JP6995156B2 - 回転機制御装置 - Google Patents
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Description
特許文献2では、モータの作動温度をフィードバックして得られた最大のパワー散逸量からトルク指令を生成しているため、トルクとパワーの関係が想定からずれている場合には、トルクと発熱量は比例関係に無いためトルクの制限はかかるものの作動温度は想定ほど低下しない。つまり、モータ特性が温度あるいは磁束によって変化してしまうと、トルクの制限値を電圧に変換する際に想定している値よりも大きな値に変換され、モータの過熱保護ができない場合がある。
図1は、実施の形態1における回転機制御装置のハードウェア構成を示す図であり、制御対象である回転機も含めたシステム全体を示している。回転機制御装置1000は、回転機1である例えば交流回転機を駆動制御するものであり、それぞれ後述する固定子巻線電力変換器6、界磁巻線電力変換器7を介して回転機1の各巻線と接続されている。また回転機制御装置1000は、回転機1に設けられた位置検出器2および温度検出器3と接続されている。
記憶装置11は、図示していないが、ランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを具備する。また、記憶装置11は不揮発性の補助記憶装置の代わりにハードディスク等の補助記憶装置を具備してもよい。
プロセッサ10は、記憶装置11から入力されたプログラムを実行する。記憶装置11が補助記憶装置と揮発性記憶装置とを具備するため、プロセッサ10に、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプログラムが入力される。また、プロセッサ10は、演算結果等のデータを記憶装置11の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置に前記データを保存してもよい。
位置検出器2は、回転機1の回転軸に設置されており、回転子の角度θを検出する。なお、位置検出器2は、回転子の角度θを推定する位置推定器としての機能を有するものであってもよい。ここでは、これらを総称して位置検出器という。
温度検出器3は、例えば、測温抵抗体、熱電対、サーミスタ等の温度センサであって、界磁巻線温度tfを検出する。なお、温度検出器3は、温度センサの代わりに界磁巻線の温度を推定する温度推定器としての機能を有するものであってもよい。ここでは、これらを総称して温度検出器という。また、この温度検出器は、温度保護対象部分の温度を検出するものであり、界磁巻線の温度のみならず、固定子巻線、磁石等の回転機を構成する部品の温度あるいは電力変換器等の温度を対象としたものでもよい。
電流検出器4は、固定子巻線の電流iu、iv、iwを、電流検出器5は、界磁巻線電流ifを検出する。なお、電流検出器4、5のうちの一部または全部の代わりに、固定子巻線の電流iu、iv、iwと、界磁巻線電流ifを推定する電流推定器としての機能を有するものであってもよい。ここでは、これらを総称して電流検出器という。
固定子巻線電力変換器6は、三相電圧の指令値vu*、vv*、vw*に相当する電圧を、PWM(パルス幅変調)あるいはPAM(パルス振幅変調)など公知の手法を用いて生成する。また、電力変換に使用する直流リンク電圧VDCを検出する。
界磁巻線電力変換器7は、界磁巻線電圧指令vf*に相当する電圧を、PWMあるいはPAMなど公知の手法を用いて生成する。また、電力変換に使用する直流リンク電圧VDCfを検出する。
図2のシステムにおける回転機制御装置は、微分器20と、固定子巻線電流制御部21と、界磁巻線電流制御部22と、電流指令生成部23と、界磁巻線温度保護部24とを有している。界磁巻線温度保護部24は、温度保護対象部分である界磁巻線の温度を制限温度以下に制御する。ここでは各巻線についてそれぞれ1つの電流制御部を持つ構成としたが、巻線間の干渉を考慮して公知の手法で非干渉化処理を施してもよい。
固定子巻線電流制御部21は、固定子巻線電流id、iqが固定子巻線電流指令id*、iq*と一致するよう固定子巻線電圧の指令vu*、vv*、vw*を演算する。
界磁巻線電流制御部22は、界磁巻線電流ifが界磁巻線電流指令if*と一致するよう界磁巻線電圧指令vf*を演算する。
電流指令生成部23は、少なくとも、トルク指令T*と、回転子速度ωとに基づいて、固定子巻線電流指令id*、iq*と、界磁巻線電流指令if*を演算する。
界磁巻線温度保護部24は、界磁巻線温度tfと、制限界磁巻線温度tfmaxとに基づいて、電圧指令制限値である界磁巻線電圧制限値vflimを演算する。
固定子巻線電流制御部21は加減算器30と、PI制御器31と、dq/uvw座標変換器32と、uvw/dq座標変換器33と、電圧リミッタ34とを有する。
uvw/dq座標変換器33は、周知の座標変換の手法を用いて、電流検出器4で検出された三相電流検出値の電流iu、iv、iwを、d軸電流検出値idおよびq軸電流検出値iqの電流検出値に変換する。
