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WO2013021562A1 - モータの制御装置 - Google Patents

モータの制御装置 Download PDF

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Publication number
WO2013021562A1
WO2013021562A1 PCT/JP2012/004727 JP2012004727W WO2013021562A1 WO 2013021562 A1 WO2013021562 A1 WO 2013021562A1 JP 2012004727 W JP2012004727 W JP 2012004727W WO 2013021562 A1 WO2013021562 A1 WO 2013021562A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
command
axis current
value
motor
current
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2012/004727
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
隆太 佐々木
憲一 岸本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Corp filed Critical Panasonic Corp
Priority to CN201280038804.XA priority Critical patent/CN103718451B/zh
Priority to US14/236,129 priority patent/US9054623B2/en
Priority to JP2013527858A priority patent/JP5948613B2/ja
Publication of WO2013021562A1 publication Critical patent/WO2013021562A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/14Estimation or adaptation of machine parameters, e.g. flux, current or voltage
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/0085Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation specially adapted for high speeds, e.g. above nominal speed
    • H02P21/0089Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation specially adapted for high speeds, e.g. above nominal speed using field weakening
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/22Current control, e.g. using a current control loop
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2207/00Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the type of motor
    • H02P2207/05Synchronous machines, e.g. with permanent magnets or DC excitation

Definitions

  • the present invention relates to a technique for performing a power-running operation or a regenerative operation in the vicinity of a voltage saturation region by performing flux-weakening control or command restriction in a motor control device using current vector control.
  • vector control is used in which the motor current is controlled by being separated into a q-axis current component contributing to torque and a d-axis current component orthogonal thereto.
  • the vector control unit receives a command from the outside and calculates a command voltage to the motor driving unit that supplies power to the motor.
  • weak magnetic flux control is used in which a negative d-axis current is passed to demagnetize the magnetic flux by the permanent magnet and suppress an increase in induced voltage.
  • a voltage saturation detecting means is provided, a signal corresponding to the saturation amount detected by the detecting means or an appropriate fixed value is integrated, and this integrated value is used as a d-axis current command as a current controller.
  • Closed loop weakening magnetic flux control for example, see Patent Document 1.
  • limit torque the maximum torque that can be output by the motor
  • the limit torque is not constant and changes depending on the motor condition. As the induced voltage increases, the margin of the voltage between the motor terminals decreases, so that the limit torque decreases as the rotational speed increases. For this reason, torque that could be output in the low speed range may not be output even if the magnetic flux control is performed in the high speed range.
  • FIG. 14 shows a block diagram of a motor control device according to the prior art described in Patent Document 2.
  • This control device includes a current vector control unit 103, a saturation detector 904, a saturation integrator 905, a d-axis current upper limit calculation unit 108, a d-axis current command limiter 109, a target command limit value calculation unit 914, and a target command limiter 110. It has.
  • the current vector control unit 103 controls the current of the motor 101 in accordance with an external torque command ⁇ 0 * .
  • the saturation detector 904 detects the presence or absence of voltage saturation based on the voltage commands vd * and vq * from the current vector control unit 103 to the motor drive unit 102.
  • the saturation integrator 905 performs an integration operation based on the saturation detection signal output from the saturation detector 904, and generates a weak flux current command ids 0 * that is a negative d-axis current command.
  • the d-axis current upper limit value calculation unit 108 and the d-axis current command limiter 109 set the negative upper limit value ids lmt of the flux weakening current command based on the suppliable voltage Vc of the motor drive unit 102 and the rotation speed ⁇ of the motor 101.
  • the target command limit value calculation unit 914 sets a limit torque value ⁇ lmt * based on the above Vc, ⁇ , ids lmt .
  • the limit torque ⁇ lmt * that can be output by the motor 101 the voltage Vc that can be supplied by the motor drive unit 102, the rotational speed ⁇ of the motor 101, and the negative upper limit of the flux-weakening current command.
  • the calculation is performed from the value ids lmt by using a calculation formula including a constant specific to the motor such as an inductance. Therefore, the limit torque ⁇ lmt * is not correctly calculated when there is a variation in inductance depending on the operating state or a variation in motor constant for each motor.
  • the motor control device of the present invention includes a motor driving unit that drives the motor, a current vector control unit, a flux-weakening current command generation unit, and a target command limiter or a q-axis current command limiter.
  • the current vector control unit controls the motor current by separating it into orthogonal d-axis current and q-axis current according to a target command value from the outside.
  • the flux-weakening current command generation unit is configured such that the difference between the absolute value of the voltage command from the current vector control unit to the motor drive unit and the first predetermined reference value or the q-axis component of the voltage command and the second predetermined reference value
  • a d-axis current command for controlling the amount of d-axis current is generated based on the difference between.
  • the target command limiter sets a limit value of the target command value from the outside based on a value where the d-axis current command exceeds the negative upper limit value.
  • the q-axis current command limiter sets a limit value for the q-axis current command that controls the amount of the q-axis current.
  • FIG. 1 is a block diagram of a motor control apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram of a modification of the motor control apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram of a modification of the motor control apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 4 is a block diagram of a motor control apparatus according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 5 is a block diagram of a motor control apparatus according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 6 is a block diagram of a motor control apparatus according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 7 is a block diagram of a motor control apparatus according to Embodiment 5 of the present invention.
  • FIG. 8A is a simplified block diagram according to Embodiment 5 of the present invention.
  • FIG. 8B is a simplified block diagram of a modification of Embodiment 5 of the present invention.
  • FIG. 9 is a current vector locus in the embedded permanent magnet type synchronous motor.
  • FIG. 10 is a current vector locus in the surface permanent magnet type synchronous motor.
  • FIG. 11 is a diagram of a current vector locus during an operation during regeneration in the embedded permanent magnet type synchronous motor.
  • FIG. 12 is a current vector locus in the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a velocity trajectory in the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a block diagram of a conventional motor control apparatus.
  • FIG. 1 is a block diagram of a motor control apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 1 shows a drive control system of a device that drives a permanent magnet type synchronous motor (hereinafter sometimes referred to as “PMSM” or simply “motor”) 101 in accordance with an external torque command ⁇ 0 * .
  • PMSM permanent magnet type synchronous motor
  • the motor control device in the present embodiment includes a motor drive unit 102, a current vector control unit 103, a flux-weakening current command generation unit 105, a d-axis current upper limit calculation unit 108, a d-axis current command limiter 109, and a target command limiter 110.
  • the flux weakening current command generation unit 105 includes an output voltage calculation unit 104, an integrator 106, and a proportional unit 107.
  • the motor drive unit 102 gives voltage commands vd * and vq * to the d-axis which is the PMSM field direction and the q-axis which is a direction perpendicular thereto to the U-phase, V-phase and W-phase of PMSM.
  • Two-phase / three-phase conversion processing for converting to a phase voltage command and power conversion processing for generating an actual voltage in each phase of the PMSM according to the three-phase voltage command are performed.
  • the current vector control unit 103 generates the d-axis voltage command vd * so that an error between the value of the d-axis current command id * for controlling the amount of the d-axis current and the d-axis current value becomes zero.
  • the current vector control unit 103 generates the q-axis voltage command vq * so that the error between the value of the q-axis current command iq * that controls the amount of the q-axis current and the q-axis current value becomes zero.
  • a generating means for generating the d-axis voltage command vd * and the q-axis voltage command vq * for example, there is PI control.
  • the normal region d-axis current command setting unit 111 generates a d-axis current command idu * in an operation region where voltage saturation does not occur.
