(57)【要約】【課題】モータ固有のパラメータ情報を用いずに停止時から高速回転までの広範囲な回転速度領域で高精度なロータ回転角度の推定を行うことができるロータ回転角推定装置およびモータ制御装置を提供する。【解決手段】ステータ側とロータ側に巻線を有するモータ２００の制御回路であって、ロータ側の巻線に供給する励磁信号に高周波の探査信号を重畳する探査信号重畳部と、ステータ側の電圧を検出する電圧検出回路と、電圧検出回路の電圧検出信号から、探査信号成分を抽出する探査信号抽出部と、電圧検出信号から探査信号成分を除去して得られた信号成分に基づいて、ロータの回転角を推定する回転角推定部と、を有する。【選択図】図１
2018137870.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータ側とロータ側に巻線を有する電動機のロータ回転角推定装置であって、
前記ロータ側の巻線に供給する励磁信号に高周波の探査信号を重畳する探査信号重畳部と、
前記ステータ側の電圧を検出する電圧検出回路と、
前記電圧検出回路の電圧検出信号から、前記探査信号成分を抽出する探査信号抽出部と、
前記電圧検出信号から前記探査信号成分を除去して得られた信号成分に基づいて、前記ロータの回転角を推定する回転角推定部と、
を有する、ロータ回転角推定装置。
【請求項２】
前記探査信号抽出部は、
中心周波数が前記探査信号の周波数と等しいフィルタ回路と、
前記フィルタ回路を通過した信号に対して同期検波を行って前記探査信号成分を抽出する同期検波部と、
を有する、請求項１に記載のロータ回転角推定装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のロータ回転角推定装置と、
前記ロータ回転角推定装置により推定された前記ロータの回転角に基づいて、前記モータの駆動制御を行う制御回路と、
を有する、モータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、電動機の回転子（ロータ）の回転角を推定するロータ回転角推定装置およびモータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
モータ／ジェネレータ（以下単にモータと記載する）の駆動制御は、例えばロータ（回転子）の回転位置を検出する回転角センサの出力に基づいて、モータに供給する電流を制御することにより行われる。しかしながら、回転角センサは高価であり、また耐環境性が低い（高温、振動等に弱い）、という問題がある。このため、回転角センサを用いずにロータの回転位置を推定してモータの駆動制御を行うセンサレス駆動制御方式が提案されている。
【０００３】
センサレス駆動制御方式の一例として、例えば特許文献１には、ロータと３相のステータ（固定子）巻線とを有するモータであって、ステータ巻線に探査電圧を印加している期間中に、電動モータを流れる電流を検出し、検出した電流の大きさが極大値をとるときの３相のステータ巻線のそれぞれに印加される電圧により表される電圧ベクトルの位相に基づいて、ロータの回転角を推定することで、モータの駆動制御を行うモータ制御装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２６７５４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された技術を含む従来のセンサレス駆動制御方式では、ロータの回転位置を推定するために、モータ固有のパラメータ（例えば、抵抗値、磁束、インダクタンス等）に関する情報が必要となる。これらモータ固有のパラメータは、モータの運転状態（負荷、回転速度、温度等）によって大きく変化する。ロータの回転位置の推定精度はモータのパラメータ情報の精度に依存するため、精度よく回転位置を推定するためには、運転状態の要素毎にあらかじめ各パラメータを測定してパラメータテーブルを作成する必要がある。このようなパラメータテーブルを作成するために、多大なコストが発生する。
【０００６】
また、このように作成したパラメータテーブルはモータ固有のものであるため、異なるパラメータを有する他のモータには適用することができない。さらに、従来のセンサレス駆動制御方式では、ある程度以上の回転数でモータが回転している場合には、駆動電圧に基づいてロータの回転角を推定することができるが、モータ停止時および極低速回転時には、誘起電圧が微弱のため、ステータ巻線に高周波の探査信号を重畳して仮想的な高回転数状態を作り出さなければロータ回転角を推定することができない。すなわち、従来のセンサレス駆動制御方式では、モータの回転数によってロータ回転角の推定方法を変更する必要があり、１つの方法では幅広い回転数領域に対応できない。
