JP2006020411A - 永久磁石同期電動機の制御装置及びモジュール - Google Patents

永久磁石同期電動機の制御装置及びモジュール Download PDF

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Abstract

【課題】
弱め界磁域においても、高精度,高応答なモータトルクを実現すること、また、安価な電流検出を行うシステムや、磁極位置検出器を省略したシステムにおいても、共通に適用可能な永久磁石同期電動機の弱め界磁ベクトル制御装置を提供することにある。
【解決手段】
d軸電流指令を作成する演算部の制御ゲインを電動機の周波数指令値により自動修正すること。さらに、無負荷時に発生するd軸電流指令を予め演算により求め、d軸電流指令値を作成する演算部の出力に加算する。
【選択図】図1

Description

本発明は、永久磁石同期電動機の弱め界磁域のベクトル制御方式に係る。
弱め界磁域のベクトル制御方式の従来の技術としては、特開平8−182398号公報記載のd軸電流指令値をテーブル化してd軸およびq軸の電流制御を比例演算方式にする方法や、特開2002−95300号公報記載のように、d軸およびq軸の電流制御部から電動機の端子電圧を求め、端子電圧の指令値と前記端子電圧の偏差を比例・積分演算で、前記d軸電流指令値を演算する方法がある。
特開平8−182398号公報 特開2002−95300号公報
しかしながら、特開平8−182398号公報記載の方法では、電流制御が比例演算方式であるため、電流指令値通りの電流が発生せず、トルク精度が劣化し、特開2002−
95300号公報記載の方法では、d軸電流指令の発生が遅いことから、トルク応答が劣化する傾向がある。
本発明の目的は、弱め界磁制御域においても、「高精度・高応答なトルク制御」を実現できる「永久磁石同期電動機の弱め界磁制御装置」を提供することにある。
本発明は、d軸電流指令値を作成する弱め界磁指令演算部の積分制御ゲインを電動機の周波数指令値により自動修正することで、d軸電流指令値を高応答に発生させることができる。
さらに、無負荷時に発生するd軸電流指令を予め演算により求め、d軸電流指令値を作成する演算部の出力に加算することを特徴とする。
本発明によれば、弱め域界磁においても、高精度,高応答なモータトルクを実現することができる。
以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施例である永久磁石同機電動機の弱め界磁ベクトル制御装置の構成例を示す。1は永久磁石同期電動機、2は3相交流の電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*に比例した電圧を出力する電力変換器、21は直流電源、3は3相交流電流Iu,Iv,Iwを検出できる電流検出器、4は電動機の電気角60°毎の位置検出値θiを検出できる磁極位置検出器、5は位置検出値θiから周波数指令値ω1 *を演算する周波数演算部、6は位置検出値θiと周波数指令値ω1 *から電動機の回転位相指令θc* を演算する位相演算部、7は前記3相交流電流Iu,Iv,Iwの検出値Iuc,Ivc,Iwcと回転位相指令θc* からd軸およびq軸の電流検出値Idc,Iqcを出力する座標変換部、8は弱め界磁域における出力電圧指令値V1 * ref と出力電圧値V1 *の偏差から第1のd軸電流指令値Id* を演算する弱め界磁指令演算部、9は弱め界磁指令演算部の出力である第1のd軸電流指令値Id* とd軸電流検出値Idcの偏差に応じて第2のd軸電流指令値Id**を出力するd軸電流指令演算部、10は第1のq軸電流指令値Iq* とq軸電流検出値Iqcの偏差に応じて第2のq軸電流指令値Iq**を出力するq軸電流指令演算部、11は電動機1の電気定数と第2の電流指令値Id**,Iq**および周波数指令値ω1 *に基づいて電圧指令値Vd*,Vq*を演算する電圧ベクトル演算部、12は電圧指令値
