JP2022181824A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの実回転数が回転数指令値に追従するようにモータの動作を制御するモータ制御装置において、モータにかかる負荷が比較的大きくても、実回転数の変動を抑制する。
【解決手段】電流上限値Ｉｍを上限とする電流指令値Ｉ＊に応じてモータ４の動作を制御する制御部３４と、実回転数ｎが回転数指令値ｎ＊に追従するように電流指令値Ｉ＊を算出する電流指令値算出部３３とを備えてモータ制御装置３を構成し、電流指令値算出部３３は、電流指令値Ｉ＊が電流上限値Ｉｍより小さい調整用電流上限値Ｉｍ´に比べて大きい場合、電流指令値Ｉ＊が調整用電流上限値Ｉｍ´と等しくなるまで回転数指令値ｎ＊を所定値ｎ´ずつ減少させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータの動作を制御するモータ制御装置に関する。

モータ制御装置として、モータの実回転数が回転数指令値に追従するように、電流上限値を上限とする電流指令値を求めるとともに、その電流指令値に基づいてモータの動作を制御するものがある。関連する技術として、特許文献１がある。

特開２０１４－２３１８５号公報

しかしながら、上記モータ制御装置では、モータにかかる負荷が比較的大きく電流指令値が電流上限値と等しくなることが継続する場合、すなわち、電流指令値が電流上限値に張り付いてしまう場合、実回転数が回転数指令値に追従するように電流指令値を求めることができなくなるため、モータにかかる負荷が変動して実回転数が変動すると、その実回転数の変動を抑制することができなくなるという懸念がある。

そこで、本発明の一側面に係る目的は、モータの実回転数が回転数指令値に追従するようにモータの動作を制御するモータ制御装置において、モータにかかる負荷が比較的大きい場合であっても、実回転数の変動を抑制することである。

本発明に係る一つの形態であるモータ制御装置は、電流上限値を上限とする電流指令値に基づいてモータの動作を制御する制御部と、実回転数が回転数指令値に追従するように前記電流指令値を算出する電流指令値算出部とを備え、前記電流指令値算出部は、前記電流指令値が前記電流上限値より小さい調整用電流上限値に比べて大きい場合、前記電流指令値が前記調整用電流上限値と等しくなるまで前記回転数指令値を所定値ずつ減少させる。

これにより、モータにかかる負荷が比較的大きい場合であっても、電流指令値を電流上限値より小さくすることができるため、モータにかかる負荷が変動して実回転数が変動しても、実回転数が回転数指令値に収束するように電流指令値を調整することができ、実回転数の変動を抑制することができる。

また、前記電流指令値算出部は、前記電流指令値が前記調整用電流上限値に比べて大きい場合、前記実回転数が前記回転数指令値に近づくほど、前記所定値を小さくするように構成してもよい。

これにより、所定値が一定値である場合に発生するおそれがある実回転数の発振や発散を抑えることができるため、実回転数を回転数指令値に収束させるために必要な時間を比較的短くすることができ、実回転数の変動抑制にかかる時間の短縮化を図ることができる。

また、前記電流指令値算出部は、ゼロより大きく１より小さい定数と前記電流上限値との乗算値を前記調整用電流上限値として出力する第１の乗算部と、前記電流指令値と前記調整用電流上限値との差がゼロになるように前記所定値を出力する第１のＰＩ制御部と、前記回転数指令値から前記所定値を減算して調整後回転数指令値を出力する減算部と、前記調整後回転数指令値と前記実回転数との差がゼロになるように、前記電流上限値に対する前記電流指令値の比率を出力する第２のＰＩ制御部と、前記比率と前記電流上限値との乗算値を前記電流指令値として出力する第２の乗算部とを備えるように構成してもよい。

