JP7189075B2 - MOTOR DRIVE CONTROL APPARATUS AND METHOD, AND MOTOR DRIVE CONTROL SYSTEM - Google Patents
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Description
本発明は、電動機の駆動を制御する電動機駆動制御装置および電動機駆動制御方法に関する。そして、本発明は、前記電動機駆動制御装置を備える電動機駆動制御システムに関する。 The present invention relates to a motor drive control device and a motor drive control method for controlling the drive of a motor. The present invention also relates to an electric motor drive control system including the electric motor drive control device.
電動機の駆動制御には、例えばPI制御を用いたフィードバック制御が用いられることが多い。その速度制御では、目標速度に対する応答性は、電動機が用いられた製品の性能に影響するため、その高さが要求される。前記フィードバック制御では、フィードバックゲインを大きく設定することで、応答性を向上できるが、いわゆるオーバーシュートやハンチングが生じてしまう虞がある。 Feedback control using, for example, PI control is often used for drive control of the electric motor. In the speed control, high responsiveness to the target speed is required because it affects the performance of the product using the electric motor. In the feedback control, by setting a large feedback gain, responsiveness can be improved, but so-called overshoot or hunting may occur.
このため、従来の前記フィードバック制御に較べて高い応答性を実現できることから、モデル予測制御(model predictive control、MPC)が電動機の駆動制御に提案されている(例えば、特許文献1および特許文献2参照)。このモデル予測制御では、制御周期ごとに次の一連の処理が繰り返し実行されることで電動機が駆動制御される。前記一連の処理において、まず、電動機のモデルを用いることで複数の候補入力電圧ごとに、電動機における将来の挙動が予測される。次に、各予測結果(電動機の各挙動)が評価され、最も目標に近い予測結果が選択され、この選択された予測結果を与える候補入力電圧で電動機が駆動制御される。このようなモデル予測制御では、予測結果を基に最適化した候補入力電圧を決定できることから、従来の前記フィードバック制御を超える高い応答性が期待できる。
For this reason, model predictive control (MPC) has been proposed for drive control of electric motors because it can achieve higher responsiveness than the conventional feedback control (see, for example,
ところで、モデル予測制御は、上述のように、制御周期ごとに、前記予測および評価結果によって決定された候補入力電圧で電動機が駆動制御される。このため、制御周期で繰り返し実行される各制御間における入力電圧の差異が大きくなる場合がある。すなわち、前記各入力電圧をインバータ回路で生成する場合、前記インバータ回路の各出力電圧の差異が大きくなる場合がある。さらに、モデル予測制御では、上述から、インバータ回路のスイッチング操作は、1回の制御周期で1回のみとなることから、インバータ回路のスイッチング周期をモデル予測制御の制御周期に対し独立に設定できない。これらを要因として大きな電流脈動が生じてしまう。 By the way, in the model predictive control, as described above, the electric motor is driven and controlled by the candidate input voltage determined by the prediction and the evaluation result for each control cycle. For this reason, the difference in input voltage between each control that is repeatedly executed in the control cycle may become large. That is, when each input voltage is generated by an inverter circuit, the difference between each output voltage of the inverter circuit may become large. Furthermore, in the model predictive control, as described above, the switching operation of the inverter circuit is performed only once in one control cycle. Therefore, the switching cycle of the inverter circuit cannot be set independently of the control cycle of the model predictive control. Due to these factors, a large current ripple occurs.
この電流脈動は、電動機の損失、出力トルクの脈動、機械的な振動および騒音を引き起こしてしまい、小さいことが望まれる。このため、インバータ回路のスイッチング周期を高めるために、モデル予測制御の制御周期を小さく設定したいが、この場合、単位時間当たりの情報処理量が多い、モデル予測制御の演算を実行する情報処理装置が必要となってしまう。 This current pulsation causes motor loss, output torque pulsation, mechanical vibration and noise, and is desired to be small. Therefore, in order to increase the switching cycle of the inverter circuit, it is desirable to set the control cycle of the model predictive control to be small. It becomes necessary.
本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、モデル予測制御で電動機を駆動制御する場合に、電流脈動を低減できる電動機駆動制御装置および電動機駆動制御方法ならびに前記電動機駆動制御装置を備える電動機駆動制御システムを提供することである。 The present invention has been made in view of the circumstances described above, and an object of the present invention is to provide an electric motor drive control apparatus and an electric motor drive control method capable of reducing current pulsation when the electric motor is controlled by model predictive control, and the electric motor. An object of the present invention is to provide an electric motor drive control system including a drive control device.
本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の一態様にかかる電動機駆動制御装置は、インバータ回路の出力で駆動される電動機を制御する装置であって、前記インバータ回路で出力可能な時系列な電圧パターンを、互いに異なるように複数、生成する電圧パターン生成部と、前記電圧パターン生成部で生成された複数の時系列な電圧パターンそれぞれについて、当該時系列な電圧パターンを時系列な平滑電圧パターンとして平滑化する平滑化部と、前記平滑化部で平滑化された複数の時系列な平滑電圧パターンそれぞれについて、当該時系列な平滑電圧パターンが前記電動機に入力された場合における前記電動機の制御目的に関する所定の物理量の値を予測値として予測する予測部と、前記平滑化部で平滑化された複数の時系列な平滑電圧パターンの中から、前記予測部で予測された前記電動機の各予測値の中で最も高い評価の予測値に対応する時系列な平滑電圧パターンを選択する電圧パターン選択部と、前記電圧パターン選択部で選択された時系列な平滑電圧パターンに基づいて、前記インバータ回路を制御するインバータ制御部とを備える。好ましくは、電動機駆動制御装置は、インバータ回路の出力で駆動される電動機を制御する装置であって、前記インバータ回路で出力可能な時系列な電圧パターンを、互いに異なるように複数、生成する電圧パターン生成処理を実施する電圧パターン生成部と、前記電圧パターン生成部で生成された複数の時系列な電圧パターンそれぞれについて、当該時系列な電圧パターンを時系列な平滑電圧パターンとして平滑化する平滑化処理を実施する平滑化部と、前記平滑化部で平滑化された複数の時系列な平滑電圧パターンそれぞれについて、当該時系列な平滑電圧パターンが前記電動機に入力された場合における前記電動機の制御目的に関する所定の物理量の値を予測値として予測する予測処理を実施する予測部と、前記平滑化部で平滑化された複数の時系列な平滑電圧パターンの中から、前記予測部で予測された前記電動機の各予測値の中で最も高い評価の予測値に対応する時系列な平滑電圧パターンを選択する電圧パターン選択処理を実施する電圧パターン選択部と、前記電圧パターン選択部で選択された時系列な平滑電圧パターンに基づいて、前記インバータ回路を制御するPWMインバータ制御処理を実施するインバータ制御部と、前記電圧パターン生成処理、前記予測処理、前記平滑化処理、前記電圧パターン選択処理および前記PWMインバータ制御処理を、前記電圧パターン生成部、前記予測部、前記平滑化部、前記電圧パターン選択部および前記PWMインバータ制御部に、所定の制御周期で繰り返し実施させる繰返し制御部とを備える。 As a result of various studies, the inventors of the present invention have found that the above object can be achieved by the present invention described below. That is, an electric motor drive control device according to one aspect of the present invention is a device for controlling an electric motor driven by the output of an inverter circuit, wherein time-series voltage patterns that can be output by the inverter circuit are set to be different from each other. a voltage pattern generator that generates a plurality of voltage patterns; and a smoother that smoothes each of the plurality of time-series voltage patterns generated by the voltage pattern generator as a smoothed time-series voltage pattern. , for each of the plurality of time-series smoothed voltage patterns smoothed by the smoothing unit, predicting the value of a predetermined physical quantity related to the purpose of controlling the electric motor when the time-series smoothed voltage pattern is input to the electric motor. and a prediction unit that predicts the electric motor as a value, and a prediction with the highest evaluation among the plurality of time-series smoothed voltage patterns smoothed by the smoothing unit. a voltage pattern selection unit that selects a time-series smoothed voltage pattern corresponding to a value; and an inverter control unit that controls the inverter circuit based on the time-series smoothed voltage pattern selected by the voltage pattern selection unit. . Preferably, the motor drive control device is a device for controlling a motor driven by the output of an inverter circuit, and generates a plurality of different time-series voltage patterns that can be output by the inverter circuit. A voltage pattern generation unit that performs generation processing, and a smoothing process that smoothes each of the plurality of time-series voltage patterns generated by the voltage pattern generation unit as a time-series smoothed voltage pattern. and for each of a plurality of time-series smoothed voltage patterns smoothed by the smoothing unit, the control purpose of the electric motor when the time-series smoothed voltage pattern is input to the electric motor a prediction unit that performs prediction processing for predicting a value of a predetermined physical quantity as a prediction value; and the electric motor predicted by the prediction unit from among a plurality of time-series smoothed voltage patterns smoothed by the smoothing unit a voltage pattern selection unit that performs a voltage pattern selection process for selecting a time-series smoothed voltage pattern corresponding to the predicted value with the highest evaluation among the predicted values of each; an inverter control unit that performs a PWM inverter control process for controlling the inverter circuit based on a smoothed voltage pattern; the voltage pattern generation process, the prediction process, the smoothing process, the voltage pattern selection process, and the PWM inverter control; and a repeat control unit that causes the voltage pattern generation unit, the prediction unit, the smoothing unit, the voltage pattern selection unit, and the PWM inverter control unit to repeatedly perform processing at a predetermined control cycle.
このような電動機駆動制御装置は、前記電圧パターン生成部で生成された複数の時系列な電圧パターンそれぞれを、前記平滑化部で平滑化し、この平滑化した複数の時系列な平滑電圧パターンの中から選択した平滑電圧パターンを用いるので、制御周期で繰り返し実行される各制御間における入力電圧の差異を低減できるから、電流脈動を低減できる。 In such a motor drive control device, each of the plurality of time-series voltage patterns generated by the voltage pattern generation unit is smoothed by the smoothing unit, and among the smoothed multiple time-series smoothed voltage patterns, Since the smoothed voltage pattern selected from is used, it is possible to reduce the difference in input voltage between each control that is repeatedly executed in the control cycle, so that the current ripple can be reduced.
他の一態様では、上述の電動機駆動制御装置において、前記平滑電圧パターンを前記インバータ回路で出力可能か否かを判定する判定部をさらに備え、前記平滑化部は、前記判定部の判定結果に基づいて前記平滑電圧パターンを生成する。 In another aspect, the electric motor drive control device described above further includes a determination unit that determines whether or not the smoothed voltage pattern can be output by the inverter circuit, and the smoothing unit determines whether or not the determination result of the determination unit is generating the smoothed voltage pattern based on the
このような電動機駆動制御装置は、前記平滑電圧パターンを前記インバータ回路で出力可能か否かを判定した判定結果に基づいて前記平滑電圧パターンを生成するので、前記電動機を安定的に駆動できる。 Since such a motor drive control device generates the smoothed voltage pattern based on the determination result of whether or not the inverter circuit can output the smoothed voltage pattern, the motor can be stably driven.
他の一態様では、これら上述の電動機駆動制御装置において、前記平滑化部は、前記電圧パターン生成部で生成された複数の時系列な電圧パターンそれぞれについて、当該時系列な電圧パターンを時系列な平滑電圧パターンとして平滑化するデジタルローパスフィルタ部と、平滑化の度合いを表す所定の平滑度となるように、前記デジタルローパスフィルタ部のフィルタ係数を制御するフィルタ係数制御部とを備える。 In another aspect of the above-described electric motor drive control device, the smoothing unit converts each of the plurality of time-series voltage patterns generated by the voltage pattern generation unit into time-series voltage patterns. A digital low-pass filter section for smoothing a smoothed voltage pattern, and a filter coefficient control section for controlling filter coefficients of the digital low-pass filter section so as to achieve a predetermined smoothness representing the degree of smoothing.
このような電動機駆動制御装置は、フィルタ係数制御部を備えるので、平滑度を調整できる。 Since such a motor drive control device includes a filter coefficient control section, smoothness can be adjusted.
他の一態様では、これら上述の電動機駆動制御装置において、前記電動機の制御目的に関する所定の物理量は、回転速度である。 In another aspect, in the above-described electric motor drive control device, the predetermined physical quantity related to the purpose of controlling the electric motor is rotational speed.
