JP2016005368A - Control device for rotary machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、パルス波形の出力電圧を用いて回転機の駆動を制御する回転機の制御装置に関する。 The present invention relates to a rotating machine control device that controls driving of a rotating machine using an output voltage of a pulse waveform.
従来、モータ等の回転機の制御において、制御器が出力した基本波電圧をPWM変調してインバータのスイッチング状態を操作するPWM制御が広く用いられてきた。しかし、PWM制御ではスイッチング損失が大きいことや、スイッチング回数の制約により高回転時において電気1周期に対するスイッチング回数が少なくなり電流歪が増大すること等の問題があった。 Conventionally, in the control of a rotating machine such as a motor, PWM control has been widely used in which the fundamental wave voltage output from the controller is PWM modulated to manipulate the switching state of the inverter. However, the PWM control has problems such as a large switching loss and a decrease in the number of times of switching with respect to one electrical cycle at the time of high rotation due to a restriction on the number of times of switching, thereby increasing current distortion.
そこで、例えば、モータの要求トルクから求めた電圧の変調率と、電気(1/4)周期でのスイッチング回数とに応じて、モータの電気角に同期した最適なパルス波形の出力電圧パターン(以下、「パルスパターン」という。)を作成し、当該パルスパターンを用いてインバータのスイッチング状態を操作することで損失の低減を図る技術が知られている。
この技術では、作成したパルスパターンをどのような指標に基づいて評価し、最適なパルスパターンを選択するかということが問題となる。特許文献1に開示された技術では、モータの電力損失、電力歪、又はトルクリプルが最小となるパルスパターンを選択する。
Therefore, for example, depending on the voltage modulation rate obtained from the required torque of the motor and the number of times of switching in the electrical (1/4) cycle, an output voltage pattern (hereinafter referred to as an optimal pulse waveform synchronized with the electrical angle of the motor) In other words, a technique is known in which loss is reduced by creating a “pulse pattern” and operating the switching state of an inverter using the pulse pattern.
In this technique, there is a problem in what index the created pulse pattern is evaluated to select an optimal pulse pattern. In the technique disclosed in
特許文献1の従来技術によって、インバータ及び電動機での電力損失を低減することは可能である。しかし、特許文献1ではインバータ(電力変換装置)の具体的な構成を示しておらず、通常インバータの入力部に設けられる平滑コンデンサや、バッテリとインバータとを接続する配線の抵抗成分及びリアクタンス成分について何ら言及されていない。
With the prior art of
そこで、バッテリとインバータとの間に平滑コンデンサを設けた回路モデルを想定する(図3参照)。このモデルでは、さらに、バッテリの内部抵抗、バッテリとインバータとを接続する配線の抵抗成分及びリアクタンス成分、平滑コンデンサが接続される配線の抵抗成分を考慮する。すると、モータの通電に伴い、バッテリからインバータへの配線に流れるバッテリ直流電流には、バッテリと平滑コンデンサとの間のLC共振による脈動が発生すること、また、平滑コンデンサの充放電に伴うリプル電流が発生することがわかる。バッテリ直流電流脈動や平滑コンデンサリプル電流は、平滑コンデンサやバッテリの発熱を招くおそれがある。 Therefore, a circuit model in which a smoothing capacitor is provided between the battery and the inverter is assumed (see FIG. 3). This model further takes into account the internal resistance of the battery, the resistance component and reactance component of the wiring connecting the battery and the inverter, and the resistance component of the wiring connecting the smoothing capacitor. Then, the pulsation due to LC resonance between the battery and the smoothing capacitor occurs in the battery DC current flowing in the wiring from the battery to the inverter as the motor is energized, and the ripple current accompanying the charging and discharging of the smoothing capacitor It turns out that occurs. Battery direct current pulsation and smoothing capacitor ripple current may cause heat generation of the smoothing capacitor and the battery.
そのため、パルスパターンを用いるモータ制御における最適なパルスパターンの決定にあたっては、特許文献1の従来技術のようにモータの電力損失、電力歪、トルクリプルに着目するだけでなく、バッテリとインバータとの間のバッテリ直流電流脈動やインバータ入力部の平滑コンデンサリプル電流の低減にも留意することが求められる。
本発明はこのような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、パルスパターンを用いてインバータのスイッチング状態を操作する回転機の制御装置において、バッテリ直流電流脈動又は平滑コンデンサリプル電流を低減する回転機の制御装置を提供することにある。
Therefore, in determining the optimum pulse pattern in motor control using a pulse pattern, not only the power loss, power distortion, and torque ripple of the motor as in the prior art of
The present invention was created in view of the above points, and the object of the present invention is to control battery direct current pulsation or smoothing capacitor ripple current in a control device for a rotating machine that operates a switching state of an inverter using a pulse pattern. It is an object of the present invention to provide a control device for a rotating machine that can be reduced.
本発明は、三相以上の多相の回転機の電気角に同期した出力電圧のパルスパターンを設定するパルスパターン設定部を備え、パルスパターン設定部が設定したパルスパターンに基づいてインバータの複数のスイッチング素子のオンオフを操作し、バッテリの直流電力を交流電力に変換して回転機に出力することにより回転機の駆動を制御する回転機の制御装置である。
パルスパターン設定部は、候補パルスパターン生成部と、パルスパターン高調波解析部と、相電流推定部と、インバータ入力電流推定部と、バッテリ直流電流推定部又は平滑コンデンサリプル電流推定部の少なくともいずれか一方と、パルスパターン決定部とを備える。
The present invention includes a pulse pattern setting unit that sets a pulse pattern of an output voltage that is synchronized with an electrical angle of a multiphase rotating machine having three or more phases, and a plurality of inverters based on the pulse pattern set by the pulse pattern setting unit. It is a control device for a rotating machine that controls the driving of the rotating machine by operating on / off of the switching element, converting the DC power of the battery to AC power, and outputting the AC power to the rotating machine.
The pulse pattern setting unit includes at least one of a candidate pulse pattern generation unit, a pulse pattern harmonic analysis unit, a phase current estimation unit, an inverter input current estimation unit, a battery DC current estimation unit, and a smoothing capacitor ripple current estimation unit. On the other hand, a pulse pattern determination unit is provided.
候補パルスパターン生成部は、回転機の駆動に要求される変調率、及び、所定の電気角区間におけるパルス数に基づいて、複数の候補パルスパターンを生成する。
パルスパターン高調波解析部は、候補パルスパターンの高調波成分を解析する。
相電流推定部は、候補パルスパターンの印加時に回転機の各相に流れる相電流を推定する。
インバータ入力電流推定部は、候補パルスパターンの印加時にインバータの入力部に流れる電流であるインバータ入力電流(Iinv_in)を推定する。
The candidate pulse pattern generation unit generates a plurality of candidate pulse patterns based on the modulation rate required for driving the rotating machine and the number of pulses in a predetermined electrical angle section.
The pulse pattern harmonic analysis unit analyzes the harmonic component of the candidate pulse pattern.
The phase current estimation unit estimates a phase current that flows in each phase of the rotating machine when the candidate pulse pattern is applied.
The inverter input current estimation unit estimates an inverter input current (Iinv_in) that is a current that flows through the input unit of the inverter when the candidate pulse pattern is applied.
バッテリ直流電流推定部は、バッテリと、インバータの入力部に設けられる平滑コンデンサとの間に流れる電流であるバッテリ直流電流(Ibatt)について、インバータ入力電流とバッテリ直流電流との伝達関数を用いてバッテリ直流電流を推定し高調波成分を解析する。
平滑コンデンサリプル電流推定部は、平滑コンデンサに流れるリプル電流である平滑コンデンサリプル電流(Ic)について、インバータ入力電流と平滑コンデンサリプル電流との伝達関数を用いて平滑コンデンサリプル電流を推定し高調波成分を解析する。
パルスパターン決定部は、バッテリ直流電流の高調波、又は、平滑コンデンサリプル電流の高調波の少なくとも一方を含む情報に基づき、評価関数を用いて最適なパルスパターンを決定する。
The battery direct current estimation unit uses a transfer function between the inverter input current and the battery direct current for the battery direct current (Ibatt) that flows between the battery and a smoothing capacitor provided in the input unit of the inverter. DC current is estimated and harmonic components are analyzed.
The smoothing capacitor ripple current estimator estimates the smoothing capacitor ripple current using a transfer function between the inverter input current and the smoothing capacitor ripple current for the smoothing capacitor ripple current (Ic) that is the ripple current flowing through the smoothing capacitor, and generates a harmonic component. Is analyzed.
The pulse pattern determination unit determines an optimal pulse pattern using an evaluation function based on information including at least one of the harmonic of the battery direct current or the harmonic of the smoothing capacitor ripple current.
