(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｄ軸のインダクタンスＬｄとｑ軸のインダクタスＬｑとを有する同期電動機をｄ軸電流指令とｑ軸電流指令とに従って制御する電力制御手段と、
前記同期電動機の駆動軸の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
トルク指令Ｔｃを発生するトルク指令発生手段と、
前記トルク指令に基づいて電流指令Ｉｃを出力する電流指令演算手段と、
前記電流指令と前記ｄ軸電流指令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、前記ｄ軸電流指令と前記ｑ軸電流指令とを出力するｄｑ軸電流指令発生手段と、
前記起磁力相差角を発生する起磁力相差角発生手段とを具備する同期電動機の制御装置であって、
前記起磁力相差角発生手段は、最大トルクを発生する際に、最大トルク効率を得るのに必要な前記回転速度ωｍと前記起磁力相差角φとの関係を示す第１のデータ曲線と前記最大トルクよりも小さな所定のトルクを発生する際に最大トルク効率を得るの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のデータ曲線とに基づいて、所定の回転速度において前記最大トルクと所定のトルク間のトルクを最大トルク効率で発生させるのに必要な前記起磁力相差角φを決定するように構成されていることを特徴とする同期電動機の制御装置。
【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電動機をｄ軸電流指令とｑ軸電流指令に従って制御する電力制御手段と、
前記同期電動機の駆動軸の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
トルク指令Ｔｃを発生するトルク指令発生手段と、
前記トルク指令に基づいて電流指令Ｉｃを出力する電流指令演算手段と、
前記起磁力相差角φを用いて前記ｄ軸電流指令と前記ｑ軸電流指令を出力するｄｑ軸電流指令発生手段と、
前記起磁力相差角を発生する起磁力相差角発生手段とを具備し、
前記第１及び第２の最大トルク効率曲線から、前記最大トルクと前記所定のトルクの間におけるトルクに対する最大トルク効率曲線を得るのに必要な前記Ｘ軸方向と前記Ｙ軸方向への平行移動量を得るための前記Ｘ軸方向と前記Ｙ軸方向への平行移動係数をそれぞれ予め定め、
前記起磁力相差角発生手段は所定の回転速度において前記トルク指令から指令されたトルクで最大トルク効率を達成するために必要な前記起磁力相差角を、前記第１及び第２の最大トルク効率曲線から選択した一方の最大トルク効率曲線と、前記平行移動係数と、前記一方の最大トルク効率曲線のトルクと前記指令トルクから指令された前記トルクとの差分とから決定するように構成されていることを特徴とする同期電動機の制御装置。
【請求項３】
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が、電機子の回転速度が低いときには前記電機子の回転速度の関数として一定値を保ち、前記回転速度が高くなると前記起磁力相差角が増大し始め、その後次第に増大が緩やかになり、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が、前記回転速度が低いときには前記回転速度の関数として前記最大トルクのときのよりも低い一定値を保ち、前記回転速度が高くなると前記最大トルクのときよりも高い回転速度で、前記起磁力相差角が前記最大トルクのときよりも小さな値に増大し始め、次第に増大が緩やかになるような特性を有し、前記回転速度をＸ軸にとり且つ前記位相角を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前記Ｘ軸方向と前記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電動機をｄ軸電流指令とｑ軸電流指令に従って制御する電力制御手段と、
前記同期電動機の駆動軸の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
トルク指令Ｔｃを発生するトルク指令発生手段と、
前記トルク指令に基づいて電流指令Ｉｃを出力する電流指令演算手段と、
前記起磁力相差角φを用いてｄ軸電流指令とｑ軸電流指令を出力するｄｑ軸電流指令発生手段と、
前記起磁力相差角を発生する起磁力相差角発生手段とを具備し、
前記起磁力相差角発生手段は、前記第１及び第２の最大トルク効率曲線を測定又はコンピュータシミュレーションで予め決定しておき、トルク指令Ｔｃの大きさ｜Ｔｃ｜が前記第１の最大トルクＴ１に等しいとき、前記第１の最大トルク効率曲線を与える前記回転速度ωｍと前記起磁力相差角φとの間の関係を次式
φ＝Ｇ（ωｍ）
＝φ０＋ＫＶ１・［θ（ωｍ−Ｎ０）・（ωｍ−Ｎ０）−θ（ωｍ−Ｎ１）・（ωｍ−Ｎ１）］＋ＫＶ２・θ（ωｍ−Ｎ１）・（ωｍ−Ｎ１）  …（１）
で表される２つの折れ曲がり点を含む折れ線によって近似し、
但し上記（１）式において、φ０は初期起磁力相差角であり、Ｎ０及びＮ１は第１と第２の起磁力相差角変更速度であり、ＫＶ１及びＫＶ２は第１及び第２の速度補償係数であり、
そして、θ（ｘ）は、ｘ≧０のときθ（ｘ）＝１であり、ｘ＜０のときθ（ｘ）＝０で定義される階段関数であるものとし、
前記最大トルクＴ１より小さいトルク指令｜Ｔｃ｜のときの、最大トルク効率曲線を
φ＝Ｇ［ωｍ＋Ｋ１・（Ｔ１−｜Ｔｃ｜）］−Ｋ２・（Ｔ１−｜Ｔｃ｜）  …（２）
の式で表すように平行移動し、前記（２）式において前記第２のトルク指令｜Ｔｃ｜＝Ｔ２としたときに前記第２の最大トルク効率曲線に一致するように予め定めた第１及び第２の平行移動係数Ｋ１及びＫ２を用い、
Ｔ１〜Ｔ２の間の｜Ｔｃ｜に対して、前記式（２）を用いて、前記回転速度ωｍと前記トルク指令｜Ｔｃ｜に対する前記起磁力相差角φを決定することを特徴とする同期電動機の制御装置。
【請求項４】
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Ｔ１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が、電機子の回転速度が低いときには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起磁力相差角が増大し始め、次第に増大が緩やかになり、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Ｔ２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が、回転速度が低いときには回転速度の関数として前記最大トルクのときのときよりも低い一定値を保ち、回転速度が高くなると前記最大トルクのときよりも高い回転速度で、起磁力相差角が前記最大トルクのときよりも小さな値に増大し始め、次第に増大が緩やかになるような特性を有し、前記回転速度をＸ軸にとり且つ前記位相角を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電動機をｄ軸電流指令とｑ軸電流指令に従って制御する電力制御手段と、
