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JP5924045B2 - 電動機の制御装置及び電動機の制御方法 - Google Patents

電動機の制御装置及び電動機の制御方法 Download PDF

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JP5924045B2 JP2012057741A JP2012057741A JP5924045B2 JP 5924045 B2 JP5924045 B2 JP 5924045B2 JP 2012057741 A JP2012057741 A JP 2012057741A JP 2012057741 A JP2012057741 A JP 2012057741A JP 5924045 B2 JP5924045 B2 JP 5924045B2
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Description

本発明は、バッテリから供給される直流電圧をインバータで交流電圧に変換して交流モータに印加するシステムの制御に関する。
交流電動機のトルク制御方法として、電流を制御するものと電圧を制御するものが知られている。電流制御としては、例えば、ベクトル制御に基づくPWM(Pulse Width Modulation)制御により電流を制御するPWM制御が知られている。電圧制御としては、矩形波電圧を印加することによって交流電動機を回転駆動する矩形波制御が知られている。また、いわゆる弱め磁束領域における出力向上を図るための制御として、矩形波電圧制御においてトルク指令値と実トルクとの偏差に応じて電圧位相を操作することにより交流電動機のトルクを制御する電圧位相制御が知られている。そして、これらの制御方法を切り替え可能な制御モードとして備え、状況に応じて制御モードを切り替える構成も知られている。
ところで、制御モードによって定常トルクが異なると、制御モードを切り替えたときにいわゆるトルク段差が生じ、運転者に違和感を与えることになる。そこで、特許文献1では、制御モード切り替え時のトルク段差を抑制するための制御が記載されている。具体的には、電圧位相制御において、トルクまたは電力を推定して電圧位相指令値にフィードバックする制御を行ない、電流制御でも同様にトルク等を推定してトルク指令値にフィードバックフィードバックする制御を行ない、制御モードによらず定常トルクを一定に保つようにしている。
特開2007−159368号公報
しかしながら、特許文献1の構成では、電流制御モードにトルクフィードバックループを追加することになり、演算負荷が増加する。演算周期を長くとれば演算負荷の増加に対応できるものの、制御性能の低下は免れない。また、より高性能な演算装置を用いることも考えられるが、コストの増大を招くことになる。
そこで、本発明では、上記課題を解決するために、制御モード切り替え時のトルク段差を抑制するための演算負荷を低減することを目的とする。
本発明の電動機の制御装置は、温度に対応した電動機定数とトルク指令値とに基づいて、予め用意したテーブルを参照することにより生成した電流指令値に追従する電流制御モードと、電動機定数を用いたトルク演算式に基づくトルク推定値とトルク指令値との偏差に基づき電圧位相をフィードバック操作する電圧位相制御モードを備える。そして、弱め磁束制御を行なうような高回転領域では電圧位相制御モードを選択する。また、電流制御モードでは、トルク推定値の算出に用いられる電動機定数の温度パラメータと同じ温度環境下における電流指令値を生成する。
本発明によれば、電流制御モードにおいてトルクフィードバック制御を実行しないので演算負荷が軽減される。また、電圧位相制御モードにおいて、電流制御モードでの電流指令値生成と同じ電動機定数を用いた演算式によりトルク推定を行なうので、両制御モードでの温度変化に対するトルク変動の感度が同等になる。その結果、制御モード毎の定常トルクの差が減少して、制御モード切り替え時のトルク段差を低減することができる。
本発明の第1実施形態による電動機制御の制御ブロック図である。 本発明の第2実施形態による電動機制御の制御ブロック図である。 本発明の第3実施形態による電動機制御の制御ブロック図である。 本発明の第4実施形態による電動機制御の制御ブロック図である。 第1〜第4実施形態に共通する制御ルーチンのフローチャートである。
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態による電動機制御の制御ブロック図である。この制御は、後述するフローチャートに従って実行される。
