JP2005130608A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 多相交流モータに供給する相電流を簡単な構成で検出してモータトルクを制御する。
【解決手段】 インバータ３、正極母線３ａと負極母線３ｂとの間に接続されたコンデンサ２、中性点１Ｎと負極母線３ｂとの間に接続されコンデンサ２に充電される電力を蓄電した直流電源４とを備え、直流電源４から３相交流モータ１及びインバータ３を介してコンデンサ２を昇圧させると共に、コンデンサ２から３相交流モータ１の各相に供給する電流を制御する場合に、Ｕ相電流センサ５Ｕ及びＷ相電流センサ５ＷによりＵ相モータ電流ｉｕ及びＷ相モータ電流ｉｗを検出すると共に、中性点電流センサ６により直流電流である中性点電流値ｉｎを検出し、電流推定部７により、Ｕ相モータ電流ｉｕ及びＷ相モータ電流ｉｗから中性点電流ｉｎを減算してＶ相モータ電流ｉｖを求めて、インバータ３のスイッチング素子をＰＷＭ制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、トルクを発生させるための多相交流モータの動作を制御する場合に、各相電流を検出するモータ制御装置に関する。

従来より、３相交流モータの中性点と、インバータ（電力変換器）の正極母線又は負極母線とに接続された直流電源を備えるモータ制御装置が、下記の特許文献１などにて知られている。

この特許文献１に記載された動力出力装置では、３相交流モータを構成する各相コイル及びインバータのスイッチング素子からなる回路を昇降圧チョッパ回路として機能させる。これにより、動力出力装置では、直流電源の電圧を、インバータの正極母線及び負極母線に接続されたコンデンサに蓄電させる。そして、この動力出力装置では、コンデンサに充電された電力をインバータのスイッチング素子に供給すると共に、当該スイッチング素子をオンオフ駆動することにより電力変換を行って、３相交流モータを駆動する。
特開２００２−２４７８９５号公報

上述した従来の動力出力装置では、３相交流モータに供給する交流電流だけでなく、コンデンサの昇圧動作に必要とされる直流電流を３相交流モータに供給する必要がある。

しかしながら、３相交流モータに供給する交流電流の対称性が保たれている場合、すなわち３相の交流電流の和が零になる場合には、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相全てのモータ電流を検出しなくても、３相のモータ電流うち２相のモータ電流を検出すれば、残る１相のモータ電流を推定することができるが、コンデンサを昇圧させるために３相交流モータに直流電流を流す必要があり、３相交流電流の和が零とならない。

したがって、上述したように３相交流モータを介してコンデンサを蓄電し、当該コンデンサに蓄電した電力を用いて３相交流モータを駆動させる従来の技術では、３相交流モータに供給する交流電流のうち２相の交流電流を検出するだけでは、残る１相のモータ電流を推定することができない。このため、従来の技術では、３相交流モータを駆動するための交流電流を制御するためには、各相毎に電流センサが必要になる。

そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、多相交流モータに供給する全ての相電流を簡単な構成で検出することができるモータ制御装置を提供することを目的とする。

本発明に係るモータ制御装置では、３相交流モータの各相に交流電力を供給する電力変換回路と、電力変換回路の正極母線と負極母線との間に接続された蓄電手段と、３相交流モータの中性点と電力変換回路の正極母線又は負極母線との間に接続され、３相交流モータ及び電力変換回路を介して蓄電手段に充電される電力を蓄電した直流電源とを備え、電流制御手段により、蓄電手段から３相交流モータの各相に供給する電流を制御するように電力変換回路を制御して３相交流モータのトルクを制御する場合に、相電流検出手段により電力変換回路から３相交流モータの各相に供給する相電流のうち何れか２相の相電流値を検出すると共に、中性点電流検出手段により直流電源から３相交流モータの中性点に供給される中性点電流値を検出し、電流推定手段により、相電流検出手段により検出された２相の相電流値と、中性点電流検出手段により検出された中性点電流値とを用いて、相電流検出手段により検出されていない残りの１相の相電流値を推定することにより、上述の課題を解決する。

