JP6693294B2 - 3相回転機の制御装置 - Google Patents
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Description
従来、相電流1次成分の基本波に高調波電流を重畳させることにより相電流ピーク値を低減し、電流ピーク値に起因する発熱を低減する技術が知られている。
このように、マグネットトルク及びリラクタンストルクが合算されたトルクを発生する3相回転機に特許文献1の技術を適用した場合、リラクタンストルクのトルクリップルを相殺することができないという問題がある。
この制御装置は、二つの電力変換器(601、602)及び制御部(65)を備える。
二つの電力変換器は、二組の巻線組に対応して設けられ、振幅が互いに同一であり、nを整数とすると、互いの位相差が(30±60×n)[deg]である交流電流を二組の巻線組に出力する。
ここで、制御部は、6(2k+1)次成分のq軸電流の振幅が6(2k+1)次成分のd軸電流の振幅よりも大きくなるように電流を演算する。
なお、6(2k+1)次成分には、6次、18次、30次等の成分が該当する。
このトルクリップルを低減するためには、6(2k+1)次成分のq軸電流の振幅とd軸電流の振幅の積を小さくすればよい。ただし、d軸電流の振幅を大きく、q軸電流の振幅を小さく設定した場合には、相電流ピークの低減効果は小さい。
[電動パワーステアリング装置の構成]
図1に、電動パワーステアリング装置90を含むステアリングシステム100の全体構成を示す。なお、図1に示す電動パワーステアリング装置90はコラムアシスト式であるが、ラックアシスト式の電動パワーステアリング装置にも同様に適用可能である。
ハンドル91にはステアリングシャフト92が接続されている。ステアリングシャフト92の先端に設けられたピニオンギア96は、ラック軸97に噛み合っている。ラック軸97の両端には、タイロッド等を介して一対の車輪98が設けられる。運転者がハンドル91を回転させると、ハンドル91に接続されたステアリングシャフト92が回転する。ステアリングシャフト92の回転運動は、ピニオンギア96によりラック軸97の直線運動に変換され、ラック軸97の変位量に応じた角度に一対の車輪98が操舵される。
操舵トルクセンサ93は、ステアリングシャフト92の途中に設けられ、運転者の操舵トルクTsを検出する。ECU10は、操舵トルクTsに基づいて、モータ80が所望のアシストトルクを発生するようにモータ80の駆動を制御する。モータ80が出力したアシストトルクは、減速ギア94を介してステアリングシャフト92に伝達される。
図2に、制御装置の全体構成を示す。「3相回転機」としてのモータ80は、二組の3相巻線組801、802を有する3相ブラシレスモータである。第2巻線組802の各相コイル821、822、823は、第1巻線組801の各相コイル811、812、813に対し、電気角30degの位置関係に配置されている。巻線組801、802の構成は、例えば特許文献1(特許第5672278号公報)の図3に参照される。
回転角センサ85は、モータ80の電気角θを検出し、制御部65に出力する。
「第1電力変換器」としての第1インバータ601、及び、「第2電力変換器」としての第2インバータ602は、二組の巻線組801、802に対応して設けられ、振幅が互いに同一であり、nを整数とすると、互いの位相差が(30±60×n)degである交流電流を二組の巻線組801、802に出力する。
以下、巻線組と当該巻線組に対応するインバータとを含む単位を「系統」という。構成要素符号の3桁目の数字「1」、「2」、及び、電流、電圧等の物理量を表す記号の末尾数字「1」、「2」は、第1系統又は第2系統の構成要素及び物理量であることを示す。二系統の物理量を包括して表す場合、末尾数字「1」、「2」を付さないで記す。
