JP2022152779A - モータ制御装置、モータ制御方法、およびプログラム - Google Patents
モータ制御装置、モータ制御方法、およびプログラム Download PDFInfo
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Abstract
【課題】デッドタイムを考慮して、電圧飽和の回避、影響の低減を可能としたモータ制御を実現する。【解決手段】モータ制御装置であって、交流モータにおけるデッドタイムに起因する電圧誤差と、インバータの電源電圧とに基づいて、電機子電圧制限値を算出する算出手段と、トルク指令値と前記電機子電圧制限値を用いて、前記交流モータを制御するためのdq電流指令値を導出する導出手段とを有する。【選択図】図4
Description
本願発明は、モータ制御装置、モータ制御方法、およびプログラムに関する。
従来、電動パワーステアリング装置などに備えられる交流モータなどの交流電動機に対して、周波数や電圧、電流、位相などを制御可能な電源から電力を供給し、その動作を制御することが行われている。同期モータの駆動制御を行う際、制御対象であるモータへ制御装置から出力される電圧は、一般的にインバータを介する。インバータの一般的な構成では、三相モータへ電圧を出力するために6個のスイッチング素子が1組となっている。これらのスイッチングにより、直流電源電圧の範囲で任意の三相電圧が出力可能である。
制御器から見ると、上記の構成によりモータへの出力電圧は制限されている。つまり、モータ制御系は、出力飽和の存在する非線形システムとなっている。インバータの電源電圧による制限(以下、電圧制限と称する)を考慮せずにモータ駆動を行うと、特に電流指令が大きい場合や高速回転を行っている場合には電圧指令が増大し、電圧制限を超えた電圧飽和状態となる。これは、電圧指令が、回転数や電流指令値、電流検出値に基づいて都度導出されるため、上記のように制御している場合には電圧指令の値も増大することに起因する。電圧飽和が生じると出力トルクの急激な低下や応答性の低下など、種々の問題が生じる。そのため、電圧飽和が生じないように、あるいは電圧飽和の影響を低減するような処理が必要となる。
例えば、高速回転時には誘起電圧が増大する。そのため、モータにおけるd軸の電機子反作用による減磁効果で永久磁石による鎖交磁束を減少させ、誘起電圧を電圧制限値内に保つ弱め磁束(FW:Flux Weaking)制御が行われるのが一般的である(例えば、特許文献1)。
特許文献1に示すような一般的な弱め磁束制御では、インバータの電源電圧のみを電圧制限値として用いている。しかし、実際の制御ではデッドタイムの挿入が避けられないため、出力される相電圧に差が生じてしまう。正確に弱め磁束制御を行うためには、正確な電圧の利用可能範囲の把握が必要となる。デッドタイムが挿入されていることで、利用できる電圧が減少するため、高速回転時の弱め磁束制御によって出力できるトルクは低下する。つまり、デッドタイムを考慮していない場合、意図するトルクを出力しようとする際に電圧飽和が生じ、その結果として出力トルクの低下を招いてしまう。
上記課題を鑑み、本願発明は、デッドタイムを考慮して、電圧飽和の回避、影響の低減を可能とするモータ制御を実現することを目的とする。
上記課題を解決するために本願発明は以下の構成を有する。すなわち、モータ制御装置であって、
交流モータにおけるデッドタイムに起因する電圧誤差と、インバータの電源電圧とに基づいて、電機子電圧制限値を算出する算出手段と、
トルク指令値と前記電機子電圧制限値を用いて、前記交流モータを制御するためのdq電流指令値を導出する導出手段と
を有する。
交流モータにおけるデッドタイムに起因する電圧誤差と、インバータの電源電圧とに基づいて、電機子電圧制限値を算出する算出手段と、
トルク指令値と前記電機子電圧制限値を用いて、前記交流モータを制御するためのdq電流指令値を導出する導出手段と
を有する。
また、本願発明の別の形態は以下の構成を有する。すなわち、モータ制御方法であって、
交流モータにおけるデッドタイムに起因する電圧誤差と、インバータの電源電圧とに基づいて、電機子電圧制限値を算出する算出工程と、
トルク指令値と前記電機子電圧制限値を用いて、前記交流モータを制御するためのdq電流指令値を導出する導出工程と
を有する。
交流モータにおけるデッドタイムに起因する電圧誤差と、インバータの電源電圧とに基づいて、電機子電圧制限値を算出する算出工程と、
トルク指令値と前記電機子電圧制限値を用いて、前記交流モータを制御するためのdq電流指令値を導出する導出工程と
を有する。
また、本願発明の別の形態は以下の構成を有する。すなわち、プログラムであって、
コンピュータを、
交流モータにおけるデッドタイムに起因する電圧誤差と、インバータの電源電圧とに基づいて、電機子電圧制限値を算出する算出手段、
トルク指令値と前記電機子電圧制限値を用いて、前記交流モータを制御するためのdq電流指令値を導出する導出手段
として機能させる。
コンピュータを、
交流モータにおけるデッドタイムに起因する電圧誤差と、インバータの電源電圧とに基づいて、電機子電圧制限値を算出する算出手段、
トルク指令値と前記電機子電圧制限値を用いて、前記交流モータを制御するためのdq電流指令値を導出する導出手段
として機能させる。
本願発明により、デッドタイムを考慮して、電圧飽和の回避、影響の低減を可能としたモータ制御を実現することができる。
以下、本願発明を実施するための形態について図面などを参照して説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本願発明を説明するための一実施形態であり、本願発明を限定して解釈されることを意図するものではなく、また、各実施形態で説明されている全ての構成が本願発明の課題を解決するために必須の構成であるとは限らない。また、各図面において、同じ構成要素については、同じ参照番号を付すことにより対応関係を示す。
