JP2011062000A - 交流モータの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】交流モータへの通電電流を電気角６０度毎に転流させるために矩形波電圧を電気角６０度毎にスイッチングする矩形波制御を精度良く行うことができるようにする。
【解決手段】回転位置センサ１２の検出信号θr をデジタル化した標本電気角θesに基づいて電気角を判定して、交流モータ１１に印加する矩形波電圧を電気角６０度毎に転流させる矩形波制御を行う際に、電気角３６０度を３×２ⁿ で除算した値を量子化単位ＬＳＢ［ＬＳＢ＝３６０／（３×２ⁿ ）］とする分解能で回転位置センサ１２の検出信号θr をデジタル化した標本電気角θesを用いる。これにより、電気角６０度を量子化単位ＬＳＢの整数倍にすることができ、回転位置センサ１２の検出信号θr をデジタル化した標本電気角θesの誤差の影響を受けずに、電気角６０度を精度良く判定することができ、矩形波電圧を電気角６０度毎にスイッチングする矩形波制御を精度良く行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、三相同期交流モータと、該交流モータのロータ回転位置を検出する回転位置センサとを備えた交流モータの制御装置に関する発明である。

近年、低燃費、低排気エミッションの社会的要請から車両の駆動源として交流モータを搭載した電気自動車やハイブリッド車が注目されている。このような電気自動車やハイブリッド車のモータ制御システムにおいては、小型化、高効率化を目的として三相同期交流モータと該交流モータのロータ回転位置を検出する回転位置センサとを備え、この回転位置センサの検出信号に基づいてインバータを制御して交流モータの各相に印加する電圧を制御するようにしたものがある。

交流モータを制御する技術としては、例えば、特許文献１（特開２００６−３１１７７０号公報）に記載されているように、交流モータの運転条件に応じてＰＷＭ制御方式と矩形波制御方式とを切り替えるものにおいて、制御方式切り替え時におけるトルク変動の発生を防止できるようにしたものがある。

また、特許文献２（特開２００６−７４９５１号公報）に記載されているように、矩形波制御の際に、レゾルバ等の位置検出器の検出誤差に起因するインバータのスイッチングタイミングのずれを減少させて、電流のオフセットを抑制するようにしたものがある。

また、特許文献３（特開２００８−２０６３９１号公報）に記載されているように、オフセット電流（分数調波成分）を抑制するために、静止フレーム電流（通常の電流）制御と、同期フレーム電流（オフセット電流）制御を含む制御アーキテクチャを提供し、オフセット電流を抑制して交流モータを高効率で運転するようにしたものがある。

一般に、交流モータの制御回路は、マイクロコンピュータで構成され、交流モータの回転位置を検出する回転位置センサの検出信号（アナログ信号）をＲ／Ｄ変換器でデジタル化した回転位置信号（デジタル信号）に基づいて交流モータの電気角を判定するようにしている。この際、マイクロコンピュータは、二進数が基本となっているため、電気角３６０度を（２ⁿ −１）で除算した値［例えば、３６０／（２¹⁰−１）や３６０／（２¹²−１）］を量子化単位（１デジタル単位に相当するアナログ量）とする分解能で回転位置センサの検出信号をデジタル化した回転位置信号を用いるようにしている。

特開２００６−３１１７７０号公報 特開２００６−７４９５１号公報 特開２００８−２０６３９１号公報

ところで、交流モータの矩形波制御において、各相の矩形波電圧のオン／オフの比が１対１（デューティ比５０％）で且つ電気角１２０度ずつ位相が異なる三相の矩形波電圧を交流モータに印加する場合、交流モータへの通電電流を電気角６０度毎に転流させるために矩形波電圧を電気角６０度毎にスイッチングする必要がある。しかし、従来のように、電気角３６０度を（２¹⁰−１）や（２¹²−１）で除算した値を量子化単位（１デジタル単位に相当するアナログ量）とする分解能で回転位置センサの検出信号をデジタル化した回転位置信号を用いる場合、電気角６０度が量子化単位の整数倍にならないため、回転位置センサの検出信号をデジタル化した回転位置信号の分解能に起因する誤差の影響を受けて、電気角６０度を精度良く判定することができず、電気角６０度毎に転流させる矩形波電圧が発生できず矩形波制御を精度良く行うことができない。このため、交流モータに流れる電流のオフセット（ずれ）が発生して交流モータのトルク制御精度が低下する可能性がある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、回転位置センサの検出信号をデジタル化した回転位置信号に基づいて交流モータへの通電電流を電気角６０度毎に転流させるために矩形波電圧を電気角６０度毎にスイッチングする矩形波制御を精度良く行うことができる交流モータの制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、三相同期交流モータ（以下単に「交流モータ」という）と、該交流モータのロータ回転位置を検出する回転位置センサとを備えた交流モータの制御装置において、電気角３６０度を３の倍数を含む整数で除算した値を量子化単位とする分解能で回転位置センサの検出信号をデジタル化した回転位置信号に基づいて、交流モータへの通電電流を電気角６０度毎に転流させるために矩形波電圧を電気角６０度毎にスイッチングする矩形波制御を行うモータ制御手段を備えた構成としたものである。