これによれば、速度制御できる電動機駆動制御装置が提供できる。 According to this, it is possible to provide a motor drive controller capable of speed control.
他の一態様では、これら上述の電動機駆動制御装置において、前記電動機の制御目的に関する所定の物理量は、駆動電流である。 In another aspect of the above-described motor drive control device, the predetermined physical quantity related to the purpose of controlling the motor is drive current.
これによれば、駆動電流制御によるトルク制御できる電動機駆動制御装置が提供できる。 According to this, it is possible to provide an electric motor drive controller capable of torque control by drive current control.
他の一態様では、これら上述の電動機駆動制御装置において、前記電動機へ流れる電流を取得する電流取得部と、前記電動機の回転速度を取得する回転速度取得部とをさらに備え、前記判定部は、前記電流取得部で取得した電流、前記回転速度取得部で取得した回転速度、前記インバータ回路に給電される最大電圧および前記電動機の特性パラメータに基づいて前記平滑電圧パターンを前記インバータ回路で出力可能か否かを判定する。 In another aspect, the above-described electric motor drive control device further includes a current acquisition unit that acquires a current flowing to the electric motor, and a rotation speed acquisition unit that acquires a rotation speed of the electric motor, wherein the determination unit Whether the inverter circuit can output the smoothed voltage pattern based on the current acquired by the current acquisition unit, the rotation speed acquired by the rotation speed acquisition unit, the maximum voltage supplied to the inverter circuit, and the characteristic parameters of the electric motor determine whether or not
このような電動機駆動制御装置は、その取得した電流および回転速度(電動機の駆動状態)、ならびに、予め求められる最大電圧および特性パラメータに基づいて前記平滑電圧パターンを前記インバータ回路で出力可能か否かを判定するので、前記電動機の駆動状態からリアルタイムで前記判定を実施できる。 Whether or not such a motor drive control device can output the smoothed voltage pattern from the inverter circuit based on the acquired current and rotational speed (driving state of the motor), and the maximum voltage and characteristic parameters obtained in advance. can be determined in real time from the drive state of the electric motor.
本発明の他の一態様にかかる電動機駆動制御方法は、インバータ回路の出力で駆動される電動機を制御する方法であって、前記インバータ回路で出力可能な時系列な電圧パターンを、互いに異なるように複数、生成する電圧パターン生成工程と、前記電圧パターン生成工程で生成された複数の時系列な電圧パターンそれぞれについて、当該時系列な電圧パターンを時系列な平滑電圧パターンとして平滑化する平滑化工程と、前記平滑化工程で平滑化された複数の時系列な平滑電圧パターンそれぞれについて、当該時系列な平滑電圧パターンが前記電動機に入力された場合における前記電動機の制御目的に関する所定の物理量の値を予測値として予測する予測工程と、前記平滑化工程で平滑化された複数の時系列な平滑電圧パターンの中から、前記予測工程で予測された前記電動機の各予測値の中で最も高い評価の予測値に対応する時系列な平滑電圧パターンを選択する電圧パターン選択工程と、前記電圧パターン選択工程で選択された時系列な平滑電圧パターンに基づいて、前記インバータ回路を制御するインバータ制御工程とを備える。 A motor drive control method according to another aspect of the present invention is a method of controlling a motor driven by the output of an inverter circuit, wherein time-series voltage patterns that can be output by the inverter circuit are set to be different from each other. a voltage pattern generation step of generating a plurality of voltage patterns; and a smoothing step of smoothing each of the plurality of time-series voltage patterns generated in the voltage pattern generation step as a time-series smoothed voltage pattern. , for each of the plurality of time-series smoothed voltage patterns smoothed in the smoothing step, predicting the value of a predetermined physical quantity related to the purpose of controlling the electric motor when the time-series smoothed voltage pattern is input to the electric motor. a prediction step of predicting as a value, and prediction of the highest evaluation among the plurality of time-series smoothed voltage patterns smoothed in the smoothing step among the predicted values of the electric motor predicted in the prediction step. a voltage pattern selection step of selecting a time-series smoothed voltage pattern corresponding to a value; and an inverter control step of controlling the inverter circuit based on the time-series smoothed voltage pattern selected in the voltage pattern selection step. .
このような電動機駆動制御方法は、前記電圧パターン生成工程で生成された複数の時系列な電圧パターンそれぞれを、前記平滑化工程で平滑化し、この平滑化した複数の時系列な平滑電圧パターンの中から選択した平滑電圧パターンを用いるので、制御周期で繰り返し実行される各制御間における入力電圧の差異を低減できるから、電流脈動を低減できる。 In such a motor drive control method, each of the plurality of time-series voltage patterns generated in the voltage pattern generation step is smoothed in the smoothing step, and among the smoothed time-series smoothed voltage patterns, Since the smoothed voltage pattern selected from is used, it is possible to reduce the difference in input voltage between each control that is repeatedly executed in the control cycle, so that the current ripple can be reduced.
他の一態様では、上述の電動機駆動制御方法において、前記平滑電圧パターンを前記インバータ回路で出力可能か否かを判定する判定工程をさらに備え、前記平滑化工程は、前記判定工程の判定結果に基づいて前記平滑電圧パターンを生成する。 In another aspect, the motor drive control method described above further comprises a determining step of determining whether or not the smoothed voltage pattern can be output by the inverter circuit, wherein the smoothing step is based on the determination result of the determining step generating the smoothed voltage pattern based on the
このような電動機駆動制御方法は、前記平滑電圧パターンを前記インバータ回路で出力可能か否かを判定した判定結果に基づいて前記平滑電圧パターンを生成するので、前記電動機を安定的に駆動できる。 In such a motor drive control method, the smoothed voltage pattern is generated based on the determination result of whether or not the inverter circuit can output the smoothed voltage pattern, so the motor can be stably driven.
本発明の他の一態様にかかる電動機駆動制御システムは、電動機と、前記電動機を駆動するインバータ回路と、前記インバータ回路を制御することで前記電動機を制御する電動機駆動制御部とを備え、前記電動機駆動制御部は、これら上述のいずれかの電動機駆動制御装置である。 An electric motor drive control system according to another aspect of the present invention includes an electric motor, an inverter circuit that drives the electric motor, and an electric motor drive control unit that controls the electric motor by controlling the inverter circuit. The drive control unit is any one of the motor drive control devices described above.
これによれば、これら上述のいずれかの電動機駆動制御装置を備えた電動機駆動制御システムが提供できる。このような電動機駆動制御システムは、これら上述のいずれかの電動機駆動制御装置を備えるので、モデル予測制御で電動機を駆動制御する場合に、電流脈動を低減できる。 According to this, it is possible to provide an electric motor drive control system including any one of the electric motor drive control devices described above. Since such a motor drive control system includes any one of the motor drive control devices described above, it is possible to reduce current pulsation when driving and controlling the motor by model predictive control.
本発明にかかる電動機駆動制御装置および電動機駆動制御方法は、モデル予測制御で電動機を駆動制御する場合に、電流脈動を低減できる。そして、本発明によれば、この電動機駆動制御装置を備えた電動機駆動制御システムが提供できる。 The electric motor drive control device and the electric motor drive control method according to the present invention can reduce current pulsation when the electric motor is controlled by model predictive control. According to the present invention, a motor drive control system having this motor drive control device can be provided.
以下、図面を参照して、本発明の1または複数の実施形態が説明される。しかしながら、発明の範囲は、開示された実施形態に限定されない。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。 One or more embodiments of the invention are described below with reference to the drawings. However, the scope of the invention is not limited to the disclosed embodiments. It should be noted that the configurations denoted by the same reference numerals in each figure indicate the same configurations, and the description thereof will be omitted as appropriate. In the present specification, reference numerals with suffixes omitted are used when referring to generically, and reference numerals with suffixes are used when referring to individual configurations.
実施形態における電動機駆動制御システムは、電動機を、制御しつつ、駆動するシステムであり、インバータ回路の出力で駆動される電動機を制御する電動機駆動制御装置を備える。本実施形態では、電動機駆動制御システムSは、モデル予測制御を用いたベクトル制御によって、電動機を、制御しつつ、駆動する。以下、このような電動機駆動システムについて、第1および第2実施形態で、より具体的に説明する。 A motor drive control system according to an embodiment is a system that controls and drives a motor, and includes a motor drive control device that controls the motor that is driven by the output of an inverter circuit. In this embodiment, the motor drive control system S controls and drives the motor by vector control using model predictive control. Hereinafter, such an electric motor drive system will be described more specifically in first and second embodiments.
(第1実施形態)
図1は、実施形態における電動機駆動制御システムの構成を示すブロック図である。図1には、第1および第2実施形態における電動機駆動制御システムの各構成が図示されており、第1および第2実施形態における電動機駆動システムSa、Sbにおいて共通な各構成は、添え字無しで図示され、第1実施形態における電動機駆動システムSaの構成は、添え字「a」を付加することによって図示され、第2実施形態における電動機駆動システムSbの構成は、添え字「b」を付加することによって図示されている。図2は、図1に示す第1実施形態の前記電動機駆動制御システムにおけるMPC制御部の構成を示すブロック図である。図3は、前記電動機駆動制御システムにおけるインバータ回路の構成を示す回路図である。図4は、前記インバータ回路で出力可能な電圧を示すベクトル図である。図5は、前記インバータ回路で出力可能な時系列な電圧パターンの一例を説明するための図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of an electric motor drive control system according to an embodiment. FIG. 1 shows each configuration of the electric motor drive control system in the first and second embodiments, and each configuration common to the electric motor drive systems Sa and Sb in the first and second embodiments has no suffix. , the configuration of the electric motor drive system Sa in the first embodiment is illustrated by adding the suffix “a”, and the configuration of the electric motor drive system Sb in the second embodiment is illustrated by adding the suffix “b” is illustrated by FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the MPC control section in the motor drive control system of the first embodiment shown in FIG. 1. As shown in FIG. FIG. 3 is a circuit diagram showing the configuration of an inverter circuit in the motor drive control system. FIG. 4 is a vector diagram showing voltages that can be output by the inverter circuit. FIG. 5 is a diagram for explaining an example of a time-series voltage pattern that can be output from the inverter circuit.
第1実施形態における電動機駆動制御システムSaは、例えば、図1に示すように、電動機Mと、インバータ回路IVと、PWM変調器PWと、2相3相変換部CV1と、モデル予測制御部MCaと、3相2相変換部CV2と、回転速度処理部RSCと、電流測定部CSと、回転角度測定部VSとを備える。 The motor drive control system Sa in the first embodiment includes, for example, as shown in FIG. , a three-phase to two-phase converter CV2, a rotational speed processor RSC, a current measuring section CS, and a rotation angle measuring section VS.
電動機Mは、インバータ回路IVに接続され、インバータ回路IVの交流出力で駆動される電動機である。例えば、電動機Mは、インバータ回路IVから出力されるU相、V相およびW相の三相交流電力で駆動される同期電動機、より具体的には、本実施形態では永久磁石式同期電動機(permanent magnet synchronous motor、PMSM)である。なお、電動機Mは、これに限定されるものではなく、例えば、例えば、誘導電動機(induction motor、IM)やSRモータ(Switched Reluctance motor、SRM)等の他の種類であっても良い。 The electric motor M is a motor connected to the inverter circuit IV and driven by the AC output of the inverter circuit IV. For example, the electric motor M is a synchronous motor driven by three-phase AC power of U-phase, V-phase and W-phase output from the inverter circuit IV. magnet synchronous motor, PMSM). The electric motor M is not limited to this, and may be, for example, an induction motor (IM) or another type such as an SR motor (Switched Reluctance motor (SRM)).
