JP2009268183A

JP2009268183A - 三相交流モータの駆動装置

Info

Publication number: JP2009268183A
Application number: JP2008111905A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Sato; 知宏佐藤
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2008-04-22
Filing date: 2008-04-22
Publication date: 2009-11-12
Anticipated expiration: 2028-04-22
Also published as: JP5262267B2

Abstract

【課題】トルク変動が小さく、且つ、高効率の三相交流モータの駆動装置を提供する。
【解決手段】三相交流モータの駆動装置は、要求トルクを出力するためのベクトル電流を求めるトルク電流変換手段と、前記三相交流モータの回転角を求める回転角検出手段と、前記トルク指令と前記回転角とに基づいて、指令されたトルクを得るためのベクトル電流を指示するトルク／電流変換手段と、前記三相交流モータの最高効率曲線に基づいて設定された回転角とトルクリプルとの対応関係を示すデータを記憶しており、前記トルク指令と前記回転角検出手段で検出された回転角に基づいて、トルクリプルを相殺するためのベクトル電流を求め、補正値として出力する補正値出力手段と、前記補正値出力が出力した補正値に基づいて、前記トルク電流変換手段が出力したベクトル電流を補正して出力する補正手段と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、三相交流モータの駆動装置に関する。

三相モータは、その構造上、回転にトルク変動がある。このトルク変動は、極数と回転数に比例する。トルク変動はトルクリプルと呼ばれ、無通電時の状態におけるトルク変動はコギングトルクと呼ばれている。
トルクリプルを低減するため、種々の提案がなされている。

例えば、特許文献１は、コギングトルクをθ／２周期ずらした補正電流を通電し、トルクリプルを小さくさせる方法を開示する。
また、特許文献２は、最大トルク曲線（進角−トルク）と、トルクリプルが小さくなるトルク曲線をおのおのマップで持ち、使用状況に応じて切り換え、使用する方法を開示する。
また、特許文献３は、出力における偏差の調波の大きさと位相を推定し、推定された調波を示す信号を生成し、推定された調波から逆位相の信号を導出し、フィードバック信号として前記電気機器の入力に順次導入し、偏差を低減させる方法を開示する。
特開２０００−１５２６９７号公報特開２００５−２３７０５４号公報特開２００２−１１９０８６号公報

特許文献１に開示されている駆動方法では、無通電時におけるトルクリプル（コギングトルク）は対称の位相を持っているため、解決可能であるが、力行及び回生等導通状態におけるトルクリプルは対称の位相ではないため、θ／２ずらしてもトルクリプルを相殺することはできない。
また、特許文献２に開示されている方法では、最高効率となる進角−トルク曲線からずれた位置での制御となるため、システムとしての効率が低下してしまう。
また、特許文献３に開示されている方法では、センシングにより偏差を検出する必要があり、システム構成が複雑である。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、トルク変動が小さく、且つ、高効率の三相交流モータの駆動装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の駆動装置は、
三相交流モータの駆動装置であって、
要求トルクを指示するトルク指令を受信するトルク指令受信手段と、
前記要求トルクを出力するためのベクトル電流を求めるトルク電流変換手段と、
前記三相交流モータの回転角を求める回転角検出手段と、
前記トルク指令と前記回転角とに基づいて、指令されたトルクを得るためのベクトル電流を指示するトルク／電流変換手段と、
前記三相交流モータの最高効率曲線に基づいて設定された回転角とトルクリプルとの対応関係を示すデータを記憶しており、前記トルク指令と前記回転角検出手段で検出された回転角に基づいて、トルクリプルを相殺するためのベクトル電流を求め、補正値として出力する補正値出力手段と、
前記補正値出力が出力した補正値に基づいて、前記トルク電流変換手段が出力したベクトル電流を補正して出力する補正手段と、
を備える。

例えば、前記モータの回転数を判別する回転数判別手段を備え、前記指令トルクと前記回転数判別手段で判別された回転数に基づいて、前記回転角検出手段で検出する回転角を補正する手段を更に備える。