Vd*,Vq* から電力変換器の出力電圧値V1 *を演算する出力電圧演算部、13は電圧指令値Vd*,Vq*と回転位相指令θc*から3相交流の電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*を出力する座標変換部である。
はじめに、本発明の特徴である弱め界磁指令演算を用いた場合におけるベクトル制御方式の電圧制御と位相制御の基本動作について説明する。
電圧制御では、図1中の出力電圧演算部12において、数1で示すように、d軸およびq軸の電圧指令値Vd*,Vq*を用いて、出力電圧値V1 *が演算される。
Figure 2006020411
弱め界磁指令演算部8では、前記の出力電圧値V1 *が、弱め界磁域における出力電圧指令値V1 * refに一致するように、第1のd軸電流指令値Id*を演算する。
また、電圧ベクトル演算部11では、予め数2で示す第2のd軸およびq軸の電流指令値とモータ定数を用いて、d軸およびq軸の電圧指令値Vd*,Vq*を演算し、変換器出力電圧を制御する。
Figure 2006020411
ここに、R1 *は、抵抗の設定値、Ld*はd軸インダクタンスの設定値、Lq*は、q軸インダクタンスの設定値、Ke*は、誘起電圧定数の設定値である。
一方、位相制御では、磁極位置検出器4において、電気角60度毎の磁極位置を把握することができる。この時の位置検出値θiを本実施例では、
Figure 2006020411
ここに、i=0,1,2,3,4,5としている。
周波数演算部5においては、この位置検出値θiから、最短で60度区間における平均の回転周波数ω1 *(以下、周波数指令値)を算出する。
Figure 2006020411
ここに、Δθ=θi−θ(i−1)であり、Δtは、60度区間の位置検出信号を検出するまでの時間である。
また、位相演算部6では、位置検出値θiと周波数指令ω1 *を用いて、回転位相指令
θc*を数5のように演算して電動機1の基準位相を制御する。
Figure 2006020411
以上が、電圧制御と位相制御の基本動作である。
次に、図2を用いて、本発明の特徴であるフィードバック制御方式による弱め界磁指令演算部8について説明する。
弱め界磁指令演算部8では、弱め界磁域における出力電圧指令値V1 * ref と出力電圧値V1 *の偏差が、積分ゲインKの定数を持つ積分演算部81に入力され積分演算が行われる。その演算値は、正側を「ゼロ」に制限するリミッタ演算部82に入力され、その出力値が第1のd軸電流指令Id*となる。
次に、本発明のもたらす作用効果について、本実施例により説明する。
図1の制御装置において、第1のd軸電流指令値Id* を「ゼロ」に制御した場合について考える(弱め界磁指令演算は行わない場合)。
電圧ベクトル演算部11で出力されるV1 *は、数2を数1に代入すると、
Figure 2006020411
また、V1 *の飽和値をV1 * max とすると、電圧飽和域では数7の関係になる。
Figure 2006020411
ここで、数7を整理すると、周波数指令ω1 *についての二次方程式を得ることができ、
Figure 2006020411
数8より、V1 *が飽和する際のω1 *を求めることができる。
Figure 2006020411
ここで、Id**=Id*=0,Iq**=τ/KT とした場合の、モータトルクτと周波数指令ω1 *の関係を図3に示す。
ここに、τは、モータトルクであり、KTはトルク係数である。
図3に示す実線は、V1 *が飽和する境界線であり、境界線の上側が飽和域、下側が非飽和域であり、実運転可能な範囲となる。
このため、d軸電流指令値Id* を「ゼロ」に設定するベクトル制御では、高速域における運転範囲が低く制限されてしまう課題があった。
