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JP2004080975A - 電動機の制御装置 - Google Patents

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JP2004080975A
JP2004080975A JP2002241672A JP2002241672A JP2004080975A JP 2004080975 A JP2004080975 A JP 2004080975A JP 2002241672 A JP2002241672 A JP 2002241672A JP 2002241672 A JP2002241672 A JP 2002241672A JP 2004080975 A JP2004080975 A JP 2004080975A
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Japan
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current
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axis
harmonic
motor
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JP2002241672A
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Inventor
Takaaki Karikomi
苅込 卓明
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Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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Publication date
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Abstract

【課題】三相6線式の電動機の制御装置では各相が中性点で結線されていないため3n次高調波が打ち消されないので、銅損等による損失が増加する。本発明は駆動電流に重畳される高調波電流を除去できる電動機の制御装置を提供する。
【解決手段】電動機を駆動するための駆動電流に含まれる高調波電流であって、駆動電流の周波数に対して3n倍(3は相数、nは整数)の周波数の電流である3n次高調波電流を検出する電流三相変換部14および減算器17と、検出された3n次高調波電流を打ち消すための3n次高調波電圧指令値を算出する3n次高調波電流制御部13と、電圧三相変換部6で算出した三相電圧指令値を3n次高調波電圧指令値によって補正する加算器18と、を備えた電動機の制御装置。
【選択図】    図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は電動機の制御装置に関し、特に電動機の駆動電流に重畳される高調波電流を除去する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、通常用いられている三相3線式(1相当たりのスイッチング素子が2個)の電動機の制御装置では、dq軸目標電流と、インバータ出力電流(三相電流)をdq軸変換したdq軸電流とに基づいて、dq軸電圧指令値を算出していた。なお、以下の説明では、電動機をモータと記載する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
近年、出力の向上を目的として三相6線式(1相あたりのスイッチング素子が4個:後記図2参照)の駆動装置が考えられている。この三相6線式のモータでは各相が中性点で結線されていないため、前記のような従来の制御を適用した場合には、3n次高調波(モータ駆動電流の周波数の3n倍の高調波)が打ち消されないので、モータ巻線の印加電流に高調波が重畳し、銅損等による損失が増加する、という問題があった。上記の問題は三相6線式に限らず、相数がPの電動機を用いたP相2P線式(例えば四相8線式)の電動機の制御装置においては同様に発生する。
【0004】
