JP6731700B2

JP6731700B2 - 電動モータの制御装置

Info

Publication number: JP6731700B2
Application number: JP2014236557A
Authority: JP
Inventors: 昌之廣田; 潤一金塚; 善行家中; 俊幸上町
Original assignee: Institute of National Colleges of Technologies Japan
Current assignee: Institute of National Colleges of Technologies Japan
Priority date: 2014-11-21
Filing date: 2014-11-21
Publication date: 2020-07-29
Anticipated expiration: 2034-11-21
Also published as: JP2016100997A

Description

本発明は、埋込磁石型同期モータの駆動装置に関するものであり、弱め磁束制御により動作範囲を拡大する制御技術に関する。

埋込磁石型同期モータにおいて、回転子の磁極方向をｄ軸とし、それに直交する方向をｑ軸とした直交座標上で表したベクトル図を図１に示す。ここで、ψaは永久磁石による磁束である。また、電機子電流ベクトルｉをｄｑ軸成分に分解し、ｄ軸成分を励磁電流ｉdとし，ｑ軸成分をトルク分電流ｉqとする。

運転時にｉd，ｉqが流れると、巻線インダクタンスのｄｑ軸成分Ｌd，Ｌqにより磁束ＬdidおよびＬqiqが発生し、これらを合成した磁束ψ0がモータ内部の磁束となる。回転子が角速度ωで回転すると、各磁束に対して誘起電圧ωψa，ωＬdidおよびωＬqiqが発生する。これらを合成した電圧ｖoがモータ内部に発生する誘起電圧となり、これに巻線抵抗での電圧降下Ｒaｉを加えたものが、モータに加えられている電圧ｖとなる。

埋込磁石型同期モータが発生するトルクＴは、電磁力に基づくマグネットトルクψaｉqと、磁界が鉄心を引き寄せることで発生するリラクタンストルク（Ｌd−Ｌq）ｉdｉqからなり、数式１で表される。ここで、ｐは極対数である。

ｉqを流すことでマグネットトルクが発生し、ｉdを負の方向に流すことでリラクタンストルクが発生することが分かる。

回転速度ωが大きくなると起電力ｖoが大きくなるが、モータを駆動するインバータの出力電圧ｖには限界があるため、誘起電圧をインバータ出力限界よりも小さい値ｖomに制限する必要がある。そこで、図２のように励磁電流ｉdを負の方向に流し、誘起電圧ｖoを制限値ｖomまで小さくする弱め磁束制御が用いられる。ここで、誘起電圧ｖoの大きさが数式２で表されることから、ｖo＝ｖomとしてｉdについて解くと、弱め磁束制御のための電流ｉdが数式３および数式４として求められる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−４３０３０号公報（段落００９８〜０１００）

図３は、各回転速度において弱め磁束制御により誘起電圧をｖomに制限したときの電流ベクトル軌跡（以下、電圧制限楕円という）を示している。負荷が大きくなるにつれ、より大きなリラクタンストルクを発生するよう、ｉdを負の方向に大きくする。したがって、電流ベクトルは電圧制限楕円上を図において左側に推移することになる。電圧制限楕円の中心座標は（−ψa/Ｌd，０）であり、ｉd＝−ψa/Ｌdを境界として、図において右側の領域では数式３を用いて励磁電流ｉdを演算し、左側の領域では数式４を用いて励磁電流ｉdを演算する。

しかし、運転条件によっては境界付近で動作することがあり、このときトルクや速度のわずかな変動により数式３の演算と数式４の演算とを頻繁に切り替えることから、不安定状態に陥る場合が生じるという不具合がある。

そこで本発明は、上記の問題点に鑑み、上記の不具合が生じない電動モータの制御装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明による電動モータの制御装置は、永久磁石による界磁を複数個有するロータであって、このロータの回転軸の周囲に上記永久磁石を同心円状に配置した埋込磁石型同期モータの作動を制御する電動モータの制御装置であり、直流電源から供給される直流電圧を多相交流電圧に変換して上記電動モータの電機子に印加するインバータと、所定のトルク指令に応じて、上記インバータを介して上記電動モータの各相の上記電機子に流れる電流のベクトル和である相電流を制御する通電制御手段とを備えたものにおいて、
上記電動モータを、上記界磁の磁束方向であるｄ軸上にあるｄ軸電機子とｄ軸と直交するｑ軸上にあるｑ軸電機子とを有する等価回路に変換して扱い、上記通電制御手段は、ｑ軸電機子に流れる電流であるｑ軸電流を、上記電動モータの各回転速度における電圧制限楕円上にあるｑ軸電流の最大値より低い制限値を設定し、ｑ軸電流がこの制限値を越えないように制御するとともに、上記ｑ軸電流を上記制限値に制限したことにより減少するトルクの減少分を、ｄ軸電機子に流れる電流であるｄ軸電流を増加させることによるリラクタンストルクの増加分で補うことを特徴とする。

