JP2014239583A - 永久磁石式同期モータ用制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータに供給される電力について電力検出器を用いて直接検出し、その値を用いてモータの出力トルクを最大化するように制御可能な永久磁石式同期モータ用制御装置を提供する。
【解決手段】トルク指令を指令電流に変換するトルク電流変換部１０と、指令電流に基づいて制御電流を演算する電流制御部１５と、電流制御部１５からの制御電流を指令電圧に変換する電流電圧変換部２５と、指令電圧に応じた、電力をモータ５０に対し出力する三相インバータ３５と、モータ５０の回転子の回転位置を検出する回転位置検出器５５と、を備えた永久磁石式同期モータの制御装置１００において、三相インバータ３５の出力側にモータ５０への出力電力を測定する電力検出器を設けると共に、測定された前記出力電力に基づいて、モータ５０の出力トルクが最大化するように電流進角を制御する電流進角制御装置７５を設けた構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気自動車の駆動用モータに好適な永久磁石式同期モータの制御装置、特に、モータの出力トルクの最大化を図ることを目的とした制御装置に関するものである。

永久磁石式同期モータは、温度上昇により永久磁石の磁力が減少する、或いは電源電圧の低下等により出力トルクが低下するという問題がある。また、高負荷領域においては、磁気飽和により回転座標系（d・q座標系）のd軸及びq軸のリアクタンスの値が変化し、出力トルクが低下するという問題がある。

これらの出力トルクの低下を防止するため、例えば、特許文献１では、指令電圧とモータへの供給電流から出力電力を算出し、電流進角を変更することにより出力電力を目標電力に一致させるようにした技術が開示されている。

また、特許文献２では、弱め界磁時における出力トルクの最大化を図るため、電流進角を所定の制御周期で変化させ、周期前後の出力トルクを比較することにより、出力トルクを最大化する制御技術が開示されている。

特開２０１０ー１７８４８８号公報 特開２００３−３４８８９９号公報

しかしながら、上記特許文献に係る技術では、回転座標系の電流及び電圧を用いて出力電力或いは出力トルクを計算しているため、インバータのスイッチング損失等が加味されない。そのため、モータへの供給電圧或いはモータの出力トルクを正確に把握することができず、モータの出力トルクを精度よく制御することができないという課題がある。

なお、後述するように、インバータは、主としてPWM制御部と複数のスイッチング素子とから構成されている。各スイッチング素子のオン/オフの切り替え時には、若干のターンオン時間/ターンオフ時間を要する。そして、各ターンオン時間及びターンオフ時間には、過渡電流及び過渡電圧が発生する。これらの過渡電流及び過渡電圧をインバータのスイッチング損失という。このスイッチング損失は、スイッチング回数に比例する。

そこで本発明は、上記問題点に対処するため、モータに供給される電力について電力検出器を用いて直接検出し、その値を用いてモータの出力トルクを最大化するように制御可能な永久磁石式同期モータ用制御装置を提供する。

前記目的を達成するため、請求項１の発明では、
トルク指令を指令電流に変換するトルク電流変換部と、
指令電流に基づいて制御電流を演算する電流制御部と、
電流制御部からの制御電流を指令電圧に変換する電流電圧変換部と、
指令電圧に応じた、電力をモータに対し出力するインバータと、
モータの回転子の回転位置を検出する回転位置検出器と、を備えた永久磁石式同期モータの制御装置において、
前記インバータの出力側にモータへの出力電力を測定する電力検出器を設けると共に、
測定された前記出力電力に基づいて、モータの出力トルクが最大化するように電流進角を制御する電流進角制御装置を設けた、永久磁石式同期モータの制御装置とした。

請求項２の発明では、
前記電流進角制御装置は、
測定された前記出力電力に基づいて、後の周期に係る出力電力が、前の周期に係る出力電力に比較して増加したか減少したかを周期的に判別する判別器と、
前記判別器による判別結果に基づいて、電流進角を前記モータへの出力電力が大きくなる方向に進める電流進角調整器を設けた、請求項１に記載の永久磁石式同期モータの制御装置とした。

