(57)【要約】【課題】モータ電流の高調波成分の次数を切り替えて制御するモータ制御装置を提供する。【解決手段】基本波電流制御回路１００は、交流モータ１１の回転に同期して回転する直交座標系（ｄｑ座標系）において、モータ電流の基本波成分を制御する。高調波電流制御回路２００は、モータ電流の基本波成分の周波数の整数倍の周波数で回転する直交座標系（ｄｈｑｈ座標系）において、モータ電流の高調波成分を制御する。高調波次数切換器１９は、高調波電流制御回路２００により制御するモータ電流の高調波成分の次数を、モータ１１に対する駆動指令条件に基づいて変更する。【選択図】図１
2005033861.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流モータの回転に同期して回転する直交座標系において前記モータに流れる電流（以下、モータ電流と呼ぶ）の基本波成分を制御する基本波電流制御手段と、
前記モータ電流の基本波成分の周波数の整数倍の周波数で回転する直交座標系において前記モータ電流の高調波成分を制御する高調波電流制御手段と、
前記モータに対する駆動指令条件に基づいて、前記高調波電流制御手段により制御するモータ電流の高調波成分の次数を変更する次数変更手段とを備え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、
前記次数変更手段は、前記モータの速度と前記モータのトルク指令値とに基づいて、前記高調波電流制御手段により制御するモータ電流の高調波成分の次数を変更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、
前記次数変更手段は、前記基本波電流制御手段が前記モータ電流の基本波成分を制御するための基本波電流指令値に基づいて、前記高調波電流制御手段により制御するモータ電流の高調波成分の次数を変更することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のモータ制御装置において、
前記高調波電流制御手段は、前記モータ電流の高調波成分を制御するために、少なくとも積分制御を行うものであって、前記次数変更手段により前記モータ電流の高調波成分の次数を変更する際に、前記積分制御における積分値を初期化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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータを制御するモータ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
永久磁石モータは、ブラシなどの機械的な磨耗品を必要とせず、小型・高効率であるので、電気自動車の駆動モータ等に幅広く用いられている。理想的な永久磁石モータでは、永久磁石による電機子鎖交磁束は位相に対して正弦波で変化するが、磁束が歪みを持つ場合には、モータに流れる電流を正弦波に制御しただけでは、モータにトルクリプルを生じることになる。
【０００３】
このような問題に対して、モータ電流を基本波成分と高調波成分とに分けて電流制御を行い、高調波電流の制御性能を高めたモータ制御装置が知られている（特許文献１参照）。このモータ制御装置では、複数の高調波電流成分を同時に制御することもできる（特許文献１の図４参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２２３６００号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、モータ制御の処理装置（ＣＰＵ）の演算処理能力には限界があるので、複数の高調波電流制御演算を同時に行うことが困難な場合がある。
【０００６】
本発明は、モータ電流の高調波成分の次数を切り替えて制御を行うことができるモータ制御装置を提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によるモータ制御装置は、モータの駆動指令条件に基づいて、モータ電流の高調波成分を制御する際の高調波成分の次数を変更することを特徴とする。
【０００８】
【発明の効果】
本発明によるモータ制御装置によれば、モータ制御の処理装置の演算処理能力に限界があるため、複数の高調波成分を同時に制御できないような場合でも、高調波成分の次数を切り替えて、複数のモータ電流の高調波成分（高調波電流）を制御することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
