旋转电机的控制装置和控制方法与流程

本发明涉及一种对旋转电机进行旋转控制的控制装置和控制方法。

背景技术：

现有技术中，已知一种对包括马达的旋转电机进行旋转控制的控制装置。例如，提出了各种用于抑制低速旋转区域中的涌浪电流(inrushecurrent)和转矩波动的发生的技术。

在日本发明专利授权公报特许第5502605号中提出了以下控制装置：在使用多个霍尔传感器进行无刷电机的旋转控制的情况下，通过对转子的磁极位置(即，旋转角度)进行插补来补偿与霍尔传感器的个数有关的角度分辨率(angularresolution)的不足。

技术实现要素：

然而，在日本发明专利授权公报特许第5502605号所提出的装置中，即使在施加正弦状的脉冲调制量的情况下，也存在由于根据旋转电机或控制装置的特性而发生固有的瞬变现象，导致无法得到如所计划的那样的输出(即，正弦状的波形)的可能性。这样，关于日本发明专利授权公报特许第5502605号，以输出波形的设计上的观点来看存在较大改良余地。

本发明是为了解决上述的问题而完成的，其目的在于，提供一种在实现电路结构的简化和装置的低成本化的同时，还能够如所计划的那样来设计输出特性的旋转电机的控制装置和控制方法。

第1技术方案所涉及的旋转电机的控制装置是通过对逆变电路(invertercircuit)供给驱动波形来进行旋转电机的旋转控制的装置，具有多个旋转角度传感器、插补角度计算部、调制量确定部和驱动波形生成部，其中，多个所述旋转角度传感器沿所述旋转电机的旋转方向固定配置，且分别输出与所述旋转电机的旋转角度对应的检测信号；所述插补角度计算部通过对离散的角度等级(anglelevel)进行插补来计算表示所述旋转角度的插补角度，其中所述离散的角度等级根据由多个所述旋转角度传感器检测到的所述检测信号的组合来确定；所述调制量确定部根据由所述插补角度计算部计算出的所述插补角度来确定调制量(modulationamount)；所述驱动波形生成部通过以由所述调制量确定部确定的所述调制量进行脉冲调制来生成所述驱动波形，所述调制量确定部按照所述旋转电机的感应电压(inducedvoltage)来确定所述调制量。

这样，按照旋转电机的感应电压来确定驱动波形的调制量，因此，能够将与输出特性的相关性高的感应电压反映于调制量，在实现电路结构的简化和装置的低成本化的同时，还能够如计划的那样来设计输出特性。即，能够在不采用昂贵的装置结构(例如，追加高分辨率的位置传感器)的情况下，提高旋转电机的控制性。

另外，也可以为：该控制装置还具有映射存储部，该映射存储部存储调制量映射，该调制量映射以所述插补角度为输入变量，以所述调制量为输出变量，所述调制量确定部通过从所述映射存储部读出所述调制量映射并参照所述调制量映射来确定所述调制量。通过读出并参照预先存储的调制量映射，无需每次都进行计算而能够直接求得调制量。

另外，也可以为：所述映射存储部存储根据所述感应电压的频率特性生成的所述调制量映射。

第2技术方案所涉及的旋转电机的控制方法是通过对逆变电路供给驱动波形来进行旋转电机的旋转控制的方法，包括获取工序、计算工序、确定工序和生成工序，其中，在所述获取工序中，使用沿所述旋转电机的旋转方向固定配置的多个旋转角度传感器，分别获取与所述旋转电机的旋转角度对应的检测信号；在所述计算工序中，通过对离散的角度等级进行插补来计算表示所述旋转角度的插补角度，其中所述离散的角度等级根据由多个所述旋转角度传感器检测到的所述检测信号的组合来确定；在所述确定工序中，按照计算出的所述插补角度来确定调制量；在所述生成工序中，通过以确定的所述调制量进行脉冲调制来生成所述驱动波形，在所述确定工序中，根据所述旋转电机的感应电压来确定所述调制量。

