(57)【要約】【課題】モータにかかる負荷が変動しても効率よくモータを駆動することができる電動機の駆動装置を提供する。【解決手段】本発明の駆動装置は、インバータ１０と、インバータ１０の出力電流を検出する電流検出器１２と、電流検出器１２により検出された出力電流をトルク電流および磁化電流に変換し、トルク電流および磁化電流を制御するベクトル制御部１１とを備える。ベクトル制御部１１は、トルク電流、磁化電流、ロータの角速度、およびモータ定数から目標出力電圧を決定する目標出力電圧決定部２７と、トルク電圧指令値と目標出力電圧との偏差に基づいて磁化電流指令値を決定する目標磁化電流決定部２６とを備える。【選択図】図１
2015173540.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータと、該インバータの出力電流を検出する電流検出器と、該電流検出器により検出された出力電流をトルク電流および磁化電流に変換し、該トルク電流および磁化電流を制御するベクトル制御部とを備えた電動機の駆動装置であって、
前記ベクトル制御部は、
前記電流検出器により検出された三相電流を二相電流に変換する３／２相変換部と、
前記３／２相変換部によって変換された静止座標系上の前記二相電流を回転座標系上のトルク電流および磁化電流に変換する静止／回転座標変換部と、
トルク電流指令値と前記トルク電流との偏差に基づいてトルク電圧指令値を決定するトルク電圧制御部と、
磁化電圧指令値として０を出力する磁化電圧出力部と、
回転座標系上の前記トルク電圧指令値および前記磁化電圧指令値を、静止座標系上のトルク電圧指令値および磁化電圧指令値に変換する回転／静止座標変換部と、
前記回転／静止座標変換部によって変換された前記トルク電圧指令値および前記磁化電圧指令値を三相の電圧指令値に変換する２／３相変換部と、
前記磁化電流、磁化電流指令値、および前記トルク電圧指令値から前記電動機のロータの角速度を算出する速度演算部と、
前記角速度と角速度指令値との偏差に基づいて前記トルク電流指令値を決定する目標トルク電流決定部と、
前記トルク電流、前記磁化電流、前記ロータの角速度、およびモータ定数から目標出力電圧を決定する前記目標出力電圧決定部と、
前記トルク電圧指令値と前記目標出力電圧との偏差に基づいて前記磁化電流指令値を決定する目標磁化電流決定部とを備えたことを特徴とする駆動装置。
【請求項２】
前記モータ定数は、前記電動機の磁束、前記電動機の巻線抵抗、および前記ロータの永久磁石による磁束の方向に直交するｑ軸方向のインダクタンスであることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
【請求項３】
前記インバータから生成される出力電圧が前記モータの定格電圧に達した後は、前記目標出力電圧を前記モータの定格電圧に維持するように前記磁化電流指令値を調節することを特徴とする請求項１または２に記載の駆動装置。
【請求項４】
前記目標出力電圧が前記インバータから生成される出力電圧の上限に達した後は、前記目標出力電圧を前記インバータの出力電圧の上限以下に維持するように前記磁化電流指令値を調節することを特徴とする請求項１または２に記載の駆動装置。
【請求項５】
前記目標出力電圧が前記モータの定格電圧および前記インバータから生成される出力電圧の上限のうちいずれか一方の電圧に達した後は、前記目標出力電圧を前記モータの定格電圧および前記インバータから生成される出力電圧の上限のうち先に達した方の電圧に維持することを特徴とする請求項１または２に記載の駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同期モータや誘導モータなどの電動機を駆動する駆動装置に関し、特にインバータの出力電流に基づいてベクトル制御を行なう駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から一般に用いられているモータの制御方法としては、指令周波数に対応する電圧を出力することにより、電動機磁束を一定に保つＶ／Ｆ制御や、インバータの出力電流を励磁電流とトルク電流に分解し、負荷に見合ったモータ電流を流せるように励磁電圧とトルク電圧を制御するベクトル制御が挙げられる。
【０００３】
