(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
このようなベクトル制御では、ACモータの回転子の位相角を、角度センサであるレゾルバ等で検出するが、レゾルバ等で検出される位相角にはレゾルバ回転1次、2次等の誤差角度が生じることがある。このような誤差角度により、位相角に対する適切な電流制御が困難となり、トルク脈動やノイズ発生の原因となる。
【0006】
ここで、三相電流のオフセットをフィードバックしてACモータの電流制御を行ってトルク脈動やノイズ発生を回避する手法では、三相一周回分の電流値をフィードバックする必要があり、高応答な制御を実現することが困難である。
【課題を解決するための手段】
【0007】
実施形態のモータ制御装置は、三相モータに流れる三相電流を検出する電流検出部と、前記三相モータの回転子が回転する位相角を検出する回転検出部と、検出された三相電流を、前記三相モータの回転子の位相角を基準とするdq座標軸上のd軸電流およびq軸電流に変換する検出電流変換部と、前記d軸電流および前記q軸電流を、前記dq座標軸から誤差角度だけ遅れた推定座標軸であるγδ座標軸上のγ軸電流およびδ軸電流のそれぞれに変換する座標軸変換部と、前記γ軸電流および前記δ軸電流を入力パラメータとした前記三相モータにおける見かけ上の誘起電圧である拡張誘起電圧に関するγδ座標軸上の拡張誘起電圧方程式に対する、前記回転検出部からの出力を用いた外乱オブザーバに基づいて、前記位相角の誤差角度を推定する誤差角度推定部と、推定された誤差角度で前記位相角を補正する位相角補正部と、補正後の位相角に基づいて、前記dq座標軸上の指令d軸電圧および指令q軸電圧を、指令三相電圧に変換する電圧変換部と、前記指令三相電圧に基づいて、実際の三相電圧を生成して前記三相モータに印加することにより、前記三相電流を前記三相モータに流す電力変換部と、を備えた。当該構成により、一例として、制御の高応答性を維持しつつ、トルク脈動やノイズ発生を防止することができる。
【0008】
また、実施形態のモータ制御装置において、検出電流変換部は、補正後の位相角を用いて、検出された三相電流を、d軸電流およびq軸電流に変換する。当該構成により、一例として、ベクトル制御の精度を向上させることができる。
【0009】
また、実施形態のモータ制御装置において、外乱オブザーバは、拡張誘起電圧を推定するための微分方程式であり、誤差角度推定部は、外乱オブザーバに基づいて、γδ座標上のγ軸拡張誘起電圧およびδ軸拡張誘起電圧を求め、γ軸拡張誘起電圧およびδ軸拡張誘起電圧から誤差角度を推定する。当該構成により、一例として、制御の高応答性を維持しつつ、トルク脈動やノイズ発生を防止することができる。
【0010】
また、実施形態のモータ制御装置において、外乱オブザーバは、位相角に基づく回転子の角速度をパラメータとする。当該構成により、一例として、制御の高応答性を維持しつつ、トルク脈動やノイズ発生を防止することができる。
【0011】
また、実施形態のモータ制御装置において、外部からの指令トルクに基づいて、dq座標軸上の指令d軸電流および指令q軸電流を算出する電流指令部と、d軸電流と、q軸電流と、指令d軸電流と、指令q軸電流とに基づいて、指令d軸電圧および指令q軸電圧を演算する電圧演算部と、をさらに備えた。
【発明を実施するための形態】
【0013】
実施形態のモータ制御装置100について説明する。
図1は、実施形態のモータ制御装置100の全体構成を示すブロック図である。モータ制御装置100は、ソフトウェアで動作するコンピュータを含んで構成されており、制御対象は三相同期モータ110の三相電流i
u、i
v、i
wであり、制御量は三相同期モータ110に印加する三相電圧v
u、v
v、v
wである。ここで、本実施形態のモータ制御装置100および三相同期モータ110は、一例として、ハイブリッド車両に搭載されるが、これに限定されるものではない。
【0014】
