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JP2019198148A - Electric motor control device and electric motor control method - Google Patents

Electric motor control device and electric motor control method Download PDF

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JP2019198148A
JP2019198148A JP2018089778A JP2018089778A JP2019198148A JP 2019198148 A JP2019198148 A JP 2019198148A JP 2018089778 A JP2018089778 A JP 2018089778A JP 2018089778 A JP2018089778 A JP 2018089778A JP 2019198148 A JP2019198148 A JP 2019198148A
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JP
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magnetic field
current
electric motor
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rotor
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JP2018089778A
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智也 高木
Tomoya Takagi
智也 高木
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Denso Ten Ltd
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Denso Ten Ltd
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Abstract

To provide an electric motor control device and an electric motor control method for enabling stable control of torque and a rotation speed with a simple configuration.SOLUTION: The electric motor control device for controlling an electric motor such that a driving current for the electric motor follows a current command value, includes a sensor magnet that forms a first magnetic field by rotating in association with a rotor of the electric motor, a magnetic sensor that measures a synthetic magnetic field including the first magnetic field and a second magnetic field formed by the driving current, a rotation angle calculation unit that separates the first magnetic field from a measurement value of the synthetic magnetic field, and calculates the rotation angle of the rotor from the separated first magnetic field, a current calculation unit that separates the second magnetic field from the measurement value of the synthetic magnetic field, and calculates a driving current from the second magnetic field, and a current control unit that controls the electric motor on the basis of the rotation angle calculated by the rotation angle calculation unit, the driving current calculated by the current calculation unit, and the current command value.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、電動機の制御装置及び電動機の制御方法に関する。   The present invention relates to a motor control device and a motor control method.

一般にインバータを用いた電動機は、外乱の影響を補償するためにフィードバック制御される。そのために、電動機には、駆動電流を測定するためのシャント抵抗等の電流計、及び回転子の回転角を測定するためのリゾルバ等の角度センサが設置される。   In general, an electric motor using an inverter is feedback controlled to compensate for the influence of disturbance. For this purpose, the electric motor is provided with an ammeter such as a shunt resistor for measuring the drive current and an angle sensor such as a resolver for measuring the rotation angle of the rotor.

特許文献1には、駆動電流を測定するための電流計を省略して低コスト化した電流センサレスの電動機のフィードバック制御方法が記載されている。特許文献1に記載の電流センサレスの電動機は、電流計を省略する代わりに、インバータの電圧指令値に基づいて駆動電流の値を演算によって推定する演算装置を備えている。   Patent Document 1 describes a feedback control method for a current sensorless motor that is reduced in cost by omitting an ammeter for measuring drive current. The electric motor without a current sensor described in Patent Document 1 includes an arithmetic device that estimates the value of the drive current by calculation based on the voltage command value of the inverter instead of omitting the ammeter.

特開2006−14431号公報JP 2006-14431 A

しかし、特許文献1の電流センサレスの電動機では、外乱が大きい場合や、電動機のトルクの変動又は回転速度の変動が大きい運転条件においては、駆動電流の推定値が実際の電流値と乖離して電動機にトルクリップルが生じたり電動機の電力効率が低下したりする。また、駆動電流を高精度に推定しようとすると演算装置の演算量が大きくなり、高性能な演算装置が必要となって電動機の制御装置が高コスト化してしまうという課題があった。   However, in the electric motor without a current sensor disclosed in Patent Document 1, the estimated value of the driving current deviates from the actual electric current value when the disturbance is large or the driving condition is that the fluctuation of the torque of the electric motor or the fluctuation of the rotation speed is large. Torque ripple occurs in the motor, and the electric power efficiency of the motor decreases. In addition, if the drive current is estimated with high accuracy, the amount of calculation of the arithmetic device increases, and a high-performance arithmetic device is required, which increases the cost of the motor control device.

そこで本発明は、簡素な構成でトルク及び回転速度を安定して制御することが可能な電動機の制御装置及び電動機の制御方法を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a motor control device and a motor control method capable of stably controlling torque and rotational speed with a simple configuration.

本発明の一観点によれば、電動機の駆動電流が電流指令値に追従するように電動機を制御する電動機の制御装置であって、電動機の回転子と共に回転し、第1の磁界を形成するセンサマグネットと、第1の磁界及び駆動電流が形成する第2の磁界を含む合成磁界を測定する磁気センサと、合成磁界の測定値から第1の磁界を分離し、分離された第1の磁界から回転子の回転角を算出する回転角算出部と、合成磁界の測定値から第2の磁界を分離し、分離された第2の磁界から駆動電流を算出する電流算出部と、回転角算出部によって算出された回転角、電流算出部によって算出された駆動電流、及び電流指令値に基づいて、電動機を制御する電流制御部と、を備える電動機の制御装置が提供される。   According to one aspect of the present invention, there is provided a motor control device that controls an electric motor so that a driving current of the electric motor follows a current command value, wherein the sensor rotates with the rotor of the electric motor to form a first magnetic field. A magnet, a magnetic sensor for measuring a combined magnetic field including a first magnetic field and a second magnetic field formed by a drive current, and a first magnetic field separated from the measured value of the combined magnetic field, and from the separated first magnetic field A rotation angle calculation unit that calculates a rotation angle of the rotor, a current calculation unit that separates the second magnetic field from the measured value of the combined magnetic field, and calculates a drive current from the separated second magnetic field; and a rotation angle calculation unit There is provided a motor control device including a current control unit that controls the motor based on the rotation angle calculated by the above, the drive current calculated by the current calculation unit, and the current command value.

また、本発明の別観点によれば、電動機の回転子と共に回転し、第1の磁界を形成するセンサマグネットと、第1の磁界及び電動機の駆動電流が形成する第2の磁界を含む合成磁界を測定する磁気センサと、を備え、駆動電流が電流指令値に追従するように電動機を制御する電動機の制御装置において、合成磁界の測定値から第1の磁界を分離し、分離された第1の磁界から回転子の回転角を算出する回転角算出ステップと、合成磁界の測定値から第2の磁界を分離し、分離された第2の磁界から駆動電流を算出する電流算出ステップと、回転角算出ステップにおいて算出された回転角、電流算出ステップにおいて算出された駆動電流、及び電流指令値に基づいて、電動機を制御する電流制御ステップと、を有する電動機の制御方法が提供される。   According to another aspect of the present invention, a combined magnetic field including a sensor magnet that rotates with the rotor of the electric motor to form a first magnetic field, and a second magnetic field that is formed by the first magnetic field and the driving current of the electric motor. And a magnetic sensor for measuring the first magnetic field separated from the measured value of the combined magnetic field in the motor control device that controls the motor so that the drive current follows the current command value. A rotation angle calculation step for calculating the rotation angle of the rotor from the magnetic field of the current, a current calculation step for separating the second magnetic field from the measured value of the combined magnetic field, and calculating a drive current from the separated second magnetic field, and rotation An electric motor control method is provided that includes a current control step for controlling the electric motor based on the rotation angle calculated in the angle calculation step, the drive current calculated in the current calculation step, and the current command value. That.

本発明によれば、簡素な構成でトルク及び回転速度を安定して制御することが可能な電動機の制御装置及び電動機の制御方法が提供される。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the control apparatus and the control method of an electric motor which can control a torque and a rotational speed stably with a simple structure are provided.

第1実施形態に係る電動機の制御装置によって制御される電動機の構造を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the electric motor controlled by the control apparatus of the electric motor which concerns on 1st Embodiment. 電動機の極対数が2である場合の、回転子の回転角の一周期における駆動電流の時間変化の波形を示す図である。It is a figure which shows the waveform of the time change of the drive current in one period of the rotation angle of a rotor when the number of pole pairs of an electric motor is two. 第1実施形態に係る電動機の制御装置の構成を、電動機と共に示す図である。It is a figure which shows the structure of the control apparatus of the electric motor which concerns on 1st Embodiment with an electric motor. 第1実施形態に係る電動機の制御装置における磁気センサの配置例を示す図である。It is a figure which shows the example of arrangement | positioning of the magnetic sensor in the control apparatus of the electric motor which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る電動機の制御方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control method of the electric motor which concerns on 1st Embodiment. 第2実施形態に係る電動機の制御装置における磁気センサの配置例を示す図である。It is a figure which shows the example of arrangement | positioning of the magnetic sensor in the control apparatus of the electric motor which concerns on 2nd Embodiment. 第3実施形態に係る電動機の制御装置における磁気センサの配置例を示す図である。It is a figure which shows the example of arrangement | positioning of the magnetic sensor in the control apparatus of the electric motor which concerns on 3rd Embodiment.

