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JP2012039730A - Control constant determination method and motor controller - Google Patents

Control constant determination method and motor controller Download PDF

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JP2012039730A
JP2012039730A JP2010176797A JP2010176797A JP2012039730A JP 2012039730 A JP2012039730 A JP 2012039730A JP 2010176797 A JP2010176797 A JP 2010176797A JP 2010176797 A JP2010176797 A JP 2010176797A JP 2012039730 A JP2012039730 A JP 2012039730A
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JP
Japan
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torque
transfer function
phase
gain
determination condition
Prior art date
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Pending
Application number
JP2010176797A
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Japanese (ja)
Inventor
Arinori Shimada
有礼 島田
Suburata Saha
スブラタ サハ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aisin AW Co Ltd
Original Assignee
Aisin AW Co Ltd
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Publication date
Application filed by Aisin AW Co Ltd filed Critical Aisin AW Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a control constant determination method that considers response to a torque ripple for rectangular wave control and stability and responsiveness of a torque feedback control system of a motor.SOLUTION: A torque feedback controller calculates a torque deviation of an output torque of the motor that performed low-pass filter processing for a torque command value and performs proportional integral control to calculate a voltage phase. A control constant determination method comprises: a step of determining a torque phase inclination that is an output torque inclination for voltage phase change as a transfer function of the controller; a step of deriving a first determination condition of an integral gain capable of securing a gain margin and a phase margin of a loop transfer function: a step of deriving a second determination condition of an integral gain capable of making responsiveness of a closed loop transfer function faster than a prescribed responsiveness; and a step of determining the integral gain so as to satisfy both the first determination condition and the second determination condition.

Description

本発明は、トルク指令値に対する出力トルクの偏差が減少するように、ロータ角度に対する矩形波の位相である電圧位相を算出し、算出された電圧位相の矩形波電圧を印加して同期型交流電動機を回転駆動する電動機のトルクフィードバック制御器の制御定数の決定方法、及び決定された制御定数を備える電動機制御装置に関する。   The present invention calculates a voltage phase, which is a phase of a rectangular wave with respect to a rotor angle, so as to reduce a deviation of an output torque with respect to a torque command value, and applies a rectangular wave voltage of the calculated voltage phase to thereby obtain a synchronous AC motor The present invention relates to a method for determining a control constant of a torque feedback controller of an electric motor that rotates and drives an electric motor, and an electric motor control device that includes the determined control constant.

上記のようなトルクフィードバック制御器として、下記の特許文献1に記載された制御器が既に知られている。特許文献1の技術では、トルク指令値に対する出力トルクの偏差が減少するように、トルク偏差に対して比例積分制御を行い、矩形波の電圧位相を算出している。   As the torque feedback controller as described above, a controller described in Patent Document 1 below is already known. In the technique of Patent Document 1, proportional-integral control is performed on the torque deviation so that the deviation of the output torque with respect to the torque command value is reduced, and the voltage phase of the rectangular wave is calculated.

しかしながら、特許文献1の技術には、トルクフィードバック制御系の安定性及び応答性を考慮した、比例積分制御の制御定数の決定方法については、具体的に開示されていない。
また、矩形波制御では、電動機に印加される矩形波電圧に、一回転周期の周波数の基本波成分より高調波の成分が重畳しており、この高調波成分が、正弦波制御を行う場合よりも大きいトルクリップルを生じさせている。よって、矩形波制御のトルクフィードバック制御系を設計するにあたって、トルクリップルに対する設計が必要になるが、特許文献1の技術には、トルクリップルに対する制御系の設計及び、制御定数の決定方法については、特に開示されていない。
However, the technique of Patent Document 1 does not specifically disclose a method for determining a control constant for proportional-integral control in consideration of stability and responsiveness of a torque feedback control system.
In addition, in the rectangular wave control, the harmonic component is superimposed on the rectangular wave voltage applied to the motor from the fundamental component of the frequency of one rotation cycle, and this harmonic component is compared to the case where the sine wave control is performed. Is also causing a large torque ripple. Therefore, when designing a torque feedback control system for rectangular wave control, it is necessary to design for torque ripple. However, in the technique of Patent Document 1, a control system design for torque ripple and a method for determining a control constant are as follows. Not specifically disclosed.

トルクフィードバック制御系の安定性及び応答性を考慮して制御定数を設定するためには、制御対象である電動機の出力トルク特性を伝達関数で表す必要があるが、電動機の出力トルク特性は、非線形性が強く伝達関数で表すことは容易でない。   In order to set the control constant in consideration of the stability and responsiveness of the torque feedback control system, it is necessary to express the output torque characteristic of the motor to be controlled by a transfer function, but the output torque characteristic of the motor is nonlinear. It is not easy to express with a transfer function.

特開2000−50689号公報JP 2000-50689 A

そこで、矩形波制御により生じるトルクリップルへの対応を考慮するとともに、非線形性の強い出力トルク特性を有する電動機のトルクフィードバック制御系の安定性及び応答性を考慮した、トルクフィードバック制御器の制御定数の決定方法を確立することが求められる。   Therefore, the control constant of the torque feedback controller is considered in consideration of the response to the torque ripple caused by the rectangular wave control and the stability and responsiveness of the torque feedback control system of the motor having a strong nonlinear output torque characteristic. Establishing a decision method is required.

上記目的を達成するための本発明に係る、トルク指令値に対する出力トルクの偏差が減少するように、ロータ角度に対する矩形波の位相である電圧位相を算出し、算出された電圧位相の矩形波電圧を印加して同期型交流電動機を回転駆動する電動機のトルクフィードバック制御器の制御定数の決定方法の特徴構成は、
前記トルクフィードバック制御器は、前記電動機の前記出力トルクを検出し、当該検出した前記出力トルクにローパスフィルタの処理を行ってフィルタ後出力トルクを算出し、前記トルク指令値に対する前記フィルタ後出力トルクの偏差であるトルク偏差を算出し、当該トルク偏差に基づき、比例ゲイン及び積分ゲインを備える比例積分制御を行って前記電圧位相を算出する制御器であり、
前記電動機の出力トルク特性を前記電圧位相の各動作点において線形化して、前記電圧位相の変化に対する前記出力トルクの傾きであるトルク位相傾きを導出し、前記電圧位相から前記出力トルクまでの前記電動機の伝達関数を、前記トルク位相傾きに応じた値と決定する電動機線形化ステップと、
前記比例積分制御の伝達関数、前記電動機の伝達関数、及び前記ローパスフィルタの伝達関数からなる、前記トルク偏差から前記フィルタ後出力トルクまでの一巡伝達関数の周波数特性におけるゲイン余裕及び位相余裕が確保されるような前記積分ゲインの第一の決定条件を導出する第一条件導出ステップと、
前記比例積分制御の伝達関数、前記電動機の伝達関数、及び前記ローパスフィルタの伝達関数からなる、前記トルク指令から前記出力トルクまでの閉ループ伝達関数における、前記トルク指令の変化に対する前記出力トルクの応答性が、所定の応答性以上に速くなるような前記積分ゲインの第二の決定条件を導出する第二条件導出ステップと、
前記積分ゲインを、前記第一の決定条件及び前記第二の決定条件の双方を満たすように決定する積分ゲイン決定ステップと、を備える点にある。
According to the present invention for achieving the above object, a voltage phase that is a phase of a rectangular wave with respect to a rotor angle is calculated so that a deviation of an output torque with respect to a torque command value is reduced, and a rectangular wave voltage of the calculated voltage phase is calculated. The characteristic configuration of the method for determining the control constant of the torque feedback controller of the electric motor that rotates the synchronous AC motor by applying
The torque feedback controller detects the output torque of the electric motor, performs low pass filter processing on the detected output torque to calculate a filtered output torque, and calculates the filtered output torque with respect to the torque command value. A controller that calculates a torque deviation, which is a deviation, and performs proportional integral control including a proportional gain and an integral gain based on the torque deviation, and calculates the voltage phase;
Linearizing the output torque characteristics of the motor at each operating point of the voltage phase to derive a torque phase gradient that is a gradient of the output torque with respect to the change of the voltage phase, and the motor from the voltage phase to the output torque Motor linearization step for determining a transfer function of
A gain margin and a phase margin are ensured in the frequency characteristic of the round transfer function from the torque deviation to the post-filter output torque, which includes the proportional integral control transfer function, the motor transfer function, and the low pass filter transfer function. A first condition deriving step for deriving a first determination condition of the integral gain,
Responsiveness of the output torque to a change in the torque command in a closed loop transfer function from the torque command to the output torque, which includes a transfer function of the proportional integral control, a transfer function of the electric motor, and a transfer function of the low-pass filter. A second condition derivation step for deriving a second determination condition of the integral gain so as to be faster than a predetermined responsiveness;
An integral gain determining step for determining the integral gain so as to satisfy both the first determination condition and the second determination condition.

上記の特徴構成によれば、電動機の出力トルク特性を電圧位相の動作点について線形化して、電動機の伝達関数をトルク位相傾きに応じた値と決定しているので、電動機を含めたトルクフィードバック制御系全体の伝達関数に基づき、当該制御系の安定性及び応答性を考慮して、制御定数の決定を行うことができる。
また、上記の特徴構成によれば、高調波のトルクリップルが大きくなる矩形波制御の出力トルクに対してローパスフィルタの処理を行うように構成しており、高調波のリップル成分を除去できるように構成されている。
ローパスフィルタは、トルクフィードバック制御系の遅れ要素となりそのカットオフ周波数の変化により、トルクフィードバック制御系の周波数応答が大きく変化し、安定性及び応答性に影響する。また、電動機のトルク位相傾きは、電圧位相、回転速度、印加電圧などの動作点により大きく変化するため、このトルク位相傾きの変化によりトルクフィードバック制御系のゲインが大きく変化し、安定性及び応答性に影響する。
しかし、上記の特徴構成によれば、比例積分制御の伝達関数、電動機の伝達関数、及びローパスフィルタの伝達関数からなる一巡伝達関数の周波数特性からゲイン余裕及び位相余裕が確保されるような積分ゲインの第一の決定条件を導出しているので、ローパスフィルタのカットオフ周波数、及びトルク位相傾きが変化しても、トルクフィードバック制御系の安定性を確保できるような積分ゲインの第一の決定条件を導出することができる。
また、比例積分制御の伝達関数、電動機の伝達関数、及びローパスフィルタの伝達関数からなる閉ループ伝達関数のトルク指令の変化に対する出力トルクの応答性が所定の応答性以上に速くなるような積分ゲインの第二の決定条件を導出しているので、ローパスフィルタのカットオフ周波数、及びトルク位相傾きが変化しても、トルクフィードバック制御系の応答性を確保できるような積分ゲインの第二の決定条件を導出することができる。
また、積分ゲインを、第一の決定条件及び第二の決定条件の双方を満たすように決定しているので、ローパスフィルタのカットオフ周波数、及びトルク位相傾きが変化しても、安定性及び応答性の双方が確保されるような積分ゲインを決定することができる。
According to the above characteristic configuration, the output torque characteristic of the motor is linearized with respect to the operating point of the voltage phase, and the transfer function of the motor is determined as a value corresponding to the torque phase inclination, so torque feedback control including the motor Based on the transfer function of the entire system, the control constant can be determined in consideration of the stability and responsiveness of the control system.
In addition, according to the above-described characteristic configuration, the low-pass filter processing is performed on the output torque of the rectangular wave control in which the harmonic torque ripple increases, so that the harmonic ripple component can be removed. It is configured.
The low-pass filter becomes a delay element of the torque feedback control system, and the frequency response of the torque feedback control system greatly changes due to the change in the cut-off frequency, which affects the stability and responsiveness. In addition, since the torque phase gradient of the motor varies greatly depending on the operating point such as voltage phase, rotation speed, and applied voltage, the gain of the torque feedback control system varies greatly due to the variation of the torque phase gradient, and the stability and responsiveness. Affects.
However, according to the above characteristic configuration, the integral gain is such that the gain margin and the phase margin are secured from the frequency characteristic of the one-round transfer function including the transfer function of the proportional integral control, the transfer function of the motor, and the transfer function of the low pass filter. Therefore, even if the cut-off frequency of the low-pass filter and the torque phase gradient change, the first determination condition of the integral gain that can ensure the stability of the torque feedback control system is derived. Can be derived.
Also, the integral gain is such that the response of the output torque to the change in torque command of the closed loop transfer function consisting of the transfer function of proportional integral control, the transfer function of the motor, and the transfer function of the low-pass filter is faster than the predetermined response. Since the second determination condition is derived, the second determination condition of the integral gain that can ensure the responsiveness of the torque feedback control system even if the cutoff frequency of the low-pass filter and the torque phase inclination change. Can be derived.
In addition, since the integral gain is determined so as to satisfy both the first determination condition and the second determination condition, even if the cutoff frequency of the low-pass filter and the torque phase inclination change, the stability and response It is possible to determine an integral gain that ensures both of the characteristics.

ここで、前記第一条件導出ステップは、前記第一の決定条件として、前記比例積分制御の伝達関数と前記電動機の伝達関数とからなる前記トルク偏差から前記出力トルクまでの開ループ伝達関数の周波数特性におけるゲイン交差角周波数が、前記ローパスフィルタのカットオフ周波数よりも小さくなるような前記積分ゲインの決定条件を導出すると好適である。   Here, in the first condition deriving step, as the first determination condition, the frequency of an open loop transfer function from the torque deviation consisting of the transfer function of the proportional integral control and the transfer function of the motor to the output torque It is preferable to derive the determination condition of the integral gain such that the gain crossing angular frequency in the characteristic is smaller than the cut-off frequency of the low-pass filter.

この構成によれば、開ループ伝達関数のゲイン交差角周波数と、ローパスフィルタのカットオフ周波数とに基づいて、一巡伝達関数の周波数特性のゲイン余裕及び位相余裕が確保されるような積分ゲインの第一の決定条件を容易に決定することができる。   According to this configuration, based on the gain crossing angular frequency of the open-loop transfer function and the cut-off frequency of the low-pass filter, the integral gain is set so that the gain margin and phase margin of the frequency characteristic of the loop transfer function are ensured. One determination condition can be easily determined.

ここで、前記第二条件導出ステップは、前記第二の決定条件として、前記ローパスフィルタの伝達関数を1に近似した場合における前記閉ループ伝達関数の時定数が、所定値以下になるような前記積分ゲインの決定条件を導出すると好適である。   Here, in the second condition deriving step, as the second determination condition, the integration is performed such that a time constant of the closed-loop transfer function is equal to or less than a predetermined value when the transfer function of the low-pass filter is approximated to 1. It is preferable to derive a gain determination condition.

この構成によれば、ローパスフィルタの伝達関数を1に近似した場合における閉ループ伝達関数の時定数に基づいて、閉ループ伝達関数におけるトルク指令の変化に対する出力トルクの応答性が所定の応答性以上に速くなるような積分ゲインの第二の決定条件を容易に決定することができる。   According to this configuration, based on the time constant of the closed loop transfer function when the transfer function of the low-pass filter is approximated to 1, the output torque response to a change in the torque command in the closed loop transfer function is faster than a predetermined response. The second determination condition of the integral gain can be easily determined.

ここで、前記積分ゲイン決定ステップは、前記積分ゲインを、前記第一の決定条件及び前記第二の決定条件の双方を満たすように、前記トルク位相傾きに応じて変化する可変値に決定すると好適である。   Here, it is preferable that the integral gain determining step determines the integral gain as a variable value that changes according to the torque phase inclination so as to satisfy both the first determination condition and the second determination condition. It is.

この構成によれば、積分ゲインをトルク位相傾きに応じて変化する可変値に決定するので、第一の決定条件の値及び第二の決定条件の値がトルク位相傾きに応じて変化する場合でも、第一の決定条件及び第二の決定条件の双方を満たすような積分ゲインを決定できる。また、トルク位相傾きの動作点に応じて、第一の決定条件及び第二の決定条件をバランスよく満たす、積分ゲインを決定することができる。   According to this configuration, since the integral gain is determined to be a variable value that changes according to the torque phase inclination, even when the value of the first determination condition and the value of the second determination condition change according to the torque phase inclination. The integral gain that satisfies both the first determination condition and the second determination condition can be determined. Further, an integral gain that satisfies the first determination condition and the second determination condition in a well-balanced manner can be determined according to the operating point of the torque phase inclination.

ここで、前記積分ゲイン決定ステップは、前記積分ゲインを、前記第一の決定条件及び前記第二の決定条件の双方を満たすように、前記矩形波電圧の振幅電圧となるシステム電圧をロータ回転速度で除算した値に応じて変化する可変値に決定すると好適である。   Here, in the integral gain determination step, a system voltage that is an amplitude voltage of the rectangular wave voltage is set to a rotor rotational speed so that the integral gain satisfies both the first determination condition and the second determination condition. It is preferable to determine a variable value that changes according to the value divided by.

