JP6659189B1 - 交流回転機の制御装置、車両用交流回転機装置、及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents
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Abstract
Description
前記第1巻線の第1相及び第2相の巻線、及び前記第2巻線の第1相及び第2相の巻線に流れる電流を検出する電流検出部と、
電流指令及び電流検出値に基づいて、前記第1巻線及び前記第2巻線の各相に印加する電圧指令を演算する電圧指令演算部と、
前記電圧指令と搬送波信号とを比較することにより、前記第1巻線及び前記第2巻線の各相に電圧を印加する電圧印加部と、
前記第1巻線の第1相及び第2相の電流検出値、及び前記第2巻線の第1相及び第2相の電流検出値に基づいて、故障の発生を判定する故障判定部と、を備え、
前記第1巻線の第1相の巻線と前記第2巻線の第1相の巻線とは、互いに位相が電気角で90deg異なっており、前記第1巻線の第2相の巻線と前記第2巻線の第2相の巻線とは、互いに位相が電気角で90deg異なっているものである。
実施の形態1に係る交流回転機の制御装置1(以下、単に制御装置1と称す)について図面を参照して説明する。図1は、本実施の形態に係る交流回転機10及び制御装置1の概略構成図である。
交流回転機10は、ステータ18と、ステータ18の径方向内側に配置されたロータ14と、を備えている。交流回転機10は、永久磁石型の同期回転機とされており、ステータ18に巻線が巻装され、ロータ14に極対数Prの永久磁石が設けられている。なお、交流回転機10は、ロータ14に電磁石が設けられた界磁巻線型の同期回転機とされてもよい。
直流電源16の直流電力と3相の第1巻線U1、V1、W1に供給する交流電力とを変換する第1インバータ21と、直流電源16の直流電力と第2巻線U2、V2、W2に供給する交流電力とを変換する第2インバータ22と、が備えられている。
制御装置1は、第1インバータ21及び第2インバータ22のスイッチング素子を介して、交流回転機10を制御する。制御装置1は、図2に示すように、回転検出部31、電源電圧検出部32、電流検出部33、電圧指令演算部34、電圧印加部35、及び故障判定部36等の制御部を備えている。制御装置1の各機能は、制御装置1が備えた処理回路により実現される。具体的には、制御装置1は、図3に示すように、処理回路として、CPU(Central Processing Unit)等の演算処理装置90(コンピュータ)、演算処理装置90とデータのやり取りする記憶装置91、演算処理装置90に外部の信号を入力する入力回路92、及び演算処理装置90から外部に信号を出力する出力回路93等を備えている。
回転検出部31は、ロータ14の電気角での回転角度(磁極位置)、及び回転速度を検出する。本実施の形態では、回転検出部31は、角度センサ15の出力信号に基づいて、電気角での回転角度(磁極位置)及び回転速度を検出する。なお、回転検出部31は、電流指令に高調波成分を重畳することによって得られる電流情報等に基づいて、角度センサを用いずに、回転角度(磁極位置)を推定するように構成されてもよい(いわゆる、センサレス方式)。
電源電圧検出部32は、直流電源16の電源電圧を検出する。本実施の形態では、電源電圧検出部32は、電圧センサ17の出力信号に基づいて、電源電圧を検出する。
電流検出部33は、第1巻線の第1相A1及び第2相B1の巻線(本例では、U1相及びV1相の巻線)及び第2巻線の第1相A2及び第2相B2(本例では、W2相及びU2相の巻線)に流れる電流を検出する。本実施の形態では、電流検出部33は、電流センサ13の出力信号に基づいて、第1インバータ21から第1巻線のU1相及びV1相に流れる電流iu1_det、iv1_detを検出すると共に、第2インバータ22から第2巻線のU2相、W2相に流れる電流iu2_det、iw2_detを検出する。本実施の形態では、電流検出部33は、後述するタイミングで、各相の電流を検出する。
電圧指令演算部34は、電流指令、電流検出値、及び回転角度に基づいて、第1巻線及び第2巻線の各相に印加する電圧指令を演算する。本実施の形態では、電圧指令演算部34は、電流指令演算部341、電流変換部342、電流フィードバック制御部343、及び電圧指令変換部344を備えている。
