JP5256865B2

JP5256865B2 - ブラシレスモータのセンサレス制御装置

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Publication number: JP5256865B2
Application number: JP2008150462A
Authority: JP
Inventors: 繁一奥村
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2007-10-30
Filing date: 2008-06-09
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2028-06-09
Also published as: JP2009136131A

Description

この発明は、ブラシレスモータのセンサレス制御装置に関する。

従来、ブラシレスモータの駆動を制御する制御装置として、固定座標系（互いに１２０°の角度をなして１点で交わるｕ軸、ｖ軸およびｗ軸からなる座標系）における３相の電流値を回転座標系（界磁極の磁束方向を示すｄ軸およびこれと直交するｑ軸からなる座標系）における２相の電流（ｄ軸電流およびｑ軸電流）に変換して、この２相の電流を用いて制御するベクトル制御を行うものが知られている。

ベクトル制御を行うに際し、ブラシレスモータのロータの角度を直接検出するためのセンサを使用せずに、ロータの角度および速度を推定するセンサレス制御装置も知られており、このようなブラシレスモータ(1)のセンサレス制御装置(40)として、図７に示すように、２軸座標系における電流指令値を算出する速度制御部(41)と、２軸座標系における電流指令値に基づいて２軸座標系における電圧指令値を算出する電流制御部(42)と、２軸座標系における電圧指令値に基づいて３相の電圧指令値を算出する座標変換部(43)と、３相の電圧指令値に基づいてモータのステータコイルに直流駆動電流を供給するＰＷＭインバータ(44)と、モータのステータコイルに流れる相電流を検出する電流検出部(45)と、電流検出部(45)で検出された相電流に基づいて２軸座標系における電流値を算出する座標変換部(46)と、ロータ角度およびロータ速度を求める位置・速度推定部(47)とを備えているものが知られている。

なお、このような位置・速度推定部(47)を備えたセンサレス制御装置(40)では、電流制御部(42)に入力するｑ軸電流指令値を０にして、ｄ軸電流指令で制御しながら起動する方法が用いられている。
特開２００７−５３８２９号公報

上記従来のブラシレスモータのセンサレス制御装置では、ブラシレスモータのロータの角度および速度を推定するために、モータモデルを用いて、ブラシレスモータを構成するステータコイルのインダクタンスや抵抗からロータの角度を推定するため、ループ処理を行って頻繁に角度を推定することが必要であり、この際の演算負荷が大きく、高性能な演算処理能力を有する高コストのＣＰＵを使用する必要があるという問題があった。

また、ブラシレスモータを構成するコイルのインダクタンスや抵抗等のモータモデルは、ブラシレスモータごとに異なっているため、制御するブラシレスモータによって、角度を推定するための演算処理プログラムを変更する必要があるという問題もあった。

この発明の目的は、高コストのＣＰＵを使用しなくても、演算処理を行うことが可能で、しかも、制御対象のブラシレスモータが変わっても、演算処理プログラムを変更する必要がないブラシレスモータのセンサレス制御装置を提供することにある。