また、本発明に係る他のモータ制御装置では、３相交流モータの各相に交流電力を供給する電力変換回路と、電力変換回路の正極母線と負極母線との間に接続された蓄電手段と、３相交流モータの中性点と電力変換回路の正極母線又は負極母線との間に接続され、３相交流モータ及び電力変換回路を介して蓄電手段に充電される電力を蓄電した直流電源とを備え、電流制御手段により、蓄電手段から３相交流モータの各相に供給する電流を制御するように電力変換回路を制御して３相交流モータのトルクを制御する場合に、相電流検出手段により電力変換回路から３相交流モータの各相に供給する相電流のうち何れか２相の相電流値を検出すると共に、中性点電流検出手段により直流電源から３相交流モータの中性点に供給される中性点電流値を検出し、電流推定手段により、相電流検出手段により検出された２相の相電流値と、中性点電流検出手段により検出された中性点電流値とに基づいて、相電流検出手段により検出された各相電流に含まれる交流電流成分を推定することにより、上述の課題を解決する。

本発明に係るモータ制御装置によれば、３相交流モータに供給する相電流のうち、２相の相電流値及び中性点電流を検出して、検出していない残りの１相の相電流を推定するので、全ての相電流値を検出する必要が無く、相電流検出手段の設置点数を削減することができ、全相電流を簡単な構成で検出することができる。

また、本発明に係る他のモータ制御装置によれば、３相交流モータに供給する相電流のうち、２相の相電流値及び中性点電流を検出して、検出した相電流の交流電流成分を推定して３相交流モータに供給する各相の相電流を決定することができ、全ての相電流値を検出する必要が無く、相電流検出手段の設置点数を削減することができ、全相電流を簡単な構成で検出することができる。

以下、本発明の第１実施形態及び第２実施形態について図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
本発明は、例えば図１に示すように構成された第１実施形態に係るモータ制御装置に適用される。

［モータ制御装置の構成］
第１実施形態に係るモータ制御装置は、制御対象である３相交流モータ１を、当該３相交流モータ１の回転速度に応じて制御駆動するものである。この３相交流モータ１は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相のＵ相コイル１Ｕ、Ｖ相コイル１Ｖ及びＷ相コイル１Ｗに流れる各相の電流が制御されてトルクが制御される。本例において、３相交流モータ１は、永久磁石同期モータであって、内部埋め込み磁石構造となっているロータと、集中巻構造となっているステータとを備えたモータである。

この３相交流モータ１は、蓄電手段であるコンデンサ２からの電力が、電力変換手段であるインバータ３を介して、Ｕ相コイル１Ｕ、Ｖ相コイル１Ｖ及びＷ相コイル１Ｗに供給されることにより駆動する。また、この３相交流モータ１において、Ｕ相コイル１Ｕ、Ｖ相コイル１Ｖ及びＷ相コイル１Ｗは、中性点１Ｎに対してＹ結線されている。

コンデンサ２は、インバータ３の正極母線３ａ及び負極母線３ｂに接続され、３相交流モータ１を駆動させるための電力がインバータ３によって取り込まれる。また、直流電源４は、正極端子が中性点１Ｎと接続され、負極端子が負極母線３ｂと接続されている。

インバータ３は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相に対応した上アーム側のスイッチング素子及びダイオードが正極母線３ａに接続され、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相に対応した下アーム側のスイッチング素子及びダイオードが負極母線３ｂに接続されて構成されている。このインバータ３において、Ｕ相に対応したスイッチング素子はＵ相コイル１Ｕに接続され、Ｖ相に対応したスイッチング素子はＶ相コイル１Ｖに接続され、Ｗ相に対応したスイッチング素子はＷ相コイル１Ｗに接続されている。このようなモータ制御装置では、インバータ３を構成する各スイッチング素子が開閉制御（ＰＷＭ制御）されることにより、コンデンサ２から３相交流モータ１に供給する電力を調整する。

