(57)【要約】  インバータによって駆動される永久磁石同期電動機のベクトル制御装置であって、与えられたトルク指令Ｔ＊からｄ軸電流指令ｉｄ＊、ｑ軸電流指令ｉｑ＊を生成する電流指令生成部（１０）と、電動機の電流が電流指令に一致するように動作する電流制御部（２０）を備え、電流指令生成部は、トルク指令を利用して第一のｄ軸基本電流指令ｉｄ１＊を生成するｄ軸基本電流指令生成部（１１）と、この電流指令ｉｄ１＊を入力とし、ゼロ以下に制限した値を第二のｄ軸基本電流指令ｉｄ２＊として出力するリミッタ部（１２）と、この電流指令ｉｄ２＊を、ｄ軸電流指令補正値ｄＶに応じて補正した値をｄ軸電流指令ｉｄ＊として出力するｄ軸電流指令補正部（１４）と、ｄ軸電流指令ｉｄ＊からｑ軸電流指令ｉｑ＊を生成するｑ軸電流指令生成部（１５）とを具備し、簡易な演算式で、最大トルク制御を実現できるｄ軸電流指令ｉｄ＊、ｑ軸電流指令ｉｑ＊を生成する。
2008038338.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧を任意の周波数の交流電圧に変換して出力するインバータによって駆動される永久磁石同期電動機の電流を、前記電動機の回転電気角に同期して回転するｄｑ軸座標上の量であるｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑに分離してそれぞれを制御する構成とした永久磁石同期電動機のベクトル制御装置であって、与えられたトルク指令からｄ軸電流指令ｉｄ＊、ｑ軸電流指令ｉｑ＊を生成する電流指令生成部と、前記電動機の電流が前記電流指令に一致するように動作する電流制御部を備え、
前記電流指令生成部は、前記トルク指令を利用して第一のｄ軸基本電流指令ｉｄ１＊を生成するｄ軸基本電流指令生成部と、前記第一のｄ軸基本電流指令ｉｄ１＊を入力とし、ゼロ以下に制限した値を第二のｄ軸基本電流指令ｉｄ２＊として出力するリミッタ部と、第二のｄ軸基本電流指令ｉｄ２＊を入力とし、この電流指令ｉｄ２＊を、前記電流制御部より出力されたｄ軸電流指令補正値ｄＶに応じて補正した値をｄ軸電流指令ｉｄ＊として出力するｄ軸電流指令補正部と、前記ｄ軸電流指令ｉｄ＊からｑ軸電流指令ｉｑ＊を生成するｑ軸電流指令生成部とを具備し、前記トルク指令に対応したトルクを最小の電流で発生できるｄ軸電流指令ｉｄ＊、ｑ軸電流指令ｉｑ＊を生成するようにしたことを特徴とする永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。
【請求項２】
前記ｄ軸基本電流指令生成部は、前記電動機のトルクとｄ軸電流とｑ軸電流との関係を示す式と、ｄ軸電流とｑ軸電流との関係を示した傾きと切片を有する一次式との交点を求めることにより、第一のｄ軸基本電流指令ｉｄ１＊を生成する構成としたことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。
【請求項３】
前記一次式は、前記電動機が、あるトルクを最小の電流で発生できる条件を示した曲線を線形近似した一次式であることを特徴とする請求項２に記載の永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。
【請求項４】
前記ｄ軸基本電流指令生成部は、以下の第一の数式から第一のｄ軸基本電流指令ｉｄ１＊を生成することを特徴とする請求項１に記載の永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。
【数１０】
2008038338.tif 000012
ただし、
Ｔａｂｓ＊はトルク指令の絶対値、Ｌｄはｄ軸インダクタンス(Ｈ)、Ｌｑはｑ軸インダクタンス（Ｈ）、φａは永久磁石磁束(Ｗｂ)、Ｐｎは電動機の極対数、ａは前記一次式の傾き、ｂは前記一次式の切片である。
【請求項５】
前記第一の数式において、式中のＬｄ、Ｌｑ、φａ、ａ、ｂのうち何れかは、任意のタイミングで変更されることを特徴とする請求項４に記載の永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。
【請求項６】
前記第一の数式において、式中のＬｄ、Ｌｑ、φａ、ａ、ｂのうち何れかは、前記電動機のｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑ、前記ｄ軸電流指令ｉｄ＊、ｑ軸電流指令ｉｑ＊、前記トルク指令Ｔ＊を含む信号に応じて変更されることを特徴とする請求項４に記載の永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。
【請求項７】
前記ｑ軸電流指令ｉｑ＊は、前記ｄ軸電流指令ｉｄ＊を以下の第二の数式に代入して生成することを特徴とする請求項１に記載の永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。
【数１１】
2008038338.tif 000013
ただし、
Ｔ＊はトルク指令、Ｌｄはｄ軸インダクタンス（Ｈ）、Ｌｑはｑ軸インダクタンス（Ｈ）、φａは永久磁石磁束（Ｗｂ）、Ｐｎは電動機の極対数である。
【請求項８】
前記第二の数式において、式中のＬｄ、Ｌｑ、φａのうち何れかは、任意のタイミングで変更されることを特徴とする請求項７に記載の永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。
【請求項９】
前記第二の数式において、式中のＬｄ、Ｌｑ、φａのうち何れかは、前記電動機のｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑ、前記ｄ軸電流指令ｉｄ＊、ｑ軸電流指令ｉｑ＊、前記トルク指令Ｔ＊を含む信号に応じて変更されることを特徴とする請求項７に記載の永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。
