JP2005354779A - Motor control device and method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、トルク指令に対応するd,q軸電流を発生してモータを駆動するモータ制御装置および方法に関するものである。 The present invention relates to a motor control apparatus and method for driving a motor by generating d and q axis currents corresponding to a torque command.
IPMモータ等のモータを高効率で運転するため、トルク指令、モータ回転数およびモータ温度の組合せに対応する適切な(例えば、モータの効率が最大となる)d軸電流およびq軸電流の組合せを保持した電流マップを予め形成しておき、トルク指令と、モータ回転数の組合せに対応するd軸電流およびq軸電流を上記電流マップから求めて、このd軸電流およびq軸電流をd,q軸電流指令としてモータを制御する技術が提案されている。(例えば、特許文献1)
この従来技術によれば、その時々でのモータ温度に応じた適切なd,q軸電流指令を求めることができるので、モータの効率を向上させることが可能になる。
According to this prior art, an appropriate d and q axis current command corresponding to the motor temperature at that time can be obtained, so that the efficiency of the motor can be improved.
上記モータ温度は、モータの鉄損に影響する。しかし、上記従来技術では、鉄損、銅損および機械損を含む該モータの全損失を考慮していないので、この全鉄損に起因するモータの効率低下を充分に抑制することができないという問題があった。 The motor temperature affects the iron loss of the motor. However, the above prior art does not take into account the total loss of the motor including iron loss, copper loss and mechanical loss, and therefore it is not possible to sufficiently suppress the reduction in efficiency of the motor due to the total iron loss. was there.
本発明の目的は、かかる状況に鑑み、モータの全損失を最小にすることができるd,q軸電流指令を設定して、該モータを極めて効率良く運転することができるモータ制御装置およびモータ制御方法を提供することにある。 In view of such circumstances, an object of the present invention is to set a d and q axis current command capable of minimizing the total loss of the motor, and to operate the motor extremely efficiently. It is to provide a method.
本発明は、トルク指令に対応するd,q軸電流を発生してモータを駆動するモータ制御装置であって、前記モータの回転数Nを検出する回転数検出手段と、下記のように分類した前記モータの全損失に基づき、前記トルク指令T*およびモータ回転数Nに対して前記全損失を最小にするための前記d,q軸電流id,iqを予め規定した変換テーブルと、を備え、前記変換テーブルによって得られる前記d,q軸電流id,iqが前記モータに流れるように該モータを制御するようにしている。
全損失=鉄損(基本波鉄損(I,θ,N)+高調波鉄損(I,θ,N)
+キャリア鉄損(I,θ,N))+銅損(I)+機械損(N)
ここで、I:モータ電流、θ:電流位相、N:モータ回転数
The present invention is a motor control device that drives a motor by generating d and q axis currents corresponding to a torque command, and is classified as follows: a rotation speed detection means for detecting the rotation speed N of the motor; A conversion table that preliminarily defines the d and q axis currents i d and i q for minimizing the total loss with respect to the torque command T * and the motor rotation speed N based on the total loss of the motor; And the motor is controlled such that the d and q axis currents i d and i q obtained by the conversion table flow to the motor.
Total loss = Iron loss (Basic wave iron loss (I, θ, N) + Harmonic iron loss (I, θ, N)
+ Carrier iron loss (I, θ, N)) + copper loss (I) + mechanical loss (N)
Where I: motor current, θ: current phase, N: motor rotation speed
このモータ制御装置においては、前記モータとして、例えばIPMモータが使用される。このモータ制御装置は、バッテリの直流出力電力を前記d,q軸電流指令に対応する交流電力に変換して前記モータに供給する電力変換手段を備えることができる。この場合、前記バッテリの複数の電圧に対応するために前記変換テーブルを複数設けることが望ましい。 In this motor control device, for example, an IPM motor is used as the motor. The motor control device can include power conversion means for converting the DC output power of the battery into AC power corresponding to the d and q axis current commands and supplying the AC power to the motor. In this case, it is desirable to provide a plurality of conversion tables in order to cope with a plurality of voltages of the battery.
