JP2011078251A - 電動機駆動装置の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機に供給する直流交流変換部を備えた電動機駆動装置を、ベクトル制御法により制御する制御装置。交流電動機を駆動するための電圧指令値から直流交流変換部を制御するための制御信号を生成する電圧制御部として、電圧指令値と直流交流変換部に供給される実際の直流電圧とに基づいて、変調率と電圧指令位相とを導出する第一電圧制御部と、変調率と電圧指令位相と磁極位置とに基づいて、制御信号を生成する第二電圧制御部と、を備え、第一電圧制御部の演算周期(第二演算周期T2)が、第二電圧制御部の演算周期(第一演算周期T1)よりも長く設定されている。
【選択図】図7
Description
なお、第一電圧制御部による第一電圧制御処理においても、電圧指令値と直流電圧とから、所定の演算式やマップに基づいて変調率及び電圧指令位相を容易に導出することができる。よって、第一電圧制御処理に係る処理負荷を低減することができる。その結果、この点からも、制御信号を生成するまでの一連の演算処理の処理負荷を全体として低減することが可能となっている。
そこで、上記の構成のように、緊急性の低い演算処理である制御モードを決定するための演算周期を、モード決定用入力変数の更新周期に合わせて第一電圧制御処理及び第二電圧制御処理のうち演算周期の長い方の処理である第一電圧制御処理よりも長く設定することで、制御モードを決定するための処理を行う回数を適宜減少させて、交流電動機を制御する際の処理負荷を低減することができる。
そこで、上記の構成のように、緊急性の低い演算処理であるキャリア周波数を決定するための演算周期を、キャリア周波数決定用入力変数の更新周期に合わせて第一電圧制御処理及び第二電圧制御処理のうち演算周期の長い方の処理である第一電圧制御処理よりも長く設定することで、キャリア周波数を決定するための処理を行う回数を適宜減少させて、交流電動機を制御する際の処理負荷を低減することができる。
本発明に係る電動機駆動装置1の制御装置2の第一の実施形態について、図面を参照して説明する。図1に示すように、本実施形態においては、電動機駆動装置1が、三相交流により動作する交流電動機としての埋込磁石構造の2つの同期電動機MG1、MG2(IPMSM、以下、これらを総称して単に「電動機MG」という場合がある。)を駆動制御する装置として構成されている場合を例として説明する。これらの電動機MGは、必要に応じて発電機としても動作するように構成されている。これらの電動機MGは、例えば、電動車両やハイブリッド車両等の駆動力源として用いられる。電動機駆動装置1は、直流電圧Vdcを交流電圧に変換して電動機MGに供給するインバータ6を有して構成されている。そして、本実施形態では、図2に示すように、制御装置2はベクトル制御法を用いて電動機駆動装置1の制御を行う。
まず、本実施形態に係る電動機駆動装置1及び制御装置2のハードウエア構成について、図1に基づいて説明する。図1に示すように、本実施形態では、2つの三相同期電動機MG1、MG2を制御対象として備えている。電動機MG1、MG2は、同じ性能の電動機であっても良いし、異なる性能の電動機であっても良い。電動機MG1、MG2は、それぞれインバータ6a、6b(以下、これらを総称して単に「インバータ6」という場合がある。)を介して、直流電圧Vdcを発生させる直流電源3に接続されている。直流電源3としては、例えば、ニッケル水素二次電池やリチウムイオン二次電池等の各種二次電池、キャパシタ、或いはこれらの組合せ等が用いられる。直流電源3の電圧である直流電圧Vdcは、不図示の電圧センサにより検出されて制御装置2へ出力される。なお、直流電源3とインバータ6との間に、直流電源3からの直流電圧Vdcを平滑化する平滑コンデンサや直流電源3からの直流電圧Vdcを昇圧するコンバータ等を介挿して備えた構成としても好適である。
次に、制御装置2のソフトウエア構成について説明する。なお、本実施形態では電動機駆動装置1が2個の電動機MG1、MG2を駆動制御の対象とすると共に各電動機MG1、MG2に対応する2個のインバータ6a、6bを備えていることに対応して、制御装置2は2個のインバータ6a、6b及び2個の電動機MG1、MG2のそれぞれに対応する各機能部を備えているが、これらは同様の構成であるため、以下では、一方のインバータ6及び電動機MGを制御する機能部についてのみ説明することとする。図2に示すように、制御装置2はベクトル制御法を用いた電流フィードバック制御により電動機MG及びインバータ6を備えた電動機駆動装置1の制御を行う。ベクトル制御では、交流電動機MGの三相のそれぞれのステータコイルに流れるコイル電流を、ロータに配置された永久磁石が発生する磁界の方向であるd軸と、d軸に直交するq軸との2相のベクトル成分に座標変換して電流フィードバック制御を行う。
