特開 2024-109503 モータ制御装置およびモータ制御装置の検出位相ズレ判定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024109503

(43)【公開日】2024-08-14

(54)【発明の名称】モータ制御装置およびモータ制御装置の検出位相ズレ判定方法

(51)【国際特許分類】

   H02P 21/06 20160101AFI20240806BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20240806BHJP

【ＦＩ】

H02P21/06

H02M7/48 M

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023068943

(22)【出願日】2023-04-20

(31)【優先権主張番号】P 2023013825

(32)【優先日】2023-02-01

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】000006105

【氏名又は名称】株式会社明電舎

(74)【代理人】

【識別番号】100086232

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 博通

(74)【代理人】

【識別番号】100092613

【弁理士】

【氏名又は名称】富岡 潔

(74)【代理人】

【識別番号】100104938

【弁理士】

【氏名又は名称】鵜澤 英久

(74)【代理人】

【識別番号】100210240

【弁理士】

【氏名又は名称】太田 友幸

(72)【発明者】

【氏名】米山 嵩人

(72)【発明者】

【氏名】藤曲 央武

【テーマコード（参考）】

5H505

5H770

【Ｆターム（参考）】

5H505DD08

5H505EE41

5H505GG04

5H505HA09

5H505HB01

5H505LL22

5H505LL41

5H505MM19

5H770BA01

5H770DA03

5H770DA41

5H770HA02Y

5H770HA05Z

5H770HA19Z

5H770LB10

(57)【要約】

【課題】モータ制御装置において、モータの検出位相と実位相の乖離を検出することで意図しないトルク印加による危険事象を回避する。
【解決手段】パルス電圧発生器１が、電圧ベクトルＶ１～Ｖ１２の中からモータの回転子位相γに最も近いものを電圧ベクトル指令Ｖ＋＊としてパルス電圧印加時間出力する。電流検出器４が、電圧ベクトル指令Ｖ＋＊に基づいて電力変換器２の第１～第６スイッチング素子をオンオフさせた際の電力変換器２の三相の出力電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検出する。検出位相ズレ判定器６が、前記出力電流に基づいて演算した前記パルス電圧印加時間経過後の電流に基づいて回転子の検出位相ズレが発生しているか否かを判定する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

直流電源の一端と他端との間に順次直列接続された第１，第２スイッチング素子と、前記直流電源の一端と他端との間に順次直列接続された第３，第４スイッチング素子と、前記直流電源の一端と他端との間に順次直列接続された第５，第６スイッチング素子と、を備えた電力変換器と、
前記第１，第２スイッチング素子の接続点に接続された第１巻線と、前記第３，第４スイッチング素子の接続点に接続された第２巻線と、前記第５，第６スイッチング素子の接続点に接続された第３巻線と、を有するモータと、
以下の表１に示す電圧ベクトルＶ１～Ｖ１２の中から前記モータの回転子位相に最も近いものを電圧ベクトル指令としてパルス電圧印加時間出力するパルス電圧発生器と、
前記電圧ベクトル指令に基づいて前記電力変換器の前記第１～第６スイッチング素子を表１に従ってオンオフさせた際の前記電力変換器の三相の出力電流を検出する電流検出器と、
前記出力電流に基づいて演算した前記パルス電圧印加時間経過後の電流に基づいて回転子の検出位相ズレが発生しているか否かを判定する検出位相ズレ判定器と、
を備えたことを特徴とするモータ制御装置。

【表1】

【請求項2】

前記検出位相ズレ判定器は、
位相ズレが０の時の電流正常値に基づいて位相ズレ判定閾値を設定し、前記パルス電圧印加時間経過後の電流が前記位相ズレ判定閾値以下となったときに回転子の検出位相ズレが発生していると判定することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。

【請求項3】

前記検出位相ズレ判定器は、
前記パルス電圧印加時間経過後の電流が前記位相ズレ判定閾値よりも大きく、かつ、前記出力電流のｄ軸電流が０よりも小さいときも、回転子の検出位相ズレが発生していると判定することを特徴とする請求項２記載のモータ制御装置。

