特開 2024-66575 制御装置、アクチュエータおよび揺動抑制装置

(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】P2024066575

(43)【公開日】2024-05-16

(54)【発明の名称】制御装置、アクチュエータおよび揺動抑制装置

(51)【国際特許分類】

   H02P 27/08 20060101AFI20240509BHJP

【ＦＩ】

H02P27/08

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022176004

(22)【出願日】2022-11-02

(71)【出願人】

【識別番号】000004204

【氏名又は名称】日本精工株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100109380

【弁理士】

【氏名又は名称】小西 恵

(74)【代理人】

【識別番号】100109036

【弁理士】

【氏名又は名称】永岡 重幸

(72)【発明者】

【氏名】辻 結仁

(72)【発明者】

【氏名】星 譲

【テーマコード（参考）】

5H505

【Ｆターム（参考）】

5H505AA19

5H505BB04

5H505DD03

5H505DD08

5H505EE41

5H505EE49

5H505GG02

5H505GG04

5H505HA07

5H505HB01

5H505JJ03

5H505JJ25

5H505LL01

5H505LL22

5H505LL41

5H505LL58

(57)【要約】

【課題】ｄｕｔｙ－Ｉ特性の非線形要素に対する近似性の向上とメモリ占有の削減を図る。
【解決手段】 制御装置は、インバータの出力電圧を示した電圧指令値を出力する電圧出力部と、上記電圧指令値に、インバータのデッドタイムを補償するデッドタイム補償値を付与し、当該デッドタイム補償値をｔａｎｈ関数およびｌｏｇｉｓｔｉｃ関数の少なくとも一方に基づいた関数で算出する補償部と、を備える。
【選択図】 図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

インバータの出力電圧を示した電圧指令値を出力する電圧出力部と、
前記電圧指令値に、インバータのデッドタイムを補償するデッドタイム補償値を付与し、当該デッドタイム補償値をｔａｎｈ関数およびｌｏｇｉｓｔｉｃ関数の少なくとも一方に基づいた関数で算出する補償部と、
を備えた制御装置。

【請求項2】

請求項１に記載の制御装置と、
前記制御装置で出力電圧が制御されるインバータと、
前記インバータの出力電圧で駆動される駆動器と、
を備えたアクチュエータ。

【請求項3】

車両の姿勢に作用する請求項２に記載のアクチュエータと、
前記制御装置に指示して前記車両の揺動を抑制する上位装置と、
を備えた揺動抑制装置。

【請求項4】

前記車両は鉄道車両である請求項３に記載の揺動抑制装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、制御装置、アクチュエータおよび揺動抑制装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、インバータ回路に対するパルス幅変調（ＰＷＭ）制御によって交流モータを制御するモータ制御装置が知られている。インバータ回路には、交流における正側の電圧・電流を発生させる「上側」のスイッチング素子と、交流における負側の電圧・電流を発生させる「下側」のスイッチング素子とが組み込まれている。「上側」と「下側」とが同時にオン状態になるとショートしてしまうため、交流における正負の切り替わりに際しては、「上側」と「下側」とが両方オフとなる時間(デッドタイム)が設けられる。

【0003】

この結果、モータの各相に流れる相電流におけるゼロクロス近傍では電流波形に歪が生じ、音や振動の原因となる。インバータ回路は、モータ以外の駆動器の駆動にも用いられ、モータ以外の駆動器においてもデッドタイムによる影響が生じる。
このため、デッドタイムによる影響を抑制するためのデッドタイム補償が提案されている。例えば特許文献１には、理想的な矩形波状のデッドタイム補償を実現する提案が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１９－１４６４７９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

デッドタイムによってｄｕｔｙ－Ｉ特性に生じる非線形要素は曲線的に変化する要素であるため矩形波状のデッドタイム補償では十分な補償が得られない。そのため、ａｒｃｔａｎテーブルによってｄｕｔｙ－Ｉ特性の非線形要素を近似したデッドタイム補償が考えられる。