また、本発明は、トルク指令に対応するd,q軸電流を発生してモータを駆動するモータ制御方法であって、前記モータの回転数を検出するステップと、下記のように分類した前記モータの全損失に基づき、前記トルク指令およびモータ回転数に対して前記全損失を最小にするための前記d,q軸電流id,iqを予め規定した変換テーブルを作成するステップと、前記変換テーブルによって得られる前記d,q軸電流id,iqが前記モータに流れるように該モータを制御するステップと、を含んでいる。。
全損失=鉄損(基本波鉄損(I,θ,N)+高調波鉄損(I,θ,N)
+キャリア鉄損(I,θ,N))+銅損(I)+機械損(N)
ここで、I:モータ電流、θ:電流位相、N:モータ回転数
The present invention also provides a motor control method for driving a motor by generating d and q axis currents corresponding to a torque command, the step of detecting the rotational speed of the motor, and the motors classified as follows: Generating a conversion table that predefines the d and q axis currents i d and i q for minimizing the total loss with respect to the torque command and the motor rotational speed, and the conversion Controlling the motor such that the d and q axis currents i d and i q obtained by the table flow to the motor. .
Total loss = Iron loss (Basic wave iron loss (I, θ, N) + Harmonic iron loss (I, θ, N)
+ Carrier iron loss (I, θ, N)) + copper loss (I) + mechanical loss (N)
Where I: motor current, θ: current phase, N: motor rotation speed
本発明によれば、鉄損、銅損および機械損を含むモータの全損失を最小にするd,q軸電流が設定され、このd,q軸電流によってモータが駆動される。したがって、モータの運転効率を著しく向上することができる。また、全損失を最小するd,q軸電流がテーブルによって規定されるので、つまり、該d,q軸電流をCPU等の演算手段によって演算する必要がないので、内蔵するCPU等の演算手段の負担を軽減することができる。 According to the present invention, the d and q axis currents that minimize the total loss of the motor including iron loss, copper loss and mechanical loss are set, and the motor is driven by the d and q axis currents. Therefore, the driving efficiency of the motor can be significantly improved. Further, since the d and q axis currents that minimize the total loss are defined by the table, that is, it is not necessary to calculate the d and q axis currents by a calculation means such as a CPU. The burden can be reduced.
図1は、本発明に係るモータ制御装置の実施の形態を示している。この実施の形態に係るモータ制御装置は、3相IPMモータの制御に適用しているが、他のモータ(3相よりも相数の多いIPMモータ、多相誘導モータ、多相シンクロナス・リラクタンスモータ等)の制御にも適用可能である。 FIG. 1 shows an embodiment of a motor control device according to the present invention. Although the motor control apparatus according to this embodiment is applied to control of a three-phase IPM motor, other motors (an IPM motor having a larger number of phases than a three-phase, a multi-phase induction motor, a multi-phase synchronous reluctance) It can also be applied to control of a motor or the like.
