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JP2019527532A - モータのベクトル制御方法、装置及び航空機 - Google Patents

モータのベクトル制御方法、装置及び航空機 Download PDF

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Abstract

モータのベクトル制御方法、装置及び航空機であって、前記方法は、パルス位置変調ＰＰＭ信号を受信するステップ（Ｓ１）と、ＰＰＭ信号に基づいてモータの第１の指定電圧信号を取得するステップ（Ｓ２）と、ｄ軸の指定電流が０にされる制御方式により、モータのｄ軸電圧を取得するステップ（Ｓ３）と、第１の指定電圧信号及びモータのｄ軸電圧に基づいて次の時点のモータのｑ軸電圧を算出し、モータのｄ軸電圧及び次の時点のモータのｑ軸電圧に基づいてモータのベクトル制御を行うステップ（Ｓ４）と、を含む。該方法は、電圧を直接指定する方式によりモータに対して最大トルク制御を行い、方形波制御に起因するトルクリップルを低減し、振動及び騒音を低減することができるだけでなく、閉ループ速度制御を用いる場合に制御不能になる問題及びボディに激しいジッタが生じる問題を解決する。【選択図】図１

Description

本発明は、モータ制御の技術分野に関し、特に、モータのベクトル制御方法、装置及び航空機に関する。
今、無人航空機に応用されるモータは、ほとんど三相ブラシレスＤＣモータであり、電子ガバナによってモータを制御する。
現在の市場では、６拍式の方形波ガバナを用いてモータを制御することがよくあり、即ち、入力したパルス幅信号をＰＷＭ（PulseWidth Modulation、パルス幅変調）信号のデューティ比に変換してモータの速度調節を行う。しかし、電気角の１サイクル内に６回の位相変換しかできず、電流波形が方形波であるため、大きなトルクリップルが発生し、該リップルは、航空機（例えば、無人航空機）のプロペラの振動を引き起こすため、航空機全体の安定性に一定の影響を与えるとともに、大きな騒音が発生する。
また、ベクトル制御方法を用いてモータを制御することもあり、即ち、電気角の１サイクル内にローターの位置に基づいて、電圧ベクトルを連続して出力するように制御し、出力した電流波形が正弦波であるため、トルクを安定して出力することを実現することができる。しかし、通常のベクトル制御方法は、一般的には閉ループ速度制御方式であるため、直接航空機に応用されると、以下の問題がある。
（１）飛行制御装置から電子ガバナに出力される信号は、０％から１００％のパルス幅信号であり、それぞれ速度に従って指定された最小回転数及び最大回転数は必要である。最大回転数が設定されると、電池の電圧が徐々に低下するため、出力は最大回転数に達すことができないおそれがあり、航空機は制御不能になる。
（２）飛行制御装置は、安定した飛行姿勢にある場合、変化しているパルス幅信号を出力するため、速度の所与が急激に変化し、閉ループ速度制御により、出力トルクが急激に変化するので、航空機のボディに激しいジッタが生じ、航空機は、安定して運転することができない。
本発明は、関連技術における課題の一つを少なくとも一定の程度で解決することを目的とする。
このため、本発明の１番目の目的は、モータのベクトル制御方法を提供することであり、該方法は、電圧を直接指定する方式によりモータに対して最大トルク制御を行い、方形波制御に起因するトルクリップルを低減し、振動と騒音を低減することができるだけでなく、閉ループ速度制御を用いる場合に制御不能になる問題及びボディに激しいジッタが生じる問題を解決する。
本発明の２番目の目的は、モータのベクトル制御装置を提供することである。
本発明の３番目の目的は、航空機を提供することである。
上述した目的を達成するために、本発明の第１の実施の形態は、モータのベクトル制御方法を提供し、ＰＰＭ（Pulse Position Modulation、パルス位置変調）信号を受信するステップと、前記ＰＰＭ信号に基づいてモータの第１の指定電圧信号を取得するステップと、ｄ軸の指定電流が０にされる制御方式により、モータのｄ軸電圧を取得するステップと、前記第１の指定電圧信号及び前記モータのｄ軸電圧に基づいて次の時点の前記モータのｑ軸電圧を算出し、前記モータのｄ軸電圧及び次の時点の前記モータのｑ軸電圧に基づいて前記モータのベクトル制御を行うステップと、を含む。
本発明の実施例によるモータのベクトル制御方法では、ＰＰＭ信号を受信し、ＰＰＭ信号に基づいてモータの第１の指定電圧信号を取得し、そして、ｄ軸の指定電流が０にされる制御方式により、モータのｄ軸電圧を取得し、第１の指定電圧信号及びモータのｄ軸電圧に基づいて、次の時点のモータのｑ軸電圧を算出し、最後に、モータのｄ軸電圧及び次の時点のモータのｑ軸電圧に基づいて、モータのベクトル制御を行う。該方法は、電圧を直接指定する方式によりモータに対して最大トルク制御を行い、方形波制御に起因するトルクリップルを低減し、振動及び騒音を低減することができるだけでなく、閉ループ速度制御を用いる場合に制御不能になる問題及びボディに激しいジッタが生じる問題を解決する。
本発明の一実施例によれば、前記ＰＰＭ信号に基づいてモータの第１の指定電圧信号を取得することは、前記ＰＰＭ信号のパルス幅を取得することと、前記ＰＰＭ信号のパルス幅に基づいて前記第１の指定電圧信号を取得することと、を含む。
本発明の一実施例によれば、下記式によって前記第１の指定電圧信号を取得する。

ただし、
は、前記第１の指定電圧信号であり、
は、現在のＰＰＭ信号のパルス幅であり、
は、前記モータの起動時のＰＰＭ信号のパルス幅であり、
は、前記モータが最大出力に達する時のＰＰＭ信号のパルス幅であり、
は、最大出力電圧である。
本発明の一実施例によれば、前記第１の指定電圧信号及び前記モータのｄ軸電圧に基づいて次の時点の前記モータのｑ軸電圧を算出することは、前記第１の指定電圧信号及び前記モータのｄ軸電圧に基づいて前記モータのｑ軸の指定電圧を算出することと、現時点の前記モータのｑ軸電圧を取得することと、前記ｑ軸の指定電圧及び前記現時点の前記モータのｑ軸電圧に基づいて、加減速曲線によって次の時点の前記モータのｑ軸電圧を算出することと、を含む。
本発明の一実施例によれば、下記式によって前記モータのｑ軸の指定電圧を算出する。