請求項３の発明では、
前記判別器は、前記電力検出器により検出されたモータへの前記出力電力について、前の周期に係る平均電力と後の周期に係る平均電力に基づいて判別を行う、請求項２に記載の永久磁石式同期モータの制御装置とした。

請求項４の発明では、
前記永久磁石式同期モータが電気自動車駆動用のインホイールモータである、請求項１〜３のいずれかに記載の永久磁石式同期モータの制御装置とした。

本発明によれば、インバータの出力側に設けた電力検出器により、モータへの出力電力を直接検出し、当該出力電力に基づいて電流進角を制御する構成であるため、モータの出力トルクを精度よく最大化させることができる。

本発明は、トルク指令を指令電流に変換するトルク電流変換部と、指令電流に基づいて制御電流を演算する電流制御部と、電流制御部からの制御電流を指令電圧に変換する電流電圧変換部と、指令電圧に応じた、電力をモータに対し出力するインバータと、モータの回転子の回転位置を検出する回転位置検出器と、を備えた永久磁石式同期モータの制御装置において、前記インバータの出力側にモータへの出力電力を測定する電力検出器を設けると共に、測定された前記出力電力に基づいて、モータの出力トルクが最大化するように電流進角を制御する電流進角制御装置を設けた構成とすることにより、モータの出力トルクを精度よく最大化させることができる。

本発明の実施例に係る永久磁石式同期モータ制御装置の全体的な構成を例示的に示す概念図である。 本発明の実施例に係る永久磁石式同期モータ制御装置の電力計が、２電力計法に基づき三相交流の有効電力を算出する構成を示す説明図である 本発明の実施例に係る永久磁石式同期モータ制御装置の電流進角を周期的に変化させた際の変化を模擬的に表した説明図である。

以下、添付図面を参照して本発明に係る実施例を詳細に説明する。ただし、この実施例に記載されている構成要素はあくまでも例示であり、本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

＜制御装置１００の構成＞
図１は、永久磁石式同期モータを制御する、本実施例に係る制御装置１００の全体的な構成を例示的に示した概念図である。制御装置１００は、永久磁石式同期モータに供給される電力について電力検出器を用いて直接検出し、その値を用いてモータの出力トルクを最大化するように制御を行う。また、本実施例における制御装置１００は、永久磁石式同期モータに対し、より高効率、高性能な制御を行うため、ベクトル制御方式を採用している。このベクトル制御方式では、モータに必要なトルクを発生させるため、三相インバータから出力される電流の大きさ、周波数、位相を制御する。そして、このベクトル制御方式では、三相モデルでモータを取り扱うのではなく、d軸及びq軸といった２軸（二相）の回転座標系でモータを取り扱う。更に、このベクトル制御方式では、モータの回転子の永久磁石の磁界の強さと同一方向の磁束の強さ（d軸電流で制御）と、巻き線の固定子によって作られ回転トルクを発生させる磁束の強さ（q軸電流で制御）を独立して制御できるという特徴がある。

また、制御装置１００は、トルク電流変換部１０と、電流制御部１５と、減算器２０と、電流電圧変換部２５、dq/三相変換部３０と、三相インバータ３５と、電流検出器４０と、電圧検出器４５と、モータ５０と、回転位置検出器５５と、三相/dq変換部６０と、電力計６５と、補正器７０と、電流進角制御装置７５とから、主として構成されている。

＜トルク電流変換部１０の構成＞
トルク電流変換部１０は、受け取ったトルク指令を、指定電流に変換する。なお、トルク指令は運転者等のユーザのアクセルペダル（図示省略）の開度に応じて決定される。

＜電流制御部１５の構成＞
電流制御部１５は、トルク電流変換部１０で変換した指令電流を、当該指令電流に応じた、二相の回転座標系（dq座標系）のId電流と、Iq電流に変換する。

＜減算器２０の構成＞
減算器２０は、電流制御部１５から受け取った指令電流（Id、Iq）から、三相/dq変換部６０を介して電流検出器４０から受け取った、モータ５０に対し出力された三相交流電力に係る電流分を減算する。

