(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電動機に印加する各相電圧について高調波成分を含む波形の基本波を演算する電圧基本波演算手段と、
前記交流電動機の各相電流を検出する電流検出手段と、
前記各相電圧について高調波成分を含む波形の基本波と前記各相電流とに基づいて前記交流電動機への供給電力を演算する電力演算手段と、
前記交流電動機の回転数を検出する回転数検出手段と、
前記供給電力を前記回転数で除して前記交流電動機の出力トルクを演算するトルク演算手段と、
を含むことを特徴とする交流電動機のトルク検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の交流電動機のトルク検出装置において、
前記交流電動機での前記供給電力の損失を演算する損失演算手段と、
該損失に基づいて前記トルク演算手段で演算される出力トルクついて損失補償を行う損失補償手段と、
をさらに含むことを特徴とする交流電動機のトルク検出装置。
【請求項３】
交流電動機に印加する各相電圧について高調波成分を含む波形の基本波を演算する電圧基本波演算手段と、
前記交流電動機の各相電流を検出する電流検出手段と、
前記各相電圧について高調波成分を含む波形の基本波と前記各相電流とに基づいて前記交流電動機への供給電力を演算する電力演算手段と、
前記交流電動機の回転数を検出する回転数検出手段と、
前記供給電力を前記回転数で除して前記交流電動機の出力トルクを演算するトルク演算手段と、
前記出力トルクと所与のトルク指令値との差を少なくするよう前記交流電動機に供給する各相電圧を制御する制御手段と、
を含むことを特徴とする交流電動機の駆動制御装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つに記載の交流電動機の駆動制御装置において、
前記電圧基本波演算手段は、交流電動機に印加する各相電圧における電圧位相を用いて高調波成分を含む波形の基本波を演算することを特徴とする交流電動機の駆動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は交流電動機のトルク検出装置及び駆動制御装置に関し、例えば交流電動機を矩形波電圧制御する場合であっても好適にトルクを検出することができる交流電動機のトルク検出装置、及び、その検出したトルクを用いて安定的に交流電動機を駆動することのできる交流電動機の駆動制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、従来技術に係る交流電動機の駆動制御装置の構成を示す図である。同図に示す駆動制御装置５０は、モータ制御器１２と、インバータ１５と、直流電源１６と、電圧センサ１８と、電流センサ２０と、モータ２４と、位置センサ２２と、回転数演算器２６と、トルク検出手段１４ｃと、を含んで構成されている。
【０００３】
モータ２４は、例えば永久磁石同期型モータ等の３相交流電動機である。インバータ１５には直流電源１６が接続されており、モータ制御器１２によるスイッチング制御に従ってモータ２４の各相に対して電力を供給している。特に、モータ制御器１２にはトルク指令が外部から与えられており、トルク検出手段１４ｃにより検出されるモータ２４のトルクとトルク指令との差が小さくなるよう位相を制御した矩形波電圧をモータ２４に印加している。すなわち、モータ制御器１２はトルク指令と実トルクとの差が少なくなるよう電圧位相を決定し、その値をインバータ１５に対して電圧位相指令として与えている。インバータ１５は直流電源１６の電圧を振幅し、かつ電圧位相指令に従う位相を有する矩形波電圧をモータ２４の各相に印加している。インバータ１５からモータ２４への電力供給ライン上には電流センサ２０が取り付けられており、そこでモータ２４の各相巻線に現在供給されている電流値が検出されるようになっている。検出された各相の電流はトルク検出手段１４ｃに含まれる電力演算器３０ａに供給されている。一方、直流電源１６には電圧センサ１８が取り付けられており、該直流電源１６の電圧が検出され、その値が電力演算器３０ａに供給されるようになっている。電力演算器３０ａにはモータ制御器１２から出力される電圧位相指令も入力されている。この直流電源１６の電圧値及び電圧位相指令に基づき、電力演算器３０ａではモータ２４の各相の電圧を算出する。電力演算器３０ａは、この算出した各相の電圧及び電流センサ２０で検出された各相の電流をもとに、次式（１）に従ってモータ２４に供給される電力Ｐを算出する。
