JP2022190437A - モータ駆動方法、及びモータ駆動装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ロータの位置を検出することが可能なモータ駆動方法を提供する。【解決手段】モータ駆動方法は、交流モータのロータに設けられた永久磁石が発生する界磁磁束の方向であるd軸と当該d軸に直交するq軸との直交ベクトル座標系に基づいて、交流モータのステータに設けられたコイルに流れる電流を制御して交流モータを駆動し、q軸方向の電流成分であるq軸電流の電流指令値をq軸電流指令値として取得するq軸電流指令値取得ステップと、q軸電流指令値に基づく通電指示により、コイルに流れる電流をコイル電流として検出するコイル電流検出ステップと、コイル電流の検出結果に基づいてq軸上における駆動電流をq軸駆動電流として演算する駆動電流演算ステップと、q軸電流指令値とq軸駆動電流との差異を算定する差異算定ステップと、差異に基づいて、ロータの位置を推定する推定ステップと、を備える。【選択図】図2
Description
本発明は、交流モータを駆動するモータ駆動方法、及びモータ駆動装置に関する。
従来、交流モータが利用されている。このような交流モータの駆動方法として、ステータに設けられるコイルを流れる電流を制御して駆動するものがある。このようなコイルを流れる電流を制御するには、交流モータのロータの位置を適切に把握しておくことが望まれる。そこで、ロータの位置を検出しながら交流モータを駆動する技術が検討されてきた(例えば特許文献1)。
特許文献1には、モータ駆動システムが記載されている。このモータ駆動システムは、ロータを有するモータが備えられ、このモータのロータにはトルク発生用の永久磁石と位置検出用の永久磁石とが備えられている。モータ駆動システムは、ロータが回転することにより生じる位置検出用の永久磁石の磁界の変化を利用してロータの位置(角度)を検出している。
特許文献1に記載の技術では、上述したように、トルク発生用の永久磁石と位置検出用の永久磁石とが別体で設けられる。このため、コストアップの要因となる。また、位置検出用の永久磁石を設けずに、コイルを流れる電流に起因した逆起電力に基づいてロータの位置を検出することも考えられるが、誘起電圧が極めて小さい極低速領域においてロータの位置を検出することは困難である。
そこで、低コストで、且つ、ロータの回転速度が低速度であってもロータの位置を検出することが可能な技術が求められる。
本発明に係るモータ駆動方法の特徴構成は、交流モータのロータに設けられた永久磁石が発生する界磁磁束の方向であるd軸と当該d軸に直交するq軸との直交ベクトル座標系に基づいて、前記交流モータのステータに設けられたコイルに流れる電流を制御して前記交流モータを駆動するモータ駆動方法であって、前記q軸方向の電流成分であるq軸電流の電流指令値をq軸電流指令値として取得するq軸電流指令値取得ステップと、前記q軸電流指令値に基づく通電指示により、前記コイルに流れる電流をコイル電流として検出するコイル電流検出ステップと、前記コイル電流の検出結果に基づいて前記q軸上における駆動電流をq軸駆動電流として演算する駆動電流演算ステップと、前記q軸電流指令値と前記q軸駆動電流との差異を算定する差異算定ステップと、前記差異に基づいて、前記ロータの位置を推定する推定ステップと、を備えている点にある。
このような特徴構成とすれば、コイル電流の検出結果に基づいて演算したq軸駆動電流には、永久磁石とコイルとの間で生じるコギングトルクに起因するような脈動が含まれるため、このコギングトルクに起因する脈動に基づいてロータの位置を推定することができる。また、ロータの位置を検出するための専用の永久磁石を設ける必要がなく、ロータを回転させるための永久磁石を併用できる。したがって、低コストで、且つ、ロータの回転速度が低速度であってもロータの位置を検出することが可能となる。
また、前記コイル電流検出ステップは、更に、前記d軸方向の電流成分であるd軸電流の電流指令値に基づく通電指示により、前記コイルに電流を流して強め界磁制御を行った状態で検出すると好適である。
