JP2002159192A

JP2002159192A - モータ制御方式

Info

Publication number: JP2002159192A
Application number: JP2000351804A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Moriya; 英朗守屋; Kenji Inoue; 堅治井上
Original assignee: Shinko Electric Co Ltd
Current assignee: Shinko Electric Co Ltd
Priority date: 2000-11-17
Filing date: 2000-11-17
Publication date: 2002-05-31
Anticipated expiration: 2020-11-17
Also published as: JP4556322B2

Abstract

(57)【要約】【課題】演算装置への負担が少なく、安定した制御が
可能になるモータ制御方式を提供する。【解決手段】前記入力トルク指令（Ｔ）及び前記速度
検出値（ω）を正規化する正規化手段（１１）と、正規
化ｑ軸電流指令値（ｉ_q*）及び正規化ｄ軸電流指令値
（ｉ_dt ^* _,ｉ_dw ^*）を実スケールに変換するスケール変
換手段（１３）との間に、正規化入力トルク指令値（Ｔ
^*）及び正規化速度検出値（ω^*）から、予め演算した
テーブル（３０，３２，３３）に基づき、正規化ｑ軸電
流指令値（ｉ _q ^*）及び正規化ｄ軸電流指令値（ｉ_dt ^*
_,ｉ_dw ^*）を出力する正規化トルク指令手段（１２）を
設ける構成にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、埋込磁石型同期電
動機（以下、ＩＰＭモータという）のモータ制御方式に
関し、特に制御演算負荷量が少ないものに関する。

【０００２】

【従来の技術】電動車両に用いられるモータは、直流モ
ータに代わり、ＡＣモータが用いられるようになってい
る。近年、電動車両の省エネルギー化の要請により、モ
ータ自身の高効率化のニーズが高まっている。この条件
を満足するモータとしてＩＰＭモータの使用が検討され
るようになった。

【０００３】ＩＰＭモータは、ロータコア内を極数に応
じて切り欠き、その空間に永久磁石を埋め込んだロータ
を使用する。このＩＰＭモータは、一般の永久磁石同期
電動機（以下ＳＰＭモータという）と同様に永久磁石が
発生する磁界を利用するため、誘導電動機のようなＡＣ
モータに比べ、高効率である。その結果、省エネルギー
を指向したモータとして位置づけられている。また、Ｓ
ＰＭモータに比べ、磁石がロータコア内に埋設されてい
るため、遠心力強度が増し、また、弱め磁束制御が可能
なため高速運転が可能なため、高速電動機用途に適して
いる。更に、リラクタンストルクも利用できるため、更
なる効率アップが可能となる。

【０００４】このような優れた特徴を持つＩＰＭモータ
であるが、高効率でかつ安定に駆動するためには、モー
タ駆動制御が難しかったため、従来は使用されなかっ
た。しかし、近年のマイクロプロセッサなどのデジタル
演算素子の高速化によって、ＩＰＭモータの使用が実用
化のレベルになった。

【０００５】ＩＰＭモータの駆動方式の例として、Ｔ．
ＩＥＥＪａｐａｎ，Ｖｏｌ．１１２−Ｄ，Ｎｏ．
３，’９２の２９２〜２９８頁に開示のような最適制御
方式が提案されている。この最適制御方式は、従来の制
御ブロックに対して、トルク指令（ｉｑ）と検出速度
（ω）からｄ軸電流指令（ｉｄ）を作成するｉｄブロッ
クを挿入したものである。このｉｄブロックは、ＩＰＭ
モータを効率的に動作させるために最適なｄ軸電流を計
算する。具体的には、モータ誘起電圧が制御範囲にある
場合は、最大トルク制御方式により、制御範囲外の場合
は、弱め磁束制御方式によりｄ軸の電流指令を算出して
いる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、（１）
最大トルク制御と弱め磁束制御を不連続的に切り替え制
御しているため、境界領域でチャタリングが生じる恐れ
がある。また、（２）実機と制御装置間のパラメータ
（定数）誤差に対して、境界領域付近で不安定動作が発
生する恐れがある。とくに、（３）ｉｄブロックにおけ
る電圧計算の繰り返し演算による演算装置（ＣＰＵ）の
負担が大きい。さらに、（４）内部演算軽減化のために
関数テーブルを使用する場合が多いが、この場合モータ
定数が変更されるたびに関数テーブルも変更しなければ
ならず、手間がかかるという問題がある。