Ｖ／Ｆ制御は高速な演算を必要とせず、簡易な構成でモータを制御することが出来る。しかし、このＶ／Ｆ制御では、フィードバック情報が乏しいため、個々のモータの特性に合わせた高効率な制御は期待出来ない。また、モータロータの位置を検出しないため、同期機の場合はモータロータが脱調する可能性もある。
【０００４】
一方、同期機の脱調を防止し、且つ、高価な位置センサを使用することなく同期機を制御することが出来る制御方式として、センサレスベクトル制御がある。このセンサレスベクトル制御の制御ブロックを図１２に示す。電流検出器１２によって検出された三相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは３／２相変換部１７に送られ、ここで静止座標系上の三相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは静止座標系上の二相電流に変換される。この静止座標系上の二相電流は静止／回転座標変換部１８に送られ、ここで位相θに基づいて回転座標系上の二相電流、すなわち磁化電流Ｉｍおよびトルク電流Ｉｔに変換される。
【０００５】
トルク電流Ｉｔおよび磁化電流Ｉｍは、トルク電圧制御部２１および磁化電圧制御部２２にそれぞれ送られる。トルク電圧制御部２１には、目標トルク電流決定部２４からトルク電流指令値Ｉｔ＊が入力される。そして、トルク電圧制御部２１は、トルク電流指令値Ｉｔ＊と現在のトルク電流Ｉｔとの偏差が０となるようにＰＩ演算を行ない、トルク電圧指令値Ｖｔ＊を求める。目標トルク電流決定部２４は速度制御部であり、ベクトル制御部１１の外部から入力される角速度指令値ω＊と、モータＭの現在の角速度ωとの偏差が０となるようなトルク電流指令値Ｉｔ＊をＰＩ演算により求める。
【０００６】
磁化電圧制御部２２には、目標磁化電流決定部２６から磁化電流指令値Ｉｍ＊が入力される。磁化電圧制御部２２は、磁化電流指令値Ｉｍ＊と現在の磁化電流Ｉｍとの偏差が０となるようにＰＩ演算を行ない、磁化電圧指令値Ｖｍ＊を求める。目標磁化電流決定部２６は、目標出力電圧決定部２７から送られる目標出力電圧Ｖｏｕｔ＊と現在の出力電圧の算出値Ｖｏｕｔとの偏差が０となるような磁化電流指令値Ｉｍ＊をＰＩ演算により求める。
【０００７】
インバータ１０の現在の出力電圧Ｖｏｕｔは、トルク電圧指令値Ｖｔ＊および磁化電圧指令値Ｖｍ＊から出力電圧算出部３０によって求められる。また、トルク電圧指令値Ｖｔ＊および磁化電圧指令値Ｖｍ＊は速度演算部３１にも送られ、ここでロータの現在の角速度ωが求められる。この角速度ωは、目標トルク電流決定部２４、目標出力電圧決定部２７、および積分器３３に入力される。積分器３３は、角速度ωを積分してロータの位相θを求める。この位相θは静止／回転座標変換部１８および回転／静止座標変換部３５に入力される。
【０００８】
磁化電圧指令値Ｖｍ＊およびトルク電圧指令値Ｖｔ＊は、回転／静止座標変換部３５に入力され、ここで回転座標系上の磁化電圧指令値Ｖｍ＊およびトルク電圧指令値Ｖｔ＊は、位相θに基づき静止座標系上のトルク電圧指令値および磁化電圧指令値に変換される。さらに２／３相変換部３６により、静止座標系上のトルク電圧指令値および磁化電圧指令値は、三相（ｕ相，ｖ相，ｗ相）の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に変換される。インバータ１０は、上述したように、電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に従って電圧を生成する。
【０００９】
この図１２に示すセンサレスベクトル制御は、位置センサを用いずに、フィードバックされたモータ電流からロータの位置を推定する制御方式である。
【００１０】
しかしながら、このようなセンサレスベクトル制御では、モータにかかる負荷の大きさにかかわらずモータの回転速度（回転周波数）に基づいて出力電圧を決定している。このため、軽い負荷の速度領域ではモータの運転効率が悪くなり、重い負荷の速度領域ではモータロータが脱調する可能性があり、安定した制御に難がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１２―５０２８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は上述した従来の問題点に鑑みてなされたもので、モータにかかる負荷が変動しても効率よくモータを駆動することができる電動機の駆動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】