ただし、
は、前記モータのｑ軸の指定電圧であり、
は、前記第１の指定電圧信号であり、
は、前記モータのｄ軸電圧である。
本発明の一実施例によれば、前記加減速曲線は、直線加減速曲線、加速度可変曲線又は正弦曲線を含む。
本発明の一実施例によれば、前記加減速曲線が前記直線加減速曲線である場合、次の時点の前記モータのｑ軸電圧は下記式によって算出され取得される。

ただし、
は、次の時点の前記モータのｑ軸電圧であり、
は、前記モータのｑ軸の指定電圧であり、
は、現時点の前記モータのｑ軸電圧であり、
は、ステップサイズである。
本発明の一実施例によれば、次の時点の前記モータのｑ軸電圧を算出した後、前記モータのｑ軸電流を取得することと、前記モータのｑ軸電流に対してＰＩ（Proportional Integral、比例積分）調節及び振幅制限処理を行うことと、振幅制限処理後のｑ軸電流に基づいて次の時点の前記モータのｑ軸電圧に対して調節及び振幅制限処理を行うことと、をさらに含む。
本発明の一実施例によれば、下記式によって前記モータのｑ軸電流に対してＰＩ調節及び振幅制限処理を行う。

ただし、
は、振幅制限処理後のｑ軸ネガティブ振幅制限電圧であり、
は、振幅制限処理後のｑ軸ポジティブ振幅制限電圧であり、
及び
は、それぞれＰＩ調節の比例ゲイン及び積分ゲインであり、
は、前記モータのｑ軸最大電流であり、
は、前記モータのｑ軸最小電流であり、
は、前記モータのｑ軸電流であり、
は、最大出力電圧であり、
は、前記モータのｄ軸電圧である。
本発明の一実施例によれば、下記式によって次の時点の前記モータのｑ軸電圧に対して調節及び振幅制限処理を行う。

ただし、
は、振幅制限処理後の次の時点の前記モータのｑ軸電圧であり、
は、次の時点の前記モータのｑ軸電圧であり、
は、振幅制限処理後のｑ軸ネガティブ振幅制限電圧であり、
は、振幅制限処理後のｑ軸ポジティブ振幅制限電圧であり、
は、最大出力電圧であり、
は、前記モータのｄ軸電圧である。
上記目的を達成するために、本発明第２の実施の形態に提供されるモータのベクトル制御装置は、パルス位置変調ＰＰＭ信号を受信する受信モジュールと、前記受信モジュールに接続され、前記ＰＰＭ信号に基づいてモータの第１の指定電圧信号を取得する電圧指定モジュールと、前記電圧指定モジュールに接続され、ｄ軸の指定電流が０にされる制御方式により、モータのｄ軸電圧を取得し、前記第１の指定電圧信号及び前記モータのｄ軸電圧に基づいて次の時点の前記モータのｑ軸電圧を算出し、前記モータのｄ軸電圧及び次の時点の前記モータのｑ軸電圧に基づいて前記モータのベクトル制御を行う制御モジュールと、を備える。
本発明の実施例によるモータのベクトル制御装置では、受信モジュールはＰＰＭ信号を受信し、電圧指定モジュールは、ＰＰＭ信号に基づいてモータの第１の指定電圧信号を取得し、制御モジュールは、ｄ軸の指定電流が０にされる制御方式により、モータのｄ軸電圧を取得し、第１の指定電圧信号及びモータのｄ軸電圧に基づいて次の時点のモータのｑ軸電圧を算出し、モータのｄ軸電圧及び次の時点のモータのｑ軸電圧に基づいてモータのベクトル制御を行う。該装置は、電圧を直接指定する方式によりモータに対して最大トルク制御を行い、方形波制御に起因するトルクリップルを低減し、振動及び騒音を低減することができるだけでなく、閉ループ速度制御を用いる場合に制御不能になる問題及びボディに激しいジッタが生じる問題を解決する。
本発明の一実施例によれば、前記電圧指定モジュールは、前記ＰＰＭ信号に基づいてモータの第１の指定電圧信号を取得する場合、前記ＰＰＭ信号のパルス幅を取得し、前記ＰＰＭ信号のパルス幅に基づいて前記第１の指定電圧信号を取得する。
本発明の一実施例によれば、前記電圧指定モジュールは、下記式によって前記第１の指定電圧信号を取得する。

ただし、
は、前記第１の指定電圧信号であり、
は、現在のＰＰＭ信号のパルス幅であり、
は、前記モータの起動時のＰＰＭ信号のパルス幅であり、
は、前記モータが最大出力に達する時のＰＰＭ信号のパルス幅であり、
は、最大出力電圧である。
本発明の一実施例によれば、前記制御モジュールは、前記第１の指定電圧信号及び前記モータのｄ軸電圧に基づいて前記モータのｑ軸の指定電圧を算出する第１の算出ユニットと、前記第１の算出ユニットに接続され、現時点の前記モータのｑ軸電圧を取得し、前記ｑ軸の指定電圧及び前記現時点の前記モータのｑ軸電圧に基づいて、加減速曲線によって次の時点の前記モータのｑ軸電圧を算出する第２の算出ユニットと、を含む。
本発明の一実施例によれば、前記第１の算出ユニットは、下記式によって前記モータのｑ軸の指定電圧を算出する。

ただし、
は、前記モータのｑ軸の指定電圧であり、
は、前記第１の指定電圧信号であり、
は、前記モータのｄ軸電圧である。
本発明の一実施例によれば、前記加減速曲線は、直線加減速曲線、加速度可変曲線又は正弦曲線を含む。
本発明の一実施例によれば、前記加減速曲線が前記直線加減速曲線である場合、次の時点の前記モータのｑ軸電圧は下記式によって算出され取得される。

ただし、
は、次の時点の前記モータのｑ軸電圧であり、
は、前記モータのｑ軸の指定電圧であり、
は、現時点の前記モータのｑ軸電圧であり、
は、ステップサイズである。
本発明の一実施例によれば、前記制御モジュールは、前記モータのｑ軸電流を取得する電流取得ユニットと、前記電流取得ユニットに接続され、前記モータのｑ軸電流に対してＰＩ調節及び振幅制限処理を行う第１の処理ユニットと、前記第１の処理ユニットに接続され、振幅制限処理後のｑ軸電流に基づいて次の時点の前記モータのｑ軸電圧に対して調節及び振幅制限処理を行う第２の処理ユニットと、をさらに含む。
本発明の一実施例によれば、前記第１の処理ユニットは、下記式によって前記モータのｑ軸電流に対してＰＩ調節及び振幅制限処理を行う。