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は以下の実施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において適宜変更可能である。また、各図において同一、又は相当する機能を有するものは、同一符号を付し、その説明を省略又は簡潔にすることもある。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to the following embodiment, In the range which does not deviate from the summary, it can change suitably. In addition, components having the same or corresponding functions in each drawing are denoted by the same reference numerals, and the description thereof may be omitted or simplified.

本発明では、電動機の制御装置の構成を簡素化して低コスト化するために、電動機を流れる駆動電流を測定するための電流計と、電動機の回転子の回転角を測定するための角度センサとが、一つの磁気センサに統合される。この磁気センサは、電動機の回転子と共に回転するセンサマグネットが形成する第1の磁界と、電動機の駆動電流が形成する第2の磁界とを含む合成磁界を測定する。そして、本発明の電動機の制御装置は、測定された合成磁界から第1の磁界と第2の磁界を分離した後、分離された第1の磁界から回転子の回転角を算出し、分離された第2の磁界から駆動電流を算出する。   In the present invention, in order to simplify the configuration of the motor control device and reduce the cost, an ammeter for measuring the drive current flowing through the motor, and an angle sensor for measuring the rotation angle of the rotor of the motor, Are integrated into one magnetic sensor. This magnetic sensor measures a combined magnetic field including a first magnetic field formed by a sensor magnet that rotates together with a rotor of an electric motor and a second magnetic field formed by a driving current of the electric motor. Then, the motor control device of the present invention separates the first magnetic field and the second magnetic field from the measured combined magnetic field, and then calculates the rotation angle of the rotor from the separated first magnetic field. The drive current is calculated from the second magnetic field.

このような本発明の電動機の制御装置によれば、駆動電流を測定するための電流計及びその配線を省略して電動機の制御装置の構成を簡素化することができる。また、電流センサレスの電動機とは異なり、電動機の駆動電流と回転子の回転角の両方がフィードバックされるため、電動機のトルク及び回転速度が安定する。   According to the motor control apparatus of the present invention, the configuration of the motor control apparatus can be simplified by omitting the ammeter for measuring the drive current and its wiring. Further, unlike a motor without a current sensor, both the drive current of the motor and the rotation angle of the rotor are fed back, so that the torque and rotation speed of the motor are stabilized.

[第1実施形態]
図1(a)は、極対数が1である場合の電動機1の構造の例を模式的に示す図である。また、図1(b)は、極対数が2である場合の電動機1の構造の例を模式的に示す図である。電動機1は、固定子11、及び回転子12を備える。
[First Embodiment]
FIG. 1A is a diagram schematically illustrating an example of the structure of the electric motor 1 when the number of pole pairs is one. FIG. 1B is a diagram schematically showing an example of the structure of the electric motor 1 when the number of pole pairs is two. The electric motor 1 includes a stator 11 and a rotor 12.

固定子11は、電動機1の固定された回転しない部分であって、典型的には内部に空間を有した円筒形状をしている。固定子11の内壁には、三相交流の駆動電流iu、iv、iwが流される巻線13が複数固定されている。   The stator 11 is a fixed non-rotating portion of the electric motor 1 and typically has a cylindrical shape having a space inside. A plurality of windings 13 through which three-phase AC drive currents iu, iv, and iw flow are fixed to the inner wall of the stator 11.

電動機1には、固定子11に固定されたαβ座標系が第1の座標系として設定されている。α軸及びβ軸は固定子11の中心軸と直交する面上に設定され、αβ座標系の原点は円筒形状の固定子11の中心軸上に設定されている。図1(a)に示された極対数が1の電動機1では、α軸及びβ軸は互いに直交するように設定され、図1(b)に示された極対数が2の電動機1では、α軸とβ軸は互いに角度45°(=90°/極対数)で交差するように設定されている。αβ座標系のα軸は、駆動電流iuが流れる巻線13が配置された方向に設定される。換言すると、駆動電流iuが流れる巻線13は、αβ座標系のα軸上に配置されている。また、駆動電流iv、iwが流れる巻線13は、α軸に対してそれぞれ+120°、−120°回転した方向に配置されている。   In the electric motor 1, an αβ coordinate system fixed to the stator 11 is set as a first coordinate system. The α axis and β axis are set on a plane orthogonal to the central axis of the stator 11, and the origin of the αβ coordinate system is set on the central axis of the cylindrical stator 11. In the electric motor 1 having one pole pair shown in FIG. 1A, the α axis and the β axis are set to be orthogonal to each other. In the electric motor 1 having two pole pairs shown in FIG. The α axis and the β axis are set to intersect each other at an angle of 45 ° (= 90 ° / number of pole pairs). The α axis of the αβ coordinate system is set in the direction in which the winding 13 through which the drive current iu flows is arranged. In other words, the winding 13 through which the drive current iu flows is arranged on the α axis of the αβ coordinate system. The windings 13 through which the drive currents iv and iw flow are arranged in directions rotated by + 120 ° and −120 ° with respect to the α axis, respectively.

巻線13に流される三相交流の駆動電流iu、iv、iwの時間変化の波形は、下式(1)で表される。ここで、i0は、駆動電流iu、iv、iwの振幅の絶対値であり、θは、駆動電流iu、iv、iwの角速度ωを時間tで乗算して算出される位相角である。
iu=i0×sinθ、
iv=i0×sin(θ−(2/3)π)、
iw=i0×sin(θ+(2/3)π) (1)
The waveform of the time change of the drive currents iu, iv, iw of the three-phase alternating current flowing in the winding 13 is expressed by the following equation (1). Here, i0 is the absolute value of the amplitude of the drive currents iu, iv, iw, and θ is the phase angle calculated by multiplying the angular velocity ω of the drive currents iu, iv, iw by time t.
iu = i0 × sin θ,
iv = i0 × sin (θ− (2/3) π),
iw = i0 × sin (θ + (2/3) π) (1)

三相交流の駆動電流iu、iv、iwは、iu+iv+iw=0を満たす。従って、上式(1)の駆動電流iu、iv、iwのうちの一相は、他の二相から導出することが可能である。上式(1)で表わされる駆動電流iu、iv、iwが巻線13に流されると、固定子11の内部には、αβ座標系における原点を回転中心として時間的に回転する磁界B2が形成される。   The three-phase AC drive currents iu, iv, iw satisfy iu + iv + iw = 0. Therefore, one phase of the drive currents iu, iv, and iw in the above equation (1) can be derived from the other two phases. When the drive currents iu, iv, and iw represented by the above equation (1) are passed through the winding 13, a magnetic field B2 that rotates in time with the origin in the αβ coordinate system as the rotation center is formed inside the stator 11. Is done.

一方、回転子12は、典型的には円柱形状をしており、固定子11の内部において回転自在に支持される。円柱形状の回転子12の回転軸は、円筒形状の固定子11の中心軸と一致している。回転子12は永久磁石を有しており、回転子12は固定子11の内部において磁界B2の変化に応じて回転する。この結果、固定子11には、トルクTが発生する。   On the other hand, the rotor 12 typically has a cylindrical shape and is rotatably supported inside the stator 11. The rotation axis of the cylindrical rotor 12 coincides with the central axis of the cylindrical stator 11. The rotor 12 has a permanent magnet, and the rotor 12 rotates in the stator 11 according to the change of the magnetic field B2. As a result, torque T is generated in the stator 11.

この際、回転子12の永久磁石のN極とS極を結ぶ方向が、駆動電流iu、iv、iwの形成する磁界B2の方向と直交するように制御される場合に、固定子11に発生するトルクTは最大となる。回転子12の回転軸には、固定子11に対する回転子12の回転角θmを測定するためのセンサマグネット14が固定されている。   At this time, it occurs in the stator 11 when the direction connecting the N pole and S pole of the permanent magnet of the rotor 12 is controlled to be orthogonal to the direction of the magnetic field B2 formed by the drive currents iu, iv, iw. Torque T to be maximized. A sensor magnet 14 for measuring the rotation angle θm of the rotor 12 with respect to the stator 11 is fixed to the rotation shaft of the rotor 12.

