特許ウォッチ

公開番号2025020712
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-02-13
出願番号2023124245
出願日2023-07-31
発明の名称モータ駆動用インバータおよびモータ駆動用インバータの制御方法
出願人株式会社明電舎
代理人個人,個人,個人,個人
主分類H02P 21/22 20160101AFI20250205BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】モータ駆動用インバータにおいて、直流電源電圧や設定上限電圧などが変動しても、複数のテーブルを切り替える必要がなく演算の増加も少ない方法で電流指令を生成する。
【解決手段】電流指令生成部50は、d軸、q軸電流MTPAテーブル58d、58qで、トルク指令絶対値Trq_absに基づいてMTPAd軸、q軸電流指令Id_mtpa、Iq_mtpaを出力する。d軸、q軸電流ΨTテーブル67d、67qは、制限磁束Ψ_xとトルク入力Trq_yに基づいてΨTd軸、q軸電流指令Id_ΨT、Iq_ΨTを出力する。選択スイッチSW_Irefはトルク指令絶対値Trq_abs>下限トルクT_minの場合ΨTd軸、q軸電流指令Id_ΨT,Iq_ΨTをdq軸電流指令Idq_refとして出力し、それ以外の場合MTPAd軸、q軸電流指令Id_mtpa,Iq_mtpaをdq軸電流指令Idq_refとして出力する。
【選択図】図12
特許請求の範囲【請求項１】
トルク指令と位相検出値に基づいて交流電圧指令と電圧位相指令を生成するトルク・電流制御部を備え、前記交流電圧指令と前記電圧位相指令に基づいてゲート信号を生成し、前記ゲート信号に基づいて主回路部が交流電圧を出力するモータ駆動用インバータであって、
前記トルク・電流制御部は、前記トルク指令と前記位相検出値に基づいてｄｑ軸電流指令を生成する電流指令生成部を備え、前記ｄｑ軸電流指令に基づいて電圧振幅指令と前記電圧位相指令を生成し、前記電圧振幅指令と前記電圧位相指令に基づいて前記交流電圧指令を生成し、
前記電流指令生成部は、
トルク指令絶対値または前記トルク指令絶対値を上限以下に制限したＭＴＰＡトルク指令に基づいてＭＴＰＡｄ軸電流指令を出力するｄ軸電流ＭＴＰＡテーブルと、
前記トルク指令絶対値または前記ＭＴＰＡトルク指令に基づいて値を出力するｑ軸電流ＭＴＰＡテーブルと、
前記ｑ軸電流ＭＴＰＡテーブルの出力に前記トルク指令の符号係数を乗算してＭＴＰＡｑ軸電流指令を出力する第１乗算器と、
制限磁束を生成する制限磁束演算部と、
前記制限磁束に基づいて上限トルクを出力する上限トルクテーブルと、
前記制限磁束に基づいて下限トルクを出力する下限トルクテーブルと、
前記トルク指令絶対値を前記上限トルクと前記下限トルクの間に制限してトルク入力として出力する第１飽和関数部と、
前記制限磁束と前記トルク入力に基づいてΨＴｄ軸電流指令を出力するｄ軸電流ΨＴテーブルと、
前記制限磁束と前記トルク入力に基づいて値を出力するｑ軸電流ΨＴテーブルと、
前記ｑ軸電流ΨＴテーブルの出力に前記トルク指令の符号係数を乗算してΨＴｑ軸電流指令を出力する第２乗算器と、
前記トルク指令絶対値＞前記下限トルクの場合、前記ΨＴｄ軸電流指令，前記ΨＴｑ軸電流指令を前記ｄｑ軸電流指令として出力し、それ以外の場合、前記ＭＴＰＡｄ軸電流指令，前記ＭＴＰＡｑ軸電流指令を前記ｄｑ軸電流指令として出力する選択スイッチと、
を備えたことを特徴とするモータ駆動用インバータ。
続きを表示（約 3,900 文字）【請求項２】
前記制限磁束演算部は、
直流電源電圧に１／√２を乗算する第３乗算器と、
前記第３乗算器に最大過変調率を乗算して飽和電圧を出力する第４乗算器と、
前記飽和電圧と制限電圧指令のうち小さい方を制限電圧として出力するｍｉｎ関数部と、
前記制限電圧を速度検出値の絶対値で除算する除算器と、
