JP5095134B2 - Motor control device and motor control method - Google Patents
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Description
この発明は、永久磁石型モータの制御装置に関し、特に、永久磁石が回転子鉄心に埋め込まれた磁石埋め込み型永久磁石モータのトルクリプルを抑制する制御に関するものである。 The present invention relates to a control device for a permanent magnet type motor, and more particularly to control for suppressing torque ripple of a magnet embedded type permanent magnet motor in which a permanent magnet is embedded in a rotor core.
永久磁石式モータは小型で高トルクを発生することが可能でありサーボモータをはじめ各種の駆動装置に用いられてきた。しかし、永久磁石式モータにはトルクのリプル成分であるコギングトルクを生じることが知られている。またモータを通電した場合には、磁石磁束の高調波成分や磁気飽和などによってトルクリプルを生じる。これらのリプル成分は外乱となるため、モータを位置決めに使う場合には位置決め精度の低下や、負荷機械と共振して振動や騒音を生じるなどの好ましくない現象を生じる。 Permanent magnet motors are small and can generate high torque, and have been used in various drive devices including servo motors. However, it is known that a permanent magnet motor generates a cogging torque that is a ripple component of torque. Further, when the motor is energized, torque ripple is generated due to the harmonic component of the magnetic flux or magnetic saturation. Since these ripple components become disturbances, when the motor is used for positioning, undesired phenomena such as a decrease in positioning accuracy and vibration and noise caused by resonance with the load machine occur.
このようなトルクリプルを抑制する従来の永久磁石式モータの制御方法は、永久磁石の磁束軸の回転角を検出し、この検出結果に基づいてモータの入力電流をd軸電流と、トルク電流成分であるq軸電流に変換する。そして、q軸電流指令値に、永久磁石に起因してモータの回転軸に発生するトルクリプルと逆位相となるように人為操作によって位相が設定され、かつ、トルクリプルと同振幅となるように振幅が設定された脈動抑制電流値を重畳させてトルクリプルを打ち消すようにする(例えば、特許文献1参照)。 The conventional permanent magnet motor control method for suppressing such torque ripple is to detect the rotation angle of the magnetic flux axis of the permanent magnet, and based on the detection result, the motor input current is determined by the d-axis current and the torque current component. Convert to a certain q-axis current. Then, the phase is set by an artificial operation so that the q-axis current command value is opposite in phase to the torque ripple generated on the rotating shaft of the motor due to the permanent magnet, and the amplitude is set to the same amplitude as the torque ripple. The torque ripple is canceled by superimposing the set pulsation suppression current value (see, for example, Patent Document 1).
また、コギングトルクを低減する従来のモータ制御装置では、d軸電流指令値演算部は、モータ回転角速度演算部から出力されたモータ回転角速度を読込み、予め作成されたd軸電流指令値マップを参照して上記読込んだモータ回転角速度が、所定の範囲にあるか否かを判定し、その範囲にある場合は、d軸電流指令値マップから所定の負のd軸電流指令値を選択して出力する。これにより、励磁電流が小さくなるため、コギングトルクを低減できる(例えば、特許文献2参照)。 In the conventional motor control device for reducing the cogging torque, the d-axis current command value calculation unit reads the motor rotation angular velocity output from the motor rotation angular velocity calculation unit, and refers to the d-axis current command value map created in advance. Then, it is determined whether or not the read motor rotation angular velocity is within a predetermined range. If it is within the predetermined range, a predetermined negative d-axis current command value is selected from the d-axis current command value map. Output. Thereby, since an exciting current becomes small, a cogging torque can be reduced (for example, refer patent document 2).
上記特許文献1に示すようなモータの制御では、トルクリプルを低減するために、逐次トルクリプルを相殺するよう高調波電流を印加するよう制御を行っていた。このような制御では、基本波以外に高い周波数の電流を高精度に検出する必要があると共に、リプル抑制電流を高速高精度に重畳制御する必要があり、制御演算負荷が多大になる。電流制御のためのキャリア周波数には実用上の上限があるが、制御対象の電流の周波数が高くなると電流自体が制御できず、モータで顕著な6次のトルクリプルに対して高精度に抑制制御するのは困難であった。
In the control of the motor as shown in
また、上記特許文献2に示すようなモータの制御では、負のd軸電流を流すことで磁石磁束を減じてコギングトルクを低減するものである。しかしながら、永久磁石が回転子鉄心に埋め込まれた磁石埋め込み型永久磁石モータ(IPMモータ)では、回転子の磁気的突極性から負のd軸電流を流すとリラクタンストルクを発生し、このリラクタンストルクによって新たなトルクリプルを生じる。このため、IPMモータに対しては全体のトルクリプル成分を抑制することに繋がらないという問題点があった。
Further, in the motor control as shown in
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、磁石埋め込み型永久磁石モータ(IPMモータ)において、簡易な制御演算によりトルクリプル成分を精度良く抑制して、指令値に高精度に追従できるモータ制御を実現することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and in a magnet-embedded permanent magnet motor (IPM motor), the torque ripple component is accurately suppressed by a simple control calculation, and the command value is highly accurate. The purpose is to realize motor control that can follow the above.