この構成によれば、積分ゲインを、システム電圧をロータ回転速度で除算した値に応じて変化する可変値に決定するので、第一の決定条件の値及び第二の決定条件の値が、システム電圧をロータ回転速度で除算した値に応じて変化する場合でも、第一の決定条件及び第二の決定条件の双方を満たすような積分ゲインを決定できる。また、システム電圧をロータ回転速度で除算した値の動作点に応じて、第一の決定条件及び第二の決定条件をバランスよく満たす、積分ゲインを決定することができる。   According to this configuration, the integral gain is determined to be a variable value that changes in accordance with the value obtained by dividing the system voltage by the rotor rotational speed. Therefore, the value of the first determination condition and the value of the second determination condition are Even when the voltage changes according to a value obtained by dividing the voltage by the rotor rotation speed, an integral gain that satisfies both the first determination condition and the second determination condition can be determined. Further, an integral gain that satisfies the first determination condition and the second determination condition in a well-balanced manner can be determined according to the operating point of the value obtained by dividing the system voltage by the rotor rotational speed.

ここで、前記積分ゲイン決定ステップは、前記積分ゲインを、前記トルク位相傾きの使用範囲の全域において、前記第一の決定条件及び前記第二の決定条件の双方を満たす一定値に決定すると好適である。   Here, in the integral gain determining step, it is preferable that the integral gain is determined to be a constant value that satisfies both the first determination condition and the second determination condition over the entire use range of the torque phase gradient. is there.

この構成によれば、積分ゲインをトルク位相傾きの使用範囲の全域において、第一の決定条件及び第二の決定条件の双方を満たす一定値に決定するので、積分ゲインの設定を単純化できるともに、比例積分制御器の構成を単純化できる。   According to this configuration, since the integral gain is determined to be a constant value that satisfies both the first determination condition and the second determination condition over the entire range of use of the torque phase gradient, the setting of the integral gain can be simplified. The configuration of the proportional-integral controller can be simplified.

ここで、前記積分ゲイン決定ステップは、前記トルク偏差が所定値以下である定常時に用いる前記積分ゲインを、前記第二の決定条件における、前記閉ループ伝達関数の前記応答性が、前記所定の応答性に一致するように決定すると好適である。   Here, in the integral gain determining step, the integral gain used in a steady state where the torque deviation is equal to or less than a predetermined value is used, and the responsiveness of the closed-loop transfer function in the second determining condition is the predetermined responsiveness. It is preferable to determine so as to match.

トルク偏差が所定値以下である定常時では、トルクフィードバック制御系の応答性を高める必要性が低い。上記の構成によれば、応答性を下限まで低下させて高調波成分からなる出力トルクのリップルに対するフィードバック系の応答感度を低下させて、定常時に電圧位相を振動させないようにすることができる。   In a steady state where the torque deviation is equal to or less than a predetermined value, there is little need to improve the responsiveness of the torque feedback control system. According to the above configuration, the responsiveness is lowered to the lower limit, the response sensitivity of the feedback system to the ripple of the output torque composed of the harmonic component is lowered, and the voltage phase can be prevented from oscillating at the steady state.

ここで、前記トルクフィードバック制御器は、前記ローパスフィルタのカットオフ周波数がロータ回転速度に比例して変更され、前記トルク偏差に対して、前記ロータ回転速度に比例し、かつ前記矩形波電圧の振幅電圧となるシステム電圧に反比例して変化するトルク偏差補正係数を乗算した補正後トルク偏差を算出し、当該補正後トルク偏差に基づき、前記比例積分制御を行って前記電圧位相を算出する制御器であると好適である。   Here, in the torque feedback controller, the cutoff frequency of the low-pass filter is changed in proportion to the rotor rotational speed, the torque deviation is proportional to the rotor rotational speed, and the amplitude of the rectangular wave voltage A controller that calculates a corrected torque deviation by multiplying a torque deviation correction coefficient that varies inversely proportional to a system voltage that is a voltage, performs the proportional integral control based on the corrected torque deviation, and calculates the voltage phase. It is preferable.

この構成によれば、トルク偏差に乗算されるトルク偏差補正係数はロータ回転速度に比例し、かつ前記矩形波電圧の振幅電圧となるシステム電圧に反比例して変更され、ローパスフィルタのカットオフ周波数がロータ回転速度に比例して変更されるので、第一の決定条件の値を、トルク位相傾きに応じて変化しないようにすることができ、第一の決定条件を満たす積分ゲインの設定可能領域を増加させることができる。   According to this configuration, the torque deviation correction coefficient multiplied by the torque deviation is changed in proportion to the rotor rotational speed and inversely proportional to the system voltage that is the amplitude voltage of the rectangular wave voltage, and the cutoff frequency of the low-pass filter is changed. Since the value is changed in proportion to the rotor rotational speed, the value of the first determination condition can be prevented from changing in accordance with the torque phase gradient, and an integral gain setting range that satisfies the first determination condition can be obtained. Can be increased.

ここで、前記比例積分制御が離散化される場合において、前記比例積分制御の制御周期を、前記一巡伝達関数の周波数特性におけるゲイン余裕及び位相余裕が確保されるように決定する制御周期決定ステップを、更に備えると好適である。   Here, when the proportional integral control is discretized, a control cycle determining step for determining a control cycle of the proportional integral control so that a gain margin and a phase margin in the frequency characteristic of the one-round transfer function are ensured. It is preferable to further provide.

この構成によれば、例えばディジタル計算機に実装するために、比例積分制御を離散化するに際して、制御周期を、一巡伝達関数の周波数特性におけるゲイン余裕及び位相余裕が確保されるように決定するので、離散化後も、トルクフィードバック制御系の安定性を確保することができる。   According to this configuration, for example, when the proportional integral control is discretized for implementation in a digital computer, the control period is determined so that the gain margin and the phase margin in the frequency characteristic of the round transfer function are ensured. Even after discretization, the stability of the torque feedback control system can be ensured.

ここで、前記制御周期決定ステップは、前記制御周期を、前記積分ゲインに反比例するように決定すると好適である。   Here, it is preferable that the control cycle determining step determines the control cycle so as to be inversely proportional to the integral gain.

この構成によれば、制御周期を、積分ゲインに反比例するように決定するので、積分ゲインが変化しても、トルクフィードバック制御系の安定性が大きく変化しないようにすることができる。   According to this configuration, since the control cycle is determined to be inversely proportional to the integral gain, the stability of the torque feedback control system can be prevented from changing greatly even if the integral gain changes.

上記目的を達成するための本発明に係る、トルク指令値に対する出力トルクの偏差が減少するように、ロータ角度に対する矩形波の位相である電圧位相を算出し、算出された電圧位相の矩形波電圧を印加して同期型交流電動機を回転駆動する電動機のトルクフィードバック制御器を備える電動機制御装置は、
前記トルクフィードバック制御器は、前記電動機の前記出力トルクを検出し、当該検出した前記出力トルクにローパスフィルタの処理を行ってフィルタ後出力トルクを算出し、前記トルク指令値に対する前記フィルタ後出力トルクの偏差であるトルク偏差を算出し、当該トルク偏差に基づき、比例ゲイン及び積分ゲインを備える比例積分制御を行って前記電圧位相を算出する制御器であり、
前記電動機の出力トルク特性を各電圧位相の動作点において線形化して、前記電圧位相の変化に対する前記出力トルクの傾きであるトルク位相傾きを導出し、前記電圧位相から前記出力トルクまでの前記電動機の伝達関数を、前記トルク位相傾きに応じた値とし、
前記比例積分制御の伝達関数、前記電動機の伝達関数、及び前記ローパスフィルタの伝達関数からなる、前記トルク偏差から前記フィルタ後出力トルクまでの一巡伝達関数の周波数特性におけるゲイン余裕及び位相余裕が確保されるような前記積分ゲインの第一の決定条件と、
前記比例積分制御の伝達関数、前記電動機の伝達関数、及び前記ローパスフィルタの伝達関数からなる、前記トルク指令から前記出力トルクまでの閉ループ伝達関数における、前記トルク指令のステップ変化に対する前記出力トルクの応答性が、所定の応答性以上に速くなるような前記積分ゲインの第二の決定条件と、に基づいて、
前記第一の決定条件及び前記第二の決定条件の双方を満たすように決定された前記積分ゲインを備える点にある。
According to the present invention for achieving the above object, a voltage phase that is a phase of a rectangular wave with respect to a rotor angle is calculated so that a deviation of an output torque with respect to a torque command value is reduced, and a rectangular wave voltage of the calculated voltage phase is calculated. An electric motor control device including a torque feedback controller for an electric motor that applies rotational force to rotationally drive a synchronous AC electric motor,
The torque feedback controller detects the output torque of the electric motor, performs low pass filter processing on the detected output torque to calculate a filtered output torque, and calculates the filtered output torque with respect to the torque command value. A controller that calculates a torque deviation, which is a deviation, and performs proportional integral control including a proportional gain and an integral gain based on the torque deviation, and calculates the voltage phase;
The output torque characteristic of the electric motor is linearized at the operating point of each voltage phase to derive a torque phase inclination that is an inclination of the output torque with respect to the change of the voltage phase, and the electric motor from the voltage phase to the output torque is derived. The transfer function is a value corresponding to the torque phase gradient,
A gain margin and a phase margin are ensured in the frequency characteristic of the round transfer function from the torque deviation to the post-filter output torque, which includes the proportional integral control transfer function, the motor transfer function, and the low pass filter transfer function. A first determination condition of the integral gain such as
Response of the output torque to a step change of the torque command in a closed-loop transfer function from the torque command to the output torque, which includes a transfer function of the proportional integral control, a transfer function of the electric motor, and a transfer function of the low-pass filter. Based on the second determination condition of the integral gain such that the property is faster than a predetermined response,
The integral gain determined to satisfy both the first determination condition and the second determination condition is provided.

上記の特徴構成によれば、電動機制御装置に備えられたトルクフィードバック制御器は、第一の決定条件及び第二の決定条件の双方を満たすように決定された積分ゲインを備えるので、ローパスフィルタのカットオフ周波数、及びトルク位相傾きが変化しても、トルクフィードバック制御器の安定性及び応答性の双方が確保される。   According to the above characteristic configuration, the torque feedback controller included in the motor control device includes the integral gain determined so as to satisfy both the first determination condition and the second determination condition. Even if the cutoff frequency and the torque phase inclination change, both the stability and the responsiveness of the torque feedback controller are ensured.

本発明の第一の実施形態に係るトルクフィードバック制御器の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the torque feedback controller which concerns on 1st embodiment of this invention. 本発明の第一の実施形態に係るトルクフィードバック制御の構成を示すブロック線図である。It is a block diagram which shows the structure of the torque feedback control which concerns on 1st embodiment of this invention. 本発明の第一の実施形態に係るトルクフィードバック制御の構成を示すブロック線図である。It is a block diagram which shows the structure of the torque feedback control which concerns on 1st embodiment of this invention. 本発明の第一の実施形態に係る電動機の出力トルク特性を示す図である。It is a figure which shows the output torque characteristic of the electric motor which concerns on 1st embodiment of this invention. 本発明の第一の実施形態に係る電動機のトルク位相傾きの特性を示す図である。It is a figure which shows the characteristic of the torque phase inclination of the electric motor which concerns on 1st embodiment of this invention. 本発明の第一の実施形態に係る電動機の切片の特性を示す図である。It is a figure which shows the characteristic of the intercept of the electric motor which concerns on 1st embodiment of this invention. 本発明の第一の実施形態に係る矩形波制御の運転領域を示す図である。It is a figure which shows the driving | operation area | region of the rectangular wave control which concerns on 1st embodiment of this invention. 本発明の第一の実施形態に係る電動機に供給される矩形波電圧を示す図である。It is a figure which shows the rectangular wave voltage supplied to the electric motor which concerns on 1st embodiment of this invention. 本発明の第一の実施形態に係る第一の決定条件を説明するボード線図である。It is a Bode diagram explaining the 1st decision conditions concerning a first embodiment of the present invention. 本発明の第一の実施形態に係る第一の決定条件を説明するボード線図である。It is a Bode diagram explaining the 1st decision conditions concerning a first embodiment of the present invention. 本発明の第一の実施形態に係る第二の決定条件を説明する図である。It is a figure explaining the 2nd determination conditions which concern on 1st embodiment of this invention. 本発明の第一の実施形態に係る第二の決定条件を説明するボード線図である。It is a Bode diagram explaining the 2nd decision conditions concerning a first embodiment of the present invention. 本発明の第一の実施形態に係る制御周期の決定を説明するボード線図である。It is a Bode diagram explaining determination of a control cycle concerning a first embodiment of the present invention. 本発明の第一の実施形態に係る積分ゲインの決定を説明する図である。It is a figure explaining the determination of the integral gain which concerns on 1st embodiment of this invention. 本発明の第一の実施形態に係るトルク位相傾きの特性を示す図である。It is a figure which shows the characteristic of the torque phase inclination which concerns on 1st embodiment of this invention. 本発明の第二の実施形態に係るトルクフィードバック制御器の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the torque feedback controller which concerns on 2nd embodiment of this invention. 本発明の第二の実施形態に係るトルクフィードバック制御の構成を示すブロック線図である。It is a block diagram which shows the structure of the torque feedback control which concerns on 2nd embodiment of this invention. 本発明の第二の実施形態に係る積分ゲインの決定を説明する図である。It is a figure explaining the determination of the integral gain which concerns on 2nd embodiment of this invention.

〔第一の実施形態〕
本発明の第一の実施形態について図面を参照して説明する。図1に示すように、電動機Mのトルクフィードバック制御器FBは、トルク指令値Toに対する出力トルクTの偏差が減少するように、ロータ角度θに対する矩形波の位相である電圧位相δを算出し、算出された電圧位相δの矩形波電圧を印加して同期型交流電動機Mを回転駆動する制御器である。本発明では、トルクフィードバック制御器FBの制御定数の決定方法に特徴を有する。
[First embodiment]
A first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the torque feedback controller FB of the electric motor M calculates a voltage phase δ that is a phase of a rectangular wave with respect to the rotor angle θ so that the deviation of the output torque T from the torque command value To decreases. The controller drives the synchronous AC motor M to rotate by applying a rectangular wave voltage of the calculated voltage phase δ. The present invention is characterized by a method for determining a control constant of the torque feedback controller FB.

1、トルクフィードバック制御器
本実施形態に係るトルクフィードバック制御器FBは、図1に示すように出力トルク検出器Tdtにより電動機Mの出力トルクTを検出し、ローパスフィルタ器LPFにより出力トルクTにローパスフィルタ処理を行ってフィルタ後出力トルクTfを算出する。そして、偏差算出器Dvによりトルク指令値Toに対するフィルタ後出力トルクTfの偏差であるトルク偏差ΔTを算出し、比例積分制御器PIによりトルク偏差ΔTに基づき、比例ゲインKp及び積分ゲインKiを備える比例積分制御を行って電圧位相δを算出する。
1. Torque feedback controller A torque feedback controller FB according to the present embodiment detects an output torque T of an electric motor M by an output torque detector Tdt as shown in FIG. 1, and low-passes the output torque T by a low-pass filter LPF. A filtered process is performed to calculate a filtered output torque Tf. Then, the deviation calculator Dv calculates a torque deviation ΔT which is a deviation of the output torque Tf after the filter with respect to the torque command value To, and the proportional integration controller PI provides a proportional gain having a proportional gain Kp and an integral gain Ki based on the torque deviation ΔT. Integration control is performed to calculate the voltage phase δ.

また、トルクフィードバック制御器FBには、矩形波発生器Wgが備えられている。矩形波発生器Wgは、算出された電圧位相δと検出したロータ角度θとに基づき、電圧位相δを有する矩形波電圧が電動機Mに印加されるようにインバータInvをスイッチング制御する。なお、ロータ角度θは、電動機Mに設けられたレゾルバなどの回転角度センサS1により検出される。   Further, the torque feedback controller FB includes a rectangular wave generator Wg. The rectangular wave generator Wg performs switching control of the inverter Inv so that a rectangular wave voltage having the voltage phase δ is applied to the motor M based on the calculated voltage phase δ and the detected rotor angle θ. The rotor angle θ is detected by a rotation angle sensor S1 such as a resolver provided in the electric motor M.