PWM変調器PWは、変更可能なパスル幅で矩形波を出力する回路であり、インバータ回路IVは、直流電力を交流電力に変換する回路であり、本実施形態では、PWM変調器PWおよびインバータ回路IVにより、三相交流電力で電動機を駆動する、いわゆる3相PWMインバータモータドライバが構成される。これらPWM変調器PWおよびインバータ回路IVは、2相3相変換部CV1を介してモデル予測制御部MCaに接続され、モデル予測制御部MCaの制御に従って、直流電源Vdcからの直流電力を、所定の周波数の交流電力へ変換する。より具体的には、PWM変調器PWは、モデル予測制御部MCaの制御に従った周波数およびパルス幅の矩形波を後述の制御信号(IV制御信号)としてインバータ回路IVへ出力する回路である。インバータ回路IVは、PWM変調器PWに接続され、PWM変調器PWからのIV制御信号に従って、直流電源Vdcの直流電力を、所定の周波数の交流電力へ変換する回路である。インバータ回路IVは、例えば、図3に示すように、直列に接続された2個のスイッチング素子Trを1組として、互いに並列に接続された3組Tr1、Tr4;Tr2、Tr5;Tr3、Tr6を備える。より具体的には、インバータ回路IVは、6個の第1ないし第6スイッチングTr1~Tr6を備える。これら第1ないし第6スイッチング素子Tr1~Tr6は、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)等の、オンオフするスイッチ機能を持つ電力用半導体素子である。第1ないし第3スイッチング素子Tr1~Tr3の各一方端子(例えば各コレクタ端子)は、それぞれ、直流電源Vdcの一方端子に接続される。第1スイッチング素子Tr1の他方端子(例えばエミッタ端子)は、第4スイッチング素子Tr4の一方端子(例えば各コレクタ端子)に接続される。第2スイッチング素子Tr2の他方端子(例えばエミッタ端子)は、第5スイッチング素子Tr5の一方端子(例えば各コレクタ端子)に接続される。第3スイッチング素子Tr3の他方端子(例えばエミッタ端子)は、第6スイッチング素子Tr6の一方端子(例えば各コレクタ端子)に接続される。これら第4ないし第6スイッチング素子Tr4~Tr6の各他方端子(例えば各エミッタ端子)は、それぞれ、直流電源Vdcの他方端子に接続される。これら第1ないし第6スイッチング素子Tr1~Tr6における、スイッチング素子TrをオンオフするためのIV制御信号が入力される各制御端子(例えばゲート端子)は、PWM変調器PWに接続される。これら第1ないし第6スイッチング素子Tr1~Tr6それぞれにおいて、その一方端子と他方端子との各間それぞれには、他方端子にアノード端子を接続した各ダイオードD1~D6が接続される。そして、第1スイッチング素子Tr1と第4スイッチング素子Tr4とを接続する第1接続点は、例えばU相の交流電流を出力し、電動機MのU相を接続する入力端子に接続される。第2スイッチング素子Tr2と第5スイッチング素子Tr5とを接続する第2接続点は、例えばV相の交流電流を出力し、電動機MのV相を接続する入力端子に接続される。第3スイッチング素子Tr3と第6スイッチング素子Tr6とを接続する第3接続点は、例えばW相の交流電流を出力し、電動機MのW相を接続する入力端子に接続される。このような構成では、インバータ回路IVは、いわゆる2レベル3相インバータ回路であり、各組の一方のスイッチング素子Tr1、Tr2、Tr3と他方のスイッチング素子Tr4、Tr5、Tr6とは、互いに逆のスイッチング態様(一方がオンの場合には他方がオフで、一方がオフの場合には他方がオンである態様)となるように、PWM変調器PWからのIV制御信号に従って制御され、直流電源Vdcの直流電力を変換してU相、V相およびW相の3相の交流電流を電動機Mへ出力する。 The PWM modulator PW is a circuit that outputs a rectangular wave with a variable pulse width, and the inverter circuit IV is a circuit that converts DC power to AC power. In this embodiment, the PWM modulator PW and the inverter circuit IV constitutes a so-called three-phase PWM inverter motor driver that drives a motor with three-phase AC power. These PWM modulator PW and inverter circuit IV are connected to a model predictive controller MCa via a two-to-three phase converter CV1, and convert DC power from a DC power supply Vdc to a predetermined Convert to AC power of frequency. More specifically, the PWM modulator PW is a circuit that outputs a rectangular wave having a frequency and a pulse width according to the control of the model predictive controller MCa to the inverter circuit IV as a control signal (IV control signal), which will be described later. The inverter circuit IV is a circuit that is connected to the PWM modulator PW and converts the DC power of the DC power supply Vdc into AC power of a predetermined frequency according to the IV control signal from the PWM modulator PW. For example, as shown in FIG. 3, the inverter circuit IV includes three sets Tr1, Tr4; Tr2, Tr5; Prepare. More specifically, the inverter circuit IV includes six first through sixth switches Tr1 through Tr6. These first to sixth switching elements Tr1 to Tr6 are power semiconductor elements, such as insulated gate bipolar transistors (IGBTs), which have switching functions to turn on and off. One terminal (for example, each collector terminal) of each of the first to third switching elements Tr1 to Tr3 is connected to one terminal of the DC power supply Vdc. The other terminal (for example, emitter terminal) of the first switching element Tr1 is connected to one terminal (for example, each collector terminal) of the fourth switching element Tr4. The other terminal (for example, emitter terminal) of the second switching element Tr2 is connected to one terminal (for example, each collector terminal) of the fifth switching element Tr5. The other terminal (for example, the emitter terminal) of the third switching element Tr3 is connected to one terminal (for example, each collector terminal) of the sixth switching element Tr6. The other terminals (for example, emitter terminals) of the fourth to sixth switching elements Tr4 to Tr6 are connected to the other terminal of the DC power supply Vdc. Control terminals (for example, gate terminals) to which IV control signals for turning on/off the switching elements Tr are input in the first to sixth switching elements Tr1 to Tr6 are connected to the PWM modulator PW. Diodes D1 to D6 having anode terminals connected to the other terminals are connected between the one terminals and the other terminals of the first to sixth switching elements Tr1 to Tr6, respectively. A first connection point that connects the first switching element Tr1 and the fourth switching element Tr4 is connected to an input terminal that outputs a U-phase alternating current and connects the U-phase of the electric motor M, for example. A second connection point connecting the second switching element Tr2 and the fifth switching element Tr5 outputs, for example, a V-phase alternating current and is connected to an input terminal to which the V-phase of the electric motor M is connected. A third connection point that connects the third switching element Tr3 and the sixth switching element Tr6 is connected to an input terminal that outputs a W-phase AC current and connects the W-phase of the electric motor M, for example. In such a configuration, the inverter circuit IV is a so-called two-level three-phase inverter circuit, and the switching elements Tr1, Tr2, and Tr3 on one side of each group and the switching elements Tr4, Tr5, and Tr6 on the other side are switched in opposite directions to each other. Control is performed according to the IV control signal from the PWM modulator PW so that when one is on, the other is off, and when one is off, the other is on. It converts the DC power and outputs AC current of three phases of U-phase, V-phase and W-phase to the electric motor M.
電流測定部CSは、3相2相変換部CV2に接続され、インバータ回路IVから電動機Mへ流れる電流、本実施形態では、U相電流、V相電流およびW相電流それぞれを測定し、その各測定結果を3相2相変換部CV2へ出力する装置である。電流測定部CSは、例えば交流電流計を備えて構成される。 The current measurement unit CS is connected to the three-to-two phase conversion unit CV2, and measures the current flowing from the inverter circuit IV to the electric motor M, in this embodiment, the U-phase current, the V-phase current, and the W-phase current. This device outputs the measurement result to the three-to-two phase converter CV2. The current measuring unit CS is configured with an AC ammeter, for example.
回転角度測定部VSは、2相3相変換部CV1、3相2相変換部CV2および回転速度処理部RSCそれぞれに接続され、電動機Mにおける磁極位置を角度で測定し、その測定結果(回転角度、電気角(=機械角/電動機Mの極対数))を2相3相変換部CV1、3相2相変換部CV2および回転速度処理部RSCそれぞれに出力する装置である。回転角度測定部VSは、例えば、ロータリエンコーダ(パルスジェネレータ)や、ホールIC等を備えて構成される。なお、センサレスの場合には、回転角度測定部VSは、電動機Mのモデルを用いて電流および電圧から電動機Mの回転角度を求めても良い。 The rotation angle measurement unit VS is connected to the two-to-three-phase conversion unit CV1, the three-to-two phase conversion unit CV2, and the rotation speed processing unit RSC, respectively, measures the magnetic pole position in the electric motor M in terms of angles, and obtains the measurement result (rotation angle , electrical angle (=mechanical angle/number of pole pairs of motor M)) to two-to-three-phase converter CV1, three-to-two phase converter CV2, and rotation speed processor RSC. The rotation angle measurement unit VS is configured including, for example, a rotary encoder (pulse generator), a Hall IC, and the like. In the sensorless case, the rotation angle measurement unit VS may use a model of the electric motor M to obtain the rotation angle of the electric motor M from the current and voltage.
2相3相変換部CV1は、モデル予測制御部MCaに接続され、回転角度測定部VSから入力された測定結果(回転角度)およびモデル予測制御部MCaで後述のように求められた平滑電圧パターンに基づく目標電圧vd *、vq *から、この目標電圧vd *、vq *に対応する目標のU相電流、V相電流およびW相電流をインバータ回路IVから出力するようにPWM変調器PWを制御するための制御信号(PWM制御信号)を求め、このPWM制御信号をPWM変調器PWへ出力するものである。 The two-to-three-phase converter CV1 is connected to the model prediction controller MCa, and receives the measurement result (rotation angle) input from the rotation angle measurement unit VS and the smoothed voltage pattern obtained by the model prediction controller MCa as described later. from the target voltages v d * , v q * based on the target voltages v d *, v q *, PWM modulation so that target U-phase current, V-phase current, and W-phase current corresponding to the target voltages v d * , v q * are output from the inverter circuit IV A control signal (PWM control signal) for controlling the modulator PW is obtained, and this PWM control signal is output to the PWM modulator PW.
3相2相変換部CV2は、モデル予測制御部MCaに接続され、電流測定部CSから入力された測定結果(U相電流、V相電流およびW相電流)および回転角度測定部VSから入力された測定結果(回転角度)から、いわゆるクラーク(Clarke)変換およびパーク(Park)変換によって、励磁電流(d軸電流)idおよびトルク分電流(q軸電流)iqを求め、この求めたd軸電流idおよびq軸電流iqをモデル予測制御部MCへ出力するものである。 The three-to-two phase conversion unit CV2 is connected to the model predictive control unit MCa, and receives measurement results (U-phase current, V-phase current, and W-phase current) input from the current measurement unit CS and input from the rotation angle measurement unit VS. From the measured result (rotational angle), the excitation current (d-axis current) i d and the torque component current (q-axis current) i q are obtained by the so-called Clarke transformation and Park transformation, and the determined d It outputs the axis current id and the q -axis current iq to the model prediction controller MC.
回転速度処理部RSCは、モデル予測制御部MCaに接続され、回転角度測定部VSから入力された測定結果(回転角度)から、電動機Mの回転速度ωmを求め、この求めた回転速度ωmをモデル予測制御部MCaへ出力するものである。例えば、回転角度測定部VSで測定された回転角度θeを時間微分して電動機Mの極対数pの逆数を乗じることによって回転速度ωmが求められる。 The rotation speed processing unit RSC is connected to the model predictive control unit MCa, obtains the rotation speed ω m of the electric motor M from the measurement result (rotation angle) input from the rotation angle measurement unit VS, and calculates the obtained rotation speed ω m is output to the model predictive control unit MCa. For example, the rotation speed ωm can be obtained by time-differentiating the rotation angle θe measured by the rotation angle measuring unit VS and multiplying it by the reciprocal of the number of pole pairs p of the motor M.
