JP6470913B2 - モータ駆動システム - Google Patents

Description

本発明は、モータ駆動システムに関し、例えばファン、ポンプ、圧縮機、スピンドルモータなどの回転速度制御や、搬送機や工作機械における位置決め装置、ならびに電動アシストなどのようにトルクを制御する用途に利用する同期電動機を駆動制御する電動機駆動装置、その電動機駆動装置を備えた一体型電動機システム、電動制御型ブレーキシステム、電動パワーステアリングシステム、油圧ポンプシステム、エアリスペンションシステムおよび圧縮機駆動システムに関する。

産業、家電、自動車等の様々な分野において、小型・高効率の三相同期電動機が幅広く用いられている。この三相同期電動機は、ロータとステータ間に働く電磁力により回転する。電磁力は周方向と径方向の２つがあり、周方向の電磁力はロータを回転させるトルクとなり、径方向の電磁力はステータを振動させる径方向電磁加振力となる。

径方向電磁加振力はロータとステータのギャップにおける磁束密度の２乗で与えられるため、径方向電磁加振力の周波数は電流の基本波周波数の２倍が主成分となる。この電流の基本波周波数の２倍である径方向電磁加振力を、径方向電磁加振力の時間２次成分と呼ぶ。径方向電磁加振力の時間２次成分に伴う振動は、零トルク時や低トルク時において他の要因と比較し支配的となる。この振動によって電磁騒音が発生し、機構と共振することでその騒音は大きくなる。

径方向電磁加振力の時間２次成分による振動は、三相同期電動機の磁石の極数とステータのスロット数との組み合わせによって変形モードが発生する。例えば、１０極１２スロットの三相同期電動機の場合は楕円状に変形する空間２次の変形モードが発生し、８極１２スロットの三相同期電動機の場合は正方形状に変形する空間４次の変形モードが発生する。これらの変形モードに伴う振動は空間次数の４乗に反比例して小さくなるため、空間２次の変形モードにおける振動は空間４次の変形モードと比較し１０倍以上大きい。

この空間２次のモードの振動対策として、極数およびスロット数の変更による手法が従来行われてきた。しかし、極数およびスロット数の変更は、三相同期電動機の設計変更を伴うため、製作期間や工数が増大する。加えて、コギングトルクやトルク脈動を抑える周方向の電磁力の設計と、径方向電磁加振力の時間２次成分の振動を抑える径方向の電磁力の設計は、トレードオフの関係にあるため、極数およびスロット数の変更だけでは両立は難しい。

特許文献１に記載された発明は、前述した電流の基本波周波数に対して６倍となる径方向電磁加振力を対象としている。これを径方向電磁加振力の時間６次成分と呼び、特許文献１には、この成分に伴う振動成分を抑制するように電流指令を生成することが記載されている。電流指令の生成は予めトルク毎にマップ化し、与えられるトルク指令に応じそのマップを用いて電流指令生成部により電流指令が生成される。

特開２００８−１７６６０号公報

三相同期電動機に対する要求仕様としては、トルクや回転数に加え、静粛性も重要である。特に、三相同期電動機により駆動される電動システムは、零トルクや低トルクなどの軽負荷における静粛性の要求が大きい。しかし、電動システムの中でも自動車は三相同期電動機を使用したシステムの搭載スペースや軽量化、コストの観点から、吸音材や制振材などの振動・騒音対策を行うことは難しい。

そのため、静粛性を考慮した三相同期電動機の駆動システムが望まれている。三相同期電動機の騒音は、径方向電磁加振力の時間２次成分に伴う振動が機構と共振し発生する軽負荷時において主である。従来の特許文献１では、径方向電磁加振力の時間６次成分による振動および騒音を抑制している。しかし、本発明で対象とする径方向電磁加振力の時間２次成分は径方向電磁加振力の時間６次成分と比較して大きく、それに起因する振動および騒音の低減が課題となっている。

本発明の目的は、三相同期電動機の径方向電磁加振力の時間２次成分による振動を低減し、振動に伴い機構との共振で発生する騒音を低減するように、ｄ軸電流とｑ軸電流を制御する同期電動機の駆動システムを提供することにある。

