JP4556322B2

JP4556322B2 - モータ制御方式

Info

Publication number: JP4556322B2
Application number: JP2000351804A
Authority: JP
Inventors: 英朗守屋; 堅治井上
Original assignee: Sinfonia Technology Co Ltd
Current assignee: Sinfonia Technology Co Ltd
Priority date: 2000-11-17
Filing date: 2000-11-17
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2020-11-17
Also published as: JP2002159192A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、埋込磁石型同期電動機（以下、ＩＰＭモータという）のモータ制御方式に関し、特に制御演算負荷量が少ないものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電動車両に用いられるモータは、直流モータに代わり、ＡＣモータが用いられるようになっている。近年、電動車両の省エネルギー化の要請により、モータ自身の高効率化のニーズが高まっている。この条件を満足するモータとしてＩＰＭモータの使用が検討されるようになった。
【０００３】
ＩＰＭモータは、ロータコア内を極数に応じて切り欠き、その空間に永久磁石を埋め込んだロータを使用する。このＩＰＭモータは、一般の永久磁石同期電動機（以下ＳＰＭモータという）と同様に永久磁石が発生する磁界を利用するため、誘導電動機のようなＡＣモータに比べ、高効率である。その結果、省エネルギーを指向したモータとして位置づけられている。また、ＳＰＭモータに比べ、磁石がロータコア内に埋設されているため、遠心力強度が増し、また、弱め磁束制御が可能なため高速運転が可能なため、高速電動機用途に適している。更に、リラクタンストルクも利用できるため、更なる効率アップが可能となる。
【０００４】
このような優れた特徴を持つＩＰＭモータであるが、高効率でかつ安定に駆動するためには、モータ駆動制御が難しかったため、従来は使用されなかった。しかし、近年のマイクロプロセッサなどのデジタル演算素子の高速化によって、ＩＰＭモータの使用が実用化のレベルになった。
【０００５】
ＩＰＭモータの駆動方式の例として、Ｔ．ＩＥＥＪａｐａｎ，Ｖｏｌ．１１２−Ｄ，Ｎｏ．３，’９２の２９２〜２９８頁に開示のような最適制御方式が提案されている。この最適制御方式は、従来の制御ブロックに対して、トルク指令（ｉｑ）と検出速度（ω）からｄ軸電流指令（ｉｄ）を作成するｉｄブロックを挿入したものである。このｉｄブロックは、ＩＰＭモータを効率的に動作させるために最適なｄ軸電流を計算する。具体的には、モータ誘起電圧が制御範囲にある場合は、最大トルク制御方式により、制御範囲外の場合は、弱め磁束制御方式によりｄ軸の電流指令を算出している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、（１）最大トルク制御と弱め磁束制御を不連続的に切り替え制御しているため、境界領域でチャタリングが生じる恐れがある。また、（２）実機と制御装置間のパラメータ（定数）誤差に対して、境界領域付近で不安定動作が発生する恐れがある。とくに、（３）ｉｄブロックにおける電圧計算の繰り返し演算による演算装置（ＣＰＵ）の負担が大きい。さらに、（４）内部演算軽減化のために関数テーブルを使用する場合が多いが、この場合モータ定数が変更されるたびに関数テーブルも変更しなければならず、手間がかかるという問題がある。
【０００７】
前記（１）又は（２）の問題を解決するため、電圧指令を逐次監視し、ｄ軸電流を操作する電圧フィードバック方式の駆動装置が考えられる。しかし、電圧フィードバックにて出力電圧を制限するため、加減速時、電流制御系の電流指令が飽和するため、モータ速度の高低にかかわらず電圧制御系が動作し、ｄ軸電流を操作するため、モータトルク出力に不要な過渡現象を生じてしまう問題点や、リアルタイムな制御が必要になり、演算装置への負担が大きくなるという問題点が残る。
【０００８】
本発明は前記の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、演算装置への負担が少なく、安定した制御が可能になるモータ制御方式を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する請求項１に記載のモータ制御方式は、入力トルク指令（Ｔ）及び速度検出値（ω）から電流指令値（ｉ_q,ｉ_d）を出力するモータ制御方式であって、前記入力トルク指令（Ｔ）及び前記速度検出値（ω）を正規化する正規化手段（１１）と、正規化入力トルク指令値（Ｔ^*）及び正規化速度検出値（ω^*）から、予め演算したテーブル（３０，３２，３３）に基づき、正規化ｑ軸電流指令値（ｉ_q ^*）及び正規化ｄ軸電流指令値（ｉ_dt ^* _,ｉ_dw ^*）を出力する正規化トルク指令手段（１２）と、正規化ｑ軸電流指令値（ｉ_q*）及び正規化ｄ軸電流指令値（ｉ_dt ^* _,ｉ_dw ^*）を実スケールに変換するスケール変換手段（１３）と、を備えてなる。