また、電動機1には、回転子12と共に回転するdq座標系が第2の座標系として設定されている。d軸及びq軸は回転子12の回転軸と直交する面上に設定され、dq座標系の原点は回転子12の回転軸上に設定されている。図1(a)に示された極対数が1の電動機1では、d軸及びq軸は互いに直交するように設定され、図1(b)に示された極対数が2の電動機1では、d軸とq軸は互いに角度45°(=90°/極対数)で交差するように設定されている。dq座標系は、αβ座標系に対して回転子12の回転角θmだけ回転した座標系である。dq座標系のd軸は、例えば、回転子12が有する永久磁石の一つのN極と一つのS極を結ぶ方向に垂直な方向に設定される。αβ座標(xα、xβ)からdq座標(xd、xq)への座標変換は、回転子12の回転角θmを用いて、下式(2)で表される。
xd= xα×cosθm+xβ×sinθm、
xq=−xα×sinθm+xβ×cosθm (2)
Further, the dq coordinate system that rotates together with the rotor 12 is set as the second coordinate system in the electric motor 1. The d axis and the q axis are set on a plane orthogonal to the rotation axis of the rotor 12, and the origin of the dq coordinate system is set on the rotation axis of the rotor 12. In the motor 1 with the number of pole pairs shown in FIG. 1A, the d axis and the q axis are set to be orthogonal to each other, and in the motor 1 with the number of pole pairs shown in FIG. The d-axis and the q-axis are set to intersect each other at an angle of 45 ° (= 90 ° / number of pole pairs). The dq coordinate system is a coordinate system rotated by the rotation angle θm of the rotor 12 with respect to the αβ coordinate system. The d axis of the dq coordinate system is set, for example, in a direction perpendicular to the direction connecting one N pole and one S pole of the permanent magnet of the rotor 12. Coordinate conversion from αβ coordinates (xα, xβ) to dq coordinates (xd, xq) is expressed by the following equation (2) using the rotation angle θm of the rotor 12.
xd = xα × cos θm + xβ × sin θm,
xq = −xα × sin θm + xβ × cos θm (2)

ここで、図1(b)に示された極対数が2の電動機1の回転子12は、永久磁石のN極とS極の対を二対有しており、また、固定子11は、駆動電流iu、iv、iwが流れる巻線13の組を二対有している。このため、図1(b)に示された電動機1では、回転子12の回転角θmが一回転する間に、駆動電流iu、iv、iwの位相角θは二周期変化する。このように、極対数が2以上の電動機1においては、回転子12の回転角θmと駆動電流iu、iv、iwの位相角θは一致しない。   Here, the rotor 12 of the motor 1 having the number of pole pairs of 2 shown in FIG. 1B has two pairs of N and S poles of permanent magnets, and the stator 11 Two pairs of windings 13 through which drive currents iu, iv, and iw flow are provided. For this reason, in the electric motor 1 shown in FIG. 1B, the phase angle θ of the drive currents iu, iv, iw changes by two cycles while the rotation angle θm of the rotor 12 makes one rotation. Thus, in the electric motor 1 having two or more pole pairs, the rotation angle θm of the rotor 12 and the phase angle θ of the drive currents iu, iv, and iw do not match.

図2は、電動機1の極対数が2である場合の、回転子12の回転角θmの一周期における駆動電流iu、iv、iwの時間変化の波形を示す図である。図2に示された波形201、202、203は、それぞれ、駆動電流iu、iv、iwの時間変化を示している。図2の横軸は、回転子12の回転角θmを示しており、図2の縦軸は、駆動電流iu、iv、iwの大きさを示している。図2に示されるように、極対数が2である電動機1では、回転子12の回転角θmが一回転する間に、駆動電流iu、iv、iwの位相角θは二周期変化する。   FIG. 2 is a diagram showing the time-varying waveforms of the drive currents iu, iv, iw in one cycle of the rotation angle θm of the rotor 12 when the number of pole pairs of the electric motor 1 is two. Waveforms 201, 202, and 203 shown in FIG. 2 indicate temporal changes in the drive currents iu, iv, and iw, respectively. The horizontal axis in FIG. 2 indicates the rotation angle θm of the rotor 12, and the vertical axis in FIG. 2 indicates the magnitudes of the drive currents iu, iv, iw. As shown in FIG. 2, in the electric motor 1 having two pole pairs, the phase angle θ of the drive currents iu, iv, and iw changes by two cycles while the rotation angle θm of the rotor 12 makes one rotation.

より一般的には、極対数がN2である電動機1では、回転子12の回転角θmが一回転する間に、駆動電流iu、iv、iwの位相角θはN2周期変化する。回転子12の回転角θmは機械角と呼ばれ、駆動電流iu、iv、iwの位相角θは電気角と呼ばれる。電動機1の回転子12の回転角θm(機械角)と駆動電流iu、iv、iwの位相角θ(電気角)の関係は、下式(3)で表わされる。
駆動電流の位相角θ = 極対数N2 × 回転子の回転角θm (3)
More generally, in the electric motor 1 having the number of pole pairs of N2, the phase angle θ of the drive currents iu, iv, and iw changes by N2 periods while the rotation angle θm of the rotor 12 rotates once. The rotation angle θm of the rotor 12 is called a mechanical angle, and the phase angle θ of the drive currents iu, iv, iw is called an electrical angle. The relationship between the rotation angle θm (mechanical angle) of the rotor 12 of the electric motor 1 and the phase angle θ (electrical angle) of the drive currents iu, iv, iw is expressed by the following equation (3).
Phase angle θ of drive current = number of pole pairs N2 × rotation angle θm of rotor (3)

図3は、第1実施形態に係る電動機1の制御装置の構成を、電動機1と共に示す図である。電動機1は、駆動電流iu、iv、iwが電流指令値id*、iq*に追従するように、本実施形態の電動機1の制御装置によってフィードバック制御される。   FIG. 3 is a diagram illustrating the configuration of the control device for the electric motor 1 according to the first embodiment together with the electric motor 1. The electric motor 1 is feedback-controlled by the control device of the electric motor 1 of the present embodiment so that the driving currents iu, iv, iw follow the current command values id *, iq *.

本実施形態の電動機1の制御装置は、電流指令値算出部2、電流制御部3、電動機駆動部4、及び電流測定部5を備える。なお、以下で集積回路として実現される構成要素については、一又は複数の集積回路に統合されてもよいし、一又は複数のプロセッサが予め記憶部に記憶されたプログラムを実行することによって実現されてもよい。   The control device for the electric motor 1 according to the present embodiment includes a current command value calculation unit 2, a current control unit 3, an electric motor drive unit 4, and a current measurement unit 5. Note that the components realized as an integrated circuit below may be integrated into one or a plurality of integrated circuits, or realized by executing a program stored in advance in a storage unit by one or a plurality of processors. May be.

電流指令値算出部2は、集積回路として実現され、外部から入力されたトルク指令値T*に従って、トルク指令値T*に相当するトルクTを電動機1に発生させるために必要な電流指令値id*、iq*を算出して出力する。ここで、電流指令値id*、iq*の記号「*」は、指令値であることを示している。具体的には、電流指令値算出部2は、例えば、予め記憶部に記憶されたトルク指令値T*と電流指令値id*、iq*の関係を規定したテーブルを参照して、トルク指令値T*に対応する電流指令値id*、iq*を設定する。   The current command value calculation unit 2 is realized as an integrated circuit, and a current command value id required for causing the electric motor 1 to generate a torque T corresponding to the torque command value T * according to the torque command value T * input from the outside. * And iq * are calculated and output. Here, the symbol “*” of the current command values id * and iq * indicates a command value. Specifically, the current command value calculation unit 2 refers to a table that defines the relationship between the torque command value T * and the current command values id * and iq * stored in advance in the storage unit, for example. Current command values id * and iq * corresponding to T * are set.

一般に、指令値である電流指令値id*、iq*は、演算負荷を軽減するために、交流を扱う必要があるuvw座標系ではなく、交流を扱う必要がないdq座標系で表わされる。この際、電動機1のトルクTは、基本的には電流指令値iq*で制御される。電流指令値id*はゼロに固定される場合もあれば、高効率化又は高回転化のために非ゼロとされる場合もある。ただし、電流指令値id*、iq*は、任意の座標系で表わされることが可能であり、dq座標系だけに限定されるものではない。   In general, the current command values id * and iq * which are command values are expressed not in the uvw coordinate system that needs to handle alternating current but in the dq coordinate system that does not need to handle alternating current in order to reduce the calculation load. At this time, the torque T of the electric motor 1 is basically controlled by the current command value iq *. The current command value id * may be fixed to zero, or may be non-zero for higher efficiency or higher rotation. However, the current command values id * and iq * can be expressed in an arbitrary coordinate system and are not limited to the dq coordinate system.

電流制御部3は、集積回路として実現され、電流指令値算出部2から出力される電流指令値id*、iq*と、後述の電流測定部5から出力される電流測定値id、iqとの偏差が小さくなるように、後段の電動機駆動部4を介して、電動機1を制御する。そのために、電流制御部3は、電流指令値id*、iq*に相当する駆動電流iu、iv、iwを電動機1に流すために必要な電圧指令値vd*、vq*を算出する。   The current control unit 3 is realized as an integrated circuit, and includes current command values id * and iq * output from the current command value calculation unit 2 and current measurement values id and iq output from a current measurement unit 5 described later. The electric motor 1 is controlled via the subsequent electric motor drive unit 4 so that the deviation is reduced. For this purpose, the current control unit 3 calculates voltage command values vd * and vq * necessary for flowing the drive currents iu, iv and iw corresponding to the current command values id * and iq * to the electric motor 1.

