(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023161839
(43)【公開日】2023-11-08
(54)【発明の名称】モータ制御装置
(51)【国際特許分類】
H02P 21/14 20160101AFI20231031BHJP
【FI】
H02P21/14
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2022072438
(22)【出願日】2022-04-26
(71)【出願人】
【識別番号】000233273
【氏名又は名称】株式会社 日立パワーデバイス
(74)【代理人】
【識別番号】110000350
【氏名又は名称】ポレール弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】杉野 友啓
(72)【発明者】
【氏名】久保 聖弘
【テーマコード(参考)】
5H505
【Fターム(参考)】
5H505CC01
5H505DD03
5H505DD08
5H505EE41
5H505EE49
5H505GG02
5H505GG04
5H505GG06
5H505GG07
5H505HA01
5H505HA10
5H505HB01
5H505JJ03
5H505JJ24
5H505JJ25
5H505LL14
5H505LL22
5H505LL40
5H505LL41
(57)【要約】
【課題】
本発明は、電気抵抗の同定精度を向上することができるモータ制御装置を提供する。
【解決手段】
このモータ制御装置は、電力変換装置(100)によって駆動されるモータ(200)の電圧指令を生成する電圧指令作成部(5)を有し、モータの抵抗を同定する抵抗値同定部(50)と、抵抗値同定部によって同定されたモータの抵抗値を用いてモータの磁極位置を推定する磁極位置推定部(40)と、を有し、電圧指令作成部は、電力変換装置の主回路における半導体スイッチング素子のオン電圧と、電力変換装置の主回路における還流ダイオードの順電圧降下との内、少なくとも一方に基づいて電圧指令を補正する電圧指令補正部を有し、抵抗値同定部は、電圧指令補正部によって補正された電圧指令に基づいてモータの抵抗を同定する。
【選択図】
図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電力変換装置によって駆動されるモータの電圧指令を生成する電圧指令作成部を有するモータ制御装置において、
前記モータの抵抗を同定する抵抗値同定部と、
前記抵抗値同定部によって同定された前記モータの抵抗値を用いて前記モータの磁極位置を推定する磁極位置推定部と、
を有し、
前記電圧指令作成部は、前記電力変換装置の主回路における半導体スイッチング素子のオン電圧と、前記電力変換装置の前記主回路における還流ダイオードの順電圧降下との内、少なくとも一方に基づいて前記電圧指令を補正する電圧指令補正部を有し、
前記抵抗値同定部は、前記電圧指令補正部によって補正された前記電圧指令に基づいて前記モータの前記抵抗を同定することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項2】
請求項1に記載のモータ制御装置において、
前記電圧指令作成部は、前記抵抗値同定部によって同定された前記モータの前記抵抗値を用いて前記電圧指令を生成することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項3】
請求項1に記載のモータ制御装置において、
前記抵抗値同定部によって同定される前記モータの前記抵抗による電圧降下は、前記オン電圧の2倍以下であることを特徴とするモータ制御装置。
【請求項4】
請求項1に記載のモータ制御装置において、
前記抵抗値同定部によって同定される前記モータの前記抵抗による電圧降下は、前記オン電圧と前記順電圧降下との和以下であることを特徴とするモータ制御装置。
【請求項5】
請求項1に記載のモータ制御装置において、
前記半導体スイッチング素子はIGBTであることを特徴とするモータ制御装置。
【請求項6】
請求項1に記載のモータ制御装置において、
前記抵抗値同定部は、前記電圧指令補正部によって補正された前記電圧指令に応じたモータ電流に基づいて前記モータの前記抵抗を同定することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項7】
請求項1に記載のモータ制御装置において、
前記磁極位置推定部は、前記抵抗値同定部によって同定された前記モータの前記抵抗値を用いて前記モータの速度を推定することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項8】
請求項1に記載のモータ制御装置において、
前記電圧指令補正部は、前記電力変換装置に用いられる前記半導体スイッチング素子の前記オン電圧と、前記電力変換装置に用いられる前記還流ダイオードの順電圧降下とに基づいて前記電圧指令を補正する。
