JP6685452B1 - 回転電機の制御装置 - Google Patents
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Abstract
Description
回転子に突極性を有する回転電機を、インバータを介して制御する回転電機の制御装置であって、
前記回転電機の固定子に設けられた巻線に流れる電流を検出する電流検出部と、
前記電流の検出値に基づいて、回転子の回転角度を推定する角度推定部と、
前記電流の検出値に基づいて、前記回転電機を駆動するための駆動電圧指令を演算する電流制御部と、
推定用電圧指令を生成する推定用指令生成部と、
前記推定用電圧指令を前記駆動電圧指令に加算して電圧指令を算出する電圧指令算出部と、
搬送波を生成する搬送波生成部と、
前記電圧指令と前記搬送波との比較結果に基づいて、インバータが有するスイッチング素子をオンオフして前記巻線に電圧を印加させる電圧印加部と、を備え、
前記推定用指令生成部は、前記巻線に固定された静止座標系上で、予め設定された周期の前記推定用電圧指令を生成し、
前記搬送波生成部は、前記推定用電圧指令の周期と同じ周期の前記搬送波を生成し、
前記角度推定部は、前記電流の検出値から、前記推定用電圧指令の周期の周波数成分を抽出し、前記周波数成分に基づいて、前記回転角度を推定し、
前記巻線は、三相の巻線であり、
前記搬送波生成部は、三相の各相に対応する3つの前記搬送波を生成し、3つの前記搬送波は、相間で、前記搬送波の周期の1/3周期の位相差が設けられ、
前記推定用指令生成部は、三相の各相に対応する3つの前記推定用電圧指令を生成し、3つの前記推定用電圧指令は、相間で、前記推定用電圧指令の周期の1/3周期の位相差が設けられているものである。
実施の形態1に係る回転電機の制御装置10(以下、単に制御装置10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回転電機1、インバータ2、及び制御装置10の概略構成図である。
回転電機1は、U相、V相、W相の三相の巻線Cu、Cv、Cwを設けた固定子と、永久磁石を設けた回転子と、を有する永久磁石同期回転電機とされている。三相巻線Cu、Cv、Cwは、スター結線とされている。なお、三相巻線は、デルタ結線とされてもよい。回転子は、突極性を有しており、d軸インダクタンスとq軸インダクタンスとが異なる。例えば、永久磁石が、回転子の内部に埋め込まれた埋込磁石同期回転電機とされる。
インバータ2は、複数のスイッチング素子を有し、直流電源25と三相巻線との間で直流交流変換を行う。インバータ2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22a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22bとが直列接続された直列回路を、三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2は、3つの正極側のスイッチング素子22aと、3つの負極側のスイッチング素子22b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22aと負極側のスイッチング素子22b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10は、インバータ2を介して回転電機1を制御する。図2に示すように、制御装置10は、後述する電流検出部31、角度推定部32、電圧検出部33、電流制御部34、推定用指令生成部35、電圧指令算出部36、搬送波生成部37、及び電圧印加部38等を備えている。制御装置10の各機能は、制御装置10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10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。
電圧検出部33は、直流電源25の電源電圧VDCを検出する。本実施の形態では、電圧検出部33は、電圧センサ3の出力信号に基づいて、電源電圧VDCを検出する。
