量として、指示回転速度ωc、又は、推定回転速度ωsが採用される。指示回転速度ωc、及び、推定回転速度ωsが総称されて、「回転速度ω」と称呼される。従って、判定電圧Vqj、停止電圧Vqt、第2誤差Et、及び、制限電圧Vqxは、回転速度ωに基づいて演算される。また、演算マップZhsでは、回転速度ωが高い(大きい)ほど、判定しきい値Hsが大きく決定される。
<実施形態のまとめ>
 以下、モータ制御装置MSの実施形態についてまとめる。
 モータ制御装置MSには、3相を有するブラシレスモータBMをセンサレス制御する制御部BCと、ブラシレスモータBMの脱調の有無の判定を行う判定部BHと、が備えられる。判定部BHでは、ブレシレスモータBMの回転速度ωから算出される判定電圧Vqjとセンサレス制御の推定q軸指示電圧Vqcとの偏差hV(電圧偏差)が算出される。そして、電圧偏差hVが、判定しきい値Hsに比較されることによって、脱調の有無が判定される。ここで、回転速度ωは、指示回転速度ωc、及び、推定回転速度ωsのうちの何れかである。
 判定部BHでは、判定しきい値Hsを演算するための演算マップZhsが、ブラシレスモータBMが脱調していない状態(非脱調状態)においてセンサレス制御に含まれる第1誤差Es(定常誤差)の特性Zesよりも大きく設定される。非脱調時には電圧偏差hVは「0」であるため、第1誤差Esは、電圧偏差hVの大きさ(絶対値)が最小(=0)である場合の誤差である。演算マップZhsが、定常誤差特性Zesよりも大きく設定されることにより、判定しきい値Hsは必ず第1誤差Esの範囲Hesの外部に決定される。即ち、脱調判定において、第1誤差Esが考慮され、その影響が補償されるよう、判定しきい値Hsが適切に決定される。
 定常誤差特性Zesでは、第1誤差Esは、モータ回転速度の増加に伴って増加する。加えて、脱調度合いを表す第2成分Sv2は、回転速度ω(指示値ωc、推定値ωsの総称)に応じて変化する。このため、判定しきい値Hsを演算するための演算マップZhsは、回転速度ωに対する判定しきい値Hsの特性として設定される。更に、演算マップZhsでは、回転速度ωが高い(大きい)ほど、判定しきい値Hsが大きく決定される。これにより、判定しきい値Hsが、第1誤差Esの範囲Hesを効率的に避けることができるとともに、脱調判定が適切に実行され得る。
 判定部BHでは、センサレス制御における推定d軸出力電流Ids、及び、回転速度ωに基づいて、ブラシレスモータBMの停止状態で決定される判定電圧Vqjが、停止電圧Vqtとして演算される。更に、センサレス制御における推定d軸、推定q軸出力電流Ids、Iqs、及び、回転速度ωに基づいて、停止電圧Vqtに含まれる検出誤差Et(第2誤差)が演算される。そして、判定しきい値Hsが、停止電圧Vqtから検出誤差Etを減じた値(即ち、制限電圧Vqx)以上である場合には、脱調判定が禁止される。
 各演算周期にて算出される制限電圧Vqxは、脱調が発生してブラシレスモータBMが停止した状態における判定電圧Vqj(=Sv2)に対して、第2誤差Et(検出誤差)が考慮された最悪値(即ち、停止電圧Vqtが取り得る最小値)である。判定しきい値Hsが、制限電圧Vqx以上である場合には、判定しきい値Hsは、第2誤差Etの範囲Hetに含まれている。このため、脱調判定の実行は禁止される。
 第1、第2誤差Es、Etの最悪条件を考慮すると、第1誤差Esの範囲Hesから外れ、且つ、第2誤差Etの範囲Hetから外れる領域は限られる。このため、第2誤差Etの最悪条件を単純に積み上げるだけでは、誤差影響が排除され得る領域は狭くなる。判定部BHでは、第2誤差Etが、判定しきい値Hsの演算周期毎に考慮される。具体的には、判定しきい値Hsが演算される度に、それが制限電圧Vqxと比較される。該比較によって、判定しきい値Hsが第2誤差Etの範囲Hetに含まれるか、否かが判定される。これにより、脱調判定の実行可能な領域が十分に確保された上で、第2誤差Etが考慮される。結果、モータ制御装置MSでは、第1、第2誤差Es、Etが適切に補償され、高精度な脱調判定が実行され得る。
 

Claims (3)

  1.  3相を有するブラシレスモータをセンサレス制御する制御部と、前記ブレシレスモータの回転速度から算出される判定電圧と前記センサレス制御の推定q軸指示電圧との偏差を判定しきい値と比較することにより、前記ブラシレスモータの脱調の有無の判定を行う判定部と、を備えるモータ制御装置において、
     前記判定部は、前記判定しきい値を演算するための演算マップを、前記ブラシレスモータが脱調していない状態において前記センサレス制御に含まれる第1誤差の特性よりも大きく設定する、モータ制御装置。
  2.  請求項1に記載されるモータ制御装置において、
     前記判定部は、前記演算マップを、前記回転速度が高いほど、前記判定しきい値が大きく決定されるように設定する、モータ制御装置。
  3.  請求項1又は請求項2に記載されるモータ制御装置において、
     前記判定部は、
     前記推定d軸出力電流、及び、前記回転速度に基づいて、前記ブラシレスモータの停止状態で決定される前記電圧偏差を停止電圧として演算し、
     前記推定d軸、推定q軸出力電流、及び、前記回転速度に基づいて、前記停止電圧に含まれる第2誤差を演算し、
     前記判定しきい値が、前記停止電圧から前記第2誤差を減じた値以上である場合には、前記判定を禁止する、モータ制御装置。
     
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