(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置検出器を用いて同期モータの回転子の磁極位置を検出し、前記磁極位置の検出値に応じて前記同期モータの駆動制御を行うモータ制御装置において、
前記モータ制御装置は、前記同期モータの電流を検出する電流検出器と、
前記電流検出器の検出値のみによって前記同期モータの回転子の基準位置と前記位置検出器の基準位置との位相差を推定する位相差推定手段と、
前記位相差推定手段により得られた前記位相差により前記位置検出器の前記検出値を補正する位相補正手段とを備え、
前記位相差推定手段は、前記位相差を推定するための高周波信号を前記同期モータに印加し、該高周波信号の印加により発生する電流値に基づいて前記位相差を推定することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
位置検出器を用いて同期モータの回転子の磁極位置を検出し、前記磁極位置の検出値に応じて前記同期モータの駆動制御を行うモータ制御装置において、
前記モータ制御装置は、前記同期モータの電流を検出する電流検出器と、
前記電流検出器の検出値のみによって前記同期モータの回転子の基準位置と前記位置検出器の基準位置との位相差を推定する位相差推定手段と、
前記位相差推定手段により得られた前記位相差により前記位置検出器の前記検出値を補正する位相補正手段とを備え、
前記位相差推定手段は、信号発生部、振幅値検出部、及び、位相差演算部を有し、前記電流検出器により得られる３相交流電流検出値を３／２変換することにより得られるｑ軸電流を入力し、
前記信号発生部は、前記位相差を推定するための高周波信号を出力してｄ軸電流指令に印加し、
前記振幅値検出部は、前記高周波信号を印加したことにより発生する前記ｑ軸電流の高周波成分の振幅値を検出し、
前記位相差演算部は、前記振幅値に基づいて前記位相差を演算することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、前記モータ制御装置は、起動毎に前記位相差推定手段により前記同期モータの回転子の基準位置と前記位置検出器の基準位置との位相差を推定し、前記位相差により前記位置検出器の検出値を補正する位相補正手段を備えたことを特徴とするモータ制御装置。
【請求項４】
請求項１又は請求項２において、前記モータ制御装置は前記位相差推定手段により得られる前記位相差を保存しておく位相差記憶手段を備え、前記モータ制御装置の第１回目の起動時に前記位相差推定手段により前記位相差を推定し、前記位相差を前記位相差記憶手段に保存し、前記位相差記憶手段に保存された値により前記位置検出器の検出値を補正することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のモータ制御装置を用いた電気車用制御装置又はハイブリッド車用制御装置。
【請求項６】
請求項５において、前記電気車用制御装置又はハイブリッド車用制御装置は、前記位相差推定手段に前記同期モータの回転子の磁極位置を推定する磁極位置推定手段を有しており、前記磁極位置の推定値により前記同期モータを駆動制御することを特徴とする電気車用制御装置又はハイブリッド車用制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、位置検出器により得られた磁極位置検出値に応じて同期モータの駆動制御を行うモータ制御装置に関する。さらには、前記のモータ制御装置を用いた電気車用制御装置およびハイブリッド車用制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
同期モータの磁極位置検出値の補正を行うモータ制御装置の従来技術としては、特開平9−56199号公報に開示されたものがある。
【０００３】
