JP4263582B2 - ブラシレスモータ制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、永久磁石式のロータを備えたブラシレスモータを制御するためのブラシレスモータ制御装置に関する。
従来、ブラシレスモータの制御において、ロータの位置を検出する位置検出センサを用いずにロータ角度を精度良く検出する方法としては、例えばモータの回転を制御するための電圧指令値にロータが回転しないような高調波電圧を印加して行う方法がある。具体的には、電圧指令値に印加された高調波電圧によってモータの各相に流れるモータ電流から、ロータの位置を示すロータ角度を検出すると共に、界磁方向に磁極検出用電圧を印加してロータの磁極の向きを判別する方法が知られている。この場合、ロータの磁極の向きを判別するには、界磁方向に電流を流して磁界を発生させたとき、電流により発生した磁界と磁石により発生した磁界の方向が同一である飽和状態と、電流により発生した磁界と磁石により発生した磁界の方向が逆である非飽和状態とで、モータの各相に流れるモータ電流の状態が変化するので、この変化を判別してロータの磁極の向きを判断する(例えば、特許文献1、及び特許文献2参照。)。
特開2002−171798号公報 特開2002−320398号公報
ところで、特許文献2に記載されたブラシレスモータの制御装置では、モータを希望のトルクや回転数で回転させるために、フィードバックしたモータ電流(実電流)がモータの回転を制御するための電流指令値に近づくように制御する。具体的には、下記(1)式及び(2)式に示すように、電流指令値とモータ電流(実電流)との差分Iderr及びIqerrに基づいて、PI(比例積分)制御によりモータの回転を制御するための電圧指令値Vd’及びVq’を算出する。
Figure 0004263582
Figure 0004263582
但し、(1)式及び(2)式において、Kpは比例ゲイン、Kiは積分ゲインを示す。
ところが、このような制御装置では、モータを希望のトルクや回転数で回転させることができるものの、モータの駆動を開始した当初(始動時)において、磁極判別処理によりロータの磁極の向きを判別するまでに時間がかかるという問題があった。具体的には、電圧指令値Vq’を算出するためにPI制御を行うと、電圧指令値Vq’が算出されるまでの時定数が長く、モータ電流(実電流)の正負両方向のピーク電流が短時間では安定しない。そのため、電流により発生した磁界も安定せず、磁界が安定するまで正確な磁極判別処理ができないため、ロータの磁極の向きを判別するまでに時間がかかっていた。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、モータの始動時に安定した磁極判別処理を短時間でかつ効率良く実行し、ロータの位置を正確に検出可能なブラシレスモータ制御装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、請求項1の発明に係るブラシレスモータ制御装置は、永久磁石式のロータ(例えば後述する実施例のロータ2)を備えたブラシレスモータ(例えば後述する実施例のモータ1)のステータの巻線に高調波電圧を印加し、該高周波電圧により発生したモータ電流から前記ロータの位置を検出するブラシレスモータ制御装置において、前記ブラシレスモータへのトルク指令値に基づく電流指令値を電圧指令値へ変換する際に、該電圧指令値を比例制御のみで算出し、前記ロータの磁極の向きを判別する磁極判別処理時に、前記ロータの位置に基づいて界磁電流指令値(例えば後述する実施例のq軸指令電流(Iq_c))を変更する電流指令制御手段(例えば後述する実施例の制御部11)を備え、前記電流指令制御手段が、所定の角度範囲毎に予め設定された界磁電流指令値の中から、前記ロータの位置を示すロータ角度に応じた界磁電流指令値を選択することを特徴とする。
以上の構成を備えたブラシレスモータ制御装置は、ロータの磁極の向きを判別する磁極判別処理時に、電流指令制御手段がロータの位置に基づいて界磁電流指令値を変更することで、ロータ角度の全周に渡り、磁極判別能力を一定に保ちながらモータの実電流の変化幅を小さくすることができる。
さらに、ロータ角度に応じて所定の角度範囲毎に予め設定された界磁電流指令値を選択することで、簡単な構成で容易にロータの位置に基づいて界磁電流指令値を変更することができる。
請求項1に記載のブラシレスモータ制御装置によれば、ロータ角度の全周に渡り、磁極判別能力を一定に保ちながらモータの実電流の変化幅を小さくすることができるので、モータの始動時に、磁極判別処理による減磁作用を抑制し、更に安定した磁極判別能力を確保しながら短時間でかつ効率良く磁極判別処理を実行し、ロータの位置を正確に検出可能なブラシレスモータ制御装置を実現することができるという効果が得られる。
また簡単な構成で容易にロータの位置に基づいて界磁電流指令値を変更することができるので、ロータ角度の全周に渡り、磁極判別能力を安定させることができると共に減磁作用を抑制することができるという効果が得られる。
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
(ロータ位置検出の原理)
先ず、本発明の実施例について説明する前に、本発明の基本的な考え方を図1を参照して説明する。図1は、DCブラシレスモータの構成図及び等価回路を示す図である。なお、以下の説明において、文字の上にハット記号(^)を付与したものは数式においてはイメージ図により表現できるが、文書上では文字の上にハット記号(^)を付与することができないので、文字の右横にハット記号(^)を付与して表す。具体的には、例えば文字が(θ)である場合はシータハットは(θ^)のように表現する。
