(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を交流電力に変換して交流電動機に供給する電力変換手段と、
前記交流電動機を所定の運転周波数に応じて動作させるための基本電圧指令値に対して、前記運転周波数よりも高い所定の周波数で周期的に変化する高周波の交番電圧を重畳し、その重畳結果を前記交流電力の電圧を指令するための電圧指令値として前記電力変換手段へ出力する電圧出力手段と、
前記交流電力の電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段により検出された電流から前記交番電圧に応じた高周波電流成分を抽出する高周波成分抽出手段と、
前記高周波成分抽出手段により抽出された高周波電流成分の大きさを表す高周波電流ノルムを求めるノルム演算手段と、
前記ノルム演算手段により求められた高周波電流ノルムに基づいて、前記交番電圧の振幅を調整するための重畳電圧振幅指令値を前記電圧出力手段へ出力する重畳電圧振幅調整手段と、
前記電流検出手段により検出された電流から前記基本電圧指令値に応じた基本波電流成分を抽出する基本波成分抽出手段と、
前記交流電力の励磁電流成分とトルク電流成分に対する電流指令値をそれぞれ生成する電流指令生成手段と、
前記基本波成分抽出手段により抽出された基本波電流成分と、前記電流指令生成手段により生成された電流指令値とに基づいて、前記運転周波数に応じた所定の制御応答速度で前記基本電圧指令値を演算して前記電圧出力手段へ出力するベクトル演算手段と、
前記基本波電流成分の励磁電流成分、前記基本波電流成分のトルク電流成分、前記基本波電流成分のノルム、前記電流指令値の励磁電流成分、前記電流指令値のトルク電流成分および前記電流指令値のノルムのうちいずれか少なくとも一つに基づいて、前記重畳電圧振幅指令値を調整するための高周波電流ノルム指令値を出力する高周波電流ノルム指令生成手段とを備え、
前記重畳電圧振幅調整手段は、前記高周波電流ノルムが前記高周波電流ノルム指令値と一致するように、前記重畳電圧振幅指令値を前記電圧出力手段へ出力することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記高周波成分抽出手段により抽出された高周波電流成分に基づいて、前記交流電動機の磁極位置に応じた軸偏差基準量を求める軸偏差基準量演算手段をさらに備え、
前記軸偏差基準量演算手段により求められた軸偏差基準量に基づいて前記交流電動機の磁極位置を推定することを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
交流電動機と、
直流電力を交流電力に変換して前記交流電動機に供給する電力変換手段と、
前記交流電動機を所定の運転周波数に応じて動作させるための基本電圧指令値に対して、前記運転周波数よりも高い所定の周波数で周期的に変化する高周波の交番電圧を重畳し、その重畳結果を前記交流電力の電圧を指令するための電圧指令値として前記電力変換手段へ出力する電圧出力手段と、
前記交流電力の電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段により検出された電流から前記交番電圧に応じた高周波電流成分を抽
出する高周波成分抽出手段と、
前記高周波成分抽出手段により抽出された高周波電流成分の大きさを表す高周波電流ノルムを求めるノルム演算手段と、
前記ノルム演算手段により求められた高周波電流ノルムに基づいて、前記交番電圧の振幅を調整するための重畳電圧振幅指令値を前記電圧出力手段へ出力する重畳電圧振幅調整手段と、
前記電流検出手段により検出された電流から前記基本電圧指令値に応じた基本波電流成分を抽出する基本波成分抽出手段と、
前記交流電力の励磁電流成分とトルク電流成分に対する電流指令値をそれぞれ生成する電流指令生成手段と、
前記基本波成分抽出手段により抽出された基本波電流成分と、前記電流指令生成手段により生成された電流指令値とに基づいて、前記運転周波数に応じた所定の制御応答速度で前記基本電圧指令値を演算して前記電圧出力手段へ出力するベクトル演算手段と、
前記基本波電流成分の励磁電流成分、前記基本波電流成分のトルク電流成分、前記基本波電流成分のノルム、前記電流指令値の励磁電流成分、前記電流指令値のトルク電流成分および前記電流指令値のノルムのうちいずれか少なくとも一つに基づいて、前記重畳電圧振幅指令値を調整するための高周波電流ノルム指令値を出力する高周波電流ノルム指令生成手段とを備え、
前記重畳電圧振幅調整手段は、前記高周波電流ノルムが前記高周波電流ノルム指令値と一致するように、前記重畳電圧振幅指令値を前記電圧出力手段へ出力することを特徴とする電動機制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置および電動機制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
同期モータや誘導モータ等の交流電動機（以下、単に「電動機」と称する。）の駆動システムでは、直流電力を交流電力に変換して電動機を駆動する電動機駆動装置として、電圧型インバータに代表される電力変換装置が多用される。こうした電動機駆動用電力変換装置を高性能化するためには、電動機の回転子の制御情報として、回転子の磁極位置や回転速度などを精度よく検出する必要がある。近年の電力変換装置は、位置センサや速度検出器などを電動機に取りつけて実際に回転子の回転状態を測定するのではなく、電動機に発生する逆起電圧情報から回転子の回転状態を推定することで高精度な制御量推定を行う制御方法を使用している。
【０００３】
しかし、このように逆起電圧情報から回転子の回転状態を推定する電動機の制御方法は、電動機の回転速度が極低速付近では逆起電圧が絶対的に小さくなることから、適用が困難である。そこで、低速での制御量推定方法として、電動機の突極性または磁束飽和特性を利用する方法がある。
【０００４】
特許文献１には、特に永久磁石同期電動機の突極性を利用して、回転子の回転状態を表す磁極位置の推定を行う磁極位置検出装置が記載されている。この磁極位置検出装置は、電動機の磁極軸（dc軸）に交番磁界を発生させ、このdc軸に対して直交する推定トルク軸（qc軸）成分の脈動電流（あるいは電圧）を検出し、これに基づいて電動機内部の磁極位置を推定演算する。この技術は、実際の磁極軸と推定磁極軸との間に誤差がある場合に、dc軸からqc軸に対してインダクタンスの干渉項が存在する特徴を利用している。これは、高周波の電圧または電流を電動機に重畳し、これによって発生する高周波の電流または電圧の変動分を検出することで、インダクタンスを逐次計測し、制御量として二次磁束の位相を推定するものである。
【０００５】
特許文献２には、電動機の磁気飽和特性を利用して回転子の回転状態を表す磁極位置を推定演算する方法が記載されている。この演算方法では、電動機に対して、ある方向へ電圧を印加したことで発生する電流の大きさに基づいて、磁極位置を推定演算する。
【０００６】
また、特許文献３には、高周波電流指令を重畳し、電流制御を行うことで発生する高周波電圧の変動分からインダクタンスを逐次計測する方式において、その電流指令値を低トルク時と高トルク時で変更することが記載されている。
【０００７】
これらの方法により、回転子の回転状態を検出するためのセンサを用いることなく、電動機の運転情報を精度良く推定することができる。これにより、センサおよびセンサの検出信号を出力するケーブル等のコストや、これらの設置の手間を削減することができる。更には、センサの組み付け誤差や周囲環境に起因するノイズ、センサの故障などによる電動機駆動の不適切な挙動を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３３１２４７２号
【特許文献２】特開２００２−７８３９２号公報
