JP6810421B2 - 同期電動機の回転位置推定装置及び同期電動機の回転位置推定方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、同期電動機の回転位置を推定する装置及び方法に関する。

従来から、電動機を適切に制御するために回転位置の検出が行われている。回転位置の検出とは、電動機の電気角座標上の位置である電気角位相を検出することである。回転位置の検出には、ロータリーエンコーダやレゾルバ，ホール素子等の位置センサを用いる方法がある。しかし、製品のコストや構造上の制約等から位置センサを設けることができない場合もある。

そこで、位置センサを用いることなく、電流や電圧の情報から回転位置を推定する方法が実施されている。かかる方法の種類として、例えば、誘起電圧利用型とインダクタンス利用型とがある。誘起電圧利用型は、電動機の速度に比例する誘起電圧を電動機への入力電圧と電流とにより演算し、この誘起電圧に基づいて推定する手法である。これは、電動機の回転により発生する誘起電圧が、回転位置である電動機の電気角に応じて変化することを利用した推定方法である。

誘起電圧利用型の場合、電動機の回転数が高い領域では十分な精度が得られる。しかし、回転数が低い領域では誘起電圧の振幅が小さくなるか発生しなくなるため、誘起電圧利用型では電動機の停止時や低速時に正確な推定ができない。

一方、インダクタンス利用型は、電動機のインダクタンスを電流や電圧情報から算出して回転位置を推定する手法であり、電動機のインダクタンスが電気角に応じて２倍の周期で変化することを利用したものである。この推定方法としては、例えば、駆動周波数に関係しないセンシングのための交流信号を電動機に印加し、電圧電流の関係から回転位置を推定する方法がいくつか提案されている。

このようにインダクタンスを求めるために印加する交流信号の周波数は、一般にＰＷＭ制御におけるキャリア周波数よりも低く設定され、例えば数１００Ｈｚ〜数ｋＨｚ程度である。しかしこの場合、人間の可聴域に電動機の電流リップル周波数が入るため、騒音が増加してしまう。また、電流は少なくともキャリア周期以内に検出する必要があるため、キャリア周波数が高くなると検出が困難になる。

上記以外の回転位置推定方法として、特許文献１では、開放相電圧を利用した回転位置推定方法が提案されている。この方法は、３相インバータのうち何れか１相を非通電状態とした際に、回転位置に応じて生じる他の２相のインダクタンス差により発生する電圧差に基づいて回転位置を推定する手法である。この開放相電圧利用型によれば、インダクタンス利用型の推定方法と同様に低速でも回転位置推定が可能であり、しかも電圧を検出するためキャリア周波数を高く設定できる。

特開２００９−１８９１７６号公報

しかしながら、特許文献１では１２０度通電方式を前提としているため、基本的に非通電状態の相が発生しない１８０度通電方式等には適用することができない。
そこで、より広範な通電方式にも対応できる同期電動機の回転位置推定装置及び同期電動機の回転位置推定方法を提供する。

実施形態の同期電動機の回転位置推定装置によれば、３相同期電動機に接続され、複数のスイッチング素子により構成されるインバータについて、３相のうち何れか１相を非通電状態にして開放相とする開放相生成部と、
何れの相を前記開放相とするか決定する開放相決定部と、
前記開放相の電圧を検出する開放相電圧検出部と、
前記電圧を記憶する開放相電圧記憶部と、
この開放相電圧記憶部により記憶された開放相電圧から、当該電圧のゼロ点を推定する電圧ゼロ点推定部と、
前記ゼロ点に基づいて、前記電動機の回転位置を推定する位置推定部とを備える。
前記開放相決定部は、前記回転位置に基づいて前記開放相を決定し、
１８０度通電方式により正弦波駆動を行う。

一実施形態であり、回転位置推定装置を含む電動機駆動制御装置の構成を示す機能ブロック図 開放相電圧検出部の構成の一部を示す図（その１） 開放相電圧検出部の構成の一部を示す図（その２） 回転位置の推定処理を示すフローチャート 開放相電圧の近似関数を示す図 開放相電圧のゼロ点を推定し、回転位置を推定する処理を説明する図 回転位置の推定結果を示す図 １８０度通電方式による３相ＰＷＭ信号を示す図 １８０度通電方式において、開放相区間を設けた場合の３相ＰＷＭ信号を示す図 開放相電圧を説明する図 開放相電圧と回転位置との関係を示す図

