(57)【要約】【解決手段】モータの回転子の初期位置角度テスト方法は、テスト対象のモータに電流ｉを与えてモータを運転させるステップ１と、前記モータが運転してから前記電流ｉをゼロにするステップ２と、このときの前記モータの固定子のｄ軸電圧ｕｄ及びｑ軸電圧ｕｑを測定するステップ３と、前記ｄ軸電圧ｕｄ、前記ｑ軸電圧ｕｑの間の三角関数関係に基づいて、前記モータの回転子の初期位置角度偏差θｅｒｒを算出するステップ４と、を含む。モータの固定子のｄ軸電圧とｑ軸電圧を用いてモータの回転子の初期位置角度偏差を直接算出し、モータのコントローラにおけるモータ側電圧と回転子の初期位置角度との間の対応関係を明らかにしており、方法が簡単であり、プロジェクト現場での操作に適しており、オンライン故障診断と誤り訂正制御を実現することができ、システム機能安全性が向上する。【選択図】  図１
2020505896.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータの回転子の初期位置角度テスト方法であって、
テスト対象のモータに電流ｉを与えてモータを運転させるステップ１と、
前記モータが運転してから前記電流ｉをゼロにするステップ２と、
このときの前記モータの固定子のｄ軸電圧ｕｄ及びｑ軸電圧ｕｑを測定するステップ３と、
前記ｄ軸電圧ｕｄ、前記ｑ軸電圧ｕｑの間の三角関数関係に基づいて、前記モータの回転子の初期位置角度偏差θｅｒｒを算出するステップ４と、を含む、
ことを特徴とするモータの回転子の初期位置角度テスト方法。
【請求項２】
前記モータが正方向に回転しているとき、前記初期位置角度偏差θｅｒｒは、
2020505896.tif 000019
である、
ことを特徴とする請求項１に記載のモータの回転子の初期位置角度テスト方法。
【請求項３】
前記モータが逆方向に回転しているとき、前記初期位置角度偏差θｅｒｒは、
2020505896.tif 000020
である、
ことを特徴とする請求項１に記載のモータの回転子の初期位置角度テスト方法。
【請求項４】
前記電流ｉが、電流変換器の制御によって実現される、
ことを特徴とする請求項１に記載のモータの回転子の初期位置角度テスト方法。
【請求項５】
前記初期位置角度偏差θｅｒｒが、電気角度値又はレゾルバデコーダチップによって変換されたデジタルパルス数である、
ことを特徴とする請求項１に記載のモータの回転子の初期位置角度テスト方法。
【請求項６】
前記モータの回転子の初期位置角度θがデジタルパルス数であり、θ=α+（β×γ）であり、
前記αが、前記モータの回転子の現在の初期位置角度フィードバックパルス数であり、
前記βが、前記モータの回転子の初期位置角度偏差方向であり、前記モータが正方向に回転しているときはβ＝１であり、逆方向に回転しているときはβ＝−１であり、
前記γが、前記モータの回転子の初期位置角度偏差θｅｒｒのパルスフィルタリング値である、
ことを特徴とする請求項５に記載のモータの回転子の初期位置角度テスト方法。
【請求項７】
前記ｄ軸電圧ｕｄは、
2020505896.tif 000021
であり、前記ｑ軸電圧ｕｑは、
2020505896.tif 000022
であり、
ここで、Ｒｓはテスト対象のモータの相抵抗、Ｌｄ及びＬｑはそれぞれモータのｄ軸及びｑ軸のインダクタンス、ωｅは回転子の角速度、ψｒｄは回転子の鎖交磁束である、
ことを特徴とする請求項１に記載のモータの回転子の初期位置角度テスト方法。
【請求項８】
前記電流ｉの周波数が前記モータの定格周波数よりも低い、
ことを特徴とする請求項１に記載のモータの回転子の初期位置角度テスト方法。
【請求項９】
前記電流ｉの周波数が前記モータの定格周波数の１/３である、
ことを特徴とする請求項８に記載のモータの回転子の初期位置角度テスト方法。
【請求項１０】
前記モータが、永久磁石同期モータであるか又は電気的に励起される同期モータである、
ことを特徴とする請求項１に記載のモータの回転子の初期位置角度テスト方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータの回転子の初期位置角度を検出するための初期位置角度テスト方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
