JP2011041420A - モータ制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】コギングトルク低減とモータ効率向上が両立可能なモータ制御システムを提供する。
【解決手段】モータ駆動指令を生成する制御手段８とモータ１１に駆動電圧を供給するＰＷＭインバータ回路５ａとモータ駆動指令を供給するデータ通信手段７ａを有する主モータ制御装置９と、主モータ制御装置９からのモータ駆動指令を受けるデータ通信手段７ｂとＰＷＭインバータ回路５ｂを有する従モータ制御装置１０と、各々の突極磁極に巻線した主巻線と従巻線を軸方向に分離配置し、主巻線と従巻線の突極磁極を回転方向にθ度ずらして固定したステータ部を用いて構成したＰ極対のモータ１１とを備え、主巻線と従巻線はそれぞれ主モータ制御装置９、従モータ制御装置１０に接続され、主モータ制御装置９は主巻線に供給するモータ電流に対して従巻線に供給するモータ電流に位相差を設ける指令分配器４を有し、モータ駆動指令により１台のモータ１１を駆動する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数台のインバータ回路で１台のモータを効率良く駆動するモータ制御装置に関する。

大出力のモータを駆動するには、大電流を流すことが可能なパワーデバイスを搭載したモータ制御装置が必要であるが、大電流対応のパワーデバイスは特に高価であり、損失も大きくなることから冷却装置の大型化が必要である。また、スイッチングロスを低減して発熱を抑えるためキャリア周波数を低く設定せざるを得ず、トルクリップルが大きくなるという課題がある。

そこで、大出力のモータを駆動する方法として、小出力のインバータ回路を複数台用いた多重インバータ方式が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図７は、２台のインバータ回路を用いた場合のシステム構成を示したブロック図である。上位から指令を受ける主モータ制御装置と、主モータ制御装置から指令を受ける従モータ制御装置から構成されている。主モータ制御装置は、上位からの指令を受けるとロータに取り付けられたセンサで検出したモータの位置情報と上位からの指令に基づきトルク指令を生成する。生成したトルク指令はインバータ回路へ出力するとともに、従のモータインバータ回路へ駆動指令を出し、主と従のインバータ回路でＰＷＭ駆動によってモータはトルクを発生する構成となっている。

これらの大出力のモータは直接機器に接続される場合が多いため、今まで以上にコギングトルクやトルクリップルの低減が求められている。この課題に対して、モータのマグネットの極数と突極磁極数の最小公倍数を高くするモータ構成が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

また、多重インバータ方式により、インバータ間のモータ駆動電流を１８０度ずらして合成磁束のリップルを小さくして鉄損を低減する手法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開昭６２−４４０６３号公報 特開昭６２−１１０４６８号公報 特開平６−１９７５９３号公報

しかしながら特許文献２のモータ構成例は、ロータマグネットの極数が１４、ステータの突極磁極数が１２の組み合わせで最小公倍数が８４の例である。この組み合わせでは、Ｕ相の巻線は隣り合う２組と、１８０度反対側に２組の合計４組の巻線で構成される。このとき、隣り合う巻線ＵＡとＵＢによって発生する各逆起電力には図８に示すように位相差があり、Ｕ相の逆起電力はＵＡとＵＢの合成となる。