本発明の回転機の制御装置は、パルスパターン設定部が候補パルスパターンからモータ相電流を推定し、モータ相電流及びパルスパターンからインバータ入力電流を推定した後、さらに、インバータ入力電流を入力とする伝達関数を用いて、バッテリ直流電流、又は平滑コンデンサリプル電流の少なくともいずれか一方を推定し、その高調波成分を解析する。そして、バッテリ直流電流、又は平滑コンデンサリプル電流の高調波の少なくとも一方を含む情報に基づき、評価関数を用いて最適なパルスパターンを決定する。 In the controller for a rotating machine according to the present invention, the pulse pattern setting unit estimates the motor phase current from the candidate pulse pattern, estimates the inverter input current from the motor phase current and the pulse pattern, and further receives the inverter input current as an input. Using the transfer function, at least one of the battery direct current and the smoothing capacitor ripple current is estimated, and its harmonic component is analyzed. Then, an optimum pulse pattern is determined using an evaluation function based on information including at least one of the battery direct current or the harmonics of the smoothing capacitor ripple current.
これにより、本発明の回転機の制御装置は、パルスパターンを用いてインバータのスイッチング状態を操作する回転機の制御装置において、バッテリ直流電流脈動又は平滑コンデンサリプル電流を低減することができる。したがって、平滑コンデンサやバッテリの発熱を防止することができる。また、副次的に回転機の電力損失、電流歪、トルクリプルの低減効果が得られる可能性もある。 As a result, the rotating machine control device of the present invention can reduce battery direct current pulsation or smoothing capacitor ripple current in the rotating machine control device that operates the switching state of the inverter using a pulse pattern. Therefore, heat generation of the smoothing capacitor and the battery can be prevented. Further, there is a possibility that the effect of reducing the power loss, current distortion, and torque ripple of the rotating machine is obtained as a secondary effect.
多相回転機が三相回転機であるとすると、パルスパターン決定部は、具体的に以下のような評価関数を用いてパルスパターンを決定する。
<1>バッテリ直流電流又は平滑コンデンサリプル電流の高調波解析における「モータの電気周波数の6次倍数成分」(以下、単に「6次倍数成分」と記す。)のうち、バッテリと平滑コンデンサとの間に生じるLC共振の「共振周波数近傍に現れる6次倍数成分の振幅」を最小とするパルスパターンを最適なパルスパターンとして決定する。
<2>バッテリ直流電流又は平滑コンデンサリプル電流の高調波解析における「6次倍数成分の振幅の総和」を最小とするパルスパターンを最適なパルスパターンとして決定する。
Assuming that the multi-phase rotating machine is a three-phase rotating machine, the pulse pattern determining unit specifically determines the pulse pattern using the following evaluation function.
<1> Of the “sixth multiple component of the electric frequency of the motor” (hereinafter simply referred to as “sixth multiple component”) in harmonic analysis of the battery direct current or smoothing capacitor ripple current, The pulse pattern that minimizes the “amplitude of the sixth-order multiple component appearing in the vicinity of the resonance frequency” of the LC resonance that occurs in between is determined as the optimum pulse pattern.
<2> The pulse pattern that minimizes the “sum of the amplitudes of the sixth-order multiple components” in the harmonic analysis of the battery DC current or the smoothing capacitor ripple current is determined as the optimum pulse pattern.
或いは、<3>バッテリ直流電流又は平滑コンデンサリプル電流の高調波解析における6次倍数成分の振幅の総和が所定の閾値未満である場合、相電流、インバータ入力電流、又はパルスパターンのいずれか1つ以上の高調波解析における6次倍数成分又は6次倍数に対応する成分の振幅の総和を最小とするパルスパターンを最適なパルスパターンとして決定するようにしてもよい。 Alternatively, if the sum of the amplitudes of the sixth-order multiple components in the harmonic analysis of the <3> battery direct current or smoothing capacitor ripple current is less than a predetermined threshold, any one of the phase current, the inverter input current, or the pulse pattern The pulse pattern that minimizes the sum of the amplitudes of the sixth-order multiple component or the component corresponding to the sixth-order multiple in the above harmonic analysis may be determined as the optimum pulse pattern.
以下、本発明の回転機の制御装置の実施形態を図面に基づいて説明する。
(一実施形態)
本発明の一実施形態の同期モータの制御装置の概略構成について、図1〜図3を参照して説明する。図1、図2に示すように、「回転機の制御装置」としてのモータ制御装置60は、インバータ40のスイッチング状態を操作することでバッテリ11の直流電力を三相交流電力に変換し、「回転機」としてのモータジェネレータ50に出力する。
Embodiments of a control device for a rotating machine according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
(One embodiment)
A schematic configuration of a synchronous motor control apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the
モータジェネレータ50は、IPMSM(埋込永久磁石式同期モータ)等の同期型三相交流電動機であり、例えばハイブリッド自動車や電気自動車の動力源として用いられる。モータジェネレータ50は、力行動作により電力を消費してトルクを発生する電動機としての機能、及び、トルクを受けて回生電力を発生する発電機としての機能を兼ね備える。
以下の説明では、モータジェネレータ50が電動機として機能する場合を主に想定し、単に「モータ50」という。モータ50のロータ近傍には、ロータ位置(電気角)θを検出する、例えばレゾルバ等の位置センサ55が設けられる。
The
In the following description, the case where the
バッテリ11は、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等の充放電可能な直流電源である。なお、電気二重層キャパシタ等も本発明の「バッテリ」に含むものとする。
インバータ40は、ブリッジ接続された三相の上下アームのスイッチング素子41〜46により構成される。上アームのスイッチング素子41、42、43、及び、下アームのスイッチング素子44、45、46は、それぞれ、U相、V相、W相に対応する。スイッチング素子としては、例えばIGBT等が用いられる。
The
The
インバータ40の入力側には、入力電圧を平滑化する平滑コンデンサ31が設けられている。また、平滑コンデンサ31と並列に、インバータ入力電圧VHを検出する電圧センサ35が設けられている。
なお、バッテリ11とインバータ40との間に周知の昇圧コンバータを設け、昇圧コンバータで昇圧された直流電圧をインバータ入力電圧VHとみなしてもよい。
A smoothing
A known boost converter may be provided between the
バッテリ11からインバータ40までの回路に対応するモデル図を図3の下側に示す。図3では、バッテリ11を含む部分をバッテリ部10、バッテリ11とインバータ40入力部との間の配線を直流配線部20、平滑コンデンサ31を含む部分を平滑コンデンサ部30と表す。バッテリ部10は、バッテリ11と内部抵抗12とを含む。直流配線部20は、抵抗成分22及びリアクタンス成分23を含む。平滑コンデンサ部30は、平滑コンデンサ31、抵抗成分32及びリアクタンス成分33を含む。後述の説明で、このモデルを用いてLC共振特性を解析する。
A model diagram corresponding to the circuit from the
図1、図2に戻り、モータ制御装置60の構成について説明する。
モータ制御装置60は、例えば変調率に応じて、図1に示す電流フィードバック制御方式、及び、図2に示すトルクフィードバック制御方式を切り替えて実行する。
まず図1を参照し、電流フィードバック制御方式の構成について説明する。モータ制御装置60は、電流フィードバック制御の構成として、電流指令演算部61、電流減算器62、制御器63、変調率/電圧位相演算部64を有している。また、共通の構成として、dq変換部65、微分器66、パルス数設定部67、及びパルスパターン設定部70を有している。
Returning to FIG. 1 and FIG. 2, the configuration of the
The
First, the configuration of the current feedback control method will be described with reference to FIG. The
電流指令演算部61は、上位の制御装置から取得したトルク指令値trq*に基づき、マップや数式等を用いてdq軸電流指令値Id*、Iq*を演算する。
電流減算器62は、dq変換部65からフィードバックされるdq軸電流検出値Id、Iqをdq軸電流指令値Id*、Iq*から減算してdq軸電流偏差を算出する。
制御器63は、dq軸電流偏差をゼロに収束させるようにPI制御演算等によってdq軸電圧指令値Vd*、Vq*を算出する。
The current
The
The
変調率/電圧位相演算部64は、インバータ入力電圧VH、及び、dq軸電圧指令値Vd*、Vq*に基づき、数式1を用いて変調率mを演算する。
dq変換部65は、インバータ40からMG50へ接続される電力線に設けられた電流センサ51、52から相電流検出値が入力される。本実施形態では、V相、W相に設けられた電流センサ51、52からV相電流Iv及びW相電流Iwの検出値が入力され、残るU相の電流Iuをキルヒホッフの法則に基づいて推定している。他の実施形態では、どの二相の電流を検出してもよく、三相の電流を検出してもよい。或いは、一相の電流検出値に基づいて他の二相の電流を推定する技術を採用してもよい。
dq変換部65は、位置センサ55から取得した電気角θを用いて、三相電流検出値Iu、Iv、Iwをdq軸電流検出値Id、Iqにdq変換し、電流減算器62にフィードバックする。
微分器66、パルス数設定部67、及びパルスパターン設定部70については、トルクフィードバック制御方式の説明後にまとめて説明する。
The
The
The
次に図2を参照し、トルクフィードバック制御方式の構成について説明する。モータ制御装置60は、トルクフィードバック制御の構成として、指令電圧設定部81、乗算器82、変調率演算部83、トルク推定部84、フィルタ85、トルク減算器86、制御器87を有している。また、共通の構成として、dq変換部65、微分器66、パルス数設定部67、及びパルスパターン設定部70を有している。
Next, the configuration of the torque feedback control system will be described with reference to FIG. The
指令電圧設定部81は、インバータ入力電圧VH、及び、トルク指令値trq*又はトルク推定値trq_est(破線図示)に基づき、最小電流で最大トルクを得るための最も効率の良い制御を実現できるように、電圧振幅Vaと速度ωbとの比(Va/ωb)をマップにより決定する。ここでωbは、マップを計測したときの速度である。
乗算器82は、指令電圧設定部81が決定した比(Va/ωb)に、微分器66が算出した電気角速度ωを乗算する。
変調率演算部83は、インバータ入力電圧VH、及び、電圧振幅(Va×ω/ωb)=Va’に基づき、変調率mを演算する。
The command
The
The
トルク推定部84は、dq変換部65で変換されたdq軸電流Id、Iqに基づいて、マップや周知のトルク式等を用いてトルク推定値trq_estを推定する。
フィルタ85は、過変調領域で生じる電気周期に同期したリプル成分を減衰させるためのフィルタであり、例えば、電気周波数ω1に応じた「1/{(1/kω1)s+1}」のような1次ローパスフィルタ(LPF)である。
Based on the dq axis currents Id and Iq converted by the
The
トルク減算器86は、トルク推定値trq_estをトルク指令値trq*から減算してトルク偏差を算出する。
制御器87は、トルク偏差をゼロに収束させるようにPI制御演算等によって電圧位相φを算出する。
The
The
続いて、電流フィードバック制御方式(図1)及びトルクフィードバック制御方式(図2)に共通の構成について説明する。
パルス数設定部67は、微分器66が電気角θを時間微分して算出した電気角速度ωに応じて線間電圧パルスパターンのパルス数n(後述)を設定する。
パルスパターン設定部70は、変調率m、電圧位相φ及びパルス数nに基づき、インバータ40を駆動するためのパルスパターンを設定する。パルスパターン設定部70の詳細な構成については後述する。
Subsequently, a configuration common to the current feedback control method (FIG. 1) and the torque feedback control method (FIG. 2) will be described.
