JP6520686B2 - 回転機制御装置 - Google Patents
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Description
インバータを用いて3相回転機に電圧ベクトルを印加し、前記3相回転機の一次磁束ベクトル又は二次磁束ベクトルを指令磁束ベクトルに追従させる回転機制御装置であって、
前記回転機制御装置は、
前記一次磁束ベクトル又は前記二次磁束ベクトルを推定する磁束推定部と、
前記指令磁束ベクトルの振幅である指令振幅を特定する指令振幅特定部と、を備え、
前記指令振幅特定部は、第1内積を用いた第1フィードバック制御を実行することによって、前記指令振幅を、第1振幅から、条件C1及び条件C2の少なくとも一方を成立させる第2振幅に修正し、
前記第1内積は、(i)推定された前記一次磁束ベクトル又は前記二次磁束ベクトルと、前記3相回転機の電流ベクトルの位相を角度θm進めたベクトルとの内積、(ii)推定された前記一次磁束ベクトル又は前記二次磁束ベクトルの位相を角度θm遅らせたベクトルと、前記3相回転機の電流ベクトルとの内積、又は(iii)推定された前記一次磁束ベクトル又は前記二次磁束ベクトルと前記3相回転機の電流ベクトルとの2つのベクトルの位相を、推定された前記一次磁束ベクトル又は前記二次磁束ベクトルの位相に対する前記3相回転機の電流ベクトルの位相の進み角が角度θm大きくなるように変化させた新たな2つのベクトルの内積であり、
前記条件C1は、前記第2振幅を前記指令振幅としたときにおける前記3相回転機の電流ベクトルの振幅に対する前記3相回転機のトルクの比率rmが前記第1振幅を前記指令振幅としたときにおける前記比率rmよりも大きいという条件であり、
前記条件C2は、前記第2振幅を前記指令振幅としたときにおける前記3相回転機の電力損失PLが前記第1振幅を前記指令振幅としたときにおける前記電力損失PLよりも小さいという条件である、回転機制御装置を提供する。
インバータを用いて3相回転機に電圧ベクトルを印加し、前記3相回転機の一次磁束ベクトル又は二次磁束ベクトルを指令磁束ベクトルに追従させる回転機制御装置であって、
前記回転機制御装置は、
前記一次磁束ベクトル又は前記二次磁束ベクトルを推定する磁束推定部と、
前記指令磁束ベクトルの振幅である指令振幅を特定する指令振幅特定部と、を備え、
前記指令振幅特定部は、第1内積を用いた第1フィードバック制御を実行することによって、前記指令振幅を、第1振幅から、条件C1及び条件C2の少なくとも一方を成立させる第2振幅に修正し、
前記第1内積は、(i)推定された前記一次磁束ベクトル又は前記二次磁束ベクトルと、前記3相回転機の電流ベクトルの位相を角度θm進めたベクトルとの内積、(ii)推定された前記一次磁束ベクトル又は前記二次磁束ベクトルの位相を角度θm遅らせたベクトルと、前記3相回転機の電流ベクトルとの内積、又は(iii)推定された前記一次磁束ベクトル又は前記二次磁束ベクトルと前記3相回転機の電流ベクトルとの2つのベクトルの位相を、推定された前記一次磁束ベクトル又は前記二次磁束ベクトルの位相に対する前記3相回転機の電流ベクトルの位相の進み角が角度θm大きくなるように変化させた新たな2つのベクトルの内積であり、
前記条件C1は、前記第2振幅を前記指令振幅としたときにおける前記3相回転機の電流ベクトルの振幅に対する前記3相回転機のトルクの比率rmが前記第1振幅を前記指令振幅としたときにおける前記比率rmよりも大きいという条件であり、
前記条件C2は、前記第2振幅を前記指令振幅としたときにおける前記3相回転機の電力損失PLが前記第1振幅を前記指令振幅としたときにおける前記電力損失PLよりも小さいという条件である、回転機制御装置を提供する。
前記角度θmは、π/9rad以上7π/18rad以下である、回転機制御装置を提供する。
インバータを用いて3相回転機に電圧ベクトルを印加し、前記3相回転機の一次磁束ベクトル又は二次磁束ベクトルを指令磁束ベクトルに追従させる回転機制御装置であって、
前記回転機制御装置は、
前記一次磁束ベクトル又は前記二次磁束ベクトルを推定する磁束推定部と、
前記指令磁束ベクトルの振幅である指令振幅を特定する指令振幅特定部と、を備え、
前記指令振幅特定部は、第1内積を用いた第1フィードバック制御を実行することによって、前記指令振幅を第1振幅から第2振幅に修正し、
前記第1内積は、(i)推定された前記一次磁束ベクトル又は前記二次磁束ベクトルと、前記3相回転機の電流ベクトルの位相を角度θm進めたベクトルとの内積、(ii)推定された前記一次磁束ベクトル又は前記二次磁束ベクトルの位相を角度θm遅らせたベクトルと、前記3相回転機の電流ベクトルとの内積、又は(iii)推定された前記一次磁束ベクトル又は前記二次磁束ベクトルと前記3相回転機の電流ベクトルとの2つのベクトルの位相を、推定された前記一次磁束ベクトル又は前記二次磁束ベクトルの位相に対する前記3相回転機の電流ベクトルの位相の進み角が角度θm大きくなるように変化させた新たな2つのベクトルの内積であり、
前記角度θmは、π/9rad以上7π/18rad以下である、回転機制御装置を提供する。
(a)前記指令振幅特定部は、前記一次磁束ベクトルを用いて前記第1内積を特定し、前記3相回転機のインダクタンスL及び前記電流ベクトルから参照値を特定し、前記参照値と前記第1内積との偏差をゼロに近づける前記第1フィードバック制御を実行する、又は
(b)前記指令振幅特定部は、前記一次磁束ベクトル、前記3相回転機のインダクタンスL及び前記電流ベクトルから前記二次磁束ベクトルを推定し、前記二次磁束ベクトルを用いて前記第1内積を特定し、前記第1内積をゼロに近づける前記第1フィードバック制御を実行する、回転機制御装置を提供する。
