JP2015126607A - Motor control system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、モータ制御システム、特に、インバータによってモータの制御を行うモータ制御システムの構造に関する。 The present invention relates to a motor control system, and more particularly to a structure of a motor control system that controls a motor with an inverter.
近年、インバータで直流電力を交流電力に変換してモータの制御を行う技術が多く用いられるようになってきている。この場合、制御方式としては、モータに印加する所望の交流電圧波形に応じて直流電圧を幅の異なる複数のパルス列に変換し、疑似的な交流電圧波形でモータの駆動を制御するPWM制御と、電圧の高いハイレベル期間と電圧の低いローレベル区間の比率が1:1の矩形波パルスでモータの駆動を制御する矩形波制御の二種類の制御方式がある。また、PWM制御には、所望の電圧波形が正弦波で、疑似的な正弦波の交流電圧でモータの駆動を制御する正弦波PWM制御と、所望の電圧波形が歪んだ正弦波(矩形パルスと正弦波の中間の波形)で、疑似的な歪んだ正弦波の交流電圧でモータの駆動を制御する過変調PWM制御がある。また、過変調PWM制御では、モータを駆動する交流電圧の波形を正弦波に近い波形(正弦波からの歪みが少ない波形)から矩形パルスに近い波形(正弦波からの歪みが大きい波形)の間で変化させることができる。 In recent years, a technique for controlling a motor by converting DC power into AC power by an inverter has been increasingly used. In this case, as a control method, according to a desired AC voltage waveform applied to the motor, a DC voltage is converted into a plurality of pulse trains having different widths, and PWM control for controlling the driving of the motor with a pseudo AC voltage waveform; There are two types of control methods of rectangular wave control in which the driving of the motor is controlled by a rectangular wave pulse whose ratio between the high level period with a high voltage and the low level period with a low voltage is 1: 1. In addition, the PWM control includes a sine wave PWM control in which a desired voltage waveform is a sine wave and a motor drive is controlled by a pseudo sine wave AC voltage, and a sine wave (a rectangular pulse and a distorted desired voltage waveform). There is an overmodulation PWM control in which the motor drive is controlled by a pseudo distorted sine wave AC voltage. In overmodulation PWM control, the waveform of the AC voltage driving the motor is between a waveform close to a sine wave (a waveform with little distortion from the sine wave) to a waveform close to a rectangular pulse (a waveform with a large distortion from the sine wave). Can be changed.
PWM制御は、低回転域のモータ制御に適しており、矩形波制御は高回転域に適していることから、低回転域ではPWM制御、高回転域では矩形波制御というように、モータの駆動状態に応じて制御ロジックの切り替えを行うことが一般的である。PWM制御と矩形波制御との制御方式の切り替えは、正弦波PWM制御から矩形パルスに近い波形の過変調PWM制御の状態に移行した後、過変調PWM制御と矩形波制御との間で制御を切り替えることで、制御ロジックの切換によるモータのトルク、回転数に段差が発生することを抑制し、広い動作範囲でモータを滑らかに制御することができるようにすることが一般的である。 Since PWM control is suitable for motor control in the low rotation range and rectangular wave control is suitable for high rotation range, motor drive such as PWM control in the low rotation range and rectangular wave control in the high rotation range. In general, the control logic is switched according to the state. The control method between PWM control and rectangular wave control is switched between sine wave PWM control and overmodulation PWM control with a waveform close to a rectangular pulse, and then control is performed between overmodulation PWM control and rectangular wave control. By switching, it is common to suppress the generation of steps in the torque and rotation speed of the motor due to switching of the control logic so that the motor can be smoothly controlled in a wide operating range.
しかし、矩形波制御への切換直前の過変調PWM制御は、モータを駆動する疑似的な交流電圧の波形が矩形パルスに近い形状であり、モータに流れる電流の波形が正弦波から大きく歪んでいるので、制御動作が不安定になる場合がある。このため、モータの運転状態が急変したような場合等には、過変調PWM制御から矩形波制御に制御ロジックがジャンプしてしまい、モータのトルク、回転数に段差が発生する場合がある。 However, in the overmodulation PWM control immediately before switching to the rectangular wave control, the waveform of the pseudo AC voltage that drives the motor has a shape close to a rectangular pulse, and the waveform of the current flowing through the motor is greatly distorted from the sine wave. Therefore, the control operation may become unstable. For this reason, when the operating state of the motor suddenly changes, the control logic jumps from overmodulation PWM control to rectangular wave control, and a step may occur in the motor torque and rotation speed.
この点に関し、モータ電流の検出結果に対してフィルタリングを行うことにより過変調PWM制御における制御安定性を高める方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 With respect to this point, a method has been proposed in which control stability in overmodulation PWM control is improved by filtering the detection result of the motor current (see, for example, Patent Document 1).