【０００４】
【数１】
Ｐ＝ｉｕ×ｖｕ＋ｉｖ×ｖｖ＋ｉｗ×ｖｗ              …（１）
ここで、ｉｕ，ｉｖ，ｉｗはモータ２４に供給される各相の電流値を表す。これらは電流センサ２０で検出されるものである。また、ｖｕ，ｖｖ，ｖｗはモータ２４に印加される各相の電圧値を表す。これらは、電圧センサ１８の出力及びモータ制御器１２の出力に基づいて算出される。
【０００５】
トルク検出手段１４ｃに含まれるトルク演算器３４ａには電力演算器３０ａで算出される上記電力Ｐが入力されており、ここで次式（２）に示すように、電力Ｐをモータ２４の角速度ωで除することによりモータ２４の出力トルクＴを算出している。
【０００６】
【数２】
Ｔ＝Ｐ／ω                                          …（２）
ここで、モータ２４の角速度ωは次のようにして得られる。すなわち、モータ２４には該モータ２４の電機子位置を検出する位置センサ２２が取り付けられており、その出力が回転数演算器２６に供給されている。回転数演算器２６ではモータ２４の回転数を位置センサ２２の出力に基づいて算出し、それをトルク演算器３４ａに供給している。トルク演算器３４ａでは、こうして与えられた回転数に基づいてモータ２４の角速度ωを算出する。
【０００７】
以上のようにすれば、モータ２４が出力する実トルクをインバータ１５の出力に基づいて演算し、その実トルクとトルク指令値との差が少なくなるようモータ２４に電力を供給する、トルクフィードバック型のモータ制御を実現できる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来技術に係る交流電動機の駆動制御装置５０では、電力演算器３０ａで演算される供給電力Ｐに高調波成分が含まれてしまい、モータ制御器１２によるモータ２４の制御が不安定になってしまうという問題がある。もちろん、電力演算器３０ａの後段にローパスフィルタを接続し、この高調波成分を除去することも考えられるが、その場合もトルクフィードバックに時間遅れが生じてしまい、やはり制御が不安定になってしまう。
【０００９】
図７は、電力演算器３０ａで演算される供給電力Ｐに含まれる高調波成分について説明する図である。同図には、モータ２４のＵ，Ｖ，Ｗ各相について、相電圧、相電流、相電力の時間推移が順に示されており、最下段には、これら値に基づいて演算された供給電力Ｐの時間推移が示されている。すなわち、同図には上から順に、ｖｕ、ｉｕ、ｉｕ×ｖｕ、ｖｖ、ｉｖ、ｉｖ×ｖｖ、ｖｗ、ｉｗ、ｉｗ×ｖｗ、Ｐの時間推移が示されている。同図において、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の相電圧（ｖｕ，ｖｖ，ｖｗ）はステップ的に変化している。これは、モータ２４の各端子に印加される電圧が矩形波電圧であることに起因する。これに対して各相の相電流（ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）は、ほぼ正弦波となっている。ここではモータ２４が高回転域にあることを前提としており（矩形波電圧制御は高回転域に主に用いられるためである）、矩形波電圧をモータ２４の各端子に印加しても各相電流は円滑化されることに起因している。そして、電力演算器３０ａでは、同図に示すようにステップ的に変化する各相の相電圧を用いて供給電力Ｐを演算しても、同図最下段に示されるように、その波形はノコギリ波状となってしまう。このため、この値を用いてトルク演算器３４ａでモータ２４の出力トルクＴを算出すれば、その値はノコギリ波状に変化するものとなってしまう。そして、そのトルクＴをモータ制御器１２で用いれば制御が不安定となってしまう。
【００１０】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、交流電動機に対して矩形波電圧等の高調波成分を含む電圧を印加した場合にも、高調波成分を多く含まないようにして該交流電動機の出力トルクを検出することのできる交流電動機のトルク検出装置、及びそれを用いて交流電動機を安定的に制御することのできる交流電動機の駆動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】