電動機駆動部4は、電流制御部3から出力される電圧指令値vd*、vq*に相当する三相交流電圧を発生させ、その三相交流電圧を電動機1に印加して電動機1を駆動する。図3には、直流電圧Eをパルス幅変調(PWM:Pulse Width Modulation)して得られる三相交流電圧によって電動機1を駆動する場合の電動機駆動部4の例が示されている。図3に示された電動機駆動部4は、dq/uvw変換部41、変調部42、及びインバータ43を備える。   The motor drive unit 4 generates a three-phase AC voltage corresponding to the voltage command values vd * and vq * output from the current control unit 3, and applies the three-phase AC voltage to the motor 1 to drive the motor 1. . FIG. 3 shows an example of the motor drive unit 4 when the motor 1 is driven by a three-phase AC voltage obtained by pulse width modulation (PWM) of the DC voltage E. The electric motor drive unit 4 shown in FIG. 3 includes a dq / uvw conversion unit 41, a modulation unit 42, and an inverter 43.

dq/uvw変換部41は、集積回路として実現され、後述の電流測定部5の回転角算出部53から回転子12の回転角θmを受信し、上式(3)に従って駆動電流iu、iv、iwの位相角θを算出する。或いは、dq/uvw変換部41は、回転角算出部53から駆動電流iu、iv、iwの位相角θを受信してもよい。そして、dq/uvw変換部41は、dq座標系で表わされた電圧指令値vd*、vq*を、下式(4)に従って、uvw座標系で表わされる三相交流電圧の指令値vu*、vv*、vw*へ変換する。なお、下式(4)では、指令値であることを示す記号「*」を省略している。
vu=√(2/3){vd×cosθ−vq×sinθ}、
vv=√(2/3){vd×cos(θ−2π/3)−vq×sin(θ−2π/3)}、
vw=√(2/3){vd×cos(θ+2π/3)−vq×sin(θ+2π/3)} (4)
The dq / uvw conversion unit 41 is realized as an integrated circuit, receives the rotation angle θm of the rotor 12 from the rotation angle calculation unit 53 of the current measurement unit 5 described later, and drives the drive currents iu, iv, The phase angle θ of iw is calculated. Alternatively, the dq / uvw conversion unit 41 may receive the phase angle θ of the drive currents iu, iv, iw from the rotation angle calculation unit 53. Then, the dq / uvw conversion unit 41 converts the voltage command values vd * and vq * expressed in the dq coordinate system into the command values vu * of the three-phase AC voltage expressed in the uvw coordinate system according to the following equation (4). , Vv *, vw *. In the following formula (4), the symbol “*” indicating the command value is omitted.
vu = √ (2/3) {vd × cos θ−vq × sin θ},
vv = √ (2/3) {vd × cos (θ-2π / 3) −vq × sin (θ-2π / 3)},
vw = √ (2/3) {vd × cos (θ + 2π / 3) −vq × sin (θ + 2π / 3)} (4)

変調部42は、集積回路として実現され、後段のインバータ43に供給される直流電圧Eをスイッチング制御して、三相交流電圧の指令値vu*、vv*、vw*に応じたデューティ比を有する三相のパルス電圧をそれぞれ生成する。インバータ43は、三相交流電圧の指令値vu*、vv*、vw*に応じたデューティ比を有する三相のパルス電圧を、電動機1に出力する。この結果、電動機1には駆動電流iu、iv、iwが流れ、電動機1にはトルクTが発生する。   The modulation unit 42 is realized as an integrated circuit, performs switching control on the DC voltage E supplied to the inverter 43 in the subsequent stage, and has a duty ratio corresponding to the command values vu *, vv *, and vw * of the three-phase AC voltage. Three-phase pulse voltages are generated respectively. The inverter 43 outputs a three-phase pulse voltage having a duty ratio corresponding to the command values vu *, vv *, and vw * of the three-phase AC voltage to the electric motor 1. As a result, drive currents iu, iv, and iw flow through the electric motor 1, and torque T is generated in the electric motor 1.

電流測定部5は、電動機1の駆動電流iu、iv、iw、及び回転子12の回転角θmを測定する。そして、電流測定部5は、上式(3)に従って駆動電流iu、iv、iwの位相角θを算出し、これらの値に基づいて、αβ座標系に対して回転角θmだけ回転したdq座標系で表わされた電流測定値id、iqを算出して電流制御部3に出力する。図3に示された本実施形態の電流測定部5は、磁気センサ51、電流算出部52、回転角算出部53、及びαβ/dq変換部54を備える。以下、図3及び図4を参照しながら、本実施形態の電流測定部5について詳細に説明する。   The current measuring unit 5 measures the drive currents iu, iv, iw of the electric motor 1 and the rotation angle θm of the rotor 12. Then, the current measuring unit 5 calculates the phase angle θ of the drive currents iu, iv, iw according to the above equation (3), and the dq coordinates rotated by the rotation angle θm with respect to the αβ coordinate system based on these values. The measured current values id and iq expressed in the system are calculated and output to the current control unit 3. The current measurement unit 5 of the present embodiment shown in FIG. 3 includes a magnetic sensor 51, a current calculation unit 52, a rotation angle calculation unit 53, and an αβ / dq conversion unit 54. Hereinafter, the current measurement unit 5 of the present embodiment will be described in detail with reference to FIGS. 3 and 4.

図4は、第1実施形態に係る電動機1の制御装置における磁気センサ51の配置例を示す図である。前述のとおり、回転子12の回転軸には、固定子11に対する回転子12の回転角θmを測定するためのセンサマグネット14が固定されている。図4に示された回転子12の極対数N2は2であり、センサマグネット14の極対数N1は1である。本実施形態では、回転子12の極対数N2はセンサマグネット14の極対数N1よりも大きくされる。   FIG. 4 is a diagram illustrating an arrangement example of the magnetic sensor 51 in the control device for the electric motor 1 according to the first embodiment. As described above, the sensor magnet 14 for measuring the rotation angle θm of the rotor 12 with respect to the stator 11 is fixed to the rotating shaft of the rotor 12. The number of pole pairs N2 of the rotor 12 shown in FIG. 4 is 2, and the number of pole pairs N1 of the sensor magnet 14 is 1. In the present embodiment, the number of pole pairs N2 of the rotor 12 is made larger than the number of pole pairs N1 of the sensor magnet 14.

本実施形態の磁気センサ51は、電動機1の回転子12の回転軸の延長上において、センサマグネット14と相対するように、電動機1の固定子11に固定されている。磁気センサ51が配置された位置には、センサマグネット14が形成する第1の磁界B1と、駆動電流iu、iv、iwが形成する第2の磁界B2が重ね合わされて存在する。磁気センサ51は、第1の磁界B1と第2の磁界B2を含む合成磁界Bを測定する。磁気センサ51としては、例えばホールセンサが用いられ得る。なお、磁気センサ51が測定する合成磁界Bには、第1の磁界B1及び第2の磁界B2の他にも、例えば、回転子12の永久磁石が形成する磁界等が含まれる。   The magnetic sensor 51 of the present embodiment is fixed to the stator 11 of the electric motor 1 so as to face the sensor magnet 14 on the extension of the rotating shaft of the rotor 12 of the electric motor 1. At the position where the magnetic sensor 51 is disposed, the first magnetic field B1 formed by the sensor magnet 14 and the second magnetic field B2 formed by the drive currents iu, iv, iw are superposed. The magnetic sensor 51 measures the combined magnetic field B including the first magnetic field B1 and the second magnetic field B2. As the magnetic sensor 51, for example, a Hall sensor can be used. The synthesized magnetic field B measured by the magnetic sensor 51 includes, for example, a magnetic field formed by a permanent magnet of the rotor 12 in addition to the first magnetic field B1 and the second magnetic field B2.

磁気センサ51は、固定子11の中心軸と直交する面上に設定されたxy直交座標系において、合成磁界Bのx成分及びy成分を測定する。このような磁気センサ51は、例えば、x軸方向の磁界成分を測定可能な第1の磁気センサと、y軸方向の磁界成分を測定可能な第2の磁気センサを、互いに重ね合わせて配置することによって実現される。或いは、磁気センサ51として二軸測定が可能な単一の磁気センサが用いられてもよい。   The magnetic sensor 51 measures the x component and the y component of the combined magnetic field B in an xy orthogonal coordinate system set on a plane orthogonal to the central axis of the stator 11. In such a magnetic sensor 51, for example, a first magnetic sensor capable of measuring a magnetic field component in the x-axis direction and a second magnetic sensor capable of measuring a magnetic field component in the y-axis direction are arranged so as to overlap each other. Is realized. Alternatively, a single magnetic sensor capable of biaxial measurement may be used as the magnetic sensor 51.

