JPWO2021019662A1 - 交流回転電機の制御装置及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents
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Abstract
Description
前記ロータの磁極位置を検出する磁極位置検出部と、
検出した前記磁極位置の方向に定めたd軸及び前記d軸より電気角で90度進んだ方向に定めたq軸からなるdq軸の回転座標系上において、前記d軸の基本電圧指令値及び前記q軸の基本電圧指令値を算出する基本電圧指令値算出部と、
前記ロータの出力トルクに重畳するトルクリップル成分と同じ周波数を有し、前記トルクリップル成分を打ち消すための前記q軸の振動電圧指令値を算出する振動電圧指令値算出部と、
前記d軸の基本電圧指令値、及び前記q軸の基本電圧指令値に前記q軸の振動電圧指令値を重畳した前記q軸の電圧指令値に基づいて、前記インバータが有する複数のスイッチング素子をオンオフ制御するスイッチング制御部と、を備え、
前記振動電圧指令値算出部は、前記巻線を流れる電流情報及び前記磁極位置に基づいて前記トルクリップル成分の逆位相を算出し、前記q軸の振動電圧指令値の周期における、前記q軸の振動電圧指令値に対する実電流の位相遅れに対応する補正位相を算出し、前記q軸の振動電圧指令値の位相を、前記トルクリップル成分の前記逆位相を前記補正位相だけ進めた位相に設定するものである。
実施の形態1に係る交流回転電機の制御装置30(以下、単に、制御装置30と称す)について図面を参照して説明する。図1は、本実施の形態に係る交流回転電機1、インバータ20、及び制御装置30の概略構成図である。
交流回転電機1は、複数相の巻線を設けたステータと、ロータと、を有する同期交流回転電機とされている。本実施の形態では、ステータにU相、V相、W相の3相の巻線Cu、Cv、Cwが設けられている。3相巻線Cu、Cv、Cwは、スター結線とされている。なお、3相巻線は、デルタ結線とされてもよい。電磁鋼板により構成されたロータには、永久磁石が設けられており、交流回転電機1は、永久磁石型の同期交流回転電機とされている。
インバータ20は、直流電源10と3相巻線との間で電力変換を行う電力変換装置であり、複数のスイッチング素子を有している。インバータ20は、直流電源10の正極側に接続される正極側のスイッチング素子23H(上アーム)と直流電源10の負極側に接続される負極側のスイッチング素子23L(下アーム)とが直列接続された直列回路(レッグ)を、3相各相の巻線に対応して3セット設けている。インバータ20は、3つの正極側のスイッチング素子23Hと、3つの負極側のスイッチング素子23Lとの、合計6つのスイッチング素子を備えている。そして、正極側のスイッチング素子23Hと負極側のスイッチング素子23Lとが直列接続されている接続点が、対応する相の巻線に接続されている。
制御装置30は、インバータ20を介して交流回転電機1を制御する。図2に示すように、制御装置30は、磁極位置検出部31、電流検出部32、dq軸電流変換部33、電源電圧検出部34、電流指令値算出部35、基本電圧指令値算出部36、振動電圧指令値算出部37、スイッチング制御部38、電流指令補正値算出部39等を備えている。制御装置30の各機能は、制御装置30が備えた処理回路により実現される。具体的には、制御装置30は、図3に示すように、処理回路として、CPU(Central Processing Unit)等の演算処理装置90(コンピュータ)、演算処理装置90とデータのやり取りする記憶装置91、演算処理装置90に外部の信号を入力する入力回路92、及び演算処理装置90から外部に信号を出力する出力回路93等を備えている。
磁極位置検出部31は、電気角でのロータの磁極位置θ(ロータの回転角度θ)を検出する。本実施の形態では、磁極位置検出部31は、回転センサ2の出力信号に基づいて、ロータの磁極位置θ(回転角度θ)を検出する。本実施の形態では、磁極位置は、ロータに設けられた永久磁石のN極の向きに設定される。また、磁極位置検出部31は、磁極位置θに対して微分演算を行って、電気角でのロータの磁極位置の回転角速度ωを算出する。
電流検出部32は、3相各相の巻線に流れる3相の電流Iur、Ivr、Iwrを検出する。本実施の形態では、電流検出部32は、電流センサ4の出力信号に基づいて、インバータ20から3相各相の巻線Cu、Cv、Cwに流れる3相の電流Iur、Ivr、Iwrを検出する。ここで、Iurが、U相の電流検出値であり、Ivrが、V相の電流検出値であり、Iwrが、W相の電流検出値である。
