JP4611216B2

JP4611216B2 - 交流モータ制御装置および制御方法

Info

Publication number: JP4611216B2
Application number: JP2006017603A
Authority: JP
Inventors: 悟大野; 金子　　悟; 健太勝濱; 尚也清水
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2006-01-26
Filing date: 2006-01-26
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2026-01-26
Also published as: JP2007202295A

Description

本発明は、交流モータ制御装置及び制御方法に係り、特に、交流モータに供給される電流を検出することなく交流モータに供給する電流を制御するに好適な交流モータ制御装置及び制御方法に関する。

交流モータを制御する際、ベクトル制御を適用するのが一般的であり、ベクトル制御では、例えば、特開２００１−２４５４９９号公報や特開平９−３０８０３００号公報に記載のように、モータの電機子電流を交流電流センサにより検出し、フィードバック制御させることで所要のモータ出力を得ることが知られている。

特開２００１−２４５４９９号公報特開平９−３０８０３００号公報

しかしながら、交流モータの設置場所によっては、フィードバック制御に必要な交流電流センサを取り付けるためのスペースを確保するのが困難であるケースもあり、交流電流センサを取り付けることによるコストアップも避けられない。

それに対して、交流電流センサを用いない方式として、インバータのゲートパルス信号を利用して交流電流を再現するものがあるが、この方式では、ゲートパルスが極端に短くなった場合に交流電流の再現が困難になり、交流電流センサを用いない状態での工藤が困難になるという問題があった。

本発明の目的は、交流電流センサおよび蓄電池を用いることなく駆動できる交流モータ制御装置および制御方法を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、交流電力を発生する電力源と、この電力源の出力を整流する整流器と、この整流器の出力を交流電力に変換するインバータと、このインバータの出力によって駆動される交流モータと、前記交流モータのトルク指令値に基づいて前記電力源及び前記インバータを制御する制御手段とを有する交流モータ制御装置であって、前記インバータに供給する直流電流値を検出する直流電流値検出手段と、前記インバータに供給する直流電流の指令値と、前記直流電流値検出手段によって検出した直流電流値とを用いて、前記交流モータのｄ軸電流値若しくはｑ軸電流値を補正する補正手段を備えるようにしたものである。
かかる構成により、交流電流センサおよび蓄電池を用いることなく駆動できるものとなる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記補正手段は、前記交流モータが力行時にはｑ軸電流値を補正し、前記交流モータが回生時時にｄ軸電流値を補正するようにしたものである。

（３）上記目的を達成するために、本発明は、交流電力源の出力を整流した後、インバータにより交流電力に変換して交流モータに供給し、前記交流モータのトルク指令値に基づいて前記電力源及び前記インバータを制御する交流モータ制御方法であって、前記インバータに供給する直流電流の指令値と、前記インバータに供給する直流電流の検出値とを用いて、前記交流モータのｄ軸電流値若しくはｑ軸電流値を補正するようにしたものである。
かかる方法により、交流電流センサおよび蓄電池を用いることなく駆動できるものとなる。

本発明によれば、交流電流センサおよび蓄電池を用いることなく駆動できるものとなる。

以下、図１及び図２を用いて、本発明の一実施形態による交流モータ制御装置の構成及び制御方法について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による交流モータ制御装置を用いた駆動システムの構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による交流モータ制御装置を用いた駆動システムの構成を示すブロック図である。

発電機やモータジェネレータ等の交流電源１０は、交流電力を出力する。整流器１１は、交流電源１０の出力を整流する。また、整流器１１とインバータ１４の間には、整流器の出力電圧を平滑するための平滑コンデンサ１３と、直流電流を検出する直流電流センサ１２を設けている。整流器１１は、例えば、図示するように、直列接続されたダイオードが、３個並列接続された全波整流回路である。

インバータ１４は、整流器１１の出力電力を交流電力に変換して、交流モータ１５の電機子巻線に供給し、交流モータ１５を駆動する。交流モータ１５の角度θは、位置検出器１６によって検出される。インバータ１４の内部には、直列接続されたＩＧＢＴのような半導体スイッチング素子によって上アームと下アームを構成し、この上下アームの半導体スイッチング素子が、各Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相毎に３個並列接続されている。半導体スイッチング素子がＩＧＢＴの場合、図示するように、各ＩＧＢＴと並列にダイオードが接続されている。なお、半導体スイッチング素子として、ＭＯＳＦＥＴを用いる場合も上記の構成と同様である。

