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技術 埋込型永久磁石同期電動機の駆動装置

出願人 エルエス産電株式会社
発明者 ユアノ
出願日 2012年7月4日 (8年7ヶ月経過) 出願番号 2012-150429
公開日 2013年1月24日 (8年0ヶ月経過) 公開番号 2013-017383
状態 特許登録済
技術分野 交流電動機の制御一般
主要キーワード 最大許容範囲 電圧制限器 最終出力電圧 形態構成 トルク制御モード 最大許容トルク 駆動制限 駆動点
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図面 (8)

課題

従来のIPMSMの駆動システムは、対象IPMSMのパラメーターが変わる場合、その性能が低下する問題がある。

解決手段

IPMSMの回転子の位置と速度を測定する検出部を含むシステムにおいて、指令トルクを受信してIPMSMを駆動するための本発明の装置は、指令トルクから単位電流当たりの最大トルクを駆動する電流指令を生成して出力する出力部と、出力部が出力した電流指令を修正する修正部と、過変調された電圧情報を修正部に伝達するフィードバック部と、電流指令を制御して、電圧を出力する制御部と、制御部の出力をインバータ部が合成可能な最大電圧に制限する制限部と、制限部の出力から、指令トルクを追従するための3相電圧指令をIPMSMに印加するインバータ部と、を含む。

概要

背景

電圧型インバータで駆動される埋込型永久磁石同期電動機は、速度制御モードトルク制御モードで動作する。

速度制御モードは、エレベータークレーン等の巻状負荷や、ファンポンプ等の可変速度負荷を駆動するためのものであり、トルク制御モードは、電気自動車牽引電動機を駆動するためのものである。

一般に、速度制御モードにおいて、速度制御器の出力は、トルク指令によって与えられるため、埋込型永久磁石同期電動機の速度制御モードは、トルク制御モードを含む。結果的に、速度制御モード及びトルク制御モードは共に、トルク指令から電流指令を求め、電流制御を行うことによって永久磁石同期電動機を制御する。

電圧型インバータは、制限された直流端電圧DCリンク電圧)と制限された電流条件下で電流制御を行ってトルク指令を追従する。しかし、埋込型永久磁石同期電動機の高速駆動が必要な場合には直流端電圧制限と電流制限によってトルク指令を追従し難い問題がある。

図1は、従来の埋込型永久磁石同期電動機駆動システムの構成図であり、トルク指令から磁束電流トルク電流を独立的に制御するベクトル制御を行うインバータで駆動されるシステムを示した。

従来の駆動システムは、インバータ101と、埋込型永久磁石同期電動機(IPMSM:Interior Permanent Magnet Synchronous Machine)102及びIPMSM102の回転子に付着する回転子位置検出器103で構成される。

インバータ101は、指令トルクを入力として、IPMSM102が指令トルクに応じて駆動できる電圧Vas、Vbs、Vcsを出力し、回転子位置検出器103はIPMSM102の回転子位置回転子速度を計算または測定する。

回転子位置検出器103で計算または測定された回転子位置は、座標変換器106、110の座標変換に用いられ、回転子速度は電流指令生成器104に用いられる。

電流指令生成器104は、指令トルクと回転子速度、インバータ部108の直流電源電圧に応じて同期座標系上の電流指令を出力する。IPMSMの場合、電流指令生成器104は、通常、参照表ルックアップテーブル)を用い、参照表は全駆動領域に対して同期座標系上のd、q軸電流指令を出力する。

電流制御器105は、電流指令生成器104から求めた電流指令を制御して、同期座標系上のd、q軸電圧を出力する。

座標変換器106は、回転子位置検出器103から求めた回転子の位置情報を利用して、電流制御器105の出力電圧静止座標系上の電圧に変換する。

電圧制限器107は、電圧制限六角形内接円を用いて、座標変換器106の電圧をインバータ108が合成できる電圧に変換する。電圧制限器107の電圧制限条件は、インバータ部108の直流端電源電圧によって決定され、電圧制限六角形の内接円外部に位置する電圧はそのまま出力できず六角形の内接円上に存在することとなる。

インバータ部108は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)あるいはパワーMOSFET金属酸化膜半導体電系効果トランジスタ)のようなパワー半導体素子を含む電圧型インバータで、指令トルクを追従するための電圧Vas、Vbs、VcsをIPMSM102に印加する。

電流センサー109は、IPMSM102とインバータ部108との間に配置されて、相電流を測定する。電流センサー109で測定された電流は、座標変換器110の座標変換に応じて電流指令生成器104と電流制御器105にフィードバックされる。

IPMSM102の同期座標系上の電圧方程式は下記の通りである。

この時、上付き文字「r」は同期座標系、下付き文字「s」は静止座標系の変数を示し、「ωr」は回転子の角速度、「idsr」、「iqsr」は各々同期座標系上の固定子d、q軸電流、「Vdsr」、「Vqsr´」は同期座標系上の固定子d、q軸電圧、「λdsr」、「λqsr」は同期座標系上の固定子d、q軸回転子磁束、Rs、Lds、Lqsは各々固定子抵抗、d、q軸インダクタンスを示す。