電気角３６０度を３の倍数を含む整数で除算した値を量子化単位（１デジタル単位に相当するアナログ量）とする分解能で回転位置センサの検出信号をデジタル化した回転位置信号を用いれば、電気角６０度を量子化単位の整数倍にすることが可能となり、回転位置センサの検出信号をデジタル化した回転位置信号の誤差の影響を受けずに、電気角６０度を精度良く判定することができ、交流モータへの通電電流を電気角６０度毎に転流させるために矩形波電圧を電気角６０度毎にスイッチングする矩形波制御を精度良く行うことができる。これにより、交流モータの電流のオフセットの発生を抑制して、交流モータのトルク制御精度を向上させることができる。

この場合、請求項２のように、電気角３６０度を３×２ⁿ （但しｎは１以上の整数）で除算した値を量子化単位とする分解能で回転位置センサの検出信号をデジタル化した回転位置信号を用いるようにすると良い。このようにすれば、確実に電気角６０度を量子化単位の整数倍にすることができる。

図１は本発明の一実施例におけるモータ制御システムの概略構成を示すブロック図である。 図２は回転位置センサの検出信号に対応した電気角θと標本電気角θesとの関係を示す図である。 図３は矩形波電圧を電気角６０度毎に転流させる矩形波制御を説明する図である。

以下、本発明を実施するための形態を交流モータを動力源とする電気自動車又はハイブリッド車に適用して具体化した一実施例を説明する。
まず、図１に基づいてモータ制御システムの概略構成を説明する。
交流モータ１１は、車両の動力源として用いられる三相永久磁石式同期モータで、永久磁石が内装されたものであり、ロータの回転位置を検出する回転位置センサ１２が搭載されている。この交流モータ１１は、電圧制御型の三相のインバータ１３によって駆動される。このインバータ１３は、モータ制御装置１４から出力される三相の電圧指令信号Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに基づいて、二次電池等の直流電源（図示せず）から供給される直流電圧を三相の交流電圧Ｕ，Ｖ，Ｗに変換して交流モータ１１を駆動する。

この交流モータ１１の各相に流れる電流（Ｕ相電流ｉｕとＶ相電流ｉｖとＷ相電流ｉｗ）が、それぞれ電流センサ１５〜１７によって検出される。尚、交流モータ１１の三相のうちの二相に流れる電流を、それぞれ電流センサで検出し、それらの検出値から残りの一相に流れる電流を算出するようにしても良い。

モータ制御装置１４は、交流モータ１１をトルク制御する場合、トルク指令値Ｔ* と、交流モータ１１の各相の電流（Ｕ相電流ｉｕとＶ相電流ｉｖとＷ相電流ｉｗ）と、回転位置センサ１２の検出信号θr とに基づいて、矩形波制御方式で三相電圧指令信号Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを生成する。この矩形波制御方式は、図３に示すように、各相の矩形波電圧のオン／オフの比が１対１（デューティ比５０％）で且つ電気角１２０度ずつ位相が異なる三相の矩形波電圧を交流モータ１１に印加するように、交流モータ１１に印加する矩形波電圧を電気角６０度毎に転流させる方式である。

矩形波制御方式で三相電圧指令信号Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを生成する際には、まず、Ｒ／Ｄ変換器１８で、回転位置センサ１２の検出信号θr （アナログ信号）をデジタル化した回転位置信号である標本電気角θes（デジタル信号）を演算する。この場合、図２に示すように、電気角３６０度を３×２ⁿ （ｎは分解能を十分に確保できる値であり、例えば１０〜１２の整数）で除算した値を量子化単位ＬＳＢ［ＬＳＢ＝３６０／（３×２ⁿ ）］とする分解能で、回転位置センサ１２の検出信号θr に対応した電気角θe を標本電気角θesに変換する。例えば、標本電気角θes＝６０／ＬＳＢは、回転位置センサ１２の検出信号θr に対応した電気角θe ＝６０に相当する。

この後、図１に示すように、三相／ｄｑ変換器１９で、交流モータ１１の各相の電流（Ｕ相電流ｉｕとＶ相電流ｉｖとＷ相電流ｉｗ）と、回転位置センサ１２の検出信号θr をデジタル化した標本電気角θesとに基づいて、交流モータ１１のロータの回転座標として設定したｄ−ｑ座標系におけるｄ軸電流ｉd とｑ軸電流ｉq をマップ又は数式等により演算する。

この後、ｄ軸電流ｉd とｑ軸電流ｉq をそれぞれローパスフィルタ２０に入力して、ｄ軸電流ｉd のうちの低周波域の成分のみを通過させると共にｑ軸電流ｉq のうちの低周波域の成分のみを通過させるローパスフィルタ処理を施すことで、矩形波制御における交流モータ１１の調波電流成分を減衰させて基本波電流のｄ軸成分とｑ軸成分（ｄ軸電流ｉdfとｑ軸電流ｉqf）を抽出する。