<第1の実施形態>
以下、本願発明の第1の実施形態について説明を行う。なお、以下に示す電動パワーステアリング装置の構成は本願適用例の一例であり、本願発明は、電動パワーステアリング装置の他、交流モータを含む電動機全般(例えば、電動ブレーキブースター等)に適用可能である。また、本願発明に係る制御方法は、交流モータとして、メガトルクモータなどにも適用可能である。
以下、本願発明の第1の実施形態について説明を行う。なお、以下に示す電動パワーステアリング装置の構成は本願適用例の一例であり、本願発明は、電動パワーステアリング装置の他、交流モータを含む電動機全般(例えば、電動ブレーキブースター等)に適用可能である。また、本願発明に係る制御方法は、交流モータとして、メガトルクモータなどにも適用可能である。
[構成概要]
本実施形態に係るモータ制御方法を適用可能な装置の一例としての電動パワーステアリング装置の構成例を図1に示す。ステアリングホイール1は、ドライバが転舵操作を行うための転舵輪である。ステアリングホイール1の操舵軸2は、減速機構を構成する減速ギア(ウォームギア)3、ユニバーサルジョイント4a、4b、ピニオンラック機構5、タイロッド6a、6bを経て、更にハブユニット7a、7bを介して操向車輪8L、8Rに連結されている。
本実施形態に係るモータ制御方法を適用可能な装置の一例としての電動パワーステアリング装置の構成例を図1に示す。ステアリングホイール1は、ドライバが転舵操作を行うための転舵輪である。ステアリングホイール1の操舵軸2は、減速機構を構成する減速ギア(ウォームギア)3、ユニバーサルジョイント4a、4b、ピニオンラック機構5、タイロッド6a、6bを経て、更にハブユニット7a、7bを介して操向車輪8L、8Rに連結されている。
操舵軸2は、トーションバー9を介して、ステアリングホイール1側の入力軸と、ピニオンラック機構5側の出力軸とが連結して構成される。ピニオンラック機構5は、ユニバーサルジョイント4bから操舵力が伝達されるピニオンシャフト(不図示)に連結されたピニオン5aと、ピニオン5aに噛合するラック5bとを有する。ピニオン5aに伝達された回転運動が、ラック5bで車幅方向の直進運動に変換される。
操舵軸2には、トーションバー9に対して加えられる操舵トルクTdctを検出するトルクセンサ10が設けられている。また、操舵軸2には、操舵軸2のステアリングホイール1側(入力軸側)の軸周りの回転角を示す操舵角θhを検出する操舵角センサ14が設けられている。また、操舵軸2には、操舵軸2のピニオンラック機構5側(出力軸側)の軸周りの回転角を示す出力軸角θcを検出する出力軸角センサ15が設けられている。つまり、操舵角センサ14はトーションバー9に対する入力軸側の回転角を操舵角θhとして検出し、出力軸角センサ15はトーションバー9に対する出力軸側の回転角を出力軸角θcとして検出する。トルクセンサ10は、操舵角θhと出力軸角θcの差によって生じるトーションバー9のねじれに基づき、操舵トルクTdctを検出する。
なお、操舵角センサ14と出力軸角センサ15は、一体となって構成されたセンサであってもよい。また、図1では、説明を容易にするために、操舵軸2とトルクセンサ10を分けて示しているが、これらが一体となった構成であってもよい。トルクセンサ10の構成は特に限定するものではなく、例えば、トーションバー9のねじれからトルクを検出するスリーブタイプやリングタイプなどが用いられてよい。また、上記の構成では、操舵トルクTdctは、操舵角θhと出力軸角θcの差によって生じるトーションバー9のねじれに基づいて検出されているが、これに限定するものではない。例えば、トーションバー9のステアリングホイール1側の角度信号と、ピニオンラック機構5側の角度信号の差を用いて、トルク値を検出してもよい。以下の説明において、操舵軸2のステアリングホイール1側を上流側、ピニオンラック機構5側を下流側とも称する。
トルクセンサ10にて検出される操舵トルクTdctには、ドライバによるステアリングホイール1に対する操作に基づくドライバトルクの他、下流側からの入力(外乱等)により生じたトルクが含まれる。操舵トルクTdctに基づく指令値を、下流側の入力に起因する振動を抑制するように補正する。ここでの抑制方法は特に限定するものではなく、任意の手法が用いられてよい。
ステアリングホイール1に対する操舵力を補助する操舵補助モータ20が減速ギア3を介して操舵軸2に連結されている。電動パワーステアリング(EPS:Electric Power Steering)装置を制御するコントローラであるEPS-ECU(Electronic Control Unit)30には、バッテリ13から電力が供給されるとともに、イグニッション(IGN)キー11を経てイグニッションキー信号が入力される。
本実施形態に係る操舵補助モータ20(以下、単にモータ20とも称する)は、例えば、同期モータの一種である3相交流モータであり、永久磁石界磁または巻線界磁を有する。モータ20は、u相、v相、w相の各相コイル(不図示)に120°ずつ位相が異なる3相の交流電流が供給されることにより回転する。モータ20の回転子(不図示)の軸には、レゾルバやロータリエンコーダなどから構成される回転角検出部215が設置される。回転角検出部215にて検出されたモータ20の回転角θは、EPS-ECU30へ出力される。ここで検出される回転角θの用途については後述する。
EPS-ECU30は、トルクセンサ10で検出された操舵トルクTdct、および車速センサ12で検出された車速Vhに基づいてアシスト指令値としての電圧指令値の演算を行う。さらに、EPS-ECU30は、操舵トルクTdctに基づく電圧指令値と、運転支援機能に基づく電圧指令値とに応じて操舵補助モータ20に供給する電力(電圧値Vref)を制御する。操舵補助モータ20は、EPS-ECU30から入力された電圧値Vrefに基づき、減速ギア3を動作させ、ステアリングホイール1に対するアシスト制御を行う。
