JP3686596B2 - 永久磁石モータ用の制御システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石モータ用の制御システムに係り、より詳しくは、様々な作動条件の下で最適なモータ効率を得るため５つのレギュレータを備える永久磁石モータ用の制御システムに関する。
【０００２】
【従来技術】
モータに供給される電流を制御することによってモータのトルクを制御することが永久磁石モータに関連する分野で知られている。典型的には、内部永久磁石モータは、多重位相の巻線を有するステータと、極部品により取り囲まれるように内部配置された永久磁石を有するロータと、を備える。ステータ巻線により生成されたステータの磁場は、ロータの磁場と相互作用し、ロータを回転させる。ロータの磁場は永久磁石によって生成される。
【０００３】
モータの回転力即ちトルクは、ステータ巻線に入力された電流の大きさ及び持続時間を調整することによって制御される。磁場を生成するために、ステータ電流は、ロータ位置と同期された所定シーケンスで各々のステータ位相巻線においてスイッチオン及びオフされる。通常では、ステータ電流信号は、巻線のインバータにより入力されたパルス幅変調信号である。ステータ電流指令信号は、アンペア軌跡（amp trajectory）毎の最大トルクに基づいて決定される。所望の軌跡が決定された後、電流レギュレータは、ステータ巻線において電流指令信号を維持する。電流レギュレータは、ヒステリシス型式の電流レギュレータ即ち比例積分ＰＩ電流レギュレータとして形成されてもよい。モータは、アンペア軌跡毎の最大トルクにおいて最も効率的に作動される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従って、アンペア軌跡毎の最大トルクからの偏差を最小化する永久磁石モータ用の制御システムを持つことが望ましい。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、５つのレギュレータを備える永久磁石モータを制御するための制御システムを提供する。第１のレギュレータは、所望のモータトルクを示すトルク指令信号及び実際のモータトルク信号を受け取り、実際のモータトルクとトルク指令信号との差異に応答してステータ電流指令信号を発生する。アンペア軌跡毎の最大トルクは、トルク指令信号から決定される。この軌跡は、ステータ電流と象限軸とがなす角度を表す角度βに関するサイン及びコサイン成分に分割される。
【０００６】
次に、ステータ電流指令信号は、サイン及びコサイン成分と乗算され、直行軸電流指令信号及び象限軸電流指令信号が各々得られる。象限軸電流指令信号及び直行軸電流指令信号は、モータ象限軸電流信号及びモータ直行軸電流信号と結合されて、所望のモータトルクを示す、修正された象限軸電流指令信号及び直行軸電流指令信号が発生される。修正された象限軸電流指令信号及び直行軸電流指令信号が発生された後、リミッターが、修正された直行軸電流指令信号が最大ステータ電流を超えることを防止し、該最大ステータ電流を超える任意の電流が修正された象限軸電流指令信号に追加される。
【０００７】
第２及び第３のレギュレータは、各々の電流指令信号とモータ電流信号との差異に応答して、調整された象限軸電流信号及び直行軸電流信号を提供するための電流レギュレータである。
【０００８】
第４のレギュレータは、象限軸電圧が所望の最大電圧に達したとき、直行軸電流指令信号を増加させる第１の場弱め信号を生成するように設けられる。第５のレギュレータは、直行軸電圧が所望の最大電圧に達したとき、象限軸電流指令信号を減少させる第２の場弱め信号を生成するように設けられる。調整された直行軸電流信号と調整された象限軸電流信号とは結合されてパルス幅変調信号を形成する。このパルス幅変調信号は、インバータを介してモータに入力される。第４及び第５のレギュレータは、直行軸電流信号及び象限軸電流信号を修正するとき、互いに独立に機能する。各々の場弱め信号は、モータパラメータから独立に働き、その結果、モータのより安定した制御をもたらす。
【０００９】
本発明の一実施形態では、モータトルクは、トルク推定器によって決定される。トルク推定器は、モータ直行軸電流信号、モータ象限軸電流信号、モータ速度及び該インバータに入力された直流電圧からモータトルクを決定する。推定器は、計算する際に電力及び機械的パワー間の等価性を使用し、従って、測定された磁気コア損失、銅損失、及び他のシステム損失が、補間によって補償される。従って、本方法は、負荷及び温度に関するインダクタンス及び磁気フラックスの変化を自動的に補償する。しかしながら、唯一の例外が、ステータ抵抗であり、これは温度によって変動し、その結果、補償されない状態で残るトルク上の変化は副次的な微小成分となる。かくして、本発明は、モータの温度変動及びかなりのモータ磁気飽和の下でより正確に制御されるトルクを提供することができる。更に、本発明は、アンペア軌跡毎に最適に近いトルクにモータを作動させ、その結果、インバータ規格電力及びインバータコストを減少させる制御システムを提供することができる。
