(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石同期電動機に電力を供給する電力変換器と、前記永久磁石同期電動機の入力電流を検出する電流検出器と、前記永久磁石同期電動機の回転子の位置情報を検出する位置検出器と、前記位置検出器の出力から電気角速度を演算する電気角速度演算器と、前記電流検出器の出力と前記位置検出器の出力から電流成分の変換を行う電流成分変換器と、トルク指令から電流指令を生成する指令変換器と、前記指令変換器の出力と前記電流成分変換器の出力から電圧指令を生成する電流制御器と、該電流制御器の出力と前記位置検出器の出力から電圧成分の変換を行う電圧成分変換器からなり、制御周期毎に前記電力変換器に電圧指令を与えて制御する永久磁石同期電動機の制御装置において、
ｔ（ｎ）時点から前記制御周期の期間に前記永久磁石同期電動機に印加される平均電圧と、前記ｔ（ｎ）時点の前記電流検出器の出力と、前記ｔ（ｎ）時点の前記電気角速度演算器の出力と、前記永久磁石同期電動機の定数（例えば巻線抵抗値、インダクタンス値、永久磁石磁束等）を用いて前記ｔ（ｎ）から１制御周期後のｔ（ｎ＋１）時点に流れる電流を予測する電流予測器と、
前記電流制御器の代わりに前記電流予測器の出力と、前記指令変換器の出力と、前記永久磁石同期電動機の前記定数とを用いて前記ｔ（ｎ）時点から２制御周期後のｔ（ｎ＋２）時点の前記電流成分変換器の出力が前記指令変換器の出力と一致するような電圧指令を生成する新電流制御器と、
前記電気角速度演算器の出力と前記制御周期から位置補正値を求める位置補正演算器と、前記位置検出器の出力と前記位置補正値とを加算して補正後位置検出値を求める加算器を持つことを特徴とする永久磁石同期電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換器を用いて永久磁石同期電動機を制御する制御装置の電流制御および制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図２を用いて従来技術を説明する。
電力変換器１は永久磁石同期電動機２に電力を供給する。位置検出器３は永久磁石同期電動機２の回転子の位置情報θを検出する。電流検出器４は永久磁石同期電動機２の入力電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを検出するものである。電流成分変換器５は前記入力電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗと前記位置情報θから式１と式２を用いて電流成分の変換を行い、ｄ軸成分のｄ軸電流ｉｄと直交するｑ軸成分のｑ軸電流ｉｑに分けて出力する。
【０００３】
【数１】
0005550423.tif 000002
【０００４】
【数２】
0005550423.tif 000003
【０００５】
指令変換器６はトルク指令Ｔ＊を入力して永久磁石同期電動機２の出力がトルク指令Ｔ＊に追従するようなｄ軸電流指令ｉｄ＊およびｑ軸電流指令ｉｑ＊を出力する。電流制御器７はＰＩ制御器７１、７２で構成され、制御周期毎に前記ｄ軸電流指令ｉｄ＊およびｑ軸電流指令ｉｑ＊と前記ｄ軸電流ｉｄおよびｑ軸電流ｉｑとの偏差を加減算器９１、９２を用いて求め、前記ＰＩ制御器７１、７２を用いてＰＩ制御を行ってｄ軸電圧指令ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令ｖｑ＊を出力する。電圧成分変換器８は前記ｄ軸電圧指令ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令ｖｑ＊を前記位置情報θを用いて電圧成分の変換を行い、三相交流電圧指令ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊を電力変換器１に出力する。この電流制御手法は特開２００２−９５３００号公報に適用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−９５３００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
