(57)【要約】【課題】基準電圧発生器が発生させる基準電圧の変動による影響を抑え、同期電動機の回転子位置を正確に推定する。【解決手段】本発明に係る同期電動機制御装置は、同期電動機に電力を供給する電源の基準電圧と基準電圧発生器が発生させる基準電圧との間の差分をあらかじめ測定して記憶しておき、運用時にはこの差分を用いて基準電圧発生器が発生させる基準電圧を補正する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相同期電動機の中性点電圧を取得して増幅する電圧増幅器と、
基準電圧を発生させる基準電圧発生器と、
前記基準電圧を用いて前記中性点電圧を所定範囲内の値に変換する電位変換器と、
前記変換後の前記中性点電圧をデジタル値にＡＤ変換するＡＤ変換器と、
前記三相同期電動機に電力を供給する電源の基準電圧と前記基準電圧発生器が発生させる基準電圧との間の差分をあらかじめ測定した結果を記憶する記憶部と、
前記ＡＤ変換後の前記中性点電圧の基準電圧に、前記記憶部が記憶している前記差分を加算することにより、前記ＡＤ変換後の前記中性点電圧を補正する補正器と、
前記補正器が補正した前記中性点電圧を用いて前記三相同期電動機の回転子位置を推定する位置推定器と、
前記位置推定器の推定結果を用いて前記三相同期電動機を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする同期電動機制御装置。
【請求項２】
前記記憶部は、
前記電源の出荷時における基準電圧と前記基準電圧発生器が発生させる基準電圧との間の差分を出荷時差分として記憶しており、
前記補正器は、
前記記憶部が記憶している前記出荷時差分を用いて、前記ＡＤ変換後の前記中性点電圧を補正する
ことを特徴とする請求項１記載の同期電動機制御装置。
【請求項３】
前記記憶部は、
前記出荷時差分に加えて、前記電源の運用を開始した後における基準電圧と前記基準電圧発生器が発生させる基準電圧との間の差分を運用時差分として記憶しており、
前記補正器は、
前記運用時差分を使用できるときは前記運用時差分を用いて前記ＡＤ変換後の前記中性点電圧を補正し、
前記運用時差分を使用できないときは前記出荷時差分を用いて前記ＡＤ変換後の前記中性点電圧を補正する
ことを特徴とする請求項２記載の同期電動機制御装置。
【請求項４】
前記中性点電圧から前記電源の出力電圧の直流成分を減算する減算器を備え、
前記電圧増幅器は、前記減算器による減算後の前記中性点電圧を増幅する
ことを特徴とする請求項１記載の同期電動機制御装置。
【請求項５】
前記基準電圧発生器の温度を測定する温度測定器を備え、
前記記憶部は、
前記三相同期電動機を起動させる前の時点における前記温度に対応する、前記基準電圧発生器が発生させる基準電圧と、
前記三相同期電動機が停止した後の時点における前記温度に対応する、前記基準電圧発生器が発生させる基準電圧と、
をそれぞれ記憶しており、
前記補正器は、
前記記憶部が記憶している２つの前記基準電圧を線形補完して、前記温度測定器の測定結果に対応する、前記基準電圧発生器が発生させる基準電圧を求めることにより、前記三相同期電動機が稼動している間の期間において前記基準電圧発生器が発生させる基準電圧を求める
ことを特徴とする請求項１記載の同期電動機制御装置。
【請求項６】
前記電位変換器と前記電圧増幅器を単一の回路上に一体的に構成した電圧増幅変換器を備え、
前記電圧増幅変換器は、前記電源の基準電圧と前記基準電圧発生器が発生させる基準電圧との間の差分を求めて前記記憶部に格納する
ことを特徴とする請求項１記載の同期電動機制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同期電動機を制御する装置、例えばポンプ、ファン、スピンドルモータなどの回転速度を制御する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
三相同期モータにおけるセンサレス制御については、モータの回転子の位置情報を検出する方法が重要なポイントとなっている。検出方法の１例として、例えばモータの中性点電位を検出し、その電位変動に基づき永久磁石モータの回転子位置を推測する方法が挙げられる。
【０００３】