IPMSM102の駆動制限条件は、電圧制限条件と電流制限条件に分かれ、下記のように表現される。

この時、Vs,maxは、インバータ101が構成できる最大電圧の大きさを示し、Is,maxは、IPMSM102の最大または定格電流を示す。

図2は、従来のIPMSMの駆動領域を同期座標系上の電流領域に図示したものである。

Aは、一定トルク曲線で、一定指令トルクに対して同期座標系上のd、q軸電流は無限の組み合わせを有することができる。Bは、式(4)のように表示されるインバータの電流制限条件であり、CとDは式(3)のように表示される回転子速度による電圧制限条件の例である。

IPMSM102の駆動領域中電圧制限条件は回転子速度に応じて可変であるが、回転子速度が増加することによってE方向に電圧制限条件の大きさが低減される。

一定の指令トルクに対してインバータ101で制御可能な同期座標系上のd、q軸電流の大きさは、Bの電流制限条件の内部とCまたはDの電圧制限条件の内部を共に満足させる範囲で決定される。

電圧余裕が十分な場合には、電圧制限条件は制限要件に影響を与えなくなり、単位電流当たりの最大トルクMTPA:Maximum Torque Per Ampere)駆動をする電流指令を追従する方がIPMSM102の効率面で有利である。

例えば、Aの一定トルク指令が与えられて、電圧制限条件がCの場合、指令トルクを追従するための電流指令はFで単位電流当たりの最大トルク駆動点となる。

しかし、回転子速度が増加して電圧制限条件がCからDに移動すると、Fはインバータ101が制御できない電流領域であるため、出力トルクを最大に維持するGに駆動点が動かなければならない。

このような電流指令の移動過程は、IPMSM102のインダクタンスが電流の大きさに応じて飽和となって非線形関係を有する。

従って、IPMSM102の駆動時、IPMSM102の特性を予め測定して少なくとも2つ以上の2次元参照表を作成し、一定トルクと駆動速度、直流端電源電圧により図1の電流指令生成器104が同期座標系上の電流指令を生成するようにする。2次元参照表は、トルク指令と磁束情報を入力として、同期座標系上のd、q軸電流指令を生成する。この時、磁束情報は、直流端電源電圧を回転子速度で除して求める。

図1の電流指令生成器104と座標変換器110のフィードバック電流は、電流制御器105の入力となる。電流制御器105は、比例−積分制御器で、下記の式のように出力電圧を合成する。

座標変換器106は、電流制御器105の同期座標系上の出力電圧を静止座標系上の電圧に下記の式のように変換する。

電圧制限器107は、静止座標計上で六角形に表現される電圧制限条件内接円内に電圧指令が存在するように座標変換器106の電圧を制限して出力し、インバータ部108は、電圧制限器107の出力電圧から下記のような電圧を合成してIPMSM102に電圧を印加する。

電流センサー(109a−109c)は、インバータ部108とIPMSM102との間の相電流を測定する。座標変換器110は、下記の式によって同期座標系上の電流に変換して電流制御器105にフィードバックする。

しかし、図1のIPMSMの駆動システムは、電流指令生成器104が予め測定された参照表を用いるため、対象IPMSMのパラメーターが変わる場合、その性能が低下する問題がある。

また、対象IPMSMのパラメーターが変わらない場合でも、参照表が前駆動領域に対する性能を左右するため、参照表の性能により電動機駆動性能が決定される問題がある。

また、インバータで合成される電圧量制圧制限六角形の内接円に制限するため、インバータの電圧使用率が低下し、これによって出力トルクも低下する問題がある。

概要

従来のIPMSMの駆動システムは、対象IPMSMのパラメーターが変わる場合、その性能が低下する問題がある。IPMSMの回転子の位置と速度を測定する検出部を含むシステムにおいて、指令トルクを受信してIPMSMを駆動するための本発明の装置は、指令トルクから単位電流当たりの最大トルクを駆動する電流指令を生成して出力する出力部と、出力部が出力した電流指令を修正する修正部と、過変調された電圧情報を修正部に伝達するフィードバック部と、電流指令を制御して、電圧を出力する制御部と、制御部の出力をインバータ部が合成可能な最大電圧に制限する制限部と、制限部の出力から、指令トルクを追従するための3相の電圧指令をIPMSMに印加するインバータ部と、を含む。

目的

本発明が解決しようとする技術的課題は、IPMSMの高速駆動において、参照表に対する依存度を減らし、インバータの電圧使用率を増大させて、最大限指令トルクを追従し、また、最大限指令トルクを追従する電流指令を生成して、パラメーター変化に強いIPMSMの駆動装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