【請求項１０】
前記ｑ軸電流指令ｉｑ＊は、前記ｄ軸電流指令ｉｄ＊を以下の第三の数式に代入して生成することを特徴とする請求項１に記載の永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。
【数１２】
2008038338.tif 000014
ただし、
ａは前記一次式の傾き、ｂは前記一次式の切片である。
【請求項１１】
前記第三の数式において、式中のａ、ｂのうち何れかは、任意のタイミングで変更されることを特徴とする請求項１０に記載の永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。
【請求項１２】
前記第三の数式において、式中のａ、ｂのうち何れかは、前記電動機のｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑ、前記ｄ軸電流指令ｉｄ＊、ｑ軸電流指令ｉｑ＊、前記トルク指令Ｔ＊を含む信号に応じて変更されることを特徴とする請求項１０に記載の永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、永久磁石同期電動機のベクトル制御装置に関し、特に、最大トルク制御を実現できるｄ軸電流指令ｉｄ＊、ｑ軸電流指令ｉｑ＊を、簡易な数式を使用して得ることのできる電流指令生成部を備えた永久磁石同期電動機のベクトル制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
インバータを使用して永久磁石同期電動機をベクトル制御する技術については、産業界で広く利用されている技術であり、インバータ出力電圧の大きさと位相を個別に操作することで、電動機内の電流ベクトルを最適に操作し、電動機のトルクを高速に瞬時制御するものである。
永久磁石同期電動機は、誘導電動機と比較して、永久磁石による磁束が確立しているので励磁電流が不要であることや、回転子に電流が流れないため、二次銅損が発生しないことなどから高効率な電動機として知られており、近年、電気車の制御装置への適用が検討されている。
永久磁石同期電動機のうち、近年注目を集めている埋め込み磁石永久磁石同期電動機（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ  ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  ｍａｇｎｅｔ  ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ  ｍａｃｈｉｎｅ、以下ＩＰＭＳＭと略す）は、永久磁石による磁束により発生するトルクの他に、回転子の磁気抵抗の違いを利用したリラクタンストルクを利用することで効率的にトルクを得ることが知られている。【０００３】
しかしながら、ＩＰＭＳＭは、あるトルクを発生するｄ軸電流、ｑ軸電流の組み合わせが無数に存在することが知られている。さらに、ｄ軸電流、ｑ軸電流それぞれの大きさをいくらにするか、即ち電流ベクトルをどのように選択するかによって、電動機に流れる電流の大きさや力率、鉄損、銅損等の電動機の特性が大きく変化することが知られている。このことから、ＩＰＭＳＭを効率よく運転するには、用途に応じた適切な電流ベクトルを選択して運転する必要がある。つまり、永久磁石同期電動機のベクトル制御装置においては、電動機に流れる電流ベクトルを以下に述べる所望の条件を満たすように瞬時制御するための適切な電流指令を生成する必要があり、トルク指令から電流指令を生成する電流指令生成部を如何に構成するかがシステム構成上重要となる。【０００４】
電流指令の選択方法としては、電動機の効率を最大とする方法、電動機の力率を１とする方法、ある鎖交磁束に対して得られるトルクを最大とする方法、ある電動機電流に対して得られるトルクを最大とする方法等が存在するが、電気車の制御装置への適用に際しては、ある電流に対して得られるトルクを最大とする方法（以下、最大トルク制御と呼称する）が、電動機の高効率運転を可能としつつ、インバータの電流定格を最小とでき、これによりインバータの損失も最小化できるため最適である。
関連した従来技術としては、電動機の種々のトルクに対応するｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑの最適値を事前に測定してマップ化しておき、電動機の運転中にトルク指令に応じてこのマップを随時参照して、トルク指令に応じたｄ軸電流指令ｉｄ＊、ｑ軸電流指令ｉｑ＊を得て、これに電動機の電流が一致するよう電流制御する方法が特許文献１に示されている。【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１２１８５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、マップを参照する方法に関しては、マップを作成するために種々のトルクで電動機を運転しながら電流を測定し、最適なｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑの組み合わせを決定する作業ステップが必須となり、マップの作成に多大な手間がかかる上、マップも容量が大きく複雑なものとなり、マップを格納するために大きなメモリ容量が必要となるなど実際のベクトル制御装置への実装も容易ではなく好ましくない。【０００７】
