JP2005522171A - 永久磁石式電気モーターを制御するためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

永久磁石式三相電気モーターの速度変化とトルク変化の両方に関連して該モーターの端子電圧を制御するためのシステム及び方法であって、相電流を固定フレームから回転子同期フレームのデカップリングされた２つの電流成分へと回転し、電圧を直交軸上及び直軸上にそれぞれ誘導し、そして回転子同期フレームからの直交軸電圧及び直軸電圧を固定フレームへ回転することにより永久磁石式電気モーターの端子電圧を発生することを特徴とするシステム及び方法が提供される。

Description

本発明は永久磁石式電気モーターに関する。更に詳細には、本発明は永久磁石式電気モーターを制御するためのシステム及び方法に関する。

一般に、永久磁石式モーターを制御するためには、相、周期、モーターの回転子が発生する起電力（emf）電圧（electric motive force ("emf") voltage）の振幅などの永久磁石式モーターの特性を決定して電圧を発生し、モーターの端子に帰還させる必要がある。

永久磁石式モーターのこれら特性は位置センサーを用いることにより検出できる。しかし、フィードバックシグナル（feedback signals）は、例えば雑音や温度などの周囲環境の変化、あるいは不純物の存在などによって影響されるため、位置センサーの使用はコストの増加や制御方法の信頼性の低下の原因となる。

制御方法として考えられるのは、永久磁石式モーターの起電力電圧（emf）を推定（estimate）することを含む方法である。しかし、高速モーターを用いる場合、この方法だと高速計算が必要となり、コストが高くなる可能性がある。また、モーターの特性は周囲環境に依存するため、このような制御方法は複雑になる可能性がある。

以上から分かるように、永久磁石式モーターを制御する方法は幾つも知られているものの、これらの方法では、位置センサー及び複雑な計算が必要となるか、またはこれらの方法を、個々の永久磁石式モーターのデザインに応じて環境に適応させなくてはならない。

従って、永久磁石式電気モーターを制御できるシステム及び方法であって、簡便で、信頼性が高く、環境変化に自動的に適応するシステム及び方法が必要とされている。
発明の目的

従って、本発明の１つの目的は、永久磁石式電気モーターのための改善された制御システム及び制御方法を提供することである。
発明の概要

より具体的には、本発明によれば、永久磁石式電気モーターを制御するためのシステムであって、モーターコントローラーとパワーステージを含み、該モーターコントローラーが、永久磁石式電気モーターの相電流を用いて永久磁石式電気モーターの速度変化とトルク変化の両方に関連する電圧制御シグナルを得て、該電圧制御シグナルを、パワーステージを介して永久磁石式電気モーターに帰還させることを特徴とする制御システムが提供される。

更に、本発明によれば、永久磁石式電気モーターの各相の電流を決定し、永久磁石式電気モーターの速度変化とトルク変化の両方に関連する電圧制御シグナルを得て、そして電圧制御シグナルを永久磁石式電気モーターに帰還させる、ことを含むことを特徴とする永久磁石式電気モーターの制御方法が提供される。

更に、本発明によれば、回転子及び固定子を有する永久磁石式三相電気モーターを制御するための回路であって、永久磁石式電気モーターの各相の電流シグナルを、固定フレームから回転子同期フレームの直軸（Ｉ_d）上及び直交軸（Ｉ_q）上のデカップリングされた２つの電流成分へと回転する回転器；電圧（Ｖ_q）を直交軸上に、電圧（Ｖ_d）を直軸上にそれぞれ誘導するための比例／積分演算子；及び回転子同期フレームからの電圧（Ｖ_q）及び電圧（Ｖ_d）を固定フレームへ回転することにより永久磁石式三相電気モーターの端子電圧Ｖ_a、Ｖ_b及びＶ_cを発生する回転器を含むことを特徴とする回路が提供される。

更に、本発明によれば、回転子及び固定子を有する永久磁石式三相電気モーターの制御方法であって、永久磁石式電気モーターの各相の電流シグナルを固定フレームから回転子同期フレームの直軸（Ｉ_d）上及び直交軸（Ｉ_q）上のデカップリングされた２つの電流成分へと回転し；電圧（Ｖ_q）を直交軸上に誘導し；電圧（Ｖ_d）を直軸上に誘導し；そして回転子同期フレームからの電圧（Ｖ_q）及び電圧（Ｖ_d）を固定フレームへ回転することにより永久磁石式電気モーターの端子電圧Ｖ_a、Ｖ_b及びＶ_cを発生することを特徴とする制御方法が提供される。