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、回転位置推定装置を含む電動機制御装置の構成を示す機能ブロック図である。直流電源１は、直流電源を生成してインバータ部２に供給する。直流電源１には、交流電源を整流して生成するものも含む。インバータ部２の各相出力端子は、それぞれ同期電動機３の対応する各相巻線の一端に接続されている。インバータ部２及び電動機３は、何れも３相構成である。直流電圧検出部４は、直流電源１の電圧Ｖｄｃを検出し、検出結果をＰＷＭ生成部５に出力する。

インバータ部２の各相出力端子は、相電流検出部６の各相入力端子に接続されている。相電流検出部６により検出された各相電流は、３相／ｄｑ変換部７に入力されてｄ軸電流Ｉｄ，ｑ軸電流Ｉｑに変換される。変換されたｄ軸電流Ｉｄ，ｑ軸電流Ｉｑは、電流制御部８に入力される。電流制御部８には、電流指令部９により生成されたｄ軸電流指令Ｉｄ＿ｒｅｆ，ｑ軸電流指令Ｉｑ＿ｒｅｆが入力されている。電流制御部８は、各電流指令Ｉｄ＿ｒｅｆ，Ｉｑ＿ｒｅｆと各電流Ｉｄ，Ｉｑとの差に応じてｄ軸電圧Ｖｄ，ｑ軸電圧Ｖｑを生成する。

ｄ軸電圧Ｖｄ，ｑ軸電圧Ｖｑは、ｄｑ／３相変換部１０に入力されて３相電圧Ｖｕ’，Ｖｖ’，Ｖｗ’に変換される。３相電圧Ｖｕ’，Ｖｖ’，Ｖｗ’は、開放相決定部１１に入力されて開放相区間を含む３相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗとなり、それらはＰＷＭ生成部５に入力される。すなわち、開放相決定部１１は開放相生成部としての機能も含んでいる。ＰＷＭ生成部５は、３相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに基づいて、インバータ部２を構成する各相アームのスイッチング素子を駆動するためのＰＷＭ信号Ｖｕ±，Ｖｖ±，Ｖｗ±を生成し、インバータ部２に入力する。

また、インバータ部２の各相出力端子は、開放相電圧検出部１２の各相入力端子に接続されている。開放相電圧検出部１２は各相の開放相電圧を検出し、検出結果を回転位置推定部１３に入力する。回転位置推定部１３は、入力される開放相電圧に基づいて電動機３の回転位置θｅｓｔを推定し、３相／ｄｑ変換部７，ｄｑ／３相変換部１０，開放相決定部１１及び開放相電圧検出部１２に入力する。回転位置推定部１３は、開放相電圧記憶部及び電圧ゼロ点推定部としての機能も備えている。

図２及び図３に示すように、開放相電圧検出部１２は、一端がインバータ部２の各相出力端子に接続される，各相に対応した電圧検出抵抗の直列回路２１Ｕ及び２２Ｕ，２１Ｖ及び２２Ｖ，２１Ｗ及び２２Ｗを備えている。これらの直列回路の他端は共通に接続されている。開放相電圧検出部１２は、電圧バッファ２３及び２４並びに差動増幅回路２５からなる検出回路を各相毎に備え、開放相区間における各相抵抗２１及び２２の共通接続点Ａと各相直列回路の共通接続点Ｂとの差電圧を、開放相電圧として検出する。

ここで、本実施形態における回転位置推定方法の原理について図１０及び図１１を参照して説明する。開放相電圧は、３相電動機のある１相を非通電状態とし、残りの２相に電圧を印加している時に、前記非通電状態とした開放相に発生する電圧である。

