JP2009195049A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】３相交流モータのトルクリプルを低減しながらモータ効率の向上を図る。
【解決手段】指令値生成部１１は、トルク指示信号に応じて電流指令値を生成する。フィードバック制御系は、電流指令値に従って、モータ電流を生成してモータ１００を制御する。電流指令値は、基本波電流指令値Ｉd*、Ｉq*及び高調波電流指令値Ｉdn*、Ｉqn*を含む。指令値Ｉd*、Ｉq*は、基本波電流の電気位相角が４５度に保持されるように生成される。指令値Ｉdn*、Ｉqn*は、トルクリプルを低減し且つ高調波電流の電気位相角が４５度に保持されるように生成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、３相交流モータを制御するモータ制御装置に係わる。

３相交流モータは、従来より、様々な分野で広く利用されてきている。例えば、大型の３相交流モータは、電動車両またはハイブリッド車両の走行用モータとして実用化されている。

ところが、３相交流モータは構造上の要因から、図９に示すように、モータ電流の周期の６ｎ倍の周期を持ったトルクリプルが発生する。
上述のトルクリプルは、ｄｑ座標系において６ｎ次の電流を重畳することで抑制することができる。そして、特許文献１には、トルクリプルを低減するための技術が記載されている。

特許文献１に記載のモータ制御装置は、トルクリプル演算手段、トルクリプル低減高調波電流指令値生成器、高調波電流制御回路を備える。トルクリプル演算手段は、ｄｑ座標系における基本波電流と永久磁石による電気子鎖交磁束の高調波成分に起因するトルクリプルを演算する。トルクリプル低減高調波電流指令値生成器は、トルクリプル演算手段によって演算されたトルクリプルと逆位相のトルクを生じさせる高調波電流指令値を演算する。そして、高調波電流制御回路は、この高調波電流指令値に基づいて高調波電流を制御する。これにより、モータのトルクリプルが低減する。
特開２００４−６４９０９号公報（図４など）

モータを効率よく動作させるためには、一般に、最大トルクを発生させるように電流位相角を制御する必要がある。しかし、従来技術においては、トルクリプルの低減、およびモータ効率の向上の両立が図られていなかった。すなわち、例えば、特許文献１に記載のモータ制御装置においては、トルクリプルを低減するために高調波電流を印加することにより、電流位相角が最大トルク発生点からずれてしまい、モータ効率が低下していた。

本発明の目的は、３相交流モータにおいて、トルクリプルを低減しながらモータ効率を向上させることである。

本発明のモータ制御装置は、３相交流モータを制御する構成であって、トルク指示信号に応じて、前記３相交流モータのモータ電流の基本波成分である基本波電流の目標値を表す基本波電流指令値、および前記基本波電流指令値の整数倍の周波数を持った高調波成分である高調波電流の目標値を表す高調波電流指令値を生成する指令値生成手段と、前記基本波電流指令値および前記高調波電流指令値に従って、前記３相交流モータに与えるモータ電流を制御する電流制御回路、を備える。そして、前記指令値生成手段は、前記高調波電流の電流位相角が前記基本波電流の電流位相角と概ね同位相角に保持されるように、前記基本波電流指令値および前記高調波電流指令値を生成する。なお、指令値生成手段は、例えば、前記高調波電流の電流位相角が前記基本波電流の電流位相角に対して±１５度の範囲内に保持されるように、前記基本波電流指令値および前記高調波電流指令値を生成する。

このモータ制御装置においては、高調波電流指令値を適切に生成することでトルクリプルを抑制することができる。また、基本波電流および高調波電流の電流位相角が互いに概ね同じになるように制御されるので、基本波電流が最大トルク出力となるように制御される場合には、高調波電流によってモータ電流の位相角が最大トルク点からずれることはない。よって、トルクリプルを抑制しながら、モータの効率を高めることができる。

前記基本波電流指令値のｄ軸成分とｑ軸成分との比率を、前記高調波電流指令値のｄ軸成分とｑ軸成分との比率と概ね同じにするようにしてもよい。この構成によれば、ｄｑ座標系で電流指令値を生成することができる。

前記高調波電流指令値は、例えば、前記高調波電流が前記基本波電流によって発生するトルクリプルを低減させるように生成する。また、前記基本波電流指令値および前記高調波電流指令値は、例えば、前記３相交流モータのトルクがほぼ最大となるように決定される。この構成によれば、トルクリプルの抑制、およびモータ効率の向上の双方が実現される。