ところで、モータの制御では、バッテリの電圧を昇圧することによってモータの出力範囲を広げることが行われる。通常、昇圧にはスイッチング素子のオン・オフ動作によって昇圧を行う昇圧コンバータが用いられるので、昇圧コンバータの出力電圧は変動を伴うものとなる。そこで、昇圧後の電圧を平滑で安定した直流電圧としてインバータに供給するための平滑コンデンサが昇圧コンバータとインバータとの間に設けられている。 By the way, in the control of the motor, the output range of the motor is expanded by boosting the voltage of the battery. Normally, a boost converter that boosts the voltage by switching on / off the switching element is used for boosting, and the output voltage of the boost converter is subject to fluctuations. Therefore, a smoothing capacitor for supplying the boosted voltage to the inverter as a smooth and stable DC voltage is provided between the boost converter and the inverter.
近年、モータの制御装置を小型化する要求があり、このために平滑コンデンサを小さくする場合がある。この場合、インバータに供給される直流電圧が変動しやすくなるので、安定してモータを制御するためには、制御応答性を高めることが必要となる。一方で、単純に制御応答性を高くすると制御安定性が低下してしまうという問題がある。 In recent years, there has been a demand for downsizing the motor control device, and for this reason, the smoothing capacitor may be made smaller. In this case, since the DC voltage supplied to the inverter is likely to fluctuate, it is necessary to improve control response in order to stably control the motor. On the other hand, when control responsiveness is simply increased, there is a problem that control stability is lowered.
この点、特許文献1に記載された従来技術の制御システムでは、制御の安定化を図ることはできるものの、モータ電流の検出結果に対するフィルタリングにより発生する電流検出の遅れが制御応答性の低下に結びついてしまうという問題点があった。
In this regard, in the control system of the prior art described in
そこで、本発明は、高い制御応答性と制御安定性を兼ね備えるモータの制御システムを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a motor control system that has both high control response and control stability.
本発明のモータ制御システムは、モータに供給される電流を検出して電流信号として出力する少なくとも1つの電流検出器と前記電流検出器から出力される前記電流信号をフィードバック電流信号に変換する信号変換部と、モータへの電流指令と前記フィードバック電流信号との偏差に基づくフィードバック制御を行ってモータへの電圧指令を生成する電圧指令生成部と、前記電圧指令に基づいて変調率を計算する変調率演算部と、を含む制御装置と、を備えるモータ制御システムであって、前記電圧指令生成部は、前記フィードバック制御の際のゲインを前記変調率によって変化させること、を特徴とする。 The motor control system of the present invention includes at least one current detector that detects a current supplied to a motor and outputs the current signal as a current signal, and a signal converter that converts the current signal output from the current detector into a feedback current signal. A voltage command generation unit that generates a voltage command to the motor by performing feedback control based on a deviation between the current command to the motor and the feedback current signal, and a modulation rate that calculates a modulation rate based on the voltage command And a control device including a calculation unit, wherein the voltage command generation unit changes a gain in the feedback control according to the modulation rate.
本発明のモータ制御システムにおいて、前記電圧指令生成部は、前記変調率が所定の閾値を超える場合に前記ゲインを変化させること、としても好適である。 In the motor control system of the present invention, it is preferable that the voltage command generation unit changes the gain when the modulation rate exceeds a predetermined threshold.
本発明のモータ制御システムにおいて、前記電圧指令生成部は、前記変調率が所定の閾値を超える場合には前記変調率が所定の閾値以下の場合よりも小さくなるように前記ゲインを変化させること、としても好適である。 In the motor control system of the present invention, the voltage command generator changes the gain so that when the modulation rate exceeds a predetermined threshold, the modulation rate is smaller than when the modulation rate is equal to or lower than a predetermined threshold. It is also suitable.
また、本発明のモータ制御システムにおいて、前記電圧指令生成部は、前記変調率が高くなるほど前記ゲインが小さくなるようにすること、としても好適である。 In the motor control system of the present invention, it is also preferable that the voltage command generator is configured such that the gain decreases as the modulation rate increases.
また、本発明のモータ制御システムは、前記モータに電力供給を行うインバータを更に備え、前記電圧指令生成部は、前記インバータが矩形モードまたは過変調PWMモードで制御される場合には、前記インバータが正弦波PWMモードで制御される場合に比べて前記ゲインが小さくなるようにすること、としても好適である。 In addition, the motor control system of the present invention further includes an inverter that supplies power to the motor, and the voltage command generator generates the inverter when the inverter is controlled in a rectangular mode or an overmodulation PWM mode. It is also preferable to make the gain smaller than in the case of control in the sine wave PWM mode.
本発明は、高い制御応答性と制御安定性を兼ね備えるモータ制御システムを提供することができるという効果を奏する。 The present invention has an effect that it is possible to provide a motor control system having both high control response and control stability.
