JP2007236068A - モータ制御装置、モータ制御方法および洗濯機 - Google Patents
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Abstract
【課題】モータの運転中にその時の電機子巻線の抵抗値を精度良く検出する。
【解決手段】回転子の回転位置と回転速度とをモータ電流、モータ電圧、モータ回路定数を基に推定してベクトル制御を行なうモータ制御装置において、回転子が特定回転位置になったことを検出して同期パルスを出力する回転位置検出手段を設け、その回転位置検出手段が同期パルスを出力した時点における推定した回転位置が、回転子の前記特定回転位置に一致するようにモータ回路定数の一つである電機子巻線の抵抗値を調整する。調整により一致したときの抵抗値をその時点における電機子巻線の抵抗値として扱う。
【選択図】図2
【解決手段】回転子の回転位置と回転速度とをモータ電流、モータ電圧、モータ回路定数を基に推定してベクトル制御を行なうモータ制御装置において、回転子が特定回転位置になったことを検出して同期パルスを出力する回転位置検出手段を設け、その回転位置検出手段が同期パルスを出力した時点における推定した回転位置が、回転子の前記特定回転位置に一致するようにモータ回路定数の一つである電機子巻線の抵抗値を調整する。調整により一致したときの抵抗値をその時点における電機子巻線の抵抗値として扱う。
【選択図】図2
Description
本発明は、モータ定数、モータ電流、モータ電圧を用いて推定した回転子位置に基づいてモータを駆動制御するモータ制御装置、モータ制御方法および当該モータ制御装置を用いた洗濯機に関する。
近年、洗濯機には、DD(Direct Drive)モータをベクトル制御するモータ制御装置の採用が広がりつつある。ベクトル制御を採用した洗濯機では、消費電力の低減、運転中の振動、騒音の低減などの効果がみられる。
モータをベクトル制御するためには、回転子の回転位置を正確に検出する必要がある。回転子の回転位置を検出する方式には、モータに回転位置センサを取り付けて検出する方式と、センサを用いずにモータの電圧、電流値とモータ回路定数から推定するセンサレス方式とがある。
センサを用いる方式では、回転位置センサとしてエンコーダやホールセンサが用いられる。回転位置センサはモータ回転速度が遅い場合でも回転子位置を正確に検出できる利点がある。しかし、回転位置センサは振動により取り付け位置がずれて検出精度が悪化することがある。回転子位置の検出精度が悪化すると、電機子電流をトルク方向成分(q軸電流)と磁束軸方向成分(d軸電流)とに分離して独立に制御するというベクトル制御の効果が著しく減殺される。その結果としてモータ効率の低下、振動・騒音の増大といった問題が生じる。
センサレス方式は、モータの電圧、電流に含まれる位置情報を利用して回転子位置を推定するものである。この方式は、誘起電圧が低い低速度領域では検出精度に問題があるが、回転位置センサのような位置ずれの問題は生じない。また、回転位置センサとその配線、およびメンテナンスが不要となる利点があることから洗濯機への採用が増えている。
センサレス方式による回転子位置の推定演算には、モータ電流、電圧以外にモータの回路定数が必要である。必要な回路定数の一つとして電機子巻線の抵抗値がある。電機子巻線の抵抗値は温度によって変化する。従って、回転子位置を精度良く推定するには、その時々の温度に対応した抵抗値を正確に把握する必要がある。各温度における抵抗値は予め実験で把握できるが、その値が分かっていても抵抗値を知るためにはその時の巻線温度を検出する必要がある。しかし、その検出は簡単ではない。こうしたことから巻線温度を検出するためのセンサを取り付けることなしに、回転中の電機子の巻線抵抗値を精度良く検出する方法が求められている。
従来技術として特許文献1がある。その検出方法は、モータの起動前又は起動時に定電圧制御を行なって電機子巻線に一定電圧を印加し、その時の電流値から巻線抵抗値を算出するものである。この方法による検出は、その時々の温度における抵抗値を検出できる利点がある。しかし、この方法は回転子を停止させた状態で行なうため、停止のための位置決め時間が必要になる他、検出のために流す電流のため消費電力が増える問題がある。
特願2004−327871号
特開昭61−262084号公報
本発明は、このような従来技術の問題点を解決するためになされたもので、その課題は、モータの運転中にその時の電機子巻線の抵抗値を精度良く検出することのできるモータ制御装置、モータ制御方法、およびそれらを使用した洗濯機を提供することにある。
