特許 6087802 交流電動機の駆動制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6087802

(24)【登録日】2017年2月10日

(45)【発行日】2017年3月1日

(54)【発明の名称】交流電動機の駆動制御装置

(51)【国際特許分類】

   H02P 21/16 20160101AFI20170220BHJP

【ＦＩ】

   H02P21/16

【請求項の数】1

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2013-265195(P2013-265195)

(22)【出願日】2013年12月24日

(65)【公開番号】特開2015-122867(P2015-122867A)

(43)【公開日】2015年7月2日

【審査請求日】2016年3月10日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】306020818

【氏名又は名称】トヨタテクニカルディベロップメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(72)【発明者】

【氏名】奥松 美宏

(72)【発明者】

【氏名】尹 英杰

【審査官】 マキロイ 寛済

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−１７０２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−８０７７６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｐ ２１／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

直流電圧を、交流電動機を回転駆動するための交流電圧に変換するインバータと、
交流電動機に印加される矩形波電圧の電圧位相をトルク指令値に対応するように制御する矩形波電圧制御部と、を備え、
前記矩形波電圧制御部は、
トルクと電圧位相との関係を単調増加範囲内に制限するための電圧位相上限値を設定する位相ガード部を有し、
前記位相ガード部は、
運転状態にある前記交流電動機の電気角速度ωｅを用いて位相差αを算出し、
トルクと電圧位相との関係を単調増加範囲内に制限するための前記電圧位相上限値を、前記交流電動機の力行状態においてはπ／２−｜α｜に設定し、前記交流電動機の回生状態においてはπ／２＋｜α｜に設定する
ことを特徴とする交流電動機の駆動制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は交流電動機の駆動制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

交流電動機の駆動制御装置が知られている。特許文献１（特開２０００−５０６８９号公報）では、トルクフィードバック制御によって電圧位相を制御している。そして、この電圧位相に従ってモータに矩形電圧を加え、高速回転時のモータ出力向上を実現している。特許文献２（特開２０１０−１４８３３１号公報）では、従来のトルクフィードバック制御に加え、トルク指令値に基づいて変化させるフィードフォワード補正を導入し、トルク追従性能を向上している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０００−５０６８９号公報

【特許文献2】特開２０１０−１４８３３１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

従来の矩形波制御法（例えば特開２０００−５０６８９、特開２０１０一１４８３３１）では、例えば、Ｌｄ＝Ｌｑの場合にモータトルクと電圧位相との関係が理想的な正弦波形関係であると考えていた。これを図１に示す。（なお、この図のグラフは特開２０００−５０６８９号公報の図３に相当する。）
しかしながら、本発明者らは鋭意研究により、矩形波制御におけるトルクと電圧位相との関係は実際には図２のようになるのであり、図１の理想正弦波ではないことを突き止めた。図２にはオフセットおよび位相差が存在する。図１は、図２のある理想条件下の一特例に過ぎない。

【0005】

よって、図１のような理想正弦波を前提にした従来の矩形波制御法には次のような問題があることに本発明者らは気付いた。
（１）トルクフィードバック制御の安定性を保つためには、電圧位相をトルクが単調増加する範囲内（例えば図１中の−９０度〜＋９０度の間）に限定する必要がある。しかし、図１の曲線が正確ではないため、安定範囲を保守的に設定してしまったり、過大に設定してしまったりする可能性がある。実際のところ、従来、制御安定性範囲を設定するにあたっては適合に頼っていた。当然ながら、適合にはかなりの手間が掛かる。

【0006】

（２）図１の波形に基づいてフィードフォワード機能を追加することより、トルク追従性をある程度は向上させることができる。しかしながら、図１の波形は正確ではないので、当然のことながらフィードフォワード計算の計算精度に限度がある。したがって、図１の波形を前提にしたままではフィードフォワード機能を追加したとしてもトルク追従性の向上にはやはり限界がある。

【0007】

（３）図１の波形ではゼ口位相時にゼ口トルクとなっている。しかし、実際には図２が示すように、ゼロ位相時に非ゼロトルクが存在する。この非ゼロトルクの補償が実課題であり、トルクフィードバック制御におけるトルクむらの原因の一つであると考えられる。

【0008】

（４）最大トルクを抑えるための電圧位相上限値を図１の曲線に基づいて設定したとすると、これは正確ではない。結局、適合手法に頼らざるを得ないが、適合基準が無く、手間が掛かる。