図8は、電動機Mに供給される矩形波電圧を示す図である。図8には、電動機Mに印加される三相交流電圧のうちU相に印加される電圧波形が一例として示されている。電動機Mの巻線は、スター結線されており、矩形波において最大値と最小値との差が、インバータInvのシステム電圧Vdcに一致する。また、矩形波電圧は、ロータ角度θの一回転(360deg)あたり1パルスの矩形波とされており、電圧位相δは、ロータ角度θの0degに対する矩形波の立下りの進み角に対応している。V相、W相の電圧波形は、それぞれU相の電圧波形に対して120deg、240deg遅れた、U相と同様の矩形波とされている。なお、ロータ角度θは、U相の巻線を基準に、後述するq軸の進み角とされている。   FIG. 8 is a diagram illustrating a rectangular wave voltage supplied to the electric motor M. FIG. 8 shows, as an example, a voltage waveform applied to the U phase among the three-phase AC voltage applied to the electric motor M. The windings of the motor M are star-connected, and the difference between the maximum value and the minimum value in the rectangular wave matches the system voltage Vdc of the inverter Inv. The rectangular wave voltage is a rectangular wave of one pulse per one rotation (360 deg) of the rotor angle θ, and the voltage phase δ corresponds to the leading angle of the falling of the rectangular wave with respect to 0 deg of the rotor angle θ. Yes. The V-phase and W-phase voltage waveforms are rectangular waves similar to the U-phase, delayed by 120 deg and 240 deg from the U-phase voltage waveform, respectively. Note that the rotor angle θ is a lead angle of the q-axis described later with reference to the U-phase winding.

本実施形態では、出力トルク検出器Tdtは、電動機Mに供給されている電力Pinと、電動機Mのロータ角速度ωeとに基づき、次式に従い出力トルクTを検出する。
T=Pin/ωe
=(Iu×Vu+Iv×Vv+Iw×Vw)/ωe ・・・(1)
ここで、Pinは、電動機Mに供給されている電力を示し、ωeは電動機Mのロータ角速度(電気角速度)を示す。また、Iu、Iv、Iwは、電動機Mに供給されている三相交流電流の各相の値を示し、Vu、Vv、Vwは、各相の電圧を示す。本実施形態では、三相交流電流Iu、Iv、Iwが、電流センサにより検出され、三相交流電圧Vu、Vv、Vwが、矩形波発生器WgによりインバータInvに設定される電圧指令値に設定される。なお、三相交流電圧Vu、Vv、Vwは、電圧センサにより検出される値としてもよい。
In the present embodiment, the output torque detector Tdt detects the output torque T according to the following equation based on the electric power Pin supplied to the electric motor M and the rotor angular velocity ωe of the electric motor M.
T = Pin / ωe
= (Iu × Vu + Iv × Vv + Iw × Vw) / ωe (1)
Here, Pin represents the electric power supplied to the electric motor M, and ωe represents the rotor angular velocity (electric angular velocity) of the electric motor M. Moreover, Iu, Iv, and Iw show the value of each phase of the three-phase alternating current supplied to the electric motor M, and Vu, Vv, and Vw show the voltage of each phase. In the present embodiment, the three-phase AC currents Iu, Iv, Iw are detected by the current sensor, and the three-phase AC voltages Vu, Vv, Vw are set to voltage command values set in the inverter Inv by the rectangular wave generator Wg. Is done. Note that the three-phase AC voltages Vu, Vv, and Vw may be values detected by a voltage sensor.

もしくは、出力トルク検出器Tdtは、検出した三相交流電流Iu、Iv、Iwを、三相二相変換(d、q変換)を行ってd軸電流Id、q軸電流Iqを算出し、算出したd軸電流Id、q軸電流Iqに基づき、後述する式(7)に従い、マグネットトルク、インダクタンストルクを算出し、これらの和を出力トルクTとして算出するようにしてもよい。もしくは、電動機Mにトルクセンサを設けて、出力トルク検出器Tdtは、トルクセンサの検出値を出力トルクTとするようにしてもよい。   Alternatively, the output torque detector Tdt performs three-phase two-phase conversion (d, q conversion) on the detected three-phase AC currents Iu, Iv, Iw to calculate the d-axis current Id, the q-axis current Iq, and calculates Based on the d-axis current Id and the q-axis current Iq, the magnet torque and the inductance torque may be calculated according to the equation (7) described later, and the sum of these may be calculated as the output torque T. Alternatively, a torque sensor may be provided in the electric motor M, and the output torque detector Tdt may set the detected value of the torque sensor as the output torque T.

本実施形態では、ローパスフィルタ器LPFは、カットオフ周波数ωlpfを備えたローパスフィルタとされており、カットオフ周波数ωlpは、後述するように、矩形波制御において出力トルクTに生じる一回転周期の基本波成分に対する高調波の振動成分を除去するように設定されている。本例では、ローパスフィルタは一次遅れフィルタとされている。
以下で、トルクフィードバック制御器FBの制御定数の決定方法を構成するステップである、電動機線形化ステップ、第一条件導出ステップ、第二条件導出ステップ、及び積分ゲイン決定ステップ、並びに離散化のための制御周期を設定する制御周期決定ステップを説明する。
In the present embodiment, the low-pass filter LPF is a low-pass filter having a cutoff frequency ωlpf, and the cutoff frequency ωlp is a basic one rotation cycle generated in the output torque T in the rectangular wave control, as will be described later. It is set to remove harmonic vibration components from the wave components. In this example, the low-pass filter is a first-order lag filter.
In the following, the steps for configuring the control constant determination method of the torque feedback controller FB, the motor linearization step, the first condition derivation step, the second condition derivation step, the integral gain determination step, and the discretization The control cycle determination step for setting the control cycle will be described.

2、電動機線形化ステップ
電動機Mの出力トルク特性は、非線形であるためそのままでは、電動機Mの出力トルク特性を考慮したトルクフィードバック制御器FBの制御定数の決定を行うことが困難である。よって、電動機線形化ステップでは、電動機Mの出力トルク特性を電圧位相δの各動作点において線形化して、電圧位相δの変化に対する出力トルクTの傾きであるトルク位相傾きAを導出し、電圧位相δから出力トルクTまでの電動機Mの伝達関数Pm(s)を、トルク位相傾きAに応じた値とする。
2. Motor linearization step Since the output torque characteristic of the motor M is non-linear, it is difficult to determine the control constant of the torque feedback controller FB in consideration of the output torque characteristic of the motor M as it is. Therefore, in the motor linearization step, the output torque characteristic of the motor M is linearized at each operating point of the voltage phase δ to derive the torque phase gradient A that is the gradient of the output torque T with respect to the change of the voltage phase δ, and the voltage phase The transfer function Pm (s) of the electric motor M from δ to the output torque T is a value corresponding to the torque phase gradient A.

2−1、制御系のモデル化
本実施形態では、トルクフィードバック制御器FB及びその制御対象である電動機Mからなるトルクフィードバック制御系を伝達関数で表し、伝達関数の周波数特性に基づきトルクフィードバック制御器FBの制御定数を決定する。トルクフィードバック制御系を、図2にブロック線図を示すように、比例積分制御の伝達関数Gpi(s)、電動機Mの伝達関数Pm(s)、ローパスフィルタの伝達関数Glpf(s)から構成する。ここで、比例積分制御の伝達関数Gpi(s)は、トルク偏差ΔTから電圧位相δまでの伝達関数であり、電動機Mの伝達関数Pm(s)は、電圧位相δから出力トルクTまでの伝達関数であり、ローパスフィルタの伝達関数Glpf(s)は、出力トルクTからフィルタ後出力トルクTfまでの伝達関数である。電動機Mの伝達関数Pm(s)は、図1に対応させると、電圧位相δに応じて、矩形波発生器WgがインバータInvに指令して、電圧位相δの矩形波電圧を電動機Mに印加して電動機Mを回転駆動し、出力トルク検出器Tdtにより電動機Mの出力トルクTが検出されるまでの伝達関数である。
2-1. Modeling of control system In this embodiment, a torque feedback control system comprising the torque feedback controller FB and the motor M that is the control target is represented by a transfer function, and the torque feedback controller based on the frequency characteristics of the transfer function. The control constant of FB is determined. As shown in the block diagram of FIG. 2, the torque feedback control system is composed of a transfer function Gpi (s) of proportional integral control, a transfer function Pm (s) of the motor M, and a transfer function Glpf (s) of a low-pass filter. . Here, the transfer function Gpi (s) of proportional-integral control is a transfer function from the torque deviation ΔT to the voltage phase δ, and the transfer function Pm (s) of the motor M is transferred from the voltage phase δ to the output torque T. The low-pass filter transfer function Glpf (s) is a transfer function from the output torque T to the filtered output torque Tf. When the transfer function Pm (s) of the electric motor M is made to correspond to FIG. 1, the rectangular wave generator Wg instructs the inverter Inv according to the voltage phase δ to apply the rectangular wave voltage of the voltage phase δ to the electric motor M. The transfer function until the output torque T of the electric motor M is detected by the output torque detector Tdt.

2−2、制御器のモデル化
比例積分制御の伝達関数Gpi(s)を、次式で表す。
Gpi(s)=Kp+Ki/s ・・・(2)
ここで、Kpは比例ゲインであり、Kiは積分ゲインである。
また、本実施形態では、ローパスフィルタを一次遅れフィルタとし、ローパスフィルタの伝達関数Glpf(s)を次式で表す。
Glpf(s)=1/(1+Tlpf×s) ・・・(3)
ここで、Tlpfは一次遅れの時定数であり、時定数Tlpfの逆数が、ローパスフィルタのカットオフ周波数ωlpfとなる(ωlpf=1/Tlpf)。
2-2. Modeling of controller The transfer function Gpi (s) of proportional-integral control is expressed by the following equation.
Gpi (s) = Kp + Ki / s (2)
Here, Kp is a proportional gain, and Ki is an integral gain.
In this embodiment, the low-pass filter is a first-order lag filter, and the transfer function Glpf (s) of the low-pass filter is expressed by the following equation.
Glpf (s) = 1 / (1 + Tlpf × s) (3)
Here, Tlpf is a first-order lag time constant, and the inverse of the time constant Tlpf is the cut-off frequency ωlpf of the low-pass filter (ωlpf = 1 / Tlpf).

2−3、電動機のモデル化
次に、電動機Mのモデル化を行う。電動機Mは、交流により動作する永久磁石同期電動機(PMSM)である。本実施形態では、電動機Mは、三相交流で動作する埋込磁石構造の同期電動機(IPMSM)とされている。
PMSMの解析及び設計用のモデルを説明する。回転子(ロータ)に備えられた永久磁石のN極の向きにd軸を定め、これよりπ/2進んだ方向にq軸をとる。U相巻線を基準にq軸の進み角をロータ角度θとする。d、q変換により、固定子(ステータ)に静止していた三相巻線を回転子(ロータ)と同期して回転するd、q巻線に変換する。
定常状態での電圧方程式は次式のように表せる。
Vd=−ωe×Lq×Iq
Vq=ωe×Ld×Id+ωe×Φ ・・・(4)
ここで、Vd,Vqはそれぞれd軸及びq軸の電圧値である。また、Id,Iqはそれぞれd軸及びq軸の電流値である。さらに、Ld,Lqはd軸及びq軸のインダクタンスであり、ωeは電気角速度である。また、Φは磁束鎖交数である。
2-3. Modeling of the motor Next, the motor M is modeled. The electric motor M is a permanent magnet synchronous motor (PMSM) that operates by alternating current. In the present embodiment, the motor M is a synchronous motor (IPMSM) having an embedded magnet structure that operates with a three-phase AC.
A model for PMSM analysis and design is described. The d-axis is defined in the direction of the N pole of the permanent magnet provided in the rotor (rotor), and the q-axis is defined in a direction advanced by π / 2. The lead angle of the q axis with respect to the U-phase winding is defined as the rotor angle θ. By the d and q conversions, the three-phase windings that are stationary on the stator (stator) are converted into d and q windings that rotate in synchronization with the rotor (rotor).
The voltage equation in steady state can be expressed as:
Vd = −ωe × Lq × Iq
Vq = ωe × Ld × Id + ωe × Φ (4)
Here, Vd and Vq are d-axis and q-axis voltage values, respectively. Id and Iq are current values of the d-axis and q-axis, respectively. Further, Ld and Lq are d-axis and q-axis inductances, and ωe is an electrical angular velocity. Φ is the number of flux linkages.

ここで、Vd,Vqを電圧ベクトルの大きさVaとq軸を基準とした電圧位相δを用いて表すと、次式のようになる。
Vd=−Va×sinδ ・・・(5)
Vq= Va×cosδ ・・・(6)
Here, when Vd and Vq are expressed using the magnitude Va of the voltage vector and the voltage phase δ with reference to the q axis, the following equation is obtained.
Vd = −Va × sinδ (5)
Vq = Va × cosδ (6)

電動機Mの出力トルクTは次式のように表すことができる。
T=Pn×Φ×Iq+Pn×(Ld−Lq)×Id×Iq ・・・(7)
ここで、Pnは極対数を表す。上式において、右辺第1項は永久磁石によるマグネットトルクを表し、右辺第2項はリラクタンストルクを表す。
The output torque T of the electric motor M can be expressed as:
T = Pn × Φ × Iq + Pn × (Ld−Lq) × Id × Iq (7)
Here, Pn represents the number of pole pairs. In the above formula, the first term on the right side represents the magnet torque by the permanent magnet, and the second term on the right side represents the reluctance torque.

以上の式(4)から式(7)から出力トルクTと電圧ベクトルとの関係式を導くと次式のようになる。
T=Pn×Φ×Va×sinδ/(ωe×Ld)
+Pn×(Ld−Lq)×Va×sin(2×δ)/(2×ωe×Lq×Ld) ・・・(8)
式(7)と同様に、右辺第1項は永久磁石によるマグネットトルクを表し、右辺第2項はリラクタンストルクを表す。図4に、電圧位相δの変化に対する出力トルクTの変化の例を示す。電圧位相δが増加するにつれて出力トルクTも増加する単調増加範囲は、図4に示す例では電圧位相δが約−110deg〜+110degの範囲となっており、この単調増加範囲がトルクフィードバック制御の使用範囲とされる。なお、電圧位相δの使用範囲は、電気角速度ωe、システム電圧Vdcなどの動作点毎に設定される。
When the relational expression between the output torque T and the voltage vector is derived from the above expressions (4) to (7), the following expression is obtained.
T = Pn × Φ × Va × sinδ / (ωe × Ld)
+ Pn × (Ld−Lq) × Va 2 × sin (2 × δ) / (2 × ωe 2 × Lq × Ld) (8)
Similar to Equation (7), the first term on the right side represents the magnet torque by the permanent magnet, and the second term on the right side represents the reluctance torque. FIG. 4 shows an example of the change in the output torque T with respect to the change in the voltage phase δ. In the example shown in FIG. 4, the monotonously increasing range in which the output torque T increases as the voltage phase δ increases is in the range of about −110 deg to +110 deg in the example shown in FIG. 4, and this monotonically increasing range is used for torque feedback control. Scope. The use range of the voltage phase δ is set for each operating point such as the electrical angular velocity ωe and the system voltage Vdc.

ここで、電圧ベクトルの大きさVaは、矩形波電圧の基本波成分からシステム電圧Vdcを用いて次のように表すことができる。
Va=(√6/π)×Vdc ・・・(9)
なお、矩形波制御では、電圧ベクトルに、基本波成分より高調波の成分(基本波の周波数の3倍、5倍、7倍、…の周波数)が重畳しており、この高調波成分がトルクリップルを生じている。よって、正弦波制御よりもトルクリップルが大きくなる。
Here, the magnitude Va of the voltage vector can be expressed as follows using the system voltage Vdc from the fundamental wave component of the rectangular wave voltage.
Va = (√6 / π) × Vdc (9)
In the rectangular wave control, harmonic components (frequencies of 3 times, 5 times, 7 times,... Of the fundamental wave) are superimposed on the voltage vector, and this harmonic component is torque. Ripple is generated. Therefore, the torque ripple becomes larger than that of the sine wave control.

2−3−1、電動機の線形化
導出した式(8)の電動機Mの出力トルク特性の式は、非線形であるためそのままでは伝達関数を導出することができない。
よって、電動機Mの出力トルク特性を電圧位相δの各動作点において線形化して、電圧位相δの変化に対する出力トルクTの傾きであるトルク位相傾きAを導出し、電圧位相δから出力トルクTまでの電動機Mの伝達関数Pm(s)を、トルク位相傾きAに応じた値に決定する。
2-3-1. Linearization of electric motor Since the equation of the output torque characteristic of the electric motor M of the derived equation (8) is non-linear, the transfer function cannot be derived as it is.
Therefore, the output torque characteristic of the motor M is linearized at each operating point of the voltage phase δ, and the torque phase gradient A that is the gradient of the output torque T with respect to the change of the voltage phase δ is derived. The transfer function Pm (s) of the motor M is determined to a value corresponding to the torque phase gradient A.