ここで、前記インダクタンスLは、前記3相回転機のq軸インダクタンスLq、又は、(数1)で表される前記3相回転機の固定子総合漏れインダクタンスl1tである。L1は、前記3相回転機の固定子インダクタンスである。L2は、前記3相回転機の回転子インダクタンスである。Mは、前記3相回転機の相互インダクタンスである。
前記回転機制御装置は、第1運転及び第2運転を含む複数の運転を行うことができ、
前記第1運転は、前記指令振幅特定部が前記第1フィードバック制御を行う運転であり、
前記第2運転は、前記指令振幅特定部が、前記一次磁束ベクトル又は前記二次磁束ベクトルと前記電流ベクトルとの内積を用いた第2フィードバック制御を実行することによって、前記指令振幅を前記第1振幅から第3振幅に修正する運転である、回転機制御装置を提供する。
インバータを用いて3相回転機に電圧ベクトルを印加し、前記3相回転機の一次磁束ベクトル又は二次磁束ベクトルを指令磁束ベクトルに追従させる回転機制御装置であって、
前記回転機制御装置は、
前記一次磁束ベクトル又は前記二次磁束ベクトルを推定する磁束推定部と、
前記指令磁束ベクトルの振幅である指令振幅を特定する指令振幅特定部と、を備え、
前記指令振幅特定部は、第1フィードバック制御を実行することによって、前記指令振幅を、第1振幅から第2振幅に修正し、
(I)前記指令振幅特定部は、前記一次磁束ベクトルと前記3相回転機の電流ベクトルとの内積を特定し、前記電流ベクトルの振幅の2乗及び仮想インダクタンスL0の積である参照値を特定し、前記内積と前記参照値との偏差をゼロに近づける前記第1フィードバック制御を実行し、又は
(II)前記指令振幅特定部は、前記3相回転機の電流ベクトルに仮想インダクタンスL0を乗じたベクトルを前記一次磁束ベクトルから差し引くことによって仮想二次磁束ベクトルを特定し、前記仮想二次磁束ベクトルと前記電流ベクトルとの内積を特定し、前記内積がゼロになるように前記第1フィードバック制御を実行し、
前記仮想インダクタンスL0は、範囲R1及び範囲R2の少なくとも一方の範囲にあり、
前記範囲R1は、前記3相回転機の固定子総合漏れインダクタンスl1tと正規化相互インダクタンスMnの1/8倍との合計以上前記固定子総合漏れインダクタンスl1tと前記正規化相互インダクタンスMnの9/10倍との合計以下の範囲であり、
前記範囲R2は、前記3相回転機のd軸インダクタンスLdの1/8倍と前記3相回転機のq軸インダクタンスLqの7/8倍との合計以上前記d軸インダクタンスLdの1/2倍と前記q軸インダクタンスLqの1/2倍との合計以下の範囲である、回転機制御装置を提供する。
ここで、前記固定子総合漏れインダクタンスl1tは、(数2)で表される。L1は、前記3相回転機の固定子インダクタンスである。L2は、前記3相回転機の回転子インダクタンスである。Mは、前記3相回転機の相互インダクタンスである。Mnは、前記正規化相互インダクタンスである。
前記指令振幅特定部は、前記第1フィードバック制御を実行することによって補正量を生成し、前記第1振幅に前記補正量を加算することによって前記第2振幅を生成する、回転機制御装置を提供する。
インバータを用いて3相回転機に電圧ベクトルを印加し、前記3相回転機の一次磁束ベクトル又は二次磁束ベクトルを指令磁束ベクトルに追従させる回転機制御方法であって、
前記回転機制御方法は、
前記一次磁束ベクトル又は前記二次磁束ベクトルを推定する磁束推定ステップと、
前記指令磁束ベクトルの振幅である指令振幅を特定する指令振幅特定ステップと、を備え、
前記指令振幅特定ステップでは、第1内積を用いた第1フィードバック制御を実行することによって、前記指令振幅を、第1振幅から、条件C1及び条件C2の少なくとも一方を成立させる第2振幅に修正し、
前記第1内積は、(i)推定された前記一次磁束ベクトル又は前記二次磁束ベクトルと、前記3相回転機の電流ベクトルの位相を角度θm進めたベクトルとの内積、(ii)推定された前記一次磁束ベクトル又は前記二次磁束ベクトルの位相を角度θm遅らせたベクトルと、前記3相回転機の電流ベクトルとの内積、又は(iii)推定された前記一次磁束ベクトル又は前記二次磁束ベクトルと前記3相回転機の電流ベクトルとの2つのベクトルの位相を、推定された前記一次磁束ベクトル又は前記二次磁束ベクトルの位相に対する前記3相回転機の電流ベクトルの位相の進み角が角度θm大きくなるように変化させた新たな2つのベクトルの内積であり、
前記条件C1は、前記第2振幅を前記指令振幅としたときにおける前記3相回転機の電流ベクトルの振幅に対する前記3相回転機のトルクの比率rmが前記第1振幅を前記指令振幅としたときにおける前記比率rmよりも大きいという条件であり、
前記条件C2は、前記第2振幅を前記指令振幅としたときにおける前記3相回転機の電力損失PLが前記第1振幅を前記指令振幅としたときにおける前記電力損失PLよりも小さいという条件である、回転機制御方法を提供する。
インバータを用いて3相回転機に電圧ベクトルを印加し、前記3相回転機の一次磁束ベクトル又は二次磁束ベクトルを指令磁束ベクトルに追従させる回転機制御方法であって、
前記回転機制御方法は、
前記一次磁束ベクトル又は前記二次磁束ベクトルを推定する磁束推定ステップと、
前記指令磁束ベクトルの振幅である指令振幅を特定する指令振幅特定ステップと、を備え、
前記指令振幅特定ステップでは、第1内積を用いた第1フィードバック制御を実行することによって、前記指令振幅を第1振幅から第2振幅に修正し、