本発明に係るモータ駆動装置は、直流から交流に変換する電力変換器と、該電力変換器に接続された同期電動機と、該同期電動機の回転子位置とモータ電流を検出し、検出位置に応じてモータ電流をＰＷＭ制御する制御器と、を有するモータ制御装置において、前記制御器は、ｑ軸電流が概略０の近傍のときに、予め設定されたｄ軸電流を負に流すことを特徴とする。

また、本発明に係るモータ駆動装置は、直流から交流に変換する電力変換器と、該電力変換器に接続された同期電動機と、該同期電動機の回転子位置とモータ電流を検出し、検出位置に応じてモータ電流をＰＷＭ制御する制御器を有するモータ制御装置において、前記制御器は、所定のｑ軸電流値以下で、ｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスが略一致するモータに対しては所定の負のｄ軸電流を流し、ｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスが異なるモータに対しては所定の負のｄ軸電流を流し、ｑ軸電流の増大と共に前記負のｄ軸電流を増大させることを特徴とする。

本発明の望ましい実施の形態に関わるモータ駆動システムによれば、零トルク時や低トルク時において、振動に伴い機構との共振で発生する騒音を低減できる。加えて、高トルク時も低トルクと比較し低減幅は小さくなるものの、騒音を低減できる。

本発明のその他の目的と特徴は、以下に述べる実施例で明らかにする。

本発明の第１の実施の形態に関わる三相同期電動機の駆動システムの構成を示すブロック図である。 本発明に関わる図１の電流指令変換部３における電流動作点である。 図１の制御器２のブロック図の構成である。 本発明の第２の実施の形態に関わる電動制御型ブレーキの図である。 本発明の第３の実施の形態に関わる電動パワーステアリングの図である。 本発明の第４の実施の形態に関わる一般的なポンプ駆動システムの図である。 本発明の第５の実施の形態に関わる空調システムにおける室外機の図である。 本発明の第６の実施の形態に関わるエレベータシステムの図である。 本発明の第７の実施の形態に関わる鉄道車両システムの図である。

以下に本発明の実施の形態を図より説明する。

（第１の実施の形態）
図１から図３を用いて、本発明に関わる同期電動機の駆動システムにおける第１の実施の形態について説明する。

図１に示す三相同期電動機の駆動システム４は、三相同期電動機１の駆動を目的とするもので、制御器２、電流指令変換部３および駆動対象である三相同期電動機１を含んで構成される。

まず、制御器２の構成を図３で簡潔に説明する。制御器２は、座標変換部ｄｑ２１、電圧指令演算部２２、座標変換部ＵＶＷ２３、駆動信号生成部２４、電力変換器２５から構成される。まず、検出した三相電流Ｉｕｃ、Ｉｖｃ、Ｉｗｃと回転子位相θを座標変換部ｄｑ２１よりｄ軸電流検出値Ｉｄｃとｑ軸電流検出値Ｉｑｃに変換する。次に、電流指令変換部３の出力であるｄ軸電流指令値Ｉｄ＊とｄ軸電流検出値Ｉｄｃとの差分、及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊とｑ軸電流検出値Ｉｑｃとの差分を電圧指令演算部２２へ入力し、電圧指令演算部２２の出力をｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊とする。

そして、検出した回転子位相θを使用し、座標変換部ＵＶＷ２３によりＵ相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＊、Ｗ相電圧指令値Ｖｗ＊とする。これらの電圧指令値に基づき、駆動信号生成部２４よりパルス幅変調信号を生成し、電力変換器２５を駆動するＵ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗを出力する。

三相同期電動機１の電流の検出は、図１の電流検出器５のように制御器２から三相同期電動機１に供給される三相電流を直接検出することが望ましいが、図３に示されるシャント抵抗２６を流れる直流電流Ｉ０を検出し三相電流を再現した電流Ｉｕｃ、Ｉｖｃ、Ｉｗｃを用いてもよい。

三相同期電動機１の回転子位相の検出はレゾルバなどの位置センサが望ましいが、モータの三相電流や三相電圧から回転子位相を推定する位置センサレス制御の出力を用いてもよい。

