(57)【要約】【課題】ロバスト性が高く、ベクトル制御の利点を生かすことができ、欠相時に正常時と同じ制御ループで安定したトルクを確保することができるモータ制御装置を提供することである。【解決手段】星形結線の中性点を接地する中性線３と、相電流検出手段４で検出される各相の電流を、磁極検出手段５で検出される電気角θをパラメータとして、ｄ軸電流、ｑ軸電流および０軸電流の直交座標系に変換するｄｑ０変換手段８と、各相のいずれかに電流が流れない欠相が生じたときは、欠相の電流を零とする０軸電流の目標値を算出し、欠相がないときは０軸電流の目標値を零として算出する０軸電流算出手段７とを設け、ｄ軸電流およびｑ軸電流の目標値、並びに０軸電流算出手段７で算出される０軸電流の目標値と、ｄｑ０変換手段８で変換されるｄ軸電流、ｑ軸電流および０軸電流とに基づいて、モータ１の各相に流す電流を制御するようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
星形結線された３相以上の巻線を有するモータの各相に電圧を印加して交流電流を流すインバータと、
前記モータの各相に流れる電流を検出する相電流検出手段と、
前記モータの磁極回転位置を検出する磁極検出手段とを備え、
目標トルクに相当するｑ軸電流およびｄ軸電流の目標値と、前記相電流検出手段で検出される各相の電流および前記磁極検出手段で検出される磁極回転位置とに基づいて、前記モータの各相に流す電流を制御するモータ制御装置において、
前記星形結線の中性点を接地する中性線と、
前記相電流検出手段で検出される各相の電流を、前記磁極検出手段で検出される磁極回転位置をパラメータとして、ｄ軸電流、ｑ軸電流および０軸電流の直交座標系に変換するｄｑ０変換手段と、
前記モータの各相のいずれかに電流が流れない欠相が生じたときは、前記欠相の電流を零とする前記０軸電流の目標値を算出し、前記欠相がないときは前記０軸電流の目標値を零として算出する０軸電流算出手段とを設け、
前記ｄ軸電流およびｑ軸電流の目標値、並びに前記０軸電流算出手段で算出される０軸電流の目標値と、前記ｄｑ０変換手段で変換されるｄ軸電流、ｑ軸電流および０軸電流とに基づいて、前記モータの各相に流す電流を制御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、モータの制御装置に関し、特に、３相以上の多相モータのいずれかの相に電流が流れない欠相の異常が発生しても、良好に運転を継続できるモータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ステータの複数相の巻線をインバータに接続した交流モータはブラシレスモータと呼ばれ、ブラシモータに較べてコンパクトで消費電力が少なく、寿命も長いことから、幅広く用いられている。このブラシレスモータには星形結線した３相以上の巻線を有する多相モータが多く用いられており、直流電源に接続されるインバータを目標トルクに応じて制御し、各相の巻線に交流電流を流すようにしている。
【０００３】
この種の多相モータで航空機用等の高い信頼性が求められる用途に使用されるものは、モータやインバータ内の断線等によって、いずれかの相に電流が流れない欠相の異常が発生しても、運転を継続可能とすることが要求されている。このような要求に対して、複数相の１相が欠相しても、モータの運転を継続可能とするモータ制御装置が提案されている（例えば、特許文献１〜４参照）。
【０００４】
特許文献１に記載されたものは、ステータ中性点とインバータの直流入力端の正極および負極との間にそれぞれ設けたスイッチング素子と、各巻線の電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段からの信号に基づいて欠相検出を行う欠相検出手段と、各相の欠相に対応して上記スイッチング素子およびインバータ内の各スイッチング素子のスイッチングパターンを記憶するスイッチングパターン記憶手段とを備え、欠相が検出されたときに、欠相した相に対応したスイッチングパターンを取り出して、各スイッチング素子のスイッチングを制御するようにしている。
【０００５】
特許文献２に記載されたものは、電源の中性点と星形結線の中性点を接続する中性線と、各相における巻線の故障を検出する故障検出手段と、故障検出手段の出力に基づいて相毎に故障の有無を判別する故障相判別手段とを備え、故障相判別手段で故障なしと判別された各相の電流をＸ軸およびＹ軸直交成分に分解して合成した合成電流の電流ベクトルの軌跡が略円となるように、各相の電流の位相を変化させるように制御している。