図1(a)に示したように、本実施例のブラシレスモータ制御装置が制御するDCブラシレスモータに突極型のロータ2を使用した場合、ロータ2とU、V、Wの各電機子3、4、5間のギャップの磁気抵抗は周期的に変化し、その変化はロータ2が1回転する間に2回、すなわちロータ2が半回転する間に1周期分変化する。そして、該磁気抵抗は、ロータ2が図中Aの位置となったときに最大となり、ロータ2が図中Bの位置となったときに最小となる。
図1(a)の磁気回路を模式的に表したものが図1(b)であり、前記磁気抵抗の1周期あたりの平均値が「0.5」であると仮定すると、U、V、Wの各相における磁気抵抗Ru、Rv、Rwは、以下の(3)式〜(5)式で示される。
Figure 0004263582
Figure 0004263582
Figure 0004263582
このとき、U相からみたギャップの磁気抵抗Rguは、以下の(6)式により求めることができる。
Figure 0004263582
そのため、U相が単位巻線であると仮定すると、U相の自己インダクタンスLuは以下の(7)式により求めることができる。
Figure 0004263582
また、U、W相間の相互インダクタンスMuwと、U、V相間の相互インダクタンスMuvは、磁気回路の構成より、それぞれ以下の(8)式、(9)式により求めることができる。
Figure 0004263582
Figure 0004263582
V相、W相についても、同様にして自己インダクタンスと相互インダクタンスを求めることができ、これらにより、突極性を有するDCブラシレスモータの電圧方程式は、各相の自己インダクタンスの直流分をl、lの変動分をΔl、各相間の相互インダクタンスの直流分をmとすると、以下の(10)式で表すことができる。
Figure 0004263582
ここで、Vu、Vv、VwはそれぞれU相、V相、W相の電機子に印加される電圧、Iu、Iv、IwはそれぞれU相、V相、W相の電機子に流れる電流、rはU相、V相、W相の電機子の電気抵抗、ωはロータ2の電気角速度、Keは誘起電圧定数である。
更に、電気角速度ωがほぼ「0」で、誘起電圧やロータ2の角速度変化による影響が小さく、抵抗rによる電圧降下も無視できるレベルである場合には、前記(10)式は、以下の(11)式により近似することができる。
Figure 0004263582
ここで、上記(11)式を相間電流、電圧による式に変形すると、以下の(12)式が得られる。
Figure 0004263582
また、上記(12)式のインダクタンス行列は正則であるので、上記(12)式を以下の(13)式、(14)式の形に変形することができる。
Figure 0004263582
Figure 0004263582
また、DCブラシレスモータをいわゆるdq座標系で扱う場合は、ロータ角度の推定値(θ^)を用いて、以下の(15)式、(16)式で表される3相/dq変換を上記(13)式に施すと、ロータ角度の推定値(θ^)と実際値(θ)が等しい(θ^=θ)場合、以下の(17)式が得られる。
Figure 0004263582
Figure 0004263582
Figure 0004263582
Figure 0004263582
Figure 0004263582
ここで、上記(13)式におけるロータ角度(θ)が、ロータ角度の実際値から(θe)だけずれた推定値である場合には、該推定値を用いて3相/dq変換されたId^、Iq^、Vd^、Vq^と、ロータ角度の実際値を用いて変換されたId、Iq、Vd、Vqとの間に、以下の(20)式、(21)式の関係が成り立つ。
Figure 0004263582
Figure 0004263582
但し、θeはロータ角度の実際値と推定値の位相差とする。従って、以下の(22)式の関係式が導かれる。
Figure 0004263582
そして、上記(10)式の場合と同様に、電気角速度ωがほぼ「0」で、誘起電圧やロータ2の角度変化による影響が小さく、抵抗rによる電圧降下も無視できるレベルである場合は、上記(22)式は、以下の(23)式で近似することができる。
Figure 0004263582
また、上記(23)式における微分期間(dt)を前記制御サイクルの長さ(Δt)とし、ある制御サイクルにおいて、前記モータのロータ角度の推定値(θ^)に基づいて3相/dq変換処理を行ったときの、該制御サイクルにおけるd軸電圧とq軸電圧を{Vd(1)、Vq(1)}とし、d軸実電流とq軸実電流の変化量を{ΔId(1)、ΔIq(1)}とすると、上記(23)式は以下の(24)式の形で表される。
Figure 0004263582
同様に、次の制御サイクルにおけるd軸電圧とq軸電圧を{Vd(2)、Vq(2)}とし、d軸実電流とq軸実電流の変化量を{ΔId(2)、ΔIq(2)}とすると、上記(23)式は以下の(25)式の形で表される。
Figure 0004263582
そして、前記所定周期中にn個の制御サイクルが含まれるものとし、それに応じて前記基本電圧列データが以下の(26)式に示したようにn個のデータにより設定され、前記変調用係数をs(k)(k=1、2、・・・、前記所定周期の時系列番号)とすると、前記検査用電圧は以下の(27)式の形で表される。
Figure 0004263582
Figure 0004263582
但し、Hdq^(x)は検査用電圧の重畳を開始してからx番目の制御サイクルにおける検査用電圧の出力レベル、iは検査用電圧の1周期における制御サイクルの時系列番号(i=1、2、・・・、n)、kは検査用電圧の周期の時系列番号(k=1、2、・・・)、Hd^(x)は検査用電圧の重畳を開始してからx番目の制御サイクルにおける検査用電圧の出力レベルのd軸成分、Hq^(x)は検査用電圧の重畳を開始してからx番目の制御サイクルにおける検査用電圧の出力レベルのq軸成分とする。
