JP6295183B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ制御装置に関する。

モータ制御システムにおける電流指令値と電流実測値の誤差を最小にするため、A/D変換器の変換時間を利用して電流検出のタイミングを遅らせ、電流指令値と電流実測値の誤差を最小にし、モータトルク精度の向上を図っている。

しかし、力行状態と回生状態で電流の検出時間が異なる場合、１つのA/D変換器だけでは最適な電流検出タイミングを設定できない、という問題があった。また、力行状態と回生状態の双方の電流指令値と電流実測値の誤差が最小になるような検出タイミングを設定していたため、どちらも最適なタイミングでは電流を検出できない、という問題もあった。

特開２０１１−１１４９６５号公報

本発明の課題は、電流指令値と電流実測値の誤差が小さくなる最適な検出タイミングで電流を検出し、モータトルク精度を向上させることである。

本発明に係るモータ制御装置は、モータ(100)と、前記モータに交流電流を供給するインバータ(110)と、前記インバータから当該モータに流れる電流を検出する電流センサ(120 u, 120 v, 120 w)を有するモータシステムを制御するモータ制御装置であって、前記電流センサの検出値をデジタル変換する第１A/D変換部(130)及び第２A/D変換部(140)と、前記第１A/D変換部及び前記第２A/D変換部にて取得したモータ電流値を取得しかつ前記インバータに使用する制御モータ電流値を決定する電流算出部(150)と、を備え、前記第１A/D変換部の変換開始タイミングと前記第２A/D変換部の変換開始タイミングは、力行時と回生時のそれぞれに対応してA/D変換時間による遅れ時間が設定されることで異なるように設定され、前記電流算出部は前記モータが力行状態(260)の場合前記第１A/D変換部からの出力信号に基づき前記電流値を算出し、前記モータが回生状態(270)の場合前記第２A/D変換部からの出力信号に基づき前記電流値を算出し、前記インバータを制御する。

また、本発明に係るモータ制御装置は、さらに、前記電流算出部は、前記モータの回転に関する情報及びトルク指令値に基づき、当該モータが前記力行状態か前記回生状態かを判定するようにしても良い。

本発明により、電流指令値と電流実測値の誤差が小さくなる検出タイミングで電流を検出でき、モータトルク精度を向上させることができる

力行/回生状態での、真値に対する検出電流値のずれを時間変化で表したグラフである。 本発明の第1実施形態に係るモータ制御システムを説明する図である。 図１に記載した電流算出部１５０の構成を説明するブロック図である。 図２に示したモータ制御システムの起動から停止までの処理を実行した場合の第一A/D変換部１３０と第二A/D変換部１４０の変換処理タイミングチャートを示した図である。 本実施形態の電流算出部１５０内の力行/回生判定器２４０の処理手順を説明する図である。 本実施形態の力行/回生判定器２４０における極性の判定方法を示した図である。 本実施例の第２の実施形態にかかるモータ制御システムを説明する図である。 本実施例の第２の実施形態にかかるモータ制御システムの電流検出信号の説明図である。 図７に記載した電流算出部１５０の構成を説明するブロック図である。

本発明の実施するための形態を図面を用いて説明する。

まず本発明の背景となる技術的な課題について図１を用いて説明する。図１は、力行/回生状態での、真値に対する検出電流値のずれを時間変化で表したグラフである。電流指令値と電流検出値が等しくなるための最適な検出タイミングは、真値に対する検出電流値のずれが最小となる時点であり、力行状態と回生状態ではそのタイミングが異なっている。
図２は、本発明の第1実施形態に係るモータ制御システムを説明する図である。モータ制御システムは、高圧電源１と、平滑コンデンサ２と、トルク指令・速度指令入力部３と、モータ１００と、インバータ１１０と、電流センサ１２０u、電流センサ１２０v、電流センサ１２０wと、第一A/D変換部１３０と、第二A/D変換部１４０と、電流算出部１５０と、目標電流指令演算部１６０と、電流制御部１７０と、2相3相変換部１８０と、PWM生成部１９０と3相2相変換部２００と、速度検出部２１０と、角度検出部２２０と、角度センサ２３０とを有する。

