JP3939481B2 - 交流モータの制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流モータをベクトル制御する交流モータの制御装置に関し、特に、電力変換装置から交流モータへ供給される交流電力を制御する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、例えば特開平9−308300号公報に開示された交流モータの制御装置のように、界磁に永久磁石を利用する永久磁石式モータのような交流モータにおいて、交流モータの電機子に流れる電流を測定して、この測定値を回転子に同期して回転する直交座標、すなわちdq座標系に変換して、このdq座標上で電流の指令値と測定値との偏差がゼロとなるようにフィードバック制御を行う交流モータの制御装置が知られている。
このような交流モータの制御装置では、dq座標上での電流の指令値と測定値との各偏差Δid,Δiqから、例えばPI動作によりdq座標上でのd軸電圧指令値*Vd及びq軸電圧指令値*Vqが演算され、次に、これらのd軸電圧指令値*Vd及びq軸電圧指令値*Vqから、交流モータの各相、例えばU相,V相,W相の3相に供給される相電圧に対する各電圧指令値*Vu,*Vv,*Vwが演算される。そして、これらの各電圧指令値*Vu,*Vv,*Vwが、例えばIGBT等のスイッチング素子からなるインバータにスイッチング指令として入力され、これらのスイッチング指令に応じてインバータから交流モータを駆動するための交流電力が出力される。
ここで、インバータには、例えばバッテリ等からなる直流電源が備えられており、インバータから交流モータに供給可能な最大電圧は、この直流電源からの直流電圧により制限を受ける。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来技術の一例に係る交流モータの制御装置においては、例えば永久磁石式モータの回転子が回転することによって、固定子の固定子コイル内を貫く永久磁石の界磁磁束に磁束密度の変化が生じて、コイル電流の供給電圧を打ち消すような逆起電圧が発生する。この逆起電圧は回転子の回転数に比例して増大し、コイル電流の供給電圧、つまりインバータから交流モータに供給可能な最大電圧に等しくなると、コイル電流がゼロになると共に回転トルクもゼロになる。
この回転子の回転数当たりの逆起電圧、つまり逆起電圧定数は、例えば回転子や固定子及び固定子コイル等の構成によって固有な値となる。従って、逆起電圧定数が大きな交流モータにおいて、特に高回転数領域で所望のトルクを発生させるためには、例えばインバータから交流モータに供給可能な最大電圧を大きくすれば良いが、この場合、バッテリ等の直流電源及びインバータの容量を増大させる必要があり、装置が大型化してしまうという問題が生じる。
【0004】
また、等価的に界磁の磁束を弱めることによって、交流モータの逆起電圧がインバータから交流モータに供給可能な最大電圧を超える領域まで運転可能な回転数の範囲を拡大したり、発生可能なトルクを増大したり、高効率での運転が可能な回転数やトルクの範囲を拡大する制御として、いわゆる弱め界磁制御が知られている。
しかしながら、界磁の磁束を弱める弱め界磁電流が増大すると鉄損や銅損等が増大して、交流モータの損失が大きくなるという問題が発生する。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、例えば直流電源やインバータの容量等を大きくすること無しに、交流モータの出力を増大させることが可能な交流モータの制御装置を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項1に記載の本発明の交流モータの制御装置は、トルク指令(例えば、後述する実施の形態においてはトルク指令*T)に基づいた電流指令値を、回転直交座標系をなすdq座標上でのd軸目標電流(例えば、後述する実施の形態においてはd軸目標電流*id)及びq軸目標電流(例えば、後述する実施の形態においてはq軸目標電流*iq)として発生する目標電流発生手段(例えば、後述する実施の形態においては目標電流演算部22)と、多相の交流モータ(例えば、後述する実施の形態においては交流モータ11)の各相(例えば、後述する実