(57)【要約】【課題】速度センサを用いることなく、直流電動機の速度制御と定出力制御をする。【解決手段】直流電動機ＤＭを用い、搭載したバッテリを電源として、速度センサを用いずチョッパ制御を行う回転電機の速度制御装置において、モータブロック図に基づいて電動機電圧、電流により推定速度を求め、この推定速度により界磁電流を算出して定出力制御を可能とした。【選択図】図８
2007244200.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電動機を用い、搭載したバッテリを電源として、速度センサを用いずチョッパ制御を行う回転電機の速度制御装置において、モータブロック図に基づいて電動機電圧、電流により推定速度を求め、この推定速度により界磁電流を算出して定出力制御を可能としたことを特徴とする回転電機の速度制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載する回転電機の速度制御装置において、推定電動機電圧指令と定格電圧値に相当する定数をＰＩアンプにより突き合わせ前記アンプの出力を界磁電流指令として定出力制御を行うことを特徴とする回転電機の速度制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回転電機の速度制御装置に関し、特に電気自動車の駆動モータの速度制御装置に適用して有用なものである。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車では、バッテリの直流電圧をインバータにより交流電圧に変換して交流電動機を駆動し、この交流電動機を駆動源として走行時の駆動力を得ている。この種の駆動電動機には誘導電動機が多用されており、この場合の従来技術に係る誘導電動機の速度制御方式としてセンサ付のベクトル制御が提案されている。図１１は、従来技術に係るセンサ付のベクトル制御装置を示すブロック図である。同図に示すように、トルク電流設定器１は、アクセル開度に応じた（比例した）トルク電流指令Ｉq * を出力する。励磁電流設定器２は、一定値の励磁電流指令Ｉd * を出力する。すべり周波数演算部３は、トルク電流指令Ｉq * 、これに直交する励磁電流指令Ｉd * 及び誘導電動機４の二次時定数τ2 に基づきすべり周波数ωs を求める。速度検出器５は、誘導電動機４の回転軸に直結された速度センサ５ａを有しており、誘導電動機４の回転速度を表す検出速度を出力する。
【０００３】
一次角速度ωはすべり周波数ωs と検出速度ωr とを加算して得る。この角速度ωは積分演算部６によって積分され、位相角θとして座標変換部１２の参照信号となる。
【０００４】
電流制御部７はトルク電流指令Ｉq * 及び励磁電流指令Ｉd * に対してそれぞれのトルク電流検出値Ｉq 及び励磁電流検出値Ｉd との偏差から比例積分（ＰＩ）演算を行い、両演算結果に対して誘導電動機４内の干渉分を加減算して回転座標のトルク軸電圧制御信号Ｖq と励磁軸電圧制御信号Ｖd を得るものである。
【０００５】
ここで、トルク電流検出値Ｉq 及び励磁電流検出値Ｉd は誘導電動機４の二相電流検出値から演算される。この演算は二相電流ＩU ，ＩW をＡ／Ｄ変換部８でそれぞれディジタル値に変換し、両者の加算によってＶ相の電流検出値ＩV を求め、各電流値ＩU ，ＩV ，ＩW から三相／二相変換部９で固定座標の二相交流電流に変換するとともに、これを座標変換部１０でトルク電流検出値Ｉq と励磁電流検出値Ｉd に変換することにより求める。
【０００６】
電流制御部７から出力される非干渉化した指令電圧Ｖq ，Ｖd は座標変換部１１によって極座標の一次電圧指令Ｖ1 と位相角φに変換され、さらに極座標／三相変換部１２によって固定座標の三相電圧指令ＶU ，ＶV ，ＶW に変換され、ＰＷＭインバータ１３の出力電圧制御信号となる。
【０００７】
ＰＷＭインバータ１３は、三相電圧指令ＶU ，ＶV ，ＶW に応じて、車載バッテリーＢの直流電流を三相交流電流に変換して誘導電動機４に供給する。これにより誘導電動機４を駆動して、電気自動車を走行させる。かくして、アクセル開度に応じた電気自動車の運行制御を行うことができる。
