JP2019140807A - モータ制御装置およびモータ制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】速度位置推定で生じる誤差を低減し、振動抑制を行うことができるモータ制御装置、およびモータ制御方法を提供することを目的とする。【解決手段】モータを目標速度で回転させるため、前記モータに供給する電流値を指令する速度制御部と、モータに供給される電流値のうちトルク軸電流に関する情報に基づいて、モータのインダクタンスを変更するインダクタンス変更部と、インダクタンスを用いて、電流値からモータの回転位置を推定する位置推定部と、モータの平均負荷トルクを算出する平均トルク計算部と、モータの回転位置に応じてモータの出力トルクを変動させるための基準となる正規化トルクパターンを記憶したトルクパターン記憶部と、平均負荷トルクと正規化トルクパターンの積によりモータの回転位置に応じて出力トルクを変動させるための補償トルクパターンを生成し、モータに供給する電流値を補正するトルク制御部と、を備える。【選択図】図1
Description
本発明は、モータ制御装置およびモータ制御方法に関する。
空調機等に用いられる圧縮機(コンプレッサ)は、1回転の間に吸入、圧縮、吐出の各行程における冷媒ガス圧が変化するため、定常的な負荷トルク変動が発生する。一方、圧縮機に接続された駆動モータは、1回転中に一定な駆動トルクを発生するように運転されているため、この駆動トルクと負荷トルクとの不平衡に起因した回転数変動を生じ、それによって振動が発生する。
例えば、特許文献1に記載の技術では、制御軸上の電流検出値Idc,Iqcおよびd軸,q軸電圧指令値Vd*,Vq*等に基づいて、所定の式により実軸と制御軸との軸誤差(推定値)Δθcを演算する。そして、特許文献1に記載の技術では、軸誤差Δθcを用いて、モータトルクτmと負荷トルクτLの差分に相当する値である差トルク推定値Δτm ^を推定する。そして、特許文献1に記載の技術では、差トルク推定値Δτm^をゼロに近づけるような脈動トルク電流指令値Iqsin *を生成して、作成した脈動トルク電流指令値Iqsin *をトルク電流指令値Itq *に加算して電流指令値Iq *としている。
しかしながら、特許文献1に記載の技術では、電流が変化した場合に速度位置推定に誤差が発生し、位置ずれや速度変動の推定値に誤差が生じる問題点があった。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、速度推定値の誤差を低減し、振動抑制を行うことができるモータ制御装置およびモータ制御方法を提供することを目的とする。
本発明の第1の態様によれば、モータ制御装置は、圧縮機に接続されたモータの制御装置であって、前記モータを目標速度で回転させるため、モータに供給する電流値を指令する速度制御部と、前記モータに供給される電流値のうちトルク軸電流に関する情報に基づいて、前記モータのインダクタンスを変更するインダクタンス変更部と、前記インダクタンス変更部が変更した前記インダクタンスを用いて、前記電流値から前記モータの回転位置を推定する位置推定部と、モータの平均負荷トルクを算出する平均トルク計算部と、前記モータの回転位置に応じて前記モータの出力トルクを変動させるための基準となる正規化トルクパターンを記憶したトルクパターン記憶部と、前記平均負荷トルクと前記正規化トルクパターンの積により、前記モータの回転位置に応じて前記モータの出力トルクを変動させるための補償トルクパターンを生成し、前記モータに供給する電流値を補正するトルク制御部と、を備える。
また、本発明の第2の態様によれば、モータ制御装置において、前記電流値のうちトルク軸電流に関する情報は、トルク軸電流値であり、前記トルク軸電流値と前記インダクタンスとの対応関係を記憶するインダクタンス記憶部、を備え、前記インダクタンス変更部は、前記トルク軸電流値に対応する、前記インダクタンス記憶部が記憶する前記インダクタンスに変更するようにしてもよい。
また、本発明の第3の態様によれば、モータ制御装置において、前記電流値のうちトルク軸電流に関する情報は、トルク軸電流指示であり、前記トルク軸電流指示と前記インダクタンスとの対応関係を記憶するインダクタンス記憶部、を備え、前記インダクタンス変更部は、前記トルク軸電流指示に対応する、前記インダクタンス記憶部が記憶する前記インダクタンスに変更するようにしてもよい。
また、本発明の第4の態様によれば、モータ制御装置において、前記電流値のうちトルク軸電流に関する情報は、トルク軸電流指示であり、前記トルク軸電流指示と前記インダクタンスとの対応関係を記憶するインダクタンス記憶部、を備え、前記インダクタンス変更部は、前記トルク軸電流指示の所定期間の平均値を求め、前記トルク軸電流指示の所定期間の前記平均値に対応する、前記インダクタンス記憶部が記憶する前記インダクタンスに変更するようにしてもよい。
また、本発明の態様によれば、モータ制御装置のモータ制御方法は、モータ制御装置のモータ制御方法であって、速度制御部が、モータを目標速度で回転させるため、前記モータに供給する電流値を指令する手順と、インダクタンス変更部が、前記モータに供給される電流値のうちトルク軸電流に関する情報に基づいて、前記モータのインダクタンスを変更する手順と、位置推定部が、前記インダクタンス変更部が変更した前記インダクタンスを用いて、前記電流値から前記モータの回転位置を推定する手順と、平均トルク計算部が、前記モータの平均負荷トルクを算出する手順と、トルク制御部が、前記モータの回転位置に応じて前記モータの出力トルクを変動させるための基準となる正規化トルクパターンと、前記平均負荷トルクとの積により、前記モータの回転位置に応じて前記モータの出力トルクを変動させるための補償トルクパターンを生成し、前記モータに供給する電流値を補正する手順と、を含む。
本発明によれば、速度推定値の誤差を低減し、振動抑制を行うことができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