更に、本発明によれば、以下の工程を含むことを特徴とする、電流ｉ_a、ｉ_b及びｉ_cをそれぞれ支持する三相を有する永久磁石式電気モーターの制御方法が提供される。
電流ｉ_a、ｉ_b及びｉ_cを決定し；
電流ｉ_a、ｉ_b及びｉ_cを角度−θ_nで回転することにより電流Ｉ_d及びＩ_qを発生し；
永久磁石式電気モーターの現在トルクを計算し；
現在回転角θ_n+1を計算し；
電圧出力Ｖ_qを計算し；
電圧出力Ｖ_dを計算し；
電圧Ｖ_q及びＶ_dを回転角θ_n+1で回転することによって３つの電圧制御シグナルＶ_a、Ｖ_b及びＶ_cを発生させ；そして
電圧制御シグナルＶ_a、Ｖ_b及びＶ_cを永久磁石式電気モーターに適用する。

本発明のその他の諸目的、諸利益並びに諸特徴は、添付の図面を参照しながら以下に述べる本発明の諸態様の説明から明らかになる。但し、以下に述べる本発明の諸態様は単なる例示であり、本発明の範囲を限定するものではない。
発明の詳細な説明

一般的に述べると、本発明は、三相電気モーターを制御するためのシステム及び方法であって、モーターの速度変化とトルク変化の両方に関連するモーターの端子電圧をモニターすることを特徴とするシステム及び方法を提供する。

より具体的には、本発明によれば、永久磁石式電気モーターの各相の電流シグナルを固定フレームから回転子同期フレームのデカップリングされた２つの電流成分へと回転し；電圧を直交軸上及び直軸上に誘導し；そして回転子同期フレームからの直交軸上及び直軸上の電圧を固定フレームへ回転することによりモーターの端子電圧を発生することを特徴とするシステム及び方法が提供される。

図１に示されるシステム１０は、永久磁石式モーター（以下「ＰＭモーター１２」と称する）、パワーステージ１４（power stage 14）及びモーターコントローラー１６（motor controller 16）を含む。

ＰＭモーター１２は回転子と固定子（図示しない）を有する三相電気モーターであり、三相はそれぞれ電流ｉ_a、ｉ_b及びｉ_cを支持している。これらの相電流は検出され、パークベクトル回転ユニット１６（park vector rotator unit 16）を用いて３つの電圧制御シグナルＶ_a、Ｖ_b及びＶ_cを発生する。発生した３つの電圧制御シグナルはパワーステージ１４に供給される。

パワーステージ１４としては、例えばセミクロン社（Semikron）製のものを用いることができ、特に、例えばスキーパック^TM３４２ＧＤ１２０−３１４ＣＴＶ（SKiiPACK^TM342 GD 120-314 CTV）を用いることができる。

モーターの角速度「ω」は、ユーザーがシステム１０にＰＭモーター１２の速度の値をセットすることによって制御することができる。ユーザーは基準電流値「Ｉ^★」を選択する。基準電流値「Ｉ^★」は通常０に設定されているが、他の値を選択してもよい。

モーターコントローラー１６としてはパークベクトル回転ユニット（park vector rotator unit）を用いる。パークベクトル回転ユニット１６は、瞬間値θ_n+1及び−θ_nをそれぞれ有する２つの連続的回転角（continuously rotating angles）を発生する。ここで負の符号は回転が逆方向であることを示し、下付きの「ｎ＋１」は現在の計算角度を示し、下付きの「ｎ」は以前の計算角度を示す。

以下、システム１０を用いて永久磁石式電気モーターを制御する、本発明の第二の態様による方法を明確にするために、図２に参照してその主要工程を説明する。

第一の工程１００では、標準的な電流センサーを用いてＰＭモーター１２の三相の電流ｉ_a、ｉ_b及びｉ_cを決定する。

次の工程（２００）では、３つの電流ｉ_a、ｉ_b及びｉ_cを逆パークベクトル回転器１８（inverse park vector rotator 18）で処理し、角度−θ_nで回転することにより２つの電流Ｉ_d及びＩ_qを出力する。

工程３００では、出力した２つの電流Ｉ_d及びＩ_qを用いてＰＭモーター１２の現在トルク「Ｔ」（current torque "T"）を計算し、次いで現在トルクＴを用いて現在回転角θ_n+1（current rotating angleθ_n+1）を計算する（工程４００）。

更に、２つの電流Ｉ_d及びＩ_qを用いて２つの電圧出力Ｖ_q及びＶ_dを計算する（工程５００及び６００）。次いで電圧出力Ｖ_q及びＶ_dをパークベクトル回転器２０（park vector rotator 20）にて回転角θ_n+1で回転し、３つの電圧制御シグナルＶ_a、Ｖ_b及びＶ_cを発生する（工程７００）。