【請求項9】
請求項1に記載のモータ制御装置において、
前記電圧指令補正部は、補正前の前記電圧指令に対して、前記オン電圧×2×(21/2/31/2)を加算することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項10】
請求項1に記載のモータ制御装置において、
前記電圧指令補正部は、補正前の前記電圧指令に対して、(前記オン電圧+前記順電圧降下)×(21/2/31/2)を加算することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項11】
請求項1に記載のモータ制御装置において、
前記電圧指令補正部は、補正前の前記電圧指令に対して、(前記オン電圧+前記順電圧降下)×(21/2/31/2)から(前記オン電圧×2×(21/2/31/2))までの間の電圧を加算することを特徴とするモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、同期モータなどのモータの駆動を制御するモータ制御装置に関する。
【背景技術】
【0002】
モータ制御装置に適用されている位置センサレス・ベクトル制御においては、予めモータ制御装置に設定されるモータ定数に基づいて、モータの回転子の位置が推定されるとともに、電圧指令が生成される。
【0003】
モータ定数の内、電気抵抗は、配線抵抗や巻線温度によって抵抗値が変動する。このため、電気抵抗の実際値を同定して、同定値が、モータ制御装置における電気抵抗の設定値に反映される。
【0004】
モータ定数である電気抵抗を同定する従来技術として、特許文献1に記載される技術が知られている。
【0005】
本従来技術においては、モータを回転させずに、磁極位置を任意の位相に固定する位置決めモードにおいて、d軸電流のみが通流される。このときのd軸電流指令値(Id*)と、電流制御器の出力(Id**)と、電気抵抗の設定値(R*)とに基づいて、電気抵抗の抵抗値が同定される(特許文献1に記載の「数式4」参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
上記従来技術では、モータに電流を流す電力変換回路を構成する半導体素子の順電圧によって、同定値と実際値との間に誤差が生じるという問題がある。
【0008】
そこで、本発明は、電気抵抗の同定精度を向上することができるモータ制御装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記課題を解決するために、本発明によるモータ制御装置は、電力変換装置によって駆動されるモータの電圧指令を生成する電圧指令作成部を有するものであって、モータの抵抗を同定する抵抗値同定部と、抵抗値同定部によって同定されたモータの抵抗値を用いてモータの磁極位置を推定する磁極位置推定部と、を有し、電圧指令作成部は、電力変換装置の主回路における半導体スイッチング素子のオン電圧と、電力変換装置の主回路における還流ダイオードの順電圧降下との内、少なくとも一方に基づいて電圧指令を補正する電圧指令補正部を有し、抵抗値同定部は、電圧指令補正部によって補正された電圧指令に基づいてモータの抵抗を同定する。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、電気抵抗の同定精度が向上する。したがって、モータの制御精度が向上する。
【0011】
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【
図1】一実施例であるモータ駆動装置の構成を示す機能ブロック図である。
【
図2】電力変換装置100の主回路構成を示す回路図である。
【
図3】速度指令ω
*(ωc1
*,ωr
*)、第1d軸電流指令Id
*および第1q軸電流指令
*の時間変化を示す波形図である。
【
図4】第1速度指令ベクトルV1
*および補正量V1onを示す電圧ベクトル図である。
【
図5】半導体スイッチング素子の電流電圧特性の一例を示す静特性図である。
【
図6】還流ダイオードの電流電圧特性の一例を示す静特性図である。
【
図7】任意の2相の巻線、並びに、これら巻線に接続される2相分の主回路部における電流経路を示す回路図である。電流経路にa相上アームおよびb相下アームが含まれる。
【
図8】任意の2相の巻線、並びに、これら巻線に接続される2相分の主回路部における電流経路を示す回路図である。電流経路にa相上アームおよびb相上アームが含まれる。
【
図9】任意の2相の巻線、並びに、これら巻線に接続される2相分の主回路部における電流経路を示す回路図である。電流経路にa相下アームおよびb相下アームが含まれる。
【
図10】第1電圧指令ベクトルV1
*から三相電圧指令を生成する場合における、PWM制御された線間電圧Vabを示す波形図である。
【
図11】第2電圧指令ベクトルV1