請求項１の発明によるブラシレスモータのセンサレス制御装置は、複数相のステータコイルを有するステータと、永久磁石を有するロータとを備えているブラシレスモータに対して、ｄ軸およびｑ軸からなる２軸の回転座標系を利用したセンサレスベクトル制御を行うセンサレス制御装置において、ｄ軸電流の電流値に基づいてロータの補正角度を算出することによってロータの角度を制御する角度制御部と、所定時間経過する間の角度変化量から現在のロータの速度を算出する速度算出部と、前回サンプリング時に得られたロータの角度、角度制御部で得られた補正角度および速度算出部で得られた速度を使用して所定時間毎に現在のロータの角度を算出する角度算出部と、起動時における角度制御部への指令値として位相が遅れる方向の初期値を与える起動指令部とを備えており、角度制御部は、ロータの補正角度（Δθ）を、Ｃｐ：ＰＩ制御の比例ゲイン、Ｅ：ｄ軸電流値ｉｄと所定の指令値ｄ＊との偏差、Ｃｉ：ＰＩ制御の積分ゲイン、Ｆ：Ｅの累積値として、Δθ＝Ｃｐ×Ｅ＋Ｃｉ×Ｆにより求めるものであり、角度算出部は、所定時刻において角度算出部が算出したロータの角度と、速度算出部により算出されたロータの速度と所定時間との積と、角度制御部により算出された補正角度と、を加算することにより、ロータの角度を算出するものであり、モータの突極比が１であり、起動時における角度制御部への指令値は、初期値がｄｎで所定時間経過後に０となるように設定されていることを特徴とするものである。
請求項２の発明によるブラシレスモータのセンサレス制御装置は、複数相のステータコイルを有するステータと、永久磁石を有するロータとを備えているブラシレスモータに対して、ｄ軸およびｑ軸からなる２軸の回転座標系を利用したセンサレスベクトル制御を行うセンサレス制御装置において、ｄ軸電流の電流値に基づいてロータの補正角度を算出することによってロータの角度を制御する角度制御部と、所定時間経過する間の角度変化量から現在のロータの速度を算出する速度算出部と、前回サンプリング時に得られたロータの角度、角度制御部で得られた補正角度および速度算出部で得られた速度を使用して所定時間毎に現在のロータの角度を算出する角度算出部と、起動時における角度制御部への指令値として位相が遅れる方向の初期値を与える起動指令部とを備えており、角度制御部は、ロータの補正角度（Δθ）を、Ｃｐ：ＰＩ制御の比例ゲイン、Ｅ：ｄ軸電流値ｉｄと所定の指令値ｄ＊との偏差、Ｃｉ：ＰＩ制御の積分ゲイン、Ｆ：Ｅの累積値として、Δθ＝Ｃｐ×Ｅ＋Ｃｉ×Ｆにより求めるものであり、角度算出部は、所定時刻において角度算出部が算出したロータの角度と、速度算出部により算出されたロータの速度と所定時間との積と、角度制御部により算出された補正角度と、を加算することにより、ロータの角度を算出するものであり、モータの突極比が１より大きく、起動時における角度制御部への指令値は、初期値がｄｎ＋ｎ０で所定時間経過後またはロータが所定回転数に到達した後にｎ０（≠０）となるように設定されていることを特徴とするものである。

ｄ軸電流値は、所定間隔（サンプリング間隔）Ｔｓで検出（サンプリング）され、これに応じて、ロータの補正角度Δθおよび現在（今回サンプリング時）のロータの角度θが算出される。現在のロータの速度ωは、好ましくは、サンプリング間隔ごとではなく、例えばロータの１回転ごとにを算出される。

角度制御部は、ｄ軸電流値ｉｄを指令値ｉｄ＊（具体的には例えば０）に収束させるように、ロータの角度θを補正するための補正角度Δθを算出し、これにより、ロータの角度のずれが補正される。

角度算出部では、サンプリング間隔Ｔｓごとに、前回サンプリング時に得られたロータの角度θ’および速度ωを使用してθ＝θ’＋ω×Ｔｓ＋Δθによって現在（今回サンプリング時）のロータの角度θが求められる。

速度算出部では、例えば、ロータが１回転するのに要する時間Ｔを求め、ω＝２π／Ｔとして現在のロータの速度ωを求めることができる。また、Ｔｓ×Ｋ時間経過後にその間の角度算出部における角度変化量をδとして、ω＝δ／（Ｋ×Ｔｓ）によってωを求めることもできる。

角度制御部で得られた補正角度Δθ、速度算出部で得られた速度ωおよび角度算出部で得られたロータの角度θ’に基づいて、現在のロータの角度θが算出されることにより、ロータの角度θをロータの真の角度に収束させることができ、モータモデルを用いずに演算負荷の小さい簡単な演算でセンサレスベクトル制御を行うことができる。また、演算負荷が減少して、高性能なコストの高いＣＰＵを使用する必要がないので、コストを低減することができる。さらに、モータモデルを用いずにロータの角度をロータの真の角度に収束することができるため、制御するブラシレスモータに対応させて、演算処理プログラムを変更する必要がなく、汎用性の高いセンサレス制御装置を得ることができる。