  • the generation rule is not particularly limited, and examples thereof include maximum torque / current ratio operation and maximum efficiency operation. It is used for applications in which the current phase is adjusted so that the copper loss and iron loss of the motor are reduced in the operation region where voltage saturation does not occur.
  • idu * 0 may be simply output so that the d-axis current is always kept at zero in the operation region where voltage saturation does not occur.
  • the q-axis current command generator 113 generates a q-axis current command iq * for causing the PMSM torque to follow the torque command ⁇ * .
  • (Expression 1) representing the relationship between the output torque of PMSM and the current is used.
  • Ld and Lq are d-axis and q-axis inductances
  • P is the number of pole pairs of PMSM
  • ⁇ 0 is an armature flux linkage by a permanent magnet
  • is torque
  • id and iq are d-axis and q-axis Current.
  • a data table based on (Equation 1) or the same formula is mounted in the q-axis current command generation unit 113, and the q-axis current command is based on the torque command ⁇ * and the d-axis current command id *. iq * is generated.
  • the output voltage calculation unit 104 calculates the absolute value
  • the flux weakening current command generation unit 105 obtains a value obtained by integrating the voltage difference ⁇ v * obtained by subtracting the absolute value
  • the value proportionally calculated by the proportional unit 107 is added to generate a d-axis current command component ids * (hereinafter referred to as “weakening flux current command”) for flux weakening control.
  • the first predetermined reference value V lmt may be a value smaller than the maximum voltage value that can be supplied by the motor drive unit 102. Further, since a positive d-axis current is not necessary, the maximum value is limited to zero by a d-axis current command limiter 109 described later. Further, the integrator 106 of the flux-weakening current command generator 105 also limits the maximum integrated value to zero.
  • the d-axis current command adding unit 112 adds the d-axis current command component idu * generated by the normal region d-axis current command setting unit 111 and the weak magnetic flux current command ids * generated by the weak magnetic flux current command generating unit 105. , D-axis current command id 0 * is generated.
  • FIG. 9 shows a current vector locus in PMSM.
  • the current vector locus is the d-axis current value on the d-axis and the q-axis current value on the q-axis on the orthogonal coordinates of the d-axis and q-axis. It is displayed as a current vector as a starting point, and its locus is plotted.
  • FIG. 9 is a current vector locus particularly in an embedded permanent magnet type synchronous motor (hereinafter sometimes referred to as “IPMSM”).
  • IPMSM embedded permanent magnet type synchronous motor
  • a voltage limit ellipse 15 in FIG. 9 indicates a selection range of a current vector limited by a voltage that can be supplied by the motor drive unit 102, and the outside of the ellipse means a voltage saturation region.
  • the voltage limit ellipse 15 becomes smaller as the rotation speed increases or the power supply voltage decreases.
  • the constant torque curves 1, 2, and 3 in FIG. 9 indicate current vector loci for outputting torques having specific values, respectively, and are based on (Equation 1).
  • the d-axis current upper limit calculation unit 108 calculates the negative upper limit value id lmt of the d-axis current command from the rotation speed ⁇ of the motor 101 and the suppliable voltage Vc of the motor drive unit 102.
  • the definition of the upper limit value id lmt is not particularly limited, but here it is a d-axis current that obtains a limit torque that the motor 101 can output.
  • the limit torque is represented by a constant torque curve (constant torque curve 2 in the case of FIG. 9) in contact with the voltage limit ellipse, and the d-axis current for obtaining the limit torque is the d-axis coordinate (X in the case of FIG. 9) of the contact. expressed.
  • Equation 6 (Equation 6) is regarded as a function of id and Vc / ⁇ .
  • the id satisfying the contact condition (Equation 8) is the d-axis current value for obtaining the maximum torque when the id is a certain value Vc / ⁇ .
  • FIG. 10 shows a simulation diagram of a current vector locus in SPMSM.
  • the SPMSM constant torque curves 4, 5, and 6 are straight lines parallel to the d-axis.
  • the contact point between the voltage limiting ellipse 15 and the constant torque curve 5 always has the same d-axis coordinate as the center point of the ellipse, and the d-axis current for obtaining the limit torque is a constant ⁇ 0 / Ld.
  • the negative upper limit id lmt of the d-axis current command may be simply set to the constant ⁇ 0 / Ld.
  • the d-axis current command limiter 109 limits the d-axis current command between the above-described negative upper limit value id lmt and zero. Then, the output limits before input id 0 * the difference obtained by subtracting the restriction after the output id * from ⁇ id lmt * to target command limiter 110.
  • the difference ⁇ id lmt * means an excess amount generated when the d-axis current command id * exceeds the negative upper limit value id lmt .
  • the target command limiter 110 limits the torque command ⁇ 0 * with a value based on the d-axis current command excess amount ⁇ id lmt * .
  • the limiting method is not particularly limited. For example, a value obtained by subtracting a value proportional to the excess amount ⁇ id lmt * of the d-axis current command from a predetermined maximum value of the torque command ⁇ 0 * is a limiting value. It may be set to. By doing so, the limit value is automatically adjusted according to the degree of voltage saturation.
  • the limit value as a limit value with respect to the absolute value of the torque command ⁇ 0 * , it is the same whether the torque command input from the outside is a positive value or a negative value (regenerative torque command).
  • the torque can be maintained at the output limit.
  • the current command vector moves in the negative direction of the d-axis along the constant torque curve 3 by the flux weakening control.
  • the difference ⁇ id lmt * input to the target command limiter 110 has a positive value, so the torque command is limited. It will be done.
  • the current command vector moves toward the point C on the voltage limit ellipse 15 while keeping the d-axis current command id * at the negative upper limit value X (moving on the broken line). To do.
  • the current command vector reaches point C, the voltage saturation is eliminated, and the current command and the actual operating point converge to point C.
  • the torque command limiting operation during the regenerative operation will be described on the current vector locus shown in FIG. As shown in FIG. 11, the q-axis current command is a negative value during the regenerative operation.
  • the torque command is limited to the constant torque curve 7 sharing the contact point E with the voltage limit ellipse 15 by the loop operation from the flux weakening current command generation unit 105 to the target command limiter 110. .
  • the flux-weakening current command generation unit 105 is based on the difference ⁇ v * between the absolute value
  • the target command limiter 110 sets a limit value of the torque command value ⁇ 0 * from the outside based on the difference ⁇ id lmt * that is a value in which the d-axis current command id 0 * exceeds the negative upper limit value id lmt. .
  • the target command value is also appropriately limited during regenerative operation, it is possible to avoid the occurrence of overcurrent, overvoltage, and excessive brake torque due to excessive flow of q-axis current, and it is highly stable up to the limit range. Highly efficient regenerative operation is possible.
  • FIG. 2 is a block diagram of a modification of the motor control device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the arrangement of the d-axis current command limiter 109 and the d-axis current command addition unit 112 is switched, and a weakening flux current command limiter 209 that restricts the weakening flux current command is arranged instead of the d-axis current command limiter 109.
  • a weakening flux current command limiter 209 that restricts the weakening flux current command is arranged instead of the d-axis current command limiter 109.
  • flux-weakening current command limiter 209 is limited between the negative upper limit ids lmt-zero flux current command weakening magnetic flux current command ids * weakening, flux-weakening current command ids * is negative upper limit
  • a value ⁇ ids lmt * exceeding ids lmt is output to the target command limiter 110.
  • the upper limit value ids lmt is a value calculated from ( Equation 9).
  • FIG. 3 is a block diagram of another modification of the motor control apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • a q-axis current command limiter 310 that limits the q-axis current command iq * is used instead of the target command limiter.
  • the same operations and effects as the configuration shown in FIG. 1 can be obtained.