インバータ601、602の入力部には、各系統の電源リレー521、522及び平滑コンデンサ53が設けられている。また、分圧Vr1、Vr2を検出することにより入力電圧を検出可能である。
制御部65は、マイコン67、駆動回路(又はプリドライバ)68等で構成され、操舵トルクセンサ93が検出した操舵トルクTs、並びに、相電流Iu1、Iv1、Iw1、Iu2、Iv2、Iw2、及び電気角θのフィードバック情報等に基づいてモータ80の通電を制御する。
各実施形態において、実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
第1実施形態について、図3〜図12を参照して説明する。
図3に示すように、制御部651は、電流指令値加減算部41、ピーク低減電流指令値演算部20、加減算部28、電流フィードバック演算部40等を含む。
なお、電流指令値加減算部41を設けず、「Id和*=2×Id*、Iq和*=2×Iq*、Id差*=0、Iq差*=0」に設定する構成としてもよい。
ピーク低減電流指令値演算部20の詳細構成については後述する。
ピーク低減電流指令値演算部20で系統毎に演算された6次dq軸電流Id16 *、Id26 *、Iq16 *、Iq26 *は、加減算部28にてd軸、q軸毎に加減算される。電流位相が30degずれた二系統の6次成分の和は相殺するから、Id和6 *、Iq和6 *は0となる。
正の値である6次q軸電流Iq16 *、Iq26 *の振幅は、6次d軸電流Id16 *、Id26 *の振幅、すなわち0よりも当然に大きい。また、二系統の6次d軸電流の差であるId差6 *は0であるため、二系統の6次q軸電流の差であるIq差6 *のみが加減算部28から出力される。
なお、加減算部28を設けず、ピーク低減電流指令値演算部20の内部で、Iq差6 *を直接算出する構成としてもよい。
こうして、電流指令値加減算部41が算出したId和*、Iq和*、Id差*は、そのまま電流フィードバック演算部40に出力される。また、Iq差*には、Iq差6 *が加算されて電流フィードバック演算部40に出力される。
差制御器422には、Id差*(=0)、及び「Iq差*(=0)にIq差6 *が加算された値」と、フィードバック電流加減算部46で算出されたId差、Iq差との偏差が入力される。差制御器422は、これらの偏差を0に収束させるように、比例積分制御演算によって二系統の電圧指令値の差であるVd差、Vq差を演算する。
2相3相変換部341、342は、dq軸電圧指令値Vd1、Vq1、Vd2、Vq2を3相電圧指令値Vu1、Vv1、Vw1、Vu2、Vv2、Vw2に座標変換する。
その後、3相電圧指令値Vu1、Vv1、Vw1、Vu2、Vv2、Vw2に基づき、PWM制御等によって、インバータ601,602の駆動信号が生成される。
フィードバック電流加減算部46は、3相2相変換部351、352から入力された電流検出値Id1、Iq1、Id2、Iq2を加減算し、Id和、Iq和、Id差、Iq差を算出する。
図4に示すように、ピーク低減電流指令値演算部20は、d軸電流指令値制限部21、電流振幅算出部22、電流振幅制限部23、電流振幅ゲイン設定部24、電流位相算出部25、位相補償量算出部26、及び、最終電流指令値算出部27を備える。ピーク低減電流指令値演算部20は、dq軸電流指令値Id*、Iq*に基づき、ピーク低減電流指令値として、6次dq軸電流Id16 *、Id26 *、Iq16 *、Iq26 *を演算する。ここで、第1実施形態では、6次d軸電流Id16 *、Id26 *の振幅は0である。
ピーク低減電流指令値演算部20には、dq軸電流指令値Id*、Iq*の他に、回転角センサ85で検出された電気角θ、及び、電気角θを時間微分して得られた電気角速度ωが入力される。電気角速度ωは、比例定数を乗じることによりモータ回転数[rpm]に換算される。以下の明細書及び図面では「電気角速度ωを換算した回転数」を省略して、適宜「回転数ω」と記す。また、回転数ωの正負は、電気角θの正負、すなわちモータ80の回転方向が反映される。
