JP4687104B2

JP4687104B2 - 永久磁石型回転電動機の制御装置およびその方法

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Publication number: JP4687104B2
Application number: JP2004379748A
Authority: JP
Inventors: 文一松田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-12-28
Filing date: 2004-12-28
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2024-12-28
Also published as: JP2006187155A

Description

本発明は、永久磁石型回転電動機の制御装置およびその方法に関し、より詳細には、磁石の温度によるトルクへの影響を補正するトルク補正に関するものである。

回転子に永久磁石を有する回転電動機（以下「PMモータ」と略す）においては永久磁石の温度変化により永久磁石の磁束密度が変化することがわかっている。実際のPMモータは磁来密度の変化によりトルクも変動することから、同じトルク指示でも出力トルクが変動するため状況によっては出力低下や電圧上昇による制御の失陥の問題が発生していた。また、条件を同じにするために基準となる電流マップを取得する際にモータの各部の温度条件を一定に保つために多くの工数がかかっていた。

モータの温度変化によるトルクへの影響を説明するため、図１に、回転電動機（モータ）の各要素の温度と実トルク値との間の関係を説明するグラフを示す。図に示すように、４０００rpm−１５０Nmの回転数とトルクの指令値に対して時間経過に伴ってモータのコイル温度と磁石温度とが上昇し、これにしたがって実トルク値が減少していくことが観察される。この場合にはモータの構成要素の温度上昇に伴い、トルク誤差が大きくなり、最終的に３．５％低下して飽和していることがわかる。

このような問題を解決するために特開2000−224812（特許文献１を参照されたい。）では、磁束密度を計測または推定することでモータのトルク変動を抑えようとしているが、磁束密度の温度変化の計測方法や推定方法が不明確であり、磁石の推定精度により誤差が非常に大きくなるという課題が残されている。また、この従来技術ではd軸電流を増減させてトルクを一定にすることを提案しているが、電圧の監視、制御を行っていないため、電流値の増減をした際に不安定な制御、非効率な制御となり最悪の場合は、制御失陥に陥ることが予想される。
さらに、従来技術の特開平7−212915（特許文献２を参照されたい。）では、誘起電圧を計測して、磁石温度を補正しようとしているが、実際に運転中には実際の誘起電圧を計測することは不可能であり、電流、電圧および固定子温度を計測する必要が出てくる。
特開2000−224812号公報（段落0008、図１）特開平7−212915号公報（段落0016-0020、図１）

本発明は、温度センサなどで温度計測することなく、永久磁石型モータの要素の温度変化に伴うトルク誤差を補正する制御装置を提供することを目的とするものである。

上述した諸課題を解決すべく、第１の発明による永久磁石型回転電動機の制御装置は、
前記回転電動機のモータ位相を検出する位置検出手段（回路）と、
前記検出したモータ位相から求めたモータ回転数および与えられたトルク指令値に基づき、予め用意されたトルク値、モータ回転数および電流値の関係を示すトルク電流変換マップを参照して、各電流指令値を求めるトルク演算手段（回路）と、
前記各電流指令値を各電圧指令値に変換する変換手段（例えば、ＰＩ型制御回路など）、
前記与えられたトルク指令値に基づき、前記トルク電流変換マップと同時に取得されたトルク値、回転数および電圧値の関係を示すトルク電圧変換マップを参照して読み取られた各電圧値と、前記回転電動機に印加された各電圧値を求め、前記回転電動機に印加される各電圧値と、前記読み取られた各電圧値との差を取り、これらに基づき前記各電流のうちの少なくとも１つの補正値を求める補正制御手段（回路）と、
を具える。

また、第２の発明による永久磁石型回転電動機の制御装置は、
前記補正制御手段が、前記各電流のうちｑ軸電流のみの補正値を求める、即ち、トルクに寄与する成分の電流（即ちｑ軸電流）の補正値（Δｑ）だけを求めることを特徴とする。