前記第1内積は、(i)推定された前記一次磁束ベクトル又は前記二次磁束ベクトルと、前記3相回転機の電流ベクトルの位相を角度θm進めたベクトルとの内積、(ii)推定された前記一次磁束ベクトル又は前記二次磁束ベクトルの位相を角度θm遅らせたベクトルと、前記3相回転機の電流ベクトルとの内積、又は(iii)推定された前記一次磁束ベクトル又は前記二次磁束ベクトルと前記3相回転機の電流ベクトルとの2つのベクトルの位相を、推定された前記一次磁束ベクトル又は前記二次磁束ベクトルの位相に対する前記3相回転機の電流ベクトルの位相の進み角が角度θm大きくなるように変化させた新たな2つのベクトルの内積であり、
前記角度θmは、π/9rad以上7π/18rad以下である、回転機制御方法を提供する。
インバータを用いて3相回転機に電圧ベクトルを印加し、前記3相回転機の一次磁束ベクトル又は二次磁束ベクトルを指令磁束ベクトルに追従させる回転機制御方法であって、
前記回転機制御方法は、
前記一次磁束ベクトル又は前記二次磁束ベクトルを推定する磁束推定ステップと、
前記指令磁束ベクトルの振幅である指令振幅を特定する指令振幅特定ステップと、を備え、
前記指令振幅特定ステップでは、第1フィードバック制御を実行することによって、前記指令振幅を、第1振幅から第2振幅に修正し、
(I)前記指令振幅特定ステップでは、前記一次磁束ベクトルと前記3相回転機の電流ベクトルとの内積を特定し、前記電流ベクトルの振幅の2乗及び仮想インダクタンスL0の積である参照値を特定し、前記内積と前記参照値との偏差をゼロに近づける前記第1フィードバック制御を実行し、又は
(II)前記指令振幅特定ステップでは、前記3相回転機の電流ベクトルに仮想インダクタンスL0を乗じたベクトルを前記一次磁束ベクトルから差し引くことによって仮想二次磁束ベクトルを特定し、前記仮想二次磁束ベクトルと前記電流ベクトルとの内積を特定し、前記内積がゼロになるように前記第1フィードバック制御を実行し、
前記仮想インダクタンスL0は、範囲R1及び範囲R2の少なくとも一方の範囲にあり、
前記範囲R1は、前記3相回転機の固定子総合漏れインダクタンスl1tと正規化相互インダクタンスMnの1/8倍との合計以上前記固定子総合漏れインダクタンスl1tと前記正規化相互インダクタンスMnの9/10倍との合計以下の範囲であり、
前記範囲R2は、前記3相回転機のd軸インダクタンスLdの1/8倍と前記3相回転機のq軸インダクタンスLqの7/8倍との合計以上前記d軸インダクタンスLdの1/2倍と前記q軸インダクタンスLqの1/2倍との合計以下の範囲である、回転機制御方法を提供する。
ここで、前記固定子総合漏れインダクタンスl1tは、(数3)で表される。L1は、前記3相回転機の固定子インダクタンスである。L2は、前記3相回転機の回転子インダクタンスである。Mは、前記3相回転機の相互インダクタンスである。Mnは、前記正規化相互インダクタンスである。
第11態様のコンピュータプログラムが格納された、コンピュータによる読み取りが可能なメモリと、
前記コンピュータプログラムを実行するプロセッサと、を備えた制御システムを提供する。
図1に示すように、本開示の各実施形態に係る回転機制御装置3,3z,103は、インバータ(電圧変換回路)2及び3相回転機1に接続されうる。
インバータ2は、具体的にはPWM(Pulse Width Modulation)インバータである。より具体的には、インバータ2は、直流電源と変換回路とを有している。直流電源は、直流電圧を出力する。変換回路は、PWM制御によって、直流電圧を電圧ベクトル(3相交流電圧)に変換する。インバータ2は、電圧ベクトルを3相回転機1に印加する。
(回転機制御装置の構成)
図3は、実施の形態1の回転機制御装置3のブロック図である。図3に示すように、回転機制御装置3は、電流センサ5、3相2相座標変換部22、磁束推定部23、第1の磁束振幅指令演算部25、第2の磁束振幅指令演算部(加算部)31、磁束振幅指令補正量演算部32(以下、補正量演算部32と称することがある)、磁束指令演算部26、電圧指令演算部29及び2相3相座標変換部30を備えている。
以下、回転機制御装置3の動作の概要を説明する。電流センサ5によって、U相電流iu及びV相電流ivが検出される。U相電流iuは、3相電流iのU相成分である。V相電流ivは、3相電流iのV相成分である。3相2相座標変換部22によって、U相電流iu及びV相電流ivが、2相電流iαβに変換される。磁束推定部23によって、2相電流iαβと、指令2相電圧vαβ *とから、推定磁束ψαβと、推定磁束ψαβの位相θsとが求められる。つまり、磁束推定部23によって、電機子鎖交磁束(一次磁束ベクトル、又は、固定子磁束ベクトルとも称する)が推定される。補正量演算部32によって、2相電流iαβと推定磁束ψαβとから、磁束振幅指令補正量ΔψS(以下、補正量ΔψSと称することがある)が特定される。第1の磁束振幅指令演算部25によって、指令トルクT*から、第1振幅|ψS *|が特定される。第2の磁束振幅指令演算部31によって、第1振幅|ψS *|と、補正量ΔψSとの和である第2振幅|ψS **|が特定される。磁束指令演算部26によって、第2振幅|ψS **|と、位相θsとから、指令磁束ベクトルψαβ *が特定される。電圧指令演算部29によって、指令磁束ベクトルψαβ *と、推定磁束ψαβと、2相電流iαβとから、指令2相電圧vαβ *が特定される。2相3相座標変換部30によって、指令2相電圧vαβ *が、指令3相電圧vuvw *に変換される。指令3相電圧vuvw *は、インバータ2に参照される。このような制御によって、3相回転機1は、一次磁束ベクトル及び回転機トルクが、指令磁束ベクトルψαβ *及び指令トルクT*に追従するように制御される。