＜電流電圧変換部２５の構成＞
電流電圧変換部２５は、減算器２０から受け取った減算後の指令電流（Id、Iq）を、当該指令電流に応じた指令電圧（Vd、Vq）に変換する。

＜dq/三相変換部３０の構成＞
dq/三相変換部３０（二相三相変換部の一例）は、電流電圧変換部２５から受け取った、二相の回転座標系（dq座標系）の指令電圧（Vd、Vq）を、三相交流電圧（Ｖu、Ｖv、Ｖw）に変換する。

＜三相インバータ３５の構成＞
三相インバータ３５は、主として、ＰＷＭ（パルス幅変調方式）制御部（図示省略）と、トランジスタ等の複数のスイッチング素子（図示省略）とからなる。三相インバータ３５は、dq/三相変換部３０から受け取った三相交流電圧（Ｖu、Ｖv、Ｖw）に応じた、三相交流電力をモータ５０に対し出力する。

＜電流検出器４０の構成＞
電流検出器４０は、主として、電流入力回路（図示省略）と、Ａ/Ｄ変換器（図示省略）とから構成されている。電流入力回路は、モータ５０に対し出力された三相交流電力に係る電流を測定し、Ａ/Ｄ変換器（図示省略）の入力レベルに被測定電流信号を正規化する。また、Ａ/Ｄ変換器は、電流入力回路によって正規化された被測定電流信号をデジタル化する。なお、Ａ/Ｄ変換器の変換速度は、１MHz〜１０ＭHzが望ましい。

＜電圧検出器４５の構成＞
電圧検出器４５は、主として、電圧入力回路（図示省略）と、Ａ/Ｄ変換器（図示省略）とから構成されている。電圧入力回路は、モータ５０に対し出力された三相交流電力に係る電圧を測定し、Ａ/Ｄ変換器（図示省略）の入力レベルに被測定電圧信号を正規化する。また、Ａ/Ｄ変換器は、電圧入力回路によって正規化された被測定電圧信号をデジタル化する。なお、Ａ/Ｄ変換器の変換速度は、１ＭHz〜１０ＭHzが望ましい。

＜モータ５０の構成＞
モータ５０は、固定子（図示省略）が発生させる回転磁界と同期して、永久磁石製の回転子（図示省略）が回転する永久磁石式同期モータである。また、モータ５０は、三相インバータ３５から受け取った三相交流電力に係る周波数に応じて回転子の回転速度が変化する。

＜回転位置検出器５５の構成＞
回転位置検出器５５は、モータ５０の回転子の回転位置情報を出力するセンサである。例えば、回転位置検出器５５は、磁気結合を用いて回転位置情報をアナログ的に出力するレゾルバと、アナログ的に出力された回転位置情報をデジタル化するＲＤ変換器（レゾルバデジタルコンバータ）とから構成されている。また、デジタル化されたモータ５０の回転子の回転位置情報は、dq/三相変換部３０及び三相/dq変換部６０に対して出力される。

＜三相/dq変換部６０の構成＞
三相/dq変換部６０（三相二相変換部の一例）は、電流検出器４０から受け取った被測定電流信号（Iu、Iv、Iw）を、二相の回転座標系（dq座標系）のId電流と、Iq電流に変換する。