図1において、速度・位置計算部1は、IPMモータ2のAB相パルス信号あるいはレゾルバ3の出力に基づいて、該IPMモータ2の回転数Nおよび電流位相(回転位置)θを計算する。A/D変換部4は、IPMモータ2を流れる電流iu,iv,iwをA/D変換して、3相/2相変換部5に出力する。3相/2相変換部5は、上記モータ2の電流位相θと周知の3相/2相変換式とに基づいて、3相のモータ電流iu,iv,iwを2相の電流id,iq、つまり、いわゆるベクトル制御のためのd,q軸電流id,iqに変換する。
In FIG. 1, a speed /
このモータ制御装置では、アナログトルク指令T*がA/D変換器6によってデジタルトルク指令T*に変換される。ランプ処理部7は、このデジタルトルク指令T*を図示するようなランプ関数に基づいてランプ処理し、そのランプ処理されたトルク指令T*を電流指令作成部8に出力する。
電流指令作成部8は、与えられるトルク指令T*とモータ回転数Nに基づいてモータ2の全損失を最小にする電流指令i* d,i* qを設定するものである。この電流指令作成部8についての詳しい説明は後述する。
In this motor control device, the analog torque command T * is converted into a digital torque command T * by the A /
The
PI制御部9は、電流指令作成部8から出力されるd,q軸電流指令i* d,i* qと3相/2相変換部3から出力されるモータ2の実電流id,iqとの偏差にPI(比例・積分)処理を施して、該偏差に対応する電圧指令v* d,v* qを出力する。このPI制御部9から出力される電圧指令v* d,v* qは、リミッタ10を介して2相/3相変換部11に入力される。
The PI controller 9 outputs the d and q axis current commands i * d and i * q output from the
2相/3相変換部11は、上記モータ2の電流位相θと周知の2相/3相変換式とに基づいて、上記電圧指令v* d,v* qを3相の電圧指令v* u,v* v,v* wに変換する。この2相/3相変換部11から出力される電圧指令v* u,v* v,v* wは、3次高調波注入部12で3次高調波を注入され、かつ、デューティ計算部13でPWM制御のためのデューティ比を設定された後、インバータ14に入力される。したがって、インバータ14は、図示していないバッテリの直流出力電力を上記電圧指令v* u,v* v,v* wに対応する電力に変換して、この電力をIPMモータ2に供給する。
この結果、このモータ制御装置によれば、上記トルク指令T*に対応したトルクを発生するようにIPMモータ2が駆動される。
The 2-phase / 3-
As a result, according to this motor control device, the
ここで、IPMモータ2等のモータの損失について説明する。モータの全損失は、以下のように表される。
全損失(W)=銅損(Wc)+鉄損(Wi)+機械損(Wm) ・・・(1)
そして、この全損失(W)の内の銅損(Wc)および機械損(Wm)は、それぞれ次式(2)および(3)によって与えられる。
Wc=n×R×I2=Wc(I) ・・・(2)
但し、n:相数、R:巻線抵抗(Ω)、I:モータ電流(Arms)。
Wm=8×D×(l1+15)×va2×104=Wm(N) ・・・(3)
ここで、D:回転子外径(cm)、l1:鉄芯積厚(cm)、va:回転子表面の周速(m/s),N:モータ回転数である。
上記式(2)および(3)から明らかなように、銅損Wcおよび機械損Wmは、それぞれモータ電流Iおよびモータ回転数Nによって与えられる。すなわち、銅損Wcおよび機械損Wmは、それぞれWc(I)およびWm(N)と表される。
Here, the loss of a motor such as the
Total loss (W) = Copper loss (Wc) + Iron loss (Wi) + Mechanical loss (Wm) (1)
Of the total loss (W), the copper loss (Wc) and the mechanical loss (Wm) are given by the following equations (2) and (3), respectively.
Wc = n × R × I 2 = Wc (I) (2)
Where n: number of phases, R: winding resistance (Ω), I: motor current (Arms).
Wm = 8 × D × (l1 + 15) × va 2 × 10 4 = Wm (N) (3)
Here, D: outer diameter of the rotor (cm), l1: iron core thickness (cm), va: peripheral speed (m / s) of the rotor surface, N: motor rotation speed.
As is apparent from the above equations (2) and (3), the copper loss Wc and the mechanical loss Wm are given by the motor current I and the motor rotation speed N, respectively. That is, the copper loss Wc and the mechanical loss Wm are expressed as Wc (I) and Wm (N), respectively.
