JP6428248B2 - モータ制御装置 - Google Patents
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Description
ところで、モータの駆動において、直流電源側から電力変換回路に引き込む電源電流の大きさにより、同じ直流電源を使用している他のシステムとの間での電力の収支が問題となる場合がある。特に大きな電力を必要とするモータ駆動システムでは、電源電流の引き込みを制限することが求められる。例えば、特許文献1に開示された装置は、電源電圧やモータ回転角速度に基づいて電流指令値を制限し、直流電源側から引き込む電力を制限する。
また、特許文献2の装置のように、異常値を検出した場合にインバータの駆動を停止すると、例えば車両の電動パワーステアリング装置等では、運転者の操舵力を軽減するアシスト機能が作用しなくなる。その結果、運転者に不快感、及び、車両を操舵できないという不都合をもたらすこととなる。
電源電流推定演算部は、直流電源と電力変換回路との間の電源回路に流れる電源電流の推定値(Ib_est)を演算する。
抑制ゲイン演算部は、電源電流推定演算部により演算された電源電流の推定値の絶対値が所定の目標値(X)以下となるように、0以上1以下の値である抑制ゲイン(Kres)を演算する。
電圧指令抑制部は、電圧指令演算部が演算した電圧指令に抑制ゲインを乗じることで電圧指令を抑制する。ここで、「抑制する」には、「抑制ゲイン=1」の場合、すなわち電圧指令演算部が演算した電圧指令を「維持する」場合を含む。
好ましくは、モータが外部からの入力により回転されて回生動作を行うとき、電圧指令抑制部は電圧指令を抑制する。また好ましくは、本発明のモータ制御装置は、車両の電動パワーステアリング装置に適用される。
さらに好ましくは、電源電流の推定値の絶対値が目標値以上のとき、抑制ゲイン演算部は、目標値を電源電流の推定値の絶対値で除した値を抑制ゲインとする。つまり、電源電流の絶対値を目標値に一致させるように抑制ゲインを最大限の設定とすることで、許容範囲における最大限の性能を有効に発揮させることができる。
最初に図1を参照し、本発明のモータ制御装置が適用されるモータ駆動システムの全体構成について説明する。この部分の説明では、モータ制御装置の符号として「401」を用いる。また、「本実施形態」という場合、後述する第1〜第4実施形態を包括する。
モータ80は、主として直流電源31の電力を消費してトルクを出力する力行動作を行う他、外部からの入力(いわゆる逆入力)により回転されることで回生動作を行う場合がある。例えば電動パワーステアリング装置では、走行中に車輪が障害物に乗り上げて転向した場合や、車輪をジャッキアップしながらハンドルを操作した場合が相当する。
また、本実施形態では、各相の低電位側スイッチング素子64、65、66とグランドラインLgとの間に各相電流Iu、Iv、Iwを検出するシャント抵抗71、72、73が設けられている。
インバータ60は、電源ラインLpを経由して直流電源31の正極側に接続され、グランドラインLgを経由して直流電源31の負極側に接続される。インバータ60の入力側には、入力電圧の脈動を平滑化するコンデンサ35が設けられている。
例えば、モータ制御装置401とインバータ60とが、共に一つの電子制御装置(ECU)を構成するようにしてもよい。
第1、第2実施形態のモータ制御装置について、図1〜図6を参照して説明する。第1実施形態及び第2実施形態は、基本的な構成は同一であり、電源電流推定演算部の詳細な構成のみが異なる。そこで、第1実施形態の電源電流推定演算部の符号を「441」、第2実施形態の電源電流推定演算部の符号を「442」とする。また、電源電流推定演算部441を備える第1実施形態のモータ制御装置の符号を「401」、電源電流推定演算部442を備える第2実施形態のモータ制御装置の符号を「402」とする。
モータ制御装置401は、電流指令演算部41、減算器42、dq軸電圧指令演算部43、電源電流推定演算部441、抑制ゲイン演算部45、dq軸電圧指令抑制部46、2相3相変換部47、及び3相2相変換部48を備える。
ここで、dq軸電圧指令演算部43及びdq軸電圧指令抑制部46は、それぞれ、特許請求の範囲に記載の「電圧指令演算部」及び「電圧指令抑制部」に相当する。
減算器42は、3相2相変換部48からフィードバックされるd軸電流Id及びq軸電流Iqを、それぞれd軸電流指令Id*及びq軸電流指令Iq*から減算し、d軸電流偏差ΔId及びq軸電流偏差ΔIqを算出する。
なお、3相2相変換部48は、回転角センサ85からモータ80の電気角θを取得し、電気角θに基づいて、3相電流Iu、Iv、Iwをd軸電流Id及びq軸電流Iqに3相2相変換する。
dq軸電圧指令Vd*、Vq*の制御演算は、所定の制御周期(例えば200μs)で繰り返し実行される。本明細書では、いつの制御演算の値であるかを区別する場合、今回の制御演算における演算値(今回値)には(n)を付し、前回の処理における演算値(前回値)には(n−1)を付して表す。
W=Vd*×Id+Vq*×Iq ・・・(1)
Ib_est=W/Vinv ・・・(2)
