JP6710565B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、複数のモータの回転位相を同期させる制御装置に関する。

従来、複数のインバータを用いて永久磁石同期電動機を駆動する方法としては、例えば特許文献１に開示されている同期電動機の位置センサレス制御装置がある。この従来技術では、多重巻線を持つ同期電動機を制御対象としている。多重巻線においては各巻線の通電位相を揃える必要があり、接続される複数のインバータが通電位相を揃えて制御を行っている。

特許第５５２７０２５号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、完全に個別の永久磁石同期電動機を位置センサレス制御で駆動し、各電動機の回転位相を同期運転することはできない。
そこで、複数のモータを位置センサレス方式で駆動し、且つ各モータの回転位相を同期させて運転できるモータ制御装置を提供する。

実施形態のモータ制御装置によれば、複数のモータの磁極位置をそれぞれ推定する複数の磁極位置推定部と、前記磁極位置に基づいて、前記複数のモータをそれぞれベクトル制御するベクトル制御部と、前記複数の内で基準となる１つのモータの回転位相にその他モータの回転位相を同期させるように、前記その他モータに対応するベクトル制御部が備える速度制御部の入力信号又は出力信号を補正するための位相調整信号を出力する位相同期制御部とを備える。
そして、前記位相同期制御部は、前記磁極位置推定部で検出された各モータの磁極位置の差分値を第１差分値とし、前記磁極位置推定部で検出された各モータの磁極位置推定誤差の差分値を第２差分値とすると、前記第１差分値より前記第２差分値を減じた値を第３差分値とし、予め設定された同期角度指令値より前記第３差分値を減じた値に正弦関数を適用し、更に比例係数を乗じたものを位相調整信号として出力する。

第１実施形態であり、モータ制御装置の構成を示す機能ブロック図 ベクトル制御部の構成を示す機能ブロック図 位置推定部の構成を示す機能ブロック図 位相同期制御部の構成を示す機能ブロック図 ２つのモータを等速回転させる際に位相同期制御を行った場合の、各モータの回転電気角及びその差分値並びにスレーブ側モータ電流の各波形を示す図 第２実施形態であり、位相同期制御部の構成を示す機能ブロック図 第３実施形態であり、位相同期制御部の構成を示す機能ブロック図 ＭＴＰＡ制御を説明する図

（第１実施形態）
以下、第１実施形態について図１から図５を参照して説明する。図１は、モータ制御装置の構成を示す機能ブロック図である。本実施形態では２つのモータの回転位相を制御する構成について説明するが、３つ以上のモータを制御する構成にも適用可能である。本実施形態では、複数のモータの回転位相を制御する際に、基準となる回転位相で駆動されるモータをマスタ側モータとし、それを基準に任意の位相差（完全同期であれば位相差ゼロ）で駆動されるモータをスレーブ側モータと定義する。そして、上述のように、このスレーブ側モータは幾つあっても良い。

速度指令値ω_Ｒｅｆは、モータを駆動する上位のシステム，例えば空調機等のシステムより指令されて制御部１に入力される。制御部１は、マスタ側ベクトル制御部２Ｍ及びスレーブ側ベクトル制御部２Ｓを備えており、マスタ側ベクトル制御部２Ｍには、速度指令値速度指令値ω_Ｒｅｆがω_Ｒｅｆ１としてそのまま入力される。一方、スレーブ側ベクトル制御部２Ｓには、速度指令値速度指令値ω_Ｒｅｆが同期角度指令θ_Ｒｅｆと共に位相同期制御部３に入力されて制御された結果、新たな速度指令値ω_Ｒｅｆ２が生成されて入力される。

それぞれのベクトル制御部２Ｍ，２Ｓでは、それぞれに対応するモータにつき検出された速度・電流に基づいて、それぞれマスタ側インバータ４Ｍ，スレーブ側インバータ４Ｓに対するＰＷＭ信号が生成されて出力される。これらのインバータ４Ｍ，４Ｓは、入力されるＰＷＭ信号によりそれぞれマスタ側モータ５Ｍ，スレーブ側モータ５Ｓに交流電圧を印加して駆動する。モータ５は永久磁石同期モータである。