新エネルギー自動車技術の発展と普及に伴い、モータ駆動のサーボ性能に対する要求がますます高くなる。モータの制御はベクトル制御方法を採用しており、モータの回転子の初期位置角度は、ベクトル制御における重要なパラメータであり、事前にテストにより得る必要がある。
【０００３】
モータの回転子の初期位置角度は、モータの制御における重要なパラメータであり、その正確性がモータの性能の十分な発揮に大きく影響しており、実用上の問題の多くがモータの回転子の初期位置角度の誤りに関係しているので、モータの回転子の初期位置角度の測定及び測定の正確性は非常に重要である。
【０００４】
永久磁石同期モータのベクトル制御の際、コントローラは、固定子の三相電流の合成磁界のベクトルの方向を制御する。固定子のベクトルを効果的に制御するためには、回転子の位置を正確に測定する必要がある。モータの回転子に光電式エンコーダディスク、レゾルバなどの位置センサが取り付けられるとともに、コントロールボードにデコーダチップが取り付けられる。位置センサの初期位置決めの主な目的は、モータの回転子の位置角度が０°であるときの対応するエンコーダの絶対角度を取得することであり、この情報に従って、モータの回転子の位置角度をエンコーダの絶対角度に一対一対応させることができる。ここでは、レゾルバを位置センサとして使用することを例として説明する。
【０００５】
１．直接測定法
モータの回転子の初期位置は、通常、モータの逆起電力のゼロクロス点と回転子位置センサの角度との対応関係を測定することによって得ることができる。モータの逆起電力を測定するときは、モータ巻線を開放にして、測定されるモータの回転子を一定の回転速度で回転するように引き連れる必要があり、角度対応関係を見つけるために逆起電力と回転子位置角度信号を同時に測定する。このような方法では、通常、オシロスコープや電圧センサなどの機器を使用する必要があり、プロジェクト現場の条件による制約から、現場の実際の運用上の実現可能性は低い。
【０００６】
２．間接測定法
間接測定法の原理は、モータの回転子を固定子のＡ相軸と重なり合う位置、すなわちゼロ角度位置に停止させ、この時点で、レゾルバデコーダチップから、モータの回転子の初期位置となる現在位置情報を読み出す。モータを固定子のＡ相軸と重なり合う位置まで回転させるには、Ａ相軸と重なり合うための電圧ベクトルをモータに与える必要があり、この時点で、モータの電流はＡ相からモータへ流れ込み、Ｂ相及びＣ相からモータの外に流れ出る。この方法は、テスト条件に対する要求が高く、モータの負荷の大きさが測定精度に大きく影響し、現場の実際の操作は容易ではない。
【０００７】
通常、モータ制御システムでは、モータの回転子の現在位置角度のパラメータをフィードバックするが、そのパラメータは誤った値である可能性もあるし、正しい値である可能性もあり、誤った値か正しい値かの判断はできない。モータの回転子の初期位置角度を正確に測定するためには、このフィードバックパラメータに基づいてモータの回転子の初期位置角度の偏差をテストすることでモータの回転子の正確な初期位置角度を得ることができる。そのため、モータの回転子の初期位置角度の偏差値をいかに正確にテストするかが肝心である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、従来技術の上記問題点に鑑み、モータの回転子の初期位置角度テスト方法を提供し、モータの固定子のｄ軸電圧とｑ軸電圧の三角関数関係を用いてモータの回転子の初期位置角度の偏差を直接算出することで、モータの回転子の初期位置角度を正しくテストするために正確な基準を提供している。この方法では、プロジェクト現場での条件テストが容易に実現でき、現場の人が掌握しやすいという特徴を持っている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的に達するように、本発明の技術案は、以下のように実現される。
【００１０】
モータの回転子の初期位置角度テスト方法であって、
テスト対象のモータに電流ｉを与えてモータを運転させるステップ１と、
前記モータが運転してから前記電流ｉをゼロにするステップ２と、
このときの前記モータの固定子のｄ軸電圧ｕｄ及びｑ軸電圧ｕｑを測定するステップ３と、