施の形態においてはU相,V相,W相)に供給される交流電流を検出する電流検出器(例えば、後述する実施の形態においては電流検出器16,17)と、前記電流検出器により検出された前記交流電流を前記dq座標上のd軸電流(例えば、後述する実施の形態においてはd軸電流id)及びq軸電流(例えば、後述する実施の形態においてはq軸電流iq)に変換する回転座標変換手段(例えば、後述する実施の形態においては3相交流−dq座標変換器31)と、前記d軸目標電流に前記d軸電流を追従させ、前記q軸目標電流に前記q軸電流を追従させるように電流フィードバック制御を行うベクトル制御手段(例えば、後述する実施の形態においてはベクトル制御部23)と、前記ベクトル制御手段により制御されて前記交流モータを駆動する電力変換装置(例えば、後述する実施の形態においてはインバータ13)と、この電力変換装置に直流電力を供給する電源装置(例えば、後述する実施の形態においては電源14)とを備え、前記ベクトル制御手段は、前記電力変換装置から前記交流モータの各相へ供給される相電圧の波形を矩形波又は疑似矩形波とし、前記交流モータの各相間の線間電圧の波形を矩形波又は疑似矩形波とし、前記ベクトル制御手段は、前記d軸目標電流と前記d軸電流との偏差(例えば、後述する実施の形態においては偏差Δid)及び前記q軸目標電流と前記q軸電流との偏差(例えば、後述する実施の形態においては偏差Δiq)に基づいて、d軸電圧指令値(例えば、後述する実施の形態においてはd軸電圧指令初期値V d0 )及びq軸電圧指令値(例えば、後述する実施の形態においてはq軸電圧指令初期値V q0 )を算出する電流制御手段(例えば、後述する実施の形態においては電流制御部34,35)と、前記d軸電圧指令値及び前記q軸電圧指令値を固定座標上の相電圧指令値(例えば、後述する実施の形態においてはU相交流電圧指令初期値*V u0 及びW相交流電圧指令初期値*V w0 )に変換する固定座標変換手段(例えば、後述する実施の形態においてはdq−3相交流座標変換器40)と、前記相電圧指令値に応じた変調信号(例えば、後述する実施の形態においては各電圧指令初期値*V u0 ,*V w0 ,*V v0 )と所定の搬送信号(例えば、後述する実施の形態においては三角波C)とに基づくパルス幅変調方式により、前記電力変換装置から前記交流モータの各相に前記相電圧を出力させるための交流電圧指令値(例えば、後述する実施の形態においては各電圧指令値*Vu,*Vw,*Vv)として、パルス列を発生する変調制御手段(例えば、後述する実施の形態においては変調制御部42)と、前記d軸電圧指令値及び前記q軸電圧指令値の合成スカラー(例えば、後述する実施の形態においては合成スカラーS=(V d0 2 +V q0 2 ) (1/2) )が所定の閾値(例えば、後述する実施の形態においては閾値V limit )以下となるように、前記d軸電圧指令値及び前記q軸電圧指令値を制限する電圧調整手段(例えば、後述する実施の形態においては電圧調整部39)とを備え、前記閾値は、少なくとも前記電力変換装置から前記交流モータへ供給可能な最大電圧(例えば、後述する実施の形態においては最大電圧Vmax)よりも大きい値に設定されており、前記変調制御手段は、前記合成スカラーが前記最大電圧を超える場合に、前記変調信号の最大振幅(例えば、後述する実施の形態においては最大振幅Vm)が前記搬送信号の最大振幅(例えば、後述する実施の形態においては最大振幅Vc)よりも大きくなるように設定することを特徴としている。
【0006】
上記構成の交流モータの制御装置によれば、交流モータの各相の端子間での線間電圧の波形を矩形波又は疑似矩形波とすることで、例えばこれらの矩形波又は疑似矩形波と同一の最大振幅を有する正弦波に比べて、実効値電圧を増大させることができる。すなわち、電力変換装置から交流モータへ供給可能な最大電圧は、電源装置から供給される直流電力の大きさによって制限されるが、線間電圧を矩形波又は疑似矩形波として実効値電圧を大きくすることで、等価的に電力変換装置から交流モータへ供給可能な最大電圧を増大させた場合と同等の出力を得ることができ、電圧利用率を向上させることができる。
