(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータを駆動するモータ駆動部と、
外部からの目標指令値に従って前記モータの電流を直交したｄ軸電流とｑ軸電流に分離して制御する電流ベクトル制御部と、
前記電流ベクトル制御部からの前記モータ駆動部への電圧指令の絶対値と第１の所定の基準値との差分あるいは前記電圧指令のｑ軸成分と第２の所定の基準値との差分に基づいて前記ｄ軸電流の量を制御するｄ軸電流指令を生成する弱め磁束電流指令生成部と、
前記ｄ軸電流指令を負の上限値とゼロの間に制限するｄ軸電流指令リミッタと、
前記ｄ軸電流指令の制限前入力から前記ｄ軸電流指令の制限後出力を引いた差分の値に基づいて前記外部からの目標指令値の制限値を設定する目標指令リミッタあるいは前記ｑ軸電流の量を制御するｑ軸電流指令の制限値を設定するｑ軸電流指令リミッタと、
を備えたモータの制御装置。
【請求項２】
前記外部からの目標指令値あるいは前記ｑ軸電流指令を平滑化するフィルタを備えた請求項１記載のモータの制御装置。
【請求項３】
前記ｄ軸電流指令と前記ｑ軸電流指令を合わせたモータの電流指令ベクトルの大きさが所定の値を超えないように、前記ｄ軸電流指令の大きさに応じて前記ｑ軸電流指令の大きさを制限する電流リミッタを備えた請求項１記載のモータの制御装置。
【請求項４】
前記弱め磁束電流指令生成部の前記第２の所定の基準値は前記第１の所定の基準値を前記モータ駆動部への前記電圧指令のｄ軸成分を用いて補正したものである請求項１記載のモータの制御装置。
【請求項５】
前記ｄ軸電流指令の上限値をゼロに設定した請求項１に記載のモータの制御装置。
【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モータの制御装置において、弱め磁束制御や指令制限を行い、電圧飽和領域付近でモータを力行動作あるいは回生動作する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般にモータの電流を制御する方法として、モータの電流をトルクに寄与するｑ軸電流成分とそれに直交するｄ軸電流成分に分離して制御するベクトル制御が用いられる。ベクトル制御部は外部からの指令を受けて、モータに電力を供給するモータ駆動部への指令電圧を計算する。
【０００３】
外部からの指令の値が大きくなった場合など、この指令電圧がモータ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、モータの回転速度が大きいほど生じやすい。これは、モータ回転中に生じる誘起電圧が、回転速度に比例して上昇し、この誘起電圧の上昇を供給電圧で補うためにモータ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】
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、この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、この積分値を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（例として、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る。この限界点において、モータ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、モータが出力可能な最大トルクを限界トルクと呼ぶことがある）。
【０００８】
限界トルクは一定ではなく、モータの状態によって変化する。誘起電圧が大きいほどモータ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、特許文献２がある。図１４は、特許文献２記載の従来技術によるモータの制御装置のブロック図を示す。この制御装置は、電流ベクトル制御部１０３、飽和検出器９０４、飽和積分器９０５、ｄ軸電流上限値演算部１０８、ｄ軸電流指令リミッタ１０９、目標指令の制限値演算部９１４、目標指令リミッタ１１０を備えている。電流ベクトル制御部１０３は、外部からのトルク指令τ０＊に従ってモータ１０１の電流を制御する。飽和検出器９０４は、電流ベクトル制御部１０３からモータ駆動部１０２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９０５は、飽和検出器９０４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。ｄ軸電流上限値演算部１０８およびｄ軸電流指令リミッタ１０９は、モータ駆動部１０２の供給可能電圧Ｖｃとモータ１０１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。目標指令の制限値演算部９１４は、上記Ｖｃ、ω、ｉｄｓｌｍｔに基づいて限界トルク値τｌｍｔ＊を設定する。
【００１１】