式(1)、(2)の意味については後述する。
ここで、「Kres=1」の場合、抑制後のdq軸電圧指令Vd**、Vq**は、抑制前のdq軸電圧指令Vd*、Vq*に等しくなる。つまり、dq軸電圧指令演算部43が演算したdq軸電圧指令Vd*、Vq*がそのまま維持される。本明細書では、このようにdq軸電圧指令Vd*、Vq*を「維持する」場合を含めて「抑制する」という。
図2(a)に示す例では、抑制ゲイン演算部45は、電源電流推定値Ib_estの絶対値が目標値X以上のとき、目標値Xを電源電流推定値Ib_estの絶対値で除した値を抑制ゲインKresとする。すなわち、電源電流推定値Ib_estの絶対値と抑制ゲインKresとは反比例関係となる。一方、電源電流推定値Ib_estの絶対値が目標値X未満のとき、抑制ゲインKresを「1」とする。
0≦|Ib_est|< Xの範囲では、Kres=1
X≦|Ib_est|<2Xの範囲では、Kres=0.5
2X≦|Ib_est|<3Xの範囲では、Kres=0.33
3X≦|Ib_est|<4Xの範囲では、Kres=0.25
Vinv×Ib=Vu×Iu+Vv×Iv+Vw×Iw ・・・(3)
なお、配線抵抗損失を考慮する場合については、「その他の実施形態」で補足する。
Ib=DutyU×Iu+DutyV×Iv+DutyW×Iw ・・・(4.1)
Ib≒(Vd×Id+Vq×Iq)/Vinv_ref ・・・(4.2)
したがって、dq軸電圧Vd、Vqとして電圧指令Vd*、Vq*を用い、消費電力Wによって表現すると、上記の式(1)、(2)により、電源電流推定値Ib_estを推定することができる。
続いて、第1実施形態と第2実施形態との電源電流推定演算部441、442の構成に係る相違点、及び、それに対応してモータ制御装置401、402が実行する電圧指令抑制処理に係る相違点について説明する。
W=Vd*(n)×Id+Vq*(n)×Iq ・・・(1.1)
Ib_est=W/Vinv ・・・(2)
式(2)のインバータ入力電圧Vinvとしては、基本的に、dq軸電圧指令演算部43の内部に既定値として記憶された基準電圧Vinv_refを用いる構成を想定する。ただし、後述する第3実施形態のように、電圧センサ34によって検出されたインバータ入力電圧Vinvを取得してもよい。
S1A〜S3は電源電流推定演算部441により、S4〜S6は抑制ゲイン演算部45により、S7はdq軸電圧指令抑制部46により実行される。
続いて消費電力算出部53は、S2Aで、「d軸電圧指令Vd*(n)及びd軸電流Idの積」と「q軸電圧指令Vq*(n)及びq軸電流Iqの積」との和の値に基づいて、すなわち式(1.1)を用いて、インバータ60の消費電力(W)を算出する
W=Vd*(n)×Id+Vq*(n)×Iq ・・・(1.1)
除算器54は、S3で、式(2)により、消費電力Wをインバータ入力電圧Vinvで除して電源電流推定値Ib_estを算出する。
Ib_est=W/Vinv ・・・(2)
Kres=|Ib_est|/X ・・・(5)
一方、電源電流推定値Ib_estの絶対値が目標値X未満のとき(S4:NO)、抑制ゲインKresを「1」とする(S6)。
Vd**(n)=Vd*(n)×Kres ・・・(6.1)
Vq**(n)=Vq*(n)×Kres ・・・(6.2)
このように第1実施形態では、dq軸電圧指令の今回値Vd*(n)、Vq*(n)を用いるため、今から電源回路に流れようとする将来の電源電流を推定することができる。
W=Vd*(n−1)×Id+Vq*(n−1)×Iq ・・・(1.2)
このように第2実施形態では、dq軸電圧指令の前回値Vd*(n−1)、Vq*(n−1)を用いるため、直近の過去において電源回路に流れた電源電流を推定することができる。
以上説明した本発明の第1、第2実施形態のモータ制御装置401、402の効果について説明する。
(1)従来技術の特許文献1(特開2008−049910号公報)に記載の装置のように、電源電圧やモータ回転角速度に応じて電流指令値を制限する構成では、直流電源側の配線抵抗値が変わった場合に所定の電流(電力)に制限できない可能性がある。また、特許文献2(特開2009−136111号公報)に記載の装置のように、異常値を検出した場合にインバータの駆動を停止すると、例えば車両の電動パワーステアリング装置等では、運転者の操舵力を軽減するアシスト機能が作用しなくなる。
このモータ制御装置401、402は、逆入力によってモータ80が回生動作する可能性がある電動パワーステアリング装置等に適用されると特に有効である。
第3実施形態のモータ制御装置について、図7の概略構成図を参照して説明する。
第3実施形態のモータ制御装置403は、第1、第2実施形態に対し、電源電流推定演算部443による電源電流推定値Ib_estの演算方法が異なる。また、電源回路30に、インバータ入力電圧Vinvを検出する電圧センサ34が設けられている。
Vd=R×Id−ω×Lq×Iq ・・・(7.1)
Vq=R×Iq+ω×Ld×Id+ω×φ ・・・(7.2)
第3実施形態は、第1、第2実施形態の効果(1)、(2)と同様の効果を奏する。
第4実施形態のモータ制御装置について、図8の概略構成図を参照して説明する。
