WO2024252841A1 - 電力変換装置の制御装置 - Google Patents

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power conversion
torque
control device
conversion device
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悟士 隅田
学 関口
佳央 山田
義則 仲田
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Astemo Ltd
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Hitachi Astemo Ltd
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/14—Estimation or adaptation of machine parameters, e.g. flux, current or voltage
    • H02P21/20—Estimation of torque
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using DC to AC converters or inverters
    • H02P27/08—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using DC to AC converters or inverters with pulse width modulation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2205/00—Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the control loops
    • H02P2205/05—Torque loop, i.e. comparison of the motor torque with a torque reference

Definitions

  • the present invention relates to a control device for a power conversion device.
  • Patent Document 1 describes a control device for a permanent magnet synchronous motor that switches between a low-speed torque estimator and a high-speed torque estimator according to the angular speed of the electric motor, and switches between torque estimators that can perform good torque estimation in both low and high angular speed rotational speed ranges of the electric motor.
  • the control device described in Patent Document 1 does not have a mechanism for suppressing the torque error ratio (the difference between the torque command and the true torque value divided by the true torque value) caused by temperature fluctuations below an allowable value, and it is necessary to select the torque estimation unit and determine the switching conditions by trial and error.
  • the present invention aims to provide a control device for a power conversion device that can suppress the torque error ratio caused by temperature fluctuations to within an allowable value.
  • the control device for a power conversion device is a control device for a power conversion device that drives an electric motor, and includes a calculation device, which calculates the output of the electric motor and calculates the amount of loss change due to a temperature change of the electric motor, and if the ratio of the amount of loss change to the output of the electric motor is smaller than the allowable torque error ratio of the electric motor, a first torque estimate based on the output of the electric motor and the rotation speed of the electric motor is set as the torque estimate of the electric motor, and otherwise a second torque estimate based on the current of the electric motor and the rotor phase of the electric motor is set as the torque estimate of the electric motor.
  • the present invention provides a control device for a power conversion device that can suppress the torque error ratio caused by temperature fluctuations to within an allowable value.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a hardware configuration of a control device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram for explaining the operation of the control device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the torque command correction unit.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining the correction of the torque command by the torque command correcting unit.
  • FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of the vector control unit.
  • FIG. 6 is a flowchart of a control process executed by the control device according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing an electric vehicle equipped with a control device according to the second embodiment.
  • control device 1 for the power conversion device 3 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to Figures 1 to 6.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a schematic hardware configuration of a control device 1 according to a first embodiment of the present invention.
  • the control device 1 is composed of a computer having an arithmetic device 11 such as a CPU (Central Processing Unit), MPU (Micro Processing Unit), DSP (Digital Signal Processor), etc., a non-volatile memory 12 such as a ROM (Read Only Memory), flash memory, or hard disk drive, a volatile memory 13 known as a RAM (Random Access Memory), an input/output interface 14, and other peripheral circuits.
  • arithmetic device 11 may be an ASIC (application specific integrated circuit), an FPGA (field programmable gate array), etc.
  • the non-volatile memory 12 stores programs capable of executing various calculations.
  • the non-volatile memory 12 is a storage medium (storage device) capable of reading programs that realize the functions of this embodiment.
  • the volatile memory 13 is a storage medium (storage device) that temporarily stores the results of calculations by the calculation device 11 and signals input from the input/output interface 14.
  • the calculation device 11 is a device that expands the programs stored in the non-volatile memory 12 into the volatile memory 13 and executes calculations, and performs predetermined calculation processing on data taken from the input/output interface 14, the non-volatile memory 12, and the volatile memory 13 in accordance with the programs.
  • the control device 1 is connected to a torque command input device 2 and a power conversion device 3.
  • the torque command input device 2 is a device that uses the control device 1 to drive the electric motor 4 with a desired torque.
  • the power conversion device 3 is a device that drives the electric motor 4.
  • the torque command input device 2 outputs a torque command, which will be described later, to the control device 1.
  • the control device 1 outputs a number of gate signals g, which will be described later, to the power conversion device 3 based on the torque command input from the torque command input device 2.
  • the power conversion device 3 drives the electric motor 4 based on the multiple gate signals g input from the control device 1.
  • the input section of the input/output interface 14 converts signals input from various devices (such as the torque command input device 2) into data that can be calculated by the calculation device 11.
  • the output section of the input/output interface 14 generates an output signal according to the calculation result in the calculation device 11, and outputs the signal to various devices (such as the power conversion device 3).
  • FIG. 2 is a block diagram for explaining the operation of the control device 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • the control device 1 includes a motor output calculation unit 21, a first torque estimation unit 22, a second torque estimation unit 23, a switching unit 24, a loss change amount calculation unit 25, a torque command correction unit 26, a vector control unit 27, and a PWM control unit 28.
  • These components are supplied with the U-, V-, and W-phase voltages vu , vv , and vw of the power conversion device 3, the U-, V-, and W-phase currents iu , iv , and iw of the power conversion device 3, the frequency ⁇ of the motor 4, and the rotor phase ⁇ of the motor 4.
  • These values are current values acquired from the power conversion device 3 and the motor 4 by sensors (not shown) or the like at any time, and are supplied to the components of the control device 1.
  • the motor output calculation unit 21 includes an inner product calculation unit 21 a, an addition/subtraction unit 21 b, a loss calculation unit 21 c, an inner product calculation unit 21 d, and a copper loss calculation unit 21 e.
  • the motor output calculation unit 21 calculates an output P out of the motor 4 based on U-, V-, and W-phase voltages v u , v v , and v w of the power conversion device 3, U-, V-, and W-phase currents i u , iv , and i w of the power conversion device 3, and a frequency ⁇ of the motor 4.
  • the inner product calculation unit 21a calculates the input P in of the motor 4, which is the inner product of the U-phase, V-phase, and W-phase voltages v u , v v , and v w of the power conversion device 3 and the U-phase, V-phase, and W-phase currents i u , i v , and i w of the power conversion device 3.
  • the loss calculation unit 21c calculates the loss P LI expressed as "a ⁇ m i n +b" using coefficients a and b. In other words, the loss P LI is a value obtained by adding an offset value b to the product of the current multiplier i n and the frequency multiplier ⁇ m of the motor 4.
  • the loss P LI is, for example, an eddy current loss or a hysteresis loss.
  • the loss PLI is, for example, an eddy current loss or a hysteresis loss.
  • a and b at this time are identified by, for example, calibration.
  • Other possible examples of the loss PLI include AC copper loss and mechanical loss, and a, b, m, and n are calibrated in advance so that the error between "a ⁇ m i n +b" and the actual measurement value is minimized.
  • Calibration is performed, for example, by attaching sensors capable of measuring losses to the power conversion device 3, the motor 4, etc., changing the frequency ⁇ of the motor 4 and the U-phase, V-phase, and W-phase currents iu , iv , and iw of the power conversion device 3, respectively, to measure the losses, and searching for a, b, m, and n that minimize the difference from the actual measurement value.