このような構成とすれば、d軸電流を通電することで、見かけ上、永久磁石の界磁磁束を増大させることができる。したがって、コギングトルクを増幅させ、脈動を検出し易くすることが可能となる。
また、推定された前記ロータの位置に基づいて前記ロータの回転速度を推定する回転速度推定ステップを、更に備え、前記d軸電流の電流指令値は、前記回転速度が増大するほど、大きくなると好適である。
このような構成とすれば、回転速度が増大した場合でも、d軸電流に起因したコギングトルクを増大させることができる。したがって、回転速度が増大した場合であっても、適切にロータの位置を推定することが可能となる。
また、前記推定ステップによる前記ロータの位置の推定は、前記q軸電流指令値と前記q軸駆動電流との差異に基づく推定を行わずに、前記直交ベクトル座標系に基づいて前記交流モータを駆動した場合において、前記ロータの位置が検出できない回転速度で回転する低速領域において実行されると好適である。
このような構成とすれば、回転速度が著しく低い場合であってもロータの位置を推定できる。
また、本発明に係るモータ駆動装置の特徴構成は、上記いずれかの前記モータ駆動方法を用いて前記交流モータを駆動する点にある。
このような特徴構成であっても、上述した作用効果を奏する交流モータを実現できる。
本発明に係るモータ駆動方法は、交流モータのロータの位置を推定できるように構成される。以下、本実施形態のモータ駆動方法について説明する。
図1には、本実施形態のモータ駆動方法により交流モータMを駆動するモータ駆動装置1のブロック図が示される。モータ駆動装置1は、三相モータからなる交流モータMと電源Vとの間に介在されるインバータ10を制御して、交流モータMを駆動する。モータ駆動装置1は、交流モータMのロータに設けられた永久磁石が発生する界磁磁束の方向であるd軸と当該d軸に直交するq軸との直交ベクトル座標系に基づいて、交流モータMのステータに設けられたコイルに流れる電流を制御して交流モータMを駆動する。モータ駆動装置1は、このような直交ベクトル座標系に基づく制御(ベクトル制御)を行うために、目標電流設定部21と、電流制御部22と、PWM制御部20と、電流検出部23、変換部24と、回転状態演算部25とを備えて構成され、各機能部は、ロータの位置の推定に係る処理を行うために、CPUを中核部材としてハードウェア又はソフトウェア或いはその両方で構築されている。モータ駆動装置1は、後述するインバータ10が有するハイサイドスイッチング素子QH及びローサイドスイッチング素子QLを、交流モータMに対する目標トルク及び回転数に基づいてPWM制御することで、交流モータMに3相の交流駆動電流を供給する。これにより、交流モータMは、回転数、目標トルクに応じて力行する。
インバータ10は、第1の電源ライン2と当該第1の電源ライン2の電位よりも低い電位に接続される第2の電源ライン3との間で、直列に接続されたハイサイドスイッチング素子QHとローサイドスイッチング素子QLとを有するアーム部Aを3組備えている。第1の電源ライン2とは、電源Vに接続されるケーブルである。第1の電源ライン2の電位よりも低い電位に接続される第2の電源ライン3とは、電源Vの出力電圧よりも低い電位が印加されたケーブルであり、本実施形態では一方の端子が接地された抵抗器Rの他方の端子に接続される。
本実施形態では、ハイサイドスイッチング素子QHはP-MOSFETを用いて構成され、ローサイドスイッチング素子QLはN-MOSFETを用いて構成される。ハイサイドスイッチング素子QHは、ソース端子が第1の電源ライン2に接続され、ドレーン端子がローサイドスイッチング素子QLのドレーン端子に接続される。ローサイドスイッチング素子QLのソース端子は第2の電源ライン3に接続される。このように接続されたハイサイドスイッチング素子QH及びローサイドスイッチング素子QLでアーム部Aを構成し、インバータ10はこのアーム部Aを3組備える。ハイサイドスイッチング素子QH及びローサイドスイッチング素子QLの夫々のゲート端子はドライバ15と接続される。また、各アーム部Aのハイサイドスイッチング素子QHのドレーン端子は、交流モータMが有する3つの端子に夫々接続される。
