JP2003189673A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】トルクリップルによる振動を抑止したうえで、
位置センサを用いることなくモータを制御できるモータ
制御装置を提供する。 【解決手段】直流電源部１２に接続され、直流電源部か
らの電力を交流に変換してモータへ出力するインバータ
回路１３と、インバータ回路から出力される出力電流を
検出し、この検出した出力電流に基づいてモータの回転
子の磁極位置と磁性とを検出し、この検出した回転子の
磁極位相と磁性とに基づいてインバータ回路を制御する
制御手段１４とを備えるモータ制御装置であり、インバ
ータ回路の出力電流における電流ベクトル軌跡のｄ軸を
検出してモータの回転子の磁極位置を検出し、インバー
タ回路の出力電流の電流ベクトル軌跡がｄ軸上の軌跡と
なるようにインバータ回路を制御し、ｄ軸上の電流軌跡
からモータの回転子の磁性を検出し、これら検出された
モータの回転子の磁極位置と磁性とに基づいてインバー
タ回路を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、モータ制御装置に
関し、特にインバータを用いた位置センサレスのモータ
制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種のモータ制御装置としては、モー
タ回転子の回転数及び磁極位置を検出するエンコーダを
備え、このエンコーダによって検出された回転子の回転
数と磁極位置とに基づいてインバータ回路を制御するも
のが知られている。しかしながら、このようなモータ制
御装置では、エンコーダ等の磁極位置を検出する装置が
必要となるため、そのぶんだけコストアップするという
問題があった。

【０００３】そこで、位置センサレスのモータ制御装置
として、モータ停止時にモータに電圧を印加し、そのと
きの電流軌跡からモータ回転子の磁極位置を検出し、さ
らにモータのインダクタンスが飽和する程度の強い電流
を印加し、そのときの電流軌跡からモータ回転子の磁性
を検出し、これら検出された磁極位置と磁性とに基づい
てモータを制御するものが提案されている（たとえば、
平成７年電気学会産業応用部門全国大会論文集第１９５
頁「電流ベクトル軌跡を用いたＰＭモータの位置センサ
レス界磁極検出法における推定精度の評価」参照）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この位
置センサレスのモータ制御装置では、モータ回転子の磁
性を検出する際に、モータのインダクタンスが飽和する
程度の強い電流を印加する必要があるため、モータのト
ルクリップルによる振動が発生するという問題があっ
た。

【０００５】本発明は、このような従来技術の問題点に
鑑みてなされたものであり、トルクリップルによる振動
を抑止したうえで、位置センサを用いることなくモータ
を制御できるモータ制御装置を提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】（１） 上記目的を達成
するために、本発明によれば、直流電源に接続され、前
記直流電源からの電力を交流に変換して出力するととも
に、この出力された交流電力によりモータを駆動するイ
ンバータ回路と、 前記インバータ回路から出力される
出力電流を検出し、この検出した出力電流に基づいてモ
ータの回転子の磁極位置と磁性とを検出し、この検出し
た回転子の磁極位置と磁性とに基づいて前記インバータ
回路を制御する制御手段と、を備えたモータ制御装置に
おいて、前記制御手段は、 前記インバータ回路の出力
電流における電流ベクトル軌跡のｄ軸を検出して前記モ
ータの回転子の磁極位置を検出し、 前記出力電流の電
流ベクトル軌跡が前記ｄ軸上の軌跡となるように前記イ
ンバータ回路を制御し、前記ｄ軸上の電流軌跡から前記
モータの回転子の磁性を検出し、 これら検出されたモ
ータの回転子の磁極位置と磁性とに基づいて前記インバ
ータ回路を制御するモータ制御装置が提供される。

【０００７】誘導モータや永久磁石同期モータなどの交
流モータの出力トルクは、電流の大きさと位相とによっ
て決定される。実際には、固定子電流を、モータ内部に
確立した主磁束方向磁束を作る電流成分（磁束電流，磁
束軸ｄ軸方向に磁界を作る電流成分）と、これに対して
位相的に９０°進んだ、トルクを直接制御する電流成分
（トルク電流，トルク軸ｑ軸方向に磁界を作る電流）と
に分けて独立に制御することで決定される。