  • the motor output calculation unit 21 thereby calculates some or all of the eddy current loss, hysteresis loss, AC copper loss, and mechanical loss as PLI .
  • R is the winding resistance value of the motor 4.
  • the addition and subtraction unit 21b calculates the output Pout of the motor 4 by the following equation (1).
  • P out P in -P LI -P LR ...(1) Equation (1) holds true because the gap between the input and output to the motor 4 is the loss of the motor 4 .
  • the second torque estimation unit 23 includes a three-phase to two-phase conversion unit 23a and a torque model 3b.
  • the second torque estimation unit 23 calculates a second torque estimation value ⁇ 2 from U-phase, V-phase and W-phase currents iu , iv and iw of the power conversion device 3 and a rotor phase ⁇ of the electric motor 4.
  • the three-phase to two-phase conversion unit 23a converts the U-phase, V-phase and W-phase currents iu , iv and iw of the power conversion device 3 into d-axis and q-axis currents id and iq using the rotor phase ⁇ of the electric motor 4.
  • the second torque estimation unit 23 calculates the second torque estimation value ⁇ 2 using the torque model 3b expressed by the following equation (3).
  • ⁇ 2 P m (K e + (L d - L q ) i d ) i q ... (3)
  • Pm is the number of pole pairs
  • K e is the induced voltage coefficient
  • L d is the d-axis inductance
  • L q is the q-axis inductance.
  • the second torque estimate ⁇ 2 is a value calculated by performing three-phase to two-phase conversion on the U-phase, V-phase, and W-phase currents i u , iv , and i w (three-phase AC currents) of the motor 4 to d-axis and q-axis currents i d , i q using the rotor phase ⁇ of the motor 4, and then based on the d-axis and q-axis currents i d , i q , the inductances L d , L q of the motor 4, and the induced voltage coefficient K e of the motor 4.
  • the switching unit 24 includes a loss change ratio calculation unit 24a, a comparison unit 24b, and a switch 24c.
  • the switching unit 24 outputs either the first torque estimate value ⁇ 1 or the second torque estimate value ⁇ 2 as the torque estimate value ⁇ est .
  • the loss change ratio calculation unit 24a calculates a ratio ⁇ L of the "loss change amount ⁇ P L of the electric motor 4 during temperature fluctuation" to the output P out of the electric motor 4. In the following description, this ratio ⁇ L is referred to as the loss change ratio ⁇ L .
  • the comparator 24b compares the absolute value
  • the switch 24c outputs the first torque estimate ⁇ 1 as the torque estimate ⁇ est when the flag F is Yes, and outputs the second torque estimate ⁇ 2 as the torque estimate ⁇ est when the flag F is No.
  • the loss change amount calculation unit 25 includes an inner product calculation unit 25a and a copper loss change amount calculation unit 25b.
  • the amount of loss change ⁇ P L is the product of the amount of change ⁇ R in the winding resistance value R due to the temperature change of the motor 4 and the square of the current of the motor 4, i 2.
  • the winding resistance change ⁇ R is a value measured or estimated in advance and stored in the nonvolatile memory 12 or the like, and is read out from the nonvolatile memory 12 or the like as necessary.
  • FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the torque command correction unit 26.
  • the torque command correction unit 26 corrects the torque command ⁇ * based on the torque estimate value ⁇ est and outputs the corrected value as a corrected torque command ⁇ ** .
  • the torque command correction unit 26 includes a low-pass filter 26a and a PI control unit 26b.
  • the low-pass filter 26a with a time constant T simulates the response of torque control. Therefore, the output ⁇ LPF * of the low-pass filter 26a represents an ideal torque response.
  • the torque command correction unit 26 inputs the difference between the output ⁇ LPF * of the low-pass filter 26a and the torque estimate value ⁇ est to the PI control unit 26b, adds the output to the torque command ⁇ * , and outputs it as a corrected torque command ⁇ ** . That is, the corrected torque command ⁇ ** is determined by two-degree-of-freedom control in which the torque estimate value ⁇ est is fed back and the torque command ⁇ * is fed forward.
  • Fig. 4 is an explanatory diagram for explaining the correction of the torque command ⁇ * by the torque command correction unit 26.
  • the horizontal axis of Fig. 4 indicates time, and the vertical axis indicates the torque value.
  • the torque command correction unit 26 is disabled until time t1 shown in Fig. 4, and is enabled after time t1 . It is also assumed that the torque command ⁇ * is constant over the entire time axis shown in Fig. 4.
  • the torque estimate ⁇ est (and the actual torque ⁇ of the electric motor 4) is indicated by a solid line, and the corrected torque command ⁇ ** is indicated by a dashed line.
  • the torque command corrector 26 is disabled until time t1 , so the torque command ⁇ * and the corrected torque command ⁇ ** match until time t1 .
  • the output ⁇ LPF * of the low-pass filter 26a is greater than the torque estimate ⁇ est, so the output of the PI control unit 26b becomes positive, and the corrected torque command ⁇ ** increases.
  • the vector control unit 27 calculates U-phase, V-phase, and W-phase voltage commands vu*, vv*, and vw * based on the correction torque command ⁇ ** , the U-phase, V-phase, and W-phase currents iu , iv , and iw of the power conversion device 3 , and the rotor phase ⁇ of the electric motor 4.
  • the vector control unit 27 includes a torque/current command conversion unit 27a, a current control unit 27b, a three-phase to two-phase conversion unit 27c, and a two-phase to three-phase conversion unit 27d.
  • the torque/current command conversion unit 27a converts the correction torque command ⁇ ** into d-axis/q-axis current commands i d * , i q * .
  • the three-phase/two-phase conversion unit 27c converts the U-phase/V-phase/W-phase currents i u , i v , and i w of the power conversion device 3 into d-axis/q-axis currents i d , i q using the rotor phase ⁇ of the motor 4.
  • the current control unit 27b calculates d-axis/q-axis voltage commands v d * , v q * based on the d-axis/q-axis current commands i d * , i q * and the d-axis/q-axis currents i d , i q .
  • the two-phase/three-phase conversion unit 27d converts the d-axis/q-axis voltage commands v d * , v q * into U-phase/V-phase/W-phase voltage commands v u * , v v * , and v w * using the rotor phase ⁇ of the motor 4.
  • the PWM control unit 28 outputs a plurality of gate signals g (i.e., PWM control signals) to the power conversion device 3 based on the U-phase, V-phase, and W-phase voltage commands vu * , vv * , and vw * , thereby controlling the power conversion device 3.
  • U-phase, V-phase, and W-phase voltages vu , vv , and vw are applied to the electric motor 4, U-phase, V-phase, and W-phase currents iu , iv , and iw flow, and an actual torque ⁇ is generated.
