JP2021027652A - 電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機の鉄損を低減する。【解決手段】電動機Ｍの三相に互いに位相が異なる交流電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを出力することにより電動機Ｍを駆動させるインバータ回路２と、電動機Ｍの回転子の電気角が０［ｒａｄ］から２π／ｎ［ｒａｄ］（ｎを１または２または４とする）まで変化するときの電動機Ｍの線間電圧ＶＬの絶対値の積分値により推定されるヒステリシス損の大きさに基づいて、インバータ回路２の動作を制御する制御回路３とを備えて電動機Ｍの制御装置１を構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、電動機の制御装置に関する。

電動機の制御装置として、電動機の鉄損を低減するために、鉄損を構成するヒステリシス損及び渦電流損のうちの渦電流損が低減するように、電動機を駆動させるものがある。関連する技術として、特許文献１がある。

特開２０１８−１８２８５８号公報

本発明の一側面に係る目的は、電動機の鉄損を低減することが可能な電動機の制御装置を提供することを目的とする。

本発明に係る一つの形態である電動機の制御装置は、インバータ回路と、制御回路とを備える。

インバータ回路は、電動機の三相に互いに位相が異なる交流電圧を出力することにより電動機を駆動させる。

制御回路は、電動機の回転子の電気角が０［ｒａｄ］から２π／ｎ［ｒａｄ］（ｎを１または２または４とする）まで変化するときの電動機の線間電圧の積分値により推定されるヒステリシス損の大きさに基づいて、インバータ回路の動作を制御する。

これにより、電動機の鉄損を構成するヒステリシス損及び渦電流損のうちのヒステリシス損が低減するようにインバータ回路の動作を制御することができるため、鉄損を低減することができる。

本発明によれば、電動機の鉄損を低減することができる。

実施形態の電動機の制御装置の一例を示す図である。 ヒステリシス曲線の一例を示す図である。

以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。
図１は、実施形態の電動機の制御装置の一例を示す図である。

図１に示す制御装置１は、例えば、電動フォークリフトやプラグインハイブリッド車などの車両に搭載される電動機Ｍを駆動するための制御装置であって、インバータ回路２と、制御回路３とを備える。なお、電動機Ｍは、回転子の電気角θを検出し、その検出した電気角θを制御回路３に送る電気角検出部Ｓｐ（レゾルバなど）を備えているものとする。

インバータ回路２は、直流電源Ｐから供給される直流電力を用いて、電動機Ｍの三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に互いに位相が異なる交流電圧を出力することにより電動機Ｍを駆動するものであって、コンデンサＣと、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６（ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）など）と、電流センサＳ１、Ｓ２とを備える。すなわち、コンデンサＣの一方端が直流電源Ｐの正極端子及びスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ３、ＳＷ５の各コレクタ端子に接続され、コンデンサＣの他方端が直流電源Ｐの負極端子及びスイッチング素子ＳＷ２、ＳＷ４、ＳＷ６の各エミッタ端子に接続されている。スイッチング素子ＳＷ１のエミッタ端子とスイッチング素子ＳＷ２のコレクタ端子との接続点は電流センサＳ１を介して電動機ＭのＵ相の入力端子に接続されている。スイッチング素子ＳＷ３のエミッタ端子とスイッチング素子ＳＷ４のコレクタ端子との接続点は電流センサＳ２を介して電動機ＭのＶ相の入力端子に接続されている。スイッチング素子ＳＷ５のエミッタ端子とスイッチング素子ＳＷ６のコレクタ端子との接続点は電動機ＭのＷ相の入力端子に接続されている。

コンデンサＣは、直流電源Ｐから出力される直流電圧を平滑する。
スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６は、それぞれ、ゲート端子に駆動信号Ｓ１〜Ｓ６（パルス信号）が入力されることによりスイッチングする。スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６がそれぞれスイッチングすることで、直流電源Ｐから出力される直流電圧が、互いに位相が１２０［ｒａｄ］異なる交流電圧Ｖｕ、交流電圧Ｖｖ、及び交流電圧Ｖｗに変換される。そして、交流電圧Ｖｕが電動機ＭのＵ相の入力端子に印加され、交流電圧Ｖｖが電動機ＭのＶ相の入力端子に印加され、交流電圧Ｖｗが電動機ＭのＷ相の入力端子に印加されることで、電動機Ｍの回転子が回転する。

