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JP5584794B1 - 電動機の駆動制御装置 - Google Patents

電動機の駆動制御装置 Download PDF

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JP5584794B1
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Abstract

【課題】電動機を低速から高速まで効率よく駆動させるため、パルス幅変調(PWM)通電と矩形波通電を切り替える必要があるが、電動機に流れる交流電流を検出する電流センサを配置しなければならない。
【解決手段】電流指令値に基づいて電圧指令振幅と電圧指令位相を生成する電圧指令生成部4と、矩形波通電時の電圧指令位相を生成する矩形波通電時位相生成部5と、電動機1の状態量に応じてPWM通電か矩形波通電のどちらの制御を行うかを判定し切替を行う制御切替判定部6とを備え、PWM通電に切替られた場合はPWM通電部7からの出力によりスイッチング素子部9を駆動し、矩形波通電に切替られた場合は矩形波通電部8からの出力によりスイッチング素子部9を駆動させる。また電圧指令生成部4は電動機1のパラメータを用いて電圧指令振幅と電圧指令位相を算出する。
【選択図】図1

Description

この発明は、電動機の駆動制御を行う電動機の駆動制御装置に関し、特に電動機の駆動状態に応じて矩形波通電とPWM通電を切り替えるための電動機の駆動制御装置に関するものである。
直流電源から電動機(モータ)を駆動するための交流電圧及び交流電流を生成するために、電動機駆動制御装置(以下、インバータと称する)が配置される。インバータには複数のスイッチング素子が配置され、スイッチング素子の通電順序を制御することで交流電圧及び交流電流を生成し、スイッチング素子の通電時間を制御することにより交流電圧及び交流電流の振幅を制御している。スイッチング素子の通電方法として、一般にパルス幅変調通電(以下、PWM通電と称する)と矩形波通電がある。
PWM通電は、スイッチング素子のON時間を変更して出力電圧の大きさを制御する通電方法で、出力電圧制御が容易にできることから低回転でも安定して回転させることができる利点があるが、PWM通電で出力可能な電圧振幅に制限があるため、モータを高回転で駆動させることができない課題がある。
一方、矩形波通電は、電気角1周期の半周期だけスイッチング素子をONさせる通電方法であり、PWM通電に比べ出力電圧を大きくできるため、モータを高回転まで駆動させることが可能となる。さらに電気角1周期でスイッチング素子の切替が2回しか行われないため、PWM通電に比べスイッチング素子の切替回数が少なく、スイッチング損失を減少させてインバータ効率を高くできる利点があるが、スイッチング素子のON時間を自由に変更することができないため出力電圧制御が困難という課題がある。
例えば特許文献1にはモータに通電される実電流振幅と実電流位相を電流センサで検出し、この検出値を用いて電圧振幅と電圧位相を算出し、トルク指令値や直流電圧及び算出した電圧振幅と電圧位相を考慮して、矩形波通電とPWM通電のどちらの制御でモータを駆動するかを選択して、モータを低速から高速まで効率よく駆動させる技術が提案されている。
特開2005−218299号公報
しかし、前記特許文献1に開示された技術によれば、モータとインバータ間に接続されるハーネスにモータに通電される交流電流を検出するための電流センサを配置しなければならない。このため、ハーネスの電力損失によるモータ出力の低下が生じる。また、電流センサが故障するとPWM通電と矩形波通電の切替判定ができなくなり、電流センサ故障時にモータを安定して駆動させることができないという課題があった。