【０００８】本発明では、モータの回転子の磁極位置と
磁性とを検出するに際し、まず磁束軸であるｄ軸を検出
してモータ回転子の磁極位置を検出し、次いで出力電流
の電流ベクトル軌跡がｄ軸上の軌跡となるように、換言
すればｄ軸上にのみ磁性検出用電流を流してモータ回転
子の磁性を検出するので、トルクを直接制御するｑ軸方
向の電流ベクトル成分が発生しない。したがって、モー
タ回転子の磁性検出時における、トルクリップルによる
振動が抑制される。

【０００９】（２）上記発明において、モータ回転子の
磁極位置の検出タイミングは、モータの停止時及び駆動
時の何れでもよいが、両時に検出することがより好まし
い。

【００１０】モータ停止時と駆動時の両時に磁極位置を
検出することで、磁極位置検出用の装置を別に設けるこ
となく正確に磁極位置を検出することができる。

【００１１】（３）上記発明において、モータ回転子の
磁極位置の検出用電圧の周波数は特に限定されないが、
前記モータの駆動時に印加する電圧とは異なる周波数の
電圧を印加したときの電流ベクトル軌跡により検出する
ことがより好ましい。

【００１２】モータの駆動時に印加する電圧とは異なる
周波数の電圧を印加してもモータは回転しないので、モ
ータ回転子の磁極位置を検出する際に不用意なトルクを
発生することがなくなる。

【００１３】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、モータ回
転子の磁極位置と磁性とを検出する際にｑ軸成分の電流
ベクトルが生じないので、トルクリップルによる振動が
抑制される。

【００１４】これに加えて、請求項２記載の発明によれ
ば、磁極位置検出用エンコーダを用いることなく正確に
磁極位置を検出することができる。

【００１５】また、請求項３記載の発明によれば、モー
タ回転子の磁極位置を検出する際における不用意なトル
ク発生がより確実に防止できる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図１は本発明のモータの制御装置を
応用したモータ駆動システム１を示すブロック図、図２
は図１に示す制御手段の構成を示すブロック図である。

【００１７】本例のモータ１１は、ＩＰＭモータ（Inte
rnal Permanent Magnet Motor）であって、ロータ内に
永久磁石が埋め込まれたタイプの同期モータである。こ
のＩＰＭモータ１１は、直流電源１２からの電力をイン
バータ回路１３により三相交流電力に変換し、この交流
電力により駆動される。図１のＵ，Ｖ，Ｗはそれぞれ三
相交流電流のＵ相、Ｖ相、Ｗ相を表す。

【００１８】インバータ回路１３は、制御手段１４から
のＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）指
令によりＩＰＭモータ１１へ供給する電流を制御する。
この制御に際し、インバータ回路１３に印加される電圧
を検出する電圧センサ１５と、ＩＰＭモータ１１に供給
される電流を検出する電流センサ１６がモータ駆動シス
テム１に設けられている。

【００１９】本例の制御手段１４は図２に示すように構
成されている。まず、高周波回転電圧発生部１４０９
は、高周波の回転電圧を発生させてＰＷＭ指令作成部１
４１０に送出するものである。ここで回転電圧とは三相
平衡電圧のことであり、図６の左図に示すように、二相
交流座標系であるα−β座標系に交換したときに電圧ベ
クトル軌跡が真円となる状態をいう。この回転電圧は、
モータ１１に同期しない高周波の電圧であるため、この
回転電圧によってモータ１１が回転することはない。

【００２０】ちなみに、ＩＰＭモータのように磁束電流
（ｄ軸）とトルク電流（ｑ軸）でインダクタンスに差が
ある場合には、図６右図に示すように電流ベクトル軌跡
はｄ軸方向に膨らんだ楕円となる。