【請求項4】

前記電流正常値は以下の（５）式に基づいて算出することを特徴とする請求項２記載のモータ制御装置。

【数5】

ΔＩ１：パルス電圧印加時間に対する電流変動値（電流正常値）
ΔＩｄ：パルス電圧印加時間に対するｄ軸電流変動値
ΔＩｑ：パルス電圧印加時間に対するｑ軸電流変動値
Δｔ：パルス電圧印加時間
ＶＤＣ：電力変換器入力直流電圧
Ｌｄ：モータインダクタンスのｄ軸成分
Ｌｑ：モータインダクタンスのｑ軸成分
θ：回転子位相γと電圧ベクトル指令の位相との差

【請求項5】

直流電源の一端と他端との間に順次直列接続された第１，第２スイッチング素子と、前記直流電源の一端と他端との間に順次直列接続された第３，第４スイッチング素子と、前記直流電源の一端と他端との間に順次直列接続された第５，第６スイッチング素子と、を備えた電力変換器と、
前記第１，第２スイッチング素子の接続点に接続された第１巻線と、前記第３，第４スイッチング素子の接続点に接続された第２巻線と、前記第５，第６スイッチング素子の接続点に接続された第３巻線と、を有するモータと、
を備えたモータ制御装置の検出位相ズレ判定方法であって、
パルス電圧発生器が、以下の表１に示す電圧ベクトルＶ１～Ｖ１２の中から前記モータの回転子位相に最も近いものを電圧ベクトル指令としてパルス電圧印加時間出力し、
電流検出器が、前記電圧ベクトル指令に基づいて前記電力変換器の前記第１～第６スイッチング素子を表１に従ってオンオフさせた際の前記電力変換器の三相の出力電流を検出し、
検出位相ズレ判定器が、前記出力電流に基づいて演算した前記パルス電圧印加時間経過後の電流に基づいて回転子の検出位相ズレが発生しているか否かを判定することを特徴とするモータ制御装置の検出位相ズレ判定方法。

【表1】

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、モータ制御装置の検出位相ズレ判定に関する。

【背景技術】

【0002】

インバータを用いるＰＭモータの制御では、ＰＭモータの回転子の検出位相に基づいてインバータを制御する方法が広く用いられている。回転子の位置センサの故障等により検出位相ズレ（実位相と検出位相の乖離）が発生すると、インバータは正しい位相にモータ電流を流すことができず、意図しないトルクの発生につながる恐れがある。

【0003】

この問題を解決するために、回転子の位相検出器の異常判定を行う技術として特許文献１が開示されている。

【0004】

一方、ＰＭモータを制御するインバータにおいて、モータ回転子の永久磁石の減磁を診断する技術として特許文献２が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平５－８３９７７号公報

【特許文献2】特開２０２１－９３８９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１は、有効電力検出のためのセンサを必要とするため、装置が高コストとなる、大型化するという問題がある。

【0007】

以上示したようなことから、モータ制御装置において、装置の高コスト化と大型化を回避しつつ、モータの検出位相と実位相の乖離を検出することで意図しないトルク印加による危険事象を回避することが課題となる。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、直流電源の一端と他端との間に順次直列接続された第１，第２スイッチング素子と、前記直流電源の一端と他端との間に順次直列接続された第３，第４スイッチング素子と、前記直流電源の一端と他端との間に順次直列接続された第５，第６スイッチング素子と、を備えた電力変換器と、前記第１，第２スイッチング素子の接続点に接続された第１巻線と、前記第３，第４スイッチング素子の接続点に接続された第２巻線と、前記第５，第６スイッチング素子の接続点に接続された第３巻線と、を有するモータと、以下の表１に示す電圧ベクトルＶ１～Ｖ１２の中から前記モータの回転子位相に最も近いものを電圧ベクトル指令としてパルス電圧印加時間出力するパルス電圧発生器と、前記電圧ベクトル指令に基づいて前記電力変換器の前記第１～第６スイッチング素子を表１に従ってオンオフさせた際の前記電力変換器の三相の出力電流を検出する電流検出器と、前記出力電流に基づいて演算した前記パルス電圧印加時間経過後の電流に基づいて回転子の検出位相ズレが発生しているか否かを判定する検出位相ズレ判定器と、を備えたことを特徴とする。

【0009】

【表1】

【0010】

また、その一態様として、前記検出位相ズレ判定器は、位相ズレが０の時の電流正常値に基づいて位相ズレ判定閾値を設定し、前記パルス電圧印加時間経過後の電流が前記位相ズレ判定閾値以下となったときに回転子の検出位相ズレが発生していると判定することを特徴とする。

