(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転電気機械システムのトルク指令値または速度指令値をベクトル制御における回転座標系のｄ，ｑ軸電流指令値に変換し、回転電気機械の制御系の周波数特性をシステムの同定によって任意周波数成分の複素ベクトルで表現したモデル化を行い、このモデルを使って任意周波数成分のトルクリプルの実部・虚部を周期性外乱オブザーバで推定し、この周期性外乱を抑圧するように前記ｄ，ｑ軸電流指令値にフィードバック補償電流を重畳する回転電気機械のトルクリプル抑制制御装置であって、
回転電気機械の軸トルク検出値Ｔdetと脈動抽出フィルタＧFおよび回転位相θから回転電気機械システムのトルクリプルが有するｎ次周波数成分別のトルク脈動の余弦係数ＴAnと正弦係数ＴBnを求めるトルクリプル抽出部と、
前記余弦係数ＴAnと正弦係数ＴBnおよび回転電気機械の回転速度ωからトルクリプルのｎ次補償電流余弦係数Ｉ＾Anと正弦係数Ｉ＾Bnを推定する周期性外乱オブザーバと、
前記余弦係数Ｉ＾Anと正弦係数Ｉ＾Bnをトルクリプル補償電流指令値とし、これら余弦係数Ｉ＾Anと正弦係数Ｉ＾Bnと回転電気機械の回転位相θから回転電気機械システムの周期性外乱抑制のフィードバック補償電流を求める補償電流生成部とを備え、
前記周期性外乱オブザーバは、
トルク指令値からトルク検出値までのｎ次トルクリプル周波数成分別の回転電気機械システムの伝達関数をｎ次成分実部Ｐ＾Anとｎ次成分虚部Ｐ＾Bnの１次元複素ベクトルで同定した値を推定しておく手段と、
前記余弦係数ＴAnと正弦係数ＴBnおよび前記ｎ次成分実部Ｐ＾Anとｎ次成分虚部Ｐ＾Bnから、次式
【数２４】
0005446988.tif 000025
の演算によって周期性外乱を含む電流推定値の実部Ｉ＾Anおよび虚部Ｉ＾Bnを求める手段と、
前記電流推定値の実部Ｉ＾Anおよび虚部Ｉ＾Bnのそれぞれから、前記脈動抽出フィルタＧFを介した補償電流指令値ＩAn*、ＩBn*を差し引き、周期性外乱電流を打ち消すための周期性外乱電流実部ｄＩ＾Anおよび虚部ｄＩ＾Bnの推定値を得る手段と、
を備えたことを特徴とする回転電気機械のトルクリプル抑制制御装置。
【請求項２】
前記脈動抽出フィルタＧFは、１次ローパスフィルタまたは高次の低域通過フィルタとしたことを特徴とする請求項１に記載の回転電気機械のトルクリプル抑制制御装置。
【請求項３】
回転電気機械システムのトルク指令値または速度指令値をベクトル制御における回転座標系のｄ，ｑ軸電流指令値に変換し、回転電気機械の制御系の周波数特性をシステムの同定によって任意周波数成分の複素ベクトルで表現したモデル化を行い、このモデルを使って周期性外乱を推定し、この周期性外乱を抑圧するように前記ｄ，ｑ軸電流指令値にフィードバック補償電流を重畳する回転電気機械のトルクリプル抑制制御方法であって、
トルクリプル抽出部は、回転電気機械の軸トルク検出値Ｔdetと脈動抽出フィルタＧFおよび回転位相θから回転電気機械システムのトルクリプルが有するｎ次周波数成分別のトルク脈動の余弦係数ＴAnと正弦係数ＴBnを求め、
周期性外乱オブザーバは、前記余弦係数ＴAnと正弦係数ＴBnおよび回転電気機械の回転速度ωからトルクリプルのｎ次補償電流余弦係数Ｉ＾Anと正弦係数Ｉ＾Bnを推定し、
補償電流生成部は、前記余弦係数Ｉ＾Anと正弦係数Ｉ＾Bnをトルクリプル補償電流指令値とし、これら余弦係数Ｉ＾Anと正弦係数Ｉ＾Bnと回転電気機械の回転位相θから回転電気機械システムの周期性外乱抑制のフィードバック補償電流を求め、
前記周期性外乱オブザーバは、
トルク指令値からトルク検出値までのｎ次トルクリプル周波数成分別の回転電気機械システムの伝達関数をｎ次成分実部Ｐ＾Anとｎ次成分虚部Ｐ＾Bnの１次元複素ベクトルで同定した値を推定しておき、
前記余弦係数ＴAnと正弦係数ＴBnおよび前記ｎ次成分実部Ｐ＾Anとｎ次成分虚部Ｐ＾Bnから、次式
【数２５】
0005446988.tif 000026
の演算によって周期性外乱を含む電流推定値の実部Ｉ＾Anおよび虚部Ｉ＾Bnを求め、