上述の構成によって、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＊をモータが出力可能な限界トルク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ｉｄｓ＊を限界トルク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、モータ１０１が出力可能な限界トルクτｌｍｔ＊を、モータ駆動部１０２が供給可能な電圧Ｖｃと、モータ１０１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モータ固有の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、モータ毎のモータ定数のばらつきがある場合、限界トルクτｌｍｔ＊が正しく計算されない。
【００１３】
この計算誤差により、限界トルクτｌｍｔ＊が実際の限界トルクよりも大きい値に設定されると、実際の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
【特許文献３】特開２００６−２５４５７２号公報
【発明の概要】
【００１６】
本発明のモータの制御装置は、モータを駆動するモータ駆動部と、電流ベクトル制御部と、弱め磁束電流指令生成部と、ｄ軸電流指令リミッタと、目標指令リミッタあるいはｑ軸電流指令リミッタと、を備える。電流ベクトル制御部は、外部からの目標指令値に従ってモータの電流を直交したｄ軸電流とｑ軸電流に分離して制御する。弱め磁束電流指令生成部は、電流ベクトル制御部からのモータ駆動部への電圧指令の絶対値と第１の所定の基準値との差分あるいは電圧指令のｑ軸成分と第２の所定の基準値との差分に基づいてｄ軸電流の量を制御するｄ軸電流指令を生成する。ｄ軸電流指令リミッタは、ｄ軸電流指令を負の上限値とゼロの間に制限する。目標指令リミッタは、ｄ軸電流指令の制限前入力からｄ軸電流指令の制限後出力を引いた差分の値に基づいて外部からの目標指令値の制限値を設定する。ｑ軸電流指令リミッタは、ｑ軸電流の量を制御するｑ軸電流指令の制限値を設定する。
【００１７】
この構成によって、モータの出力可能限界を超える目標指令値が入力された場合でも、ｄ軸電流指令を上限値に保ち、目標指令値あるいはｑ軸電流指令を自動的かつ正確に出力可能限界に制限できる。その結果、モータ定数の変動やばらつきがある場合でも、電圧飽和を解消でき、なおかつモータの出力可能限界を維持して駆動できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は本発明の実施の形態１におけるモータの制御装置のブロック図である。
【図２】図２は本発明の実施の形態１におけるモータの制御装置の変形例のブロック図である。
【図３】図３は本発明の実施の形態１におけるモータの制御装置の変形例のブロック図である。
【図４】図４は本発明の実施の形態２におけるモータの制御装置のブロック図である。
【図５】図５は本発明の実施の形態３におけるモータの制御装置のブロック図である。
【図６】図６は本発明の実施の形態４におけるモータの制御装置のブロック図である。
【図７】図７は本発明の実施の形態５におけるモータの制御装置のブロック図である。
【図８Ａ】図８Ａは本発明の実施の形態５における簡略ブロック図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは本発明の実施の形態５における変形例の簡略ブロック図である。
【図９】図９は埋込み永久磁石型同期モータにおける電流ベクトル軌跡の図である。
【図１０】図１０は表面永久磁石型同期モータにおける電流ベクトル軌跡の図である。
【図１１】図１１は埋込み永久磁石型同期モータにおける回生時動作時の電流ベクトル軌跡の図である。
【図１２】図１２は本発明の実施の形態３における電流ベクトル軌跡の図である。
【図１３】図１３は本発明の実施の形態５における速度軌跡の図である。
【図１４】図１４は従来技術によるモータ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】
【００１９】
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。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。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるモータの制御装置のブロック図である。図１は、永久磁石型同期モータ（以下、「ＰＭＳＭ」あるいは単に「モータ」と呼ぶことがある。）１０１を外部からのトルク指令τ０＊に従って駆動する装置の駆動制御系を示す。
【００２１】