そこで本実施例では、出力電圧値V1 * が、弱め界磁域における出力電圧指令値V1 * refに一致するように、第1のd軸電流指令値Id*を演算し、このId*を用いて、第2のd軸電流指令値Id**を作成し、電圧ベクトルの演算を行うようにしている。
ここで、弱め界磁域の出力電圧指令値V1 * ref は、数10のように設定する。
Figure 2006020411
この結果、出力電圧値V1 *が飽和しない(V1 * max より小さい値になる)ように、電圧ベクトル演算部11で電圧指令値Vd*,Vq*が演算されるため、高速域においての運転範囲を拡大することができる。
本発明を適用すると、電流指令値通りに電流を発生させることができるので、高精度なトルク制御を実現でき、また、図4に示すように運転範囲も拡大することができる。
なお、トルク制御運転時において高トルクが要求されると、トルクに見合った大きな電流を流す必要がある。連続した時間で高トルクが要求される場合には、電動機電流による発熱により、時間と共に電動機内部の巻線抵抗値Rが増加する。すると、電圧ベクトル演算部で演算する抵抗設定値と実抵抗値が一致しなくなるため、電動機に必要な電圧を供給することができなくなり、その結果、トルク発生に必要な電流が流れず、トルク不足に陥ることが懸念される。
そこで、本実施例の図1のようにベクトル演算部の上流部に電流指令演算部を有することにより、電動機電流を電流指令値に一致させるように出力電圧が制御され、電動機定数の変動や、ホール素子などの取り付け誤差の影響を受けることなく、低速度域からトルク不足を生じない交流電動機の制御装置を提供できる。
図5は、本発明の他の実施例を示す。
本実施例は、フィードバック制御方式による弱め界磁指令演算部の積分ゲインを周波数指令ω1 *で変更する方式の永久磁石同機電動機の制御装置である。
図5において、1〜7,9〜13,21は図1と同一である。8aは、周波数指令ω1 *に応じて、V1 * ref とV1 *の偏差を積分演算する際の積分ゲインを自動修正する弱め界磁指令演算部である。
次に、図6を用いて、本発明の特徴である弱め界磁指令演算部8aを説明する。
弱め界磁指令演算部8aでは、弱め界磁域における出力電圧指令値V1 * ref と出力電圧値V1 の偏差が、積分ゲインKの定数を持つ積分演算部8a1に入力され、積分演算が行われる。その際、積分ゲインKは周波数ω1 により自動修正される。積分演算部8a1の出力値は、正側を「ゼロ」に制限するリミッタ演算部8a2に入力され、その出力値が、第1のd軸電流指令Id* となる。
この電流指令値Id*を用いて、第2の電流指令値Id**を作成し、電圧指令値Vd*,Vq* を演算して、変換器出力電圧を制御する。
ここで、本発明のもたらす作用効果について説明をする。
弱め界磁指令演算で用いる積分ゲインKが一定の場合、無負荷時(Iq* =0)におけるV1 * refからId*までの閉ループ伝達関数Gφ(s) は、
Figure 2006020411
ここに、sはラプラス演算子である。数11より、Id* は一次遅れで発生し、その応答時定数Tφは、数12となり、Tφは周波数指令ω1 *により変化することがわかる。
Figure 2006020411
そこで、8a1の積分ゲインKを、数13で示すように演算する。
Figure 2006020411
ここに、ωc は、弱め界磁指令演算の制御応答角周波数(rad/s)である。すると、新しい伝達関数Gφ′(s) は、
Figure 2006020411
となる。ここで、新しい応答時定数Tφ′は、
Figure 2006020411
である。これより、Tφ′は周波数指令ω1 *と無関係に設定することができ、より高応答の効果を得ることができる。
なお、本実施例のフィードバック制御方式による弱め界磁指令演算部の積分ゲインを周波数指令ω1 *で変更する方式の永久磁石同機電動機の制御装置は、図5のような、電圧ベクトル演算部の上流部に電流指令演算部を有する制御系以外の制御系においても適用可能である。