前記課題を解決するための請求項1に記載の発明は、永久磁石を回転子に設けてなる三相永久磁石モータに流れる電流を永久磁石の作る磁束に平行なd軸電流とそれに直交するq軸電流とに分離し、それら電流成分がモータ回転速度を指令値に一致させるべく決めたそれぞれの電流指令値に一致するように独立して制御すると共に、該制御に必要な回転子の回転位置と回転速度とをモータ電流、モータ電圧、モータ回路定数を基に推定して前記制御に使用するモータ制御装置において、回転子が特定回転位置になったことを検出して同期パルスを出力する回転位置検出手段と、該回転位置検出手段が前記同期パルスを出力した時点における前記推定した回転位置の値が、前記特定回転位置の値に一致するように前記モータ回路定数の一つである電機子巻線の抵抗値を調整し、一致したときの抵抗値をその時点における電機子巻線の抵抗値と推定する巻線抵抗推定手段と、を更に備えることを特徴とするモータ制御装置である。
このような構成のモータ制御装置によれば、モータを回転駆動させている状態でその時点の、その電機子巻線温度における電機子巻線の抵抗値を検出することができる。そして、検出した巻線抵抗値を直ちに角速度と回転位置の推定演算に使用するので、角速度推定と回転位置推定の精度が向上してベクトル制御によるモータ制御精度が向上する。その結果としてモータ効率の低下、振動・騒音の増大といった問題も生じなくなる。
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のモータ制御装置において、前記巻線抵抗推定手段は、回転子の前記特定回転位置の値として、d軸電流をゼロとした運転状態において前記回転位置検出手段が同期パルスを出力した時点における前記推定した回転位置の値である推定特定回転位置の値を用いることを特徴とするモータ制御装置である。
d軸電流をゼロとした運転では電機子巻線の抵抗値の影響を受けることなく(従って、巻線温度の影響も受けることなく)、回転子の角速度と回転位置を推定することができる。このため推定された回転位置の精度は高くなるので、その値を特定回転位置の値として扱ってもよい。このようにすれば、特定回転位置の値を容易に、且つ精度良く知ることができる。
また、請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載のモータ制御装置において、前記巻線抵抗推定手段は、前記推定した回転速度の変動が所定範囲内であるときに前記電機子巻線の抵抗値の推定を行なうことを特徴とするモータ制御装置である。
回転速度が変動している状態では巻線抵抗値の推定精度が悪化する。従って、回転速度の変動が所定範囲内に納まっている状態で推定を行なえば、推定精度を向上させることができる。
また、請求項4に記載の発明は、請求項1または2に記載のモータ制御装置において、前記巻線抵抗推定手段は、前記q軸電流の変動が所定範囲内であるときに前記電機子巻線の抵抗値の推定を行なうことを特徴とするモータ制御装置である。
q軸電流が変動している状態では巻線抵抗値の推定精度が悪化する。従って、q軸電流の変動が所定範囲内に納まっている状態で推定を行なえば、推定精度を向上させることができる。
また、請求項5に記載の発明は、請求項2に記載のモータ制御装置において、前記巻線抵抗推定手段は、q軸電流の範囲別に前記推定特定回転位置の値を記憶しておき、前記推定した回転位置と回転速度を用いて回転速度が制御されている状態において前記回転位置検出手段が前記同期パルスを出力した時の前記推定した回転位置を、その時のq軸電流が属する前記q軸電流の範囲に対応して記憶した推定特定回転位置の値に一致させるように前記推定に使用する電機子巻線の抵抗値を調整し、一致したときの抵抗値をその時点における電機子巻線の抵抗値と推定することを特徴とするモータ制御装置である。
d軸電流をゼロとした運転では角速度と回転位置の推定値はq軸インダクタンスの影響を受ける。そして、そのq軸インダクタンスの値はq軸電流の大きさにより微妙に変化する。従って、本構成のようにq軸電流の範囲別に推定特定回転位置の値を記憶しておき、電機子巻線の巻線抵抗値を推定する際にはその時のq軸電流に対応した推定特定回転位置の値を使用することで巻線抵抗値の推定精度を向上させることができる。
また、請求項6に記載の発明は、請求項1または2に記載のモータ制御装置において、前記回転位置検出手段としてホールセンサを使用したことを特徴とするモータ制御装置である。
ホールセンサを使用すれば回転子が特定回転位置になったことを容易に検出することができ、同期パルスの出力を容易に行なうことができる。
ホールセンサを使用すれば回転子が特定回転位置になったことを容易に検出することができ、同期パルスの出力を容易に行なうことができる。
また、請求項7に記載の発明は、請求項1乃至6の何れかに記載のモータ制御装置を用いたことを特徴とする洗濯機である。
このような洗濯機は、モータの巻線抵抗値が精度良く推定されるためベクトル制御によるモータ制御精度が向上する。その結果としてモータ効率の低下、振動・騒音の増大といった問題も生じなくなる。