一方、鉄損は、以下のように分類される。
鉄損(Wi)=基本波鉄損(Wif)+高調波鉄損(Wih)
+キャリア鉄損(Wic) ・・・(4)
上記基本波鉄損Wif、高調波鉄損Wihおよびキャリア鉄損Wicは、それぞれ下式(5)、(6)および(7)で与えられる。
Wif = Ke1・f1 2・B1 2+Kh1・f1・B1 2 ・・・(5)
Wih = Σn(Ken・fn 2・Bn 2 ) ・・・(6)
Wic = Σm(Kem・fm 2・Bm 2 + Khm・fm・Bm 2 ) ・・・(7)
ここで、B1:基本周波数f1の磁束成分、Bn:周波数f1×nの磁束成分、Bm:前記PWM制御のキャリア周波数fc×mの磁束成分である。
n,mは次数であり、上記損失の計算において採用上限次数は、概ね9次までである。
On the other hand, iron loss is classified as follows.
Iron loss (Wi) = Fundamental wave iron loss (Wif) + Harmonic iron loss (Wih)
+ Carrier iron loss (Wic) (4)
The fundamental iron loss Wif, the harmonic iron loss Wih, and the carrier iron loss Wic are given by the following equations (5), (6), and (7), respectively.
Wif = K e1 · f 1 2 · B 1 2 + K h1 · f 1 · B 1 2 (5)
Wih = Σ n (K en ·
Wic = Σ m (K em · f m 2 · B m 2 + K hm · f m · B m 2 ) (7)
Here, B 1 is a magnetic flux component of the fundamental frequency f 1 , B n is a magnetic flux component of the frequency f 1 × n, and B m is a magnetic flux component of the carrier frequency f c × m of the PWM control.
n and m are orders, and the upper limit order employed in the calculation of the loss is generally up to the ninth order.
基本周波数f1は回転数Nで、磁束成分B1,Bn,Bmは電流Iおよび電流位相θで、
係数Ke1, Kh1は磁束成分B1および基本周波数f1で、係数Ken, Khnは磁束成分Bnおよび基本周波数fnで、係数Kem, Khmは磁束成分Bmおよびキャリア周波数fcで、それぞれ決定される。
The fundamental frequency f 1 is the rotational speed N, the magnetic flux components B 1 , B n , B m are the current I and the current phase θ,
The coefficients K e1 and K h1 are the magnetic flux component B 1 and the fundamental frequency f 1 , the coefficients K en and K hn are the magnetic flux component B n and the fundamental frequency f n , and the coefficients K em and K hm are the magnetic flux component B m and the carrier frequency. in f c, respectively, are determined.
以上の説明から明らかなように、基本波鉄損Wif、高調波鉄損Wihおよびキャリア鉄損Wicは、電流I、電流位相θおよび回転数Nから与えられる。
図3は、銅損Wc、鉄損Wi(基本波鉄損Wif+高調波鉄損Wih+キャリア鉄損Wic)および機械損Wmと、電流I、電流位相θ、回転数Nとの関係をまとめて示したものである。
As is apparent from the above description, the fundamental wave iron loss Wif, the harmonic iron loss Wih, and the carrier iron loss Wic are given from the current I, the current phase θ, and the rotational speed N.
FIG. 3 shows the relationship among copper loss Wc, iron loss Wi (fundamental iron loss Wif + harmonic iron loss Wih + carrier iron loss Wic), mechanical loss Wm, current I, current phase θ, and rotational speed N. It is a thing.
次に、前記電流指令作成部8について説明する。
3相IPMモータのトルクは、電流Iと電流位相θとを用いて以下のように表される。
T=Pn×[√3×φa×I×cosθ+(3/2)×(Ld+Lq)×I2×sin2θ]
・・・(8)
ここで、Pn:対極数、φa:鎖交磁束[Wb]、Ld:d軸インダクタンス[H]、Lq:q軸インダクタンス[H]である。
Next, the current
The torque of the three-phase IPM motor is expressed as follows using the current I and the current phase θ.
