JP4710634B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、レゾルバを用いた回転位置検出手段を有するモータ制御装置に関する。

従来、劣悪な環境で使用されるモータの位置検出手段として、堅牢なレゾルバが用いられている。このレゾルバは一般的には一つの励磁巻線と、９０度位相のずれた二つの二次巻線を持ち、二次巻線の出力信号と励磁巻線の励磁信号とからレゾルバ／デジタル変換装置を用いて回転位置を検出する方法が用いられている。

このレゾルバ／デジタル変換装置の一般的な方法は、ロータの実際の角度θとレゾルバ／デジタル変換装置が生成する角度θｐとの差をゼロにするような閉ループ回路を用いている。具体的には二つの二次巻線から出力される検出信号のそれぞれに回転角度の推定値θｐの余弦値、正弦値をそれぞれ乗算し、加算回路を通すことにより位相差θ−θｐの正弦値を励磁信号で変調した形の信号を生成する。

この信号を励磁信号の周期に同期させて整流し、その後励磁信号の成分を除去することで位相差θ−θｐの正弦値を直流電圧として生成する。この直流電圧を積分器で積分したものを電圧制御発振器に入力し、電圧制御発振器が出力するパルスをカウントすることにより回転角度の推定値θｐをデジタルデータとして求める。

このθｐをフィードバックすることにより、θｐがθと一致する状態で積分器の出力が平衡し、θがθｐとして検出できることとなる。

しかし、この方法では、アナログ回路を多く使用するため、温度ドリフトなどの影響を受けやすく、精度を上げることが困難な上に、回転速度により閉ループ回路の最適なゲインが変わるため、広範囲にわたって高い性能を維持することが困難となっている。

これを解決する方法として、二次巻線の信号を直接ＡＤ変換し、デジタルデータで処理する方法がある（例えば、特許文献１参照）。

これは、二次巻線の信号を励磁信号に同期して整流した後、ＡＤコンバータでデジタル化し、従来の一般的な方法と同様の処理をデジタルで行うもので、アナログ回路の持つ問題を解決している。

しかし、この方法においても、従来の方法と同様に二次巻線の空間高調波成分やレゾルバの機械的精度が角度検出精度に大きく影響する。加えて、配線の耐外来ノイズ性能を考慮した場合、共通インピーダンスによる影響を排除する目的で二次巻線はそれぞれ独立に配線する必要があるため、巻線の数の２倍の配線が必要となり、最近のエンコーダの少配線化の流れの中で、一次巻線と二次巻線あわせて６本以上の配線が必要となるという問題がある。
特開２００２−５４９４８号公報

解決しようとする問題点は、レゾルバの高い要求機械的精度や巻線手法の複雑さ、配線の多さであり、システムの複雑さ、調整の難しさ、外乱の影響の大きさである。

従来のシステムではレゾルバの出力信号の品質が角度検出精度の大きな部分を占めるため、その機械的精度、モータ軸への取り付け精度、空間高調波を低減するための複雑な巻線方法などが重要になり、レゾルバを高価なものにしていた。

また、内部に閉ループ系を持つため、系を安定して動作させるためにゲインの調整などが必要となる。加えて、エンコーダに比べて多くの配線が必要であるという問題も有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、レゾルバを用いた回転位置検出の複雑さを改善するとともに、外乱の影響を抑制した安価で信頼性の高いモータ制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、モータの回転軸に接続されたレゾルバの励磁信号を発生する励磁信号発生手段と、前記レゾルバの出力信号から前記モータの回転位置を検出する回転位置検出手段と、該回転位置検出手段から出力される回転位置信号に基づいて前記モータを駆動するＰＷＭインバータ駆動手段を備え、前記回転位置検出手段は、前記レゾルバの位相差が１２０度で星形結線された三相の二次巻線の線間電圧を３つのデジタルデータに変換するＡＤ変換手段と、前記３つのデジタルデータに基づいてモータの回転角度を算出する回転角度算出手段で構成され、さらにこの回転角度算出手段は、３つのデジタルデータの平均値を算出する平均値算出手段と、前記３つのデジタルデータから前記平均値を減算して３つの中性点補正データを算出する中性点補正手段と、前記３つの中性点補正データの自乗の総和の平方根で前記３つの中性点補正データを除して３つの正規化データを算出する正規化算出手段とからなり、前記３つの正規化データの内、最も絶対値の小さいものであらかじめ設定されたテーブルを用いて回転角度を求める構成を具備するモータ制御装置である。