前記電流推定値の実部Ｉ＾Anおよび虚部Ｉ＾Bnのそれぞれから、前記脈動抽出フィルタＧFを介した補償電流指令値ＩAn*、ＩBn*を差し引き、周期性外乱電流を打ち消すための周期性外乱電流実部ｄＩ＾Anおよび虚部ｄＩ＾Bnの推定値を得ることを特徴とする回転電気機械のトルクリプル抑制制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ等の回転電気機械のトルク制御装置において、回転電気機械のトルクリプル（トルク脈動）を自動的に抑制する制御装置および制御方法に係り、特に周期性外乱オブザーバによる周期性外乱抑制制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
モータは原理的にトルクリプル（トルク脈動）を発生し、振動・騒音・乗り心地への悪影響、電気・機械共振等の種々の問題を引き起こす。特に、近年普及が進んでいる埋込磁石ＰＭモータ（ＩＰＭＳＭ）は、コギングトルクリプルとリラクタンストルクリプルが複合的に発生する。その対策として、トルクリプルを打ち消す補償電流をトルク指令に重畳する種々の方式が検討されている。
【０００３】
しかしながら、例えば数式解析モデルを用いてフィードフォワード補償を行なう方式では、解析誤差の影響が懸念される。また、定常動作点でのフィードバック学習制御結果を記憶してフィードフォワード補償する方式では動作点毎に制御パラメータを適切に調整するための時間を要し、オンライン補償が難しくなる。また、電流リプルを低減する方式は、トルクリプルの観点からは最適に抑制されているとは限らない。そのほか、トルクリプルオブザーバ補償方式も検討されているが、可変速運転時の特性やオンラインフィードバック抑制の検証が不充分なものであった。
【０００４】
上記の課題に対し、電気・機械共振の元凶であるトルクリプルを高精度に抑制する目的で、軸トルクメータによるフィードバック抑制制御法を本願発明者等は既に提案している（例えば、非特許文献１参照）。この制御法は、トルクリプルの周期性に着目して脈動周波数成分毎に補償する制御系を構築すると共に、システム同定結果を用いて動作状態変化に即応するようパラメータを自動調整する機能を設けたものであり、この制御法の詳細を以下に説明する。
【０００５】
（１）トルクリプル抑制制御装置の基本構成
図２は、従来のトルクリプル抑制制御装置の基本構成図である。同図は、モータによって負荷を駆動するシステムに適用したものである。
【０００６】
トルクリプルの発生源となるモータ１と、何らかの負荷装置２をシャフト３で結合し、その軸トルクをトルクメータ４で計測してトルクリプル抑制装置５に入力する。また、ロータリエンコーダ等の回転位置センサ６を用いてモータの回転子位置（位相）情報を入力する。トルクリプル抑制装置５は、トルク脈動抑圧手段を搭載し、トルク指令値（あるいは速度指令値）に基づいて生成された電流指令値に、トルク脈動補償電流を上乗せした指令値をインバータ７に与える。図２の例では、インバータ７で電流ベクトル制御することを考慮して、モータの回転に同期した回転座標（直交ｄｑ軸）上のｄ軸、ｑ軸電流指令値ｉｄ*、ｉｑ*を与えている。
【０００７】
トルクリプル（トルク脈動）はモータの構造上、回転子位置に応じて周期的に発生することが知られている。そこで、モータ回転に同期してトルクリプル周波数成分を抽出する手段を用い、任意次数ｎのトルクリプルを余弦、正弦係数ＴAn，ＴBn［Ｎｍ］に変換する。トルクリプル周波数成分の厳密な計測手段にはフーリエ変換などあがるが、演算容易性を重視すれば回転位相θ［ｒａｄ］を基準とした単相の高調波回転座標系に低域通過フィルタを通すことでトルクリプル周波数成分を抽出することができる。
【０００８】
トルクリプル抑制装置５では、上記の余弦、正弦係数ＴAn，ＴBnを用いてトルクリプル抑制制御を行い、任意周波数成分の補償電流ｉｑｃ*［アンペア］の余弦／正弦係数ＩAn，ＩBn［アンペア］を生成する。補償電流ｉｑｃ*への変換は、変換時と同じ回転位相θを用いて以下の（２）式で求め、この補償電流はｑ軸電流指令値に重畳して通常のベクトル制御を行う。
【０００９】
【数１】
0005446988.tif 000002
【００１０】
図３は、前記の軸トルク検出値Ｔdetと回転位相θからトルクリプルの余弦、正弦係数ＴAn，ＴBnを求め、これらと回転速度ωから補償電流余弦係数ＩAnおよび正弦係数ＩBnを求めてトルク周期性外来抑制の補償電流を求めるトルクリプル抑制装置の制御ブロック図である。図中の記号は、以下の意味である。
【００１１】