The pulse
The pulse
ここで、パルスパターンの例を図4(a)に示す。本実施形態で用いる「パルスパターン」の用語は、「各相パルスパターン」及び「線間電圧パルスパターン」の両方を含む。図4(a)には、U相上アームのスイッチング素子41及びV相上アームのスイッチング素子42の各相パルスパターン、及びU−V相の線間電圧パルスパターンを示している。各相パルスパターンと線間電圧パルスパターンとは相互に対応する。
Here, an example of the pulse pattern is shown in FIG. The term “pulse pattern” used in the present embodiment includes both “each phase pulse pattern” and “line voltage pulse pattern”. FIG. 4A shows the respective phase pulse patterns of the switching
V相上アームのスイッチング素子42のパルスパターンは、U相上アームのスイッチング素子41のパルスパターンに対して電気角120degずれている。また、各相下アームのスイッチング素子のパルスパターンは、デッドタイムを無視すれば、同相の上アームのスイッチング素子のパルスパターンを相補する形、すなわち上下反転した形となる。
The pulse pattern of the switching
線間電圧パルスパターンは、図4(a)の横軸の電気角60degを0degとするように、負方向に60degシフトさせると、電気角0〜180deg区間の電圧が正の領域と、電気角180〜360deg区間の電圧が負の領域とは符号を反転した関係、すなわち、「半波対称」の関係となる。また、電気角0〜90degの区間と電気角90〜180degの区間とは電気角90degを中心として、電気角180〜270degの区間と電気角270〜360degの区間とは電気角270degを中心として、それぞれ線対称の関係となる。このように、パルスパターンの対称性について考えるときは、適宜、電気角の基準(0deg)をシフトさせる。
When the line voltage pulse pattern is shifted 60 deg in the negative direction so that the
また、線間電圧パルスパターンの「パルス数n」とは、電気(1/2)周期、すなわち電気角180deg間のパルスの数をいい、図4(a)の例では「n=7」となる。
以下のパルスパターンの説明では、区別が必要な場合は、「各相パルスパターン」又は「線間電圧パルスパターン」と明示し、いずれを指しているかが自明な場合や、いずれで解釈しても文意が成立する場合は、単に「パルスパターン」と記す。
In addition, the “number of pulses n” of the line voltage pulse pattern means the number of pulses in the electrical (1/2) period, that is, the electrical angle of 180 degrees, and “n = 7” in the example of FIG. Become.
In the following description of the pulse pattern, if distinction is necessary, it is clearly indicated as “each phase pulse pattern” or “inter-line voltage pulse pattern”, and it is obvious whether it is pointing or can be interpreted in any way. When the meaning is established, it is simply written as “pulse pattern”.
パルスパターンは、インバータ40の各スイッチング素子41〜46に対するスイッチング信号UU、UL、VU、VL、WU、WLとして出力される。インバータ40の各スイッチング素子41〜46がスイッチング信号UU、UL、VU、VL、WU、WLに従って動作することにより、トルク指令値trq*に応じたトルクが出力されるようにMG50の駆動が制御される。
モータ制御において広く用いられているPWM信号に代えて、パルスパターンを用いてインバータ40を操作することでスイッチング回数を低減することができるため、特に、高回転の過変調領域等ではスイッチング損失の低減に効果がある。
The pulse pattern is output as switching signals UU, UL, VU, VL, WU, WL for the
The switching frequency can be reduced by operating the
次に図3を参照して、パルスパターン設定部70の詳細な構成を説明する。このパルスパターン設定部70の詳細構成、及び、その後に説明するパルスパターン設定の具体的な手順が本発明の要旨、すなわち特徴部分に相当する。
本実施形態のパルスパターン設定部70は、候補パルスパターン生成部71、パルスパターン高調波解析部72、相電流推定部73、インバータ入力電流推定部74、バッテリ直流電流推定部75、平滑コンデンサリプル電流推定部76、及び、パルスパターン決定部77を有している。ここで、バッテリ直流電流推定部75及び平滑コンデンサリプル電流推定部76は、いずれか一方のみを有していてもよい。
Next, a detailed configuration of the pulse
The pulse
各部の役割についてはパルスパターン設定手順と共に説明するとして、ここでは、インバータ入力電流推定部74、バッテリ直流電流推定部75、及び、平滑コンデンサリプル電流推定部76がそれぞれ推定する電流と、回路モデル図との関係について説明する。
回路モデル図において、平滑コンデンサ部30とインバータ40との間を流れる直流電流を「インバータ入力電流Iinv_in」と定義し、インバータ入力電流推定部74はこれを推定する。バッテリ11と平滑コンデンサ31との間を流れる直流電流を「バッテリ直流電流Ibatt」と定義し、バッテリ直流電流推定部75はこれを推定する。平滑コンデンサ31に流れるリプル電流を「平滑コンデンサリプル電流Ic」と定義し、平滑コンデンサリプル電流推定部76はこれを推定する。
The role of each part will be described together with the pulse pattern setting procedure. Here, the current estimated by the inverter input
In the circuit model diagram, a direct current flowing between the smoothing
ここで本明細書、図面、及び明細書中の数式における記号の表記について断っておく。例えば上記電流について、図面や後出の数式では、「inv_in」、「batt」、「c」部分を下付き文字で記載している。しかし、明細書本文において、これらを全て下付き文字で記載するとかえって見にくくなる場合があるため、主記号(この場合「I」)とのつながり具合等によって、適宜、通常文字で記載する場合がある。
また、電流「I」、電圧「V」について、数式の都合により、小文字の「i」、「v」を併用する場合がある。
Here, the notation of symbols in the present specification, drawings, and mathematical expressions in the specification will be omitted. For example, regarding the current, in the drawings and the mathematical formulas below, the “inv_in”, “batt”, and “c” portions are described by subscripts. However, in the specification text, it may be difficult to see if all of these are written in subscripts, so they may be written in normal letters as appropriate depending on the connection with the main symbol (in this case, “I”). .
In addition, for current “I” and voltage “V”, lowercase letters “i” and “v” may be used in combination for convenience of mathematical expressions.
例えば特許文献1に記載の従来技術では、モータ50における電力損失、電流歪、又はトルクリプルを最小とするようにパルスパターンを設定している。しかし、インバータ40の入力部に設けられる平滑コンデンサ31のリプル電流や、バッテリ11とインバータ40とを接続する直流配線部20におけるLC共振によって生じる直流電流の脈動に関しては、それらが平滑コンデンサ31やバッテリ11の発熱を招くおそれがあるにも拘わらず何ら言及されていない。
そこで、本発明では、バッテリ直流電流Ibattや平滑コンデンサリプル電流Icに着目し、バッテリ直流電流Ibattの脈動や平滑コンデンサリプル電流Icを低減することができるようにパルスパターンを設定することを特徴とする。
For example, in the prior art described in
Therefore, the present invention is characterized by focusing on the battery DC current Ibatt and the smoothing capacitor ripple current Ic, and setting the pulse pattern so that the pulsation of the battery DC current Ibatt and the smoothing capacitor ripple current Ic can be reduced. .