另外，也可以为：该控制方法还具有存储工序，在所述存储工序中，存储调制量映射，该调制量映射以所述插补角度为输入变量，以所述调制量为输出变量，在所述确定工序中，通过读出并参照所存储的所述调制量映射来确定所述调制量。

另外，也可以为：在所述存储工序中，存储根据所述感应电压的频率特性生成的所述调制量映射。

根据本发明所涉及的旋转电机的控制装置和控制方法，在实现电路结构的简化和装置的低成本化的同时，还能够如计划的那样来设计输出特性。即，能够在不采用昂贵的装置结构(例如，追加高分辨率的位置传感器)的情况下，提高旋转电机的控制性。

根据参照附图对以下实施方式进行的说明，上述的目的、特征和优点应易于被理解。

附图说明

图1是组装有本发明一实施方式中的旋转电机的控制装置的自动搬运车的概略俯视图。

图2是示意性地表示图1的马达的主要部分的剖视图。

图3是图1所示的马达控制装置的电气框图。

图4是图3所示的运算处理装置的功能框图。

图5是关于检测信号、角度等级和驱动波形的波形图。

图6是表示用于推导调制量映射的数学模型的图。

图7a是示意性地表示pn电压、感应电压和等效电路电压的关系的图。图7b是表示逆变电路的输出电流的时间变化的图。

图8是关于调制量映射的制成方法的流程图。

图9a是表示感应电压的时间数据一例的图。图9b是表示感应电压的频率数据一例的图。图9c是表示从图9b的频率数据中提取频率分量的结果的图。

图10是表示根据图9c生成调制量映射的结果的图。

图11是表示调制量映射与输出电流的关系的图。

具体实施方式

下面，列举本发明所涉及的旋转电机的控制装置与控制方法的关系中优选的实施方式，一边参照附图一边对本发明所涉及的旋转电机的控制装置进行说明。

[马达控制装置18的适用例]

＜自动搬运车10的结构＞

图1是组装有本发明一实施方式中的旋转电机的控制装置(在此为马达控制装置18)的自动搬运车10的概略俯视图。自动搬运车10是无人的搬运台车(无人搬运车)，用于供给和搬运包括工厂内的零部件、在制品或完成品的各种物品。

具体而言，该自动搬运车10构成为包括车身12、左、右车轮14、14、左、右马达16、16(旋转电机)、左、右马达控制装置18、18、综合ecu(电子控制装置；electroniccontrolunit)20和无线模块22。

综合ecu20经由无线模块22接收来自上位装置24的指令信号，根据该指令信号控制自动搬运车10的各部。具体而言，综合ecu20根据来自上位装置24的指令信号和自动搬运车10的行驶行为生成左、右速度指令值，且将包含该速度指令值的控制信号向左、右马达控制装置18、18供给。

右侧的马达控制装置18通过根据来自综合ecu20的控制信号对右侧的马达16进行旋转控制，能够使右侧的车轮14以所期望的旋转速度旋转。同样，左侧的马达控制装置18通过根据来自综合ecu20的控制信号对左侧的马达16进行旋转控制，能够使左侧的车轮14以所期望的旋转速度旋转。

＜马达16的整体结构＞

图2是示意性地表示图1所示的马达16的主要部分的剖视图。该马达16是3相无刷电机，构成为包括中空圆柱状的壳体26、设置于壳体26的内壁的3个定子28、由永磁铁构成的圆柱状的转子30、和3个霍尔传感器32(旋转角度传感器)。

u相、v相、w相的定子28分别通过在槽34中卷绕定子线圈36而成。转子30由具有一组磁极(n极/s极)的永久磁铁构成，构成为可顺时针或逆时针旋转。

各个霍尔传感器32是能够检测由于转子30的旋转而造成的磁极位置的变化的非接触式磁性传感器。各个霍尔传感器32沿转子30(马达16)的旋转方向a以等角度间隔固定配置。下面，有时对位于w相-u相彼此的定子28、28之间的霍尔传感器32、位于u相-v相彼此的定子28、28之间的霍尔传感器32、位于v相-w相彼此的定子28、28之间的霍尔传感器32加以区分而分别记作“hu”、“hv”、“hw”。