次に、電流指令変換部３の構成を簡潔に説明する。電流指令変換部３はトルク指令τ＊を入力とし、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊とｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を出力とする。電流指令は、トルク指令と三相同期電動機の特性に応じた図２の直線ｋ３２から直線ｋ３４の電流動作点を選択することで生成される。これらの電流動作点に基づく電流指令値に追従させることによって、径方向電磁加振力の時間２次成分による振動変位を低減し、それによって発生する騒音を低減する。図２における直線ｋ３２から直線ｋ３４の詳細について以下で述べる。

径方向電磁加振力の時間２次成分による振動変位は、モータのロータとステータ間のギャップにおける磁束密度の簡易計算より、数（１）の特性を有する。ｘは振動変位、ｋは比例定数、Ｋｅは誘起電圧定数、ｋｄはｄ軸比例定数、Ｉｄはｄ軸電流、ｋｑはｑ軸比例定数、Ｉｑはｑ軸電流である。ｋ、Ｋｅ、ｋｄおよびｋｑのこれらの定数は実験または計算により求める。

次に、三相同期電動機１のトルクは、数（２）で表される。Ｔはトルク、Ｐは極対数、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンスである。

本実施形態の数（１）と数（２）を組み合わせることで、振動が最小となる電流動作点を導出し、この電流動作点を使用する。図２は、本実施形態で導出するｄ軸電流とｑ軸電流の電流動作点を示す。直線ｋ３２、曲線ｋ３３および直線ｋ３４は、ｑ軸電流が零のときに所定のｄ軸電流を通る。曲線ｋ３１は従来使用していた与えられた電流に対し最大トルクを出す最大トルク曲線である。

直線ｋ３２は、ｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスが略一致する表面磁石型同期電動機における振動最小曲線である。この曲線は、図２の直線ｋ３２で示される前記所定の負のｄ軸電流を流す直線となる。つまりｑ軸電流が概略０の近傍のときに、予め設定されたｄ軸電流を負に流す。

曲線ｋ３３は、ｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスが異なる埋め込み磁石型同期電動機における振動最小曲線である。この曲線は、図２の曲線ｋ３３で示される２次曲線となる。計算の簡単化のため、図２の曲線ｋ３３の代用として２次曲線を直線に近似した直線ｋ３４で示される直線を使用してもよい。三相同期電動機の種類に応じ、ｋ３２からｋ３４を使用することで径方向電磁加振力の時間２次成分による振動を低減できる。

ｑ軸電流が負となる発電機モードについても、図２の電流動作点に示されるように第２象限の電流動作点を、ｄ軸電流を中心に線対称とすることで、電動機モードと同様の振動および騒音の低減効果を得ることが可能である。つまりｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスが異なるモータに対しては所定の負のｄ軸電流を流し、ｑ軸電流の増大と共に前記負のｄ軸電流を増大させる。

以上の構成のモータ駆動システムとすることで、三相同期電動機の種類によらず、振動を低減し共振による電磁騒音の増大を防止することができる。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。

図４は、電動制御型ブレーキの構成である。電動制御型ブレーキ４１は、同期電動機の駆動システム４によりプライマリ液圧室４３内部の液圧をコントロールすることで、回生ブレーキ力とブレーキキャリパ４４ａ〜４４ｄのブレーキキャリパを締め付ける摩擦ブレーキ力とを調整している。この電動制御型ブレーキ４１は、ドライバにブレーキペダル４２を介して液圧反力を伝達しているため、振動や騒音に対する感度が高い。特に、ブレーキを軽く踏んだ低トルクの領域での動作やドライバが意図しない条件での動作による三相同期電動機起因の振動や騒音に対する低騒音化の要求が強い。その要求に対し、第１実施形態にて説示したモータ駆動システム４を用いることで、停止状態や低トルク状態で振動を低減でき、低振動で低騒音な電動制御型ブレーキを実現できる。