センサレス制御では、起動方法が課題であり、例えば、速度算出部から角度算出部に低回転で任意な速度初期値を入力することにより、各座標変換に初期位相角度θｏが入力されてモータを起動することができる。この回転により、ｄ軸電流が発生し、θをロータ位置に収束させるセンサレス制御が可能となる。しかしながら、上記起動方法には、起動の成功率が１００％でないこと、負荷が印加された状態での成功率が低くなること、センサレス駆動に移行するまでに多くの電流が流れることなどの問題がある。そこで、この発明によるブラシレスモータのセンサレス制御装置では、ｄ軸電流値を使用してロータの補正角度Δθを算出している角度制御部に着目し、起動時には、この角度制御部の指令値を起動指令部によって制御するものとされている。位相が遅れる方向の初期値ｄｎが与えられると、角度算出部は、これに基づいて、初期位相θｏを算出し、これが各座標変換に入力されることで、ブラシレスモータが起動する。この起動は、定常運転時の動作と同様のｄ軸電流値に基づく制御となるので、より少ない電流でかつより短い起動時間でスムーズに行うことができ、モータ性能が許容できる負荷までの成功率１００％の起動を達成することができる。

定常運転での指令値は、通常、０とされているので、起動時における角度制御部への指令値の初期値は、ｄ＝ｄｎ≠０とされ、回転方向によって、正の場合と負の場合とがある。定常運転の指令値は、０に限定されるものではないので、これが所定の値ｄｏとされる場合には、起動時における角度制御部への指令値の初期値は、ｄ＝ｄｎ≠ｄｏとされる。電流制御部における動作は、起動時と定常運転時とで同様のものとなる。この初期値ｄｎを時間とともに（例えば１００μｓｅｃ程度の時間をかけて）定常運転の指令値に近づけることで、別途の切り替え操作を伴わずに、定常運転に移行する。

起動時における角度制御部への指令値は、種々の式で与えることができ、モータの負荷のイナーシャが大きい場合には、指令値の変化時間を遅らすことにより対応することができ、また、これに加えて、速度算出部が出力する初期速度から指令速度への変化時間を遅らすことにより対応することもできる。

起動時における角度制御部への指令値は、具体的には、例えば、初期値をｄ＝ｄｎとして、これを時間とともに定常状態での指令値ｄ＝０に近づければよい。ＳＰＭモータ（表面着磁型モータ）の場合には、このような指令値が好適なものとなる。

起動の成功率は、モータの種類によって異なり、ＩＰＭモータ（埋込磁石型モータ）の場合、指令値をｄ＝ｄｎ→０とすると、起動の成功率が低くなる。この理由としては、ＩＰＭモータとＳＰＭモータとの突極比の相違が考えられる。突極比は、ｑ軸インダクタンスＬｑとｄ軸インダクタンスＬｄとの比：Ｌｑ／Ｌｄであり、ＳＰＭモータでは、突極比が１（Ｌｄ＝Ｌｑ）であり、ＩＰＭモータでは、突極比が１より大（Ｌｄ＜Ｌｑ）である。

ＩＰＭモータとＳＰＭモータとでは、ｄ軸（ロータ）と電流ベクトルとがなす角度（位相）βが異なり、ＳＰＭモータの場合、β＝０に制御し、ＩＰＭモータの場合には、突極比に応じて、０＜β＜π／４間で制御することが好ましい。これに応じて、ＳＰＭモータの場合には、起動時に位相θが遅れる方向の任意の値（初期値）ｄｎに設定した後に、ｄ＝０に変化させて定常運転に移行することが好ましく、ＩＰＭモータの場合（ＳＰＭモータであっても突極比が１ではない場合を含む）、さらに角度β分位相が遅れる方向に設定した後（ｄｎ＋ｎ０）に、ｄ＝ｎ０≠０に変化させて定常運転に移行することが好ましい。このようにすることで、ＩＰＭモータの起動特性を向上することができ、ＩＰＭモータの起動時に必要であった簡単な位置センサを不要とすることができ、省スペース化・低コスト化が可能となる。

