JP4730659B2 - モータ制御装置 - Google Patents
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Description
このように、従来のモータ制御装置では、高精度な電流検出回路を含む高精度な制御演算回路、様々な補償回路など、回路設計に高精度の対応が必要とされていた。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、通常のサーボアンプの制御回路、部品を使用してコスト低減するとともに、更に10倍以上の広範囲で高精密なトルク制御を行うことができる方法を提供することを目的とする。
請求項1に記載の発明は、トルク指令をd−q軸電流指令に変換するトルク/電流変換手段と、前記d−q軸電流指令と電流位相に基づいて3相電流指令を出力する3相電流指令発生手段と、前記3相電流指令に基づいて駆動電流をモータに供給するPWM電流制御手段とを備えた、d−q軸ベクトル制御によりモータを制御するモータ制御装置において、予め設定されたトルク指令切り替え値と前記トルク指令の絶対値とを比較して、前記トルク指令が高トルク領域あるいは低トルク領域のいずれであるかを判別し、前記高トルク領域の場合に0、前記低トルク領域の場合に+1であるトルク判別結果を出力すると共に、前記トルク判別結果に応じたq軸電流指令を出力する前記トルク/電流変換手段と、前記モータに取付けられた回転角検出手段が検出して出力するモータ位置に基づいてモータ速度を演算し、前記モータ速度の絶対値と予め設定されたモータ速度閾値とを比較して、前記モータ速度が高速領域あるいは低速領域のいずれであるかを判別し、前記高速領域の場合に−1、前記低速領域の場合に+1である速度判別結果を出力する速度領域判別手段と、前記トルク指令の絶対値に対するモータ電気角の関数テーブルを有し、前記トルク指令の絶対値と前記トルク判別結果との乗算結果および前記速度判別結果に基づいて前記モータ電気角の関数テーブルを参照すると共に、前記高トルク領域の場合に0となる前記モータ電気角を、前記低トルク領域の場合に前記モータ電気角の関数テーブルを参照した前記モータ電気角を出力するトルク制御角演算手段と、を備え、前記モータ位置と、前記速度判別結果と、前記モータ電気角とに基づいて前記電流位相を算出するものである。
また、請求項2に記載の発明は、請求項1記載の発明における前記トルク/電流変換手段が、前記高トルク領域の場合に前記トルク指令をトルク定数で除算した値を前記q軸電流指令として出力し、前記低トルク領域の場合かつ前記トルク指令が正の場合に正の一定値を前記q軸電流指令として出力し、前記低トルク領域の場合かつ前記トルク指令が負の場合に負の一定値を前記q軸電流指令として出力するものである。
また、高トルク領域と低トルク領域のモータ制御を個別に対応することができ、高精度なモータ制御をすることができる。また、精度追求が必要ない場合は低トルク領域でのモータ制御を使用しないことが容易にでき、汎用性を高めることができる。
更に、モータ制御装置を適用するシステムに応じて切替え点を任意に簡単に設定することができ、また、切替えを必要としない場合においても対応することができ、適用の汎用性が高まる。また、広出力範囲に渡りモータ制御をすることができ、高速性、高出力、高効率、高精度を図ることができる。
また更に、モータの高速運転時でも界磁束が減磁されているので、誘起電圧が低く抑えられ、電機子電流の制御性能を向上させることができる。
トルク/電流変換手段10は、入力されたトルク指令T*の絶対値|T*|と予め設定されたトルク指令切り替え値T0に基づいて、入力されたトルク指令T*が高トルク領域であるか、あるいは、低トルク領域であるかを判断し、判断結果に応じてトルク電流指令iq*(q軸電流指令)を3相電流指令発生手段20に出力すると同時に、判断結果をトルク制御角演算手段60に出力する。3相電流指令発生手段20は、トルク電流指令iq*(q軸電流指令)と後述する検出位置Θと後述する主磁束ベクトルと電機子電流ベクトル間の電気角θとに基づいて、電機子電流の回転ベクトルiaを算出し、2相/3相変換22により3相の電流指令iu*、iv*、iw*をPWM電流制御手段30に出力する。
