JP5958250B2 - 交流電動機の制御装置 - Google Patents
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Description
また、過大電流が通電されると、交流電動機の制御装置に用いられる各種の素子の発熱や故障が生じる虞がある。
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、電流センサの異常を検出可能であり、交流電動機の制御の精度を向上可能な交流電動機の制御装置を提供することにある。
電流推定手段は、制御相電流検出値および回転角検出値に基づく制御用1相電流推定値を算出する。詳細には、前回の演算で算出された制御用1相電流推定値の制御相の成分である電流基準値と制御相電流検出値とに基づいて算出される補正ベクトルをdq軸平面上にて積算することにより、制御用1相電流推定値を算出する。
他相電流推定手段は、制御相電流検出値と回転角検出値とに基づいて推定される監視相電流推定値、および、監視相電流検出値と回転角検出値とに基づいて推定される制御相電流推定値の少なくとも一方を算出する。
回転数算出手段は、回転角検出値に基づき、交流電動機の回転数を算出する。回転数判定手段は、回転数が所定の判定値以下であるか否かを判定する。
本発明では、切替手段は、回転数が判定値以下であると判定された場合、2相制御モードとし、回転数が判定値より大きいと判定された場合、1相制御モードとする。
電流推定手段は、制御相電流検出値、回転角検出値、および、交流電動機の駆動に係る電流指令値に基づき、制御用1相電流推定値を算出する。
他相電流推定手段は、制御相電流検出値と回転角検出値とに基づいて推定される監視相電流推定値、および、監視相電流検出値と回転角検出値とに基づいて推定される制御相電流推定値の少なくとも一方を算出する。
回転数算出手段は、回転角検出値に基づき、交流電動機の回転数を算出する。回転数判定手段は、回転数が所定の判定値以下であるか否かを判定する。
本発明では、切替手段は、回転数が判定値以下であると判定された場合、2相制御モードとし、回転数が判定値より大きいと判定された場合、1相制御モードとする。
ここで、交流電動機の回転数が小さいと、回転に同期して変化する情報である補正ベクトル、或いは、電流指令値と1相制御電流推定値との偏差の変化量が小さいため、制御性が悪化する虞がある。
(第1実施形態)
図1に示すように、本発明の第1実施形態による交流電動機2の制御装置としての電動機制御装置10は、電動車両を駆動する電動機駆動システム1に適用される。
交流電動機2は、例えば電動車両の駆動輪6を駆動するためのトルクを発生する電動機である。本実施形態の交流電動機2は、3相永久磁石式同期モータである。
電動車両には、ハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池車等、電気エネルギによって駆動輪6を駆動する車両が含まれるものとする。本実施形態の電動車両は、エンジン3を備えるハイブリッド車両であり、交流電動機2は、駆動輪6を駆動するためのトルクを発生する電動機としての機能、および、エンジン3により駆動されて発電可能な発電機としての機能を有する、所謂モータジェネレータである。
直流電源8は、例えばニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池や電気二重層キャパシタ等、充放電可能な蓄電装置である。直流電源8は、電動機制御装置10のインバータ11(図2参照)と接続され、インバータ11を介して交流電動機2と電力の授受可能に構成されている。
インバータ11には、交流電動機2の駆動状態や車両要求等に応じて、直流電源8の直流電圧を図示しない昇圧コンバータにより昇圧したシステム電圧VHが印加される。また、インバータ11は、ブリッジ接続される図示しない6つのスイッチング素子を有する。スイッチング素子には、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、MOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタ、バイポーラトランジスタ等を用いることができる。スイッチング素子は、制御部15の逆dq変換部23から出力される電圧指令値vu*、vv*、vw*に基づいてオン/オフが制御される。これにより、インバータ11は、交流電動機2に印加される3相交流電圧vu、vv、vwを制御する。交流電動機2は、インバータ11により生成された3相交流電圧vu、vv、vwが印加されることにより駆動が制御される。