モデル予測制御部MCaは、モデル予測制御を用いたベクトル制御によって、電動機MをPWM変調器PWおよびインバータ回路IVを介して駆動制御するものである。モデル予測制御部MCaは、より具体的には、例えば、図2に示すように、制御部11と、電圧パターン生成部12と、平滑化部13aと、予測部14と、電圧パターン選択部15と、PWMインバータ制御部16とを備える。
The model predictive control unit MCa drives and controls the electric motor M via the PWM modulator PW and the inverter circuit IV by vector control using model predictive control. More specifically, for example, as shown in FIG. and a PWM
制御部11は、電動機駆動制御システムSaの各部を当該各部の機能に応じて制御し、電動機駆動制御システムSa全体の制御を司るものである。
The
電圧パターン生成部12は、インバータ回路IVで出力可能な時系列な電圧パターンを、互いに異なるように複数、生成するものである。すなわち、電圧パターン生成部12は、インバータ回路IVで出力可能な時系列な電圧パターンを、互いに異なるように複数、生成する電圧パターン生成処理を実施する。インバータ回路IVは、本実施形態では、上述のように、2レベル3相インバータであるので、第1ないし第6スイッチング素子Tr1~Tr6のスイッチング態様に応じて、図4に示すように、23=8通りの電圧を出力できる。なお、電圧ベクトルV0は、第1ないし第3スイッチング素子Tr1~Tr3がオフであって第4ないし第6スイッチング素子Tr4~Tr6がオンであり、電動機Mに給電されない場合(V0=(0、0、0))である。電圧ベクトルV7は、第1ないし第3スイッチング素子Tr1~Tr3がオンであって第4ないし第6スイッチング素子Tr4~Tr6がオフであり、電動機Mに給電されない場合(V7=(0、0、0))である。時系列な電圧パターンは、予測する制御周期数である予測ホライズン、および、制御入力である電圧を可変とする制御周期数である制御ホライズンによって決定される。このため、モデル予測制御部MCaには、予め予測ホライズンの数値および制御ホライズンの数値が、モデル予測制御の仕様等に応じて適宜に予め設定され、電圧パターン生成部12は、インバータ回路IVで出力可能な電圧(上述では8通り)、予測ホライズンの数値および制御ホライズンの数値に応じて互いに異なる複数の時系列な電圧パターンを生成する。図5には、一例として、予測ホライズンNpが2であり、制御ホライズンNcが1である場合のインバータ回路IVで出力可能な全ての時系列な電圧パターンが樹形図で図示されている。図5では、現在のN番目の制御における電圧に対し、予測ホライズンNpが2であるので、次の(N+1)番目の制御における電圧と、さらに次の(N+2)番目の制御における電圧とが予測され、制御ホライズンNcが1であるので、インバータ回路IVで出力可能な全ての時系列な電圧パターンは、現在のN番目の制御における電圧から、次の(N+1)番目の制御では、8通りの電圧V0~V8に分岐し、さらに次の(N+2)番目の制御では、各電圧V0~V8から、それぞれ当該電圧V0~V8に維持された8組の時系列な電圧パターンである。なお、他の一例として、予測ホライズンが2であり、制御ホライズンが2である場合、現在のN番目の制御における電圧に対し、予測ホライズンが2であるので、次の(N+1)番目の制御における電圧と、さらに次の(N+2)番目の制御における電圧とが予測され、制御ホライズンが2であるので、インバータ回路IVで出力可能な全ての時系列な電圧パターンは、(N+1)番目の制御および(N+2)番目の制御それぞれで8通りの電圧V0~V8に分岐し、64組の時系列な電圧パターンである。
The
平滑化部13aは、電圧パターン生成部12で生成された複数の時系列な電圧パターンそれぞれについて、当該時系列な電圧パターンを時系列な平滑電圧パターンとして平滑化(スムージング)するものである。すなわち、平滑化部13aは、電圧パターン生成部12で生成された複数の時系列な電圧パターンそれぞれについて、当該時系列な電圧パターンを時系列な平滑電圧パターンとして平滑化する平滑化処理を実施する。より具体的には、本実施形態では、平滑化部13aは、時系列な電圧パターンをローパスフィルタでフィルタリングすることで前記時系列な電圧パターンを平滑化する。より詳しくは、モデル予測制御部MCaが、予め設定された所定の制御周期ごとに繰り返し電動機Mを制御する場合、k番目の制御におけるdq軸(回転座標系)での電圧ベクトルをvdq(k)とし、その平滑化した電圧ベクトルをvdqs(k)とし、パラメータとして、平滑化の度合いを調整する平滑度をKaとする場合に、平滑化部13aは、電圧パターン生成部12によって生成された時系列な電圧パターンを、次式1で平滑化する。式1では、k番目の制御における、平滑化した電圧ベクトルをvdqs(k)は、それまでの(k-1)番目の制御における、平滑化した電圧ベクトルvdqs(k-1)とk番目の制御における電圧ベクトルをvdq(k)とを、平滑度Kaで重み付けした重み付け平均することによって求められる。平滑度Kaは、0から1までの範囲内で予め適宜に設定される(0≦Ka≦1)。平滑度Kaが1に近づくほど、(k-1)番目の制御における、平滑化した電圧ベクトルvdqs(k-1)が重視され、k番目の制御における、平滑化した電圧ベクトルvdqs(k)中に占める、(k-1)番目の制御における、平滑化した電圧ベクトルvdqs(k-1)の割合が大きくなり、逆に、平滑度Kaが0に近づくほど、k番目の制御における電圧ベクトルvdq(k)が重視され、k番目の制御における、平滑化した電圧ベクトルvdqs(k)中に占める、k番目の制御における電圧ベクトルvdq(k)の割合が大きくなる。なお、電圧ベクトルvdq(k)は、[vd(k)、vq(k)]Tである(vdq(k)=[vd(k)、vq(k)]T)。
The smoothing
ここで、k=1の場合における式1の右辺第1項のvdqs(0)には、前回の制御周期の制御で実際にインバータ回路IVから出力された電圧値が用いられる。
Here, the voltage value actually output from the inverter circuit IV in the control of the previous control cycle is used for v dqs (0) of the first term on the right side of
上述の例では、現在のk番目の制御において、電圧パターン生成部12で生成された8通りの、2制御周期先までの[vdq(k+1)、vdq(k+2)]に対し、平滑化部13aによって8通りの、2制御周期先までの[vdqs(k+1)、vdqs(k+2)]が求められる。
In the above example, in the current k-th control, smoothing is performed on [v dq (k+1), v dq (k+2)] up to two control cycles ahead of eight patterns generated by the voltage
予測部14は、平滑化部13aで平滑化された複数の時系列な平滑電圧パターンそれぞれについて、当該時系列な平滑電圧パターンが電動機Mに入力された場合における前記電動機Mの制御目的に関する所定の物理量の値を予測値として予測するものである。すなわち、平滑化部13aで平滑化された複数の時系列な平滑電圧パターンそれぞれについて、当該時系列な平滑電圧パターンが電動機Mに入力された場合における前記電動機Mの制御目的に関する所定の物理量の値を予測値として予測する予測処理を実施する。より具体的には、本実施形態では、前記電動機Mの制御目的に関する所定の物理量は、回転速度であり、このため、予測部14は、平滑化したd軸電圧vdsを用いた次式2によってd軸電流idを求め、平滑化したq軸電圧vqsを用いた次式3によってq軸電流iqを求める。そして、予測部14は、次式4によってトルクTeを求め、この求めたトルクTeを用いた次式5によって回転速度ωmを求める。
For each of the plurality of time-series smoothed voltage patterns smoothed by the smoothing
ここで、id(k)は、k番目の制御におけるd軸電流であり、iq(k)は、k番目の制御におけるq軸電流であり、Ldは、d軸インダクタンスであり、Lqは、q軸インダクタンスである。なお、本実施形態では、電動機Mが永久磁石式同期電動機であるので、Ld=Lq=Lとなる。Tsは、制御周期であり、Rは、電動機Mの巻線抵抗であり、ωm(k)は、k番目の制御における、測定された回転速度(実績の回転速度)であり、pは、電動機Mにおける極対数であり、Ψは、電動機Mにおける永久磁石の鎖交磁束であり、Jは、電動機Mにおける回転子の慣性モーメントであり、Dは、電動機Mにおける回転子の動摩擦抵抗である。なお、現在、k番目の制御の場合、(k+1)、(k+2)、(k+3)、・・・は、予測値であることを表している。 where i d (k) is the d-axis current in the k-th control, i q (k) is the q-axis current in the k-th control, L d is the d-axis inductance, L q is the q-axis inductance. In this embodiment, since the motor M is a permanent magnet type synchronous motor, L d =L q =L. T s is the control period, R is the winding resistance of the motor M, ω m (k) is the measured rotation speed (actual rotation speed) in the k-th control, and p is , is the number of pole pairs in the electric motor M, Ψ is the flux linkage of the permanent magnet in the electric motor M, J is the moment of inertia of the rotor in the electric motor M, and D is the dynamic frictional resistance of the rotor in the electric motor M. be. In the case of the k-th control, (k+1), (k+2), (k+3), . . . represent predicted values.
上述の例では、現在のk番目の制御において、平滑化部13aで求められた8通りの[vdqs(k+1)、vdqs(k+2)]に対し、予測部14によって、8通りの2制御周期先までの[idq(k+1)、idq(k+2)]および2制御周期先までの[ωm(k+1)、ωm(k+2)]が各予測値として求められる。なお、電流ベクトルidq(k)は、[id(k)、iq(k)]Tである(idq(k)=[id(k)、iq(k)]T)。
In the above example, in the current k-th control, the predicting
電圧パターン選択部15は、平滑化部13aで平滑化された複数の時系列な平滑電圧パターンの中から、予測部14で予測された電動機Mの各予測値の中で最も高い評価の予測値に対応する時系列な平滑電圧パターンを選択するものである。すなわち、電圧パターン選択部15は、平滑化部13aで平滑化された複数の時系列な平滑電圧パターンの中から、予測部14で予測された電動機Mの各予測値の中で最も高い評価の予測値に対応する時系列な平滑電圧パターンを選択する電圧パターン選択処理を実施する。より具体的には、電圧パターン選択部15は、平滑化部13aで平滑化された複数の時系列な平滑電圧パターンそれぞれについて、予測部14で予測された電動機Mの電流予測値[idq(k+1)、idq(k+2)]および回転速度予測値[ωm(k+1)、ωm(k+2)]を、例えば次式6の評価式gに用いることによって、前記時系列な平滑電圧パターンを定量的に評価し、前記複数の時系列な平滑電圧パターンの中から、最も高い評価の電流予測値[idq(k+1)、idq(k+2)]および回転速度予測値[ωm(k+1)、ωm(k+2)]に対応する時系列な平滑電圧パターンを選択する。式6の評価式gでは、評価値が小さいほど、評価が高い。したがって、前記複数の時系列な平滑電圧パターンの中から、最も小さい評価値を与える電流予測値[idq(k+1)、idq(k+2)]および回転速度予測値[ωm(k+1)、ωm(k+2)]に対応する時系列な平滑電圧パターンが最適な時系列な平滑電圧パターンとして選択される。なお、モデル予測制御部MCaには、外部から制御目的の目標値の回転速度ωm
*が入力され、設定される。
The voltage
上記式6の評価式gは、速度制御の上で重要となることから、速度偏差を第1項とし、永久磁石式同期電動機の場合、無駄な給電を防止するために、トルクの発生に寄与しないd軸電流idを0に保持することが重要であることから、電流偏差を第2項とし、これら第1項および第2項を係数a、bで線形結合することで構成されている。したがって、第1項と第2項とにおける相対的な重要度に応じて係数a、bが予め適宜に決定される。言い換えれば、係数a、bで第1項と第2項とにおける相対的な重要度が調整できる。すなわち、電動機Mの制御で、速度偏差が電流偏差より相対的に重要である場合には、係数aは、係数bより大きく設定され(a>b)、逆に、電動機Mの制御で、電流偏差が速度偏差より相対的に重要である場合には、係数bは、係数aより大きく設定され(b>a)、両者が等しく重要である場合には、係数aは、係数bと同値に設定される(a=b)。
Since the evaluation formula g of the
PWMインバータ制御部16は、電圧パターン選択部15で選択された時系列な平滑電圧パターンに基づいて、インバータ回路IVを制御するものである。すなわち、PWMインバータ制御部16は、電圧パターン選択部15で選択された時系列な平滑電圧パターンに基づいて、インバータ回路IVを制御するPWMインバータ制御処理を実施する。より具体的には、本実施形態では、PWMインバータ制御部16は、現在、k番目の制御である場合に、電圧パターン選択部15で選択された時系列な平滑電圧パターンにおける次回の(k+1)番目の制御でのd軸電圧vd(k+1)およびq軸電圧vq(k+1)それぞれをd軸目標電圧vd
*およびq軸目標電圧vq
*それぞれとして、この目標電圧vd
*、vq
*に対応する目標のU相電流、V相電流およびW相電流をインバータ回路IVから出力するように、2相3相変換部CV1にPWM制御信号を生成させてこのPWM制御信号でPWM変調器PWにIV制御信号を生成させ、この生成させたIV制御信号をPWM変調器PWからインバータ回路IVへ出力させる。
The PWM
そして、制御部11は、前記電圧パターン生成処理、前記平滑化処理、前記予測処理、前記電圧パターン選択処理および前記インバータ制御処理を、電圧パターン生成部12、平滑化部13a、予測部14、電圧パターン選択部15およびPWMインバータ制御部16に、所定の制御周期で繰り返し実施させる。
Then, the
このようなモデル予測制御部MCa、2相3相変換部CV1、3相2相変換部CV2および回転速度処理部RSCは、CPU(Central Processing Unit)、メモリおよびその周辺回路を備えて構成されるマイクロプロセッサで構成可能であり、モデル予測制御部MCaにおける制御部11、電圧パターン生成部12、平滑化部13a、予測部14、電圧パターン選択部15およびPWMインバータ制御部16、2相3相変換部CV1、3相2相変換部CV2、ならびに、回転速度処理部RSCは、所定のプログラムの実行により、前記CPUに機能的に構成される。
The model predictive controller MCa, the two-to-three-phase converter CV1, the three-to-two phase converter CV2, and the rotation speed processor RSC are configured with a CPU (Central Processing Unit), a memory, and peripheral circuits thereof. A
次に、本実施形態の動作について説明する。図6は、前記電動機駆動制御システムにおける動作を示すフローチャートである。図6には、第1および第2実施形態における電動機駆動制御システムの各処理が図示されており、第1および第2実施形態における電動機駆動システムSa、Sbにおいて共通な各処理は、添え字無しで図示され、第1実施形態における電動機駆動システムSaの処理は、添え字「a」を付加することによって図示され、第2実施形態における電動機駆動システムSbの処理は、添え字「b」を付加することによって図示されている。図7は、第1実施形態において、速度制御のシミュレーション結果を示す図である。 Next, the operation of this embodiment will be described. FIG. 6 is a flow chart showing the operation of the motor drive control system. FIG. 6 shows each process of the electric motor drive control system in the first and second embodiments, and each process common to the electric motor drive systems Sa and Sb in the first and second embodiments is , the processing of the electric motor drive system Sa in the first embodiment is illustrated by adding the suffix “a”, and the processing of the electric motor drive system Sb in the second embodiment is illustrated by adding the suffix “b” is illustrated by FIG. 7 is a diagram showing simulation results of speed control in the first embodiment.