【０００８】
【特許文献１】特開平７−２１３０８８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述の如く速度センサ５ａを有する速度検出部５を備えたセンサ付ベクトル制御を行う場合には、正確な速度制御が可能である反面、速度センサ５ａの分がコストアップとなる。
【００１０】
最近においては角速度ωを推定して速度センサ５ａを除去することができるようにしたセンサレスベクトル制御の実用化が進んでいる。センサレスベクトル制御を行う場合、速度センサ５ａを必要としない分、コストを低減することができるが、零速度領域においてモータパラメータの誤差等によりトルクの低下、速度推定誤差の増大という新たな問題を生起する。ちなみに、ベクトル制御を電気自動車に適用する場合には、坂道発進や、低速度での車体位置調整を行う必要がある。
【００１１】
本発明は、上記従来技術に鑑み、直流電動機をチョッパ制御する場合に、速度センサを用いることなく速度制御ができ、しかも定出力制御ができる回転電機の速度制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
１）  直流電動機を用い、搭載したバッテリを電源として、速度センサを用いずチョッパ制御を行う回転電機の速度制御装置において、モータブロック図に基づいて電動機電圧、電流により推定速度を求め、この推定速度により界磁電流を算出して定出力制御を可能としたこと。
【００１３】
２） 上記１）に記載する回転電機の速度制御装置において、推定電動機電圧指令と定格電圧値に相当する定数をＰＩアンプにより突き合わせ前記アンプの出力を界磁電流指令として定出力制御を行うこと。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば次の効果を奏する。
１）直流電動機における速度センサを除去したセンサレス制御を行うことができる。
２）直流電動機における定出力制御を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１は本発明の第１の実施の形態を概念的に示す説明図である。本形態は、電気自動車の交流化において安価な速度センサ（周波数応答の低いセンサ）を用い、低回転域ではセンサ付ベクトル制御を行い、高回転域（速度センサで検出不能となる回転数以上）では、センサレスベクトル制御を行う。この場合の誘導電動機のブロック線図を図１に、システムブロック図を図２に、その速度推定部を図３にそれぞれ示す。
【００１７】
図１中、Ｖ1dは固定子ｄ軸巻線電圧、Ｖ1qは固定子ｑ軸巻線電圧、ｉ1dは固定子ｄ軸巻線電流、ｉ1qは固定子ｑ軸巻線電流、Ｖ2dは回転子ｄ軸巻線電圧、Ｖ2qは回転子ｑ軸巻線電圧、ｉ2dは回転子ｄ軸巻線電流、ｉ2qは回転子ｑ軸巻線電流、ω0 は電源電圧角周波数、ωr は回転子角周波数、ωs はすべり周波数、λ1dはｄ軸１次磁束、λ1qはｑ軸１次磁束、λ2dはｄ軸２次磁束、λ2qはｑ軸２次磁束、Ｒ1 は固定子ｄ軸及びｑ軸巻線抵抗、Ｒ2 は回転子ｄ軸及びｑ軸巻線抵抗、Ｌ1 は固定子ｄ軸及びｑ軸巻線自己インダクタンス、Ｌ2 は回転子ｄ軸及びｑ軸巻線自己インダクタンス、Ｌσは等価漏れインダクタンス、Ｍは固定子及び回転子同軸巻線間の相互インダクタンス、Ｐは微分演算子（ｄ／ｄｔ）である。
【００１８】
図２中、ω* は速度指令、Ｖinはアクセル入力電圧、Ｉq lim はトルク指令リミット値、Ｉq0はトルク指令最大値、ωb は基底回転数、ωr は回転数、Ｋp 、Ｋi は速度ＰＩゲイン定数、ωr *** は推定速度、Ｉd0は励磁指令最大値、Ｉdは励磁指令、Ｉq はトルク指令、Δωは速度偏差、λ* は磁束指令、λ0 は最大磁束、Ｍは相互インダクタンス、Ｉ2 （＝Ｌ2 ／Ｒ）は２次時定数、Ｉ1d* は励磁指令、ωs はすべり、ωr は回転速度、Ｋid、Ｋiqは電流ＰＩゲイ、Ｉ1dは励磁電流検出、Ｉ1qはトルク電流検出、Ｖd はｄ軸出力電圧、Ｖq はｑ軸出力電圧、ωr *** は推定速度、θはｄ軸と回転子のなす角である。
【００１９】
ここで、制御構成は、５．０ｍｍ制御部 ２．０ｍｍ制御部、１４０μｓ制御部の３つに分けられる。各制御部の処理を表１に示す。
