JP5198332B2 - 永久磁石同期電動機のトルク制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石同期電動機のベクトル制御方式に係り、電力変換器の出力電圧が制限される（飽和する）付近でも、高応答，高安定なトルク制御を実現する技術に関する。

ＡＣモータをベクトル制御により電流制御する制御装置において、電力変換器の出力電圧が制限された（飽和した）場合の従来技術として、例えば、特許文献１がある。すなわち、直交回転座標系であるｄ−ｑ軸座標のｑ軸方向に対する電流指令を、ｄ軸方向に対する電流Ｉｄが０になるように補正し、ｑ軸のｄ軸に対する干渉項を操作し、ＡＣモータの過電流を防止している。

特開２００４−１８０４４１号公報

一般産業用やＡＣサーボ用のモータは、電力変換器に入力される直流電圧（数百Ｖ）に対して、モータ抵抗による電圧降下の割合は小さい。このため、低速域において、電力変換器の出力電圧が制限される（飽和する）ことはまずない。

しかし、車載用途のモータでは、モータの抵抗値や電力変換器とモータを接続するハーネスの抵抗値が比較的大きいため、直流電圧（数十Ｖ）に対して、抵抗値成分（モータ抵抗値とハーネス抵抗値）による電圧効果分の割合が大きくなる。このような場合、低速域においても、電力変換器の出力電圧が制限されてしまう場合がある。

そこで、特許文献１に記載されている（第７頁の（５）式の）演算では、抵抗値Ｒを省略しているため、十分な精度が得られない問題がある。

また、抵抗値を数式に考慮したとしても、雰囲気温度により抵抗値は２〜３割程度は変化するので、低速域においては、演算精度が劣化する問題が発生する。

本発明の目的は、電動機定数に対してロバストで、高精度，高応答なトルク制御を実現できる永久磁石同期電動機のトルク制御装置を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、電力変換器に入力される直流電圧値が数Ｖ〜数百Ｖの範囲でも共通に使え、電動機定数に対してロバストでかつ高精度、高応答なトルク制御を実現できる永久磁石同期電動機のトルク制御装置を提供することにある。

本発明はその一面において、電力変換器の出力電圧が、所定の電圧に到達したとき、トルク指令値を修正することを特徴とする。

本発明の望ましい実施態様においては、電力変換器の出力電圧が、所定の電圧に到達したとき、所定の電圧と電力変換器の出力電圧との偏差を用いて積分演算し、その演算値により、トルク指令値を修正することを特徴とする。

本発明の望ましい実施態様によれば、電力変換器の出力電圧値が制限される（飽和する）付近においても、高精度、高応答なトルク制御を実現することができる永久磁石同期電動機のベクトル制御装置を提供することができる。

また、本発明の望ましい実施態様によれば、安価な電流検出を行うシステムや、位置検出器を省略したシステムにおいても、共通に適用可能な永久磁石同期電動機のトルク制御装置を提供できる。

本発明のその他の目的と特徴は、以下に述べる実施形態の中で明らかにする。

本発明の一実施例を示す永久磁石同期電動機のトルク制御装置の構成図。 図１の制御装置におけるベクトル制御演算部９ａの具体例説明図。 図１の制御装置におけるトルク指令修正演算部７の説明図。 本発明の一実施例によりトルク指令修正演算を行った場合の、無負荷時の制御特性例図である。 本発明の一実施例によりトルク指令修正演算を行った場合の、負荷時の制御特性例図である。 他のベクトル制御演算部９ｂの説明図。 他のベクトル制御演算部９ｃの説明図。 本発明の実施例２による永久磁石同期電動機のトルク制御装置の構成図。 本発明の実施例３による永久磁石同期電動機のトルク制御装置の構成図。 本発明を電動油圧ポンプシステムに適用した永久磁石同期電動機のトルク制御装置の構成図。

以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例による永久磁石同機電動機のトルク制御装置の構成例を示す。

