JP2021016294A - 同期モータをベクトル制御するモータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高速回転域でも、高応答で安定な同期モータのベクトル制御を実現する。【解決手段】同期モータのベクトル制御装置であって、電流フィードバック部においてｄ軸電流偏差Δｉｄに応じてｑ軸電圧を補正する手段とｑ軸電流偏差Δｉｑに応じてｄ軸電圧を補正する手段を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、同期モータをベクトル制御するモータ制御装置に関し、特に、電流の指令値に測定値を追従させるための電流フィードバックを有するモータ制御装置に関する。

一般に、同期モータをベクトル制御するモータ制御装置においては、回転座標系であるｄ軸及びｑ軸それぞれにおいて電流フィードバックを行う。すなわち、ｄ軸電流指令値とｄ軸電流検出値とに応じてｄ軸電圧指令値（ｄ軸操作量）を演算し、ｑ軸電流指令値とｑ軸電流検出値とに応じてｑ軸電圧指令値（ｑ軸操作量）を演算する。

例えば特許文献１の制御では、ｄ軸ｑ軸それぞれの検出電流に応じて、ｄ軸ｑ軸それぞれの電圧指令が生成される（特許文献１の段落００１６参照）。

特開２０１８−１９１４９２号公報

モータ回転速度が極低速では、ｄ軸電圧を上げればｄ軸電流が上がり、ｑ軸電圧を上げればｑ軸電流が上がり、従来制御のフィードバックが直接機能する。しかしながら、モータ回転速度が上昇するにつれて、ｄ軸電圧を上げるとｑ軸電流が下がり、ｑ軸電圧を上げるとｄ軸電流が上がる効果が生じる。従って、モータ回転速度が高くなると、従来制御では、応答性の悪化や電流振動などが生じやすくなる問題があった。

本発明はこの課題を解決するためになされたものであり、モータ回転速度が高速の領域であっても、高応答で安定に電流を制御可能な同期モータのベクトル制御装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するために、
本発明の第１の態様は、同期モータをベクトル制御するモータ制御装置であって、
前記同期モータへ供給する電流の検出値をｄ軸電流値（ｉｄ）及びｑ軸電流値（ｉｑ）へ変換するｕｖｗ／ｄｑ変換部と、
前記ｄ軸電流値及びｑ軸電流値を用いた電流フィードバックによって、ｄ軸電圧指令値（ｖｄ）及びｑ軸電圧指令値（ｖｑ）を演算するフィードバック部と、
を備え、
前記フィードバック部は、
ｑ軸電流指令値と前記ｑ軸電流値とに基づき演算したｑ軸補正値に応じたｄ軸電圧指令値を演算する第１処理部と、
ｄ軸電流指令値と前記ｄ軸電流値とに基づき演算したｄ軸補正値に応じたｑ軸電圧指令値を演算する第２処理部と、
を含むことを特徴とする。

本発明の第１の態様によれば、
ｄ軸電圧変化によるｑ軸電流への影響と、ｑ軸電圧変化によるｄ軸電流への影響と、を、正しく考慮することができるので、高応答で安定に電流を制御することができる。

本発明の第１の態様において、
前記フィードバック部は、前記第１処理部と、前記第２処理部とに加え、前記ｄ軸補正値に応じたｄ軸電圧指令値を演算する第３処理部と、前記ｑ軸補正値に応じたｑ軸電圧指令値を演算する第４処理部と、を含むことができ、前記第１から第４の各処理部は、後述の（６）〜（９）式により演算することができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様において、
前記フィードバック部と並列にフィードフォワード部を有し、前記フィードフォワード部では、前記ｑ軸電流指令値に基づくｄ軸電圧指令値を演算する第５処理部と、前記ｄ軸電流指令値に基づくｑ軸電圧指令値を演算する第６処理部と、前記ｄ軸電流指令値に基づくｄ軸電圧指令値を演算する第７処理部と、前記ｑ軸電流指令値に基づくｑ軸電圧指令値を演算する第８処理部と、を含む。

本発明の第２の態様によれば、フィードフォワードにおいても、ｄ軸及びｑ軸の電圧変化に対する、ｄ軸及びｑ軸の電流への影響を正しく考慮することができ、高応答で精度良く電流を制御することができる。