回転子が停止しており誘起電圧が０Ｖのとき、図１０に示すようにＵ相を開放相とし、Ｖ−Ｗ相間にパルス電圧を印加した場合を考える。この時、Ｖ相とＷ相には同じ電流が流れるため、Ｖ，Ｗ相のインダクタンスが変わらない場合はＶ，Ｗ相の電圧は等しく，点Ｏの電圧つまりＵ相の電圧は変化しない。しかし実際は、回転子の回転位置に応じて磁束量が変化するため、Ｖ，Ｗ相のインダクタンスは変化する。

Ｖ，Ｗ相のうち、回転位置に近い相ほど磁束量が大きいためインダクタンスが小さくなり、Ｖ，Ｗ相のインダクタンスに差が生じる。すると、Ｖ相とＷ相とには、それぞれ相電流ｉｖ，ｉｗが同じ電流ｉとして流れるため、インダクタンスの変化が開放相であるＵ相に電圧として現れる。この電圧は、図１１に示すように位置依存性があるため、開放相の電圧を検出することで回転子の位置が検出できる。

上述したように開放相電圧を検出するためには、電動機の何れか１相を非通電状態の開放相にする必要がある。例えば図８に示すように、電動機を１８０度通電方式により２相変調で正弦波駆動する際のＰＷＭ信号波形には開放相が生じないため、開放相電圧が検出できない。

そこで本実施形態では、図９に示すように正弦波駆動中において、ある相の開放相電圧がゼロ点となる付近で開放相を発生させる。その期間に開放相電圧を検出し、検出した電圧よりゼロ点となるタイミングを決定する。そして、決定したタイミングから回転位置を推定し、推定した回転位置から電動機の速度も計算し、電動機の制御に使用する。

ここで、開放相の発生期間が長い程、開放相電圧を検出できる期間は長くなるが、駆動状態が矩形波駆動に近付くため、騒音やトルクリップルが発生し易くなる。つまり、正弦波駆動状態を極力維持するためには、開放相の発生期間を極力短くする必要がある。以下、開放相の発生期間を開放相区間と称する。また、ある相を非通電状態にすることを「開放」と称する場合がある。一方で、開放相区間を短くし過ぎるとその区間中にゼロ点が現れないか、又はゼロ点を精度良く検出できない可能性があり、回転位置の推定精度が悪化する懸念がある。

そこで、本実施形態では、開放相区間を短くするために、開放相電圧の近似関数から当該電圧のゼロ点を求める。これにより、開放相区間を短くしても、回転位置を精度良く推定することが可能となる。

ここで、図５に示すように、電動機のある相を、開放相電圧のゼロ点が発生すると推定した前後の期間に亘って開放し、横軸を開放相電圧，縦軸をｎ回目の検出として、最小二乗法を用いて１次の近似関数を求めると式（１）となる。ａは近似関数の傾き，ｂは切片である。
ｎ＝ａ×（開放相電圧）＋ｂ …（１）
図５には、一例として傾きａ＝−４．４３，切片ｂ＝４．５６を示している。尚、図５中に示す開放相電圧の各プロットはイメージ的に図示しているが、上記傾き及び切片の一例は、実測に基づいて決定したものである。

以下、回転位置を推定する処理の一連の流れについて図６を参照して説明する。最初に求める開放相のゼロ点の回転位置をθ１とする。開放相電圧のゼロ点のタイミングｎ０１を求めるには、開放相電圧に０を代入すれば良く、ｂ＝ｎ０１である。

次に、電動機が回転し、他の相の開放相電圧のゼロ点の前後で同様に開放相を発生させてタイミングｎ０２を求める。この時の開放相ゼロ点の回転位置をθ２とする。開放相電圧のサンプリング周期を△ｔとすると、１回目の開放相電圧ゼロ点のタイミングｎ０１と２回目の開放相電圧ゼロ点のタイミングｎ０２間の時間Ｔ１２は、式（２）となる。
Ｔ１２＝（ｎ０２−ｎ０１）×△ｔ …（２）
Ｔ１２間の電動機回転数ω２１は、式（３）で求めることができる
ω２１＝（θ２−θ１）／３６０／（Ｔ１２） …（３）
つまり、２回目の開放相電圧の検出が終了したタイミングＮ０２で、式（２）及び（３）により開放相電圧に基づいた回転数が計算できる。