電流指令演算部341は、第1巻線に流す電流指令、及び第2巻線に流す電流指令を演算する。電流指令演算部341は、第1巻線のd軸電流指令Id1_tgt及びq軸電流指令Iq1_tgtを演算すると共に、第2巻線のd軸電流指令Id2_tgt及びq軸電流指令Iq2_tgtを演算する。
電流変換部342は、次式に示すように、第1巻線の3相の電流検出値の合計が0になるように、第1巻線のU1相及びV1相の電流検出値iu1_det、iv1_detに基づいて、残りのW1相の電流検出値iw1_detを推定する。また、電流変換部342は、次式に示すように、第2巻線の3相の電流検出値の合計が0になるように、第2巻線のU2相及びW2相の電流検出値iu2_det、iw2_detに基づいて、残りのV2相の電流検出値iv2_detを推定する。ここで、推定した残りの1相の電流も、説明の容易化のため、電流検出値と称する。
電流フィードバック制御部343は、第1巻線のdq軸電流検出値Id1_det、Iq1_detが、第1巻線のdq軸電流指令Id1_tgt、Iq1_tgtに近づくように、PI制御等により、第1巻線のd軸電圧指令Vd1及びq軸電圧指令Vq1を変化させるフィードバック制御を行う。同様に、電流フィードバック制御部343は、第2巻線のdq軸電流検出値Id2_det、Iq2_detが、第2巻線のdq軸電流指令Id2_tgt、Iq2_tgtに近づくように、PI制御等により、第2巻線のd軸電圧指令Vd2及びq軸電圧指令Vq2を変化させるフィードバック制御を行う。
電圧指令変換部344は、第1巻線のdq軸電圧指令Vd1、Vq1を、第1巻線基準の磁極位置θ1に基づいて、固定座標変換及び2相3相変換を行って、第1巻線の各相の電圧指令vu1、vv1、vw1に変換する。同様に、電圧指令変換部344は、第2巻線のdq軸電圧指令Vd2、Vq2を、第2巻線基準の磁極位置θ2に基づいて、固定座標変換及び2相3相変換を行って、第2巻線の各相の電圧指令vu2、vv2、vw2に変換する。
電圧印加部35は、第1巻線の各相の電圧指令vu1、vv1、vw1及び第2巻線の各相の電圧指令vu2、vv2、vw2と搬送波信号とを比較することにより、第1巻線及び第2巻線の各相に電圧を印加する。
故障判定部36は、第1巻線の第1相A1及び第2相B1、及び第2巻線の第1相A2及び第2相B2の電流検出値に基づいて、故障の発生を判定する。第1巻線の第1相A1の巻線と第2巻線の第1相A2の巻線とは、互いに位相が電気角で90deg異なっており、第1巻線の第2相B1の巻線と第2巻線の第2相B2の巻線とは、互いに位相が電気角で90deg異なっている。本実施形態では、第1巻線の第1相A1は、U1相とされており、第1巻線の第2相B1は、V1相とされており、第2巻線の第1相A2は、W2相とされており、第2巻線の第2相B2は、U2相とされている。以下で、故障判定の原理を説明する。
本実施の形態では、電流検出部33は、第1タイミングXで、第1巻線の第1相A1及び第2相B1(本例では、U1相及びV1相)の電流を検出し、第2タイミングYで、第2巻線の第1相A2及び第2相B2(本例では、W2相及びU2相)の電流を検出し、第1タイミングXと第2タイミングYとを基準タイミングZに対して前後対称に設定している。
まず、6相の電流を全て同一タイミングで検出する理想的な場合について説明する。第1巻線の各相を流れる電流iu1、iv1、iw1、及び第2巻線の各相を流れる電流iu2、iv2、iw2は、式(13)で与えられる。ここで、βは、図6に示すように、dq軸の電流ベクトルIのq軸からの位相を表し、Irmsは電流実効値を表す。また、第2巻線の各相の電流iu2、iv2、iw2を、第2巻線基準の磁極位置θ2の代わりに、第1巻線基準の磁極位置θ1を用いて表している。第2巻線基準の磁極位置θ2は、第1巻線基準の磁極位置θ1に対して、位相が電気角で30deg(π/6)遅れる(θ2=θ1−π/6)。
式(13)から式(17)が成り立つには、6相の電流を同一タイミングで検出する必要がある。しかし、廉価なマイコンでは、同時にA/D変換できるチャンネル数が少なく、全てを同一タイミングで検出できない。また、電流を検出する相数を減らすことによって、電流センサ及びマイコンのコスト低減が可能になる。
