JP2007267466A

JP2007267466A - Ｉｐｍモータのベクトル制御装置

Info

Publication number: JP2007267466A
Application number: JP2006086900A
Authority: JP
Inventors: Masakatsu Nomura; 昌克野村; Yoshimasa Sawada; 喜正澤田; Gakuo Akiyama; 岳夫秋山
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2006-03-28
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2026-03-28
Also published as: JP4910445B2

Abstract

【課題】ＩＰＭモータのベクトル制御装置において、共振周波数とインバータの応答周波数が近い場合、または制御系のサンプリング時間を充分に短くできない場合にも、６ｆおよびコギングのトルクリップルを抑制することができる。
【解決手段】ｑ軸電流指令補償テーブル７は、ｄ，ｑ軸電流とロータ回転角θとからＩＰＭモータ２の出力のトルクリップルを打ち消す補償信号Ｉ_qCを求め、この補償信号をフィードフォワード制御でＩＰＭモータのｑ軸電流指令に加える。
補償信号Ｉ_dCをｄ軸電流指令に加えること、さらに両補償信号をｄ，ｑ軸電流指令に加えること、またはトルク指令に補償信号ｔ_rCに加えることも含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＩＰＭモータのベクトル制御装置に係り、特にモータの磁束分布の空間高調波に起因するトルクリップルを抑制する制御装置に関する。

一般に、ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータは、その制御性能を高めるために、ベクトル制御方式のインバータで駆動されるが、モータの構造上で発生するトルクリップルとして、界磁磁束の高調波により発生する６ｆ成分（インバータなどの電源周波数の６倍の周波数）と、ステータの溝に起因するコギングトルク（電源周波数の１２倍）が発生する。

モータを機械負荷に接続して回転数、トルクを制御する場合、モータの回転数と機械系の剛性と慣性モーメントによっては、上記のトルクリップル周波数と機械系共振周波数（ＰＭと負荷慣性モーメントと軸剛性で決まる共振周波数）とが重なる条件で運転された場合、軸トルクに過大な振動トルクが現れ、場合によっては軸の破損につながる。

これを避けるための解決方法として、フィードバックにより共振抑制を行う方法がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２２３６００号公報

前記のフィードバックによる共振抑制方法では、共振周波数とインバータの応答周波数が近い場合、または制御系のサンプリング時間を充分に短くできない場合に共振抑制が困難になる。

本発明の目的は、上記の課題を解決したＩＰＭモータのベクトル制御装置を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、ＩＰＭモータ出力のトルクリップルを打ち消す補償信号をフィードフォワード制御でＩＰＭモータのｄ，ｑ軸電流指令またはトルク指令に加えるようにしたもので、以下、原理的な説明と本発明の構成を示す。

（Ａ）原理的な説明
ＩＰＭモータまたはＰＭモータにより機械負荷を駆動する系において、６ｆおよびコギングのトルクリップルは、ロータ位置と電流の大きさにより決まるため、これを抑制するためにトルク指令値に回転角と電流によって決まる補償信号を加えるトルクリップル抑制方法とする。

（１）トルクリップルのｑ軸電流補償
ＩＰＭモータのトルクは以下の（１）式で表せる。

ここで、磁束のリップルを考慮し、ｑ軸電流Ｉｑに補償電流を加えることで、トルクリップルを打ち消すこととすると、上記（１）式は以下の（２）式に展開される。

この（２）式中、（１）式のＩＰＭモータのトルク分を除いた他の各項の和になるトルク分ΔＴが零になるためには、以下の（３）式のｑ軸補償電流ｉ_qCを流せばよい。

この式中、φ（θ）以外に、ｄ、ｑ軸リアクタンスＬｄ、Ｌｑも電流Ｉｄに依存して変化し、設計値とは誤差が生じるため、上記の（３）式のままの演算では正確な補償ができない。そこで、ロータ回転角と電流を基に補償信号を得るテーブルを作成しておき、ＩＰＭモータをインバータで駆動する実試験を行い、そのときのロータ回転角と電流を基に補償信号テーブルの値を調整する。

