JP2008099369A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 手作業での位置センサの調整などを行うことなく、位置センサの出力に基づいてモータを精度よく制御できるようにする。
【解決手段】 位置センサの出力に基づいてモータを制御する第１の制御手段と、位置センサの出力に依らずにモータの電気角Ｅ０を算出し、この電気角Ｅ０を用いてモータを制御する第２の制御手段と、第２の制御手段によりモータが制御される際に、位置センサの出力からモータの電気角Ｅ１を算出し、この電気角Ｅ１と第２の制御手段により算出される電気角Ｅ０との角度差Ｄから補正値を求める設定手段とを備える。
第２の制御手段は、モータを中速域ないし高速域の回転速度で回転するよう制御し、第１の制御手段は、位置センサの出力から算出したモータの電気角Ｅ１を設定手段により求められた補正値を用いて補正し、補正された電気角に基づいてモータを制御する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、位置センサの出力からモータの電気角を得て該モータを制御するモータ制御装置に関する。

従来、モータの制御において、センサを用いてロータの位置を検出し、これを利用することが行われているが、センサの取り付けの誤差など製造上の理由によりセンサの出力と実際のロータ位置とが正確に対応しないことがあり、この対応を正しく調整する作業に非常に手間がかかっている。そこで、例えば特許文献１に示すように、位置センサの出力を利用せずに、いわゆるセンサレス制御で検出した磁極位置と、位置センサの出力を使用して検出した磁極位置とを比較して補正値を求め、この補正値で位置センサの出力を使用して検出した磁極位置を補正することが考えられている。又、例えば特許文献２に示すように、モータを時計方向、反時計方向それぞれに回転させたときに得られる電流から検出ロータ位置と所定ロータ位置との誤差を求め、この誤差によりセンサの検出ロータ位置を補正することも考えられている。

一方、センサを用いてモータを制御する場合、センサからの信号は制御装置において処理して用いられるので、その処理時間の分だけ実際にはロータは回転し、その位置が進むことになる。そのため、制御装置で得られるロータ位置と、実際のロータ位置とに差（制御装置で得られるロータ位置から見ると遅れ）が生じることになり、この差（遅れ）が大きくなるほどモータの応答性や制御上の精度が悪化する。そこで、例えば特許文献３に示すように、モータ角速度に比例する補正値を加算してモータ角度を補正することが考えられている。

特開２００４−２０８３８５号公報 特開２００４−２７４８５５号公報 特開２００４−３３６９１３号公報

本発明の目的は、上記の従来の技術に代わり、位置センサの出力に基づいてモータを精度よく制御できるようにすることである。

上記の目的を達成するため、本発明は、モータを制御するモータ制御装置であって、ロータの位置を検出し、それに応じた信号を出力する位置センサと、該位置センサの出力から算出した上記モータの電気角に基づいて上記モータを制御する第１の制御手段と、上記位置センサの出力によらずに算出した上記モータの電気角に基づいて上記モータを制御する第２の制御手段と、該第２の制御手段により上記モータが制御される際に、上記位置センサの出力から上記モータの電気角を算出し、該電気角と上記第２の制御手段により算出される電気角との角度差から補正値を求める設定手段とを備え、上記第１の制御手段は、上記位置センサの出力から算出した上記モータの電気角を上記補正値を用いて補正し、補正された電気角に基づいて上記モータを制御するものであり、上記第２の制御手段は、上記モータを所定方向へ中速域ないし高速域の所定回転速度で回転するよう制御するものであることを特徴とする構成としている。

このような本発明によれば、第２の制御手段によりモータを中速域ないし高速域の回転速度で制御している間に、位置センサの出力から算出される電気角と、第２の制御手段により算出される電気角との角度差から補正値を求めるので、より実用的な補正値が得られる。そして、第１の制御手段によりモータを制御する際には、こうして求められた補正値を用いて位置センサの出力から算出される電気角が補正されてより正確なモータの電気角が求められるので、モータを精度よく制御することができる。