以下、発明の実施形態について説明する。図1に示すように、本発明の実施形態におけるモータ制御システム100は、バッテリ10と、バッテリ10から供給される直流電力の電圧を昇圧して昇圧直流電力を出力する昇圧コンバータ20と、複数のスイッチング素子33a〜35a,33b〜35bをキャリア周波数fmgでオン・オフさせて昇圧コンバータ20から供給される昇圧直流電力を交流電力に変換してモータ50に供給するインバータ30と、モータ50に供給される電流のフィードバック制御によりインバータ30の各スイッチング素子33a〜35a,33b〜35bのオン・オフ動作を調整する制御装置60と、を備えている。
Embodiments of the invention will be described below. As shown in FIG. 1, a
昇圧コンバータ20とインバータ30とは、バッテリ10のマイナス側に接続されたインバータ30と共通のマイナス側電路11と、バッテリ10のプラス側に接続された低圧電路12と、昇圧コンバータ20のプラス側出力端であり、インバータ30のプラス側入力端である高圧電路13とを含んでいる。
The
昇圧コンバータ20は、低圧電路12と高圧電路13との間に配置された上アームスイッチング素子23aと、マイナス側電路11と低圧電路12との間に配置された下アームスイッチング素子23bと、低圧電路12に直列に配置されたリアクトル21と、低圧電路12とマイナス側電路11との間に配置されたフィルタコンデンサ22とフィルタコンデンサ22の両端の低電圧VLを検出する低電圧センサ27とを含んでいる。また、各スイッチング素子23a,23bには、それぞれダイオード24a,24bが逆並列に接続されている。昇圧コンバータ20は、下アームスイッチング素子23bをオン、上アームスイッチング素子23aをオフとしてリアクトル21にバッテリ10からの電気エネルギを蓄積した後、下アームスイッチング素子23bをオフとし、上アームスイッチング素子23aをオンとして、リアクトル21に蓄積した電気エネルギによって電圧を上昇させて高圧電路13に昇圧した電圧を出力する。したがって、昇圧コンバータ20からの出力電圧は、スイッチング素子23a,23bのオン・オフの周期によって変動する。
The step-
インバータ30の入力側(昇圧コンバータ20側)のマイナス側電路11と高圧電路13との間に昇圧コンバータ20からの変動する昇圧電圧を平滑な直流電圧とする平滑コンデンサ31と、平滑コンデンサ31の両端の高電圧VHを検出する高電圧センサ32を含んでいる。また、平滑コンデンサ31の昇圧コンバータ20と反対側のマイナス側電路11とそれに対向する高圧電路13との間には、U,V,Wの各相に対してそれぞれ上アームスイッチング素子33a〜35a,下アームスイッチング素子33b〜35bの6個のスイッチング素子が相ごとに2つずつ直列に配置されている。各上アームスイッチング素子33a〜35aと各下アームスイッチング素子33b〜35bの間にはU,V,Wの各相の出力線55,56,57が接続されている。U,V,Wの各出力線55,56,57はそれぞれモータ50のU,V,Wの各相に入力端子に接続されている。また、U.V.W相の各上アームスイッチング素子33a〜35a,各下アームスイッチング素子33b〜35bには、それぞれダイオード36a〜38a,36b〜38bが逆並列に接続されている。インバータ30は、上アームスイッチング素子33a〜35a,下アームスイッチング素子33b〜35bの6個のスイッチング素子をキャリア周波数fmgでオン・オフさせて昇圧コンバータ20から供給される昇圧直流電力を交流電力に変換して車両駆動用のモータ50に供給する。
A
インバータ30からモータ50にV,W相の電力を供給する2本の出力線56,57には、各出力線56,57に流れる電流を検出して電流信号Iv,Iwとして出力する電流センサ53,54が取り付けられている。また、モータ50には、ロータの回転数或いは回転角度θを検出するレゾルバ52が取り付けられている。また、制御装置60は、内部にCPU61と、記憶部62と、各機器、センサとの接続を行う機器・センサインターフェース63と、を備えており、CPU61と記憶部62と機器・センサインターフェース63とはデータバス64によって接続されているコンピュータである。記憶部62の中には、制御用データ65と、PWM制御ロジックが記憶されているPWM制御ブロック70と、矩形波制御ロジックが記憶されている矩形波制御ブロック80と、PWM制御と矩形波制御の制御方式を切り替える制御方式切換部90とを含んでいる。PWM制御ブロック70は、図2に示すように、信号変換部71、電流指令生成部72、電流減算器73a,73b、電圧指令生成部74、電圧振幅補正部75、二相三相変換部76、PWM制御信号生成出力部77、変調率演算部78を含んでいる。なお、図1では、信号変換部71、電圧指令生成部74、PWM制御信号生成出力部77、変調率演算部78のみを図示し、その他の部分の図示は省略している。また、矩形波制御ブロック80は、図2に示すように、電力演算部81、トルク演算部82、トルク減算器83、PI演算部84、矩形波信号発生器85、矩形波制御信号生成出力部86を含んでいる。電圧指令生成部74は、後で説明する変調率に対するゲイン補正係数のマップ(図7)を含んでいる。
Two
モータ制御システム100の昇圧コンバータ20、インバータ30の各スイッチング素子23a,23b,33a〜35a,33b〜35bは機器・センサインターフェース63を介して制御装置60に接続され、制御装置60の指令によって駆動するよう構成されている。V,W相の電流センサ53,54、モータ50に取り付けられたレゾルバ52はそれぞれ制御装置60の機器・センサインターフェース63に接続されており、各センサによって検出した電流、ロータの回転角度θ等の信号は機器・センサインターフェース63を介して制御装置60に入力される。
The step-up