前記同期電動機の駆動軸の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
トルク指令Ｔｃを発生するトルク指令発生手段と、
前記トルク指令に基づいて電流指令Ｉｃを出力する電流指令演算手段と、
前記起磁力相差角φを用いてｄ軸電流指令とｑ軸電流指令を出力するｄｑ軸電流指令発生手段と、
前記起磁力相差角を発生する起磁力相差角発生手段とを具備し、
前記起磁力相差角発生手段に使用する前記第１と第２の最大トルク効率曲線をそれぞれ測定又はコンピュータシミュレーションで予め決定しておき、
前記トルク指令｜Ｔｃ｜が前記第１の最大トルクＴ１に等しいときに、前記第１の最大トルク効率曲線を与える回転速度ωｍと起磁力相差角φとの間の関係を、折れ線で近似できるように、ωｍが小さいときの一定値である初期起磁力相差角φ０、起磁力相差角が急激に増加し始める第１の起磁力相差角変更速度Ｎ０、速度Ｎ０以上のωｍでの折れ線の勾配を与える第１の速度補償係数ＫＶ１、起磁力相差角が回転速度の関数として緩やかに増加し始める第２の起磁力相差角変更速度Ｎ１、速度Ｎ１以上での折れ線の勾配を与える第２の速度補償係数ＫＶ２を予め定めておき、これらの定数を用いて前記折れ線の方程式を電動機の回転速度ωｍの関数φＴ１として次式より求め、
φＴ１＝φ０＋ＫＶ１・（α−Ｎ０）＋ＫＶ２・（β−Ｎ１）    （１）
ただし、変数α及びβは第１及び第２の記憶装置に保存され、
ωm＜Ｎ０のとき、α＝Ｎ０、β＝Ｎ１                       （２）
Ｎ０≦ωm＜Ｎ１のとき、α＝ωm、  β＝Ｎ１                （３）
Ｎ１≦ωmのとき、α＝Ｎ１、β＝ωm                        （４）
のように変更するものとし、このような前記起磁力相差角φＴ１を回転速度ωｍの関数として出力する速度補償手段と、
前記トルク指令が｜Ｔｃ｜＜Ｔ１のときには、前記トルク指令｜Ｔｃ｜の変化による前記最大トルク効率関数の変化を、前記｜Ｔｃ｜＝Ｔ１のときの折れ線からＴ１−｜Ｔｃ｜に比例して平行移動した折れ線で表し、前記トルク指令が｜Ｔｃ｜＝Ｔ２のときに、前記平行移動した折れ線が、前記第２の最大トルク効率曲線に近似的に一致するように、予め求めた、Ｔ１−｜Ｔｃ｜に対する第１と第２の平行移動係数Ｋ１，Ｋ２を用いて、
前記起磁力相差角φＴ１が最初に増加し始める第１の起磁力相差角変更速度Ｎ０と前記起磁力相差角φＴ１が緩やかに増加し始める第２の起磁力相差角変更速度Ｎ１に、これらとＴ１−｜Ｔｃ｜に前記第１の平行移動係数K１倍した積との加算点で
Ｎ０′＝Ｎ０＋Ｋ１・（Ｔ１−｜Ｔｃ｜）                       （５）
Ｎ１′＝Ｎ１＋Ｋ１・（Ｔ１−｜Ｔｃ｜）                       （６）
のように加算し、それぞれの和、第１及び第２のトルク補償した起磁力相差角変更速度Ｎ０′及びＮ１′を前記速度補償手段に入力し、前記折れ線の式（１）と前記折れ線の直線部分の範囲を与えるωｍの不等式（２）、（３）、（４）に含まれる起磁力相差角変更速度Ｎ０，Ｎ１を前記トルク補償した起磁力相差角変更速度Ｎ０′，Ｎ１′に置き換えて、（１）式で表される折れ線φＴ１を右方向に平行移動し、この平行移動した折れ線をφｖとし、
前記第１の平行移動した折れ線φｖと、差分T１−｜Ｔｃ｜を第２の平行移動係数K2倍した積とを第３の加算点で次式
φ＝φｖ−Ｋ２・（T１−｜Ｔｃ｜）                           （７）
のように減算して、折れ線を下方向への平行移動するトルク補償手段と、
前記速度補償手段の出力を、前記起磁力相差角φを予め定めた角度以下に抑えるリミッタとを具備することを特徴とする同期電動機の制御装置。
【請求項５】
前記速度補償手段は、前記第１及び第２の記憶装置に保存される前記変数α，βを、前記｜Ｔｃ｜＝Ｔ１のときには
ωm＜Ｎ０のとき、α＝Ｎ０、β＝Ｎ１                       （２）
Ｎ０≦ωm＜Ｎ１のとき、α＝ωm、β＝Ｎ１                  （３）
Ｎ１≦ωmのとき、α＝Ｎ１、β＝ωm                        （４）
のように変更するものとし、前記２つの記憶回路の出力α，βに、それぞれ第１，２の加算点で、前記起磁力相差角変更速度Ｎ０及びＮ１を差し引き、それぞれの差に速度補償係数ＫＶ１，ＫＶ２を掛けて、それらの積を第３の加算点で加算し、その和に第４の加算点で初期起磁力相差角φ０を加算した和を速度補償された起磁力相差角φｖとして出力し、｜Ｔｃ｜＜Ｔ１のときには、
ωm＜Ｎ０′のとき、α＝Ｎ０′、β＝Ｎ１′                 （８）
Ｎ０′≦ωm＜Ｎ１′のとき、α＝ωm、β＝Ｎ１′            （９）
Ｎ１′≦ωmのとき、α＝Ｎ１′、β＝ωm                   （１０）
のように変更するものとし、前記２つの記憶回路の出力α，βに、それぞれ前記第１及び第２の加算点で、前記トルク指令補償された起磁力相差角変更速度Ｎ０′，Ｎ１′を差し引き、それぞれの差に速度補償係数ＫＶ１，ＫＶ２を掛けて、それらの積を第３の加算点で加算し、その和に第４の加算点でφ０を加算した和を速度補償された起磁力相差角φｖとして出力することを特徴とする請求項４に記載の同期電動機の制御装置。
【請求項６】
トルク指令｜Ｔｃ｜が最大トルクＴ１〜０トルクＴ０の値をとるとき、｜Ｔｃ｜＝Ｔ１，Ｔ２，Ｔ０のときの最大トルク効率曲線を求めておき、
Ｔ１をこれらのいずれかに等しいトルク値とし、｜Ｔｃ｜＝Ｔ１のときの最大トルク効率曲線を２つの折れ曲がり点を持つ折れ線で近似できるように、前記速度座標Ｎ０，Ｎ１、前記初期起磁力相差角φ０、前記速度補償係数ＫＶ１，ＫＶ２を調整しておき、
｜Ｔｃ｜≠Ｔ１のとき、Ｔ１−｜Ｔｃ｜を用いてトルク補償を行った折れ線で、Ｔ２≠Ｔ１でＴＰ，ＴＲ，Ｔ０のどれかに等しいＴ２を用いて、｜Ｔｃ｜＝Ｔ２とおいたときのトルク補償した折れ線が、このときの最大トルク効率曲線と近似的に一致するように前記Ｋ１，Ｋ２を定めて、
