JP6289545B2 - 回転電機の制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、回転電機の制御方法に関するものである。

従来、回転電機の制御方法に関して、回転電機のトルクや出力を制御する場合に、回転電機に要求するトルクや出力に対して、最適な電流指令値や電圧指令値を求め、求めた電流指令値や電圧指令値をもとに回転電機の制御装置から回転電機への電気量を制御している。しかし、最適な電流指令値や電圧指令値は回転電機に要求するトルクや出力だけでなく、電源からの直流電圧や回転電機の回転速度によって異なる値をとることが知られている。

一方、直流電圧や回転速度を考慮して電流指令値や電圧指令値を理論から求める方法もあるが、煩雑なため、制御のフィードバックループを行う中で計算するのが難しい。また、要求するトルクや出力を算出するために、直流電圧や回転速度に対する電流指令値や電圧指令値を示すマップをすべての条件に応じて作成し、それをコントローラのメモリに保存し、制御のフィードバックループの中で逐次計算を行い、電流指令値や電圧指令値を求めるのは、コントローラのメモリ、計算速度に制限があるため難しい。

そこで下記特許文献１では、直流電圧や回転速度に応じた回転電機に要求するトルクや出力を表した変換マップを複数用意して、その間の補間を行っている。例えば電圧Ｖａの時のトルク−回転速度特性のグラフと、電圧Ｖｂ(Ｖａ＞Ｖｂ)の時のトルク−回転速度特性のグラフとの動作点を内挿することにより、電圧Ｖｃ(Ｖａ＞Ｖｃ＞Ｖｂ)の時の動作点を求める。

また下記特許文献２では、トルク−回転速度特性のグラフにおいて、変換マップに電圧Ｖａでは動作点があるが電圧Ｖｂでは動作点がない場合に、例えば、電圧Ｖａで動作可能な動作点と、回転速度が同じである電圧Ｖｂの動作点の間を電圧の比で内挿することで電圧Ｖｃの動作点を求めることが記載されている。

特開２００４−８０８９６号公報 特開２０１５−２０１９７９号公報

上記特許文献１では、電圧間の補間を行う場合に、例えば値に変化のない定出力ライン付近等の領域では、補間する値がなく、定出力ライン付近での指令値の設定が必要な場合に算出できない。また、上記の定出力ライン付近の補正を正確にしようとすると多数のトルク電流指令マップが必要となる。
また上記特許文献２では、トルク−回転速度特性のグラフを使用する場合、回転速度を同一に保つためには、トルクが落ちてしまうため、トルク精度が低下してしまう。また、トルク精度を低下させないようにしようとすると、多数のトルク電流指令マップが必要となる。

この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、多数のマップを用いることなく、定出力ライン付近においても精度よく回転電機の制御が行える回転電機の制御方法を得ることを目的とする。

この発明は、
電源からの直流電圧を電気制御量に従って回転電機への駆動電流に変換する電力変換部へ前記電気制御量を供給する回転電機の制御において、前記回転電機の特定の直流電圧における前記回転電機の回転速度と要求指令値から前記電気制御量を算出する変換マップを使用して、前記変換マップに従って前記電気制御量を求める際に、前記電源からの直流電圧と前記回転電機の回転速度の比に従って前記電気制御量を算出する、回転電機の制御方法
等にある。