【００１０】
本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照して本発明の幾つかの特定の実施形態についての以下の説明を参酌することによって更に十分に理解されよう。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面を参照して説明する。
ここで、図面のうち図１及び２を詳細に参照すると、参照番号１０は、内部永久磁石モータ１２用の制御システムを示している。モータ１２は、一般に、ステータ（図示せず）及びロータを備える。ロータは、ステータにより生成されたステータ磁場がロータの磁場と相互作用するとき回転する。ロータ磁場は、永久磁石によって生成される。永久磁石はロータの表面に配置してもよく、或いは、内部永久磁石モータと同様に、永久磁石を、極部品によって取り囲まれた、ロータの内部に配置してもよい。
【００１２】
内部永久磁石のロータ１４が図２に示されている。ロータ１４は、シャフト（図示せず）に接続されたロータ薄層のスタックから構成することができる。各々の薄層は、複数の極部品１６、１８、２０、２２を有する。永久磁石２４、２６、２８、３０は、各々の極部品１６、１８、２０、２２と、ロータ薄層コア３２との間に挿入される。Ｎ及びＳは、永久磁石２４、２６、２８、３０のＮ極及びＳ極を各々示している。軸方向間隙３４は、永久磁石２４、２６、２８、３０を維持させ、スターティングケージ（starting cage；図示せず）の一部分を形成するため、アルミニウムで覆ってもよい。
【００１３】
永久磁石２４、２６、２８、３０は、４極ロータを形成するように配置される。ロータ１４は、ロータのＮ極中心線と一致する直行軸（direct-axis）、即ちｄ軸を有する。象限軸（quadrature-axis）、即ちｑ軸は、隣接する極間にｄ軸から電気的に９０度離れたところに配置される。４極ロータでは、ｑ軸はｄ軸から機械的に４５度のところにある。本発明は、４極ロータに対して説明されるが、ｑ軸が隣接する極間に配置されるという理解の下で、他の極数（例えば、２、６等）へと一般化することができる。
【００１４】
内部永久磁石モータにより発展されたトルクは、モータのステータ位相巻線に入力されたステータ電流を制御することによって制御され得る。ステータ電流Ｉ_sは、ｄ軸成分Ｉ_d及びｑ軸成分Ｉ_qによってデカルト座標で以下のように表される。
【００１５】
Ｉ_d＝Ｉ_sｓｉｎβ
Ｉ_q＝Ｉ_sｃｏｓβ
この角度βは、ステータ電流がｑ軸からなす角度である。最適なモータ作動、例えばアンペア軌跡毎の最大トルクを生じさせるトルク要求に応答するために、ステータ電流Ｉ_s用の所望の軌跡を画定することが可能である。図３は、内部永久磁石モータに対して、アンペア軌跡毎に所望の最大トルクを示している。ｘ軸は、β（ラジアン）を表し、ｙ軸は、ステータ電流（アンペア）を表す。構造的ラインは、等しいモータトルクをたどってなる。図３では、白い領域が最も高いトルクを表し、黒い領域が最も低いトルクを表すように陰影を付けてもよい。与えられたトルク指令信号に対して、電流毎の最大のトルクは、ステータ電流が当該トルクに対して最下であるポイントで得られる。所望のトルクを表すライン上の最小ポイントでモータを作動させるため、角度βが調整される。
【００１６】
本発明の一実施形態では、コントローラが、本発明の制御システムを実行する。コントローラは、例えば、中央処理ユニット（ＣＰＵ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）デバイス、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）デバイス、入出力回路（Ｉ／Ｏ）及びＡ／Ｄコンバータなどの構成要素を備える、従来のマイクロプロセッサ又はマイクロコントローラで実現できる。一般には、本システムは、所望のモータトルクを生成するためのトルク指令信号Ｔｅ^*を決定するコントローラを備える。トルク指令信号Ｔｅ^*から、アンペア軌跡毎の最大トルクが、ブロック３６で決定される。軌跡が決定された後、図１に示された５つのレギュレータ３８、４０、４２、４４、４６が、当該軌跡に基づく様々な作動条件の下で正確なトルク生成を維持する。インバータ４８は、信号ライン４９を介してステータ巻線に変調電流信号を適用する。変調電流信号は、５つのレギュレータ３８、４０、４２、４４、４６に従って生成される。
