JPWO2019138454A1 - 回転電機の制御装置 - Google Patents
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Abstract
Description
各組について、前記巻線に流れる電流を検出する電流検出部と、
各組について、前記巻線に流す電流指令値を算出する電流指令算出部と、
各組について、前記電流指令値及び電流検出値に基づいて、前記巻線に印加する電圧指令値を算出する電圧指令算出部と、
各組について、前記電圧指令値に基づいて前記スイッチング素子をオンオフ制御するスイッチング制御部と、
各組について、前記電圧指令値に基づいて、前記電圧指令値に応じた電圧を前記巻線に印加するために必要になる最小限の直流電源電圧である必要直流電圧を算出し、全ての組の前記必要直流電圧に基づいて、全ての組で共通する1つの共通必要直流電圧を算出し、前記共通必要直流電圧が、前記スイッチング素子に供給されている直流電源電圧に近づくように、共通電圧制御値を変化させる電圧制御値算出部と、を備え、
前記電流指令算出部は、前記共通電圧制御値に基づいて、各組の前記電流指令値を変化させるものである。
実施の形態1に係る回転電機の制御装置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回転電機102及び制御装置1の概略構成図であり、図2は、制御装置1のブロック図である。
回転電機102は、複数組の巻線を有する1つの回転電機とされている。本実施の形態では、複数組の巻線は、回転電機102の固定子に設けられた複数組の3相巻線とされている。組数は2組とされている。以下、第1組を「第1」と称し、第2組を「第2」と称す。固定子(電機子)に、第1の3相巻線201と、第2の3相巻線202とが巻回されている。回転子203に永久磁石が設けられた、永久磁石同期回転電機とされている。よって、1つの固定子に2組の3相巻線201、202が設けられており、固定子の径方向内側に配置された1つの回転子203に、永久磁石が設けられている。
制御装置1は、第1及び第2のインバータ205、206のスイッチング素子を介して、回転電機102を制御する。制御装置1は、図2に示すように、後述する電流検出部30、回転情報検出部31、電源電圧検出部32、電流指令算出部33、電圧指令算出部34、スイッチング制御部35、及び電圧制御値算出部36等の機能部を備えている。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。
電流検出部30は、各組について、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30は、第1の電流センサ211の出力信号に基づいて、第1の3相巻線201に流れる第1の3相電流Iu1、Iv1、Iw1を検出し、第2の電流センサ212の出力信号に基づいて、第2の3相巻線202に流れる第2の3相電流Iu2、Iv2、Iw2を検出する。
回転情報検出部31は、回転子203の回転角度θ(磁極位置θ)及び回転速度ωを検出する。本実施の形態では、回転情報検出部31は、回転角度センサ207の出力電圧に基づいて、回転角度θ(磁極位置θ)及び回転速度ωを検出する。
電源電圧検出部32は、直流電源103の直流電源電圧VB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216の出力電圧に基づいて、直流電源電圧VBを検出する。
電流指令算出部33は、各組について、巻線に流す電流指令値を算出し、後述する共通電圧制御値Vrevに基づいて、各組の電流指令値を変化させる。本実施の形態では、電流指令算出部33は、各組の電流指令値を、dq軸の回転座標系で表したd軸電流指令値及びq軸電流指令値を算出する。dq軸の回転座標系は、回転子203の磁極位置(磁石のN極の向き)に定めたd軸、及びd軸より電気角で90deg進んだ方向に定めたq軸からなる、回転子203の電気角での回転に同期して回転する2軸の回転座標系である。電流指令算出部33は、第1の3相巻線201について、第1のd軸電流指令値Idref1及び第1のq軸電流指令値Iqref1を算出し、第2の3相巻線202について、第2のd軸電流指令値Idref2及び第2のq軸電流指令値Iqref2を算出する。