この発明では、多数のマップを用いることなく、定出力ライン付近においても精度よく回転電機の制御が行える。

この発明の一実施の形態による回転電機の制御方法を適用する回転電機の制御系の概略的構成を示す機能ブロック図である。 先行技術を説明するための高電圧時のトルク電流指令マップの一例を示す図である。 先行技術を説明するための低電圧時のトルク電流指令マップの一例を示す図である。 先行技術を説明するための中間電圧の電流指令値の算出を説明するための図である。 この発明の回転電機の制御に係るトルク算出に関する説明のための低電圧時の電流ベクトル軌跡の一例を示す図である。 この発明の回転電機の制御に係るトルク算出に関する説明のための高電圧時の電流ベクトル軌跡の一例を示す図である。 この発明の一実施の形態による回転電機の制御方法の特定電圧の変換マップ使用時の電気制御量変換器の一例のブロック図である。 この発明の一実施の形態による回転電機の制御における電気制御指令値の算出方法を説明するための図である。 この発明の一実施の形態による回転電機の制御方法の特定回転速度の変換マップ使用時の電気制御量変換器の一例のブロック図である。 この発明の一実施の形態による回転電機の制御方法の複数の特定直流電圧に対する変換マップ使用時の電気制御量変換器の一例のブロック図である。 この発明の一実施の形態による回転電機の制御方法をコンピュータで実行する場合の概略的な構成図である。 この発明の一実施の形態による回転電機の制御方法の複数の特定回転速度に対する変換マップ使用時の電気制御量変換器の一例のブロック図である。

最初に上記特許文献１における補間方法例について簡単な説明を行う。図２は高電圧Ｖａ時のトルク−回転速度特性のグラフを表したトルク電流指令マップの一例、図３は低電圧Ｖｂ(Ｖａ＞Ｖｂ)時のトルク電流指令マップの一例を示す。そして、図４は高電圧Ｖａと低電圧Ｖｂの間の中間電圧Ｖｃの時のトルクと回転速度の関係を示す。図２、図３、図４の関係性をわかりやすくするため、各図の最大出力ラインを２０２，３０２，４０２とする。そして、図４の場合、動作点４０８のｄ軸成分の電流Iｄ、ｑ軸成分の電流Iｑを求める場合は、図２と図３のグラフにある動作点を内挿することで動作点を求める。
また、上記特許文献２では、変換マップに高電圧Ｖａでは動作点があるが低電圧Ｖｂでは動作点がない場合の補間方法について示されている。たとえば、高電圧Ｖａで動作可能な動作点４０９に対して、回転速度が同じである低電圧Ｖｂの動作点４１０の間を電圧の比で内挿するというものである。

しかしながら、上記特許文献１では、定出力ライン付近での指令値の設定が必要な場合に算出できず、定出力ライン付近の補正を正確にしようとすると多数のトルク電流指令マップが必要であった。
また上記特許文献２では、回転速度を同一に保つためには、トルクが落ちてしまうため、トルク精度が低下してしまい、また、トルク精度を低下させないようにしようとすると、多数のトルク電流指令マップが必要であった。

以下、この発明による回転電機の制御方法を図面を用いて説明する。なお、同一もしくは相当部分は同一または対応する符号で示し、重複する説明は省略する。

実施の形態１．
図１はこの発明の一実施の形態による回転電機の制御方法を適用する回転電機の制御系の概略的構成を示す機能ブロック図である。
図１において、直流電源である電源３は、電力変換部２に電力を供給する。
インバータ等からなる電力変換部２は、電源３からの直流電圧Ｖを電気制御量変換器１からの電気制御量を示す電気制御指令値ＥＣＣに従って例えば３相の回転電機であれば、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相の相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗに変換する。
座標変換器４は、相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗをｄ軸成分の電流Iｄ、ｑ軸成分の電流Iｑに変換する。
例えば永久磁石モータからなる回転電機５は、電力変換部２からの相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗに従って駆動される。
回転速度計等からなる回転センサ(ＲＳ)６は、回転電機５の実回転速度ωrealを検出する。
電気制御量変換器１は、制御系の上位からの回転電機のトルクまたは出力からなる要求指令値ＲＣＯ、電源３の実直流電圧Ｖreal、座標変換器４からのｄ軸成分の電Iｄ、ｑ軸成分の電流Iｑ、回転センサ(ＲＳ)６からの回転電機５の実回転速度ωreal、に従って電気制御量を示す電気制御指令値ＥＣＣを電力変換部２へ送る。

また電気制御量変換器１、座標変換器４は例えば、図１１に概略的に示したコンピュータで構成され得る。コンピュータ１００において、外部との入出力はインタフェース１０１を介して行われる。記憶部を構成するメモリ１０３には、各種機能のプログラム、および処理に必要な変換マップ、計算式、データが格納されている。プロセッサ１０２はインタフェース１０１を介して入力された信号に対して、メモリ１０３に格納された各種プログラム、変換マップ、計算式、データに従って演算処理を行い、処理結果をインタフェース１０１を介して出力する。

