(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
目標指令値に従って、電動機の電流を直交したｄ軸電流とｑ軸電流とに分離して制御する電流ベクトル制御部を備えた電動機制御装置であって、
前記電動機を駆動する駆動部と、
前記電流ベクトル制御部から前記駆動部への電圧指令の絶対値と所定の基準値との差分に基づいて、位相角指令を生成する位相角指令生成部と、
前記位相角指令の正弦値に基づいて前記ｄ軸電流の指令を生成するｄ軸電流指令生成部と、
前記位相角指令の余弦値に基づいて前記ｑ軸電流の指令の制限値を設定するｑ軸電流リミッタとを備えたことを特徴とする電動機制御装置。
【請求項２】
前記ｄ軸電流指令生成部は、ｄ軸電流ベクトルとｑ軸電流ベクトルとを合わせた電流ベクトルの大きさの上限値である最大電流値を前記位相角指令の正弦値に乗算して符号を反転した値を前記ｄ軸電流の指令として出力し、
前記ｑ軸電流リミッタは、前記位相角指令の余弦値に前記最大電流値を乗算した値を前記ｑ軸電流の指令の制限値として設定することを特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置。
【請求項３】
前記ｄ軸電流の指令を前記最大電流値より小さい所定の制限値に制限するｄ軸電流リミッタを備えたことを特徴とする請求項２に記載の電動機制御装置。
【請求項４】
外部からの目標指令値あるいはｑ軸電流の指令を平滑化するフィルタを備えたことを特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置。
【請求項５】
前記位相角指令生成部は、前記駆動部への前記電圧指令の絶対値に代えて、前記電圧指令のｑ軸成分を用いて、前記位相角指令を生成することを特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置。
【請求項６】
前記位相角指令生成部の所定の基準値を前記駆動部への前記電圧指令のｄ軸成分を用いて補正することを特徴とする請求項５に記載の電動機制御装置。
【請求項７】
前記ｄ軸電流リミッタは、前記所定の制限値をゼロに設定することを特徴とする請求項３から６のいずれか１項に記載の電動機制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流ベクトル制御を用いた電動機制御装置に関し、特に、弱め磁束制御や指令制限を行い、電圧飽和領域付近で電動機を力行（りっこう）動作あるいは回生動作させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、永久磁石同期方式の電動機の電流を制御する方法として、電動機の電流をトルクに寄与するｑ軸電流とそれに直交するｄ軸成分に分離して制御するベクトル制御が用いられる。ベクトル制御を行うベクトル制御部は、外部からの指令を受けて、電動機に電力を供給する電動機駆動部への指令電圧を計算する。
【０００３】
このようなベクトル制御において、外部からの指令の値が大きくなった場合など、この指令電圧が電動機駆動部の供給可能電圧を上回る現象がある。この現象を電圧飽和と呼ぶ。電圧飽和は、電動機の回転速度が大きいほど生じやすい。これは、電動機回転中に生じる誘起電圧が、回転速度に比例して上昇し、これを供給電圧で補うために電動機の端子間電圧も同様に上昇するためである。また、負荷が大きい場合や電源電圧が低い場合も、供給電圧余裕が小さくなるため、電圧飽和が生じやすくなる。
【０００４】
電圧飽和状態になると、力行動作時は、ｑ軸電流を増やせなくなり、トルクが低下したり、電流制御器の積分項が飽和（ワインドアップ）したりして、静特性や動特性が劣化する。また、回生動作時は、指令値よりも大きなｑ軸電流が流れ、過電流・過電圧、過大なブレーキトルクが発生して安全性が低下する。
【０００５】
このため、電圧飽和を抑制する手段として、負のｄ軸電流を流すことによって、永久磁石による磁束を減磁し、誘起電圧の増加を抑制する弱め磁束制御が用いられる。
【０００６】
従来の弱め磁束制御の例として、電圧飽和の検出手段を備え、該検出手段によって検出した飽和量に相当する信号または適当な固定値を積分し、該積分値をｄ軸電流指令として電流制御器に出力する閉ループ弱め磁束制御がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