この発明によるモータ制御装置は、永久磁石が回転子鉄心に埋め込まれた磁石埋め込み型永久磁石モータ(IPMモータ)に流れる3相交流電流を、励磁電流(d軸電流)とトルク電流(q軸電流)とに変換して制御するものであって、6次のトルクリプル成分についてリラクタンストルクリプルとマグネットトルクリプルとが相殺されるように、トルク指令に応じてリラクタンストルク成分を制御する。そして、モータ通電時に常に負のd軸電流を通電し、上記リラクタンストルクリプルと上記マグネットトルクリプルとを合成した上記6次のトルクリプル成分が最小となるように、負のd軸電流を可変のq軸電流に対して決定して生成した電流成分(Id、Iq)をトルク値に応じて予め設定し保持すると共に、上記トルク値に応じた回転速度範囲の情報を保持する記憶手段を有し、上記回転速度範囲に基づく電圧許容範囲内にて、上記トルク指令に応じて上記記憶手段からdq軸上の電流成分(Id、Iq)を抽出してdq軸上の電流指令に用いるものである。 In the motor control device according to the present invention, a three-phase alternating current flowing through a magnet-embedded permanent magnet motor (IPM motor) in which a permanent magnet is embedded in a rotor core is converted into an excitation current (d-axis current) and a torque current (q-axis current). The reluctance torque component is controlled in accordance with the torque command so that the reluctance torque ripple and the magnet torque ripple cancel each other with respect to the sixth-order torque ripple component. When the motor is energized, a negative d-axis current is always applied, and the negative d-axis current is changed to a variable q-axis current so that the sixth-order torque ripple component obtained by combining the reluctance torque ripple and the magnet torque ripple is minimized. Current components (Id, Iq) determined and generated with respect to the torque value are preset and held in accordance with the torque value, and storage means for holding information on the rotational speed range in accordance with the torque value is provided. Within the allowable voltage range based on the speed range, the current component (Id, Iq) on the dq axis is extracted from the storage means according to the torque command and used for the current command on the dq axis.
このようなモータ制御装置では、6次のトルクリプル成分についてリラクタンストルクリプルとマグネットトルクリプルとが相殺されるように、トルク指令に応じてリラクタンストルク成分を制御するため、IPMモータに対して全体のトルクリプル成分を効果的に抑制することができる。また、高周波のトルクリプルを抑制する電流を重畳制御する必要が無く、制御演算負荷が低減でき、簡易な制御装置を用いて安価に高速高精度なモータ制御が実現できる。 In such a motor control device, the reluctance torque ripple and the magnet torque ripple are controlled with respect to the sixth order torque ripple component so that the reluctance torque component is controlled according to the torque command. It can be effectively suppressed. Further, it is not necessary to superimpose a current for suppressing high-frequency torque ripple, the control calculation load can be reduced, and high-speed and high-precision motor control can be realized at low cost using a simple control device.
実施の形態1.
以下、この発明の実施の形態1によるモータ制御装置について説明する。
図1にIPMモータの構造を示す。図に示すように、IPMモータ5は、磁性体で構成された回転子鉄心2に永久磁石1が埋め込まれた回転子3と、図示しない巻線を備えた固定子4とで構成される。
ここで、回転子3の磁極中心で磁石磁界と同一方向の磁束を生じる電流成分の方向をd軸方向、このd軸方向と直交して回転子3の磁極間で回転子3に正のトルクを生じる電流成分の方向をq軸方向と呼ぶ。d軸電流成分、q軸電流成分の合成である電流ベクトル(Id,Iq)は、固定子電流を回転子3のdq軸上に射影する定常状態では静止する電流ベクトルとなる。このように3相の固定子電流を電流ベクトル(Id,Iq)を用いて制御するベクトル制御は、広く用いられている。
Hereinafter, a motor control apparatus according to
FIG. 1 shows the structure of the IPM motor. As shown in the figure, the
Here, the direction of the current component that generates a magnetic flux in the same direction as the magnetic field at the magnetic pole center of the