埋込型永久磁石同期電動機(IPMSM)の回転子の位置と速度を測定する検出部を含むシステムにおいて、指令トルクを受信して前記IPMSMを駆動するための装置であって、前記指令トルクから単位電流当たりの最大トルクを駆動する電流指令を生成して出力する出力部と、前記出力部が出力した前記電流指令を修正する修正部と、過変調された電圧情報を前記修正部に伝達するフィードバック部と、前記電流指令を制御して、電圧を出力する制御部と、前記制御部の出力をインバータ部が合成可能な最大電圧に制限する第1制限部と、前記第1制限部の出力から、指令トルクを追従するための3相電圧指令を前記IPMSMに印加する前記インバータ部と、を含むことを特徴とする駆動装置

請求項2

前記検出部から受信する回転子の位置情報を利用して、同期座標系である前記制御部の出力を静止座標系上の電圧に変換して前記第1制限部に出力する第1変換部をさらに含む、請求項1に記載の駆動装置。

請求項3

前記インバータ部から前記IPMSMに出力される相電流を測定する電流センサーをさらに含む、請求項1または2に記載の駆動装置。

請求項4

前記電流センサーから受信する静止座標系の相電流を、同期座標系上の電流に変換して前記修正部及び前記制御部に提供する第2変換部をさらに含む、請求項3に記載の駆動装置。

請求項5

前記出力部は、前記指令トルクの大きさを所定の最大値最小値の範囲に制限する第2制限部と、前記第2制限部の出力を、正規化されたトルクで除して、正規化された指令トルクを演算する第1演算部と、前記正規化された指令トルクを利用して、正規化された電流指令を出力する1次元参照表部と、前記正規化された電流指令に、正規化された電流を乗じて、単位電流当たりの最大トルクを駆動する電流指令を出力する第2演算部と、を含む、請求項1乃至4のうちいずれか一項に記載の駆動装置。

請求項6

前記1次元参照表部は、前記正規化された指令トルクに対する前記正規化された電流指令を予め決めて保存する、請求項5に記載の駆動装置。

請求項7

前記1次元参照表部は、正規化された同期座標系上のd、q軸電流指令を出力する、請求項5または6に記載の駆動装置。

請求項8

前記フィードバック部は、前記制御部の出力と、前記インバータ部で合成される電圧間の過変調された電圧をフィードバックする、請求項1乃至7のうちいずれか一項に記載の駆動装置。

請求項9

前記フィードバック部は、過変調された電圧の大きさを積分して、ハイパスフィルタをかけて前記修正部に伝達する、請求項8に記載の駆動装置。

請求項10

前記第1制限部は、電圧制限六角形を利用して前記制御部の出力を制限する、請求項1乃至9のうちいずれか一項に記載の駆動装置。

請求項11

前記修正部は、一定トルクを維持しようとする単位ベクトルを利用して、前記単位電流当たりの最大トルクを駆動する電流指令を修正する処理部と、前記処理部によって修正された電流指令から電流の大きさを制限する第3制限部と、を含む、請求項1乃至10のうちいずれか一項に記載の駆動装置。

請求項12

前記第3制限部は、前記修正された電流指令に対して、前記インバータ部が出力できる電流範囲に制限する、請求項11に記載の駆動装置。

請求項13

前記第3制限部は、前記修正された電流指令に対して、同期座標系上のd軸電流優先権を付与して、前記d軸電流を正格電流の大きさ内で優先的に出力し、q軸電流指令は正格電流からd軸電流の大きさを差し引いた残りを許容範囲選定する、請求項11または12に記載の駆動装置。

技術分野

0001

本発明は、電動機の駆動装置に関し、より詳細には埋込型永久磁石同期電動機定格速度以上の高速運転するときに用いる駆動装置に関するものである。

背景技術

0002

電圧型インバータで駆動される埋込型永久磁石同期電動機は、速度制御モードトルク制御モードで動作する。

0003

速度制御モードは、エレベータークレーン等の巻状負荷や、ファンポンプ等の可変速度負荷を駆動するためのものであり、トルク制御モードは、電気自動車牽引用電動機を駆動するためのものである。

0004

一般に、速度制御モードにおいて、速度制御器の出力は、トルク指令によって与えられるため、埋込型永久磁石同期電動機の速度制御モードは、トルク制御モードを含む。結果的に、速度制御モード及びトルク制御モードは共に、トルク指令から電流指令を求め、電流制御を行うことによって永久磁石同期電動機を制御する。

0005

電圧型インバータは、制限された直流端電圧DCリンク電圧)と制限された電流条件下で電流制御を行ってトルク指令を追従する。しかし、埋込型永久磁石同期電動機の高速駆動が必要な場合には直流端電圧制限と電流制限によってトルク指令を追従し難い問題がある。

0006

図1は、従来の埋込型永久磁石同期電動機駆動システムの構成図であり、トルク指令から磁束電流トルク電流を独立的に制御するベクトル制御を行うインバータで駆動されるシステムを示した。