【特許文献３】特開２０１０−１５４５９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１および特許文献２に記載の技術のように、電圧指令に高周波電圧を加算して高周波電流を発生させる電動機の制御方法は、重畳する高周波電圧の振幅が一定であるか、または発生する高周波電流が比較的小さい範囲において特に有効である。しかし、電動機は高トルク運転時、電流が増大すると磁束飽和現象によって高周波電圧に対するインダクタンスが減少するため、高周波電流の振幅が増大する傾向がある。そのため、高トルク運転時に電圧指令に高周波電圧を加算して高周波電流を発生させると、所定の電流限界値を高周波電流が超過してしまい、電動機の運転を持続できなくなるという問題が生じることがある。
【００１０】
一方、特許文献３に記載の技術は、電流指令に高周波電流指令を加算して電流制御を行う方法であり、高周波電流振幅を指令値として与えているため、上記のような問題は発生しない。しかし、このように電流指令に高周波電流指令を加算する電動機の制御方法では、重畳する交番信号の周波数を電流制御系の応答速度以上に上げることができないため、磁極位置の検出応答速度が制限される。そのため、衝撃外乱などによる電動機の回転状態の変動に対して磁極位置を精度よく検出することが困難な場合がある。また、高周波重畳により発生する電磁音の周波数がヒトの可聴音域まで低くなることで騒音になりやすいなどの問題も発生することがある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換して交流電動機に供給する電力変換手段と、交流電動機を所定の運転周波数に応じて動作させるための基本電圧指令値に対して、運転周波数よりも高い所定の周波数で周期的に変化する高周波の交番電圧を重畳し、その重畳結果を交流電力の電圧を指令するための電圧指令値として電力変換手段へ出力する電圧出力手段と、交流電力の電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段により検出された電流から交番電圧に応じた高周波電流成分を抽出する高周波成分抽出手段と、高周波成分抽出手段により抽出された高周波電流成分の大きさを表す高周波電流ノルムを求めるノルム演算手段と、ノルム演算手段により求められた高周波電流ノルムに基づいて、交番電圧の振幅を調整するための重畳電圧振幅指令値を電圧出力手段へ出力する重畳電圧振幅調整手段と、電流検出手段により検出された電流から基本電圧指令値に応じた基本波電流成分を抽出する基本波成分抽出手段と、交流電力の励磁電流成分とトルク電流成分に対する電流指令値をそれぞれ生成する電流指令生成手段と、基本波成分抽出手段により抽出された基本波電流成分と、電流指令生成手段により生成された電流指令値とに基づいて、運転周波数に応じた所定の制御応答速度で基本電圧指令値を演算して電圧出力手段へ出力するベクトル演算手段と、基本波電流成分の励磁電流成分、基本波電流成分のトルク電流成分、基本波電流成分のノルム、電流指令値の励磁電流成分、電流指令値のトルク電流成分および電流指令値のノルムのうちいずれか少なくとも一つに基づいて、重畳電圧振幅指令値を調整するための高周波電流ノルム指令値を出力する高周波電流ノルム指令生成手段とを備える。この電力変換装置において、重畳電圧振幅調整手段は、高周波電流ノルムが高周波電流ノルム指令値と一致するように、重畳電圧振幅指令値を電圧出力手段へ出力する。
本発明による電動機制御システムは、交流電動機と、直流電力を交流電力に変換して交流電動機に供給する電力変換手段と、交流電動機を所定の運転周波数に応じて動作させるための基本電圧指令値に対して、運転周波数よりも高い所定の周波数で周期的に変化する高周波の交番電圧を重畳し、その重畳結果を交流電力の電圧を指令するための電圧指令値として電力変換手段へ出力する電圧出力手段と、交流電力の電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段により検出された電流から交番電圧に応じた高周波電流成分を抽出する高周波成分抽出手段と、高周波成分抽出手段により抽出された高周波電流成分の大きさを表す高周波電流ノルムを求めるノルム演算手段と、ノルム演算手段により求められた高周波電流ノルムに基づいて、交番電圧の振幅を調整するための重畳電圧振幅指令値を電圧出力手段へ出力する重畳電圧振幅調整手段と、電流検出手段により検出された電流から基本電圧指令値に応じた基本波電流成分を抽出する基本波成分抽出手段と、交流電力の励磁電流成分とトルク電流成分に対する電流指令値をそれぞれ生成する電流指令生成手段と、基本波成分抽出手段により抽出された基本波電流成分と、電流指令生成手段により生成された電流指令値とに基づいて、運転周波数に応じた所定の制御応答速度で基本電圧指令値を演算して電圧出力手段へ出力するベクトル演算手段と、基本波電流成分の励磁電流成分、基本波電流成分のトルク電流成分、基本波電流成分のノルム、電流指令値の励磁電流成分、電流指令値のトルク電流成分および電流指令値のノルムのうちいずれか少なくとも一つに基づいて、重畳電圧振幅指令値を調整するための高周波電流ノルム指令値を出力する高周波電流ノルム指令生成手段とを備える。この電動機制御システムにおいて、重畳電圧振幅調整手段は、高周波電流ノルムが高周波電流ノルム指令値と一致するように、重畳電圧振幅指令値を電圧出力手段へ出力する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、回転子の回転状態を検出するためのセンサを用いずに電動機を制御する電動機の制御方法において、電動機が高トルク運転時でも電動機の運転を持続しつつ、回転子の回転状態を精度よく検出すると共に騒音の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態による電動機制御システム１００ａの構成図である。
【図２】本発明による電動機制御において使用される座標系と記号の定義を示す図である。
【図３】電圧出力手段３の内部構成図である。
【図４】電流成分分離手段５の内部構成図である。
【図５】電流成分分離手段５の動作を説明するための各信号の波形例を示す図である。
【図６】軸偏差基準量の特性説明図である。
【図７】位相調整手段１０の内部構成図である。
【図８】高周波電流ノルム指令生成手段７の内部構成図である。
【図９】重畳電圧振幅調整手段９の内部構成図である。
【図１０】電流とインダクタンスの特性説明図である。
【図１１】本発明の効果の説明図である。
【図１２】本発明の第２実施形態による電動機制御システム１００ｂの構成図である。
【図１３】電圧出力手段１２の内部構成図である。
【図１４】電流成分分離手段１３の内部構成図である。
【図１５】本発明の第３実施形態による電動機制御システム１００ｃの構成図である。
【図１６】位相調整手段１５の内部構成図である。
【図１７】本発明の第４実施形態による電動機制御システム１００ｄの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の第１から第４の各実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において、各図で共通する構成要素には同一の符号をそれぞれ付しており、それらの重複する構成要素についての説明を省略する。
【００１５】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による電動機制御システム１００ａの構成図である。
【００１６】
図１において、電動機制御システム１００ａは、電力変換装置５０ａと電動機１とを備える。電力変換装置５０ａは、電動機制御装置４０ａと、電力変換手段１１と、電流検出手段２とを備える。
【００１７】
