JP7046121B2 - 回転機の制御装置 - Google Patents
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Description
前記電機子巻線の電流指令値である電機子電流指令値を算出し、前記電機子電流指令値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、インバータが有するスイッチング素子をオンオフ制御することにより、前記電機子巻線に電圧を印加する電機子電流制御部と、
前記界磁巻線に流れる界磁電流を検出する界磁電流検出部と、
前記界磁巻線の電流指令値である界磁電流指令値を算出し、前記界磁電流指令値に基づい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、コンバータが有するスイッチング素子をオンオフ制御することにより、前記界磁巻線に電圧を印加する界磁電流制御部と、を備え、
前記ロータの磁極の方向をd軸とし、前記d軸より電気角で90°進んだ方向をq軸とし、
前記電機子電流制御部は、前記界磁電流指令値と界磁電流の検出値との偏差に応じて、前記電機子電流指令値のd軸成分を変化させ、
前記電機子電流制御部は、前記界磁電圧指令値が前記界磁巻線に印加できる最大電圧以上になる最大電圧飽和状態になった場合に、前記偏差に応じて前記電機子電流指令値のd軸成分を変化させるものである。
実施の形態1に係る回転機の制御装置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回転機1及び制御装置11の概略構成図である。
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。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に直流電圧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パワー半導体SPと直流電源2の負極側に接続される負極側のパワー半導体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における正極側のパワー半導体SP1と負極側のパワー半導体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における正極側のパワー半導体SP2と負極側のパワー半導体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、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)。
1)d軸電流の変化条件が成立していない場合、
Ido=Idob ・・・(1)
2)d軸電流の変化条件が成立している場合、
Ido=Idob+ΔIdo
Iqo=Iqob ・・・(2)
Vdo=R×Ido-ω×Lq×Iqo
Vqo=R×Iqo+ω×(Ld×Ido+ψf) ・・・(3)
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。
Vfo=(Tfo×s+1)×Rf×Ifo ・・・(5)
Vfo=MAX(Vfmin,MIN(Vfmax,Vfo)) ・・・(6)
<比較例の制御挙動>
図6及び図7に、トルク指令値Toがステップ的に増加した場合の比較例に係る制御挙動を示す。比較例では、後述する界磁電流偏差ΔIfに応じたd軸電流の変化制御が行われておらず、d軸の基本電流指令値Idobが、そのまま、最終的なd軸の電流指令値Idoに設定される。図6では、界磁電圧指令値Vfoの増加量が小さく、界磁電圧指令値Vfoが最大電圧(上限電圧値Vfmax)に到達しておらず、最大電圧飽和状態になっていない。一方、図7では、界磁電圧指令値Vfoの増加量が大きく、界磁電圧指令値Vfoが最大電圧(上限電圧値Vfmax)に到達しており、最大電圧飽和状態になっている。
図8の上段に示すように、d軸電流Id=0の条件では、界磁電流Ifが動作点Aよりも小さい領域では、ロータに磁気飽和が生じておらず、界磁電流Ifに比例して、ロータ磁束ψが増加しており、電流微分インダクタンスdLIfは一定値になっている。一方、界磁電流Ifが動作点Aよりも大きくなると、ロータの鉄心に磁気飽和が生じ、界磁電流Ifの増加に対するロータ磁束ψの増加の傾きが減少している。ここで、ロータ磁束ψは、ロータ磁束のd軸成分である。そのため、図8の下段に示すように、ロータ磁束ψを界磁電流Ifについて微分した電流微分インダクタンスdLIfは、界磁電流Ifが動作点Aよりも増加するに従って減少している。
磁気飽和が生じない場合の理論上のロータ磁束ψ0は、次式に示すように、理論上の界磁巻線のインダクタンスLf0に界磁電流Ifを乗算した磁束と、理論上のd軸インダクタンスLd0にd軸電流Idを乗算した磁束と、を合計した磁束になる。ここで、理論上の界磁巻線のインダクタンスLf0は、界磁巻線の巻数(巻数の2乗)に応じたインダクタンスであり、理論上のd軸インダクタンスLd0は、電機子巻線の巻数(巻数の2乗)に応じたインダクタンスである。