この実施の形態1によるモータ制御装置は、図1に示すようなIPMモータ5に流れる3相交流電流を、d軸電流(励磁電流)とq軸電流(トルク電流)とに変換してベクトル制御するものであり、その構成を図2に示す。
図2に示すように、モータ制御装置は、IPMモータ5に電力供給する電圧制御型のPWMインバータ10、トルク指令からdq軸上の電流指令を出力するトルク制御部11、電流制御器12、座標変換部13、14、位置検出器15、位相検出16、速度検出17、電流検出器18を備える。
The motor control apparatus according to the first embodiment converts a three-phase alternating current flowing through the
As shown in FIG. 2, the motor control device includes a voltage-controlled
電圧制御型のPWMインバータ10は、直流入力側がコンデンサあるいはバッテリなどから成る直流電源(図示せず)に接続され、この直流電源にはダイオード整流器(図示せず)からの電流が入力される。PWMインバータ10の交流側は、IPMモータ5に接続されてIPMモータ5に3相交流電流を流す。電流検出器18によって検出されたモータ各相の電流成分は座標変換部14に入力される。また、位置検出器15ではIPMモータ5の位置を検出し、検出された位置に基づいて位相検出16により位相θを、速度検出17により回転速度ωを検出する。座標変換部14では、電流検出器18からの3相電流Iu、Iv、Iwを位相θに基づいて3相2相変換しdq軸上の電流Id、Iqを出力する。なお、ここでは、3相電流の内2相の電流Iu、Ivを検出し、残りの電流Iwは演算して求める。
The voltage control
トルク制御部11は、与えられたトルク指令T*と回転速度ωとを入力としてdq軸上の電流指令Id*、Iq*を出力する。このとき、dq軸上の電流指令Id*、Iq*は、トルクリプルが最小となるように決定され、この電流指令の決定方法についての詳細は後述する。
電流制御器12は、トルク制御部11からのdq軸上の電流指令Id*、Iq*および回転速度ωを入力として、検出されたdq軸上の電流Id、Iqが電流指令Id*、Iq*に追従するようにフィードバック制御を行い、dq軸上の電圧指令Vd*、Vq*を出力する。
座標変換部13では、dq軸上の電圧指令Vd*、Vq*を位相θに基づいて2相3相変換して3相の電圧指令Vu*、Vv*、Vw*を出力し、PWMインバータ10は3相の電圧指令Vu*、Vv*、Vw*により制御される。
The
The
The
ところで、IPMモータ5では、永久磁石1が磁性体である鉄心2内であり磁極間が磁性体であるため、磁石軸であるd軸方向よりそれと直交するq軸方向の磁気抵抗が小さくなる突極構造となって、d軸インダクタンスよりq軸インダクタンスが大きくなる。このようなIPMモータ5では、マグネットトルク以外にリラクタンストルクが発生する。
マグネットトルクは、q軸電流により発生し、回転子3の永久磁石1による磁界と巻線4aによる回転磁界とが吸引、反発して発生するトルクであり、模式的に説明したものを図3(a)に示す。
また、リラクタンストルクは、磁極中心の位相に磁界を発生させ永久磁石1の磁束を弱める成分である負のd軸電流により発生し、巻線4aによる回転磁界に回転子3の突極部2aが吸引されて発生するトルクであり、模式的に説明したものを図3(b)に示す。なお、負のd軸電流を流す際、実際にはq軸電流も流すので、両者を合成した結果、磁界発生位置が回転子進行方向にシフトしたように電流位相が制御される。
By the way, in the
The magnet torque is generated by q-axis current, and is generated by attracting and repelling the magnetic field generated by the
The reluctance torque is generated by a negative d-axis current that is a component that generates a magnetic field at the phase of the magnetic pole and weakens the magnetic flux of the
一般にモータ制御では、高速回転域になると電圧制限から回転数を上げることが出来なくなるので、電流位相を進相させて永久磁石の磁束を減じて回転数範囲を広げる。これは、負のd軸電流を流す弱め界磁制御で、電圧飽和を緩和することができる。IPMモータ5では、負のd軸電流によりリラクタンストルクが発生し、このリラクタンストルクはトルクアップに寄与するが、新たにリラクタンストルクのトルクリプルであるリラクタンストルクリプルが発生する。
この実施の形態では、通常、電圧飽和を緩和するために高速回転域でのみ用いる負のd軸電流を電圧許容範囲内でも用いてリラクタンストルクを制御し、リラクタンストルクリプルとマグネットトルクのリプル(マグネットトルクリプル)とを相殺して全体のトルクリプルを低減する。
In general, in motor control, since it becomes impossible to increase the rotational speed due to voltage limitation in the high speed rotational range, the current phase is advanced to reduce the magnetic flux of the permanent magnet to widen the rotational speed range. This is a field weakening control in which a negative d-axis current is passed, and voltage saturation can be mitigated. In the
In this embodiment, the reluctance torque is controlled by using the negative d-axis current that is normally used only in the high-speed rotation range to reduce the voltage saturation even within the allowable voltage range, and the reluctance torque ripple and the magnet torque ripple (magnet torque ripple) are used. ) To offset the overall torque ripple.