前記ｄ軸電圧ｕｄ、前記ｑ軸電圧ｕｑの間の三角関数関係に基づいて、前記モータの回転子の初期位置角度偏差θｅｒｒを算出するステップ４と、を含む。
【００１１】
また、前記モータが正方向に回転しているとき、前記初期位置角度偏差θｅｒｒは、
2020505896.tif 000003
であってもよい。arctan2は、４象限の三角関数の「アークタンジェント」の表現式であり、以下においても同様である。
【００１２】
また、前記モータが逆方向に回転しているとき、前記初期位置角度偏差θｅｒｒは、
2020505896.tif 000004
であってもよい。
【００１３】
また、前記電流ｉが、電流変換器の制御によって実現されてもよい。
【００１４】
また、前記初期位置角度偏差θｅｒｒが、電気角度値又はレゾルバデコーダチップによって変換されたデジタルパルス数であってもよい。
【００１５】
また、前記モータの回転子の初期位置角度θがデジタルパルス数であり、θ=α+（β×γ）であり、
前記αが、モータの回転子の現在の初期位置角度フィードバックパルス数であり、αが、モータ制御システムでフィードバックされたモータの回転子の現在位置角度のパラメータであり、それが誤った値である可能性もあるし、正しい値である可能性もあり、誤った値か正しい値かの判断はできなく、
前記βが、前記モータの回転子の初期位置角度偏差方向であり、前記モータが正方向に回転しているときはβ＝１であり、逆方向に回転しているときはβ＝−１であり、
前記γが、前記モータの回転子の初期位置角度偏差θｅｒｒのパルスフィルタリング値であるようにしてもよい。
【００１６】
また、前記ｄ軸電圧ｕｄは、
2020505896.tif 000005
であり、前記ｑ軸電圧ｕｑは、
2020505896.tif 000006
であり、
ここで、Ｒｓはテスト対象のモータの相抵抗、Ｌｄ及びＬｑはそれぞれモータのｄ軸及びｑ軸のインダクタンス、ωｅは回転子の角速度、ψｒｄは回転子の鎖交磁束であるようにしてもよい。
【００１７】
コントローラが電流ｉをゼロに制御すると、即ち、ｉｄ=０及びｉｑ=０のとき、下式を得ることができる。
2020505896.tif 000007
2020505896.tif 000008
即ち、ｄ軸電圧はゼロであり、ｑ軸電圧はモータの逆起電力である。しかしながら、初期位置角度偏差を持つ場合、モータの回転子座標系において、ｄ軸およびｑ軸の両方は、図１に示すように、回転子の磁極位置に対して角度偏差を持つ。このとき、ｄ軸電圧及びｑ軸電圧はゼロでなくなり、角度偏差θｅｒｒ、ｄ軸電圧、およびｑ軸電圧はアークタンジェントの三角関数関係にある。
即ち、モータが正方向に回転しているとき、
2020505896.tif 000009
であり、モータが逆方向に回転しているとき、
2020505896.tif 000010
である。
【００１８】
また、前記電流ｉの周波数がモータの定格周波数よりも低くてもよい。
【００１９】
また、前記電流ｉの周波数がモータの定格周波数の１/３であってもよい。
【００２０】
また、前記モータが、永久磁石同期モータであるか又は電気的に励起される同期モータであってもよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、以下の利点を有する。
本発明は、回転子の初期位置角度をテストするための新しいアルゴリズムを提案しており、例えば、特定の回転速度に達すること、及び、テスト期間が４秒続くこと、などを必要とする従来技術のアルゴリズムと比較して、本発明は、テスト期間に対する要求が非常に低く（１秒未満）、特定の回転速度に達することを必要とせず、テスト結果の収束に関する問題もないので、現場での操作が非常に簡単で、製品の性能、信頼性、使いやすさが向上する。
【００２２】
この初期位置角度テスト方法は、テスト条件に対する要求が低く、現場の人は掌握および実現が容易であり、収束が早く正確性が高く、また、モータとコントローラの通常動作の合間でもテストでき、もしモータの回転子の初期位置が誤っている場合、初期位置角度の正しい値を即座に与えることにより、システム障害診断および誤り訂正機能と機能安全特性を改善する。
【００２３】