以下に各部の動作を説明する。本実施の形態におけるモータの制御装置は、モータ駆動部１０２、電流ベクトル制御部１０３、弱め磁束電流指令生成部１０５、ｄ軸電流上限値演算部１０８、ｄ軸電流指令リミッタ１０９、目標指令リミッタ１１０、通常領域ｄ軸電流指令設定部１１１、ｄ軸電流指令加算部１１２、ｑ軸電流指令生成部１１３を備えている。また、弱め磁束電流指令生成部１０５は、出力電圧演算部１０４、積分器１０６、比例器１０７から構成されている。
【００２２】
モータ駆動部１０２は、ＰＭＳＭの界磁方向であるｄ軸とそれと直交する方向であるｑ軸のそれぞれへの電圧指令ｖｄ＊、ｖｑ＊を、ＰＭＳＭ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相変換の処理と、この３相電圧指令に従ってＰＭＳＭ各相に実際の電圧を発生する電力変換の処理を行う。
【００２３】
電流ベクトル制御部１０３は、ｄ軸電流の量を制御する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＊を生成する。また、電流ベクトル制御部１０３は、ｑ軸電流の量を制御する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軸電圧指令ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令ｖｑ＊を生成する生成手段として、例えばＰＩ制御がある。
【００２４】
通常領域ｄ軸電流指令設定部１１１は、電圧飽和が生じない運転領域におけるｄ軸電流指令ｉｄｕ＊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、モータ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、ｉｄｕ＊＝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。
【００２５】
ｑ軸電流指令生成部１１３は、ＰＭＳＭのトルクをトルク指令τ＊に追従させるためのｑ軸電流指令ｉｑ＊を生成する。生成則として、例えばＰＭＳＭの出力トルクと電流の関係を表す（数１）を用いる。（数１）において、ＬｄとＬｑはｄ軸とｑ軸のインダクタンス、ＰはＰＭＳＭの極対数、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。
【００２６】
【数１】
0005948613.tif 000002
【００２７】
本実施の形態においては、ｑ軸電流指令生成部１１３内部に（数１）ないしは同式に基づくデータテーブルが実装され、トルク指令τ＊およびｄ軸電流指令ｉｄ＊とに基づいてｑ軸電流指令ｉｑ＊が生成される。
【００２８】
出力電圧演算部１０４は、電流ベクトル制御部１０３からモータ駆動部１０２への電圧指令ｖｄ＊およびｖｑ＊を（数２）に代入し、電圧指令の絶対値｜ｖ＊｜を演算する。
【００２９】
【数２】
0005948613.tif 000003
【００３０】
弱め磁束電流指令生成部１０５は、電圧指令の絶対値｜ｖ＊｜を第１の所定の基準値Ｖｌｍｔから引いた電圧差分Δｖ＊を積分器１０６により積分した値と、電圧差分Δｖ＊を比例器１０７により比例計算した値とを加算して、弱め磁束制御のためのｄ軸電流指令成分ｉｄｓ＊（以下、「弱め磁束電流指令」と呼ぶ。）を生成する。
【００３１】
ここで、第１の所定の基準値Ｖｌｍｔを、モータ駆動部１０２の供給可能最大電圧値と同じ値に設定することにより、電圧飽和時には負の電圧差分Δｖ＊が入力されて弱め磁束電流指令ｉｄｓ＊が負の方向に増加する。一方、電圧飽和がない時には正の電圧差分Δｖ＊が入力されて弱め磁束電流指令ｉｄｓ＊が正の方向に増加する。つまり、電圧飽和の程度に応じて弱め磁束電流指令ｉｄｓ＊が生成される。
【００３２】
ただし、第１の所定の基準値Ｖｌｍｔをモータ駆動部１０２の供給可能最大電圧値よりも小さい値としてもよい。また、正のｄ軸電流は必要ないため、後述のｄ軸電流指令リミッタ１０９で最大値をゼロに制限する。また、弱め磁束電流指令生成部１０５の積分器１０６でも積分値の最大値をゼロに制限する。
【００３３】
ｄ軸電流指令加算部１１２は、通常領域ｄ軸電流指令設定部１１１で生成したｄ軸電流指令成分ｉｄｕ＊と、弱め磁束電流指令生成部１０５で生成した弱め磁束電流指令ｉｄｓ＊を加算して、ｄ軸電流指令ｉｄ０＊を生成する。
【００３４】
次に、ｄ軸電流上限値演算部１０８と、ｄ軸電流指令リミッタ１０９と、トルク指令を制限する目標指令リミッタ１１０の動作について説明する。これらは連動して動作する。
【００３５】
説明の補助のために、図９にＰＭＳＭにおける電流ベクトル軌跡の図を示す。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、ｑ軸にｑ軸電流値をとり、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。図９は、特に埋込み永久磁石型同期モータ（以下、「ＩＰＭＳＭ」と呼ぶことがある。）における電流ベクトル軌跡の図である。
【００３６】