しかし、負のｄ軸電流を増加し続けると、電圧低減効果は縮小し、やがて電圧は減少から増加に転じる。電圧が増加に転じる境界が上記弱め磁束制御の限界点であり、該限界点において、電動機の端子間電圧の余裕が最も大きくなる。すなわち、流すことのできるｑ軸電流および出力可能なトルクが最大の状態になる（以下、電動機が出力可能な最大トルクを適宜「限界トルク」と呼ぶ）。
【０００８】
限界トルクは一定ではなく、電動機の状態によって変化する。誘起電圧が大きいほど電動機の端子間電圧の余裕は小さくなるため、限界トルクは回転数上昇に伴って低下する。このため、低速域では出力可能だったトルクを、高速域では弱め磁束制御を行っても出力できない場合がある。
【０００９】
限界トルクよりも大きいトルクを出力しようとすると、電圧飽和状態となり、トルク追従誤差やワインドアップが生じ、制御の不安定化や特性劣化を招く。また、電圧飽和状態で上記閉ループ弱め磁束制御を用いた場合、ｄ軸電流指令が負の方向に発散し、制御が不安定になる。
【００１０】
この出力限界に対する従来技術の例として、例えば、特許文献２がある。図１１に、特許文献２記載の従来技術による電動機制御装置のブロック図を示す。図１１に示すこの電動機制御装置９０において、電流ベクトル制御部１０２は、外部からのトルク指令τ０＊に従って電動機１００の電流を制御する。飽和検出器１１２は、電流ベクトル制御部１０２から駆動部１０１への電圧指令ｖｄ＊とｖｑ＊に基づいて電圧飽和の有無を検出する。飽和積分器１１３は、飽和検出器１１２から出力される飽和検出信号に基づいて積分演算を行って、負のｄ軸電流指令である弱め磁束電流指令ｉｄｓ０＊を生成する。最大ｄ軸電流演算部１１４は、駆動部１０１の供給可能電圧Ｖｃと電動機１００の回転速度ωに基づいて弱め磁束電流指令の負の上限値ｉｄｓｌｍｔを設定する。ｄ軸電流リミッタ１１５は、弱め磁束電流指令ｉｄｓ０＊を上限値ｉｄｓｌｍｔに制限する。目標指令制限値演算部１１６は、供給可能電圧Ｖｃ、回転速度ω、および上限値ｉｄｓｌｍｔに基づいて、限界トルク値τｌｍｔ＊を設定する。目標指令リミッタ１１７は、外部からの指令トルクτ０＊を限界トルク値τｌｍｔ＊に制限する。通常領域ｄ軸電流指令演算部１１８は、目標指令リミッタ１１７からの指令トルクτ＊に基づき、通常の電流指令ｉｄｕ＊を出力する。ｄ軸電流選択部１１９は、通常の電流指令ｉｄｕ＊とｄ軸電流リミッタ１１５からの弱め磁束電流指令ｉｄｓ＊とのいずれかを選択して、ｄ軸の電流指令ｉｄ＊として電流ベクトル制御部１０２に出力する。また、ｑ軸電流指令生成部１０８は、指令トルクτ＊およびｄ軸の電流指令ｉｄ＊に基づき、ｑ軸の電流指令ｉｑ＊を生成し、電流ベクトル制御部１０２に出力する。
【００１１】
このように構成した従来技術によれば、弱め磁束制御で電圧飽和を抑制し、外部からの指令トルクτ０＊を電動機が出力可能な限界トルク値τｌｍｔ＊に制限するため、全運転領域に渡って電圧飽和を解消できる。また、弱め磁束電流指令ｉｄｓ０＊を、限界トルク値τｌｍｔ＊を得るための弱め磁束電流指令の上限値ｉｄｓｌｍｔに制限するため、ｄ軸電流指令の発散も回避できる。
【００１２】
しかしながら、特許文献２の方法では、電動機が出力可能な限界トルク値τｌｍｔ＊を、駆動部が供給可能な電圧Ｖｃと、電動機の回転速度ωと、弱め磁束電流指令の負の上限値ｉｄｓｌｍｔとから、インダクタンスなどの電動機固有の定数（モータ定数）を含む計算式を用いることよって計算している。そのため、運転状態によるインダクタンスの変動や、電動機毎のモータ定数のばらつきがある場合、限界トルク値τｌｍｔ＊が正しく計算されない。
【００１３】
この計算誤差により、トルク制限値となる限界トルク値τｌｍｔ＊が実際の限界トルクよりも大きい値に設定されると、限界トルクよりも大きいトルク指令τ＊に基づいて電流制御が行われ、電圧飽和を解消できない場合がある。
【００１４】
また、逆にトルク制限値となる限界トルク値τｌｍｔ＊が実際の限界トルクよりも小さい値に設定された場合、トルク指令τ＊が過剰に制限され、十分なトルクを得られない場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開平１１−２７９９６号公報