トルク指令値発生器１は、アクセル開度やスリップ率等の入力信号に基づいて、交流モータ１５をオープンループ制御を行うために必要なトルクを算出し、トルク指令値Ｔ*として出力する。ＭＡＰ３は、トルク指令値と、交流モータ回転数とに対する交流モータ制御電流指令値を保持している。ＭＡＰ３に、トルク指令値発生器１の出力であるトルク指令値Ｔ*と、交流モータ回転数ωが入力すると、ＭＡＰ３は、交流モータ制御電流指令値Ｉｄ*，Ｉｑ*を検索して、出力する。交流モータ回転数ωは、速度演算器１７の出力として求められる。速度演算器１７は、交流モータ角度を検知する位置検出器１６からの交流モータ角度θを微分して、交流モータ回転数ωを導出する。

演算器７は、ＭＡＰ３が出力した交流モータ制御電流指令値Ｉｄ*，Ｉｑ*と、る位置検出器１６からの交流モータ角度θと、交流モータの回転数ωとに基づいて、３相交流電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*を演算する。ＰＷＭ変換器８は、３相交流電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*に基づいて、ＰＷＭ信号を出力する。ゲート・ドライバ９は、ＰＷＭ変換器８の出力により、インバータ１４を構成する半導体スイッチング素子をＰＷＭ駆動するためのゲート信号を発生する。

直流電流指令値発生器２は、交流モータ１５の回転数ωと、トルク指令値発生器１が発生したトルク指令値Ｔ*に基づいて、インバータ１４に供給すべき直流電流の指令値Ｉｄｃ*を算出する。直流電流の指令値Ｉｄｃ*および直流電流センサ１２からの直流電流値を用いて、直流電流フィードバック制御を行う。

以上の構成によって、交流電源１０の出力は、整流器１１によって整流された後、インバータ１４によって交流電力に変換された後、交流モータ１５に供給され、交流モータ１５をオープンループ制御により駆動する。

さらに、本実施形態においては、オープンループ制御による誤差を補正するために、以下に説明する補正手段を備えている。減算器１８は、直流電流指令値発生器２からの直流電流指令値Ｉｄｃ*と、直流電流センサ１２によって検出された直流電流値Ｉｄｃの差，すなわち、電流指令値と実際の電流値との誤差Ｉｄｃ’を演算する。電流制御器４は、減算器１８の出力を、ＰＩ演算して、ｄ軸電流補正値Ｉｄ’と、ｑ軸電流補正値Ｉｑ’を求めると共に、交流モータ１５の運転状態（例えば、力行時か、回生時か）に応じて、これらのいずれかを演算器７に選択的に加えるように、電流制御を切り替え動作する。なお、電流制御器４の詳細構成及び動作については、図２を用いて後述する。

また、ｄ軸電流用加算器５は、ＭＡＰ３が出力する交流モータ制御電流指令値Ｉｄ*に、ｄ軸補正電流値Ｉｄ’を加算する。ｑ軸電流用加算器６は、ＭＡＰ３が出力する交流モータ制御電流指令値Ｉｑ*に、ｑ軸補正電流値Ｉｑ’を加算する。なお、ｄ軸電流用加算器５における加算と、ｑ軸電流用加算器６における加算は、電流制御器４によっていずれかが選択されて行われる。

次に、図２を用いて、本実施形態による交流モータ制御装置の要部の構成について説明する。
図２は、本発明の一実施形態による交流モータ制御装置の要部の構成を示すブロック図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

ＭＡＰ３は、ｄ軸電流用ＭＡＰ３Ａと、ｑ軸電流用ＭＡＰ３Ｂとを備えている。ｄ軸電流用ＭＡＰ３Ａは、トルク指令値発生器１の出力であるトルク指令値Ｔ*と、交流モータ回転数ωとに基づいて、交流モータ制御電流指令値Ｉｄ*を検索して、出力する。ｑ軸電流用ＭＡＰ３Ｂは、トルク指令値発生器１の出力であるトルク指令値Ｔ*と、交流モータ回転数ωとに基づいて、交流モータ制御電流指令値Ｉｑ*を検索して、出力する。