本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、モータの駆動電流に重畳される高調波電流を除去することのできる電動機の制御装置を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明においては、電動機を駆動するための駆動電流に含まれる高調波電流であって、前記駆動電流の周波数に対してPn倍(Pは相数、nは整数)の周波数の電流であるPn次高調波電流を検出する高調波検出手段と、前記高調波検出手段によって検出されたPn次高調波電流を打ち消すように目標電圧算出手段によって算出された目標電圧を補正する補正手段と、を備えるように構成している。
【0006】
【発明の効果】
本発明においては、高調波検出手段によって検出されたPn次高調波電流を打ち消す様に目標電圧算出手段によって算出された目標電圧を補正するので、駆動電流中の高調波電流を除去し、高調波電流による損失を低減することができる。
【0007】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の第1の実施例を示すブロック図であり、図2はインバータとモータとの結線を示す回路図である。
まず、図2の回路図から説明する。
図2は、本発明を適用する三相6線式のモータ駆動回路を示す。図2において、1は直流電源(例えば車載バッテリ)、2はスイッチング素子(例えばIGBT等のパワートランジスタ)、3は三相のモータである。
スイッチング素子2は、モータ3のu相、v相、w相の各相毎に4個で合計12個設けられている。例えばu相の場合には、スイッチング素子2−1と2−2からなる直列回路とスイッチング素子2−3と2−4からなる直列回路とが、それぞれ直流電源1の両端に接続され、各直列回路の中点からu相巻線の一端にそれぞれ接続されている。各直列回路に接続された2個のスイッチング素子はそれぞれ逆位相でオンオフするように制御する。そのためスイッチング素子2−1がオンで2−2がオフ、2−3がオフで2−4がオンの場合には、(直流電源1)→(2−1)→(u相巻線)→(2−4)の経路で電流が流れ、スイッチング素子2−1がオフで2−2がオン、2−3がオンで2−4がオフの場合には、(直流電源1)→(2−3)→(u相巻線)→(2−2)の経路で電流が流れることになる。したがって各スイッチング素子のオンオフを制御することにより、u相巻線に正逆両方向の電流を流すことが出来る。v相、w相においても全く同様である。
【0008】
次に、図1の装置について説明する。
まず、速度変換部11は、下記(数1)式に示すように、位置センサ10より得られる位相θを微分し、角速度ωを算出する。
【0009】
【数1】
Figure 2004080975
ただし、θ:位相[rad]
ω:角速度[rad/s]
次に、目標電流算出部4は、外部から与えられる目標トルクTと角速度ωを指標としたテーブルを持ち、下記(数2)式に示すように、d軸目標電流値i およびq軸目標電流値i を算出する。
【0010】
【数2】
Figure 2004080975
ただし、T:目標トルク[N・m]
ω:角速度ω[rad/s]
、i :d軸/q軸目標電流値[A]
次に、dq軸変換部12では、下記(数3)式に示すように、電流センサ9より得られる三相電流i、i、iを、位置センサ10より得られる位相θを用いて、d軸電流iとq軸電流iに変換する。このdq軸変換によって3n次高調波は打ち消されるため、dq軸電流には3n次高調波は含まれていない。
【0011】
【数3】
Figure 2004080975
ただし、i、i:d軸/q軸電流[A]
、i、i:三相電流[A]
θ:位相[rad]
次に、dq軸電流制御部5は、下記(数4)式に示すように、d軸電流iとq軸電流iをd軸目標電流値i とq軸目標電流値i に一致させるため、PI制御(公知の比例積分制御)等を行って、d軸電圧指令値vd’とq軸電圧指令値vq’を算出する。
【0012】
【数4】
Figure 2004080975
ただし、i 、i :d軸/q軸目標電流値[A]
vd’、vq’:d軸/q軸電圧指令値[V]
s:ラプラス演算子
pd、Kpq:d軸/q軸比例ゲイン
id、Kiq:d軸/q軸積分ゲイン
なお、必要に応じてdq軸電流制御部5の次段に非干渉制御部(図示せず)を設けてもよい。非干渉制御の演算は下記(数5)式に示す。
【0013】
【数5】
Figure 2004080975
ただし、vd’、vq’:dq軸電流制御部5から出力したd軸/q軸
電圧指令値[V]
vd、vq:非干渉制御後のd軸/q軸電圧指令値[V]
、i:d軸/q軸電流[A]
、L:d軸/q軸インダクタンス[H]
Φ:誘起電圧定数[Wb]
ω:角速度(電気角)[rad/s]