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、電動機に通電される交流電流を検出する電流センサを用いずにPWM通電と矩形波通電の制御切替を行うことで、電動機を低速から高速まで安定して駆動させることができる電動機の駆動制御装置を提供することを目的とする。
この発明に係る電動機の駆動制御装置は、電流指令値に基づいて電圧指令振幅と電圧指令位相を生成する電圧指令生成部と、矩形波通電時の電圧指令位相を生成する矩形波通電時位相生成部と、電動機または電動機駆動制御装置の状態量に応じてPWM通電か矩形波通電のいずれか一方の制御を行うかを判定し切替を行う制御切替判定部と、電圧指令生成部で生成された電圧指令振幅と電圧指令位相に応じてPWM波形を出力するPWM通電部と、矩形波通電時位相生成部で生成された電圧指令位相に応じて矩形波出力する矩形波通電部と、PWM通電部または矩形波通電部の出力に応じたスイッチング動作を行うスイッチング素子部を備え、電圧指令生成部は電動機のパラメータを用いて電圧指令振幅と電圧指令位相を算出し、制御切替判定部におけるPWM通電と矩形波通電の切替を行う状態量として、電動機駆動制御装置に印加する直流電圧と電圧指令生成部の電圧指令振幅に基づいて算出される電圧指令Dutyを用いたものである。
この発明に係る電動機の駆動制御装置によれば、電動機に通電される電流を検出する電流センサを使用することなくPWM通電と矩形波通電を切替えることができ、電動機を低速から高速まで効率よく駆動することが可能となる。
この発明の実施の形態1に係る電動機の駆動制御装置のシステム構成図である。 この発明の実施の形態1に係る電動機の駆動制御装置に使用される電圧指令生成部の電圧位相指令のベクトル図である。 この発明の実施の形態1に係る電動機の駆動制御装置に使用される制御切替判定部の動作を示したフローチャート図である。
実施の形態1.
以下、この発明の実施の形態1における電動機の駆動制御装置を図に基づいて説明する。
図1は、この発明の実施の形態1に係る電動機の駆動制御装置のシステム構成図である。
図1において、電動機1は三相モータであり、U相、V相、W相の3本のハーネスを用いて電動機駆動制御装置(以下、インバータと称する)2と接続されているが、電動機1とインバータ2の接続本数は特に制限はない。また、電動機1とインバータ2の間をハーネスで接続しているが、ハーネスを使用しない、いわゆる電動機1とインバータ2を一体化した構成でもよい。
なお、この実施形態における電動機1は回転磁界と同じ速度で回転子が回転する同期電動機としているが、電動機1の種類については特に制限はない。
インバータ2は、電動機1に配置された位置センサ11の出力から電動機1の回転数を算出する回転数算出部10と、回転数算出部10の出力と回転数指令値との差分に応じた電流指令値を生成する電流指令生成部3と、電流指令生成部3から出力されるd軸電流指令値Idref及びq軸電流指令値Iqrefから電圧指令振幅Vrefと電圧指令位相θvを生成する電圧指令生成部4と、矩形波通電時の電圧指令位相θを生成する矩形波通電時位相生成部5と、インバータ2に印加される直流電圧Vbに応じてPWM通電と矩形波通電のどちらの制御を行うかを判定し切替判定を行う制御切替判定部6と、PWM通電時のスイッチング波形を生成するPWM通電部7と、矩形波通電時のスイッチング波形を生成する矩形波通電部8と、MOSFETやIGBTなどのスイッチング素子で構成されるスイッチング素子部9で構成されている。
