JP2008160912A - モータ制御装置、モータ制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素で高効率のモータ制御装置、モータ制御方法を提案する。
【解決手段】同期モータ１０およびそれを駆動するインバータ２０と、それに入力する電源電圧値を検出する電源電圧検出部３０と、駆動電流値を検出する電流検出部４０と、回転速度を検出する速度検出部５０と、実測された回転速度と指定された速度指令値との差に基づいた電流指令値を生成する電流指令値生成部７０と、電流指令値生成部７０が生成した電流指令値と駆動電流値より電圧指令値を生成する電圧指令値生成部８０と、電圧指令値に基づいてインバータ２０を制御するインバータ制御部９０と、を備えるモータ制御装置１において、実測された電源電圧値と電圧指令値により変調率を生成して電流指令値生成部７０に入力する変調率生成部１００を有し、変調率生成部１００は進角制御における変調率を所定の下限値から下回らないように変調率下限値を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータ制御装置、モータ制御方法に関する。

例えば、コンプレッサや電気自動車等で用いる永久磁石同期モータ（以下、「同期モータ」または単に「モータ」という）に対し弱め界磁制御または最大効率制御を行うとき、同期モータの効率が良くなるようにモータの特性変動に関わらず効率が良いId軸電流値（以下、「界磁（成分）電流Id」または単に「Id」という）を同期モータに与える同期モータの制御装置に関する技術が多数提案されている（例えば、特許文献１参照）。

前記弱め界磁制御と最大効率制御を組み合わせた制御システムにおいて、複雑な制御および計算式が必要であった。
特開平８−２６６０９９号公報（００２０段落、第１図）

高負荷時に駆動電圧を下げる方向性を有する駆動制御システムには、二つの課題がある。特に、回転速度に応じて負荷が重くなるコンプレッサ等の駆動に用いられる従量負荷特性のモータで顕著に現れる現象があり、それが以下の課題である。

第一に、モータが高速回転している場合、誘起電圧（逆起電圧）＞印加電圧（駆動電圧）となるため、モータに電流が送り込めなくなる状態、いわゆる駆動電圧不足の状態に陥るので、その対策として弱め界磁制御を効率良く行うことが必要だという課題がある。
第二に、低負荷時に印加される高電圧に応じて生じる鉄損によりモータ効率が悪化するので、低負荷時に高比率となる鉄損を複雑な制御および計算をすることなく低減することで効率を改善しようという課題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、高負荷時には効率良く弱め界磁制御を行うことにより所望の回転数およびトルクを得ることを可能にし、かつ、低負荷時にも難しい計算や新たな制御を追加することなく、簡単にモータ効率の良い制御を可能にするモータ制御装置、モータ制御方法を提案することを目的とする。

本発明に係るモータ制御装置、モータ制御方法では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
第一の発明は、同期モータと、前記同期モータを駆動するインバータと、前記インバータに入力する電源電圧値を検出する電源電圧検出部と、前記同期モータに流れる駆動電流値を検出する電流検出部と、前記同期モータの回転速度を検出する速度検出部と、実測された前記回転速度と指定された前記速度指令値との差に基づいた電流指令値を生成する電流指令値生成部と、前記電流指令値生成部が生成した電流指令値と前記駆動電流値より電圧指令値を生成する電圧指令値生成部と、前記電圧指令値に基づいて前記インバータを制御するインバータ制御部と、を備えるモータ制御装置において、実測された前記電源電圧値と前記電圧指令値により変調率を生成して前記電流指令値生成部に入力する変調率生成部を有し、前記変調率生成部は進角制御における変調率を所定の下限値から下回らないように変調率下限値を設けたことを特徴とする。

第二の発明は、前記電流指令値生成部は、指定された速度指令に速度フィードバックすることにより電流指令を作成し、前記電流指令を進角よりId成分およびIq成分に区別し、前記電流指令値生成部の出力するIq指令値に基づいてVq指令値を作成するとともに前記Id指令値に基づいてVd指令値を作成し、前記インバータの制御を行う前記Vq指令値および前記Vd指令値を含む電圧指令値と前記電源電圧検出部が検出する電圧を用いて前記変調率を作成し、前記変調率より前記進角が決定されることを特徴とする。

