(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁として永久磁石を有する回転電機の制御装置において、トルク指令及び電気角周波数により一意に決定される磁化電流指令を出力する磁化電流指令テーブルと、
トルク電流指令とフィードバックしたトルク電流検出値との偏差に基づいて現在の永久磁石による鎖交磁束の推定値である磁束推定値を演算する磁束推定手段と、
トルク指令、電気角周波数及び磁束推定値に基づく演算によりトルク電流指令を出力するトルク電流指令演算手段とを有することを特徴とする回転電機の制御装置。
【請求項２】
界磁として永久磁石を有するとともに磁化電流指令を零とする制御を行う回転電機の制御装置において、
トルク指令及び電気角周波数により一意に決定される磁化電流指令を出力する磁化電流指令テーブルと、
トルク電流指令とフィードバックしたトルク電流検出値との偏差に基づいて現在の永久磁石による鎖交磁束の推定値である磁束推定値を演算する磁束推定手段と、
トルク指令、電気角周波数及び磁束推定値に基づく演算によりトルク電流指令を出力するトルク電流指令演算手段と、
トルク指令に対応させて形成した電力変換素子による電圧降下分のテーブルを記憶しており、このテーブルに基づき電力変換素子による電圧降下分を補償する補償手段とを有することを特徴とする回転電機の制御装置。
【請求項３】
界磁として永久磁石を有するとともに磁化電流指令を零とする制御を行う回転電機の制御装置において、
トルク指令及び電気角周波数により一意に決定される磁化電流指令を出力する磁化電流指令テーブルと、
トルク電流指令とフィードバックしたトルク電流検出値との偏差に基づいて現在の永久磁石による鎖交磁束の推定値である磁束推定値を演算する磁束推定手段と、
トルク指令、電気角周波数及び磁束推定値に基づく演算によりトルク電流指令を出力するトルク電流指令演算手段と、
トルク指令及び電気角周波数に対応させて形成した電力変換素子による電圧降下分のテーブルを記憶しており、このテーブルに基づき電力変換素子による電圧降下分を補償する補償手段とを有することを特徴とする回転電機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は回転電機の制御装置に関し、特に界磁として永久磁石を有するものに適用して有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】
インバータで駆動される永久磁石同期電動機（以下「ＰＭモータ」と略す）は、主に小容量ＡＣサーボモータとして広く用いられている。
【０００３】
図４はこの種のＰＭモータの制御装置の一例をこのＰＭモータとともに示すブロック線図である。同図に示すように、ＰＭモータ２はＰＷＭインバータ１で供給する三相電流により回転する。速度検出器３はＰＭモータ２の回転子と共に回転してパルス信号Ｐを出力する。位置検出部４はパルス信号Ｐに基づきＰＭモータ２の回転子位置（位相）を示す位相検出値θを検出する。
【０００４】
電流検出部５，６はＵ相及びＷ相の電流検出値ＩＵ  ，Ｉｗ  を求める。座標変換部７は電流検出値ＩＵ  ，Ｉｗ  からＶ相の電流検出値Ｉｖ  を求め、更に三相の電流検出値ＩＵ  ，Ｉｖ  ，Ｉｗ  を三相／二相変換し、位相検出値θを考慮して回転座標系の磁化電流検出値Ｉｄ  及びトルク電流検出値Ｉｑ  を求める。
【０００５】
電流制御部８は、回転座標系の磁化電流指令Ｉｄ  ＊  及びトルク電流指令Ｉｑ  ＊  と、磁化電流検出値Ｉｄ  及びトルク電流検出値Ｉｑ  との偏差を比例・積分演算することにより回転座標系の磁化電圧指令Ｖｄ  ＊  及びトルク電圧指令Ｖｑ  ＊  を求める。
【０００６】
ここで磁化電流指令Ｉｄ  ＊  及びトルク電流指令Ｉｑ  ＊  はトルク指令Ｔ＊  に基づき電流指令テーブル１１により得る。すなわち、電流指令テーブル１１にはトルク指令Ｔ＊  に対応する磁化電流指令Ｉｄ  ＊  及びトルク電流指令Ｉｑ  ＊  がテーブルとして記憶してある。また、この電流指令テーブル１１には位相検出値θを微分器１２で微分して得る電気角周波数ωが参照信号として供給されている。かくして、電流指令テーブル１１はトルク指令Ｔ＊  に基づく電気角周波数ωを参照して一意に定まる磁化電流指令Ｉｄ  ＊  及びトルク電流指令Ｉｑ  ＊  を送出する。
