JP2006141095A - 永久磁石型同期モータを駆動制御する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 永久磁石型同期モータを駆動制御する装置において、適切な弱め界磁制御を行う。
【解決手段】 駆動制御系は、トルク指令値に基づいて生成した電流指令値と検出したモータ電流値との差分を利用してＰＭモータ２を駆動する。最大出力電圧計算部２１は、電源２の出力電圧に基づいてＰＭモータ２に印加できる最大電圧値ＶmMaxを求める。モータ電圧計算部２２は、ＰＭモータ２に印加されるモータ電圧値Ｖm を求める。弱め界磁電流計算部２３は、最大電圧値ＶmMaxとモータ電圧値Ｖm との差分に基づいて弱め界磁電流値ｉｄｆ＊を計算する。上記駆動制御系は、電流指令値を弱め界磁電流値ｉｄｆ＊で補正しながらＰＭモータ２を駆動制御する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、弱め界磁制御を行いながら永久磁石型同期モータの駆動を制御する装置に係わる。

永久磁石型同期モータ（以下、「ＰＭモータ」と呼ぶことがある。）は、その動作中に逆起電圧が生じる。ここで、この逆起電圧は、ＰＭモータの回転数が高くなると、それに応じて増加していく。このとき、逆起電圧の増加をそのまま許容すると、ＰＭモータの端子間電圧も上昇していく。そして、ＰＭモータの端子間電圧が上昇して許容電源電圧を越えると、その差分に相当する電圧が電源とＰＭモータとの間に設けられるインバータあるいは電源自体に加わることとなり、それらの損傷を引き起こすおそれがある。

この問題を解決する技術として、いわゆる「弱め界磁制御」が知られている。弱め界磁制御では、ＰＭモータの永久磁石の界磁起磁力を減殺するような界磁起磁力を発生させるための界磁電流（すなわち、弱め界磁電流）が供給される。そして、この弱め界磁電流により、ＰＭモータの高速回転領域における端子間電圧が許容電源電圧以下に抑制される。なお、従来の弱め界磁制御においては、予めベース回転数が固定的に設定され、ＰＭモータの実際の回転数がそのベース回転数に達した時点で弱め界磁電流が生成されるようにしていた。また、弱め界磁電流は、電源の出力電圧及びトルク指令値から算出されていた。（例えば、特許文献１参照。）
特開平７−１０７７７２号公報（図１、明細書の段落０００２〜０００６、００２１〜００２８）

従来の弱め界磁制御においては、上述のように、弱め界磁制御を行うか否かを判断するためのベース回転数が固定的に設定されていた。ところが、電源電圧が大きく変動し得るシステム（例えば、蓄電池として大容量キャパシタを用いたハイブリッドシステム）においては、弱め界磁制御を開始すべき基準値（すなわち、ベース回転数）は、その電源電圧に応じて変動することとなり、弱め界磁制御を開始する契機を適切に決定できないおそれがある。

また、従来の弱め界磁制御においては、弱め界磁電流を算出する際にモータ定数（例えば、ｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑ、ＰＭモータの一次抵抗Ｒ、永久磁石の起磁力Ｅなど）の変動が考慮されていなかった。このため、適切な弱め界磁電流値を得ることができなかった。なお、これらの定数は、温度および／または電流値により変化するとともに、製造ばらつきも有している。

弱め界磁電流が適切に生成されないと、ＰＭモータの高速回転時にインバータ等に悪影響が及ぶか、或いは、ＰＭモータの効率が低下してしまう。
なお、この問題は、永久磁石型同期モータを駆動する際のみに生じるものではなく、例えば、誘導モータを駆動する際にも生じ得る。