<第1実施形態>
なお、実施形態において、モータが圧縮機(コンプレッサ)に接続された空調機に用いられるモータ制御装置の例を説明するが、モータ制御装置を車両に用いるようにしてもよい。
なお、実施形態において、モータが圧縮機(コンプレッサ)に接続された空調機に用いられるモータ制御装置の例を説明するが、モータ制御装置を車両に用いるようにしてもよい。
<モータ制御装置の構成例>
図1は、本実施形態におけるモータ制御装置の構成例を示すブロック図である。
図1に示すように、モータ制御装置1は、モータ2、交流電源3、インバータ4、電流センサ10、減算部11、負荷トルク補償部12(トルク制御部)、インダクタンス変更部13、速度・位置推定部14(位置推定部)、2相/3相変換部15、3相/2相変換部16、および速度制御部20を備える。
また、速度制御部20は、速度PI制御部21(平均トルク計算部)、加算部22、電流変換部23、減算部24、および電流PI制御部25を備える。
図1は、本実施形態におけるモータ制御装置の構成例を示すブロック図である。
図1に示すように、モータ制御装置1は、モータ2、交流電源3、インバータ4、電流センサ10、減算部11、負荷トルク補償部12(トルク制御部)、インダクタンス変更部13、速度・位置推定部14(位置推定部)、2相/3相変換部15、3相/2相変換部16、および速度制御部20を備える。
また、速度制御部20は、速度PI制御部21(平均トルク計算部)、加算部22、電流変換部23、減算部24、および電流PI制御部25を備える。
モータ制御装置1は、アクティブトルク制御によってモータ2の回転を制御する。この場合、モータ2の回転によって、1回転において、位置毎に負荷が変化する。アクティブトルク制御では、例えば数十msec毎に電流値を変化させている。アクティブトルク制御は、例えば、負荷が大きい位置で電流値を増加させ、負荷が少ない位置で電流を減少させる。これにより、アクティブトルク制御では、速度変動が低減し、この結果、モータ2の振動が低減される。しかしながら、従来のアクティブトルク制御では、位置や速度を推定する際に用いているトルク軸(q軸)インダクタンスLqが、固定値であったため、推定した位置や速度に誤差が生じていた。本実施形態では、q軸の電流に合わせて、q軸インダクタンスLqを変更することで、特に速度変動を低減させる。
モータ2は、3相モータである。
交流電源3は、インバータ4に交流の電力を供給する。
交流電源3は、インバータ4に交流の電力を供給する。
インバータ4は、モータ2に接続されている。インバータ4は、モータ2に電流を供給して、モータ2の回転を制御する。
電流センサ10は、モータ2に供給される電流値を検出し、検出した電流値を3相/2相変換部16に出力する。
電流センサ10は、モータ2に供給される電流値を検出し、検出した電流値を3相/2相変換部16に出力する。
減算部11は、モータ2の回転数を指令する回転数指令から、速度・位置推定部14が推定された回転速度(回転数)ωeSを減算して、速度制御部20に出力する。
速度制御部20は、モータ2を制御するためのd軸電流指示id *、q軸電流指示iq *を生成する。速度制御部20は、モータ2を制御するためのd軸電圧値vd、q軸電圧値vqを生成する。速度制御部20は、生成したd軸電圧値vd、q軸電圧値vqを、速度・位置推定部14と2相/3相変換部15に出力する。
速度PI制御部21は、比例積分(Propiortinal Integral)制御により、減算部11が出力する回転数指令に基づいて、モータの平均負荷トルク(以下、平均トルクともいう)を算出する。速度PI制御部21は、算出した平均トルクを、負荷トルク補償部12と加算部22に出力する。
加算部22は、速度PI制御部21が出力する平均トルクに、負荷トルク補償部12が出力する補償トルクを加算して、加算した値を出力トルクとして電流変換部23に出力する。なお、このモータ出カトルクは、モータ2の回転角と、モータ2に供給する電流の指令値との関係を示すものである。
電流変換部23は、加算部22が出力する加算トルクを電流に変換し、変換した電流指令値(d軸電流指令値id *、q軸電流指令値iq *)を、減算部24に出力する。
減算部24は、電流変換部23が出力するd軸電流指令値id *から、3相/2相変換部16が出力するd軸電流id(モータ電流の偏差)を減算して電流PI制御部25に出力する。減算部24は、電流変換部23が出力するq軸電流指令値iq *から、3相/2相変換部16が出力するq軸電流iq(モータ電流の偏差)を減算して電流PI制御部25に出力する。
電流PI制御部25は、比例積分制御により、減算部24が出力する電流指令値に基づいて、d軸電圧値vd、q軸電圧値vqを生成する。速度制御部20は、生成したd軸電圧値vd、q軸電圧値vqを、速度・位置推定部14と2相/3相変換部15に出力する。
2相/3相変換部15は、速度制御部20が出力するd軸電圧値vd、q軸電圧値vqを、速度・位置推定部14が出力するモータ2の回転角度θeSに応じて3相の電圧値に変換し、変換した3相の電圧値をインバータ4に供給する。
3相/2相変換部16は、電流センサ10が検出した3相の電流値を、速度・位置推定部14が出力するモータ2の回転角度θeSに応じて2相のd軸電流値id、q軸電流値iqに変換する。3相/2相変換部16は、変換したd軸電流値id、q軸電流値iqを、速度・位置推定部14と速度制御部20の減算部24に出力する。また、3相/2相変換部16は、q軸電流値iqを、インダクタンス変更部13に出力する。
負荷トルク補償部12は、トルクパターン記憶部121を備える。
トルクパターン記憶部121は、後述する正規化トルクパターンを記憶している。
