JP2009254040A - モータ駆動装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＷＭキャリア周波数を時間とともに変化させるモータ駆動装置において、モータ電流の検出とモータ電気角の検出を同時に行う。
【解決手段】キャリア周波数変更部８は、ＰＷＭ変調のキャリア周波数を時間経過と共に変更し、またキャリア周波数の変更に応じて、矩形波位相調整部１５へ矩形波の立ち上がり立ち下がりタイミングの調整を指示する。矩形波発生部１６は、調整された位相で矩形波を発生する。矩形波はＬＰＦ６を通過して正弦波の励磁信号として励磁コイル２０へ供給される。検出コイル２１の出力は、レゾルバ出力信号検出部１３で検出され、モータ電気角演算部１４で電気角が演算される。キャリア波形生成部９は、キャリア波形の谷でモータ電流検出部１１及びレゾルバ出力信号検出部１３へ同時にサンプリングのタイミングを指示する。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータに流れる電流とモータの回転位置（電気角）を検出してモータをＰＷＭ駆動するモータ駆動装置及びその制御方法に関する。

モータに流れる相電流を検出する装置として、モータの各相に流れる電流を、インバータの各負側アームを構成するスイッチ素子と基準電位との間に各々負側シャント抵抗を挿入し、負側シャント抵抗の電圧降下により各相に流れる電流を検出する技術が知られている（例えば、特許文献１）。

また、モータの回転位置（電気角）を検出するモータ電気角検出装置として、レゾルバが用いられている。このレゾルバの出力信号から回転位置を得る変換手段として、デジタル信号への変換を行うＲ／Ｄコンバータを用いないＲ／Ｄコンバータレスの構成が用いられてる（例えば特許文献２）。

Ｒ／Ｄコンバータレスのモータ電気角の検出方法について、簡単に説明する。レゾルバの回転子（ロータ）に設けられた励磁コイルに正弦波状の信号を印加すると、固定子（ステータ）に形成された２つの検出コイル（余弦コイル、正弦コイル）に信号が誘起される。ここで検出コイルに誘起される信号は、回転子が回転することにより、励磁信号に印加された正弦波状信号がそれぞれ余弦波、正弦波で振幅変調された信号となる。すなわち以下の様に記述することができる。

励磁コイルの入力 sin(ωt) ωは正弦波の角速度、tは時間
検出コイルの出力 余弦コイル sin(ωt)×Ａcosθ
正弦コイル sin(ωt)×Ａsinθ θはモータ電気角、Ａは定数
余弦コイル出力および正弦コイル出力から、モータ電気角θは以下の式で求められる。

θ＝tan-1｛（sin(ωt)×Ａsinθ）／（sin(ωt)×Ａcosθ）｝
＝tan-1（sinθ／cosθ）
ただし、検出コイルの実際の出力には、励磁信号の正弦波成分が含まれている。従ってモータ電気角を検出するためには、各出力信号の包絡線波形の振幅を検出することが必要で、そのためには各出力信号のピークのタイミングで出力信号を検出する必要がある。

さらに、モータをＰＷＭ駆動するときに、駆動回路を構成するスイッチ素子の開閉に起因した電磁放射ノイズ（ＥＭＩ）を低減するために、ＰＷＭのキャリア周波数を変動させる技術が知られている（例えば、特許文献３）。
特開平６−３５１２８０号公報 特開２００５−２１０８３９号公報 特開平７−９９７９５号公報

前記従来技術で説明したモータ駆動装置、すなわちモータ電流検出を負側シャント抵抗を用いて行う構成であるとともに、モータ電気角検出をレゾルバを用いてＲ／Ｄコンバータレスで行う構成の場合に、ＥＭＩを抑制するためにＰＷＭのキャリア周波数を時間とともに変化させることを考える。

負側シャント抵抗を用いたモータ電流検出手法では、スイッチング回路の負側アームに電流が流れているタイミング（例えば、キャリア三角波の谷（山の場合もあり）のタイミング）で電流を検出する必要がある。キャリア周波数が時間とともに変化するということは、キャリア三角波の谷のタイミングが一定間隔とはならず、変化することになる。