【特許文献２】特開２００３−２０９９９６号公報
【発明の概要】
【００１６】
本発明の電動機制御装置は、目標指令値に従って、電動機の電流を直交したｄ軸電流とｑ軸電流とに分離して制御する電流ベクトル制御部を備えた電動機制御装置である。本電動機制御装置は、さらに、電動機を駆動する駆動部と、電流ベクトル制御部から駆動部への電圧指令の絶対値と所定の基準値との差分に基づいて、位相角指令を生成する位相角指令生成部と、位相角指令の正弦値に基づいてｄ軸電流の指令を生成するｄ軸電流指令生成部と、位相角指令の余弦値に基づいてｑ軸電流の指令の制限値を設定するｑ軸電流リミッタとを備えた構成である。
【００１７】
この構成によって、電圧飽和の度合いに応じてｑ軸電流の指令の制限値が設定されるため、電動機の出力可能限界を超える目標指令値が入力された場合に、たとえモータ定数の変動やばらつきがある場合でも、ｑ軸電流の指令を自動的かつ正確に制限でき、電圧飽和を解消できる。
【００１８】
このように、本発明の制御装置は、モータ定数の変動やばらつきがある場合でも、ｑ軸電流指令を自動的かつ正確に出力可能限界に維持できるため、電動機を高安定かつ高出力で駆動できる。また、回生動作時においても同様にｑ軸電流指令が適正に制限されるため、ｑ軸電流の流れすぎによる過電流や過電圧、過大なブレーキトルクの発生を回避でき、限界域まで高安定かつ高効率な回生動作ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１における電動機制御装置のブロック図である。
【図２】図２は、同電動機制御装置の力行動作時の電流ベクトル軌跡の図である。
【図３】図３は、同電動機制御装置の力行動作時の電流ベクトル軌跡の変化を説明する図である。
【図４】図４は、同電動機制御装置の力行動作時の電流ベクトル軌跡の変化を説明する図である。
【図５】図５は、同電動機制御装置の力行動作時の電流ベクトル軌跡の変化を説明する図である。
【図６】図６は、同電動機制御装置の力行動作時の電流ベクトル軌跡の変化を説明する図である。
【図７】図７は、同電動機制御装置の回生動作時の電流ベクトル軌跡の変化を説明する図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態２における電動機制御装置のブロック図である。
【図９】図９は、同電動機制御装置の力行動作時の電流ベクトル軌跡の変化を説明する図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態３における電動機制御装置のブロック図である。
【図１１】図１１は、従来技術による電動機の制御装置のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。また、以下の各実施の形態では、永久磁石型同期方式の電動機を制御および駆動する電動機制御装置の一例を挙げて説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における電動機制御装置１０のブロック図である。本電動機制御装置１０は、外部からのトルク指令τ＊に従って、永久磁石同期方式の電動機１００を駆動する駆動制御系で構成される。
【００２２】
まず、図１において、電動機１００は、永久磁石（図示せず）と鉄心等に巻回された巻線（図示せず）とを有している。この巻線に電動機制御装置１０から交流電力が印加されることで、回転子が回転動作する。図１では、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相とする３相の交流電力で電動機１００が駆動される構成例を挙げている。
【００２３】
次に、図１に示す本電動機制御装置１０の構成および各部の動作を説明する。
【００２４】
駆動部１０１は、電動機１００の巻線を通電駆動することで、回転子を回転駆動する。駆動部１０１は、まず、電動機１００の界磁方向であるｄ軸とそれと直交する方向であるｑ軸とのそれぞれへの電圧指令ｖｄ＊、ｖｑ＊を、電動機１００のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に与える３相電圧指令に変換する２相−３相変換の処理を行う。さらに、駆動部１０１は、該３相電圧指令に従って電動機１００の各相に実際の電圧を発生させる電力変換の処理を行う。