  • FIG. 4 is a block diagram of a motor control apparatus according to Embodiment 2 of the present invention.
  • a filter 400 is inserted before the target command limiter 110 in the first embodiment shown in FIG.
  • Other parts are the same as those in the first embodiment.
  • the filter 400 smoothes the torque command ⁇ 0 * input from the outside.
  • the smoothing algorithm is not particularly limited, and for example, there is a first-order lag low-pass filter.
  • the smoothed torque command ⁇ flt * is input to the target command limiter 110.
  • the target command limiter 110 limits the torque command value ⁇ 0 * as described in the description of the first embodiment. Voltage saturation is eliminated. However, the target command limiter 110 does not start operation until the d-axis current command id 0 * exceeds the upper limit value id lmt . That is, there is a time lag between the start of input of the torque command ⁇ 0 * and the start of restriction. During this time lag period, the torque command value ⁇ 0 * is output as it is from the target command limiter 110, and torque control is performed based on this ⁇ 0 * .
  • Embodiment 1 without the filter 400, when the change in the torque command ⁇ 0 * is steep, there is a risk that overshoot or undershoot will occur in the output torque.
  • the filter 400 can moderate the change in the torque command ⁇ flt * during the time lag period, thereby obtaining an effect of suppressing overshoot and undershoot of the output torque.
  • the above-described configuration including the filter 400 has the effect of suppressing overshoot and undershoot of the output torque in addition to the same effects as in the first embodiment. It is done.
  • FIG. 5 is a block diagram of a motor control apparatus according to Embodiment 3 of the present invention.
  • a current limiter 500 is added to the first embodiment shown in FIG. 1, and the other parts have the same configuration as that of the first embodiment.
  • the current limiter 500 substitutes the d-axis current command id * into (Equation 10), calculates the upper limit value Iq lmt of the absolute value of the q-axis current command, and outputs the q-axis output from the q-axis current command generation unit 113.
  • the absolute value of current command iq 0 * is limited to upper limit value Iq lmt . That is, the q-axis current command iq * is limited between the upper limit value Iq lmt and the lower limit value ⁇ Iq lmt .
  • I max is the maximum value of the magnitude of the current vector obtained by combining the d-axis current and the q-axis current (hereinafter sometimes referred to as “maximum current value”).
  • a d-axis current limit line (broken line) 9 indicates a negative upper limit id lmt of the d-axis current command
  • a constant torque curve 10 indicates an external torque command ⁇ 0 *
  • a current limit circle 11 is a coordinate A circle with a radius I max centered on the origin is shown.
  • the d-axis current limit line 9 is the negative upper limit id lmt of the d-axis current limiter 109 (FIG. 5).
  • the operating point first moves along the constant torque curve 10 in the negative direction of the d-axis by the magnetic flux weakening control.
  • the current limiter 500 limits the magnitude of the current command vector to the upper limit value Iq lmt , and the operating point moves along the current limiting circle 11.
  • the torque command is limited as in the first embodiment, and the operating point sets the d-axis current command id * to a negative upper limit value. It moves along the d-axis current limit line 9 while keeping id lmt .
  • the voltage saturation is canceled and the current command and the actual operating point converge to the point G.
  • the magnitude of the current flowing through the motor 101 can be limited to a predetermined maximum current value.
  • an effect of mitigating adverse effects such as heat generation and deterioration of efficiency due to an excessive increase in the current of the motor 101 as the d-axis current increases can be obtained.
  • FIG. 6 is a block diagram of a motor control apparatus according to Embodiment 4 of the present invention.
  • the present embodiment is a modification of the flux-weakening current command generation unit 105 in the first embodiment shown in FIG.
  • the flux-weakening current command generation unit 605 of the present embodiment has a difference between the q-axis component vq * of the voltage command from the current vector control unit 103 to the motor driving unit 102 and the second predetermined reference value Vq lmt. Based on ⁇ vq * , a flux-weakening current command ids * is generated. Other parts are the same as those in the first embodiment.
  • Patent Document 3 describes a method of performing the flux-weakening control by configuring the flux-weakening current command generation unit 605 as described above. However, even if it is such a structure, the effect
  • FIG. 7 is a block diagram of a motor control apparatus according to Embodiment 5 of the present invention.
  • a speed controller 714 is added to the first embodiment shown in FIG. 1, and the motor is driven by speed control in accordance with a speed command input from the outside.
  • Portions other than speed control system 700 have the same configuration as in the first embodiment.
  • the target command limiter 110 limits the speed command ⁇ 0 * from the outside to the output possible limit of the motor 101, and outputs the limited speed command ⁇ * to the speed controller 714.
  • the speed controller 714 generates a torque command ⁇ * by, for example, PI control so that an error between the input speed command ⁇ * and the rotation speed ⁇ of the motor 101 becomes zero.
  • the generated torque command ⁇ * is output to the normal region d-axis current command setting unit 111 and the q-axis current command generation unit 113.
  • FIG. 8A shows a simplified block diagram of FIG. 7, and FIG. 8B shows a block diagram of a configuration in which a torque command is limited instead of a speed command.
  • FIG. 13 shows a velocity trajectory when both the configurations of FIGS. 8A and 8B are used.
  • a speed command waveform 12 indicated by a dotted line shows an external speed command waveform
  • a speed waveform 13 shows a speed waveform using the configuration of FIG. 8A
  • a speed waveform 14 shows a speed waveform using the configuration of FIG. 8B.
  • the command signal limiting operation in the present invention is performed on the command signal outside the outermost control loop as shown in FIGS. 7 and 8A.
  • the motor control device of the present invention includes a motor drive unit that drives a motor, a current vector control unit, a flux-weakening current command generation unit, a target command limiter, or a q-axis current command limiter.
  • the current vector control unit controls the motor current by separating it into orthogonal d-axis current and q-axis current according to a target command value from the outside.
  • the flux-weakening current command generation unit is configured such that the difference between the absolute value of the voltage command from the current vector control unit to the motor drive unit and the first predetermined reference value or the q-axis component of the voltage command and the second predetermined reference value
  • a d-axis current command for controlling the amount of d-axis current is generated based on the difference between.
  • the target command limiter sets a limit value of the target command value from the outside based on a value where the d-axis current command exceeds the negative upper limit value.
  • the q-axis current command limiter sets a limit value for the q-axis current command that controls the amount of the q-axis current.
  • the negative d-axis current command is increased, and even when the d-axis current command reaches a negative upper limit value, the voltage command still exceeds the predetermined reference value Limits the external target command value or q-axis current command until the excess voltage command converges to zero.
  • the q-axis component of the voltage command exceeds a predetermined reference value
  • the negative d-axis current command is increased, and even if the d-axis current command reaches the negative upper limit value, the q-axis component of the voltage command is still predetermined.
  • the target command value from the outside or the q-axis current command is limited until the excess of the voltage command converges to zero.
  • the target command value or q-axis current command can be maintained at the output limit at an automatic and accurate level.
  • the motor can be driven with high stability and high output.
  • the target command value is also appropriately limited during regenerative operation, so that overcurrent, overvoltage, and excessive braking torque due to excessive q-axis current flow can be avoided, and stable and highly efficient up to the limit range. Regenerative operation is possible.
  • an external target command value or q-axis is provided in a preceding stage of a limiter for setting a limit value for a target command value from the outside or a limit value for setting a limit value for a q-axis current command.
  • a filter is provided to smooth the current command. Thereby, overshoot and undershoot of the output torque can be suppressed.