この発明は、上記のような従来の問題点を解決するためになされたもので、マップを使用することなく、簡易な演算式で最大トルク制御を実現できるｄ軸電流指令ｉｄ＊、ｑ軸電流指令ｉｑ＊を得る事ができ、実際のベクトル制御装置への容易な実装を可能とする電流指令生成部を備えた永久磁石同期電動機のベクトル制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係わる永久磁石同期電動機のベクトル制御装置は、直流電圧を任意の周波数の交流電圧に変換して出力するインバータによって駆動される永久磁石同期電動機の電流を、前記電動機の回転電気角に同期して回転するｄｑ軸座標上の量であるｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑに分離してそれぞれを制御する構成とした永久磁石同期電動機のベクトル制御装置であって、与えられたトルク指令からｄ軸電流指令ｉｄ＊、ｑ軸電流指令ｉｑ＊を生成する電流指令生成部と、前記電動機の電流が前記電流指令に一致するように動作する電流制御部を備え、前記電流指令生成部は、前記トルク指令を利用して第一のｄ軸基本電流指令ｉｄ１＊を生成するｄ軸基本電流指令生成部と、前記第一のｄ軸基本電流指令ｉｄ１＊を入力とし、ゼロ以下に制限した値を第二のｄ軸基本電流指令ｉｄ２＊として出力するリミッタ部と、第二のｄ軸基本電流指令ｉｄ２＊を入力とし、この電流指令ｉｄ２＊を、前記電流制御部より出力されたｄ軸電流指令補正値ｄＶに応じて補正した値をｄ軸電流指令ｉｄ＊として出力するｄ軸電流指令補正部と、前記ｄ軸電流指令ｉｄ＊からｑ軸電流指令ｉｑ＊を生成するｑ軸電流指令生成部とを具備し、前記トルク指令に対応したトルクを最小の電流で発生できるｄ軸電流指令ｉｄ＊、ｑ軸電流指令ｉｑ＊を生成するようにしたものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明の永久磁石同期電動機のベクトル制御装置によれば、マップを使用せず、簡易な演算式で最大トルク制御を実現することができ、かつ高速域では弱め磁束制御が可能となるｄ軸電流指令ｉｄ＊、ｑ軸電流指令ｉｑ＊を得ることができ、実際のベクトル制御装置への容易な実装を可能とした電流指令生成部を有する永久磁石同期電動機のベクトル制御装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１における永久磁石同期電動機のベクトル制御装置の構成を示す概略図である。
【図２】この発明の実施の形態１におけるトルク曲線と最小電流条件を示す曲線との関係を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１における電流指令生成部の構成を示すブロック図である。
【図４】この発明の実施の形態２における電流指令生成部の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００１１】
１：コンデンサ、２：インバータ、３、４、５：電流検出器、６：電動機、
７：レゾルバ、８：電圧検出器、１０：電流指令生成部、１１：ｄ軸基本電流指令
生成部、１２：リミッタ部、１３：絶対値回路、１４：加算器（ｄ軸電流指令補正部）
１５、１５Ａ：ｑ軸電流指令生成部、２０：電流制御部、１００：ベクトル制御装置。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における永久磁石同期電動機のベクトル制御装置の構成を示す図である。
図１に示すように、実施の形態１の永久磁石同期電動機のベクトル制御装置の主回路は、直流電源となるコンデンサ１、コンデンサ１の直流電圧から任意の周波数の交流電圧に変換するインバータ２、永久磁石同期電動機（以下、単に電動機と称す）６から構成されている。
回路上には、コンデンサ１の電圧を検出する電圧検出器８、インバータ２の出力線の電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを検出する電流検出器３、４、５が配置され、電動機６には、ロータ位置情報θｍを検出するレゾルバ７が配置されており、それぞれの検出信号はベクトル制御装置１００に入力されている。【００１３】
なお、レゾルバ７の代わりにエンコーダを使用しても良いし、レゾルバ７から得られる位置信号の代わりに、電圧、電流から位置信号を演算して求める位置センサレス方式を使用してもよく、この場合、レゾルバ７は不要となる。つまり、位置信号の取得はレゾルバ７を使用することに限定されない。
また、電流検出器３、４、５に関して、最低２相に設置してあれば残りの１相の電流は演算して求めることが可能であるので、そのように構成しても良いし、インバータ２の直流側電流からインバータ２の出力電流を再現して取得する構成でもよい。【００１４】
インバータ２にはベクトル制御装置１００により生成されるゲート信号Ｕ、Ｖ、Ｗ、Ｘ、Ｙ、Ｚが入力され、インバータ２に内蔵されるスイッチング素子がＰＷＭ制御される。
インバータ２は電圧型ＰＷＭインバータが好適であり、その構成は公知であるので詳細な説明は割愛する。
ベクトル制御装置１００には、図示しない上部の制御装置から、トルク指令Ｔ＊が入力される構成となっており、ベクトル制御装置１００は、トルク指令Ｔ＊に電動機６の発生トルクＴが一致するようにインバータ２を制御する構成となっている。【００１５】
次に、ベクトル制御装置１００の構成を説明する。
ベクトル制御装置１００は、電流指令生成部１０、電流制御部２０から構成されている。【００１６】
電流指令生成部１０は、この発明の中心をなす部分であり、トルク指令Ｔ＊と、ｄ軸電流指令補正量ｄＶを入力とし、ｄ軸電流指令ｉｄ＊、ｑ軸電流指令ｉｑ＊を生成する機能を有する。ｄ軸電流指令補正量ｄＶは、高速回転領域にて電動機６の誘起電圧がインバータ２の出力可能な最大電圧を超過しないように、弱め磁束運転を行うためにｄ軸電流指令を補正するための量である。