解決しようとする問題点として２点が挙げられる。
第１点は電圧指令を生成する際に制御周期毎に電流検出器から検出した電流値と電流指令値の偏差を求め、ＰＩ制御を行っているため無駄時間が発生し、この無駄時間により、例えば電流制御の応答を速くしようとした場合にＰＩ制御のゲインを高く設定して電流制御を行うと電流制御が不安定となるため、ＰＩ制御のゲインを低く設定しなければならず、電流制御の応答を速くすることができない点である。上記第１点の問題点を解決するために前記制御周期を限りなく短くし、無駄時間を小さくすれば無駄時間による問題点は解決するが、各々の演算処理を考慮すると前記制御周期を限りなく短くするのは困難である。
第２点はＰＩ制御には必ずオーバーシュートが発生してしまうという点である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以上のような問題点を解決するために本発明は、永久磁石同期電動機に電力を供給する電力変換器と、前記永久磁石同期電動機の入力電流を検出する電流検出器と、前記永久磁石同期電動機の回転子の位置情報を検出する位置検出器と、前記位置検出器の出力から電気角速度を演算する電気角速度演算器と、前記電流検出器の出力と前記位置検出器の出力から電流成分の変換を行う電流成分変換器と、トルク指令から電流指令を生成する指令変換器と、前記指令変換器の出力と前記電流成分変換器の出力から電圧指令を生成する電流制御器と、該電流制御器の出力と前記位置検出器の出力から電圧成分の変換を行う電圧成分変換器からなり、制御周期毎に前記電力変換器に電圧指令を与えて制御する永久磁石同期電動機の制御装置において、
電圧指令値を生成する際にＰＩ制御を用いずに式３に示す永久磁石同期電動機の電圧方程式を利用し、ｔ（ｎ）時点から前記制御周期の期間に前記永久磁石同期電動機に印加される平均電圧と、前記ｔ（ｎ）時点の前記電流検出器の出力と、前記ｔ（ｎ）時点の前記電気角速度演算器の出力と、前記永久磁石同期電動機の定数（例えば巻線抵抗値、インダクタンス値、永久磁石磁束等）を用いて前記ｔ（ｎ）から１制御周期後のｔ（ｎ＋１）時点に流れる電流を予測する電流予測器と、前記電流制御器の代わりに前記電流予測器の出力と、前記指令変換器の出力と、前記永久磁石同期電動機の前記定数を用いて前記ｔ（ｎ）時点から２制御周期後のｔ（ｎ＋２）時点の前記電流成分変換器の出力が前記指令変換器の出力と一致するような電圧指令を生成する新電流制御器と、前記電気角速度演算器の出力と前記制御周期から位置補正値を求める位置補正演算器と、前記位置検出器の出力と前記位置補正値とを加算して補正後位置検出値を求める加算器を持つことを特徴とする。
【０００９】
【数３】
0005550423.tif 000004
ｖｄ、ｖｑ：永久磁石同期電動機のｄ軸電圧およびｑ軸電圧
ω：電気角速度
Ｒ：巻線抵抗
Ｌｄ、Ｌｑ：ｄ軸インダクタンスおよびｑ軸インダクタンス
φ：巻線に鎖交する永久磁石磁束
ｐ＝ｄ／ｄｔ
【００１０】
請求項１の発明によれば、
永久磁石同期電動機に電力を供給する電力変換器と、前記永久磁石同期電動機の入力電流を検出する電流検出器と、前記永久磁石同期電動機の回転子の位置情報を検出する位置検出器と、前記位置検出器の出力から電気角速度を演算する電気角速度演算器と、前記電流検出器の出力と前記位置検出器の出力から電流成分の変換を行う電流成分変換器と、トルク指令から電流指令を生成する指令変換器と、前記指令変換器の出力と前記電流成分変換器の出力から電圧指令を生成する電流制御器と、該電流制御器の出力と前記位置検出器の出力から電圧成分の変換を行う電圧成分変換器からなり、制御周期毎に前記電力変換器に電圧指令を与えて制御する永久磁石同期電動機の制御装置において、