線形化した出力トルク特性を次式のように表す。
T=Aδ+B ・・・(10)
ここで、Aは、電圧位相δの各動作点おける、電圧位相δの変化に対する出力トルクTの傾きであるトルク位相傾きであり、Bは、そのときの切片である。図4に、電圧位相δの動作点δ1において、出力トルク特性を線形化した例を示している。
The linearized output torque characteristic is expressed as the following equation.
T = Aδ + B (10)
Here, A is the torque phase gradient that is the gradient of the output torque T with respect to the change in the voltage phase δ at each operating point of the voltage phase δ, and B is the intercept at that time. FIG. 4 shows an example in which the output torque characteristic is linearized at the operating point δ1 of the voltage phase δ.

トルク位相傾きAは、上記(8)式の両辺を電圧位相δで微分し、さらに(9)式を用いて電圧振幅Vaを消去すると、次式のように導出される。
表せられる。
A=dT/dδ=Pn×Φ×(√6/π)×Vdc×cosδ/(ωe×Ld)
+Pn×(Ld−Lq)×(√6/π)×Vdc×cos(2×δ)/(ωe×Lq×Ld)
・・・(11)
また、切片Bは、式(8)から式(11)より次式(12)のようになる。
B=Pn×Φ×(√6/π)×Vdc×(sinδ−δ×cosδ)/(ωe×Ld)
+Pn×(Ld−Lq)×(√6/π)×Vdc×(sin(2×δ)−2×cos(2×δ))
/(2×ωe×Lq×Ld) ・・・(12)
図5に、電圧位相δの変化に対するトルク位相傾きAの変化の例を示す。トルクフィードバック制御の使用範囲は、単調増加範囲とされているので、トルク位相傾きAは所定範囲のプラスの値となる。また、トルク位相傾きAは、電圧位相δの動作点により変化する。また、トルク位相傾きAは、式(11)から、システム電圧Vdc/電気角速度ωeに比例して変化することがわかる。また、システム電圧Vdcの使用範囲は、矩形波制御においてインバータInvにシステム電圧Vdcを供給する昇圧回路の動作範囲により定まる。また、電気角速度ωe(電動機Mの回転速度N)の使用範囲は、図7に示すような矩形波制御の実行範囲により予め決められている。従って、図15に示すように、システム電圧Vdc/回転速度Nの使用範囲は所定範囲となり、当該使用範囲で、トルク位相傾きAは、システム電圧Vdc/回転速度Nにほぼ比例して変化する。
The torque phase gradient A is derived as follows by differentiating both sides of the above equation (8) by the voltage phase δ and further eliminating the voltage amplitude Va using the equation (9).
It is expressed.
A = dT / dδ = Pn × Φ × (√6 / π) × Vdc × cosδ / (ωe × Ld)
+ Pn × (Ld−Lq) × (√6 / π) 2 × Vdc 2 × cos (2 × δ) / (ωe 2 × Lq × Ld)
... (11)
Further, the intercept B is represented by the following equation (12) from the equations (8) to (11).
B = Pn × Φ × (√6 / π) × Vdc × (sinδ−δ × cosδ) / (ωe × Ld)
+ Pn × (Ld−Lq) × (√6 / π) 2 × Vdc 2 × (sin (2 × δ) −2 × cos (2 × δ))
/ (2 × ωe 2 × Lq × Ld) (12)
FIG. 5 shows an example of the change in the torque phase gradient A with respect to the change in the voltage phase δ. Since the use range of the torque feedback control is a monotonically increasing range, the torque phase gradient A is a positive value within a predetermined range. Further, the torque phase gradient A varies depending on the operating point of the voltage phase δ. Further, it can be seen from the equation (11) that the torque phase gradient A changes in proportion to the system voltage Vdc / electrical angular velocity ωe. The use range of the system voltage Vdc is determined by the operation range of the booster circuit that supplies the system voltage Vdc to the inverter Inv in the rectangular wave control. Further, the use range of the electrical angular velocity ωe (the rotational speed N of the electric motor M) is determined in advance by the execution range of the rectangular wave control as shown in FIG. Therefore, as shown in FIG. 15, the system voltage Vdc / rotation speed N is used within a predetermined range, and the torque phase gradient A changes approximately in proportion to the system voltage Vdc / rotation speed N within the use range.

そこで、式(10)の線形化した出力トルク特性に基づき、電圧位相δから出力トルクTまでの電動機Mの伝達関数Pm(s)を、次式のようにトルク位相傾きAに決定する。
Pm(s)=A ・・・(13)
以上より、トルクフィードバック制御系のブロック線図は、図3に示すようになる。
Therefore, the transfer function Pm (s) of the electric motor M from the voltage phase δ to the output torque T is determined as the torque phase gradient A based on the linearized output torque characteristic of Equation (10).
Pm (s) = A (13)
From the above, the block diagram of the torque feedback control system is as shown in FIG.

3、第一条件導出ステップ
第一条件導出ステップでは、以上で決定した比例積分制御の伝達関数Gpi(s)、電動機Mの伝達関数Pm(s)、及びローパスフィルタの伝達関数Glpf(s)からなる、トルク偏差ΔTからフィルタ後出力トルクTfまでの一巡伝達関数L(s)の周波数特性におけるゲイン余裕Yg及び位相余裕Ypが確保されるような積分ゲインKiの第一の決定条件を導出する。言い換えると、第一の決定条件は、安定性確保のための安定性条件である。
3. First condition deriving step In the first condition deriving step, the transfer function Gpi (s) of proportional integral control determined above, the transfer function Pm (s) of the motor M, and the transfer function Glpf (s) of the low-pass filter are used. The first determination condition of the integral gain Ki is derived so that the gain margin Yg and the phase margin Yp in the frequency characteristic of the one-round transfer function L (s) from the torque deviation ΔT to the filtered output torque Tf are ensured. In other words, the first determination condition is a stability condition for ensuring stability.

一巡伝達関数L(s)は、式(2)、(3)、(13)より次式で表せる。
L(s)=Glpf(s)×Pm(s)×Gpi(s)
=1/(1+Tlpf×s)×A×(Kp+Ki/s) ・・・(14)
The round transfer function L (s) can be expressed by the following equation from the equations (2), (3), and (13).
L (s) = Glpf (s) x Pm (s) x Gpi (s)
= 1 / (1 + Tlpf × s) × A × (Kp + Ki / s) (14)

この一巡伝達関数L(s)の周波数特性におけるゲイン余裕Yg及び位相余裕Ypが確保されれば、トルクフィードバック制御系の安定性を確保できる。従って、一巡伝達関数L(s)のゲイン余裕Yg及び位相余裕Ypを確保できるような、積分ゲインKiの第一の決定条件を導出する。
ここで、ゲイン余裕Ygは、一巡伝達関数L(s)の周波数特性の位相が-180degになるときの位相交差周波数における、一巡伝達関数L(s)の周波数特性のゲインが0dBに対して下回っている量と定義される。このように位相が-180degであるときのゲインが0dB以下になっていると振幅が減衰するため安定であり、0dBより大きいと振幅が増大するため不安定となる。なお、一巡伝達関数L(s)の周波数特性の位相が-180degになる周波数が存在しない場合も安定である。
また、位相余裕Ypは、一巡伝達関数L(s)の周波数特性のゲインが0dBと交差するときのゲイン交差角周波数における、一巡伝達関数L(s)の周波数特性の位相が-180degに対して上回っている量と定義される。このようにゲインが0dBのときの位相が-180deg以上になっていると安定であり、-180degより小さいと不安定となる。
If the gain margin Yg and the phase margin Yp in the frequency characteristic of the loop transfer function L (s) are secured, the stability of the torque feedback control system can be secured. Therefore, the first determination condition of the integral gain Ki is derived so that the gain margin Yg and the phase margin Yp of the round transfer function L (s) can be secured.
Here, the gain margin Yg is lower than the 0 dB gain of the frequency characteristic of the round transfer function L (s) at the phase crossover frequency when the phase of the frequency characteristic of the round transfer function L (s) is −180 deg. Is defined as the amount that is. Thus, when the gain is 0 dB or less when the phase is -180 deg, the amplitude is stable because it attenuates, and when it is greater than 0 dB, the amplitude increases and becomes unstable. It is also stable when there is no frequency at which the phase of the frequency characteristic of the loop transfer function L (s) becomes −180 deg.
The phase margin Yp is the phase of the frequency characteristic of the round transfer function L (s) at -180 deg at the gain crossover angular frequency when the gain of the frequency characteristic of the round transfer function L (s) crosses 0 dB. It is defined as the amount that exceeds. Thus, when the gain is 0 dB, the phase is stable when it is −180 deg or more, and when it is smaller than −180 deg, the phase becomes unstable.

本実施形態では、一巡伝達関数L(s)の周波数特性におけるゲイン余裕Yg及び位相余裕Ypを確保するために、第一の決定条件として、比例積分制御の伝達関数Gpi(s)と電動機Mの伝達関数Pm(s)とからなるトルク偏差ΔTから出力トルクTまでの開ループ伝達関数Go(s)の周波数特性におけるゲイン交差角周波数ωoが、ローパスフィルタのカットオフ周波数ωlpfよりも小さくなるような積分ゲインKiの決定条件を導出する。   In the present embodiment, in order to secure the gain margin Yg and the phase margin Yp in the frequency characteristic of the round transfer function L (s), as a first determination condition, the transfer function Gpi (s) of the proportional integral control and the motor M The gain cross angular frequency ωo in the frequency characteristic of the open loop transfer function Go (s) from the torque deviation ΔT consisting of the transfer function Pm (s) to the output torque T is smaller than the cut-off frequency ωlpf of the low-pass filter. A condition for determining the integral gain Ki is derived.

開ループ伝達関数Go(s)は、式(2)、(3)、(13)より次式で表せる。
Go(s)=Pm(s)×Gpi(s)
=A×(Kp+Ki/s) ・・・(15)
よって、式(14)の一巡伝達関数L(s)は、開ループ伝達関数Go(s)と、ローパスフィルタの伝達関数Glpf(s)から次式で表せる。
L(s)=Glpf(s)×Go(s) ・・・(16)
一巡伝達関数L(s)の周波数特性のゲイン及び位相は、開ループ伝達関数Go(s)のボード線図と、ローパスフィルタの伝達関数Glpf(s)のボード線図とを、ボード線図上で加え合わせることで、その近似曲線を求めることができる。従って、開ループ伝達関数Go(s)のボード線図と、ローパスフィルタの伝達関数Glpf(s)のボード線図を考察することで、一巡伝達関数L(s)のゲイン余裕Yg及び位相余裕Ypを確保する条件を決定できる。
The open loop transfer function Go (s) can be expressed by the following equation from equations (2), (3), and (13).
Go (s) = Pm (s) x Gpi (s)
= A x (Kp + Ki / s) (15)
Therefore, the round transfer function L (s) of Expression (14) can be expressed by the following expression from the open loop transfer function Go (s) and the transfer function Glpf (s) of the low-pass filter.
L (s) = Glpf (s) × Go (s) (16)
The gain and phase of the frequency characteristic of the loop transfer function L (s) are obtained by comparing the Bode diagram of the open-loop transfer function Go (s) and the Bode diagram of the low-pass filter transfer function Glpf (s) By adding them together, the approximate curve can be obtained. Therefore, by considering the Bode diagram of the open-loop transfer function Go (s) and the Bode diagram of the transfer function Glpf (s) of the low-pass filter, the gain margin Yg and phase margin Yp of the loop transfer function L (s) The conditions for securing the can be determined.

開ループ伝達関数Go(s)は、電動機Mの伝達関数Pm(s)を線形化により比例要素としたので、開ループ伝達関数Go(s)を、式(15)に示したように、比例積分制御の伝達関数Gpi(s)と同じ、比例要素及び積分要素で構成することができる。よって、図9に例を示すように、開ループ伝達関数Go(s)の位相は、ゲイン交差角周波数ωoより低い周波数帯で-90degまで遅れるが、ゲイン交差角周波数ωoより高い周波数帯で0degまで進む位相特性となる。なお、開ループ伝達関数Go(s)は、比例項のゲインとなるA×Kpが1より十分小さくなるような所定値に、比例ゲインKpが設定される。よって、図9に示すように、開ループ伝達関数Go(s)のゲインが20log10|A×Kp|となる高周波数帯における開ループ伝達関数Go(s)のゲインは、0dBより小さくなっている。
また、ローパスフィルタの伝達関数Glpf(s)は、一次遅れフィルタとしたので、その位相は、図9に例を示すように、カットオフ周波数ωlpfで-45degになり、カットオフ周波数ωlpfより低い周波数帯で-45degから0degまで進むが、カットオフ周波数ωlpfより高い周波数帯で-45degから-90degまで遅れる位相特性となる。
Since the open loop transfer function Go (s) is a proportional element by linearizing the transfer function Pm (s) of the motor M, the open loop transfer function Go (s) is proportional to the equation (15). It can be composed of proportional elements and integral elements that are the same as the transfer function Gpi (s) of the integral control. Therefore, as shown in FIG. 9, the phase of the open loop transfer function Go (s) is delayed by −90 deg in the frequency band lower than the gain crossing angular frequency ωo, but is 0 deg in the frequency band higher than the gain crossing angular frequency ωo. It becomes the phase characteristic which advances to. In the open loop transfer function Go (s), the proportional gain Kp is set to a predetermined value such that A × Kp, which is the gain of the proportional term, is sufficiently smaller than 1. Therefore, as shown in FIG. 9, the gain of the open loop transfer function Go (s) in the high frequency band where the gain of the open loop transfer function Go (s) is 20 log 10 | A × Kp | Yes.
Further, since the transfer function Glpf (s) of the low-pass filter is a first-order lag filter, the phase thereof is −45 deg at the cutoff frequency ωlpf as shown in FIG. 9, and is a frequency lower than the cutoff frequency ωlpf. Although it progresses from -45 deg to 0 deg in the band, the phase characteristic is delayed from -45 deg to -90 deg in the frequency band higher than the cut-off frequency ωlpf.

これらの特性から、開ループ伝達関数Go(s)のゲイン交差角周波数ωoを、ローパスフィルタの伝達関数Glpf(s)のカットオフ周波数ωlpfより小さくなるようにした場合、ゲイン交差角周波数ωoは、ローパスフィルタの伝達関数Glpf(s)におけるカットオフ周波数ωlpfより低い周波数帯になる。よって、ゲイン交差角周波数ωoでは、ローパスフィルタの伝達関数Glpf(s)の位相を、少なくとも-45degより進ませることができる。このため、開ループ伝達関数Go(s)の位相にローパスフィルタの伝達関数Glpf(s)の位相を加え合わせても、一巡伝達関数L(s)の位相は、ゲイン交差角周波数ωoで、最遅角が-90degである開ループ伝達関数Go(s)の位相から-45degより大きく遅れることはない。よって、一巡伝達関数L(s)の位相余裕Ypを45degより大きく確保することができ、位相余裕Ypの点で、トルクフィードバック制御系の安定性を十分確保できる。   From these characteristics, when the gain crossing angular frequency ωo of the open loop transfer function Go (s) is made smaller than the cutoff frequency ωlpf of the low pass filter transfer function Glpf (s), the gain crossing angular frequency ωo is The frequency band is lower than the cut-off frequency ωlpf in the transfer function Glpf (s) of the low-pass filter. Therefore, at the gain crossover angular frequency ωo, the phase of the transfer function Glpf (s) of the low-pass filter can be advanced by at least −45 deg. Therefore, even if the phase of the low-pass filter transfer function Glpf (s) is added to the phase of the open-loop transfer function Go (s), the phase of the loop transfer function L (s) is the highest at the gain crossover angular frequency ωo. There is no delay greater than -45 deg from the phase of the open loop transfer function Go (s) with a retard angle of -90 deg. Therefore, the phase margin Yp of the loop transfer function L (s) can be ensured to be greater than 45 degrees, and the stability of the torque feedback control system can be sufficiently ensured in terms of the phase margin Yp.