  • the magnitude of the d-axis current command is set so that the magnitude of the motor current command vector, which is the sum of the d-axis current command and the q-axis current command, does not exceed a predetermined maximum current value. Accordingly, a current limiter for limiting the magnitude of the q-axis current command is provided. Thereby, the magnitude
  • the second predetermined reference value of the flux-weakening current command generation unit is obtained by correcting the first predetermined reference value using the d-axis component of the voltage command to the motor drive unit. It is.
  • the negative upper limit value of the d-axis current command is set to zero.
  • the motor control device when the target command value exceeding the motor output limit is input, the motor control device according to the present invention can achieve the target command value or the q-axis current even if the motor constant varies or varies. Since the command can be maintained automatically and accurately at the output limit, the motor can be driven with high stability and high output. Therefore, it drives motors driven in the voltage saturation region, such as motors for in-vehicle use where the capacity of the motor body and battery is limited, motors for various actuators and machine tools that require large torque instantaneously or intermittently, etc. It can be applied to the usage.

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  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Abstract

 本発明のモータの制御装置は、モータを駆動するモータ駆動部と、電流ベクトル制御部と、弱め磁束電流指令生成部と、目標指令リミッタあるいはq軸電流指令リミッタと、を備える。電流ベクトル制御部は、外部からの目標指令値に従ってモータの電流を直交したd軸電流とq軸電流に分離して制御する。弱め磁束電流指令生成部は、電流ベクトル制御部からのモータ駆動部への電圧指令の絶対値と第1の所定の基準値との差分あるいは電圧指令のq軸成分と第2の所定の基準値との差分に基づいてd軸電流の量を制御するd軸電流指令を生成する。目標指令リミッタは、d軸電流指令が負の上限値を超えた値に基づいて外部からの目標指令値の制限値を設定する。

Description

モータの制御装置
 本発明は、電流ベクトル制御を用いたモータの制御装置において、弱め磁束制御や指令制限を行い、電圧飽和領域付近でモータを力行動作あるいは回生動作する技術に関する。
 一般にモータの電流を制御する方法として、モータの電流をトルクに寄与するq軸電流成分とそれに直交するd軸電流成分に分離して制御するベクトル制御が用いられる。ベクトル制御部は外部からの指令を受けて、モータに電力を供給するモータ駆動部への指令電圧を計算する。
 外部からの指令の値が大きくなった場合など、この指令電圧がモータ駆動部の供給可能電圧を上回る現象がある。この現象を電圧飽和と呼ぶ。電圧飽和は、モータの回転速度が大きいほど生じやすい。これは、モータ回転中に生じる誘起電圧が、回転速度に比例して上昇し、この誘起電圧の上昇を供給電圧で補うためにモータの端子間電圧も同様に上昇するためである。また、負荷が大きい場合や電源電圧が低い場合も、供給電圧余裕が小さくなるため、電圧飽和が生じやすくなる。
 電圧飽和状態になると、力行動作時は、q軸電流を増やせなくなり、トルクが低下したり、電流制御器の積分項が飽和(ワインドアップ)したりして、静特性や動特性が劣化する。また、回生動作時は、指令値よりも大きなq軸電流が流れ、過電流・過電圧、過大なブレーキトルクが発生して安全性が低下する。
 電圧飽和を抑制する手段として、負のd軸電流を流すことによって、永久磁石による磁束を減磁し、誘起電圧の増加を抑制する弱め磁束制御が用いられる。
 従来の弱め磁束制御の例として、電圧飽和の検出手段を備え、この検出手段によって検出した飽和量に相当する信号または適当な固定値を積分し、この積分値をd軸電流指令として電流制御器に出力する閉ループ弱め磁束制御がある(例として、特許文献1参照)。
 しかし、負のd軸電流を増加し続けると、電圧低減効果は縮小し、やがて電圧は減少から増加に転じる。電圧が増加に転じる境界が上記弱め磁束制御の限界点である。この限界点において、モータ端子間電圧の余裕が最も大きくなる。すなわち、流すことのできるq軸電流および出力可能なトルクが最大の状態になる(以下、モータが出力可能な最大トルクを限界トルクと呼ぶことがある)。
 限界トルクは一定ではなく、モータの状態によって変化する。誘起電圧が大きいほどモータ端子間電圧の余裕は小さくなるため、限界トルクは回転数上昇に伴って低下する。このため、低速域では出力可能だったトルクを、高速域では弱め磁束制御を行っても出力できない場合がある。
 限界トルクよりも大きいトルクを出力しようとすると、電圧飽和状態となり、トルク追従誤差やワインドアップが生じ、制御の不安定化や特性劣化を招く。また、電圧飽和状態で上記閉ループ弱め磁束制御を用いた場合、d軸電流指令が負の方向に発散し、制御が不安定になる。
 この出力限界に対する従来技術の例として、特許文献2がある。図14は、特許文献2記載の従来技術によるモータの制御装置のブロック図を示す。この制御装置は、電流ベクトル制御部103、飽和検出器904、飽和積分器905、d軸電流上限値演算部108、d軸電流指令リミッタ109、目標指令の制限値演算部914、目標指令リミッタ110を備えている。電流ベクトル制御部103は、外部からのトルク指令τ に従ってモータ101の電流を制御する。飽和検出器904は、電流ベクトル制御部103からモータ駆動部102への電圧指令vdとvqに基づいて電圧飽和の有無を検出する。飽和積分器905は、飽和検出器904から出力される飽和検出信号に基づいて積分演算を行って、負のd軸電流指令である弱め磁束電流指令ids を生成する。d軸電流上限値演算部108およびd軸電流指令リミッタ109は、モータ駆動部102の供給可能電圧Vcとモータ101の回転速度ωに基づいて弱め磁束電流指令の負の上限値idslmtを設定する。目標指令の制限値演算部914は、上記Vc、ω、idslmtに基づいて限界トルク値τlmt を設定する。
