JP2002233198A - モータ駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 モータ入力電圧が飽和しても非干渉化を行
う。 【解決手段】 演算器１０において検出した電流と電流
指令値の偏差を求める。非干渉化器３０は、得られたｄ
軸電流偏差と、ｑ軸電流偏差とに基づいて、モータへの
ｑ軸入力電圧からの影響を受けずｄ軸入力電圧の影響を
受けるｄ軸偏差信号と、モータへのｄ軸入力電圧からの
影響を受けずｑ軸入力電圧の影響を受けるｑ軸偏差信号
を算出する。そして、この偏差信号が０になるように電
流制御器３２がインバータ１８を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ｄ軸制御とｑ軸制
御を独立して行える非干渉化を行うモータ駆動回路に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、モータの制御として、ベクト
ル制御が知られており、このベクトル制御では、モータ
駆動電流を励磁電流成分であるｄ軸電流とトルク電流で
あるｑ軸電流に分けて制御を行う。

【０００３】さらに、モータの回転制御において、モー
タの出力電流を検出し、これをフィードバック制御する
ことが行われており、この制御の際に出力電流と、モー
タへの入力電圧とを非干渉化する非干渉化器が設けられ
る。

【０００４】すなわち、従来のモータの制御回路におい
ては、図４に示すように、モータ２０の出力電流が電流
検出器２２において検出される。モータ２０は三相の永
久磁石モータであり、ステータの三相コイルに三相交流
電流が供給され回転される。電流検出器２２は、各相の
コイルの電流を検出し、これをロータの永久磁石が作る
磁束と同期して回転しかつ磁束と同一方向をｄ軸と、こ
のｄ軸に直交する方向をｑ軸としたｄ−ｑ軸座標系にお
ける電流に変換する。このｄ軸電流（励磁電流成分）を
ｉｄ、ｑ軸電流（トルク電流成分）をｉｑとする。

【０００５】検出したｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑは、
演算器１０に供給される。この演算器１０には、ｄ軸及
びｑ軸の電流指令値が供給されており、ここでｄ軸及び
ｑ軸の検出電流と、指令値の偏差が演算器１０で求めら
れる。

【０００６】そして、この偏差に基づいて電流制御器１
２が電圧制御値を発生する。この電圧制御値はｄ軸及び
ｑ軸についてのものであり、電流指令と検出電流値の偏
差を解消するためのものである。

【０００７】一方、モータの検出電流ｉｄ、ｉｑは、非
干渉化器１４にも供給される、非干渉化器１４は所定の
演算を行い、ｄ、ｑ軸電圧に相当する電圧ｖｄ（アッパ
ーバー）、ｖｑ（アッパーバー）を出力する。そして、
これらｖｄ（アッパーバー）、ｖｑ（アッパーバー）が
演算器１６に供給され、電流制御器１２からの偏差分の
電圧指令値ｕｄ、ｕｑと加算され、電圧指令値は、ｄ、
ｑ軸に関して非干渉化されている。なお、非干渉化器は
後述する式（４）で示される。

【０００８】そして、演算器１６で得られたｄ、ｑ軸の
電圧指令値は３相変換器２４においてＵＶＷの３相の交
流電圧指令値に変換され、これがインバータ１８に供給
される。インバータ１８では、交流電圧指令値と搬送波
（三角波）に基づいて、ＰＷＭ制御により、スイッチン
グトランジスタを制御し、モータ２０の各相の端子電圧
を決定する。

【０００９】ここで、モータ２０は、式（３）、非干渉
化器１４は、式（４）で表される。

【００１０】

【数３】 ここで、ｉｄ：ｄ軸電流、ｉｑ：ｑ軸電流、ｖｄ：ｄ軸
電圧（モータに実際に加わる電圧）、ｖｑ：ｑ軸電圧
（モータに実際に加わる電圧）、Ｌｄ：ｄ軸インダクタ
ンス、Ｌｑ：ｑ軸インダクタンス、Ｒ：抵抗値、ω：ロ
ータ角速度、Φ：磁石による鎖交磁束数である。