  • step S80 the motor output calculation unit 21 calculates the output P out of the motor 4 based on the U-phase, V-phase, and W-phase voltages v u , v v , and v w of the power conversion device 3, the U-phase, V-phase, and W-phase currents i u , iv , and i w of the power conversion device 3, and the frequency ⁇ of the motor 4.
  • step S90 the loss change calculation unit 25 calculates the loss change amount ⁇ P L of the motor 4 during temperature fluctuation.
  • step S100 the switching unit 24 calculates the ratio ⁇ L of the loss change amount using the output P out of the motor 4 calculated in step S80 and the loss change amount ⁇ P L of the motor 4 during temperature fluctuation calculated in step S90.
  • step S110 the switching unit 24 compares the absolute value
  • step S120 the first torque estimation unit 22 calculates the first torque estimate value ⁇ 1 by the above-mentioned equation (2).
  • step S130 the switching unit 24 outputs the first torque estimate value ⁇ 1 calculated in step S120 as the torque estimate value ⁇ est . Thereafter, the process proceeds to step S160.
  • step S140 the second torque estimation unit 23 calculates the second torque estimation value ⁇ 2 by the above-mentioned equation (3).
  • step S150 the switching unit 24 outputs the second torque estimation value ⁇ 2 calculated in step S140 as the torque estimation value ⁇ est . Thereafter, the process proceeds to step S160.
  • step S160 the torque command correction unit 26 corrects the torque command ⁇ * based on the torque estimation value ⁇ est output in step S120 or step S140, and outputs the corrected value as a corrected torque command ⁇ ** .
  • step S170 the vector control unit 27 calculates U-phase, V-phase, and W-phase voltage commands vu * , vv * , and vw * based on the corrected torque command ⁇ ** output in step S160, the U-phase, V-phase, and W-phase currents iu, iv , and iw of the power conversion device 3, and the rotor phase ⁇ of the motor 4.
  • step S180 the PWM control unit 28 outputs a plurality of gate signals g to the power conversion device 3 based on the U -phase, V-phase, and W-phase voltage commands vu * , vv * , and vw * calculated in step S170, thereby controlling the power conversion device 3.
  • the torque error ratio ⁇ will eventually become zero by the torque command correction unit 26. Since the calculation of the second torque estimation value ⁇ 2 by the second torque estimator 23 is affected by a detection error of the rotor phase ⁇ of the electric motor 4, it is desirable to use the first torque estimation value ⁇ 1 calculated by the first torque estimator 22 as much as possible. However, since the calculation of the first torque estimation value ⁇ 1 by the first torque estimator 22 is affected by temperature fluctuations in the winding resistance value R used in the calculation of the copper loss P LR , the torque error ratio ⁇ does not become zero. In other words, an error due to temperature fluctuations occurs in the first torque estimation value ⁇ 1. In other words, a non-zero torque error ratio ⁇ occurs in the first torque estimation value ⁇ 1 due to temperature fluctuations.
  • the control device 1 suppresses the torque error ratio ⁇ due to temperature fluctuation to at most the allowable torque error ratio ⁇ MAX by the switching unit 24 and the loss change amount calculation unit 25.
  • the principle of this operation is as follows.
  • (Operation Principle 1) The first torque estimator 22 is applied by the comparator 24b and the switch 24c only when "
  • (Operation Principle 2) The torque error ratio ⁇ is expressed by the following equation (5) due to the effect of the torque command corrector 26.
  • " ⁇ est ⁇ 1 " within the application range of the first torque estimation section 22.
  • the first torque estimator 22 is applied only when "
  • the second torque estimator 23 is affected by the detection error of the rotor phase ⁇ of the motor 4, but is not affected by the winding resistance fluctuation ⁇ R due to temperature fluctuations, and is robust against temperature fluctuations.
  • the calculation device 11 calculates the output P out of the motor 4, calculates the loss change amount ⁇ P L due to a temperature change of the motor 4, and if the absolute value
  • the calculation device 11 sets the inner product (output of the power conversion device 3) of the U-phase, V- phase , and W-phase voltages vu , vv, and vw of the power conversion device 3 and the U-phase, V-phase, and W-phase currents iu , iv , and iw of the power conversion device 3 as the input Pin of the motor 4, and sets the value obtained by subtracting the loss PLI of the motor 4 from the input Pin of the motor 4 as the output Pout of the motor 4. In this manner, the output Pout of the motor 4 can be calculated taking into account losses of the motor 4 such as copper loss.
  • the calculation device 11 calculates the loss change amount ⁇ P L based on the product a ⁇ m i n of the current multiplier i n and the frequency multiplier ⁇ m of the motor 4 plus the offset value b. In this way, the copper loss, which accounts for a large part of the influence of temperature fluctuations, can be calculated with a simple calculation. Since only a simple calculation is required, the amount of calculation is reduced, and power consumption can be reduced.
  • the calculation device 11 determines the loss change amount ⁇ P L as the product of the winding resistance variation ⁇ R, which is the amount of change in the winding resistance value R due to a temperature change of the motor 4, and the square i2 of the current of the motor 4. Since it is configured in this way, the loss change amount ⁇ P L can be calculated with a small amount of calculation.
  • the calculation device 11 sets the first torque estimated value ⁇ 1 to a value obtained by dividing the output P out of the electric motor 4 by the frequency ⁇ (rotation speed) of the electric motor 4. Since this is done, when the temperature does not fluctuate greatly, the first torque estimator 22 can stably obtain a highly accurate torque estimated value.
  • the calculation device 11 performs three-phase to two-phase conversion of the U-phase, V-phase and W-phase currents iu , iv , iw (three-phase AC currents) of the power conversion device 3 of the motor 4 into d-axis and q-axis currents id , iq using the rotor phase ⁇ of the motor 4 , and calculates the second torque estimation value ⁇ 2 based on the d-axis and q-axis currents id, iq, the d-axis inductance Ld and q-axis inductance Lq of the motor 4, and the induced voltage coefficient Ke of the motor 4. Since this is done in this manner, when temperature fluctuations are severe, the second torque estimator 23 can stably obtain a highly accurate torque estimation value.
  • the calculation device 11 corrects the torque command ⁇ * input to the control device 1 based on the torque estimate value ⁇ est of the electric motor 4, and outputs a gate signal g (PWM control signal) to the power conversion device 3 based on the corrected torque command ⁇ ** . In this manner, the power conversion device 3 can be stably controlled to a desired torque.
  • the calculation device 11 is a two-degree-of-freedom control system in which the torque estimation value ⁇ est is fed back and the torque command ⁇ * is fed forward. As a result, even if the first torque estimator 22 and the second torque estimator 23 are switched, the estimation result does not become unstable and high estimation accuracy can be steadily maintained.
  • control device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 7. Note that the same reference symbols are used for configurations that are the same as or equivalent to those described in the first embodiment, and differences will be mainly described.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing an electric vehicle 200 equipped with a control device 100 according to the second embodiment.