電流検出手段２は、電力変換手段１１から電動機１に流れる三相交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出し、その検出結果に応じた三相電流信号Ｉｕｃ、Ｉｖｃ、Ｉｗｃを電動機制御装置４０ａへ出力する。電流検出手段２は、たとえばホール素子を用いた電流センサにより実現される。
【００１８】
電力変換手段１１は、電動機制御装置４０ａで生成された三相交流電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に基づいて、直流電源（不図示）からの直流電力を三相交流電力に変換し、電動機１へ供給する。このとき、電力変換手段１１から電動機１に対して、交流電力の電圧である三相交流電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗと、交流電力の電流である三相交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗとが出力される。電力変換手段１１は、たとえばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などをスイッチング素子として用いたインバータにより実現される。
【００１９】
電動機１は、三相の同期電動機であり、電力変換手段１１から供給される三相交流電力によって動作する。電動機１は、複数の永久磁石が組み込まれた回転子が固定子の内部を回転するように構成されている。なお、こうした電動機１の構成の詳細については図示を省略する。
【００２０】
図２は、本発明による電動機制御において使用される座標系と記号の定義を示す図である。図２において、ａ軸とｂ軸により定義されるａｂ軸座標系は、固定子の位置を表すための固定子座標系であり、ａ軸は一般的に電動機１のｕ相巻線位相を基準にとられる。一方、ｄ軸とｑ軸により定義されるｄｑ軸座標系は、回転子の磁極位置を表すための回転子座標系であり、電動機１の回転子と同期して回転する。電動機１が永久磁石同期電動機の場合、ｄ軸は一般的に回転子に取り付けられた永久磁石の位相を基準にとられる。ｄ軸は磁極軸とも呼ばれる。ｄｃ軸とｑｃ軸は、磁極位置の推定位相、すなわち電動機制御装置４０ａが行う制御において想定しているｄ軸とｑ軸の方向をそれぞれ表している。これらの座標軸によりｄｃ−ｑｃ軸座標系が定義される。ｄｃ軸は制御軸とも呼ばれている。ｐ軸とｚ軸により定義されるｐｚ軸座標系は、電圧指令の基本波に対して重畳される高周波電圧を表すための座標系である。なお、各座標系において組み合わされる座標軸同士はいずれも互いに直交している。
【００２１】
上記の各座標系において、図２に示すように、ａ軸を基準としたｄ軸、ｄｃ軸、ｐ軸の各軸の位相をθｄ、θｄｃ、θｐとそれぞれ表す。また、ｄ軸に対するｄｃ軸、ｐ軸の偏差をΔθ、θｐｄとそれぞれ表す。さらに、高周波電圧を重畳することで生じる高周波電流のｐ軸に対する位相差をθｉｖｈと表す。
【００２２】
図１において、電動機制御装置４０ａは、電圧出力手段３と、ベクトル演算手段４と、電流成分分離手段５と、電流指令生成手段６と、高周波電流ノルム指令生成手段７と、軸偏差基準量指令生成手段８と、重畳電圧振幅調整手段９と、位相調整手段１０とを備える。なお、電動機制御装置４０ａは、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、プログラムなどによって構成されている。すなわち、電動機制御装置４０ａが有する上記の各手段は、ＣＰＵがプログラムに応じて実行する処理としてそれぞれ実現されるものである。
【００２３】
続いて、電動機制御装置４０ａの動作について説明する。電動機制御装置４０ａの主な目的は、電力変換手段１１が電動機１に供給する交流電力における励磁電流成分（ｄ軸電流）Ｉｄおよびトルク電流成分（ｑ軸電流）Ｉｑを任意の電流指令値Ｉｄｃ＊、Ｉｑｃ＊にそれぞれ一致させることにある。その実現のために、電動機制御装置４０ａでは電流制御系と位相制御系が動作する。位相制御系の目的は、電動機１の回転子の位置を表すｄ軸に制御軸であるｄｃ軸を一致（同期）させることであり、図１では主に位相調整手段１０がその役割を担う。一方、電流制御系の目的は、ｄｃ−ｑｃ軸座標系上のｄｃ軸電流検出値Ｉｄｃとｑｃ軸電流検出値Ｉｑｃを任意の電流指令値Ｉｄｃ＊、Ｉｑｃ＊にそれぞれ一致させることであり、主にベクトル演算手段４がその役割を担う。
【００２４】
まず、位相制御系が位置センサ類を用いずに高周波電圧を重畳することでｄ軸とｄｃ軸を同期させる動作について以下に説明する。
【００２５】
図３は、電圧出力手段３の内部構成を示している。図３に示すように、電圧出力手段３は、交番電圧波形発生手段３ａと、乗算器３ｂと、結合器３ｃと、座標変換手段３ｄおよび３ｅと、加算器３ｆと、２相３相変換手段３ｇとを備える。これらの各構成は、前述の電動機制御装置４０ａが有する各手段と同様に、ＣＰＵがプログラムに応じて実行する処理としてそれぞれ実現される。なお、この実施形態では、電動機制御装置４０ａからの三相交流電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊においてそれぞれ重畳される交番電圧の波形が矩形波であるものとする。
【００２６】
交番電圧波形発生手段３ａから出力された高周波の矩形波信号は、乗算器３ｂへ出力される。この矩形波信号の周波数は、電動機１が動作する運転周波数、すなわち電動機制御装置４０ａによる電動機１の制御周波数よりも高い。交番電圧波形発生手段３ａからの矩形波信号は、さらに交番電圧波形waveとして電圧出力手段３の外へも出力される。この交番電圧波形waveは、図１に示すように電圧出力手段３から電流成分分離手段５へと出力される。
【００２７】
乗算器３ｂは、交番電圧波形発生手段３ａから入力された矩形波信号を、図１に示すように重畳電圧振幅調整手段９から入力される重畳電圧振幅指令値Ｖｈ＊と掛け合わせることで、重畳電圧振幅指令値Ｖｈ＊に応じた振幅の矩形波信号を生成する。こうして生成された矩形波信号は、結合器３ｃへと出力される。
【００２８】
結合器３ｃは、乗算器３ｂから入力された矩形波信号をｐ軸上の交番電圧Ｖｐｈ＊およびｚ軸上の交番電圧Ｖｚｈ＊に変換し、ｐｚ軸座標系のベクトル量を表す交番電圧ベクトルとして座標変換手段３ｄに出力する。
【００２９】
座標変換手段３ｄは、図１に示すように位相調整手段１０から入力されるｐ軸の位相情報θｐに基づいて、結合器３ｃから入力された交番電圧ベクトルをａｂ軸座標系のベクトル量に変換する。そして、変換後の交番電圧ベクトルを加算器３ｆに出力する。
【００３０】
座標変換手段３ｅは、図１に示すように位相調整手段１０から入力されるｄｃ軸の位相情報θｄｃに基づいて、図１のベクトル演算手段４から入力される電圧指令の基本波ベクトルをｄｃ−ｑｃ軸座標系のベクトル量からａｂ軸座標系のベクトル量へと変換する。なお、ベクトル演算手段４から入力される電圧指令の基本波ベクトルは、ｄｃ軸上の基本電圧指令値Ｖｄｃ＊とｑｃ軸上の基本電圧指令値Ｖｑｃ＊によって表される。そして、変換後の基本波ベクトルを加算器３ｆに出力する。
【００３１】
加算器３ｆは、座標変換手段３ｄからの交番電圧ベクトルを座標変換手段３ｅからの基本波ベクトルに加算する。これにより、ベクトル演算手段４から入力された基本電圧指令値Ｖｄｃ＊、Ｖｑｃ＊に対して、交番電圧ベクトルに応じた高周波の交番電圧が重畳される。加算器３ｆによる重畳結果を表す加算後のベクトルは、加算器３ｆから２相３相変換手段３ｇに出力される。
【００３２】
２相３相変換手段３ｇは、加算器３ｆから入力された加算後のベクトルをｕ相、ｖ相、ｗ相の各相に対応する電圧値へと変換し、三相交流電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊として出力する。これらの三相交流電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊は、前述のように電動機制御装置４０ａが生成したものとして電力変換手段１１へ出力される。
