(57)【要約】【課題】角速度の目標値が急激に変化した場合でも安定した制御が可能となるモータ制御装置を提供する。【解決手段】実施形態のモータ制御装置は、トルク算出手段が、モータの相電流に基づきモータのトルクτを算出すると、回転位置推定手段は、モータの機械モデルに基づく下記の運動方程式を用い、モータの機械的パラメータであるイナーシャＪ，減衰係数Ｆと、トルクτ及び負荷トルクτｅとを代入することで、ロータの回転位置θを推定する。【選択図】図１
2013153557.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータの相電流を検出する電流検出手段と、
前記相電流に基づき前記モータのトルクτを算出するトルク算出手段と、
前記モータの機械モデルに基づく下記の運動方程式
【数１】
2013153557.tif 000006
Ｊ：モータのイナーシャ、θ：ロータ回転位置、
Ｆ：減衰係数、τｅ：負荷トルク
を用い、前記モータの機械的パラメータであるイナーシャＪ，減衰係数Ｆと、トルクτ及び負荷トルクτｅとを代入することで、前記ロータの回転位置θを推定する回転位置推定手段とを備えることを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
前記モータの等価回路方程式に基づいて、前記モータの誘起電圧を推定する誘起電圧推定手段を備え、
前記回転位置推定手段は、前記誘起電圧に基づいて前記回転位置θを補正することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
【請求項３】
モータの相電流を検出し、
前記相電流に基づき前記モータのトルクτを算出すると、
前記モータの機械モデルに基づく下記の運動方程式
【数１】
2013153557.tif 000007
Ｊ：モータのイナーシャ、θ：ロータ回転位置、
Ｆ：減衰係数、τｅ：負荷トルク
を用い、前記モータの機械的パラメータであるイナーシャＪ，減衰係数Ｆと、前記トルクτ及び負荷トルクτｅとを代入することで、前記ロータの回転位置θを推定することを特徴とするモータの回転位置推定方法。
【請求項４】
前記モータの等価回路方程式に基づいて、前記モータの誘起電圧を推定すると、
前記誘起電圧に基づいて前記回転位置θを補正することを特徴とする請求項３記載のモータの回転位置推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、モータの相電流に基づいてロータの回転位置を推定するモータ制御装置及びモータの回転位置推定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、永久磁石モータをベクトル制御することでモータの回転制御精度を向上させて、消費電力の低減や、運転中に発生する振動の低減などを図る構成が広く採用されている。一般に、永久磁石モータにベクトル制御を適用して高精度でかつ高速に制御する場合、ロータの回転位置に応じて電流を制御するため、位置センサが必要となる。ところが、位置センサを設けるとその分のコストが上昇することに加え、配置スペースを確保したり、位置センサと制御装置との間を接続する配線が増加するなどの問題が発生する。さらに、上記配線について断線等が発生することによる信頼性の低下や、メンテナンスが必要となることも問題となる。
このような問題に対し、モータの相電流に基づいてロータの回転位置を演算により推定することで、位置センサを不要とするセンサレス駆動方式がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−７２９０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述したセンサレス駆動方式では、モータの角速度の目標値を急速に変化させると回転が不安定になることから、例えば最短時間制御のように目標値を急激に変化させて、最短時間で最高速度に移行させるような制御が困難であるという問題がある。
そこで、角速度の目標値が急激に変化した場合でも安定した制御が可能となるモータ制御装置及びモータの回転位置推定方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態のモータ制御装置によれば、トルク算出手段が、モータの相電流に基づきモータのトルクτを算出すると、回転位置推定手段は、モータの機械モデルに基づく下記の運動方程式
【０００６】
【数１】
2013153557.tif 000003
Ｊ：モータのイナーシャ、θ：ロータ回転位置、
τ：トルク、Ｆ：減衰係数、τｅ：負荷トルク
を用い、モータの機械的パラメータであるイナーシャＪ，減衰係数Ｆと、前記トルクτ及び負荷トルクτｅとを代入することで、ロータの回転位置θを推定する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】一実施形態であり、モータ制御装置の構成を示す機能ブロック図
【図２】（ａ）は位置／角速度推定部の内部構成、（ｂ）はω／θ推定部の内部構成を示す機能ブロック図