【００２１】周波数分離部１４０１は、一般的は周波数
フィルタを用いて、電流センサ１６で検出された三相電
流を高周波成分の電流と低周波成分の電流とに分離し、
高周波成分の電流を三相二相変換部１４０２に送出し、
低周波成分の電流をｄ−ｑ軸変換部１４０４に送出す
る。

【００２２】三相二相変換部１４０２は、周波数分離部
１４０１から入力した高周波成分の三相電流を、図６に
示すα−β座標系の二相電流に変換し、変換されたα−
β座標系の電流をｄ軸検出部１４０３に送出する。

【００２３】ｄ軸検出部１４０３は、三相二相変換部１
４０２にてα−β座標系に変換された電流ベクトルのα
軸成分ｉαとβ軸成分ｉβとにつき、ピーク値を検出す
ることで振幅Ｉα，Ｉβを求めるとともに、ゼロクロス
の時間を検出することで位相φα，φβを求める。そし
て、図６の右図に示すα−β座標系においてα軸から楕
円長軸（ｄ軸）までの角度θは、下記式により求める。

【００２４】

【数１】

【００２５】これにより、±９０°の範囲でα軸とｄ軸
とのなす角度θが求まる。

【００２６】この角度θを±１８０°の範囲まで拡張す
るために、連続した検出では９０°以上位相が変化する
ことがないという前提を用いる。つまり、後述する図４
に示すフローはたとえば１００μｓｅｃ毎に起動するの
で、通常９０°以上位相が変化することはない。したが
って、連続した検出において、８９°から−８９°に変
化した場合には、８９°から９１°（＝−８９°＋１８
０°）へ変化したものとする。同様に、−８９°から８
９°に変化した場合には、−８９°から−９１°（＝８
９°＋１８０°−３６０°）に変化したものとする。こ
れにより、α軸とｄ軸とのなす角度θを±１８０°の範
囲で検出することができる。

【００２７】なお、最初の検出を行ったときの初期位相
は変化の比較対象が存在しないので決定できない。すな
わち、最初の検出の演算結果が３０°であった場合、こ
の初期位相が３０°なのか−１５０°なのかが不明であ
る。このため、最初の検出では暫定的にθの範囲を±９
０°の範囲、上記の例では３０°としておき、後述する
Ｎ／Ｓ判定部１４０７による極性判定にて正しいθ、つ
まりθを±１８０°の範囲で求めることとする。

【００２８】この角度θはｄ−ｑ軸変換部１４０４、三
相変換部１４０６及び低周波Ｎ／Ｓ判定電圧発生部１４
０８に送出される。

【００２９】ｄ−ｑ軸変換部１４０４は、α−β座標系
の電流ベクトルと、ｄ軸に等しいとされた楕円長軸との
なす角度θが求まると、これに基づいて電流ベクトルを
ｄ−ｑ座標系に変換し、ＰＩ制御部１４０５及びＮ／Ｓ
判定部１４０７に送出する。

【００３０】求めるｄ軸電流値ｉｄ，ｑ軸電流値ｑｉ，
三相電流値ｉｕ，ｉｖ，ｉｘ，ｄ軸検出部１４０３から
求められる角度θとすると、下記式で求められる。

【００３１】

【数２】

【００３２】低周波Ｎ／Ｓ判定電圧発生部１４０８は、
モータ回転子の磁性（Ｎ／Ｓ）を判定するために、ｄ軸
のみに印加する正弦波状の低周波電圧を発生させ、ＰＷ
Ｍ指令作成部を介してインバータ回路１３に送出する。

【００３３】ここで極性判定は、電流により磁束を強め
る場合は磁束が飽和し、弱める場合は磁束が飽和しない
という原理を用いる。すなわち、図８に示すように磁束
を強める方向に電流を流すと磁束が飽和するが、磁束を
弱める方向に電流を流しても磁束は飽和しない。つま
り、図９に示すように磁束を強める方向と弱める方向に
同じ電圧ａｖ＝ｂｖを印加した場合、強める方向の電流
ａｉは、磁束飽和のために、弱める方向の電流ｂｉに比
べて大きくなる。このようにｄ軸電流の絶対値の大きさ
を比較することでＮ極かＳ極かを判定することができ
る。なお、低周派Ｎ／Ｓ判定電圧発生部１４０８で生成
する印加電圧は、十分低い電圧から高い電圧へ徐々に高
めることで磁束の飽和を検出してもよいし、あらかじめ
定められた磁束が飽和する程度の電圧であってもよい。

