JP2020018138A - Motor control device and motor control method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、モータ制御装置、およびモータの制御方法に関する。 The present invention relates to a motor control device and a motor control method.
三相駆動する回転モータの駆動方式として、何れか1つの相の上下アームがともにオフである開放相が存在する120度通電方式と、何れの相も上下アームどちらかがオンとなる180度通電方式とが知られている。120度通電方式は位置推定が可能である一方、トルクリップルが発生しやすく比較的低効率になり易い。一方、180度通電方式は位置推定が困難であるところ高効率にし易い。 As a driving method of the rotary motor for three-phase driving, a 120-degree energization method in which there is an open phase in which both the upper and lower arms of one phase are off, and a 180-degree energization in which one of the upper and lower arms is on in any phase The method is known. While the 120-degree energization method enables position estimation, torque ripple is likely to occur, and the efficiency is relatively low. On the other hand, the 180-degree energization method is easy to achieve high efficiency where position estimation is difficult.
120度通電方式による位置推定法としては、例えば特許文献1のように、開放相の逆起電圧を利用するロータ位置検出手段が知られている(0035)。より具体的には、例えば、各相コイルとグラウンドとの間に抵抗素子を配し、この抵抗での電圧の変化を測定するといった構成を設けて行われる。 As a position estimating method using the 120-degree energization method, a rotor position detecting means using an open-phase back electromotive voltage is known, for example, as disclosed in Patent Document 1 (0035). More specifically, for example, a configuration is provided in which a resistance element is arranged between each phase coil and the ground, and a change in voltage at the resistance is measured.
そして特許文献1では、適正な通電タイミングでのパターン切替に比して遅れたタイミングだと電流の時間変化率ΔI’が小さくなり、進んだ場合は電流の時間変化率ΔI’が大きくなることを指摘した上で(0068)、電流の時間変化率の設定値と測定値との差分に依る時間だけ通電切替タイミングを変更する制御を開示している(0069、図13)。
In
回転モータの始動時等の低速回転領域では、脱調の抑制等の観点から位置情報を取得することが特に好ましいため120度通電方式が比較的利用され、高速回転領域では高効率にし易い180度通電方式が良く利用される。しかし、120度通電方式について、特許文献1のように開放相の逆起電圧情報を得るような抵抗素子を設けると、抵抗素子によるエネルギー消費が生じてしまう。一方で、多くの回転モータは、逆起電圧情報を得るような抵抗素子とは別に、各相の電流測定に用いるシャント抵抗を1〜3つ配している。
In a low-speed rotation region such as when a rotary motor is started, it is particularly preferable to obtain position information from the viewpoint of step-out suppression and the like. Therefore, a 120-degree energization method is relatively used, and in a high-speed rotation region, high efficiency can be achieved by 180 degrees. The energization method is often used. However, in the case of the 120-degree conduction method, if a resistance element that obtains open-phase back electromotive voltage information is provided as in
また、特許文献1はモータ各相への通電タイミングを電流の時間変化率を利用して実行しているため、通電パターン切替えの度に電流変化率の計算が実行されることとなる。このアルゴリズムは、マイコンの演算負荷率が高く、多くの計算リソースが必要になる。
In
上記事情に鑑みてなされた第1の本発明は、
U,V,W相の上下アームを有する電力変換部と、
前記電力変換部の出力を受けるU,V,W相のコイルと、
それぞれの該コイルからの磁束を受けて回転する回転子と、
制御部と、
前記コイルそれぞれに流れる電流値を取得可能な電流検知部と、を有し、
120度通電方式の6つのモードそれぞれに対応して、前記上下アームのオンオフの組合せを切替え、
前記制御部は、前記電流検知部による電流値を利用して前記モードの切替を実行するモータ制御装置である。
The first present invention made in view of the above circumstances,
A power conversion unit having upper and lower arms of U, V, and W phases;
U, V, W phase coils receiving the output of the power converter;
A rotor that rotates by receiving a magnetic flux from each of the coils;
A control unit;
A current detection unit capable of acquiring a current value flowing through each of the coils,
Switching the on / off combination of the upper and lower arms corresponding to each of the six modes of the 120-degree conduction method,
The control unit is a motor control device that switches the mode using a current value obtained by the current detection unit.
