(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流指令を制御指令として、同期モータを力行制御及び回生制御するように電力変換を行う電力変換器を備えた電力制御装置と、
前記同期モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、
前記回転速度及び速度指令を入力としてトルク指令を発生するトルク指令発生手段及び前記トルク指令を前記電流指令に変換して出力する電流指令演算手段を備えた制御指令発生手段とを具備する同期モータの制御装置であって、
前記制御指令発生手段は、前記トルク指令発生手段と前記電流指令演算手段との間に前記トルク指令を制限するトルク指令制限手段を具備し、
前記トルク指令制限手段は、トルク制限指令に従って前記トルク指令を制限するトルクリミッタと、前記回転速度と最大トルクとの関係を定めるトルク制限特性に従って、前記回転速度に応じた前記トルク制限指令を出力するトルク制限指令発生手段とを具備し、
前記トルク制限指令発生手段は、前記トルク制限特性として、力行制御下で前記トルクリミッタによりトルク制限を加えない状態において、前記トルク指令発生手段が最大トルクを得るための最大トルク指令を発生し続けたとしたときに得られる前記回転速度に対する実際に得られる最大トルクの特性に近似した近似トルク制限特性を用いることを特徴とする同期モータの制御装置。
【請求項２】
ｄ軸のインダクタンスＬｄとｑ軸のインダクタスＬｑとを有し、且つ最大トルク効率で最大トルクを得るために必要な回転速度と起磁力相差角との関係を示す第１の最大トルク効率曲線と、最大トルク効率で前記最大トルクよりも小さい所定のトルクを得るために必要な前記回転速度と前記起磁力相差角との関係を示す第２の最大トルク効率曲線とが、前記回転速度をＸ軸にとり且つ前記起磁力相差角をＹ軸にとったときに、前記第１及び第２の最大トルク効率曲線の一方をＸ軸方向とＹ軸方向とに平行移動すると他方にほぼ重なる関係が得られる同期モータをｄ軸電流指令とｑ軸電流指令に従って力行制御及び回生制御するように電力変換を行う電力変換器を備えた電力制御装置と、
前記同期モータの駆動軸の回転速度を検出する回転速度検出手段、速度指令ωmcと前記回転速度検出手段が検出した前記モータの回転速度ωmとの偏差からトルク指令Ｔｃを発生するトルク指令発生手段、前記トルク指令を前記電流指令Ｉｃに変換して出力する電流指令演算手段、前記起磁力相差角を用いてｄ軸電流指令とｑ軸電流指令を出力するｄｑ軸電流指令発生手段、及び前記起磁力相差角を発生する起磁力相差角発生手段を備えた制御指令発生手段とを具備する同期モータの制御装置であって、
前記制御指令発生手段は、前記トルク指令発生手段と前記電流指令演算手段との間に前記トルク指令を制限するトルク指令制限手段を具備し、
前記トルク指令制限手段は、トルク制限指令に従って前記トルク指令を制限するトルクリミッタと、回転速度と最大トルクとの関係を定めるトルク制限特性に従って、前記回転速度に応じたトルク制限指令を出力するトルク制限指令発生手段とを具備し、
前記トルク制限指令発生手段は、前記トルク制限特性として、力行制御下で前記トルクリミッタによりトルク制限を加えない状態において、前記トルク指令発生手段が最大トルクを得るための最大トルク指令を発生し続けたとしたときに得られる前記回転速度に対する実際に得られる最大トルクの特性に近似した近似トルク制限特性を用いることを特徴とする同期モータの制御装置。
【請求項３】
前記近似トルク制限特性は、前記実際に得られる最大トルクの特性を連続する複数の直線により近似したものである請求項１または２に記載の同期モータの制御装置。
【請求項４】
前記近似トルク制限特性は、前記トルク制限指令ＴＰＶＣが次の式で得られるように定められており、
ＴＰＶＣ＝ＴＰ０−ＫＴＰ１×（Ａ−Ｎ０）−ＫＴＰ２×（Ｂ−Ｎ１）
ただし、この式でＴＰ０は最大トルク最大値であり、ωmは前記回転速度であり、Ｎ０及びＮ１は０＜Ｎ０＜Ｎ１＜Ｎ２の関係にある所定の回転速度であり、
Ａ及びＢは、
ωm＜Ｎ０のときには、Ａ＝Ｎ０、Ｂ＝Ｎ１、
Ｎ０≦ωm＜Ｎ１のときには、Ａ＝ωm、Ｂ＝Ｎ１、
Ｎ１≦ωm＜Ｎ２のときには、Ａ＝Ｎ１、Ｂ＝ωm、
となる値であり、
前記ＫＴＰ１及びＫＴＰ２は、
ＫＴＰ１＝（ＴＰ０−ＴＰ１）／（Ｎ１−Ｎ０）