図7は、本発明の他の実施例を示す。本実施例は、弱め界磁指令演算部にフィードフォワード方式を用いた場合の永久磁石同機電動機の弱め界磁ベクトル制御装置である。
図7において、構成要素の1〜7,9〜13,21は、図1のものと同一物である。
図8を用いて、本発明の特徴であるフィードフォワード制御方式による弱め界磁指令演算部8bを説明する。
本実例外は、無負荷時に発生するd軸電流指令を予め演算により求めるものである。
弱め界磁指令演算部8bでは、演算部8b1において、弱め界磁域における出力電圧指令値V1 * refから誘起電圧指令値(=ω1 * Ke*)を減算し、その減算値をω1 *とLd*の乗算値により除算演算を行う。演算部8b1の出力値は、一次遅れフィルタ8b2に入力される。さらに、8b2の出力値は、正側を「ゼロ」に制限するリミッタ演算部8b2に入力され、その出力値が、第1のd軸電流指令Id*となる。
この電流指令値Id*を用いて、第2の電流指令値Id**を作成し、電圧指令値Vd*,Vq*を演算して、変換器出力電圧を制御する。
高速域では、トルクが「ゼロ」でも、Vq* の誘起電圧指令値(=ω1 * Ke*)のみでV1 *が飽和してしまう。
電圧飽和域から抜け出すために必要なd軸電流指令値をId* ff0とすると、
Figure 2006020411
これにより、8b2の一次遅れフィルタ時定数Tを、数(17)のように設定することで、フィードフォワード制御方式でも、実施例2と同様な効果を得ることができる。
Figure 2006020411
なお、本実施例の弱め界磁指令演算部にフィードフォワード方式を用いた場合の永久磁石同機電動機の弱め界磁ベクトル制御装置は、図7のような、電圧ベクトル演算部の上流部に電流指令演算部を有する制御系以外の制御系においても適用することが可能である。
図9は、本発明の他の実施例を示す。本実施例は、弱め界磁指令演算部にフィードフォワード制御方式とフィードバック制御方式を用いた場合の永久磁石同機電動機の制御装置である。
図9において、構成要素の1〜7,9〜13,21は図1のものと同一物である。図
10を用いて、本発明の特徴であるフィードフォワード制御方式とフィードバック制御方式による弱め界磁指令演算部8cを説明する。
弱め界磁指令演算部8cでは、演算部8c1において、弱め界磁域における出力電圧指令値V1 * refから誘起電圧指令値(=ω1 * Ke*)を減算し、その減算値をω1 *とLd*の乗算値で、除算演算を行う。
演算部8c1の出力値は、一次遅れフィルタ8c2に入力される。さらに、8c2の出力値は、正側を「ゼロ」に制限するリミッタ演算部8c3に入力され、その出力値が
Id* ffとなる。
また、同時に出力電圧指令値V1 * refと出力電圧値V1が、積分ゲインKの定数を持つ積分演算部8c4に入力され積分演算が行われる。その際、積分ゲインKは周波数ω1 により自動修正される。
積分演算部8c4の出力値は、正側を「ゼロ」に制限するリミッタ演算部8c5に入力され、その出力値がId* fbとなる。
そこで、数(18)に示すように、フィードフォワード制御の出力値Id* ff とフィードバック制御の出力値Id* fbの加算値により、第1のd軸電流指令Id*を演算する。
Figure 2006020411
この方式でも、前記実施例と同様に動作し、より高応答の効果を得ることができる。
なお、同様に本実施例の弱め界磁指令演算部にフィードフォワード制御方式とフィードバック制御方式を用いた場合の永久磁石同機電動機の制御装置は、図9のような、電圧ベクトル演算部の上流部に電流指令演算部を有する制御系以外の制御系においても適用可能である。
実施例1〜実施例4までは、高価な電流検出器3で検出した3相の交流電流Iu〜Iwを検出する方式であったが、安価な電流検出を行う制御装置においても適用することができる。
図11に、この実施例を示す。図11において、構成要素の1,2,4〜7,8a,9〜13,21は、図5のものと同一物である。