また、請求項8に記載の発明は、永久磁石を回転子に設けてなる三相永久磁石モータに流れる電流を永久磁石の作る磁束に平行なd軸電流とそれに直交するq軸電流とに分離し、それら電流成分がモータ回転速度を指令値に一致させるべく決めたそれぞれの電流指令値に一致するように独立して制御すると共に、該制御に必要な回転子の回転位置と回転速度とをモータ電流、モータ電圧、モータ回路定数を基に推定して前記制御に使用するモータ制御方法であって、d軸電流をゼロとした運転状態において回転子が特定回転位置になったことを回転位置検出手段により検出し、その時の前記推定した回転位置の値を推定特定回転位置の値として記憶しておく段階と、前記回転位置検出手段により回転子が前記特定回転位置になったことが検出された時点における前記推定した回転位置の値が、記憶した前記推定特定回転位置の値に一致するように前記モータ回路定数の一つである電機子巻線の抵抗値を調整し、一致したときの抵抗値をその時点における電機子巻線の抵抗値と推定する段階と、を含むことを特徴とするモータ制御方法である。
このようなモータ制御方法によれば、請求項1に記載の発明の効果と同様の効果が得られる。
以下、本発明に係るモータ制御装置、モータ制御方法をドラム式洗濯機に適用した場合の一実施形態について図面を参照して説明する。まず、ドラム式洗濯機の全体構成を図1を参照して説明する。
ドラム式洗濯機1の外殻をなす外箱2の前面部には、中央部に扉3が設けてあり、上部には多数のスイッチと表示部(何れも図示せず)を備えた操作パネル4が取り付けてある。扉3は、外箱2の前面中央部に形成された洗濯物出し入れ口5を開閉する。外箱2の内部には、円筒状をなす水槽6が配設してある。この水槽6は、その軸方向が前後方向(図1では左右方向)となる横軸状で且つ前上がりの傾斜状に配設してあり、弾性支持装置7により支持してある。水槽6の内部には、円筒状をなす回転ドラム8が水槽6と同軸状に配設してある。この回転ドラム8は、洗濯の他、脱水および乾燥に共用の槽として機能するもので、胴部のほぼ全域に小孔9が多数形成してあり(図1には一部のみ示す)、胴部の内周部にはバッフル10が複数設けてある(図1には一つのみ示す)。
水槽6および回転ドラム8は、それぞれ前面部に洗濯物出し入れ用の開口部11、12が設けてある。水槽6の開口部11は前記洗濯物出し入れ口5にベローズ13により水密に連ねてあり、回転ドラム8の開口部12はその水槽6の開口部11を臨むようにしてある。回転ドラム8の開口部12の周囲部には、バランスリング14が設けてある。
水槽6の背面部には、回転ドラム8を回転駆動するモータ15が取り付けてある。モータ15はアウタロータ形のブラシレス永久磁石モータで、その固定子16は水槽6の背部中央部に取り付けた軸受ハウジング17の外周部に固定してある。固定子16には、三相の巻線18(固定子巻線に相当)が巻回してある。
モータ15の回転子19は、固定子16を外側から覆うように配置してある。中心部に取り付けた回転軸20は、上記軸受ハウジング17に固定した軸受21により回転可能に支持してある。軸受ハウジング17から突出した回転軸20の前端部は回転ドラム8の背部の中央部に連結してある。即ち、モータ15の回転子19が回転すると回転子19と一体に回転ドラム8も回転する構成(いわゆるダイレクトドライブ方式)にしてあり、回転ドラム8内に収容した洗濯物に対して回転力を作用させて、洗い運転、すすぎ運転、脱水運転を行なうようになっている。
水槽6の下面部には水溜部22が設けてあり、この水溜部22の内部には洗濯水加熱用のヒータ23が配設してある。水溜部22の後部には排水弁24を介して排水ホース25が接続してある。
水槽6の上部には温風生成装置26が取り付けてあり、その背部には熱交換器27が取り付けてある。温風生成装置26は、ケース28内に配設した温風用ヒータ29、ケーシング30内に配設したファン31、そのファン31をベルト伝動機構32を介して回転駆動するファンモータ33により構成してある。ケース28とケーシング30とは連通させてある。ケース28の前部にはダクト34が接続してあり、ダクト34の先端部は、水槽6内の前部に突出して回転ドラム8の開口部12に臨んでいる。
温風用ヒータ29とファン31とにより温風を生成し、その温風をダクト34を通して回転ドラム8内に供給する。回転ドラム8内に供給された温風は回転ドラム8内の洗濯物を加熱すると共に水分を奪い、熱交換器27側へ排出される。
熱交換器27は水冷式で、上部は上記ケーシング30内と連通し、下部は水槽6内と連通している。上部から水を注ぎ入れるようになっており、その水が流下する際に内部を通る空気中の水蒸気を冷却、凝縮させて除湿する。この熱交換器27を通った空気は再び温風生成装置26に戻り、温風化されて循環する。
図2は、モータ15の回転をベクトル制御する本実施形態のモータ制御装置40の構成をブロック図で示したものである。ベクトル制御は電機子巻線に流れる電流を界磁である永久磁石の磁束方向と、それに直交する方向とに分離してそれらを独立に調整することにより磁束と発生トルクを制御する方法である。電流制御には、回転子19と共に回転する回転座標系、いわゆるd−q座標系で表わした電流値が用いられる。ここに、d軸は回転子19に取り付けた永久磁石の作る磁束方向であり、q軸はd軸に直交する方向(回転方向に電気角でπ/2進んだ方向)である。電機子巻線に流れる電流のq軸成分であるq軸電流Iqは回転トルクを発生させる成分でありトルク成分電流とも呼ばれる。他方のd軸成分であるd軸電流Idは磁束を作る成分であり磁化成分電流とも呼ばれる。
