JP6949165B2 - 交流回転機の制御装置 - Google Patents
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Description
前記界磁巻線に流れる電流である界磁電流を検出し、前記界磁電流の検出値が界磁電流指令値に追従するように、前記界磁電流指令と前記界磁電流の検出値との偏差に対して比例積分制御を行って、界磁電圧指令値を算出し、前記界磁電圧指令値に基づいて、前記界磁巻線に電圧を印加し、
前記界磁電流の各動作点における、前記界磁電流の変化に対する前記ロータの磁束の変化の比を、微分インダクタンスとし、
前記比例積分制御の比例ゲインが、前記界磁電流に応じて変化する前記微分インダクタンスに比例して変化するように、前記界磁電流の情報に基づいて、前記比例ゲインを設定するものである。
実施の形態1に係る交流回転機の制御装置11(以下、単に、制御装置11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1及び制御装置11の概略構成図である。
交流回転機1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1は、界磁巻線型の同期回転機とされている。ステータ18の鉄心に、電機子巻線12が巻装されている。ロータ14の鉄心に界磁巻線4が巻装され、電磁石が設けられている。
直流電源2は、インバータ5及びコンバータ9に電源電圧Vdcを出力する。直流電源2として、バッテリー、DC−DCコンバータ、ダイオード整流器、PWM整流器等、直流電圧を出力する任意の機器が用いられる。直流電源2には、平滑コンデンサ3が並列接続されている。
インバータ5は、複数のスイッチング素子を有し、直流電源2と電機子巻線12との間で電力変換を行う。インバータ5は、直流電源2の正極側に接続される正極側のスイッチング素子SPと、直流電源2の負極側に接続される負極側のスイッチング素子SNと、が直列接続された直列回路を、3相各相の電機子巻線に対応して3組設けている。各直列回路における2つのスイッチング素子の接続点が、対応する相の電機子巻線に接続される。
コンバータ9は、スイッチング素子を有し、直流電源2と界磁巻線4との間で電力変換を行う。本実施の形態では、コンバータ9は、直流電源2の正極側に接続される正極側のスイッチング素子SPと直流電源2の負極側に接続される負極側のスイッチング素子SNとが直列接続された直列回路を2組設けたHブリッジ回路とされている。第1組の直列回路28における正極側のスイッチング素子SP1と負極側のスイッチング素子SN1との接続点が、界磁巻線4の一端に接続され、第2組の直列回路29における正極側のスイッチング素子SP2と負極側のスイッチング素子SN2との接続点が、界磁巻線4の他端に接続される。
制御装置11は、インバータ5及びコンバータ9を介して、交流回転機1を制御する。制御装置11は、図2に示すように、回転検出部31、電機子電流検出部32、電機子電流制御部33、界磁電流検出部34、及び界磁電流制御部35等の機能部を備えている。制御装置11の各機能は、制御装置11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11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、演算処理装置90から外部に信号を出力する出力回路93、及び外部装置とデータ通信を行う通信回路94等を備えている。
回転検出部31は、電気角でのロータの磁極位置θ(ロータの回転角度θ)及び回転角速度ωを検出する。本実施の形態では、回転検出部31は、回転センサ15の出力信号に基づいて、ロータの磁極位置θ(回転角度θ)及び回転角速度ωを検出する。磁極位置は、ロータに設けられた電磁石のN極の向きに設定される。なお、回転検出部31は、電流指令値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、回転センサを用いずに、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)。
界磁電流検出部34は、界磁電流センサ6の出力信号に基づいて、界磁巻線4に流れる電流である界磁電流Ifrを検出する。ここで、Ifrは、界磁電流Ifの検出値である。
インバータ5及びコンバータ9における発熱量は、導通損失とスイッチング損失との和によって決定されるため、発熱量を低下するためには導通抵抗を低下させる、又はスイッチング回数を減らしてスイッチング損失を低減させるといった手法がとられる。廉価なスイッチング素子で発熱量を低下させる場合には、スイッチング回数を減らす、すなわち搬送波の周波数を下げる対策が取られる。