電流制御器４は、ＰＩ制御器４Ａと、切替器４Ｂを備えている。ＰＩ制御器４Ａは、減算器１８の出力Ｓ（＝Ｉｄｃ*−Ｉｄｃ）を、（（Ｋｐ・Ｓ＋Ｋｉ）／Ｓ）としてＰＩ演算して、ｄ軸電流補正値Ｉｄ’と、ｑ軸電流補正値Ｉｑ’を求める。なお、ここで、Ｋｐは比例定数であり、Ｋｉは積分定数である。切替器４Ｂは、交流モータ１５が力行時か、回生時かを判定する。なお、切替器４Ｂは、交流モータ回転方向ωと出力トルクの方向が同一の場合には力行時と判定し、交流モータ回転方向と出力トルクの方向が逆の場合には、回生時と判定する。そして、切替器４Ｂは、力行時には、ｑ軸電流指令値を操作量とし、ｑ軸電流用加算器６にｑ軸電流補正値Ｉｑ’を出力する。また、回生時には、ｄ軸電流指令値を操作量とし、ｄ軸電流用加算器５にｄ軸電流補正値Ｉｄ’を出力する。なお、ｑ軸電流補正値Ｉｑ’は、起動条件として、交流モータ１５が力行時で所定の交流モータ回転数以下となった場合に起動する。ここで、所定の交流モータ回転数とは、例えば、弱め界磁制御を行う回転数である。弱め界磁制御では、交流モータ１５の界磁巻線に供給する界磁電流を減少させおり、弱め界磁制御を行う回転数は、交流モータ１５の特性等によっても異なるが、例えば、１０００ｒｐｍである。ｄ軸電流補正値Ｉｄ’は、回生時には交流モータの回転数に拘わらず、起動される。

演算器７は、電圧演算器７Ａと、座標変換器７Ｂとを備えている。電圧演算器７Ａは、電流指令値Ｉｄ*，Ｉｑ*を、電圧指令値Ｖｄ*，Ｖｑ*に変換する。電圧指令値Ｖｄ*は、（Ｒ×Ｉｑ*−ω×Ｌｑ×Ｉｄ*＋ω×φ）として求められる。ここで、Ｒは、交流モータ１５の抵抗値であり、Ｌｑは交流モータ１５のｑ軸インダクタンスである。また、電圧指令値Ｖｑ*は、（Ｒ×Ｉｑ*−ω×Ｌｄ×Ｉｄ*）として求められる。ここで、Ｌｄは交流モータ１５のｄ軸インダクタンスであり、φは交流モータ１５の鎖交磁束である。なお、力行時には、ｑ軸電流指令値は、ｑ軸電流用加算器６における加算結果であるＩｑ*＋Ｉｑ’が用いられる。また、回生時では、ｄ軸電流指令値は、ｄ軸電流用加算器５における加算結果であるＩｄ*＋Ｉｄ’が用いられる。座標変換器７Ｂは、電圧指令値Ｖｄ*，Ｖｑ*に対して、交流モータ角度θに基づいて、２相−３相変換して、３相交流電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*を求める。

次に、本実施形態の交流モータ制御装置の動作原理について説明する。トルク指令値発生器１からのトルク指令値Ｔ*及び速度演算器１７からの交流モータ回転数ωがＭＡＰ３に入力され、交流モータ１５の動作状況に応じたｄ軸電流指令値Ｉｄ*及びｑ軸電流指令値Ｉｑ*が出力される。演算器７内の電圧演算器７Ａには、交流モータ制御電流指令値及び交流モータ回転数が入力され、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ*及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ*を演算し、座標変換器７Ｂにて座標変換することで、３相交流電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*を演算する。

次に、ＰＷＭ変換器８は、３相交流電圧指令値をＰＷＭ信号に変換し、ゲート・ドライバ９をＰＷＭ信号に基づいて駆動させることで、交流モータ１５に対して電圧指令値Ｖｄ*，Ｖｑ*に相当する交流電圧を印加し、交流モータ１５を制御する。

この場合、本実施形態では、交流電流センサを備えていないので、交流モータ制御では、オープンループ制御を適用し、交流モータ１５を制御している。その結果、３相交流電圧指令値演算時のパラメータ誤差等により演算値に誤差が生じる。