負荷トルク補償部12は、速度PI制御部21が出力する平均トルクに正規化トルクパターンを乗じて補償トルクパターンを生成する。すなわち、負荷トルク補償部12は、圧縮機の負荷の大きい条件下で、それに合わせて正規化トルクパターンを大きく調整して、補償トルクパターンを生成する。また、負荷トルク補償部12は、圧縮機負荷の小さい条件下で、それに合わせて正規化トルクパターンを小さく調整して、補償トルクパターンを生成する。負荷トルク補償部12は、生成した補償トルクパターンを加算部22に出力する。
トルクパターン記憶部121は、後述する正規化トルクパターンを記憶している。
負荷トルク補償部12は、速度PI制御部21が出力する平均トルクに正規化トルクパターンを乗じて補償トルクパターンを生成する。すなわち、負荷トルク補償部12は、圧縮機の負荷の大きい条件下で、それに合わせて正規化トルクパターンを大きく調整して、補償トルクパターンを生成する。また、負荷トルク補償部12は、圧縮機負荷の小さい条件下で、それに合わせて正規化トルクパターンを小さく調整して、補償トルクパターンを生成する。負荷トルク補償部12は、生成した補償トルクパターンを加算部22に出力する。
インダクタンス変更部13は、インダクタンス記憶部131を備える。
インダクタンス記憶部131は、q軸電流値iqとインダクタンスLqとの関係を、例えば表形式または数式で記憶する。または、インダクタンス記憶部131は、q軸電流値iqとインダクタンスLq’との関係を、例えば表形式または数式で記憶する。ここで、インダクタンスLq’は、トルク軸磁束λqに対するq軸(トルク軸)電流iqの微分値dλq/diqである。
インダクタンス記憶部131は、q軸電流値iqとインダクタンスLqとの関係を、例えば表形式または数式で記憶する。または、インダクタンス記憶部131は、q軸電流値iqとインダクタンスLq’との関係を、例えば表形式または数式で記憶する。ここで、インダクタンスLq’は、トルク軸磁束λqに対するq軸(トルク軸)電流iqの微分値dλq/diqである。
インダクタンス変更部13は、3相/2相変換部16が出力するq軸電流値iqに対応するインダクタンスLq、Lq’の少なくとも1つをインダクタンス記憶部131が記憶する関係に基づいて求める。インダクタンス変更部13は、求めたインダクタンスLq、Lq’ の少なくとも1つを速度・位置推定部14に出力する。
速度・位置推定部14には、電流PI制御部25が出力するd軸電圧値vdと、q軸電圧値vqと、3相/2相変換部16が出力するd軸電流値idと、q軸電流値iqとが入力される。さらに、速度・位置推定部14には、インダクタンス変更部13が出力するLq、Lq’の少なくとも1つが入力される。速度・位置推定部14は、インダクタンス変更部13が出力するLq、Lq’の少なくとも1つに変更し、入力された値からモータ2の回転速度(モータの回転数)ωeSを推定し、推定した回転速度(回転数)ωeSを減算部11に出力する。速度・位置推定部14は、入力された値から、モータ2のロータにおける回転角度θeS(モータの回転位置)を推定し、推定した回転角度θeSを負荷トルク補償部12、2相/3相変換部15、および3相/2相変換部16に出力する。なお、回転速度(回転数)ωeS、回転角度θeSの推定方法は、後述する。
<圧縮機の運転範囲、正規化トルクパターンの例>
次に、空調機等で用いられる圧縮機(コンプレッサ)の運転範囲、正規化トルクパターンについて説明する。
図2(A)は、1回転の間に吸入、圧縮、吐出の各行程を行う圧縮機の運転範囲40を示した図である。図2(B)は、図2(A)における符号41を付した(1)の近辺の負荷トルクと、本実施形態で用いる正規化トルクパターンの一例を示した図である。図2(C)は、図2(A)における符号42を付した(2)の近辺の負荷トルクと、本実施形態で用いる正規化トルクパターンの一例を示した図である。
次に、空調機等で用いられる圧縮機(コンプレッサ)の運転範囲、正規化トルクパターンについて説明する。
図2(A)は、1回転の間に吸入、圧縮、吐出の各行程を行う圧縮機の運転範囲40を示した図である。図2(B)は、図2(A)における符号41を付した(1)の近辺の負荷トルクと、本実施形態で用いる正規化トルクパターンの一例を示した図である。図2(C)は、図2(A)における符号42を付した(2)の近辺の負荷トルクと、本実施形態で用いる正規化トルクパターンの一例を示した図である。
なお、図2(A)において、横軸は圧縮機の低圧(Lp、単位:MPa)、縦軸は高圧(Hp、単位:MPa)である。図2(B)、図2(C)において、横軸がモータにおけるロータの回転角度、縦軸がトルク(単位:Nm)である。
図2(A)における40の番号を付したのは、1回転の間に吸入、圧縮、吐出の各行程を行う圧縮機における、圧縮時の高圧と吸入時の低圧の設計上の範囲の一例である。この運転範囲40外では、高圧の場合に圧縮機が壊れてしまう可能性があり、低圧の場合に圧縮比が高すぎて何処かの部分に応力がかかりすぎる可能性がある。
そして、図2(A)において、41の番号を付けた(1)の近辺と42の番号を付けた(2)の近辺とでは、前記吸入、圧縮、吐出の各行程における負荷トルクの大きさが異なる。例えば41の番号を付けた(1)の近辺では、図2(B)のグラフにおける43の番号を付したカーブのように吸入側と圧縮側の差が小さい。また、42の番号を付けた(2)の近辺では、吸入側と圧縮側の差が大きい。この差は、例えば外気の温度条件や暖房、冷房の違い、圧縮機の回転数、運転方法の違いなどによって変化する。
圧縮機においては、圧縮機に接続された駆動モータは1回転中に一定の回転速度となるように運転される。しかしながら、この1回転の間に生じる吸入、圧縮、吐出の各行程における冷媒ガス圧の変化のため、駆動トルクと負荷トルクとの不平衡に起因した回転数変動を生じ、それによって振動が発生する。そのため、振動を防止するためには、図2(B)、図2(C)に示したような、吸入側と圧縮側における負荷トルクの大きさの差を考慮に入れないと振動を確実に防止することができない。そのため本実施形態においては、図2(B)、図2(C)に44、46の番号付したような正規化トルクパターンを負荷トルクの大きさに対応させて選択し、モータの駆動トルクを圧縮機の駆動により生じる負荷トルクと平衡させて、振動を防止するようにする。
