JP3746377B2 - 交流電動機の駆動制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は交流電動機の駆動制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
交流電動機を直流電源を用いて駆動する際にはインバータを用い、パルス幅変調（ＰＷＭ）波形電圧を印加することが広く行われている。しかしながら、ＰＷＭ波形電圧を交流電動機に加えるのでは電圧利用率に限界がある。したがって、例えば高回転域で十分な高出力を得ることができないという問題がある。
【０００３】
この点、矩形波電圧を交流電動機に印加し、該交流電動機を回転駆動する技術がある。かかる技術によれば、高回転域の出力を向上させることができるとともに、その際に弱め界磁電流を多く流す必要がなくなり、銅損を低減させることができる。また、インバータでのスイッチング回数を減少させることができるため、スイッチング損失を抑えることができる。
【０００４】
こうした矩形波電圧を交流電動機に印加する制御技術は、例えば平成９年度のＪＥＶＡ電気自動車フォーラムにて「表面磁石構造ＰＭモータを用いた駆動システムの高性能制御方式」と題して開示されている。図６は、同技術を採用するモータ駆動制御システムの一例を示す図である。
【０００５】
同図においては、永久磁石同期型交流電動機であるモータ１０８にはインバータ１０６が接続されている。インバータ１０６には矩形波発生部１０４が接続されており、該矩形波発生部１０４では位相計算部１０２から供給される電圧位相ψとモータ１０８に隣接して設けられたレゾルバ１１０からの出力であるロータ角度θとに基づき、電圧位相ψを有する矩形波電圧がモータ１０８に印加されるようインバータ１０６をスイッチング制御する。
【０００６】
位相計算部１０２は図示しない電子制御装置（ＥＣＵ）にて生成されたトルク指令値Ｔが入力されるようになっており、またインバータ１０６に接続されている図示しないバッテリの電圧Ｖｄｃも入力されている。位相計算部１０２ではこれら入力値を用いてトルク指令値Ｔに応じた電圧位相ψを演算出力する。
【０００７】
すなわち、同システムの定常状態での電圧方程式は次式のように表せる。
【０００８】
【数１】
Ｖｄ＝Ｒ＊Ｉｄ−ω＊Ｌｑ＊Ｉｑ （１）
Ｖｑ＝Ｒ＊Ｉｑ＋ω＊Ｌｄ＊Ｉｄ＋ω＊Φ （２）
ここで、Ｖｄ，Ｖｑは夫々ｄ軸及びｑ軸の電圧値である。また、Ｉｄ，Ｉｑはそれぞれｄ軸及びｑ軸の電流値である。さらに、Ｌｄ，Ｌｑはｄ軸及びｑ軸のインダクタンスであり、ωはモータ１０８の角速度である。また、Φは磁束鎖交数である。
【０００９】
ここで、Ｖｄ，Ｖｑを電圧ベクトルの大きさ｜Ｖ｜とｑ軸を基準とした位相ψを用いて表すと、次式のようになる。
【００１０】
【数２】
Ｖｄ＝−｜Ｖ｜＊ｓｉｎψ （３）
Ｖｑ＝ ｜Ｖ｜＊ｃｏｓψ （４）
以下では、説明の簡単のためモータ１０８が非突極モータ（Ｌｄ＝Ｌｑ＝Ｌ）であると仮定する。しかしながら、原理的には突極モータも同様にして適用可能である。
【００１１】
まず、モータ１０８のトルクは次式のように表すことができる。
【００１２】
【数３】
Ｔ＝ｐ＊Φ＊Ｉｑ＋ｐ＊（Ｌｄ−Ｌｑ）＊Ｉｄ＊Ｉｑ （５）
ここで、Ｔはトルクを表し、ｐは極対数を表す。上式において、右辺第１項は永久磁石によるトルクを表し、右辺第２項はリラクタンストルクを表す。しかしながら、ここでは非突極モータについて説明するため第２項は０である。
【００１３】
以上の式からトルクと電圧ベクトルとの関係式を導くと次式のようになる。
【００１４】
【数４】
Ｔ＝ｐ＊Φ＊｜Ｖ｜＊ｓｉｎψ／（ω＊Ｌ） （６）
