JP3888082B2

JP3888082B2 - モータ装置およびその制御方法

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Publication number: JP3888082B2
Application number: JP2001174499A
Authority: JP
Inventors: 泰治大立; 竜男小川; 昇一家岡
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2001-06-08
Filing date: 2001-06-08
Publication date: 2007-02-28
Anticipated expiration: 2021-06-08
Also published as: CN1197233C; US6670784B2; KR20020095051A; EP1265348A1; KR100493217B1; BR0202169A; CN1391340A; US20030011340A1; JP2002369572A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、位置センサまたは速度センサを持たないモータ装置およびその制御方法に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、与えられた位置指令（位相角指令）や速度指令（回転速度指令）に従ってその動作が制御されるモータは広く知られている。この種のモータは、一般に、モータの位置または速度を検出するためのセンサを備えており、そのセンサの出力を指令値に追従させるためのフィードバック系が構成されている。
【０００３】
ところが、上述のようなセンサを設けると、モータの低コスト化または小型化が難しくなる。また、モータが使用される環境によっては、上述のようなセンサを設けることが困難な場合もある。このため、センサを設けることなく他のパラメータに基づいて位置または速度を推定し、その推定値を利用して上記フィードバック系を実現した制御方法が提案および実施されている。以下では、この制御方法のことを「センサレス制御方法」と呼ぶことにする。なお、センサレス制御方法は、例えば、「速度起電力推定に基づくセンサレス突極形ブラシレスＤＣモータ（竹下隆晴他、電気学会論文Ｄ、１１７巻１号、平成９年、９８〜１０４ページ）」に記載されている。ちなみに、この論文（以下、論文Ａ）に記載の方法では、外部から与えられる指令値および実際のモータ電流の検出値に基づいてモータの位置および速度が推定され、それらを利用してフィードバック制御が行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、センサレス制御方法では、通常、モータの動作に係わるパラメータを検出し、その検出値を利用してモータの位置および速度等が推定される。例えば、上記論文に記載の方法では、検出した電流値を利用してモータの位置等が推定されている。換言すれば、モータの初期動作時には、位置等を推定するためのデータが収集されていないことになる。このため、センサレス制御方法では、その初期動作時において、不適切な位置データに基づいてモータ駆動信号が生成されることが多い。そして、不適切な位置データに基づくモータ駆動信号が生成されると、モータの効率が低くなってしまう。
【０００５】
なお、モータ駆動信号は、初期動作時に不適切な状態であったとしても、フィードバック系によりやがては適切な状態に収束するようになる。しかし、適切な状態に収束するまでの間は、モータの効率は低い。このため、センサレス制御方法は、モータを起動してから所望の特性が得られるまでの時間についての要求が厳しい使用環境では問題があった。具体的には、例えば、車載用の空調機器のコンプレッサが備えるモータにセンサレス制御方法を導入する場合には問題となることがあった。すなわち、車載用空調機器は、しばしば急速な温度調節が要求されるので、初期動作時にモータの効率が低いことは好ましくないからである。
【０００６】
また、センサレス制御方法においてモータの初期位置を推定する技術は、たとえば、「センサレス突極形ブラシレスＤＣモータの初期位置角推定法（竹下隆晴他、電気学会論文Ｄ、１１６巻７号、平成８年、７３６〜７４２ページ）」に記載されている。しかし、この論文に記載の方法では、初期位置は推定されるに過ぎず、誤った結果が導き出されるおそれがあった。