特開平9−56199号公報によれば、モータの回転子の位置を位置検出手段で検出し、その検出値と磁極位置推定手段で推定された永久磁石の磁極位置とを比較し、回転子の回転位置と永久磁石の磁極位置とのずれを検出し、さらにそれを補正するようにするので、回転子の回転位置と永久磁石の磁極位置とのずれによるトルク制御精度の低下を防ぐことができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平9−56199号公報では、同期モータの磁極位置の推定は、モータ電流とモータに印加される電圧を入力として同期モータの電圧方程式を解くことにより行われるので、従来トルク制御には不要な電圧センサが新たに必要とされる。また、電圧方程式を解く必要があるために、制御装置の演算時間が増大し、さらには電圧方程式に含まれるモータ定数に設定誤差が生じれば設定誤差が直接位置の推定精度に影響を与えることにもなる。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、新たにセンサを増設することなく、高精度に回転子の磁極位置と位置検出器の検出値との位相ずれを推定し、高精度にトルク制御を行うことができるモータ制御装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、レゾルバ等の位置検出器を用いて同期モータの回転子の磁極位置を検出し、前記磁極位置の検出値に応じて前記同期モータの駆動制御を行うモータ制御装置において、前記モータ制御装置が、前記同期モータの３相交流電流を検出する電流検出器を有し、前記電流検出器の検出値のみによって前記同期モータの回転子の基準位置と前記位置検出器の基準位置との位相差を推定する位相差推定手段を備えることにより達成される。また、前記モータ制御装置が、前記同期モータの３相交流電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器により得られる電流検出値を回転座標系ｄｑ軸電流に変換する３／２変換手段を有し、前記３／２変換手段により得られるｑ軸電流の振幅値によって前記同期モータ回転子の基準位置と前記位置検出器の基準位置との位相差を推定する位相差推定手段を備えることによっても上記目的は達成される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を用いて説明する。
【０００８】
図１に本発明の第１の実施例である同期モータ回転子の基準位置と位置検出器の基準位置との位相差を推定する位相差推定手段を備えたモータ制御装置の構成を示す。
【０００９】
図１において１は同期モータ、２は電力変換器、３は電流検出器を示している。さらに、４はマイコンなどによって構成される制御部であり、制御部４は、電流検出器３によって得られた３相交流のモータ電流Ｉ１を、モータ回転子の磁極位置に一致して回転する回転座標系ｄｑ軸上の電流ｉｄ′，ｉｑ′に変換するｄｑ変換部５と、ｄｑ軸の電流指令ｉｄ*，ｉｑ*になるようにｄｑ軸の検出電流ｉｄ′，ｉｑ′を制御する電流制御部６と、電流制御部６より出力されたｄｑ軸電圧指令ｖｄ*，ｖｑ*を３相電圧指令Ｖ１* に変換する３相変換部７等により構成されている。
【００１０】
ここで、本実施例のモータ制御系ではｄｑ軸の電流制御系を構成しているので、ｄｑ変換部５での電流変換や３相変換部７での電圧変換に同期モータ１の回転子の磁極位置θが必要となる。そこで、一般にはレゾルバ等の位置検出器８を用いて回転子の磁極位置θの検出を行う。さらには、本実施例で示すモータ制御系は電流制御系のみを示しているが、通常は電流制御系の上位側にトルク制御系や速度制御系、または位置制御系などがある。
【００１１】
上述のようにｄｑ軸上においてモータの電流制御を行うためには、正確なモータ回転子の磁極位置検出が必要であり、レゾルバ等の位置検出器が用いられる。しかし、最近のモータ制御装置、特に電気自動車やハイブリッド車に適用される駆動装置では、小型化および構造の複雑化が進むにつれて装置の組み立てが容易に行えなくなってきており、回転子の基準位置と位置検出器の基準位置との位置合せ精度の維持もかなり難しくなってきている。
【００１２】
さらに、電気自動車やハイブリッド車に適用される駆動装置では振動等の外乱を頻繁に受け、組み立て当初の位置合せ精度を保つことは困難である。