ただし、
は、振幅制限処理後のｑ軸ネガティブ振幅制限電圧であり、
は、振幅制限処理後のｑ軸ポジティブ振幅制限電圧であり、
及び
は、それぞれＰＩ調節の比例ゲイン及び積分ゲインであり、
は、前記モータのｑ軸最大電流であり、
は、前記モータのｑ軸最小電流であり、
は、前記モータのｑ軸電流であり、
は、最大出力電圧であり、
は、前記モータのｄ軸電圧である。
本発明の一実施例によれば、前記第２の処理ユニットは、下記式によって次の時点の前記モータのｑ軸電圧に対して調節及び振幅制限処理を行う。

ただし、
は、振幅制限処理後の次の時点の前記モータのｑ軸電圧であり、
は、次の時点の前記モータのｑ軸電圧であり、
は、振幅制限処理後のｑ軸ネガティブ振幅制限電圧であり、
は、振幅制限処理後のｑ軸ポジティブ振幅制限電圧であり、
は、最大出力電圧であり、
は、前記モータのｄ軸電圧である。
また、本発明の実施例は、上述したモータのベクトル制御装置を備える航空機をさらに提供する。
本発明の実施例の航空機は、上述したモータのベクトル制御装置によって、電圧を直接指定する方式によりモータに対して最大トルク制御を行い、方形波制御に起因するトルクリップルを低減し、振動と騒音を低減することができるだけでなく、閉ループ速度制御を用いる場合に制御不能になる問題及びボディに激しいジッタが生じる問題を解決し、航空機全体の性能を向上させる。
本発明の実施例によるモータのベクトル制御方法のフローチャートである。 本発明の一実施例によるモータのｑ軸電圧の算出のフローチャートである。 本発明の実施例によるモータのベクトル制御装置を示す模式ブロック図である。 本発明の一実施例によるモータの制御システムのブロック図である。
以下、本発明の実施例を詳しく説明する。上記実施例の例を図面に示しているが、一貫して同一のまたは類似した符号は、同一のまたは類似した素子或いは同一のまたは類似した機能を有する素子を表す。以下、図面を参照して説明する実施例は、例示的なものであり、本発明を解釈するためのものであるが、本発明を制限していると理解してはならない。
本願の実施例をよりよく理解してもらうために、以下、本願の実施例に記載の用語を下記の通り解釈する。ｄ軸とはモータにおける直軸であり、ｑ軸とはモータにおける横軸である。
以下、本発明の実施例に提案されるモータのベクトル制御方法、装置及び航空機について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施例によるモータのベクトル制御方法のフローチャートである。図１に示すように、該モータのベクトル制御方法は、以下のステップを含む。
Ｓ１：パルス位置変調ＰＰＭ信号を受信する。
具体的には、航空機の応用において、飛行制御装置によってＰＰＭ信号を電子ガバナに出力することができ、電子ガバナは、受信したＰＰＭ信号に基づいてモータを制御する。
例えば、本発明の一例において、ＰＰＭ信号は、正パルス幅が１〜２ｍｓで、周波数が５０〜４００Ｈｚである周期的なＰＷＭ信号であることができる。なお、本発明の実施例において、ＰＰＭ信号は、アナログ電圧またはシリアル通信等の方式により指定されてもよい。
Ｓ２：ＰＰＭ信号に基づいてモータの第１の指定電圧信号を取得する。
本発明の一実施例によれば、ＰＰＭ信号に基づいてモータの第１の指定電圧信号を取得することは、ＰＰＭ信号のパルス幅を取得することと、ＰＰＭ信号のパルス幅に基づいて第１の指定電圧信号を取得することとを含む。
具体的には、下記式（１）によって第１の指定電圧信号を取得することができる。
(１)
ただし、
は、第１の指定電圧信号であり、
は、現在のＰＰＭ信号のパルス幅であり、
は、モータの起動時のＰＰＭ信号のパルス幅であり、
は、モータが最大出力に達する時のＰＰＭ信号のパルス幅であり、
は、最大出力電圧であり、アルゴリズムにおける出力がｐｕ（per unit）値であるため、

である。
Ｓ３：ｄ軸の指定電流が０にされる制御方式により、モータのｄ軸電圧を取得する。
具体的には、モータの三相電圧及び三相電流をサンプリングし、そして、下記式（２）によって三相電流をクラーク変換させることで、二相静止座標系における
軸電流及び
軸電流を取得することができる。

(２)
ただし、
、
、
はモータの三相電流であり、
、
は、それぞれ二相静止座標系における
軸電流及び
軸電流である。
また、下記式（３）によって三相電圧をクラーク変換させることで、二相静止座標系における
軸電圧及び
軸電圧を取得する。

(３)
ただし、
、
、
はモータの三相電圧であり、
、
は、それぞれ二相静止座標系における
軸電圧及び
軸電圧である。
その後、鎖交磁束観測法（例えば、モデル規範型適応、スライディングモード制御等）によりモータのローターの鎖交磁束角度
を概算し、二相静止座標系における
軸電流
及び
軸電流
をパーク変換させることで、モータのｄ軸電流及びｑ軸電流を取得し、下記式（４）に示すようなものである。

(４)
ただし、
、
は、それぞれモータのｄ軸電流及びｑ軸電流である。
また、本発明の実施例において、ｄ軸の指定電流が０にされる制御方式によりモータを制御し、ｄ軸の指定電流が０にされる制御方式とは、ｄ軸の指定電流を０に設定してＰＩコントローラの指定信号とするとともに、上記式（４）で取得したｄ軸電流
をＰＩコントローラのフィードバック信号とし、ＰＩコントローラによる閉ループ調節を通じて、ｄ軸電流
が、指定電流に追従し、つまり、
に達する。このように、モータの電流は、すべて電磁トルクの発生に用いられ、電磁トルクと電機子電流とが線形比例関係にある。ＰＩコントローラによる閉ループ調節を行った後、モータのｄ軸電圧は、下記式（５）に示すようなものである。

