JP5447466B2 - 回転機の制御装置 - Google Patents
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Description
以下、本発明にかかる回転機の制御装置を車載主機としての回転機の制御装置に適用した第1の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
vd=R・id+Ldt・(did/dt)−ω・Lqs・iq …(c1)
vq=R・iq+Lqt・(diq/dt)+ω・Lds・id+ω・φ …(c2)
ここで、抵抗R、電機子鎖交磁束定数φ、d軸の定常インダクタンスLds、d軸の過渡インダクタンスLdt、q軸の定常インダクタンスLqs、q軸の過渡インダクタンスLqtを用いた。なお、上記の式(c1)、(c2)の導出については、本明細書の最後部の「備考欄」に与えてある。
vda0=R・id0−ω・Lqs・iq0 …(c3)
vqa0=R・iq0+ω・Lds・id0+ω・φ …(c4)
続くステップS14〜S20においては、更新タイミングにおけるスイッチングモード(電圧ベクトルV(n+1))を複数通りに仮設定した場合のそれぞれについて、モータジェネレータ10を流れる電流と指令電流id*,iq*との差ベクトルのノルムが閾値rとなるまでの所要時間Tsを予測する。換言すれば、指令電流id*,iq*に対する乖離が許容される許容領域内に実電流id,iqが留まる時間を予測する。すなわち、まずステップS14において、スイッチングモード(電圧ベクトルV(n+1))を仮設定する。続くステップS16においては、仮設定される電圧ベクトルV(n+1)に応じたインバータINVの瞬時電圧ベクトル(vd(n+1),vq(n+1))を算出する。これは、電圧ベクトルV(n+1)と平均電圧ベクトル(vda0,vqa0)との差として算出される。ちなみに、電圧ベクトルV(n+1)のdq軸成分は、最新の電気角θ(n)に基づき算出すればよい。
Δvd=Ldt・(did/dt) …(c5)
Δvq=Lqt・(diq/dt) …(c6)
詳しくは、上記の式(c5),(c6)を所要時間Tsにおいて離散化した下記の式(c7),(c8)にて算出することができる。
ide(n+1)
=Ts・(Δvd(n+1))/Ldt+id0 …(c7)
iqe(n+1)
=Ts・(Δvq(n+1))/Lqt+iq0 …(c8)
したがって、以下の式(c9)が成立する。
<第2の実施形態>
以下、第2の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
<第3の実施形態>
以下、第3の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
<第4の実施形態>
以下、第4の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
<第5の実施形態>
以下、第5の実施形態について、先の第4の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
id=a1・id+b2 …(c11)
iq=a2・iq+b3 …(c12)
iq=a2・iq+b4 …(c13)
ここで、傾きa1と傾きa2とを直交させて且つ、傾きa1は、ゼロ電圧ベクトルV0,V7採用時における電流の変化方向に定める。ここで、傾きa1は、「(diq/dt)/(did/dt)」であることに鑑み、上記の式(c5),(c6)の瞬時電圧Δvd,Δvqに平均電圧ベクトル(vda,vqa)の符号を変えたものを代入することで算出することができる。すなわち、下記の式(c14)として算出することができる。
a1
=Ldt・(R・iq+ω・Lds・id+ω・φ)
/{Lqt・(R・id−ω・Lqs・iq)} …(c14)
図19、図20に、本実施形態の効果を示す。ここで、図19(a)、図20(a)は、それぞれ三角波比較PWM処理におけるゼロ電圧ベクトルV0,V7採用時の電流挙動を示している。三角波比較PWM処理においては、指令電圧とキャリアとの大小で決まる所定期間の間ゼロ電圧ベクトルV0,V7が採用され、それに引き続く有効電圧ベクトルの採用期間においてゼロ電圧ベクトルV0,V7採用時の電流の変化量と符号が逆で同程度の量だけ電流が変化する。これに対し、図19(b),図20(b)に示す本実施形態にかかる例では、三角波比較PWM処理と同一の電流軌跡にはならないものの、ゼロ電圧ベクトルV0,V7採用時の電流の変化の軌跡を三角波比較PWM処理と同等とすることができる。
<第6の実施形態>