【図３】コンプレッサを駆動する場合の負荷トルクτｅの変化を示す図
【図４】本実施形態の実測定結果を示す図
【図５】従来技術の実測定結果を示す図
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、モータ制御装置の構成を示す機能ブロック図である。速度制御部１は、ユーザの設定，或いは上位の制御装置より与えられる角速度指令ωrefに対し、後述する位置／角速度推定部１３より出力される推定角速度ωestとの差分を得ると、その差分に基づいてｄ軸電流指令Ｉdref，ｑ軸電流指令Ｉqrefを決定し出力する。電流制御部２は、ｄ軸電流指令Ｉdref，ｑ軸電流指令Ｉqrefと、後述するαβ／ｄｑ変換部より出力されるｄ軸電流Ｉｄ，ｑ軸電流Ｉｑとの差分を例えばＰＩ（比例積分）制御演算することでｄ軸電圧Ｖｄ，ｑ軸電圧Ｖｑを生成し、次段のｄｑ／αβ変換部３に出力する。
【０００９】
ｄ軸電圧Ｖｄ，ｑ軸電圧Ｖｑは、ｄｑ／αβ変換部３，αβ／ａｂｃ変換部４を介すことでｄｑ軸→αβ軸，αβ軸→ａｂｃ軸変換が行われ、三相電圧Ｖａ，Ｖｂ，ＶｃがＰＷＭ成形部５に入力される。ＰＷＭ成形部５においては、上記三相電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃが例えば正弦波状の三相電圧を出力するためのＰＷＭ指令と比較され、三相ＰＷＭ信号が生成されてインバータ回路６に出力される。インバータ回路６は、例えばＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子（図示せず）が三相ブリッジ接続されて構成されており、各相出力端子は、永久磁石モータ（例えば、ブラシレスＤＣモータ）７の各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）巻線に接続されている。インバータ回路６は、三相ＰＷＭ信号に従いスイッチング動作を行うことで、永久磁石モータ７の各相巻線に三相ＰＷＭ電圧を印加する。
【００１０】
電流センサ８ａ，８ｂ，８ｃ（電流検出手段）は、インバータ回路６の各相出力端子と永久磁石モータ７の各相巻線との間に介挿されており、電流センサ８ａ，８ｂ，８ｃにより検出された各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃは、Ａ／Ｄ変換部１０（電流検出手段）によりＡ／Ｄ変換される。Ａ／Ｄ変換された各相電流のデータは、ａｂｃ／αβ変換部１１，αβ／ｄｑ変換部１２において２軸電流Ｉα，Ｉβ、ｄｑ軸電流Ｉｄ，Ｉｑに変換され、位置／角速度推定部１３に入力される。位置／角速度推定部１３には、ｄ軸電圧Ｖｄ，ｑ軸電圧Ｖｑと、自身が１演算周期前に出力した推定角速度ωestも入力されている。位置／角速度推定部１３は、これらに基づいて推定角速度ωest及び回転位置θを推定し、後者はｄｑ／αβ変換部３及びαβ／ｄｑ変換部１２に出力される。
【００１１】
図２（ａ）は、位置／角速度推定部１３の内部構成を示す機能ブロック図である。位置／角速度推定部１３は、トルク算出部１４（トルク算出手段），Ｅｄ推定部１５（誘起電圧推定手段），ω／θ推定部１６（回転位置推定手段）で構成されている。トルク算出部１４は、ｑ軸電流Ｉｑに所定のトルク係数Ｋτを乗じることで永久磁石モータ７の出力トルクτを算出し、ω／θ推定部１６に出力する。Ｅｄ推定部１５は、永久磁石モータ７のｄ軸に関する等価回路方程式
Ｖｄ＝Ｒ・Ｉｄ＋Ｌｄ・ｐＩｄ−ωest・Ｌｑ・Ｉｑ＋Ｅｄ …（１）
に基づいてｄ軸誘起電圧Ｅｄを推定し、ω／θ推定部１６に出力する。但し、
Ｒ：巻線抵抗，Ｌｄ及びＬｑ：巻線のｄ軸及びｑ軸インダクタンス
である。また、ｐは微分演算子であり、ｄ軸電流Ｉｄは通常一定値（全界磁運転の場合は「０」，弱め界磁運転の場合は負の一定値）であるから右辺第２項は「０」となる。
【００１２】
図２（ｂ）は、ω／θ推定部１６の内部構成を示す機能ブロック図である。ω演算部１７は、永久磁石モータ７の機械モデルに基づく運動方程式
【００１３】
【数１】
2013153557.tif 000004
…（２）
Ｊ：モータのイナーシャ，θ：ロータ回転位置（但し、１演算周期前の値）
τ：トルク，Ｆ：減衰係数，τｅ：負荷トルク
より角速度ωtmpを演算する。（２）式において、ω＝ｄθ／ｄｔであるから、ωで置換すると１階微分方程式となる。
【００１４】
【数２】
2013153557.tif 000005
ω演算部１７は（３）式に従って構成されており、加減算器１８，乗算器１９及び２０，積分器２１を備えている。ω演算部１７にはトルクτが入力され、また、永久磁石モータ７の機械的パラメータであるイナーシャＪ、ロータの粘性摩擦係数等である減衰係数Ｆが予め与えられている。また、負荷トルクτｅは、永久磁石モータ７の回転軸に接続される駆動対象，すなわち適用対象に応じて異なる。たとえば、適用対象がＨＤＤ（ハードディスクドライブ）のスピンドルモータであれば、負荷トルクτｅは「０」となる。
【００１５】