この後、トルク推定器２１で、ｄ軸電流ｉdfとｑ軸電流ｉqfとに基づいて交流モータ１１のトルク推定値Ｔest をマップ又は数式等により演算する。この場合、例えば、交流モータ１１の極対数ｐｎと、鎖交磁束ｋe と、ｄ軸インダクタンスＬd と、ｑ軸インダクタンスＬq とを用いて、次式によりトルク推定値Ｔest を求める。
Ｔest ＝ｐｎ×｛ｋe ×ｉqf＋（Ｌd −Ｌq ）×ｉdf×ｉqf｝

この後、偏差器２２で、トルク指令値Ｔ* とトルク推定値Ｔest との偏差ΔＴを求め、この偏差ΔＴをＰＩ制御器２３に入力して、トルク指令値Ｔ* とトルク推定値Ｔest との偏差ΔＴが小さくなるようにＰＩ制御等により矩形波電圧の位相指令値θp*を演算する。この場合、例えば、次式により位相指令値θp*を求める。
θp*＝Ｋp ×ΔＴ＋Ｋi ×∫（ΔＴ）ｄｔ
ここで、Ｋp は比例ゲインであり、Ｋi は積分ゲインである。

尚、θp*は、交流モータ１１の特定の電気角位置からの位相であり、例えばｄ軸あるいはｑ軸を基準とする位相としてもよい。

この後、矩形波発生器２４で、回転位置センサ１２の検出信号θr をデジタル化した標本電気角θesに基づいて電気角θe を判定して、基準電気角θ0 から位相指令値θp*だけ進んだデューティ比５０％のＵ相矩形波電圧と、このＵ相矩形波電圧から更に電気角１２０度だけ進んだデューティ比５０％のＶ相矩形波電圧と、このＶ相矩形波電圧から更に電気角１２０度だけ進んだデューティ比５０％のＷ相矩形波電圧を発生させると共に、矩形波電圧を電気角６０度毎（標本電気角６０／ＬＳＢ毎）に転流させるように三相電圧指令信号Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを生成する。

以上説明した本実施例では、回転位置センサ１２の検出信号θr をデジタル化した標本電気角θesに基づいて電気角θe を判定して、交流モータ１１に印加する矩形波電圧を電気角６０度毎に転流させる矩形波制御を行う際に、電気角３６０度を３×２ⁿ で除算した値を量子化単位ＬＳＢ［ＬＳＢ＝３６０／（３×２ⁿ ）］とする分解能で回転位置センサ１２の検出信号θr をデジタル化した標本電気角θesを用いるようにしたので、電気角６０度を量子化単位ＬＳＢの整数倍にすることが可能となり、回転位置センサ１２の検出信号θr をデジタル化した標本電気角θesの誤差の影響を受けずに、電気角６０度を精度良く判定することができ、矩形波電圧を電気角６０度毎に転流させる矩形波制御を精度良く行うことができる。これにより、交流モータ１１の電流のオフセットの発生を抑制して、交流モータ１１のトルク制御精度を向上させることができる。

尚、上記実施例では、電気角３６０度を３×２ⁿ で除算した値を量子化単位ＬＳＢとする分解能で回転位置センサ１２の検出信号をデジタル化するようにしたが、これに限定されず、電気角３６０度を３の倍数（例えば６の倍数）で除算した値を量子化単位ＬＳＢとする分解能で回転位置センサ１２の検出信号をデジタル化するようにしても良い。

また、上記実施例では、モータ制御装置１４に、回転位置センサ１２の検出信号をデジタル化するＲ／Ｄ変換器１８を備えた構成としたが、回転位置センサ１２の検出信号をデジタル化する機能を回転位置センサ１２自体に備えた構成としても良い。

その他、本発明は、電気自動車やハイブリッド車に搭載される交流モータの制御装置に限定されず、電気自動車やハイブリッド車以外の交流モータの制御装置にも適用可能である。

１１…交流モータ、１２…回転位置センサ、１３…インバータ、１４…モータ制御装置（モータ制御手段）、１５〜１７…電流センサ、１８…Ｒ／Ｄ変換器、１９…三相／ｄｑ変換器、２０…ローパスフィルタ、２１…トルク推定器、２２…偏差器、２３…ＰＩ制御器、２４…矩形波発生器

Claims (2)

1. 三相同期交流モータ（以下単に「交流モータ」という）と、該交流モータのロータ回転位置を検出する回転位置センサとを備えた交流モータの制御装置において、
   電気角３６０度を３の倍数を含む整数で除算した値を量子化単位とする分解能で前記回転位置センサの検出信号をデジタル化した回転位置信号に基づいて、前記交流モータの通電電流を電気角６０度毎に転流させるように矩形波電圧を印加する矩形波制御を行うモータ制御手段を備えていることを特徴とする交流モータの制御装置。
2. 前記モータ制御手段は、電気角３６０度を３×２ⁿ （但しｎは１以上の整数）で除算した値を量子化単位とする分解能で前記回転位置センサの検出信号をデジタル化した回転位置信号を用いることを特徴とする請求項１に記載の交流モータの制御装置。

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