また、第３の発明による永久磁石型回転電動機の制御装置は、
前記補正制御手段で求めた少なくとも１つの補正値に基づき、前記トルク電流変換マップを書き換える（更新する）マップ書き換え手段（回路）、
をも具えることを特徴とする。

上述したように本発明の解決手段を装置として説明してきたが、本発明はこれらに実質的に相当する方法、プログラム、プログラムを記録した記憶媒体としても実現され得るものであり、本発明の範囲にはこれらも包含されるものと理解されたい。
例えば、第１の発明による永久磁石型回転電動機の制御装置を方法として実現させると、永久磁石型回転電動機の制御方法は、
モータ回転数および与えられたトルク指令値に基づき、予め用意されたトルク値、モータ回転数および電流値の関係を示すトルク電流変換マップを参照して、演算手段と使用して各電流指令値を求めるトルク演算ステップと、
前記演算手段を使用して前記各電流指令値を各電圧指令値に変換する変換ステップと、
前記演算手段を使用して、前記与えられたトルク指令値に基づき、前記トルク電流変換マップと同時に取得されたトルク値、回転数および電圧値の関係を示すトルク電圧変換マップを参照して読み取られた各電圧値と、前記回転電動機に印加された各電圧値を求め、前記回転電動機に印加される各電圧値と、前記読み取られた各電圧値との差を取り、これらに基づき前記各電流のうちの少なくとも１つの補正値を求める補正制御ステップと、
を含むことを特徴とする。

第１の発明では、トルク−電流変換マップを持ち、その変換マップを取得時の電圧変換マップを持つことで、モータの温度が変化した場合に電圧差を検知するだけで、トルク補正ができる。即ち、第１の発明によれば、温度計測手段を用いなくとも、モータの温度が変化した場合に電圧差を検知するだけで、トルク補正ができるようになる。換言すれば、本発明は、モータの温度を計測せずに擬似的に温度補正を可能にする制御方式であり、そのためモータのコイル温度を計測するための温度計測装置（サーミスタや熱電対等）が不要である。

第２の発明によれば、上記制御を行った場合に、トルクに寄与q軸電流だけを補正することでトルク補正制御ができる。したがって、複雑な計算式をする必要がなく簡単な計算式でトルク補正制御ができるようになる。即ち、上記の補正制御のほかに電圧制御ロジックを設け、d軸電流のみを補完することで電圧調整をすることができる。これにより、高効率な制御ができ制御失陥等を避ける制御が可能となる。

第３の発明によれば、本制御で補正した値でトルク電流変換マップを書き換え、学習させることで制御ロジックを簡素化することができ、高レスボンス制御が可能となる。
本制御を適用することで基準となる電流マップ取得条件を特に考慮する必要のないため実験の効率化が図れる。

以降、諸図面を参照しつつ、本発明の実施態様を詳細に説明する。
はじめに本発明の原理の概要を説明する。PMモータのトルクＴは,

（ここで、P：極対数、φａ：磁石による磁束、ｄ軸電流ｉｄ：ｉａ・sinβ、ｑ軸電流ｉｑ：ｉａ・cosβ、β：磁石位置と電流ベクトルの角度、Lｄ：ｄ軸インダクタンス、Lｑ：ｑ軸インダクタンス）
と表わせる。
一方、ｄ軸電圧ｖdおよびｑ軸電圧Ｖｑはそれぞれ
ｖd＝R・ｉｄ+ω・Lｄ・ｉｑ
ｖｑ＝R・ｉｄ+（ω・φａ−Lｄ・ｉｄ）
であり、Ld，Lｑの温度変化は小さいことから無視でき、
トルク誤差ΔＴは

と表せる。
っまり、常にトルク誤差ΔTを0にしようとすると、ｉｑ＝Δｖｑ／ΔＲとなるように制御することで成立する。

また、ω＝0の時
ｖd＝R・ｉｄ
ｖｑ＝R・ｉｄと表せることから

この場合、求めたこのトルク誤差ΔＴをトルク値に直接フィードバックしてトルクを補正する。

本発明による制御では、基準となるトルク電流変換マップ（トルクから電流への変換マップ）取得時に電圧マップを同時に取得し、制御上で所有している。図２に、トルク電流変換マップおよびトルク電圧変換マップのイメージを表す模式図を示す。図に示すように、トルク値とモータ回転数値の様々な組み合わせにおける、電流および電圧の値がそれぞれ規定されている。