また、このモータ制御装置では、インバータ３のスイッチング素子と、Ｕ相コイル１Ｕ、Ｖ相コイル１Ｖ及びＷ相コイル１Ｗ（以下、総称するときには単に「モータコイル」と呼ぶ。）との動作によって、直流電源４に蓄積している電力をコンデンサ２に充電させる。ここで、３相交流モータ１、インバータ３及びコンデンサ２は、図２に示すような等価回路とみなされ、昇降圧チョッパ回路として機能する。そして、このモータ制御装置では、上下アームのスイッチング素子２１，２３を開閉動作させるデューティ比を調整することにより、直流電源４の電圧に対するコンデンサ２の電圧を昇圧して、コンデンサ２を充電させる。ここで、モータコイルには、３相交流モータ１にトルクを発生させるための交流電流に加えて、コンデンサ２を充電するための直流電源４からの直流電流が中性点１Ｎを介して供給されることになる。

このようなモータ制御装置は、外部から３相交流モータ１のトルクを制御するトルク指令が供給されて、このトルク指令のトルクを発生させるための各種演算を行って、３相交流モータ１に供給する交流電流を制御する。

トルク指令に従って３相交流モータ１を駆動制御する場合には、モータ制御装置は、Ｕ相コイル１Ｕ及びＷ相コイル１Ｗに供給しているＵ相モータ電流ｉｕ及びＷ相モータ電流ｉｗを相電流検出手段であるＵ相電流センサ５Ｕ、Ｗ相電流センサ５Ｗにより検出すると共に、中性点１Ｎを流れる中性点電流ｉｎを中性点電流検出手段である中性点電流センサ６により検出して、電流推定手段に相当する電流推定部７に送る。また、回転角センサ（ＰＳ）８により３相交流モータ１の回転角を入力することにより３相交流モータ１の回転角θｍを検出し、位相速度演算部９に送る。

位相速度演算部９は、回転角センサ８からの回転角θｍに基づいて３相交流モータ１の回転速度を計算すると共に電圧位相θｅを計算して、電圧位相θｅを示す信号を３相／ｄｑ座標変換部１０に送る。

ここで、電圧位相θｅは、ロータの位置を電気的な位相として表し、エンコーダやレゾルバなどの回転角センサ８によって検出されたロータ位置から求められる。また、 この位相速度演算部９により計算された回転速度は、ｄｐ電流制御部１１に供給するｉｄ指令値ｉｄ＊及びｉｑ指令値ｉｑ＊を求めるときに使用される。

３相／ｄｑ座標変換部１０は、３相交流座標系から見たｄｑ座標系の電圧位相θｅを入力すると共に、Ｕ相電流センサ５Ｕ及びＷ相電流センサ５ＷからのＵ相モータ電流ｉｕ及びＷ相モータ電流ｉｗ、電流推定部７からのＶ相モータ電流ｉｖを入力する。そして、３相／ｄｑ座標変換部１０では、３相交流モータ１に供給する交流電流をベクトル制御により制御する場合に、３相交流モータ１の実電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを回転直交座標系であるｄｑ座標系の実電流であるｄ軸電流値ｉｄ及びｑ軸電流値ｉｑに座標変換して、ｄｐ電流制御部１１に送る。

このとき、３相／ｄｑ座標変換部１０は、下記の式１に示すような演算を行うことにより座標変換を行う。

ここでは、各相の電流に同じ大きさの直流電流が含まれる場合には、上記式１の座標変換を行うと、ｄ軸電流値ｉｄ及びｑ軸電流値ｉｑは、直流電流の影響を受けずに各相の交流電流成分のみで決まる。

このように式１を用いて３相／ｄｑ座標変換部１０によりｄ軸電流値ｉｄ及びｑ軸電流値ｉｑを得るには、３相の電流値ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを用いる必要がある。これに対し、モータ制御装置では、３相の電流のうち、２相の電流値を検出するＵ相電流センサ５Ｕ及びＷ相電流センサ５Ｗと、中性点１Ｎと直流電源の間を流れる中性点電流ｉｎを検出する中性点電流センサ６とを用いて、３相の電流値ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを得る。このとき、電流推定部７では、Ｕ相モータ電流ｉｕとＷ相モータ電流ｉｗと中性点電流ｉｎを入力し、下記の式２なる演算を行ってＶ相モータ電流ｉｖを求める。