一般的に、時間とともに回転電機５であるモータの回転速度ωが変化したり、電源３からインバータ等からなる電力変換部２にかかる直流電圧Ｖも変化したりする。また、制御の上位の指令によって回転電機５への要求指令値ＲＣＯとなるトルクや出力も変化することが考えられる。

上記のように、逐次、直流電圧Ｖ、回転速度ω、要求指令値ＲＣＯが変化するので、その際の直流電圧Ｖ、回転速度ω、要求指令値ＲＣＯに応じた、電気制御指令値ＥＣＣを適切に求めることが、回転電機５の駆動精度、効率を良くすることにつながる。

なお、電気制御指令値ＥＣＣに従って電力変換部２で電流制御を行う際に、電力変換部２はＰＷＭ(パルス幅変調)またはＰＡＭ(パルス振幅変調)などで直流電圧Ｖを交流電圧に変換するように動く。そして電力変換部２は、電気制御指令値ＥＣＣが電流指令値であれば、電力変換部２で必要とされる電圧指令値に変換するなどして電流制御し、電圧指令値であれば、電圧指令値をもとに、電流制御することとする。また、ＰＩＤ(Proportional-Integral-Differential Controller)などのフィードバックに必要とされる定数も使用されることとする。

そこで、この発明が適切な電気制御指令値ＥＣＣを求める際に、どのように適用されるのかを説明するために、図１に示している電気制御量変換器１に関する実施例についてイメージしやすいように要求指令値ＲＣＯがトルクＴである場合を下記に示す。なお、要求指令値ＲＣＯを出力ＯＮＴとする場合には、トルクＴに回転速度ωをかけた値と同等とみなしてよい。

要求トルクに応じた電流指令値の求め方について説明する。回転電機５であるモータの特性によって、
ｄ軸成分のインダクタンスＬｄ、
ｑ軸成分のインダクタンスＬｑ、
永久磁石による電機子鎖交磁束の実効値φａ、
極対数Ｐｎ
が異なり、要求トルクに応じた電流指令値が異なる。
なお、トルクＴは

Ｔ＝Ｐｎ{φａ・Iｑ＋(Ｌｄ−Ｌｑ) Iｄ・Iｑ} (１)

で求まる。ここで、
Iｄはｄ軸成分の電流、
Iｑはｑ軸成分の電流、であり、
φａは一定値で、永久磁石とその配置等で決まる固定値であり、
Ｐｎは磁石を用いた設計で決まる固定値となる。
また、Ｌｄ、ＬｑはIｄ、Iｑの値によって異なる。そのため、Ｌｄ、Ｌｑを求めるためには、磁石配列等を模擬しＦＥＭ(有限要素法)の磁気解析をシミュレーションまたは実験でマップとして求める。たとえば、実験で求めるためには実際にモータを回してみて、Iｄ、Iｑに対応するｄ軸電圧Ｖｄ、ｑ軸電圧Ｖｑを計測する。

電圧方程式から

Ｖｄ＝Ｒａ・Iｄ−ω・Ｌｑ・Iｑ
Ｖｑ＝Ｒａ・Iｑ＋ω・Ｌｄ・Iｄ＋ω・φａ (２)