電流指令生成部3は、アクセル開度などに応じた回転数指令値と回転数算出部10で算出したモータ回転数の差分に応じたd軸電流指令値とq軸電流指令値を生成する。回転数指令値とモータ回転数の差分のみで生成した電流指令値は、インバータ2の出力可能な指令値を超える可能性がある。もし、インバータ2の出力可能な電流指令を超える値が設定された場合、インバータ2を破壊する可能性があるため、電流指令値に制限をかけてd軸電流指令値Idref、q軸電流指令値Iqrefを出力する。
なお、電流指令値に制限をかける方法として、インバータ2に印加した直流電圧Vbと電動機1の回転数からインバータ2が出力可能な電流制限値を算出してもよいし、直流電圧Vbと電動機1の回転数から電流制限値を算出するマップを用いてもよい。
電圧指令生成部4は、d軸電流指令値Idrefとq軸電流指令値Iqrefから電圧指令振幅Vrefと電圧指令位相θvを算出する。電圧指令振幅Vrefを算出するには、まず、d軸電流指令値Idrefとq軸電流指令値Iqrefからd軸電圧指令値Vdrefとq軸電圧指令値Vqrefを算出する。これらは式(1)、式(2)を用いて算出する。
Vdref=Rdq×Idref−ω×Ldq×Iqref ・・・(1)
Vqref=ω×Ldq×Idref+Rdq×Iqref+ω×φdq ・・・(2)
ここで、Rdqは電動機1のdq軸抵抗値、ωは電動機1の回転電気角周波数、Ldqは電動機1のdq軸インダクタンス値である。
次に電圧指令振幅Vrefを算出する。電圧指令振幅Vrefは、d軸電圧指令値Vdrefとq軸電圧指令値Vqrefを用いて、式(3)により算出する。
Vref=√(Vdref×Vdref+Vqref×Vqref) ・・・(3)
次に電圧指令位相θvを算出する。図2に電圧指令位相θvのベクトル図を示す。電圧指令位相θvはd軸電圧指令値Vdrefとq軸電圧指令値Vqrefを用いて、式(4)を用いて算出する。
θv=arctan(―Vdref/Vqref) ・・・(4)
このように電圧指令生成部4は、電動機1のdq軸抵抗値や回転電気角周波数やdq軸インダクタンス値などの、電動機1のパラメータを用いて電圧指令振幅Vrefと電圧指令位相θvが算出されている。
矩形波通電時位相生成部5は、矩形波通電時に用いる電圧指令位相θを算出する。矩形波通電の電圧指令位相θを算出する理由は、PWM通電から矩形波通電に切り替えた場合、PWM通電と矩形波通電で出力される電圧振幅が変わるため、PWM通電時の電圧位相θvを用いて矩形波通電を行うと、矩形波通電に切り替えた際に電圧変動が生じるためである。
このため、PWM通電から矩形波通電に切り替える際、電圧振幅が連続的に変化するように、矩形波通電の電圧指令位相θを設定する必要がある。
なお、矩形波通電時に用いる電圧指令位相θを算出する方法として、PWM通電時の電圧指令振幅Vrefと電圧指令位相θvを用いて、矩形波通電時の電圧指令位相θを算出するマップを用いてもよいし、PWM通電時の電圧指令振幅Vrefと電圧指令位相θvを用いた演算式から電圧指令位相θを算出してもよい。
制御切替判定部6は、電動機1またはインバータ2の状態量に応じてPWM通電か矩形波通電のいずれか一方の制御を行うかを判定し切替を行う。PWM通電と矩形波通電の切替を行う状態量として、インバータ2に印加する直流電圧や、電圧指令生成部4からの電圧指令振幅Vrefまたは矩形波通電時位相生成部5からの電圧指令位相θを用いる。
即ち、制御切替判定部6は、電圧指令振幅Vrefまたは電圧指令位相θの位相に応じて、PWM通電もしくは矩形波通電のどちらの制御を行うかを判定し通電方式を切替えている。
図3のフローチャートを参照しながら制御切替判定部6の動作について説明する。図3はスタートからエンドまでS1からS8までのステップを含んでいる。