図９における電圧制限楕円１５は、モータ駆動部１０２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示しており、この楕円外部は電圧飽和領域を意味する。電圧制限楕円１５は、回転速度の上昇や電源電圧の低下に従って小さくなる。
【００３７】
図９における定トルク曲線１、２、３は、各々特定の値のトルクを出力するための電流ベクトル軌跡を示し、（数１）に基づく。
【００３８】
ｄ軸電流上限値演算部１０８は、モータ１０１の回転速度ωと、モータ駆動部１０２の供給可能電圧Ｖｃとから、ｄ軸電流指令の負の上限値ｉｄｌｍｔを演算する。上限値ｉｄｌｍｔの定義は、特に限定されるものではないが、ここではモータ１０１が出力可能な限界トルクを得るｄ軸電流とする。限界トルクは、電圧制限楕円と接する定トルク曲線（図９の場合、定トルク曲線２）で表され、限界トルクを得るｄ軸電流はその接点のｄ軸座標（図９の場合、Ｘ）で表される。
【００３９】
以下、限界トルクを得るｄ軸電流指令の演算則について説明する。まず、電圧制限楕円を定式化する。ＩＰＭＳＭの電圧方程式を（数３）に示す。（数３）において、ｖｄとｖｑはｄ軸とｑ軸の電圧、Ｒはモータの巻線抵抗、ωはモータの回転速度、ｐは微分演算子である。
【００４０】
【数３】
0005948613.tif 000004
【００４１】
ここでは定常状態を想定し、モータの巻線抵抗Ｒでの電圧降下と電流変化によるインダクタンスＬｄ、Ｌｑでの電圧降下を無視し、誘起電圧によって電圧の大きさを議論する。モータ駆動部１０２の供給可能電圧をＶｃ、誘起電圧をＶｂとすると、電圧飽和を起こさないための誘起電圧の大きさの条件は（数４）で示される。
【００４２】
【数４】
0005948613.tif 000005
【００４３】
次にＶｂ＝Ｖｃとし、（数５）に変形することにより、誘起電圧がモータ駆動部１０２の供給可能電圧Ｖｃと等しくなったときの電圧制限楕円の式が導かれる。この楕円はｉｄ＝−Ψ０／Ｌｄ、ｉｑ＝０を中心点にもつ。
【００４４】
【数５】
0005948613.tif 000006
【００４５】
次に、トルク曲線を表す（数１）と電圧制限楕円を表す（数５）とからｑ軸電流ｉｑを消去し、トルクτを表す式を（数６）に導く。
【００４６】
【数６】
0005948613.tif 000007
【００４７】
（数６）を、ｉｄとＶｃ／ωの関数と見做す。
【００４８】
【数７】
0005948613.tif 000008
【００４９】
ここで、接点の条件（数８）を満たすｉｄが、ある値のＶｃ／ωの場合において最大トルクを得るｄ軸電流値である。
【００５０】
【数８】
0005948613.tif 000009
【００５１】
限界トルクを得るｄ軸電流は、モータが表面永久磁石型同期モータ（以下、「ＳＰＭＳＭ」と呼ぶことがある。）である場合、ＩＰＭＳＭの場合よりも簡単に求まる。図１０に、ＳＰＭＳＭにおける電流ベクトル軌跡の模擬図を示す。図１０に示すように、ＳＰＭＳＭの定トルク曲線４、５、６はｄ軸に平行な直線になる。このため、電圧制限楕円１５と定トルク曲線５の接点は常に楕円の中心点と同じｄ軸座標を持つことになり、限界トルクを得るｄ軸電流は定数−Ψ０／Ｌｄとなる。ＩＰＭＳＭの場合も、突極性が小さいものはＳＰＭＳＭに近い特性を持つため、簡易的にｄ軸電流指令の負の上限値ｉｄｌｍｔを上記定数−Ψ０／Ｌｄとしてもよい。
【００５２】
以上、限界トルクを得るｄ軸電流指令の演算則について説明した。
【００５３】
ｄ軸電流指令リミッタ１０９は、ｄ軸電流指令を上述した負の上限値ｉｄｌｍｔとゼロの間に制限する。そして、制限前入力ｉｄ０＊から制限後出力ｉｄ＊を引いた差分Δｉｄｌｍｔ＊を目標指令リミッタ１１０に出力する。この差分Δｉｄｌｍｔ＊は、ｄ軸電流指令ｉｄ＊が負の上限値ｉｄｌｍｔを超えて生成された超過量を意味する。
【００５４】
目標指令リミッタ１１０は、ｄ軸電流指令の超過量Δｉｄｌｍｔ＊に基づく値によってトルク指令τ０＊を制限する。制限方法は、特に限定されるものではないが、例えば、予め定めておいたトルク指令τ０＊の最大値からｄ軸電流指令の超過量Δｉｄｌｍｔ＊に比例した値を引いた値を制限値に設定してもよい。こうすることにより、制限値は電圧飽和の度合いに応じて自動的に調整される。また、制限値をトルク指令τ０＊の絶対値に対する制限値とすることにより、外部から入力されるトルク指令が正の値であっても負の値（回生トルク指令）であっても、同様にトルクを出力可能限界に維持することができる。
【００５５】
以上のように構成されたモータの制御方法および制御装置について、以下にその作用を説明する。
【００５６】
力行動作時におけるトルク指令の制限動作を、図９の電流ベクトル軌跡上で説明する。
【００５７】
外部からのトルク指令値τ０＊が定トルク曲線１で示される場合、電流指令ベクトルおよび実際の動作点は、弱め磁束制御によって電圧制限楕円１５と定トルク曲線１の交点Ａに収束する。この間、目標指令リミッタ１１０に入力される差分Δｉｄｌｍｔ＊はゼロのため、トルク指令の制限動作は行われない。
【００５８】