このような第1実施形態の電動機駆動制御システムSaでは、電源が投入されると、必要な各部の初期化を実行し、その稼働を始める。そして、例えば、プログラムの実行によって、前記CPUには、モデル予測制御部MCa、2相3相変換部CV1、3相2相変換部CV2および回転速度処理部RSCが機能的に構成され、モデル予測制御部MCaには、制御部11、電圧パターン生成部12、平滑化部13a、予測部14、電圧パターン選択部15およびPWMインバータ制御部16が機能的に構成される。
In the electric motor drive control system Sa of the first embodiment, when the power is turned on, the necessary parts are initialized and started to operate. Then, for example, by executing a program, the CPU is functionally configured with a model prediction control section MCa, a two-to-three-phase conversion section CV1, a three-to-two-phase conversion section CV2, and a rotational speed processing section RSC. The control unit MCa includes a
そして、図6に示す処理S11ないし処理S17の各処理が、電動機Mの駆動が停止されるまで、制御部11によって所定の制御周期ごとに繰り返し実行される。
6 are repeatedly executed by the
図6において、まず、今回(k番目)において、電流測定部CSによって測定された各相の電流値が取得され、回転角度測定部VSによって測定された回転角度の値が取得される(S11)。電流測定部CSは、この取得した各相の電流値を、3相2相変換部CV2へ出力し、回転角度測定部VSは、この取得した回転角度値を、2相3相変換部CV1、3相2相変換部CV2および回転速度処理部RSCそれぞれへ出力する。 In FIG. 6, first, at this time (k-th), the current value of each phase measured by the current measurement unit CS is acquired, and the rotation angle value measured by the rotation angle measurement unit VS is acquired (S11). . The current measurement unit CS outputs the acquired current values of each phase to the three-to-two phase conversion unit CV2, and the rotation angle measurement unit VS outputs the acquired rotation angle values to the two-to-three phase conversion unit CV1, Output to the three-to-two phase converter CV2 and the rotational speed processor RSC.
続いて、3相2相変換部CV2は、処理S11で取得された各相の電流値および回転角度値から、d軸電流idおよびq軸電流iqを求め、この求めたd軸電流idおよびq軸電流iqをモデル予測制御部MCaへ出力し、回転速度処理部RSCは、処理S11で取得された各相の電流値および回転角度値から、回転速度ωmを求め、この求めた回転速度ωmを、モデル予測制御部MCaへ出力する(S12)。 Subsequently, the three-to-two-phase conversion unit CV2 obtains the d-axis current i d and the q-axis current i q from the current value and the rotation angle value of each phase obtained in step S11, and the obtained d-axis current i The d- and q -axis currents iq are output to the model predictive control unit MCa, and the rotational speed processing unit RSC obtains the rotational speed ωm from the current value and the rotational angle value of each phase obtained in step S11. The rotational speed ω m thus obtained is output to the model predictive control unit MCa (S12).
続いて、モデル予測制御部MCaは、電圧パターン生成部12によって、予め設定された予測ホライズンの値および制御ホライズンの値に応じて、インバータ回路IVで出力可能な時系列な電圧パターンを、互いに異なるように複数、生成する(S13、電圧パターン生成処理)。
Subsequently, the voltage
続いて、モデル予測制御部MCaは、平滑化部13aによって、処理S12で電圧パターン生成部12によって生成された複数の時系列な電圧パターンそれぞれについて、当該時系列な電圧パターンを時系列な平滑電圧パターンとして平滑化する(S14a、平滑化処理)。
Subsequently, the model predictive control unit MCa converts each of the time-series voltage patterns generated by the voltage
続いて、モデル予測制御部MCaは、予測部14によって、処理S14aで平滑化部13aによって平滑化された複数の時系列な平滑電圧パターンそれぞれについて、当該時系列な平滑電圧パターンが電動機Mに入力された場合における前記電動機Mの制御目的に関する所定の物理量の値を予測値として予測する(S15、予測処理)。より具体的には、本実施形態では、予測部14は、次式2によってd軸電流idを求め、次式3によってq軸電流iqを求め、次式4によってトルクTeを求め、次式5によって回転速度予測値ωmを求める。
Subsequently, the model predictive control unit MCa inputs the time-series smoothed voltage patterns to the electric motor M for each of the plurality of time-series smoothed voltage patterns smoothed by the smoothing
続いて、モデル予測制御部MCaは、電圧パターン選択部15によって、処理S14aで平滑化部13aによって平滑化された複数の時系列な平滑電圧パターンの中から、処理S15で予測部14によって予測された電動機Mの各予測値の中で最も高い評価の予測値に対応する時系列な平滑電圧パターンを選択する(S16、電圧パターン選択処理)。
Subsequently, the voltage
続いて、モデル予測制御部MCは、PWMインバータ制御部16によって、処理S16で電圧パターン選択部15によって選択された時系列な平滑電圧パターンに基づいて、PWM変調器PWおよびインバータ回路IVを制御して電動機Mを駆動する(S17、PWMインバータ制御処理)。
Subsequently, the model predictive control unit MC causes the PWM
このように電動機Mが、制御目的の目標値の回転速度ωm *となるように、モデル予測制御で制御され、駆動される。 In this way, the electric motor M is controlled and driven by the model predictive control so that the rotational speed ω m * is the target value for the control purpose.
シミュレーション(数値実験)によって、本実施形態における電動機駆動制御システムSa、電動機駆動制御装置およびこれに実装された電動機駆動制御方法の効果が検証された。その一実施例の速度制御のシミュレーション結果がその比較例と共に図7に示されている。図7A、図7Bおよび図7Cは、第1実施形態における電動機駆動制御システムSaによる速度制御のシミュレーション結果を示し、図7Aは、回転速度を示し、図7Bは、d軸電流idを示し、図7Cは、q軸電流iqを示す。図7D、図7Eおよび図7Fは、比較例による速度制御のシミュレーション結果を示し、図7Dは、回転速度を示し、図7Eは、d軸電流idを示し、図7Fは、q軸電流iqを示す。図7Aないし図7Fにおける各横軸は、経過時間であり、図7Aおよび図7Dの各縦軸は、回転速度であり、図7Bおよび図7Eの各縦軸は、d軸電流idであり、図7Cおよび図7Fの各縦軸は、q軸電流iqである。比較例は、電圧パターン生成部12で生成された複数の電圧パターンを平滑化せずに、そのまま用いる点を除き、前記実施例と同様である。前記実施例および前記比較例では、モデル予測制御の制御周期は、100μsecであり、キャリア周波数は、10kHzである。前記実施例の平滑度Kaは、0.9とした。図7Eおよび図7Fから分かるように、前記比較例では、d軸電流idおよびq軸電流iqそれぞれに電流脈動が生じているが、図7Bおよび図7Cから分かるように、前記実施例では、これに較べて、d軸電流idおよびq軸電流iqそれぞれの電流脈動が低減されている。そして、図7Aおよび図7Dから分かるように、目標速度の追従性は、前記実施例と前記比較例とで差が無く、制御の応答性が維持されている。なお、図7Aおよび図7Dにおいて、破線は、目標値(参照値、reference)を示し、実線は、測定値(measured)を示す。
Simulations (numerical experiments) verified the effects of the motor drive control system Sa, the motor drive control device, and the motor drive control method implemented therein in this embodiment. FIG. 7 shows the simulation result of the speed control of the one embodiment together with the comparative example. 7A, 7B and 7C show simulation results of speed control by the motor drive control system Sa in the first embodiment, FIG. 7A shows the rotation speed, FIG. 7B shows the d -axis current id, FIG. 7C shows the q-axis current i q . 7D, 7E and 7F show simulation results of speed control according to the comparative example, FIG. 7D shows the rotational speed, FIG. 7E shows the d -axis current id, and FIG. 7F shows the q-axis current i q is shown. Each horizontal axis in FIGS. 7A to 7F is elapsed time, each vertical axis in FIGS. 7A and 7D is rotational speed, and each vertical axis in FIGS. 7B and 7E is d -axis current id. , 7C and 7F is the q -axis current iq. The comparative example is the same as the above example, except that the voltage patterns generated by the
以上説明したように、本実施形態における電動機駆動制御システムSa、電動機駆動制御装置およびこれに実装された電動機駆動制御方法は、候補入力電圧として生成された複数の時系列な電圧パターンそれぞれを平滑化した複数の平滑電圧パターンの中から選択した平滑電圧パターンを用いるので、制御周期で繰り返し実行される各制御間における入力電圧の差異を低減できるから、電流脈動を低減できる。 As described above, the motor drive control system Sa, the motor drive control device, and the motor drive control method implemented therein according to the present embodiment smooth each of a plurality of time-series voltage patterns generated as candidate input voltages. Since a smoothed voltage pattern selected from among a plurality of smoothed voltage patterns is used, it is possible to reduce the difference in input voltage between each control that is repeatedly executed in the control cycle, thereby reducing current pulsation.
本実施形態によれば、速度制御できる電動機駆動制御システムSa、電動機駆動制御装置および電動機駆動制御方法が提供できる。 According to this embodiment, it is possible to provide a motor drive control system Sa, a motor drive control device, and a motor drive control method capable of speed control.
次に、別の実施形態について説明する。
(第2実施形態)
平滑化部13aで生成され電圧パターン選択部15で選択された平滑電圧パターンがインバータ回路IVで出力可能であれば、インバータ回路IVは、平滑電圧パターンで交流電力を電動機Mに給電でき、第1実施形態における電動機駆動制御システムSaは、安定的に電動機Mを駆動できる。しかしながら、電圧パターン生成部12は、予測ホライズンの数値および制御ホライズンの数値に応じて互いに異なる複数の時系列な電圧パターンを生成するので、前記電圧パターンがインバータ回路IVで生成できる電圧範囲を超える場合が生じ得る。すなわち、前記電圧パターンが、PWM変調器PWのIV制御信号とインバータ回路IVの出力とが一致しない過変調領域になってしまう虞がある。このような場合では、電動機駆動制御システムSaは、電動機Mを安定的に駆動できなくなってしまう。そこで、第2実施形態では、このような平滑電圧パターンが抑制され、電動機Mがより安定的に駆動できる。
Next, another embodiment will be described.