となるため、別途求めた回転速度ωと回転電機５の抵抗値Ｒａから、Iｄ、Iｑに対応したＬｄ、Ｌｑを求めることができる。

上述した、ｄ軸成分のインダクタンスＬｄおよびｑ軸成分のインダクタンスＬｑと、式(１)から、ｄ軸成分の電流Iｄおよびｑ軸成分の電流Iｑに対応したトルクＴを算出することができる。その例を図５、図６に示す。図５は低電圧時の電流ベクトル軌跡の一例、図６は高電圧時の電流ベクトル軌跡の一例を示し、横軸がｄ軸成分の電流Iｄ，縦軸をｑ軸成分の電流Iｑとしている。そして、Iｄ，Iｑ指令値に対応したトルクＴを式(１)から算出した結果、同じトルクＴでのラインを描くことができ、一例として、定トルクライン５０４，６０４を描いた。なお、後述する説明のためにIｄ，Iｑで描く電流ベクトル軌跡の上に、定誘起電圧楕円５０２，６０２を描いている。誘起電圧とはモータを回した際に、磁石が作る磁束がコイルに対して回るため、コイルの磁束密度が時間とともに変化するために生じる電圧のことである。その誘起電圧が生じるために、モータの線間に電圧をかけても、誘起電圧に負けて、思った通りの電流が流せない限界を表したものである。具体的には、制御装置で電流の制御できる点は、図５、図６で描いた電流ベクトル軌跡の中に書かれている定誘起電圧楕円５０２，６０２の内部だけということを意味している。

ここで、定誘起電圧楕円について下記に示す。

(Ｌｄ・Iｄ＋φａ)^２＋(Ｌｑ・Iｑ) ^２＝(Ｖ／ω)^２ (３)

となり、直流電圧Ｖ／回転速度ωに比例して大きさが変化する。

また、定誘起電圧楕円を無視した場合、電流が最小のポイントは５０５，５０６になるが、定誘起電圧楕円を考慮すると、図５の場合は、５０５は動作点になりえないため、定トルク曲線沿いに移って、５０６が最適動作点となる。一方、図６の場合は、定誘起電圧楕円の内部に電流最小条件で動く最適動作点６０５が存在するため、６０６を最適動作点とする必要がなくなる。図６のように、電流最小条件の動作点が定誘起電圧楕円の内部にある点を「直行領域」、図５のように動作点が電流最小条件でない場合を「弱め領域」と呼ぶこととする。

直流電圧Ｖが変わる場合、先に述べた定誘起電圧楕円の大きさが変わるため、図２、図３の電流指令マップの直行領域、弱め領域が変わり、そのラインは直流電圧Ｖと回転速度ωの比で変化する。

そこで、図７にこの発明の一実施の形態による回転電機の制御方法の特定直流電圧(Ｖα)の変換マップ使用時の電気制御量変換器１の一例のブロック図を示す。図７に変換ブロックとして示された電気制御量変換器１ａは、メモリ１０３に格納された変換マップを使用し、変換マップは、特定直流電圧Ｖαの横軸を回転速度ω、縦軸を要求トルク(Ｔ)とする変換マップとする。

特定電圧の変換マップの作成方法としては式(１)(３)をもとに、最小電流で動かせる可能トルクをマッピングして求めてもよく、また、実際に回転電機を動かして求めてもよい。また、横軸の回転速度ωは特定直流電圧Ｖαで正規化しているが、正規化せずに計算過程で回転速度ωを特定直流電圧Ｖαで割ってもよい。
なお図７では電気制御量変換器１ａへの入力は、要求指令値ＲＣＯであるトルクＴ＊、電源３からの実直流電圧Ｖreal、回転センサ６からの回転電機５の実回転速度ωreal、出力は電気制御量を示す電気制御指令値ＥＣＣとしての、実直流電圧Ｖrealにおけるｄ軸成分の電流およびｑ軸成分の電流の指令値である。

図８はこの発明の一実施の形態による回転電機の制御方法における電気制御指令値の算出方法を説明するための図である。
図８の(ａ)は、回転速度ωを特定直流電圧Ｖαで割って正規化したものである。この場合は、点８０１ｄで示すように、ω／Ｖαと、回転電機の実直流電圧Ｖｒｅａｌで回転電機の実回転速度ωｒｅａｌを割った値と同じ値の電気制御指令値(電気制御量)ＥＣＣを、元のマップから求める方法である。
図８の(ｂ)は、点８０２で示すように、横軸を回転速度ωとし、回転電機の実直流電圧Ｖｒｅａｌと実回転速度ωｒｅａｌと、変換マップを作製した際に用いた特定直流電圧Ｖαを用いて、Ｖα・ωｒｅａｌ／Ｖｒｅａｌがωと同じ値の電気制御指令値ＥＣＣを、元のマップから求める方法である。