【0011】

また、その一態様として、前記検出位相ズレ判定器は、前記パルス電圧印加時間経過後の電流が前記位相ズレ判定閾値よりも大きく、かつ、前記出力電流のｄ軸電流が０よりも小さいときも、回転子の検出位相ズレが発生していると判定することを特徴とする。

【0012】

また、その一態様として、前記電流正常値は以下の（５）式に基づいて算出することを特徴とする。

【0013】

【数5】

【0014】

ΔＩ１：パルス電圧印加時間に対する電流変動値（電流正常値）
ΔＩｄ：パルス電圧印加時間に対するｄ軸電流変動値
ΔＩｑ：パルス電圧印加時間に対するｑ軸電流変動値
Δｔ：パルス電圧印加時間
ＶＤＣ：電力変換器入力直流電圧
Ｌｄ：モータインダクタンスのｄ軸成分
Ｌｑ：モータインダクタンスのｑ軸成分
θ：回転子位相γと電圧ベクトル指令の位相との差。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、モータ制御装置において、装置の高コスト化と大型化を回避しつつ、モータの検出位相と実位相の乖離を検出することで意図しないトルク印加による危険事象を回避することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】実施形態１におけるモータ制御装置の検出位相ズレ診断を示すブロック図。

【図2】電圧ベクトルを示す図。

【図3】インバータとモータを示す図。

【図4】位相ズレΔθと電流Ｉ１の関係を示す図。

【図5】位相ズレΔθと電流Ｉ１、ｄ軸電流Ｉｄの関係を示す図。

【図6】実施形態２におけるモータ制御装置の検出位相ズレ診断を示すブロック図。

【発明を実施するための形態】

【0017】

特許文献２の技術を回転子の検出位相の異常判定に応用したのが、本願発明である。以下、本願発明におけるモータ制御装置の実施形態１、２を図１～図６に基づいて詳述する。

【0018】

［実施形態１］
図１に、本実施形態１におけるモータ制御装置の検出位相ズレ診断のブロック図を示す。本実施形態１の検出位相ズレ診断は、ＰＭモータの停止中に行う。通常のＰＭモータの回転動作は、図１とは異なる制御ブロックで行う。通常のＰＭモータの回転動作については本願発明と直接関係ないため説明を省略する。

【0019】

図１に基づいて本実施形態１のモータ制御装置の検出位相ズレ診断について説明する。パルス電圧発生器１はＰＭモータ３の回転子位相γを入力する。回転子位相γは、回転子のＮ極の軸（ｄ軸）とＵ相巻線軸との位相差である。パルス電圧発生器１は、回転子位相γに基づいて、図２に示す１２種類の電圧ベクトルＶ１～Ｖ１２の中で、最もｄ軸に近い電圧ベクトルを選択し、電圧ベクトル指令Ｖ＋＊として所定時間Ｔｏｎだけ出力する。例えば－１５°＜γ＜＋１５°の場合、電圧ベクトル指令Ｖ＋＊にはＶ１が選択される。所定時間Ｔｏｎは、後述のパルス電圧印加時間Δｔである。

【0020】

インバータ（電力変換器）２は、入力された電圧ベクトル指令Ｖ＋＊の電圧ベクトルに応じたスイッチング素子をオンオフし、パルス状の出力電圧をＰＭモータ３に印加する。

【0021】

ここで、図３に基づいて、本実施形態１におけるモータ制御装置の検出位相ズレ診断が適用されるインバータ２とＰＭモータ３の構成を説明する。

【0022】

インバータ２は直流電源ＤＣの一端と他端との間に順次直列接続された第１，第２スイッチング素子Ｕ＋，Ｕ－と、直流電源ＤＣの一端と他端との間に順次直列接続された第３，第４スイッチング素子Ｖ＋，Ｖ－と、直流電源ＤＣの一端と他端との間に順次直列接続された第５，第６スイッチング素子Ｗ＋、Ｗ－と、を有する。