14は電力変換器の入力母線に流れる直流電流IDCから、電動機1に流れる3相の交流電流Iu,Iv,Iwを推定する電流推定部である。
この推定電流値Iu^,Iv^,Iw^を用い、座標変換部7において、d軸及びq軸の電流検出値Idc,Iqcを演算する。
このような電流センサレス制御方式でも、Id*とIdc,Iq*とIqcが各々一致することから、前記実施例と同様に動作し、同様の効果が得られることは明らかである。
また、本実施例では、弱め界磁指令演算部に図6の方式を用いているが、図2,図8,図10の方式を用いても同様の効果が得られる。
図12は、本発明の他の実施例を示す。
本実施例は、安価な電流検出を行い、磁極位置検出器を省略した制御装置に適用したものである。
図12において、構成要素の1,2,7,8a,9〜13,21は、図5のものと同一物である。
6′は周波数指令ω1 *を積分して、回転位相指令θc* を演算する位相演算部である。
14は電力変換器の入力母線に流れる直流電流IDCから、同期電動機に流れる3相の交流電流Iu,Iv,Iwを推定する電流推定部である。
この推定電流値Iu^,Iv^,Iw^を用い、座標変換部7において、d軸及びq軸の電流検出値Idc,Iqcを演算する。
また、15は電圧指令値Vd*,Vq*と電流検出値Idc,Iqcに基づいて、回転位相指令θc*と電動機1の回転位相θの偏差である位相誤差Δθc(=θc*−θ)を推定する位相誤差演算部である。
16は、位相誤差Δθcを「ゼロ」にするように、ω1 ** を演算する周波数推定部である。このような位置、電流センサレス制御方式でも前記実施例と同様に動作し、同様の効果が得られることは明らかである。
また、本実施例では、弱め界磁指令演算部に図6の方式を用いているが、図2,図8,図10の方式を用いても同様の効果が得られる。
図13を用いて本発明をモジュールに適用した例について説明する。本実施例は、実施例1の実施形態を示すものである。ここで、周波数演算部5,位相演算部6,座標変換部7,弱め界磁指令演算部8,d軸電流指令演算部9,q軸電流指令演算部10,電圧ベクトル演算部11,出力電圧演算部12,座標変換部13は1チップマイコンを用いて構成している。また、前記1チップマイコンと電力変換器は、同一基板上で構成される1モジュール内に納められている形態となっている。ここでいうモジュールとは「規格化された構成単位」という意味であり、分離可能なハードウェア/ソフトウェアの部品から構成されているものである。尚、製造上、同一基板上で構成されていることが好ましいが、同一基板に限定はされない。これより、同一筐体に内蔵された複数の回路基板上に構成されても良い。他の実施例においても同様の形態構成をとることができる。
以上のように、本発明によれば、弱め界磁域においても、高精度,高応答なモータトルクを実現することができ、また、安価な電流検出を行うシステムや、磁極位置検出器を省略したシステムにおいても、共通に適用可能な永久磁石同期電動機の弱め界磁ベクトル制御装置を提供できる。
本発明の一実施例を示す永久磁石同期電動機の弱め界磁ベクトル制御装置の構成図。 図1の制御装置における弱め界磁指令演算部8の説明図。 弱め界磁指令演算部8がない場合の電圧飽和特性図の一例。 弱め界磁指令演算部8を入れた場合の電圧飽和特性図の一例。 本発明の他の実施例を示す永久磁石同期電動機の弱め界磁ベクトル制御装置の構成図。 図5の制御装置における弱め界磁指令演算部8aの説明図の一例。 本発明の他の実施例を示す永久磁石同期電動機の弱め界磁ベクトル制御装置の構成図。 図7の制御装置における弱め界磁指令演算部8bの説明図の一例。 本発明の他の実施例を示す永久磁石同期電動機の弱め界磁ベクトル制御装置の構成図。 図9の制御装置における弱め界磁指令演算部8cの説明図の一例。 本発明の他の実施例を示す永久磁石同期電動機の弱め界磁ベクトル制御装置の構成図。 本発明の他の実施例を示す永久磁石同期電動機の弱め界磁ベクトル制御装置の構成図。 本発明の実施例をモジュールに適用した場合の構成図。
