JP4174706B2 - 非突極形同期電動機の駆動制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は非突極形同期電動機の駆動制御装置において用いられる非突極形同期電動機の制御に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電流制御方法においては、トルク電流i_q指令に対応して、非突極形電動機を駆動するために次のような電流制御方法を行っていた。以下、図面を用いて説明する。
図６は、非突極形同期電動機を用いた従来方式の電流制御部構成例を示したものである。 図６において、１は電流制御部、４はトルク電流フィードバック制御部、５は励磁電流フィードバック制御部、８は出力指令相変換部、９は入力電流相変換部、１２はＰＷＭ制御部入力信号、２２は電動機、１３は電動機２２の検出電流、１９はＰＷＭ制御部、２１はブリッジ回路である。
図２は、図６に示すブリッジ回路２１の内部構成図を示したものである。図２において、２４はＩＧＢＴトランジスタ、２５はダイオードである。
以上の構成において電動機２２が所望の動きとなるようにトルク電流指令i_qを決定し、このトルク電流指令i_qに検出電流を入力電流相変換部９で変換して得たトルク電流分が一致するようにトルク電流フィードバック制御部４で演算を行い、トルク成分電圧指令として出力指令相変換部８へ出力する。
一方、励磁電流指令i_dは零電流指令とし、この励磁電流指令i_dに検出電流を入力電流相変換部９で変換して得た励磁電流分が一致するように励磁電流フィードバック制御部５で演算を行い、励磁成分電圧指令として出力指令相変換部８へ出力する。出力指令相変換部８では、トルク成分電圧指令と励磁成分電圧指令とを変換してＰＷＭ制御部入力信号としてＰＷＭ制御部１９へ出力し、ＰＷＭ制御部１９ではこれをゲート信号に変換してブリッジ回路２１へ出力する。ブリッジ回路２１では、ゲート信号に従ったＩＧＢＴトランジスタ２４のＯＮ、ＯＦＦ動作による電圧出力で、電動機２２の電流を各々の指令電流に追従させ、これによって電動機２２の動作を制御する。
図７はＰＷＭ制御部１９の内部処理動作を示したものである。通常のＰＷＭ制御（パルス幅変調信号により各ＩＧＢＴトランジスタ２４のオン・オフ動作を制御）ではＩＧＢＴトランジスタ２４とダイオード２５で構成されたブリッジ回路２１を用いているため、ＩＧＢＴトランジスタ２４の上下回路短絡を防止するために上下両ＩＧＢＴトランジスタがともにオフする期間であるデッドタイム（t_d）を設定している。
デッドタイム（t_d）を設定すると、ゲート信号が理想ゲート信号ではなく、デッドタイムを含んだゲート信号になる。このデッドタイムを含んだゲート信号を用いると、電動機２２の相電流が正（ブリッジ回路２１側から電動機２２側に流れる方向）の場合と電動機２２の相電流が負（電動機２２側からブリッジ回路２１側に流れる方向）の場合とで、ブリッジ回路出力電圧は異なったものとなる。
図８は従来方式におけるブリッジ回路出力電圧の波形を示したものである。図８には従来方式におけるブリッジ回路出力電圧の波形、従来方式におけるＰＷＭ制御部入力信号の波形、および電動機２２の相電流との関係を示している。
従来方式による上記電流制御方法では、図８に示すＰＷＭ制御部入力信号の波形が入力された場合、電動機２２の当該相の相電流が負領域では、図７に示すブリッジ回路出力電圧（相電流が負領域）の平均で決まるブリッジ回路出力電圧の波形はＰＷＭ制御部入力信号の波形よりも大きくなり、相電流の正領域では、ブリッジ回路出力電圧（相電流が正領域）の平均で決まるブリッジ回路出力電圧の波形はＰＷＭ制御部入力信号の波形よりも小さくなる。
従来方式では、上記のような電動機の制御方法により、トルク電流指令i_qを制御し、電動機を駆動させている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の制御方法においては、ＰＷＭ制御部１９におけるデッドタイム（t_d）の影響により、図８に示すブリッジ回路出力電圧の波形のように、電動機２２の相電流のゼロクロス点で出力電圧がステップ状に変動する。この電圧変動は、ＰＷＭ制御部１９より出力されるデッドタイムと相電流の正負極性に起因する為、相電流の極性が切り替わるゼロクロス付近で発生することになる。従って相電流のゼロクロス付近では、ＰＷＭ制御部入力信号がＰＷＭ制御部１９に入力されても、図９のようにブリッジ回路出力電圧が正しく出力されず、しかも不安定（電圧変動が振動的）となる為、電流が正しく応答しないという問題があった。ゼロクロス付近で電流が応答しないと、ゼロクロス付近の微小な電流指令に応答しない、電流の立ち上がりが遅い、従って電動機の発生トルクが変動する等の問題が発生する。