図において、まず、主回路において、１は永久磁石同期電動機、２は３相交流の電圧指令値Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊に比例した電圧値を出力する電力変換器、２１は直流電圧を供給する直流電源である。また、センサ類として、３は３相交流電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを検出する電流検出器、４は永久磁石同期電動機１の位置θを検出するレゾルバやエンコーダを用いた位置検出器である。

次に、制御系の機能構成部として、周波数演算部５は、位置検出値θｃから周波数演算値ω_１を演算する。座標変換部６は、３相交流電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗの検出値ｉｕｃ，ｉｖｃ，ｉｗｃと、永久磁石同期電動機１の位置検出値θｃから、ｄ軸およびｑ軸の電流検出値Ｉｄｃ，Ｉｑｃを出力する。トルク指令修正演算部７は、上位から与えられるトルク指令値τ_０ ^＊，所定の電圧値Ｖ_１ ^＊ _ｒｅｆと電力変換器の出力電圧値Ｖ_１の偏差，並びに周波数演算値ω_１からトルク指令修正値Δτ^＊を演算する。電流指令変換部８は、上位から与えられるトルク指令値τ_０ ^＊と上記トルク指令修正値Δτ^＊とから、ｄ軸およびｑ軸の電流指令値Ｉｄ^＊，Ｉｑ^＊を演算する。ベクトル制御演算部９ａは、永久磁石同期電動機１の電気定数を考慮して、ｄ，ｑ軸の電流指令値Ｉｄ^＊，Ｉｑ^＊と、電流検出値Ｉｄｃ，Ｉｑｃ、並びに周波数演算値ω_１に基づいて、ｄ，ｑ軸の電圧指令値Ｖｄｃ^＊，Ｖｑｃ^＊を演算する。出力電圧演算部１０は、ｄ，ｑ軸の電圧指令値Ｖｄｃ^＊，Ｖｄｃ^＊から、電力変換器２の出力電圧Ｖ_１を演算する。座標変換部１１は、ｄ，ｑ軸の電圧指令値Ｖｄｃ^＊，Ｖｄｃ^＊と、位置検出値θｃに基いて、電力変換器２が出力すべき３相交流電圧指令値Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊を演算する。

図２は、図１に適用しているベクトル制御演算部９ａの具体例説明図である。

図２において、ｄ軸電流制御部９ａ１は、ｄ軸の電流指令値Ｉｄ^＊にｄ軸の電流検出値Ｉｄｃが一致（追従）するように、第２の電流指令値Ｉｄ^＊＊を出力する。ｑ軸電流制御部９ａ２は、ｑ軸の電流指令値Ｉｑ^＊にｑ軸の電流検出値Ｉｑｃが一致（追従）するように、第２の電流指令値Ｉｑ^＊＊を出力する。これらｄ，ｑ軸電流制御部９ａ１，９ａ２では、比例＋積分演算、あるいは積分演算が行われ、電流制御に設定する制御応答角周波数により、それらの制御ゲインが決定される。

ベクトル演算部９ａ３は、ｄ，ｑ軸電流制御部９ａ１，９ａ２の出力値Ｉｄ^＊＊とＩｑ^＊＊，周波数演算値ω_１および電動機モータ定数を用いて、（１）式により、ｄ軸およびｑ軸の電圧指令値Ｖｄｃ^＊，Ｖｑｃ^＊を演算し、電力変換器の出力電圧値Ｖ_１を制御する。

ここに、Ｒ^＊：抵抗の設定値、Ｌｄ^＊：ｄ軸インダクタンスの設定値、Ｌｑ^＊：ｑ軸インダクタンスの設定値、Ｋｅ^＊：誘起電圧定数の設定値、Ｔｄ＝Ｌｑ^＊／Ｒ^＊、Ｔｄ＝Ｌｄ^＊／Ｒ^＊、ｓ：ラプラス演算子である。