この正規化トルクパターン44、46は、例えばモータのロータの回転角度30度毎に、予め算出した負荷の推定変動トルクに合致するよう、モータの出力トルクを変動させるための係数である。また、この正規化トルクパターン44、46は、モータの回転角をこのように30度毎の複数に区分し、それぞれの区分における補償トルク係数との関係を表したパターンである。このように正規化トルクパターン44、46を定めることで、モータを回転させるための平均トルク(例えば図2(B)に38で、図2(C)に39示した点線の値)に、この正規化トルクパターンを乗じ、補償トルクパターンを生成する。これにより、圧縮機負荷の大きい条件下では、正規化トルクパターンが大きく調整された補償トルクパターンが生成される。また、圧縮機負荷の小さい条件下では、それに合わせて正規化トルクパターンが小さく調整された補償トルクパターンが生成される。
このようにして生成される補償トルクパターンでモータが駆動されるよう本実施形態においては、まず、回転しているモータにおける電流センサで検出した電流値から、図2(B)、図2(C)に38、39で示したような平均負荷トルクを算出する。そして、本実施形態においては、図2(B)、図2(C)に44、46で示した正規化トルクパターンのうち、その時の回転状況に対応した正規化トルクパターンを選択する。そして、本実施形態においては、この正規化トルクパターンと平均負荷トルクとを乗じて補償トルクパターンを生成し、その補償トルクパターンによってモータを与える電流を制御することで、圧縮機負荷の状態に対応した駆動が行えるようにする。
これにより、本実施形態においては、モータ2に供給する電流値の補正が容易に可能となり、滑らかな制御が可能となる。また、本実施形態においては、モータに供給する電流はトルクと電流の関係式から容易に求められ、電流指令によるモータ制御を行うことで、トルクパターンを出力トルク値そのままで設定できる。従って、本実施形態においては、電圧値をシミュレーション等で計算する必要が無く、開発が容易である。
なお、以下の説明では、正規化トルクパターンの係数を30度毎に持たせる場合を例に説明すると共に、正規化トルクパターンが1つ場合を例に説明するが、これに限らない。係数を持たせる角度は、30度に限らず、また、正規化トルクパターンの数も1つでもよく、3つ以上であってもよい。
なお、図2(B)、図2(C)に44、46で示した正規化トルクパターンのうち、その時の回転状況に対応した正規化トルクパターンの選択には、種々の手法が考えられる。種々の手法については、例えば、参考文献1(特開2008−245506号公報)参照。
なお、図2(B)、図2(C)に44、46で示した正規化トルクパターンのうち、その時の回転状況に対応した正規化トルクパターンの選択には、種々の手法が考えられる。種々の手法については、例えば、参考文献1(特開2008−245506号公報)参照。
<インダクタンス変更部13の動作>
次に、インダクタンス変更部13の動作について説明する。
通常の負荷では、モータトルクは急激な変化をしないか、サーボ制御のように速度指令が変わった時に変化する。また、モータの速度を一定に保つ速度フィードバック制御では、速度制御の応答より速い変化をモータトルクはしない。
次に、インダクタンス変更部13の動作について説明する。
通常の負荷では、モータトルクは急激な変化をしないか、サーボ制御のように速度指令が変わった時に変化する。また、モータの速度を一定に保つ速度フィードバック制御では、速度制御の応答より速い変化をモータトルクはしない。
しかし、空調機では一回転中に負荷が変化するので、前述した参考文献1に記載のアクティブトルク制御では、モータトルクが回転数に等しい周波数で変化する。
モータトルクを変化させるためには、トルク電流iqを回転数に等しい周波数で変化させる必要がある。このとき磁石モータでトルク軸電流iqとトルク軸磁束λqは、モータの鉄芯で磁束が飽和した場合、図3のように比例関係ではなくなる。
モータトルクを変化させるためには、トルク電流iqを回転数に等しい周波数で変化させる必要がある。このとき磁石モータでトルク軸電流iqとトルク軸磁束λqは、モータの鉄芯で磁束が飽和した場合、図3のように比例関係ではなくなる。
図3は、トルク軸電流対トルク軸磁束の特性例を示す図である。図3において、横軸はトルク軸電流iqであり、縦軸はトルク軸磁束λqである。
ここで、トルク軸インダクタンスLqは、トルク軸磁束λqをトルク軸電流iqで割ったものである。なお、トルク軸インダクタンスは、電流対磁束特性の変化量から得られるLq(=Δλq/Δiq)と、電流対磁束特性を微分して得られるLq’(=dλq/diq)がある。このため、図3の点g1と点g2のようにトルク電流iqが異なるとトルク軸インダクタンスLq、Lq’も異なる。
ここで、トルク軸インダクタンスLqは、トルク軸磁束λqをトルク軸電流iqで割ったものである。なお、トルク軸インダクタンスは、電流対磁束特性の変化量から得られるLq(=Δλq/Δiq)と、電流対磁束特性を微分して得られるLq’(=dλq/diq)がある。このため、図3の点g1と点g2のようにトルク電流iqが異なるとトルク軸インダクタンスLq、Lq’も異なる。
このため、本実施形態では、インダクタンス変更部13が、インダクタンス記憶部131が記憶する電流対インダクタンス(Lq、Lq’)特性を参照して、速度・位置推定に使用するトルク軸インダクタンスLqをトルク軸電流iqに合わせて変更する。具体的には、インダクタンス変更部13は、インダクタンス記憶部131が記憶する電流対インダクタンスLq特性を参照して、3相/2相変換部16が出力するトルク電流iqに対応するトルク軸インダクタンスLqまたはLq’を選択する。インダクタンス変更部13は、選択したトルク軸インダクタンスLqまたはLq’を速度・位置推定部14に出力する。