モータ制御装置40は、電流制御回路41、回転位置推定回路42、電流指令値決定回路43、巻線抵抗推定回路(巻線抵抗推定手段に相当)44を備えて構成してある。電流制御回路41は、モータ15に実際に流れる電流のd軸電流Id及びq軸電流Iqの値を、電流指令値決定回路43が出力するd軸電流指令値Idr、q軸電流指令値Iqrにそれぞれ一致させるように制御する回路である。電流制御回路41は、減算器46、47、比例積分器48、49、dq/αβ座標変換器51、αβ/UVW座標変換器52、PWM形成回路53、インバータ回路54、電流検出回路56を備える。電流検出回路56は、モータ15に実際に流れている電流のd軸電流Idとq軸電流Iqを検出する回路である。
電流検出回路56は、UVW電流検出回路57、UVW/αβ座標変換器58、αβ/dq座標変換器59により構成してある。UVW電流検出回路57はモータ15の各相(U相、V相、W相)に流れる電流Iu、Iv、Iwを検出する回路である。UVW電流検出回路57は、インバータ回路54に設けてある3式のハーフブリッジ回路61の接地側スイッチング素子62と接地電位GNDとの間に接続した3個のシャント抵抗64の両端電圧に基づいて電流Iu、Iv、Iwを検出する。UVW電流検出回路57の回路構成については、例えば特許文献2に詳述してある回路を使用する。
検出した電流Iu、Iv、Iwは、UVW/αβ座標変換器58によりこれと等価な2相電流Iα、Iβに変換される。変換された2相電流Iα、Iβは、αβ/dq座標変換器59により更に変換されてd軸電流Id、q軸電流Iqが算出される。α、βはモータ15の固定子に固定された2軸座標系の座標軸である。このαβ/dq座標変換器49における座標変換の計算には、後述する回転子の回転位置推定値(α軸とd軸との位相差の推定値)θeが用いられる。
こうして算出されたd軸電流Id、q軸電流Iqは、減算回路46、47にて電流指令値決定回路43が出力するd軸電流指令値Idr、q軸電流指令値Iqrと比較される。そして、電流偏差ΔId 、ΔIq が算出される。電流偏差ΔId、ΔIqは比例積分器48、49にて比例積分演算され、d−q座標系で表わした出力電圧指令値Vd、Vqが算出される。出力電圧指令値Vd、Vqは、dq/αβ座標変換器51にてα−β座標系で表わした値に変換され、更にαβ/UVW座標変換器52により固定子の各相電圧指令値Vu、Vv、Vwに変換される。なお、dq/αβ座標変換器51における座標変換の計算にも後述する回転子の回転位置推定値θeが用いられる。
この各相電圧指令値Vu、Vv、VwはPWM形成回路53に入力され、指令値に一致する電圧を供給するためのパルス幅変調されたゲート駆動信号が形成される。インバータ回路54は3式のハーフブリッジ回路61で構成された周知のインバータ回路で、図示しない直流電源回路より直流電圧の供給を受けている。PWM形成回路53で形成されたゲート駆動信号は各ハーフブリッジ回路61を構成するスイッチング素子62、63等のゲートに与えられ、それにより各相電圧指令値Vu、Vv、Vwに一致するPWM変調された三相交流電圧が生成されて電機子巻線に印加される。
このような構成の下で減算回路46、47と比例積分器48、49とによる比例積分演算によるフィードバック制御が行なわれ、d軸電流Id、q軸電流Iqはそれぞれd軸電流指令値Idr、q軸電流指令値Iqrに一致するように調整される。
以上のような電流制御の過程では、αβ/dq座標変換器59、dq/αβ座標変換器51における座標変換の際に、回転子の回転位置θの値が必要とされる。この回転位置θの値は、エンコーダなどの回転位置センサをモータ15に取り付けて検出することも可能であるが、メンテナンスやコストを考えると問題が多い。本実施形態ではそうした回転位置センサを用いないで、センサレスで回転位置θを推定する方式を採用している。
回転位置推定回路42は、その回転子の回転位置θの推定値θe、及び角速度ωの推定値ωeを推定する回路である。回転位置推定回路42は、誘起電圧推定回路71、比例積分器72、積分器73により構成してある。誘起電圧推定回路71には、d軸電流Id、q軸電流Iq、及びd軸の出力電圧指令値Vd、回転子の角速度推定値ωeが入力されている。更に、誘起電圧推定回路71には、モータ15の回路定数である電機子巻線のd軸インダクタンスLd、q軸インダクタンスLq、巻線抵抗値Rの各値が記憶させてある。
誘起電圧推定回路71はこれらの入力値と回路定数を用いて、d軸方向の誘起電圧推定値Edを次式で計算する。
Ed=Vd−R・Id−Ld・p・Id+ωe・Lq・Iq (1)式