IPMモータ5において、リラクタンストルクリプルとマグネットトルクリプルとが相殺されることを以下に説明する。
d軸とq軸とは電気角で丁度90度位相が異なる。通常、トルクリプルで顕著となる6次のトルクリプル成分に対して、q軸電流によって生じるマグネットトルクのリプル成分(マグネットトルクリプル)と負のd軸電流によって生じるリラクタンストルクのリプル成分(リラクタンストルクリプル)とは、6倍の540度(−180度)位相がずれることになる。このように、6次のトルクリプル成分に対して、リラクタンストルクリプルとマグネットトルクリプルとは逆位相であるため、互いに相殺させることができる。
It will be described below that the reluctance torque ripple and the magnet torque ripple are canceled in the
The d-axis and q-axis are just 90 degrees out of phase in electrical angle. In general, with respect to the sixth-order torque ripple component that becomes noticeable in torque ripple, the ripple component of magnet torque caused by q-axis current (magnet torque ripple) and the ripple component of reluctance torque caused by negative d-axis current (reluctance torque ripple) are: The phase is shifted six times by 540 degrees (-180 degrees). Thus, since the reluctance torque ripple and the magnet torque ripple are in opposite phases with respect to the sixth-order torque ripple component, they can cancel each other.
図4に示すような、トルクリプルのdq軸上の2つの電流成分に対するMAPであるトルクリプルMAPを作成する。トルクリプルはリラクタンストルクリプルとマグネットトルクリプルとを合わせた全体のトルクリプルであり、ここでは定格トルク比で示す。PWMインバータ10の容量あるいはIPMモータ5の熱的な上限から電流値上限が決まる場合、21は、電流値上限を示す電流制限円である。また電圧制限から出力可能な電流値に上限があり、これは回転速度によって異なる。この電圧範囲は、dq軸上の2つの電流成分に対する磁束を磁界解析あるいは実測により予め求めておき、磁束と回転速度とに基づいて決定される。22aは、比較的中速の場合の電圧範囲を示し、22bは、比較的高速の場合の電圧範囲を示す。
このトルクリプルMAP上でトルクリプルが最小となる負のd軸電流値を可変のq軸電流に対して決定し、電流ベクトル(Id,Iq)の軌跡20を生成する。このトルクリプル最小時の電流ベクトル(Id,Iq)軌跡20から、トルクリプル最小となるトルクリプルはq軸電流に応じて連続的に変化することが分かる。また、トルクリプル最小となるのは、負のd軸電流を流してリラクタンストルクリプルが発生するときであるため、リラクタンストルクリプルとマグネットトルクリプルとが相殺されてトルクリプルが低減されていることも分かる。
As shown in FIG. 4, a torque ripple MAP that is a MAP for two current components on the dq axis of the torque ripple is created. The torque ripple is a total torque ripple that is a combination of the reluctance torque ripple and the magnet torque ripple, and is represented by a rated torque ratio here. When the current value upper limit is determined from the capacity of the
On this torque ripple MAP, a negative d-axis current value that minimizes the torque ripple is determined for the variable q-axis current, and a
この実施の形態では、電流指令Id*、Iq*を出力するトルク制御部11が、記憶手段を備えて、トルク値に応じて電流ベクトル(Id,Iq)軌跡20上の点である電流ベクトル(Id,Iq)を予め設定して記憶手段に保持しておく。即ち、トルクリプルのdq軸上の2つの電流成分に対するMAPを予め作成したトルクリプルMAPを用い、このトルクリプルMAP上でトルクリプルが最小となる負のd軸電流値を可変のq軸電流に対して決定することにより電流ベクトル(Id,Iq)の軌跡20を予め生成しておく。そして、トルク値に応じて電流ベクトル(Id,Iq)軌跡20上の点である電流ベクトル(Id,Iq)を予め設定して記憶手段に保持しておく。
In this embodiment, the
そして、トルク制御部11は、与えられたトルク指令T*と回転速度ωとを入力として、記憶手段内から電流ベクトル(Id,Iq)を抽出して電流指令Id*、Iq*として出力する。図5に示すように、トルク指令T*に基づいて電流ベクトル(Id,Iq)軌跡20上の点である電流ベクトル(Id,Iq)23を抽出して電流指令Id*、Iq*とする。このとき、電流ベクトル(Id,Iq)23は、回転速度ωで決定される電圧範囲22aと電流制限円21の範囲とを満たすものとする。
このように生成される電流指令Id*、Iq*を用いることにより、リラクタンストルクリプルとマグネットトルクリプルとが相殺されてトルクリプルが最小となるように制御できる。
Then, the
By using the current commands Id * and Iq * generated in this manner, the reluctance torque ripple and the magnet torque ripple can be canceled and the torque ripple can be minimized.