起磁力相差角発生手段は、｜Ｔｃ｜がＴ１〜Ｔ２の間の値におけるトルク補償した折れ線で、ωｍと｜Ｔｃ｜対φの折れ線の関係を用いてトルク補償を行うことを特徴とする請求項４乃至５に記載の同期電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ｄ軸のインダクタンスＬｄとｑ軸のインダクタンスＬｑとを有する同期電動機の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ｄ軸のインダクタンスとｑ軸のインダクタンスを有する同期電動機の代表的な例としては、例えば埋込磁石形の同期電動機がある。従来の同期電動機の制御装置では、起磁力相差角φを、図８に示すように、低速領域では、最大トルクのときのトルク定数が最大になるようにφを一定とし、高速領域では、最大トルクのときの電動機電圧が電力変換器の出力電圧以下になるようにφを速度に応じて増大させていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の制御装置のように１つの関係によって制御を行うと、最大トルク時は、トルク効率が最大にすることができるものの、定格トルクのときには、必ずしもトルク効率を最大にすることができなかった。こうした課題を解決するために、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調べてみると、これらが異なっていることが分かった。こうした同期電動機の特性を考慮して同期電動機の制御を精密化することが必要となってきた。例えば、近年の電動機設計は、小型軽量化する傾向にあり、従来の制御方法のように最大トルク時を起磁力相差角の基準にして制御を行うと、定格運転ときの電動機の温度上昇が規格値に入らないという問題が生じる。また、地球環境の保全という意味からも、エネルギー消費を減らす必要があった。
【０００４】
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事も考えられる。しかしながら、このようにすると、今度は、最大トルクを得ようとしてもトルクが得られないという問題が生じる。
【０００５】
本発明は、上記の様な問題点を解消するためになされたもので、最大トルク領域のみならず、定格トルク領域においても、電動機のトルク効率が最大となる電動機の制御装置を得る事を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
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とを有する同期電動機をｄ軸電流指令とｑ軸電流指令とに従って制御する電力制御手段と、同期電動機の駆動軸の回転速度を検出する回転速度検出手段と、速度指令ωｍｃと回転速度検出手段が検出した電動機の回転速度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と、トルク指令に基づいて電流指令Ｉｃを出力する電流指令演算手段と、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ｄｑ軸電流指令発生手段と、起磁力相差角を発生する起磁力相差角発生手段とを具備する同期電動機の制御装置を改良の対象とする。トルク指令発生手段は、トルク指令を速度指令ωｍｃと回転速度検出手段が検出した電動機の回転速度ωｍとの偏差から発生するように構成してもよいが、単独でトルク指令を発生するように構成してもよく、その構成は任意である。
【０００７】
本発明の同期電動機の制御装置では、起磁力相差角発生手段は、最大トルクを発生する際に、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との関係を示す第１のデータ曲線と最大トルクよりも小さな所定のトルクを発生する際に最大トルク効率を得るのに必要な回転速度と起磁力相差角との関係を示す第２のデータ曲線に基づいて所定の回転速度において、最大トルクと所定のトルク間のトルクを最大トルク効率で発生させるのに必要な起磁力相差角φを決定する。
【０００８】
このようトルク指令と回転速度によって起磁力相差角を制御すると、最大トルク領域のみならず、最大トルクよりも小さな所定のトルク領域においても、電動機のトルク効率が最大となるように制御することができる簡単な構造の同期電動機の制御装置を得ることができる。その結果、トルク指令や回転速度が広い範囲で変動しても常にトルク効率を最大に保ちながら電動機を稼働させることができる効果がある。
【０００９】
また見方を変えると、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軸にとり且つ位相角を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電動機をｄ軸電流指令とｑ軸電流指令に従って制御する電力制御手段と、同期電動機の駆動軸の回転速度を検出する回転速度検出手段と、トルク指令Ｔｃを発生するトルク指令発生手段と、トルク指令に基づいて電流指令Ｉｃを出力する電流指令演算手段と、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ｄｑ軸電流指令発生手段と起磁力相差角を発生する起磁力相差角発生手段とを具備する同期電動機の制御装置を改良の対象とするものである。
【００１０】
本発明の同期電動機の制御装置では、第１及び第２の最大トルク効率曲線から、前記最大トルクと所定のトルクの間におけるトルクに対する最大トルク効率曲線を得るのに必要なＸ軸方向とＹ軸方向への平行移動量を得るためのＸ軸方向とＹ軸方向への平行移動係数をそれぞれ予め定め、起磁力相差角発生手段は所定の回転速度においてトルク指令から指令されたトルクで最大トルク効率を達成するために必要な起磁力相差角を、第１及び第２の最大トルク効率曲線から選択した一方の最大トルク効率曲線と、平行移動係数と、一方の最大トルク効率曲線のトルクと指令トルクから指令されたトルクとの差分とから決定する。
【００１１】
このようにすると、起磁力相差角をφ、回転速度をωｍ、第１のトルク指令と例えば第１のトルク指令よりも小さなトルク指令との偏差をΔＴとし、平行移動係数をＫ１、Ｋ２とし、第１の最大トルク効率曲線をφ＝Ｆ（ωｍ）のように求めておくと、トルク指令が他の値の場合には、ωｍに対するφは、φ＝Ｆ（ωｍ−Ｋ１ΔＴ）−Ｋ２ΔＴのように簡単な式で求めることができる。平行移動量がωｍによらないで、トルクの偏差値だけによるので非常に簡単な計算でωｍに対してトルク効率を最大にするφを求めて、トルク効率を最大にする同期電動機の制御装置を提供することができる効果がある。
【００１２】
更に見方を変えると、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が、電機子の回転速度が低いときには、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、起磁力相差角が増大し始め、次第に増大が緩やかになり、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が、回転速度が低いときには、回転速度の関数として最大トルクのときのときよりも低い一定値を保ち、回転速度が高くなると、最大トルクのときよりも高い回転速度で、起磁力相差角が最大トルクのときよりも小さな値に増大し始め、次第に増大が緩やかになるような特性を有し、回転速度をＸ軸にとり且つ位相角を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電動機をｄ軸電流指令とｑ軸電流指令に従って制御する電力制御手段と、同期電動機の駆動軸の回転速度を検出する回転速度検出手段と、トルク指令Ｔｃを発生するトルク指令発生手段と、トルク指令に基づいて電流指令Ｉｃを出力する電流指令演算手段と、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ｄｑ軸電流指令発生手段と起磁力相差角を発生する起磁力相差角発生手段とを具備する同期電動機の制御装置を改良の対象とする。