これにより、例えば交流モータの逆起電圧定数が大きく、高回転数領域で逆起電圧が増大した場合であっても、交流モータに所望のトルクを発生させるための電流を通電することができ、所望の回転数及びトルクを発生させて、交流モータの性能を最大限まで活用することが可能となる。
【0008】
上記構成の交流モータの制御装置によれば、正弦波状の相電圧指令値に応じた変調信号の最大振幅が、搬送信号である例えば三角波の最大振幅を超えるように設定して、変調信号が搬送信号を超える場合であっても変調信号を動作させて「ロー」又は「ハイ」のパルス列を出力させると、変調信号が搬送波を超える場合のPWM(パルス幅変調)のデューティーは、いわば頭打ちの状態となり、0%又は100%にクリップされる。
このパルス列をフーリエ解析した際の基本波の振幅は、変調度に対して線形関係にはならず、電力変換装置から交流モータの各相へ供給される相電圧は疑似矩形波状又は矩形波状となり、例えば電力変換装置から交流モータの各相へ正弦波状の相電圧を供給する場合に比べて、たとえ電力変換装置から交流モータへ供給可能な最大電圧が同一であっても、実効値電圧を増大させることができる。
【0010】
上記構成の交流モータの制御装置によれば、d軸電圧指令値及びq軸電圧指令値の合成スカラーを、例えば電力変換装置から交流モータへ供給可能な最大電圧で制限せずに、この最大電圧よりも大きな所定の閾値で制限することにより、変調信号の最大振幅が搬送信号の最大振幅よりも大きくなる領域、すなわち変調制御手段から出力されるパルス列をフーリエ解析した際の基本波の振幅が、変調度に対して非線形となる領域を利用することができる。
つまり、d軸電圧指令値及びq軸電圧指令値の合成スカラーのうち、電力変換装置から交流モータへ供給可能な最大電圧を超えた部分は、電力変換装置から交流モータの各相へ供給される相電圧を正弦波状から疑似矩形波状又は矩形波状とした際の実効値電圧の増大分として確保することができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の交流モータの制御装置の一実施形態について添付図面を参照しながら説明する。図1は本発明の一実施形態に係る交流モータの制御装置10の構成図であり、図2は図1に示すベクトル制御部23の構成図であり、図3はPWM(パルス幅変調)方式における変調信号及び搬送波の波形と、出力されるパルス列とを示すグラフ図であり、図4はU相交流電圧指令値*Vu及びWU線間電圧Vwuの波形を示すグラフ図である。
本実施の形態による交流モータの制御装置10は、例えば電気自動車に搭載される交流モータ11を駆動制御するものであって、この交流モータ11は、例えば界磁として永久磁石を利用する永久磁石式の交流同期モータとされている。
図1に示すように、この交流モータの制御装置10は、ECU12と、インバータ13と、電源14とを備えて構成されている。
【0012】
インバータ13は、例えばPWMインバータをなすものであって、IGBT等のスイッチング素子から構成されている。そして、インバータ13は、例えばバッテリや燃料電池等からなる電源14から供給される直流電力を、3相交流電力に変換して交流モータ11に供給する。
ECU12はインバータ13の電力変換動作を制御しており、スイッチング指令としてU相交流電圧指令値*Vu及びV相交流電圧指令値*Vv及びW相交流電圧指令値*Vwをインバータ13に出力して、これらの各電圧指令値*Vu,*Vv,*Vwに応じたU相電流iu及びV相電流iv及びW相電流iwを、インバータ13から交流モータ11の各相へと出力させる。
このため、ECU12には、例えば運転者によるアクセルペダルの踏み込み操作等に関するアクセル操作量Acの信号と、交流モータ11に備えられた磁極位置−角速度検出器15から出力される磁極位置θre(電気角)及び交流モータ11の回転数Nの信号と、インバータ13と交流モータ11の間で例えばU相及びW相に供給される交流電流を検出する電流検出器16,17から出力されるU相電流iu及びW相電流iwの信号と、電源14に備えられた電圧検出器18から出力される電源電圧Vdcの信号とが入力されている。
【0013】
さらに、ECU12は、トルク指令演算部21と、目標電流演算部22と、ベクトル制御部23とを備えて構成されている。
トルク指令演算部21は、アクセル操作量Ac及び回転数Nに基づいて必要とされるトルク値を演算して、このトルク値を交流モータ11に発生させるためのトルク指令*Tを生成して目標電流演算部22へ出力する。