−第１の実施の形態−
図１は、基本波電流制御回路１００と高調波電流制御回路２００とを備えた第１の実施の形態のモータ制御装置の構成を示す制御ブロック図である。基本波電流制御回路１００は、３相交流同期モータ１１に流れる電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの励磁電流成分に対応するｄ軸とトルク電流成分に対応するｑ軸とからなる直交座標系、すなわち、モータ回転に同期して回転するｄｑ座標系でモータ電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの基本波成分を制御する回路である。
【００１０】
高調波電流制御回路２００は、基本波電流制御回路１００のみでモータ電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを制御した場合に発生する所定次数の高調波成分の周波数で回転する直交座標系（以下、高調波座標系と呼ぶ）でモータ電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗに含まれる高調波成分を制御する回路である。高調波座標系は、換言すれば、モータ電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの基本波成分の周波数の整数倍の周波数で回転する座標系である。
【００１１】
基本波電流制御回路１００は、ｄｑ電流制御器２、非干渉制御器３、ｄｑ／３相変換部５、３相／ｄｑ変換部６、減算器１ａ，１ｂ、および加算器４ａ，４ｂを備えている。トルク制御器１２は、モータ１１のトルク指令値Ｔ＊とモータ速度ωｅとに基づいて、モータのｄ軸電流指令値ｉｄ＊とｑ軸電流指令値ｉｑ＊とを算出する。なお、トルク制御器１２は、電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊の算出に際し、トルク指令値Ｔ＊とモータ速度ωｅとを座標軸とするマップを参照する。
【００１２】
減算器１ａ，１ｂは、ｄ軸，ｑ軸の実電流ｉｄ，ｉｑと、トルク制御器１２にて算出される電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊との偏差（ｉｄ＊−ｉｄ），（ｉｑ＊−ｉｑ）をそれぞれ演算する。ｄｑ電流制御器２は、減算器１ａ，１ｂで演算された基本波電流偏差（ｉｄ＊−ｉｄ），（ｉｑ＊−ｉｑ）に対してＰＩ（比例・積分）演算を行うことにより、ｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値を算出する。
【００１３】
非干渉制御器３は、ｄｑ座標系における速度起電力を補償してｄ軸，ｑ軸電流の応答性を改善するために、ｄｑ座標系の速度起電力を補償するためのｄ軸補償電圧Ｖｄ＿ｃｍｐとｑ軸補償電圧Ｖｑ＿ｃｍｐとを次式（１），（２）により算出する。
【数１】
Ｖｄ＿ｃｍｐ＝−Ｌｑ・ωｅ・ｉｑ＊                          …（１）
【数２】
Ｖｑ＿ｃｍｐ＝ωｅ・（Ｌｄ・ｉｄ＊＋φ）                  …（２）
ただし、Ｌｄ，Ｌｑは、それぞれｄ軸，ｑ軸インダクタンスの基本波成分、ωｅはモータ１１の電気的角速度、φは、磁石磁束による誘起電圧の定数である。
【００１４】
加算器４ａ，４ｂは、ｄｑ電流制御器２の制御出力と、非干渉制御器３で演算されるｄ軸補償電圧Ｖｄ＿ｃｍｐ、ｑ軸補償電圧Ｖｑ＿ｃｍｐとをそれぞれ加算して、ｄ軸とｑ軸の基本波電圧指令値ｖｄ＊，ｖｑ＊を算出する。ｄｑ／３相変換部５は、３相交流モータＭの基本波電流の位相θｅに基づいて、ｄ軸とｑ軸の電圧指令値ｖｄ＊，ｖｑ＊を３相交流電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊に変換する。
【００１５】
加算器１８ａ，１８ｂ，１８ｃは、ｄｑ／３相変換部５で変換された３相交流電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊と、後述するｄｈｑｈ／３相変換部１７で変換された３相交流電圧指令値ｖｕｈ’，ｖｖｈ’，ｖｗｈ’とをそれぞれ加算して、加算結果を電力変換部（インバータ）７に出力する。電力変換部７は、ＩＧＢＴなどの電力変換素子により、加算器１８ａ，１８ｂ，１８ｃで加算した電圧指令値にしたがって、バッテリなどの直流電源２０の直流電圧をスイッチングし、３相交流電圧Ｕ，Ｖ，Ｗを３相交流モータ１１に印加する。