【００２５】
電流ベクトル制御部１０２は、ｄ軸電流指令ｉｄ＊の値とｄ軸電流値との誤差がゼロになるようにｄ軸電圧指令ｖｄ＊を生成し、同様に、ｑ軸電流指令ｉｑ＊の値とｑ軸電流値との誤差がゼロになるようにｑ軸電圧指令ｖｑ＊を生成する。ｄ軸電流値およびｑ軸電流値は、測定や推定等により求めた電動機１００を通電している各軸の電流の値である。また、これら電圧指令の生成手段として、例えばＰＩ（比例積分）制御がある。電流ベクトル制御部１０２は、このように、目標指令値に従って、電動機１００の電流を直交したｄ軸電流とｑ軸電流とに分離して制御する。
【００２６】
位相角指令生成部１０３は、ｄ軸電流指令生成部１０９とｑ軸電流リミッタ１１０とに入力する位相角指令β＊を生成する。
【００２７】
以下、位相角指令生成部１０３の内部の構成を説明する。
【００２８】
通常領域進角設定部１０４は、電圧飽和が生じない運転領域における位相角指令（以下、「通常領域進角」と呼ぶ）β０＊を生成する。生成則は、特に限定されるものではなく、例えば、最大トルク／電流比運転、最大効率運転等がある。電圧飽和が生じない運転領域において、公知の進角制御に基づき電動機１００の銅損や鉄損が小さくなるように電流位相を調整する用途に用いる。あるいは単に、β０＊＝０を出力して、電圧飽和が生じない運転領域ではｄ軸電流を常にゼロに保つようにしてもよい。
【００２９】
出力電圧演算部１０５は、電流ベクトル制御部１０２から電圧指令ｖｄ＊およびｖｑ＊を入力し、式（１）に基づく演算を行い、電圧指令の絶対値｜ｖ＊｜を算出する。
【００３０】
【数１】
0005957704.tif 000002
【００３１】
位相角指令演算部１０６は、電圧指令の絶対値｜ｖ＊｜から所定の基準値Ｖｌｍｔを引いた電圧差分Δｖ＊に基づいて、位相角指令β１＊を生成する。生成則は、特に限定されるものではなく、例えば、電圧差分Δｖ＊の積分演算により生成してもよいし、電圧差分Δｖ＊の積分演算値と比例演算値との和により生成してもよい。
【００３２】
ここで、この所定の基準値Ｖｌｍｔを、駆動部１０１の供給可能最大電圧値と同じ値に設定することにより、電圧飽和時には正の電圧差分Δｖ＊が位相角指令演算部１０６に入力されて、位相角指令β１＊が増加する。また、電圧飽和が生じていない時には負の電圧差分Δｖ＊が位相角指令演算部１０６に入力されて、位相角指令β１＊が減少する。ただし、所定の基準値Ｖｌｍｔを駆動部１０１の供給可能最大電圧値よりも小さい値としてもよい。なお、負の位相角指令β１＊は必要ないため、積分計算値の下限値をゼロに制限する。
【００３３】
位相角リミッタ１０７は、通常領域進角設定部１０４で生成した通常領域進角β０＊と位相角指令演算部１０６で生成した位相角指令β１＊とを加算した値β２＊を、０度から９０度の間に制限し、その結果を位相角指令β＊として出力する。具体的には、位相角リミッタ１０７は、値β２＊が０度から９０度の範囲内の場合には値β２＊を出力する。また、９０度を超える場合は９０度、０度以下の場合は０度とする位相角指令β＊を出力する。
【００３４】
以上、位相角指令生成部１０３の内部の構成を説明した。
【００３５】
ｑ軸電流指令生成部１０８は、電動機１００のトルクを外部から目標指令値として通知されたトルク指令τ＊に追従させるためのｑ軸電流指令ｉｑ０＊を生成する。生成手段として、例えば電動機の出力トルクと電流の関係を表す式（２）を用いる。式（２）のようなトルク算出式は、例えば特許文献２で開示されているように公知のトルク算出手法に基づいている。式（２）において、ＬｄとＬｑはｄ軸とｑ軸のインダクタンス、Ｐは極対数、Ψ０は永久磁石による電機子鎖交磁束、τはトルク、ｉｄとｉｑはｄ軸とｑ軸の電流である。
【００３６】
【数２】
0005957704.tif 000003
【００３７】
本実施の形態においては、ｑ軸電流指令生成部１０８内部に式（２）ないしは同式に基づくデータテーブルが実装されており、トルク指令τ＊とｄ軸電流指令ｉｄ＊とに基づいてｑ軸電流指令ｉｑ０＊が生成されるものとする。