ｄ軸電流指令補正量ｄＶの算出方法の一例としては、電動機６への電圧指令がある設定値を超過した場合に、超過量に応じてｄ軸電流指令補正量ｄＶ（ゼロ以下の値をとる）を発生させる等の公知技術が存在するが、ここではその具体的構成は問わないため、説明は省略する。
なお、この電流指令生成部１０は、この発明の中心的な部分であるので詳細は後述する。【００１７】
電流制御部２０は、インバータ２の直流電圧ＥＦＣ、電動機６の位置情報θｍが入力され、インバータ２の出力側で検出した三相静止軸上の電動機電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを、電動機の回転電気角に同期して回転するｄｑ座標上の量に変換した電流であるｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑに変換する。そして、このｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑが、電流指令生成部１０にて生成したｄ軸電流指令ｉｄ＊、ｑ軸電流指令ｉｑ＊にそれぞれ一致するようにインバータ２へのゲート信号Ｕ、Ｖ、Ｗ、Ｘ、Ｙ、Ｚのオンオフを決定する機能を有する。なお、電流制御部２０の構成については、多くの公知技術が適用できるので、ここでは詳細な説明は省略する。【００１８】
以下に、この発明の中心である電流指令生成部１０の構成を理解する上で必要となる基本原理の説明を行う。
ある電流で最大トルクを得る最大トルク制御を実現するためのｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑの条件（以下、最小電流条件と称す）は、既に公知である以下の式（１）の通りである。【００１９】
【数１】
2008038338.tif 000003
ここで、Ｌｄはｄ軸インダクタンス(Ｈ)、Ｌｑはｑ軸インダクタンス(Ｈ)、φａは永久磁石磁束(Ｗｂ)、ｉｄはｄ軸電流(Ａ)、ｉｑはｑ軸電流(Ａ)である。【００２０】
式（１）の関係を満たすようにｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑを決定することで、あるトルクＴを発生する場合において、ｉｄ、ｉｑからなる電流ベクトルの大きさを最小とできる。即ち、電動機６の電流の大きさを最小とできる。【００２１】
一方、電動機６が発生するトルクＴを表す式は、既に公知である以下の式（２）の通りである。【００２２】
【数２】
2008038338.tif 000004
ここで、Ｐｎは電動機６の極対数である。【００２３】
式（２）をｑ軸電流ｉｑについて変形すると、以下の式（３）となる。【００２４】
【数３】
2008038338.tif 000005
【００２５】
式（１）と式（３）の連立方程式を解いてｉｄ、ｉｑを求めると、あるトルクＴを最小電流で発生させることのできるｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑの組み合わせを求めることができる。
ここで、式（１）、式（３）において、トルクＴをトルク指令Ｔ＊、ｄ軸電流ｉｄをｄ軸電流指令ｉｄ＊、ｑ軸電流ｉｑをｑ軸電流指令ｉｑ＊に読み替えて、式（１）、（３）の連立方程式をｉｄ＊、ｉｑ＊について解くことにより、上位の制御部から入力されたトルク指令Ｔ＊に対して、最小電流にてトルク指令Ｔ＊に一致したトルクＴを発生することのできるｄ軸電流指令ｉｄ＊、ｑ軸電流指令ｉｑ＊を得ることが理論上は可能となる。【００２６】
図２は、この発明の実施の形態１におけるトルク曲線と最小電流条件を示す曲線との関係を示す図である。
図２に示すトルク曲線と最小電流条件を示す曲線との関係は、横軸をｄ軸電流ｉｄ、縦軸をｑ軸電流ｉｑとして、式（１）、式（３）の関係を図示したものであり、右上から左下への曲線Ｔｏｒが、式（３）のトルクＴに力行トルクとしてＴ＝５０Ｎｍ〜１５００Ｎｍを代入して描画したトルク曲線である。又、左上から右下への曲線Ｉｍｉが、式（１）で表現される最小電流条件を示す曲線であり、あるトルクＴを最小電流で発生できるｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑの組み合わせを示すものである。
あるトルクＴを最小電流にて発生させることのできるｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑは、図２における式（１）を示す曲線Ｉｍｉと式（３）を示す曲線Ｔｏｒの交点を求めることで得ることができる。
なお、図２において、式（１）、（３）中のＰｎ、Ｌｄ、Ｌｑ、φａには、３００ＫＷ程度の電気車駆動用の電動機を想定した定数を仮定している。【００２７】
なお、回生時のトルク曲線と最小電流条件を示す曲線は、図２の図示しない第三象限に位置し、図２に示す力行時の各曲線を横軸に対して線対称となるよう描画した曲線となる。従って、そのことを考慮すれば、図２に示した力行時の各曲線で回生時についても同様に考えることができる。
具体的には、トルクＴとして力行トルク１３００Ｎｍを発生する場合の最小電流条件は、ｉｄ＝−２００Ａ、ｉｑ＝２３７Ａ程度の組み合わせとなることが図２から分かるが、トルクＴとして回生トルク−１３００Ｎｍを発生する場合の最小電流条件は、ｉｄ＝−２００Ａ、ｉｑ＝−２３７Ａ程度の組み合わせとなる。
もちろん、回生時のトルク曲線と最小電流条件を示す曲線を力行時とは別に設けて、回生運転時における、最小電流条件を満たすｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑを求める構成としても構わない。【００２８】