次に、パルスパターン設定部70による各相パルスパターン設定手順について、図4〜図10を参照して説明する。
図4(b)に示すように、本実施形態による各相パルスパターンは、電気角0〜90degの区間を一単位とするモデルで設定される。図4(b)の例では、電気角0〜90degの区間で3回のオフ期間と3回のオン期間が設定される。電気角0degから1回目のオン期間までの角度幅を第1の角度幅δ1とする。また、2回目及び3回目のオフ期間において中心位置をθ1、θ2とし、オフ期間の幅の(1/2)を角度幅δ2、δ3とする。これらの中心位置θ1、θ2及び角度幅δ1、δ2、δ3を「パルスパラメータ」という。各パルスパラメータが決まれば、電気角0〜90degの区間でのパルスパターンが決定する。
Next, each phase pulse pattern setting procedure by the pulse
As shown in FIG. 4B, each phase pulse pattern according to the present embodiment is set by a model in which a section of an electrical angle of 0 to 90 deg is a unit. In the example of FIG. 4B, three off periods and three on periods are set in the section of
そして、電気角90degを中心として電気角0〜90degのパルスパターンを線対称に反転することで電気角90〜180degのパルスパターンを設定する。また、電気角180degを中心として電気角0〜180degのパルスパターンを点対称に反転することで電気角180〜360degのパルスパターンを設定する。「点対称」とは、線対称に反転し、さらに、パルスのオン側とオフ側とを反転させることをいう。
以上により、一相(例えばU相)についての電気1周期の各相パルスパターンが確定する。他の二相(V相、W相)については、一相のパルスパターンを電気角±120degずらすことによって設定する。
Then, a pulse pattern with an electrical angle of 90 to 180 deg is set by reversing the pulse pattern with an electrical angle of 0 to 90 deg about line symmetric about the electrical angle of 90 deg. In addition, a pulse pattern having an electrical angle of 180 to 360 deg is set by inverting a pulse pattern having an electrical angle of 0 to 180 deg in a point-symmetric manner with the electrical angle of 180 deg as the center. “Point symmetry” means to invert line symmetry and to invert the on and off sides of the pulse.
As described above, each phase pulse pattern of one electrical cycle for one phase (for example, U phase) is determined. The other two phases (V phase and W phase) are set by shifting the one-phase pulse pattern by an electrical angle of ± 120 deg.
ところで、パルス数をさらに多く設定した場合は、中心位置θ3以降、角度幅δ4以降のパラメータが追加される。ただし、以下の図4〜図10に関する説明では、図4(b)に示す「5つのパルスパラメータを有するパルスパターン」を前提として説明することとする。
つまり、本実施形態において「最適なパルスパターンを設定する」とは、具体的には、各パルスパラメータδ1、δ2、δ3、θ1、θ2の最適値を求めることを意味する。
By the way, when the number of pulses is set to be larger, parameters after the center position θ3 and after the angular width δ4 are added. However, in the following description regarding FIG. 4 to FIG. 10, the description will be made on the premise of “pulse pattern having five pulse parameters” shown in FIG.
That is, in the present embodiment, “setting an optimal pulse pattern” specifically means obtaining optimum values of the pulse parameters δ1, δ2, δ3, θ1, and θ2.
続いて、図5を参照して、各相パルスパターン設定のメインフローについて説明する。なお、以下のフローチャートの説明で記号「S」はステップを意味する。
S11〜S14は、候補パルスパターン生成部71によって実行される。S11では、変調率/電圧位相演算部64又は変調率演算部83によって演算された「設計したいパルスパターンの所望の変調率m」をセットする。S12では、候補パルスパターンにおける中心位置θ1、θ2の初期値をセットし、S13では、候補パルスパターンにおける角度幅δ2、δ3の初期値をセットする。なお、線間電圧パルスパターンのパルス数が5より大きく、中心位置θ3以降、角度幅δ4以降が存在する場合は、それらを含めてセットする。
Next, the main flow of setting each phase pulse pattern will be described with reference to FIG. In the following description of the flowchart, the symbol “S” means a step.
S11 to S14 are executed by the candidate pulse
S14では、所望変調率m、中心位置θ1、θ2、角度幅δ2、δ3に基づき、数式2を用いて第1の角度幅δ1を計算する。
S20では、パルスパターン評価により最適解となる候補パルスパターンを保管する。このステップの詳細は後述する。
S20の終了後、角度幅δ3、δ2、中心位置θ2、θ1の各パラメータについて探索範囲を終了したか順に判断する(S31、S33、S35、S37)。いずれかのパラメータの探索範囲が終了していなければ、そのパラメータを微小値dδ、dθだけ変化させて(S32、S34、S36、S38)S14に戻り、第1の角度幅δ1を再計算する。
角度幅δ3、δ2及び中心位置θ2、θ1の全ての探索範囲が終了したら(S37:YES)、パルスパターン決定部77は、保管した最適解の候補パルスパターンを最適解として出力する。
パルスパターン設定部70は、モータ50の駆動中、最適解を都度オンラインで演算してもよく、或いは、予め演算した最適解を変調率m及びパルス数nを引数とするマップに記憶してもよい。
In S20, the candidate pulse pattern which becomes an optimal solution by pulse pattern evaluation is stored. Details of this step will be described later.
After the end of S20, it is determined in order whether the search range has ended for the parameters of the angular widths δ3 and δ2 and the center positions θ2 and θ1 (S31, S33, S35, and S37). If the search range of any parameter has not ended, the parameter is changed by the minute values dδ and dθ (S32, S34, S36, S38), the process returns to S14, and the first angular width δ1 is recalculated.
When all the search ranges of the angular widths δ3 and δ2 and the center positions θ2 and θ1 are completed (S37: YES), the pulse
While driving the
次に、S20の「パルスパターン最適解候補保管」処理の詳細について、図6、図9、図10のサブフローチャートを参照し、3つの実施例を説明する。
最初に図6を参照して、3つの実施例に共通するS21〜S25について説明する。
S21では、パルスパターン高調波解析部72にてパルスパターンを高調波解析する。以下の高調波解析は、FFT(高速フーリエ変換)を用いて行う。各相パルスパターンの(6k±1)次、すなわち5次、7次、11次、13次・・・の高調波振幅は、数式3で表される。数式3において、変調率mの情報は第1の角度幅δ1に反映され、パルス数nの情報は、Σ計算の項数「l」に反映される。
Next, details of the “pulse pattern optimum solution candidate storage” process of S20 will be described with reference to the sub-flowcharts of FIGS. 6, 9, and 10.
First, S21 to S25 common to the three embodiments will be described with reference to FIG.
In S21, the pulse pattern
相電流推定部73は、S22及びS23で、候補パルスパターンの印加時にモータ50の各相に流れるモータ相電流Iuvwを推定し高調波解析する。
S22では、上記パルスパターンをインバータ入力電圧VHで印加したときモータ50に印加されるdq軸電圧を数式4により計算する。数式4は、上記パルスパターンをある一相について、電気角θに対して電圧位相の基本波位相φv1で印加し、他の二相については、そこから±120degずらした位相で印加することを想定した式である。
In S22, the dq-axis voltage applied to the
S23では、モータ相電流Iuvwの6次倍数成分(式中「6k」と示す)の高調波について高調波解析を行う。まず、dq軸電圧の電圧方程式は、鎖交磁束をid、iqの2変数関数として記述すると、数式5で表される。
ただし、
R:電機子抵抗
id、iq:d軸電流、q軸電流
s:微分演算子(数式6参照)
Ld、Lq:インダクタンス(数式6参照)
Ld’、Lq’、Ldq’、Lqd’:微分インダクタンス(数式6参照)
ω1:電気角速度(回転数)
λd、λq:磁束のd軸成分、q軸成分
ed、eq:誘起電圧のd軸高調波成分、q軸高調波成分
Ke:誘起電圧係数
However,
R: Armature resistance id, iq: d-axis current, q-axis current s: differential operator (see Equation 6)
Ld, Lq: Inductance (see Equation 6)
Ld ′, Lq ′, Ldq ′, Lqd ′: differential inductance (see Equation 6)
ω 1 : Electrical angular velocity (rotation speed)
λd, λq: d-axis component of magnetic flux, q-axis component ed, eq: d-axis harmonic component of induced voltage, q-axis harmonic component Ke: induced voltage coefficient
数式7において「s=jω1」を代入して逆行列を計算すると、6次倍数成分のdq軸電流を示す数式8が得られる。
ここで、図7を参照し、数式8の右辺最終項の誘起電圧をモデル化することを考える。
図7(a)に示すように、実機にて、例えばU−V相間の線間電圧を実測すると、誘起電圧の歪成分が重畳した波形が得られる。この線間電圧をFFT解析すると、図7(b)に示すように、歪の主成分として、(6k±1)次(5次、7次、11次、13次、17次、19次・・・)成分が抽出される。抽出した成分をdq軸座標変換し、電気角θに対する線間誘起電圧位相φe1での(6k±1)次の線間誘起電圧ベクトルのd軸成分、q軸成分を数式9で表す。
As shown in FIG. 7A, when the line voltage between the U and V phases is measured with an actual machine, for example, a waveform in which the distortion component of the induced voltage is superimposed is obtained. When this line voltage is subjected to FFT analysis, as shown in FIG. 7B, the main component of the distortion is (6k ± 1) order (5th, 7th, 11th, 13th, 17th, 19th,. ..) Components are extracted. The extracted component is dq-axis coordinate transformed, and the d-axis component and the q-axis component of the (6k ± 1) -th line induced voltage vector at the line induced voltage phase φ e1 with respect to the electrical angle θ are expressed by Equation 9.