以上のように、この実施の形態では、リラクタンストルクリプルとマグネットトルクリプルとが相殺されるようにリラクタンストルクを発生させる制御を行うため、モータで顕著な6次のトルクリプル成分が容易で効果的に相殺されてトルクリプル成分が抑制できる。
また、トルクリプルがほぼ最小となるdq軸上の電流ベクトル(Id,Iq)をトルク値に応じて予め設定し保持する記憶手段を有し、電圧許容範囲内でトルク指令T*に応じて上記記憶手段からdq軸上の電流ベクトル(Id,Iq)を抽出してdq軸上の電流指令Id*、Iq*に用いるため、6次のトルクリプル成分を検出して逐次抑制するように電流制御する従来のものに比べて制御演算負荷が著しく低減でき、制御装置の演算速度や位置検出速度の制約などがなく、安価な制御装置でも容易に高精度なトルクリプル抑制制御が実現できる。
さらに、記憶手段が保持するdq軸上の電流ベクトル(Id,Iq)は、予め作成したトルクリプルMAPを用いて、該トルクリプルMAP上でトルクリプルが最小となる負のd軸電流値を可変のq軸電流に対して決定して生成した電流ベクトル(Id,Iq)軌跡20上の点であるため、確実に高精度なトルクリプル抑制制御が行える。
As described above, in this embodiment, since the reluctance torque is generated so that the reluctance torque ripple and the magnet torque ripple are canceled out, a remarkable sixth-order torque ripple component is easily and effectively canceled out by the motor. Torque ripple components can be suppressed.
In addition, it has storage means for presetting and holding the current vector (Id, Iq) on the dq axis that minimizes the torque ripple according to the torque value, and stores the above according to the torque command T * within the allowable voltage range Since current vectors (Id, Iq) on the dq axis are extracted from the means and used for the current commands Id * and Iq * on the dq axis, current control is performed so that the sixth-order torque ripple component is detected and sequentially suppressed. The control calculation load can be remarkably reduced as compared with the above, and there is no restriction on the calculation speed and position detection speed of the control device, and high-precision torque ripple suppression control can be easily realized even with an inexpensive control device.
Furthermore, the current vector (Id, Iq) on the dq axis held by the storage means uses a torque ripple MAP created in advance, and a negative d-axis current value that minimizes the torque ripple on the torque ripple MAP is variable q-axis. Since it is a point on the current vector (Id, Iq)
実施の形態2.
なお、上記実施の形態1では、電流ベクトル(Id,Iq)軌跡20上の点である電流ベクトル(Id,Iq)を予め設定して記憶手段に保持しておくとしたが、記憶手段に保持する形式は、例えば図6に示すようなテーブル形式でも良い。
この場合、発生トルク値に応じてトルクリプル最小となる電流ベクトル(Id,Iq)のデータを点列データとして、10〜100点程度記憶保持させる。ここでは、適用可能な回転速度ωを電気角回転数の上限として併せて記憶させておく。
トルク制御部11は、与えられたトルク指令T*および回転速度として電気角回転数ωを入力として、記憶手段内から電流ベクトル(Id,Iq)を抽出する。このとき、トルク指令T*に最も近い発生トルク値の電流ベクトル(Id,Iq)をそのまま電流指令Id*、Iq*として採用しても良いが、テーブル内の点列データを補間する演算により電流指令Id*、Iq*を生成して用いることにより高精度なトルクリプル抑制制御が行える。
In the first embodiment, the current vector (Id, Iq) that is a point on the current vector (Id, Iq)
In this case, the current vector (Id, Iq) data that minimizes the torque ripple according to the generated torque value is stored and held as about 10 to 100 points as point sequence data. Here, the applicable rotational speed ω is stored together as the upper limit of the electrical angle rotational speed.
The
点列データを補間する方法を以下に説明する。
点列データを上から採番(0番〜)し、トルク指令T*と点列データのトルク値T0、T1、・・・Tmaxとを順次比較することで、
Tn>T*>Tn−1
となるTn、Tn−1を求める。
そして、Tn、Tn−1に対応するIqn、IdnとIqn−1、Idn−1を用いると、
(Iq*−Iqn−1)/(Iqn−Iqn−1)=(T*−Tn−1)/(Tn−Tn−1)
が成立するため、Iq*は以下の式で求められる。
Iq*=(T*−Tn−1)/(Tn−Tn−1)×(Iqn−Iqn−1)+Iqn−1
Id*についても同様であり、
Id*=(T*−Tn−1)/(Tn−Tn−1)×(Idn−Idn−1)+Idn−1
A method for interpolating the point sequence data will be described below.