上記課題を解決するために、本発明に係る交流電動機のトルク検出装置は、交流電動機に印加する各相電圧について高調波成分を含む波形の基本波を演算する電圧基本波演算手段と、前記交流電動機の各相電流を検出する電流検出手段と、前記各相電圧について高調波成分を含む波形の基本波と前記各相電流とに基づいて前記交流電動機への供給電力を演算する電力演算手段と、前記交流電動機の回転数を検出する回転数検出手段と、前記供給電力を前記回転数で除して前記交流電動機の出力トルクを演算するトルク演算手段と、を含むことを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、交流電動機の各相電圧について基本波を演算し、それに基づいて交流電動機への供給電圧、及びその出力トルクを演算するようにしている。このため、例えば交流電動機の各相電圧がステップ的に変化した場合であってもトルク演算自体には基本波が用いられることになり、演算であるトルク値には高周波成分が多く含まれないようにできる。
【００１３】
また、本発明に係る交流電動機の駆動制御装置は、交流電動機に印加する各相電圧について高調波成分を含む波形の基本波を演算する電圧基本波演算手段と、前記交流電動機の各相電流を検出する電流検出手段と、前記各相電圧について高調波成分を含む波形の基本波と前記各相電流とに基づいて前記交流電動機への供給電力を演算する電力演算手段と、前記交流電動機の回転数を検出する回転数検出手段と、前記供給電力を前記回転数で除して前記交流電動機の出力トルクを演算するトルク演算手段と、前記出力トルクと所与のトルク指令値との差を少なくするよう前記交流電動機に供給する各相電圧を制御する制御手段と、を含むことを特徴とする。
【００１４】
本発明によれば、交流電動機に印加する各相電圧について高調波成分を含む波形の基本波を演算し、それに基づいて交流電動機への供給電圧、及びその出力トルクを演算するようにしている。そして、制御手段では、その出力トルクと所与のトルク指令値との差を少なくするよう交流電動機を制御している。このため、交流電動機に対して矩形波電圧を印加するような場合であっても、制御手段には高調波成分を多く含むトルク値がフィードバックされることは無くなり、交流電動機を安定的に制御することができるようになる。
【００１５】
また、本発明の一態様では、以上の構成に加え、前記交流電動機での前記供給電力の損失を演算する損失演算手段と、該損失に基づいて前記トルク演算手段で演算される出力トルクついて損失補償を行う損失補償手段と、をさらに含むことを特徴とする。
【００１６】
交流電動機においては、その動作領域によってトルク検出値と出力トルク（実トルク）との誤差が大きくなることがあるが、本態様によれば交流電動機への供給電力の損失を演算し、その損失を、トルク演算手段により演算される出力トルクから補償するようにしたので、高精度に出力トルクを検出することができるようになる。また、この検出トルクを用いてトルクフィードバック型の交流電動機の駆動制御を行えば、トルク制御精度を向上させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について図面に基づいて詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施の形態に係る交流電動機の駆動制御装置の構成を示す図である。同図に示す駆動制御装置１０は、モータ制御器１２と、インバータ１５と、直流電源１６と、電圧センサ１８と、電流センサ２０と、モータ２４と、位置センサ２２と、回転数演算器２６と、トルク検出手段１４と、を含んで構成されている。ここでトルク検出手段１４は、電圧基本波演算器２８と、電力演算器３０と、損失演算器３６と、損失補償器３２と、トルク演算器３４と、を含んで構成されている。
【００１９】