なお、本例では、Ｕ相モータ電流ｉｕ、Ｗ相モータ電流ｉｗ及び中性点電流ｉｎから残りの相電流であるＶ相モータ電流ｉｖを求める場合について説明したが、他の相電流を検出しない場合であっても、式２を変形することにより残りの２相の相電流及び中性点電流ｉｎに基づいて求めることができる。

ｄｐ電流制御部１１は、ｄ軸電流指令ｉｄ＊及びｑ軸電流指令ｉｑ＊が供給され、３相／ｄｑ座標変換部１０からｄ軸電流値ｉｄ及びｑ軸電流値ｉｑが供給されると、ＰＩＤ制御によって、ｄ軸電流値ｉｄをｄ軸電流指令値ｉｄ＊に一致させるためのｄ軸電圧指令値ｖｄ＊、ｑ軸電流値ｉｑをｑ軸電流指令値ｉｑ＊に一致させるためのｑ軸電圧指令値ｖｑ＊を計算して、ｄｐ／３相座標変換部１２に送る。

ｄｐ／３相座標変換部１２は、ｄ軸電圧指令値ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値ｖｑ＊が供給され、位相速度演算部９から電圧位相θｅが供給されると、電圧位相θｅに基づいてｄ軸電圧指令値ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値ｖｑ＊を、３相座標系のＵ相電圧指令値ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令値ｖｖ＊、Ｗ相電圧指令値ｖｗ＊に座標変換する。そして、Ｕ相電圧指令値ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令値ｖｖ＊及びＷ相電圧指令値ｖｗ＊は、パルス演算部１３に送られる。

パルス演算部１３は、Ｕ相電圧指令値ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令値ｖｖ＊及びＷ相電圧指令値ｖｗ＊に基づいて、インバータ３に含まれる各スイッチング素子を駆動する複数のＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を生成して、インバータ３の各スイッチング素子に出力する。なお、コンデンサ２の電圧は、Ｕ相電圧指令値ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令値ｖｖ＊及びＷ相電圧指令値ｖｗ＊に直流電圧を加えてオフセットさせることにより、調整される。

このようなモータ制御装置では、上述したようにインバータ３のスイッチング素子を駆動することにより、コンデンサ２に充電された電力をＰＷＭ制御して３相交流モータ１に供給することにより、３相交流モータ１にトルクを発生させる。また、このモータ制御装置では、ＰＷＭ制御するための相電流を３相交流モータ１に供給すると同時に、コンデンサ２の電圧を調整する直流電流を、直流電源４から３相交流モータ１及びインバータ３を介してコンデンサ２に供給させる。なお、位相速度演算部９、３相／ｄｑ座標変換部１０、ｄｐ電流制御部１１、ｄｐ／３相座標変換部１２及びパルス演算部１３は、電流制御手段として機能する。

これにより、モータ制御装置では、Ｕ相コイル１Ｕ、Ｖ相コイル１Ｖ及びＷ相コイル１Ｗとインバータ３との間にそれぞれＵ相電流、Ｖ相電流及びＷ相電流を検出する電流センサを設けた場合と同様に３相交流モータ１のトルクを制御することができる。

［第１実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本発明を適用した第１実施形態に係るモータ制御装置によれば、３相交流モータ１に供給する相電流のうち、２相の相電流値及び中性点電流ｉｎを検出して、検出していない残りの１相の相電流を推定するので、全ての相電流値を検出する必要が無く、電流センサの設置点数を削減することができ、全相電流を簡単な構成で検出することができる。