【００３４】Ｎ／Ｓ判定部１４０７は、低周波Ｎ／Ｓ判
定電圧発生部１４０８による判定電圧に対し、ｄ−ｑ軸
変換部１４０４から出力されたｄ軸電流の最大値の絶対
値と最小値の絶対値とを比較する。そして、最大値の絶
対値の方が大きい場合には位相が正しく認識されている
と判定する。これに対して、最小値の絶対値が大きい場
合には、位相が１８０°ずれていることになるのでｄ軸
検出部１４０３に対して位相補正情報を送出する。

【００３５】ＰＩ制御部１４０５は、与えられたｄ−ｑ
軸電流目標値に実電流を一致させるための制御を実行す
るもので、周波数分離部１４０１にて分離された低周波
電流をｄ−ｑ軸変換部１４０４にてｄ−ｑ座標系に変換
したのち、ｄ軸電流とｑ軸電流とのそれぞれを電圧に変
換し、ｄ軸電圧とｑ軸電圧とを三相変換部１４０６へ送
出する。具体的には以下の式によりｄ軸電圧指令値とｑ
軸電圧指令値とが演算され、これに基づきモータ１１が
制御される。

【００３６】

【数３】

【００３７】三相変換部１４０６は、ＰＩ制御部１４０
５から入力されたｄ軸電圧とｑ軸電圧を、ｄ軸検出部１
４０３から入力された角度θに基づいて三相電圧に変換
し、ＰＷＭ指令作成部１４１０を介してインバータ回路
１３へ送出する。具体的には下記式にて三相電圧が演算
されＰＷＭ指令作成部１４１０へ送出される。

【００３８】

【数４】

【００３９】なお、Ｎ／Ｓ判定部１４０７からｄ軸検出
部１４０３への送出回路と、ｄ−ｑ軸変換部１４０４か
らＮ／Ｓ判定部１４０７への送出回路と、低周波Ｎ／Ｓ
判定電圧発生部１４０８からＰＷＭ指令作成部１４１０
への送出回路には開閉スイッチＳＷ１が設けられ、ｄ−
ｑ軸変換部１４０４からＰＩ制御部１４０５への送出回
路と、三相変換部１４０６からＰＷＭ指令作成部１４１
０への送出回路には開閉スイッチＳＷ２が設けられ、同
じ符号が付されたスイッチは同時に開又は閉する。

【００４０】次に動作を説明する。図３は図１に示す制
御手段１４における処理手順を示すフローチャート、図
４は図３のステップ２のサブルーチン、図５は図３のス
テップ４のサブルーチンを示すフローチャートである。
なお、特に限定されないが、図３乃至図５に示すフロー
はたとえば１００μｓｅｃ毎に実行される。

【００４１】まず、図３のステップ１において、スイッ
チＳＷ１，ＳＷ２が開いた状態で、高周波回転電圧発生
部１４０９は、回転電圧を発生させ、この三相電圧指令
をＰＷＭ指令作成部１４１０を介してインバータ回路１
３へ送出する。既述したように、この回転電圧はα−β
座標系にて電圧ベクトル軌跡が真円、電流ベクトル軌跡
がｄ軸を長軸とする楕円となるものであるが、モータ１
１に同期しない高周波数の電圧であるためモータ１１は
回転せずに電流が流れる。

【００４２】次に、図３のステップ２において、ステッ
プ１の処理によりモータ１１に流れた電流を電流センサ
１６にて検出し、これを制御手段１４に取り込んでｄ軸
を検出する。具体的な処理手順を図４に示す。