＜電力計６５の構成＞
電力計６５は、例えば、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）であって、電流検出器４０から受け取った被測定電流信号と、電圧検出器４５から受け取った被測定電圧信号に基づいて、図２に示すように２電力計法に基づき、三相交流の有効電力を算出する。詳しくは、P-Q理論によれば、三相平衡システムでは三相全体の瞬時電力が常に一定で、この値が有効電力に一致する。図２に示すように、例えば、Iu*Vuv＋Iw*Vwvを合算すると脈動が相殺され瞬時電力と有効電力が一致する。即ち、２電力計法にて三相平衡システムの瞬時電力を算出すれば、有効電力として扱うことができる。尚、２電力計法における有効電力の出力は図２の組み合わせのみではなく、Iv*Vvu＋Iw*VwuまたはIu*Vuw＋Iv*Vvwのいずれでも可能である。但し、いずれの場合も合算後に図２に示すフィルタ６７を用いて、PWM制御におけるキャリアの周波数成分（例えば５〜１０kHz以上）をカットする。当該方法により算出した電力を判別器７７に出力する。電力計６５は、例えば、電流検出器４０のＡ/Ｄ変換器及び電圧検出器４５のＡ/Ｄ変換器の変換速度（例えば、１MHz）と同期して、所定の周期で電力を算出すると共に、算出した電力を判別器７７に出力する。なお、電流検出器４０、電圧検出器４５、電力計６５の組み合わせは、モータへの出力電力を測定する電力検出器の一例である。

＜補正器７０の構成＞
補正器７０は、電力計６５から受け取った電力からモータ５０損失分を減算する。

＜電流進角制御装置７５の構成＞
電流進角制御装置７５は、主として、判別器７７と電流進角調整器７９とからなる。

判別器７７は、補正器７０を介して電力計６５から電力に係る電力信号を受け取る。そして、受け取った電力に基づいて、所定の周期（例えば、判別周波数が１００Ｈzとすると、周期は１０msec）で、受け取った電力に基づいて、後の周期に係る電力が、前の周期に係る電力に比較して増加したか減少したかを判別する。詳しくは、判別器７７は、受け取った新たな周期に係る電力と、前の周期に係る電力を呼び出して比較し、新たな周期に係る電力が増加したか減少したかを判別する。従って、判別器７７は、受け取った新たな周期に係る電力を、当該電力を自身の内部等に記憶する。また、前の周期に係る電力と後の周期に係る電力を比較する場合、例えば、前の周期で最初に受け取った電力と、後の周期で最初に受け取った電力とを比較する。また、前の周期で受け取った最大の電力と、後の周期で受け取った最大の電力とを比較する。

なお、判別器７７は、前の周期に係る電力の平均と、後の周期に係る電力の平均とを比較する構成としても良い。

具体的には、判別器７７は、電力計６５から所定の周期（例えば、受信周波数が１MHzとすると、周期は１μsec）で電力を受け取る。一方、判別器７７は、所定の周期で（例えば、判別周波数が１００Ｈzとすると、周期は１０msec）、受け取った電力に基づいて、後の周期に係る電力が、前の周期に係る電力に比較して増加したか減少したかを判別する。従って、判別器７７は、判別の１周期中に受け取った電力（例えば、１０msec/１μsec＝１０,０００個）から当該周期に係る電力の平均を算出する。そして、判別器７７は、夫々算出した前の周期に係る電力の平均と、後の周期に係る電力の平均とを比較する。

このように、前後の周期に係る電力の平均を比較する構成とすれば、電流検出器４０及び電圧検出器４５の測定誤差、モータ５０のコギングトルク或いはトルクリップル等によるトルク変動の影響を小さく抑えることができる。

電流進角調整器７９は、判別器７７から電力が増加した旨の判別結果を受け取ると、モータ５０への出力電力が増加する方向に、電流進角βを所定の角度分（例えば、Δβ）進める。

以下、図３を用いて具体的に説明する。図３は、所定の角度毎に電流進角βを変化させた際の変化を模擬的に表した説明図である。判別器７７は、（n）周期の電力値Ｗnと、（n+1）周期の電力値Ｗn+1とを比較し、「Wn+1−Wn＞０」の場合、即ち、電力が増加している場合には、電流進角調整器７９は、モータ５０への出力電力が増加する方向に、電流進角βを所定の角度分（例えば、Δβ）進める。次に、判別器７７は、（n+１）周期の電力値Ｗn+１と、（n+２）周期の電力値Ｗn+２とを比較し、「Wn+２−Wn+１＞０」の場合、即ち、電力が増加している場合には、電流進角調整器７９は、モータ５０への出力電力が増加する方向に、電流進角βを所定の角度分（例えば、Δβ）進める。以後、電流進角制御装置７５は、この動作を所定の周期毎に繰り返す。そして、電流進角制御装置７５は、電流進角βがモータ５０の最大トルクとなる角度に達すると、電流進角βをβmax±Δβの値に維持する。なお、電流進角βの起動基準点は、モータ５０の設計時の磁石磁束を用いて、解析又は実験で求めた値、或いは、次式で求めた値を用いても良い。