【００１７】
より詳しくは、第１のレギュレータ３８は、トルク指令信号Ｔｅ^*及び実際のモータトルクを示すモータトルク信号Ｔｅを受け取り、ステータ電流指令信号Ｉ_s ^*を提供する。信号Ｉ_s ^*は、トルク指令信号Ｔｅ^*及びモータトルク信号Ｔｅの間の差異に応答する。
【００１８】
本発明の一実施形態では、モータトルクＴｅは、トルク推定器５０により決定される。トルク推定器５０は、モータ象限軸の電流信号Ｉ_q、直行軸の電流信号Ｉ_d、モータ速度及びモータに供給される直流電圧Ｖｄｃからモータトルクを決定する。モータ象限軸の電流信号Ｉ_q、直行軸の電流信号Ｉ_dは、ステータ位相巻線５４に接続された電流センサー５２により測定される。モータ速度は、速度検出器５６により測定され、インバータ４８に入力された直流電圧５８は、センサー６０によって測定される。推定器５０は、計算する際に電力及び機械的パワー間の等価性を使用し、従って、測定された磁気コア損失、銅損失、及び他のシステム損失が、補間によって補償される。従って、本方法は、負荷及び温度に関するインダクタンス及び磁気フラックスの変化を自動的に補償する。しかしながら、唯一の例外が、ステータ抵抗であり、これは温度によって変動し、その結果、補償されない状態で残るトルク上の変化は副次的な微小成分となる。かくして、トルクは、モータの温度変動及びかなりのモータ磁気飽和の下でより正確に制御される。
【００１９】
次に、アンペア軌跡毎の最大トルクは、ブロック３６で決定され、２つの成分、ｓｉｎβ、ｃｏｓβへと分割される。図４は、所望のｃｏｓβ対トルク指令信号を示し、図５は、所望のｓｉｎβ対トルク指令信号を示している。直行軸の電流指令信号Ｉ_d ^*は、乗算器６２においてステータ電流指令信号Ｉ_s ^*をｓｉｎβで乗算することによって、提供され、象限軸の電流指令信号Ｉ_q ^*は、乗算器６４においてステータ電流指令信号Ｉ_s ^*をｃｏｓβで乗算することによって提供される。これら２つの構成要素は、所望の軌跡に対する正確な電流振幅及び角度を発生する。
【００２０】
直行軸の電流指令信号Ｉ_d ^*及び象限軸の電流指令信号Ｉ_q ^*は、加算器６６、６８においてモータ象限軸電流信号Ｉ_q及び直行軸電流信号Ｉ_dと結合され、修正された象限軸電流指令信号Ｉ_mq及び直行軸電流指令信号Ｉ_mdを提供する。更には、修正された象限軸電流指令信号Ｉ_mq及び直行軸電流指令信号Ｉ_mdは、リミッター７０において最大ステータ電流Ｉ_maxを超えることから防止され、最大ステータ電流を超える任意の電流は、リミッター７２において、象限軸電流指令信号Ｉ_mqに加算される。最大ステータ電流は、次式から導き出される。
【００２１】
【数１】

【００２２】
第２のレギュレータ４０は、信号ライン４１を介して修正象限軸電流指令信号を受け取り、修正された象限軸電流指令信号Ｉ_mq及びモータ象限軸電流信号Ｉ_qの間の差異に応答して調整された象限軸電流指令信号を提供する。第３のレギュレータ４２は、信号ライン４３を介して修正直行軸電流指令信号を受け取り、修正された直行軸電流指令信号Ｉ_md及びモータ直行軸電流信号Ｉ_dの間の差異に応答して調整された直行軸電流指令信号を提供する。
【００２３】
第４及び第５のレギュレータ４４、４６は、場を弱める制御ループである。レギュレータ４４、４６により提供された場弱めの量は、所定の直行軸及び象限軸の電圧限界により決定され、更にモータ安定性によって決定される。安定性は、直行軸電圧が象限軸電圧を超えて優先されるように与えられることを必要とする。かくして、直行軸電圧は、リミッター７４において最大電圧を受け取り、任意の過剰電圧は、リミッター７６において象限軸電圧により受け取られる。
【００２４】
第４のレギュレータ４４は、信号ライン４５を介して調整象限軸電流信号を受け取り、第１の場弱め信号Ｉ_qf-wを生成し、この第１の場弱め信号Ｉ_qf-wは、象限軸電圧がリミッター７４により設定された所望の最大電圧に達したとき、加算器６８において直行軸電流信号を増加させる。第５のレギュレータ４６は、信号ライン４７を介して調整直行軸電流信号を受け取り、第２の場弱め信号Ｉ_df-wを生成し、この第２の場弱め信号Ｉ_df-wは、直行軸電圧がリミッター７６により設定された所望の最大電圧に達したとき、加算器６６において象限軸電流信号を減少させる。第４及び第５のレギュレータ４４、４６は、直行軸電流信号及び象限軸電流信号を修正するとき、互いに独立に機能する。各々の場弱め信号は、モータパラメータから独立に働き、その結果、モータのより安定した制御をもたらす。