一方モータ電気角の検出は、レゾルバの励磁コイルを励磁する正弦波のピークのタイミングで行わなければならないが、この正弦波信号は一定周期であることから、モータ電気角検出のタイミングは一定となる。

したがって、キャリア周波数を時間とともに変化させた場合、モータ電流の検出とモータ電気角の検出を常に同時に行うことは不可能となるという問題点があった。

上記問題点を解決するために、本発明は、モータにＰＷＭ変調したモータ電流を供給するスイッチング回路と、モータ電流を検出するモータ電流検出手段と、レゾルバを用いてモータの電気角を検出するモータ電気角検出手段と、ＰＷＭ変調のキャリア周波数を変更するキャリア周波数変更手段とを有するモータ駆動装置において、モータ電流検出手段は、電流検出が可能なタイミングが限定される構成からなり、レゾルバを励磁する励磁信号生成手段は、キャリア周波数の変更に合わせて、モータ電流検出手段によりモータ電流が検出されるタイミングに、励磁信号のピークのタイミングを一致させるように、励磁信号の位相を調整することを要旨とする。

上記構成の本発明によれば、モータ電気角の検出を行うタイミングに合わせてレゾルバの励磁信号の位相を調整することができるので、モータ電流の検出タイミングが限定され、かつモータ電気角の検出をレゾルバを用いてＲ／Ｄコンバータレスの手法で行う構成において、キャリア周波数を時間とともに変化させた場合にモータ電流検出とモータ電気角検出を同時に行うことが可能となるという効果がある。

次に、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係るモータ駆動装置の制御装置の実施例の構成を示すブロック図である。本実施例において、モータ駆動装置１により駆動されるモータ２は、永久磁石型３相同期モータを例に説明するが、駆動されるモータは、永久磁石型３相同期モータに限定されることはない。

図１において、モータ駆動装置１は、モータ駆動装置の制御装置であるマイクロコンピュータ３と、モータ２へ３相電力を供給するインバータ４と、モータ２の回転位置（電気角）を検出するレゾルバ５と、矩形波から正弦波を生成する正弦波生成部であるローパスフィルタ（ＬＰＦ）６とを備えている。

インバータ４は、３相ブリッジ回路の各負側のスイッチ素子（負側アームとも呼ばれる）と基準電位との間に、それぞれ電流検出のための負側シャント抵抗を備えている。これらの負側シャント抵抗の電圧は、後述するマイクロコンピュータ３のモータ電流検出回路１１へ入力されている。このように、本実施例では、負側シャント抵抗を用いてモータ電流の検出を行う構成とすることにより、ホール効果により電流検出を行う電流センサ等を用いて３相モータの各相電流を直接検出する場合に比べて、安価に実現することができる。

レゾルバ５は、励磁コイル２０と、検出コイル２１とを備えている。励磁コイル２０は、ローパスフィルタ６から与えられる正弦波状の励磁信号により励磁する。また励磁コイル２０は、モータ２のロータ又は回転軸に固着され回転軸と一体に回転する。検出コイル２１は、図示しない正弦コイルと余弦コイルを備え、励磁コイル２０からの磁界を受けて正弦信号および余弦信号を出力する。

マイクロコンピュータ３は、インバータ４を構成する各スイッチング素子へ駆動信号を供給するゲート信号生成部７と、レゾルバ５の検出コイル２１が出力する信号のピークを検出するレゾルバ出力信号検出部１３と、レゾルバ出力信号検出部１３の出力に基づいてモータ電気角を演算するモータ電気角演算部１４と、矩形波の立ち上がり及び立ち下がりタイミングを調整する矩形波位相調整部１５と、レゾルバ励磁信号の素となる矩形波を発生する矩形波生成部１６とを備えている。

ゲート信号生成部７は、ＰＷＭ変調のキャリア周波数を時間経過と共に変更するキャリア周波数変更部８と、キャリア周波数変更部８が指示する周波数でキャリア波形を生成するキャリア波形生成部９と、キャリア波形と指令値とを比較してインバータのゲート信号を生成するＰＷＭ比較部１０と、インバータ４から出力される負側シャント抵抗電圧に基づいてモータ電流を検出するモータ電流検出部１１と、モータ電流及びモータ電気角に基づいて指令値を生成する指令値生成部１２とを備えている。