第２の制御手段によりモータを制御する所定方向は、モータの使い方、つまり第１の制御手段によるモータの制御の仕方に合わせて設定すればよく、例えば一方向へのみ回転させて使用するモータであれば、モータをその方向へ回転するよう制御して補正値を求めればよく、正転、逆転の両方向へ回転させて使用するモータであれば、モータを正転方向、逆転方向それぞれに回転するよう制御して補正値を求めればよい。又、第２の制御手段によりモータを制御する所定回転速度も、モータの使い方に合わせて設定すればよく、例えば主に中速域で使用するモータであれば、モータを中速域の回転速度で回転するよう制御して補正値を求めればよく、中速域、高速域ともによく使用するモータであれば、モータを中速域の回転速度と、高速域の回転速度とで回転するよう制御して補正値を求めればよい。
但し、複数の回転方向（正転、逆転の両方向）、複数の回転速度、又はそれらを組み合わせてモータを制御して補正値を求めるようにすれば、得られる補正値の正確性や実用性は高まるが、補正値を得るのに時間がかかることになる。

本発明において、上記第２の制御手段は、上記モータを所定回転速度で正転させる正転制御パターンと、同回転速度で逆転させる逆転制御パターンとで順に制御するものであり、上記設定手段は、上記各制御パターンで制御されるときの上記角度差を平均して上記補正値を求めるものとすることができる。

このようにすれば、第１の制御手段によりモータを正転、逆転させて補正値が求められる。このとき、同回転速度でモータを正転、逆転させるので、補正値にモータの回転方向の違いによる影響を反映させることができ、正転、逆転を併用するモータにとって適した補正値が得られる。尚、正転制御パターンと逆転制御パターンとをどのような順で実施するか（どちらを先に実施するか）は適宜設定すればよい。

上記の構成において、上記設定手段は、上記各制御パターンで制御されるときの上記角度差の平均値であるオフセット補正値を求めると共に、上記各制御パターンで制御されるときの上記角度差の差から上記モータの回転速度に応じた補正を行うための補正係数を求めるものであり、上記第１の制御手段は、上記位置センサの出力から算出した上記モータの電気角から上記モータの回転速度を算出し、該回転速度に上記補正係数を乗算してディレイ補正値を求めると共に、上記位置センサの出力から算出した上記モータの電気角に上記オフセット補正値及び上記ディレイ補正値を加算することで補正を行うものとすることができる。

このようにすれば、位置センサの出力から算出されるモータの電気角に対し、製造上のばらつき等による誤差分がオフセット補正値により補正されるようになり、制御上の遅れによる誤差分がディレイ補正値により補正されるようになる。従って、位置センサの出力からより正確な電気角が求められるので、モータをより精度よく制御することができる。

又、本発明において、上記第２の制御手段は、上記モータを第１の回転速度で正転させる第１の正転制御パターンと、上記第１の回転速度で逆転させる第１の逆転制御パターンと、上記第１の回転速度よりも速く設定される第２の回転速度で正転させる第２の正転制御パターンと、上記第２の回転速度で逆転させる第２の逆転制御パターンとで順に制御するものであり、上記第１の回転速度は上記モータの中速域に設定され、上記第２の回転速度は高速域に設定されており、上記設定手段は、上記各制御パターンで制御されるときの上記角度差を平均して上記補正値を求めるものとすることができる。

このようにすれば、中速域の第１の回転速度と高速域の第２の回転速度とでモータを正転、逆転させて補正値を求めることができるので、幅広い速度域で正転、逆転を併用するモータにとって適した補正値が得られる。尚、第１の正転制御パターン、第１の逆転制御パターン、第２の正転制御パターン、及び第２の逆転制御パターンをどのような順で実施するかは適宜設定すればよく、例えば、第２の正転制御パターン→第１の正転制御パターン→第２の逆転制御パターン→第１の逆転制御パターンというようにすればよい。