例えば、前記補正手段は、前記指令トルクと前記回転数判別手段で判別された回転数に基づいて、前記補正値による前記ベクトル電流の補正の程度を調整する。

例えば、前記モータの回転数を判別する回転数判別手段を備え、前記補正手段は、前記指令トルクと前記回転数判別手段で判別された回転数に基づいて、前記補正値による前記ベクトル電流の補正の程度を調整する。

例えば、前記モータの回転数を判別する回転数判別手段を備え、前記補正値出力手段は、前記三相交流モータの最高効率曲線に基づいて設定された回転角とトルクリプルとの関係と、回転数とトルクに対応する回転角とを関連付けるデータを記憶しており、前記補正値出力手段は、前記トルク指令と前記回転角検出手段で検出された回転角と前記回転数判別手段で検出された回転数に基づいて、前記トルクリプルを相殺するためのベクトル電流を求め、補正値として出力する。

例えば、前記モータの回転数を判別する回転数判別手段を備え、前記補正値出力手段は、前記三相交流モータの最高効率曲線に基づいて設定された回転角とトルクリプルとの関係と、回転数とトルクに対応する補正の程度とを関連付けるデータを記憶しており、前記補正値出力手段は、前記トルク指令と前記回転角検出手段で検出された回転角と前記回転数判別手段で検出された回転数に基づいて、前記トルクリプルを相殺するためのベクトル電流を求め、補正値として出力する。

本発明によれば、三相交流モータの最高効率曲線に基づいて設定された回転角とトルクリプルとの対応関係に基づいて、トルクリプルを相殺するためのベクトル電流を求め、補正値として使用する。従って、高効率でトルクリプルを抑えることが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る電動機の制御装置（三相交流モータの駆動装置）及び該制御装置が実行する制御について説明する。

本実施形態に係るモータ駆動装置１０は、図１に示すように、三相モータ４０をベクトル駆動するための装置であり、トルク／電流変換部１０１と、減算器１０２、１０３と、二相／三相変換部１０４と、ＰＷＭ生成部１０５と、位相補償部１０６と、トルクリプル変換部１０７と、レベル補正部１０８と、角度検出部１０９と、三相／二相変換部１１０と、回転数検出部１１１とを備える。

トルク／電流変換部１０１には、外部装置、例えば、ＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）２０から、指令トルク（要求トルク）Ｔを指示する信号が供給される。
さらに、ＰＷＭ生成部１０５にはインバータ回路３０が接続されている。インバータ回路３０には、制御対象である三相モータ４０が接続されている。

三相モータ４０は、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル及びＷ相コイルをステータコイルとして含む三相の交流電動機である。Ｕ相コイル、Ｖ相コイル及びＷ相コイルに流れる電流（コイル電流）をｉ_Ｕ、ｉ_Ｖ、ｉ_Ｗとする。

インバータ回路３０は、ＰＷＭ生成部１０５から入力される各相のＰＷＭ信号に従って、三相モータ４０の三相のコイルＵ，Ｖ，Ｗにコイル電流ｉ_Ｕ、ｉ_Ｖ、ｉ_Ｗを流し三相モータ４０を駆動する。

トルク／電流変換部１０１は、外部装置２０から指示トルクＴ（Ｎｍ）を入力し、角度検出部１０９から三相モータの回転角（機械角）θを入力し、回転角θの位置において指示トルクＴを得るために必要なベクトル電流ｉｄ、ｉｑを指示する電流指令ｒｉｄ、ｒｉｑを生成する。例えば、トルク／電流変換部１０１は、三相モータ４０の特性に応じて、指示トルクＴと回転角θとの組み合わせ毎に計算されたベクトル電流ＩｄとＩｑを図２に示すように記憶したトルク／電流変換テーブルを備え、指示トルクＴと回転角θでこのテーブルをアドレッシングして、該当する位置のベクトル電流値ＩｄとＩｑを示す電流指令ｒｉｄとｒｉｑを出力する。