(５)
ただし、
は、モータのｄ軸電圧であり、
、
は、それぞれＰＩコントローラの比例ゲイン及び積分ゲインである。
Ｓ４：第１の指定電圧信号及びモータのｄ軸電圧に基づいて次の時点のモータのｑ軸電圧を算出し、モータのｄ軸電圧及び次の時点のモータのｑ軸電圧に基づいてモータのベクトル制御を行う。
本発明の一実施例によれば、図２に示すように、第１の指定電圧信号及びモータのｄ軸電圧に基づいて次の時点のモータのｑ軸電圧を算出することは、以下のステップを含む。
Ｓ４１：第１の指定電圧信号及びモータのｄ軸電圧に基づいてモータのｑ軸の指定電圧を算出する。
具体的には、下記式（６）によってモータのｑ軸の指定電圧を算出することができる。

(６)
ただし、
は、モータのｑ軸の指定電圧である。
Ｓ４２：現時点のモータのｑ軸電圧を取得する。
Ｓ４３：ｑ軸の指定電圧及び現時点のモータのｑ軸電圧に基づいて、加減速曲線によって次の時点のモータのｑ軸電圧を算出する。ただし、加減速曲線は、直線加減速曲線、加速度可変曲線又は正弦曲線等を含むことができる。
具体的には、加減速曲線が直線加減速曲線である場合、次の時点のモータのｑ軸電圧は、下記式（７）によって算出され取得されることができる。

(７)
ただし、
は、次の時点のモータのｑ軸電圧であり、
は、現時点のモータのｑ軸電圧であり、
は、ステップサイズであり、例えば、
は０．０１の値を取ることができる。
次の時点のモータのｑ軸電圧
を取得した後、該ｑ軸電圧
及びｄ軸電圧
に基づいてモータのベクトル制御を行う。
本発明の実施例に係わるモータのベクトル制御方法によれば、電圧を直接指定する方式によりモータに対して最大トルク制御を行い、モータの出力電圧がＰＰＭ信号のパルス幅に伴って変化することを実現し、これにより、最大回転数も電池の電圧に伴って変化し、電圧を制御量とすることで、所与のものとフィードバックされたものとの間で偏差が発生することはないとともに、正弦波電流を出力する方式により、従来の方形波制御に起因するトルクリップルを低減することができ、航空機のプロペラの振動と騒音を効果的に低減し、安定した姿勢の場合、パルス幅の変化が電圧の変化に変換され、回転数が急激に変化することがないため、閉ループ速度制御方式によって、速度のの所与が速すぎることで航空機は定常状態でジッタが生じる問題を効果的に解決する。
さらに、本発明の一実施例によれば、次の時点のモータのｑ軸電圧を算出した後、モータのｑ軸電流を取得することと、モータのｑ軸電流に対してＰＩ調節及び振幅制限処理を行うことと、振幅制限処理後のｑ軸電流に基づいて、次の時点のモータのｑ軸電圧に対して調節及び振幅制限処理を行うことと、をさらに含む。
つまり、次の時点のモータのｑ軸電圧を算出した後、さらに、モータのｑ軸電流の振幅制限結果に基づいて、最終に出力した次の時点のモータのｑ軸電圧に対して調節及び振幅制限処理を行う。
本発明の一実施例によれば、下記式（８）によって次の時点のモータのｑ軸電圧に対して調節及び振幅制限処理を行うことができる。

(８)
ただし、
は、振幅制限処理後の次の時点のモータのｑ軸電圧であり、
は、振幅制限処理後のｑ軸ネガティブ振幅制限電圧であり、
は、振幅制限処理後のｑ軸ポジティブ振幅制限電圧である。
上記式において、振幅制限処理後のｑ軸ネガティブ振幅制限電圧
及びｑ軸ポジティブ振幅制限電圧
は、下記式（９）によって算出され取得されることができ、即ち、下記式（９）によってモータのｑ軸電流に対してＰＩ調節及び振幅制限処理を行うことができる。

(９)
ただし、
及び
は、それぞれＰＩ調節の比例ゲイン及び積分ゲインであり、
は、モータのｑ軸最大電流で、かつ
であり、
は、モータのｑ軸最小電流で、かつ
である。
具体的な電流制限は、次のとおり、行われる。
の場合、ＰＩコントローラを経た後、負の振幅制限電圧
を得て、そして、出力した次の時点のモータのｑ軸電圧
に該負の値を重畳することで、出力したｑ軸電圧
を小さくし、ｑ軸電圧
が小さくされた後、ｑ軸電流
もこれに応じて小さくなり、負のフィードバック閉ループシステムが形成される。負のフィードバック閉ループ制御によって、システムのポジティブ最大電流がｑ軸最大電流
を超えないようにすることができるとともに、加速中に設定された最大電流で加速することを実現することができ、モータの応答速度を高める。

