(57)【要約】  【課題】電動機のベクトル制御において、相互干渉成分演算結果でズレが生じ、比例積分制御部の積分項でズレ分を補償している時に、ｑ軸電流値やｑ軸電流指令値が急峻に変動した場合における電流応答性能の悪化を防止する。  【解決手段】ｄ軸電圧指令値を非干渉制御によって補償するｑ軸干渉成分の演算に用いるｑ軸インダクタンスＬｑの値を、ｑ軸電流値またはｑ軸電流指令値と比例積分制御におけるｄ軸積分項出力とに基づいて補正する補正手段を設けた電動機の制御装置。補正手段は、ｄ軸積分項出力Ｓｄ、ｄ軸電流値Ｉｄ、ｑ軸電流値Ｉｑ、電動機巻き線抵抗値Ｒａおよび電動機角速度ωとした場合に、下記（数１）式の演算により補正量αを算出し、ｑ軸インダクタンスＬｑに補正量αを加算した値を補正後のｑ軸インダクタンスＬｑ’とする。  α＝（Ｓｄ−Ｉｄ×Ｒａ）／（Ｉｑ×ω）    …（数１）【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トルク指令値と電動機の回転速度からｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値を求め、該ｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値とｄ軸電流値およびｑ軸電流値とのそれぞれの偏差に対して比例積分制御を施してｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値を算出し、かつ、ｄ軸電流値とｑ軸電流値の相互干渉成分を打ち消す非干渉制御を行い、前記ｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値を２相３相変換して３相電圧指令値とし、該３相電圧指令値をＰＷＭ変換したＰＷＭ信号でインバータを制御することにより、電動機に３相交流電力を供給して駆動する電動機の制御装置において、
前記ｄ軸電圧指令値を非干渉制御によって補償するｑ軸干渉成分の演算に用いるｑ軸インダクタンスＬｑの値を、前記ｑ軸電流値または前記ｑ軸電流指令値と前記比例積分制御におけるｄ軸積分項出力とに基づいて補正する補正手段を設けたことを特徴とする電動機の制御装置。
【請求項２】
前記補正手段は、ｄ軸積分項出力Ｓｄ、ｄ軸電流値Ｉｄ、ｑ軸電流値Ｉｑ、電動機巻き線抵抗値Ｒａおよび電動機角速度ωとした場合に、下記（数１）式の演算により補正量αを算出し、前記ｑ軸インダクタンスＬｑに前記補正量αを加算した値を補正後のｑ軸インダクタンスＬｑ’とすることを特徴とする請求項１に記載の電動機の制御装置。
α＝（Ｓｄ−Ｉｄ×Ｒａ）／（Ｉｑ×ω）    …（数１）
Ｌｑ’＝Ｌｑ＋α
【請求項３】
請求項２に記載のｄ軸電流値Ｉｄまたはｑ軸電流値Ｉｑをそれぞれｄ軸電流指令値Ｉｄ＊またはｑ軸電流指令値Ｉｑ＊に置き換えた下記（数２）式の演算により補正量αを算出すること特徴とする請求項１に記載の電動機の制御装置。
α＝（Ｓｄ−Ｉｄ＊×Ｒａ）／（Ｉｑ＊×ω）    …（数２）
【請求項４】
請求項２の（数１）式におけるＩｄ×Ｒａまたは請求項３の（数２）式におけるＩｄ＊×Ｒａを省略した下記（数３）式または（数４）式の演算により補正量αを算出することを特徴とする請求項１に記載の電動機の制御装置。
α＝Ｓｄ／（Ｉｑ×ω）    …（数３）
α＝Ｓｄ／（Ｉｑ＊×ω）   …（数４）
【請求項５】
ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊とｄ軸電流値Ｉｄとの偏差（Ｉｄ＊−Ｉｄ）を検出し、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊の変動が予め定めた所定値より小さく、かつ、前記偏差の値が予め定めた所定値より小さい場合に、前記補正量αを算出することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載の電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電動機の制御装置に関し、特に非干渉制御における補償の遅れを抑制する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