なお、トルク／電流変換テーブルに格納されているトルクとベクトル電流との関係は、トルクリプルを考慮しておらず、平均トルクに基づくものである。

位相補償部１０６は、角度検出部１０９の検出遅れによる、ロータの回転角（角度、位置）を補正するための回路であり、外部装置２０からの指示トルクＴと回転数検出部１１１からの回転数Ｎを受けて、検出角度の遅れｄθを求める。位相補償部１０６は、例えば、図３に示すように、三相モータ４０の特性に応じて、指示トルクＴと回転数Ｎとの組み合わせ毎に求められた角度の遅れｄθを記憶したテーブル（三次元マップ）を備え、指示トルクＴと回転数Ｎでこのテーブルをアドレッシングして、該当する遅れｄθを出力する。

トルクリプル変換部１０７は、指示トルクＴと回転角θに応じて、三相モータ４０のトルクリプル（コギングトルクを含む）を求めるための回路であり、外部装置２０からの指示トルクＴと角度検出部１０９からの回転角θを受けて、トルクリプルに相当する駆動電流ａｉｄ、ａｉｑを求める。

具体的には、トルクリプル変換部１０７は、三相モータ４０が最大トルクを得られるような最大進角の特性に基づいて、図４に示すような、指示トルクＴと回転角θとの組み合わせ毎に、その状態でのトルクリプル（コギングトルクを含む）を得るために必要となるベクトル電流ａｉｄとａｉｑを求めるためのトルク・回転角・電流変換テーブルを備える。

このトルク・回転角・電流変換テーブルは、換言すれば、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、指示トルクＴと回転角θと、指示トルクＴと回転角θで特定される状態でのトルクリプルを得るためのベクトル電流Ｉｄ、Ｉｑとの三次元マップに等しい。
なお、このトルク・回転角・電流変換テーブル＝三次元マップの生成方法については、後述する。

レベル補正部１０８は、トルクリプル変換部１０７が出力するａｉｄ、ａｉｑとを、指示トルクＴと三相モータ４０の回転数Ｎとに応じて補正する回路である。
三相モータ４０のトルクリプルを除去するためには、トルク／電流変換部１０１が指示する電流値ｒｉｄ、ｒｉｄからリプル相当分ａｉｄ、ａｉｑを減算すればよいことになる。しかしながら、三相モータ４０の運転状態によっては、単純に減算すると、振動が増加したり、効率が低下する等の悪影響が発生する場合がある。
そこで、レベル補正部１０８は、トルクリプル変換部１０７が出力した電流補正値ａｉｄ、ａｉｑに指示トルクＴと回転数Ｎに応じた補正係数を乗算し、電流補正値ａｉｄ、ａｉｑのレベルを補正する。

減算器１０２は、トルク／電流変換部１０１からの電流指令ｒｉｄからレベル補正部１０８からのレベル補正済電流補正値ｂｉｄを減算し、（ｒｉｄ−ｂｉｄ）を求め、電流指令ｒｉｑからレベル補正済電流補正値ｂｉｑを減算し、（ｒｉｑ−ｂｉｑ）を求める。

減算器１０３は、減算器１０２からの電流指令（ｒｉｄ−ｂｉｄ）から、三相モータ４０に現在流れているベクトル電流の実測値ｉｄを減算し、（ｒｉｄ−ｂｉｄ−ｉｄ）を求め、電流指令（ｒｉｑ−ｂｉｑ）から、三相モータ４０に現在流れているベクトル電流の実測値ｉｑを減算し、（ｒｉｑ−ｂｉｑ−ｉｑ）を求める。これらの値は、トルクリプルを除去しつつ指令トルクＴを得るために、三相モータ４０に流すべきベクトル電流の増減量Δｉｄ、Δｉｑを示している。

二相／三相変換部１０４は、減算器１０３からのベクトル電流の変化分Δｉｄ、Δｉｑを、Ｕ，Ｖ，Ｗの三相の電流の変化分Δｉｕ，Δｉｖ，Δｉｗに変換する。

ＰＷＭ生成部１０５は、三相の電流変化分Δｉｕ，Δｉｖ，Δｉｗに従って、各相に与えるパルス信号のパルス幅（デューティ）を制御する。

インバータ回路３０は、ＰＷＭ生成部１０５からのＵ，Ｖ、Ｗ各相のパルス信号のパルス幅に従って、三相モータ４０に供給する相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを制御する。