**から三相電圧指令を生成する場合における、PWM制御された線間電圧Vabを示す波形図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本発明の実施形態について、下記の実施例により、図面を用いながら説明する。各図において、参照番号が同一のものは、同一の構成要件あるいは類似の機能を備えた構成要件を示している。
【0014】
図1は、本発明の一実施例であるモータ駆動装置の構成を示す機能ブロック図である。
【0015】
本実施例においては、永久磁石同期モータ200(以下、「PMSM」(Permanent Magnet Synchronous Motorの略)200と記す)が、電力変換装置100が出力する三相交流電流によって回転駆動される。電力変換装置100は、PWM制御部10が生成するPWMパルス信号によって駆動される。なお、本実施例において、電力変換装置100を構成する主回路は、三相インバータ回路である。
【0016】
PWM制御部10は、PMSM200に対する三相電圧指令(Vu*,Vv*,Vw*)を変調波とするパルス幅変調によってPWMパルス信号を生成する。三相電圧指令(Vu*,Vv*,Vw*)は、モータ駆動装置が備えるモータ制御装置によって生成される。
【0017】
以下、本実施例におけるモータ制御装置について説明する。本実施例におけるモータ制御装置においては、位置センサレス・ベクトル制御が適用されている。なお、本実施例においては、マイクロコンピュータなどのコンピュータシステムが、所定のプログラムを実行することにより、モータ制御装置として機能する。
【0018】
電流指令切替部31は、d軸電流指令Id*1およびq軸電流指令Iq*1を入力する入力端11S1と、d軸電流指令Id*2およびq軸電流指令Iq*2を入力する入力端11S2と、を備える。電流指令切替部31は、PMSM200の起動時(位置決め時を含む)には、出力を入力端11S1に接続し、d軸電流指令Id*1およびq軸電流指令Iq*1を、それぞれ第1d軸電流指令Id*および第1q軸電流指令Iq*として出力する。また、電流指令切替部31は、PMSM200のセンサレス制御時には、出力を入力端11S2に接続し、d軸電流指令Id*2およびq軸電流指令Iq*2を、それぞれ第1d軸電流指令Id*および第1q軸電流指令Iq*として出力する。
【0019】
電流制御部4は、第1d軸電流指令Id*およびd軸電流検出値Idcに基づいて、Id*とIdcが一致するように、比例積分(PI)制御器によって第2d軸電流指令値Id**を生成する。電流制御部4は、第1q軸電流指令Iq*およびq軸電流検出値Iqcに基づいて、Iq*とIqcが一致するように、比例積分(PI)制御器によって第2q軸電流指令値Iq**を生成する。
【0020】
電圧指令作成部5は、第1電圧指令作成部6と、電圧指令補正部7と、第2電圧指令作成部8とを備えている。
【0021】
第1電圧指令作成部6は、第1d軸電流指令Id*および第1q軸電流指令Iq*、並び後述する速度切替部32が出力するモータ速度(ω1*,ω1c)に基づいて、第1電圧指令ベクトルV1*を生成する。V1*は、第1d軸電圧指令Vdc*および第1q軸電圧指令Vqc*それぞれd軸成分およびq軸成分とする。第1電圧指令作成部6は、電流制御に関わるモータモデルの逆モデルを用いて、Vdc*およびVqc*を演算する。
【0022】
モータモデルの逆モデルは、後述するように、モータ定数を含む電圧方程式によって表される。本実施例においては、モータ定数が、モータ定数設定部12に設定されている。モータ定数設定部12には、モータ定数として、誘起電圧定数(Ke)、モータ巻線の電気抵抗(R)、d軸インダクタンス(Ld)およびq軸インダクタンス(Lq)が設定されている。なお、
図1に示すように、本実施例では、モータ定数設定部12におけるKe,R,LdおよびLqの各設定値を、Ke
*,R
*,Ld
*およびLq
*とする。
【0023】
第2電圧指令作成部8は、電圧指令補正部7によって第2電圧指令作成部8に与えられる補正量V1onに基づいて、第1電圧指令ベクトルV1*を補正することにより、第2電圧指令ベクトルV1**を生成する。
【0024】
本実施例において、第1電圧指令ベクトルV1*の補正量V1onは、後述するように、電力変換装置100を構成する三相インバータ回路におけるアームの順電圧、すなわち、半導体スイッチング素子のオン電圧および還流ダイオードの順電圧降下の少なくとも一方に応じて設定される。このような補正により、モータ制御の精度が向上する。
【0025】
dq/3相変換部9は、回転座標系における第2電圧指令ベクトルV1**に基づいて、後述するような座標変換により、三相電圧指令、すなわちU相電圧指令Vu*、V相電圧指令Vv*およびW相電圧指令Vw*を生成する。
【0026】
上述のようなアームの順電圧に基づく補正量V1onに応じた補正によって、第2電圧指令ベクトルV1**は、第1電圧指令ベクトルV1*に対するアームの順電圧の影響が補償されている。したがって、三相電圧指令Vu*,Vv*,Vw*は、同影響が補償されている。これにより、PMSM200の制御精度が向上する。