そこで、この誤差を補正するため、本実施形態では、直流電流指令値発生器２からの直流電流指令値Ｉｄｃ*とインバータ１４に接続された直流電流センサ１２からの直流電流値Ｉｄｃを入力とし、直流電流フィードバック制御を行い、交流モータ１５の動作状況に応じてｄ軸電流指令値Ｉｄ*及びｑ軸電流指令値Ｉｑ*にｄ軸電流用加算器５及びｑ軸電流用加算器６を用いて補正をかける。これにより交流モータ出力のばらつきを防止することができる。

トルク指令値発生器１からのトルク指令値Ｔ*と交流モータ回転数ωがＭＡＰ３に入力されると、ｄ軸電流用ＭＡＰ３Ａ及びｑ軸電流用ＭＡＰ３Ｂにより。ｄ軸電流指令値Ｉｄ*及びｑ軸電流指令値Ｉｑ*が決定する。電流制御器４には、直流電流指令値発生器２の出力Ｉｄｃ*と直流電流センサ１２からの直流電流値Ｉｄｃとが入力され、ＰＩ制御器４Ａで偏差をＰＩ制御する。切替器４Ｂは、トルク指令値と交流モータ回転数とを入力して、ｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値のどちらに補正を掛けるか切替え、ｄ軸電流用加算器５及びｑ軸電流用加算器６により足し合わされる。加算器５，６の出力は、演算器７に入力され、電圧演算器７Ａを通過した後、座標変換器７Ｂを通過することで３相交流電圧指令値となる。

以上説明したように、本実施形態では、交流電流センサレスおよび蓄電池レスとした交流モータ制御装置における問題を直流電流値Ｉｄｃを用いて解決する。例えば、交流モータ１５が力行時の場合に所定の回転数以下においてｄ軸電流値Ｉｄ＝０制御を行うため、直流電流センサ１２からの直流電流値Ｉｄｃをフィードバック制御して、ｑ軸電流値を補正することにより交流モータ出力のばらつきを防止することができる。また、蓄電池レスのような電源への回生が許されない場合にｄ軸電流値を増加させることにより電源への回生を防止できるため、直流電流センサ１２からの直流電流値Ｉｄｃをフィードバック制御してｄ軸電流値を補正することにより直流電流Ｉｄｃの安定供給を図ることができ、電源への回生を防止することができる。

以上の方法により、交流電流センサおよび蓄電池を用いることなく、交流モータ出力のばらつきを防止することができる。

本発明の一実施形態による交流モータ制御装置を用いた駆動システムの構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態による交流モータ制御装置の要部の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１…トルク指令値発生器
２…直流電流指令値発生器
３…ＭＡＰ
３Ａ…ｄ軸電流用ＭＡＰ
３Ｂ…ｑ軸電流用ＭＡＰ
４…電流制御器
４Ａ…ＰＩ制御器
４Ｂ…切替器
５…ｄ軸電流用加算器
６…ｑ軸電流用加算器
７…演算器
７Ａ…電圧演算器
７Ｂ…座標変換器
８…ＰＷＭ変換器
９…ゲート・ドライバ
１０…交流電源
１１…整流器
１２…直流電流センサ
１３…平滑コンデンサ
１４…インバータ
１５…交流モータ
１６…位置検出器
１７…速度演算器
１８…減算器

Claims

交流電力を発生する電力源と、
この電力源の出力を整流する整流器と、
この整流器の出力を交流電力に変換するインバータと、
このインバータの出力によって駆動される交流モータと、
前記交流モータのトルク指令値に基づいて前記電力源及び前記インバータを制御する制御手段とを有する交流モータ制御装置であって、
前記インバータに供給する直流電流値を検出する直流電流値検出手段と、
前記インバータに供給する直流電流の指令値と、前記直流電流値検出手段によって検出した直流電流値とを用いて、前記交流モータのｄ軸電流値若しくはｑ軸電流値を補正する補正手段を備えることを特徴とする交流モータ制御装置。
請求項１記載の交流モータ制御装置において、
前記補正手段は、前記交流モータが力行時にはｑ軸電流値を補正し、前記交流モータが回生時時にはｄ軸電流値を補正することを特徴とする交流モータ制御装置。
交流電力源の出力を整流した後、インバータにより交流電力に変換して交流モータに供給し、前記交流モータのトルク指令値に基づいて前記電力源及び前記インバータを制御する交流モータ制御方法であって、
前記インバータに供給する直流電流の指令値と、前記インバータに供給する直流電流の検出値とを用いて、前記交流モータのｄ軸電流値若しくはｑ軸電流値を補正することを特徴とする交流モータ制御方法。