以上説明したモータ制御システム100の動作について説明する前に、図3〜図5を参照しながら、図1に示すインバータ30(三相ブリッジインバータ)によるPWM制御(過変調PWM制御を含む)、矩形波制御と本明細書における「変調率」について説明する。正弦波PWM制御の場合、図3(a)に示す様に、角周波数ω0、波高値V0のU,V,Wの各相の正弦波信号eU,eV,eWと、角周波数ωc、波高値Vcの三角搬送波ecとを比較し、振幅の大小によって図1に示すインバータ30の各相の上アームのスイッチング素子33a,34a,35aと下アームのスイッチング素子33b,34b,35bとをそれぞれ交互にオン・オフ動作させる。これにより、U,V,Wの各出力線55,56,57の直流中点(高圧電路13とマイナス側電路11との中点)に対する電圧VU,VV,VWは、図3(b)から図3(d)に示すように、VH/2または、−VH/2のどちらかになり、図3(b)から図3(d)の一点鎖線a、二点鎖線b、破線cに示すような正弦波d,e,fのように変調されたパルス列となる。また、U相電圧VUとV相電圧VVとの間の電位差となる線間電圧VUVは、図3(e)に示すようなVHと−VHとの間で正弦波hのように変調されたパルス列gとなる。ここで、出力の周波数は正弦波信号eU,eV,eWの角周波数ω0により制御することができ、その大きさは、正弦波信号eU,eV,eWの波高値V0と三角搬送波ecの波高値Vcの比(α=V0/Vc)によって制御することができる。
Before describing the operation of the
図3(e)に示すパルス列gは、角周波数ω0の基本波形(図3(e)に示す正弦波h、図4(d)に示す正弦波ha)と、それより角周波数の高い高調波成分とのベッセル関数として表される。正弦波PWM制御の場合、図3(e)に示す出力電圧(線間電圧VUV)の基本波である正弦波hの波高値Vaは、Va=0.86×α×VH(α=V0/Vc)で表され、その実効値Vamは、Va/√2=0.86/√2×α×VH=0.61×α×VHとなる。本願明細書では、「変調率FM」とは、高電圧VHに対するモータ印加電圧(線間電圧)の基本波成分の実効値Vamの比であると定義する。つまり、変調率FM=Vam/VH=0.61×α、である。正弦波PWM制御の場合にはα≦1なので、変調率FMは、0〜0.61の間で変化する(図4(a)、図4(d)参照)。正弦波PWM制御は、モータ50の動作状態に応じて、モータ印加電圧(交流)の振幅および位相を制御するのでトルク変動も少なく、きめ細かな制御をすることが可能である。
The pulse train g shown in FIG. 3 (e) has a basic waveform of the angular frequency ω 0 (the sine wave h shown in FIG. 3 (e), the sine wave ha shown in FIG. 4 (d)), and a higher harmonic of the angular frequency. Expressed as a Bessel function with wave components. In the case of sine wave PWM control, the peak value Va of the sine wave h, which is the fundamental wave of the output voltage (line voltage V UV ) shown in FIG. 3E, is Va = 0.86 × α × VH (α = V 0 / V c ), and its effective value Vam is Va / √2 = 0.86 / √2 × α × VH = 0.61 × α × VH. In the present specification, “modulation rate FM” is defined as the ratio of the effective value Vam of the fundamental wave component of the motor applied voltage (line voltage) to the high voltage VH. That is, the modulation rate FM = Vam / VH = 0.61 × α. Since α ≦ 1 in the case of sinusoidal PWM control, the modulation factor FM changes between 0 and 0.61 (see FIGS. 4A and 4D). The sine wave PWM control controls the amplitude and phase of the motor applied voltage (alternating current) according to the operating state of the
矩形波制御は、図4(c)に示す様に、ハイレベル期間とローレベル期間の比が1:1の矩形波をモータ50に印加する。この場合の出力電圧も角周波数ω0の基本波形(図4(f)に示す正弦波hc)と、それより角周波数の高い高調波成分とのベッセル関数として表され、図4(f)に示す基本波形である正弦波hcの波高値Vcは、Vc=2×√3×VH/π=1.10×VHで、その実効値Vcmは、Vcm=Vc/√2=0.78×VHとなる。したがって、矩形波制御の場合の「変調率FM」、すなわち、高電圧VHに対するモータ印加電圧(線間電圧)の基本波成分の実効値Vcmの比は、0.78となる。したがって、矩形波制御では、同じ高電圧VHでも正弦波PWM制御より高い実効電圧をモータ50に印加することができる。一方、矩形波制御では、図4(c)に示す様に、モータ印加電圧の振幅が固定されるため、トルク実績値とトルク指令値との偏差に基づく、矩形波電圧パルスの位相制御によってトルク制御が実行されるので、正弦波PWM制御のようなきめ細かな制御をすることはできず、正弦波PWM制御よりもトルク変動が大きくなる傾向がある。