【0027】
3相/dq変換部11は、三相電流検出値、すなわちU相電流検出値Iu、V相電流検出値IvおよびW相電流検出値Iwに基づいて、座標変換により、前述のd軸電流検出値Idcおよびq軸電流検出値Iqcを生成する。Iu,Iv,Iwは、相電流検出器20によって検出される。相電流検出器20としては、例えば、ホールCT(Current Transformer)などが適用される。なお、Iu,Iv,Iwの内、任意の二相のみを検出し、残りの相は、三相の電流の和が零になるという関係を用いて、算出してもよい。
【0028】
なお、相電流検出器20に代えて、いわゆる直流母線電流方式(1シャント方式)により、三相電流(Iu,Iv,Iw)を検出してもよい。この場合、1個のシャント抵抗により、直流母線電流を検出し、検出された直流母線電流から、後述するPWM制御部10によって作成されるPWMパルス信号を用いて、三相電流を再現する。
【0029】
dq/3相変換部9および3相/dq変換部11における座標変換においては、速度切替部32が出力する、PMSM200の磁極位置(θc*,θc)が用いられる。
【0030】
速度切替部32は、予め設定されている磁極位置指令θc*および速度指令ω1*を入力する入力端12S1と、磁極位置推定部40が生成する磁極位置推定値θcおよび速度推定値ω1cを入力する入力端12S2と、を備える。速度切替部32は、PMSM200の起動時(位置決め時を含む)には、出力を入力端12S1に接続し、ω1*を電圧指令作成部5へ出力するとともに、θc*を3相/dq変換部11およびdq/3相変換部9に出力する。また、速度切替部32は、PMSM200のセンサレス制御時には、出力を入力端12S2に接続し、ω1cを速度制御部15に出力するとともに、電圧指令作成部5へ出力するとともに、θcを3相/dq変換部11およびdq/3相変換部9に出力する。
【0031】
磁極位置推定部40は、後述するように、モータ定数設定部12におけるモータ定数の設定値、第2電圧指令ベクトルV1**、d軸電流検出値Idcおよびq軸電流検出値Iqcに基づいて軸誤差Δθcを演算する。モータ(本実施例ではPMSM200)とともに回転する回転座標系における座標軸であるd-q座標軸と、モータ制御装置において設定されている回転座標系における座標軸であるdc-qc座標軸との位相ずれである。
【0032】
適正にセンサレス制御が実行されるようにdc-qc座標軸をd-q座標軸に一致させるために軸誤差Δθcが零になるようにPLL制御を行うことによって、速度および磁極位置を推定する技術が知られている。さらに、軸誤差Δθcが、モータ定数、d軸電圧Vdおよびq軸電圧Vd、d軸電流Idおよびq軸電流Iqに基づいて演算する公知技術が知られている。本実施例における磁極位置推定部40は、これらの公知技術を用いて、軸誤差Δθcを演算し、さらに演算した軸誤差Δθcに基づいて磁極位置推定値θcおよび速度推定値ω1cを生成する。
【0033】
速度制御部15は、速度指令ωr*と、磁極位置推定部40によって生成される速度推定値ω1cとに基づいて、ωr*とω1cとが一致するように、比例積分(PI)制御器によって、センサレス制御時における前述のd軸電流指令Id*2およびq軸電流指令Iq*2を生成する。
【0034】
なお、起動時における前述のd軸電流指令Id*1およびq軸電流指令Iq*1は、起動時における前述の速度指令ω1*および磁極位置θc*に応じて設定される。
【0035】
本実施例におけるモータ制御装置は、さらに、抵抗値同定部50と、抵抗設定値変更部51とを備えている。
【0036】
抵抗値同定部50は、PMSM200の起動時における位置決め時に、電流指令切替部31が出力する第1d軸電流指令Id
*と、電流制御部4によって作成される第2d軸電流指令Id
**と、モータ定数設定部12における電気抵抗の設定値R
*とに基づいて、電気抵抗の実際値を同定する。抵抗値同定部50は、後述する演算式(式(13)参照、
図1中にも示す)によって、同定値R’を演算する。
【0037】
抵抗設定値変更部51は、同定値R’を、モータ定数設定部12に、新たな設定値R*として設定する。
【0038】
上述のように、アームの順電圧に基づく補正量Von1に応じた補正によって、第2電圧指令ベクトルV1**は、第1電圧指令ベクトルV1*に対するアームの順電圧の影響が補償されている。したがって、d軸電流検出値Idc、並びに、d軸電流検出値Idcと第1電流指令Id*とに基づいて生成される第2d軸電流指令Id**においても同影響が補償される。したがって、アームの順電圧に起因する同定値R’の実際値に対する誤差が低減される。すなわち、抵抗値同定部50による電気抵抗の実際値の同定精度が向上する。
【0039】
電気抵抗の実際値の同定精度が向上するので、磁極位置推定部40によって演算される軸誤差Δθcの精度、並びに演算された軸誤差Δθcに基づいて磁極位置推定部40によって作成される磁極位置推定値θcおよび速度推定値ω1cの精度が向上する。したがって、センサレスでのPMSM200の制御精度が向上する。