ＫＴＰ２＝（ＴＰ１−ＴＰ２）／（Ｎ２−Ｎ１）
により表される係数であり、ここでＴＰ１は回転速度Ｎ１における最大トルクであり、ＴＰ２は回転速度Ｎ２における最大トルクである請求項３に記載の同期モータの制御装置。
【請求項５】
前記制御指令発生手段は、前記トルク制限指令によってトルク効率が最大となるように前記電流指令を補正するように構成されている請求項１または２に記載の同期モータの制御装置。
【請求項６】
前記起磁力相差角発生手段は、
φＴＣ＝φｖ−Ｋ２・（ＴＰ０−ＴＰ０×｜ＴｃＬ｜／ＴＰＶＣ）
の式に従って、最大トルクＴＰ０と、前記トルク制限指令ＴＰＶＣと、前記トルク制限指令ＴＰＶＣと前記トルク指令の絶対値｜Ｔｃ｜の小さい方の値として定義される制限後のトルク指令値の絶対値｜ＴｃＬ｜と、速度補償起磁力相差角φｖと、移動係数Ｋ２とを用いて、前記速度補償起磁力相差角φｖをトルク効率を最大にする制限後のトルク指令時最大トルク効率起磁力相差角φＴＣになるように補償して出力するように構成されている請求項２に記載の同期モータの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械やロボットなどに使用される同期モータを用いたサーボモータの制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の同期電動機の制御装置としては、本出願人が特開２０００−３４１９８３で提案した装置がある。この従来の装置では、電流を電力変換器が出力可能な一定値に制限するようにリミッタを設けていた。またこの装置における起磁力相差角φは、低速領域では、最大トルク時のトルク効率が最大になるように起磁力相差角を一定とし、高速領域では、最大トルク時のモータ電圧が電力変圧器の出力電圧以下になるように起磁力相差角を速度に応じて増大させていた。一方、モータのトルク回転速度特性は、モータ容量と比較してモータ制御装置の容量が大きな場合は図４に示すような特性曲線になる。即ち、高速領域で、トルク指令を大きな値に維持しても、所望のトルクを得ることができる。しかし、一般的には、モータ制御装置の容量の制約から図５に示すように高速時の最大トルクが低下した特性になっている。この最大トルクの低下は、回転速度の上昇により必要とするモータ電圧は上昇するが、電力変換器の出力電圧が限られているために発生するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
工作機械では、モータの位置を制御して精密位置決めを行っている。このような機械では、電力変換器の直流電圧の変動などによりトルクの特性が変わらないことが望ましい。通常、電力変換器は電源電圧を３相全波整流し、３相インバータによりモータを駆動する構成になっている。そして、モータの回生動作により直流電圧が上昇した場合には、回生抵抗器に電流を流し、直流電圧が一定の電圧以上にならないようになっている。この電圧は、電源電圧仕様の上限でも回生抵抗器に電流が流れないように高い電圧に設定されており、直流電圧は、モータ力行時と回生時で大きく変わる。モータ単体に慣性を付けた状態でモータを加減速すると、モータ減速時にモータは発電動作をし、この電力が回生電力となり電力変換器の直流電圧を上昇させる。このため、モータ加速時と減速時とでは、電力変換器の出力可能な最大電圧が変わってしまい、モータ減速時は電力変換器の出力可能な電圧が増大するため、電力変換器からモータに電流を流すことができ、トルク回転速度特性は、図５から図４に示したように、高速時も最大トルクを出力できる状態に近づいていく。この結果、加速時に出力できるトルクと、減速時に出力できるトルクが異なり、加速時間と減速時間が異なってしまうという問題があった。また、実際の機械装置にモータを組み込んだ場合に回生される電力は、機械側の負荷条件、重力負荷、摩擦負荷などにより変わってしまうため、トルク回転速度特性の高速時の最大トルクが、動作状態により変わってしまうという問題があった。
【０００４】
一方、回生抵抗器ドライブトランジスタ容量は、瞬時回生電力により決まる。瞬時回生電力は、トルク回転速度特性の高速時の最大トルクが大きい程、大きくなる。ところで、モータ制御装置が吸収できる瞬時回生電力は、