本制御は、電流制御モードと電圧位相制御モードを、電動機の運転状態に応じて切り替えて実行するものである。電流制御モードは、電動機9の磁石温度に対応した電動機定数とトルク指令値とに基づく電流指令値に追従する制御モードである。電圧位相制御モードは、トルク演算式に基づくトルク推定値とトルク指令値との偏差に基づき電圧位相をトルクフィードバック操作する制御モードである。そして、弱め磁束制御を行なうような高回転領域で電圧位相制御モードに切り替える。
図1の電流制御部100は、電流指令生成部1、干渉電圧生成部2及び電流ベクトル制御器3で構成され、後述するように電流制御モード用のdq軸電圧指令値vdi 、vqi を生成する。図1の電圧位相制御部200は、トルク演算器14、トルク制御器15、及びdq軸電圧生成部16で構成され、後述するように電圧位相制御モード用のdq軸電圧指令値vdv 、vqv を生成する。
電動機定数生成部18は、予め作成した電動機9の磁気特性テーブルを格納しており、所定の磁石温度tmpとdq軸電流検出値i、iに基づいて、電流制御モード及び電圧位相制御モードのいずれでも使う磁石磁束値Φa_tmp及びd軸インダクタンスとq軸インダクタンスの差であるdq軸インダクタンス差(Ld−Lq)tmpを出力する。
なお、所定の磁石温度tmpは、磁石温度を検出可能な場合は検出温度とする。ただし、例えば性能保証温度として、25℃に固定してもよい。
電流制御部100について説明する。
電流指令生成部1は、公知の電流制御モードと同様に、トルク指令値T、磁石磁束値Φa_tmp、及びdq軸インダクタンス差(Ld−Lq)tmpが入力され、dq軸電流指令値i 、i を出力する。
干渉電圧生成部2は、dq軸電流指令値i 、i に基づき、dq軸干渉電圧v _dcpl、v _dcplを生成する。
電流ベクトル制御器3は、dq軸電流指令値i 、i とdq軸干渉電圧v _dcpl、v _dcplが入力され、公知の非干渉制御及び電流フィードバック制御によるベクトル電流制御を行ない、電流制御モード用のdq軸電圧指令値vdi 、vqi を出力する。
電圧位相制御部200について説明する。
トルク演算器14は、磁石磁束値磁石磁束値Φa_tmp、dq軸インダクタンス差(Ld−Lq)tmp、及びdq軸電流検出値i、iが入力され、式(1)により電動機9のトルク推定値Tcalを算出する。なお、式(1)のpは電動機9の極対数である。
Figure 0005924045
トルク制御器15は、トルク指令値Tと、推定トルクTcalの差分が入力され、式(2)によりPI増幅された値が電圧位相指令値αとして出力される。なお、式(2)のKpは比例ゲイン、Kiは積分ゲインである。
Figure 0005924045
dq軸電圧生成部16は、電圧位相指令値αが入力され、式(3)により電圧位相制御モード用のdq軸電圧指令値vdv 、vqv を算出し、出力する。式(3)のVdcは直流電圧センサ19で検出したバッテリ電圧検出値、Mは変調率指令値である。
Figure 0005924045
上記のように電流制御部100で電流制御モード用のdq軸電圧指令値vdi 、vqi が、電圧位相制御部200で電圧位相制御モード用のdq軸電圧指令値vdv 、vqv が生成され、制御モード切替器17が、選択された制御モードに応じていずれかを選択して出力する。
以下、いずれの制御モードにも共通の制御について説明する。
dq軸/UVW相変換器4は、位置検出器10で検出した電動機9の回転子の電気角θに基づき、dq軸電圧指令値v 、v を式(4)により三相交流電圧指令値v 、v 、v に変換して出力する。
Figure 0005924045
PWM変換器5は、デッドタイム補償や電圧利用率向上処理といった公知の処理を行なうとともに、三相交流指令値v 、v 、v に対応したインバータ6のパワー素子駆動信号Duu 、Dul 、Dvu 、Dvl 、Dwu 、Dwl を生成する。
インバータ6には、バッテリ7が接続されており、バッテリ電圧Vdcは直流電圧センサ19により検出されている。インバータ6はパワー素子駆動信号Duu 、Dul 、Dvu 、Dvl 、Dwu 、Dwl によりバッテリ電圧を擬似正弦波電圧v、v、vに変換して出力する。
電動機9には、擬似正弦波電圧v、v、vが印加され、これにより電動機9の各相に流れる電流のうち、U相電流i、V相電流iが電流検出器8により検出される。検出されないW相電流iは、式(5)により求める。
Figure 0005924045