【0040】
図2は、本実施例における電力変換装置100の主回路構成を示す回路図である。
【0041】
電力変換装置100の主回路は、6個のアームを有する3相フルブリッジ回路から構成されている。各アームにおいては、半導体スイッチング素子(
図2ではIGBT)と還流ダイオードとが並列に接続される。
【0042】
図2に示すように、6個のアームは、U相上アームSW
UP、U相下アームSW
UN、V相上アームSW
VP、V相下アームSW
VN、W相上アームSW
WP、W相下アームSW
WNである。
【0043】
各アームにおける半導体スイッチング素子の制御端子(
図2ではIGBTのゲート端子)には、PWM制御部10によって作成されるPWMパルス信号が、制御信号として印加される。
【0044】
電力変換装置100の主回路は、6個のアームにおける各半導体スイッチング素子が、PWMパルス信号によってオン・オフされることにより、直流電源101の直流電圧Edcを三相交流電圧に変換する。
【0045】
各アームにおける半導体スイッチング素子においては、複数の半導体スイッチング素子チップが、並列に、または直並列に、もしくは直並列に接続されていてもよい。また、各アームにおける還流ダイオードにおいては、複数のダイオードチップが、並列に、または直並列に、もしくは直並列に接続されていてもよい。
【0046】
なお、半導体スイッチング素子としては、IGBT(
図2)に限らず、電力用MOSFETが適用されてもよい。この場合、電力用MOSFETのボディダイオードを還流ダイオードとして用いることができる。
【0047】
以下、本実施例におけるモータ制御装置の動作について説明する。
【0048】
図3は、速度指令ω
*(ωc1
*,ωr
*)、第1d軸電流指令Id
*および第1q軸電流指令
*の時間変化を示す波形図である。なお、図中の原点(「0」)において、PMSM200の起動が開始される。
【0049】
期間AおよびBにおいて、速度切替部32(
図1)は、速度指令ω1
*および磁極位置指令θc
*を出力する。また、期間AおよびBにおいて、電流指令切替部31(
図1)は、d軸電流指令Id
*1およびq軸電流指令Iq
*1を出力する。
【0050】
期間Aでは、ω1*=0およびθc*=初期値(例えば、0)として、PMSM200には、d軸電流Id1*のみを流す。これにより、PMSM200の回転子の位置をθc*(初期値)に移動させて、θc*(初期値)において回転子を停止させる。すなわち、期間Aにおいて、モータ制御装置は、PMSM200の回転子磁極の位置決めを実行する。これにより、PMSM200のd-q座標軸と、モータ制御装置におけるdc-qc軸とが一致する。
【0051】
この期間Aにおいて、モータ制御装置は、PMSM200の巻線の電気抵抗の実際値の同定を実行する。
【0052】
なお、本実施例では、期間Aにおいて、d軸電流をランプ状に増やしている。これにより、θc*(初期値)の回りでの、回転子の回転振動が抑制されるので、回転子を、θc*(初期値)において速やかに停止させることがではる。
【0053】
期間Bでは、速度指令ω1*を、0からセンサレス制御が可能な速度値になるまで、徐々に増加させる。このとき、磁極位置指令θc*は、ω1*に応じて、初期値から増大する。期間Bにおいても、PMSM200には、d軸電流のみを流す。
【0054】
期間Bにおいて、モータ制御装置は、オープン・ループ制御にて速度制御を実行する。PMSM200回転子は、徐々に増大するθc*に向かって連続的に移動し、センサレス制御が可能な速度値になるまで徐々に速度を増大させていく。
【0055】
期間Cにおいて、速度切替部32(
図1)は、磁極位置推定値θcおよび速度推定値ω1cを出力する。また、期間Cにおいて、電流指令切替部31(
図1)は、速度制御部15(
図1)によって作成されるd軸電流指令Id
*2およびq軸電流指令Iq
*2を出力する。なお、
図3において、Id
*2=0としている。
【0056】
期間Cにおいて、モータ制御装置は、センサレス制御にて、速度が速度指令ωr*に追従するように速度制御を実行する。
【0057】
電圧指令作成部5(
図1)における第1電圧指令作成部6は、電流制御に関わるモータモデルの逆モデルに基づいて、第1電圧指令ベクトルV1
*(=(Vdc
*,Vqc
*))を生成する。
【0058】
モータモデルの逆モデルは、モータのd軸電流およびq軸電流をそれぞれIdおよびIqとし、モータのd軸電圧およびq軸電圧をそれぞれVdおよびVqとすると、式(1)のような電圧方程式によって表される。
【0059】
【0060】