同期電動機のｄｑ軸ベクトル変換による電流制御では、電流応答性能を向上させる手段として、ｄ軸電流値およびｑ軸電流値に応じた相互干渉成分を打ち消す非干渉制御が用いられている。非干渉制御における相互干渉成分の演算については、以前は発生しているｄ軸電流値およびｑ軸電流値から相互干渉成分を演算していたのに対して、下記特許文献１に記載の従来例では、ｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値から演算することにより非干渉制御部の動作を安定させる技術が記載されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−４０８６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように従来技術においては、相互干渉成分の演算が、主にｄ軸電流値Ｉｄおよびｑ軸電流値Ｉｑまたはｄ軸電流指令値Ｉｄ＊およびｑ軸電流指令値Ｉｑ＊とｄ軸インダクタンスＬｄおよびｑ軸インダクタンスＬｑとの積から算出する構成になっており、仮にこの相互干渉成分演算結果でズレが生じた場合は、非干渉制御部の前段または後段に設けた比例積分制御部の積分項で主にズレ分を補う、という構成になっていた。そのため相互干渉成分演算結果でズレが生じ、比例積分制御部の積分項で主にズレ分を補償している時に、トルク指令値が急峻に変動し、それに応じてｑ軸電流値Ｉｑが急峻に変化すると、相互干渉成分も比例して変動するが、比例積分制御の積分項で補償している項は即応しないため、電流応答が悪くなる、という問題があった。  
つまり、ｑ軸インダクタンスＬｑが一定値の場合は、実際のｑ軸インダクタンスＬｑと演算に用いるｑ軸インダクタンスＬｑによる相互干渉成分の誤差は、比例積分制御の積分項で補償される。しかし、トルク指令値の変化に応じてｑ軸電流値Ｉｑが変化するとｑ軸電流値Ｉｑに比例する相互干渉成分も変化するが、その誤差分を補償している比例積分制御の積分項は、積分演算の遅れをもっているため、応答遅れが大きくなる、という問題があった。  
本発明は上記のごとき問題を解決するためになされたものであり、ｑ軸電流値やｑ軸電流指令値が急峻に変動した場合でも電流応答性能の悪化を防止することの出来る電動機の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するため、本発明においては、ｄ軸電圧指令値を非干渉制御によって補償するｑ軸干渉成分の演算に用いるｑ軸インダクタンスＬｑの値を、ｑ軸電流値または前記ｑ軸電流指令値と比例積分制御におけるｄ軸積分項出力とに基づいて補正する補正手段を設けるように構成している。
【０００６】
なお、上記補正手段は、ｄ軸積分項出力Ｓｄ、ｄ軸電流値Ｉｄ、ｑ軸電流値Ｉｑ、電動機巻き線抵抗値Ｒａおよび電動機角速度ωとした場合に、下記（数１）式の演算により補正量αを算出し、前記ｑ軸インダクタンスＬｑに前記補正量αを加算した値を補正後のｑ軸インダクタンスＬｑ’とする。
【０００７】
α＝（Ｓｄ−Ｉｄ×Ｒａ）／（Ｉｑ×ω）    …（数１）
Ｌｑ’＝Ｌｑ＋α
【発明の効果】
【０００８】
本発明においては、非干渉制御において、ｄ軸電圧指令値を補正するｑ軸干渉成分の基礎となるｑ軸インダクタンスＬｑの値を、ｄ軸積分項出力Ｓｄ、ｄ軸電流値Ｉｄ、ｑ軸電流値Ｉｑおよび電動機角速度ωに基づいて算出した補正量αに基づいて常に補正しており、比例積分制御の積分項で干渉成分のズレを定常的に補償する構成ではないので、トルク指令値Ｔ＊の急変時にｑ軸電流指令値が急峻に変動した場合でも電流応答性能が悪化が抑制される、という効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、本発明を適用する３相同期電動機のベクトル制御による電流フィードバック制御ブロック図を示す。  
図１において、外部に設けられたトルク指令値算出部１は、アクセル開度などからトルク指令値Ｔ＊を決定する。  
角度検出器１０（レゾルバやエンコーダ等）は電動機９の電機子の回転角度θ（回転位相：電気角）を検出し、回転速度算出部１１で回転角度θを微分することにより電動機９の回転速度ω（電機子角速度：電気角）を算出する。  
電流指令値算出部２は、上記のトルク指令値Ｔ＊と回転速度ωからｄ軸電流指令値Ｉｄ＊およびｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を算出する。なお、以下において両者をまとめて表現する場合にはｄ−ｑ軸電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊と表示する場合もある。