高圧電源１は、システム駆動用の電源回路である。平滑コンデンサ２は、高圧電源１とインバータ１１０の間に接続されており、電圧の変動を小さくする。トルク/速度指令入力部３は、目標電流指令演算部１６０と電流算出部１５０にトルクと速度の目標値を与える。

モータ１００は、インバータ１１０の交流側に接続される。インバータ１１０は、直流側が平滑コンデンサ２に接続され、３相交流側はモータ１００に接続される。電流センサ１２０uは、インバータ１１０の交流側とモータ１００の間のU相に接続され、U相電流を検出する。電流センサ１２０vは、インバータ１１０の交流側とモータ１００の間のV相に接続され、V相電流を検出する。電流センサ１２０wは、インバータ１１０の交流側とモータ１００の間のW相に接続され、W相電流を検出する。

第一A/D変換部１３０は、電流センサ１２０u、１２０v、１２０wと電流算出部１５０の間に接続され、電流のアナログ値をデジタル値に変換する。第二A/D変換部１４０は、電流センサ１２０u、１２０v、１２０wと電流算出部１５０の間に接続され、電流のアナログ値をデジタル値に変換する。

電流算出部１５０は、第一A/D変換部１３０、第二A/D変換部１４０と3相2相変換部２００の間に接続され、電流を算出する。目標電流指令演算部１６０は、トルク/速度指令入力部３、速度検出部２１０と電流制御部の間に接続され、入力されたトルクと速度の指令値から目標となる電流指令を演算する。

電流制御部１７０は、目標電流指令演算部１６０と2相3相変換部１８０の間に接続され、目標電流指令演算部１６０から与えられた電流指令より電圧を出力する。２相３相変換部１８０は、電流制御部１７０とPWM生成部１９０の間に接続され、電流制御部１７０から取得した２相の電圧値を３相の電圧値に変換し、出力する。

PWM生成部１９０は、２相３相変換部１８０とインバータ１１０の間に接続され、２相３相変換部１８０から取得した電圧値のON/OFF時間比率を変化させて、インバータ１１０にかかる平均電力を調整する。

３相２相変換部２００は、電流算出部１５０と電流制御部１７０の間に接続され、電流制御部１５０から取得した３相電流を２相電流に変換する。また、角度検出部２２０から与えられた角度情報とともに、２相３相変換部１８０に出力される。

速度検出部２１０は、角度検出部２２０と目標電流指令演算部１６０の間に接続され、角度演出部２２０から取得した角度情報よりモータの回転速度を検出する。角度検出部２２０は、モータ１００とそれを介した角度センサ２３０と速度検出部２１０の間に接続され、角度センサ２３０の値から角度を検出する。角度センサ２３０は、モータ１００と角度検出部２２０の間に接続され、モータ１００の角度情報を取得する。

図３は、図１に記載した電流算出部１５０の構成を説明するブロック図である。

力行/回生判定器２４０は、トルク/速度指令入力部３とセレクタ２５０の間に接続され、トルク/速度指令入力部３から与えられた１周期前のトルク指令値Trqと回転速度Revより力行状態あるいは回生状態かどうか判定する。具体的には、トルク値と回転速度値の積が正ならば力行状態と判定し、負であれば回生状態であると判定する。

セレクタ２５０は、力行/回生判定器２４０、第一A/D変換部１３０、第二A/D変換部１４０と３相２相変換部２００の間に接続され、力行/回生判定器２４０の出力に基づき、第一A/D変換部１３０または第二A/D変換部１４０を選定する。

力行状態２６０は、 セレクタ２５０の一部であり、力行/回生判定器２４０からトルクと回転速度値の積（正の値）を与えられることで選択され、第一A/D変換部１３０や第二A/D変換部１４０から電流のデジタル値を取得し、３相２相変換部２００へ出力する。

回生状態２７０は、セレクタ２５０の一部であり、力行/回生判定器２４０からトルクと回転速度値の積（負の値）を与えられることで選択され、第一A/D変換部１３０や第二A/D変換部１４０から電流のデジタル値を取得し、３相２相変換部２００へ出力する。

図４は、図２に示したモータ制御システムの起動から停止までの処理を実行した場合の第一A/D変換部１３０と第二A/D変換部１４０の変換処理タイミングチャートを示した図である。

