(57)【要約】      （修正有）【課題】回転機のモデル予測制御を行うにあたり、無駄時間の発生を回避した、新たな制御装置を提供する。【解決手段】制御周期Ｔｃごとに、電流値Ｉｄ、Ｉｑと現在の電圧指令値Ｖｄ、Ｖｑとに基づいて次の制御周期Ｔｃで電流値を予測する電流予測部４と、少なくともこの電流予測部４が予測する電流予測値Ｉｄｅ（ｎ＋１）、Ｉｑｅ（ｎ＋１）と電流指令値Ｉｄｒｅｆ、Ｉｑｒｅｆとに基づいてインバータに出力する次の制御周期Ｔｃでの電圧指令値Ｖｄ（ｎ＋１）、Ｖｑ（ｎ＋１）を演算して出力する電圧指令生成部５とを備えたものにおいて、電流指令値の変更が要求された場合に、変更の要求時に、少なくとも電流予測部４が予測した電流予測値Ｉｄ（ｎ＋１）、Ｉｑ（ｎ＋１）と変更後の電流指令値ｉｄｒｅｆＢ、ＩｑｒｅｆＢとに基づいてインバータに出力する次の制御周期での電圧指令値Ｖｄ_ｄｘ、Ｖｑ_ｄｘを再度演算する電圧指令生成部１０５を更に備えた。【選択図】図１
2020036422.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転機を制御するための電流指令の入力を受けて当該回転機に接続されたインバータに電圧指令を出力するにあたり、制御周期ごとに、前記回転機から検出される電流値と前記インバータに出力している現在の電圧指令値とに基づいて次の制御周期で回転機を流れる電流値を予測する電流予測部と、少なくともこの電流予測部が予測する電流予測値と前記電流指令値とに基づいて前記インバータに出力する次の制御周期での電圧指令値を演算して出力する電圧指令生成部とを備えたものにおいて、
ある制御周期から次の制御周期の間において前記電流指令値の変更が要求された場合に、変更の要求時に、少なくとも前記電流予測部が予測した電流予測値と変更後の電流指令値とに基づいて前記インバータに出力する次の制御周期での電圧指令値を再度演算する電圧指令生成部を更に備えたことを特徴とする、回転機の制御装置。
【請求項２】
前記電圧指令生成部における電圧指令値の演算は、前記電流予測部が予測した電流予測値から前記電流指令値に一致するために必要な電圧指令値を算出して直接出力するものである、請求項１に記載の回転機の制御装置。
【請求項３】
前記電圧指令生成部は、前記電流予測部が予測した電流予測値から変更後の電流指令値に一致するために必要な電圧指令値を再度演算し、この電圧指令値を、先に演算した電圧指令値に代えて適用する、請求項２に記載の回転機の制御装置。
【請求項４】
前記電圧指令生成部は、前記電流予測部が予測した電流予測値から変更前後の電流指令値の差分を補償するための電圧指令補償値を演算し、この補償値を、電圧指令生成部が演算した電圧指令値に加算して適用する、請求項２に記載の回転機の制御装置。
【請求項５】
前記電圧指令生成部における電圧指令値の演算は、空間モデルを用いた電圧ベクトル制御モデルに基づき、複数の電圧ベクトルで電流予測値を再度算出し、そのうち電流予測値が電流指令値に最も近くなる電圧指令値を採用するものである、請求項１に記載の回転機の制御装置。
【請求項６】
電流予測部が行う次の電流の予測は、次の制御周期における電流予測にとどまらず、さらにその次の制御周期である２回目の制御周期もしくは２回目以後の１または２以上の制御周期における電流予測を含み、電圧指令生成部はこれらの電流予測値を用いて次の制御周期での電圧指令値を演算する、請求項１に記載の回転機の制御装置。
【請求項７】
回転機を制御するための電流指令の入力を受けて当該回転機に接続されたインバータに電圧指令を出力するにあたり、制御周期ごとに、前記回転機から検出される電流値と前記インバータに出力している現在の電圧指令値とに基づいて次の制御周期で回転機を流れる電流値を予測する電流予測ステップと、少なくともこの電流予測ステップで予測する電流予測値と前記電流指令値とに基づいて前記インバータに出力する次の制御周期での電圧指令値を演算して出力する電圧指令生成ステップとを備えたものにおいて、
ある制御周期から次の制御周期の間において前記電流指令値の変更が要求された場合に、変更の要求時に、少なくとも前記電流予測ステップで予測した電流予測値と変更後の電流指令値とに基づいて前記インバータに出力する次の制御周期での電圧指令値を再度演算する電圧指令生成ステップを更に備えたことを特徴とする、回転機の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転機のモデル予測制御を行うにあたり、指令値の更新に即応することで無駄時間の発生を回避した、回転機の制御装置及び制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に３相回転機の制御装置としては、ＰＩ補償器を用いた三角波比較ＰＷＭ制御（以後、ＰＩ制御という）を行うものが提案され実用化されている。このＰＩ制御では、現在の電流値と指令値に対する差分から電圧指令を算出し、差分が０になるように比例積分制御を行うが、制御の応答遅れ（制御周期のムダ時間）により、３相回転機の電流応答性が悪化するという問題がある。制御の応答遅れとして、現在の電流値と指令値の差分から電圧指令を算出するまでの遅れや電圧指令に基づいた操作量（出力電圧）により、変化する電流値を検出するまでの遅れなどが考えられる。