この初期位置角度テスト方法では、ハードウェアへの投資を追加する必要はなく、電流変換器制御ソフトウェアの修正は簡単で実行が容易であり、プロジェクト現場での条件テストの実現が容易であり、現場の人は容易に掌握でき、テスト過程が迅速で短時間かつ高正確性が得られ、システムの通常動作の合間でテストを行うことができ、それによってシステム故障診断および機能安全性が改善される。
【００２４】
この初期位置角度テスト方法は、モータのコントローラにおけるモータ側電圧と回転子の初期位置角度との間の対応関係を明らかにしており、オンライン故障診断と誤り訂正制御を実現することができ、システム機能安全性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】モータの固定子のｄ軸電圧とｑ軸電圧との間の三角関数関係の模式図である。
【図２】コンピュータプログラムを利用してモータの回転子の初期位置角度を特定するインターフェース図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の目的、技術案及び利点が更に明白になるように、以下、図面を参照して、本発明の実施形態について更に詳しく説明する。
【００２７】
［実施例１］
図１に示すように、本発明の実施例１において、モータの回転子の初期位置角度のテスト方法は、以下のステップを有する。
【００２８】
ステップ１：まず、テスト対象のモータに電流ｉを与えてモータを運転させ、電流ｉが周波数の低いものであり、モータが回転し始める限りテストを行うことができ、電流、周波数によってモータの回転速度が決まるので、電流ｉの周波数が定格回転速度の範囲内にあればよく、例えば、電流ｉの周波数がモータの定格周波数の１/３である。
【００２９】
ステップ２：モータが運転してから、電流ｉをゼロにする。
【００３０】
ステップ３：このときのモータの固定子のｄ軸電圧ｕｄ及びｑ軸電圧ｕｑを測定する。
【００３１】
ステップ４：ｄ軸電圧ｕｄ、ｑ軸電圧ｕｑの間の三角関数関係に基づいて、このときのモータの回転子の初期位置角度偏差θｅｒｒを算出する。
【００３２】
本実施例でテストされるモータは、同期モータであり、それが永久磁石同期モータであってもよく、または電気的に励起される同期モータであってもよい。
【００３３】
永久磁石モータのｄ軸及びｑ軸については、回転子の同期座標系を定義する際に、ｄ軸は回転子Ｎ極にあり、ｑ軸はｄ軸と直交し、ｄ軸よりも９０度進んでいると定義される。そのため、この座標系が確立されると、モータの固定子と回転子の物理量を換算してこの座標系で表すことができる。その本質は、モータ全体についてｄ軸及びｑ軸が定義され、この座標軸が回転子上で回転子と共に回転する。
【００３４】
例えば、固定子巻線の三相電圧量ｕａ、ｕｂ及びｕｃは、回転子の同期座標系でｄ軸電圧ｕｄ及びｑ軸電圧ｕｑに換算され、それぞれ固定子ｄ軸電圧又は固定子ｑ軸電圧と呼ばれ、固定子の物理量に属する。
【００３５】
モータが正方向に回転しているとき、初期位置角度偏差θｅｒｒは、
2020505896.tif 000011
である。arctan2は、４象限の三角関数の「アークタンジェント」の表現式であり、以下も同様である。
モータが逆方向に回転しているとき、初期位置角度偏差θｅｒｒは、
2020505896.tif 000012
である。
【００３６】
電流ｉは、電流変換器の制御によって実現される。電流変換器は、テスト対象のモータ自体に付属されたものであるか、又は、モータの購入後に、当該モータに整合されたものを、顧客より購入したものである。
【００３７】
初期位置角度偏差θｅｒｒは、電気角度値、または、レゾルバデコーダチップによって変換されたデジタルパルス数である。
【００３８】
また、前記初期位置角度偏差θｅｒｒは、電気角度値θｅであり、レゾルバデコーダチップによって変換されたデジタルパルス数Ｄとして表すこともできる。
電気角度値θｅとデジタルパルス値Ｄとの変換関係は、
θｅ=（Ｄ/４０９６）*（ＰＭ/ＰＲ）*３６０
ここで、ＰＭはモータの極対数であり、ＰＲはレゾルバの極対数である。
デコーダチップの変換精度は、デジタルパルス値の範囲を決定する。例えば、１２ビット精度に対応するデジタルパルス範囲は、２１２=４０９６である。
【００３９】