By numbering the point sequence data from the top (from 0), by sequentially comparing the torque command T * and the torque values T 0 , T 1 ,... Tmax of the point sequence data,
Tn > T * > Tn-1
Tn and Tn-1 are obtained.
Then, T n, Iq n corresponding to T n-1, the use of Id n and Iq n-1, Id n- 1,
(Iq * -Iq n-1) / (Iq n -Iq n-1) = (T * -T n-1) / (T n -T n-1)
Therefore, Iq * is obtained by the following equation.
Iq * = (T * −T n−1 ) / (T n −T n−1 ) × (Iq n −Iq n−1 ) + Iq n−1
The same applies to Id *
Id * = (T * −T n−1 ) / (T n −T n−1 ) × (Id n −Id n−1 ) + Id n−1
なお、このようなトルクリプル抑制制御は、モータの回転速度ωが、記憶手段のTnに対応した回転速度上限より小さい速度領域で有効となる。 Such a torque ripple suppression control, the rotational speed of the motor ω becomes effective in smaller speed range than the rotational speed upper limit corresponding to T n memory means.
この実施の形態では、複数のトルク値に対してトルクリプル最小となる電流ベクトル(Id,Iq)のデータを点列データとして設定したテーブルにて記憶情報を保持して用いるため、記憶情報の作成、保持が容易であると共に、抽出して利用するのも容易である。また、上述したように補間演算して利用することにより、高精度なトルクリプル抑制制御が行える。 In this embodiment, since the storage information is held and used in a table in which the data of the current vector (Id, Iq) that minimizes the torque ripple for a plurality of torque values is set as point sequence data, the storage information is created, It is easy to hold and extract and use. Moreover, highly accurate torque ripple suppression control can be performed by using the interpolation calculation as described above.
実施の形態3.
上記実施の形態1、2で示したトルクリプルを抑制する制御において、リラクタンストルク、マグネットトルクの各トルクリプル成分が極端に大きい場合、相殺できる6次以外の高調波成分が出現したり、互いに相殺させるレベルが異なったりすることがあり、精度良く抑制するのが困難になる。この実施の形態では、上述したトルクリプル抑制制御が効果的に適用できるIPMモータの構造を説明する。
図7は、この発明の実施の形態5によるIPMモータの構造を示す図である。
図に示すように、IPMモータ35は、磁性体で構成された回転子鉄心32に永久磁石31が埋め込まれた回転子33と、図示しない巻線を備えた固定子34とで構成される。回転子33は、回転子半径より小さい円弧径の複数の弧を外周に凸なる方向に並べた花丸形状の外形33aを有し、上記各複数の弧に沿うように該弧の内側に弧状の永久磁石31を埋め込んで形成されている。
In the control for suppressing the torque ripple shown in the first and second embodiments, when each of the torque ripple components of the reluctance torque and the magnet torque is extremely large, a harmonic component other than the sixth order that can be canceled appears or cancels each other. May be different, making it difficult to suppress with high accuracy. In this embodiment, the structure of an IPM motor to which the above-described torque ripple suppression control can be effectively applied will be described.
FIG. 7 is a diagram showing the structure of an IPM motor according to
As shown in the figure, the
このような構造とすることで、磁極間となる回転子3の突極部2a(図3参照)の幅を小さく、また、突極部2aにおいて、回転子33と固定子34とのギャップを大きくすることができ、突極性を抑えてトルクリプル成分が抑制された構造となる。
なお、図4に示した電流ベクトル軌跡20はモータ形状によって異なるが、使用するモータに応じてトルクリプル最小となる電流ベクトル軌跡を同様の手法で予め生成し、トルク値に応じた電流ベクトル(Id,Iq)を予め設定して記憶手段に保持しておく。
With such a structure, the width of the
Although the
実施の形態4.
モータ制御では、上述したように、高速回転域になると電圧制限から回転数を上げることが出来なくなるので、負のd軸電流を流す弱め界磁制御で電圧飽和を緩和する制御を通常行うものである。この実施の形態4では、電圧許容範囲内において上記実施の形態1、2で示したトルクリプル抑制制御を行い、電圧許容範囲を外れると、弱め界磁制御による制御を行う。このような制御は、トルク制御部11において電流指令Id*、Iq*を適切に生成することで達成でき、図8に示すフローチャートに基づいて以下に説明する。なお、トルク制御部11が用いる記憶手段の情報は、上記実施の形態2の図6に示すテーブル形式で保持されるものとする。
Embodiment 4 FIG.