【００１３】
それに対して同期モータは、低コスト化を目的として回転子に用いられる永久磁石の使用量を減らすために多極化が進められている。そのため、回転子と位置検出器との間に微小の組み立て誤差が生じた場合でも、モータの電気角での回転子の基準位置と位置検出器の基準位置との位相差は、組み立て誤差の極対数（極数／２）倍となるために、許容誤差以上まで大きくなることも考えられる。
【００１４】
この位相差はモータのトルク発生に大きく影響を及ぼしトルク制御精度を低下させる原因となる。
【００１５】
そこで、図１に示すような位相差推定手段９を制御部４内に設ける。位相差推定手段９は回転子の磁極位置θと位置検出器８の検出値θ′との位相差Δθを推定するものである。すなわち、位相差Δθがわかれば現在の回転子の磁極位置θを正確に把握できるので、位置検出器８の組み立て誤差に影響されることがなく、精度の高いモータ制御が可能となる。
【００１６】
ここで、位相差推定手段９の構成の一例を図２に示す。
【００１７】
位相差推定手段９は、モータ電流を検出する電流検出器３からの信号を入力して回転子の磁極位置θと位置検出器８の検出値θ′との位相差Δθを演算できるものであれば特に構成・方法は限定されない。図２では、位相差推定手段９の構成の一例として、高周波注入方法を用いたものである。
【００１８】
位相差Δθを求める動作としてはまず、制御部４において、位置検出器８からの信号を位置検出部１０に入力して得られる磁極位置の検出値θ′を、現在の回転子の磁極位置の設定値θ＾としてｄｑ変換部５と３相変換部７での座標変換に用いる。
【００１９】
次に位相差推定手段９において、信号発生部１５より位相差推定用の高周波信号ｉｄｈ*を出力しｄ軸電流指令ｉｄ*に印加する。さらに、位相差推定手段９では、ｄｑ変換部５で得られるｑ軸電流の検出値ｉｑ′を入力し、振幅値検出部１６において高周波信号ｉｄｈ* を印加したことにより発生するｉｑ′の高周波成分の振幅値ｉｑｈ′を検出する。
【００２０】
その後、位相差推定手段９はｉｑｈ′を位相差演算部１７に入力し、回転子の磁極位置θと位置検出器８の検出値θ′との位相差Δθを演算する。
【００２１】
位相差演算部１７では、ｑ軸電流検出値ｉｑ′の高周波成分の振幅値ｉｑｈ′を入力として、数１に示す関係式に基づいて位相差Δθを演算する。
【００２２】
【数１】
0003675192.tif 000002
【００２３】
この数式は、高周波信号ｉｄｈ*と、ｉｄｈ*を印加したときに生じるｑ軸電流検出値ｉｑ′の高周波成分ｉｑｈ′との関係式である。この数式において、ｋｄ，ｋｑはｄｑ軸電流制御ゲイン、Ｌｄ，Ｌｑはｄｑ軸インダクタンス、Ｒは巻線抵抗、ｐはラプラス演算子を表している。数式からわかるように、高周波信号ｉｄｈ* を印加した場合、ｉｑ′の高周波成分ｉｑｈ′はΔθの大きさに応じて変化することがわかる。従って、推定用の高周波信号ｉｄｈ* を印加した時に発生するｉｑ′の高周波成分の振幅値ｉｑｈ′によって位相差Δθが得られる。
【００２４】
位相差演算部１７の具体的な演算方法としては、例えば前記数式を直接解いてΔθを求めても良い。しかし、直接数式を解いた場合はモータ定数の設定誤差により推定誤差が生じたり、演算時間が増大する。従ってｉｑｈ′の振幅値に対する位相差Δθのテーブルを用意しておき、そのテーブルを検索するようにしてもよい。
【００２５】
さらには、位相差推定手段９を図３に示すような構成にし、比例，積分などの制御演算を用いてｉｑｈ′の振幅が０となるように磁極位置の設定値θ＾を補正して位相差Δθを求めれば、パラメータの設定誤差に影響を受けることなく短い演算時間で推定を行うことができる。
【００２６】
ここで、図３の位相差推定手段９の詳しい構成を図４に示す。
【００２７】
図４の位相差推定手段９では、ｉｑ′の高周波成分の振幅値ｉｑｈ′を比例演算部２０および積分演算部２１に入力し比例積分制御演算を行い、ｉｑｈ′が０となるように磁極位置の設定値θ＾の操作量を演算する。
【００２８】