図4を参照して、dq軸電流指令値を算出する電流ベクトル制御方法の理論的な考え方を説明する。dq軸電流指令値が電圧制限楕円に制限されるまでは、最大トルク電流制御の考え方に従って、dq軸電流指令値が算出される。最大トルク電流制御は、同一電流に対して発生トルクを最大にするようなdq軸電流指令値を算出する制御方法である。トルク指令値Trefが0から増加するに従って、最大トルク電流曲線上を、q軸電流指令値が0から増加し、d軸電流指令値が0から減少する。
しかし、これまで説明した電流ベクトル制御方法の理論的な考え方では、電圧制限楕円と、各曲線(最大トルク電流曲線、等トルク曲線、又は最大トルク磁束曲線)との交点を求める必要があり、dq軸電流指令値の算出が複雑化する問題があった。そこで、本実施の形態では、電圧制限楕円と各曲線との交点を算出することなしに、電圧指令値に基づいて算出される後述する共通必要直流電圧Vnecmが直流電源電圧VBに近づくように、フィードバック制御により共通電圧制御値Vrevを変化させることにより、結果的に、dq軸電流指令値を、電圧制限楕円と各曲線との交点に一致させるように構成されている。
電圧指令算出部34は、各組について、電流指令値及び電流検出値に基づいて、巻線に印加する電圧指令値を算出する。本実施の形態では、電圧指令算出部34は、各組について、電流指令値及び電流検出値に基づいて、3相巻線に印加する3相交流の電圧指令値を算出する。詳細には、電圧指令算出部34は、各組について、3相巻線の電流検出値をdq軸の回転座標系で表したdq軸電流検出値が、dq軸電流指令値に近づくようにdq軸電圧指令値を変化させ、dq軸電圧指令値を3相交流の電圧指令値に変換する。
電圧指令算出部34は、第1の3相電流検出値Iu1、Iv1、Iw1に対し、磁極位置θに基づいて3相2相変換及び回転座標変換を行って、第1のd軸電流検出値Id1及び第1のq軸電流検出値Iq1を算出する。同様に、電圧指令算出部34は、第2の3相電流検出値Iu2、Iv2、Iw2に対し、磁極位置θに基づいて3相2相変換及び回転座標変換を行って、第2のd軸電流検出値Id2及び第2のq軸電流検出値Iq2を算出する。
そして、電圧指令算出部34は、式(1)に示すように、第1のdq軸電流検出値Id1、Iq1が、第1のdq軸電流指令値Idref1、Iqref1に近づくように、PI制御等により、第1のd軸電圧指令値Vdref1、第1のq軸電圧指令値Vqref1を変化させる。
電圧指令算出部34は、第1のdq軸電圧指令値Vdref1、Vqref1を、磁極位置θ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の3相交流の電圧指令値Vuref1、Vvref1、Vwref1を算出する。同様に、電圧指令算出部34は、第2のdq軸電圧指令値Vdref2、Vqref2を、磁極位置θ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の3相交流の電圧指令値Vuref2、Vvref2、Vwref2を算出する。
スイッチング制御部35は、各組について、電圧指令値に基づいてスイッチング素子をオンオフ制御するPWM(Pulse Width Modulation)制御を実行する。本実施の形態では、スイッチング制御部35は、第1の3相交流の電圧指令値Vuref1、Vvref1、Vwref1のそれぞれと、直流電源電圧VBの振幅を有し、キャリア周波数で振動するキャリア波(三角波)とを比較し、交流電圧指令値がキャリア波を上回った場合は、スイッチング制御信号をオンさせ、交流電圧指令値がキャリア波を下回った場合は、スイッチング制御信号をオフさせる。スイッチング制御部35は、各スイッチング制御信号を対応する第1のインバータ205のスイッチング素子のゲート端子に出力する。同様に、スイッチング制御部35は、第2の3相交流の電圧指令値Vuref2、Vvref2、Vwref2のそれぞれと、キャリア波とを比較して、スイッチング制御信号をオン又はオフさせる。スイッチング制御部35は、各スイッチング制御信号を対応する第2のインバータ206のスイッチング素子のゲート端子に出力する。
<原理説明>