【０００６】
特許文献３に記載されたものは、トルクの目標値に相当する目標ｑ軸電流、各相の検出電流およびモータ回転角度に応じて多相電圧指令を決定する電流制御手段に、欠相のない正常時に使用する正常時電流制御手段と、欠相のある異常時に使用する異常時電流制御手段とを設け、これらのいずれかを切り替え手段によって選択し、電流制御手段からの多相電圧指令をＰＷＭ変調してインバータのスイッチング素子を駆動し、インバータから各相に電流を流すようにしている。異常時電流制御手段は、欠相以外の正常な各相の目標電流の和が零となる平衡条件を満たすように、目標ｑ軸電流とモータ回転角度に応じて各相の目標電流を多相目標電流として出力する目標相電流整形手段と、多相目標電流をモータ回転角度に応じて二相変換し、整形ｄ軸目標電流と整形ｑ軸目標電流を発生する二相変換手段と、整形ｄ軸目標電流、整形ｑ軸目標電流、各相の検出電流およびモータ回転角度に基づいてｄｑ制御を実行し、多相電圧指令を発生するｄｑ制御手段とを備え、目標相電流整形手段によって、各相の目標電流を個別に指定し、整形ｄ軸目標電流、整形ｑ軸目標電流を、ｄ軸電流、ｑ軸電流の目標信号とするｄｑ制御を実行するようにしている。
【０００７】
特許文献４に記載されたものは、星形結線した３相の巻線の中性点を中性点駆動回路に接続するとともに、各相の巻線と直列に相異常時にオフ制御されるスイッチング手段を設けている。各相の巻線が接続されるモータ駆動回路のモータ制御装置は、正常な３相の巻線の誘起電圧波形をｄｑ変換する正常時制御マップと、欠相時に残った２相の巻線の誘起電圧波形をｄｑ変換する異常時制御マップとを備え、正常時に正常時制御マップを選択し、異常時に異常時制御マップを選択して、ｄｑ制御を行うようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平６−２８０５８７号公報
【特許文献２】特開２０１２−２２２８８１号公報
【特許文献３】特再ＷＯ２００５／０９１４８８号公報
【特許文献４】特開２００７−９９０６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に記載されたものは、ステータ中性点とインバータの直流入力端の正極および負極との間にスイッチング素子を設けて、欠相状態に応じてこれらのスイッチング素子とインバータ内の各スイッチング素子のスイッチングパターンを変更する必要があるので、スイッチング素子の切替に時間を要するとともに、制御が複雑になる問題がある。
【００１０】
特許文献２に記載されたものは、中性線を設けて、残った正常な相の電流の位相を変化させ、これらの各相に流す電流を増幅することにより、欠相によるトルク低下を補償することができるが、各相の電流を個別に制御するので、ベクトル制御の利点が得られない。モータ制御で広く用いられるｄｑ変換によるベクトル制御は、マグネットトルクを発生させるｑ軸に対して効率的に通電可能なこと、ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータでリラクタンストルクが発生するｄ軸に容易に通電可能なこと、ｄ軸電流による弱め磁束制御（弱め界磁制御ともいう）を行うことが可能なこと等の利点を有する。
【００１１】
特許文献３、４に記載されたものは、ｄｑ変換によるベクトル制御の利点を生かすことができるが、いずれも正常時と異常時とで電流制御手段や制御マップを切り替える必要があるので、制御が煩雑になる問題がある。また、使用頻度の少ない異常時の電流制御手段や制御マップにバグが発生しやすい恐れもある。さらに、特許文献３に記載されたものは、中性線がなく、残った相のみの電流を制御することになるので、この制御の制約によって発生トルクに零点が生じる等、欠相時に安定したトルクを確保できない問題もある。
【００１２】