ところで、式（１）が示す曲線Ｉｍｉと式（３）が示す曲線Ｔｏｒの交点を求めるためには、式（１）と式（３）の連立方程式をｉｄとｉｑについて解く必要があるが、この連立方程式は４次方程式となり、解を得ることは困難であり、実際のベクトル制御装置への実装は困難である。このため、従来技術では、上述したとおりマップを用いてあるトルクＴを最小電流にて発生させることのできるｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑを得る構成としている場合が多い。【００２９】
これに対し、この出願の発明は、トルクＴを最小電流にて発生させることのできるｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑを、マップを用いず簡易な演算式で算出するものであり、以下この点について詳述する。
図２の最小電流条件を示す曲線Ｉｍｉは、二次曲線で表されるものの、ｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑが小さい領域（ｉｄ＞−５０Ａ、ｉｑ＜７５Ａ付近）を除くとほとんど直線状であることが分かる。そこで、最小電流条件を示す曲線を、ｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑが小さい領域（ｉｄ＞−５０Ａ、ｉｑ＜７５Ａ）を除いた範囲において直線近似した場合の近似直線Ｉａｐを図２に破線で示している。
図２より、近似直線Ｉａｐは、ほぼ最小電流条件の曲線上に存在していることが分かる。【００３０】
この発明の対象である電気車の制御用途では、ｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑが小さい領域において電動機６が運転されるケースは、電気車の速度を一定に維持する目的で微小なトルクで運転する定速運転扱い時等に限られ、その頻度は全運転時間のうちのわずかである。このため、最小電流条件を示す曲線を直線で近似しても、ほとんどの場合は最小電流条件にて運転されることになり、実用上の問題はない。
図２の最小電流条件を示す曲線の近似直線を、以下の式（４）とおく。【００３１】
【数４】
2008038338.tif 000006
【００３２】
図２の例では、傾きａ=−１．０３０９、切片ｂ=３０．０となっている。
式（４）の近似直線を使用した場合、あるトルクＴを最小電流にて発生させることのできるｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑは、トルク曲線Ｔｏｒと最小電流条件を示す近似直線Ｉａｐとの交点を求めることで得られ、これらは前記式（３）と、式（４）の連立方程式を解けば求めることが可能である。この連立方程式は、二次方程式となるので、容易に解くことが可能となる。式（３）、式（４）を整理すると、以下の式（５）を得る。【００３３】
【数５】
2008038338.tif 000007
【００３４】
式（５）より、ｄ軸電流ｉｄを求めると、以下の式（６）のとおりとなる。【００３５】
【数６】
2008038338.tif 000008
【００３６】
式（６）から、あるトルクＴを最小電流にて発生させることのできる、即ち最大トルク制御を実現するｄ軸電流ｉｄを得ることが可能となる。
ｑ軸電流ｉｑは、式（３）にｉｄを代入することで得られる。
なお、式(６)中のａ、ｂは図２に示したように、式(１)の最小電流条件を示す曲線の近似直線から、あらかじめ求めておくとよい。【００３７】
以上が最大トルク制御を実現できる電流ベクトル即ちｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑの組み合わせを得る方法の原理説明である。
次に、永久磁石同期電動機のベクトル制御に好適な、具体的な電流指令生成部１０の構成を以下に説明する。【００３８】
図３はこの発明の実施の形態１における電流指令生成部１０の構成を示す図である。
図３に示すように、トルク指令Ｔ＊を絶対値回路１３を介して得たトルク指令絶対値Ｔａｂｓ＊と、式（４）で表される最小電流条件を示す近似直線の傾きａ、切片ｂから、ｄ軸基本電流指令生成部１１により以下の式（７）に基づき第一のｄ軸基本電流指令ｉｄ１＊が算出される。
なお、式（７）は、式（６）のｄ軸電流ｉｄを第一のｄ軸基本電流指令ｉｄ１＊に、トルクＴをトルク指令絶対値Ｔａｂｓ＊にそれぞれ置き換えて得たものである。【００３９】
【数７】
2008038338.tif 000009
【００４０】
式（７）により算出された第一のｄ軸基本電流指令ｉｄ１＊は、リミッタ部１２に入力され、ｉｄ１＊が正の場合、リミッタ部１２の出力である第二のｄ軸基本電流指令ｉｄ２＊はゼロとなり、ｉｄ１＊が負であれば、リミッタ部１２の出力であるｉｄ２＊はｉｄ１＊と等しくなる。つまり、ｉｄ２＊がゼロより大きくならないように制限する機能を有する。【００４１】
このように、第二のｄ軸基本電流指令ｉｄ２＊の上限値をゼロに制限することで、特にトルク指令Ｔ＊が小さい領域(おおよそ５０Ｎｍ以下)において、図２の第一象限（図示しない）にトルク曲線と最小電流条件を示す近似直線との交点が生じて、最小電流条件から大きく外れたｄ軸電流指令ｉｄ＊、ｑ軸電流指令ｉｑ＊が算出されることを防止できる。
別の見方をすれば、トルク指令Ｔ＊が小さい領域においては、自動的に公知技術であるｉｄ＝０に固定する制御に移行することが可能となる。
なお、式（７）において、トルク指令絶対値Ｔａｂｓ＊を使用することで、力行トルク、回生トルクのいずれを出力する場合においても、単一の式（７）で第一のｄ軸基本電流指令ｉｄ１＊を得ることが可能となり演算の簡易化が図れる。【００４２】
次いで、ｄ軸電流指令補正部をなす加算器１４にて第二のｄ軸基本電流指令ｉｄ２＊とｄ軸電流指令補正量ｄＶの和をとった値を、ｄ軸電流指令ｉｄ＊とする。
なお、ｄ軸電流指令補正量ｄＶは電動機６の運転状態に応じてゼロ以下の値を取る。