また、出力電圧演算部１０においては、（２）式に示すように、ベクトル制御演算部９ａの出力値である電圧指令値Ｖｄｃ^＊，Ｖｑｃ^＊を用いて、出力電圧値Ｖ_１を演算する。

最初に、本発明の特徴であるトルク指令修正演算部７について説明する。

図３は、本発明の一実施例によるトルク指令修正演算部７の構成図であり、電力変換器２の出力電圧Ｖ_１が所定値Ｖ_１ ^＊ _ｒｅｆに達すると、トルク指令τ^＊を絞り込むための補正量Δτ^＊を出力するものである。

まず、積分ゲイン演算部７１では、速度演算値ω_１と定数（Ｒ、Ｌｑ）を用いて、（３）式により積分ゲインＫａが演算される。

ここに、ωｃ：制御応答角周波数、Ｒ^＊：電動機とハーネスの抵抗値、Ｌｑ^＊：電動機のｑ軸インダクタンス値である。

（３）式において、Ｒ^＊２≪（ω_１Ｌ_ｑ ^＊）^２の関係が成立する電動機、或いは速度範囲であれば、Ｒ^＊２項は省略して（３）式を演算しても良い。また、トルク指令修正演算部７はベクトル制御演算部９ａ（電流制御）の外側ループであり、制御の安定性を確保するためには、制御応答角周波数ωｃが、電流制御系に設定する制御応答角周波数の１／２〜１／１０程度であることが望ましい。

積分ゲイン演算部７１の出力値である積分ゲインＫａと、所定の電圧値Ｖ_１ ^＊ _ｒｅｆと電力変換器の出力電圧演算値Ｖ_１の偏差は、乗算部７２で乗算され、その演算結果が、制限付き積分演算部７３に入力される。

制限付き積分演算部７３では、積分演算が行われ、正側の値は「ゼロ」、負側の値は「上位から与えられる修正前のトルク指令値τ_０ ^＊の絶対値を−１倍した値」に制限される。つまり、上位から入力されたトルク指令値τ_０ ^＊の逆極性であるトルク指令値τ^＊に修正されることは無く、勝手に逆転運転をするような現象は発生しない。

また、τ_０ ^＊は、極性判別部７４にも入力される。極性判別部７４では、（４）式の関係で「＋１」あるいは「−１」の極性信号Ｓｉｇｎ［τ_０ ^＊］を出力する。

乗算部７５では、制限付き積分演算部７３の出力である積分演算値と、極性判別部７４の出力である「＋１」あるいは「−１」の極性信号が入力され、これにより、上位から与えられるトルク指令値τ_０ ^＊の逆極性でトルク指令の修正が行われる。つまり、（５）式の関係でΔτ^＊の極性が決定される。

最終的には、（６）式に示すように、トルク指令修正値Δτ^＊が演算される。

さらに，（７）式に示す様に，トルク指令値τ_０ ^＊にトルク指令修正値Δτ^＊が加算され，新しいトルク指令値τ^＊が算出される。

図１に戻って、電流指令変換部８では、（８）式に従い、修正されたトルク指令値τ^＊を用いて、ｄ軸およびｑ軸の電流指令値Ｉｄ^＊，Ｉｑ^＊を出力する。

ここでは、Ｉｄ^＊＝０で設定しているが、弱め界磁運転やトルク／電流比最大運転を行う場合は、Ｉｄ^＊は零ではなく、所定値であっても良い。

図４は、本発明の一実施例によりトルク指令修正演算を行った場合の、無負荷時の制御特性例図である。トルク指令修正演算部７では、トルク指令の修正演算を開始する電圧値（所定の電圧値）Ｖ_１ ^＊ _ｒｅｆを設定する必要がある。