さらに位相差推定手段９では、位置演算部２２において磁極位置設定値の操作量をサンプリング時間毎に補正することにより、磁極位置の設定値θ＾を求める。ここで、加算器２３によりｉｑｈ′が０となったときの設定値θ＾と検出値θ′の差分をとることにより位相差Δθを得る。この場合、ｉｑｈ′が０となったときの設定値θ＾は現在の回転子の磁極位置θに相当する。
【００２９】
以上のように、本発明では既存の電流検出器のみを用いて、モータの回転子の磁極位置と位置検出器の検出値との位相差、すなわち位置検出器の取り付け誤差を推定することができる。推定した位相差を用いて位置検出器の検出値を補正することにより、高精度に回転子の磁極位置を検出することができ、その結果高精度なトルク制御を行うことができる。
【００３０】
しかも新たなセンサを増設することがないので、コストが高くなることはない。
【００３１】
さらに、制御演算により位相差の推定を行うので、パラメータ設定誤差による影響を受けることなく、短い演算時間で実現できる。
【００３２】
また、位相差推定手段９で発生させる高周波信号ｉｄｈ* の周波数および振幅は制御装置のサンプリング時間や電流検出の分解能によって決定されるものである。
【００３３】
さらに、数１を用いて位相差を推定する場合、推定可能範囲は式の特性上Δθが±４５°以内となる。Δθが±４５°以上大きくなる場合には、求められた位置がｄ軸かまたはｑ軸かを判定する軸判定手段と、ｄ軸判定後にＮ極方向かＳ極方向かを判断する極性判定処理が必要となる。
【００３４】
次に、図１の位相差推定手段を用いた位置合わせの例を説明する。
【００３５】
従来、モータと位置検出器の取り付けは手作業で行う場合が多いが、特に電気自動車やハイブリッド車などの駆動装置では、装置が小型化あるいは構造が複雑化してモータの回転子と位置検出器との取り付けが精度良く行えない場合がある。そのような場合に本発明の位相差推定手段を用いることにより取り付け精度を向上させることができる。
【００３６】
図１の位相差推定手段９では、位置検出器８の検出値θ′をｄｑ変換部５と３相変換部７での座標変換に用いて回転子の磁極位置θと位置検出器８の検出値θ′との間の位相差Δθを演算するので、そこで得られたΔθが０となる方向に位置検出器８の取り付け位置を調整する。
【００３７】
もし、１回の調整作業においてΔθを０にできない場合は、Δθが０になるまで上記調整作業を繰り返すことにより精度良い位置合せが行えるようになる。
【００３８】
以上のように、図１の位相差推定手段によって得られる位相差Δθが０となるように位置検出器の取り付け位置を調整することにより、モータ回転子の基準位置と位置検出器の基準位置との位置合せを簡単にかつ高精度に行うことができるようになる。
【００３９】
次に図３の位相差推定手段を用いた他の位置合わせの例を説明する。図３は、モータ制御装置の起動毎に回転子の磁極位置θと位置検出器８の検出値θ′との間の位相差Δθを演算し、位置検出器による検出値を補正するものである。
【００４０】
図１の例では回転子と位置検出器の組み立て方法を説明した。しかし、組み立て時に高精度の位置合せを実現させても長い間振動等の外乱にさらされるようなモータ制御装置では位置合せ精度を長期間保持することは難しい。
【００４１】
しかも最近は磁石の使用量を減らせることからモータを多極化する傾向があり、多極化により回転子と位置検出器との間の微小の位置誤差が制御系に影響を与えるほどの大きな電気角の誤差になることも考えられる。
【００４２】
そこで図３では、位相差推定手段によりモータ制御装置の起動毎に位相差Δθを推定し、Δθにより位置検出器の検出値θ′を補正することにより高精度な制御を継続できるようにする。
【００４３】
この場合、図３の位相差推定手段９は図５に示すような構成が好ましい。
【００４４】
図５において、位相差推定手段９は装置の起動時にはスイッチ３０を１側に接続し、図４で説明した方法によりモータ回転子の磁極位置と位置検出器の検出値との位相差Δθを演算する。さらに、演算された位相差Δθは位相差記憶部３１に格納される。
【００４５】