電流センサ5は、3相電流iを検出する。本実施形態では、電流センサ5は、U相電流iu及びV相電流ivを検出する。電流センサ5は、U相電流iu及びV相電流ivを出力する。
3相2相座標変換部22は、3相電流iを2相電流iαβに変換する。本実施形態では、3相2相座標変換部22は、U相電流iu及びV相電流ivを、α軸電流iα及びβ軸電流iβに変換する。α軸電流iα及びβ軸電流iβは、磁束推定部23、電圧指令演算部29及び補正量演算部32に与えられる。なお、U相及びV相の2相以外の組み合わせの2相の電流を測定するように電流センサ5が設けられていてもよい。この場合も、測定された電流に基づいてα軸電流iα及びβ軸電流iβが特定されるように、3相2相座標変換部22が構成されうる。
磁束推定部23は、2相電流iαβと、指令2相電圧vαβ *とから、電機子鎖交磁束を推定する。本実施形態では、磁束推定部23は、式(1−1)、(1−2)及び(1−3)を用いて、推定磁束ψαβ(推定磁束ψα,ψβ)及び推定磁束ψαβの位相θsを求める。式(1−1)及び(1−2)におけるRaは、3相回転機1の1相当たりの巻線抵抗である。右辺の積分は、基準時刻(t=0)から現時点までの時間積分を表す。ψα|t=0は、t=0における推定磁束ψαの値(初期値)である。ψβ|t=0は、t=0における推定磁束ψβの値(初期値)である。推定磁束ψαβは、電圧指令演算部29及び補正量演算部32に与えられる。位相θsは、磁束指令演算部26に与えられる。
第1の磁束振幅指令演算部25は、指令トルクT*から、指令磁束ベクトルの振幅(指令振幅)として、第1振幅|ψS *|を特定する。第1振幅|ψS *|はスカラーである。一例では、第1振幅|ψS *|は、回転機電流(3相回転機1を流れる電流)を最小とするためのものである。回転機トルク(3相回転機1のトルク)を目標値としつつ、回転機電流の値に対する回転機トルクの値の比率rmが最大となるように3相回転機を制御する制御は、最大トルク/電流(MTPA:Maximum Torque Per Ampere)制御として知られている。別例では、第1振幅|ψS *|は、3相回転機1の電力損失PLを小さくするためのものである。本実施形態では、第1の磁束振幅指令演算部25は、テーブルを用いて指令トルクT*から第1振幅|ψS *|を特定するように構成されている。第1の磁束振幅指令演算部25は、演算によって第1振幅|ψS *|を特定するように構成されていてもよい。
上述のように指令トルクT*から第1振幅|ψS *|を特定する場合、第1振幅|ψS *|は各種インダクタンスMn、l1t、Ld、Lqに依存する。これらのインダクタンスは、定数であり、測定されうる値である。しかし、測定誤差等が原因で、第1の磁束振幅指令演算部25でこれらのインダクタンスとして与えられる値は、実際の値からずれていることがある。この場合には、第1振幅|ψS *|が、所望の値(例えば、回転機電流を最小としたり、電力損失を最小としたりするための値)からずれる。本実施形態では、この影響を緩和するために、第2の磁束振幅指令演算部31を設けている。すなわち、第2の磁束振幅指令演算部31は、指令振幅を第1振幅|ψS *|から第2振幅|ψS **|に修正する。本実施形態では、第2の磁束振幅指令演算部31は、第1振幅|ψS *|と、補正量ΔψSとから、磁束指令演算部26に与えるべき第2振幅|ψS **|を特定する加算部である。つまり、第2振幅|ψS **|は、第1振幅|ψS *|と補正量ΔψSとの和である。第2振幅|ψS **|はスカラーである。補正量ΔψSは、補正量演算部32によって特定された補正量である。補正量演算部32及び補正量ΔψSの詳細については後述する。なお、補正量演算部32から補正係数KSが出力され、第2の磁束振幅指令演算部31において第1振幅|ψS *|と補正係数KSとの積を特定し、その積を第2振幅|ψS **|とする構成も採用されうる。
磁束指令演算部26は、第2振幅|ψS **|と、位相θsとから、電機子鎖交磁束(一次磁束ベクトル)が追従するべき指令磁束ベクトルψαβ *を特定する。
電圧指令演算部29は、指令磁束ベクトルψαβ *と推定磁束ψαβとの差と、2相電流iαβとから、指令2相電圧vαβ *(指令α軸電圧vα *及び指令β軸電圧vβ *)を特定する。本実施形態では、電圧指令演算部29は、式(1−9)を用いて、指令2相電圧vαβ *を求める。式(1−9)におけるTsは、制御周期(サンプリング周期)である。なお、3相回転機1が高速回転しているときは、巻線抵抗Raに基づく電圧降下が非常に小さい。このため、電圧指令演算部29は、式(1−9)の右辺第2項を無視して、指令磁束ベクトルψαβ *と推定磁束ψαβとの差から、指令2相電圧vαβ *を特定するように構成されていてもよい。指令2相電圧vαβ *は、2相3相座標変換部30に与えられる。
2相3相座標変換部30は、指令2相電圧vαβ *を、指令3相電圧vuvw *に変換する。その後、指令3相電圧vuvw *に対応する電圧ベクトルが、インバータ2によって生成され、3相回転機1に印加される。
補正量演算部32は、推定磁束ψαβと、2相電流iαβとから、第2の磁束振幅指令演算部(加算部)31に与えるべき補正量ΔψSを特定する。補正量ΔψSはスカラーである。補正量演算部32は、第2振幅|ψS **|が磁束指令演算部26に与えられたときに3相回転機1を流れる電流が、第2振幅|ψS **|に代えて第1振幅|ψS *|が磁束指令演算部26に与えられたときに3相回転機1を流れる電流を下回るように構成されうる。本実施形態では回転機トルクは指令トルクT*に追従するため、補正量演算部32は、第2振幅|ψS **|が磁束指令演算部26に与えられたときにおける回転機電流の振幅に対する回転機トルクの比率rmが、第2振幅|ψS **|に代えて第1振幅|ψS *|が磁束指令演算部26に与えられたときにおける比率rmを上回るように構成されうるということになる。また、補正量演算部32は、第2振幅|ψS **|が磁束指令演算部26に与えられたときにおける3相回転機1の電力損失PLが、第2振幅|ψS **|に代えて第1振幅|ψS *|が磁束指令演算部26に与えられたときにおける電力損失PLを下回るように構成されうる。補正量ΔψSは、推定磁束ψαβと2相電流iαβとを用いて計算される内積を用いたフィードバック制御によって特定される。