【００１０】
一方、電流センサ１２は、電動機９のｕ、ｖ、ｗ各相に流れるｕ相電流Ｉｕ、ｖ相電流Ｉｖ、ｗ相電流Ｉｗを検出し、それらから３相２相変換部４でｄ軸電流値Ｉｄ、ｑ軸電流値Ｉｑを算出する。  
電流ＰＩ制御部３は、上記のｄ−ｑ軸電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊とｄ−ｑ軸電流値Ｉｄ、Ｉｑとのそれぞれの偏差（Ｉｄ＊−Ｉｄ、Ｉｑ＊−Ｉｑ）を求め、それらを比例積分制御することにより、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を算出する。
【００１１】
非干渉制御部５は、上記のｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊とｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊についてｄ−ｑ軸の相互干渉成分を除去し、干渉成分除去後のｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊’、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊’を算出する。
【００１２】
ｑ軸干渉成分は、基本的には「ｑ軸干渉成分＝Ｌｑ×Ｉｑ×ω」であるが、従来例の構成では、実際のｑ軸インダクタンスＬｑと演算に用いるｑ軸インダクタンスＬｑとの誤差を比例積分制御の積分項出力Ｓｄで補償するので、「ｑ軸干渉成分＝Ｌｑ×Ｉｑ×ω＋Ｓｄ」となっていた。つまり、定常時には相互干渉成分の誤差は、比例積分制御の積分項で補償されている。しかし、トルク指令値の変化に応じてｑ軸電流値Ｉｑが変化するとｑ軸電流値Ｉｑに比例するｑ軸インダクタンスＬｑも変化するが、その誤差分を補償している比例積分制御の積分項Ｓｄは、積分演算の遅れをもっているため、応答が遅れてしまうという問題が有った。  
そのため本発明においては、積分項出力Ｓｄとｑ軸電流値Ｉｑ（またはｑ軸電流指令値）とに基づいてｑ軸インダクタンスＬｑの誤差を演算してＬｑ自体を常に補正するように構成している（詳細後述）。
【００１３】
なお、上記の構成では、電流ＰＩ制御部３が非干渉制御部５の前段に設けられているが、逆に電流ＰＩ制御部３を非干渉制御部５の後段に設けても良い。つまり電流指令値算出部２からのｄ−ｑ軸電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊に非干渉制御を施した結果に比例積分制御を行うように構成しても良い。
【００１４】
上記干渉成分除去後のｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊’、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊’は、２相３相変換部６で３相の電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に変換され、ＰＷＭ制御部７でＰＷＭ信号に変換される。  
このＰＷＭ信号によってインバータ８を制御し、図示しない直流電源の電力を３相交流電力に変換して電動機９を駆動する。  
以上の処理を繰り返して電動機の電流フィードバックによるベクトル制御を行う。
【００１５】
図２は、図１における電流ＰＩ制御部３の基本的なブロック図である。  
図２の電流ＰＩ制御部３では、ｄｑ軸各々でＰＩ（比例積分）演算を以下のように実施する。  
まず、ｄ軸については、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊からｄ軸電流値Ｉｄを減算して電流偏差（Ｉｄ＊−Ｉｄ）を算出し、これに比例ゲインＫｐｄを乗算したものと上記電流偏差（Ｉｄ＊−Ｉｄ）に積分ゲインＫｉｄを乗算して積分（１／ｓ）したものとを加算して、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊とする。  
ｑ軸についても同様に、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊からｑ軸電流値Ｉｑを減算して電流偏差（Ｉｑ＊−Ｉｑ）を算出し、これに比例ゲインＫｐｑを乗算したものと上記電流偏差（Ｉｑ＊−Ｉｑ）に積分ゲインＫｉｑを乗算して積分（１／ｓ）したものとを加算して、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊とする。
【００１６】
図３は、図１における非干渉制御部５の基本的なブロック図である。  
非干渉制御部５では、ｄｑ軸相互干渉成分の除去を以下のようにして実施する。  
まず、ｄ軸については、ｑ軸電流値Ｉｑに電動機９のｑ軸インダクタンスＬｑ（基本値として所定値を設定しておく）を乗算し、さらに電動機の回転角速度（回転速度）ωを乗算してｑ軸干渉成分を算出し、このｑ軸干渉成分をｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊に加算して、干渉成分除去後のｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊’を算出する。つまり、Ｖｄ＊’＝Ｖｄ＊＋（Ｌｑ×Ｉｑ×ω）である。
【００１７】
ｑ軸については、ｄ軸電流値Ｉｄに電動機のｄ軸インダクタンスＬｄを乗算した値に、電動機の磁束φａを加算し、さらに電動機の回転速度ωを乗算してｄ軸干渉成分を算出し、このｄ軸干渉成分をｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊から減算することにより、干渉成分除去後のｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊’を算出する。つまり、Ｖｑ＊’＝Ｖｑ＊−〔（Ｌｄ×Ｉｄ）＋φａ〕×ωである。  
本発明は、非干渉演算に用いる演算用のｑ軸インダクタンスＬｑと実際のｑ軸インダクタンスＬｑとの誤差を、積分項出力Ｓｄとｑ軸電流値Ｉｑ（またはｑ軸電流指令値）に基づいて常に補正する非干渉項補正演算部１３を設けたものである。
【００１８】
（実施例）
図４は、非干渉項補正演算部１３を設けた電流ＰＩ制御部の実施例を示すブロック図である。  
図４において、Ｋｐｄ、ＫＩｄ、１／ｓの部分およびＫｐｑ、ＫＩｑ、１／ｓの部分は、前記図２に示した電流ＰＩ制御部３に相当する。つまり、図４においては、図２の電流ＰＩ制御部３のおけるｄ軸側とｑ軸側が上下に二つに別れて表示され、その間に非干渉項補正演算部１３が設けられた形になっている。  
基本的な制御は、図２で説明した電流ＰＩ制御部３と同様に、ｄｑ軸各々でＰＩ演算を実施し、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊とｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を出力する。
【００１９】
非干渉項補正演算部１３は、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊からｄ軸電流値Ｉｄを減算して算出されたｄ軸の電流偏差（Ｉｄ＊−Ｉｄ）を入力とするｄ軸状態判定部１４において、例えば「ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊の変動が１０ｍｓ間に１０Ａ以内」であり、かつ、「ｄ軸の電流偏差がｄ軸電流指令値Ｉｄ＊の１０％以内の状態が１０ｍｓ以上継続したとき」つまりｄ軸電流指令値の変動が小さく、かつ電流偏差が小さい安定した状態の場合に演算指令信号Ｓｃ１を出力する。この演算指令信号Ｓｃ１のタイミングで補正量αの演算を行う。
【００２０】
補正量演算部１５では、演算指令信号Ｓｃ１、ｄ軸積分項出力Ｓｄ、ｄ軸電流値Ｉｄ、ｑ軸電流値Ｉｑおよび電動機角速度ω（回転速度：電気角）を入力とし、演算指令信号Ｓｃ１が出された時に、下記（数５）式（＝数１式）の演算により補正量αを算出する。なお、Ｉｄ×Ｒａはｄ軸制御電圧である。  
α＝（Ｓｄ−Ｉｄ×Ｒａ）／（Ｉｑ×ω）    …（数５）
ここでＲａは電動機巻き線抵抗値で定数とする。
【００２１】
或いは下記（数６）式（＝数２式）に示すように、上記のｄ軸電流値Ｉｄ、ｑ軸電流値Ｉｑをｄ軸電流指令値Ｉｄ＊、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊に置き換え、
α＝（Ｓｄ−Ｉｄ＊×Ｒａ）／（Ｉｑ＊×ω）  …（数６）
としてもよい。
【００２２】
なお、Ｉｄ×ＲａやＩｄ＊×Ｒａの値は、ｄ軸積分項出力Ｓｄに比べて大幅に小さいので、上記（数５）式、（数６）式において、Ｉｄ×ＲａやＩｄ＊×Ｒａを省略し、下記（数７）式（＝数３式）、（数８）式（＝数４式）に示すようにしても、多少の誤差は生じるが使用することは可能である。  