另外，马达16并不限定于图2所例示的结构，也可以采用(1)内转子型/外转子型、(2)表面磁铁式(spm；surfacepermanentmagnet)/嵌入磁铁式(ipm；interiorpermanentmagnet)、(3)定子28的相数、(4)定子28的槽数、或者(5)转子30的极数(组数)的各种组合。

另外，在对自动搬运车10(图1)进行驱动控制时，与其他产品和用途(例如，电动推车)相比较，存在要求高水平的位置精度的情况。具体而言，存在以下担忧：由于低速旋转区域中的马达16的控制特性产生偏差，导致左、右马达16的同步性降低，停止时的位置精度或者起步时的直行稳定性降低。

因此，提出以下控制方法：即使是如图2所例示的马达16那样比较廉价的装置结构，也能够根据被优化设计后的输出特性来执行马达16的旋转控制的控制方法(所谓的准正弦波(quasi-sinewave)控制)。

[马达控制装置18的结构]

＜框图＞

图3是表示图1所示的马达控制装置18的电气框图。马达控制装置18构成为包括逆变电路40、直流电源42和驱动电路44。

逆变电路40是将直流转换为交流的电源电路。逆变电路40构成为包括分别与马达16的u相、v相、w相对应的3个上侧支路(arm)46、和分别与马达16的u相、v相、w相对应的3个下侧支路48。下面，存在将与各相对应的上侧支路46和下侧支路48统称为上下支路50的情况。

各个上侧支路46通过一方的开关元件52来进行开关(切换)动作(通断动作)。各个下侧支路48通过开关元件54来进行开关动作(通断动作)。

驱动电路44是对逆变电路40进行驱动控制的控制电路。具体而言，驱动电路44具有检测信号处理器60、运算处理装置62和非易失性存储器64(映射存储部)。

检测信号处理器60根据由传感器组38检测到的检测信号的组合生成表示角度等级的等级信号之后，将该等级信号向运算处理装置62供给。例如，在如图2所示配置有3个霍尔传感器32的情况下，等级信号表达6个角度等级(角度分辨率为60度)。

运算处理装置62由cpu(centralprocessingunit)或mpu(micro-processingunit)构成，根据来自外部装置(图1的综合ecu20)的速度指令值，生成并输出用于驱动控制逆变电路40的波形信号(以下，称为“驱动波形”)。

非易失性存储器64例如由包括eeprom(electricallyerasableprogrammablereadonlymemory：电可擦可编程序只读存储器)、闪存存储器的半导体存储器构成。在本图的例子中，在非易失性存储器64中存储有后述的调制量映射66。

计算机68是构成为包括cpu、存储器、通信部、输入输出装置的外部的通用计算机。计算机68能够执行包括以下功能的各种功能：获取来自与马达16连接的电压传感器或电流传感器的检测信号的功能、生成调制量映射66的功能、将调制量映射66供给至马达控制装置18的功能。

图4是图3所示的运算处理装置62的功能框图。该运算处理装置62通过读出并执行存储于包括非易失性存储器64的存储部中的程序，来作为减法器70、指令值生成部72、调制量确定部74、驱动波形生成部76、角度等级确定部78、插补角度计算部80和旋转速度计测部82来发挥作用。