この発明のブラシレスモータのセンサレス制御装置によると、モータモデルを用いて角度および速度を推定する従来のものに比べて、演算負荷の小さい簡単な演算でセンサレスベクトル制御を行うことができ、また、制御するブラシレスモータに対応させて、演算処理プログラムを変更する必要がなく、コストを低減しかつ汎用性の高いセンサレス制御装置を得ることができる。そして、起動時における角度制御部への指令値として位相が遅れる方向の初期値ｄｎを与える起動指令部を付加することで、少ない電流でかつ短い起動時間でスムーズな起動を行うことができ、モータ性能が許容できる負荷までの成功率１００％の起動を達成することができる。

この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。

図１は、この発明によるブラシレスモータのセンサレス制御装置を示している。

ブラシレスモータは、永久磁石界磁同期モータ(1)とセンサレス制御装置(2)とから構成されている。同期モータ(1)は、複数相（この例では３相）のステータコイル(3)を有するステータ(4)と、永久磁石を有するロータ(5)とを備えている。

センサレス制御装置(2)は、センサレスベクトル制御を行うもので、２軸座標系におけるｄ軸・ｑ軸電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊を算出する速度制御部(11)と、２軸座標系におけるｄ軸・ｑ軸電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊に基づいて２軸座標系におけるｄ軸・ｑ軸電圧指令値Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を算出する電流制御部(12)と、２軸座標系におけるｄ軸・ｑ軸電圧指令値Ｖｄ＊，Ｖｑ＊に基づいて３相の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を算出する３相への座標変換部(13)と、３相の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に基づいてモータ(1)のステータコイル(3)に直流駆動電流を供給するＰＷＭインバータ(14)と、ステータコイル(3)に流れる相電流Ｉｕ，Ｉｖに基づいて各相の電流値ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを求める電流検出部(15)と、相電流値ｉｕ，ｉｖ，ｉｗに基づいて２軸座標系におけるｄ軸・ｑ軸電流値ｉｄ，ｉｑを算出する２相への座標変換部(16)と、補正角度Δθを算出する角度制御部(17)と、速度ωを算出する速度算出部(18)と、角度θを算出する角度算出部(19)と、起動時における角度制御部(17)への指令値として位相が遅れる方向の初期値ｄｎを与える起動指令部(20)とを備えている。

角度制御部(17)、速度算出部(18)、角度算出部(19)および起動指令部(20)は、本発明の特徴部分で、これらの構成によって、従来使用されていた位置・速度推定部（図７参照）が省略されている。

上記各部(11)(12)(13)(14)(15)(16)(17)(18)(19)(20)は、作業用記憶領域を有するＲＡＭを用いて、ＲＯＭに記憶された演算処理プログラムおよび制御処理プログラムを実行するＣＰＵ（図示略）により動作する。

速度制御部(11)は、外部から入力された指令速度ω＊から速度算出部(18)によって算出されたωを減算し、その減算結果（ω＊−ω）に基づいて、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊とｑ軸電流指令値ｉｑ＊を算出して電流制御部(12)へ出力する。なお、一般的には、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊は０である。

電流制御部(12)は、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊から２相への座標変換部(16)によって算出されたｄ軸電流値ｉｄを減算し、その減算結果（ｉｄ＊−ｉｄ）に基づいて、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊を算出して３相への座標変換部(13)へ出力するとともに、ｑ軸電流指令値ｉｑ＊から２相への座標変換部(16)によって算出されたｑ軸電流値ｉｑを減算し、その減算結果（ｉｑ＊−ｉｑ）に基づいて、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を算出して３相への座標変換部(13)へ出力する。

