JP2019532609A - 永久磁石同期電動機用の閉ループ磁束弱化 - Google Patents

Abstract

閉ループ磁束弱化の方法及び装置が提供される。閉ループ磁束弱化の装置は、ｑ軸基準電圧とｑ軸電圧との差を得る差分回路と、ｑ軸基準電圧とｑ軸電圧との差を電動機の固定子のｄ軸電流に変換する制御器と、電動機の固定子のｄ軸電流と電動機の固定子のフィード・フォワードｄ軸電流とを合計することによってｄ軸基準電流を得る加算回路とを含むことができる。

Description

本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている、２０１６年１０月２５日に出願した米国特許出願第１５／３３３，２４９号の利益を主張する。

本開示は、一般に、閉ループ磁束弱化の方法及び装置に関し、より詳しくは、永久磁石同期電動機に省エネルギーをもたらす閉ループ磁束弱化の方法及び装置に関する。

R. Krishnan、PMSM Flux Weakening Operation, Permanent Magnet Synchronous and Brushless DC Motor Drives、CRC 2010(http ://www. eecs.ucf. edu/~tomwu/course/eel6208/notes/27%20PMSM%20Flux%20Weakening %20Operation.pdf)

永久磁石同期電動機（ＰＭＳＭ：ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ）は、洗濯機、電気自動車、冷蔵庫、及び空気圧縮機などの様々なデバイスに使用される。これらの適用例の多くは、ＰＭＳＭが公称速度を超えて動作することを必要とし、公称速度は、長時間にわたって磁束弱化なしの電圧によって制限される電動機の最高速度である。公称速度を超えて動作させることは、電動機が非効率的な磁束弱化帯又は界磁弱化帯で動作することを必要とする。

電動機を磁束弱化帯で制御するための複数の解決策が提案されている。図１は、ＰＭＳＭ用制御回路の構成図を示す。図１を参照すると、ｄ軸基準電流Ｉ_ｄｒｅｆ１００が、電動機１１０の動作を制御するための回路の一部としての第１の差分回路１０５に入力される。ｄ軸基準電流Ｉ_ｄｒｅｆは、様々なやり方で求めることができる。例えば、ｄ軸基準電流Ｉ_ｄｒｅｆは、様々な電動機速度に対するｄ軸基準電流Ｉ_ｄｒｅｆを提供するルックアップ・テーブル（ＬＵＴ：ｌｏｏｋｕｐ ｔａｂｌｅ）を使用して求めることができる。しかし、この方法は、ＬＵＴを生成するために電動機を異なる速度で動作させて、ｄ軸基準電流Ｉ_ｄｒｅｆを求めることを必要とする。さらに、制御すべき異なる種類の電動機ごとに異なるＬＵＴが必要とされる。

ＬＵＴの代替として、ｄ軸基準電流Ｉ_ｄｒｅｆは、参照により本明細書に組み込まれている、R. Krishnan、PMSM Flux Weakening Operation, Permanent Magnet Synchronous and Brushless DC Motor Drives、CRC 2010(http ://www. eecs.ucf. edu/~tomwu/course/eel6208/notes/27%20PMSM%20Flux%20Weakening %20Operation.pdf)に説明されているように、開ループ方程式を使用して求めることができる。しかし、開ループ方式においては、計算されたｄ軸基準電流Ｉ_ｄｒｅｆが正確であるかどうかは示されない。

さらに別の代替として、ｄ軸基準電流Ｉ_ｄｒｅｆを求めるために閉ループ系を使用することができる。そのような閉ループ系の多くは、ｄ軸基準電流Ｉ_ｄｒｅｆを計算するために任意のフィード・フォワード入力なしで電動機の最大電圧Ｖ^２ _ｍａｘを使用する。しかし、この方式は、電動機の変動に基づいて制御器を調整するために著しい労力を必要とする。したがって、著しい手動調整を必要とすることなくｄ軸基準電流Ｉ_ｄｒｅｆを正確に求める、改善された制御回路が必要とされる。さらに、ｄ軸基準電流Ｉ_ｄｒｅｆを計算するのにフィード・フォワード入力を使用しないＬＵＴ、開ループ方程式、及び閉ループ系は、効率を制限しており、したがって、より効率の良い制御回路が必要とされる。