一方、本実施例のブラシレスモータ制御装置は、d軸指令電流(Id_c)とd軸実電流(Id_s)との偏差を小さくするようにd軸フィードバック電圧(Vd_fb)を例えば以下の(28)式により算出し、同様に、q軸指令電(Iq_c)とq軸実電流(Iq_s)との偏差を小さくするようにq軸フィードバック電圧(Vq_fb)を以下の(29)式により算出する。
Figure 0004263582
Figure 0004263582
この場合、制御サイクル間における検査用電圧(Hdq)の差分電圧を以下の(30)式のようにおくと、前記フィードバック電圧制限手段は、以下の(31)式、(32)式の演算により次の制御サイクルのd軸電圧とq軸電圧{Vd^(2)、Vq^(2)}を設定することによって、前回の制御サイクルにおけるd軸電圧に対する今回の制御サイクルにおけるd軸フィードバック電圧の差分電圧(dVd_fb)及び前回の制御サイクルにおけるq軸電圧に対する今回の制御サイクルにおけるq軸フィードバック電圧の差分電圧(dVq_fb)を成分とする電圧ベクトルの方向を、今回の制御サイクルにおける前回の制御サイクルからのd軸検査用電圧の差分電圧(k1)及びq軸検査用電圧の差分電圧(k2)を成分とする電圧ベクトルの方向に制限することができる。
Figure 0004263582
Figure 0004263582
但し、Vd_oldは前回の制御サイクルにおけるd軸電圧、Vq_oldは前回の制御サイクルにおけるq軸電圧とする。
Figure 0004263582
そのため、上記(24)式と(25)式を辺々減算すると、以下の(33)式が得られる。
Figure 0004263582
そして、上記(33)式を変形して以下の(34)式が得られ、前記所定周期中のn個の制御サイクルのそれぞれに対する(34)式をまとめると、以下の(35)式が得られる。
Figure 0004263582
Figure 0004263582
上記(35)式において、n>1であるとき、行列Cは、ゼロベクトルでない独立な電圧ベクトル{dV(i)、dV(j)、1≦i≦n、1≦j≦n、i≠j}が2個以上あれば列フルランクであり、モータのロータ角度の実際値(θ)と推定値(θ^)との位相差(θe=θ−θ^)の2倍角の正弦値に応じた正弦参照値(Vs^)と、該位相差(θe)の2倍角の余弦値に応じた余弦参照値(Vc^)の最小2乗推定値が以下の(36)式により算出できる。
Figure 0004263582
そして、該正弦参照値(Vs^)と該余弦参照値(Vc^)とから、例えば以下の(37)式により該位相差(θe)を算出して、ロータ角度の実際値(θ=θ^+θe)を算出することができる。
Figure 0004263582
ここで、行列Cは前記基本電圧列パターンの関数であり、その成分が一定となるため、上記(36)式における行列D^の成分を予め算出しておくことができる。また、上記(36)式における係数s’(k)は、以下の(38)式のように表されるが、√{(dHd(i))+(dHq(i))}は、基本電圧列パターンのデータと前記変調用係数とにより算出することができる。
Figure 0004263582
そのため、前記所定周期内における各制御サイクルにおける、前記電流検出手段の検出電流の変化量から算出される検出電流の2階差分(ddIdq^)と、前記フィードバック電圧制限手段により制限されたd軸フィードバック電圧及びq軸フィードバック電圧に基づく前記変調用係数{s(k)}の補正値{s’(k)}と、予め算出された行列Dの成分とを用いた簡易な演算処理により、前記モータのロータ角度を算出することができる。
また、このように前記フィードバック電圧制限手段によってd軸フィードバック電圧とq軸フィードバック電圧を制限することにより、前記検査用電圧重畳手段により検査用電圧を重畳する際に、前記通電制御手段によるd軸電流及びq軸電流のフィードバック制御に対する干渉が生じることを抑制することができる。そのため、該干渉を抑制するために電流フィードバック系にローパスフィルタを施す処理が不要となり、ローパスフィルタを施した場合のように、ロータ角度検出の応答性が悪化することがないという効果が得られる。
(全体構成)
次に、本発明の実施例の一例について図1から図3を参照して説明する。図2は、本発明の一実施例のブラシレスモータ制御装置の構成を示すブロック図である。なお、本実施例のブラシレスモータ制御装置は、特にEV(Electric Vehicles)やHEV(Hybrid Electric Vehicles )等の車両に搭載して利用することが有用であり、一例として、ブラシレスモータ制御装置がEVやHEVに搭載された場合について説明する。また、図3は検査用電圧の周期と検査用電圧及びdq軸電流の推移を示した図である。
図2に示したモータコントローラ10は、図1に示した突極型のDCブラシレスモータ1(以下、モータ1という)の電機子3、4、5に流れる電流をフィードバック制御するフィードバック回路であって、モータ1をロータ2の界磁極の磁束方向であるq軸上にあるq軸電機子と、該q軸と直交するd軸上にあるd軸電機子とを有するdq座標系による等価回路に変換して扱う。
これにより、モータコントローラ10は、制御部11から与えられるd軸指令電流(Id_c)とq軸指令電流(Iq_c)とに応じて、d軸電機子に流れる電流(以下、d軸電流という)と、q軸電機子に流れる電流(以下、q軸電流という)とをフィードバック制御する。
