JP6641051B1 - 電動機の制御装置 - Google Patents
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Abstract
Description
電圧指令の基本値を算出する基本電圧指令算出部と、
電動機の巻線に流れる電流を検出する電流検出部と、
前記巻線に印加される印加電圧、及び前記電流の検出値に基づいて、前記巻線に鎖交する鎖交磁束を推定する磁束推定部と、
前記電流の検出値及び前記鎖交磁束の推定値に基づいて、前記電動機の出力トルクを推定するトルク推定部と、
前記出力トルクの推定値から脈動成分を抽出する脈動抽出部と、
前記脈動成分の抽出値に基づいて、電圧指令補正値を算出する脈動制御部と、
前記電圧指令の基本値に前記電圧指令補正値を重畳して、重畳後の電圧指令を算出する重畳部と、
前記重畳後の電圧指令に基づいて、前記巻線に電圧を印加する電圧印加部と、
を備え、
前記脈動抽出部は、前記電動機の回転角度に基づいて、前記出力トルクの推定値を予め設定された回転次数の脈動周波数でフーリエ変換して、余弦波及び正弦波のフーリエ係数を算出し、前記余弦波及び正弦波のフーリエ係数を前記脈動成分の抽出値として算出し、
前記余弦波のフーリエ係数に、前記回転次数の脈動周波数の余弦波を乗算して余弦波乗算値を算出し、前記正弦波のフーリエ係数に、前記回転次数の脈動周波数の正弦波を乗算して正弦波乗算値を算出し、前記余弦波乗算値及び前記正弦波乗算値の合計値に制御ゲインを乗算した値を、前記電圧指令補正値として算出するものである。
実施の形態1に係る電動機の制御装置30(以下、単に制御装置30と称す)について図面を参照して説明する。図1は、本実施の形態に係る電動機1、インバータ20、及び制御装置30の概略構成図である。
電動機1は、U相、V相、W相の3相の巻線Cu、Cv、Cwを設けたステータと、永久磁石を設けたロータと、を有する永久磁石同期電動機とされている。ステータに、3相の巻線Cu、Cv、Cwが設けられている。3相巻線Cu、Cv、Cwは、スター結線とされている。なお、3相巻線は、デルタ結線とされてもよい。
インバータ20は、複数のスイッチング素子を有し、直流電源25と3相巻線との間で直流交流変換を行う。インバータ20は、直流電源25の正極側に接続される正極側のスイッチング素子23H(上アーム)と直流電源25の負極側に接続される負極側のスイッチング素子23L(下アーム)とが直列接続された直列回路(レッグ)を、3相各相の巻線に対応して3セット設けている。インバータ20は、3つの正極側のスイッチング素子23Hと、3つの負極側のスイッチング素子23Lとの、合計6つのスイッチング素子を備えている。そして、正極側のスイッチング素子23Hと負極側のスイッチング素子23Lとが直列接続されている接続点が、対応する相の巻線に接続されている。
制御装置30は、インバータ20を制御することにより、電動機1を制御する。図2に示すように、制御装置30は、後述する電流検出部31、回転検出部32、電圧検出部33、基本電圧指令算出部34、磁束推定部35、トルク推定部36、脈動抽出部37、脈動制御部38、重畳部39、及び電圧印加部40等を備えている。制御装置30の各機能は、制御装置30が備えた処理回路により実現される。具体的には、制御装置30は、図3に示すように、処理回路として、CPU(Central Processing Unit)等の演算処理装置90(コンピュータ)、演算処理装置90とデータのやり取りする記憶装置91、演算処理装置90に外部の信号を入力する入力回路92、及び演算処理装置90から外部に信号を出力する出力回路93等を備えている。
回転検出部32は、ロータの回転角度θ(磁極位置)を検出する。本実施の形態では、回転検出部32は、回転角度センサ2の出力信号に基づいて、電気角でのロータの回転角度θ(磁極位置)を検出する。
基本電圧指令算出部34は、電圧指令の基本値を算出する。本実施の形態では、基本電圧指令算出部34は、電圧指令の基本値として、d軸の電圧指令の基本値Vd0及びq軸の電圧指令の基本値Vq0を算出する。ここで、d軸の電圧指令の基本値Vd0及びq軸の電圧指令の基本値Vq0からなるベクトルを、dq軸電圧指令基本値Vdq0とする。