ｔ（ｎ）時点から前記制御周期の期間に前記永久磁石同期電動機に印加される平均電圧と、前記ｔ（ｎ）時点の前記電流検出器の出力と、前記ｔ（ｎ）時点の前記電気角速度演算器の出力と、前記永久磁石同期電動機の定数（例えば巻線抵抗値、インダクタンス値、永久磁石磁束等）を用いて前記ｔ（ｎ）から１制御周期後のｔ（ｎ＋１）時点に流れる電流を予測する電流予測器と、
前記電流制御器の代わりに前記電流予測器の出力と、前記指令変換器の出力と、前記永久磁石同期電動機の前記定数とを用いて前記ｔ（ｎ）時点から２制御周期後のｔ（ｎ＋２）時点の前記電流成分変換器の出力が前記指令変換器の出力と一致するような電圧指令を生成する新電流制御器と、
前記電気角速度演算器の出力と前記制御周期から位置補正値を求める位置補正演算器と、前記位置検出器の出力と前記位置補正値とを加算して補正後位置検出値を求める加算器を持つことを特徴とする永久磁石同期電動機の制御装置。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、電圧指令を生成する際に電流検出器から検出した電流値と電流指令値の偏差を求めてＰＩ制御を行わないため無駄時間によって電流制御が不安定になることがなくなり制御応答を速くすることが可能であると共にＰＩ制御で必ず発生するオーバーシュートを無くすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明による実施方法を示した図である。（実施例１）
【図２】従来技術を説明した図である。
【図３】電圧指令と制御周期の関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は本発明の１実施例を示す図であり、図１を用いて説明する。電力変換器１は永久磁石同期電動機２に電力を供給する。位置検出器３は永久磁石同期電動機２のｔ（ｎ）時点の回転子の位置情報θを検出する。電気角速度演算器１２は前記位置情報θから前記ｔ（ｎ）時点の電気角速度ωを演算するものである。電流検出器４は永久磁石同期電動機２の前記ｔ（ｎ）時点の入力電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを検出するものである。電流成分変換器５は前記入力電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗと前記位置情報θから電流成分の変換を行い、前記ｔ（ｎ）時点のｄ軸成分のｄ軸電流ｉｄ（ｎ）と直交するｑ軸成分のｑ軸電流ｉｑ（ｎ）に分けて出力する。指令変換器６はトルク指令Ｔ＊を入力して永久磁石同期電動機２の出力がトルク指令Ｔ＊に追従するようなｄ軸電流指令ｉｄ＊およびｑ軸電流指令ｉｑ＊を出力する。電流予測器１０は制御周期毎に制御される電力変換器１において前記ｔ（ｎ）時点から前記制御周期の期間に永久磁石同期電動機２に印加される平均電圧と、前記ｄ軸電流ｉｄ（ｎ）およびｑ軸電流ｉｑ（ｎ）と、前記電気角速度ωと、永久磁石同期電動機２の定数（例えば巻線抵抗値、インダクタンス値、永久磁石磁束等）から前記ｔ（ｎ）時点から１制御周期後のｔ（ｎ＋１）時点に流れるｄ軸電流予測値ｉｄ（ｎ＋１）とｑ軸電流予測値ｉｑ（ｎ＋１）を出力するものである。新電流制御器１１は前記ｄ軸電流予測値ｉｄ（ｎ＋１）およびｑ軸電流予測値ｉｑ（ｎ＋１）と永久磁石同期電動機２の前記定数とを用いて前記ｔ（ｎ）時点から２制御周期後のｔ（ｎ＋２）時点の電流成分変換器５の出力が前記ｄ軸電流指令ｉｄ＊およびｑ軸電流指令ｉｑ＊と一致するようなｄ軸電圧指令ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令ｖｑ＊を出力する。位置補正値演算器１３は前記電気角速度ωを入力して位置補正値θ１を出力する。加算器１４は前記位置情報θと前記位置補正値θ１とを加算し、補正後位置情報θｘを電圧成分変換器８に出力する。電圧成分変換器８は前記ｄ軸電圧指令ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令ｖｑ＊と前記補正後位置情報θｘを用いて電圧成分の変換を行い、三相交流電圧指令ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊を電力変換器１に出力する。