本発明によれば、３相交流モータにおいてトルクリプルを低減しながらモータ効率を向上させることができる。

図１は、本発明の実施形態のモータ制御装置の構成を示す図である。実施形態のモータ制御装置１は、トルク指示信号に応じてモータ１００を制御する。トルク指示信号は、例えば、ユーザにより与えられる。モータ１００が電動車両の走行用モータである場合は、トルク指示信号は、アクセルの踏込み角度を表す情報である。モータ１００は、この実施例では、３相交流モータである。また、モータ１００は、例えば、埋込み磁石構造の同期モータＩＰＭＳＭ（Interior Permanent Magnet Synchronous Motor）である。

図２は、モータ１００についての電流位相角βとトルクの関係を示す図である。ここで、電流位相角βは、ｄｑ座標系におけるｑ軸に対する進み角を表す。ｄｑ座標系は、ＵＶＷ座標系からモータ１００の回転に同期した回転座標変換した座標系である。ｄ軸は、回転子の磁束方向であり、ｑ軸は、ｄ軸から９０度進んだ方向である。

モータ１００は、電流位相角βに応じて、マグネットトルクおよびリラクタンストルクを発生させる。マグネットトルクは、電流位相角βがゼロであるときに最大である。そして、マグネットトルクは、電流位相角βの絶対値が大きくなるにつれて低下してゆき、電流位相角βが±９０度になるとゼロになる。一方、リラクタンストルクは、電流位相角βがゼロまたは±９０度であるときにゼロとなり、０〜９０度の領域で正の値となり、０〜−９０度の領域で負の値となる。

モータ１００の総トルクは、マグネットトルクおよびリラクタンストルクの和である。そして、図２に示す例では、電流位相角βが４５度であるときに、総トルクが最大になっている。換言すれば、モータ１００は、電流位相角βを４５度に保持した状態で制御すれば、効率が向上する。すなわち、モータ１００の効率を向上させるためには、電流位相角βを概ね４５度に保持する必要がある。

図１に戻る。指令値生成部１１は、トルク指示信号に応じて、電流指令値を生成する。電流指令値は、ｄｑ座標系におけるｄ軸成分指令値およびｑ軸成分指令値で表される。図１に示すモータ制御装置１においては、ｄ軸成分指令値は「Ｉd*＋Ｉdn*」で表され、ｑ軸成分指令値は「Ｉq*＋Ｉqn*」で表される。「Ｉd*」は基本波電流のｄ軸成分の目標値であり、「Ｉdn*」は高調波電流のｄ軸成分の目標値である。同様に、「Ｉq*」は基本波電流のｑ軸成分の目標値であり、「Ｉqn*」は高調波電流のｑ軸成分の目標値である。なお、指令値生成部１１が電流指令値を生成する方法については、後で詳しく説明する。

誤差演算部１２は、上述したｄ軸電流指令値とｄ軸電流検出値Ｉdとの誤差を表すｄ軸電流誤差値を演算する。同様に、誤差演算部１３は、上述したｑ軸電流指令値とｑ軸電流検出値Ｉqとの誤差を表すｑ軸電流誤差値を生成する。なお、誤差演算部１２、１３は、例えば、減算器により実現される。

ｄｑ電流制御部１４は、ｄ軸電流誤差値およびｑ軸電流誤差値に対してＰＩ演算を行うことにより、電圧指令値Ｖd*、Ｖq*を生成する。２相／３相変換部１５は、モータ１００の位相θに基づいて、ｄｑ座標系の電圧指令値Ｖd*、Ｖq*を、ＵＶＷ座標系の電圧指令値Ｖu*、Ｖv*、Ｖw*に変換する。電力変換部１６は、例えば、ＩＧＢＴ等の半導体素子を含むインバータ回路であって、電圧指令値Ｖu*、Ｖv*、Ｖw*に相当する電圧をＰＷＭ制御等によりモータ１００に与える。

位相演算部１７は、モータ１００の位相θを検出する。検出した位相θは、２相／３相変換部１５および３相／２相変換部１８に与えられる。３相／２相変換部１８は、モータ１００の位相θに基づいて、ＵＶＷ座標系のモータ電流Ｉu、Ｉv、Ｉwを、ｄｑ座標系のモータ電流Ｉd、Ｉq（ｄ軸電流検出値Ｉd、ｑ軸電流検出値Ｉq）に変換する。ここで、３相／２相変換部１８は、Ｉu、Ｉv、Ｉwの中の任意の２つ（図１では、Ｉu、Ｉw）から他の１つを求めることができる。よって、実施例では、Ｉu、Ｉwを検出するための電流センサが設けられている。