また、特許文献４に記載されたものは、中性線があるので発生トルクに零点が生じることはないが、ｄ軸電流とｑ軸電流のみをフィードバック制御しているので、以下の各要因によって、欠相の電流を確実に零とするような適正な制御出力が得られない問題がある。(1)モータは回転に伴って誘起電圧が発生し、この誘起電圧による電圧変動によってモータドライブシステムのゲインが変化し、同じｄｑ軸電圧を指令しても制御特性が変わる。(2)モータ各相の特性を完全に一致させることは不可能であり、各相のインピーダンス等に差を生じるので、どの相が欠相したかによって、適正なｄｑ軸電圧の指令値が変わる。(3)制御回路のデッドタイムの影響で制御の不感帯が生じ、ｄｑ軸指令電圧に対する実際の電圧波形にひずみを生じる。このようなモータ特有の外乱要因によって適正な制御出力が阻害されるので、ロバスト性の低いものとなる。なお、適正な制御出力を得るためには、これらの外乱要因を盛り込んだｄｑ軸指令電圧のテーブルを作成すればよいが、このようなテーブルは膨大なものとなり、実用的ではない。
【００１３】
そこで、本発明の課題は、ロバスト性が高く、ベクトル制御の利点を生かすことができ、欠相時に正常時と同じ制御ループで安定したトルクを確保することができるモータ制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決するために、本発明は、星形結線された３相以上の巻線を有するモータの各相に電圧を印加して交流電流を流すインバータと、前記モータの各相に流れる電流を検出する相電流検出手段と、前記モータの磁極回転位置を検出する磁極検出手段とを備え、目標トルクに相当するｑ軸電流およびｄ軸電流の目標値と、前記相電流検出手段で検出される各相の電流および前記磁極検出手段で検出される磁極回転位置とに基づいて、前記モータの各相に流す電流を制御するモータ制御装置において、前記星形結線の中性点を接地する中性線と、前記相電流検出手段で検出される各相の電流を、前記磁極検出手段で検出される磁極回転位置をパラメータとして、ｄ軸電流、ｑ軸電流および０軸電流の直交座標系に変換するｄｑ０変換手段と、前記モータの各相のいずれかに電流が流れない欠相が生じたときは、前記欠相の電流を零とする前記０軸電流の目標値を算出し、前記欠相がないときは前記０軸電流の目標値を零として算出する０軸電流算出手段とを設け、前記ｄ軸電流およびｑ軸電流の目標値、並びに前記０軸電流算出手段で算出される０軸電流の目標値と、前記ｄｑ０変換手段で変換されるｄ軸電流、ｑ軸電流および０軸電流とに基づいて、前記モータの各相に流す電流を制御する構成を採用した。
【００１５】
すなわち、星形結線の中性点を接地する中性線と、相電流検出手段で検出される各相の電流を、磁極検出手段で検出される磁極回転位置をパラメータとして、ｄ軸電流、ｑ軸電流および０軸電流の直交座標系に変換するｄｑ０変換手段と、モータの各相のいずれかに電流が流れない欠相が生じたときは、欠相の電流を零として算出する０軸電流の目標値を算出し、欠相がないときは０軸電流の目標値を零として算出する０軸電流算出手段とを設け、ｄ軸電流およびｑ軸電流の目標値、並びに０軸電流算出手段で算出される０軸電流の目標値と、ｄｑ０変換手段で変換されるｄ軸電流、ｑ軸電流および０軸電流とに基づいて、モータの各相に流す電流を制御することにより、外乱要因に関わらず欠相の電流を零とする適正な制御出力が得られるロバスト性の高いものとするとともに、ベクトル制御の利点を生かして、欠相のない正常時と欠相のある異常時とで制御ループを切り替えることなく、欠相時に正常時と同じ制御ループで安定したトルクを確保できるようにした。
【００１６】
なお、欠相したときの残りの相数は２相以上あればよく、モータの相数が４相以上の場合は、複数の欠相が生じても、これらの複数の欠相の電流を零とする０軸電流の目標値を設定して、安定したトルクを確保することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るモータ制御装置は、星形結線の中性点を接地する中性線と、相電流検出手段で検出される各相の電流を、磁極検出手段で検出される磁極回転位置をパラメータとして、ｄ軸電流、ｑ軸電流および０軸電流の直交座標系に変換するｄｑ０変換手段と、モータの各相のいずれかに電流が流れない欠相が生じたときは、欠相の電流を零とする０軸電流の目標値を算出し、欠相がないときは０軸電流の目標値を零として算出する０軸電流算出手段とを設け、ｄ軸電流およびｑ軸電流の目標値、並びに０軸電流算出手段で算出される０軸電流の目標値と、ｄｑ０変換手段で変換されるｄ軸電流、ｑ軸電流および０軸電流とに基づいて、モータの各相に流す電流を制御するようにしたので、ロバスト性が高く、ベクトル制御の利点を生かすことができ、欠相時に正常時と同じ制御ループで安定したトルクを確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】モータ制御装置の実施形態を示す制御回路図