【0014】
目標電流演算部22は、トルク指令値*T及び回転数Nに基づいて、インバータ13から交流モータ11へ供給する各相電流iu,iv,iwを指定するための電流指令を演算しており、この電流指令は、回転する直交座標上でのd軸目標電流*id及びq軸目標電流*iqとして、ベクトル制御部23へ出力されている。
この回転直交座標をなすdq座標は、例えば界磁の磁束方向をd軸とし、このd軸と直交する方向をq軸としており、交流モータ11の回転子(図示略)と共に同期して電気角速度ωreで回転している。これにより、交流モータ11の各相に供給される交流信号に対する電流指令として、直流的な信号であるd軸目標電流*id及びq軸目標電流*iqを与えるようになっている。
【0015】
ベクトル制御部23は、dq座標上で電流のフィードバック制御を行うものであり、d軸目標電流*id及びq軸目標電流*iqに基づいて、インバータ13へ出力する各電圧指令値*Vu,*Vv,*Vwを算出すると共に、実際にインバータ13から交流モータ11に供給される各相電流iu,iv,iwをdq座標上に変換して得たd軸電流id及びq軸電流iqと、d軸目標電流*id及びq軸目標電流*iqとの各偏差がゼロとなるように制御を行う。
すなわち、図2に示すように、インバータ13から交流モータ11の各相へと供給されるU相電流iu及びV相電流iv及びW相電流iwのうち、例えばU相電流iu及びW相電流iwは、それぞれ電流検出器16,17により検出されて3相交流−dq座標変換器31に入力されている。
【0016】
3相交流−dq座標変換器31は、静止する座標上におけるU相電流iu及びW相電流iwを、下記数式(1)に基づいて、交流モータ11の回転位相による回転座標、すなわちdq座標上でのd軸電流id及びq軸電流iqに変換する。なお、数式(1)での磁極位置θre(電気角)は、磁極位置−角速度検出器15から出力されており、例えばU相電機子巻線を基準としてV相周りにとった界磁の角度である。また、iv=−iu−iwとされている。
【0017】
【数1】
【0018】
3相交流−dq座標変換器31から出力されたd軸電流id及びq軸電流iqは、それぞれ減算器32,33に入力されている。
そして、減算器32はd軸目標電流*idとd軸電流idとの偏差Δidを算出し、減算器33はq軸目標電流*iqとq軸電流iqとの偏差Δiqを算出する。
この場合、d軸目標電流*id及びq軸目標電流*iqと、d軸電流id及びq軸電流iqとは直流的な信号であるため、例えば位相遅れや振幅誤差等は直流分として検出される。
【0019】
各減算器32,33から出力された偏差Δid及び偏差Δiqは、それぞれ電流制御部34,35に入力されている。
そして、電流制御部34は、例えばPI動作により偏差Δidを制御増幅してd軸電圧指令初期値Vd0を算出し、電流制御部35は、例えばPI動作により偏差Δiqを制御増幅してq軸電圧指令初期値Vq0を算出する。
【0020】
また、非干渉制御器36には、d軸目標電流*id及びq軸目標電流*iqと、磁極位置−角速度検出器15から出力される交流モータ11の電気角速度ωreとが入力されており、さらに、d軸インダクタンスLd及びq軸インダクタンスLqの値が保持されている。
そして、非干渉制御器36は、d軸とq軸との間で干渉し合う速度起電力成分を相殺してd軸及びq軸を独立して制御するために、d軸及びq軸に対する各干渉成分を相殺するd軸補償項Vdk及びq軸補償項Vqkを算出する。
【0021】
非干渉制御器36から出力されたd軸補償項Vdkと、電流制御部34から出力されたd軸電圧指令初期値Vd0とは加算器37に入力されており、非干渉制御器36から出力されたq軸補償項Vqkと、電流制御部35から出力されたq軸電圧指令初期値Vq0とは加算器38に入力されている。
そして、加算器37はd軸補償項Vdkとd軸電圧指令初期値Vd0とを加算して得た値を、新たなd軸電圧指令初期値Vd0とする。
同様に、加算器38はq軸補償項Vqkとq軸電圧指令初期値Vq0とを加算して得た値を、新たなq軸電圧指令初期値Vq0とする。
【0022】
加算器37から出力されたd軸電圧指令初期値Vd0及び加算器38から出力されたq軸電圧指令初期値Vq0は、共に電圧調整部39に入力されている。
