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JP2020065392A - Motor control device, motor control method, motor module, electric power steering device and traction motor unit - Google Patents

Motor control device, motor control method, motor module, electric power steering device and traction motor unit Download PDF

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JP2020065392A
JP2020065392A JP2018196478A JP2018196478A JP2020065392A JP 2020065392 A JP2020065392 A JP 2020065392A JP 2018196478 A JP2018196478 A JP 2018196478A JP 2018196478 A JP2018196478 A JP 2018196478A JP 2020065392 A JP2020065392 A JP 2020065392A
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noise
hysteresis
motor
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magnetic flux
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JP2018196478A
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ガデリー アハマッド
Ghaderi Ahmad
ガデリー アハマッド
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Nidec Corp
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Nidec Corp
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Abstract

To provide a motor control device capable of reducing acoustic noise that may be generated in direct torque control.SOLUTION: A motor control device 100 according to one embodiment includes: a first hysteresis comparator (140) that generates a quantized flux signal based on a difference between a reference flux and a real flux; a second hysteresis comparator (130) for generating a quantized torque signal based on a difference between a reference torque and a real torque; a noise comparison unit (150) for calculating cumulative noise by accumulating noise levels including switching noise within a specific frequency bandwidth, and changing the bandwidth of the hysteresis of at least one of the first hysteresis comparator and the second hysteresis comparator according to a difference between reference noise and the calculated cumulative noise; and a switching selection unit (160) for determining an output voltage vector based on the quantized magnetic flux signal, the quantized torque signal, and a phase angle of the flux.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本開示は、モータ制御装置、モータ制御方法、モータモジュール、電動パワーステアリング装置およびトラクションモータユニットに関し、特に、直接トルク制御を行うモータ制御装置およびモータ制御方法に関している。   The present disclosure relates to a motor control device, a motor control method, a motor module, an electric power steering device, and a traction motor unit, and particularly to a motor control device and a motor control method that directly perform torque control.

モータ制御の手法の1つとして、直接トルク制御(DTC)が知られている。直接トルク制御は、鎖交磁束および瞬時トルクを制御して、インバータの出力電圧ベクトルを選択する手法である。国際公開第2011/065406号は、基準トルクと推定トルクとのトルク誤差、基準磁束と推定磁束との磁束誤差、磁束の位相角などに基づいてインバータの出力電圧ベクトルを選択するモータ制御装置を開示している。   Direct torque control (DTC) is known as one of motor control methods. The direct torque control is a method of controlling the interlinkage magnetic flux and the instantaneous torque to select the output voltage vector of the inverter. International Publication No. 2011/065406 discloses a motor control device that selects an output voltage vector of an inverter based on a torque error between a reference torque and an estimated torque, a magnetic flux error between a reference magnetic flux and an estimated magnetic flux, a phase angle of a magnetic flux, and the like. is doing.

国際公開第2011/065406号International Publication No. 2011/065406

直接トルク制御では、インバータのスイッチ素子のスイッチングパターンに起因したノイズ(「スイッチングノイズ」と称される。)が発生し得る。そのノイズは、音響ノイズであり、騒音の原因となることがある。   In the direct torque control, noise (referred to as "switching noise") due to the switching pattern of the switch element of the inverter may occur. The noise is acoustic noise and may cause noise.

本開示の実施形態は、直接トルク制御において発生し得る音響ノイズを低減することが可能な、新規なモータ制御装置、モータ制御方法、当該モータ制御装置を備える、モータモジュールおよびトラクションモータユニット、ならびに、当該モータモジュールを備える電動パワーステアリング装置を提供する。   Embodiments of the present disclosure are capable of reducing acoustic noise that may occur in direct torque control, a novel motor control device, a motor control method, a motor module and a traction motor unit including the motor control device, and An electric power steering apparatus including the motor module is provided.

本開示のモータ制御装置は、例示的な実施形態において、基準磁束と実磁束との差分に基づいて量子化磁束信号を生成する第1ヒステリシスコンパレータと、基準トルクと実トルクとの差分に基づいて量子化トルク信号を生成する第2ヒステリシスコンパレータと、特定の周波数帯域内におけるスイッチングノイズを含むノイズレベルを累積して累積ノイズを算出し、かつ、基準ノイズと算出した前記累積ノイズとの差分に応じて前記第1ヒステリシスコンパレータおよび前記第2ヒステリシスコンパレータの少なくとも1つのヒステリシスのバンド幅を変更するノイズ比較ユニットと、前記量子化磁束信号、前記量子化トルク信号および磁束の位相角に基づいて、インバータのスイッチングモードに関連付けられた出力電圧ベクトルを決定するスイッチング選択ユニットと、を備える。   The motor control device of the present disclosure, in the exemplary embodiment, based on the difference between the reference torque and the actual torque, and the first hysteresis comparator that generates the quantized magnetic flux signal based on the difference between the reference magnetic flux and the actual magnetic flux. A second hysteresis comparator that generates a quantized torque signal, and a noise level including switching noise in a specific frequency band are accumulated to calculate cumulative noise, and the cumulative noise is calculated according to a difference between the reference noise and the calculated cumulative noise. A noise comparison unit that changes the bandwidth of at least one hysteresis of the first hysteresis comparator and the second hysteresis comparator, and an inverter of the inverter based on the quantized magnetic flux signal, the quantized torque signal, and the phase angle of the magnetic flux. Determine output voltage vector associated with switching mode That includes a switching selection unit.

本開示のモータ制御方法は、例示的な実施形態において、第1ヒステリシスコンパレータを用いて、基準磁束と実磁束との差分に基づいて量子化磁束信号を生成することと、第2ヒステリシスコンパレータを用いて、基準トルクと実トルクとの差分に基づいて量子化トルク信号を生成することと、特定の周波数帯域内におけるスイッチングノイズを含むノイズレベルを累積して累積ノイズを算出することと、基準ノイズと算出した前記累積ノイズとの差分に応じて前記第1ヒステリシスコンパレータおよび前記第2ヒステリシスコンパレータの少なくとも1つのヒステリシスのバンド幅を変更することと、前記量子化磁束信号、前記量子化トルク信号および磁束の位相角に基づいて、インバータのスイッチングモードに関連付けられた出力電圧ベクトルを決定することと、前記出力電圧ベクトルに基づいてモータを制御することと、を包含する。   In the exemplary embodiment, the motor control method of the present disclosure uses a first hysteresis comparator to generate a quantized magnetic flux signal based on a difference between a reference magnetic flux and an actual magnetic flux, and uses a second hysteresis comparator. Then, a quantized torque signal is generated based on the difference between the reference torque and the actual torque, cumulative noise is calculated by accumulating noise levels including switching noise within a specific frequency band, and reference noise and Changing the bandwidth of at least one hysteresis of the first hysteresis comparator and the second hysteresis comparator according to the calculated difference from the cumulative noise, and the quantized magnetic flux signal, the quantized torque signal, and the magnetic flux. Based on the phase angle, the output power associated with the inverter switching mode. Comprising determining a vector, a, and controlling the motor based on the output voltage vector.

本開示の例示的な実施形態によると、直接トルク制御において発生し得る音響ノイズを低減することが可能な、新規なモータ制御装置、モータ制御方法、当該モータ制御装置を備える、モータモジュールおよびトラクションモータユニット、ならびに、当該モータモジュールを備える電動パワーステアリング装置が提供される。   According to an exemplary embodiment of the present disclosure, a novel motor control device capable of reducing acoustic noise that may occur in direct torque control, a motor control method, a motor module including the motor control device, and a traction motor. Provided is a unit and an electric power steering device including the motor module.

図1は、例示的な実施形態1によるモータモジュール1000のハードウェアブロックを模式的に示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram schematically showing hardware blocks of a motor module 1000 according to an exemplary embodiment 1. 図2は、例示的な実施形態1によるモータモジュール1000中のインバータ300のハードウェア構成を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing a hardware configuration of the inverter 300 in the motor module 1000 according to the first exemplary embodiment. 図3は、例示的な実施形態1によるモータ制御装置100の機能ブロックを示す機能ブロック図である。FIG. 3 is a functional block diagram showing functional blocks of the motor control device 100 according to the first embodiment. 図4は、αβ固定座標系における鎖交磁束Ψαβおよびその位相角ρを示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the interlinkage magnetic flux Ψ αβ and its phase angle ρ in the αβ fixed coordinate system. 図5は、ノイズ比較ユニット150の主要な機能ブロックをより詳細に示す機能ブロック図である。FIG. 5 is a functional block diagram showing the main functional blocks of the noise comparison unit 150 in more detail. 図6は、時間的に移動または停止する鎖交磁束ベクトルΨαβの軌跡を表す磁束軌跡を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a magnetic flux locus representing a locus of the interlinkage magnetic flux vector Ψαβ that moves or stops with time. 図7は、αβ固定座標系の座標平面を磁束の位相角ρに基づいて6等分した領域R(1)からR(6)を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing regions R (1) to R (6) obtained by dividing the coordinate plane of the αβ fixed coordinate system into six equal parts based on the phase angle ρ of the magnetic flux. 図8は、Y結線された三相の巻線La、LbおよびLcを示す模式図である。FIG. 8 is a schematic diagram showing Y-connected three-phase windings La, Lb, and Lc. 図9は、出力電圧ベクトルV0からV7を示す模式図である。FIG. 9 is a schematic diagram showing the output voltage vectors V0 to V7. 図10は、例示的な実施形態2によるEPSシステム2000の典型的な構成を示す模式図である。FIG. 10 is a schematic diagram showing a typical configuration of the EPS system 2000 according to the exemplary embodiment 2. 図11は、例示的な実施形態3によるトラクションモータユニット3000の構成を示す模式図である。FIG. 11 is a schematic diagram showing the configuration of the traction motor unit 3000 according to the third exemplary embodiment.

以下、添付の図面を参照しながら、本開示のモータ制御装置、モータ制御方法、モータモジュール、電動パワーステアリング装置およびトラクションモータユニットの実施形態を詳細に説明する。但し、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするため、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。   Hereinafter, embodiments of a motor control device, a motor control method, a motor module, an electric power steering device, and a traction motor unit of the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, in order to avoid unnecessary redundancy in the following description and facilitate understanding by those skilled in the art, detailed description may be omitted more than necessary. For example, detailed description of well-known matters and repeated description of substantially the same configuration may be omitted.

(実施形態1)
〔モータモジュール1000の構成〕
図1は、本実施形態によるモータモジュール1000のハードウェアブロックを模式的に示すブロック図である。
(Embodiment 1)
[Configuration of Motor Module 1000]
FIG. 1 is a block diagram schematically showing a hardware block of a motor module 1000 according to this embodiment.

モータモジュール1000は、典型的に、モータMと、モータ制御装置100と、駆動回路200と、インバータ(「インバータ回路」とも称される。)300と、複数の電流センサ400と、アナログデジタル変換回路(以下、「ADコンバータ」と表記する。)500と、ROM(Read Only Memory)600と、角度センサ700と、を備える。ただし、後述するように、角度センサ700は、モータモジュール1000の必須の構成要素ではない。モータモジュール1000は、モジュール化され得て、例えば、モータ、センサ、ドライバおよびモータ制御装置を有するモータモジュール、例えば機電一体型モータとして製造および販売され得る。   The motor module 1000 typically includes a motor M, a motor control device 100, a drive circuit 200, an inverter (also referred to as an “inverter circuit”) 300, a plurality of current sensors 400, and an analog-digital conversion circuit. (Hereinafter, referred to as “AD converter”.) 500, a ROM (Read Only Memory) 600, and an angle sensor 700. However, as described later, the angle sensor 700 is not an essential component of the motor module 1000. The motor module 1000 can be modularized and can be manufactured and sold, for example, as a motor module having a motor, a sensor, a driver, and a motor controller, such as an electromechanical integrated motor.

モータMは、例えば、表面磁石型同期モータ(SPMSM)またはスイッチトリラクタンスモータ(SRM)である。モータMは、例えば三相(A相、B相およびC相)の巻線(不図示)を有する。三相の巻線は、インバータ300に電気的に接続される。三相モータに限らず、五相、七相などの多相モータも本開示の範疇である。モータの結線は、Y結線およびΔ結線のいずれであってもよい。本明細書では、三相モータを制御するモータ制御装置を例に、本開示の実施形態を説明する。   The motor M is, for example, a surface magnet type synchronous motor (SPMSM) or a switched reluctance motor (SRM). The motor M has, for example, three-phase (A-phase, B-phase, and C-phase) windings (not shown). The three-phase winding is electrically connected to the inverter 300. Not limited to a three-phase motor, a multi-phase motor such as a five-phase or a seven-phase motor is also within the scope of the present disclosure. The motor connection may be either Y connection or Δ connection. In this specification, an embodiment of the present disclosure will be described by taking a motor control device that controls a three-phase motor as an example.

