JP2005137052A - モータ制御装置及びモータ制御方法 - Google Patents

モータ制御装置及びモータ制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】モータの駆動効率を悪化させることなくインバータ損失を低減し、インバータの小型化,高効率化を実現する。
【解決手段】インバータ供給電圧演算手段10,電圧変換手段11,及びバッテリ12により構成されるインバータ供給電圧生成手段が、モータ印加電圧Vu_pwm,Vv_pwm,Vw_pwmに同期させてインバータ供給電圧Vdcを変化させる。これにより、PWMインバータ13のスイッチング動作の自由度が増すので、IPMモータ14の駆動効率を悪化させることなくPWMインバータ13の損失を低減し、PWMインバータ13の小型化,高効率化を実現することができる。
【選択図】図1

Description

本発明は、モータに電圧を印加するインバータの直流入力電圧を制御することによってモータの出力を制御するモータ制御装置及びモータ制御方法に関し、より詳しくは、モータの駆動効率を悪化させることなくインバータ損失を低減し、インバータの小型化,高効率化を実現する技術に係わる。
従来より、モータの駆動状態に応じて、インバータの直流入力電圧を一定の電圧に保った状態でPWM(Pulse Wide Modulation;パルス幅変調)制御する領域と、インバータの直流入力電圧を昇圧回路により変化させながらPAM(Pulse Amplitude Modulation;パルス振幅変調)制御する領域とを切り換えることにより、モータの回転速度を制御するモータ制御装置が知られている(例えば、特許文献1を参照)。そして、このようなモータ制御装置によれば、モータを運転状況に応じて最適の条件で駆動すると共に、振動が少ない運転を効率良く行うことができる。
特開2001−314095号公報(段落[0036],図4)
しかしながら、インバータの直流入力電圧を一定の電圧に保った状態でPWM制御を行う場合には、モータのリップル電流を小さくするために、インバータのスイッチング周波数を高くしなければならないので、インバータ損失内でスイッチング損失が占める割合が大きくなる。また、PWM制御に伴いインバータの直流母線に現れるリップル電流が大きくなる。
一方、インバータの直流入力電圧を昇圧回路により変化させながらPAM制御を行う場合には、インバータのスイッチング周波数は低く抑えられるが、モータのリップル電流が増加し、PWM制御と比較して電流制御の応答性が悪くなる。また、モータによっては駆動効率が悪化するものもある。
このような技術的背景から、従来までのモータ制御装置の構成によれば、モータの駆動効率を悪化させることなくインバータ損失を低減し、インバータの小型化,高効率化を実現することが困難であった。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、モータの駆動効率を悪化させることなくインバータ損失を低減し、インバータの小型化,高効率化を実現するモータ制御装置及びモータ制御方法を提供することにある。
上述の課題を解決するために、本発明に係るモータ制御装置の特徴は、モータに電圧を印加するインバータの直流入力電圧を制御することによりモータの出力を制御するモータ制御装置であって、インバータの出力電圧に同期して直流入力電圧を変化させる手段を備えることにある。また、上述の課題を解決するために、本発明に係るモータ制御方法の特徴は、モータに電圧を印加するインバータの直流入力電圧を制御することによりモータの出力を制御するモータ制御方法であって、インバータの出力電圧に同期して直流入力電圧を変化させるステップを有することにある。
本発明に係るモータ制御装置及びモータ制御方法によれば、インバータの出力電圧に同期してインバータの直流入力電圧を変化させることにより、インバータのスイッチング動作の自由度が広げるので、モータの駆動効率を悪化させることなくインバータ損失を低減し、インバータの小型化,高効率化を実現することができる。