なお、（３）式に基づいた補償信号テーブルは、ＰＭモータでは以下の（４）式になり、ｑ軸電流と回転角を入力とする二次元テーブルになるが、ＩＰＭモータではｄ軸電流も入力する三次元テーブルとなる。

（２）トルクリップルのｄ軸電流補償
上記の（１）式において、ｄ軸電流Ｉｄに補償電流を加えることで、トルクリップルを打ち消すこととすると、上記（１）式は以下の（５）式に展開される。

したがって、トルクリップルを抑制するためには、以下の（６）式の補償電流ｉ_dCを流せばよい。

このように、ＩＰＭモータでは、ｄ軸電流でトルクリップルを補償可能であるが、（Ｌｄ−Ｌｑ）は電流によって変化し、また（Ｌｄ−Ｌｑ）が小さな値のときに補償電流が増大する。

（３）トルクリップルｄｑ軸電流補償
ｄ軸電流とｑ軸電流のそれぞれに補償信号を加えると、上記（１）式は以下の（７）、（８）式に展開される。

ここで、磁束によるトルクリップルはｑ軸電流で補償し、ｑ軸の補償電流はｄ軸電流で補償すると、以下の（９）、（１０）式になる。

これにより、ＰＭモータと同じ形のテーブルでトルクリップルを補償できる。

（４）トルク指令補償
インバータの制御装置がＩＣ化またはコンピュータ化された構成のため、ｄ、ｑ軸電流指令に独立して補償信号が加えられない場合、ＩＰＭモータの最大トルク制御を仮定すると、トルク指令Ｔｒに対してｄ軸電流、ｑ軸電流が決まり、トルク指令に加える補償トルクｔ_rCによってｄ軸電流、ｑ軸電流に補償電流が流れる。すなわち、

として、補償電流を含めると以下の（１２）式となる。

これを、以下のように近似する。

上記の（８）式と（１３）式より、トルクは以下の（１５）式となる。

したがって、トルク指令の補償電流ｔ_rCは、以下の（１６）式を基にして与えることで、トルクリップルを抑制することができる。

（Ｂ）本発明の構成
本発明は、以上までの原理的な発明を基にしてなされたもので、以下の構成を特徴とする。

（１）トルク指令からｄ，ｑ軸電流成分を求めるｄ，ｑ軸電流指令演算部と、前記ｄ，ｑ軸電流指令演算部の出力をｄ，ｑ軸電流指令とし、この電流指令とインバータ本体の出力電流とから電流制御演算を行い、座標変換して該インバータ本体の出力電圧指令とする電流制御部とを有するベクトル制御方式のインバータでＩＰＭモータを駆動するＩＰＭモータのベクトル制御装置において、

Ｋ：定数、φ（θ）：磁束リップル成分、Ｉ_q0：ｑ軸電流、Φ₀：磁束基本波成分、Ｌ_d：ｄ軸インダクタンス、Ｌ_q：ｑ軸インダクタンス、Ｉ_d：ｄ軸電流、
に基づいて求める補償信号ｉ_qCを前記ｑ軸電流指令に加算してトルクリップルを抑制する手段を備えたことを特徴とする。

（２）トルク指令からｄ，ｑ軸電流成分を求めるｄ，ｑ軸電流指令演算部と、前記ｄ，ｑ軸電流指令演算部の出力をｄ，ｑ軸電流指令とし、この電流指令とインバータ本体の出力電流とから電流制御演算を行い、座標変換して該インバータ本体の出力電圧指令とする電流制御部とを有するベクトル制御方式のインバータでＩＰＭモータを駆動するＩＰＭモータのベクトル制御装置において、

Ｋ：定数、φ（θ）：磁束リップル成分、Ｌ_q：ｑ軸インダクタンス、
に基づいて求める補償信号ｉ_dCを前記ｄ軸電流指令に加算してトルクリップルを抑制する手段を備えたことを特徴とする。