第4実施形態では、モータ駆動システム10の電源回路30に、電源電流Ibを直接検出する電流センサ33が設けられている。モータ制御装置404の抑制ゲイン演算部45には、電源電流検出値Ib_sns及び目標値Xが入力される。
これにより第4実施形態は、第1、第2実施形態の効果(1)と同様の効果を奏する。また、電源電流Ibを直接検出するため、温度変化や経時劣化等の要因も含めた配線抵抗等の変化を正確に反映させることができる。
(ア)上記実施形態では、ベクトル制御により3相ブラシレスモータの通電を制御するモータ制御装置について説明している。この他、本発明のモータ制御装置は、4相以上の多相ブラシレスモータの通電を制御するものでもよい。
また、本発明のモータ制御装置は、ブラシ付き直流モータに適用されてもよい。その場合、「電力変換器」としてHブリッジ回路が用いられる。また、「電圧指令」として直流電圧値が指令される。
(ウ)電源電流の推定値は、上記実施形態で説明した演算方法に限らず、どのような数式やマップを用いて演算してもよい。
(エ)モータ80の力行動作時又は回生動作時を判別する手段を備え、力行動作時であるか回生動作時であるかによって、抑制ゲインKresを変更してもよい。
図9に示すモータ駆動システムには、コンデンサ35後のインバータ60の入力部に半導体リレー36が設けられている。この半導体リレー36の抵抗をRrとし、リレー後の電圧をVrとすると、VinvとVrとの関係は、式(8)で示される。
Vinv−Rr×Ib=Vr ・・・(8)
すると、リレー後電圧と各相端子電圧との関係は、式(3)に対応する式(9)で表される。
Vr×Ib=Vu×Iu+Vv×Iv+Vw×Iw ・・・(9)
Ib=DutyU×Iu+DutyV×Iv+DutyW×Iw
≒(Vd×Id+Vq×Iq)/Vinv_ref ・・・(10)
ここで、インバータ入力電圧の基準電圧Vinv_refの値は、式(10)が成立するように設定される。このように、インバータ60の配線抵抗を考慮した場合にも、基準電圧Vinv_refを用いて、消費電力Wから電源電流Ibを算出することができる。
以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。
31 ・・・直流電源、
401、402、403、404・・・モータ制御装置、
43 ・・・(dq軸)電圧指令演算部、
441、442、443・・・電源電流推定演算部、
45 ・・・抑制ゲイン演算部、
46 ・・・(dq軸)電圧指令抑制部、
60 ・・・インバータ(電力変換回路)、
80 ・・・モータ(多相ブラシレスモータ)。
Claims (5)
- 直流電源(31)とモータ(80)との間に接続され前記モータの力行動作及び回生動作に応じて前記直流電源側の電力と前記モータ側の電力とを相互に変換する電力変換回路(60)を操作することで、ベクトル制御により多相ブラシレスモータである前記モータの通電を制御するモータ制御装置であって、
前記電力変換回路に対する電圧指令としてd軸電圧指令(Vd * )及びq軸電圧指令(Vq * )を演算する電圧指令演算部(43)と、
前記直流電源と前記電力変換回路との間の電源回路(30)に流れる電源電流の推定値(Ib_est)を演算する電源電流推定演算部(441)と、
前記電源電流推定演算部により演算された前記電源電流の推定値の絶対値が所定の目標値(X)以下となるように、0以上1以下の値である抑制ゲイン(Kres)を演算する抑制ゲイン演算部(45)と、
前記電圧指令演算部が演算した電圧指令に前記抑制ゲインを乗じることで前記電圧指令を抑制する電圧指令抑制部(46)と、
を備え、
前記電源電流推定演算部は、
前記電圧指令演算部が今回の制御演算で出力したd軸電圧指令及びq軸電圧指令の今回値(Vd * (n)、Vq * (n))を用い、d軸電圧指令及びd軸電流(Id)の積とq軸電圧指令及びq軸電流(Iq)の積との和の値に基づいて、前記電力変換回路の消費電力(W)を算出し、当該消費電力を前記電力変換回路の入力電圧(Vinv)で除することにより、前記電源電流の推定値を演算することを特徴とするモータ制御装置。 - 前記モータが外部からの入力により回転されて回生動作を行うとき、前記電圧指令抑制部は前記電圧指令を抑制することを特徴とする請求項1に記載のモータ制御装置。
- 車両の電動パワーステアリング装置に適用され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。
- 前記電源電流の推定値の絶対値が前記目標値以上のとき、
前記抑制ゲイン演算部は、前記目標値を前記電源電流の推定値の絶対値で除した値を前記抑制ゲインとすることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のモータ制御装置。 - 前記d軸電流及び前記q軸電流は、前記多相ブラシレスモータの各相に流れる電流検出値をdq変換した値であ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。
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