さらに、タイミングＮ０２の回転位置θ０２’は、式（４）を用いて求める。
θ０２’＝θ２＋ω２１×（Ｎ０２−ｎ０２） …（４）
なお、２回目の開放相区間を終了させる従来の回転位置θ０２は、上述した１回目の開放相電圧のゼロ点と同様の方法で検出した、０回目の開放相電圧のゼロ点から式（５）で求める。
θ０２＝θ１＋ω１０×（Ｎ０２−ｎ０１） …（５）
そして、Ｎ０２のタイミングで回転位置をθ０２からθ０２’に更新し、以降はθ２とω２１とに基づいて回転位置を計算する。

３回目の開放相区間は同様に、ω１２とθ２とに基づいて回転位置を計算し、次の開放相区間の開始タイミングを決定する。次の開放相区間を終了する回転位置θ０３は式（６）で求める。
θ０３＝θ２＋ω２１×（Ｎ０３−ｎ０２） …（６）
そして、タイミングＮ０３で式（７）によりω３２を、式（８）によりθ０３’を求める。
ω３２＝（θ３−θ２）／３６０／（Ｔ３２） …（７）
θ０３’＝θ３＋ω３２×（Ｎ０３−ｎ０３） …（８）

以降、上記のように処理を繰返すことで、開放相電圧に基づいて推定した回転位置、速度を順次更新して電動機を制御する。つまり、前回までの情報から、次の開放相と開放相区間とを決定し、開放相が終了したタイミングで近似関数から開放相のゼロ点を求め、それによって速度を計算する。速度と開放相ゼロ点の回転位置から、開放相が終了したタイミングの回転位置を再計算し、以降は再計算した回転位置と速度に基づいて推定した回転位置を更新し、電動機を制御すると共に次の開放相区間を決定する。

図４は、上記の原理に基づいた回転位置の推定処理を示すフローチャートである。先ず、何れの相を開放とするかを決定し、また開放相区間の開始回転位置θＡｎ，終了回転位置θＢｎを決定する（Ｓ１）。現在推定中の回転位置θｅｓｔが開始回転位置θＡｎに達していなければ（ＮＯ）、回転位置θｅｓｔの更新を式（９）により行う（Ｓ１３）。尚、ω_ｎｎ−１はｎステップ時の回転数であり、Δｔは制御周期である。
θｅｓｔ＝θｅｓｔ＋ω_ｎｎ−１×Δｔ …（９）
そして、更新した回転位置θｅｓｔに基づいてモータ制御を行い（Ｓ１４）、ステップＳ２に戻る。

回転位置θｅｓｔが開始回転位置θＡｎに達すると（Ｓ２；ＹＥＳ）、回転位置θｅｓｔが終了回転位置θＢｎに達していなければ（Ｓ３；ＮＯ）、選択した相を開放相として（Ｓ４）開放相電圧を検出する（Ｓ５）。検出した電圧は、回転位置推定部１３に内蔵される記憶部に記憶される。それから、ステップＳ１３に移行する。回転位置θｅｓｔが終了回転位置θＢｎに達すると（Ｓ３；ＹＥＳ）開放相区間を終了して（Ｓ６）、当該区間内に得られた開放相電圧より近似関数を演算する（Ｓ７）。

次に、近似関数より開放相電圧がゼロ点に達する時間ｔ_０ｎを推定し（Ｓ８）、その時間ｔ_０ｎに基づいて、ゼロ点に対応する回転位置θ_０ｎを特定する（Ｓ９）。それから、前回求めたゼロ点対応の時間ｔ_０ｎ−１及び回転位置θ_０ｎ−１を用いて回転数ω_ｎｎ−１を求め（Ｓ１０）、回転位置θｅｓｔを式（１０）で推定する（Ｓ１１）。
θｅｓｔ＝θ_０ｎ＋ω_ｎｎ−１×ｔ_０ｎ …（１０）
その後、ステップ数ｎをインクリメントしてから（Ｓ１２）ステップＳ１に移行する。

