JPWO2008047438A1 - 永久磁石同期電動機のベクトル制御装置 - Google Patents
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Abstract
Description
関連した従来技術としては、電流指令値を基に算出した電圧指令値と、電圧固定指令とが入力される電圧固定部を設け、電圧固定指令が入力されると、電圧指令値の大きさをあらかじめ定めた電圧設定値に固定して新たな電圧指令値として出力し、電流指令値から演算された電圧指令値と新たな電圧指令値の差を比例積分制御して得た磁束方向(d軸)電流補正値により磁束方向(d軸)電流指令値を補正し、新たな電圧指令値からインバータの変調率を演算してインバータを制御することで弱め磁束運転する方法が特許文献1に示されている。
3,4,5:電流検出器 6:電動機
7:レゾルバ 8:電圧検出器
10:電流指令値生成部 11:d軸基本電流指令値生成部
14:加算器 15:q軸電流指令値生成部
20:d軸電流制御部 21:q軸非干渉演算部
22:d軸非干渉演算部(非干渉演算部) 23:q軸電流制御部(非干渉演算部)
30:変調率演算部 40:制御位相角演算部
50:PWM信号生成部 53:掛算器
54:調整ゲインテーブル 55:電圧指令値演算部
57:多パルスキャリア信号生成部 58:同期3パルスキャリア生成部
59:スイッチ 60:パルスモード切替処理部
61〜63:比較器 64〜66:反転回路
70:インバータ角周波数演算部 80:電流指令値補正部
81:リミッタ 82:一次遅れ要素
83:比例ゲイン 85:定数誤差補正部
90:三相−dq軸座標変換部 95:基準位相角演算部
100:ベクトル制御装置
図1は、本発明の実施の形態1における永久磁石同期電動機のベクトル制御装置の構成例を示す図である。図1に示すように、主回路は直流電源となるコンデンサ1、コンデンサ1の直流電圧から任意の周波数の交流電圧に変換するインバータ2、永久磁石同期電動機(以下、単に電動機と記す)6から構成されている。
主回路上にはコンデンサ1の電圧を検出する電圧検出器8、インバータ2の出力線の電流iu,iv,iwを検出する電流検出器3,4,5が配置され、電動機6には、ロータ機械角θmを検出するレゾルバ7が配置されており、それぞれの検出信号はベクトル制御装置100に入力されている。
また、電流検出器3,4,5に関して、最低2相に設置してあれば残りの1相の電流は演算して求めることが可能であるのでそのように構成しても良いし、インバータ2の直流側電流からインバータ2の出力電流を再現して取得する構成でもよい。
θe=θm・PP (1)
ω=dθe/dt (3)
pqe=(K1+K2/s)・(iq*−iq) (4)
pde=(K3+K4/s)・(id*−id) (5)
なお、後述するとおり、pqeとpdeは、制御モード1(後述)から制御モード2(後述)に移行後、徐々にゼロに絞り、逆に制御モード2から制御モード1に移行するときは徐々に値を立ち上げる。
vdFF=(R1+s・Ld)・id*−ω・Lq・iq* (6)
vqFF=(R1+s・Lq)・iq*+ω・(Ld・id*+φa) (7)
ここで、R1は電動機6の一次巻線抵抗(Ω)、Ldはd軸インダクタンス(H)、Lqはq軸インダクタンス(H)、φaは永久磁石磁束(Wb)、sは微分演算子である。
このように変調率PMFを定義することで、変調率PMFはインバータの出力電圧指令値ベクトルの大きさがゼロのときはゼロとなり、インバータが最大電圧を出力する条件で1.0となるため、インバータの電圧出力割合が直感的に判別しやすくなり、あとに述べるパルスモード切り替え処理や制御モード切替処理等の変調率PMFを参照する制御処理の構築や設定がやり易くなるメリットがある。
PMF=VM*/VMmax (8)
ただし、
VMmax=(√6/π)・EFC (9)
VM*=√(vd*2+vq*2) (10)
θ=θe+π+THV+dTHV (11)
ここで、
THV=tan−1(vd*/vq*) (12)
Vu*=PMFM・sinθ (13)
Vv*=PMFM・sin(θ−(2・π/3)) (14)
Vw*=PMFM・sin(θ−(4・π/3)) (15)
このように構成することで、変調率PMFが1.0等しくなるタイミングで、パルスモードを1パルスモードに自動的に切り替えることが可能となり、逆に変調率PMFが1.0より小さくなると、パルスモードを同期3パルスモードに自動的に切り替えることが可能となる。即ち、インバータ2の出力電圧を最小から最大まで、容易に遷移させることが可能となる。