モータ制御装置100は、典型的にはプロセッサである。モータ制御装置100は、例えば、デジタル信号処理プロセッサ(DSP)またはマイクロコントロールユニット(MCU)などの集積回路(IC)チップであり得る。または、モータ制御装置100は、例えば、中央演算処理装置(CPU)のコアが組み込まれたフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)によっても実現され得る。   Motor controller 100 is typically a processor. The motor controller 100 can be, for example, an integrated circuit (IC) chip such as a digital signal processor (DSP) or a micro control unit (MCU). Alternatively, the motor control device 100 can also be realized by, for example, a field programmable gate array (FPGA) in which a core of a central processing unit (CPU) is incorporated.

モータ制御装置100は、直接トルク制御(以下、「DTC」と表記する。)を用いてモータMを制御する。DTCは、鎖交磁束および瞬時トルクの制御量に基づいて、操作量であるインバータの出力電圧ベクトルを調整する制御手法である。モータ制御装置100は、出力電圧ベクトルを表す信号(「出力電圧ベクトル信号」と表記する。)を駆動回路200に出力する。   The motor control device 100 controls the motor M using direct torque control (hereinafter referred to as “DTC”). DTC is a control method that adjusts the output voltage vector of the inverter, which is the manipulated variable, based on the controlled variables of the interlinkage magnetic flux and the instantaneous torque. The motor control device 100 outputs a signal representing the output voltage vector (denoted as “output voltage vector signal”) to the drive circuit 200.

駆動回路200は、典型的にはゲートドライバ(またはプリドライバ)である。駆動回路200は、インバータ300におけるスイッチ素子のオン・オフを制御する制御信号を、モータ制御装置100から出力される出力電圧ベクトル信号に従って生成する。スイッチ素子は、例えば、後述する電界効果トランジスタ(典型的にはMOSFET)である。駆動回路200は、各スイッチ素子のゲートにゲート制御信号を与える。駆動対象が低電圧で駆動可能なモータであるとき、駆動回路200は必ずしも必要とされない場合がある。その場合、ゲートドライバの機能は、モータ制御装置100に実装し得る。   The drive circuit 200 is typically a gate driver (or pre-driver). The drive circuit 200 generates a control signal for controlling ON / OFF of the switch element in the inverter 300 according to the output voltage vector signal output from the motor control device 100. The switch element is, for example, a field effect transistor (typically MOSFET) described later. The drive circuit 200 gives a gate control signal to the gate of each switch element. When the drive target is a motor that can be driven with a low voltage, the drive circuit 200 may not be necessarily required. In that case, the function of the gate driver may be implemented in the motor control device 100.

インバータ300は、例えば、直流電源(不図示)から供給される直流電力を交流電力に変換する。例えば、インバータ300は、駆動回路200から出力されるゲート制御信号に基づいて、直流電力を、A相、B相およびC相の擬似正弦波である三相交流電力に変換する。この変換された三相交流電力によってモータMは駆動される。   The inverter 300 converts DC power supplied from a DC power supply (not shown) into AC power, for example. For example, the inverter 300 converts DC power into three-phase AC power that is a pseudo sine wave of A phase, B phase, and C phase based on the gate control signal output from the drive circuit 200. The motor M is driven by the converted three-phase AC power.

複数の電流センサ400は、モータMのA相、B相およびC相の巻線に流れる少なくとも2つの相電流を検出する少なくとも2つの電流センサを有する。本実施形態では、複数の電流センサ400は、A相およびB相に流れる電流を検出する2つの電流センサ400A、400B(図2を参照)を有する。当然に、複数の電流センサ400は、A相、B相およびC相の巻線に流れる3つの相電流を検出する3つの電流センサを有していてもよいし、例えばB相およびC相に流れる相電流またはC相およびA相に流れる相電流を検出する2つの電流センサを有していてもよい。電流センサは、例えば、シャント抵抗、およびシャント抵抗に流れる電流を検出する電流検出回路(不図示)を有する。   The plurality of current sensors 400 include at least two current sensors that detect at least two phase currents flowing in the A-phase, B-phase, and C-phase windings of the motor M. In the present embodiment, the plurality of current sensors 400 have two current sensors 400A and 400B (see FIG. 2) that detect the currents flowing in the A phase and the B phase. Of course, the plurality of current sensors 400 may include three current sensors that detect three phase currents flowing in the A-phase, B-phase, and C-phase windings. You may have two current sensors which detect the phase current which flows, or the phase current which flows in C phase and A phase. The current sensor has, for example, a shunt resistor and a current detection circuit (not shown) that detects a current flowing through the shunt resistor.

ADコンバータ500は、複数の電流センサ400から出力されるアナログ信号をサンプリングしてデジタル信号に変換し、その変換したデジタル信号をモータ制御装置100に出力する。ただし、モータ制御装置100がAD変換を行ってもよい。その場合、複数の電流センサ400は、アナログ信号をモータ制御装置100に直接出力する。   The AD converter 500 samples the analog signals output from the plurality of current sensors 400, converts the analog signals into digital signals, and outputs the converted digital signals to the motor control device 100. However, the motor control device 100 may perform AD conversion. In that case, the plurality of current sensors 400 directly output an analog signal to the motor control device 100.

ROM600は、例えば書き込み可能なメモリ(例えばPROM)、書き換え可能なメモリ(例えばフラッシュメモリ)または読み出し専用のメモリである。ROM600は、モータ制御装置100にモータMを制御させるための命令群を有する制御プログラムを格納する。例えば、制御プログラムはブート時にRAM(不図示)に一旦展開される。ROM600は、モータ制御装置100に外付けされる必要はなく、モータ制御装置100に搭載されていてもよい。ROM600を搭載したモータ制御装置100は、例えば上述したMCUであり得る。   The ROM 600 is, for example, a writable memory (for example, PROM), a rewritable memory (for example, flash memory), or a read-only memory. The ROM 600 stores a control program having a group of instructions for causing the motor control device 100 to control the motor M. For example, the control program is once expanded in the RAM (not shown) at the time of booting. The ROM 600 does not need to be externally attached to the motor control device 100 and may be mounted in the motor control device 100. The motor control device 100 equipped with the ROM 600 can be, for example, the MCU described above.

角度センサ700は、例えばレゾルバまたはホールICである。または、角度センサ700は、磁気抵抗(MR)素子を有するMRセンサとセンサマグネットとの組み合わせによっても実現される。角度センサ700は、ロータの回転角(以下、「ロータ角」と表記する。)を検出し、ロータ角をモータ制御装置100に出力する。   The angle sensor 700 is, for example, a resolver or a Hall IC. Alternatively, the angle sensor 700 is also realized by a combination of an MR sensor having a magnetoresistive (MR) element and a sensor magnet. The angle sensor 700 detects the rotation angle of the rotor (hereinafter referred to as “rotor angle”) and outputs the rotor angle to the motor control device 100.

図1に示す、角度センサを必要とするセンサ制御では、角度センサの測定値に基づいてロータ角が算出される。一方、図2に示す、角度センサを必要としないセンサレス制御では、ロータ角は、電流センサによって測定される電流などに基づいて推定される。センサレス制御を行う場合において、角度センサ700は必須ではない。   In the sensor control that requires the angle sensor shown in FIG. 1, the rotor angle is calculated based on the measured value of the angle sensor. On the other hand, in the sensorless control that does not require the angle sensor shown in FIG. 2, the rotor angle is estimated based on the current measured by the current sensor and the like. When performing sensorless control, the angle sensor 700 is not essential.

図2を参照して、インバータ300のハードウェア構成をより詳細に説明する。   The hardware configuration of the inverter 300 will be described in more detail with reference to FIG.

図2は、本実施形態によるモータモジュール1000中のインバータ300のハードウェア構成を示すブロック図である。   FIG. 2 is a block diagram showing the hardware configuration of the inverter 300 in the motor module 1000 according to this embodiment.

インバータ300は、ハーフブリッジ回路であり、3個のローサイドスイッチ素子および3個のハイサイドスイッチ素子を有する。図示されるスイッチ素子SW_L1、SW_L2およびSW_L3がローサイドスイッチ素子であり、スイッチ素子SW_H1、SW_H2およびSW_H3が、ハイサイドスイッチ素子である。スイッチ素子として、例えば、MOSFETまたは絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)などの半導体スイッチ素子を用いることができる。   The inverter 300 is a half-bridge circuit and has three low-side switch elements and three high-side switch elements. The illustrated switch elements SW_L1, SW_L2 and SW_L3 are low side switch elements, and the switch elements SW_H1, SW_H2 and SW_H3 are high side switch elements. As the switch element, for example, a semiconductor switch element such as a MOSFET or an insulated gate bipolar transistor (IGBT) can be used.

図2に、A相およびB相に流れる相電流を検出する2つの電流センサ400A、400Bのシャント抵抗Rsを示す。図示されるように、例えばシャント抵抗Rsは、ローサイドスイッチ素子とグランドとの間に電気的に接続され得る。または、例えばシャント抵抗Rsは、ハイサイドスイッチ素子と電源との間に電気的に接続され得る。   FIG. 2 shows the shunt resistance Rs of the two current sensors 400A and 400B that detect the phase currents flowing in the A phase and the B phase. As illustrated, for example, the shunt resistor Rs can be electrically connected between the low side switch element and the ground. Alternatively, for example, the shunt resistor Rs can be electrically connected between the high side switch element and the power supply.

モータ制御装置100は、直接トルク制御を用いる三相通電による制御(以下、「三相通電制御」と表記する。)を行うことによってモータMを駆動することができる。例えば、モータ制御装置100は、三相通電制御を行うための出力電圧ベクトル信号を生成し、その信号を駆動回路200に出力する。駆動回路200は、インバータ300の中の各FETのスイッチング動作を制御するゲート制御信号を出力電圧ベクトル信号に基づいて生成し、各FETのゲートに与える。   The motor control device 100 can drive the motor M by performing control by three-phase energization using direct torque control (hereinafter, referred to as “three-phase energization control”). For example, the motor control device 100 generates an output voltage vector signal for performing three-phase energization control, and outputs the signal to the drive circuit 200. The drive circuit 200 produces | generates the gate control signal which controls the switching operation of each FET in the inverter 300 based on an output voltage vector signal, and gives it to the gate of each FET.

モータモジュール1000は、角度センサ700の代わりに、例えば、速度センサまたは加速度センサを有し得る。モータ制御装置100は、角度センサとして速度センサを用いる場合、回転速度信号または角速度信号に積分処理等を行うことにより回転角、つまり、ロータ角を算出することができる。回転速度は、単位時間(例えば1分間)にロータが回転する回転数(rpm)または単位時間(例えば1秒間)にロータが回転する回転数(rps)で表される。角速度は、1秒間にロータが回転する角度(rad/s)で表される。また、モータ制御装置100は、角度センサとして加速度センサを用いる場合、角加速度信号に積分処理等を行うことによりロータ角を算出することができる。   The motor module 1000 may have a speed sensor or an acceleration sensor instead of the angle sensor 700, for example. When the speed sensor is used as the angle sensor, the motor control device 100 can calculate the rotation angle, that is, the rotor angle by performing integration processing or the like on the rotation speed signal or the angular speed signal. The rotation speed is represented by a rotation speed (rpm) at which the rotor rotates in a unit time (for example, 1 minute) or a rotation speed (rps) at which the rotor rotates in a unit time (for example, 1 second). The angular velocity is represented by the angle (rad / s) that the rotor rotates in 1 second. When the acceleration sensor is used as the angle sensor, the motor control device 100 can calculate the rotor angle by performing an integration process or the like on the angular acceleration signal.

本開示のモータ制御装置は、非限定的で例示的な実施形態において、例えば特定用途向け集積回路(ASIC)またはFPGAなどのハードウェアのみで実現される。または、モータ制御に必要な一連の処理を規定するプログラムを格納するメモリ、およびそのプログラムに従って各処理を逐次実行するプロセッサによって実現され得る。さらに、ハードウェアおよびソフトウェアを組み合わせることによっても実現することができる。   The motor controller of the present disclosure is implemented in non-limiting exemplary embodiments only in hardware, such as an application specific integrated circuit (ASIC) or FPGA. Alternatively, it may be realized by a memory that stores a program that defines a series of processes required for motor control, and a processor that sequentially executes each process according to the program. Further, it can be realized by combining hardware and software.