電圧調整部39は、d軸電圧指令初期値Vd0及びq軸電圧指令初期値Vq0の合成スカラーS=(Vd0 2+Vq0 2)(1/2)が所定の閾値Vlimit以下の場合には、d軸電圧指令初期値Vd0及びq軸電圧指令初期値Vq0を何等変化させずに、それぞれd軸電圧指令値*Vd及びq軸電圧指令値*Vqとして出力する。
一方、合成スカラーS=(Vd0 2+Vq0 2)(1/2)が所定の閾値Vlimitを超える場合には、例えば、d軸電圧指令初期値Vd0は不変のまま、合成スカラーS=(Vd0 2+Vq0 2)(1/2)が閾値Vlimitと等しくなるようにq軸電圧指令初期値Vq0を調整、すなわちVq0 2=Vlimit 2−Vd0 2に基づきq軸電圧指令初期値Vq0を縮小して、それぞれd軸電圧指令値*Vd及びq軸電圧指令値*Vqとして出力する。
ここで、閾値Vlimitは、少なくともインバータ13から交流モータ11へ供給可能な最大電圧Vmaxより大きい値に設定されている。なお、dq座標系においては、電源電圧Vdcに対して、3相交流座標とdq座標との変換係数C=(2/3)1/2を考慮すると、インバータ13から交流モータ11へ供給可能な最大電圧Vmaxは、Vmax=(Vdc/2)×(1/C)と算出される。
【0023】
電圧調整部39から出力されたd軸電圧指令値*Vd及びq軸電圧指令値*Vqはdq−3相交流座標変換器40に入力されている。
dq−3相交流座標変換器40は、dq座標上でのd軸電圧指令値*Vd及びq軸電圧指令値*Vqを、下記数式(2)に基づいて、静止座標である3相交流座標上でのU相交流電圧指令初期値*Vu0及びW相交流電圧指令初期値*Vw0に変換する。なお、数式(2)において、変換係数C=(2/3)1/2は、変換の前後で取り扱う電力が変わらないようにするための係数である。
【0024】
【数2】
【0025】
dq−3相交流座標変換器40から出力されたU相交流電圧指令初期値*Vu0及びW相交流電圧指令初期値*Vw0は、演算器41に入力されている。
演算器41は、*Vv0=−(*Vu0)−(*Vw0)により、V相交流電圧指令初期値*Vv0を算出する。
そして、dq−3相交流座標変換器40から出力されたU相交流電圧指令初期値*Vu0及びW相交流電圧指令初期値*Vw0と、演算器41から出力されたV相交流電圧指令初期値*Vv0とは、変調制御部42に入力されている。
【0026】
変調制御部42は、各電圧指令初期値*Vu0,*Vw0,*Vv0に基づいて、インバータ13のスイッチング素子をオン/オフさせるためのスイッチング指令として各電圧指令値*Vu,*Vw,*Vvを生成して、インバータ13に供給している。
すなわち、変調制御部42は、例えばPWM方式により、変調信号である各電圧指令初期値*Vu0,*Vw0,*Vv0と、搬送波である例えば三角波Cとの大小を比較して「ロー」又は「ハイ」を出力して、パルス列からなる各電圧指令値*Vu,*Vw,*Vvを生成する。
【0027】
ここで、変調制御部42は、電圧調整部39におけるd軸電圧指令初期値Vd0及びq軸電圧指令初期値Vq0の合成スカラーS=(Vd0 2+Vq0 2)(1/2)が、インバータ13から交流モータ11へ供給可能な最大電圧Vmaxより大きい場合に、変調信号である正弦波状の各電圧指令初期値*Vu0,*Vw0,*Vv0の最大振幅Vmが、搬送波である三角波Cの最大振幅Vcを超えるように設定する。そして、変調信号が搬送波を超える場合であっても変調信号を動作させて「ロー」又は「ハイ」を出力する。これにより、例えば図3に示すように、正弦波状のU相交流電圧指令初期値*Vu0が、搬送波である三角波Cを超える領域αにおいて、PWMのデューティーは、いわば頭打ちの状態となり、0%又は100%にクリップされる。
この場合、パルス列からなる各電圧指令値*Vu,*Vw,*Vvをフーリエ解析した際の基本波の振幅は、変調度に対して線形関係にはならず、例えば図4に示した実変調波のU相交流電圧指令値*Vu(図4での破線*Vu)及びWU線間電圧Vwu(図4での実線Vwu)のように、各電圧指令値*Vu,*Vw,*Vvは疑似矩形波状となり、これに伴って、交流モータ11の各相の端子間に対する各線間電圧Vwu,Vuv,Vvwは疑似矩形波状となる。さらに、変調信号である正弦波状の各電圧指令初期値*Vu0,*Vw0,*Vv0の各最大振幅Vmが極めて大きくなれば、各線間電圧Vwu,Vuv,Vvwは矩形波状となる。