なお、非同期キャリアと同期3パルスキャリアとを切り替える変調率PMFの閾値を0.785としているが、この閾値はこれより小さい値でもよい。
なお、d軸電流制御部20とq軸電流制御部23の出力をゼロに絞る過程において、所定の時定数をもって徐々にゼロに向かって絞る構成とするのが切り替えショックを避ける上で好適である。
以上のとおり、電流指令値補正値dVは、次式(16)のとおりとなる。
dV=LIMHL(PMFmax−PMF)
・(1/(1+sτ))・K (16)
ただし、LIMHL()は、()内の値の上下限をそれぞれLIMH,LIMLで制限する関数である。また、τは一次遅れ時定数である。τは、10ms〜100ms程度の大きさである。
これに対して本発明では、このような複雑な処理を必要とせずに、安定した弱め磁束制御を得られる。
dTHV=(K5+K6/s)
・((id*2+iq*2)−(id2+iq2)) (17)
(17)式の右辺第一項はd軸電流指令値id*とq軸電流指令値iq*とをそれぞれ二乗して和をとった値であり、電流指令値ベクトルの大きさの二乗値である。右辺第二項はd軸電流idとq軸電流iqとをそれぞれ二乗して和をとった値であり、電流ベクトルの大きさの二乗値である。
dTHV=(K5+K6/s)
・(√(id*2+iq*2)−√(id2+iq2)) (18)
(18)式の右辺第一項はd軸電流指令値id*とq軸電流指令値iq*とをそれぞれ二乗して和をとった値の平方根であり、電流指令値ベクトルの大きさを示す。右辺第二項はd軸電流idとq軸電流iqとをそれぞれ二乗して和をとった値の平方根であり、電流ベクトルの大きさを示す。
図6と図7に示すように、両者ともd軸電流誤差Δidが小さい領域(±50A以下)ではd軸電流誤差Δidに対して縦軸の値がほぼ線形である等、縦軸の大きさが異なる他は同様の特性であることが分かる。なお、縦軸の大きさの違いは(17)式中のゲインK5で調整できるので問題とはならない。
図8と図9に示すように、両者ともq軸電流誤差Δiqが小さい領域(±50A以下)ではq軸電流誤差Δiqに対して縦軸の値がほぼ線形である等、縦軸の大きさが異なる他は同様の特性であることが分かる。なお、縦軸の大きさの違いは(17)式中のゲインK5で調整できるので問題とはならない。
時間0.7(s)付近で、変調率PMFが所定の値以上となったため同期3パルスPWMモードと制御モード2が選択され、時間0.7(s)〜1.0(s)付近までは変調率PMFはさらに直線状に増加し大きさは1.0より小さい。
なお、時間0.7(s)付近でU相電圧指令値Vu*の振幅が3パルスPWMモードへの切り替え直後に減少しているが、これは前述のとおり、多パルスPWMモードにおいて、調整ゲインテーブル54により1.274倍されていた電圧指令値振幅PMFMが、1.0倍に切り替わるためである。
トルク指令値T*は、電動機6を定出力運転するために回転数に反比例して絞っているが、電動機6のトルクTは、トルク指令値T*に追従して安定に加速していることが分かる。
また、変調率PMFに応じてパルスモードを切り替える構成としているので、トルク指令値T*を絞る過程、再立ち上げの過程で変調率PMFが1.0より小さくなると、パルスモードは同期3パルスPWMモードに自動的に切り替わっていることが同期3パルスPWMモードフラグ、同期1パルスモードフラグにより分かる。
また、トルク指令値T*の立ち上げ過程、絞り過程においては変調率PMFが1.0より小さくなるのでパルスモードは自動的に同期3パルスPWMモードに切り替わり、変調率PMFが1.0に達した段階で同期1パルスモードが自動的に選択されていることが分かる。
パルスモードと制御モードの切替は、変調率ではなく、電圧指令値、モータ周波数、インバータ周波数、車両速度などに基づいて行ってもよい。
Claims (16)
- 永久磁石同期電動機を駆動するインバータの交流電流を指令値に一致するように制御する永久磁石同期電動機のベクトル制御装置であって、
前記永久磁石同期電動機の基準位相角を生成する基準位相角演算部と、
与えられたトルク指令値から電流指令値を生成する電流指令値生成部と、
前記電流指令値と前記永久磁石同期電動機の電流との電流誤差を増幅して出力する電流制御部と、
前記永久磁石同期電動機の電動機定数と前記電流指令値とからフィードフォワード電圧を演算する非干渉電圧演算部と、
前記電流誤差と前記フィードフォワード電圧の和である電圧指令値と前記インバータの直流電圧とを入力とし、前記インバータの変調率を出力する変調率演算部と、
前記電圧指令値と前記基準位相角とを入力とし前記インバータの制御位相角を出力する制御位相角演算部と、
前記変調率と前記制御位相角とから前記インバータのPWM信号を生成するPWM信号生成部と、