减法器70输入来自综合ecu20的速度指令值和来自旋转速度计测部82的速度实测值，输出从速度指令值中减去速度实测值得到的值(以下称为速度偏差)。

指令值生成部72使用来自综合ecu20的速度指令值和来自减法器70的速度偏差，生成表示马达16的扭矩的指令值(在此为作为目标的旋转速度)。

调制量确定部74通过从非易失性存储器64读出调制量映射66并参照该调制量映射66，来将来自指令值生成部72的旋转速度转换为脉冲调制量(以下简称为“调制量”)。在此，调制量映射66是至少以插补角度为输入变量，以调制量为输出变量的转换信息，根据马达16的种类而准备调制量映射66。

驱动波形生成部76根据来自调制量确定部74的调制量，生成适合准正弦波控制的逆变电路40的驱动波形。具体而言，驱动波形生成部76通过以由调制量映射66得到的调制量对矩形的驱动波形进行脉冲调制，来生成u相、v相、w相中的驱动波形，且将这些驱动波形向与u相、v相、w相对应的开关元件52、54供给。在此，在使用pwm控制(pulse-widthmodulation：脉冲宽度调制)进行脉冲调制的情况下，该调制量相当于占空比。

角度等级确定部78根据表示马达16的角度等级的等级信号来确定离散的角度等级。例如，在角度分辨率为60度的情况下，确定为0度、60度、120度、180度、240度、300度中的任一个角度等级。

插补角度计算部80通过对来自角度等级确定部78的角度等级进行插补来计算表示马达16的旋转角度的插补角度，且将该插补角度向调制量确定部74和旋转速度计测部82供给。插补角度计算部80例如也可以使用包括日本发明专利授权公报特许第5502605号所记载的方法在内的各种计算方法来计算上述的插补角度。

旋转速度计测部82通过将采样时间前后的插补角度的变化量除以该采样时间来计测马达16的旋转速度。在此之后，旋转速度计测部82将计测得到的旋转速度(以下称为速度实测值)向减法器70供给。

图5是关于检测信号、角度等级和驱动波形的波形图。更详细而言，从上侧向下侧依次标明“hu”、“hv”、“hw”的检测信号、角度等级、u相的上侧驱动波形和u相的下侧驱动波形。

在“矩形波控制”的情况下，生成彼此相位反转的矩形的驱动波形(用虚线表示)。另一方面，在“准正弦波控制”的情况下，通过对矩形的驱动波形进行基于调制量映射66的脉冲调制，获得具有准正弦形状的驱动波形(用实线表示)。

另外，v相的驱动波形相当于相位比u相的驱动波形超前120度的波形。同样，w相的驱动波形相当于相位比u相的驱动波形滞后120度的波形。

[调制量映射66的制成方法]

接着，一边参照图6～图11一边对调制量映射66(图3)的制成方法进行说明。

＜数学模型的概要＞

图6是表示用于推导调制量映射66的数学模型的图。本模型描述了从左侧向右侧依次串联连接有假想电源90、假想控制装置92和假想马达94的状态。假想电源90相当于图3的直流电源42，假想控制装置92相当于逆变电路40和驱动电路44。另外，假想马达94相当于图3的马达16，通过由设置于各个相间的rl串联电路构成的等效电路96来表现。

在此，设假想电源90的正极(p)-负极(n)间的电压(以下，称为pn电压)为vpn，设马达16的u相-v相间的感应电压为vi。另外，设u相-v相的等效电路96中的等效电路电压为em。

图7a是示意性地表示pn电压vpn、感应电压vi和等效电路电压em的关系的图。座标图的横轴表示插补角度(单位：deg)，并且座标图的纵轴表示电压(单位：v)。

假定pn电压vpn使用感应电压vi与等效电路电压em的和来求得。这样一来，等效电路电压em相当于电压差(vpn-vi)和0中的任意的大的一方，即相当于阴影线区域。

图7b是表示逆变电路40的输出电流i的时间变化的图。座标图的横轴表示时间(单位：s)，并且座标图的纵轴表示输出电流i(单位：a)。输出电流i是用电阻值r除图7a的等效电路电压em得到的值，具有与上述的阴影线区域相似的波形。