以下で、dq軸電流の和の誤差を低減するための条件を導出する。図10は、搬送波信号の基準タイミングZ(本例では、山の頂点)を基準にした、第1巻線のU1相、V1相、及び第2巻線のU2相、W2相の電流iu1、iv1、iu2、iw2の検出タイミングtu1、tv1、tu2、tw2の定義を示している。基準タイミングZ(山の頂点)を基準にした、第1巻線のU1相の電流iu1の検出タイミングをtu1とし、第1巻線のV1相の電流iv1の検出タイミングをtv1とし、第2巻線のU2相の電流iu2の検出タイミングをtu2とし、第2巻線のW2相の電流iw2の検出タイミングをtw2としている。
なお、第1タイミングX又は第2タイミングYにおいて、2相の巻線の電流検出タイミングが厳密に同一タイミングでは無い場合について、以下で説明する。式(28)に示すように、第1又は第2タイミングにおいて、2相の巻線間で、電流検出タイミングがηずれている場合を考える。式(17)のリラクタンストルク成分があっても同様の考え方を適用できるが、説明を簡単にするため出力トルクTは式(29)のように与えられるものとする。
本実施の形態では、第1巻線と第2巻線との位相差が電気角で30degである場合を説明した。しかし、第1巻線と第2巻線との位相差が電気角で30deg以外である場合も、第1タイミングXで、第1巻線の2相の巻線の電流を検出し、第2タイミングYで、第2巻線の2相の巻線の電流を検出し、第1タイミングXと第2タイミングYとを基準タイミングZに対して前後対称に設定すれば、同様の効果を得ることができる。
Claims (8)
- 互いに位相が電気角で30+n×60deg(nは整数)異なる3相の第1巻線と3相の第2巻線とを有する交流回転機を制御する交流回転機の制御装置であって、
前記第1巻線の第1相及び第2相の巻線、及び前記第2巻線の第1相及び第2相の巻線に流れる電流を検出する電流検出部と、
電流指令及び電流検出値に基づいて、前記第1巻線及び前記第2巻線の各相に印加する電圧指令を演算する電圧指令演算部と、
前記電圧指令と搬送波信号とを比較することにより、前記第1巻線及び前記第2巻線の各相に電圧を印加する電圧印加部と、
前記第1巻線の第1相及び第2相の電流検出値、及び前記第2巻線の第1相及び第2相の電流検出値に基づいて、故障の発生を判定する故障判定部と、を備え、
前記第1巻線の第1相の巻線と前記第2巻線の第1相の巻線とは、互いに位相が電気角で90deg異なっており、前記第1巻線の第2相の巻線と前記第2巻線の第2相の巻線とは、互いに位相が電気角で90deg異なっている交流回転機の制御装置。 - 前記故障判定部は、
前記第1巻線の第1相の電流検出値と前記第1巻線の第2相の電流検出値との差、及び前記第2巻線の第1相の電流検出値と前記第2巻線の第2相の電流検出値との和に基づいて、故障を判定する、又は
前記第1巻線の第1相の電流検出値と前記第1巻線の第2相の電流検出値との和、及び前記第2巻線の第1相の電流検出値と前記第2巻線の第2相の電流検出値との差に基づいて、故障を判定する請求項1に記載の交流回転機の制御装置。 - 前記故障判定部は、前記第1巻線の第1相の電流検出値をia1_detとし、前記第1巻線の第2相の電流検出値をib1_detとし、前記第2巻線の第1相の電流検出値をia2_detとし、前記第2巻線の第2相の電流検出値をib2_detとし、結合係数をKaとし、
(ia1_det−ib1_det)−Ka×(ia2_det+ib2_det)
又は
(ia2_det−ib2_det)+Ka×(ia1_det+ib1_det)
の算出値の絶対値が、判定閾値を超えた場合に、故障が発生したと判定する請求項1又は2に記載の交流回転機の制御装置。 - 前記結合係数は、√3、又は−√3に設定されている請求項3に記載の交流回転機の制御装置。
- 前記電流検出部は、第1タイミングで、前記第1巻線の第1相及び第2相の巻線の電流を検出し、第2タイミングで、前記第2巻線の第1相及び第2相の巻線の電流を検出し、
前記第1タイミングと前記第2タイミングとを基準タイミングに対して前後対称に設定している請求項1から4のいずれか一項に記載の交流回転機の制御装置。 - 前記基準タイミングは、三角波とされた前記搬送波信号の山の頂点及び谷の頂点の一方又は双方に設定されている請求項5に記載の交流回転機の制御装置。
- 請求項1から6のいずれか一項に記載の交流回転機の制御装置と、
車輪の駆動力源となる前記交流回転機と、を備えた車両用交流回転機装置。 - 請求項1から6のいずれか一項に記載の交流回転機の制御装置と、
車輪の操舵装置の駆動力源となる前記交流回転機と、を備えた電動パワーステアリング装置。
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