磁束推定部35は、巻線に印加される印加電圧、及び電流の検出値に基づいて、巻線に鎖交する鎖交磁束を推定する。本実施の形態では、磁束推定部35は、鎖交磁束をαβ軸の座標系で表したαβ軸鎖交磁束の推定値Φαβを算出する。
トルク推定部36は、電流の検出値及び鎖交磁束の推定値に基づいて、電動機の出力トルクTeを推定する。
脈動抽出部37は、出力トルクの推定値Teから脈動成分を抽出する。脈動抽出部37は、出力トルクの推定値Teから、予め設定された回転次数nの脈動周波数の成分を抽出する。ここで、回転次数nの脈動周波数は、電気角でのロータの回転周波数のn倍の周波数になる。
脈動制御部38は、脈動成分の抽出値に基づいて、電圧指令補正値を算出する。本実施の形態では、図4に示すように、余弦波のフーリエ係数anに、回転次数nの脈動周波数の余弦波を乗算して余弦波乗算値Yaを算出し、正弦波のフーリエ係数bnに、回転次数nの脈動周波数の正弦波を乗算して正弦波乗算値Ybを算出する。そして、脈動制御部38は、余弦波乗算値Ya及び正弦波乗算値Ybの合計値Yabに制御ゲインKvを乗算した値を、電圧指令補正値Vcとして算出する。
重畳部39は、電圧指令の基本値に電圧指令補正値を重畳して、重畳後の電圧指令を算出する。本実施の形態では、図2に示すように、重畳部39は、q軸の電圧指令の基本値Vq0に電圧指令補正値Vcを重畳して、重畳後のq軸の電圧指令Vqを算出し、d軸の電圧指令の基本値Vd0をそのまま重畳後のd軸の電圧指令Vdに設定する。減算器391により、q軸の電圧指令の基本値Vq0から電圧指令補正値Vcが減算されて、重畳後のq軸の電圧指令Vqが算出される。重畳後のdq軸の電圧指令Vdqは、重畳後のd軸の電圧指令Vd及び重畳後のq軸の電圧指令Vqからなるベクトルである。
電圧印加部40は、重畳後の電圧指令に基づいて、巻線に電圧を印加する。本実施の形態では、電圧印加部40は、座標変換部40aとPWM制御部40bとを備えている。
磁束推定部35において、式(3)に示したように、印加電圧の積分値及び電流の積分値によって、鎖交磁束を直接的に推定しており、ローパスフィルタ又はオブザーバにより推定の応答周波数を制限するようなことはないので、十分に高い周波数まで精度良く鎖交磁束を推定できる。また、トルク推定部36において、式(4)に示したように、鎖交磁束と電流との乗算値によって直接的に出力トルクを推定しているので、高い周波数まで推定された鎖交磁束、及び高い周波数成分を含む電流の情報が損なわれることなく、十分に高い周波数まで精度良く出力トルクを推定できる。ここで、十分に高い周波数とは、電動機の定格回転速度における鎖交磁束及び出力トルクの脈動成分よりも高い周波数を意味する。
本実施の形態によるトルク脈動成分の低減効果を、図5を用いて説明する。図5は、定格回転速度における回転次数nの脈動周波数が1500Hzである電動機において、回転次数nの脈動周波数が50Hzから1500Hzまで上昇するように、回転速度を時間の経過とともに上昇させたときの、トルク脈動成分の波形を示している。図5の上段グラフに、電圧指令補正値Vcの重畳を行わない比較例を示し、下段グラフに、電圧指令補正値Vcの重畳を行う本実施の形態に係る例を示している。上段の比較例に比べて、下段の本実施の形態では、トルク脈動成分が低下していることがわかる。この例では、ゲイン交差周波数が1500Hzになるように制御ゲインKvが設定されているので、1500Hzに近づくにつれてトルク脈動成分の低減効果が低下しているが、1500Hzまでトルク脈動成分を低減できている。
次に、本実施の形態によるノイズ及び振動の増幅を抑える効果について図6を用いて説明する。図6は、ノイズの影響が見易いように、トルク脈動が発生しない条件で測定したq軸電流であり、検出した電流にランダムなノイズが含まれている場合である。図6の上段グラフに、電流に含まれるノイズを低減することなく、出力トルクが推定され、出力トルクの推定値に含まれるノイズが増幅されて、電圧指令補正値として負帰還される比較例を示し、下段グラフに、電流に含まれるノイズの影響を低減し、出力トルクを推定し、出力トルクの推定値に含まれる脈動周波数の成分のみを抽出し、電圧指令補正値を算出する本実施の形態に係る例を示している。上段グラフと下段グラフとでは、縦軸のスケールは同じである。上段の比較例では、電圧指令を補正しない場合に比べて、電流のノイズが大幅に増幅されている。制御ゲインの大きさが大きい程、電流のノイズが増幅されるため、十分高い周波数までトルク脈動成分を低減することと、電流のノイズの増幅を抑えることがトレードオフする。下段の本実施の形態では、電流のノイズが増幅されることはなく、制御ゲインKvの大きさを大きくして、トルク脈動成分を十分高い周波数まで低減することができる。