<1.正転力行> 回転数Nが正でトルク指令値trq*が正のとき、電力消費。
<2.正転回生> 回転数Nが正でトルク指令値trq*が負のとき、発電。
<3.逆転力行> 回転数Nが負でトルク指令値trq*が負のとき、電力消費。
<4.逆転回生> 回転数Nが負でトルク指令値trq*が正のとき、発電。
監視相電流センサ13は、交流電動機2の制御相とは異なる1相に設けられる。本実施形態では、監視相電流センサ13は、V相に設けられる。すなわち、本実施形態ではV相が「監視相」に対応する。監視相電流センサ13は、監視相であるV相に通電される監視相電流検出値iv_snsを検出し、制御部15に出力する。
そして、インバータ11のスイッチング素子は、U相電圧指令値vu*、V相電圧指令値vv*、および、W相電圧指令値vw*に基づいてオン/オフされる。これにより、インバータ11により3相交流電圧vu、vv、vwが生成され、この3相交流電圧が交流電動機2に印加されることにより、トルク指令値trq*に応じたトルクが出力されるように、交流電動機2の駆動が制御される。本実施形態では、3相交流電圧vu、vv、vwが「印加電圧」に対応する。
ここで、dq変換の一般式を式(1)に示す。
iu+iv+iw=0 ・・・(2)
iu=−iv−iw ・・・(3)
ゲイン補正部323では、制御相推定誤差ΔiwにゲインKを乗じ、補正後誤差KΔiwを算出する。なお、ゲインKは、dq軸電流推定値id_est、iq_estに設けられたローパスフィルタ(以下、「LPF」という。)の役割をなすものでありdq軸電流推定値id_est、iq_estの変化を緩やかにするものである(詳細は後述)。Kの値は、そのLPFの所望の時定数間の処理回数(時定数÷処理周期)をKlpfとすると、1/Klpfで表され、0<K<1の範囲となる。
また、算出されたdq軸電流推定値id_est(n)、iq_est(n)は、遅延素子327を経由して電流基準値算出部321へフィードバックされる。
図7に示すように、電気角θeの角度移動量Δθeが比較的大きい状態、すなわち交流電動機2の回転数Nが大きい場合、誤差ベクトルΔie(図5参照)のW相成分である制御相推定誤差Δiwが大きいので、dq軸電流推定値id_est、iq_estがdq軸電流値id、iqに収束していく収束量が大きい。
回転数算出部51では、回転角センサ14から取得される電気角θeに基づき、交流電動機2の回転数Nを算出する。
最初のステップS101(以下、「ステップ」を省略し、単に記号「S」で示す。)では、回転角センサ14から交流電動機2の電気角θeを取得する。
S103では、2相制御電流算出部31にて、制御相電流検出値iw_sns、監視相電流検出値iv_sns、および、電気角θeに基づき、dq軸電流値id、iqを算出する。
S106では、回転数判定部52にて、回転数Nが所定の判定値Xより大きいか否かを判定する。回転数Nが判定値Xより大きいと判断された場合(S106:YES)、S108へ移行する。S106にて肯定判断された場合に実行されるS108およびS109の処理が「1相制御モード」に対応する。回転数Nが判定値X以下であると判断された場合(S106:NO)、S107へ移行する。S106にて否定判断された場合に実行されるS107が「2相制御モード」に対応する。
S113では、逆dq変換部23にて、電気角θeに基づき、d軸電圧指令値vd*およびq軸電圧指令値vq*を逆dq変換し、3相電圧指令値vu*、vv*、vw*を算出する。
交流電動機2のいずれか1相である制御相(本実施形態ではW相)に設けられる制御相電流センサ12から制御相電流検出値iw_snsを取得し、交流電動機2の制御相とは異なる1相である監視相(本実施形態ではV相)に設けられる監視相電流センサ13から監視相電流検出値iv_snsを取得する(図9中のS102)。また、交流電動機2の回転角を検出する回転角センサ14から電気角θeを取得する(S101)。