(Second embodiment)
If the smoothed voltage pattern generated by the smoothing
図8は、図1に示す第2実施形態の電動機駆動制御システムにおけるMPC制御部の構成を示すブロック図である。このような第2実施形態における電動機駆動制御システムSbは、例えば、図1に示すように、電動機Mと、インバータ回路IVと、PWM変調器PWと、2相3相変換部CV1と、モデル予測制御部MCbと、3相2相変換部CV2と、回転速度処理部RSCと、電流測定部CSと、回転角度測定部VSとを備える。すなわち、第2実施形態における電動機駆動制御システムSbは、第1実施形態における電動機駆動制御システムSaに対し、モデル予測制御部MCaに代え、モデル予測制御部MCbを備える。このため、第2実施形態の電動機駆動制御システムSbにおける電動機M、インバータ回路IV、PWM変調器PW、2相3相変換部CV1、3相2相変換部CV2、回転速度処理部RSC、電流測定部CSおよび回転角度測定部VSは、それぞれ、第1実施形態の電動機駆動制御システムSaにおける電動機M、インバータ回路IV、PWM変調器PW、2相3相変換部CV1、3相2相変換部CV2、回転速度処理部RSC、電流測定部CSおよび回転角度測定部VSと同様であるので、その説明を省略する。 FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of the MPC control section in the motor drive control system of the second embodiment shown in FIG. 1. As shown in FIG. For example, as shown in FIG. 1, the motor drive control system Sb in the second embodiment includes a motor M, an inverter circuit IV, a PWM modulator PW, a two-to-three-phase converter CV1, and a model prediction It includes a control unit MCb, a three-to-two phase conversion unit CV2, a rotation speed processing unit RSC, a current measurement unit CS, and a rotation angle measurement unit VS. That is, the motor drive control system Sb of the second embodiment includes a model predictive controller MCb instead of the model predictive controller MCa of the motor drive control system Sa of the first embodiment. Therefore, the electric motor M, the inverter circuit IV, the PWM modulator PW, the two-to-three-phase converter CV1, the three-to-two phase converter CV2, the rotational speed processor RSC, and the current measurement in the electric motor drive control system Sb of the second embodiment The part CS and the rotation angle measuring part VS are respectively the electric motor M, the inverter circuit IV, the PWM modulator PW, the two-to-three phase converter CV1, and the three-to-two phase converter CV2 in the electric motor drive control system Sa of the first embodiment. , the rotation speed processing unit RSC, the current measurement unit CS, and the rotation angle measurement unit VS, the description thereof will be omitted.
モデル予測制御部MCbは、モデル予測制御を用いたベクトル制御によって、電動機MをPWM変調器PWおよびインバータ回路IVを介して駆動制御するものである。第2実施形態では、モデル予測制御部MCbは、より具体的には、例えば、図8に示すように、制御部11と、電圧パターン生成部12と、平滑化部13bと、予測部14と、電圧パターン選択部15と、PWMインバータ制御部16と、判定部17とを備える。すなわち、第2実施形態におけるモデル予測制御部MCbは、第1実施形態におけるモデル予測制御部MCaに対し、平滑化部13aに代え、平滑化部13bを備え、さらに、判定部17を備える。このため、第2実施形態のモデル予測制御部MCbにおける制御部11、電圧パターン生成部12、予測部14、電圧パターン選択部15およびPWMインバータ制御部16は、それぞれ、第1実施形態のモデル予測制御部MCaにおける制御部11、電圧パターン生成部12、予測部14、電圧パターン選択部15およびPWMインバータ制御部16と同様であるので、その説明を省略する。
The model predictive control unit MCb drives and controls the electric motor M via the PWM modulator PW and the inverter circuit IV by vector control using model predictive control. More specifically, in the second embodiment, the model prediction controller MCb includes, for example, a
判定部17は、前記平滑電圧パターンをインバータ回路IVで出力可能か否かを判定するものである。すなわち、判定部17は、前記平滑電圧パターンをインバータ回路IVで出力可能か否かを判定する判定処理を実施する。判定部17は、平滑化部13bで求めた平滑電圧パターンが電源Vdcの最大電圧以下であるか否かを判定することによって前記平滑電圧パターンをインバータ回路IVで出力可能か否かを判定して良いが、本実施形態では、判定部17は、電動機Mへ流れる電流、電動機Mの回転速度、インバータ回路IVに給電される最大電圧(インバータ回路IVに給電する電源Vdcの最大出力電圧)および電動機Mの特性パラメータに基づいて前記平滑電圧パターンをインバータ回路IVで出力可能か否かを判定する。より具体的には、判定部17は、電流測定部CSおよび3相2相変換部CV2で求めたq軸電流iqが次式7で与えられる閾値(q軸電流閾値)iqlim以下であるか否かを判定し、前記求めたq軸電流iqがq軸電流閾値iqlim以下である場合には、出力可能と判定し、前記求めたq軸電流iqがq軸電流閾値iqlim以下ではない場合(q軸電流閾値iqlimを超えている場合)には、出力可能ではない(出力不能である)と判定する。判定部17は、この判定結果を平滑化部13bへ通知する。
The
ここで、ωmは、回転角度測定部VSおよび回転速処理部RSCで求められた実績の回転速度である。電動機Mの特性パラメータは、電動機Mの仕様を決めるパラメータであり、式7では、巻線抵抗R、q軸インダクタンスLq、永久磁石の鎖交磁束Ψおよび極対数pである。極対数pは、上述したように、回転角測定部VSで測定した回転角度θeから回転速度ωmを回転速度処理部RSCで求める際に用いられる。 Here, ω m is the actual rotation speed obtained by the rotation angle measurement unit VS and the rotation speed processing unit RSC. The characteristic parameters of the electric motor M are the parameters that determine the specifications of the electric motor M. In Equation 7, they are the winding resistance R, the q-axis inductance L q , the magnetic flux linkage Ψ of the permanent magnet, and the number of pole pairs p. As described above, the pole logarithm p is used when the rotation speed processing unit RSC obtains the rotation speed ωm from the rotation angle θe measured by the rotation angle measurement unit VS.
この式7は、次式8の不等式から導出される。この不等式8のうち、左辺は、インバータ回路IVに給電される最大電圧(インバータ回路IVに給電する電源Vdcの最大出力電圧)によって決まるインバータ回路IVで出力可能なインバータ回路IVの最大出力電圧であり、その右辺は、電動機Mが現在出力しているトルクおよび回転速度を維持するために必要となる電圧である。この不等式8が成立している場合では、前記電源Vdcから供給される電圧は、前記電源Vdcの最大出力電圧以下であって、インバータ回路IVは、現在の電動機Mの駆動を維持できる。一方、電動機の回転速度が上昇し、その結果、右辺の値が大きくなり、やがて、不等式8を満たさない場合((不等式8の左辺)<(不等式8の右辺))には、電動機Mの駆動に必要な電圧は、インバータ回路IVの最大出力電圧(前記電源Vdcの最大出力電圧)を超えてしまう。すなわち、PWM変調器PWのIV制御信号とインバータ回路IVの出力とが一致しない過変調領域に成ってしまう。そこで、回転角度測定部VSおよび回転速処理部RSCで求められた実績の回転速度ωmを、不等式8の左辺と不等式8の右辺とを等しいとした等式((不等式8の左辺)=(不等式8の右辺))に代入し、前記等式をq軸電流iqについて解くことによって、現在の回転速度ωmにおいて、過変調領域に至らないq軸電流iqのq軸電流閾値iqlimが求められる。 This expression 7 is derived from the inequality of the following expression 8. In this inequality 8, the left side is the maximum output voltage of the inverter circuit IV that can be output by the inverter circuit IV, which is determined by the maximum voltage supplied to the inverter circuit IV (the maximum output voltage of the power supply Vdc that supplies power to the inverter circuit IV). , the right side thereof is the voltage required to maintain the torque and rotation speed currently output by the electric motor M. When this inequality 8 holds, the voltage supplied from the power supply Vdc is equal to or lower than the maximum output voltage of the power supply Vdc, and the inverter circuit IV can maintain the current drive of the electric motor M. On the other hand, the rotation speed of the electric motor increases, and as a result, the value of the right side increases, and eventually, when inequality 8 is not satisfied ((left side of inequality 8)<(right side of inequality 8)), driving of electric motor M , exceeds the maximum output voltage of the inverter circuit IV (maximum output voltage of the power supply Vdc). That is, the IV control signal of the PWM modulator PW and the output of the inverter circuit IV are in an overmodulation region where they do not match. Therefore, the actual rotation speed ω m obtained by the rotation angle measurement unit VS and the rotation speed processing unit RSC is expressed by an equation ((left side of inequality 8)=( By substituting the right side of inequality 8)) and solving the above equation for the q-axis current i q , the q - axis current threshold i qlim is required.
平滑化部13bは、平滑化部13aと同様に、電圧パターン生成部12で生成された複数の時系列な電圧パターンそれぞれについて、当該時系列な電圧パターンを時系列な平滑電圧パターンとして平滑化(スムージング)するものである。すなわち、平滑化部13bは、前記平滑化処理を実施する。ここで、第2実施形態では、平滑化部13bは、判定部17の判定結果に基づいて前記平滑電圧パターンを生成する。より具体的には、判定部17の判定結果が前記平滑電圧パターンを前記インバータ回路で出力可能である場合(すなわち、iq≦iqlimの場合、言い換えれば、過変調領域ではない場合)では、平滑化部13bは、上述の式1(Ka>0)によって電圧パターンを平滑化し、平滑電圧パターンを求める。一方、判定部17の判定結果が前記平滑電圧パターンを前記インバータ回路で出力可能ではない場合(すなわち、iq>iqlimの場合、言い換えれば、過変調領域である場合)では、平滑化部13bは、vdqs(k)=vdq(k)とする。すなわち、前記過変調領域では、平滑化部13bの式1による平滑化機能がオフとされ、制御方式がPWMを用いない方式に切り換えられる。言い換えれば、上述の式1において、Ka=0とされる。これによってPWM変調器PWのIV制御信号とインバータ回路IVの出力との不一致が回避され、電動機Mがより安定的に駆動できる。
Similar to the
なお、本実施形態では、電流測定部CSおよび3相2相変換部CV2は、前記電動機へ流れる電流を取得する電流取得部の一例に相当し、回転角度測定部VSおよび回転速処理部RSCは、前記電動機の回転速度を取得する回転速度取得部の一例に相当する。 In this embodiment, the current measurement unit CS and the three-to-two phase conversion unit CV2 correspond to an example of a current acquisition unit that acquires the current flowing through the electric motor, and the rotation angle measurement unit VS and the rotation speed processing unit RSC , corresponds to an example of a rotation speed acquisition unit that acquires the rotation speed of the electric motor.
次に、本実施形態の動作について説明する。このような第2実施形態の電動機駆動制御システムSbでは、電源が投入されると、必要な各部の初期化を実行し、その稼働を始める。そして、例えば、プログラムの実行によって、前記CPUには、モデル予測制御部MCb、2相3相変換部CV1、3相2相変換部CV2および回転速度処理部RSCが機能的に構成され、モデル予測制御部MCbには、制御部11、電圧パターン生成部12、平滑化部13b、予測部14、電圧パターン選択部15、PWMインバータ制御部16および判定部17が機能的に構成される。
Next, the operation of this embodiment will be described. In the electric motor drive control system Sb of the second embodiment as described above, when the power is turned on, each necessary unit is initialized and started to operate. Then, for example, by executing a program, the CPU is functionally configured with a model prediction control section MCb, a two-to-three phase conversion section CV1, a three-to-two phase conversion section CV2, and a rotational speed processing section RSC. Control unit MCb is functionally configured with
そして、図6に示す処理S11、処理S12b、処理S13、処理S14b、処理S15、処理S16および処理S17の各処理が、電動機Mの駆動が停止されるまで、制御部11によって所定の制御周期ごとに繰り返し実行される。これら第2実施形態における処理S11、処理S13、処理S15、処理S16および処理S17は、それぞれ、第1実施形態における処理S11、処理S13、処理S15、処理S16および処理S17と同様であるので、その説明を省略する。 Then, each of processing S11, processing S12b, processing S13, processing S14b, processing S15, processing S16, and processing S17 shown in FIG. is executed repeatedly. Processing S11, processing S13, processing S15, processing S16, and processing S17 in the second embodiment are the same as processing S11, processing S13, processing S15, processing S16, and processing S17 in the first embodiment, respectively. Description is omitted.