図7は、界磁電流のフィードバック制御系のブロック図である。比較例として、電機子電流のフィードバック制御系と同様に設計する場合を説明する。界磁巻線は、界磁巻線のインダクタンスLfを用い、次式で示す電圧方程式で表現される。ここで、Rfは、界磁巻線の抵抗であり、Vfは、界磁巻線の印加電圧である。
図8の(a)に、界磁電流Ifとロータの磁束ψfとの関係特性、図8の(b)に、界磁電流Ifと界磁巻線のインダクタンスLfとの関係特性を示す。図8の(b)の界磁巻線のインダクタンスLfは、次式に示すように、ロータの磁束ψfを界磁電流Ifで除算して算出されている。
そこで、界磁巻線型のロータでは、磁気飽和する領域まで界磁電流Ifが増加されることを前提に式導出する必要がある。そこで、界磁巻線の電圧方程式を、ロータの磁束ψfを用い次式で表す。
以上の導出結果に基づき、界磁電流の制御系が設計されている。すなわち、電圧指令値算出部352は、比例積分制御の比例ゲインKpfが、界磁電流Ifに応じて変化する微分インダクタンスdLfに比例して変化するように、界磁電流の情報に基づいて、比例ゲインKpfを設定する。ここで、微分インダクタンスdLfは、式(11)を用いて上述したように、界磁電流Ifの各動作点における、界磁電流Ifの変化に対するロータの磁束ψfの変化の比である。
上述の式(14)では比例ゲインKpfの算出において換算係数Kcを乗算したが、式(20)に示すように、比例ゲインKpfと同様に、界磁巻線の抵抗Rfに、換算係数Kcを乗算して、積分ゲインKifを算出してもよい。
本実施の形態の交流回転機の制御装置を、車両用の発電電動機に使用する場合、図10のような構成となる。交流回転機1のロータの回転軸は、プーリ及びベルト機構101を介して、内燃機関100のクランク軸に連結されている。交流回転機1の回転軸は、内燃機関100及び変速装置102を介して車輪103に連結される。交流回転機1は、電動機として機能し、内燃機関100の補機として、車輪103の駆動力源となると共に、発電機として機能し、内燃機関100の回転を利用して発電を行う。電機子巻線の電流指令値算出部332及び界磁巻線の電流指令値算出部351は、トルク指令値To等の制御指令値に基づいて、電機子電流指令値Ido、Iqo及び界磁電流指令値Ifoを算出する。
次に、実施の形態2に係る交流回転機1及び制御装置11について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る交流回転機1及び制御装置11の基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、比例ゲインKpfの設定方法が実施の形態1と異なる。図11に、本実施の形態に係る制御装置11のブロック図を示す。
図12に示すように、界磁電流Ifの変化に対して微分インダクタンスdLfが大きく変化する屈曲点の界磁電流Ifは、d軸電流Idに応じて変化する。従って、図13のようなテーブルデータにおいて、微分インダクタンスdLfの設定精度を上げるためには屈曲点付近の検索軸の刻み幅を細かくする必要がある。しかし、d軸電流Idに応じて屈曲点が変化するため、全てのd軸電流Idにおいて精度を上げようとすると、界磁電流Ifの検索軸の刻み幅、及びd軸電流Idの検索軸の刻み幅を細かくする必要があり、データ量が増加する。
上記の各実施の形態では。ステータに1組の3相の電機子巻線が設けられる場合を例に説明した。しかし、ステータに複数組(例えば2組)の電機子巻線が設けられ、各組の電機子巻線に対応してインバータ及び制御装置の電機子電流制御部が設けられてもよい。この場合も、実施の形態2において、複数組の電機子巻線の電流の合計のd軸電流が用いられればよい。
Claims (16)
- 界磁巻線を設けたロータと電機子巻線を設けたステータ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、
前記界磁巻線に流れる電流である界磁電流を検出し、前記界磁電流の検出値が界磁電流指令値に近づくように、前記界磁電流指令値と前記界磁電流の検出値との偏差に対して比例積分制御を行って、界磁電圧指令値を算出し、前記界磁電圧指令値に基づいて、前記界磁巻線に電圧を印加し、
前記界磁電流の各動作点における、前記界磁電流の変化に対する前記ロータの磁束の変化の比を、微分インダクタンスとし、
前記比例積分制御の比例ゲインが、前記界磁電流に応じて変化する前記微分インダクタンスに比例して変化するように、前記界磁電流の情報に基づいて、前記比例ゲインを設定する交流回転機の制御装置。 - 前記界磁電流の情報に基づいて、前記微分インダクタンスを算出し、