トルク/電流(=比率rm)を向上させたり、電力損失PLを低減させたりすることができる原理について説明する。なお、以下の説明において、電流ベクトルiとiαβ、電圧ベクトルvとvαβ、固定子鎖交磁束ベクトル(一次磁束ベクトル)ψsとψαβはそれぞれ同一ベクトルである。以下では、αβ座標における説明でiαβ、vαβ、ψαβという表記を使用し、一般座標(より具体的には、任意の速度wrで回転するγδ一般座標)又はdq座標における説明で、i、v、ψsという表記を使用する。例えば、図6を用いた説明ではdq座標を用いて電流ベクトルが説明されているため、図6では電流ベクトルをiと表記している。また、式(2−1)及び(2−2)はγδ一般座標に基づいたものであるため、固定子電圧をvと表記し、固定子電流をiと表記している。なお、<制御の原理について>の項目の理解には、非特許文献1が役立つので参照されたい。
以下の説明では、3相回転機1が磁気的突極性を有しない誘導機であるものとする。誘導機の一般座標系(より具体的には、任意の速度wrで回転するγδ一般座標系)での数学モデルは非特許文献1より式(2−1)、(2−2)、(2−3)で表され、ψ2nd=Mnid、ψ2nq=0を考慮すると、dq座標系では式(2−5)、(2−6)、(2−7)のように表せる。また、式(2−4A)及び式(2−4B)の関係が成り立つ。Mは相互インダクタンス、L1は固定子インダクタンス、L2は回転子インダクタンス、Raは固定子抵抗、R2は回転子抵抗、Mnは正規化相互インダクタンス、R2nは正規化回転子抵抗、l1tは固定子総合漏れインダクタンス、W2は回転子逆時定数(回転子時定数の逆数)、ψ2は回転子磁束(二次磁束)、ψ2nは正規化回転子磁束(正規化二次磁束)、vは固定子電圧、iは固定子電流、ω1は固定子磁束回転速度、ω2nは回転子速度、Npは極対数、Tはトルク、Iは2×2単位行列、Jは2×2交代行列であり、D(s,wr)はD因子であり、sは微分演算子d/dtである。
トルク/電流が最大になるのは、式(2−9)が最大のときであり、id=iqのときである。
上述のようにid=iqとして最大トルク/電流制御を実施すれば、同一トルクを得るための一次電流を最小にすることができるので、一次側の銅損は最小になる。永久磁石同期モータ、同期リラクタンスモータ等の二次銅損のないモータでは、トルク/電流が最大になる動作点と銅損が最小が最小になる動作点とは一致する。しかし、誘導機のように、二次電流による二次側の銅損(二次銅損)が存在する場合、トルク/電流(=比率rm)が最大になる動作点と銅損が最小になる動作点とは一致しない(トルク/電流を最大にする場合に比べて、銅損を最小にした方が、高効率となる)。二次銅損を考慮した銅損が最小となるように、誘導機を制御することもできる。すなわち、二次銅損を考慮した銅損の最小化を図るためのd軸電流とq軸電流の関係は、非特許文献2で開示されているように式(2−10)で表される。従って、角度θmをπ/4radの代わりに式(2−11)とし、前述のように、電流ベクトルiよりも角度θm(π/4radよりも大きい)進んだ仮想電流ベクトルi#と二次磁束ベクトルψ2nとの第1内積をゼロにするように、第1内積をフィードバックして磁束制御することによって、銅損(一次銅損+二次銅損)が最小になるように制御することができる。
また、鉄損を考慮した電力損失PLが最小となるように、誘導機を制御することもできる。すなわち、d軸電流を小さくすることによって、二次磁束ベクトルの振幅を小さくすればよい。これにより、一次磁束ベクトルの振幅も小さくなり、固定子鉄損も小さくなる。
次に、3相回転機1が磁気的突極性を有する同期リラクタンスモータである場合について説明する。同期リラクタンスモータの数学モデルは、式(2−17)、(2−18)で表される。
実施の形態1では、推定二次磁束ψ2nと仮想2相電流iαβ #との第1内積を利用したが、推定二次磁束ψ2nの代わりに推定一次磁束ψαβを用い、推定一次磁束ψαβと仮想2相電流iαβ #との第1内積を利用してもよい。具体的には、式(2−23)を用いて補正量ΔψSを演算してもよい。第1内積1/cos(θm)(ψα(iα−aiβ)+ψβ(aiα+iβ))と、3相回転機1のインダクタンスL及び回転機電流から特定された参照値Bとの偏差がゼロに近づくように、フィードバック制御を実行する。本変形例では、第1内積1/cos(θm)(ψα(iα−aiβ)+ψβ(aiα+iβ))と、1/cos(θm)と3相回転機1のインダクタンスLと回転機電流の振幅の2乗との積L(iα 2+iβ 2)/cos(θm)と、の偏差がゼロに近づくように、第1フィードバック制御を実行する。式(2−23)は、式(1−11)と等価である(式(1−10)を式(1−11)に代入して変形すれば得られる)。従って、変形例1−1によれば、実施の形態1と同様の効果が得られる。