また、上記事情に鑑みてなされた第2の本発明は、
U,V,W相の上下アームを有する電力変換部と、
前記電力変換部の出力を受けるU,V,W相のコイルと、
それぞれの該コイルからの磁束を受けて回転する回転子と、
前記コイルそれぞれに流れる電流値を取得可能な電流検知部と、を有し、
120度通電方式の6つのモードそれぞれに対応して、前記上下アームのオンオフの組合せを切替えるモータの制御方法であって、
前記電流検知部による電流値を利用して前記モードの切替を実行することを特徴とする。
In addition, the second present invention made in view of the above circumstances,
A power conversion unit having upper and lower arms of U, V, and W phases;
U, V, W phase coils receiving the output of the power converter;
A rotor that rotates by receiving a magnetic flux from each of the coils;
A current detection unit capable of acquiring a current value flowing through each of the coils,
A motor control method for switching a combination of on and off of the upper and lower arms corresponding to each of six modes of a 120-degree energization method,
The switching of the mode is performed using a current value of the current detection unit.
以下、本発明の実施例を添付の図面を参照しつつ説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[全体構成]
図1は実施例1のモータ制御装置の回路構成図の一例である。モータ制御装置は、直流電力源と、交流電圧を出力するインバータ1と、インバータ1に接続されたモータ2と、インバータ1に対してパルス幅変調信号を出力しインバータ1を制御する制御器3と、電流検知部の一例としてのシャント抵抗器4とを有する。モータ2としては、インバータ1からの3相交流電流それぞれが流れるコイルを有する電機子と、永久磁石を有する界磁子と、を有し、電機子と界磁子とが相対回転するものにすることができる。
[overall structure]
FIG. 1 is an example of a circuit configuration diagram of the motor control device according to the first embodiment. The motor control device includes a DC power source, an
図2は直流電流の検出タイミング概要図である。モータ2の各相の電圧は、3相交流波形としており、常に最大相、中間相、最小相に分けられる。モータ各相の電圧レベルが、図2(a)のような状態であるとき、シャント抵抗器4に現れる直流電流は、PWM1周期間に図に示すような変化をする。この直流電流により、最大相と最小相の電流を検出することが出来る。直流電流をIdc1、Idc2とし、PWMキャリア波の上り坂と下り坂で演算器3によって検出する。PWMキャリア波の上り坂では、Idc1を電圧最小相、Idc2を電圧最大相として検出し、モータ再現電流として扱うことで、各相に流れる電流を知ることが出来る。PWMキャリア波の下り坂では、Idc1を電圧最大相、Idc2を電圧最小相として検出する。検出したIdc1とIdc2は、図2(b)に示すようなパターンで各相の電流に振り分ける。例えば、区間A0の場合、PWMキャリア波の上り坂で、Idc2をU相電流、Idc1をV相電流に振分け、PWMキャリア波の下り坂で、Idc1をU相電流、Idc2を最小相電流に振り分ける。中間相電圧であるW相電流は、キルヒホッフの法則により、Idc1−Idc2で求める。この電流検出方法および電流再現方法は、120度通電、180度通電の双方で有効である。
FIG. 2 is a schematic diagram of the detection timing of the direct current. The voltage of each phase of the
制御器3は、シャント抵抗器4を用いて検出されるインバータ直流電流Idcを入力とし、これらの入力に応じて120度通電方式または180度通電方式を行うことで、インバータ1の各スイッチング素子を駆動する。
The
[120度通電]
図3は実施例1の120度通電時のスイッチング方式に関する概要図である。120度通電制御方式は、インバータ1の3相の上下アームの内、2相に対してスイッチング動作をさせる。電気角で180度の位相中120度の期間スイッチングをするため、120度通電制御方式と呼ばれている。
[120 degree conduction]
FIG. 3 is a schematic diagram relating to the switching system at the time of 120 ° conduction in the first embodiment. In the 120-degree conduction control method, a switching operation is performed on two phases of the three-phase upper and lower arms of the