【0028】
この疑似矩形波或いは矩形波状の各線間電圧Vwu,Vuv,Vvwの実効値電圧Veffは、例えば正弦波変調のPWM方式、すなわち正弦波状の変調信号の最大振幅Vmを三角波状の搬送波の最大振幅Vcよりも小さくなるように制限して、PWM方式により得られたパルス列をフーリエ解析した際の基本波の振幅が変調度に対して線形関係を有するように設定した場合の、正弦波状の各線間電圧Vwu0,Vuv0,Vvw0の実効値電圧Veff0に比べて大きな値となる。
具体的には、各線間電圧Vwu,Vuv,Vvwが矩形波状となった状態で実効値電圧Veffは最大となり、この場合、各線間電圧Vwu,Vuv,Vvwの最大振幅はVdcであるから、Veff=Vdc×(2/3)(1/2)となる。
一方、正弦波変調のPWM方式における各線間電圧Vwu0,Vuv0,Vvw0の実効値電圧Veff0は、各線間電圧Vwu0,Vuv0,Vvw0の最大振幅がVdc×3(1/2)/2なので、Veff0=(Vdc×3(1/2)/2)×(1/2(1/2))=Vdc×6(1/2)/4であり、最大で約33%の電圧利用率改善となる。
なお、例えば図4に示すように、インバータ13内におけるスイッチング素子等の電圧降下を無視すると、各電圧指令値*Vu,*Vw,*Vvの最大電圧は、インバータ13の各相出力点と電源14の直流電源仮想中性点との間の電圧、すなわち電源電圧Vdcの半分の値Vdc/2に等しくなり、各線間電圧Vwu,Vuv,Vvwの最大電圧は電源電圧Vdcに等しくなる。
一方、正弦波変調のPWM方式における各線間電圧Vwu0,Vuv0,Vvw0の最大電圧は、(3(1/2)/2)×Vdcである。
【0029】
本実施の形態による交流モータの制御装置10は上記構成を備えており、次に、この交流モータの制御装置10の動作、特に、電圧調整部39の動作について添付図面を参照しながら説明する。図5は交流モータの制御装置10の動作について示すフローチャートである。
【0030】
先ず、ステップS11にて、dq座標上で電流のフィードバック制御により、d軸電圧指令初期値Vd0及びq軸電圧指令初期値Vq0を算出する。
次に、ステップS12にて、d軸電圧指令初期値Vd0及びq軸電圧指令初期値Vq0の合成スカラーS=(Vd0 2+Vq0 2)(1/2)が、少なくともインバータ13から交流モータ11へ供給可能な最大電圧Vmaxより大きい値に設定された所定の閾値Vlimitを超える場合には、d軸電圧指令初期値Vd0は不変のまま、q軸電圧指令初期値Vq0を縮小して、合成スカラーS=(Vd0 2+Vq0 2)(1/2)が閾値Vlimitと等しくなるように設定して、それぞれd軸電圧指令値*Vd及びq軸電圧指令値*Vqとして出力する。
【0031】
一方、合成スカラーS=(Vd0 2+Vq0 2)(1/2)が所定の閾値Vlimit以下の場合には、d軸電圧指令初期値Vd0及びq軸電圧指令初期値Vq0を何等変化させずに、それぞれd軸電圧指令値*Vd及びq軸電圧指令値*Vqとして出力する。
次に、ステップS13において、dq座標上でのd軸電圧指令値*Vd及びq軸電圧指令値*Vqを、静止座標である3相交流座標上でのU相交流電圧指令初期値*Vu0及びW相交流電圧指令初期値*Vw0に変換する。
次に、ステップS14において、U相交流電圧指令初期値*Vu0及びW相交流電圧指令初期値*Vw0に基づいて、インバータ13のスイッチング素子をオン/オフさせるためのスイッチング指令として各電圧指令値*Vu,*Vw,*Vvを生成する。
【0032】
上述したように、本実施の形態による交流モータの制御装置10によれば、電圧調整部39にて、d軸電圧指令初期値Vd0及びq軸電圧指令初期値Vq0の合成スカラーS=(Vd0 2+Vq0 2)(1/2)が、少なくともインバータ13から交流モータ11へ供給可能な最大電圧Vmaxより大きい所定の閾値Vlimit以下の場合には、d軸電圧指令初期値Vd0及びq軸電圧指令初期値Vq0を何等変化させずに、それぞれd軸電圧指令値*Vd及びq軸電圧指令値*Vqとして出力するため、この最大電圧Vmaxよりも大きな電圧を交流モータ11に供給することが可能となる。これにより、例えば交流モータ11の回転数の増大に伴って、逆起電圧が増大した場合であっても、交流モータ11に所望のトルクを発生させるための電流を通電させることが可能となる。