Ｔ*：トルク指令値、Ｔdet：軸トルク検出値、ＴAn：ｎ次トルク脈動抽出成分（余弦係数）、ＴBn：ｎ次トルク脈動抽出成分（正弦係数）、ω：回転数検出値、θ：回転位相検出値、ｉｑｃ*：トルクリプル補償電流、ｉｄ：ｄ軸電流検出値、ｉｄ*：ｄ軸電流指令値、ｉｑ：ｑ軸電流検出値、ｉｑ*：ｑ軸電流指令値、ｉｕ．ｉｖ．ｉｗ：ｕ、ｖ、ｗ相電流、ｉｑｏ*：ｑ軸電流指令値（補償電流重畳前）、ＩAn：ｎ次補償電流余弦係数、ｌBn：ｎ次補償電流正弦係数、ａｂｚ：回転センサ信号。なお、添え字のｎはｎ次成分トルクリプルである。
【００１２】
図３において、指令値変換部１１は、トルク指令値Ｔ*から、ベクトル制御における回転ｄｑ座標系のｄ軸およびｑ軸電流指令値Ｉｄ*、Ｉｑｏ*に変換する。一般には、最大トルク／電流制御を実現するような変換数式やテーブルなどが用いられる。電流ベクトル制御部１２は、ｑ軸電流指令値ｉｑｏ*にトルク脈動補償電流ｉｑｃ*を重畳したものをｑ軸電流指令値ｉｑ*としてトルク脈動を抑制する。図３の例ではｑ軸電流指令値に補償電流ｉqcを重畳しているが、ｄ軸電流、あるいはｄ軸とｑ軸の両方に与えても良い。あるいは、ｄｑ軸電流の干渉が問題にならないシステムであれば、トルク指令値に対して直接的にトルク脈動補償信号を重畳しても良い。
【００１３】
電流ベクトル制御部１２は、一般的な直交回転座標系ｄ軸ｑ軸において、電流ベクトル制御の動作を行い、モータ（ＩＰＭＳＭ）１３をベクトル制御で駆動することで、負荷装置１４を駆動する。座標変換部１５は、電流センサ１６で検出する３相交流電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗとモータ回転位相θから、モータ回転座標に同期したｄｑ軸直交回転座標系の電流ｉｄ，ｉｑに変換する。回転位相／速度検出部１７は、エンコーダ等の回転位置センサ１８の回転センサ信号ａｂｚから回転速度ωおよび回転位相θの情報に変換する。
【００１４】
トルク脈動周波数成分抽出部１９では、軸トルクメータ２０で検出する軸トルク検出値Ｔdetと回転位相θからトルク周期性外乱を脈動周波数成分ごとに抽出する。代表的な抽出手段としてフーリエ変換がある。脈動成分の抽出方法は任意であるが、演算容易性を重視し、軸トルク検出値Ｔdet［Ｎｍ］に回転位相θを基準としたｎ次余弦波・正弦波を乗じ、それぞれに低域通過フィルタを施すことで、（３）〜（５）式に示す近似的なフーリエ変換を行う。これを、トルクリプル同期座標変換と称する。
【００１５】
【数２】
0005446988.tif 000003
【００１６】
£：ラプラス変換、ＧF：脈動抽出フィルタ、ωf：脈動抽出ローパスフィルタ遮断周波数［ｒａｄ／ｓ］、ｓ：ラプラス演算子
トルクリプル抑制制御部２１では、（３）〜（５）式で抽出・変換したＴAn、ＴBnを用いてトルクリプル抑制制御を各次成分で行い、補償電流ｉqc*［Ａ］のｎ次周波数成分ｉqcn*［Ａ］の余弦係数ＩAn*［Ａ］ならびに正弦係数ＩBn*［Ａ］を生成する。ｎ次補償電流ｉqcn*への変換は、前記（２）式と同様に、トルクリプル同期座標変換時と同一の回転位相θを用いて計算する。
【００１７】
トルク指令Ｔ*［Ｎｍ］は、最大トルク／電流制御を実現するｄｑ軸電流指令値ｉd*、ｉq0*に変換し、（２）式で生成した各次補償電流の合成値ｉqc*をｉq0*に重畳して、ベクトル制御を行う。基本的に、トルクリプル抑制制御装置で行う演算処理内容は、軸トルク脈動成分抽出・トルクリプル抑制・補償電流信号生成であり、それ以外の処理については一般的なインバータで行っている。
【００１８】
上記のトルクリプル抑制制御部２１の代表形態として、周期性外乱オブザーバ補償法または補償電流フーリエ係数学習制御法を用いることができる。
【００１９】
補償電流生成部２２では、前記の（２）式で補償電流指令値ｉｑｃ*を生成し、ｑ軸電流指令値に重畳する。
【００２０】
（２）システムの同定
図２に示すようなシステム構成は、ＰＭモータ１，負荷装置２，卜ルクメータ４，カップリング３等の慣性モーメントにより多慣性軸ねじれ共振系となる。軸トルク検出値をフィードバックする場合は複数の共振・反共振周波数があるため、動作状態に応じて適切に抑制制御パラメータを決定しなければならない。制御パラメータの学習時間か長いと電気・機械共振現象を増大させる危険があるため、速やかな自動調整機能が必要である。
【００２１】