【００１０】
この請求項１の構成によると、正規化トルク指令手段（１２）の前後に正規化手段（１１）とスケール変換手段（１３）とを有するため、モータが変わってもパラメータを変える必要がなく、コア部分は共通化できる。また、正規化トルク指令手段（１２）は、正規化入力トルク指令値及び正規化速度検出値から、予め演算したテーブル（３０，３２，３３）に基づき、正規化ｑ軸電流指令値（ｉ_q ^*）及び正規化ｄ軸電流指令値（ｉ_dt ^* _,ｉ_dw ^*）を出力するため、収束演算なしに適切なｑ軸電流指令及びｄ軸電流指令を求めることができる。
【００１１】
請求項２に記載のモータ制御方式は、請求項１において、前記正規化トルク指令手段（１２）は、正規化速度検出値（ω^*）からクランプテーブル（３０）によりクランプ値（Ｔ^* _clmp）を算出し、正規化トルク指令値（Ｔ^*）をクランプ後出力（Ｔ^* _c）とするトルククランプ手段（２５）と、
クランプ後出力（Ｔ^* _c）から、予め演算した二つのテーブル（３２，３３）から正規化ｑ軸電流指令値（ｉ_q ^*）及び第１正規化ｄ軸電流指令値（ｉ_dt ^*）を出力する最大トルク制御手段（２６）と、正規化速度検出値（ω^*）に基づき誘起電圧補償を行って第２正規化ｄ軸電流指令値（ｉ_dw ^*）を出力する誘起電圧補償手段（２７）と、からなる。
【００１２】
この請求項２の構成によると、トルク指令及びｄ軸，ｑ軸電流指令を正規化することにより、関数テーブルをモータと無関係に一定値化できるテーブル（３０，３２，３３）から、瞬時に演算することができる。また、誘起電圧補償部は、高回転領域において、誘起電圧が、インバータ電源電圧を越えることによって起こる制御不能な電力回生を防止する機能と同時に、高回転域におけるリラクタンストルクの出力レベルを調整する機能を合わせもっている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１に従って説明する。図１は、本発明の実施形態に係るモータ制御方式の回路構成と演算手順を示すブロック図であり、図２は、ＩＰＭモータの構成を示す概略図である。
【００１４】
まず、図２により、ＩＰＭモータ１０１の構成を説明する。このＩＰＭモータ１０１は、ロータ１０２とステータ１０３とからなる。ロータ１０２は、コア内を極数（図示例では２極）に応じて切り欠き、その空隙に永久磁石１０４を埋め込んだものである。ステータ１０３は、通常の同期モータと同様に、三相交流を与えると、時間の変化と共に電流が流れ、回転磁界を発生させる固定コイル（Ｕ，Ｖ，Ｗ）を有する。
【００１５】
永久磁石１０４をロータ１０２に埋め込むことにより、磁気特性が大きく変化する。ここで、挿入された永久磁石のＳ極からＮ極に向かう軸をｄ軸（ｄｉｒｅｃｔａｘｉｓ）、そこから電気角で９０度ずらした方向にｑ軸（ｑｕａｒｄｒａｔｕｔｅａｘｉｓ）を定義する。ｄ軸磁気回路を通る磁束は磁石のロータ１０２とステータ１０３の間の空隙に加えて二つの磁石１０４の厚みを交差しなければならない。磁石１０４の透磁率は、ほぼ真空の透磁率であるため、ｄ軸上の磁石１０４の厚みの分の空隙があるものとみなせる。一方、ｑ軸は磁石１０４の空隙を通過することがないため、ステータ１０３の相インダクタンスはロータ１０２のｑ軸方向で著しく高くなる。そのため、突極性も通常の同期モータとは逆の逆突極性となる。このＩＰＭモータ１０１は、ｄ軸電流とｑ軸電流による電流制御によって駆動される。
【００１６】
図１により、このようなＩＰＭモータ１０１の制御回路構成を説明する。制御装置１は、フィードバックセンサに接続された速度検出部２と、この速度検出部２からの速度ＦＢ検出値又は速度検出値（ω）と、速度指令値（ωｒ）との差分に基づいて入力トルク指令値（Ｔ）を出力するＰＩ補償部３と、速度検出部２からの速度ＦＢ検出値（ω）とＰＩ補償部３からのＰＩ出力値（Ｔ）の入力を受け、ｑ軸電流指令値（ｉ_q）とｄ軸電流指令値（ｉ_d）を出力するトルク指令算出部４と、トルク指令算出部４からのｑ軸電流指令値（ｉ_q）とｄ軸電流指令値（ｉ_d）を受けて、図示されないＩＰＭモータ１０１に対する電流制御を行う電流制御部５とを備えて構成される。速度検出部２及びＰＩ補償部３は、速度指令値（ωｒ）からＰＩ出力値（Ｔ）及び速度ＦＢ検出値（ω）を出力する速度制御部６を構成する。
【００１７】
トルク指令算出部４は、速度制御部６からのＰＩ出力値（Ｔ）と速度ＦＢ検出値（ω）に基づいて、ｑ軸電流指令値（ｉ_q）とｄ軸電流指令値（ｉ_d）を演算処理するソフトウェアで構成されており、正規化変換部１１と、正規化トルク指令算出部１２と、スケール変換部１３とからなる。
【００１８】
正規化変換部１１は、ＰＩ出力値（Ｔ）と速度ＦＢ検出値（ω）を正規化トルク指令演算部１２のスケールに正規化する部分であり、トルク正規化部２１と速度正規化部２２とを備える。トルク正規化部２１と速度正規化部２２は、ＰＩ出力値即ち入力トルク指令（Ｔ）と速度ＦＢ検出値即ち速度検出値（ω）を正規化する正規化手段を構成する。トルク正規化部２１は、下記の式１〜５に基づいて正規化を行う。
【００１９】
【数１】