図７は、本実施形態の方法による回転位置の推定結果を示す。図４及び図６に示す処理により６０度分解能で検出した開放相電圧のゼロ点に基づいて、回転位置が精度良く推定できている。この推定方法によれば、開放相電圧のゼロ点を正確に検出できなくても、近似関数により求めることができるので開放相区間を短くできる。その結果、１８０度通電方式に適用しても正弦波駆動状態を極力維持できるので、騒音やトルクリップルが低減される。

以上のように本実施形態によれば、開放相決定部１１は、３相のうち何れの相を開放相とするか決定し、決定した相を非通電状態にする。回転位置推定部１３は、開放相電圧検出部１２により検出された開放相電圧を記憶して、その開放相電圧から当該電圧のゼロ点を近似関数を用いて推定すると、そのゼロ点に基づいて電動機３の回転位置θｅｓｔを推定する。

これにより、従来の正弦波駆動センサレス方式を行う制御装置とほぼ同様の構成により、電動機３を停止状態から極低速の領域で駆動できる。したがって、特殊な位置検出電圧を印加することなく、電動機３のスムーズな加速を得ることが可能となる。また、電動機３の電圧を検出すれば良く、キャリア周波数に応じた電流の変化を検出するよりも検出が容易であり、キャリア周波数を高く設定できる。これは特に、インダクタンスが非常に小さい小型電動機の回転位置を推定する際に有効である。

そして、回転位置推定部１３は、記憶した開放相電圧より計算した１次近似関数を用いて、開放相電圧がゼロ点に達するタイミングを決定するので、簡単な近似関数を用いて前記タイミングを決定できる。た、開放相決定部１１は、回転位置θｅｓｔに基づいて、何れの相を開放相とするかを容易に決定できる。

（その他の実施形態）
近似関数は、１次近似するものに限らず、例えば２次近似により曲線を求めても良い。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これら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。これら新規な実施形態は、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。これら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。

図面中、２はインバータ部、３は同期電動機、５はＰＷＭ生成部、６は相電流検出部、１１は開放相決定部、１２は開放相電圧検出部、１３は回転位置推定部である。

Claims (6)

1. ３相同期電動機に接続され、複数のスイッチング素子により構成されるインバータについて、３相のうち何れか１相を非通電状態にして開放相とする開放相生成部と、
   何れの相を前記開放相とするか決定する開放相決定部と、
   前記開放相の電圧を検出する開放相電圧検出部と、
   前記電圧を記憶する開放相電圧記憶部と、
   この開放相電圧記憶部により記憶された開放相電圧から、当該電圧のゼロ点を推定する電圧ゼロ点推定部と、
   前記ゼロ点に基づいて、前記電動機の回転位置を推定する位置推定部とを備え、
   前記開放相決定部は、前記回転位置に基づいて前記開放相を決定し、
   １８０度通電方式により正弦波駆動を行う同期電動機の回転位置推定装置。
2. 前記電圧ゼロ点推定部は、前記開放相電圧より求めた近似関数を用いて前記電圧のゼロ点を推定する請求項１記載の同期電動機の回転位置推定装置。
3. 前記近似関数として、１次近似関数を用いる請求項２記載の同期電動機の回転位置推定装置。
4. ３相同期電動機に接続され、複数のスイッチング素子により構成されるインバータについて、３相のうち何れか１相を開放相とするかを決定すると、決定した相を非通電状態にし、
   前記開放相の電圧を検出して記憶し、
   記憶した開放相電圧から、当該電圧のゼロ点を推定し、
   前記ゼロ点に基づいて、前記電動機の回転位置を推定し、
   前記推定した回転位置に基づいて前記開放相を決定し、１８０度通電方式により正弦波駆動を行う同期電動機の回転位置推定方法。
5. 前記開放相電圧より求めた近似関数を用いて前記電圧のゼロ点を推定する請求項４記載の同期電動機の回転位置推定方法。
6. 前記近似関数として、１次近似関数を用いる請求項５記載の同期電動機の回転位置推定方法。

Images