JP2023077086A - 電動機の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】電動機の拡張誘起電圧の位相により推定される回転子の位置に基づいて電動機の動作を制御する制御装置において、電動機の駆動開始時に電動機に過電流が流れることを抑制する。
【解決手段】d軸電流指令値Id*にd軸電流指令値Id*より高い周波数の重畳電流Ihを重畳させるとともに、電動機Mの拡張誘起電圧eの位相により電動機Mの回転子の位置θ^を推定し、推定した位置θ^に基づいて、電動機Mの動作を制御する制御装置1において、電動機Mの駆動開始時、位置θ^の推定が開始されてから所定時間Tが経過するまでの重畳電流Ihの振幅ihを、位置θ^の推定が開始されてから所定時間Tが経過した後の重畳電流Ihの振幅ihより減衰させる。
【選択図】図1
【解決手段】d軸電流指令値Id*にd軸電流指令値Id*より高い周波数の重畳電流Ihを重畳させるとともに、電動機Mの拡張誘起電圧eの位相により電動機Mの回転子の位置θ^を推定し、推定した位置θ^に基づいて、電動機Mの動作を制御する制御装置1において、電動機Mの駆動開始時、位置θ^の推定が開始されてから所定時間Tが経過するまでの重畳電流Ihの振幅ihを、位置θ^の推定が開始されてから所定時間Tが経過した後の重畳電流Ihの振幅ihより減衰させる。
【選択図】図1
Description
本発明は、電動機の動作を制御する制御装置に関する。
電動機の制御装置として、電流指令値に重畳電流を重畳することで励起される拡張誘起電圧の位相により電動機の回転子の位置を推定し、その推定した位置に基づいて電動機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。
ところで、電動機のd軸インダクタンスをLd、電動機のq軸インダクタンスをLq、重畳電流の角周波数をωh、重畳電流の振幅をihとする場合、拡張誘起電圧の振幅ieは、下記式1により示される。
そのため、回転子の位置の推定精度を向上させる場合、上記式1において、重畳電流の振幅ihを増加させることにより拡張誘起電圧の振幅ieを増加させて拡張誘起電圧に対するN/S(Noise/Signal)比を上昇させることが考えられるが、重畳電流の振幅ihを増加させる場合、電動機の駆動開始時では、推定位置と実際の回転子の位置との差が比較的大きく電動機に流れる電流が電流指令値に追従していないため、電動機に流れる電流が電流指令値より大きくなった際に電動機に流れる電流が過電流になるおそれがある。
また、表面磁石型モータ(Surface Permanent Magnetic Motor)など突極比(Lq/Ld)が小さい電動機では、突極比が大きい電動機に比べて、上記式1の(Lq-Ld)の値が小さくなるため、重畳電流の振幅ihをさらに増加させる必要があり、電動機の駆動開始時に電動機に流れる電流が過電流になる可能性が高くなる。
本発明の一側面に係る目的は、電動機の拡張誘起電圧の位相により推定される回転子の位置に基づいて電動機の動作を制御する制御装置において、電動機の駆動開始時に電動機に過電流が流れることを抑制することである。
本発明に係る一つの形態である電動機の制御装置は、搬送波の電圧値と電圧指令値との比較結果により電動機を駆動させるインバータ回路と、前記電動機の拡張誘起電圧の位相により前記電動機の回転子の位置を推定する推定部と、前記位置を用いて前記電動機に流れる電流をd軸電流及びq軸電流に変換する電流変換部と、前記回転子の回転数と回転数指令値との回転数差によりd軸電流指令値及びq軸電流指令値を出力する電流指令値出力部と、前記d軸電流指令値に前記d軸電流指令値より高い周波数の重畳電流を重畳させる、または、前記q軸電流指令値に前記q軸電流指令値より高い周波数の重畳電流を重畳させる重畳部と、前記d軸電流と前記重畳部から出力されるd軸電流指令値とのd軸電流差が小さくなるようにd軸電圧指令値を算出するとともに前記q軸電流と前記q軸電流指令値との差が小さくなるようにq軸電圧指令値を算出する、または、前記d軸電流と前記d軸電流指令値との差が小さくなるようにd軸電圧指令値を算出するとともに前記q軸電流と前記重畳部から出力されるq軸電流指令値とのq軸電流差が小さくなるようにq軸電圧指令値を算出する電圧指令値算出部と、前記位置を用いて前記d軸電圧指令値及び前記q軸電圧指令値を前記電圧指令値に変換する電圧指令値変換部とを備える。
前記重畳部は、前記電動機の駆動開始時、前記位置の推定が開始されてから所定時間が経過するまでの前記重畳電流の振幅を、前記位置の推定が開始されてから前記所定時間が経過した後の前記重畳電流の振幅より減衰させる。
これにより、電動機の駆動開始時、拡張誘起電圧の振幅を抑制することができるため、電動機に過電流が流れることを抑制することができる。