【０００３】
こうした問題を解決するために、モデル予測制御を採用することが有効とされている。
モデル予測制御は、一般的に、制御対象を模したモデルを策定し、このモデルにおける予測値と制御対象の制御量との関係を利用して、操作量を決定するものである。例えば、回転機の特性を模した数学モデルを策定し、この数学モデルにおける電圧と電流の関係を利用して予測した電流値が、電流指令に近くなるように操作量を決定するもので、ＰＩ制御に比べて、制御の応答性において 改善を期待することができる。
【０００４】
特許文献１、２は、モデル予測制御の一例を示している。特許文献１は、空間ベクトルを用いた電圧ベクトル制御において、インバータの操作量をさまざまに設定した場合に３相回転機を流れる電流を予測し、この電流予測値と電流指令値との偏差が最小となる操作量を決定するものである。このモデル予測制御は操作量を決定する際に電流予測値を用いることにより、上記ＰＩ制御のムダ時間のうち、電圧指令に基づいた操作量により、変化する電流値を検出するまでの遅れを削減することができる。
【０００５】
また、特許文献２は、特許文献１のデメリットとして演算負荷が大きいことを問題点として上げ、独自に設定する座標系を用いて、電圧ベクトルをゼロベクトルまたは非電圧ベクトルに分けることで演算負荷を低減している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４７４８２４５号公報
【特許文献２】特許第５６３７１５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来のモデル予測制御は、制御周期毎に電流指令の更新を行っているため、ある制御周期から次の制御周期の間で電流指令の変更が要求された場合、電流応答が低下するという課題がある。具体的には、このような状態で電流指令の変更が要求された場合、変更が要求された制御周期での電流制御に用いる電流指令値は、変更前の指令値を用いており次の制御周期で電流指令値が更新される。そのため、変更が要求された制御周期では、変更後の電流指令値が、電流制御に用いられずムダ時間が生じ電流応答が低下する。
【０００８】
本発明は、以上のような課題に着眼してなされたものであって、電流制御のムダ時間を削減して、これによりモデル予測制御の本来の効果を実効あるものにした、新たな制御装置および制御方法を実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、かかる目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。
【００１０】
すなわち、本発明に係る回転機の制御装置は、回転機を制御するための電流指令の入力を受けて当該回転機に接続されたインバータに電圧指令を出力するにあたり、制御周期ごとに、前記回転機から検出される電流値と前記インバータに出力している現在の電圧指令値とに基づいて次の制御周期で回転機を流れる電流値を予測する電流予測部と、少なくともこの電流予測部が予測する電流予測値と前記電流指令値とに基づいて前記インバータに出力する次の制御周期での電圧指令値を演算して出力する電圧指令生成部とを備えたものにおいて、ある制御周期から次の制御周期の間において前記電流指令値の変更が要求された場合に、変更の要求時に、少なくとも前記電流予測部が予測した電流予測値と変更後の電流指令値とに基づいて前記インバータに出力する次の制御周期での電圧指令値を再度演算する電圧指令生成部を更に備えたことを特徴とする。
【００１１】
このように構成すれば、電流指令の変更が要求された際には変更の要求時に、変更された電流指令値に到達するために必要な電圧指令値が再計算される。このため、電流指令の変更が要求されてから電流指令の更新がされるまでの処理時間が削減でき、電流応答が改善される。
【００１２】
この場合、前記電圧指令生成部における電圧指令値の演算は、前記電流予測部が予測した電流予測値から前記電流指令値に一致するために必要な電圧指令値を算出して直接出力するものであることが望ましい。
【００１３】
このようにすれば、例えば電圧ベクトル制御方式のように何通りもの電圧指令に基づいて電流値を予測する必要がない。このため、同じ制御周期であれば、電流制御の精度が改善され、演算負荷も削減できる。
【００１４】
前記電圧指令生成部の一態様としては、前記電流予測部が予測した電流予測値から変更後の電流指令値に一致するために必要な電圧指令値を再度演算し、この電圧指令値を、先に演算した電圧指令値に代えて適用するものが挙げられる。
【００１５】
このようにすると、既に演算した電圧指令値に代えて新たに演算した電圧指令値を用いるため、メモリに上書きするだけで対応することができる。