【０００７】前記（１）又は（２）の問題を解決するた
め、電圧指令を逐次監視し、ｄ軸電流を操作する電圧フ
ィードバック方式の駆動装置が考えられる。しかし、電
圧フィードバックにて出力電圧を制限するため、加減速
時、電流制御系の電流指令が飽和するため、モータ速度
の高低にかかわらず電圧制御系が動作し、ｄ軸電流を操
作するため、モータトルク出力に不要な過渡現象を生じ
てしまう問題点や、リアルタイムな制御が必要になり、
演算装置への負担が大きくなるという問題点が残る。

【０００８】本発明は前記の問題点に鑑みてなされたも
のであって、その目的は、演算装置への負担が少なく、
安定した制御が可能になるモータ制御方式を提供するこ
とにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する請求
項１に記載のモータ制御方式は、入力トルク指令（Ｔ）
及び速度検出値（ω）から電流指令値（ｉ_q,ｉ_d）を出
力するモータ制御方式であって、前記入力トルク指令
（Ｔ）及び前記速度検出値（ω）を正規化する正規化手
段（１１）と、正規化入力トルク指令値（Ｔ^*）及び正
規化速度検出値（ω^*）から、予め演算したテーブル
（３０，３２，３３）に基づき、正規化ｑ軸電流指令値
（ｉ_q ^*）及び正規化ｄ軸電流指令値（ｉ
_dt ^* _,ｉ_dw ^*）を出力する正規化トルク指令手段（１
２）と、正規化ｑ軸電流指令値（ｉ_q*）及び正規化ｄ軸
電流指令値（ｉ_dt ^* _,ｉ_dw ^*）を実スケールに変換する
スケール変換手段（１３）と、を備えてなる。

【００１０】この請求項１の構成によると、正規化トル
ク指令手段（１２）の前後に正規化手段（１１）とスケ
ール変換手段（１３）とを有するため、モータが変わっ
てもパラメータを変える必要がなく、コア部分は共通化
できる。また、正規化トルク指令手段（１２）は、正規
化入力トルク指令値及び正規化速度検出値から、予め演
算したテーブル（３０，３２，３３）に基づき、正規化
ｑ軸電流指令値（ｉ_q ^*）及び正規化ｄ軸電流指令値
（ｉ_dt ^* _,ｉ_dw ^*）を出力するため、収束演算なしに適
切なｑ軸電流指令及びｄ軸電流指令を求めることができ
る。

【００１１】請求項２に記載のモータ制御方式は、請求
項１において、前記正規化トルク指令手段（１２）は、
正規化速度検出値（ω^*）からクランプテーブル（３
０）によりクランプ値（Ｔ^* _clmp）を算出し、正規化ト
ルク指令値（Ｔ^*）をクランプ後出力（Ｔ^* _c）とする
トルククランプ手段（２５）と、クランプ後出力（Ｔ^*
_c）から、予め演算した二つのテーブル（３２，３３）
から正規化ｑ軸電流指令値（ｉ_q ^*）及び第１正規化ｄ
軸電流指令値（ｉ_dt ^*）を出力する最大トルク制御手段
（２６）と、正規化速度検出値（ω^*）に基づき誘起電
圧補償を行って第２正規化ｄ軸電流指令値（ｉ_dw ^*）を
出力する誘起電圧補償手段（２７）と、からなる。

【００１２】この請求項２の構成によると、トルク指令
及びｄ軸，ｑ軸電流指令を正規化することにより、関数
テーブルをモータと無関係に一定値化できるテーブル
（３０，３２，３３）から、瞬時に演算することができ
る。また、誘起電圧補償部は、高回転領域において、誘
起電圧が、インバータ電源電圧を越えることによって起
こる制御不能な電力回生を防止する機能と同時に、高回
転域におけるリラクタンストルクの出力レベルを調整す
る機能を合わせもっている。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
に従って説明する。図１は、本発明の実施形態に係るモ
ータ制御方式の回路構成と演算手順を示すブロック図で
あり、図２は、ＩＰＭモータの構成を示す概略図であ
る。