また、前記所定時間は、前記位置の推定が開始されてから前記位置が実際の位置に収束するまでの時間、及び、前記位置の推定が開始されてから前記d軸電流が前記重畳部から出力されるd軸電流指令値に収束するまでの時間のうちの長い方の時間とする。
または、前記所定時間は、前記位置の推定が開始されてから前記d軸電流差が第1閾値以下である状態が第1一定時間以上継続したと前記推定部により判断されるまでの時間とする。
または、前記所定時間は、前記位置の推定が開始されてから前記位置が実際の位置に収束するまでの時間、及び、前記位置の推定が開始されてから前記q軸電流が前記重畳部から出力されるq軸電流指令値に収束するまでの時間のうちの長い方の時間とする。
または、前記所定時間は、前記位置の推定が開始されてから前記q軸電流差が第2閾値以下である状態が第2一定時間以上継続したと前記推定部により判断されるまでの時間とする。
また、前記重畳電流の減衰割合をζとし、前記電動機のd軸インダクタンスをLdとし、前記電動機のq軸インダクタンスをLqとし、前記拡張誘起電圧の下限値をeminとし、前記重畳電流の角周波数をωhとし、前記重畳電流の減衰前の振幅をih0とする場合、前記重畳電流の減衰割合は下記式2に示す範囲の値とする。
また、前記電動機は、表面磁石型モータとする。
本発明によれば、電動機の拡張誘起電圧の位相により推定される回転子の位置に基づいて電動機の動作を制御する制御装置において、電動機の駆動開始時に電動機に過電流が流れることを抑制することができる。
以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。
<第1実施形態>
図1は、第1実施形態における電動機の制御装置の一例を示す図である。
図1は、第1実施形態における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の動作を制御するものであって、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、例えば、埋込磁石型モータ(Interior Permanent Magnet Motor)または表面磁石型モータなどとする。
インバータ回路2は、電源Pから供給される電力により電動機Mを駆動させるものであって、コンデンサCと、スイッチング素子SW1~SW6(例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor))と、電流センサSe1、Se2とを備える。すなわち、コンデンサCの一方端子が電源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の他方端子が電源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Se1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Se2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、電源Pから出力されインバータ回路2へ入力される電圧を平滑する。
スイッチング素子SW1は、制御回路3から出力される駆動信号S1に基づいて、オンまたはオフする。スイッチング素子SW2は、制御回路3から出力される駆動信号S2に基づいて、オンまたはオフする。スイッチング素子SW3は、制御回路3から出力される駆動信号S3に基づいて、オンまたはオフする。スイッチング素子SW4は、制御回路3から出力される駆動信号S4に基づいて、オンまたはオフする。スイッチング素子SW5は、制御回路3から出力される駆動信号S5に基づいて、オンまたはオフする。スイッチング素子SW6は、制御回路3から出力される駆動信号S6に基づいて、オンまたはオフする。スイッチング素子SW1~SW6がそれぞれオンまたはオフすることで、電源Pから出力される直流電圧が、互いに位相が120度ずつ異なる3つの交流電圧に変換され、それら交流電圧が電動機MのU相、V相、及びW相の入力端子に印加され電動機Mの回転子が回転する。
電流センサSe1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U相電流Iuを検出して制御回路3に出力する。また、電流センサSe2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V相電流Ivを検出して制御回路3に出力する。
制御回路3は、記憶部4と、ドライブ回路5と、演算部6とを備える。
記憶部4は、RAM(Random Access Memory)またはROM(Read Only Memory)などにより構成され、後述する閾値ωthや所定時間Tなどを記憶する。