【００３３】
以上説明したようにして、電圧出力手段３により、電動機制御装置４０ａが生成する三相交流電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊において矩形波の高周波電圧が重畳される。なお、本実施形態では交番電圧ベクトルと基本波ベクトルをａｂ軸座標系にそれぞれ変換してから加算器３ｆにより足し合わせているが、たとえばｄｃ−ｑｃ軸座標系やｕｖｗ座標系など、その他の座標系で足し合わせてもよい。
【００３４】
図４は、電流成分分離手段５の内部構成を示している。図４に示すように、電流成分分離手段５は、座標変換手段５ａと、基本波成分抽出手段５ｂと、高周波成分抽出手段５ｃと、符号補償手段５ｄと、軸偏差基準量演算手段５ｅと、ノルム演算手段５ｆとを備える。これらの各構成は、前述の電動機制御装置４０ａや電圧出力手段３の各構成と同様に、ＣＰＵがプログラムに応じて実行する処理としてそれぞれ実現される。
【００３５】
図５は、電流成分分離手段５の動作を説明するための各信号の波形例を示す図である。図５において、図５（ａ）は、図３の電圧出力手段３において交番電圧波形発生手段３ａが発生する矩形波信号の周期を決める三角波キャリアの波形例を示している。図５（ｂ）は、電圧出力手段３において結合器３ｃから座標変換手段３ｄに出力される前述のｐ軸上の交番電圧Ｖｐｈ＊の波形例を示している。図５（ｃ）は、ｄｃ−ｑｃ軸座標系でのｄ軸電流検出値Ｉｄｃの波形例とその平均値である基本波電流成分ＩｄｃＡＶＧを示している。図５（ｄ）は、ｄ軸電流検出値Ｉｄｃの１回当たりの差分値ΔＩｄｃの波形例を示している。図５（ｅ）は、電圧出力手段３において交番電圧波形発生手段３ａから出力される前述の交番電圧波形waveの波形例を示している。図５（ｆ）は、図５（ｄ）の波形と図５（ｅ）の波形とを掛け合わせた波形例を示している。
【００３６】
電動機制御装置４０ａにおいて、電流検出手段２から出力された三相電流信号Ｉｕｃ、Ｉｖｃ、Ｉｗｃは、図１に示すように電流成分分離手段５へと入力される。これらの信号は、ベクトル演算手段４からの基本電圧指令値Ｖｄｃ＊、Ｖｑｃ＊に応じた基本波電流成分（電圧指令の基本波ベクトルに対応する電流成分）と、重畳電圧振幅調整手段９からの重畳電圧振幅指令値Ｖｈ＊に応じた高周波電流成分（交番電圧ベクトルに対応する電流成分）とを含む。ここで、電動機制御装置４０ａが行う制御において、電流制御系では基本波電流成分が必要であり、位相制御系では高周波電流成分が必要となる。そのため、電流成分分離手段５では、次のようにして電流検出手段２からの三相電流信号Ｉｕｃ、Ｉｖｃ、Ｉｗｃを基本波電流成分と高周波電流成分に分離する操作を行う。
【００３７】
図４、５を参照して、電流成分分離手段５の動作を説明する。図４において、座標変換手段５ａは、図１に示すように位相調整手段１０から入力されるｄｃ軸の位相情報θｄｃに基づいて、電流検出手段２からの三相電流信号Ｉｕｃ、Ｉｖｃ、Ｉｗｃをｄｃ−ｑｃ軸座標系のベクトル量に変換する座標変換を行う。この座標変換により、前述のｄｃ軸電流検出値Ｉｄｃおよびｑｃ軸電流検出値Ｉｑｃが求められる。これらの電流検出値Ｉｄｃ、Ｉｑｃは、座標変換手段５ａから基本波成分抽出手段５ｂおよび高周波成分抽出手段５ｃへと出力される。なお、図５（ｃ）ではｄｃ軸電流検出値Ｉｄｃの波形例のみを示している。
【００３８】
基本波成分抽出手段５ｂは、座標変換手段５ａから入力されたｄｃ軸電流検出値Ｉｄｃおよびｑｃ軸電流検出値Ｉｑｃをそれぞれ所定のタイミングごとにサンプリングする。図５（ｃ）ではｄｃ軸電流検出値Ｉｄｃをサンプリングする検出点を例示しているが、ｑｃ軸電流検出値Ｉｑｃについても同様である。そして、逐次平均処理を実施することにより、ｄｃ軸電流検出値Ｉｄｃおよびｑｃ軸電流検出値Ｉｑｃの各サンプリング値の平均値を逐次求め、これらに含まれる高周波成分をそれぞれキャンセルして、ｄｃ軸の基本波電流成分ＩｄｃＡＶＧおよびｑｃ軸の基本波電流成分ＩｑｃＡＶＧを抽出する。こうして抽出された基本波電流成分ＩｄｃＡＶＧ、ＩｑｃＡＶＧは、図１に示すように電流成分分離手段５からベクトル演算手段４および高周波電流ノルム指令生成手段７へと出力される。
【００３９】
高周波成分抽出手段５ｃは、座標変換手段５ａから入力されたｄｃ軸電流検出値Ｉｄｃおよびｑｃ軸電流検出値Ｉｑｃに対して、今回の検出値から前回の検出値をそれぞれ減算することにより、１回当たりの差分値ΔＩｄｃおよびΔＩｑｃをそれぞれ算出する。図５（ｄ）ではｄｃ軸電流検出値Ｉｄｃに対して算出される差分値ΔＩｄｃを示しているが、ｑｃ軸電流検出値Ｉｑｃに対して算出される差分値ΔＩｑｃについても同様である。ここで、ｄｃ軸電流検出値Ｉｄｃおよびｑｃ軸電流検出値Ｉｑｃの基本波成分の周波数は交番電圧の周波数に対して十分低いため、上記の差分値ΔＩｄｃ、ΔＩｑｃはほぼ交番電圧による電流変化量とみなすことが出来る。すなわち、特殊なフィルタ等を使用することなく、電流検出値Ｉｄｃ、Ｉｑｃから交番電圧に応じた高周波電流成分を表す差分値ΔＩｄｃ、ΔＩｑｃの抽出が高速に実現できることになる。なお、図５（ｂ）、（ｄ）から分かるように、ｄｃ軸の差分値ΔＩｄｃは、交番電圧Ｖｐｈ＊の正負符号の交代に伴って半周期分だけ遅れて符号が反転する。ｑｃ軸の差分値ΔＩｑｃと交番電圧Ｖｚｈ＊についても同様である。算出されたｄｃ軸の差分値ΔＩｄｃおよびｑｃ軸の差分値ΔＩｑｃは、高周波成分抽出手段５ｃから符号補償手段５ｄへと出力される。
【００４０】
符号補償手段５ｄは、高周波成分抽出手段５ｃから入力されたｄｃ軸の差分値ΔＩｄｃとｑｃ軸の差分値ΔＩｑｃに対して、図１に示すように電圧出力手段３から入力される交番電圧波形waveに基づく符号補償を行う。前述のように差分値ΔＩｄｃ、ΔＩｑｃは、交番電圧における正負符号の交代に伴ってそれぞれの符号が反転する。そのため、これらの差分値に対して交番電圧波形waveをそれぞれ掛け合わせることで、符号の反転を打ち消して符号補償を行うことができる。図５（ｆ）では、図５（ｄ）に示すｄｃ軸の差分値ΔＩｄｃに対して図５（ｅ）に示す交番電圧波形waveを掛け合わせた例を示しているが、ｑｃ軸の差分値ΔＩｑｃについても同様である。このとき、必要に応じて逐次平均を施してもよい。こうして符号補償が行われた後の差分値ΔＩｄｃおよびΔＩｑｃは、高周波電流ベクトルΔＩｄｃＡＶＧ、ΔＩｑｃＡＶＧとして、符号補償手段５ｄから軸偏差基準量演算手段５ｅおよびノルム演算手段５ｆへそれぞれ出力される。
【００４１】
軸偏差基準量演算手段５ｅは、図１に示すように位相調整手段１０から入力されるｄｃ軸の位相情報θｄｃおよびｐ軸の位相情報θｐと、符号補償手段５ｄから入力された高周波電流ベクトルΔＩｄｃＡＶＧ、ΔＩｑｃＡＶＧとに基づいて、基本波に重畳される高調波電圧とそれによって生じる高周波電流との間の位相差を算出する。この位相差は、図２に示した高周波電流のｐ軸に対する位相差θｉｖｈで表すことができる。図２から分かるように、位相差θｉｖｈにはθｐとθｄの位相差情報が含まれるため、たとえば以下の式（１）のように位相差θｉｖｈを計算することができる。
【００４２】
【数１】
0005401500.tif 000002
・・・（１）
【００４３】
位相差θｉｖｈを計算したら、軸偏差基準量演算手段５ｅはさらに位相差θｉｖｈに負のゲインを乗算し、その結果を軸偏差基準量ｘθｐｄとして出力する。軸偏差基準量演算手段５ｅから出力された軸偏差基準量ｘθｐｄは、図１に示すように電流成分分離手段５から位相調整手段１０へと出力される。
【００４４】