【００１４】まず、図２により、ＩＰＭモータ１０１の
構成を説明する。このＩＰＭモータ１０１は、ロータ１
０２とステータ１０３とからなる。ロータ１０２は、コ
ア内を極数（図示例では２極）に応じて切り欠き、その
空隙に永久磁石１０４を埋め込んだものである。ステー
タ１０３は、通常の同期モータと同様に、三相交流を与
えると、時間の変化と共に電流が流れ、回転磁界を発生
させる固定コイル（Ｕ，Ｖ，Ｗ）を有する。

【００１５】永久磁石１０４をロータ１０２に埋め込む
ことにより、磁気特性が大きく変化する。ここで、挿入
された永久磁石のＳ極からＮ極に向かう軸をｄ軸（ｄｉ
ｒｅｃｔａｘｉｓ）、そこから電気角で９０度ずらし
た方向にｑ軸（ｑｕａｒｄｒａｔｕｔｅａｘｉｓ）を
定義する。ｄ軸磁気回路を通る磁束は磁石のロータ１０
２とステータ１０３の間の空隙に加えて二つの磁石１０
４の厚みを交差しなければならない。磁石１０４の透磁
率は、ほぼ真空の透磁率であるため、ｄ軸上の磁石１０
４の厚みの分の空隙があるものとみなせる。一方、ｑ軸
は磁石１０４の空隙を通過することがないため、ステー
タ１０３の相インダクタンスはロータ１０２のｑ軸方向
で著しく高くなる。そのため、突極性も通常の同期モー
タとは逆の逆突極性となる。このＩＰＭモータ１０１
は、ｄ軸電流とｑ軸電流による電流制御によって駆動さ
れる。

【００１６】図１により、このようなＩＰＭモータ１０
１の制御回路構成を説明する。制御装置１は、フィード
バックセンサに接続された速度検出部２と、この速度検
出部２からの速度ＦＢ検出値又は速度検出値（ω）と、
速度指令値（ωｒ）との差分に基づいて入力トルク指令
値（Ｔ）を出力するＰＩ補償部３と、速度検出部２から
の速度ＦＢ検出値（ω）とＰＩ補償部３からのＰＩ出力
値（Ｔ）の入力を受け、ｑ軸電流指令値（ｉ_q）とｄ軸
電流指令値（ｉ_d）を出力するトルク指令算出部４と、
トルク指令算出部４からのｑ軸電流指令値（ｉ_q）とｄ
軸電流指令値（ｉ_d）を受けて、図示されないＩＰＭモ
ータ１０１に対する電流制御を行う電流制御部５とを備
えて構成される。速度検出部２及びＰＩ補償部３は、速
度指令値（ωｒ）からＰＩ出力値（Ｔ）及び速度ＦＢ検
出値（ω）を出力する速度制御部６を構成する。

【００１７】トルク指令算出部４は、速度制御部６から
のＰＩ出力値（Ｔ）と速度ＦＢ検出値（ω）に基づい
て、ｑ軸電流指令値（ｉ_q）とｄ軸電流指令値（ｉ_d）
を演算処理するソフトウェアで構成されており、正規化
変換部１１と、正規化トルク指令算出部１２と、スケー
ル変換部１３とからなる。

【００１８】正規化変換部１１は、ＰＩ出力値（Ｔ）と
速度ＦＢ検出値（ω）を正規化トルク指令演算部１２の
スケールに正規化する部分であり、トルク正規化部２１
と速度正規化部２２とを備える。トルク正規化部２１と
速度正規化部２２は、ＰＩ出力値即ち入力トルク指令
（Ｔ）と速度ＦＢ検出値即ち速度検出値（ω）を正規化
する正規化手段を構成する。トルク正規化部２１は、下
記の式１〜５に基づいて正規化を行う。

【００１９】

【数１】

【００２０】速度正規化部２２は、下記の式６〜１０に
基づいて正規化を行う。

【００２１】

【数２】

【００２２】正規化トルク指令算出部（正規化トルク指
令算出手段）１２は、モータのパラメータに依存するこ
と無く、正規化されたトルクを演算する部分であり、ト
ルククランプ部（トクルクランプ手段）２５と、最大ト
ルク制御部（最大トルク制御手段）２６と、誘起電圧補
償部（誘起電圧補償手段）２７を備えてなる。