上記構成のモータ制御装置１は、ｄ軸電流誤差値およびｑ軸電流誤差値を最小化するフィードバック系を備える。このフィードバック系により、モータ１００は、電流指令値に制御される。なお、上記構成のモータ制御装置１において、指令値生成部１１、誤差演算部１２、１３、ｄｑ電流制御部１４、２相／３相変換部１５、位相演算部１７、３相／２相変換部１８は、この実施例では、プロセッサを用いてソフトウェアプログラムを実行することにより実現される。

本発明に係る基本波電流制御手段および高調波電流制御手段は、例えば、図１に示す誤差演算部１２、１３、ｄｑ電流制御部１４、２相／３相変換部１５、電力変換部１６、位相演算部１７、３相／２相変換部１８に相当し、制御手段は、例えば、指令値生成部１１に相当する。また、本発明の他の態様の指令値生成手段は、例えば、指令値生成部１１に相当し、電流制御回路は、例えば、誤差演算部１２、１３、ｄｑ電流制御部１４、２相／３相変換部１５、電力変換部１６、位相演算部１７、３相／２相変換部１８に相当する。

次に、指令値生成部１１が指令値を生成する方法について説明する。指令値生成部１１は、与えられるトルク指示信号に応じて、電流指令値を生成する。
図３は、指令値生成部１１の動作を示すフローチャートである。このフローチャートの処理は、例えば、定期的に繰り返し実行される。

ステップＳ１では、トルク指示信号を読み込む。ステップＳ２では、トルク指示信号に応じて基本波電流指令値（即ち、生成すべき基本波電流）Ｉdq*を算出する。基本波電流指令値Ｉdq*は、モータ１００のｄｑ座標系における電流ベクトルである。ここで、この基本波電流指令値Ｉdq*の大きさは、トルク指示信号に対して一意に決まっているものとする。また、基本波電流指令値Ｉdq*の電流位相角βは、モータ１００の総トルクが最大となるように決定される。図２に示す例では、「β＝４５度」が得られる。そして、基本波電流指令値のｄ軸成分Ｉd*およびｑ軸成分Ｉq*は、下式により得られる。
Ｉq*＝Ｉdq* cosβ
Ｉd*＝−Ｉdq* sinβ
図４は、ステップＳ２で算出される基本波電流指令値を模式的に示す図である。ここでは、「β＝４５度」である場合を示している。なお、基本波電流指令値Ｉd*、Ｉq*は、トルク指示信号が一定であれば、ｄｑ座標系上では一定である。

ステップＳ３では、モータ１００に対して予め作成してある特性マップから、係数Ｒおよび初期位相ψを取得する。特性マップには、例えば図５に示すように、トルク指示信号に対して係数Ｒおよび初期位相ψが登録されている。ここで、係数Ｒは、基本波電流に対する高調波電流の大きさを表す。初期位相ψは、後で図面を参照しながら説明するが、高調波指令値を算出するための初期値である。そして、係数Ｒおよび初期位相ψは、実測またはシミュレーション等によって、モータ１００のトルクリプルを十分に低減するように決定されている。したがって、ステップＳ３では、トルク指示信号に対応する係数Ｒおよび初期位相ψが抽出されることになる。

ステップＳ４では、高調波電流指令値（即ち、生成すべき高調波電流）Ｉdqn*を算出する。高調波電流指令値Ｉdqn*も、モータ１００のｄｑ座標系における電流ベクトルである。そして、高調波電流指令値Ｉdqn*の大きさは、係数Ｒを用いて下式で表される。
Ｉdqn*＝Ｉdq*×Ｒ
また、高調波電流指令値Ｉdqn*のｄ軸成分Ｉdn*およびｑ軸成分Ｉqn*は、下式により得られる。なお、「ｎ」は整数である。また、「θ」はモータ１００の位相である。
Ｉdn*＝Ｉdqn* cosβ sin(６ｎθ＋ψ)
Ｉqn*＝Ｉdqn* sinβ sin(６ｎθ＋ψ)
ここで、高調波電流指令値Ｉdqn*の電流位相角βは、基本波電流指令値Ｉdq*と同じ（或いは、概ね同じ）である。すなわち、図２に示す例では、「β＝４５度」である。