電力変換器２を正弦波変調した場合は、その最大出力電圧の平均値は、（９）式で表せるので、Ｖ_１ ^＊ _ｒｅｆは、（９）式よりも少し低いところに設定する。

設定は、（１０）式の関係を満足する必要がある。

ここに、Ｅｄ：直流電圧値である。

また、３相交流の電圧指令値Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊に、線間電圧では相殺される同相の信号（例えば，３倍調波）を重畳させると、電力変換器２の最大出力電圧の平均値を拡大することができる。このときの最大出力電圧の平均値は、（１１）式で表される。

設定は，（１２）式の関係を満足する必要がある。

次に、本実施例のもたらす作用効果について、図４，図５により説明する。

（Ａ）点の時刻で、上位装置からトルク指令値τ_０ ^＊が与えられると、永久磁石同期電動機１の回転速度ω_ｒは上昇し、電動機の誘起電圧が発生することにより、電力変換器の出力電圧値Ｖ_１も増加する。

（Ｂ）点の時刻で、出力電圧値Ｖ_１は所定の電圧値Ｖ_１ ^＊ _ｒｅｆまで到達するので、その時点からτ^＊の修正が開始される。

（Ｃ）点の時刻では、無荷負なのでτ^＊は略零に修正され、ω_ｒも一定値となっており、安定な制御運転が実現されている様子が分かる。

この状態で運転状態が続き、（Ｄ）点の時刻で、負荷トルクτ_Ｌが入った場合、ω_ｒは下降するが、τ_Ｌの分だけ、トルクτ_ｍが発生しており、Ｎ−Ｔ（回転数−トルク）特性の平衡点上で安定に制御動作が行われている様子が分かる。

また、本実施例では、トルク指令修正演算部７の応答時間を電動機の回転速度ω_ｒとは無関係に一定とするため、積分ゲイン演算部７１において、積分ゲインＫａを（３）式に従い演算している。しかし、出力電圧値Ｖ_１に多少のオーバーシュート現象や、応答時間が遅くとも良い場合（や用途で）は、積分ゲインＫａは一定値であっても良い。

本実施例では、出力電圧値Ｖ_１を用いて、トルク指令値τ^＊の修正を行っているので、抵抗値Ｒが変化したとしても、その影響はＶ_１に現れ、抵抗値Ｒが大きくなればＶ_１も大きくなる。つまり、抵抗値Ｒの変化が含まれるＶ_１を制御するため、抵抗値Ｒに対して「ロバスト」であることが分かる。

（３）式に示す積分ゲインの演算で、抵抗値Ｒを使っているが、これが多少ズレていても、速応性が多少劣化する程度で、安定性に大きな影響を与えることはない。

この実施例では、ベクトル制御演算部９ａを適用したが、代わりに、図６に示すベクトル制御演算部９ｂを用いても良い。

ｄ軸電流制御部９ｂ１は、ｄ軸の電流指令値Ｉｄ^＊に、ｄ軸の電流検出値Ｉｄｃが一致（追従）するような、電圧補償値ΔＶｄを出力する。ｑ軸電流制御部９ｂ２は、ｑ軸の電流指令値Ｉｑ^＊に、ｑ軸の電流検出値Ｉｑｃが一致（追従）するような、電圧補償値ΔＶｑを出力する。これらｄ，ｑ軸電流制御部９ｂ１，９ｂ２では、比例＋積分演算あるいは積分演算が行われ、電流制御に設定する制御応答角周波数により、それらの制御ゲインが決定される。ベクトル演算部９ｂ３は、電流制御部９ｂ１，９ｂ２の出力値であるΔＶｄ，ΔＶｑ、周波数演算値ω_１および電動機モータ定数を用いて、（１３）式に示す演算により、ｄ，ｑ軸の電圧指令値Ｖｄｃ^＊，Ｖｑｃ^＊を演算し、電力変換器２の出力電圧Ｖ_１を制御する。