（回生動作電圧）2／（回生抵抗値）で決まる。回生動作電圧は、モータ制御装置に用いる部品の耐圧により決まるため、特別に高い電圧にすることはできない。このため、増加した瞬時回生電力は、回生抵抗値を下げて吸収することになる。回生抵抗値が下がると回生トランジスタに流れる電流は大きくなるため、大きな容量の回生トランジスタが必要になる。従って、従来のモータ制御装置では、回生によりトルク回転速度特性の高速時の最大トルクが大きい状態になると、瞬時回生電力が増加するため、その分、余裕を持った回生トランジスタ容量にする必要があった。
【０００５】
また、従来の制御装置では、最大トルク時は、トルク効率が最大になっていたが、定格トルク時は必ずしもトルク効率が最大とは言えなかった。このようにトルク効率が最大となる起磁力相差角は最大トルク時と定格トルク時では異なり、定格トルク時には最大トルク時より小さな起磁力相差角でトルク効率が最大になる。近年のモータ設計は、小型軽量化する傾向があり、従来の制御方法では、定格運転時のモータの温度上昇が規格値に入らないと言う問題点があった。また地球環境保全という意味からも、エネルギ消費を減らす必要があった。
【０００６】
一方、定格トルク時に最大トルク効率になるように起磁力相差角を設定することも考えられるが、今度は最大トルクが規格値に入らない（トルクが出ない）と言う問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、高速時のモータのトルク回転速度特性に最大トルクの低下がある場合においても、加速時間と減速時間に大きな差が生じることのない同期電動機の制御装置を提供することにある。
【０００８】
本発明の他の目的は、最大トルク領域のみならず定格トルク領域においても、モータのトルク効率が最大となる同期電動機の制御装置を得ることにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、高効率なトルク制御系を維持したまま、同期モータのトルク回転速度特性に高速時の最大トルクの低下がある場合に、回生電力などにより電力変換器の直流電圧が上昇してもトルク回転速度特性が変わらない同期モータの制御装置を提供することにある。
【００１０】
本発明の更に他の目的は、回生トランジスタの容量が従来よりも小さくて済む同期モータの制御装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電流指令を制御指令として、同期モータを力行制御及び回生制御するように電力変換を行う電力変換器を備えた電力制御装置と同期モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、回転速度及び速度指令を入力としてトルク指令を発生するトルク指令発生手段及びトルク指令を電流指令に変換して出力する電流指令演算手段を備えた制御指令発生手段とを具備する同期モータの制御装置を改良の対象とする。
【００１２】
本発明の同期モータの制御装置では、制御指令発生手段が、トルク指令発生手段と電流指令演算手段との間にトルク指令を制限するトルク指令制限手段を備えている。トルク指令制限手段は、トルク制限指令に従ってトルク指令を制限するトルクリミッタと、回転速度と最大トルクとの関係を定めるトルク制限特性に従って、回転速度に応じたトルク制限指令を出力するトルク制限指令発生手段とを備えている。トルク制限指令発生手段では、トルク制限特性として、力行制御下でトルクリミッタによるトルク制限を加えない状態において、トルク指令発生手段が最大トルク指令を発生したときに得られる回転速度に対する最大トルクの特性に近似した近似トルク制限特性を用いる。
【００１３】
本発明のように、トルク指令制限手段を用いて、回生時の回転速度に対する最大トルク指令を力行時の最大トルクに制限すると、力行制御と回生制御時のトルク特性が実質的に同様になる。その結果、モータを加速した場合と減速した場合とで、モータの加速時間と減速時間とに大きな差が生じなくなる。また回生時に電源電圧が上昇した場合も、トルクを力行時の近似トルク制限特性で制限しているため、回生時に同期モータを流れる電流が増大するのを制限できる。その結果、回生トランジスタの容量を従来よりも小さくすることができる。したがって本発明によれば、同期モータの力行時と回生時とでトルク回転速度特性の変動を抑制することができる。
【００１４】