【００１６】
また、前記電圧指令生成部の他の一態様としては、前記電流予測部が予測した電流予測値から変更前後の電流指令値の差分を補償するための電圧指令補償値を演算し、この補償値を、電圧指令生成部が演算した電圧指令値に加算して適用するものが挙げられる。
【００１７】
このように構成すると、電流指令の変更要求時に電圧指令値を再度演算する際、電流指令の変更分に対する演算（電圧指令補償値の演算）のみになるため、演算負荷を軽くすることができる。
【００１８】
また、前記電圧指令生成部における電圧指令値の演算は、空間モデルを用いた電圧ベクトル制御モデルに基づき、複数の電圧ベクトルで電流予測値を再度算出し、そのうち電流予測値が電流指令値に最も近くなる電圧指令値を採用するものであってもよい。
【００１９】
このような空間ベクトルを用いた電圧ベクトル制御方式のものでは、その都度複数の電圧ベクトルに対して電流予測値を算出しなければならないので、その計算が最大で１制御周期分減ることによる効果は大きい。また、これにより電流応答を改善することが可能となる。
【００２０】
さらに、電流予測部が行う次の電流の予測は、次の制御周期における電流予測にとどまらず、さらにその次の制御周期である２回目の制御周期もしくは２回目以後の１または２以上の制御周期における電流予測を含み、電圧指令生成部はこれらの電流予測値を用いて次の制御周期での電圧指令値を演算するものであってもよい。
【００２１】
このような場合、演算負荷は大きくなるが、高い精度の電流応答が追求されるモデル予測制御において、その効果はさらに大きい。
【００２２】
また本発明に係る回転機の制御方法は、回転機を制御するための電流指令の入力を受けて当該回転機に接続されたインバータに電圧指令を出力するにあたり、制御周期ごとに、前記回転機から検出される電流値と前記インバータに出力している現在の電圧指令値とに基づいて次の制御周期で回転機を流れる電流値を予測する電流予測ステップと、少なくともこの電流予測ステップで予測する電流予測値と前記電流指令値とに基づいて前記インバータに出力する次の制御周期での電圧指令値を演算して出力する電圧指令生成ステップとを備えたものにおいて、ある制御周期から次の制御周期の間において前記電流指令値の変更が要求された場合に、変更の要求時に、少なくとも前記電流予測ステップで予測した電流予測値と変更後の電流指令値とに基づいて前記インバータに出力する次の制御周期での電圧指令値を再度演算する電圧指令生成ステップを更に備えたことを特徴とする。
【００２３】
このような制御方法を採用する限り、電流指令の更新に即応して電圧指令を再計算し、最大で１制御周期分の制御遅れを解消することができ、電流応答を改善することが可能となる。
【発明の効果】
【００２４】
以上、説明した本発明によれば、モデル予測制御に電流指令更新のタイミングに同期して再度電圧指令を算出することができるので、最大で１制御周期分の制御遅れを解消して電流応答を改善することができる、優れた制御装置及び制御方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る制御装置の構成を示すブロック図。
【図２】図１の前提となるモデル予測制御の構成を示すブロック図。
【図３】図２のモデル予測制御を他のモデル予測制御と比較して示す概念図。
【図４】図２のモデル予測制御による場合の不具合を説明するための概念図。
【図５】図１のモデル予測制御による場合の作用効果を説明するための概念図。
【図６】図１の制御装置の応答特性を図２の構成と比較して示すボート線図。
【図７】本発明の第２実施形態に係る制御装置の構成を示す図１に対応したブロック図。
【図８】図７のモデル予測制御による場合の作用効果を説明するための図５に対応した概念図。
【図９】本発明の変形例を示す図２に対応したブロック図。
【図１０】本発明の他の変形例を示す図２に対応したブロック図。
【図１１】図１０における外乱オブザーバの具体的な構成を示す図。
【図１２】図１０の更なる変形例を示す図。
【図１３】本発明の上記以外の変形例に係るモデル予測制御を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の第１実施形態を、図面を参照して説明する。
【００２７】
図１は、本実施形態に係る回転機の制御装置Ｃを示すブロック図であり、図２は、この実施形態の前提となる回転機の制御装置Ｃ´を、インバータ１及びモータ２とともに示すブロック図である。両図において共通する部分には同一符合が付してある。
【００２８】
モータ２は、３相の永久磁石同期モータの１つであるＰＭモータである。モータ２は、インバータ１を介してバッテリ１ｂに接続されている。インバータ１は、３相であるＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対して、各相に上アームと下アームを構成する一対のスイッチング素子の直列接続部１Ｕ、１Ｖ、１Ｗを備え、これらの直列接続部１Ｕ、１Ｖ、１Ｗの中間点がモータ２の各相（Ｕ、Ｖ、Ｗ相）に接続されている。本実施形態のスイッチング素子は絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）であり、それぞれダイオードが逆並列に接続されている。