そこで、非特許文献１では、回転速度変化に適応する可変ノミナル制御パラメータを導出するために、図２のトルクリプル抑制装置５の出力値から入力値までのシステム伝達関数、すなわち図３における補償電流指令値ｉｑｃ*から軸トルク検出器４の検出値Ｔdetまでの周波数伝達関数を同定する。システム同定手法は任意であるが、開ループでｉｑｃ*にガウス性ノイズ信号を与えた時の軸トルク検出値Ｔdetを演算周期１００μｓで２０秒間計測し、入出力のパワースペクトル密度の比から周波数伝達関数をノンパラメトリックに推定した結果を図４に示す（機械系，インバータ電流応答，トルクメータ応答，無駄時間などを含んだ実機の特性）。また、周波数伝達関数の傾向から４慣性系に近似した場合のパラメトリック同定結果も併せて示す。近似のための最適化手法にも種々の方式があるが、周波数領域でｌｋＨｚまでの振幅特性の誤差を評価し、制約付き非線形最小化（逐次２次計画法）を行った。
【００２２】
図３ではトルクリプル周波数に同期した座標で制御系を構築するため、図４のシステム同定結果から任意の周波数伝達関数のみを抽出する。定常状態において、トルクリプル周波数に同期したシステムの振幅・位相伝達関数は１次元複素ベクトルで表現できるので、図３の制御系でのシステム特性Ｐsysを下記の（６）式のように定義する。
【００２３】
【数３】
0005446988.tif 000004
【００２４】
ＰAm：システム特性の実部、ＰBm：システム特性の虚部、ｍ：システム同定テーブルの周波数要素番号
例えば、１〜１０００［Ｈｚ］までのシステム特性をＩＨｚ毎に（６）式で表現した場合、１０００個の複素ベクトルの要素からシステム同定テーブルを構築することができる。制御系で使用されるのは常に１つの複素ベクトルに限られ、回転速度変化（トルクリプル周波数変化）に応じて同定テーブルから瞬時にＰAmとＰBmを読み出し、線形補間を施して複素ベクトル化された同定結果を抑制制御に適用する。なお、回転位相を基準とした実部と虚部の軸を定義するため、（５）式における余弦係数は実部成分、正弦係数は虚部成分に対応する。
【００２５】
（３）補償電流フーリエ係数学習制御法
前記の非特許文献１に方式１として記載されるトルクリプル抑制制御法であり、トルクリプル周波数成分のフーリエ係数として求め、これから前記（２）式の演算で補償電流ｉｑｃ*を求める。この制御法では、トルクリプル周波数に同期した周波数成分のシステム伝達関数を１次元複素ベクトルで表現し、任意周波数成分のトルクリプルの実部・虚部をフーリエ変換等で抽出している。その余弦・正弦フーリエ係数を複素ベクトルの実部・虚部に当てはめて、フィードバック抑制制御系を構築する。
【００２６】
補償電流係数はＩ−Ｐ（比例・積分）学習制御方式で求める。Ｉ−Ｐ抑制制御系の閉ループ特性が、モデルマッチング法によって任意の標準系規範モデルの極配置と一致するように比例・積分ゲインを決定する。また、それらは前記のシステム同定結果と回転速度情報を用いて自動的にパラメータを適応させるので、多慣性共振系システムヘの実装を容易にする。
【００２７】
任意の定常動作点（定常トルク・定常回転数）において、抑制完了したときの補償電流信号の振幅・位相を保存し、それを複数の動作点で実施して、トルク・回転数の２次元テーブルとして実装する。この際、トルク・回転数情報をテーブルに入力し、読み出した補償電流振幅・位相データから補償電流を生成してフィードフォワード抑制することが可能となる。
【００２８】
（４）周期性外乱オブザーバ補償法
前記の非特許文献１に方式２として記載されるトルクリプル抑制制御法である。前記補償電流フーリエ係数学習制御法での制御パラメータ自動調整手法は、Ｉ−Ｐ制御ゲインの調整を介して外乱を抑制するため、可変速運転に対する即応性が低下する。そのため、学習した結果を予めテーブル化しておき、フィードフォワード抑制する使い方を推奨している。
【００２９】
本方式の周期性外乱オブザーバ補償法は、周期性外乱オブザーバという考え方を用いて直接的にトルクリプル外乱を推定するため、上記の即応性の問題を改善できる。したがって、可変速・負荷変動を有するシステムに対しても常時オンラインフィードバックでトルクリプルを抑制できる。また、補償電流フーリエ係数学習制御法と同様に１次元複素ベクトルで表現したシステム同定結果を用いて、周期性外乱オブザーバの逆モデルを自動調整する機能を持たせることで、多慣性共振系システムヘの実装も容易になる特徴を持つ。
【００３０】
図５は周期性外乱オブザーバによるトルクリプル抑制制御の演算ブロック図であり、３１は周期性外乱オブザーバ部、３２はトルクリプル抽出部、３３は実システムを表現している。同図中、ｄＩAn*：ｎ次周期性外乱電流実部（余弦係数）指令値、ｄＩBn*：ｎ次周期性外乱電流虚部（正弦係数）指令値、ｉｑｃｎ：ｎ次補償電流、ｄＩAn：ｎ次周期性外乱の実部（余弦）成分推定値、ｄＩBn：ｎ次周期性外乱の虚部（正弦）成分推定値、ＩAn：ｎ次補償電流実部（余弦係数）、ＩBn：ｎ次補償電流虚部（正弦係数）。