  • the electric vehicle 200 is an electric vehicle that uses an electric motor 4 as a drive source. That is, the electric vehicle 200 has four electric motors 4, and each electric motor 4 is connected to the axles of four wheels 201 equipped on the electric vehicle 200. For each of the four electric motors 4, a corresponding control device 100 and power conversion device 3 are provided.
  • the electric vehicle 200 includes a control device (hereinafter also referred to as an electric vehicle control device) 202 that controls each part of the electric vehicle 200.
  • the electric vehicle control device 202 corresponds to the torque command input device 2 described in the first embodiment. That is, the electric vehicle control device 202 outputs torque commands ⁇ 1 * , ⁇ 2 * , ⁇ 3 * , and ⁇ 4 * for accelerating and decelerating the electric vehicle 200 to each of the four control devices 100. Since the electric vehicle 200 is operated under a wide range of conditions from low speed to high speed, the temperature of the electric motor 4 constantly fluctuates, but the control device 100 according to the second embodiment can suppress the torque error ratio ⁇ to the allowable torque error ratio ⁇ MAX or less. Therefore, the electric vehicle 200 can be accelerated and decelerated stably.
  • the operation of the torque command correction unit 26 may be different from that described in FIG. 3.
  • the torque estimation value ⁇ est may be directly used as the corrected torque command ⁇ ** .
  • the output may oscillate when switching between the first torque estimation unit 22 and the second torque estimation unit 23, and may become unstable in a transient state.
  • the input P in of the motor 4 may be obtained by the product of the input to the power conversion device 3 and the power conversion efficiency by the power conversion device 3, instead of the dot product of the U-phase, V-phase, and W-phase voltages vu, vv, and vw of the power conversion device 3 and the U-phase, V-phase, and W-phase currents iu, iv, and iw of the power conversion device 3.
  • 1,100...control device 2...torque command input device, 3...power conversion device, 4...electric motor, 11...arithmetic device, 12...non-volatile memory, 13...volatile memory, 14...input/output interface, 21...motor output calculation unit, 22...first torque estimation unit, 23...second torque estimation unit, 24...switching unit, 25...loss change amount calculation unit, 26...torque command correction unit, 27...vector control unit, 28...PWM control unit, 200...electric vehicle, 201...wheel, 202...electric vehicle control device

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

電動機を駆動する電力変換装置の制御装置は、演算装置を備え、前記演算装置は、前記電動機の出力を演算し、前記電動機の温度変化による損失変化量を演算し、前記電動機の出力に対する前記損失変化量の比率が前記電動機の許容トルク誤差比率よりも小さい場合には、前記電動機の出力と前記電動機の回転速度とに基づく第１トルク推定値を前記電動機のトルク推定値とし、それ以外の場合には、前記電動機の電流と前記電動機の回転子位相とに基づく第２トルク推定値を前記電動機のトルク推定値とする。

Description

電力変換装置の制御装置
　本発明は、電力変換装置の制御装置に関する。
　何らかの方法で電動機のトルクを推定し、推定したトルクに基づいて電動機を制御する制御装置が知られている。例えば特許文献１には、低速用トルク推定部と高速用トルク推定部とを電動機の角速度に応じて切り替える電動機の角速度回転数低速・高速域でそれぞれ良好にトルク推定を行い得るトルク推定部を切り換える永久磁石同期電動機の制御装置が記載されている。
特開２００２－２３３１９９号公報
　特許文献１に記載の制御装置は、温度変動の影響によるトルク誤差比率（トルク指令とトルク真値との差分をトルク真値で除算した値）を許容値以下に抑える仕組みはなく、トルク推定部の選定および切り替え条件を試行錯誤的に決定する必要がある。
　本発明は、温度変動の影響によるトルク誤差比率を許容値以下に抑えることが可能な電力変換装置の制御装置を提供することを目的とする。