なお、インダクタンス変更部13は、例えば電流検出に遅れが少ない場合に、トルク電流iqに対応するトルク軸インダクタンスLq、Lq’ のうちの少なくとも1つを選択するようにしてもよい。
ここで、インダクタンス変更部13が、電流値に応じて変更するトルク軸インダクタンスは、Lq、Lq’ のうちの少なくとも1つ、両方であってもよい。これは、モータ制御装置1の仕様、モータ制御装置1を用いる装置の仕様に応じた値であればよい。
ここで、インダクタンス変更部13が、電流値に応じて変更するトルク軸インダクタンスは、Lq、Lq’ のうちの少なくとも1つ、両方であってもよい。これは、モータ制御装置1の仕様、モータ制御装置1を用いる装置の仕様に応じた値であればよい。
<インダクタンス記憶部131が記憶する電流対インダクタンス特性の例>
次に、インダクタンス記憶部131が記憶する電流対インダクタンス特性の例を説明する。
図4は、本実施形態に係るインダクタンス記憶部131が記憶する電流対インダクタンス特性の例を示す図である。図4において、横軸はq軸電流iq(Iqともいう)[A]であり、縦軸はトルク軸インダクタンスLqである。
図4に示した電流対インダクタンス特性は、予め測定して、インダクタンス記憶部131に記憶させる。なお、図4に示した特性は一例であり、これに限らない。
次に、インダクタンス記憶部131が記憶する電流対インダクタンス特性の例を説明する。
図4は、本実施形態に係るインダクタンス記憶部131が記憶する電流対インダクタンス特性の例を示す図である。図4において、横軸はq軸電流iq(Iqともいう)[A]であり、縦軸はトルク軸インダクタンスLqである。
図4に示した電流対インダクタンス特性は、予め測定して、インダクタンス記憶部131に記憶させる。なお、図4に示した特性は一例であり、これに限らない。
<モータ制御装置の処理手順例>
次に、モータ制御装置1が行う処理手順例を説明する。
図5は、本実施形態に係るモータ制御装置1が行う処理手順例を示すフローチャートである。
次に、モータ制御装置1が行う処理手順例を説明する。
図5は、本実施形態に係るモータ制御装置1が行う処理手順例を示すフローチャートである。
(ステップS1)速度制御部20は、モータ2を制御するためのd軸電流指示id *、q軸電流指示iq *を生成する。
(ステップS2)インダクタンス変更部13は、3相/2相変換部16が出力するq軸電流値iqに対応するインダクタンスLq、Lq’の少なくとも1つをインダクタンス記憶部131が記憶する関係に基づいて求めることで、インダクタンスLq、Lq’を変更する。
(ステップS3)速度・位置推定部14は、インダクタンス変更部13が出力するLq、Lq’の少なくとも1つに変更し、入力された値からモータ2のロータにおける回転速度(回転数)ωeSを推定する。速度・位置推定部14は、入力された値から、モータ2のロータにおける回転角度θeS(モータの回転位置)を推定する。
(ステップS4)速度PI制御部21は、比例積分制御により、減算部11が出力する回転数指令に基づいて、平均トルクを求める。
(ステップS5)負荷トルク補償部12は、速度PI制御部21が出力する平均トルクに正規化トルクパターンを乗じて補償トルクパターンを生成する。
(ステップS6)速度制御部20は、負荷トルク補償部12が生成した補償トルクパターンを用いて電流値を補正する。具体的には、速度制御部20の加算部22が、速度PI制御部21が出力する平均トルクに、負荷トルク補償部12が出力する補償トルクを加算することで、補正する。
なお、図5に示した処理は一例であり、これに限らない。
<速度・位置推定部14が行う処理>
次に、速度・位置推定部14が行う処理例について説明する。
まず、IPM(Interior Permanent Magnet;磁石埋込式)のモータを用いたモータ制御において、電流PI制御部25が出力するd軸電圧vd、q軸電圧vqは、次式(1)のように表される。
次に、速度・位置推定部14が行う処理例について説明する。
まず、IPM(Interior Permanent Magnet;磁石埋込式)のモータを用いたモータ制御において、電流PI制御部25が出力するd軸電圧vd、q軸電圧vqは、次式(1)のように表される。
式(1)において、Rは巻線抵抗[Ω]、Ldはd軸インダクタンス[H]、Lqはq軸インダクタンス[H]、Λdは誘起電圧係数[V/(rad/s)]、idはd軸電流[A]、iqはq軸電流[A]である。また、pは微分演算子d/dt、ωmは回転速度[rad/s]、nはモータ2の極対数、ω1はインバータ4の周波数[rad/s]である。
式(1)を微分方程式に変形すると、次式(2)のようになる。
式(1)を微分方程式に変形すると、次式(2)のようになる。
速度・位置推定部14は、式(2)を、次式(3)のように、d軸電流id、q軸電流iqの推定とする。
なお、式(3)において、上付きの〜は、推定値を表す。
式(1)には、速度に関する情報が含まれている。このため、推定した電流値が、想定した速度と異なる場合、実際した電流値と実測値との間に誤差が生じる。
速度・位置推定部14は、式(3)の推定値と実測された電流値(i軸電流値、q軸電流値)を用いて、推定電流の誤差εを求める。
式(1)には、速度に関する情報が含まれている。このため、推定した電流値が、想定した速度と異なる場合、実際した電流値と実測値との間に誤差が生じる。
速度・位置推定部14は、式(3)の推定値と実測された電流値(i軸電流値、q軸電流値)を用いて、推定電流の誤差εを求める。
速度・位置推定部14は、推定電流の誤差εを用いて、次式(4)によってPI制御的に推定電流の誤差εを0に収束させ、回転速度(回転数)ω1を推定する。
なお、式(4)において、は、ω〜1は、回転速度(回転数)ω1の推定値を表す。また、k1、k2は、PI制御のI項ゲイン、P項ゲインである。
速度・位置推定部14は、式(4)を用いて、次式(5)によってロータの回転角度θ、すなわちロータの位置を推定する。
速度・位置推定部14は、式(4)を用いて、次式(5)によってロータの回転角度θ、すなわちロータの位置を推定する。