次に数式8のdq軸電流を相電流に変換すると、U相電流iuの(6k±1)次成分は数式10で表される。数式10の第2式は、第1式をフーリエ級数展開したものである。V相電流iv、W相電流iwの(6k±1)次成分は、数式10の位相を電気角±120degずらして求められる。
また、U相電流の(6k±1)次成分の振幅iuamp(6k±1)は、数式11で表される。
数式10、11におけるフーリエ係数Ad_k、Aq_k、Bd_k、Bq_kは数式12で表され、行列式に基づく係数Δkは数式13で表される。
また、数式12にて、cos項及びsin項に対応する電圧係数Vdc、Vds、Vqc、Vqs、並びに、cos項及びsin項に対応する線間誘起電圧係数Edc、Eds、Eqc、Eqsは、数式14、15で表される。
さらに、数式14、15における(6k±1)次成分の電圧振幅v6k±1、及び電圧位相φv_6k±1は数式16で表され、(6k±1)次成分の線間誘起電圧振幅e6k±1、及び線間誘起電圧位相φe_6k±1は数式17で表される。数式16、17の位相は、rad単位である。
数式16、17における記号は以下の意味である。
M6k±1:パルスパターンの(6k±1)次数高調波の振幅(数式3参照)
φv1:電圧位相の基本波位相(数式4参照)
Ke_6k±1:線間誘起電圧係数の(6k±1)次数高調波振幅
φe_6k±1:線間誘起電圧係数の(6k±1)次数高調波位相
The symbols in
M 6k ± 1 : Amplitude of the (6k ± 1) order harmonic of the pulse pattern (see Equation 3)
φ v1 : fundamental phase of voltage phase (see Equation 4)
K e — 6k ± 1 : (6k ± 1) order harmonic amplitude of line induced voltage coefficient φ e_6k ± 1 : (6k ± 1) order harmonic phase of line induced voltage coefficient
次にS24で、インバータ入力電流推定部74は、電気1周期分のインバータ入力電流Iinv_inを推定する。
表1に示すように、三相交流インバータ40では、スイッチングパターンに対応して、2パターンのゼロ電圧ベクトルV0、V7、及び、6パターンの有効電圧ベクトルV1〜V7が生成される。表1中の「スイッチング状態」の欄において、「1」は上アームのスイッチング素子がONであることを示し、「0」は上アームのスイッチング素子がOFFであることを示す。また、電圧ベクトルV0〜V7に対応して、表の右欄のようなインバータ入力電流Iinv_inが流れる。
表1に基づいて推定したインバータ入力電流Iinv_inについてFFT解析を実行し、インバータ入力電流高調波の振幅及び位相を計算する。
Next, in S24, the inverter input
As shown in Table 1, in the three-
An FFT analysis is performed on the inverter input current Iinv_in estimated based on Table 1, and the amplitude and phase of the inverter input current harmonic are calculated.
S25では、バッテリ直流電流推定部75による「バッテリ直流電流Ibattの推定及び高調波解析」又は、平滑コンデンサリプル電流推定部76による「平滑コンデンサリプル電流Icの推定及び高調波解析」の少なくとも一方を行う。この推定演算には、インバータ入力電流Iinv_inとバッテリ直流電流Ibattとの伝達関数、及び、インバータ入力電流Iinv_inと平滑コンデンサリプル電流Icとの伝達関数を用いる。
図3に示した、バッテリ部10、直流配線部20、及び平滑コンデンサ部30の抵抗成分、リアクタンス成分を考慮した回路モデルにおいて、直流配線部20の配線インピーダンスZdc、及び平滑コンデンサ31のインピーダンスZcは、数式18で表される。
In the circuit model considering the resistance component and reactance component of the
バッテリ11の内部抵抗Rbatt、直流配線部20の配線インピーダンスZdc、及び、平滑コンデンサ31のインピーダンスZcより、インバータ入力電流Iinv_inとバッテリ直流電流Ibattとの伝達関数、及び、インバータ入力電流Iinv_inと平滑コンデンサリプル電流Icとの伝達関数は、それぞれ数式19、20で表される。
数式19、20の伝達特性を周波数特性図で表すと、図8(a)、(b)のようになり、いずれもLC共振特性を示す。簡単のため、バッテリ11から平滑コンデンサ31までの回路部分の全体のリアクタンス成分をLで表すと、LC共振周波数fcは、数式21で表される。
以下、S25より後のステップについて、「パルスパターン最適解候補保管」処理の実施例毎に説明する。S25までの処理で、バッテリ直流電流Ibattの6次倍数成分の振幅「Ibatt_6f、Ibatt_12f、・・・Ibatt_(6k)f」、又は、平滑コンデンサリプル電流Icの6次倍数成分の振幅「Ic_6f、Ic_12f、・・・Ic_(6k)f」が計算される。 Hereinafter, the steps after S25 will be described for each example of the “pulse pattern optimum solution candidate storage” process. In the process up to S25, the amplitude “I batt — 6f , I batt — 12f ,... I batt — (6k) f ” of the battery DC current Ibatt, or the amplitude “6 b of the smoothing capacitor ripple current Ic” I c_6f, I c_12f, ··· I c_ (6k) f "is calculated.
図6に示す第1実施例では、S25の次のS26にて、「LC共振周波数fcに最も近い6次倍数成分の振幅」を評価関数Hyoとして導出する。例えば、6次、12次、18次・・・のうち12次成分の周波数がLC共振周波数fcに最も近いとすると、12次成分の振幅のみに注目し、他の6次成分や18次成分等については考慮しない。
S28では、今回導出した候補パルスパターンの評価関数Hyoが、それまでに導出した候補パルスパターンの評価関数の最小値Hyo_minよりも小さいか否か判断する。
In the first embodiment shown in FIG. 6, “the amplitude of the sixth-order multiple component closest to the LC resonance frequency fc” is derived as the evaluation function Hyo in S26 after S25. For example, if the frequency of the 12th-order component is the closest to the LC resonance frequency fc among the 6th-order, 12th-order, 18th-order, etc., pay attention only to the amplitude of the 12th-order component, and other 6th-order components and 18th-order components Etc. are not considered.
In S28, it is determined whether or not the evaluation function Hyo of the candidate pulse pattern derived this time is smaller than the minimum value Hyo_min of the evaluation function of the candidate pulse pattern derived so far.
S28でYESの場合、S29にて、今回導出した候補パルスパターンの評価関数Hyoを「評価関数の最小値Hyo_min」とし、最適解候補のパルスパターンとして保管する。すなわち、今回の各パラメータδ1、δ2、δ3、θ1、θ2を、それぞれ最適値δ1_opt、δ2_opt・・・として、S20のサブフローを終了する。一方、S28でNOの場合、そのままS20のサブフローを終了し、図5のメインフローに戻る。 In the case of YES in S28, in S29, the evaluation function Hyo of the candidate pulse pattern derived this time is set to “minimum value Hyo_min of evaluation function”, and is stored as the pulse pattern of the optimal solution candidate. That is, the current parameters δ1, δ2, δ3, θ1, and θ2 are set to optimum values δ1_opt, δ2_opt,. On the other hand, in the case of NO in S28, the subflow of S20 is terminated as it is, and the process returns to the main flow of FIG.
図9に示す第2実施例では、S25の次のS27にて、「6次倍数成分の振幅の総和」を評価関数Hyoとして導出する。そして、第1実施例と同様に、今回導出した候補パルスパターンの評価関数Hyoが、それまでに導出した候補パルスパターンの評価関数の最小値Hyo_minよりも小さければ、今回導出した候補パルスパターンを最適解候補のパルスパターンとして保管する。 In the second embodiment shown in FIG. 9, “the sum of the amplitudes of the sixth-order multiple components” is derived as the evaluation function Hyo in S27 after S25. Similarly to the first embodiment, if the evaluation function Hyo of the candidate pulse pattern derived this time is smaller than the minimum value Hyo_min of the evaluation function of the candidate pulse pattern derived so far, the candidate pulse pattern derived this time is optimized. Store as a pulse pattern of the solution candidate.