第1電圧指令作成部6は、式(1)において、VdおよびVqをそれぞれ第1d軸電圧指令Vdc*および第1q軸電圧指令Vqc*とし、IdおよびIqをそれぞれ第二d軸電流指令Id**および第二q軸電流指令Iq**とし、モータ定数(Ke,R,Ld,Lq)を設定値(Ke*,R*,Ld*,Lq*)とした式(2)のような電圧方程式を用いている。式(2)におけるω*は、速度指令(ωc1*,ωr*)である。なお、式(2)は、式(1)における微分項を無視することにより、簡単化されている。
【0061】
【0062】
第2電圧指令作成部8(
図1)は、式(3)に示すように、第1電圧指令ベクトルV1
*と、上述した補正量V1onとの和を演算して、V1
*を補正することにより、第2電圧指令ベクトルV1
**を作成する。なお、式(3)中において、Vdc
**(V1
**のd軸成分)およびVqc
**(V1
**のq軸成分)は、それぞれ第2d軸電圧指令および第2q軸電圧指令である。
【0063】
【0064】
図4は、第1速度指令ベクトルV1
*および補正量V1onを示す電圧ベクトル図である。
【0065】
図4において、α-β座標軸は、静止座標系における座標軸である。θcは、α-β座標軸に対するdc-qc座標軸の位相差すなわち回転角度である。
【0066】
図4におるベクトル間の関係を表す、式(4)~(6)に基づいて、第2電圧指令作成部8(
図1)は、第2電圧指令ベクトルV1
**(=(Vdc
**,Vqc
**))を生成する。
【0067】
【0068】
【0069】
【0070】
なお、式(4)~(6)におけるθv1は、
図4に示すように、第1電圧指令ベクトルV1
*とqc軸との位相差であり、式(7)によって演算される。
【0071】
【0072】
ここで、電力変換装置100の主回路(
図2参照)を構成するアームの順電圧に基づく第1電圧指令ベクトルV1
*の補正量Von1について、
図5~11を用いて説明する。
【0073】
図5は、アームを構成する半導体スイッチング素子(IGBT)の電流電圧特性の一例を示す静特性図である。なお、
図5におけるIcおよびVceは、それぞれ、IGBTのコレクタ電流およびコレクタ・エミッタ間電圧を表す。
【0074】
電力変換装置100の通常動作中、IGBTの順方向に電流が流れるとき、順電圧の大きさは略一定である。そこで、所定の電流Icf(例えば、定格電流)が流れるときの半導体スイッチング素子(IGBT)の電圧降下をオン電圧Vce(sat)として、このVce(sat)がVon1の設定に用いられる。
【0075】
図6は、アームを構成する還流ダイオードの電流電圧特性の一例を示す静特性図である。なお、
図6におけるIaおよびVakは、それぞれ、還流ダイオードのアノード電流およびアノード・カソード間電圧を表す。
【0076】
電力変換装置100の通常動作中、還流ダイオードの順方向に電流が流れるとき、順電圧の大きさは略一定である。そこで、所定の電流Idf(例えば、定格電流)が流れるときの還流ダイオードの電圧降下を順電圧降下Vdfとして、このVdfがVon1の設定に用いられる。
【0077】
図7~9は、3相モータ(本実施例ではPSMS200)の任意の2相(a相、b相)の巻線、並びに、これら巻線に接続される2相分の主回路部における電流経路を示す回路図である。
【0078】
各図において、電流経路は、破線によって示される。また、電流の方向は、破線中の矢印によって示される。したがって、各図において、2相(a相、b相)の巻線に流れる電流の方向は同じである。
【0079】
図7においては、電流経路にa相上アームおよびb相下アームが含まれる。すなわち、a相上アームの半導体スイッチング素子およびb相下アームの半導体スイッチング素子において、順方向に電流が流れる。
【0080】
この場合、
図7中に示すように、a相およびb相間の線間電圧をVabとし、直流電源電圧をEdcとし、半導体スイッチング素子のオン電圧をVce(sat)とすると、Vab=Edc-Vce(sat)×2となる。すなわち、Vabは、Edcにはならず、EdcよりもVce(sat)の2倍分低くなる。
【0081】
図8においては、電流経路にa相上アームおよびb相上アームが含まれる。すなわち、a相上アームの半導体スイッチング素子およびb相上アームの還流ダイオードにおいて、順方向に電流が流れる。
【0082】
この場合、
図8中に示すように、線間電圧をVabとし、半導体スイッチング素子のオン電圧をVce(sat)とし、還流ダイオードの順電圧降下をVdfとすると、Vab=-(Vce(sat)+Vdf)となる。すなわち、Vabは、0にはならず、Vce(sat)とVdfを足し合わせた大きさの負の電圧となる。
【0083】
図9においては、電流経路にa相下アームおよびb相下アームが含まれる。すなわち、a相下アームの還流ダイオードおよびb相下アームの半導体スイッチング素子において、順方向に電流が流れる。
【0084】
この場合、
図9中に示すように、
図8の場合と同様に、Vabは、0にはならず、Vce(sat)とVdfを足し合わせた大きさの負の電圧となる。
【0085】
図10は、第1電圧指令ベクトルV1
*から三相電圧指令を生成する場合における、PWM制御された線間電圧Vabを示す波形図である。