Id=Idb−ΔId・・・(1)
Vd=Vzd−Eq
=Vzd−ω・Lq・Iqr・・・(2)
この式(2)に示されるように、q軸電機子反作用Eqは、電動機MGの回転速度ω、q軸電流検出値Iqr、及びq軸インダクタンスLqに基づいて導出される。
Vq=Vzq+Ed+Em
=Vzq+ω・Ld・Idr+ω・MIf・・・(3)
この式(3)に示されるように、d軸電機子反作用Edは、電動機MGの回転速度ω、d軸電流検出値Idr、及びd軸インダクタンスLdに基づいて導出される。また、誘起電圧Emは、永久磁石の電機子鎖交磁束の実効値により定まる誘起電圧定数MIf及び電動機MGの回転速度ωに基づいて導出される。
M=√(Vd2+Vq2)/Vdc・・・(4)
θv=tan−1(Vq/Vd)・・・(5)
この電圧指令位相θvは、磁極位置θの原点(θ=0°)を基準としたu相電圧指令値Vuの原点の位相に相当する。
ΔM=M−0.78・・・(6)
電流調整指令値導出部16には、導出された変調率偏差ΔMが入力される。電流調整指令値導出部16は、この変調率偏差ΔMを所定のゲインを用いて積分し、当該積分値をd軸電流調整指令値ΔIdとして導出する。上記の式(1)に示すように、このd軸電流調整指令値ΔIdが基本d軸電流指令値Idbから減算されて最終的なd軸電流指令値Idが導出される。すなわち、このd軸電流調整指令値ΔIdが、電動機MGの界磁磁束を弱めるための弱め界磁指令値となる。
次に、本発明の要部である、制御装置2に備えられた各機能部の演算周期の関係について説明する。ここでは特に、電流制御部13、第一電圧制御部22、第二電圧制御部23、モード決定部51、及びキャリア周波数決定部52の間の演算周期の関係について説明する。これらの機能部による一連の制御処理(電動機制御処理)は、CPU61のタイマ66(図1を参照)により計測される基準演算周期T0(基準となる制御周期)毎に、CPU61の割り込み機能の実行により開始される。なお、本例では、基準演算周期T0として300〔μs〕が設定されている場合を例として説明する。
次に、本実施形態に係る電動機制御処理の手順について、図6のフローチャート及び図7のタイムチャートを参照して説明する。以下に説明する電動機制御処理の手順は、制御装置2の各機能部により実行される。なお、本実施形態では、制御装置2の各機能部はプログラムメモリ63(図1を参照)に格納された電動機制御プログラムにより構成されており、制御装置2が備える演算処理ユニットとしてのCPUコア62は、電動機制御プログラムを実行するコンピュータとして動作する。
本発明に係る電動機駆動装置1の制御装置2の第二の実施形態について説明する。本実施形態においても、電動機駆動装置1が、三相交流により動作する交流電動機としての埋込磁石構造の同期電動機MGを駆動制御する装置として構成されている場合を例として説明する。本実施形態に係る電動機駆動装置1及びその制御装置2のハードウエア構成、制御装置2のソフトウエア構成、並びに制御装置2の各機能部の演算周期の関係については、上記第一の実施形態と同様である。但し、本実施形態においては、図示は省略しているが、電動機駆動装置1の制御対象となる電動機MGが1つだけ備えられた構成とされている点で、上記第一の実施形態と相違している。また、それに伴い、電動機制御処理の手順が上記第一の実施形態と一部相違している。以下では、上記第一の実施形態との主要な相違点である、本実施形態に係る電動機制御処理の手順について説明する。
本実施形態に係る電動機制御処理の手順について、図8のフローチャート及び図9のタイムチャートを参照して説明する。本実施形態に係る電動機制御処理では、図9に示すように、その前提としてCPU61による割り込み処理の周期である基準演算周期T0基準演算周期T0毎に、電動機MGの磁極位置サンプリング(PS)が実行されている。この基準演算周期T0は、第二電圧制御処理の第一演算周期T1に等しい。また、基準演算周期T0の2倍の周期毎に、電動機MGの電流値サンプリング(IS)が実行されている。この基準演算周期T0の2倍の周期は、第一電圧制御処理の第二演算周期T2に等しい。これらのサンプリング結果は、不図示のアナログメモリ等に一時的に記憶される。
(1)上記の各実施形態においては、第一電圧制御処理の第二演算周期T2が、電流制御処理の第三演算周期T3に等しく設定されている場合を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、第一電圧制御処理の第二演算周期T2が、電流制御処理の第三演算周期T3よりも短く、或いは電流制御処理の第三演算周期T3よりも長く設定された構成とすることも、本発明の好適な実施形態の一つである。例えば、第一電圧制御処理の第二演算周期T2を、第二電圧制御処理の第一演算周期T1よりも長く、かつ、電流制御処理の第三演算周期T3よりも短く設定しても好適である。この場合であっても、不必要な演算処理が多少は行われる可能性があるが、少なくともCPUコア62の処理負荷を低減しつつ電動機MGについての変調率M及び電圧指令位相θvを適切な周期で更新させることができる。