さらに、ベクトル制御演算部９ａ，９ｂの代わりに、図７に示すベクトル制御演算部９ｃを用いても良い。

ｄ軸電流制御部９ｃ１は、ｄ軸の電流指令値Ｉｄ^＊に、ｄ軸の電流検出値Ｉｄｃが一致（追従）するような、ｄ軸の電圧指令値Ｖｄｃ^＊を出力する。ｑ軸電流制御部９ｃ２は、ｑ軸の電流指令値Ｉｑ^＊に、ｑ軸の電流検出値Ｉｑｃが一致（追従）するような、ｑ軸の電圧指令値Ｖｑｃ^＊を出力する。これらの電流制御部９ｃ１，９ｃ２では、比例＋積分演算あるいは積分演算が行われ、電流制御に設定する制御応答角周波数により、それらの制御ゲインが決定される。このｄ，ｑ軸の電圧指令値Ｖｄｃ^＊，Ｖｑｃ^＊により、電力変換器２の出力電圧Ｖ_１を制御する。

このようなベクトル制御演算部９ｂ，９ｃの演算でも、ベクトル制御演算部９ａと同様な効果を得ることができる。

図８は、本発明の実施例２による永久磁石同期電動機のトルク制御装置の構成図である。

本実施例は、レゾルバやエンコーダなどの位置検出器を省略した制御装置に適用したものである。図８において、図１と同一の符号は同一の構成要素を表している。軸誤差演算部１２は、ｄ軸およびｑ軸の電圧指令値Ｖｄｃ^＊，Ｖｑｃ^＊、電流検出値Ｉｄｃ，Ｉｑｃ、周波数推定値ω_１´および電動機の定数に基づいて、（１４）式に従い、位相推定値θｃ´とモータ位相値θの偏差である軸誤差Δθｃ（＝θｃ´−θ）を推定する。

周波数推定部１３は、軸誤差演算値Δθｃを「ゼロ」とするように、周波数推定値ω_１´を演算する。位相演算部１４は、周波数推定値ω_１´を積分して、位相推定値θｃ^´を演算する。

このような、位置センサを省略した安価な位置センサレス制御方式においても、前記実施例と同様に動作し、同様の効果が得られることは明らかである。

また、本実施例では、ベクトル制御演算部９ａを用いているが、実施例１で説明したベクトル制御演算部９ｂ，９ｃを用いても、本実施例と同様の効果を得ることができる。

上記の実施例１と実施例２までは、高価な電流検出器３を用いて、３相の交流電流ｉｕ〜ｉｗを検出する方式であったが、安価な電流検出を行う制御装置においても適用することができる。

図９は、このような電流検出を利用した本発明の実施例３による永久磁石同期電動機のトルク制御装置の構成図である。図８と同一の符号をつけたものは、同一の構成要素を表している。電流推定部１５は、電力変換器の入力母線に流れる直流電流Ｉ_ＤＣから、永久磁石同期電動機１に流れる３相の交流電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを推定する。

この推定電流値ｉｕ＾，ｉｖ＾，ｉｗ＾を用い、座標変換部６において、ｄ軸及びｑ軸の電流検出値Ｉｄｃ，Ｉｑｃを演算する。

このような、安価な電流センサレス制御方式においても、前記実施例と同様に動作し、同様の効果が得られることは明らかである。

また、本実施例では、ベクトル制御演算部９ａを用いているが、実施例１で説明したベクトル制御演算部９ｂ，９ｃを用いても、本実施例と同様の効果を得ることができる。

図１０は、本発明を電動油圧ポンプシステムに適用した永久磁石同期電動機のトルク制御装置の構成図である。

本実施例は、車載用途の電動油圧ポンプシステムに、本発明の実施例を適用したものである。

図１０において、図９と同一の符号をつけたものは同一の構成要素を表している。

モータ１を含む油圧ポンプシステム２２は、インバータコントローラ２３により駆動される。

図１の構成要素２，６〜８，９ａ，１０〜１５，および２１までが、ソフトウエア，ハード回路により実装されている。

本発明の実施例を油圧ポンプシステムに適用すれば、高応答・高精度な制御特性を実現することができる。

また、本実施例では、実施例３を用いているが、実施例１や２であっても良い。さらに、ベクトル制御演算部９ａを用いているが、実施例１で説明したベクトル制御演算部９ｂ，９ｃを用いても、本実施例と同様の効果を得ることができる。