近似トルク制限特性は、実際に得られる最大トルクの特性を連続する複数の直線により近似したものを用いることができる。このような近似トルク制限特性は、次のようにして定めることができる。トルク制限指令ＴＰＶＣが回転速度ωmの関数とした場合に、２つのトルク制限変更速度Ｎ０、Ｎ１と端点Ｎ２（０＜Ｎ０＜Ｎ１＜Ｎ２）と、ωm＝０〜Ｎ０、Ｎ１、Ｎ２のときのトルク制限指令ＴＰＶＣのそれぞれの値と、最大トルクＴＰ０、最大トルクＴＰ０より小さい第１のトルク値ＴＰ１と、ＴＰ１より小さい第２のトルク値ＴＰ２とを用いて、回転速度ωmにおけるトルク制限指令ＴＰＶＣに対して、近似トルク制限特性を下記の式に基づいて定める。
【００１５】
ＴＰＶＣ＝ＴＰ０−ＫＴＰ１×（Ａ−Ｎ０）−ＫＴＰ２×（Ｂ−Ｎ１）
ただし、ωm＜Ｎ０のとき、Ａ＝Ｎ０、Ｂ＝Ｎ１、
Ｎ０≦ωm＜Ｎ１のとき、Ａ＝ωm、Ｂ＝Ｎ１、
Ｎ１≦ωm＜Ｎ２のとき、Ａ＝Ｎ１、Ｂ＝ωmである。
【００１６】
またＫＴＰ１＝（ＴＰ０−ＴＰ１）／（Ｎ１−Ｎ０）であり、
ＫＴＰ２＝（ＴＰ１−ＴＰ２）／（Ｎ２−Ｎ１）である。
【００１７】
また本発明は、ｄ軸のインダクタンスＬｄとｑ軸のインダクタスＬｑとを有し、且つ最大トルク効率で最大トルクを得るために必要な回転速度と起磁力相差角との関係を示す第１の最大トルク効率曲線と、最大トルク効率で最大トルクよりも小さい所定のトルクを得るために必要な回転速度と起磁力相差角との関係を示す第２の最大トルク効率曲線とが、回転速度をＸ軸にとり且つ起磁力相差角をＹ軸にとったときに、第１及び第２の最大トルク効率曲線の一方をＸ軸方向とＹ軸方向とに平行移動すると他方にほぼ重なる関係が得られる同期モータをｄ軸電流指令とｑ軸電流指令に従って力行制御及び回生制御するように電力変換を行う電力変換器を備えた電力制御装置と、同期モータの駆動軸の回転速度を検出する回転速度検出手段、速度指令ωmcと回転速度検出手段が検出したモータの回転速度ωmとの偏差からトルク指令Ｔｃを発生するトルク指令発生手段、トルク指令を電流指令Ｉｃに変換して出力する電流指令演算手段、起磁力相差角を用いてｄ軸電流指令とｑ軸電流指令を出力するｄｑ軸電流発生手段及び起磁力相差角を発生する起磁力相差角発生手段とを備えた制御指令発生手段とを具備する同期モータの制御装置を改良の対象とすることができる。この場合においても、上記と同様にトルク指令制限手段を用いる。またいずれの場合においても、制御指令発生手段は、トルク制限指令によってトルク効率が最大となるように電流指令を補正するように構成することができる。
【００１８】
なお具体的な制御方式においては、起磁力相差角発生手段は、トルク指令の絶対値｜Ｔｃ｜が回転速度ωmの関数としてトルク制限指令ＴＰＶＣに従って変化したときに、トルク効率が最大となる制限後のトルク指令時最大トルク起磁力相差角φＴＰＶＣを回転速度ωmの関数として計算又は実験で求める。起磁力相差角発生手段は、例えば下記の式で速度補償起磁力相差角φｖをトルク効率を最大にする制限後のトルク指令時最大トルク効率起磁力相差角φＴＣになるように補償して出力する。
【００１９】
φＴＣ＝φｖ−Ｋ２・（ＴＰ０−ＴＰ０×｜ＴｃＬ｜／ＴＰＶＣ）
ＴＰＶＣはトルク制限指令であり、制限後のトルク指令値の絶対値｜ＴｃＬ｜はトルク制限指令ＴＶＰＣとトルク指令の絶対値｜Ｔｃ｜の小さい方の値として定義され、φｖは速度補償起磁力相差角であり、Ｋ２は移動係数である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。図１は、本発明を同期モータ１の制御装置に適用した実施の形態の一例の回路図である。同期モータ１は複数の永久磁石がロータコアに埋め込まれているロータを備え、永久磁石の直軸であるｄ軸のインダクタンスＬｄとこの直軸と電気角で直交する直交軸であるｑ軸のインダクタンスＬｑとの関係がＬｄ＜Ｌｑとなる埋込磁石形同期モータ（ＩＰＭモータ）である。なお本発明はロータコアの表面に永久磁石を固定するタイプの同期モータ等にも適用できる。起磁力相差角φは、ｄ軸と電流指令Ｉｃとのなす角である。図１の同期モータ１は、最大トルク効率で最大トルクを得るために必要な回転速度と起磁力相差角との関係を示す最大トルク効率曲線が、同期モータの電機子の回転速度が低いときには、同期モータの電機子の回転速度の関数として一定値を保ち、回転速度が高くなると、図３に示すように、起磁力相差角が増大し始め、次第に起磁力相差角の増大が緩やかになり、回転速度をＸ軸にとり且つ起磁力相差角をＹ軸にとったときに、最大トルクよりトルク値が低下するとトルクの低下量に応じて最大トルク効率曲線が右下方向にほぼ平行移動する特性が得られるものとする。