図10におけるVabは、
図7~9と同様に、3相モータの任意の2相(a相、b相)間の線間電圧である。
【0086】
図10には、a相電圧指令Va*およびb相電圧指令Vb*並びにキャリア信号Scの波形図が併記されているとともに、a相上下アーム(SW
aP,SW
aN)およびb相上下アーム(SW
bP,SW
bN)のオン・オフ状態を示すタイムチャートが併記されている。
【0087】
線間電圧Vabは、オン期間、すなわちa相上アームSW
aPおよびb相下アームSW
bNがオンである期間(前述の
図7の場合に相当)において、前述のように、Edc-Vce(sat)×2となる。
【0088】
線間電圧Vabは、オフ期間、すなわちa相上下アーム(SW
aP,SW
aN)がオンである期間(前述の
図8の場合に相当)、並びにb相上下アーム(SW
bP,SW
bN)がオンである期間(前述の
図9の場合に相当)のオンである期間において、前述のように、-(Vce(sat)+Vdf)となる。
【0089】
したがって、オン期間における、Edcに対するVabの誤差(Vab-Edc)は、-Vce(sat)×2となる。また、オフ期間における、0Vに対するVabの誤差(Vab-0)は、-(Vce(sat)+Vdf)となる。
【0090】
これらの誤差は、V1*に対するアームの順電圧に影響を示している。そこで、本実施例では、補正量V1onをこれらの誤差に基づいて設定する。ただし、オン期間とオフ期間とでは、誤差の大きさが異なるため、本実施例では、キャリア信号Scの半周期(Tc/2)において平均化した誤差に基づいて補正量V1onを設定する。
【0091】
Vabのデューティをd(=Ton/(Tc/2))とすると、平均化されたオン期間における誤差は、-Vce(sat)×2×dとなり、平均化されたオフ期間における誤差は、--(Vce(sat)+Vdf)×(1-d)となる。これら平均化された誤差を足し合わせたVabの平均電圧誤差に基づく式(8)によりV1onが設定される。なお、式(8)中では、オン電圧Vce(sat)をVceと略記されている。
【0092】
【0093】
なお、式(8)では、実効値からピーク値への変換、および線間電圧から相電圧への変換のために、「21/2/31/2」が係数として乗算されている。
【0094】
電圧指令補正部7(
図1)は、式(8)に基づいて、次の(1)~(4)のいずれかの手段によって、V1onを設定する。
【0095】
(1)PWM周期(TcもしくはTc/2)毎に設定されるデューティdに対して、式(8)によりV1onを演算する。
【0096】
(2)デューティ100%(d=1)とみなして、V1on=k・(-2×Vce(sat))とする。なお。k=21/2/31/2である(以下、同様)。
【0097】
(3)デューティ0%(d=0)とみなして、V1on=k・(-(Vce(sat)+Vdf))とする。
【0098】
(4)モータ電流値に応じたデューティ値に対して、式(8)によりV1onを演算する。
【0099】
手段(1)および(4)では、V1*の補正の精度が向上する。また、手段(2)および(3)では、モータ制御装置の演算負荷を増大させずに、V1*を補正することができる。
【0100】
図11は、V1onに応じて補正された第1電圧指令ベクトルV1
*、すなわち第2電圧指令ベクトルV1
**から三相電圧指令を生成する場合における、PWM制御された線間電圧Vabを示す波形図である。
図11におけるVabは、
図10と同様に、3相モータの任意の2相(a相、b相)間の線間電圧である。
【0101】
図11には、
図10と同様に、a相電圧指令Va
*およびb相電圧指令Vb
*並びにキャリア信号Scの波形図が併記されているとともに、a相上下アーム(SW
aP,SW
aN)およびb相上下アーム(SW
bP,SW
bN)のオン・オフ状態を示すタイムチャートが併記されている。さらに、
図11には、補正されたa相電圧指令Va
**およびb相電圧指令Vb
**の波形図が併記されている。
【0102】
図11に示すように、V1
**によるVabのオン期間(Ton’)は、V1
*によるVab(点線)のオン期間(Ton)よりも大きくなる。これにより、モータ電流に対するアームの順電圧の影響が低減される。
【0103】
dq/3相変換部9(
図1)は、式(9)および式(10)に基づいて、第2電圧指令ベクトルV1
**、すなわち第2d軸電圧指令Vdc
**および第2q軸電圧指令Vqc
**
を三相電圧指令Vu
*,Vv
*,Vw
*に変換する。式(9)中のθcは、磁極位置推定部40(
図1)によって作成される磁極位置推定値である。
【0104】
【0105】
【0106】
まず、dq/3相変換部9は、式(9)に基づき、Vdc**およびVqc**を、静止座標系における二相電圧VαおよびVβに変換する。次に、dq/3相変換部9は、式(10)に基づき、VαおよびVβを、Vu*,Vv*,Vw*に変換する。
【0107】
これらVu