ゲート信号生成部７は、キャリア周波数変更部８で決定されるキャリア周波数のキャリア三角波をキャリア波形生成部９で発生させる。またインバータ４から出力される負側シャント抵抗電圧からモータ電流検出部１１によりモータ電流を検出する。指令値生成部１２は、モータ電流検出値とモータ電気角検出値を素に演算することで、指令値を生成する。その指令値とキャリア三角波とをＰＷＭ比較部１０で比較し、その大小関係からインバータ４の６個のスイッチ素子のゲートに対してオンオフ信号を印加する。

一方マイクロコンピュータ３内部には、モータ電気角を検出するための構成として、レゾルバ出力信号検出部１３、モータ電気角演算部１４、矩形波位相調整部１５、及び矩形波生成部１６が含まれている。矩形波生成部１６は、レゾルバ５の励磁信号の素になる矩形波を発生する。この信号をローパスフィルタ６を通すことで正弦波状の信号を生成する。この信号を励磁信号としてレゾルバ５の励磁コイル２０に印加する。レゾルバ５の検出コイル２１の出力信号（余弦信号、正弦信号）は、レゾルバ出力信号検出部１３によって、励磁信号のピークのタイミングでサンプリングされる。

このサンプリングのタイミングは、キャリア波形生成部９から指示される。同時に、キャリア波形生成部９は、モータ電流検出部１１へ負側シャント抵抗における電圧降下値のサンプリングのタイミングも指示する。モータ電流検出部１１は、例えば周知のサンプル・ホールド回路とＡ／Ｄ変換回路とを内蔵し、負側シャント抵抗の電圧からモータ電流のディジタル値を演算する。

モータ電気角演算部１４は、レゾルバ出力信号検出部１３によるサンプリング値から、モータ電気角を演算する。その演算結果であるモータ電気角の値は、指令値生成部１２に入力され、指令値の演算に使用される。

次に、矩形波位相調整部１５について説明する。今、ＰＷＭのキャリア周波数を時間とともに変化させる。この時、モータ電流検出とモータ電気角検出を同時に行うためには、キャリア三角波の谷のタイミングと、励磁信号のピークタイミングを一致させる必要がある。矩形波位相調整部１５は、励磁信号のピークタイミングが、キャリア三角波の谷のタイミングに一致するように、励磁信号の素となる矩形波の立上り、立下りのタイミングを調整するものである。

本実施例において、矩形波位相調整部を設けたことにより、キャリア周波数を時間とともに変化させた場合でもモータ電流検出とモータ電気角検出を同時に行うことが可能となるという効果がある。

図２は、（ａ）キャリア三角波、（ｂ）検出タイミング、（ｃ）励磁信号、（ｄ）励磁信号の素となる矩形波の時間変化の例である。キャリア三角波の周期が変化すると、モータ電流の検出タイミングとモータ電気角の検出タイミングとの両方が一定ではなくなる。この例では、モータ電流とモータ電気角の検出をキャリア周期２周期毎に行っている。

その検出タイミングは、キャリア三角波の谷のタイミングであるが、その検出タイミングが励磁信号のピークのタイミングと一致している。これは、一致するように励磁信号の素となる矩形波の立上り、立下りのタイミングをキャリア周期の変化に応じて調整しているからである。

図２において、Δt1d、Δt1u、Δt2d、Δt2u、Δt3d、及びΔt3uで示す各時間は、矩形波の立上り、立下りのタイミングとキャリア三角波の谷のタイミングとの時間的なずれ（調整時間）である。この時間をキャリア周波数の変化に対応させて決めることで、励磁信号のピークをキャリア三角波の谷と同時にすることができる。なおこれら調整時間は、キャリア周期と１対１の関係になっているのではなく、あるキャリア周期に対して、その前後のキャリア周期の変化がどうなっているかということにより決まる。