以下、本発明の方法の工程について、再び図１に参照して詳細に説明する。

現在計算角度（current computing angle）はＰＭモーター１２の速度ωの変化とトルクＴの変化に応じて下記式より導出される。
θ_n+1＝θ_n＋ｋ₁×ω＋ｋ₂×Ｔ （１）
（式中、ｋ₁及びｋ₂は定数である）

図１に示されるように、相電流ｉ_a、ｉ_b及びｉ_cはそれぞれライン１２ａ、１２ｂ及び１２ｃを通じて第一逆パークベクトル回転器１８（first inverse park vector rotator 18）に送られ、回転軸に固定されたｄ−ｑ軸に関する下記式（２）及び（３）の関係に従って、角度−θ_nで回転することによって、電流Ｉ_d及び電流Ｉ_qを出力する。
I_d＝2/3×[i_a×cos(θ_n)＋i_b×cos(θ_n＋120°)＋i_c×cos(θ_n−120°)] (2)
I_q＝2/3×[i_a×sin(θ_n)＋i_b×sin(θ_n＋120°)＋i_c×sin(θ_n−120°)] (3)

ＰＭモーター１２の３つの相電流ｉ_a、ｉ_b及びｉ_cはそれぞれ測定してもよいし、また、下記式（４）で表される関係が知られていることから、２つの相の電流を測定し、下記式（４）を用いて第３の相の電流を計算することもできる。

回転により得られた電流Ｉ_d及びＩ_qを用いて第一電圧出力Ｖ_qを発生する。第一電圧出力Ｖ_qは、回転軸に固定されたｄ−ｑ軸に関する下記式（５）に従って、あらかじめセットした値Ｉ^★とＩ_dとの間の誤差を考慮している。
Ｖ_q＝ＰＩ（Ｉ^★−Ｉ_d）＋ｋ₃×Ｉ_q （５）
（式中、ｋ₃は定数であり、ＰＩは下記式（６）で定義される比例／積分演算子である）
ＰＩ（ｘ）＝ａｘ＋ｂ∫ｘｄｔ （６）
（式中ａ及びｂは定数であり、積分は時間に関する。）

また、回転により得られた電流Ｉ_d及び電流Ｉ_qを用いて、回転軸に固定されたｄ−ｑ軸に関する下記式（７）に従って第二電圧出力Ｖ_dも発生する。
Ｖ_d＝ｋ₅×Ｉ_d＋ｋ₄×Ｉ_q×ω （７）
（式中ｋ₄及びｋ₅は定数である。）

尚、速度ωは、上述したようにユーザーによりセットされるのに対し、トルクＴは、上記式（２）及び（３）より求めた、回転軸に固定されたｄ−ｑ軸上の電流Ｉ_d、Ｉ_q及び電圧Ｖ_d、Ｖ_qを用いて下記式（８）に従って計算できる。
Ｔ＝（Ｖ_d×Ｉ_d＋Ｖ_q×Ｉ_q）／ω （８）

次に、連続回転基準フレーム（continuously rotating reference frame）の２つの電圧Ｖ_d及びＶ_qを第二パークベクトル回転器２０（second park vector rotator 20）において角度θ_n+1で回転し、下記式（９）〜（１１）に従って、パワーユニット１４（power unit 14）を制御する３つの電圧制御シグナルＶ_a、Ｖ_b及びＶ_cを発生する。
V_a＝V_d×cos（θ_n+1）＋V_q×sin（θ_n+1） （9）
V_b＝V_d×cos（θ_n+1＋120°）＋V_q×sin（θ_n+1＋120°） （10）
V_c＝V_d×cos（θ_n+1−120°）＋V_q×sin（θ_n+1−120°） （11）

尚、上記式中ｋ₁〜ｋ₅はユーザーがシステム１０を設計する際に設定する定数であって、使用するコンピューターのサンプリング速度、パワードライブの条件、電流測定に用いるセンサーの感度及びモーターの特性などのパラメータに基づいて決定される。

以上より、本発明が、モーターの端子電圧が自己適応型（self-adapting）であるシステム及び方法を提供することは明らかである。より具体的には、第一に、３つの電流シグナルを固定フレームから回転子同期フレームの直軸（Ｉ_d）上及び直交軸（Ｉ_q）上のデカップリングされた２つの電流成分へと回転する。次に、一方で、直軸電流成分に比例／積分演算子を作用させ、定数と直交軸電流成分との積を足すことにより、直交軸上に電圧（Ｖ_q）を誘導する（式（５）参照）。他方で、定数と直軸電流成分との積に、モーターの速度と直交軸電流成分との積を足して、直軸上に電圧（Ｖ_d）を誘導する（式（７）参照）。最後に、こうして計算した直交軸電圧及び直軸電圧（Ｖ_q及びＶ_d）を回転子同期フレームから固定フレームへ回転することによりモーター端子電圧を発生する（Ｖ_a、Ｖ_b及びＶ_c、式（９）〜（１１）参照）。