図２は、ベクトル制御部２の構成を示している。この構成は、マスタ側，スレーブ側で共通である。３相／２相変換部１１は、モータ５について図示しない電流センサやインバータ４に配置される電流検出用抵抗等を介して検出された３相電流を、ベクトル制御に用いるｄ−ｑ軸座標の電流Ｉｄ, Ｉｑに変換する。速度制御部１２は、入力された速度指令ω_{Ｒｅｆ（１、２）}と位置推定部１３より出力される推定速度ω_ｃからｑ軸電流指令Ｉｑ＿_Ｒｅｆを生成し出力する。弱め界磁制御部１４は、インバータ出力電圧Ｖｄ,Ｖｑが直流電圧Ｖ_ＤＣを超えないように、弱め界磁電流であるｄ軸電流指令Ｉｄ＿_Ｒｅｆを生成し出力する。

電流制御部１５は、入力されたｄ軸，ｑ軸の電流指令Ｉｄ＿_Ｒｅｆ,Ｉｑ＿_Ｒｅｆ及び電流Ｉｄ,Ｉｑからｄ，ｑ軸電圧指令Ｖｄ,Ｖｑを生成して出力する。２相／３相変換部１６は、ｄｑ軸電圧指令Ｖｑ,Ｖｄを３相のモータ電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに変換する。変調制御部１７は、３相のモータ電圧Ｖｕ,Ｖｖ,Ｖｗと直流電圧Ｖ_ＤＣから、インバータ４に通電する６素子分のＰＷＭ信号Ｕ±，Ｖ±，Ｗ±を生成する。

位置推定部１３は、ｄ軸，ｑ軸電流Ｉｄ,Ｉｑとｄ軸電圧Ｖｄとから、モータ５の推定速度ω_ｃと推定回転位置θ_ｃ及び位置推定誤差Δθを求める。図３は、位置推定部１３の構成を示す。誘起電圧演算部１８は、電流Ｉｄ,Ｉｑとｄ軸電圧Ｖｄとからｄ軸誘起電圧Ｅｄを演算し、ＰＩ（Product-Integral）演算器１９は、ｄ軸誘起電圧ＥｄをＰＩ演算して減算器２０に入力する。減算器２０は、速度指令値ω_Ｒｅｆより上記のＰＩ演算結果を減算してモータ５の推定速度ω_ｃを求めている。また、推定速度ω_ｃを積分器２１により積分することで推定回転位置θ_ｃを求めている。更に、ｄ軸誘起電圧Ｅｄを、除算器２２により推定速度ω_ｃと電機子鎖交磁束φとの積で除して位置推定誤差Δθを求めている。

次に、位相同期制御部３の構成について図４を参照して説明する。位相同期制御部３には、２つのモータ５Ｍ，５Ｓの回転位相差指令である同期角度指令θ_Ｒｅｆが入力される。減算器２３は、同期角度指令θ_Ｒｅｆより２つのモータ５Ｍ，５Ｓの位相差θ_ｄｅｖ２を減じた偏差ｓｉｎθ_ｄｅｖを制御器２４に入力する。制御器２４は、ここでは比例器を用いており、偏差ｓｉｎθ_ｄｅｖに比例係数Ｃ（ｓ）＝Ｋ_{ｐ＿ＡＰＲ}を乗じて出力する。この制御器２４の出力信号は位相調整信号に相当し、その位相調整信号とマスタ側の速度指令値ω_Ｒｅｆ１とを加算器２５で加算することで、スレーブ側の速度指令値ω_Ｒｅｆ２を求めている。

それぞれの速度指令値ω_Ｒｅｆ１,ω_Ｒｅｆ２は、前述のようにそれぞれのベクトル制御部２Ｍ，２Ｓに入力されて速度制御され、インバータ４Ｍ，４Ｓは、それぞれモータ５Ｍ，５ＳにＰＷＭ信号を印加する。この結果、モータ５Ｍ，５Ｓはそれぞれ速度ω_１，ω_２で回転し、それぞれの回転位置はθ_１，θ_２となる。なお図４では、ベクトル制御部２を、速度制御部１２と、その他の機能ブロックを示すベクトル制御部２’とに分けて示している。

実際の回転位置θ_１，θ_２は直接検出できないため、減算器２６により推定回転位置θ_ｃ１より推定回転位置θ_ｃ２を減算して両者間の回転位相差θ_ｄｅｖ１を求めている。さらに、位置推定部１３で演算した位置推定誤差Δθ_１，Δθ_２の差を減算器２７により演算し、これを減算器２８により回転位相差θ_ｄｅｖ１より減じることで、推定誤差を考慮した回転位相差θ_ｄｅｖ２を求めて減算器２３にフィードバックする。