 上述の構成によって、弱め磁束制御で電圧飽和を抑制し、外部からの指令トルクτ をモータが出力可能な限界トルクτlmt に制限するため、全運転領域に渡って電圧飽和を解消できる。また、弱め磁束電流指令idsを限界トルクτlmt を得るための弱め磁束電流指令の上限値idslmtに制限するため、d軸電流指令の発散も回避できる。
 しかしながら、特許文献2の方法では、モータ101が出力可能な限界トルクτlmt を、モータ駆動部102が供給可能な電圧Vcと、モータ101の回転速度ωと、弱め磁束電流指令の負の上限値idslmtとから、インダクタンスなどのモータ固有の定数を含む計算式を用いることよって計算している。そのため、運転状態によるインダクタンスの変動や、モータ毎のモータ定数のばらつきがある場合、限界トルクτlmt が正しく計算されない。
 この計算誤差により、限界トルクτlmt が実際の限界トルクよりも大きい値に設定されると、実際の限界トルクよりも大きいトルク指令τに基づいて電流制御が行われ、電圧飽和を解消できない場合がある。
 また、逆にトルク制限値τlmt が実際の限界トルクよりも小さい値に設定された場合、トルク指令τが過剰に制限され、十分なトルクを得られない場合がある。
特開平11-27996号公報 特開2003-209996号公報 特開2006-254572号公報
 本発明のモータの制御装置は、モータを駆動するモータ駆動部と、電流ベクトル制御部と、弱め磁束電流指令生成部と、目標指令リミッタあるいはq軸電流指令リミッタと、を備える。電流ベクトル制御部は、外部からの目標指令値に従ってモータの電流を直交したd軸電流とq軸電流に分離して制御する。弱め磁束電流指令生成部は、電流ベクトル制御部からのモータ駆動部への電圧指令の絶対値と第1の所定の基準値との差分あるいは電圧指令のq軸成分と第2の所定の基準値との差分に基づいてd軸電流の量を制御するd軸電流指令を生成する。目標指令リミッタは、d軸電流指令が負の上限値を超えた値に基づいて外部からの目標指令値の制限値を設定する。q軸電流指令リミッタは、q軸電流の量を制御するq軸電流指令の制限値を設定する。
 この構成によって、モータの出力可能限界を超える目標指令値が入力された場合でも、d軸電流指令を上限値に保ち、目標指令値あるいはq軸電流指令を自動的かつ正確に出力可能限界に制限できる。その結果、モータ定数の変動やばらつきがある場合でも、電圧飽和を解消でき、なおかつモータの出力可能限界を維持して駆動できる。
図1は本発明の実施の形態1におけるモータの制御装置のブロック図である。 図2は本発明の実施の形態1におけるモータの制御装置の変形例のブロック図である。 図3は本発明の実施の形態1におけるモータの制御装置の変形例のブロック図である。 図4は本発明の実施の形態2におけるモータの制御装置のブロック図である。 図5は本発明の実施の形態3におけるモータの制御装置のブロック図である。 図6は本発明の実施の形態4におけるモータの制御装置のブロック図である。 図7は本発明の実施の形態5におけるモータの制御装置のブロック図である。 図8Aは本発明の実施の形態5における簡略ブロック図である。 図8Bは本発明の実施の形態5における変形例の簡略ブロック図である。 図9は埋込み永久磁石型同期モータにおける電流ベクトル軌跡の図である。 図10は表面永久磁石型同期モータにおける電流ベクトル軌跡の図である。 図11は埋込み永久磁石型同期モータにおける回生時動作時の電流ベクトル軌跡の図である。 図12は本発明の実施の形態3における電流ベクトル軌跡の図である。 図13は本発明の実施の形態5における速度軌跡の図である。 図14は従来技術によるモータの制御装置のブロック図である。
 以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
 (実施の形態1)
 図1は、本発明の実施の形態1におけるモータの制御装置のブロック図である。図1は、永久磁石型同期モータ(以下、「PMSM」あるいは単に「モータ」と呼ぶことがある。)101を外部からのトルク指令τ に従って駆動する装置の駆動制御系を示す。
 以下に各部の動作を説明する。本実施の形態におけるモータの制御装置は、モータ駆動部102、電流ベクトル制御部103、弱め磁束電流指令生成部105、d軸電流上限値演算部108、d軸電流指令リミッタ109、目標指令リミッタ110、通常領域d軸電流指令設定部111、d軸電流指令加算部112、q軸電流指令生成部113を備えている。また、弱め磁束電流指令生成部105は、出力電圧演算部104、積分器106、比例器107から構成されている。
 モータ駆動部102は、PMSMの界磁方向であるd軸とそれと直交する方向であるq軸のそれぞれへの電圧指令vd、vqを、PMSMのU相、V相、W相に与える3相電圧指令に変換する2相-3相変換の処理と、この3相電圧指令に従ってPMSM各相に実際の電圧を発生する電力変換の処理を行う。
 電流ベクトル制御部103は、d軸電流の量を制御するd軸電流指令idの値とd軸電流値との誤差がゼロになるようにd軸電圧指令vdを生成する。また、電流ベクトル制御部103は、q軸電流の量を制御するq軸電流指令iqの値とq軸電流値との誤差がゼロになるようにq軸電圧指令vqを生成する。d軸電圧指令vdおよびq軸電圧指令vqを生成する生成手段として、例えばPI制御がある。
 通常領域d軸電流指令設定部111は、電圧飽和が生じない運転領域におけるd軸電流指令iduを生成する。生成則は、特に限定されるものではなく、例えば、最大トルク/電流比運転、最大効率運転等がある。電圧飽和が生じない運転領域において、モータの銅損や鉄損が小さくなるように電流位相を調整する用途に用いる。あるいは単に、idu=0を出力して、電圧飽和が生じない運転領域ではd軸電流を常にゼロに保つようにしてもよい。
 q軸電流指令生成部113は、PMSMのトルクをトルク指令τに追従させるためのq軸電流指令iqを生成する。生成則として、例えばPMSMの出力トルクと電流の関係を表す(数1)を用いる。(数1)において、LdとLqはd軸とq軸のインダクタンス、PはPMSMの極対数、Ψは永久磁石による電機子鎖交磁束、τはトルク、idとiqはd軸とq軸の電流である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 本実施の形態においては、q軸電流指令生成部113内部に(数1)ないしは同式に基づくデータテーブルが実装され、トルク指令τおよびd軸電流指令idとに基づいてq軸電流指令iqが生成される。
 出力電圧演算部104は、電流ベクトル制御部103からモータ駆動部102への電圧指令vdおよびvqを(数2)に代入し、電圧指令の絶対値|v|を演算する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 弱め磁束電流指令生成部105は、電圧指令の絶対値|v|を第1の所定の基準値Vlmtから引いた電圧差分Δvを積分器106により積分した値と、電圧差分Δvを比例器107により比例計算した値とを加算して、弱め磁束制御のためのd軸電流指令成分ids(以下、「弱め磁束電流指令」と呼ぶ。)を生成する。
 ここで、第1の所定の基準値Vlmtを、モータ駆動部102の供給可能最大電圧値と同じ値に設定することにより、電圧飽和時には負の電圧差分Δvが入力されて弱め磁束電流指令idsが負の方向に増加する。一方、電圧飽和がない時には正の電圧差分Δvが入力されて弱め磁束電流指令idsが正の方向に増加する。つまり、電圧飽和の程度に応じて弱め磁束電流指令idsが生成される。
 ただし、第1の所定の基準値Vlmtをモータ駆動部102の供給可能最大電圧値よりも小さい値としてもよい。また、正のd軸電流は必要ないため、後述のd軸電流指令リミッタ109で最大値をゼロに制限する。また、弱め磁束電流指令生成部105の積分器106でも積分値の最大値をゼロに制限する。
 d軸電流指令加算部112は、通常領域d軸電流指令設定部111で生成したd軸電流指令成分iduと、弱め磁束電流指令生成部105で生成した弱め磁束電流指令idsを加算して、d軸電流指令id を生成する。
 次に、d軸電流上限値演算部108と、d軸電流指令リミッタ109と、トルク指令を制限する目標指令リミッタ110の動作について説明する。これらは連動して動作する。