図２に示すように、モータの回転子の初期位置角度θがデジタルパルス数である場合、θ=α+（β×γ）であり、
αは、モータの回転子の現在の初期位置角度フィードバックパルス数であり、
βは、モータの回転子の初期位置角度偏差方向であり、モータが正方向に回転しているときはβ＝１であり、逆方向に回転しているときはβ＝−１であり、
γは、モータの回転子の初期位置角度偏差θｅｒｒのパルスフィルタリング値である。このパラメータは、信号の高周波干渉とグリッチをフィルタアウトして得られた数値であり、テストの正確性と耐干渉性能を向上させる。
【００４０】
図２に示すように、回転子の誤った初期角度を回転子の正しい初期角度に調整・補償するために、まず従来の方法を用いて、試験対象物の初期位置角度のパルス値を１０８３と測定した。そして、誤った初期角度にそれぞれ変更し、本実施例の初期位置角度テスト方法を用いて回転子の初期位置角度を測定した結果、そのパルス値が約１０８３に維持される。
【００４１】
図２は、ＣＡＮ通信を介して上位コンピュータソフトウェア（例えばLabVIEW）によって実施する必要があるインターフェース図であり、コンピュータ画面上に表示可能な上位コンピュータインターフェース図を示す。
【００４２】
モータの回転子の初期位置角度偏差θｅｒｒを計算する原理は以下の通りである。
ｄ軸とｑ軸との間の相互インダクタンスを無視し、基本波成分のみを考慮すると、モータの電圧の式は、次のようになる。
式（１）
2020505896.tif 000013
式（２）
2020505896.tif 000014
ここで、Ｒｓはモータの相抵抗、Ｌｄ及びＬｑはそれぞれモータのｄ軸及びｑ軸のインダクタンス、ωｅは角速度、ψｒｄは回転子の鎖交磁束である。
【００４３】
コントローラが電流をゼロに制御すると、即ち、ｉｄ=０及びｉｑ=０のとき、下式を得ることができる。
式（３）
2020505896.tif 000015
式（４）
2020505896.tif 000016
即ち、ｄ軸電圧はゼロであり、ｑ軸電圧はモータの逆起電力である。しかしながら、回転子が初期位置角度偏差を持つ場合、モータの回転子座標系において、固定子のｄ軸およびｑ軸の両方は、図１に示すように、回転子の磁極位置に対して角度偏差を持つ。このとき、ｄ軸電圧およびｑ軸電圧はゼロでなくなり、初期位置角度偏差θｅｒｒ、ｄ軸電圧、およびｑ軸電圧はアークタンジェントの三角関数関係にある。
【００４４】
即ち、モータが正方向に回転しているとき、
式（５）
2020505896.tif 000017
モータが逆方向に回転しているとき、
式（６）
2020505896.tif 000018
したがって、式（５）または式（６）によれば、回転子の初期位置角度偏差をリアルタイムに算出することができる。
【００４５】
本実施例による初期位置角度テスト方法は、実際の使用においてコンピュータプログラムによって実現され、そのテストの方法をコード化し、電流変換器制御ソフトウェアを修正して機能を追加すればよく、簡単で実行しやすい。
【００４６】
［実施例２］
本発明の実施例２において、モータの回転子の初期位置角度偏差θｅｒｒの三角関数関係は次のように表される。
モータが正方向に回転しているとき、前記θｅｒｒ=arccot2（ｕｑ，ｕｄ）
モータが逆方向に回転しているとき、前記θｅｒｒ=arccot2（−ｕｑ，−ｕｄ）
もちろん、ここに個々に記載されていないアークサインおよびアークコサインのような他の三角関数を使用して表現してもよい。
【００４７】
上記したのは、あくまでも本発明の具体的な実施形態であり、本発明の上記開示の下で、当業者は、上記実施例に基づいて他の改良又は変形を行うことができる。当業者であれば、上記特定の記載は本発明の目的をより良く解釈するためのものであり、本発明の保護範囲が特許請求の範囲の保護範囲に基づくものだと理解される。
【図１】
2020505896.tif 000023
【図２】
2020505896.tif 000024
【国際調査報告】
2020505896.tif 000025
2020505896.tif 000026
2020505896.tif 000027
2020505896.tif 000028
2020505896.tif 000029