しかも、変調制御部42は、交流モータ11の各相の端子間に対する各線間電圧Vwu,Vuv,Vvwを疑似矩形波又は矩形波とすることで、例えば同一の最大振幅を有する正弦波に比べて、最大で33%まで実効値電圧を向上させることができ、この実効値電圧の増大分によって、等価的にインバータ13から交流モータ11へ供給可能な最大電圧Vmaxを増大させた場合と同等の効果を得ることができる。
これにより、交流モータ11に所望の回転数及びトルクを発生させて、交流モータ11の性能を最大限まで活用することが可能となる。
【0033】
なお、本実施形態においては、電圧調整部39にてd軸電圧指令初期値Vd0及びq軸電圧指令初期値Vq0を、少なくともインバータ13から交流モータ11へ供給可能な最大電圧Vmaxよりも大きい値に設定されている閾値Vlimitに応じて調整するとしたが、これに限定されず、常に、d軸電圧指令初期値Vd0及びq軸電圧指令初期値Vq0を何等変化させずに、それぞれd軸電圧指令値*Vd及びq軸電圧指令値*Vqとして出力しても良いし、電圧調整部39が省略されていても良い。
この場合、図6に示す交流モータの制御装置10の動作の変形例を示すフローチャートのように、先ず、ステップS21において、dq座標上で電流のフィードバック制御により、d軸電圧指令初期値Vd0及びq軸電圧指令初期値Vq0を算出する。
【0034】
次に、ステップS22において、dq座標上でのd軸電圧指令値*Vd(d軸電圧指令初期値Vd0と同等)及びq軸電圧指令値*Vq(q軸電圧指令初期値Vq0と同等)を、静止座標である3相交流座標上でのU相交流電圧指令初期値*Vu0及びW相交流電圧指令初期値*Vw0に変換する。
そして、ステップS23において、U相交流電圧指令初期値*Vu0及びW相交流電圧指令初期値*Vw0に基づいて、インバータ13のスイッチング素子をオン/オフさせるためのスイッチング指令として各電圧指令値*Vu,*Vw,*Vvを生成する。
【0035】
また、本実施形態においては、電圧調整部39にて合成スカラーS=(Vd0 2+Vq0 2)(1/2)が所定の閾値Vlimitを超える場合には、d軸電圧指令初期値Vd0は不変のまま、q軸電圧指令初期値Vq0を縮小するとしたが、これに限定されず、例えば、dq座標系におけるベクトル位相θ=tan-1(Vd0/Vq0)は不変のまま、合成スカラーS=(Vd0 2+Vq0 2)(1/2)が閾値Vlimitと等しくなるようにd軸電圧指令初期値Vd0及びq軸電圧指令初期値Vq0を縮小して、それぞれd軸電圧指令値*Vd及びq軸電圧指令値*Vqとして出力しても良いし、その他の方法であっても良い。要するに、合成スカラーSが閾値Vlimitで制限されていれば良い。
【0036】
なお、本実施形態においては、インバータ13から交流モータ11へ供給可能な最大電圧Vmaxは電源電圧Vdcの半分の値(Vdc/2)に等しくなるとしたが、これに限定されず、例えばインバータ13内におけるスイッチング素子等の電圧降下δがある場合には、この電圧降下δを考慮した値(Vdc/2−δ)となる。
なお、本実施の形態においては、搬送波を三角波Cとしたが、これに限定されず、例えば鋸波等のその他の波形であっても良い。
【0037】
さらに、本実施の形態においては、交流モータ11を永久磁石式の交流同期モータとしたが、これに限定されず、例えば誘導モータ等の、その他の交流モータであっても良い。
【0038】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の交流モータの制御装置によれば、交流モータの各相の端子間での線間電圧の波形を矩形波又は疑似矩形波とすることで、例えば同一の最大振幅を有する正弦波に比べて、実効値電圧を増大させることができる。これにより、例えば交流モータの回転数の増大に伴って逆起電圧が増大した場合であっても、交流モータに所望のトルクを発生させるための電流を通電することができ、所望の回転数及びトルクを発生させて、交流モータの性能を最大限まで活用することが可能となる。