図10に示す第3実施例は、「6次倍数成分の振幅の総和」に基づいて候補パルスパターンを評価する点で第2実施例と共通する。ただし、二種類の評価関数Hyo1、Hyo2を用い、処理に場合分けを含む点が異なる。
S271では、第2実施例のS27と同様に、「6次倍数成分の振幅の総和」を第1評価関数Hyo1として導出する。また、S272では、相電流(例えばU相電流Iu)の(6k±1)次成分の振幅の総和、インバータ入力電流Iinv_inの6次倍数成分の振幅の総和、パルスパターンMの(6k±1)次成分の振幅の総和の3つのうち少なくとも1つを第2評価関数Hyo2として導出する。
The third embodiment shown in FIG. 10 is common to the second embodiment in that the candidate pulse pattern is evaluated based on “the sum of the amplitudes of the sixth-order multiple components”. However, two types of evaluation functions Hyo1 and Hyo2 are used, and the processing is different in that it includes cases.
In S271, as in S27 of the second embodiment, “the sum of the amplitudes of the sixth-order multiple components” is derived as the first evaluation function Hyo1. In S272, the sum of the amplitudes of the (6k ± 1) -order components of the phase current (for example, the U-phase current Iu), the sum of the amplitudes of the sixth-order multiple components of the inverter input current Iinv_in, and (6k ± 1) of the pulse pattern M At least one of the total sums of the amplitudes of the next components is derived as the second evaluation function Hyo2.
これら3つのうち2つ又は3つを用いる場合、第2評価関数Hyo2は、数式22に示すように、重み係数A、B、Cを乗じて重ね合わせてもよい。
S281では、今回導出した候補パルスパターンの第1評価関数Hyo1が、所定の閾値Hyo_th未満であるか否か判断する。S281にてYESの場合、S282では、今回導出した候補パルスパターンの第2評価関数Hyo2が、それまでに導出した候補パルスパターンの評価関数の最小値Hyo_minよりも小さいか否か判断する。 In S281, it is determined whether or not the first evaluation function Hyo1 of the candidate pulse pattern derived this time is less than a predetermined threshold value Hyo_th. If YES in S281, it is determined in S282 whether or not the second evaluation function Hyo2 of the candidate pulse pattern derived this time is smaller than the minimum value Hyo_min of the evaluation function of the candidate pulse pattern derived so far.
S282でYESの場合、S292にて、今回導出した候補パルスパターンの第2評価関数Hyoを「評価関数の最小値Hyo_min」とし、最適解候補のパルスパターンとして保管する。
すなわち第3実施例では、バッテリ直流電流Ibatt又は平滑コンデンサリプル電流Icの高調波解析における6次倍数成分の振幅の総和が所定の閾値未満である場合、相電流Iuvw、インバータ入力電流Iinv_in、又はパルスパターンの情報に基づいて最適なパルスパターンを決定する。
In the case of YES in S282, in S292, the second evaluation function Hyo of the candidate pulse pattern derived this time is set as the “minimum value Hyo_min of the evaluation function” and stored as the pulse pattern of the optimal solution candidate.
That is, in the third embodiment, when the sum of the amplitudes of the sixth-order multiple components in the harmonic analysis of the battery DC current Ibatt or the smoothing capacitor ripple current Ic is less than a predetermined threshold, the phase current Iuvw, the inverter input current Iinv_in, or the pulse An optimal pulse pattern is determined based on the pattern information.
次に、従来技術によるパルスパターンの例と本実施形態によるパルスパターンの例との比較について、図11〜図14を参照して説明する。図11、図12には、従来技術による(a)線間電圧パルスパターン、(b)相電流波形、(c)インバータ入力電流Iinv_inとバッテリ直流電流Ibattとの伝達特性、及び、インバータ入力電流Iinv_inのFFT結果、(d)パルスパターンのFFT結果を示す。図13、図14には、本実施形態による同様の図を示す。 Next, a comparison between an example of a pulse pattern according to the prior art and an example of a pulse pattern according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 11 and 12 show (a) a line voltage pulse pattern according to the prior art, (b) a phase current waveform, (c) transfer characteristics between the inverter input current Iinv_in and the battery DC current Ibatt, and the inverter input current Iinv_in. (D) shows the FFT result of the pulse pattern. 13 and 14 show similar views according to the present embodiment.
図11(c)、図13(c)において、インバータ入力電流Iinv_inとバッテリ直流電流Ibattとの伝達関数は、LC共振周波数fcにおいてゲインが最大となっている。周波数fcよりも低周波数側ではゲインはほぼ一定であり、周波数fcよりも高周波数側では周波数が高くなるにつれてゲインが低下している。 11 (c) and 13 (c), the transfer function between the inverter input current Iinv_in and the battery direct current Ibatt has a maximum gain at the LC resonance frequency fc. The gain is substantially constant on the lower frequency side than the frequency fc, and the gain decreases as the frequency increases on the higher frequency side than the frequency fc.
インバータ入力電流Iinv_inのFFTスペクトルについて、本実施形態では従来技術に比べ、スペクトルが高周波側に移動している。また、LC共振周波数fcの付近の6次倍数成分に注目すると、本実施形態では従来技術に比べ、電流振幅が低下している。
このことは、本実施形態のパルスパターンを用いてモータ50を駆動することにより、LC共振を低減可能であることを意味している。また、周波数fcよりも高周波数側ではゲインが低下しているため、高周波側に移動したスペクトルの影響は小さくなる。
この傾向について、図12(d)、図14(d)のパルスパターンのFFT結果を比較しても同様のことが言える。或いは、相電流のFFT結果を比較しても同様の傾向を得ることができる。
Regarding the FFT spectrum of the inverter input current Iinv_in, in the present embodiment, the spectrum moves to the high frequency side as compared with the prior art. When attention is paid to the sixth-order multiple component in the vicinity of the LC resonance frequency fc, the current amplitude is lower in the present embodiment than in the prior art.
This means that the LC resonance can be reduced by driving the
The same can be said about this tendency even if the FFT results of the pulse patterns in FIGS. 12D and 14D are compared. Alternatively, the same tendency can be obtained by comparing the FFT results of the phase currents.
本実施形態の効果について、図15〜図17を参照して説明する。図15は、バッテリ直流電流Ibattの脈動低減効果を示し、図16及び図17は、平滑コンデンサリプル電流Icの低減、及び、平滑コンデンサ31の温度低減効果を示すものである。
図15には、(a)従来技術によるパルスパターン、及び(b)本実施形態によるパルスパターンを用い、インバータ入力電圧(VH)120V、変調率=111%、パルス数15回の条件でモータ50を駆動したときのU相電流Iu、V相電流Iv、及びバッテリ直流電流Ibattの波形を示す。従来パターンでは、相電流の歪みが大きく、バッテリ直流電流Ibattの脈動が大きいのに対し、本実施形態によるパターンでは、相電流の歪みが小さくなり、バッテリ直流電流Ibattの脈動が低減している。
The effect of this embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 15 shows the pulsation reduction effect of the battery DC current Ibatt, and FIGS. 16 and 17 show the reduction of the smoothing capacitor ripple current Ic and the temperature reduction effect of the smoothing
In FIG. 15, the
図16(a)、(b)には、従来技術によるパルスパターン及び本実施形態によるパルスパターンを用いてモータ50を駆動したときの平滑コンデンサリプル電流Icを示す。また、図16(c)には、インバータ入力電流Iinv_inと平滑コンデンサリプル電流Icとの伝達特性、及び、平滑コンデンサリプル電流IcのFFT結果を示す。
FIGS. 16A and 16B show the smoothing capacitor ripple current Ic when the
図16(c)において、インバータ入力電流Iinv_inと平滑コンデンサリプル電流Icとの伝達関数は、LC共振周波数fcにおいてゲインが最大となっている。周波数fcよりも低周波数側では周波数が高くなるにつれてゲインが低下し、周波数fcよりも高周波数側ではゲインはほぼ一定である。つまり、インバータ入力電流Iinv_inとバッテリ直流電流Ibattとの伝達関数とは、周波数に対し逆の傾向となっている。
図16(a)、(b)に示すように、本実施形態によるパターンでは、従来パターンに比べ平滑コンデンサリプル電流Icが低減している。また、図16(c)に示すFFT結果より、LC共振周波数fc付近の6次倍数成分が顕著に低減していることがわかる。
In FIG. 16C, the transfer function between the inverter input current Iinv_in and the smoothing capacitor ripple current Ic has a maximum gain at the LC resonance frequency fc. The gain decreases as the frequency increases on the lower frequency side than the frequency fc, and the gain is substantially constant on the higher frequency side than the frequency fc. That is, the transfer function between the inverter input current Iinv_in and the battery direct current Ibatt tends to be opposite to the frequency.
As shown in FIGS. 16A and 16B, in the pattern according to the present embodiment, the smoothing capacitor ripple current Ic is reduced as compared with the conventional pattern. Further, from the FFT result shown in FIG. 16C, it can be seen that the sixth-order multiple component near the LC resonance frequency fc is significantly reduced.