なお、上述のように、縦軸に使用している要求トルクＴは要求トルクＴに回転速度ωをかけた出力としてもよい。また、ここではIｄ，Iｑという電流指令値を算出しているが、Iｄ，Iｑを式(２)を用いてＶｄ，Ｖｑの電圧指令値にしてもよい。

また、図９の変換ブロックのように直流電圧Ｖと回転速度ωの関係を入れ替えた関係でも成り立つ。図９にこの発明の一実施の形態による回転電機の制御方法の特定回転速度(ωα)の変換マップ使用時の電気制御量変換器１の一例のブロック図を示す。図９に変換ブロックとして示された電気制御量変換器１ｂへの入力は、要求指令値ＲＣＯであるトルクＴ＊、電源３からの実直流電圧Ｖreal、回転センサ６からの回転電機５の実回転速度ωreal、出力は電気制御量を示す電気制御指令値ＥＣＣとしての、実回転速度ωrealにおけるｄ軸およびｑ軸成分の電流の指令値である。

上述したものは、回転電機の抵抗Ｒａが非常に小さため、無視できると仮定した場合であるが、さらなる電気制御量である電気制御指令値ＥＣＣの精度向上を目指した場合、回転電機の抵抗Ｒａを考慮する必要がある。回転電機の抵抗Ｒａはどのように電圧に影響を与えるか考察するために、直流電圧Ｖに相当する直流電圧Ｖｄｃの電圧利用率ｍを式で示すと、

となる。上記の式(４)で前出のω／Ｖｄｃは一定のため、Ｒａの影響はＶｄｃの逆数で電流Iｄ，Iｑに影響している。

上述のように、回転電機の抵抗Ｒａを考慮して、異なる直流電圧における抵抗Ｒａを考慮した変換マップを複数用意してもよい。
また上述のように、Ｖｄｃは逆数で電流Iｄ，Iｑに影響するため、電流指令の直流電圧の逆数で内挿することで電流指令を決定することができる。
なお、具体的な実施例を図１０に示す。図１０にこの発明の一実施の形態による回転電機の制御方法の複数の特定直流電圧に対する変換マップ使用時の電気制御量変換器１の一例のブロック図を示す。図１０の電気制御量変換器１ｃでは２つの変換ブロック１ｃ１，１ｃ２で示された２つの変換マップを使用しており、２つの特定直流電圧に対して、回転速度ωを特定直流電圧Ｖ＝Ｖα，Ｖβで正規化したものである。増幅部１ｃ３，１ｃ４におけるゲインＫαとゲインＫβの算出について下記に示す。

電圧の逆数で内挿しているため、

Ｋα＝(１／Ｖｒｅａｌ−１／Ｖβ)／(１／Ｖα−１／Ｖβ)
Ｋβ＝１−(１／Ｖｒｅａｌ−１／Ｖβ)／(１／Ｖα−１／Ｖβ) (５)

となる。
ここで、Ｖｒｅａｌは回転電機の実直流電圧、Ｖα、Ｖβは直流電圧Ｖ＝Ｖα、Ｖβのときの特定の直流電圧を示している。また、特定直流電圧Ｖα、Ｖβに対応した変換マップが変換ブロック１ｃ１，１ｃ２で使用される。
また、式(５)を簡略化するために、Ｖβを無限大、すなわち回転電機の抵抗値が０Ωと仮定すると、式(５)は、

Ｋα＝Ｖα／Ｖｒｅａｌ
Ｋβ＝１−Ｖα／Ｖｒｅａｌ (６)

となる。
特定直流電圧Ｖα、βの各電圧で詳細適合を行う際は式(５)、理論式等でほぼ電流指令値が算出できている場合は式(６)を使うことで、要求トルクＴに対応した最適な電気制御指令値ＥＣＣであるＩｄ，Ｉｑ電流指令値を算出することができる。