トルク指令値Trefの増加により3相巻線に流す電流が増加する、或いは、回転速度ωが増加すると、3相巻線に生じる誘起電圧が増加し、3相巻線に印加する電圧指令値が増加する。それにより、電圧指令値の電圧を3相巻線に印加するために必要になる最小限の直流電源電圧である必要直流電圧も増加する。必要直流電圧が、実際の直流電源電圧VBを超えると、3相巻線に正常に電流を流せなくなり、トルク変動が生じる。そのため、必要直流電圧が直流電源電圧VBを超えると、3相巻線に生じる誘起電圧が低下するように電流指令値を操作することによって、電圧指令値及び必要電流電圧を低下させるように構成されている。
そこで、電圧制御値算出部36は、各組について、電圧指令値に基づいて、電圧指令値に応じた電圧を巻線に印加するために必要になる最小限の直流電源電圧である必要直流電圧を算出し、全ての組の必要直流電圧に基づいて、全ての組で共通する1つの共通必要直流電圧Vnecmを算出する。そして、電圧制御値算出部36は、共通必要直流電圧Vnecmが直流電源電圧VBに近づくように、共通電圧制御値Vrevを変化させる。
一方、最大トルク電流制御の領域では、共通必要直流電圧Vnecmが直流電源電圧VBを常に下回るため、そのままでは、共通電圧制御値Vrevが増加し続ける。また、最大トルク磁束制御の領域において、dq軸電流指令値がM点に到達した後は、共通必要直流電圧Vnecmが直流電源電圧VBを常に上回るため、そのままでは、共通電圧制御値Vrevが減少し続ける。
次に、実施の形態2に係る制御装置1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。図6は、本実施の形態に係る回転電機102及び制御装置1の概略構成図であり、図7は、制御装置1のブロック図である。本実施の形態では、回転電機102の回転子203に、界磁巻線213が設けられており、制御装置1が界磁巻線213への電圧印加を制御するように構成されている。
電流指令算出部33は、各組について、巻線に流す電流指令値を算出し、共通電圧制御値Vrevに基づいて、各組の電流指令値を変化させる。本実施の形態では、電流指令算出部33は、界磁巻線に流す電流指令値である界磁電流指令値Ifrefを算出する。電流指令算出部33は、トルク指令値Tref及び共通電圧制御値Vrevに基づいて、界磁電流指令値Ifrefを算出する。具体的には、電流指令算出部33は、トルク指令値Tref及び共通電圧制御値Vrevと、界磁電流指令値Ifrefとの関係が予め設定された界磁巻線のマップデータを参照し、現在のトルク指令値Tref及び共通電圧制御値Vrevに対応する界磁電流指令値Ifrefを算出する。また、複数の回転速度ω毎に界磁巻線のマップデータが設けられており、電流指令算出部33は、現在の回転速度ωに近い、界磁巻線のマップデータを参照して、界磁電流指令値Ifrefを算出するように構成されている。
電圧指令算出部34は、各組について、電流指令値及び電流検出値に基づいて、巻線に印加する電圧指令値を算出する。本実施の形態では、電圧指令算出部34は、界磁巻線213について、界磁電流指令値Ifref及び界磁電流検出値Ifに基づいて、界磁巻線213に印加する1相直流の界磁電圧指令値Vfrefを算出する。本実施の形態では、電圧指令算出部34は、界磁電流検出値Ifが界磁電流指令値Ifrefに近づくように、界磁電圧指令値Vfrefを変化させる。例えば、電圧指令算出部34は、式(8)に示すように、界磁電流検出値Ifと界磁電流指令値Ifrefとの偏差に基づいて、PI制御等により界磁電圧指令値Vfrefを変化させる。ここで、Kpfは比例ゲインであり、Kifは積分ゲインである。
スイッチング制御部35は、各組について、電圧指令値に基づいてスイッチング素子をオンオフ制御するPWM制御を実行する。本実施の形態では、スイッチング制御部35は、界磁電圧指令値Vfrefを直流電源電圧VBで除算して算出したデューティ比(Vfref/VB)でオンオフするスイッチング制御信号を生成し、スイッチング制御信号を界磁巻線駆動回路215のスイッチング素子のゲート端子に出力する。
電圧制御値算出部36は、各組について、電圧指令値、及び直流電源電圧VBに基づいて、電圧指令値に応じた電圧を巻線に印加するために必要になる最小限の直流電源電圧である必要直流電圧を算出し、全ての組の必要直流電圧に基づいて、全ての組で共通する1つの共通必要直流電圧Vnecmを算出する。そして、電圧制御値算出部36は、共通必要直流電圧Vnecmが直流電源電圧VBに近づくように、共通電圧制御値Vrevを変化させる。