電流センサＳ１は、ホール素子やシャント抵抗などにより構成され、電動機ＭのＵ相に流れる電流Ｉｕを検出して制御回路３に出力する。また、電流センサＳ２は、ホール素子やシャント抵抗などにより構成され、電動機ＭのＶ相に流れる電流Ｉｖを検出して制御回路３に出力する。

制御回路３は、ドライブ回路４と、演算部５と、記憶部６とを備える。なお、記憶部６は、ＲＡＭ（Random Access Memory）またはＲＯＭ（Read Only Memory）などにより構成され、後述する情報Ｄ１〜情報Ｄ３を記憶しているものとする。情報Ｄ１は、電動機Ｍの回転子の回転速度と電動機Ｍのトルクとが互いに対応付けられている情報である。情報Ｄ２は、電動機Ｍのトルクとｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊とが互いに対応付けられている情報である。情報Ｄ３は、Ｕ相電圧指令値Ｖ＊、Ｖ相電圧指令値Ｖｕ＊、及びＷ相電圧指令値Ｖｗ＊と、駆動信号Ｓ１〜Ｓ６とが互いに対応付けられている情報である。

ドライブ回路４は、ＩＣ（Integrated Circuit）などにより構成され、演算部５から出力される駆動信号Ｓ１〜Ｓ６をスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６のそれぞれのゲート端子に出力する。

演算部５は、マイクロコンピュータなどにより構成され、速度演算部７と、減算部８と、トルク制御部９と、トルク／電流指令値変換部１０と、座標変換部１１と、減算部１２と、減算部１３と、電流制御部１４と、ｄｑ／ｕｖｗ変換部１５とを備える。例えば、マイクロコンピュータが記憶部６に記憶されているプログラムを実行することにより、速度演算部７、減算部８、トルク制御部９、トルク／電流指令値変換部１０、座標変換部１１、減算部１２、減算部１３、電流制御部１４、及びｄｑ／ｕｖｗ変換部１５が実現される。

速度演算部７は、電気角検出部Ｓｐにより検出される電気角θを用いて、電動機Ｍの回転子の回転速度ωを演算する。例えば、速度演算部７は、電気角θを演算部５の動作クロックなどで除算することにより回転速度ωを求める。

減算部８は、外部から入力される回転速度指令値ω＊と速度演算部７から出力される回転速度ωとの差Δωを算出する。

トルク制御部９は、減算部８から出力される差Δωを用いて、トルク指令値Ｔ＊を求める。例えば、トルク制御部９は、記憶部６に記憶されている、電動機Ｍの回転子の回転速度と電動機Ｍのトルクとが互いに対応付けられている情報Ｄ１を参照して、差Δωに相当する回転速度に対応するトルクを、トルク指令値Ｔ＊として求める。

トルク／電流指令値変換部１０は、トルク制御部９から出力されるトルク指令値Ｔ＊を、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊に変換する。例えば、トルク／電流指令値変換部１０は、記憶部に記憶されている、電動機Ｍのトルクとｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊とが互いに対応付けられている情報Ｄ２を参照して、トルク指令値Ｔ＊に相当するトルクに対応するｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を求める。

座標変換部１１は、電流Ｉｕ及び電流Ｉｖを用いて、電動機ＭのＷ相に流れる電流Ｉｗを求める。なお、電流センサＳ１、Ｓ２により検出される電流は、電流Ｉｕ及び電流Ｉｖの組み合わせに限定されず、電流Ｉｖ及び電流Ｉｗの組み合わせ、または、電流Ｉｕ及び電流Ｉｗの組み合わせでもよい。電流センサＳ１、Ｓ２により電流Ｉｖ及び電流Ｉｗが検出される場合、座標変換部１１は、電流Ｉｖ及び電流Ｉｗを用いて、電流Ｉｕを求める。また、電流センサＳ１、Ｓ２により電流Ｉｕ及び電流Ｉｗが検出される場合、座標変換部１１は、電流Ｉｕ及び電流Ｉｗを用いて、電流Ｉｖを求める。また、インバータ回路２は、電流センサＳ１、Ｓ２の他に、電動機ＭのＷ相に流れる電流Ｉｗを検出する電流センサＳ３をさらに備えていてもよい。この場合、座標変換部１１は、電流センサＳ１〜Ｓ３により検出される電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを取得する。

