JP2009261109A - 電動モータの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 モータ速度応答性を劣化させずに、モータ機器定数に依存しない所望の応答特性を実現することができる電動モータの制御装置を提供すること。
【解決手段】 ３相交流同期モータ２０１を、速度制御のためにゲインを用いて行う指令電流Ｉa^＊の演算と、３相交流同期モータ２０１に対して設定したＤ軸及びＱ軸に対しての制御演算を行う速度制御器１５、電流配分部１７、電流制御器１９を有する電動モータ制御装置１において、モータ速度によって指令電流に対するトルク感度が変化することを考慮して、ゲインを変更するゲイン生成マップ１４を備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電動モータの制御装置の技術分野に属する。

従来では、電流制御系、速度制御系をゲイン１として理想化し、ＰＩ制御と変動抑制制御を並列に配置し、ＰＩ制御は、主に負荷トルクの直流分を制御している（例えば、特許文献１参照。）。
福本、濱根、林、「圧縮機用ＰＭＳＭ位置センサレスベクトル制御のためのＢＰＦを用いた周期的速度変動抑制制御」、電気学会論文誌Ｄ、２００７年、１２７巻７号、p.715-722

従来にあっては、Ｄ軸電流成分をゼロとみなすことで、指令電流とトルクの関係を線形化し、簡易モデル上で速度ＰＩゲインの制御している。しかしながら、実際に例えば車両の電動コンプレッサなどを動作させる際には、多量のＤ軸電流を流す必要があり、従来のような速度ＰＩゲインの制御では、モータ速度応答性が劣化してしまうものであった。

本発明は、上記問題点に着目してなされたもので、その目的とするところは、モータ速度応答性を劣化させずに、モータ機器定数に依存しない所望の応答特性を実現することができる電動モータの制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明では、３相交流同期モータを、速度制御のためにゲインを用いて行う指令電流の演算と、前記３相交流同期モータに対して設定したＤ軸及びＱ軸に対しての制御演算を行う制御手段を有する電動モータの制御装置において、モータ速度によって指令電流に対するトルク感度が変化することを考慮して、前記ゲインを変更するゲイン変更手段を備えた、ことを特徴とする。

よって、本発明にあっては、モータ速度応答性を劣化させずに、モータ機器定数に依存しない所望の応答特性を実現することができる。

以下、本発明の電動モータの制御装置を実現する実施の形態を、請求項１，２に係る発明に対応する実施例１に基づいて説明する。

まず、構成を説明する。
図１は実施例１の電動モータの制御装置のブロック構成を示す図である。
実施例１の電動モータ制御装置１は、例えば、車両の空調装置における電動コンプレッサの制御装置、EVやHEVの車両の駆動用モータの制御装置を例とする。
実施例１の電動モータ制御装置１は、３相同期電動モータのコントローラの一部として設けられる。そのため、コントローラの他の部分により、目標とする状態が入力されるものとする。そして、電動モータ制御装置１は、インバータと３相同期電動モータからなるモータインバータ２へ制御信号を出力する。

電動モータ制御装置１は、目標速度設定部１１、モータ速度検出部１２、加算器１３、ゲイン生成マップ１４、速度制御器１５、積分器１６、電流配分部１７、モータ電流検出部１８、電流制御器１９を備えている。
目標速度設定部１１は、コントローラの他の部分、他のコントローラ、使用者の操作入力などによって、３相同期電動モータの目標回転速度を設定する。

モータ速度検出部１２は、エンコーダなどのセンサを用いて、実際の３相同期電動モータの回転速度を検出する。
加算器１３は、目標回転速度と実回転速度の偏差を演算する。
ゲイン生成マップ１４は、指令電流Ｉa^＊と目標速度ω^＊から速度制御ＰＩゲインを得るマップデータである。
速度制御器１５は、モータ速度が目標速度に近づくように、ＰＩ制御を用いて指令電流Ｉa^＊を演算する。
なお、速度制御器１５では、速度ＰＩ制御器の構成を、以下の数式１とし、各ゲインを以下の数式２、数式３のように設定する。

積分器１６は、実モータ回転速度から、実モータ角度を演算し、モータ電流検出部１８、電流制御器１９へ出力する。
電流配分部１７は、速度制御器１５によって演算された指令電流Ｉa^＊を、モータ速度に基づいて２つの指令電流、Ｉd^＊，Ｉq^＊に配分する。
モータ電流検出部１８は、３相同期電動モータのＵ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルに流れる電流（Iu,Iv,Iw）を検出する。なお、全ての電流の和は０アンペアになるので、その関係を用いて、３相のうち２つをセンシングして、残りは計算で算出してもよい。その場合は、以下の数式４によるものとする。