EPS-ECU30は、例えば、プロセッサと、記憶装置等の周辺部品とを含むコンピュータを備えてよい。プロセッサは、例えばCPU(Central Processing Unit)やMPU(Micro-Processing Unit)であってよい。記憶装置は、半導体記憶装置、磁気記憶装置及び光学記憶装置のいずれかを備えてよい。記憶装置は、レジスタ、キャッシュメモリ、主記憶装置として使用されるROM(Read Only Memory)及びRAM(Random Access Memory)等のメモリを含んでよい。以下に説明するEPS-ECU30の機能は、例えばEPS-ECU30のプロセッサが、記憶装置に格納されたコンピュータプログラムを実行することにより実現される。
なお、EPS-ECU30は、以下に説明する各情報処理を実行するための専用のハードウェアにより形成されてもよい。例えば、EPS-ECU30は、汎用の半導体集積回路中に設定される機能的な論理回路を備えてもよい。例えば、EPS-ECU30は、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ(FPGA:Field-Programmable Gate Array)等のプログラマブル・ロジック・デバイス(PLD:Programmable Logic Device)等を有していてもよい。
[モータ制御の機能構成]
図2は、本実施形態に係るモータ20の制御に係る制御系の構成例を示す図である。図2に示す制御系は、例えば、EPS-ECU30の内部に構成される。
図2は、本実施形態に係るモータ20の制御に係る制御系の構成例を示す図である。図2に示す制御系は、例えば、EPS-ECU30の内部に構成される。
本実施形態に係る制御系において、まず、トルク指令値τ*が、電流指令生成部201に入力される。なお、以下の説明において記号「*」は、指令値であることを示す。電流指令生成部201は、角速度演算部217から入力されるモータ20の角速度ωに基づいて、モータ20にて発生させるトルクと、トルク指令値τ*とが一致するようにd軸およびq軸成分それぞれにおける電流指令値を演算する。ここで、d軸とq軸は、dq回転座標系における軸である。d軸は、モータ20が備える回転子(不図示)の磁束の方向を示す。また、q軸は、d軸に直交した方向を示す。
電流指令生成部201は、回転数に応じたdq電流指令値を生成する。本実施形態では、MTPA(Maximum Torque Per Ampere:最大トルク/電流)制御と、FW(Flux Weaking:弱め磁束)制御を用いる。電流指令生成部201による処理の詳細については、図を用いて後述する。電流指令生成部201により生成されたd軸成分の電流指令値id
*は減算器202に出力される。また、電流指令生成部201により生成されたq軸成分の電流指令値iq
*は減算器202に出力される。
減算器202は、電流指令値id
*から、3相/2相変換部216から出力される実電流値idを減算し、偏差Δid
*としてPI制御部204へ出力する。減算器203は、電流指令値iq
*から、3相/2相変換部216から出力される実電流値iqを減算し、偏差Δiq
*としてPI制御部204へ出力する。
PI制御部204は、減算器202、203からの偏差Δid
*、Δiq
*を入力とし、PI(Proportinal-Integral:比例-積分)制御を行う。ここでは、PI制御部204は、所定の伝達関数を用いて電圧指令値vd
*、vq
*を算出し、アンチワインドアップ部205へ出力する。このとき、PI制御部204は、アンチワインドアップ部205から、電圧指令値に対する制限値からの超過分Δvd
*、Δvq
*を積分器(不図示)に対する負帰還として受け付け、PI制御に反映させる。これにより、積分器(不図示)における飽和を防ぐ。
アンチワインドアップ部205は、PI制御部204からの電圧指令値vd
*、vq
*を、予め設定した制限値を超過しないように制限し、超過分をΔvd
*、Δvq
*として、PI制御部204へ負帰還する。これにより、制御出力が飽和している際の積分器(不図示)内の積分値が増加し続けることを防止し、指令変化への追従性を高める。また、アンチワインドアップ部205は、制限後の電圧指令値vd
**、vq
**をデカップリング部206へ出力する。
デカップリング部206は、アンチワインドアップ部205から入力された電圧指令値vd
**、vq
**に対し、角速度演算部217から入力されるモータ20の角速度ωに応じて、誘起電圧を除去し、q軸-d軸間の非干渉化を行う。そして、デカップリング部206は、処理後の電圧指令値vd
***、vq
***を2相/3相変換部207へ出力する。
2相/3相変換部207は、デカップリング部206から入力された電圧指令値vd
***、vq
***を、回転角検出部215から入力されるモータ20の回転角θに基づいて、モータ20に対応した3相電圧指令値vu
*、vv
*、vw
*に変換する。そして、2相/3相変換部207は、3相電圧指令値vu
*、vv
*、vw
*をデッドタイム補償部208へ出力する。
デッドタイム補償部208は、2相/3相変換部207から入力された3相電圧指令値vu
*、vv
*、vw
*に対し、デッドタイムの影響を除去するための補償を行う。デッドタイム補償部208では、デッドタイムに起因する電圧誤差を予め各相電圧指令値に重畳することで、電圧誤差を打ち消す。ここで重畳する電圧は、デッドタイムに起因する電圧誤差と同等の大きさである。そして、デッドタイム補償部208は、処理後の3相電圧指令値vu
**、vv
**、vw
**をSVM部209へ出力する。
SVM部209は、デッドタイム補償部208から入力された3相電圧指令値vu