前述のように、極対数がN2である電動機1においては、回転子12の回転角θmが一回転する間に、駆動電流iu、iv、iwの位相角θはN2周期変化する。従って、第2の磁界B2の周波数f2は、第1の磁界B1の周波数f1のN2倍となる。そこで、本実施形態の電流測定部5は、このような第1の磁界B1の周波数f1と第2の磁界B2の周波数f2の差異を利用して、合成磁界Bから第1の磁界B1と第2の磁界B2を分離する。   As described above, in the electric motor 1 having the number of pole pairs of N2, the phase angle θ of the drive currents iu, iv, and iw changes by N2 periods while the rotation angle θm of the rotor 12 rotates once. Therefore, the frequency f2 of the second magnetic field B2 is N2 times the frequency f1 of the first magnetic field B1. Therefore, the current measurement unit 5 of the present embodiment uses the difference between the frequency f1 of the first magnetic field B1 and the frequency f2 of the second magnetic field B2 to change the first magnetic field B1 and the first magnetic field B1 from the combined magnetic field B. The two magnetic fields B2 are separated.

具体的には、電流算出部52は、駆動電流iu、iv、iwが形成する第2の磁界B2を、合成磁界Bの測定値から分離するためのハイパスフィルタを有している。ハイパスフィルタのカットオフ周波数fcは、下式(5)を満たすように設定される。
f1<fc<f2 (5)
Specifically, the current calculation unit 52 includes a high-pass filter for separating the second magnetic field B2 formed by the drive currents iu, iv, and iw from the measured value of the combined magnetic field B. The cut-off frequency fc of the high pass filter is set so as to satisfy the following expression (5).
f1 <fc <f2 (5)

ハイパスフィルタは、合成磁界Bの測定値のカットオフ周波数fc以上の信号成分を通過させるアナログフィルタであってもよく、合成磁界Bの測定値のカットオフ周波数fc以上の信号成分をデジタル的に分離するデジタルフィルタであってもよい。   The high-pass filter may be an analog filter that passes a signal component having a cutoff frequency fc of the measurement value of the combined magnetic field B or higher, and digitally separates a signal component having a cutoff frequency fc of the measurement value of the combined magnetic field B or not. It may be a digital filter.

ただし、電動機1の回転速度の変化に合わせて、ハイパスフィルタのカットオフ周波数fcを可変させるためには、ハイパスフィルタはデジタルフィルタであることが好ましい。デジタルフィルタは、例えば高速フーリエ変換(FFT:Fast Fourier transform)によって実現される。この場合、電流算出部52は、デジタルフィルタの他に、合成磁界Bの測定値をデジタル化するためのアナログデジタル変換部を有する。   However, in order to vary the cut-off frequency fc of the high-pass filter in accordance with the change in the rotation speed of the electric motor 1, the high-pass filter is preferably a digital filter. The digital filter is realized by, for example, a fast Fourier transform (FFT). In this case, the current calculation unit 52 includes an analog / digital conversion unit for digitizing the measurement value of the combined magnetic field B in addition to the digital filter.

具体的には、電流算出部52は、まず、合成磁界Bの測定値に対してアナログデジタル変換を行う。次に、電流算出部52は、デジタル化された合成磁界Bの測定値に対して高速フーリエ変換を行い、合成磁界Bのカットオフ周波数fc以下の周波数成分を除去した後、逆高速フーリエ変換を行う。これにより、駆動電流iu、iv、iwが形成する第2の磁界B2が、合成磁界Bの測定値から分離される。   Specifically, the current calculation unit 52 first performs analog-digital conversion on the measured value of the combined magnetic field B. Next, the current calculation unit 52 performs a fast Fourier transform on the digitized measurement value of the synthesized magnetic field B, removes frequency components below the cutoff frequency fc of the synthesized magnetic field B, and then performs an inverse fast Fourier transform. Do. Thereby, the second magnetic field B2 formed by the drive currents iu, iv, iw is separated from the measured value of the combined magnetic field B.

電流算出部52は、集積回路として実現され、ハイパスフィルタによって分離された第2の磁界B2の値から、駆動電流iu、iv、iwのαβ座標系における測定値iα、iβを、下式(6)に従って算出する。ここで、B2x、B2yは、それぞれ、xy直交座標系で表わされた第2の磁界B2のx成分、y成分である。また、係数Kαx、Kαy、Kβx、Kβyは、巻線13の形状、及び巻線13と磁気センサ51の相対配置等から決定される比例定数であって、事前に測定によって決定される。例えば、後述の第3実施形態のように、三相交流の駆動電流iu、iv、iwを測定するための専用の巻線を有する構成では、α軸の方向及びβ軸の方向をそれぞれx軸の方向及びy軸の方向に一致させることもできる。その場合、これらの係数は、係数Kを磁気センサ51のゲインとして、Kαx=Kβy=K、Kαy=Kβx=0となる。
iα=Kαx・B2x + Kαy・B2y
iβ=Kβx・B2x + Kβy・B2y (6)
The current calculation unit 52 is realized as an integrated circuit, and calculates the measured values iα and iβ in the αβ coordinate system of the drive currents iu, iv, and iw from the values of the second magnetic field B2 separated by the high-pass filter (6) ). Here, B2x and B2y are the x component and the y component of the second magnetic field B2 expressed in the xy orthogonal coordinate system, respectively. The coefficients K αx , K αy , K βx , and K βy are proportional constants determined from the shape of the winding 13 and the relative arrangement of the winding 13 and the magnetic sensor 51, and are determined by measurement in advance. The For example, in a configuration having dedicated windings for measuring three-phase AC drive currents iu, iv, and iw as in a third embodiment to be described later, the direction of the α axis and the direction of the β axis are respectively set to the x axis. And the direction of the y-axis. In this case, these coefficients are K αx = K βy = K and K αy = K βx = 0, where the coefficient K is the gain of the magnetic sensor 51.
iα = K αx · B2x + K αy · B2y
iβ = K βx · B2x + K βy · B2y (6)

同様に、回転角算出部53は、センサマグネット14が形成する第1の磁界B1を、合成磁界Bの測定値から分離するためのローパスフィルタを有している。ローパスフィルタは、合成磁界Bの測定値のカットオフ周波数fc以下の信号成分を通過させ、ローパスフィルタのカットオフ周波数fcは、上式(5)を満たすように設定される。なお、電流算出部52が有するハイパスフィルタの周波数と、回転角算出部53が有するローパスフィルタのカットオフ周波数とは異なってもよい。回転角算出部53のローパスフィルタは、電流算出部52のハイパスフィルタと同様にして実現される。これにより、センサマグネット14が形成する第1の磁界B1が、合成磁界Bの測定値から分離される。   Similarly, the rotation angle calculation unit 53 has a low-pass filter for separating the first magnetic field B1 formed by the sensor magnet 14 from the measured value of the combined magnetic field B. The low-pass filter passes a signal component that is equal to or lower than the cut-off frequency fc of the measurement value of the combined magnetic field B, and the cut-off frequency fc of the low-pass filter is set to satisfy the above equation (5). Note that the frequency of the high-pass filter included in the current calculation unit 52 and the cutoff frequency of the low-pass filter included in the rotation angle calculation unit 53 may be different. The low pass filter of the rotation angle calculation unit 53 is realized in the same manner as the high pass filter of the current calculation unit 52. Thereby, the first magnetic field B1 formed by the sensor magnet 14 is separated from the measured value of the combined magnetic field B.