In the rectangular wave control, as shown in FIG. 4C, a rectangular wave having a ratio of the high level period to the low level period of 1: 1 is applied to the
過変調PWM制御は、図3(a)に示すU,V,Wの各相の正弦波信号eU,eV,eW波高値V0が三角搬送波ecの波高値Vcよりも大きい範囲(α=V0/Vc>1.0)で正弦波PWM制御と同様の方法のPWM制御を行うものである。このため、図4(b)に示す様に、U,V,Wの各出力線55,56,57の直流中点(高圧電路13とマイナス側電路11との中点)に対する電圧VU,VV,VWは、歪んだ正弦波となり、モータ50に印加される線間電圧も歪んだ正弦波となる。過変調PWM制御の場合の出力電圧も図4(e)に示す様に、角周波数ω0の基本波形(図4(f)に示す正弦波hb)と、それより角周波数の高い高調波成分とのベッセル関数として表される。基本波成分である正弦波hbの波高値Vb、実効値Vbmは、それぞれ図4(d)に示す正弦波PWM制御の場合の基本波haの波高値Va、実効値Vamと、図4(f)に示す矩形波制御の場合の基本波hcの波高値Vc、実効値Vcmとの中間となる。このため、過変調PWM制御の場合の「変調率FM」は、正弦波PWM制御の場合の最大値0.61と矩形波制御の場合の0.78との中間の値となる。したがって、過変調PWM制御では、同じ高電圧VHの場合、正弦波PWM制御と矩形波制御の中間の実効電圧をモータ50に印加することができる。また、過変調PWM制御では、変調率FMが0.61に近い場合には、モータ50に印加される線間電圧の波形が正弦波に近くなりトルク変動が少なく細かな制御が可能であるが、変調率が0.78に近い場合には、モータに印加される線間電圧の波形が矩形波に近くなり、制御動作が不安定となる傾向がある。
Overmodulation PWM control is larger U, V, each phase of the sinusoidal signal e U of W, e V, e W peak value V 0 than the peak value V c of the triangular carrier e c shown in FIG. 3 (a) In the range (α = V 0 / V c > 1.0), PWM control of the same method as sine wave PWM control is performed. For this reason, as shown in FIG. 4 (b), the voltages V U , V U , V DC, V V and V W are distorted sine waves, and the line voltage applied to the
モータ50では、回転数や出力トルクが増加すると誘起電圧が高くなるため、必要となる駆動電圧(モータ必要電圧)が高くなり、昇圧コンバータ20昇圧電圧、すなわち、高電圧VHはこのモータ必要電圧よりも高く設定する必要がある。その一方で、昇圧コンバータ20の昇圧電圧(高電圧VH)には限界値(VH最大電圧)が存在する。したがって、図5に示す様に、低回転数域Iではトルク変動を小さくするために正弦波PWM制御(正弦波PWMモード)が用いられ、高回転数域IIIでは同じ高電圧VHでもモータ50に印加される実効電圧が高くできる矩形波制御(矩形モード)が適用され、中間回転数領域IIでは、過変調PWM制御(過変調PWMモード)が適用される。そして、過変調PWM制御(過変調PWMモード)と矩形波制御(矩形モード)との間で制御ロジックの切換が行われる。先に述べたように、過変調PWM制御(過変調PWMモード)では変調率が0.78に近い場合には、モータに印加される線間電圧の波形が矩形波に近くなり、制御動作が不安定となる傾向があるので、従来技術では、過変調PWM制御(過変調PWMモード)で変調率が0.78に近い場合には、制御動作の不安定から過変調PWM制御(過変調PWMモード)から矩形波制御(矩形モード)に制御ロジックがジャンプしてしまい、トルクや回転数に変動が発生する場合があった。
In the
次に本実施形態のモータ制御システム100の動作について、図2、図6〜図8を参照しながら説明する。図2に示すように、PWM制御ブロック70の信号変換部71は、機器・センサインターフェース63を介してV相、W相の電流センサ53,54から入力されるV相、W相の電流信号Iv,IwからU,V,Wの各相の電流値を算出し、算出した各相の電流値とレゾルバ52によって検出したロータの回転角度θとに基づいて、U,V,Wの三相の交流電流をd軸電流Iq,q軸電流Idからなる二相のフィードバック電流信号Id,Iqに変換して出力する。一方、制御装置60の図示しない他のブロックで生成されたトルク指令Trqcomは、電流指令生成部72に入力され、電流指令生成部72は、トルク指令Trqcomからモータ50への電流指令であるd軸電流指令Idcom、q軸電流指令Iqcomを生成し、出力する。電流指令生成部72から出力されたd軸電流指令Idcom、q軸電流指令Iqcomと、信号変換部71から出力されたフィードバック電流信号であるd軸電流Iq,q軸電流Idとはそれぞれ電流減算器73a,73bに入力され、各指令電流Idcom,Iqcomと各フィードバック電流Iq,Idの偏差ΔId,ΔIqが計算される。電流偏差ΔId,ΔIqは、電圧指令生成部74に入力され、比例積分演算によりd軸、q軸のモータ50への電圧指令Vd♯,Vq♯を演算、出力する。これにより、モータ50の各相の電流をフィードバックする(フィードバック制御)。電圧指令生成部74から出力されたd軸、q軸のモータ50への電圧指令Vd♯,Vq♯は、電圧振幅補正部75に入力される。電圧振幅補正部75は、電圧指令生成部74によって算出された、d軸、q軸の各電圧指令値Vd♯,Vq♯に対して、モータ50の印加電圧の振幅を拡大するための補正処理を実行して出力する。補正処理後の各電圧指令値Vd♯´,Vq♯´は二相三相変換部76でU,V,Wの各相電圧VU,VV,VWに変換される。PWM制御信号生成出力部77は、図3(a)〜図3(d)を参照して説明したように、各相の電圧指令信号(正弦波信号)eU,eV,eWと三角搬送波ecとの比較に基づいて、インバータ30のU,V,Wの各相のスイッチング素子33a〜35a,33b〜35bをオン・オフする信号を生成し、出力する。この信号は、図1に示す機器・センサインターフェース63を介して各スイッチング素子33a〜35a,33b〜35bのゲートに入力され、各スイッチング素子33a〜35a,33b〜35bは、図3(b)〜図3(d)に示すように、オン・オフ動作し、モータ50には図3(e)に示すような正弦波hに変調された電圧のパルス列gが印加される。