なお、この場合、ゲイン交差角周波数ωoでは、ローパスフィルタの伝達関数Glpf(s)のゲインは0dBに近いので、このゲインを開ループ伝達関数Go(s)に加え合わせた一巡伝達関数L(s)のゲインは、開ループ伝達関数Go(s)にほぼ一致する。このため、一巡伝達関数L(s)のゲイン交差角周波数ωlが、開ループ伝達関数Go(s)のゲイン交差角周波数ωoより小さくなることを防止でき、ほぼ一致させることができる。よって、ゲイン交差角周波数ωl以下の周波数帯域となる周波数帯域幅(バンド幅)の減少を防止でき、速応性の悪化を防止できる。この周波数帯域幅では、図12に閉ループ特性を示すように、ゲインが0dBとなり、トルク指令Toの変化に対する出力トルクTの追従性が良好になる。   In this case, since the gain of the low-pass filter transfer function Glpf (s) is close to 0 dB at the gain crossover angular frequency ωo, the loop transfer function L (s ) Is approximately equal to the open loop transfer function Go (s). For this reason, it is possible to prevent the gain crossing angular frequency ωl of the loop transfer function L (s) from becoming smaller than the gain crossing angular frequency ωo of the open loop transfer function Go (s), and to substantially match them. Therefore, it is possible to prevent a decrease in the frequency bandwidth (bandwidth), which is a frequency band equal to or lower than the gain crossing angular frequency ωl, and it is possible to prevent deterioration of the quick response. In this frequency bandwidth, as shown in FIG. 12, the gain becomes 0 dB, and the followability of the output torque T to the change of the torque command To becomes good.

また、ゲイン交差角周波数ωoがカットオフ周波数ωlpfより小さくなるようにした場合は、一巡伝達関数L(s)の位相が-180degになる周波数が存在しないため、ゲイン余裕Ygの点でも、安定性を確保できる。   Also, when the gain crossing angular frequency ωo is smaller than the cutoff frequency ωlpf, there is no frequency at which the phase of the loop transfer function L (s) is -180 deg. Can be secured.

更に、ゲイン交差角周波数ωoが、カットオフ周波数ωlpfより十分小さくなるようにした場合、図9に示すように、ゲイン交差角周波数ωoでは、ローパスフィルタの伝達関数Glpf(s)の位相を、0deg近くまで進ませることができる。よって、一巡伝達関数L(s)の位相余裕Ypを90deg近くまで確保できる。   Further, when the gain crossing angular frequency ωo is made sufficiently smaller than the cut-off frequency ωlpf, as shown in FIG. 9, at the gain crossing angular frequency ωo, the phase of the transfer function Glpf (s) of the low-pass filter is 0 deg. You can go closer. Therefore, the phase margin Yp of the round transfer function L (s) can be secured up to 90 deg.

図10に、本実施形態とは逆に、開ループ伝達関数Go(s)のゲイン交差角周波数ωoがカットオフ周波数ωlpfより十分大きくなるようにした場合を示す。ゲイン交差角周波数ωoでは、ローパスフィルタの伝達関数Glpf(s)の位相が、-90deg近くまで遅れている。よって、一巡伝達関数L(s)の位相が、ゲイン交差角周波数ωoで、ほぼ-180degまで遅れている。また、ゲイン交差角周波数ωoでは、ローパスフィルタの伝達関数Glpf(s)のゲインは0dBより小さくなっているので、このゲインを開ループ伝達関数Go(s)に加え合わせた一巡伝達関数L(s)のゲインは、開ループ伝達関数Go(s)より小さくなっている。このため、一巡伝達関数L(s)のゲイン交差角周波数ωlは、開ループ伝達関数Go(s)のゲイン交差角周波数ωoより小さくなり、周波数帯域幅(バンド幅)が減少し、速応性が悪化している。また、一巡伝達関数L(s)のゲイン交差角周波数ωlにおける、位相余裕Ypが減少しており、安定性が低下している。   FIG. 10 shows a case where the gain crossing angular frequency ωo of the open loop transfer function Go (s) is made sufficiently higher than the cutoff frequency ωlpf, contrary to the present embodiment. At the gain crossover angular frequency ωo, the phase of the transfer function Glpf (s) of the low-pass filter is delayed to near -90 deg. Therefore, the phase of the loop transfer function L (s) is delayed to approximately −180 deg at the gain crossover angular frequency ωo. At the gain crossover angular frequency ωo, the gain of the transfer function Glpf (s) of the low-pass filter is smaller than 0 dB, so this gain is added to the open-loop transfer function Go (s) to make a round transfer function L (s ) Is smaller than the open loop transfer function Go (s). Therefore, the gain crossing angular frequency ωl of the loop transfer function L (s) is smaller than the gain crossing angular frequency ωo of the open loop transfer function Go (s), the frequency bandwidth (bandwidth) is reduced, and the speed response is reduced. It is getting worse. Further, the phase margin Yp at the gain crossing angular frequency ωl of the loop transfer function L (s) is reduced, and the stability is lowered.

従って、本実施形態のように、第一の決定条件として、開ループ伝達関数Go(s)のゲイン交差角周波数ωoが、ローパスフィルタのカットオフ周波数ωlpfよりも小さくなるような積分ゲインKiの決定条件とすることで、一巡伝達関数L(s)の周波数特性におけるゲイン余裕Yg及び位相余裕Ypが確保されて安定性が確保されるとともに、周波数帯域幅(バンド幅)の減少が防止されて速応性の低下を防止できる。   Therefore, as in the present embodiment, as a first determination condition, the integral gain Ki is determined such that the gain crossing angular frequency ωo of the open-loop transfer function Go (s) is smaller than the cut-off frequency ωlpf of the low-pass filter. By satisfying the conditions, the gain margin Yg and phase margin Yp in the frequency characteristic of the loop transfer function L (s) are ensured to ensure stability, and the reduction of the frequency bandwidth (bandwidth) is prevented and the speed is reduced. Decrease in responsiveness can be prevented.

次に、第一の決定条件を導出する。
まず、開ループ伝達関数Go(s)のゲイン交差角周波数ωoを導出する。式(16)の開ループ伝達関数Go(s)にs=jωを代入してデシベル単位でゲインを求めると次式を得る。
20log10|Go(jω)|=20log10(A×√(Kp+Ki/ω)) ・・・(17)
式(17)から、ゲインが0dB(真数で1)になるときのゲイン交差角周波数ωoを求めると次式を得る。
A×√(Kp+Ki/ωo)=1
ωo=A×Ki×√(1/(1―A×Kp)) ・・・(18)
なお、ローパスフィルタのカットオフ周波数ωlpfは、一次遅れフィルタの時定数Tlpfから、1/Tlpfとなる。
開ループ伝達関数Go(s)のゲイン交差角周波数ωoが、ローパスフィルタのカットオフ周波数ωlpfよりも小さくなる条件は次式となる。
ωo < ωlpf ・・・(19)
式(19)に、式(18)を代入し、積分ゲインKiについて整理すると、次式の第一の決定条件を得る。
Ki < ωlpf/A×√(1−A×Kp) ・・・(20)
Next, the first determination condition is derived.
First, the gain crossing angular frequency ωo of the open loop transfer function Go (s) is derived. Substituting s = jω into the open-loop transfer function Go (s) in equation (16) to obtain the gain in decibels, the following equation is obtained.
20log 10 | Go (jω) | = 20log 10 (A × √ (Kp 2 + Ki 2 / ω 2 )) (17)
From the equation (17), when the gain crossing angular frequency ωo when the gain is 0 dB (1 in the true number) is obtained, the following equation is obtained.
A × √ (Kp 2 + Ki 2 / ωo 2 ) = 1
ωo = A × Ki × √ (1 / (1-A 2 × Kp 2 )) (18)
Note that the cutoff frequency ωlpf of the low-pass filter is 1 / Tlpf from the time constant Tlpf of the first-order lag filter.
The condition that the gain crossing angular frequency ωo of the open loop transfer function Go (s) is smaller than the cut-off frequency ωlpf of the low-pass filter is as follows.
ωo <ωlpf (19)
Substituting equation (18) into equation (19) and rearranging the integral gain Ki, the first determination condition of the following equation is obtained.
Ki <ωlpf / A × √ (1-A 2 × Kp 2 ) (20)

4、第二条件導出ステップ
第二条件導出ステップでは、比例積分制御の伝達関数Gpi(s)、電動機Mの伝達関数Pm(s)、及びローパスフィルタの伝達関数Glpf(s)からなる、トルク指令Toから出力トルクTまでの閉ループ伝達関数Gfb(s)における、トルク指令Toの変化に対する出力トルクTの応答性が、所定の応答性以上に速くなるような積分ゲインKiの第二の決定条件を導出する。言い換えると、第二の決定条件は、応答性確保のための応答性条件である。
4. Second condition deriving step In the second condition deriving step, a torque command comprising a transfer function Gpi (s) of proportional-integral control, a transfer function Pm (s) of the motor M, and a transfer function Glpf (s) of the low-pass filter. In the closed loop transfer function Gfb (s) from To to the output torque T, the second determination condition of the integral gain Ki is such that the response of the output torque T to the change of the torque command To becomes faster than a predetermined response. To derive. In other words, the second determination condition is a responsiveness condition for ensuring responsiveness.

閉ループ伝達関数Gfb(s)は、次式で表せる。
Gfb(s)=Pm(s)×Gpi(s)/(1+Glpf(s)×Pm(s)×Gpi(s))
=Go(s)/(1+Glpf(s)×Go(s)) ・・・(21)
The closed loop transfer function Gfb (s) can be expressed by the following equation.
Gfb (s) = Pm (s) x Gpi (s) / (1 + Glpf (s) x Pm (s) x Gpi (s))
= Go (s) / (1 + Glpf (s) x Go (s)) (21)

本実施形態では、閉ループ伝達関数Gfb(s)におけるトルク指令Toに対する出力トルクTの応答性が所定の応答性以上に速くなるように、第二の決定条件として、ローパスフィルタの伝達関数Glpf(s)を1に近似した場合における閉ループ伝達関数Gfb(s)の時定数τが、所定値以下になるような積分ゲインKiの決定条件を導出する。   In the present embodiment, the transfer function Glpf (s) of the low-pass filter is used as the second determination condition so that the response of the output torque T to the torque command To in the closed-loop transfer function Gfb (s) is faster than a predetermined response. ) Is approximated to 1, a condition for determining the integral gain Ki is derived so that the time constant τ of the closed-loop transfer function Gfb (s) is equal to or less than a predetermined value.

式(21)の閉ループ伝達関数Gfb(s)は、ローパスフィルタの伝達関数Glpf(s)を1に近似すると次式のようになる。
Gfb(s)=Go(s)/(1+Glpf(s)×Go(s))≒Go(s)/(1+Go(s)) ・・・(22)
積分ゲインKiが式(20)の第一の決定条件により決定され、式(19)のωo < ωlpfの条件が満たされる場合、図12に示すように、近似前後の閉ループ伝達関数Gfb(s)の周波数特性はほぼ一致する。これは、図9に示すように、周波数ωがローパスフィルタのカットオフ周波数ωlpfよりも小さくなる帯域(ω<ωlpf)では、ローパスフィルタの伝達関数Glpf(s)のゲインがほぼ0dB(真数(非対数)で1)であるため、一巡伝達関数L(s)(= Glpf(s)×Go(s))の周波数特性は、開ループ伝達関数Go(s)の周波数特性と等しいとみなすことができる。よって、当該帯域において、ローパスフィルタの伝達関数Glpf(s)を1に近似できる。また、周波数ωがローパスフィルタのカットオフ周波数ωlpf以上になる帯域(ω≧ωlpf)では、一巡伝達関数L(s)(=Go(s)×Glpf(s))及び開ループ伝達関数Go(s)のゲインが0dBより低下している。ここで、dB単位で低下しているため、これらのゲインは真数(非対数)で1より大幅に小さくなる。よって、式(22)の閉ループ伝達関数Gfb(s)の分母は、近似前後に関わらずほぼ1になるため(すなわち、1+Glpf(s)×Go(s)≒1+Go(s)≒1)、当該ローパスフィルタの伝達関数Glpf(s)を1に近似することができる。従って、周波数ωがローパスフィルタのカットオフ周波数ωlpfよりも小さくなる帯域及び大きくなる帯域の双方、すなわち、周波数ωの全域に亘って、ローパスフィルタの伝達関数Glpf(s)を1に近似した閉ループ伝達関数Gfb(s)を用いて、閉ループ伝達関数Gfb(s)の応答性を考察することができる。
The closed-loop transfer function Gfb (s) in the equation (21) is expressed by the following equation when the transfer function Glpf (s) of the low-pass filter is approximated to 1.
Gfb (s) = Go (s) / (1 + Glpf (s) × Go (s)) ≈Go (s) / (1 + Go (s)) (22)
When the integral gain Ki is determined by the first determination condition of the equation (20) and the condition of ωo <ωlpf of the equation (19) is satisfied, as shown in FIG. 12, the closed-loop transfer function Gfb (s) before and after the approximation. The frequency characteristics of are almost the same. As shown in FIG. 9, in the band where the frequency ω is smaller than the cutoff frequency ωlpf of the low-pass filter (ω <ωlpf), the gain of the transfer function Glpf (s) of the low-pass filter is almost 0 dB (true number ( Since the non-logarithm) is 1), the frequency characteristic of the round transfer function L (s) (= Glpf (s) x Go (s)) is assumed to be equal to the frequency characteristic of the open-loop transfer function Go (s) Can do. Therefore, the transfer function Glpf (s) of the low-pass filter can be approximated to 1 in the band. In the band where the frequency ω is equal to or higher than the cut-off frequency ωlpf of the low-pass filter (ω ≧ ωlpf), the loop transfer function L (s) (= Go (s) × Glpf (s)) and the open-loop transfer function Go (s ) Gain is lower than 0dB. Here, since the gain is reduced in dB, these gains are true (non-logarithmic) and are significantly smaller than 1. Therefore, the denominator of the closed-loop transfer function Gfb (s) in Equation (22) is almost 1 regardless of before and after the approximation (that is, 1 + Glpf (s) × Go (s) ≈1 + Go (s) ≈1). The transfer function Glpf (s) of the low-pass filter can be approximated to 1. Accordingly, the closed-loop transmission in which the transfer function Glpf (s) of the low-pass filter is approximated to 1 over both the band where the frequency ω is smaller and larger than the cut-off frequency ωlpf of the low-pass filter, that is, the entire range of the frequency ω. Using the function Gfb (s), the responsiveness of the closed-loop transfer function Gfb (s) can be considered.

式(22)の閉ループ伝達関数Gfb(s)は、式(15)を代入すると次式となる。
Gfb(s)≒Go(s)/(1+Go(s))=(Kp/Ki×s+1)/(τ×s+1)
τ=(1+A×Kp)/(A×Ki) ・・・(23)
ここで、τを閉ループ伝達関数Gfb(s)の時定数とする。
式(23)の閉ループ伝達関数Gfb(s)に、単位ステップ関数u(t)のトルク指令Toを入力したときの、初期値0のもとでの出力トルクTの時間応答であるインディシャル応答f(t)は、次式のように導出される。
f(t)=L-1(Gfb(s)×U(s))=L-1((Kp/Ki×s+1)/(τ×s+1)×1/s)
=1−(1−Kp/(1+A×Kp))×exp(−1/τ×t) ・・・(24)
ここで、L-1()は、逆ラプラス変換を表し、U(s)は、単位ステップ関数u(t)のラプラス変換を表し、1/sである。
式(24)の出力トルクTのインディシャル応答f(t)を図11に示す。閉ループ伝達関数Gfb(s)のインデンシャル応答f(t)の過渡応答は、一次遅れの指数関数的変化が支配的であることがわかる。トルク指令Toのステップ変化後、出力トルクTがトルク指令Toに到達する(Toの約99%に到達する)までのステップ応答の応答時間は、式(23)の時定数τの5倍程度となる。
The closed-loop transfer function Gfb (s) in the equation (22) becomes the following equation when the equation (15) is substituted.
Gfb (s) ≒ Go (s) / (1 + Go (s)) = (Kp / Ki × s + 1) / (τ × s + 1)
τ = (1 + A × Kp) / (A × Ki) (23)
Here, τ is the time constant of the closed loop transfer function Gfb (s).
The initial response which is the time response of the output torque T under the initial value 0 when the torque command To of the unit step function u (t) is input to the closed loop transfer function Gfb (s) of the equation (23). f (t) is derived as follows.
f (t) = L −1 (Gfb (s) × U (s)) = L −1 ((Kp / Ki × s + 1) / (τ × s + 1) × 1 / s)
= 1− (1−Kp / (1 + A × Kp)) × exp (−1 / τ × t) (24)
Here, L −1 () represents the inverse Laplace transform, and U (s) represents the Laplace transform of the unit step function u (t), which is 1 / s.
FIG. 11 shows the initial response f (t) of the output torque T in Expression (24). It can be seen that the exponential change of the first-order lag is dominant in the transient response of the indental response f (t) of the closed loop transfer function Gfb (s). After the step change of the torque command To, the response time of the step response until the output torque T reaches the torque command To (approx. 99% of To) is about 5 times the time constant τ of the equation (23). Become.