回転角算出部53は、集積回路として実現され、ローパスフィルタによって分離された第1の磁界B1の値から、回転子12の回転角θmを、下式(7)に従って算出し、dq/uvw変換部41、及び後述のαβ/dq変換部54に出力する。ここで、B1x、B1yは、それぞれ、第1の磁界B1のx成分、y成分である。なお、回転角算出部53は、回転子12の回転角θmを出力する代わりに、回転子12の回転角θmから、上式(3)に従って駆動電流iu、iv、iwの位相角θを算出して位相角θを出力してもよい。
tanθm=B1y/B1x (7)
The rotation angle calculation unit 53 is realized as an integrated circuit, calculates the rotation angle θm of the rotor 12 from the value of the first magnetic field B1 separated by the low-pass filter, according to the following equation (7), and dq / uvw conversion To the unit 41 and an αβ / dq converter 54 described later. Here, B1x and B1y are an x component and a y component of the first magnetic field B1, respectively. The rotation angle calculation unit 53 calculates the phase angle θ of the drive currents iu, iv, and iw from the rotation angle θm of the rotor 12 according to the above equation (3) instead of outputting the rotation angle θm of the rotor 12. Then, the phase angle θ may be output.
tan θm = B1y / B1x (7)

αβ/dq変換部54は、集積回路として実現され、電流測定部5の回転角算出部53から回転子12の回転角θmを受信し、上式(3)に従って駆動電流iu、iv、iwの位相角θを算出する。或いは、αβ/dq変換部54は、回転角算出部53から駆動電流iu、iv、iwの位相角θを受信してもよい。そして、αβ/dq変換部54は、電流算出部52によって算出された駆動電流の測定値iα、iβ、及び駆動電流iu、iv、iwの位相角θに基づいて、dq座標系で表わされた電流測定値id、iqを下式(8)に従って算出する。
id= iα×cosθ+iβ×sinθ
iq=−iα×sinθ+iβ×cosθ (8)
The αβ / dq conversion unit 54 is realized as an integrated circuit, receives the rotation angle θm of the rotor 12 from the rotation angle calculation unit 53 of the current measurement unit 5, and calculates the drive currents iu, iv, iw according to the above equation (3). The phase angle θ is calculated. Alternatively, the αβ / dq conversion unit 54 may receive the phase angle θ of the drive currents iu, iv, iw from the rotation angle calculation unit 53. The αβ / dq converter 54 is expressed in the dq coordinate system based on the measured values iα and iβ of the drive current calculated by the current calculator 52 and the phase angle θ of the drive currents iu, iv and iw. The measured current values id and iq are calculated according to the following equation (8).
id = iα × cos θ + iβ × sin θ
iq = −iα × sin θ + iβ × cos θ (8)

このような本発明の電動機1の制御装置によれば、駆動電流iu、iv、iwを測定するための電流計及びその配線を省略して電動機1の制御装置の構成を簡素化することができる。また、電流センサレスの電動機とは異なり、電動機1の駆動電流iu、iv、iwと回転子12の回転角θmの両方がフィードバックされるため、電動機1のトルク及び回転速度が安定する。   According to the control device for the electric motor 1 of the present invention, the configuration of the control device for the electric motor 1 can be simplified by omitting the ammeter and the wiring for measuring the drive currents iu, iv, and iw. . Further, unlike the current sensorless motor, both the drive currents iu, iv, iw of the motor 1 and the rotation angle θm of the rotor 12 are fed back, so that the torque and the rotation speed of the motor 1 are stabilized.

図5は、第1実施形態に係る電動機1の制御方法を示すフローチャートである。本実施形態の電動機1の制御装置は、電動機1の駆動電流iu、iv、iwが電流指令値id*、iq*に追従するように、下記のステップS1〜ステップS6の処理を、所定の制御周期で繰り返してフィードバック制御する。このフィードバック制御は、本実施形態の電動機1の制御装置が有する上述の集積回路又はプロセッサによって処理される。   FIG. 5 is a flowchart illustrating a method for controlling the electric motor 1 according to the first embodiment. The control device for the electric motor 1 of the present embodiment performs the following steps S1 to S6 with predetermined control so that the driving currents iu, iv, and iw of the electric motor 1 follow the current command values id * and iq *. Feedback control is repeated in a cycle. This feedback control is processed by the above-described integrated circuit or processor included in the control device of the electric motor 1 of the present embodiment.

ステップS1において、磁気センサ51は、センサマグネット14が形成する第1の磁界B1と、駆動電流iu、iv、iwが形成する第2の磁界B2を含む合成磁界Bを測定する。   In step S1, the magnetic sensor 51 measures the combined magnetic field B including the first magnetic field B1 formed by the sensor magnet 14 and the second magnetic field B2 formed by the drive currents iu, iv, iw.

ステップS2において、電流算出部52は、磁気センサ51によって測定された合成磁界Bから第2の磁界B2を分離し、分離された第2の磁界B2の値から駆動電流iu、iv、iwのαβ座標系における測定値iα、iβを算出する。ステップS3において、回転角算出部53は、磁気センサ51によって測定された合成磁界Bから第1の磁界B1を分離し、分離された第1の磁界B1の値から回転子12の回転角θmを算出する。   In step S2, the current calculation unit 52 separates the second magnetic field B2 from the combined magnetic field B measured by the magnetic sensor 51, and αβ of the drive currents iu, iv, iw from the separated value of the second magnetic field B2. The measurement values iα and iβ in the coordinate system are calculated. In step S3, the rotation angle calculation unit 53 separates the first magnetic field B1 from the combined magnetic field B measured by the magnetic sensor 51, and calculates the rotation angle θm of the rotor 12 from the separated value of the first magnetic field B1. calculate.

ステップS4において、αβ/dq変換部54は、電流算出部52によって算出された駆動電流の測定値iα、iβ、及び回転角算出部53によって算出された回転角θmの値に基づいて、dq座標系で表わされた電流測定値id、iqを算出する。   In step S4, the αβ / dq conversion unit 54 determines the dq coordinates based on the measured values iα and iβ of the drive current calculated by the current calculation unit 52 and the rotation angle θm calculated by the rotation angle calculation unit 53. The current measurement values id and iq expressed in the system are calculated.

ステップS5において、電流制御部3は、電流指令値算出部2から出力される電流指令値id*、iq*と、電流測定部5から出力される電流測定値id、iqの偏差が小さくなるように、電動機駆動部4を介して、電動機1を制御する。そのために、電流制御部3は、電流指令値id*、iq*に相当する駆動電流iu、iv、iwを電動機1に流すために必要な電圧指令値vd*、vq*を算出する。   In step S5, the current control unit 3 reduces the deviation between the current command values id * and iq * output from the current command value calculation unit 2 and the current measurement values id and iq output from the current measurement unit 5. In addition, the electric motor 1 is controlled via the electric motor drive unit 4. For this purpose, the current control unit 3 calculates voltage command values vd * and vq * necessary for flowing the drive currents iu, iv and iw corresponding to the current command values id * and iq * to the electric motor 1.

ステップS6において、電動機駆動部4は、電流制御部3によって算出された電圧指令値vd*、vq*に相当する三相交流電圧を電動機1に印加して電動機1を駆動する。この結果、電動機1には駆動電流iu、iv、iwが流れ、電動機1にはトルクTが発生する。   In step S <b> 6, the electric motor drive unit 4 drives the electric motor 1 by applying a three-phase AC voltage corresponding to the voltage command values vd * and vq * calculated by the current control unit 3 to the electric motor 1. As a result, drive currents iu, iv, and iw flow through the electric motor 1, and torque T is generated in the electric motor 1.

以上のように、本実施形態の電動機の制御装置は、センサマグネットが形成する第1の磁界と駆動電流が形成する第2の磁界を含む合成磁界を測定する磁気センサを備える。そして、本実施形態の電動機の制御装置は、合成磁界の測定値から第1の磁界と第2の磁界を分離した後、分離された第1の磁界から回転子の回転角を算出し、分離された第2の磁界から駆動電流を算出する。   As described above, the motor control device according to the present embodiment includes the magnetic sensor that measures the combined magnetic field including the first magnetic field formed by the sensor magnet and the second magnetic field formed by the drive current. Then, the motor control device according to the present embodiment separates the first magnetic field and the second magnetic field from the measured value of the combined magnetic field, calculates the rotation angle of the rotor from the separated first magnetic field, and separates the rotor. A drive current is calculated from the second magnetic field.

このような構成によれば、簡素な構成でトルク及び回転速度を安定して制御することが可能な電動機の制御装置及び電動機の制御方法が提供される。   According to such a configuration, a motor control device and a motor control method capable of stably controlling torque and rotational speed with a simple configuration are provided.

[第2実施形態]
図6は、第2実施形態に係る電動機1の制御装置における磁気センサ51の配置例を示す図である。本実施形態の磁気センサ51は、図6に示されるように、センサマグネット14と回転子12の間に配置されている。その他については第1実施形態と同じであるため、以下では第1実施形態と異なる点について説明する。
[Second Embodiment]
FIG. 6 is a diagram illustrating an arrangement example of the magnetic sensor 51 in the control device for the electric motor 1 according to the second embodiment. The magnetic sensor 51 of this embodiment is arrange | positioned between the sensor magnet 14 and the rotor 12, as FIG. 6 shows. Since the other points are the same as those in the first embodiment, differences from the first embodiment will be described below.