スイッチングさせる方法にはいくつか方式があり、例えば、図3に示した方式の内、いずれかを用いればよい。図4は電気角1周期における上下アームのゲート信号を概念的に示している。図中のGpは上アームのゲート信号、Gnは下アームのゲート信号を意味している。これら上下アームのドライブ信号は、制御器3からインバータ1に対して出力される。
There are several switching methods, and for example, any one of the methods shown in FIG. 3 may be used. FIG. 4 conceptually shows gate signals of the upper and lower arms in one cycle of the electrical angle. In the figure, Gp indicates an upper arm gate signal, and Gn indicates a lower arm gate signal. These upper and lower arm drive signals are output from the
モータ2を120度通電方式で駆動する際は、モータ2の3相巻線の内、通電する2相を選択してパルス電圧を印加してトルクを発生させる。通電する2つの相の組み合わせは6通り考えられ、それぞれを通電モード1〜通電モード6と定義する。
When driving the
[ロータ位置と電流の関係]
図4は実施例1の120度通電時のモータ運転状態の一例である。回転子の回転角度位置を電気角1周期分変化させた場合のモータのU相巻線に流れる電流Iuは、通電モード1での大きさは、U相モータ端子電圧をVu、U相誘起電圧をEu、U相およびV相巻線の抵抗とインダクタンスをそれぞれRu、Rv、Lu、Lv、モータ回転角速度をωとすると式1で表すことができる。
Iu = (Vu − Eu) / (Ru + Rv + ω(Lu + Lv) ) ・・・・・(1)
式1より、U相端子電圧Vuに対してモータ誘起電圧Euは回転角度によって正弦波上に変化するため、U相巻線電流Iuが変化する。
[Relationship between rotor position and current]
FIG. 4 is an example of the motor operation state at the time of 120-degree energization according to the first embodiment. The current Iu flowing in the U-phase winding of the motor when the rotation angle position of the rotor is changed by one electrical angle is the magnitude in the
Iu = (Vu−Eu) / (Ru + Rv + ω (Lu + Lv)) (1)
From
図5は実施例1の120度通電時の通電相切替方法の一例である。図5中、実線にU相のコイル電流を、点線にU相の誘起電圧をそれぞれ示したがV,W相についても同様のことが言える。モータ2各相に流れる電流は、インバータ1の出力電圧と、モータ2が回転することによりモータ2中のコイルに生じる誘起電圧の電位差に起因して増減する。そのため、モータ誘起電圧が最大点に近づくにつれ、インバータ出力電圧−誘起電圧間の電位差が減少し、モータ電流が減少する。モータ誘起電圧が最大点を通過すると、モータ誘起電圧が最小点に向かうため、インバータ出力電圧−誘起電圧間の電位差が増加し、モータ電流が増加する。例えば、回転角度210度から開始される通電モード1で通電開始した状態から回転角度270度の点でU相誘起電圧が最大になり、U相巻線電流は極小になる。その後U相誘起電圧は減少し、U相巻線電流は増加傾向となる。このように、回転角度位置によって、U相巻線の電流値が変化することがわかる。
FIG. 5 is an example of the energized phase switching method at the time of 120-degree energization according to the first embodiment. In FIG. 5, the solid line indicates the U-phase coil current, and the dotted line indicates the U-phase induced voltage. The same can be said for the V and W phases. The current flowing in each phase of the
[通電相の切替方法]
120度通電方式を行うためには、通電相をロータの回転角度位置に応じて逐次切り替えていく必要がある。本実施例においては、図5に示すように切り替え前の通電相(例えば、モード2のとき、モード2終了時に切替えられるU相上アーム。モード5のとき、モード5終了時に切替えられるU相下アーム。)の巻線電流を観測する。モード2,5のときはU相電流を観測するので図5を参照しつつ説明する。図5に示すように観測電流に対して、それぞれ+側と−側に通電相切替え閾値A、閾値Bを設定し、観測電流がそれぞれの閾値を超えた時点で通電相を切り替える。閾値A、Bについては、過電流とならないような値を予め試験を通じて設定しておく。
[How to switch the energized phase]
In order to perform the 120-degree energization method, it is necessary to sequentially switch the energization phase according to the rotational angle position of the rotor. In the present embodiment, as shown in FIG. 5, the energized phase before switching (for example, in