　本発明の一態様による電力変換装置の制御装置は、電動機を駆動する電力変換装置の制御装置であって、演算装置を備え、前記演算装置は、前記電動機の出力を演算し、前記電動機の温度変化による損失変化量を演算し、前記電動機の出力に対する前記損失変化量の比率が前記電動機の許容トルク誤差比率よりも小さい場合には、前記電動機の出力と前記電動機の回転速度とに基づく第１トルク推定値を前記電動機のトルク推定値とし、それ以外の場合には、前記電動機の電流と前記電動機の回転子位相とに基づく第２トルク推定値を前記電動機のトルク推定値とする。
　本発明によれば、温度変動の影響によるトルク誤差比率を許容値以下に抑えることが可能な電力変換装置の制御装置を提供することができる。
図１は、本発明の第１実施形態に係る制御装置のハードウェア構成を模式的に示すブロック図である。 図２は、本発明の第１実施形態に係る制御装置の動作を説明するためのブロック線図である。 図３は、トルク指令補正部の構成を示すブロック線図である。 図４は、トルク指令補正部によるトルク指令の補正内容を説明するための説明図である。 図５は、ベクトル制御部の構成を示すブロック線図である。 図６は、第１実施形態に係る制御装置が実行する制御処理のフローチャートである。 図７は、第２実施形態に係る制御装置を搭載する電動車を示す模式図である。
　図１～図６を参照して、本発明の実施形態に係る電力変換装置３の制御装置１について説明する。
　図１は、本発明の第１実施形態に係る制御装置１のハードウェア構成を模式的に示すブロック図である。制御装置１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）等の演算装置１１、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ハードディスクドライブ等の不揮発性メモリ１２、所謂ＲＡＭ（Random Access Memory）と呼ばれる揮発性メモリ１３、入出力インタフェース１４、および、その他の周辺回路を備えたコンピュータで構成される。これらのハードウェアは、協働してソフトウェアを動作させ、複数の機能を実現する。なお、コントローラは、１つのコンピュータで構成してもよいし、複数のコンピュータで構成してもよい。また、演算装置１１としては、ＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などを用いることができる。
　不揮発性メモリ１２には、各種演算が実行可能なプログラムが格納されている。すなわち、不揮発性メモリ１２は、本実施形態の機能を実現するプログラムを読み取り可能な記憶媒体（記憶装置）である。揮発性メモリ１３は、演算装置１１による演算結果および入出力インタフェース１４から入力された信号を一時的に記憶する記憶媒体（記憶装置）である。演算装置１１は、不揮発性メモリ１２に記憶されたプログラムを揮発性メモリ１３に展開して演算実行する装置であって、プログラムに従って入出力インタフェース１４、不揮発性メモリ１２および揮発性メモリ１３から取り入れたデータに対して所定の演算処理を行う。
　制御装置１は、トルク指令入力装置２および電力変換装置３に接続される。トルク指令入力装置２は、制御装置１を用いて電動機４を所望のトルクで駆動させる装置である。電力変換装置３は、電動機４を駆動する装置である。トルク指令入力装置２は、後述するトルク指令を制御装置１に向けて出力する。制御装置１は、トルク指令入力装置２から入力されたトルク指令に基づき、後述する複数のゲート信号ｇを電力変換装置３に出力する。電力変換装置３は、制御装置１から入力された複数のゲート信号ｇに基づき電動機４を駆動する。
　入出力インタフェース１４の入力部は、各種装置（トルク指令入力装置２等）から入力された信号を演算装置１１で演算可能なデータに変換する。また、入出力インタフェース１４の出力部は、演算装置１１での演算結果に応じた出力用の信号を生成し、その信号を各種装置（電力変換装置３等）に出力する。
　図２は、本発明の第１実施形態に係る制御装置１の動作を説明するためのブロック線図である。制御装置１は、電動機出力演算部２１、第１トルク推定部２２、第２トルク推定部２３、切替部２４、損失変化量演算部２５、トルク指令補正部２６、ベクトル制御部２７、およびＰＷＭ制御部２８を備える。
　これらの各部には、電力変換装置３のＵ相・Ｖ相・Ｗ相電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ、電力変換装置３のＵ相・Ｖ相・Ｗ相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ、電動機４の周波数ω、および電動機４の回転子位相θが供給される。これらの値は、不図示のセンサ等により電力変換装置３および電動機４から現在の値が随時取得され、制御装置１の各部に供給される。
　電動機出力演算部２１は内積演算部２１ａ、加減算部２１ｂ、損失演算部２１ｃ、内積演算部２１ｄ、および銅損演算部２１ｅを備える。電動機出力演算部２１は、電力変換装置３のＵ相・Ｖ相・Ｗ相電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ、電力変換装置３のＵ相・Ｖ相・Ｗ相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ、および電動機４の周波数ωに基づいて、電動機４の出力Ｐｏｕｔを演算する。
　内積演算部２１ａは電力変換装置３のＵ相・Ｖ相・Ｗ相電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗと電力変換装置３のＵ相・Ｖ相・Ｗ相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの内積である電動機４の入力Ｐｉｎを演算する。損失演算部２１ｃは係数ａ、ｂを用いて、「ａωｍｉｎ＋ｂ」で表される損失ＰＬＩを演算する。つまり損失ＰＬＩは、電動機４の電流の乗数ｉｎと周波数の乗数ωｍとの積にオフセット値ｂを加算した値である。ここで損失ＰＬＩとは、例えば渦電流損あるいはヒステリシス損である。スタインメッツの実験式により、渦電流損であれば「ｍ＝２、ｎ＝２」、ヒステリシス損であれば「ｍ＝１、ｎ＝１．６」となる。このときの係数ａ、ｂは、例えばキャリブレーションにより同定する。損失ＰＬＩとしては、他にＡＣ銅損あるいは機械損なども考えられ、いずれも「ａωｍｉｎ＋ｂ」と実測値の誤差が最小となるようにａ、ｂ、ｍ、ｎをキャリブレーションしておく。キャリブレーションは、例えば損失を実測可能なセンサを電力変換装置３や電動機４等に取り付けた状態で、電動機４の周波数ωおよび電力変換装置３のＵ相・Ｖ相・Ｗ相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗをそれぞれ変化させて損失を実測し、実測値との差が小さくなるａ、ｂ、ｍ、ｎを探索することにより行う。
　なお、図２では一つの損失「ａωｍｉｎ＋ｂ」しか提示していないが、複数の損失を同様に演算してもよい。あるいは損失の合計値と「ａωｍｉｎ＋ｂ」の誤差が最小となるようにａ、ｂ、ｍ、ｎをキャリブレーションしてもよい。電動機出力演算部２１はこれによって、渦電流損・ヒステリシス損・ＡＣ銅損・機械損の一部または全てをＰＬＩとして演算する。内積演算部２１ｄはＵ相・Ｖ相・Ｗ相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの２乗ｉ２を演算し、銅損演算部２１ｅは銅損「ＰＬＲ ＝ Ｒｉ２」を演算する。ここでＲは電動機４の巻線抵抗値である。加減算部２１ｂは、次式（１）により電動機４の出力Ｐｏｕｔを演算する。