（数４）

Iu＝−（Iv＋Iw）

さらに、モータ電流検出部１８では、検出した３相電流Iu,Iv,Iwから次の式を用いて、Ｑ軸電流Ｉq、Ｄ軸電流Ｉdを求める。この電流値Ｉq，Ｉdは、検出電流を変換したものであるため実値である。

なお、この２つの式は、パーク変換とクラーク変換である。
電流制御器１９は、以下のような計算を行って、３相指令電圧（Ｖu^＊，Ｖv^＊，Ｖw^＊）を計算する。なお、Ｖα^＊，Ｖβ^＊は中間変数であり、２相電圧指令値である。
また、θは電気角（機械角×極対数）で表した回転角度である。

さらに電流制御器１９は、３相指令電圧（Ｖu^＊，Ｖv^＊，Ｖw^＊）と３角波を比較して、スイッチング信号を生成し、出力する。

図２に示すのは、モータインバータ２の概要説明図である。
モータインバータ２は、３相交流同期モータ２０１と、インバータ回路である電源２０２、トランジスタ２０３〜２０８、電流検出抵抗２０９、２１０を備えている。
３相交流同期モータ２０１のロータの構造は埋め込み磁石型であるとする。
電源２０２は、３相交流同期モータ２０１へ駆動電源を供給する。
トランジスタ２０３〜２０８は、それぞれ３相交流同期モータ２０１の３相(Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相)のコイルへの出力を行う。３相のアッパーアーム側には、それぞれ、トランジスタ２０３〜２０５のエミッタを３相コイルのそれぞれへ接続し、コレクタを電源供給側に接続する。そして、ベースへの入力は、電流制御器１９からのゲート制御信号が入力される接続にする。

次に、３相のロワアーム側には、それぞれ、トランジスタ２０６〜２０８のコレクタを３相コイルのそれぞれへ接続し、エミッタを電源への帰還側へ接続する。そして、ベースへの入力は、電流制御器１９からのゲート制御信号が入力される接続にする。なお、ロワアーム側は、それぞれのアッパーアーム側のゲート制御信号の反転した波形が入力されることになる。
さらに、３相のうち、２相のロワアーム側には、電流検出抵抗２０９、２１０を設けるようにする。残りの相の電流値は演算で求めるものとする（上記数式４参照）。なお、電流検出抵抗２０９、２１０の例としてシャント抵抗を挙げておく。

作用を説明する。
[モータ制御]
実施例１の電動モータ制御装置１では、上位に設けられる制御により、情報が目標速度設定部１１へ入力され、これに基づいて制御を行う。
例えば、車室内の空調制御では、電動コンプレッサの目標回転速度が設定される。
これに対して電動モータの制御装置では、この目標回転速度を実現するように交流同期モータをベクトル制御方式によって制御する。
図３は実施例１の電動モータの制御装置のベクトル制御の説明図である。
このベクトル制御では、図３に示すように、交流電流を直流化し、１対の磁極のロータに対して、磁極方向のＤ軸と磁極と直交するＱ軸を考え、制御上、Ｄ軸電流とＱ軸電流として取り扱う。
そのため、Ｄ軸電流を増加すればトルクが増加し、Ｑ軸電流を増加すれば回転速度が増加する。

実施例１では、目標回転速度と実回転速度の偏差から、速度制御器１５が、ゲイン生成マップ１４のゲインを用いてＰＩ制御演算を行い、指令電流Ｉa^＊を演算して出力する。
そして、電流配分部１７が、指令Ｄ軸電流Id^＊と指令Ｑ軸電流Iq^＊に配分する演算を行い出力する。
さらに、電流制御器１９により、指令Ｄ軸電流Id^＊と指令Ｑ軸電流Iq^＊に実Ｑ軸電流Ｉqと実Ｄ軸電流Ｉdを近づけるようにフィードバック制御をＰＩ制御により行う。
そして、このようにして得られたＤ軸電圧の指令値Vd^＊、Ｑ軸電圧の指令値Vq^＊を、３相指令電圧（Vu^＊,Vv^＊,Vw^＊)にして、モータインバータ２へ出力する制御を行う。

図４はＵ相の電圧指令値と三角波からゲート制御信号を生成する状態を示す説明図である。
実施例１の電動モータの制御装置において、電流制御器１９では、３相指令電圧（Vu^＊,Vv^＊,Vw^＊)と３角波を比較して（図４(a)参照）、ゲート制御信号を生成する（図４(b)参照）。このゲート制御信号は、PWM制御信号であり、デューティ比で表現されるものとなる。なお、図４(b)のPWM制御信号をアッパーアーム側とすると、ロワアーム側のPWM制御信号は、この反転信号となる。
なお、図４にはＵ相を例に示すが、Ｖ相、Ｗ相も同様に生成できる。