また、座標変換部１１は、電気角検出部Ｓｐにより検出される電気角θを用いて、電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを、ｄ軸電流Ｉｄ（弱め界磁を発生させるための電流成分）及びｑ軸電流Ｉｑ（トルクを発生させるための電流成分）に変換する。

減算部１２は、トルク／電流指令値変換部１０から出力されるｄ軸電流指令値Ｉｄ＊と、座標変換部１１から出力されるｄ軸電流Ｉｄとの差ΔＩｄを算出する。

減算部１３は、トルク／電流指令値変換部１０から出力されるｑ軸電流指令値Ｉｑ＊と、座標変換部１１から出力されるｑ軸電流Ｉｑとの差ΔＩｑを算出する。

電流制御部１４は、減算部１２から出力される差ΔＩｄ及び減算部１３から出力される差ΔＩｑを用いたＰＩ（Proportional Integral）制御により、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を算出する。例えば、電流制御部１４は、下記式１を用いてｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊を算出するとともに、下記式２を用いてｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を算出する。なお、ＫｐはＰＩ制御の比例項の定数とし、ＫｉはＰＩ制御の積分項の定数とし、Ｌｑは電動機Ｍを構成するコイルのｑ軸インダクタンスとし、Ｌｄは電動機Ｍを構成するコイルのｄ軸インダクタンスとし、ωは電動機Ｍの回転子の回転速度とし、Ｋｅは誘起電圧定数とする。

ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊＝Ｋｐ×差ΔＩｄ＋∫（Ｋｉ×差ΔＩｄ）−ωＬｑＩｑ・・・式１
ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊＝Ｋｐ×差ΔＩｑ＋∫（Ｋｉ×差ΔＩｑ）＋ωＬｄＩｄ＋ωＫｅ・・・式２

ｄｑ／ｕｖｗ変換部１５は、電気角検出部Ｓｐにより検出される電気角θを用いて、電流制御部１４から出力されるｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令値Ｖｕ＊、及びＷ相電圧指令値Ｖｗ＊に変換する。例えば、ｄｑ／ｕｖｗ変換部１５は、下記式３に示す変換行列Ｃを用いて、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令値Ｖｕ＊、及びＷ相電圧指令値Ｖｗ＊に変換する。

また、ｄｑ／ｕｖｗ変換部１５は、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＊、及びＷ相電圧指令値Ｖｗ＊を用いて、駆動信号Ｓ１〜Ｓ６を求める。

例えば、ｄｑ／ｕｖｗ変換部１５は、記憶部６に記憶されている情報Ｄ３を参照し、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令値Ｖｕ＊、及びＷ相電圧指令値Ｖｗ＊に対応する駆動信号Ｓ１〜Ｓ６を求める。このように構成する場合、情報Ｄ３に示される駆動信号Ｓ１〜Ｓ６は、電動機Ｍの回転子の電気角θが０［ｒａｄ］から２π［ｒａｄ］まで変化するときの電動機Ｍの線間電圧Ｖ_Ｌ（Ｕ相とＶ相との間にかかる電圧、Ｖ相とＷ相との間にかかる電圧、または、Ｗ相とＵ相との間にかかる電圧）の絶対値の積分値により推定されるヒステリシス損の大きさに基づいて設定されているものとする。また、線間電圧Ｖ_Ｌは対称性を持っているため、情報Ｄ３に示される駆動信号Ｓ１〜Ｓ６は、電動機Ｍの回転子の電気角θが０［ｒａｄ］からπ［ｒａｄ］まで変化するときの電動機Ｍの線間電圧Ｖ_Ｌの絶対値の積分値と「２」との乗算値により推定されるヒステリシス損の大きさに基づいて、または、電動機Ｍの回転子の電気角θが０［ｒａｄ］からπ／２［ｒａｄ］まで変化するときの電動機Ｍの線間電圧Ｖ_Ｌの絶対値の積分値と「４」との乗算値により推定されるヒステリシス損の大きさに基づいて設定されていてもよい。すなわち、情報Ｄ３に示される駆動信号Ｓ１〜Ｓ６は、電動機Ｍの回転子の電気角θが０［ｒａｄ］から２π／ｎ［ｒａｄ］（ｎを１または２または４とする）まで変化するときの電動機Ｍの線間電圧Ｖ_Ｌの絶対値の積分値とｎとの乗算値により推定されるヒステリシス損の大きさに基づいて設定されているものとする。