よって、ステップ応答の目標応答時間を5×τoとし、ローパスフィルタの伝達関数Glpf(s)を1に近似した場合における閉ループ伝達関数Gfb(s)の時定数τを目標時定数τo以下になるような積分ゲインKiの決定条件を導出する。これにより、閉ループ伝達関数Gfb(s)におけるトルク指令Toに対する出力トルクTの応答性が所定の応答性以上に速くなるような、積分ゲインKiの第二の決定条件を導出することができる。   Accordingly, the time constant τ of the closed loop transfer function Gfb (s) when the target response time of the step response is 5 × τo and the transfer function Glpf (s) of the low-pass filter is approximated to 1 is set to be equal to or less than the target time constant τo. The condition for determining the integral gain Ki is derived. Accordingly, it is possible to derive the second determination condition of the integral gain Ki such that the response of the output torque T to the torque command To in the closed loop transfer function Gfb (s) is faster than a predetermined response.

以下で、第二の決定条件を導出する。
閉ループ伝達関数Gfb(s)の時定数τが、所定の目標時定数τo以下になる条件は次式となる。
τ≦τo ・・・(25)
式(25)に、式(23)を代入し、積分ゲインKiについて整理すると、次式の第二の決定条件を得る。
Ki≧1/τo/A×(1+A×Kp) ・・・(26)
ここで、時定数τは、閉ループ伝達関数Gfb(s)のカットオフ周波数ωfb(≒ωl、≒ωo)の逆数に対応している。よって、目標時定数τoの逆数を、閉ループ伝達関数Gfb(s)のカットオフ周波数の目標値ωfboとすると、式(26)の第二の決定条件は次式で表せる。
Ki≧ωfbo/A×(1+A×Kp) ・・・(27)
In the following, the second determination condition is derived.
The condition for the time constant τ of the closed-loop transfer function Gfb (s) to be equal to or less than a predetermined target time constant τo is as follows.
τ ≦ τo (25)
Substituting equation (23) into equation (25) and rearranging the integral gain Ki, the second determination condition of the following equation is obtained.
Ki ≧ 1 / τo / A × (1 + A × Kp) (26)
Here, the time constant τ corresponds to the reciprocal of the cutoff frequency ωfb (≈ωl, ≈ωo) of the closed-loop transfer function Gfb (s). Therefore, if the reciprocal of the target time constant τo is the target value ωfbo of the cutoff frequency of the closed-loop transfer function Gfb (s), the second determination condition of Expression (26) can be expressed by the following expression.
Ki ≧ ωfbo / A × (1 + A × Kp) (27)

5、積分ゲイン決定ステップ
積分ゲイン決定ステップでは、積分ゲインKiを、第一の決定条件及び第二の決定条件の双方を満たすように決定する。
本実施形態では、式(20)の第一の決定条件、及び式(27)の第二の決定条件の双方を満たすように、積分ゲインKiが満たすべき条件を次式のように決定する。
ωlpf/A×√(1−A×Kp)>Ki≧ωfbo/A×(1+A×Kp) ・・・(28)
5. Integral Gain Determination Step In the integral gain determination step, the integral gain Ki is determined so as to satisfy both the first determination condition and the second determination condition.
In the present embodiment, the condition that the integral gain Ki should satisfy is determined as the following expression so that both the first determination condition of Expression (20) and the second determination condition of Expression (27) are satisfied.
ωlpf / A × √ (1−A 2 × Kp 2 )> Ki ≧ ωfbo / A × (1 + A × Kp) (28)

式(28)の第一の決定条件の値は、ローパスフィルタのカットオフ周波数ωlpfに比例し、また、上記したようにA×Kpが1より小さく設定されており、A×Kpが1より十分小さくなるため、図14に示すようにトルク位相傾きAに反比例する。 The value of the first determination condition in Expression (28) is proportional to the cutoff frequency ωlpf of the low-pass filter, and as described above, A × Kp is set smaller than 1, and A 2 × Kp 2 is 1. Since it becomes sufficiently smaller, it is inversely proportional to the torque phase gradient A as shown in FIG.

ここで、本実施形態におけるカットオフ周波数ωlpfの設定について説明する。電動機Mに矩形波電圧を印加しているので、電動機Mの出力トルクTに、電動機Mの一回転周期の基本波成分より高調波の振動成分が重畳する。よって、本実施形態では、ローパスフィルタのカットオフ周波数ωlpfは、出力トルクTの基本波成分は透過し、高調波成分は除去するように設定される。よって、カットオフ周波数ωlpfは、基本波の周波数よりも高く、最も低い周波数の高調波である基本波周波数の6倍の周波数よりも低い周波数に設定される。本例では、次式のように、ローパスフィルタのカットオフ周波数ωlpfは、基本波周波数の1.6倍に設定され、電動機Mの回転速度N[rpm]に応じて設定される。
ωlpf=2×π×N/60×1.6 ・・・(29)
ここで、2×π×N/60は、基本波の周波数である、一回転周期の周波数であり、電動機Mのロータ角速度ωeに等しくなる。
Here, the setting of the cutoff frequency ωlpf in the present embodiment will be described. Since the rectangular wave voltage is applied to the electric motor M, a harmonic vibration component is superimposed on the output torque T of the electric motor M from the fundamental wave component of one rotation period of the electric motor M. Therefore, in the present embodiment, the cut-off frequency ωlpf of the low-pass filter is set so that the fundamental component of the output torque T is transmitted and the harmonic component is removed. Therefore, the cut-off frequency ωlpf is set to a frequency that is higher than the frequency of the fundamental wave and lower than a frequency that is six times the fundamental wave frequency, which is the lowest harmonic. In this example, the cut-off frequency ωlpf of the low-pass filter is set to 1.6 times the fundamental frequency and is set according to the rotational speed N [rpm] of the electric motor M, as in the following equation.
ωlpf = 2 × π × N / 60 × 1.6 (29)
Here, 2 × π × N / 60 is a frequency of one rotation cycle that is a frequency of the fundamental wave, and is equal to the rotor angular velocity ωe of the electric motor M.

よって、第一の決定条件の値は、電動機Mの回転速度Nに比例して変化する。回転速度Nは、図7に示すように矩形波制御の実行範囲である下限回転速度N1と上限回転速度N2との間を変化するため、第一の決定条件の値は、図14に示すように、回転速度Nに応じて、下限回転速度N1における値と上限回転速度N2における値との間を変化する。よって、積分ゲインKiは、下限の回転速度N1に対応する第一の決定条件の値より小さく決定されれば、回転速度Nの全ての使用範囲において、第一の決定条件を満たすことができる。   Therefore, the value of the first determination condition changes in proportion to the rotational speed N of the electric motor M. Since the rotation speed N changes between the lower limit rotation speed N1 and the upper limit rotation speed N2 that are the execution range of the rectangular wave control as shown in FIG. 7, the value of the first determination condition is as shown in FIG. In addition, the value between the value at the lower limit rotational speed N1 and the value at the upper limit rotational speed N2 changes according to the rotational speed N. Therefore, if the integral gain Ki is determined to be smaller than the value of the first determination condition corresponding to the lower limit rotation speed N1, the first determination condition can be satisfied in the entire use range of the rotation speed N.

式(28)の第二の決定条件の値は、閉ループ伝達関数Gfb(s)の目標カットオフ周波数ωfbo(=1/τo)に比例し、また上記したようにA×Kpが1より小さくなるため、図14に示すようにトルク位相傾きAに反比例する。矩形波電圧における電圧位相δの変更タイミングは電気角60deg毎であるため、目標応答時間は、一回転周期より十分遅く設定される。よって、目標応答時間の5分の1に対応する目標カットオフ周波数ωfboは、一回転周期の周波数よりも小さくなるように設定される。従って、目標カットオフ周波数ωfboは、一回転周期の周波数の1倍から6倍の間に設定されるローパスフィルタのカットオフ周波数ωlpfよりも小さく設定される(ωfbo<ωlpf)。   The value of the second determination condition in Expression (28) is proportional to the target cutoff frequency ωfbo (= 1 / τo) of the closed-loop transfer function Gfb (s), and A × Kp is smaller than 1 as described above. Therefore, it is inversely proportional to the torque phase gradient A as shown in FIG. Since the change timing of the voltage phase δ in the rectangular wave voltage is every electrical angle of 60 degrees, the target response time is set sufficiently later than one rotation cycle. Therefore, the target cutoff frequency ωfbo corresponding to 1/5 of the target response time is set to be smaller than the frequency of one rotation period. Therefore, the target cut-off frequency ωfbo is set to be smaller than the cut-off frequency ωlpf of the low-pass filter set between 1 and 6 times the frequency of one rotation cycle (ωfbo <ωlpf).

従って、第二の決定条件の値は、第一の決定条件の値よりも小さくなり、図14にハッチングを設けて示すように、式(28)における第一の決定条件及び第二の決定条件の双方を満たす積分ゲインKiの設定可能領域が存在する。   Therefore, the value of the second determination condition is smaller than the value of the first determination condition. As shown in FIG. 14 with hatching, the first determination condition and the second determination condition in Expression (28) are used. There is a settable region of the integral gain Ki that satisfies both of the above.

本実施形態では、積分ゲインKiを、第一の決定条件及び第二の決定条件の双方を満たすように、トルク位相傾きAに応じて変化する可変値Kiaに決定する。例えば、図14に示すように、積分ゲインKiを、トルク位相傾きAの動作点毎に、第一の決定条件(下限回転速度)及び第二の決定条件の中間程度の値Kiaに決定する。
もしくは、積分ゲインKiを、トルク位相傾きAの使用範囲の全域において、第一の決定条件及び第二の決定条件の双方を満たす一定値Kibに決定するようにしてもよい。
もしくは、図15を用いて上述したように、トルク位相傾きAは、使用範囲で、システム電圧Vdc/回転速度Nにほぼ比例して変化する。すなわち、システム電圧Vdc/回転速度Nが大きくなるに従って、トルク位相傾きAも大きくなる。よって、積分ゲインKiを、第一の決定条件及び第二の決定条件の双方を満たすように、矩形波電圧の振幅電圧となるシステム電圧Vdcをロータ回転速度Nで除算した値に応じて変化する可変値に決定するようにしてもよい。
In the present embodiment, the integral gain Ki is determined to be a variable value Kia that changes according to the torque phase gradient A so as to satisfy both the first determination condition and the second determination condition. For example, as shown in FIG. 14, the integral gain Ki is determined to be a value Kia that is intermediate between the first determination condition (lower limit rotational speed) and the second determination condition for each operating point of the torque phase gradient A.
Alternatively, the integral gain Ki may be determined to be a constant value Kib that satisfies both the first determination condition and the second determination condition over the entire use range of the torque phase gradient A.
Alternatively, as described above with reference to FIG. 15, the torque phase gradient A changes approximately in proportion to the system voltage Vdc / rotational speed N in the usage range. That is, as the system voltage Vdc / rotational speed N increases, the torque phase gradient A also increases. Therefore, the integral gain Ki changes according to the value obtained by dividing the system voltage Vdc, which is the amplitude voltage of the rectangular wave voltage, by the rotor rotational speed N so as to satisfy both the first determination condition and the second determination condition. A variable value may be determined.

また、トルク偏差ΔTが所定値以下である定常時に用いる積分ゲインKiを、第二の決定条件における、閉ループ伝達関数Gfb(s)の応答性が、所定の応答性に一致するように決定するようにしてもよい。すなわち、式(26)の第二の決定条件を次式のように変更して、積分ゲインKiを決定する。
Ki=(1+A×Kp)/A/τo ・・・(30)
これにより、トルク偏差ΔTが所定値以下である定常時では、トルクフィードバック制御系の応答性を高める必要性が低く、応答性を下限まで低下させて高調波成分からなる出力トルクTのリップルに対するフィードバック系の応答感度を低下させて、定常時に電圧位相δを振動させないようにすることができる。
Further, the integral gain Ki used in the steady state where the torque deviation ΔT is equal to or less than a predetermined value is determined so that the response of the closed-loop transfer function Gfb (s) in the second determination condition matches the predetermined response. It may be. That is, the integral gain Ki is determined by changing the second determination condition of the equation (26) as the following equation.
Ki = (1 + A × Kp) / A / τo (30)
As a result, in a steady state in which the torque deviation ΔT is equal to or less than a predetermined value, there is little need to increase the responsiveness of the torque feedback control system. It is possible to reduce the response sensitivity of the system and prevent the voltage phase δ from oscillating in a steady state.

6、制御周期決定ステップ
制御周期決定ステップでは、比例積分制御が離散化される場合において、比例積分制御の制御周期Tcを、一巡伝達関数L(s)の周波数特性におけるゲイン余裕Yg及び位相余裕Ypが確保されるように決定する。
6. Control cycle determination step In the control cycle determination step, when proportional-integral control is discretized, the control cycle Tc of proportional-integral control is set to gain margin Yg and phase margin Yp in the frequency characteristic of the round transfer function L (s). Is determined to be secured.

連続系で設計したトルクフィードバック制御を、ディジタル計算機を用いた制御装置に実装するに際して、トルクフィードバック制御を制御周期Tc(サンプリング間隔)で離散化する必要がある。そこで、離散化されたトルクフィードバック制御の伝達関数から、安定性が確保される制御周期Tcを決定する。   When implementing torque feedback control designed in a continuous system in a control device using a digital computer, it is necessary to discretize the torque feedback control with a control cycle Tc (sampling interval). Therefore, a control cycle Tc in which stability is ensured is determined from the discretized transfer function of torque feedback control.

第二の決定条件における式(22)に関連して説明したように、積分ゲインKiが式(20)の第一の決定条件により決定されて、式(19)のωo < ωlpfの条件が満たされる場合、周波数ωがローパスフィルタのカットオフ周波数ωlpfよりも小さくなる帯域(ω<ωlpf)では、ローパスフィルタの伝達関数Glpf(s)を1に近似して無視できる。よって、本実施形態では、ローパスフィルタの伝達関数Glpf(s)を1に近似した場合の一巡伝達関数L(s)と一致する開ループ伝達関数Go(s)について、離散化された場合の安定性が確保されるような制御周期Tcを決定する。開ループ伝達関数Go(s)は、比例積分制御にトルク位相傾きAを乗じたものであるため、制御周期Tcは、比例積分制御を離散化した場合の制御周期となる。   As described in relation to Expression (22) in the second determination condition, the integral gain Ki is determined by the first determination condition in Expression (20), and the condition of ωo <ωlpf in Expression (19) is satisfied. In the case where the frequency ω is smaller than the cut-off frequency ωlpf of the low-pass filter (ω <ωlpf), the transfer function Glpf (s) of the low-pass filter can be approximated to 1 and ignored. Therefore, in this embodiment, the open-loop transfer function Go (s) that matches the one-round transfer function L (s) when the transfer function Glpf (s) of the low-pass filter is approximated to 1 is stable when discretized. The control cycle Tc is determined so as to ensure the performance. Since the open loop transfer function Go (s) is obtained by multiplying the proportional integral control by the torque phase gradient A, the control cycle Tc is a control cycle when the proportional integral control is discretized.