図6に示す通り、通電モード毎に、モード終了時に切替えられる相がモータ電流の最大相(極大相)および最小相(極小相)となる。例えば、U+相が切り替わることとなるモード2ではU相電流が最大値に向かうため、U相電流正値の閾値である閾値Aを予め設定し、比較する。また、U−相が切り替わることとなるモード5ではU相電流が最小値に向かうため、U相電流負値の閾値である閾値Bを予め設定し、比較する。このように、各通電モードで電流の絶対値が増加傾向にある相が決定されている。図6にはV相およびW相も考慮した場合の切り替え動作が示されている。V相およびW相電流に対する閾値をそれぞれ閾値C、D、E、Fとし、図7に示すように各通電モードにあわせて三相の巻線電流と各閾値を比較し、逐次通電相を切り替えればよい。
As shown in FIG. 6, for each energization mode, the phase switched at the end of the mode is the maximum phase (maximum phase) and the minimum phase (minimum phase) of the motor current. For example, in the
このように本実施例によれば、閾値と通電相の電流値とを比較してモード切替を行えばよいため、少ない計算量でのモード切替が可能である。 As described above, according to the present embodiment, mode switching can be performed by comparing the threshold value and the current value of the energized phase, and thus mode switching can be performed with a small amount of calculation.
図8は電流検出するための3つのシャント抵抗器5,6,7を使用した場合の駆動回路の例である。シャント抵抗器5〜7をインバータ1のU、V、Wの下アーム側に配置する。シャント抵抗器5〜7から検出されるIdcを演算器の入力とし、電流再現器6の入力として用いることで、シャント抵抗器1つの場合と同等の巻線電流を再現することが可能である。本実施例によれば、より高精度に各相の電流値を取得できるため、切替タイミングをより精確に決定できる。
FIG. 8 shows an example of a drive circuit when three
巻線電流は、モータへかかる負荷トルクの影響により、振幅が変化するため、閾値A−Fは負荷トルクの影響を受ける。図9に負荷トルク変化時のモータ電流波形の例を示す。負荷トルクが大きくなった場合、モータを駆動させるために必要な電流が大きくなるため、巻線電流振幅が大きくなる。この負荷トルクの変化による巻線電流振幅の変化に対応するため、通電相切替え閾値AとBを負荷トルクに応じて変化させる。 Since the amplitude of the winding current changes due to the influence of the load torque applied to the motor, the threshold values AF are affected by the load torque. FIG. 9 shows an example of the motor current waveform when the load torque changes. When the load torque increases, the current required to drive the motor increases, and the winding current amplitude increases. In order to cope with the change in the winding current amplitude due to the change in the load torque, the energized phase switching thresholds A and B are changed according to the load torque.
図10に、負荷トルク変化に対応した通電相切替パターンを示す。図中、A〜Fそれぞれの絶対値はA’〜F’それぞれの絶対値より小さい。負荷トルク小の場合、閾値A〜Fを用いた判定式、負荷トルク大の場合は、閾値A’〜F’を用いた判定式により、巻線電流との比較を実行し、通電相の切替を行う。A〜FそれぞれとA’〜F’それぞれどちらを利用するかは、例えば次のように行うことができる。 FIG. 10 shows a conduction phase switching pattern corresponding to a change in load torque. In the figure, the absolute values of A to F are smaller than the absolute values of A 'to F'. When the load torque is small, a comparison with the winding current is performed by a determination formula using the thresholds A to F, and when the load torque is large, a comparison with the winding current is performed by the determination formula using the thresholds A ′ to F ′, and the energized phase is switched. I do. Which of A to F and A 'to F' to use can be determined, for example, as follows.