ψ0=Lf0×If+Ld0×Id ・・・(10)
ψ=fψ(ψ0) ・・・(11)
式(10)を変形すると次式を得る。
ψ0=Lf0×(If+Ksr×Id)
Ksr=Ld0/Lf0 ・・・(12)
ここで、Ksrは、d軸電流Idを界磁電流相当値に変換する換算定数である。換算定数Ksrは、界磁巻線の巻数に応じた界磁巻線のインダクタンスLf0に対する、電機子巻線の巻数に応じたd軸インダクタンスLd0の比率になる。
目標のロータ磁束ψoを得るためのd軸電流Idの設定を検討する。例えば、図8において、界磁電流指令値Ifo及びd軸の基本電流指令値Idobにおけるロータ磁束ψを、目標のロータ磁束ψoとする。目標の電流微分インダクタンスdLIfoを、目標のロータ磁束ψoに対応させて設定する。式(12)から、界磁電流Ifが、界磁電流指令値Ifoであり、d軸電流Idがd軸の基本電流指令値Idobである場合の、理論上の目標のロータ磁束ψo0は、次式となる。
ψo0=Lf0×(Ifo+Ksr×Idob) ・・・(13)
ψo0=Lf0×(Ifr+Ksr×Idochg) ・・・(14)
Idochg=Idob+ΔIdo
ΔIdo=(Ifo-Ifr)/Ksr ・・・(15)
図10及び図11に、比較例の図6及び図7と同様の条件で、d軸の電流指令値の変化処理が行われる本実施の形態に係る制御挙動を示す。図6及び図7と同様に、各グラフの縦軸は、物理量を無次元化して表している。界磁電圧は、印加可能な最大電圧を1で表している。
一方、図10及び図11に示したように、d軸電流の増加によりロータ磁束が、界磁電流指令値Ifo及びd軸の基本電流指令値Idobに対応する目標のロータ磁束に近づけられているが、トルク指令値Toに対して出力トルクTrが十分に増加していない。これは、d軸電流を増加させることによりリラクタンストルクが低下することによる。
Tr=Pm×Iq×{Lf×If+(Ld-Lq)×Id}
=Pm×Iq×{ψ-Lq×Id}
=Pm×Iq×{ψ-Lq×(Idob+ΔIdo)} ・・・(16)
本実施の形態の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17のような構成となる。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。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。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。
次に、実施の形態2に係る回転機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、d軸電流の変化条件の設定方法が、実施の形態1と異なる。
Ifr+Idob×Ksr≧Ifsat0 ・・・(18)
図12に、実施の形態1の図11と同様の条件の制御挙動を示す。図11と同様に、各グラフの縦軸は、物理量を無次元化して表している。界磁電圧は、印加可能な最大電圧を1で表している。
次に、実施の形態3に係る回転機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。実施の形態1では、電機子巻線と界磁巻線と間の相互インダクタンスが微小である場合であったが、本実施の形態では、電機子巻線と界磁巻線と間の相互インダクタンスが無視できないほど大きい。
図13に、相互インダクタンスMfを無視できない回転機1に対して、d軸の基本電流指令値Idobが、そのまま、d軸の電流指令値Idoに設定される比較例の制御挙動を示す。各グラフの縦軸は、物理量を無次元化して表している。界磁電圧は、印加可能な最大電圧を1で表している。
図15に、相互インダクタンスMfを無視できない回転機1に対して、d軸の基本電流指令値Idobが、そのまま、d軸の電流指令値Idoに設定される比較例の制御挙動を示す。各グラフの縦軸は、物理量を無次元化して表している。界磁電圧は、印加可能な最小電圧を-1で表している。
上記の各実施の形態では、回転機1は、車両用の発電電動機である場合を例に説明した。しかし、回転機1は、電動機とされてもよく、発電機とされてもよく、車両以外の各種の装置に用いられてもよい。
Claims (10)
- 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回転機を制御する回転機の制御装置であって、
前記電機子巻線の電流指令値である電機子電流指令値を算出し、前記電機子電流指令値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、インバータが有するスイッチング素子をオンオフ制御することにより、前記電機子巻線に電圧を印加する電機子電流制御部と、
前記界磁巻線に流れる界磁電流を検出する界磁電流検出部と、
前記界磁巻線の電流指令値である界磁電流指令値を算出し、前記界磁電流指令値に基づい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、コンバータが有するスイッチング素子をオンオフ制御することにより、前記界磁巻線に電圧を印加する界磁電流制御部と、を備え、