【００２３】トルククランプ部２５は、モータ出力のパ
ワーコントロール制限を行う部分であり、速度フィード
バック正規化値又は正規化速度検出値（ω^*）に基づき
トルクコントロール領域かパワーコントロール領域のど
ちらにあるかを区別するクランプテーブル（ｔａｂｌｅ
３）３０と、トルクを絞るトルククランプ部３１とを有
する。演算負担をかけずに、クランプテーブル３１によ
り瞬時にクランプ値（Ｔ_clmp ^*）を算出し、トルク指令
正規化値又は正規化入力トルク指令値（Ｔ^*）をこの算
出結果によりクランプ後出力（Ｔ_c ^*）する。

【００２４】最大トルク制御部２６は、予め演算したテ
ーブル（ｔａｂｌｅ１）３２及びテーブル（ｔａｂｌｅ
２）３３を有し、入力トルク指令（Ｔ_c ^*）から正規化
ｑ軸電流指令値（ｉ_q ^*）と第１正規化ｄ軸電流指令値
（ｉ_{d t} ^*）とを出力する。テーブル（ｔａｂｌｅ１）
３２は、下記の式１１を予め演算したテーブルを有す
る。テーブル（ｔａｂｌｅ２）３３は、下記の式１２を
予め演算したテーブルを有する。

【００２５】

【数３】

【００２６】誘起電圧補償部２７は、速度フィードバッ
ク正規化値（ω^*）から、下記の式１３に基づき、第２
正規化ｄ軸電流指令値（ｉ_{d w} ^*）を出力する。

【００２７】

【数４】

【００２８】スケール変換部（スケール変換手段）１３
は、最大トルク制御部２６からの正規化ｑ軸電流指令値
（ｉ_q ^*）を下記の式１４に基づいて実スケールに変換
するスケール変換部３５と、最大トルク制御部２６から
の第１正規化ｄ軸電流指令値（ｉ_{d t} ^*）を下記の式１
５に基づいて実スケールに変換するスケール変換部３６
と、最大トルク制御部２６からの第２正規化ｄ軸電流指
令値（ｉ_{d w} ^*）を下記の式１６に基づいて実スケール
に変換するスケール変換部３７とを有する。

【００２９】

【数５】

【００３０】トルク指令算出部４は、第１ｄ軸電流指令
値（ｉ_{d t}）と第２正規化ｄ軸電流指令値（ｉ_{d w}）と
を加算し、ｄ軸電流指令値（ｉ_d）とする加算部１４を
有する。電流制御部５に、スケール変換部３５からのｑ
軸電流指令値（ｉ_q）と加算部１４からのｄ軸電流指令
値（ｉ_d）とが出力される。

【００３１】以上説明した構造の駆動装置１は、速度制
御部６と電流制御部５の間に、ソフトウェア構成のトル
ク指令算出部４を挿入する構成である。このトルク指令
算出部４は、速度制御部６のＰＩ出力値（Ｔ）と速度Ｆ
Ｂ検出値（ω）から、ｑ軸電流指令値（ｉ_q）とｄ軸電
流指令値（ｉ_d）を出力する。トルク指令算出部４の特
に正規化トルク指令算出部１２は、クランプテーブル
（ｔａｂｌｅ３）３０、テーブル（ｔａｂｌｅ１）３２
及びテーブル（ｔａｂｌｅ２）３３から、収束演算させ
ることなしに最適なｑ軸電流指令値（ｉ_q ^*）と第１ｄ
軸電流指令値（ｉ _dt ^*）とを求めることができる。

【００３２】また、正規化トルク指令算出部１２は誘起
電圧補償部２７を有する構成である。誘起電圧補償部
は、高回転領域において、誘起電圧が、インバータ電源
電圧を越えることによって起こる制御不能な電力回生を
防止する機能と同時に、高回転域におけるリラクタンス
トルクの出力レベルを調整する機能を合わせもってい
る。図１のＫｄは、リラクタンストルクの出力レベルを
調整するためのゲインで、通常は１である。またＫｔ
は、モータ出力トルクレベルを調整するためのゲインで
通常は１である。