【００３８】
ｄ軸電流指令生成部１０９は、位相角指令β＊を式（３）または同式に基づくデータテーブルに代入し、位相角指令β＊の正弦値ｓｉｎ（β＊）に最大電流値Ｉｍａｘを乗算して符号を反転したｄ軸電流の指令であるｄ軸電流指令ｉｄ０＊を生成する。ここで、最大電流値Ｉｍａｘは、ｄ軸電流ベクトルｉｄ＊とｑ軸電流ベクトルｉｑ＊とを合わせた電流ベクトルの大きさ｜Ｉ｜の上限値を意味する。ここで、電流ベクトルの大きさ｜Ｉ｜は式（４）に基づき計算される値である。最大電流値Ｉｍａｘを乗算する意味については後述する。
【００３９】
【数３】
0005957704.tif 000004
【００４０】
【数４】
0005957704.tif 000005
【００４１】
位相角指令β＊の増加（減少）に応じて、ｄ軸電流指令ｉｄ０＊が負の方向に増加（減少）するため、電圧飽和の度合いに応じて自動的かつ正確に弱め磁束制御が行われる。
【００４２】
ｑ軸電流リミッタ１１０は、位相角指令β＊を式（５）または同式に基づくデータテーブルに代入し、位相角指令β＊の余弦値ｃｏｓ（β＊）に最大電流値Ｉｍａｘを乗算したｑ軸電流の指令の制限値であるｑ軸電流制限値ｉｑｌｍｔを計算する。そして、ｑ軸電流制限値ｉｑｌｍｔをｑ軸電流指令の絶対値の最大値として設定する。つまり、ｑ軸電流指令ｉｑ＊を上限値ｉｑｌｍｔから下限値−ｉｑｌｍｔの間に制限する。具体的には、入力されたｑ軸電流指令ｉｑ０＊が上限値ｉｑｌｍｔから下限値−ｉｑｌｍｔの範囲内の場合には入力値をそのまま出力し、上限値ｉｑｌｍｔを超える場合には上限値ｉｑｌｍｔを出力し、下限値−ｉｑｌｍｔより小さい場合には下限値−ｉｑｌｍｔを出力する。また、絶対値の大きさを制限することにより、外部からのトルク指令τ＊が正／負どちらの場合にもリミッタとして動作する。最大電流値Ｉｍａｘを乗算する意味については後述する。
【００４３】
【数５】
0005957704.tif 000006
【００４４】
位相角指令β＊の増加（減少）に応じて、ｑ軸電流制限値ｉｑｌｍｔが減少（増加）するため、ｑ軸電流指令ｉｑ＊は電圧飽和の度合いに応じて調整される。これにより、電動機１００の出力可能な限界トルクを超えるトルク指令τ＊が入力された場合に、たとえモータ定数の変動やばらつきがある場合でも、ｑ軸電流指令を自動的かつ正確に出力可能限界に維持できる。
【００４５】
また、式（３）と式（５）とにおいて最大電流値Ｉｍａｘを乗算しているため、ｄ軸電流指令ｉｄ＊とｑ軸電流指令ｉｑ＊とを合成した電流指令の大きさが最大電流値Ｉｍａｘを超えないように自動的に制限される。これにより、ｄ軸電流の増加に伴い電動機１００の電流が過大に増加することによる発熱や効率悪化の影響を抑制することができる。
【００４６】
このように、ｄ軸電流指令生成部１０９とｑ軸電流リミッタ１１０とは、電圧飽和を解消するための動作（弱め磁束制御、ｑ軸電流指令制限）と、ｄ軸電流とｑ軸電流を合成した電流の大きさを制限する動作との両方を同時に担っている。これにより、電動機１００の電流を制限するリミッタを別個に用意することなく簡素な構成で実現できる。
【００４７】
ｄ軸電流リミッタ１１１は、ｄ軸電流指令ｉｄ０＊を最大電流値Ｉｍａｘより小さい所定の制限値に制限する。この所定の制限値は、固定の値でもよいし、電動機１００の回転速度や電源電圧に応じて定まる値でもよい。これにより、出力限界領域付近におけるｄ軸電流の大きさを抑制して、銅損の上昇を抑制することができる。
【００４８】
以上のように構成された電動機制御装置１０について、以下にその詳細な動作および作用を説明する。
【００４９】
図２は、本発明の実施の形態１における電動機制御装置１０の力行動作時の電流ベクトル軌跡を示す図である。また、図３から図７は、本発明の実施の形態１における電動機制御装置１０の力行動作時の電流ベクトル軌跡の変化を説明する図である。以下、説明の補助のため、図２から図７に示す電流ベクトル軌跡の図を用いる。
【００５０】
電流ベクトル軌跡とは、ｄ軸とｑ軸の直交座標上で、ｄ軸にｄ軸電流値ｉｄ、ｑ軸にｑ軸電流値ｉｑをとり、ｄ軸電流とｑ軸電流を合成した電流を、原点を始点とする電流ベクトルとして表示し、その軌跡をプロットしたものである。
【００５１】