なお、式(5)において、は、θ〜は、回転角度θ(ロータの位置)の推定値を表す。
このように推定された回転速度(回転数)ω1の推定値が回転速度(回転数)ωeSである。また、回転角度θ(ロータの位置)の推定値が、回転角度θeSである。
なお、上述した回転速度(回転数)、回転角度(ロータの位置)の求め方は一例であり、これに限らない。
なお、上述した回転速度(回転数)、回転角度(ロータの位置)の求め方は一例であり、これに限らない。
以上のように、本実施形態の構成によれば、速度位置推定で生じる誤差、特に速度変動を低減することができる。速度変動が低減した結果、本実施形態によれば、負荷トルク補償部12で適切なトルクパターンを選択することができる。これにより、本実施形態によれば、軸ずれによる効率低下を防ぐことができ、モータ2によって発生する振動を抑制することができ、効率を向上させることができる。また、速度変動を低減することができるので、本実施形態によれば、アクティブトルク制御の制御量を低減することもできる。
<第2実施形態>
図6は、本実施形態におけるモータ制御装置の構成例を示すブロック図である。
図6に示すように、モータ制御装置1Aは、モータ2、交流電源3、インバータ4、電流センサ10、減算部11、負荷トルク補償部12(トルク制御部)、インダクタンス変更部13A、速度・位置推定部14A(位置推定部)、2相/3相変換部15、3相/2相変換部16A、および速度制御部20Aを備える。
また、速度制御部20Aは、速度PI制御部21(平均トルク計算部)、加算部22、電流変換部23A、減算部24、および電流PI制御部25を備える。
なお、モータ制御装置1と同じ機能を有する機能部には同じ符号を用いて、説明を省略する。
図6は、本実施形態におけるモータ制御装置の構成例を示すブロック図である。
図6に示すように、モータ制御装置1Aは、モータ2、交流電源3、インバータ4、電流センサ10、減算部11、負荷トルク補償部12(トルク制御部)、インダクタンス変更部13A、速度・位置推定部14A(位置推定部)、2相/3相変換部15、3相/2相変換部16A、および速度制御部20Aを備える。
また、速度制御部20Aは、速度PI制御部21(平均トルク計算部)、加算部22、電流変換部23A、減算部24、および電流PI制御部25を備える。
なお、モータ制御装置1と同じ機能を有する機能部には同じ符号を用いて、説明を省略する。
速度制御部20Aは、モータ2を制御するためのd軸電圧値vd、q軸電圧値vqを生成する。速度制御部20Aは、生成したd軸電圧値vd、q軸電圧値vqを、速度・位置推定部14Aと2相/3相変換部15に出力する。
電流変換部23Aは、加算部22が出力する加算トルクを電流に変換し、変換した電流指令値(d軸電流指令値id *、q軸電流指令値iq *)を、減算部24に出力する。また、電流変換部23Aは、q軸電流指令値iq *を、インダクタンス変更部13Aに出力する。
3相/2相変換部16Aは、電流センサ10が検出した3相の電流値を、速度・位置推定部14Aが出力するモータ2の回転角度θeSに応じて2相のd軸電流値id、q軸電流値iqに変換する。3相/2相変換部16Aは、変換したd軸電流値id、q軸電流値iqを、速度・位置推定部14Aと速度制御部20Aの減算部24に出力する。
インダクタンス変更部13Aは、インダクタンス記憶部131Aを備える。
インダクタンス記憶部131Aは、q軸電流指令値iq *とインダクタンスLqとの関係を、例えば表形式または数式で記憶する。または、インダクタンス記憶部131Aは、q軸電流指令値iq *とインダクタンスLq’との関係を、例えば表形式または数式で記憶する。ここで、インダクタンスLq’は、トルク軸磁束λqに対するq軸(トルク軸)電流iqの微分値dλq/diqである。
インダクタンス記憶部131Aは、q軸電流指令値iq *とインダクタンスLqとの関係を、例えば表形式または数式で記憶する。または、インダクタンス記憶部131Aは、q軸電流指令値iq *とインダクタンスLq’との関係を、例えば表形式または数式で記憶する。ここで、インダクタンスLq’は、トルク軸磁束λqに対するq軸(トルク軸)電流iqの微分値dλq/diqである。
インダクタンス変更部13Aは、電流変換部23が出力するq軸電流指令値iq *に対応するインダクタンスLq、Lq’の少なくとも1つをインダクタンス記憶部131Aが記憶する関係に基づいて求める。インダクタンス変更部13Aは、求めたインダクタンスLq、Lq’ の少なくとも1つを速度・位置推定部14Aに出力する。
速度・位置推定部14Aには、電流PI制御部25が出力するd軸電圧値vdと、q軸電圧値vqと、3相/2相変換部16Aが出力するd軸電流値idとが入力される。さらに、速度・位置推定部14Aには、q軸電流値iq、インダクタンス変更部13Aが出力するLq、Lq’ の少なくとも1つが入力される。速度・位置推定部14Aは、インダクタンス変更部13Aが出力するLq、Lq’の少なくとも1つに変更し、入力された値からモータ2のロータにおける回転速度(回転数)ωeSを推定し、推定した回転速度(回転数)ωeSを減算部11に出力する。速度・位置推定部14Aは、入力された値から、モータ2のロータにおける回転角度θeS(モータの回転位置)を推定し、推定した回転角度θeSを負荷トルク補償部12、2相/3相変換部15、および3相/2相変換部16Aに出力する。
本実施形態では、インダクタンス変更部13Aが、インダクタンス記憶部131Aが記憶する電流対インダクタンス(Lq、Lq’)特性を参照して、速度・位置推定に使用するトルク軸インダクタンスLqをトルク軸電流指令値iq *に合わせて変更する。具体的には、インダクタンス変更部13Aは、インダクタンス記憶部131Aが記憶する電流対インダクタンスLq’特性を参照して、電流変換部23が出力するトルク電流指令値iq *に対応するトルク軸インダクタンスLqとLq’の少なくとも1つを選択する。インダクタンス変更部13Aは、選択したトルク軸インダクタンスLqとLq’ の少なくとも1つを速度・位置推定部14Aに出力する。
