JP4168730B2 - ３相交流電動機の制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は３相交流電動機のベクトル制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開２００１−２５２７７号公報
上記特許文献１には、１つの電流センサを用いて制御を行い、高価な電流センサの使用数を削減した３相交流電動機（以下、モータと記す）の制御方法が記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来技術においては、インバータ（およびモータ）に流れる直流電流を電流センサで検知して、その直流電流値を制御するという構成になっていたため、モータ出力に比例的に関係するｑ軸電流（トルク軸電流）、およびｄ軸電流（弱め界磁電流）を個別に制御して効率的なモータの運転を行う、いわゆるベクトル制御ができない、という問題があった。
【０００４】
本発明は上記のごとき問題を解決するものであり、一つの電流センサを用いてベクトル制御を可能にした３相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】
上記の目的を達成するため、本発明においては、３相電流のうち、１相の電流のみを検出する１個の電流センサを備え、前記検出した１相の電流値と、電動機の電気角検出値と、ｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値との合成ベクトルがｑ軸と成す角度すなわち指令電流位相角αとを用いて、残りの２相の電流値を推定するように構成している。
【０００６】
【発明の効果】
本発明においては、電流センサ数を削減してコストの低減を計りながら、任意のｄ、ｑ軸電流値に制御する３相交流モータのベクトル制御が可能になる、という効果が得られる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例について図面に基づいて詳述する。図１は、本発明の一実施例を示すブロック図である。
図１において、１〜９の部分は通常の３相同期モータの電流フィードバック制御系と同じであり、電流指令演算部１の一部と他相電流値推定部１０との部分が通常と異なっている。なお、他相電流値推定部１０は通常の電流フィードバック制御系を構成するコンピュータを用いて共通に構成することが出来る。
【０００８】
まず、通常の３相同期モータの電流フィードバック制御系（ベクトル制御）について概略を説明する。
電流指令演算部１では、外部から指令されたトルク指令Ｔ*に見合ったｄ軸電流指令値Ｉｄ*およびｑ軸電流指令値Ｉｑ*を出力する。それらの電流指令値は電流ＰＩ制御部２に入力される。なお、指令電流位相角αについては後述する。
電流ＰＩ制御部２は、ｄ軸電流指令値Ｉｄ*とｄ軸電流値（現在値）Ｉｄとの偏差に基づき比例積分演算を行ってｄ軸電圧指令値Ｖｄ*を出力し、同様にｑ軸電流指令値Ｉｑ*とｑ軸電流値（現在値）Ｉｑとの偏差に基づいてｑ軸電圧指令値Ｖｑ*を出力する。
上記のｄ軸電圧指令値Ｖｄ*とｑ軸電圧指令値Ｖｑ*は、必要に応じて非干渉演算処理を施され、２相３相変換器３により３相電圧指令値Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*に変換された後、ＰＷＭ変換部４に与えられ、ＰＷＭ信号に変換される。
インバータ５は上記ＰＷＭ信号に応じて図示しない直流電源（バッテリ等）の電力を３相交流電力変換し、３相モータ６を駆動する。
通常の電流フィードバック制御系においては、３相の各相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを３個の電流センサでそれぞれ検出するが、本実施例においては、１個の電流センサ７によって１相の電流（例えばＵ相電流Ｉｕ）のみを検出する。
他相電流値推定部１０では、上記の検出したＵ相電流Ｉｕから他の２相の電流値（例えばＶ相電流ＩｖとＷ相電流Ｉｗ）を推定し、３相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを出力する。なお、他相電流値推定部１０の詳細については後述する。
３相２相変換器９は、上記の３相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗをｄ軸電流値Ｉｄおよびｑ軸電流値Ｉｑに変換し、前記電流ＰＩ制御部２にフィードバックする。
回転角検出器８は、３相モータ６の現在回転角（電気角θ）を検出する。この電気角θは、前記２相３相変換器と３相２相変換器１０における座標変換演算および電流指令演算部１と他相電流値推定部１０における演算に用いられる。