【００２９】
モータ２からは、エンコーダやレゾルバ等の回転角度センサを通じて電気角θが検出されてセンサ入力部３ａより制御装置Ｃ´に入力され、また、電流センサを通じて３相のうちの２相（ここではＵ相、Ｗ相）の電流Ｉｕ、Ｉｗがアナログ入力部３ｂより制御装置Ｃ´に入力されている。
【００３０】
また制御装置Ｃ´は、ディジタル出力部３ｃから、インバータ１の制御信号を出力する。
【００３１】
制御装置Ｃ´は、電流予測部４において、現在の電圧指令値Ｖｄ、Ｖｑとモータ２からセンサ等で検出される電流値（以降、電流検出値）Ｉｄ、Ｉｑとに基づき、次の制御周期で流れるモータ電流値（以降、電流予測値） Ｉｄｅ（ｎ＋１）、Ｉｑｅ（ｎ＋１）を予測する。そして、第１の電圧指令生成部５において、現に電流指令入力部１０から入力される電流指令値 Ｉｄｒｅｆ、Ｉｑｒｅｆと電流予測値Ｉｄｅ（ｎ＋１）、Ｉｑｅ（ｎ＋１）との偏差が小さくなるような新たな電圧指令値Ｖｄ（ｎ＋１）、Ｖｑ（ｎ＋１）を決定する。新たに決定した電圧指令値Ｖｄ（ｎ＋１）、Ｖｑ（ｎ＋１）は、２／３変換部６、キャリア比較部７を経て、ディジタル出力部３ｃより出力される。「２／３変換部」とは２相／３相変換部の意で、ｄｑ／ＵＶＷ変換部のことである。また、以下に述べる「３／２変換部」とは３相／２相変換部の意で、ＵＶＷ／ｄｑ変換部のことである。
【００３２】
なお、この明細書においてｄ軸に関するものを表すときは「ｄ」の添え字、ｑ軸に関するものを表すときは「ｑ」の添え字を付す。
【００３３】
電流センサによって検出された相電流値Ｉｕ、Ｉｗは、ＡＤ変換部８を経て、３／２変換部９において モータ２の検出電流値Ｉｄ，Ｉｑに変換される。その変換のために、角度センサによって検出される電気角θも、２／３変換部６や３／２変換部９に入力される。
【００３４】
電流検出値Ｉｄ、Ｉｑと、現在の電圧指令値Ｖｄ、Ｖｑとは、電流予測部４に入力される。電流予測部４にはまた、角度センサが検出した角度θが微分部１０で微分されて角速度ωとして入力される。電流予測部４は、ＰＭモータの一般的な電圧方程式と前進差分法とから導き出された式（[数１]）を用いて、電流予測値Ｉｄｅ（ｎ＋１）、Ｉｑｅ（ｎ＋１）を算出し、出力する。なお、本実施形態では、前進差分法を適用したが、微分要素を有限差分近似に置き換えて差分近似する手法であれば、後退差分など他の差分法も適用可能である。
【００３５】
【数１】
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【００３６】
上述したように、
Ｖｄ（ｎ）、Ｖｑ（ｎ）は、現在の制御周期におけるｄ軸電圧指令値、ｑ軸電圧指令値、Ｉｄ（ｎ）、Ｉｑ（ｎ）は、現在の制御周期で検出したｄ軸電流指令値、ｑ軸電流指令値、Ｉｄｅ（ｎ＋１）、Ｉｑｅ（ｎ＋１）は、次の制御周期で流れると予測したｄ軸電流予測値、ｑ軸電流予測値である。また、Ｔｃは、制御周期、Ｌｄ、Ｌｑは、ｄ軸インダクタンス、ｑ軸インダクタンス、Ｒは 電機子抵抗、ωは電気角速度、ψは電機子鎖交磁束である。
【００３７】
そして、電流予測値Ｉｄｅ（ｎ＋１）、Ｉｑｅ（ｎ＋１）と、電流指令値Ｉｄｒｅｆ、Ｉｑｒｅｆとが、電圧指令生成部５に入力され、次の[数２]の２つの式に基づいて、電圧指令値Ｖｄ（ｎ＋１）、Ｖｑ（ｎ＋１）を生成する。
【００３８】
【数２】
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【００３９】
上述したように、Ｖｄ（ｎ＋１）、Ｖｑ（ｎ＋１）は次の制御周期におけるｄ軸電圧指令値、ｑ軸電圧指令値、ｉｄｒｅｆ、ｉｑｒｅｆは現在の制御周期におけるｄ軸電流指令値、ｑ軸電流指令値である。
【００４０】
この電圧指令生成部５による制御量は、過度な指令分をカットする電圧クランプ部１１を経て、２／３変換部６に入力され、角度θに基づいて制御信号Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換された後、キャリア比較部７でＰＷＭ信号を生成して、ディジタル出力部３ｃよりインバータ１のスイッチング素子に制御信号として入力される。キャリア比較部７は、例えば三角波キャリアで電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを切り取ってＰＷＭ信号を生成するものである。勿論、キャリア比較部７はこのような三角波キャリアを用いたＰＷＭ変調方式に限定されるものではない。
【００４１】