【０００７】
本発明の課題は、センサレス制御を導入したモータ装置の初期動作時の効率を向上させることである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のモータ装置は、同期モータと、上記同期モータの動作を指示する指令値、上記同期モータに供給される電流、およびその電流に基づいて推定されるモータ位置を利用して制御信号を生成するコントローラと、上記制御信号に従って上記同期モータを駆動する駆動手段を有する。そして、上記コントローラは、上記同期モータの起動時に予め決められたパターンの電流を上記同期モータに供給し、上記予め決められたパターンの電流が一定値に安定したときに、そのパターンに対応するモータ位置を初期値として上記制御信号の生成を開始する。
【０００９】
上記モータ装置において、同期モータに予め決められたパターンの電流を供給すれば、その同期モータの位置（すなわち、回転子の位相）は、そのパターンにユニークに対応する位置に設定されることになる。したがって、そのパターンに対応するモータ位置をモータ位置の初期値として使用すれば、モータ装置の起動時において、実際のモータ位置とその推定位置とが互いに一致することになる。この結果、起動直後から高効率のモータ動作が実現される。
【００１０】
上記コントローラは、上述したように、予め決められたパターンの電流が一定値に安定したときに、そのパターンに対応するモータ位置を初期値として上記制御信号の生成を開始する。この構成によれば、モータ位置の初期値を設定するまでに要する時間を必要最小限にできる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施形態のモータ装置の基本構成を示す図である。本実施形態のモータ装置１は、同期モータ２、コントローラ３、および電力変換回路４から構成される。
【００１２】
同期モータ２は、一般的な３相モータであり、電力変換回路４から供給されるモータ駆動電圧に同期して動作する。なお、この同期モータ２は、円筒形であってもよいし、突極形であってもよい。
コントローラ３は、外部から与えられる指令値、および同期モータ２に供給されるモータ電流に基づいて制御信号を生成する。ここで、与えられる指令値は、例えば、同期モータ２の速度（角速度）を指示する値である。なお、コントローラ３は、後で詳しく説明するが、上記指令値およびモータ電流から同期モータ２の位置（位相角）および速度を推定し、それらの推定値を利用して制御信号を生成する。
【００１３】
電力変換回路４は、上記制御信号に基づいて、直流電源５が供給する直流電圧から３相交流電圧（Ｖu 、Ｖv 、Ｖw ）を生成する。そして、この３相交流電圧がモータ駆動電圧として同期モータ２に与えられる。
このように、モータ装置１は、同期モータ２の位置または速度を検出するためのセンサを備えておらず、他のパラメータに基づいてそれらを推定しながら利用するセンサレス制御方法を導入した装置である。
【００１４】
図２は、モータ装置１のブロック図である。なお、このブロック図は、図１に示したコントローラ３を詳細に記載したものである。また、このブロック図に示すコントローラは、上述の論文Ａ（電気学会論文Ｄ、１１７巻１号、平成９年、９８〜１０４ページ）に記載されている制御システムをベースにしている。
【００１５】
速度制御部１１は、例えばＰＩ（比例・積分）制御器であって、外部から与えられる指令速度と推定部１５により算出された推定速度との誤差から指令電流を算出する。電流制御部１２は、例えばＰＩ制御器であって、速度制御部１１が算出した指令電流と電流センサ等を用いて検出されたモータ電流との誤差から基準電圧を算出する。そして、この基準電圧に推定部１５が算出する推定速度起電力を加算することによりモータ印加電圧が生成される。なお、速度起電力は、モータの速度に比例する値である。よく知られているように、長さＬの線状導体が磁束密度Ｂの中を速度ｖで横切った場合の起電力ｅは下式で表される。
【００１６】
ｅ＝ｖＢＬ