【０００９】
以下、本発明の特徴とする電流指令演算部１における指令電流位相角αの演算と他相電流値推定部１０について説明する。
３相交流モータに流れる相電流には図２に示す関係があり、各々が１２０°ずつ位相がずれた正弦波であって、下記（数１）式〜（数３）式で表される。
Ｉｕ＝√（１／３）×Ｉａ×（−ｓｉｎ［θ'］） …（数１）
Ｉｖ＝√（１／３）×Ｉａ×（−ｓｉｎ［θ'＋１２０°］）…（数２）
Ｉｗ＝√（１／３）×Ｉａ×（−ｓｉｎ［θ'＋２４０°］）…（数３）
よってＩｕとθ'を検出すれば、（数１）式よりＩａを算出することができ、このＩａとθ'を用いて（数２）式、（数３）式からＩｖ、Ｉｗを推定することができる。
【００１０】
以下、上記の電流値推定で用いる角度θ'について詳述する。
角度θ'は、モータの回転子とステータのＵ相軸とが成す角度θ（図３参照）に、ｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値との合成ベクトルＩａがｑ軸と成す角度、すなわち指令電流位相角α（以上、図４参照）を加算した値であり、下記（数４）式で示される。
θ'＝θ＋α …（数４）
つまり、Ｕ相電流の位相角θ'とモータ回転子の位相角θ（＝Ｕ相誘起電圧位相角）には、図５に示すように、角度α°だけオフセットした関係があり、Ｕ相電流の位相角０°からα°遅れてモータ回転子角は０°となる。
【００１１】
ここで、図５に示したＵ相電流位相角θ'＝０°の瞬間におけるｄ軸、ｑ軸とＵ軸、Ｖ軸、Ｗ軸との位相関係を図６に示す。図６に示すように、モータ回転子のＮ極方向がｄ軸で、これに直行した軸がｑ軸である。
さらに、この時の電流ベクトルを図７に示す。図７に示したように、Ｕ相電流位相角θ'＝０°であるからＩｕ＝０であり、また３相電流値の総和は０の関係（Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝０）と図５の関係からＩｖ＝−Ｉｗであり、かつ、Ｉｖ＞０である。
よって、この時の３相電流ベクトルの総和（Ｉａ×√（１／３））は図７に示すベクトルとなり、その角度はＵ軸、Ｖ軸間でＵ軸から９０°の位置になる。
【００１２】
さらに、図７に図６で示したｄ軸、ｑ軸を重ねたものを図８に示す。
【００１３】
図８のベクトルＩａをｄ軸とｑ軸にベクトル分解したものがベクトルＩｄおよびベクトルＩｑとなる。ここでベクトルＩａとベクトルＩｑの成す電流位相角をＸとすると、その値はｄ軸とベクトルＩａの成す角Ａからｄ軸とｑ軸の成す角９０°を引いた値であり、下記（数５）式で示される。
Ｘ＝Ａ−９０° …（数５）
ｄ軸とベクトルＩａの成す角Ａは、ｄ軸とＵ軸の成す角αと、Ｕ軸とベクトルＩａの成す角９０°との和に等しく、下記（数６）式で示される。
Ａ＝α＋９０° …（数６）
（数６）式を（数５）式に代入すると、下記（数７）式となる。
Ｘ＝α＋９０−９０＝α …（数７）
したがってＸ＝αあることが判る。
【００１４】
よって、ｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊とｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊との合成ベクトルＩａがｑ軸と成す角度すなわち指令電流位相角αを、モータの回転子とステータのＵ相軸とが成す角度θに加えた値θ'を用いることにより、３相のうちの１相の電流値（例えばＵ相電流Ｉｕ）を検出すれば、前記（数１）式〜（数３）式から他の２相の電流値を推定することが出来る。そして上記のようにして求めた３相の電流値を用いて、その時のモータに流れる電流値Ｉｄ、Ｉｑの電流位相が指令値の電流位相αと一致するよう制御することが出来るので、ベクトル制御が可能となる。
【００１５】
図９は、上記の他相電流値推定部１０における演算処理を示すフローチャートである。
図９において、ステップ１では、電流センサ７の検出値Ｉｕ、回転角検出器８の検出値θ、および指令電流位相角αを取り込み、ステップ２へ移行する。
なお、指令電流位相角αは、ｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊とｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊との合成ベクトルＩａがｑ軸と成す角度であるから、電流指令演算部１において、ｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊とｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊の算出時に同時に求める。