前記除算器の出力を磁束上限値と磁束下限値の間に制限して前記制限磁束として出力する第２飽和関数部と、
を備えたことを特徴とする請求項１記載のモータ駆動用インバータ。
【請求項３】
前記トルク・電流制御部は、
以下の（８）式、（９）式、（１０）式によって、ｄｑ軸電圧指令とｄｑ軸非干渉電圧を演算する非干渉制御部と、
前記ｄｑ軸電流指令とｄｑ軸電流検出値のｄｑ軸電流偏差に基づいて電流制御を行い、前記電流制御の出力に前記ｄｑ軸非干渉電圧を加算した非干渉補償後の出力電圧指令を極座標変換して振幅と電流制御の位相指令を生成し、前記振幅を飽和電圧で制限した電流制御の電圧振幅指令を生成する電流制御振幅位相生成部と、
前記ｄｑ軸電圧指令から電圧位相制御の電圧振幅指令を生成し、速度検出値と前記電圧位相制御の電圧振幅指令に基づいて選択信号を生成し、前記選択信号に基づいて前記電圧位相制御の電圧振幅指令と前記電流制御の電圧振幅指令を切り替えて前記電圧振幅指令として出力する振幅切替部と、
前記ｄｑ軸電流指令を用いて（１１）式により目標トルクを算出する第１トルク推定部と、前記ｄｑ軸電流検出値を用いて（１１）式によりトルク推定値を算出する第２トルク推定部と、前記目標トルクと前記トルク推定値の偏差に基づいて電圧位相制御の位相指令を出力するトルク制御部と、前記電流制御の位相指令と前記電圧位相制御の位相指令を前記選択信号で切り替えて出力する第１スイッチと、を有する位相切替部と、
前記第１スイッチの出力に前記位相検出値を加算して前記電圧位相指令として出力する加算器と、
を備えたことを特徴とする請求項１記載のモータ駆動用インバータ。
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Ｖｄ＿ｒｅｆ：ｄ軸電圧指令
Ｖｑ＿ｒｅｆ：ｑ軸電圧指令
Ｒ１：抵抗
Ｉｄ＿ｒｅｆ：ｄ軸電流指令
Ｉｑ＿ｒｅｆ：ｑ軸電流指令
Ｌｄ：ｄ軸インダクタンス成分
Ｌｑ：ｑ軸インダクタンス成分
ωｒ：速度検出値
Ψｍ：界磁磁束
ΔＶＦＦ＿ｄ：ｄ軸インダクタンス電圧成分
ΔＶＦＦ＿ｑ：ｑ軸インダクタンス電圧成分
ΔＩｄ：ｄ軸電流偏差
ΔＩｑ：ｑ軸電流偏差
ＶＦＦ＿ｄ：ｄ軸非干渉電圧
ＶＦＦ＿ｑ：ｑ軸非干渉電圧
Ｔｒｑ：目標トルクまたはトルク推定値
Ｉｄ：ｄ軸電流指令またはｄ軸電流検出値
Ｉｑ：ｑ軸電流指令またはｑ軸電流検出値
【請求項４】
前記制限磁束演算部は、
直流電源電圧に１／√２を乗算する第３乗算器と、
前記第３乗算器に最大過変調率を乗算して飽和電圧を出力する第４乗算器と、
前記飽和電圧と制限電圧指令のうち小さい方を制限電圧として出力するｍｉｎ関数部と、
前記ｄｑ軸電流検出値または前記ｄｑ軸電流指令を前記電流制御の位相指令により回転座標変換してｘｙ軸電流検出値に変換する回転座標変換部と、
前記ｘｙ軸電流検出値のｘ軸成分に抵抗を乗算して電圧降下成分を算出する第５乗算器と、
前記制限電圧から前記電圧降下成分を減算する減算器と、
前記減算器の出力を速度検出値の絶対値で除算する除算器と、
前記除算器の出力を磁束上限値と磁束下限値の間に制限して前記制限磁束として出力する第２飽和関数部と、
を備えたことを特徴とする請求項３記載のモータ駆動用インバータ。
【請求項５】
前記非干渉制御部は、電圧演算部とインダクタンス電圧演算部とを備え、
前記電圧演算部は、
ｄ軸電流指令とｑ軸電流指令絶対値に基づいてｄ軸磁束成分を出力するｄ軸磁束テーブルと、
前記ｄ軸電流指令と前記ｑ軸電流指令絶対値に基づいて値を出力するｑ軸磁束テーブルと、
前記ｑ軸磁束テーブルの出力にｑ軸電流指令の符号係数を乗算してｑ軸磁束成分を出力する第６乗算器と、を備え、
以下の（１３）式により、前記ｄｑ軸電圧指令を算出し、
前記インダクタンス電圧演算部は、（９）式によりｄｑ軸インダクタンス電圧成分を算出し、
前記ｄｑ軸電圧指令と前記ｄｑ軸インダクタンス電圧成分を加算した値を前記ｄｑ軸非干渉電圧とすることを特徴とする請求項３記載のモータ駆動用インバータ。