三相同期モータ110は、図略の回転子コアに磁石を埋め込み、固定子コア(不図示)に電機子巻線を巻回して構成した埋込磁石同期モータである。ただし、三相モータであればよく、これに限定されるものではない。モータ制御装置100は、外部から受け取ったトルク指令Req_trqに等しいトルクを三相同期モータ110から出力すべく、制御演算を行って三相電圧v
u、v
v、v
wを制御する。
【0015】
図1に示すように、モータ制御装置100は、2個の電流検出部108a、108bと、回転検出部107と、偏差演算器111と、検出電流変換部112と、座標軸変換部113と、誤差角度推定部114と、回転数演算部115と、電流指令部101と、電圧演算部120と、電圧変換部104と、電力変換部130とを主に備えている。
【0016】
2個の電流検出部108a、108bは、三相同期モータ110の電機子巻線に接続された三相の入力線のうちのV相入力線およびW相入力線にそれぞれ設けられている。電流検出部108a、108bは、例えば周知の変流器や分路抵抗器などを用いて構成することができ、V相電流i
vおよびW相電流i
wを検出して、その検出信号を検出電流変換部112に出力する。なお、検出電流変換部112は、三相電流i
u、i
v、i
wのベクトル和がゼロであることを利用して、三相目のU相電流i
uを演算する。
【0017】
回転検出部107は、三相同期モータ110の回転子が回転する位相角θを検出する角度センサである。本実施形態では、回転検出部107としてレゾルバを用いている。回転検出部107により検出された位相角θは、後述する偏差演算器111で補正され、補正後の位相角が回転数演算部115および電圧変換部104に送出される。
【0018】
検出電流変換部112は、検出した三相電流i
u、i
v、i
wを、後述する補正後の位相角を用いて、dq座標軸上のd軸電流i
dおよびq軸電流i
qに変換する。検出電流変換部112は、位相角θを用いた公知の変換式により、三相電流i
u、i
v、i
wからd軸電流i
dおよびq軸電流i
qを算出して、電圧演算部120に送出する。
【0019】
ここで、d軸電流i
dは、三相同期モータ110の電機子巻線に流れる電流(電機子電流)のd軸成分であり、q軸電流i
qは、上記電機子電流のq軸成分である。また、d軸電圧v
dは、三相同期モータ110の電機子巻線に印加する電圧(電機子電圧)のd軸成分であり、q軸電圧v
qは、上記電機子電圧のq軸成分である。
【0020】
dq座標軸上で、三相同期モータ110の見かけ上の誘起電圧である拡張誘起電圧に関する拡張誘起電圧方程式は、d軸電流i
dおよびq軸電流i
qを入力パラメータとして、次の(1)式で表される。
【0022】
(1)式の拡張誘起電圧方程式を、dq座標系からγδ座標系へ変換すると、(2)式に示すような、γ軸電流i
γおよびδ軸電流i
δを入力パラメータとした拡張誘起電圧方程式となる。
【0024】
ここで、γδ座標軸は、dq座標軸から誤差角度だけ遅れた推定座標軸である。
図2は、dq座標軸とγδ座標軸との関係を示す図である。
図2に示すように、γδ座標軸は、dq座標軸から誤差角度だけ遅れた座標軸となっている。ここで、符号107aは、三相同期モータ110の回転子である。
【0025】
座標軸変換部113は、検出電流変換部112で変換されたdq座標軸上のd軸電流i
dおよびq軸電流i
qを、
図2に示すようなγδ座標軸上のγ軸電流i
γおよびδ軸電流i
δのそれぞれに変換する。
【0026】
ここで、γ軸電流i
γは、三相同期モータ110の電機子巻線に流れる電流(電機子電流)のγ軸成分であり、δ軸電流i
δは、上記電機子電流のδ軸成分である。また、γ軸電圧v
γは、三相同期モータ110の電機子巻線に印加する電圧(電機子電圧)のγ軸成分であり、δ軸電圧v
δは、上記電機子電圧のδ軸成分である。
【0027】
図1に戻り、誤差角度推定部114は、(2)式で示されるγδ座標軸上の拡張誘起電圧方程式に対する外乱オブザーバに基づいて、位相角θの誤差角度を推定する。