例えば、キャリア周期がTc1 →Tc1 →Tc2 →Tc2 →Tc3 →Tc3 （繰り返し）と変化する場合と、Tc2 →Tc2 →Tc1 →Tc1 →Tc3 →Tc3 （繰り返し）と変化する場合は、同じキャリア周期Tc1 での調整時間Δt1d 、t1u は異なる。従って、本実施例では、この関係、すなわちキャリア周期の時間変化と矩形波の立ち上がり、立ち下がりの調整時間との対応関係を予めマイクロコンピュータ３が内蔵する制御マップに記憶させておくこととする。

この制御マップは、例えばキャリア周波数変更部８の一部として構成される。これにより、キャリア周波数の時間変化のさせ方を任意に決めた場合に、キャリア周波数変更部８から制御マップを読み出して、矩形波位相調整部１５へ調整時間を指示することができる。これにより、キャリア周波数の変更に対応した矩形波の位相を容易に設定することが可能となるという効果がある。

さて、上記の様にキャリア周波数を時間とともに変化させ、それに対応して励磁信号の素になる矩形波の立上り、立下りタイミングを調整した場合、矩形波を入力した時のローパスフィルタ６の出力である励磁信号は、振幅が一定とはならない。この励磁コイル２０を励磁する励磁信号の振幅の変化により、検出コイル２１から出力される正弦信号及び余弦信号の振幅が変化し、結果としてモータ電気角検出の精度の悪化が懸念される。

図３は、レゾルバ５の励磁コイル２０へ、一定振幅の正弦波状の励磁信号を供給するために、振幅補正部２３を備えた構成を示す図である。

図３において、矩形波発生部１６から、立上り、立下りのタイミングをキャリア周期の変化に対応させて調整した矩形波が出力される。ローパスフィルタ６は、この矩形波の低周波成分のみを通過させることで正弦波状信号を生成する。この正弦波状信号は、振幅が変化するため、この信号を振幅補正部２３に入力し、振幅を一定とする。振幅が一定となった正弦波状信号を励磁信号として、レゾルバ５の励磁コイル２０に入力する。

このような構成とすることで、レゾルバの出力波形からモータ電気角θを求める場合の精度の低下を防止することが可能となる。

図４は、ローパスフィルタ６と励磁コイル２０との間に振幅補正部２３を挿入して、励磁コイルへ供給する正弦波状の励磁信号の振幅を一定とする構成例を示すブロック回路図である。この振幅補正部２３は、ラジオ受信機などで用いられるオートゲインコントロール（ＡＧＣ；自動利得制御）を応用したものである。

図４において、振幅補正部２３は、利得可変増幅手段である増幅器３１と、増幅器３１で増幅された正弦波状信号を検波する検波器３２と、検波器３２の出力で増幅器３１の利得を制御するためのＡＧＣ回路３３とを備えている。

ローパスフィルタ６の出力の正弦波状信号は、増幅器３１へ入力される。増幅器３１はローパスフィルタ６の出力を増幅して、励磁コイル２０および検波器３２へ出力する。検波器３２は、増幅器３１の出力を検波（整流）し、直流レベルを出力する。ＡＧＣ回路３３は、検波器３２の出力を増幅器３１の利得制御に適するように、増幅、減衰、レベルシフト等の操作を行って、増幅器３１の利得制御信号を生成し、これを増幅器３１へ供給する。増幅器３１は、この利得制御信号により利得（増幅度）を変化させる。

この利得の変化方向は、検波器３２の出力の直流レベルが高くなる場合には、増幅器３１の利得が低下する方向へ、これとは逆に、検波器３２の出力の直流レベルが低くなる場合には、増幅器３１の利得が増加する方向へ、それぞれ変化させる。この結果として、増幅器３１の正弦波状信号の出力振幅は一定となる。

このように、励磁信号の振幅補正部を備える構成とすることにより、レゾルバの出力から電気角θを求める際に、すなわちθ＝ tan-1（Ａsinθ／Ａcosθ）の関係において、Ａsinθ／Ａcosθの値が０に近い、すなわちθが０に近い場合でもθの検出精度の低下を抑制することができるという効果がある。

以上本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は上記構成に限定されるものではない。例えば、モータ電流の検出は、各相の負側シャント抵抗で行う場合のみならず、負側アームの導体周囲の磁界を検出する磁気センサ等、電流検出が常時可能ではなく、限定されたタイミングでのみ可能な構成を全て含むことは明らかである。