したがって、このモータ制御装置によれば、コストを削減することができる。また、このモータ制御装置によれば、インバータ３の筐体内部に相電流を検出する電流センサを設ける場合に筐体サイズを小型化することができ、例えばバッテリ電力を使用して走行する電気自動車等の搭載スペースが限定されたものに対するレイアウト上の自由度を広げることができ、搭載性を向上させることができる。

また、このモータ制御装置によれば、電気自動車においてバッテリの充放電電流制御のために、直流電源４の電流を検出する電流センサを設けることが一般的であるので、中性点電流センサ６を使用する場合であっても、既存の電気自動車等の構成に新たな構成を追加する必要が無く、中性点１Ｎに流れる電流を中性点電流ｉｎとして検出して、全相電流値を求めることができる。

更に、このモータ制御装置によれば、中性点電流ｉｎから、検出した２相の相電流を減算して、残りの１相の相電流を推定することができるので、例えばマイクロプロセッサの演算負担を大幅に増加させることなく、全相電流値を求めることができる。

［第２実施形態］
つぎに、第２実施形態に係るモータ制御装置について説明する。なお、上述の第１実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。

この第２実施形態に係るモータ制御装置は、図３に示すように、Ｕ相モータ電流ｉｕ、Ｗ相モータ電流ｉｗ、及び中性点電流ｉｎに基づいて、３相交流モータ１を駆動するためのＵ相及びＷ相の交流電流成分ｉｕ’、ｉｗ’を演算し、当該Ｕ相及びＷ相の交流電流成分ｉｕ’、ｉｗ’に基づいてｄ軸電流値ｉｄ及びｑ軸電流値ｉｑを演算することを特徴とする。

このようなモータ制御装置では、中性点電流ｉｎが中性点１Ｎで分岐してＵ相コイル１Ｕ、Ｖ相コイル１Ｖ及びＷ相コイル１Ｗに均等に流れていることを前提とし、中性点電流ｉｎの１／３の直流電流がＵ相コイル１Ｕ、Ｖ相コイル１Ｖ及びＷ相コイル１Ｗに供給されてトルクを発生させるための交流電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗにそれぞれ重畳されているものとする。

したがって、このようなモータ制御装置では、Ｖ相モータ電流ｉｖ、Ｗ相モータ電流ｉｗ及び中性点電流ｉｎを用いて、電流推定部３１により下記の式３及び式４なる演算をすることにより、Ｕ相モータ電流ｉｕ及びＷ相モータ電流ｉｗにオフセットされている直流電流値を除いたＵ相に流れる交流電流値を示すＵ相交流電流成分ｉｕ’及びＷ相に流れる交流電流値を示すＷ相交流電流成分ｉｗ’を演算する。

そして、電流推定部３１では、演算して求めたＵ相交流電流成分ｉｕ’及びＷ相交流電流成分ｉｗ’を３相／ｄｑ座標変換部３２に供給する。これに応じて、３相／ｄｑ座標変換部３２では、電圧位相θｅ、Ｕ相交流電流成分ｉｕ’及びＷ相交流電流成分ｉｗ’を用いて、下記式５なる演算を行うことによりｄｐ座標系への座標変換を行って、ｄ軸電流値ｉｄ及びｑ軸電流値ｉｑを求める。

このようなモータ制御装置によれば、Ｕ相モータ電流ｉｕ及びＷ相モータ電流ｉｗをオフセットしている直流電流値を除いた交流電流成分を求めてｄ軸電流値ｉｄ及びｑ軸電流値ｉｑを求めることができるので、第１実施形態と同様に、３相のうち２相の交流電流を検出する電流センサを設けるのみで、全相の交流電流を検出することが可能となり、電流センサの設置点数の削減、コストの削減、搭載性の向上を実現することができる。

また、このモータ制御装置によれば、第１実施形態におけるｄ軸電流値ｉｄ及びｑ軸電流値ｉｑを求める式１に代えて式５の演算を行うので、３相／ｄｑ座標変換部１０での演算量と比較して３相／ｄｑ座標変換部３２での演算量を削減することができ、更に少ない演算負荷とすることができる。

なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

すなわち、上述した一例では、３相交流モータを使用した一例について説明したが、他の多相交流モータを使用した場合であっても、本発明が適用可能であることは勿論である。

本発明を適用した第１実施形態に係るモータ制御装置の構成を示すブロック図である。 ３相交流モータ及びインバータの等価回路であって、コンデンサを昇圧させるための昇降圧チョッパ回路の回路図である。 本発明を適用した第２実施形態に係るモータ制御装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ ３相交流モータ
１Ｕ Ｕ相コイル
１Ｖ Ｖ相コイル
１Ｗ Ｗ相コイル
１Ｎ 中性点
２ コンデンサ
３ インバータ
３ａ 正極母線
３ｂ 負極母線
４ 直流電源
５Ｕ Ｕ相電流センサ
５Ｗ Ｗ相電流センサ
６ 中性点電流センサ
７，３１ 電流推定部
８ 回転角センサ
９ 位相速度演算部
１０，３２ ３相／ｄｑ座標変換部
１１ ｄｐ電流制御部
１２ ｄｐ／３相座標変換部
１３ パルス演算部
２１，２３ スイッチング素子
２２，２４ ダイオード

Claims (4)

1. ３相交流モータの各相に交流電力を供給する電力変換回路と、
   前記電力変換回路の正極母線と負極母線との間に接続された蓄電手段と、
   前記３相交流モータの中性点と前記電力変換回路の正極母線又は負極母線との間に接続され、前記３相交流モータ及び電力変換回路を介して前記蓄電手段に充電される電力を蓄電した直流電源と、
   前記電力変換回路から前記３相交流モータの各相に供給する相電流のうち、何れか２相の相電流値を検出する相電流検出手段と、
   前記直流電源から前記３相交流モータの中性点に供給される中性点電流値を検出する中性点電流検出手段と、
   前記相電流検出手段により検出された２相の相電流値と、前記中性点電流検出手段により検出された中性点電流値とを用いて、前記相電流検出手段により検出されていない残りの１相の相電流値を推定する電流推定手段と、
   前記相電流検出手段により検出された相電流値及び前記電流推定手段により推定された相電流値の３相の相電流値に基づいて、前記蓄電手段から前記３相交流モータの各相に供給する交流電流を制御するように前記電力変換回路を制御する電流制御手段と
   を備えることを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記電流推定手段は、前記中性点電流検出手段により検出された中性点電流値から、前記相電流検出手段により検出された２相の相電流値を減算して、前記相電流検出手段により検出されていない残りの１相の相電流値を推定することを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. ３相交流モータの各相に交流電力を供給する電力変換回路と、
   前記電力変換回路の正極母線と負極母線との間に接続された蓄電手段と、
   前記３相交流モータの中性点と前記電力変換回路の正極母線又は負極母線との間に接続され、前記３相交流モータ及び電力変換回路を介して前記蓄電手段に充電される電力を蓄電した直流電源と、
   前記電力変換回路から前記３相交流モータの各相に供給する相電流のうち、何れか２相の相電流値を検出する相電流検出手段と、
   前記直流電源から前記３相交流モータの中性点に供給される中性点電流値を検出する中性点電流検出手段と、
   前記相電流検出手段により検出された２相の相電流値と、前記中性点電流検出手段により検出された中性点電流値とに基づいて、前記相電流検出手段により検出された各相電流に含まれる交流電流成分を推定する電流推定手段と、
   前記電流推定手段により推定された２相の相電流の交流電流成分をｄｑ座標系に座標変換した電流値に基づいて、前記蓄電手段から前記３相交流モータの各相に供給する交流電流を制御するように前記電力変換回路を制御する電流制御手段と
   を備えることを特徴とするモータ制御装置。
4. 前記電流推定手段は、前記相電流検出手段により検出された２相の各相電流値から、前記中性点電流検出手段により検出された中性点電流値を３で除算した値を減算して、前記相電流検出手段により検出された各相電流に含まれる交流電流成分を推定することを特徴とする請求項３に記載のモータ制御装置。

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