本発明の目的は、永久磁石型同期モータ等を駆動制御する装置において、適切な弱め界磁制御を行うことである。

本発明の永久磁石型同期モータの駆動制御装置は、電源から供給される電力を使用して永久磁石型同期モータを駆動制御する装置であって、トルク指令値に基づいて生成した電流指令値と検出したモータ電流値との誤差を利用して上記モータを駆動する駆動制御手段と、上記電源の出力電圧に基づいて上記モータに印加できる最大電圧値を求める最大電圧計算手段と、上記モータに印加されるモータ電圧値を求めるモータ電圧計算手段と、上記最大電圧値と上記モータ電圧値との差分に基づいて弱め界磁電流値を計算する弱め界磁電流計算手段、を備える。そして、上記駆動制御系は、上記電流指令値を上記弱め界磁電流値で補正しながら上記モータを駆動制御する。

上記構成の駆動制御装置においては、モータに印加できる最大電圧値およびモータに印加されるモータ電圧値を求め、それらに応じて弱め界磁電流を決定する。よって、モータ定数やモータ回転数によらず、弱め界磁制御を適切に行うことができる。このとき、弱め界磁電流計算手段は、例えば、上記モータ電圧値が上記最大電圧値を越えないように上記弱め界磁電流値を決定する。

上記弱め界磁電流計算手段は、上記最大電圧値から上記モータ電圧値を減じた値に比例する比例値を生成する比例手段と、上記最大電圧値から上記モータ電圧値を減じた値の積分値を生成する積分手段と、上記比例値と上記積分値との和を上記弱め界磁電流値として出力する演算手段と、上記演算手段により得られた上記弱め界磁電流値がゼロを超えた場合にその弱め界磁電流値をゼロに補正する第１のリミッタ手段、を有するように構成されてもよい。この構成によれば、ＰＩ（比例・積分）制御により最適な弱め界磁電流値を決定できる。なお、ＰＩ制御は、簡単な構成で実現することが容易である。

また、上記弱め界磁電流計算手段は、上記積分値がゼロを超えた場合にその積分値をゼロに補正する第２のリミッタ手段をさらに備えるようにしてもよい。この構成によれば、積分値がゼロから大きく離れることによって応答性が劣化してしまう事態が回避される。

さらに、上記第１のリミッタ手段は、上記演算手段により得られた上記弱め界磁電流値が予め決められている負の所定値を下回ったときには、上記弱め界磁電流値をその負の所定値に補正するようにしてもよい。この構成によれば、弱め界磁電流値がゼロから大きく離れることによって応答性が劣化してしまう事態が回避される。

さらに、上記弱め界磁電流計算手段は、上記モータのモータ定数に基づいて決まる弱め界磁電流の基準値を計算する基準値計算手段を備えるようにしてもよい。この場合、上記演算手段は、上記基準値、上記比例値、上記積分値の和を上記弱め界磁電流値として出力する。この構成によれば、弱め界磁電流の基準値が予め求められ、その基準値を補正するようにして実際の弱め界磁電流を決定するので、応答性が向上する。

本発明によれば、永久磁石型同期モータ等を駆動制御する装置において、弱め界磁制御を開始する契機、および弱め界磁制御を行う際の弱め界磁電流を適切に決定できる。このため、弱め界磁制御によってモータの効率を落とすことはない。また、モータを駆動するインバータまたは電源に不要な電圧が加わることもない。

図１は、永久磁石型同期モータ（以下、「ＰＭモータ」と呼ぶことがある。）を駆動制御する装置の駆動制御系を示す図である。ここでは、電源１から供給される電力を利用してＰＭモータ２が駆動されるものとする。また、電源１は、特に限定されるものではないが、例えば、バッテリである。

駆動制御系（駆動制御手段）１０は、位置センサ１１、速度算出部１２、ＵＶＷ／ｄｑ変換部１３、トルク／ｄｑ指令算出部１４、ｄ軸電流制御部１５、ｑ軸電流制御部１６、ｄｑ／ＵＶＷ変換部１７、およびＰＷＭインバータ１８を備える。なお、駆動制御系１０は、公知の技術により実現可能である。