１つ又は複数の例示的な実施例の態様によれば、電動機を制御するために使用される基準電流を生成するための装置が提供される。装置は、ｑ軸基準電圧とｑ軸電圧との差を得る差分回路と、ｑ軸基準電圧とｑ軸電圧との差を電動機の固定子のｄ軸電流に変換する制御器と、電動機の固定子の増分ｄ軸電流と電動機の固定子のフィード・フォワードｄ軸電流とを合計することによってｄ軸基準電流を得る加算回路とを含むことができる。

ｑ軸基準電圧、Ｖ_ｑｒｅｆは、

の方程式に基づいて求めることができ、

は電動機に印加することができる最大電圧の二乗であり、

は電動機のｄ軸電圧の二乗である。

電動機の固定子のフィード・フォワードｄ軸電流、Ｉ_{ｄｓ＿ｆｅｅｄｆｗ}は、

の方程式に基づいて求めることができ、
ｒ_ｓは電動機の固定子抵抗であり、ｉ_ｑｒｅｆはｑ軸基準電流であり、Ｌ_ｑｓは電動機の固定子のｑ軸インダクタンスであり、

は時間に対するｑ軸基準電流の導関数であり、Ｅは電動機の逆起電力であり、ωは電動機の電気速度であり、Ｌ_ｄｓは電動機の固定子のｄ軸インダクタンスである。実際には、適用例に応じて、

及びＥを求めるのに低域デジタル・フィルタを使用することができる。

差分回路は、ｑ軸基準電圧を差分回路の正入力において受け取り、ｑ軸電圧を差分回路の負入力において受け取ることができる。

１つ又は複数の例示的な実施例の別の態様によれば、電動機を制御するために使用される基準電流を生成するための装置が提供される。装置は、ｑ軸基準電圧とｑ軸電圧との差を得る差分回路と、ｑ軸基準電圧とｑ軸電圧との差を電動機の固定子の増分ｑ軸電圧に変換する制御器と、電動機の固定子のｑ軸電圧を電動機の固定子の増分ｄ軸電流に変換するゲートと、電動機の固定子のｄ軸電流と電動機の固定子のフィード・フォワードｄ軸電流とを合計することによってｄ軸基準電流を得る加算回路とを含むことができる。

１つ又は複数の例示的な実施例の別の態様によれば、電動機を制御するために使用される基準電流を生成するための方法が提供される。方法は、ｑ軸基準電圧と電動機のｑ軸電圧との差を得ることと、ｑ軸基準電圧とｑ軸電圧との差を電動機の固定子のｄ軸電流に変換することと、電動機の固定子の増分ｄ軸電流と電動機の固定子のフィード・フォワードｄ軸電流とを合計することによってｄ軸基準電流を求めることとを含むことができる。

１つ又は複数の例示的な実施例による、ＰＭＳＭ用制御回路を示す構成図である。 例示的な実施例による、ｄ軸基準電流Ｉ_ｄｒｅｆを求めるための閉ループ磁束弱化回路を示す図である。 １つ又は複数の例示的な実施例による、ＰＭＳＭ用制御回路を示す構成図である。 別の例示的な実施例による、ｄ軸基準電流Ｉ_ｄｒｅｆを求めるための閉ループ磁束弱化回路を示す図である。

次に、同じ参照番号が全体を通して同じ要素を表す添付の図面に示す、以下の例示的な実施例を詳細に参照する。例示的な実施例は、本明細書に記載する例示的な実施例に限定されることなく、様々な形態で具現化することができる。周知部分の説明は、明確にするために省略する。