または、ｄｑ／ｕｖｗ変換部１５は、ＰＩ制御などにより、電動機Ｍの回転子の電気角θが０［ｒａｄ］から２π／ｎ［ｒａｄ］まで変化するときの電動機Ｍの線間電圧Ｖ_Ｌの絶対値の積分値とｎとの乗算値により推定されるヒステリシス損の大きさに基づいて、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＊、及びＷ相電圧指令値Ｖｗ＊を補正した後、記憶部６に記憶されている情報Ｄ３を参照し、その補正後のＵ相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＊、及びＷ相電圧指令値Ｖｗ＊に対応する駆動信号Ｓ１〜Ｓ６を求める。

すなわち、制御回路３は、電動機Ｍの回転子の電気角θが０［ｒａｄ］から２π／ｎ［ｒａｄ］まで変化するときの電動機Ｍの線間電圧Ｖ_Ｌの絶対値の積分値とｎとの乗算値により推定されるヒステリシス損の大きさに基づいて、インバータ回路２の動作を制御する。言い換えると、制御回路３は、下記式４に示す評価関数により推定されるヒステリシス損の大きさに基づいて、インバータ回路２の動作を制御する。ただし、ｎを１または２または４とし、Ｋを係数とし、Ｖ_Ｌを電動機Ｍの線間電圧とし、θを電動機Ｍの回転子の電気角とする。

なお、電動機Ｍの回転子の０［ｒａｄ］から２π［ｒａｄ］までの電気角の範囲のうちの一部の電気角の範囲における電動機Ｍの線間電圧ＶＬの絶対値の積分値に基づいて、ヒステリシス損を推定してもよい。このように構成する場合、制御回路３は、電動機Ｍの回転子の電気角θが０［ｒａｄ］から２π／ｎ［ｒａｄ］まで変化するときの電動機Ｍの線間電圧Ｖ_Ｌの絶対値の積分値により推定されるヒステリシス損の大きさに基づいて、インバータ回路２の動作を制御する。言い換えると、制御回路３は、下記式４´に示す評価関数により推定されるヒステリシス損の大きさに基づいて、インバータ回路２の動作を制御する。ただし、ｎを１または２または４とし、Ｋを係数とし、Ｖ_Ｌを電動機Ｍの線間電圧とし、θを電動機Ｍの回転子の電気角とする。

また、一例として、制御回路３は、上記式４に示す評価関数または上記式４´に示す評価関数が最小値となるように、インバータ回路２の動作を制御する。

ここで、図２は、電動機Ｍにおけるヒステリシス曲線の一例を示す図である。なお、図２に示す２次元座標の横軸は電動機Ｍの回転子及び固定子の磁界の強さを示し、縦軸は電動機Ｍの回転子及び固定子の磁束密度を示している。

磁束密度の最大値が比較的大きい場合において、磁界の強さと磁束密度がそれぞれ大きくなるとき、磁界の強さと磁束密度との交点は、曲線Ｌ１（実線）上を移動する。また、磁束密度の最大値が比較的大きい場合において、磁界の強さと磁束密度がそれぞれ小さくなるとき、磁界の強さと磁束密度との交点は、曲線Ｌ２（破線）上を移動する。また、磁束密度の最大値が比較的小さい場合において、磁界の強さと磁束密度がそれぞれ大きくなるとき、磁界の強さと磁束密度との交点は、曲線Ｌ３（一点鎖線）上を移動する。また、磁束密度の最大値が比較的小さい場合において、磁界の強さと磁束密度がそれぞれ小さくなるとき、磁界の強さと磁束密度との交点は、曲線Ｌ４（二点鎖線）上を移動する。