トルク検出手段１４ではモータ２４の出力トルク（実トルク）が検出されるようになっており、その値はモータ制御器１２に供給されている。モータ制御器１２には図示しない他装置からトルク指令も供給されており、出力トルクとトルク指令との差が少なくなるよう電圧位相指令を生成し、それをインバータ１５に供給している。インバータ１５には直流電源１６が接続されており、その電圧を振幅し、かつモータ制御器１２から与えられる電圧位相指令に従う位相を有する矩形波電圧を、モータ２４の各端子に印加する。モータ２４は永久磁石同期型モータ等の３相交流電動機であり、各端子に矩形波電圧が印加されることにより、各相巻線にはステップ状に変化する電圧（ここでは「階段状電圧」という。）が印加される。
【００２０】
また、トルク検出手段１４は次のようにしてモータ２４の出力トルクを検出する。すなわち、電圧基本波演算器２８には、モータ２４に取り付けられた位置センサ２２から出力される電機子位置、直流電源１６に取り付けられた電圧センサ１８から出力される直流電源１６の電圧、モータ制御器１２から出力される電圧位相指令、が入力されている。電圧基本波演算器２８では、これらの情報に基づいて次式（３）を計算することにより、モータ２４の各相巻線に印加されている階段状電圧の基本波を算出する。
【００２１】
【数３】
ｖｕｌ＝−Ａ×ｓｉｎ（θ＋φ）
ｖｖｌ＝−Ａ×ｓｉｎ（θ＋φ−２π／３）
ｖｗｌ＝−Ａ×ｓｉｎ（θ＋φ＋２π／３）            …（３）
この式（３）は、階段状電圧をフーリエ変換した際の基本波成分として得ることができる。ここで、ｖｕｌ，ｖｖｌ，ｖｗｌは、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の巻線に印加されている階段状電圧の基本波電圧値である。θはモータ２４の電機子位置であり、位置センサ２２の出力から得られる。φは電圧位相指令であり、モータ制御器１２の出力から得られる。また、Ａは基本波の振幅であり、ここでは矩形波制御を行っているため、振幅Ａは直流電源１６の電圧Ｖｄｃを用いて次式（４）により算出される。
【００２２】
【数４】
Ａ＝２×Ｖｄｃ／π                                  …（４）
図２は、電圧基本波演算器２８で算出される各相電圧の基本波を示す図である。同図の上三段には、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相に対応してインバータ１５からモータ２４に印加される矩形波電圧が示されている。この際、モータ２４の各相巻線に印加される電圧、すなわち相電圧は中三段に示されるようにステップ状に推移する階段状電圧となる。電圧基本演算器２８では、中三段に示される階段状電圧の基本波として下三段に示される各相相電圧の基本波を、上記式（３）に従って算出している。
【００２３】
電圧基本波演算器２８で得られた基本波電圧値ｖｕｌ，ｖｖｌ，ｖｗｌは電力演算器３０に供給され、そこでモータ２４への供給電力Ｐの演算に用いられる。供給電力Ｐは次式（５）により求められる。
【００２４】
【数５】
Ｐ＝ｉｕ×ｖｕｌ＋ｉｖ×ｖｖｌ＋ｉｗ×ｖｗｌ        …（５）
ここで、ｉｕ，ｉｖ，ｉｗはモータ２４に供給される各相の電流値であり、電流センサ２０により検出され、電力演算器３０に供給されるものである。
【００２５】
図３は、電力演算器３０で演算される電力Ｐについて説明する図である。同図には、モータ２４のＵ，Ｖ，Ｗ各相について、相電圧基本波、相電流、相電力の時間推移が順に示されており、最下段には、これら値に基づいて演算された電力Ｐの時間推移が示されている。すなわち、同図には上から順に、ｖｕｌ、ｉｕ、ｉｕ×ｖｕｌ、ｖｖｌ、ｉｖ、ｉｖ×ｖｖｌ、ｖｗｌ、ｉｗ、ｉｗ×ｖｗｌ、Ｐの時間推移が示されている。同図において、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の相電圧（ｖｕ，ｖｖ，ｖｗ）は実際には上述した階段状電圧の波形を有するが、電力Ｐの演算には生の各相電圧ｖｖ，ｖｕ，ｖｗが用いられず、代わりにそれらの基本波が用いられる。また、各相の相電流（ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）は、ほぼ正弦波となっているが、ここでも従来技術での説明と同様、矩形波電圧制御が主に高回転域で用いられることからモータ２４が高回転域にあることを前提としており、矩形波電圧をモータ２４の各端子に印加しても各相電流は円滑化されて正弦波状になるのである。電力演算器３０で、これらの値をもとにして上記式（５）により電力Ｐを演算すると、同図の最下段に示されるように一定値をとるようになる。このように生の各相電圧を用いる代わりに、それらの基本波を用いてモータ２４の電力Ｐを演算することにより、演算結果に高調波成分が乗ることを防ぐことができるのである。そして、この電力Ｐを用いてモータ２４のトルクを算出して該モータ２４の制御に用いることにより制御を安定させることができる。