電流推定部32では、制御相電流検出値iw_snsおよび電気角θeに基づくdq軸電流推定値id_est、iq_estを算出する(S104)。本実施形態では、前回の演算で算出されたdq軸電流推定値id_est、iq_estの制御相の成分である電流基準値iw_bfと制御相電流検出値iw_snsとに基づいて算出され、回転座標系であるdq軸平面上にて相対的に回転する制御相方向の制御相方向補正値id_crr、iq_crrを積算することにより、dq軸電流推定値id_est、iq_estを算出する。
ので、適切に異常を検出することができる。
また、本実施形態では、2つの差分参照値Δiw_ref、Δiv_refに基づいて制御相電流センサ12および監視相電流センサ13の異常を検出しているので、より適切に異常を検出することができる。
このように、交流電動機2の回転に伴って変化する情報である制御相方向補正値id_crr、iq_crrを用いてdq軸電流推定値id_est、iq_estを算出しているので、制御相電流検出値iw_snsに加え、残りの1次元分を補い、2次元量を精度よく推定し、2次元上のベクトル制御を高精度に行うことができる。
さらにまた、制御相電流推定部41では、監視相電流検出値iv_snsおよび電気角θeに基づく監視用1相電流推定値(dq軸電流推定値)を算出し、前回の演算で算出された監視用1相制御電流値の監視相成分である監視相電流基準値iv_bfと監視相電流検出値iv_snsとに基づいて算出される監視相補正ベクトルをdq軸平面上にて積算することにより監視用1相電流推定値を算出し、算出された監視用1相電流推定値に基づき、制御相電流推定値iw_estを算出する。
本発明の第2実施形態による交流電動機の制御装置を図11および図12に基づいて説明する。
第2実施形態では、2相制御時には電流推定部32および制御相電流推定部41による電流推定処理を行わず、1相制御時には2相制御電流算出部31における演算処理を行わない点が異なっているので、この点を中心に説明し、その他の構成等の説明は省略する。
S201、S202の処理は、図9中のS101、S102の処理と同様であるので、説明を省略する。
S203の処理は、S105の処理と同様であり、回転数算出部51にて、電気角θeに基づき、回転数Nを算出する。
S206の処理は、S107の処理と同様であり、電流選択部35において、PI演算部22にフィードバックする電流として、制御相電流検出値iw_snsおよび監視相電流検出値iv_snsを用いて2相制御電流算出部31にて算出されたdq軸電流値id、iqを選択する。
S209〜S214の処理は、S109〜S114の処理と同様であるので、説明を省略する。
また、上記実施形態と同様の効果を奏する。
第3実施形態は、第2実施形態の変形例である。第3実施形態による電流フィードバック処理を図13に基づいて説明する。
第1実施形態で説明したように、電流推定部32において、フィルタ系の演算を行っているため、演算開始直後のdq軸電流推定値id_est、iq_estは、必ずしも実際のdq軸電流値id、iqと一致していないことがある。そのため、本実施形態では、2相制御から1相制御に切り替える前の所定のタイミングからdq軸電流推定値id_est、iq_estの演算を開始している。
回転数Nが直前判定値Y以下であると判断された場合(S215:NO)、S217の処理を行わず、S206へ移行する。回転数Nが直前判定値Yより大きいと判断された場合(S215:YES)、S216へ移行する。
さらに、上記実施形態と同様の効果を奏する。
本実施形態では、制御部15の回転数判定部52が「切替直前判定手段」を構成する。また、S215およびS216が「切替直前判定手段」の機能としての処理に相当する。
第4実施形態は、電流推定部32における演算方法のみが異なっているので、この点を中心に説明し、他の構成等の説明は省略する。
第1実施形態では、制御相方向の補正ベクトル(Δid、Δiq)を積算することによりdq軸電流推定値id_est、iq_setのdq軸電流値id、iqへの収束性を高めていた。換言すると、上記実施形態では、dq軸電流推定値id_est、iq_estを制御相の方向に補正していた。本実施形態では、dq軸電流推定値id_est、iq_estのdq軸電流値id、iqへの収束性を高めるべく、制御相に直交する方向にも補正している。