各増幅部１ｃ３，１ｃ４から出力された指令値は合算部１ｃ５で合算されて出力される。

なお、図１０は図７の特定直流電圧の変換マップを使用した場合の例を示したが、図９の特定回転速度の変換マップを使用した場合にも、図１２に示すように、複数の変換マップを使用して構成することができる。

具体的な実施例を図１２に示す。図１２にこの発明の一実施の形態による回転電機の制御方法の複数の特定回転速度に対する変換マップ使用時の電気制御量変換器１の一例のブロック図を示す。図１２の電気制御量変換器１ｄでは２つの変換ブロック１ｄ１，１ｄ２で示された２つの変換マップを使用しており、２つの特定の回転速度に対して、直流電圧Ｖを特定回転速度ω＝ωα，ωβで正規化したものである。増幅部１ｄ３，１ｄ４におけるゲインＫαとゲインＫβの算出について下記に示す。

式(３)から回転速度ωは直流電圧Ｖの逆数の為、図１０の実施例と異なり逆数で内挿する必要がないため、

Ｋα＝(ωｒｅａｌ−ωβ)／(ωα−ωβ)
Ｋβ＝(ωα−ωｒｅａｌ)／(ωα−ωβ) (７)

となる。
ここで、ωｒｅａｌは回転電機の実回転速度、ωα、ωβは回転速度ω＝ωα、ωβのときの特定の回転速度を示している。また、特定回転速度ωα、ωβに対応した変換マップが変換ブロック１ｄ１，１ｄ２で使用される。

各増幅部１ｄ３、１ｄ４から出力された指令値は合算部１ｄ５で合算されて出力される。

１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ 電気制御量変換器、
１ｃ１，１ｃ２，１ｄ１，１ｄ２ 変換ブロック、
１ｃ３，１ｃ４，１ｄ３，１ｄ４ 増幅部、
１ｃ５，１ｄ５，合算部、２ 電力変換部、３ 電源、４ 座標変換器、５ 回転電機、６ 回転センサ、１００ コンピュータ、１０１ インタフェース、
１０２ プロセッサ、１０３ メモリ。

Claims (7)

1. 電源からの直流電圧を電気制御量に従って回転電機への駆動電流に変換する電力変換部へ前記電気制御量を供給する回転電機の制御において、
   前記回転電機の特定の直流電圧における前記回転電機の回転速度と要求指令値から前記電気制御量を算出する変換マップを使用して、
   前記変換マップに従って前記電気制御量を求める際に、前記電源からの直流電圧と前記回転電機の回転速度の比に従って前記電気制御量を算出する、回転電機の制御方法。
2. 前記要求指令値が前記回転電機のトルクまたは出力であり、前記電気制御量が、電流指令値または電圧指令値である、請求項１に記載の回転電機の制御方法。
3. それぞれ異なる特定の直流電圧における前記回転電機の前記回転速度と前記要求指令値から前記電気制御量を算出する複数の変換マップを使用し、
   前記複数の変換マップのうち一つの変換マップは前記回転電機の抵抗値を０Ωと仮定して求めた変換マップである、請求項２に記載の回転電機の制御方法。
4. 前記複数の変換マップに従って前記電気制御量を求める際に、前記直流電圧の逆数を用いて内挿を行う、請求項３に記載の回転電機の制御方法。
5. 電源からの直流電圧を電気制御量に従って回転電機への駆動電流に変換する電力変換部へ前記電気制御量を供給する回転電機の制御において、
   前記回転電機の特定の回転速度における前記直流電圧と要求指令値から前記電気制御量を算出する変換マップを使用して、
   前記変換マップに従って前記電気制御量を求める際に、前記電源からの直流電圧と前記回転電機の回転速度の比に従って前記電気制御量を算出する、回転電機の制御方法。
6. 前記要求指令値が前記回転電機のトルクまたは出力であり、前記電気制御量が、電流指令値または電圧指令値である、請求項５に記載の回転電機の制御方法。
7. それぞれ異なる特定の前記回転電機の回転速度における前記直流電圧と前記要求指令値から前記電気制御量を算出する複数の変換マップを使用する、請求項６に記載の回転電機の制御方法。

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