本発明に係るモータ制御装置は、図1に示すような、埋め込み磁石モータ(IPMモータ)のベクトル制御システムに適用することができる。なお、このIPM(Interior Permanent Magnet)モータとは、駆動軸に取り付けられ回転するロータの中に、コイルではなく永久磁石が埋め込まれた交流モータであり、例えば電動車両の動力源として利用することができる。以下、図面を参照して、本発明の第1〜第3の実施形態となるベクトル制御システムの構成及び動作について説明する。
始めに、図1〜図5を参照して、本発明の第1の実施形態となるベクトル制御システムの構成及び動作について説明する。
〔ベクトル制御システムの構成〕
本発明の第1の実施形態となるベクトル制御システムは、図1に示すように、トルク制御手段1により構成されるトルク制御系と、電流制御手段2,非干渉制御手段3,加算器4,dq/3相変換手段5,電源利用率最大化手段6,規格化電圧指令生成手段7,電流検出手段8,及び3相/dq変換手段9により構成される電流制御系と、インバータ供給電圧演算手段10,電圧変換手段11,及びバッテリ12により構成されるインバータ供給電圧生成手段と、PWMインバータ13,IPMモータ14,及びモータ回転角度検出手段(PS)15と、位相・速度計算手段16とを備える。
上記トルク制御手段1は、トルク指令Te*と位相・速度計算手段16から入力されるモータ回転速度ωeとに基づいて、IPMモータ14のd軸電流指令値id*とq軸電流指令値iq*を生成し、生成した電流指令値id*,iq*を電流制御手段2と非干渉制御手段3に入力する。
上記電流制御手段2は、d軸とq軸の実電流id,iqをそれぞれd軸電流指令値id*及びq軸電流指令値iq*に一致させるようにPI(比例・積分)演算を行うことにより、d軸とq軸の電圧指令値vd*,vq*を生成し、生成した電圧指令値vd*,vq*を加算器4に入力する。
上記非干渉制御手段3は、トルク制御手段1から入力された電流指令値id*,iq*を利用して、d軸とq軸の干渉項を補償するために用いる電圧成分である、d軸補償電圧vd_cmpとq軸補償電圧vq_cmpを算出し、算出した補償電圧vd_cmp,vq_cmpを加算器4に入力する。
上記加算器4は、電流制御手段2及び非干渉制御手段3から入力される電圧指令値vd*,vq*と補償電圧vd_cmp,vq_cmpとを加算することにより、d軸とq軸の電圧指令値vdo*,vqo*を算出し、算出した電圧指令値vdo*,vqo*をdq/3相変換手段5に入力する。
上記dq/3相変換手段5は、位相・速度計算手段16から入力される3相交流座標系から見たdq座標系の位相θeに基づいて、加算器4から入力された電圧指令値vdo*,vqo*を相電圧指令値vu_tmp*,vv_tmp*,vw_tmp*に変換し、相電圧指令値vu_tmp*,vv_tmp*,vw_tmp*を電源利用率最大化手段6に入力する。
上記電源利用率最大化手段6は、所定のインバータ供給電圧Vdcに対しIPMモータ14に印加する電圧を最大にするための処理を相電圧指令値vu_tmp*,vv_tmp*,vw_tmp*に対し行うことにより、相電圧指令値vu*,vv*,vw*を生成し、生成した相電圧指令値vu*,vv*,vw*を規格化電圧指令生成手段7とインバータ供給電圧演算手段10に入力する。
上記規格化電圧指令生成手段7は、電源利用率最大化手段6及びインバータ供給電圧演算手段10から入力された相電圧指令値vu*,vv*,vw*及びインバータ供給電圧指令値Vdc*を利用して、PWMインバータ13のU相,V相,W相のH(ハイ)レベル出力時間に相当する信号mu*,mv*,mw*を生成し、生成した信号mu*,mv*,mw*をPWMインバータ13に入力する。
上記電流検出手段8は、IPMモータ14のU相とV相の実電流iu,ivを検出し、検出した実電流iu,ivを3相/dq変換手段9に入力する。上記3相/dq変換手段9は、位相・速度計算手段16から入力される3相交流座標系から見たdq座標系の位相θeに基づいて、IPMモータ14の実電流iu,iv,iw(=−iu−iv)をd軸とq軸の実電流id,iqに変換し、実電流id,iqを電流制御手段2に入力する。