（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。

図５は、電動パワーステアリングの構成である。電動パワーステアリング５１は、ステアリングホイール５２の回転トルクをトルクセンサ５３から検知し、同期電動機の駆動システム４の内部の三相同期電動機１よりステアリングアシスト機構５４を介しステアリングホイール５２の入力に応じて操舵力をアシストし、ステアリング機構５５へ出力する。ステアリング機構５５によりタイヤ５６が転舵する。この電動パワーステアリング５１は、ドライバにステアリングホイール５２を介し直結しているため、振動や騒音に対する感度が高い。特に、ステアリングホイール５２をゆっくり回している状態やハンドルを固定している状態は、三相同期電動機起因の振動や騒音が他の機構と比較して大きい。しかし、第１実施形態にて説示したモータ駆動システム４を用いることで、ステアリングホイール５２をゆっくり回している状態やハンドルを固定している状態での振動を低減でき、低振動で低騒音な電動パワーステアリングを実現できる。

（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。

図６は、一般的なポンプ駆動システムの構成であり、自動車内部のトランスミッション油圧や、ブレーキ油圧などに用いられるものである。図６において、部品番号４は、図１に示す同期電動機の駆動システム４であり、三相同期電動機１にオイルポンプ６１が取り付けられている。オイルポンプ６１によって、油圧回路６２の油圧を制御する。油圧回路６２は、油を貯蔵するタンク６３、油圧を設定値以下に保つリリーフバルブ６４、油圧回路を切り替えるソレノイドバルブ６５、油圧アクチュエータとして作動するシリンダ６６で構成される。

オイルポンプ６１は、オイルポンプ６１を含む同期電動機の駆動システム４によって油圧を生成し、油圧アクチュエータであるシリンダ６６を駆動する。油圧回路では、ソレノイドバルブ６５により回路が切り替わることで、オイルポンプ６１の負荷が変化し、同期電動機の駆動システム４に負荷外乱が発生し、三相同期電動機１が振動し、騒音が発生する。しかし、第１実施形態にて説示したモータ駆動システム４を用いることで、停止状態や低トルク状態において振動を低減し、騒音を低減できる。
（第５の実施の形態）
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。

図７は、ルームエアコンやパッケージエアコンの空調システムであり、その室外機７１を示したものである。空調システムの室外機７１は、三相同期電動機１、制御器２および電流指令部３を含み、圧縮機７２やファンなどの部品から構成されている。この中で、圧縮機の動力源が三相同期電動機１であり、圧縮機内部に組み込まれている。

空調システムでは、年々、振動・騒音の低減が進んでおり、特に低トルクから高トルクの領域において、低振動で低騒音な空調システムを達成する必要がある。しかし、従来のモータ駆動システムでは、三相同期電動機の振動が機構の共振点と一致した場合、騒音が増大するため、制振材や吸音材による振動や騒音低減対策が行われていた。第１実施形態にて説示したモータ駆動システム４を用いることで、振動・騒音の低減を実現できる。

なお、圧縮材を用いたシステムとしてエアサスペンションシステムに上記モータ駆動システムを用いるようにしても良い。
（第６の実施の形態）
次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。

図８は、エレベータシステムであり、その構成を示したものである。エレベータシステム８１は、三相同期電動機４を含む巻上機８２、釣合おもり８３、機械室８４およびかご８５で構成される。この中で、巻上機の動力源が三相同期電動機であり、巻上機内部に組み込まれている。

エレベータシステムの機械室８４は、客室近傍に設けられ振動・騒音の低減に対する感度が高い。第１実施形態にて説示したモータ駆動システム４を用いることで、搭載スペースの制約や重量の仕様と振動・騒音の仕様の両方を満たすことができる。
（第７の実施の形態）
次に、本発明の第７の実施の形態について説明する。

図９は、三相同期電動機で駆動される鉄道車両システムである。鉄道車両システム９１は、鉄道車両９２および車両駆動システム９３aから９３ｄで構成される。車両駆動システム９３aから９３ｄはそれぞれ同期電動機の駆動システム４を含み、車輪を三相同期電動機によりそれぞれ駆動している。鉄道車両の場合、高速走行時は転動音や空力音が主であるが、低速走行時は三相同期電動機からの振動による騒音が主体となる。低速走行でゆっくりと加速や減速をしている軽負荷における駆動は、特にこの振動に対する騒音は顕著となる。そこで、第１実施形態にて説示したモータ駆動システム４を用いることで、低トルクの軽負荷領域での加減速時の振動・騒音の低減を実現できる。