ドライブ回路5は、IC(Integrated Circuit)などにより構成され、搬送波(三角波、ノコギリ波、または逆ノコギリ波など)の電圧値と、演算部6から出力される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*とを比較し、その比較結果に応じた駆動信号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。
例えば、ドライブ回路5は、U相電圧指令値Vu*が搬送波の電圧値以上である場合、ハイレベルの駆動信号S1を出力するとともに、ローレベルの駆動信号S2を出力し、U相電圧指令値Vu*が搬送波の電圧値より小さい場合、ローレベルの駆動信号S1を出力するとともに、ハイレベルの駆動信号S2を出力する。また、ドライブ回路5は、V相電圧指令値Vv*が搬送波の電圧値以上である場合、ハイレベルの駆動信号S3を出力するとともに、ローレベルの駆動信号S4を出力し、V相電圧指令値Vv*が搬送波の電圧値より小さい場合、ローレベルの駆動信号S3を出力するとともに、ハイレベルの駆動信号S4を出力する。また、ドライブ回路5は、W相電圧指令値Vw*が搬送波の電圧値以上である場合、ハイレベルの駆動信号S5を出力するとともに、ローレベルの駆動信号S6を出力し、W相電圧指令値Vw*が搬送波の電圧値より小さい場合、ローレベルの駆動信号S5を出力するとともに、ハイレベルの駆動信号S6を出力する。
演算部6は、マイクロコンピュータなどにより構成され、電流変換部7と、推定部8と、減算部9と、トルク指令値算出部10と、電流指令値出力部11と、重畳部12と、減算部13と、減算部14と、電圧指令値算出部15と、電圧指令値変換部16とを備える。例えば、マイクロコンピュータが記憶部4に記憶されているプログラムを実行することにより、電流変換部7、推定部8、減算部9、トルク指令値算出部10、電流指令値出力部11、重畳部12、減算部13、減算部14、電圧指令値算出部15、及び電圧指令値変換部16が構成される。
電流変換部7は、電流センサSe1により検出されるU相電流Iu及び電流センサSe2により検出されるV相電流Ivを用いて、電動機MのW相に流れるW相電流Iwを求める。
また、電流変換部7は、推定部8により推定される位置θ^を用いて、U相電流Iu、V相電流Iv、及びW相電流Iwをd軸電流Id(電動機Mに弱め界磁を発生させるための電流成分)及びq軸電流Iq(電動機Mにトルクを発生させるための電流成分)に変換する。
例えば、電流変換部7は、下記式3に示す変換行列C1を用いて、U相電流Iu、V相電流Iv、W相電流Iwを、d軸電流Id及びq軸電流Iqに変換する。
なお、電流センサSe1、Se2により検出される電流は、U相電流Iu及びV相電流Ivの組み合わせに限定されず、V相電流Iv及びW相電流Iwの組み合わせ、または、U相電流Iu及びW相電流Iwの組み合わせでもよい。電流センサSe1、Se2によりV相電流Iv及びW相電流Iwが検出される場合、電流変換部7は、V相電流Iv及びW相電流Iwを用いて、U相電流Iuを求める。また、電流センサSe1、Se2によりU相電流Iu及びW相電流Iwが検出される場合、電流変換部7は、U相電流Iu及びW相電流Iwを用いて、V相電流Ivを求める。
また、インバータ回路2において、電流センサSe1、Se2の他に、電動機MのW相に流れるW相電流Iwを検出する電流センサSe3をさらに備える場合、電流変換部7は、推定部8により推定される位置θ^を用いて、電流センサSe1~Se3により検出されるU相電流Iu、V相電流Iv、及びW相電流Iwをd軸電流Id及びq軸電流Iqに変換するように構成してもよい。
推定部8は、電動機Mのq軸インダクタンスLqをパラメータとして含む電動機MのモデルMLqと、電流変換部7から出力されるd軸電流Id及びq軸電流Iqと、電圧指令値算出部15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*とを用いて、電動機Mの拡張誘起電圧eを推定する。
また、推定部8は、拡張誘起電圧eを用いて、電動機Mの回転子の位置θ^を推定する。
図2は、電動機MのモデルMLqを用いた拡張誘起電圧eの推定方法を説明するための図である。なお、モデルMLqは、下記式4により示され、任意の値に調整可能なパラメータとしてq軸インダクタンスLqを含む。Rを電動機Mの抵抗成分とし、pを微分演算子とし、ωを回転子の角周波数(例えば、前回の制御タイミングにおいて推定部8により推定される回転数θ^とする)とし、Iを下記式5により示される単位行列とし、Jを下記式6により示される単位行列とする。
{(R+pLq)I-ωLqJ} ・・・式4
{(R+pLq)I-ωLqJ} ・・・式4