さらに、正弦波状の相電圧指令値に応じた変調信号の最大振幅が、搬送信号の最大振幅を超えるように設定して、変調信号が搬送信号を超える場合であっても変調信号を動作させることで、電力変換装置から交流モータの各相へ供給される相電圧を疑似矩形波状とすることができ、さらに変調信号の最大振幅を増大させることで、矩形波状とすることが可能であり、交流モータの各相の端子間での線間電圧において、例えば同一の最大振幅を有する正弦波に比べて、最大で33%まで電圧利用率を向上させることができる。
さらに、d軸電圧指令値及びq軸電圧指令値の合成スカラーを、少なくとも電力変換装置から交流モータへ供給可能な最大電圧よりも大きな所定の閾値で制限することにより、この合成スカラーのうち、電力変換装置から交流モータへ供給可能な最大電圧を超えた部分は、電力変換装置から交流モータの各相へ供給される相電圧を疑似矩形波状又は矩形波状にした際の実効値電圧の増大分として確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施形態に係る交流モータの制御装置の構成図である。
【図2】 図1に示すベクトル制御部の構成図である。
【図3】 PWM方式における変調信号及び搬送波の波形と、出力されるパルス列とを示すグラフ図である。
【図4】 U相交流電圧指令値*Vu及びWU線間電圧Vwuの波形を示すグラフ図である。
【図5】 交流モータの制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図6】 交流モータの制御装置の動作の変形例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
10 交流モータの制御装置
11 交流モータ
13 インバータ(電力変換装置)
14 電源(電源装置)
16,17 電流検出器
22 目標電流演算部(目標電流発生手段)
23 ベクトル制御部(ベクトル制御手段)
31 3相交流−dq座標変換器(回転座標変換手段)
34,35 電流制御部(電流制御手段)
39 電圧調整部(電圧調整手段)
40 dq−3相交流座標変換器(固定座標変換手段)
42 変調制御部(変調制御手段)
Claims (1)
- トルク指令に基づいた電流指令値を、回転直交座標系をなすdq座標上でのd軸目標電流及びq軸目標電流として発生する目標電流発生手段と、
多相の交流モータの各相に供給される交流電流を検出する電流検出器と、
前記電流検出器により検出された前記交流電流を前記dq座標上のd軸電流及びq軸電流に変換する回転座標変換手段と、
前記d軸目標電流に前記d軸電流を追従させ、前記q軸目標電流に前記q軸電流を追従させるように電流フィードバック制御を行うベクトル制御手段と、
前記ベクトル制御手段により制御されて前記交流モータを駆動する電力変換装置と、この電力変換装置に直流電力を供給する電源装置とを備え、
前記ベクトル制御手段は、前記電力変換装置から前記交流モータの各相へ供給される相電圧の波形を矩形波又は疑似矩形波とし、前記交流モータの各相間の線間電圧の波形を矩形波又は疑似矩形波とし、
前記ベクトル制御手段は、前記d軸目標電流と前記d軸電流との偏差及び前記q軸目標電流と前記q軸電流との偏差に基づいて、d軸電圧指令値及びq軸電圧指令値を算出する電流制御手段と、
前記d軸電圧指令値及び前記q軸電圧指令値を固定座標上の相電圧指令値に変換する固定座標変換手段と、
前記相電圧指令値に応じた変調信号と所定の搬送信号とに基づくパルス幅変調方式により、前記電力変換装置から前記交流モータの各相に前記相電圧を出力させるための交流電圧指令値として、パルス列を発生する変調制御手段と、
前記d軸電圧指令値及び前記q軸電圧指令値の合成スカラーが所定の閾値以下となるように、前記d軸電圧指令値及び前記q軸電圧指令値を制限する電圧調整手段とを備え、
前記閾値は、少なくとも前記電力変換装置から前記交流モータへ供給可能な最大電圧よりも大きい値に設定されており、
前記変調制御手段は、前記合成スカラーが前記最大電圧を超える場合に、前記変調信号の最大振幅が前記搬送信号の最大振幅よりも大きくなるように設定することを特徴とする交流モータの制御装置。
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