【００２１】
図１において、同期モータ１の電力制御装置１１に指令を発生する制御指令発生手段２はトルク指令発生手段３と、トルク指令制限手段４と、回転速度検出手段５とを備えている。トルク指令発生手段３は、速度指令ωmcと回転速度検出手段５で検出された同期モータ１の回転速度ωmとの偏差からトルク指令Ｔｃを算出する。トルク指令制限手段４は、回転速度ωmの変化に応じてトルク指令の絶対値｜Ｔｃ｜を後で述べるトルク制限指令を超えないように制限して、制限後のトルク指令値ＴｃＬを発生する。電流指令演算手段６は、トルク指令制限手段４からの制限後のトルク指令値ＴｃＬに基づいて電流指令Ｉｃを出力する。ｄｑ軸電流指令発生手段７は、電流指令とｄ軸との間の角度として定義される起磁力相差角φを用いて、ｄ軸電流指令とｑ軸電流指令を出力する。起磁力相差角発生手段９は起磁力相差角φを発生し、ｄｑ軸電流指令発生手段７に出力する。電力制御装置１１はこのｄ軸電流指令とｑ軸電流指令に従って同期モータ１を駆動する。
【００２２】
トルク指令発生手段３は、速度制御器３ａと加算点３ｂとにより構成されている。速度制御器３ａは、速度指令ωmcと回転速度検出手段５で検出した同期モータ１の回転速度ωmとの速度偏差を加算点３ｂで求め、その速度偏差からトルク指令Ｔｃを演算する。回転速度検出手段５は、エンコーダ５ａと速度検出器５ｂとで構成される。速度検出器５ｂは、エンコーダ５ａで検出した回転位置θmから回転速度ωmを検出する。
【００２３】
トルク指令制限手段４はトルクリミッタ４ａとトルク制限指令発生手段４ｂで構成されている。トルクリミッタ４ａは、トルク指令発生手段３からのトルク指令Ｔｃをトルク制限指令発生手段４ｂからのトルク制限指令ＴＰＶＣでリミットし、制限後のトルク指令値ＴｃＬとして出力する。トルク制限指令発生手段４ｂは、トルク指令が取り得る最大値としてのトルク制限指令ＴＰＶＣを発生する。図２にトルク制限指令ＴＰＶＣを同期モータの回転速度ωmの関数として示す。図２において、トルク制限指令ＴＰＶＣは、２つのトルク制限変更速度Ｎ０、Ｎ１（０＜Ｎ０＜Ｎ１）とＮ１より大きい端点Ｎ２（Ｎ１＜Ｎ２）を用いて、ωmが０、Ｎ０、Ｎ１、Ｎ２のときのトルク制限指令ＴＰＶＣの値が、それぞれ最大トルクＴＰ０、最大トルクＴＰ０より小さい第１のトルク値ＴＰ１、この第１のトルク値ＴＰ１より小さい第２のトルク値ＴＰ２となる４点（ωm＝０の点を入れて）を直線で結ぶ折れ線として表されている。このトルク制限指令ＴＰＶＣの折れ線の方程式は回転速度ωmの関数として次式で与えられる。
【００２４】
ＴＰＶＣ＝ＴＰ０−ＫＴＰ１×（Ａ−Ｎ０）−ＫＴＰ２×（Ｂ−Ｎ１）
ただし、この式で、
ωm＜Ｎ０のときには、Ａ＝Ｎ０、Ｂ＝Ｎ１、
Ｎ０≦ωm＜Ｎ１のときには、Ａ＝ωm、Ｂ＝Ｎ１、
Ｎ１≦ωm＜Ｎ２のときには、Ａ＝Ｎ１、Ｂ＝ωm、
ＫＴＰ１＝（ＴＰ０−ＴＰ１）／（Ｎ１−Ｎ０）、
ＫＴＰ２＝（ＴＰ１−ＴＰ２）／（Ｎ２−Ｎ１）である。
【００２５】
電流指令演算手段６は電流指令演算器６ａで構成される。電流指令演算器６ａは、トルク指令制限手段４からの制限後のトルク指令値ＴｃＬに電流指令換算係数ＫＴＩを乗算して電流指令Ｉｃを演算し出力する。図１では電流指令演算器６ａのブロック中に電流指令換算係数ＫＴＩを表示している。
【００２６】
ｄｑ軸電流指令発生手段７は、絶対値化器７ａと、ｓｉｎφ信号発生器７ｂと、ｃｏｓφ信号発生器７ｃとから構成される。ｓｉｎφ信号発生器７ｂは、リミット処理後の電流指令Ｉｃをｓｉｎφ倍して、ｑ軸電流指令Ｉｑｃを算出する。ｃｏｓφ信号発生器７ｃは、リミット処理後の電流指令Ｉｃを絶対値化器７ａで絶対値化し、それをｃｏｓφ倍して、ｄ軸電流指令Ｉｄｃを算出する。以上のようにして算出されたｑ軸電流指令Ｉｑｃ及びｄ軸電流指令Ｉｄｃを電力制御装置１１に送る。
【００２７】
電力制御装置１１は、２つの積分制御器１１ａ及び１１ｂ，信号発生器１１ｃ，第１及び第２の座標変換器１１ｄ及び１１ｅ，電流制御器１１ｆ，ＰＷＭ制御器１１ｇ，電力変換器１１ｈ，電流検出手段１１ｉから構成される。
【００２８】