具体的には、モータコントローラ10は、d軸電機子への印加電圧(以下、d軸電圧(Vd)という)とq軸電機子への印加電圧(以下、q軸電圧(Vq)という)とを、モータ1のU、V、Wの3相の電機子に印加する駆動電圧の指令電圧(Vu_c、Vv_c、Vw_c)に変換するdq/3相変換部20と、検査用電圧(Hd^、Hq^)を生成する検査用電圧重畳部21と、及び指令電圧(Vu_c、Vv_c、Vw_c)に応じた駆動電圧(Vu、Vv、Vw)がモータ1のU、V、Wの各相の電機子にそれぞれ印加されるように複数のスイッチング素子をブリッジ接続したインバータ回路により構成されたパワードライブユニット22とを備える。
更に、モータコントローラ10は、モータ1のU相の電機子に流れる電流を検出するU相電流センサ23と、モータ1のW相の電機子に流れる電流を検出するW相電流センサ24と、U相電流センサ23の検出電流値(Iu_s)とW相電流センサ24の検出電流値(Iw_s)とに応じてd軸電流の検出値であるd軸実電流(Id_s)とq軸電流の検出値であるq軸実電流(Iq_s)とを算出する3相/dq変換部26と、モータ1のロータ角度(θ)を検出する角度検出部25と、d軸とq軸間で干渉し合う速度起電力の影響を打ち消す処理を行なう非干渉演算部27とを備える。
モータコントローラ10は、d軸指令電流(Id_c)とd軸実電流(Id_s)を第1減算器28で減算し、その減算結果に第1のPI演算部29でPI(比例積分)処理を施し、第1加算器30で非干渉成分を加算して、d軸指令電流(Id_c)とd軸実電流(Id_s)の偏差に応じたd軸フィードバック電圧(Vd_fb)を生成する。また、モータコントローラ10は、同様にして、q軸指令電流(Iq_c)とq軸実電流(Iq_s)を第2減算器31で減算し、その減算結果に第2のPI演算部32でPI処理を施し、第2加算器33で非干渉成分を加算して、q軸指令電流(Iq_c)とq軸実電流(Iq_s)との偏差に応じたq軸フィードバック電圧(Vq_fb)を生成する。
そして、モータコントローラ10は、このようにして生成したd軸フィードバック電圧(Vd_fb)とq軸フィードバック電圧(Vq_fb)とに、第3加算器34及び第4加算器36において後述する検査用電圧(Hd^)及び検査用電圧(Hq^)を加算し、d軸電圧(Vd)及びq軸電圧(Vq)としてdq/3相変換部20に入力する。これにより、パワードライブユニット22を介して、d軸指令電流(Id_c)とd軸実電流(Id_s)との偏差、及びq軸指令電流(Iq_c)とq軸実電流(Iq_s)との偏差を小さくする3相電圧(Vu、Vv、Vw)がモータ1の電機子に印加されて、モータ1の電機子に流れる電流がフィードバック制御される。
ここで、dq/3相変換部20によりd軸電圧(Vd)とq軸電圧(Vq)を3相の電圧指令(Vu_c、Vv_c、Vw_c)に変換する際には、モータ1のロータ角度(θ)が必要となる。また、3相/dq変換部26によりU相電流センサ23の検出電流値(Iu_s)とW相電流センサ24の検出電流値(Iw_s)をd軸実電流(Id_s)とq軸実電流(Iq_s)に変換する際にも、モータ1のロータ角度(θ)が必要となる。
そこで、モータコントローラ10は、レゾルバ等の位置検出センサを用いずに、第3加算器34において検査用電圧重畳部21によりd軸電圧(Vd_fb)に検査用電圧(Hd^)を重畳し、また、第4加算器36において検査用電圧重畳部21によりq軸電圧(Vq_fb)に検査用電圧(Hq^)を重畳したときに、モータ1のロータ角度の推定値(θ^)に基づいて3相/dq変換部26により算出されたd軸実電流(Id_s^)及びq軸実電流(Iq_s^)を用いて、モータ1のロータ角度(θ)を検出する。従って、上述のように、dq/3相変換部20へは、d軸電圧(Vd_fb)に検査用電圧(Hd^)が重畳されたd軸電圧(Vd)と、q軸電圧(Vq_fb)に検査用電圧(Hq^)が重畳されたq軸電圧(Vq)とが入力される。
(ロータ角度の検出処理)
次に、モータコントローラ10におけるロータ角度(θ)の検出処理の詳細について説明する。なお、モータ1のロータ角度の推定値(θ^)の初期値は「0」とする。
まず、検査用電圧重畳部21は、図3(a)に示したように、モータコントローラ10の制御サイクル(Δt)のn周期分を1周期とする検査用電圧Hdq^(Hd^、Hq^)を、以下の(39)式により生成する。
Figure 0004263582
但し、Hdq^(x)は検査用電圧の重畳を開始してからx番目の制御サイクルにおける検査用電圧の出力レベル、iは検査用電圧の1周期における制御サイクルの時系列番号(i=1、2、・・・、n)、kは検査用電圧の周期の時系列番号(k=1、2、・・・)、Hd^(x)は検査用電圧の重畳を開始してからx番目の制御サイクルにおける検査用電圧の出力レベルのd軸成分、Hq^(x)は検査用電圧の重畳を開始してからx番目の制御サイクルにおける検査用電圧の出力レベルのq軸成分、s(k)は時系列番号kの周期における変調信号(s)の値(本発明の変調用係数に相当する)、dhdq^(x)は検査用電圧の重畳を開始してからx番目の制御サイクルにおける基本電圧列データ、dhd^(x)は検査用電圧の重畳を開始してからx番目の制御サイクルにおける基本電圧列データのd軸成分、dhq^(x)は検査用電圧の重畳を開始してからx番目の制御サイクルにおける基本電圧列データのq軸成分とする。
なお、基本電圧列データ[dhdq^={dhdq^(1)、dhdq^(2)、・・・、dhdq^(n)}]のデータは、予めメモリ(図示しない)に記憶されている。また、変調信号(s)のデータ{s(1)、s(2)、・・・}は、予めメモリに記憶してもよく、信号処理でよく使用されるM系列等の手法を用いて生成してもよい。更に、基本電圧列データ[dhdq^={dhdq^(1)、dhdq^(2)、・・・、dhdq^(n)}]は、以下の(40)式に示したように、1周期における平均が0となるように設定されている。