の場合、振幅制限処理により、
及び
は０に設定され、ｑ軸電圧
がｑ軸の指定電圧
に追従して変化することを実現する。

の場合、ＰＩコントローラを経た後、正の振幅制限電圧
を得て、出力した次の時点のモータのｑ軸電圧
にこの値を重畳することで、出力したｑ軸電圧
を大きくし、ｑ軸電圧
が大きくされた後、ｑ軸電流
もこれに応じて大きくなり、負のフィードバック閉ループシステムが形成され、電流振幅制限作用を達成する。
最後に、上記式（８）で得られた次の時点のモータのｑ軸電圧
及び上記式（５）で得られたｄ軸電圧
を、ＳＶＰＭＷ（Space Vector Pulse Width Modulation、空間ベクトルパルス幅変調）方式により出力信号として６パスＰＷＭ信号に変換し、パワースイッチを駆動してモータを制御する。
このため、本発明の実施例に係わるモータのベクトル制御方法は、順逆方向の最大電流を制御することで、モータが最大トルクで加減速運転することを実現し、システムの応答速度を高める。
上述したように、本発明の実施例によるモータのベクトル制御方法では、ＰＰＭ信号を受信し、ＰＰＭ信号に基づいてモータの第１の指定電圧信号を取得し、そして、ｄ軸の指定電流が０にされる制御方式により、モータのｄ軸電圧を取得し、第１の指定電圧信号及びモータのｄ軸電圧に基づいて、次の時点のモータのｑ軸電圧を算出し、最後に、モータのｄ軸電圧及び次の時点のモータのｑ軸電圧に基づいて、モータのベクトル制御を行う。該方法は、電圧を直接指定する方式によりモータに対して最大トルク制御を行い、方形波制御に起因するトルクリップルを低減し、振動と騒音を低減することができるだけでなく、閉ループ速度制御を用いる場合に制御不能になる問題及びボディに激しいジッタが生じる問題を解決し、また、順逆方向の最大電流を制御することで、モータが最大トルクで加減速運転することを実現し、システムの応答速度を高める。
図３は、本発明の実施例によるモータのベクトル制御装置を示す模式ブロック図である。図３に示すように、該モータのベクトル制御装置は、受信モジュール１０と、電圧指定モジュール２０と、制御モジュール３０とを備える。
具体的には、受信モジュール１０は、パルス位置変調ＰＰＭ信号を受信する。
例えば、航空機の応用において、飛行制御装置によってＰＰＭ信号を電子ガバナに出力することができ、電子ガバナにおける受信モジュール１０は、パルス位置変調ＰＰＭ信号を受信し、そして、受信したＰＰＭ信号に基づいてモータを制御する。
本発明の一例において、ＰＰＭ信号は、正パルス幅が１〜２ｍｓで、周波数が５０〜４００Ｈｚである周期的なＰＷＭ信号である。なお、本発明の実施例において、ＰＰＭ信号は、アナログ電圧またはシリアル通信等の方式により指定されてもよい。
電圧指定モジュール２０は、受信モジュール１０に接続され、ＰＰＭ信号に基づいてモータの第１の指定電圧信号を取得する。
本発明の一実施例によれば、電圧指定モジュール２０は、ＰＰＭ信号に基づいてモータの第１の指定電圧信号を取得する場合、電圧指定モジュール２０は、ＰＰＭ信号のパルス幅を取得し、ＰＰＭ信号のパルス幅に基づいて第１の指定電圧信号を取得する。具体的には、上記式（１）によって第１の指定電圧信号
を取得することができる。
制御モジュール３０は、電圧指定モジュール２０に接続され、ｄ軸の指定電流が０にされる制御方式により、モータのｄ軸電圧を取得し、第１の指定電圧信号及びモータのｄ軸電圧に基づいて次の時点のモータのｑ軸電圧を算出し、モータのｄ軸電圧及び次の時点のモータのｑ軸電圧に基づいてモータのベクトル制御を行う。
具体的には、図４に示すように、制御モジュール３０は、モータのｄ軸電圧を取得する場合に、モータの三相電圧
、
、
及び三相電流
、

、
をサンプリングすることができ、そして、上記式（２）によって三相電流
、
、
をクラーク変換させることで、二相静止座標系における
軸電流
及び
軸電流
を取得し、また、上記式（３）によって三相電圧
、
、
をクラーク変換させることで、二相静止座標系における
軸電圧
及び
軸電圧
を取得する。その後、鎖交磁束観測法（例えば、モデル規範適応、スライディングモード制御等）によりモータのローターの鎖交磁束角度
を概算し、二相静止座標系における
軸電流
及び
軸電流
をパーク変換させることで、モータのｄ軸電流
及びｑ軸電流
を取得し、上記式（４）に示すようなものである。
また、本発明の実施例において、制御モジュール３０は、ｄ軸の指定電流が０にされる（即ち、
）制御方式によりモータを制御し、ｄ軸の指定電流が０にされる制御方式とは、ｄ軸の指定電流を０に設定してＰＩコントローラの指定信号とするとともに、上記式（４）で取得したｄ軸電流
をＰＩコントローラのフィードバック信号とし、ＰＩコントローラによる閉ループ調節を通じて、ｄ軸電流
が、指定電流に追従し、つまり、
に達する。このように、モータの電流は、すべて電磁トルクの発生に用いられ、電磁トルクと電機子電流とが線形比例関係にある。ＰＩコントローラによる閉ループ調節を行った後、モータのｄ軸電圧
は、上記式（５）に示すようなものである。
その後、制御モジュール３０は、第１の指定電圧信号
及びモータのｄ軸電圧
に基づいて次の時点のモータのｑ軸電圧を算出する。
本発明の一実施例によれば、図４に示すように、制御モジュール３０は、第１の算出ユニット３１と第２の算出ユニット３２を含み、第１の算出ユニット３１は、第１の指定電圧信号及びモータのｄ軸電圧に基づいてモータのｑ軸の指定電圧を算出し、第２の算出ユニット３２は、第１の算出ユニット３１に接続され、現時点のモータのｑ軸電圧を取得し、ｑ軸の指定電圧及び現時点のモータのｑ軸電圧に基づいて、加減速曲線によって次の時点のモータのｑ軸電圧を算出する。
具体的には、第１の算出ユニット３１は、上記式（６）によってモータのｑ軸の指定電圧
を算出することができる。加減速曲線は、直線加減速曲線、加速度可変曲線又は正弦曲線等を含むことができ、加減速曲線が直線加減速曲線である場合、第２の算出ユニット３２は、上記式（７）によって次の時点のモータのｑ軸電圧
を算出し取得することができる。
次の時点のモータのｑ軸電圧
を取得した後、制御モジュール３０は、該ｑ軸電圧
及びｄ軸電圧
に基づいてモータのベクトル制御を行う。
本発明の実施例に係わるモータのベクトル制御装置によれば、電圧を直接指定する方式によりモータに対して最大トルク制御を行い、モータの出力電圧がＰＰＭ信号のパルス幅に伴って変化することを実現し、これにより、最大回転数も電池の電圧に伴って変化し、電圧を制御量とすることで、所与のものとフィードバックされたものとの間で偏差が発生することはないとともに、正弦波電流を出力する方式により、従来の方形波制御に起因するトルクリップルを低減することができ、航空機のプロペラの振動と騒音を効果的に低減し、安定した姿勢の場合、パルス幅の変化が電圧の変化に変換され、回転数が急激に変化することがないため、閉ループ速度制御方式によって、速度の所与が速すぎることで航空機は定常状態でジッタが生じる問題を効果的に解決する。
さらに、本発明の一実施例によれば、図４に示すように、制御モジュール３０は、電流取得ユニットと、第１の処理ユニット３３と、第２の処理ユニット３４とをさらに含み、電流取得ユニットは、モータのｑ軸電流を取得し、第１の処理ユニット３３は、電流取得ユニットに接続され、モータのｑ軸電流に対してＰＩ調節及び振幅制限処理を行い、第２の処理ユニット３４は、第１の処理ユニット３３に接続され、振幅制限処理後のｑ軸電流に基づいて、次の時点のモータのｑ軸電圧に対して調節及び振幅制限処理を行う。
つまり、第２の算出ユニット３２が次の時点のモータのｑ軸電圧
を算出した後、第２の処理ユニット３４は、さらに、モータのｑ軸電流の振幅制限結果に基づいて、最終に出力した次の時点のモータのｑ軸電圧に対して調節及び振幅制限処理を行う。具体的には、第２の処理ユニット３４は、上記式（８）によって次の時点のモータのｑ軸電圧
に対して調節及び振幅制限処理を行うことができ、振幅制限処理後のｑ軸ネガティブ振幅制限電圧
及びｑ軸ポジティブ振幅制限電圧
は、上記式（９）によって算出され取得されることができ、即ち、第１の処理ユニット３３は、上記式（９）によってモータのｑ軸電流に対してＰＩ調節及び振幅制限処理を行うことができる。
具体的な電流制限は、次のとおり、行われる。
の場合、ＰＩコントローラを経た後、負の振幅制限電圧
を得て、そして、出力した次の時点のモータのｑ軸電圧
に該負の値を重畳することで、出力したｑ軸電圧
を小さくし、ｑ軸電圧
が小さくされた後、ｑ軸電流
もこれに応じて小さくなり、負のフィードバック閉ループシステムが形成される。負のフィードバック閉ループ制御によって、システムのポジティブ最大電流がｑ軸最大電流
を超えないようにすることができるとともに、加速中に設定された最大電流で加速することを実現することができ、モータの応答速度を高める。