【図２】図１のモータの結線図
【図３】（ａ）は正常時の制御におけるｄｑ０軸の電流目標値を示すグラフ、（ｂ）は（ａ）の電流目標値と対応するＵＶＷ０相の電流を示すグラフ
【図４】（ａ）はＷ相が欠相した異常時の制御におけるｄｑ０軸の電流目標値を示すグラフ、（ｂ）は（ａ）の電流目標値と対応するＵＶＷ０相の電流を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面に基づき、本発明の実施形態を説明する。図１は、モータ制御装置の実施形態を示す制御回路図である。このモータ制御装置は、図２に示すように、星形結線されたＵＶＷ３相の巻線１Ｕ、１Ｖ、１Ｗを有する３相モータ１を制御するものであり、各相の巻線１Ｕ、１Ｖ、１Ｗがインバータ２に接続され、星形結線の中性点１Ｐを接地する中性線３と、モータ１の各相に流れる電流を検出する相電流検出手段４と、モータ１の磁極回転位置を電気角θとして検出する磁極検出手段５とが設けられている。磁極検出手段５としてはレゾルバ、エンコーダ等のセンサが用いられるが、センサを用いずにセンサレスで磁極を検出するようにしてもよい。
【００２０】
前記モータ制御装置は、目標トルクに相当するｑ軸電流およびｄ軸電流の目標値Ｉｑ＊、Ｉｄ＊が入力される入力部６と、入力部６に入力される目標値Ｉｑ＊、Ｉｄ＊および磁極検出手段５で検出される電気角θから０軸電流の目標値Ｉ０＊を算出する０軸電流算出手段７と、相電流検出手段４で検出されるＵＶＷ相の各電流ＩＵ、ＩＶ、ＩＷを、磁極検出手段５で検出される電気角θをパラメータとして、ｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑおよび０軸電流Ｉ０の直交座標系に変換するｄｑ０変換手段８と、ｄｑ０軸の各電流の目標値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊、Ｉ０＊と、ｄｑ０変換手段８で変換されるｄｑ０軸の各電流Ｉｄ、Ｉｑ、Ｉ０との差ΔＩｄ、ΔＩｑ、ΔＩ０を比例積分制御でフィードバック制御して、ｄｑ０軸の各指令電圧Ｖｄ、Ｖｑ、Ｖ０を出力するＦＢ制御部９と、ＦＢ制御部９から出力される各指令電圧Ｖｄ、Ｖｑ、Ｖ０をＵＶＷ相の各指令電圧ＶＵ、ＶＶ、ＶＷに逆変換するｄｑ０逆変換手段１０とを備え、ｄｑ０逆変換手段１０で逆変換された各指令電圧ＶＵ、ＶＶ、ＶＷをインバータ２に指令する。インバータ２は、これらの指令電圧ＶＵ、ＶＶ、ＶＷをＰＷＭ変調して、ＵＶＷ各相に交流電流を流す。
【００２１】
前記ｄｑ０変換手段８は、電気角θをパラメータとする次の（１）式によって、ＵＶＷ相の各電流ＩＵ、ＩＶ、ＩＷをｄｑ０軸の各電流Ｉｄ、Ｉｑ、Ｉ０に変換する。
【数１】
2015109777.tif 000003
【００２２】
また、前記ｄｑ０逆変換手段１０は、次の（２）、（３）式によって、ｄｑ０軸の各電流Ｉｄ、Ｉｑ、Ｉ０と各指令電圧Ｖｄ、Ｖｑ、Ｖ０を、ＵＶＷ相の各電流ＩＵ、ＩＶ、ＩＷと各指令電圧ＶＵ、ＶＶ、ＶＷに逆変換する。
【数２】
2015109777.tif 000004
【数３】
2015109777.tif 000005
【００２３】
前記０軸電流算出手段７は、モータ１のＵＶＷ３相のいずれかに、断線等の異常で電流が流れない欠相が生じたときは、以下のようにして０軸電流の目標値Ｉ０＊を算出する。欠相がないときは目標値Ｉ０＊を零として算出する。なお、欠相の検出には、相電流検出手段４の検出出力が用いられるが、他の検出手段を用いてもよい。
【００２４】
（２）式で示したｄｑ０逆変換式より、ＵＶＷ３相のあるＸ相の電流ＩＸは次の（４）式で表される。
【数４】
2015109777.tif 000006
このＸ相が欠相となる、つまりＩＸ＝０となるときの０軸電流の目標値Ｉ０＊は、（４）式の左辺を０として変形すると、（５）式で求められる。
【数５】
2015109777.tif 000007
ここに、offsetは各相の位相のずれであり、表１に示すように、欠相となるＸ相がＵＶＷ３相のいずれの相であるかによって決まる。
【００２５】
【表１】
2015109777.tif 000008