つまり、電圧指令生成部５において、図３（ａ）に示すように、制御周期のｎ−１周期目においてｎ周期目のｄ軸電圧値Ｖｄ（ｎ）、ｑ軸電圧値Ｖｑ（ｎ）が算出されると、これらの電圧値 が ｎ周期目で検出される検出電流値Ｉｄ（ｎ）、Ｉｑ（ｎ）や角速度ωとともに電流予測部４に入力され、ここでｎ＋１周期目で流れると予想したモータ電流である電流予測値Ｉｄｅ（ｎ＋１）、Ｉｑｅ（ｎ＋１）が算出される。そして、ｎ周期目において、電流指令値Ｉｄｒｅｆ、Ｉｑｒｅｆとともに電圧指令生成部５に入力されて、その偏差に応じて電圧指令値Ｖｄ（ｎ＋１）、Ｖｑ（ｎ＋１）が出力される。
【００４２】
このように、図２のモデル予測制御は、図３（ａ）のｎ＋１周期目で検出される電流値 をｎ周期目で予測して、電流指令値に一致するために必要な電圧指令値をｎ＋１周期目 で算出して直接出力することができる。これに対して、図３（ｂ）は先行技術文献で述べた電圧ベクトル制御によるモデル予測制御を示したものであるが、ｎ−１周期目、ｎ周期目でｎ＋１周期目で検出される電流値を予測するまでの処理は同じであるにしても、 その後の電流予測値と複数の電圧ベクトルを演算して、ｎ＋２周期目で検出される電流を予測し、そのうち電流指令値Ｉｄｒｅｆ、Ｉｑｒｅｆに最も近い電圧ベクトルを採用する方式である。このため、最大で８つの電圧ベクトルを演算すればよいが、電流指令値と最も近い電圧ベクトルを採用する際、必ずしも電流値が一致する電圧ベクトルを選択できるとは限らず、特に定常的な状態における電流制御の精度が低下すると考えられる。また、電流制御の精度を向上するために、従来のＰＩ制御における制御周期よりも短い制御周期で制御することも考えられるが、この場合、演算負荷が大きくなる。これに比べれば、図３（ａ）では予測したn + 1周期目で検出される電流値から電流指令値に一致するために必要な電圧指令値を算出して直接出力することができる。よって、同じ制御周期であれば、図３（ｂ）のモデル予測制御に比べて、電流制御の精度が改善され、演算負荷も削減できる。
【００４３】
しかしながら、この制御は、ある制御周期から次の制御周期の間において電流指令の変更が要求された場合、電流制御の応答性が悪くなる可能性がある。従来のモデル予測制御は、制御周期毎に電流指令の更新を行っているが、例えば、図４に示すように、制御周期のｎ周期目からｎ＋１周期目の間で電流指令値の変更（ｉｄｒｅｆＡ、ｉｑｒｅｆＡ → ｉｄｒｅｆＢ、ｉｑｒｅｆＢ）が要求された場合、電流指令値は、ｎ＋１周期目まで更新されず、ｉｄｒｅｆＡ、ｉｑｒｅｆＡのままである。よって、電流指令値ｉｄｒｅｆＢ、ｉｑｒｅｆＢに基づくモデル予測制御は、ｎ＋１周期目から始まるため、電流指令値の変更が要求されてから更新されるまでの処理時間が、電流制御のムダ時間となり、電流応答（特に位相特性）が悪くなる可能性がある。
【００４４】
これは、図３（ｂ）に示した電圧ベクトル制御によるモデル予測制御を行う場合であっても同様である。
【００４５】
そこで本実施形態は、ある制御周期から次の制御周期の間で電流指令の変更が要求された場合、変更の要求時に電圧指令値 を再度演算する構成を新たに採用している。
【００４６】
図１は、図２の構成に新たに第２の電圧指令生成部１０５を設けたものである。図１において、図２と共通する部分には同一符合を付して、説明を省略する。この電圧指令生成部１０５は、電流制御の制御周期とは切り離して、電流指令値Ｉｄｒｅｆ、Ｉｑｒｅｆの変更を検知し、電圧指令生成部５と同様の演算を行う。ここで、電流指令の変更の周期は、電流制御の制御周期よりも長くなることが多いため、電圧指令生成部１０５における電流制御の制御周期は、電圧指令生成部５における電流制御の制御周期よりも長くしてある。なお、図１において「Ｚ−１」と表記してあるところは、電流指令値ｉｄｒｅｆ、ｉｑｒｅｆが電圧指令生成部１０５に入力される際に、電圧指令生成部５に入力される時に比べ、最大で１制御周期分遅れることを表している。
【００４７】
具体的には、電圧指令生成部１０５は、電圧指令生成部５と同様に、電流予測値Ｉｄｅ（ｎ＋１）、Ｉｑｅ（ｎ＋１）が電流予測部４から入力されており、図５の制御周期のｎ周期目からｎ＋１周期目の間で、電流指令値がｉｄｒｅｆＡ、ｉｑｒｅｆＡからｉｄｒｅｆＢ、ｉｑｒｅｆＢに変更されると、変更された電流指令値に到達するために必要な電圧指令値Ｖｄ（ｎ＋１）、Ｖｑ（ｎ＋１）を直ちに演算する。この演算には、電圧指令生成部５と同様の式（[数１]）を用いるが、電流指令値は変更された値を使用する。すなわち、ｎ周期目からｎ＋１周期目の間で変更した電流指令値をｉｄ_ｒｅｆＢ、ｉｑ_ｒｅｆＢ、変更された電流指令値に基づいて算出された電圧指令値をＶｄ_ｄｘ（ｎ＋１）、Ｖｑ_ｄｘ（ｎ＋１）とした場合、以下の式（[数３]）に沿って演算を行う。
【００４８】
【数３】
2020036422.tif 000005
【００４９】
ここで、図１のように、電圧指令生成部５から出力された電圧指令値Ｖｄ、Ｖｑは、フラグ選択部Ｆ１に入力される。同様に、電圧指令生成部１０５から出力された電圧指令値Ｖｄ_ｄｘ、Ｖｑ_ｄｘも、フラグ選択部Ｆ１に入力される。フラグ選択部Ｆ１は、通常、電圧指令値Ｖｄ、Ｖｑを選択して、電流予測部４に出力している。しかし、電流指令値ｉｄｒｅｆ、ｉｑｒｅｆの変更が要求された場合、電流指令値の変更に伴う選択フラグが立ち、電圧指令値Ｖｄ_ｄｘ、Ｖｄ_ｄｘを選択して、電流予測部４に出力する。