回転角検出手段40は、例えばエンコーダに代表される位置検出器であり、同期電動機100の回転位置を検出し、検出位置Θを出力する。速度領域判別手段50は、検出位置Θに基づいて差分演算51によりモータ速度ωを算出し、モータ速度ωの絶対値|ω|と予め設定された速度閾値ω0に基づいて、後述する符号関数( )54を出力する。トルク制御角演算手段60は、トルク指令T*の絶対値|T*|とトルク指令T*が高トルク領域であるか、あるいは、低トルク領域であるかの判断結果に基づいて、後述する式(1)の主磁束ベクトルと電機子電流ベクトル間の電気角θを求める関数テーブルより、電気角θを出力する。検出位置Θと求められた電気角θと符号関数sgn( )を乗算器70、加算器80を介して、3相電流指令発生手段20に入力する。なお、速度領域判別手段50とトルク制御角演算手段60は、トルク/電流変換手段10において判断された入力されたトルク指令T*が低トルク領域の場合のみ動作するものである。
なお、図1は本発明の主要部分である電流制御系のみの記述としたが、本来、速度制御部(図示しない)や位置制御部(図示しない)等が存在してモータ制御装置を構成している。図示していない構成は、周知の構成を用いることができるため、説明を省略している。
本発明の動作の要点は、同期電動機100が高トルク領域で運転される場合と低トルク領域で運転される場合の2つのモードにより制御する点である。更に、低トルク領域では、モータの回転速度により、高速時と低速時に分けて制御する点もある。
図3は、トルク/電流変換手段10の入出力を示す図である。横軸が入力であるトルク指令T*であり、縦軸がトルク電流指令iq*(q軸電流指令)を示している。即ち、トルク指令T*の絶対値|T*|が、予め設定されたトルク指令切り替え値T0より大きい場合は高トルク領域であり、入力されたトルク指令T*相当のトルク電流指令iq*(q軸電流指令)を出力する。一方、トルク指令T*の絶対値|T*|が、予め設定されたトルク指令切り替え値T0より小さい場合は低トルク領域であり、予め設定されたトルク指令切り替え値T0相当のトルク電流一定指令iq0を出力する。なお、トルク電流一定指令iq0は、0<T*≦T0の場合iq*=iq0であり、―T0≦T*<0の場合iq*=―iq0である。
|T* |=Kt×iq0 ×{1+Kd×cos(90±θ)}×sin(90±θ) (1)
ここで、0<θ<90°であり、Ktはトルク定数、Kdは電機子反作用による主磁束の増減磁係数、θは主磁束ベクトルと電機子電流ベクトル間の電気角(主磁束ベクトルの方向をd軸、d軸より時計回りに90度の方向を電機子電流ベクトルq軸とする。)なお、式(1)内の±符号は複合同順であるため、+符号用と−符号用の2種類の|T* |-θ関数テーブル62が用意されている。この2つの関数テーブルの選択は、後述する速度領域判別手段50の出力である符号関数sgn( )の符号±1に基づくものである。
また、回転角検出手段40において、同期電動機100の検出位置であるΘを得て、速度領域判別手段50において、検出位置Θの差分演算dΘ/dtによりモータ速度ωを算出し、モータ速度の絶対値|ω|と予め設定された速度閾値ω0 を比較し、符号関数sgn(|ω|―ω0 )を求める。なお、符号関数sgn( )は、( )>0の場合+1、( )<0の場合―1である。