以下、各ブロックにおける演算について説明する。各ブロックの演算は、マップの参照により実行してもよく、数式の演算により実行してもよい。
ここで、特許文献1の図7に示す通り、電流位相θiは、dq軸座標においてId*、Iq*をそれぞれd軸、q軸成分とする電流ベクトルの+q軸を基準とした角度に相当する。電流位相θiは、+q軸から反時計回り方向を正と定義する。
電流振幅制限部23は、電流振幅基準値Ip0の値を制限し、電流振幅制限値IpLIMとして出力する。具体的には、図6に示すように、電流振幅基準値Ip0の絶対値がIp_neg以上Ip_grd以下のとき、電流振幅基準値Ip0をそのまま維持する。一方、電流振幅基準値Ip0の絶対値がIp_neg未満のとき、電流振幅制限値IpLIMを0とする。また、電流振幅基準値Ip0の絶対値がIp_grdを超えたとき、電流振幅制限値IpLIMをガード値±Ip_grdに制限する。
図7(a)、(b)に示すように、回転数ωの絶対値がωpより大きいとき、電流振幅ゲインKpは「0」に設定される。すなわち、回転数ωの絶対値がωpより大きい高回転数領域では、ピーク低減電流指令値を0とし、相電流1次成分のピークを低減するための通電を実施しない。したがって、電流振幅ゲイン設定部24の回転数閾値ωpと、d軸電流指令値制限部21の回転数閾値ωd0との関係を「ωd0≧ωp」にすると、すべての回転数領域で、電流位相θiの演算を省略することができる。
この構成では、発熱に対するピーク値の影響が大きい零速度時及び低回転時には高調波成分を重畳させ、発熱に対する実効値の影響が大きい中、高回転時には高調波成分を重畳させないようにする。これにより、ニーズに応じた効果的な制御が可能となる。
なお、加減算部28を設けない構成では、最終電流指令値算出部27は、二系統の6次dq軸電流の差であるId差6 *、Iq差6 *を算出する。
マグネットトルク及びリラクタンストルクが合算されたトルクを発生するモータのトルクTmは、式(1)で表される。ここで、Ktはマグネットトルク定数、Ld、Lqは、d軸インダクタンス及びq軸インダクタンスを表す。
Tm=Kt×Iq+(Ld−Lq)×Id×Iq ・・・(1)
一般に埋込磁石型回転機では「Ld≠Lq」であるため、式(1)右辺の第2項によるリラクタンストルクが発生する。
Id0=Id10=Id20 ・・・(3.1)
Iq0=Iq10=Iq20 ・・・(3.2)
Id6=Id16=Id26 ・・・(3.3)
Iq6=Iq16=Iq26 ・・・(3.4)
以下、基本波振幅に対する6次q軸電流Id6及び6次q軸電流Iq6の振幅比率を、それぞれ、6次d軸電流振幅比率R(Id6)及び6次q軸電流振幅比率R(Iq6)と表す。図9には、6次q軸電流振幅比率R(Iq6)を0〜10%の間で変化させたときの相電流ピーク低減率の変化を示す。図9において相電流ピーク低減率が最大付近となる6次q軸電流振幅比率R(Iq6)が4%、4.4%、5%のときの相電流波形を、それぞれ図10、図11、図12に示す。
そのため、特許文献1の技術は、表面磁石型回転機には有効であるが、埋込磁石型回転機に代表される、マグネットトルク及びリラクタンストルクが合算されたトルクを発生する回転機に適用した場合、相殺されないトルクリップルが発生する。
したがって、トルクリップルの低減効果と相電流ピーク低減効果とを両立する本発明の各実施形態の効果が有効に発揮される。さらに第1実施形態では、12次トルクリップルを0にすることができるため、騒音や振動の低減をより優先するシステムに適している。
第2実施形態について、図13、図14を参照して説明する。
第2実施形態の制御部652は、ピーク低減電流指令値演算部20が演算する6次d軸電流Id16 *、Id26 *の振幅を非ゼロの値とする。また、6次q軸電流Iq16 *、Iq26 *の振幅が6次d軸電流Id16 *、Id26 *の振幅よりも大きくなるようにする。