本発明の磁気センサ51は、電動機1を流れる駆動電流iu、iv、iwを測定するための電流計としての機能と、電動機1の回転子12の回転角θmを測定するための角度センサとしての機能の両方を有している。従って、磁気センサ51は、センサマグネット14が形成する第1の磁界B1の強さと駆動電流iu、iv、iwが形成する第2の磁界B2の強さが、共に大きくなる位置に配置されることが好ましい。   The magnetic sensor 51 of the present invention functions as an ammeter for measuring drive currents iu, iv, iw flowing through the electric motor 1 and as an angle sensor for measuring the rotation angle θm of the rotor 12 of the electric motor 1. Has both functions. Accordingly, the magnetic sensor 51 is disposed at a position where the strength of the first magnetic field B1 formed by the sensor magnet 14 and the strength of the second magnetic field B2 formed by the drive currents iu, iv, iw are both increased. Is preferred.

そこで、本実施形態の磁気センサ51は、図6に示されるように、センサマグネット14と回転子12の間に配置される。このように配置された磁気センサ51は、第1の磁界B1を形成するセンサマグネット14に近く、第2の磁界B2を形成する巻線13にも近いため、第1の磁界B1と第2の磁界B2の両方を精度よく測定することができる。   Therefore, the magnetic sensor 51 of the present embodiment is disposed between the sensor magnet 14 and the rotor 12 as shown in FIG. Since the magnetic sensor 51 arranged in this manner is close to the sensor magnet 14 that forms the first magnetic field B1 and close to the winding 13 that forms the second magnetic field B2, the first magnetic field B1 and the second magnetic field 51 are arranged. Both of the magnetic fields B2 can be measured with high accuracy.

また、本実施形態の磁気センサ51は、図6に示されるように、回転子12の回転軸上から離れた位置に配置される。電動機1の極対数N2が2以上の場合、複数の巻線13が形成する第2の磁界B2は、回転子12の回転軸付近では互いに打ち消し合って弱くなっている。従って、磁気センサ51を回転子12の回転軸上から離して配置することで、磁気センサ51が配置された位置における第2の磁界B2の強さは大きくなる。   Moreover, the magnetic sensor 51 of this embodiment is arrange | positioned in the position away from on the rotating shaft of the rotor 12, as FIG. 6 shows. When the number of pole pairs N2 of the electric motor 1 is 2 or more, the second magnetic field B2 formed by the plurality of windings 13 cancels each other in the vicinity of the rotation axis of the rotor 12 and becomes weak. Therefore, by disposing the magnetic sensor 51 away from the rotation axis of the rotor 12, the strength of the second magnetic field B2 at the position where the magnetic sensor 51 is disposed increases.

以上のように、本実施形態の磁気センサ51は、センサマグネット14と回転子12の間に配置される。これにより、簡素な構成でトルク及び回転速度をより安定して制御することが可能な電動機の制御装置及び電動機の制御方法が提供される。   As described above, the magnetic sensor 51 of this embodiment is disposed between the sensor magnet 14 and the rotor 12. As a result, a motor control device and a motor control method capable of more stably controlling torque and rotational speed with a simple configuration are provided.

[第3実施形態]
図7は、第3実施形態に係る電動機1の制御装置における磁気センサ51の配置例を示す図である。本実施形態の電流測定部5は、回転子12を回転駆動させるための電動機1の巻線13とは別に、三相交流の駆動電流iu、iv、iwを測定するための専用の巻線15を有している。その他については第1実施形態と同じであるため、以下では第1実施形態と異なる点について説明する。
[Third Embodiment]
FIG. 7 is a diagram illustrating an arrangement example of the magnetic sensor 51 in the control device for the electric motor 1 according to the third embodiment. The current measuring unit 5 of the present embodiment has a dedicated winding 15 for measuring three-phase AC drive currents iu, iv, and iw separately from the winding 13 of the electric motor 1 for driving the rotor 12 to rotate. have. Since the other points are the same as those in the first embodiment, differences from the first embodiment will be described below.

図7に示された巻線15に流される駆動電流iu、iv、iwは、巻線13に流される駆動電流iu、iv、iwと同じもの、或いは駆動電流iu、iv、iwを分流して取り出したものである。巻線15の巻き数は、巻線13の巻き数よりも少なくして、巻線15による電動機1の動作への影響がないようにしている。一方で、センサマグネット14の近くに巻線15を配置することで、磁気センサ51が配置された位置における第1の磁界B1の強さと第2の磁界B2の強さが共に大きくなるようにしている。このような電流測定部5の構成によっても、磁気センサ51は、第1の磁界B1と第2の磁界B2の両方を精度よく測定することができる。   The drive currents iu, iv, iw that flow through the winding 15 shown in FIG. 7 are the same as the drive currents iu, iv, iw that flow through the winding 13, or the drive currents iu, iv, iw are divided. It is taken out. The number of turns of the winding 15 is less than the number of turns of the winding 13 so that the winding 15 does not affect the operation of the electric motor 1. On the other hand, by arranging the winding 15 in the vicinity of the sensor magnet 14, both the strength of the first magnetic field B1 and the strength of the second magnetic field B2 at the position where the magnetic sensor 51 is disposed are increased. Yes. Also with such a configuration of the current measurement unit 5, the magnetic sensor 51 can accurately measure both the first magnetic field B1 and the second magnetic field B2.

以上のように、本実施形態の電流測定部5は、駆動電流を測定するための巻線を有している。これにより、簡素な構成でトルク及び回転速度をより安定して制御することが可能な電動機の制御装置及び電動機の制御方法が提供される。   As described above, the current measurement unit 5 of the present embodiment has a winding for measuring the drive current. As a result, a motor control device and a motor control method capable of more stably controlling torque and rotational speed with a simple configuration are provided.

[その他の実施形態]
本発明は、上述の実施形態の1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、ASIC)によっても実現可能である。
[Other Embodiments]
The present invention supplies a program that realizes one or more functions of the above-described embodiments to a system or apparatus via a network or a storage medium, and one or more processors in the computer of the system or apparatus read and execute the program This process can be realized. It can also be realized by a circuit (for example, ASIC) that realizes one or more functions.

また、上述の実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。   Further, the above-described embodiments are merely examples of implementation in carrying out the present invention, and the technical scope of the present invention should not be construed in a limited manner. That is, the present invention can be implemented in various forms without departing from the technical idea or the main features thereof.

上述の実施形態では、第1の磁界B1の周波数f1と第2の磁界B2の周波数f2の差異を利用して、合成磁界Bから第1の磁界B1と第2の磁界B2を分離する方法について説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されない。   In the above-described embodiment, a method for separating the first magnetic field B1 and the second magnetic field B2 from the combined magnetic field B by using the difference between the frequency f1 of the first magnetic field B1 and the frequency f2 of the second magnetic field B2. Although described, the present invention is not limited to such an embodiment.

例えば、本発明では、センサマグネット14が形成する第1の磁界B1の強さは、電動機1のトルクTによらず一定である。従って、電動機1のトルクTを変化させたときに強さが変化する磁界成分を第2の磁界B2として分離し、電動機1のトルクTを変化させても強さが変化しない磁界成分を第1の磁界B1として分離することも可能である。   For example, in the present invention, the strength of the first magnetic field B <b> 1 formed by the sensor magnet 14 is constant regardless of the torque T of the electric motor 1. Accordingly, the magnetic field component whose strength changes when the torque T of the motor 1 is changed is separated as the second magnetic field B2, and the magnetic field component whose strength does not change even when the torque T of the motor 1 is changed is first. It is also possible to separate them as the magnetic field B1.

また、本発明では、第1の磁界B1の周波数f1と第2の磁界B2の周波数f2の比f1/f2は、センサマグネット14の極対数N1と電動機1の極対数N2の比N1/N2と等しい。このような特徴も、合成磁界Bから第1の磁界B1及び第2の磁界B2を分離するために利用することができる。   In the present invention, the ratio f1 / f2 between the frequency f1 of the first magnetic field B1 and the frequency f2 of the second magnetic field B2 is a ratio N1 / N2 of the number of pole pairs N1 of the sensor magnet 14 and the number of pole pairs N2 of the motor 1. equal. Such a feature can also be used to separate the first magnetic field B1 and the second magnetic field B2 from the combined magnetic field B.

本発明では、第1の磁界B1の周波数f1と第2の磁界B2の周波数f2の差が大きいほど、合成磁界Bから第1の磁界B1と第2の磁界B2を分離することが容易となる。従って、本発明は、電動機1の極対数N2と、センサマグネット14の極対数N1の差が大きい電動機1に適用されることが好ましい。   In the present invention, the greater the difference between the frequency f1 of the first magnetic field B1 and the frequency f2 of the second magnetic field B2, the easier it is to separate the first magnetic field B1 and the second magnetic field B2 from the combined magnetic field B. . Therefore, the present invention is preferably applied to the electric motor 1 in which the difference between the number of pole pairs N2 of the electric motor 1 and the number of pole pairs N1 of the sensor magnet 14 is large.