下記特許文献１には、三相同期モータのセンサレス制御技術が記載されている。同文献に記載されている技術によれば、モータ巻線の非通電相の励起電圧、すなわち中性点電位の変動に基づき回転子位置を検出できるので、モータが低回転運転しているときでも回転子位置を検出できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−７４８９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１に記載されている技術においては、モータの中性点電位を検出することが必要である。マイクロコンピュータが備えるＡ／Ｄ変換器を用いて中性点電位を検出する制御装置の場合は、マイクロコンピュータが処理できる範囲内に中性点電位をＡ／Ｄ変換する必要がある。したがって、モータの電源電圧がマイクロコンピュータの電源電圧より高い場合、マイクロコンピュータ内のＡ／Ｄ変換器の電位検出範囲内に中性点電位を変換する手段が必要となる。
【０００６】
上述の電位変換を実施するためには、マイクロコンピュータ用の電源電圧を生成する基準電圧発生器が必要になる。しかし、この基準電圧発生器が生成する基準電圧は温度によって変動するため、その結果として電位変換の結果がばらつく可能性がある。また、回路の特性によってもこの基準電圧がばらつく可能性がある。
【０００７】
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、基準電圧発生器が発生させる基準電圧の変動による影響を抑え、同期電動機の回転子位置を正確に推定することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る同期電動機制御装置は、同期電動機に電力を供給する電源の基準電圧と基準電圧発生器が発生させる基準電圧との間の差分をあらかじめ測定して記憶しておき、運用時にはこの差分を用いて基準電圧発生器が発生させる基準電圧を補正する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る同期電動機制御装置によれば、基準電圧発生器が発生させる基準電圧の変動や回路特性に依拠するばらつきの影響を抑え、同期電動機の回転子位置を精度よく検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態１に係る同期電動機駆動システムの機能ブロック図である。
【図２】電位変換器７が中性点電圧３０を中性点電圧２２に変換する様子を示す図である。
【図３】電位変換器７の処理ブロックを示す図である。
【図４】基準電圧発生器２が生成する基準電圧２３の変動を示す図である。
【図５】基準電圧２３の変動に起因する中性点電圧２２の変動を示す図である。
【図６】基準電圧２３の標準値を記憶装置９に格納する手順を説明する図である。
【図７】基準電圧値補正器１１の動作を説明する図である。
【図８】同期電動機制御システムを出荷するときに記憶装置９に記憶した差分と、運用時に記憶装置９に記憶する差分との違いを示す図である。
【図９】差分値１６を用いて基準電圧２３を補正する処理シーケンスを示す図である。
【図１０】モータ５の駆動にともなう基準電圧発生器２の温度変化を示す図である。
【図１１】温度測定器１４の測定結果に基づき、基準電位２３を推測する手順を示す図である。
【図１２】電源１の出力電圧を相殺するための制御ブロックを示す図である。
【図１３】実施形態３に係る同期電動機駆動システムの機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施形態１に係る同期電動機駆動システムの機能ブロック図である。同期電動機駆動システムは、同期電動機（モータ）５に交流電力を供給して駆動するインバータ４、インバータ４に直流電力を供給する電源１からなる駆動系と、駆動系の動作を制御する制御系とを有する。本発明における「同期電動機制御装置」は、この制御系が相当する。
【００１２】
同期電動機駆動システムの制御系は、基準電圧発生器２、基準電圧値比較器３、電圧増幅器６、電位変換器７、Ａ／Ｄ変換器８ａおよび８ｂ、記憶装置９、電圧値比較器１０、基準電圧値補正器１１、位置推定器１２、制御駆動部１３、温度測定器１４を備える。
【００１３】
基準電圧発生器２は、電位変換器７が使用する基準電圧２３を発生させて電位変換器７に出力する。基準電圧値比較器３は、電源１の基準電圧２１と基準電圧２３を比較し、その差分をＡ／Ｄ変換器８ａに出力する。Ａ／Ｄ変換器８ａは、その差分をデジタル値に変換して電圧値比較器１０を介し記憶装置９に格納する。電圧値比較器１０のその他の動作については後述する。
【００１４】