【００１１】

【数４】 電圧指令値ｖｄ（アッパーバー）、ｖｑ（アッパーバ
ー）をＵＶＷの３相に変換したｕｕ、ｕｖ、ｕｗの大き
さが、インバータが与えられる電圧の大きさ以内なら、
一般に電圧指令値ｖｄ（アッパーバー）、ｖｑ（アッパ
ーバー）と実際にモータに供給される電圧値ｖｄ、ｖｑ
とは等しいと見なすことができ、電圧指令値ｕｄ、ｕｑ
を入力と考えた非干渉化器、モータとインバータなどか
らなるシステムは式（５）で表すことができる。

【００１２】

【数５】 このように、非干渉化器１４によって得られるｕｄ、ｕ
ｑは、それぞれｉｄ、ｉｑに依存するがｉｑ、ｉｄには
依存しない。すなわち、モータの駆動制御として、ｄ軸
制御とｑ軸制御を独立して行えることになる。

【００１３】モータの制御において、速度起電力に対応
する項が干渉項となっており、非干渉化器１４は、その
速度起電力をうち消すための処理を行うものである。

【００１４】このようにして、非干渉化器１４を用いる
ことで、電圧指令において非干渉化が行える。特に、こ
の非干渉化方法によれば、非干渉化項がないことによ
り、１入力１出力システムとして制御対象を扱え、制御
系設計が容易になる。また、モータでは、干渉項により
モータ回転周波数近傍に共振が生じているが、非干渉化
により共振を除去でき、共振周波数以外で制御性能を向
上できるというメリットも得られる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この非干渉化
器は上述のように、電圧指令値ｖｄ（アッパーバー）、
ｖｑ（アッパーバー）をＵＶＷの３相に変換したｕｕ、
ｕｖ、ｕｗの大きさが、インバータが与えられる電圧の
大きさ以内という前提条件においてなされている。

【００１６】一方、現実のモータにおいてはインバータ
が与えられる電圧は、インバータに電圧を供給する電源
に制約される。特に電気自動車では、電源にバッテリー
を利用しており、バッテリ電圧で、インバータが与えら
れる電圧が決まる。そのため、電圧指令値ｖｄ（アッパ
ーバー）、ｖｑ（アッパーバー）の大きさが大きくな
り、これらをＵＶＷの３相に変換したｕｕ、ｕｖ、ｕｗ
の大きさが電源電圧（大きさをＶｍａｘ）以上になる
と、瞬時瞬時で電圧指令値ｖｄ（アッパーバー）、ｖｑ
（アッパーバー）と等しい実際にモータに供給される電
圧値ｖｄ、ｖｑを実現することはできず、なにがしかの
非線形補償が必要となる。たとえば、その非線形補償を
ｖｄ＝ｆｄ（ｖｄ（アッパーバー），Ｖｍａｘ），Ｖｑ
＝ｆｑ（ｖｑ（アッパーバー），Ｖｍａｘ）とする。

【００１７】この場合、前述の前提条件が満たされず、
電圧指令値ｖｄ（アッパーバー），ｖｑ（アッパーバ
ー）と実際にモータに供給される電圧値ｖｄ、ｖｑとは
等しいと見なすことができず、電圧指令値ｕｄ、ｕｑを
入力と考えた非干渉化器、モータとインバータなどから
なるシステムは、前述の非干渉化器では、従来例（式
（５））のような非干渉化されたシステムとして考える
ことができない。図５に、従来例において、前述の非干
渉化の条件を満たさないときの、ｉｄ、ｉｑの例を示
す。このように、モータ電流ｉｄ、ｉｑは、干渉項の存
在により振動してしまう。