【００１６】
３相交流モータ１１は、永久磁石同期モータであって、内部埋め込み磁石構造のロータと、集中巻構造のステータとを備えたＩＰＭモータである。回転位置センサ１０は、例えばエンコーダであり、モータ１１の回転位置θｍを検出する。位相速度演算部８は、回転位置センサ１０からの回転位置信号θｍに基づいて、基本波電流の位相θｅを演算するとともに、基本波電流の位相θｅに基づいて、ｄｑ／ｄｈｑｈ座標変換を行うための位相θｅｈを演算する。位相θｅｈは、ｄｑ軸での高調波の次数をｋとすると、次式（３）により求められる。また、位相速度演算部８は、位相θｅを時間微分することにより、モータ１１の電気的角速度ωｅを算出する。
【数３】
θｅｈ＝ｋθｅ  …（３）
【００１７】
図２は、高調波電流の３相交流座標における次数ｍとｄｑ座標系における次数ｋとの関係を示す表である。例えば、３相交流座標にて５次高調波電流をｄｑ座標系に変換した場合、ｋ＝−６（＝−５−１）より、−６次高調波電流となる。また、３相交流座標にて７次高調波電流をｄｑ座標系に変換した場合、ｋ＝６（＝７−１）より、６次高調波電流となる。
【００１８】
電流センサ９ａ，９ｂは、３相交流モータＭのＵ相とＷ相の実電流ｉｕ，ｉｗを検出する。３相／ｄｑ変換部６は、基本波電流位相θｅに基づいて、３相交流モータＭの実電流ｉｕ，ｉｖ（＝−ｉｕ−ｉｗ），ｉｗをｄ軸の実電流ｉｄおよびｑ軸の実電流ｉｑへ変換する。
【００１９】
高調波電流制御回路２００は、高調波抽出部１３、ｄｑ／ｄｈｑｈ変換部１４、減算器１５ａ，１５ｂ、ｄｈｑｈ電流制御器１６、ｄｈｑｈ／３相変換部１７、および、高調波次数切換器１９を備えている。図３は、高調波抽出部１３の構成を示す図である。図３に示すように、高調波抽出部１３は、ローパスフィルタ１３ａ，１３ｂを備えており、ｄ軸，ｑ軸の電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊をローパスフィルタ１３ａ，１３ｂに通して、電流応答予測値ｉｄ＿ｉ，ｉｑ＿ｉを算出する。ローパスフィルタ１３ａ，１３ｂのカットオフ周波数は、ｄｑ電流制御器２の制御応答周波数に設定する。ｄ軸，ｑ軸の実電流ｉｄ，ｉｑから、算出した電流応答予測値ｉｄ＿ｉ，ｉｑ＿ｉをそれぞれ減算することにより、ｄ軸，ｑ軸電流の高調波成分（高調波電流）ｉｄ＿ｈ，ｉｑ＿ｈを算出する。
【００２０】
ｄｑ／ｄｈｑｈ変換部１４は、高調波抽出部１３により算出された高調波電流ｉｄ＿ｈ，ｉｑ＿ｈを、次式（４）により、それぞれ高調波座標系（ｄｈｑｈ座標系）上の電流ｉｄｈ，ｉｑｈに変換する。
【数４】
2005033861.tif 000003
【００２１】
減算器１５ａ，１５ｂは、ｄｑ／ｄｈｑｈ変換部１４により変換されたｄｈ軸の実電流ｉｄｈ，ｑｈ軸の実電流ｉｑｈと、トルク制御器１２により算出された電流指令値ｉｄｈ＊，ｉｑｈ＊との差をそれぞれ算出する。ｄｈｑｈ電流制御器１６は、減算器１５ａ，１５ｂによって減算された結果に基づいて、ＰＩ（比例・積分）演算を行うことにより、ｄｈ軸とｑｈ軸の高調波電圧指令値ｖｄｈ＊，ｖｑｈ＊を演算する。ｄｈｑｈ／３相変換部１７は、ｄｈ軸高調波電圧指令値ｖｄｈ＊およびｑｈ軸高調波電圧指令値ｖｑｈ＊を次式（５）により、３相交流電圧指令値ｖｕｈ’，ｖｖｈ’，ｖｗｈ’に変換する。
【数５】
2005033861.tif 000004
【００２２】
ｄｈｑｈ／３相変換部９で変換された３相交流電圧指令値ｖｕｈ’，ｖｖｈ’，ｖｗｈ’は、加算器１８ａ，１８ｂ，１８ｃにそれぞれ出力される。
【００２３】
高調波次数切換器１９は、モータトルク指令値Ｔ＊とモータ速度ωｅとに基づいて、制御対象となる高調波成分の次数ｋを決定する。図４は、モータトルク指令値Ｔ＊とモータ速度ωｅとに基づいて、高調波成分の次数ｋを決定するためのマップである。このマップは、モータ１１の動作点ごとに最も制御効果が得られる高調波次数を予め求めることによって作成する。高調波次数切換器１９は、図４に示すようなマップを有しており、入力されるモータトルク指令値Ｔ＊とモータ速度ωｅとに基づいて、高調波次数（ｋ＝６とｋ＝−６のいずれかの値）を決定する。上述したように、ｋ＝６は、３相交流座標における５次高調波電流に対応し、ｋ＝−６は、３相交流座標における７次高調波電流に対応する。
【００２４】