**、vv
**、vw
**に対し、SVM(Space Vector Modulation:空間ベクトル変調)処理を行い、各相のDutyであるDutyu、Dutyv、Dutywを生成する。そして、SVM部209は、生成した3相DutyをPWM生成部210へ出力する。
PWM生成部210は、SVM部209から入力された3相Dutyそれぞれから、インバータ211に対する制御信号であるPWM(Pulse Width Modulation:パルス幅変調)信号PWMu、PWMv、PWMwを生成する。そして、PWM生成部210は、PWM信号PWMu、PWMv、PWMwをインバータ211へ出力する。
インバータ211は、PWM生成部210からの入力に基づいて、バッテリ13により供給される交流電源の電力を3相交流電圧vu、vv、vwに変換して、モータ20へ供給する。なお、図1では、EPS-ECU30からモータ20に出力される指令値として、電圧値Vrefを示したが、これは、3相交流電圧vu、vv、vwに対応する。
インバータ211とモータ20との間の接続線上には、3相交流電圧vu、vv、vwに対応する電流値を検出するための電流検出回路212、213、214が備えられ、3相交流電流iu、iv、iwの値が検出される。電流検出回路212、213、214は、検出した電流値を3相/2相変換部216へ出力する。なお、電流検出回路212、213、214は、インバータ211内部に設けられてもよい。
回転角検出部215は、モータ20の回転角θを検出し、2相/3相変換部207、3相/2相変換部216、および角速度演算部217へ出力する。
3相/2相変換部216は、3相電流値(インバータ211からモータ20に供給される3相交流電流iu、iv、iw)、および回転角検出部215からのモータ20の回転角θを入力とし、3相電流値をdq回転座標系のd軸およびq軸それぞれに対応した2相の実電流値id、iqに変換する。そして、3相/2相変換部216は、実電流値idを減算器202へ出力し、実電流値iqを減算器203へ出力する。
角速度演算部217は、回転角検出部215からの回転角θを微分してモータ20の角速度ωを算出し、電流指令生成部201、およびデカップリング部206へ出力する。
[デッドタイムのトルクへの影響]
図3は、弱め磁束制御におけるデッドタイムの影響を説明するための概念図である。図3において、横軸はモータの回転数[rpm]を示し、縦軸はトルク[Nm]を示す。また、線301は、デッドタイムを考慮していない場合の変化を示し、線302は、デッドタイムを考慮した場合の変化を示す。デッドタイムが挿入されていることで、利用できる電圧が低下するため、高速回転時の弱め磁束制御によって出力できるトルクは低下する。つまり、図3に示すように、デッドタイムを考慮せずに算出されたトルク(線301)に対し、デッドタイムを考慮したトルク(線302)は低い値となる。そのため、線301に示すようなトルクを出力するように弱め磁束制御を行った結果、電圧飽和が生じ、出力トルクの低下を招く。
図3は、弱め磁束制御におけるデッドタイムの影響を説明するための概念図である。図3において、横軸はモータの回転数[rpm]を示し、縦軸はトルク[Nm]を示す。また、線301は、デッドタイムを考慮していない場合の変化を示し、線302は、デッドタイムを考慮した場合の変化を示す。デッドタイムが挿入されていることで、利用できる電圧が低下するため、高速回転時の弱め磁束制御によって出力できるトルクは低下する。つまり、図3に示すように、デッドタイムを考慮せずに算出されたトルク(線301)に対し、デッドタイムを考慮したトルク(線302)は低い値となる。そのため、線301に示すようなトルクを出力するように弱め磁束制御を行った結果、電圧飽和が生じ、出力トルクの低下を招く。
なお、本実施形態では、図2に示すようにデッドタイム補償部208を設け、デッドタイムの影響を取り除く構成を備えている。しかし、これはデッドタイムによる電圧誤差を予め相電圧指令値に重畳する処理を行うものである。ここで重畳する電圧はデッドタイムの電圧誤差と同等の大きさであり、制御で用いることができない電圧となる。そこで、本実施形態では、デッドタイム補償部208を設けた構成に加え、電流指令生成部201により、デッドタイムの影響を考慮したdq電流指令値を生成する。
[電流ベクトルの制御方法]
ここで、本実施形態にて用いる電流ベクトルの制御方法について説明する。本実施形態では、モータ20における電流ベクトルの制御方法として、最大トルク/電流(MTPA:Maximum Torque Per Ampere)制御と、弱め磁束(FW:Flux-Weaking)制御を用いる。
ここで、本実施形態にて用いる電流ベクトルの制御方法について説明する。本実施形態では、モータ20における電流ベクトルの制御方法として、最大トルク/電流(MTPA:Maximum Torque Per Ampere)制御と、弱め磁束(FW:Flux-Weaking)制御を用いる。
ここで、以下の説明にて用いる各種式にて用いられるパラメータの定義を示しておく。また、ここで示すパラメータ以外で用いるパラメータについては適時説明を行う。
id:dq座標系におけるd軸成分の電流値
iq:dq座標系におけるq軸成分の電流値
ia:電流ベクトル、または、電流ベクトルのスカラー値(ノルム)
Ra:モータにおける巻線抵抗
ψa:dq座標系の永久磁石による鎖交磁束
Ld:dq座標系におけるd軸のインダクタンス
Lq:dq座標系におけるq軸のインダクタンス
β:q軸からの電流ベクトル位相
vd:dq座標系におけるd軸成分の電圧値
vq:dq座標系におけるq軸成分の電圧値
va:電気子電圧ベクトル、または、電機子電圧ベクトルのスカラー値(ノルム)
vo:誘起電圧ベクトル、または、誘起電圧ベクトルのスカラー値(ノルム)
Vdc:インバータの電源電圧(DCリンク電圧)