（３）トルク指令からｄ，ｑ軸電流成分を求めるｄ，ｑ軸電流指令演算部と、前記ｄ，ｑ軸電流指令演算部の出力をｄ，ｑ軸電流指令とし、この電流指令とインバータ本体の出力電流とから電流制御演算を行い、座標変換して該インバータ本体の出力電圧指令とする電流制御部とを有するベクトル制御方式のインバータでＩＰＭモータを駆動するＩＰＭモータのベクトル制御装置において、

φ（θ）：磁束リップル成分、Φ₀：磁束基本波成分、Ｉ_q0：ｑ軸電流、Ｉ_d0：ｄ軸電流、
に基づいて求める補償信号ｉ_qC、ｉ_dCを前記ｑ軸電流指令、ｄ軸電流指令に加算してトルクリップルを抑制する手段を備えたことを特徴とする。

（４）トルク指令からｄ，ｑ軸電流成分を求めるｄ，ｑ軸電流指令演算部と、前記ｄ，ｑ軸電流指令演算部の出力をｄ，ｑ軸電流指令とし、この電流指令とインバータ本体の出力電流とから電流制御演算を行い、座標変換して該インバータ本体の出力電圧指令とする電流制御部とを有するベクトル制御方式のインバータでＩＰＭモータを駆動するＩＰＭモータのベクトル制御装置において、

Ｋ：定数、φ（θ）：磁束リップル成分、Ｉ_q0：ｑ軸電流、Φ₀：磁束基本波成分、Ｌ_d：ｄ軸インダクタンス、Ｌ_q：ｑ軸インダクタンス、Ｉ_d0：ｄ軸電流、Δ_q：ｑ軸補償電流の変化率、Δ_d：ｄ軸補償電流の変化率、
に基づいて求める補償信号ｔ_rCを前記トルク電流指令に加算してトルクリップルを抑制する手段を備えたことを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、ＩＰＭモータ出力のトルクリップルを打ち消す補償信号をフィードフォワード制御でＩＰＭモータのｄ，ｑ軸電流指令またはトルク指令に加えるようにしたため、共振周波数とインバータの応答周波数が近い場合、または制御系のサンプリング時間を充分に短くできない場合にも、６ｆおよびコギングのトルクリップルを抑制することができる。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態を示すＩＰＭモータのトルクリップル抑制のブロック構成図であり、ｑ軸電流指令にフィードフォワードで前記の（３）式を基にしたｑ軸電流補償信号を加えることで、ＩＰＭモータと機械負荷による６ｆおよびコギングトルクリップルを抑制する場合である。

インバータ本体１は、ベクトル制御された出力でＩＰＭモータ２を駆動し、ＩＰＭモータ２のロータ回転角がエンコーダ３で検出される。インバータ本体１のベクトル制御には、ｑ軸電流（トルク電流）演算部４とｄ軸電流（磁束電流）演算部５によってトルク指令をそれぞれの電流指令Ｉ_q0r、Ｉ_drに分離し、電流制御部６はこれら電流指令Ｉ_q0r、Ｉ_drとｄ，ｑ軸に分離した電流検出信号の突き合わせ、およびロータ回転位相θによる座標変換した３相の電圧指令をインバータ本体１に与え、インバータ本体１にＩＰＭモータの駆動出力を得る。

ここで、本実施形態では、トルクリップル抑制のために、ｑ軸電流指令補償テーブル７はｑ軸電流指令の補償信号ｉ_qCを発生し、この補償信号を加算部８でｑ軸電流指令Ｉ_q0rに加算（実際は減算）し、これを電流制御部６へのｑ軸電流指令Ｉ_qrとする。

ｑ軸電流指令補償テーブル７は、前記の（３）式を基にした計算結果をテーブルデータとしてもち、インバータによるＩＰＭモータの運転状態に応じて、そのテーブルのパラメータとなるｄ，ｑ軸電流Ｉ_d，Ｉ_q0と位相角θにほぼ一致するデータを補償信号ｉ_qCとして出力する。

なお、テーブルデータは、（３）式を基にした計算結果を設定しておき、このデータをトルク指令を最小トルク指令から最大トルク指令にまで変化させたＩＰＭモータの試験運転を行って調整する。