 説明の補助のために、図9にPMSMにおける電流ベクトル軌跡の図を示す。電流ベクトル軌跡とは、d軸とq軸の直交座標上で、d軸にd軸電流値、q軸にq軸電流値をとり、d軸電流とq軸電流を合成した電流を、原点を始点とする電流ベクトルとして表示し、その軌跡をプロットしたものである。図9は、特に埋込み永久磁石型同期モータ(以下、「IPMSM」と呼ぶことがある。)における電流ベクトル軌跡の図である。
 図9における電圧制限楕円15は、モータ駆動部102の供給可能電圧によって制限される電流ベクトルの選択範囲を示しており、この楕円外部は電圧飽和領域を意味する。電圧制限楕円15は、回転速度の上昇や電源電圧の低下に従って小さくなる。
 図9における定トルク曲線1、2、3は、各々特定の値のトルクを出力するための電流ベクトル軌跡を示し、(数1)に基づく。
 d軸電流上限値演算部108は、モータ101の回転速度ωと、モータ駆動部102の供給可能電圧Vcとから、d軸電流指令の負の上限値idlmtを演算する。上限値idlmtの定義は、特に限定されるものではないが、ここではモータ101が出力可能な限界トルクを得るd軸電流とする。限界トルクは、電圧制限楕円と接する定トルク曲線(図9の場合、定トルク曲線2)で表され、限界トルクを得るd軸電流はその接点のd軸座標(図9の場合、X)で表される。
 以下、限界トルクを得るd軸電流指令の演算則について説明する。まず、電圧制限楕円を定式化する。IPMSMの電圧方程式を(数3)に示す。(数3)において、vdとvqはd軸とq軸の電圧、Rはモータの巻線抵抗、ωはモータの回転速度、pは微分演算子である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 ここでは定常状態を想定し、モータの巻線抵抗Rでの電圧降下と電流変化によるインダクタンスLd、Lqでの電圧降下を無視し、誘起電圧によって電圧の大きさを議論する。モータ駆動部102の供給可能電圧をVc、誘起電圧をVbとすると、電圧飽和を起こさないための誘起電圧の大きさの条件は(数4)で示される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 次にVb=Vcとし、(数5)に変形することにより、誘起電圧がモータ駆動部102の供給可能電圧Vcと等しくなったときの電圧制限楕円の式が導かれる。この楕円はid=-Ψ/Ld、iq=0を中心点にもつ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 次に、トルク曲線を表す(数1)と電圧制限楕円を表す(数5)とからq軸電流iqを消去し、トルクτを表す式を(数6)に導く。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 (数6)を、idとVc/ωの関数と見做す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 ここで、接点の条件(数8)を満たすidが、ある値のVc/ωの場合において最大トルクを得るd軸電流値である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 限界トルクを得るd軸電流は、モータが表面永久磁石型同期モータ(以下、「SPMSM」と呼ぶことがある。)である場合、IPMSMの場合よりも簡単に求まる。図10に、SPMSMにおける電流ベクトル軌跡の模擬図を示す。図10に示すように、SPMSMの定トルク曲線4、5、6はd軸に平行な直線になる。このため、電圧制限楕円15と定トルク曲線5の接点は常に楕円の中心点と同じd軸座標を持つことになり、限界トルクを得るd軸電流は定数-Ψ/Ldとなる。IPMSMの場合も、突極性が小さいものはSPMSMに近い特性を持つため、簡易的にd軸電流指令の負の上限値idlmtを上記定数-Ψ/Ldとしてもよい。
 以上、限界トルクを得るd軸電流指令の演算則について説明した。
 d軸電流指令リミッタ109は、d軸電流指令を上述した負の上限値idlmtとゼロの間に制限する。そして、制限前入力id から制限後出力idを引いた差分Δidlmt を目標指令リミッタ110に出力する。この差分Δidlmt は、d軸電流指令idが負の上限値idlmtを超えて生成された超過量を意味する。
 目標指令リミッタ110は、d軸電流指令の超過量Δidlmt に基づく値によってトルク指令τ を制限する。制限方法は、特に限定されるものではないが、例えば、予め定めておいたトルク指令τ の最大値からd軸電流指令の超過量Δidlmt に比例した値を引いた値を制限値に設定してもよい。こうすることにより、制限値は電圧飽和の度合いに応じて自動的に調整される。また、制限値をトルク指令τ の絶対値に対する制限値とすることにより、外部から入力されるトルク指令が正の値であっても負の値(回生トルク指令)であっても、同様にトルクを出力可能限界に維持することができる。
 以上のように構成されたモータの制御方法および制御装置について、以下にその作用を説明する。
 力行動作時におけるトルク指令の制限動作を、図9の電流ベクトル軌跡上で説明する。
 外部からのトルク指令値τ が定トルク曲線1で示される場合、電流指令ベクトルおよび実際の動作点は、弱め磁束制御によって電圧制限楕円15と定トルク曲線1の交点Aに収束する。この間、目標指令リミッタ110に入力される差分Δidlmt はゼロのため、トルク指令の制限動作は行われない。
 外部からのトルク指令値τ が定トルク曲線3で示される場合、電圧制限楕円15と交点を持たないため、弱め磁束制御のみでは電圧飽和を解消できない。そこで、次のようにトルク指令τ の制限動作が行われる。
 まず弱め磁束制御により電流指令ベクトルが定トルク曲線3に沿ってd軸の負方向に移動する。電流指令ベクトルがd軸電流指令idが負の上限値Xとなる点Bに到達した後は、目標指令リミッタ110に入力される差分Δidlmt が正の値を持つため、トルク指令が制限されていく。トルク指令が制限されていく間、電流指令ベクトルは、d軸電流指令idを負の上限値Xに保ちながら(破線上を移動しながら)、電圧制限楕円15上の点Cに向かって移動する。電流指令ベクトルが点Cに到達すると、電圧飽和が解消され、電流指令および実際の動作点は点Cに収束する。
 以上は力行動作の場合の動作説明である。一方、トルク指令を負の値とした場合、負のq軸電流でモータにブレーキをかける回生動作(ブレーキ動作)となる。回生動作において電圧飽和が生じた場合、負のq軸電流が本来の値よりも増大してしまうため、弱め磁束制御を行うことでモータの誘起電圧を抑制しブレーキや電流の増大を抑えることが必要となる。しかしながら、回生動作においても、外部からのトルク指令値がモータの出力可能限界を超える限界域では、力行動作と同様にトルク指令値を制限する必要がある。
 回生動作時におけるトルク指令の制限動作を、図11に示す電流ベクトル軌跡上で説明する。図11に示されるように、回生動作時はq軸電流指令が負の値になる。ここで、外部からのトルク指令値τ が定トルク曲線8で示される場合、電圧制限楕円15と交点を持たないため、弱め磁束制御のみでは電圧飽和を解消できない。そこで、力行動作の場合と同様に、弱め磁束電流指令生成部105から目標指令リミッタ110へのループの動作によって、電圧制限楕円15と接点Eを共有する定トルク曲線7までトルク指令が制限される。
 以上のように、本実施の形態においては、弱め磁束電流指令生成部105と、目標指令リミッタ110を備えることにより、モータの出力可能限界を超えるトルク指令値τ が入力された場合に、モータ定数の変動やばらつきがある場合でも、目標指令値を自動的かつ正確に出力可能限界に維持でき、モータを高安定かつ高出力で駆動できる。ここで、弱め磁束電流指令生成部105は、電流ベクトル制御部103からモータ駆動部102への電圧指令の絶対値|v|と第1の所定の基準値Vlmtとの差分Δvに基づいて弱め磁束電流指令idsを生成する。また、目標指令リミッタ110は、d軸電流指令id が負の上限値idlmtを超えた値である差分Δidlmt に基づいて外部からのトルク指令値τ の制限値を設定する。このように、回生動作時においても同様に目標指令値が適正に制限されるので、q軸電流の流れすぎによる過電流や過電圧、過大なブレーキトルクの発生を回避でき、限界域まで高安定かつ高効率な回生動作ができる。