【００１６】
ステップ２では、ステップ１で取り込んだ値を用いて、前記（数１）式から下記（数８）式を用いてＩａを算出し、ステップ３へ移行する。
Ｉａ＝Ｉｕ／〔√（１／３）×（−ｓｉｎ［θ'］）〕 …（数８）
ステップ３では、ステップ２で算出したＩａおよびステップ１での取り込み値を用いて、前記（数２）式からＩｖを算出し、ステップ４へ移行する。
【００１７】
ステップ４では、ステップ２で算出したＩａおよびステップ１での取り込み値を用いて、前記（数３）式からＩｗを算出する。以上で他相電流値推定の演算を終了する。
以下、通常の電流ベクトル制御と同様に３相２相変換でｄｑ軸電流を取得して電流制御を行うことが可能である。
【００１８】
上記のように、本実施例においては、１個の電流センサを用いて検出した１相の電流値から他の２相の電流値を演算で推定することにより、３相交流モータのベクトル制御を行うことが出来る。そのため、電流センサ数を削減してコストの低減を計りながら、任意のｄ、ｑ軸電流値に制御する３相交流モータのベクトル制御が可能になる、という効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示すブロック図。
【図２】３相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの関係を示す図。
【図３】モータの回転子とステータのＵ相軸とが成す角度θを示す図。
【図４】ｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値との合成ベクトルＩａがｑ軸と成す角度、すなわち指令電流位相角αを示す図。
【図５】Ｕ相電流の位相角θ'とモータ回転子の位相角θ（誘起電圧位相角）との関係を示す図。
【図６】Ｕ相電流位相角θ'＝０°の瞬間におけるｄ軸、ｑ軸とＵ軸、Ｖ軸、Ｗ軸との位相関係を示す図。
【図７】Ｕ相電流位相角θ'＝０°の瞬間における電流ベクトルを示す図。
【図８】図７の電流ベクトルに図６で示したｄ軸、ｑ軸を重ねた図。
【図９】他相電流値推定部１０における演算処理を示すフローチャート。
【符号の説明】
１…電流指令演算部 ２…電流ＰＩ制御部
３…２相３相変換器 ４…ＰＷＭ変換部
５…インバータ ６…３相モータ
７…電流センサ ８…回転角検出器
９…３相２相変換器 １０…他相電流値推定部

Claims (2)

1. ３相交流電動機の回転子の電気角および３相電流を検出して、前記電気角検出値から回転数を算出し、トルク指令値と前記回転数からｄ軸、ｑ軸それぞれの２相電流指令値を算出し、前記電気角検出値を用いて前記３相電流検出値を３相／２相変換してｄ軸、ｑ軸それぞれの２相電流検出値を得て、前記２相電流指令値に前記２相電流検出値を一致させるための制御演算を行って２相電圧指令値を算出し、前記２相電圧指令値を前記電気角を用いて２相／３相変換してＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相電圧指令値を得て、前記３相の電圧指令値に基づいてインバータを制御し、３相交流電動機に供給する電力を制御する３相交流電動機の制御装置において、
   前記３相電流のうち、１相の電流のみを検出する１個の電流センサと、
   前記検出した１相の電流値と、前記電動機の電気角検出値と、ｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値との合成ベクトルがｑ軸と成す角度すなわち指令電流位相角αとを用いて、残りの２相の電流値を推定する他相電流値推定手段と、
   を備えたことを特徴とする３相交流電動機の制御装置。
2. 前記他相電流値推定手段は、ｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊とｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊との合成ベクトルＩａがｑ軸と成す角度すなわち指令電流位相角αを、モータの回転子とステータのＵ相軸とが成す角度θに加えた値θ'を算出し、その値θ'と検出した１相の電流値Ｉｕから下式を用いてＩａを算出し、前記θ'、ＩａおよびＩｕから下式を用いて他の２相の電流値Ｉｖ、Ｉｗを算出することを特徴とする請求項１に記載の３相交流電動機の制御装置。
   Ｉａ＝Ｉｕ／〔√（１／３）×（−ｓｉｎ［θ'］）〕
   Ｉｖ＝√（１／３）×Ｉａ×（−ｓｉｎ［θ'＋１２０°］）
   Ｉｗ＝√（１／３）×Ｉａ×（−ｓｉｎ［θ'＋２４０°］）

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