減算器329では、算出された直交方向補正値id_crr_β(n)、iq_crr_β(n)を用い、dq軸電流暫定推定値id_est’ (n)、iq_est’ (n)に対し減算することでdq軸電流推定値id_est、iq_estを算出する(式(6)参照)。
この方法では、直交する方向にも補正できるが、直交方向の補正量は電気角の変化量から算出するため回転数の低い領域では精度が悪化する虞があるため、回転数の低い領域では2相制御としている。
第4実施形態の電流推定方法は、上記第1実施形態〜第3実施形態のいずれの実施形態の電流推定方法としてもよい。
第5実施形態および第6実施形態は、電流推定部32における演算方法のみが異なっているので、この点を中心に説明し、他の構成等の説明は省略する。
上記実施形態では、補正ベクトル(Δid、Δiq)を積算することによりdq軸電流推定値id_est、iq_estを算出した。第5実施形態では、dq軸電流指令値id*、iq*を用いてdq軸電流推定値id_est、iq_estを算出する。
なお、図16(b)中において、矢印YVは、PI演算にて算出される電圧指令値vd*、vq*のI項の挙動を示している。また、記号「×」は、P項も含んだ電圧指令値vd*、vq*を示している。
第6実施形態では、dq軸電流指令値id*、iq*を用いて制御相基準電流位相φを算出し、制御相基準電流位相φに基づいてdq軸電流推定値id_est、iq_estを算出する。
図17に示すように、電流推定部32は、制御相基準電流位相検知部301、他相推定部302、および、dq変換部303を有する。
まず、逆dq変換部311では、電気角θeを用い、d軸電流指令値id*およびq軸電流指令値iq*を逆dq変換することにより、U相電流指令値iu*およびV相電流指令値iv*を算出する。
制御相基準電流位相φは、α軸電流iαおよびβ軸電流iβを用い、以下の式(11)のように表される。
なお、第5実施形態および第6実施形態においては、dq軸電流指令値id*、iq*が「電流指令値」に対応する。
第5実施形態または第6実施形態の電流推定方法は、上記第1実施形態〜第3実施形態のいずれの実施形態の電流推定方法としてもよい。
(ア)電流推定方法としては、補正ベクトルを積算する方法、または、電流指令値を用いる方法であれば、1相制御電流推定値をどのように算出してもよい。
また、制御電流推定部における演算方法と、電流推定部における演算方法とが同じであることを前提として説明したが、他の実施形態では、制御相電流推定部における演算方法と、電流推定部における演算方法とは、異なる方法であってもよい。
(サ)本発明による交流電動機の制御装置は、上記実施形態のようにインバータと交流電動機を一組のみ設けたシステムに限らず、インバータと交流電動機を二組以上設けたシステムに適用してもよい。また、1台のインバータに複数台の交流電動機を並列接続させた電車等のシステムに適用してもよい。
また、交流電動機の制御装置は、電動車両に適用されていたが、電動車両以外に用いてもよい。
例えばハイブリッド車両や電気自動車の主機モータ等のように、高速、高精度での制御が必要なシステムにおいて、1相のみの電流検出値を用いて精度よくベクトル制御を行うためには、以下のような工夫が必要である。
例えば、回転座標系であるdq座標系において、本来は固定座標系である1相の電流検出値の成分が相対的に回転することを利用して、電流推定値に対し電流検出値に基づいた補正を積み重ねていき(積算し)、dq座標系においては見かけ上補正方向が次第に回転していくため、2次元のdq座標上の一点である実電流ベクトルに漸近しやがて一致するというような推定方法がある。このような電流推定方法では、2次元座標上の実電流ベクトルの一点を正確に推定し得るため、高速、高精度なベクトル制御を行っても、2相の電流検出値をもとに制御を行う場合に対して性能の悪化を防ぐことができる。
2・・・交流電動機
10・・・電動機制御装置(制御装置)
11・・・インバータ
12・・・制御相電流センサ
13・・・監視相電流センサ
14・・・回転角センサ