なお、式１中の「Ψm」は「モータ５０の磁石磁束」であり、「Ld」は「d軸リアクタンス」であり、「Lq」は「q軸リアクタンス」であり、「Io」は、「指令電流」である。

また、急加速のためアクセルを強く踏み込んだ時のみ最大トルク制御（＝電流進角βをβmax±Δβの値に維持する）を作動させる構成としても良い。即ち、通常は、上記式１で定まる電流進角βに保ち、急加速の時のみ最大トルク制御を行う構成とする。

このように、モータ５０の回転子の回転位置に対して、モータ５０に対し出力される三相交流電力に係る電流の進み角度（電流進角）を、モータ５０への出力電力が増加する方向に進めるのは、電流進角を進めることによって、モータ５０から最大トルクが得られる回転速度の上限を高めることができるからである。

以上、本実施例に係る制御装置１００によれば、三相インバータ３５の出力側に設けた電流検出器４０、電圧検出器４５、及び電力計６５により、モータ５０への出力電力を直接検出し、当該出力電力に基づいて電流進角制御装置７５が、モータ５０に対し出力される三相交流電力に係る電流の進角を制御する構成であるため、モータ５０の出力トルクを精度よく最大化させることができる。

また、電流進角制御装置７５により、モータ５０への出力電力について、後の周期に係る電力が、前の周期に係る電力に比較して増加したか減少したかを判別し、その出力電力の増加又は減少に応じて電流進角をモータ５０への出力電力が増加する方向に所定の角度分進める構成であるため、モータ５０の出力トルクに急激な変化を生じさせることなく、モータの５０の出力トルクを迅速かつスムーズに最大化することができる。

１００：制御装置、
１０：トルク電流変換部、１５：電流制御部、２０：演算器、２５：電流電圧変換部、３０：dq/三相変換部、３５：三相インバータ、４０：電流検出器、４５：電圧検出器、５０：モータ、５５：回転位置検出器、６０：三相/dq変換部、６５：電力計、６７：フィルタ、７０：補正器、７５：電流進角制御装置、７７：判別器、７９：電流進角調整器

Claims (4)

1. トルク指令を指令電流に変換するトルク電流変換部と、
   指令電流に基づいて制御電流を演算する電流制御部と、
   電流制御部からの制御電流を指令電圧に変換する電流電圧変換部と、
   指令電圧に応じた、電力をモータに対し出力するインバータと、
   モータの回転子の回転位置を検出する回転位置検出器と、を備えた永久磁石式同期モータの制御装置において、
   前記インバータの出力側にモータへの出力電力を測定する電力検出器を設けると共に、
   測定された前記出力電力に基づいて、モータの出力トルクが最大化するように電流進角を制御する電流進角制御装置を設けたことを特徴とする、永久磁石式同期モータの制御装置。
2. 前記電流進角制御装置は、
   測定された前記出力電力に基づいて、後の周期に係る出力電力が、前の周期に係る出力電力に比較して増加したか減少したかを周期的に判別する判別器と、
   前記判別器による判別結果に基づいて、電流進角を前記モータへの出力電力が大きくなる方向に進める電流進角調整器を設けたことを特徴とする、請求項１に記載の永久磁石式同期モータの制御装置。
3. 前記判別器は、前記電力検出器により検出されたモータへの前記出力電力について、前の周期に係る平均電力と後の周期に係る平均電力に基づいて判別を行うことを特徴とする、請求項２に記載の永久磁石式同期モータの制御装置。
4. 前記永久磁石式同期モータが電気自動車駆動用のインホイールモータであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の永久磁石式同期モータの制御装置。