まずステップS1では電圧指令Duty値を算出する。電圧指令Duty値はPWM通電時の電圧振幅指令Vrefと矩形波通電で出力可能な最大電圧値(電動機駆動制御装置2に印加される直流電圧Vbで決まる)の比で表され、式(5)で算出される。
電圧指令Duty値=Vref/(Vb×√(6/π)) ・・・(5)
次のステップS2では現在の通電状態がPWM通電か矩形波通電のどちらかを判定する。現在の通電状態がPWM通電と判定されればステップS3へ進み、矩形波通電と判定されればステップS6へ進む。ステップS6の動作の詳細については後述する。
次のステップS3では電圧指令Duty値が矩形波切替しきい値Ksq以上かどうかを判定する。「電圧指令Duty値≧Ksq」と判定(YES)されればステップS4へ進む。「電圧指令Duty値<Ksq」と判定(NO)されればステップS5へ進み、PWM通電状態を継続して制御切替判定処理を終了する。
なお、矩形波切替しきい値Ksqは式(6)で算出する。
矩形波切替しきい値Ksq=ks(Vb×√(6/π)) ・・・(6)
ここで、ksは矩形波切替調整係数で0から1までの範囲である。
次のステップS4では通電状態をPWM通電から矩形波通電に切り替える必要があると判定して、制御切替判定部6の出力をPWM通電から矩形波通電に切り替えて制御切替判定処理を終了する。
また、ステップS2で現在の状態が矩形波通電と判定されれば次のステップS6へ進む。ステップS6では電圧指令Duty値がPWM通電切替しきい値Kpwm以下となるかどうかを判定する。電圧指令Duty値がPWM切替しきい値Kpwm以下と判定(YES)されればステップS7へ進む。電圧指令Duty値がPWM切替しきい値Kpwmより大きいと判定(NO)されればステップS8へ進み、矩形波通電を継続して制御切替判定処理を終了する。
なお、PWM通電切替しきい値Kpwmは式(7)で算出する。
PWM通電切替しきい値Kpwm=kp×Vb×√(6/π) ・・・(7)
ここで、kpはPWM通電切替調整係数で0から1までの範囲である。
なお、矩形波切替しきい値KsqとPWM通電切替しきい値Kpwmは常にKsq≧Kpwmの関係が成立するようにする。
次のステップS7では通電状態を矩形波通電からPWM通電に切り替える必要があると判定して、制御切替判定部6の出力を矩形波通電からPWM通電に切り替えて制御切替判定処理を終了する。
このように制御切替判定部6は、電動機1または電動機駆動制御装置2の状態量に応じて、PWM通電か矩形波通電のいずれか一方の制御を行うかを判定し切替を行うようになっている。
すなわちPWM通電と矩形波通電の切替を行う状態量として、電圧指令Duty値を用い、この電圧指令Duty値は電圧振幅指令Vref、電動機駆動制御装置2に印加される直流電圧Vbで決まるようになっている。
PWM通電部7は、制御切替判定部6での判定結果がPWM通電と判定された場合に、電圧指令生成部4で演算された電圧指令振幅Vref及び電圧指令位相θvに応じたPWM信号を生成し、スイッチング素子部9に出力する。
矩形波通電部8は、制御切替判定部6での判定結果が矩形波通電と判定された場合に、矩形波通電時位相生成部5からの電圧指令位相θに応じた信号を生成し、スイッチング素子部9に出力する。
そしてスイッチング素子部9からの信号(交流電圧)で電動機1を低速から高速まで安定して駆動させる。
以上のように、電動機駆動制御装置2内に電動機1のパラメータを用いて電圧指令を生成する電圧指令生成部4と、電動機1の状態量に応じてPWM通電と矩形波通電を切り替える制御切替判定部6を備えることで、電動機1に通電される電流を検出する電流センサを用いずに、PWM通電と矩形波通電のどちらで通電するかを選択して、電動機を低速から高速まで安定して駆動させることが可能となる。
実施の形態2.