【００３１】
同図は、トルクリプル周波数に同期した制御系のみを示しているので、実システムの伝達特性は１次元複素ベクトルで示される。すなわち、以下の（７）式で実システムを表現し、そのシステム同定結果を（８）式とする。なお、（８）式中の推定値および以降の式中では「＾」記号をＰの頂部に付して示すが、明細書中では「Ｐ＾」のように記す。
【００３２】
【数４】
0005446988.tif 000005
【００３３】
ＰAn：ｎ次トルクリプル周波数成分のシステム実部、ＰBn：ｎ次トルクリプル周波数成分のシステム虚部、Ｐ＾An：ｎ次トルクリプル周波数成分のシステム実部推定値、Ｐ＾Bn：ｎ次トルクリプル周波数成分のシステム虚部推定値
図中のトルクリプル抽出部のローパスフィルタ伝達関数は前記（５）式より、以下の（９）式となる。
【００３４】
【数５】
0005446988.tif 000006
【００３５】
図５は、一般的な従来の外乱オブザーバと同じ構成であるが、周期性外乱のみに着目しているため、システム特性は（７）式のように１次元複素ベクトルで表され、オブザーハ部の逆システムＰ＾ｓｙｓ-1はシステム同定結果を用いて（８）式の逆数で簡単に示すことができる。
【００３６】
【数６】
0005446988.tif 000007
【００３７】
周期性外乱オブザーバは、上記の複素ベクトル演算した後に、オブザーバフィルタを介して周期性外乱（トルクリプル）の実部成分と虚部成分をそれぞれ推定する。周期性外乱推定値実部ｄＩAnおよび虚部ｄＩBnは、図５のごとく、その外乱成分を打ち消すように補償電流として与えればよい。通常は、周期性外乱電流指令値ＩAn*、ＩBn*をゼロ（０）とすることで、その周波数成分の外乱電流を抑制できる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００３８】
【非特許文献１】只野  他、「ＰＭモータの周期性外乱に着目したトルクリプル抑制制御法の検討」、平成２１年電気学会産業応用部門大会、Ｉ−６１５〜６１８、会期：平成２１年８月３１日〜９月２日、会場：三重大学
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３９】
一般に、トルクリプルを検出し、全周波数帯域に亘るフィードバック制御でトルクリプルを抑制する装置では、高周波帯域では演算無駄時間の影響を受けてフィードバック制御応答が低下し、高周波帯域の外乱抑圧性能が低下し、所望の補償電流生成が困難となる。
【００４０】
一方、前記のＩ−Ｐ（比例・積分）学習制御方式などで求める周期的学習法は、周期性外乱と同一周波数の正弦波・余弦波を生成してから、その正弦・余弦係数（振幅・位相と等価）を調整対象とする。したがって、この方式は、全周波数帯域の補償電流を一括して生成する制御器よりも高周波外乱への対応が容易になり、周期性外乱抑圧性能の改善が期待できる。また、対象次数毎に並列にトルクリプル抑制制御器を構成すれば、同時に複数の次数のトルクリプル抑制にも対応できる。
【００４１】
また、図３ではトルクリプル周波数に同期した座標で制御系を構築するため、トルクリプル補償電流指令値ｉqc*から軸トルク検出値Ｔdetまでのシステム伝達関数を同定する。このシステム同定結果から任意の周波数伝達関数のみを抽出してフィードバック制御する。定常状態において、トルクリプル周波数に同期したシステムの振幅・位相伝達関数は１次元複素ベクトルで表現できるので、実システムの周波数伝達関数を回転速度ωに関する複素ベクトルＰ（ｊω）で（１２）式のとおり定義することができる。
【００４２】
【数７】
0005446988.tif 000008
【００４３】
ＰA（ω）：実システムの実部、  ＰB（ω）：実システムの虚部
非特許文献１では、トルクリプル同期座標で制御系を構築するため、（１２）式から任意ｎ次成分の周波数伝達関数のみを抽出し、トルクリプル同期座標の実システムを（１３）式とする。つまり、任意ｎ次成分のシステムの振幅・位相特性は、単純な１次元複素ベクトルＰnで表現できることに着目する。なお、（２）〜（５）式と同様に、回転位相θを基準として実部・虚部の軸を定義し、余弦係数は実部成分、正弦係数は虚部成分に対応させている。
【００４４】
【数８】
0005446988.tif 000009