【００１３】
本発明の同期電動機の制御装置では、起磁力相差角発生手段は、第１と第２の最大トルク効率曲線を測定又はコンピュータシミュレーションで予め決定しておき、トルク指令｜Ｔｃ｜が第１の最大トルクＴ１に等しいとき、第１の最大トルク効率曲線を与える回転速度ωｍと起磁力相差角φの間の関係を次式
0003728405.tif 000002
で表される２つの折れ曲がり点を含む折れ線によって近似されるように、予め定めたφ０、Ｎ０、Ｎ１、ＫＶ１、ＫＶ２を用い、
但し、θ（ｘ）は、ｘ≧０のとき、θ（ｘ）＝１、ｘ＜０のときθ（ｘ）＝０で定義される階段関数であるものとし、
最大トルクＴ１より小さいトルク指令｜Ｔｃ｜のときの、最大トルク効率曲線を
φ＝Ｇ［ωｍ＋Ｋ１・（Ｔ１−｜Ｔｃ｜）］−Ｋ２・（Ｔ１−｜Ｔｃ｜）  （２）
のように平行移動し、（２）式で｜Ｔｃ｜＝Ｔ２としたとき第２の最大トルク効率曲線に一致するように予め定めた係数Ｋ１，Ｋ２を用いて、Ｔ１〜Ｔ２の間の｜Ｔｃ｜に対して、以上のようにして求めた係数を含む折れ線（２）式を用いて、回転速度ωｍと｜Ｔｃ｜に対する起磁力相差角φを決定する。
【００１４】
このようにすると同期電動機の特性の計算結果を観察し、観察結果を利用して最大トルク効率曲線を３本の折れ線で表すことによって最大トルク効率曲線を単純な表現を実現することができる。更に、トルク指令による最大トルク効率曲線の変動を回転速度に関係なく、基準とする最大トルク効率曲線のトルク値とトルク指令からのトルク値との偏差に比例するベクトル量だけ平行移動すると言う簡単な方法で計算することができる。その結果、広い範囲のトルク値と回転速度ωｍで稼働する電動機のトルク効率を最大にすることができる制御装置を提供することができる効果がある。
【００１５】
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Ｔ１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が、電機子の回転速度が低いときには、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、起磁力相差角が増大し始め、次第に増大が緩やかになり、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Ｔ２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が、回転速度が低いときには、回転速度の関数として最大トルクのときのときよりも低い一定値を保ち、回転速度が高くなると、最大トルクのときよりも高い回転速度で、起磁力相差角が最大トルクのときよりも小さな値に増大し始め、次第に増大が緩やかになるような特性を有し、回転速度をＸ軸にとり且つ位相角を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電動機をｄ軸電流指令とｑ軸電流指令に従って制御する電力制御手段と、同期電動機の駆動軸の回転速度を検出する回転速度検出手段と、速度指令ωｍｃと回転速度検出手段が検出した電動機の回転速度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と、トルク指令に基づいて電流指令Ｉｃを出力する電流指令演算手段と、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ｄｑ軸電流指令発生手段と、起磁力相差角を発生する起磁力相差角発生手段とを具備する同期電動機の制御装置を改良の対象とする。
【００１６】
本発明の同期電動機の制御装置では、起磁力相差角発生手段は、第１と第２の最大トルク効率曲線をそれぞれ測定又はコンピュータシミュレーションで予め決定しておき、トルク指令｜Ｔｃ｜が第１の最大トルクＴ１に等しいとき、第１の最大トルク効率曲線を与える回転速度ωｍと起磁力相差角φの間の関係を、折れ線で近似できるように予め定めた、ωｍが小さいときの一定値を示す初期起磁力相差角φ０、起磁力相差角が急激に増加し始める第１の起磁力相差角変更速度Ｎ０，Ｎ０以上のωｍでの折れ線の勾配を与える第１の速度補償係数ＫＶ１、起磁力相差角が回転速度の関数として緩やかに増加し始める第２の起磁力相差角変更速度Ｎ１、それ以上での折れ線の勾配を与える第２の速度補償係数ＫＶ２を予め定めておき、これを用いて折れ線の方程式を電動機の回転速度ωｍの関数φＴ１として次式
φＴ１＝φ０＋ＫＶ１・（α−Ｎ０）＋ＫＶ２・（β−Ｎ１）      （１１）
によって出力し、
ただし、変数α，βは第１と、第２の記憶装置に保存され、
ωm＜Ｎ０のとき、α＝Ｎ０、β＝Ｎ１                       （１２）
Ｎ０≦ωm＜Ｎ１のとき、α＝ωm、β＝Ｎ１                  （１３）
Ｎ１≦ωmのとき、α＝Ｎ１、β＝ωm                         （１４）
のようにスイッチするものとし、このようなφＴ１をωｍの関数として出力する速度補償手段と、
｜Ｔｃ｜＜Ｔ１では、｜Ｔｃ｜の変化による最大トルク効率関数の変化を、｜Ｔｃ｜＝Ｔ１のときの折れ線からＴ１−｜Ｔｃ｜に比例する平行移動で表し、この折れ線φが、第２の最大トルク効率曲線｜Ｔｃ｜＝Ｔ２のときに、最大トルク効率曲線に近似的に一致するように、予め求めた、Ｔ１−｜Ｔｃ｜に対する第１と第２の平行移動係数Ｋ１，Ｋ２を用いて、
起磁力相差角φが最初に増加し始める第１の起磁力相差角変更速度Ｎ０とφが緩やかに増加し始める第２の起磁力相差角変更速度Ｎ１に、これらとＴ１−｜Ｔｃ｜に第１の平行移動係数K１倍した積との加算点で
Ｎ０′＝Ｎ０＋Ｋ１・（Ｔ１−｜Ｔｃ｜）                      （１５）
Ｎ１′＝Ｎ１＋Ｋ１・（Ｔ１−｜Ｔｃ｜）                      （１６）
のように加算し、それぞれの和Ｎ０′、Ｎ１′を速度補償手段に入力し、折れ線の式（１１）と折れ線の直線部分を与えるωｍの不等式（１２）、（１３）、（１４）に含まれるＮ０、Ｎ１をＮ０′、Ｎ１′に置き換えて、前記（１１）式の折れ線を右方向に平行移動し、平行移動した折れ線をφｖとし、
この平行移動したφｖと、差分T１−｜Ｔｃ｜を平行移動係数K2倍した積との第３の加算点で次式
φ＝φｖ−Ｋ２・（T１−｜Ｔｃ｜）                          （１７）
のように減算して、折れ線を下方向への平行移動するトルク補償手段と、
速度補償手段の出力、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を有する。
【００１７】