電流制御部34は、電流の検出値に基づいて、回転電機1を駆動するための駆動電圧指令を演算する。電流制御部34は、電流指令算出部34a、電流座標変換部34b、及びフィードバック制御部34c、及び電圧座標変換部34dを備えている。
推定用指令生成部35は、巻線に固定された静止座標系上で、予め設定された周期Thの推定用電圧指令を生成する。推定用電圧指令の周期Thの周波数fhは、三相の駆動電圧指令(基本波)の周波数よりも高い。
本実施の形態では、推定用電圧指令の周期Thの周波数fhは、18000Hz以上に設定されている。なお、周波数fhは、推定用電圧指令の周期Thの逆数である(fh=1/Th)。これにより、推定用電圧指令の周波数fhを、人間の可聴域以上(18000Hz)に設定することができ、推定用電圧指令を電圧指令に重畳することにより発生する騒音を低下させることができる。
本実施の形態では、図4に示すように、推定用指令生成部35は、三相の各相に対応する3つの推定用電圧指令Vuh、Vvh、Vwhを生成する。三相の推定用電圧指令Vuh、Vvh、Vwhは、相間で、推定用電圧指令の周期の1/3周期の位相差が設けられている。すなわち、推定用電圧指令の1周期Thを360°とすると、V相の推定用電圧指令Vvhは、U相の推定用電圧指令Vuhに対して120°の位相遅れを有し、W相の推定用電圧指令Vwhは、V相の推定用電圧指令Vvhに対して120°の位相遅れを有し、U相の推定用電圧指令Vuhは、W相の推定用電圧指令Vwhに対して120°の位相遅れを有している。なお、三相の推定用電圧指令Vuh、Vvh、Vwhは、互いに位相差を有する同じ波形とされている。
推定用電圧指令は、余弦波(又は正弦波)とされてもよいが、高い周波数の余弦波を生成するためには、処理負荷が増加する。そこで、処理負荷を低減しつつ、相間で120°の位相差を有し、所定の周波数fhの成分を有する推定用電圧指令を生成することが望ましい。
Vuh+Vvh+Vwh=0 ・・・(1)
ここで、推定用電圧指令に含まれる推定用電圧指令の周波数fhの成分が振幅Bの余弦波であると仮定した場合、推定用電圧指令Vh(t)と、巻線に流れる交流電流に含まれる推定用電圧指令の周波数fhの成分Ihと、電流の周波数成分Ihの振幅Aと、の間には次式の関係がある。
Ih(t)=A×sin(ωh×t)
Vh(t)=B×cos(ωh×t)
=L×dIh(t)/dt ・・・(2)
A=B/(L×ωh)
また、電流に含まれる推定用電圧指令の周波数成分Ihの振幅Aが大きいほど、電流の検出値に重畳するノイズへの耐性が高くなる。式(2)の第3式から、周波数成分Ihの振幅Aを大きくするためには、インダクタンスLを小さくするか、推定用電圧指令の角周波数ωhを小さくするか、推定用電圧指令の振幅Bを大きくすればよい。インダクタンスLは、回転電機の設計に関わるため調整するのは容易ではない。また、推定用電圧指令の角周波数ωhは、小さくすると騒音が大きくなり、あまり望ましくない。一方、推定用電圧指令の振幅Bを大きくし過ぎると、推定用電圧指令を重畳した後の電圧指令が、電源電圧VDCの制限(+VDC/2〜−VDC/2)を超えてしまうので、推定用電圧指令の振幅Bの増加量には、上限がある。
電圧指令算出部36は、推定用電圧指令を駆動電圧指令に加算して電圧指令を算出する。本実施の形態では、電圧指令算出部36は、次式に示すように、三相の推定用電圧指令Vuh、Vvh、Vwhを、それぞれ、三相の駆動電圧指令Vu_ref、Vv_ref、Vw_refに加算して、三相の電圧指令Vu*、Vv*、Vw*を算出する。
Vu*=Vu_ref+Vuh
Vv*=Vv_ref+Vvh ・・・(3)
Vw*=Vw_ref+Vwh
搬送波生成部37は、推定用電圧指令の周期Thと同じ周期Thの搬送波を生成する。搬送波は、0を中心に電源電圧VDC/2の振幅で振動する。