また、上記ｑ軸電流を上記制限値に制限した場合に、制限したことによるｑ軸電流の減少分に応じて電動モータの回転速度を補正し、回転速度が不安定になるワインドアップ現象の発生を抑制することを特徴とする。

負荷の増加にともない動作点が電圧制限楕円上を推移し、数式３が適用される領域と数式４が適用される領域との境界点に達したとき、トルク分電流ｉqはｖom/（ωＬq）で最大となる。この最大値より大きなトルク分電流指令ｉq_refが与えられた場合、数式３、数式４の平方根の中が負となり、励磁電流ｉdを演算することができなくなる。

そこで、ｉq_refを最大値ｖom/（ωＬq）より小さな値（ｉq_lim）で制限する。ｉq_limより大きな電流指令ｉq_refが与えられると、数式５のように、ｉqが制限されるため、数式６のΔＴだけトルクが不足することとなる。

不足したトルク△Ｔは、数式７のようにリラクタンストルクで補うものとする。このリラクタンストルクを発生するために必要な励磁電流△ｉdは数式８となり、これを数式３のｉdに加えることで、重負荷時においても弱め磁束制御を達成することができる。

図４は、数式３及び数式４による電圧制限楕円と、数式９により弱め磁束制御を行ったときの電流ベクトル軌跡を示している。ｑ軸電流が制限されるまで、動作点は数式３の電圧制限楕円上を推移する。ｑ軸電流がｉq_limに制限されると、動作点は電圧制限楕円より内側を推移することになる。ここで、不足したトルクを補うためｄ軸電流をΔｉdだけ負の方向に増やすことから、−Ψa/Ｌdの境界より左側の領域であっても数式３を用いてｉdを演算することができる。これにより、数式３による演算と数式４による演算とを切りかえることで発生する不安定現象を防ぐことができる。

速度制御系を持つシステムでは、一般に、ｑ軸電流指令ｉq_refは速度のＰＩ制御器で作られる。ＰＩ制御器の出力を制限した場合、ワインドアップ現象により速度や電流が振動的な振る舞いをすることがある。そこで、ｉq_refが制限されたときに制限された量ΔｉqをＰＩ制御器の入力にフィードバックし、数式１０のように速度偏差Δω（＝ωref−ω）を修正することで振動を抑制する。ここで、Ｋpは速度ＰＩ制御器の比例ゲインである。図５に、ｉq_refの制限を考慮したＰＩ制御器の構成を示す。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、埋込磁石型同期モータの弱め磁束制御が必要となる高速回転領域において、トルク電流ｉqを制限し、不足したトルクをリラクタンストルクで補うよう励磁電流ｉdを決める。これにより、励磁電流を計算する２つの数式である数式３と数式４とを切り替えることなく、一つの数式を用いて連続的に励磁電流指令を決定することができ、計算式の切り替えに起因する振動や発振といった現象を抑えることができる。

埋込磁石型同期モータ運転時における電圧、電流および磁束のベクトル図埋込磁石型同期モータで弱め磁束制御を行ったときの電圧、電流および磁束のベクトル図弱め磁束制御時の電流ベクトル軌跡（電圧制限楕円）と励磁電流演算式との関係を表す図本発明による弱め磁束制御時の電流ベクトル軌跡（電圧制限楕円）を表す図トルク電流制限による影響を抑制する手法のブロック図埋込磁石型同期モータの駆動システムの一例を示すブロック図速度推定に用いる拡張誘起電圧オブザーバのブロック図

以下、本発明を埋込磁石型同期モータのセンサレス駆動システムに適用した一実施形態について図面を参照しながら説明する。

図６は、埋込磁石型同期モータのセンサレス駆動システムを示している。このシステムは、速度制御部１、励磁電流指令演算部２、電流制御部３、非干渉制御部４、座標変換部５、速度推定部６、ＰＷＭ変調部７、および三相インバータ８から構成される。