上記インバータ供給電圧演算手段10は、電源利用率最大化手段6から入力された相電圧指令値vu*,vv*,vw*に基づいて、IPMモータ14に印加する電圧を生成するのに最適なインバータ供給電圧Vdcの指令値Vdc*を生成し、生成したインバータ供給電圧指令値Vdc*を規格化電圧指令生成手段7と電圧変換手段11に入力する。なお、インバータ供給電圧指令値Vdc*の具体的な生成方法については後述する。
上記電圧変換手段11は、インバータ供給電圧演算手段10から入力されたインバータ供給電圧指令値Vdc*に一致するようにバッテリ電圧12からインバータ供給電圧Vdcを生成し、図2に示すように、生成したインバータ供給電圧VdcをPWMインバータ13に入力する。上記バッテリ電圧12は、図2に示すように、上記電圧変換手段11に一定電圧Vbを印加する。
上記PWMインバータ13は、規格化電圧指令手段7から入力された信号mu*,mv*,mw*に従って、電圧変換手段11から入力されるインバータ供給電圧(直流入力電圧)Vdcに対してPWM制御を行ってモータ印加電圧Vu_pwm,Vv_pwm,Vw_pwmを生成し、生成したモータ印加電圧(出力電圧)Vu_pwm,Vv_pwm,Vw_pwmをIPMモータ14に印加する。
なお、この実施形態では、PWMインバータ13は、図2に示すように、平滑用のコンデンサ17と、U相,V相,W相のハーフブリッジ回路18,19,20とを備え、各ハーフブリッジ回路は、上段(正極側)及び下段(負極側)のスイッチング素子18a,b、19a,b、20a,bを有する。そして、PWMインバータ13は、各ハーフブリッジ回路のスイッチング素子のオン/オフを切り換えることにより、モータ印加電圧Vu_pwm,Vv_pwm,Vw_pwmを制御することができるように構成されている。
上記IPMモータ14は、PWMインバータ13から入力されたモータ印加電圧Vu_pwm,Vv_pwm,Vw_pwmを利用して駆動する。上記モータ回転角度検出手段(PS)15は、IPMモータ14の回転角度θmを検出し、検出した回転角度θmを位相・速度計算手段16に入力する。上記位相・速度計算手段16は、モータ回転角度検出手段15から入力された回転角度θmに基づいて、回転速度ωeと3相交流座標系から見たdq座標系の位相θeを演算し、演算結果をトルク制御手段1,非干渉制御手段3,dq/3相変換手段5,及び3相/dq変換手段9に入力する。
〔インバータ供給電圧生成手段の動作〕
このような構成を有するベクトル制御システムでは、IPMモータ14の出力トルクを制御する際、インバータ供給電圧生成手段及びPWMインバータ13が以下に示すように動作することにより、PWMインバータ13のスイッチング回数を減らすと同時に、PWMインバータ13の直流母線(以下、DC電流と表記)に現れるリップル電流を小さくする。以下、図3〜図5を参照して、IPMモータ14の出力トルクを制御する際のインバータ供給電圧生成手段及びPWMインバータ13の動作について説明する。
図3は、(b)相電圧指令値vu*,vv*,vw*に応じて(a)インバータ供給電圧指令Vdc*が変化する様子を示すシミュレーション波形図である。なお、以下の説明では、図中の時刻taにおけるインバータ供給電圧生成手段及びPWMインバータ13の動作についてのみ説明するが、インバータ供給電圧生成手段及びPWMインバータ13はその他の時間においても同様に動作するものとする。
図3(b)に示すように、時刻taでは、相電圧指令値vu*,vv*,vw*は、U相電圧指令値vu*,V相電圧指令値vv*,W相電圧指令値vw*の順に大きくなるので、インバータ供給電圧演算手段10は、最も大きい相電圧指令値(以下、最大値と表記),2番目に大きい相電圧指令値,及び最も小さい相電圧指令値(以下、最小値と表記)を順にv3max,v3n,及びv3minとして、最大値v3maxと最小値v3minの差、すなわち、v3max−v3minをインバータ供給電圧指令値Vdc*として規格化電圧指令生成手段7及び電圧変換手段11に入力する。そして、インバータ供給電圧指令値Vdc*に対応するインバータ供給電圧Vdcが電圧変換手段11から入力されるのに応じて、PWMインバータ13は、最大値及び最小値に対応する相以外の相、すなわち、2番目に大きい相電圧指令値に対応する相のハーフブリッジ回路(時刻taでは、V相に対応するハーフブリッジ回路19)のスイッチング素子をオン/オフ制御することにより、モータ印加電圧Vu_pwm,Vv_pwm,Vw_pwmを生成する。