本実施の形態では、図5に示すように、搬送波生成部37は、三相の各相に対応する3つの搬送波Cau、Cav、Cawを生成する。三相の搬送波Cau、Cav、Cawは、相間で、搬送波の周期Thの1/3周期の位相差が設けられている。すなわち、搬送波の1周期Thを360°とすると、V相の搬送波Cavは、U相の搬送波Cauに対して120°の位相遅れを有し、W相の搬送波Cawは、V相の搬送波Cavに対して120°の位相遅れを有し、U相の搬送波Cauは、W相の搬送波Cawに対して120°の位相遅れを有している。なお、三相の搬送波Cau、Cav、Cawは、互いに位相差を有する同じ波形とされている。
図5に示すように、搬送波生成部37は、山の頂点から開始して谷の頂点で終わる1.5周期の三角波を、1周期Thの搬送波として生成する。なお、搬送波生成部37は、谷の頂点から開始して山の頂点で終わる1.5周期の三角波を、1周期Thの搬送波として生成してもよい。
電圧印加部38は、電圧指令と搬送波との比較結果に基づいて、巻線に電圧を印加させる。電圧印加部38は、インバータ2が有する複数のスイッチング素子をオンオフすることにより、巻線に電圧を印加させる。
ここで、三相の推定用電圧指令Vuh、Vvh、Vwhと三相の搬送波Cau、Cav、Cawとの関係性について説明する。前述したとおり、特許文献2で使用されている位置推定用電圧は、搬送波の周期に対して3倍の周期を有していた(特許文献2の図6)。それゆえ、位置推定用電圧の1周期につきスイッチングは6回行われていた。推定用電圧指令を高周波数化するにあたり、推定用電圧指令の1周期Th中のスイッチング回数が少ない方が、スイッチング損失等の観点から好適であるのは前述したとおりである。そこで、推定用電圧指令の1周期Thあたりのスイッチング回数が少なくなるよう、三相の推定用電圧指令Vuh、Vvh、Vwhを図4の通りに設定した。
角度推定部32は、電流の検出値に基づいて、回転子の電気角での回転角度θ(磁極位置θ)を推定する。角度推定部32は、電流の検出値から、推定用電圧指令の周期Thの周波数成分Ihを抽出し、周波数成分Ihに基づいて、回転角度θ(磁極位置θ)を推定する。
図7を用いて、本実施の形態に係る電流検出について説明する。なお、図7の例は、図6の例と比べて、三相の搬送波Cau、Cav、Cawが、三相の推定用電圧指令Vuh、Vvh、Vwhに対して1/3周期ずれている。
本実施の形態では、角度推定部32は、推定用電圧指令の1周期Th内に検出された少なくとも2回(本例では、2回)の電流検出値に基づいて、電流に含まれる推定用電圧指令の周波数成分Ihの振幅Aを算出し、振幅Aに基づいて、回転角度θ(磁極位置θ)を推定する。
次に、実施の形態2に係る回転電機の制御装置10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10の基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、推定用指令生成部35の構成が実施の形態1と異なる。
次に、実施の形態3に係る回転電機の制御装置10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10の基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、搬送波生成部37の構成が実施の形態1と異なる。
Claims (6)
- 回転子に突極性を有する回転電機を、インバータを介して制御する回転電機の制御装置であって、
前記回転電機の固定子に設けられた巻線に流れる電流を検出する電流検出部と、
前記電流の検出値に基づいて、回転子の回転角度を推定する角度推定部と、
前記電流の検出値に基づいて、前記回転電機を駆動するための駆動電圧指令を演算する電流制御部と、
推定用電圧指令を生成する推定用指令生成部と、
前記推定用電圧指令を前記駆動電圧指令に加算して電圧指令を算出する電圧指令算出部と、
搬送波を生成する搬送波生成部と、
前記電圧指令と前記搬送波との比較結果に基づいて、前記インバータが有するスイッチング素子をオンオフして前記巻線に電圧を印加させる電圧印加部と、を備え、
前記推定用指令生成部は、前記巻線に固定された静止座標系上で、予め設定された周期の前記推定用電圧指令を生成し、
前記搬送波生成部は、前記推定用電圧指令の周期と同じ周期の前記搬送波を生成し、