次に、電圧三相変換部6では、下記(数6)式に示すように、d軸指令電圧vdとq軸指令電圧vq(非干渉制御を行わない場合はvd’、vq’、以下同じ)を位置センサ10より得られる位相θを用いて、三相電圧指令値vu、vv、vwに変換する。
【0014】
【数6】
Figure 2004080975
ただし、vd、vq:d軸/q軸電圧指令値[V]
vu、vv、vw:三相電圧指令値[V]
θ:位相[rad]
次に、パワーモジュール7は、PWM変換部とスイッチング回路(前記図2のスイッチング素子群に相当)からなる。PWM変換部では、三相電圧指令値vu、vv、vwとキャリア搬送波(例えば三角波)を比較することにより、PWM信号に変換する。そのPWM信号で前記図2のスイッチング素子群をオンオフすることにより、直流電力を交流三相電力に変換してモータ8を駆動する。
なお、後記のように、三相電圧指令値vu、vv、vwは加算器18で3n次高調波電圧指令値v3n (詳細後述)と加算されることによって補正されるので、実際にパワーモジュール7に与えられる三相電圧指令値は補正後の値となる。
【0015】
次に、電流三相変換部14では、下記(数7)式に示すように、dq軸変換部12で求めたd軸電流iとq軸電流iを位置センサ10より得られる位相θを用いて三相電流に再変換する。この再変換後の三相電流をi’、i’、i’で示す。dq軸変換部12で求めたd軸電流i、q軸電流iには3n次高調波が現われないため、この再変換後の三相電流i’、i’、i’には3n次高調波は含まれていない。
【0016】
【数7】
Figure 2004080975
ただし、i、i:d軸/q軸電流[A]
’、i’、i’:再変換後の三相電流[A]
θ:位相[rad]
次に、減算器17は、電流センサ9より得られる三相電流i、i、iと、電流三相変換部14で算出された再変換後の三相電流i’、i’、i’との差である3n次高調波電流i3nを出力する。
3n次高調波電流制御部13は、3n次高調波電流i3nを入力し、下記(数8)式に示すように、P(比例)制御等によって、3n次高調波電流i3nを0とするための3n次高調波電圧指令値v3n を出力する。
ただし、3n次高調波はu、v、wで等しいため、3n次高調波電流制御部13における3n次高調波電圧指令値v3n の計算は1相分でよい。
【0017】
【数8】
Figure 2004080975
ただし、i3n:3n次高調波電流[A]
3n :3n次高調波電圧指令値[V]
s:ラプラス演算子
:比例ゲイン
次に、加算器18では、電圧三相変換部6から出力された三相電圧指令値vu、vv、vwに3n次高調波電圧指令値v3n を加算することによって補正する。そして加算後の三相電圧指令値によってパワーモジュール7を制御する。
【0018】
次に、図3は本発明の第2の実施例を示すブロック図である。
図3の構成は、図1の電流三相変換部14と減算器17の代わりに、3n次高調波検出部15を設けたものである。
図3において、3n次高調波検出部15では、下記(数9)式に示すように、三相電流値i、i、iを全て加算し、3で除すことによって3n次高調波電流i3nを得る。その他の構成は図1と同様である。
【0019】
【数9】
Figure 2004080975
ただし、i、i、i:三相電流[A]
3n:3n次高調波電流[A]
次に、図4は本発明の第3の実施例を示すブロック図である。
図4の構成は、図1の電流三相変換部14の代わりに、三相基本波算出部16を設けたものである。
図4において、dq軸変換部12では、電流センサ9より得られる三相電流を位置センサ10より得られる位相θを用いてd軸電流iとq軸電流iに変換する。この際、電流センサ9における検出はu相、v相の二相のみとし、w相電流はu相電流とv相電流を加算したものを符号反転して用いる。d軸電流iとq軸電流iの演算式は前記(数3)式と同じであるが、三相電流i、i、iのうち、i
=−(i+i
によって求める。
また、三相基本波算出部16は、dq軸電流について360[°]分の平均処理を行うか、またはフィルタ処理(ローパスフィルタを通す)を行うことにより、直流分だけを抜き出し、位置センサ10より得られる位相θを用いて、三相基本波電流(直流電流)i’、i’に変換する。(数10)式は平均処理による三相基本波電流の算出、(数11)式はフィルタ処理による三相基本波電流の算出を示す。
【0020】
【数10】
Figure 2004080975
ただし、i、i:d軸/q軸電流[A]
’、i’:d軸/q軸三相基本波電流(直流電流)[A]
ω:角速度ω[rad/s]
θ:位相[rad]
T:サンプリングタイム[s]