検出されたモータ電流ｉu、ｉwを、推定した磁極位置（電気角）θに基づくγ−δ回転座標系に座標変換し、ｉγ、ｉδを求める。このモータ電流ｉγ、ｉδと、モータ電圧の指令値ｖγ1_ref、ｖδ1_refが速度推定部６に入力される。

速度推定部６では、モータ電圧指令ｖγ1_ref、ｖδ1_refとモータ電流ｉγ、ｉδから、拡張誘起電圧ｅγ、ｅδを推定する。図７に、拡張誘起電圧を推定するオブザーバの構成を示す。求められた拡張誘起電圧から、磁極位置の推定誤差θｅを数式１１のように求める。

数式１１で演算された推定誤差θeが０となるようＰＩ演算を行い、その出力を推定速度（機械角速度）ωmとする。このωmを積分演算し、推定磁極位置θmを求める。ωmは、速度制御および非干渉制御に用いられる。また、θmは極対数Ｐによって電気角θに変換され座標変換５に用いられる。

速度制御部１では、速度指令値ω_refと推定速度ωmとが一致するようＰＩ制御を行う。このＰＩ制御器の出力を、トルク電流指令ｉqとする。弱め磁束制御が必要な領域で、ｉq_refが制限値ｉq_limより大きくなったとき、ｉq_refをｉq_limで制限する。このとき、ワインドアップ現象を防ぐため、図５に示すように、制限された量Δｉqを求め、速度偏差△ωを修正して積分演算を再計算する。

励磁電流指令演算部２では、励磁電流指令ｉd_refを決定する。回転速度が小さく、弱め磁束制御が必要ない領域では、可能な限り小さな電流で効率よくトルクを発生するよう、図３に示す「最大トルク/電流制御」曲線に従ってｉd_refを決定する。このときの演算式を数式１２に示す。

回転速度が上がり、誘起電圧ｖoが制限値ｖomより大きくなると、弱め磁束制御が必要になるため、数式３によりｉd_refを決定する。ここで、ｉq_refがｉq_limで制限されている場合は、不足したトルクをリラクタンストルクで補うための励磁電流△ｉdを数式８から求め、数式９によりｉd_refを演算する。

電流制御部では、電流指令ｉd_ref，ｉq_refとモータ電流ｉγ、ｉδとが一致するよう、それぞれＰＩ制御し、ＰＩ制御器の出力を電圧指令ｖγ_ref，ｖδ_refとする。この電圧指令ｖγ_ref，ｖδ_refに非干渉制御を施し、電圧指令ｖγ1_ref，ｖδ1_refを決定する。ここで、ｖγ1_ref，ｖδ1_refは数式１３および数式１４で求められる。

ＰＷＭ変調部では、電圧指令ｖγ1_ref，ｖδ1_refから空間ベクトル変調により、インバータのスイッチング指令を決定し、インバータを動作させ、埋込磁石型同期モータを駆動する。

なお、本発明は上記した形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えてもかまわない。

１速度制御部
２励磁電流指令演算部
３電流制御部
４非干渉制御部
５座標変換部
６速度推定部
７ＰＷＭ変調部
８三相インバータ

Claims

永久磁石による界磁を複数個有するロータであって、このロータの回転軸の周囲に上記永久磁石を同心円状に配置した埋込磁石型同期モータの作動を制御する電動モータの制御装置であり、直流電源から供給される直流電圧を多相交流電圧に変換して上記電動モータの電機子に印加するインバータと、所定のトルク指令に応じて、上記インバータを介して上記電動モータの各相の上記電機子に流れる電流のベクトル和である相電流を制御する通電制御手段とを備えたものにおいて、
上記電動モータを、上記界磁の磁束方向であるｄ軸上にあるｄ軸電機子とｄ軸と直交するｑ軸上にあるｑ軸電機子とを有する等価回路に変換して扱い、上記通電制御手段は、ｑ軸電機子に流れる電流であるｑ軸電流を、上記電動モータの各回転速度における電圧制限楕円上にあるｑ軸電流の最大値より低い制限値を設定し、ｑ軸電流がこの制限値を越えないように制御するとともに、上記ｑ軸電流を上記制限値に制限したことにより減少するトルクの減少分を、ｄ軸電機子に流れる電流であるｄ軸電流を増加させることによるリラクタンストルクの増加分で補うことを特徴とする電動モータの制御装置。
上記ｑ軸電流を上記制限値に制限した場合に、制限したことによるｑ軸電流の減少分に応じて電動モータの回転速度を補正し、回転速度が不安定になるワインドアップ現象の発生を抑制することを特徴とする請求項１に記載の電動モータの制御装置。