本発明に係るモータ駆動装置の実施例の構成を示すシステム構成図である。 本発明の実施例における（ａ）キャリア三角波、（ｂ）検出タイミング、（ｃ）励磁信号、（ｄ）励磁信号の素となる矩形波をそれぞれ示すタイミングチャートである。 本発明の実施例における励磁信号の振幅補正のブロック図である。 本発明の実施例における励磁信号の振幅補正部の構成例を示すブロック図である。

符号の説明

１ モータ駆動装置
２ モータ
３ マイクロコンピュータ（制御装置）
４ インバータ
５ レゾルバ
６ ＬＰＦ（正弦波生成部）
７ ゲート信号生成部
８ キャリア周波数変更部
１０ ＰＷＭ比較部
１１ モータ電流検出部
１２ 指令値生成部
１３ レゾルバ出力信号検出部
１４ モータ電気角演算部
１５ 矩形波位相調整部
１６ 矩形波生成部
２０ 励磁コイル
２１ 検出コイル
２３ 振幅補正部

Claims (6)

1. モータにＰＷＭ変調したモータ電流を供給するスイッチング回路と、モータ電流を検出するモータ電流検出手段と、レゾルバを用いて前記モータの電気角を検出するモータ電気角検出手段と、前記ＰＷＭ変調のキャリア周波数を変更するキャリア周波数変更手段とを有するモータ駆動装置において、
   前記モータ電流検出手段は、電流検出が可能なタイミングが限定される構成からなり、
   前記モータ電気角検出手段は、前記レゾルバを励磁するための励磁信号を生成する励磁信号生成手段と前記レゾルバの出力信号からピークを検出するレゾルバ出力信号検出手段とを有し、
   前記励磁信号生成手段は、前記キャリア周波数の変更に合わせて、前記モータ電流検出手段によりモータ電流が検出されるタイミングに、前記励磁信号のピークのタイミングを一致させるように、前記励磁信号の位相を調整することを特徴とするモータ駆動装置。
2. 前記励磁信号生成手段は、矩形波を発生する矩形波発生手段と前記矩形波から正弦波を生成する正弦波生成手段を有し、
   前記矩形波発生手段は、前記矩形波の立上りタイミングと立下りタイミングを調整する矩形波位相調整手段を有し、
   前記モータ電流検出手段によりモータ電流が検出されるタイミングに、前記正弦波のピークのタイミングを一致させるように、前記矩形波位相調整手段は前記矩形波の位相を調整す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. 前記モータ電流検出手段は、前記スイッチング回路に設けた負側シャント抵抗における電圧を電流検出タイミングでサンプリングして検出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のモータ駆動装置。
4. 前記キャリア周波数変更手段は、キャリア周波数またはキャリア周期に対応した前記矩形波の立上り及び立下りタイミングを規定する制御マップを備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のモータ駆動装置。
5. 前記正弦波生成手段は、前記矩形波から生成した正弦波を増幅して前記励磁コイルへ供給する利得可変増幅手段と、該利得可変増幅手段の出力を検波した信号で前記利得可変増幅手段の利得を制御する自動利得制御手段とを備え、
   前記励磁コイルに供給される正弦波の振幅が一定となるように補正することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のモータ駆動装置。
6. モータにＰＷＭ変調したモータ電流を供給するスイッチング回路と、モータ電流を検出するタイミングが限定されるモータ電流検出手段と、レゾルバを用いて前記モータの電気角を検出するモータ電気角検出手段と、前記ＰＷＭ変調のキャリア周波数を変更するキャリア周波数変更手段とを有するモータ駆動装置の制御方法において、
   前記モータ電流検出手段によりモータ電流が検出されるタイミングに、前記レゾルバを励磁する正弦波のピークのタイミングを一致させるように、前記正弦波の素となる矩形波の位相を調整する矩形波位相調整過程と、
   前記位相調整された矩形波を発生する矩形波発生過程と、
   前記矩形波から正弦波を発生させて該正弦波を前記レゾルバへ供給する正弦波発生過程と、
   前記レゾルバの出力信号からピークを検出するレゾルバ出力信号検出過程と、
   を備えたことを特徴とするモータ駆動装置の制御方法。

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