加減算部28で算出されたId差6 *、Iq差6 *は、それぞれ、電流指令値加減算部41が算出したId差*、Iq差*、つまり「0」に加算される。そして、加算された電流値が電流フィードバック演算部40に出力される。
図14の例では、6次q軸電流振幅比率R(Iq6)の最大値を4.6%に設定する。図中のA点、B点、C点の6次d軸電流振幅比率R(Id6)及び6次q軸電流振幅比率R(Iq6)は、以下の通りである。
[A点]:R(Id6)=0%、R(Iq6)=0%
[B点]:R(Id6)=0%、R(Iq6)=4.6%
[C点]:R(Id6)=4.6%、R(Iq6)=4.6%
ここで、相電流5次成分の振幅比率R(I5)、及び7次成分の振幅比率R(I7)は、式(6.1)、(6.2)により表される。
R(I5)=(R(Id6)+R(Iq6))/2×√(2/3)・・・(6.1)
R(I7)=(R(Id6)−R(Iq6))/2×√(2/3)・・・(6.2)
したがって、「R(Id6)=R(Iq6)」のとき、7次成分の振幅比率R(I7)は0となる。つまり、比較例は、相電流5次成分のみを基本波に重畳する特許文献1の従来技術に相当するものである。
第2実施形態では、6次d軸電流振幅比率R(Id6)は0でなく、且つ、6次q軸電流振幅比率R(Iq6)は6次d軸電流振幅比率R(Id6)よりも大きいことを要件としているため、B点及びC点を含まない。つまり、B点の直後からC点の直前までの範囲が第2実施形態で規定される範囲となる。そのため、B点の白丸輪郭を破線で示す。
それに対し、「0≠R(Id6)<R(Iq6)」の関係のみが規定されている第2実施形態では、相電流5次成分及び7次成分の両方が基本波に重畳され、且つ、相電流5次成分及び7次成分の振幅の組み合わせを幅広く選択可能である。
トルクリップル指数=1.5×R(Id6)[%]×R(Iq6)[%]・・・(7)
モータ80の騒音や振動抑制の観点から、トルクリップル指数は小さいほど好ましい。A点とB点との間の6次d軸電流振幅比率R(Id6)が0%の範囲では、トルクリップル指数は0である。
第2実施形態では、B点からC点に向かって、6次d軸電流振幅比率R(Id6)を0%から4.6%まで増加させる。その結果、相電流ピーク低減率を3.4%からさらに増加させることができる反面、トルクリップルも増加することとなる。
第3実施形態について、図15を参照して説明する。
第3実施形態の制御部653は、6次dq軸電流の振幅の積に基づいて発生する12次成分のリラクタンストルクのトルクリップル補償量を算出するトルクリップル補償量算出部29をさらに備える。二系統の電流指令値の和と差に対してフィードバック制御する図15の構成では、6次dq軸電流の差であるId差6 *、Iq差6 *がトルクリップル補償量算出部29に取得される。トルクリップル補償量算出部29により算出された補償量は、二系統のq軸電流指令値の和であるIq和*に加算される。
また、現実的な狙いとしては、一系統あたりの6次d軸電流と6次q軸電流との積が、0次成分のq軸電流の10分の1以下となるようにすることが好ましい。
なお、第1実施形態のように「Id差6 *=0」の場合でも、トルクリップル補償量算出部29は、共通の演算ロジックを用いて、補償量を0とするように演算すればよい。
第4実施形態について、図16を参照して説明する。
第4実施形態の制御部654は、第1実施形態の制御部651の構成に加えて、3相電圧指令値Vu1、Vv1、Vw1、Vu2、Vv2、Vw2に対するデッドタイム補償の構成をさらに備える。デッドタイム補償は、特許第5333422号公報(特開2012−125022号公報)に開示された技術であり、デッドタイムの影響を打ち消すように電圧指令値を補償することにより、電圧利用率の向上や線間電圧の歪み低減を実現するものである。