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Ｖｄ＿ｒｅｆ：ｄ軸電圧指令
Ｖｑ＿ｒｅｆ：ｑ軸電圧指令
Ｒ１：抵抗
Ｉｄ＿ｒｅｆ：ｄ軸電流指令
Ｉｑ＿ｒｅｆ：ｑ軸電流指令
ωｒ：速度検出値
Ｊ：回転行列
Ψｄ：ｄ軸磁束成分
Ψｑ：ｑ軸磁束成分
【請求項６】
前記第１トルク推定部は、
前記ｄ軸電流指令とｑ軸電流指令絶対値に基づいて値を出力する目標トルクテーブルと、
前記目標トルクテーブルの出力にｑ軸電流指令の符号係数を乗算して前記目標トルクとして出力する第７乗算器と、を備え、
前記第２トルク推定部は、
ｄ軸電流検出値とｑ軸電流検出値の絶対値に基づいて値を出力するトルク推定テーブルと、
前記トルク推定テーブルの出力にｑ軸電流検出値の符号係数を乗算して前記トルク推定値として出力する第８乗算器と、
を備えたことを特徴とする請求項３記載のモータ駆動用インバータ。
【請求項７】
前記第１トルク推定部は、
前記トルク指令絶対値が前記下限トルクよりも大きい場合は前記トルク入力を出力し、それ以外の場合は前記トルク指令絶対値または前記ＭＴＰＡトルク指令を出力する第２スイッチと、
前記第２スイッチの出力に前記トルク指令の符号係数を乗算して前記目標トルクとして出力する第９乗算器と、を備え、
前記第２トルク推定部は、
ｄ軸電流検出値とｑ軸電流検出値絶対値に基づいて値を出力するトルク推定テーブルと、
前記トルク推定テーブルの出力にｑ軸電流検出値の符号係数を乗算して前記トルク推定値として出力する第８乗算器と、
を備えたことを特徴とする請求項３記載のモータ駆動用インバータ。
【請求項８】
トルク指令と位相検出値に基づいて交流電圧指令と電圧位相指令を生成するトルク・電流制御部を備え、前記交流電圧指令と前記電圧位相指令に基づいてゲート信号を生成し、前記ゲート信号に基づいて主回路部が交流電圧を出力するモータ駆動用インバータの制御方法であって、
前記トルク・電流制御部は、
電流指令生成部で前記トルク指令と前記位相検出値に基づいてｄｑ軸電流指令を生成し、
前記ｄｑ軸電流指令に基づいて電圧振幅指令と前記電圧位相指令を生成し、前記電圧振幅指令と前記電圧位相指令に基づいて前記交流電圧指令を生成し、
前記電流指令生成部は、
ｄ軸電流ＭＴＰＡテーブルが、トルク指令絶対値または前記トルク指令絶対値を上限以下に制限したＭＴＰＡトルク指令に基づいてＭＴＰＡｄ軸電流指令を出力し、
ｑ軸電流ＭＴＰＡテーブルが、前記トルク指令絶対値または前記ＭＴＰＡトルク指令に基づいて値を出力し、
第１乗算器が、前記ｑ軸電流ＭＴＰＡテーブルの出力に前記トルク指令の符号係数を乗算してＭＴＰＡｑ軸電流指令を出力し、
制限磁束演算部が、制限磁束を生成し、
上限トルクテーブルが、前記制限磁束に基づいて上限トルクを出力し、
下限トルクテーブルが、前記制限磁束に基づいて下限トルクを出力し、
第１飽和関数部が、前記トルク指令絶対値を前記上限トルクと前記下限トルクの間に制限してトルク入力として出力し、
ｄ軸電流ΨＴテーブルが、前記制限磁束と前記トルク入力に基づいてΨＴｄ軸電流指令を出力し、
ｑ軸電流ΨＴテーブルが、前記制限磁束と前記トルク入力に基づいて値を出力し、
第２乗算器が、前記ｑ軸電流ΨＴテーブルの出力に前記トルク指令の符号係数を乗算してΨＴｑ軸電流指令を出力し、
選択スイッチが、前記トルク指令絶対値＞前記下限トルクの場合、前記ΨＴｄ軸電流指令，前記ΨＴｑ軸電流指令を前記ｄｑ軸電流指令として出力し、それ以外の場合、前記ＭＴＰＡｄ軸電流指令，前記ＭＴＰＡｑ軸電流指令を前記ｄｑ軸電流指令として出力する、
ことを特徴とするモータ駆動用インバータの制御方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＰＭモータの可変速駆動に係り、高い回転速度で、かつトルク制御を適用する用途に関する。
続きを表示（約 1,600 文字）【背景技術】
【０００２】
非特許文献１，２には、「たすきがけ制御」が開示されている。