（変形例）
図２は、本実施形態の変形例を示し、図１におけるｑ軸電流指令補償テーブル７に代えて、（３）式の演算項目別のテーブルとその演算要素で構成される補償信号演算部７Ａを設け、この演算部７Ａによってｑ軸電流指令の補償信号ｉ_qCを発生する。

補償信号演算部７Ａは、テーブルをｄ，ｑ軸電流に依存する部分とロータ回転角θに依存する部分に分類したｄ，ｑ軸インダクタンスＬｄ，Ｌｑテーブルと磁束リップル成分φ（θ）テーブルを設け、これらテーブルデータと設定値Φ₀、Ｋおよび演算要素（加減算器、乗除算器）により、前記の（３）式の演算回路を構成する。

この構成により、図１の構成に比べてテーブル数は多くなるが、各テーブルの次数を低減でき、テーブルの作成および調整が容易になる。

（実施形態２）
図３は、本発明の実施形態を示すＩＰＭモータのトルクリップル抑制のブロック構成図であり、ｄ軸電流指令にフィードフォワードで前記の（６）式を基にしたｄ軸電流補償信号を加えることで、ＩＰＭモータと機械負荷による６ｆおよびコギングトルクリップルを抑制する場合である。

本実施形態では、トルクリップル抑制のために、ｄ軸電流指令補償テーブル９はｄ軸電流指令の補償信号ｉ_dCを発生し、この補償信号を加算部１０でｄ軸電流指令Ｉ_d0rに加算（実際は減算）し、これを電流制御部６へのｄ軸電流指令Ｉ_drとする。

ｑ軸電流指令補償テーブル９は、前記の（６）式を基にした計算結果をテーブルデータとしてもち、インバータによるＩＰＭモータの運転状態に応じて、そのテーブルのパラメータとなる位相角θにほぼ一致するデータを補償信号ｉ_dCとして出力する。

なお、テーブルデータは、（６）式を基にした計算結果を設定しておき、このデータをトルク指令を最小トルク指令から最大トルク指令にまで変化させたＩＰＭモータの試験運転を行って調整する。

本実施形態では、実施形態１の場合に比べて、パラメータ数が少なく、テーブルが簡単になる。

（変形例）
図４は、本実施形態の変形例を示し、図３におけるｄ軸電流指令補償テーブル９に代えて、（６）式の演算項目別のテーブルとその演算要素で構成される補償信号演算部９Ａを設け、この演算部９Ａによってｄ軸電流指令の補償信号ｉ_dCを発生する。

補償信号演算部９Ａは、テーブルをｄ，ｑ軸電流に依存する部分とロータ回転角θに依存する部分に分類したｄ，ｑ軸インダクタンスＬｄ，Ｌｑテーブルと磁束リップル成分φ（θ）テーブルを設け、これらテーブルデータと設定値Ｋおよび演算要素（加減算器、乗除算器）により、前記の（６）式の演算回路を構成する。

この構成により、図３の構成に比べてテーブル数は多くなるが、各テーブルの次数を低減でき、テーブルの作成および調整が容易になる。

（実施形態３）
図５は、本発明の実施形態を示すＩＰＭモータのトルクリップル抑制のブロック構成図であり、ｄ，ｑ軸電流指令にフィードフォワードで前記の（９）、（１０）式を基にしたｄ，ｑ軸電流補償信号を加えることで、ＩＰＭモータと機械負荷による６ｆおよびコギングトルクリップルを抑制する場合である。

本実施形態では、トルクリップル抑制のために、ｑ軸電流指令補償テーブル１１はｑ軸電流指令の補償信号ｉ_qCを発生し、この補償信号を加算部１２でｑ軸電流指令Ｉ_q0rに加算（実際は減算）し、これを電流制御部６へのｑ軸電流指令Ｉ_qrとする。また、ｄ軸電流指令補償演算部１３はｄ軸電流指令の補償信号ｉ_dCを発生し、この補償信号を加算部１４でｄ軸電流指令Ｉ_d0rに加算（実際は減算）し、これを電流制御部６へのｄ軸電流指令Ｉ_drとする。