 図2は、本発明の実施の形態1におけるモータの制御装置の変形例のブロック図である。図2では、d軸電流指令リミッタ109とd軸電流指令加算部112の配置を入れ替え、d軸電流指令リミッタ109の代わりに弱め磁束電流指令を制限する弱め磁束電流指令リミッタ209を配置している。本実施の形態では、モータの制御装置を図2の構成としても、図1の構成と同等の作用および効果が得られる。
 図2の構成では、弱め磁束電流指令リミッタ209は弱め磁束電流指令idsを弱め磁束電流指令の負の上限値idslmtとゼロの間に制限し、弱め磁束電流指令idsが負の上限値idslmtを超過した値Δidslmt を目標指令リミッタ110に出力する。ここで、上限値idslmtは(数9)より計算される値である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 図3は、本発明の実施の形態1におけるモータの制御装置の他の変形例のブロック図である。図3に示すモータの制御装置では、目標指令リミッタの代わりにq軸電流指令iqを制限するq軸電流指令リミッタ310を用いる構成としている。本実施の形態では、モータの制御装置を図3の構成としても、図1の構成と同様の作用および効果が得られる。
 (実施の形態2)
 図4は、本発明の実施の形態2におけるモータの制御装置のブロック図である。本実施の形態は、図1に示す実施の形態1における目標指令リミッタ110の前段にフィルタ400を挿入したものである。その他の部分は実施の形態1と同じ構成である。
 フィルタ400は、外部から入力されるトルク指令τ を平滑化する。平滑化のアルゴリズムは、特に限定されるものではなく、例えば一次遅れローパスフィルタがある。平滑化されたトルク指令τflt は、目標指令リミッタ110に入力される。
 フィルタ400の作用と効果を説明する。
 外部からモータ101の出力可能限界を超えるトルク指令値τ が入力された場合、実施の形態1の説明で述べたように、目標指令リミッタ110がトルク指令値τ を制限することにより電圧飽和が解消される。しかし、d軸電流指令id が上限値idlmtを上回るまでは目標指令リミッタ110は動作を開始しない。つまり、トルク指令τ が入力開始されてから制限開始されるまでにタイムラグがある。このタイムラグ期間中は、トルク指令値τ が目標指令リミッタ110からそのまま出力され、このτ に基づいてトルク制御が行われる。
 このため、フィルタ400のない実施の形態1では、トルク指令τ の変化が急峻な場合、出力トルクにオーバーシュートやアンダーシュートを生じるおそれがある。
 一方、本実施の形態の場合、フィルタ400によって、このタイムラグ期間中におけるトルク指令τflt の変化を緩やかにすることにより、出力トルクのオーバーシュートやアンダーシュートを抑制する効果が得られる。
 以上のように、本実施の形態においては、フィルタ400を備える上述の構成とすることにより、実施の形態1と同様の効果に加えて、出力トルクのオーバーシュートやアンダーシュートを抑制する効果が得られる。
 (実施の形態3)
 図5は、本発明の実施の形態3におけるモータの制御装置のブロック図である。本実施の形態は、図1に示す実施の形態1に電流リミッタ500を追加したもので、その他の部分は実施の形態1と同じ構成である。
 弱め磁束制御は、負のd軸電流を流すことによって電圧飽和を解消する。しかし、その弊害として、モータ電流の上昇に伴う発熱や効率低下を招く。電流リミッタ500は、これらの弊害を緩和する。
 電流リミッタ500は、d軸電流指令idを(数10)に代入して、q軸電流指令の絶対値の上限値Iqlmtを演算し、q軸電流指令生成部113から出力されたq軸電流指令iq の絶対値を上限値Iqlmtに制限する。つまり、q軸電流指令iqを上限値Iqlmtから下限値-Iqlmtの間に制限する。q軸電流指令iq の絶対値を制限することにより、外部から入力されるトルク指令が正の値であっても負の値(回生トルク指令)であっても、リミッタとして動作する。(数10)において、Imaxはd軸電流とq軸電流を合わせた電流ベクトルの大きさの最大値(以下、「最大電流値」と呼ぶことがある。)である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 電流リミッタ500よって、d軸電流とq軸電流を合わせた電流の大きさが最大電流値Imaxを超えないように制限される。このため、d軸電流の増加に伴いモータ101の電流が過大に増加することによる発熱や効率悪化の影響を抑制することができる。
 本実施の形態の動作を、図12の電流ベクトル軌跡上で説明する。
 図12において、d軸電流制限線(破線)9はd軸電流指令の負の上限値idlmtを示し、定トルク曲線10は外部からのトルク指令τ を示し、電流制限円11は座標原点を中心点とする半径Imaxの円を示す。ここで、d軸電流制限線9は、d軸電流リミッタ109(図5)の負の上限値idlmtである。
 動作点の初期位置を点Fとすると、まず弱め磁束制御により、動作点が定トルク曲線10に沿ってd軸の負方向に移動する。動作点が定トルク曲線10と電流制限円11の交点に到達すると、電流リミッタ500によって電流指令ベクトルの大きさが上限値Iqlmtに制限され、動作点は電流制限円11に沿って移動する。動作点が電流制限円11とd軸電流制限線9の交点に到達すると、実施の形態1と同様に、トルク指令が制限されていき、動作点はd軸電流指令idを負の上限値idlmtに保ったままd軸電流制限線9に沿って移動する。動作点が電圧制限楕円15とd軸電流制限線9の交点Gに到達すると、電圧飽和が解消され、電流指令および実際の動作点は点Gに収束する。
 以上のように、本実施の形態においては、電流リミッタ500を備える上述の構成とすることにより、モータ101に流れる電流の大きさを所定の最大電流値に制限することができる。これにより、実施の形態1と同様の効果に加えて、d軸電流の増加に伴いモータ101の電流が過大に増加することによる発熱や効率悪化などの弊害を緩和する効果が得られる。
 (実施の形態4)
 図6は、本発明の実施の形態4におけるモータの制御装置のブロック図である。本実施の形態は、図1に示す実施の形態1における弱め磁束電流指令生成部105を変形したものである。
 図6における弱め磁束電流指令生成部605は、実施の形態1における電圧指令の絶対値|v|の代わりに、電圧指令のq軸成分vqを用いる。また、実施の形態1における第1の所定の基準値Vlmtを、電圧指令のd軸成分vdを用いて(数11)により補正して第2の所定の基準値Vqlmtを生成している。このように本実施の形態の弱め磁束電流指令生成部605は、電流ベクトル制御部103からモータ駆動部102への電圧指令のq軸成分vqと第2の所定の基準値Vqlmtとの差分Δvqに基づいて弱め磁束電流指令idsを生成する。その他の部分は実施の形態1と同じ構成である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
 (数11)は、出力変数vqlmtに対して入力変数が1つ(vd)であるため、入力変数が2つある(数2)に比べて計算処理負荷を低減できる特徴を持つ。特許文献3には弱め磁束電流指令生成部605を上述のように構成し、弱め磁束制御を行う方法が記載されている。しかし、このような構成であったとしても、実施の形態1と同様の作用および効果が得られる。
 (実施の形態5)
 図7は、本発明の実施の形態5におけるモータの制御装置のブロック図である。本実施の形態は、図1の実施の形態1に速度制御器714を追加し、外部から入力される速度指令に従ってモータを速度制御で駆動する。速度制御系700以外の部分は実施の形態1と同じ構成である。
 目標指令リミッタ110は、外部からの速度指令ω を、モータ101の出力可能限界に制限し、制限した速度指令ωを速度制御器714に出力する。
 速度制御器714は、入力された速度指令ωとモータ101の回転速度ωとの誤差がゼロになるように、例えばPI制御によりトルク指令τを生成する。生成されたトルク指令τは、通常領域d軸電流指令設定部111およびq軸電流指令生成部113に出力される。