【００１８】本発明は、上記の課題に鑑みなされたもの
であり、電圧値Ｖｍａｘが電圧指令値ｕｕ、ｕｖ、ｕｗ
を下回る状況が生じても、非干渉化を実質的に行うこと
ができるモータ駆動回路を提供することを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は、入力される電
圧指令値に応じて、永久磁石モータへの供給電流を生成
するインバータと、モータの駆動電流を検出するモータ
駆動電流検出手段と、検出したモータ駆動電流から励磁
電流成分であるｄ軸電流と、トルク成分であるｑ軸成分
を検出する電流検出手段と、検出したｄ軸電流と、ｑ軸
電流と、これらｄ軸電流とｑ軸電流の指令値とのｄ軸電
流偏差と、ｑ軸電流偏差を算出する電流偏差算出手段
と、得られたｄ軸電流偏差と、ｑ軸電流偏差とに基づい
て、モータへのｑ軸入力電圧からの影響を受けずｄ軸入
力電圧の影響を受けるｄ軸偏差信号と、モータへのｄ軸
入力電圧からの影響を受けずｑ軸入力電圧の影響を受け
るｑ軸偏差信号を算出する非干渉手段と、得られたｄ軸
偏差信号と、ｑ軸偏差信号に基づいて、これらｄ軸偏差
信号、ｑ軸偏差信号が０になるようにインバータを制御
する制御手段と、を有することを特徴とする。

【００２０】また、前記非干渉手段は、後述する式
（６）、（７）に応じて算出したｘｄをｄ軸偏差信号、
ｘｑをｑ軸偏差信号として出力することが好適である。

【００２１】このように、本発明によれば、非干渉化手
段によって、モータへのｑ軸入力電圧からの影響を受け
ず、ｄ軸入力電圧の影響を受けるｄ軸偏差信号と、ｄ軸
入力電圧からの影響を受けず、ｑ軸入力電圧の影響を受
けるｑ軸偏差信号を算出する。従って、モータへの実際
の入力電圧と、非干渉化手段の出力の間が非干渉化され
るため、従来のような電圧指令値ｖｄ（アッパーバ
ー）、ｖｑ（アッパーバー）をＵＶＷの３相に変換した
ｕｕ、ｕｖ、ｕｗの大きさが、インバータが与えられる
電圧の大きさ以内という仮定が不要となり、この条件が
成立しない範囲でも非干渉が行える。

【００２２】また、本発明は、入力される電圧指令値に
応じて、永久磁石モータへの供給電流を生成するインバ
ータと、モータの駆動電流を検出するモータ駆動電流検
出手段と、検出したモータ駆動電流から励磁電流成分で
あるｄ軸電流と、トルク成分であるｑ軸成分を検出する
電流検出手段と、検出したｄ軸電流と、ｑ軸電流と、こ
れらｄ軸電流とｑ軸電流の指令値とのｄ軸電流偏差と、
ｑ軸電流偏差を算出する電流偏差算出手段と、得られた
ｄ軸電流偏差と、ｑ軸電流偏差とに基づいて、低周波領
域において、モータへのｑ軸入力電圧からの影響を受け
ずｄ軸入力電圧の影響を受けるｄ軸偏差信号と、モータ
へのｄ軸入力電圧からの影響を受けずｑ軸入力電圧の影
響を受けるｑ軸偏差信号を算出する非干渉手段と、得ら
れたｄ軸偏差信号と、ｑ軸偏差信号に基づいて、これら
ｄ軸偏差信号、ｑ軸偏差信号が０になるようにインバー
タを制御する制御手段と、を有することを特徴とする。

【００２３】また、前記非干渉手段は、後述する式（１
２）に応じて算出したｘｄをｄ軸偏差信号、ｘｑをｑ軸
偏差信号として出力することが好適である。

【００２４】このように、非干渉化手段は、得られたｄ
軸電流偏差と、ｑ軸電流偏差とに基づいて、低周波領域
において、モータへのｑ軸入力電圧からの影響を受けず
ｄ軸入力電圧の影響を受けるｄ軸偏差信号と、モータへ
のｄ軸入力電圧からの影響を受けずｑ軸入力電圧の影響
を受けるｑ軸偏差信号を算出する。従って、低周波領域
という限定はつくが、比較的容易な計算により実質的な
非干渉化が行える。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、図面に基づいて説明する。