角度検出部１０９は、三相モータ４０のロータの回転角（機械角）を測定する。
回転数検出部１１１は、角度検出部１０９からの角度信号に基づいて、三相モータ４０のロータの回転数を求める。

次に、上記構成のモータ駆動装置１０の動作を説明する。
まず、外部装置２０より、三相モータ４０が出力すべきトルク（指令トルク）Ｔが指示される。トルク／電流変換部１０１は、指示トルクＴと角度検出部１０９から供給される回転角θとにより、図２に示すトルク／電流変換テーブルを検索し、回転角θで指示トルクＴを得るために必要となるベクトル電流ｒｉｄ、ｒｉｑを求めて出力する。なお、この段階でのトルクは、リプルを考慮していない、平均的なトルクである。

位相補償部１０６は、外部装置２０からの指示トルクＴと回転数検出部１１１からの回転数Ｎで、テーブルを検索し、検出される角度の遅れｄθを求める。位相補償部１０６は、指示トルクＴと遅れｄθをトルクリプル変換部１０７に供給する。

トルクリプル変換部１０７は、位相補償部１０６から供給された遅れｄθと、回転数検出部１１１からの回転角θとを加算して、補正された回転角θを求める。
さらに、トルクリプル変換部１０７は、指示トルクＴと補正された回転角θをキーとして、トルク・回転角・電流変換テーブルを検索し、回転角θの位置において、指示トルクＴに含まれるリプル成分を得るために必要なベクトル電流に相当する電流補正値ａｉｄ、ａｉｑを求める。

レベル補正部１０８は、補正テーブルを指示トルクＴと回転数Ｎとにより検索してａｉｄ用とａｉｑ用の補正係数ｋｄ、ｋｑを求め、これらを電流補正値ａｉｄ、ａｉｄに乗算して、補正された電流補正値ｂｉｄ（＝ａｉｄ＊ｋｄ）、ｂｉｑ（＝ａｉｑ＊ｋｑ）を求め、減算器１０２に出力する。

減算器１０２は、電流指令ｒｉｄからレベル補正済電流補正値ｂｉｄを減算し、（ｒｉｄ−ｂｉｄ）を求め、電流指令ｒｉｑからレベル補正済電流補正値ｂｉｑを減算し、（ｒｉｑ−ｂｉｑ）を求める。

減算器１０３は、電流指令（ｒｉｄ−ｂｉｄ）から、三相モータ４０に現在流れているベクトル電流の実測値ｉｄを減算し、電流増減量Δｄ（＝ｒｉｄ−ｂｉｄ−ｉｄ）を求め、電流指令（ｒｉｑ−ｂｉｑ）から、三相モータ４０に現在流れているベクトル電流の実測値ｉｑを減算し、電流増減省Δｑ（＝ｒｉｑ−ｂｉｑ−ｉｑ）を求める。

このような動作を連続的に実行することにより、三相モータ４０のトルクリプルが除去され、三相モータの振動や騒音が低減される。

次に、位相補償部１０６、トルクリプル変換部１０７、レベル補正部１０８に格納される各テーブル（三次元マップ）の生成方法について説明する。

まず、位相補償部１０６については、例えば、有限要素法（ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄ、ＦＥＭ）による磁場解析、実験などにより、指示トルクＴと回転数Ｎとの関係において、各測定角θの検出がどの程度遅れるかを判別し、テーブルに格納する。

次に、トルクリプル変換部１０７については、例えば、有限要素法による磁場解析、実験などにより、トルクリプル及びコギングトルクを求め、各回転角とトルクによるトルクリプルの三次元マップを求める。
具体的には、（１）まず、図７に示すように、設計緒元をベースに、各電流値でのトルク−進角特性を求める。次に、各曲線上で、トルクが最大となる点をプロットし、これらを繋いで最高効率曲線を求める。