本開示のモータ制御方法は、例えば、図1または図2に示すモータモジュールが備える装置を用いて実行可能である。本開示のモータ制御方法は、SPMSMまたはSRMなどの様々のタイプのモータの制御に広く利用され得る。   The motor control method of the present disclosure can be executed using, for example, an apparatus included in the motor module shown in FIG. 1 or 2. The motor control method of the present disclosure can be widely used for controlling various types of motors such as SPMSM or SRM.

図3から図6を参照する。以下、DTCを行うモータ制御装置100の機能・動作をより詳しく説明する。   Please refer to FIG. 3 to FIG. Hereinafter, the function / operation of the motor control device 100 that performs DTC will be described in more detail.

〔モータ制御装置100の機能ブロック〕
図3は、本実施形態によるモータ制御装置100の機能ブロックを示す機能ブロック図である。
[Functional Block of Motor Control Device 100]
FIG. 3 is a functional block diagram showing functional blocks of the motor control device 100 according to this embodiment.

本明細書において、機能ブロック図における各ブロックは、ハードウェア単位ではなく機能ブロック単位で示される。モータ制御を行うためのソフトウェアは、例えば、各機能ブロックに対応した特定の処理を実行させるためのコンピュータプログラムを構成するモジュールであり得る。そのようなコンピュータプログラムは、例えばROM600に格納される。   In this specification, each block in the functional block diagram is shown in a functional block unit rather than in a hardware unit. The software for controlling the motor may be, for example, a module forming a computer program for executing a specific process corresponding to each functional block. Such a computer program is stored in the ROM 600, for example.

モータ制御装置100は、推定器110、差分器120A、120B、トルクヒステリシスコンパレータ130、磁束ヒステリシスコンパレータ140、ノイズ比較ユニット150、およびスイッチング選択ユニット160を有する。モータ制御装置100は、磁束誤差、トルク誤差および磁束の位相角に基づいて、インバータ300のスイッチングモードに関連付けられた出力電圧ベクトルを決定する。本明細書において、説明の便宜上、機能ブロックをユニットと表記する場合がある。ただし、このような表記は、各機能ブロックを、ハードウェアまたはソフトウェアに限定する意図で解釈してはならない。   The motor control device 100 includes an estimator 110, differencers 120A and 120B, a torque hysteresis comparator 130, a magnetic flux hysteresis comparator 140, a noise comparison unit 150, and a switching selection unit 160. Motor control device 100 determines the output voltage vector associated with the switching mode of inverter 300 based on the magnetic flux error, the torque error, and the phase angle of the magnetic flux. In this specification, the functional block may be referred to as a unit for convenience of description. However, such notation should not be interpreted with the intention of limiting each functional block to hardware or software.

各機能ブロックをソフトウェアとしてモータ制御装置100に実装する場合、そのソフトウェアの実行主体は、例えばプロセッサであり得る。本開示のモータ制御装置は、非限定的で例示的な実施形態において、プロセッサと、プロセッサの動作を制御するプログラムを記憶するメモリとを備える。プロセッサは、プログラムに従って、以下の処理を実行する。
(1)磁束ヒステリシスコンパレータを用いて、基準磁束と実磁束との差分に基づいて量子化磁束信号を生成する。
(2)トルクヒステリシスコンパレータを用いて、基準トルクと実トルクとの差分に基づいて量子化トルク信号を生成する。
(3)特定の周波数帯域内におけるスイッチングノイズを含むノイズレベルを累積して累積ノイズを算出する。
(4)基準ノイズと算出した累積ノイズとの差分に応じて磁束ヒステリシスコンパレータおよびトルクヒステリシスコンパレータの少なくとも1つのヒステリシスのバンド幅を変更する。
(5)量子化磁束信号、量子化トルク信号および磁束の位相角に基づいて、インバータのスイッチングモードに関連付けられた出力電圧ベクトルを決定する。
(6)出力電圧ベクトルに基づいてモータを制御する。
When each functional block is implemented in the motor control device 100 as software, the execution body of the software may be a processor, for example. The motor control device of the present disclosure includes, in a non-limiting and exemplary embodiment, a processor and a memory that stores a program that controls the operation of the processor. The processor executes the following processing according to the program.
(1) Using the magnetic flux hysteresis comparator, a quantized magnetic flux signal is generated based on the difference between the reference magnetic flux and the actual magnetic flux.
(2) A quantized torque signal is generated based on the difference between the reference torque and the actual torque using the torque hysteresis comparator.
(3) Cumulative noise is calculated by accumulating noise levels including switching noise within a specific frequency band.
(4) The bandwidth of at least one hysteresis of the magnetic flux hysteresis comparator and the torque hysteresis comparator is changed according to the difference between the reference noise and the calculated cumulative noise.
(5) The output voltage vector associated with the switching mode of the inverter is determined based on the quantized magnetic flux signal, the quantized torque signal, and the phase angle of the magnetic flux.
(6) Control the motor based on the output voltage vector.

モータ制御装置100は、FPGAによっても実現され得る。その場合、全てまたは一部の機能ブロックは、ハードウェアによって実現され得る。複数のFPGAを用いて処理を分散させることにより、特定のコンピュータの演算負荷を分散させることができる。その場合、図3に示す機能ブロックの全てまたは一部は、その複数のFPGAに分散して実装され得る。複数のFPGAは、例えば車載のコントロールエリアネットワーク(CAN)によって互いに通信可能に接続され、それらの間でデータの送受信がなされる。   The motor control device 100 can also be realized by an FPGA. In that case, all or some of the functional blocks may be implemented by hardware. By distributing the processing using a plurality of FPGAs, it is possible to distribute the calculation load of a specific computer. In that case, all or some of the functional blocks illustrated in FIG. 3 may be distributed and implemented in the plurality of FPGAs. A plurality of FPGAs are communicably connected to each other, for example, by a vehicle-mounted control area network (CAN), and data is transmitted and received between them.

推定器110は、電流センサ400によって測定された相電流Ia、Ibを取得する。推定器110は、相電流Ia、Ibから相電流Icを算出する。推定器110は、相電流Ia、IbおよびIcに基づいて、鎖交磁束Ψαβ、トルクTおよび鎖交磁束の位相角ρを推定する。 The estimator 110 acquires the phase currents Ia and Ib measured by the current sensor 400. The estimator 110 calculates the phase current Ic from the phase currents Ia and Ib. The estimator 110 estimates the flux linkage Ψ αβ , the torque T e, and the phase angle ρ of the flux linkage based on the phase currents Ia, Ib, and Ic.

図4は、αβ固定座標系における鎖交磁束Ψαβおよびその位相角ρを示す図である。 FIG. 4 is a diagram showing the interlinkage magnetic flux Ψ αβ and its phase angle ρ in the αβ fixed coordinate system.

推定鎖交磁束Ψαβは、αβ固定座標系においてフェーザ表示で表現され、式(1)に基づいて算出される。ここで、vαβは、αβ固定座標系におけるステータ電圧ベクトルである。Rは、電機子抵抗である。iαβは、αβ固定座標系におけるステータ電流ベクトルである。これらの変数はすべてフェーザ表示で表される。∫は積分演算子である。
Ψαβ=∫(vαβ―R・iαβ)dt 式(1)
The estimated interlinkage magnetic flux Ψ αβ is represented by a phasor display in the αβ fixed coordinate system, and is calculated based on the equation (1). Here, v αβ is a stator voltage vector in the αβ fixed coordinate system. R s is the armature resistance. i αβ is the stator current vector in the αβ fixed coordinate system. All of these variables are represented in phasor notation. ∫ is an integral operator.
Ψ αβ = ∫ (v αβ −R s · i αβ ) dt Equation (1)

推定トルクTは、式(2)に基づいて算出される。鎖交磁束の推定位相角ρは、式(3)に基づいて算出される。本明細書において、推定器110が推定した、推定鎖交磁束Ψαβを「実磁束Ψαβ」と呼び、推定トルクTを「実トルクT」と呼ぶこととする。実磁束Ψαβおよび実トルクTは、電流センサ400によって測定された相電流Ia、IbおよびIcに基づいて算出される推定値である。
=Ψαβ×iαβ 式(2)
ρ=arctan(Ψβ/Ψα) 式(3)
The estimated torque T e is calculated based on the equation (2). The estimated phase angle ρ of the interlinkage magnetic flux is calculated based on the equation (3). In this specification, the estimated interlinkage magnetic flux Ψ αβ estimated by the estimator 110 will be referred to as “actual magnetic flux Ψ αβ ”, and the estimated torque T e will be referred to as “actual torque T e ”. Actual flux [psi .alpha..beta and actual torque T e is the estimated value calculated based on the phase current Ia is determined by the current sensor 400, to Ib and Ic.
T e = Ψ αβ × i αβ Equation (2)
ρ = arctan (Ψ β / Ψ α ) Formula (3)

図1に示す角度センサ700を備えるモータモジュール1000において、推定器110は、さらに、角度センサ700からロータ角θを取得してもよい。推定器110は、相電流Ia、Ib、Icおよびロータ角θに基づいて、鎖交磁束Ψαβ、トルクTおよび鎖交磁束の位相角ρを推定することができる。例えば、推定器110は、相電流Ia、IbおよびIcに基づいて推定した、図4に示す推定トルク角δにロータ角θeを加算することにより推定位相角ρを取得する。 In the motor module 1000 including the angle sensor 700 shown in FIG. 1, the estimator 110 may further acquire the rotor angle θ r from the angle sensor 700. The estimator 110 can estimate the interlinkage flux Ψ αβ , the torque T e, and the phase angle ρ of the interlinkage flux based on the phase currents Ia, Ib, Ic, and the rotor angle θ r . For example, the estimator 110 acquires the estimated phase angle ρ by adding the rotor angle θe to the estimated torque angle δ shown in FIG. 4, which is estimated based on the phase currents Ia, Ib, and Ic.

差分器120Aは、基準トルクTと実トルクTとの符号付き差分ΔTを算出してトルクヒステリシスコンパレータ130に出力する。基準トルクTと実トルクTの間のトルク誤差は、差分ΔTによって規定される。差分器120Bは、基準磁束Ψと実磁束Ψαβとの符号付き差分ΔΨを算出して磁束ヒステリシスコンパレータ140に出力する。基準磁束Ψと実磁束Ψαβの間の磁束誤差は、差分ΔΨによって規定される。 The differentiator 120A calculates a signed difference ΔT between the reference torque T * and the actual torque T e and outputs it to the torque hysteresis comparator 130. The torque error between the reference torque T * and the actual torque T e is defined by the difference ΔT. The differentiator 120B calculates a signed difference ΔΨ between the reference magnetic flux Ψ * and the actual magnetic flux Ψ αβ and outputs it to the magnetic flux hysteresis comparator 140. The magnetic flux error between the reference magnetic flux Ψ * and the actual magnetic flux Ψ αβ is defined by the difference ΔΨ.

基準トルクTおよび基準磁束Ψは、例えば上流のコントローラ(不図示)によって演算されて差分器120A、120Bにそれぞれ与えられる。基準トルクTは、例えば、ロータの回転速度を目標(ターゲット)速度にするために必要なトルクを表す。 The reference torque T * and the reference magnetic flux Ψ * are calculated by, for example, an upstream controller (not shown) and given to the difference units 120A and 120B, respectively. The reference torque T * represents, for example, a torque required to bring the rotation speed of the rotor to a target (target) speed.

トルクヒステリシスコンパレータ130は、トルク誤差ΔTに基づいて量子化トルク信号τを生成するヒステリシスコンパレータである。トルクヒステリシスコンパレータ130は、例えば3値の量子化トルク信号τを生成する。基準トルクTが実トルクTよりも大きい場合、トルク誤差ΔTは正の値となり、基準トルクTが実トルクTよりも小さい場合、トルク誤差ΔTは負の値となる。例えば、トルク誤差ΔTが所定の正の閾値よりも大きい場合、トルクヒステリシスコンパレータ130は、「1」を出力し、トルク誤差が所定の負の閾値よりも小さい場合、トルクヒステリシスコンパレータ130は、「−1」を出力する。トルク誤差ΔTが、負の閾値以上正の閾値以下である場合、トルクヒステリシスコンパレータ130は、「0」を出力する。 The torque hysteresis comparator 130 is a hysteresis comparator that generates the quantized torque signal τ based on the torque error ΔT. The torque hysteresis comparator 130 generates, for example, a ternary quantized torque signal τ. When the reference torque T * is larger than the actual torque T e , the torque error ΔT has a positive value, and when the reference torque T * is smaller than the actual torque T e , the torque error ΔT has a negative value. For example, when the torque error ΔT is larger than the predetermined positive threshold value, the torque hysteresis comparator 130 outputs “1”, and when the torque error is smaller than the predetermined negative threshold value, the torque hysteresis comparator 130 outputs “−”. 1 ”is output. When the torque error ΔT is greater than or equal to the negative threshold value and less than or equal to the positive threshold value, the torque hysteresis comparator 130 outputs “0”.