次に本実施形態の作用について説明する。ここでは、同期角度指令θ_Ｒｅｆがゼロである場合を例示する。例えばマスタ側モータ５Ｍに対しスレーブ側モータ５Ｓが遅れ位相で回転している場合、２つのモータ５Ｍ，５Ｓの推定回転位置θ_ｃ１，θ_ｃ２の差分値を求めてフィードバックすると、モータ５Ｓの速度指令値ω_Ｒｅｆ２は、制御器２４の出力信号が加算される分だけモータ５Ｍの速度指令値ω_Ｒｅｆ１よりも大きくなる。その結果、モータ５Ｓの速度もモータ５Ｍより速くなり、その積分値である回転位置θ_２，推定回転位置θ_ｃ２も進むため位相誤差が低減される。

このままでもある程度、２つのモータ５Ｍ，５Ｓ間の位相同期駆動は達成される。しかし、モータ５の実際の回転位置θに対して推定回転位置θ_ｃに誤差があると、同期位相差が発生してしまう。そこで上述したように、２つのモータ５Ｍ，５Ｓの位置推定誤差Δθ_１，Δθ_２をそれぞれの位置推定部１３で演算してそれらの差を求めて位相差θ_ｄｅｖ１に加算し、位置推定誤差を考慮した同期位相差θ_ｄｅｖ２を演算することで高精度な位相同期制御を行っている。

図５は、２つのモータ５Ｍ，５Ｓを同じ速度で回転させる際に位相同期制御を行った場合の、モータ５Ｍ，５Ｓの回転電気角，その差分値（位相誤差）及びスレーブ側のモータ５Ｓの電流を示している。位相同期制御を開始した後に、モータ５Ｍ，５Ｓの回転角度が同期され、位相誤差がゼロに収束していることが分かる。

以上のように本実施形態によれば、モータ５Ｍ，５Ｓの磁極位置θ_ｃ１，θ_ｃ２を磁極位置推定部１３Ｍ，１３Ｓにより推定し、位相同期制御部３は、基準となるモータ５Ｍの回転位置θ_ｃ１にモータ５Ｓの回転位置θ_ｃ２を同期させるための位相調整信号を出力し、回転速度指令ω_Ｒｅｆ１を補正する。これにより、２つのモータ５Ｍ，５Ｓの運転に伴う振動等が低減されるので、例えば空調機などの製品として問題となる騒音・振動等を低減できる。

そして、位相同期制御部３は、磁極位置推定部１３で検出された各モータＭ，５Ｓの磁極位置θ_ｃ１，θ_ｃ２の差分値θ_ｄｅｖ１及び磁極位置推定誤差Δθ_１，Δθ_２に基づいて位相同期制御する。これにより、推定した回転位置θ_ｃが誤差Δθを含む場合でも、高精度な位相同期制御を行うことができる。

（第２実施形態）
図６は第２実施形態であり、第１実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。第１実施形態の制御部３では、加算器２５が速度制御部１２Ｓの入力側にあり、演算器２４の出力信号をマスタ側の速度指令値ω_Ｒｅｆ１に加算していた。これに対して、第２実施形態の制御部３１では、加算器２５が速度制御部１２Ｓの出力側にあり、演算器２４の出力信号を速度制御部１２Ｓの出力であるＩｑ＿_Ｒｅｆ２に加算する。そして、第１実施形態のベクトル制御部２Ｓに加算器２５を加えたものが、第２実施形態のベクトル制御部３２Ｓを構成している。

図６に示す構成は、制御対象のモータ５が表面磁石形同期モータ（SPMSM）であることを前提としている。この場合、モータ５の出力トルクをｑ軸電流のみで制御するので、ベクトル制御部２Ｓの出力はｑ軸電流であり、位相同期制御部３１の出力もｑ軸電流に加算される。

以上のように構成される第２実施形態によれば、演算器２４の出力信号により速度制御部１２Ｓの出力信号を補正するので、モータ５Ｍ，５Ｓが表面磁石型同期モータである場合に対応して、最適な位相同期制御を行うことができる。