Next, the operation of the
また、電圧指令生成部74から出力されたd軸、q軸の各電圧指令値Vd♯,Vq♯は変調率演算部78に入力される。変調率演算部78は、下記の(式1)によって変調率FMを計算する。
変調率FM=(Vd♯2+Vq♯2)1/2/VH -------- (式1)
計算された変調率FMは、制御方式切換部90に入力されると共に、電圧指令生成部74にフィードバックされる。制御方式切換部90は、入力された変調率FMが0.78以上である場合には、PWM制御では適切な交流電圧を発生させることができないため、トルク指令Trqcomが矩形波制御ブロック80に入力されるようにすると共に、矩形波制御ブロック80によってモータ50の制御を行うように制御ロジックの切換を行う。計算した変調率FMが0.78よりも小さい場合(FM<0.78の場合)には、PWM制御を継続する。
The d-axis and q-axis voltage command values Vd # and Vq # output from the
Modulation rate FM = (Vd # 2 + Vq # 2 ) 1/2 / VH -------- (Formula 1)
The calculated modulation factor FM is input to the control
電圧指令生成部74は、フィードバックされた変調率FMに基づいて、図6に示すフローチャートのように比例積分演算のゲイン(PIゲインG)を補正する。図6のステップS101に示すように、電圧指令生成部74は、変調率演算部78が計算した変調率FMを取得する。この際の変調率FMは、前回の制御クロックの際に演算された前回値である。電圧指令生成部74は、図6のステップS102に示す様に、閾値Aと取得した変調率FMとを比較し、変調率FMが閾値Aを超えている場合(変調率FM>A)には、図6のステップS103に示す様に、図7に示す変調率FMに対する比例積分演算のゲイン(PIゲイン)のマップから変調率FMに対するPIゲイン補正係数Kを算出或いは取得する。そして、電圧指令生成部74は、図6のステップS104に示す様に、PIゲイン補正係数Kを通常制御のPIゲインGに乗算し、乗算した結果の補正PIゲインG´を比例積分演算で用いるPIゲインGに置き換え、図6のステップS105に示す様に比例積分演算を行ってd軸、q軸の各電圧指令値Vd♯,Vq♯を計算する。また、図6のステップS102で変調率FMが閾値Aを超えていない場合(変調率FM≦A)には、図6のステップS106に示すように、通常制御の場合のPIゲインGのままの図6のステップS105に進み、通常のPIゲインGを用いてd軸、q軸の各電圧指令値Vd♯,Vq♯を計算する。
Based on the fed back modulation factor FM, the voltage
上記の動作により、図7に示す様に、電圧指令生成部74が取得した変調率FMが閾値Aを越えていない場合(変調率FM≦A)には、PIゲイン補正係数Kは1.0となっており、通常のPIゲインGのまま比例積分演算が行われる。そして、電圧指令生成部74が取得した変調率FMが閾値Aを越えた場合には、図7の線j,kに示す様に、PIゲイン補正係数Kは1.0から低減され、PIゲイン補正係数Kが乗算された結果の補正ゲインG´は通常のPIゲインGよりも低減される。PIゲイン補正係数Kは、図7の線jに示す様に、変調率FMが閾値Aから上限値の0.78の間で1.0からK1まで直線的に低減するようにしてもよいし、図7の線kに示す様に、変調率FMが閾値Aと第二の閾値Bの間で1.0からK1まで低減した後、第二の閾値Bから上限値の0.78間でK1一定とするようにしてもよい。また、閾値Aは、たとえば、正弦波PWM制御の場合の変調率FMの上限である0.61としてもよい。また、閾値Bは、0.61と0.78との中間値としてもよい。つまり、図7の線j、線kのようなPIゲイン補正係数Kを用いた場合には、電圧指令生成部74は、モータ50或いはインバータ30が矩形モードまたは過変調PWMモードで制御される場合には、モータ50或いはインバータ30が正弦波PWMモードで制御される場合に比べてゲインGを小さくする。
By the above operation, as shown in FIG. 7, when the modulation rate FM acquired by the voltage
以上説明した本実施形態のモータ制御システム100では、変調率FMが上限の0.78に近づくにしたがって、PIゲイン補正係数Kを小さくするので、制御が不安定になり易い矩形波制御への切換直前の過変調PWM制御において、モータ50の電流のフィードバック量を小さくできる。これにより、矩形波制御への切換直前の過変調PWM制御における制御安定性を確保することができる。また、本実施形態では、変調率FMが上限の0.78から小さくなるにしたがって、PIゲイン補正係数Kを大きくし、変調率FMが閾値A(例えば、0.61)では1.0とするので、正弦波PWM制御では、モータ電流のフィードバック量が大きくなり、高速応答性を確保することができる。また、閾値Aが正弦波PWM制御の場合の変調率FMの上限である0.61の場合、変調率FMが0.61と上限の0.78の間の過変調PWM制御では、変調率FMが大きくなるにしたがって、つまり、モータ50に印加される線間電圧波形の正弦波からの歪みが大きくなり、モータ50の電流の高調波成分が大きくなるにしたがって、PIゲイン補正係数Kが小さくなり、モータ50の電流のフィードバック量が低減されるので、高調波の大きさに合わせたフィードバック量とすることができ、制御安定性と制御応答性を両立させることができる。