電圧制限楕円４００は、駆動部１０１の供給可能電圧によって制限される電流ベクトルの選択範囲を意味する。このとき、楕円４００の外部は電圧飽和領域を意味する。電動機１００の回転速度が上昇したり電源電圧が低下したりすると、電圧制限楕円４００は中心点Ａ０の座標（ｉｄ，ｉｑ）＝（−Ψ０／Ｌｄ，０）を維持しながら縮小する。
【００５２】
定トルク曲線４０１、４０２、４０５は、一定のトルクを出力するための電流ベクトル軌跡であり、式（２）に基づく。ここで、定トルク曲線４０１、４０２は正のトルク、図７での定トルク曲線４０５は負のトルクである。
【００５３】
電流制限円４０３は、中心を座標原点とし、半径を最大電流値Ｉｍａｘとする円である。
【００５４】
ｄ軸電流制限線４０４は、ｄ軸電流リミッタ１１１がｄ軸電流指令を制限する所定の制限値を表す。
【００５５】
本実施の形態の作用を、外部からのトルク指令値τ＊が定トルク曲線４０１、４０２、４０５の３パターンで表される場合を例とし、順に説明する。
【００５６】
まず、外部からのトルク指令値τ＊が図２の定トルク曲線４０１で表される場合について説明する。
【００５７】
この場合、負のｄ軸電流を流さないと、電流指令ベクトルは図３の点Ａ１になる。点Ａ１は電圧制限楕円４００の外側にあるため、電動機１００は電圧飽和状態となる。その結果、位相角指令β＊が生成され、負のｄ軸電流ベクトルｉｄ＊が増加し、弱め磁束制御が行われる。該ｄ軸電流ベクトルｉｄ＊に対応する定トルク曲線４０１上の点が電流指令ベクトルとなる。
【００５８】
図３のように、電流指令ベクトルが定トルク曲線４０１と電圧制限楕円４００との交点Ａ２に到達したとき、電圧飽和が解消される。
【００５９】
次に、外部からのトルク指令値τ＊が図４の定トルク曲線４０２で表される場合について説明する。
【００６０】
この場合、負のｄ軸電流を流さないと、電流指令ベクトルは図４の点Ｂ１になる。点Ｂ１は電圧制限楕円４００の外側にあるため、電動機１００は電圧飽和状態となり、上述の場合と同様に弱め磁束制御が行われる。
【００６１】
図４のように、電流指令ベクトルが定トルク曲線４０２に沿って移動し、定トルク曲線４０２と電流制限円４０３の交点Ｂ２に到達した後は、ｑ軸電流指令がｑ軸電流リミッタ１１０によって制限され、電流指令ベクトルは電流制限円４０３に沿って移動する。
【００６２】
図５のように、電流指令ベクトルが電流制限円４０３とｄ軸電流制限線４０４の交点Ｂ３に到達した後は、ｄ軸電流指令がｄ軸電流リミッタ１１１によって制限されるため、電流指令ベクトルはｄ軸電流制限線４０４に沿って移動する。
【００６３】
図６のように、電流指令ベクトルがｄ軸電流制限線４０４と電圧制限楕円４００の交点Ｂ４に到達したとき、電圧飽和が解消される。
【００６４】
次に、外部からのトルク指令値τ＊が図７の定トルク曲線４０５で表される場合について説明する。
【００６５】
この場合、つまり、負のトルク指令が与えられた場合、電動機１００に負のｑ軸電流を流す回生動作（ブレーキ動作）になる。回生動作において電圧飽和が生じた場合、負のｑ軸電流が本来の値よりも増大してしまうため、弱め磁束制御を行うことで電動機１００の誘起電圧を抑制しブレーキや電流の増大を抑えることが必要となる。しかしながら、外部からのトルク指令値が電動機１００の限界トルクを超える限界域では、力行動作と同様にトルク指令値を制限する必要がある。
【００６６】
図７の例では、負のｄ軸電流を流さないと、電流指令ベクトルは点Ｃ１になる。点Ｃ１は電圧制限楕円４００の外側にあるため、電動機１００は電圧飽和状態となり、上述した力行動作の場合と同様に弱め磁束制御とｑ軸電流指令制限が行われる。
【００６７】
その結果、電流指令ベクトルは、点Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３の順に移動し、ｄ軸電流制限線４０４と電圧制限楕円４００との交点Ｃ４に到達したとき、電圧飽和が解消される。
【００６８】
以上のように、本実施の形態の電動機制御装置においては、電流ベクトル制御部１０２から駆動部１０１への電圧指令の絶対値｜ｖ＊｜と所定の基準値Ｖｌｍｔとの差分Δｖ＊に基づいて位相角指令β＊を生成する位相角指令生成部１０３と、位相角指令β＊の正弦値に基づいてｄ軸電流の指令ｉｄ０＊を生成して出力するｄ軸電流指令生成部１０９と、位相角指令β＊の余弦値に基づいてｑ軸電流の指令の制限値を設定するｑ軸電流リミッタ１１０とを備える構成としている。