【００５０】
電圧指令生成部５から出力された電圧指令値Ｖｄ、Ｖｑは、２／３変換部６を通って３相変換された値が、フラグ選択部Ｆ２に入力される。同様に、電圧指令生成部１０５から出力された電圧指令値Ｖｄ_ｄｘ、Ｖｑ_ｄｘは、２／３変換部１０６を通って３相変換された値が、フラグ選択部Ｆ２に入力される。フラグ選択部Ｆ２は、通常、電圧指令値Ｖｄ、Ｖｑを３相変換された値を選択して、キャリア比較部７に出力している。しかし、電流指令値ｉｄｒｅｆ、ｉｑｒｅｆの変更が要求された場合、電流指令値の変更に伴う選択フラグが立ち、電圧指令値Ｖｄ_ｄｘ、Ｖｄ_ｄｘを３相変換された値を選択して、キャリア比較部７に出力している。
【００５１】
このように、図５において、ｎ周期目からｎ＋１周期目の間で電流指令の変更が要求された場合、電圧指令生成部１０５において、変更の要求時に、変更された電流指令値ｉｄ_ｒｅｆＢ、ｉｑ_ｒｅｆＢに到達するために必要な電圧指令値を再度演算する。よって、電流指令の変更が要求されてからｎ＋１周期目に電流指令の更新がされるまでの処理時間が削減でき、電流応答が改善される。
【００５２】
図６は、ある制御周期から次の制御周期の間において電流指令の変更が要求された場合、図１の構成と図２の構成において、電流制御の応答性を比較した場合の一例である。この例においては、図１の構成は、図２の構成に比べて、ゲイン特性に影響を及ぼすことなく、位相特性すなわち位相遅れを略９０°改善されていることがわかる。
【００５３】
以上のように、本実施形態に係る回転機の制御装置は、モータ２を制御するための電流指令Ｉｄｒｅｆ、Ｉｑｒｅｆの入力を受けてモータ２に接続されたインバータ１に電圧指令Ｖｄ、Ｖｑを出力するにあたり、制御周期Ｔｃごとに、モータ２から検出される電流値Ｉｄ、Ｉｑとインバータ１に出力している現在の電圧指令値Ｖｄ、Ｖｑとに基づいて次の制御周期Ｔｃでモータ２を流れる電流値を予測する電流予測部４と、少なくともこの電流予測部４が予測する電流予測値Ｉｄｅ（ｎ＋１）、ｑｅ（ｎ＋１）と電流指令値Ｉｄｒｅｆ、Ｉｑｒｅｆとに基づいてインバータ１に出力する次の制御周期Ｔｃでの電圧指令値Ｖｄ（ｎ＋１）、Ｖｑ（ｎ＋１）を演算して出力する電圧指令生成部５とを備えたものである。そして、電流指令値が制御周期のｎ周期目とｎ＋１周期目の間においてｉｄｒｅｆＡ、ｉｑｒｅｆＡからｉｄｒｅｆＢ、ｉｑｒｅｆＢへの変更が要求された場合に、変更の要求時に、少なくとも電流予測部４が予測した電流予測値Ｉｄ（ｎ＋１）、Ｉｑ（ｎ＋１）と変更後の電流指令値ｉｄｒｅｆＢ、ＩｑｒｅｆＢとに基づいてインバータ１に出力する次の制御周期での電圧指令値Ｖｄ_ｄｘ、Ｖｑ_ｄｘを再度演算する電圧指令生成部１０５を付加している。
【００５４】
このように構成すれば、電流指令Ｉｄｒｅｆ、Iｑｒｅｆの変更が要求された際には変更の要求時に、変更された電流指令値に到達するために必要な電圧指令Ｖｄ_ｄｘ、Ｖｑ_ｄｘが再計算される。このため、電流指令の変更が要求されてから電流指令の更新がされるまでの処理時間が削減でき、電流応答が改善される。
【００５５】
特に、電圧指令生成部５、１０５における電圧指令値Ｖｄ_ｄｘ、Ｖｑ_ｄｘの演算は、電流予測部４が予測した電流予測値Ｉｄｅ（ｎ＋１）、Ｉｑｅ（ｎ＋１）から電流指令値Ｉｄｒｅｆ、Ｉｑｒｅｆに一致するために必要な電圧指令値Ｖｄ_ｄｘ、Ｖｑ_ｄｘを算出して直接出力するものである。
【００５６】
このようにすることで、例えば電圧ベクトル制御方式のように何通りもの電圧指令に基づいて電流値を予測する必要がない。このため、同じ制御周期であれば、電流制御の精度が改善され、演算負荷も削減できる。
【００５７】
より具体的には、電圧指令生成部１０５は、電流予測部４が予測した電流予測値Ｉｄ（ｎ＋１）、Ｉｑ（ｎ＋１）から変更後の電流指令値ｉｄｒｅｆＢ、ｉｑｒｅｆＢに一致するために必要な電圧指令値Ｖｄ_ｄｘ、Ｖｑ_ｄｘを再度演算し、この電圧指令値Ｖｄ_ｄｘ、Ｖｑ_ｄｘを、先に演算した電圧指令値Ｖｄ、Ｖｑに代えて適用するものである。
【００５８】
このため、計算結果をメモリに上書きするだけで処理を終わらせることができる。
【００５９】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
【００６０】
第１実施形態では、電流指令の変更が要求された時に、変更後の電流指令に対する電圧指令値を再度演算したが、図８に示すように、変更前の電流指令値と変更後の電流指令値の差分に基づいて電圧指令の補償値を算出し、電圧指令生成部５で算出した変更前の電流指令に対する電圧指令値に加算する形で再度演算しても良い。
【００６１】