ここで、pは微分演算子である。Vdの値としてはモータ15に実際に印加されている電圧値を使用すべきであるが、その値は比例積分器48が出力する電圧指令値Vdに一致するのでその値を使用している。
Ed=Vd−R・Id−Ld・p・Id+ωe・Lq・Iq (1)式
ここで、pは微分演算子である。Vdの値としてはモータ15に実際に印加されている電圧値を使用すべきであるが、その値は比例積分器48が出力する電圧指令値Vdに一致するのでその値を使用している。
こうして計算されたd軸方向の誘起電圧推定値Edは比例積分器72に入力されて比例積分演算が施され、その結果が回転子の角速度推定値ωeとして出力される。角速度推定値ωeは積分器73にて積分され、その値が回転位置推定値θeとして出力される。
回転位置推定値θeは、前述したようにαβ/dq座標変換器59、dq/αβ座標変換器51における座標変換に使用される。角速度推定値ωeは、誘起電圧推定回路71に与えられて(1)式による誘起電圧推定値Edの計算に使用される。また、角速度推定値ωeは電流指令値決定回路43にも与えられる。
ところで(1)式の右辺の計算に用いられているωeは、回転子角速度の推定値であり実際の角速度ωではない。また、(1)式右辺のd軸電流Id、q軸電流Iqも、回転位置推定値θeを使用して算出された値であり、更にその回転位置推定値θe自身も角速度推定値ωeを積分して求められた値である。また、(1)式右辺のd軸の出力電圧指令値Vd及び(1)式には現れていないq軸の出力電圧指令値Vqは、同じく回転位置推定値θeを使用して各相電圧指令値Vu、Vv、Vwに変換されている。そして、その電圧指令値に基づいてインバータ回路54において電圧が生成され、電機子巻線に与えられる。即ち、(1)式中の回路定数以外の変数は全て角速度推定値ωeによる影響を受けている。
(1)式の左辺のEdは、角速度推定値ωeが実際の角速度ωに一致しており、且つ回転位置推定値θeも回転子の回転位置(α軸とd軸との位相差)に一致していればゼロになる筈である。その値がゼロにならないことは、計算に使用している角速度推定値ωeや回転位置推定値θeが実際の値に対して誤差を持っていることを意味する。
このことは逆に言えば、(1)式の右辺で計算したEdの値がゼロとなるように角速度推定値ωe及びそれから計算される回転位置推定値θeを調整してやれば、ゼロとなった時の角速度推定値ωe、回転位置推定値θeは実際の角速度ω、回転位置θに一致していることになる。このd軸方向の誘起電圧推定値Edがゼロとなるように調整するのが比例積分器72である。比例積分器72の調整動作により誘起電圧推定値Edがゼロに収束すると、そのときの比例積分器72の出力である角速度推定値ωeは実際の角速度ωと一致した値となる。本実施形態ではこうした演算と調整動作を行なう誘起電圧推定回路71を用いることにより、回転位置センサを用いることなく回転子の実際の角速度ωと回転子位置θの値に一致する角速度推定値ωeと回転位置推定値θeを求めている。
回転位置推定回路42で推定された回転位置推定値θeは、dq/αβ座標変換器51、αβ/dq座標変換器59、巻線抵抗推定回路44に与えられる。また、角速度推定値ωeは電流指令値決定回路43、巻線抵抗推定回路44、誘起電圧推定回路71に与えられる。
電流指令値決定回路43は、d軸電流指令値Idr、q軸電流指令値Iqrを出力する回路である。このd軸電流指令値Idr、q軸電流指令値Iqrは、回転子の角速度(回転速度に相当)ωを、外部から入力される角速度指令値(回転速度指令値に相当)ωrに一致させるための電流指令値である。電流指令値決定回路43は、減算器75、比例積分器76、dq分配器77により構成してある。
減算器75は、外部のマイコン80から出力される角速度指令値ωrと角速度推定値ωeとの偏差Δωを算出する。マイコン80は、ドラム式洗濯機1の動作全般を総括制御するためのものである。マイコン80は、操作パネル4を通した操作者の指示に従い、その時々の洗濯機の工程に対応した角速度指令値ωrを減算器75に出力する。偏差Δωは比例積分器76によって比例積分演算が施され、演算結果がdq分配器77に出力される。dq分配器77は、演算結果をd軸電流指令値Idrとq軸電流指令値Iqrに分配して出力する。分配の仕方はマイコン80により指示される。例えば、「洗い工程」においては、d軸電流指令値Idrをゼロとし、比例積分器76の演算結果をそのままq軸電流指令値Iqrとして出力する。また、「脱水工程」においては、弱め磁束制御を行なうためにd軸電流指令値Idrをマイナスの値とした上で、演算結果に比例する値をq軸電流指令値Iqrとして出力する。
こうして分配されたd軸電流指令値Idr、q軸電流指令値Iqrは電流制御回路41に与えられる。そして、前述したようにモータ15のd軸電流Id、q軸電流Iqがそれらの指令値に一致するように制御される。そのように制御された結果としての角速度推定値ωeが、減算器75にフィードバックされる。比例積分器76は、比例積分演算により偏差Δωをゼロに収束させる。その結果として角速度推定値ωeは角速度指令値ωrに一致するようになる。