式(15)の開ループ伝達関数Go(s)を、サンプリング間隔Tc毎にサンプリングするサンプラーと0次ホールドとを用いて離散化した場合の離散化開ループ伝達関数God(s)を次式で示す。
God(s)=Go(s)×(1−exp(−s×Tc))/s
=A×(Kp+Ki/s)×(1−exp(−s×Tc))/s ・・・(31)
式(31)をz変換して、次式のパルス伝達関数を得る。
God(z)=A×(Kp+Ki×Tc/(z−1)) ・・・(32)
パルス伝達関数の周波数特性を求めるため、式(32)にz=exp(j×ω×Tc)を代入して、整理すると次式を得る。
God(jω)=α+j×β
α=A×(Kp−Ki×Tc/2)
β=−A×Ki×Tc×sin(ω×Tc)/2/(1−cos(ω×Tc)) ・・・(32)
式(32)の周波数特性の位相が-180degになるときの位相交差周波数ωpを求める。
∠God(jω)=tan-1(β/α)=−π
β/α=0
sin(ω×Tc)=0
∴ ωp=π/Tc ・・・(33)
The discretized open-loop transfer function God (s) when the open-loop transfer function Go (s) in Equation (15) is discretized using a sampler that samples at every sampling interval Tc and the 0th-order hold is expressed by the following equation: Show.
God (s) = Go (s) x (1-exp (-s x Tc)) / s
= A * (Kp + Ki / s) * (1-exp (-s * Tc)) / s (31)
Expression (31) is z-transformed to obtain a pulse transfer function of the following expression.
God (z) = A × (Kp + Ki × Tc / (z−1)) (32)
In order to obtain the frequency characteristics of the pulse transfer function, substituting z = exp (j × ω × Tc) into the equation (32) and rearranging, the following equation is obtained.
God (jω) = α + j × β
α = A × (Kp−Ki × Tc / 2)
β = −A × Ki × Tc × sin (ω × Tc) / 2 / (1-cos (ω × Tc)) (32)
The phase crossover frequency ωp when the phase of the frequency characteristic of Expression (32) is −180 deg is obtained.
∠God (jω) = tan -1 (β / α) = − π
β / α = 0
sin (ω × Tc) = 0
Ω ωp = π / Tc (33)

次に、位相が-180degになるとき(ω=π/Tc)の、式(32)の周波数特性のゲインを求める。
|God(j×π/Tc)|=√(α2+β2)=A×(Ki×Tc/2−Kp) ・・・(34)
Next, the gain of the frequency characteristic of Expression (32) when the phase becomes −180 deg (ω = π / Tc) is obtained.
| God (j × π / Tc) | = √ (α 2 + β 2 ) = A × (Ki × Tc / 2−Kp) (34)

よって、位相が-180degになるときの式(34)のゲインが、0dB(真数で1)より小さくなる、すなわちゲイン余裕Ygが確保される制御周期Tcの決定条件は次式となる。
|God(j×π/Tc)|=A×(Ki×Tc/2−Kp)<1
Tc<Tco
Tco=2×(1+A×Kp)/A/Ki ・・・(35)
ここで、Tcoは、安定限界の制御周期である。
従って、制御周期Tcは、式(35)を満たすように決定される。
図13に、離散化開ループ伝達関数Godの周波数特性を示す。制御周期Tcが安定限界の制御周期Tcoに設定されたとき(Tc=Tco)の、ゲイン余裕Yg1は0dBになっており安定限界になっている。また、ゲイン交差角周波数ωoのときの位相余裕Yp1は、90degより大きく減少している。次に、制御周期Tcが安定限界の制御周期Tcoより小さく設定されたとき(Tc<Tco)の、ゲイン余裕Yg2は確保されており、安定性が確保されている。また、ゲイン交差角周波数ωoのときの位相余裕Yp1は、90degよりほとんど減少しておらず、安定性が確保されている。
Therefore, the condition for determining the control period Tc in which the gain of the equation (34) when the phase becomes −180 deg is smaller than 0 dB (1 in the true number), that is, the gain margin Yg is secured is as follows.
| God (j × π / Tc) | = A × (Ki × Tc / 2−Kp) <1
Tc <Tco
Tco = 2 × (1 + A × Kp) / A / Ki (35)
Here, Tco is the control cycle of the stability limit.
Therefore, the control cycle Tc is determined so as to satisfy the equation (35).
FIG. 13 shows the frequency characteristics of the discretized open loop transfer function God. When the control cycle Tc is set to the stability limit control cycle Tco (Tc = Tco), the gain margin Yg1 is 0 dB, which is the stability limit. Further, the phase margin Yp1 at the gain crossover angular frequency ωo is greatly reduced from 90 deg. Next, when the control cycle Tc is set smaller than the stability limit control cycle Tco (Tc <Tco), the gain margin Yg2 is secured, and the stability is secured. In addition, the phase margin Yp1 at the gain crossover angular frequency ωo is hardly reduced from 90 degrees, and the stability is ensured.

よって、ゲイン余裕Yg及び位相余裕Ypを十分確保するためには、制御周期Tcは安定限界の制御周期Tcoより十分小さく決定されればよい。例えば、制御周期Tcを、次式のように、安定限界の制御周期Tcoの10分の1に決定すればよい。
Tc=Tco/10 ・・・(36)
Therefore, in order to sufficiently secure the gain margin Yg and the phase margin Yp, the control cycle Tc may be determined to be sufficiently smaller than the control cycle Tco of the stability limit. For example, the control cycle Tc may be determined to be 1/10 of the stability limit control cycle Tco as in the following equation.
Tc = Tco / 10 (36)

また、式(35)から、安定限界の制御周期Tcoは、積分ゲインKiに反比例することがわかる。従って、制御周期Tcを、積分ゲインKiに反比例するように決定するようにしてもよい。このようにすることで、第一の決定条件及び第二の決定条件の双方を満たすように決定された積分ゲインKiに応じて、トルクフィードバック系の安定性が変化しないように制御周期Tcを変更することができる。また、式(35)から、安定限界の制御周期Tcoは、トルク位相傾きAにも反比例することがわかる。従って、制御周期Tcを、トルク位相傾きAにも反比例するように決定するようにしてもよい。   Further, it can be seen from the equation (35) that the control cycle Tco of the stability limit is inversely proportional to the integral gain Ki. Therefore, the control cycle Tc may be determined so as to be inversely proportional to the integral gain Ki. In this way, the control cycle Tc is changed so that the stability of the torque feedback system does not change according to the integral gain Ki determined so as to satisfy both the first determination condition and the second determination condition. can do. Further, it can be seen from the equation (35) that the control period Tco of the stability limit is inversely proportional to the torque phase gradient A. Therefore, the control cycle Tc may be determined so as to be inversely proportional to the torque phase gradient A.

積分ゲインKiを、図14のKiaの例の場合、又は式(30)の場合のように、トルク位相傾きAに反比例するように決定した場合、式(35)のA×Kpは1より十分小さくなるため、式(35)の安定限界の制御周期Tcoを、一定値にすることができる。従って、積分ゲインKiを、トルク位相傾きAに反比例するように決定した場合、式(36)に示したように、制御周期Tcを一定値にしても、離散化したフィードバック制御系の安定性が変化しないようにすることができる。   When the integral gain Ki is determined so as to be inversely proportional to the torque phase gradient A as in the case of the Kia example in FIG. 14 or in the case of the equation (30), A × Kp in the equation (35) is sufficiently larger than 1. Therefore, the control cycle Tco at the stability limit of the equation (35) can be set to a constant value. Therefore, when the integral gain Ki is determined so as to be inversely proportional to the torque phase gradient A, the stability of the discretized feedback control system can be maintained even if the control cycle Tc is constant as shown in the equation (36). It can be prevented from changing.

7、電動機制御装置
図1に示すようなトルクフィードバック制御器FBを備える電動機制御装置が、以上で説明した各ステップで決定されたトルクフィードバック制御器FBの積分ゲインKi、制御周期Tcなどの制御定数を備えるように構成される。また、トルクフィードバック制御器FBは、トルク位相傾きA又はシステム電圧Vdc/回転速度Nに応じて積分ゲインKi及び制御周期Tcを予め設定したマップ又は演算式を備えるように構成されている。そして、トルクフィードバック制御器FBは、トルク位相傾きA、又はシステム電圧Vdc/回転速度Nを、各種センサ検出値、制御パラメータに基づき算出し、算出したトルク位相傾きA又はシステム電圧Vdc/回転速度Nに応じて積分ゲインKi、制御周期Tcを算出するように構成されている。
7. Motor control device The motor control device including the torque feedback controller FB as shown in FIG. 1 has control constants such as the integral gain Ki and the control cycle Tc of the torque feedback controller FB determined in each step described above. It is comprised so that it may comprise. Further, the torque feedback controller FB is configured to include a map or an arithmetic expression in which the integral gain Ki and the control cycle Tc are preset according to the torque phase gradient A or the system voltage Vdc / rotational speed N. Then, the torque feedback controller FB calculates the torque phase gradient A or the system voltage Vdc / rotation speed N based on various sensor detection values and control parameters, and calculates the calculated torque phase gradient A or the system voltage Vdc / rotation speed N. Accordingly, the integral gain Ki and the control cycle Tc are calculated.

〔第二の実施形態〕
次に、第二の実施形態について図面を参照して説明する。上記の第一の実施形態では、図1から図3に示したように、トルクフィードバック制御器FBは、トルク偏差ΔTに基づき比例積分制御を行っていた。しかし、本実施形態では、図16及び図17に示すように、トルクフィードバック制御器FBは、トルク偏差補正器Ctを更に備え、トルク偏差補正器Ctにより、トルク偏差ΔTに対してロータ回転速度Nに比例し、かつ、システム電圧Vdcに反比例して変化するトルク偏差補正係数Kcを乗算した補正後トルク偏差ΔTnを算出し、当該補正後トルク偏差ΔTnに基づき比例積分制御を行うように構成されている点が異なる。以下では、本実施形態に係るトルクフィードバック制御器FBの制御定数の決定方法について、上記第一の実施形態との相違点を中心として説明する。なお、特に説明しない点については、上記第一の実施形態と同様とする。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment will be described with reference to the drawings. In the first embodiment, as shown in FIGS. 1 to 3, the torque feedback controller FB performs proportional-integral control based on the torque deviation ΔT. However, in the present embodiment, as shown in FIGS. 16 and 17, the torque feedback controller FB further includes a torque deviation corrector Ct, and the rotor deviation speed N with respect to the torque deviation ΔT by the torque deviation corrector Ct. The corrected torque deviation ΔTn is calculated by multiplying the torque deviation correction coefficient Kc that varies in proportion to the system voltage Vdc and inversely proportional to the system voltage Vdc, and proportional integral control is performed based on the corrected torque deviation ΔTn. Is different. Below, the determination method of the control constant of the torque feedback controller FB which concerns on this embodiment is demonstrated centering on difference with said 1st embodiment. Note that points not particularly described are the same as those in the first embodiment.

上記したように、本実施形態では、トルクフィードバック制御器FBに、トルク偏差補正器Ctが更に備えられている。トルク偏差補正器Ctは、トルク偏差ΔTに対して、トルク偏差補正係数Kcを乗算して、補正後トルク偏差ΔTnを算出している。また、トルク偏差補正係数Kcは、電動機Mの回転速度Nに比例し、かつ、システム電圧Vdcに反比例して変化するように構成されている。すなわち、トルク偏差補正器Ctは、次式で表す演算を行う。
ΔTn=Kc×ΔT
Kc=K1×N/Vdc ・・・(37)
ここで、K1は、所定の定数である。
As described above, in this embodiment, the torque feedback controller FB is further provided with a torque deviation corrector Ct. The torque deviation corrector Ct calculates the corrected torque deviation ΔTn by multiplying the torque deviation ΔT by the torque deviation correction coefficient Kc. The torque deviation correction coefficient Kc is configured to change in proportion to the rotational speed N of the electric motor M and in inverse proportion to the system voltage Vdc. That is, the torque deviation corrector Ct performs a calculation represented by the following equation.
ΔTn = Kc × ΔT
Kc = K1 × N / Vdc (37)
Here, K1 is a predetermined constant.

また、本実施形態にいても、ローパスフィルタ器LPFは、カットオフ周波数ωlpfを備えたローパスフィルタとされており、カットオフ周波数ωlpfは、式(29)で示したように、電動機Mの回転速度Nに比例して変化するように設定されている。以下に式(29)を再掲する。
ωlpf=2×π×N/60×1.6 ・・・(29)
Also in this embodiment, the low-pass filter LPF is a low-pass filter having a cutoff frequency ωlpf, and the cutoff frequency ωlpf is the rotational speed of the electric motor M as shown in the equation (29). It is set to change in proportion to N. Equation (29) is shown again below.
ωlpf = 2 × π × N / 60 × 1.6 (29)

トルク偏差補正器Ctの追加により、本実施形態における、トルク偏差ΔTから出力トルクTまでの開ループ伝達関数Go(s)は、式(15)の右辺に対して、トルク偏差補正の伝達関数であるKcが乗算され、次式となる。
Go(s)=A×(Kp+Ki/s)×Kc ・・・(38)
これに伴い、本実施形態に係る、式(20)の第一の決定条件は、次式のように変更される。
Ki < ωlpf/(Kc×A)×√(1−Kc×A×Kp) ・・・(39)
ここで、第一の実施形態の式(20)とは異なり、式(39)において、カットオフ周波数ωlpfが、トルク偏差補正係数Kc×トルク位相傾きAで除算されるように変更されている。図15よりトルク位相傾きAはシステム電圧Vdc/回転速度Nに比例するため、トルク位相傾きAを常に一定値にするため、トルク位相傾きAをK1×(N/Vdc)で補正する。
従って、本実施形態では、トルク位相傾きAをK1×(N/Vdc)で補正するトルク偏差補正器Ctを備えることにより、第一の決定条件は、第一の実施形態とは異なり、任意のトルク位相傾きAに対して常に一定の値にすることができる。
With the addition of the torque deviation corrector Ct, the open loop transfer function Go (s) from the torque deviation ΔT to the output torque T in this embodiment is a torque deviation correction transfer function with respect to the right side of the equation (15). A certain Kc is multiplied to obtain the following equation.
Go (s) = A × (Kp + Ki / s) × Kc (38)
Along with this, the first determination condition of the equation (20) according to the present embodiment is changed as the following equation.
Ki <ωlpf / (Kc × A) × √ (1-Kc 2 × A 2 × Kp 2 ) (39)
Here, unlike the equation (20) of the first embodiment, in the equation (39), the cutoff frequency ωlpf is changed to be divided by the torque deviation correction coefficient Kc × the torque phase gradient A. As shown in FIG. 15, since the torque phase gradient A is proportional to the system voltage Vdc / rotational speed N, the torque phase gradient A is corrected by K1 × (N / Vdc) in order to keep the torque phase gradient A constant.
Therefore, in the present embodiment, by providing the torque deviation corrector Ct that corrects the torque phase gradient A by K1 × (N / Vdc), the first determination condition is different from that of the first embodiment. The torque phase gradient A can always be a constant value.

従って、本実施形態では、図18に示すように、図14で示した第一の実施形態とは異なり、第一の決定条件が、トルク位相傾きAに応じて変化しないようになり、積分ゲインKiを容易に設定することができる。   Accordingly, in the present embodiment, as shown in FIG. 18, unlike the first embodiment shown in FIG. 14, the first determination condition does not change according to the torque phase gradient A, and the integral gain Ki can be set easily.

また、本実施形態に係る、式(27)の第二の決定条件は、次式のように変更される。
Ki≧ωfbo/(Kc×A)×(1+Kc×A×Kp) ・・・(40)
ここで、トルク偏差補正係数Kcは式(37)と同様に、トルク位相傾きAを常に一定値にするため、トルク位相傾きAをK1×(N/Vdc)で補正する。
Further, the second determination condition of the equation (27) according to the present embodiment is changed as the following equation.
Ki ≧ ωfbo / (Kc × A) × (1 + Kc × A × Kp) (40)
Here, the torque deviation correction coefficient Kc is corrected by K1 × (N / Vdc) so that the torque phase gradient A is always a constant value, as in the equation (37).

このようにすると、式(40)の第二の決定条件において、トルク位相傾きAをK1×(N/Vdc)で補正するトルク偏差補正器Ctを備えることにより、第一の実施形態とは異なり、任意のトルク位相傾きAに対して常に一定の値にすることができる。従って、式(40)の第二の決定条件の値がトルク位相傾きAに応じて変化しないようにすることができる。よって、積分ゲインKiを容易に設定することができる。   Thus, unlike the first embodiment, the torque deviation corrector Ct that corrects the torque phase gradient A by K1 × (N / Vdc) is provided in the second determination condition of the equation (40). A constant value can always be set for any torque phase gradient A. Accordingly, it is possible to prevent the value of the second determination condition in the equation (40) from changing according to the torque phase gradient A. Therefore, the integral gain Ki can be set easily.

〔その他の実施形態〕
(1)上記の各実施形態においては、ローパスフィルタが、カットオフ周波数ωlpfを備えた一次遅れフィルタで構成されている場合を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、ローパスフィルタが、カットオフ周波数ωlpfを備えた、より高次のローパスフィルタで構成されることも本発明の好適な実施形態の一つである。
[Other Embodiments]
(1) In each of the above-described embodiments, the case where the low-pass filter is a first-order lag filter having the cutoff frequency ωlpf has been described as an example. However, the embodiment of the present invention is not limited to this. That is, it is also a preferred embodiment of the present invention that the low-pass filter is composed of a higher-order low-pass filter having a cutoff frequency ωlpf.

(2)上記の第二の実施形態において、トルクフィードバック制御器FBがトルク偏差補正係器Ctを備え、第一の実施形態において、トルクフィードバック制御器FBがトルク偏差補正係器Ctを備えていない場合を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、第一の実施形態において、トルクフィードバック制御器FBが、ゲイン調整のための一定値に設定されたトルク偏差補正係数Kcを備えるトルク偏差補正係器Ctを、図16、図17に示す第二の実施形態と同様の位置に、備えるようにすることも本発明の好適な実施形態の一つである。 (2) In the second embodiment, the torque feedback controller FB includes the torque deviation correction mechanism Ct. In the first embodiment, the torque feedback controller FB does not include the torque deviation correction mechanism Ct. The case has been described as an example. However, the embodiment of the present invention is not limited to this. That is, in the first embodiment, the torque feedback controller FB includes a torque deviation correction unit Ct having a torque deviation correction coefficient Kc set to a constant value for gain adjustment, as shown in FIGS. It is also one of the preferred embodiments of the present invention to provide at the same position as in the second embodiment.