電流ベクトルの位相を角度θm進ませる代わりに、一次磁束ベクトル又は二次磁束ベクトルの位相を角度θm遅らせて、第1内積を演算してもよい。つまり、第1内積は、推定された一次磁束ベクトル又は二次磁束ベクトルの位相を角度θm遅らせたベクトルと、3相回転機1の電流ベクトルとの内積であってもよい。具体的には、式(2−24)又は式(2−25)を用いて補正量ΔψSを演算してもよい。式(2−24)及び式(2−25)は、式(1−11)及び式(2−23)と等価である。従って、このようにしても、実施の形態1及び変形例1−1と同様の効果が得られる。
また、数式及びブロック図を用いた説明は省略するが、第1内積は、推定された一次磁束ベクトル又は二次磁束ベクトルと3相回転機1の電流ベクトルとの2つのベクトルの位相を、推定された一次磁束ベクトル又は二次磁束ベクトルの位相に対する3相回転機1の電流ベクトルの位相の進み角が角度θm大きくなるように変化させた新たな2つのベクトルの内積であってもよい。このような第1内積も、実施の形態1、変形例1−1及び変形例1−2Aで説明した第1内積と等価であるためである。すなわち、変形例1−2Bによれば、実施の形態1、変形例1−1及び変形例1−2Aと同様の効果が得られる。例えば、推定された一次磁束ベクトル又は二次磁束ベクトルの位相をπ/8rad遅らせたベクトルと、3相回転機1の電流ベクトルの位相をπ/8rad進めたベクトルとの内積を第1内積とすれば、最大トルク/電流制御を行うことができる。また、前者の位相の遅れ量を大きくしたり後者の位相の進み量を大きくしたりすることによって、二次銅損を含めた銅損を小さくする制御を行うこともできる。また、前者の位相の遅れ量を小さくしたり後者の位相の進み量を小さくしたりすることによって、鉄損を含めた電力損失を小さくする制御を行うこともできる。
実施の形態1では、一次磁束ベクトルが指令磁束ベクトルに追従するような構成としたが、二次磁束ベクトルが指令磁束ベクトルに追従するような構成としてもよい。変形例1−3では、後者の構成が採用されている。以下、変形例1−3の回転機制御装置3zを、図7を参照しながら説明する。変形例1−3では、実施の形態1と同様の部分については同一符号を付し、説明を省略することがある。なお、変形例1−3の理解には、特許文献2の第2の実施形態が参考になる。
磁束推定部23zは、2相電流iαβと、指令2相電圧vαβ *とから、二次磁束ベクトルを推定する(推定二次磁束ψ2nを求める)。本変形例では、磁束推定部23zは、式(1−1Z)、(1−2Z)及び(1−3Z)を用いて、推定二次磁束ψ2n(推定磁束ψ2nα,ψ2nβ)及び推定二次磁束ψ2nの位相θ2nsを求める。式(1−1Z)及び(1−2Z)におけるRaは、3相回転機1の1相当たりの巻線抵抗である。右辺の積分は、基準時刻(t=0)から現時点までの時間積分を表す。Lは、実施の形態1で説明したインダクタンスLと同じである。ψ2nα|t=0は、t=0における推定磁束ψ2nαの値(初期値)である。ψ2nβ|t=0は、t=0における推定磁束ψ2nβの値(初期値)である。推定磁束ψ2nは、電圧指令演算部29z及び補正量演算部32zに与えられる。位相θ2nsは、磁束指令演算部26zに与えられる。
第1の磁束振幅指令演算部25zは、指令トルクT*から指令磁束ベクトルの振幅(指令振幅)である第1振幅|ψ2nS *|を特定する。第1振幅|ψ2nS *|はスカラーである。一例では、第1振幅|ψ2nS *|は定数である。適切な定数は、事前の測定などによって設定され得る。
第2の磁束振幅指令演算部31zは、指令振幅を第1振幅|ψ2nS *|から第2振幅|ψ2nS **|に修正する。変形例1−3における第2の磁束振幅指令演算部31zは、第1振幅|ψS *|に代えて第1振幅|ψ2nS *|を用い、第2振幅|ψS **|に代えて第2振幅|ψ2nS **|を特定する点以外は、第2の磁束振幅指令演算部31と同様に動作する。
磁束指令演算部26zは、第2振幅|ψ2nS **|と、位相θ2nsとから、二次磁束ベクトルが追従するべき指令磁束ベクトルψ2n *を特定する。変形例1−3における磁束指令演算部26zは、第2振幅|ψS **|に代えて第2振幅|ψ2ns **|を用い、指令磁束ベクトルψαβ *に代えて指令磁束ベクトルψ2n *を特定する点以外は、磁束指令演算部26と同様に動作する。磁束指令演算部26zは、磁束指令演算部26a及び26bと同様に、指令磁束ベクトルを特定する過程で位相補正量Δθs *を特定する。
電圧指令演算部29zは、指令磁束ベクトルψ2n *と推定二次磁束ψ2nとの差と、位相補正量Δθs *と、2相電流iαβとから、指令2相電圧vαβ *(指令α軸電圧vα *及び指令β軸電圧vβ *)を特定する。具体的には、電圧指令演算部29zは、式(1−9Z)を用いて、指令2相電圧vαβ *を求める。式(1−9Z)におけるTsは、制御周期(サンプリング周期)である。Lは、実施の形態1で説明したインダクタンスLと同じである。Jは、式(2−4B)のJと同じである。なお、3相回転機1が高速回転しているときは、巻線抵抗Raに基づく電圧降下が非常に小さい。このため、電圧指令演算部29zは、式(1−9Z)の右辺第3項を無視して、指令2相電圧vαβ *を特定するように構成されていてもよい。指令2相電圧v2n *は、2相3相座標変換部30に与えられる。
補正量演算部32zは、推定二次磁束ψ2nと、2相電流iαβとから、第2の磁束振幅指令演算部(加算部)31に与えるべき補正量ΔψSを特定する。補正量ΔψSはスカラーである。補正量演算部32zは、具体的には、式(1−11)又は式(2−24)と同じ式を用いて、補正量ΔψSを特定する。
図8は、実施の形態2の回転機制御装置103のブロック図である。図8において、図3と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略することがある。図8に示すように、回転機制御装置103は、図3の補正量演算部32に代えて、補正量演算部132を備えている。