In the
なお、以上説明した実施形態では、電圧指令生成部74は、比例積分演算を用いたフィードバック制御を行うこととして説明したが、たとえば比例演算を用いたフィードバック制御、あるいは積分演算を用いたフィードバック制御を行うようにしてもよい。
In the embodiment described above, the voltage
次に、従来技術のモータ制御システムによって車両駆動用のモータ50の制御をおこなった場合と本実施形態のモータ制御システム100によって車両駆動用のモータ50の制御を行った場合を比較して説明する。
Next, the case where the
従来技術のモータ制御システムによって車両駆動用のモータ50の制御を行った場合、変調率FMの高い領域で過変調PWM制御を行っている図8(a)、図8(b)の時刻t0に、図8(b)の線uに示すように、車両のスリップ、グリップ等によってモータ50のトルクTrqが急変したような場合、モータ50の電流値が急変して過変調PWM制御が不安定となり、図8(a)の一点鎖線pのように、時刻t0において制御方式が過変調PWM制御から矩形波制御にジャンプしてしまう。これにより、モータ50の回転数やトルクに段差が発生し、車両のドライバビリティを低下させてしまうことがある。
When controlling the
これに対して、本実施形態のモータ制御システム100によって車両駆動用のモータ50の制御を行った場合、変調率FMの高い領域ではモータ電流のフィードバック量が低減されているので、変調率FMの高い領域で過変調PWM制御を行っている図8(a)、図8(b)の時刻t0に、図8(b)の線uに示す様に、車両のスリップ、グリップ等によってモータ50のトルクTrqが急変したような場合でも、過変調PWM制御は安定した制御状態を保つことができる。そして、図8(a)の実線sのように、時刻t0において過変調PWM制御から矩形波制御に制御方式がジャンプせず、時刻t1まで過変調PWM制御の変調率FMを0.78近傍までゆっくりと増加させて、モータ50の回転数やトルクに段差が発生しないように、過変調PWM制御から矩形波制御への制御ロジックの変更を行うことができる。これにより、車両のドライバビリティの低下を抑制することができる。また、本実施形態のモータ制御システム100によって車両駆動用のモータ50の制御を行った場合には、変調率FMが0.61近傍の過変調PWM制御や、正弦波PWM制御においては、通常のPIゲインGに近いゲインを用いているので応答の高速性を確保している。
On the other hand, when the
更に、本実施形態のモータ制御システム100では、平滑コンデンサ31の容量を小さくしてインバータ30への入力電圧が若干変動するような場合であっても、過変調PWM制御における制御安定性を確保することができるとともに、変調率FMが0.61近傍の過変調PWM制御や、正弦波PWM制御においては応答の高速性を確保することができる。このように、本実施形態のモータ制御システム100は、制御安定性と高速応答性とを併せ持つ制御を行うことが可能である。
Furthermore, in the
10 バッテリ、11 マイナス側電路、12 低圧電路、13 高圧電路、20 昇圧コンバータ、21 リアクトル、22 フィルタコンデンサ、23a,23b,33a-35a,33b-35b スイッチング素子、24a,24b,36a-38a,36b-38b ダイオード、27 低電圧センサ、30 インバータ、31 平滑コンデンサ、32 高電圧センサ、50 モータ、52 レゾルバ、53,54 電流センサ、55,56,57 出力線、60 制御装置、61 CPU、62 記憶部、63 機器・センサインターフェース、65 制御用データ、64 データバス、70 PWM制御ブロック、71 信号変換部、72 電流指令生成部、73a,73b 電流減算器、74 電圧指令生成部、75 電圧振幅補正部、76 二相三相変換部、77 PWM制御信号生成出力部、78 変調率演算部、80 矩形波制御ブロック、81 電力演算部、82 トルク演算部、83 トルク減算器、84 演算部、85 矩形波信号発生器、86 矩形波制御信号生成出力部、90 制御方式切換部、100 モータ制御システム。
DESCRIPTION OF
電圧指令生成部74は、フィードバックされた変調率FMに基づいて、図6に示すフローチャートのように比例積分演算のゲイン(PIゲインG)を補正する。図6のステップS101に示すように、電圧指令生成部74は、変調率演算部78が計算した変調率FMを取得する。この際の変調率FMは、前回の制御クロックの際に演算された前回値である。電圧指令生成部74は、図6のステップS102に示す様に、閾値Aと取得した変調率FMとを比較し、変調率FMが閾値Aを超えている場合(変調率FM>A)には、図6のステップS103に示す様に、図7に示す変調率FMに対する比例積分演算のゲイン(PIゲイン)のマップから変調率FMに対するPIゲイン補正係数Kを算出或いは取得する。そして、電圧指令生成部74は、図6のステップS104に示す様に、PIゲイン補正係数Kを通常制御のPIゲインGに乗算し、乗算した結果の補正PIゲインG´を比例積分演算で用いるPIゲインGに置き換え、図6のステップS105に示す様に比例積分演算を行ってd軸、q軸の各電圧指令値Vd♯,Vq♯を計算する。また、図6のステップS102で変調率FMが閾値Aを超えていない場合(変調率FM≦A)、図7のマップに示す様に変調率FMに対するPIゲイン補正係数Kは1.0であるから、図6のステップS106に示すように、通常制御の場合のPIゲインGに補正係数1.0をかけて、つまり、通常制御の場合のPIゲインGのまま、図6のステップS105に進み、通常のPIゲインGを用いてd軸、q軸の各電圧指令値Vd♯,Vq♯を計算する。