【0006】

しかし、ａｒｃｔａｎテーブルでは非線形要素の近似が不十分であり、メモリ空間の占有も大きい。
そこで、本発明は、ｄｕｔｙ－Ｉ特性の非線形要素に対する近似性の向上とメモリ占有の削減を課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、本発明に係る制御装置の一態様は、インバータの出力電圧を示した電圧指令値を出力する電圧出力部と、上記電圧指令値に、インバータのデッドタイムを補償するデッドタイム補償値を付与し、当該デッドタイム補償値をｔａｎｈ関数およびｌｏｇｉｓｔｉｃ関数の少なくとも一方に基づいた関数で算出する補償部と、を備える。

【0008】

このような制御装置によれば、ｔａｎｈ関数、ｌｏｇｉｓｔｉｃ関数によりｄｕｔｙ－Ｉ特性の非線形要素に対する近似性が向上し、関数によるデッドタイム補償値の算出によりメモリ占有が削減される。
上記課題を解決するために、本発明に係るアクチュエータの一態様は、上記制御装置と、上記制御装置で出力電圧が制御されるインバータと、上記インバータの出力電圧で駆動する駆動器と、を備える。

【0009】

このようなアクチュエータによれば、精度の高いデッドタイム補償により音や振動の発生が抑制される。
上記課題を解決するために、本発明に係る揺動抑制装置の一態様は、車両の姿勢に作用する上記アクチュエータと、上記制御装置に指示して上記車両の揺動を抑制する上位装置と、を備える。

【0010】

このような揺動抑制装置によれば、アクチュエータにおける音や振動の発生が抑制されるので、静かで滑らかな揺動抑制が実現される。
上記揺動抑制装置において、前記車両は鉄道車両であることが望ましい。鉄道車両の動揺防止装置への応用により、鉄道車両における揺動が、静かで滑らかに抑制される。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、ｄｕｔｙ－Ｉ特性の非線形要素に対する近似性の向上とメモリ占有の削減が図られる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の一実施形態を備えた鉄道車両の構成を模式的に示す概略構成図である。

【図2】モータドライバの機能構成の一例を示す機能ブロック図である。

【図3】インバータの基本構造を示す図である

【図4】スイッチ素子の動作を示すシーケンス図である。

【図5】相電流のゼロクロス付近におけるデューティー―電流特性を示す図である。

【図6】電流―デューティー特性を示す図である。

【図7】電流―デューティー特性が分解された線形要素と非線形要素とを示す図である。

【図8】デッドタイム補償部の構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。但し、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするため、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。また、先に説明した図に記載の要素については、後の図の説明において適宜に参照する場合がある。

【0014】

図１は、本発明の一実施形態を備えた鉄道車両の構成を模式的に示す概略構成図である。
鉄道車両１は、客車１１と、台車１２と、動揺防止装置２とを備えている。動揺防止装置２は、本発明の揺動抑制装置の一実施形態に相当する。

【0015】

客車１１は、内部に乗客を乗せ、台車１２は、客車１１を保持して車輪でレール上を走行する。
動揺防止装置２は、台車１２に出力軸２１を介して接続され、モータ２０によって出力軸を駆動する。出力軸２１とモータ２０とを併せたものはメカＡｓｓｙとも称される。

【0016】

動揺防止装置２は、メカＡｓｓｙと、モータドライバ３０と、上位装置３１と、主電源３２と、制御電源３３とを備えている。モータドライバ３０は、本発明の制御装置の一実施形態に相当する。メカＡｓｓｙとモータドライバ３０とを併せたものは、本発明の一実施形態のアクチュエータ２５を構成する。アクチュエータ２５はメカＡｓｓｙの出力軸２１を介して客車１１および台車１２の姿勢に作用する。なお、本実施形態ではモータドライバ３０がインバータを内蔵しているが、本発明の制御装置は内部にインバータを備えずに外部のインバータを制御するものでもよい。

【0017】

モータドライバ３０は、モータ２０に指令電流を流し、上位装置３１はモータドライバ３０に指令を与える。モータ２０は後述するように例えばレゾルバなどの位置検出機構を備えており、モータドライバ３０へ回転角度を伝達する。また、客車１１や台車１２は、図示が省略された加速度センサなどを備えており、上位装置３１へ客車１１や台車１２の姿勢などを伝達する。