(3)上記の各実施形態において、トルク位相傾きA、及び積分ゲインKiのそれぞれに対して、制御器実装時の分解能設計を考慮した所定の係数が乗算された状態で、伝達関数及び周波数特性が求められ、第一の決定条件及び第二の決定条件が導出されるようにすることも本発明の好適な実施形態の一つである。 (3) In each of the above embodiments, the transfer function and the frequency characteristics are obtained by multiplying each of the torque phase gradient A and the integral gain Ki by a predetermined coefficient in consideration of the resolution design when the controller is mounted. It is also one preferred embodiment of the present invention that the first determination condition and the second determination condition are derived.

本発明は、トルク指令値に対する出力トルクの偏差が減少するように、ロータ角度に対する矩形波の位相である電圧位相を算出し、算出された電圧位相の矩形波電圧を印加して同期型交流電動機を回転駆動する電動機のトルクフィードバック制御器の制御定数の決定方法、及び決定された制御定数を備える電動機制御装置に好適に利用することができる。   The present invention calculates a voltage phase, which is a phase of a rectangular wave with respect to a rotor angle, so as to reduce a deviation of an output torque with respect to a torque command value, and applies a rectangular wave voltage of the calculated voltage phase to thereby obtain a synchronous AC motor The method can be suitably used for a method for determining a control constant of a torque feedback controller of an electric motor that rotationally drives the motor, and an electric motor control device that includes the determined control constant.

To:トルク指令値
T:出力トルク
ΔT:トルク偏差
θ:ロータ角度
S1:回転角度センサ
N:電動機の回転速度
δ:電圧位相
M:電動機(同期型交流電動機)
FB:トルクフィードバック制御器
PI:比例積分制御器
Tdt:出力トルク検出器
LPF:ローパスフィルタ器
Dv:偏差算出器
Tf:フィルタ後出力トルク
Wg:矩形波発生器
Inv:インバータ
Kp:比例ゲイン
Ki:積分ゲイン
A:トルク位相傾き
B:切片
Pm(s):電動機の伝達関数
Gpi(s):比例積分制御の伝達関数
Glpf(s):ローパスフィルタの伝達関数
L(s):一巡伝達関数
Gfb(s):閉ループ伝達関数
Go(s):開ループ伝達関数
God(s):離散化開ループ伝達関数
Yg:ゲイン余裕
Yp:位相余裕
ωo:開ループ伝達関数のゲイン交差角周波数
ωlpf:ローパスフィルタのカットオフ周波数
ωl:一巡伝達関数のゲイン交差角周波数
ωp:離散化開ループ伝達関数の位相交差周波数
τ:閉ループ伝達関数の時定数
τo:目標時定数(所定値)
Vdc:システム電圧
ωe:ロータ回転速度(電気角速度)
Ct:トルク偏差補正係器
Kc:トルク偏差補正係数
ΔTn:補正後トルク偏差
Tc:制御周期(サンプリング間隔)
Tco:安定限界の制御周期
To: Torque command value T: Output torque ΔT: Torque deviation θ: Rotor angle S1: Rotation angle sensor N: Motor rotation speed δ: Voltage phase M: Electric motor (synchronous AC motor)
FB: Torque feedback controller PI: Proportional integral controller Tdt: Output torque detector LPF: Low pass filter Dv: Deviation calculator Tf: Filtered output torque Wg: Rectangular wave generator Inv: Inverter Kp: Proportional gain Ki: Integral Gain A: Torque phase slope B: Intercept Pm (s): Motor transfer function Gpi (s): Proportional integral control transfer function Glpf (s): Low-pass filter transfer function L (s): Round transfer function Gfb (s) ): Closed loop transfer function Go (s): open loop transfer function God (s): discretized open loop transfer function Yg: gain margin Yp: phase margin ωo: gain cross angular frequency of open loop transfer function ωlpf: cut of low-pass filter Off-frequency ωl: gain cross angular frequency ωp of a round transfer function ωp: phase crossover frequency τ of a discretized open loop transfer function τ: closed loop transfer function Number Tauo: target time constant (a predetermined value)
Vdc: system voltage ωe: rotor rotational speed (electrical angular speed)
Ct: torque deviation correction mechanism Kc: torque deviation correction coefficient ΔTn: corrected torque deviation Tc: control cycle (sampling interval)
Tco: Stability limit control cycle

Claims (11)

トルク指令値に対する出力トルクの偏差が減少するように、ロータ角度に対する矩形波の位相である電圧位相を算出し、算出された電圧位相の矩形波電圧を印加して同期型交流電動機を回転駆動する電動機のトルクフィードバック制御器の制御定数の決定方法であって、
前記トルクフィードバック制御器は、前記電動機の前記出力トルクを検出し、当該検出した前記出力トルクにローパスフィルタの処理を行ってフィルタ後出力トルクを算出し、前記トルク指令値に対する前記フィルタ後出力トルクの偏差であるトルク偏差を算出し、当該トルク偏差に基づき、比例ゲイン及び積分ゲインを備える比例積分制御を行って前記電圧位相を算出する制御器であり、
前記電動機の出力トルク特性を前記電圧位相の各動作点において線形化して、前記電圧位相の変化に対する前記出力トルクの傾きであるトルク位相傾きを導出し、前記電圧位相から前記出力トルクまでの前記電動機の伝達関数を、前記トルク位相傾きに応じた値と決定する電動機線形化ステップと、
前記比例積分制御の伝達関数、前記電動機の伝達関数、及び前記ローパスフィルタの伝達関数からなる、前記トルク偏差から前記フィルタ後出力トルクまでの一巡伝達関数の周波数特性におけるゲイン余裕及び位相余裕が確保されるような前記積分ゲインの第一の決定条件を導出する第一条件導出ステップと、
前記比例積分制御の伝達関数、前記電動機の伝達関数、及び前記ローパスフィルタの伝達関数からなる、前記トルク指令から前記出力トルクまでの閉ループ伝達関数における、前記トルク指令の変化に対する前記出力トルクの応答性が、所定の応答性以上に速くなるような前記積分ゲインの第二の決定条件を導出する第二条件導出ステップと、
前記積分ゲインを、前記第一の決定条件及び前記第二の決定条件の双方を満たすように決定する積分ゲイン決定ステップと、を備える制御定数の決定方法。
The voltage phase, which is the phase of the rectangular wave with respect to the rotor angle, is calculated so that the deviation of the output torque with respect to the torque command value is reduced, and the synchronous AC motor is rotationally driven by applying the rectangular wave voltage of the calculated voltage phase. A method for determining a control constant of a torque feedback controller of an electric motor,
The torque feedback controller detects the output torque of the electric motor, performs low pass filter processing on the detected output torque to calculate a filtered output torque, and calculates the filtered output torque with respect to the torque command value. A controller that calculates a torque deviation, which is a deviation, and performs proportional integral control including a proportional gain and an integral gain based on the torque deviation, and calculates the voltage phase;
Linearizing the output torque characteristics of the motor at each operating point of the voltage phase to derive a torque phase gradient that is a gradient of the output torque with respect to the change of the voltage phase, and the motor from the voltage phase to the output torque Motor linearization step for determining a transfer function of
A gain margin and a phase margin are ensured in the frequency characteristic of the round transfer function from the torque deviation to the post-filter output torque, which includes the proportional integral control transfer function, the motor transfer function, and the low pass filter transfer function. A first condition deriving step for deriving a first determination condition of the integral gain,
Responsiveness of the output torque to a change in the torque command in a closed loop transfer function from the torque command to the output torque, which includes a transfer function of the proportional integral control, a transfer function of the electric motor, and a transfer function of the low-pass filter. A second condition derivation step for deriving a second determination condition of the integral gain so as to be faster than a predetermined responsiveness;
An integral gain determining step of determining the integral gain so as to satisfy both the first determination condition and the second determination condition;
前記第一条件導出ステップは、前記第一の決定条件として、前記比例積分制御の伝達関数と前記電動機の伝達関数とからなる前記トルク偏差から前記出力トルクまでの開ループ伝達関数の周波数特性におけるゲイン交差角周波数が、前記ローパスフィルタのカットオフ周波数よりも小さくなるような前記積分ゲインの決定条件を導出する請求項1に記載の制御定数の決定方法。   In the first condition deriving step, the gain in the frequency characteristic of the open loop transfer function from the torque deviation to the output torque consisting of the transfer function of the proportional integral control and the transfer function of the motor is set as the first determination condition. The method for determining a control constant according to claim 1, wherein a condition for determining the integral gain is derived so that a crossing angular frequency is smaller than a cutoff frequency of the low-pass filter. 前記第二条件導出ステップは、前記第二の決定条件として、前記ローパスフィルタの伝達関数を1に近似した場合における前記閉ループ伝達関数の時定数が、所定値以下になるような前記積分ゲインの決定条件を導出する請求項1又は2に記載の制御定数の決定方法。   In the second condition deriving step, as the second determination condition, the integral gain is determined such that a time constant of the closed-loop transfer function when the transfer function of the low-pass filter is approximated to 1 is equal to or less than a predetermined value. The method for determining a control constant according to claim 1, wherein the condition is derived. 前記積分ゲイン決定ステップは、前記積分ゲインを、前記第一の決定条件及び前記第二の決定条件の双方を満たすように、前記トルク位相傾きに応じて変化する可変値に決定する請求項1から3のいずれか一項に記載の制御定数の決定方法。   The integral gain determination step determines the integral gain as a variable value that changes according to the torque phase gradient so as to satisfy both the first determination condition and the second determination condition. 4. A method for determining a control constant according to any one of 3 above. 前記積分ゲイン決定ステップは、前記積分ゲインを、前記第一の決定条件及び前記第二の決定条件の双方を満たすように、前記矩形波電圧の振幅電圧となるシステム電圧をロータ回転速度で除算した値に応じて変化する可変値に決定する請求項1から3のいずれか一項に記載の制御定数の決定方法。   In the integral gain determination step, the system voltage that is the amplitude voltage of the rectangular wave voltage is divided by the rotor rotational speed so that the integral gain satisfies both the first determination condition and the second determination condition. The method for determining a control constant according to any one of claims 1 to 3, wherein a variable value that changes according to the value is determined. 前記積分ゲイン決定ステップは、前記積分ゲインを、前記トルク位相傾きの使用範囲の全域において、前記第一の決定条件及び前記第二の決定条件の双方を満たす一定値に決定する請求項1から5のいずれか一項に記載の制御定数の決定方法。   6. The integral gain determination step determines the integral gain to a constant value that satisfies both the first determination condition and the second determination condition over the entire use range of the torque phase gradient. A method for determining a control constant according to any one of the above. 前記積分ゲイン決定ステップは、前記トルク偏差が所定値以下である定常時に用いる前記積分ゲインを、前記第二の決定条件における、前記閉ループ伝達関数の前記応答性が、前記所定の応答性に一致するように決定する請求項1から6のいずれか一項に記載の制御定数の決定方法。   In the integral gain determining step, the responsiveness of the closed-loop transfer function in the second determination condition matches the predetermined responsiveness with respect to the integral gain used in a steady state where the torque deviation is a predetermined value or less. The method for determining a control constant according to claim 1, wherein the control constant is determined as follows. 前記トルクフィードバック制御器は、前記ローパスフィルタのカットオフ周波数がロータ回転速度に比例して変更され、前記トルク偏差に対して、前記ロータ回転速度に比例し、かつ前記矩形波電圧の振幅電圧となるシステム電圧に反比例して変化するトルク偏差補正係数を乗算した補正後トルク偏差を算出し、当該補正後トルク偏差に基づき、前記比例積分制御を行って前記電圧位相を算出する制御器である請求項1から7のいずれか一項に記載の制御定数の決定方法。   In the torque feedback controller, the cutoff frequency of the low-pass filter is changed in proportion to the rotor rotational speed, and the torque deviation is proportional to the rotor rotational speed and becomes the amplitude voltage of the rectangular wave voltage. A controller that calculates a corrected torque deviation obtained by multiplying a torque deviation correction coefficient that varies inversely proportional to a system voltage, and calculates the voltage phase by performing the proportional-integral control based on the corrected torque deviation. The method for determining a control constant according to any one of 1 to 7. 前記比例積分制御が離散化される場合において、前記比例積分制御の制御周期を、前記一巡伝達関数の周波数特性におけるゲイン余裕及び位相余裕が確保されるように決定する制御周期決定ステップを、更に備える請求項1から8のいずれか一項に記載の制御定数の決定方法。   In the case where the proportional integral control is discretized, a control cycle determining step for determining a control cycle of the proportional integral control so as to ensure a gain margin and a phase margin in the frequency characteristic of the one-round transfer function is further provided. The method for determining a control constant according to any one of claims 1 to 8. 前記制御周期決定ステップは、前記制御周期を、前記積分ゲインに反比例するように決定する請求項9に記載の制御定数の決定方法。   The control constant determining method according to claim 9, wherein the control cycle determining step determines the control cycle so as to be inversely proportional to the integral gain. トルク指令値に対する出力トルクの偏差が減少するように、ロータ角度に対する矩形波の位相である電圧位相を算出し、算出された電圧位相の矩形波電圧を印加して同期型交流電動機を回転駆動する電動機のトルクフィードバック制御器を備える電動機制御装置であって、
前記トルクフィードバック制御器は、前記電動機の前記出力トルクを検出し、当該検出した前記出力トルクにローパスフィルタの処理を行ってフィルタ後出力トルクを算出し、前記トルク指令値に対する前記フィルタ後出力トルクの偏差であるトルク偏差を算出し、当該トルク偏差に基づき、比例ゲイン及び積分ゲインを備える比例積分制御を行って前記電圧位相を算出する制御器であり、
前記電動機の出力トルク特性を各電圧位相の動作点において線形化して、前記電圧位相の変化に対する前記出力トルクの傾きであるトルク位相傾きを導出し、前記電圧位相から前記出力トルクまでの前記電動機の伝達関数を、前記トルク位相傾きに応じた値とし、
前記比例積分制御の伝達関数、前記電動機の伝達関数、及び前記ローパスフィルタの伝達関数からなる、前記トルク偏差から前記フィルタ後出力トルクまでの一巡伝達関数の周波数特性におけるゲイン余裕及び位相余裕が確保されるような前記積分ゲインの第一の決定条件と、
前記比例積分制御の伝達関数、前記電動機の伝達関数、及び前記ローパスフィルタの伝達関数からなる、前記トルク指令から前記出力トルクまでの閉ループ伝達関数における、前記トルク指令のステップ変化に対する前記出力トルクの応答性が、所定の応答性以上に速くなるような前記積分ゲインの第二の決定条件と、に基づいて、
前記第一の決定条件及び前記第二の決定条件の双方を満たすように決定された前記積分ゲインを備える電動機制御装置。
The voltage phase, which is the phase of the rectangular wave with respect to the rotor angle, is calculated so that the deviation of the output torque with respect to the torque command value is reduced, and the synchronous AC motor is rotationally driven by applying the rectangular wave voltage of the calculated voltage phase. An electric motor control device including an electric motor torque feedback controller,
The torque feedback controller detects the output torque of the electric motor, performs low pass filter processing on the detected output torque to calculate a filtered output torque, and calculates the filtered output torque with respect to the torque command value. A controller that calculates a torque deviation, which is a deviation, and performs proportional integral control including a proportional gain and an integral gain based on the torque deviation, and calculates the voltage phase;
The output torque characteristic of the electric motor is linearized at the operating point of each voltage phase to derive a torque phase inclination that is an inclination of the output torque with respect to the change of the voltage phase, and the electric motor from the voltage phase to the output torque is derived. The transfer function is a value corresponding to the torque phase gradient,
A gain margin and a phase margin are ensured in the frequency characteristic of the round transfer function from the torque deviation to the post-filter output torque, which includes the proportional integral control transfer function, the motor transfer function, and the low pass filter transfer function. A first determination condition of the integral gain such as
Response of the output torque to a step change of the torque command in a closed-loop transfer function from the torque command to the output torque, which includes a transfer function of the proportional integral control, a transfer function of the electric motor, and a transfer function of the low-pass filter. Based on the second determination condition of the integral gain such that the property is faster than a predetermined response,
An electric motor control device comprising the integral gain determined so as to satisfy both the first determination condition and the second determination condition.
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