なお、インダクタンス変更部13Aは、例えば電流検出に遅れがある場合に、トルク電流指令値iq *に対応するトルク軸インダクタンスLq、Lq’のうちの少なくとも1つを選択する。
ここで、インダクタンス変更部13Aが、電流値に応じて変更するトルク軸インダクタンスは、Lq、Lq’のうちの少なくとも1つ、両方であってもよい。これは、モータ制御装置1の仕様、モータ制御装置1を用いる装置の仕様に応じた値であればよい。
ここで、インダクタンス変更部13Aが、電流値に応じて変更するトルク軸インダクタンスは、Lq、Lq’のうちの少なくとも1つ、両方であってもよい。これは、モータ制御装置1の仕様、モータ制御装置1を用いる装置の仕様に応じた値であればよい。
モータ制御装置1Aの処理は、図5のステップS2において、インダクタンス変更部13Aが、電流変換部23が出力するq軸電流指令値iq *に対応するインダクタンスLq、Lq’の少なくとも1つをインダクタンス記憶部131Aが記憶する関係に基づいて求めることで、インダクタンスLqとLq’ の少なくとも1つを変更する。
以上のように、本実施形態の構成によれば、第1実施形態と同様に、速度位置推定で生じる誤差、特に速度変動を低減することができる。速度変動が低減した結果、本実施形態によれば、負荷トルク補償部12で適切なトルクパターンを選択することができる。これにより、本実施形態によれば、軸ずれによる効率低下を防ぐことができ、モータ2によって発生する振動を抑制することができ、効率を向上させることができる。また、速度変動を低減することができるので、本実施形態によれば、アクティブトルク制御の制御量を低減することもできる。
<第3実施形態>
第1実施形態では、インダクタンス変更部13が、トルク電流値iqに対応するインダクタンスLqまたはLq’を選択する例を説明し、第2実施形態では、トルク電流指令値iq *に対応するインダクタンスLqまたはLq’を選択する例を説明したが、これに限らない。
第1実施形態では、インダクタンス変更部13が、トルク電流値iqに対応するインダクタンスLqまたはLq’を選択する例を説明し、第2実施形態では、トルク電流指令値iq *に対応するインダクタンスLqまたはLq’を選択する例を説明したが、これに限らない。
第3実施形態のモータ制御装置1Aの構成は、第2実施形態と同じである。
インダクタンス変更部13Aは、所定期間におけるトルク電流指令値iq *の平均値を、例えばサンプリングタイミング毎に求め、求めたトルク電流指令値iq *の平均値に対応するインダクタンスLq、Lq’のうち少なくとも1つを選択する。なお、所定期間は、モータ2の1周以内である。
インダクタンス変更部13Aは、所定期間におけるトルク電流指令値iq *の平均値を、例えばサンプリングタイミング毎に求め、求めたトルク電流指令値iq *の平均値に対応するインダクタンスLq、Lq’のうち少なくとも1つを選択する。なお、所定期間は、モータ2の1周以内である。
なお、モータ制御装置1Aの処理は、図5のステップS2において、インダクタンス変更部13Aが、電流変換部23が出力するq軸電流指令値iq *の平均値に対応するインダクタンスLq、Lq’の少なくとも1つをインダクタンス記憶部131Aが記憶する関係に基づいて求めることで、インダクタンスLq、Lq’を変更する。
インダクタンス変更部13Aは、例えば速度変動の誤差を減らすことができれば位置誤差がある程度あってよい場合に、または計算量を減らしたい場合に、平均値に対応するインダクタンスLq、Lq’のうち少なくとも1つを選択する。
これにより、本実施形態によれば、さらに計算量を低減することができる。
これにより、本実施形態によれば、さらに計算量を低減することができる。
<第4実施形態>
本実施形態では、第1実施形態において速度を実測し、インダクタンス記憶部131が、d軸電流値iqに対する速度変動の誤差がなくなるように調整したインダクタンスLqまたはLq’の値を記憶する。
または、本実施形態では、第2、第3実施形態において速度を実測し、インダクタンス記憶部131Aが、d軸電流指示iq *に対する速度変動の誤差がなくなるように調整したインダクタンスLqまたはLq’の値を記憶する。
本実施形態では、第1実施形態において速度を実測し、インダクタンス記憶部131が、d軸電流値iqに対する速度変動の誤差がなくなるように調整したインダクタンスLqまたはLq’の値を記憶する。
または、本実施形態では、第2、第3実施形態において速度を実測し、インダクタンス記憶部131Aが、d軸電流指示iq *に対する速度変動の誤差がなくなるように調整したインダクタンスLqまたはLq’の値を記憶する。
なお、速度変動の誤差がなくなるように調整したインダクタンスLqとは、例えば、インバータ4の実機の特性(例えば出力誤差や遅れ)を加味した値であり、実測した速度に対応するインダクタンスである。
本実施形態では、第1実施形態の構成において、インダクタンス変更部13が、トルク電流値iqに対応する調整されたインダクタンスLqまたはLq’を選択する。
または、本実施形態では、第2実施形態の構成において、インダクタンス変更部13Aが、トルク電流指令値iq *に対応する調整されたインダクタンスLqまたはLq’を選択する。
または、本実施形態では、第3実施形態の構成において、インダクタンス変更部13Aが、所定期間におけるトルク電流指令値iq *の平均値を、例えばサンプリングタイミング毎に求め、求めたトルク電流指令値iq *の平均値に対応する調整されたインダクタンスLqまたはLq’を選択する。
または、本実施形態では、第2実施形態の構成において、インダクタンス変更部13Aが、トルク電流指令値iq *に対応する調整されたインダクタンスLqまたはLq’を選択する。