以下、第6の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
<第7の実施形態>
以下、第7の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
<その他の実施形態>
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
上記各実施形態において例示したものに限らない。たとえば、指令電流id*,iq*と実電流id,iqとの差の積分要素の出力の絶対値と、許容領域から外れるまでの時間の長さとのそれぞれに重み係数を乗算して加算した値(加重平均処理値)が最も小さくなるスイッチングモードに決定するものであってもよい。これにより、実電流id,iqと指令電流id*,iq*との定常的な乖離を小さくすることができる。
所要時間Tsの経過時をスイッチングモードの更新タイミングとするものに限らない。たとえば、所要時間Tsの経過時と、実電流id,iqが許容領域の境界のうちから外にでるタイミングとのいずれか早い方のタイミングを更新タイミングとしてもよい。
許容領域を定義する制御量の絶対値と相関を有するパラメータとしては、要求トルクT*に限らず、実電流id,iqや、実電流id,iqから推定されるトルク等であってもよい。また、予測電流ide,iqeや、予測電流ide,iqeから推定されるトルク等であってもよい。
スイッチングモードがゼロ電圧ベクトルに対応するときにおける実電流の変化方向ベクトルを長方形の辺に平行とするものに限らない。たとえば、長辺と変化方向ベクトルとのなす角度を「45°」未満(より望ましくは「10°」未満)としてもよい。この場合であっても、ゼロ電圧ベクトルにて表現されるスイッチングモードが採用される期間を長くすることができる。
d軸およびq軸の電流によって定義されるものに限らない。たとえば、トルクおよび磁束や、トルクおよびd軸電流、トルクおよびq軸電流のいずれかであってもよい。
モデル式として、本明細書最後部の備考欄に記載されている式(c23),(c24)を用いるものであってもよい。
スイッチングモード0〜7の全てとしたり、スイッチング状態の切り替え端子数が「1」以下となるものにしたりするものに限らず、たとえば「2」以下となるものであってもよい。
回転機としては、3相回転機に限らず、5相回転機等、4相以上の回転機であってもよい。
直流電圧源としては、高電圧バッテリ12に限らず、例えば高電圧バッテリ12の電圧を昇圧するコンバータの出力端子であってもよい。
<備考>
上記の式(c1)、(c2)を導出について説明する。3相の電圧方程式は、uvw相の鎖交磁束Φu,Φv,Φwを用いた以下の式(c18)〜(c20)にて表現される。
vu=R・iu+(dΦu/dt) …(c18)
vv=R・iv+(dΦv/dt) …(c19)
vw=R・iw+(dΦw/dt) …(c20)
上記の式(c18)〜(c20)をdq変換することで、dq軸上の鎖交磁束Φd,Φqを用いた以下の式(c21),(c22)が得られる。
vd=R・id+(dΦd/dt)−ω・Φq …(c21)
vq=R・iq+(dΦq/dt)+ω・Φd …(c22)
上記の式の「dΦd/dt=(dΦd/did)・(did/dt)」において「dΦd/did=Ldt」と定義することで、d軸の過渡インダクタンスLdtを得ることができる。同様に、「dΦq/dt=(dΦq/diq)・(diq/dt)」において「dΦq/diq=Lqt」と定義することで、q軸の過渡インダクタンスLqtを得ることができる。また、「Φd=Lds・id+φ」とする定義することでd軸の定常インダクタンスLdsを得ることができ、「Φq=Lqs・iq」とする定義することでq軸の定常インダクタンスLdsを得ることができる。なお、ここで、d軸の鎖交磁束Φdにおいてd軸電流に比例しない定数項φは、永久磁石による鎖交磁束の項である。
vd=R・id+Ld・(did/dt)−ω・Lq・iq …(c23)
vq=R・iq+Lq・(diq/dt)+ω・Ld・id+ωφ …(c24)
上記の式(c23),(c24)を用いたモデル予測制御では、磁気飽和現象が顕著となる領域において、高精度に電流を予測するインダクタンスを一義的に定めることができない。これは、上記の式(c23),(c24)が、鎖交磁束と電流との比が変化することを適切に表現できないからである。こうした事情は、従来の三角波比較PWM処理を用いる場合には生じない。なぜなら、三角波比較PWM処理を行なう場合における電流フィードバック制御の操作量としての指令電圧vd*,vq*は、本実施形態における平均電圧ベクトル(vda,vqa)に相当するものであるからである。このため、トルクや電流に応じて上記の式(c23),(c24)におけるインダクタンスが変化することに鑑み、フィードバックゲイン等を変更することで制御性を維持することができるという事情がある。このことは、上記の式(c1),(c2)を用いたモデル予測制御において、定常インダクタンスLds,Lqsを可変設定することで、平均電圧vda,vqaを高精度に算出できることに対応している。