【０００７】
座標変換部９は、回転座標系の磁化電圧指令Ｖｄ  ＊  及びトルク電圧指令Ｖｑ  ＊  を座標変換して、静止座標系の三相の電圧指令ＶＵ  ＊  ，Ｖｖ  ＊  ，Ｖｗ  ＊  を求める。
【０００８】
ＰＷＭインバータ１はこれが内蔵するＰＷＭ変調部において電圧指令ＶＵ  ＊  ，Ｖｖ  ＊  ，Ｖｗ  ＊  に基づきインバータ部を制御する。これによりＰＷＭインバータ１から三相電力がＰＭモータ２に供給される。
【０００９】
かかる制御装置を用いたＰＭモータ２の制御方法として最大トルク制御、最大効率制御等が知られており、これらの制御を行う場合には、トルク指令Ｔ＊  とＰＭモータ２の回転数を表わす電気角周波数ωに応じて磁化電流指令Ｉｄ  ＊  及びトルク電流指令Ｉｑ  ＊  を決定する。
【００１０】
このときのＰＭモータ２の出力トルクＴは次式（１）で示される。
Ｔ＝Ｐｎ｛λＩｑ  ＋ω（Ｌｄ  −Ｌｑ  ）Ｉｄ・Ｉｑ  ｝    ………（１）
但し、Ｐｎ  ：極対数、            λ：永久磁石による鎖交磁束、
ω：電気角周波数、        Ｌｄ  ：直軸インダクタンス、
Ｌｑ  ：横軸インダクタンス、Ｉｄ  ：磁化電流、
Ｉｑ  ：トルク電流
【００１１】
ここで従来技術においては、式（１）の鎖交磁束λの値は一定であるとして磁化電流指令Ｉｄ  ＊  及びトルク電流指令Ｉｑ  ＊  を求めている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
永久磁石（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石）による鎖交磁束λは、図５に示すように、永久磁石の温度が上がるにつれて減少し、特に高温になると減磁の割合が大きくなる。したがって高温になると鎖交磁束λが減少し、出力トルクＴは小さくなってしまう。つまり、従来では温度上昇による減磁を考慮していなかったので、高温状況でモータ運転をしたときには、トルク指令Ｔ＊  に対しＰＭモータ２から実際に出力されるトルクＴは小さくなっていた。
【００１３】
本発明は、上記従来技術に鑑み、温度が上昇してもトルク指令に正確に対応した出力トルクが得られる回転電機の制御装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の構成は次の点を特徴とする。
【００１５】
１）  界磁として永久磁石を有する回転電機の制御装置において、
トルク指令及び電気角周波数により一意に決定される磁化電流指令を出力する磁化電流指令テーブルと、
トルク電流指令とフィードバックしたトルク電流検出値との偏差に基づいて現在の永久磁石による鎖交磁束の推定値である磁束推定値を演算する磁束推定手段と、
トルク指令、電気角周波数及び磁束推定値に基づく演算によりトルク電流指令を出力するトルク電流指令演算手段とを有することを特徴とする。
【００１６】
２）  界磁として永久磁石を有するとともに磁化電流指令を零とする制御を行う回転電機の制御装置において、
トルク指令及び電気角周波数により一意に決定される磁化電流指令を出力する磁化電流指令テーブルと、
トルク電流指令とフィードバックしたトルク電流検出値との偏差に基づいて現在の永久磁石による鎖交磁束の推定値である磁束推定値を演算する磁束推定手段と、
トルク指令、電気角周波数及び磁束推定値に基づく演算によりトルク電流指令を出力するトルク電流指令演算手段と、
トルク指令に対応させて形成した電力変換素子による電圧降下分のテーブルを記憶しており、このテーブルに基づき電力変換素子による電圧降下分を補償する補償手段とを有することを特徴とする。
【００１７】
３）  界磁として永久磁石を有するとともに磁化電流指令を零とする制御を行う回転電機の制御装置において、