3相電流指令発生手段20において、Θ±θと、トルク/電流変換手段10の出力であるトルク電流指令iq*(q軸電流指令)とを電機子電流の回転ベクトルiaを作るベクトル乗算器23で乗算し、その乗算値を2相/3相変換22で2/3相変換して、同期電動機100に給電する3相の電流指令iu*、iv*、iw*を算出し、PWM電流制御手段30に出力する。PWM電流制御手段30において、電流検出器38による電流フィードバックを用い、PWM電流制御を行い、同期電動機100を駆動する。
このように、低トルク領域で運転される場合は、トルク電流指令iq*(q軸電流指令)がトルク電流一定指令iq0の一定振幅値に固定して、式(1)より算出する電気角θを制御することにより、微小電流の制御をするのである。
なお、入力されたトルク指令T*が高トルク領域であるか、あるいは、低トルク領域であるかは、トルク領域判断器15において、入力されたトルク指令T*の絶対値|T*|と予め設定されたトルク指令切り替え値T0との加算器14での加算値に基づいてはんだんする。即ち、|T*|―T0>0の場合、高トルク領域と判断し、0(ゼロ)をトルク制御角演算手段60に出力する。一方、|T*|―T0<0の場合、低トルク領域と判断し、+1をトルク制御角演算手段60に出力する。よって、|T*|-θ関数テーブル62は、高トルク領域の場合参照されず、低トルク領域の場合のみ参照されることになる。
(ステップ10)
トルク/電流変換手段10にトルク指令T*を入力する。また、回転角検出手段40から速度領域判別手段50に検出位置Θを入力する。ステップ11に進む。
(ステップ11)
速度領域判別手段50において、検出位置の差分演算dΘ/dtにより、モータ速度ωを算出して、ステップ12に進む。
(ステップ12)
トルク/電流変換手段10において、トルク指令T*の絶対値|T*|と予め設定されたトルク指令切り替え値T0とを比較する。トルク指令T*の絶対値|T*|が予め設定されたトルク指令切り替え値T0よりも小さい場合、即ちトルク指令T*が低トルク領域の場合は、ステップ13に進む。一方、トルク指令T*の絶対値|T*|が予め設定されたトルク指令切り替え値T0よりも大きい場合、即ちトルク指令T*が高トルク領域の場合は、ステップ17に進む。
(ステップ13)
トルク制御角演算手段60において、式(1)の主磁束ベクトルと電機子電流ベクトル間の電気角θを求める関数テーブルより、電気角θを求め、ステップ14に進む。
(ステップ14)
速度領域判別手段50において、モータ速度ωの絶対値|ω|と予め設定された速度閾値ω0とを比較する。モータ速度ωの絶対値が予め設定された速度閾値ω0よりも小さい場合、即ちモータ速度ωが低速時の場合は、ステップ15に進む。一方、モータ速度ωの絶対値|ω|が予め設定された速度閾値ω0よりも大きい場合、即ちモータ速度ωが高速時の場合は、ステップ16に進む。
トルク制御角演算手段60において、主磁束ベクトルと電機子電流ベクトル間の電気角θをθ=+θとし、ステップ18に進む。
(ステップ16)
トルク制御角演算手段60において、主磁束ベクトルと電機子電流ベクトル間の電気角θをθ=−θとし、ステップ18に進む。
(ステップ17)
トルク制御角演算手段60において、主磁束ベクトルと電機子電流ベクトル間の電気角θをθ=0、即ちd軸電流指令=0とし、ステップ19に進む。
(ステップ18)
トルク/電流変換手段10において、予め設定されたトルク指令切り替え値T0をトルク定数Ktで除算して、トルク電流指令iq*(q軸電流指令)=トルク電流一定指令iq0を出力し、ステップ20に進む。なお、トルク電流一定指令iq0は、0<T*≦T0の場合iq*=iq0であり、T0≦T*<0の場合iq*=―iq0である。
(ステップ19)
トルク/電流変換手段10において、トルク指令T*をトルク定数Ktで除算して、トルク電流指令iq*(q軸電流指令)を算出し、ステップ20に進む。
(ステップ20)
d-q軸で表した電機子電流ベクトルiaのia =iq*×exp{j(Θ+θ)}の演算をし、 電機子電流ベクトルiaを、2/3相変換して3相の出力電流指令iu*、iv*、iw*を算出する。即ち、ia=iq+j(id)として、式(2)、式(3)より算出し、ステップ21に進む。