また、前記電流指令値算出部は、ゼロより大きく１より小さい定数と前記電流上限値との乗算値を前記調整用電流上限値として出力する第１の乗算部と、前記電流指令値と前記調整用電流上限値との差がゼロになるように調整前所定値を出力する第１のＰＩ制御部と、調整後回転数指令値と前記実回転数との差が小さくなるほど、前記調整前所定値に対する前記所定値の割合である反映率を小さくし、その反映率と前記調整前所定値との乗算値を前記所定値として出力する調整部と、前記回転数指令値から前記所定値を減算して調整後回転数指令値を出力する減算部と、前記調整後回転数指令値と前記実回転数との差がゼロになるように、前記電流上限値に対する前記電流指令値の比率を出力する第２のＰＩ制御部と、前記比率と前記電流上限値との乗算値を前記電流指令値として出力する第２の乗算部とを備えるように構成してもよい。

本発明によれば、モータの実回転数が回転数指令値に追従するようにモータの動作を制御するモータ制御装置において、モータにかかる負荷が比較的大きい場合であっても、実回転数の変動を抑制することができる。

実施形態のモータ制御装置を含む車両の一例を示す図である。 実回転数と電流上限値との対応関係を示すマップの一例を示す図である。 電流指令値算出部の一例を示す図である。 実回転数と反映率との対応関係を示すマップ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、実施形態のモータ制御装置を含む車両の一例を示す図である。

図１に示す車両Ｖｅは、操作部１と、主制御部２と、モータ制御装置３と、モータ４と、インバータ５と、角度センサ６と、荷役ポンプ７とを備える。

操作部１は、不図示の荷役装置（フォークリフトのフォークを昇降させる装置など）を駆動させるためのレバーを有し、ユーザによりレバーが操作されると、その操作に応じた操作信号を主制御部２に出力する。

主制御部２は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）またはプログラマブルディバイス（ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）など）により構成され、車両Ｖｅの走行や荷役装置の動作などを含む車両Ｖｅ全体の動作を制御する。

また、主制御部２は、制御タイミング毎に、操作部１から出力される操作信号に対応する回転数指令値ｎ＊［ｒｐｍ］をモータ制御装置３に送信する。例えば、主制御部２は、操作信号と回転数指令値ｎ＊との対応関係を示すマップを有し、そのマップを参照して操作部１から出力される操作信号に対応する回転数指令値ｎ＊を取得し、その取得した回転数指令値ｎ＊をモータ制御装置３に送信する。

また、主制御部２は、制御タイミング毎に、モータ制御装置３から送信されるモータ４の実回転数ｎ［ｒｐｍ］に対応する電流上限値Ｉｍ［Ａ］をモータ制御装置３に送信する。例えば、主制御部２は、実回転数ｎと電流上限値Ｉｍとの対応関係を示すマップＭ１を有し、そのマップＭ１を参照してモータ制御装置３から送信される実回転数ｎに対応する電流上限値Ｉｍを取得し、その取得した電流上限値Ｉｍをモータ制御装置３に送信する。

図２は、実回転数ｎと電流上限値Ｉｍとの対応関係を示すマップＭ１の一例を示す図である。なお、図２に示す２次元座標の横軸は回転数［ｒｐｍ］を示し、縦軸は電流［Ａ］を示している。また、図２に示す２次元座標上の実線は実回転数ｎと電流上限値Ｉｍとの対応関係を示すマップＭ１を示している。また、回転数ｎ１１＜回転数ｎ１２とし、電流Ｉ１＜電流Ｉ２とする。

図２に示すマップＭ１では、実回転数ｎがゼロから回転数ｎ１１までの範囲内である場合、電流上限値Ｉｍが電流Ｉ２に固定される。また、実回転数ｎが回転数ｎ１１から回転数ｎ１２の範囲内である場合、実回転数ｎと電流上限値Ｉｍとの積算値が一定になるとともに、実回転数ｎが大きくなるほど、電流上限値Ｉｍが小さくなる。また、実回転数ｎが回転数ｎ１２以上である場合、電流上限値Ｉｍが電流Ｉ１に固定される。このように、モータ４は、実回転数ｎに応じて電流上限値Ｉｍが変化する実回転数－電流上限値特性を有しているものとする。

また、図１に示すモータ制御装置３は、記憶部３１と、実回転数算出部３２と、電流指令値算出部３３と、制御部３４とを備える。例えば、実回転数算出部３２、電流指令値算出部３３、及び制御部３４は、ＣＰＵやプログラマブルディバイスにより記憶部３１に記憶されているプログラムが実行されることにより構成される。なお、記憶部３１は、ＲＡＭ（Read Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）などにより構成される。