図６は、ステップＳ４で算出される高調波電流指令値を模式的に示す図である。ここでは、「β＝４５度」である場合を示している。高調波電流指令値Ｉdqn*は、「β＝４５度」を保持したまま、基本波電流の周波数の６ｎ（ｎは、整数）倍の周波数で変動する。すなわち、Ｉdn*およびＩqn*は、所定の比率（ここでは、１：１）を保持しながら、図６（ａ）に示す状態から順番に図６（ｇ）に示す状態へ進んで図６（ａ）に示す状態に戻る過程を繰り返す。なお、図６（ａ）〜図６（ｇ）は、代表的な状態を模式的に示したものであって、Ｉdn*およびＩqn*はこれらの状態に限るものではない。また、初期位相ψは、基本波電流の６ｎ倍の周波数で変動するＩdn*、Ｉqn*の開始位置を表している。例えば、「ψ＝０」は、図６（ｃ）に示す状態から高調波電流の周期が始まり、「ψ＝９０」は、図６（ａ）に示す状態から高調波電流の周期が始まることになる。

ステップＳ５では、上記演算により得られた基本波指令値および高調波指令値を出力する。図１に示すモータ制御装置１においては、ｄ軸電流の指令値として「Ｉd*＋Ｉdn*」が出力され、ｑ軸電流の指令値として「Ｉq*＋Ｉqn*」が出力される。

このように、実施形態のモータ制御装置１においては、基本波電流指令値および高調波電流指令値の電流位相角βは、いずれもモータ１００の総トルクが最大になる点（図２に示す実施例では、β＝４５度）に保持される。すなわち、基本波電流の電流位相角は最大トルク点に設定され、高調波電流の電流位相角はその基本波電流の電流位相角と同位相角に保持される。このため、要求されたトルクを得るために必要な電流が、常に最小化され、モータ効率が向上する。また、モータ電流の自乗に比例する銅損が最小となり、発熱量が少なくなる。

一方、高調波電流指令値は、トルクリプルを低減するように決定されている。実施例では、トルクリプルを低減するように、係数Ｒおよび初期位相ψが選択されている。したがって、モータ１００のトルクリプルは、図７に示すように、高調波電流を与えない場合と比較して大幅に抑制される。すなわち、実施形態のモータ制御装置１によれば、モータ１００のトルクリプルを低減しながら、モータ１００の効率が向上する。

なお、上述の実施例では、高調波電流の電流位相角が基本波電流の電流位相角と同じ位相角に保持されるように電流指令値が設定されるが、本発明は、必ずしもこれらの電流位相角が完全に一致している必要はなく、高調波電流の電流位相角が基本波電流の電流位相角に対して概ね同位相角であれば良く、±１５度程度の範囲内にあれば一定の効果が得られる。もっとも、高調波電流の電流位相角が基本波電流の電流位相角に対して±１０度、±５度、±３度、±２度、±１度、または同位相角に保持されることが好ましい。

また、上述の実施例では、基本波電流および高調波電流の電流位相角が最大トルク点に保持されるように電流指令値が設定されるが、本発明は、必ずしも最大トルク点に保持される必要はない。すなわち、電流指令値は、最大トルク点以外においてモータ１００の総トルクが十分に高くなる基本波電流および高調波電流を生成するものや、弱め界磁制御をする場合等にモータ１００の総トルクが低くなる基本波電流および高調波電流を生成するもであってもよい。

図８は、本発明の他の実施形態のモータ制御装置の構成を示す図である。他の実施形態のモータ制御装置２においては、基本波電流を制御するための基本波電流制御系と高調波電流を制御するための高調波電流制御系とが分離している。なお、基本波電流制御系は、基本的には、図１に示した回路と同じ構成である。ただし、基本波電流制御系には、指令値生成部２１から、基本波電流指令値Ｉd*、Ｉq*が与えられる。また、基本波電流制御系は、ｄｑ電流制御部１４から出力される電圧指令値に、高調波電流制御系で得られる演算結果を加算する加算器３１、３２を備えている。

指令値生成部２１は、基本的には、図３に示すフローチャートの処理を実行する。ただし、指令値生成部２１は、ステップＳ４において、下式を用いて高調波電流指令値を生成する。

そして、基本波電流指令値Ｉd*、Ｉq*は基本波電流制御系に出力され、高調波電流指令値Ｉdn*、Ｉqn*は高調波電流制御系に出力される。

誤差演算部２２、２３は、それぞれ、高調波電流指令値Ｉdn*、Ｉqn*と、検出された高調波電流Ｉdn、Ｉqnとの誤差を演算する。ｄｑ高調波電流制御部２４は、誤差演算部２２、２３により得られる誤差情報に対応する電圧指令値Ｖdn*、Ｖqn*を生成する。乗算器２５は、モータ１００の位相θに対して「６ｎ（ｎは、整数）」を乗算する。高調波座標逆変換部２６は、乗算器２５により得られる「６ｎθ」を利用して、高調波座標系で表される電圧指令値Ｖdn*、Ｖqn*を、ｄｑ座標系上の電圧指令値に変換する。なお、この変換は、位相回転を打ち消すための逆回転演算に相当する。