この構成では、電流指令値加減算部41及び加減算部28の出力に基づく、Id和*、Iq和*、Id差6 *(=0)、及び「Iq差*(=0)にIq差6 *が加算された値」の4つの値は、和制御器421及び差制御器422に加え、系統電圧算出部47にも出力される。
系統電圧算出部47は、入力された4つの値を、第1系統及び第2系統のdq軸重畳電流指令値Id_sup1、Iq_sup1、Id_sup2、Iq_sup2に変換し、電流2相3相変換部381、382に出力する。
Id_sup1=Id1*+Id16 *=Id1*・・・(8.1)
Iq_sup1=Iq1*+Iq16 * ・・・(8.2)
Id_sup2=Id2*+Id26 *=Id2*・・・(8.3)
Iq_sup2=Iq2*+Iq26 * ・・・(8.4)
なお、図16では、電流2相3相変換部381、382と区別するため、2相3相変換部341、342を、「(電圧)2相3相変換部341、342」と記す。
この構成では、電流センサ701、702にて検出された実電流Iu1、Iv1、Iw1、Iu2、Iv2、Iw2は、3相2相変換部351、352に入力されるとともにデッドタイム補償部391、392にも入力される。
(a)上記実施形態では、マグネットトルク及びリラクタンストルクが合算されたトルクを発生する典型的な3相回転機として埋込磁石型回転機を挙げている。ただし、表面磁石型回転機でも微小なリラクタンストルクを発生する場合があるため、本発明を表面磁石型回転機の制御装置に適用することも可能である。
(d)その他、3相回転機の制御装置の具体的な構成は、上記実施形態の図2、図3等に例示した構成に限らない。例えばインバータのスイッチング素子は、MOSFET以外の電界効果トランジスタやIGBT等であってもよい。
以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。
601、602・・・インバータ(電力変換器)、
65(651、652、653、654)・・・制御部、
80 ・・・モータ(3相回転機)、
801、802・・・巻線組。
Claims (4)
- 二組の3相巻線組(801、802)を有し、当該二組の巻線組に異なる位相の交流電流が通電されたとき、マグネットトルク及びリラクタンストルクが合算されたトルクを発生する3相回転機(80)の駆動を制御する制御装置であって、
前記二組の巻線組に対応して設けられ、振幅が互いに同一であり、nを整数とすると、互いの位相差が(30±60×n)[deg]である交流電流を前記二組の巻線組に出力する二つの電力変換器(601、602)と、
前記二組の巻線組に通電される相電流1次成分のピーク値を低減するように、dq座標上で基本波成分に重畳する6(2k+1)次(kは0以上の整数)成分のd軸電流及びq軸電流を演算し、前記3相回転機の通電を制御する制御部(65)と、
を備え、
前記制御部は、
前記6(2k+1)次成分のq軸電流の振幅が前記6(2k+1)次成分のd軸電流の振幅よりも大きくなるように電流を演算する3相回転機の制御装置。 - 前記制御部は、
前記6(2k+1)次成分のd軸電流の振幅を0にする請求項1に記載の3相回転機の制御装置。 - 前記制御部は、
前記6(2k+1)次成分のd軸電流及びq軸電流の振幅の積に基づいて発生する12(2k+1)次成分のトルクリップルについての補償量を算出するトルクリップル補償量算出部(29)をさらに備え、
前記トルクリップル補償量算出部により算出されたトルクリップル補償量をq軸電流に加算する請求項1または2に記載の3相回転機の制御装置。 - 車両の電動パワーステアリング装置(90)に適用され、前記3相回転機としての操舵アシストモータの駆動を制御する請求項1〜3のいずれか一項に記載の3相回転機の制御装置。
Priority Applications (3)
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