【００１５】
電流予測器１０で前記ｔ（ｎ＋１）時点に流れる前記ｄ軸電流予測値ｉｄ（ｎ＋１）およびｑ軸電流予測値ｉｑ（ｎ＋１）を予測する方法を説明する。
【００１６】
式３に示した永久磁石同期電動機の電圧方程式において、前記現在ｔ（ｎ）時点から前記制御周期の期間に永久磁石同期電動機２に印加されるｄ軸電圧およびｑ軸電圧の平均値を式４に示す。
【００１７】
【数４】
0005550423.tif 000005
ｖｄａｖｅ１、ｖｑａｖｅ１：
ｔ（ｎ）時点から制御周期の期間に永久磁石同期電動機２に印加されるｄ軸電圧
およびｑ軸電圧の平均値
ｉｄ（ｎ）、ｉｑ（ｎ）：
ｔ（ｎ）時点に永久磁石同期電動機２に流れるｄ軸電流およびｑ軸電流
ｉｄ（ｎ＋１）、ｉｑ（ｎ＋１）：
ｔ（ｎ＋１）時点に永久磁石同期電動機２に流れるｄ軸電流予測値およびｑ軸電
流予測値
Ｔｓ：制御周期
ω：電気角速度
Ｒ：巻線抵抗
Ｌｄ、Ｌｑ：ｄ軸インダクタンスおよびｑ軸インダクタンス
φ：巻線に鎖交する永久磁石磁束
【００１８】
ここで式４を前記ｔ（ｎ）時点に流れる前記ｄ軸電流ｉｄ（ｎ）およびｑ軸電流ｉｑ（ｎ）、前記ｔ（ｎ＋１）時点に流れる前記ｄ軸電流予測値ｉｄ（ｎ＋１）およびｑ軸電流予測値ｉｑ（ｎ＋１）に関する項に分解して書き直すと式５になる。
【００１９】
【数５】
0005550423.tif 000006
【００２０】
式５を前記ｔ（ｎ＋１）時点に流れる前記ｄ軸電流予測値ｉｄ（ｎ＋１）およびｑ軸電流予測値ｉｑ（ｎ＋１）について解いたものを式６に示す。
【００２１】
【数６】
0005550423.tif 000007
ここで、
【数７】
0005550423.tif 000008
である。
【００２２】
以上のように式６を用いれば前記ｔ（ｎ＋１）時点に流れる前記ｄ軸電流予測値ｉｄ（ｎ＋１）およびｑ軸電流予測値ｉｄ（ｎ＋１）を予測することが可能である。
【００２３】
次に新電流制御器１１で前記ｄ軸電圧指令ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令ｖｑ＊を生成する方法を説明する。
【００２４】
図３は前記ｄ軸電圧指令ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令ｖｑ＊と前記制御周期の関係を示した図である。前記ｔ（ｎ＋１）時点に流れる前記ｄ軸電流予測値ｉｄ（ｎ＋１）およびｑ軸電流予測値ｉｑ（ｎ＋１）は前記ｔ（ｎ）時点から前記制御周期の期間に永久磁石同期電動機２に印加されるｄ軸電圧ｖｄａｖｅ１およびｑ軸電圧ｖｑａｖｅ１の平均値から予測している。前記ｄ軸電圧指令ｖｄ*およびｑ軸電圧指令ｖｑ*は前記ｔ（ｎ＋２）時点で電流成分変換器５の出力が前記ｄ軸電流指令ｉｄ＊およびｑ軸電流指令ｉｑ＊に一致するような電圧指令であり、前記ｔ（ｎ＋１）時点から前記制御周期の期間に永久磁石同期電動機２に印加される電圧の平均値といえる。式４を用いて前記ｔ（ｎ＋１）時点から前記制御周期の期間に永久磁石同期電動機２に印加される電圧の平均値を求めると式８になる。
【００２５】
【数８】
0005550423.tif 000009
ｖｄａｖｅ２、ｖｑａｖｅ２：
ｔ（ｎ＋１）時点から前記制御周期の期間に永久磁石同期電動機２に印加されるｄ
軸電圧およびｑ軸電圧の平均値
ｉｄ（ｎ＋２）、ｉｑ（ｎ＋２）：
ｔ（ｎ＋２）時点に永久磁石同期電動機２に流れるｄ軸電流予測値およびｑ軸電流
予測値
【００２６】
ここで前述したように前記ｄ軸電圧指令ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令ｖｑ＊は前記ｔ（ｎ＋１）時点から前記制御周期の期間に永久磁石同期電動機２に印加される電圧平均値であり、また前記ｔ（ｎ＋２）時点で電流成分変換器５の出力が前記ｄ軸電流指令ｉｄ＊およびｑ軸電流指令ｉｑ＊に一致するような電圧平均値でもあるから前記ｄ軸電圧ｖｄａｖｅ２およびｑ軸電圧ｖｑａｖｅ２を前記ｄ軸電圧指令ｖｄ*およびｑ軸電圧指令ｖｑ*に置き換え、前記ｔ（ｎ＋２）時点のｄ軸電流予測値ｉｄ（ｎ＋２）およびｑ軸電流予測値ｉｑ（ｎ＋２）を前記ｄ軸電流指令ｉｄ＊およびｑ軸電流指令ｉｑ＊に置き換えると式９になる。