位置センサ１１は、ＰＭモータ２の回転子の位置（即ち、角度）θを検出する。速度算出部１２は、位置センサ１１により検出された位置θに基づいて、ＰＭモータ２の速度（即ち、角速度）ωを算出する。ＵＶＷ／ｄｑ変換部１３は、ＰＭモータ２の位置θをモニタしながら、ＰＭモータ２に供給されるモータ電流の検出値をｄ軸／ｑ軸電流値に変換する。ここでは、電流センサを用いて検出されたＵ相電流ｉｕおよびＷ相電流ｉｗが、ｄ軸電流値ｉｄおよびｑ軸電流値ｉｑに変換されている。なお、ｄ軸電流は、いわゆる界磁電流であり、界磁を発生させるための電流ベクトル成分である。また、ｑ軸電流は、いわゆるトルク電流であり、トルクを発生させるための電流ベクトル成分である。

トルク／ｄｑ指令算出部１４は、与えられたトルク指令値Ｔref および速度算出部１２から得られるモータ速度ωに基づいて、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊およびｑ軸電流指令値ｉｑ＊を生成する。ここで、これらの電流指令値は、例えば、最大トルク角制御または界磁電流をゼロに設定する制御等により生成される。ｄ軸電流制御部１５は、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊とｄ軸電流値ｉｄとの誤差に基づいて、ｄ軸制御電圧値Ｖｄを生成する。同様に、ｑ軸電流制御部１６は、ｑ軸電流指令値ｉｑ＊とｑ軸電流値ｉｑとの誤差に基づいて、ｑ軸制御電圧値Ｖｑを生成する。

ｄｑ／ＵＶＷ変換部１７は、ＰＭモータ２の位置θをモニタしながら、ｄ軸／ｑ軸制御電圧（Ｖｄ、Ｖｑ）をＵ相／Ｖ相／Ｗ相電圧指令値（Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊）に変換する。ＰＷＭインバータ１８は、Ｕ相／Ｖ相／Ｗ相電圧指令値（Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊）に従って各相のＰＷＭ信号（Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗ）を生成する。なお、ＰＭモータ２の各相に供給されるモータ電流は、それぞれ対応するＰＷＭ信号（Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗ）のデューティにより決まる。

上記構成の駆動制御系１０は、トルク／ｄｑ指令算出部１４により生成される電流指令値（ｉｄ＊、ｉｑ＊）と検出された電流値（ｉｄ、ｉｑ）との誤差をゼロにするように動作する。これにより、ＰＭモータ２は、与えられたトルク指令値Ｔref で動作することとなる。

図２は、本発明の実施形態の駆動制御装置の構成図である。なお、図２に示す駆動制御装置１００は、図１に示した駆動制御系１０に本発明に係る弱め界磁制御機能を設けることにより実現される。

最大出力電圧計算部（最大電圧計算手段）２１は、電源電圧（電源１の出力電圧）Ｖdcを常時モニタし、その電源電圧Vdcに基づいてＰＭモータ２に印加することができる最大電圧値ＶmMaxを算出する。なお、許容されるモータ最大電圧値ＶmMaxは、駆動制御系１０が図１または図２に示す構成である場合には、ＰＷＭインバータ１８の最大線間出力電圧に相当する。ここで、ＰＷＭインバータ１８の最大線間出力電圧は、そのインバータを構成する各スイッチング素子の飽和電圧Ｖsat 、及びそのインバータの変調方式に依存する。即ち、ＰＷＭインバータ１８の最大線間出力電圧Ｖout は、「Ｖdc−２Ｖsat 」である。そして、ＰＷＭインバータ１８の変調方式が一般的な三角波変調であり、時系列に生成されるパルス信号のパルス幅の変化がサインカーブ特性を保持するものとすると、モータ最大電圧値ＶmMaxは、下式により得られる。
ＶmMax ＝ ｛（√３）＊Ｖout ｝／２
なお、瞬時空間ベクトル変調方式を利用する場合や、第３次高調波を重畳する場合には、「ＶmMax＝Ｖout 」とすることができる。