本発明の第２の態様において、前記第５から第８の各処理部は、後述の（１０）〜（１３）式により演算することができる。

本発明によれば、モータ回転速度が高速であっても、高応答で安定に電流制御可能な同期モータのベクトル制御モータ制御装置を実現することができる。

第１実施形態の同期モータをベクトル制御するモータ制御装置における概略の全体構成を示すブロック線図である。 第２実施形態の同期モータをベクトル制御するモータ制御装置における概略の全体構成を示すブロック線図である。 従来技術によるシミュレーションにおける電流のステップ応答を示すグラフである。 第２実施形態によるシミュレーションにおける電流のステップ応答を示すグラフである。 従来技術による実機試験における電流のステップ応答を示すグラフである。 第２実施形態による実機試験における電流のステップ応答を示すグラフである。

本発明の好適な複数の実施形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、以下に述べる実施形態は本発明を適用した形態の例であって、本発明が本実施形態の内容により限定されることはない。

（第１実施形態）
以下、本発明を適用した一実施形態に係わる同期モータをベクトル制御するモータ制御装置について説明する。図１は、第１実施形態の同期モータのベクトル制御装置における概略の全体構成を示すブロック図であり、電流指令変換部３０４と、フィードバック部１００と、電圧補正部２００と、１対の加算部３０６ａ、３０６ｂと、ｄｑ／ｕｖｗ変換部３０１と、インバータ部３０２と、電流検知部３０５と、モータ１０と、ｕｖｗ／ｄｑ変換部３０３とを含む構成が示されている。

図１において、電流指令変換部３０４は、回転座標系であるｄ軸及びｑ軸の電流参照値ｉｄ＿ｒｅｆ、ｉｑ＿ｒｅｆを生成する。ｄ軸及びｑ軸の電流参照値の生成においては、ｄ軸及びｑ軸の電流指令値の入力からｄ軸及びｑ軸の電流値検出までのプロセス時間を補償するため、規範応答３０４ａ及び３０４ｂを設けている。

フィードバック部１００は、１対の減算部１０５ａ、１０５ｂと、１対のＰＩ制御部１０６ａ、１０６ｂと、第１処理部１０１、第２処理部１０２、第３処理部１０３、第４処理部１０４と、１対の加算部１０７ａ、１０７ｂとによって構成される。減算部１０５ａ、１０５ｂは、電流指令変換部３０４から出力される上記電流参照値ｉｄ＿ｒｅｆ、ｉｑ＿ｒｅｆから、後述のｕｖｗ／ｄｑ変換部３０３から出力されるｄ軸及びｑ軸の電流値ｉｄ、ｉｑをそれぞれ減算し、電流偏差Δｉｄ、Δｉｑを出力する。ＰＩ制御部１０６ａ、１０６ｂは、周知の関係式を用いてＰＩ制御を実行し、補正値ｖｄ＿ａ、ｖｑ＿ａを出力する。第１処理部１０１、第２処理部１０２、第３処理部１０３、第４処理部１０４と、１対の加算部１０７ａ、１０７ｂは、後述する関係式に基づき演算し、フィードバックによる電圧指令値（操作量）ｖｄ＿ｂ、ｖｑ＿ｂを出力する。

電圧補正部２００は、誘起電圧などに基づく電圧指令値ｖｄ＿ｆ、ｖｑ＿ｆを出力する。１対の加算部３０６ａ、３０６ｂは、前記フィードバックによる電圧指令値ｖｄ＿ｂ、ｖｑ＿ｂと、前記誘起電圧などに基づく電圧指令値ｖｄ＿ｆ、ｖｑ＿ｆとをそれぞれ加算し最終的な電圧指令値ｖｄ、ｖｑを出力する。

ｄｑ／ｕｖｗ変換部３０１は、回転座標系のｄ軸及びｑ軸の電圧指令値ｖｄ、ｖｑを座標変換し、３相交流の電圧指令値ｖｕ、ｖｖ、ｖｗを出力する。

インバータ３０２は、ｄｑ／ｕｖｗ変換部３０１から出力される電圧指令値ｖｕ、ｖｖ、ｖｗに基づき、モータ１０を駆動するための３相交流の電圧を出力する。

電流検知部３０５は、インバータ３０２からモータ１０に流れる３相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを検知する。ｉｕ＋ｉｖ＋ｉｗ＝０となる関係があるため、３相電流の任意の２つの電流値だけの検知でもかまわない。