実回転数算出部３２は、制御タイミング毎に、角度センサ６から出力される検出値により、モータ４の実回転数ｎを算出し、その算出した実回転数ｎを主制御部２に送信するとともに電流指令値算出部３３に送る。例えば、レゾルバなどの角度センサ６から検出値としてモータ４のロータの位置が出力される場合、実回転数算出部３２は、ロータの位置を一定時間（例えば、ＣＰＵの動作クロック）で除算した結果を実回転数ｎとする。

電流指令値算出部３３は、制御タイミング毎に、主制御部２から送信される回転数指令値ｎ＊及び電流上限値Ｉｍと、実回転数算出部３２から送られている実回転数ｎとに基づいて電流指令値Ｉ＊を算出し、その算出した電流指令値Ｉ＊を制御部３４に送る。なお、電流指令値Ｉ＊の算出例については後述する。

制御部３４は、制御タイミング毎に、電流指令値算出部３３から送られてくる電流指令値Ｉ＊に基づいて、ＰＷＭ信号を求め、その求めたＰＷＭ信号をインバータ５に出力する。例えば、制御部３４は、電流指令値Ｉ＊に基づいて互いに位相が異なる複数の電圧指令値を求め、それら複数の電圧指令値と搬送波との比較結果をＰＷＭ信号とする。

インバータ５は、複数のスイッチング素子を備え、制御部３４から出力されるＰＷＭ信号に基づいて、各スイッチング素子をオン、オフさせることで、不図示の電源から供給される直流電力を複数相にそれぞれ対応する交流電力に変換してモータ４に供給しモータ４を駆動させる。

荷役ポンプ７は、モータ４の動力に応じて荷役装置の油圧を調整し荷役装置を駆動させる。

例えば、荷役装置によって比較的重い荷物を運ぶ場合など、モータ４にかかる負荷が比較的大きくなり、その負荷に必要なモータ４のトルクが定格トルクより大きくなると、実回転数ｎが回転数指令値ｎ＊より小さくなり、電流指令値Ｉ＊が上昇する。また、モータ４にかかる負荷が比較的大きくなることで電流指令値Ｉ＊が上昇し、電流指令値Ｉ＊が電流上限値Ｉｍと等しくなることが継続する場合、すなわち、電流指令値Ｉ＊が電流上限値Ｉｍに張り付いてしまう場合、荷役装置の油圧の変化などに伴うモータ４の負荷変動によりモータ４の実回転数ｎが変動すると、その実回転数ｎの変動により電流上限値Ｉｍだけでなく電流指令値Ｉ＊も変動してしまう。また、電流指令値Ｉ＊が電流上限値Ｉｍに張り付いている場合、電流指令値Ｉ＊を任意の値に調整することができず、実回転数ｎを回転数指令値ｎ＊に追従させることができなくなってしまうおそれがある。そのため、モータ４にかかる負荷が比較的大きく電流指令値Ｉ＊が電流上限値Ｉｍと等しい場合で、かつ、モータ４にかかる負荷の変動により実回転数ｎが変動している場合、実回転数ｎを回転数指令値ｎ＊に収束させることができず、実回転数ｎの変動を抑制することができないおそれがある。

そこで、実施形態の電流指令値算出部３３では、電流指令値Ｉ＊が電流上限値Ｉｍより小さい調整用電流上限値Ｉｍ´に比べて大きい場合、電流指令値Ｉ＊が調整用電流上限値Ｉｍ´と等しくなるまで回転数指令値ｎ＊を所定値ｎ´ずつ減少させる。

これにより、モータ４にかかる負荷が比較的大きい場合で、かつ、モータ４にかかる負荷の変動により実回転数ｎが変動する場合であっても、電流指令値Ｉ＊を電流上限値Ｉｍより小さくすることができるため、実回転数ｎが回転数指令値ｎ＊に収束するように電流指令値Ｉ＊を調整することができ、実回転数ｎの変動を抑制することができる。