そのための構成を図７に示す。電流指令値の変更要求時、差分器２０５ａは、変更後の電流指令値として、ｉｄ_ｒｅｆＢ、ｉｑ_ｒｅｆＢが入力されるとともに、「Ｚ−１」と表記した側から変更前の電流指令値であるｉｄ_ｒｅｆＡ、ｉｑ_ｒｅｆＡが入力されて、これらの差分を算出する。電圧指令生成部２０５では、その差分に対応する電圧指令の補償値（以降、電圧指令補償値）Ｖｄ_ｄｘ、Ｖｑ_ｄｘが生成される。そして、加算器２０５ｂにおいて、電圧指令生成部５で生成した電流指令値ｉｄ_ｒｅｆＡ、ｉｑ_ｒｅｆＡに基づく電圧指令値Ｖｄ（ｎ＋１）、Ｖｑ（ｎ＋１）と電圧指令生成部２０５で生成した電圧指令補償値Ｖｄ_ｄｘ、Ｖｑ_ｄｘを加算した値を、変更後の電流指令値ｉｄ_ｒｅｆＢ、ｉｑ_ｒｅｆＢに対する電圧指令値Ｖｄ（ｎ＋１）、Ｖｑ（ｎ＋１）として出力するように構成されている。
【００６２】
電圧指令生成部５は、図８に示すように、制御周期のｎ＋１周期目での電流検出値から電流指令値ｉｄｒｅｆＡ、ｉｑｒｅｆＡに到達するために必要な電圧指令値Ｖｄ（ｎ＋１）、Ｖｑ（ｎ＋１）を[数２]の式に基づいて算出する。
【００６３】
一方、電圧指令生成部２０５は、電流指令値ｉｄｒｅｆＡ、ｉｑｒｅｆＡから電流指令値ｉｄｒｅｆＢ、ｉｑｒｅｆＢに到達するために必要な電圧指令補償値Ｖｄ_ｄｘ、Ｖｑ_ｄｘを[数４]の式に基づいて算出する。
【００６４】
【数４】
2020036422.tif 000006
【００６５】
算出された電圧指令値Ｖｄ（ｎ＋１）、Ｖｑ（ｎ＋１）と電圧指令補償値Ｖｄ_ｄｘ、Ｖｑ_ｄｘを加算することで、ｎ＋１周期目において、更新後の電流指令値ｉｄｒｅｆＢ、ｉｑｒｅｆＢに到達するために必要な電圧指令値Ｖｄ（ｎ＋１）、Ｖｑ（ｎ＋１）を算出することができる。
【００６６】
このように、電圧指令生成部２０５は、電流予測部４が予測する電流予測値と変更前後の電流指令値の差分とに基づいて、次の制御周期での電圧指令補償値Ｖｄ_ｄｘ、Ｖｑ_ｄｘを演算し、この補償値を電圧指令生成部５が演算した電圧指令値Ｖｄ（ｎ＋１）、Ｖｑ（ｎ＋１）に加算して適用するものである。
【００６７】
このように構成すると、電流指令の変更要求時に電圧指令値を再度演算する際、電流指令の変更分に対する演算（電圧指令補償値の演算）のみになるため、演算負荷を軽くすることができる。
【００６８】
以上、本発明の第１、第２実施形態について説明したが、制御周期のｎ＋１周期目における電流予測値や電圧指令値の演算を簡易化するために、ｄ軸、ｑ軸を非干渉化することも有効である。図９に、非干渉化するための構成を示す
【００６９】
非干渉補償部３００は、[数２]の電圧指令値Ｖｄ（ｎ＋１）を算出する式において、干渉項（右辺第３項）をキャンセルするため、加算器３００ａで、電圧指令値Ｖｄ（ｎ＋１）に電流予測値Ｉｑｅ（ｎ＋１）にωＬｑを乗算した値を加算する。
また、同様に、Ｖｑ（ｎ＋１）を算出する式において、干渉項（右辺第３項と第４項）をキャンセルするため、加算器３００ｂで、電圧指令値Ｖｑ（ｎ＋１）に電流予測値Ｉｑｅ（ｎ＋１）にωＬｄを乗じた値とωφをそれぞれ減算する。
【００７０】
このような非干渉化を行うことにより、ｎ＋１周期目における電圧指令値Ｖｄ（ｎ＋１）、Ｖｑ（ｎ＋１）の算出式を、[数５]の式の様に簡易化できる。
【００７１】
【数５】
2020036422.tif 000007
【００７２】
同様に、ｎ＋１周期目における電流予測値Ｉｄｅ（ｎ＋１）、Ｉｑｅ（ｎ＋１）の算出式を、[数６]の式の様に簡易化できる。
【００７３】
【数６】
2020036422.tif 000008
【００７４】
非干渉補償部３００は、図９に示すように、電圧指令生成部５の電圧指令値に対して適用したが、図１の電圧指令生成部１０５の電圧指令値に対して適用してもよい。また、図７に示す電圧指令生成部５の電圧指令値と電圧指令生成部２０５の電圧指令値に対して適用してもよい。
【００７５】
また本発明は、電圧指令に外乱オブザーバを適用することも有効である。図１０は、図２の電圧指令生成部５に外乱オブザーバ４００を適用した例であるが、図１の電圧指令生成部５、１０５や図７の電圧指令生成部５、２０５にも適用することができる。
【００７６】
外乱オブザーバ４００を構成する場合、ｄ軸、ｑ軸の双方を考慮した構成にする必要があるが、ＰＭモータの電圧方程式ではｄ軸とｑ軸が相互に干渉しているため、複雑な制御系になってしまう。そこで、図１０に示すように、外乱オブザーバ４００の手前に非干渉補償部３００を設けて、ｄ軸とｑ軸を非干渉化している。外乱オブザーバ４００の概略図を図１１に示す。
【００７７】
図１１は、非干渉化したｑ軸について示したものである。電圧指令ＶｑにインバータゲインＧを乗算した後に、加算器ａにおいて外乱Ｖｑ_ｄｉｓが加わり、モータコイル（１／（Ｒ＋ｐＬｑ）を通してモータ電流ｉｑが流れる。一方、外乱オブザーバ４００は、インバータを模したゲインＧ´を電圧指令Ｖｑに乗算した値と、モータ電流ｉｑにモータコイルを模した特性（Ｒ＋ｐＬｑ）´を乗じることによって逆算で求められる電圧とを、差分器ｂに入力し、その差分がローパスフィルタ１／（τｓ＋１）を通り、インバータゲイン逆数Ｇ−１を乗じられてフィードバックされている。
【００７８】
すなわち、外乱が無い場合、差分器ｂの出力は０になる。外乱が有る場合、それを打ち消す方向に電圧指令Ｖｑが修正される。
