JP2005333715A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＤＣＤＣコンバータの出力電圧を応答性良く制御すること。
【解決手段】コンバータ８の出力電力値を演算する出力電力演算器２１０と、出力電圧指令値と出力電圧値の偏差から、コンバータの入力電流指令値１を演算する電圧制御器２０２と、入力電圧値と前記出力電力演算器による出力電力値からコンバータの入力電流指令値２を演算する入力電流補償器２０３と、入力電流指令値１と前記入力電流指令値２を加算し、入力電流指令値３を演算する入力電流指令値加算器２０４と、入力電流指令値３と入力電流値の偏差から、コンバータのスイッチング時比率１を演算する電流制御器２０６と、入力電圧値と出力電圧指令値からコンバータのスイッチング時比率２を演算する時比率補償器２０７と、スイッチング時比率１と比率２を加算し、スイッチング時比率３を演算する時比率加算器２０８とを備え、スイッチング時比率３に基づいてＤＣＤＣコンバータを動作させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータと、モータに電力を供給する電力変換器と、直流電源と、直流電源電圧を変圧し、前記電力変換器に供給するＤＣＤＣコンバータとを備えるモータ制御装置に関するものである。

従来、インバータとコンバータを接続したモータ制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このようなモータ制御装置では、負荷電力の増加に対する補償制御として、出力電力を演算し、この出力電力と電源電圧から電源電流補償指令値を算出している。電源電流補償指令値と電圧フィードバック制御（電圧制御演算器）の出力値を加算することで、電源電流指令値を生成し、この電流指令値に基づいて、コンバータを駆動している。
特開平８−２２３９５９号公報

上述した従来のモータ制御装置では、電源電流指令値からコンバータを駆動するだけなので、電源電流指令値に電源電流が追従している保証はなく、どのような電流が流れているのかも不明であった。また、出力電圧の変動を抑制することを目的としているため、出力電圧を急に変化させたい時などには、応答性を十分に高めることが難しい問題があった。

本発明の目的は上述した課題を解消して、ＤＣＤＣコンバータの出力電圧を応答性良く制御することのできるモータ制御装置を提供しようとするものである。

本発明のモータ制御装置は、モータと、モータに電力を供給する電力変換器と、直流電源と、直流電源電圧を変圧し、前記電力変換器に供給するＤＣＤＣコンバータとを備えるモータ制御装置において、ＤＣＤＣコンバータの出力電力値を演算する出力電力演算器と、ＤＣＤＣコンバータの出力電圧指令値と出力電圧値の偏差から、ＤＣＤＣコンバータの入力電流指令値１を演算する電圧制御器と、入力電圧値と前記出力電力演算器によって演算された出力電力値からＤＣＤＣコンバータの入力電流指令値２を演算する入力電流補償器と、前記入力電流指令値１と前記入力電流指令値２を加算し、入力電流指令値３を演算する入力電流指令値加算器と、前記入力電流指令値３と入力電流値の偏差から、ＤＣＤＣコンバータのスイッチング時比率１を演算する電流制御器と、入力電圧値と出力電圧指令値からＤＣＤＣコンバータのスイッチング時比率２を演算する時比率補償器と、前記スイッチング時比率１と前記スイッチング時比率２を加算し、スイッチング時比率３を演算する時比率加算器とを備え、前記スイッチング時比率３に基づいてＤＣＤＣコンバータを動作させることを特徴とするものである。

本発明のモータ制御装置によれば、ＤＣＤＣコンバータの出力電圧指令値に出力電圧値が追従するように、電圧のフィードバック制御を構成し、さらに、そのフィードバックループの中にマイナーループとして入力電流のフィードバック制御を行うことで、出力電圧の安定度を高めることができる。また、出力電力を演算し、入力電圧と出力電力から入力電流の指令値を演算することで、出力電力の変化に対して、出力電圧を指令値に応答性良く制御することが可能になる。入力電圧と出力電圧指令値からＤＣＤＣコンバータの時比率指令値を演算することで、電圧指令値の変化に対しても高速に応答させることができる。

以下に、この発明の実施の形態を、図面に基づき詳細に説明する。
図１は本発明のモータ制御装置における第１実施例の一例の構成を示すブロック図である。ここでは、電気自動車の駆動モータとインバータとＤＣＤＣコンバータなどの構成と、その制御装置のブロック図を示している。図１に示す例において、モータ１は３相交流同期モータであり、このモータ１に電力を供給するインバータ２が接続されている。また、インバータ２の直流正負極端子間には、電圧変動を抑制するための平滑コンデンサ３が接続される。この平滑コンデンサ３とバッテリ４の間に、双方向型の昇圧ＤＣＤＣコンバータ８を接続する。また、平滑コンデンサ３には、電圧センサ７が設けられ、ＤＣＤＣコンバータ８の出力電圧値Voを得ることが出来る。