【００４３】図４のステップ１０において、電流センサ
１６により検出された三相入力電流を周波数分離部１４
０１にて周波数分離し、高周波電流を抽出する。次いで
ステップ１１にて、この高周波電流を三相二相変換部に
てα−β座標系に変換し、α軸電流ｉαとβ軸電流ｉβ
とをｄ軸検出部１４０３へ送出する。

【００４４】ステップ１２では、図７に示すように、入
力されたα軸電流ｉαとβ軸電流ｉβとのそれぞれの振
幅と位相とを検出し、次のステップ１３にて上述した数
式１を用いて電流ベクトルのα軸とｄ軸とのなす角度θ
（ここではθ２とする。）を±９０°の範囲内で求め
る。そして、ステップ１４にて、ステップ１３の演算が
初回であるときはその演算結果、すなわち±９０°の範
囲での角度θ２を暫定的な角度としてステップ１７へジ
ャンプし、当該θを出力する。

【００４５】これに対して、ステップ１３の演算が初回
でない場合は、ステップ１５にて、前回の演算で求めら
れた角度θ１と今回の角度θとの差の絶対値が９０°超
かどうか、つまり｜θ１−θ２｜＞９０°かどうかを判
定し、９０°を超えている場合はステップ１７へジャン
プしてそのままの値をθとして出力する。また、ステッ
プ１５において９０°以下の場合は、求められた角度θ
に１８０°を加算した値をθとして出力する。これによ
り、α軸とｄ軸とのなす角度θを±１８０°の範囲で検
出することができる。

【００４６】ただし、ステップ１３の演算が初回である
場合の角度θの値は暫定的なものであることから、次に
この暫定的な初期位相θを正しい初期位相とするために
極性判定を実行する。

【００４７】図３に戻り、ステップ３においてモータ１
１が停止していることを確認したうえで、ステップ４に
進む。なお、現在までの手順ではモータ１１が故意に駆
動することはないが、ステップ３、ステップ５及びステ
ップ２２にてモータ１１の停止を確認するのは、坂道な
どでモータが不意に回転する可能性があるからである。

【００４８】ステップ４の詳細手順を図５に示す。ま
ず、開閉スイッチＳＷ１を閉じ、低周波Ｎ／Ｓ判定電圧
発生部１４０８にて、正弦波状の低周波電圧を生成しｄ
軸のみに印加するように、ＰＷＭ指令作成部１４１０を
介してインバータ回路１３を制御する。このとき印加さ
れる低周波電圧はｄ軸にのみ印加され、すなわち磁束軸
にのみ電流が流れ、トルク軸であるｑ軸には電流が流れ
ないので、従来の位置センサレスの電流ベクトル軌跡制
御で生じていたトルクリップルによる振動を防止するこ
とができる。

【００４９】低周波電圧を印加したら、ステップ２２に
て再度モータ１１の停止を確認したうえで、電流センサ
１６により検出され、周波数分離部１４０１にて周波数
分離された低周波電流をｄ−ｑ軸変換部１４０４でｄ−
ｑ座標系に変換し、このうちのｄ軸電流（既述したよう
にｑ軸電流は０となっている。）をＮ／Ｓ判定部１４０
７へ取り込んで極性判定を実行する。この極性判定は、
図９の左図に示すように磁束を強める方向と弱める方向
に同じ電圧ａｖ＝ｂｖを印加した場合、同図の右図に示
すように強める方向の電流ａｉは、磁束飽和のために、
弱める方向の電流ｂｉに比べて大きくなることを利用
し、ｄ軸電流の最大値ａｉと最小値ｂｉとを検出し、ス
テップ２３にてこれら最大値ａｉと最小値ｂｉとが検出
されたら、ステップ２４にてＮ／Ｓ判定用の低周波電圧
の印加を停止したうえで、ステップ２５へ進み、これら
最大値の絶対値と最小値の絶対値とを比較する。ここ
で、最大値の絶対値が最小値の絶対値より大きければ、
暫定的に定めた位相は正しく認識されているので、ステ
ップ２６（図３のステップ６に相当する。）にて、位相
補正値を０としてｄ軸検出部１４０３へ送出する。逆
に、最大値の絶対値が最小値の絶対値以下の場合は、暫
定的な位相が１８０°ずれていることになるので、位相
補正値を１８０°としてｄ軸検出部１４０３へ送出す
る。