上記の構成において、上記設定手段は、上記各制御パターンで制御されるときの上記角度差の平均値であるオフセット補正値を求めると共に、上記第１の回転速度で制御する上記各制御パターンで制御されるときの上記角度差の差と、上記第２の回転速度で制御する上記各制御パターンで制御されるときの上記角度差の差とから上記モータの回転速度に応じた補正を行うための補正係数を求めるものであり、上記第１の制御手段は、上記位置センサの出力から算出した上記モータの電気角から上記モータの回転速度を算出し、該回転速度に上記補正係数を乗算してディレイ補正値を求めると共に、上記位置センサの出力から算出した上記モータの電気角に上記オフセット補正値及び上記ディレイ補正値を加算することで補正を行うものとすることができる。

このようにすれば、中速域の第１の回転速度と高速域の第２の回転速度とでモータを正転、逆転させたときの角度差、つまり４種類の角度差からオフセット補正値を求め、又、中速域の第１の回転速度でモータを正転、逆転させたときの角度差の差と、高速域の第２の回転速度でモータを正転、逆転させたときの角度差の差とから補正係数を求め、モータの回転速度に補正係数を乗算してディレイ補正値を求めることになる。そのため、幅広い速度域で正転、逆転を併用するモータにとって適したオフセット補正値及びディレイ補正値が得られる。そして、これらにより補正を行うことで、製造上のばらつき等による誤差分がオフセット補正値により補正されると共に、制御上の遅れによる誤差分がディレイ補正値により補正されて、より正確な電気角が求められるようになる。

尚、補正係数は、回転速度０から実用上の最高回転速度までの範囲、つまり低速域、中速域、及び高速域で共通のものとして求めることができる他、例えば回転速度０から第１の回転速度までの範囲と、第１の回転速度から第２の回転速度までの範囲と、第２の回転速度から最高回転速度までの範囲というように区分して、それぞれの範囲について求めることができる。もちろん、設定手段で複数の補正係数を求める場合は、第１の制御手段において、算出されるモータの回転速度に応じてディレイ補正値の算出に用いる補正係数を選択することになる。

以上に説明したように、本発明によれば、第２の制御手段によりモータを中速域ないし高速域の回転速度で制御している間により実用的な補正値が得られ、第１の制御手段によりモータを制御する際には、この補正値を用いて位置センサの出力から算出される電気角の補正を行うので、より正確なモータの電気角が求められる。その結果、モータを精度よく制御することができる。

以下、本発明の実施例を、図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、この実施例はモータ１を制御するためのものであり、モータ１にはロータの位置を検出する位置センサ２が設けられている。位置センサ２からの出力はコントローラ３に入力されるようになっており、コントローラ３によりインバータ４が制御されることで、図示しないバッテリからインバータ４を通してモータ１へ電力が供給され、ロータの回転（以下、モータ１の回転ともいう）がなされる。インバータ４とモータ１との間で流れる電流は、電流センサ５，６により検出されるようになっている。

モータ１は、ロータに永久磁石を用いた３相ブラシレスモータであり、位置センサ２は、ロータと一体的に回転する磁石からなる被検出部と、この被検出部の磁界の強さに比例した信号（電圧）を出力する検出部とからなるアナログ型のホールセンサである。電流センサ５，６は何れも３相のうちの１相について電流を検出するものであり、電流センサ５，６の出力もコントローラ３に入力されモータ１の制御に利用される。

図１に示すように、コントローラ３は、外部からの信号を受けてモータ１を制御するための指令を行う指令部３１と、指令部３１からの指令を受けてインバータ４を制御する駆動部３２と、電流センサ５，６の出力からモータ１の電気角Ｅ０を算出する角度演算部３３と、位置センサ２の出力からモータ１の電気角Ｅ１を算出する角度演算部３４と、電気角Ｅ１からモータ１の回転速度Ｖを算出する速度演算部３５と、補正を行うためのオフセット補正値Ｘ及び補正係数Ｋを設定する設定部３６とを備える。