外部からのトルク指令値τ０＊が定トルク曲線３で示される場合、電圧制限楕円１５と交点を持たないため、弱め磁束制御のみでは電圧飽和を解消できない。そこで、次のようにトルク指令τ０＊の制限動作が行われる。
【００５９】
まず弱め磁束制御により電流指令ベクトルが定トルク曲線３に沿ってｄ軸の負方向に移動する。電流指令ベクトルがｄ軸電流指令ｉｄ＊が負の上限値Ｘとなる点Ｂに到達した後は、目標指令リミッタ１１０に入力される差分Δｉｄｌｍｔ＊が正の値を持つため、トルク指令が制限されていく。トルク指令が制限されていく間、電流指令ベクトルは、ｄ軸電流指令ｉｄ＊を負の上限値Ｘに保ちながら（破線上を移動しながら）、電圧制限楕円１５上の点Ｃに向かって移動する。電流指令ベクトルが点Ｃに到達すると、電圧飽和が解消され、電流指令および実際の動作点は点Ｃに収束する。
【００６０】
以上は力行動作の場合の動作説明である。一方、トルク指令を負の値とした場合、負のｑ軸電流でモータにブレーキをかける回生動作（ブレーキ動作）となる。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モータ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、回生動作においても、外部からのトルク指令値がモータの出力可能限界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。
【００６１】
回生動作時におけるトルク指令の制限動作を、図１１に示す電流ベクトル軌跡上で説明する。図１１に示されるように、回生動作時はｑ軸電流指令が負の値になる。ここで、外部からのトルク指令値τ０＊が定トルク曲線８で示される場合、電圧制限楕円１５と交点を持たないため、弱め磁束制御のみでは電圧飽和を解消できない。そこで、力行動作の場合と同様に、弱め磁束電流指令生成部１０５から目標指令リミッタ１１０へのループの動作によって、電圧制限楕円１５と接点Ｅを共有する定トルク曲線７までトルク指令が制限される。
【００６２】
以上のように、本実施の形態においては、弱め磁束電流指令生成部１０５と、目標指令リミッタ１１０を備えることにより、モータの出力可能限界を超えるトルク指令値τ０＊が入力された場合に、モータ定数の変動やばらつきがある場合でも、目標指令値を自動的かつ正確に出力可能限界に維持でき、モータを高安定かつ高出力で駆動できる。ここで、弱め磁束電流指令生成部１０５は、電流ベクトル制御部１０３からモータ駆動部１０２への電圧指令の絶対値｜ｖ＊｜と第１の所定の基準値Ｖｌｍｔとの差分Δｖ＊に基づいて弱め磁束電流指令ｉｄｓ＊を生成する。また、目標指令リミッタ１１０は、ｄ軸電流指令ｉｄ０＊が負の上限値ｉｄｌｍｔを超えた値である差分Δｉｄｌｍｔ＊に基づいて外部からのトルク指令値τ０＊の制限値を設定する。このように、回生動作時においても同様に目標指令値が適正に制限されるので、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。
【００６３】
図２は、本発明の実施の形態１におけるモータの制御装置の変形例のブロック図である。図２では、ｄ軸電流指令リミッタ１０９とｄ軸電流指令加算部１１２の配置を入れ替え、ｄ軸電流指令リミッタ１０９の代わりに弱め磁束電流指令を制限する弱め磁束電流指令リミッタ２０９を配置している。本実施の形態では、モータの制御装置を図２の構成としても、図１の構成と同等の作用および効果が得られる。
【００６４】
図２の構成では、弱め磁束電流指令リミッタ２０９は弱め磁束電流指令ｉｄｓ＊を弱め磁束電流指令の負の上限値ｉｄｓｌｍｔとゼロの間に制限し、弱め磁束電流指令ｉｄｓ＊が負の上限値ｉｄｓｌｍｔを超過した値Δｉｄｓｌｍｔ＊を目標指令リミッタ１１０に出力する。ここで、上限値ｉｄｓｌｍｔは（数９）より計算される値である。
【００６５】
【数９】
0005948613.tif 000010
【００６６】
図３は、本発明の実施の形態１におけるモータの制御装置の他の変形例のブロック図である。図３に示すモータの制御装置では、目標指令リミッタの代わりにｑ軸電流指令ｉｑ＊を制限するｑ軸電流指令リミッタ３１０を用いる構成としている。本実施の形態では、モータの制御装置を図３の構成としても、図１の構成と同様の作用および効果が得られる。
【００６７】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２におけるモータの制御装置のブロック図である。本実施の形態は、図１に示す実施の形態１における目標指令リミッタ１１０の前段にフィルタ４００を挿入したものである。その他の部分は実施の形態１と同じ構成である。
【００６８】
フィルタ４００は、外部から入力されるトルク指令τ０＊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τｆｌｔ＊は、目標指令リミッタ１１０に入力される。
【００６９】
フィルタ４００の作用と効果を説明する。
【００７０】