【００２０】
【表１】
2007244200.tif 000003
【００２１】
本形態においては、図２に示すように、速度制御部Ａでアクセル開度を速度指令としてＰＩ演算によりトルク指令Ｉq を算出する。一方、磁束指令目標値Ｈに示すように、検出速度ωr が基底回転数ωb 以下では、磁束指令λ* を最大磁束λ0 で一定とし、それ以上では推定速度ωr *** に反比例して低下させ、定出力制御を行う。このとき得られる励磁指令Ｉd に２次磁束の応答を高めるための磁束前向き補償制御部Ｇを設ける。また、Ｍ変動補償テーブルＢを介して供給される励磁指令Ｉ1d* を得る。トルク指令Ｉq 及び励磁指令Ｉ1d* は電流制御部Ｃで所定の演算を行うことにより指令電圧Ｖq ，Ｖd となる。指令電圧Ｖq ，Ｖd は座標変換部Ｄで２−３相座標変換を行うことにより３相出力電圧を得る。このときの座標変換は絶対座標変換を採用している。
【００２２】
速度推定部Ｅは、この部分を図３に抽出して詳細に示すように、指令電圧Ｖq，Ｖd 、励磁電流検出値Ｉd 、トルク電流検出値Ｉq に基づいて固定座標軸上で２次磁束を推定し、同期回転座標上でＰＩ演算することで速度を推定する。このようにして推定した結果が推定速度ωr *** となる。
【００２３】
図２に示すセンサ／センサレス制御切替部Ｆは、誘導電動機Ｍの回転数に応じて検出速度ωr と推定速度ωr *** とを切換える。このとき、センサ／センサレス制御切替部Ｆにおける検出速度ωr と推定速度ωr *** との切替回転数はヒステリシス特性を持たせておく。すなわち、図４に示すように、正回転及び逆回転の際のそれぞれの回転数ＣＨＧ１、ＣＨＧ２、−ＣＨＧ１、−ＣＨＧ２を切替回転数として設定しておく。
【００２４】
図５は検出速度ωr と推定速度ωr *** との切替手順を示すフローチャートである。同図に示すように、先ず推定速度ωr *** ＞（ＣＨＧ２の絶対値）であるかどうかを判定する（ステップＳ１）。ステップＳ１の処理の結果、「ＹＥＳ」の場合は、センサレス制御モードフラグをＯＮにして推定速度ωr *** をセットする（ステップＳ２）。「ＮＯ」の場合には推定速度ωr *** ＜（ＣＨＧ１の絶対値）で、且つ検出速度ωr ＜（ＣＨＧ１の絶対値）であるかどうかを判定する（ステップＳ３）。ステップＳ３の判定の結果、「ＹＥＳ」の場合には、センサレス制御モードフラグをＯＦＦにして検出速度ωr をセットし、推定速度バッファへ検出速度ωr をセットする（ステップＳ４）。「ＮＯ」の場合にはセンサレス制御モードフラグがＯＮであるかどうかを判定する（ステップＳ５）。ステップＳ５の処理の結果、「ＹＥＳ」の場合は推定速度ωr *** をセットする（ステップＳ６）。「ＮＯ」の場合は検出速度ωr をセットする（ステップＳ７）。
【００２５】
電気自動車用のモータに要求されるトルク特性は、図６に示すように、定出力特性が要求される。これを誘導電動機Ｍで実現するためには、励磁指令Ｉd を励磁指令Ｉd ＝Ｉd0・ωb ／ωr *** （Ｉd0：定格励磁電流、ωb ：基底回転数、ωr *** ：推定速度）にて算出する。
【００２６】
図３の速度推定部ＥにおけるＰＩ演算の比例ゲインＫrp及び積分ゲインＫriでは、図７（ａ）乃至図７（ｄ）に示すように、時定数ｔｉを誘導電動機Ｍの２次時定数τ２と同一に設定することで調整を容易にした。すなわち、誘導電動機Ｍのｑ軸２次磁束部の概略ブロック図は図７（ａ）に示す通りとなる。図７（ａ）乃至図７（ｄ）中、ωs * はすべり周波数、ω0 は１次周波数、ωn は回転周波数、λ2dはｄ軸２次磁束、τ2 はモータ２次時定数、λ2qはｑ軸２次磁束、Ｋp は速度推定ＰＩゲイン、ωr *** は推定速度である。
【００２７】
ここで、ベクトル制御の必要十分条件は次式で与えられる。
０＝−（Ｒ２／Ｌ２）・Ｍ・Ｉ1q＋ωs ・λ2d
なお、上式中（Ｒ２／Ｌ２）・Ｍ・Ｉ1qは相互インダクタンスとｑ軸１次電流による電圧である。
【００２８】