【００４５】
ＰAn：実システムｎ次成分実部、  ＰBn：実システムｎ次成分虚部
図３の制御系におけるシステム同定結果についても、同様に１次元複素ベクトルで（１４）式のとおり定義することができる。
【００４６】
【数９】
0005446988.tif 000010
【００４７】
Ｐ＾An：同定結果のｎ次成分実部、Ｐ＾Bn：同定結果のｎ次成分虚部
例えば、１〜ｌ０００Ｈｚまでのシステム同定結果をＩＨｚ毎に複素ベクトルで表現した場合、１０００個の１次元複素ベクトルの要素からなるテーブルを構築することができる。同定結果を近似式で表現することも可能である。
【００４８】
以上から、複雑なシステムであってもシステムモデルは常に簡素な１次元複素ベクトルとなり、モータ回転速度ωの変化（トルクリプル周波数変化）に応じて（１４）式も瞬時に参照値を変更すれば可変速運転にも容易に対応できる。
【００４９】
ここで、図３に示すように、トルクリプル抑制制御には、モータに流れる電流の基本波成分周波数の整数倍で回転する高調波の回転座標変換を施し、その成分の高調波電流を抽出して電流ベクトル制御部１２に設けたＩ−Ｐ（比例・積分）制御器で０となるように抑圧している。その際、高調波の速度起電力を外乱として捉えて、それを推定する外乱オブザーバを構成して高調波回転座標上の電流指令値に加算し、高調波電流を抑圧する。この手法はモータに流れる高調波電流を抑制できるが、トルク脈動を高精度に抑制できるとは限らず、また、多慣性系システムやインバータ応答等の複雑な電気機械特性にも対応していない。
【００５０】
本発明の目的は、周期性外乱オブザーバによる周期性外乱抑制に、多慣性系システムやインバータ応答等の複雑な電気機械特性にも対応して、トルクリプルを高精度に抑制できる回転電気機械のトルクリプル抑制制御装置および制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００５１】
本発明は、前記の課題を解決するため、周期性外乱オブザーバは、トルク指令値からトルク検出値までのｎ次トルクリプル周波数成分別のシステム伝達関数を実部Ｐ＾Anと虚部Ｐ＾Bnの１次元複素ベクトルで同定した値と、余弦係数ＴAnと正弦係数ＴBnおよびシステム伝達関数の実部Ｐ＾Anと虚部Ｐ＾Bnから、周期性外乱を含む電流推定値の実部Ｉ＾Anおよび虚部Ｉ＾Bnを求め、電流推定値の実部Ｉ＾Anおよび虚部Ｉ＾Bnのそれぞれから脈動抽出フィルタＧFを介した補償電流指令値ＩAn*、ＩBn*を差し引き、周期性外乱電流を打ち消すための周期性外乱電流実部ｄＩ＾Anおよび虚部ｄＩ＾Bnの推定値を得るようにしたもので、以下の装置および方法を特徴とする。
【００５２】
（１）回転電気機械システムのトルク指令値または速度指令値をベクトル制御における回転座標系のｄ，ｑ軸電流指令値に変換し、回転電気機械の制御系の周波数特性をシステムの同定によって任意周波数成分の複素ベクトルで表現したモデル化を行い、このモデルを使って任意周波数成分のトルクリプルの実部・虚部を周期性外乱オブザーバで推定し、この周期性外乱を抑圧するように前記ｄ，ｑ軸電流指令値にフィードバック補償電流を重畳する回転電気機械のトルクリプル抑制制御装置であって、
回転電気機械の軸トルク検出値Ｔdetと脈動抽出フィルタＧFおよび回転位相θから回転電気機械システムのトルクリプルが有するｎ次周波数成分別のトルク脈動の余弦係数ＴAnと正弦係数ＴBnを求めるトルクリプル抽出部と、
前記余弦係数ＴAnと正弦係数ＴBnおよび回転電気機械の回転速度ωからトルクリプルのｎ次補償電流余弦係数Ｉ＾Anと正弦係数Ｉ＾Bnを推定する周期性外乱オブザーバと、
前記余弦係数Ｉ＾Anと正弦係数Ｉ＾Bnをトルクリプル補償電流指令値とし、これら余弦係数Ｉ＾Anと正弦係数Ｉ＾Bnと回転電気機械の回転位相θから回転電気機械システムの周期性外乱抑制のフィードバック補償電流を求める補償電流生成部とを備え、
前記周期性外乱オブザーバは、
トルク指令値からトルク検出値までのｎ次トルクリプル周波数成分別の回転電気機械システムの伝達関数をｎ次成分実部Ｐ＾Anとｎ次成分虚部Ｐ＾Bnの１次元複素ベクトルで同定した値を推定しておく手段と、
前記余弦係数ＴAnと正弦係数ＴBnおよび前記ｎ次成分実部Ｐ＾Anとｎ次成分虚部Ｐ＾Bnから、次式
【００５３】
【数１０】
0005446988.tif 000011
【００５４】
の演算によって周期性外乱を含む電流推定値の実部Ｉ＾Anおよび虚部Ｉ＾Bnを求める手段と、