[応答性向上作用]
図５は電流配分部における電流配分演算の内容を示す図である。図６は指令電流とモータのトルク特性の関係を示す説明グラフ図である。
実施例１の電動モータ制御装置１における電流配分部１７では、モータ速度に基づいて２つの指令電流Ｉd^＊、Ｉq^＊に、図５に示すように配分を行う。ここで、指令電流Ｉa^＊、指令Ｄ軸電流Ｉd^＊、指令Ｑ軸電流Ｉq^＊には、次の式の関係がある。

通常、低速運転時（ω１）は、指令電流Ｉa^＊に対して最大のトルクが得られるような位相を保つようにＩd^＊、Ｉq^＊に配分する。しかし、高速運転に伴って（ω２→ω３→ω４）、モータ誘起電圧が上昇していくため、運転範囲は狭くなってしまう。この対策として、高速運転時は負の方向にＤ軸電流を増加させてゆく、弱め界磁制御を行い、速度上昇に伴う誘起電圧の増加を抑制する。その結果、速度上昇に伴って指令電流Ｉa^＊に対するトルク感度は低下することになる（図６参照）。

図７はゲイン生成マップを示す説明図である。
実施例１の電動モータ制御装置１では、ゲイン生成マップ１４が、目標速度ω^＊と指令電流Ｉa^＊に対するゲインを設定する関数Ｍap(Ｉa^＊,ω^＊)のマップデータを備え、このトルク感度を考慮できるようにしている。
そのため、速度制御器１５では、その制御器を上記数式１の構成とし、各ゲインを数式２、数式３のようにすることにより、速度制御ＰＩゲインを可変と市、指令電流Ｉa^＊に対するトルク感度が悪化している運転点では、例えばゲインを通常より大きくすることにより、モータ速度応答特性を劣化させずに、モータ機器定数に依存しない所望の応答特性を実現する。

図８は従来の制御構成による目標速度とモータ速度の試験結果を示すグラフ図である。図９は実施例１の制御構成による目標速度とモータ速度の試験結果を示すグラフ図である。
ここで、図８に示すものは、ゲインＫpとＫiを次のように設定した。

実施例１の制御構成を用いた試験結果では、従来の制御構成のものよりも目標速度によく追従した実際のモータ速度を得ることができている。

さらに付け加えて説明する。
図１０は、従来の制御構造の説明図である。
図１０において、ω^＊は目標速度、ωはモータ速度、Δωは速度偏差、Ｉq ^＊は指令Ｑ軸電流、Ｔはモータトルク、Ｐは極対数、φmは永久磁石鎖交磁束、Ｊはイナーシャ、1/sは積分器とする。
この制御器の構成は、従来文献に記載の構成を抜き出したものであり、上記数式１であり、各ゲインは上記数式１０、数式１１のように設定されている。数式１０、１１でαはゲインである。
この制御器の構成において、モータ速度の応答特性は、次の数式１２のようになり、モータの機器定数によらず一定となる。

この制御器では、Ｄ軸電流成分をゼロとみなしてモデル化し、速度制御ＰＩゲインをモータ機器定数に基づいて定数で設定し、所望のモータ速度応答性を実現している。しかしながら、実際の高速・高負荷運転時には、弱め界磁制御を行って、多量のＤ軸電流を流すため、指令電流に対してトルク感度が悪化、モータ速度応答性は劣化してしまう。
これに対して、本実施例１では、ゲイン生成マップ１４により、トルク感度を考慮してゲインが可変したものとなる。そのため、モータ速度応答特性を劣化させることなく、モータ機器定数に依存しない所望の応答特性が実現される。

次に、効果を説明する。
実施例１の電動モータの制御装置にあっては、下記に列挙する効果を得ることができる。

(1)３相交流同期モータ２０１を、速度制御のためにゲインを用いて行う指令電流Ｉa^＊の演算と、３相交流同期モータ２０１に対して設定したＤ軸及びＱ軸に対しての制御演算を行う速度制御器１５、電流配分部１７、電流制御器１９を有する電動モータ制御装置１において、モータ速度によって指令電流に対するトルク感度が変化することを考慮して、ゲインを変更するゲイン生成マップ１４を備えたため、モータ速度応答性を劣化させずに、モータ機器定数に依存しない所望の応答特性を実現することができる。