モータトルク指令T＊とモータ１の機械的な回転角速度ωmと電圧指令値Vo*を受けて、モータトルク制御器１０８は、このトルク指令値T*を実現するモータdq軸電流指令値id*、iq*を出力する。このid*、iq*は、モータ１の機械的な回転角速度ωmと電圧指令値Vo*とモータトルク指令値T*から、用意されたマップを参照することで得られる。
モータトルク制御器１０８が出力したid*、iq*を実現するため、電流のフィードバック制御を行ってインバータ２のスイッチをOn/Offさせるインバータ駆動信号を生成する。この動作の詳細を以下に説明する。

モータ１のU相電流iuとW相電流iwは、電流センサ１０a、１０bで検出し、３相交流からdq軸電流idとiqに３相/dq変換器１０１で座標変換を行う。dq座標はモータ１の磁束の基本波成分に同期して回転する座標系である。
この３相/dq変換器１０１で必要になる位相θはロータの位置を電気的な位相として表すもので、エンコーダやレゾルバなどの回転位置センサ９によって位置検出を行い、位相・速度演算器１０７にて求められる。また、位相・速度演算器１０７にて、モータの電気的角速度座標ωeを位相θの時間微分より演算する。さらに、位相・速度演算器１０７はモータ１の回転角速度ωmを出力する。

id*とid、iq*とiqの電流制御偏差を減算器１００ａ、１００ｂで求め、これらを入力としてＰＩ制御を用いたdq軸電流制御器１０２によって電流制御偏差が０になるように、d軸電流制御・ｑ軸電流制御が行われvdとvqを出力する。モータ１の速度起電力に対するフィードフォーワード補償部が非干渉制御器１０３であり、次の式（１）、（２）から演算する。
vd_cmp = - Lq・ωe・iq* (1)
vq_cmp = ωe・(Ld・id* + φ) (2)
ここでLqはq軸インダクタンスの基本波成分であり、Ldはd軸インダクタンスの基本波成分、またφは、磁石磁束による誘起電圧の定数である。

dq軸電流制御器１０２の制御出力vd、vqと非干渉制御器１０３の制御出力vd_cmp、vq_cmpをそれぞれ加算器１０４ａ、１０４ｂで加算することによって、d軸制御電圧vd*、q軸制御電圧vq*が得られる。得られたdq軸制御電圧vd*、vq*を３相電圧にdq/３相変換器１０５にて座標変換を行ってvu*、vv*、vw*を求める。
求められたvu*、vv*、vw*と、出力電圧指令値Vo*を入力として、PWM生成器１０６はインバータ駆動信号を出力する。PWM生成の具体的な動作としては、出力電圧指令値Vo*をピーク値に持つ三角波とvu*、vv*、vw*を三角波比較することで行う。
このインバータ駆動信号によって、インバータ２のスイッチがそれぞれOn/Off動作し、モータ端子に電圧が印加され、電流が流れる。これによって、モータトルクが発生し、モータが駆動される。

本発明のモータ制御装置の第１実施例における最大の特徴は以下の点にある。

第１実施例に係る出力電力演算器２１０では、モータ制御装置で用いられる電流指令値と電圧指令値とから出力電力Poを演算する。すなわち、ベクトル制御を行っている交流モータ１のdq軸電流指令値id*、iq*（電流指令値）とdq軸電圧指令値のうちのフィードフォワード制御の出力値である非干渉制御器１０３の出力vd_cmp、vq_cmp（電圧指令値）とを用いて、次の式（３）から電力を演算する。
Po = vd_cmp・id*+vq_cmp・iq* (３)
この電力Poに比べて、モータ１における銅損とインバータにおける損失が十分に小さいと仮定すれば、PoはＤＣＤＣコンバータ８の出力電力とほぼ等しくなる。

ＤＣＤＣコンバータ８では、出力電圧指令値を受けて、これに出力電圧が追従するように制御演算を行って、ＤＣＤＣコンバータ８のスイッチを、以下に説明するように、On/Off動作させる。

まず、出力電圧指令値Vo*と出力電圧値Voの偏差を減算器２０１によって演算する。この制御偏差を電圧制御器２０２に入力し、偏差が０になるように、ＰＩ制御を行って入力電流指令値iL1*を演算する。
また、入力電流補償器２０３では、出力電力Poと入力電圧値Viから、入力電流指令値iL2*を演算する。この演算は式（４）に基づいて行われる。
iL2* = Po / Vi (４)
これら演算された入力電流指令値iL1*と入力電流指令値iL2*は、加算器２０４で加算し、入力電流指令値iL3*を演算する。

入力電流指令値iL3*と電流センサ６で検出した入力電流値iLの偏差を減算器２０５により演算する。この制御偏差を電流制御器２０６に入力し、偏差が０になるように、ＰＩ制御を行って、コンバータ時比率指令値D1*を演算する。