【0023】

ＰＭモータ３は、第１，第２スイッチング素子Ｕ＋，Ｕ－の接続点に接続されたＵ相巻線（第１巻線）３Ｕと、第３，第４スイッチング素子Ｖ＋，Ｖ－の接続点に接続されたＶ相巻線（第２巻線）３Ｖと、第５，第６スイッチング素子Ｗ＋，Ｗ－の接続点に接続されたＷ相巻線（第３巻線）３Ｗと、を備える。Ｕ相巻線３Ｕ，Ｖ相巻線３Ｖ，Ｗ相巻線３Ｗはスター結線で接続される。

【0024】

以下の表１は、電圧ベクトルと各スイッチング素子Ｕ＋，Ｕ－，Ｖ＋，Ｖ－，Ｗ＋，Ｗ－のオンオフ指令との関係である。インバータ２は電圧ベクトル指令Ｖ＋＊に基づいて、表１に示すように、第１～第６スイッチング素子Ｕ＋，Ｕ－，Ｖ＋，Ｖ－，Ｗ＋，Ｗ－をオンオフする。

【0025】

【表1】

【0026】

電流検出器４は、電圧ベクトル指令Ｖ＋＊に基づいてインバータ２の第１～第６スイッチング素子Ｕ＋～Ｗ－をオンオフさせた際のＰＭモータ３のＵＶＷ相の巻線電流（インバータ２の三相の出力電流）Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗをそれぞれ検出する。

【0027】

なお、Ｕ相巻線３Ｕ，Ｖ相巻線３Ｖ，Ｗ相巻線３Ｗはスター結線で接続されているので、三相の出力電流は、Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝０となる。よって、三相各々の相に電流検出器を用いて各相の出力電流を検出してもよいし、二相の電流検出器を用いて二相の出力電流を検出し、残りの一相については上式を用いての演算によって出力電流を検出してもよい。後者の場合は電流検出器の個数が少なくなる利点がある。

【0028】

三相／二相変換器５は、三相の出力電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ（ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）と回転子位相γに基づいて、以下の（１）式，（２）式により二相の出力電流であるｄ軸電流ｉｄ，ｑ軸電流ｉｑに変換する。このｄ軸電流ｉｄ，ｑ軸電流ｉｑに基づいて（３）式により、パルス電圧印加時間Δｔ（Ｔｏｎ）経過後の電流ｉ１（Ｉ１）を演算する。

【0029】

【数1】

【0030】

【数2】

【0031】

【数3】

【0032】

検出位相ズレ判定器６は、入力された回転子位相γと電圧ベクトル指令Ｖ＋＊と後述に基づいて、電流正常値を求める。さらに電流正常値と三相／二相変換器５が出力する電流Ｉ１に基づいて、回転子の位置センサの異常（実位相と検出位相の乖離）が発生しているか否かを診断する。

【0033】

次に、位置センサが正常である場合の動作原理を説明する。

【0034】

電圧ベクトル指令Ｖ＋＊にはｄ軸に最も近い電圧ベクトルを選択しているため、ｑ軸電流Ｉｑ≒０となる。よって巻線電流によるトルクはほとんど発生しないため、回転子は停止したままとなる。

【0035】

パルス電圧印加時間に対するｄ軸電流変動値ΔＩｄ，ｑ軸電流変動値ΔＩｑの近似式は以下の（４）式となる。

【0036】

【数4】

【0037】

（４）式より、パルス電圧印加時間に対する電流変動値ΔＩ１は以下の（５）式となる。

【0038】

【数5】

【0039】

ＬｄとＬｑの比率によってθに伴う電流Ｉ１の変化量が決まる。（４）式、（５）式のＶｄ，Ｖｑは、インバータ出力電圧のｄ軸成分，ｑ軸成分である。Ｌｄ，Ｌｑは、モータインダクタンスのｄ軸成分，ｑ軸成分であり、既知の固定値とする。Δｔは、前述の電圧ベクトル指令を出力する所定時間（パルス電圧印加時間）Ｔｏｎに相当する。ＶＤＣはインバータ入力直流電圧（直流電源ＤＣの直流電圧）である。θは、回転子位相γと電圧ベクトル指令の位相との差である。なお、このθは特許文献２の（６）式のΔθと対応しており、特許文献２に詳細が記載されている。