UVW相/dq軸変換器12は、位置検出器10で検出した電動機9の回転子の電気角θに基づいて、式(6)を用いてUVW相電流i、i、iをdq軸電流検出値i、iに変換する。
Figure 0005924045
回転数演算器11は、電気角θの時間当たりの変化量から、電動機9の回転速度Nを算出し、出力する。
以上が第1実施形態の構成である。この構成による作用、効果について説明する。
電動機9のトルクは、磁束ベクトルと電流ベクトルの外積であるから、磁石温度が変化すると、トルクの絶対値は変動する。そして、電流制御モードでは電流を一定に制御しているのに対し、電圧位相制御モードでは、電流を制御しているわけではない。このため、制御モードによって磁石温度の変化に対するトルクの感度は異なる。
しかし、電圧位相制御モードにおいても、電流制御モードでの電流指令値生成と同様の電動機定数(磁石磁束値Φa_tmp及びdq軸インダクタンス差(Ld−Lq)tmp)を用いてトルクを推定し、フィードバックする構成としたので、トルクの感度を電流制御モードと同等に近づけることができる。これにより、電流制御モードと電圧位相制御モードでの定常トルクの差が低減され、制御モード切り替え時に運転者に対してトルク段差による違和感を与えることを防止できる。
電動機定数の算出にあたり、電動機9の電流検出値を用いるので、電動機インダクタンスの電流依存特性に対応した電動機定数を生成することができ、トルク制御の精度が向上する。また、電動機定数の算出にあたり磁石温度を用いるので、温度変化によるトルク変化を抑制することができる。
(第2実施形態)
図2は、本発明の第2実施形態による電動機制御の制御ブロック図である。この制御は、後述するフローチャートに従って実行される。
本実施形態では、磁石温度tmpを固定値(25℃)とし、電動機定数生成部18に代えてインダクタンス生成部13を備える。また、これにより電流制御部100と電圧位相制御部200の演算内容が第1実施形態と異なる。以下、第1実施形態との相違点について説明する。なお、25℃というのは磁石温度tmpを固定値にするにあたって、性能保証温度や動作環境温度等に基づいて設定した温度であり、これに限られるわけではない。
電流制御部100について説明する。
電流指令生成部1は、トルク指令値T、回転速度N、及びバッテリ電圧Vdcが入力され、予め実験又は計算により作成したテーブルを参照して、tmp=25℃の場合のdq軸電流指令値i 、i を生成し、出力する。干渉電圧生成部2も同様にトルク指令値T、回転速度N、及びバッテリ電圧Vdcが入力され、予め実験又は計算により作成したテーブルを参照して、tmp=25℃の場合のdq軸干渉電圧値v _dcpl、v _dcplを生成し、出力する。このようにテーブル参照することで、演算負荷を軽減している。
電圧位相制御部200について説明する。
トルク演算器14には、予め記憶されているtmp=25℃における磁石磁束Φa_25℃と、同じくtmp=25℃におけるdq軸インダクタンス差(Ld−Lq)25℃が入力され、これらの定数を用いて式(7)によりdq軸電流に基づく推定トルクを算出する。
Figure 0005924045
インダクタンス生成部13は、トルク指令値T、回転速度N、及びバッテリ電圧Vdcが入力され、予め実験又は計算により作成したテーブルを参照して、dq軸インダクタンス差(Ld−Lq)25℃を生成し、出力する。
以上が第2実施形態の構成である。この構成による作用、効果について説明する。
電流制御モードも電圧位相制御モードも、特定の温度条件(tmp=25℃)を前提としているので、磁石温度がこの前提条件から外れると、実際のトルク出力は指令値から外れることになる。しかし、両制御モードの温度変化に対するトルク変化の感度は同等になるので、制御モード切替時のトルク段差を低減することができる。
また、インダクタンス生成部13は電動機定数の生成にあたり、電動機9のトルク指令値Tを用いる。電動機9のトルクは電流に依存するので、電動機インダクタンスの電流依存性に対応した電動機定数を生成することができ、トルク制御の精度が向上する。
(第3実施形態)
図3は、本発明の第2実施形態による電動機制御の制御ブロック図である。この制御は、後述するフローチャートに従って実行される。
以下、第2実施形態との相違点について説明する。
電流指令生成部1及び干渉電圧生成部2は、トルク指令値T、回転速度N、及びバッテリ電圧Vdcが入力され、予め実験又は計算により作成したテーブルを参照して、tmp=25℃の場合のdq軸電流指令値i 、i 及びdq軸干渉電圧値v _dcpl、v _dcplを生成し、出力する。ただし、テーブル作成の前提として、モータ印加電圧の飽和領域、つまり弱め磁束領域における変調率Mは、dq軸電圧生成部16にて電圧位相指令値αから電圧位相制御モード用のdq軸電圧指令値vdv 、vqv を算出する際の変調率Mと同一にしている。