本発明のモータの制御装置によれば、レゾルバの二次巻線を三相とし、その線間電圧から回転角度を求める構成としているため、巻線の持つ高調波成分が抑制されることにより、巻線の構成を簡略化することができるとともに、線間電圧を使用することにより信号間の共通インピーダンスの悪影響が抑制されるため、配線も一本少配線化することができる。

また、二次巻線の電圧をそのままＡＤ変換してデジタルデータとすることで、アナログ回路の持つ温度ドリフトなどの影響を抑制することができる。

また、検出される３相のデータの内、角度変化に対して最も変化量の大きな、絶対値の一番小さなデータを用いて、テーブルにより回転角度を算出するため、デジタル演算の量も少なく実現することができ、複雑なゲイン設定や調整も不要となる。

また、３つのデジタルデータを中性点補正するとともに、正規化により振幅も補正するため、レゾルバの要求機械的精度を低くすることができるとともに、外乱ノイズに対してもその影響を抑制することができる。

なお、ＡＤ変換をインバータのスイッチングが実施されないタイミングで実施すると、自己の発生するスイッチングノイズの影響を排除することができる。

したがって、レゾルバの要求機械的精度の低減や巻線手法の簡素化、少配線化が図れるとともに、外乱にも強く、調整も容易な安価で信頼性の高いモータ制御装置を得ることができる。

モータの回転軸に接続されたレゾルバの励磁信号を発生する励磁信号発生手段と、前記レゾルバの出力信号から前記モータの回転位置を検出する回転位置検出手段と、該回転位置検出手段から出力される回転位置信号に基づいて前記モータを駆動するＰＷＭインバータ駆動手段を備え、前記回転位置検出手段は、前記レゾルバの位相差が１２０度で星形結線された三相の二次巻線の線間電圧を３つのデジタルデータに変換するＡＤ変換手段と、前記３つのデジタルデータに基づいてモータの回転角度を算出する回転角度算出手段で構成し、前記回転角度算出手段は、３つのデジタルデータの平均値を算出する平均値算出手段と、前記３つのデジタルデータから前記平均値を減算して３つの中性点補正データを算出する中性点補正手段と、前記３つの中性点補正データの自乗の総和の平方根で前記３つの中性点補正データを除して３つの正規化データを算出する正規化算出手段とからなり、前記３つの正規化データの内、最も絶対値の小さいものであらかじめ設定されたテーブルを用いて回転角度を求める。

図１は本発明のモータ制御装置の構成を示す全体図である。図１において、モータ１の軸にはレゾルバ２が接続され、レゾルバ２の一次巻線３は励磁信号発生手段４の励磁信号により励磁されている。

励磁信号発生手段４は、ＰＷＭインバータ５より出力されるスイッチングキャリア情報をもとにスイッチングキャリアに同期するように励磁信号を発生させる。

レゾルバ２の三相二次巻線６ａ，６ｂ，６ｃは、互いに１２０度の位相差を持って配置され、その出力信号は回転位置検出手段７に入力される。

回転位置検出手段７には、出力信号の線間データを入力する差動増幅器８ａ，８ｂ，８ｃと、その出力をデジタルデータに変換するＡＤ変換手段９ａ，９ｂ，９ｃが配置され、変換されたデジタルデータは回転角度算出手段１０に入力され、モータの回転位置情報を出力する。