Claims (8)
- 互いに相違する電圧値の電圧のそれぞれを印加する各別の電圧印加手段と回転機の端子との間を開閉するスイッチング素子を備えて構成される電力変換回路について、該電力変換回路を構成するスイッチング素子のオン・オフ操作によって、前記回転機を流れる電流、前記回転機のトルク、および前記回転機の磁束の少なくとも1つを有した制御量を制御する回転機の制御装置において、
前記電力変換回路を構成するスイッチング素子のそれぞれがオン状態であるかオフ状態であるかを示すスイッチングモードを複数通り仮設定し、前記複数通りに仮設定したスイッチングモードのそれぞれについて、前記制御量の予測値と前記制御量の指令値との乖離度合いが規定値に到達するまでに要する所要時間を予測する予測手段と、
前記予測手段により予測された前記所要時間に基づいて、前記仮設定された複数通りのスイッチングモードから前記電力変換回路の実際の操作に用いるスイッチングモードを決定する決定手段と、
前記決定手段により決定されたスイッチングモードとなるように前記電力変換回路を操作する操作手段と、
前記操作手段により前記電力変換回路が操作されてから、前記決定手段により決定されたスイッチングモードについて予測された前記所要時間が経過する時点に基づいて、前記予測手段により次の前記所要時間を予測する予測タイミングを設定する予測タイミング設定手段と、を備えることを特徴とする回転機の制御装置。 - 前記決定手段は、前記所要時間が長いスイッチングモードを短いものと比較して高く評価し、評価の高いスイッチングモードを前記電力変換回路の実際の操作に用いるスイッチングモードに決定することを特徴とする請求項1記載の回転機の制御装置。
- 前記決定手段は、前記所要時間と目標時間との乖離が小さいスイッチングモードを大きいものと比較して高く評価し、評価の高いスイッチングモードを前記電力変換回路の実際の操作に用いるスイッチングモードに決定することを特徴とする請求項1記載の回転機の制御装置。
- 前記規定値を、前記回転機のトルクおよび前記回転機の電気角速度の少なくとも一つに応じて可変設定する領域可変手段を備えることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の回転機の制御装置。
- 前記乖離度合いが規定値に到達するまでに要する所要時間を定める制御量は、固定2次元座標系において表現されるものであり、
前記指令値を前記固定2次元座標系の原点としたときに前記規定値以下の領域を定める閉曲線について、該閉曲線と2点で交わる直線のうち2点間の長さを最大とする直線の角度を可変設定する角度可変手段を備えることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の回転機の制御装置。 - 前記乖離度合いが規定値に到達するまでに要する所要時間を定める制御量は、d軸電流成分およびq軸電流成分、トルクおよび磁束、トルクおよびd軸電流、ならびにトルクおよびq軸電流のいずれかを2つの成分とするものであることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の回転機の制御装置。
- 前記決定手段は、前記乖離度合いが前記規定値を上回って且つ、前記予測手段による前記所要時間の予測に基づき前記乖離度合いを上限時間以内に前記規定値以下とすることができないと判断される場合、前記制御量の予測値と前記制御量の指令値との乖離が小さいスイッチングモードを大きいものと比較して高く評価し、評価の高いスイッチングモードを前記電力変換回路の実際の操作に用いるスイッチングモードに決定することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の回転機の制御装置。
- 前記予測手段は、前記所要時間の予測処理を所定周期で行なうことで、予測される所要時間を前記所定周期で更新することを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の回転機の制御装置。
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