所定の正の閾値は、トルクヒステリシスコンパレータ130のヒステリシスのバンド幅の上限値に相当し、所定の負の閾値は、そのヒステリシスのバンド幅の下限値に相当する。換言すると、トルクヒステリシスコンパレータ130のヒステリシスのバンド幅は、その上限である正の閾値およびその下限である負の閾値の差分を表す。   The predetermined positive threshold value corresponds to the upper limit value of the hysteresis bandwidth of the torque hysteresis comparator 130, and the predetermined negative threshold value corresponds to the lower limit value of the hysteresis bandwidth. In other words, the hysteresis bandwidth of the torque hysteresis comparator 130 represents the difference between the upper limit of the positive threshold and the lower limit of the negative threshold.

磁束ヒステリシスコンパレータ140は、磁束誤差ΔΨに基づいて量子化磁束信号ψを生成するヒステリシスコンパレータである。磁束ヒステリシスコンパレータ140は、例えば2値の量子化磁束信号ψを生成する。基準磁束Ψが実磁束Ψαβよりも大きい場合、磁束誤差ΔΨは正の値となり、基準磁束Ψが実磁束Ψαβよりも小さい場合、磁束誤差ΔΨは負の値となる。磁束誤差ΔΨが所定の正の閾値よりも大きい場合、磁束ヒステリシスコンパレータ140は、「1」を出力し、磁束誤差ΔΨが所定の負の閾値よりも小さい場合、磁束ヒステリシスコンパレータ140は、「−1」を出力する。磁束誤差ΔΨが、負の閾値以上正の閾値以下である場合、磁束ヒステリシスコンパレータ140は、直前の状態の「−1」または「1」の出力を維持する。 The magnetic flux hysteresis comparator 140 is a hysteresis comparator that generates the quantized magnetic flux signal ψ based on the magnetic flux error ΔΨ. The magnetic flux hysteresis comparator 140 generates, for example, a binary quantized magnetic flux signal ψ. When the reference magnetic flux Ψ * is larger than the actual magnetic flux Ψ αβ , the magnetic flux error ΔΨ has a positive value, and when the reference magnetic flux Ψ * is smaller than the actual magnetic flux Ψ αβ , the magnetic flux error ΔΨ has a negative value. When the magnetic flux error ΔΨ is larger than the predetermined positive threshold value, the magnetic flux hysteresis comparator 140 outputs “1”. When the magnetic flux error ΔΨ is smaller than the predetermined negative threshold value, the magnetic flux hysteresis comparator 140 outputs “−1”. Is output. When the magnetic flux error ΔΨ is greater than or equal to the negative threshold value and less than or equal to the positive threshold value, the magnetic flux hysteresis comparator 140 maintains the output of “−1” or “1” in the immediately previous state.

トルクヒステリシスコンパレータ130と同様に、所定の正の閾値は、磁束ヒステリシスコンパレータ140のヒステリシスのバンド幅の上限値に相当し、所定の負の閾値は、そのヒステリシスのバンド幅の下限値に相当する。換言すると、磁束ヒステリシスコンパレータ140のヒステリシスのバンド幅は、その上限である正の閾値およびその下限である負の閾値の差分を表す。   Similar to the torque hysteresis comparator 130, the predetermined positive threshold value corresponds to the upper limit value of the hysteresis bandwidth of the magnetic flux hysteresis comparator 140, and the predetermined negative threshold value corresponds to the lower limit value of the hysteresis bandwidth. In other words, the hysteresis bandwidth of the magnetic flux hysteresis comparator 140 represents the difference between the positive threshold value that is the upper limit thereof and the negative threshold value that is the lower limit thereof.

図5は、ノイズ比較ユニット150の主要な機能ブロックをより詳細に示す機能ブロック図である。   FIG. 5 is a functional block diagram showing the main functional blocks of the noise comparison unit 150 in more detail.

ノイズ比較ユニット150は、累積ノイズ演算ユニット151、差分器152、PI制御器153およびリミッタ154を有する。ノイズ比較ユニット150は、特定の周波数帯域内におけるスイッチングノイズを含むノイズレベルを累積して累積ノイズを算出する。さらに、ノイズ比較ユニット150は、基準ノイズと算出した累積ノイズとの差分に応じてトルクヒステリシスコンパレータ130および磁束ヒステリシスコンパレータ140の少なくとも1つのヒステリシスのバンド幅を変更する。   The noise comparison unit 150 has a cumulative noise calculation unit 151, a difference unit 152, a PI controller 153, and a limiter 154. The noise comparison unit 150 accumulates noise levels including switching noise within a specific frequency band to calculate cumulative noise. Further, the noise comparison unit 150 changes the bandwidth of at least one hysteresis of the torque hysteresis comparator 130 and the magnetic flux hysteresis comparator 140 according to the difference between the reference noise and the calculated accumulated noise.

本実施形態では、ノイズ比較ユニット150は、相電流Ia、IbおよびIcが含む、特定の周波数帯域内におけるノイズレベルを累積して累積ノイズを算出する。ただし、ノイズ比較ユニット150は、3相の相電流すべてについて累積ノイズを算出しなくてもよく、3相のうちの少なくとも1相について累積ノイズを算出してもよい。ノイズ比較ユニット150は、基準ノイズと累積ノイズとの差分によって規定されるノイズ誤差に基づいて磁束ヒステリシスコンパレータ140のヒステリシスのバンド幅のみを変更する。ノイズ比較ユニット150は、トルクヒステリシスコンパレータ130のヒステリシスのバンド幅を変更してもよい。ただし、そのバンド幅を変更すると、トルクリップルの原因となって機械的なノイズが上昇する可能性があり得る。そのため、トルクヒステリシスコンパレータ130のヒステリシスのバンド幅は固定したまま、磁束ヒステリシスコンパレータ140のヒステリシスのバンド幅のみを変更することが好ましい。   In the present embodiment, the noise comparison unit 150 accumulates noise levels in a specific frequency band included in the phase currents Ia, Ib, and Ic to calculate cumulative noise. However, the noise comparison unit 150 does not have to calculate the cumulative noise for all the three-phase currents, and may calculate the cumulative noise for at least one of the three phases. The noise comparison unit 150 changes only the hysteresis bandwidth of the magnetic flux hysteresis comparator 140 based on the noise error defined by the difference between the reference noise and the accumulated noise. The noise comparison unit 150 may change the hysteresis bandwidth of the torque hysteresis comparator 130. However, changing its bandwidth can cause torque ripple and increase mechanical noise. Therefore, it is preferable to change only the hysteresis bandwidth of the magnetic flux hysteresis comparator 140 while keeping the hysteresis bandwidth of the torque hysteresis comparator 130 fixed.

累積ノイズ演算ユニット151は、相電流Ia、IbおよびIcを受け取り、それらに基づいて累積ノイズを相毎に演算する。以下、A相の累積ノイズを演算する具体例を説明する。B、C相についての累積ノイズは、A相と同様にして算出することができる。   The cumulative noise calculation unit 151 receives the phase currents Ia, Ib and Ic, and calculates the cumulative noise for each phase based on them. Hereinafter, a specific example of calculating the A-phase cumulative noise will be described. The accumulated noise for the B and C phases can be calculated in the same manner as for the A phase.

累積ノイズ演算ユニット151は、式(4)に基づいて、A相の瞬時相電流ia(t)を高速フーリエ変換(FFT)してI(S)を算出する。ここで、FFTのシミュレーションのサンプル時間(時間分解能)としてTsを定義する。tは、FFT演算の時間間隔である。nは、t/Tによって表されるサンプリング数(時間間隔tに含まれる電流の瞬時値のデータ数)である。
(S)=FFT(ia(t))/n 式(4)
The cumulative noise calculation unit 151 calculates the I a (S) by performing a fast Fourier transform (FFT) of the A-phase instantaneous phase current ia (t) based on the equation (4). Here, Ts is defined as the sample time (time resolution) of the FFT simulation. t is a time interval of FFT calculation. n is the number of samples represented by t / T s (the number of data of the instantaneous values of current included in the time interval t).
I a (S) = FFT (ia (t)) / n Equation (4)

累積ノイズ演算ユニット151は、式(5)に基づいてI(S)のパワースペクトルを算出する。ここで、Zは電機子インピーダンスの仮の値である。
Power(S)=10log(Z・I(S)) 式(5)
The cumulative noise calculation unit 151 calculates the power spectrum of I a (S) based on the equation (5). Here, Z is a temporary value of the armature impedance.
Power 0 (S) = 10 log (Z · I a (S) 2 ) Formula (5)

発明者の知見によれば、ベクトル制御とは異なり、DTCを行う場合においてスイッチング周波数が一定ではないために、可聴の音響ノイズを低減することが困難となる。例えば、車載用のトラクションモータユニットは、可能な限り静かに動作することが望まれる。そのため、車載用モータの制御において、インバータのスイッチ素子のスイッチング動作に起因して生じ得る音響ノイズを如何に低減させるかが課題となる。   According to the knowledge of the inventor, unlike vector control, the switching frequency is not constant when DTC is performed, and thus it becomes difficult to reduce audible acoustic noise. For example, a vehicle-mounted traction motor unit is desired to operate as quietly as possible. Therefore, in controlling a vehicle motor, how to reduce acoustic noise that may occur due to a switching operation of a switching element of an inverter becomes a problem.

例えば、スイッチング周波数を20kHz以上にすることができれば、それは可聴ノイズの低減に繋がる。何故なら、人間の聴覚は、500Hzから8kHzまでの周波数帯域に最も感度を有するとされている。低周波に対しては、周波数が1kHz以下になると感度が徐々に低下し、周波数が一般に20Hzを下回ると感度はほぼなくなる。高周波に対しても同様に、周波数が高くなるにつれて感度が徐々に低下し、周波数が一般に20kHzを上回ると感度はほぼなくなる。しかしながら、トラクションモータのような高電力を必要とする高パワー駆動システムにおいて、20kHzのスイッチング周波数でスイッチ素子をスイッチングさせた場合、スイッチ素子において高い電力損失が生じ得る。これは避けるべきである。   For example, if the switching frequency can be set to 20 kHz or higher, it leads to reduction of audible noise. This is because human hearing is said to be most sensitive to the frequency band from 500 Hz to 8 kHz. For low frequencies, the sensitivity gradually decreases when the frequency becomes 1 kHz or less, and almost disappears when the frequency falls below 20 Hz. Similarly, for high frequencies, the sensitivity gradually decreases as the frequency increases, and becomes almost zero when the frequency generally exceeds 20 kHz. However, in a high power drive system that requires high power such as a traction motor, when the switch element is switched at a switching frequency of 20 kHz, a high power loss may occur in the switch element. This should be avoided.

例えば、ある特定のトラクションのアプリケーションにおいて、スイッチング周波数は、7kHzから10kHz程度である。ただし、これらの周波数は可聴周波数を含んでいるために、モータ駆動時においてスイッチングノイズに起因して可聴の音響ノイズが発生することがある。さらに、DTCを行う場合、スイッチング周波数が一定ではないために、そのことが可聴の音響ノイズを低減することを一層困難にしている。   For example, in certain traction applications, the switching frequency is on the order of 7 kHz to 10 kHz. However, since these frequencies include audible frequencies, audible acoustic noise may occur due to switching noise when the motor is driven. Furthermore, when performing DTC, the switching frequency is not constant, which makes it more difficult to reduce audible acoustic noise.