図11は負荷トルクの判定方法を示す。マイコン内部で推定した実回転周波数と指令回転周波数の差分Aまたは差分Bの値が、予め設定した負荷トルク判定用閾値を超えた場合、通電相切替え用の閾値を負荷トルク大用の閾値A’〜F’に切替える。また、実回転周波数と指令回転周波数の差分Aまたは差分Bの値が、予め設定した負荷トルク判定用閾値を下回った場合、通電相切替え用の閾値を負荷トルク小用の閾値A〜Fに切替える。
本実施例のモータ制御装置は、回転モータや回転モータを備えた種々の機器に適用できる。
FIG. 11 shows a method for determining the load torque. When the value of the difference A or B between the actual rotation frequency and the command rotation frequency estimated inside the microcomputer exceeds a preset load torque determination threshold value, the energized phase switching threshold value is changed to a load torque large threshold value A ′. To F '. Further, when the value of the difference A or the difference B between the actual rotation frequency and the command rotation frequency falls below a preset threshold value for load torque determination, the threshold value for switching the energized phase is switched to threshold values A to F for small load torque. .
The motor control device according to the present embodiment can be applied to a rotary motor and various devices including the rotary motor.
[効果]
本実施例によれば、180度通電方式でも120度通電でもシャント抵抗器4を利用して制御を行うことができるため、開放相電圧を測定するために利用する分圧抵抗等の必要性を低減できる。また、閾値と電流値との比較を行えばよいため、計算量を低減できる。
[effect]
According to the present embodiment, since control can be performed using the
1・・・インバータ
2・・・モータ
3・・・制御器
4・・・シャント抵抗器(1つでも3つでもよく、3相コイルそれぞれの電流値を取得可能)
1 ...
Claims (5)
前記電力変換部の出力を受けるU,V,W相のコイルと、
それぞれの該コイルからの磁束を受けて回転する回転子と、
制御部と、
前記コイルそれぞれに流れる電流値を取得可能な電流検知部と、を有し、
120度通電方式の6つのモードそれぞれに対応して、前記上下アームのオンオフの組合せを切替え、
前記制御部は、前記電流検知部による電流値を利用して前記モードの切替を実行するモータ制御装置。 A power conversion unit having upper and lower arms of U, V, and W phases;
U, V, W phase coils receiving the output of the power converter;
A rotor that rotates by receiving a magnetic flux from each of the coils;
A control unit;
A current detection unit capable of acquiring a current value flowing through each of the coils,
Switching the on / off combination of the upper and lower arms corresponding to each of the six modes of the 120-degree conduction method,
The motor control device, wherein the control unit switches the mode using a current value obtained by the current detection unit.
前記電力変換部の出力を受けるU,V,W相のコイルと、
それぞれの該コイルからの磁束を受けて回転する回転子と、
前記コイルそれぞれに流れる電流値を取得可能な電流検知部と、を有し、
120度通電方式の6つのモードそれぞれに対応して、前記上下アームのオンオフの組合せを切替えるモータの制御方法であって、
前記電流検知部による電流値を利用して前記モードの切替を実行することを特徴とする方法。 A power conversion unit having upper and lower arms of U, V, and W phases;
U, V, W phase coils receiving the output of the power converter;
A rotor that rotates by receiving a magnetic flux from each of the coils;
A current detection unit capable of acquiring a current value flowing through each of the coils,
A motor control method for switching a combination of on and off of the upper and lower arms corresponding to each of six modes of a 120-degree energization method,
Switching the mode using a current value of the current detection unit.
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