図２に示すように、時比率補償器２０７は時比率演算器２０７aとＬＰＦ２０７bから構成される。時比率演算器２０７aでは、入力電圧値Viと出力電圧指令値Vo*から、コンバータ時比率指令値D2’を次の式（５）に基づいて演算する。入力電圧値Viは電圧センサ５で検出する。
D2’ = 1- Vi / Vo (５)
コンバータ時比率指令値D2’を、時定数τの一次遅れＬＰＦ２０７bを通過させてD2*を演算する。

これら演算されたコンバータ時比率指令値D1*とコンバータ時比率指令値D2*は、加算器２０８で加算し、コンバータ時比率指令値D3*を演算する。このD3*をリミッタ２０９に入力し、予め設定された上下限値の範囲で、コンバータ時比率指令値D*が出力される。このD*と三角波を比較し、ＤＣＤＣコンバータ８の各スイッチのOn/Off信号を図３に示すように生成し、駆動する。

上述した本発明のモータ制御装置では、出力電力と入力電圧を用いて入力電流補償器２０３で入力電流指令値iL2*をフィードフォワード制御することで、例えば電気自動車の急な加速時などの出力電力の変化に対して、入力電流指令値iL3*を調整し、出力電圧を指令値に応答性良く制御することが可能になる。また、電圧制御器２０２は、制御偏差が０になるように比例積分制御を行い、電圧指令値に追従するように出力電圧を制御できる。さらに、電圧制御ループの中にマイナーループとして入力電流のフィードバック制御である電流制御器２０６を設けている。一般的に、昇圧ＤＣＤＣコンバータでは、出力電圧変動よりも入力電流変動の変化幅のほうが大きく、入力電流を制御することで、出力電圧の安定度を高めることができる。

また、上述した本発明のモータ制御装置の第１実施例においては、出力電力演算器２１０は、モータの電流制御に必要な電流・電圧指令値から容易に演算することが可能であり、電気自動車の駆動モータのように、速度制御を行わないモータ制御装置においても演算可能である。演算された出力電力は、ＤＣＤＣコンバータ８の出力電力の推定値として用いることができる。具体的には、出力電力演算器２１０は、ベクトル制御を行っている交流モータのdq軸電圧指令値とdq軸電流指令値から演算するので、モータの出力電力を容易に演算することができ、電気自動車の駆動モータのように、速度制御を行わないモータ制御装置においても演算可能である。また、ベクトル制御を行っている交流モータのdq軸電圧指令値のうち、フィードフォワード制御による項のみを用いるため、電流制御時の電圧指令値の変動を受けずに、安定した出力電力値を演算することができる。この結果、ＤＣＤＣコンバータの出力電圧も応答性良く制御することが可能である。

さらに、本発明モータ制御装置の第１実施例においては、出力電圧と入力電圧を用いて時比率補償器２０７で時比率指令値D2*をフィードフォワード制御することで、電圧指令値の変化にも高速に応答することが可能になる。この時比率指令値を演算する際に、時間遅れを発生させるＬＰＦ２０７bを通過させることで、入力電流の変化を緩やかにすることができる。これにより、入力電流値に、回路が許容する電流値を設定している場合に、設定値を超えない電流応答を実現できる。

図４は本発明のモータ制御装置における第２実施例の一例の構成を示すブロック図である。図４に示す例において、図１に示す例と同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。図４に示す例において、図１に示す例と異なる点は、出力電力演算器２０１ａの構成である。すなわち、図４に示す出力電力演算器２１０aでは、モータトルク指令値T*とモータ回転角速度ωmから出力を、式（６）を用いて演算する。
Po = T* ・ωm (６)
ここで求められる出力に対して、モータにおける銅損・鉄損などの損失とインバータにおける損失が十分に小さいと仮定すれば、PoはＤＣＤＣコンバータ８の出力電力とほぼ等しくなる。第２実施例では、このPoを用いて、入力電流補償器２０３の演算を行う。

上述した本発明のモータ制御装置の第２実施例では、電力Poをモータ１のトルク指令値と回転角速度のみで演算するため、容易に演算可能である。また、モータ１の種類を問わずに演算可能な構成である。さらに、電気自動車の駆動モータのように、速度制御を行わないモータ制御装置においても演算可能である。さらに、出力電力演算器２１０aによって、出力電力の変化に対して、入力電流指令値iL3*を調整し、出力電圧を指令値に応答性良く制御することが可能になる。