【０００７】
本開示の目的は、モータ固有のパラメータ情報を用いずに停止時から高速回転までの広範囲な回転速度領域で高精度なロータ回転角度の推定を行うことができるロータ回転角推定装置およびモータ制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示のロータ回転角推定装置は、ステータ側とロータ側に巻線を有するモータのロータ回転角推定装置であって、前記ロータ側の巻線に供給する励磁信号に高周波の探査信号を重畳する探査信号重畳部と、前記ステータ側の電圧を検出する電圧検出回路と、前記電圧検出回路の電圧検出信号から、前記探査信号成分を抽出する探査信号抽出部と、前記電圧検出信号から前記探査信号成分を除去して得られた信号成分に基づいて、前記ロータの回転角を推定する回転角推定部と、を有する。
【０００９】
本開示のモータ制御装置は、前記ロータ回転角推定装置と、前記ロータ回転角推定装置により推定された前記ロータの回転角に基づいて、前記モータの駆動制御を行う制御回路と、を有する。
【発明の効果】
【００１０】
本開示によれば、モータ固有のパラメータ情報を用いずに停止時から高速回転までの広範囲な回転速度領域で高精度なロータ回転角度の推定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本開示の実施の形態に係るモータ制御装置の構成の一例を示す図
【図２】探査信号抽出部の構成の一例を示す図
【図３】同期検波部の構造の一例を示す図
【図４】回転角推定部の構成の一例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本開示の各実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明、例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明等は省略する場合がある。
【００１３】
なお、以下の説明および参照される図面は、当業者が本開示を理解するために提供されるものであって、本開示の請求の範囲を限定するためのものではない。
【００１４】
図１は、本開示の実施の形態に係るモータ制御装置の構成の一例を示す図である。図１に示すように、モータ制御装置１００は、直流電源１０１、インバータ回路１０２、ＬＰＦ１０３、励磁電圧生成部１０４、探査信号重畳部１０５、電流検出回路１０６、電圧検出回路１０７、探査信号抽出部１０８、回転角推定部１０９、制御回路１１０を有し、モータ２００の駆動制御を行う。
【００１５】
モータ２００は、固定子（ステータ：一次側）と回転子（ロータ：二次側）とを有し、例えばステータの生成する回転磁界とロータとの相互作用によって回転トルクを得る電動機である。モータ２００は、例えば二次側（ロータ側）に励磁巻線を有する巻線形同期モータである。なお、本開示において、モータ２００は同期モータには限定されず、二次側に巻線を有している巻線型誘導モータにも適用可能である。
【００１６】
直流電源１０１は、例えばバッテリであって、モータに電力を供給する。インバータ回路１０２は、制御回路１１０の制御に基づいて、直流を交流に変換するとともに、モータ２００に供給する駆動信号を生成する。ＬＰＦ（Low Pass Filter）１０３は、高周波成分を除去し、低周波成分のみ通過させるフィルタである。インバータ回路１０２が出力した駆動信号は、ＬＰＦ１０３を介して、モータ２００の一次側（ステータ側）に供給される。
【００１７】
このＬＰＦ１０３は、制御回路１１０やインバータ回路１０２から出力される高周波信号（例えば１０ｋＨｚ程度のスイッチング周波数）を遮断するとともに、後述する探査信号重畳部１０５によってモータ２００の二次側に高周波の探査信号が重畳されたことによる、モータ２００の一次側の反応信号（探査信号成分を含む信号）がインバータ回路１０２側へ逆流することを防止するものである。インバータ回路１０２が出力する駆動信号の周波数はモータ２００の最高回転周波数と同じ（例えば、最大２ｋＨｚ程度）であり、探査信号の周波数が２０ｋＨｚ程度の高周波であるとすると、ＬＰＦ１０３の遮断周波数（カットオフ周波数）は、例えばこれらの間の周波数、例えば中間程度の周波数である１５ｋＨｚとすればよい。
【００１８】
励磁電圧生成部１０４は、制御回路１１０の制御に基づいて、モータ２００の二次側（ロータ側）の励磁巻線に供給する励磁電圧信号を生成する。探査信号重畳部１０５は、励磁電圧生成部１０４が生成した励磁電圧信号に高周波の探査信号を重畳する。探査信号重畳部１０５が出力した励磁・探査信号は、モータ２００の二次側（ロータ側）に供給される。
【００１９】