また、速度補償手段は、第１と、第２の記憶装置に保存される変数α、βは、｜Ｔｃ｜＝Ｔ１のときには
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
のようにスイッチするものとし、２つの記憶回路の出力α，βに、それぞれ第１、２の加算点で、トルク指令補償された回転速度Ｎ０，Ｎ１を差し引き、それぞれの差にＫＶ１，ＫＶ２を掛けて、それらの積を第３の加算点で加算し、その和に第４の加算点でφ０を加算した和を速度補償された起磁力相差角として出力し、
｜Ｔｃ｜＜Ｔ１のときには、
ωm＜Ｎ０′のとき、α＝Ｎ０′、β＝Ｎ１′               （１８）
Ｎ０′≦ωm＜Ｎ１′のとき、α＝ωm、β＝Ｎ１′           （１９）
Ｎ１′≦ωmのとき、α＝Ｎ１′、β＝ωm                   （２０）
のようにスイッチするものとし、２つの記憶回路の出力α，βに、それぞれ第１、２の加算点で、トルク指令補償された回転速度Ｎ０′，Ｎ１′を差し引き、それぞれの差にＫＶ１，ＫＶ２を掛けて、それらの積を第３の加算点で加算し、その和に第４の加算点でφ０を加算した和を速度補償された起磁力相差角として出力するようにしてもよい。
【００１８】
本発明の同期電動機の制御装置では、トルク指令｜Ｔｃ｜が最大トルクＴ１〜０トルクＴ０の値をとるとき、係数調整手段は、｜Ｔｃ｜＝Ｔ１，Ｔ２，Ｔ０のときの最大トルク効率曲線を求めておき、Ｔ１をこれらのいずれかに等しいトルク値とし、｜Ｔｃ｜＝Ｔ１のときの最大トルク効率曲線を２つの折れ曲がり点を持つ折れ線で近似できるように、速度座標Ｎ０，Ｎ１，初期起磁力相差角φ０，速度補償係数ＫＶ１，ＫＶ２を調整しておき、｜Ｔｃ｜≠Ｔ１のとき、ＴＰ−｜Ｔｃ｜の代わりに、Ｔ１−｜Ｔｃ｜を用いてトルク補償を行った折れ線で、Ｔ２≠Ｔ１でＴＰ，ＴＲ，Ｔ０のどれかに等しいＴ２を用いて、｜Ｔｃ｜＝Ｔ２とおいたときのトルク補償した折れ線が、このときの最大トルク効率曲線と近似的に一致するようにＫ１，Ｋ２を定めて、起磁力相差角発生手段は、｜Ｔｃ｜がＴ１〜Ｔ２の間の値におけるトルク補償した折れ線で、ωｍと｜Ｔｃ｜対φの折れ線の関係を用いてトルク補償を行うようにしてもよい。
【００１９】
【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、本発明を同期電動機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。同期電動機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電動機（以下、「ＩＰＭ電動機」という）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電動機等にも当然にして適用できる。起磁力相差角φは、ｄ軸と１次電流指令Ｉｃとのなす角である。
【００２０】
図１において、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で検出された同期電動機１の回転速度ωmとの偏差からトルク指令Tcを算出する。電流指令演算手段６は、トルク指令発生手段３からのトルク指令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軸電流指令を出力しする。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。電力制御手段１１はこのｄ軸電流指令とｑ軸電流指令に従って同期電動機１を駆動する。
【００２１】
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、速度指令信号ωmcと回転速度検出手段５で検出した同期電動機の回転速度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。電流指令演算手段６は電流指令演算器（ＫＴＩ）６ａとリミッタ６ｂから構成される。電流指令演算器６ａは、トルク指令Ｔｃに電流指令換算係数ＫＴＩを乗算して電流指令Ｉｃを演算する。リミッタ６ｂは電流指令Ｉｃを一定値にリミットする。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。ｃｏｓ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を電力制御部１１に送る。
【００２２】
電力制御部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。
【００２３】
信号発生手段１１ｃは、エンコーダ５ａにより検出した回転位置θｍｆ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ｓｉｎθmf信号とｃｏｓθmf信号を発生する。
【００２４】
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手段１１ｃから出力されるｓｉｎθmf信号及びｃｏｓθmf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。
【００２５】
第２の座標変換器１１ｅは、ｑ軸電流指令Ｉｑｃとｑ軸電フィードバック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１１ａ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ＩＰＭ電動機１を駆動する。
【００２６】
起磁力相差角発生手段９は、最大トルクを発生する際に、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との関係を示す第１のデータ曲線と最大トルクよりも小さな所定のトルクを発生する際に最大トルク効率を得るのに必要な回転速度と起磁力相差角との関係を示す第２のデータ曲線に基づいて所定の回転速度において、最大トルクと所定のトルク間のトルクを最大トルク効率で発生させるのに必要な起磁力相差角φを決定するように構成されている。
【００２７】