【0009】

（５）最大電流を抑えるための電圧位相上限値を設定するにあたっての基準が無いので、適合に頼ることになるが、適合工数が掛かる。

【0010】

そこで、本発明の目的は、正確な知見に基づいた制御を行うことで交流電動機の制御安定性をより向上させることができる交流電動機の駆動制御装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の交流電動機の駆動制御装置は、
直流電圧を、交流電動機を回転駆動するための交流電圧に変換するインバータと、
交流電動機に印加される矩形波電圧の電圧位相をトルク指令値に対応するように制御する矩形波電圧制御部と、を備え、
前記矩形波電圧制御部は、
トルクと電圧位相との関係を単調増加範囲内に制限するための電圧位相上限値φｖ３を設定する位相ガード部を有し、
前記位相ガード部は、
運転状態にある前記交流電動機の電気角速度ωｅを用いて位相差αを算出し、
前記電圧位相上限値φｖ３を、前記交流電動機の力行状態においてはπ／２−｜α｜に設定し、前記交流電動機の回生状態においてはπ／２＋｜α｜に設定する
ことを特徴とする。

【0012】

本発明では、
前記位相差αを次式で算出することが好ましい。
α＝ｔａｎ^−１｛Ｒ／（ωｅ・Ｌｑ）｝

【0013】

本発明では、
前記位相ガード部は、さらに、電流およびトルクがそれぞれの最大値を超えることがないように電圧位相上限値φｖｍａｘを設定する
ことが好ましい。
すなわち、前記位相差αと運転状態にある交流電動機の電気角速度ωｅとを用いた式で最大電流値に対応する電圧位相上限値φｖ２を求める。
さらに、前記位相差αと運転状態にある交流電動機の電気角速度ωｅとを用いた式で最大トルクに対応する電圧位相上限値φｖ１を求める。
そして、φｖ１、φｖ２およびφｖ３のうちの最小値を電圧位相上限値φｖｍａｘとする。

【発明の効果】

【0014】

このような本発明によれば、交流電動機の実際の運転状態に基づく位相差を考慮にいれて電圧位相の上限値を設定するので、制御安定性が向上する。
そして、電圧位相の制御安定性範囲を設定するにあたって位相差αを演算式を用いて導出するので、適合などの工数を削減できる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】モータトルクと電圧位相との関係を理想的な正弦波形で示した図。

【図2】モータトルクと電圧位相との関係を正確な知見に基づいて示した図。

【図3】ｑ軸基準の電圧位相φｖを示す図。

【図4】運転状態（Ｖｈ、ωｅ）が一定の場合、電流ベクトルの大きさと電圧位相の関係を示す図。

【図5】インバータ入力電圧Ｖｈが一定の時の電圧位相特性を示す図。

【図6】本実施形態に係る交流電動機の制御装置を示す機能ブロック図。

【図7】矩形波電圧制御部３００の動作フローを示す図。

【発明を実施するための形態】

【0016】

本発明の実施形態を図示するとともに図中の各要素に符号を参照して説明する。
本実施形態は、本発明者らによって見いだされたいくつかの基本式を用いることで実現されるものである。
そこで、本発明の実施形態を説明するにあたって、本実施形態で使用する基本式の導出過程とそれらの意味をまずは原理的に説明しておく。

【0017】

（基本式の導出）
モータ運転状態を反映した出力トルク特性は、以下に説明するトルク演算式によって把握される。
一般に知られているように、永久磁石型同期電動機におけるｄ軸およびｑ軸上での電圧方程式およびトルク式は、下記で示される。

【0018】

【数1】

【0019】

【数2】

【0020】

Ｒは電機子巻線抵抗を示す。
Ｋｅは永久磁石の電機子逆起電力定数を示す。
ωｅは交流電動機の電気角速度を示している。
Ｌｄ、Ｌｑはインダクタンスである。

【0021】

定常状態では、Ｉｄ、Ｉｑの変化率が小さいため、電流過渡項を無視できる。このため、上記の式は下記式で示される。

【0022】

【数3】

【0023】

さらに、矩形波電圧制御時には、ｄ軸電圧およびｑ軸電圧で示されるモータ印加電圧（線間電圧）の基本波成分が、システム電圧Ｖｈの０．７８倍となる。即ち次の式となる。

【0024】

【数4】

【0025】

φｖはｑ軸基準の電圧位相である（図３参照）。Ｖｈはインバータ入力電圧である。

【0026】

（式３）より、（式４）を利用すると、矩形波制御におけるＩｑ―φｖの関係およびＩｄ―φｖの関係を得られる。モータのＬｄ＝Ｌｑである場合、Ｉｑ、Ｉｄは以下の式で表現できる。