図６は、軸偏差基準量ｘθｐｄの特性を説明するための図である。図６に示すように、軸偏差基準量ｘθｐｄはｄ軸に対するｐ軸の偏差θｐｄに応じて変化することから、磁極位置すなわちｄ軸位相θｄの情報を含むことが分かる。すなわち、軸偏差基準量演算手段５ｅにより、電動機１の磁極位置に応じた軸偏差基準量ｘθｐｄを求めることができる。したがって、位相制御系のために軸偏差基準量ｘθｐｄが必要となる。
【００４５】
ノルム演算手段５ｆは、本発明の電動機制御を実現するために電流成分分離手段５において新たに追加されたものであり、符号補償手段５ｄから入力された高周波電流ベクトルΔＩｄｃＡＶＧ、ΔＩｑｃＡＶＧのノルム（以下、高周波電流ノルムＩｈと称する）を計算する。ここでいうノルムとは、高周波電流ベクトルの長さ成分のことである。たとえば以下の式（２）に示すようなＨ２ノルムの計算を適用することにより、高周波電流ノルムＩｈを計算することができる。ノルム演算手段５ｆで計算された高周波電流ノルムＩｈは、図１に示すように電流成分分離手段５から重畳電圧振幅調整手段９へと出力され、重畳電圧振幅調整手段９が行う後述のような制御において利用される。
【００４６】
【数２】
0005401500.tif 000003
・・・（２）
【００４７】
以上説明したようにして、電流成分分離手段５により、電流検出手段２からの三相電流信号Ｉｕｃ、Ｉｖｃ、Ｉｗｃが基本波電流成分と高周波電流成分に分離される。そして、基本波電流成分ＩｄｃＡＶＧ、ＩｑｃＡＶＧがベクトル演算手段４および高周波電流ノルム指令生成手段７へ出力され、高周波電流成分に基づく軸偏差基準量ｘθｐｄと高周波電流ノルムＩｈが位相調整手段１０と重畳電圧振幅調整手段９へそれぞれ出力される。
【００４８】
軸偏差基準量指令生成手段８は、所定の軸偏差基準量指令ｘθｐｄ＊を生成して位相調整手段１０へ出力する。電動機制御装置４０ａの位相制御系では、以下に説明するような位相調整手段１０の動作により、軸偏差基準量指令生成手段８が生成する軸偏差基準量指令ｘθｐｄ＊と上記の軸偏差基準量ｘθｐｄとが一致するように、重畳位相および制御軸位相、すなわちｐ軸の位相θｐおよびｄｃ軸の位相θｄｃを調整する。軸偏差基準量指令ｘθｐｄ＊は、ｘθｐｄ＝ｘθｐｄ＊のときに重畳位相θｐとｄ軸（磁極軸）の位相θｄが一致するような値をとる。ここで、電動機１が突極性を有するものである場合、軸偏差基準量ｘθｐｄは図６のような特性となり、ｄ軸に対するｐ軸の偏差θｐｄが０であるときにｘθｐｄ＝０となる。このことから通常はｘθｐｄ＊＝０とすればよい。こうして常にｘθｐｄ＝ｘθｐｄ＊となるようにｐ軸の位相θｐを制御することで、θｐ＝θｄとみなすことができる。このような原理により、電動機制御装置４０ａにおいて、位置センサを使用することなく電動機１の磁極位置の位相θｄを推定することができる。
【００４９】
図７は、位相調整手段１０の内部構成例を示している。図７に示すように、位相調整手段１０は、第１の位相調整手段１０ａと、第２の位相調整手段１０ｂと、選択スイッチ１０ｃとを備える。これらの各構成は、前述の電動機制御装置４０ａ、電圧出力手段３、電流成分分離手段５の各構成と同様に、ＣＰＵがプログラムに応じて実行する処理としてそれぞれ実現される。
【００５０】
第１の位相調整手段１０ａは、図１に示すように電流成分分離手段５から入力される軸偏差基準量ｘθｐｄと、軸偏差基準量指令生成手段８からの軸偏差基準量指令ｘθｐｄ＊とが一致するように、重畳位相θｐを調整する。ここで、第１の位相調整手段１０ａの応答が十分速ければ、軸偏差基準量ｘθｐｄと軸偏差基準量指令ｘθｐｄ＊が一致するようθｐを調整することで、前述のように重畳位相θｐと磁極軸位相θｄが一致しているとみなすことができる。この場合、重畳位相θｐと制御軸位相θｄｃの差分が、現在の磁極軸位相θｄと制御軸位相θｄｃとの間の軸偏差Δθということになる。第１の位相調整手段１０ａにおいて調整された重畳位相θｐは、第２の位相調整手段１０ａおよび選択スイッチ１０ｃへ出力される。さらに、ｐ軸の位相情報として、図１に示すように位相調整手段１０から電圧出力手段３および電流成分分離手段５にも出力される。
【００５１】
第２の位相調整手段１０ｂは、第１の位相調整手段１０ａからの重畳位相θｐに基づいて前述の軸偏差Δθを算出し、その軸偏差Δθを０とするように制御軸位相θｄｃを調整する。こうして制御軸位相θｄｃを調整することにより、磁極軸すなわちｄ軸の位相θｄと、制御軸すなわちｄｃ軸の位相θｄｃとを同期させる。第２の位相調整手段１０ｂにおいて調整された制御軸位相θｄｃは、選択スイッチ１０ｃへ出力される。
【００５２】
選択スイッチ１０ｃは、Ａ、Ｂ２つの接点を入力側に有しており、いずれか一方の接点を選択して出力側の接点との間を結線する。接点Ａには第２の位相調整手段１０ｂからの制御軸位相θｄｃが入力され、接点Ｂには第１の位相調整手段１０ａからの重畳位相θｐが入力される。そのため、選択スイッチ１０ｃにおいて接点Ａを選択した場合、制御軸位相θｄｃをｄｃ軸の位相情報として位相調整手段１０から電圧出力手段３および電流成分分離手段５へ出力することができる。一方、選択スイッチ１０ｃにおいて接点Ｂを選択した場合は、重畳位相θｐがｄｃ軸の位相情報θｄｃとして位相調整手段１０から電圧出力手段３および電流成分分離手段５へ出力される。これにより、ｐ軸の位相情報θｐとｄｃ軸の位相情報θｄｃとを一致させ、電圧出力手段３や電流成分分離手段５における演算負荷を軽くすることができる。なお、選択スイッチ１０ｃの結線は上述のように必要に応じて変更することができるものであるが、結線をいずれか一方に固定してもよい。その場合、選択スイッチ１０ｃにおけるスイッチ動作などの不要な処理を省略しても構わない。これは、以降で説明する図面内に描かれた他の選択スイッチに関しても同様である。
【００５３】
上記のような各構成の動作により、位相調整手段１０において重畳位相θｐと制御軸位相θｄｃとを別々に制御することができる。そのため、電流制御系の応答設計とは無関係に第１の位相調整手段１０ａの制御応答設計が可能となる。
【００５４】
以上説明したような位相制御系の動作により、位置センサ類を用いずにｄ軸とｄｃ軸を同期させることができる。
【００５５】
続いて、電流制御系の動作について説明する。電流制御系は、上記のような位相制御系の動作によってｄｃ軸がｄ軸に一致しているものと仮定して、以下で説明するような動作を行う。
【００５６】
電流指令生成手段６は、上位のシステムから電動機制御装置４０ａに入力されるトルク指令等の入力情報に基づいて、電動機１に供給される交流電力の励磁電流成分であるｄ軸電流Ｉｄに対するｄｃ軸電流指令値Ｉｄｃ＊と、トルク電流成分であるｑ軸電流Ｉｑに対するｑｃ軸電流指令値Ｉｑｃ＊とを生成する。電流指令生成手段６により生成された電流指令値Ｉｄｃ＊、Ｉｑｃ＊は、図１に示すようにベクトル演算手段４および高周波電流ノルム指令生成手段７へ出力される。
【００５７】
ベクトル演算手段４は、電流指令生成手段６からの電流指令値Ｉｄｃ＊、Ｉｑｃ＊と、電流成分分離手段５からの基本波電流成分ＩｄｃＡＶＧ、ＩｑｃＡＶＧとに基づいて、電圧指令の基本波ベクトルである基本電圧指令値Ｖｄｃ＊、Ｖｑｃ＊を調整する。具体的には、基本波電流成分ＩｄｃＡＶＧ、ＩｑｃＡＶＧが電流指令値Ｉｄｃ＊、Ｉｑｃ＊とそれぞれ一致するように、基本電圧指令値Ｖｄｃ＊、Ｖｑｃ＊を演算し、演算結果を電圧出力手段３へ出力する。ベクトル演算手段４は、この演算を電動機１の運転周波数に応じた所定の制御応答速度で行うことができる。なお、電流指令値Ｉｄｃ＊は通常の状態ではゼロであるが、弱め界磁や起動時などの特定の制御状態のときにはゼロに設定しないことがある。たとえば起動時にｄ軸の電流検出値Ｉｄｃを徐々に増加することにより、回転子を所定の回転位置に固定させてから通常のベクトル制御に移行することができる。
【００５８】
以上説明したような電流制御系の動作により、ｄｃ−ｑｃ軸座標系の電流検出値Ｉｄｃ、Ｉｑｃを電流指令値Ｉｄｃ＊、Ｉｑｃ＊にそれぞれ一致させることができる。
【００５９】