【００６９】
このように構成することにより、電圧指令の絶対値｜ｖ＊｜が所定の基準値Ｖｌｍｔを超過した値に基づいて、ｄ軸電流指令ｉｄ０＊が負の方向に増加し、かつｑ軸電流指令ｉｑ０＊の制限値が減少するため、電圧飽和の度合いに応じて弱め磁束制御とｑ軸電流指令ｉｑ０＊の制限が行われる。その結果、電動機１００の限界トルクを超えるトルク指令値が入力された場合に、たとえモータ定数の変動やばらつきがある場合でも、ｑ軸電流指令ｉｑ＊を自動的かつ正確に電動機１００の出力可能限界に維持する。さらに、回生動作時においても同様にｑ軸電流指令ｉｑ＊を適正に制限する。このため、力行動作時は電動機１００を高安定かつ高出力で駆動でき、回生動作時は過電流や過電圧、過大なブレーキトルクの発生を回避し、限界域まで高安定かつ高効率に動作できる。
【００７０】
また、本実施の形態の電動機制御装置は、ｄ軸電流指令生成部１０９が、ｄ軸電流ベクトルとｑ軸電流ベクトルとを合わせた電流ベクトルの大きさの上限値である最大電流値Ｉｍａｘを位相角指令の正弦値に乗算して符号を反転した値をｄ軸電流の指令として出力する。そして、ｑ軸電流リミッタ１１０が、位相角指令の余弦値に最大電流値Ｉｍａｘを乗算した値をｑ軸電流の指令の制限値として設定する。
【００７１】
これにより、簡素な構成で電動機１００に流れる電流の大きさを最大電流値Ｉｍａｘ以下に制限でき、かつｄ軸電流の大きさを所定の制限値以下に制限できるため、ｄ軸電流の増加に伴い電動機１００の電流が過大に増加することによる発熱や効率悪化の影響を簡単に抑制できる。
【００７２】
また、本実施の形態の電動機制御装置は、ｄ軸電流の指令を最大電流値Ｉｍａｘより小さい所定の制限値に制限するｄ軸電流リミッタ１１１を備えている。
【００７３】
これにより、さらに、出力限界領域付近におけるｄ軸電流の大きさを抑制して、銅損の上昇を抑制する効果が得られる。
【００７４】
また、本実施の形態において、ｄ軸電流リミッタにおけるｄ軸電流の所定の制限値をゼロに設定することにより、ｄ軸電流を常にゼロに保つ動作になる。弱め磁束制御を用いないこの場合によっても、たとえモータ定数の変動やばらつきがある場合でも、ｑ軸電流指令を適正に制限する動作によって電圧飽和領域で安定な力行動作あるいは回生動作を確保することができる。
【００７５】
（実施の形態２）
図８は、本発明の実施の形態２における電動機制御装置２０のブロック図である。
【００７６】
本実施の形態は、図１に示す実施の形態１におけるｑ軸電流指令生成部１０８の前段に、さらにフィルタ２００を挿入した構成である。その他の構成については、実施の形態１と同じであり、同じ構成要素の詳細な説明は省略する。
【００７７】
フィルタ２００は、外部から目標指令値として入力されるトルク指令τ＊を平滑化する。平滑化のアルゴリズムは、特に限定されるものではなく、例えば一次遅れローパスフィルタがある。平滑化されたトルク指令τＬＰＦ＊は、ｑ軸電流指令生成部１０８に入力される。
【００７８】
フィルタ２００の作用と効果について、図９の電流ベクトル軌跡を用いながら説明する。図９において、電圧制限楕円９００、外部からのトルク指令の定トルク曲線９０１、電流制限円９０２、およびｄ軸電流制限線９０３を表す。
【００７９】
負のｄ軸電流を流さないと、電流指令ベクトルは図９の点Ｄ０になる。点Ｄ０は電圧制限楕円９００の外側にあるため、電動機１００は電圧飽和状態となる。その結果、位相角指令β＊が生成され、負のｄ軸電流ベクトルｉｄ＊が増加する（弱め磁束制御）。該ｄ軸電流ベクトルｉｄ＊に対応する定トルク曲線９０１上の点が電流指令ベクトルとなる。
【００８０】
位相角指令β＊が図９のδまで増加すると、ｄ軸電流ベクトルがｄ軸電流制限線９０３に到達し、電流指令ベクトルが点Ｄ１の位置になる。
【００８１】
位相角指令β＊が図Ｄのγを超えると、式（５）で定まるｑ軸電流制限値ｉｑｌｍｔが点Ｄ１のｑ軸座標より小さくなるため、ｑ軸電流指令の制限が開始される。
【００８２】
