特許ウォッチ

公開番号2024120855
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-09-05
出願番号2024012574
出願日2024-01-31
発明の名称ブラシレスDCモータの回転速度推定方法および制御装置
出願人国立大学法人信州大学,シナノケンシ株式会社
代理人個人,個人
主分類H02P 6/17 20160101AFI20240829BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】磁気センサで観測した情報からブラシレスDCモータの回転速度をより高精度に推定することができるブラシレスDCモータの回転速度推定方法を提供する。
【解決手段】ブラシレスDCモータの回転速度推定方法は、カルマンゲインの調整パラメータ(r)が、時変値r[k]となるように、カルマンフィルタ54を設定するカルマンフィルタ設定ステップST2と、磁気センサ13のそれぞれから出力される検出パルス信号を取得する検出パルス信号取得ステップST3と、取得した検出パルス信号から得られる連続パルスから、ロータの観測回転速度を算出する回転速度算出ステップST4と、カルマンゲインの調整パラメータ(r)を前回の推定回転速度を用いて更新するカルマンフィルタ更新ステップST5と、カルマンフィルタ54に観測回転速度を入力し観測誤差雑音が除去されたロータの回転速度を推定する回転速度推定ステップST6と、を含む。
【選択図】図6
特許請求の範囲【請求項１】
ロータの磁極を検出する複数の磁気センサの出力に基づき前記ロータの回転速度を算出し、算出した前記回転速度をカルマンフィルタに通して、前記ロータの実際の回転速度を推定するブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法であって、
前記カルマンフィルタのカルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が、次の式１で表される時変値ｒ［ｋ］となるように、前記カルマンフィルタを設定するカルマンフィルタ設定ステップと、
TIFF
2024120855000029.tif
31
170
前記複数の磁気センサのそれぞれから出力される検出パルス信号を所定のサンプリング周期で取得する検出パルス信号取得ステップと、
各サンプリング時刻で取得した前記検出パルス信号の排他的論理和（ＸＯＲ）をとって得られる連続パルスから、前記ロータの回転速度を、観測回転速度として算出する回転速度算出ステップと、
今回のサンプリング時刻において使用する前記カルマンフィルタのカルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）を、前回のサンプリング時刻において推定された前回の推定回転速度を用いて更新するカルマンフィルタ更新ステップと、
前記カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が更新された前記カルマンフィルタに、今回のサンプリング時刻において算出された前記観測回転速度を入力し、前記観測回転速度に含まれる前記磁気センサの位置誤差および前記ロータ磁極の位置誤差に起因する観測誤差雑音が除去された前記ロータの回転速度を推定する回転速度推定ステップと、
を含むことを特徴とするブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法。
続きを表示（約 2,600 文字）【請求項２】
前記係数（ｈ
ω
）を、次の式２に示すように、前記ロータを一定回転速度で駆動させて観測される前記ロータ１回転分の前記連続パルスの各エッジ間の回転速度のそれぞれに含まれる前記観測誤差雑音に基づき設定する、請求項１記載のブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法。
TIFF
2024120855000030.tif
35
170
【請求項３】
前記ブラシレスＤＣモータは８極の３相モータであり、
前記連続パルスから前記ロータ１回転あたり得られる２４パルスを用いて、前記カルマンゲインの調整パラメータｒ［ｋ］が設計されている、請求項２記載のブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法。
【請求項４】
前記カルマンフィルタの事前共分散行列の調整パラメータ（ｑ）に、指令電圧に重畳しているシステム雑音の分散値を設定する、請求項１記載のブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法。
【請求項５】
前記カルマンフィルタ設定ステップでは、
前記カルマンフィルタの前記カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）を、前記の式１の代わりに、次の式３で表される時変値ｒ［ｋ］を設定し、
TIFF
2024120855000031.tif
78
170
カルマンゲイン、共分散行列、および状態推定値の算出式に用いられるＣ行列に、前記観測誤差雑音の観測値の偏りを考慮したＣ行列（Ｃρ）を用いる、請求項１記載のブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法。