図２は、この実施例が制御の対象とするＩＰＭ電動機の場合の定格トルク、及び、最大トルクのときの、トルク効率が最大となる起磁力相差角をシミュレーションにより求めたものである。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、定格トルク時とでは異なり、定格トルク時は、最大トルクのときより、小さな起磁力相差角で、トルク効率が最大となる。定格トルクの曲線では電機子の回転速度が低いときには、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、起磁力相差角が増大し始め、次第に増大が緩やかになっている。ＩＰＭ電動機で磁気飽和が無い場合は、ＩＰＭ電動機のトルクはリラタタンストルクとマグネットトルクの和として得られるので、起磁力相差角１２０〜１３５°付近でトルク効率が最大となる。定格トルクで、回転速度が低い場合の起磁力相差角は、これに相当する。回転速度が高くなった場合は、電動機電圧が上昇してくるため、電力変換器の出力電圧を超えないよう、起磁力相差角が回転速度の上昇と共に大きくなる。最大トルクの曲線では、回転速度が低いときには、回転速度の関数として定格トルクのときよりも高い一定値を保ち、回転速度が高くなると、定格トルクのときよりも低い回転速度で、起磁力相差角が最大トルクのときよりも大きな値に増大し始め、次第に増大が緩やかになるような特性を有している。最大トルク時は、起磁力相差角を若干大きくして、磁気飽和を緩和した所が最大トルク効率となる。また、定格トルクのときより電動機電圧が高くなるため、定格トルクのときより低い回転速度から起磁力相差角を大きくする必要がある。従って最大トルクと定格トルクのときの最大トルク効率曲線の一方を横軸方向と縦軸方向とに平行移動すると他方にほぼ重なる関係になっている。本発明ではこのような同期電動機の特性を利用して、それを有効に制御する制御装置を提供する。
【００２８】
図３は、図１に示す第１の実施の形態の動作を説明するためのグラフである。縦軸に起磁力相差角φ、横軸に回転速度ωｍを示す。図３で、３本の折れ線はそれぞれ｜Ｔｃ｜が、最大トルク（TP）、定格トルク（TR）、トルク0（TO）のときの、図２に示すような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。
【００２９】
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と第１，２のトルク補償手段１５とリミッタ１７とから構成される。速度補償手段１３は、トルク指令｜Ｔｃ｜が第１の最大トルクＴ１に等しいとき、第１の最大トルク効率曲線を与える回転速度ωｍと起磁力相差角φ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。折れ線を決める定数としては、ωｍが小さいときの一定値である初期起磁力相差角φ０、起磁力相差角が急激に増加し始める第１の起磁力相差角変更速度Ｎ０、第１の起磁力相差角変更速度Ｎ０以上のωｍでの折れ線の勾配を与える速度補償係数ＫＶ１、起磁力相差角が回転速度の関数として緩やかに増加し始める第２の起磁力相差角変更速度Ｎ１、それ以上での折れ線の勾配を与える速度補償係数ＫＶ２を用いる。速度補償手段１３は、これらの定数を用いて、折れ線の方程式を電動機の回転速度ωｍの関数φＴ１として次式
φＴ１＝φ０＋ＫＶ１・（α−Ｎ０）＋ＫＶ２・（β−Ｎ１）  （２１）
によって出力する。
【００３０】
但し、
ωm＜Ｎ０のとき、α＝Ｎ０、β＝Ｎ１                      （２２）
Ｎ０≦ωm＜Ｎ１のとき、α＝ωm、β＝Ｎ１                （２３）
Ｎ１≦ωmのとき、α＝Ｎ１、β＝ωm                      （２４）
のように変更するものとする。
【００３１】
このようにして得られた起磁力相差角φＴ１は、ωｍの関数として図３に示す｜Ｔｃ｜＝Ｔ１＝ＴＰの折れ線のグラフになる。
【００３２】
ωmが０〜Ｎ０までの範囲では、式（１）で、ωm＜Ｎ０のときの、α＝Ｎ０、β＝Ｎ１を代入すると、右辺の第１項のみが残る。従って、
φＴ１＝φ０                                                （２５）
のような一定値になる。
【００３３】
ωｍがＮ０〜Ｎ１では、（１）式で、Ｎ０≦ωm＜Ｎ１のときの、α＝ωm、β＝Ｎ１を代入すると、
φＴ１＝φ０＋ＫＶ１・（ωｍ−Ｎ０）                        （２６）
のように第２項が加算され、ωｍ＝Ｎ０で折れ曲がる勾配を与える速度補償係数ＫＶ１の折れ線になる。
【００３４】
ωｍがＮ１以上のときは、Ｎ１≦ωmのときの、α＝Ｎ１、β＝ωmを代入すると、
φＴ１＝φ０＋ＫＶ１・（Ｎ１−Ｎ０）＋ＫＶ２・（ωｍ−Ｎ１）  （２７）
のように第３項が加算されて、ωｍ＝Ｎ１で折れ曲がる勾配を与える速度補償係数ＫＶ２の折れ線ができる。
【００３５】
図４に、図１の実施の形態で示した速度補償手段１３の構成の一例を示す。この速度補償手段１３は、記憶装置１３ａ，１３ｂ、速度補償係数演算器１３ｃ，１３ｄ、加算点１３ｅ，１３ｆ，１３ｇ，１３ｈで構成されている。速度補償手段１３に起磁力相差角変更速度Ｎ０，Ｎ１、初期起磁力相差角φ０、速度補償係数ＫＶ１，ＫＶ２、をパラメータとして入力し、ωｍを入力変数とする。第１及び第２の記憶装置１３ａ及び１３ｂに保存される変数α，βは、｜Ｔｃ｜＝Ｔ１のときには
ωm＜Ｎ０のとき、α＝Ｎ０、β＝Ｎ１                   （２８）
Ｎ０≦ωm＜Ｎ１のとき、α＝ωm、β＝Ｎ１               （２９）
Ｎ１≦ωmのとき、α＝Ｎ１、β＝ωm                     （３０）
のように変更する。内部の２つの記憶回路１３ａ及び１３ｂからの出力α，βに、それぞれ加算点１３ｅ及び１３ｆで、トルク指令補償された起磁力相差角変更速度Ｎ０，Ｎ１を差し引き、それぞれの差に速度補償係数演算器１３ｃ，１３ｄで速度補償係数ＫＶ１，ＫＶ２を掛けて、それらの積を加算点１３ｇで加算し、その和に加算点１３ｈでφ０を加算した和を速度補償された起磁力相差角φＴ１として出力する。
【００３６】
｜Ｔｃ｜＜Ｔ１では、トルク補償手段１５が作動する。トルク補償手段１５は、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。平行移動係数演算器１５ａは、トルク指令｜Ｔｃ｜＝Ｔ１における折れ線をＴ１−｜Ｔｃ｜に比例して、右方向にＫ１・（Ｔ１−｜Ｔｃ｜）平行移動し、第２の平行移動係数演算器１５ｄは下降方向にＫ２・（Ｔ１−｜Ｔｃ｜）平行移動する。このとき、平行移動係数Ｋ１及びＫ２は、図３に示すように、｜Ｔｃ｜＝Ｔ２＝ＴＲのときの折れ線が、｜Ｔｃ｜＝Ｔ２のときの最大トルク効率曲線に近似的に一致するように予め決めておく。第１及び第２のトルク補償手段は予めこのようにしてそれぞれ決まった速度補償係数Ｋ１、Ｋ２を用いて横方向平行移動と下降方向平行移動を以下のように行う。
【００３７】
図１において、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、トルク入力の偏差（Ｔ１−｜Ｔｃ｜）と平行移動係数Ｋ１との積Ｋ１・（Ｔ１−｜Ｔｃ｜）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とを加算点１５ｂ，１５ｃで次式
Ｎ０′＝Ｎ０＋Ｋ１・（Ｔ１−｜Ｔｃ｜）                      （３１）
Ｎ１′＝Ｎ１＋Ｋ１・（Ｔ１−｜Ｔｃ｜）                      （３２）
のような加算を行い、トルク補償した起磁力相差角変更速度Ｎ０′及びＮ１′を演算し、これらを速度補償手段１３に入力する。
【００３８】
速度補償手段１３は、（２１）式のφＴ１に含まれる起磁力相差角変更速度Ｎ０，Ｎ１を次式
φｖ＝φ0＋ＫＶ１・（α−Ｎ０′）＋ＫＶ２・（β−Ｎ１′）  （３３）