このようにして、電動機６の回転が中低速で、電動機６の電圧がインバータ２の出力可能な最大電圧以下である場合には、ｄ軸電流指令補正量ｄＶはゼロとなり最小電流条件を満たすｄ軸電流指令ｉｄ＊が得られ、高速回転領域にて電動機６の電圧がインバータ２の出力可能な最大電圧を超過する状態においては、ｄ軸電流指令補正量ｄＶに応じてｄ軸電流指令ｉｄ＊を減少させてゆくことが可能となり、弱め磁束運転が可能となる。【００４３】
最後に、ｑ軸電流指令生成部１５において、以下の式（８）にｄ軸電流指令ｉｄ＊、トルク指令Ｔ＊を代入することで、ｑ軸電流指令ｉｑ＊を得る。
なお、式（８）は、式（３）のｄ軸電流ｉｄをｄ軸電流指令ｉｄ＊に、ｑ軸電流ｉｑをｑ軸電流指令ｉｑ＊に、トルクＴをトルク指令Ｔ＊にそれぞれ置き換えて得た式である。【００４４】
【数８】
2008038338.tif 000010
【００４５】
このようにして、この発明の実施の形態１の永久磁石同期電動機のベクトル制御装置によれば、マップを使用せず、簡易な演算式で最大トルク制御を実現することができ、かつ高速域では弱め磁束制御が可能となるｄ軸電流指令ｉｄ＊、ｑ軸電流指令ｉｑ＊を得ることが可能となる。
このｄ軸電流指令ｉｄ＊、ｑ軸電流指令ｉｑ＊に電動機６の電流が一致するように、電流制御器２０によって制御を実施することにより、電動機６を最大トルク制御することが可能な永久磁石同期電動機のベクトル制御装置を得ることが可能となる。【００４６】
なお、上記に示した電流指令生成部１０内の各演算式に使用されている電動機定数Ｌｄ、Ｌｑ、φａや、近似直線の傾きａ、切片ｂは任意のタイミングで変更しても良い。
例えば、電動機６の速度、トルクの大きさ、電流の大きさ、力行／回生等の運転状態に応じて変更したり、トルク指令Ｔ＊、ｄ軸電流指令ｉｄ＊、ｑ軸電流指令ｉｑ＊あるいは検出値であるｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑに応じて変更したり、調整することが考えられる。
このようにすれば、図２に示すｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑが小さい領域（ｉｄ＞−５０Ａ、ｉｑ＜７５Ａ付近）においても、より正確な最小電流条件が算出できるなど、より理想的な動作点が得られる。【００４７】
なお、電動機定数Ｌｄ、Ｌｑ、φａや、近似直線の傾きａ、切片ｂを変更したり調整したりする際には、電動機６の速度、トルクの大きさ、電流の大きさ、トルク指令Ｔ＊、ｄ軸電流指令ｉｄ＊、ｑ軸電流指令ｉｑ＊あるいはｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑの各値をそのまま参照せずに、前記各値をローパスフィルタや一次遅れ回路のような遅れ要素を介した値を参照する構成とするのが、制御系の安定性を確保する観点から望ましい。
また、特に電動機定数Ｌｄ、Ｌｑは磁気飽和の影響を受けて値が変化する場合があるので、適宜補正するように構成するのが好ましい。【００４８】
実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２の永久磁石同期電動機のベクトル制御装置における電流指令生成部１０の構成例を示す図である。
ここでは、図３に示した実施の形態１の構成例と異なる部分のみ説明し、同様の部分は図３と同一の符号をつけて説明は省略する。
図４に示すように、実施の形態２の電流指令生成部１０においては、図３のｑ軸電流指令生成部１５が、図４ではｑ軸電流指令生成部１５Ａに変更している。【００４９】
ｑ軸電流指令生成部１５Ａにおいて、以下の式（９）にｄ軸電流指令ｉｄ＊、近似直線の傾きａ、切片ｂを代入することで、ｑ軸電流指令ｉｑ＊を得る。
なお、式（９）は、式（４）のｄ軸電流ｉｄをｄ軸電流指令ｉｄ＊に、ｑ軸電流ｉｑをｑ軸電流指令ｉｑ＊にそれぞれ置き換えて得た式である。【００５０】
【数９】
2008038338.tif 000011
【００５１】
この実施の形態２によれば、式（９）からｑ軸電流指令ｉｑ＊を算出することで、式（８）からｉｑ＊を演算する実施の形態１と比べて、式構成が簡単であるため、演算量を抑制することが可能となり、安価なマイコンが使用できる。【００５２】
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。【００５３】
さらに、上述の実施の形態においては、電気車の制御装置への適用を考慮して発明内容の説明を実施しているが、この発明の適用分野はこれに限られるものではなく、電気自動車、エレベータ、電力システム等、種々の関連分野への応用が可能であることは言うまでもない。
【図１】
2008038338.tif 000015
【図２】
2008038338.tif 000016
【図３】
2008038338.tif 000017
【図４】
2008038338.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成19年6月21日(2007.6.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧を任意の周波数の交流電圧に変換して出力するインバータによって駆動される永久磁石同期電動機の電流を、前記電動機の回転電気角に同期して回転するｄｑ軸座標上の量であるｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑに分離してそれぞれを制御する構成とした永久磁石同期電動機のベクトル制御装置であって、与えられたトルク指令からｄ軸電流指令ｉｄ＊、ｑ軸電流指令ｉｑ＊を生成する電流指令生成部と、前記電動機の電流が前記電流指令に一致するように動作する電流制御部を備え、