ここで、図4を参照して、PWMインバータ13の動作についてさらに詳しく説明する。図4は、(a)インバータ供給電圧Vdcに応じて、(b)U相電圧指令値vu*,(c)U相のスイッチング素子のオン/オフ制御,及び(d)U相の出力電圧vu_pwmが変化する様子を示すシミュレーション波形図である。
いま、インバータ供給電圧演算手段10は、v3max−v3minをインバータ供給電圧指令値Vdc*として入力しているので、U相の相電圧指令値vu*が3相の中で最大の場合、U相のスイッチング素子はオン状態を継続し、U相の相電圧指令値vu*が3相の中で最小の場合には、U相のスイッチング素子はオフ状態を継続する。一方、U相の相電圧指令値vu*が最大,最小でない(=2番目に大きい)場合は、インバータ供給電圧演算手段10は、U相のスイッチング素子のオン/オフを制御することにより、インバータ供給電圧指令値vu*に対応する電圧を生成する。このような動作方法によれば、PWMインバータ13の各相では、従来までの方法と比べると、スイッチング回数を1/3に減らすことができる。また、図5に示すように、IPMモータ14にモータ印加電圧Vu_pwm,Vv_pwm,Vw_pwmを印加する際にDCリンク電流(図2に示す電流idc)に現れるリップル電流が、従来技術と比較して、非常に小さくなる。
以上の説明から明らかなように、本発明の第1の実施形態となるベクトル制御システムでは、インバータ供給電圧生成手段が、モータ印加電圧Vu_pwm,Vv_pwm,Vw_pwmに同期させてインバータ供給電圧Vdcを変化させる。そして、このような構成によれば、PWMインバータ13のスイッチング動作の自由度が増すので、IPMモータ14の駆動効率を悪化させることなくPWMインバータ13の損失を低減し、PWMインバータ13の小型化,高効率化を実現することができる。
また、本発明の第1の実施形態となるベクトル制御システムでは、インバータ供給電圧生成手段が、モータ印加電圧Vu_pwm,Vv_pwm,Vw_pwmの瞬時値が最大のものと最小のものとの差に応じてインバータ供給電圧Vdcを変化させる。そして、このような構成によれば、モータ印加電圧Vu_pwm,Vv_pwm,Vw_pwmを生成するために必要な電圧を瞬時瞬時にPWMインバータ13に供給することができるので、PWMインバータ13のスイッチング動作を簡略化することができる。
さらに、本発明の第1の実施形態となるベクトル制御システムでは、インバータ供給電圧生成手段が、モータ印加電圧Vu_pwm,Vv_pwm,Vw_pwmの瞬時値が最大のものと最小のものとの差に等しくなるようにインバータ供給電圧Vdcを変化させる。そして、このような構成によれば、PWMインバータ13が出力する3相の内の1相のみのスイッチング動作を行えばよくなるので、インバータ損失が大幅に低減すると共に、DC電流に現れるリップル電流も大幅に低減する。
また、本発明の第1の実施形態となるベクトル制御システムでは、インバータ供給電圧生成手段は、インバータ供給電圧Vdcを生成する際に参照するモータ印加電圧Vu_pwm,Vv_pwm,Vw_pwmとして、相電圧指令値vu*,vv*,vw*を利用するので、インバータ供給電圧Vdcがモータ印加電圧Vu_pwm,Vv_pwm,Vw_pwmに同期する時間差を最小にすることができる。
さらに、本発明の第1の実施形態となるベクトル制御システムでは、PWMインバータ13は、インバータ供給電圧指令Vdc*に従って出力するパルス幅を決定するので、インバータ供給電圧Vdcがモータ印加電圧Vu_pwm,Vv_pwm,Vw_pwmに同期して変化する場合であっても、PWM制御による変調の精度を高めることができる。
次に、図6,7を参照して、本発明の第2の実施形態となるベクトル制御システムの構成について説明する。
〔ベクトル制御システムの構成〕
本発明の第2の実施形態となるベクトル制御システムは、図6に示すように、第1の実施形態のベクトル制御システムにスイッチング停止判断手段22を付加した構成となっている。そこで以下では、スイッチ停止判断手段22の構成及び動作についてのみ説明し、その他の構成要素の説明は省略する。