前記電流推定値の実部Ｉ＾Anおよび虚部Ｉ＾Bnのそれぞれから、前記脈動抽出フィルタＧFを介した補償電流指令値ＩAn*、ＩBn*を差し引き、周期性外乱電流を打ち消すための周期性外乱電流実部ｄＩ＾Anおよび虚部ｄＩ＾Bnの推定値を得る手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００５５】
（２）前記脈動抽出フィルタＧFは、１次ローパスフィルタまたは高次の低域通過フィルタとしたことを特徴とする。
【００５６】
（３）回転電気機械システムのトルク指令値または速度指令値をベクトル制御における回転座標系のｄ，ｑ軸電流指令値に変換し、回転電気機械の制御系の周波数特性をシステムの同定によって任意周波数成分の複素ベクトルで表現したモデル化を行い、このモデルを使って周期性外乱を推定し、この周期性外乱を抑圧するように前記ｄ，ｑ軸電流指令値にフィードバック補償電流を重畳する回転電気機械のトルクリプル抑制制御方法であって、
トルクリプル抽出部は、回転電気機械の軸トルク検出値Ｔdetと脈動抽出フィルタＧFおよび回転位相θから回転電気機械システムのトルクリプルが有するｎ次周波数成分別のトルク脈動の余弦係数ＴAnと正弦係数ＴBnを求め、
周期性外乱オブザーバは、前記余弦係数ＴAnと正弦係数ＴBnおよび回転電気機械の回転速度ωからトルクリプルのｎ次補償電流余弦係数Ｉ＾Anと正弦係数Ｉ＾Bnを推定し、
補償電流生成部は、前記余弦係数Ｉ＾Anと正弦係数Ｉ＾Bnをトルクリプル補償電流指令値とし、これら余弦係数Ｉ＾Anと正弦係数Ｉ＾Bnと回転電気機械の回転位相θから回転電気機械システムの周期性外乱抑制のフィードバック補償電流を求め、
前記周期性外乱オブザーバは、
トルク指令値からトルク検出値までのｎ次トルクリプル周波数成分別の回転電気機械システムの伝達関数をｎ次成分実部Ｐ＾Anとｎ次成分虚部Ｐ＾Bnの１次元複素ベクトルで同定した値を推定しておき、
前記余弦係数ＴAnと正弦係数ＴBnおよび前記ｎ次成分実部Ｐ＾Anとｎ次成分虚部Ｐ＾Bnから、次式
【００５７】
【数１１】
0005446988.tif 000012
【００５８】
の演算によって周期性外乱を含む電流推定値の実部Ｉ＾Anおよび虚部Ｉ＾Bnを求め、
前記電流推定値の実部Ｉ＾Anおよび虚部Ｉ＾Bnのそれぞれから、前記脈動抽出フィルタＧFを介した補償電流指令値ＩAn*、ＩBn*を差し引き、周期性外乱電流を打ち消すための周期性外乱電流実部ｄＩ＾Anおよび虚部ｄＩ＾Bnの推定値を得ることを特徴とする。
【発明の効果】
【００５９】
以上のとおり、本発明によれば、周期性外乱オブザーバは、トルク指令値からトルク検出値までのｎ次トルクリプル周波数成分別のシステム伝達関数を実部Ｐ＾Anと虚部Ｐ＾Bnの１次元複素ベクトルで同定した値と、余弦係数ＴAnと正弦係数ＴBnおよびシステム伝達関数の実部Ｐ＾Anと虚部Ｐ＾Bnから、周期性外乱を含む電流推定値の実部Ｉ＾Anおよび虚部Ｉ＾Bnを求め、電流推定値の実部Ｉ＾Anおよび虚部Ｉ＾Bnのそれぞれから脈動抽出フィルタＧFを介した補償電流指令値ＩAn*、ＩBn*を差し引き、周期性外乱電流を打ち消すための周期性外乱電流実部ｄＩ＾Anおよび虚部ｄＩ＾Bnの推定値を得るようにしたため、多慣性系システムやインバータ応答等の複雑な電気機械特性にも対応して、トルクリプルを高精度に抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】周期性外乱オブザーバによるトルクリプル抑制制御の演算ブロック図。
【図２】従来のトルクリプル抑制制御装置の基本構成図。
【図３】従来のトルクリプル抑制装置の制御ブロック図。
【図４】周波数伝達関数のノンパラメトリック推定によるシステム同定結果。
【図５】従来の周期性外乱オブザーバによるトルクリプル抑制制御の演算ブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００６１】
図１は、本実施形態における周期性外乱オブザーバによるトルクリプル抑制制御の演算ブロック図である。
【００６２】
トルクリプル抽出部３２（図３のトルクリプル脈動周波数成分抽出部１９）は、前記の（３）〜（５）式を基にした演算を行い、ｎ次トルク脈動抽出成分（余弦係数）ＴAnとｎ次トルク脈動抽出成分（正弦係数）ＴBnを求める。周期性外乱オブザーバ３１（図３のトルクリプル抑制制御部２１）では、非特許文献１で提案した周期性外乱オブザーバと類似するが、トルクリプル同期座標で構成するため、トルクリプル検出値から周期性外乱電流を推定するための逆システムのモデルには（１４）式で示した１次元複素ベクトルの逆特性を用いる。