そこで本発明は、デッドタイムの影響を低減してゼロクロス付近での電流応答性やトルク特性を向上させることのできる非突極形同期電動機の駆動制御装置の提供を目的とするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１記載の発明は、非突極形同期電動機への通電電流指令をトルク電流指令と励磁電流指令とに分離して指令し、前記電動機の検出電流をトルク電流分と励磁電流分とに分離し、前記トルク電流指令に前記トルク電流分が一致するように、および、前記励磁電流指令に前記励磁電流分が一致するように前記電動機への通電電流を制御する非突極形同期電動機の駆動制御装置において、
零電流値もしくは零でない所定の電流値のうちいずれかを選択して前記励磁電流指令とする手順を有することを特徴としている。
また前記選択は、前記電動機へ出力される電圧が小さい時にのみ、前記零でない所定の電流値を選択して前記励磁電流指令とすることを特徴としている。非突極形同期電動機の出力トルクに寄与しない前記励磁電流指令を零でない所定の電流値とすることで、ブリッジ回路出力電圧を大きくでき、これによってデッドタイムによる出力電圧変動の影響を低減し、トルク電流ゼロクロス付近でのトルク電流の応答性を向上させたものである。本発明は、このような処理を特に、デッドタイムの影響の大きくなる非突極形同期電動機へ出力される電圧の小さい時に行うものである。
【０００５】
【発明の実施形態】
本発明の実施例である電流制御方法を、図１に基づいて説明する。図１は本発明の電流制御部構成図を示したものである。図１において、４はトルク電流フィードバック制御部、５は励磁電流フィードバック制御部、８は出力指令相変換部、９は入力電流相変換部、１３は電動機の検出電流、１７は励磁電流指令値切り換え部、１８は励磁電流指令値決定部である。
図１において、制御開始／終了信号の入力（制御開始の指令）により、励磁電流指令値切り替え部１７がゼロではない励磁電流指令i_d ^*を選択し、これを励磁電流指令i_dとして励磁電流フィードバック制御部５へ出力する。一方、検出電流は入力電流相変換部９において励磁電流分とトルク電流分とに分離変換され、励磁電流分は励磁電流フィードバック制御部５に、トルク電流分はトルク電流フィードバック制御部４にそれぞれ出力される。励磁電流フィードバック制御部５は、励磁電流指令i_dと励磁電流分とを比較し、励磁電流指令i_dに励磁電流分を一致させる為の電圧指令を算出し、これを励磁成分電圧指令として出力指令相変換部８へ出力する。
一方、トルク電流フィードバック制御部４は、トルク電流指令i_qとトルク電流分とを比較し、トルク電流指令i_qにトルク電流分を一致させる為の電圧指令を算出し、これをトルク成分電圧指令として出力指令相変換部８へ出力する。出力指令相変換部８は励磁成分電圧指令とトルク成分電圧指令とを入力とし、これらを変換し、各相への出力信号となるＰＷＭ制御部入力信号としてＰＷＭ制御部１９へ出力する。
ＰＷＭ制御部１９は、ＰＷＭ制御部入力信号をＰＷＭ信号（パルス幅変調信号）に変換し、かつ、各相の上下トランジスタの短絡を防止するために用いられるデッドタイム（各相のトランジスタが同時にONしないようにする時間）を設定する補償機能とを有しており、各相への出力信号となるＰＷＭ制御部入力信号をデッドタイムを挿入設定したＰＷＭ信号に変換し、これをゲート信号としてブリッジ回路２１に出力する。
ブリッジ回路２１は、ゲート信号に従いＩＧＢＴトランジスタ２４をオン・オフし、励磁電流指令i_dに励磁電流分を一致させる為、およびトルク電流指令i_qにトルク電流分を一致させる為の電圧を電動機２２に出力している。本発明の実施例は、従来は零指令のみであった励磁電流指令に、制御開始／終了信号に基づいて、任意に調整された励磁電流指令i_d ^*を与えることを特徴としている。
この実施例によれば、任意の励磁電流が常に流れるので、励磁電流指令が零であった従来方式に比べ、トルク成分電圧指令と励磁成分電圧指令を用いて出力指令相変換部８で得られるＰＷＭ制御部入力信号の振幅が大きくなる。また励磁電流はトルク電流と垂直な成分である為、リラクタンストルクを持たない非突極形同期電動機では、励磁電流指令を大きくしてもトルクには寄与しないものであり、従って零でない励磁電流指令の大きさには、特に制約はない。図４は本発明におけるブリッジ回路出力電圧の波形例を示したものである。図４に示すように、図８に示す従来方式のＰＷＭ制御部入力電圧の波形に比べ、任意の励磁電流指令i_d ^*を与えることでＰＷＭ制御部入力信号の電圧振幅は大きくなる。励磁電流指令i_d ^*の効果により振幅が大きくなったＰＷＭ制御部入力信号がＰＷＭ制御部１９に入力され、ブリッジ回路２１からブリッジ回路出力電圧が出力される。
デッドタイムの影響により出力電圧にはステップ状の変動が起こるが、ブリッジ回路出力電圧の振幅が、図８に示す従来方式におけるブリッジ回路出力電圧の振幅より大きいため、ブリッジ回路出力電圧に占める電圧変動のステップ幅（デッドタイムによる影響）の割合が、従来方式におけるブリッジ回路出力電圧よりも小さくなる。したがって、ゼロクロス付近での電流応答への影響が小さくなり、ゼロクロス付近での電流応答が改善される。
図５は従来方式を用いたトルク電流応答波形と本発明の実施例によるトルク電流応答波形とを示したものである。