したがって、位相角指令β＊がδからγに変化する期間では、電流指令ベクトルは点Ｄ１に固定された状態となる。この固定状態の期間および電流指令ベクトルが点Ｄ０から点Ｄ１に移動する期間では、電動機１００の限界トルクを超える定トルク曲線９０１に基づいてトルク制御が行われるため、出力トルクにオーバーシュートやアンダーシュートを生じるおそれがある。
【００８３】
そこで、フィルタ２００によって、上述の電流指令ベクトルの固定状態および移動期間におけるトルク指令τＬＰＦ＊の変化を緩やかにすることにより、出力トルクのオーバーシュートやアンダーシュートを抑制する。
【００８４】
なお、以上、トルク指令τ＊を平滑化する例を挙げて説明したが、ｑ軸電流の指令であるｑ軸電流指令ｉｑ０＊をフィルタ２００によって平滑化する構成であってもよく、同様の効果を得ることができる。
【００８５】
以上のように、本実施の形態においては、フィルタ２００を備える上述の構成とすることにより、実施の形態１と同様の効果に加えて、出力トルクのオーバーシュートやアンダーシュートを抑制する効果が得られる。
【００８６】
（実施の形態３）
図１０は、本発明の実施の形態３における電動機制御装置３０のブロック図である。
【００８７】
本実施の形態は、図１に示す実施の形態１における位相角指令生成部１０３に代えて、図１０の位相角指令生成部３００に示す構成に変形したものである。その他の構成については、実施の形態１と同じであり、同じ構成要素の詳細な説明は省略する。
【００８８】
図１０における位相角指令生成部３００は、実施の形態１における電圧指令の絶対値｜ｖ＊｜の代わりに、電圧指令のｑ軸成分ｖｑ＊を用いる。また、基準電圧補正部３０１が、実施の形態１における所定の基準値Ｖｌｍｔを、電圧指令のｄ軸成分ｖｄ＊を用いた式（６）に基づいて補正している。そして、補正した基準値ｖｑｌｍｔをｄ軸成分ｖｑ＊から引いた差分Δｖｑ＊を位相角指令演算部１０６に出力する。
【００８９】
【数６】
0005957704.tif 000007
【００９０】
式（６）は、出力変数ｖｑｌｍｔに対して入力変数が１つ（ｖｄ＊）であるため、入力変数が２つある式（１）に比べて計算処理負荷を低減できる。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
以上のように、本発明にかかる電動機制御装置は、モータ定数の変動やばらつきによる影響を受けることなく、電動機を高安定かつ高出力で駆動できる。このため、電圧飽和領域で駆動する永久磁石同期電動機、例えば、電動機本体やバッテリの容量が制約される車載用電動機や、瞬間的あるいは断続的に大きなトルクを必要とする各種アクチュエータや工作機械用の電動機などを駆動する用途に適用できる。
【符号の説明】
【００９２】
１０，２０，３０，９０    電動機制御装置
１００    電動機
１０１    駆動部
１０２    電流ベクトル制御部
１０３，３００    位相角指令生成部
１０４    通常領域進角設定部
１０５    出力電圧演算部
１０６    位相角指令演算部
１０７    位相角リミッタ
１０８    ｑ軸電流指令生成部
１０９    ｄ軸電流指令生成部
１１０    ｑ軸電流リミッタ
１１１，１１５    ｄ軸電流リミッタ
１１２    飽和検出器
１１３    飽和積分器
１１４    最大ｄ軸電流演算部
１１６    目標指令制限値演算部
１１７    目標指令リミッタ
１１８    通常領域ｄ軸電流指令演算部
１１９    ｄ軸電流選択部
２００    フィルタ
３０１    基準電圧補正部
４００，９００    電圧制限楕円
４０１，４０２，４０５，９０１    定トルク曲線
４０３，９０２    電流制限円
４０４，９０３    ｄ軸電流制限線
【図１】
0005957704.tif 000008
【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】
0005957704.tif 000013
【図７】
0005957704.tif 000014
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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