補正量演算部132は、推定磁束ψαβと、2相電流iαβとから、第2の磁束振幅指令演算部(加算部)31に与えるべき補正量ΔψSを特定する。補正量ΔψSはスカラーである。補正量ΔψSは、推定磁束ψαβと、2相電流iαβとの内積を用いたフィードバック制御によって特定される。
図9に示すように、d軸から角度θm遅れた軸をdm軸、q軸から角度θm遅れた軸をqm軸とするdmqm座標系を考える。一次磁束ψsのdm軸成分を仮想二次磁束ψ2mとし、更に、仮想インダクタンスL0を用いて一次磁束ψsのqm軸成分をL0iで表すこととする。
実施の形態2では、推定仮想二次磁束ψ2mと2相電流iαβの第2内積を利用したが、推定仮想二次磁束の代わりに推定一次磁束ψαβを用い、推定一次磁束ψαβと2相電流iαβとの第2内積を利用してもよい。具体的には、式(3−17)を用いて補正量ΔψSを演算してもよい。第2内積ψαiα+ψβiαと、実施の形態2で説明した仮想インダクタンスL0及び回転機電流から特定された参照値Fとの偏差がゼロに近づくように、フィードバック制御を実行する。変形例2−1では、第2内積ψαiα+ψβiαと、仮想インダクタンスL0と回転機電流の振幅の2乗との積L0(iα 2+iβ 2)と、の偏差がゼロに近づくように、フィードバック制御を実行する。式(3−17)は、式(3−11)と等価である。従って、変形例2−1によれば、実施の形態2と同様の効果が得られる。
以下、実施の形態3について説明する。なお、実施の形態3の説明では、上述の実施の形態又は変形例と同じ構成要素に同じ符号を用い、説明を省略することがある。
3相回転機201が3相回転機1と同じ回転機である場合、第1の磁束振幅指令演算部225の動作は、第1の磁束振幅指令演算部25の動作と同じである。
3相回転機201が3相回転機1と同じ回転機である場合、磁束指令演算部226は、磁束指令演算部26と同様に、第2振幅|ψS **|と、位相θsとから指令磁束ベクトルψαβ *を特定する。3相回転機201が回転子に永久磁石が備えられたものである場合、磁束指令演算部226は、後述の第3振幅|ψS **|と、位相θsとから指令磁束ベクトルψαβ *を特定する。第2振幅|ψS **|に代えて第3振幅|ψS **|を用いる点を除き、3相回転機201が回転子に永久磁石が備えられたものである場合の磁束指令演算部226の動作は、3相回転機201が3相回転機1と同じ回転機である場合の磁束指令演算部226の動作と同じである。なお、本明細書では、第2振幅と第3振幅の両方に|ψS **|という文字を付しているが、このことは、第2振幅と第3振幅とが必ずしも同じものであることを表さない。
補正量演算部232は、推定磁束ψαβと、2相電流iαβとから、第2の磁束振幅指令演算部(加算部)31に与えるべき補正量ΔψSを特定する。補正量ΔψSはスカラーである。
図5Gに示す補正量演算部232gに代えて、図5Hに示す補正量演算部232hを用いてもよい。補正量演算部232hは、ベクトル回転部240hと、内積演算部33と、内積指令演算部234hと、制御部(積分器)35とを有している。
2 インバータ
3,3z,103,203 回転機制御装置
5 電流センサ
22 3相2相座標変換部
23,23z 磁束推定部
25,25z,225 第1の磁束振幅指令演算部
26,26a,26b,26z,226 磁束指令演算部
29,29z 電圧指令演算部
30 2相3相座標変換部
31,31z (第2の)磁束振幅指令演算部
32,32a,32b,32c,32d,132,132e,132f,232,232g,232h 磁束振幅指令補正量演算部
33 内積演算部
34a,34b,34c,34d,134e,134f,234g,234h 内積指令演算部
35 制御部
36 加算部
37 ベクトル生成部
38a,38b 位相補正量演算部
39a,239g 二次磁束推定部
39c,139e 仮想二次磁束推定部
40a,40b,40d,240h ベクトル回転部
Claims (7)
- インバータを用いて3相回転機に電圧ベクトルを印加し、前記3相回転機の一次磁束ベクトル又は二次磁束ベクトルを指令磁束ベクトルに追従させる回転機制御装置であって、
前記回転機制御装置は、
前記一次磁束ベクトル又は前記二次磁束ベクトルを推定する磁束推定部と、
前記指令磁束ベクトルの振幅である指令振幅を特定する指令振幅特定部と、を備え、
前記指令振幅特定部は、第1内積を用いた第1フィードバック制御を実行することによって、前記指令振幅を、第1振幅から、条件C1及び条件C2の少なくとも一方を成立させる第2振幅に修正し、
前記第1内積は、(i)推定された前記一次磁束ベクトル又は前記二次磁束ベクトルと、前記3相回転機の電流ベクトルの位相を角度θm進めたベクトルとの内積、(ii)推定された前記一次磁束ベクトル又は前記二次磁束ベクトルの位相を角度θm遅らせたベクトルと、前記3相回転機の電流ベクトルとの内積、又は(iii)推定された前記一次磁束ベクトル又は前記二次磁束ベクトルと前記3相回転機の電流ベクトルとの2つのベクトルの位相を、推定された前記一次磁束ベクトル又は前記二次磁束ベクトルの位相に対する前記3相回転機の電流ベクトルの位相の進み角が角度θm大きくなるように変化させた新たな2つのベクトルの内積であり、
前記条件C1は、前記第2振幅を前記指令振幅としたときにおける前記3相回転機の電流ベクトルの振幅に対する前記3相回転機のトルクの比率rmが前記第1振幅を前記指令振幅としたときにおける前記比率rmよりも大きいという条件であり、