合成された逆起電力の出力は、それぞれの逆起電力の波高値の和より小さくなるため、モータトルクは低減し、モータ効率が低下するため別の課題が残る。

一方、特許文献３の手法では、インバータ間のモータ電流の位相を図９に示すように、１８０度ずらすことによって合成磁束のリップルを低減させている。しかし合成磁束のリップル低減は、主にモータステータの外周部であるヨーク部で効果があるが、巻線する極突磁極部のリップルは小さくならず、コギングトルクは低減できないという課題がある。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、複数台のモータ制御装置を用いて１台のモータを駆動する多重インバータ構成のモータ制御システムにおいて、コギングトルクの低減およびモータ効率の向上を両立させることができるモータ制御システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために請求項１に記載のモータ制御システムは、
複数台のモータ制御装置を用いて１台のモータを駆動する多重インバータ構成のモータ制御システムにおいて、
入力された指令からモータ駆動指令を生成する制御手段と、前記モータ駆動指令によりモータに駆動電圧を供給するＰＷＭインバータ回路と、他のモータ制御装置へモータ駆動指令を供給するデータ通信手段を有する主モータ制御装置と、
前記主モータ制御装置からのモータ駆動指令を受けるデータ通信手段と、前記主モータ制御装置から受けたモータ駆動指令によりモータに駆動電圧を供給するＰＷＭインバータ回路を有する従モータ制御装置と、
それぞれの突極磁極に巻線した主巻線と従巻線を軸方向に分離して配置し、主巻線の突極磁極と従巻線の突極磁極を回転方向にθ度ずらして固定したステータ部と、軸の外周部にマグネットを配置したロータ部で構成したＰ極対（Ｐは整数）のモータとを備え、
前記モータの主巻線は前記主モータ制御装置に接続され、前記従巻線は前記従モータ制御装置に接続され、
前記主モータ制御装置は、前記主巻線に供給するモータ電流に対して前記従巻線に供給するモータ電流に位相差を設ける指令分配器を有し、前記モータ駆動指令によって１台のモータを駆動する。

また、請求項２に記載のモータ制御システムは、 前記指令分配器は、前記主巻線に供給するモータ電流と前記従巻線に供給するモータ電流に、θ×Ｐ度の位相差を設ける。

さらに、請求項３に記載のモータ制御システムは、前記主モータ制御装置と従モータ制御装置の台数をＮ（Ｎは２以上の整数）、前記モータの主巻線と従巻線の突極磁極数をＳとし、主巻線と従巻線の突極磁極を回転方向に３６０／（Ｓ×Ｎ）度ずらして配置する。

請求項１に記載のモータ制御システムによれば、大容量のモータを複数台の小容量のインバータを用いて効率良くモータを駆動することができる。小容量のインバータを用いることでキャリア周波数を上げることが可能となり、トルクリップルを低減することができる。

また、請求項２に記載のモータ制御システムによれば、それぞれのモータの逆起電力と電流位相を合わせることができるので、更に効率良くモータを駆動することができる。

さらに、請求項３に記載のモータ制御システムによれば、モータのコギングトルクを低減することができる。

したがって、コギングトルクとトルクリップルの低減と効率向上を実現するモータ制御
システムを提供することができる。

本発明の実施例１におけるモータ制御システムのブロック図 実施例１の多重インバータに用いるモータの構造図 実施例１の多重インバータに用いるステータとマグネットの配置図 実施例１のモータの逆起電力と電流波形の説明図 実施例１の多重インバータに用いるステータとマグネットの配置図２ 実施例１の多重インバータに用いるステータとマグネットの配置図３ 従来例におけるモータ制御システムのブロック図 従来例のモータにおける起電力と電流波形の説明図 従来例のモータにおける起電力と電流波形の他の説明図

（実施例１）
本発明によるモータ制御システムについて、図１から図６を用いて説明する。

図１は２台のモータ制御装置を用いて１台のモータを駆動する場合のモータ制御システムのブロック図、図２と図３はモータの構造図、図４はモータの逆起電力と電流波形図を示している。各ブロックの役割を以下に説明する。

図１において、１はモータを動作させるための指令を出力するコントローラ、１１は２台のモータ制御装置をそれぞれ独立に接続できるように巻線された多重インバータ方式のモータ、９と１０はコントローラ１からの指令に基づき、モータ１１を駆動させるモータ制御装置であり、それぞれ主モータ制御装置と従モータ制御装置である。

主モータ制御装置９は、制御手段８、指令分配器４、データ通信手段７ａ、ＰＷＭインバータ回路５ａで構成されている。

制御手段８は、位置・速度制御器２、電圧生成器３、ロータ位置検出器６で構成され、コントローラ１から動作指令３１は位置・速度制御器２に入力される。動作指令３１は位置指令や速度指令あるいはトルク指令である。