【００２６】図１は、実施形態の構成を示すブロック図
である。モータ２０の各相のモータ電流は、ｉｄ：ｄ軸
電流、ｉｑ：ｑ軸電流として検出され、演算器１０に供
給される。演算器１０は、外部のマイコンなどから供給
される電流指令ｉｄｒ、ｉｑｒが供給されており、この
電流指令ｉｄｒ、ｉｑｒと、検出モータ電流値ｉｄ、ｉ
ｑの偏差（ｉｄｒ−ｉｄ）、（ｉｑｒ−ｉｑ）を算出す
る。そして、この偏差が非干渉化器３０に供給される。
そして、非干渉化器３０は、供給される偏差に基づき、
非干渉化したｄ軸電流に相当する偏差出力ｘｄと、ｑ軸
電流に相当する偏差出力ｘｑを算出出力する。

【００２７】そして、この非干渉化器３０の偏差出力ｘ
ｄ、ｘｑは電流制御器３２に供給され、この電流制御器
３２は、この偏差出力ｘｄ、ｘｑが０になるように、電
圧指令値ｖｄ（−）、ｖｑ（−）を演算算出し、３相変
換器２４で３相の指令に変換した後インバータ１８に供
給する。これによって、インバータ１８が偏差出力ｘ
ｄ、ｘｑが０になるように制御される。すなわち、イン
バータ１８内のスイッチングトランジスタのオンオフを
制御して、所定の電流が三相のモータ２０の各相に順次
供給されるようにする。そして、モータ端子電圧は、イ
ンバータのスイッチングトランジスタのデューティー比
を電流制御器３２からの制御信号と前述の非線形関数に
応じて制御するＰＷＭ制御により達成される。

【００２８】このようにして、インバータ１８からの駆
動電流がモータ２０に供給され、モータ２０が入力され
た電流指令ｉｄｒ、ｉｑｒに基づいて制御される。特
に、本実施形態においては、電流偏差について非干渉化
器３０において、非干渉化し、偏差出力ｘｄ、ｘｑを得
る。このｘｄ、ｘｑは互いに独立（干渉しない）であ
り、それぞれ独立に制御することができる。

【００２９】「第１実施形態」ここで、非干渉化器３０
の内容について説明する。非干渉化器３０は、次の式
（６）（７）で表される処理を行う。

【００３０】

【数６】

【数７】 ここで、ｉｄ：ｄ軸電流、ｉｑ：ｑ軸電流、ｉｄｒ：ｄ
軸電流指令値、ｉｑｒ：ｑ軸電流指令値、ｖｄ：ｄ軸電
圧（モータに実際に加わる電圧）、ｖｑ：ｑ軸電圧（モ
ータに実際に加わる電圧）、Ｌｄ：ｄ軸インダクタン
ス、Ｌｑ：ｑ軸インダクタンス、Ｒ：抵抗値、ω：ロー
タ角速度、Φ：磁石による鎖交磁束数、ｘｄ：非干渉化
器のｄ軸偏差出力、ｘｑ：非干渉化器のｑ軸偏差出力、
ｊｄ：非干渉化器のｄ軸状態量、ｊｑ：非干渉化器のｑ
軸状態量、ωｄ：係数である。

【００３１】このような式（６）及び式（７）により、
電流偏差（ｉｄｒ−ｉｄ）、（ｉｑｒ−ｉｑ）が偏差出
力ｘｄ、ｘｑに変換される。

【００３２】この偏差出力ｘｄ、ｘｑを上述の式（３）
のモータの式に当てはめることによって、偏差出力ｘ
ｄ、ｘｑが非干渉化されていることがわかる。これにつ
いて以下に説明する。

【００３３】まず、式（３）のモータの式をラプラス変
換すると、式（８）となる。なお、式（３）の右辺第３
項は、除いてある。

【００３４】

【数８】 一方、非干渉化器の式（４）をラプラス変換すると、式
（９）となる。

【００３５】

【数９】 なお、ｉｄｒ、ｉｑｒは、非干渉化には関係ないため、
０とした。

【００３６】式（８）、式（９）から式（１０）が導か
れる。

【００３７】

【数１０】 式（１０）を整理すると、式（１１）のようになる。

【００３８】

【数１１】 このように、Ｘ（−）とＶ間が非干渉化されている。す
なわち、ｘｄ、ｘｑはそれぞれｖｄ，ｖｑに依存する
が、ｖｑ、ｖｄには依存しない。

【００３９】図２は、本実施形態において、電圧飽和領
域（電圧指令が最大電圧以上となる領域）において、制
御を行った例である。このように、非干渉化が行えてい
るため、モータ電流ｉｄ、ｉｑが指令に追従して制御さ
れることがわかる。なお、図中破線が指令電流値であり
実線が実際のモータ電流値である。