前記微分インダクタンスに、予め設定された換算係数を乗算して、前記比例ゲインを算出する請求項1に記載の交流回転機の制御装置。 - 前記界磁電流の情報に基づいて、前記微分インダクタンスを算出し、
前記比例ゲインをKpfとし、前記界磁電流指令値から前記界磁電流の検出値までのフィードバック制御系の応答周波数をfcfとし、前記微分インダクタンスをdLfとし、1以下の正の値に予め設定された調整ゲインをKLとし、
Kpf=KL×2π×fcf×dLf
の算出式を用い、前記比例ゲインを算出する請求項1又は2に記載の交流回転機の制御装置。 - 前記界磁電流の情報に基づいて、前記微分インダクタンスを算出し、
前記比例ゲインをKpfとし、前記比例積分制御の積分ゲインをKifとし、前記界磁電流指令値から前記界磁電流の検出値までのフィードバック制御系の応答周波数をfcfとし、前記微分インダクタンスをdLfとし、前記界磁巻線の抵抗をRfとし、1以下の正の値に予め設定された調整ゲインをKLとし、
Kpf=KL×2π×fcf×dLf
Kif=KL×2π×fcf×Rf
の算出式を用い、前記比例ゲインおよび前記積分ゲインを算出する請求項1又は2に記載の交流回転機の制御装置。 - 前記調整ゲインは、前記界磁電流の制御系におけるむだ時間と前記応答周波数とに基づいて決定されている請求項4に記載の交流回転機の制御装置。
- 前記電機子巻線に交流電圧を印加して、前記電機子巻線に流れる電流である電機子電流を制御し、前記電機子電流における前記ロータの磁極方向の成分であるd軸電流を0から変化させ、
前記比例ゲインが、前記界磁電流及び前記d軸電流に応じて変化する前記微分インダクタンスに比例して変化するように、前記界磁電流の情報及び前記d軸電流の情報に基づいて、前記比例ゲインを設定する請求項1から5のいずれか一項に記載の交流回転機の制御装置。 - 前記界磁電流の各動作点における、前記界磁電流の変化に対する前記ロータの磁束の変化の比を、微分インダクタンスとし、
前記界磁電流の情報及び前記d軸電流の情報に基づいて、前記微分インダクタンスを算出し、
前記微分インダクタンスに、予め設定された換算係数を乗算して、前記比例ゲインを算出する請求項6に記載の交流回転機の制御装置。 - 前記界磁電流の各動作点における、前記界磁電流の変化に対する前記ロータの磁束の変化の比を、微分インダクタンスとし、
前記d軸電流の値に、前記界磁巻線に対する前記電機子巻線の巻数比を乗算した値に、前記界磁電流の値を加算した値である換算合計電流値に基づいて、前記微分インダクタンスを算出する請求項6に記載の交流回転機の制御装置。 - 前記巻数比は、磁気飽和が生じていない場合の前記界磁巻線のインダクタンスに対する、磁気飽和が生じていない場合の前記電機子巻線のインダクタンスにおける前記ロータの磁極方向の成分の比である請求項8に記載の交流回転機の制御装置。
- 前記換算合計電流値と前記微分インダクタンスとの関係が予め設定された設定データを参照し、現在の前記換算合計電流値に対応する前記微分インダクタンスを算出する請求項8又は9に記載の交流回転機の制御装置。
- 前記電機子巻線に流れる電流である電機子電流を検出し、前記電機子電流の検出値が電機子電流指令値に近づくように、前記電機子電流指令値と前記電機子電流の検出値とに基づいて電機子電圧指令値を算出し、前記電機子電圧指令値に基づいて、前記電機子巻線に電圧を印加し、
前記d軸電流の情報として、前記電機子電流指令値又は前記電機子電流の検出値における前記ロータの磁極方向の成分を用いる請求項6から10のいずれか一項に記載の交流回転機の制御装置。 - 前記d軸電流の情報として、前記電機子電流指令値における前記ロータの磁極方向の成分と、前記電機子電流の検出値における前記ロータの磁極方向の成分とのいずれか大きい方を用いる請求項11に記載の交流回転機の制御装置。
- 前記界磁電流指令値から前記界磁電流の検出値までのフィードバック制御系の応答周波数は、前記電機子電流指令値から前記電機子電流の検出値までのフィードバック制御系の応答周波数よりも低く、前記界磁電流の制御周期は、前記電機子電流の制御周期よりも長い請求項11又は12に記載の交流回転機の制御装置。
- 前記界磁電流の情報として、前記界磁電流の検出値を用いる請求項1から13のいずれか一項に記載の交流回転機の制御装置。
- 前記界磁電流の情報として、前記界磁電流指令値に対して、前記界磁電流指令値から前記界磁電流の検出値までのフィードバック制御系に相当する応答遅れ処理を行って算出した、前記界磁電流の推定値を用いる請求項1から13のいずれか一項に記載の交流回転機の制御装置。
- 前記交流回転機は、車両用の発電電動機である請求項1から15のいずれか一項に記載の交流回転機の制御装置。
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