dq軸電流変換部33は、3相の電流検出値Iur、Ivr、Iwrを、dq軸の回転座標系上のd軸の電流検出値Idr及びq軸の電流検出値Iqrに変換する。dq軸の回転座標系は、検出した磁極位置θの方向に定めたd軸及びd軸より電気角で90°進んだ方向に定めたq軸からなる2軸の回転座標であり、ロータの磁極位置の回転に同期して回転する。具体的には、dq軸電流変換部33は、3相の電流検出値Iur、Ivr、Iwrを、磁極位置θに基づいて3相2相変換及び回転座標変換を行って、d軸の電流検出値Idr及びq軸の電流検出値Iqrに変換する。
電源電圧検出部34は、直流電源10からインバータ20に供給される電源電圧VDCを検出する。本実施の形態では、電源電圧検出部34は、電源電圧センサ3の出力信号に基づいて、電源電圧VDCを検出する。
電流指令値算出部35は、d軸の電流指令値Ido及びq軸の電流指令値Iqoを算出する。本実施の形態では、電流指令値算出部35は、目標トルク、電源電圧VDC、及び回転角速度ω等に基づいて、最大トルク電流制御、弱め磁束制御、及びId=0制御などの公知の電流ベクトル制御方法を用いて、d軸の電流指令値Ido及びq軸の電流指令値Iqoを算出する。目標トルクは、外部の装置から伝達されてもよいし、制御装置30内で演算されてもよい。
基本電圧指令値算出部36は、dq軸の回転座標系上において、d軸の基本電圧指令値Vdob及びq軸の基本電圧指令値Vqobを算出する。
スイッチング制御部38は、d軸の基本電圧指令値Vdob、及びq軸の基本電圧指令値Vqobに後述するq軸の振動電圧指令値ΔVqocを重畳したq軸の電圧指令値Vqoに基づいて、インバータ20が有する複数のスイッチング素子をオンオフ制御する。本例では、q軸の基本電圧指令値Vqobにq軸の振動電圧指令値ΔVqocが加算されて、q軸の電圧指令値Vqoが算出される(Vqo=Vqob+ΔVqoc)。
<電流指令値によるトルクリップ成分の打消しの課題>
交流回転電機では、磁気飽和に起因した空間高調波等により、トルク定数(トルクと電流との比)が磁極位置θに応じて変動する場合がある。特に、トルク定数の変動に対する対策が十分でない廉価な交流回転電機では、この傾向が大きくなる。このトルク定数の変動により、出力トルクには、トルクリップル成分が重畳する。また、トルク定数の変動によるトルクリップル成分は、電流検出値には表れない。そのため、トルクリップル成分を打ち消すためには、トルクリップル成分を打ち消すための電流振動成分を、巻線電流にフィードフォワード的に重畳させる必要がある。
そこで、本実施の形態では、電流フィードバック制御の処理後の電圧指令値に、打消し電圧振動成分を重畳させるように構成されている。このように構成すれば、電流フィードバック制御のカットオフ周波数の影響を受けることなく、巻線電流に打消し電流振動成分を重畳させることができる。しかし、電圧指令値と巻線電流及びトルクリップル成分との間には、位相及び振幅のズレがあるため、そのズレを考慮した打消し電圧振動成分を算出する必要がある。以下で、そのための理論について説明する。
そこで、振動電圧指令値算出部37は、ロータの出力トルクに重畳するトルクリップル成分と同じ周波数を有し、トルクリップル成分を打ち消すためのq軸の振動電圧指令値ΔVqocを算出する。振動電圧指令値算出部37は、巻線を流れる電流情報及び磁極位置θに基づいてトルクリップル成分の逆位相を算出し、q軸の振動電圧指令値ΔVqocの周期における、q軸の振動電圧指令値ΔVqocに対する実電流の位相遅れに対応する補正位相αを算出し、q軸の振動電圧指令値ΔVqocの位相を、トルクリップル成分の逆位相を補正位相αだけ進めた位相に設定する。
振動電圧指令値算出部37は、式(9)に示すように、磁極位置θ及び次数Nの乗算値から、磁極位置θ及び次数Nの乗算値に対するトルクリップル成分の位相θrp0を減算すると共にπ(180度)を減算(又は加算)して、トルクリップル成分の逆位相(N・θ−θrp0−π)を算出する。
本実施の形態では、振動電圧指令値算出部37は、式(8)の第3式の理論進み位相αrの算出式と同様の次式を用い、磁極位置の回転周波数に対するトルクリップル成分の周波数の次数N、磁極位置の電気角での回転角速度ω、交流回転電機のインダクタンスL、巻線の抵抗値Rに基づいて、補正位相αを算出するように構成されている。
振動電圧指令値算出部37は、d軸電流及びq軸電流とq軸インダクタンスLqとの関係が予め設定されたインダクタンス設定データを参照し、現在のd軸及びq軸の電流指令値Ido、Iqo又は現在のd軸及びq軸の電流検出値Idr、Iqrに対応するq軸インダクタンスLqを算出してもよい。