なお、電流指令値算出部３３は、電流指令値Ｉ＊が調整用電流上限値Ｉｍ´に比べて小さい場合、実回転数ｎが回転数指令値ｎ＊に追従するように電流指令値Ｉ＊を算出する。この場合、電流指令値Ｉ＊が電流上限値Ｉｍより小さいため、実回転数ｎが変動しても、実回転数ｎが回転数指令値ｎ＊に収束するように電流指令値Ｉ＊を調整することができ、実回転数ｎの変動を抑制することができる。

図３（ａ）は、電流指令値算出部３３の一例を示す図である。

図３（ａ）に示す電流指令値算出部３３は、乗算部３３１（第１の乗算部）と、ＰＩ制御部３３２（第１のＰＩ制御部）と、減算部３３３と、ＰＩ制御部３３４（第２のＰＩ制御部）と、乗算部３３５（第２の乗算部）とを備える。

乗算部３３１は、制御タイミング毎に、定数αと、主制御部２から送信される電流上限値Ｉｍとの乗算値を調整用電流上限値Ｉｍ´として出力する。なお、定数αは、ゼロより大きく１より小さい値であり、電流指令値Ｉ＊が電流上限値Ｉｍと等しくなるときの実回転数ｎの変動幅により求められてもよい。

ＰＩ制御部３３２は、制御タイミング毎にＰＩ（Proportional-Integral）制御を行うことにより、前回の制御タイミングにおいて乗算部３３５から出力された電流指令値Ｉ＊と、今回の制御タイミングにおいて乗算部３３１から出力される調整用電流上限値Ｉｍ´との差ΔＩがゼロになるように所定値ｎ´［ｒｐｍ］を出力する。例えば、ＰＩ制御部３３２は、制御タイミング毎に、下記式１を計算することにより、所定値ｎ´を求める。なお、Ｋｐ１はＰＩ制御の比例項の定数とし、Ｋｉ１はＰＩ制御の積分項の定数とする。

所定値ｎ´＝Ｋｐ１×差ΔＩ＋∫（Ｋｉ１×差ΔＩ） ・・・式１

減算部３３３は、制御タイミング毎に、主制御部２から送信される回転数指令値ｎ＊から、ＰＩ制御部３３２から出力される所定値ｎ´を減算して調整後回転数指令値ｎ＊´を出力する。

ＰＩ制御部３３４は、制御タイミング毎にＰＩ制御を行うことにより、減算部３３３から出力される調整後回転数指令値ｎ＊´と、実回転数算出部３２から出力される実回転数ｎとの差Δｎがゼロになるように、電流上限値Ｉｍに対する電流指令値Ｉ＊の比率Ｒ［％］を出力する。例えば、ＰＩ制御部３３２は、制御タイミング毎に、下記式２を計算することにより、比率Ｒを求める。なお、Ｋｐ２はＰＩ制御の比例項の定数とし、Ｋｉ２はＰＩ制御の積分項の定数とする。

比率Ｒ＝Ｋｐ２×差Δｎ＋∫（Ｋｉ２×差Δｎ） ・・・式２

乗算部３３５は、制御タイミング毎に、ＰＩ制御部３３４から出力される比率Ｒと、主制御部２から送信される電流上限値Ｉｍとの乗算値を電流指令値Ｉ＊として出力する。

図３（ａ）に示す電流指令値算出部３３では、電流指令値Ｉ＊が調整用電流上限値Ｉｍ´に比べて大きくなるほど、ＰＩ制御部３３２から出力される所定値ｎ´が大きくなるため、ＰＩ制御部３３４に入力される調整後回転数指令値ｎ＊´の減少幅が大きくなる。また、電流指令値Ｉ＊が調整用電流上限値Ｉｍ´に近づくほど、ＰＩ制御部３３２から出力される所定値ｎ´が小さくなるため、ＰＩ制御部３３４に入力される調整後回転数指令値ｎ＊´の減少幅が小さくなる。そして、電流指令値Ｉ＊が調整用電流上限値Ｉｍ´と等しくなると、ＰＩ制御部３３２から出力される所定値ｎ´がゼロになるため、ＰＩ制御部３３４に入力される調整後回転数指令値ｎ＊´が回転数指令値ｎ＊と等しくなる。すなわち、図３（ａ）に示す電流指令値算出部３３は、電流指令値Ｉ＊が調整用電流上限値Ｉｍ´に比べて大きい場合、電流指令値Ｉ＊が調整用電流上限値Ｉｍ´と等しくなるまで回転数指令値ｎ＊を所定値ｎ´ずつ減少させることができる。