まず、推定部8は、電圧vα、vβと、モデルMLqから出力される電圧との差に相当する拡張誘起電圧eα、eβを求める。なお、拡張誘起電圧eα、eβは、下記式7により示される。また、電圧vα、vβが電動機Mに入力され、電動機Mから出力される電流iα、iβがモデルMLqに入力されるものとする。また、電圧vαは、電圧指令値算出部15から出力されるd軸電圧指令値Vd*を、電動機MのU相、V相、W相のうちのU相に対応する固定座標系のα軸に変換した電圧とする。また、電圧vβは、電圧指令値算出部15から出力されるq軸電圧指令値Vq*を、α軸を基準に90度進んだ固定座標系のβ軸に変換した電圧とする。また、電流iαは、電流変換部7から出力されるd軸電流idを、α軸に変換した電流とする。また、電流iβは、電流変換部7から出力されるq軸電流Iqをβ軸に変換した電流とする。
次に、推定部8は、回転数ω^が閾値ωth以下である場合、拡張誘起電圧eα、eβに対して停止低速域の信号処理(同期検波処理やフィルタリング処理など)を行うことで、拡張誘起電圧eαh、eβhを推定する。また、推定部8は、回転数ω^が閾値ωthより大きい場合、拡張誘起電圧eα、eβに対して中高速域の信号処理(フィルタリング処理など)を行うことで、拡張誘起電圧eαω、eβωを推定する。なお、閾値ωthと比較される回転数ω^は、例えば、前回の制御タイミングにおいて推定部8により推定される回転数ω^とする。
そして、推定部8は、回転数ω^が閾値ωth以下である場合、下記式8を計算することにより、位置θ^を推定し、回転数ω^が閾値ωthより大きい場合、下記式9を計算することにより、位置θ^を推定する。
また、推定部8は、位置θ^を一定時間(演算部6のクロック周期など)で除算することにより回転数ω^を推定する。
また、図1に示す減算部9は、外部から入力される回転数指令値ω*と推定部8により推定される回転数ω^との回転数差Δωを算出する。
トルク指令値算出部10は、減算部9から出力される回転数差Δωを用いて、トルク指令値T*を算出する。例えば、トルク指令値算出部10は、記憶部4に記憶されている、電動機Mの回転子の回転数(角周波数)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(不図示)を参照して、回転数差Δωに相当する回転数に対応するトルクを、トルク指令値T*として求める。
電流指令値出力部11は、トルク指令値T*を用いて、d軸電流指令値Id*及びq軸電流指令値Iq*を出力する。例えば、電流指令値出力部11は、記憶部4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(不図示)を参照して、トルク指令値T*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。
重畳部12は、電流指令値出力部11から出力されるd軸電流指令値Id*より周波数が高い重畳電流Ihをd軸電流指令値Id*に重畳(乗算)させてd軸電流指令値Id*´として出力する。
また、重畳部12は、電動機Mの駆動開始時、位置θ^の推定が開始されてから所定時間Tが経過するまでの重畳電流Ihの振幅ihを、位置θ^の推定が開始されてから所定時間Tが経過した後の重畳電流Ihの振幅ihより減衰させる。
なお、電動機Mの駆動開始時とは、少なくとも回転子の位置θ^及び極性の推定にかかる時間を含み、さらに回転子の極性反転にかかる時間を含んでもよい。
また、所定時間Tとは、実験やシミュレーションなどにより予め求められるものであって、推定部8により位置θ^の推定が開始されてから位置θ^が実際の回転子の位置に収束(追従)するまでの時間、及び、推定部8により位置θ^の推定が開始されてから後述する差ΔId(d軸電流差)が閾値ΔIdth(第1閾値)以下である状態が一定時間Tc(第1一定時間)以上継続するまでの時間のうちの長い方の時間とする。閾値ΔIdthは、d軸電流Idがd軸電流指令値Id*に追従しているときの差ΔIdとする。また、一定時間Tcは、d軸電流Idに含まれるノイズを考慮して任意に決められる時間とする。
また、重畳電流Ihの減衰割合ζは、例えば、下記式2に示す範囲の値とすることで、減衰割合ζを小さくし過ぎることによりd軸電流Idが過電流になるリスクを低減することができる。なお、電動機Mのd軸インダクタンスをLdとし、電動機Mのq軸インダクタンスをLqとし、位置θ^の推定に必要なS/N比を確保するための拡張誘起電圧eの下限値をeminとし、重畳電流Ihの角周波数をωhとし、重畳電流Ihの減衰前の振幅(位置θ^の推定が開始されてから所定時間Tが経過した後の重畳電流Ihの振幅)をih0とする。
ここで、図3は、重畳部12の動作の一例を示すフローチャートである。
まず、重畳部12は、電動機Mの駆動が開始されたと判断し(ステップS1:Yes)、かつ、推定部8により位置θ^の推定が開始されたと判断すると(ステップS2:Yes)、推定部8により位置θ^の推定が開始されてから所定時間Tが経過するまでの間、減衰割合ζで振幅ihを減衰させた重畳電流Ihをd軸電流指令値Id*に重畳させることを継続する(ステップS4:No、ステップS3)。例えば、重畳部12は、車両側に設けられる不図示の制御部から送信される電動機Mの駆動開始指示を制御回路3が受信すると、電動機Mの駆動が開始されたと判断する。また、例えば、重畳部12は、位置θ^の推定が開始されたか否かを示すフラグがオンになると、推定部8により位置θ^の推定が開始されたと判断する。このように構成する場合、推定部8は、位置θ^の推定を開始するとフラグをオフからオンに切り替える。