  Ｐｏｕｔ ＝ Ｐｉｎ－ＰＬＩ－ＰＬＲ　　…（１）
  式（１）は、電動機４への入出力のギャップが電動機４の損失であることから成り立つ。
　第１トルク推定部２２は、次式（２）により第１トルク推定値τ１を演算する。つまり第１トルク推定値τ１は、電動機４の出力Ｐｏｕｔを電動機４の周波数ω（回転速度）で除算した値である。
  τ１ ＝ Ｐｏｕｔ ／ ω　　…（２）
  式（２）は電動機４の出力Ｐｏｕｔがトルクと周波数の積であることから成り立つ。
　第２トルク推定部２３は三相二相変換部２３ａおよびトルクモデル３ｂを備える。第２トルク推定部２３は、電力変換装置３のＵ相・Ｖ相・Ｗ相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗと電動機４の回転子位相θとから第２トルク推定値τ２を演算する。三相二相変換部２３ａは、電動機４の回転子位相θを用いて、電力変換装置３のＵ相・Ｖ相・Ｗ相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗをｄ軸・ｑ軸電流ｉｄ、ｉｑに変換する。第２トルク推定部２３は、次式（３）で表されるトルクモデル３ｂにより第２トルク推定値τ２を演算する。
  τ２ ＝ Ｐｍ （Ｋｅ＋（Ｌｄ ‐ Ｌｑ）ｉｄ ）ｉｑ　　…（３）
  ここで、Ｐｍは極対数、Ｋｅは誘起電圧係数、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンスである。つまり第２トルク推定値τ２は、電動機４の回転子位相θを用いて電動機４のＵ相・Ｖ相・Ｗ相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ（三相交流電流）をｄ軸・ｑ軸電流ｉｄ、ｉｑに三相二相変換し、その後、ｄ軸・ｑ軸電流ｉｄ、ｉｑと電動機４のインダクタンスＬｄ、Ｌｑと電動機４の誘起電圧係数Ｋｅとに基づいて演算される値である。
　切替部２４は、損失変化量比率演算部２４ａ、比較部２４ｂ、および切替器２４ｃを備える。切替部２４は、第１トルク推定値τ１と第２トルク推定値τ２のいずれかをトルク推定値τｅｓｔとして出力する。損失変化量比率演算部２４ａは、電動機４の出力Ｐｏｕｔに対する「温度変動時の電動機４の損失変化量ΔＰＬ」の比率ΔτＬを演算する。以下の説明では、この比率ΔτＬを損失変化量の比率ΔτＬと称する。
　比較部２４ｂは、損失変化量の比率ΔτＬの絶対値|ΔτＬ|と、所定の許容トルク誤差比率ΔτＭＡＸとを比較し、絶対値|ΔτＬ|の方が小さい場合にはフラグＦをＹｅｓとして出力し、それ以外の場合ではＮｏとして出力する。切替器２４ｃは、フラグＦがＹｅｓの場合には第１トルク推定値τ１、Ｎｏの場合には第２トルク推定値τ２をトルク推定値τｅｓｔとして出力する。
　損失変化量演算部２５は、内積演算部２５ａおよび銅損変化量演算部２５ｂを備える。損失変化量演算部２５は、温度変動時（例えば、電動機４の仕様上の最低温度から最高温度まで温度が変化したとき）の巻線抵抗値Ｒの変動量を巻線抵抗変動ΔＲとするとき、「温度変動時の電動機４の損失変化量ΔＰＬ ＝ ΔＲｉ２」を出力する。つまり損失変化量ΔＰＬは、電動機４の温度変化による巻線抵抗値Ｒの変化量ΔＲと電動機４の電流の２乗ｉ２との積である。なお、巻線抵抗変動ΔＲは、予め計測もしくは推定した値を不揮発性メモリ１２などに記憶させておき、必要に応じて不揮発性メモリ１２などから読み出す。
　図３は、トルク指令補正部２６の構成を示すブロック線図である。トルク指令補正部２６は、トルク推定値τｅｓｔに基づいてトルク指令τ＊を補正し、補正後の値を補正トルク指令τ＊＊として出力する。トルク指令補正部２６は、ローパスフィルタ２６ａおよびＰＩ制御部２６ｂを備える。時定数Ｔのローパスフィルタ２６ａは、トルク制御の応答を模擬している。ゆえに、ローパスフィルタ２６ａの出力τＬＰＦ ＊は理想的なトルク応答を表す。トルク指令補正部２６は、ローパスフィルタ２６ａの出力τＬＰＦ ＊とトルク推定値τｅｓｔとの差分をＰＩ制御部２６ｂに入力し、その出力をトルク指令τ＊に加算して補正トルク指令τ＊＊として出力する。すなわち、補正トルク指令τ＊＊はトルク推定値τｅｓｔをフィードバック、トルク指令τ＊をフィードフォワードとする二自由度制御によって定められる。
　図４は、トルク指令補正部２６によるトルク指令τ＊の補正内容を説明するための説明図である。図４の横軸は時間を示し、縦軸はトルク値を示す。説明のため、図４に示す時刻ｔ１まではトルク指令補正部２６が無効化されており、時刻ｔ１以降はトルク指令補正部２６が有効化されるものとする。また、図４に示す時間軸の全体に渡って、トルク指令τ＊は一定であるものとする。
　図４では、トルク推定値τｅｓｔ（および電動機４の実トルクτ）を実線で、補正トルク指令τ＊＊を破線で示している。前述の通り、時刻ｔ１まではトルク指令補正部２６が無効化されているので、時刻ｔ１まではトルク指令τ＊と補正トルク指令τ＊＊は一致している。時刻ｔ１でトルク指令補正部２６が有効化されると、ローパスフィルタ２６ａの出力τＬＰＦ ＊がトルク推定値τｅｓｔよりも大きいのでＰＩ制御部２６ｂの出力は正となり、補正トルク指令τ＊＊は増加する。この結果、実トルクτおよびトルク推定値τｅｓｔも増加し、これは次式（４）のトルク誤差比率Δτがゼロになるまで続く。
  Δτ ＝ （τ ‐ τ＊）／τ＊　　…（４）
  このため、トルク推定に誤差がない限り、トルク誤差比率Δτはトルク指令補正部２６の補正によりいずれゼロで安定する。
　図５は、ベクトル制御部２７の構成を示すブロック線図である。ベクトル制御部２７は、補正トルク指令τ＊＊、電力変換装置３のＵ相・Ｖ相・Ｗ相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ、および電動機４の回転子位相θに基づいてＵ相・Ｖ相・Ｗ相電圧指令ｖｕ ＊、ｖｖ ＊、ｖｗ ＊を演算する。ベクトル制御部２７は、トルク・電流指令変換部２７ａ、電流制御部２７ｂ、三相二相変換部２７ｃ、および二相三相変換部２７ｄを備える。
　トルク・電流指令変換部２７ａは、補正トルク指令τ＊＊をｄ軸・ｑ軸電流指令ｉｄ ＊、ｉｑ ＊に変換する。三相二相変換部２７ｃは、電動機４の回転子位相θを用いて電力変換装置３のＵ相・Ｖ相・Ｗ相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗをｄ軸・ｑ軸電流ｉｄ、ｉｑに変換する。電流制御部２７ｂは、ｄ軸・ｑ軸電流指令ｉｄ ＊、ｉｑ ＊およびｄ軸・ｑ軸電流ｉｄ、ｉｑに基づいて、ｄ軸・ｑ軸電圧指令ｖｄ ＊、ｖｑ ＊を演算する。二相三相変換部２７ｄは、電動機４の回転子位相θを用いてｄ軸・ｑ軸電圧指令ｖｄ ＊、ｖｑ ＊をＵ相・Ｖ相・Ｗ相電圧指令ｖｕ ＊、ｖｖ ＊、ｖｗ ＊に変換する。
　ＰＷＭ制御部２８は、Ｕ相・Ｖ相・Ｗ相電圧指令ｖｕ ＊、ｖｖ ＊、ｖｗ ＊に基づいて電力変換装置３に複数のゲート信号ｇ（すなわちＰＷＭ制御信号）を出力し、電力変換装置３を制御する。この結果、電動機４にはＵ相・Ｖ相・Ｗ相電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗが印加され、Ｕ相・Ｖ相・Ｗ相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗが流れ、実トルクτが発生する。