電流検出回路１０６は、モータ２００の一次側への入力電流値を検出し、検出値を制御回路１１０に出力する。電圧検出回路１０７は、モータ２００の一次側の電圧値を検出し、検出した電圧検出信号を探査信号抽出部１０８および制御回路１１０に出力する。
【００２０】
探査信号抽出部１０８は、電圧検出回路１０７から出力された電圧検出信号から重畳された探査信号成分を抽出し、回転角推定部１０９に出力する。回転角推定部１０９は、電圧検出信号から探査信号抽出部１０８が抽出した探査信号成分を除去し、その結果得られた信号からロータの回転角度を推定する。
【００２１】
制御回路１１０は、モータ２００に要求される回転トルクに基づいて、モータ２００に供給する電圧指令値（電圧の制御目標値）を決定し、決定した電圧指令値に基づいて３相分のＰＷＭデューティ指令値を演算し、インバータ回路１０２に出力してインバータ回路１０２をＰＷＭ駆動する。また、制御回路１１０は、モータ２００に要求される回転トルクに基づいて、励磁電圧生成部１０４を制御し、励磁電圧信号を生成させる。
【００２２】
次に、探査信号抽出部１０８がモータ２００の一次側の電圧値から探査信号成分を抽出する方法について説明する。図２は、探査信号抽出部１０８の構成の一例を示す図である。図２に示すように、探査信号抽出部１０８は、フィルタ回路３１０と、同期検波部３２０と、を有する。
【００２３】
フィルタ回路３１０は、電圧検出回路１０７が検出した、モータ２００の一次側の電圧検出信号に対して、特定周波数成分のみ通過させる。フィルタ回路３１０の中心周波数（通過させる帯域）は、探査信号重畳部１０５がモータ２００の二次側に供給する励磁電圧信号に重畳する探査信号の周波数と等しい。フィルタ回路３１０を通過した信号は、ＡＭ（Amplitude Modulation）変調信号と見なすことができる。
【００２４】
同期検波部３２０は、フィルタ回路３１０から出力されたＡＭ変調信号に対して同期検波を行う。同期検波部３２０は、例えば図３に例示するように入力信号と参照信号とを乗算する乗算器３２１と、同期検波用ＬＰＦ３２２と、を有する。図３は、同期検波部３２０の構造の一例を示す図である。
【００２５】
ここで、励磁電圧信号に重畳される探査信号電圧をＡ×ｃｏｓωｓｒｃｈｔとする。また、モータ２００のロータの軸回転角速度をωｓｈａｆｔとする。ここで、上記したように、探査信号の周波数ωｓｈａｆｔは例えば２０ｋＨｚ程度の高周波であり、ロータの軸回転角速度（モータ回転周波数）は最大でも２ｋＨｚ程度であるため、ωｓｒｃｈ≫ωｓｈａｆｔである。この場合、同期検波部３２０への入力信号（ＡＭ変調信号）ＡＭ（ωｓｒｃｈ，ωｓｈａｆｔ）は、以下の数式（１）で表される。
【数１】
2018137870.tif 000003
【００２６】
数式（１）において、説明のため極対数は１とする。また、Ｂはモータ２００の一次側（ステータ側）と二次側（ロータ側）の巻数比等から決まる定数である。
【００２７】
乗算器３２１は、数式（１）の両辺に対して参照信号ｃｏｓωｓｒｃｈｔを乗算する。これにより、以下の数式（２）が得られる。
【数２】
2018137870.tif 000004
【００２８】
同期検波用ＬＰＦ３２２の遮断角周波数を例えば０．５ωｓｒｃｈｔに設定することで、同期検波部３２０は、交流成分（数式（２）の右辺の後半部分）を除去し、ロータ回転角の位相に関する情報を含む信号成分ｃｏｓωｓｈａｆｔｔを抽出することができる。ここで、ロータの回転角を推定するためには、位相情報が重要であり、最大振幅値は重要でないため、ｃｏｓωｓｈａｆｔｔに係る係数Ｂ／２は無視してよい。
【００２９】
回転角推定部１０９は、このように探査信号抽出部１０８が抽出した信号成分ｃｏｓωｓｈａｆｔｔに基づいて、ロータの回転角θｓｈａｆｔを推定する。図４は、回転角推定部１０９の構成の一例を示す図である。回転角推定部１０９は、図４に示すように、例えば正弦波と余弦波が同位相の場合に両者の積の平均値がゼロになる原理を利用する位相検出器４１０、ＰＩ補償器からなるループフィルタ４２０、積分器からなる電圧制御発振器（ＶＣＯ：Voltage-Controlled Oscillator）４３０等を有するＰＬＬ（Phase Locked Loop：位相同期回路）である。
【００３０】
回転角推定部１０９が回転角の推定を行う際には、位相検出器４１０は入力信号（ｃｏｓωｓｈａｆｔｔ）とＰＬＬ出力結果（後段のＶＣＯ４３０の出力信号）であるθｓｈａｆｔに基づいて算出されるｓｉｎωｓｈａｆｔｔとを乗算する。ループフィルタ４２０は、位相検出器４１０の出力結果であるｃｏｓとｓｉｎの積をＰＩ制御によりゼロにするような角速度ωｓｈａｆｔをＶＣＯ４３０に対して出力する。ＶＣＯ４３０は、入力された角速度ωｓｈａｆｔを積分して角度θｓｈａｆｔを出力する。
【００３１】