【請求項６】
前記回転速度推定ステップでは、
前記回転速度算出ステップで算出された前記観測回転速度が前記連続パルスのエッジ間の時間経過直後の最初のサンプリングにおいて得られたものである場合に、前記カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が更新された前記カルマンフィルタに、今回のサンプリング時刻において算出された前記観測回転速度を入力し、前記観測回転速度に含まれる前記磁気センサの位置誤差および前記ロータ磁極の位置誤差に起因する観測誤差雑音が除去された前記ロータの回転速度を推定し、
前記観測回転速度が前記連続パルスのエッジ間の時間経過直後の最初のサンプリングにおいて得られたものでない場合には、前記カルマンフィルタにおける状態推定値の算出式を、前記観測回転速度が前記連続パルスのエッジ間の時間経過直後の最初のサンプリングにおいて得られたものである場合に用いる式とは別の式を用いて、事前状態推定値と同じであるものを状態推定値とする、請求項１～５のいずれか一項に記載のブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法。
【請求項７】
前記カルマンフィルタには、状態推定値の算出式に、前記観測回転速度をパラメータに含む第１の処理用カルマンフィルタ数学モデルと、前記観測回転速度をパラメータに含まない第２の処理用カルマンフィルタ数学モデルと、を設定しておき、
前記観測回転速度が前記連続パルスのエッジ間の時間経過直後の最初のサンプリングにおいて得られたものである場合には、前記カルマンフィルタ更新ステップおよび前記回転速度推定ステップにおいて、前記第１の処理用カルマンフィルタ数学モデルを用い、
前記観測回転速度が前記連続パルスのエッジ間の時間経過直後の最初のサンプリングにおいて得られたものでない場合には、前記カルマンフィルタ更新ステップおよび前記回転速度推定ステップにおいて、前記第２の処理用カルマンフィルタ数学モデルを用いる、請求項６記載のブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法。
【請求項８】
ロータの磁極を検出し出力する複数の磁気センサを有するブラシレスＤＣモータに接続され、前記ブラシレスＤＣモータを駆動制御するよう構成されたブラシレスＤＣモータの制御装置であって、
制御指令に基づき前記ロータを目標回転速度で回転駆動させるよう構成されたモータ駆動部と、
前記複数の磁気センサのそれぞれから出力される検出パルス信号を所定のサンプリング周期で取得する検出パルス信号取得部と、
各サンプリング時刻で取得した前記検出パルス信号の排他的論理和（ＸＯＲ）をとって得られる連続パルスから、前記ロータの回転速度を、観測回転速度として算出する回転速度算出部と、
カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が、次の式１で表される時変値ｒ［ｋ］となるように設計されており、前記回転速度算出部が算出した前記観測回転速度が通されて、前記観測回転速度に含まれる前記磁気センサの位置誤差および前記ロータ磁極の位置誤差に起因する観測誤差雑音を除去した前記ロータの回転速度を推定するカルマンフィルタと、
TIFF
2024120855000032.tif
31
170
今回のサンプリング時刻において使用する前記カルマンフィルタのカルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）を、前回のサンプリング時刻において推定された前回の推定回転速度を用いて更新するカルマンフィルタ更新部と、
前記目標回転速度に追従させるよう、前記カルマンフィルタ更新部によって前記カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が更新された前記カルマンフィルタにより推定された推定回転速度と前記目標回転速度とに基づき前記制御指令を生成し、前記制御指令を前記モータ駆動部に出力するモータ制御指令部と、を備えているブラシレスＤＣモータの制御装置。
【請求項９】
前記カルマンフィルタは、前記係数（ｈ
ω
）が次の式２に示すように、前記ロータを一定回転速度で駆動させて観測される前記ロータ１回転分の前記連続パルスの各エッジ間の回転速度のそれぞれに含まれる前記観測誤差雑音に基づき設定されている、請求項８記載のブラシレスＤＣモータの制御装置。
TIFF
2024120855000033.tif
35
170
【請求項１０】
前記カルマンフィルタは、事前共分散行列の調整パラメータ（ｑ）に、指令電圧に重畳しているシステム雑音の分散値が設定されている、請求項８記載のブラシレスＤＣモータの制御装置。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法、および、この回転速度推定方法を利用したブラシレスＤＣモータの制御装置に関する。
続きを表示（約 2,200 文字）【背景技術】
【０００２】