上式より図７（ａ）のα部の出力が零になれば、λ2q＝０になる。ここで図７（ａ）のα部を無視すると、ブロック図は図７（ｂ）に示す通りとなり、ωn*** とωn との差によりλ2qが出力される。この結果、ブロック図は図７（ｃ）に示す通りとなる。ここでτ2＝ｔｉとするとブロック図は図７（ｄ）に示す通りとなり、これから速度推定部ＥにおけるＰＩ演算の比例ゲインＫrp及び積分ゲインＫriを決定する。
【実施例２】
【００２９】
次に、上記実施の形態における定トルク／定出力制御の場合と同様の駆動特性を、直流分巻モータＤＭにおいて、速度センサを用いずに実現する実施の形態を説明する。本形態に係る制御ブロック図を図８に、モータブロック図を図９に示す。
【００３０】
両図において、Ｔａ＝Ｌａ／Ｒａ
ここで、Ｌａ：電機子インダクタンス、Ｒａ：電機子抵抗である。
また、図９に示す場合において、ＫＥは固定定数でなく界磁電流Ｉｆによる関数である。
φ＝Ｋｆ・Ｉｆ
Ｖａ＝ω・φ＝ω・Ｋｆ・Ｉｆ （ＫＥ＝Ｋｆ・Ｉｆ）
また、Ｋｔも固定定数ではなく磁束φの関数である。
Ｔ＝Ｋｔ・Ｉａ＝φ・Ｉａ
Power ＝ω・Ｔ＝ω・φ・Ｉａ＝Ｖａ・Ｉａ
【００３１】
以上より電機子電流Ｉａを一定として回転角周波数ωが基底回転角周波数ωｎ以上で下式により界磁電流Ｉｆを制御すれば良い。
Ｉｆ* ＝Ｉｆｎ・（ωｎ／ω）
但し ω＞ωｎ、Ｉｆｎ：定格界磁電流である。
【００３２】
さらに、上記の推定速度ωr *** を使用すると速度検出器を用いずに定出力制御が可能となる。
Ｉｆ* ＝Ｉｆｎ・（ωｎ／ω*** ）
【００３３】
また、上記定出力特性を実現する他の例としてＶａを一定に制御することで可能となる。すなわち、図９のＩ部において図１０のようにＰＩ制御を追加しても良い。この場合、基底回転数ωｎ以下ではＶ*** ａがＶａ′＊（定格回転時のＶａ）以下となるためＩｆはＩｆｎ（定格界磁電流）でリミットすることで図６に示す定トルク特性を得ることができる。一方、ＩｆがＩｆｎ一定の状態でω＞ωｎとなるとＶａ′＊＜Ｖａとなるため、ＰＩが動作し、ＩｆがＶａ′＊＝Ｖ*** ａとなるよう制御され、定出力制御となる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】誘導電動機のブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るシステムを示すブロック図である。
【図３】図２の速度推定部を抽出して詳細に示すブロック図である。
【図４】図２のセンサ／センサレス制御切替部の制御を概念的に示す説明図である。
【図５】図２のセンサ／センサレス制御切替部の制御の手順を示すフローチャートである。
【図６】図２に示すシステムにおける制御特性を示す特性図である。
【図７】図２の速度制御部におけるＰＩゲインの算出方法を説明するためのブロック図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係るシステムを示すブロック図である。
【図９】図８のモータを示すブロック図である。
【図１０】図９のＩ部に他のブロックを追加した場合を示すブロック図である。
【図１１】従来技術に係る誘導電動機のベクトル制御システムを示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３５】
Ａ   速度制御部
Ｅ   速度推定部
Ｆ   センサ／センサレス制御切替部
Ｉ1d   励磁電流検出
Ｉ1q   トルク電流検出
Ｉd   励磁指令
Ｉq *   トルク指令
ωb   基底回転数
ωr ***   推定速度
ωr   回転数
【図１】
2007244200.tif 000004
【図２】
2007244200.tif 000005
【図３】
2007244200.tif 000006
【図４】
2007244200.tif 000007
【図５】
2007244200.tif 000008
【図６】
2007244200.tif 000009
【図７】
2007244200.tif 000010
【図８】
2007244200.tif 000011
【図９】
2007244200.tif 000012
【図１０】
2007244200.tif 000013
【図１１】
2007244200.tif 000014