位置指令の場合は、パルス信号入力がよく用いられ、入力されたパルス数に対応した角度分モータを回転させる。速度指令やトルク指令の場合は、アナログ信号入力がよく用いられ、印加されたアナログ電圧に相当した速度指令やトルク指令が位置・速度制御器に入力される。また、最近では通信機能を用いて、位置指令・速度指令・トルク指令を与える場合も多くなっている。

ロータ位置検出器６は、モータ１１のロータに取り付けられたエンコーダ１２からロータ情報４０を検出する。ロータ情報４０は２相のパルス信号や正弦波信号のように直接エンコーダ１２から信号を受ける場合や、エンコーダ内で信号処理されシリアルデータとしたものを受ける場合がある。

２相のパルス信号の場合は、ロータが１回転した場合に出力されるパルス数があらかじめ設定されており、このパルス数をロータ位置検出器６でカウントすることにより、現在のロータの回転状態を検出する。また、２相の正弦波の場合は、ロータ位置検出器６は２相の正弦波信号を逆三角変換することによって角度信号に変換してロータの回転状態を検出する。

シリアルデータの場合は、ロータ位置検出器でロータ情報だけでなく、エラー情報など、エンコーダ内部情報をシリアルデータとして受けることができ、またシリアル信号は電源と信号の合計４本で配線できるので、最近ではシリアルデータによる方法が多く用いられている。

ロータ位置検出器６で検出したロータ情報はロータ位置の情報と、ロータの回転速度の情報に演算され、位置・速度情報３６とロータ位置情報３５として出力する。

位置・速度制御器２は、入力された位置や速度、トルク指令と、ロータ位置検出器６で検出した位置・速度情報３６を用いて比例・積分制御等により、指令値と等しくなるように演算し、トルク指令値３２として出力する。

電圧指令生成器３は、トルク指令値３２とロータ位置情報３５からモータの３相の巻線に印加する電圧の大きさや位相を演算し、電圧指令値３３を出力する。以上が制御手段８の動作である。

指令分配器４は、電圧指令３３を主モータ制御装置９と従モータ制御装置１０のそれぞれがモータ１１に印加する電圧の大きさと位相を決定し、主モータ制御装置用として主モータ電圧指令値３４をＰＷＭインバータ回路５ａへ、従モータへの制御情報３７をデータ通信手段Ａへ出力する。

データ通信手段Ａ７ａは従モータへの制御情報３７を従モータ制御装置１０へ伝える役割を行う。シリアル通信によるデータ通信が一般的であり、データ通信手段Ａ７ａは従モータへの制御情報３７をシリアルデータに変換して、データ通信情報３８としてデータ通信手段Ｂ７ｂへ送信する。

データ通信手段Ｂ７ｂは、主モータ制御装置９からのデータ通信情報３８を受信し、シリアルからパラレルデータへ変換し、従モータ制御装置１０の電圧指令値３９としてＰＷＭインバータ回路５ｂへ出力する。

ＰＷＭインバータ回路５ａ、５ｂは、３相フルブリッジによるインバータ回路構成であり、６つのパワーデバイスで構成されている。それぞれの電圧指令値に基づき、主モータ線１４と従モータ線１３のそれぞれのモータ線に対し、ＰＷＭ制御による電圧を印加する。

以上がモータ制御システムのブロック図の説明である。次に図２、図３を用いてモータ１１の構造について説明する。

図２は２台のモータ制御装置で駆動する場合のモータ構造の一例であり、１７は主モータ制御装置9と接続する主巻線ステータ、１８は従モータ制御装置１０と接続する従巻線ステータ、１６はロータ、１９はロータ１６に取り付けられたマグネットである。主巻線ステータ１７と従巻線ステータ１８はロータ１６に対し、軸方向に並べて配置する。
図３は主巻線ステータ１７と従巻線ステータ１８の突極磁極の配置を示している。１５ａは主巻線ステータ１７がマグネット１９の外周面に面する部分である主巻線突極磁極、１５ｂは従巻線ステータ１８がマグネット１９の外周面に面する部分である従巻線突極磁極であり、ロータ１６の円周方向に対し、θｄｅｇの角度をずらして配置する。ロータ１６に取り付けられたマグネット１９はＮ極１９ａとＳ極１９ｂに着磁され、ロータ１６の軸方向に対して平行に分離する。
以上がモータ１１の構造である。次にモータ制御装置とモータとの接続及び通電方法について図４を用いて説明する。