図２は、例示的な実施例による、ｄ軸基準電流Ｉ_ｄｒｅｆを求めるための閉ループ磁束弱化回路を示す。図１及び２を参照すると、ｑ軸基準電圧Ｖ_ｑｒｅｆ及びｑ軸電圧Ｖ_ｑが差分回路２００に入力され、差分回路２００は、ｑ軸基準電圧Ｖ_ｑｒｅｆとｑ軸電圧Ｖ_ｑとの差をＰＩ制御器２０５に出力する。ＰＩ制御器２０５は、当技術分野で周知であるＰＩ制御器でもよく、その機能の説明は、本開示の他の態様をあいまいにするのを避けるために、ここでは省略する。ＰＩ制御器２０５は、ｑ軸基準電圧Ｖ_ｑｒｅｆとｑ軸電圧Ｖ_ｑとの差を受け取り、電動機の固定子の補正ｄ軸電流、Ｉ_{ｄｓ＿ｃｏｒｒ}を出力する。加算回路２１０が、補正ｄ軸固定子電流Ｉ_{ｄｓ＿ｃｏｒｒ}を受け取り、それを固定子のフィード・フォワードｄ軸電流、Ｉ_{ｄｓ＿ｆｅｅｄｆｗ}に加えて、ｄ軸基準電流Ｉ_ｄｒｅｆを得る。図１を参照すると、図２の例示的な回路によって求めたｄ軸基準電流Ｉ_ｄｒｅｆをｄ軸基準電流Ｉ_ｄｒｅｆ１００として第１の差分回路１０５に入力することができる。

ｑ軸基準電圧Ｖ_ｑｒｅｆは、

の方程式を使用して得ることができる。

方程式１において、

は電動機に印加することができる最大電圧の二乗を表し、

はｄ軸電圧の二乗である。ｑ軸基準電圧Ｖ_ｑｒｅｆが既知になると、固定子のフィード・フォワードｄ軸電流、Ｉ_{ｄｓ＿ｆｅｅｄｆｗ}は、

の方程式（２）に基づいて求めることができる。

方程式２において、ｒ_ｓは電動機の固定子抵抗を表し、ｉ_ｑｒｅｆはｑ軸基準電流を表し、Ｌ_ｑｓは電動機の固定子のｑ軸インダクタンスを表し、

は時間に対するｑ軸基準電流の導関数を表し、Ｅは電動機の逆起電力（ＥＭＦ）を表し、ωは電動機の電気速度を表し、Ｌ_ｄｓは電動機の固定子のｄ軸インダクタンスを表す。実際には、適用例に応じて、

及びＥを求めるのに低域デジタル・フィルタを使用することができる。

図１を再度参照すると、第２の差分回路１１５が、電動機の基準速度ω_ｒｅｆ及び電動機の測定速度ωを受け取り、２つの信号の差をＰＩ制御器１２０に出力する。ＰＩ制御器１２０は、ｑ軸基準電流ｉ_ｑｒｅｆを出力し、それは方程式２の固定子のフィード・フォワードｄ軸電流、Ｉ_{ｄｓ＿ｆｅｅｄｆｗ}を計算するのに使用される。第３の差分回路１２５が、ｑ軸基準電流ｉ_ｑｒｅｆ及び電動機のｑ軸電流ｉ_ｑを受け取り、その差を出力する。上記に説明したように、ｄ軸基準電流Ｉ_ｄｒｅｆ１００は、第１の差分回路１０５に入力され、第１の差分回路１０５は、ｄ軸基準電流Ｉ_ｄｒｅｆ１００と電動機のｄ軸電流ｉ_ｄとの差を出力する。