（２）回転角−トルク変動特性を求める。
シミュレーションなどにより、図８に示すように、回転角（θ）とトルクとの関係をプロットし、トルク毎（指示トルク毎）に回転角とトルクの変動（リプル）を求める。

（３）回転角−トルク変動特性より、各回転角と指示トルクより、実際のトルクを指示トルクに戻すために加える（相殺する）トルク（即ち、変動分を相殺するトルク）を求める。この際、相殺する方向を正の符号とする。
こうして求めた指示トルク（Ｎｍ）、ロータ回転角（θ）、相殺トルク（Ｎｍ）を、図９に示すように、三次元座標上にプロットする。

（４）次に、単位トルク係数を算定する。即ち、（１）で求めた最高効率曲線上において、図１０に示すように、各トルクが得られるときのベクトル電流ｉｄ，ｉｑを算定する。これは、トルクが最大となるように進角を維持しつつ、任意の指示トルクを得るために必要なベクトル電流を求めることに相当する。
次に、トルク毎に、トルク係数ｉｄ／指示トルク［Ａ／Ｎｍ］、トルク係数ｉｑ／指示トルク［Ａ／Ｎｍ］を求める。

（５）第５図の三次元座標の縦軸の相殺トルクに、（４）で求めたその操作トルク用のトルク係数をかけて操作トルクをベクトル電流に変換する。
こうして、図５に示す三次元マップが完成する。

また、レベル補正部１０８は、有限要素法などにより、電流補正値ａｉｄ、ａｉｑを印加した場合の、振動、騒音等の影響を検討し、適宜、補正値を設定する。

上記実施の形態においては、回転数の広い範囲において適切な制御を行うため、トルクリプル変換部１０７の前後に位相補償部１０６とレベル補正部１０８を配置し、回転Ｎの影響を補正したが、これらを除去してもよい。

例えば、位相補償部１０６を除去し、外部装置２０からのトルク指令Ｔをトルクリプル変換部１０７に直接供給すると共に、角度検出部１０９から供給される回転角θを補正せずにそのまま使用してもよい。

レベル補正部１０８を除去し、電流補正値ａｉｄ、ａｉｑをそのまま減算器１０２に供給してもよい。
さらに、位相補償部１０６とトルクリプル変換部１０７とレベル補正部１０８とを統合して、図１１に示すように、Ｔ−Ｎ−θ−ｉ（ｂｉｄ、ｂｉｑ）の統合マップ（トルク・回転数・回転角・電流変換テーブル）を生成し、入力Ｔ、Ｎ、θから、補正済電流補正値ｂｉｄ、ｂｉｑを直接導き出すようにしてもよい。

また、位相補償部１０６とトルクリプル変換部１０７とを統合して統合マップとしたり、トルクリプル変換部１０７とレベル補正部１０８とを統合して統合マップとしてもよい。

なお、この発明は上記実施の形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。
例えば、図１では、減算器１０２で、電流指令ｒｉｄ、ｒｉｑからレベル補正済電流補正値ｂｉｄ、ｂｉｑを減算したが、例えば、トルクリプル変換部１０７で予めトルクリプルを反転させておくことにより、電流指令ｒｉｄ、ｒｉｑとレベル補正済電流補正値ｂｉｄ、ｂｉｑとを加算器で加算するようにしてもよい。また、回転角（θ）を使用したが、角度検出部１０９の出力する指標に変換して使用してもよい。