【0040】

ここまでが、位置センサが正常である場合の動作原理の説明である。

【0041】

モータインダクタンスのｄ軸成分、ｑ軸成分Ｌｄ、Ｌｑを固定値（例としてＬｄ／Ｌｑ＝０．３，０．４）とした場合の位相ズレΔθと電流Ｉ１の関係を図４に示す。

【0042】

本実施形態１の検出位相ズレ診断は電流が流れていない状態でパルス電圧印加を開始するため、電流Ｉ１は（５）式のパルス電圧印加時間に対する電流変動値ΔＩ１と同値となる。そのため、（５）式のΔＩ１が位相ズレΔθ＝０のときの電流Ｉ１の正常値（以下、電流正常値と称する）となる。また、図４では、位相ズレΔθ＝０のときの電流正常値をＩ１＝１として正規化している。

【0043】

図４よりＬｄ／Ｌｑ≠１であれば位相ズレΔθ≒０以外の時には同じパルス電圧印加時の電流Ｉ１の値（三相／二相変換器５の出力値）と電流正常値（図４のΔθ＝０の時の値）に差が生じるため、検出位相ズレ判定器６では電流Ｉ１が位相ズレ判定閾値以下となった時に回転子位相γの正常値からのズレが発生していると診断することが可能となる。電流正常値は（５）式を用いてθやＶＤＣごとに予めテーブル化によって求めておくものとする。またはパルス電圧印加直前に（５）式を用いた演算で求めてもよい。位相ズレ判定閾値は電流正常値に基づいて設計者が適宜設定するものとし、ここでの具体的な数値は省略する。

【0044】

以上示したように、本実施形態１によれば、回転子検出位相の異常があった場合には、パルス電圧印加時のインバータの電流Ｉ１と電流正常値との間に差が生じるため、インバータの回転子検出位相ズレの検出が可能になる。

【0045】

また、特許文献１と比較して、有効電力検出が不要であるため、装置の小型化・低コスト化を行いやすい。

【0046】

［実施形態２］
図４から分かるように、実施形態１の方法だけでは回転子位相γの位相ズレΔθが１８０°付近の場合に電流Ｉ１が正常時（位相ズレΔθ＝０°）付近と近い値となってしまい検出位相ズレを検出できない問題があった。この問題を解決したのが、本実施形態２である。

【0047】

モータインダクタンスのｄ軸成分、ｑ軸成分Ｌｄ、Ｌｑを固定値（例としてＬｄ／Ｌｑ＝０．４）とした場合の位相ズレΔθと電流Ｉ１及びｄ軸電流Ｉｄの関係を図５に示す。

【0048】

電流Ｉ１だけでは回転子位相γの位相ズレΔθが０°付近と１８０°付近の違いを検出できないが、図５に示すようにｄ軸電流Ｉｄは回転子位相γの位相ズレΔθが０°付近と１８０°付近で符号が逆転する。

【0049】

そこで本実施形態２では、電流Ｉ１が位相ズレ判定閾値以上となった時には（２）式によって演算される出力電流のｄ軸電流Ｉｄの符号をチェックする。電流Ｉ１が位相ズレ判定閾値よりも大きく、かつ、Ｉｄ＜０であれば回転子位相γのズレが発生していると診断する。

【0050】

図６は本実施形態２におけるモータ制御装置の検出位相ズレ診断を示すブロック図である。図６に示すように、検出位相ズレ判定器６は電流Ｉ１、電圧ベクトル指令Ｖ＋＊、回転子位相γに加えて、ｄ軸電流Ｉｄも入力している。その他は実施形態１と同様である。

【0051】

以上示したように、本実施形態２によれば、実施形態１と同様の作用効果を奏する。加えて、本実施形態２ではｄ軸電流Ｉｄの検出値を位相ズレの判定に使用することで、実施形態１で検出の難しかった位相ズレΔθ＝１８０°付近のケースでも回転子検出位相ズレの検出が可能になる。これにより装置の信頼性の向上を図ることが可能となる。

【0052】

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

【符号の説明】

【0053】

１…パルス電圧発生器
２…インバータ（電力変換器）
３…ＰＭモータ（モータ）
３Ｕ，３Ｖ，３Ｗ…Ｕ相巻線，Ｖ相巻線，Ｗ相巻線（第１巻線，第２巻線，第３巻線）
４…電流検出器
５…三相／二相変換器
６…検出位相ズレ判定器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】