前記電流指令生成部は、前記トルク指令を利用して第一のｄ軸基本電流指令ｉｄ１＊を生成するｄ軸基本電流指令生成部と、前記第一のｄ軸基本電流指令ｉｄ１＊を入力とし、ゼロ以下に制限した値を第二のｄ軸基本電流指令ｉｄ２＊として出力するリミッタ部と、第二のｄ軸基本電流指令ｉｄ２＊を入力とし、この電流指令ｉｄ２＊を、前記電流制御部より出力されたｄ軸電流指令補正値ｄＶに応じて補正した値をｄ軸電流指令ｉｄ＊として出力するｄ軸電流指令補正部と、前記ｄ軸電流指令ｉｄ＊からｑ軸電流指令ｉｑ＊を生成するｑ軸電流指令生成部とを具備し、前記トルク指令に対応したトルクを最小の電流で発生できるｄ軸電流指令ｉｄ＊、ｑ軸電流指令ｉｑ＊を生成するようにした永久磁石同期電動機のベクトル制御装置において、
前記ｄ軸基本電流指令生成部は、前記電動機のトルクとｄ軸電流とｑ軸電流との関係を示す以下の式（３）と、前記電動機があるトルクを最小の電流で発生できる条件を示した曲線を線形近似したものであって、ｄ軸電流とｑ軸電流との関係を示した傾きａと切片ｂを有する以下の一次式（４）、との交点を求めることにより、第一のｄ軸基本電流指令ｉｄ１＊を生成する構成とし、
以下の第一の数式（７）から第一のｄ軸基本電流指令ｉｄ１＊を生成することを特徴とする永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。
【数１３】
2008038338.tif 000019
【請求項２】
前記第一の数式において、式中のＬｄ、Ｌｑ、φａ、ａ、ｂのうち何れかは、任意のタイミングで変更されることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。
【請求項３】
前記第一の数式において、式中のＬｄ、Ｌｑ、φａ、ａ、ｂのうち何れかは、前記電動機のｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑ、前記ｄ軸電流指令ｉｄ＊、ｑ軸電流指令ｉｑ＊、前記トルク指令Ｔ＊を含む信号に応じて変更されることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。
【請求項４】
前記ｑ軸電流指令ｉｑ＊は、前記ｄ軸電流指令ｉｄ＊を以下の第二の数式に代入して生成することを特徴とする請求項１に記載の永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。
【数１１】
2008038338.tif 000020
【請求項５】
前記第二の数式において、式中のＬｄ、Ｌｑ、φａのうち何れかは、任意のタイミングで変更されることを特徴とする請求項４に記載の永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。
【請求項６】
前記第二の数式において、式中のＬｄ、Ｌｑ、φａのうち何れかは、前記電動機のｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑ、前記ｄ軸電流指令ｉｄ＊、ｑ軸電流指令ｉｑ＊、前記トルク指令Ｔ＊を含む信号に応じて変更されることを特徴とする請求項４に記載の永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。
【請求項７】
前記ｑ軸電流指令ｉｑ＊は、前記ｄ軸電流指令ｉｄ＊を以下の第三の数式に代入して生成することを特徴とする請求項１に記載の永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。
【数１２】
2008038338.tif 000021
【請求項８】
前記第三の数式において、式中のａ、ｂのうち何れかは、任意のタイミングで変更されることを特徴とする請求項７に記載の永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。
【請求項９】
前記第三の数式において、式中のａ、ｂのうち何れかは、前記電動機のｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑ、前記ｄ軸電流指令ｉｄ＊、ｑ軸電流指令ｉｑ＊、前記トルク指令Ｔ＊を含む信号に応じて変更されることを特徴とする請求項７に記載の永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
この発明に係わる永久磁石同期電動機のベクトル制御装置は、直流電圧を任意の周波数の交流電圧に変換して出力するインバータによって駆動される永久磁石同期電動機の電流を、前記電動機の回転電気角に同期して回転するｄｑ軸座標上の量であるｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑに分離してそれぞれを制御する構成とした永久磁石同期電動機のベクトル制御装置であって、与えられたトルク指令からｄ軸電流指令ｉｄ＊、ｑ軸電流指令ｉｑ＊を生成する電流指令生成部と、前記電動機の電流が前記電流指令に一致するように動作する電流制御部を備え、前記電流指令生成部は、前記トルク指令を利用して第一のｄ軸基本電流指令ｉｄ１＊を生成するｄ軸基本電流指令生成部と、前記第一のｄ軸基本電流指令ｉｄ１＊を入力とし、ゼロ以下に制限した値を第二のｄ軸基本電流指令ｉｄ２＊として出力するリミッタ部と、第二のｄ軸基本電流指令ｉｄ２＊を入力とし、この電流指令ｉｄ２＊を、前記電流制御部より出力されたｄ軸電流指令補正値ｄＶに応じて補正した値をｄ軸電流指令ｉｄ＊として出力するｄ軸電流指令補正部と、前記ｄ軸電流指令ｉｄ＊からｑ軸電流指令ｉｑ＊を生成するｑ軸電流指令生成部とを具備し、前記トルク指令に対応したトルクを最小の電流で発生できるｄ軸電流指令ｉｄ＊、ｑ軸電流指令ｉｑ＊を生成するようにした永久磁石同期電動機のベクトル制御装置において、