15・・・制御部(制御相電流取得手段、監視相電流取得手段、回転角取得手段、電流算出手段、電流推定手段、電圧指令値算出手段、他相電流推定手段、異常検出手段、切替手段、回転数算出手段、回転数判定手段、切替直前判定手段)
Claims (9)
- インバータ(11)によって印加電圧が制御される3相の交流電動機(2)の駆動を制御する交流電動機の制御装置(10)であって、
前記交流電動機のいずれか1相である制御相に設けられる制御相電流センサ(12)から制御相電流検出値を取得する制御相電流取得手段(31、32、42)と、
前記交流電動機の前記制御相とは異なる1相である監視相に設けられる監視相電流センサ(13)から監視相電流検出値を取得する監視相電流取得手段(41、43)と、
前記交流電動機の回転角を検出する回転角センサ(14)から回転角検出値を取得する回転角取得手段(23、31、32、41、43、51)と、
前記制御相電流検出値、前記監視相電流検出値および前記回転角検出値に基づき、2相制御電流値を算出する電流算出手段(31)と、
前記制御相電流検出値および前記回転角検出値に基づく制御用1相電流推定値を算出する電流推定手段であって、前回の演算で算出された前記制御用1相電流推定値の前記制御相の成分である電流基準値と前記制御相電流検出値とに基づいて算出される補正ベクトルをdq軸平面上にて積算することにより前記制御用1相電流推定値を算出する電流推定手段(32)と、
フィードバックされる前記2相制御電流値または前記制御用1相電流推定値に基づき、前記インバータに印加される電圧に係る電圧指令値を算出する電圧指令値算出手段(22)と、
前記制御相電流検出値と前記回転角検出値とに基づいて推定される監視相電流推定値、および、前記監視相電流検出値と前記回転角検出値とに基づいて推定される制御相電流推定値の少なくとも一方を算出する他相電流推定手段(32、41)と、
前記監視相電流推定値と前記監視相電流検出値とを比較した第1比較結果、および、前記制御相電流推定値と前記制御相電流検出値とを比較した第2比較結果の少なくとも一方に基づき、前記制御相電流センサおよび前記監視相電流センサの少なくとも一方に異常が生じていることを検出する異常検出手段(45)と、
前記2相制御電流値に基づいて前記電圧指令値を算出する2相制御モードと、前記制御用1相電流推定値に基づいて前記電圧指令値を算出するとともに前記異常検出手段による異常検出を行う1相制御モードと、を切り替える切替手段(35)と、
前記回転角検出値に基づき、前記交流電動機の回転数を算出する回転数算出手段(51)と、
前記回転数が所定の判定値以下であるか否かを判定する回転数判定手段(52)と、
を備え、
前記切替手段は、
前記回転数が前記判定値以下であると判定された場合、前記2相制御モードとし、
前記回転数が前記判定値より大きいと判定された場合、前記1相制御モードとすることを特徴とする交流電動機の制御装置。 - 前記他相電流推定手段は、前記制御用1相電流推定値に基づき、前記監視相電流推定値を算出することを特徴とする請求項1に記載の交流電動機の制御装置。
- 前記他相電流推定手段は、前記監視相電流検出値および前記回転角検出値に基づく監視用1相電流推定値を算出し、前回の演算で算出された前記監視用1相電流推定値の前記監視相の成分である監視相電流基準値と前記監視相電流検出値とに基づいて算出される監視相補正ベクトルをdq軸平面上にて積算することにより前記監視用1相電流推定値を算出し、算出された前記監視用1相電流推定値に基づき、前記制御相電流推定値を算出することを特徴とする請求項1または2に記載の交流電動機の制御装置。
- インバータ(11)によって印加電圧が制御される3相の交流電動機(2)の駆動を制御する交流電動機の制御装置(10)であって、
前記交流電動機のいずれか1相である制御相に設けられる制御相電流センサ(12)から制御相電流検出値を取得する制御相電流取得手段(31、32、42)と、
前記交流電動機の前記制御相とは異なる1相である監視相に設けられる監視相電流センサ(13)から監視相電流検出値を取得する監視相電流取得手段(41、43)と、
前記交流電動機の回転角を検出する回転角センサ(14)から回転角検出値を取得する回転角取得手段(21、23、32、41、43、51)と、
前記制御相電流検出値、前記監視相電流検出値および前記回転角検出値に基づき、2相制御電流値を算出する電流算出手段(31)と、