また、本発明では、第1の磁界B1の周波数f1及び第2の磁界B2の周波数f2の時間的な変化が少ないほど、合成磁界Bから第1の磁界B1と第2の磁界B2を分離することが容易となる。従って、本発明は、回転子12の慣性モーメントが大きい等、駆動電流iu、iv、iwの変化と比較して回転子12の回転速度の時間的な変化が小さい電動機1に適用されることが好ましい。   In the present invention, the first magnetic field B1 and the second magnetic field B2 are separated from the combined magnetic field B as the temporal change in the frequency f1 of the first magnetic field B1 and the frequency f2 of the second magnetic field B2 is smaller. It becomes easy. Therefore, the present invention can be applied to the electric motor 1 in which the temporal change in the rotational speed of the rotor 12 is small compared to the change in the drive currents iu, iv, iw, such as a large moment of inertia of the rotor 12. preferable.

1 電動機
2 電流指令値算出部
3 電流制御部
4 電動機駆動部
5 電流測定部
11 固定子
12 回転子
13 巻線
14 センサマグネット
15 巻線
41 uvw変換部
42 変調部
43 インバータ
51 磁気センサ
52 電流算出部
53 回転角算出部
54 dq変換部
B 合成磁界
B1 第1の磁界
B2 第2の磁界
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electric motor 2 Current command value calculation part 3 Current control part 4 Electric motor drive part 5 Current measurement part 11 Stator 12 Rotor 13 Winding 14 Sensor magnet 15 Winding 41 uvw conversion part 42 Modulation part 43 Inverter 51 Magnetic sensor 52 Current calculation Unit 53 rotation angle calculation unit 54 dq conversion unit B composite magnetic field B1 first magnetic field B2 second magnetic field

Claims (6)

電動機の駆動電流が電流指令値に追従するように電動機を制御する電動機の制御装置であって、
電動機の回転子と共に回転し、第1の磁界を形成するセンサマグネットと、
前記第1の磁界及び前記駆動電流が形成する第2の磁界を含む合成磁界を測定する磁気センサと、
前記合成磁界の測定値から前記第1の磁界を分離し、分離された前記第1の磁界から前記回転子の回転角を算出する回転角算出部と、
前記合成磁界の測定値から前記第2の磁界を分離し、分離された前記第2の磁界から前記駆動電流を算出する電流算出部と、
前記回転角算出部によって算出された前記回転角、前記電流算出部によって算出された前記駆動電流、及び前記電流指令値に基づいて、電動機を制御する電流制御部と、
を備える電動機の制御装置。
A motor control device that controls the motor so that the drive current of the motor follows the current command value,
A sensor magnet that rotates with the rotor of the electric motor to form a first magnetic field;
A magnetic sensor for measuring a combined magnetic field including the first magnetic field and the second magnetic field formed by the driving current;
A rotation angle calculation unit that separates the first magnetic field from the measurement value of the combined magnetic field, and calculates a rotation angle of the rotor from the separated first magnetic field;
A current calculation unit that separates the second magnetic field from the measured value of the combined magnetic field and calculates the drive current from the separated second magnetic field;
A current control unit that controls the electric motor based on the rotation angle calculated by the rotation angle calculation unit, the drive current calculated by the current calculation unit, and the current command value;
An electric motor control device.
前記回転角算出部及び前記電流算出部は、前記第1の磁界の周波数と前記第2の磁界の周波数の差異に基づいて、前記合成磁界の測定値から前記第1の磁界と前記第2の磁界を分離する、
請求項1に記載の電動機の制御装置。
The rotation angle calculation unit and the current calculation unit are configured to calculate the first magnetic field and the second magnetic field from the measured value of the combined magnetic field based on a difference between the frequency of the first magnetic field and the frequency of the second magnetic field. Isolate the magnetic field,
The motor control device according to claim 1.
前記回転子の極対数は前記センサマグネットの極対数よりも大きく、
前記回転角算出部は、前記合成磁界の測定値から前記第1の磁界を分離するローパスフィルタを有し、
前記電流算出部は、前記合成磁界の測定値から前記第2の磁界を分離するハイパスフィルタを有し、
前記ローパスフィルタのカットオフ周波数及び前記ハイパスフィルタのカットオフ周波数は、前記第1の磁界の周波数よりも大きく、かつ前記第2の磁界の周波数よりも小さい、
請求項2に記載の電動機の制御装置。
The number of pole pairs of the rotor is larger than the number of pole pairs of the sensor magnet,
The rotation angle calculation unit has a low-pass filter that separates the first magnetic field from the measured value of the combined magnetic field,
The current calculation unit includes a high-pass filter that separates the second magnetic field from the measured value of the combined magnetic field,
The cutoff frequency of the low-pass filter and the cutoff frequency of the high-pass filter are larger than the frequency of the first magnetic field and smaller than the frequency of the second magnetic field,
The motor control device according to claim 2.
前記磁気センサは、固定子に設定された直交座標系で表わされた前記合成磁界の互いに直交する第1の軸方向の成分及び第2の軸方向の成分をそれぞれ測定し、
前記回転角算出部は、前記第1の磁界の前記第1の軸方向の成分と前記第2の軸方向の成分の比に基づいて前記回転子の前記回転角を算出し、
前記電流算出部は、前記第2の磁界の前記第1の軸方向の成分に基づいて固定子に設定された第1の座標系で表わされた前記駆動電流の第1の軸方向の成分を算出し、前記第2の磁界の前記第2の軸方向の成分に基づいて前記第1の座標系で表わされた前記駆動電流の第2の軸方向の成分を算出し、
前記電流制御部は、前記第1の座標系に対して前記回転角で回転する第2の座標系で表わされた前記駆動電流と前記電流指令値の偏差が小さくなるように、電動機を制御する、
請求項1から3のいずれか一項に記載の電動機の制御装置。
The magnetic sensor measures a first axial component and a second axial component of the composite magnetic field expressed in an orthogonal coordinate system set on a stator, respectively, and orthogonal to each other;
The rotation angle calculation unit calculates the rotation angle of the rotor based on a ratio of the first axial component and the second axial component of the first magnetic field,
The current calculation unit includes a first axial component of the drive current represented by a first coordinate system set in a stator based on the first axial component of the second magnetic field. And calculating a second axial component of the drive current represented in the first coordinate system based on the second axial component of the second magnetic field,
The current control unit controls the electric motor so that a deviation between the driving current and the current command value represented by the second coordinate system rotating at the rotation angle with respect to the first coordinate system is small. To
The motor control device according to any one of claims 1 to 3.
前記磁気センサは、前記センサマグネットと前記回転子の間に配置される、
請求項1から4のいずれか一項に記載の電動機の制御装置。
The magnetic sensor is disposed between the sensor magnet and the rotor.
The motor control device according to any one of claims 1 to 4.
電動機の回転子と共に回転し、第1の磁界を形成するセンサマグネットと、
前記第1の磁界及び電動機の駆動電流が形成する第2の磁界を含む合成磁界を測定する磁気センサと、
を備え、前記駆動電流が電流指令値に追従するように電動機を制御する電動機の制御装置において、
前記合成磁界の測定値から前記第1の磁界を分離し、分離された前記第1の磁界から前記回転子の回転角を算出する回転角算出ステップと、
前記合成磁界の測定値から前記第2の磁界を分離し、分離された前記第2の磁界から前記駆動電流を算出する電流算出ステップと、
前記回転角算出ステップにおいて算出された前記回転角、前記電流算出ステップにおいて算出された前記駆動電流、及び前記電流指令値に基づいて、電動機を制御する電流制御ステップと、
を有する電動機の制御方法。
A sensor magnet that rotates with the rotor of the electric motor to form a first magnetic field;
A magnetic sensor for measuring a combined magnetic field including the first magnetic field and a second magnetic field formed by a driving current of the electric motor;
An electric motor control device for controlling the electric motor so that the drive current follows a current command value,
A rotation angle calculating step of separating the first magnetic field from the measured value of the combined magnetic field and calculating a rotation angle of the rotor from the separated first magnetic field;
A current calculation step of separating the second magnetic field from the measured value of the combined magnetic field and calculating the drive current from the separated second magnetic field;
A current control step for controlling an electric motor based on the rotation angle calculated in the rotation angle calculation step, the drive current calculated in the current calculation step, and the current command value;
A method for controlling an electric motor.
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