振動電圧指令値算出部37は、巻線を流れる電流情報に基づいて、トルクリップル成分を打ち消すためのq軸の電流の振幅Iqrp0を算出する。本実施の形態では、振動電圧指令値算出部37は、d軸電流Id及びq軸電流Iqとq軸の電流の振幅Iqrp0との関係が予め設定された電流振幅設定データを参照し、現在のd軸の電流指令値Ido及びq軸の電流指令値Iqoに対応するq軸の電流の振幅Iqrp0を算出する。d軸の電流指令値Ido及びq軸の電流指令値Iqoの代わりに、d軸の電流検出値Idr及びq軸の電流検出値Iqrが用いられてもよい。
上述したように、本実施の形態では、トルクリップル成分がトルク定数の変動により生じる場合を想定しており、トルクリップル成分は電流検出値には表れない。そのため、トルクリップル成分を打ち消すための電圧振動成分を巻線電圧に重畳すると、巻線電流検出値が振動する。そして、トルクリップル成分の周波数が、電流フィードバック制御のカットオフ周波数よりも低くなる低回転域では、電流フィードバック制御により巻線電流の振動が抑制され、トルクリップル成分の打消し効果が低下する。そのため、低回転域では、電流指令値にトルクリップル成分を打ち消すための電流振動成分を重畳させて、巻線電流の振動が抑制されないようにする必要がある。
次に、実施の形態2に係る制御装置30について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る交流回転電機1及び制御装置30の基本的な構成及び処理は実施の形態1と同様であるが、振動電圧指令値算出部37における補正位相α及び振幅ゲインβの設定方法が実施の形態1と異なる。図8は、本実施の形態に係る振動電圧指令値算出部のブロック図である。
図4に示したように、回転角速度ωが増加するに従って、理論進み位相αrはπ/2(90度)に近づく。また、トルクリップル成分の周波数が、電流フィードバック制御のカットオフ周波数よりも高くなる高回転域では、電流指令値に打消し電流振動成分を重畳させても、巻線電流に打消し電流振動成分を重畳させることができず、電圧指令値に打消し電圧振動成分を重畳させる必要がある。そこで、本実施の形態では、回転角速度ωが高い場合を重要視して構成されている。
また、式(8)の第2式に示したように、回転角速度ωが増加するに従って、R2に対して(N・ω・L)2が大きくなり、理論振幅ゲインβrは、N・ω・Lに近づく。
次に、実施の形態3に係る制御装置30について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る交流回転電機1及び制御装置30の基本的な構成及び処理は実施の形態1又は2と同様であるが、振動電圧指令値算出部37におけるq軸の振動電圧指令値ΔVqocの振動範囲が実施の形態1又は2と異なる。
次に、実施の形態4に係る制御装置30について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る交流回転電機1及び制御装置30の基本的な構成及び処理は実施の形態1、2、又は3と同様であるが、交流回転電機1及び制御装置30が電動パワーステアリング装置60に組み込まれている点が、実施の形態1、2、又は3と異なる。
最後に、本願のその他の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する各実施の形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施の形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
Claims (13)
- 巻線を設けたステータとロータとを有する交流回転電機を、インバータを介して制御する交流回転電機の制御装置であって、
前記ロータの磁極位置を検出する磁極位置検出部と、
検出した前記磁極位置の方向に定めたd軸及び前記d軸より電気角で90°進んだ方向に定めたq軸からなるdq軸の回転座標系上において、前記d軸の基本電圧指令値及び前記q軸の基本電圧指令値を算出する基本電圧指令値算出部と、
前記ロータの出力トルクに重畳するトルクリップル成分と同じ周波数を有し、前記トルクリップル成分を打ち消すための前記q軸の振動電圧指令値を算出する振動電圧指令値算出部と、
前記d軸の基本電圧指令値、及び前記q軸の基本電圧指令値に前記q軸の振動電圧指令値を重畳した前記q軸の電圧指令値に基づいて、前記インバータが有する複数のスイッチング素子をオンオフ制御するスイッチング制御部と、を備え、