【００２５】
調整された直行軸電流信号及び象限軸電流信号は、ブロック７８で結合され、パルス幅変調信号を形成する。このパルス幅変調信号は、信号ライン４９を介してモータに入力される。好ましくは、空間ベクトル変調が変調信号を得るため使用される。変調信号は、インバータ４８によって受け取られ、該インバータ４８は、当該信号をモータ１２に入力する。インバータ４８は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）インバータとして構成することができる。この絶縁ゲートバイポーラトランジスタインバータは、変調電流信号によってオンオフを切り替えられる６個のトランジスタを備え、ロータ１４の角度位置と同期された所定のシーケンスで位相巻線５４の各々に電流を提供する。本発明の制御システム１０は、アンペア軌跡毎に最適に近いトルクを提供し、その結果、インバータ規格電力及びインバータコストを減少させる。
【００２６】
本発明は、好ましい実施形態を参照して説明されたが、多数の変更を上述した本発明の進歩的なコンセプトの精神及び範囲内でなすことができることが理解されるべきである。従って、本発明は、開示された実施形態にのみ限定されるものではなく、請求の範囲の記載によって可能とされる全範囲を包含する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係る永久磁石モータ用の制御システムのブロック図である。
【図２】図２は、象限軸及び直行軸を示す内部永久磁石モータのロータの端面図である。
【図３】図３は、内部永久磁石モータに対するアンペア軌跡毎の最大トルクのグラフである。
【図４】図４は、トルク、対、アンペア軌跡毎の最大トルクのｃｏｓβ成分を示すグラフである。
【図５】図５は、トルク、対、アンペア軌跡毎の最大トルクのｓｉｎβ成分を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ 内部永久磁石モータ用の制御システム
１２ 内部永久磁石モータ
１４ ロータ
１６、１８、２０、２２ 極部品
２４、２６、２８、３０ 永久磁石
３２ ロータ薄層コア
３６ アンペア軌跡毎の最大トルクを求めるブロック
３８ トルクレギュレータ
４０ Ｉ_qレギュレータ
４２ Ｉ_dレギュレータ
４４ Ｖ_qレギュレータ
４６ Ｖ_dレギュレータ
４８ ＩＧＢＴインバータ回路
５０ トルク推定器
５２ 電流センサー
５８ 直流電圧
６０ 直流電圧センサー
６２、６４ 乗算器
６６、６８ 加算器
７０、７２、７４、７６ リミッター
７８ 調整された直行軸電流信号及び象限軸電流信号の結合ブロック

Claims (14)

1. 複数のロータ極を画成するロータ、複数のステータ極を画成するステータ、及び、少なくとも１つのステータ極と連係された少なくとも１つの位相巻線を有する内部永久磁石モータ用の制御システムであって、
   トルク指令信号及びモータトルク信号を受け取り、該トルク指令信号と該モータトルク信号との差異に応答してステータ電流指令信号を提供するための第１のレギュレータであって、該ステータ電流指令信号は、前記ロータの直行軸と整列された直行軸電流指令信号と、該ロータの象限軸と整列された象限軸電流指令信号とに分割される、前記第１のレギュレータと、
   前記象限軸電流指令信号と前記モータの実際の象限軸電流を示すモータ象限軸電流信号との加算結果に応答して修正された象限軸電流指令信号を受け取り、該修正された象限軸電流指令信号と該モータ象限軸電流信号との差異に応答して調整された象限軸電流信号を提供するための第２のレギュレータと、
   前記直行軸電流指令信号と前記モータの実際の直行軸電流を示すモータ直行軸電流信号との加算結果に応答して修正された直行軸電流信号を受け取り、該修正された直行軸電流指令信号と該モータ直行軸電流信号との差異に応答して調整された直行軸電流信号を提供するための第３のレギュレータと、
   前記修正された直行軸電流指令信号が最大ステータ電流を超えることを防止し、該最大ステータ電流を超える任意の電流が前記修正された象限軸電流指令信号に追加されることを可能にする、リミッターと、
   前記調整された象限軸電流指令信号を受け取り、象限軸電圧が所望の最大電圧に達したとき、前記直行軸電流指令信号を増加させる第１の場弱め信号を提供するための第４のレギュレータと、