前記制御相電流検出値、前記回転角検出値、および、前記交流電動機の駆動に係る電流指令値に基づき、制御用1相電流推定値を算出する電流推定手段(32)と、
フィードバックされる前記2相制御電流値または前記制御用1相電流推定値に基づき、前記インバータに印加される電圧に係る電圧指令値を算出する電圧指令値算出手段(22)と、
前記制御相電流検出値と前記回転角検出値とに基づいて推定される監視相電流推定値、および、前記監視相電流検出値と前記回転角検出値とに基づいて推定される制御相電流推定値の少なくとも一方を算出する他相電流推定手段(32、41)と、
前記監視相電流推定値と前記監視相電流検出値とを比較した第1比較結果、および、前記制御相電流推定値と前記制御相電流検出値とを比較した第2比較結果の少なくとも一方に基づき、前記制御相電流センサおよび前記監視相電流センサの少なくとも一方に異常が生じていることを検出する異常検出手段(45)と、
前記2相制御電流値に基づいて前記電圧指令値を算出する2相制御モードと、前記制御用1相電流推定値に基づいて前記電圧指令値を算出するとともに前記異常検出手段による異常検出を行う1相制御モードと、を切り替える切替手段(35)と、
前記回転角検出値に基づき、前記交流電動機の回転数を算出する回転数算出手段(51)と、
前記回転数が所定の判定値以下であるか否かを判定する回転数判定手段(52)と、
を備え、
前記切替手段は、
前記回転数が前記判定値以下であると判定された場合、前記2相制御モードとし、
前記回転数が前記判定値より大きいと判定された場合、前記1相制御モードとすることを特徴とする交流電動機の制御装置。 - 前記他相電流推定手段は、前記制御相電流検出値と前記回転角検出値とに加え、前記電流指令値に基づいて前記監視相電流推定値を算出することを特徴とする請求項4に記載の交流電動機の制御装置。
- 前記他相電流推定手段は、前記監視相電流検出値と前記回転角検出値とに加え、前記電流指令値に基づいて前記制御相電流推定値を算出することを特徴とする請求項4または5に記載の交流電動機の制御装置。
- 前記1相制御モードにおいて、
前記電流算出手段は、前記2相制御電流値の演算を中止し、
前記2相制御モードにおいて、
前記電流推定手段は、前記制御用1相電流推定値の演算を中止し、
前記他相電流推定手段は、前記監視相電流推定値および前記制御相電流推定値の演算を中止することを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の交流電動機の制御装置。 - 前記2相制御モードから前記1相制御モードへの切り替え直前であるか否かを判定する切替直前判定手段(52)をさらに備え、
前記1相制御モードにおいて、
前記電流算出手段は、前記2相制御電流値の演算を中止し、
前記2相制御モードにおいて、前記切替直前判定手段により前記2相制御モードから前記1相制御モードへの切り替え直前でないと判定された場合、
前記電流推定手段は、前記制御用1相電流推定値の演算を中止し、
前記他相電流推定手段は、前記監視相電流推定値および前記制御相電流推定値の演算を中止し、
前記2相制御モードにおいて、前記切替直前判定手段により前記2相制御モードから前記1相制御モードへの切り替え直前であると判定された場合、
前記電流推定手段は、前記制御用1相電流推定値の演算を行い、
前記他相電流推定手段は、前記監視相電流推定値および前記制御相電流推定値の少なくとも一方の演算を行うことを特徴とする請請求項1〜6のいずれか一項に記載の交流電動機の制御装置。 - 前記電流算出手段は、前記1相制御モードまたは前記2相制御モードのいずれであっても前記2相制御電流値の演算を行い、
前記電流推定手段は、前記1相制御モードまたは前記2相制御モードのいずれであっても前記制御用1相電流推定値の演算を行い、
前記他相電流推定手段は、前記1相制御モードまたは前記2相制御モードのいずれであっても前記監視相電流推定値および前記制御相電流推定値の少なくとも一方の演算を行うことを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の交流電動機の制御装置。
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