ここで、電圧ベクトルの大きさ｜Ｖ｜はバッテリ電圧Ｖｄｃを用いて次のように表すことができる。
【００１５】
【数５】
｜Ｖ｜＝（√６／π）＊Ｖｄｃ （７）
すなわち、図６に示す位相計算部１０２は、上記（６）（７）式を用いて、バッテリ電圧Ｖｄｃとトルク指令値Ｔとに基づき、電圧位相ψを算出することができる。
【００１６】
以上のようにして、図６に示す従来のモータ駆動システムによれば、モータ１０８を所望のトルクにて駆動している。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、バッテリ電圧Ｖｄｃはモータ１０８による電力消費とともに低下するものであり、また、インダクタンスＬについても高負荷時の磁気飽和により低下する。さらに、磁束鎖交数Φは磁石温度変化により変化する。したがって、上記（６）式を位相計算部１０２が計算したとしても、要求通りのトルクをモータ１０８から出力させることは困難である。
【００１９】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、交流電動機の駆動に際してトルク指令値と実出力トルクとの誤差を少なくすることのできる駆動制御装置を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、トルク指令値に対応する、ロータ角度に対する矩形波（パルス幅変調波形を除く）の位相である電圧位相を算出し、算出された電圧位相の前記矩形波電圧を印加して同期型交流電動機を回転駆動する駆動制御装置において、前記同期型交流電動機の出力トルク値を検出するトルク検出手段と、検出したトルク値と所与のトルク指令値との差を表すトルク偏差を生成する手段と、該トルク偏差に基づいて、トルク偏差を無くすよう前記同期型交流電動機に印加する前記矩形波電圧の電圧位相を設定する位相設定手段と、を含むことを特徴とする。
【００２２】
すなわち、本発明では、従来技術に係る電圧位相制御とは異なり、交流電動機の出力トルク値をフィードバックさせ、トルク偏差がなくなるよう矩形波電圧や交流電圧の位相を設定している。こうすれば、トルク指令値に応じたトルクを出力できるよう、モータ定数に基づいて電圧位相を算出する従来方法に比し、モータ定数の変動による影響を受けることなく、実出力トルクとトルク指令値とを近づけることができる。
【００２３】
また、本発明の一態様では、前記位相設定手段は、所定位相範囲内に前記矩形波電圧の位相を設定することを特徴とする。交流電動機の電圧位相−トルク曲線には極値があり、例えば非突極型の交流電動機は電圧位相が±９０°の点に電圧位相−トルク曲線の極値がある。このため、前記位相設定手段が設定する位相を無制限に行うと、トルクフィードバック制御が破綻してしまう。本態様によれば、前記位相設定手段が設定する位相を所定位相範囲内に制限しているため、制御破綻を防止することができる。また、本発明の交流電動機の駆動制御装置では、前記トルク偏差を生成する手段は、前記トルク偏差にω／（Ｖｄｃ＊ｃｏｓψ）を乗ずることで前記トルク偏差を補償する補償器を含むことが好ましい。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について図面に基づき詳細に説明する。
【００２５】
図１は、本発明の実施の形態にかかる交流電動機の駆動制御装置の全体構成を示す図である。同図において、加算器１３には図示しない電子制御装置（ＥＣＵ）で生成されたトルク指令値が入力されており、一方、該加算器１３にはトルク検出手段１４から出力されるトルク値もまた入力されている。このトルク検出手段１４はトルクセンサを用いて構成することも可能であるが、その他、次式に基づいて算出することもできる。
【００２６】
【数６】