【００４０】「第２実施形態」また、非干渉化器３０と
して、次の式（１２）の構成をとることもできる。

【００４１】

【数１２】 このように、第２実施形態においては、干渉項は残って
いる。しかし、ｘｄ＝Ｒ（ｉｄｒ−ｉｄ）＋ωＬｑ（ｉ
ｑｒ−ｉｑ）、ｘｑ＝−ωＬｄ（ｉｄｒ−ｉｄ）＋Ｒ
（ｉｑｒ−ｉｑ）であり、同軸の電流偏差については抵
抗Ｒが乗算され、他軸の電流偏差については角速度及び
インダクタンスが乗算されている。従って、低周波数に
ついては、他軸の電流偏差の影響が小さくなる。

【００４２】そして、一般的なモータ２２の物理諸元、
ロータ回転速度を勘案すると、実質的な非干渉化を達成
することができる。

【００４３】図３に、第１及び第２実施形態の装置にお
いて、制御した場合における周波数依存性を示す。図中
実線が第１実施形態、破線が第２実施形態を示してお
り、左図は縦軸はＶｄ，ＶｑからＸｄ間での伝達関数の
大きさ（単位：ｄＢ）、右図縦軸はＶｄ，ＶｑからＸｑ
までの伝達関数の大きさ（単位：ｄＢ）を示している。
このように、１００Ｈｚ以下の領域では、第１実施形態
及び第２実施形態とも好適な制御が行えることがわか
る。

【００４４】なお、図３には、干渉項の周波数依存性に
ついても併せて破線で示しており、１００Ｈｚ以上の領
域において、第２実施形態では、干渉項の影響が生じて
いることが分かる。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
非干渉化手段によって、モータへのｑ軸入力電圧からの
影響を受けず、ｄ軸入力電圧の影響を受けるｄ軸偏差信
号と、ｄ軸入力電圧からの影響を受けず、ｑ軸入力電圧
の影響を受けるｑ軸偏差信号を算出する。従って、モー
タへの実際の入力電圧と、非干渉化手段の出力の間が非
干渉化されるため、入力電圧が飽和するような条件でも
非干渉化が行える。

【００４６】また、非干渉化手段は、得られたｄ軸電流
偏差と、ｑ軸電流偏差とに基づいて、低周波領域におい
て、モータへのｑ軸入力電圧からの影響を受けずｄ軸入
力電圧の影響を受けるｄ軸偏差信号と、モータへのｄ軸
入力電圧からの影響を受けずｑ軸入力電圧の影響を受け
るｑ軸偏差信号を算出することで、低周波領域という限
定はつくが、比較的容易な計算により実質的な非干渉化
が行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施形態の構成を示すブロック図である。

【図２】 第１実施形態のｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑ
の特性を示す図である。

【図３】 第１及び第２実施形態における非干渉化の特
性を示す図である。

【図４】 従来例の構成を示すブロック図である。

【図５】 従来例のｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流の特性を示
す図である。

【符号の説明】

１０ 演算器、３０ 非干渉化器、３２ 電流制御器、
１８ インバータ、２０ モータ、２２ 電流検出器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大谷 裕樹 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 佐藤 栄次 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 5H560 BB04 BB12 DA14 DC12 EB01 XA02 XA13 5H576 AA15 CC01 DD02 DD07 EE01 EE11 GG04 HA02 HB01 LL22