0007

従来の駆動システムは、インバータ101と、埋込型永久磁石同期電動機(IPMSM:Interior Permanent Magnet Synchronous Machine)102及びIPMSM102の回転子に付着する回転子位置検出器103で構成される。

0008

インバータ101は、指令トルクを入力として、IPMSM102が指令トルクに応じて駆動できる電圧Vas、Vbs、Vcsを出力し、回転子位置検出器103はIPMSM102の回転子位置回転子速度を計算または測定する。

0009

回転子位置検出器103で計算または測定された回転子位置は、座標変換器106、110の座標変換に用いられ、回転子速度は電流指令生成器104に用いられる。

0010

電流指令生成器104は、指令トルクと回転子速度、インバータ部108の直流電源電圧に応じて同期座標系上の電流指令を出力する。IPMSMの場合、電流指令生成器104は、通常、参照表ルックアップテーブル)を用い、参照表は全駆動領域に対して同期座標系上のd、q軸電流指令を出力する。

0011

電流制御器105は、電流指令生成器104から求めた電流指令を制御して、同期座標系上のd、q軸電圧を出力する。

0012

座標変換器106は、回転子位置検出器103から求めた回転子の位置情報を利用して、電流制御器105の出力電圧静止座標系上の電圧に変換する。

0013

電圧制限器107は、電圧制限六角形内接円を用いて、座標変換器106の電圧をインバータ108が合成できる電圧に変換する。電圧制限器107の電圧制限条件は、インバータ部108の直流端電源電圧によって決定され、電圧制限六角形の内接円外部に位置する電圧はそのまま出力できず六角形の内接円上に存在することとなる。

0014

インバータ部108は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)あるいはパワーMOSFET金属酸化膜半導体電系効果トランジスタ)のようなパワー半導体素子を含む電圧型インバータで、指令トルクを追従するための電圧Vas、Vbs、VcsをIPMSM102に印加する。

0015

電流センサー109は、IPMSM102とインバータ部108との間に配置されて、相電流を測定する。電流センサー109で測定された電流は、座標変換器110の座標変換に応じて電流指令生成器104と電流制御器105にフィードバックされる。

0016

IPMSM102の同期座標系上の電圧方程式は下記の通りである。

0017

0018

0019

この時、上付き文字「r」は同期座標系、下付き文字「s」は静止座標系の変数を示し、「ωr」は回転子の角速度、「idsr」、「iqsr」は各々同期座標系上の固定子d、q軸電流、「Vdsr」、「Vqsr´」は同期座標系上の固定子d、q軸電圧、「λdsr」、「λqsr」は同期座標系上の固定子d、q軸回転子磁束、Rs、Lds、Lqsは各々固定子抵抗、d、q軸インダクタンスを示す。

0020

IPMSM102の駆動制限条件は、電圧制限条件と電流制限条件に分かれ、下記のように表現される。

0021

0022

0023

この時、Vs,maxは、インバータ101が構成できる最大電圧の大きさを示し、Is,maxは、IPMSM102の最大または定格電流を示す。

0024

図2は、従来のIPMSMの駆動領域を同期座標系上の電流領域に図示したものである。

0025

Aは、一定トルク曲線で、一定指令トルクに対して同期座標系上のd、q軸電流は無限の組み合わせを有することができる。Bは、式(4)のように表示されるインバータの電流制限条件であり、CとDは式(3)のように表示される回転子速度による電圧制限条件の例である。

0026

IPMSM102の駆動領域中電圧制限条件は回転子速度に応じて可変であるが、回転子速度が増加することによってE方向に電圧制限条件の大きさが低減される。

0027

一定の指令トルクに対してインバータ101で制御可能な同期座標系上のd、q軸電流の大きさは、Bの電流制限条件の内部とCまたはDの電圧制限条件の内部を共に満足させる範囲で決定される。

0028

電圧余裕が十分な場合には、電圧制限条件は制限要件に影響を与えなくなり、単位電流当たりの最大トルクMTPA:Maximum Torque Per Ampere)駆動をする電流指令を追従する方がIPMSM102の効率面で有利である。

0029

例えば、Aの一定トルク指令が与えられて、電圧制限条件がCの場合、指令トルクを追従するための電流指令はFで単位電流当たりの最大トルク駆動点となる。

0030

しかし、回転子速度が増加して電圧制限条件がCからDに移動すると、Fはインバータ101が制御できない電流領域であるため、出力トルクを最大に維持するGに駆動点が動かなければならない。

0031

このような電流指令の移動過程は、IPMSM102のインダクタンスが電流の大きさに応じて飽和となって非線形関係を有する。

0032

従って、IPMSM102の駆動時、IPMSM102の特性を予め測定して少なくとも2つ以上の2次元参照表を作成し、一定トルクと駆動速度、直流端電源電圧により図1の電流指令生成器104が同期座標系上の電流指令を生成するようにする。2次元参照表は、トルク指令と磁束情報を入力として、同期座標系上のd、q軸電流指令を生成する。この時、磁束情報は、直流端電源電圧を回転子速度で除して求める。