電圧増幅器６は、モータ５の中性点電圧２０を取得してその微弱変動を増幅し、中性点電圧３０として電位変換器７に出力する。電位変換器７は、基準電圧２１および２３を用いて、中性点電圧３０をＡ／Ｄ変換器８ｂが取り込むことができる範囲内の電圧レベルに変換し、中性点電圧２２としてＡ／Ｄ変換器８ｂに出力する。Ａ／Ｄ変換器８ｂは、中性点電圧２２をデジタル値に変換して基準電圧値補正器１１に出力する。
【００１５】
温度測定器１４は、基準電圧発生器２の温度を測定し、その結果を基準電圧値補正器１１に出力する。基準電圧値補正器１１は、温度測定器１４の測定結果と記憶装置９が格納している差分値を用いて、後述の図６〜図７で説明するように中性点電圧２２の基準電圧を補正し、位置推定器１２に出力する。位置推定器１２は、基準電圧を補正した後の中性点電圧２２を用いて、モータ５の回転子位置を推定し、制御駆動部１３に出力する。制御駆動部１３は、その推定結果を用いてインバータ４を駆動制御する。
【００１６】
基準電圧発生器２、基準電圧値比較器３、電圧増幅器６、電位変換器７は、例えば同一のＩＣ（集積回路）上に構成することができる。Ａ／Ｄ変換器８ａおよび８ｂ、記憶装置９、電圧値比較器１０、基準電圧値補正器１１、位置推定器１２は、例えばマイクロコンピュータ上に実装することができる。電圧値比較器１０、基準電圧値補正器１１、位置推定器１２については、マイクロコンピュータ上で動作するソフトウェアとして実装することができる。
【００１７】
図２は、電位変換器７が中性点電圧３０を中性点電圧２２に変換する様子を示す図である。中性点電圧３０は、電源１の基準電圧２１を中心として変動する電圧であり、Ａ／Ｄ変換器８ｂが取り込むことができる電圧範囲２４を超過する場合がある。そこで電位変換器７は、中性点電圧３０の基準電圧を基準電圧２３まで下げることにより、中性点電圧３０を中性点電圧２２に変換する。これにより、中性点電圧２２は電圧範囲２４の範囲内に収まる。
【００１８】
図３は、電位変換器７の処理ブロックを示す図である。電圧増幅器６が増幅した中性点電位３０は、まず分圧器３２によって、最大値がＡ／Ｄ変換器８ｂの取り込み範囲である電圧範囲２４に収まるように分圧される。加算器３３は、この分圧後の電圧に基準電圧発生器２の基準電圧２３を加える。これより、基準電圧２３を基準とした中性点電圧２２を得ることができる。
【００１９】
図４は、基準電圧発生器２が生成する基準電圧２３の変動を示す図である。縦軸は基準電圧２３の電圧値、横軸は基準電圧発生器２の温度である。基準電圧２３は、温度条件や回路の特性により変化する。理想的な基準電圧は電圧値４０をとるが、実際には電圧値４１のように非線形に変動する。温度４２においては、理想値との差、すなわちオフセット成分４３が生じる。
【００２０】
図５は、基準電圧２３の変動に起因する中性点電圧２２の変動を示す図である。基準電圧２３が図４のように変動する結果、電位変換器７が電位変換した後の中性点電圧２２の基準電圧がオフセット成分２２ａ〜２２ｃの範囲で変化する。中性点電圧２２もこれにともなって図５に示すように変動し、最終的に回転子位置を推定する際の精度に影響を与えてしまう。そこで本発明では、中性点電圧２２の基準電圧を補正することによって上記影響を抑えることを図る。
【００２１】
図６は、基準電圧２３の標準値を記憶装置９に格納する手順を説明する図である。図１に示した機能部のうち、同手順に関連する部分のみを抜粋して図６に示した。
【００２２】
基準電圧２３の変動を補正するためには、本来の基準電圧２３の値をあらかじめ測定して記憶しておき、この値と現在の基準電圧２３の測定値との間の差分を補償すればよいと考えられる。そこで本発明では、同期電動機駆動システムの制御系を出荷する際などに、モータ５を駆動していない状態で、基準電圧２１と２３との間の差分を基準電圧値比較器３によって取得し、Ａ／Ｄ変換器８ａ、電圧値比較器１０を介して記憶装置９にその差分を格納する。この差分は、図４における理想値４０と実値４１との間の差分に相当する。
【００２３】
なお上記差分を記憶装置９に格納するとき、電源１は精度が求められるため、電圧変動することなく一定電圧を出力することができるものを用いる。バッテリーなど電圧が時間とともに変動するものは不適である。
【００２４】
図７は、基準電圧値補正器１１の動作を説明する図である。図７（ａ）は基準電圧値補正器１１に入力される中性点電圧波形を示し、図７（ｂ）は位置推定器１２に出力される中性点電圧波形を示す。図７（ａ）（ｂ）における波形５０と５２は基準電圧補正前、波形５１と５３は基準電圧補正後の波形をそれぞれ示す。期間５５は、基準電圧値補正器１１が基準電圧補正を実施する期間である。
【００２５】