図17には、電圧歪を最小とするように設定した従来技術によるパルスパターン、及び本実施形態によるパルスパターンを用いてモータ50を駆動したときの、時間経過に伴う平滑コンデンサ31の温度上昇を示す。駆動開始から40分経過後において、本実施形態では、従来技術よりも5.6℃、温度を低減することができる。
FIG. 17 shows the temperature rise of the smoothing
次に、本実施形態により生成したLC共振抑制可能なパルスパターンの別の例、及び、その比較例として、LC共振を抑制することができないパルスパターンの例(2つ)を図18〜図20に示す。この3つの例ではパルス数を7回として線間電圧パルスパターンを設定する。
図18〜図20には、図11、図13と同様に(a)線間電圧パルスパターン、(b)相電流波形、(c)インバータ入力電流Iinv_inとバッテリ直流電流Ibattとの伝達特性、及び、インバータ入力電流Iinv_inのFFT結果を示す。(c)においてLC共振周波数fc付近の6次倍数成分に注目すると、図18のパターンは電流振幅が比較的小さく、LC共振を抑制することができる。一方、図19、図20のパターンは電流振幅が比較的大きく、LC共振を抑制することができない。
Next, another example of a pulse pattern that can suppress LC resonance generated according to the present embodiment and an example (two) of pulse patterns that cannot suppress LC resonance are shown in FIGS. Shown in In these three examples, the line voltage pulse pattern is set with 7 pulses.
18 to 20, as in FIGS. 11 and 13, (a) line voltage pulse pattern, (b) phase current waveform, (c) transfer characteristics between inverter input current Iinv_in and battery DC current Ibatt, and The FFT result of the inverter input current Iinv_in is shown. Focusing on the sixth-order multiple component in the vicinity of the LC resonance frequency fc in (c), the pattern of FIG. 18 has a relatively small current amplitude and can suppress LC resonance. On the other hand, the patterns of FIGS. 19 and 20 have a relatively large current amplitude and cannot suppress LC resonance.
以上の複数の例を通じて説明したように、本実施形態のモータ制御装置60は、パルスパターン設定部70が候補パルスパターンからモータ相電流Iuvwを推定し、モータ相電流Iuvw及びパルスパターンからインバータ入力電流Iinv_inを推定した後、さらに、インバータ入力電流Iinv_inを入力とする伝達関数を用いて、バッテリ直流電流Ibatt、又は平滑コンデンサリプル電流Icの少なくともいずれか一方を推定し、その高調波成分を解析する。そして、バッテリ直流電流Ibatt、又は平滑コンデンサリプル電流Icの高調波の少なくとも一方を含む情報に基づき、評価関数を用いて最適なパルスパターンを決定する。
As described above through the plurality of examples, in the
これにより、本実施形態のモータ制御装置60は、バッテリ直流電流Ibattの脈動又は平滑コンデンサリプル電流Icを低減することができる。したがって、平滑コンデンサ31やバッテリ11の発熱を防止することができる。また、副次的にモータ50の電力損失、電流歪、トルクリプルの低減効果が得られる可能性もある。
Thereby, the
(その他の実施形態)
(ア)上記実施形態におけるモータ相電流の高調波解析(図6のS23等)では、数式5において、「R≒0」、「Ldq’=Lqd’≒0」とみなして数式7を導いた。これに対し、数式5を厳密に用いると、6次倍数成分のdq軸電流を示す式は、数式23で表される。
(A) In the harmonic analysis of the motor phase current in the above-described embodiment (S23 in FIG. 6 and the like),
また、数式23において「s=jω1」を代入して逆行列を計算すると、数式8に対応する厳密な数式24が得られる。この数式24を用いれば、低回転領域でR項が無視できない場合や、dq軸相互間での鎖交磁束の影響を考慮した場合に、より正確な解析をすることができる。
(イ)高調波解析の方法は、FFT(高速フーリエ変換)に限らず、どのような方法で演算してもよい。
また、高調波解析に代えて、電磁界解析により各電流を解析してもよい。具体的には、市販の電磁界解析ソフト(JMAG(登録商標)等)を利用することができる。
(A) The method of harmonic analysis is not limited to FFT (Fast Fourier Transform), and any method may be used.
Further, each current may be analyzed by electromagnetic field analysis instead of harmonic analysis. Specifically, commercially available electromagnetic field analysis software (JMAG (registered trademark) or the like) can be used.
(ウ)上記実施形態では、多相回転機の相の数が三相であることを前提として6次倍数成分の高調波に着目しているが、相の数が三相以外の場合には、着目する高調波の次数を適宜設定してよい。 (C) In the above embodiment, attention is paid to the harmonics of the sixth-order multiple component on the assumption that the number of phases of the multiphase rotating machine is three phases, but in the case where the number of phases is other than three phases, The order of the harmonics of interest may be set as appropriate.
(エ)パルスパターンの「パルス数n」の定義は、図4(a)で例示したものに限らず、例えば線間電圧パルスパターンの電気1周期のパルス数等としてもよい。
(オ)パルスパターンの最適解を求めるための評価関数は、上記実施形態で例示したものに限らない。例えば、図9のS27、図10のS271、S272等にて二乗和の総和を算出するのではなく、他の関数を用いてもよい。また、バッテリ直流電流Ibatt、平滑コンデンサリプル電流Ic、及び、インバータ入力電流Iinv_inの各6次倍数成分の総和のうち2つ以上を組み合わせた値を評価関数としてもよい。
(D) The definition of the “pulse number n” of the pulse pattern is not limited to that illustrated in FIG. 4A, and may be, for example, the number of pulses in one cycle of the line voltage pulse pattern.
(E) The evaluation function for obtaining the optimal solution of the pulse pattern is not limited to that exemplified in the above embodiment. For example, instead of calculating the sum of squares in S27 of FIG. 9, S271, S272 of FIG. 10, etc., other functions may be used. Further, a value obtained by combining two or more of the sums of the 6th multiple components of the battery direct current Ibatt, the smoothing capacitor ripple current Ic, and the inverter input current Iinv_in may be used as the evaluation function.
(カ)上記実施形態における図1の説明において、バッテリ11とインバータ40との間に周知の昇圧コンバータを設け、昇圧コンバータで昇圧された直流電圧をインバータ入力電圧VHとみなしてもよいことを述べた。その場合、昇圧コンバータの電気的な伝達特性を考慮して、平滑コンデンサリプル電流やインバータ直流電流脈動を推定する等、推定演算の数式を適宜変更してもよい。
(F) In the description of FIG. 1 in the above embodiment, it is stated that a known boost converter may be provided between the
(キ)本発明の制御対象となる回転機は、IPMSM、SPMSM等の同期電動機に限らず、誘導電動機等を含めた三相以上の多相回転機全般に広く適用可能である。さらに、モータジェネレータ等の回転機は車両の動力源として用いられるものに限らず、車両の補機用や、車両以外の電車、昇降機、一般機械等の用途に用いられてもよい。 (G) The rotating machine to be controlled in the present invention is not limited to synchronous motors such as IPMSM and SPMSM, but can be widely applied to all three-phase or more multi-phase rotating machines including induction motors. Furthermore, a rotating machine such as a motor generator is not limited to one used as a power source for a vehicle, but may be used for an auxiliary machine of a vehicle, a train other than a vehicle, an elevator, a general machine, or the like.
(ク)本発明は、パルスパターンを用いてインバータのスイッチング状態を操作する回転機の制御装置において、バッテリと平滑コンデンサとの間のLC共振に着目し、バッテリ直流電流脈動や平滑コンデンサリプル電流を低減するようにパルスパターンを設定することを目的としたものである。しかし本発明のこの考え方は、パルスパターン制御に限らず、PWM制御を行う上でも応用することができる。
例えば、PWM制御のキャリア周波数の設定について、従来、周波数を上げるほど制御性が向上する反面、スイッチング損失の増大により効率が低下することが知られており、要求特性に応じて最適値が選定される。それに加え、バッテリ直流電流や平滑コンデンサリプル電流の高調波成分はキャリア周波数に応じて変化するため、本発明の技術的思想を応用して、LC共振を回避するための最適なキャリア周波数を選定することができる。
(H) The present invention focuses on the LC resonance between the battery and the smoothing capacitor in the control device for the rotating machine that operates the switching state of the inverter using the pulse pattern, and determines the battery DC current pulsation and the smoothing capacitor ripple current. The purpose is to set the pulse pattern so as to reduce. However, this concept of the present invention can be applied not only to pulse pattern control but also to PWM control.
For example, regarding the setting of the carrier frequency for PWM control, it has been conventionally known that the controllability increases as the frequency is increased, but the efficiency decreases due to the increase in switching loss, and the optimum value is selected according to the required characteristics. The In addition, since the harmonic components of the battery DC current and the smoothing capacitor ripple current change according to the carrier frequency, the optimum carrier frequency for avoiding LC resonance is selected by applying the technical idea of the present invention. be able to.
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。 As mentioned above, this invention is not limited to the said embodiment at all, In the range which does not deviate from the meaning of invention, it can implement with a various form.