次に、重畳部12は、推定部8により位置θ^の推定が開始されてから所定時間Tが経過すると(ステップS4:Yes)、電動機Mの駆動が終了するまでの間、振幅ihを減衰させていない重畳電流Ihをd軸電流指令値Id*に重畳させることを継続する(ステップS6:No、ステップS5)。
そして、重畳部12は、電動機Mの駆動が終了したと判断すると(ステップS6:Yes)、重畳電流Ihの重畳処理を終了する。例えば、重畳部12は、車両側に設けられる不図示の制御部から送信される電動機Mの駆動終了指示を制御回路3が受信すると、電動機Mの駆動が終了したと判断する。
また、図1に示す減算部13は、重畳部12から出力されるd軸電流指令値Id*´と、電流変換部7から出力されるd軸電流Idとの差ΔId(d軸電流差)を算出する。
減算部14は、電流指令値出力部11から出力されるq軸電流指令値Iq*と、電流変換部7から出力されるq軸電流Iqとの差ΔIqを算出する。
電圧指令値算出部15は、減算部13から出力される差ΔId及び減算部14から出力される差ΔIqを用いたPI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、電圧指令値算出部15は、下記式10を計算することによりd軸電圧指令値Vd*を求めるとともに、下記式11を計算することによりq軸電圧指令値Vq*を求める。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のq軸インダクタンスとし、Ldは電動機Mのd軸インダクタンスとし、ω^は推定部8により推定される回転数とし、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)-ω^LqIq・・・式10
q軸電圧指令値Vq*=Kp×差ΔIq+∫(Ki×差ΔIq)+ω^LdId+ω^Ke・・・式11
すなわち、電圧指令値算出部15は、d軸電流Idとd軸電流指令値Id*´との差ΔIdが小さくなるようにd軸電圧指令値Vd*を算出するとともにq軸電流Iqとq軸電流指令値Iq*との差ΔIqが小さくなるようにq軸電圧指令値Vq*を算出する。
電圧指令値変換部16は、推定部8により推定される位置θ^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Vv*、及びW相電圧指令値Vw*に変換する。例えば、電圧指令値変換部16は、下記式12に示す変換行列C2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Vv*、W相電圧指令値Vw*に変換する。
ところで、回転子の位置θ^の推定精度を向上させる場合、上述したように、上記式1において、重畳電流Ihの振幅ihを増加させることにより拡張誘起電圧eの振幅ieを増加させて拡張誘起電圧eに対するN/S比を上昇させることが考えられるが、重畳電流Ihの振幅ihを増加させる場合、電動機Mの駆動開始時では、位置θ^と実際の回転子の位置との差(以下、位置誤差という)が比較的大きくd軸電流Idがd軸電流指令値Id*に追従していないため、d軸電流Idがd軸電流指令値Id*より大きくなった際にd軸電流Idが過電流になるおそれがある。
そこで、第1実施形態の電動機Mの制御装置1では、電動機Mの駆動開始時、位置誤差が比較的大きくd軸電流Idがd軸電流指令値Id*に追従していないとき、d軸電流指令値Id*´が比較的小さい値になるように、重畳電流Ihの振幅ihを減衰させている。
図4(a)は、重畳電流Ihの振幅ihを減衰させない場合におけるd軸電流指令値Id*、d軸電流Id、及び位置誤差の一例を示す図である。また、図4(b)は、重畳電流Ihの振幅ihを減衰させている場合におけるd軸電流指令値Id*、d軸電流Id、及び位置誤差の一例を示す図である。なお、図4(a)及び図4(b)に示す二次元座標の横軸は時間を示し、縦軸は電流または位置誤差を示している。また、図4(a)及び図4(b)に示す実線はd軸電流指令値Id*´を示し、破線はd軸電流Idを示し、一点鎖線は位置誤差を示している。また、図4(a)の時刻t0において位置θ^の推定が開始されてから所定時間T経過後の時刻t1までの期間、及び、時刻t1以降の期間、重畳電流Ihの振幅ihは減衰されていないものとする。また、図4(b)の時刻t0において電動機Mの駆動が開始されてから所定時間T経過後の時刻t1までの期間、重畳電流Ihの振幅ihは減衰されているものとし、図4(b)の時刻t1以降の期間、重畳電流Ihの振幅ihは減衰されていないものとする。