ｕｖｗ／ｄｑ変換部３０３は、電流検知部３０５で検知された３相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを座標変換し、回転座標系であるｄ軸及びｑ軸の電流値ｉｄ、ｉｑを出力する。

次に、図１のフィードバック部１００における、第１処理部１０１、第２処理部１０２、第３処理部１０３、第４処理部１０４と、１対の加算部１０７ａ、１０７ｂについて説明する。一般に、同期モータのベクトル制御に関する電圧方程式は、次の（１）式で表すことができる。

ここで、ｖｄ、ｖｑはｄ軸及びｑ軸電圧、ｉｄ、ｉｑはｄ軸及びｑ軸電流、Ｒは電機子巻線抵抗、Ｌｄ、Ｌｑはｄ軸及びｑ軸インダクタンス、ωｅは電気角速度、ｓは微分演算子、Ψａは電機子鎖交磁束である。

（１）式より、ｄ軸及びｑ軸の電流変化Δｉｄ及びΔｉｑに対する、ｄ軸及びｑ軸の電圧変化Δｖｄ及びΔｖｑの関係式は、次の（２）式で表すことができる。

また、ＰＩ制御部１０６ａ、１０６ｂをそれぞれ伝達関数Ｇｄ（ｓ）、Ｇｑ（ｓ）で表すと、次の（３）式で表すことができる。

従来制御では、ｖｄ＿ａ、ｖｑ＿ａをそのままｄ軸及びｑ軸の電圧指令値としている。しかし、式（２）からわかるように、高回転速度になりωｅが大きくなると行列の非対角成分が主体的になり、（３）式は理論に合わなくなることが明確である。そこで、（３）式に（２）式の行列を乗算し、（４）式のようにすると、高回転速度になっても（２）式の関係が保たれる。

従って、（４）式から微分演算を省略することにより、ｖｑ＿ａを入力とし（６）式によりｖｄ＿ｂｑを求める第１処理部１０１、ｖｄ＿ａを入力とし（７）式によりｖｑ＿ｂｄを求める第２処理部１０２、ｖｄ＿ａを入力とし（８）式によりｖｄ＿ｂｄを求める第３処理部１０３、及びｖｑ＿ａを入力とし（９）式によりｖｑ＿ｂｑを求める第４処理部１０４を用意すれば、ｄ軸の電圧指令値ｖｄ＿ｂをｖｄ＿ｂｄとｖｄ＿ｂｑの和として、ｑ軸の電圧指令値ｖｑ＿ｂをｖｑ＿ｂｄとｖｑ＿ｂｑの和として演算できる。ただし、（６）〜（９）式におけるＣは任意の定数、または電気角速度ωｅの関数である。

特に、Ｃを次の（９）式のごとく前記電圧方程式における行列の行列式の逆数に基づく電気角速度ωｅの関数にとれば、電気角速度が増加してもフィードバックゲインが過度に増加することを抑えることができる。

（第２実施形態）
図２は、第２実施形態の同期モータをベクトル制御するモータ制御装置における概略の全体構成を示すブロック図であり、図１の第１実施形態における電圧補正部２００の代わりにフィードフォワード部２００ａが配置されており、他の構成は同一である。
なお、第１実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。

フィードフォワード部２００ａは、第５処理部２０１、第６処理部２０２、第７処理部２０３、第８処理部２０４と、誘起電圧項２０５と、１対の加算部２０６ａ、２０６ｂとによって構成され、電流指令値に基づく電圧指令値ｖｄ＿ｆ、ｖｑ＿ｆを出力する。第５処理部２０１、第６処理部２０２、第７処理部２０３、第８処理部２０４は、前記電流指令値ｉｄ＿ｔｇｔ、ｉｑ＿ｔｇｔを入力とし、後述する関係式に基づき演算する。

次に、図２のフィードフォワード部２００ａにおける、第５処理部２０１、第６処理部２０２、第７処理部２０３、第８処理部２０４と、誘起電圧項２０５、１対の加算部２０６ａ、２０６ｂについて説明する。