T = Pn × [√3 × φa × I × cos θ + (3/2) × (Ld + Lq) × I 2 × sin 2θ]
... (8)
Here, Pn: number of counter electrodes, φa: flux linkage [Wb], Ld: d-axis inductance [H], and Lq: q-axis inductance [H].
この3相IPMモータにおいては、同じトルクを出力する電流Iと電流位相θの組み合わせが無数に存在する。しかし、上記ように、銅損Wcが電流Iで、鉄損Wiが電流I、電流位相θおよび回転数Nで、機械損WmがNでそれぞれ規定されることから、トルクとモータ回転数Nとが与えられれば、そのトルクを実現する種々の電流Iと電流位相θの組み合わせの中から、前記全損失(W)を最小とする電流Iと電流位相θの組み合わせを設定することが可能である。 In this three-phase IPM motor, there are innumerable combinations of current I and current phase θ that output the same torque. However, as described above, since the copper loss Wc is defined by the current I, the iron loss Wi is defined by the current I, the current phase θ and the rotational speed N, and the mechanical loss Wm is defined by N, the torque, the motor rotational speed N, and Is given, it is possible to set the combination of the current I and the current phase θ that minimizes the total loss (W) among the various combinations of the current I and the current phase θ that realize the torque. .
前記電流指令作成部8の変換テーブル8は、上記の考察に基づいて作成されている。すなわち、変換テーブル8を作成するにあたっては、FEM解析手法等を用いて基本波鉄損(Wif)とΣ、θおよびNとの関係Wif(Σ,θ,N)を計算するとともに、高調波鉄損(Wih)とΣ、θおよびNとの関係Wih(Σ,θ,N)を計算する。また、キャリア鉄損(Wic)とΣ、θおよびNとの関係Wic(Σ,θ,N)も計算によって得る。
次に、種々のトルク指令T*とモータ回転数Nに対して前記全損失(W)を最小とする電流Iと電流位相θの組み合わせを、上記関係Wif(Σ,θ,N)、Wih(Σ,θ,N)、Wic(Σ,θ,N)および前記関係Wc(I)およびWm(N)に基づいて決定し、この組み合わせをテーブル化することによって上記変換テーブル8を作成する。
したがって、トルク指令T*とモータ回転数Nを電流指令作成部8に与えれば、変換テーブル8aによって全損失(W)を最小にする最適な電流Iと電流位相θの組み合わせが設定される。
なお、電流Iは、電流位相θに基づいてd軸電流idとq軸電流iqに変換することができる。上記変換テーブル8aの実際の出力は、上記d軸電流idとq軸電流iqである。
The conversion table 8 of the current
Next, a combination of the current I and the current phase θ that minimizes the total loss (W) with respect to various torque commands T * and the motor rotational speed N is expressed by the above relations Wif (Σ, θ, N), Wih ( The conversion table 8 is created by making a decision based on Σ, θ, N), Wic (Σ, θ, N) and the relations Wc (I) and Wm (N) and tabulating this combination.
Therefore, when the torque command T * and the motor rotation speed N are given to the current
The current I can be converted into a d-axis current i d and a q-axis current i q based on the current phase θ. The actual outputs of the conversion table 8a are the d-axis current i d and the q-axis current i q .
上記のような電流指令作成部8を備えるこの実施の形態に係るモータ制御装置およびモータ制御方法によれば、全損失が最小となるd,q軸電流が電流指令作成部8において一義的に設定され、このd,q軸電流がd,q軸電流指令i* d,i* qとして該電流指令作成部8から出力される。したがって、モータ2をその全損失が最小となるように効率良く運転することができる。しかも、d,q軸電流指令i* d,i* qをCPU等の演算手段で演算する必要がなくなるので、制御用演算手段の負担が軽減される。
According to the motor control device and the motor control method according to this embodiment including the current
上記実施の形態の形態に係るモータ制御装置およびモータ制御方法は、例えば、EV(電気自動車)、HEV(ハイブリッド車)、フォークリフト、特車、各種ロボット、電車等に使用されるモータの制御に適用することができる。
ところで、上記各種モータ駆動機器には、その機種に応じた出力電圧のバッテリを搭載している。これに対応するには、電流指令発生部8に、種々のバッテリの出力電圧に適応する複数の変換テーブルを設けて、バッテリの出力電圧に対応する変換テーブルを選択するようにすれば良い。図2には、種々のバッテリの出力電圧V1,V2,V3・・・VNに適応する複数の変換テーブル8a−1〜8a−Nが示されている。
The motor control device and the motor control method according to the embodiment are applied to control of motors used in, for example, EVs (electric vehicles), HEVs (hybrid vehicles), forklifts, special vehicles, various robots, trains, and the like. can do.