上述した実施の形態では、磁束推定部35が、αβ軸の座標系で表したαβ軸鎖交磁束の推定値Φαβを算出していた。しかし、磁束推定部35は、dq軸の座標系で表したdq軸鎖交磁束の推定値Φdqを算出してもよい。この場合は、磁束推定部35は、次式に示すように、dq軸印加電圧Vdqの積分値及びdq軸電流検出値Idqの積分値に基づいて、dq軸鎖交磁束の推定値Φdqを算出する。磁束推定部35は、dq軸印加電圧Vdqとして、重畳部39が算出した重畳後のdq軸の電圧指令Vdqを用い、電流検出部31が算出したdq軸電流検出値Idqを用いる。dq軸鎖交磁束Φdqは、d軸の鎖交磁束Φd及びq軸の鎖交磁束Φqからなるベクトルである。
次に、実施の形態2に係る電動機の制御装置30について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る制御装置30の基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、トルク推定部36の構成が実施の形態1と異なる。
次に、実施の形態3に係る電動機の制御装置30について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る制御装置30の基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、脈動抽出部37及び脈動制御部38の構成が実施の形態1と異なる。
次に、実施の形態4に係る電動機の制御装置30について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る制御装置30の基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、脈動制御部38の構成が実施の形態1と異なる。
上述した各実施の形態においては、重畳部39は、q軸の電圧指令の基本値Vq0に対してのみ電圧指令補正値Vcを重畳したが、d軸の電圧指令の基本値Vd0に対しても補正値を重畳してもよい。通常は、q軸の電圧指令は、トルクに対する寄与度が高いので、q軸の電圧指令のみに重畳する方が簡素でよいが、リラクタンストルクが大きな電動機などに対しては、全トルクに対するリラクタンストルクの割合分だけ、電圧指令補正値Vcをd軸の補正値に振り分けて、d軸の電圧指令の基本値Vd0に重畳してもよい。その場合も、トルク脈動を低減することができ、各実施の形態と同様な効果が得られる。
Claims (9)
- 電圧指令の基本値を算出する基本電圧指令算出部と、
電動機の巻線に流れる電流を検出する電流検出部と、
前記巻線に印加される印加電圧、及び前記電流の検出値に基づいて、前記巻線に鎖交する鎖交磁束を推定する磁束推定部と、
前記電流の検出値及び前記鎖交磁束の推定値に基づいて、前記電動機の出力トルクを推定するトルク推定部と、
前記出力トルクの推定値から脈動成分を抽出する脈動抽出部と、
前記脈動成分の抽出値に基づいて、電圧指令補正値を算出する脈動制御部と、
前記電圧指令の基本値に前記電圧指令補正値を重畳して、重畳後の電圧指令を算出する重畳部と、
前記重畳後の電圧指令に基づいて、前記巻線に電圧を印加する電圧印加部と、
を備え、
前記脈動抽出部は、前記電動機の回転角度に基づいて、前記出力トルクの推定値を予め設定された回転次数の脈動周波数でフーリエ変換して、余弦波及び正弦波のフーリエ係数を算出し、前記余弦波及び正弦波のフーリエ係数を前記脈動成分の抽出値として算出し、