【００５０】以上でモータ１１の回転子の磁極の判定を
完了するが、これを完了すると図３のステップ７へ戻
り、開閉スイッチＳＷ１を開くとともに開閉スイッチＳ
Ｗ２を閉じ、次のステップ８にてモータ１１の駆動用電
流制御を開始する。

【００５１】この電流制御は、ＰＩ制御部１４０５→三
相変換部１４０６→ＰＷＭ指令作成部１４１０→インバ
ータ回路１３→モータ１１という経路で電流ベクトルが
制御され、ＰＩ制御部１４０５に入力されるｄ−ｑ軸電
流目標値に実電流を一致させるために、電流センサ１６
にて検出された電流を周波数分離部１４０１で周波数分
離し、このうちの低周波電流をｄ−ｑ軸変換部１４０４
でｄ−ｑ軸電流に変換してＰＩ制御部１４０５に入力す
る。

【００５２】これにより位置センサに設けることなく、
またトルクリップルによる振動を防止しつつモータを駆
動制御することができる。

【００５３】なお、以上説明した実施形態は、本発明の
理解を容易にするために記載されたものであって、本発
明を限定するために記載されたものではない。したがっ
て、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技
術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のモータ制御装置の実施形態を示すブロ
ック図である。

【図２】図１に示す制御手段の構成を示すブロック図で
ある。

【図３】図１に示す制御手段における処理手順を示すフ
ローチャートである。

【図４】図３のステップ２のサブルーチンを示すフロー
チャートである。

【図５】図３のステップ４のサブルーチンを示すフロー
チャートである。

【図６】図４の処理内容を説明するための電圧と電流と
の関係を示すグラフである。

【図７】図５の処理内容を説明するための時間と電流と
の関係を示すグラフである。

【図８】図５の処理内容を説明するための磁束とｄ軸電
流値との関係を示すグラフである。

【図９】図５の処理内用を説明するための電圧ベクトル
軌跡と電流ベクトル軌跡を示すグラフである。

【符号の説明】

１・・・モータ駆動システム １１・・・ＩＰＭモータ １２・・・直流電源部 １３・・・インバータ回路 １４・・・制御手段 １５・・・電圧センサ １６・・・電流センサ

フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H560 BB04 BB12 DA14 DC12 EB01 RR01 SS01 XA02 XA12 XA13 5H576 BB04 CC01 DD05 EE01 EE11 GG04 HB01 JJ03 LL22 LL34 LL45

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】直流電源に接続され、前記直流電源からの
   電力を交流に変換して出力するとともに、この出力され
   た交流電力によりモータを駆動するインバータ回路と、 前記インバータ回路から出力される出力電流を検出し、
   この検出した出力電流に基づいてモータの回転子の磁極
   位置と磁性とを検出し、この検出した回転子の磁極位置
   と磁性とに基づいて前記インバータ回路を制御する制御
   手段と、を備えたモータ制御装置において、 前記制御手段は、 前記インバータ回路の出力電流における電流ベクトル軌
   跡のｄ軸を検出して前記モータの回転子の磁極位置を検
   出し、 前記出力電流の電流ベクトル軌跡が前記ｄ軸上の軌跡と
   なるように前記インバータ回路を制御し、 前記ｄ軸上の電流軌跡から前記モータの回転子の磁性を
   検出し、 これら検出されたモータの回転子の磁極位置と磁性とに
   基づいて前記インバータ回路を制御するモータ制御装
   置。
2. 【請求項２】前記モータの回転子の磁極位置は、前記モ
   ータの停止時及び駆動時の両時に検出する請求項１記載
   のモータ制御装置。
3. 【請求項３】前記モータの回転子の磁極位置は、前記モ
   ータの駆動時に印加する電圧とは異なる周波数の電圧を
   印加したときの電流ベクトル軌跡により検出する請求項
   １又は２記載のモータ制御装置。