モータ電圧計算部（モータ電圧計算手段）２２は、ＰＭモータ２に印加されるモータ電圧値Ｖm を計算する。モータ電圧値Ｖm は、この実施例では、ｄ軸電流制御部１５により生成されるｄ軸制御電圧値Ｖｄおよびｑ軸電流制御部１６により生成されるｑ軸制御電圧値Ｖｑを利用して求められる。具体的には、下式により得られる。
Ｖm ＝ （√２）＊√（Ｖd²＋Ｖq²）
なお、この実施例では、モータ電圧計算部２２は、ｄ軸制御電圧値Ｖｄおよびｑ軸制御電圧値Ｖｑを利用してモータ電圧値Ｖm を算出しているが、例えば、ＰＭモータに印加される電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを直接的に検出することによりモータ電圧値Ｖm を求めるようにしてもよい。

弱め界磁電流計算部（弱め界磁電流計算手段）２３は、最大出力電圧計算部２１によって求められた最大電圧値ＶmMaxとモータ電圧計算部２２によって求められたモータ電圧値Ｖm との差分に基づいて、弱め界磁電流値ｉｄｆ＊を計算する。なお、弱め界磁電流計算部２３の構成および動作については、後で詳しく説明する。

トルク／ｄｑ指令算出部１４は、トルク指令値Ｔref およびモータ速度ωに基づいて、ｄ軸電流指令値ｉｄｔ＊およびｑ軸電流指令値ｉｑ＊を生成する。ここで、ｄ軸電流指令値ｉｄｔ＊は、基本的には、図１を参照しながら説明したｄ軸電流指令値ｉｄ＊と同じである。

本実施形態におけるｄ軸電流指令値ｉｄ＊は、ｄ軸電流指令値ｉｄｔ＊に弱め界磁電流値ｉｄｆ＊を加算することにより得られる。したがって、弱め界磁電流値ｉｄｆ＊が負の値であれば、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊は、ｄ軸電流指令値ｉｄｔ＊よりも小さくなる。この場合、弱め界磁制御が行われることになる。一方、弱め界磁電流値ｉｄｆ＊がゼロであれば、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊は、ｄ軸電流指令値ｉｄｔ＊と同じになる。この場合、弱め界磁制御は行われない。なお、後で説明するが、弱め界磁電流値ｉｄｆ＊は、正の値をとることはない。

上記構成の駆動制御装置１００において、速度算出部１２、ＵＶＷ／ｄｑ変換部１３、トルク／ｄｑ指令算出部１４、ｄ軸電流制御部１５、ｑ軸電流制御部１６、ｄｑ／ＵＶＷ変換部１７、最大出力電圧計算部２１、モータ電圧計算部２２、および弱め界磁電流計算部２３は、予め記述されたプログラムを実行するマイコンおよびそのマイコンが使用するメモリにより実現可能である。

図３は、弱め界磁電流計算部２３の構成を示す図である。引算回路３１は、最大電圧値ＶmMaxからモータ電圧値Ｖm を減算する。したがって、ＰＭモータ２の回転数が比較的遅く、モータ電圧値Ｖm が最大電圧値ＶmMaxよりも小さければ、引算回路３１から「正の値」が出力される。一方、ＰＭモータ２の回転数が高くなり、モータ電圧値Ｖm が最大電圧値ＶmMaxよりも大きくなれば、引算回路３１から「負の値」が出力されることになる。

比例回路（比例手段）３２は、引算回路３１の出力に比例する値を生成する。ここで、比例回路３２における比例定数は、シミュレーション等により決められた正の値である。よって、比例回路３２により生成される値は、モータ電圧値Ｖm が最大電圧値ＶmMaxよりも小さければ「正の値」となり、モータ電圧値Ｖm が最大電圧値ＶmMaxよりも大きければ「負の値」となる。

積分回路（積分手段）３３は、引算回路３１の出力を累積的に加算することによりその積分値を得る。リミッタ回路（第２のリミッタ手段）３４は、積分回路３３により得られる積分値がゼロよりも大きな値となった場合に、その積分値をゼロに補正する。なお、積分回路３３により得られる積分値が負の値であれば、リミッタ回路３４は、その積分値をそのまま出力する。