の場合、振幅制限処理により、
及び
は０に設定され、ｑ軸電圧
がｑ軸の指定電圧
に追従して変化することを実現する。

の場合、ＰＩコントローラを経た後、正の振幅制限電圧
を得て、出力した次の時点のモータのｑ軸電圧
にこの値を重畳することで、出力したｑ軸電圧
を大きくし、ｑ軸電圧
が大きくされた後、ｑ軸電流
もこれに応じて大きくなり、負のフィードバック閉ループシステムが形成され、電流振幅制限作用を達成する。
最後に、制御モジュール３０は、上記式（８）で得られた次の時点のモータのｑ軸電圧
及び上記式（５）で得られたｄ軸電圧
を、ＳＶＰＭＷ（Space Vector Pulse Width Modulation、空間ベクトルパルス幅変調）方式により出力信号として６パスＰＷＭ信号に変換し、パワースイッチを駆動してモータを制御する。
このため、本発明の実施例に係わるモータのベクトル制御装置は、順逆方向の最大電流を制御することで、モータが最大トルクで加減速運転することを実現し、システムの応答速度を高める。
本発明の実施例によるモータのベクトル制御装置では、受信モジュールはＰＰＭ信号を受信し、電圧指定モジュールは、ＰＰＭ信号に基づいてモータの第１の指定電圧信号を取得し、制御モジュールは、ｄ軸の指定電流が０にされる制御方式により、モータのｄ軸電圧を取得し、第１の指定電圧信号及びモータのｄ軸電圧に基づいて次の時点のモータのｑ軸電圧を算出し、モータのｄ軸電圧及び次の時点のモータのｑ軸電圧に基づいてモータのベクトル制御を行う。該装置は、電圧を直接指定する方式によりモータに対して最大トルク制御を行い、方形波制御に起因するトルクリップルを低減し、振動と騒音を低減することができるだけでなく、閉ループ速度制御を用いる場合に制御不能になる問題及びボディに激しいジッタが生じる問題を解決し、また、順逆方向の最大電流を制御することで、モータが最大トルクで加減速運転することを実現し、システムの応答速度を高める。
また、本発明の実施例は、上述したモータのベクトル制御装置を備える航空機をさらに提供する。
本発明の実施例は、記憶媒体をさらに提供し、該記憶媒体は、記憶されているプログラムを含み、前記プログラムは稼動すると、前記記憶媒体のある装置が上述したモータのベクトル制御方法を実行するように制御する。
記憶媒体は、パルス位置変調ＰＰＭ信号を受信する機能と、前記ＰＰＭ信号に基づいてモータの第１の指定電圧信号を取得する機能と、ｄ軸の指定電流が０にされる制御方式により、モータのｄ軸電圧を取得する機能と、前記第１の指定電圧信号及び前記モータのｄ軸電圧に基づいて次の時点の前記モータのｑ軸電圧を算出し、前記モータのｄ軸電圧及び次の時点の前記モータのｑ軸電圧に基づいて前記モータのベクトル制御を行う機能とを実行するためのプログラムを記憶する。
上記記憶媒体は、さらに、前記ＰＰＭ信号のパルス幅を取得する機能と、前記ＰＰＭ信号のパルス幅に基づいて前記第１の指定電圧信号を取得する機能とを実行するためのプログラムを記憶してもよい。
上記記憶媒体は、さらに、前記ＰＰＭ信号のパルス幅を取得する機能と、前記ＰＰＭ信号のパルス幅に基づいて前記第１の指定電圧信号を取得する機能とを実行するためのプログラムを記憶してもよい。
上記記憶媒体は、さらに、前記第１の指定電圧信号及び前記モータのｄ軸電圧に基づいて前記モータのｑ軸の指定電圧を算出する機能と、現時点の前記モータのｑ軸電圧を取得する機能と、前記ｑ軸の指定電圧及び前記現時点の前記モータのｑ軸電圧に基づいて、加減速曲線によって次の時点の前記モータのｑ軸電圧を算出する機能とを実行するためのプログラムを記憶してもよい。
本発明の実施例は、プロセッサをさらに提供し、前記プロセッサは、プログラムを動作させ、前記プログラムは稼動すると、上述したモータのベクトル制御方法を実行する。
プロセッサは、パルス位置変調ＰＰＭ信号を受信する機能と、前記ＰＰＭ信号に基づいてモータの第１の指定電圧信号を取得する機能と、ｄ軸の指定電流が０にされる制御方式により、モータのｄ軸電圧を取得する機能と、前記第１の指定電圧信号及び前記モータのｄ軸電圧に基づいて次の時点の前記モータのｑ軸電圧を算出し、前記モータのｄ軸電圧及び次の時点の前記モータのｑ軸電圧に基づいて前記モータにのベクトル制御を行う機能とを有するプログラムを実行する。
プロセッサは、前記ＰＰＭ信号のパルス幅を取得する機能と、前記ＰＰＭ信号のパルス幅に基づいて前記第１の指定電圧信号を取得する機能とを有するプログラムを実行してもよい。
プロセッサは、前記ＰＰＭ信号のパルス幅を取得する機能と、前記ＰＰＭ信号のパルス幅に基づいて前記第１の指定電圧信号を取得する機能とを有するプログラムを実行してもよい。
上記プロセッサは、前記第１の指定電圧信号及び前記モータのｄ軸電圧に基づいて前記モータのｑ軸の指定電圧を算出する機能と、現時点の前記モータのｑ軸電圧を取得する機能と、前記ｑ軸の指定電圧及び前記現時点の前記モータのｑ軸電圧に基づいて、加減速曲線によって次の時点の前記モータのｑ軸電圧を算出する機能とを有するプログラムを実行してもよい。
本発明の実施例に係わる航空機は、上述したモータのベクトル制御装置によって、電圧を直接指定する方式によりモータに対して最大トルク制御を行い、方形波制御に起因するトルクリップルを低減し、振動と騒音を低減することができるだけでなく、閉ループ速度制御を用いる場合に制御不能になる問題及びボディに激しいジッタが生じる問題を解決し、航空機全体の性能を向上させる。
本発明の記述において、「第１」、「第２」といった用語は、説明のためのものに過ぎず、相対的な重要性を指示又は暗示するもの、或いは、示される技術的特徴の数を暗に指示するものと理解してはならない。このため、「第１」、「第２」で限定された特徴は、少なくとも１つの該特徴を明示的又は暗示的に含んでいる。本発明の記述において、そうでないとする明確な指示がない限り、「複数」とは、少なくとも２つを意味し、例えば２つ、３つ等である。
本発明において、そうでないとする明確な規定や指示がない限り、「取り付ける」、「繋がる」、「接続」、「固定」といった用語は、広義に理解されるべきであり、例えば、固定接続してもよいし、取り外し可能に接続するか、一体となるように接続してもよい。また、機械的な接続であってもよいし、電気的な接続であってもよい。直接接続してもよいし、中間媒体を介して間接的に接続してもよく、さらに２つの素子の内部を連通させるか、２つの素子を相互作用させてもよい。当業者にとって、具体的な状況に基づいて本発明における上述した用語の具体的な意味を理解することができる。
本明細書の記述において、「一実施例」、「一部の実施例」、「例」、「具体例」または「一部の実施例」等の表現は、該実施例又は例に記述された具体的な特徴、構造、材料又は特点が本発明の少なくとも１つの実施例又は例に含まれていることを意味する。本明細書において、上述した用語の模式的な表現は、必ずしも同一の実施例又は例に対するものであるとは限らない。そして、記述された具体的な特徴、構造、材料又は特点は、いずれか１つ又は複数の実施例又は例において適切に組み合わせられてもよい。また、互いに矛盾しない限り、当業者は、本明細書に記述された異なる実施例又は例及び異なる実施例又は例の特徴を結合したり組み合わせたりすることができる。
以上、本発明の実施例を示して説明したが、上述した実施例は、例示的なものであり、本発明を制限していると理解してはならない。当業者は、本発明の範囲内において上述した実施例に対して変化、修正、置き換えおよび変形が可能である。