基準電圧値補正器１１は、記憶装置９にあらかじめ格納されている前述の差分を波形５２に加算することにより、基準電圧２３の変動を補正した中性点電圧波形５３を得る。これにより、補正前の波形５２の基準電圧５４は理想的な基準電圧５６から電位５７だけオフセットされていたところ、補正後は基準電圧５６を中心とした波形５３を得ることができる。位置推定器１３は波形５３に基づき回転子位置を推定するので、基準電圧２３の変動が推定結果に与える影響を抑えることができる。
【００２６】
図８は、同期電動機制御システムを出荷するときに記憶装置９に記憶した差分と、運用時に記憶装置９に記憶する差分との違いを示す図である。出荷時は安定した電源１を用いて差分値を記憶装置９に格納するが、運用開始後は例えばバッテリーのような出力精度の低い電源１を用いる。そのため、出荷時と運用時では、基準電圧２１と２３の間の差分が異なる場合がある。そこで電圧器比較器１０は、出荷時の上記差分とは別に運用開始後の上記差分を取得し、記憶装置９に別途格納する。具体手順は下記の通りである。
【００２７】
Ａ／Ｄ変換器８ａが差分値をデジタル値に変換するところまでは、出荷時の差分を取得する手順と同様である。電圧器比較器１０は、Ａ／Ｄ変換器８ａによる変換結果を、先に記憶装置９に記憶されている差分値１５と比較し、その差分値１６を再度記憶装置９に保存する。基準電圧値補正器１１は、差分値１６を使用できるときはその値を用いて基準電圧２３を補正し、差分値１６が破損するなどによって使用できないときは出荷時の差分値を用いて基準電圧２３を補正する。
【００２８】
図９は、差分値１６を用いて基準電圧２３を補正する処理シーケンスを示す図である。波形６０はモータ５の起動停止状態、波形６１〜６３はモータ５の各相電圧、波形６４はモータ電圧、波形６５はモータ５の温度を示す。６７はモータ５の起動時、６８はモータ５の停止時を示す。
【００２９】
まず同期電動機駆動システムを起動したとき、モータ５の電源電圧を入力することによって電源１の基準電圧６６を測定する。電圧値比較器１０は、上記手順によって差分値１６を取得して記憶装置９に保存する。以上の動作によりモータ５起動前の測定作業７０が実施され、Ａ／Ｄ変換後の検出電圧はモータ５停止時に各相電圧をデジタル値に変換した値となる。この値を基準電圧６６とする。
【００３０】
モータ起動時６７の後は、モータの各相電圧６１、６２、６３から開放相の電圧をモータ電圧６４として取得する。このモータ電圧６４を位置推定器１２に入力する前に、記憶装置９内に保存されている差分値によって基準電圧２３を補正する。
【００３１】
以上、基準電圧２３を補正するための動作について説明した。最後に、温度による基準電圧２３の変動を直接測定することに代えて、モータ５の起動前と停止後それぞれにおける測定結果を用いて基準電圧２３を推定する手順を説明する。
【００３２】
図１０は、モータ５の駆動にともなう基準電圧発生器２の温度変化を示す図である。モータ５動作中には、基準電圧発生器２の温度が上昇する。温度測定器１４は、基準電圧発生器２の温度８０を連続的に測定するか、または図１０に示すようにモータ５起動前のモータ起動前温度８１と、モータ５停止時に回転による温度上昇で高温になっているモータ停止時温度８２の２つを測定する。
【００３３】
図１１は、温度測定器１４の測定結果に基づき、基準電位２３を推測する手順を示す図である。基準電位２３は、モータ５駆動中に得ることもできるが、そのための回路等が別途必要になる。そこで図１１に示すように、線形補完によって簡易的に基準電圧２３の値を推測するようにしてもよい。
【００３４】
具体的には、電位変換器７（または基準電圧値補正器１１）は、モータ起動前温度８１に対応する基準電圧９２、モータ停止後温度８２に対する基準電圧９３をそれぞれ取得し、モータ５の現在温度に対応する基準電圧９１をこれらの線形補完により求める。これにより、モータ５駆動中の基準電圧２３を、特別な回路等を設けることなく任意時点において取得することができる。
【００３５】
図９に示すシーケンスにおいて、図１１に示すような線形補完によって基準電圧２３を補正する場合は、モータ起動時６７（またはそれよりも前）とモータ停止時６８（またはそれよりも後の時刻７１）のそれぞれにおいて、基準電圧２３の測定値を記憶装置９に格納しておく。モータ停止時６８にはモータ温度６５が上昇して温度差７３が発生している。電位変換器７は、基準電圧発生器２の現在温度に基づき、モータ５起動前後の基準電圧２３を用いて現在の基準電圧２３の値を線形補完によって求める。
【００３６】
＜実施の形態１：まとめ＞