期間E1において、（1）は第一A/D変換部１３０の変換時間を示し、（2）は第二A/D変換部１４０の変換時間を示し、（3）は第一A/D変換部１３０の電流検出タイミングを示し、（4）は第二A/D変換部１４０の電流検出タイミングを示している。

期間E1では、第一A/D変換部１３０は、電流センサ１２０u、１２０v、１２０wの電流アナログ値をデジタル値に変換している状態である。期間E1では、第二A/D変換部１４０は、遅らせ時間である Δt の経過後、電流センサ１２０u、１２０v、１２０wの電流アナログ値をデジタル値に変換している状態である。

時間ｔ０において、第一A/D変換部１３０は電流センサ１２０u、１２０v、１２０wからモータ電流値を取得し、A/D変換を開始する。

時間t０’において、第二A/D変換部１４０は電流センサ１２０u、１２０v、１２０wからモータ電流値を取得し、A/D変換を開始する。

時間ｔ１において、第一A/D変換部１３０でのA/D変換は完了し、電流検出を行う。また、第二A/D変換部１４０では変換処理が完了する。

時間ｔ１’において、第二A/D変換部１４０でのA/D変換は完了し、電流検出を行う。期間E２〜E４において、期間１と同様の動作を繰り返す。

図５は、本実施形態の電流算出部１５０内の力行/回生判定器２４０の処理手順を説明する図である。図６は、本実施形態の力行/回生判定器２４０における極性の判定方法を示した図である。

ステップA１０において、一周期前のトルク指令値と回転速度データから力行/回生を判別する。トルク指令値と回転速度の積により求めた値の極性が正であればステップA２０に遷移し、負であればステップA３０に遷移する。

極性の判定方法は図６のようになる。第一象限と第三象限はトルクの向きと回転方向が同じなので、極性は正となり力行状態と判定され、第二象限と第四象限はトルクの向きと回転方向が異なるので、極性は負となり回生状態と判定される。

ステップA２０において、前記ステップA１０で出力された極性情報から力行状態と判定し、セレクタ２５０に生成する。ステップA３０において、前記ステップA１０で出力された極性情報から回生状態と判定し、セレクタ２５０に生成する。

本実施形態に係る発明の前提、課題を以下に説明する。

図１に示したように、前提として力行/回生時で電流検出のタイミングが異なっているという問題がある。

一方、本実施形態において、なぜ２つのA/D変換器である第一A/D変換部１３０及び第二A/D変換部１４０を用いるのかを説明する。A/D検出時では力行時に電流絶対値は減少し、回生時は増加となる。また、電流変化量（傾き）は力行＞回生となるため、１つのA/D変換器で電流検出の遅らせ量を力行側に合わせると回生側は過補償になってしまう。そこで、２つのA/D変換器を用いて力行/回生それぞれで電流検出の遅らせ量を設定し、最適な電流値を取得する。

また、力行と回生で検出時間が異なることによる問題点について説明する。モータ制御システムにおける電流指令値と電流実測値の誤差を最小にするため、A/D変換器の変換時間を利用して電流検出のタイミングを遅らせ、電流指令値と電流実測値の誤差を最小にし、モータトルク精度の向上を図っている。

しかし、力行状態と回生状態で電流の検出時間が異なる場合、１つのA/D変換器だけでは最適な電流検出タイミングを設定できない、という問題があった。また、力行状態と回生状態の双方の電流指令値と電流実測値の誤差が最小になるような検出タイミングを設定していたため、どちらも最適なタイミングでは電流を検出できない、という問題もあった。

そこで本実施形態においては、上記の課題を解決するため、力行状態用と回生状態用の第一A/D変換部１３０と第二A/D変換部１４０を用い、力行時と回生時のそれぞれにA/D変換時間による遅れ時間を設定して、電流指令値と電流実測値の誤差が最小になるような最適タイミングで電流を検出する。そして、電流算出部１５０において、力行/回生判定器２４０を設け、力行状態２６０か回生状態２７０の判別を行い、それに適した電流値を出力する。

これにより、電流指令値と電流実測値の誤差が最小となる最適な検出タイミングで電流を検出でき、モータトルク精度を向上させることができる。

なお、図３に示された力行/回生判定器２４０において、なぜ力行/回生状態の判定をする必要があるのかについて説明する。第一A/D変換部１３０と第二A/D変換部１４０から出力される電流値は、力行状態用の遅らせ量で検出されたものと回生状態用の遅らせ量で検出されたものがあるため、力行/回生判定器２４０と一周期前のトルク指令値・モータ回転速度を用いて力行/回生の判定をし、最適な電流値を選定する。