【００２６】
以上のようにして電力演算器３０で算出された電力Ｐは損失補償器３２に与えられる。また、損失補償器３２には損失演算器３６で算出される損失量Ｌも入力される。損失演算器３６には回転数演算器２６から出力されるモータ２４の回転数が入力されている。すなわち、モータ２４には位置センサ２２が取り付けられており、そこでモータ２４の電機子位置が検出されるようになっている。回転数演算器２６では位置センサ２２の出力に基づいてモータ２４の回転数を演算するようになっており、その演算された回転数が損失演算器３６及びトルク演算器３４に供給されているのである。損失演算器３６にはモータ２４の回転数の他にモータ制御器１２に供給されているトルク指令も入力されるようになっており、これら２つの情報に基づいてモータ２４への供給電力のうちトルク発生に寄与しない部分である損失Ｌを次式（６）により算出する。この損失Ｌが損失補償器３２に供給される。
【００２７】
【数６】
Ｌ＝ｆ（Ｎ，Ｔ＊）                                    …（６）
ここで、Ｎはモータ２４の回転数を表し、Ｔ＊はトルク指令値を表す。また、ｆは回転数Ｎとトルク指令値Ｔ＊とから損失Ｌを算出するための近似式である。この他、回転数Ｎとトルク指令値Ｔ＊とから損失Ｌを与えるマップを損失演算器３６にて保持しておき、そのマップにより得られる損失Ｌを損失補償器３２に供給してもよい。
【００２８】
損失補償器３２は加算器により構成されており、次式（７）に従って電力演算器３０で算出される電力Ｐのうち損失演算器３６で算出される損失Ｌを差し引くことにより損失補償後電力（トルク寄与電力）Ｐ’を出力し、それをトルク演算器３４に供給している。
【００２９】
【数７】
Ｐ’＝Ｐ−Ｌ                                        …（７）
トルク演算器３４では、次式（８）に示すように、入力された損失補償後電力Ｐ’をモータ２４の回転数に基づいて算出されるモータ２４の角速度ωで除することによりトルクＴを算出し、それをモータ制御器１２にフィードバックするようになっている。
【００３０】
【数８】
Ｔ＝Ｐ’／ω                                        …（８）
以上の構成を有する交流電動機の駆動制御装置１０によれば、モータ２４の生の各相電圧を用いる代わりにそれらの基本波を演算し、それを用いて電力を算出しているため、高調波成分を含まない電力Ｐを得ることができる。そして、その高調波成分を含まない電力Ｐをもとにモータ２４のトルクＴを算出し、モータ２４の制御に用いているので、モータ２４を安定的に駆動制御することができる。
【００３１】
また、以上説明した交流電動機の駆動制御装置１０では、モータ２４に供給する電力のうちトルクに寄与しない部分を損失Ｌとして損失演算器３６によって求め、それをトルク算出の基礎から外すようにしたので、正確なトルクを制御に用いることができる。この結果、トルクフィードバック制御を採用する本構成において、トルク制御の精度を向上させることができる。
【００３２】
なお、以上説明した交流電動機の駆動制御装置１０は種々の変形実施が可能である。図４には、第１の変形例に係る交流電動機の駆動制御装置１０ａの構成が示されている。同図では駆動制御装置１０と同一構成については同一符号を付し、ここでは詳細な説明を省略する。この駆動制御装置１０ａで特徴的なことは、トルク検出手段１４ａに含まれる損失演算器３６ａが電圧センサ１８及び電流センサ２０の出力に基づいて損失Ｌを算出することである。すなわち、損失演算器３６ａでは次に示す式（９）〜（１１）に基づいてモータ２４における銅損Ｌｃ、鉄損Ｌｉ、機械損Ｌｍを算出し、式（１２）により、それら総和を損失Ｌとして算出している。