【0021】
【数11】
Figure 2004080975
ただし、i、i:d軸/q軸電流[A]
’、i’:d軸/q軸三相基本波電流(直流電流)[A]
G(s):ローパスフィルタ(ωにより定数を変化させる)
s:ラプラス演算子
減算器17では、上記三相基本波算出部16で求めたd軸/q軸三相基本波電流(直流電流)と電流センサ9で求めた三相電流との差を求めることにより、3n次高調波電流i3nを算出する。その他の構成は図1と同様である。
【0022】
次に、図5は本発明の第4の実施例を示すブロック図である。
図5の構成は、図3の実施例と基本的には似ているが、3n次高調波検出部15’の内容が異なっている。
3n次高調波検出部15’では、三相電流i、i、iの360[°]分のフーリエ変換およびフーリエ逆変換処理、またはフィルタ処理を行うことにより、3n次高調波を得る。フーリエ変換および逆変換は、任意のサンプリング区間で、窓関数を用いて行ってもよい。なお、フーリエ変換およびフーリエ逆変換の数式は省略する。また、フィルタ処理の数式は前記(数11)式と同じである。その他の構成は図3と同じである。
なお、本実施例においては、電流センサ9は三相電流i、i、iを全て検出するものでもよいし、或いは実施例3に記載のように、u相、v相の二相のみとし、w相電流はu相電流とv相電流を加算したものを符号反転して用いる構成もよい。
これまで説明した実施例においては、3相6線式のモータ駆動装置を例として説明したが、4相8線式などP相2P線式であれば適用できる。
【0023】
以下、三相3線式の電動機には、3n次高調波が現れない理由およびdq軸ベクトル変換で3n次高調波が打ち消される理由について説明する。
まず、3n次高調波が三相3線式に現れない理由について説明する。
三相交流の基本波は、下記(数12)式で示される。
【0024】
【数12】
Figure 2004080975
ただし、i、i、i:相電流[A]
I:相電流実効値[A]
ω:角速度ω(電気角)[rad/s]
t:時間[s]
ψ:初期位相[rad]
また、3n次高調波は、下記(数13)式で示される。
【0025】
【数13】
Figure 2004080975
ただし、iu3n、iv3n、iw3n:3n次高調波相電流[A]
3n:3n次高調波相電流実効値[A]
ψ3n:3n次高調波初期位相[rad]
n:自然数(n=1,2,3、…)
上記(数13)式から判るように、u相、v相、w相の3n次高調波相電流は等しくなる。
【0026】
図6は、初期位相を0として基本波と3次高調波をグラフにした図であり、(a)はu相電流、(b)v相電流、(c)w相電流を示す。
図6に示すように、u相、v相、w相の基本波は各120[°]ずれているが、3n次高調波は、その120[°]中にn周期入ってしまうため、結果として3n次高調波はu相、v相、w相で等しくなる。
【0027】
三相3線式のY結線では、図7に示すようになるので、3n次高調波をiu3n、iv3n、iw3nとすると、
u3n+iv3n+iw3n=0(キルヒホッフの第1法則)
であるため、
u3n=iv3n=iw3n=0
となる。従って、3n次高調波は現われない。
【0028】
また、三相3線式の△結線では、図8に示すようになる。
図8において、aを用いてbを計算すると、
b=i+a
となり、cは
c=b+i=i+i+a
となり、aは
a=c+i=i+i+i+a
となる。ここで、
=i=i
であるとすると、
=i=i=0
となり、Y結線と同様、3n次高調波は現われず、3n次高調波による損失は発生しない。
【0029】
次に、dq軸ベクトル変換で3n次高調波が打ち消される理由について説明する。
dq軸変換制御で3n次高調波が打ち消される理由は、dq軸上に3次高調波が現われないためである。これは、三相二相変換において、i+i+i=0という前提を用いていることによる。以下、具体的に説明する。
三相二相変換式は、下記(数14)式で示される。
【0030】
【数14】
Figure 2004080975
ただし、iα、iβ:二相電流[A]
、i、i:相電流[A]
3n次高調波は、iu3n=iv3n=iw3nであるから、これをi3nとすると、iα、iβは下記(数15)式に示すようになることから、dq軸(二相レベル)に3n次高調波が現われないことが分かる。
【0031】
【数15】
Figure 2004080975
ただし、iα、iβ:二相電流[A]
、i、i:相電流[A]
3n:3n次高調波電流
以上説明したように、本発明においては、駆動電流に重畳された高調波電流が減少するので、銅損等が減少し、効率が向上する、という効果が得られる。