２相／３相変換部１３は、推定部１５により算出される推定位置を利用して、２相座標系で表されているモータ印加電圧を３座標相系に変換する。ここで、２相座標系は、例えばｄ−ｑ座標系である。ｄ−ｑ座標系は、同期モータ２に３相交流を加えたときに生じる電圧成分、電流成分、または磁束成分の合成ベクトルの回転角速度と同じ速度で回転する回転座標系である。一方、３相座標系は、例えばＵ−Ｖ−Ｗ座標系である。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相は、３相交流が供給される各巻線に対応する。なお、ｄ−ｑ座標系とＵ−Ｖ−Ｗ座標系との間の変換は公知である。すなわち、３相交流座標系（Ｕ−Ｖ−Ｗ座標系）と静止２相交流座標系との間の変換は下記の(1) 式で表される。
【００１７】
【数１】

【００１８】
また、静止２相交流座標系と回転座標系（ｄ−ｑ座標系）の間の変換は、下記の(2) 式で表される。ただし、「ω」は回転座標系自体の角速度である。また、「ψ」は、回転位相であり、たとえば、推定部１５により算出される推定位置を使用する。
【００１９】
【数２】

【００２０】
２相／３相変換部１３により変換されたモータ印加電圧は、電力変換回路４に与えられる。そして、電力変換回路４がそのモータ印加電圧に従って同期モータ２を駆動する。
３相／２相変換部１４は、推定部１５により算出される推定位置を利用して、検出したモータ電流を２相座標系上の対応する電流値に変換する。即ち、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のモータ電流をｄ−ｑ座標系の電流値に変換する。推定部１５は、モータ印加電圧およびモータ電流に基づいて、推定速度起電力、推定位置、および推定速度を算出する。なお、推定速度起電力、推定位置、および推定速度を算出する方法については、上述の論文Ａに詳しく記載されている。
【００２１】
上記構成のフィードバック系では、モータの推定速度が指令速度に一致し、且つ実際のモータ電流が指令電流に一致するようなモータ印加電圧が生成される。そして、そのようにして生成されるモータ印加電圧により同期モータ２が駆動される。これにより、同期モータ２は、外部から与えられる指令速度に追従して動作する。
【００２２】
図３は、電力変換回路４および同期モータ２の一例の回路図である。この実施例では、電力変換回路４は、Ｕ相用回路、Ｖ相用回路、およびＷ相用回路から構成されており、各相の回路は、それぞれ互いに直列的に接続された１組のスイッチから構成されている。ここで、各相の回路は、それぞれ２相／３相変換部１３により変換されたモータ印加電圧により制御される。具体的には、各スイッチがＰＷＭ（パルス幅変調）方式で制御されるものとすると、各スイッチは、モータ印加電圧に対応するデューティを持ったパルス信号によりオン／オフ制御されることになる。
【００２３】
同期モータ２は、この実施例では、回転磁界を発生させるための巻線（Ｕ相巻線、Ｖ相巻線、およびＷ相巻線）、および回転子としての永久磁石を備える。なお、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線、およびＷ相巻線は、それぞれ電力変換回路４のＵ相用回路、Ｖ相用回路、およびＷ相用回路に接続されている。
【００２４】
図４は、同期モータ２の動作を説明する図である。ここでは、電力変換回路４において、Ｕ相用回路では、＋側スイッチがオン状態に制御されると共に、−側スイッチがオフ状態に制御されており、Ｖ相用回路およびＷ相用回路では、＋側スイッチがオフ状態に制御されると共に、−側スイッチがオン状態に制御されているものとする。
【００２５】
この場合、モータ電流は、図４(a) に示すように流れる。そして、このモータ電流により各巻線において磁束が発生する。ここで、それらの磁束の合成ベクトルは、図４(b) に示すようになる。したがって、回転子が図４(c) に示す位置にあったとすると、巻線に上述のような電流を流すことにより、回転子は反時計回りに回転することになる。
【００２６】
以下、同様に、電力変換回路４の各スイッチを適切に制御することにより回転磁界を生成すれば、それに同期して回転子が回転することになる。