本発明の実施形態に係る電動機の駆動装置の全体構成を示すブロック図である。図１に示すトルク／電流変換部に格納されているトルク／電流変換テーブルの例を示す図である。図１に示す位相補償部に格納されている位相補償テーブルの例を示す図である。図１に示すトルクリプル変換部に格納されているトルク・回転角・電流変換テーブルの例を示す図である。図４に示すトルク・回転角・電流変換テーブルを三次元マップで表した図であり、（ａ）はベクトル電流ｉｄを、（ｂ）はベクトル電流ｉｑを表す。図１に示すレベル補正部に格納されている補正テーブルの例を示す図である。図５に示すトルク・回転角・ベクトル電流の三次元マップを生成するための手順を示す図であり、三相モータ４０のトルク−進角特性を電流別に示す図である。図５に示すトルク・回転角・ベクトル電流の三次元マップを生成するための手順を示す図であり、三相モータ４０の回転角とトルク（トルクリプル）との関係を示す図である。図５に示すトルク・回転角・ベクトル電流の三次元マップを生成するための手順を示す図であり、回転角θと指示トルクと相殺トルクとの関係を示す図である。図５に示すトルク・回転角・ベクトル電流の三次元マップを生成するための手順を示す図であり、最大進角特性に基づいて、トルクとベクトル電流との関係を示す図である。この発明の実施の形態の変形例にかかるを示す図である。

符号の説明

１０モータ駆動装置
２０外部装置
３０インバータ回路
４０三相モータ
１０１トルク／電流変換部
１０２減算器
１０３減算器
１０４二相／三相変換部
１０５ＰＷＭ生成部
１０６位相補償部
１０７トルクリプル変換部
１０８レベル補正部
１０９角度検出部
１１０三相／二相変換部
１１１回転数検出部

Claims

三相交流モータの駆動装置であって、
要求トルクを指示するトルク指令を受信するトルク指令受信手段と、
前記要求トルクを出力するためのベクトル電流を求めるトルク電流変換手段と、
前記三相交流モータの回転角を求める回転角検出手段と、
前記トルク指令と前記回転角とに基づいて、指令されたトルクを得るためのベクトル電流を指示するトルク／電流変換手段と、
前記三相交流モータの最高効率曲線に基づいて設定された回転角とトルクリプルとの対応関係を示すデータを記憶しており、前記トルク指令と前記回転角検出手段で検出された回転角に基づいて、トルクリプルを相殺するためのベクトル電流を求め、補正値として出力する補正値出力手段と、
前記補正値出力が出力した補正値に基づいて、前記トルク電流変換手段が出力したベクトル電流を補正して出力する補正手段と、
を備える三相交流モータの駆動装置。
前記モータの回転数を判別する回転数判別手段を備え、
前記指令トルクと前記回転数判別手段で判別された回転数に基づいて、前記回転角検出手段で検出する回転角を補正する手段を更に備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の三相交流モータの駆動装置。
前記補正手段は、前記指令トルクと前記回転数判別手段で判別された回転数に基づいて、前記補正値による前記ベクトル電流の補正の程度を調整する、
ことを特徴とする請求項２に記載の三相交流モータの駆動装置。
前記モータの回転数を判別する回転数判別手段を備え、
前記補正手段は、前記指令トルクと前記回転数判別手段で判別された回転数に基づいて、前記補正値による前記ベクトル電流の補正の程度を調整する、
ことを特徴とする請求項１に記載の三相交流モータの駆動装置。
前記モータの回転数を判別する回転数判別手段を備え、
前記補正値出力手段は、
前記三相交流モータの最高効率曲線に基づいて設定された回転角とトルクリプルとの関係と、回転数とトルクに対応する回転角とを関連付けるデータを記憶しており、
前記補正値出力手段は、前記トルク指令と前記回転角検出手段で検出された回転角と前記回転数判別手段で検出された回転数に基づいて、前記トルクリプルを相殺するためのベクトル電流を求め、補正値として出力する、
ことを特徴とする請求項１に記載の三相交流モータの駆動装置。
前記モータの回転数を判別する回転数判別手段を備え、
前記補正値出力手段は、
前記三相交流モータの最高効率曲線に基づいて設定された回転角とトルクリプルとの関係と、回転数とトルクに対応する補正の程度とを関連付けるデータを記憶しており、
前記補正値出力手段は、前記トルク指令と前記回転角検出手段で検出された回転角と前記回転数判別手段で検出された回転数に基づいて、前記トルクリプルを相殺するためのベクトル電流を求め、補正値として出力する、
ことを特徴とする請求項１に記載の三相交流モータの駆動装置。