前記ｄ軸基本電流指令生成部は、前記電動機のトルクとｄ軸電流とｑ軸電流との関係を示す以下の式（３）と、前記電動機があるトルクを最小の電流で発生できる条件を示した曲線を線形近似したものであって、ｄ軸電流とｑ軸電流との関係を示した傾きａと切片ｂを有する以下の一次式（４）、との交点を求めることにより、第一のｄ軸基本電流指令ｉｄ１＊を生成する構成とし、
以下の第一の数式（７）から第一のｄ軸基本電流指令ｉｄ１＊を生成するようにしたもの
である。
【数１３】
2008038338.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成19年9月24日(2007.9.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
直流電圧を任意の周波数の交流電圧に変換して出力するインバータによって駆動される永久磁石同期電動機の電流を、前記電動機の回転電気角に同期して回転するｄｑ軸座標上の量であるｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑに分離してそれぞれを制御する構成とした永久磁石同期電動機のベクトル制御装置であって、与えられたトルク指令からｄ軸電流指令ｉｄ＊、ｑ軸電流指令ｉｑ＊を生成する電流指令生成部と、前記電動機の電流が前記電流指令に一致するように動作する電流制御部を備え、前記電流指令生成部は、前記トルク指令を利用して第一のｄ軸基本電流指令ｉｄ１＊を生成するｄ軸基本電流指令生成部と、前記第一のｄ軸基本電流指令ｉｄ１＊を入力とし、この第一のｄ軸基本電流指令ｉｄ１＊をゼロ以下に制限した値を第二のｄ軸基本電流指令ｉｄ２＊として出力するリミッタ部と、前記第二のｄ軸基本電流指令ｉｄ２＊を入力とし、この電流指令ｉｄ２＊を、前記電流制御部より出力されたｄ軸電流指令補正値ｄＶに応じて補正した値をｄ軸電流指令ｉｄ＊として出力するｄ軸電流指令補正部と、前記ｄ軸電流指令ｉｄ＊からｑ軸電流指令ｉｑ＊を生成するｑ軸電流指令生成部とを具備し、前記トルク指令に対応したトルクを最小の電流で発生できるｄ軸電流指令ｉｄ＊、ｑ軸電流指令ｉｑ＊を生成するものであって、
前記ｄ軸基本電流指令生成部は、前記電動機のトルクとｄ軸電流とｑ軸電流との関係を示す以下の式（３）と、前記電動機があるトルクを最小の電流で発生できる条件を示した曲線をｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑが小さい領域を除いた範囲において線形近似したものであって、ｄ軸電流とｑ軸電流との関係を示した傾きａと切片ｂを有する以下の一次式（４）、との交点を求めることにより、前記第一のｄ軸基本電流指令ｉｄ１＊を生成する構成とし、
以下の第一の数式（７）から前記第一のｄ軸基本電流指令ｉｄ１＊を生成することを特徴とする電気車の制御装置へ適用される永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。
【数１３】
2008038338.tif 000023
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
この発明に係わる永久磁石同期電動機のベクトル制御装置は、直流電圧を任意の周波数の交流電圧に変換して出力するインバータによって駆動される永久磁石同期電動機の電流を、前記電動機の回転電気角に同期して回転するｄｑ軸座標上の量であるｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑに分離してそれぞれを制御する構成とした永久磁石同期電動機のベクトル制御装置であって、与えられたトルク指令からｄ軸電流指令ｉｄ＊、ｑ軸電流指令ｉｑ＊を生成する電流指令生成部と、前記電動機の電流が前記電流指令に一致するように動作する電流制御部を備え、前記電流指令生成部は、前記トルク指令を利用して第一のｄ軸基本電流指令ｉｄ１＊を生成するｄ軸基本電流指令生成部と、前記第一のｄ軸基本電流指令ｉｄ１＊を入力とし、この第一のｄ軸基本電流指令ｉｄ１＊をゼロ以下に制限した値を第二のｄ軸基本電流指令ｉｄ２＊として出力するリミッタ部と、前記第二のｄ軸基本電流指令ｉｄ２＊を入力とし、この電流指令ｉｄ２＊を、前記電流制御部より出力されたｄ軸電流指令補正値ｄＶに応じて補正した値をｄ軸電流指令ｉｄ＊として出力するｄ軸電流指令補正部と、前記ｄ軸電流指令ｉｄ＊からｑ軸電流指令ｉｑ＊を生成するｑ軸電流指令生成部とを具備し、前記トルク指令に対応したトルクを最小の電流で発生できるｄ軸電流指令ｉｄ＊、ｑ軸電流指令ｉｑ＊を生成するものであって、
前記ｄ軸基本電流指令生成部は、前記電動機のトルクとｄ軸電流とｑ軸電流との関係を示す以下の式（３）と、前記電動機があるトルクを最小の電流で発生できる条件を示した曲線をｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑが小さい領域を除いた範囲において線形近似したものであって、ｄ軸電流とｑ軸電流との関係を示した傾きａと切片ｂを有する以下の一次式（４）、との交点を求めることにより、前記第一のｄ軸基本電流指令ｉｄ１＊を生成する構成とし、
以下の第一の数式（７）から前記第一のｄ軸基本電流指令ｉｄ１＊を生成するようにしたことを特徴とする電気車の制御装置へ適用される永久磁石同期電動機のベクトル制御装置である。
【数１３】
2008038338.tif 000024
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５３
【補正方法】削除
【補正の内容】
【国際調査報告】
2008038338.tif 000025
2008038338.tif 000026