【００３３】
【数９】
Ｌｃ＝Ｒ×（ｉｕ２＋ｉｖ２＋ｉｗ２）                      …（９）
Ｌｉ＝ｇ（Ｖｄｃ，Ｎ）                              …（１０）
Ｌｍ＝ｈ（Ｎ）                                      …（１１）
Ｌ＝Ｌｃ＋Ｌｉ＋Ｌｍ                                …（１２）
ここで、Ｒはモータ２４のモータ抵抗であり、ｉｕ，ｉｖ，ｉｗはモータ２４の各相の電流である。これらは電流センサ２０の出力から得ることができる。また、Ｖｄｃは直流電源１６の電圧であり、電圧センサ１８の出力から得ることができる。Ｎはモータ２４の回転数であり、回転数演算器２６から供給される。ｇは電圧Ｖｄｃ及び回転数Ｎから鉄損Ｌｉを求めるための近似式である。電圧Ｖｄｃと回転数Ｎを用いるのはモータ２４の磁束密度をこれらの量から算出することができるからである。近似式の代わりにマップを作成してもよい。ｈはモータ２４の回転数Ｎから機械損Ｌｍを求めるための近似式である。これも同様にマップを作成してもよい。
【００３４】
以上の構成によっても、モータ２４に供給する電力のうちトルクに寄与しない部分を損失Ｌとして損失演算器３６によって求めることができ、それをトルク算出の基礎から外すことができる。
【００３５】
また、図５には、第２の変形例に係る交流電動機の駆動制御装置１０ｂの構成が示されている。同図においても上記駆動制御装置１０と同一構成については同一符号を付して、ここでは詳細な説明は省略する。同図に示す駆動制御装置１０ｂでは、トルク検出手段１４ｂに損失トルク演算器３６ｂを設けた点に特徴がある。駆動制御装置１０，１０ａではモータ２４での損失を電力量として算出していたが、損失トルク演算器３６ｂではモータ２４での損失をトルクに換算して出力する。また、駆動制御装置１０では損失演算器３６がトルク指令値Ｔ＊に基づいて損失Ｌを算出していたのに対し、この駆動制御装置１０ｂの損失トルク演算器３６ｂではトルク演算器３４から出力されるトルク演算値を用いて損失を算出している。
【００３６】
この駆動制御装置１０ｂでは、トルク演算器３４にて供給電力Ｐが損失無くトルクに変換された場合を仮定し、一旦仮のトルク演算値を出力しており、損失トルク補償器３２では、損失トルク演算器３６から出力される損失トルクを、その仮のトルク演算値から減算することにより最終的にモータ制御器１２に供給するトルク検出値を生成している。
【００３７】
このようにしても、モータ２４に供給する電力のうちトルクに寄与しない部分を損失Ｌとして損失演算器３６によって求めることができ、それをトルク算出の基礎から外すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る交流電動機の駆動制御装置の構成を示す図である。
【図２】電圧基本波演算器で算出されるモータの各相電圧に対する基本波を示す図である。
【図３】電力演算器で算出されるモータへの供給電力を示す図である。
【図４】変形例に係る交流電動機の駆動制御装置の構成を示す図である。
【図５】変形例に係る交流電動機の駆動制御装置の構成を示す図である。
【図６】従来技術に係る交流電動機の駆動制御装置の構成を示す図である。
【図７】従来技術に係る交流電動機の駆動制御装置の問題点を説明する図である。
【符号の説明】
１０，１０ａ，１０ｂ  駆動制御装置、１２  モータ制御器、１４，１４ａ，１４ｂ  トルク検出手段、１５  インバータ、１６  直流電源、１８  電圧センサ、２０  電流センサ、２２  位置センサ、２４  モータ、２６  回転数演算器、２８  電圧基本波演算器、３０  電力演算器、３２  損失補償器、３２ｂ  損失トルク補償器、３４  トルク演算器、３６，３６ａ  損失演算器、３６ｂ  損失トルク演算器。
【図１】
0003547117.tif 000002
【図２】
0003547117.tif 000003
【図３】
0003547117.tif 000004
【図４】
0003547117.tif 000005
【図５】
0003547117.tif 000006
【図６】
0003547117.tif 000007
【図７】
0003547117.tif 000008