11・・・バッテリ、
31・・・平滑コンデンサ、
40・・・インバータ、
41〜46・・・スイッチング素子、
50・・・モータ(モータジェネレータ、回転機)
60・・・モータ制御装置(回転機の制御装置)、
70・・・パルスパターン設定部、
71・・・候補パルスパターン生成部、
72・・・パルスパターン高調波解析部、
73・・・相電流推定部、
74・・・インバータ入力電流推定部、
75・・・バッテリ直流電流推定部、
76・・・平滑コンデンサリプル電流推定部、
77・・・パルスパターン決定部。
11 ... Battery,
31 ... smoothing capacitor,
40: Inverter,
41-46 ... switching elements,
50 ... Motor (motor generator, rotating machine)
60: Motor control device (rotary machine control device),
70: Pulse pattern setting section,
71 ... Candidate pulse pattern generation unit,
72 ... pulse pattern harmonic analysis unit,
73: Phase current estimation unit,
74: Inverter input current estimation unit,
75... Battery direct current estimation unit,
76 ... smoothing capacitor ripple current estimation unit,
77: A pulse pattern determination unit.
Claims (13)
前記パルスパターン設定部は、
前記回転機の駆動に要求される変調率、及び、所定の電気角区間におけるパルス数に基づいて、複数の候補パルスパターンを生成する候補パルスパターン生成部(71)と、
前記候補パルスパターンの高調波成分を解析するパルスパターン高調波解析部(72)と、
前記候補パルスパターンの印加時に前記回転機の各相に流れる相電流(Iuvw)を推定する相電流推定部(73)と、
前記相電流に基づき、前記候補パルスパターンの印加時に前記インバータの入力部に流れる電流であるインバータ入力電流(Iinv_in)を推定するインバータ入力電流推定部(74)と、
前記バッテリと、前記インバータの入力部に設けられる平滑コンデンサ(31)との間に流れる電流であるバッテリ直流電流(Ibatt)について、前記インバータ入力電流と前記バッテリ直流電流との伝達関数を用いて前記バッテリ直流電流を推定し高調波成分を解析するバッテリ直流電流推定部(75)、又は、
前記平滑コンデンサに流れるリプル電流である平滑コンデンサリプル電流(Ic)について、前記インバータ入力電流と前記平滑コンデンサリプル電流との伝達関数を用いて前記平滑コンデンサリプル電流を推定し高調波成分を解析する平滑コンデンサリプル電流推定部(76)の少なくともいずれか一方と、
前記バッテリ直流電流の高調波、又は、前記平滑コンデンサリプル電流の高調波の少なくとも一方を含む情報に基づき、評価関数を用いて最適なパルスパターンを決定するパルスパターン決定部(77)と、
を有していることを特徴とする回転機の制御装置。 A pulse pattern setting unit (70) for setting a pulse pattern of an output voltage synchronized with an electrical angle of a multiphase rotating machine (50) of three or more phases, and an inverter based on the pulse pattern set by the pulse pattern setting unit The rotation which controls the drive of the said rotary machine by operating on / off of the some switching element (41-46) of (40), converting the direct current power of a battery (11) into alternating current power, and outputting it to the said rotary machine Machine control device (60),
The pulse pattern setting unit
A candidate pulse pattern generation unit (71) for generating a plurality of candidate pulse patterns based on the modulation rate required for driving the rotating machine and the number of pulses in a predetermined electrical angle section;
A pulse pattern harmonic analysis unit (72) for analyzing a harmonic component of the candidate pulse pattern;
A phase current estimation unit (73) for estimating a phase current (Iuvw) flowing in each phase of the rotating machine when the candidate pulse pattern is applied;
An inverter input current estimation unit (74) that estimates an inverter input current (Iinv_in) that is a current that flows through the input unit of the inverter when the candidate pulse pattern is applied based on the phase current;
The battery direct current (Ibatt), which is a current flowing between the battery and a smoothing capacitor (31) provided at the input portion of the inverter, is calculated using a transfer function between the inverter input current and the battery direct current. A battery direct current estimation unit (75) for estimating a battery direct current and analyzing a harmonic component; or
A smoothing capacitor ripple current (Ic) that is a ripple current flowing through the smoothing capacitor is estimated by using the transfer function between the inverter input current and the smoothing capacitor ripple current to estimate the smoothing capacitor ripple current and analyze a harmonic component. At least one of the capacitor ripple current estimator (76);
A pulse pattern determination unit (77) for determining an optimal pulse pattern using an evaluation function based on information including at least one of the harmonics of the battery direct current or the harmonics of the smoothing capacitor ripple current;
A control device for a rotating machine, comprising:
前記パルスパターン決定部は、当該評価関数を最小とするパルスパターンを最適なパルスパターンとして決定することを特徴とする請求項2に記載の回転機の制御装置。 Of the 6th multiple component of the electrical frequency of the rotating machine in the harmonic analysis of the battery direct current or the smoothing capacitor ripple current, the 6 appearing in the vicinity of the resonance frequency of the LC resonance generated between the battery and the smoothing capacitor. Let the amplitude of the second multiple component be the evaluation function,
The said pulse pattern determination part determines the pulse pattern which makes the said evaluation function the minimum as an optimal pulse pattern, The control apparatus of the rotary machine of Claim 2 characterized by the above-mentioned.
前記パルスパターン決定部は、当該評価関数を最小とするパルスパターンを最適なパルスパターンとして決定することを特徴とする請求項2に記載の回転機の制御装置。 The sum of the amplitudes of the sixth multiple components of the electrical frequency of the rotating machine in the harmonic analysis of the battery direct current is the evaluation function,
The said pulse pattern determination part determines the pulse pattern which makes the said evaluation function the minimum as an optimal pulse pattern, The control apparatus of the rotary machine of Claim 2 characterized by the above-mentioned.
前記パルスパターン決定部は、当該評価関数を最小とするパルスパターンを最適なパルスパターンとして決定することを特徴とする請求項2に記載の回転機の制御装置。 The sum of the amplitudes of the sixth multiple components of the electrical frequency of the rotating machine in the harmonic analysis of the smoothing capacitor ripple current is used as the evaluation function,
The said pulse pattern determination part determines the pulse pattern which makes the said evaluation function the minimum as an optimal pulse pattern, The control apparatus of the rotary machine of Claim 2 characterized by the above-mentioned.
前記相電流、前記インバータ入力電流、又は前記パルスパターンのいずれか1つ以上の高調波解析における前記6次倍数成分又は6次倍数に対応する成分の振幅の総和を前記評価関数とし、
前記パルスパターン決定部は、当該評価関数を最小とするパルスパターンを最適なパルスパターンとして決定することを特徴とする請求項2に記載の回転機の制御装置。 When the total sum of the amplitudes of the sixth multiple components of the electrical frequency of the rotating machine in the harmonic analysis of the battery direct current or the smoothing capacitor ripple current is less than a predetermined threshold,
The evaluation function is the sum of the amplitudes of the 6th multiple component or the component corresponding to the 6th multiple in the harmonic analysis of any one or more of the phase current, the inverter input current, or the pulse pattern,
The said pulse pattern determination part determines the pulse pattern which makes the said evaluation function the minimum as an optimal pulse pattern, The control apparatus of the rotary machine of Claim 2 characterized by the above-mentioned.
前記パルスパターン決定部は、当該評価関数に基づいてパルスパターンを決定することを特徴とする請求項2に記載の回転機の制御装置。 A value obtained by combining two or more of the sum totals of amplitudes of sixth-order multiple components of the electrical frequency of the rotating machine in harmonic analysis of the battery direct current, the smoothing capacitor ripple current, and the inverter input current, As an evaluation function,
The said pulse pattern determination part determines a pulse pattern based on the said evaluation function, The control apparatus of the rotary machine of Claim 2 characterized by the above-mentioned.
三相のうち一相のパルスパターンについて、
電気角0〜90degの区間を一単位として設定し、電気角90degを中心として電気角0〜90degのパルスパターンを線対称に反転することで電気角90〜180degのパルスパターンを設定し、電気角180degを中心として電気角0〜180degのパルスパターンを点対称に反転することで電気角180〜360degのパルスパターンを設定し、
他の二相のパルスパターンについて、
前記一相のパルスパターンを電気角±120degずらすことで設定することを特徴とする請求項2〜12のいずれか一項に記載の回転機の制御装置。 The pulse pattern calculator is
About one-phase pulse pattern among the three phases,
A section of electrical angle 0-90 deg is set as one unit, and a pulse pattern of electrical angle 90-180 deg is set by reversing the pulse pattern of electrical angle 0-90 deg about the electrical angle 90 deg. A pulse pattern with an electrical angle of 180 to 360 deg is set by reversing the pulse pattern with an electrical angle of 0 to 180 deg around the 180 deg in a point symmetry,
For other two-phase pulse patterns,
The control device for a rotating machine according to any one of claims 2 to 12, wherein the one-phase pulse pattern is set by shifting the electrical angle by ± 120 deg.
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