【００３３】この実施形態の駆動装置１は以下の効果を
奏する。（１）正規化トルク指令算出部１２はテーブル手段のみ
で構成されるため、演算装置への負荷が小さくなる。演
算量が減ったため、ＤＳＰ等の高価なプロセッサを使用
すること無しにＩＰＭモータを駆動することが可能にな
る。（２）正規化トルク指令算出部１２は誘起電圧補償部２
７において、フィードフォワード的に誘起電圧補償をし
ているため、ｄ軸電流やモータトルク出力に不要な過渡
現象が生じず、安定な制御が可能となる。（３）正規化トルク指令算出部１２は不連続な制御切り
替えを有しない構成であるため、チャタリングが生じな
い。（４）正規化トルク指令算出部１２は、モータ定数に基
づく厳密な計算やフィードバック的なトルク制御をして
いないため、パラメータ誤差に対して、ロバストであ
る。（５）トルク指令及び、ｄ軸，ｑ軸の電流指令を正規化
しているため、テーブル関数をモータ定数とは無関係に
一定化できる。モータ定数変更への対応は、正規化定数
を変えることにより対処している。

【００３４】なお、本実施形態において、正規化トルク
指令算出部１２からの第１ｄ軸電流指令値（ｉ_dt ^*）と
第２ｄ軸電流指令値（ｉ_dw ^*）を合算し、その後で実ス
ケールに変換する構成を採用するものであってもよい。

【００３５】また、本実施形態の駆動装置１は、ＩＰＭ
モータを使用する種々の機器に適用できるが、特に電動
フォークリフトなどの、電動車両の走行用駆動装置とし
ての用途に適している。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１〜２に記
載のモータ制御方式は、種々の最適計算が不要になるた
め、演算装置への負担が小さくなり、高価なプロセッサ
を使用すること無しに簡便にＩＰＭモータを駆動するこ
とが可能になるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係るモータ制御方式の回路
構成と演算手順を示すブロック図である。

【図２】ＩＰＭモータの構成を示す概略図である。

【符号の説明】

１制御装置５電流制御部６速度制御部１１正規化変換部（正規化手段）１２正規化トルク指令算出部（正規化トルク指令手
段）１３スケール変換部（スケール変換手段）２５トルククランプ部（トルククランプ手段）２６最大トルク制御部（最大トルク制御手段）２７誘起電圧補償部（誘起電圧補償手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5H560 AA08 BB04 BB17 RR06 SS01 TT11 TT15 XA04 XA13 5H576 AA15 CC01 DD02 DD07 EE01 GG02 JJ03 JJ04 JJ17 JJ24 JJ25 JJ28

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入力トルク指令（Ｔ）及び速度検出値
（ω）から電流指令値（ｉ_q,ｉ_d）を出力するモータ制
御方式であって、前記入力トルク指令（Ｔ）及び前記速度検出値（ω）を
正規化する正規化手段（１１）と、正規化入力トルク指令値（Ｔ^*）及び正規化速度検出値
（ω^*）から、予め演算したテーブル（３０，３２，３
３）に基づき、正規化ｑ軸電流指令値（ｉ_q ^*）及び正
規化ｄ軸電流指令値（ｉ_dt ^* _,ｉ_dw ^*）を出力する正規
化トルク指令手段（１２）と、正規化ｑ軸電流指令値（ｉ_q*）及び正規化ｄ軸電流指令
値（ｉ_dt ^* _,ｉ_dw ^*）を実スケールに正規化するスケー
ル変換手段（１３）と、を備えてなるモータ制御方式。
【請求項２】前記正規化トルク指令手段（１２）は、正規化速度検出値（ω^*）からクランプテーブル（３
０）によりクランプ値（Ｔ^* _clmp）を算出し、正規化ト
ルク指令値（Ｔ^*）をクランプ後出力（Ｔ^* _c）するト
ルククランプ手段（２５）と、クランプ後出力（Ｔ^* _c）から、予め演算した二つのテ
ーブル（３２，３３）から正規化ｑ軸電流指令値（ｉ_q
^*）及び第１正規化ｄ軸電流指令値（ｉ_dt ^*）を出力す
る最大トルク制御手段（２６）と、正規化速度検出値（ω^*）に基づき誘起電圧補償を行っ
て第２正規化ｄ軸電流指令値（ｉ_dw ^*）を出力する誘起
電圧補償手段（２７）と、からなる請求項１に記載のモ
ータ制御方式。