【0018】

上位装置３１は、客車１１や台車１２の揺動（即ち短周期の振動や長周期の揺れなど）を抑制するように、モータドライバ３０にモータ２０の出力など指令を与え、モータドライバ３０は、与えられた指令が示す出力などをモータ２０が実現するようにモータ２０に電流を流す。

【0019】

主電源３２は、モータドライバ３０がモータ２０に流す電流を供給し、制御電源３３は、モータドライバ３０の内部で必要な電力を供給する。
モータ２０が出力軸２１を介して台車１２に駆動力を加えることにより、客車１１や台車１２の揺動が抑制されて客車１１の姿勢や台車１２の走行性が安定する。

【0020】

図２は、モータドライバ３０の機能構成の一例を示す機能ブロック図である。
モータドライバ３０は、電流指令値演算部４０と、電圧指令値演算部４５と、第１の２相／３相変換部４６と、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御部４７と、インバータ４８と、３相／２相変換部４９と、デッドタイム補償部４３とを備え、モータ２０をベクトル制御で駆動する。モータ２０は一例として３相モータである。

【0021】

電流指令値演算部４０、電圧指令値演算部４５、第１の２相／３相変換部４６、ＰＷＭ制御部４７、３相／２相変換部４９およびデッドタイム補償部４３の機能は、例えばモータドライバ３０のプロセッサが、記憶装置に格納されたコンピュータプログラムを実行することにより実現される。

【0022】

電流指令値演算部４０は、上位装置３１から指令として与えられる例えば目標トルクＴｈに基づいてモータ２０に流すべきｄｑ２軸の電流それぞれを示した電流指令値Ｉｑ０、Ｉｄ０を算出する。
一方で、モータ２０の各相に流れる電流ｉａ、ｉｂ、ｉｃは、各相に備えられた電流センサ６０、６１、６２で検出され、検出された電流ｉａ、ｉｂ、ｉｃは３相／２相変換部４９でｄｑ２軸の実電流値ｉｄ、ｉｑに変換されてフィードバックされる。

【0023】

レゾルバ６３は、モータ２０のモータ角度（回転角）θを検出し、検出されたモータ角度θは電流指令値演算部４０にフィードバックされてベクトル制御に使用される。レゾルバ６３に替えてモータ回転角センサが用いられてもよい。なお、モータドライバ３０内の要素には、モータ角度θの変化に基づいて算出されたモータ２０の回転角速度ωが、図示の省略されたルートで必要に応じて供給されて適宜に処理や計算に使用される。

【0024】

電圧指令値演算部４５には電流指令値Ｉｑ０、Ｉｄ０が入力され、フィードバックされた実電流値ｉｄ、ｉｑも入力される。電圧指令値演算部４５は、電流指令値Ｉｑ０、Ｉｄ０と実電流値ｉｄ、ｉｑとの差分値が０となるような電圧指令値ｖｑ、ｖｄを算出する。
第１の２相／３相変換部４６は、ｄｑ２軸の電圧指令値ｖｄ、ｖｑを３相の電圧指令値ｖａ、ｖｂ、ｖｃに変換する。３相の電圧指令値ｖａ、ｖｂ、ｖｃは、インバータ４８がモータ２０の各相に出力する出力電圧を示しており、第１の２相／３相変換部４６は、インバータ４８の出力電圧を示した電圧指令値を出力する電圧出力部の一例に相当する。インバータ４８は、モータドライバ３０を構成する要素のうちインバータ４８を除いた他の要素によって出力電圧が制御される。

【0025】

ＰＷＭ制御部４７は、３相の電圧指令値ｖａ、ｖｂ、ｖｃに基づいてＰＷＭ制御されたゲート信号を生成する。インバータ４８は、ＰＷＭ制御部４７で生成されたゲート信号によって駆動され、３相の電圧指令値ｖａ、ｖｂ、ｖｃが示す出力電圧をモータ２０の各相に印加する。モータ２０はインバータ４８の出力電圧で駆動され、その結果、モータ２０には、電流指令値Ｉｑ０、Ｉｄ０の示す電流が供給される。但し、インバータ４８では、ショートを回避するためのデッドタイムが設けられるため、モータ２０に流れる実電流は、電流指令値Ｉｑ０、Ｉｄ０からずれた電流値となる。