Figure 0004263582
この場合、上記(39)式に示したように、変調信号(s)は検査用電圧(Hdq^)の1周期毎に変更されるため、検査用電圧(Hdq^)の1周期(T)における電圧レベルの平均は「0」となる。そして、これにより、d軸電圧(Vd)及びq軸電圧(Vq)のレベルが次第に高くなって、モータ1の電機子電流のフィードバック制御系に影響を及ぼすことが抑制される。
そして、角度検出部25は、検査用電圧重畳部21により検査用電圧(Hd^、Hq^)が重畳されたときに、各制御サイクル{t(1)〜t(n)}において、モータ1のロータ角度の推定値(θ^)に基づいて3相/dq変換部26により算出されるd軸実電流及びq軸実電流を用いてモータ1のロータ角度を検出する。
ここで、検査用電圧(Hd^、Hq^)のk番目の制御サイクルT(k)の制御サイクルt(i)におけるd軸実電流の2階差分とq軸実電流の2階差分を、以下の(41)式に示したようにそれぞれ「ddId^(i+k・n)」、「ddIq^(i+k・n)」とする。
Figure 0004263582
また、検査用電圧(Hd^、Hq^)のk番目の周期T(k)の制御サイクルt(i)における変化量{dHd^(i+k・n)、dHq(i+k・n)}は、上記(39)式により、以下の(42)式、(43)式で表される。
Figure 0004263582
Figure 0004263582
そして、第3加算器34と第4加算器36は、第1減算器28及び第1のPI演算部29により上記(28)式によって算出されるd軸フィードバック電圧(Vd_fb)の前回の制御サイクルにおけるd軸電圧(Vd)に対する差分電圧(dVd_fb)と、第2減算器31及び第2のPI演算部32により上記(29)式によって算出されるq軸フィードバック電圧(Vq_fb)の前回の制御サイクルにおけるq軸電圧(Vq)に対する差分電圧(Vq_fb)とを成分とする電圧ベクトルの方向を、検査用電圧の差分電圧{dHd^(i+k・n)、dHq^(i+k・n)}を成分とする電圧ベクトルの方向に制限するため、以下の(44)式、(45)式の演算により算出したd軸電圧(Vd)とq軸電圧(Vq)をdq/3相変換部20に出力する。
Figure 0004263582
但し、kはdHd^(i+k・n)、kはdHd^(i+k・n)1、Vd_oldは前回の制御サイクルにおけるd軸電圧、Vq_oldは前回の制御サイクルにおけるq軸電圧とする。
Figure 0004263582
そのため、前述の(34)式における行列c^(1)に対応する行列c^(i+k・n)は、以下の(46)式により表される。
Figure 0004263582
そして、図3(a)のTs{k−1番目の周期T(k−1)の制御サイクルt(i)〜k番目の周期T(k)の制御サイクルt(i)}において、前述の(34)式をまとめると、以下の(47)式の形で表すことができ、更に(47)式を変形して以下の(48)式、(49)式を得ることができる。
Figure 0004263582
Figure 0004263582
Figure 0004263582
ここで、図3(b)は、制御サイクルt(i−2)〜t(i+2)における検査用電圧(Hdq)と検出電流(Idq)の推移を示した時系列グラフである。制御サイクル期間t(i)における検出電流の変化量{dIdq^(i)}と制御サイクル期間t(i+1)における検出電流の変化量{dIdq^(i+1)}から、上記(41)式における検出電流の2階差分{ddIdq^(i)}を算出することができる。
一方、基本電圧列データ(dhdq^)に応じて算出される上記(46)式の行列c^(i)の成分は一定となる。従って、上記(48)式における行列C^の成分も一定となり、行列Cに基づいて算出される上記(49)式の行列D^の成分も一定となる。そのため、上記(49)式の行列D^の成分は、基本電圧列データ(dhdq^)により予め算出することができる。そこで、モータコントローラ10のメモリには、このようにして算出された行列D^の成分のデータが予め記憶されており、角度検出部25は、メモリに記憶された行列D^の成分のデータを用いて上記(49)式の演算を実行する。
この場合、角度検出部25は、行列D^の成分と各制御期間における検出電流の2階差分(ddIdq^)及び変調信号(s)を上記(33)式により補正したs’との簡易な演算によりロータ角度の実際値(θ)と推定値(θ^)との位相差(θe=θ−θ^)の2倍角に応じた正弦参照値(Vs^=Lsin2θe)と余弦参照値(Vc^=Lcos2θe)を算出することができる。そのため、正弦参照値(Vs^)と余弦参照値(Vc^)の算出時間を短縮することができる。
また、このように、d軸フィードバック電圧(Vd_fb)とq軸フィードバック電圧(Vq_fb)を成分とする電圧の方向を、検査用電圧の変化量{dHd^(i+k・n)、dHq^(i+k・n)}を成分とする電圧ベクトル方向に制限した場合、検査用電圧の重畳による電流フィードバック系への干渉を少なくするために、電流フィードバックにローパスフィルタを施す必要がなくなる。そのため、電流フィードバック系の応答性を良好に維持することができる。
そして、角度検出部25は、以下の(50)式によりモータ1のロータ角度の実際値(θ)と推定値(θ^)との位相差(θe)を算出して、ロータ角度(θ=θ^+θe)を検出する。
Figure 0004263582