　図６は、第１実施形態に係る制御装置１が実行する制御処理のフローチャートである。ステップＳ８０において電動機出力演算部２１が、電力変換装置３のＵ相・Ｖ相・Ｗ相電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ、電力変換装置３のＵ相・Ｖ相・Ｗ相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ、および電動機４の周波数ωに基づいて、電動機４の出力Ｐｏｕｔを演算する。ステップＳ９０において損失変化量演算部２５が、温度変動時の電動機４の損失変化量ΔＰＬを演算する。ステップＳ１００において切替部２４が、ステップＳ８０で演算された電動機４の出力ＰｏｕｔおよびステップＳ９０で演算された温度変動時の電動機４の損失変化量ΔＰＬを用いて、損失変化量の比率ΔτＬを演算する。ステップＳ１１０において切替部２４が、ステップＳ１００で演算した損失変化量の比率ΔτＬの絶対値|ΔτＬ|と、所定の許容トルク誤差比率ΔτＭＡＸとを比較し、前者が後者よりも小さいか否かを判定する。絶対値|ΔτＬ|が許容トルク誤差比率ΔτＭＡＸよりも小さい場合、処理はステップＳ１２０に進む。
　ステップＳ１２０において第１トルク推定部２２が、前述の式（２）により第１トルク推定値τ１を演算する。ステップＳ１３０において切替部２４が、ステップＳ１２０において演算された第１トルク推定値τ１をトルク推定値τｅｓｔとして出力する。その後、処理はステップＳ１６０に進む。
　他方、ステップＳ１１０において絶対値|ΔτＬ|が許容トルク誤差比率ΔτＭＡＸ以上であった場合、処理はステップＳ１４０に進む。ステップＳ１４０において第２トルク推定部２３が、前述の式（３）により第２トルク推定値τ２を演算する。ステップＳ１５０において切替部２４が、ステップＳ１４０において演算された第２トルク推定値τ２をトルク推定値τｅｓｔとして出力する。その後、処理はステップＳ１６０に進む。
　ステップＳ１６０においてトルク指令補正部２６が、ステップＳ１２０またはステップＳ１４０において出力されたトルク推定値τｅｓｔに基づいてトルク指令τ＊を補正し、補正後の値を補正トルク指令τ＊＊として出力する。ステップＳ１７０においてベクトル制御部２７が、ステップＳ１６０で出力された補正トルク指令τ＊＊、電力変換装置３のＵ相・Ｖ相・Ｗ相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ、および電動機４の回転子位相θに基づいてＵ相・Ｖ相・Ｗ相電圧指令ｖｕ ＊、ｖｖ ＊、ｖｗ ＊を演算する。ステップＳ１８０においてＰＷＭ制御部２８が、ステップＳ１７０で演算されたＵ相・Ｖ相・Ｗ相電圧指令ｖｕ ＊、ｖｖ ＊、ｖｗ ＊に基づいて電力変換装置３に複数のゲート信号ｇを出力し、電力変換装置３を制御する。
　前述の通り、トルク推定に誤差がなければ、トルク指令補正部２６によってトルク誤差比率Δτはいずれゼロになる。第２トルク推定部２３による第２トルク推定値τ２の演算は電動機４の回転子位相θの検出誤差の影響を受けるため、可能な限り第１トルク推定部２２により演算された第１トルク推定値τ１を用いるのが望ましい。しかし、第１トルク推定部２２による第１トルク推定値τ１の演算は、銅損ＰＬＲの演算の際に用いる巻線抵抗値Ｒが温度変動の影響を受けるため、トルク誤差比率Δτがゼロにならない。つまり、第１トルク推定値τ１には温度変動による誤差が生じる。換言すると、第１トルク推定値τ１には温度変動によるゼロでないトルク誤差比率Δτが生じる。
　第１実施形態に係る制御装置１は、切替部２４および損失変化量演算部２５によって、温度変動によるトルク誤差比率Δτを最大でも許容トルク誤差比率ΔτＭＡＸに抑制する。この動作原理は以下の通りである。
  （動作原理１）比較部２４ｂおよび切替器２４ｃによって、「|ΔτＬ| ＜ ΔτＭＡＸ」の場合に限り第１トルク推定部２２が適用される。
  （動作原理２）トルク誤差比率Δτは、トルク指令補正部２６の効果によって、次式（５）で表される。
  Δτ ＝ （τ－τ＊）／τ＊ ＝ （τ－τｅｓｔ）／τｅｓｔ　　…（５）
  ここで、第１トルク推定部２２の適用範囲では「τｅｓｔ ＝ τ１」である。また、上式（１）、（２）より次式（６）が成り立つ。
  τｅｓｔ ＝ τ１ ＝ （Ｐｉｎ－ＰＬＩ－ＰＬＲ）／ω　　…（６）
  同様に、実トルクτについては次式（７）が成り立つ。
  τ ＝ （Ｐｉｎ－ＰＬＩ－ＰＬＲ－ΔＰＬ）／ω　　…（７）
  式（５）に式（６）および式（７）を代入すると、次式（８）が得られる。
  Δτ ＝ （－ΔＰＬ）／（Ｐｉｎ－ＰＬＩ－ＰＬＲ） ＝ －ΔＰＬ／ＰOUT　　…（８）
  以上より、「Δτ＝－ΔτＬ」であることが分かる。
  （動作原理３）上記の（１）および（２）より、「|ΔτＬ| ＜ ΔτＭＡＸ」すなわち「|Δτ| ＜ ΔτＭＡＸ」の場合に限り、第１トルク推定部２２が適用される。ゆえに第１トルク推定部２２の適用時、温度変動によるトルク誤差比率Δτが許容トルク誤差比率ΔτＭＡＸを超えることはなく、もし超える場合には第２トルク推定部２３に自動的に切り替わる。第２トルク推定部２３は電動機４の回転子位相θの検出誤差の影響は受けるが、温度変動による巻線抵抗変動ΔＲの影響を受けることはなく、温度変動に対してロバストとなる。
　上述した実施形態によれば、次の作用効果を奏する。
　（１）演算装置１１は、電動機４の出力Ｐｏｕｔを演算し、電動機４の温度変化による損失変化量ΔＰＬを演算し、電動機４の出力Ｐｏｕｔに対する損失変化量の比率ΔτＬの絶対値|ΔτＬ|が電動機４の許容トルク誤差比率ΔτＭＡＸよりも小さい場合には、電動機４の出力Ｐｏｕｔと電動機４の周波数ω（回転速度）とに基づく第１トルク推定値τ１を電動機４のトルク推定値τｅｓｔとし、それ以外の場合には、電力変換装置３のＵ相・Ｖ相・Ｗ相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ（電動機４の電流）と電動機４の回転子位相θとに基づく第２トルク推定値τ２を電動機４のトルク推定値τｅｓｔとする。このようにすることで、温度変動の影響によるトルク誤差比率を許容値以下に抑えることができる。
　（２）演算装置１１は、電力変換装置３のＵ相・Ｖ相・Ｗ相電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗと電力変換装置３のＵ相・Ｖ相・Ｗ相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの内積（電力変換装置３の出力）を電動機４の入力Ｐｉｎとし、電動機４の入力Ｐｉｎから電動機４の損失ＰＬＩを差し引いた値を電動機４の出力Ｐｏｕｔとする。このようにしたので、銅損など電動機４の損失を考慮して電動機４の出力Ｐｏｕｔを演算することができる。
　（３）演算装置１１は、電動機４の電流の乗数ｉｎと周波数の乗数ωｍとの積ａωｍｉｎにオフセット値ｂを加算した値に基づいて損失変化量ΔＰＬを演算する。このようにしたので、シンプルな計算で、温度変動の影響の大部分を占める銅損を演算することができる。シンプルな計算で済むので演算量が削減され、消費電力を削減することができる。
　（４）演算装置１１は、電動機４の温度変化による巻線抵抗値Ｒの変化量である巻線抵抗変動ΔＲと電動機４の電流の２乗ｉ２との積を損失変化量ΔＰＬとする。このようにしたので、損失変化量ΔＰＬを低演算量で算出することができる。