または、本実施形態では、第3実施形態の構成において、インダクタンス変更部13Aが、所定期間におけるトルク電流指令値iq *の平均値を、例えばサンプリングタイミング毎に求め、求めたトルク電流指令値iq *の平均値に対応する調整されたインダクタンスLqまたはLq’を選択する。
これにより、本実施形態によれば、インバータ4の実機の特性(例えば出力誤差や遅れ)が加味されるので、位置推定誤差や速度変動誤差を低減することができる。
なお、本発明における速度制御部20(または20A)、負荷トルク補償部12、インダクタンス変更部13(または13A)、速度・位置推定部14(または14A)の機能の全てまたは一部を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより速度制御部20(または20A)、負荷トルク補償部12、インダクタンス変更部13(または13A)、速度・位置推定部14(または14A)が行う処理の全てまたは一部を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータシステム」は、ホームページ提供環境(あるいは表示環境)を備えたWWWシステムも含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ(RAM)のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。
また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク(通信網)や電話回線等の通信回線(通信線)のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル(差分プログラム)であってもよい。
以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形および置換を加えることができる。
1,1A…モータ制御装置、2…モータ、3…交流電源、4…インバータ、10…電流センサ、11…減算部、12…負荷トルク補償部、13,13A…インダクタンス変更部、14,14A…速度・位置推定部、15…2相/3相変換部、16,16A…3相/2相変換部、20,20A…速度制御部、21…速度PI制御部、22…加算部、23,23A…電流変換部、24…減算部、25…電流PI制御部、121…トルクパターン記憶部、131,131A…インダクタンス記憶部
Claims (5)
- モータを目標速度で回転させるため、前記モータに供給する電流値を指令する速度制御部と、
前記モータに供給される電流値のうちトルク軸電流に関する情報に基づいて、前記モータのインダクタンスを変更するインダクタンス変更部と、
前記インダクタンス変更部が変更した前記インダクタンスを用いて、前記電流値から前記モータの回転位置を推定する位置推定部と、
前記モータの平均負荷トルクを算出する平均トルク計算部と、
前記モータの回転位置に応じて前記モータの出力トルクを変動させるための基準となる正規化トルクパターンを記憶したトルクパターン記憶部と、
前記平均負荷トルクと前記正規化トルクパターンの積により、前記モータの回転位置に応じて前記モータの出力トルクを変動させるための補償トルクパターンを生成し、前記モータに供給する電流値を補正するトルク制御部と、
を備えるモータ制御装置。 - 前記電流値のうちトルク軸電流に関する情報は、トルク軸電流値であり、
前記トルク軸電流値と前記インダクタンスとの対応関係を記憶するインダクタンス記憶部、を備え、
前記インダクタンス変更部は、前記トルク軸電流値に対応する、前記インダクタンス記憶部が記憶する前記インダクタンスに変更する、請求項1に記載のモータ制御装置。 - 前記電流値のうちトルク軸電流に関する情報は、トルク軸電流指示であり、
前記トルク軸電流指示と前記インダクタンスとの対応関係を記憶するインダクタンス記憶部、を備え、
前記インダクタンス変更部は、前記トルク軸電流指示に対応する、前記インダクタンス記憶部が記憶する前記インダクタンスに変更する、請求項1に記載のモータ制御装置。 - 前記電流値のうちトルク軸電流に関する情報は、トルク軸電流指示であり、
前記トルク軸電流指示と前記インダクタンスとの対応関係を記憶するインダクタンス記憶部、を備え、
前記インダクタンス変更部は、前記トルク軸電流指示の所定期間の平均値を求め、前記トルク軸電流指示の所定期間の前記平均値に対応する、前記インダクタンス記憶部が記憶する前記インダクタンスに変更する、請求項1に記載のモータ制御装置。 - モータ制御装置のモータ制御方法であって、
速度制御部が、モータを目標速度で回転させるため、前記モータに供給する電流値を指令する手順と、
インダクタンス変更部が、前記モータに供給される電流値のうちトルク軸電流に関する情報に基づいて、前記モータのインダクタンスを変更する手順と、
位置推定部が、前記インダクタンス変更部が変更した前記インダクタンスを用いて、前記電流値から前記モータの回転位置を推定する手順と、
平均トルク計算部が、前記モータの平均負荷トルクを算出する手順と、
トルク制御部が、前記モータの回転位置に応じて前記モータの出力トルクを変動させるための基準となる正規化トルクパターンと、前記平均負荷トルクとの積により、前記モータの回転位置に応じて前記モータの出力トルクを変動させるための補償トルクパターンを生成し、前記モータに供給する電流値を補正する手順と、
を含むモータ制御方法。
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WO2023073994A1 (ja) * | 2021-11-01 | 2023-05-04 | 三菱電機株式会社 | 電動機駆動装置および冷凍サイクル適用機器 |
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EP3525338A1 (en) | 2019-08-14 |
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