３相への座標変換部(13)は、角度算出部(19)によって算出された角度θを用いて、ｄ軸電圧指令値ｖｄ＊とｑ軸電圧指令値ｖｑ＊に対して座標変換を施して、３相の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を作成し、これらの電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊をＰＷＭインバータ(14)に出力する。

ＰＷＭインバータ(14)は、各電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に対応した電圧が３相のステータコイル(3)に印加されるように、Ｕ相電流Ｉｕ，Ｖ相電流ＩｖおよびＷ相電流Ｉｗを供給してモータ(1)を駆動する。

電流検出部(15)は、ＰＷＭインバータ(14)によってモータ(1)へ供給される電流をサンプリング時間Ｔｓの間隔でサンプリングすることにより、３相（Ｕ相、Ｖ相およびＷ相）の相電流の電流値ｉｕ，ｉｖおよびｉｗを求め、これを２相への座標変換部(16)へ出力する。なお、電流検出部(15)は、例えば、２相の電流Ｉｕ，Ｉｖを検出して、３相目の電流値ｉｖについては、これらの２相の電流値ｉｕ，ｉｖに基づいて算出するものとされるが、これに限定されるものではない。また、サンプリング時間Ｔｓは、ロータ(5)が１回転するための時間よりも短い時間とされる。

２相への座標変換部(16)は、角度算出部(19)によって算出された角度θを用いて、相電流の電流値ｉｕ，ｉｖおよびｉｗに対して座標変換を施すことにより、ｄ軸電流値ｉｄおよびｑ軸電流値ｉｑを算出し、これらを電流制御部(12)へ出力する。ここで、ｄ軸電流値ｉｄは、角度制御部(17)へも出力される。

角度制御部(17)は、２相への座標変換部(16)からｄ軸電流値ｉｄが入力されるごとに、このｄ軸電流値ｉｄに基づいて補正角度Δθを算出する。算出された補正角度Δθは、角度算出部(19)に出力されて、ロータ(5)の角度θの制御に使用される。Δθの算出には、ＰＩ制御、ＰＩＤ制御またはＰ制御が使用される。

ＰＩ制御（比例・積分）を行う場合、補正角度Δθは、Ｅ：ｄ軸電流値ｉｄと所定の指令値ｄ＊（例えば０）との偏差、Ｃｐ：ＰＩ制御の比例ゲイン、Ｆ：ｄ軸電流値ｉｄと所定の指令値ｄ＊との偏差であるＥの累積値、Ｃｉ：ＰＩ制御の積分ゲインとして、次の式で算出される。

Δθ＝Ｃｐ×Ｅ＋Ｃｉ×Ｆ
ＣｐおよびＣｉは、制御装置(2)にモータ(1)を実際に制御させた結果により最適な値が定められる。このため、制御装置(2)は、制御されるモータ(1)を構成するステータコイル(3)のインダクタンスや抵抗に依存せずに、モータ(1)を制御することができ、汎用性の高いものとなる。

速度算出部(18)は、角度算出部(19)で算出されたロータの角度θを用いて、ロータの速度ωを求める。ロータの角度θは、サンプリング間隔Ｔｓごとに角度算出部(19)において算出されているので、サンプリング間隔Ｔｓの間のロータの角度変化をＴｓで割ることで、ロータの速度ωを求めることができる。この速度算出部(18)では、サンプリング間隔Ｔｓごとにロータの速度を求めるのではなく、ロータ(5)が３６０°回転したか否かを判断し、３６０°回転した場合に、これに要した時間Ｔを求めて、２π（＝３６０°）／Ｔにより、ロータの速度を求めている。ロータの速度を求めるタイミングは、ロータが３６０°回転したときに限られるものではなく、より一般的な式として、（θ(ｋ＋ｍ)−θｋ）／（ｍ×Ｔｓ）、ｍ：任意の自然数、を使用してサンプリング間隔Ｔｓごとまたはその２倍以上の間隔で求めることもできる。ただし、速度変化は、比較的緩やかであるので、サンプリング間隔Ｔｓで常に求める必要はなく、ω＝２π／Ｔの式を使うことにより、演算処理を簡単なものとすることができる。