また、前記進角の制御に代えて前記変調率によりId成分とIq成分を別々に制御することを特徴とする。

本発明によれば以下の効果を得ることができる。
第一に、モータが高速回転している高負荷時において、駆動電圧不足の状態に陥る場合、効率良く弱め界磁制御を行うことにより所望の回転数およびトルクを得ることを可能にする。

第二に、モータが低速回転している低負荷時において、印加された高電圧に応じて生じる鉄損が高比率であるためにモータ効率が悪化する場合、難しい計算や新たな制御を追加することなく、簡単にモータ効率の良い制御を可能にする。
このように簡素で高効率のモータ制御装置、モータ制御方法を得ることができる。

以下、本発明のモータ制御装置、モータ制御方法の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係るモータ制御装置の概略構成を示す図である。
モータ制御装置１は、電源１５によりインバータ２０を用いて駆動するブラシレスＤＣモータ（以下、「同期モータ」という）１０の回転を制御するものである。同期モータ１０には、インバータ制御部９０により制御されたインバータ２０の出力が供給される。

インバータ制御部９０は、制御対象であるインバータ２０の入力電圧と出力電流及び同期モータ10の速度を検出し、それらの実測値と速度指令値に基づいて、インバータ２０の出力側の電圧、電流（電流ベクトル）、周波数（モータ回転速度）、および制御指標となる変調率の上限・下限を適切に設けることにより同期モータ１０を所望の運転状態にする。

電源１５は電源電圧値を出力してインバータ２０に入力する。電源電圧検出部３０は電源電圧値検出して電圧値を出力する。

電流検出部４０は同期モータ１０に入力される駆動電流値を検出する。この電流検出部４０は電流を検出し電流値を出力する。速度検出部５０は同期モータ１０の回転速度を検出して速度信号を出力する。速度指令値生成部６０は同期モータ１０の回転速度を任意に設定する速度指令値を生成する。

電流指令値生成部７０は速度検出部５０により実測して得られた速度信号と、速度指令値生成部６０により任意指定された速度指令値との差に基づき電流指令値を生成し、後記する変調率に基づき、Id,Iq電流成分を生成する。電圧指令値生成部８０は電流指令値生成部７０が生成した電流指令値と、電流検出部４０により検出した電流値に基づいて電圧指令値を生成する。

インバータ制御部９０は電流指令値生成部７０で生成された電流指令値と実測した駆動電流値より生成した電圧指令値に基づいてインバータ２０を制御する。変調率生成部１００は電源電圧値を実測して得た電圧値と、電圧指令値に基づいて生成した変調率を電流指令値生成部７０に入力する。電流指令値生成部７０は実測した回転速度のフィードバックを受けながらモータ制御装置１による同期モータ１０の制御を行う。

つぎに、図２〜図４を用いて具体的な制御の実態について説明する。図２は本発明に係るモータ制御における回転速度対トルク，電圧特性を示す図である。図２において横軸は回転速度［ｒ／ｍ］、縦軸は電圧［Ｖ］、トルク［Ｎ・ｍ］を示し、実線は回転速度対トルク特性、破線は回転速度対電圧特性を示している。

図２の実線から読み取れるように、回転速度とトルクは正の相関関係であり、コンプレッサ等に代表されるように回転を上げるほど負荷トルクが増大する負荷特性である。また、図２の破線から読み取れるように、回転速度と電圧（電源電圧）は負の相関関係であり、回転を上げるほど電源電圧を低減させるシステム構成となっている。

図３は一般的なモータ制御におけるモータ電流対鉄損・銅損およびこれらの損失を考慮した効率特性を示す図である。図３において横軸はモータ電流、縦軸は鉄損・銅損および、これら鉄損・銅損の損失を含めた入力で出力を除して算出した効率特性を示している。

鉄損は磁束と角速度の二乗に比例するので、角速度と磁束を一定とした場合には、モータ電流の増減にかかわらず鉄損は一定であるため、鉄損のみに着目すれば、モータ電流が少ない運転領域では固定値として鉄損の損失比率が高くなる。一方、銅損はモータ電流の二乗に比例するので、銅損のみに着目すればモータ電流が大きい運転領域では銅損の損失比率が高くなる。周知のように鉄損＝銅損となるようなモータ電流に設定すれば最大効率が得られる。