図4(a)に示すように、時刻t0において位置θ^の推定が開始されてから所定時間T経過後の時刻t1までの期間、重畳電流Ihの振幅ihを減衰させていない場合では、d軸電流Idがd軸電流指令値Id*´に追従しておらず、一時的にd軸電流Idがd軸電流指令値Id*´より大きくなっている。
一方、図4(b)に示すように、時刻t0において位置θ^の推定が開始されてから所定時間T経過後の時刻t1までの期間、重畳電流Ihの振幅ihを減衰させている場合では、d軸電流Idがd軸電流指令値Id*´に追従していないが、d軸電流指令値Id*´が比較的小さいため、d軸電流Idがd軸電流指令値Id*´より小さくなっている。
このように、第1実施形態の電動機Mの制御装置1によれば、電動機Mの駆動開始時、位置誤差が比較的大きくd軸電流Idがd軸電流指令値Id*´に追従していないとき、重畳電流Ihの振幅ihを減衰させている。これにより、電動機Mの駆動開始時、位置誤差が比較的大きくd軸電流Idがd軸電流指令値Id*´に追従していないとき、d軸電流Idの振幅を抑えることができるため、d軸電流Idがd軸電流指令値Id*´より大きくなることを抑えることができ、d軸電流Idが過電流になることを抑制することができる。
また、第1実施形態の電動機Mの制御装置1では、上記式1において、重畳電流Ihの角周波数ωhを大きくする必要がないため、角周波数ωhが大きくなることにより電動機Mで発生する振動や騒音を増大させないようにすることができる。
<第2実施形態>
図5は、第2実施形態の電動機の制御装置の一例を示す図である。なお、図1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5は、第2実施形態の電動機の制御装置の一例を示す図である。なお、図1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5に示す制御装置1´において、図1に示す制御装置1と異なる点は、推定部8の替わりに推定部8´を備えている点と、重畳部12の替わりに重畳部12´を備えている点である。
第2実施形態の重畳部12´は、電流指令値出力部11から出力されるq軸電流指令値Iq*より高い周波数の重畳電流Ih´をq軸電流指令値Iq*に重畳(乗算)させてq軸電流指令値Iq*´として出力する。なお、重畳電流Ih´の角周波数ωhや振幅ihは、重畳電流Ihの角周波数ωhや振幅ihと同じでもよいし、異なっていてもよい。
また、第2実施形態の重畳部12´は、電動機Mの駆動開始時、位置θ^の推定が開始されてから所定時間T´が経過するまでの重畳電流Ihの振幅ihを、位置θ^の推定が開始されてから所定時間T´が経過した後の重畳電流Ihの振幅ihより減衰させる。なお、所定時間T´とは、実験やシミュレーションなどにより予め求められるものであって、推定部8´により位置θ^の推定が開始されてから位置θ^が実際の回転子の位置に収束(追従)するまでの時間、及び、推定部8´により位置θ^の推定が開始されてから後述する差ΔIq(q軸電流差)が閾値ΔIqth(第2閾値)以下である状態が一定時間Tc´(第2一定時間)以上継続するまでの時間のうちの長い方の時間とする。閾値ΔIqthは、q軸電流Iqがq軸電流指令値Iq*に追従しているときの差ΔIqとする。また、一定時間Tc´は、q軸電流Iqに含まれるノイズを考慮して任意に決められる時間とする。また、重畳電流Ihの減衰割合ζは、例えば、上記式2に示す範囲の値とする。
また、第2実施形態の推定部8´は、電動機Mのd軸インダクタンスLd及び電動機Mのq軸インダクタンスLqをパラメータとして含む電動機MのモデルMLdLqと、電流変換部7から出力されるd軸電流Id及びq軸電流Iqと、電圧指令値算出部15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*とを用いて、電動機Mの拡張誘起電圧e´を推定する。
また、第2実施形態の推定部8´は、拡張誘起電圧e´を用いて、電動機Mの回転子の位置θ^を推定する。
また、第2実施形態の推定部8´は、位置θ^を一定時間(演算部6のクロック周期など)で除算することにより回転数ω^を推定する。
また、第2実施形態の減算部14は、重畳部12´から出力されるq軸電流指令値Iq*´と、電流変換部7から出力されるq軸電流Iqとの差ΔIq(q軸電流差)を算出する。
また、第2実施形態の電圧指令値算出部15は、d軸電流Idとd軸電流指令値Id*との差ΔIdが小さくなるようにd軸電圧指令値Vd*を算出するとともにq軸電流Iqとq軸電流指令値Iq*´との差ΔIqが小さくなるようにq軸電圧指令値Vq*を算出する。
<第2実施形態における拡張誘起電圧e´の推定方法>