0033

図1の電流指令生成器104と座標変換器110のフィードバック電流は、電流制御器105の入力となる。電流制御器105は、比例−積分制御器で、下記の式のように出力電圧を合成する。

0034

0035

0036

座標変換器106は、電流制御器105の同期座標系上の出力電圧を静止座標系上の電圧に下記の式のように変換する。

0037

0038

0039

電圧制限器107は、静止座標計上で六角形に表現される電圧制限条件内接円内に電圧指令が存在するように座標変換器106の電圧を制限して出力し、インバータ部108は、電圧制限器107の出力電圧から下記のような電圧を合成してIPMSM102に電圧を印加する。

0040

0041

0042

0043

電流センサー(109a−109c)は、インバータ部108とIPMSM102との間の相電流を測定する。座標変換器110は、下記の式によって同期座標系上の電流に変換して電流制御器105にフィードバックする。

0044

0045

0046

0047

0048

しかし、図1のIPMSMの駆動システムは、電流指令生成器104が予め測定された参照表を用いるため、対象IPMSMのパラメーターが変わる場合、その性能が低下する問題がある。

0049

また、対象IPMSMのパラメーターが変わらない場合でも、参照表が前駆動領域に対する性能を左右するため、参照表の性能により電動機駆動性能が決定される問題がある。

0050

また、インバータで合成される電圧量制圧制限六角形の内接円に制限するため、インバータの電圧使用率が低下し、これによって出力トルクも低下する問題がある。

発明が解決しようとする課題

0051

本発明が解決しようとする技術的課題は、IPMSMの高速駆動において、参照表に対する依存度を減らし、インバータの電圧使用率を増大させて、最大限指令トルクを追従し、また、最大限指令トルクを追従する電流指令を生成して、パラメーター変化に強いIPMSMの駆動装置を提供することである。

課題を解決するための手段

0052

上記のような技術的課題を解決するために、埋込型永久磁石同期電動機(IPMSM)の回転子の位置と速度を測定する検出部を含むシステムにおいて、指令トルクを受信してIPMSMを駆動するための、本発明の駆動装置は、指令トルクから単位電流当たりの最大トルクを駆動する電流指令を生成して出力する出力部と、出力部が出力した電流指令を修正する修正部と、過変調された電圧情報を修正部に伝達する電圧フィードバック部と、電流指令を制御して、電圧を出力する制御部と、制御部の出力をインバータ部が合成可能な最大電圧に制限する第1制限部、第1制限部の出力から、指令トルクを追従するための3相の電圧指令をIPMSMに印加するインバータ部と、を含む。

0053

本発明の一実施形態において、検出部から受信する回転子の位置情報を利用して、同期座標系である制御部の出力を静止座標系上の電圧に変換して、第1制限部に出力する第1変換部をさらに含むことが好ましい。

0054

本発明の一実施形態において、インバータ部からIPMSMに出力される相電流を各々測定する電流センサーをさらに含むことが好ましい。

0055

本発明の一実施形態において、電流センサーから受信する静止座標系の相電流を、同期座標系上の電流に変換して、修正部及び制御部に提供する第2変換部をさらに含むことが好ましい。

0056

本発明の一実施形態において、出力部は、指令トルクの大きさを所定の最大値最小値の範囲に制限する第2制限部と、第2制限部の出力を、正規化されたトルクで除して、正規化された指令トルクを演算する第1演算部と、正規化された指令トルクを利用して、正規化された電流指令を出力する1次元参照表部と、正規化された電流指令に、正規化された電流を乗じて、単位電流当たりの最大トルクを駆動する電流指令を出力する第2演算部と、を含むことが好ましい。

0057

本発明の一実施形態において、1次元参照表部は、正規化された指令トルクに対する正規化された電流指令を予め決めて保存することが好ましい。

0058

本発明の一実施形態において、1次元参照表部は、正規化された同期座標系上のd、q軸電流指令を出力することが好ましい。

0059

本発明の一実施形態において、フィードバック部は、制御部の出力と、インバータ部で合成される電圧との間の過変調された電圧をフィードバックすることが好ましい。

0060

本発明の一実施形態において、フィードバック部は、過変調された電圧の大きさを積分して、ハイパスフィルタをかけて修正部に伝達することが好ましい。

0061

本発明の一実施形態において、第1制限部は、電圧制限六角形を利用して制御部の出力を制限することが好ましい。

0062

本発明の一実施形態において、修正部は、一定トルクを維持しようとする単位ベクトルを利用して、単位電流当たりの最大トルクを駆動する電流指令を修正する処理部と、処理部によって修正された電流指令から電流の大きさを制限する第3制限部と、を含むことが好ましい。