ＰＩ制御器１３０は、ｑ軸基準電流ｉ_ｑｒｅｆと第３の差分回路１２５によって出力された電動機のｑ軸電流ｉ_ｑとの差を受け取る。ＰＩ制御器１３０は、ｑ軸電圧Ｖ_ｑを出力し、それは図２の差分回路２００に入力される。ＰＩ制御器１３５は、第１の差分回路１０５によって出力されたｄ軸基準電流Ｉ_ｄｒｅｆ１００と電動機のｄ軸電流ｉ_ｄとの差を受け取る。ＰＩ制御器１３５は、ｄ軸電圧Ｖ_ｄを出力し、それは方程式１のｑ軸基準電圧Ｖ_ｑｒｅｆを計算するのに使用される。ｑ軸電圧Ｖ_ｑ及びｄ軸電圧Ｖ_ｄは、第１の変換器１４０に入力され、第１の変換器１４０は、電動機１１０の回転子の位置を表す角度θを使用して、ｑ軸電圧Ｖ_ｑ及びｄ軸電圧Ｖ_ｄをそれぞれＶ_α及びＶ_βに変換する。空間ベクトル変調器１４５は、電圧信号Ｖ_α及びＶ_βを三相電圧信号Ｖ_ａ、Ｖ_ｂ、及びＶ_ｃにさらに変換し、三相電圧信号Ｖ_ａ、Ｖ_ｂ、及びＶ_ｃは三相ブリッジ１５０に入力される。三相ブリッジ１５０は、三相電流ｉ_ａ、ｉ_ｂ、及びｉ_ｃを出力し、三相電流ｉ_ａ、ｉ_ｂ、及びｉ_ｃは電動機１１０によって受け取られる。三相電流ｉ_ａ、ｉ_ｂ、及びｉ_ｃは、三相電流ｉ_ａ、ｉ_ｂ、及びｉ_ｃを電流信号ｉ_α及びｉ_βに変換する第２の変換器１５５に入力される。電流信号ｉ_α及びｉ_βは、第３の変換器１６０に入力され、第３の変換器１６０は、回転子の位置θに基づいて電流信号ｉ_α及びｉ_βをｑ軸電流ｉ_ｑ及びｄ軸電流ｉ_ｄに変換する。ｑ軸電流ｉ_ｑ及びｄ軸電流ｉ_ｄは、それぞれ、第３の差分回路１２５及び第１の差分回路１０５に入力される。位置決め及び速度検出回路１６５は、電動機１１０に結合され、電動機１１０の速度及び回転子の位置を監視する。位置決め及び速度検出回路１６５は、電動機の速度ωを第２の差分回路１１５に、及び回転子の位置θを第１及び第３の変換器１４０及び１６０に出力する。位置決め及び速度検出回路１６５は、エンコーダ又はレゾルバなどのハードウェア・ベースでもよく、或いは速度及び角度推定器などのソフトウェア・ベースでもよい。

図３は、１つ又は複数の例示的な実施例による、ＰＭＳＭ用制御回路の構成図を示す。図３に示す制御回路は、図１に示す制御回路と同様であり、したがって、冗長性を避けるために図１との違いだけをここに説明する。図３を参照すると、例示的な実施例による制御回路は、図２に示す制御回路を含むことができる閉ループ磁束弱化回路３００を含むことができる。閉ループ磁束弱化回路３００は、ｄ軸基準電流Ｉ_ｄｒｅｆを生成するためにｑ軸基準電流ｉ_ｑｒｅｆ及びｄ軸電圧Ｖ_ｄを入力として受け取る。さらに、図１の位置決め及び速度検出回路１６５と同様に、図３の位置及び速度検出回路３６５は、電動機の速度ω及び回転子の位置θを出力するが、ＥＭＦ Ｅも出力して返し、それは閉ループ磁束弱化回路３００に入力され、ｄ軸基準電流Ｉ_ｄｒｅｆを求めるのに使用される。

図４は、１つ又は複数の例示的な実施例による、閉ループ磁束弱化回路を示す。図４を参照すると、ｑ軸基準電圧Ｖ_ｑｒｅｆ及びｑ軸電圧Ｖ_ｑが、差分回路４００に入力され、差分回路４００は、ｑ軸基準電圧Ｖ_ｑｒｅｆとｑ軸電圧Ｖ_ｑとの差をＰＩ制御器４０５に出力する。これは、ｑ軸基準電圧Ｖ_ｑｒｅｆが差分回路４００の負端子に入力され、ｑ軸電圧Ｖ_ｑが差分回路４００の正端子に入力されることを除いて、図２に示す例示的な回路と同様である。ＰＩ制御器４０５は、ｑ軸基準電圧Ｖ_ｑｒｅｆとｑ軸電圧Ｖ_ｑとの差を受け取り、定常状態に近い、固定子の補正ｑ軸電圧