(ステップ21)
算出した3相の出力電流指令iu*、iv*、iw*をPWM電流制御手段30に出力してステップ10に進み、ステップ10からステップ21の一連の処理によりモータを駆動する。
このように、低トルク領域において、トルク電流指令の振幅を一定にして、主磁束となす電気角を変化させるという手順をとるので、高精度の回路部品、高度な回路技術を不要とし、トルク、あるいは推力を広範囲で高精密に制御することができる。
なお、本発明の電流制御系は、トルク指令T*と磁極位置を決めるための回転角あるいは位置検出器の検出位置Θをマイクロコンピュータに入力し、3相の出力電流指令iu*、iv*、iw*までを全て演算して出力する。この3相の出力電流指令は、電流検出器によって検出される同期電動機のU相とV相の実電流iuとiv、演算増幅器によりiw=−(iu+iv)として得られるW相の電流がフィードバックされ、PWM電流制御がハードウェアによってなされる。
11 トルク定数除算
12 トルク指令/電流指令変換
13 絶対値演算
14 加算器
15 トルク領域判断器
20 3相電流指令発生手段
21 位相角演算
22 2相/3相変換
23 乗算器
30 PWM電流制御手段
31、32、33 加算器
34、35、36 PID電流調節器
37 パルス幅変調器
38 電流検出器
40 回転角検出手段
50 速度領域判別手段
51 差分演算
52 絶対値演算
53 加算器
54 符号関数
60 トルク制御角演算手段
61 乗算器
62 |T*|-θ関数テーブル
70 乗算器
80 加算器
100 同期電動機
Claims (2)
- トルク指令をd−q軸電流指令に変換するトルク/電流変換手段と、前記d−q軸電流指令と電流位相に基づいて3相電流指令を出力する3相電流指令発生手段と、前記3相電流指令に基づいて駆動電流をモータに供給するPWM電流制御手段とを備えた、d−q軸ベクトル制御によりモータを制御するモータ制御装置において、
予め設定されたトルク指令切り替え値と前記トルク指令の絶対値とを比較して、前記トルク指令が高トルク領域あるいは低トルク領域のいずれであるかを判別し、前記高トルク領域の場合に0、前記低トルク領域の場合に+1であるトルク判別結果を出力すると共に、前記トルク判別結果に応じたq軸電流指令を出力する前記トルク/電流変換手段と、
前記モータに取付けられた回転角検出手段が検出して出力するモータ位置に基づいてモータ速度を演算し、前記モータ速度の絶対値と予め設定されたモータ速度閾値とを比較して、前記モータ速度が高速領域あるいは低速領域のいずれであるかを判別し、前記高速領域の場合に−1、前記低速領域の場合に+1である速度判別結果を出力する速度領域判別手段と、
前記トルク指令の絶対値に対するモータ電気角の関数テーブルを有し、前記トルク指令の絶対値と前記トルク判別結果との乗算結果および前記速度判別結果に基づいて前記モータ電気角の関数テーブルを参照すると共に、前記高トルク領域の場合に0となる前記モータ電気角を、前記低トルク領域の場合に前記モータ電気角の関数テーブルを参照した前記モータ電気角を出力するトルク制御角演算手段と、を備え、
前記モータ位置と、前記速度判別結果と、前記モータ電気角とに基づいて前記電流位相を算出することを特徴とするモータ制御装置。 - 前記トルク/電流変換手段が、前記高トルク領域の場合に前記トルク指令をトルク定数で除算した値を前記q軸電流指令として出力し、前記低トルク領域の場合かつ前記トルク指令が正の場合に正の一定値を前記q軸電流指令として出力し、前記低トルク領域の場合かつ前記トルク指令が負の場合に負の一定値を前記q軸電流指令として出力することを特徴とする請求項1記載のモータ制御装置。
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