By the way, the above-mentioned various motor drive devices are equipped with a battery having an output voltage corresponding to the model. In order to cope with this, the current
1 速度・位置計算部
2 IPMモータ
3 レゾルバ
4,6 A/D変換部
5 3相/2相変換部
8 電流指令作成部
8a,8a−1〜8a−N 変換テーブル
9 PI制御部
11 2相/3相変換部
14 インバータ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記モータの回転数を検出する回転数検出手段と、
下記のように分類した前記モータの全損失に基づき、前記トルク指令およびモータ回転数に対して前記全損失を最小にするための前記d,q軸電流id,iqを予め規定した変換テーブルと、を備え、
前記変換テーブルによって得られる前記d,q軸電流id,iqが前記モータに流れるように該モータを制御することを特徴とするモータ制御装置。
全損失=鉄損(基本波鉄損(I,θ,N)+高調波鉄損(I,θ,N)
+キャリア鉄損(I,θ,N))+銅損(I)+機械損(N)
ここで、I:モータ電流、θ:電流位相、N:モータ回転数 A motor control device for driving a motor by generating d and q axis currents corresponding to a torque command,
A rotational speed detection means for detecting the rotational speed of the motor;
A conversion table in which the d and q axis currents i d and i q for minimizing the total loss with respect to the torque command and the motor rotational speed are preliminarily defined based on the total loss of the motor classified as follows. And comprising
A motor control device that controls the motor such that the d and q axis currents i d and i q obtained by the conversion table flow to the motor.
Total loss = Iron loss (Basic wave iron loss (I, θ, N) + Harmonic iron loss (I, θ, N)
+ Carrier iron loss (I, θ, N)) + Copper loss (I) + Mechanical loss (N)
Where I: motor current, θ: current phase, N: motor speed
前記モータの回転数を検出するステップと、
下記のように分類した前記モータの全損失に基づき、前記トルク指令およびモータ回転数に対して前記全損失を最小にするための前記d,q軸電流id,iqを予め規定した変換テーブルを作成するステップと、
前記変換テーブルによって得られる前記d,q軸電流id,iqが前記モータに流れるように該モータを制御するステップと、
を含むことを特徴とするモータ制御方法。
全損失=鉄損(基本波鉄損(I,θ,N)+高調波鉄損(I,θ,N)
+キャリア鉄損(I,θ,N))+銅損(I)+機械損(N)
ここで、I:モータ電流、θ:電流位相、N:モータ回転数 A motor control method for driving a motor by generating d and q axis currents corresponding to a torque command,
Detecting the number of rotations of the motor;
A conversion table in which the d and q axis currents i d and i q for minimizing the total loss with respect to the torque command and the motor rotational speed are preliminarily defined based on the total loss of the motor classified as follows. The steps of creating
Controlling the motor such that the d and q axis currents i d and i q obtained by the conversion table flow to the motor;
A motor control method comprising:
Total loss = Iron loss (Basic wave iron loss (I, θ, N) + Harmonic iron loss (I, θ, N)
+ Carrier iron loss (I, θ, N)) + Copper loss (I) + Mechanical loss (N)
Where I: motor current, θ: current phase, N: motor speed
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