【００２０】
速度正規化部２２は、下記の式６〜１０に基づいて正規化を行う。
【００２１】
【数２】

【００２２】
正規化トルク指令算出部（正規化トルク指令算出手段）１２は、モータのパラメータに依存すること無く、正規化されたトルクを演算する部分であり、トルククランプ部（トクルクランプ手段）２５と、最大トルク制御部（最大トルク制御手段）２６と、誘起電圧補償部（誘起電圧補償手段）２７を備えてなる。
【００２３】
トルククランプ部２５は、モータ出力のパワーコントロール制限を行う部分であり、速度フィードバック正規化値又は正規化速度検出値（ω^*）に基づきトルクコントロール領域かパワーコントロール領域のどちらにあるかを区別するクランプテーブル（ｔａｂｌｅ３）３０と、トルクを絞るトルククランプ部３１とを有する。演算負担をかけずに、クランプテーブル３１により瞬時にクランプ値（Ｔ_clmp ^*）を算出し、トルク指令正規化値又は正規化入力トルク指令値（Ｔ^*）をこの算出結果によりクランプ後出力（Ｔ_c ^*）する。
【００２４】
最大トルク制御部２６は、予め演算したテーブル（ｔａｂｌｅ１）３２及びテーブル（ｔａｂｌｅ２）３３を有し、入力トルク指令（Ｔ_c ^*）から正規化ｑ軸電流指令値（ｉ_q ^*）と第１正規化ｄ軸電流指令値（ｉ_{d t} ^*）とを出力する。
テーブル（ｔａｂｌｅ１）３２は、下記の式１１を予め演算したテーブルを有する。テーブル（ｔａｂｌｅ２）３３は、下記の式１２を予め演算したテーブルを有する。
【００２５】
【数３】

【００２６】
誘起電圧補償部２７は、速度フィードバック正規化値（ω^*）から、下記の式１３に基づき、第２正規化ｄ軸電流指令値（ｉ_{d w} ^*）を出力する。
【００２７】
【数４】

【００２８】
スケール変換部（スケール変換手段）１３は、最大トルク制御部２６からの正規化ｑ軸電流指令値（ｉ_q ^*）を下記の式１４に基づいて実スケールに変換するスケール変換部３５と、最大トルク制御部２６からの第１正規化ｄ軸電流指令値（ｉ_{d t} ^*）を下記の式１５に基づいて実スケールに変換するスケール変換部３６と、最大トルク制御部２６からの第２正規化ｄ軸電流指令値（ｉ_{d w} ^*）を下記の式１６に基づいて実スケールに変換するスケール変換部３７とを有する。
【００２９】
【数５】