また、以下の(51)式又は(52)式によるオブザーバの追従演算によって、ロータ角度の推定値(θ^)を、推定誤差(θe)が0に収束するように修正して、ロータ角度を検出することもできる。
Figure 0004263582
Figure 0004263582
また、上記(51)式、(52)式のoffsetの値を変更することによって、検
出されるロータ角度の位相を強制的にずらして、検出誤差を減少させることができる。
なお、上記(52)式における√(Vs^+Vc^)の演算は時間がかかるので、以下の(53)式により近似してもよい。
Figure 0004263582
また、本実施の形態では、検査用電圧重畳部21は、上記(39)式により、前回の制御サイクルにおける検査用電圧{Hdq(i−1+k・n)}に、基本電圧列データ{dhdq^(i−1)}と変調信号{s(k)}との乗算値を加算して、今回の制御サイクルにおける検査用電圧{Hdq^(i+k・n)}を算出したが、予め変調信号{s(k}の値が設定されている場合には、基本電圧列データも既知であるので、検査用電圧(Hdq^)を予め算出することができる。
この場合は、以下の(54)式、(55)式により、d軸電圧(Vd)とq軸電圧(Vq)を算出することができる。
Figure 0004263582
Figure 0004263582
そして、以下の(56)式、(57)式により、前回の制御サイクルに対する今回の制御サイクルのd軸電圧の差分電圧(Vd(i+k・n)−Vd_old)とq軸電圧の差分電圧(Vq(i+k・n)−Vq_old)を成分とする電圧ベクトルの方向を、前回の制御サイクルに対する今回の検査用電圧の差分電圧(k、k)の方向に制限することができる。
Figure 0004263582
Figure 0004263582
但し、Vd_oldは前回の制御サイクルにおけるd軸電圧、Vq_oldは前回の制御サイクルにおけるq軸電圧とする。そのため、この場合は、第3加算器34と第4加算器36は、d軸電圧(Vd)とq軸電圧(Vq)を、以下の(58)式により算出して、電流フィードバックの結果を検査用電圧の差分電圧(k、k)の方向に制限することができる。
Figure 0004263582
(磁極判別処理及びその原理)
ところで、ロータ2の回転に伴うインダクタンス変動は、ロータ角度θの1/2周期なので、上述の処理により算出されるロータ角度θの演算値は、電気角0〜180[度]、または電気角180〜360[度]の両領域で同値となる。従って、DCブラシレスモータ1の始動時に初期ロータ角度θを電気角0〜360[度]の範囲で検出するには、ロータ2の磁極の向きを判別する磁極判別処理を実行し、ロータ角度θの演算値が、電気角0〜180[度]、または電気角180〜360[度]のどちらの領域での値かを判定する必要がある。
そこで、先ず実際の磁極判別処理の動作について説明する前に、基本的な磁極判別処理の考え方を説明する。例えば、ある位置にロータ2を固定して、その時にq軸電機子に電流を流してq軸方向(ロータの磁石の磁束方向)に磁界を生じさせると、以下に示す2通りの事象の発生が考えられる。
(1)「電流により生じた磁界の向き=磁石により生じる磁界の向き」の場合、磁界が飽和状態となるため、U、V、Wの各相の自己インダクタンス直流分lの変動分Δlが大きくなる。
(2)「電流により生じた磁界の向き≠磁石により生じる磁界の向き」の場合、磁界が非飽和状態となるため、U、V、Wの各相の自己インダクタンス直流分lの変動分Δlが小さくなる。
この現象は、ある位置にロータ2を固定して、その時にq軸電機子に正方向と負方向の電流を流してq軸方向(ロータの磁石の磁束方向)に磁界を生じさせる場合にも同様であって、
(1)「正方向電流により生じた磁界の向き=磁石により生じる磁界の向き」の場合、磁界が飽和状態となるため、U、V、Wの各相の自己インダクタンス直流分lの変動分Δlが大きくなる。
(2)「負方向電流により生じた磁界の向き≠磁石により生じる磁界の向き」の場合、磁界が非飽和状態となるため、U、V、Wの各相の自己インダクタンス直流分lの変動分Δlが小さくなる。
従って、U、V、Wの各相の自己インダクタンス直流分lの変動分Δlの値により変化する前述の(36)式で算出される余弦参照値(Vc^)を、正方向電流に基づくΔlと負方向電流に基づくΔlのそれぞれから算出して大きさを比較することで、ロータ2が電気角0〜180[度]、または電気角180〜360[度]のどちらの領域に存在するかを判断することができる。
具体的には、例えば正方向電流に基づくΔl値により算出される余弦参照値(Vc^)をVc1、負方向電流に基づくΔl値により算出される余弦参照値(Vc^)をVc2とすると、磁極判別計算結果「A=Vc1−Vc2」と定義した場合、磁極判別計算結果Aの正負により、ロータ2が電気角0〜180[度]、または電気角180〜360[度]のどちらの領域に存在するかを判断することができる。例えば、図4は磁極判別計算結果Aの正負とロータ角度θの演算値との関係を示した図である。図4に示すように、例えば実際のロータ角度θ=75[度]であっても、実際のロータ角度θ=255[度]であっても、両方ともロータ角度θの演算値は75[度]と算出されるので、磁極判別計算結果Aの正負により、例えば磁極判別計算結果Aが負の場合はロータ角度θ=75[度]、例えば磁極判別計算結果Aが正の場合はロータ角度θ=255[度]と判定する。
また、磁極判別処理に要する時間が長いと、それだけロータ2の正確な位置検出ができずに、モータ1のトルク制御の開始が遅れるので、本実施例のブラシレスモータ制御装置は、磁極判別処理の実行時に界磁電流を印加する際、電流フィードバックによってモータ電流(実電流)を電流指令値に近づけるにあたり、実電流のピーク値を短時間で安定させるために、前述の(29)式、あるいは(55)式におけるPI制御の積分項を除いて処理を実行し、P(比例)制御のみで電圧指令値を算出する。