【０００３】
非特許文献３には「ＰＭモータのＶ／Ｆ制御」が開示されており、位相検出を使用しないＶＦ制御型のトルク制御が記載されている。ｑ軸電流の微分成分を周波数に補正して安定化を図り、さらに最大トルク／電流特性を無効電力による電圧位相補正によって実現している。
【０００４】
トルク指令に追従させるのではなく、最大トルク／電流特性を維持する方法として、電流振幅に対する無効電力を計算し、この関係が成立するように電圧位相を調整している。
【０００５】
しかし、直流電源電圧が低下して出力電圧の上限が制限された場合など、最大トルク／電流特性よりも弱め界磁を強く（Ｉｄを負側に増加）する対応までは検討されていない。速度－トルク特性として定トルク／定出力範囲の分類があるが、定トルクの領域に適用するものであり、定出力範囲までは考慮されていない。
【０００６】
非特許文献４には「電圧位相制御（１）」が開示されており、トルク指令とトルク推定が一致するように電圧位相を調整する方法が記載されている。しかし、電圧波形は正弦波振幅を過大に設定して直流電源電圧Ｖｄｃでカットしただけであり、線形性の工夫などはない。
【０００７】
非特許文献６には「電圧位相制御（２）」が開示されており、電流制御モードと電圧位相制御の切り替え方式についての記載がある。従来技術３では、非特許文献６の「Ｆｉｇ．３（ａ）ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｍｅｔｈｏｄ」に示された構成図を参考にしている。
【０００８】
特許文献１には「電圧位相制御（３）」が開示されており、電流制御と電圧位相制御を組み合わせて切り替える方法が記載されている。１パルス変調ではなく変調率ｍの可変電圧を設定している。逆に、同期ＰＷＭへの切り替えに関する記載はない。電流制御（変調率＜１）と１パルスＰＷＭ波形による電圧位相制御（変調率＞１）を切り替えている。この、電流制御と電圧位相制御は別の構成であり、相互の情報交換（初期化）はあるが切り替え時の電圧変化抑制の詳細までは示されていない。過変調についても、電圧指令を拡大してリミットする単純な方式である。
【０００９】
特許文献２には「６次高調波による過変調方式」が開示されており、正弦波キャリア比較ＰＷＭ方法にて、電圧飽和時に出力電圧限界を拡大する方法が記載されている。この過変調方式は下記のような特徴があり、これと後述する「同期キャリア」とを組み合わせて「電圧位相制御のＰＷＭ生成」に利用する。
・過変調時に生じる高調波は５次と７次（回転座標系で６次）のみ。
・ＰＷＭキャリア周期は一定でよい。
・二相変調の適用方法を指定することにより、細いパルスを防止できる。
【００１０】
（先行技術文献等に記載の技術内容の概要）
「使用する用語」
ＰＷＭ：パルス幅変調（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）
ＡＣＲ：自動電流調整器…電流制御器（Ａｕｔｏｍａｔｉｃｃｕｒｒｅｎｔｒｅｇｕｌａｔｏｒ）
ＰＩ制御：比例積分制御（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ－ＩｎｔｅｇｒａｌＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）
ＰＬＬ：位相同期回路・位相同期フィードバックループ（ＰｈａｓｅＬｏｃｋｅｄＬｏｏｐ）
ＰＭＳＭ：永久磁石同期電動機（ＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭｏｔｏｒ）
ＩＰＭＳＭ：埋込磁石同期電動機（ＩｎｔｅｒｉｏｒＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭｏｔｏｒ）。
（【００１１】以降は省略されています）

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