*,Vv
*,Vw
*を変調波とするPWM制御により、V1onによるV1*の補正が、
図11に示すような線間電圧VabのTonすなわちパルス幅に反映される。
【0108】
磁極位置推定部40(
図1)は、式(11)に基づき、軸誤差Δθdcを演算する。なお、式(11)の導出方法は公知である。
【0109】
【0110】
上述の式(2)に基づけば、式(11)の右辺における逆正接関数の変数を示す分数式の分母は、誘起電圧(ω
*Ke
*)に相当する。このため、
図3に示したように、期間Bにおいて回転子速度が、センサレス制御が可能な速度値に達したら、期間Cにおけるセンサレス制御に移行する。
【0111】
式(11)は、モータ定数設定部12(
図1)に設定される巻線の電気抵抗の設定値R
*を含んでいる。したがって、電気抵抗の実際値を同定して、設定値R
*を同定値R’に変更することにより、軸誤差の演算精度が向上する。
【0112】
なお、式(11)は、近似して用いてもよい。たとえば、軸誤差が0に近い場合、式(11)中の分数式が、近似的に軸誤差に等しくなる。
【0113】
抵抗値同定部50(
図1)は、上述のように、PMSM200の起動時における位置決め時(
図3(期間A)参照)に、PMSM200の巻線の電気抵抗の実際値の同定を実行する。
【0114】
位置決め時において、回転子速度は0であり、モータ巻線には予め設定されたd軸電流のみを流す。したがって、式(1)において、IdおよびIqは、それぞれId*(=Id1*)および0であり、ωLq,ωLd,ωKeは0である。また、式(2)においては、Iq**は0であり、ω*Lq*,ω*Ld*,ω*Ke*は0である。
【0115】
位置決め時において、PMSM200のd-q座標軸と、モータ制御装置におけるdc-qc座標軸が一致する。したがって、式(1)におけるVdおよびVqは、それぞれ、式(2)におけるVdc*およびVqc*と等しくなる。
【0116】
式(2)と同様に式(1)における微分項(sLd,sLq)を無視した上で、位置決め時において、式(1)および式(2)を適用することにより、式(12)に示すような、R(実際値),R*(設定値),Id**,Id*の間の関係が導出される。
【0117】
【0118】
したがって、電気抵抗の実際値を同定したときの同定値R’は式(13)によって表される。すなわち、位置決め時においては、モータ制御装置の内部パラメータであるR*,Id**,Id*によって、電気抵抗の実際値を同定できる。
【0119】
【0120】
抵抗値同定部50(
図1)は、PMSM200を起動するたびに、回転子磁極の位置決め時に式(13)に基づいてPMSM200の巻線の電気抵抗の実際値を同定する。
【0121】
上述したように、V1onによるV1*の補正は、モータ電流に反映される。したがって、比較的簡単な式(13)を用いながらも、電気抵抗の実際値の同定精度が向上する。これにより、軸誤差の推定精度が向上する。
【0122】
また、本実施例によれば、モータの高効率化のために巻線の抵抗が低減される場合においても、電気抵抗の実際値を精度よく同定することができる。特に、上述した
図7~9に示す電流経路において巻線抵抗による電圧降下よりもアームの順電圧の方が支配的になる場合に、本実施例による抵抗同定手段は有効となる。すなわち、モータ巻線による電圧降下≦オン電圧Vce(sat)×2となる場合、モータ巻線による電圧降下≦オン電圧Vce+順電圧降下Vdfとなる場合、本実施例による抵抗同定手段は有効である
上述のように、本実施例によれば、モータ巻線の実際値の同定精度が向上する。したがって、位置センサレス制御の精度が向上する。
【0123】
なお、本発明は前述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前述した各実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施例の構成の一部について、削除、置き換え、他の構成の追加をすることが可能である。
【0124】
例えば、制御対象の交流モータは、PMSMに限らず、巻線界磁型同期電動機などでもよい。
【0125】
また、PMSMは、埋込磁石型および表面磁石型のいずれでもよいし、外転型および内転型のいずれでもよい。
【0126】
また、上記実施例によるモータ制御装置は、交流モータと、交流モータを駆動する電力変換装置と、電力変換装置を制御する制御装置を備える各種のモータ駆動システムにおいて、この制御装置として適用できる。
【符号の説明】
【0127】
4…電流制御部、5…電圧指令作成部、6…第1電圧指令作成部、7…電圧指令補正部、8…第2電圧指令作成部、9…dq/3相変換部、10…PWM制御部、11…3相/dq変換部、12…モータ定数設定部、15…速度制御部、20…相電流検出器、31…電流指令切替部、32…速度切替部、40…磁極位置推定部、50…抵抗値同定部、51…抵抗設定値変更部、100…電力変換装置、101…直流電源、200…PMSM