iq:dq座標系におけるq軸成分の電流値
ia:電流ベクトル、または、電流ベクトルのスカラー値(ノルム)
Ra:モータにおける巻線抵抗
ψa:dq座標系の永久磁石による鎖交磁束
Ld:dq座標系におけるd軸のインダクタンス
Lq:dq座標系におけるq軸のインダクタンス
β:q軸からの電流ベクトル位相
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va:電気子電圧ベクトル、または、電機子電圧ベクトルのスカラー値(ノルム)
vo:誘起電圧ベクトル、または、誘起電圧ベクトルのスカラー値(ノルム)
Vdc:インバータの電源電圧(DCリンク電圧)
(MTPA制御)
MTPA制御は、電流に対して発生トルクが最大となるように電流ベクトルを制御する方法である。MTPA制御では、同一トルクを発生する電流ベクトルのうち、その振幅が最も小さくなる(すなわち、最も効率の良い)電流位相を電流指令値として特定する。本実施形態では、電圧(誘起電圧)が所定の制限値に達しない、モータ20の回転が低速である低速領域にて、MTPA制御を用いる。電流ベクトルの大きさがiaとして決まっているとき、電流ベクトル位相βは、以下の式(1)にて規定される。
MTPA制御は、電流に対して発生トルクが最大となるように電流ベクトルを制御する方法である。MTPA制御では、同一トルクを発生する電流ベクトルのうち、その振幅が最も小さくなる(すなわち、最も効率の良い)電流位相を電流指令値として特定する。本実施形態では、電圧(誘起電圧)が所定の制限値に達しない、モータ20の回転が低速である低速領域にて、MTPA制御を用いる。電流ベクトルの大きさがiaとして決まっているとき、電流ベクトル位相βは、以下の式(1)にて規定される。
そして、電流ベクトルの大きさiaと電流ベクトル位相βとを用いて、dq軸電流指令値を算出することができる。dq軸電流指令値は、以下の式(2)、式(3)により算出できる。
(FW制御)
FW制御は、負のd軸電流によりd軸電機子反作用による減磁効果で磁束を減少させ、誘起電圧を制限値内に保てるように電流ベクトルを制御する方法である。本実施形態では、MTPA制御を適用した場合に電圧(誘起電圧)が所定の制限値に達する(すなわち、電圧飽和する)ような、モータ20の回転が高速である高速領域にて、FW制御を用いる。FW制御により、回転により生じる誘起電圧を抑制して、更なる高速回転を可能とする。誘起電圧制限値をvo_limとし、q軸電流iqが決まっているとき、d軸電流は以下の式(4)にて規定される。
FW制御は、負のd軸電流によりd軸電機子反作用による減磁効果で磁束を減少させ、誘起電圧を制限値内に保てるように電流ベクトルを制御する方法である。本実施形態では、MTPA制御を適用した場合に電圧(誘起電圧)が所定の制限値に達する(すなわち、電圧飽和する)ような、モータ20の回転が高速である高速領域にて、FW制御を用いる。FW制御により、回転により生じる誘起電圧を抑制して、更なる高速回転を可能とする。誘起電圧制限値をvo_limとし、q軸電流iqが決まっているとき、d軸電流は以下の式(4)にて規定される。
[処理フロー]
図4は、本実施形態に係る電流指令生成部201による制御処理のフローチャートである。
図4は、本実施形態に係る電流指令生成部201による制御処理のフローチャートである。
S401にて、電流指令生成部201は、制限値および閾値を算出する。本実施形態に係る制限値および閾値の算出を説明する前に、本工程において、基礎となる算出の流れをまず説明する。相電流振幅をIp、システム最大相電流振幅をIp_max、電機子電圧制限値をva_lim、電流制限値ia_limとした場合、電流と電圧の制限に係る関係式(制限式)は、例えば以下の式(4)、式(5)にて表すことができる。
ここで、インバータ211の電源電圧Vdcによる相電圧の最大振幅は、通常はVdc/2であるが、図2に示すようなSVM部209によるSVM処理によって出力される相電圧の基本波振幅はVdc/√3となる。したがって、電機子電圧制限値va_limは、SVM処理を行うことを考慮し、以下の式(7)にて算出できる。
また、誘起電圧制限値vo_limは、力率角φを用いて、以下の式(8)により算出できる。
ここで、簡単化のため、式(8)で導かれる値において、最小値を誘起電圧制限値vo_limとして扱う。これにより、誘起電圧制限値vo_limは以下の式(9)にて表すことができる。
したがって、誘起電圧制限式は、以下の式(10)にて表すことができる。式(10)にて示した関係式を電圧制限式として扱う。
MTPA制御からFW制御への切り替えの際に用いる閾値は、モータ20の角速度ωに基づいて決定され、この閾値に相当する角速度をここでは基底速度ωbaseと呼ぶ。MTPA制御における条件としてia=ia_limの際のdq軸電流をそれぞれid1、iq1とした場合、基底速度ωbaseは以下の式(11)で表される。
ここまでに示したように、本工程により、電流制限式、電圧制限式、および基底速度ωbaseが求められる(式(5)、式(10)、式(11))。本実施形態では、デッドタイムの影響を考慮した電機子電圧制限値va_limを求めるために一部の算出式を変更する。本実施形態に係る算出式の詳細については、図5等を用いて後述する。
S402にて、電流指令生成部201は、回転数(すなわち、角速度ω)に対応するq軸電流制限値iq_limを算出する。モータ20の角速度ωが基底速度ωbase以下である場合(ω≦ωbase)、MTPA制御を適用するため、以下の式(12)の様に、q軸電流制限値iq_limはiq1とする。
一方、モータ20の角速度ωが基底速度ωbaseより大きい場合(ω>ωbase)、FW制御を適用するため、以下の式(13)、式(14)にてq軸電流制限値iq_limを求める。