前記角度推定部は、前記電流の検出値から、前記推定用電圧指令の周期の周波数成分を抽出し、前記周波数成分に基づいて、前記回転角度を推定し、
前記巻線は、三相の巻線であり、
前記搬送波生成部は、三相の各相に対応する3つの前記搬送波を生成し、3つの前記搬送波は、相間で、前記搬送波の周期の1/3周期の位相差が設けられ、
前記推定用指令生成部は、三相の各相に対応する3つの前記推定用電圧指令を生成し、3つの前記推定用電圧指令は、相間で、前記推定用電圧指令の周期の1/3周期の位相差が設けられている回転電機の制御装置。 - 回転子に突極性を有する回転電機を、インバータを介して制御する回転電機の制御装置であって、
前記回転電機の固定子に設けられた巻線に流れる電流を検出する電流検出部と、
前記電流の検出値に基づいて、回転子の回転角度を推定する角度推定部と、
前記電流の検出値に基づいて、前記回転電機を駆動するための駆動電圧指令を演算する電流制御部と、
推定用電圧指令を生成する推定用指令生成部と、
前記推定用電圧指令を前記駆動電圧指令に加算して電圧指令を算出する電圧指令算出部と、
搬送波を生成する搬送波生成部と、
前記電圧指令と前記搬送波との比較結果に基づいて、前記インバータが有するスイッチング素子をオンオフして前記巻線に電圧を印加させる電圧印加部と、を備え、
前記推定用指令生成部は、前記巻線に固定された静止座標系上で、予め設定された周期の前記推定用電圧指令を生成し、
前記搬送波生成部は、前記推定用電圧指令の周期と同じ周期の前記搬送波を生成し、
前記角度推定部は、前記電流の検出値から、前記推定用電圧指令の周期の周波数成分を抽出し、前記周波数成分に基づいて、前記回転角度を推定し、
前記搬送波生成部は、山の頂点から開始して谷の頂点で終わる、又は谷の頂点から開始して山の頂点で終わる1.5周期の三角波を、1周期の前記搬送波として生成する回転電機の制御装置。 - 回転子に突極性を有する回転電機を、インバータを介して制御する回転電機の制御装置であって、
前記回転電機の固定子に設けられた巻線に流れる電流を検出する電流検出部と、
前記電流の検出値に基づいて、回転子の回転角度を推定する角度推定部と、
前記電流の検出値に基づいて、前記回転電機を駆動するための駆動電圧指令を演算する電流制御部と、
推定用電圧指令を生成する推定用指令生成部と、
前記推定用電圧指令を前記駆動電圧指令に加算して電圧指令を算出する電圧指令算出部と、
搬送波を生成する搬送波生成部と、
前記電圧指令と前記搬送波との比較結果に基づいて、前記インバータが有するスイッチング素子をオンオフして前記巻線に電圧を印加させる電圧印加部と、を備え、
前記推定用指令生成部は、前記巻線に固定された静止座標系上で、予め設定された周期の前記推定用電圧指令を生成し、
前記搬送波生成部は、前記推定用電圧指令の周期と同じ周期の前記搬送波を生成し、
前記角度推定部は、前記電流の検出値から、前記推定用電圧指令の周期の周波数成分を抽出し、前記周波数成分に基づいて、前記回転角度を推定し、
前記巻線は、三相の巻線であり、
前記推定用指令生成部は、三相の各相に対応する3つの前記推定用電圧指令を生成し、3つの前記推定用電圧指令は、相間で、前記推定用電圧指令の周期の1/3周期の位相差が設けられ、
各相の前記推定用電圧指令は、前記推定用電圧指令の1周期を3つに均等分割した3つの分割期間において、少なくとも2つの分割期間の値が互いに異なる回転電機の制御装置。 - 前記電流検出部は、前記搬送波の1周期中に、少なくとも2回電流を検出する請求項1から3のいずれか1項に記載の回転電機の制御装置。
- 前記インバータの正極側のスイッチング素子及び負極側のスイッチング素子の直列回路上に電流センサが設けられ、
前記電流検出部は、前記正極側のスイッチング素子又は前記負極側のスイッチング素子がオンにされたときに、前記電流センサの出力信号に基づいて、前記電流を検出する請求項1から4のいずれか1項に記載の回転電機の制御装置。 - 前記推定用電圧指令の周期の周波数は、18000Hz以上である請求項1から5のいずれか1項に記載の回転電機の制御装置。
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