実施の形態1では、制御切替判定部6におけるPWM通電と矩形波通電を切り替える電動機1の状態量として、電動機駆動制御装置2に印加される直流電圧VbおよびPWM通電時の電圧指令値Vrefを使用したが、実施の形態2の発明は、制御切替判定部6における電動機1の状態量として、矩形波通電時の電圧指令位相θを用いて制御切替を行うようにしたものである。
矩形波通電時の電圧指令位相θを用いて制御切替を行う場合は、矩形波通電時に矩形波通電の電圧指令位相θがPWM通電切替電圧位相θpwm以下となればPWM通電に切替えるようにする。
PWM通電切替電圧位相θpwmは、矩形波通電時の電圧指令位相最大値θmaxとPWM通電切替電圧位相係数Kθpwmを用いて式(8)で算出する。
PWM通電切替電圧位相θpwm=Kθpwm×θmax ・・・(8)
ここで、KθpwmはPWM通電切替電圧位相係数で0から1までの範囲とする。
このように矩形波通電からPWM通電の切替は、矩形波電圧指令位相θが所定値以下となった時に行うようにする。その理由については次のとおりである。
電動機が高回転になるとインバータ出力電圧が大きくなり電圧飽和すると、電動機回転数を上げることができない。これを防ぐためにd軸電流Idに負の電流を流すことで、電動機の磁束を弱めて電圧飽和を緩和する弱め磁束を行う。負の電流が大きくなる、つまり、弱め磁束が強くなると式(1)、(2)、(4)から電圧位相は大きくなり、弱め磁束を弱めると電圧位相は小さくなる。矩形波通電からPWM通電への切替は電圧飽和しない領域で行うため、矩形波電圧指令位相θが所定値以下となれば切替えるようにしている。
以上から、制御切替判定部6における矩形波通電からPWM通電に切り替える電動機1の状態量として、矩形波通電時の電圧指令位相θを用いても、PWM通電時の電圧指令値Vrefと同様の効果を得ることができる。
実施の形態3.
実施の形態1では、制御切替判定部6において、PWM通電から矩形波通電に切替を行う矩形波切替しきい値Ksqと、矩形波通電からPWM通電に切替を行うPWM切替しきい値Kpwmの設定について特に言及していないが、実施の形態3の発明は、上記2つの切替しきい値を異なるように設定する(ヒステリシス特性を持たせる)ようにしたものである。
即ち、制御切替判定部6において、PWM通電から矩形波通電に切替を行う矩形波切替しきい値Ksqと、矩形波通電からPWM通電に切替を行うPWM切替しきい値Kpwm
を異なる値に設定することで、PWM通電と矩形波通電の頻繁な制御切替を防止して、電動機1の安定した駆動を実現することが可能となる。
なお、矩形波通電は出力電圧の高い領域で行い、PWM通電は出力電圧の低い領域で行うため、矩形波切替しきい値KspとPWM切替しきい値Kpwmを比較した時に、Ksp≧Kpwmが常に成立するように設定する。
実施の形態4.
実施の形態4の発明は、実施の形態1の電圧指令生成部4に、電動機1または電動機駆動制御装置2の温度に応じて電動機1のパラメータ(電動機1の抵抗値やインダクタンス値)を補正する電動機パラメータ補正部を備えたものである。
即ち、電圧指令生成部4は、電動機1または電動機駆動制御装置2の温度に応じて電動機1のdq軸抵抗値Rdqとdq軸インダクタンス値Ldqを補正する電動機パラメータ補正部を備え、補正した電動機1の抵抗値Rdqとインダクタンス値Ldqを式(1)、(2)に代入して、式(3)、(4)により電圧振幅指令Vrefと電圧位相指令θvを算出することで、正確な電圧指令値を算出することが可能となり、PWM通電と矩形波通電をより適切に切替えることが可能となる。
なお、電動機1の抵抗値Rdqとインダクタンス値Ldqの算出は温度に応じたマップを用いてもよいし、温度から算出される演算式を用いて算出してもよい。
実施の形態5.