前記ロータの磁極の方向をd軸とし、前記d軸より電気角で90°進んだ方向をq軸とし、
前記電機子電流制御部は、前記界磁電流指令値と界磁電流の検出値との偏差に応じて、前記電機子電流指令値のd軸成分を変化させ、
前記電機子電流制御部は、前記界磁電圧指令値が前記界磁巻線に印加できる最大電圧以上になる最大電圧飽和状態になった場合に、前記偏差に応じて前記電機子電流指令値のd軸成分を変化させる回転機の制御装置。 - 前記電機子電流制御部は、前記界磁電流の検出値をIfrとし、換算定数をKsrとし、変化前の前記電機子電流指令値のd軸成分をIdobとし、電機子電流のd軸成分が0である場合に前記ロータに目標の磁気飽和が生じる目標の界磁電流値をIfsat0とし、
前記最大電圧飽和状態になった後、
Ifr+Idob×Ksr≧Ifsat0
の式が満たされた場合に、前記偏差に応じた前記電機子電流指令値のd軸成分の変化を終了する請求項1に記載の回転機の制御装置。 - 前記電機子電流制御部は、前記最大電圧飽和状態になった後、前記偏差の絶対値が、解除判定値以下になった場合に、前記偏差に応じた前記電機子電流指令値のd軸成分の変化を終了する請求項1に記載の回転機の制御装置。
- 前記換算定数は、前記界磁巻線の巻数に応じた界磁巻線のインダクタンスに対する、前記電機子巻線の巻数に応じたd軸インダクタンスの比率に設定されている請求項2に記載の回転機の制御装置。
- 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回転機を制御する回転機の制御装置であって、
前記電機子巻線の電流指令値である電機子電流指令値を算出し、前記電機子電流指令値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、インバータが有するスイッチング素子をオンオフ制御することにより、前記電機子巻線に電圧を印加する電機子電流制御部と、
前記界磁巻線に流れる界磁電流を検出する界磁電流検出部と、
前記界磁巻線の電流指令値である界磁電流指令値を算出し、前記界磁電流指令値に基づい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、コンバータが有するスイッチング素子をオンオフ制御することにより、前記界磁巻線に電圧を印加する界磁電流制御部と、を備え、
前記ロータの磁極の方向をd軸とし、前記d軸より電気角で90°進んだ方向をq軸とし、
前記電機子電流制御部は、前記界磁電流指令値と界磁電流の検出値との偏差に応じて、前記電機子電流指令値のd軸成分を変化させ、
前記界磁電流指令値をIfoとし、前記界磁電流の検出値Ifrとし、換算定数をKsrとし、前記電機子電流指令値のd軸成分の変化量をΔIdoとし、
ΔIdo=(Ifo-Ifr)/Ksr
の式を用いて、前記変化量を算出し、前記変化量により前記電機子電流指令値のd軸成分を変化させ、
前記換算定数は、前記界磁巻線の巻数に応じた界磁巻線のインダクタンスに対する、前記電機子巻線の巻数に応じたd軸インダクタンスの比率に設定されている回転機の制御装置。 - 前記電機子電流制御部は、前記電機子電流指令値のd軸成分の前記変化量を0以上に設定する請求項5に記載の回転機の制御装置。
- 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回転機を制御する回転機の制御装置であって、
前記電機子巻線の電流指令値である電機子電流指令値を算出し、前記電機子電流指令値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、インバータが有するスイッチング素子をオンオフ制御することにより、前記電機子巻線に電圧を印加する電機子電流制御部と、
前記界磁巻線に流れる界磁電流を検出する界磁電流検出部と、
前記界磁巻線の電流指令値である界磁電流指令値を算出し、前記界磁電流指令値に基づい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、コンバータが有するスイッチング素子をオンオフ制御することにより、前記界磁巻線に電圧を印加する界磁電流制御部と、を備え、
前記ロータの磁極の方向をd軸とし、前記d軸より電気角で90°進んだ方向をq軸とし、
前記電機子電流制御部は、前記界磁電流指令値と界磁電流の検出値との偏差に応じて、前記電機子電流指令値のd軸成分を変化させ、
前記電機子電流制御部は、前記電機子電流指令値のd軸成分の変化量に応じて、前記電機子電流指令値のq軸成分を変化させる回転機の制御装置。 - 前記界磁電流指令値から界磁電流値までの制御系の応答周波数は、前記電機子電流指令値から電機子電流値までの制御系の応答周波数よりも低い請求項1から7のいずれか一項に記載の回転機の制御装置。
- 前記ロータは、前記界磁巻線に加えて永久磁石を設けた請求項1から8のいずれか一項に記載の回転機の制御装置。
- 前記回転機は、車両用の発電電動機である請求項1から9のいずれか一項に記載の回転機の制御装置。
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