【0028】
誤差角度推定部114では、次の(3)式に示す外乱オブザーバが設定されている。
【0030】
この外乱オブザーバは、拡張誘起電圧を推定するための微分方程式であり、回転検出部107からの出力である位相角θに基づく角速度ωをパラメータとして用いている。
【0031】
誤差角度推定部114は、回転検出部107で検出された位相角θから回転子の角速度ωを求める。具体的には、誤差角度推定部114は、2回の検出で求めた位相角θの変化量を経過時間で除算して角速度 ωを算出する。そして、誤差角度推定部114は、γ軸電流i
γ、δ軸電流i
δ、γ軸電圧v
γ、δ軸電圧v
δを逐次入力し、(3)式の外乱オブザーバを公知の数値解析により解法することにより、γδ座標上のγ軸拡張誘起電圧(拡張誘起電圧のγ軸成分)およびδ軸拡張誘起電圧(拡張誘起電圧のδ軸成分)を推定する。そして、誤差角度推定部114は、γ軸拡張誘起電圧およびδ軸拡張誘起電圧から、次の(4)式を用いて誤差角度を推定する。
【0033】
ここで、(1)〜(4)式の導出は、非特許文献“森本茂雄・河本啓助・武田洋次:「推定位置誤差情報を利用したIPMSM の位置・速度センサレス制御」,電学論 D,Vol.122−D,No.5 pp.722−729(2002)”に詳述されている。
【0034】
偏差演算器111は、位相角補正部として機能し、(5)式で示されるように、回転検出部107で検出された位相角θから、誤差角度推定部114で推定された誤差角度を減算することにより、位相角θを補正する。
【0036】
回転数演算部115は、回転検出部107で検出された位相角θから、三相同期モータ110の回転子の回転数を算出し、算出した回転数を、ハイブリッド車両のECUに送出する。
【0037】
電流指令部101は、外部から受け取ったトルク指令Req_trqを指令d軸電流Req_i
dおよび指令q軸電流Req_i
qに変換して、電圧演算部120に指令する。この変換処理は、例えば、最大トルク/電流制御法を用いて行うことができるが、これに限定されない。
【0038】
電圧演算部120は、検出電流変換部112から出力されるd軸電流i
dおよびq軸電流i
q、電流指令部101から出力される指令d軸電流Req_i
dおよび指令q軸電流Req_i
qに基づいて、指令d軸電圧Req_v
dおよび指令q軸電圧Req_v
qを演算し、電圧変換部104に指令する。
【0039】
具体的には、電圧演算部120は、
図1に示すように、二つの偏差演算器102a,102bと2つの比例積分制御器(PI)103a,103bから構成される。偏差演算器102aは、指令d軸電流Req_i
dからd軸電流i
dを減算して偏差e_i
dを算出し、偏差e_i
dを比例積分制御器(PI)103aに受け渡す。比例積分制御器(PI)103aは、偏差e_i
dに対して所定の比例定数を乗算した値と偏差e_i
dを時間積分した値を加算して指令d軸電圧Req_v
dを求め、指令d軸電圧Req_v
dを電圧変換部104に出力する。
【0040】
また、偏差演算器102bは、指令d軸電流Req_i
qからq軸電流i
qを減算して偏差e_i
qを算出し、偏差e_i
qを比例積分制御器(PI)103bに受け渡す。比例積分制御器(PI)103bは、偏差e_i
qに対して所定の比例定数を乗算した値と偏差e_i
qを時間積分した値を加算して指令q軸電圧Req_v
qを求め、指令q軸電圧Req_v
qを電圧変換部104に出力する。
【0041】
電圧変換部104は、補正後の位相角θを用いた公知の変換式により、指令d軸電圧Req_v
dおよび指令q軸電圧Req_v
qを指令三相電圧Req_v
u、Req_v
v、Req_v
wに変換し、電力変換部130に指令する。
【0042】
電力変換部130は、PWM制御部105とインバータ106から構成される。PWM制御部105は、指令三相電圧Req_v
u、Req_v
v、Req_v