図２及び図３のように構成されたモータ１１を駆動させたときに、主巻線と従巻線のそれぞれのＵ相に発生する逆起電力５０、５１は、図4のＵＡ、ＵＢのようにθ×Ｐ度の位相差が生じる。ここで、Ｐは極対数である。

Ｖ相の逆起電力ＶＡ、ＶＢはＵ相の逆起電力ＵＡ５０、ＵＢ５１からそれぞれ電気角で１２０度位相がずれ、ＶＡとＶＢは電気角でθ×Ｐ度位相がずれた構成となる。Ｗ相の逆起電力も同様となる。

このようなモータ１１に対し、モータ１１のＡ組結線（以下、主巻線と称す）を主モータ制御装置９に、Ｂ組結線（以下、従巻線と称す）を従モータ制御装置１０に接続する。ここで図１の指令分配器４は、主モータ制御装置９の電圧指令値３４は主巻線のＵ相電流ＩＵＡ５３が逆起電力ＵＡ５０と同位相になるようにし、従モータ制御装置１０の電圧指令値３９は従巻線のＵ相電流ＩＵＢ５４が逆起電力ＵＢ５１と同位相になるように電圧指令を分配する。

逆起電力の位相情報は、あらかじめロータ１６とエンコーダ１２の位置が定められているため、ロータ位置検出器６でロータ情報４０を検出することで得ることができる。図４ではＵ相の逆起電力と相電流のみを記載しているが、Ｖ相とＷ相はＵ相からそれぞれ電気角で１２０度、２４０度の位相がずれた状態であり、容易に制御可能である。

以上のように、主モータ制御装置９のモータ電流と、従モータ制御装置１０のモータ電流の位相差をθ×Ｐ度とすることで、主巻線により発生する逆起電力と電流位相を、従巻線により発生する逆起電力と電流位相をそれぞれ同位相とすることができるので、モータを効率よく駆動することができる。

また、主巻線ステータ１７と従巻線ステータ１８の突極磁極の配置をずらしているため、突極磁極とマグネットの対向の切り替わりによって発生するコギングトルクの次数が上がるため、コギングトルクを低減することができる。

また、主モータ制御装置９と主巻線、従モータ制御装置１０と従巻線を接続しているが、逆に接続しても問題ない。その場合は結線した逆起電力の位相に電流位相を合わせさえすれば同様の効果が得られる。

また、指令分配器４は、電圧指令３３を主モータ制御装置９と従モータ制御装置１０のそれぞれがモータ１１（主巻線および従巻線）に印加する電圧の大きさとモータ電流の位相を決定しているが、指令分配器４で生成する電圧の大きさと電流位相の値は同一として従モータ制御装置１０への制御情報３７を送信し、従モータ制御装置１０で電流位相を加えて従巻線に印加する電圧の大きさと電流位相を決定するような構成にしてもよい。

従モータ制御装置１０で加える電流位相は、従モータ制御装置１０内のメモリにあらかじめ設定されたデータとしてもよい。また、主モータ制御装置９のメモリにあらかじめ設定し、従モータへの制御情報３７と合わせて従モータ制御装置１０へ送信したデータを用いてもよい。

また、図３では主巻線ステータ１７と従巻線ステータ１８の突極磁極をθ度ずらした配置としているが、図５のように主巻線用と従巻線用のマグネットを分離し、θ度ずらした配置としても同様の効果が得られるだけでなく、マグネットの配置はロータ１６の表面にθ度ずらしてマグネットを貼り付ける構造を作成しやすいため製造しやすく、製造コストを低減することができる。

また、図５では主巻線用と従巻線用のマグネットを分離し、θ度ずらした配置としてしているが、図６のようにＮ極とＳ極のマグネットの境目を斜めにしてスキューをつける構成としても同様の効果が得られる。