上記の電流制御系および位相制御系による各動作が電動機制御の基本的な動作である。本発明では、これらの電流制御系と位相制御系に加えて、さらに高周波電流リプルのノルム値を制御するための高周波電流制御系が実装されている。本実施形態では、電流成分分離手段５において追加された前述のノルム演算手段５ｆと、高周波電流ノルム指令生成手段７と、重畳電圧振幅調整手段９とが主にその役割を担う。
【００６０】
図８は、高周波電流ノルム指令生成手段７の内部構成例を示している。図８に示すように、高周波電流ノルム指令生成手段７は、選択スイッチ７ａと、テーブル７ｂと、ゲイン７ｃと、合成器７ｄと、選択スイッチ７ｅとを備える。これらの各構成は、前述の電動機制御装置４０ａ、電圧出力手段３、電流成分分離手段５、位相調整手段１０の各構成と同様に、ＣＰＵがプログラムに応じて実行する処理としてそれぞれ実現される。
【００６１】
選択スイッチ７ａは、Ａ〜Ｆの合計６つの接点を入力側に有しており、これらの接点の中から任意の組合せを選択して、その接点と出力側の接点ａ、ｂのうちいずれか一方または両方との間を結線する。入力側の接点Ａ、Ｂには電流指令生成手段６からの電流指令値Ｉｄｃ＊、Ｉｑｃ＊がそれぞれ入力され、接点Ｃにはこれらの電流指令値が表す電流指令ベクトルのノルムが入力される。また、接点Ｄ、Ｅには電流成分分離手段５からの基本波電流成分ＩｄｃＡＶＧ、ＩｑｃＡＶＧがそれぞれ入力され、接点Ｆにはこれらの基本波電流成分が表す基本波電流ベクトルのノルムが入力される。一方、出力側の接点ａ、ｂはテーブル７ｂ、ゲイン７ｃとそれぞれ接続されている。そのため、選択スイッチ７ａにおいて入力側と出力側で任意の接点同士をそれぞれ結線することで、接点Ａ〜Ｆに入力される各入力値のうち任意のものを接点ａ、ｂからテーブル７ｂとゲイン７ｃへそれぞれ選択的に出力することができる。なお、互いに異なる入力値の組合せを選択スイッチ７ａからテーブル７ｂとゲイン７ｃへそれぞれ出力してもよいし、同一の組合せを出力してもよい。また、選択スイッチ７ａからテーブル７ｂまたはゲイン７ｃのいずれか一方への出力のみを行い、他方への出力を遮断してもよい。
【００６２】
テーブル７ｂは、予め設定された入力値と出力値の関係をテーブル情報として有しており、選択スイッチ７ａからの入力値に基づいてテーブル情報を参照することで出力値を決定する。テーブル７ｂからの出力値は合成器７ｄに入力される。
【００６３】
ゲイン７ｃは、選択スイッチ７ａからの入力値に所定のゲインを掛けて出力値を決定する。ゲイン７ｃからの出力値は合成器７ｄに入力される。
【００６４】
合成器７ｄは、テーブル７ｂからの出力値とゲイン７ｃからの出力値を所定の法則に従って合成し、選択スイッチ７ｅの接点Ａに出力する。たとえば、テーブル７ｂからの出力値とゲイン７ｃからの出力値を単純に足し合わせてもよいし、これらを所定の比率で重み付けして足し合わせてもよい。なお、選択スイッチ７ａにおいてテーブル７ｂまたはゲイン７ｃのいずれか一方のみが出力先として選択されている場合は、その出力先からの出力値をそのまま合成器７ｄから選択スイッチ７ｅの接点Ａへ出力してもよいし、所定の演算を行った後に出力してもよい。
【００６５】
選択スイッチ７ｅは、Ａ、Ｂ２つの接点を入力側に有しており、いずれか一方の接点を選択して出力側の接点との間を結線する。接点Ａには合成器７ｄからの出力が入力され、接点Ｂには予め設定された所定値Ｉｈ０＊が入力される。そのため、選択スイッチ７ｅにおいて接点Ａを選択した場合、合成器７ｄからの出力が高周波電流ノルム指令値Ｉｈ＊として高周波電流ノルム指令生成手段７から重畳電圧振幅調整手段９へ出力される。これにより、電流指令値Ｉｄｃ＊、Ｉｑｃ＊、基本波電流成分ＩｄｃＡＶＧ、ＩｑｃＡＶＧ、またはこれらの各ノルムのうちいずれか少なくとも一つに基づいて、高周波電流ノルム指令生成手段７から高周波電流ノルム指令値Ｉｈ＊が出力される。一方、選択スイッチ７ｅにおいて接点Ｂを選択した場合、固定値Ｉｈ０＊が高周波電流ノルム指令値Ｉｈ＊として高周波電流ノルム指令生成手段７から重畳電圧振幅調整手段９へ出力される。
【００６６】
以上説明したようにして、高周波電流ノルム指令生成手段７により、高周波電流ノルム指令値Ｉｈ＊が生成されて重畳電圧振幅調整手段９へ出力される。この高周波電流ノルム指令値Ｉｈ＊は、電流検出手段２の検出精度および電動機１において期待される突極比特性から決まるものである。ここでいう突極比特性とは、図６に示したような軸偏差基準量ｘθｐｄの波形を決定するものであって電動機１に固有の特性である。
【００６７】
最も単純な制御方法では、上記のように選択スイッチ７ｅにおいて接点Ｂを選択することでＩｈ＊＝Ｉｈ０＊として、高周波電流ノルム指令値Ｉｈ＊を固定値としてもよい。しかし、突極比特性は電流動作点に対して不変ではないため、これに応じて上記のように選択スイッチ７ｅにおいて接点Ａを選択してテーブル７ｃやゲイン７ｃからの出力値を用いることにより、高周波電流ノルム指令値Ｉｈ＊を可変にすることが望ましい場合も考えられる。たとえば、電動機１の突極比特性が高トルク条件で悪化する場合、ゲイン７ｃにより高周波電流ノルム指令値Ｉｈ＊を可変にしてもよい。また、たとえば特定電流条件での突極比特性が悪化するなど、電動機１の突極比特性が複雑な場合、テーブル７ｂにより高周波電流ノルム指令値Ｉｈ＊を決定してもよい。このような場合、選択スイッチ７ａからゲイン７ｃおよびテーブル７ｂへの入力としては、電流指令値Ｉｄｃ＊またはＩｑｃ＊、あるいはこれらの電流指令値が表す電流指令ベクトルのノルムを用いればよい。一方、より高速な応答が必要な場合は、基本波電流成分ＩｄｃＡＶＧまたはＩｑｃＡＶＧ、あるいはこれらの基本波電流成分が表す基本波電流ベクトルのノルムを用いればよい。
【００６８】
図９は、重畳電圧振幅調整手段９の内部構成を示している。図９に示すように、重畳電圧振幅調整手段９は、重畳電圧振幅制御手段９ａと、リミッタ９ｂとを備える。これらの各構成は、前述の電動機制御装置４０ａ、電圧出力手段３、電流成分分離手段５、位相調整手段１０、高周波電流ノルム指令生成手段７の各構成と同様に、ＣＰＵがプログラムに応じて実行する処理としてそれぞれ実現される。
【００６９】
重畳電圧振幅制御手段９ａは、電流成分分離手段５からの高周波電流ノルムＩｈと、高周波電流ノルム指令生成手段７からの高周波電流ノルム指令値Ｉｈ＊とが一致するように、重畳電圧振幅指令値Ｖｈ＊を求める。これは図９において示すように、ＰＩ制御あるいはＩ制御の構成でよい。重畳電圧振幅制御手段９ａによって求められた交番電圧振幅指令値Ｖｈ＊は、リミッタ９ｂへ出力される。
【００７０】
リミッタ９ｂは、重畳電圧振幅制御手段９ａからの重畳電圧振幅指令値Ｖｈ＊が負の値や異常に小さい値とならないように制限して出力する。リミッタ９ｂを通過した重畳電圧振幅指令値Ｖｈ＊は、図１に示すように重畳電圧振幅調整手段９から電圧出力手段３へと出力され、前述のような矩形波信号の生成に用いられる。リミッタ９ｂはまた、基本電圧指令値Ｖｄｃ＊、Ｖｑｃ＊が表す基本波ベクトルのノルムと重畳電圧振幅指令値Ｖｈ＊との和を計算する。この計算結果に基づいて、電動機制御装置４０ａからの三相交流電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に応じて電力変換手段１１が出力する電圧が出力可能電圧として定められた所定の上限値を超過しそうな状態であるか否かを判定する。その結果、出力可能電圧を超過しそうな状態であると判定された場合は、運転持続不可能と判断してイベントフラグを立てる。こうしたイベントフラグが立てられたことを検知すると、電動機制御装置４０ａは所定のイベントを行う。たとえば、交番電圧周波数の変更、エラー表示、出力遮断などを行う。
【００７１】