なお、図示していないが、電圧リミッタ34によって固定子巻線電圧指令値vd**およびvq**の電圧振幅が制限されている場合、PI制御器31の積分器にアンチワインドアップ処理を施してもよい。また、電圧リミッタ34は固定子巻線電圧指令値vd**およびvq**を制限しているが、固定子巻線電圧指令値vd**およびvq**の代わりに直流リンク電圧VDCを制限してもよい。
dq/uvw座標変換器32は、周知の座標変換の手法を用いて、固定子巻線電圧指令vd*およびvq*を三相電圧の指令値vu*、vv*、vw*に変換する。
界磁巻線電流制御部22は、加減算器40と、PI制御器41と、電圧リミッタ42とを有する。
電圧リミッタ42は、界磁巻線電圧指令値vf**の振幅が界磁巻線電圧制限値vflimよりも大きい場合、界磁巻線電圧制限値vflimの値以下となるよう界磁巻線電圧指令vf*を演算する。
なお、図示していないが、電圧リミッタ42によって界磁巻線電圧指令値vf**の電圧振幅が制限されている場合、PI制御器41の積分器にアンチワインドアップ処理を施してもよい。また、電圧リミッタ42は界磁巻線電圧指令値vf**を制限しているが、界磁巻線電圧指令値vf**の代わりに直流リンク電圧VDCfを制限してもよい。
電流指令生成部23は、固定子巻線電流指令演算部50と、界磁巻線電流指令演算部51とを有する。
界磁巻線電流指令演算部51は、トルク指令T*に対応して、界磁巻線電流指令if*が予め定められたマップを用いて、界磁巻線電流指令if*を出力する。
なお、固定子巻線電流指令演算部50は、界磁巻線電圧制限値vflimに対応していないマップを使用してもよいし、固定子巻線電流指令演算部50と、界磁巻線電流指令演算部51は、マップではなく、回転機パラメータ等に基づいて固定子巻線電流指令id*、iq*と、界磁巻線電流指令if*を演算してもよい。
界磁巻線温度保護部24は、加減算器60、63と、PI制御器61と、電圧リミッタ62とを有する。
また、周囲部品温度等に応じても熱抵抗あるいは熱容量が変化する。固定子巻線と界磁巻線は近接しているため、固定子巻線の温度が界磁巻線の温度より高い場合、固定子巻線からの受熱によって放熱効果に変化が出るため、Vfからtsまでの伝達ゲインが大きくなる。
なお、図示していないが、電圧リミッタ62によって界磁巻線電圧の制限値vflim*の電圧制限値振幅が制限されている場合、PI制御器61の積分器にアンチワインドアップ処理を施してもよい。
界磁巻線へ電圧を供給している間、界磁巻線温度tfが上昇する。界磁巻線温度tfが制限界磁巻線温度tfmaxに近づくにつれ、界磁巻線電圧vfを界磁巻線電圧制限値vflimによって制限する。界磁巻線電圧vfが制限されるため、界磁巻線温度tfの温度変化の割合は小さくなるが、通常、G1~G6は原点に極を持たないため、図8(a)のようにマップ、または積分演算以外の方法によって界磁巻線電圧制限値vflimを算出する場合、想定していた回転機の特性が温度あるいは磁束によって変化してしまうと、界磁巻線電圧制限値vflimが想定よりも大きな値、または小さな値に変換され、回転機の過熱保護ができない、または想定よりも過剰に保護してしまい出力が低下してしまう可能性がある。一方、図8(b)では、界磁巻線温度tfが制限界磁巻線温度tfmaxに追従するよう積分演算するため、回転機の特性が変化した場合においても、過剰に界磁巻線電圧が制限されることなく、想定通りの出力が得られる。また、回転機特性が温度または磁束によって変化した場合、あるいは外乱混入時においても、界磁巻線温度tfのPI制御器等が持つロバスト特性により、過熱から適切に保護することができる。
図10は、実施の形態2を示している。本実施の形態は、回転機の固定子巻線部が二重三相巻線形の場合の適用例を示しており、本実施の形態における回転機制御装置2000は、図2における回転機制御装置1000の微分器20と、固定子巻線電流制御部21と、界磁巻線電流制御部22と、電流指令生成部23と、界磁巻線温度保護部24に相当するものとして、微分器99、第1固定子巻線電流制御部100、第2固定子巻線電流制御部101、界磁巻線電流制御部102、電流指令正西部103、界磁巻線温度保護部104とを有している。また、回転機制御装置2000は、回転機90である例えば交流回転機を駆動制御するものであり、それぞれ第1固定子巻線電力変換器96、第2固定子巻線電力変換器97、界磁巻線電力変換器98を介して回転機90の各巻線と接続されている。また回転機制御装置2000は、回転機90に設けられた位置検出器91および温度検出器92と接続されている。
図11は、実施の形態3に係る回転機制御装置3000のブロック図である。なお、本実施の形態は、実施の形態1の界磁電圧による制限を界磁電流による制限に置き換えたものであり、図2における回転機制御装置1000の微分器20と、固定子巻線電流制御部21と、界磁巻線電流制御部22と、電流指令生成部23と、界磁巻線温度保護部24に相当するものとして、微分器118、固定子巻線電流制御部119、界磁巻線電流制御部120、電流指令正西部121、界磁巻線温度保護部122とを有している。また、回転機制御装置3000は、回転機111である例えば交流回転機を駆動制御するものであり、それぞれ固定子巻線電力変換器116、界磁巻線電力変換器117を介して回転機111の各巻線と接続されている。また回転機制御装置3000は、回転機111に設けられた位置検出器112および温度検出器113と接続されている。