また、図３に示すように適用対象がコンプレッサである場合には、負荷トルクτｅが周期的に変動する。このような場合は、例えば負荷トルクτｅをトルクセンサにより検出して（２）式に加えたり、或いは負荷トルクτｅを関数により近似するなどして（２）式に加えるようにすれば良い。
【００１６】
加減算器１８，乗算器１９，積分器２１は直列に接続されており、乗算器２０の入力端子は積分器２１の出力端子に、乗算器２０の出力端子は加減算器１８の入力端子（−）に接続されている。乗算器１９，２０の係数は、夫々１／Ｊ，Ｆに設定されており、加減算器１８の入力端子（＋）には、トルクτ，負荷トルクτｅが入力される。そして、積分器２１より、角速度ωtmpが出力される。
【００１７】
乗算器２２は、ｄ軸誘起電圧Ｅｄに所定のゲインを乗じて減算器２３に出力する。減算器２３は、角速度ωtmpより乗算器２２が出力する乗算結果を減じたものを推定角速度ωestとして出力する。ｄ軸誘起電圧Ｅｄは、回転位置の推定誤差に比例して生じるため、減算器２３において角速度ωtmpとの差を取ることで推定値を補償する。また、推定角速度ωestは積分器２４に入力され、積分器２４により積分された結果が回転位置θとなり、外部に出力される。
【００１８】
次に、本実施例の作用について図４及び図５を参照して説明する。図４は本実施形態の実測定結果を示す。指令角速度ωrefに対し、推定角速度ωestが遅れて追従しているが、Ｕ相電流Ｉａは、推定角速度ωestが一定となり加速時のトルクが不要となった点で減少しており（図中に右矢印で示す期間）、永久磁石モータ７が正常に回転していることを示している。一方、図５は図４に示す実測定結果に対する従来技術；特許文献１の構成による実測定結果である。指令角速度ωrefに対し、推定角速度ωestが重なるように追従しているが、Ｕ相電流Ｉａは、推定角速度ωestが一定となり加速時のトルクが不要となってからも大きな振幅で出力され続けている。
【００１９】
また、推定角速度ωestは、（２）式の運動方程式を解くことで得られるに基づく理想的な加速（図中に一点鎖線で示す）の傾きを上回っている。実際の測定値が理想的な加速の傾きを上回ることはあり得ないため、この場合の位置推定が破綻していることが分かる。発明者は、実際に、図５の実測定時にモータが回転していないことを目視で確認している。
【００２０】
尚、指令角速度ωrefが理想的な加速を下回る範囲であれば、ベクトル制御は入力電流が最大限度に達しない範囲で実行されるため、従来技術と本実施形態の構成との何れも実測結果は同じとなる。図４及び図５のケースは、指令角速度ωrefが理想的な加速を上回る値にしており、従来技術では位置推定の破たんを回避するには別途制御を行う必要がある。これに対して本実施形態の構成では、別途制御を加えずとも位置推定が破たんすることなく駆動制御が継続される。
【００２１】
以上のように本実施形態によれば、トルク算出部１４が、永久磁石モータ７の相電流に基づき出力トルクτを算出すると、ω／θ推定部１６は、永久磁石モータ７の機械モデルに基づく運動方程式；（２）式を用い、永久磁石モータ７の機械的パラメータであるイナーシャＪ，減衰係数Ｆと、出力トルクτ及び負荷トルクτｅとを代入することで、ロータの回転位置θを推定するようにした。すなわち、回転位置θを機械モデルに基づいて、永久磁石モータ７の機械的パラメータを用いた演算により推定するので、指令角速度ωrefが急激に変化した場合でも永久磁石モータ７を安定した状態で制御することができる。したがって、例えば最短時間制御などのように、指令角速度ωref等の目標値を任意に変化させる制御が適用可能となる。
【００２２】
また、Ｅｄ推定部１５は、永久磁石モータ７のｄ軸等価回路方程式に基づいてｄ軸誘起電圧をＥｄ推定し、ω／θ推定部１６は、誘起電圧Ｅｄに基づいて回転位置θを補正するようにした。したがって、回転位置θの誤差成分がなくなるように補正して回転位置θをより高い精度で推定できる。
【００２３】
本発明の一実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
センサレスベクトル制御の構成は本実施形態に限るものではなく、その他の機能をなす構成要素を適宜に追加しても良い。
Ｅｄ推定部１５については、必要に応じて設ければ良い。
電流検出手段として、インバータ回路６の下アーム側に接続されるシャント抵抗を用いても良い。
【符号の説明】
【００２４】
図面中、７は永久磁石モータ、８ａ，８ｂ，８ｃは電流センサ（電流検出手段）、１０はＡ／Ｄ変換部（電流検出手段）、１４はトルク算出部（トルク算出手段）、１５はＥｄ推定部（誘起電圧推定手段）、１６はω／θ推定部（回転位置推定手段）を示す。
【図１】
2013153557.tif 000008
【図２】
2013153557.tif 000009
【図３】
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【図４】
2013153557.tif 000011
【図５】
2013153557.tif 000012