インダクタンス生成部13は、電流指令生成部1の入力であるトルク指令値Tと出力である電流指令値i 、i の関係から、式(8)によりdq軸インダクタンス差(L−L25℃を算出し、出力する。
Figure 0005924045
つまり、電流指令生成部1に記憶してあるテーブルを用いてインダクタンス差(L−L25℃を算出する。電流指令生成部1に記憶してあるテーブルは、本質的にトルクと電流と磁束情報の関係を表しているので、このようにインダクタンス差(L−L25℃の生成に利用することができる。
本実施形態では、上記のように電流指令生成部1とインダクタンス生成部13でテーブルを共用することで、テーブル記憶に使用するメモリ容量を削減することができる。
(第4実施形態)
図3は、本発明の第2実施形態による電動機制御の制御ブロック図である。この制御は、後述するフローチャートに従って実行される。
本実施形態は、インダクタンス生成部13でのインダクタンス差(L−L25℃の生成方法以外は第2実施形態と同じである。
第2実施形態においては、インダクタンス生成部13はトルク指令値T、電動機9の回転速度N、及びバッテリ電圧Vdcを指標とするテーブル参照によりインダクタンス差(L−L25℃を生成している。しかし、インダクタンスは本質的には電流に依存して変化するものなので、本実施形態ではdq軸電流を指標としたテーブル参照により生成することとする。これにより、トルク演算器14は、予め記憶されているtmp=25℃における磁石磁束Φa_25℃と、予め記憶しておいた電流とインダクタンスの関係を示すテーブルを参照して得られたインダクタンス差(L−L25℃を用いて、トルクを推定することになる。
上記のように参照する指標の数を減らすことにより、演算を簡素化することができる。
図5は、上述した第1実施形態から第4実施形態に共通する制御ルーチンを示すフローチャートである。
ステップS10で、トルク指令値T、dq軸電流検出値i、i、電気角θ、バッテリ電圧検出値Vdcを所得し、ステップS20で制御モード切替器17にて電圧位相制御モードか電流制御モードのいずれかを選択する。ここでは、弱め磁束制御を行なうような高回転領域では電圧位相制御モードを、それ以外の領域では電流制御モードを選択する。
電圧位相制御モードの場合は、ステップS30でトルク演算器14にて所定の磁石温度tmpに基づいてトルク推定値Tcalを算出し、ステップS40でトルク制御器15にてトルク指令値Tとトルク推定値Tcalの偏差をPI増幅して電圧位相指令値αを算出する。そしてステップS50で、dq軸電圧生成部16にて電圧位相指令値αからdq軸電圧指令値vdv 、vqv を算出する。
一方、電流制御モードの場合は、ステップS60で電流指令生成部1にて所定温度tmpに基づく電流指令値i 、i*を生成し、ステップS70で電流ベクトル制御器3にてdq軸電圧指令値vdi 、vqi を算出する。
両制御モードでdq軸電圧指令値vdv 、vqv 及びdq軸電圧指令値vdi 、vqi が算出されたら、ステップS80では、制御モード切替器17にてステップS20で選択した制御モードのdq軸電圧指令値を電圧指令値v、vとして設定する。そして、dq軸/UVW相変換器4にて電圧指令値v、vを三相交流電圧指令v 、v 、v に変換する。
ステップS90で、三相交流電圧指令v 、v 、v に基づいて、PWM変換器5及びインバータ6を介して三相交流電圧を電動機9に印加する。
上記のステップS30及びS60があることにより、公知の電流制御モードに対して新たな構成を追加することなく、制御モード切り替え時におけるトルク段差を抑制することが可能となっている。
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
1 電流指令生成部
2 干渉電圧生成部
3 電流ベクトル制御器
4 dq軸/UVW相変換器
5 PWM変換器
6 インバータ
7 バッテリ
9 電動機
11 回転演算器
12 UVW相/dq軸変換器
13 インダクタンス生成部
14 トルク演算器
15 トルク制御器
16 dq軸電圧生成部
17 制御モード切替部
18 電動機定数生成部
100 電流制御部
200 電圧位相制御部

Claims (9)

  1. 温度をパラメータとして電動機定数を生成する電動機定数生成部と、
    少なくともトルク指令値に基づいて、予め用意したテーブルを参照することにより電動機への電流指令値を生成する電流生成部を有し前記電流指令値に追従するよう前記電動機への印加電圧を制御する電流制御モードを実行する電流制御部と、