を出力する。定常状態に近い、固定子の補正ｑ軸電圧

は、ゲートＫ４１０によって受け取られ、ゲートＫ４１０は、固定子の補正ｄ軸電流Ｉ_{ｄｓ ｃｏｒｒ}を得るために、定常状態に近い、固定子の補正ｑ軸電圧

をωとＬ_ｄｓとの積で除算し、その場合、ωは電動機の電気速度を表し、Ｌ_ｄｓは電動機の固定子のｄ軸インダクタンスを表す。したがって、閉ループ磁束弱化回路の線形プラント伝達関数は、方程式３において

として与えられる。

方程式３において、

は、定常状態に近い、固定子における摂動ｄ軸電流を表す。図４の構成において、プラント伝達関数は、ユニティ・ゲインを有し、それにより、閉ループフィード・フォワード回路は、制御回路の最小調整を用いて制御回路の一部として様々な電動機に使用されることが可能になる。図４をさらに参照すると、加算回路４１５が、補正ｄ軸固定子電流Ｉ_{ｄｓ＿ｃｏｒｒ}を受け取り、それを固定子のフィード・フォワードｄ軸電流、Ｉ_{ｄｓ ｆｅｅｄｆｗ}に加えて、ｄ軸基準電流Ｉ_ｄｒｅｆを得る。図４に示す閉ループ磁束弱化回路は、図３に示す閉ループ磁束弱化回路３００として使用することができる。或いは、図２に示す閉ループ磁束弱化回路は、図３に示す閉ループ磁束弱化回路３００として使用することができる。

本明細書に説明した例示的な閉ループ磁束弱化回路は、ハードウェア及び／又はソフトウェアで具現化することができる。例えば、例示的な実施例の閉ループ磁束弱化回路は、アドレス可能な記憶媒体に常駐するように、及び１つ又は複数のプロセッサ上で実行するように構成することができる。例示的な実施例は、実例として、ソフトウェア構成要素、オブジェクト指向ソフトウェア構成要素、クラス構成要素及びタスク構成要素、プロセス、関数、属性、手続き、サブルーチン、プログラム・コードのセグメント、ドライバ、ファームウェア、マイクロコード、回路、データ、データベース、データ構造、テーブル、アレイ、変数などの構成要素を含むことができる。

本開示の発明概念をその例示的な実施例に対して説明し、示してきたが、本開示の発明概念は、本明細書に開示した例示的な実施例に限定されず、発明概念の範囲から逸脱することなくそれにおいて変更を加えることができる。

Claims (13)

1. 電動機を制御するために使用される基準電流を生成するための装置であって、
   ｑ軸基準電圧とｑ軸電圧との差を得る差分回路と、
   前記ｑ軸基準電圧と前記ｑ軸電圧との前記差を前記電動機の固定子の補正ｄ軸電流に変換する制御器と、
   前記電動機の前記固定子のｄ軸電流と前記電動機の前記固定子のフィード・フォワードｄ軸電流とを合計することによってｄ軸基準電流を得る加算回路と
   を備える、装置。
2. 前記ｑ軸基準電圧、Ｖ_ｑｒｅｆが、
   
   の方程式に基づいて求められ、
   
   が、前記電動機に印加することができる最大電圧の二乗であり、
   
   が、前記電動機のｄ軸電圧の二乗である、請求項１に記載の装置。
3. 前記電動機の前記固定子の前記フィード・フォワードｄ軸電流、Ｉ_{ｄｓ＿ｆｅｅｄｆｗ}が、
   
   の方程式に基づいて求められ、
   ｒ_ｓが前記電動機の固定子抵抗であり、
   ｉ_ｑｒｅｆがｑ軸基準電流であり、
   Ｌ_ｑｓが前記電動機の前記固定子のｑ軸インダクタンスであり、
   