S403にて、電流指令生成部201は、入力されたトルク指令値τ*に基づいて、相電流指令値Ip_CMDを算出する。相電流指令値Ip_CMDは、例えば、出力トルク(すなわち、トルク指令値τ*にて示されるトルク)と相電流指令値の対応関係を規定したテーブルを予め規定して保持しておき、このテーブルを参照することで導出されてよい。そして、電流指令生成部201は、算出した相電流指令値Ip_CMDに基づいて、MTPA条件(すなわち、式(1)、式(3))での仮q軸電流指令値i’q_CMDを算出する。MTPA条件において、仮q軸電流指令値i’q_CMDは、例えば、以下の式(15)により算出できる。
S404にて、電流指令生成部201は、S403にて算出した仮q軸電流指令値i’q_CMDを回転数に応じて、q軸電流制限値iq_limで制限し、制限後の値をq軸電流指令値iq_CMDとする。つまり、q軸電流指令値の上限は、S402にて算出したq軸電流制限値iq_limとなる。
S405にて、電流指令生成部201は、上記の式(10)に基づいて、誘起電圧voが誘起電圧制限値vo_lim以下か否かを判定する。誘起電圧voが誘起電圧制限値vo_lim以下である場合(S405にてYES)、電流指令生成部201の処理はS406へ進む。一方、誘起電圧voが誘起電圧制限値vo_limより大きい場合(S405にてNO)、電流指令生成部201の処理はS407へ進む。
S406にて、電流指令生成部201は、MTPA制御を行うものとし、dq電流指令値を算出する。電流指令生成部201は、S404にて算出したq軸電流指令値iq_CMDを、q軸成分の電流指令値iq
*とする。また、電流指令生成部201は、q軸成分の電流指令値iq
*の値と、上記の式(1)、式(2)を用いて、d軸成分の電流指令値id
*を算出する。そして、電流指令生成部201は、算出した電流指令値id
*、iq
*として出力し、本処理フローを終了する。なお、モータ20の駆動制御が継続する間、本処理フローも繰り返し実行される。
S407にて、電流指令生成部201は、FW制御を行うものとし、dq電流指令値を算出する。電流指令生成部201は、S404にて算出したq軸電流指令値iq_CMDを、q軸成分の電流指令値iq
*とする。また、電流指令生成部201は、q軸成分の電流指令値iq
*の値と、上記の式(4)等を用いて、d軸成分の電流指令値id
*を算出する。そして、電流指令生成部201は、算出した電流指令値id
*、iq
*として出力し、本処理フローを終了する。なお、モータ20の駆動制御が継続する間、本処理フローも繰り返し実行される。
[デッドタイムの影響を考慮した制限値]
本実施形態に係る図4のS401の算出工程の詳細について説明する。まず、デッドタイムに起因して現れる電圧誤差について説明する。デッドタイムに起因して平均的に表れる電圧誤差Vdtは、インバータ211のDCリンク電圧Vdc、PWM周波数fpwm、デッドタイムTdのとき、以下の式(16)にて表される。
本実施形態に係る図4のS401の算出工程の詳細について説明する。まず、デッドタイムに起因して現れる電圧誤差について説明する。デッドタイムに起因して平均的に表れる電圧誤差Vdtは、インバータ211のDCリンク電圧Vdc、PWM周波数fpwm、デッドタイムTdのとき、以下の式(16)にて表される。
これが相電流の符号に応じて、相電圧に対して概ね矩形波上の電圧誤差となる。図5は、デッドタイムによる電圧誤差の重畳の概要を説明するための概念図である。図5において、横軸は電気角[deg]を示し、左の縦軸は電圧[V]を示し、右の横軸は電流[A]を示す。また、線501(一点鎖線)は理想相電圧を示し、線502(実線)は相電圧を示す。線503(太線)は電圧誤差を示し、線501と線502にて示される電圧の差分である。線504(破線)は、相電流を示す。
線503にて示される電圧誤差の値を、デッドタイム補償部208により予め加算するため、この分の電圧を制御に用いることはできない。その結果、電気角1次の相電圧最大値が低下していると想定される。ある1次の相電圧Vp1は、相電圧位相をθ、相電圧位相θに対する相電流位相差φとしたとき、以下の式(17)にて表される。
相電流位相差φ=0のとき、式(17)にて表される振幅は最小値となり、これを本実施形態においては最大位相電流振幅とする。このときの最大相電圧Vp1_maxは、以下の式(18)にて表される。
そして、この最大相電圧Vp1_maxを用いて電機子電圧制限値va_limを計算すると、以下の式(19)により求められる。つまり、本実施形態では、式(7)に代えて、式(18)を用いることで、以下の式(19)が導かれる。
そして、式(19)を用いて計算することで得られる電機子電圧制限値va_limと、式(8)~式(11)を用いることで、誘起電圧制限値vo_lim、基底速度ωbaseを算出する。更に、MTPA制御、またはFW制御に対応した電流指令値を算出することで、デッドタイムの影響を考慮した電流指令値を生成することができる。なお、本実施形態において、インバータ211のDCリンク電圧Vdc、PWM周波数fpwm、デッドタイムTdは、予め電流指令生成部201にて保持、管理され、電流指令値の生成の際に用いられる。
以上、本実施形態により、デッドタイムを考慮して、電圧飽和の回避、影響の低減を可能としたモータ制御を実現することが可能となる。
<その他の実施形態>
本願発明において、上述した1以上の実施形態の機能を実現するためのプログラムやアプリケーションを、ネットワーク又は記憶媒体等を用いてシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。
本願発明において、上述した1以上の実施形態の機能を実現するためのプログラムやアプリケーションを、ネットワーク又は記憶媒体等を用いてシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。