Claims (21)

  1. パルス位置変調ＰＰＭ信号を受信するステップと、
    前記ＰＰＭ信号に基づいてモータの第１の指定電圧信号を取得するステップと、
    ｄ軸の指定電流が０にされる制御方式により、モータのｄ軸電圧を取得するステップと、
    前記第１の指定電圧信号及び前記モータのｄ軸電圧に基づいて次の時点の前記モータのｑ軸電圧を算出し、前記モータのｄ軸電圧及び次の時点の前記モータのｑ軸電圧に基づいて前記モータのベクトル制御を行うステップと、
    を含むモータのベクトル制御方法。
  2. 前記ＰＰＭ信号に基づいてモータの第１の指定電圧信号を取得することは、
    前記ＰＰＭ信号のパルス幅を取得することと、
    前記ＰＰＭ信号のパルス幅に基づいて前記第１の指定電圧信号を取得することと、を含む
    請求項１に記載の方法。
  3. 下記式によって前記第１の指定電圧信号を取得する
    請求項２に記載の方法。


    （ただし、
    は、前記第１の指定電圧信号であり、
    は、現在のＰＰＭ信号のパルス幅であり、
    は、前記モータの起動時のＰＰＭ信号のパルス幅であり、
    は、前記モータが最大出力に達する時のＰＰＭ信号のパルス幅であり、
    は、最大出力電圧である。）
  4. 前記第１の指定電圧信号及び前記モータのｄ軸電圧に基づいて次の時点の前記モータのｑ軸電圧を算出することは、
    前記第１の指定電圧信号及び前記モータのｄ軸電圧に基づいて前記モータのｑ軸の指定電圧を算出することと、
    現時点の前記モータのｑ軸電圧を取得することと、
    前記ｑ軸の指定電圧及び前記現時点の前記モータのｑ軸電圧に基づいて、加減速曲線によって次の時点の前記モータのｑ軸電圧を算出することと、を含む
    請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の方法。
  5. 下記式によって前記モータのｑ軸の指定電圧を算出する
    請求項４に記載の方法。


    （ただし、
    は、前記モータのｑ軸の指定電圧であり、
    は、前記第１の指定電圧信号であり、
    は、前記モータのｄ軸電圧である。）
  6. 前記加減速曲線は、直線加減速曲線、加速度可変曲線又は正弦曲線を含む
    請求項４に記載の方法。
  7. 前記加減速曲線が前記直線加減速曲線である場合、次の時点の前記モータのｑ軸電圧は下記式によって算出され取得される
    請求項６に記載の方法。


    （ただし、
    は、次の時点の前記モータのｑ軸電圧であり、
    は、前記モータのｑ軸の指定電圧であり、
    は、現時点の前記モータのｑ軸電圧であり、
    は、ステップサイズである。）
  8. 次の時点の前記モータのｑ軸電圧を算出した後、
    前記モータのｑ軸電流を取得することと、
    前記モータのｑ軸電流に対してＰＩ調節及び振幅制限処理を行うことと、
    振幅制限処理後のｑ軸電流に基づいて次の時点の前記モータのｑ軸電圧に対して調節及び振幅制限処理を行うことと、をさらに含む
    請求項４に記載の方法。
  9. 下記式によって前記モータのｑ軸電流に対してＰＩ調節及び振幅制限処理を行う
    請求項８に記載の方法。