In the motor control, as described above, since it becomes impossible to increase the rotation speed due to the voltage limitation when the high-speed rotation region is reached, control to alleviate voltage saturation is normally performed by field weakening control in which a negative d-axis current flows. In the fourth embodiment, the torque ripple suppression control shown in the first and second embodiments is performed within the allowable voltage range, and when the voltage is out of the allowable range, control by field weakening control is performed. Such control can be achieved by appropriately generating the current commands Id * and Iq * in the
トルク制御部11に、トルク指令T*と回転速度ωとが入力されると(ステップS1)、トルク指令T*と記憶手段内の点列データのトルク値T0、T1、・・・Tmaxとを順次比較して、Tn>T*となる最小のトルク値Tnのデータを抽出する(ステップS2、S3)。抽出されたデータの回転速度上限ωnがモータの回転速度ωより大きいかどうかを判定し(ステップS4)、大きいときはトルクリプル抑制制御のため電流指令Id*、Iq*を上記実施の形態2と同様に求める(ステップS5)。ステップS4において、抽出されたデータの回転速度上限ωnがモータの回転速度ω以下であると、弱め界磁制御による電流指令Id*、Iq*を演算して求める(ステップS6)。 When the torque command T * and the rotational speed ω are input to the torque controller 11 (step S1), the torque command T * and the torque values T 0 , T 1 ,... Tmax of the point sequence data in the storage means. Are sequentially extracted, and data of the minimum torque value T n satisfying T n > T * is extracted (steps S2 and S3). It is determined whether or not the rotation speed upper limit ω n of the extracted data is larger than the rotation speed ω of the motor (step S4). If the rotation speed is larger, the current commands Id * and Iq * are set as in the second embodiment for torque ripple suppression control. It calculates | requires similarly (step S5). In step S4, if the rotation speed upper limit ω n of the extracted data is equal to or less than the rotation speed ω of the motor, current commands Id * and Iq * by field weakening control are calculated and obtained (step S6).
図9に示すトルクリプルMAP上で説明すると、回転速度ωが適用可能範囲内、即ち電圧が許容範囲内であるとき、トルクリプル抑制制御のため第1の電流指令23aである電流指令Id*、Iq*を用い、モータの回転速度が上昇し、回転速度ωが適用可能範囲を外れる、即ち電圧が許容範囲を外れると、公知の弱め界磁制御によって所定のトルク値に対して最適となる第2の電流指令23bである電流指令Id*、Iq*を演算して用いる。
弱め界磁制御における電流指令Id*、Iq*は、例えば極対数Pnのモータにおいて、回転速度となる電気角周波数ω、磁石磁束Ψ、電圧V、モータインダクタンスLd、Lqに基づいて以下の式により演算できる。
Referring to the torque ripple MAP shown in FIG. 9, when the rotational speed ω is within the applicable range, that is, the voltage is within the allowable range, the current commands Id * and Iq * that are the first
The current commands Id * and Iq * in the field weakening control can be calculated by the following formula based on the electrical angular frequency ω, the magnetic flux Ψ, the voltage V, and the motor inductances Ld and Lq, which are rotational speeds, for example, in a motor with a pole pair number Pn. .
なお、上記実施の形態3で示すような突極性を抑えたIPMモータでは、Ld≒Lqとみなすことができ、演算が容易になる。 In the IPM motor with suppressed saliency as shown in the third embodiment, it can be regarded that Ld≈Lq, and the calculation becomes easy.
この実施の形態では、電圧許容範囲内においてトルクリプル抑制制御を行い、電圧許容範囲を外れると、弱め界磁制御による制御を行うため、負のd軸電流を用いた最適なモータ制御を行うことができ、高性能なモータ制御が得られる。
また、記憶手段内に、電圧許容範囲の基となる回転速度上限を電流ベクトル(Id,Iq)のデータと共に保持し、トルク指令に応じて回転速度上限を参照して電圧許容範囲内/外を判断するため、電圧許容範囲内/外を容易に判断でき、トルクリプル抑制制御、弱め界磁制御のいずれか一方のみ電流指令Id*、Iq*を演算して用いれば良く、不要な演算を省略でき高速制御が可能になる。
In this embodiment, torque ripple suppression control is performed within the allowable voltage range, and when the voltage is out of the allowable range, control by field weakening control is performed, so that optimal motor control using a negative d-axis current can be performed. High performance motor control can be obtained.
Also, in the storage means, the upper limit of the rotation speed that is the basis of the allowable voltage range is stored together with the data of the current vector (Id, Iq), and whether the voltage is within or outside the allowable voltage range by referring to the upper limit of the rotation speed according to the torque command. Therefore, it is easy to determine whether the voltage is within or outside the allowable voltage range. Only one of torque ripple suppression control and field weakening control can be used by calculating the current commands Id * and Iq *. Is possible.
