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

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 Download PDF

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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(Id)上及び直交軸(Iq)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(Vq)を直交軸上に、電圧(Vd)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(Vq)及び電圧(Vd)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Va、Vb及びVc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(Id)上及び直交軸(Iq)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(Vq)を直交軸上に誘導し;電圧(Vd)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(Vq)及び電圧(Vd)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Va、Vb及びVc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ia、ib及びic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ia、ib及びicを決定し;
電流ia、ib及びicを角度−θnで回転することにより電流Id及びIq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θn+1を計算し;
電圧出力Vqを計算し;
電圧出力Vdを計算し;
電圧Vq及びVdを回転角θn+1で回転することによって3つの電圧制御シグナルVa、Vb及びVcを発生させ;そして
電圧制御シグナルVa、Vb及びVc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ia、ib及びic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Va、Vb及びVc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(SKiiPACKTM342 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θn+1及び−θn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ia、ib及びicを決定する。
次の工程(200)では、3つの電流ia、ib及びicを逆パークベクトル回転器18(inverse park vector rotator 18)で処理し、角度−θnで回転することにより2つの電流Id及びIqを出力する。
工程300では、出力した2つの電流Id及びIq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θn+1(current rotating angleθn+1)を計算する(工程400)。
更に、2つの電流Id及びIqを用いて2つの電圧出力Vq及びVdを計算する(工程500及び600)。次いで電圧出力Vq及びVdをパークベクトル回転器20(park vector rotator 20)にて回転角θn+1で回転し、3つの電圧制御シグナルVa、Vb及びVc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。
θn+1=θn+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ia、ib及びic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−θnで回転することによって、電流Id及び電流Iqを出力する。
Id=2/3×[ia×cos(θn)+ib×cos(θn+120°)+ic×cos(θn−120°)] (2)
Iq=2/3×[ia×sin(θn)+ib×sin(θn+120°)+ic×sin(θn−120°)] (3)
PMモーター12の3つの相電流ia、ib及びic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。
Figure 2005522171
回転により得られた電流Id及びIqを用いて第一電圧出力Vqを発生する。第一電圧出力Vq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Idとの間の誤差を考慮している。
q=PI(I−Id)+k3×Iq (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Id及び電流Iq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Vdも発生する。
d=k5×Id+k4×Iq×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Id、Iq及び電圧Vd、Vqを用いて下記式(8)に従って計算できる。
T=(Vd×Id+Vq×Iq)/ω (8)
次に、連続回転基準フレーム(continuously rotating reference frame)の2つの電圧Vd及びVq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θn+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Va、Vb及びVcを発生する。
Va=Vd×cos(θn+1)+Vq×sin(θn+1) (9)
Vb=Vd×cos(θn+1+120°)+Vq×sin(θn+1+120°) (10)
Vc=Vd×cos(θn+1−120°)+Vq×sin(θn+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(Id)上及び直交軸(Iq)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(Vq)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(Vd)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(Vq及びVd)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(Va、Vb及びVc、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(Id)上及び直交軸(Iq)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(Vq)を直交軸上に、電圧(Vd)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(Vq)及び電圧(Vd)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Va、Vb及びVc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ia、ib及びic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。
    Figure 2005522171
  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−θnで回転することによって、電流Id及び電流Iq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。
    Id=2/3×[ia×cos(θn)+ib×cos(θn+120°)+ic×cos(θn−120°)] (2)
    Iq=2/3×[ia×sin(θn)+ib×sin(θn+120°)+ic×sin(θn−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θn+1を計算し、
    2つの電圧出力Vq及びVdを計算し、そして
    電圧出力Vq及びVdを角度θn+1で回転する。
  10. 現在回転角θn+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。
    θn+1=θn+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Vq及びVd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Vqを計算する:
    q=PI(I−Id)+k3×Iq (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Vdを計算する:
    d=k5×Id+k4×Iq×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Va、Vb及びVc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。
    Va=Vd×cos(θn+1)+Vq×sin(θn+1) (9)
    Vb=Vd×cos(θn+1+120°)+Vq×sin(θn+1+120°) (10)
    Vc=Vd×cos(θn+1−120°)+Vq×sin(θn+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(Id)上及び直交軸(Iq)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(Vq)を直交軸上に、電圧(Vd)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(Vq)及び電圧(Vd)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Va、Vb及びVc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(Id)上及び直交軸(Iq)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(Vq)を直交軸上に誘導し;電圧(Vd)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(Vq)及び電圧(Vd)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Va、Vb及びVc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ia、ib及びic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ia、ib及びicを決定し;
    電流ia、ib及びicを角度−θnで回転することにより電流Id及びIq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θn+1を計算し;
    電圧出力Vqを計算し;
    電圧出力Vdを計算し;
    電圧Vq及びVdを回転角θn+1で回転することによって3つの電圧制御シグナルVa、Vb及びVcを発生させ;そして
    電圧制御シグナルVa、Vb及びVcを永久磁石式電気モーターに適用する。
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