また、各保護対象となる部位あるいは電圧、電流で制限するといった多種多様な温度保護部が存在するが、これらは実施の形態1から実施の形態3のように単体で使用してもよいし、組み合わせて使用してもよい。
図12は、実施の形態4を示しており、車両用発電電動機に実施の形態1に係る回転機制御装置を適用した場合の構成である。回転機1はエンジン(内燃機関)200とベルト201を介して接続され、エンジン200の補機として駆動系部品を経由して車輪の駆動力となるとともに、エンジン200の回転を利用して発電を行う。つまり、エンジン200の周辺にあり、温度上昇しやすい環境下にあり、回転機1および回転機1の制御装置を保護するためには、過熱保護機能が重要となる。また、必要以上に出力制限を行うと、駆動力あるいは発電量に影響が出て燃費性能が悪化するため、適切な制限をかける必要がある。本実施の形態の交流回転機の制御装置を車両用発電電動機に用いることで、温度に応じた適切な制限をかけることが可能となり、駆動力あるいは発電量の悪化を最低限にすることができる。なお、回転機としては、自動車用のモータ、発電機または電動発電機であってもよい。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
Claims (14)
- 電圧指令に基づいて回転機の巻線に電圧を印加する電力変換器を制御する回転機制御装置であって、前記回転機に係る温度保護対象部分の温度を検出する温度検出器と、前記温度を制限温度以下に制御する温度保護部を備え、前記温度保護部は、前記温度保護対象部分の制限温度と前記温度との偏差に基づく電圧フィードバックによる制限値を電圧リミッタにおいて前記巻線の電圧最大値で制限された電圧指令制限値によって、前記電圧指令を制限することを特徴とする回転機制御装置。
- 前記温度保護部は、前記温度保護対象部分の制限温度と前記温度の差の積分演算に基づいて、前記電圧指令制限値を演算することを特徴とする請求項1に記載の回転機制御装置。
- 前記温度に応じて、前記積分演算を行う制御器のゲインを変更することを特徴とする請求項2に記載の回転機制御装置。
- 前記回転機の回転数に応じて、前記積分演算を行う制御器のゲインを変更することを特徴とする請求項2に記載の回転機制御装置。
- 前記温度検出器は、前記温度を推定する、または温度センサから検出することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の回転機制御装置。
- 前記回転機は界磁巻線と固定子巻線を有する回転機であり、前記温度保護部は、前記固定子巻線または前記界磁巻線の少なくともいずれか1つを温度保護の対象とすることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の回転機制御装置。
- 前記回転機は回転子に磁石および界磁巻線を、固定子に固定子巻線を有する回転機であり、前記温度保護部は、前記固定子巻線、前記界磁巻線または前記磁石の少なくともいずれか1つを温度保護の対象とすることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の回転機制御装置。
- 電流指令に基づき前記電圧指令を演算する電流制御部、前記電流制御部に対して電流指令を与える電流指令演算部を備えたことを特徴とする請求項6または請求項7に記載の回転機制御装置。
- 前記電流指令演算部は、温度保護対象部分とは異なる巻線の電流指令を前記温度保護部が演算する電圧指令制限値に基づいて演算処理することを特徴とする請求項8に記載の回転機制御装置。
- 電圧指令に基づいて回転機の界磁巻線に電圧を印加する電力変換器を制御する回転機制御装置であって、前記回転機に係る温度保護対象部分の温度を検出する温度検出器と、前記温度を制限温度以下に制御する温度保護部を備え、前記温度保護部は、前記温度保護対象部分の制限温度と前記温度との偏差に基づく電圧フィードバックによる制限値を電圧リミッタにおいて前記界磁巻線の電圧最大値で制限された電圧指令制限値によって、前記電圧指令を制限することを特徴とする回転機制御装置。
- 前記温度保護部は、前記温度保護対象部分の制限温度と前記温度の差の積分演算に基づいて、前記電圧指令制限値を演算することを特徴とする請求項10に記載の回転機制御装置。
- 前記温度に応じて、積分演算を行う制御器のゲインを変更することを特徴とする請求項11に記載の回転機制御装置。
- 回転数に応じて、前記積分演算を行う制御器のゲインを変更することを特徴とする請求項11または請求項12に記載の回転機制御装置。
- 前記回転機は、自動車用のモータ、発電機または電動発電機であることを特徴とする請求項1から請求項13の何れか1項に記載の回転機制御装置。
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