図４は本発明に係るモータ制御における、（ａ）負荷対変調率特性、（ｂ）負荷対界磁電流特性を示す図である。図４（ａ）の中ほど約１／３に示す中負荷の運転領域では進み位相（進角）＝０とする。また、図４（ａ）の右側約１／３に示す高負荷の運転領域において、変調率上限値を定めて進み位相とする弱め界磁制御を行う。そして、図４（ａ）の左側約１／３に示す低負荷の運転領域において、変調率下限値を定めて進み位相とする高効率制御を行う。

図４（ｂ）の中ほど約１／３に示す中負荷の運転領域においては、界磁（成分）電流Ｉｄ＝０と固定値であり、回転速度・トルクの増減にかかわらず一定である。また、図４（ｂ）の右側約１／３に示す高負荷の運転領域において、変調率上限値を定められた状態で、回転速度・トルク対界磁電流特性は比例関係である。そして、図４（ｂ）の左側約１／３に示す低負荷の運転領域において、変調率下限値を定められた状態で、回転速度・トルク対界磁電流特性は負の比例関係である。

詳しくは、以下のとおりである。なお、符号を省略している。
（１）変調率が規定範囲である場合は、進角＝０とする。
（２）変調率が上限値を超えた場合は、変調率＝上限値となるように進角を決定する。
（３）変調率が下限値を下回った場合は、変調率＝下限値となるように進角を決定する。
（４）前記（１）（２）（３）の何れかの進角に基づいて（ベクトル）電流指令（値）を生成する。
（５）電流指令に基づいて（ベクトル）電圧指令（値）を生成する。
（６）電圧指令の関数（アルゴリズム等）に基づいて変調率を生成する。
（７）変調率を進角演算部にフィードバックする。

図４（ａ）（ｂ）により、変調率に基づいた進角制御を示したように、低電圧、高負荷時には従来から行われている進角制御（弱め界磁制御）を適用する。また、低負荷時には、前記進角制御において、変調率下限値を設けることにより、難しい計算や、新たな制御を追加することなくモータ効率の良い制御を行うことができる。

図５は本発明に係るモータ制御装置の進角演算部の動作を説明する図である。ここで、図１と一部重複する構成も含めて動作を簡単に説明する。図５に示すように電流指令生成部７０の出力側に、電圧指令生成部８０、変調率出力部７２、判断値出力部７３、および進角演算部７１の順に構成され、その進角演算部７１の出力が電流指令生成部７０の入力されて閉ループを形成しているほか、電流指令生成部７０の出力に基づいてインバータ２０が制御される。また、電源１５はインバータ２０に電力供給し、インバータ２０により同期モータ１０が駆動される。同期モータ１０の駆動電流を電流検出部４０で検出して電流指令生成部７０に制御信号として入力される。

進角演算部７１において、進角は変調率が上限判断値を上回った場合もしくは下限判断値を下回った場合に上限判断値及び下限判断値＝０になるように決定する。つまり、変調率出力＝上限判断値もしくは下限判断値となるように進角を決定する。
電流指令生成部７０では、進角演算部７１により決定した進角に基づき電流指令値Id，Iqを決定し、電圧指令生成部８０へ入力する。
電圧指令生成部８０では、電流指令生成部７０で生成した電流指令値Id，Iqと、電流検出部４０で検出した電流値に基づいて電圧指令値Vd，Vqを生成し、変調率出力部７２へ入力する。
変調率出力部７２では、電源電圧検出部４０が出力する検出値と電圧指令値Vd，Vqに基づいて制御指標となる変調率を作成し、判断値出力部７３へ入力する。
判断値出力部７３では、下記処理を実行し、進角演算部７１へ判断値を入力する。
上限判断値＝変調率出力−上限基準値
下限判断値＝変調率出力−下限基準値

また、電圧検出部３０の出力と電流指令生成部７０の出力に基づいて電圧指令生成部８０および変調率出力部７２の出力信号が形成され、変調率出力部７２の出力信号と上下限基準出力部７４の参照信号に基づいて判断値出力部７３の出力信号が形成されて進角演算部７１に入力される。進角演算部７１では、上限判断値＞０の場合、または下限判断値＜０の場合に進角制御する（図４参照）。