前記処理S12bでは、上述の処理S12aと同様に、3相2相変換部CV2は、処理S11で取得された各相の電流値および回転角度値から、d軸電流idおよびq軸電流iqを求め、この求めたd軸電流idおよびq軸電流iqをモデル予測制御部MCbへ出力し、回転速度処理部RSCは、処理S11で取得された各相の電流値および回転角度値から、回転速度ωmを求め、この求めた回転速度ωmを、モデル予測制御部MCbへ出力する。そして、第2実施形態では、さらに、判定部17は、前記平滑電圧パターンをインバータ回路IVで出力可能か否かを判定する。より具体的には、判定部17は、まず、回転速度処理部RSCで求めた回転速度ωmを不等式8の左辺とその右辺とを等しいとした前記等式に代入し、q軸電流iqについて解くことによって、現在の回転速度ωmにおけるq軸電流閾値iqlimを求める。次に、判定部17は、3相2相変換部CV2で求めたq軸電流iqと前記求めたq軸電流閾値iqlimとを比較する。この比較の結果、前記求めたq軸電流iqが前記求めたq軸電流閾値iqlim以下である場合には、判定部17は、出力可能(iq≦iqlim、非過変調領域)と判定し、一方、前記比較の結果、前記求めたq軸電流iqが前記求めたq軸電流閾値iqlim以下ではない場合には、判定部17は、出力可能ではない(iq>iqlim、過変調領域)と判定する。そして、判定部17は、この判定結果を平滑化部13bへ通知する。
In the process S12b, similarly to the above-described process S12a, the three-to-two-phase converter CV2 converts the d-axis current i d and the q-axis current i q from the current values and rotation angle values of the phases acquired in the process S11 and outputs the obtained d-axis current i d and q-axis current i q to the model predictive control unit MCb, and the rotation speed processing unit RSC calculates , the rotational speed ω m is obtained, and the obtained rotational speed ω m is output to the model predictive control unit MCb. Further, in the second embodiment, the
前記処理S14bでは、処理S14aと同様に、平滑化部13bは、処理S12で電圧パターン生成部12によって生成された複数の時系列な電圧パターンそれぞれについて、式1によって、当該時系列な電圧パターンを時系列な平滑電圧パターンとして平滑化する。ここで、第2実施形態では、処理S12bにおける判定部17の判定結果が出力可能である場合(iq≦iqlim、非過変調領域)には、予め設定された所定のKa(Ka>0)で式1が用いられ、処理S12bにおける判定部17の判定結果が出力可能ではない場合(iq>iqlim、過変調領域)には、Ka=0とされ、平滑化部13bは、vdqs(k)=vdq(k)とする。
In the processing S14b, similarly to the processing S14a, the smoothing
このように電動機Mが、制御目的の目標値の回転速度ωm *となるように、モデル予測制御で制御され、駆動される。 In this way, the electric motor M is controlled and driven by the model predictive control so that the rotational speed ω m * is the target value for the control purpose.
シミュレーション(数値実験)によって、本実施形態における電動機駆動制御システムSb、電動機駆動制御装置およびこれに実装された電動機駆動制御方法の効果が検証された。その一実施例の速度制御のシミュレーション結果が図9に示されている。図9A、図9Bおよび図9Cは、第2実施形態における電動機駆動制御システムSbによる速度制御のシミュレーション結果を示し、図9Aは、回転速度を示し、図9Bは、d軸電流idを示し、図9Cは、q軸電流iqを示す。図9Aないし図9Cにおける各横軸は、経過時間であり、図9Aの縦軸は、回転速度であり、図9Bの縦軸は、d軸電流idであり、図9Cの縦軸は、q軸電流iqである。図7に示す第1実施形態における電動機駆動制御システムSaによる速度制御のシミュレーションと同様に、モデル予測制御の制御周期は、100μsecであり、キャリア周波数は、10kHzである。前記平滑電圧パターンをインバータ回路IVで出力可能である場合である線形領域(iq≦iqlim、非過変調領域)では、平滑度Kaは、0.9とされ、過変調領域(iq>iqlim)では、平滑度Ka=0である。シミュレーションは、負荷トルクを一定とし、目標速度を加速(増加)させていき、線形領域と過変調領域との境界をまたぐように駆動領域を変化させることによって実施された。図9から分かるように、線形領域では、電圧パターンを平滑化していることから、第1実施形態と同様に、電流脈動が抑制できている。さらに、速度が増加され、PWMを用いた制御方式では、制御が不安定になる過変調領域においても、第2実施形態では、線形領域から過変調領域になると、電圧パターンを平滑化しないことで、速度制御が安定している。 Simulations (numerical experiments) verified the effects of the motor drive control system Sb, the motor drive control device, and the motor drive control method implemented therein in this embodiment. FIG. 9 shows a simulation result of speed control in one embodiment. 9A, 9B and 9C show simulation results of speed control by the motor drive control system Sb in the second embodiment, FIG. 9A shows the rotation speed, FIG. 9B shows the d -axis current id, FIG. 9C shows the q-axis current i q . Each horizontal axis in FIGS. 9A to 9C is elapsed time, the vertical axis in FIG. 9A is rotational speed, the vertical axis in FIG. 9B is d -axis current id, and the vertical axis in FIG. 9C is is the q-axis current i q . Similar to the speed control simulation by the motor drive control system Sa in the first embodiment shown in FIG. 7, the control period of the model predictive control is 100 μsec and the carrier frequency is 10 kHz. In the linear region (i q ≤ i qlim , non-overmodulation region) where the smoothed voltage pattern can be output by the inverter circuit IV, the smoothness Ka is 0.9, and the overmodulation region (i q > i qlim ) has smoothness Ka=0. The simulation was performed by keeping the load torque constant, accelerating (increasing) the target speed, and varying the drive region across the boundary between the linear region and the overmodulation region. As can be seen from FIG. 9, since the voltage pattern is smoothed in the linear region, the current pulsation can be suppressed as in the first embodiment. Furthermore, in the overmodulation region where the speed is increased and the control using PWM becomes unstable, in the second embodiment, the voltage pattern is not smoothed from the linear region to the overmodulation region. , the speed control is stable.
以上説明したように、第2実施形態における電動機駆動制御システムSb、電動機駆動制御装置およびこれに実装された電動機駆動制御方法は、第1実施形態における電動機駆動制御システムSa、電動機駆動制御装置およびこれに実装された電動機駆動制御方法と同様の作用効果を奏する。そして、第2実施形態における電動機駆動制御システムSb、電動機駆動制御装置およびこれに実装された電動機駆動制御方法は、前記平滑電圧パターンをインバータ回路IVで出力可能か否かを判定した判定結果に基づいて前記平滑電圧パターンを生成するので、電動機Mを安定的に駆動できる。 As described above, the electric motor drive control system Sb, the electric motor drive control device, and the electric motor drive control method implemented therein in the second embodiment are the same as the electric motor drive control system Sa, the electric motor drive control device, and the same in the first embodiment. It has the same effect as the motor drive control method implemented in . The electric motor drive control system Sb, the electric motor drive control apparatus, and the electric motor drive control method implemented in the second embodiment are based on the judgment result of judging whether or not the inverter circuit IV can output the smoothed voltage pattern. Since the smoothed voltage pattern is generated by the motor M, the electric motor M can be stably driven.
第2実施形態における電動機駆動制御システムSb、電動機駆動制御装置およびこれに実装された電動機駆動制御方法は、その取得した電流および回転速度(電動機Mの駆動状態)、ならびに、予め求められる最大電圧および特性パラメータに基づいて前記平滑電圧パターンをインバータ回路IVで出力可能か否かを判定するので、電動機Mの駆動状態からリアルタイムで前記判定を実施できる。 The electric motor drive control system Sb, the electric motor drive control device, and the electric motor drive control method implemented therein in the second embodiment are based on the obtained current and rotational speed (driving state of the electric motor M), the previously obtained maximum voltage and Since it is determined whether or not the inverter circuit IV can output the smoothed voltage pattern based on the characteristic parameter, the determination can be performed in real time from the driving state of the electric motor M.
すなわち、前記特許文献1や特許文献2に開示されたモデル予測制御を比較例とした場合、第1実施形態、第2実施形態および前記比較例における各作用効果を定性的に比較すると、表1の通りである。ここで、「◎」は、その作用効果が好ましいことを表し、「○」は、その作用効果が普通であることを表し、「×」は、その作用効果が好ましくないことを表す。
That is, when the model predictive control disclosed in
なお、上述の第1および第2実施形態において、電動機駆動制御システムSa、Sb、電動機駆動制御装置およびこれに実装された電動機駆動制御方法は、平滑度Kaが調整可能に構成されても良い。このような場合では、例えば、図2および図8に破線で示すように、平滑化部13a、13bは、電圧パターン生成部12で生成された複数の時系列な電圧パターンそれぞれについて、当該時系列な電圧パターンを時系列な平滑電圧パターンとして平滑化するデジタルローパスフィルタ部(DLPF部)131と、所定の平滑度Kaとなるように、DLPF131のフィルタ係数を制御するフィルタ係数制御部132とを備える。このようなDLPF131およびフィルタ係数制御部132は、例えば、前記CPUに機能的に構成される。前記所定の平滑度Kaは、例えばディップスイッチ、ロータリスイッチおよびキーボード等の数値を入力できる、MPC制御部MCに接続された図略の入力手段によって、外部から入力され、フィルタ係数制御部132に与えられる。
In the first and second embodiments described above, the motor drive control systems Sa and Sb, the motor drive control device, and the motor drive control method implemented therein may be configured so that the smoothness Ka can be adjusted. In such a case, for example, as indicated by dashed lines in FIGS. A digital low-pass filter unit (DLPF unit) 131 that smoothes a voltage pattern as a time-series smoothed voltage pattern, and a filter
シミュレーション(数値実験)によって、第1実施形態において、このような電動機駆動制御システムSa、電動機駆動制御装置およびこれに実装された電動機駆動制御方法における平滑度別の効果が検証された。なお、第2実施形態についても、同様に、シミュレーションできる。 Through simulation (numerical experiments), in the first embodiment, effects of the motor drive control system Sa, the motor drive control device, and the motor drive control method implemented therein were verified for each smoothness. It should be noted that the second embodiment can also be simulated in the same manner.
図10は、インバータ回路の出力可能な電圧範囲において、速度偏差および電流偏差の平滑度別に関する、速度制御のシミュレーション結果を示す図である。図10A、図10Bおよび図10Cは、平滑度Kaが0.3である場合を示し、図10D、図10Eおよび図10Fは、平滑度Kaが0.6である場合を示し、図10G、図10Hおよび図10Iは、平滑度Kaが0.9である場合を示す。図10A、図10Dおよび図10Gは、回転速度を示し、その各横軸は、経過時間であり、その各縦軸は、回転速度である。図10B、図10Eおよび図10Hは、d軸電流idを示し、その各横軸は、経過時間であり、その各縦軸は、d軸電流idである。図10C、図10Fおよび図10Iは、q軸電流iqを示し、その各横軸は、経過時間であり、その各縦軸は、q軸電流iqである。これら平滑度別のシミュレーションでは、モデル予測制御の制御周期は、100μsecであり、キャリア周波数は、10kHzである。 FIG. 10 is a diagram showing speed control simulation results for different degrees of smoothness of speed deviation and current deviation in the output voltage range of the inverter circuit. 10A, 10B and 10C show the case where the smoothness Ka is 0.3, FIGS. 10D, 10E and 10F show the case where the smoothness Ka is 0.6, and FIG. 10H and FIG. 10I show the case where the smoothness Ka is 0.9. 10A, 10D and 10G show the rotation speed, each horizontal axis is elapsed time, and each vertical axis is rotation speed. 10B, 10E and 10H show the d -axis current id, each horizontal axis of which is the elapsed time, and each of which the vertical axis is the d -axis current id. Figures 10C, 10F and 10I show the q -axis current iq, where each horizontal axis is the elapsed time and each vertical axis is the q -axis current iq. In these smoothness-specific simulations, the control cycle of model predictive control is 100 μsec, and the carrier frequency is 10 kHz.