前記振動電圧指令値算出部は、前記巻線を流れる電流情報及び前記磁極位置に基づいて前記トルクリップル成分の逆位相を算出し、前記q軸の振動電圧指令値の周期における、前記q軸の振動電圧指令値に対する実電流の位相遅れに対応する補正位相を算出し、前記q軸の振動電圧指令値の位相を、前記トルクリップル成分の前記逆位相を前記補正位相だけ進めた位相に設定する交流回転電機の制御装置。 - 前記振動電圧指令値算出部は、前記q軸の振動電圧指令値の周期における前記補正位相を、90度に設定する請求項1に記載の交流回転電機の制御装置。
- 前記振動電圧指令値算出部は、前記磁極位置の回転角速度が低下するに従って、前記q軸の振動電圧指令値の周期における前記補正位相を、90度から0度までの範囲内で低下させる請求項1に記載の交流回転電機の制御装置。
- 前記振動電圧指令値算出部は、前記補正位相をαとし、前記磁極位置の回転周波数に対する前記トルクリップル成分の周波数の次数をNとし、前記磁極位置の電気角での回転角速度をωとし、前記交流回転電機のインダクタンスをLとし、前記巻線の抵抗値をRとして、
α=arctan(N×ω×L/R)
の算出式を用いて前記補正位相を算出する請求項1又は3に記載の交流回転電機の制御装置。 - 前記振動電圧指令値算出部は、前記磁極位置の電気角での回転角速度が増加するに従って、前記q軸の振動電圧指令値の振幅を増加させる請求項1から4のいずれか一項に記載の交流回転電機の制御装置。
- 前記振動電圧指令値算出部は、前記巻線を流れる電流情報に基づいて前記交流回転電機のインダクタンスを算出し、前記インダクタンスが増加するに従って、前記q軸の振動電圧指令値の振幅を増加させる請求項1から5のいずれか一項に記載の交流回転電機の制御装置。
- 前記振動電圧指令値算出部は、前記巻線を流れる電流情報に基づいて、前記トルクリップル成分を打ち消すための前記q軸の電流の振幅を算出し、
振幅ゲインをβとし、前記磁極位置の回転周波数に対する前記トルクリップル成分の周波数の次数をNとし、前記磁極位置の電気角での回転角速度をωとし、前記交流回転電機のインダクタンスをLとし、前記巻線の抵抗値をRとして、
β=√(R2+(N×ω×L)2)
の算出式を用いて前記振幅ゲインを算出し、
前記q軸の電流の振幅と前記振幅ゲインとの乗算値を前記q軸の振動電圧指令値の振幅に設定する請求項1から6のいずれか一項に記載の交流回転電機の制御装置。 - 前記振動電圧指令値算出部は、前記巻線を流れる電流情報に基づいて、前記トルクリップル成分を打ち消すための前記q軸の電流の振幅を算出し、
前記q軸の電流の振幅に、前記磁極位置の回転周波数に対する前記トルクリップル成分の周波数の次数、前記磁極位置の電気角での回転角速度、及び前記交流回転電機のインダクタンスを乗算した値を、前記q軸の振動電圧指令値の振幅に設定する請求項1から6のいずれか一項に記載の交流回転電機の制御装置。 - 前記振動電圧指令値算出部は、前記巻線の電流と前記インダクタンスとの関係が予め設定されたインダクタンス設定データを参照し、現在の前記巻線の電流に対応する前記インダクタンスを算出する請求項6から8のいずれか一項に記載の交流回転電機の制御装置。
- 前記振動電圧指令値算出部は、前記q軸の振動電圧指令値の重畳により、重畳後の前記q軸の電圧指令値が上限制限値を超えないように、前記q軸の振動電圧指令値をオフセット的に減少させる請求項1から9のいずれか一項に記載の交流回転電機の制御装置。
- 前記振動電圧指令値算出部は、前記q軸の振動電圧指令値の振幅に−2を乗算した値から0までの間を振動する前記q軸の振動電圧指令値を算出する請求項1から9のいずれか一項に記載の交流回転電機の制御装置。
- 前記d軸の電流指令値と前記q軸の電流指令値とを算出する電流指令値算出部と、
前記トルクリップル成分と同じ周波数を有し、前記トルクリップル成分の前記逆位相になる、前記トルクリップル成分を打ち消すための前記q軸の振動電流指令値を算出する電流指令補正値算出部と、
前記巻線に流れる電流を検出する電流検出部と、
前記巻線の電流検出値及び前記磁極位置に基づいて、前記d軸の電流検出値及び前記q軸の電流検出値を算出するdq軸電流変換部と、を更に備え、
前記基本電圧指令値算出部は、前記d軸の電流検出値が前記d軸の電流指令値に近づき、前記q軸の電流検出値が、前記q軸の振動電流指令値が重畳された前記q軸の電流指令値に近づくように、前記d軸の基本電圧指令値及び前記q軸の基本電圧指令値を変化させる請求項1から11のいずれか一項に記載の交流回転電機の制御装置。 - 請求項1から12のいずれか一項に記載の交流回転電機の制御装置と、
車輪の操舵装置の駆動力源となる前記交流回転電機と、を備えた電動パワーステアリング装置。
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