0063

本発明の一実施形態において、第3制限部は、修正された電流指令に対して、インバータ部が出力できる電流範囲に制限することが好ましい。

0064

本発明の一実施形態において、第3制限部は、修正された電流指令に対して、同期座標系上のd軸電流に優先権を付与して、d軸電流を正格電流の大きさ内で優先的に出力して、q軸電流指令は正格電流からd軸電流の大きさを差し引いた残りを許容範囲選定することが好ましい。

発明の効果

0065

本発明は、既に作成されている参照表に依存せず、電流制御部の出力電圧とインバータで実際に合成される電圧の差を利用して、二つの電圧差を最小に維持するようにして、インバータで合成される電圧の大きさに対して、電圧制限六角形を全部使うため、インバータの直流端電源電圧使用率を増大させて、一定トルクを維持する方向に電流指令を修正するため、IPMSMが高速で駆動される場合にも最大限のトルクを追従するようにする効果がある。

図面の簡単な説明

0066

従来の埋込型永久磁石同期電動機駆動システムの構成図である。
従来のIPMSMの駆動領域を同期座標系上の電流領域で示した図である。
本発明の埋込型永久磁石同期電動機(IPMSM)の駆動装置の一実施形態構成図である。
図3の1次元参照表出力部の一実施形態詳細構成図である。
図3電流指令修正部の一実施形態詳細構成図である。
図5電流指令処理部の一実施形態詳細構成図である。
図7図5の電流指令制限部の一実施形態詳細構成図である。

実施例

0067

本発明は、多様な変更を加えることができ、多様な実施形態を有し、特定の実施形態を図面に例示して詳細に説明する。

0068

しかし、これは本発明を特定の実施形態に限定しようとするものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物乃至代替物を含むものと理解しなければならない。

0069

第1、第2等の序数を含む用語は、多様な構成要素を説明するために用いられるが、構成要素は用語によって限定されることはない。

0070

用語は、一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的にだけ用いられる。例えば、本発明の権利範囲を逸脱しない限り、第2構成要素は第1構成要素に命名でき、同様に第1構成要素も第2構成要素に命名できる。

0071

ある構成要素が他の構成要素に「連結されて」いる、または「接続されて」いると記述する場合には、その他の構成要素に直接的に連結、または接続されていてもよいが、その中間に他の構成要素が存在してもよいことを理解しなければならない。一方、ある構成要素が、他の構成要素に「直接連結されて」いる、または「直接接続されて」いると記述する場合には、その中間に他の構成要素が存在しないことを理解しなければならない。

0072

本願に用いられた用語は、単に特定の実施形態を説明するために用いられたものであって、本発明を限定する意図はない。単数の表現は、文脈上明白に異なることを意味しない限り、複数の表現を含む。

0073

本願において、「含む」または「有する」等の用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定するものであって、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたもの等の存在または付加可能性を予め排除しないものと理解しなければならない。

0074

また、本願に添付された図面は、説明の便宜のために、拡大または縮小して示されたものと理解しなければならない。

0075

本発明について図面を参照して詳細に説明し、図面符号に関係せず同一または対応する構成要素は、同一参照番号を付してこれに関する重複説明は省略する。

0076

図3は、本発明の埋込型永久磁石同期電動機(IPMSM)の駆動装置の一実施形態構成図であり、ベクトル制御を行うインバータで制御されるIPMSMの駆動を説明する図面である。

0077

図面に示したように、本発明の駆動装置は、1次元参照表出力部11、電流指令修正部12、電圧フィードバック部13、電流制御部14、第1座標変換部15、電圧制限部16、インバータ部17、電流センサー18及び第2座標変換部19を含むインバータ10と、回転子位置検出部30を含んで構成される。

0078

インバータ10は、指令トルクを受信して、IPMSM20が指令トルクにより駆動できる電圧であるVas、Vbs、Vcsを出力する。

0079

IPMSM20の回転子には回転子位置検出部30が提供されて、回転子位置と回転子速度を計算または測定する。回転子位置検出部30が測定した回転子位置は、第1座標変換部15と第2座標変換部19の座標変換に用いられ、回転子速度は電流指令修正部12に入力される。

0080

1次元参照表出力部11は、指令トルクから単位電流当たりの最大トルク駆動をする同期座標系上のd、q軸電流指令を生成して出力する。1次元参照表出力部11は指令トルクのみに対して単位電流当たりの最大トルクを出力する同期座標系上の電流指令を生成する。これについては、追って図面を参照してより詳細に説明する。

0081

電流指令修正部12は、1次元参照表出力部11から出力される単位電流当たりの最大トルク駆動を可能にする電流指令からIPMSM20が高速で安定的に動作できるように電流指令を修正する。

0082

電圧フィードバック部13は、電流指令修正部12で利用されるフィードバック電圧を計算する。電圧フィードバック部13は、電流指令修正部12に過変調された電圧情報を伝達するためのものであって、第1座標変換部15と電圧制限部16の出力電圧の差を求める。