PWM制御部20は、PWM信号を生成し、インバータ10のハイサイドスイッチング素子QH及びローサイドスイッチング素子QLをPWM制御する。具体的には、PWM制御部20は、3組のアーム部Aのうちの所定の第1アーム部が有するハイサイドスイッチング素子QH、及び、3組のアーム部Aにおける第1アーム部とは異なる他の2組のアーム部のうちの第2アーム部が有するローサイドスイッチング素子QLを閉状態にして、交流モータMが有する3つの端子のうちの2つの端子間にPWM制御で電流を流す。
理解を容易にするために、3組のアーム部Aを、夫々、第1アーム部A1、第2アーム部A2、第3アーム部A3とすると、上記の「3組のアーム部Aのうちの所定の第1アーム部が有するハイサイドスイッチング素子QH、及び、3組のアーム部Aにおける第1アーム部とは異なる他の2組のアーム部のうちの第2アーム部が有するローサイドスイッチング素子QL」とは、例えば第1アーム部A1が有するハイサイドスイッチング素子QH、及び、第2アーム部A2及び第3アーム部A3のうちの一方のアーム部Aが有するローサイドスイッチング素子QLである。したがって、これらのハイサイドスイッチング素子QH及びローサイドスイッチング素子QLを同時に閉状態にした場合に、第1の電源ライン2から第2の電源ライン3に対して、所謂貫通電流が流れないようなスイッチング素子が閉状態とされる。
交流モータMが有する3つの端子とは、交流モータMが有するU相の端子、V相の端子、W相の端子である。例えば、第1アーム部A1のハイサイドスイッチング素子QH及び第2アーム部A2のローサイドスイッチング素子QLを閉状態にすると、交流モータMのU相の端子からV相の端子に向かってPWM制御により電流が流れる。また、例えば第2アーム部A2のハイサイドスイッチング素子QH及び第1アーム部A1のローサイドスイッチング素子QLを閉状態にすると、交流モータMのV相の端子からU相の端子に向かってPWM制御により電流が流れる。
交流モータMを駆動する場合には、PWM制御部20は交流モータMが有するコイル(図示せず)を順次切り替えながら電流を流す。したがって、交流モータMの駆動中は、上述した交流モータMが有する3つの端子のうち、2つの端子を順次切り替えながら電流を流す。本実施形態では、PWM制御部20が予め設定された所定の電流値からなる電流を、2つの端子間を順次切り替えながら通電する状態は「三相通電状態」と称される。一方、PWM制御部20が予め設定された所定の電流値からなる電流を、所定時間に亘って2つの端子間にのみ通電する状態は「一相通電状態」と称される。
なお、例えばPWM制御部20から出力されるPWM信号をドライバ15に入力し、ドライバ15がPWM信号のドライブ能力を向上させてインバータ10に入力するように構成することが可能である。
ベクトル制御では、交流モータMの3相各相のステータコイルに流れるモータ電流を、ロータに配置された永久磁石が発生する磁界の方向であるd軸と、d軸に直交するq軸とのベクトル成分に座標変換してフィードバック制御を行う。目標電流設定部21は、交流モータMの回転数と目標トルクとに基づいて、交流モータMを駆動するためのd軸とq軸とにおける目標電流を設定する。目標電流設定部21は、上位システムから、交流モータMに要求される目標トルクを示す目標トルク情報を取得し、この目標トルク情報に基づく目標トルクと交流モータMの回転数等の回転状態に基づいて目標電流値を演算する。交流モータMの回転状態は、回転状態演算部25により演算される。
回転状態演算部25は、交流モータMに流れるモータ電流に基づいて、交流モータMのロータの位置を検出する。本実施形態では、図1に示されるように各アーム部Aのローサイドスイッチング素子QLのソース端子が接続された第2の電源ライン3と接地電位との間に抵抗器Rが設けられる。回転状態演算部25は抵抗器Rの端子間電位に基づいてモータ電流を検出し、ロータの位置を検出(算定)する。このようなロータの位置の検出については、公知であるので説明は省略する。