以上説明したようにして、重畳電圧振幅調整手段９により、基本電圧指令値Ｖｄｃ＊、Ｖｑｃ＊に対して重畳する交番電圧の振幅を電圧出力手段３において調整するための重畳電圧振幅指令値Ｖｈ＊が求められ、電圧出力手段３へと出力される。ここで、高周波電流ノルムＩｈと、軸偏差基準量ｘθｐｄと、基本波電流成分ＩｄｃＡＶＧ、ＩｑｃＡＶＧとは、電流成分分離手段５によってそれぞれ分離されており、これらが別々の制御系でそれぞれ制御されている。そのため、上述したような高周波電流制御系が重畳電圧振幅指令値Ｖｈ＊を調整することで高周波電流ノルムＩｈが変動しても、他の電流制御系および位相制御系には全く影響を与えることがない。したがって、各制御系について最適な制御応答設計とすることができる。
【００７２】
次に、以上説明した実施の形態により得られる本発明の主な効果について述べる。
【００７３】
図１０は、電動機１における電流とインダクタンスの特性を説明するための特性説明図である。この図では、上述の基本波電流成分ＩｄｃＡＶＧ、ＩｑｃＡＶＧが表す基本波電流ベクトルのノルムをＩ１とし、これによって電動機１において発生する磁束を主磁束φとしたときの、基本波電流ノルムＩ１と主磁束φの関係をグラフにより模式的に表している。図１０において、グラフの横軸は基本波電流ノルムＩ１の大きさを表し、縦軸は主磁束φの大きさを表している。
【００７４】
基本波電流ノルムＩ１が比較的小さい範囲では、電動機１において発生するトルクが小さい。このとき図１０に示すグラフの傾きはほぼ一定であり、基本波電流ノルムＩ１と主磁束φの関係はほぼ比例関係にあることが分かる。この傾きにより電動機１のインダクタンスＬが定義される。しかし、トルクが大きく、基本波電流ノルムＩ１が表す電流量が比較的大きい条件下では、電動機１において回転子に鎖交する磁束が飽和するため、図１０に示すようにグラフの傾き（インダクタンスＬ）が小さくなる。ここで、前述の重畳電圧振幅調整手段９からの重畳電圧振幅指令値Ｖｈ＊に応じて三相交流電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗにおいて重畳される交番電圧の振幅を重畳電圧振幅Ｖｈと表すと、重畳電圧振幅Ｖｈを一定とした場合の高周波電流ノルムＩｈは上述のインダクタンスＬの大きさに反比例する。すなわち、重畳電圧振幅指令値Ｖｈ＊を一定に設定すると、トルクが増えるに従って磁束飽和の影響により高周波電流ノルムＩｈが増加することになる。
【００７５】
トルクが増大し、電動機制御システム１００におけるハードウェア性能の限界付近まで電動機１に流れる基本波電流ノルムＩ１が増加した場合、高周波電流ノルムＩｈが磁束飽和によって増大することで、上述の電流限界を電流値が超過してしまうことがある。以下ではこのような現象をＯＣ（ＯｖｅｒＣｕｒｒｅｎｔ）と称する。
【００７６】
このような問題に対し、本発明では、前述のノルム演算手段５ｆ、高周波電流ノルム指令生成手段７および重畳電圧振幅調整手段９により構成される制御系を用いて、高周波電流ノルムＩｈを所定の値に制御している。そのため、磁束飽和現象によってインダクタンスが変化しても、高周波電流ノルムＩｈは一定に保たれることになる。
【００７７】
以下では図１１の説明図を用いて本発明の効果を説明する。図１１（ａ）は、重畳電圧振幅指令値Ｖｈ＊を一定値としてトルクを徐々に増加させた場合のｕ相交流電流Ｉｕの波形の一例を示している。図１１（ａ）では、ＯＣとなる電流限界をＯＣレベル６０ａで示している。また、トルクが比較的小さいときの交流電流Ｉｕの波形を拡大したものを符号６０ｂ、トルクが比較的大きいときのＯＣ付近における交流電流Ｉｕの波形を拡大したものを符号６０ｃにそれぞれ示している。この拡大波形６０ｃにおいて、太線で示した符号６０ｄの波形は、基本波電流ノルムＩ１に対応する電流基本波成分を表している。また、波形６０ｄを中心に上下に変動する符号６０ｅの波形は、基本波電流ノルムＩ１に高周波電流ノルムＩｈが重畳されることによって形成される交流電流Ｉｕを表している。
【００７８】
ここで、磁束飽和の傾向は電動機１の個体ごとに異なるため、高周波電流ノルムＩｈがどの程度増大するかが事前に分からず、予期せぬＯＣを発生させる原因となる。また、電力変換手段１１から電動機１までのケーブル長が比較的長い場合や、ケーブル形状が途中で変化するような場合は、見かけ上のインダクタンスが増大して高周波電流ノルムＩｈが小さくなるため、十分な磁極位置推定精度が得られない。そのため、電動機１が脱調してしまい、運転が持続できなくなることがある。
【００７９】
図１１（ｂ）は、本発明を適用した場合に得られるｕ相交流電流Ｉｕの波形の一例を示している。この波形も図１１（ａ）の波形と同様に、重畳電圧振幅指令値Ｖｈ＊を一定としてトルクを徐々に増加させた場合の交流電流Ｉｕの波形例であり、ＯＣとなる電流限界をＯＣレベル６１ａで示している。また、トルクが比較的小さいときの交流電流Ｉｕの波形を拡大したものを符号６１ｂ、トルクが比較的大きいときのＯＣ付近における交流電流Ｉｕの波形を拡大したものを符号６１ｃにそれぞれ示している。
【００８０】
図１１（ｂ）から分かるように、本発明を適用した場合、トルクが増大して電流が大きくなっても高周波電流ノルムＩｈが不必要に増大することがない。そのため、基本波電流ノルムＩ１が電流限界を示すＯＣレベル６１ａ付近となるまで運転を持続することが可能になる。また、高周波電流ノルム指令値Ｉｈ＊から電流指令値の上限値を事前に決めることができるため、ＯＣを未然に防止することができる。さらに、前述のようなケーブル形状の変化による見かけ上のインダクタンス変動の影響をうけることなく、十分な磁極位置推定精度を確保できるため、電動機１の脱調を防いで運転を持続することができる。
【００８１】
以上のように、電動機制御装置４０ａでは、電流成分分離手段５により、電流検出手段２で検出された電流から、交番電圧に応じた高周波電流成分の大きさを表す高周波電流ノルムＩｈと、基本電圧指令値Ｖｄｃ＊、Ｖｑｃ＊に応じた基本波電流成分ＩｄｃＡＶＧ、ＩｑｃＡＶＧと、電動機１の磁極位置に応じた軸偏差基準量ｘθｐｄとを抽出する。これらの各抽出値を用いて、高周波電流制御系、電流制御系および位相制御系の各制御をそれぞれ独立して行う。このような構成とすることで、磁束飽和やケーブル形状の変化などによるインダクタンス変化に対して十分な磁極位置推定精度を確保でき、更にＯＣを未然に防ぐことが可能となる。
【００８２】
（第２実施形態）
図１２は、本発明の第２実施形態による電動機制御システム１００ｂの全体構成図である。電動機制御システム１００ｂは、電力変換装置５０ｂと電動機１とを備える。電力変換装置５０ｂは、電動機制御装置４０ｂと、電力変換手段１１と、電流検出手段２とを備える。なお、電動機１、電力変換手段１１および電流検出手段２は、図１に示す電動機制御システム１００ａと同じものである。以下、本実施形態の電動機制御装置４０ｂと第１実施形態で説明した電動機制御装置４０ａとの違いについて、図を用いて説明する。
【００８３】
図１２において、電動機制御装置４０ｂが図１に示した電動機制御装置４０ａと異なるのは、図１の電圧出力手段３と電流成分分離手段５に替えて、電圧出力手段１２と電流成分分離手段１３を備える点である。
【００８４】
図１３は、電圧出力手段１２の内部構成図である。図３に示した電圧出力手段３では、交番電圧波形発生手段３ａにより矩形波の交番電圧を発生していた。これに対して、図１３に示す電圧出力手段１２では、交番電圧波形発生手段１２ａにより正弦波の交番電圧を発生する。このように本実施形態では、第１の実施形態と比べて、電動機制御装置４０ｂから出力される三相交流電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊において矩形波ではなく正弦波の高周波電圧が重畳される点が異なっている。なお、交番電圧波形発生手段１２ａ以外の乗算器１２ｂ、結合器１２ｃ、座標変換手段１２ｄ、１２ｅ、加算器１２ｆおよび２相３相変換手段１２ｇの各構成は、図３で対応する各構成とそれぞれ同一の働きをする。
【００８５】