実施の形態1では、回転数算出部10の出力と回転数指令値の差分を電流指令生成部3に入力していたが、実施の形態5の発明は、回転数算出部10の代わりに電動機1のトルク算出部を用いて、電流指令生成部3にトルク指令値とトルク算出部の差分を入力するようにしたものである。このような構成においても実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
以上、この発明をいくつかの実施の形態に関して説明したが、この発明はこれらの実施の形態のみに限られるものではなく、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
1:電動機(モータ)、2:電動機駆動制御装置(インバータ)、3:電流指令生成部、4:電圧指令生成部、5:矩形波通電時位相生成部、6:制御切替判定部、7:PWM通電部、8:矩形波通電部、9:スイッチング素子部、10:回転数算出部 11:位置センサ。

Claims (7)

  1. 電流指令値に基づいて電圧指令振幅と電圧指令位相を生成する電圧指令生成部と、矩形波通電時の電圧指令位相を生成する矩形波通電時位相生成部と、電動機または電動機駆動制御装置の状態量に応じてPWM通電か矩形波通電のいずれか一方の制御を行うかを判定し切替を行う制御切替判定部と、前記電圧指令生成部で生成された電圧指令振幅と電圧指令位相に応じてPWM波形を出力するPWM通電部と、前記矩形波通電時位相生成部で生成された電圧指令位相に応じて矩形波出力する矩形波通電部と、前記PWM通電部または前記矩形波通電部の出力に応じたスイッチング動作を行うスイッチング素子部を備え、前記電圧指令生成部は前記電動機のパラメータを用いて電圧指令振幅と電圧指令位相を算出し、前記制御切替判定部におけるPWM通電と矩形波通電の切替を行う状態量として、前記電動機駆動制御装置に印加する直流電圧と前記電圧指令生成部の電圧指令振幅に基づいて算出される電圧指令Dutyを用いることを特徴とする電動機の駆動制御装置。
  2. 前記制御切替判定部は、PWM通電から矩形波通電に切替を行う際の矩形波切替しきい値Kspと、矩形波通電からPWM通電に切替を行う際のPWM切替しきい値Kpwmを異なる値に設定したことを特徴とする請求項1に記載の電動機の駆動制御装置。
  3. PWM通電から矩形波通電に切替を行う際の矩形波切替しきい値Kspと、矩形波通電からPWM通電に切替を行う際のPWM切替しきい値Kpwmを比較した時に、Ksp≧Kpwmが常に成立するように設定した請求項に記載の電動機の駆動制御装置。
  4. 電流指令値に基づいて電圧指令振幅と電圧指令位相を生成する電圧指令生成部と、矩形波通電時の電圧指令位相を生成する矩形波通電時位相生成部と、電動機または電動機駆動制御装置の状態量に応じてPWM通電か矩形波通電のいずれか一方の制御を行うかを判定し切替を行う制御切替判定部と、前記電圧指令生成部で生成された電圧指令振幅と電圧指令位相に応じてPWM波形を出力するPWM通電部と、前記矩形波通電時位相生成部で生成された電圧指令位相に応じて矩形波出力する矩形波通電部と、前記PWM通電部または前記矩形波通電部の出力に応じたスイッチング動作を行うスイッチング素子部を備え、前記電圧指令生成部は前記電動機のパラメータを用いて電圧指令振幅と電圧指令位相を算出し、前記制御切替判定部における矩形波通電からPWM通電への切替を行う状態量として、前記矩形波通電時位相生成部の電圧指令位相を用いることを特徴とする電動機の駆動制御装置。
  5. 前記制御切替判定部における矩形波通電からPWM通電への切替は、前記矩形波通電時位相生成部の電圧指令位相が所定値以下になった時に行うことを特徴とする請求項4に記載の電動機の駆動制御装置。
  6. 前記電圧指令生成部は、電動機または電動機駆動制御装置の温度に応じて前記電動機のパラメータを補正する電動機パラメータ補正部を備え、補正した電動機パラメータを用いて電圧指令振幅と電圧指令位相を算出することを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の電動機の駆動制御装置。
  7. 前記電動機のパラメータとして、電動機の抵抗値およびインダクタンス値を使用したことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の電動機の駆動制御装置。
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