   が時間に対する前記ｑ軸基準電流の導関数であり、
   Ｅが前記電動機の逆起電力であり、
   ωが前記電動機の電気速度であり、
   Ｌ_ｄｓが前記電動機の前記固定子の前記ｄ軸インダクタンスである、請求項１に記載の装置。
4. 前記差分回路が、前記ｑ軸基準電圧を前記差分回路の正入力において受け取り、前記ｑ軸電圧を前記差分回路の負入力において受け取る、請求項１に記載の装置。
5. 電動機を制御するために使用される基準電流を生成するための装置であって、
   ｑ軸基準電圧とｑ軸電圧との差を得る差分回路と、
   前記ｑ軸基準電圧と前記ｑ軸電圧との前記差を前記電動機の固定子の補正ｑ軸電圧に変換する制御器と、
   前記電動機の前記固定子の前記補正ｑ軸電圧を前記電動機の固定子のｄ軸電流に変換するゲートと、
   前記電動機の前記固定子の前記ｄ軸電流と前記電動機の前記固定子のフィード・フォワードｄ軸電流とを合計することによってｄ軸基準電流を得る加算回路と
   を備える、装置。
6. 前記ｑ軸基準電圧、Ｖ_ｑｒｅｆが
   
   の方程式に基づいて求められ、
   
   が前記電動機の最大電圧の二乗であり、
   
   が前記電動機のｄ軸電圧の二乗である、請求項５に記載の装置。
7. 前記電動機の前記固定子の前記フィード・フォワードｄ軸電流、I_{ｄｓ ｆｅｅｄｆｗ}が、
   
   の方程式に基づいて求められ、
   ｒ_ｓが前記電動機の固定子抵抗であり、
   ｉ_ｑｒｅｆがｑ軸基準電流であり、
   Ｌ_ｑｓが前記電動機の前記固定子のｑ軸インダクタンスであり、
   
   が時間に対する前記ｑ軸基準電流の導関数であり、
   Ｅが前記電動機の逆起電力であり、
   ωが前記電動機の電気速度であり、
   Ｌ_ｄｓが前記電動機の前記固定子の前記ｄ軸インダクタンスである、請求項５に記載の装置。
8. 前記差分回路が、前記ｑ軸基準電圧を前記差分回路の負入力において受け取り、前記ｑ軸電圧を前記差分回路の正入力において受け取る、請求項５に記載の装置。
9. 前記ゲートが、前記電動機の前記固定子の前記ｑ軸電圧を前記電動機の電気速度と前記電動機の前記固定子のｄ軸インダクタンスとの積で除算することによって、前記電動機の前記固定子の前記ｑ軸電圧を前記電動機の固定子のｄ軸電流に変換する、請求項５に記載の装置。
10. 電動機を制御するために使用される基準電流を生成するための方法であって、
    ｑ軸基準電圧と前記電動機のｑ軸電圧との差を得ることと、
    前記ｑ軸基準電圧と前記ｑ軸電圧との前記差を前記電動機の固定子のｄ軸補正電流に変換することと、
    前記電動機の前記固定子の前記ｄ軸電流と前記電動機の前記固定子のフィード・フォワードｄ軸電流とを合計することによってｄ軸基準電流を求めることと
    を含む、方法。
11. 前記ｑ軸基準電圧と前記ｑ軸電圧との前記差を前記電動機の固定子のｄ軸電流に前記変換することが、
    前記ｑ軸基準電圧と前記ｑ軸電圧との前記差を前記電動機の前記固定子のｑ軸電圧に変換することと、
    前記電動機の固定子の前記ｑ軸電圧を前記電動機の前記固定子のｄ軸電流に変換することとを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記ｑ軸基準電圧、Ｖ_ｑｒｅｆを
    
    の方程式に基づいて求めることをさらに含み、
    
    が前記電動機の最大電圧の二乗であり、
    
    が前記電動機のｄ軸電圧の二乗である、請求項１０に記載の方法。
13. 前記電動機の前記固定子の前記フィード・フォワードｄ軸電流、I_{ｄｓ_ｆｅｅｄｆｗ}を
    
    の方程式に基づいて求めることをさらに含み、
    ｒ_ｓが前記電動機の固定子抵抗であり、
    ｉ_ｑｒｅｆがｑ軸基準電流であり、
    Ｌ_ｑｓが前記電動機の前記固定子のｑ軸インダクタンスであり、
    
    が時間に対する前記ｑ軸基準電流の導関数であり、
    Ｅが前記電動機の逆起電力であり、
    ωが前記電動機の電気速度であり、
    Ｌ_ｄｓが前記電動機の前記固定子の前記ｄ軸インダクタンスである、請求項１０に記載の方法。