上記の課題を鑑みて、ノイズ比較ユニット150は、国際電気標準会議(IEC)の規格:IEC 61672−2013で定められた、人間の聴感特性を考慮した周波数重み付け特性Aを用いて重み付けすることにより、累積ノイズのレベルを補正して、補正後の累積ノイズレベルを取得することが好ましい。電気モータのノイズは100dBに満たないことを踏まえると、周波数重み付け特性Cよりも、周波数重み付け特性Aが累積ノイズのレベルの補正により適している。   In view of the above problems, the noise comparison unit 150 performs weighting by using the frequency weighting characteristic A that takes human auditory perception characteristics into consideration, which is defined by the International Electrotechnical Commission (IEC) standard: IEC 61672-2013. It is preferable to correct the cumulative noise level and obtain the corrected cumulative noise level. Considering that the noise of the electric motor is less than 100 dB, the frequency weighting characteristic A is more suitable for correcting the cumulative noise level than the frequency weighting characteristic C.

ノイズ比較ユニット150は、サンプリング数nを用いてA特性曲線H(S)にデータを内挿してパワースペクトルPower(S)を算出する。ノイズ比較ユニット150は、式(6)に基づいて、相電流AのパワースペクトルPower(S)にパワースペクトルPower(S)を加算して、ノイズパワーNoisePower(S)を算出する。
NoisePower(S)=Power(S)+Power(S) 式(6)
The noise comparison unit 150 interpolates the data into the A characteristic curve H (S) using the sampling number n to calculate the power spectrum Power x (S). The noise comparison unit 150 calculates the noise power NoisePower (S) by adding the power spectrum Power x (S) to the power spectrum Power 0 (S) of the phase current A based on the equation (6).
NoisePower (S) = Power 0 (S) + Power x (S) Formula (6)

ノイズ比較ユニット150は、特定の周波数区間または周波数帯域内において、式(6)で与えられるNoisePower(S)を、式(7)に基づいて積分することにより補正後の累積ノイズレベルCumulative noiseを演算する。ここで、fstartおよびfstopは、特定の周波数区間の下端および上端をそれぞれ表す。Cumulative noiseは、A特性によって重み付した後の音圧レベルであり、その単位は〔dBA〕で表される。特定の周波数区間は、モータのアプリケーション毎に設定することができる。その区間は、例えば1kHz(fstart)から5kHz(fstop)までの範囲に設定される。例えば、fstopは、最大で20kHz程度の周波数であり得る。

Figure 2020065392
(式7) The noise comparing unit 150 calculates a corrected cumulative noise level Cumulative noise by integrating NoisePower (S) given by Expression (6) based on Expression (7) in a specific frequency section or frequency band. To do. Here, fstart and fstop represent the lower end and the upper end of a specific frequency section, respectively. Cumulative noise is a sound pressure level after being weighted by the A characteristic, and its unit is represented by [dBA]. The specific frequency section can be set for each motor application. The section is set in the range from 1 kHz (fstart) to 5 kHz (fstop), for example. For example, fstop can be at frequencies up to 20 kHz.
Figure 2020065392
(Equation 7)

ノイズ比較ユニット150の差分器152は、基準ノイズと補正後の累積ノイズレベルとの差分によって規定されるノイズ誤差を演算する。ノイズ比較ユニット150は、そのノイズ誤差に基づいて磁束ヒステリシスコンパレータ140のヒステリシスのバンド幅bwを変更する。より詳細には、ノイズ比較ユニット150は、PI制御器153を用いてノイズ誤差を比例積分し、かつ、リミッタ154を用いてその極限値を求めることによって磁束ヒステリシスコンパレータ140ヒステリシスのバンド幅bwを決定する。   The differencer 152 of the noise comparison unit 150 calculates a noise error defined by the difference between the reference noise and the corrected cumulative noise level. The noise comparison unit 150 changes the hysteresis bandwidth bw of the magnetic flux hysteresis comparator 140 based on the noise error. More specifically, the noise comparison unit 150 determines the bandwidth bw of the hysteresis of the magnetic flux hysteresis comparator 140 by proportionally integrating the noise error using the PI controller 153 and determining its limit value using the limiter 154. To do.

ノイズ比較ユニット150は、算出したヒステリシスのバンド幅bwを磁束ヒステリシスコンパレータ140に設定する。ヒステリシスのバンド幅bwの演算は、例えば、電流センサ400によって各相電流を測定する周期、すなわちADコンバータ500のAD変換の周期に同期して繰り返し実行される。従って、磁束ヒステリシスコンパレータ140に設定されるヒステリシスのバンド幅bwは、積算ノイズレベルに応じて変化し得て、かつ、AD変換の周期に同期して更新され得る。   The noise comparison unit 150 sets the calculated hysteresis bandwidth bw in the magnetic flux hysteresis comparator 140. The calculation of the hysteresis bandwidth bw is repeatedly executed, for example, in synchronization with a cycle in which each phase current is measured by the current sensor 400, that is, an AD conversion cycle of the AD converter 500. Therefore, the hysteresis bandwidth bw set in the magnetic flux hysteresis comparator 140 can change according to the integrated noise level and can be updated in synchronization with the AD conversion cycle.

このように、周波数重み付け特性Aを用いて累積ノイズのパワースペクトルを補正することにより、スイッチングノイズを含む可聴な音響ノイズを適切に低減することが可能となる。ただし、ノイズ比較ユニット150の差分器152は、累積ノイズのパワースペクトルを補正することなく、基準ノイズと補正前の元の累積ノイズレベルとの差分によって規定されるノイズ誤差を演算してもよい。元の累積ノイズレベルは、NoisePower(S)に代えて、式(5)で与えられるPower(S)を式(7)に代入することによって得られる。 As described above, by correcting the power spectrum of the accumulated noise using the frequency weighting characteristic A, it becomes possible to appropriately reduce audible acoustic noise including switching noise. However, the differencer 152 of the noise comparison unit 150 may calculate the noise error defined by the difference between the reference noise and the original cumulative noise level before correction, without correcting the power spectrum of the cumulative noise. The original cumulative noise level is obtained by substituting Power 0 (S) given by equation (5) into equation (7) instead of NoisePower (S).

図6から図9を参照しながら、DTCの概要を説明する。   The outline of the DTC will be described with reference to FIGS. 6 to 9.

図6は、スイッチングモードに応じて時間的に移動または停止する鎖交磁束ベクトルΨαβの軌跡を表す磁束軌跡を示す図である。 FIG. 6 is a diagram showing a magnetic flux locus representing a locus of the interlinkage magnetic flux vector Ψ αβ that moves or stops in time according to the switching mode.

DTCは、微小な許容範囲内に磁束誤差ΔΨおよびトルク誤差ΔTを保つようそれらを制限し、かつ、図6に示す磁束軌跡における鎖交磁束ベクトルΨαβを時計方向または反時計方向に回転させる最適な出力電圧ベクトルVnを、量子化磁束信号ψ、量子化トルク信号τおよび磁束の位相角ρに基づいて決定する手法である。微小な許容範囲は、上述した、トルクヒステリシスコンパレータ130または磁束ヒステリシスコンパレータ140のヒステリシスのバンド幅bwによって定義される。 The DTC optimally limits the magnetic flux error ΔΨ and the torque error ΔT within a small allowable range and rotates the interlinkage magnetic flux vector Ψ αβ in the magnetic flux locus shown in FIG. 6 clockwise or counterclockwise. The output voltage vector Vn is determined based on the quantized magnetic flux signal ψ, the quantized torque signal τ, and the magnetic flux phase angle ρ. The minute allowable range is defined by the hysteresis bandwidth bw of the torque hysteresis comparator 130 or the magnetic flux hysteresis comparator 140 described above.

図6に示す2つの円C1、C2のうちの内側の円C1は、許容範囲を意味するヒステリシスのバンド幅bwの下限値を表現し、外側の円C2は、ヒステリシスのバンド幅bwの上限値を表現している。内側および外側の円C1、C2の半径の差(ギャップ)がヒステリシスのバンド幅bwである。鎖交磁束ベクトルΨαβは、磁束軌跡においてそのヒステリシスのバンド幅bwの領域内を移動するよう制御される。従来の手法によれば、ヒステリシスのバンド幅bwは常に固定されたままである。これに対し、本開示の手法によれば、ヒステリシスのバンド幅bwは、ノイズ比較ユニット150によって演算される累積ノイズレベルに応じて変化し得る。 The inner circle C1 of the two circles C1 and C2 shown in FIG. 6 represents the lower limit of the hysteresis bandwidth bw, which means the allowable range, and the outer circle C2 represents the upper limit of the hysteresis bandwidth bw. Is expressed. The difference (gap) in radius between the inner and outer circles C1 and C2 is the hysteresis bandwidth bw. The interlinkage magnetic flux vector Ψ αβ is controlled so as to move within the region of the hysteresis bandwidth bw in the magnetic flux locus. According to the conventional method, the bandwidth bw of hysteresis is always fixed. On the other hand, according to the method of the present disclosure, the bandwidth bw of the hysteresis may change according to the cumulative noise level calculated by the noise comparison unit 150.

DTCにおいて、磁束ヒステリシスコンパレータ140のヒステリシスのバンド幅bwを拡大することにより、スイッチング周波数を下げることが可能となる。一方で、ヒステリシスのバンド幅bwを縮小することにより、スイッチング周波数を上げることが可能となる。   In the DTC, the switching frequency can be lowered by expanding the hysteresis bandwidth bw of the magnetic flux hysteresis comparator 140. On the other hand, it is possible to increase the switching frequency by reducing the hysteresis bandwidth bw.

スイッチング選択ユニット160は、量子化磁束信号ψ、量子化トルク信号τおよび磁束の位相角ρに基づいて、インバータ300のスイッチングモードに関連付けられた出力電圧ベクトルVn(A,B,C)を決定する。より詳細には、スイッチング選択ユニット160は、スイッチングモードを出力電圧ベクトルVn(A,B,C)に関連付けた参照テーブルLUTを参照して、量子化磁束信号ψ、量子化トルク信号τおよび磁束の位相角ρに基づいて出力電圧ベクトルVn(A,B,C)を決定する。   The switching selection unit 160 determines the output voltage vector Vn (A, B, C) associated with the switching mode of the inverter 300 based on the quantized magnetic flux signal ψ, the quantized torque signal τ and the magnetic flux phase angle ρ. . More specifically, the switching selection unit 160 refers to the look-up table LUT that associates the switching mode with the output voltage vector Vn (A, B, C) to determine the quantized magnetic flux signal ψ, the quantized torque signal τ and the magnetic flux. The output voltage vector Vn (A, B, C) is determined based on the phase angle ρ.

表1に、スイッチングモードを選択するために用いるテーブルを示す。トルクTの列における「↑」は、トルクヒステリシスコンパレータ130から出力される量子化トルク信号τが「1」であることを示す。これは、実トルクTが基準トルクTに満たないことを示す。その場合、インバータのスイッチング周波数を上げて可能な限り迅速にトルクを増大させることが必要となる。つまり、「↑」は、例えばロータが反時計回りに回転している場合、図6の磁束軌跡において鎖交磁束ベクトルΨαβを反時計回りに回転させ、これにより、トルクを増大することを示す。 Table 1 shows the table used to select the switching mode. The “↑” in the column of the torque T indicates that the quantized torque signal τ output from the torque hysteresis comparator 130 is “1”. This indicates that the actual torque Te is less than the reference torque T * . In that case, it is necessary to increase the switching frequency of the inverter to increase the torque as quickly as possible. That is, “↑” indicates that, for example, when the rotor is rotating counterclockwise, the interlinkage magnetic flux vector Ψ αβ is rotated counterclockwise in the magnetic flux locus of FIG. 6, thereby increasing the torque. .

Figure 2020065392
Figure 2020065392

トルクTの列における「↓」は、量子化トルク信号τが「−1」であることを示す。これは、実トルクTが基準トルクTに達したことを示す。その場合、インバータのスイッチング周波数を下げて可能な限り穏やかトルクを減少させることが必要となる。つまり、「↓」は、例えばロータが反時計回りに回転している場合、図6の磁束軌跡において鎖交磁束ベクトルΨαβを時計回りに回転させ、これにより、トルクを低減することを示す。 "↓" in the column of torque T indicates that the quantized torque signal τ is "-1". This indicates that the actual torque Te has reached the reference torque T * . In that case, it is necessary to reduce the switching frequency of the inverter to reduce the torque as gently as possible. That is, “↓” indicates that, for example, when the rotor is rotating counterclockwise, the interlinking magnetic flux vector Ψ αβ is rotated clockwise in the magnetic flux locus of FIG. 6, thereby reducing the torque.

トルクTの列における「→」は、量子化トルク信号τが「−1」であることを示す。これは、トルク誤差はヒステリシスのバンド幅で規定される許容範囲に収まっていることを示す。その場合、トルクは維持される。ただし、実際には、磁束の緩やかな減少によってトルクは緩やかに減少する。   “→” in the column of the torque T indicates that the quantized torque signal τ is “−1”. This indicates that the torque error is within the allowable range defined by the hysteresis bandwidth. In that case, the torque is maintained. However, in reality, the torque gradually decreases due to the gradual decrease of the magnetic flux.