【００１３】
本発明の一態様は、インバータと、該インバータの出力電流を検出する電流検出器と、該電流検出器により検出された出力電流をトルク電流および磁化電流に変換し、該トルク電流および磁化電流を制御するベクトル制御部とを備えた電動機の駆動装置であって、前記ベクトル制御部は、前記電流検出器により検出された三相電流を二相電流に変換する３／２相変換部と、前記３／２相変換部によって変換された静止座標系上の前記二相電流を回転座標系上のトルク電流および磁化電流に変換する静止／回転座標変換部と、トルク電流指令値と前記トルク電流との偏差に基づいてトルク電圧指令値を決定するトルク電圧制御部と、磁化電圧指令値として０を出力する磁化電圧出力部と、回転座標系上の前記トルク電圧指令値および前記磁化電圧指令値を、静止座標系上のトルク電圧指令値および磁化電圧指令値に変換する回転／静止座標変換部と、前記回転／静止座標変換部によって変換された前記トルク電圧指令値および前記磁化電圧指令値を三相の電圧指令値に変換する２／３相変換部と、前記磁化電流、磁化電流指令値、および前記トルク電圧指令値から前記電動機のロータの角速度を算出する速度演算部と、前記角速度と角速度指令値との偏差に基づいて前記トルク電流指令値を決定する目標トルク電流決定部と、前記トルク電流、前記磁化電流、前記ロータの角速度、およびモータ定数から目標出力電圧を決定する前記目標出力電圧決定部と、前記トルク電圧指令値と前記目標出力電圧との偏差に基づいて前記磁化電流指令値を決定する目標磁化電流決定部とを備えたことを特徴とする駆動装置である。
【００１４】
本発明の好ましい態様は、前記モータ定数は、前記電動機の磁束、前記電動機の巻線抵抗、および前記ロータの永久磁石による磁束の方向に直交するｑ軸方向のインダクタンスであることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記インバータから生成される出力電圧が前記モータの定格電圧に達した後は、前記目標出力電圧を前記モータの定格電圧に維持するように前記磁化電流指令値を調節することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記目標出力電圧が前記インバータから生成される出力電圧の上限に達した後は、前記目標出力電圧を前記インバータの出力電圧の上限以下に維持するように前記磁化電流指令値を調節することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記目標出力電圧が前記モータの定格電圧および前記インバータから生成される出力電圧の上限のうちいずれか一方の電圧に達した後は、前記目標出力電圧を前記モータの定格電圧および前記インバータから生成される出力電圧の上限のうち先に達した方の電圧に維持することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、目標出力電圧決定部は、トルク電流Ｉｔ、磁化電流Ｉｍ、ロータの角速度ω、およびモータ定数から目標出力電圧Ｖｏｕｔ＊を決定する。トルク電流Ｉｔ、磁化電流Ｉｍモータにかかる負荷の大きさに応じて変化するので、目標出力電圧Ｖｏｕｔ＊もモータにかかる負荷の大きさに応じて変化する。したがって、駆動装置は、モータにかかる負荷の大きさに応じたインバータ出力電圧を出力することができる。その結果、効率よくモータを駆動することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る駆動装置を示すブロック図である。
【図２】図１に示すインバータを詳細に示す模式図である。
【図３】図３（ａ）および図３（ｂ）は、同期モータの等価回路を示す図である。
【図４】インバータの出力電流Ｉｏｕｔおよび出力電圧Ｖｏｕｔをベクトルで表した図である。
【図５】トルク電流の目標値を決定する制御ブロックを示す図である。
【図６】図６（ａ）は、最も運転効率がよい状態におけるｄｑ軸上の電流ベクトルとＭＴ軸上の電流ベクトルとの関係を示す図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）に示すＩｏｕｔに対応するＶｏｕｔをベクトルで表した図である。