角度算出部(19)は、相電流の電流値ｉｕ，ｉｖおよびｉｗがサンプリングされるごとに（サンプリング時間Ｔｓ間隔で）、角度制御部(17)で算出された補正角度Δθ、速度算出部(18)で算出された速度ωおよびサンプリング時間Ｔｓを用いて、ロータの角度θを算出する。具体的には、前回のサンプリング時に算出されたロータの角度θｋを用いて、今回のサンプリング時（現在）のロータの角度θ(ｋ＋１)は、次の式により算出される。

θ(ｋ＋１)＝θｋ＋ω×Ｔｓ＋Δθ
ここで、θ(ｋ＋１)は、電気角２π分のカウンタ値とされ、θ(ｋ＋１)が２π以上の場合には、２πを減算し、０≦θ(ｋ＋１)＜２πの関係が満たされる。

上記の算出により、図２に示すように、ロータ(5)が図中の矢印Ｒの方向へ回転する場合、所定時刻ｎにおけるロータ(5)の角度θｎと、これからサンプリング間隔Ｔｓが経過する間にロータ(5)が回転する角度ω×Ｔｓと、角度制御部(17)で算出された補正角度Δθとの和として、現在のロータ(5)の角度θｎ＋１が求められる。この現在のロータ(5)の角度θｎ＋１に補正角度Δθが含まれていることにより、現在のロータ(5)の角度θｎ＋１をロータ(5)の実際の角度へ収束させることができる。算出されたロータ(5)の角度θｎは、各座標変換部(13)(16)に出力される。

起動指令部(20)は、起動をスムーズに行わせるために、適切な初期値を角度制御部(17)に出力する。従来の起動方式を参考にすると、例えば、電流制御部において、ｑ軸電流指令値＝０を与えて、ｄ軸電流指令値を電流が９０°遅れる方向に制御しながら同期運転して起動する方法、速度算出部から角度算出部に低回転で任意な速度初期値を入力することにより、各座標変換に初期位相角度が入力されてモータを起動する方法などが考えられるが、本発明においては、電流制御部(12)は、起動時にも定常運転時と同様の動作とし、角度制御部(17)の指令値ｄを起動指令部(20)で制御することにより起動するものとされている。

角度制御部(17)に与えられる指令値ｄは、例えば、図３に示すように、初期値がｄｎで、時間ｔとともに０になるように設定される。すなわち、指令値が、式ｄ＝ｄｎ（１−ｔ／Ｔｏ）で与えられる。ｄ＝ｄｎ（位相遅れ有り）が角度制御部(17)に入力されると、これを０とするべく各部(17)(18)(19)での演算が行われ、この結果、位相遅れをなくすようにロータ(5)が回転を始め、モータ(1)が起動する。

図４に、起動時および定常運転時の制御装置の動作を示すフローチャートを示す。

起動指令が出されると（ステップＳ１１）、まず、ｄ＝ｄｎ≠０が初期の指令値として角度制御部(17)に与えられる（ステップＳ１２）。これにより、速度算出部(18)において初期速度ωｏが求められ、角度算出部(19)において初期位相θｏが求められる（ステップＳ１３）。この結果、ロータの速度がこの初期速度に対応する値に増加し、確実に起動が行われる（ステップＳ１４）。角度制御部(17)に与えられる指令値は、時間とともに減少して、ｄ＝０すなわち定常時の指令値となり（ステップＳ１５）、この後は、定常運転（ｄ軸電流値ｉｄを使用したセンサレスベクトル制御）に移行する（ステップＳ１６）。