下にトルク電流変換マップの一例を表として示す。

なお、本発明における上述したような電流マップでは、時間的な影響は通常は考慮しなくてもよい。そのため電流マップなどを取得したときの条件に振られて実トルク値は出なりになる。実トルクを合わせるためには条件を一定にする必要があるが、時間などがかかり実質的には不可能である。上記のマップ取得条件を合わせる代わりに、マップ取得時の温度を測定し、実際にモータ駆動時の温度を比較してトルクを合わせることも可能であるが、サーミスタなどが必要になる。
そこで、本発明では、マップ取得時の電圧と実際にモータ駆動時の電圧を検出することでマップ取得時の温度ばらつきに対応している。つまり、時間要素をモータの電圧を検出することで代用していることになる。

図３に、本発明によるモータ制御装置の一例を説明する制御ブロック図を示す。図に示すように本発明によるモータ制御装置は、トルク演算部10、PI（比例積分）制御部12、2相／3相変換部14、電源16、IGBT（インバータ）18、モータ（回転電動機）20、位置センサ22、端子電圧温度補正制御部24、3相／2相変換部26、ω演算・Θ演算部28、トルク温度補正制御部30を具える。
モータ制御ではモータ20の位置センサ22（レゾルバやエンコーダ）に回転子の位置を検知し回転数を計算し、得られたレゾルバ信号或いはエンコーダ信号をω演算・Θ演算部28に与える。ω演算・Θ演算部28は、与えられた信号に基づき電気角速度ωと電気角Θを演算し、電気角速度ωをトルク演算部10に、電気角Θを2相／3相変換部14にそれぞれ与える。3相／2相変換部26は、3相電流を２相に変換しPI制御部12に与える。

図４に、図３の制御装置でのトルク補正制御の処理の一例を説明するフローチャートを示す。また、図５に図３の制御装置での電圧補正制御の処理の一例を説明するフローチャートを示す。トルク演算部10は、予め用意してあるトルク電流変換マップを参照することによって、外部から与えられたトルク指令値T*に対し、そのときのモータ回転数から電流をマップ引きしてトルク指令値を電流指令値に変換する。
また、この電流指令値（id^＊、iq^＊）はPI（比例積分）制御部12で電圧指令値（vd^＊、ｖq^＊）に変換される。このとき、トルク温度補正制御部30では、モータ20に引加される電圧値vd、ｖqを読み取る。
また、基準となるトルク電圧変換マップを参照してvd、ｖq基準トルク時のvd*、ｖq*を読み取り、最終的にd軸電圧補正値Δvdとｑ軸電圧補正値Δvｑを下の式で計算する（ステップS10）。
Δvd＝ｖd^＊−ｖd
Δvｑ＝ｖｑ^＊−ｖｑ

次に抵抗値の計算を行う。抵抗の計算方法としては、コイルの温度を計測し、常温時の抵抗値に係数をかけて計算をするのが一般的であるが、本発明では、下記の式の様に電圧の変化のみを利用して抵抗変化を計算し、この求めた抵抗変化で補正することによって抵抗値を算出する（ステップS14）。

したがって、サーミスタ等の温度計測装置を用いてモータの巻き線抵抗の温度を計測することなく、抵抗の温度変化を計算して補正抵抗値ΔＲを求めることが可能となる。

また、この抵抗変化を用いて電流値の変化量を計算する（ステップS16）。

としてΔｉｑをｑ軸電流への補正値とする（ステップS18）。ここでモータの磁石温度変化の時定数は数分以上あるため、急激には変化しない。また、演算量は少ないほど良いため、本補正値を常に電流フィードバックロジックで計算するのではなく、次回以降のループではトルク電流変換マップ自体を書き換える（ステップS20）ことで他への制御遅れ等の影響を最小限にするための機構を設けることが好適である。電圧補正制御を行うステップS22の詳細は、図５の各処理に示す通りである。
また、角速度ω＝0時には、