トルク指令及び電気角周波数により一意に決定される磁化電流指令を出力する磁化電流指令テーブルと、
トルク電流指令とフィードバックしたトルク電流検出値との偏差に基づいて現在の永久磁石による鎖交磁束の推定値である磁束推定値を演算する磁束推定手段と、
トルク指令、電気角周波数及び磁束推定値に基づく演算によりトルク電流指令を出力するトルク電流指令演算手段と、
トルク指令及び電気角周波数に対応させて形成した電力変換素子による電圧降下分のテーブルを記憶しており、このテーブルに基づき電力変換素子による電圧降下分を補償する補償手段とを有することを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。各形態は何れも現在の永久磁石の磁束を磁束推定値λ＊＊として推定し、この磁束推定値λ＊＊を用いてトルク電流指令Ｉｑ  ＊  を補正するものである。
【００１９】
ここで、磁束推定値λ＊＊の演算方法の原理を図６に基づいて説明しておく。図６に示す制御装置は、図４に示す制御装置における電流指令テーブル１１のうちトルク電流指令Ｉｑ  ＊  を与えるための部分を改良したものである。そこで、図４と同一部分には同一番号を付し重複する説明は省略する。
【００２０】
ＰＭモータ２の電圧方程式は、定常状態においては、同期回転座標（ｄ−ｑ軸）上において次式（２）で表わされる。
【数１】
0003627426.tif 000002
【００２１】
またトルクは前述の式（１）で表わされる。トルクの式（１）において、温度変化により永久磁石による鎖交磁束λが変化するとトルクＴが変化するが、変化後の鎖交磁束λを推定して電流指令値を計算することにより、トルク指令に対して正確に一致するトルク制御が可能となる。
【００２２】
図６に示す制御装置において磁化電流指令Ｉｄ  ＊  は、図４に示す制御装置と同様に、最大トルク制御、弱め界磁による定出力制御を行なうべく電気角周波数ωをパラメータとしてトルク指令Ｔ＊  に基づき磁化電流指令テーブル１３より導出する。すなわち、この磁化電流指令テーブル１３はトルク指令Ｔ＊  及び電気角周波数ωにより一意に決定される磁化電流指令Ｉｄ  ＊  をテーブルとして記憶している。
【００２３】
かくしてトルク指令Ｔ＊  、磁化電流指令Ｉｄ  ＊  及び電気角周波数ωが決定され、鎖交磁束λの推定値である磁束推定値λ＊＊が与えられると式（２）を変形して次式（３）によりトルク電流指令Ｉｑ  ＊  が求められる。
【００２４】
【数２】
0003627426.tif 000003
【００２５】
トルク電流指令演算部１４はトルク指令Ｔ＊  、磁化電流指令Ｉｄ  ＊  及び磁束推定器１５で推定する磁束推定値λ＊＊に基づき上式（３）の演算を行ってトルク電流指令Ｉｑ  ＊  を出力する。この結果得られた磁化電流指令Ｉｄ  ＊  及びトルク電流指令Ｉｑ  ＊  が電流制御部８に供給される。
【００２６】
ここで、磁束推定値λ＊＊は次の原理により求める。すなわち、式（２）において、鎖交磁束λはトルク電圧Ｖｑ  の式にのみ影響する。ここで、Ｒ１  ，Ｌｄ  はモータパラメータとして既知であるため、トルク電圧推定値Ｖｑ＊＊は磁束推定値λ＊＊を用いた次式（４）で表される。
Ｖｑ＊＊＝Ｒ１Ｉｑ  ＋ωＬｄＩｄ  ＋ωλ＊＊          ……（４）
（λ＊＊＝λｎ  ＋Δλ＊＊）
λｎ  ：磁束の初期設定値（基準温度において測定した磁束）
Δλ＊＊：磁束変化量の推定値
【００２７】
図６の電流制御系８においては、磁化電流指令Ｉｄ＊  ，トルク電流指令Ｉｑ  ＊  が実際の磁化電流検出値Ｉｄ，  トルク電流検出値Ｉｑ  に一致する様にフィードバック制御しているため、温度変化により鎖交磁束λが変化した場合には、磁化電流指令Ｉｄ  ＊  ，  トルク電流指令Ｉｑ  ＊  の電流を流すために必要なトルク電圧指令Ｖｑ  ＊  と式（４）により求められるトルク電圧推定値Ｖｑ＊＊に偏差が生ずる。この電圧偏差は磁束変化量の推定値Δλ＊＊に対応しているため、この磁束変化量の推定値Δλ＊＊は次式（５）により求めることができる。