回転位置検出手段７で検出されたモータの回転位置情報は、ＰＷＭインバータ５へ入力され、その情報に基づいてモータ１が駆動される。

一般に位置検出の精度を高めるためには、レゾルバ２の出力電圧を正弦波にする必要があるが、本発明においては、三相の出力電圧の線間電圧をもとに位置検出を行うため、最も含有率が高くなると予想される出力電圧に含有される３の整数倍の高調波成分は除去される。

レゾルバ２の二次巻線６の出力信号は、図２に示すように回転角度の正弦値を励磁信号で変調した波形となる。

励磁信号は、ＰＷＭインバータのキャリア周期に同期しているため、ＰＷＭインバータのスイッチングパターンと励磁信号および出力信号の関係は図３のようになる。

図３の中のｔｄは、配線やレゾルバにより発生する位相ずれであり、あらかじめ発振位相をずらせることにより、スイッチングを実施しないタイミングに出力信号のピークが来るようにしている。

ＡＤ変換した結果としてのデジタルデータは、ロータの回転角度をθとすると式１となる。ここでＫはレゾルバの変換ゲイン、ｏｆｆｓｅｔは差動増幅器のオフセットである。

これらのデータの平均値は、Ｖｍｅａｎ＝（Ｖａ＋Ｖｂ＋Ｖｃ）／３で求められ、これを減算すると、中性点補正データとして式２が得られる。

すなわち、オフセットの影響が除去される。

次に、レゾルバの取り付け精度が悪いなどの影響で、レゾルバの変換ゲインが各相で等しくなかったり、高調波成分が含まれていた場合、ＡＤ変換されたデジタルデータは、式３のようになる。

この場合でも、式４および式５によって各データを正規化すれば、図４に示す様に大幅にデータを補正することができる。

上記により得られた３つのデジタルデータの内、絶対値の一番小さなデータが、図５に示すように、角度に対する変化率が最も大きく、このデータをテーブルに当てはめることにより角度を求めれば、複雑な演算を行わなくても、最も効率良く角度を検出することができる。

これにより、レゾルバを用いた回転位置検出の複雑さが改善できるとともに、外乱の影響を抑制した安価で信頼性の高いモータ制御装置を得ることができる。

本発明のモータ制御装置は、回転位置検出システムの簡素化に最適であり、従来の産業用ブラシレスモータの用途などにも有用である。

本発明の実施例１におけるモータ制御装置の要部構成図 実施例１における二次巻線の出力信号の説明図 実施例１におけるスイッチングパターンと励磁信号および出力信号の関係図 実施例１における正規化の補正前と補正後の説明図 実施例１で用いるデジタルデータの説明図

１ モータ
２ レゾルバ
３ 一次巻線
４ 励磁信号発生装置
５ ＰＷＭインバータ
６ａ，６ｂ，６ｃ 二次巻線
７ 回転位置検出手段
８ａ，８ｂ，８ｃ 差動増幅器
９ａ，９ｂ，９ｃ ＡＤ変換手段
１０ 回転角度算出手段

Claims (1)

1. モータの回転軸に接続されたレゾルバの励磁信号を発生する励磁信号発生手段と、前記レゾルバの出力信号から前記モータの回転位置を検出する回転位置検出手段と、該回転位置検出手段から出力される回転位置信号に基づいて前記モータを駆動するＰＷＭインバータ駆動手段を備え、前記回転位置検出手段は、前記レゾルバの位相差が１２０度で星形結線された三相の二次巻線の線間電圧を３つのデジタルデータに変換するＡＤ変換手段と、前記３つのデジタルデータに基づいてモータの回転角度を算出する回転角度算出手段とから構成され、さらにこの回転角度算出手段は、３つのデジタルデータの平均値を算出する平均値算出手段と、前記３つのデジタルデータから前記平均値を減算して３つの中性点補正データを算出する中性点補正手段と、前記３つの中性点補正データの自乗の総和の平方根で前記３つの中性点補正データを除して３つの正規化データを算出する正規化算出手段とからなり、前記３つの正規化データの内、最も絶対値の小さいものであらかじめ設定されたテーブルを用いて回転角度を求める構成を具備するモータ制御装置。

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