   前記調整された直行軸電流信号を受け取り、直行軸電圧が所望の最大電圧に達したとき、前記象限軸電流指令信号を減少させる第２の場弱め信号を提供するための第５のレギュレータと、
   前記調整された直行軸電流信号と前記調整された象限軸電流信号の関数であるように変調された電流信号を、予め選択されたシーケンスで前記モータのステータ巻線に入力して前記ロータを回転させるため前記モータに接続されたインバータ回路と、
   を含む、制御システム。
2. 前記象限軸電流指令信号は、アンペア軌跡毎の最大トルクの角度βのコサイン成分で該ステータ電流指令信号を乗算することによって得られ、該角度βは前記ステータ電流指令信号が前記ロータの象限軸に関してなす角度である、請求項１に記載の制御システム。
3. 前記直行軸電流指令信号は、アンペア軌跡毎の最大トルクの角度βのサイン成分で該ステータ電流指令信号を乗算することによって得られ、該角度βは前記ステータ電流指令信号が前記ロータの象限軸に関してなす角度である、請求項１に記載の制御システム。
4. 前記最大ステータ電流は、前記直行軸電流の平方と、前記象限軸電流の平方との和の平方根から導出される、請求項１に記載の制御システム。
5. 前記第１、第２、第３、第４及び第５のレギュレータは、比例積分（ＰＩ）レギュレータである、請求項１に記載の制御システム。
6. 前記モータトルク信号は、トルク推定器によって決定される、請求項１に記載の制御システム。
7. 前記トルク推定器は、前記モータ直行軸電流信号、前記モータ象限軸電流信号、モータ速度及び該モータに入力された直流電圧に従って前記モータトルクを決定する、請求項６に記載の制御システム。
8. 複数のロータ極を画成するロータ、複数のステータ極を画成するステータ、及び、少なくとも１つのステータ極と連係された少なくとも１つの位相巻線を有する内部永久磁石モータを制御するための方法であって、
   モータトルク信号及びトルク指令信号との差異に応答してステータ電流指令信号を発生し、
   前記ステータ電流指令信号を、前記ロータの直行軸と整列された直行軸電流指令信号と、該ロータの象限軸と整列された象限軸電流指令信号とに分割し、
   前記象限軸電流指令信号とモータ象限軸電流信号とを加算して修正された象限軸電流指令信号を発生し、
   修正された直行軸電流指令信号を発生するため前記直行軸電流指令信号とモータ直行軸電流信号とを加算し、
   前記修正された直行軸電流指令信号が最大ステータ電流を超えることを制限し、該最大ステータ電流を超える任意の電流が前記修正された象限軸電流指令信号に追加されることを可能にし、
   前記モータ象限軸電流信号と前記修正された象限軸電流指令信号との差異に応答して調整された象限軸電流信号を発生し、
   前記モータ直行軸電流信号と前記修正された直行軸電流指令信号との差異に応答して、調整された直行軸電流信号を発生し、
   直行軸電圧が所望の最大電圧に達したとき、前記象限軸電流指令信号を増加させる第１の場弱め信号を発生し、
   象限軸電圧が所望の最大電圧に達したとき、前記直行軸電流指令信号を減少させる第２の場弱め信号を発生し、
   前記調整された直行軸電流信号と前記調整された象限軸電流信号とを結合して変調電流信号を発生し、
   前記変調電流信号を、予め選択されたシーケンスで前記モータのステータ巻線に入力して前記ロータを回転させる、各工程を含む、方法。
9. 前記ステータ電流指令信号を分割する工程は、アンペア軌跡毎の最大トルクの角度βのコサイン成分で該ステータ電流指令信号を乗算する工程を含み、該角度βは前記ステータ電流指令信号が前記ロータの象限軸に関してなす角度である、請求項８に記載の方法。
10. 前記ステータ電流指令信号を分割する工程は、アンペア軌跡毎の最大トルクの角度βのサイン成分で該ステータ電流指令信号を乗算する工程を含み、該角度βは前記ステータ電流指令信号が前記ロータの象限軸に関してなす角度である、請求項９に記載の方法。
11. 前記モータに入力される前記変調電流信号は、ベクトル空間変調信号である、請求項８に記載の方法。
12. 前記モータトルク信号は、トルク推定器によって決定される、請求項８に記載の方法。
13. 前記トルク推定器は、前記モータ直行軸電流信号、前記モータ象限軸電流信号、モータ速度及び該モータに入力された直流電圧に従って前記モータトルクを決定する、請求項１２に記載の方法。
14. 前記最大ステータ電流は、前記直行軸電流の平方と、前記象限軸電流の平方との和の平方根として決定される、請求項８に記載の方法。

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