また、高調波検出手段によって検出されたPn次高調波電流を打ち消す様に目標電圧算出部によって算出された目標電圧を補正する補正手段を備えるため、高調波電流による損失を低減することができる。
また、P相変換手段によって変換されたP相変換電流と、電流検出手段によって検出された電流とに基づいてPn次高調波電流を検出することができる。
また、電流検出手段によって検出された電流の合計を相数Pで除算することによって前記Pn次高調波電流を検出することができる。
また、基本波算出手段によって検出されたP相基本波電流と前記電流検出手段によって検出された電流とに基づいて、Pn次高調波電流を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示すブロック図。
【図2】インバータとモータとの結線を示す回路図。
【図3】本発明の第2の実施例を示すブロック図。
【図4】本発明の第3の実施例を示すブロック図。
【図5】本発明の第4の実施例を示すブロック図。
【図6】初期位相を0として基本波と3次高調波をグラフにした図であり、(a)はu相電流、(b)v相電流、(c)w相電流。
【図7】三相3線式のY結線を示す図。
【図8】三相3線式の△結線を示す図。
【符号の説明】
1…直流電源             2…スイッチング素子
3…三相のモータ           4…目標電流算出部
5…dq軸電流制御部         6…電圧三相変換部
7…パワーモジュール         8…モータ
9…電流センサ           10…位置センサ
11…速度変換部           12…dq軸変換部
13…3n次高調波電流制御部     14…電流三相変換部
15、15’…3n次高調波検出部   16…三相基本波算出部
17…減算器             18…加算器

Claims (5)

  1. 相数がP(Pは整数)の電動機を用い、各相が独立して結線されたP相2P線式の電動機の制御装置において、
    外部からの目標トルク指令に基づいて、各相の目標電圧を算出する目標電圧算出手段と、
    前記目標電圧算出手段によって算出された目標電圧に基づいて、電動機の各相へ印加される電圧を制御する制御手段と、
    電動機を駆動するための駆動電流に含まれる高調波電流であって、前記駆動電流の周波数に対してPn倍(nは整数)の周波数の電流であるPn次高調波電流を検出する高調波検出手段と、
    前記高調波検出手段によって検出されたPn次高調波電流を打ち消すように前記目標電圧算出手段によって算出された目標電圧を補正する補正手段と、
    を備えたことを特徴とする電動機の制御装置。
  2. 電動機の各相に印加される電流を検出する電流検出手段と、
    前記電流検出手段によって検出された電流をdq軸電流に変換するdq軸変換手段と、
    前記dq軸変換手段によって変換されたdq軸電流をP相の電流であるP相変換電流に変換するP相変換手段と、を備え、
    上記高調波検出手段は、前記P相変換手段によって変換されたP相変換電流と前記電流検出手段によって検出された電流とに基づいて、前記Pn次高調波電流を検出することを特徴とする請求項1に記載の電動機の制御装置。
  3. 電動機の各相に印加される電流を検出する電流検出手段を備え、
    前記高調波検出手段は、前記電流検出手段によって検出された電流の合計を相数Pで除算することによって前記Pn次高調波電流を検出することを特徴とする請求項1に記載の電動機の御御装置。
  4. 電動機の各相に印加される電流を検出する電流検出手段と、
    電動機の位相を検出する位相検出手段と、
    前記電流検出手段によって検出された電流をdq軸電流に変換するdq軸変換手段と、
    前記dq軸変換手段によって変換されたdq軸電流と前記位相検出手段によって検出された位相とに基づいてP相基本波電流を算出する基本波電流算出手段と、を備え、
    前記高調波検出手段は、前記基本波算出手段によって検出されたP相基本波電流と前記電流検出手段によって検出された電流とに基づいて、前記Pn次高調波電流を検出することを特徴とする請求項1に記載の電動機の制御装置。
  5. 上記電動機は相数Pが3であり、3相6線式の電動機の制御装置であることを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れかに記載の電動機の制御装置。
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