前記（１）式より、ｉｑ＿ｔｇｔを入力とし（１０）式によりｖｄ＿ｆｑを得る第５処理部２０１、ｉｄ＿ｔｇｔを入力とし（１１）式によりｖｑ＿ｆｄを得る第６処理部２０２、ｉｄ＿ｔｇｔを入力とし（１２）式によりｖｄ＿ｆｄを得る第７処理部２０３、及びｉｑ＿ｔｇｔを入力とし（１３）式によりｖｑ＿ｆｑを得る第８処理部２０４と、ｖ＿ωを演算する誘起電圧項２０５と、により、電流指令値に基づく電圧指令値ｖｄ＿ｆをｖｄ＿ｆｄとｖｄ＿ｆｑの和として、同じくｖｑ＿ｆをｖｑ＿ｆｄとｖｑ＿ｆｑとｖ＿ωの和として求める事ができる。ただし、（１０）〜（１３）式におけるＤは任意の定数である。

本発明は、埋込永久磁石同期モータあるいは表面永久磁石同期モータをベクトル制御するモータ制御装置に対し、トルク指令に対し高応答かつ振動の少ない制御を目的として実施することが可能である。

本発明に関わる同期モータをベクトル制御するモータ制御装置は、多様な用途に利用することができる。例えば、電動バイク、電動カート、電気自動車、電車、自動搬送車などの移動体、油圧装置、加工装置等の産業用途、昇降機、空調装置等の利用分野において、同期モータをベクトル制御するモータ装置等に対して本発明を適用することができる。

本発明の効果を確認するため数値シミュレーションによる試験、及び実機による試験を行った。これらの試験においては、従来技術、すなわち本発明の第２実施形態において第１処理部及び第２処理部双方を持たないモータ制御装置による制御方法と、本発明の第２実施形態を適用した制御方法の２つを実施した。数値シミュレーションにおいては、ＭＡＴＬＡＢ（登録商標）Ｒ２０１８ｂを用いた。

試験条件は以下の通りである。
・定格出力８８ｋＷ、４極対の永久磁石三相同期モータ
・回転速度を４０００ｒｐｍに固定
・トルク要求を８０Ｎｍ→４０Ｎｍ→８０Ｎｍとステップ変化

図３は、従来技術を適用した制御の数値シミュレーションによる試験の結果である。図３に示すように、従来技術では電流に振動現象が生じていることがわかる。

図４は、本発明を適用した制御の数値シミュレーションによる試験の結果である。図４に示すように、本発明による制御では、振動現象が解消し、高応答の電流制御が実現できていることがわかる。計算条件は、図３と同等である。

図５は、従来技術を適用した実機試験の結果である。図５に示すように、実機試験でも振動現象は確認された。試験条件は、シミュレーションと同等である。

図６は、本発明を適用した実機試験の結果である。図６に示すように、本発明による制御により、実機試験でも振動現象は解消できた。試験条件は、図５の試験と同等である。

以上、本発明に係る同期モータのベクトル制御装置について説明したが、本発明を適用可能な構成は、図１や図２に限定されることはなく、多様な構成に対して本発明を適用可能である。
また、本発明の各構成要素は、ハードウェア及びソフトウェアどちらで実現しても良い。

１０・・・モータ
１００・・・フィードバック部
１０１・・・第１処理部
１０２・・・第２処理部
１０３・・・第３処理部
１０４・・・第４処理部
１０５ａ、１０５ｂ・・・減算部
１０６ａ、１０６ｂ・・・ＰＩ制御部
１０７ａ、１０７ｂ・・・加算部
２００・・・電圧補正部
２００ａ・・・フィードフォワード部
２０１・・・第５処理部
２０２・・・第６処理部
２０３・・・第７処理部
２０４・・・第８処理部
２０５・・・誘起電圧
２０６ａ、２０６ａ・・・加算部
３０１・・・ｄｑ／ｕｖｗ変換部
３０２・・・インバータ部
３０３・・・ｕｖｗ／ｄｑ変換部
３０４・・・電流指令変換部
３０４ａ、３０４ｂ・・・規範応答
３０５・・・電流検知部
ｉｄ、ｉｑ・・・ｄ軸及びｑ軸の電流
ｖｄ、ｖｑ・・・ｄ軸及びｑ軸の電圧