0083

電流制御部14は、電流指令修正部12の出力である電流指令を制御して、同期座標系上のd、q軸電圧を出力する。電流制御部14は、例えば、比例積分(PI)制御器であるが、これに限定されることはない。

0084

第1座標変換部15は、回転子位置検出部30から求めた回転子の位置情報を利用して、電流制御部14の出力電圧を静止座標系上の電圧に変換する。

0085

電圧制限部16は、電圧制限六角形を利用して、第1座標変換部15の出力電圧をインバータ部17が合成できる電圧に制限する。電圧制限部16が用いる電圧制限六角形は、インバータ部17が合成できる最大電圧であって、電圧制限六角形によってインバータ部17の電圧使用率は最大となる。

0086

第1座標変換部15の出力電圧が電圧制限部16の電圧制限六角形外部に位置する場合、インバータ部17で合成される電圧は、電圧座標変換部15の電圧がそのまま出力されることなく、電圧制限部16の六角形上に存在することになる。

0087

インバータ部17は、IGBTまたはパワーMOSFETのようなパワー半導体素子を含む電圧型インバータであって、指令トルクを追従するための電圧Vas、Vbs、VcsをIPMSM20に印加する。

0088

電流センサー(18a−18c)は、IPMSM20とインバータ部17との間の相電流を測定する。電流センサー(18a−18c)で測定された電流は、第2座標変換部19の座標変換により電流制御部14及び電流指令修正部12にフィードバックされる。

0089

第2座標変換部19は、電流センサー(18a−18c)が測定した静止座標系上の相電流を同期座標系に変換する。

0090

図1の従来の駆動システムと図3の本発明の駆動装置の駆動における差は、二つに要約される。即ち、電流制御部105、14の入力電流指令の修正と、インバータ部108、17に印加される最終出力電圧合成である。

0091

図1の従来のシステムにおいては、電流指令生成器104のトルク指令とインバータ部108の直流端電源電圧、回転子速度による最小2つ以上の2次元参照表から電流制御器105の指令電流を求めるのに対して、本発明の駆動装置では1次元参照表出力部11の2つの1次元参照表と電流指令修正部12の出力を利用して、電流制御部14が指令電流を計算する。

0092

また、インバータ部108、17に印加される最終出力電圧の場合、従来のシステムは電圧制限六角形の内接円によって最終出力電圧を制限するのに比べて、本発明では電圧制限六角形を、最終出力電圧を制限するのに用いる。従って、本発明の駆動装置で合成される電圧の大きさが従来の図1のシステムのそれと比べて相対的に大きくなって、インバータの電圧使用率が増大し、出力トルクも増加する。

0093

本発明の駆動装置の動作について説明する。

0094

1次元参照表出力部11は、トルク指令から単位電流当たりの最大トルクを出力する同期座標系上のd、q軸電流指令を合成する。単位電流当たりの最大トルクを発生する電流指令は、IPMSM20の特性を予め測定して求めてもよいし、下記の通り求めてもよい。

0095

IPMSM20のトルクに対する式は下記の通りである。

0096

0097

式(16)から単位電流当たりの最大トルクを出力する同期座標系上のd、q軸電流指令を求めるために、下記のようにトルクと電流を正規化することができる。

0098

0099

0100

0101

0102

0103

0104

0105

式(22)及び式(23)の関係から、正規化されたd、q軸電流指令を下記の通り求めることができ、これを利用して単位電流当たりの最大トルクを発生する同期座標系上のd、q軸電流指令を求めることができる。

0106

0107

0108

図4は、図3の1次元参照表出力部の一実施形態の詳細構成図である。

0109

図面に示したように、本発明の駆動装置の1次元参照表出力部11は、第1制限部41、第1演算部42、1次元参照表部43a、43b、第2演算部44a、44bを含む。

0110

第1制限部41は、入力される指令トルクの大きさを所定の最大値と最小値の範囲以内に制限する。

0111

第1演算部42は、第1制限部41の出力を式(17)のように正規化されたトルクで除する機能を担当する。

0112

1次元参照表部43a、43bは、式(24)及び式(25)を利用して予め計算した1次元参照表を保存している。即ち、式(24)及び式(25)は、4次方程式であるため、Tenが与えられると、idn及びiqnが各々4つ決定されるが、そのうち一つのみが使用されることを意味する。つまり、1次元参照表部43a、43bは、予め式(24)及び式(25)のうち一つの解を保存しているものである。

0113

第2演算部(44a、44b)は、式(18)及び式(19)を利用して、1次元参照表部(43a、43b)の出力(idn及びiqn)に式(21)で求めた正規化された電流を乗じて同期座標系上の単位電流当たりの最大トルク駆動を行うd、q軸電流指令(idsr及びiqsr)を求める。

0114

図3の電圧フィードバック部13は、電流制御部14の出力と実際インバータ部17で合成される電圧間の過変調された電圧をフィードバックして電流指令修正部12に出力するが、フィードバック電圧を求める過程は下記の通りである。