（第３実施形態）
また、図７に示す第３実施形態の構成は、制御対象のモータ５が埋め込み磁石形永久磁石同期モータ（IPMSM）であることを前提としており、この場合、モータ５の出力トルクをｄ軸電流及びｑ軸電流で制御する。そこで、第３実施形態の制御部３３は、ベクトル制御部３４Ｍ，３４Ｓを備えている。

ベクトル制御部３４では、第２実施形態の構成に加えて、速度制御部１２の次段にＭＴＰＡ（Max Torque Per Ampere：最大トルク制御）制御部３５が配置されている。そして、前記制御部３５で実行されるＭＴＰＡアルゴリズムによって、電流指令値Ｉ_Ｒｅｆが最適なｄ軸，ｑ軸それぞれの電流指令Ｉｄ＿_Ｒｅｆ，Ｉｑ＿_Ｒｅｆに割り振られる。また、同図中に示す機能ブロック３４Ｍ’は、ベクトル制御部３４Ｍにおける速度制御部１２Ｍ及びＭＴＰＡ制御部３５Ｍを除く残りの機能ブロックに対応する。機能ブロック３４Ｓ’は、ベクトル制御部３４Ｓにおける速度制御部１２Ｓ，加算器２５及びＭＴＰＡ制御部３Ｍを除く残りの機能ブロックに対応する。

図８はＭＴＰＡ制御に関するもので、横軸はｄ軸電流Ｉｄ，縦軸はｑ軸電流Ｉｑを示している。図中に示す３つの定トルク曲線は、モータ５が出力する３種類のトルクＴ１, Ｔ２，Ｔ３に対してｄ軸，ｑ軸電流Ｉｄ，Ｉｑが取り得るペアを繋いだものである。例えば、トルクＴ２を与える場合の電流ペアとして破線で示す３種類を考えると、電流が最も小さいもの、すなわち原点からの距離が短い電流ペアはＩｑ＝４．５Ａ,Ｉｄ＝−４．３Ａである。これらをトルク毎に繋いでいくと、図中に示すＭＴＰＡ制御ライン上に示す動きとなる。つまり、あるトルクを出力する際に電流が最も小さくなる組み合わせを選ぶアルゴリズムがＭＴＰＡである。

ＭＴＰＡ制御部３５は、図８のようなマップを例えばメモリにテーブルデータとして保持しており、モータ５の所望の出力トルクに対応して電流が最小となるｄ軸，ｑ軸電流Ｉｄ，Ｉｑの組み合わせを選択する。
以上のように構成される第３実施形態によれば、演算器２４の出力信号によりモータ５の電流指令Ｉ_Ｒｅｆを制御するので、モータ５Ｍ，５Ｓが埋め込み磁石型同期モータである場合に対応して、最適な位相同期制御を行うことができる。

（その他の実施形態）
同期角度指令θ_Ｒｅｆはゼロに限ることなく、個別の仕様に応じて適切な角度に設定すれば良い。
空調機に限ることなく、複数のモータの回転位相を同期制御するシステムであれば適用が可能である。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１は制御部、２はベクトル制御部、３は位相調整部、４はインバータ、５はモータ、３１は位相調整部、３３はＭＴＰＡ制御部を示す。

Claims (3)

1. 複数のモータの磁極位置をそれぞれ推定する複数の磁極位置推定部と、
   前記磁極位置に基づいて、前記複数のモータをそれぞれベクトル制御するベクトル制御部と、
   前記複数の内で基準となる１つのモータの回転位相にその他モータの回転位相を同期させるように、前記その他モータに対応するベクトル制御部が備える速度制御部の入力信号又は出力信号を補正するための位相調整信号を出力する位相同期制御部とを備え、
   前記位相同期制御部は、前記磁極位置推定部で検出された各モータの磁極位置の差分値を第１差分値とし、前記磁極位置推定部で検出された各モータの磁極位置推定誤差の差分値を第２差分値とすると、前記第１差分値より前記第２差分値を減じた値を第３差分値とし、予め設定された同期角度指令値より前記第３差分値を減じた値に正弦関数を適用し、更に比例係数を乗じたものを位相調整信号として出力するモータ制御装置。
2. 前記位相調整信号によって、前記入力信号である回転速度指令を補正する請求項１記載のモータ制御装置。
3. 前記位相調整信号によって、前記出力信号である電流指令を補正する請求項１記載のモータ制御装置。

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