Claims (4)

1. 同期モータをベクトル制御するモータ制御装置であって、
   前記同期モータへ供給された電流の検出値をｄ軸電流値及びｑ軸電流値へ変換するｕｖｗ／ｄｑ変換部と、
   前記ｄ軸電流値及びｑ軸電流値を用いた電流フィードバックによって、ｄ軸操作量及びｑ軸操作量を演算するフィードバック部と、
   を備え、
   前記フィードバック部は、ｑ軸電流指令値と前記ｑ軸電流値と基づき演算したｑ軸補正値に応じたｄ軸操作量を演算する第１処理部と、
   ｄ軸電流指令値と前記ｄ軸電流値とに基づき演算したｄ軸補正値に応じたｑ軸操作量を演算する第２処理部と、
   を含む、モータ制御装置。
2. 請求項１に記載のモータ制御装置であって、前記フィードバック部は、
   前記ｄ軸補正値に応じたｄ軸操作量を演算する第３処理部と、前記ｑ軸補正値に応じたｑ軸操作量を演算する第４処理部と、
   をさらに含み、
   ｖｄ＿ａを前記ｄ軸電流指令値と前記ｄ軸電流値とに基づいて演算された前記ｄ軸補正値、
   ｖｑ＿ａを前記ｑ軸電流指令値と前記ｑ軸電流値とに基づいて演算された前記ｑ軸補正値、
   ｖｄ＿ｂｑを前記第１処理部において前記ｑ軸補正値に基づいて演算されたｄ軸操作量、
   ｖｑ＿ｂｄを前記第２処理部において前記ｄ軸補正値に基づいて演算されたｑ軸操作量、
   ｖｄ＿ｂｄを前記第３処理部において前記ｄ軸補正値に基づいて演算されたｄ軸操作量、
   ｖｑ＿ｂｑを前記第４処理部において前記ｑ軸補正値に基づいて演算されたｑ軸操作量、
   Ｒを電機子巻線抵抗、Ｌｄをｄ軸インダクタンス、Ｌｑをｑ軸インダクタンス、Ｃを正の任意定数又はモータの電気角速度の関数とした場合、
   前記第１処理部は、
   

   

   の演算を行い、
   前記第２処理部は、
   

   

   の演算を行い、
   前記第３処理部は、
   

   

   の演算を行い、
   前記第４処理部は、
   

   

   の演算を行う、モータ制御装置。
3. 請求項１又は２に記載のモータ制御装置であって、
   前記フィードバック部と並列に配置されたフィードフォワード部をさらに備え、
   前記フィードフォワード部は、
   前記ｑ軸電流指令値に応じたｄ軸操作量を演算する第５処理部と、前記ｄ軸電流指令値に応じたｑ軸操作量を演算する第６処理部と、前記ｄ軸電流指令値に応じたｄ軸操作量を演算する第７処理部と、前記ｑ軸電流指令値に応じたｑ軸操作量を演算する第８処理部と、
   を含む、モータ制御装置。
4. 請求項３に記載のモータ制御装置であって、
   ｉｄ＿ｒｅｆを前記ｄ軸電流指令値、
   ｉｑ＿ｒｅｆを前記ｑ軸電流指令値、
   ｖｄ＿ｆｑを前記第５処理部において前記ｑ軸電流指令値に応じて演算されたｄ軸操作量、
   ｖｑ＿ｆｄを前記第６処理部において前記ｄ軸電流指令値に応じて演算されたｑ軸操作量、
   ｖｄ＿ｆｄを前記第７処理部において前記ｄ軸電流指令値に応じて演算されたｄ軸操作量、
   ｖｑ＿ｆｑを前記第８処理部において前記ｑ軸電流指令値に応じて演算されたｑ軸操作量、
   Ｄを正の任意定数、ｓを微分演算子とした場合、
   前記第５処理部は、
   

   

   の演算を行い、
   前記第６処理部は、
   

   

   の演算を行い、
   前記第７処理部は、
   

   

   の演算を行い、
   前記第８処理部は、
   

   

   の演算を行う、モータ制御装置。

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