電流制御部22は、比例制御(P制御)や、比例積分制御(PI制御)等を用いた電流制御によりd軸及びq軸上における駆動電流を演算すると共に、当該駆動電流に基づいてd軸及びq軸上における駆動電圧を演算する。電流制御部22は、目標電流設定部21により設定されたd軸及びq軸上の目標電流と、フィードバックされた2相電流とに基づいて、d軸及びq軸上における駆動電流を演算する。フィードバックされる2相電流は、電流検出部23により検出されたステータコイルに流れる3相電流の検出結果が、変換部24においてd軸及びq軸の2相電流に変換されたものである。電流制御部22は、駆動電流を演算すると、決定した駆動電流の値を電圧方程式へ代入して演算し、2相の駆動電圧であるd軸電圧及びq軸電圧を決定する。
PWM制御部20は、電流制御部22が決定した2相の駆動電圧を、3相のステータコイルに駆動電流を流すための駆動電圧である3相の駆動電圧に変換し、当該3相の駆動電圧に基づいて、インバータ10を駆動制御する駆動信号を生成する。インバータ10には、電源Vから直流電力が供給され、インバータ10のスイッチング素子QH、QLがPWM制御部20によりスイッチング制御されて、電源Vの出力を交流に変換して、交流モータMに供給される。
モータ駆動装置1によれば、このように、交流モータMの3相のコイルに流れる電流を検出し、これをフィードバックして交流モータMをベクトル制御する。
ここで、上述したようにモータ駆動装置1は、交流モータMをベクトル制御により駆動する際に、ロータの位置に基づいて目標電流値を設定する。このようなロータの位置の検出は、例えば交流モータMの始動直後等、ロータの回転速度が著しく低い場合には容易ではない。そこで、本モータ駆動装置1は、直交ベクトル座標系に基づいて交流モータMを駆動した場合において、ロータの位置が検出できない回転速度で回転する低速領域でもロータの位置を適切に推定できるように構成される。
このような交流モータMの回転速度が低速領域である場合におけるロータの位置の推定には、ロータの永久磁石とステータのコイルとの間で生じるコギングトルクが利用される。まず、電流制御部22が、q軸方向の電流成分であるq軸電流の電流指令値をq軸電流指令値として取得する。上述したように、d軸及びq軸上における駆動電流は電流制御部22により演算される。したがって、電流制御部22は、q軸電流指令値としてq軸上における駆動電流を演算して取得する。このようなq軸方向の電流成分であるq軸電流の電流指令値をq軸電流指令値として取得する工程は、モータ駆動方法におけるq軸電流指令値取得ステップと称される。
このq軸電流指令値に基づいて、PWM制御部20がインバータ10を駆動し、交流モータMのコイルに電流が流れる。電流検出部23は、q軸電流指令値に基づく通電指示により、コイルに流れる電流をコイル電流として検出する。上述したように、各アーム部Aのローサイドスイッチング素子QLのソース端子が接続された第2の電源ライン3と接地電位との間に抵抗器Rが設けられており、電流検出部23は抵抗器Rの端子間電位に基づいてコイル電流を検出する。このようなq軸電流指令値に基づく通電指示により、コイルに流れる電流をコイル電流として検出する工程は、モータ駆動方法におけるコイル電流検出ステップと称される。
コイル電流検出ステップにおいて検出されたコイル電流の検出結果に基づいて、変換部24がq軸上における駆動電流をq軸駆動電流として演算する。このようなコイル電流の検出結果に基づいてq軸上における駆動電流をq軸駆動電流として演算する工程は、モータ駆動方法における駆動電流演算ステップと称される。
回転状態演算部25は、q軸電流指令値とq軸駆動電流との差異を算定する。q軸電流指令値は電流制御部22から取得し、q軸駆動電流は変換部24から取得する。したがって、回転状態演算部25は、電流制御部22から取得したq軸電流指令値と、変換部24から取得したq軸駆動電流との差異を算定する。q軸電流指令値は、理論的な指示値であることから、電流波形に対して例えばコギングトルクに起因するような脈動は含まれていない。一方、q軸駆動電流は、実際に交流モータMを回転しながら取得した実測値であることから、電流波形に対してコギングトルクに起因するような脈動が含まれる。このため、q軸電流指令値とq軸駆動電流との差異には、コギングトルクに起因する脈動が含まれる。このようなq軸電流指令値とq軸駆動電流との差異を算定する工程は、モータ駆動方法における差異算定ステップと称される。