2 制御装置
6 インバータ(直流交流変換部)
13 電流制御部
21 電圧制御部
22 第一電圧制御部
23 第二電圧制御部
51 モード決定部
52 キャリア周波数決定部
62 CPUコア(演算処理ユニット)
MG 電動機(交流電動機)
MG1 第一電動機(交流電動機)
MG2 第二電動機(交流電動機)
Id d軸電流指令値(電流指令値)
Iq q軸電流指令値(電流指令値)
Vd d軸電圧指令値(電圧指令値)
Vq q軸電圧指令値(電圧指令値)
M 変調率
θv 電圧指令位相
Pu スイッチング制御信号(制御信号)
Pv スイッチング制御信号(制御信号)
Pw スイッチング制御信号(制御信号)
Nu スイッチング制御信号(制御信号)
Nv スイッチング制御信号(制御信号)
Nw スイッチング制御信号(制御信号)
θ 磁極位置
ω 回転速度
Vdc 直流電圧
Fc キャリア周波数
T0 基準演算周期
T1 第一演算周期(第二電圧制御処理の演算周期)
T2 第二演算周期(第一電圧制御処理の演算周期)
T3 第三演算周期(電流制御処理の演算周期)
T4 第四演算周期(モード決定処理の演算周期)
T5 第五演算周期(キャリア周波数決定処理の演算周期)
Claims (6)
- 直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機に供給する直流交流変換部を備えた電動機駆動装置を、ベクトル制御法により制御する制御装置であって、
前記交流電動機を駆動するための二相の電圧の指令値である電圧指令値から前記直流交流変換部を制御するための制御信号を生成する電圧制御部として、
前記電圧指令値と前記直流交流変換部に供給される実際の直流電圧とに基づいて、直流電圧に対する前記電圧指令値の実効値の比率を表す変調率と前記電圧指令値が表す電圧ベクトルの位相角である電圧指令位相とを導出する第一電圧制御部と、
前記変調率と前記電圧指令位相と前記交流電動機の回転子の回転角を表す磁極位置とに基づいて、前記制御信号を生成する第二電圧制御部と、を備え、
前記第一電圧制御部の演算周期が、前記第二電圧制御部の演算周期よりも長く設定されている電動機駆動装置の制御装置。 - 前記交流電動機を駆動する二相の電流の指令値である電流指令値と前記交流電動機を流れる実際の電流と前記回転子の回転速度とに基づいて、前記電圧指令値を導出する電流制御部を備え、
前記第一電圧制御部の演算周期が、前記電流制御部の演算周期に等しく設定されている請求項1に記載の電動機駆動装置の制御装置。 - 前記電流制御部及び前記第一電圧制御部の演算周期が、前記第二電圧制御部の演算周期のN倍(Nは2以上の整数)に設定されている請求項2に記載の電動機駆動装置の制御装置。
- 所定のモード決定用入力変数に基づいて、前記電動機駆動装置を制御するために予め設定された複数の制御モードの中から1つの制御モードを決定するモード決定部を更に備え、
前記第二電圧制御部は、前記モード決定部により決定された制御モードに応じた前記制御信号を生成し、
前記モード決定用入力変数の更新周期が前記第一電圧制御部の演算周期よりも長く設定され、前記モード決定部の演算周期が、前記モード決定用入力変数の更新周期に等しく設定されている請求項1から3のいずれか一項に記載の電動機駆動装置の制御装置。 - 所定のキャリア周波数決定用入力変数に基づいて、前記直流交流変換部のキャリア周波数を決定するキャリア周波数決定部を更に備え、
前記キャリア周波数決定用入力変数の更新周期が前記第一電圧制御部の演算周期よりも長く設定され、前記キャリア周波数決定部の演算周期が、前記キャリア周波数決定用入力変数の更新周期に等しく設定されている請求項1から4のいずれか一項に記載の電動機駆動装置の制御装置。 - 前記第一電圧制御部の演算周期が、前記第二電圧制御部の演算周期のN倍(Nは2以上の整数)に設定されると共に、N個の前記交流電動機を制御対象とする前記電動機駆動装置を、単一の演算処理ユニットを用いて制御するように構成され、
所定時間に設定された基準演算周期毎に、前記第二電圧制御部は、各交流電動機に対応した前記制御信号を生成する生成処理をそれぞれ完了させ、
前記基準演算周期のN回に1回、前記第一電圧制御部は、N個の前記交流電動機のうちの1つについて前記変調率と前記電圧指令位相とを導出する導出処理を完了させると共に、当該1つの交流電動機についての前記導出処理を実行していない間に、他の交流電動機についての前記導出処理を完了させる請求項1から5のいずれか一項に記載の電動機駆動装置の制御装置。
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