センサレスベクトル制御では、電流検出部(15)によって、各相の電流値ｉｕ，ｉｖおよびｉｗが求められ（ステップＳ１７）、これに基づいて、２相への座標変換部(16)によって、ｄ軸電流値およびｑ軸電流値が算出される（ステップＳ１８）。次いで、ｄ軸電流値を用いて、角度制御部(17)によって補正角度Δθが算出される（ステップＳ１９）。次いで、角度算出部(19)によって、サンプリング間隔Ｔｓ後のロータの角度θが算出される（ステップＳ２０）。ステップ１７からステップ２０までは、サンプリング間隔Ｔｓごとに繰り返され、この繰り返し途中に、ロータが３６０°回転したか否かを判定して（ステップＳ２１）、ロータが３６０°回転した場合には、速度算出部(18)によって、ロータの速度ωが算出されて、角度算出部(19)で使用されるロータの速度ωの値が更新される（ステップＳ２２）。定常運転時には、ステップ１７からステップ２２までが繰り返され、この途中にモータの電源がオフとされた場合（ステップＳ２２）、運転が終了する。

こうして、制御装置(2)は、演算処理プログラムおよび制御処理プログラムを実行して、モータモデルを用いずにロータの角度θを算出し、ｄ軸電流を０に収束させるように、ロータの角度のずれが補正される。この制御装置(2)では、ロータの角度および速度を求めるに際してモータモデルを用いないことから、制御するブラシレスモータに対応させて、演算処理プログラムを変更する必要がなく、しかも、演算負荷の小さい簡単な演算でセンサレスベクトル制御を行うことができる。そして、起動時における角度制御部(17)への指令値として位相が遅れる方向の初期値ｄｎを与える起動指令部(20)を付加することで、少ない電流でかつ短い起動時間でスムーズな起動を行うことができる。

上記実施形態において、角度制御部(17)に与えられる指令値を初期値がｄｎで時間ｔとともに０とするのは、モータ(1)がＳＰＭモータであるときに好ましい。

モータ(1)がＩＰＭモータであるときは、角度制御部(17)に与えられる指令値は、図６に示すように、初期値がｄｎ＋ｎ０で時間ｔとともにｎ０（≠０）とされることが好ましい。

ＳＰＭモータとＩＰＭモータとを比べると、ＳＰＭモータでは、Ｌｄ＝Ｌｑ（突極比が１）であるのに対し、ＩＰＭモータでは、Ｌｄ＜Ｌｑ（突極比が１より大）であり、ＩＰＭモータでは、図５に示すように、ｄ軸と電流ベクトルｉとのなす角度β（位相）が０ではなく、ＳＰＭモータでは、このβが０となっている。したがって、ＳＰＭモータの場合、β＝０に制御し、ＩＰＭモータの場合、突極比によって０＜β＜π／４間で制御することが好ましい。

したがって、ＩＰＭモータの起動に際しては、ＳＰＭモータの指令値に比べて、角度β分遅れる方向に初期値を設定した後、ｄ＝ｎ０（≠０）に変化させ定常運転に移行することが好ましい。ここで、ｎ０は、β分に相当する値で、突極比に応じて決定される。

こうして、ＳＰＭモータとＩＰＭモータとで位相が異なることに対応させて、角度制御部(17)の指令値を変更するだけで、ＳＰＭモータに適した制御とＩＰＭモータに適した制御とに容易に切り替えることができ、モータ(1)の起動特性を向上することができる。

なお、ｄは、図６（ａ）に示すように、時間とともに変化させて、所定時間後に定常運転に移行するようにしてももちろんよいが、図６（ｂ）に示すように、ロータ(5)の回転速度とともに変化させて、ロータ(5)の回転速度が所定値に達した後に定常運転に移行するるようにしてもよい。

また、図３に示す初期値を使用する場合には、回転の方向によって極性が変わることになるが、図６に示す初期値を使用する場合には、極性が逆の場合でも同じ指令値とすることができる。