α＝Ｓｄ／（Ｉｑ×ω）    …（数７）
α＝Ｓｄ／（Ｉｑ＊×ω）   …（数８）
次に、フィルタ処理部１６では、上記のように算出した補正量αを例えばローパスフィルタ処理を行うことにより、非干渉補正値Ｘを算出する。
【００２３】
図５は、非干渉項補正を付加した非干渉制御部５の実施例を示すブロック図である。  図５における基本的動作は前記図３と同様であるが、図５においては、ｑ軸電流値Ｉｑに電動機９のｑ軸インダクタンスＬｑを乗算し、さらに電動機の回転速度ωを乗算してｑ軸干渉成分を算出する際に、Ｌｑ補正部１７において、ｑ軸インダクタンスＬｑ（基本値）の代わりに、Ｌｑを非干渉補正値Ｘ（図４のフィルタ処理部１６の出力）で補正した値Ｌｑ’（Ｌｑ’＝Ｌｑ＋Ｘ）を用いる。なお、補正量αをフィルタ処理した非干渉補正値Ｘの代わりに補正量αをそのまま用いても良い。  
したがって非干渉制御後のｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊’は、
Ｖｄ＊’＝Ｖｄ＊＋（Ｌｑ’×Ｉｑ×ω）＝Ｖｄ＊＋〔（Ｌｑ＋Ｘ）×Ｉｑ×ω〕となる。
【００２４】
上記のように、ｑ軸電流指令値やｑ軸電流値が安定している状態において、ｄ軸積分項出力Ｓｄ、ｄ軸電流値Ｉｄ、ｑ軸電流値Ｉｑおよび電動機角速度ωに基づいて補正量α（非干渉補正値Ｘ）を算出し、その値でｑ軸インダクタンスＬｑの値を常に補正していることにより、電流応答性能を良好に保つことが出来る。
【００２５】
図６は、上記のような本発明を適用した場合に、トルク指令値Ｔ＊をステップ状に０Ｎｍから１００Ｎｍに変化（ＳＴＥＰ指令０→１００Ｎｍ）させた場合のシミュレーション結果を示す図である。
【００２６】
図６において、実線は上記本発明の非干渉項の補正を行った場合の特性、破線は補正を行わなかった場合の特性を示し、時間１.００ｓｅｃにおいてトルク指令値Ｔ＊がステップ状に急変し、一点鎖線で示すようにＩｄ、Ｉｑの指令値が急変した場合を示す。
【００２７】
図６に示すように、補正によって、実線で示した適用時の値は、破線で示した非適用時の値に比べて、立ち上がり、収束とも早くなり、ｄ軸電流Ｉｄの応答も非適応時に比べて適応時の方が改善されている。
【００２８】
上記のように本発明においては、非干渉制御において、ｄ軸電圧指令値を補正するｑ軸干渉成分の基礎となるｑ軸インダクタンスＬｑの値を、ｄ軸積分項出力Ｓｄ、ｄ軸電流値Ｉｄ、ｑ軸電流値Ｉｑおよび電動機角速度ωに基づいて算出した補正量αに基づいて常に補正しており、比例積分制御の積分項で干渉成分のズレを定常的に補償する構成ではないので、トルク指令値Ｔ＊の急変時にｑ軸電流指令値が急峻に変動した場合でも電流応答性能が悪化が抑制される、という効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明を適用する３相同期電動機のベクトル制御による電流フィードバック制御のブロック図。
【図２】図１における電流ＰＩ制御部３の基本的なブロック図。
【図３】図１における非干渉制御部５の基本的なブロック図。
【図４】非干渉項補正演算部を設けた電流ＰＩ制御部の実施例を示すブロック図。
【図５】非干渉項補正を行う非干渉制御部５の実施例を示すブロック図。
【図６】トルク指令値Ｔ＊をステップ状に変化させた場合のシミュレーション結果を示す図。
【符号の説明】
【００３０】
１…トルク指令値算出部                ２…電流指令値算出部
３…電流ＰＩ制御部                    ４…３相２相変換部
５…非干渉制御部                      ６…２相３相変換部
７…ＰＷＭ制御部                      ８…インバータ
９…電動機                          １０…角度検出器
１１…回転速度算出部                  １２…電流センサ
１３…非干渉項補正演算部              １４…ｄ軸状態判定部
１５…補正量演算部                    １６…フィルタ処理部
１７…Ｌｑ補正部
【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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