Based on the fed back modulation factor FM, the voltage
Claims (5)
前記電流検出器から出力される前記電流信号をフィードバック電流信号に変換する信号変換部と、モータへの電流指令と前記フィードバック電流信号との偏差に基づくフィードバック制御を行ってモータへの電圧指令を生成する電圧指令生成部と、前記電圧指令に基づいて変調率を計算する変調率演算部と、を含む制御装置と、
を備えるモータ制御システムであって、
前記電圧指令生成部は、前記フィードバック制御のゲインを前記変調率によって変化させること、
を特徴とするモータ制御システム。 At least one current detector for detecting a current supplied to the motor and outputting it as a current signal;
A signal converter for converting the current signal output from the current detector into a feedback current signal, and a feedback control based on a deviation between the current command to the motor and the feedback current signal to generate a voltage command to the motor A control device including a voltage command generation unit that performs a modulation rate calculation unit that calculates a modulation rate based on the voltage command;
A motor control system comprising:
The voltage command generation unit changes the gain of the feedback control according to the modulation rate,
A motor control system characterized by
前記電圧指令生成部は、前記変調率が所定の閾値を超える場合に前記ゲインを変化させること、
を特徴とするモータ制御システム。 The motor control system according to claim 1,
The voltage command generation unit changes the gain when the modulation rate exceeds a predetermined threshold;
A motor control system characterized by
前記電圧指令生成部は、前記変調率が所定の閾値を超える場合には前記変調率が所定の閾値以下の場合よりも小さくなるように前記ゲインを変化させること、
を特徴とするモータ制御システム。 The motor control system according to claim 1 or 2,
The voltage command generation unit, when the modulation rate exceeds a predetermined threshold, changing the gain so that the modulation rate is smaller than the case where the modulation rate is equal to or lower than a predetermined threshold;
A motor control system characterized by
前記電圧指令生成部は、前記変調率が高くなるほど前記ゲインが小さくなるようにすること、
を特徴とするモータ制御システム。 The motor control system according to claim 2 or 3,
The voltage command generator is configured to reduce the gain as the modulation rate increases;
A motor control system characterized by
前記モータに電力供給を行うインバータを更に備え、
前記電圧指令生成部は、前記インバータが矩形モードまたは過変調PWMモードで制御される場合には、前記インバータが正弦波PWMモードで制御される場合に比べて前記ゲインが小さくなるようにすること、
を特徴とするモータ制御システム。 The motor control system according to claim 2,
An inverter for supplying power to the motor;
The voltage command generator is configured such that when the inverter is controlled in a rectangular mode or an overmodulation PWM mode, the gain is smaller than when the inverter is controlled in a sine wave PWM mode.
A motor control system characterized by
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