【００２６】
したがって、いずれかの相が欠相したときに、０軸電流を（５）式で求められる目標値Ｉ０＊としてＦＢ制御部９でフィードバック制御することにより、欠相電流を確実に零とするように補償する制御出力が得られ、前述した誘起電圧の発生等のモータ特有の外乱要因があっても、適正な制御出力で目標トルクを制御することができる。
【００２７】
図３（ａ）、（ｂ）は、欠相のない正常時の制御例を示す。図３（ａ）は、電気角θに対するｄｑ０軸電流の各目標値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊、Ｉ０＊であり、目標トルクに相当するｑ軸電流の目標値Ｉｑ＊は１Ａ一定、すなわち、一定トルクを発生するように設定され、ｄ軸電流の目標値Ｉｄ＊は０Ａとされている。また、０軸電流算出手段７で算出される０軸電流の目標値Ｉ０＊も０Ａとされている。
【００２８】
図３（ｂ）は、図３（ａ）の各目標値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊、Ｉ０＊に対してＵＶＷ相の各巻線１Ｕ、１Ｖ、１Ｗと０相となる中性線３に流れる電流ＩＵ、ＩＶ、ＩＷ、Ｉ０を示す。ＵＶＷ相に流れる各電流ＩＵ、ＩＶ、ＩＷは、通常の制御のように、電気角θの位相が１２０°ずつずれたサインカーブの波形となり、中性線３に流れる０相電流Ｉ０は零に制御される。
【００２９】
図４（ａ）、（ｂ）は、Ｗ相が欠相となった異常時における制御例を示す。図４（ａ）は、電気角θに対するｄｑ０軸電流の各目標値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊、Ｉ０＊であり、正常時と同様に、目標トルクに相当するｑ軸電流の目標値Ｉｑ＊は１Ａ一定、すなわち、一定トルクを発生するように設定され、ｄ軸電流の目標値Ｉｄ＊は０Ａとされている。一方、０軸電流算出手段７で（５）式から算出される０軸電流の目標値Ｉ０＊は、電気角３６０°を周期とするサインカーブの波形となっている。
【００３０】
図４（ｂ）は、図４（ａ）の各目標値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊、Ｉ０＊に対してＵＶＷ相の各巻線１Ｕ、１Ｖ、１Ｗと０相となる中性線３に流れる電流ＩＵ、ＩＶ、ＩＷ、Ｉ０を示す。この場合は、Ｕ相電流ＩＵとＶ相電流ＩＶが互いに電気角θの位相が１２０°ずれたサインカーブの波形となり、中性線３に流れる０相電流Ｉ０は、０軸電流の目標値Ｉ０＊を√３倍したサインカーブの波形となっている。また、欠相となるＷ相電流ＩＷは零に制御される。図示は省略するが、Ｕ相やＶ相が欠相した場合も同様の制御が行われ、欠相がＵ相のときはＵ相電流ＩＵが零に、欠相がＶ相のときはＶ相電流ＩＶが零に制御される。
【００３１】
以上のように、本発明に係るモータ制御装置は、欠相のある異常時も正常時と同様に目標トルクを一定とする安定した制御が可能であるとともに、正常時と異常時とで制御ループを切り替えることなく、簡単な構成でベクトル制御の利点を生かすことができ、さらに、誘起電圧の発生等のモータ特有の外乱要因があっても、適正な制御出力で欠相電流を零とするように制御することができる。
【００３２】
上述した実施形態では、制御対象のモータを３相モータとしたが、本発明に係るモータ制御装置は、４相以上の多相モータも制御対象とすることができ、４相以上の場合は、複数の相が欠相しても正常な残りの相数が２相以上あればよい。
【００３３】
上述した実施形態では、ＦＢ制御部を比例積分制御でフィードバック制御するものとしたが、ＦＢ制御部は実施形態のものに限定されることはなく、比例制御、積分制御および微分制御の少なくとも１つを含むか、これらを組み合わせたものとすることもできる。
【符号の説明】
【００３４】
１  モータ
１Ｕ、１Ｖ、１Ｗ  巻線
１Ｐ  中性点
２  インバータ
３  中性線
４  相電流検出手段
５  磁極検出手段
６  入力部
７  ０軸電流算出手段
８  ｄｑ０変換手段
９  ＦＢ制御部
１０  ｄｑ０逆変換手段
【図１】
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【図２】
2015109777.tif 000010
【図３】
2015109777.tif 000011
【図４】
2015109777.tif 000012