ブラシレスＤＣモータは、シンプルかつ制御性が良く、工業製品やコンピュータ周辺機器など様々な分野で多用されている。ブラシレスＤＣモータは、通常、ホールセンサおよびロータリエンコーダを用い回転速度を観測しながら所望の回転速度と一致するよう制御されて使用される。ブラシレスＤＣモータに対しては、より安価にしたいという要求やより軽量化したいという要求がある。そこで、ホールセンサが安価で取り付けが容易であるのに対し、精密部品であるロータリエンコーダが高価で重いことから、ロータリエンコーダを用いずにホールセンサで観測した情報から回転速度を推定してブラシレスＤＣモータを制御する方法が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
特許文献１で開示されているブラシレスモータの電気角推定方法では、ブラシレスＤＣモータの回転子を目標回転速度で回転させるＰＷＭ駆動電圧の演算に用いる電気角を、ＰＷＭ駆動電圧における周期を利用して推定する。この周期は、ホールセンサで検出された立ち上がりエッジを基に算出される（特許文献１の段落００４４－００４８参照）。
【０００４】
一方で近年、ブラシレスＤＣモータをより高精度で制御して使用したいという要求が高まっている。そこで、カルマンフィルタを用い回転速度を推定してブラシレスＤＣモータを制御する方法が開示されている（例えば、特許文献２）。
【０００５】
特許文献２で開示されている方法では、モータ角度検出センサにより検出されたモータ角度を入力とし、カルマンフィルタを用いて、回転速度を推定する。この推定された回転速度は、モータのトルクリップルを推定するために用いられる（特許文献２の段落００２３－００２７参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
特開２０１１－０３０３７１号公報
特開２０２１－０２７７４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
より安価にしたいという要求やより軽量化したいという要求に対応すべく、ロータリエンコーダを用いずにホールセンサで観測した情報から回転速度を推定してブラシレスＤＣモータを制御する方法を採用する場合には、ホールセンサの配置誤差やロータの磁極の配置誤差（以降、「位置誤差」と記載する。）が原因で観測誤差が大きく生じてしまう問題がある。それにより、ブラシレスＤＣモータの目標回転速度への追従性を悪化させてしまう虞がある。
【０００８】
そこで、観測誤差の影響を抑制するためにカルマンフィルタを用いて回転速度を推定する方法が有効であるものと考える。しかしながら、特許文献２で開示されている方法等の従来知られているカルマンフィルタを用いる方法では、ロータリエンコーダを用いることを前提としており、より安価でより軽量化するためには不利となる。
【０００９】
本発明の主目的は、このような点に鑑みて、ロータリエンコーダを用いずにホールセンサといった磁気センサで観測した情報からブラシレスＤＣモータの回転速度をより高精度に推定することができるブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法を提案することにある。併せて、本発明の目的は、この回転速度推定方法を利用し、磁気センサで観測した情報からでもブラシレスＤＣモータを目標回転速度に高精度で追従させて制御することが可能な制御装置を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
［１］上記課題を解決すべく、ブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法は、ロータの磁極を検出する複数の磁気センサの出力に基づきロータの回転速度を算出し、算出した回転速度をカルマンフィルタに通して、ロータの実際の回転速度を推定するブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法であって、カルマンフィルタのカルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が、次の式１で表される時変値ｒ［ｋ］となるように、カルマンフィルタを設定するカルマンフィルタ設定ステップと、
TIFF
2024120855000002.tif
31
170
複数の磁気センサのそれぞれから出力される検出パルス信号を所定のサンプリング周期で取得する検出パルス信号取得ステップと、各サンプリング時刻で取得した検出パルス信号の排他的論理和（ＸＯＲ）をとって得られる連続パルスから、ロータの回転速度を、観測回転速度として算出する回転速度算出ステップと、今回のサンプリング時刻において使用するカルマンフィルタのカルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）を、前回のサンプリング時刻において推定された前回の推定回転速度を用いて更新するカルマンフィルタ更新ステップと、カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が更新されたカルマンフィルタに、今回のサンプリング時刻において算出された観測回転速度を入力し、観測回転速度に含まれる磁気センサの位置誤差およびロータ磁極の位置誤差に起因する観測誤差雑音が除去されたロータの回転速度を推定する回転速度推定ステップと、を含むことを特徴とする。
（【００１１】以降は省略されています）

関連特許