このようにモータ制御装置40は、電流マイナーループの外側に速度制御ループをもつ、いわゆる速度サーボ形の構成をとっている。その際、速度サーボに必要な回転子の角速度ωの値には、回転位置推定回路42で推定した値ωeを使用している。回転位置推定回路42は、実際の角速度ωに一致する角速度推定値ωeを演算して出力する。こうしてモータ15の実際の角速度ωは、マイコン80が出力する角速度指令値ωrに一致した値に制御される。
ところで、モータ15の実際の角速度ωを角速度指令値ωrに精度良く一致させるためには、回転位置推定回路42の推定した角速度推定値ωeが実際の角速度ωに精度良く一致している必要がある。回転位置推定回路42は、前述したように(1)式で計算したd軸方向の誘起電圧推定値Edがゼロとなるように制御することにより、実際の角速度ωを推定している。従って、角速度推定値ωeの推定精度を高めるには、(1)式で計算されるEdの精度を高める必要がある。
(1)式にはd軸インダクタンスLd、q軸インダクタンスLq、巻線抵抗値Rの3つの回路定数が含まれている。このうち、巻線抵抗値Rは温度によってかなり大きく変化する。従って、Edの精度を高めるには、その時点の巻線温度に対応した巻線抵抗値を使用することが重要である。本実施形態のモータ制御装置40は、その時点における巻線抵抗値Rを、モータ15の駆動中に検出して(1)式の計算に使用する点にある。その巻線抵抗値Rをセンサを使用することなく検出するために、巻線抵抗推定回路44が設けてある。
巻線抵抗推定回路44には、角速度推定値ωe、回転位置推定値θe、q軸電流Iq、それに回転子が特定回転位置θaにあることを知らせる同期パルスPが入力してある。この同期パルスPを出力するために、モータ15には回転位置センサ(回転位置検出手段に相当)82が取り付けてある(なお、巻線抵抗推定回路44と回転位置検出センサ82とが巻線抵抗推定手段に相当する。)。回転位置センサ82は、回転子が特定回転位置(特定電気角)θaとなった時に同期パルスPを出力するセンサである。そのような回転位置センサ82としては、ホールセンサやエンコーダを用いることができる。
次に、図3に示した制御フローを参照して巻線抵抗値Rの推定方法を説明する。この図3の制御フローは巻線抵抗推定回路44が実行するフローである。最初のステップS1では、角速度推定値ωeが所定の角速度ωkより大きいかチェックする。これは、回転子の回転速度が低い状態では巻線抵抗値Rの精度良く推定することが難しいため、一定の回転速度以上で推定を行なう趣旨である。
角速度推定値ωeが所定の角速度ωkより大きい値であった場合にステップS2に移る。ステップS2では、角速度推定値ωeの変動幅が所定値以内かチェックする。このようなチェックを行なうのは、角速度推定値ωeがある程度安定していないと精度の良い推定ができないためである。角速度推定値ωeの変動幅が所定値以内に納まっているか否かの判定は、角速度推定値ωeの値を短い周期(例えば、10〜20msecの周期)で数回サンプリングし、それら全ての値が予め決めた許容変動幅内に納まっているか否かで判定する。
角速度推定値ωeの変動幅が所定値以内であった場合にはステップS3に移る。ステップS3では、回転位置センサ82から同期パルスPが入力されるのを待つ。回転位置センサ82は、前述したように回転子の回転位置が特定回転位置θaになった時に同期パルスPを出力する。即ち、同期パルスPが出力された瞬間には、回転子の実際の回転位置θはθaになっている。従って、同期パルスPが出力された瞬間における角速度推定値ωeの値がθaに一致していれば、回転子の回転位置は正確に推定されていることになる。また、その時の回数速度が安定していれば、角速度推定値ωeも実際の角速度ωを正確に推定していることになる。
ステップS3で同期パルスPを受信したならばステップS4に移る。ステップS4では回転位置推定回路42で推定した角速度推定値ωeと、回転位置センサ82が検出する特定回転位置θaとの差|θe−θa|が所定の誤差Δθk以内か否かを判定する。差|θe−θa|がその所定誤差Δθk以内であれば回転位置θが正しく推定されているものと見なす。従って、Δθkは小さな値である。
差|θe−θa|が所定誤差Δθk以内であれば、(1)式によるEdの計算精度も高いとみなすことができる。(1)式の計算精度が高ければ、(1)式に使用している巻線抵抗値Rも正しく、その値はその時の巻線温度における抵抗値に一致していると見なすことができる。従って、差がΔθk以内(ステップS4:YES)であった場合には、計算に使用している巻線抵抗値Rを修正する必要はないので、何もせずにステップS1に戻る。
ステップS4にて差|θe−θa|が所定誤差Δθkを超えていた場合は、回転位置θの推定精度が不十分と判断されるのでステップS5に移る。ステップS5〜S7では、推定精度を挙げるために巻線の抵抗値Rに修正を加える。まず、ステップS5では、同期パルスPが出力された瞬間における角速度推定値ωeと特定回転位置θaとの大きさを比較する。