である。

モータ回転数が０の場合は（ステップS2）、実際にモータ定数Ldおよび実際にモータ20ヘ引加しているq軸電流Iqを読み込む（ステップS24,S26）。そこで、トルクの補正値は

と表せることから、
ΔＴ＝P・ｉq²・Ｌd
として計算する（ステップS28）。
このトルク補正値をトルク指令値に加えて補正したトルク
T＝T^＊＋ΔT
を計算する（ステップS30）。
に基づき、トルク電流変換マップを参照して、トルク指令を電流指令へと変更することで対応する。

また、電圧制御時、上記に示した電流値を補正した場合に電圧がバッテリ電圧の制限を超える場合が発生する。このときは、

となるように電流を補完することで電圧を一定に保つことが可能となる。
または、この場合、△idは一定値にすることも可能である。

本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることを留意されたい。

回転電動機（モータ）の各要素の温度と実トルク値との間の関係を説明するグラフである。トルク電流変換マップおよびトルク電圧変換マップのイメージを表す模式図である。本発明によるモータ制御装置の一例を説明する制御ブロック図である。図３の制御装置でのトルク補正制御の処理の一例を説明するフローチャートである。図３の制御装置での電圧補正制御の処理の一例を説明するフローチャートである。

符号の説明

10 トルク演算部
12 PI（比例積分）制御部
14 2相／3相変換部
16 電源
18 IGBT（インバータ）
20 モータ（回転電動機）
22 位置センサ
24 端子電圧温度補正制御部
26 3相／2相変換部
28 ω演算・Θ演算部
30 トルク温度補正制御部

Claims

永久磁石型回転電動機の制御装置であって、
モータ回転数および与えられたトルク指令値に基づき、予め用意されたトルク値、モータ回転数および電流値の関係を示すトルク電流変換マップを参照して、各電流指令値を求めるトルク演算手段と、
前記各電流指令値を各電圧指令値に変換する変換手段、
前記与えられたトルク指令値に基づき、前記トルク電流変換マップと同時に取得されたトルク値、回転数および電圧値の関係を示すトルク電圧変換マップを参照して読み取られた各電圧値と、前記回転電動機に印加された各電圧値を求め、前記回転電動機に印加される各電圧値と、前記読み取られた各電圧値との差を取り、これらに基づき前記各電流のうちの少なくとも１つの補正値を求める補正制御手段と、
を具える永久磁石型回転電動機の制御装置。
請求項１に記載の永久磁石型回転電動機の制御装置において、
前記補正制御手段が、前記各電流のうちｑ軸電流のみの補正値を求める、
ことを特徴とする永久磁石型回転電動機の制御装置。
請求項１または２に記載の永久磁石型回転電動機の制御装置において、
前記補正制御手段で求めた少なくとも１つの補正値に基づき、前記トルク電流変換マップを書き換えるマップ書き換え手段、
をも具えることを特徴とする永久磁石型回転電動機の制御装置。
永久磁石型回転電動機の制御方法であって、
モータ回転数および与えられたトルク指令値に基づき、予め用意されたトルク値、モータ回転数および電流値の関係を示すトルク電流変換マップを参照して、演算手段と使用して各電流指令値を求めるトルク演算ステップと、
前記演算手段を使用して前記各電流指令値を各電圧指令値に変換する変換ステップと、
前記演算手段を使用して、前記与えられたトルク指令値に基づき、前記トルク電流変換マップと同時に取得されたトルク値、回転数および電圧値の関係を示すトルク電圧変換マップを参照して読み取られた各電圧値と、前記回転電動機に印加された各電圧値を求め、前記回転電動機に印加される各電圧値と、前記読み取られた各電圧値との差を取り、これらに基づき前記各電流のうちの少なくとも１つの補正値を求める補正制御ステップと、
を含む永久磁石型回転電動機の制御方法。