ｑ軸電流指令補償テーブル１１は、前記の（９）式を基にした計算結果をテーブルデータとしてもち、インバータによるＩＰＭモータの運転状態に応じて、そのテーブルのパラメータとなるｑ軸電流Ｉ_q0と位相角θにほぼ一致するデータを補償信号ｉ_qCとして出力する。ｄ軸電流指令補償演算部１３は、前記の（１０）式を基にした演算機能をもち、インバータによるＩＰＭモータの運転状態に応じて、その演算要素となるｄ軸電流指令Ｉ_d0とｑ軸補償電流Ｉ_qCとｑ軸電流指令Ｉ_q0から補償信号ｉ_dCを求めて出力する。

なお、テーブルデータは、（９）式を基にした計算結果を設定しておき、このデータをトルク指令を最小トルク指令から最大トルク指令にまで変化させたＩＰＭモータの試験運転を行って調整する。

本実施形態では、実施形態１、３の場合に比べて、ｑ軸電流およびｄ軸電流の補償を行う必要があるが、テーブルおよび演算が簡単になる。

（変形例）
図６は、本実施形態の変形例を示し、図５におけるｑ軸電流指令補償テーブル１１に代えて、（９）式の演算項目φ（θ）のテーブルと定数Φ₀を使った演算要素（乗除算器）で構成する。この演算部とｄ軸電流指令補償演算部１３によってｄ、ｑ軸電流指令の補償信号ｉ_dCとｉ_qCを発生する。

この構成により、図５の構成に比べてテーブル数は多くなるが、テーブルの次数を低減でき、テーブルの作成および調整が容易になる。

（実施形態４）
図７は、本発明の実施形態を示すＩＰＭモータのトルクリップル抑制のブロック構成図であり、インバータの制御装置がＩＣ化またはコンピュータ化された構成のため、ｄ、ｑ軸電流指令に独立して補償信号が加えられない場合、トルク指令にフィードフォワードで前記の（１６）式を基にした補償信号を加えることで、ＩＰＭモータと機械負荷による６ｆおよびコギングトルクリップルを抑制する場合である。

本実施形態では、ｄ，ｑ軸電流指令演算部４，５と同等の演算を行うｄ，ｑ軸電流指令演算部１５，１６を設け、これら演算部で得るｄ，ｑ軸電流指令Ｉ_q0r、Ｉ_d0rとロータ回転角θから、トルク電流指令補償テーブル１７がトルク電流指令の補償信号ｔ_rCを発生し、この補償信号を加算部１８でトルク電流指令Ｔ_0rに加算（実際は減算）し、これをｄ，ｑ軸電流指令演算部４，５へのトルク指令とする。

トルク電流指令補償テーブル１７は、前記の（１６）式を基にした計算結果をテーブルデータとしてもち、インバータによるＩＰＭモータの運転状態に応じて、そのテーブルのパラメータとなるｄ，ｑ軸電流指令Ｉ_q0r、Ｉ_d0rと位相角θにほぼ一致するデータを補償信号ｔ_rCとして出力する。

なお、テーブルデータは、（１６）式を基にした計算結果を設定しておき、このデータをトルク指令を最小トルク指令から最大トルク指令にまで変化させたＩＰＭモータの試験運転を行って調整する。

本実施形態によれば、インバータの制御装置がｄ、ｑ軸電流指令に独立して補償信号が加えられない構成の場合に適用して、トルクリップルを抑制できる。

なお、図７におけるトルク電流指令補償テーブル１７に代えて、（１６）式の演算項目φ（θ）のテーブルと定数Φ₀等を使った演算要素で構成することができる。

本発明の実施形態１を示すトルクリップル抑制（ｑ軸電流補償）のブロック図。実施形態１の変形例。本発明の実施形態２を示すトルクリップル抑制（ｄ軸電流補償）のブロック図。実施形態２の変形例。本発明の実施形態３を示すトルクリップル抑制（ｄ，ｑ軸電流補償）のブロック図。実施形態３の変形例。本発明の実施形態４を示すトルクリップル抑制（トルク指令補償）のブロック図。