加算回路（演算手段）３５は、比例回路３２により得られる比例値と積分回路３３により得られる積分値（リミッタ回路３４により補正された場合には、補正後の積分値）との和を算出する。リミッタ回路（第１のリミッタ手段）３６は、加算回路３５の出力がゼロよりも大きな値となっていた場合に、その値をゼロに補正する。なお、加算回路３５の出力が負の値であれば、リミッタ回路３６は、その値をそのまま出力する。すなわち、弱め界磁電流計算部２３は、加算回路３５の出力値が負の値であれば、その値をそのまま弱め界磁電流値ｉｄｆ＊として出力し、加算回路３５の出力値が正の値であれば、「弱め界磁電流値ｉｄｆ＊＝０」を出力する。

ところで、一般に、弱め界磁制御が必要となるのは、モータの回転数が上がることによってモータ電圧が許容電源電圧を超えたときである。したがって、ＰＭモータ２の回転数をモニタし、その回転数がある固定的に設定された閾値を超えたときに弱め界磁電流を供給する構成とすれば、弱め界磁制御が実現される。しかし、実際には、電源２の出力電圧の変動、および温度変化等に起因するモータ定数の変動により、モータ電圧が許容電源電圧を超えるタイミングは、ＰＭモータ２の回転数が上記閾値を超えるタイミングからずれることがある。このとき、もし、モータ電圧が許容電源電圧を超えているにもかかわらず弱め界磁制御が開始されなければ、インバータまたは電源等にダメージが及ぶおそれがある。反対に、モータ電圧が許容電源電圧を超えていないにもかかわらず弱め界磁制御が開始されれば、モータの効率が低下してしまう。

そこで、実施形態の弱め界磁電流計算部２３は、常時、最大電圧値ＶmMaxとモータ電圧値Ｖm との差分を計算し、それらの差分についてＰＩ（比例・積分）制御を行うことにより弱め界磁電流値ｉｄｆ＊を生成する。したがって、電源２の出力電圧の変動あるいはモータ定数の変動等によってモータ電圧が許容電源電圧を超えるタイミングが変化したとしても、弱め界磁制御を開始すべきタイミングを適切に検出できる。すなわち、幅広い電源電圧範囲に渡って、ＰＷＭインバータ１８または電源１へのダメージ、及びＰＭモータ２の効率の低下の双方を回避できる。また、ＰＩ制御は、簡単な構成で実現できるので、弱め界磁制御のための処理負荷が重くなることはない。

なお、図３において、リミッタ回路３６は、弱め界磁電流値ｉｄｆ＊として正の値が出力されないようにするために設けられている。これに対して、リミッタ回路３４は、積分値が大きな正の値になることによって応答性が悪くなることを回避するために設けられている。

また、上述の実施例では、リミッタ回路３４、３６は、入力値がゼロを超えていた場合にその値をゼロに補正する上限値リミッタであるが、入力値が所定の負の閾値を下回ったときにその値を上記閾値に補正する機能をさらに持たせるようにしてもよい。この構成によれば、ＰＩ制御の応答時間を改善できる。

さらに、上述の実施例では、ＰＩ制御を行っているが、比例回路３２および積分回路３３に加えて、引算回路３１の出力についての微分値を算出する微分回路を設けてＰＩＤ制御で弱め界磁電流の指令値を算出するようにしてもよい。

図４は、弱め界磁電流計算部２３の変形例の構成図である。図４に示す弱め界磁電流計算部２３は、図３に示した構成に加えて、モータモデル計算部４１およびリミッタ回路４２を備える。

モータモデル計算部（基準値計算手段）４１は、ＰＭモータ２のモータ定数に基づいて決まる弱め界磁電流の基準値を計算する。この例では、図４に示す計算式に従って基準値が算出される。すなわち、ＰＭモータ２のモータ定数として、ｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑ、永久磁石の起磁力に相当するφが使用される。また、上記計算式においては、ＰＭモータ２の速度ω、ｑ軸電流値ｉｑ、最大電圧値ＶmMaxが使用される。

リミッタ回路４２は、モータモデル計算部４１の出力値の上限をゼロに制限する上限値リミッタである。そして、加算回路３５は、モータモデル計算部４１により得られる基準値（リミッタ回路４２により補正された場合には、補正後の基準値）、比例回路３２により得られる比例値、積分回路３３により得られる積分値（リミッタ回路３４により補正された場合には、補正後の積分値）の和を算出する。