0115

まず、過変調された電圧の大きさを式(26)のように求める。この時、インバータ部17で合成される電圧の大きさは、電圧制限六角形に制限される。

0116

0117

この時、式(26)は下記のような関係を有する。

0118

0119

0120

0121

0122

図3の電流指令修正部12に用いられる電圧は、式(26)を積分してハイパスフィルタを用いて下記のように求められる。

0123

0124

図5は、図3の電流指令修正部の一実施形態の詳細構成図である。

0125

図面に示したように、本発明の電流指令修正部12は、電流指令処理部51及び電流指令制限部52を含む。

0126

電流指令処理部51は、単位電流当たりの最大トルクを発生する電流指令から電流指令を修正して、電流指令制限部52は修正された電流指令から電流の大きさを制限する。

0127

本発明で提案する電流指令修正は、指令トルクを最大限追従することを目標とする。式(16)の一定トルク式から一定トルクを維持する電流ベクトルは下記のように求められる。

0128

0129

式(32)から一定トルクを維持しようとする単位ベクトルは下記の通りである。

0130

0131

式(33)で一定トルクを維持しようとする単位ベクトルと、式(26)で求めた電圧の大きさを図3の電流指令修正部12で用いて、単位電流当たりの最大トルクを発生する電流指令から、新しい電流指令は下記のように求められる。

0132

0133

0134

この時、α1とα2は可変利得で、速度とトルクに比例するように下記のように設定する。

0135

0136

0137

ここで、αmod1とαmod2は任意の比例利得で、ωrpmは現在回転子速度、ωrpm,maxは回転子最大速度、Te_refはトルク指令、Te,maxは最大許容トルク指令である。

0138

これについて図面を参照してより詳細に説明する。

0139

図6は、図5の電流指令処理部の一実施形態詳細構成図である。

0140

図面に示したように、本発明の電流指令処理部51は、第3演算部61、第4演算部62a、62b、第5演算部63a、63b及び第6演算部64a、64bを含む。

0141

第3演算部61は、式(31)の演算を行い、第4演算部62a、62bは、式(33)で求めた一定トルクを維持しようとする単位ベクトルを第3演算部61の出力と掛け算を行う。

0142

第5演算部63a、63bは、式(34)と式(35)の可変利得を第4演算部62a、62bの出力に乗じて、第6演算部64a、64bは、図4の第2演算部44a、44bの出力の単位電流当たりの最大トルクを発生させる電流指令を式(34)及び式(35)のように修正する。

0143

図5の電流指令制限部52について説明する。

0144

電流指令処理部51により修正された電流指令は式(4)で示したように、インバータ部17が出力できる電流範囲内に存在しなければならない。

0145

この時、電流指令の制限は、d軸電流に優先権を付与して、d軸電流に修正された同期座標系上のd軸電流を正格電流の大きさ内で優先的に出力し、q軸電流指令は正格電流に対して、d軸電流の大きさを差し引いた残りを許容範囲に選定する。

0146

図7は、図5の電流指令制限部の一実施形態の詳細構成図である。

0147

図面に示したように、本発明の電流指令制限部52は、第2制限部71、第7演算部72、第8演算部73及び第3制限部74を含む。

0148

第2制限部71は、図6の第4演算部64aで出力された修正されたd軸電流が許容可能な電流範囲内に存在するように制限する。第7演算部72は、第2制限部71の出力d軸電流と許容可能な電流から、正のq軸電流最大許容範囲を求める。

0149

第8演算部(73)は、負のq軸電流最大許容範囲を演算し、第3制限部74は、第7及び第8演算部72、73により演算したq軸電流の大きさを制限する。

0150

本発明のIPMSM駆動装置は、既に作成されている参照表に依存せず、電流制御部14の出力電圧とインバータ部17で実際に合成される電圧の差を利用して二つの電圧差を最小に維持する。

0151

この時、インバータ部17で構成される電圧の大きさは、電圧制限六角形を全て用いるため、インバータ部17の直流端電源電圧使用率を増大できる。

0152

また、本発明の駆動装置は、一定トルクを維持する方向に電流指令を修正するため、IPMSM20が高速で駆動される場合にも最大限のトルクを追従することが可能である。

0153

以上から代表的な実施形態をもって本発明について詳細に説明したが、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者は、上述した実施形態に対して本発明の範囲から逸脱しない限り、多様な変形が可能であることを理解しなければならない。従って、本発明の権利範囲は、説明された実施形態に限定してはならず、後述する特許請求の範囲だけでなく、この特許請求範囲と均等物等によって定まるべきである。

0154

10,101インバータ
11 1次元参照表出力部
12電流指令修正部
13電圧フィードバック部
14電流制御部
15、19座標変換部
16電圧制限部
17 インバータ部
18電流センサー
20,102IPMSM
30,103回転子位置検出部
104電流指令生成器
106、110 座標変換器

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