指令部３１は、位置センサ２の出力に基づいたモータ１の制御を行う運転モードと、位置センサ２の出力によらないモータ１の制御、いわゆるセンサレス制御を行う調整モードとの何れかのモード下で指令を行うものであり、予め調整モードでのモータ１の制御がなされた後に運転モードでの制御が行われる。
調整モード下では、回転速度Ｖａで正転、同速度で逆転、回転速度Ｖｂで正転、同速度で逆転の４つの制御パターンで制御がなされるようになっており、駆動部３２は、指令部３１からの回転速度及び回転方向の指令と、角度演算部３３で得られる電気角Ｅ０とに基づいてインバータ４を制御する。そして、この間に得られる電気角Ｅ０と角度演算部３４で得られる電気角Ｅ１とから、設定部３６は、後述するようにオフセット補正値Ｘ及び補正係数Ｋを算出する。
運転モード下では、外部からの信号を受けて所望の回転速度及び回転方向が指令部３１から指令され、駆動部３２は、これらの指令と、角度演算部３４で得られる電気角Ｅ１をオフセット補正値Ｘ及び補正係数Ｋで補正して得られる電気角Ｅ１ｍとに基づいてインバータ４を制御する。

図２に示すように、角度演算部３３は、電流センサ５，６の出力からモータ１の電気角Ｅ０を算出し、又、角度演算部３４は、位置センサ２の出力からモータ１の機械角Ｍを算出し、この機械角Ｍからモータ１の電気角Ｅ１を算出する。こうして求められる電気角Ｅ０と電気角Ｅ１との位相差が角度差Ｄであり、電気角Ｅ１の方が進んでいれば角度差Ｄは正の値として求められ、電気角Ｅ１の方が遅れていれば角度差Ｄは負の値として求められる。

尚、この実施例では、モータ１の回転速度Ｖ＝０から実用上の最高回転速度Ｖｍａｘまでを３等分し、下から順に低速域、中速域、高速域と称している。又、回転速度Ｖａは中速域における中間の回転速度（Ｖｍａｘの１／２）、回転速度Ｖｂは高速域における中間の回転速度（Ｖｍａｘの５／６）としている。

以下、調整モードにおける処理の流れを説明する。

図３に示すように、駆動部３２は先ずモータ１を正転方向に回転速度Ｖａで回転するようセンサレス制御し（Ｓ１）、設定部３６はこのときに得られる電気角Ｅ０と電気角Ｅ１との角度差Ｄａｎを算出する（Ｓ２）。次に、駆動部３２はモータ１を正転方向に回転速度Ｖｂで回転するようセンサレス制御し（Ｓ３）、設定部３６はこのときに得られる電気角Ｅ０と電気角Ｅ１との角度差Ｄｂｎを算出する（Ｓ４）。更に、駆動部３２はモータ１を逆転方向に回転速度Ｖａで回転するようセンサレス制御し（Ｓ５）、設定部３６はこのときに得られる電気角Ｅ０と電気角Ｅ１との角度差Ｄａｒを算出する（Ｓ６）。最後に、駆動部３２はモータ１を逆転方向に回転速度Ｖｂで回転するようセンサレス制御し（Ｓ７）、設定部３６はこのときに得られる電気角Ｅ０と電気角Ｅ１との角度差Ｄｂｒを算出する（Ｓ８）。
こうして４つの角度差Ｄａｎ，Ｄｂｎ，Ｄａｒ，Ｄｂｒが得られると、設定部３６はこれら角度差を平均してオフセット補正値Ｘを算出する（Ｓ９）。更に、設定部３６は、回転速度Ｖａで正転させたときの角度差Ｄａｎと逆転させたときの角度差Ｄａｒとの差Ｙａを求め（Ｓ１０）、回転速度Ｖｂで正転させたときの角度差Ｄｂｎと逆転させたときの角度差Ｄｂｒの差Ｙｂを求める（Ｓ１１）。そして、設定部３６は角度差の差Ｙａ，Ｙｂを用いて補正係数Ｋを算出する（Ｓ１２）。つまり、角度差の差Ｙａは回転速度Ｖａでのディレイ補正値Ｙの実測値、角度差の差Ｙｂは回転速度Ｖｂでのディレイ補正値Ｙの実測値とみなして、図４に示すように、ディレイ補正値Ｙ＝補正係数Ｋ×回転速度Ｖとなるよう最小二乗法により補正係数Ｋを算出する。算出されたオフセット補正値Ｘと補正係数Ｋとは設定部３６に記憶され（Ｓ１３）、これでオフセット補正値Ｘ及び補正係数Ｋの設定が完了し、調整モードでの処理が終了する。