信号発生器１１ｃは、エンコーダ５ａにより検出した回転位置θmに基づいて、第１の座標変換器１１ｄと、第２の座標変換器１１ｅに対して設けられたｓｉｎθm信号とｃｏｓθm信号を発生する。
【００２９】
第１の座標変換器１１ｄは、電流検出手段１１ｉにより検出した出力電流と信号発生器１１ｃから出力されるｓｉｎθm信号及びｃｏｓθm信号とを入力信号としてｄ軸電流フィードバック信号Ｉｄｆ及びｑ軸電流フィードバック信号Ｉｑｆを出力する。
【００３０】
第２の座標変換器１１ｅは、ｑ軸電流指令Ｉｑｃとｑ軸電流フィードバックＩｑｆとの差をとり、この差を積分制御器１１ａを通してｑ軸電流指令Ｉｑｃと加算点１１ｕで加算し、積分補償量を含んだｑ軸電流指令Ｉｑｃ′を求める。同様にＩｄｃ′も求める。Ｉｑｃ′とＩｑｃ′を第２の座標変換器１１ｅを通して、３相の電流指令ＩＵｃ，ＩＶｃ，ＩＷｃを求める。電流制御器１１ｆにおいて、電流フイードバックとの偏差をとり、比例演算して電圧指令ＶＵｃ，ＶＶｃ，ＶＷｃを得る。これをＰＷＭ制御器１１ｇに通し、電力変換器１１ｈにより同期モータ１を駆動する。
【００３１】
起磁力相差角発生手段９は、起磁力相差角φを回転速度ωmの関数として生成する。図３に制限後のトルク指令値の絶対値｜ＴｃＬ｜が回転速度ωmの全ての範囲でトルク制限指令ＴＰＶＣに等しい場合に、同期モータ１が最大トルク効率を得るのに必要な回転速度ωmと起磁力相差角φとの関係を示す。図３において縦軸に起磁力相差角φ、横軸に回転速度ωmを示す。図３において、制限後のトルク指令値の絶対値がトルク制限指令である場合即ち｜ＴｃＬ｜＝ＴＰＶＣの場合に対応する折れ線φＴＰＶＣは、制限後のトルク指令の絶対値｜ＴｃＬ｜が上記式のトルク制限指令ＴＰＶＣのときの実験またはシミュレーションで得られた最大トルク効率曲線を近似する折れ線を示したものである。このトルク制限指令ＴＰＶＣが作用する時の回転速度ωｍに対する起磁力相差角φＴＰＶＣをトルク制限指令時最大トルク効率起磁力相差角と呼ぶことにする。図１に示すように、起磁力相差角発生手段９は、速度補償手段１３とトルク補償手段１５とリミッタ１７とから構成される。速度補償手段１３は、制限後のトルク指令値ＴｃＬが上記式のトルク制限指令ＴＰＶＣに等しいとき、最大トルク効率を与える回転速度ωmとトルク制限指令時最大トルク効率起磁力相差角φＴＰＶＣの間の関係を、折れ線で近似できるように予め定めておく。図３において、｜ＴｃＬ｜＝ＴＰＶＣのときのトルク制限指令時最大トルク効率起磁力相差角φ＝φＴＰＶＣの２つの起磁力相差角変更速度Ｎ０、Ｎ１（０＜Ｎ０＜Ｎ１）とＮ１より大きい端点Ｎ２（Ｎ１＜Ｎ２）における値は、｜Ｔｃ｜＝ＴＰ０、ωm＝０〜Ｎ０のときに次のようになる。
【００３２】
φ＝φＴＰＶＣ＝φ０
また｜Ｔｃ｜＝ＴＰ１、ωm＝Ｎ１のときφ＝φＴＰＶＣ＝φ１、｜Ｔｃ｜＝ＴＰ２、ωm＝Ｎ２のとき、φ＝φＴＰＶＣ＝φ２であるものとする。ここでこれらの点が指定する折れ線の折れ曲がり点における回転速度である起磁力相差角変更速度の２つの値と端点の回転速度の値は、先に定義した２つのトルク制限変更速度と端点にそれぞれ等しいものとし、同じ定数Ｎ０，Ｎ１，Ｎ２を用いた。速度補償手段１３はこれらの点を結んだ次式のような折れ線の方程式に従って同期モータの回転速度ωmの関数、トルク制限指令時最大トルク効率起磁力相差角φ＝φＴＰＶＣを出力する。
【００３３】
φＴＰＶＣ＝φ０＋ＫＶ１・（α−Ｎ０）＋ＫＶ２・（β−Ｎ１）
但しＮ０とＮ１の間の折れ線の勾配を与える第１の速度補償係数ＫＶ１はＫＶ１＝（φ１−φ０）／（Ｎ１−Ｎ０）であり、Ｎ１とＮ２の間の折れ線の勾配を与える第２の速度補償係数ＫＶ２はＫＶ２＝（φ２−φ１）／（Ｎ２−Ｎ１）である。そして変数α、βは、
ωm＜Ｎ０のとき、α＝Ｎ０、β＝Ｎ１、
Ｎ０≦ωm＜Ｎ１のとき、α＝ωm、β＝Ｎ１、
Ｎ１≦ωmのとき、α＝Ｎ１、β＝ωmとなるように切り換えるものとする。
【００３４】
トルク指令の絶対値｜Ｔｃ｜が制限後のトルク指令値の絶対値｜ＴｃＬ｜以下のときには、トルク指令制限手段４のトルクリミッタ４ａは、制限後のトルク指令値ＴｃＬとしてトルク指令Ｔｃを出力する。またトルク指令の絶対値｜Ｔｃ｜がトルク制限指令ＴＰＶＣに等しいかそれ以上のときには、制限後のトルク指令値の絶対値｜ＴｃＬ｜をトルク制限指令ＴＰＶＣに制限した制限後のトルク指令値ＴｃＬを出力する。つまりトルクリミッタ４ａの出力であるトルク指令値ＴｃＬの絶対値｜ＴｃＬ｜は｜Ｔｃ｜とトルク制限指令ＴＶＰＣの小さい方の値として定義される。式で書くと｜ＴｃＬ｜＝ｍｉｎ（｜Ｔｃ｜、ＴＰＶＣ）となる。ここでｍｉｎ（ｘ、ｙ）はｘ、ｙの小さい方の値を表す。