本実施形態のモータ装置１は、上記構成を前提とし、その初期動作時において同期モータ２の回転子を予め決められた所定位置に強制的に設定する。具体的には、まず、予め決められたパターンのモータ電流を、一定期間固定的に、同期モータ２に供給する。ここでは、図４(a) に示したモータ電流を供給するものとする。この場合、図４(b) に示す磁束が発生するので、回転子は、図４(d) に示す位置（以下、「デフォルト位置」と呼ぶ。）に設定される。すなわち、同期モータ２の回転子は、モータ装置１の起動時に、強制的にデフォルト位置に設定されることになる。
【００２７】
この後、モータ装置１の制御系は、そのデフォルト位置を初期値としてモータ印加電圧の生成を開始する。そして、以降の動作は、上述の論文Ａに記載されている通りである。
上記起動時の動作は、例えば、以下のようにして実現可能である。なお、以下の説明では、デフォルト位置の位相を「０（ゼロ）」と定義する。
【００２８】
(A) 電流制御部１２は、モータ装置１に電源が投入されると、「０（ゼロ）」を出力する。
(B) 推定部１５は、モータ装置１に電源が投入されると、推定速度起電力として同期モータ２に図４(a) に示すモータ電流を流すためのデータを出力すると共に、推定位置としてデフォルト位置を表す「０（ゼロ）」を出力する。例えば、２相／３相変換部１３により上記(1) 、(2) 式が実行されるものとすると、推定部１５は、上記(1) 、(2) 式において「Ｖu 」「Ｖv 」「Ｖw 」「θ」としてそれぞれ「１」「０」「０」「０」を代入することにより得られる「Ｖd 」および「Ｖq 」を出力する。この場合、２相／３相変換部１３から出力される「Ｖu 」「Ｖv 」「Ｖw 」がそれぞれ「１」「０」「０」となり、電力変換回路４のＵ相用回路の＋側スイッチがオン状態に制御されるとともに、Ｖ相用回路およびＷ相用回路の＋側スイッチがそれぞれオフ状態に制御されるので、図４(a) に示すモータ電流が流れる。この結果、同期モータ２は、図４(d) に示す状態に設定される。
【００２９】
(C) 上記(A) 及び(B) に続いて、速度制御部１１、電流制御部１２および推定部１５は、通常のフィードバック動作（例えば、上述の論文Ａに記載の動作）を実行する。このとき、推定位置の初期値には、デフォルト位置の位相を表す「０（ゼロ）」が設定されている。一方、同期モータ２の回転子は、上記(B) により強制的にデフォルト位置に設定されている。すなわち、フィードバック動作が開始される時点で、実際のモータ位置とその推定位置とが互いに一致している。
【００３０】
なお、上記(A) 及び(B) では、モータ装置１のフィードバック系を利用して同期モータ２の回転子をデフォルト位置に設定しているが、不図示の別回路が電力変換回路４の状態を直接的に制御してもよい。例えば、モータ装置１に電源が投入された直後の所定時間、不図示の別回路が、Ｕ相用回路の＋側スイッチをオン状態に制御すると共に、Ｖ相用回路およびＷ相用回路の＋側スイッチをそれぞれオフ状態に制御するための制御信号を生成するようにしてもよい。この場合、所定時間経過後に、推定位置の初期値としてデフォルト位置の位相を表す「０（ゼロ）」を設定してフィードバック動作を開始する。
【００３１】
図５は、モータ装置１の起動時の動作を示す図である。ここでは、同期モータ２のＵ相巻線に供給する電流が表されている。
モータ装置１に電源が投入されると、まず、Ｕ相巻線に供給すべき電流をデフォルト値に設定する。このデフォルト値は、同期モータ２の回転子を動かすのに十分な値である。そして、図４(a) に示すようなモータ電流が流れ、同期モータ２の回転子が図４(d) に示すデフォルト位置に設定されると、モータ電流は安定するようになる。この実施例では、電源投入から約０．１秒が経過した時点でモータ電流が安定している。
【００３２】
モータ電流がデフォルト値に安定すると、同期モータ２の回転子がデフォルト位置に設定されたとみなし、同期モータ２の速度を指令速度に追従させるフィードバック動作に遷る。この実施例では、電源投入から０．２秒が経過した時点でフィードバック制御動作を開始している。
【００３３】
なお、図５に示す例では、電源投入と同時にデフォルト電流を流しはじめ、所定時間（すなわち、０．２秒間）が経過した時点で通常のフィードバック制御を起動しているが、モータ電流が安定した時点で通常のフィードバック制御を起動するようにしてもよい。モータ電流は、回転子がそのモータ電流に対応する位置に移動すると安定する。換言すれば、モータ電流が予め設定された所定値に安定している状態は、回転子がそのモータ電流に対応する位置に設定されていることを意味する。したがって、モータ電流が安定した時点で通常のフィードバック制御を起動するようにすれば、同期モータ２の回転子の実際の位置とその推定値の初期値とを一致させることができる。そして、この方法によれば、電源投入から０．２秒が経過する前にフィードバック制御動作を開始することができる。