前記余弦波のフーリエ係数に、前記回転次数の脈動周波数の余弦波を乗算して余弦波乗算値を算出し、前記正弦波のフーリエ係数に、前記回転次数の脈動周波数の正弦波を乗算して正弦波乗算値を算出し、前記余弦波乗算値及び前記正弦波乗算値の合計値に制御ゲインを乗算した値を、前記電圧指令補正値として算出する電動機の制御装置。 - 電圧指令の基本値を算出する基本電圧指令算出部と、
電動機の巻線に流れる電流を検出する電流検出部と、
前記巻線に印加される印加電圧、及び前記電流の検出値に基づいて、前記巻線に鎖交する鎖交磁束を推定する磁束推定部と、
前記電流の検出値及び前記鎖交磁束の推定値に基づいて、前記電動機の出力トルクを推定するトルク推定部と、
前記出力トルクの推定値から脈動成分を抽出する脈動抽出部と、
前記脈動成分の抽出値に基づいて、電圧指令補正値を算出する脈動制御部と、
前記電圧指令の基本値に前記電圧指令補正値を重畳して、重畳後の電圧指令を算出する重畳部と、
前記重畳後の電圧指令に基づいて、前記巻線に電圧を印加する電圧印加部と、
を備え、
前記脈動制御部は、前記電動機の回転角度に基づいて、前記出力トルクの推定値を予め設定された回転次数の脈動周波数でフーリエ変換して、余弦波及び正弦波のフーリエ係数を算出し、前記余弦波及び正弦波のフーリエ係数を前記脈動成分の抽出値として算出し、
前記余弦波のフーリエ係数に基づく制御演算を行って余弦波の制御値を算出し、前記余弦波の制御値に前記回転次数の脈動周波数の余弦波を乗算して余弦波乗算値を算出し、前記正弦波のフーリエ係数に基づく制御演算を行って正弦波の制御値を算出し、前記正弦波の制御値に、前記回転次数の脈動周波数の正弦波を乗算して正弦波乗算値を算出し、前記余弦波乗算値及び前記正弦波乗算値を合計した値を、前記電圧指令補正値として算出する電動機の制御装置。 - 前記脈動制御部は、前記電動機の回転角度に基づいて、演算遅れによる位相遅れを算出し、前記位相遅れを補償した前記回転次数の脈動周波数の余弦波及び前記回転次数の脈動周波数の正弦波を算出する請求項1又は2に記載の電動機の制御装置。
- 前記トルク推定部は、前記鎖交磁束の推定値と前記電流の検出値との乗算値に基づいて、前記出力トルクの推定値を算出する請求項1から3のいずれか一項に記載の電動機の制御装置。
- 電圧指令の基本値を算出する基本電圧指令算出部と、
電動機の巻線に流れる電流を検出する電流検出部と、
前記巻線に印加される印加電圧、及び前記電流の検出値に基づいて、前記巻線に鎖交する鎖交磁束を推定する磁束推定部と、
前記電流の検出値及び前記鎖交磁束の推定値に基づいて、前記電動機の出力トルクを推定するトルク推定部と、
前記出力トルクの推定値から脈動成分を抽出する脈動抽出部と、
前記脈動成分の抽出値に基づいて、電圧指令補正値を算出する脈動制御部と、
前記電圧指令の基本値に前記電圧指令補正値を重畳して、重畳後の電圧指令を算出する重畳部と、
前記重畳後の電圧指令に基づいて、前記巻線に電圧を印加する電圧印加部と、
を備え、
前記トルク推定部は、前記電流の検出値と、前記鎖交磁束の推定値を回転角度で微分した微分値との乗算値に基づいて、前記出力トルクの推定値を算出する電動機の制御装置。 - 前記脈動抽出部は、前記出力トルクの推定値から、予め設定された回転次数の脈動周波数の成分を抽出する請求項5に記載の電動機の制御装置。
- 前記脈動抽出部は、前記出力トルクの推定値に対して、予め設定された回転次数の脈動周波数の成分を通過させ、前記回転次数の脈動周波数以外の成分を減衰させるバンドパスフィルタ処理を行った値を、前記脈動成分の抽出値として算出し、
前記脈動制御部は、前記脈動成分の抽出値に制御ゲインを乗算して、前記電圧指令補正値を算出する請求項5又は6に記載の電動機の制御装置。 - 前記磁束推定部は、前記印加電圧の積分値及び前記電流の検出値の積分値に基づいて、前記鎖交磁束の推定値を算出する請求項1から7のいずれか一項に記載の電動機の制御装置。
- 前記基本電圧指令算出部は、前記電圧指令の基本値として、d軸の電圧指令の基本値と、q軸の電圧指令の基本値を算出し、
前記重畳部は、前記q軸の電圧指令の基本値に電圧指令補正値を重畳して、重畳後のq軸の電圧指令を算出し、前記d軸の電圧指令の基本値をそのまま重畳後のd軸の電圧指令に設定する請求項1から8のいずれか一項に記載の電動機の制御装置。
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