外部からモータ１０１の出力可能限界を超えるトルク指令値τ０＊が入力された場合、実施の形態１の説明で述べたように、目標指令リミッタ１１０がトルク指令値τ０＊を制限することにより電圧飽和が解消される。しかし、ｄ軸電流指令ｉｄ０＊が上限値ｉｄｌｍｔを上回るまでは目標指令リミッタ１１０は動作を開始しない。つまり、トルク指令τ０＊が入力開始されてから制限開始されるまでにタイムラグがある。このタイムラグ期間中は、トルク指令値τ０＊が目標指令リミッタ１１０からそのまま出力され、このτ０＊に基づいてトルク制御が行われる。
【００７１】
このため、フィルタ４００のない実施の形態１では、トルク指令τ０＊の変化が急峻な場合、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。
【００７２】
一方、本実施の形態の場合、フィルタ４００によって、このタイムラグ期間中におけるトルク指令τｆｌｔ＊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効果が得られる。
【００７３】
以上のように、本実施の形態においては、フィルタ４００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。
【００７４】
（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３におけるモータの制御装置のブロック図である。本実施の形態は、図１に示す実施の形態１に電流リミッタ５００を追加したもので、その他の部分は実施の形態１と同じ構成である。
【００７５】
弱め磁束制御は、負のｄ軸電流を流すことによって電圧飽和を解消する。しかし、その弊害として、モータ電流の上昇に伴う発熱や効率低下を招く。電流リミッタ５００は、これらの弊害を緩和する。
【００７６】
電流リミッタ５００は、ｄ軸電流指令ｉｄ＊を（数１０）に代入して、ｑ軸電流指令の絶対値の上限値Ｉｑｌｍｔを演算し、ｑ軸電流指令生成部１１３から出力されたｑ軸電流指令ｉｑ０＊の絶対値を上限値Ｉｑｌｍｔに制限する。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。ｑ軸電流指令ｉｑ０＊の絶対値を制限することにより、外部から入力されるトルク指令が正の値であっても負の値（回生トルク指令）であっても、リミッタとして動作する。（数１０）において、Ｉｍａｘはｄ軸電流とｑ軸電流を合わせた電流ベクトルの大きさの最大値（以下、「最大電流値」と呼ぶことがある。）である。
【００７７】
【数１０】
0005948613.tif 000011
【００７８】
電流リミッタ５００よって、ｄ軸電流とｑ軸電流を合わせた電流の大きさが最大電流値Ｉｍａｘを超えないように制限される。このため、ｄ軸電流の増加に伴いモータ１０１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。
【００７９】
本実施の形態の動作を、図１２の電流ベクトル軌跡上で説明する。
【００８０】
図１２において、ｄ軸電流制限線（破線）９はｄ軸電流指令の負の上限値ｉｄｌｍｔを示し、定トルク曲線１０は外部からのトルク指令τ０＊を示し、電流制限円１１は座標原点を中心点とする半径Ｉｍａｘの円を示す。ここで、ｄ軸電流制限線９は、ｄ軸電流リミッタ１０９（図５）の負の上限値ｉｄｌｍｔである。
【００８１】
動作点の初期位置を点Ｆとすると、まず弱め磁束制御により、動作点が定トルク曲線１０に沿ってｄ軸の負方向に移動する。動作点が定トルク曲線１０と電流制限円１１の交点に到達すると、電流リミッタ５００によって電流指令ベクトルの大きさが上限値Ｉｑｌｍｔに制限され、動作点は電流制限円１１に沿って移動する。動作点が電流制限円１１とｄ軸電流制限線９の交点に到達すると、実施の形態１と同様に、トルク指令が制限されていき、動作点はｄ軸電流指令ｉｄ＊を負の上限値ｉｄｌｍｔに保ったままｄ軸電流制限線９に沿って移動する。動作点が電圧制限楕円１５とｄ軸電流制限線９の交点Ｇに到達すると、電圧飽和が解消され、電流指令および実際の動作点は点Ｇに収束する。
【００８２】
以上のように、本実施の形態においては、電流リミッタ５００を備える上述の構成とすることにより、モータ１０１に流れる電流の大きさを所定の最大電流値に制限することができる。これにより、実施の形態１と同様の効果に加えて、ｄ軸電流の増加に伴いモータ１０１の電流が過大に増加することによる発熱や効率悪化などの弊害を緩和する効果が得られる。
【００８３】
（実施の形態４）
図６は、本発明の実施の形態４におけるモータの制御装置のブロック図である。本実施の形態は、図１に示す実施の形態１における弱め磁束電流指令生成部１０５を変形したものである。
【００８４】