【００３５】
起磁力相差角発生手段９は、制限後のトルク指令値ＴｃＬでトルク効率が最大となる起磁力相差角を回転速度ωmの関数として以下のようにして求め、これを制限後のトルク指令値ＴｃＬでの制限後のトルク指令時最大トルク効率起磁力相差角φＴＣとして出力する。
【００３６】
トルク補償手段１５は、図１に示すように、第１の平行移動係数演算器１５ａ、第２の平行移動係数演算器１５ｄ、加算点１５ｂ，１５ｃ，１５ｅから構成されている。トルク補償手段１５は、第１の平行移動係数演算器１５ａによって、トルク指令有効変化量
ΔＴ＝（ＴＰ０−ＴＰ０×｜ＴｃＬ｜／ＴＰＶＣ）
と平行移動係数Ｋ１との積Ｋ１・（ＴＰ０−ＴＰ０×｜ＴｃＬ｜／ＴＰＶＣ）を生成し、この積と折れ曲がり点の横座標である起磁力相差角変更速度Ｎ０，Ｎ１とをそれぞれ加算点１５ｂ，１５ｃで加算し、トルク補償した起磁力相差角変更速度Ｎ０′及びＮ１′を次式に従って演算する。
【００３７】
Ｎ０′＝Ｎ０＋Ｋ１・ΔＴ
＝Ｎ０＋Ｋ１・（ＴＰ０−ＴＰ０×｜ＴｃＬ｜／ＴＰＶＣ）
Ｎ１′＝Ｎ１＋Ｋ１・ΔＴ
＝Ｎ１＋Ｋ１・（ＴＰ０−ＴＰ０×｜ＴｃＬ｜／ＴＰＶＣ）
そして、これらのＮ０′、Ｎ１′を速度補償手段１３に入力する。速度補償手段１３は、これらを用いて速度補償した速度補償起磁力相差角φｖを次式の関係によって出力する。
【００３８】
φｖ＝φ０＋ＫＶ１・（α−Ｎ０′）＋ＫＶ２・（β−Ｎ１′）
ただし、上記式においては、変数α、βは、ωm＜Ｎ０′のとき、α＝Ｎ０′、β＝Ｎ１′となり、Ｎ０′≦ωm＜Ｎ１′のとき、α＝ωm、β＝Ｎ１′となり、Ｎ１′≦ωmのとき、α＝Ｎ１′、β＝ωmとなるように切り換えるものとする。
【００３９】
このようにＮ０′，Ｎ１′に置き換えた折れ線の速度補償起磁力相差角φｖは、最大トルクでのトルク制限指令時最大トルク効率起磁力相差角φＴＰＶＣの折れ曲がり点の横座標Ｎ０，Ｎ１をそれぞれＮ０′とＮ１′に横方向に平行移動し、φＴＰＶＣのωm＝０〜Ｎ０までの一定のφ０の線分をωm＝Ｎ０′まで延長し、延長線上のωm＝Ｎ０′の点からφＴＰＶＣのωm＝Ｎ０〜Ｎ１までの直線部と平行な直線をωm＝Ｎ１′まで延長し、その延長線上のωm＝Ｎ１′の点から、φＴＰＶＣのＮ１〜Ｎ２の間の直線に平行に直線を引いた折れ線になっている。言い換えると、この折れ線は、ωmの関数としてωm＝Ｎ０′、Ｎ１′で折れ曲がり、それぞれの折れ線が連続的につながるようにトルク制限指令時最大トルク効率起磁力相差角φＴＰＶＣのωm＝Ｎ０、Ｎ１を折れ曲がり点とする折れ線の１部を右方向に平行移動した折れ線になっている。
【００４０】
またトルク補償手段１５は、速度補償手段１３の出力の速度補償起磁力相差角φｖと、トルク指令有効変化量ΔＴを第２の平行移動係数演算器１５ｄで第２の平行移動係数Ｋ２倍した積とを第３の加算点１５ｅで減算して、速度補償起磁力相差角φｖの折れ線を下方向へ次式に従って移動させる。
【００４１】
φＴＣ＝φｖ−Ｋ２・ΔＴ
＝φｖ−Ｋ２・（ＴＰ０−ＴＰ０×｜ＴｃＬ｜／ＴＰＶＣ）
トルク補償手段１５はこの式が与えるφＴＣを、制限後のトルク指令の絶対値｜ＴｃＬ｜がトルク制限指令ＴＰＶＣと同じ大きさか、それより小さい場合における制限後のトルク指令時最大トルク効率起磁力相差角φＴＣとして出力する。制限後のトルク指令時最大トルク効率起磁力相差角φＴＣと回転速度ωｍの関係を図３の太い折れ線で示す。
【００４２】
以上のように、制限後のトルク指令の絶対値｜ＴｃＬ｜がトルク制限指令値ＴＰＶＣより小さい場合に、トルク制限指令時最大トルク効率起磁力相差角φＴＣを求めるためには、以上述べた平行移動係数Ｋ１及びＫ２を以下のように予め決めておく。例えば、トルク指令Ｔｃの絶対値が定格トルクＴＲのときにトルク効率を最大にする起磁力相差角を定格トルク時最大トルク効率起磁力相差角φＲとし、この定格トルク時最大トルク効率起磁力相差角φＲの回転速度ωmにおける値を求める。図３には任意の｜Ｔｃ｜＝｜ＴｃＬ｜の時の起磁力相差角、即ち制限後のトルク指令時最大トルク効率起磁力相差角φＴＣと回転速度ωｍとの関係を示す太線の折れ線の他に、トルク指令の絶対値が制限トルク時｜Ｔｃ｜＝ＴＰＶＣ、定格トルク時｜Ｔｃ｜＝ＴＲ、最小トルク時｜Ｔｃ｜＝Ｔ０の場合の起磁力相差角と回転速度ωｍの関係を表す３本の細い折れ線を示す。