次に、回転状態演算部25は、差異に基づいて、ロータの位置を推定する。上述したように、q軸電流指令値とq軸駆動電流との差異には、コギングトルクに起因する脈動が含まれる。回転状態演算部25は、このような脈動の周期に基づきロータの位置を推定する。このような差異に基づいて、ロータの位置を推定する工程は、モータ駆動方法における推定ステップと称される。
ここで、コイル電流検出ステップは、更に、d軸方向の電流成分であるd軸電流の電流指令値に基づく通電指示により、コイルに電流を流して強め界磁制御を行った状態で検出すると好適である。これにより、永久磁石が発生する界磁磁束と同じ方向であるd軸電流を流すことで、永久磁石からの界磁磁束を強めることになる、コギングトルクを際立たせるようにすることができる。したがって、ロータの位置の推定をより容易に行うことが可能となる。
また、回転状態演算部25は、推定されたロータの位置に基づいてロータの回転速度を推定することも可能である。上述したように、コギングトルクに起因する脈動の周期に基づきロータの位置を推定するが、この脈動の周期の変化に基づきロータの回転速度を推定することが可能である。なお、この時、コイル電流検出ステップにおけるd軸電流の電流指令値は、回転速度が増大するほど、大きくすると好適である。このような推定されたロータの位置に基づいてロータの回転速度を推定する工程は、モータ駆動方法における回転速度推定ステップと称される。
次に、モータ駆動方法についてロータの挙動と電流波形とを用いて説明する。図2の(A)には、交流モータMの始動時における制御状態が示され、(B)にはロータの挙動が示される。また、(C)には、交流モータMの始動時における電流波形及び差分が示される。なお、(B)では理解を容易にするために、ロータとして1つの永久磁石を例示しているが、永久磁石は複数備えていても良い。
交流モータMの始動前(#1)にあっては、(B)にロータの状態が例示されているが、実際にはロータの位置は不明である。そこで、モータ駆動装置1は、永久磁石のN極がU相コイルに対向するようにU相コイルに通電(一相通電)を行う(#2)。この時、(C)に示されるように、d軸電流指令に基づく通電と共に、q電流指令値に基づく通電も行われる。このような永久磁石のN極がU相コイルに対向させるためのU相コイルへの通電は、U相アラインと称される。これにより、(B)の#2に示されるように、永久磁石のN極がU相コイルに対向する状態とされる。
この状態で、モータ駆動装置1は上述したようにd軸電流をコイルに通電する(#3)。この時、(C)に示されるように、q軸電流の通電は停止される。(B)では、d軸電流の通電によりコイルの生じる界磁が白抜き矢印で示される。このd軸電流の通電によりコイルの生じる界磁の方向は、N極の界磁の方向と一致しているため、N極の界磁が強められることになる。そして、コイルにq軸電流を通電し、q軸電流指令値とq軸駆動電流との差異を算定する(#4)。この算定したq軸電流の差分に基づき、ロータの位置を推定する。(C)の#4には、q軸電流の指令値とq軸駆動電流との差分が示される。この差分には、コギングトルク周期と同期した脈動、すなわち永久磁石の位置に応じた周期の脈動(波形)が含まれる。したがって、この脈動の周期に基づきロータの位置(角度)及び回転数を推定することが可能となる。なお、このような脈動の周期は、永久磁石とコイルとの数(最小公倍数)に応じたものとなるので、永久磁石及びコイルの数に基づき容易に推定することが可能である。