図５は本発明のモータ制御装置における第３実施例の一例の構成を示すブロック図である。図５に示す例において、図１に示す例と同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。図５に示す例において、図１に示す例と異なる点は、出力電力演算器２０１ｂの構成である。すなわち、図５に示す出力電力演算器２１０ｂでは、出力電流値ioと出力電圧値Voから出力電力を、式（７）を用いて演算する。ここで、ioはＤＣＤＣコンバータ８の出力電流であり、電流センサ２１１で検出する。
Po’ = io ・Vo (７)
ここで求められる出力電力Po’はＤＣＤＣコンバータ８の出力電力を示している。ＤＣＤＣコンバータ８の出力電流は断続的な動作となるため、出力電力Po’をLPFに通し、出力電力Poを求める。第３実施例では、このPoを用いて、入力電流補償器２０３の演算を行う。

上述した本発明のモータ制御装置の第３実施例では、電力PoをＤＣＤＣコンバータ８の出力電圧値と出力電流値を用いて演算するため、精度良く出力電力をもとめることが可能である。また、モータの種類を問わずに演算可能な構成である。さらに、電気自動車の駆動モータのように、速度制御を行わないモータ制御装置においても演算可能である。本出力電力演算器２１０ｂによって、出力電力の変化に対して、入力電流指令値iL3*を調整し、出力電圧を指令値に応答性良く制御することが可能になる。

本発明のモータ制御装置は、通常のコンバータにおける電流のフィードフォワード制御に加えて電流のフィードバック制御を行うことで、ＤＣＤＣコンバータの出力電圧を応答性良く制御することのでき、特に、トルク変動の激しい車両用モータのコンバータに好適なモータ制御装置を提供することができる。

本発明のモータ制御装置における第１実施例の一例の構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施例における時比率補償器の一例の構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施例におけるＤＣＤＣコンバータの駆動信号の生成を示す図である。 本発明のモータ制御装置における第２実施例の一例の構成を示すブロック図である。 本発明のモータ制御装置における第３実施例の一例の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ モータ
２ インバータ
３ 平滑コンデンサ
４ バッテリ
５ 電圧センサ
６ 電流センサ
７ 電圧センサ
８ ＤＣＤＣコンバータ
９ 回転位置センサ
１０a、１０b 電流センサ
１００ａ、１００ｂ 減算器
１０１ ３相/dq変換器
１０２ dq軸電流制御器
１０３ 非干渉制御器
１０４ａ、１０４ｂ 加算器
１０５ dq/３相変換器
１０６ PWM生成器
１０７ 位相・速度演算器
１０８ モータトルク制御器
２０１ 減算器
２０２ 電圧制御器
２０３ 入力電流補償器
２０４ 加算器
２０５ 減算器
２０６ 電流制御器
２０７ 時比率補償器
２０７a 時比率演算器
２０７b ＬＰＦ
２０８ 加算器
２０９ リミッタ
２１０、２１０a、２１０b 出力電力演算器
２１１ 電流センサ

Claims (7)

1. モータと、モータに電力を供給する電力変換器と、直流電源と、直流電源電圧を変圧し、前記電力変換器に供給するＤＣＤＣコンバータとを備えるモータ制御装置において、
   ＤＣＤＣコンバータの出力電力値を演算する出力電力演算器と、
   ＤＣＤＣコンバータの出力電圧指令値と出力電圧値の偏差から、ＤＣＤＣコンバータの入力電流指令値１を演算する電圧制御器と、
   入力電圧値と前記出力電力演算器によって演算された出力電力値からＤＣＤＣコンバータの入力電流指令値２を演算する入力電流補償器と、
   前記入力電流指令値１と前記入力電流指令値２を加算し、入力電流指令値３を演算する入力電流指令値加算器と、
   前記入力電流指令値３と入力電流値の偏差から、ＤＣＤＣコンバータのスイッチング時比率１を演算する電流制御器と、
   入力電圧値と出力電圧指令値からＤＣＤＣコンバータのスイッチング時比率２を演算する時比率補償器と、
   前記スイッチング時比率１と前記スイッチング時比率２を加算し、スイッチング時比率３を演算する時比率加算器とを備え、
   前記スイッチング時比率３に基づいてＤＣＤＣコンバータを動作させることを特徴とするモータ制御装置。
2. ＤＣＤＣコンバータの出力電力は、前記モータ制御装置で用いられるトルク指令値とモータ回転速度から演算され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. ＤＣＤＣコンバータの出力電力は、前記モータ制御装置で用いられる電流指令値と電圧指令値から演算されることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
4. 前記モータ制御装置は、ベクトル制御で交流モータを駆動するモータ制御装置であって、ＤＣＤＣコンバータの出力電力は、モータのdｑ軸電圧指令値とdｑ軸電流指令値から演算され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. モータのdｑ軸電圧指令値は、フィードフォワード制御の出力値であることを特徴とする請求項４に記載のモータ制御装置。
6. ＤＣＤＣコンバータの出力電力は、出力電流値と出力電圧値から演算されることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
7. スイッチング時比率２を演算する電流制御器２は、定められた時定数の時間遅れを持つことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。

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