【0027】

【数5】

【0028】

【数6】

【0029】

【数7】

【0030】

Ａ（Ｖｈ、ωｅ）は、正弦波の振幅であり、Ｖｈ、ωｅの関数である。
ｂ_Ｉｑ（ωｅ）は、Ｉｑのオフセットであり、ωｅの関数である。
ｂ_Ｉｄ（ωｅ）は、Ｉｄのオフセットであり、ωｅの関数である。

【0031】

式（５）、式（６）から分かるように、ＩｑおよびＩｄは、φｖと正弦波関係である。ただし、その正弦波の振幅は運転状態（インバータ入力電圧Ｖｈ、電気角速度ωｅ）の変動によって変化する。または、位相差αおよびオフセット項（右辺２項目）が存在し、電気角速度の変動に伴い大きさが変わる。

【0032】

以上により、矩形波電圧の電圧位相φｖと交流電動機の出力トルクＴｅとの間の関係を示すトルク演算式を得られる。

【0033】

【数8】

【0034】

Ｋｔはトルク定数である。

【0035】

（式８）には次の特徴がある。
（１）正弦関数の振幅はインバータ入力電圧Ｖｈおよびモータ電気角速度ωｅにより決められる。
一方、Ｖｈおよびωｅは運転状態により変動するので、この計算の結果である正弦関数振幅は一定ではなく、運転状態により変動する。

【0036】

（２）位相差αが存在する。位相差αの存在により、トルクと電圧位相の単調増加範囲、即ち位相制御範囲が−９０度と＋９０度との間からα分だけずれる。これを図２に示す。すなわち、安定制御の位相範囲は、［−π／２―α］〜［π／２―α］である。

【0037】

（３）（式８）の右辺２項目のオフセット項が存在する。オフセット項の存在により、トルクは電圧位相の符号と一致しない場合があることが分かる。このことは、電圧位相φｖがゼロとしてもモータトルクがゼロとならないことを意味する。

【0038】

一方、交流電動機の制御は動作状態に応じて、正弦波ＰＷＭ制御または過変調ＰＷＭ制御によるＰＷＭ制御モード、および、矩形波電圧制御モードのいずれかが選択的に適用される。矩形波制御は一般的にモータの高速域で利用されるが、（式８）から分かるように、極めて高速回転時には、位相差αとオフセット項とがほぼゼロとなる。

【0039】

モータ回転速度が極めて高いとき、（式８）における抵抗Ｒによる影響を無視できる。そのとき、（式８）は近似的に以下のように表現できる。

【0040】

【数9】

【0041】

（式９）は従来の矩形波制御が用いていた基本式である。その例として、特開２０００−５０６８９号公報、特開２０１０−１４８３３１号公報がある。（式９）から得られるトルク特性を図１に示す。

【0042】

一般的に、矩形波制御の使用範囲は高速域に限定されるが、実際、モータの最高運行速度により、または、中速域に近いほど、（式９）と（式８）との偏差が大きくなる。即ち、（式８）の位相差αの大きさ、オフセット項の大きさが無視できなくなる可能性がある。そのため、（式８）に基づいてフィードバック制御、フィードフォワード制御を行う必要がある。

【0043】

従来の矩形波制御方法において、例えば、特開２０００−５０６８９号公報では、Ｉｄ＝０と仮定して（式９）と同じ表現を得ている。しかし実際のところ、矩形波制御においてＩｄ＝０という状況はほとんどない。逆に、矩形波制御におけるＩｄの値は相当大きくなる可能性がある。それにより、相電流ベクトルの大きさも大きくなる。相電流ベクトルの大きさは以下のように計算できる。

【0044】

【数10】

【0045】

（式５）、（式６）を利用すると、相電流ベクトルの大きさは（Ｖｈ、ωｅ、φｖ）の非線形関数となり、以下のように表現できる。

【0046】

【数11】

【0047】

（式１１）から、例えば電圧位相が一定値であると、相電流ベクトルの大きさは運転状態（インバータ入力電圧Ｖｈ、電気角速度ωｅ）の変動に伴って変わる。または、例えば運転状態（Ｖｈ、ωｅ）が一定の場合、電流ベクトルの大きさと電圧位相の関係は図４のようになる。