のようにＮ０′，Ｎ１′に置き換えた折れ線の起磁力相差角φｖを出力する。φｖはωｍの関数として｜Ｔｃ｜＝Ｔ１＝ＴＰの折れ線を速度軸に右方向に平行移動した折れ線になっている。
【００３９】
ただし、第１と、第２の記憶装置１３ａ及び１３ｂの記憶内容α，βは、
ωm＜Ｎ０′のとき、α＝Ｎ０′，β＝Ｎ１′               （３４）
Ｎ０′≦ωm＜Ｎ１′のとき、α＝ωm，β＝Ｎ１′           （３５）
Ｎ１′≦ωmのとき、α＝Ｎ１′，β＝ωm                   （３６）
のように折れ曲がり点で変更して横座標も平行移動したものになっている。
【００４０】
図４において、｜Ｔｃ｜＜Ｔ１で、速度補償手段１３に起磁力相差角変更速度Ｎ０′，Ｎ１′、初期起磁力相差角φ０、速度補償係数ＫＶ１，ＫＶ２をパラメータとして入力し、ωｍを入力変数とする。第１及び第２の記憶装置１３ａ，１３ｂに保存される変数α，βは、上記式（３４）乃至（３６）のように変更される。
【００４１】
２つの記憶回路１３ａ及び１３ｂからの出力α，βに、それぞれ加算点１３ｅ，１３ｆで、トルク指令補償された起磁力相差角変更速度Ｎ０′，Ｎ１′を差し引き、それぞれの差に速度補償係数ＫＶ１，ＫＶ２を掛けて、それらの積を加算点１３ｇで加算し、その和に加算点１３ｈでφ０を加算した（３３）式の和φｖを出力する。
【００４２】
またトルク補償手段１５は、速度補償手段１３の出力の起磁力相差角φｖと、差分Ｔ１−｜Ｔｃ｜を第２の平行移動係数演算器１５ｄで平行移動係数Ｋ２倍した積とを加算点１５ｅで次式
φ＝φｖ−Ｋ２・（Ｔ１−｜Ｔｃ｜）                          （３７）
のように差し引き、（３３）式の折れ線φｖを縦方向に平行移動し、（３７）式の起磁力相差角φを｜Ｔｃ｜＜Ｔ１における回転速度ωｍに対する起磁力相差角φとして出力する。
【００４３】
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】
図３でトルク指令｜Ｔｃ｜が定格トルクＴＲ以下でＴ０以上のとき、即ちＴ０＜Ｔｃ＜ＴＲのときには、Ｔ１＝ＴＲ、Ｔ２＝Ｔ０とおいて以上述べたのと同じ関係を使うことができる。またはＴ１＝Ｔ０、Ｔ２＝ＴＲとおいて、以上の関係でＴ１−｜Ｔｃ｜の替わりに｜Ｔｃ｜を用いてトルク補償と、速度補償を行うこともできる。
【００４５】
図３を用いて本発明の第２の実施の形態の１例を説明する。本実施の形態では、起磁力相差角発生手段９は、図１の実施の形態に示す同期電動機を制御するための起磁力相差角φを以下のようにして発生する。
【００４６】
ステップＳ１：起磁力相差角発生手段９は、図２に示すような第１と第２の最大トルク効率曲線を測定又はコンピュータシミュレーションで予め決定しておく。第１と第２のトルク指令｜Ｔｃ｜は、例えば最大トルクＴＰ、定格トルクＴＲ、０トルクＴ０のいずれかの異なる２つのトルク指令の組として選ぶことができる。
【００４７】
ステップＳ２：｜Ｔｃ｜＝Ｔ１のときの最大トルク効率関数関係を次式のように２つの折れ曲がり点を含む折れ線で近似する。
【００４８】
0003728405.tif 000003
但し、ステップ関数θ（ｘ）は、ｘ≧０のとき、θ（ｘ）＝１、ｘ＜０のときθ（ｘ）＝０で定義される。ここでωｍが０〜Ｎ０の間は、φは第１項のみの一定値φ０になる。ωｍがＮ０〜Ｎ１の間は、第２項が加算されて、勾配ＫＶ１の折れ線になる。ωｍがＮ１以上では、第２項は一定値になり、第３項が加算されて、勾配ＫＶ２の折れ線になる。この折れ線が最大トルク効率関数関係の良い近似で表されるように、φ０，Ｎ０，Ｎ１，ＫＶ１，ＫＶ２を予め決定しておく。
【００４９】
ステップＳ３：Ｔ１と異なる｜Ｔｃ｜のときの、最大トルク効率曲線を
φ＝Ｇ［ωｍ−Ｋ１・（Ｔ１−｜Ｔｃ｜）］−Ｋ２・（Ｔ１−｜Ｔｃ｜）  （３９）
のように平行移動した折れ線で近似する。ここで平行移動した折れ線が｜Ｔｃ｜＝Ｔ２のときの最大トルク効率曲線に一致するように平行移動係数Ｋ１，Ｋ２を決定する。
【００５０】
ステップＳ４：Ｔ１〜Ｔ２の間の｜Ｔｃ｜に対して、以上のようにして定数を決定した折れ線（３９）式を用いて、回転速度ωｍと｜Ｔｃ｜に対する起磁力相差角φを決定する。
【００５１】
図５は本発明の第３の実施の形態を説明するために用いる図である。この実施の形態では、図１の実施の形態に示す起磁力相差角発生手段９は起磁力相差角φを以下のように発生する。
【００５２】
ステップＳ１：起磁力相差角発生手段９は、第１と第２の最大トルク効率曲線を測定又はコンピュータシミュレーションで予め決定しておく。第１と第２のトルク指令｜Ｔｃ｜は、最大トルクＴＰ、定格トルクＴＲ、０トルクＴ０のいずれかの異なる２つのトルク指令の組に選ぶことができる。
【００５３】
ステップＳ２：｜Ｔｃ｜＝Ｔ１のときの最大トルク効率曲線を、次式
φ＝Ｆ（ωｍ）                                       （４０）
とする。Ｆ（ωｍ）の式の形としては、例えは数値計算の結果を簡単な多項式で近似したものを用いてもよい。例えばＦ（ωｍ）とＮ個の点で一致する多項式を決めるには、Ｎ−１次の多項式を用いればよい。この場合にはＮ個の係数を必要とするので、Ｎ個の点の関数値が決まればＮ個の係数が決まる。このような決め方は折れ線近似よりは近似の精度を高めることができる効果が期待できる。
【００５４】
ステップＳ３：Ｔ１と異なる｜Ｔｃ｜のときの、最大トルク効率曲線を
φ＝Ｆ［ωｍ＋Ｋ１・（Ｔ１−｜Ｔｃ｜）］−Ｋ２・（Ｔ１−｜Ｔｃ｜）  （４１）
のように平行移動する。｜Ｔｃ｜＝Ｔ２のときの最大トルク効率曲線に例えば最小自乗法で一致するように平行移動係数Ｋ１，Ｋ２を決定する。
【００５５】
ステップＳ４：Ｔ１〜Ｔ２の間の｜Ｔｃ｜に対して（４１）式を用いて、ωｍからφを決める。
【００５６】
図６は本発明の第４の実施の形態の一例を説明するために用いるグラフである。この実施の形態では、図１の実施の形態に示す起磁力相差角発生手段９は起磁力相差角φを以下のステップに従って出力する。
【００５７】
ステップＳ１：図２に示すようにトルク効率が最大となる電動機の回転速度ωｍと起磁力相差角φとの間の最大トルク効率曲線を、トルク指令が最大トルクＴＰ、定格トルクＴＲ、トルク０時Ｔ０に対して、予め求めておく。以下ではトルク指令Ｔｃが｜Ｔｃ｜＝ＴＰ，ＴＲ，Ｔ０の場合を、それぞれ｜Ｔｃ｜＝Ｔ（ｉ）（ｉ＝０，１，２）と書くことにする。説明の便宜のためにこのようなトルク指令値を例として選ぶが、複数のトルク値に対する最大トルク効率曲線を用いる場合に一般化することができる。本実施の形態で最大トルクＴ（０）は本発明の請求項７において最大トルクＴ１と表記したものに相当する。本実施の形態で定格トルクＴ（１）は本発明の請求項７で、最大トルクよりも小さい所定のトルクＴ２としたものの一例である。本実施の形態の３つのトルクの場合は請求項７の２つのトルクの場合からの一般化になっている。
【００５８】