前記変調率に基づいて算出した電流指令値補正値により前記電流指令値を補正する電流指令値補正部を備えた永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。 - 前記電流指令値補正部は、前記変調率と所定の変調率設定値との差に基づいて前記電流指令値補正値を演算することを特徴とする請求項1に記載の永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。
- 前記電流指令値補正部は、前記変調率と所定の変調率設定値との差を所定の係数倍し、かつ時間遅れ要素を介した値を前記電流指令値補正値とすることを特徴とする請求項1に記載の永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。
- 前記電流指令値補正部は、前記変調率と所定の変調率設定値との差を偏差上限設定値以下かつ偏差下限設定値以上の範囲に制限して、所定の係数倍し、かつ時間遅れ要素を介した値を前記電流指令値補正値とすることを特徴とする請求項1に記載の永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。
- 前記変調率は、前記インバータの線間電圧基本波成分が最大となる矩形波出力時に1となるよう定義された値であることを特徴とする請求項1に記載の永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。
- 前記変調率設定値を、前記インバータの線間電圧基本波成分が最大となる矩形波出力時の前記変調率とすることを特徴とする請求項2〜請求項4の何れかに記載の永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。
- 前記偏差上限設定値はゼロより大きく、前記偏差下限設定値はゼロ以下であることを特徴とする請求項4に記載の永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。
- 前記偏差上限設定値は、前記永久磁石同期電動機を前記インバータの直流電圧の変動範囲で前記トルク指令値を発生させるのに必要な弱め磁束電流の最大値に基づいて設定されることを特徴とする請求項4に記載の永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。
- 前記PWM信号生成部は、前記変調率に応じて前記インバータのパルスモードを変更することを特徴とする請求項1に記載の永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。
- 前記PWM信号生成部は、前記変調率に応じてキャリア信号をゼロに固定することができることを特徴とする請求項1に記載の永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。
- 前記電流指令値と前記永久磁石同期電動機の電流とから演算した制御位相角補正値に基づいて前記制御位相角を補正する定数誤差補正部をさらに備えたことを特徴とする請求項1に記載の永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。
- ベクトル制御を直交するd軸とq軸とによる回転座標系で演算し、前記電流指令値のd軸成分の2乗とq軸成分の2乗の和と、前記永久磁石同期電動機の前記電流のd軸成分の2乗とq軸成分の2乗の和とに基づいて前記制御位相角補正値を演算することを特徴とする請求項11に記載の永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。
- 前記定数誤差補正部は、所定の信号に基づいて演算するかどうかを決めることを特徴とする請求項11に記載の永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。
- 前記所定の信号は、前記変調率であることを特徴とする請求項13に記載の永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。
- 前記電流制御部は、所定の信号に基づいて演算するかどうかを決めることを特徴とする請求項1に記載の永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。
- 前記所定の信号は、前記変調率であることを特徴とする請求項15に記載の永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。
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