【0026】

図３は、インバータ４８の基本構造を示す図であり、図４は、スイッチ素子の動作を示すシーケンス図である。
インバータ４８は、電源ＶｈとグランドＧｎｄとの間に２つのスイッチ素子４０１、４０２が直列に接続され、２つのスイッチ素子４０１、４０２の間にモータＭの巻き線が接続された基本構造を有する。２つのスイッチ素子４０１、４０２のうち、電源Ｖｈ側に位置するスイッチ素子４０１をハイサイドのスイッチ素子４０１と称し、グランドＧｎｄ側に位置するスイッチ素子４０２をローサイドのスイッチ素子４０２と称する。

【0027】

電源Ｖｈ側からモータＭ側に電流ＩＨが流れる場合は、ハイサイドのスイッチ素子４０１がオン、ローサイドのスイッチ素子４０２がオフとなる。また、モータＭ側からグランドＧｎｄ側に電流ＩＬが流れる場合は、ハイサイドのスイッチ素子４０１がオフ、ローサイドのスイッチ素子４０２がオンとなる。

【0028】

２つのスイッチ素子４０１、４０２が同時にオンになると、電源Ｖｈ側とグランドＧｎｄ側とがショートしてしまうので、２つのスイッチ素子４０１、４０２の少なくとも一方はオフになる。また、スイッチ素子４０１、４０２の切り換えタイミングには多少のずれが生じるため、電流ＩＨ、ＩＬの向きが変わる場合には、ショートを確実に避けるためのマージンとして、図４に斜線で示されているように、２つのスイッチ素子４０１、４０２がオフになるデッドタイムが設けられる。

【0029】

図２に示すデッドタイム補償部４３は、インバータ４８のデッドタイムを補償するデッドタイム補償値を３相それぞれについて算出し、３相の電圧指令値ｖａ、ｖｂ、ｖｃに対してデッドタイム補償値を付与する。また、デッドタイム補償部４３はモータ角度θから角速度ωを求めて進角量の算出に使用する。

【0030】

以下、デッドタイム補償の詳細について説明する。
図５～図７は、デッドタイム補償で補償の対象となる、デッドタイムによる相電流の歪を示す図である。

【0031】

図５には、相電流のゼロクロス付近におけるデューティー―電流特性が示されている。図５のグラフの横軸はインバータ４８におけるデューティー比（％）を示し、縦軸は電流を示す。
デューティー比は電圧指令値に相当し、相電流のゼロクロス付近には、デッドタイムによる不感帯が生じている。即ち、デューティー比が「－Ｄ_ｄｔ」から「＋Ｄ_ｄｔ」の領域では相電流がほぼゼロとなっており、Ｄ_ｄｔは不感帯の幅である。

【0032】

図６には、図５のグラフが表すデューティー―電流特性が逆関数化された電流―デューティー特性が示されている。従って、図６のグラフの横軸は電流を示し、縦軸はデューティー比を示す。

【0033】

図７には、図６に示す電流―デューティー特性が分解された線形要素と非線形要素とが示されている。
点線で示された線形要素は、オームの法則に従う要素であり、デューティーと相電流との関係は直線的である。これに対し実線で示された非線形要素ｆ（I）は曲線的で、相電流Ｉのマイナスからプラスへの変化に対し、デューティーは、マイナスの一定値「－Ｄ_ｄｔ」から原点付近で急激かつ曲線的にプラス側に変化してプラスの一定値「＋Ｄ_ｄｔ」となる。この非線形要素ｆ（I）が、デッドタイム補償で補償される成分であり、デッドタイム補償によって非線形要素ｆ（I）が打ち消されると、ゼロクロス付近での電流―デューティー特性が線形となる。