このように、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。
以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
(1) 交流モータにおけるデッドタイムに起因する電圧誤差と、インバータの電源電圧とに基づいて、電機子電圧制限値を算出する算出手段と、
トルク指令値と前記電機子電圧制限値を用いて、前記交流モータを制御するためのdq電流指令値を導出する導出手段と
を有することを特徴とするモータ制御装置。
この構成によれば、デッドタイムを考慮して、電圧飽和の回避、影響の低減を可能としたモータ制御を実現することができる。
(1) 交流モータにおけるデッドタイムに起因する電圧誤差と、インバータの電源電圧とに基づいて、電機子電圧制限値を算出する算出手段と、
トルク指令値と前記電機子電圧制限値を用いて、前記交流モータを制御するためのdq電流指令値を導出する導出手段と
を有することを特徴とするモータ制御装置。
この構成によれば、デッドタイムを考慮して、電圧飽和の回避、影響の低減を可能としたモータ制御を実現することができる。
(2) 前記算出手段は、電機子電圧制限値va_lim、前記インバータの電源電圧Vdc、PWM(Pulse Width Modulation)周波数fpwm、デッドタイムTdとした場合に、以下の式を用いて、前記電機子電圧制限値を算出することを特徴とする(1)に記載のモータ制御装置。
この構成によれば、インバータのDCリンク電圧、PWM周波数、デッドタイムから求められる電圧誤差を考慮して電機子電圧制限値を算出することができる。
(3) 前記モータ制御装置は、MTPA(Maximum Torque Per Ampere)制御、および、FW(Flux-Weaking)制御を切り替え可能であり、
前記導出手段は、
前記電機子電圧制限値と前記交流モータの回転数に基づいて、q軸電流制限値を算出し、
前記交流モータの回転数に基づいて、前記MTPA制御または前記FW制御のいずれの制御を行うかを決定し、
前記トルク指令値から特定されるq電流指令値を前記q軸電流制限値にて制限した指令値を用いて、前記決定した制御に対応するd軸電流指令値を算出する
ことを特徴とする(1)または(2)に記載のモータ制御装置。
この構成によれば、MTPA制御、および、FW制御を切り替え可能な構成において、デッドタイムを考慮して、電圧飽和の回避、影響の低減を可能としたモータ制御を実現することができる。
前記導出手段は、
前記電機子電圧制限値と前記交流モータの回転数に基づいて、q軸電流制限値を算出し、
前記交流モータの回転数に基づいて、前記MTPA制御または前記FW制御のいずれの制御を行うかを決定し、
前記トルク指令値から特定されるq電流指令値を前記q軸電流制限値にて制限した指令値を用いて、前記決定した制御に対応するd軸電流指令値を算出する
ことを特徴とする(1)または(2)に記載のモータ制御装置。
この構成によれば、MTPA制御、および、FW制御を切り替え可能な構成において、デッドタイムを考慮して、電圧飽和の回避、影響の低減を可能としたモータ制御を実現することができる。
(4) 前記導出手段は、前記電機子電圧制限値を用いて、前記MTPA制御または前記FW制御のいずれの制御を行うかを決定するための閾値である誘起電圧制限値、および、基底速度を算出することを特徴とする(3)に記載のモータ制御装置。
この構成によれば、デッドタイムを考慮した電機子電圧制限値を用いて、MTPA制御またはFW制御のいずれの制御を行うかを決定するための閾値を算出することができる。
この構成によれば、デッドタイムを考慮した電機子電圧制限値を用いて、MTPA制御またはFW制御のいずれの制御を行うかを決定するための閾値を算出することができる。
(5) 前記導出手段にて導出されたdq電流指令値を3相の電圧指令値に変換する第1の変換手段と、
前記3相の電圧指令値に基づいて、3相のデューティ信号を生成する第2の変換手段と、
前記3相のデューティ信号に基づき、前記インバータにより前記交流モータに電源電圧を供給するための制御信号を生成する第2の生成手段と
を更に有することを特徴とする(1)~(4)のいずれかに記載のモータ制御装置。
この構成によれば、デッドタイムを考慮して、電圧飽和の回避、影響の低減を可能としたモータ制御を実現することができる。
前記3相の電圧指令値に基づいて、3相のデューティ信号を生成する第2の変換手段と、
前記3相のデューティ信号に基づき、前記インバータにより前記交流モータに電源電圧を供給するための制御信号を生成する第2の生成手段と
を更に有することを特徴とする(1)~(4)のいずれかに記載のモータ制御装置。
この構成によれば、デッドタイムを考慮して、電圧飽和の回避、影響の低減を可能としたモータ制御を実現することができる。
(6) 交流モータにおけるデッドタイムに起因する電圧誤差と、インバータの電源電圧とに基づいて、電機子電圧制限値を算出する算出工程と、
トルク指令値と前記電機子電圧制限値を用いて、前記交流モータを制御するためのdq電流指令値を導出する導出工程と
を有することを特徴とするモータ制御方法。
この構成によれば、デッドタイムを考慮して、電圧飽和の回避、影響の低減を可能としたモータ制御を実現することができる。
トルク指令値と前記電機子電圧制限値を用いて、前記交流モータを制御するためのdq電流指令値を導出する導出工程と
を有することを特徴とするモータ制御方法。
この構成によれば、デッドタイムを考慮して、電圧飽和の回避、影響の低減を可能としたモータ制御を実現することができる。
(7) コンピュータを、
交流モータにおけるデッドタイムに起因する電圧誤差と、インバータの電源電圧とに基づいて、電機子電圧制限値を算出する算出手段、
トルク指令値と前記電機子電圧制限値を用いて、前記交流モータを制御するためのdq電流指令値を導出する導出手段