【0048】

（式１１）には次の特徴がある。
（１）相電流ベクトルの大きさは電圧位相および運転状態（インバータ入力電圧Ｖｈ、電気角速度ωｅ）の関数である。即ち、一定位相φｖに対して、相電流ベクトルの大きさ｜Ｉ｜はモータ運行状態によって変動する。
（２）相電流ベクトルの最大値Ｉｍａｘに対応する電圧位相φｖは運転状態の変化によって変わる。

【0049】

（式１１）より、相電流ベクトルの最大値Ｉｍａｘに対応する電圧位相を式より計算でき、その上限値φｖ２は以下の非線形関数で表現できる。

【0050】

【数12】

【0051】

（式１２）から、例えばインバータ入力電圧Ｖｈが一定の時に、相電流ベクトルの最大値Ｉｍａｘに対応する電圧位相は電気角速度ωｅの変動により変わることが分かる。
その電圧位相特性を図５に示す。

【0052】

（式１２）には次の特徴がある。
相電流ベクトルの最大値Ｉｍａｘに対応する電圧位相上限値φｖ２は運転状態の変化によって変わるが、マップを使用せずに、（式１２）から計算できる。

【0053】

以上の原理を踏まえて、本実施形態に係る交流電動機（モータ）１００の制御装置２００を図６に示す。また、矩形波電圧制御部３００の動作フローを図７のフローチャートに示したので同時に参照されたい。
本制御装置２００は、矩形波電圧制御部３００と、インバータ４００と、を具備する。

【0054】

矩形波電圧制御部３００は、インバータ４００を介してモータ１００に印加される矩形波電圧の位相を制御する。すなわち、矩形波電圧制御部３００は、矩形波電圧の位相制御によって、モータトルクがトルク指令値に従うようにする。
矩形波電圧制御部３００は、フィードバック制御部３１０と、フィードフォワード制御部３２０と、位相ガード部３３０と、矩形波発生器３４０と、を有する。

【0055】

フィードバック制御部３１０には、トルク指令が入力される（ＳＴ１０１）とともに、トルク検出器１１０よりモータ１００のトルク検出値が入力される（ＳＴ１０３）。フィードバック制御部３１０は、トルク指令値に対するモータ出力トルクの偏差を計算し（３１１、ＳＴ１０４）、補償器３１２においてトルクと電圧位相の非線形化補償を実施した後（ＳＴ１０５）、ＰＩ制御（３１３、ＳＴ１０６）によって位相を制御する。
補償器３１２について説明する。
トルクと電圧位相の関係（式８）は運転状態（インバータ直流側電圧Ｖｈおよび電気角速度ωｅ）に影響される。この正弦波振幅の強い非線形性およびオフセット項により、ＰＩ演算器３１３のゲイン設定は難しくなる。そこで、補償器３１２でトルクを補償することより、運転状態の変動による影響がなくなる。トルク補償した結果、補償後トルクと電圧位相は振幅が１であり、オフセット項がゼロである正弦波関数関係となる。ただし、その正弦波の位相は電圧位相と運行状態による位相差αの合成である。これにより、ＰＩ演算器３１３のゲイン設定が容易になる。

【0056】

フィードバック制御部３１０の精度向上のために、フィードバック制御部３１０にはＦＢ位相計算器３１４が設けられている（ＳＴ１０７）。モータトルクは電圧位相φｖおよび位相差αの和の正弦波関数である（式８）。よって、トルクフィードバック制御から得られる結果は実は電圧位相φｖおよび位相差αの和である。従って、トルクフィードバック制御から得られる電圧位相成分は、トルクフィードバックのＰＩ計算結果から位相差αを引いた分のみになる。
よって、ＦＢ位相計算器３１４では、以下の演算を行う。
φｖｆｂ＝トルクＰＩ制御結果−α
ただし、αは（式７）により計算する。
これにより、トルクフィードバック制御によるモータトルクむら現象が軽減でき、トルク追従性能の向上が期待できる。

【0057】

フィードフォワード制御部３２０は、トルクと位相との関係式（式８）に基づいて、トルク指令値に対応する電圧位相を算出する（ＳＴ１３０）。なお、フィードフォワード制御部３２０には、トルク指令とともに（ＳＴ１０１）、取得されたモータ変数が入力される（ＳＴ１０２）。ここで、フィードフォワード制御に用いるトルク特性（接線）を（式８）に基づいて生成する。これにより、フィードフォワード制御から計算する位相の補償量の精度が向上でき、トルクの応答性の向上が期待できる。