そこで本実施形態の電流算出部の仕組みとして、電流算出部１５０内には図２に示すように、力行/回生判定器２４０とセレクタ２７０が組み込まれている。力行/回生判定器では図５のフローチャートで示すように一周期前のトルク指令値とモータ回転速度を用いて、それらを掛け算した値の極性（正/負）で判断し、正ならば力行状態、負ならば回生状態であると判定する。セレクタでは力行/回生判定器から出力された極性から力行または回生にスイッチングし、第一A/D変換部１３０と第二A/D変換部より出力された電流値から最適なものを取得する。

図７は、本実施例の第２の実施形態にかかるモータ制御システムを説明する図である。

モータ制御システムは、高圧電源１と、平滑コンデンサ２と、トルク指令/速度指令入力部３と、モータ１００と、インバータ１１０と、電流センサ１２０u、１２０v、１２０wと、A/D変換部２８０と、電流推定部２９０と、電流算出部１５０と、目標電流指令演算部１６０と、電流制御部１７０と、2相3相変換部１８０と、PWM生成部１９０と3相2相変換部２００と、速度検出部２１０と、角度検出部２２０と、角度センサ２３０とを有する。

A/D変換部２８０は、電流センサ１２０u、１２０v、１２０wと電流算出部１５０の間に接続され、電流のアナログ値をデジタル値に変換する。電流推定部２９０は、A/D変換部２８０から与えられた電流のデジタル値から所定時間経過後の電流値を推定し、その推定電流値を電流算出部１５０に出力する。

図９は、図７に記載した電流算出部１５０の構成を説明するブロック図である。

力行/回生判定器２４０は、トルク/速度指令入力部３とセレクタ２５０の間に接続され、トルク/速度指令入力部３から与えられた１周期前のトルク指令値Trqと回転速度Revより力行状態あるいは回生状態かどうか判定する。具体的には、トルク値と回転速度値の積が正ならば力行状態と判定し、負であれば回生状態であると判定する。

セレクタ２５０は、力行/回生判定器２４０、第一A/D変換部１３０、第二A/D変換部１４０と３相２相変換部２００の間に接続され、力行/回生判定器２４０の出力からA/D変換部２８０または電流推定部２９０を選定する。

力行状態２６０は、 セレクタ２５０の一部であり、力行/回生判定器２４０からトルクと回転速度値の積（正の値）を与えられることで選択され、A/D変換部から電流のデジタル値を取得し、３相２相変換部２００へ出力する。

回生状態２７０は、セレクタ２５０の一部であり、力行/回生判定器２４０からトルクと回転速度値の積（負の値）を与えられることで選択され、電流推定部２９０から電流推定値を取得し、３相２相変換部２００へ出力する。

図８は、本実施例の第２の実施形態にかかるモータ制御システムの電流検出信号の説明図である。

電流 i(n-4)〜i(n-1) は、すでに検出済みの電流を表している。電流 i(n) は、現在時刻での電流を表しており最新検出値である。電流 i(n+1)〜i(n+4) は、推定電流を表している。

本実施形態に係る発明の前提、課題を以下に説明する。

モータ制御システムにおける電流指令値と電流実測値の誤差を最小にするため、A/D変換器の変換時間を利用して電流検出のタイミングを遅らせ、電流指令値と電流実測値の誤差を最小にし、モータトルク精度の向上を図っている。

しかし、力行状態と回生状態で電流の検出時間が異なる場合、最適な電流検出タイミングを設定し、さらなる精度向上が求められる。また、力行状態と回生状態の双方の電流指令値と電流実測値の誤差が最小になるような検出タイミングを設定していたため、どちらも最適なタイミングで電流を検出することが困難である、という問題もあった。

上記の課題を解決するため、本実施形態においては、A/D変換部２８０と所定時間の経過した電流を推定する電流推定部２９０を用い、力行時と回生時のそれぞれに対して最適な電流を検出できるようにする。そして、電流算出部１５０において、力行/回生判定器２４０を設け、力行状態２６０か回生状態２７０の判別を行い、最適な電流値を出力する。