角速度推定値ωeの方が大きかった場合にはステップS6に移り、現在の抵抗値Rに微小な値ΔRを加えた値を新たな抵抗値Rとする。反対に角速度推定値ωeの方が小さかった場合にはステップS7に移り、現在の抵抗値Rから微小な値ΔRを引いた値を新たな抵抗値Rとする。誘起電圧推定回路71には、現在使用している抵抗値RにΔRを加算するか減算するかの指示を送信し、推定に使用する抵抗値Rを修正させる。その後、ステップS8にて微小時間Δtだけ待機してステップS1に戻る。微小時間Δtだけ待機するのは、変更後の抵抗値Rを使用した推定が落ち着くまで待機する趣旨である。
このように回転子が特定回転位置θaになった瞬間における角速度推定値ωeの値がθaに一致していなかった場合には、θaに近づく方向に巻線の抵抗値Rに僅かな修正を加える。そして、その修正操作を繰り返すことにより回転子が特定回転位置θaになった瞬間における角速度推定値ωeをθaに集束させる。集束した時の抵抗値Rは、その時の(その巻線温度に対応した)抵抗値を表わしていることになる。
本実施形態のモータ制御装置40は、上述したような構成と制御フローによりその時の巻線の抵抗値Rを推定する。その推定演算は、回転速度が一定値以上で、ある程度安定している状態であれば何時でも実行することができる。即ち、洗濯機に洗濯をさせている状態において推定できるという大きな利点を有する。そして、そのようにして推定したその時の抵抗値Rを、直ちに角速度ωと回転位置θの推定演算に使用する。これにより角速度推定値ωeと回転位置推定値θeの精度が向上し、ベクトル制御によるモータ15の制御精度が向上する効果が得られる。その結果としてモータ効率の低下、振動・騒音の増大といった問題も生じなくなる。
ここで、回転位置センサ82が同期パルスPを出力する時の回転子の特定回転位置(特定電気角)θaの値を知る方法について説明する。この特定回転位置θaは、ホールセンサやエンコーダといった回転位置センサ82のモータ15への取り付け位置や取り付け方で決まる値である。従って、モータ15の機械的な寸法、例えば、機械構造図面上の寸法からその値θaを知ることができる。また、図面から読み取る他に、同期パルスPが出力される瞬間の角度を実際に測定して知ることもできる。
しかしながら、回転子の磁極数が多い場合には電気角2πに相当する機械角が小さい値となる。そのため、図面から読み取った特定回転位置の値と、同期パルスPが実際に出力される瞬間の回転位置とが一致しないこともあり得る。その対策として、図面から読み取る方法に代えて、次のように電気的にθaの値を検出するようにしてもよい。
前記(1)式は、d軸電流Idの値をゼロとした場合には次のようになる。
Ed=Vd+ωe・Lq・Iq (2)式
即ち、d軸方向の誘起電圧推定値Edの値は巻線抵抗値Rに無関係に算出される。即ち、巻線温度の影響を受けることなく角速度ωと回転位置θを推定することができる。
Ed=Vd+ωe・Lq・Iq (2)式
即ち、d軸方向の誘起電圧推定値Edの値は巻線抵抗値Rに無関係に算出される。即ち、巻線温度の影響を受けることなく角速度ωと回転位置θを推定することができる。
(2)式によれば、d軸電流Idの値をゼロとした運転の下で同期パルスPが出力された瞬間における角速度推定値ωeの値は、q軸インダクタンスLqの値が正確であれば特定回転位置θaに一致していると見なすことができる。q軸インダクタンスLqの値は、計算や実測で比較的精度良く把握することができ、温度による影響も殆ど受けない。従って、d軸電流Idの値をゼロとした運転状態では、角速度ωと回転位置θを精度良く推定できる。
こうした理由から、d軸電流Idの値をゼロとした運転を行ない、その状態で同期パルスPが出力された瞬間に読み取った回転位置θの値(推定特定回転位置の値に相当)を特定回転位置θaの値として扱うようにしてもよい。このような方法をとった場合には、回転位置センサ82のモータ15への取り付け位置は任意でよいことになり便利である。
なお、このd軸電流Idの値をゼロとした運転により特定回転位置θaの値を検出する方法の変形として、検出する際のq軸電流Iqの値を数段階に変化させ、q軸電流の範囲別に検出した特定回転位置θaを記憶しておくとよい。これは、q軸電流Iqの値によりq軸インダクタンスLqの値が微妙に変化し、検出される特定回転位置θaの値が僅かに異なってくるためである。
このようにq軸電流Iqの範囲別に特定回転位置θaを記憶した場合は、図3の制御フローのステップS4、S5においては、その時のq軸電流Iqの値に対応した特定回転位置θaを読み出して計算に使用する。このようにすれば、q軸電流Iqの値の影響を少なくすることができ、巻線抵抗値Rの推定精度を更に高めることができる。
また、図3の制御フローのステップS2では、角速度推定値ωeの変動幅が所定値以内であることを判定したが、角速度推定値ωeの代わりにq軸電流Iqの変動幅が所定値以内であることを判定してもよい。q軸電流Iqの変動幅が大きい時には巻線抵抗値Rの推定精度は悪くなり、またq軸電流Iqの変動幅が小さい時には角速度推定値ωeの変動も殆どの場合小さくなるからである。