このような交流モータMの始動時にあっては、上述した推定ステップによるロータの位置の推定は、q軸電流指令値とq軸駆動電流との差異に基づく推定を行わずに、一般的な直交ベクトル座標系に基づいて駆動した場合には、ロータの位置を検出することが困難である。このため、推定ステップによるロータの位置の推定は、q軸電流指令値とq軸駆動電流との差異に基づく推定を行わずに、直交ベクトル座標系に基づいて交流モータMを駆動した場合において、ロータの位置が検出できない回転速度で回転する低速領域において実行すると好適である。
〔その他の実施形態〕
上記実施形態では、コイル電流検出ステップは、d軸方向の電流成分であるd軸電流の電流指令値に基づく通電指示により、コイルに電流を流して強め界磁制御を行った状態で検出するとして説明したが、コイル電流検出ステップにおいて強め界磁制御を行わずにコイル電流を検出するように構成することも可能である。
上記実施形態では、コイル電流検出ステップは、d軸方向の電流成分であるd軸電流の電流指令値に基づく通電指示により、コイルに電流を流して強め界磁制御を行った状態で検出するとして説明したが、コイル電流検出ステップにおいて強め界磁制御を行わずにコイル電流を検出するように構成することも可能である。
上記実施形態では、推定されたロータの位置に基づいてロータの回転速度を推定する回転速度推定ステップを備えているとして説明したが、回転速度を推定しないように構成することも可能である。また、d軸電流の電流指令値は、回転速度が増大するほど、大きくなるとして説明したが、d軸電流の電流指令値は回転速度にかかわらずに構成することも可能である。
上記実施形態では、推定ステップによるロータの位置の推定は、q軸電流指令値とq軸駆動電流との差異に基づく推定を行わずに、直交ベクトル座標系に基づいて交流モータMを駆動した場合において、ロータの位置が検出できない回転速度で回転する低速領域において実行されるとして説明したが、推定ステップによるロータの位置の推定は低速領域とは異なる状態において行うように構成することも可能である。
上記実施形態では、図1にモータ駆動装置1の機能部を示し、各機能部の機能について説明したが、機能部の構成及び機能は適宜変更することが可能である。
本発明は、交流モータを駆動するモータ駆動方法、及びモータ駆装置に用いることが可能である。
M:交流モータ
1:モータ駆動装置
1:モータ駆動装置
Claims (5)
- 交流モータのロータに設けられた永久磁石が発生する界磁磁束の方向であるd軸と当該d軸に直交するq軸との直交ベクトル座標系に基づいて、前記交流モータのステータに設けられたコイルに流れる電流を制御して前記交流モータを駆動するモータ駆動方法であって、
前記q軸方向の電流成分であるq軸電流の電流指令値をq軸電流指令値として取得するq軸電流指令値取得ステップと、
前記q軸電流指令値に基づく通電指示により、前記コイルに流れる電流をコイル電流として検出するコイル電流検出ステップと、
前記コイル電流の検出結果に基づいて前記q軸上における駆動電流をq軸駆動電流として演算する駆動電流演算ステップと、
前記q軸電流指令値と前記q軸駆動電流との差異を算定する差異算定ステップと、
前記差異に基づいて、前記ロータの位置を推定する推定ステップと、
を備えるモータ駆動方法。 - 前記コイル電流検出ステップは、更に、前記d軸方向の電流成分であるd軸電流の電流指令値に基づく通電指示により、前記コイルに電流を流して強め界磁制御を行った状態で検出する請求項1に記載のモータ駆動方法。
- 推定された前記ロータの位置に基づいて前記ロータの回転速度を推定する回転速度推定ステップを、更に備え、
前記d軸電流の電流指令値は、前記回転速度が増大するほど、大きくなる請求項2に記載のモータ駆動方法。 - 前記推定ステップによる前記ロータの位置の推定は、前記q軸電流指令値と前記q軸駆動電流との差異に基づく推定を行わずに、前記直交ベクトル座標系に基づいて前記交流モータを駆動した場合において、前記ロータの位置が検出できない回転速度で回転する低速領域において実行される請求項1から3の何れか一項に記載のモータ駆動方法。
- 請求項1から4のいずれか一項に記載の前記モータ駆動方法を用いて前記交流モータを駆動するモータ駆動装置。
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