また、モータ制御装置の台数をＮ（Ｎは２以上の整数）、突極磁極数をＳ（Ｓは３×Ｎの倍数）として、主巻線と従巻線の突極磁極を回転方向に３６０／（Ｓ×Ｎ）度ずらして配置することにより、突極磁極とマグネットの対向の切り替わりによって発生するコギングトルクの次数が最も高くなるため、コギングトルクを更に低減することができる。

本発明のモータ制御システムは、大出力で高効率、そして低トルクリップルを求められる装置に対し特に有効であり、産業用設備に使用されるＦＡ用のモータ、電気自動車の駆動用モータなどにも有用である。

１ コントローラ
２ 位置／速度制御器
３、３ａ 電圧指令生成器
４ 指令分配器
５ａ、５ｂ ＰＷＭインバータ回路
６ ロータ位置検出器
７ａ、７ｂ データ通信手段Ａ、データ通信手段Ｂ
８、８ａ 制御手段
９、９ａ 主モータ制御装置
１０、１０ａ 従モータ制御装置
１１、１１ａ モータ
１２ エンコーダ
１３ 従モータ線
１４ 主モータ線
１５ａ 主巻線突極磁極
１５ｂ 従巻線突極磁極
１６ ロータ
１７ 主巻線ステータ
１８ 従巻線ステータ
１９ マグネット
１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ、１９ｅ、１９ｆ、１９ｇ、１９ｈ マグネット
３１ 位置／速度指令値
３２ トルク指令値
３３ 電圧指令値
３４、４１ 主モータの電圧指令値
３５ ロータ位置情報
３６ 位置／速度情報
３７、４１ 従モータへの制御情報
３８ データ通信情報
３９ 従モータの電圧指令値
４０ ロータ情報
５０、５０ａ、５０ｂ 主巻線のＵ相の逆起電力ＵＡ
５１、５１ａ、５１ｂ 従巻線のＵ相の逆起電力ＵＢ
５２、５２ａ 主巻線のＵ相と従巻線のＵ相を合成した逆起電力
５３、５３ｂ 主巻線のＵ相のモータ電流ＩＵＡ
５４、５４ｂ 従巻線のＵ相のモータ電流ＩＵＢ
５５ Ｕ相のモータ電流

Claims (3)

1. 複数台のモータ制御装置を用いて１台のモータを駆動する多重インバータ構成のモータ制御システムにおいて、
   入力された指令からモータ駆動指令を生成する制御手段と、前記モータ駆動指令によりモータに駆動電圧を供給するＰＷＭインバータ回路と、他のモータ制御装置へモータ駆動指令を供給するデータ通信手段を有する主モータ制御装置と、
   前記主モータ制御装置からのモータ駆動指令を受けるデータ通信手段と、前記主モータ制御装置から受けたモータ駆動指令によりモータに駆動電圧を供給するＰＷＭインバー
   タ回路を有する従モータ制御装置と、それぞれの突極磁極に巻線した主巻線と従巻線を軸方向に分離して配置し、主巻線の突極磁極と従巻線の突極磁極を回転方向にθ度ずらして固定したステータ部と、軸の外周部にマグネットを配置したロータ部で構成したＰ極対（Ｐは整数）のモータとを備え、
   前記モータの主巻線は前記主モータ制御装置に接続され、前記従巻線は前記従モータ制御装置に接続され、
   前記主モータ制御装置は、前記主巻線に供給するモータ電流に対して前記従巻線に供給するモータ電流に位相差を設ける指令分配器を有し、前記モータ駆動指令によって１台のモータを駆動することを特徴としたモータ制御システム。
2. 前記指令分配器は、前記主巻線に供給するモータ電流と前記従巻線に供給するモータ電流に、θ×Ｐ度の位相差を設ける請求項１に記載のモータ制御システム。
3. 前記主モータ制御装置と従モータ制御装置の台数をＮ（Ｎは２以上の整数）、前記モータの主巻線と従巻線の突極磁極数をＳとし、主巻線と従巻線の突極磁極を回転方向に３６０／（Ｓ×Ｎ）度ずらして配置したことを特徴とした請求項１または請求項２に記載のモータ制御システム。