このようにしてオフセット補正値Ｘ及び補正係数Ｋが得られた上で、運転モードでのモータ１の制御が行われる。尚、前述の調整モードでの一連の処理は、運転モードでの制御を行おうとする度に行うこともできるが、こうすると運転モードでの制御を開始するまでに時間を要することになる。そのため、運転モードでの制御を速やかに開始させたい場合には、モータ１やコントローラ３の点検に合わせて行うなど所定の時期に前もって行うようにすればよい。

以下、運転モードにおける処理の流れを説明する。

図５に示すように、角度演算部３４は位置センサ２の出力からモータ１の電気角Ｅ１を算出し（Ｓ１）、この電気角Ｅ１から速度演算部３５はモータ１の回転速度Ｖを算出する（Ｓ２）。駆動部３２は得られた回転速度Ｖに設定部３６で記憶されている補正係数Ｋを乗算してディレイ補正値Ｙを算出し（Ｓ３）、算出されたディレイ補正値Ｙと、記憶されているオフセット補正値Ｘとを電気角Ｅ１に加算することで補正を行う（Ｓ４）。そして、駆動部３２は補正された電気角Ｅ１ｍを用いてモータ１を制御する（Ｓ５）。

このような実施例によれば、調整モードでモータ１を回転速度Ｖａ，Ｖｂでそれぞれ正転、逆転するようセンサレス制御している間に、角度演算部３３で算出される電気角Ｅ０と角度演算部３４で算出される電気角Ｅ１との角度差Ｄａｎ，Ｄｂｎ，Ｄａｒ，Ｄｂｒからオフセット補正値Ｘを求めるので、より実用的なオフセット補正値Ｘが得られる。又、センサレス制御により回転速度Ｖａでモータ１を正転、逆転させたときの角度差の差Ｙａと、回転速度Ｖｂでモータ１を正転、逆転させたときの角度差の差Ｙｂとから補正係数Ｋを求め、モータ１の回転速度Ｖに補正係数Ｋを乗算してディレイ補正値Ｙを求めるので、より実用的なディレイ補正値Ｙが得られる。そして、位置センサ２を用いて運転モードでモータ１を制御する際には、こうして求められたオフセット補正値Ｘとディレイ補正値Ｙとで位置センサ２の出力から算出される電気角Ｅ１が補正され、より正確なモータ１の電気角Ｅ１ｍが求められるので、モータ１を精度よく制御することができる。

尚、上記の実施例では、調整モードにおいて４つの制御パターンでセンサレス制御を行うようにしているが、本発明はこれに限られるものではなく、更に制御パターンの数を増やしてオフセット補正値Ｘ、ディレイ補正値Ｙの精度を高めるようにしてもよい。

又、上記の実施例では、ディレイ補正値Ｙはモータの回転速度Ｖに比例するものとして１つの補正係数Ｋ（回転速度Ｖによらず補正係数Ｋは一定値）を求めているが、速度域に応じて異なる補正係数を求めるようにすることも可能である。例えば図６に示すように、回転速度Ｖ≦Ｖａの範囲で用いる補正係数Ｋ１と、回転速度Ｖ＞Ｖａの範囲で用いる補正係数Ｋ２とを区別して求めることができる。このようにすれば、求められる角度差の差Ｙａ，Ｙｂにより則した補正係数を得ることができるが、その分だけディレイ補正値Ｙを得るための演算は複雑になる。