【００６３】
まず、（２）式で示したｎ次補償電流ｉqcn*を複素ベクトルで表現すると、オイラーの公式から以下のように変換される。
【００６４】
【数１２】
0005446988.tif 000013
【００６５】
同様に、ｎ次成分のトルクリプル検出値Ｔdetを以下のように表現する。
【００６６】
【数１３】
0005446988.tif 000014
【００６７】
ここで、（１３）式の実システムを用いると、以下の関係が成り立つ。
【００６８】
【数１４】
0005446988.tif 000015
【００６９】
ｄｉn：ｎ次周期性外乱電流
ｎ次周期性外乱電流ｄｉnは、以下のように表現できる。
【００７０】
【数１５】
0005446988.tif 000016
【００７１】
ここで、システム同定結果を用いて（１４）、（１５）式を（１７）式に代入し、（５）式に示す抽出フィルタ特性を考慮すると、以下のようになる。
【００７２】
【数１６】
0005446988.tif 000017
【００７３】
（１６）式の複素フーリエ係数ｎ次成分ＴCn（ｎ＞０）を取り出すと、以下のようになる。
【００７４】
【数１７】
0005446988.tif 000018
【００７５】
同様に、（１９）式の複素フーリエ係数ｎ次成分ＴCn（ｎ＞０）を取り出すと、以下のようになる。
【００７６】
【数１８】
0005446988.tif 000019
【００７７】
（２０）式と（２１）式の実部・虚部の係数を比較し、以下の関係式を導くことができる。
【００７８】
【数１９】
0005446988.tif 000020
【００７９】
周期性外乱を含む電流推定値の実部Ｉ＾An（≒ＩAn*＋ｄＩAn）および虚部Ｉ＾Bn（≒ＩBn*＋ｄＩBn）は、（２２）式から以下のように導かれる。
【００８０】
【数２０】
0005446988.tif 000021
【００８１】
続いて、図１および（２４）式に示すとおり、外乱を含む電流推定値の実部Ｉ＾Anと虚部Ｉ＾Bnのそれぞれから、脈動抽出フィルタＧFを介した補償電流指令値ＩAn*、ＩBn*を差し引き、周期性外乱電流の実部ｄＩ＾Anおよび虚部ｄＩ＾Bnの推定値を得る。
【００８２】
【数２１】
0005446988.tif 000022
【００８３】
上記（２４）式により周期性外乱電流が推定できるので、この推定値に基づいて図１に示すように、予め周期性外乱電流を打ち消すように周期性外乱電流指令値ｄＩAn*および虚部ｄＩBn*（通常０）から減算し、補償電流指令値実部ＩAn*および虚部ＩBn*を生成する。
【００８４】
システム同定結果を正として、本制御系のトルクリプル検出値までの目標値応答は（２５）式、周期性外乱応答は（２６）式のように導出できる。
【００８５】
【数２２】
0005446988.tif 000023
【００８６】
【数２３】
0005446988.tif 000024
【００８７】
これらの式より、極配置は脈動抽出フィルタＧFの遮断周波数ωfによって決まり、（２６）式の最終値定理より、周期性外乱電流を抑制できることが分かる。
【００８８】
本実施形態ではシステム同定結果に基づき、（２３）式の逆モデルが回転速度ω（トルクリプル周波数）に適応して変化する特徴を持ち、制御系パラメータが自動調整される。
【００８９】
なお、本実施形態では、脈動抽出フィルタＧFとして、最も簡易的な１次ローパスフィルタの事例で解説したが、高次の低域通過フィルタを用いても同様に周期性外乱を抑制できる。
【符号の説明】
【００９０】
１１  指令値変換部
１２  電流ベクトル制御部
１３  モータ
１４  負荷装置
１５  座標変換部
１６  電流センサ
１７  回転位相／速度検出部
１８  回転位置センサ
１９  トルク脈動周波数成分抽出部
２０  軸トルク検出器
２１  トルクリプル抑制制御部
２２  補償電流生成部
３１  周期性外乱オブザーバ部
３２  トルクリプル抽出部
３３  実システム
【図１】
0005446988.tif 000027
【図２】
0005446988.tif 000028
【図３】
0005446988.tif 000029
【図４】
0005446988.tif 000030
【図５】
0005446988.tif 000031