1 永久磁石、2 回転子鉄心、3 回転子、4 固定子、5 IPMモータ、
11 トルク制御部、12 電流制御器、20 電流ベクトル軌跡、
22a 電圧範囲(中速)、22b 電圧範囲(高速)、
23 電流指令(電流ベクトル)、23a 第1の電流指令(電流ベクトル)、
23b 第2の電流指令(電流ベクトル)、31 永久磁石、32 回転子鉄心、
33 回転子、34 固定子、35 IPMモータ。
1 permanent magnet, 2 rotor core, 3 rotor, 4 stator, 5 IPM motor,
11 Torque controller, 12 Current controller, 20 Current vector locus,
22a voltage range (medium speed), 22b voltage range (high speed),
23 current command (current vector), 23a first current command (current vector),
23b Second current command (current vector), 31 permanent magnet, 32 rotor core,
33 rotor, 34 stator, 35 IPM motor.
Claims (7)
6次のトルクリプル成分についてリラクタンストルクリプルとマグネットトルクリプルとが相殺されるように、トルク指令に応じてリラクタンストルク成分を制御するものであって、
モータ通電時に常に負のd軸電流を通電し、上記リラクタンストルクリプルと上記マグネットトルクリプルとを合成した上記6次のトルクリプル成分が最小となるように、負のd軸電流を可変のq軸電流に対して決定して生成した電流成分(Id、Iq)をトルク値に応じて予め設定し保持すると共に、上記トルク値に応じた回転速度範囲の情報を保持する記憶手段を有し、
上記回転速度範囲に基づく電圧許容範囲内にて、上記トルク指令に応じて上記記憶手段からdq軸上の電流成分(Id、Iq)を抽出してdq軸上の電流指令に用いることを特徴とするモータ制御装置。 In a motor control device that converts and controls a three-phase alternating current flowing in a magnet-embedded permanent magnet motor in which a permanent magnet is embedded in a rotor core into an excitation current (d-axis current) and a torque current (q-axis current) ,
The reluctance torque component is controlled according to the torque command so that the reluctance torque ripple and the magnet torque ripple are canceled out with respect to the sixth-order torque ripple component,
When the motor is energized, a negative d-axis current is always applied, and the negative d-axis current is set to a variable q-axis current so that the sixth-order torque ripple component obtained by combining the reluctance torque ripple and the magnet torque ripple is minimized. Storing and storing the current components (Id, Iq) determined and generated in advance according to the torque value and holding information on the rotational speed range according to the torque value;
The current component (Id, Iq) on the dq axis is extracted from the storage means in accordance with the torque command within the allowable voltage range based on the rotation speed range, and is used for the current command on the dq axis. Motor control device.
上記トルク指令に応じて上記テーブルからトルク値および電流成分(Id、Iq)の情報を抽出し、該抽出情報に基づいて上記dq軸上の電流指令を直接、あるいは補間的に演算して生成することを特徴とする請求項1に記載のモータ制御装置。 The storage means holds stored information in a table in which the current components (Id, Iq) are respectively set for a plurality of the torque values.
Information on torque values and current components (Id, Iq) is extracted from the table in accordance with the torque command, and the current command on the dq axis is generated directly or interpolated based on the extracted information. The motor control device according to claim 1 .
6次のトルクリプル成分についてリラクタンストルクリプルとマグネットトルクリプルとが相殺されるように、トルク指令に応じてリラクタンストルク成分を制御するものであって、
モータ通電時に常に負のd軸電流を通電し、上記リラクタンストルクリプルと上記マグネットトルクリプルとを合成した6次のトルクリプルのdq軸上の2つの電流成分に対するMAPを予め作成したトルクリプルMAPを用い、該トルクリプルMAP上で上記6次のトルクリプル成分が最小となる負のd軸電流値を可変のq軸電流に対して決定することにより電流成分(Id、Iq)の軌跡を生成し、上記回転子の回転速度に応じた電圧許容範囲内にて上記トルク指令に応じて上記軌跡上の電流成分(Id、Iq)を抽出してdq軸上の電流指令に用いることを特徴とするモータ制御方法。 In a motor control method for controlling by converting a three-phase alternating current flowing in a magnet-embedded permanent magnet motor in which a permanent magnet is embedded in a rotor core into an excitation current (d-axis current) and a torque current (q-axis current) ,
The reluctance torque component is controlled according to the torque command so that the reluctance torque ripple and the magnet torque ripple are canceled out with respect to the sixth-order torque ripple component,
When a motor is energized, a negative d-axis current is always energized, and a torque ripple MAP in which a MAP is created for two current components on the dq axis of a sixth-order torque ripple obtained by combining the reluctance torque ripple and the magnet torque ripple is used. The locus of the current component (Id, Iq) is generated by determining the negative d-axis current value that minimizes the sixth-order torque ripple component on the MAP with respect to the variable q-axis current, and the rotation of the rotor A motor control method characterized by extracting a current component (Id, Iq) on the locus in accordance with the torque command within a voltage allowable range according to speed and using the extracted current component on the dq axis.
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