ステップＳ２：ステップＳ１で求めた３つの最大トルク効率曲線における起磁力相差角φと回転速度ωｍの関数関係を、図６（Ａ）に示すようにそれぞれ同数の複数の折れ曲がり点からなる折れ線で近似し、それぞれの折れ線の折れ曲がり点を同じ順番同志で互いに対応を付ける。例えば、これらに折れ曲がり点に１からＮ−１までの番号をつけ、０を始点、Ｎを終点とする。０からＮまでの始点と終点を含む折れ曲がり点をそれぞれ番号ｊによってｊ＝０〜Ｎとする。横軸をωｍとし縦軸をφとするωｍ−φ平面上の番号ｉの折れ線の番号ｊの折れ曲がり点（ｉ，ｊ）（ｉ＝０〜２、ｊ＝０〜Ｎ）の座標を、Ｎ（ｉ，ｊ）、φ（ｉ，ｊ）とする。ｉ番目の最大トルク効率曲線を近似する折れ線の折れ曲がり点の数は同数のＮ−１個であり、それぞれの折れ線のｊ番目の折れ曲がり点が互いに対応する番号ｊの折れ曲がり点になっている。
【００５９】
ステップＳ３：トルク指令Ｔｃの大きさ｜Ｔｃ｜が２つのトルク値Ｔ（ｉ）、Ｔ（ｉ＋１）の間の値をとるときに、回転速度ωｍに対してトルク効率を最大にする起磁力相差角φを求める。以下ｉ＝０に固定しておく。ｉ＝１に固定した場合も以下の話は同様に成立する。起磁力相差角φを求めるのに必要な最大トルク効率曲線の部分を近似的に求めるためにまず図６（Ｂ）に示すような４辺形を決める。即ち、図６（Ｂ）において、ｉ番目のトルク値Ｔ（ｉ）のときのトルク効率を最大にする最大トルク効率曲線を近似する折れ線の一直線区間、即ち２つの折れ曲がり点（Ｎ（ｉ，ｊ）、φ（ｉ，ｊ））と（Ｎ（ｉ，ｊ＋１）、φ（ｉ，ｊ＋１）を結ぶ線と、ｉ＋１番目のトルク値Ｔ（ｉ＋１）のときのトルク効率を最大にする最大トルク効率曲線を近似する折れ線の一直線区間、即ち２つの折れ曲がり点（Ｎ（ｉ＋１，ｊ）、φ（ｉ＋１，ｊ））と（Ｎ（ｉ＋１，ｊ＋１）、φ（ｉ＋１，ｊ＋１）を結ぶ線を対辺とする４辺形を作る。ここでｊの値としては、Ｎ（ｉ，ｊ）＜ωｍ＜Ｎ（ｉ，ｊ＋１）の関係を満足するように選ぶ。これらの４辺形の頂点はそれぞれの４辺形の対辺の両端の点になっており、またそれぞれｊ、ｊ＋１番目の対応する同じ順番の点になっている。ここでｊは、０〜Ｎ−１の中の１つの数である。
【００６０】
ステップＳ４：ステップＳ３で求めた４辺形を形作る対辺の両端の点の中でｊ番目の点同志（Ｎ（ｉ，ｊ）、φ（ｉ，ｊ））と（Ｎ（ｉ＋１，ｊ）、φ（ｉ＋１，ｊ）をつなぐ第１の辺を、Ｔ（ｉ）−｜Ｔｃ｜：｜Ｔｃ｜−Ｔ（ｉ＋１）の比に内分する第１の内分点（Ｎ（｜Ｔｃ｜，ｊ）、φ（｜Ｔｃ｜，ｊ））を次式によって求める。
【００６１】
0003728405.tif 000004
ステップＳ５：同様に、ステップＳ３で求めた４辺形を形作る対辺の両端の点の中でｊ＋１番目の点同志（Ｎ（ｉ，ｊ＋１）、φ（ｉ，ｊ＋１））と（Ｎ（ｉ＋１，ｊ＋１）、φ（ｉ＋１，ｊ＋１）をつなぐ第２の辺を、Ｔ（ｉ）１−｜Ｔｃ｜：｜Ｔｃ｜−Ｔ（ｉ＋１）の比に内分する第２の内分点（Ｎ（｜Ｔｃ｜，ｊ＋１）、φ（｜Ｔｃ｜，ｊ＋１））を次式によって求める。
【００６２】
0003728405.tif 000005
ステップＳ６：回転速度検出手段５から求めた回転速度ωｍが、Ｎ（｜Ｔｃ｜，ｊ）〜Ｎ（｜Ｔｃ｜，ｊ＋１）］をつなぐ線分の範囲内にあることを判定する。そうしてステップＳ３で４辺形を選ぶ時にこのようになるように選ぶ。そうなっていない場合にはステップＳ３に戻り、ωｍ＜Ｎ（ｉ＋１，ｊ）のときは、ｊをｊ＋１にして、ωｍ＞φ（ｉ＋１，ｊ＋１）時はｊをｊ−１にして条件を満たすまでステップＳ３〜ステップＳ６を繰り返す。条件を満足すれば次のステップに進む。
【００６３】
ステップＳ７：ステップＳ６の条件を満足したとき、これらの内分点をつなぐ線分の方程式は次式のようなωｍとφの１次式の関係で与えられる。
【００６４】
0003728405.tif 000006
これによってωｍからφを決定する。
【００６５】
ステップＳ８：ωｍに対するφを出力する。
【００６６】
図７は、従来方式と、本方式における定格運転ときの電動機コイル温度上昇の実測結果である。これから、本方式は、定格回転速度ときのトルク効率を大幅に改善できていることがわかる。
【００６７】
上記各実施の形態によれば、以下の効果が得られる。
【００６８】
（１）最大トルク領域のみならず、定格トルク領域においても電動機のトルク効率を最大にできるようになったため、高効率で、エネルギー消費の少ない電動機制御装置を提供できる。
【００６９】
（２）電動機をより小型、軽量に設計できるようになる。
【００７０】
（３）トルク０〜最大トルクまでの起磁力相差角を最大トルクとトルク指令の絶対値との差に比例させて制御するようにしたため、少ない電動機パラメータでトルク調整が可能である。また、最大トルク時をベースにしたトルク調整が可能である。
【００７１】
【発明の効果】
本発明のように、トルク指令と回転速度とによって起磁力相差角を制御すると、最大トルク領域のみならず、最大トルクよりも小さな所定のトルク領域においても、電動機のトルク効率が最大となるように制御することができる簡単な構造の同期電動機の制御装置を得ることができる。その結果、本発明によれば、トルク指令や回転速度が広い範囲で変動しても常にトルク効率を最大に保ちながら電動機を稼働させることができる効果が得られる。
【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電動機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電動機の特性のシミュレーション結果である。
【図３】本発明が制御の対象とする同期電動機の特性のシミュレーション結果を折れ線近似したものある。
【図４】本発明の第１の実施の形態の実施の形態の同期電動機の制御装置の一部の詳細を示すブロック図である。
【図５】トルク補償曲線を平行移動近似する方法を説明する図である。
【図６】（Ａ）及び（Ｂ）は折れ線近似と内分点を用いる方法を説明するための図である。
【図７】本発明の効果を説明するための図である。
【図８】同期電動機の従来の制御法を説明するための図である。
【符号の説明】
１  ＩＰＭ電動機
３  トルク指令発生手段
３ａ  速度制御器
３ｂ  加算点
５  回転速度検出手段
５ａ  エンコーダ
５ｂ  速度検出器
６ａ  電流指令演算器
６ｂ  リミッタ
７  ｄｑ軸電流指令発生手段
７ａ  絶対値化器
７ｂ  ｓｉｎ信号発生器
７ｃ  ｃｏｓ信号発生器
９  起磁力相差角発生手段
１１  電力制御手段
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
１１ｓ，１１ｔ，１１ｕ，１１ｖ  加算点
１３  速度補償手段
１３ａ，１３ｂ  記憶回路
１３ｃ  ＫＶ１
１３ｄ  ＫＶ２
１３ｅ，１３ｆ，１３ｇ，１３ｈ  加算点
１５  トルク補償手段
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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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