これら図10および図10Cと、図10Eおよび図10Fと、図10Hおよび図10Iとから分かるように、平滑度Kaを大きく調整するに従って、d軸電流idおよびq軸電流iqそれぞれの電流脈動が低減されている。また、図10A、図10Dおよび図10Gから分かるように、平滑度Kaを大きく調整するに従って、応答性を確保しつつ電流脈動を改善できる。そして、電流脈動が改善できる結果、出力トルクの脈動も改善(減少)し、速度脈動も改善(減少)できる。このような傾向を考慮することによって、平滑度Kaは、例えば、0≦Ka≦1の下で、電動機駆動制御システムSの仕様で許容されている範囲で適宜に調整されて良い。なお、図10A、図10Dおよび図10Gにおいて、破線は、目標値(参照値、reference)を示し、実線は、測定値(measured)を示す。 As can be seen from FIGS. 10 and 10C, FIGS. 10E and 10F, and FIGS. 10H and 10I, as the smoothness Ka is greatly adjusted, the current pulsations of the d-axis current i d and the q-axis current i q is reduced. Further, as can be seen from FIGS. 10A, 10D, and 10G, as the smoothness Ka is adjusted to a large value, the current ripple can be improved while ensuring the responsiveness. As a result of being able to improve the current ripple, the output torque ripple is also improved (reduced), and the speed ripple is also improved (reduced). By considering such a tendency, the smoothness Ka may be appropriately adjusted within a range allowed by the specifications of the motor drive control system S, for example, under 0≦Ka≦1. In FIGS. 10A, 10D and 10G, dashed lines indicate target values (reference values), and solid lines indicate measured values.
また、上述の第1および第2実施形態では、速度制御するために、前記電動機Mの制御目的に関する所定の物理量は、回転速度であったが、これに限定されるものではなく、他であっても良い。例えば、トルク制御するために、前記電動機Mの制御目的に関する所定の物理量は、駆動電流であっても良い。これによれば、駆動電流制御によるトルク制御できる電動機駆動制御システムSa、Sb、電動機駆動制御装置および電動機駆動制御方法が提供できる。 In addition, in the above-described first and second embodiments, the predetermined physical quantity related to the purpose of controlling the electric motor M was the rotation speed in order to control the speed. can be For example, for torque control, the predetermined physical quantity for the control purpose of the electric motor M may be the drive current. According to this, it is possible to provide the electric motor drive control systems Sa, Sb, the electric motor drive control apparatus, and the electric motor drive control method capable of torque control by drive current control.
この場合では、予測部14は、処理S15において、平滑化したd軸電圧vdsを用いた前記式2によってd軸電流idを求め、平滑化したq軸電圧vqsを用いた前記式3によってq軸電流iqを求める。したがって、この場合では、前記式4および前記式5は、用いられない。そして、電圧パターン選択部15は、処理S16において、平滑化部13a、13bで平滑化された複数の時系列な平滑電圧パターンそれぞれについて、予測部14で予測された電動機Mの電流予測値[idq(k+1)、idq(k+2)]を、例えば次式9の評価式gに用いることによって、前記時系列な平滑電圧パターンを定量的に評価し、前記複数の時系列な平滑電圧パターンの中から、最も高い評価の電流予測値[idq(k+1)、idq(k+2)]に対応する時系列な平滑電圧パターンを選択する。式9の評価式gでは、評価値が小さいほど、評価が高い。
In this case, in step S15, the
上記式9の評価式gは、トルク制御の上で重要となることから、q軸電流iqの電流偏差を第1項とし、上述のように、永久磁石式同期電動機の場合、無駄な給電を防止するために、トルクの発生に寄与しないd軸電流idを0に保持することが重要であることから、d軸電流idの電流偏差を第2項とし、これら第1項および第2項を係数a、bで線形結合することで構成されている。したがって、第1項と第2項とにおける相対的な重要度に応じて係数a、bが予め適宜に決定される。 Since the evaluation formula g of the above formula 9 is important for torque control, the current deviation of the q-axis current i q is set as the first term. In order to prevent this, it is important to keep the d -axis current id, which does not contribute to the generation of torque, at 0. Therefore, the current deviation of the d -axis current id is defined as the second term, and these first and second terms It is constructed by linearly combining two terms with coefficients a and b. Therefore, the coefficients a and b are appropriately determined in advance according to the relative importance of the first term and the second term.
本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および/または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。 Although the present invention has been adequately and fully described above through embodiments with reference to the drawings in order to express the present invention, modifications and/or improvements to the above-described embodiments can easily be made by those skilled in the art. It should be recognized that it is possible. Therefore, to the extent that modifications or improvements made by those skilled in the art do not depart from the scope of the claims set forth in the claims, such modifications or improvements do not fall within the scope of the claims. is interpreted to be subsumed by
Sa、Sb 電動機駆動制御システム
M 電動機
IV インバータ回路
PM PWM変調器
MCa、MCb モデル予測制御部
CS 電流測定部
VS 回転角度測定部
CV1 2相3相変換部
CV2 3相2相変換部
RSC 回転速度処理部
11 制御部
12 電圧パターン生成部
13a、13b 平滑化部
14 予測部
15 電圧パターン選択部
16 PWMインバータ制御部
17 判定部
131 デジタルローパスフィルタ部(DLPF部)
132 フィルタ係数制御部
Sa, Sb Motor drive control system M Motor IV Inverter circuit PM PWM modulator MCa, MCb Model predictive control unit CS Current measurement unit VS Rotation angle measurement unit CV1 Two-phase three-phase conversion unit CV2 Three-phase two-phase conversion unit RSC Rotation
132 filter coefficient control unit
Claims (9)
前記インバータ回路で出力可能な時系列な電圧パターンを、互いに異なるように複数、生成する電圧パターン生成部と、
前記電圧パターン生成部で生成された複数の時系列な電圧パターンそれぞれについて、当該時系列な電圧パターンを時系列な平滑電圧パターンとして平滑化する平滑化部と、
前記平滑化部で平滑化された複数の時系列な平滑電圧パターンそれぞれについて、当該時系列な平滑電圧パターンが前記電動機に入力された場合における前記電動機の制御目的に関する所定の物理量の値を予測値として予測する予測部と、
前記平滑化部で平滑化された複数の時系列な平滑電圧パターンの中から、前記予測部で予測された前記電動機の各予測値の中で最も高い評価の予測値に対応する時系列な平滑電圧パターンを選択する電圧パターン選択部と、
前記電圧パターン選択部で選択された時系列な平滑電圧パターンに基づいて、前記インバータ回路を制御するインバータ制御部とを備える、
電動機駆動制御装置。 A motor drive control device for controlling a motor driven by the output of an inverter circuit,
a voltage pattern generator that generates a plurality of different time-series voltage patterns that can be output by the inverter circuit;
a smoothing unit for smoothing each of the plurality of time-series voltage patterns generated by the voltage pattern generation unit as a time-series smoothed voltage pattern;
For each of the plurality of time-series smoothed voltage patterns smoothed by the smoothing unit, a value of a predetermined physical quantity related to the purpose of controlling the electric motor when the time-series smoothed voltage pattern is input to the electric motor is a predicted value. a predictor that predicts as
A time-series smoothed voltage pattern corresponding to the highest evaluation prediction value among the prediction values of the electric motor predicted by the prediction unit, from among the plurality of time-series smoothed voltage patterns smoothed by the smoothing unit. a voltage pattern selection unit that selects a voltage pattern;
an inverter control unit that controls the inverter circuit based on the time-series smoothed voltage pattern selected by the voltage pattern selection unit;
Motor drive controller.
前記平滑化部は、前記判定部の判定結果に基づいて前記平滑電圧パターンを生成する、
請求項1に記載の電動機駆動制御装置。 further comprising a determination unit that determines whether the smoothed voltage pattern can be output by the inverter circuit,
The smoothing unit generates the smoothed voltage pattern based on the determination result of the determination unit.
The electric motor drive control device according to claim 1.
前記電圧パターン生成部で生成された複数の時系列な電圧パターンそれぞれについて、当該時系列な電圧パターンを時系列な平滑電圧パターンとして平滑化するデジタルローパスフィルタ部と、
平滑化の度合いを表す所定の平滑度となるように、前記デジタルローパスフィルタ部のフィルタ係数を制御するフィルタ係数制御部とを備える、
請求項1または請求項2に記載の電動機駆動制御装置。 The smoothing unit is
a digital low-pass filter unit for smoothing each of the plurality of time-series voltage patterns generated by the voltage pattern generation unit as a time-series smoothed voltage pattern;
A filter coefficient control unit that controls the filter coefficient of the digital low-pass filter unit so as to achieve a predetermined smoothness representing the degree of smoothing,
The electric motor drive control device according to claim 1 or 2.
請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の電動機駆動制御装置。 the predetermined physical quantity for the purpose of controlling the electric motor is the rotational speed;
The electric motor drive control device according to any one of claims 1 to 3.
請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の電動機駆動制御装置。 the predetermined physical quantity for the purpose of controlling the electric motor is a drive current;
The electric motor drive control device according to any one of claims 1 to 3.
前記電動機の回転速度を取得する回転速度取得部とをさらに備え、
前記判定部は、前記電流取得部で取得した電流、前記回転速度取得部で取得した回転速度、前記インバータ回路に給電される最大電圧および前記電動機の特性パラメータに基づいて前記平滑電圧パターンを前記インバータ回路で出力可能か否かを判定する、
請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の電動機駆動制御装置。 a current acquisition unit that acquires the current flowing to the electric motor;
A rotational speed acquisition unit that acquires the rotational speed of the electric motor,
The determination unit determines the smoothed voltage pattern based on the current acquired by the current acquisition unit, the rotation speed acquired by the rotation speed acquisition unit, the maximum voltage supplied to the inverter circuit, and the characteristic parameters of the electric motor. determine whether or not the circuit can output;
The electric motor drive control device according to any one of claims 1 to 5.
前記インバータ回路で出力可能な時系列な電圧パターンを、互いに異なるように複数、生成する電圧パターン生成工程と、
前記電圧パターン生成工程で生成された複数の時系列な電圧パターンそれぞれについて、当該時系列な電圧パターンを時系列な平滑電圧パターンとして平滑化する平滑化工程と、
前記平滑化工程で平滑化された複数の時系列な平滑電圧パターンそれぞれについて、当該時系列な平滑電圧パターンが前記電動機に入力された場合における前記電動機の制御目的に関する所定の物理量の値を予測値として予測する予測工程と、
前記平滑化工程で平滑化された複数の時系列な平滑電圧パターンの中から、前記予測工程で予測された前記電動機の各予測値の中で最も高い評価の予測値に対応する時系列な平滑電圧パターンを選択する電圧パターン選択工程と、
前記電圧パターン選択工程で選択された時系列な平滑電圧パターンに基づいて、前記インバータ回路を制御するインバータ制御工程とを備える、
電動機駆動制御方法。 A motor drive control method for controlling a motor driven by an output of an inverter circuit, comprising:
a voltage pattern generating step of generating a plurality of different time-series voltage patterns that can be output by the inverter circuit;
A smoothing step of smoothing each of the plurality of time-series voltage patterns generated in the voltage pattern generation step as a time-series smoothed voltage pattern;
For each of the plurality of time-series smoothed voltage patterns smoothed in the smoothing step, a value of a predetermined physical quantity related to the purpose of controlling the electric motor when the time-series smoothed voltage pattern is input to the electric motor is a predicted value. a prediction step of predicting as
A time-series smoothed voltage pattern corresponding to the highest evaluation predicted value among the predicted values of the electric motor predicted in the prediction step, from among the plurality of time-series smoothed voltage patterns smoothed in the smoothing step. a voltage pattern selection step of selecting a voltage pattern;
an inverter control step of controlling the inverter circuit based on the time-series smoothed voltage pattern selected in the voltage pattern selection step;
Electric motor drive control method.
前記平滑化工程は、前記判定工程の判定結果に基づいて前記平滑電圧パターンを生成する、
請求項7に記載の電動機駆動制御方法。 further comprising a determination step of determining whether the smoothed voltage pattern can be output by the inverter circuit;
The smoothing step generates the smoothed voltage pattern based on the determination result of the determining step.
The electric motor drive control method according to claim 7.
前記電動機を駆動するインバータ回路と、
前記インバータ回路を制御することで前記電動機を制御する電動機駆動制御部とを備え、
前記電動機駆動制御部は、請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の電動機駆動制御装置である、
電動機駆動制御システム。 an electric motor;
an inverter circuit that drives the electric motor;
an electric motor drive control unit that controls the electric motor by controlling the inverter circuit;
The electric motor drive control unit is the electric motor drive control device according to any one of claims 1 to 6,
Electric motor drive control system.
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