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力される電圧指令値に応じて、永久磁
   石モータへの供給電流を生成するインバータと、 モータの駆動電流を検出するモータ駆動電流検出手段
   と、 検出したモータ駆動電流から励磁電流成分であるｄ軸電
   流と、トルク成分であるｑ軸成分を検出する電流検出手
   段と、 検出したｄ軸電流と、ｑ軸電流と、これらｄ軸電流とｑ
   軸電流の指令値とのｄ軸電流偏差と、ｑ軸電流偏差を算
   出する電流偏差算出手段と、 得られたｄ軸電流偏差と、ｑ軸電流偏差とに基づいて、
   モータへのｑ軸入力電圧からの影響を受けずｄ軸入力電
   圧の影響を受けるｄ軸偏差信号と、モータへのｄ軸入力
   電圧からの影響を受けずｑ軸入力電圧の影響を受けるｑ
   軸偏差信号を算出する非干渉手段と、 得られたｄ軸偏差信号と、ｑ軸偏差信号に基づいて、こ
   れらｄ軸偏差信号、ｑ軸偏差信号が０になるようにイン
   バータを制御する制御手段と、 を有することを特徴とするモータ駆動回路。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の回路において、 前記非干渉手段は、下式に応じて算出したｘｄをｄ軸偏
   差信号、ｘｑをｑ軸偏差信号として出力することを特徴
   とするモータ駆動回路。 【数１】 ここで、ｉｄ：ｄ軸電流、ｉｑ：ｑ軸電流、ｉｄｒ：ｄ
   軸電流指令値、ｉｑｒ：ｑ軸電流指令値、ｖｄ：ｄ軸電
   圧（モータに実際に加わる電圧）、ｖｑ：ｑ軸電圧（モ
   ータに実際に加わる電圧）、Ｌｄ：モータのｄ軸インダ
   クタンス、Ｌｑ：モータのｑ軸インダクタンス、Ｒ：モ
   ータの抵抗値、ω：モータのロータ角速度、Φ：モータ
   の永久磁石による鎖交磁束数、ｘｄ：非干渉化器のｄ軸
   偏差出力、ｘｑ：非干渉化器のｑ軸偏差出力、ｊｄ：非
   干渉化器のｄ軸状態量、ｊｑ：非干渉化器のｑ軸状態
   量、ωｄ：係数である。
3. 【請求項３】 入力される電圧指令値に応じて、永久磁
   石モータへの供給電流を生成するインバータと、 モータの駆動電流を検出するモータ駆動電流検出手段
   と、 検出したモータ駆動電流から励磁電流成分であるｄ軸電
   流と、トルク成分であるｑ軸成分を検出する電流検出手
   段と、 検出したｄ軸電流と、ｑ軸電流と、これらｄ軸電流とｑ
   軸電流の指令値とのｄ軸電流偏差と、ｑ軸電流偏差を算
   出する電流偏差算出手段と、 得られたｄ軸電流偏差と、ｑ軸電流偏差とに基づいて、
   低周波領域において、モータへのｑ軸入力電圧からの影
   響を受けずｄ軸入力電圧の影響を受けるｄ軸偏差信号
   と、モータへのｄ軸入力電圧からの影響を受けずｑ軸入
   力電圧の影響を受けるｑ軸偏差信号を算出する非干渉手
   段と、 得られたｄ軸偏差信号と、ｑ軸偏差信号に基づいて、こ
   れらｄ軸偏差信号、ｑ軸偏差信号が０になるようにイン
   バータを制御する制御手段と、 を有することを特徴とするモータ駆動回路。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の回路において、 前記非干渉手段は、下式に応じて算出したｘｄをｄ軸偏
   差信号、ｘｑをｑ軸偏差信号として出力することを特徴
   とするモータ駆動回路。 【数２】 ここで、ｉｄ：ｄ軸電流、ｉｑ：ｑ軸電流、ｉｄｒ：ｄ
   軸電流指令値、ｉｑｒ：ｑ軸電流指令値、Ｌｄ：モータ
   のｄ軸インダクタンス、Ｌｑ：モータのｑ軸インダクタ
   ンス、Ｒ：モータの抵抗値、ω：モータのロータ角速
   度、ｘｄ：非干渉化器のｄ軸偏差出力、ｘｑ：非干渉化
   器のｑ軸偏差出力である。