その後、モータ駆動動作に移る際にはスイッチ３０を２側に接続し、位相差記憶部３１に格納された位相差Δθにより位置検出値θ′を加算器で構成される位相補正手段３２により補正し磁極位置の設定値θ＾とする。
【００４６】
以上のように、装置の起動毎に位相差推定手段により回転子の磁極位置θと位置検出器の検出値θ′との位相差Δθを演算し、検出値θ′をΔθで補正して磁極位置の設定値θ＾とすることにより、振動等の外乱により回転子と位置検出器の取り付け位置関係にずれが生じても、高い制御精度を保つことができる。
【００４７】
特に、本発明は先で説明したように電気自動車用制御装置やハイブリッド車用制御装置に最適である。なぜならば、電気自動車やハイブリッド車は使用環境が過酷であり、位置検出器の取り付け位置がずれる可能性があるからである。また、これらの駆動装置は小型化，構造の複雑化の傾向にあり、回転子と位置検出器の高精度な組み立ては難しくなる方向にあるからである。
【００４８】
運転中の振動等の外乱などによる回転子と位置検出器の位置ずれを無視できる場合には、装置組立後１回だけ位相差推定手段により位相差Δθを演算し、その後は記憶部に保存してもよい。もし、何らかのトラブルにより記憶部の内容が消された場合のみ位相差推定手段を起動させればよい。
【００４９】
その他、電気自動車やハイブリッド車では以下のような適用方法もある。それは、位置検出器の故障時に、本発明である位相差推定手段を用いてモータを駆動するフェールセーフ的な使用方法である。
【００５０】
従来、同期モータを適用した電気自動車やハイブリッド車では、位置検出器が故障した場合は、トルク制御が不能となるために装置の停止処理が行われる。
【００５１】
しかし、交差点や踏切内等の危険地帯で位置検出器が故障した場合には、安全な場所へ退避する必要がある。そこで、位置検出器に代わり本発明の位相差推定手段を用いて磁極位置の推定を行い、モータの駆動制御を行う。
【００５２】
この場合の位相差推定手段の構成は図６のようになる。
【００５３】
図６の位相差推定手段９には、故障検出部３５が備わっており、位置検出器８の異常を監視している。故障検出部３５は、位置検出器８が正常な場合はスイッチ３０を２側に接続し、位置検出器８の出力信号によりモータの駆動を行う。それに対して故障検出部３５が位置検出器８の異常を検出した場合は、スイッチ３０を１側に接続し、磁極位置推定値によるモータ駆動に切り換える。
【００５４】
以上のように、本発明の位相差推定手段を用いて位置検出器故障時にもモータ駆動を継続できるので、交差点や踏切内で立ち往生することなく、安全な場所への退避が可能となる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、既存の電流検出器のみを用いて、モータ回転子の磁極位置と位置検出器の検出値との位相差を推定するので、新たにセンサを増設することなく高精度なトルク制御が行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】位相差推定手段を備えた制御部の構成を示す図である。
【図２】位相差推定手段の構成の一例を示す図である。
【図３】位相差推定手段を備えた制御部の構成の一例を示す図である。
【図４】図３の位相差演算部の詳細な構成を示す図である。
【図５】モータ制御装置の起動毎に位相差を推定し、位置検出器の検出値を補正する場合の位相差推定手段の構成を示す図である。
【図６】位置検出器の故障時に位相差推定手段を用いてモータの駆動を行う場合の位相差推定手段の構成を示す図である。
【符号の説明】
１…同期モータ、３…電流検出器、４…制御部、５…ｄｑ変換部、６…電流制御部、７…３相変換部、８…位置検出器、９…位相差推定手段、３１…位相差記憶部。
【図１】
0003675192.tif 000003
【図２】
0003675192.tif 000004
【図３】
0003675192.tif 000005
【図４】
0003675192.tif 000006
【図５】
0003675192.tif 000007
【図６】
0003675192.tif 000008