図６における弱め磁束電流指令生成部６０５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、実施の形態１における第１の所定の基準値Ｖｌｍｔを、電圧指令のｄ軸成分ｖｄ＊を用いて（数１１）により補正して第２の所定の基準値Ｖｑｌｍｔを生成している。このように本実施の形態の弱め磁束電流指令生成部６０５は、電流ベクトル制御部１０３からモータ駆動部１０２への電圧指令のｑ軸成分ｖｑ＊と第２の所定の基準値Ｖｑｌｍｔとの差分Δｖｑ＊に基づいて弱め磁束電流指令ｉｄｓ＊を生成する。その他の部分は実施の形態１と同じ構成である。
【００８５】
【数１１】
0005948613.tif 000012
【００８６】
（数１１）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（数２）に比べて計算処理負荷を低減できる特徴を持つ。特許文献３には弱め磁束電流指令生成部６０５を上述のように構成し、弱め磁束制御を行う方法が記載されている。しかし、このような構成であったとしても、実施の形態１と同様の作用および効果が得られる。
【００８７】
（実施の形態５）
図７は、本発明の実施の形態５におけるモータの制御装置のブロック図である。本実施の形態は、図１の実施の形態１に速度制御器７１４を追加し、外部から入力される速度指令に従ってモータを速度制御で駆動する。速度制御系７００以外の部分は実施の形態１と同じ構成である。
【００８８】
目標指令リミッタ１１０は、外部からの速度指令ω０＊を、モータ１０１の出力可能限界に制限し、制限した速度指令ω＊を速度制御器７１４に出力する。
【００８９】
速度制御器７１４は、入力された速度指令ω＊とモータ１０１の回転速度ωとの誤差がゼロになるように、例えばＰＩ制御によりトルク指令τ＊を生成する。生成されたトルク指令τ＊は、通常領域ｄ軸電流指令設定部１１１およびｑ軸電流指令生成部１１３に出力される。
【００９０】
その他の処理は実施の形態１で述べたトルク制御と同様である。
【００９１】
本実施の形態において、速度指令を制限する代わりに、速度制御器７１４から出力されるトルク指令あるいはｑ軸電流指令を制限する構成とすると、以下に述べる理由により動作が劣化したり不安定になったりする。
【００９２】
説明の簡単化のため、図８Ａに図７を簡略化したブロック図を示し、図８Ｂに速度指令の代わりにトルク指令を制限する構成としたブロック図を示す。また、図１３に図８Ａおよび図８Ｂの両構成を用いた場合の速度軌跡を示す。図１３において、点線で示す速度指令波形１２は外部からの速度指令波形を示し、速度波形１３は図８Ａの構成を用いた速度波形を示し、速度波形１４は図８Ｂの構成を用いた速度波形を示す。
【００９３】
図１３において、トルクを必要とする加速中において電圧飽和が生じており、時間Ｈで出力可能限界に達しているものとする。速度波形１３、１４ともに、出力可能限界到達後において指令が制限されることによる速度追従誤差が生じている。しかし、速度波形１３は滑らかに速度指令に収束しているのに対し、速度波形１４では、速度指令に到達した時間Ｉの後もトルクが収束せず、速度がオーバーシュートを起こしている。これは、トルク指令τ０＊が制限される間の速度追従誤差が速度制御器７１４の積分項に積算されるためである。このように、積分器が含まれる制御ループの内側で指令信号を制限すると、積分項のワインドアップが生じて応答性が劣化したり動作が不安定になったりする。
【００９４】
従って、本発明における指令信号の制限動作は、図７、図８Ａの構成ように、最外縁の制御ループよりも外側の指令信号に対して行うことが望ましい。
【００９５】
上述の構成により、モータの出力可能限界を超えた時に、モータ定数の変動やばらつきがある場合でも、外部からの速度指令値ω０＊を自動的かつ正確に出力可能限界に制限するため、モータを高安定かつ高出力で駆動できる。
【００９６】
以上説明したように、本発明のモータの制御装置は、モータを駆動するモータ駆動部と、電流ベクトル制御部と、弱め磁束電流指令生成部と、目標指令リミッタあるいはｑ軸電流指令リミッタと、を備える。電流ベクトル制御部は、外部からの目標指令値に従ってモータの電流を直交したｄ軸電流とｑ軸電流に分離して制御する。弱め磁束電流指令生成部は、電流ベクトル制御部からのモータ駆動部への電圧指令の絶対値と第１の所定の基準値との差分あるいは電圧指令のｑ軸成分と第２の所定の基準値との差分に基づいてｄ軸電流の量を制御するｄ軸電流指令を生成する。目標指令リミッタは、ｄ軸電流指令が負の上限値を超えた値に基づいて外部からの目標指令値の制限値を設定する。ｑ軸電流指令リミッタは、ｑ軸電流の量を制御するｑ軸電流指令の制限値を設定する。
【００９７】
これにより、電圧指令が所定の基準値を超過する場合は負のｄ軸電流指令を増加させ、ｄ軸電流指令が負の上限値に達してもなお電圧指令が所定の基準値を超過する場合は外部からの目標指令値あるいはｑ軸電流指令を電圧指令の超過分がゼロに収束するまで制限する。あるいは、電圧指令のｑ軸成分が所定の基準値を超過する場合は負のｄ軸電流指令を増加させ、ｄ軸電流指令が負の上限値に達してもなお電圧指令のｑ軸成分が所定の基準値を超過する場合は外部からの目標指令値あるいはｑ軸電流指令を電圧指令の超過分がゼロに収束するまで制限する。