【００７９】
この構成にすれば、モデル誤差による外乱の影響を打ち消す方向にフィードバック制御され、モデル予測制御を採用するにあたって制御性能が落ちることを有効に防止することができる。
【００８０】
さらに、このようなモデル予測制御を行う場合、モデル予測制御は、現在の電圧値と制御周期のｎ＋１周期目の電流予測値の算出に使用する電圧指令値が一致していることが好ましい。しかし、外乱オブザーバは制御周期より十分に遅い周期で更新されているので、図１２のように、外乱オブザーバ４００を適用する前の電圧指令値Ｖｄ、Ｖｑを電流予測部４で用いても問題はない。
【００８１】
また本発明は、モデル予測制御を行う際、図１３に示すような空間ベクトルを用いた電圧ベクトル制御も適用することができる。
【００８２】
すなわち、図３（ｂ）の制御周期のｎ周期目において、各電圧ベクトルＶ０〜Ｖ７で電流予測値を演算し、このうち電流指令値に最も近い電圧指令値を採用するが、制御周期のｎ周期目からｎ＋１周期目の間で電流指令の変更が要求された場合、次の制御周期のｎ＋１周期目からｎ＋２周期目が始まる前に各電圧ベクトルＶ０〜Ｖ７で電流予測値を再度演算し、このうち電流予測値が電流指令値に最も近くなる電圧指令値を採用するようにしてもよい。
【００８３】
このようにしても、上記実施形態と同様に、最大で１制御周期分の遅れを解消することができ、電流応答を改善することが可能となる。
【００８４】
さらにまた、電流予測部が行う次の電流の予測は、次の制御周期における電流予測にとどまらず、さらにその次の制御周期である２回目の制御周期もしくは２回目以後の１または２以上の制御周期における電流予測を含み、電圧指令生成部はこれらの電流予測値を用いて次の制御周期での電圧指令値を演算するような制御装置にも適用することができる。このような制御装置において、電流指令値の変更が要求された場合に、次の制御周期が開始されるまでの間に、少なくとも電流予測部が予測した電流予測値と変更後の電流指令値とに基づいて、インバータに出力する次の制御周期での電圧指令値を再度演算する電圧指令生成部を構成すればよい。
【００８５】
このような場合、演算負荷は大きくなるが、高精度の電流応答が追求されるモデル予測制御において、その効果は更に大きいものになる。
【００８６】
さらにまた、本発明の制御ブロックも実施形態等に限定されない。すなわち、モータを制御するための電流指令の入力を受けて、モータに接続されたインバータに電圧指令を出力するにあたり、制御周期ごとに、モータから検出される電流値とインバータに出力している現在の電圧指令値とに基づいて次の制御周期でモータを流れる電流を予測する電流予測ステップと、少なくともこの電流予測ステップで予測する電流予測値と電流指令値とに基づいて、インバータに出力する次の制御周期での電圧指令値を演算して出力する電圧指令生成ステップとを備えたものにおいて、ある制御周期から次の制御周期の間において電流指令値の変更が要求された場合に、変更の要求時に、少なくとも電流予測ステップで予測した電流予測値と変更後の電流指令値とに基づいて、インバータに出力する次の制御周期での電圧指令値を再度演算する電圧指令生成ステップを更に備える方法であれば、制御ブロックの構成は、各実施形態に限定されない。
【００８７】
そして、このような方法を採用する限り、電流指令の更新に即応して電圧指令を再計算し、最大で１制御周期分の遅れを解消することができ、電流応答を改善することが可能となる。
【００８８】
以上、本発明の実施形態や変形例について説明したが、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【符号の説明】
【００８９】
１…インバータ
２…回転機（モータ）
４…電流予測部
５、１０５、２０５…電圧指令生成部
Ｔｃ…制御周期
Ｉｄ、Ｉｑ…電流検出値
Ｉｄｅ（ｎ＋１）、Ｉｑｅ（ｎ＋１）…電流予測値
Ｉｄｒｅｆ、Ｉｑｒｅｆ…電流指令値
ｉｄｒｅｆＡ、ｉｑｒｅｆＡ…変更前の電流指令値
ｉｄｒｅｆＢ、ｉｑｒｅｆＢ…変更後の電流指令値
Ｖｄ、Ｖｑ…インバータに出力している現在の電圧指令値
Ｖｄ（ｎ＋１）、Ｖｑ（ｎ＋１）…次の制御周期での電圧指令値
Ｖｄ_ｄｘ、Ｖｑ_ｄｘ…電圧指令補償値
【図１】
2020036422.tif 000009
【図２】
2020036422.tif 000010
【図３】
2020036422.tif 000011
【図４】
2020036422.tif 000012
【図５】
2020036422.tif 000013
【図６】
2020036422.tif 000014
【図７】
2020036422.tif 000015
【図８】
2020036422.tif 000016
【図９】
2020036422.tif 000017
【図１０】
2020036422.tif 000018
【図１１】
2020036422.tif 000019
【図１２】
2020036422.tif 000020
【図１３】
2020036422.tif 000021