最後に、本発明のその他の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する各実施の形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施の形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
Claims (9)
- 複数組の巻線を有する1つの回転電機を、スイッチング素子を介して制御する回転電機の制御装置であって、
各組について、前記巻線に流れる電流を検出する電流検出部と、
各組について、前記巻線に流す電流指令値を算出する電流指令算出部と、
各組について、前記電流指令値及び電流検出値に基づいて、前記巻線に印加する電圧指令値を算出する電圧指令算出部と、
各組について、前記電圧指令値に基づいて前記スイッチング素子をオンオフ制御するスイッチング制御部と、
各組について、前記電圧指令値に基づいて、前記電圧指令値に応じた電圧を前記巻線に印加するために必要になる最小限の直流電源電圧である必要直流電圧を算出し、全ての組の前記必要直流電圧に基づいて、全ての組で共通する1つの共通必要直流電圧を算出し、前記共通必要直流電圧が、前記スイッチング素子に供給されている直流電源電圧に近づくように、共通電圧制御値を変化させる電圧制御値算出部と、を備え、
前記電流指令算出部は、前記共通電圧制御値に基づいて、各組の前記電流指令値を変化させる回転電機の制御装置。 - 前記電圧制御値算出部は、全ての組の前記必要直流電圧の中の最大値を、前記共通必要直流電圧として算出する請求項1に記載の回転電機の制御装置。
- 前記複数組の巻線は、前記回転電機の固定子に設けられた複数組の3相巻線である請求項1又は2に記載の回転電機の制御装置。
- 前記電圧指令算出部は、各組について、前記電流指令値及び前記電流検出値に基づいて、前記3相巻線に印加する3相交流の前記電圧指令値を算出し、
前記電圧制御値算出部は、各組について、前記3相交流の電流指令値の線間電圧実効値を算出し、前記3相交流の電圧指令値の線間電圧実効値を、予め設定された最大電圧利用率で除算して、前記必要直流電圧を算出する請求項3に記載の回転電機の制御装置。 - 前記複数組の巻線は、前記回転電機の固定子に設けられた1組又は複数組の3相巻線と、前記回転電機の回転子に設けられた1組の界磁巻線である請求項1又は2に記載の回転電機の制御装置。
- 前記電圧指令算出部は、前記界磁巻線について、前記電流指令値及び前記電流検出値に基づいて、前記界磁巻線に印加する1相直流の前記電圧指令値を算出し、各組の前記3相巻線について、前記電流指令値及び前記電流検出値に基づいて、前記3相巻線に印加する3相交流の前記電圧指令値を算出し、
前記電圧制御値算出部は、前記界磁巻線について、前記1相直流の電圧指令値を、予め設定された界磁巻線の最大電圧利用率で除算して、前記必要直流電圧を算出し、各組の前記3相巻線について、前記3相交流の電流指令値の線間電圧実効値を算出し、前記3相交流の電圧指令値の線間電圧実効値を、予め設定された最大電圧利用率で除算して、前記必要直流電圧を算出する請求項5に記載の回転電機の制御装置。 - 前記電圧制御値算出部は、前記共通電圧制御値を、予め設定された下限値で下限制限し、
前記電流指令算出部は、前記共通電圧制御値が減少すると、各組の前記必要直流電圧が減少する側に、各組の前記電流指令値を変化させ、
前記共通電圧制御値が前記下限値で下限制限されている場合に、前記界磁巻線の前記電流指令値を0に設定すると共に、各組の前記3相巻線の前記電流指令値を、前記界磁巻線の電流がゼロの場合の電圧制限楕円の中心点に対応した値に設定する請求項6に記載の回転電機の制御装置。 - 前記電圧制御値算出部は、前記共通電圧制御値を、予め設定された上限値及び下限値で上下限制限し、前記共通電圧制御値を前記上限値で上限制限している、又は前記下限値で下限制限している場合は、前記共通電圧制御値を変化させないアンチワインドアップ処理を行う請求項1から7のいずれか一項に記載の回転電機の制御装置。
- 前記電流指令算出部は、各組について、少なくとも前記共通電圧制御値と、前記電流指令値との関係が予め設定されたマップデータを参照し、少なくとも現在の前記共通電圧制御値に対応する前記電流指令値を算出する請求項1から8のいずれか一項に記載の回転電機の制御装置。
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