符号の説明
1…永久磁石同期電動機、2…電力変換器、3…電流検出器、4…磁極位置検出器、5…周波数演算部、6…位相演算部、7,13…座標変換部、8,8a,8b,8c…弱め界磁指令演算部、9…d軸電流指令演算部、10…q軸電流指令演算部、11…電圧ベクトル演算部、12…出力電圧演算部、14…電流推定部、15…位相誤差演算部、21…直流電源、IDC…入力直流母線電流検出値、Id* …第1のd軸電流指令値、Id**…第2のd軸電流指令値、Iq* …第1のq軸電流指令値、Iq**…第2のq軸電流指令値、V1 * ref…弱め界磁域における出力電圧指令値、V1 *…出力電圧値、θc*…回転位相指令、ω1 *…周波数指令。

Claims (10)

  1. 第1のd軸およびq軸の電流指令値と電流検出値とにより演算した第2のd軸およびq軸の電流指令値、および周波数指令値に従い、永久磁石同期電動機を駆動する電力変換器の出力電圧値を制御する永久磁石同期電動機の制御装置であって、
    出力電圧指令値と前記出力電圧値との偏差の積分演算値を、前記第1のd軸電流指令値とする弱め界磁指令演算部とを有することを特徴とする制御装置。
  2. 請求項1において、
    前記出力電圧指令値と出力電圧値との偏差の積分演算は、
    積分ゲインを周波数指令値に応じて修正することを特徴とする永久磁石同期電動機の制御装置。
  3. d軸およびq軸の電流指令値、および周波数指令値に従い、永久磁石同期電動機を駆動する電力変換器の出力電圧値を制御する永久磁石同期電動機の制御装置であって、
    出力電圧指令値と前記出力電圧値との偏差の積分演算値を、d軸電流指令値とする弱め界磁指令演算部を有し、
    前記出力電圧指令値と出力電圧値との偏差の積分演算は、
    積分ゲインを周波数指令値に応じて修正することを特徴とする永久磁石同期電動機の制御装置。
  4. d軸およびq軸の電流指令値および周波数指令値に従い、永久磁石同期電動機を駆動する電力変換器の出力電圧値を制御する永久磁石同期電動機の制御装置において、
    弱め界磁域の出力電圧指令値と周波数指令値およびモータ定数により、d軸電流指令値が演算されることを特徴とする永久磁石同期電動機の制御装置。
  5. 請求項4において、
    出力電圧指令値と出力電圧値との偏差の積分演算値と、前記出力電圧指令値と前記周波数指令値およびモータ定数とにより演算された値との加算値を、d軸電流指令値とすることを特徴とする永久磁石同期電動機の制御装置。
  6. 請求項5において、
    前記出力電圧指令値と出力電圧値との偏差の積分演算は、
    積分ゲインを周波数指令値に応じて修正することを特徴とする永久磁石同期電動機の制御装置。
  7. 請求項4において、
    前記出力電圧指令値と周波数指令値およびモータ定数による演算は、前記出力電圧指令値から電動機の誘起電圧指令値を減算し、その減算値を周波数指令値とd軸インダクタンスの乗算値で除算演算することを特徴とする永久磁石同期電動機の制御装置。
  8. 請求項1において、
    前記電流検出値は、前記電力変換器の入力直流母線電流検出値から電動機電流を再現した電流であることを特徴とする永久磁石同期電動機の制御装置。
  9. 請求項1又は請求項8のいずれかにおいて、
    前記周波数指令値は、d軸およびq軸の電圧指令値と、検出した電動機電流あるいは再現した電流とにより、回転位相指令と前記電動機の回転位相との偏差を演算し、前記偏差が零となるように演算されることを特徴とする永久磁石同期電動機の制御装置。
  10. 請求項1乃至請求項9記載の何れかの制御装置と、
    直流を交流に変換する電力変換器とを有することを特徴とするモジュール。

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