図１４は、電流成分分離手段１３の内部構成を示している。図４に示した電流成分分離手段５では、基本波成分抽出手段５ｂにおいて、座標変換手段５ａから出力された電流検出値Ｉｄｃ、Ｉｑｃをそれぞれ所定のタイミングごとにサンプリングして逐次平均処理を実施することにより、基本波電流成分ＩｄｃＡＶＧ、ＩｑｃＡＶＧを抽出していた。これに対して、図１４に示す電圧出力手段１３では、基本波成分抽出手段１３ｂにおいてＬＰＦ（ローパスフィルタ）を用いて電流検出値Ｉｄｃ、Ｉｑｃから高周波成分をそれぞれ除去することにより、基本波電流成分ＩｄｃＡＶＧ、ＩｑｃＡＶＧを抽出する。
【００８６】
また、図４に示した電流成分分離手段５では、高周波成分抽出手段５ｃにおいて電流検出値Ｉｄｃ、Ｉｑｃについて１回当たりの差分値ΔＩｄｃ、ΔＩｑｃを算出し、さらに符号補償手段５ｄにおいて符号補償を行うことにより、高周波電流ベクトルΔＩｄｃＡＶＧ、ΔＩｑｃＡＶＧを抽出していた。これに対して、図１４に示す電圧出力手段１３では、高周波成分抽出手段１３ｃにおいて交番電圧の正弦波信号の周波数相当を透過するＢＰＦ（バンドパスフィルタ）を用いることで、上記の差分値に相当する高周波成分ΔＩｄｃ、ΔＩｑｃを抽出する。こうして抽出された高周波成分ΔＩｄｃ、ΔＩｑｃに対して、これらの振幅値を振幅演算手段１３ｄにおいてそれぞれ算出することにより、高周波電流ベクトルΔＩｄｃＡＶＧ、ΔＩｑｃＡＶＧを抽出する。
【００８７】
以上説明したように本実施形態では、第１実施形態と比べて、ＬＰＦやＢＰＦを用いて電流検出値Ｉｄｃ、Ｉｑｃから基本波電流成分ＩｄｃＡＶＧ、ＩｑｃＡＶＧと高周波電流ベクトルΔＩｄｃＡＶＧ、ΔＩｑｃＡＶＧを抽出する点が異なっている。なお、基本波成分抽出手段１３ｂ、高周波成分抽出手段１３ｃおよび振幅演算手段１３ｄ以外の各構成（座標変換手段１３ａ、軸偏差基準量演算手段１３ｅ、ノルム演算手段１３ｆ）は、図４で対応する各構成とそれぞれ同一の働きをする。
【００８８】
以上のように、本実施形態では正弦波重畳とフィルタを用いた電流成分分離を実施する。これにより、デッドタイムなど不要な高調波成分の影響を抑制し、安定した運転を実現できる。
【００８９】
（第３実施形態）
図１５は、本発明の第３実施形態による電動機制御システム１００ｃの全体構成図である。電動機制御システム１００ｃは、電力変換装置５０ｃと誘導電動機１４とを備えている。電力変換装置５０ｃは、電動機制御装置４０ｃと、電力変換手段１１と、電流検出手段２とを備える。なお、電力変換手段１１および電流検出手段２は、図１に示す電動機制御システム１００ａと同じものである。以下、本実施形態の電動機制御装置４０ｃと第１実施形態で説明した電動機制御装置４０ａとの違いについて、図を用いて説明する。
【００９０】
図１５に示す電動機制御システム１００ｃが図１の電動機制御システム１００ａと異なるのは、制御対象が電動機１ではなく誘導電動機１４となっている点と、電動機制御装置４０ｃが図１の位相調整手段１０に替えて位相調整手段１５を備える点である。位相調整手段１５には、位相調整手段１０と同様に、軸偏差基準量指令生成手段８からの軸偏差基準量指令ｘθｐｄ＊および電流成分分離手段５からの軸偏差基準量ｘθｐｄが入力される。さらに、電流指令生成手段６からの電流指令値Ｉｄｃ＊、Ｉｑｃ＊も入力される。
【００９１】
図１６は、位相調整手段１５の内部構成図である。図７に示した位相調整手段１０は、第１の位相調整手段１０ａ、第２の位相調整手段１０ｂおよび選択スイッチ１０ｃを備えていた。一方、図１６に示す位相調整手段１５は、第１の位相調整手段１５ａ、第２の位相調整手段１５ｂ、積分器１５ｃおよびすべり補償量演算手段１５ｄを備えている。
【００９２】
第１の位相調整手段１５ａは、図７における第１の位相調整手段１０ａと同様に、軸偏差基準量ｘθｐｄを軸偏差基準量指令生成手段８からの軸偏差基準量指令ｘθｐｄ＊と一致させるように重畳位相θｐを調整する。その結果、本実施形態では重畳位相θｐは励磁磁束位相に一致する。説明の便宜上、ここでは励磁磁束位相をθｄと称する。
【００９３】
第２の位相調整手段１５ｂは、制御軸位相θｄｃが上記の励磁磁束位相θｄと一致するように制御軸位相θｄｃを調整し、速度推定値ωｒ＾を出力する。一方、すべり補償量演算手段１５ｄは、電流指令生成手段６から入力された電流指令値Ｉｄｃ＊、Ｉｑｃ＊に基づいて、誘導電動機１４の二次時定数Ｔ２を用いて、以下の式（３）によりすべり補償量ωｓ＊を算出する。
【００９４】
【数３】
0005401500.tif 000004
・・・（３）
【００９５】
上記の速度推定値ωｒ＾とすべり補償量ωｓ＊とが加算され、速度指令値ω１＊として積分器１５ｃへ出力される。これを積分することで、積分器１５ｃは制御軸位相θｄｃを算出して出力する。積分器１５ｃからの制御軸位相θｄｃは、第１の位相調整手段１５ａからの重畳位相θｐと共に、電圧出力手段３および電流成分分離手段５へ出力される。
【００９６】
以上説明したような構成とすることで、第２の位相調整手段１５ｂの出力を速度推定値ωｒ＾とみなすことができる。この速度推定値ωｒ＾に基づいて、上位のシステムは電動機制御システム１００ｃの状態を判断し、電流指令生成手段６において電流指令Ｉｄｃ＊、Ｉｑｃ＊を生成するためのトルク指令を出力することができる。
【００９７】
（第４実施形態）
図１７は、本発明の第４実施形態による電動機制御システム１００ｄの全体構成図である。本実施形態は、前述の第２実施形態と第３実施形態を組み合わせたものである。電動機制御システム１００ｄは、電力変換装置５０ｄと誘導電動機１４を備えている。電力変換装置５０ｄは、電動機制御装置４０ｄと、電力変換手段１１と、電流検出手段２とを備える。電動機制御装置４０ｄは、第２実施形態で説明したのと共通の電圧出力手段１２および電流成分分離手段１３を備えると共に、第３実施形態で説明したのと共通の位相調整手段１５を備えている。それ以外の点は、第１実施形態で説明した電動機制御装置４０ａと同じである。
【符号の説明】
【００９８】
１  電動機
２  電流検出手段
３  電圧出力手段
４  ベクトル演算手段
５  電流成分分離手段
６  電流指令生成手段
７  高周波電流ノルム指令生成手段
８  軸偏差基準量指令生成手段
９  重畳電圧振幅調整手段
１０  位相調整手段
１１  電力変換手段
１２  電圧出力手段
１３  電流成分分離手段
１４  誘導電動機
１５  位相調整手段
４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ  電動機制御装置
５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ  電力変換装置
１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ  電動機制御システム
【図１】
0005401500.tif 000005
【図２】
0005401500.tif 000006
【図３】
0005401500.tif 000007
【図４】
0005401500.tif 000008
【図５】
0005401500.tif 000009
【図６】
0005401500.tif 000010
【図７】
0005401500.tif 000011
【図８】
0005401500.tif 000012
【図９】
0005401500.tif 000013
【図１０】
0005401500.tif 000014
【図１１】
0005401500.tif 000015
【図１２】
0005401500.tif 000016
【図１３】
0005401500.tif 000017
【図１４】
0005401500.tif 000018
【図１５】
0005401500.tif 000019
【図１６】
0005401500.tif 000020
【図１７】
0005401500.tif 000021