この進角演算部７１の動作により、図４に沿って説明した低電圧、高負荷時には従来どおりの進角制御（弱め界磁制御）を行うほか、低負荷時にも、前記進角制御の運転領域内において、変調率の上下限値（特に下限値）を設定したことにより、変調率に関連づけた界磁電流Id制御・進み位相制御を簡便かつ容易に実現できる。その結果、難しい計算や、新たな制御を追加することなくモータ効率の良い制御を行うことが可能となる。

なお、上述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

また、進角の代わりにIdを制御するモータ装置においても本発明を適用することが可能である。さらに、制御の指標値である変調率という表現に限定することなく、電圧飽和度を監視しながらIdを加減して進角制御し、モータ電流の位相を進ませて駆動電圧不足を避けるようにバランスを保ちながら効率良くした技術は本発明に含まれる。

本発明に係るモータ制御装置の概略構成を示す図である。 本発明に係るモータ制御における回転速度対トルク・電圧特性を示す図である。 一般的なモータ制御におけるモータ電流対鉄損・銅損およびこれらの損失を考慮した効率特性を示す図である。 本発明に係るモータ制御における、負荷対変調率特性、（ｂ）負荷対界磁電流特性を示す図である。 本発明に係るモータ制御装置の進角演算部の動作を説明する図である。

符号の説明

１…モータ制御装置 １０…ブラシレスＤＣモータ（同期モータ） ２０…インバータ ３０…電源電圧検出部 ４０…電流検出部 ５０…速度検出部 ６０…速度指令値生成部 ７０…電流指令値生成部 ７３…判断値出力部 ７４…上下限基準出力部 ７５…電圧司令生成部 ８０…電圧指令値生成部 ９０…インバータ制御部 １００…変調率生成部

Claims (5)

1. 同期モータと、
   前記同期モータを駆動するインバータと、
   前記インバータに入力する電源電圧値を検出する電源電圧検出部と、
   前記同期モータに流れる駆動電流値を検出する電流検出部と、
   前記同期モータの回転速度を検出する速度検出部と、
   実測された前記回転速度と指定された前記速度指令値との差に基づいた電流指令値を生成する電流指令値生成部と、
   前記電流指令値生成部が生成した電流指令値と前記駆動電流値より電圧指令値を生成する電圧指令値生成部と、
   前記電圧指令値に基づいて前記インバータを制御するインバータ制御部と、を備えるモータ制御装置において、
   実測された前記電源電圧値と前記電圧指令値により変調率を生成して前記電流指令値生成部に入力する変調率生成部を有し、
   前記変調率生成部は進角制御における変調率を所定の下限値から下回らないように変調率下限値を設けたことを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記電流指令値生成部は、
   指定された速度指令に速度検出部より検出された速度検出値をフィードバックすることにより電流指令を作成し、
   前記電流指令を進角よりId成分およびIq成分に区別し、
   前記電流指令値生成部の出力するIq指令値に基づいてVq指令値を作成するとともに前記Id指令値に基づいてVd指令値を作成し、
   前記インバータの制御を行う前記Vq指令値および前記Vd指令値を含む電圧指令値と前記電源電圧検出部が検出する電圧を用いて前記変調率を作成し、
   前記変調率より前記進角が決定されることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記進角の制御に代えて前記変調率によりId成分とIq成分を別々に制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のモータ制御装置。
4. 同期モータをインバータ制御するモータ制御方法であって、
   電源電圧検出部によりインバータに入力する電源電圧値を検出し、
   指定された速度指令に速度検出部で検出した回転速度をフィードバックすることにより電流指令を作成し、
   前記電流指令を前記進角よりId成分およびIq成分に区別し、
   Iq指令値に基づいてVq指令値を作成するとともにId指令値に基づいてVd指令値を作成し、
   前記Vq指令値および前記Vd指令値を含む電圧指令値と前記電源電圧検出部が出力する検出値を用いて制御指標となる変調率を作成し、
   進角制御における所定の下限値を下回らないように変調率下限値を設け、
   前記変調率より前記進角を決定し前記インバータの制御を行うことを特徴とするモータ制御方法。
5. 前記進角の制御に代えて前記変調率によりId成分とIq成分を別々に制御することを特徴とする請求項４に記載のモータ制御方法。

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