【0034】

非線形要素ｆ（I）は、以下の式（１）あるいは式（２）で近似される。

【数1】

【数2】

【0035】

但し、式（１）および式（２）は、不感帯の幅Ｄ_ｄｔで正規化された非線形要素ｆ（I）を表している。式（１）はｔａｎｈ関数であり、式(２)の第１項はｌｏｇｉｓｔｉｃ関数である。適合係数αが調整されることで式(１)および式（２）は実測の非線形要素ｆ（I）に適合される。ｔａｎｈ関数およびｌｏｇｉｓｔｉｃ関数に基づいた近似は、高い精度で実測の非線形要素ｆ（I）を再現することができるので、高い精度でのデッドタイム補償が実現される。

【0036】

図８は、デッドタイム補償部４３の構成を示す図である。
デッドタイム補償部４３は、進角補償部５１と、第２の２相／３相変換部５２と、補償値算出部５３とを備えている。
進角補償部５１は、角速度ωに基づいて、モータの電気角θEに対する進角量を算出して電気角θEに加算する。

【0037】

第２の２相／３相変換部５２は、ｄｑ２軸の電流指令値Ｉｑ０、Ｉｄ０および進角補償された電気角θEから３相の電流指令値ＩrefＡ、ＩrefＢ、ＩrefＣを算出する。
補償値算出部５３は、例えば上記式（１）を関数として用いた演算を行い、各相の電流指令値ＩrefＡ、ＩrefＢ、ＩrefＣに応じた各相のデッドタイム補償値ｆ（ＩrefＡ）、ｆ（ＩrefＢ）、ｆ（ＩrefＣ）を算出する。補償値算出部５３は、例えば上記式（２）を関数として用いてもよく、上記式（１）および上記式（２）を組み合わせた式を関数として用いてもよい。即ち、補償値算出部５３は、デッドタイム補償値をｔａｎｈ関数およびｌｏｇｉｓｔｉｃ関数の少なくとも一方に基づいた関数で算出する。
ここで算出されたデッドタイム補償値ｆ（ＩrefＡ）、ｆ（ＩrefＢ）、ｆ（ＩrefＣ）は不感帯の幅Ｄ_ｄｔで正規化された値である。このため、補償値算出部５３は、デッドタイム補償値ｆ（ＩrefＡ）、ｆ（ＩrefＢ）、ｆ（ＩrefＣ）に不感帯の幅Ｄ_ｄｔを掛けて各相のデッドタイム補償量ＤＴcompA、ＤＴcompB、ＤＴcompCを算出する。

【0038】

補償値算出部５３では、デッドタイム補償値ｆ（ＩrefＡ）、ｆ（ＩrefＢ）、ｆ（ＩrefＣ）の算出に、上記式（１）および式（２）が関数として用いられるため、ルックアップテーブルが用いられる算出処理に対してメモリ占有の削減が図られる。
補償値算出部５３で算出されたデッドタイム補償量ＤＴcompA、ＤＴcompB、ＤＴcompCは、ＰＷＭ制御部４７に入力される３相の電圧指令値ｖａ、ｖｂ、ｖｃそれぞれに加算される。この結果、デッドタイムによるデューティー―電流特性の歪が高い精度で修正されてモータ２０の音や振動が抑制、アクチュエータ２５の音や振動も抑制される。

【0039】

アクチュエータ２５の音や振動が抑制されることで、動揺防止装置２では、静かで滑らかな揺動抑制が実現される。
なお、上記説明では、鉄道車両における動揺防止装置への応用例が示されているが、本発明の揺動抑制装置は自動車などに応用されてもよく、本発明の制御装置やアクチュエータは、パワーステアリング装置、車両姿勢変更装置、ロボットなどに応用されてもよい。また、本発明の制御装置は、モータ以外のＰＷＭ制御で駆動される駆動器の制御に応用されてもよい。

【符号の説明】

【0040】

１…鉄道車両、１１…客車、１２…台車、２…動揺防止装置、２０…モータ、
２１…出力軸、３０…モータドライバ、４０…電流指令値演算部、
４３…デッドタイム補償部、４５…電圧指令値演算部、４６…第１の２相／３相変換部、４７…ＰＷＭ制御部、４８…インバータ、４９…３相／２相変換部、
５１…進角補償部、５２…第２の２相／３相変換部、５３…補償値算出部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】