位相速度演算器８は、式（３）により、ｄｑ／ｄｈｑｈ座標変換を行うための位相θｅｈを演算するので、高調波成分の次数ｋを切り替えることにより、制御対象となる高調波電流を切り替えることができる。このように、制御対象となる高調波成分の次数を切り替えることにより、演算処理能力に限界があるために複数の高調波電流を同時に制御できない場合でも、モータ１１の動作点に基づいて、最も制御効果の高い高調波電流を制御することができる。
【００２５】
ｄｈｑｈ電流制御器１６は、上述したように、ＰＩ制御により高調波電圧指令値ｖｄｈ＊，ｖｑｈ＊を演算するので、制御偏差が積分されていく。第１の実施の形態におけるモータ制御装置では、モータ電流の高調波成分の次数ｋを切り替える際に、ＰＩ演算の積分項（積分値）をクリアすることにより、制御対象外の高調波成分の積分演算による積分項の影響を除去する。
【００２６】
図５は、ｄｈｑｈ電流制御器１６により行われる処理の処理手順を示すフローチャートである。以下では、ｄｈ軸電流制御について説明する。ステップＳ１０では、高調波次数切換器１９にて求められる高調波次数ｋを取得して、ステップＳ２０に進む。ステップＳ２０では、前回の演算で用いた高調波次数ｋ０と、ステップＳ１０で取得した高調波次数ｋとが一致するか否かを判定する。高調波次数ｋ０とｋとが一致すると判定した場合、すなわち、高調波次数ｋの切換が行われていないと判定すると、ステップＳ３０に進む。一方、高調波次数ｋ０とｋとが一致しておらず、高調波次数ｋの切換が行われたと判定すると、ステップＳ７０に進む。
【００２７】
ステップＳ７０では、積分制御の積分項、すなわち、後述する積分制御電圧ｖｄｈｉ０をクリア（ｖｄｈｉ０＝０）して、ステップＳ３０に進む。ステップＳ３０では、高調波電圧指令値ｖｄｈ＊を演算する。すなわち、次式（６）、（７）により、比例制御電圧ｖｄｈｐおよび積分制御電圧ｖｄｈｉ１をそれぞれ算出し、算出したｖｄｈｐおよびｖｄｈｉ１を用いて、次式（８）により、高調波電圧指令値ｖｄｈ＊を算出する。
【数６】
ｖｄｈｐ＝Ｋｐ×（ｉｄｈ＊−ｉｄｈ）                …（６）
【数７】
ｖｄｈｉ１＝ｖｄｈｉ０＋Ｋｉ×（ｉｄｈ＊−ｉｄｈ）        …（７）
【数８】
ｖｄｈ＊＝ｖｄｈｐ＋ｖｄｈｉ１                        …（８）
ただし、Ｋｐは比例制御ゲイン、Ｋｉは積分制御ゲイン、ｖｄｈｉ０は前回の積分制御演算により算出された積分制御電圧である。
【００２８】
ステップＳ３０に続くステップＳ４０では、ステップＳ１０で取得した高調波次数ｋをｋ０に置き換えて（ｋ０＝ｋ）、ステップＳ５０に進む。ステップＳ５０では、ステップＳ３０で算出した積分制御電圧ｖｄｈｉ１をｖｄｈｉ０に置き換えて（ｖｄｈｉ０＝ｖｄｈｉ１）、ステップＳ６０に進む。ステップＳ６０では、ｄｈ軸電流制御演算を終了するかを判定する。ｄｈ軸電流制御演算を継続して行うと判定するとステップＳ１０に戻って、上述した処理を繰り返す。一方、ｄｈ軸電流制御演算を終了すると判定した場合には、ｄｈｑｈ電流制御器１６で行われる処理は終了する。
【００２９】
なお、図５のフローチャートでは、ｄｈ軸電流制御について説明したが、ｑｈ軸電流制御についても同様の処理が行われる。
【００３０】
第１の実施の形態におけるモータ制御装置によれば、モータ１１に対する駆動指令条件に基づいて、高調波電流制御回路２００により制御するモータ電流の高調波成分の次数を変更する。これにより、モータ制御の処理装置（ＣＰＵ）の演算処理能力に限界があるため、複数の高調波成分を同時に制御できないような場合でも、高調波成分の次数を切り替えることにより、複数のモータ電流の高調波成分（高調波電流）を制御することができる。特に、モータ１１に対する駆動指令条件に基づいて、最も制御効果の高い高調波成分を制御することにより、モータの制御効率を向上させることができる。
【００３１】
第１の実施の形態におけるモータ制御装置によれば、高調波次数切換器１９は、モータ速度ωｅと、トルク指令値Ｔ＊とに基づいて、高調波成分の次数を変更するので、制御効果の高い高調波成分がモータ速度ωｅと、トルク指令値Ｔ＊とによって変化する場合に、制御効果の高いモータ電流の高調波成分を制御することができる。
【００３２】
さらに、第１の実施の形態におけるモータ制御装置によれば、高調波電流制御回路２００において、少なくとも積分制御を行うことにより、モータ電流の高調波成分を制御するが、高調波次数切換器１９により高調波成分の次数を変更する際に、積分制御における積分値を初期化する。これにより、次数の変更前の積分制御結果が次数変更後の積分制御結果に影響が及ぶのを防ぐことができるので、不要な電流が流れることや、トルクの変動を防ぐことができる。