 その他の処理は実施の形態1で述べたトルク制御と同様である。
 本実施の形態において、速度指令を制限する代わりに、速度制御器714から出力されるトルク指令あるいはq軸電流指令を制限する構成とすると、以下に述べる理由により動作が劣化したり不安定になったりする。
 説明の簡単化のため、図8Aに図7を簡略化したブロック図を示し、図8Bに速度指令の代わりにトルク指令を制限する構成としたブロック図を示す。また、図13に図8Aおよび図8Bの両構成を用いた場合の速度軌跡を示す。図13において、点線で示す速度指令波形12は外部からの速度指令波形を示し、速度波形13は図8Aの構成を用いた速度波形を示し、速度波形14は図8Bの構成を用いた速度波形を示す。
 図13において、トルクを必要とする加速中において電圧飽和が生じており、時間Hで出力可能限界に達しているものとする。速度波形13、14ともに、出力可能限界到達後において指令が制限されることによる速度追従誤差が生じている。しかし、速度波形13は滑らかに速度指令に収束しているのに対し、速度波形14では、速度指令に到達した時間Iの後もトルクが収束せず、速度がオーバーシュートを起こしている。これは、トルク指令τ が制限される間の速度追従誤差が速度制御器714の積分項に積算されるためである。このように、積分器が含まれる制御ループの内側で指令信号を制限すると、積分項のワインドアップが生じて応答性が劣化したり動作が不安定になったりする。
 従って、本発明における指令信号の制限動作は、図7、図8Aの構成ように、最外縁の制御ループよりも外側の指令信号に対して行うことが望ましい。
 上述の構成により、モータの出力可能限界を超えた時に、モータ定数の変動やばらつきがある場合でも、外部からの速度指令値ω を自動的かつ正確に出力可能限界に制限するため、モータを高安定かつ高出力で駆動できる。
 以上説明したように、本発明のモータの制御装置は、モータを駆動するモータ駆動部と、電流ベクトル制御部と、弱め磁束電流指令生成部と、目標指令リミッタあるいはq軸電流指令リミッタと、を備える。電流ベクトル制御部は、外部からの目標指令値に従ってモータの電流を直交したd軸電流とq軸電流に分離して制御する。弱め磁束電流指令生成部は、電流ベクトル制御部からのモータ駆動部への電圧指令の絶対値と第1の所定の基準値との差分あるいは電圧指令のq軸成分と第2の所定の基準値との差分に基づいてd軸電流の量を制御するd軸電流指令を生成する。目標指令リミッタは、d軸電流指令が負の上限値を超えた値に基づいて外部からの目標指令値の制限値を設定する。q軸電流指令リミッタは、q軸電流の量を制御するq軸電流指令の制限値を設定する。
 これにより、電圧指令が所定の基準値を超過する場合は負のd軸電流指令を増加させ、d軸電流指令が負の上限値に達してもなお電圧指令が所定の基準値を超過する場合は外部からの目標指令値あるいはq軸電流指令を電圧指令の超過分がゼロに収束するまで制限する。あるいは、電圧指令のq軸成分が所定の基準値を超過する場合は負のd軸電流指令を増加させ、d軸電流指令が負の上限値に達してもなお電圧指令のq軸成分が所定の基準値を超過する場合は外部からの目標指令値あるいはq軸電流指令を電圧指令の超過分がゼロに収束するまで制限する。
 よって、モータの出力可能限界を超える目標指令値が入力された場合に、モータ定数の変動やばらつきがある場合でも、目標指令値あるいはq軸電流指令を自動的かつ正確に出力可能限界に維持でき、モータを高安定かつ高出力で駆動できる。また、回生動作時においても同様に目標指令値が適正に制限されるので、q軸電流の流れすぎによる過電流や過電圧、過大なブレーキトルクの発生を回避でき、限界域まで高安定かつ高効率な回生動作ができる。
 また本発明のモータの制御装置では、外部からの目標指令値の制限値を設定するリミッタあるいはq軸電流の指令の制限値を設定するリミッタの前段部に、外部からの目標指令値あるいはq軸電流の指令を平滑化するフィルタを備えた。これにより、出力トルクのオーバーシュートやアンダーシュートを抑制できる。
 また本発明のモータの制御装置では、d軸電流指令とq軸電流指令を合わせたモータの電流指令ベクトルの大きさが所定の最大電流値を超えないように、d軸電流指令の大きさに応じてq軸電流指令の大きさを制限する電流リミッタを備えた。これにより、モータに流れる電流の大きさを所定の最大電流値に制限できる。
 また本発明のモータの制御装置では、弱め磁束電流指令生成部の第2の所定の基準値は第1の所定の基準値をモータ駆動部への電圧指令のd軸成分を用いて補正したものである。
 また本発明のモータの制御装置では、d軸電流指令の負の上限値をゼロに設定する。これにより、弱め磁束制御を用いない場合においても、モータ定数の変動やばらつきがある場合でも、外部からの目標指令値あるいはq軸電流指令を適正に制限する動作によって電圧飽和領域で安定な力行駆動あるいは回生動作を確保することができる。
 以上のように、本発明にかかるモータの制御装置は、モータの出力可能限界を超える目標指令値が入力された場合に、モータ定数の変動やばらつきがある場合でも、目標指令値あるいはq軸電流指令を自動的かつ正確に出力可能限界に維持できるため、モータを高安定かつ高出力で駆動できる。よって、電圧飽和領域で駆動するモータ、例えば、モータ本体やバッテリの容量が制約される車載用モータや、瞬間的あるいは断続的に大きなトルクを必要とする各種アクチュエータや工作機械用のモータなどを駆動する用途に適用できる。
 1,2,3,4,5,6,7,8,10  定トルク曲線
 9  d軸電流制限線
 11  電流制限円
 12  速度指令波形
 13,14  速度波形
 15  電圧制限楕円
 101  モータ
 102  モータ駆動部
 103  電流ベクトル制御部
 104  出力電圧演算部
 105,605  弱め磁束電流指令生成部
 106  積分器
 107  比例器
 108  d軸電流上限値演算部
 109  d軸電流指令リミッタ
 110  目標指令リミッタ
 111  通常領域d軸電流指令設定部
 112  d軸電流指令加算部
 113  q軸電流指令生成部
 209  弱め磁束電流指令リミッタ
 310  q軸電流指令リミッタ
 400  フィルタ
 500  電流リミッタ
 604  基準電圧補正部
 700  速度制御系
 714  速度制御器
 800  電流(トルク)制御系
 801  弱め磁束制御系
 904  飽和検出器
 905  飽和積分器
 912  d軸電流選択器
 914  目標指令の制限値演算部

Claims (5)

  1. モータを駆動するモータ駆動部と、
    外部からの目標指令値に従って前記モータの電流を直交したd軸電流とq軸電流に分離して制御する電流ベクトル制御部と、
    前記電流ベクトル制御部からの前記モータ駆動部への電圧指令の絶対値と第1の所定の基準値との差分あるいは前記電圧指令のq軸成分と第2の所定の基準値との差分に基づいて前記d軸電流の量を制御するd軸電流指令を生成する弱め磁束電流指令生成部と、
    前記d軸電流指令が負の上限値を超えた値に基づいて前記外部からの目標指令値の制限値を設定する目標指令リミッタあるいは前記q軸電流の量を制御するq軸電流指令の制限値を設定するq軸電流指令リミッタと、
    を備えたモータの制御装置。
  2. 前記外部からの目標指令値あるいは前記q軸電流指令を平滑化するフィルタを備えた請求項1記載のモータの制御装置。
  3. 前記d軸電流指令と前記q軸電流指令を合わせたモータの電流指令ベクトルの大きさが所定の値を超えないように、前記d軸電流指令の大きさに応じて前記q軸電流指令の大きさを制限する電流リミッタを備えた請求項1記載のモータの制御装置。
  4. 前記弱め磁束電流指令生成部の前記第2の所定の基準値は前記第1の所定の基準値を前記モータ駆動部への前記電圧指令のd軸成分を用いて補正したものである請求項1記載のモータの制御装置。
  5. 前記d軸電流指令の上限値をゼロに設定した請求項1に記載のモータの制御装置。
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