【００９８】
よって、モータ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、モータ定数の変動やばらつきがある場合でも、目標指令値あるいは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、モータ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目標指令値が適正に制限されるので、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。
【００９９】
また本発明のモータの制御装置では、外部からの目標指令値の制限値を設定するリミッタあるいはｑ軸電流の指令の制限値を設定するリミッタの前段部に、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。これにより、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できる。
【０１００】
また本発明のモータの制御装置では、ｄ軸電流指令とｑ軸電流指令を合わせたモータの電流指令ベクトルの大きさが所定の最大電流値を超えないように、ｄ軸電流指令の大きさに応じてｑ軸電流指令の大きさを制限する電流リミッタを備えた。これにより、モータに流れる電流の大きさを所定の最大電流値に制限できる。
【０１０１】
また本発明のモータの制御装置では、弱め磁束電流指令生成部の第２の所定の基準値は第１の所定の基準値をモータ駆動部への電圧指令のｄ軸成分を用いて補正したものである。
【０１０２】
また本発明のモータの制御装置では、ｄ軸電流指令の負の上限値をゼロに設定する。これにより、弱め磁束制御を用いない場合においても、モータ定数の変動やばらつきがある場合でも、外部からの目標指令値あるいは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駆動あるいは回生動作を確保することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
以上のように、本発明にかかるモータの制御装置は、モータ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、モータ定数の変動やばらつきがある場合でも、目標指令値あるいは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、モータを高安定かつ高出力で駆動できる。よって、電圧飽和領域で駆動するモータ、例えば、モータ本体やバッテリの容量が制約される車載用モータや、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モータなどを駆動する用途に適用できる。
【符号の説明】
【０１０４】
１，２，３，４，５，６，７，８，１０    定トルク曲線
９    ｄ軸電流制限線
１１    電流制限円
１２    速度指令波形
１３，１４    速度波形
１５    電圧制限楕円
１０１    モータ
１０２    モータ駆動部
１０３    電流ベクトル制御部
１０４    出力電圧演算部
１０５，６０５    弱め磁束電流指令生成部
１０６    積分器
１０７    比例器
１０８    ｄ軸電流上限値演算部
１０９    ｄ軸電流指令リミッタ
１１０    目標指令リミッタ
１１１    通常領域ｄ軸電流指令設定部
１１２    ｄ軸電流指令加算部
１１３    ｑ軸電流指令生成部
２０９    弱め磁束電流指令リミッタ
３１０    ｑ軸電流指令リミッタ
４００    フィルタ
５００    電流リミッタ
６０４    基準電圧補正部
７００    速度制御系
７１４    速度制御器
８００    電流（トルク）制御系
８０１    弱め磁束制御系
９０４    飽和検出器
９０５    飽和積分器
９１２    ｄ軸電流選択器
９１４    目標指令の制限値演算部
【図１】
0005948613.tif 000013
【図２】
0005948613.tif 000014
【図３】
0005948613.tif 000015
【図４】
0005948613.tif 000016
【図５】
0005948613.tif 000017
【図６】
0005948613.tif 000018
【図７】
0005948613.tif 000019
【図８Ａ】
0005948613.tif 000020
【図８Ｂ】
0005948613.tif 000021
【図９】
0005948613.tif 000022
【図１０】
0005948613.tif 000023
【図１１】
0005948613.tif 000024
【図１２】
0005948613.tif 000025
【図１３】
0005948613.tif 000026
【図１４】
0005948613.tif 000027