【００２７】
【数９】
0005550423.tif 000010
【００２８】
式９にある前記ｔ（ｎ＋１）時点の前記ｄ軸電流予測値ｉｄ（ｎ＋１）およびｑ軸電流予測値ｉｑ（ｎ＋１）に式６を代入したものを式１０に示す。
【００２９】
【数１０】
0005550423.tif 000011
【００３０】
ここで式１０にある（Ｒ／２±Ｌｄ／Ｔｓ）および（Ｒ／２±Ｌｑ／Ｔｓ）は前記巻線抵抗Ｒが前記ｄ軸インダクタンスＬｄおよびｑ軸インダクタンスＬｑと比較すると非常に小さい値なので前記巻線抵抗Ｒ＝０として近似すると式１１になる。
【００３１】
【数１１】
0005550423.tif 000012
【００３２】
以上のように式１０または式１１を用いれば前記ｄ軸電圧指令ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令ｖｑ＊が求められる。
【００３３】
次に位置補正値演算器１３の出力である前記位置補正値θ１および加算器１４の出力である前記補正後位置情報θｘについて説明する。
式１０または式１１で求めた前記ｄ軸電圧指令ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令ｖｑ＊は前記ｔ（ｎ＋１）時点から前記制御周期の期間に永久磁石同期電動機２に印加される電圧の平均値であるため、電圧成分変換器８で電圧成分の変換をする際は前記ｔ（ｎ）時点の位置情報である位置検出器３の前記位置情報θに前記位置補正値θ１を加えた前記補正後位置情報θｘで行う必要がある。
【００３４】
前記ｄ軸電圧指令ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令ｖｑ＊は前記ｔ（ｎ＋１）時点から前記制御周期の期間に永久磁石同期電動機２に印加される電圧の平均値であり、図３より前記ｔ（ｎ）時点からみると１．５制御周期後に永久磁石同期電動機２に印加される電圧相当である。よって前記位置補正値θ１は前記ｔ（ｎ＋１）時点の前記電気角速度ωに１．５倍の前記制御周期を乗算したものになり、前記補正後位置情報θｘは式１２のようになる。
【００３５】
【数１２】
0005550423.tif 000013
【００３６】
式１２で求めた前記補正後位置情報θｘを用いて電圧成分変換器８で電圧成分の変換を行えば前記ｄ軸電圧指令ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令ｖｑ＊を前記三相交流電圧指令ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊に変換することが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、制御周期毎に生成する電圧指令を、ＰＩ制御を用いずに永久磁石同期電動機の入力電流が電流指令値と一致するように１制御周期の期間に永久磁石同期電動機に印加される平均電圧と、永久磁石同期電動機の定数と、永久磁石同期電動機の電気角速度を用いて生成するため無駄時間がなくなり制御応答を速くすることが可能になると共にオーバーシュートもなくなるため産業上の利用の可能性は大いにある。
【符号の説明】
【００３８】
１      電力変換器
２      永久磁石同期電動機
３      位置検出器
４      電流検出器
５      電流成分変換器
６      指令変換器
７      電流制御器
７１、７２  ＰＩ制御器
８      電圧成分変換器
９１、９２  加減算器
１０    電流予測器
１１    新電流制御器
１２    電気角速度演算器
１３    位置補正値演算器
１４    加算器
【図１】
0005550423.tif 000014
【図２】
0005550423.tif 000015
【図３】
0005550423.tif 000016