磁束Ψの列における「↑」は、磁束ヒステリシスコンパレータ140から出力される量子化磁束信号ψが「1」であることを示す。これは、実磁束Ψαβが基準磁束Ψに満たないことを示している。「↑」は、磁束を増大させる必要があることを意味する。「↓」は、量子化磁束信号ψが「−1」であることを示す。これは、実磁束Ψαβが基準磁束Ψに達したことを示している。「↓」は、磁束を減少させる必要があることを意味する。「−」は、量子化磁束信号ψを無視することを意味する。 “↑” in the column of the magnetic flux Ψ indicates that the quantized magnetic flux signal ψ output from the magnetic flux hysteresis comparator 140 is “1”. This indicates that the actual magnetic flux Ψ αβ is less than the reference magnetic flux Ψ * . "↑" means that the magnetic flux needs to be increased. “↓” indicates that the quantized magnetic flux signal ψ is “−1”. This indicates that the actual magnetic flux Ψ αβ has reached the reference magnetic flux Ψ * . "↓" means that the magnetic flux needs to be reduced. “−” Means to ignore the quantized magnetic flux signal ψ.

図7は、αβ固定座標系の座標平面を磁束の位相角ρに基づいて6等分した領域R(1)からR(6)を示す図である。   FIG. 7 is a diagram showing regions R (1) to R (6) obtained by dividing the coordinate plane of the αβ fixed coordinate system into six equal parts based on the phase angle ρ of the magnetic flux.

表1において、nは、スイッチングモード0から7の中から選択すべきスイッチングモードを示す。磁束の位相角ρの範囲を示す値をKに代入することによって、nが決定される。領域R(1)からR(6)のそれぞれの範囲は、π/3に相当する位相角ρの範囲を示す。例えば、領域R(1)の範囲は、磁束の位相角ρが−π/6からπ/6までの範囲を示す。Kは、領域の番号1から6のいずれかの値である。   In Table 1, n indicates a switching mode to be selected from switching modes 0 to 7. By substituting the value indicating the range of the phase angle ρ of the magnetic flux into K, n is determined. Each range of the regions R (1) to R (6) indicates a range of the phase angle ρ corresponding to π / 3. For example, the range of the region R (1) indicates the range of the magnetic flux phase angle ρ from −π / 6 to π / 6. K is a value of any of area numbers 1 to 6.

例えば、トルクTが「↑」を示し、かつ、磁束Ψが「↓」を示す場合において、Kが2である、つまり、αβ固定座標系の座標平面において、鎖交磁束ベクトルΨαβが領域R(2)に位置しているとき、スイッチング選択ユニット160は、n値として4を選択する。換言すると、スイッチング選択ユニット160はスイッチングモード4を選択する。トルクTが「↓」を示し、かつ、磁束Ψが「↑」を示す場合において、Kが4である、つまり、αβ固定座標系の座標平面において、磁束ベクトルが領域R(4)に位置しているとき、スイッチング選択ユニット160は、n値として3を選択する。換言すると、スイッチング選択ユニット160は、スイッチングモード3を選択する。ただし、K+2またはK+1の値が6を超える場合、それらの値から6を減算した値がn値として選択される。また、K−2またはK−1の値が1未満である場合、それらの値に6を加算した値がn値として選択される。 For example, when the torque T indicates “↑” and the magnetic flux Ψ indicates “↓”, K is 2, that is, in the coordinate plane of the αβ fixed coordinate system, the interlinkage magnetic flux vector Ψ αβ is the region R. When located in (2), the switching selection unit 160 selects 4 as the n value. In other words, the switching selection unit 160 selects the switching mode 4. When the torque T indicates “↓” and the magnetic flux Ψ indicates “↑”, K is 4, that is, the magnetic flux vector is located in the region R (4) on the coordinate plane of the αβ fixed coordinate system. The switching selection unit 160 selects 3 as the n value. In other words, the switching selection unit 160 selects the switching mode 3. However, if the value of K + 2 or K + 1 exceeds 6, the value obtained by subtracting 6 from those values is selected as the n value. When the value of K-2 or K-1 is less than 1, a value obtained by adding 6 to those values is selected as the n value.

図8は、Y結線された三相の巻線La、LbおよびLcを示す模式図である。図9は、出力電圧ベクトルV0からV7を示す模式図である。図7に、6分割した領域R(1)からR(6)と、出力電圧ベクトルV0からV7との関係を示す。   FIG. 8 is a schematic diagram showing Y-connected three-phase windings La, Lb, and Lc. FIG. 9 is a schematic diagram showing the output voltage vectors V0 to V7. FIG. 7 shows the relationship between the six divided regions R (1) to R (6) and the output voltage vectors V0 to V7.

各相のハーフブリッジのレグは2つのスイッチ素子を有しているために、8種類のインバータのスイッチングパターンが存在する。そのスイッチングパターンに対応する出力電圧ベクトルVn(A,B,C)を定義することができる。nは0から7の整数である。出力電圧ベクトルVnのA、BおよびCのそれぞれは、nの値に応じて「−1」または「1」の値を取り得る。   Since the leg of the half bridge of each phase has two switch elements, there are eight types of inverter switching patterns. The output voltage vector Vn (A, B, C) corresponding to the switching pattern can be defined. n is an integer of 0 to 7. Each of A, B and C of the output voltage vector Vn can take a value of "-1" or "1" depending on the value of n.

図9に示すように、出力電圧ベクトルVn(A,B,C)は、例えばαβ固定座標系において、2種類の零電圧ベクトルV0(−1,−1,−1)、V7(1,1,1)、大きさが等しく、かつ、互いにπ/3の位相差を有する6種類の電圧ベクトルV1(1,−1,−1)、V2(1,1,−1)、V3(−1,1,−1)、V4(−1,1,1)、V5(−1,−1,1)およびV6(1,−1,1)によって表現される。   As shown in FIG. 9, the output voltage vector Vn (A, B, C) is, for example, two types of zero voltage vectors V0 (-1, -1, -1) and V7 (1, 1) in the αβ fixed coordinate system. , 1), six types of voltage vectors V1 (1, -1, -1), V2 (1,1, -1), V3 (-1) having the same magnitude and having a phase difference of π / 3 with each other. , 1, -1), V4 (-1,1,1), V5 (-1, -1,1) and V6 (1, -1,1).

出力電圧ベクトルVnにおいて、「1」は、図8に示す各相のコイル端に正の電圧を与えることを意味し、「−1」は、各相のコイル端に負の電圧を与えることを意味する。例えば、出力電圧ベクトルV1(1,−1,−1)は、コイル端aに正の電圧を与え、コイル端b、cに負の電圧を与える。出力電圧ベクトルV2(1,1,−1)は、コイル端a、bに正の電圧を与え、コイル端cに負の電圧を与える。   In the output voltage vector Vn, “1” means that a positive voltage is applied to the coil end of each phase shown in FIG. 8, and “−1” means that a negative voltage is applied to the coil end of each phase. means. For example, the output voltage vector V1 (1, -1, -1) gives a positive voltage to the coil end a and a negative voltage to the coil ends b and c. The output voltage vector V2 (1,1, -1) gives a positive voltage to the coil ends a and b and a negative voltage to the coil end c.

表2に、スイッチングモードと出力電圧ベクトルVnを関連付ける参照テーブルLUTを示す。スイッチングモード0から7は、出力電圧ベクトルV0からV7に1対1で関連付けされている。スイッチング選択ユニット160は、参照テーブルLUTを参照して、表1に示すテーブルに基づいて選択したスイッチングモードに対応した出力電圧ベクトルVnを選択し、後段のインバータ300、より詳細には駆動回路200に出力電圧ベクトル信号を出力する。   Table 2 shows a lookup table LUT that associates the switching mode with the output voltage vector Vn. Switching modes 0-7 are associated one-to-one with output voltage vectors V0-V7. The switching selection unit 160 refers to the reference table LUT to select the output voltage vector Vn corresponding to the switching mode selected based on the table shown in Table 1, and to select the output voltage vector Vn in the latter stage inverter 300, more specifically, the drive circuit 200. Output the output voltage vector signal.

Figure 2020065392
Figure 2020065392

出力電圧ベクトルVn(A,B,C)とスイッチングパターンの関係を簡単に説明する。出力値が「1」の場合、その相のレグにおけるハイサイドスイッチ素子がオンしてローサイドスイッチ素子がオフする。これとは逆に、出力値が「−1」の場合、その相のレグにおけるハイサイドスイッチ素子がオフしてローサイドスイッチ素子がオンする。   The relationship between the output voltage vector Vn (A, B, C) and the switching pattern will be briefly described. When the output value is "1", the high side switch element in the leg of the phase is turned on and the low side switch element is turned off. On the contrary, when the output value is “−1”, the high side switch element in the leg of the phase is turned off and the low side switch element is turned on.

駆動回路200は、モータ制御装置100から入力した出力電圧ベクトル信号に基づいて、インバータの各スイッチ素子に与えるゲート制御信号を生成し、インバータ300に出力する。例えば、駆動回路200は、出力電圧ベクトルV3を示す出力電圧ベクトル信号を入力すると、インバータ300のA、C相のハイサイドスイッチ素子をオフしてローサイドスイッチ素子をオンし、かつ、B相のハイサイドスイッチ素子をオンしてローサイドスイッチ素子をオフするゲート制御信号を生成する。   The drive circuit 200 generates a gate control signal to be given to each switch element of the inverter based on the output voltage vector signal input from the motor control device 100, and outputs the gate control signal to the inverter 300. For example, when the drive circuit 200 receives an output voltage vector signal indicating the output voltage vector V3, the drive circuit 200 turns off the A-side and C-phase high-side switching elements of the inverter 300 and turns on the low-side switching elements, and the B-phase high side switching elements. A gate control signal for turning on the side switching element and turning off the low side switching element is generated.

インダクタンスを基本要素とするコイルまたは巻線などに電流を流すと、その電流に含まれるノイズが音響ノイズの主な要因となり得る。一方、キャパシタンスを基本要素とするコンデンサなどに電圧を印加すると、その電圧に含まれるノイズが音響ノイズの主な要因となり得る。   When a current is caused to flow through a coil or winding having an inductance as a basic element, noise contained in the current may be a main cause of acoustic noise. On the other hand, when a voltage is applied to a capacitor or the like having a capacitance as a basic element, noise contained in the voltage may be a main cause of acoustic noise.

本実施形態では、累積ノイズ演算ユニット151は、相電流が含む、特定の周波数帯域内におけるノイズレベルを累積して累積ノイズを算出する一態様を説明したが、本開示はこれに限定されない。ノイズ比較ユニット150は、相電圧が含む、特定の周波数帯域内におけるノイズレベルを累積して累積ノイズを算出してもよい。具体的には、ノイズ比較ユニット150は、式(8)および(9)に基づいて、A相についてのV(S)のパワースペクトルPower(S)を算出する。ここで、va(t)は、A相の相電圧の瞬時値である。nはサンプリング数を示す。Zは電機子インピーダンスの前提値である。B、C相のパワースペクトルも、A相と同様に算出される。
(S)=FFT(va(t))/n 式(8)
Power(S)=10log(V(S)/Z) 式(9)
In the present embodiment, the cumulative noise calculation unit 151 has described one mode of calculating the cumulative noise by accumulating the noise levels in the specific frequency band included in the phase current, but the present disclosure is not limited to this. The noise comparison unit 150 may calculate the cumulative noise by accumulating the noise levels in the specific frequency band included in the phase voltage. Specifically, the noise comparison unit 150 calculates the power spectrum Power 0 (S) of V a (S) for the A phase based on the equations (8) and (9). Here, va (t) is the instantaneous value of the phase voltage of the A phase. n indicates the number of samplings. Z is a prerequisite value for the armature impedance. The power spectra of the B and C phases are calculated similarly to the A phase.
V a (S) = FFT ( va (t)) / n (8)
Power 0 (S) = 10 log (V a (S) 2 / Z) Formula (9)

この変形例によれば、例えばインバータ300の電源ラインに設けられたバイパスコンデンサのキャパシタンスに起因して生じ得る音響ノイズを抑制することが可能となる。   According to this modification, it is possible to suppress acoustic noise that may occur due to the capacitance of the bypass capacitor provided in the power supply line of the inverter 300, for example.