このように、図４に示す弱め界磁電流計算部２３においては、ＰＭモータ２の特性によって決まる弱め界磁電流の基準値が計算され、その基準値に対する誤差が図３を参照しながら説明したＰＩ制御で補正される。したがって、最大電圧値ＶmMaxおよびモータ電圧値Ｖm のみから弱め界磁電流の指令値が計算される図３に示した構成と比較して、応答性が向上する。

なお、図１〜図４を参照しながら説明した実施例では、本発明が永久磁石型同期モータに適用されているが、誘導モータにも適用可能である。

永久磁石型同期モータを駆動制御する装置の駆動制御系を示す図である。 本発明の実施形態の駆動制御装置の構成図である。 弱め界磁電流計算部の構成図である。 弱め界磁電流計算部の変形例の構成図である。

符号の説明

１ 電源
２ ＰＭモータ
１０ 駆動制御系
１１ 位置センサ
１２ 速度算出部
１３ ＵＶＷ／ｄｑ変換部
１４ トルク／ｄｑ指令算出部
１５ ｄ軸電流制御部
１６ ｑ軸電流制御部
１７ ｄｑ／ＵＶＷ変換部
１８ ＰＷＭインバータ
２１ 最大出力電圧計算部
２２ モータ電圧計算部
２３ 弱め界磁電流計算部
３１ 引算回路
３２ 比例回路
３３ 積分回路
３４、３６、４２ リミッタ回路
３５ 加算回路
４１ モータモデル計算部
１００ 駆動制御装置

Claims (6)

1. 電源から供給される電力を使用して永久磁石型同期モータを駆動制御する装置であって、
   トルク指令値に基づいて生成した電流指令値と検出したモータ電流値との誤差を利用して上記モータを駆動する駆動制御手段と、
   上記電源の出力電圧に基づいて上記モータに印加できる最大電圧値を求める最大電圧計算手段と、
   上記モータに印加されるモータ電圧値を求めるモータ電圧計算手段と、
   上記最大電圧値と上記モータ電圧値との差分に基づいて弱め界磁電流値を計算する弱め界磁電流計算手段、を備え、
   上記駆動制御系は、上記電流指令値を上記弱め界磁電流値で補正しながら上記モータを駆動制御する
   ことを特徴とする永久磁石型同期モータの駆動制御装置。
2. 上記弱め界磁電流計算手段は、上記モータ電圧値が上記最大電圧値を越えないように上記弱め界磁電流値を決定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型同期モータの駆動制御装置。
3. 上記弱め界磁電流計算手段は、
   上記最大電圧値から上記モータ電圧値を減じた値に比例する比例値を生成する比例手段と、
   上記最大電圧値から上記モータ電圧値を減じた値の積分値を生成する積分手段と、
   上記比例値と上記積分値との和を上記弱め界磁電流値として出力する演算手段と、
   上記演算手段により得られた上記弱め界磁電流値がゼロを超えた場合にその弱め界磁電流値をゼロに補正する第１のリミッタ手段、を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型同期モータの駆動制御装置。
4. 上記弱め界磁電流計算手段は、上記積分値がゼロを超えた場合にその積分値をゼロに補正する第２のリミッタ手段をさらに備える
   ことを特徴とする請求項３に記載の永久磁石型同期モータの駆動制御装置。
5. 上記第１のリミッタ手段は、上記演算手段により得られた上記弱め界磁電流値が予め決められている負の所定値を下回ったときには、上記弱め界磁電流値をその負の所定値に補正する
   ことを特徴とする請求項３に記載の永久磁石型同期モータの駆動制御装置。
6. 上記弱め界磁電流計算手段は、上記モータのモータ定数に基づいて決まる弱め界磁電流の基準値を計算する基準値計算手段をさらに備え、
   上記演算手段は、上記基準値、上記比例値、上記積分値の和を上記弱め界磁電流値として出力する
   ことを特徴とする請求項３に記載の永久磁石型同期モータの駆動制御装置。
   
   
   

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