【００３３】
−第２の実施の形態−
図６は、第２の実施の形態におけるモータ制御装置の構成を示す制御ブロック図である。図１に示す第１の実施の形態におけるモータ制御装置の構成と同じ構成要素については、同一の符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００３４】
第２の実施の形態におけるモータ制御装置が第１の実施の形態におけるモータ制御装置と異なるのは、高調波次数切換器である。第１の実施の形態におけるモータ制御装置の高調波次数切換器１９は、モータトルク指令値Ｔ＊とモータ速度ωｅとに基づいて、制御対象となる高調波成分の次数ｋを決定した。第２の実施の形態におけるモータ制御装置の高調波次数切換器１９Ａは、トルク制御器１２により算出される電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊に基づいて、制御対象となる高調波成分の次数ｋを決定する。
【００３５】
高調波次数切換器１９Ａは、電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊を座標軸として、高調波の次数ｋを算出するためのマップを有しており、入力される電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊に基づいて、高調波次数ｋを決定する。このマップは、電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊に基づいて、最も制御効果が得られる高調波次数を予め求めることによって作成しておく。
【００３６】
第２の実施の形態におけるモータ制御によれば、モータ電流の基本波成分に応じて高調波成分の制御効果が異なる場合に、基本波電流指令値に基づいて、制御効果の最も高い高調波電流を制御することができる。すなわち、モータの効率を向上させることができる。
【００３７】
本発明は、上述した各実施の形態に限定されることはない。例えば、回転位置センサ１０としてエンコーダを用いたが、レゾルバを用いることもできる。また、高調波成分の次数の切換は、第１の実施の形態では、モータトルク指令値Ｔ＊とモータ速度ωｅとに基づいて行い、第２の実施の形態では、電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊に基づいて行ったが、モータ１１に対する他の駆動指令条件に基づいて行ってもよい。さらに、制御対象のモータ１１の種類により、本発明が限定されることもない。
【００３８】
特許請求の範囲の構成要素と第１および第２の実施の形態の構成要素との対応関係は次の通りである。すなわち、基本波電流制御回路１００が基本波電流制御手段を、高調波電流制御回路２００が高調波電流制御手段を、高調波次数切換器１９，１９Ａが次数変更手段をそれぞれ構成する。なお、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるモータ制御装置の第１の実施の形態の構成を示す図
【図２】高調波電流の３相交流座標における次数ｍとｄｑ座標系における次数ｋとの関係を示す表
【図３】高調波抽出部の構成を示す図
【図４】モータトルク指令値Ｔ＊とモータ速度ωｅとに基づいて、高調波の次数ｋを決定するためのマップ
【図５】本発明によるモータ制御装置の第２の実施の形態の構成を示す図
【図６】第２の実施の形態におけるモータ制御装置の構成を示す制御ブロック図
【符号の説明】
１ａ，１ｂ…減算器、２…ｄｑ電流制御器、３…非干渉制御器、４ａ，４ｂ…加算器、５…ｄｑ／３相変換部、６…３相／ｄｑ変換部、７…電力変換部、８…位相速度演算部、９ａ，９ｂ…電流センサ、１０…回転位置センサ、１１…３相交流同期モータ、１２…トルク制御器、１３…高調波抽出部、１３ａ，１３ｂ…ローパスフィルタ、１４…ｄｑ／ｄｈｑｈ変換部、１５ａ，１５ｂ…減算器、１６…ｄｈｑｈ電流制御器、１７…ｄｈｑｈ／３相変換部、１８ａ，１８ｂ，１８ｃ…加算器、１９，１９Ａ…高調波次数切換器、２０…直流電源、１００…基本波電流制御回路、２００…高調波電流制御回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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