〔スイッチング停止判断手段の構成〕
上記スイッチング停止判断手段22は、電源利用率最大化手段6から入力される相電圧指令値vu*,vv*,vw*を参照して相電圧指令値が最も大きい相と最も小さい相とを判別し、判別結果に基づいてU相,V相,W相の各相のスイッチング素子のオン/オフ状態を指定するフラグfsw_u,fsw_v,fsw_wをPWMインバータ13に入力することにより、相電圧指令値が最も大きい相と最も小さい相のハーフブリッジ回路のスイッチング素子を動作させないようにPWMインバータ13を制御する。そして、このような構成によれば、例えば図4(c)の○内に示すように、相電圧指令値が最も大きい時や最も小さい時にスイッチング動作が行われることを防止し、図7(c)に示すようなスイッチング動作を実現することができる。なお、この実施形態では、スイッチング停止判断手段22は、Hレベルのみのインバータ出力を許可する場合は0のフラグ,L(ロー)レベルのみのインバータ出力を許可する場合は1のフラグ,Hレベル,Lレベル両方のインバータ出力を許可する場合は2のフラグをPWMインバータ13に入力する。
以上の説明から明らかなように、本発明の第2の実施形態となるベクトル制御システムでは、スイッチング停止判断手段22が、相電圧指令値が最も大きい相と最も小さい相のスイッチング素子を動作させないようにPWMインバータ13を制御するので、演算誤差や演算タイミング、制御誤差等の影響によって、不必要なスイッチング動作が行われることを防止し、PWMインバータ13の効率の向上幅が減少することを防止できる。
次に、図8,9を参照して、本発明の第3の実施形態となるベクトル制御システムの構成について説明する。
〔ベクトル制御システムの構成〕
本発明の第3の実施形態となるベクトル制御システムは、図8に示すように、上記第1の実施形態のベクトル制御システムにおけるインバータ供給電圧演算手段10が第1,第2のインバータ供給電圧演算手段24,25により構成されると共に、上記第1の実施形態のベクトル制御システムにインバータ供給電圧指令値決定手段23とスイッチ回路26を付加した構成となっている。そこで以下では、インバータ供給電圧指令値決定手段23、第1,第2のインバータ供給電圧演算手段24,25、及びスイッチ回路26の構成及び動作についてのみ説明し、その他の構成要素の説明は省略する。
上記インバータ供給電圧指令値決定手段23は、トルク指令Te*とモータ回転速度ωeとに基づいて、インバータ供給電圧の指令値を演算し、指令値をスイッチ回路26に入力する。なお、この指令値は、IPMモータ14の出力に応じて大きさが変化する直流電圧である。
上記第1,第2のインバータ供給電圧演算手段24,25はそれぞれ、モータ印加電圧Vu_pwm,Vv_pwm,Vw_pwmに同期して変化するインバータ供給電圧指令値Vdc1*、及びモータ印加電圧Vu_pwm,Vv_pwm,Vw_pwmに同期せず一定のインバータ供給電圧指令値Vdc2*を生成する。
上記スイッチ回路26は、インバータ供給電圧指令値決定手段23から入力される指定値に従って、規格化電圧指令手段7と電圧変換手段11に入力するインバータ供給電圧指令値Vdc*を第1のインバータ供給電圧演算手段24のインバータ供給電圧指令値Vdc1*と第2のインバータ供給電圧演算手段25のインバータ供給電圧指令値Vdc2*との間で切り換える。
このような構成によれば、インバータ供給電圧指令値決定手段23が、図9に示すように、応答性が重要な低回転領域では第2のインバータ供給電圧演算手段25のインバータ供給電圧指令値Vdc2*を選択し、応答性の要求が厳しくない高回転領域では第1のインバータ供給電圧演算手段24のインバータ供給電圧指令値Vdc1*を選択するようにスイッチ回路26を制御することにより、トルクの応答性が必要とされる動作領域とトルクの応答性が強く求められない領域とでインバータ供給電圧Vdcを切り換えることができる。