以上、本発明の実施の形態を具体的に説明したが、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは言うまでもない。

また、ｑ軸電流が正である電動機モードを主として使用し説明したが、外部から駆動されｑ軸電流が負となる発電機モードにおいても、電動機モードと同様に負のｄ軸電流を通電することで、振動および騒音の低減効果を得ることができる。

１…三相同期電動機、１Ｇ…指令発生樹、２…制御器、３…電流指令変換部、４…駆動システム、５…電流検出器、２１…座標変換部ｄｑ、２２…電圧指令演算部、２３…座標変換部ＵＶＷ、２４…駆動信号生成部、２５…電力変換器、２６…シャント抵抗、４１…電動制御型ブレーキ、４２…ブレーキペダル、４３…プライマリ液圧室、４４ａ〜４４ｄ…ブレーキキャリパ、５１…電動パワーステアリング、５２…ステアリングホイール、５３…トルクセンサ、５４…ステアリングアシスト機構、５５…ステアリング機構、５６…タイヤ、６１…オイルポンプ、６２…油圧回路、６３…タンク、６４…リリーフバルブ、６５…ソレノイドバルブ、６６…シリンダ、７１…室外機、７２…圧縮機、８１…エレベータシステム、８２…巻上機、８３…釣合おもり、８４…機械室、８５…かご、９１…鉄道車両システム、９２…鉄道車両、９３ａ〜９３ｄ…車両駆動システム、ｋ３１…曲線、ｋ３２…直線、ｋ３３…曲線、ｋ３４…直線

Claims (8)

1. 直流から交流に変換する電力変換器と、
   該電力変換器に接続された同期電動機と、
   該同期電動機の回転子位置とモータ電流を検出し、検出位置に応じてモータ電流をＰＷＭ制御する制御器を有するモータ制御装置において、
   前記制御器は、時間２次成分による振動が最小である電流動作点を使用した振動最小線であって、前記同期電動機の種類に応じた振動最小線を用いて、
   所定のｑ軸電流値以下であるときに、
   前記同期電動機が、ｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスが略一致する同期電動機であれば所定の負のｄ軸電流を流し、
   前記同期電動機が、ｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスが異なる同期電動機であれば所定の負のｄ軸電流を流し、ｑ軸電流の増大と共に前記負のｄ軸電流を増大させることを特徴とするモータ駆動装置。
2. 請求項１に記載のモータ駆動装置と、
   該モータ駆動装置によって駆動制御される三相同期電動機と、
   該三相同期電動機により駆動される電動制御型ブレーキと、を備えた電動制御型ブレーキシステム。
3. 前記請求項２の電動制御型ブレーキシステムにおいて、
   前記制御器は、車両が停車している場合、ｑ 軸電流が概略0 の近傍のときに、予め設
   定されたｄ 軸電流を負に流すことを特徴とする電動制御型ブレーキシステム。
4. 前記請求項２の電動制御型ブレーキシステムにおいて、
   前記制御器は、電動制御型ブレーキによる制動で車両の速度が停車速度に近くなった場合、ｑ 軸電流が概略0 の近傍のときに、 予め設定されたｄ 軸電流を負に流すことを特
   徴とする電動制御型ブレーキシステム。
5. 請求項１に記載のモータ駆動装置と、
   該モータ駆動装置によって駆動制御される三相同期電動機と、
   該三相同期電動機により駆動される電動パワーステアリングと、を備えた電動パワーステアリングシステム。
6. 請求項１に記載のモータ駆動装置と、
   該モータ駆動装置によって駆動制御される三相同期電動機を備えた電動オイルポンプシステム。
7. 請求項１に記載のモータ駆動装置と、
   該モータ駆動装置によって駆動制御される三相同期電動機を備えたポンプシステム。
8. 請求項１に記載のモータ駆動装置と、
   該モータ駆動装置によって駆動制御される三相同期電動機を備えた圧縮機システム。