本発明の実施例の機能ブロック図である。 本発明の実施例の説明図である。 本発明の実施例における調整モードでの制御フロー図である。 本発明の実施例の説明図であり、モータの回転速度とディレイ補正値との関係を示す。 本発明の実施例における運転モードでの制御フロー図である。 本発明の他の実施例の説明図であり、モータの回転速度とディレイ補正値との関係を示す。

符号の説明

１ モータ
２ 位置センサ
３ コントローラ
３１ 指令部
３２ 駆動部
３３ 角度演算部
３４ 角度演算部
３５ 速度演算部
３６ 設定部
４ インバータ
５ 電流センサ
６ 電流センサ

Claims (5)

1. モータを制御するモータ制御装置であって、
   ロータの位置を検出し、それに応じた信号を出力する位置センサと、該位置センサの出力から算出した上記モータの電気角に基づいて上記モータを制御する第１の制御手段と、上記位置センサの出力によらずに算出した上記モータの電気角に基づいて上記モータを制御する第２の制御手段と、該第２の制御手段により上記モータが制御される際に、上記位置センサの出力から上記モータの電気角を算出し、該電気角と上記第２の制御手段により算出される電気角との角度差から補正値を求める設定手段とを備え、
   上記第１の制御手段は、上記位置センサの出力から算出した上記モータの電気角を上記補正値を用いて補正し、補正された電気角に基づいて上記モータを制御するものであり、
   上記第２の制御手段は、上記モータを所定方向へ中速域ないし高速域の所定回転速度で回転するよう制御するものであることを特徴とするモータ制御装置。
2. 上記第２の制御手段は、上記モータを所定回転速度で正転させる正転制御パターンと、同回転速度で逆転させる逆転制御パターンとで順に制御するものであり、
   上記設定手段は、上記各制御パターンで制御されるときの上記角度差を平均して上記補正値を求めるものであることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 上記設定手段は、上記各制御パターンで制御されるときの上記角度差の平均値であるオフセット補正値を求めると共に、上記各制御パターンで制御されるときの上記角度差の差から上記モータの回転速度に応じた補正を行うための補正係数を求めるものであり、
   上記第１の制御手段は、上記位置センサの出力から算出した上記モータの電気角から上記モータの回転速度を算出し、該回転速度に上記補正係数を乗算してディレイ補正値を求めると共に、上記位置センサの出力から算出した上記モータの電気角に上記オフセット補正値及び上記ディレイ補正値を加算することで補正を行うものであることを特徴とする請求項２に記載のモータ制御装置。
4. 上記第２の制御手段は、上記モータを第１の回転速度で正転させる第１の正転制御パターンと、上記第１の回転速度で逆転させる第１の逆転制御パターンと、上記第１の回転速度よりも速く設定される第２の回転速度で正転させる第２の正転制御パターンと、上記第２の回転速度で逆転させる第２の逆転制御パターンとで順に制御するものであり、上記第１の回転速度は上記モータの中速域に設定され、上記第２の回転速度は高速域に設定されており、
   上記設定手段は、上記各制御パターンで制御されるときの上記角度差を平均して上記補正値を求めるものであることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
5. 上記設定手段は、上記各制御パターンで制御されるときの上記角度差の平均値であるオフセット補正値を求めると共に、上記第１の回転速度で制御する上記各制御パターンで制御されるときの上記角度差の差と、上記第２の回転速度で制御する上記各制御パターンで制御されるときの上記角度差の差とから上記モータの回転速度に応じた補正を行うための補正係数を求めるものであり、
   上記第１の制御手段は、上記位置センサの出力から算出した上記モータの電気角から上記モータの回転速度を算出し、該回転速度に上記補正係数を乗算してディレイ補正値を求めると共に、上記位置センサの出力から算出した上記モータの電気角に上記オフセット補正値及び上記ディレイ補正値を加算することで補正を行うものであることを特徴とする請求項４に記載のモータ制御装置。

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