(2)上記(1)において、制御手段は、３相交流同期モータ２０１への要求に基づいて、３相交流同期モータ２０１目標回転速度を設定する目標速度設定部１１と、３相交流同期モータ２０１の実回転速度を検出するモータ速度検出部１２と、実回転速度が目標開点速度に近づくように指令電流Ｉa^＊を、ゲインを用いて演算する速度制御器１５と、指令電流Ｉa^＊を指令Ｄ軸電流Ｉd^＊と指令Ｑ軸電流Ｉq^*に配分する電流配分部１７と、各相に流れる電流を検出するモータ電流検出部１８と、指令Ｄ軸電流Ｉd^＊と指令Ｑ軸電流Ｉq^*に実電Ｄ軸流Ｉd及び実Ｑ軸電流Ｉqが近づくように３相交流同期モータ２０１を駆動するインバータへの指令を演算する電流制御器１９を備え、ゲイン変更手段は、指令電流Ｉa^＊と目標回転速度ω^＊によってマップデータを参照してゲインを選択するゲイン生成マップ１４であるため、速度制御器１５にて演算に用いられるゲインＭap(Ｉa^＊, ω^＊)を、指令電流Ｉa^＊と目標回転速度ω^＊によってマップデータを参照して選択し、トルク感度の変化を考慮できるので、モータ速度応答性を劣化させずに、モータ機器定数に依存しない所望の応答特性を実現することができる。

以上、本発明の電動モータの制御装置を実施例１に基づき説明してきたが、具体的な構成については、これらの実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。

例えば、３相交流同期モータは、ハイブリッド車（ＨＥＶ）の駆動用として用いるものであってもよいし、電気自動車（ＥＶ）の駆動用として用いるものであってもよい。
いずれであっても、制御性が向上することになる。
また、実施例では、インバータはトランジスタで構成したが、他のスイッチング素子で構成するものであってもよい。

実施例１の電動モータの制御装置のブロック構成を示す図である。 モータインバータ２の概要説明図である。 実施例１の電動モータの制御装置のベクトル制御の説明図である。 Ｕ相の電圧指令値と三角波からゲート制御信号を生成する状態を示す説明図である。 電流配分部における電流配分演算の内容を示す図である。 指令電流とモータのトルク特性の関係を示す説明グラフ図である。 ゲイン生成マップを示す説明図である。 従来の制御構成による目標速度とモータ速度の試験結果を示すグラフ図である。 実施例１の制御構成による目標速度とモータ速度の試験結果を示すグラフ図である。 従来の制御構造の説明図である。

符号の説明

１ 電動モータ制御装置
２ モータインバータ
１１ 目標速度設定部
１２ モータ速度検出部
１３ 加算器
１４ ゲイン生成マップ
１５ 速度制御器
１６ 積分器
１７ 電流配分部
１８ モータ電流検出部
１９ 電流制御器
２０１ ３相交流同期モータ
２０２ 電源
２０３〜２０８ トランジスタ
２０９ 電流検出抵抗
２１０ 電流検出抵抗
Ｉa^＊ 指令電流
Ｉd^＊ 指令Ｄ軸電流
Ｉd Ｄ軸電流
Ｉq^＊ 指令Ｑ軸電流
Ｉq Ｑ軸電流
Iu Ｕ相電流
Iv Ｖ相電流
Iw Ｗ相電流
Ｋp 比例ゲイン
Ｋi 積分ゲイン
Ｍap （ゲインを設定する）関数
Vd Ｄ軸電圧指令値
Vq Ｑ軸電圧指令値
ω^＊ 目標回転速度
ω 回転速度

Claims (2)

1. ３相交流同期モータを、速度制御のためにゲインを用いて行う指令電流の演算と、前記３相交流同期モータに対して設定したＤ軸及びＱ軸に対しての制御演算を行う制御手段を有する電動モータの制御装置において、
   モータ速度によって指令電流に対するトルク感度が変化することを考慮して、前記ゲインを変更するゲイン変更手段を備えた、
   ことを特徴とする電動モータの制御装置。
2. 請求項１に記載の電動モータの制御装置において、
   前記制御手段は、
   前記３相交流同期モータへの要求に基づいて、前記３相交流同期モータの目標回転速度を設定する目標速度設定手段と、
   前記３相交流同期モータの実回転速度を検出するモータ速度検出手段と、
   実回転速度が目標回転速度に近づくように指令電流を、前記ゲインを用いて演算する速度制御手段と、
   前記指令電流を指令Ｄ軸電流と指令Ｑ軸電流に配分する電流配分手段と、
   各相に流れる電流を検出する３相電流検出手段と、
   指令Ｄ軸電流及び指令Ｑ軸電流に実Ｄ軸電流及び実Ｑ軸電流が近づくように前記３相交流同期モータを駆動するインバータへの指令を演算する電流制御手段と、
   を備え、
   前記ゲイン変更手段は、前記指令電流と前記目標回転速度によってマップデータを参照してゲインを選択する、
   ことを特徴とする電動モータの制御装置。

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