以下に、本開示によるDTCのモータ制御手法の妥当性を、MathWorks社のMatlab/Simulinkを用いて検証した結果を示す。この検証には、DTCにより制御を受ける、三相の8極12スロットの永久磁石型同期モータのモデルを用いた。表3に、検証時の各種システムパラメータの値を示す。   Below, the result of verifying the adequacy of the motor control method of the DTC according to the present disclosure using Matlab / Simlink of MathWorks is shown. For this verification, a model of a three-phase, eight-pole, twelve-slot permanent magnet type synchronous motor controlled by the DTC was used. Table 3 shows the values of various system parameters at the time of verification.

Figure 2020065392
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最大スイッチング周波数を7kHzまたは10kHzに設定した場合において、トルクヒステリシスコンパレータおよび磁束ヒステリシスコンパレータのヒステリシスのバンド幅がそれぞれ異なる条件下で、100Hzから20kHzまでの周波数範囲における累積ノイズおよび1kHzから5kHzまでの周波数範囲における累積ノイズを測定した。累積ノイズは、相電流が含む、上記の周波数範囲におけるノイズレベルを累積して得た測定値である。   When the maximum switching frequency is set to 7 kHz or 10 kHz, the cumulative noise in the frequency range from 100 Hz to 20 kHz and the frequency range from 1 kHz to 5 kHz are obtained under the condition that the hysteresis hysteresis and the magnetic flux hysteresis comparator have different hysteresis bandwidths. The cumulative noise at was measured. The accumulated noise is a measurement value obtained by accumulating the noise levels in the above frequency range included in the phase current.

トルクヒステリシスコンパレータのヒステリシスのバンド幅を、1e−06N・m、2.5%および5%に設定した。磁束ヒステリシスコンパレータのヒステリシスのバンド幅を、1e−06Wb(またはV・s)、2.5%および5%に設定した。ここで、トルクヒステリシスのバンド幅の%は、基準トルクT(7.5N.m)に対するバンド幅の割合を示す。磁束ヒステリシスのバンド幅の%は、基準磁束Ψ(0.0150V・s)に対するバンド幅の割合である。 The hysteresis bandwidth of the torque hysteresis comparator was set to 1e-06 N · m, 2.5% and 5%. The hysteresis bandwidth of the magnetic flux hysteresis comparator was set to 1e-06Wb (or Vs), 2.5% and 5%. Here, the% of the bandwidth of the torque hysteresis indicates the ratio of the bandwidth to the reference torque T * (7.5 N.m). The percentage of the bandwidth of the magnetic flux hysteresis is the ratio of the bandwidth to the reference magnetic flux Ψ * (0.0150 V · s).

表4に、最大スイッチング周波数を7kHzに設定した場合における累積ノイズのシミュレーション結果を示す。表5に、最大スイッチング周波数を10kHzに設定した場合における累積ノイズのシミュレーション結果を示す。   Table 4 shows a simulation result of accumulated noise when the maximum switching frequency is set to 7 kHz. Table 5 shows a simulation result of accumulated noise when the maximum switching frequency is set to 10 kHz.

Figure 2020065392
Figure 2020065392

Figure 2020065392
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シミュレーション結果から、ヒステリシスのバンド幅を調整することにより、累積ノイズが変化することが分かる。最大スイッチング周波数を7kHz、10kHzに設定した場合において、トルクヒステリシスコンパレータのヒステリシスのバンド幅を固定したとき(1e−06、2.5%または5%に設定したとき)、磁束ヒステリシスコンパレータのヒステリシスのバンド幅を縮小することにより、可聴の周波数帯域における累積ノイズを適切に低減できることが確認された。これは、ヒステリシスのバンド幅を縮小することによってスイッチング周波数が上がり、その結果、相電流のパワースペクトルは、より高周波の成分を含むためである。換言すると、パワースペクトルの成分が高周波側にシフトしたためである。このように、本開示によるDTCのモータ制御手法は、可聴の音響ノイズの低減に有効であることが分かる。   From the simulation result, it can be seen that the cumulative noise changes by adjusting the bandwidth of the hysteresis. When the maximum switching frequency is set to 7 kHz and 10 kHz and the hysteresis bandwidth of the torque hysteresis comparator is fixed (1e-06, 2.5% or 5% is set), the hysteresis band of the magnetic flux hysteresis comparator is set. It was confirmed that the cumulative noise in the audible frequency band can be appropriately reduced by reducing the width. This is because the switching frequency is increased by reducing the hysteresis bandwidth, and as a result, the power spectrum of the phase current includes a higher frequency component. In other words, this is because the component of the power spectrum is shifted to the high frequency side. Thus, it can be seen that the DTC motor control method according to the present disclosure is effective in reducing audible acoustic noise.

(実施形態2)
図10は、本実施形態によるEPSシステム2000の典型的な構成を示す模式図である。
(Embodiment 2)
FIG. 10 is a schematic diagram showing a typical configuration of the EPS system 2000 according to this embodiment.

自動車等の車両は一般に、EPSシステムを有する。本実施形態によるEPSシステム2000は、ステアリングシステム520、および補助トルクを生成する補助トルク機構540を有する。EPSシステム2000は、運転者がステアリングハンドルを操作することによって発生するステアリングシステムの操舵トルクを補助する補助トルクを生成する。補助トルクにより、運転者の操作の負担は軽減される。   Vehicles such as automobiles typically have EPS systems. The EPS system 2000 according to this embodiment includes a steering system 520 and an auxiliary torque mechanism 540 that generates an auxiliary torque. The EPS system 2000 generates an auxiliary torque that assists the steering torque of the steering system generated by the driver operating the steering wheel. The auxiliary torque reduces the driver's operational burden.

ステアリングシステム520は、例えば、ステアリングハンドル521、ステアリングシャフト522、自在軸継手523A、523B、回転軸524、ラックアンドピニオン機構525、ラック軸526、左右のボールジョイント552A、552B、タイロッド527A、527B、ナックル528A、528B、および左右の操舵車輪529A、529Bを備える。   The steering system 520 includes, for example, a steering handle 521, a steering shaft 522, universal joints 523A and 523B, a rotary shaft 524, a rack and pinion mechanism 525, a rack shaft 526, left and right ball joints 552A and 552B, tie rods 527A and 527B, and knuckles. 528A, 528B and left and right steering wheels 529A, 529B.

補助トルク機構540は、例えば、操舵トルクセンサ541、自動車用電子制御ユニット(ECU)542、モータ543および減速機構544を備える。操舵トルクセンサ541は、ステアリングシステム520における操舵トルクを検出する。ECU542は、操舵トルクセンサ541の検出信号に基づいて駆動信号を生成する。モータ543は、駆動信号に基づいて操舵トルクに応じた補助トルクを生成する。モータ543は、減速機構544を介してステアリングシステム520に、生成した補助トルクを伝達する。   The auxiliary torque mechanism 540 includes, for example, a steering torque sensor 541, a vehicle electronic control unit (ECU) 542, a motor 543, and a speed reduction mechanism 544. The steering torque sensor 541 detects the steering torque in the steering system 520. The ECU 542 generates a drive signal based on the detection signal of the steering torque sensor 541. The motor 543 generates an auxiliary torque according to the steering torque based on the drive signal. The motor 543 transmits the generated auxiliary torque to the steering system 520 via the speed reduction mechanism 544.

ECU542は、例えば、モータ制御装置および駆動回路などを有する。自動車ではECUを核とした電子制御システムが構築される。EPSシステム2000では、例えば、ECU542、モータ543およびインバータ545によって、モータ制御システムが構築される。そのモータ制御システムに、実施形態1によるモータモジュール1000を好適に用いることができる。ヒステリシスのバンド幅を適切に調整することによって、例えばモータの低速駆動時に発生し得る音響ノイズを適切に低減することができる。   The ECU 542 includes, for example, a motor control device and a drive circuit. In automobiles, an electronic control system centered on the ECU is built. In the EPS system 2000, for example, a motor control system is constructed by the ECU 542, the motor 543, and the inverter 545. The motor module 1000 according to the first embodiment can be preferably used in the motor control system. By appropriately adjusting the bandwidth of the hysteresis, it is possible to appropriately reduce acoustic noise that may occur when the motor is driven at a low speed, for example.

(実施形態3)
図11は、本実施形態によるトラクションモータユニット3000の構成を示す模式図である。
(Embodiment 3)
FIG. 11 is a schematic diagram showing the configuration of the traction motor unit 3000 according to this embodiment.

トラクションモータユニット3000は、モータ910、ギアボックスGB、ハウジング940、インバータユニット950およびインバータハウジング960を備える。トラクションモータユニット3000は、ハイブリッド自動車(HEV)、プラグインハイブリッド自動車(PHV)または電気自動車(EV)などの、モータを動力源とする車両に搭載され、その動力源として用いられる。   The traction motor unit 3000 includes a motor 910, a gear box GB, a housing 940, an inverter unit 950, and an inverter housing 960. The traction motor unit 3000 is mounted on a vehicle having a motor as a power source, such as a hybrid vehicle (HEV), a plug-in hybrid vehicle (PHV), or an electric vehicle (EV), and is used as the power source.

モータ910は、いわゆるトラクションモータであり、例えばSRMである。   The motor 910 is a so-called traction motor, for example, an SRM.

ギアボックスGBは、減速機920および差動装置930を有し、ハウジング940に収容される。ギアボックスGBは、モータ軸J1に平行に延びるシャフト912に接続される。モータ910から出力されるトルクは、減速機920を介して差動装置930に伝達される。   The gearbox GB has a speed reducer 920 and a differential gear unit 930, and is housed in a housing 940. The gearbox GB is connected to a shaft 912 extending parallel to the motor axis J1. The torque output from the motor 910 is transmitted to the differential device 930 via the speed reducer 920.

減速機920は、シャフト912を介してモータ910のロータに接続される。減速機920は、モータ910の回転速度を減じて、モータ910から出力されるトルクを減速比に応じて増やす。   The speed reducer 920 is connected to the rotor of the motor 910 via the shaft 912. The speed reducer 920 reduces the rotation speed of the motor 910 and increases the torque output from the motor 910 according to the speed reduction ratio.

減速機920は、第1のギヤ(中間ドライブギヤ)911と、第2のギヤ(中間ギヤ)921と、第3のギヤ(ファイルナルドライブギヤ)922と、中間シャフト(不図示)と、を有する。モータ910から出力されるトルクは、モータ910のシャフト912、第1のギヤ911、第2のギヤ921、中間シャフトおよび第3のギヤ922を介して差動装置930のリングギヤ(ギヤ)931に伝達される。各ギヤのギヤ比およびギヤの個数などは、要求される減速比に応じて変更可能である。減速機920は、例えば、各ギヤの軸芯が互いに平行に配置される平行軸歯車タイプの減速機である。   The speed reducer 920 includes a first gear (intermediate drive gear) 911, a second gear (intermediate gear) 921, a third gear (filenal drive gear) 922, and an intermediate shaft (not shown). Have. The torque output from the motor 910 is transmitted to the ring gear (gear) 931 of the differential gear unit 930 via the shaft 912 of the motor 910, the first gear 911, the second gear 921, the intermediate shaft and the third gear 922. To be done. The gear ratio of each gear, the number of gears, and the like can be changed according to the required reduction ratio. The speed reducer 920 is, for example, a parallel shaft gear type speed reducer in which the axes of the gears are arranged in parallel with each other.

差動装置930は、減速機920を介してモータ910に接続される。差動装置930は、モータ910から出力されるトルクを車両の車輪に伝達する装置である。差動装置930は、車両の旋回時に、左右の車輪の速度差を吸収しつつ、左右両輪の車軸に同トルクを伝える。   The differential device 930 is connected to the motor 910 via the speed reducer 920. The differential device 930 is a device that transmits the torque output from the motor 910 to the wheels of the vehicle. The differential device 930 transmits the same torque to the axles of the left and right wheels while absorbing the speed difference between the left and right wheels when the vehicle turns.

ハウジング940は、例えばアルミ合金などから形成された金属製部材である。ハウジング940は、複数の部材を組み合わせて構成され得る。   The housing 940 is a metal member formed of, for example, an aluminum alloy. The housing 940 may be configured by combining a plurality of members.

