JP5262267B2 - 三相交流モータの駆動装置 - Google Patents

三相交流モータの駆動装置 Download PDF

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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、
指示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
前記三相交流モータの回転角を検出す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、前記指示トルクを得るためのベクトル電流を求めて出力するトルク電流変換手段と、
前記指示トルクと、記回転角と、前記指示トルクと前記回転角とで特定される状態におけるトルクリプルを相殺するためのベクトル電流との対応関係を示すデータを記憶しており、前記データにより、前記トルク指令により指示された指示トルクと前記回転角検出手段により検出された回転角とに対応付けられているベクトル電流を、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、
前記データは、
(1)前記三相交流モータが発生する発生トルクと前記ベクトル電流の進角との関係を前記ベクトル電流の電流値毎に特性線で示すトルク−進角特性を求め、前記特性線上において前記発生トルクが最大となる点をプロットし、プロットした点を繋いで最高効率曲線を求め、
(2)前記指示トルク毎に前記回転角と前記発生トルクとの関係をプロットし、前記指示トルク毎に前記回転角とトルクリプルとの関係を求め、
(3)前記指示トルク毎に求められた前記回転角と前記トルクリプルとの関係に基づいて、前記指示トルクと、前記回転角と、相殺する方向を正の符号とする、前記発生トルクを前記指示トルクに戻すために加える相殺トルクと、の関係を求め、
(4)前記最高効率曲線上において、前記発生トルク毎に前記発生トルクが得られるときのベクトル電流を求め、前記発生トルク毎に前記発生トルクから前記ベクトル電流への変換係数を求め、
(5)前記指示トルクと前記回転角と前記相殺トルクとの関係において、前記発生トルクとしての前記相殺トルクに前記発生トルクについて求められた前記変換係数をかけて、前記相殺トルクを前記ベクトル電流に変換する、
ことにより求められるデータである、
ことを特徴とする。
例えば、前記三相交流モータの回転数を判別する回転数判別手段を備え、前記指示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、前記指示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、前記三相交流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、前記指示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、前記三相交流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を前記トルク指令と前記回転数判別手段で検出された回転数とに基づいて補正した回転角と、前記回転数とに基づいて、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、前記三相交流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に基づいて求められた補正値を、前記回転数判別手段で検出された回転数と前記指示トルクとに基づいてレベル補正し、前記レベル補正された補正値に基づいて、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(Electric Control Unit)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、i、i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、i、i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。
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。
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(Finite Element Method、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) 図9の三次元座標の縦軸の相殺トルクに、(4)で求めたその相殺トルク用のトルク係数をかけて相殺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
105 PWM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 (6)

  1. 三相交流モータの駆動装置であって、
    指示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
    前記三相交流モータの回転角を検出す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、前記指示トルクを得るためのベクトル電流を求めて出力するトルク電流変換手段と、
    前記指示トルクと、記回転角と、前記指示トルクと前記回転角とで特定される状態におけるトルクリプルを相殺するためのベクトル電流との対応関係を示すデータを記憶しており、前記データにより、前記トルク指令により指示された指示トルクと前記回転角検出手段により検出された回転角とに対応付けられているベクトル電流を、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、
    前記データは、
    (1)前記三相交流モータが発生する発生トルクと前記ベクトル電流の進角との関係を前記ベクトル電流の電流値毎に特性線で示すトルク−進角特性を求め、前記特性線上において前記発生トルクが最大となる点をプロットし、プロットした点を繋いで最高効率曲線を求め、
    (2)前記指示トルク毎に前記回転角と前記発生トルクとの関係をプロットし、前記指示トルク毎に前記回転角とトルクリプルとの関係を求め、
    (3)前記指示トルク毎に求められた前記回転角と前記トルクリプルとの関係に基づいて、前記指示トルクと、前記回転角と、相殺する方向を正の符号とする、前記発生トルクを前記指示トルクに戻すために加える相殺トルクと、の関係を求め、
    (4)前記最高効率曲線上において、前記発生トルク毎に前記発生トルクが得られるときのベクトル電流を求め、前記発生トルク毎に前記発生トルクから前記ベクトル電流への変換係数を求め、
    (5)前記指示トルクと前記回転角と前記相殺トルクとの関係において、前記発生トルクとしての前記相殺トルクに前記発生トルクについて求められた前記変換係数をかけて、前記相殺トルクを前記ベクトル電流に変換する、
    ことにより求められるデータである、
    ことを特徴とする三相交流モータの駆動装置。
  2. 前記三相交流モータの回転数を判別する回転数判別手段を備え、
    前記指示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。
  3. 前記補正手段は、前記指示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。
  4. 前記三相交流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、前記指示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。
  5. 前記三相交流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を前記トルク指令と前記回転数判別手段で検出された回転数とに基づいて補正した回転角と、前記回転数とに基づいて、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。
  6. 前記三相交流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に基づいて求められた補正値を、前記回転数判別手段で検出された回転数と前記指示トルクとに基づいてレベル補正し、前記レベル補正された補正値に基づいて、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。
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