本発明を採用した磁石同期電動機のトルク制御装置は、電力変換器２の出力電圧が所定の電圧Ｖ_１ ^＊ _ｒｅｆに到達したとき、負荷トルクに応じて、モータトルクあるいはモータ電流が発生する。

図４と図５に本発明の一実施例による制御特性を示しているが、負荷トルクが無しの状態（無負荷）では、新しいトルク指令値τ^＊は零に収束し、負荷トルクが存在する状態では、新しいトルク指令値τ^＊が負荷トルク相当になることが分かる。

以上の本発明の実施例によれば、永久磁石同期電動機のベクトル制御装置において、電力変換器の出力電圧値が制限される（飽和する）付近においても、高精度、高応答なトルク制御を実現することができる。

また、安価な電流検出を行うシステムや、位置検出器を省略したシステムにおいても、共通に適用可能な永久磁石同期電動機のトルク制御装置を提供できる。

１…永久磁石同期電動機、２…電力変換器、３…電流検出器、４…位置検出器、５…周波数演算部、６…座標変換部、７…トルク指令修正演算部、８…電流指令変換部、９ａ，９ｂ，９ｃ…ベクトル制御演算部、１０…出力電圧演算部、１１…座標変換部、１２…軸誤差演算部、１３…周波数推定部、１５…電流推定部、２１…直流電源、２２…モータ＆油圧ポンプシステム、２３…インバータコントローラ、τ_０ ^＊…上位から与えられるトルク指令値、τ^＊…新しいトルク指令値、Δτ^＊…トルク指令修正値、Ｉｄ^＊…第１のｄ軸電流指令値、Ｉｄ^＊＊…第２のｄ軸電流指令値、Ｉｑ^＊…第１のｑ軸電流指令値、Ｉｑ^＊＊…第２のｑ軸電流指令値、Ｉｄｃ…ｄ軸電流検出値、Ｉｑｃ…ｄ軸電流検出値、ΔＶｄ…ｄ軸の補正電圧値、ΔＶｑ…ｑ軸の補正電圧値、Ｖ_１ ^＊ _ｒｅｆ…所定の電圧値、Ｖ_１…出力電圧値、Δθｃ…軸誤差演算値、θｃ…位相指令値、θｃ´…位相推定値、ω_１…周波数演算値、ω_１´…周波数推定値。

Claims (1)

1. 永久磁石同期電動機を駆動する電力変換器と、
   ｄ軸（磁束軸）およびｑ軸（トルク軸）の電流指令値と電流検出値の偏差により電力変換器の出力電圧値を制御し、電力変換器の出力電圧値が、所定の電圧値以下となるように積分制御を行い、トルク指令値を修正するベクトル制御装置において、
   トルク指令値τ^＊の修正は、所定の電圧値Ｖ_ｒｅｆ ^＊と電力変換器の出力電圧値Ｖ_１および周波数の演算値ω_１を用いて、下記の演算式に従い、積分ゲインＫａを自動修正することを特徴とする永久磁石同期電動機のトルク制御装置。
   

   

   

   

   ここに、τ_０ ^＊：修正前のトルク指令、Δτ ^＊ ：トルク補正量、τ^＊：修正後のトルク指令、Ｋａ：積分ゲイン、ω_１：周波数の演算値、ω_ｃ：制御応答角周波数、Ｒ ^＊ ：モータとハーネスの抵抗値、Ｌｑ：インダクタンス値、Ｓ_ｉｇｎ［τ_０ ^＊］：±１。

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