として機能させるためのプログラム。
この構成によれば、デッドタイムを考慮して、電圧飽和の回避、影響の低減を可能としたモータ制御を実現することができる。
交流モータにおけるデッドタイムに起因する電圧誤差と、インバータの電源電圧とに基づいて、電機子電圧制限値を算出する算出手段、
トルク指令値と前記電機子電圧制限値を用いて、前記交流モータを制御するためのdq電流指令値を導出する導出手段
として機能させるためのプログラム。
この構成によれば、デッドタイムを考慮して、電圧飽和の回避、影響の低減を可能としたモータ制御を実現することができる。
1 ステアリングホイール
2 操舵軸
3 減速ギア
4a,4b ユニバーサルジョイント
5 ピニオンラック機構
6a,6b タイロッド
7a,7b ハブユニット
8L,8R 操向車輪
9 トーションバー
10 トルクセンサ
11 イグニッション(ING)キー
12 車速センサ
13 バッテリ
14 操舵角センサ
20 操舵補助モータ
30 EPS(Electric Power Steering)-ECU(Electronic Control Unit))
201 電流指令生成部
202,203 減算器
204 PI制御部
205 アンチワインドアップ部
206 デカップリング部
207 2相/3相変換部
208 デッドタイム補償部
209 SVM部
210 PWM生成部
211 インバータ
212,213,214 電流検出回路
215 回転角検出部
216 3相/2相変換部
217 角速度演算部
2 操舵軸
3 減速ギア
4a,4b ユニバーサルジョイント
5 ピニオンラック機構
6a,6b タイロッド
7a,7b ハブユニット
8L,8R 操向車輪
9 トーションバー
10 トルクセンサ
11 イグニッション(ING)キー
12 車速センサ
13 バッテリ
14 操舵角センサ
20 操舵補助モータ
30 EPS(Electric Power Steering)-ECU(Electronic Control Unit))
201 電流指令生成部
202,203 減算器
204 PI制御部
205 アンチワインドアップ部
206 デカップリング部
207 2相/3相変換部
208 デッドタイム補償部
209 SVM部
210 PWM生成部
211 インバータ
212,213,214 電流検出回路
215 回転角検出部
216 3相/2相変換部
217 角速度演算部
Claims (7)
- 交流モータにおけるデッドタイムに起因する電圧誤差と、インバータの電源電圧とに基づいて、電機子電圧制限値を算出する算出手段と、
トルク指令値と前記電機子電圧制限値を用いて、前記交流モータを制御するためのdq電流指令値を導出する導出手段と
を有することを特徴とするモータ制御装置。 - 前記モータ制御装置は、MTPA(Maximum Torque Per Ampere)制御、および、FW(Flux-Weaking)制御を切り替え可能であり、
前記導出手段は、
前記電機子電圧制限値と前記交流モータの回転数に基づいて、q軸電流制限値を算出し、
前記交流モータの回転数に基づいて、前記MTPA制御または前記FW制御のいずれの制御を行うかを決定し、
前記トルク指令値から特定されるq電流指令値を前記q軸電流制限値にて制限した指令値を用いて、前記決定した制御に対応するd軸電流指令値を算出する
ことを特徴とする請求項1または2に記載のモータ制御装置。 - 前記導出手段は、前記電機子電圧制限値を用いて、前記MTPA制御または前記FW制御のいずれの制御を行うかを決定するための閾値である誘起電圧制限値、および、基底速度を算出することを特徴とする請求項3に記載のモータ制御装置。
- 前記導出手段にて導出されたdq電流指令値を3相の電圧指令値に変換する第1の変換手段と、
前記3相の電圧指令値に基づいて、3相のデューティ信号を生成する第2の変換手段と、
前記3相のデューティ信号に基づき、前記インバータにより前記交流モータに電源電圧を供給するための制御信号を生成する第2の生成手段と
を更に有することを特徴とする請求項1~4のいずれか一項に記載のモータ制御装置。 - 交流モータにおけるデッドタイムに起因する電圧誤差と、インバータの電源電圧とに基づいて、電機子電圧制限値を算出する算出工程と、
トルク指令値と前記電機子電圧制限値を用いて、前記交流モータを制御するためのdq電流指令値を導出する導出工程と
を有することを特徴とするモータ制御方法。 - コンピュータを、
交流モータにおけるデッドタイムに起因する電圧誤差と、インバータの電源電圧とに基づいて、電機子電圧制限値を算出する算出手段、
トルク指令値と前記電機子電圧制限値を用いて、前記交流モータを制御するためのdq電流指令値を導出する導出手段
として機能させるためのプログラム。
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JP2021055683A JP2022152779A (ja) | 2021-03-29 | 2021-03-29 | モータ制御装置、モータ制御方法、およびプログラム |
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Publications (1)
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Family Applications (1)
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JP2021055683A Pending JP2022152779A (ja) | 2021-03-29 | 2021-03-29 | モータ制御装置、モータ制御方法、およびプログラム |
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