　（５）演算装置１１は、電動機４の出力Ｐｏｕｔを電動機４の周波数ω（回転速度）で除算した値を第１トルク推定値τ１とする。このようにしたので、温度変動が激しくない場合には第１トルク推定部２２によって高精度なトルク推定値を安定して得ることができる。
　（６）演算装置１１は、電動機４の回転子位相θを用いて電動機４の電力変換装置３のＵ相・Ｖ相・Ｗ相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ（三相交流電流）をｄ軸・ｑ軸電流ｉｄ、ｉｑに三相二相変換し、ｄ軸・ｑ軸電流ｉｄ、ｉｑと電動機４のｄ軸インダクタンスＬｄおよびｑ軸インダクタンスＬｑと電動機４の誘起電圧係数Ｋｅとに基づいて第２トルク推定値τ２を演算する。このようにしたので、温度変動が激しい場合には第２トルク推定部２３によって高精度なトルク推定値を安定して得ることができる。
　（７）演算装置１１は、制御装置１に入力されたトルク指令τ＊を電動機４のトルク推定値τｅｓｔに基づいて補正し、補正した補正トルク指令τ＊＊に基づいて電力変換装置３にゲート信号ｇ（ＰＷＭ制御信号）を出力する。このようにしたので、電力変換装置３を所望のトルクに安定的に制御することができる。
　（８）演算装置１１は、トルク推定値τｅｓｔをフィードバック、トルク指令τ＊をフィードフォワードとする二自由度制御系である。このようにしたので、第１トルク推定部２２と第２トルク推定部２３とを切り替えても推定結果が不安定にならず、かつ定常的には高い推定精度を保つことができる。
　図７を参照して、本発明の第２実施形態に係る制御装置について説明する。なお、第１実施形態で説明した構成と同一もしくは相当する構成には同一の参照記号を付し、相違点を主に説明する。
　図７は、第２実施形態に係る制御装置１００を搭載する電動車２００を示す模式図である。電動車２００は、電動機４を駆動源とする電動車である。すなわち電動車２００は、４つの電動機４を備え、各々の電動機４は電動車２００が備える４つの車輪２０１の車軸に接続される。４つの電動機４の各々について、対応する制御装置１００および電力変換装置３が用意される。
　電動車２００は電動車２００の各部を制御する制御装置（以下、電動車制御装置とも記す）２０２を備える。電動車制御装置２０２は、第１実施形態において説明したトルク指令入力装置２に対応する。すなわち電動車制御装置２０２は、電動車２００を加減速させるためのトルク指令τ1 ＊、τ2 ＊、τ3 ＊、およびτ4 ＊を、４つの制御装置１００の各々に対して出力する。電動車２００は低速から高速まで幅広い条件で運転されるため、電動機４の温度は常に変動するが、第２実施形態に係る制御装置１００によりトルク誤差比率Δτを許容トルク誤差比率ΔτＭＡＸ以下に抑制できる。このため、電動車２００を安定して加減速させることができる。
　次のような変形例も本発明の範囲内であり、変形例に示す構成と上述の実施形態で説明した構成を組み合わせたり、上述の異なる実施形態で説明した構成同士を組み合わせたり、以下の異なる変形例で説明する構成同士を組み合わせることも可能である。
　＜変形例１＞
　トルク指令補正部２６の動作は、図３で説明したものと異なっていてもよい。例えばトルク推定値τｅｓｔをそのまま補正トルク指令τ＊＊としてもよい。この場合でも、定常的には精度よくトルク推定を行うことができる。ただし、第１トルク推定部２２と第２トルク推定部２３との切替時に出力が振動し、過渡的には不安定になるおそれがある。
　＜変形例２＞
　電動機４の入力Ｐｉｎを、電力変換装置３のＵ相・Ｖ相・Ｗ相電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗと電力変換装置３のＵ相・Ｖ相・Ｗ相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗとの内積ではなく、電力変換装置３の入力と電力変換装置３による電力の変換効率との積により求めてもよい。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
　１，１００…制御装置、２…トルク指令入力装置、３…電力変換装置、４…電動機、１１…演算装置、１２…不揮発性メモリ、１３…揮発性メモリ、１４…入出力インタフェース、２１…電動機出力演算部、２２…第１トルク推定部、２３…第２トルク推定部、２４…切替部、２５…損失変化量演算部、２６…トルク指令補正部、２７…ベクトル制御部、２８…ＰＷＭ制御部、２００…電動車、２０１…車輪、２０２…電動車制御装置

Claims (9)

  1. 　電動機を駆動する電力変換装置の制御装置であって、
    　演算装置を備え、
    　前記演算装置は、
    　　前記電動機の出力を演算し、
    　　前記電動機の温度変化による損失変化量を演算し、
    　　前記電動機の出力に対する前記損失変化量の比率が前記電動機の許容トルク誤差比率よりも小さい場合には、前記電動機の出力と前記電動機の回転速度とに基づく第１トルク推定値を前記電動機のトルク推定値とし、それ以外の場合には、前記電動機の電流と前記電動機の回転子位相とに基づく第２トルク推定値を前記電動機のトルク推定値とする、
    　電力変換装置の制御装置。
  2. 　請求項１に記載の電力変換装置の制御装置において、
    　前記演算装置は、前記電力変換装置の入力と変換効率との積、または前記電力変換装置の出力を前記電動機の入力とし、前記電動機の入力から前記電動機の損失を差し引いた値を前記電動機の出力とする、
    　電力変換装置の制御装置。
  3. 　請求項２に記載の電力変換装置の制御装置において、
    　前記演算装置は、前記電動機の電流の乗数と周波数の乗数との積にオフセット値を加算した値に基づいて前記損失変化量を演算する、
    　電力変換装置の制御装置。
  4. 　請求項１に記載の電力変換装置の制御装置において、
    　前記演算装置は、前記電動機の温度変化による巻線抵抗値の変化量と前記電動機の電流の２乗との積を前記損失変化量とする、
    　電力変換装置の制御装置。
  5. 　請求項１に記載の電力変換装置の制御装置において、
    　前記演算装置は、前記電動機の出力を前記電動機の回転速度で除算した値を前記第１トルク推定値とする、
    　電力変換装置の制御装置。
  6. 　請求項１に記載の電力変換装置の制御装置において、
    　前記演算装置は、前記電動機の回転子位相を用いて前記電動機の三相交流電流をｄ軸・ｑ軸電流に三相二相変換し、当該ｄ軸・ｑ軸電流と前記電動機のインダクタンスと前記電動機の誘起電圧係数とに基づいて前記第２トルク推定値を演算する、
    　電力変換装置の制御装置。
  7. 　請求項１に記載の電力変換装置の制御装置において、
    　前記演算装置は、前記制御装置に入力されたトルク指令を前記電動機のトルク推定値に基づいて補正し、補正した前記トルク指令に基づいて前記電力変換装置にＰＷＭ制御信号を出力する、
    　電力変換装置の制御装置。
  8. 　請求項７に記載の電力変換装置の制御装置において、
    　前記演算装置は、前記トルク推定値をフィードバック、前記トルク指令をフィードフォワードとする二自由度制御系である、
    　電力変換装置の制御装置。
  9. 　請求項１に記載の電力変換装置の制御装置において、
    　前記電動機を駆動源とする電動車の制御装置からトルク指令が入力される、
    　電力変換装置の制御装置。
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