しかし、このようなブラシレスモータ制御装置において磁極判別処理を行う場合、P(比例)制御のみで電圧指令値を算出することにより、モータ1の始動時にモータ電流(実電流)は短時間で安定し、磁極判別処理に要する時間を短縮化することができるものの、図5に示すように、モータ電流(実電流)のピーク値(モータのいずれかの相の電流の最大値)がロータ角度の全周に渡り一定にはならないため、モータ電流(実電流)のピーク値と比例関係にある磁極判別能力もロータ角度の全周に渡り一定にはならないという現象が発生する。そのため、モータ電流(実電流)のピーク値が低いところの磁極判別能力に合わせて制御すると、モータ電流(実電流)のピーク値が高いところでは磁極判別能力が高すぎると共に、必要以上に流れる電流によってモータの効率が悪化する、あるいは必要以上に流れる電流によってモータの減磁作用が大きくなりロータに設けた永久磁石の磁力が低下するという問題が発生する。なお、図5は、界磁側の電圧指令値の算出をP(比例)制御のみで行った場合の、実際のロータ角度θに対するモータ電流(実電流)のピーク値をグラフ化した図である。
具体的には、実際のロータ角度に対するロータ角度の演算値、及び実際のロータ角度に対する磁極判別計算結果Aの値を表した図6のグラフに示すように、モータ電流(実電流)のピーク値が小さくなる実際のロータ角度30[度]、90[度]、150[度]、210[度]、270[度]、330[度]で磁極判別計算結果Aがちょうど良い値になるように制御すると、モータ電流(実電流)のピーク値が大きくなる実際のロータ角度240[度]、300[度]では磁極判別計算結果Aの値が大きすぎ、実際のロータ角度0[度]、60[度]、120[度]では磁極判別計算結果Aの値が小さすぎる(絶対値が大きすぎる)という結果になる。なお、図6は、界磁側の電圧指令値の算出をP(比例)制御のみで行った場合の、実際のロータ角度θに対するロータ角度θの演算値、及び実際のロータ角度θに対する磁極判別計算結果Aの値をグラフ化した図である。
(磁極判別処理動作)
そこで、本実施例のブラシレスモータ制御装置では、P(比例)制御のみで電圧指令値を算出することにより、モータの始動時にモータ電流(実電流)を短時間で安定させて、磁極判別処理に要する時間を短縮化しつつ、上述の問題を回避して効率よく磁極判別処理を実行するために、複数の電流指令値を用意して、前述の「ロータ角度の検出処理」において算出されたロータ2のロータ角度θの演算値により、q軸指令電流(Iq_c)(=界磁電流指令値)を用意された電流指令値のいずれかに切り換えて制御する。
次に、図面を参照して本実施例のブラシレスモータ制御装置の磁極判別処理動作について具体的に説明する。
(q軸指令電流の切り換え)
図7は、ロータ2のロータ角度θの演算値によりq軸指令電流(Iq_c)を切り換え制御するためにロータ角度θの場合分けを示した図であって、細かく場合分けされたロータ角度θにより、q軸指令電流(Iq_c)に弱設定、中設定、強設定の3個の電流指令値のいずれかを指定する。詳細に説明すると、磁極判別計算結果Aの絶対値が小さい値で安定するロータ角度θ=20〜40[度]、80〜100[度]、140〜160[度]では、q軸指令電流(Iq_c)に電流を多く流す強設定の電流指令値を指定する。また、磁極判別計算結果Aの絶対値が大きい値で安定するロータ角度θ=0〜10[度]、50〜70[度]、110〜130[度]、170〜180[度]では、q軸指令電流(Iq_c)に電流を少なく流す弱設定の電流指令値を指定する。
更に、磁極判別計算結果Aの絶対値が小さい値と大きい値との間で変化するロータ角度θ=10〜20[度]、40〜50[度]、70〜80[度]、100〜110[度]、130〜140[度]、160〜170[度]では、q軸指令電流(Iq_c)に電流を多く流す強設定と電流を少なく流す弱設定との中間の中設定の電流指令値を指定する。なお、弱設定、中設定、強設定の3個の電流指令値によりモータ1に流れる電流は、強設定時の電流量>中設定時の電流量>弱設定時の電流量とする。
(磁極判別処理手順)
一方、図8は、本実施例のブラシレスモータ制御装置の磁極判別処理手順を示すフローチャートである。
図8において、まず、角度検出部25は、前述の「ロータ角度の検出処理」によりロータ2のロータ角度θを検出する(ステップS1)。
次に、制御部11は、角度検出部25により検出されたロータ角度θの演算値に対し、予め記憶しておいた上述の図7に示すロータ角度θと複数の電流指令値との対応関係に基づいて、ロータ角度θによりq軸指令電流(Iq_c)を切り換える(ステップS2)。
具体的には、ロータ角度θ=20〜40[度]、80〜100[度]、140〜160[度]の場合、q軸指令電流(Iq_c)に強設定の電流指令値を指定する(ステップS3)。
また、ロータ角度θ=0〜10[度]、50〜70[度]、110〜130[度]、170〜180[度]の場合、q軸指令電流(Iq_c)に弱設定の電流指令値を指定する(ステップS4)。
更に、ロータ角度θ=10〜20[度]、40〜50[度]、70〜80[度]、100〜110[度]、130〜140[度]、160〜170[度]の場合、q軸指令電流(Iq_c)に中設定の電流指令値を指定する(ステップS5)。