図３に細い折れ線のそれぞれをφＴＰＶＣ、φＲ、φ０で示す。これらの３本の細い折れ線の中の真ん中の折れ線を定格トルク｜ＴｃＬ｜＝ＴＲにおける最大トルク効率曲線を近似する折れ線であるとして、この折れ線を最大トルク効率曲線を実験又は計算で求めた結果と一致するようにＫ１，Ｋ２を定める。一般の｜ＴｃＬ｜に対してはこうして決定したＫ１，Ｋ２を用いて、｜Ｔｃ｜がＴＰＶＣ以下の任意の値の｜Ｔｃ｜＝｜ＴｃＬ｜に対して、｜ＴｃＬ｜＝ＴＰＶＣのときにトルク効率を最大にするトルク制限指令時最大トルク効率起磁力相差角曲線φＴＰＶＣを速度補償起磁力相差角φｖになるように折れ線の切片毎に平行移動し、これを更にＫ２・ΔＴだけ下方向に移動した折れ線における制限後のトルク指令時最大トルク効率起磁力相差角φＴＣと回転速度ωmとの関係を求めることができる。
【００４３】
また平行移動係数Ｋ１，Ｋ２を｜ＴｃＬ｜＝Ｔ０のときに最大トルク効率を与える起磁力相差角φ０と回転速度ωｍとの関係を近似するように定めてもよい。リミッタ１７は速度補償手段１３の出力である起磁力相差角φを予め定めた角度以下に抑える。リミッタ１７は、φを９０°〜１８０°以内にリミット処理し、各種補償後の起磁力相差角φとする。
【００４４】
以上のように、本発明によれば、高効率なトルク制御系を維持したまま、電力変換器の直流電圧の変動に対し、非常にロバストなトルク制御系が実現でき、これを用いて速度、位置制御系を構成した場合に、制御系全体の安定性が向上し、さらに、コストダウンも可能な高性能な制御システムを実現できる。
【００４５】
本明細書において回転速度又は速度は全て回転角速度を意味しており、これらの変数の表現は回転角速度で表しているものとする。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、モータ力行、回生動作によるトルク回転速度特性の変動を抑制することができる。またモータを加減速した場合に、モータの加速時間と減速時間を等しくすることができる。更に回生トランジスタの容量を小さくすることができる。また電源電圧が上昇した場合も、上昇前と同一のトルク回転速度特性にすることができる。
【００４７】
また非常にロバストなトルク制御系が実現でき、これを用いて速度、位置制御系を構成した場合に、制御系全体の安定性が向上し、さらに、コストダウンも可能な高性能な制御システムを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の同期モータの制御装置の一例の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明が制御の対象とする同期モータの特性のシミュレーション結果を折れ線近似したものである。
【図３】本発明が制御の対象とする同期モータの特性のシミュレーション結果を折れ線近似したものである。
【図４】従来の同期モータのトルクと回転速度の関係を説明する図である。
【図５】従来の同期モータのトルクと回転速度の関係を説明する図である。
【符号の説明】
１  同期モータ
２  制御指令発生手段
３  トルク指令発生手段
３ａ  速度制御器
３ｂ  加算点
４  トルク指令制限手段
４ａ  トルクリミッタ
４ｂ  トルク制限指令発生手段
５  回転速度検出手段
５ａ  エンコーダ
５ｂ  速度検出器
６  電流指令演算手段
６ａ  電流指令演算器
７  ｄｑ軸電流指令発生手段
７ａ  絶対値化器
７ｂ  ｓｉｎφ信号発生器
７ｃ  ｃｏｓφ信号発生器
９  起磁力相差角発生手段
１１  電力制御装置
１１ａ，１１ｂ  積分制御器
１１ｃ  信号発生器
１１ｄ  第１の座標変換器
１１ｅ  第２の座標変換器
１１ｆ  電流制御器
１１ｇ  ＰＷＭ制御器
１１ｈ  電力変換器
１１ｉ  電流検出手段
１３  速度補償手段
１５  トルク補償手段
１５ａ  第１の平行移動係数演算器
１５ｄ  第２の平行移動係数演算器
１５ｂ，１５ｃ，１５ｅ  加算点
１７  リミッタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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