図6は、電動機MのモデルMLdLqを用いた拡張誘起電圧e´の推定方法を説明するための図である。なお、モデルMLdLqは、下記式13により示されるものとし、任意の値に調整可能なパラメータとしてd軸インダクタンスLd及びq軸インダクタンスLqを含む。d軸インダクタンスLdは、実験やシミュレーションなどにより予め推定される値とする。Rを電動機Mの抵抗成分とし、pを微分演算子とし、ωを回転子の角周波数(例えば、前回の制御タイミングにおいて推定部8´により推定される回転数θ^とする)とし、Iを上記式5により示される単位行列とし、Jを上記式6により示される単位行列とする。
図6は、電動機MのモデルMLdLqを用いた拡張誘起電圧e´の推定方法を説明するための図である。なお、モデルMLdLqは、下記式13により示されるものとし、任意の値に調整可能なパラメータとしてd軸インダクタンスLd及びq軸インダクタンスLqを含む。d軸インダクタンスLdは、実験やシミュレーションなどにより予め推定される値とする。Rを電動機Mの抵抗成分とし、pを微分演算子とし、ωを回転子の角周波数(例えば、前回の制御タイミングにおいて推定部8´により推定される回転数θ^とする)とし、Iを上記式5により示される単位行列とし、Jを上記式6により示される単位行列とする。
{(R+pLd)I-ω(Ld-Lq)J} ・・・式13
まず、推定部8´は、電圧vα、vβと、モデルMLdLqから出力される電圧との差に相当する拡張誘起電圧eα´、eβ´を求める。なお、拡張誘起電圧eα´、eβ´は、下記式14により示される。なお、電圧vα、vβが電動機Mに入力され、電動機Mから出力される電流iα、iβがモデルMLdLqに入力されるものとする。
次に、推定部8´は、回転数ωが閾値ωth以下である場合、拡張誘起電圧eα´、eβ´に対して停止低速域の信号処理(同期検波処理やフィルタリング処理など)を行うことで、拡張誘起電圧eαh´、eβh´を推定する。また、推定部8´は、回転数ω^が閾値ωthより大きい場合、拡張誘起電圧eα´、eβ´に対して中高速域の信号処理(フィルタリング処理など)を行うことで、拡張誘起電圧eαω´、eβω´を推定する。
そして、推定部8´は、回転数ω^が閾値ωth以下である場合、下記式15を計算することにより、位置θ^を推定し、回転数ω^が閾値ωthより大きい場合、下記式16を計算することにより、位置θ^を推定する。
第2実施形態の電動機Mの制御装置1´によれば、電動機Mの駆動開始時、位置誤差が比較的大きくq軸電流Iqがq軸電流指令値Iq*に追従していないとき、重畳電流Ih´の振幅ihを減衰させている。これにより、電動機Mの駆動開始時、位置誤差が比較的大きくq軸電流Iqがq軸電流指令値Iq*´に追従していないとき、q軸電流Iqの振幅を抑えることができるため、q軸電流Iqがq軸電流指令値Iq*´より大きくなることを抑えることができ、q軸電流Iqが過電流になることを抑制することができる。
また、第2実施形態の電動機Mの制御装置1´では、上記式1において、重畳電流Ihの角周波数ωhを大きくする必要がないため、角周波数ωhが大きくなることにより電動機Mで発生する振動や騒音を増大させないようにすることができる。
また、第1実施形態の電動機Mの制御装置1または第2実施形態の電動機Mの制御装置1´は、突極比が比較的小さく重畳電流Ihの振幅ihを比較的大きくさせる必要がある表面磁石型モータに対して、特に好適である。
また、第1実施形態のようにモデルMLqを用いて拡張誘起電圧e´を推定する場合は、第2実施形態のようにモデルMLdLqを用いて拡張誘起電圧e´´を推定する場合に比べて、q軸電流指令値Iq*に重畳電流Ih´を重畳させる必要がないため、トルク脈動の発生を抑制することができる。
なお、本発明は、以上の実施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、上記第1実施形態において、推定部8は、回転数ω^が閾値ωthより大きい場合、拡張誘起電圧eαω、eβωを用いて、位置θ^を推定し、上記第2実施形態において、推定部8´は、回転数ω^が閾値ωthより大きい場合、拡張誘起電圧eαω´、eβω´を用いて、位置θ^を推定する構成であるが、下記式17に示す電圧方程式を用いて回転数ω^を推定し、その推定した回転数ω^により位置θ^を推定するように構成してもよい。
このように構成する場合、第1実施形態の重畳部12は、回転数ω^が閾値ωth以下である場合のみ、重畳電流Ihをd軸電流指令値Id*に重畳させてd軸電流指令値Id*´として出力するように構成してもよい。これにより、回転数ω^が閾値ωth以下である場合のみ、拡張誘起電圧eを励起させることができる。
また、第2実施形態の重畳部12´は、回転数ω^が閾値ωth以下である場合のみ、重畳電流Ih´をq軸電流指令値Iq*に重畳させてq軸電流指令値Iq*´として出力するように構成してもよい。これにより、回転数ω^が閾値ωth以下である場合のみ、拡張誘起電圧e´を励起させることができる。
1 制御装置
2 インバータ回路
3 制御回路
4 記憶部
5 ドライブ回路
6 演算部
7 電流変換部
8、8´ 推定部
9 減算部