これにより、モータコントローラ10は、d軸指令電流(Id_c)と、上述の強設定、弱設定、中設定の電流指令値のいずれかに指定されたq軸指令電流(Iq_c)とにより、モータ1の電機子3、4、5に流れる電流をdq座標系においてフィードバック制御しながら、検査用電圧重畳部21により界磁側の電圧指令値に磁極検出用電圧を印加して、電機子3、4、5に正方向電流と負方向電流とを流す(ステップS6)。
一方、角度検出部25は、前述の(36)式に基づいて算出される正方向電流に基づくΔl値により算出される余弦参照値(Vc^)=Vc1、及び負方向電流に基づくΔl値により算出される余弦参照値(Vc^)=Vc2を用いて磁極判別計算結果「A=Vc1−Vc2」を算出する(ステップS7)。
また、角度検出部25は、図4に示すように、磁極判別計算結果Aの正負により、ロータ2が電気角0〜180[度]、または電気角180〜360[度]のどちらの領域に存在するかを判断する磁極判別処理を実行する(ステップS8)。
最後に、角度検出部25は、判定されたロータ角度θに基づいてロータ2の初期位置を確定する(ステップS9)。
以上説明したように、本実施例のブラシレスモータ制御装置によれば、モータ1の始動時、モータコントローラ10は、モータ1へのトルク指令値に基づく電流指令値を第1のPI演算部29及び第2のPI演算部32により電圧指令値に変換する際、第2のPI演算部32における積分項の処理を実行せず、P(比例)制御のみで電圧指令値を算出し、モータ電流(実電流)を短時間で安定させるように制御する。また、この状態で、角度検出部25がモータ1のロータ2の磁極の向きを判別する際、制御部11は、モータ1のロータ2の位置に基づいてq軸指令電流(Iq_c)を変更する。これにより、モータコントローラ10は、ロータ角度θの全周に渡り、磁極判別能力を一定に保ちながらモータ1の実電流の変化幅を小さくすることができる。
具体的には、制御部11が、所定の角度範囲毎に予め設定された複数の電流指令値の中から、上述の「ロータ角度の検出処理」により算出されたロータ角度θの演算値に応じて、モータ1に流れる電流により区別された大、中、小の三段階のいずれかの電流指令値をq軸指令電流(Iq_c)に指定することで、ロータ角度θの全周に渡り、磁極判別能力を一定に保ちながらモータ1の実電流の変化幅を小さくすることができ、図9に記載した磁極判別計算結果Aが示すように、モータ電流(実電流)のピーク値と比例関係にある磁極判別能力もロータ角度の全周に渡り変化幅を小さくすることができる。
従って、モータの始動時に、磁極判別処理による減磁作用を抑制し、安定した磁極判別能力を確保しながら短時間でかつ効率良く磁極判別処理を実行し、ロータの位置を正確に検出可能なブラシレスモータ制御装置を実現することができるという効果が得られる。なお、図9は、本実施例のブラシレスモータ制御装置における実際のロータ角度θに対するロータ角度θの演算値、及び実際のロータ角度θに対する磁極判別計算結果Aの値をグラフ化した図である。
また、所定の角度範囲毎に予め設定された電流指令値の中から、ロータ角度θに応じた電流指令値を選択してq軸指令電流(Iq_c)に指定することで、簡単な構成で容易にロータ2の位置に基づいてq軸指令電流(Iq_c)を変更することができる。
従って、ロータ角度θの全周に渡り、磁極判別能力を安定させることができると共に減磁作用を抑制することができるという効果が得られる。
本発明の一実施例のブラシレスモータ制御装置が制御するDCブラシレスモータの構成図及び等価回路を示す図である。 本発明の一実施例のブラシレスモータ制御装置の構成を示すブロック図である。 同実施例のブラシレスモータ制御装置における検査用電圧の周期と検査用電圧及びdq軸電流の推移を示した図である。 同実施例のブラシレスモータ制御装置において算出される磁極判別計算結果Aの正負とロータ角度θの演算値との関係を示した図である。 同実施例のブラシレスモータ制御装置において、界磁側の電圧指令値の算出をP(比例)制御のみで行った場合の、実際のロータ角度θに対するモータ電流(実電流)のピーク値をグラフ化した図である。 同実施例のブラシレスモータ制御装置において、界磁側の電圧指令値の算出をP(比例)制御のみで行った場合の、実際のロータ角度θに対するロータ角度θの演算値、及び実際のロータ角度θに対する磁極判別計算結果Aの値をグラフ化した図である。 同実施例のブラシレスモータ制御装置においてロータ角度θの演算値によりq軸指令電流(Iq_c)を切り換え制御するためにロータ角度θの場合分けを示した図である。 同実施例のブラシレスモータ制御装置の磁極判別処理手順を示すフローチャートである。 同実施例のブラシレスモータ制御装置における実際のロータ角度θに対するロータ角度θの演算値、及び実際のロータ角度θに対する磁極判別計算結果Aの値をグラフ化した図である。
符号の説明
1 モータ(ブラシレスモータ)
2 ロータ
11 制御部(電流指令制御手段)
Iq_c q軸指令電流(界磁電流指令値)


Claims (1)

  1. 永久磁石式のロータを備えたブラシレスモータのステータの巻線に高調波電圧を印加し、該高周波電圧により発生したモータ電流から前記ロータの位置を検出するブラシレスモータ制御装置において、
    前記ブラシレスモータへのトルク指令値に基づく電流指令値を電圧指令値へ変換する際に、該電圧指令値を比例制御のみで算出し、
    前記ロータの磁極の向きを判別する磁極判別処理時に、前記ロータの位置に基づいて界磁電流指令値を変更する電流指令制御手段を備え
    前記電流指令制御手段が、所定の角度範囲毎に予め設定された界磁電流指令値の中から、前記ロータの位置を示すロータ角度に応じた界磁電流指令値を選択することを特徴とするブラシレスモータ制御装置。
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