図面中、1は洗濯機、15はモータ、19は回転子、40はモータ制御装置、42は回転位置推定回路、44は巻線抵抗推定回路、71は誘起電圧推定回路、82は回転位置センサ(回転位置検出手段)を示す。
Claims (8)
- 永久磁石を回転子に設けてなる三相永久磁石モータに流れる電流を永久磁石の作る磁束に平行なd軸電流とそれに直交するq軸電流とに分離し、それら電流成分がモータ回転速度を指令値に一致させるべく決めたそれぞれの電流指令値に一致するように独立して制御すると共に、該制御に必要な回転子の回転位置と回転速度とをモータ電流、モータ電圧、モータ回路定数を基に推定して前記制御に使用するモータ制御装置において、
回転子が特定回転位置になったことを検出して同期パルスを出力する回転位置検出手段と、
該回転位置検出手段が前記同期パルスを出力した時点における前記推定した回転位置の値が、前記特定回転位置の値に一致するように前記モータ回路定数の一つである電機子巻線の抵抗値を調整し、一致したときの抵抗値をその時点における電機子巻線の抵抗値と推定する巻線抵抗推定手段と、を更に備えることを特徴とするモータ制御装置。 - 請求項1に記載のモータ制御装置において、前記巻線抵抗推定手段は、回転子の前記特定回転位置の値として、d軸電流をゼロとした運転状態において前記回転位置検出手段が同期パルスを出力した時点における前記推定した回転位置の値である推定特定回転位置の値を用いることを特徴とするモータ制御装置。
- 請求項1または2に記載のモータ制御装置において、前記巻線抵抗推定手段は、前記推定した回転速度の変動が所定範囲内であるときに前記電機子巻線の抵抗値の推定を行なうことを特徴とするモータ制御装置。
- 請求項1または2に記載のモータ制御装置において、前記巻線抵抗推定手段は、前記q軸電流の変動が所定範囲内であるときに前記電機子巻線の抵抗値の推定を行なうことを特徴とするモータ制御装置。
- 請求項2に記載のモータ制御装置において、前記巻線抵抗推定手段は、q軸電流の範囲別に前記推定特定回転位置の値を記憶しておき、前記推定した回転位置と回転速度を用いて回転速度が制御されている状態において前記回転位置検出手段が前記同期パルスを出力した時の前記推定した回転位置を、その時のq軸電流が属する前記q軸電流の範囲に対応して記憶した推定特定回転位置の値に一致させるように前記推定に使用する電機子巻線の抵抗値を調整し、一致したときの抵抗値をその時点における電機子巻線の抵抗値と推定することを特徴とするモータ制御装置。
- 請求項1または2に記載のモータ制御装置において、前記回転位置検出手段としてホールセンサを使用したことを特徴とするモータ制御装置。
- 請求項1乃至6の何れかに記載のモータ制御装置を用いたことを特徴とする洗濯機。
- 永久磁石を回転子に設けてなる三相永久磁石モータに流れる電流を永久磁石の作る磁束に平行なd軸電流とそれに直交するq軸電流とに分離し、それら電流成分がモータ回転速度を指令値に一致させるべく決めたそれぞれの電流指令値に一致するように独立して制御すると共に、該制御に必要な回転子の回転位置と回転速度とをモータ電流、モータ電圧、モータ回路定数を基に推定して前記制御に使用するモータ制御方法であって、
d軸電流をゼロとした運転状態において回転子が特定回転位置になったことを回転位置検出手段により検出し、その時の前記推定した回転位置の値を推定特定回転位置の値として記憶しておく段階と、
前記回転位置検出手段により回転子が前記特定回転位置になったことが検出された時点における前記推定した回転位置の値が、記憶した前記推定特定回転位置の値に一致するように前記モータ回路定数の一つである電機子巻線の抵抗値を調整し、一致したときの抵抗値をその時点における電機子巻線の抵抗値と推定する段階と、を含むことを特徴とするモータ制御方法。
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JP2006052717A JP2007236068A (ja) | 2006-02-28 | 2006-02-28 | モータ制御装置、モータ制御方法および洗濯機 |
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CN101567654B (zh) * | 2008-04-25 | 2013-01-09 | 上海鲍麦克斯电子科技有限公司 | 采用空间矢量脉宽调制的电机控制方法及其控制器 |
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2006
- 2006-02-28 JP JP2006052717A patent/JP2007236068A/ja active Pending
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