【0058】

フィードバック制御による電圧位相（フィードバック項φｆｂ）と、フィードフォワード制御による電圧位相（フィードフォワード項φｆｆ）と、を加算して（ＳＴ１０８）、矩形波電圧の位相指令に相当する電圧位相φｖを設定する。

【0059】

位相ガード部３３０は、ガード値設定部３３１およびガード処理部３３２を有する。ガード値設定部３３１では電圧位相の上限値を設定する（ＳＴ１１１〜ＳＴ１２０）。電圧位相上限値は、電流およびトルクがそれぞれの最大値を超えることなく（ＳＴ１１１、ＳＴ１１２）、さらに、トルクと電圧位相との関係が単調増加範囲内にあるように設定される（ＳＴ１１３）。

【0060】

ガード値設定部３３１による電圧位相上限値の設定方法を説明する。
相電流ベクトルの最大値を抑制するための電圧位相上限値φｖ２を電流と電圧位相の数学関係式（式１２）により運転状態に基づいて演算する（ＳＴ１１２）。また、トルクの最大値を抑制するための電圧位相をトルクと電圧位相の数学関係式（式８）により運転状態に基づいて演算し、その演算結果の絶対値を電圧位相上限値φｖ１とする（ＳＴ１１１）。さらに、フィードバック制御安定性のために、図３に示すように、位相範囲をトルクと位相の単調増加範囲に限定する（ＳＴ１１３）。これに当たっては、トルクと電圧位相の数学関係式（式８）により運転状態に基づいて演算する。
具体的には、まず、（式７）より電気角速度を用いて位相差αを計算する。そして、（式８）から分かるように、モータの力行状態の位相上限値φｖ３がπ／２−｜α｜、回生状態の位相上限値がπ／２＋｜α｜であるので、安定範囲の位相最大値φｖ３が求まる。演算した各電圧位相上限値（最大電流値対応の電圧位相上限値φｖ２、最大トルク対応の電圧位相上限値φｖ１、位相制御安定範囲の上限値φｖ３）のうちの最小値を求める（ＳＴ１１４〜ＳＴ１２０）。その求めた最小値は電圧位相ガード部の上限値とされる（ＳＴ１２０）。

【0061】

このような電圧位相設定の効果として次のことがある。
以上のように設定した電圧位相ガード部３３０の上限値によれば電流の最大値とトルクの最大値を超えることがなく、さらに、電圧位相ガード部３３０の上限値はトルク−位相関係の単調増加範囲内にあるため、制御安定性を保証することができる。また、以上の電圧位相上限値は数式から算出できるため、適合手法より効率的である。また、電圧位相の計算結果はマップとして記憶できる。また、実状況により適合が必要である場合でも、数式から得る結果に基づいて、適合データの密度を低減することができる。

【0062】

ガード処理部３３２は、電圧位相φｖの絶対値がガード値設定部３３１によって設定された位相上限値φｍａｘを超えないように制限するためのガード処理を実行する（ＳＴ１４１〜ＳＴ１４４）。ガード処理部３３２は、電圧位相φｖの絶対値が位相上限値を超える場合には（ＳＴ１４１：ＹＥＳ）、電圧位相の符号によって、出力電圧位相φｖ＝φｍａｘ、または、φｖ＝−φｍａｘに設定する（ＳＴ１４３）。一方で、位相指令｜φｖ｜＜φｍａｘの場合には（ＳＴ１４１：ＮＯ）、出力電圧位相φｖ＝位相指令φｖに設定する（ＳＴ１４２）。

【0063】

インバータ４００は、このように決定された電圧位相φｖに応じた交流電圧をモータ１００に印加する。

【0064】

以上、説明にしたように、本実施形態によれば、正確な知見に基づいた制御を行うことで交流電動機の制御安定性をより向上させることができる。

【0065】

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
電圧位相の計算結果はマップとして記憶しつつ、実状況に応じて適合を行ってもよい。この場合でも、数式から得る結果に基づいて、適合データの密度を低減することができる。

【符号の説明】

【0066】

１００…モータ、１１０…トルク検出器、２００…制御装置、３００…矩形波電圧制御部、３１０…フィードバック制御部、３１２…補償器、３１３…ＰＩ演算器、３１４…ＦＢ位相計算器、３２０…フィードフォワード制御部、３３０…位相ガード部、３３１…ガード値設定部、３３２…ガード処理部、３４０…矩形波発生器、４００…インバータ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】