なお、モータ２００の停止時や極低速回転時等では、回転角推定部１０９のＰＬＬが過敏に反応することがあるため、例えば２信号（モータ２００が例えば三相電動機の場合、ＵＶ間電圧とＶＷ間電圧）を利用するレゾルバ信号復調専用ＩＣ等を設け、これを用いて復調するようにしてもよい。
【００３２】
回転角推定部１０９は、推定したモータ２００のロータ回転角を制御回路１１０に出力する。これにより、制御回路１１０はロータの回転角に基づいてインバータ回路１０２からモータ２００へ供給する駆動信号を決定することで、モータ２００の回転を効率よく制御することができるようになる。
【００３３】
＜作用・効果＞
以上説明したように、本開示の実施の形態に係るモータ制御装置１００は、ステータ側とロータ側に巻線を有するモータ２００の制御回路であって、ロータ側の巻線に供給する励磁信号に高周波の探査信号を重畳する探査信号重畳部と、ステータ側の電圧を検出する電圧検出回路と、電圧検出回路の電圧検出信号から、探査信号成分を抽出する探査信号抽出部と、電圧検出信号から探査信号成分を除去して得られた信号成分に基づいて、ロータの回転角を推定する回転角推定部と、を有する。
【００３４】
このように、モータ制御装置１００は、モータ２００の二次側（ロータ側）に供給される励磁信号に探査信号を重畳し、その反応信号である一次側（ステータ側）の電圧信号から探査信号成分を除去し、同期検波によってモータ２００のロータ回転角を推定する。このようなモータ制御装置１００のロータ回転角推定方法によれば、モータ２００固有のパラメータ（抵抗値、磁束、インダクタンス等）を用いる必要がない。従って、モータ制御装置１００の設計時に、モータ２００の運転状態に大きく依存する種々のパラメータをあらかじめ測定しテーブル化するための労力を不要とすることができる。
【００３５】
また、本開示の実施の形態に係るモータ制御装置１００によれば、モータ２００固有のパラメータを使用しないため、異なるパラメータを有する他のモータに対しても、同様の構成のモータ制御装置１００を用いてロータ回転角の推定を行うことができる。
【００３６】
さらに、本開示の実施の形態に係るモータ制御装置１００によれば、モータ２００の停止状態から高速回転状態まで、幅広い回転数領域に対して１つの手法でロータ回転角の推定を行うことができる。
【００３７】
以上、図面を参照しながら各種の実施形態について説明したが、本開示はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。また、開示の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施の形態における各構成要素は任意に組み合わせられてもよい。
【００３８】
＜本開示のまとめ＞
本開示のロータ回転角推定装置は、ステータ側とロータ側に巻線を有する電動機のロータ回転角推定装置であって、前記ロータ側の巻線に供給する励磁信号に高周波の探査信号を重畳する探査信号重畳部と、前記ステータ側の電圧を検出する電圧検出回路と、前記電圧検出回路の電圧検出信号から、前記探査信号成分を抽出する探査信号抽出部と、前記電圧検出信号から前記探査信号成分を除去して得られた信号成分に基づいて、前記ロータの回転角を推定する回転角推定部と、を有する。
【００３９】
本開示のロータ回転角推定装置において、前記探査信号抽出部は、中心周波数が前記探査信号の周波数と等しいフィルタ回路と、前記フィルタ回路を通過した信号に対して同期検波を行って前記探査信号成分を抽出する同期検波部と、を有する。
【００４０】
本開示のモータ制御装置は、上記ロータ回転角推定装置と、前記ロータ回転角推定装置により推定された前記ロータの回転角に基づいて、前記モータの駆動制御を行う制御回路と、を有する。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本開示は、回転角センサを用いずにモータ駆動制御を行うロータ回転角推定装置およびモータ制御装置に有用である。
【符号の説明】
【００４２】
１００  モータ制御装置
１０１  直流電源
１０２  インバータ回路
１０３  ＬＰＦ
１０４  励磁電圧生成部
１０５  探査信号重畳部
１０６  電流検出回路
１０７  電圧検出回路
１０８  探査信号抽出部
１０９  回転角推定部
１１０  制御回路
２００  モータ
３１０  フィルタ回路
３２０  同期検波部
３２１  乗算器
３２２  同期検波用ＬＰＦ
４１０  位相検出器
４２０  ループフィルタ
４３０  ＶＣＯ
【図１】
2018137870.tif 000005
【図２】
2018137870.tif 000006
【図３】
2018137870.tif 000007
【図４】
2018137870.tif 000008