また、図３（ｂ）は、電流指令値算出部３３の他の例を示す図である。図３（ｂ）において図３（ａ）に示す構成と同じ構成には同じ符号を付し、その説明を省略する。

図３（ｂ）に示す電流指令値算出部３３において、図３（ａ）に示す電流指令値算出部３３と異なる点は、減算部３３３から出力される調整後回転数指令値ｎ＊´と、実回転数算出部３２から出力される実回転数ｎとの差Δｎ´が小さくなるほど、減算部３３３に入力される所定値ｎ´を小さくする調整部３３６をさらに備えている点である。

なお、図３（ｂ）に示すＰＩ制御部３３２は、制御タイミング毎にＰＩ制御を行うことにより、前回の制御タイミングにおいて乗算部３３５から出力された電流指令値Ｉ＊と、今回の制御タイミングにおいて乗算部３３１から出力される調整用電流上限値Ｉｍ´との差ΔＩ´がゼロになるように調整前所定値ｎ´´を出力する。例えば、図３（ｂ）に示すＰＩ制御部３３２は、制御タイミング毎に、下記式３を計算することにより、調整前所定値ｎ´´を求める。なお、Ｋｐ３はＰＩ制御の比例項の定数とし、Ｋｉ３はＰＩ制御の積分項の定数とする。

調整前所定値ｎ´´＝Ｋｐ３×差ΔＩ´＋∫（Ｋｉ３×差ΔＩ´） ・・・式３

調整部３３６は、制御タイミング毎に、減算部３３３から出力される調整後回転数指令値ｎ＊´と、実回転数算出部３２から出力される実回転数ｎとの差Δｎ´［ｒｐｍ］を求める。

また、調整部３３６は、差Δｎ´と反映率Ｒ´［％］との対応関係を示すマップＭ２を有し、そのマップＭ２を参照して差Δｎ´に対応する反映率Ｒ´を取得する。なお、反映率Ｒ´は、調整前所定値ｎ´´に対する所定値ｎ´の割合である。

ここで、図４は、差Δｎ´と反映率Ｒ´との対応関係を示すマップＭ２の一例を示す図である。なお、図４に示す２次元座標の横軸は回転数［ｒｐｍ］を示し、縦軸は反映率Ｒ´［％］を示している。また、図４に示す２次元座標上の実線は差Δｎ´と反映率Ｒ´との対応関係を示すマップＭ２を示している。また、回転数ｎ２１＜回転数ｎ２２とする。

図４に示すマップＭ２では、差Δｎ´が回転数ｎ２２以上である場合、反映率Ｒ´が１００［％］に固定される。また、差Δｎ´が回転数ｎ２１から回転数ｎ２２の範囲内である場合、反映率Ｒ´を差Δｎ´で除算した値が一定になるとともに、差Δｎ´が小さくなるほど、反映率Ｒ´が小さくなる。また、差Δｎ´がゼロから回転数ｎ２１までの範囲内である場合、反映率Ｒ´が０［％］に固定される。これにより、差Δｎ´が小さくなるほど、反映率Ｒ´を小さくさせることができるため、回転数指令値ｎ＊が実回転数ｎに近づくほど、回転数指令値ｎ＊の減少幅を小さくすることができる。そのため、所定値ｎ´が一定値である場合に発生するおそれがある実回転数ｎの発振や発散を抑えることができる。

また、調整部３３６は、制御タイミング毎に、反映率Ｒ´と、ＰＩ制御部３３２から出力される調整前所定値ｎ´´との乗算値を所定値ｎ´として減算部３３３に出力する。

すなわち、調整部３３６は、回転数指令値ｎ＊と実回転数ｎとの差が小さくなるほど、反映率Ｒ´を小さくし、その反映率Ｒ´と調整前所定値ｎ´´との乗算値を所定値ｎ´として出力する。