ここで、Ｐｉｎはモータ２４に供給される電力を表す。またωはモータ２４の角速度を表す。さらに、ｉｕ，ｉｖ，ｉｗはモータ２４に供給される三相交流電流の各相の値を表し、ｖｕ，ｖｖ，ｖｗは各相の電圧を表す。
【００２７】
なお、ｖｕ，ｖｖ，ｖｗはインバータ２２に設定される電圧指令値を用いてもよいし、インバータ２２からモータ２４に供給される実際の値をセンサにより検出して用いてもよい。
【００２８】
或いは、トルク検出手段１４は次式に示すように、直流電流と直流電圧から演算することもできる。
【００２９】
【数７】

ここでＩＢ，ＶＢはインバータ２２に接続された図示しないバッテリの直流電流及び直流電圧を表している。
【００３０】
加算器１３ではＥＣＵから供給されるトルク指令値からトルク検出手段１４から供給されるトルク値を減算してトルク偏差ΔＴを生成する。そして、このトルク偏差ΔＴは補償器１２に供給される。補償器１２ではトルク偏差ΔＴに基づいて補償後のトルク偏差ΔＴ’を生成する。
【００３１】
すなわち、上記（６）式の両辺を電圧位相ψで微分し、さらに（７）式を用いて電圧振幅｜Ｖ｜を消去すると次式（１０）が得られる。
【００３２】
【数８】
ｄＴ／ｄψ＝ｐ＊Φ＊（√６／π）＊Ｖｄｃ＊ｃｏｓψ／（ω＊Ｌ）（１０）
同（１０）式から分かるように、電圧位相−トルク曲線の傾きは、バッテリ電圧Ｖｄｃとｃｏｓψに比例し、モータ２４の角速度ωに反比例する。図２は電圧位相−トルク曲線がバッテリ電圧Ｖｄｃの変化によってどのような変化を受けるかを表している。同図に示すように、バッテリ電圧Ｖｄｃが高くなると、電圧位相ψが小さくても大きなトルクＴを発揮できるようになる。そこで、補償器１２では次式（１１）に従ってトルク偏差ΔＴを用いて補償済みのトルク偏差ΔＴ’を生成している。
【００３３】
【数９】
ΔＴ’＝ω／（Ｖｄｃ＊ｃｏｓψ）＊ΔＴ （１１）
こうすれば（１０）式は次式（１２）のようになり、トルク偏差ΔＴ’と電圧位相差Δψとを比例関係を有するようにできる。この結果、良好な制御特性を得ることができる。
【００３４】
【数１０】
ｄＴ’／ｄψ＝ｐ＊Φ＊（√６／π）／Ｌ （１２）
補償器１２で生成されたトルク偏差ΔＴ’はＰＩ演算器１６に供給され、ここでトルク偏差ΔＴ’を０とするよう電圧位相ψが出力される。この電圧位相ψは次に位相リミッタ１８に入力される。位相リミッタ１８はＰＩ演算器１６から供給される電圧位相ψの値を−９０°〜＋９０°の範囲に制限するための手段である。たとえば、ＰＩ演算器１６から出力される電圧位相ψが９０°を超えている場合にはその値をクリッピングして９０°に補正した後、その値を後段の矩形波発生部２０に供給する。
【００３５】
図３は、電圧位相ψとモータ２４のトルクとの関係を表す図である。同図に示すように、電圧位相ψが−９０°〜＋９０°の範囲にある場合には電圧位相ψが増加するにつれてトルクＴも増加するが、その範囲を超えると、電圧位相ψが増加するにつれてトルクＴは減少する。したがって、位相リミッタ１８ではＰＩ演算器１６から出力される電圧位相ψを矢印２８に示す位相制御範囲内に制限している。このため、図４に示すように、電圧ベクトルの終点はｄｑ平面にて軌跡３０にのみ位置するよう制限される。こうすれば、トルクフィードバックを行う駆動制御装置１０において制御が破綻することを効果的に防止することができる。
【００３６】
そして、矩形波発生部２０では位相リミッタ１８から出力された電圧位相ψとレゾルバ２６から供給されるロータ角度θに基づき矩形波電圧を発生させるためのスイッチング信号をインバータ２２に供給する。こうして、モータ２４を電圧位相ψを有する矩形波電圧にて駆動することができる。
【００３７】
図５は、モータ２４に供給される矩形波電圧を表す図である。同図には、モータ２４に印加される三相交流電圧のうち、Ｕ相にかかる電圧波形が一例として表されている。モータ２４の巻線はスター結線されており、矩形波において最大値と最小値との差がバッテリ電圧Ｖｄｃに一致するようになっている。また、電圧位相ψは、同図において、ロータ角度θが０°であるタイミングと矩形波の立ち下がりタイミングとの差に対応している。
【００３８】
以上説明した交流電動機の駆動制御装置１０によれば、トルク検出手段１４を設けて、実出力トルクとトルク指令値との差であるトルク偏差ΔＴが０となるよう電圧位相ψを設定し、その電圧位相ψを有する矩形波電圧をモータ２４に印加するようにしたので、モータ定数が変動することによるトルク精度の悪化を防止することができる。
【００３９】
なお、以上説明した交流電動機の駆動制御装置１０は種々の変形実施が可能である。すなわち、トルク検出手段１４を設けてトルクフィードバック制御をすれば、モータ定数が変動した場合であっても、トルク指令値と実出力トルクとの差を縮めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態にかかる交流電動機の駆動制御装置の全体構成を示す図である。
【図２】 バッテリ電圧の変化により電圧位相−トルク特性が変化する様子を示す図である。
【図３】 電圧位相−トルク特性と電圧位相の制限範囲を示す図である。
【図４】 電圧ベクトルの軌跡を表す図である。
【図５】 モータに供給される電圧波形、バッテリ電圧、電圧位相の関係を示す図である。
【図６】 従来技術にかかる交流電動機の駆動制御装置の全体構成を示す図である。
【符号の説明】
１０ 駆動制御装置、１２ 補償器、１３ 加算器、１４ トルク検出手段、１６ ＰＩ演算器、１８ 位相リミッタ、２０ 矩形波発生部、２２ インバータ、２４ モータ、２６ レゾルバ。

Claims (3)

1. トルク指令値に対応する、ロータ角度に対する矩形波（パルス幅変調波形を除く）の位相である電圧位相を算出し、算出された電圧位相の前記矩形波電圧を印加して同期型交流電動機を回転駆動する駆動制御装置において、
   前記同期型交流電動機の出力トルク値を検出するトルク検出手段と、
   検出したトルク値と所与のトルク指令値との差を表すトルク偏差を生成する手段と、
   該トルク偏差に基づいて、トルク偏差を無くすよう前記同期型交流電動機に印加する前記矩形波電圧の電圧位相を設定する位相設定手段と、
   を含むことを特徴とする同期型交流電動機の駆動制御装置。
2. 請求項１に記載の同期型交流電動機の駆動制御装置において、
   前記位相設定手段は、所定位相範囲内に前記矩形波電圧の位相を設定することを特徴とする同期型交流電動機の駆動制御装置。
3. 請求項１又は２に記載の同期型交流電動機の駆動制御装置において、
   前記トルク偏差を生成する手段は、前記トルク偏差にω／（Ｖｄｃ＊ｃｏｓψ）を乗ずることで前記トルク偏差を補償する補償器を含むことを特徴とする同期型交流電動機の駆動制御装置。

Images