10 トルク指令値算出部
11 電流指令値出力部
12、12´ 重畳部
13 減算部
14 減算部
15 電圧指令値算出部
16 電圧指令値変換部
P 電源
C コンデンサ
Se1 電流センサ
Se2 電流センサ
2 インバータ回路
3 制御回路
4 記憶部
5 ドライブ回路
6 演算部
7 電流変換部
8、8´ 推定部
9 減算部
10 トルク指令値算出部
11 電流指令値出力部
12、12´ 重畳部
13 減算部
14 減算部
15 電圧指令値算出部
16 電圧指令値変換部
P 電源
C コンデンサ
Se1 電流センサ
Se2 電流センサ
Claims (5)
- 搬送波の電圧値と電圧指令値との比較結果により電動機を駆動させるインバータ回路と、
前記電動機の拡張誘起電圧の位相により前記電動機の回転子の位置を推定する推定部と、
前記位置を用いて前記電動機に流れる電流をd軸電流及びq軸電流に変換する電流変換部と、
前記回転子の回転数と回転数指令値との回転数差によりd軸電流指令値及びq軸電流指令値を出力する電流指令値出力部と、
前記d軸電流指令値に前記d軸電流指令値より高い周波数の重畳電流を重畳させる、または、前記q軸電流指令値に前記q軸電流指令値より高い周波数の重畳電流を重畳させる重畳部と、
前記d軸電流と前記重畳部から出力されるd軸電流指令値とのd軸電流差が小さくなるようにd軸電圧指令値を算出するとともに前記q軸電流と前記q軸電流指令値との差が小さくなるようにq軸電圧指令値を算出する、または、前記d軸電流と前記d軸電流指令値との差が小さくなるようにd軸電圧指令値を算出するとともに前記q軸電流と前記重畳部から出力されるq軸電流指令値とのq軸電流差が小さくなるようにq軸電圧指令値を算出する電圧指令値算出部と、
前記位置を用いて前記d軸電圧指令値及び前記q軸電圧指令値を前記電圧指令値に変換する電圧指令値変換部と、
を備え、
前記重畳部は、前記電動機の駆動開始時、前記位置の推定が開始されてから所定時間が経過するまでの前記重畳電流の振幅を、前記位置の推定が開始されてから前記所定時間が経過した後の前記重畳電流の振幅より減衰させる
ことを特徴とする電動機の制御装置。 - 請求項1に記載の電動機の制御装置であって、
前記所定時間は、
前記位置の推定が開始されてから前記位置が実際の位置に収束するまでの時間、及び、前記位置の推定が開始されてから前記d軸電流が前記重畳部から出力されるd軸電流指令値に収束するまでの時間のうちの長い方の時間である、
または、
前記位置の推定が開始されてから前記d軸電流差が第1閾値以下である状態が第1一定時間以上継続したと前記推定部により判断されるまでの時間である
ことを特徴とする電動機の制御装置。 - 請求項1に記載の電動機の制御装置であって、
前記所定時間は、
前記位置の推定が開始されてから前記位置が実際の位置に収束するまでの時間、及び、前記位置の推定が開始されてから前記q軸電流が前記重畳部から出力されるq軸電流指令値に収束するまでの時間のうちの長い方の時間である、
または、
前記位置の推定が開始されてから前記q軸電流差が第2閾値以下である状態が第2一定時間以上継続したと前記推定部により判断されるまでの時間である
ことを特徴とする電動機の制御装置。 - 請求項1~4の何れか1項に記載の電動機の制御装置であって、
前記電動機は、表面磁石型モータである
ことを特徴とする電動機の制御装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021190227A JP2023077086A (ja) | 2021-11-24 | 2021-11-24 | 電動機の制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021190227A JP2023077086A (ja) | 2021-11-24 | 2021-11-24 | 電動機の制御装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2023077086A true JP2023077086A (ja) | 2023-06-05 |
Family
ID=86610420
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2021190227A Pending JP2023077086A (ja) | 2021-11-24 | 2021-11-24 | 電動機の制御装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2023077086A (ja) |
-
2021
- 2021-11-24 JP JP2021190227A patent/JP2023077086A/ja active Pending
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