前記条件C2は、前記第2振幅を前記指令振幅としたときにおける前記3相回転機の電力損失PLが前記第1振幅を前記指令振幅としたときにおける前記電力損失PLよりも小さいという条件である、回転機制御装置。 - 前記角度θmは、π/9rad以上7π/18rad以下である、請求項1に記載の回転機制御装置。
- インバータを用いて3相回転機に電圧ベクトルを印加し、前記3相回転機の一次磁束ベクトル又は二次磁束ベクトルを指令磁束ベクトルに追従させる回転機制御装置であって、
前記回転機制御装置は、
前記一次磁束ベクトル又は前記二次磁束ベクトルを推定する磁束推定部と、
前記指令磁束ベクトルの振幅である指令振幅を特定する指令振幅特定部と、を備え、
前記指令振幅特定部は、第1内積を用いた第1フィードバック制御を実行することによって、前記指令振幅を第1振幅から第2振幅に修正し、
前記第1内積は、(i)推定された前記一次磁束ベクトル又は前記二次磁束ベクトルと、前記3相回転機の電流ベクトルの位相を角度θm進めたベクトルとの内積、(ii)推定された前記一次磁束ベクトル又は前記二次磁束ベクトルの位相を角度θm遅らせたベクトルと、前記3相回転機の電流ベクトルとの内積、又は(iii)推定された前記一次磁束ベクトル又は前記二次磁束ベクトルと前記3相回転機の電流ベクトルとの2つのベクトルの位相を、推定された前記一次磁束ベクトル又は前記二次磁束ベクトルの位相に対する前記3相回転機の電流ベクトルの位相の進み角が角度θm大きくなるように変化させた新たな2つのベクトルの内積であり、
前記角度θmは、π/9rad以上7π/18rad以下である、回転機制御装置。 - (a)前記指令振幅特定部は、前記一次磁束ベクトルを用いて前記第1内積を特定し、前記3相回転機のインダクタンスL及び前記電流ベクトルから参照値を特定し、前記参照値と前記第1内積との偏差をゼロに近づける前記第1フィードバック制御を実行する、又は
(b)前記指令振幅特定部は、前記一次磁束ベクトル、前記3相回転機のインダクタンスL及び前記電流ベクトルから前記二次磁束ベクトルを推定し、前記二次磁束ベクトルを用いて前記第1内積を特定し、前記第1内積をゼロに近づける前記第1フィードバック制御を実行する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の回転機制御装置。
ここで、前記インダクタンスLは、前記3相回転機のq軸インダクタンスLq、又は、(数1)で表される前記3相回転機の固定子総合漏れインダクタンスl1tである。L1は、前記3相回転機の固定子インダクタンスである。L2は、前記3相回転機の回転子インダクタンスである。Mは、前記3相回転機の相互インダクタンスである。
- 前記回転機制御装置は、第1運転及び第2運転を含む複数の運転を行うことができ、
前記第1運転は、前記指令振幅特定部が前記第1フィードバック制御を行う運転であり、
前記第2運転は、前記指令振幅特定部が、前記一次磁束ベクトル又は前記二次磁束ベクトルと前記電流ベクトルとの内積を用いた第2フィードバック制御を実行することによって、前記指令振幅を前記第1振幅から第3振幅に修正する運転である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の回転機制御装置。 - インバータを用いて3相回転機に電圧ベクトルを印加し、前記3相回転機の一次磁束ベクトル又は二次磁束ベクトルを指令磁束ベクトルに追従させる回転機制御装置であって、
前記回転機制御装置は、
前記一次磁束ベクトル又は前記二次磁束ベクトルを推定する磁束推定部と、
前記指令磁束ベクトルの振幅である指令振幅を特定する指令振幅特定部と、を備え、
前記指令振幅特定部は、第1フィードバック制御を実行することによって、前記指令振幅を、第1振幅から第2振幅に修正し、
(I)前記指令振幅特定部は、前記一次磁束ベクトルと前記3相回転機の電流ベクトルとの内積を特定し、前記電流ベクトルの振幅の2乗及び仮想インダクタンスL0の積である参照値を特定し、前記内積と前記参照値との偏差をゼロに近づける前記第1フィードバック制御を実行し、又は
(II)前記指令振幅特定部は、前記3相回転機の電流ベクトルに仮想インダクタンスL0を乗じたベクトルを前記一次磁束ベクトルから差し引くことによって仮想二次磁束ベクトルを特定し、前記仮想二次磁束ベクトルと前記電流ベクトルとの内積を特定し、前記内積がゼロになるように前記第1フィードバック制御を実行し、
前記仮想インダクタンスL0は、範囲R1及び範囲R2の少なくとも一方の範囲にあり、
前記範囲R1は、前記3相回転機の固定子総合漏れインダクタンスl1tと正規化相互インダクタンスMnの1/8倍との合計以上前記固定子総合漏れインダクタンスl1tと前記正規化相互インダクタンスMnの9/10倍との合計以下の範囲であり、
前記範囲R2は、前記3相回転機のd軸インダクタンスLdの1/8倍と前記3相回転機のq軸インダクタンスLqの7/8倍との合計以上前記d軸インダクタンスLdの1/2倍と前記q軸インダクタンスLqの1/2倍との合計以下の範囲である、回転機制御装置。
ここで、前記固定子総合漏れインダクタンスl1tは、(数2)で表される。L1は、前記3相回転機の固定子インダクタンスである。L2は、前記3相回転機の回転子インダクタンスである。Mは、前記3相回転機の相互インダクタンスである。Mnは、前記正規化相互インダクタンスである。
- 前記指令振幅特定部は、前記第1フィードバック制御を実行することによって補正量を生成し、前記第1振幅に前記補正量を加算することによって前記第2振幅を生成する、請求項1〜6のいずれか1項に記載の回転機制御装置。
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