符号の説明

１インバータ本体
２ＩＰＭモータ
３エンコーダ
４、１６ｑ軸電流演算部
５、１５ｄ軸電流演算部
６電流制御部
７ｑ軸電流指令補償テーブル
７Ａ，９Ａ補償信号演算部
８、１０、１２、１４加算部
９ｄ軸電流指令補償テーブル
１１ｑ軸電流指令補償テーブル
１３ｄ軸電流指令補償演算部
１７トルク電流指令補償テーブル

Claims

トルク指令からｄ，ｑ軸電流成分を求めるｄ，ｑ軸電流指令演算部と、前記ｄ，ｑ軸電流指令演算部の出力をｄ，ｑ軸電流指令とし、この電流指令とインバータ本体の出力電流とから電流制御演算を行い、座標変換して該インバータ本体の出力電圧指令とする電流制御部とを有するベクトル制御方式のインバータでＩＰＭモータを駆動するＩＰＭモータのベクトル制御装置において、

Ｋ：定数、φ（θ）：磁束リップル成分、Ｉ_q0：ｑ軸電流、Φ₀：磁束基本波成分、Ｌ_d：ｄ軸インダクタンス、Ｌ_q：ｑ軸インダクタンス、Ｉ_d：ｄ軸電流、
に基づいて求める補償信号ｉ_qCを前記ｑ軸電流指令に加算してトルクリップルを抑制する手段を備えたことを特徴とするＩＰＭモータのベクトル制御装置。
トルク指令からｄ，ｑ軸電流成分を求めるｄ，ｑ軸電流指令演算部と、前記ｄ，ｑ軸電流指令演算部の出力をｄ，ｑ軸電流指令とし、この電流指令とインバータ本体の出力電流とから電流制御演算を行い、座標変換して該インバータ本体の出力電圧指令とする電流制御部とを有するベクトル制御方式のインバータでＩＰＭモータを駆動するＩＰＭモータのベクトル制御装置において、

Ｋ：定数、φ（θ）：磁束リップル成分、Ｌ_q：ｑ軸インダクタンス、
に基づいて求める補償信号ｉ_dCを前記ｄ軸電流指令に加算してトルクリップルを抑制する手段を備えたことを特徴とするＩＰＭモータのベクトル制御装置。
トルク指令からｄ，ｑ軸電流成分を求めるｄ，ｑ軸電流指令演算部と、前記ｄ，ｑ軸電流指令演算部の出力をｄ，ｑ軸電流指令とし、この電流指令とインバータ本体の出力電流とから電流制御演算を行い、座標変換して該インバータ本体の出力電圧指令とする電流制御部とを有するベクトル制御方式のインバータでＩＰＭモータを駆動するＩＰＭモータのベクトル制御装置において、

φ（θ）：磁束リップル成分、Φ₀：磁束基本波成分、Ｉ_q0：ｑ軸電流、Ｉ_d0：ｄ軸電流、
に基づいて求める補償信号ｉ_qC、ｉ_dCを前記ｑ軸電流指令、ｄ軸電流指令に加算してトルクリップルを抑制する手段を備えたことを特徴とするＩＰＭモータのベクトル制御装置。
トルク指令からｄ，ｑ軸電流成分を求めるｄ，ｑ軸電流指令演算部と、前記ｄ，ｑ軸電流指令演算部の出力をｄ，ｑ軸電流指令とし、この電流指令とインバータ本体の出力電流とから電流制御演算を行い、座標変換して該インバータ本体の出力電圧指令とする電流制御部とを有するベクトル制御方式のインバータでＩＰＭモータを駆動するＩＰＭモータのベクトル制御装置において、

Ｋ：定数、φ（θ）：磁束リップル成分、Ｉ_q0：ｑ軸電流、Φ₀：磁束基本波成分、Ｌ_d：ｄ軸インダクタンス、Ｌ_q：ｑ軸インダクタンス、Ｉ_d0：ｄ軸電流、Δ_q：ｑ軸補償電流の変化率、Δ_d：ｄ軸補償電流の変化率、
に基づいて求める補償信号ｔ_rCを前記トルク電流指令に加算してトルクリップルを抑制する手段を備えたことを特徴とするＩＰＭモータのベクトル制御装置。