曲線Ｌ１と曲線Ｌ２とで囲まれる範囲の面積及び曲線Ｌ３と曲線Ｌ４とで囲まれる範囲の面積はそれぞれ電動機Ｍの回転子及び固定子におけるヒステリシス損を示している。また、曲線Ｌ３と曲線Ｌ４とで囲まれる範囲の面積は、曲線Ｌ１と曲線Ｌ２とで囲まれる範囲の面積より小さい。すなわち、磁束密度の最大値が小さくなると、ヒステリシス損が小さくなる。

また、磁束密度の最大値は、電動機Ｍの回転子の電気角θが０［ｒａｄ］から２π／ｎ［ｒａｄ］まで変化するときの電動機Ｍの線間電圧Ｖ_Ｌの面積またはその面積の一部、すなわち、電動機Ｍの回転子の電気角θが０［ｒａｄ］から２π／ｎ［ｒａｄ］まで変化するときの電動機Ｍの線間電圧Ｖ_Ｌの絶対値の積分値に比例する。

そのため、例えば、「電動機Ｍの回転子の電気角θが０［ｒａｄ］から２π／ｎ［ｒａｄ］まで変化するときの電動機Ｍの線間電圧Ｖ_Ｌの絶対値の積分値」を最小値にすると、ヒステリシス損が最小値になる。

このように、ヒステリシス損は、磁束密度の最大値と相関があり、磁束密度の最大値は、線間電圧Ｖ_Ｌの面積と比例関係にある。

そこで、実施形態の電動機Ｍの制御装置１では、電動機Ｍの回転子の電気角が０［ｒａｄ］から２π／ｎ［ｒａｄ］まで変化するときの電動機Ｍの線間電圧Ｖ_Ｌの絶対値の積分値により推定されるヒステリシス損の大きさに基づいて、インバータ回路２の動作を制御している。

これにより、電動機Ｍの鉄損を構成するヒステリシス損及び渦電流損のうちのヒステリシス損が低減するようにインバータ回路２の動作を制御することができるため、電動機Ｍの鉄損を低減することができる。

なお、本発明は、以上の実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。

例えば、ｄｑ／ｕｖｗ変換部１５（制御回路３）は、下記式５に示す評価関数が最小値となるように、インバータ回路２の動作を制御するように構成してもよい。ただし、ａ及びｂを重み調整用係数とし、Ｉｒｍｓを電動機Ｍに流れる電流の実効値とし、Ｗｉを鉄損とする。ａをｂより大きくすると、下記式５に示す評価関数における鉄損Ｗｉの割合と比べて電流の実効値Ｉｒｍｓ（銅損）の割合が大きくなり、ｂをａより大きくすると、下記式５に示す評価関数における電流の実効値Ｉｒｍｓの割合と比べて鉄損Ｗｉの割合が大きくなるものとする。

このように構成することにより、鉄損だけでなく銅損を考慮してインバータ回路２の動作を制御することができるため、鉄損及び銅損を低減することができる。

また、ｄｑ／ｕｖｗ変換部１５（制御回路３）は、上記式４に示す評価関数または上記式４´に示す評価関数または上記式５に示す評価関数が所定の閾値より小さくなるように、インバータ回路２の動作を制御するように構成してもよい。

１ 制御装置
２ インバータ回路
３ 制御回路
４ ドライブ回路
５ 演算部
６ 記憶部
７ 速度演算部
８ 減算部
９ トルク制御部
１０ トルク／電流指令値変換部
１１ 座標変換部
１２ 減算部
１３ 減算部
１４ 電流制御部
１５ ｄｑ／ｕｖｗ変換部

Claims (1)

1. 電動機の三相に互いに位相が異なる交流電圧を出力することにより前記電動機を駆動させるインバータ回路と、
   前記電動機の回転子の電気角が０［ｒａｄ］から２π／ｎ［ｒａｄ］（ｎを１または２または４とする）まで変化するときの前記電動機の線間電圧の絶対値の積分値により推定されるヒステリシス損の大きさに基づいて、前記インバータ回路の動作を制御する制御回路と、
   を備える電動機の制御装置。
   

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