    （ただし、
    は、振幅制限処理後のｑ軸ネガティブ振幅制限電圧であり、
    は、振幅制限処理後のｑ軸ポジティブ振幅制限電圧であり、
    及び
    は、それぞれＰＩ調節の比例ゲイン及び積分ゲインであり、
    は、前記モータのｑ軸最大電流であり、
    は、前記モータのｑ軸最小電流であり、
    は、前記モータのｑ軸電流であり、
    は、最大出力電圧であり、
    は、前記モータのｄ軸電圧である。）
  10. 下記式によって次の時点の前記モータのｑ軸電圧に対して調節及び振幅制限処理を行う
    請求項８に記載の方法。


    （ただし、
    は、振幅制限処理後の次の時点の前記モータのｑ軸電圧であり、
    は、次の時点の前記モータのｑ軸電圧であり、
    は、振幅制限処理後のｑ軸ネガティブ振幅制限電圧であり、
    は、振幅制限処理後のｑ軸ポジティブ振幅制限電圧であり、
    は、最大出力電圧であり、
    は、前記モータのｄ軸電圧である。）
  11. パルス位置変調ＰＰＭ信号を受信する受信モジュールと、
    前記受信モジュールに接続され、前記ＰＰＭ信号に基づいてモータの第１の指定電圧信号を取得する電圧指定モジュールと、
    前記電圧指定モジュールに接続され、ｄ軸の指定電流が０にされる制御方式により、モータのｄ軸電圧を取得し、前記第１の指定電圧信号及び前記モータのｄ軸電圧に基づいて次の時点の前記モータのｑ軸電圧を算出し、前記モータのｄ軸電圧及び次の時点の前記モータのｑ軸電圧に基づいて前記モータのベクトル制御を行う制御モジュールと、
    を備えるモータのベクトル制御装置。
  12. 前記電圧指定モジュールは、前記ＰＰＭ信号に基づいてモータの第１の指定電圧信号を取得する場合、前記ＰＰＭ信号のパルス幅を取得し、前記ＰＰＭ信号のパルス幅に基づいて前記第１の指定電圧信号を取得する
    請求項１１に記載の装置。
  13. 前記電圧指定モジュールは、下記式によって前記第１の指定電圧信号を取得する
    請求項１２に記載の装置。


    （ただし、
    は、前記第１の指定電圧信号であり、
    は、現在のＰＰＭ信号のパルス幅であり、
    は、前記モータの起動時のＰＰＭ信号のパルス幅であり、
    は、前記モータが最大出力に達する時のＰＰＭ信号のパルス幅であり、
    は、最大出力電圧である。）
  14. 前記制御モジュールは、
    前記第１の指定電圧信号及び前記モータのｄ軸電圧に基づいて前記モータのｑ軸の指定電圧を算出する第１の算出ユニットと、
    前記第１の算出ユニットに接続され、現時点の前記モータのｑ軸電圧を取得し、前記ｑ軸の指定電圧及び前記現時点の前記モータのｑ軸電圧に基づいて、加減速曲線によって次の時点の前記モータのｑ軸電圧を算出する第２の算出ユニットと、を含む
    請求項１１乃至１３のうちいずれか一項に記載の装置。
  15. 前記第１の算出ユニットは、下記式によって前記モータのｑ軸の指定電圧を算出する
    請求項１４に記載の装置。


    （ただし、
    は、前記モータのｑ軸の指定電圧であり、
    は、前記第１の指定電圧信号であり、
    は、前記モータのｄ軸電圧である。）
  16. 前記加減速曲線は、直線加減速曲線、加速度可変曲線又は正弦曲線を含む
    請求項１４に記載の装置。
  17. 前記加減速曲線が前記直線加減速曲線である場合、次の時点の前記モータのｑ軸電圧は下記式によって算出され取得される
    請求項１６に記載の装置。


    （ただし、
    は、次の時点の前記モータのｑ軸電圧であり、
    は、前記モータのｑ軸の指定電圧であり、
    は、現時点の前記モータのｑ軸電圧であり、
    は、ステップサイズである。）
  18. 前記制御モジュールは、
    前記モータのｑ軸電流を取得する電流取得ユニットと、
    前記電流取得ユニットに接続され、前記モータのｑ軸電流に対してＰＩ調節及び振幅制限処理を行う第１の処理ユニットと、
    前記第１の処理ユニットに接続され、振幅制限処理後のｑ軸電流に基づいて次の時点の前記モータのｑ軸電圧に対して調節及び振幅制限処理を行う第２の処理ユニットと、をさらに含む
    請求項１４に記載の装置。
  19. 前記第１の処理ユニットは、下記式によって前記モータのｑ軸電流に対してＰＩ調節及び振幅制限処理を行う
    請求項１８に記載の装置。


    （ただし、
    は、振幅制限処理後のｑ軸ネガティブ振幅制限電圧であり、
    は、振幅制限処理後のｑ軸ポジティブ振幅制限電圧であり、
    及び
    は、それぞれＰＩ調節の比例ゲイン及び積分ゲインであり、
    は、前記モータのｑ軸最大電流であり、
    は、前記モータのｑ軸最小電流であり、
    は、前記モータのｑ軸電流であり、
    は、最大出力電圧であり、
    は、前記モータのｄ軸電圧である。）
  20. 前記第２の処理ユニットは、下記式によって次の時点の前記モータのｑ軸電圧に対して調節及び振幅制限処理を行う
    請求項１８に記載の装置。


    （ただし、
    は、振幅制限処理後の次の時点の前記モータのｑ軸電圧であり、
    は、次の時点の前記モータのｑ軸電圧であり、
    は、振幅制限処理後のｑ軸ネガティブ振幅制限電圧であり、
    は、振幅制限処理後のｑ軸ポジティブ振幅制限電圧であり、
    は、最大出力電圧であり、
    は、前記モータのｄ軸電圧である。）
  21. 請求項１１乃至２０のうちいずれか一項に記載のモータのベクトル制御装置を備える航空機。
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