以上のように、本実施形態１に係る同期電動機制御装置は、電源１の基準電圧２１と基準電圧発生器２が発生させる基準電圧２３との間の差分をあらかじめ測定して記憶装置９に格納しておき、運用時にはこの差分を用いて基準電圧２３を補正する。これにより、基準電圧２３の変動や回路特性に起因するばらつきによる影響を抑え、モータ５の回転子位置を精度よく推定することができる。
【００３７】
＜実施の形態２＞
実施形態１において、図１における電源１が出力する電圧が必ずしも一定ではない場合がある。この場合、電源電圧の変化に起因して、基準電圧２３のずれが発生する可能性がある。
【００３８】
そこで本発明の実施形態２では、最初は電源１の出力電圧が一定となるように管理された環境の下で記憶装置９へ差分値を記憶させ、それ以降の電源電圧のずれに応じて必要となる補正については、現在の電源電圧と最初に記憶装置９へ格納した差分値を使用して再度基準電圧２３を補正する。その他の構成は実施形態１と同様であるため、以下では差異点を中心に説明する。
【００３９】
図１２は、電源１の出力電圧を相殺するための制御ブロックを示す図である。図１２において、分圧器３４は電源１の出力電圧から基準電圧２１を分圧し、減算器３５はモータ相の中性点電圧２０から基準電圧２１を減じる。電圧増幅器６は減算器３５の出力を増幅し、加算器３３は電圧増幅器６の出力に基準電圧２３を加算する。
【００４０】
中性点電圧２０には基準電圧２１を中心として正負の交流成分が含まれる。中性点電圧２０の基準電圧（直流成分）と、電源１の出力電圧から分圧した基準電圧２１とが減算器３５によって互いに打ち消しあうので、電源１の電圧が変動した場合でも中性点電圧２０の交流成分のみを取り出すことができる。これにより、電源１の電圧変動に影響されない正確な検出が可能となる。
【００４１】
図１２に示す構成は、下記のようなメリットもある。図１２に示す構成は、図３のように中性点電圧２０を電圧増幅器６によって増幅してから分圧するのと異なり、直流成分を打ち消した後で交流成分のみを増幅する。これにより、回転子位置の検出に必要な中性点電圧２２のみを増幅することができるので、位置検出精度を高くすることができる。
【００４２】
＜実施の形態３＞
図１３は、本発明の実施形態３に係る同期電動機駆動システムの機能ブロック図である。図１３において、基準電圧値比較器３、電圧増幅器６、電位変換器７を、基準電圧機能を含む電圧増幅電位変換器１８として一体的に構成した。その他の構成は実施形態１〜２と同様である。
【００４３】
図１３に示す構成により、Ａ／Ｄ変換器８は一個のみで足り、さらには複数の機能部を共用することによって回路規模を小型化することができる。さらに、基準電圧２３のずれだけではなく基準電圧値比較器３の特性変動についても同時に計測し記憶することができので、より高精度の補正が可能になる。
【００４４】
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【００４５】
例えば、実施形態１〜３では車両が搭載するモータを想定したが、他の三相モータを駆動する製品においても本発明は有効である。また、電源１の出力変動を補償できることを利用して、バッテリー以外の出力電圧が変動する電源を電源１として採用することもできる。
【００４６】
また、上記各構成、機能、処理部などは、それらの全部または一部を、例えば集積回路で設計することによりハードウェアとして実現することもできるし、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを実行することによりソフトウェアとして実現することもできる。各機能を実現するプログラム、テーブルなどの情報は、メモリやハードディスクなどの記憶装置、ＩＣカード、ＤＶＤなどの記憶媒体に格納することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１：電源、２：基準電圧発生器、３：基準電圧値比較器、４：インバータ、５：モータ、６：電圧増幅器、７：電位変換器、８ａおよび８ｂ：Ａ／Ｄ変換器、９：記憶装置、１０：電圧値比較器、１１：基準電圧値補正器、１２：位置推定器、１３：制御駆動部、１４：温度測定器、１８：電圧増幅電位変換器、２１および２３：基準電圧、２０、２２、３０：中性点電圧。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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