これにより、力行/回生状態にかかわらず双方に対して最適な電流を検出でき、モータトルク精度を向上させることができる。

なお、電流推定部２９０は、A/D変換部２８０から与えられた電流のデジタル値から所定時間の経過した電流値を推定し、その推定電流値を電流算出部１５０に出力する。以下、電流推定部２９０での推定電流算出方法を示す。

なお、各パラメータは以下のように対応している。

モータ制御において、巻線抵抗が十分に小さく無視できるならば、数（１）のファラデーの電磁誘導の法則より出力電流は数（２）で表せる。

電圧 v を構成する要素のうち、誘起電圧 e₀ はAD変換のトリガ周期 T 中で一定とすると、電流変化は電圧 v から誘起電圧 e₀ を減算した電圧により発生する。したがって、次のトリガ周期 T までに変化する電流は数（３）で表せる。

よって、現在時刻よりもトリガ周期１サンプル先に進んだトリガ周期 T の電流（三相）は i+1 を i(n) に加算して、数（４）ないし数（６）となる。

また、現在時刻より２サンプル先に進んだトリガ周期 T の電流は、同様にして i(n+1) の値に加算して（t(n+2) - t(n+1) = t(n+1) - t(n)より）数（７）ないし数（９）と表せる。

以上のようにして、所定時間経過した推定電流値を求める。
なお、A/D変換部２８０と電流推定部２９０から出力される電流値は、A/D変換時間固定のA/D変換部２８０からの出力された電流値と電流推定部２９０で所定時間経過後の推定電流値があるので、力行/回生判定器２４０と一周期前のトルク指令値・モータ回転速度を用いて力行/回生の判定をし、最適な電流値を選定する。

電流算出部１５０内には図９に示すように、力行/回生判定器２４０とセレクタ２７０が組み込まれている。力行/回生判定器では図５のフローチャートで示すように一周期前のトルク指令値とモータ回転速度を用いて、それらを掛け算した値の極性（正/負）で判断し、正ならば力行状態、負ならば回生状態であると判定する。セレクタでは力行/回生判定器から出力された極性から力行または回生にスイッチングし、２つのA/D変換器またはA/D変換部２８０と電流推定部２９０より出力された電流値から最適なものを取得する。

１…高圧電源、２…平滑コンデンサ、３…トルク/速度指令入力部、１００…モータ、１１０…インバータ、１２０u…電流センサ、１２０v…電流センサ、１２０w…電流センサ、１３０…第一A/D変換部、１４０…第二A/D変換部、１５０…電流算出部、１６０…目標電流指令演算部、１７０…電流制御部、１８０…2相3相変換部、１９０…PWM生成部、２００…3相2相変換部、２１０…速度検出部、２２０…角度検出部、２３０…角度センサ、２４０…力行/回生判定器、２５０…セレクタ、２６０…力行状態、２７０…回生状態、２８０…A/D変換部、２９０…電流推定部

Claims (2)

1. モータ(100)と、前記モータに交流電流を供給するインバータ(110)と、前記インバータから当該モータに流れる電流を検出する電流センサ(120 u, 120 v, 120 w)を有するモータシステムを制御するモータ制御装置であって、
   前記電流センサの検出値をデジタル変換する第１A/D変換部(130)及び第２A/D変換部(140)と、
   前記第１A/D変換部及び前記第２A/D変換部にて取得したモータ電流値を取得し、かつ前記インバータに使用する制御モータ電流値を決定する電流算出部(150)と、を備え、
   前記第１A/D変換部の変換開始タイミングと前記第２A/D変換部の変換開始タイミングは、力行時と回生時のそれぞれに対応してA/D変換時間による遅れ時間が設定されることで異なるように設定され、
   前記電流算出部は、
   前記モータが力行状態(260)の場合、前記第１A/D変換部からの出力信号に基づき、前記電流値を算出し、
   前記モータが回生状態(270)の場合、前記第２A/D変換部からの出力信号に基づき、前記電流値を算出し、前記インバータを制御するモータ制御装置。
2. 請求項１に記載のモータ制御装置であって、
   前記電流算出部は、前記モータの回転に関する情報及びトルク指令値に基づき、当該モータが前記力行状態か前記回生状態かを判定するモータ制御装置。