上記ブラシレスモータのセンサレス制御装置は、例えば、電動ポンプに適用されるほか、その他の全てのブラシレスモータの正弦波センサレス駆動に適用することができる。

図１は、この発明によるブラシレスモータのセンサレス制御装置を示すブロック図である。図２は、角度算出部が算出する角度を説明する図である。図３は、起動時における角度制御部への指令値の一例を示す図である。図４は、この発明によるブラシレスモータのセンサレス制御装置の要部の動作ステップを示すフローチャートである。図５は、モータがＩＰＭモータである場合の位相βを説明する図である。図６は、起動時における角度制御部への指令値の一例を示す図である。図７は、従来のブラシレスモータのセンサレス制御装置を示すブロック図である。

符号の説明

(1) モータ
(2) センサレス制御装置
(3) ステータコイル
(4) ステータ
(5) ロータ
(17) 角度制御部
(18) 速度算出部
(19) 角度算出部
(20) 起動指令部

Claims

複数相のステータコイルを有するステータと、永久磁石を有するロータとを備えているブラシレスモータに対して、ｄ軸およびｑ軸からなる２軸の回転座標系を利用したセンサレスベクトル制御を行うセンサレス制御装置において、
ｄ軸電流の電流値に基づいてロータの補正角度を算出することによってロータの角度を制御する角度制御部と、所定時間経過する間の角度変化量から現在のロータの速度を算出する速度算出部と、前回サンプリング時に得られたロータの角度、角度制御部で得られた補正角度および速度算出部で得られた速度を使用して所定時間毎に現在のロータの角度を算出する角度算出部と、起動時における角度制御部への指令値として位相が遅れる方向の初期値を与える起動指令部とを備えており、
角度制御部は、ロータの補正角度（Δθ）を、Ｃｐ：ＰＩ制御の比例ゲイン、Ｅ：ｄ軸電流値ｉｄと所定の指令値ｄ＊との偏差、Ｃｉ：ＰＩ制御の積分ゲイン、Ｆ：Ｅの累積値として、Δθ＝Ｃｐ×Ｅ＋Ｃｉ×Ｆにより求めるものであり、
角度算出部は、所定時刻において角度算出部が算出したロータの角度と、速度算出部により算出されたロータの速度と所定時間との積と、角度制御部により算出された補正角度と、を加算することにより、ロータの角度を算出するものであり、
モータの突極比が１であり、起動時における角度制御部への指令値は、初期値がｄｎで所定時間経過後に０となるように設定されていることを特徴とするブラシレスモータのセンサレス制御装置。
複数相のステータコイルを有するステータと、永久磁石を有するロータとを備えているブラシレスモータに対して、ｄ軸およびｑ軸からなる２軸の回転座標系を利用したセンサレスベクトル制御を行うセンサレス制御装置において、
ｄ軸電流の電流値に基づいてロータの補正角度を算出することによってロータの角度を制御する角度制御部と、所定時間経過する間の角度変化量から現在のロータの速度を算出する速度算出部と、前回サンプリング時に得られたロータの角度、角度制御部で得られた補正角度および速度算出部で得られた速度を使用して所定時間毎に現在のロータの角度を算出する角度算出部と、起動時における角度制御部への指令値として位相が遅れる方向の初期値を与える起動指令部とを備えており、
角度制御部は、ロータの補正角度（Δθ）を、Ｃｐ：ＰＩ制御の比例ゲイン、Ｅ：ｄ軸電流値ｉｄと所定の指令値ｄ＊との偏差、Ｃｉ：ＰＩ制御の積分ゲイン、Ｆ：Ｅの累積値として、Δθ＝Ｃｐ×Ｅ＋Ｃｉ×Ｆにより求めるものであり、
角度算出部は、所定時刻において角度算出部が算出したロータの角度と、速度算出部により算出されたロータの速度と所定時間との積と、角度制御部により算出された補正角度と、を加算することにより、ロータの角度を算出するものであり、
モータの突極比が１より大きく、起動時における角度制御部への指令値は、初期値がｄｎ＋ｎ０で所定時間経過後またはロータが所定回転数に到達した後にｎ０（≠０）となるように設定されていることを特徴とするブラシレスモータのセンサレス制御装置。