【００３０】
トルク指令算出部４は、第１ｄ軸電流指令値（ｉ_{d t}）と第２正規化ｄ軸電流指令値（ｉ_{d w}）とを加算し、ｄ軸電流指令値（ｉ_d）とする加算部１４を有する。電流制御部５に、スケール変換部３５からのｑ軸電流指令値（ｉ_q）と加算部１４からのｄ軸電流指令値（ｉ_d）とが出力される。
【００３１】
以上説明した構造の駆動装置１は、速度制御部６と電流制御部５の間に、ソフトウェア構成のトルク指令算出部４を挿入する構成である。このトルク指令算出部４は、速度制御部６のＰＩ出力値（Ｔ）と速度ＦＢ検出値（ω）から、ｑ軸電流指令値（ｉ_q）とｄ軸電流指令値（ｉ_d）を出力する。トルク指令算出部４の特に正規化トルク指令算出部１２は、クランプテーブル（ｔａｂｌｅ３）３０、テーブル（ｔａｂｌｅ１）３２及びテーブル（ｔａｂｌｅ２）３３から、収束演算させることなしに最適なｑ軸電流指令値（ｉ_q ^*）と第１ｄ軸電流指令値（ｉ_dt ^*）とを求めることができる。
【００３２】
また、正規化トルク指令算出部１２は誘起電圧補償部２７を有する構成である。誘起電圧補償部は、高回転領域において、誘起電圧が、インバータ電源電圧を越えることによって起こる制御不能な電力回生を防止する機能と同時に、高回転域におけるリラクタンストルクの出力レベルを調整する機能を合わせもっている。図１のＫｄは、リラクタンストルクの出力レベルを調整するためのゲインで、通常は１である。またＫｔは、モータ出力トルクレベルを調整するためのゲインで通常は１である。
【００３３】
この実施形態の駆動装置１は以下の効果を奏する。
（１）正規化トルク指令算出部１２はテーブル手段のみで構成されるため、演算装置への負荷が小さくなる。演算量が減ったため、ＤＳＰ等の高価なプロセッサを使用すること無しにＩＰＭモータを駆動することが可能になる。
（２）正規化トルク指令算出部１２は誘起電圧補償部２７において、フィードフォワード的に誘起電圧補償をしているため、ｄ軸電流やモータトルク出力に不要な過渡現象が生じず、安定な制御が可能となる。
（３）正規化トルク指令算出部１２は不連続な制御切り替えを有しない構成であるため、チャタリングが生じない。
（４）正規化トルク指令算出部１２は、モータ定数に基づく厳密な計算やフィードバック的なトルク制御をしていないため、パラメータ誤差に対して、ロバストである。
（５）トルク指令及び、ｄ軸，ｑ軸の電流指令を正規化しているため、テーブル関数をモータ定数とは無関係に一定化できる。モータ定数変更への対応は、正規化定数を変えることにより対処している。
【００３４】
なお、本実施形態において、正規化トルク指令算出部１２からの第１ｄ軸電流指令値（ｉ_dt ^*）と第２ｄ軸電流指令値（ｉ_dw ^*）を合算し、その後で実スケールに変換する構成を採用するものであってもよい。
【００３５】
また、本実施形態の駆動装置１は、ＩＰＭモータを使用する種々の機器に適用できるが、特に電動フォークリフトなどの、電動車両の走行用駆動装置としての用途に適している。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１〜２に記載のモータ制御方式は、種々の最適計算が不要になるため、演算装置への負担が小さくなり、高価なプロセッサを使用すること無しに簡便にＩＰＭモータを駆動することが可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るモータ制御方式の回路構成と演算手順を示すブロック図である。
【図２】ＩＰＭモータの構成を示す概略図である。
【符号の説明】
１制御装置
５電流制御部
６速度制御部
１１正規化変換部（正規化手段）
１２正規化トルク指令算出部（正規化トルク指令手段）
１３スケール変換部（スケール変換手段）
２５トルククランプ部（トルククランプ手段）
２６最大トルク制御部（最大トルク制御手段）
２７誘起電圧補償部（誘起電圧補償手段）

Claims

入力トルク指令（Ｔ）及び速度検出値（ω）から電流指令値（ｉ_q,ｉ_d）を出力するモータ制御方式であって、
前記入力トルク指令（Ｔ）及び前記速度検出値（ω）を正規化する正規化手段（１１）と、
正規化入力トルク指令値（Ｔ^*）及び正規化速度検出値（ω^*）から、予め演算したテーブル（３０，３２，３３）に基づき、正規化ｑ軸電流指令値（ｉ_q ^*）及び正規化ｄ軸電流指令値（ｉ_dt ^* _,ｉ_dw ^*）を出力する正規化トルク指令手段（１２）と、
正規化ｑ軸電流指令値（ｉ_q*）及び正規化ｄ軸電流指令値（ｉ_dt ^* _,ｉ_dw ^*）を実スケールに正規化するスケール変換手段（１３）と、を備えてなるモータ制御方式。
前記正規化トルク指令手段（１２）は、
正規化速度検出値（ω^*）からクランプテーブル（３０）によりクランプ値（Ｔ^* _clmp）を算出し、正規化トルク指令値（Ｔ^*）をクランプ後出力（Ｔ^* _c）するトルククランプ手段（２５）と、
クランプ後出力（Ｔ^* _c）から、予め演算した二つのテーブル（３２，３３）から正規化ｑ軸電流指令値（ｉ_q ^*）及び第１正規化ｄ軸電流指令値（ｉ_dt ^*）を出力する最大トルク制御手段（２６）と、
正規化速度検出値（ω^*）に基づき誘起電圧補償を行って第２正規化ｄ軸電流指令値（ｉ_dw ^*）を出力する誘起電圧補償手段（２７）と、からなる請求項１に記載のモータ制御方式。