在此，认为调制量映射66具有与该输出电流i的波形对应的形状。即，假定在调制量映射66与输出电流i之间，除了偏压(零频率)之外的频率分量的平衡(即，频谱强度的相对关系)一致。

＜具体的制成步骤＞

接着，一边参照图8的流程图和图9a～图11一边对调制量映射66的具体的制成步骤详细地进行说明。

在图8的步骤s1中，操作者判断是否有与马达16的感应电压vi相关的数据(现有的公布值或实测值)。在此，能够列举(1)仅具有时间数据的情况、(2)仅具有频率数据的情况、(3)不具有任何数据的情况这三种模式。

在仅具有时间数据的情况下(步骤s1：有时间数据)，省略步骤s2，进入步骤s3。在仅具有频率数据的情况下(步骤s1：有频率数据)，省略步骤s2、s3，进入步骤s4。另一方面，在不具有任何数据的情况下(步骤s1：无)，进入接着的步骤s2。

在步骤s2中，操作者使用未图示的测量夹具，测定控制对象或与其同类的马达16的感应电压vi。具体而言，操作者测定作用外力来使马达16旋转时产生的感应电压vi。据此，计算机68获取来自分别连接于各相之间的电压传感器的检测信号作为时间数据。

图9a是表示感应电压vi的时间数据一例的图。在本图的例子中，各相的感应电压vi具有大致相同形状的周期性的波形，相位各差120度。

在步骤s3中，操作者使用计算机68，对通过步骤s1或s2得到的感应电压vi的时间数据实施傅立叶变换。具体而言，计算机68按照操作者进行的操作，通过各种应用软件的计算功能，来进行对时间数据的高速傅立叶变换(fft；fastfouriertransform)。

图9b是表示感应电压vi的频率数据一例的图。座标图的横轴表示频率(单位：hz)，并且座标图的纵轴表示频谱强度(单位：无因次)。本图所示的频谱spc至少具有与马达16旋转1圈的量对应的频率(以下称为基本频率)的峰值、和与马达16旋转3圈的量对应的频率(以下，3倍频率)的峰值。

在步骤s4中，操作者使用计算机68，从通过步骤s1或s3得到的感应电压vi的频率数据中提取特定的频率分量。具体而言，计算机68提取相当于频谱spc的最大峰值的频率作为“基本频率”之后，分别提取该基本频率的(2n+1)倍频率(n≧1)。

在此，考虑马达16的旋转对称性，仅提取次数为奇数的分量。即，(2n+1)倍频率(n＝0，1，‥)以外的频率分量被视为伴随着马达16的旋转的发生再现性低的噪音而被除去。

图9c是表示从图9b的频率数据中提取频率分量的结果的图。座标图的横轴为次数(单位：无因次)，座标图的纵轴是振幅换算后的频谱强度(单位：无因次)。该“振幅换算”相当于取频谱强度的平方根(0.5次幂)。

在步骤s5中，操作者使用计算机68，根据通过步骤s4提取出的频率分量生成调制量映射66。具体而言，计算机68通过合成相位彼此一致且频率(次数)不同的正弦波，来生成调制量映射66。在该情况下，图9c所示的座标图表示与各个次数对应的正弦波的振幅。

图10是表示根据图9c生成调制量映射66的结果的图。座标图的横轴为插补角度(单位：deg)，座标图的纵轴为调制量(单位：无因次)。如由本图理解的那样，调制量映射66具有包括基本频率及其奇数倍频率的分量的、周期性的曲线形状。

在步骤s6中，操作者实际上使用马达16，根据需要调整通过步骤s5生成的调制量映射66。具体而言，计算机68在正在使用该调制量映射66进行马达16的旋转控制的状态下，获取来自分别连接于u相、v相、w相的电流传感器的输出电流i。