従って、本発明のシステム及び方法は、速度変化及びトルク変化、ならびに周囲条件の変化にも応答して角度を連続的に更新することを可能とする。

以上より、本発明は、回転子及び固定子を有する永久磁石式三相電気モーターを制御するための回路であって、永久磁石式電気モーターの各相の電流シグナルを、固定フレームから回転子同期フレームの直軸（Ｉ_d）上及び直交軸（Ｉ_q）上のデカップリングされた２つの電流成分へと回転する回転器；電圧（Ｖ_q）を直交軸上に、電圧（Ｖ_d）を直軸上にそれぞれ誘導するための比例／積分演算子；及び回転子同期フレームからの電圧（Ｖ_q）及び電圧（Ｖ_d）を固定フレームへ回転することにより永久磁石式三相電気モーターの端子電圧Ｖ_a、Ｖ_b及びＶ_cを発生する回転器を含むことを特徴とする回路も提供することは明らかである。

特に、本発明のシステム及び方法を用いると、環境に左右されやすい、位置センサーや起電力電圧（emf）などの永久磁石式モーターの特性に頼ることなく永久磁石式モーターを制御できるため、環境条件に適応できることを当業者は理解するであろう。

以上、具体例に参照して本発明を説明したが、本発明は、添付の請求の範囲に定義される本発明の精神と特性から外れることなく改変することができる。

本発明の第一の態様によるモーター制御システムの簡略図である。 本発明の第二の態様による、電気モーターの制御方法の流れ図である。

Claims (16)

1. 永久磁石式電気モーターを制御するためのシステムであって、モーターコントローラーとパワーステージを含み、該モーターコントローラーが、永久磁石式電気モーターの相電流を用いて永久磁石式電気モーターの速度変化とトルク変化の両方に関連する電圧制御シグナルを得て、該電圧制御シグナルを、パワーステージを介して永久磁石式電気モーターに帰還させることを特徴とする制御システム。
2. 該永久磁石式電気モーターが、回転子及び固定子を有する永久磁石式三相電気モーターであって、三相の電流がそれぞれｉ_a、ｉ_b及びｉ_cであることを特徴とする請求項１に記載の制御システム。
3. 該モーターコントローラーが連続的回転角を発生するパークベクトル回転ユニットであることを特徴とする請求項１又は２に記載の制御システム。
4. 該システムが、永久磁石式電気モーターの速度変化とトルク変化に連続的に応答し、且つ、周囲条件にも連続的に応答することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の制御システム。
5. 以下の工程を含むことを特徴とする永久磁石式電気モーターの制御方法。
   永久磁石式電気モーターの各相の電流を決定し、
   永久磁石式電気モーターの速度変化とトルク変化の両方に関連する電圧制御シグナルを得て、そして
   電圧制御シグナルを永久磁石式電気モーターに帰還させる。
6. 永久磁石式電気モーターの各相の電流を決定する工程が、２つの相の電流を測定し、下記式（４）を用いて第３の相の電流を計算することを含むことを特徴とする請求項５に記載の制御方法。
   