Δλ＊＊＝Ｇ・（Ｖｑ＊  −Ｖｑ＊＊）                ……（５）
Ｇ：伝達関数
【００２８】
式（５）より磁束推定値λ＊＊は、次式（６）で求められる。
λ＊＊＝λｎ  ＋Ｇ（Ｖｑ＊  −Ｖｑ＊＊）              ……（６）
式（６）における（Ｖｑ＊  −Ｖｑ＊＊）の偏差が０となる様にλ＊＊を推定する。  この結果（Ｖｑ＊  −Ｖｑ＊＊）が０となると、実際のＰＭモータ２における鎖交磁束λと磁束推定値λ＊＊とが一致する。
【００２９】
ここで電流制御系８の出力であるトルク電圧指令Ｖｑ  ＊  は、図６より次式（７）で与えられる。
【００３０】
【数３】
0003627426.tif 000004
【００３１】
【数４】
0003627426.tif 000005
【００３２】
したがって磁束の推定は、式（４）の演算を行わなくても、換言すれば図６に示す磁束推定器１５を用いなくてもｑ軸のＩＰ制御部１０の出力ＶＩＰを式（５）の（Ｖｑ＊  −Ｖｑ＊＊）に代入することで可能となる。すなわち式（５）より、
λ＊＊＝λｎ  ＋Ｇ・ＶＩＰ                          ……（９）
となる。
【００３３】
式（９）における伝達関数ＧとしてはＫＰ  （比例ゲイン）、Ｋｉ  ／Ｓ（積分ゲイン）、（ＫＰ  ／１＋ＳＴ）（一次遅れ）、（ＫＰ  ＋Ｋｉ  ／Ｓ）（比例・積分ゲイン）等が考えられる。
【００３４】
上述の如き知見に基づく本発明の第１の実施の形態に係るブロック線図を図１に示す。同図に示すように、本形態に係る磁束推定器１６はＩＰ制御部１０の出力ＶＩＰに所定の伝達関数Ｇを掛けることにより磁束推定値λ＊＊を演算するように構成してある。この演算結果である磁束推定値λ＊＊は、トルク電流指令演算部１４及び式（２）の鎖交磁束λを補正すべくトルク電圧供給部１７にそれぞれ供給される。他の構成は図６と同じであるため同一部分には同一番号を付し重複する説明は省略する。
【００３５】
かかる本形態によれば磁束推定器１６において式（９）の演算を行うことにより磁束推定値λ＊＊を求める。トルク電流指令演算部１４では磁束推定値λ＊＊に基づき式（３）の演算を行うことによりトルク電流指令Ｉｑ  ＊  を求め、これを電流制御部８に供給する。このトルク電流指令Ｉｑ  ＊  は現実の永久磁石の鎖交磁束をλを反映してトルク指令Ｔ＊  に正確に対応した指令とすることができる。
【００３６】
なお、図１においてＩＰ制御部１０をＰＩ制御部として構成しても良い。
【００３７】
図１に示す制御装置では理想状態を考えたが、実際にはＩＰ制御部１０の出力ＶＩＰには、出力電流による電力変換素子（ＩＧＢＴ等）の電圧降下分を補正する成分が含まれることになる。
【００３８】
ここで、ｄ軸に電流を流さないＩｄ  ＝０制御では、電力変換素子の電圧降下分はｑ軸電圧Ｖｑ  のみに現れるため、ｄ−ｑ座標上の直流量にて補正が可能となる。すなわち、基準温度において、磁束の補償を行なわずに（磁束は初期設定値とする）トルク指令Ｔ＊  （トルク電流指令Ｉｑ  ＊  ）を変化させ、その時のＩＰ制御部１０の出力ＶＩＰを測定すれば、トルク指令Ｔ＊  に対する電力変換素子の電圧降下分に基づく電圧降下補正分Ｖｘ  が分かる。したがって、この測定データをテーブル化しておき、式（７）に加算することで、ＩＰ制御部１０の出力ＶＩＰはトルク電圧指令Ｖｑ＊  とトルク電圧推定値Ｖｑ＊＊の偏差分をより正確に反映したものとなる。
【００３９】
【数５】
0003627426.tif 000006
【００４０】
上述の如き知見に基づく本発明の第２の実施の形態に係るブロック線図を図２に示す。同図に示すように、本形態に係るＶｘ  テーブル１８にはトルク指令Ｔ＊  に対応する電圧降下補正分Ｖｘ  を記憶してあり、トルク指令Ｔ＊  に応じた電圧降下補正分Ｖｘ  を出力して出力ＶＩＰに加算するように構成してある。他の構成は図１と同じであるため同一部分には同一番号を付し重複する説明は省略する。
【００４１】
かかる本形態によれば、Ｉｄ  ＝０制御において精度よく磁束の推定ができ、トルク制御精度も向上する。
【００４２】