図３（ｂ）に示す電流指令値算出部３３によれば、所定値ｎ´が一定値である場合に発生するおそれがある実回転数ｎの発振や発散を抑えることができるため、実回転数ｎを回転数指令値ｎ＊に収束させるために必要な時間を比較的短くすることができ、実回転数ｎの変動抑制にかかる時間の短縮化を図ることができる。

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。

＜変形例１＞
上記実施形態では、ＰＩ制御部３３２においてＰＩ制御により所定値ｎ´または所定値ｎ´´を求めるとともに、ＰＩ制御部３３４においてＰＩ制御により比率Ｒを求める構成であるが、ＰＩ制御部３３２においてＰＩＤ（Proportional-Integral-Differential）制御により所定値ｎ´または所定値ｎ´´を求めるとともに、ＰＩ制御部３３４においてＰＩＤ制御により比率Ｒを求めるように構成してもよい。

＜変形例２＞
上記実施形態では、モータ４を荷役ポンプ７の駆動用モータとして構成しているが、モータ４を走行用モータとして構成してもよい。

１ 操作部
２ 主制御部
３ モータ制御装置
４ モータ
５ インバータ
６ 角度センサ
７ 荷役ポンプ
３１ 記憶部
３２ 実回転数算出部
３３ 電流指令値算出部
３４ 制御部
３３１ 乗算部
３３２ ＰＩ制御部
３３３ 減算部
３３４ ＰＩ制御部
３３５ 乗算部
３３６ 調整部
Ｖｅ 車両

Claims (4)

1. 電流上限値を上限とする電流指令値に基づいてモータの動作を制御する制御部と、
   実回転数が回転数指令値に追従するように前記電流指令値を算出する電流指令値算出部と、
   を備え、
   前記電流指令値算出部は、前記電流指令値が前記電流上限値より小さい調整用電流上限値に比べて大きい場合、前記電流指令値が前記調整用電流上限値と等しくなるまで前記回転数指令値を所定値ずつ減少させる
   ことを特徴とするモータ制御装置。
2. 請求項１に記載のモータ制御装置であって、
   前記電流指令値算出部は、前記電流指令値が前記調整用電流上限値に比べて大きい場合、前記実回転数が前記回転数指令値に近づくほど、前記所定値を小さくする
   ことを特徴とするモータ制御装置。
3. 請求項１に記載のモータ制御装置であって、
   前記電流指令値算出部は、
   ゼロより大きく１より小さい定数と前記電流上限値との乗算値を前記調整用電流上限値として出力する第１の乗算部と、
   前記電流指令値と前記調整用電流上限値との差がゼロになるように前記所定値を出力する第１のＰＩ制御部と、
   前記回転数指令値から前記所定値を減算して調整後回転数指令値を出力する減算部と、
   前記調整後回転数指令値と前記実回転数との差がゼロになるように、前記電流上限値に対する前記電流指令値の比率を出力する第２のＰＩ制御部と、
   前記比率と前記電流上限値との乗算値を前記電流指令値として出力する第２の乗算部と、
   を備えることを特徴とするモータ制御装置。
4. 請求項１に記載のモータ制御装置であって、
   前記電流指令値算出部は、
   ゼロより大きく１より小さい定数と前記電流上限値との乗算値を前記調整用電流上限値として出力する第１の乗算部と、
   前記電流指令値と前記調整用電流上限値との差がゼロになるように調整前所定値を出力する第１のＰＩ制御部と、
   調整後回転数指令値と前記実回転数との差が小さくなるほど、前記調整前所定値に対する前記所定値の割合である反映率を小さくし、その反映率と前記調整前所定値との乗算値を前記所定値として出力する調整部と、
   前記回転数指令値から前記所定値を減算して調整後回転数指令値を出力する減算部と、
   前記調整後回転数指令値と前記実回転数との差がゼロになるように、前記電流上限値に対する前記電流指令値の比率を出力する第２のＰＩ制御部と、
   前記比率と前記電流上限値との乗算値を前記電流指令値として出力する第２の乗算部と、
   を備えることを特徴とするモータ制御装置。
   

Images