以上の説明から明らかなように、本発明の第3の実施形態となるベクトル制御システムによれば、インバータ供給電圧指令値決定手段23が、IPMモータ14の駆動状態に応じて、モータ印加電圧Vu_pwm,Vv_pwm,Vw_pwmに同期して変化するインバータ供給電圧指令値Vdc1*とモータ印加電圧Vu_pwm,Vv_pwm,Vw_pwmに同期せずに一定のインバータ供給電圧指令値Vdc2*との間でインバータ供給電圧指令値を切り換えるので、PWMインバータ13の効率を高めながらも必要な所では高いトルク応答性を得ることができる。
以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。
本発明の第1の実施形態となるベクトル制御システムの構成を示すブロック図である。 図1に示すPWMインバータの構成を示す模式図である。 相電圧指令値に応じてインバータ供給電圧指令値が変化する様子を示すシミュレーション波形図である。 インバータ供給電圧に応じて、U相電圧指令値,U相のスイッチング素子のオン/オフ制御,及びU相の出力電圧が変化する様子を示すシミュレーション波形図である 本願発明と従来技術におけるDCリンク電流を示すシミュレーション波形図である。 本発明の第2の実施形態となるベクトル制御システムの構成を示すブロック図である。 インバータ供給電圧に応じて、U相電圧指令値,U相のスイッチング素子のオン/オフ制御,及びU相の出力電圧が変化する様子を示すシミュレーション波形図である 本発明の第3の実施形態となるベクトル制御システムの構成を示すブロック図である。 IPMモータの駆動状態に応じてインバータ供給電圧指令値を切り換える処理を説明するための図である。
符号の説明
6:電源利用率最大化手段
7:規格化電圧指令生成手段
10:インバータ供給電圧演算手段
11:電圧変換手段
12:バッテリ
13:PWMインバータ
14:IPMモータ
Vu_pwm,Vv_pwm,Vw_pwm:モータ印加電圧(出力電圧)
Vdc:インバータ供給電圧(直流入力電圧)

Claims (8)

  1. 交流モータに電圧を印加するインバータの直流入力電圧を制御することにより交流モータの出力を制御するモータ制御装置であって、
    前記インバータの出力電圧に同期して前記直流入力電圧を変化させるインバータ供給電圧生成手段を備えること
    を特徴とするモータ制御装置。
  2. 前記インバータ供給電圧生成手段は、前記インバータの各相から出力される相電圧の瞬時値の中で最大の相電圧値と最小の相電圧値の差に応じて、前記直流入力電圧を変化させ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. 前記インバータ供給電圧生成手段は、前記インバータの各相から出力される相電圧の瞬時値の中で最大の相電圧値と最小の相電圧値の差に等しい値に前記直流入力電圧を変化させることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のモータ制御装置。
  4. 前記最大の相電圧値と最小の相電圧値に対応する相のスイッチング動作を禁止するように前記インバータを制御するスイッチング停止判断手段を備えることを特徴とする請求項3に記載のモータ制御装置。
  5. 前記インバータ供給電圧生成手段は、前記インバータの出力電圧として、相電圧指令値を用いることを特徴とする請求項1から請求項4のうち、いずれか1項に記載のモータ制御装置。
  6. 前記インバータはPWMインバータにより構成され、前記直流入力電圧を用いてパルス幅を決定することを特徴とする請求項1から請求項5のうち、いずれか1項に記載のモータ制御装置。
  7. 前記交流モータの駆動状態に応じて、前記インバータの出力電圧に同期して前記直流入力電圧を変化させる動作と、直流入力電圧を略一定とする動作とを切り換えるインバータ供給電圧指令値決定手段を備えることを特徴とする請求項1から請求項6のうち、いずれか1項に記載のモータ制御装置。
  8. 交流モータに電圧を印加するインバータの直流入力電圧を制御することにより交流モータの出力を制御するモータ制御方法であって、
    前記インバータの出力電圧に同期して前記直流入力電圧を変化させるステップを有すること
    を特徴とするモータ制御方法。
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