【００３４】
図６(a) および図６(b) は、本実施形態のモータ装置１の起動時の動作を示すフローチャートである。ステップＳ１では、電源投入によりモータ装置１が起動される。ステップＳ２では、同期モータ２にデフォルト電流を供給する。デフォルト電流は、例えば、図４(a) に示すモータ電流である。
【００３５】
続いて、図６(a) に示すステップＳ３では、電源投入から所定時間が経過したか否かを調べる。そして、所定時間が経過するまでデフォルト電流の供給を継続し、所定時間が経過した時点でステップＳ４に進む。一方、図６(b) に示すステップＳ１１では、モータ電流が安定しているか否かを調べる。そして、モータ電流が安定するまでデフォルト電流の供給を継続し、それが安定した時点でステップＳ４に進む。
【００３６】
ステップＳ４では、同期モータ２の回転子の推定位置の初期値としてデフォルト位置を設定する。以降、フィードバック制御を実行する。
このように、本実施形態のモータ装置１においては、その初期動作時にモータ位置が予め決められたデフォルト位置に強制的に設定され、そのデフォルト位置が推定位置の初期値として使用される。このため、モータ装置１では、その起動直後から同期モータ２の回転子の実際の位置とその推定位置とが互いに一致している。したがって、モータ装置１は、起動直後からモータ効率が高くなる。
【００３７】
なお、本実施形態のモータ装置１は、特に、起動時から所望の特性が得られるようになるまでの時間についての要求が厳しい使用環境において有用である。例えば、モータ装置１を車載用空調機器のコンプレッサが備えるモータとして使用すれば、より短時間で温度調節が可能になることが期待される。
【００３８】
また、上述の実施例では、モータ装置１が論文Ａに記載の推定方法を利用することとしているが、推定方法は特に限定されるものではなく、他の方法であってもよい。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、モータ装置の起動直後から実際のモータ位置とその推定位置とが互いに一致しているので、モータ効率はその起動直後から高くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態のモータ装置の基本構成を示す図である。
【図２】モータ装置のブロック図である。
【図３】電力変換回路および同期モータの一例の回路図である。
【図４】同期モータの動作を説明する図である。
【図５】モータ装置の起動時の動作を示す図である。
【図６】本実施形態のモータ装置の起動時の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１モータ装置
２同期モータ
３コントローラ
４電力変換回路
５直流電源
１１速度制御部
１２電流制御部
１５推定部

Claims

同期モータと、
上記同期モータの動作を指示する指令値、上記同期モータに供給される電流、およびその電流に基づいて推定されるモータ位置を利用して制御信号を生成するコントローラと、
上記制御信号に従って上記同期モータを駆動する駆動手段とを有し、
上記コントローラは、上記同期モータの起動時に予め決められたパターンの電流を上記同期モータに供給し、上記予め決められたパターンの電流が一定値に安定したときに、そのパターンに対応するモータ位置を初期値として上記制御信号の生成を開始する
ことを特徴とするモータ装置。
同期モータと、上記同期モータの動作を指示する指令値、上記同期モータに供給される電流、およびその電流に基づいて推定されるモータ位置を利用して制御信号を生成するコントローラと、上記制御信号に従って上記同期モータを駆動する駆動手段を有するモータ装置を制御する方法であって、
上記同期モータの起動時に予め決められたパターンの電流を上記同期モータに供給し、
上記予め決められたパターンの電流が一定値に安定したときに、そのパターンに対応するモータ位置を初期値として上記制御信号の生成を開始するモータ装置の制御方法。