従来方式によるトルク電流i_q応答と比べ、本発明方式のトルク電流i_q応答の方が、ゼロクロス付近での電流応答が向上していることがわかる。本発明の実施例では、デッドタイム補正を行わない場合を例に説明してきたが、検出電流の正負極性に従ってデッドタイム補正（電動機を流れる電流の極性に応じて、上下トランジスタのオン・オフ時間を増減させる）を行う場合においても、本発明による効果は期待できる。
ゲート信号伝送スピードのばらつきや温度変動、ＩＧＢＴトランジスタのオン・オフスピード差のばらつき等により、デッドタイム補正を行ってもデットタイムの影響を完全にはキャンセルできない為であり、このような影響を本発明により低減することが可能となるからである。
また本発明の実施例では、励磁電流指令値決定部１８を有しているが、これをなくし励磁電流指令値を自動調整する手順を削除すれば、請求項１記載の発明の構成例とすることができる。
【０００６】
励磁電流指令値の自動調整手順について、図３に基づいて説明する。
図３は、励磁電流指令値の自動調整手順について、その処理フローチャートを示したものである。
図３において、１０１は検出電流（検出電流であり、電流センサから検出される電流である）より応答時間（i_q電流の応答時間）を演算するステップ、１０２は応答時間と閾値ｔ^*を比較するステップ、１０３は励磁電流指令i_d ^*に固定するステップ、１０４は励磁電流指令i_d ^*をΔi_d ^*ほど大きくするステップである。
検出電流より応答時間を演算するステップ１０１で応答時間を算出し、前記応答時間を応答時間と閾値ｔ^*を比較するステップ１０２で閾値ｔ^*と比較し、小さいとき、励磁電流指令i_d ^*をΔi_d ^*ほど大きくするステップ１０４でΔi_d ^*ほど大きくすることを繰り返し、閾値ｔ^*より大きくなったとき、励磁電流指令i_d ^*に固定するステップ１０３で励磁電流指令i_d ^*に固定する。
この自動調整手順によれば、前記応答時間と閾値ｔ^*を比較するステップ１０２を用いることで、試行錯誤により励磁電流指令i_d ^*を決定するのに比べ、手間が省けることになる。
【０００７】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、ブリッジ回路出力電圧を大きくでき、これによってデッドタイムによる出力電圧変動の影響を低減し、トルク電流ゼロクロス付近でのトルク電流の応答性および電動機のトルク特性とを向上させることが可能となるという効果がある。
また、トルク電流が所望の応答性を得る為に、前記励磁電流指令を零でない所定の電流値に決定することに関し、これを自動的に行うことができるので、試行錯誤により零でない所定の電流値を決定するのに比較し、調節に要する手間を不要にできるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の電流制御部構成例である。
【図２】 電流制御部構成例に示すブリッジ回路２１の構成例である。
【図３】 励磁電流指令値の自動調整手順の処理フローチャートである。
【図４】 本発明方式におけるブリッジ回路出力電圧の波形例である。
【図５】 従来方式と本発明方式のトルク電流応答比較図である。
【図６】 従来方式の電流制御部構成例である。
【図７】 ＰＷＭ制御部内部処理概略図である。
【図８】 従来方式におけるブリッジ回路出力電圧の波形例である。
【図９】 ブロック回路出力電圧の波形および検出電流のゼロクロス付近拡大図である。
【符号の説明】
１ 電流制御部
４ トルク電流フィードバック制御部
５ 励磁電流フィードバック制御部
８ 出力指令相変換部
９ 入力電流相変換部
１７ 励磁電流指令値切り換え部
１８ 励磁電流指令値決定部
１９ ＰＷＭ制御部
２１ ブリッジ回路
２２ 電動機
２４ ＩＧＢＴトランジスタ
２５ ダイオード
１０１ 検出電流より応答時間を演算するステップ
１０２ 応答時間と閾値ｔ^*を比較するステップ
１０３ 励磁電流指令i_d ^*に固定するステップ
１０４ 励磁電流指令i_d ^*をΔi_d ^*ほど大きくするステップ

Claims (1)

1. 非突極形同期電動機への通電電流指令をトルク電流指令と励磁電流指令とに分離して指令し、前記電動機の検出電流をトルク電流分と励磁電流分とに分離し、前記トルク電流指令に前記トルク電流分が一致するように、および、前記励磁電流指令に前記励磁電流分が一致するように前記電動機への通電電流を制御する非突極形同期電動機の駆動制御装置において、
   零電流値もしくは零でない所定の電流値のうちいずれかを選択して前記励磁電流指令とする励磁電流指令切り替え部を備え、
   前記励磁電流指令値切り替え部は、前記電動機へ出力される電圧が小さい時にのみ、前記零でない所定の電流値を選択して前記励磁電流指令とすることを特徴とする非突極形同期電動機の駆動制御装置。

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