高調波検出部２７は、たとえば、ハイパスフィルタにより実現され、３相／２相変換部１８により得られるモータ電流Ｉd、Ｉqから高調波成分を検出する。高調波座標変換部２８は、「６ｎθ」を利用して、高調波検出部２７により得られる高調波成分を、高調波座標系上の高調波電流値Ｉdn、Ｉqnに変換する。この電流値Ｉdn、Ｉqnは、誤差演算部２２、２３に与えられる。

このように、図８に示すモータ制御装置２は、基本波電流制御系および高調波電流制御系が互いに分離している。このため、モータ制御装置２は、図１に示すモータ制御装置１と比較すると、トルクリプル低減および効率向上を図るための最適化設計が容易になり、動作の安定性の向上が期待される。

なお、本発明に係る指令値生成手段は、例えば、指令値生成部２１に相当する。また、電流制御回路は、例えば、誤差演算部１２、１３、ｄｑ高調波電流制御部１４、２相／３相変換部１５、電力変換部１６、位相演算部１７、３相／２相変換部１８、誤差演算部２２、２３、ｄｑ高調波電流制御部２４、乗算器２５、高調波座標逆変換部２６、高調波座標変換部２８、高調波検出部２７、加算器３１、３２に相当する。

本発明の実施形態のモータ制御装置の構成を示す図である。 電流位相角とトルクの関係を示す図である。 指令値生成部の動作を示すフローチャートである。 基本波電流指令値を模式的に示す図である。 特性マップの実施例である。 高調波電流指令値を模式的に示す図である。 高調波電流によるトルクリプルの低減を示す図である。 本発明の他の実施形態のモータ制御装置の構成を示す図である。 ３相交流モータにおいて発生するトルクリプルを示す図である。

符号の説明

１、２ モータ制御装置
１１、２１ 指令値生成部
１２、１３ 誤差演算部
１４ ｄｑ電流制御部
１５ ２相／３相変換部
１６ 電力変換部
１７ 位相演算部
１８ ３相／２相変換部
２２、２３ 誤差演算部
２４ ｄｑ高調波電流制御部
２５ 乗算器
２６ 高調波座標逆変換
２８ 高調波座標変換部
２７ 高調波検出部
３１、３２ 加算器
１００ モータ

Claims (5)

1. ３相交流モータを制御するモータ制御装置であって、
   トルク指示信号に応じて、前記３相交流モータのモータ電流の基本波成分である基本波電流の目標値を表す基本波電流指令値、および前記基本波電流指令値の整数倍の周波数を持った高調波成分である高調波電流の目標値を表す高調波電流指令値を生成する指令値生成手段と、
   前記基本波電流指令値および前記高調波電流指令値に従って、前記３相交流モータに与えるモータ電流を制御する電流制御回路、を備え、
   前記指令値生成手段は、前記高調波電流の電流位相角が前記基本波電流の電流位相角と概ね同位相角に保持されるように、前記基本波電流指令値および前記高調波電流指令値を生成する
   ことを特徴とするモータ制御装置。
2. 請求項１に記載のモータ制御装置であって、
   前記基本波電流指令値のｄ軸成分とｑ軸成分との比率は、前記高調波電流指令値のｄ軸成分とｑ軸成分との比率と概ね同じである
   ことを特徴とするモータ制御装置。
3. 請求項１に記載のモータ制御装置であって、
   前記高調波電流指令値は、前記高調波電流が前記基本波電流によって発生するトルクリプルを低減させるように生成される
   ことを特徴とするモータ制御装置。
4. 請求項１に記載のモータ制御装置であって、
   前記基本波電流指令値および前記高調波電流指令値は、前記３相交流モータのトルクがほぼ最大となるように決定される
   ことを特徴とするモータ制御装置。
5. 請求項１に記載のモータ制御装置であって、
   前記指令値生成手段は、前記高調波電流の電流位相角が前記基本波電流の電流位相角に対して±１５度の範囲内に保持されるように、前記基本波電流指令値および前記高調波電流指令値を生成する
   ことを特徴とするモータ制御装置。