wから各相のデューティ比を決定してインバータ106に逐次出力する。インバータ106は、各相のデューティ比に基づき、実際の三相電圧v
u、v
v、v
wを生成して三相同期モータ110の電機子巻線に印加する。これにより、三相同期モータ110の電機子巻線には三相電流i
u、i
v、i
wが流れる。
【0043】
次に、以上のように構成された本実施形態のモータ制御処理について説明する。
図3は、本実施形態のモータ制御処理の手順を示すフローチャートである。なお、
図3では、モータ制御の全体処理の中で、位相角θ、v相電流およびw相電流の検出から、位相角θの補正までの処理について示している。
【0044】
まず、レゾルバ等の回転検出部107は、三相同期モータ110の回転子の位相角θを検出する(ステップS11)。そして、電流検出部108a、108bは、V相入力線およびW相入力線からそれぞれV相電流i
vおよびW相電流i
wを検出し(ステップS12)、各検出信号を検出電流変換部112に出力する。
【0045】
そして、検出電流変換部112は、三相電流i
u、i
v、i
wのベクトル和がゼロであることを利用して、U相電流i
uを算出する(ステップS13)。次に、検出電流変換部112は、三相電流i
u、i
v、i
wをdq座標軸上のd軸電流i
dおよびq軸電流i
qに変換する(ステップS14)。検出電流変換部112は、d軸電流i
dおよびq軸電流i
qを、偏差演算器102a,102bと座標軸変換部113に出力する。
【0046】
座標軸変換部113は、d軸電流i
dおよびq軸電流i
qを受け取り、d軸電流i
dおよびq軸電流i
qをγδ座標軸上のγ軸電流i
γおよびδ軸電流i
δに変換する(ステップS15)。
【0047】
次に、誤差角度推定部114は、上述した(3)式の外乱オブザーバを公知の数値解析の手法により解法して、γ軸拡張誘起電圧の推定値とδ軸拡張誘起電圧の推定値を算出する(ステップS16)。そして、誤差角度推定部114は、γ軸拡張誘起電圧の推定値とδ軸拡張誘起電圧の推定値とを用いて、上述した(4)式から誤差角度を算出する(ステップS17)。
【0048】
次に、偏差演算器111は、上述した(5)式により、回転検出部107で検出された位相角θから、誤差角度推定部114で推定された誤差角度を減算することにより、位相角θを補正する(ステップS18)。補正後の位相角は、回転演算部115と検出電流変換部113と検出電流変換部112と電圧変換部104に出力される。検出電流変換部112では、三相電流i
u、i
v、i
wを、補正後の位相角を用いて、dq座標軸上のd軸電流i
dおよびq軸電流i
qに変換する。電圧変換部104では、補正後の位相角を用いて、指令d軸電圧Req_v
dおよび指令q軸電圧Req_v
qを指令三相電圧Req_v
u、Req_v
v、Req_v
wに変換する。このように、補正後の位相角は、三相固定座標系と二相回転座標系との間の変換に使用される。
【0049】
このように本実施形態では、三相同期モータ110のdq座標軸上の拡張誘起電圧方程式をγδ座標軸に変換した拡張誘起電圧方程式に対する、レゾルバ等の回転検出部107の出力をパラメータに用いた外乱オブザーバを設定し、当該外乱オブザーバにより、拡張誘起電圧を推定して位相角の誤差角度を推定しているので、高応答で位相角θの補正を行うことができる。
【0050】
また、本実施形態では、補正後の位相角を、三相固定座標と二相回転座標との間の変換に利用しているので、ベクトル制御の精度を向上させることができる。このように本実施の形態では、ベクトル制御の精度が向上するため、制御の高応答性を維持しつつ、トルク脈動やノイズ発生を防止することが可能となる。
【0051】
さらに、本実施形態では、拡張誘起電圧を推定して位相角の誤差角度を推定して位相角θの補正を行っているので、レゾルバ等の誤差の影響が少ない角速度を算出することができる。
【0052】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。