   
7. 更に永久磁石式電気モーターの現在トルクＴを計算することを含むことを特徴とする請求項５又は６に記載の制御方法。
8. 現在トルクＴの計算が、永久磁石式電気モーターの回転軸に固定されたｄ−ｑ軸に関する下記式（２）及び（３）の関係に従って、永久磁石式電気モーターの各相の電流を角度−θ_nで回転することによって、電流Ｉ_d及び電流Ｉ_qを出力することを含むことを特徴とする請求項７に記載の制御方法。
   I_d＝2/3×[i_a×cos(θ_n)＋i_b×cos(θ_n＋120°)＋i_c×cos(θ_n−120°)] (2)
   I_q＝2/3×[i_a×sin(θ_n)＋i_b×sin(θ_n＋120°)＋i_c×sin(θ_n−120°)] (3)
9. 電圧制御シグナルを得る工程が以下の操作を含むことを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の制御方法。
   現在回転角θ_n+1を計算し、
   ２つの電圧出力Ｖ_q及びＶ_dを計算し、そして
   電圧出力Ｖ_q及びＶ_dを角度θ_n+1で回転する。
10. 現在回転角θ_n+1の計算を、永久磁石式電気モーターの現在トルクＴ及び速度ωを用いて下記式（１）により行なうことを特徴とする請求項９に記載の制御方法。
    θ_n+1＝θ_n＋ｋ₁×ω＋ｋ₂×Ｔ （１）
    （式中、ｋ₁及びｋ₂は定数である）
11. ２つの電圧出力Ｖ_q及びＶ_dを計算する工程が以下の操作を含むことを特徴とする請求項９又は１０に記載の制御方法。
    下記式（５）を用いて、回転軸に固定されたｄ−ｑ軸上の電圧出力Ｖ_qを計算する：
    Ｖ_q＝ＰＩ（Ｉ^★−Ｉ_d）＋ｋ₃×Ｉ_q （５）
    （式中、ｋ₃は定数であり、ＰＩは下記式（６）で定義される比例／積分演算子である）
    ＰＩ（ｘ）＝ａｘ＋ｂ∫ｘｄｔ （６）
    （式中ａ及びｂは定数であり、積分は時間に関する。）、そして
    下記式（７）を用いて、回転軸に固定されたｄ−ｑ軸上の電圧出力Ｖ_dを計算する：
    Ｖ_d＝ｋ₅×Ｉ_d＋ｋ₄×Ｉ_q×ω （７）
    （式中ｋ₄及びｋ₅は定数である。）
12. 電圧制御シグナルを得る工程が、下記式（９）、（１０）及び（１１）でそれぞれ表される３つの電圧制御シグナルＶ_a、Ｖ_b及びＶ_cを得ることを含むことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の制御方法。
    V_a＝V_d×cos（θ_n+1）＋V_q×sin（θ_n+1） （9）
    V_b＝V_d×cos（θ_n+1＋120°）＋V_q×sin（θ_n+1＋120°） （10）
    V_c＝V_d×cos（θ_n+1−120°）＋V_q×sin（θ_n+1−120°） （11）
13. 使用するコンピューターのサンプリング速度、パワードライブの条件、電流測定に用いるセンサーの感度及び永久磁石式電気モーターの特性からなる群より選ばれるパラメータを基準に定数が決定されることを特徴とする請求項５〜１２のいずれかに記載の制御方法。
14. 回転子及び固定子を有する永久磁石式三相電気モーターを制御するための回路であって、永久磁石式電気モーターの各相の電流シグナルを、固定フレームから回転子同期フレームの直軸（Ｉ_d）上及び直交軸（Ｉ_q）上のデカップリングされた２つの電流成分へと回転する回転器；電圧（Ｖ_q）を直交軸上に、電圧（Ｖ_d）を直軸上にそれぞれ誘導するための比例／積分演算子；及び回転子同期フレームからの電圧（Ｖ_q）及び電圧（Ｖ_d）を固定フレームへ回転することにより永久磁石式三相電気モーターの端子電圧Ｖ_a、Ｖ_b及びＶ_cを発生する回転器を含むことを特徴とする回路。
15. 回転子及び固定子を有する永久磁石式三相電気モーターの制御方法であって、永久磁石式電気モーターの各相の電流シグナルを固定フレームから回転子同期フレームの直軸（Ｉ_d）上及び直交軸（Ｉ_q）上のデカップリングされた２つの電流成分へと回転し；電圧（Ｖ_q）を直交軸上に誘導し；電圧（Ｖ_d）を直軸上に誘導し；そして回転子同期フレームからの電圧（Ｖ_q）及び電圧（Ｖ_d）を固定フレームへ回転することにより永久磁石式電気モーターの端子電圧Ｖ_a、Ｖ_b及びＶ_cを発生することを特徴とする制御方法。
16. 以下の工程を含むことを特徴とする、電流ｉ_a、ｉ_b及びｉ_cをそれぞれ支持する三相を有する永久磁石式電気モーターの制御方法。
    電流ｉ_a、ｉ_b及びｉ_cを決定し；
    電流ｉ_a、ｉ_b及びｉ_cを角度−θ_nで回転することにより電流Ｉ_d及びＩ_qを発生し；
    永久磁石式電気モーターの現在トルクを計算し；
    現在回転角θ_n+1を計算し；
    電圧出力Ｖ_qを計算し；
    電圧出力Ｖ_dを計算し；
    電圧Ｖ_q及びＶ_dを回転角θ_n+1で回転することによって３つの電圧制御シグナルＶ_a、Ｖ_b及びＶ_cを発生させ；そして
    電圧制御シグナルＶ_a、Ｖ_b及びＶ_cを永久磁石式電気モーターに適用する。

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