    前記電動機定数を用いて、トルク演算式に基づいて電動機のトルク推定値を算出するトルク演算器と、
    前記トルク推定値と前記トルク指令値との偏差に基づいて電圧位相をフィードバック操作する電圧位相制御モードを実行する電圧位相制御部と、
    弱め磁束制御を行なう高回転領域では前記電圧位相制御モードに切り替える制御モード切替器と、
    を備える電動機の制御装置において、
    前記電流生成部は、前記トルク演算器がトルク推定値を算出する際に用いる電動機定数の温度パラメータと同じ温度環境下における電流指令値を生成する電動機の制御装置。
  2. 請求項1に記載の電動機の制御装置において、
    前記電流生成部は、前記電動機定数及びトルク指令値に基づいて、予め用意したテーブルを参照することにより電動機への電流指令値を生成する電動機の制御装置。
  3. 請求項1に記載の電動機の制御装置において、
    前記電動機定数生成部は、前記温度に加え、さらに前記電動機の電流値をパラメータとして前記電動機定数を生成する電動機の制御装置。
  4. 請求項1または3に記載の電動機の制御装置において、
    前記予め用意したテーブルは、所定温度での前記電動機のトルクと電流指令値との関係を記憶した第1テーブルであり、前記電流生成部は、前記電流制御モードでは前記第1テーブルを用いて電流指令値を生成し、
    前記電動機定数生成部は、所定温度における電流値とインダクタンス値の関係を記憶した第2テーブルを備え、前記電動機定数として電動機インダクタンス値を生成し、
    前記トルク演算器は、前記電圧位相制御モードでは、予め求めた前記所定温度における磁石磁束値と、前記第2テーブルを用いて生成した前記電動機インダクタンス値とを用いて前記電動機のトルクを推定する電動機の制御装置。
  5. 請求項1に記載の電動機の制御装置において、
    前記電動機定数は、前記温度に加え、さらに前記電動機のトルクをパラメータとする電動機の制御装置。
  6. 請求項1またはに記載の電動機の制御装置において、
    前記予め用意したテーブルは、所定温度での前記電動機のトルクと電流指令値との関係を記憶した第1テーブルであり、前記電流生成部は、前記電流制御モードでは前記第1テーブルを用いて電流指令値を生成し、
    前記電動機定数生成部は、所定温度におけるトルク指令値と電動機インダクタンス値との関係を記憶した第2テーブルを備え、前記電動機定数として前記電動機インダクタンス値を生成し、前記トルク演算器は、前記電圧位相制御モードでは、予め求めた前記所定温度における磁石磁束値と、前記第2テーブルを用いて生成した前記電動機インダクタンス値とを用いて前記電動機のトルクを推定する電動機の制御装置。
  7. 請求項1、2または5に記載の電動機の制御装置において、
    前記予め用意したテーブルは、所定温度での前記電動機のトルクと電流指令値との関係を記憶した第1テーブルであり、前記電流生成部は、前記電流制御モードでは前記第1テーブルを用いて電流指令値を生成し、
    前記電圧位相制御モードでは、前記電動機定数生成部は前記第1テーブルを用いて前記第1テーブルの入力であるトルク指令値と出力である電流値の関係に基づいて前記電動機定数としての電動機インダクタンス値を生成し、前記トルク演算器は生成された前記電動機インダクタンス値と予め求めた前記所定温度における磁石磁束値とを用いて前記電動機のトルクを推定する電動機の制御装置。
  8. 請求項1から6のいずれかに記載の電動機の制御装置において、
    前記温度は、検出または推定した前記電動機の磁石温度である電動機の制御装置。
  9. 少なくともトルク指令値に基づいて、予め用意したテーブルを参照することにより電動機への電流指令値を生成し、前記電流指令値に追従するよう前記電動機への印加電圧を制御する電流制御モードと、
    温度をパラメータとする電動機定数を用いて、トルク演算式に基づいて電動機のトルク推定値を算出し、前記トルク推定値と前記トルク指令値との偏差に基づいて電圧位相をフィードバック操作する電圧位相制御モードと、
    を備え、
    弱め磁束制御を行なう高回転領域では前記電圧位相制御モードに切り替える電動機の制御方法において、
    前記電流指令値の生成では、前記トルク推定値を算出する際にも用いる電動機定数の温度パラメータと同じ温度環境下における電流指令値を生成する電動機の制御方法。
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