さらに、電力変換素子のスイッチング時間の影響により、デットタイムを設ける必要があり、このためトルク電圧指令Ｖｑ  ＊  と実際の出力電圧とに誤差が生じてくる。これは、電気角周波数に依存して変化する。したがって、図２に示す制御装置の電圧降下補正分Ｖｘ  もＩＰ制御部１０の出力ＶＩＰに含まれてくることになる。
【００４３】
ここで第２の実施の形態と同様に、トルク指令Ｔ＊  のみならず電気角周波数ωに対してＩＰ制御部１０の出力ＶＩＰを測定し、トルク指令Ｔ＊  及び電気角周波数ωに対する３次元のテーブルを形成し、このテーブルに基づく電圧降下補正分Ｖｘ  を式（１０）に代入すればＩＰ制御部１０の出力ＶＩＰはトルク電圧指令Ｖｑ  ＊  とトルク電圧推定値Ｖｑ＊＊との偏差分となる。そして、このときの電圧降下補正分Ｖｘ  は電力変換素子の電圧降下分とデットタイムの影響による補正分を表わすことになる。
【００４４】
上述の如き知見に基づく本発明の第３の実施の形態に係るブロック線図を図３に示す。同図に示すように、本形態に係るＶｘ  テーブル１８にはトルク指令Ｔ＊  及び電気角周波数ωに対応する電圧降下補正分Ｖｘ  を記憶してあり、トルク指令Ｔ＊  及び電気角周波数ωに応じた電圧降下補正分Ｖｘ  を出力して出力ＶＩＰに加算するように構成してある。他の構成は図１と同じであるため同一部分には同一番号を付し重複する説明は省略する。
【００４５】
かかる本形態によれば、Ｉｄ  ＝０制御において精度よく磁束の推定ができ、トルク制御精度も向上する。このとき第２の実施の形態よりも磁束推定及びトルク制御の精度がさらに向上する。
【００４６】
【発明の効果】
以上実施の形態とともに詳細に説明したように、本発明によれば磁束推定手段はトルク電流指令系の出力を用いているので、永久磁石の温度による減磁分を補償して指令値に対応する正確な制御を実現することができるばかりでなく、磁束推定のための演算時間も短縮することができる。さらに、Ｉｄ  ＝０制御においてトルク電流指令の制御部に電力変換素子の電圧降下、又は電圧降下とデッドタイムの影響とによる補正分を予め加算しておくことにより磁束推定及びトルク制御精度をさらに改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示すブロック線図。
【図２】本発明の第２の実施の形態を示すブロック線図。
【図３】本発明の第３の実施の形態を示すブロック線図。
【図４】従来技術に係る制御装置を示すブロック線図。
【図５】永久磁石の温度特性を示す特性図。
【図６】磁束推定の原理を説明するための制御装置を示すブロック線図。
【符号の説明】
２                  ＰＭモータ
１０                  ＩＰ制御部
１３                  磁化電流指令テーブル
１４                  トルク電流指令演算部
１６                  磁束推定器
１７                  トルク電圧供給部
１８                  Ｖｘ  テーブル
λ＊＊                  磁束推定値
Ｔ＊                    トルク指令
Ｉｄ  ＊                  磁化電流指令
Ｉｑ  ＊                  トルク電流指令
Ｖｄ  ＊                  磁化電圧指令
Ｖｑ  ＊                  トルク電圧指令
ω                    電気角周波数
Ｖｑ＊＊                トルク電圧推定値
ＶＩＰ                  出力
Ｖｘ                    電圧降下補正分
【図１】
0003627426.tif 000007
【図２】
0003627426.tif 000008
【図３】
0003627426.tif 000009
【図４】
0003627426.tif 000010
【図５】
0003627426.tif 000011
【図６】
0003627426.tif 000012