图11是表示调制量映射66与输出电流i的关系的图。在本图中，用虚线的曲线表示调制量的角度依存性，并且用实线的曲线表示输出电流i的角度依存性。这样，通过使用与马达16的特性对应的合适的调制量映射66，能够获得与计划接近的输出电流i的波形。

并且，计算机68判定得到的输出电流i是否为接近理想的形状(即，正弦波)的波形。如果没能得到理想的波形，此时，也可以对图9c的座标图(个别的绝对值或整体的相对值)进行微调，以使其接近理想的波形。

在步骤s7中，操作者使用计算机68来进行在步骤s6中调整后的调制量映射66的设定。具体而言，计算机68按照操作者的操作，向马达控制装置18供给想要适用的调制量映射66。在此之后，马达控制装置18将调制量映射66写入驱动电路44的非易失性存储器64，由此调制量映射66的保存和存储完成。

[基于马达控制装置18的效果]

如上所述，马达控制装置18(1)是通过对逆变电路40供给驱动波形来进行马达16(旋转电机)的旋转控制的装置，具有：(2)多个霍尔传感器32(旋转角度传感器)，其沿马达16的旋转方向a固定配置，且分别输出与马达16的旋转角度对应的检测信号；(3)插补角度计算部80，其通过对根据检测信号的组合确定的离散的角度等级进行插补来计算表示旋转角度的插补角度；(4)调制量确定部74，其根据计算出的插补角度来确定调制量；(5)驱动波形生成部76，其通过以所确定的调制量进行脉冲调制来生成驱动波形，(6)调制量确定部74按照马达16的感应电压vi来确定调制量。

另外，使用马达控制装置18的马达16的控制方法(1)通过对逆变电路40供给驱动波形来进行马达16的旋转控制，具有：(2)获取工序，其使用沿马达16的旋转方向a固定配置的多个霍尔传感器32(旋转角度传感器)，分别获取与马达16的旋转角度对应的检测信号；(3)计算工序，其通过对根据检测信号的组合确定的离散的角度等级进行插补，来计算表示旋转角度的插补角度；(4)确定工序，其根据计算出的插补角度来确定调制量；(5)生成工序，其通过以所确定的调制量进行脉冲调制来生成驱动波形，(6)在确定工序中，根据马达16的感应电压vi来确定调制量。

尤其是在使用图2所示的比较廉价的马达16(无刷电机和霍尔传感器的组合)时，响应性和位置精度的降低可能成为问题。因而，根据马达16的感应电压vi来确定驱动波形的调制量，因此，能够将与输出特性的相关性高的感应电压vi反映于调制量，在实现电路结构的简化和装置的低成本化的同时，还能够如计划那样设计输出特性。即，能够在不采用昂贵的装置结构(例如，追加高分辨率的位置传感器)的情况下，提高马达16的控制性。

另外，也可以为：马达控制装置18还具有非易失性存储器64(映射存储部)，该非易失性存储器64存储调制量映射66，该调制量映射66以插补角度为输入变量，以调制量为输出变量，调制量确定部74通过从非易失性存储器64读出调制量映射66并参照调制量映射66来确定调制量。通过读出并参照预先存储的调制量映射66，无需每次都进行计算而能够直接求得调制量。

另外，非易失性存储器64(映射存储部)也可以存储根据感应电压vi的频率特性(图9b的频谱spc)来生成的调制量映射66。

[补充]

另外，本发明并不限定于上述的实施方式，当然能够在没有脱离本发明的主旨的范围内自由地进行变更。或者，也可以在技术上不产生矛盾的范围内将各个结构任意地组合。

例如，在本实施方式中，说明了将马达16(电动机)适用于自动搬运车10的例子，但旋转电机的种类和用途并不限定于该组合。旋转电机的种类例如除了马达16之外，也可以是发电机或电动发电机。另外，旋转电机的用途也可以是包括混合动力车辆、电动汽车、燃料电池车辆、电动摩托车、电动自行车的电动车辆、或者工业用设备。