インバータユニット950は、インバータおよびモータ制御装置を有する。そのモータ制御装置に、実施形態1によるモータ制御装置100を好適に用いることができる。これにより、インバータのスイッチングに起因して発生し得るスイッチングノイズを含む音響ノイズを適切に低減することが可能なトラクションモータユニットが提供される。   The inverter unit 950 has an inverter and a motor control device. The motor control device 100 according to the first embodiment can be preferably used as the motor control device. This provides a traction motor unit capable of appropriately reducing acoustic noise including switching noise that may occur due to switching of the inverter.

本開示のモータ制御装置およびモータ制御方法は、音響ノイズの低減が求められる、シフトバイワイヤ、ステアリングバイワイヤまたはブレーキバイワイヤなどのエックスバイワイヤなどのモータ制御システムに好適に用いられる。例えば、実施形態1によるモータ制御装置100は、日本政府および米国運輸省道路交通安全局(NHTSA)によって定められたレベル0から5(自動化の基準)に対応した自動運転車に搭載され得る。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The motor control device and the motor control method of the present disclosure are suitably used for a motor control system such as X-by-wire such as shift-by-wire, steering-by-wire or brake-by-wire, which requires reduction of acoustic noise. For example, the motor control device 100 according to the first embodiment may be mounted on an autonomous vehicle that corresponds to levels 0 to 5 (standard of automation) defined by the Government of Japan and the Department of Road Traffic Safety of the United States (NHTSA).

本開示のモータ制御装置、モータ制御方法、モータモジュールは、掃除機、ドライヤ、シーリングファン、洗濯機、冷蔵庫および電動パワーステアリングシステムなどの、各種モータを有する多様な機器に幅広く利用され得る。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The motor control device, the motor control method, and the motor module of the present disclosure can be widely used for various devices having various motors such as a vacuum cleaner, a dryer, a ceiling fan, a washing machine, a refrigerator, and an electric power steering system.

100 モータ制御装置、200 駆動回路、300 インバータ、400 電流センサ、500 ADコンバータ、600 ROM、700 角度センサ、1000 モータモジュール   100 motor control device, 200 drive circuit, 300 inverter, 400 current sensor, 500 AD converter, 600 ROM, 700 angle sensor, 1000 motor module

Claims (15)

基準磁束と実磁束との差分に基づいて量子化磁束信号を生成する第1ヒステリシスコンパレータと、
基準トルクと実トルクとの差分に基づいて量子化トルク信号を生成する第2ヒステリシスコンパレータと、
特定の周波数帯域内におけるスイッチングノイズを含むノイズレベルを累積して累積ノイズを算出し、かつ、基準ノイズと算出した前記累積ノイズとの差分に応じて、前記第1ヒステリシスコンパレータおよび前記第2ヒステリシスコンパレータの少なくとも1つのヒステリシスのバンド幅を変更するノイズ比較ユニットと、
前記量子化磁束信号、前記量子化トルク信号および磁束の位相角に基づいて、インバータのスイッチングモードに関連付けられた出力電圧ベクトルを決定するスイッチング選択ユニットと、
を備えるモータ制御装置。
A first hysteresis comparator that generates a quantized magnetic flux signal based on the difference between the reference magnetic flux and the actual magnetic flux;
A second hysteresis comparator that generates a quantized torque signal based on the difference between the reference torque and the actual torque;
Cumulative noise is calculated by accumulating noise levels including switching noise within a specific frequency band, and the first hysteresis comparator and the second hysteresis comparator are calculated according to the difference between the reference noise and the calculated cumulative noise. A noise comparison unit that modifies at least one hysteresis bandwidth of
A switching selection unit that determines an output voltage vector associated with the switching mode of the inverter based on the quantized magnetic flux signal, the quantized torque signal, and the phase angle of the magnetic flux;
And a motor control device.
前記ノイズ比較ユニットは、前記基準ノイズと算出した前記累積ノイズとの差分に応じて前記第1ヒステリシスコンパレータおよび前記第2ヒステリシスコンパレータのうち前記第1ヒステリシスコンパレータのヒステリシスのバンド幅だけを変更する、請求項1に記載のモータ制御装置。   The noise comparison unit changes only the bandwidth of the hysteresis of the first hysteresis comparator of the first hysteresis comparator and the second hysteresis comparator according to the difference between the reference noise and the calculated cumulative noise. The motor control device according to item 1. 前記ノイズ比較ユニットは、相電流が含む、前記特定の周波数帯域内における前記ノイズレベルを累積して前記累積ノイズを算出し、かつ、前記基準ノイズと前記累積ノイズとの差分によって規定されるノイズ誤差に基づいて前記第1ヒステリシスコンパレータのヒステリシスのバンド幅を変更する、請求項1または2に記載のモータ制御装置。   The noise comparison unit accumulates the noise levels in the specific frequency band included in the phase current to calculate the accumulated noise, and a noise error defined by a difference between the reference noise and the accumulated noise. The motor control device according to claim 1, wherein the hysteresis bandwidth of the first hysteresis comparator is changed based on the above. 前記ノイズ比較ユニットは、相電圧が含む、前記特定の周波数帯域内における前記ノイズレベルを累積して前記累積ノイズを算出し、かつ、前記基準ノイズと前記累積ノイズとの差分によって規定されるノイズ誤差に基づいて前記第1ヒステリシスコンパレータのヒステリシスのバンド幅を変更する、請求項1または2に記載のモータ制御装置。   The noise comparison unit accumulates the noise levels in the specific frequency band included in the phase voltage to calculate the accumulated noise, and a noise error defined by a difference between the reference noise and the accumulated noise. The motor control device according to claim 1, wherein the hysteresis bandwidth of the first hysteresis comparator is changed based on the above. 前記ノイズ比較ユニットは、IEC 61672の規格で定められた周波数重み付け特性Aを用いて重み付けすることにより、前記累積ノイズのレベルを補正して、補正後の累積ノイズレベルを取得し、前記基準ノイズと前記補正後の累積ノイズレベルとの差分によって規定されるノイズ誤差に基づいて前記第1ヒステリシスコンパレータのヒステリシスのバンド幅を変更する、請求項3または4に記載のモータ制御装置。   The noise comparison unit corrects the level of the cumulative noise by performing weighting using the frequency weighting characteristic A defined by the IEC 61672 standard, and acquires the corrected cumulative noise level, The motor control device according to claim 3, wherein the hysteresis bandwidth of the first hysteresis comparator is changed based on a noise error defined by a difference from the corrected cumulative noise level. 前記ノイズ比較ユニットは、前記ノイズ誤差を比例積分して前記ヒステリシスのバンド幅を算出し、算出した前記ヒステリシスのバンド幅を前記第1ヒステリシスコンパレータに設定する、請求項3から5のいずれかに記載のモータ制御装置。   The noise comparison unit proportionally integrates the noise error to calculate the bandwidth of the hysteresis, and sets the calculated bandwidth of the hysteresis in the first hysteresis comparator. Motor controller. モータと、
外部からの電力を前記モータに供給する電力に変換するインバータと、
請求項1から6のいずれかに記載のモータ制御装置と、
を備えるモータモジュール。
A motor,
An inverter that converts electric power from the outside into electric power supplied to the motor,
A motor control device according to any one of claims 1 to 6,
A motor module including.
請求項7に記載のモータモジュールを備える電動パワーステアリング装置。   An electric power steering apparatus comprising the motor module according to claim 7. モータと、
外部からの電力を前記モータに供給する電力に変換するインバータと、
請求項1から6のいずれかに記載のモータ制御装置と、
減速機と、
を備えるトラクションモータユニット。
A motor,
An inverter that converts electric power from the outside into electric power supplied to the motor,
A motor control device according to any one of claims 1 to 6,
Reducer,
Traction motor unit.
第1ヒステリシスコンパレータを用いて、基準磁束と実磁束との差分に基づいて量子化磁束信号を生成することと、
第2ヒステリシスコンパレータを用いて、基準トルクと実トルクとの差分に基づいて量子化トルク信号を生成することと、
特定の周波数帯域内におけるスイッチングノイズを含むノイズレベルを累積して累積ノイズを算出することと、
基準ノイズと算出した前記累積ノイズとの差分に応じて、前記第1ヒステリシスコンパレータおよび前記第2ヒステリシスコンパレータの少なくとも1つのヒステリシスのバンド幅を変更することと、
前記量子化磁束信号、前記量子化トルク信号および磁束の位相角に基づいて、インバータのスイッチングモードに関連付けられた出力電圧ベクトルを決定することと、
前記出力電圧ベクトルに基づいてモータを制御することと、
を包含するモータ制御方法。
Generating a quantized magnetic flux signal based on the difference between the reference magnetic flux and the actual magnetic flux using the first hysteresis comparator;
Generating a quantized torque signal based on the difference between the reference torque and the actual torque using the second hysteresis comparator;
Calculating cumulative noise by accumulating noise levels including switching noise within a specific frequency band,
Changing a bandwidth of at least one hysteresis of the first hysteresis comparator and the second hysteresis comparator according to a difference between the reference noise and the calculated cumulative noise;
Determining an output voltage vector associated with a switching mode of the inverter based on the quantized magnetic flux signal, the quantized torque signal, and the phase angle of the magnetic flux;
Controlling the motor based on the output voltage vector;
A motor control method including the following.
前記ヒステリシスのバンド幅を変更することは、前記基準ノイズと算出した前記累積ノイズとの差分に応じて前記第1ヒステリシスコンパレータおよび前記第2ヒステリシスコンパレータのうち前記第1ヒステリシスコンパレータのヒステリシスのバンド幅だけを変更することを含む、請求項10に記載のモータ制御方法。   The bandwidth of the hysteresis is changed by changing only the bandwidth of the hysteresis of the first hysteresis comparator among the first hysteresis comparator and the second hysteresis comparator according to the difference between the reference noise and the calculated cumulative noise. The motor control method according to claim 10, further comprising: 前記ヒステリシスのバンド幅を変更することは、
相電流が含む、前記特定の周波数帯域内における前記ノイズレベルを累積して前記累積ノイズを算出することと、
前記基準ノイズと前記累積ノイズとの差分によって規定されるノイズ誤差に基づいて前記第1ヒステリシスコンパレータのヒステリシスのバンド幅を変更することと、
を含む、請求項10または11に記載のモータ制御方法。
Changing the bandwidth of the hysteresis is
Calculating the cumulative noise by accumulating the noise level in the specific frequency band, which the phase current includes,
Changing the bandwidth of the hysteresis of the first hysteresis comparator based on a noise error defined by the difference between the reference noise and the accumulated noise;
The motor control method according to claim 10, further comprising:
前記ヒステリシスのバンド幅を変更することは、
相電圧が含む、前記特定の周波数帯域内における前記ノイズレベルを累積して前記累積ノイズを算出することと、
前記基準ノイズと前記累積ノイズとの差分によって規定されるノイズ誤差に基づいて前記第1ヒステリシスコンパレータのヒステリシスのバンド幅を変更することと、
を含む、請求項10または11に記載のモータ制御方法。
Changing the bandwidth of the hysteresis is
Calculating the accumulated noise by accumulating the noise level in the specific frequency band, which the phase voltage includes,
Changing the bandwidth of the hysteresis of the first hysteresis comparator based on a noise error defined by the difference between the reference noise and the accumulated noise;
The motor control method according to claim 10, further comprising:
前記ヒステリシスのバンド幅を変更することは、
IEC 61672の規格で定められた周波数重み付け特性Aを用いて重み付けすることにより、前記累積ノイズのレベルを補正して、補正後の累積ノイズレベルを取得することと、
前記基準ノイズと前記補正後の累積ノイズレベルとの差分によって規定されるノイズ誤差に基づいて前記第1ヒステリシスコンパレータのヒステリシスのバンド幅を変更することと、
を含む、請求項12または13に記載のモータ制御方法。
Changing the bandwidth of the hysteresis is
Correcting the cumulative noise level by weighting using the frequency weighting characteristic A defined by the IEC 61672 standard, and obtaining the corrected cumulative noise level;
Changing a hysteresis bandwidth of the first hysteresis comparator based on a noise error defined by a difference between the reference noise and the corrected cumulative noise level;
The motor control method according to claim 12, further comprising:
前記ヒステリシスのバンド幅を変更することは、
前記ノイズ誤差を比例積分して前記ヒステリシスのバンド幅を算出することと、
算出した前記ヒステリシスのバンド幅を前記第1ヒステリシスコンパレータに設定することと、
を含む、請求項12から14のいずれかに記載のモータ制御方法。
Changing the bandwidth of the hysteresis is
Calculating the hysteresis bandwidth by proportionally integrating the noise error;
Setting the calculated bandwidth of the hysteresis in the first hysteresis comparator;
The motor control method according to claim 12, further comprising:
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