【図７】図７（ａ）は、Ｉｄ＜０となる場合の電流ベクトルIｏｕｔ，Ｉｑ，Ｉｔ，Ｉｍの関係を示す図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す電流ベクトルIｏｕｔに対応する電圧ベクトルＶｏｕｔを示す図である。
【図８】図８（ａ）は、Ｉｄ＞０となる場合の電流ベクトルIｏｕｔ，Ｉｑ，Ｉｔ，Ｉｍの関係を示す図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）に示す電流ベクトルIｏｕｔに対応する電圧ベクトルＶｏｕｔを示す図である。
【図９】磁化電流Ｉｍの目標値である磁化電流指令値Ｉｍ＊を決定する制御のブロックを示す図である。
【図１０】図１０（ａ）は従来のベクトル制御に従って決定される目標出力電圧を示すグラフであり、図１０（ｂ）は本実施形態のベクトル制御に従って決定される目標出力電圧を示すグラフである。
【図１１】低周波数領域での磁化電流指令値をブーストさせる例を示す図である。
【図１２】従来のセンサレスベクトル制御の制御ブロックを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る駆動装置を示すブロック図である。この駆動装置は、モータＭを駆動するインバータ装置（電力変換装置）であり、図１に示すようにインバータ１０およびベクトル制御部１１を含む複数の要素から構成されている。すなわち、駆動装置は、モータＭに供給される電圧を生成するインバータ１０と、インバータ１０への電圧指令値を決定するベクトル制御部１１と、インバータ１０からモータＭに供給される電流を検出する電流検出器（電流計）１２とを備えている。
【００１８】
図２は、図１に示すインバータ１０を詳細に示す模式図である。インバータ１０は、電力変換部としてのインバータ回路１０Ａと、このインバータ回路１０Ａを駆動するゲートドライバ１０Ｂとから基本的に構成されている。インバータ回路１０Ａでは、直流電力（例えば、商用電源を全波整流して得られる直流電源からの直流電力）が供給される正極ラインＰと負極ラインＮとの間に３組の上下アームが並列に接続されており、各相の上下アームにはスイッチング素子（ＩＧＢＴ）Ｓ１〜Ｓ６とダイオードＤ１〜Ｄ６とからなる逆並列回路が組み込まれている。記号Ｃ１はコンデンサである。これらスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６、ダイオードＤ１〜Ｄ６、およびコンデンサＣ１によりインバータ回路１０Ａが構成されている。ゲートドライバ１０Ｂは、ベクトル制御部１１から送られる電圧指令値に従った電圧が生成されるように、インバータ回路１０Ａのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を駆動する。
【００１９】
電流検出器１２は、インバータ１０からモータＭに供給される三相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを計測する。その計測値は、ゲイン調整器１５によって増幅された後、ベクトル制御部１１に入力される。なお、ゲイン調整器１５は省略することもできる。なお、三相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの計測は、任意の２相の電流を計測し、式Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝０から残りの電流を求めてもよい。ベクトル制御部１１は、三相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗおよび外部から入力される角速度指令値に基づいて三相電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を生成する。さらに、ベクトル制御部１１は、これら三相電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に対応したＰＷＭ信号を生成し、このＰＷＭ信号をゲートドライバ１０Ｂに送る。ゲートドライバ１０Ｂは、三相電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に対応するＰＷＭ信号に基づいてゲートドライブＰＷＭ信号を生成し、６個のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６は、ゲートドライブＰＷＭ信号に基づいて動作（オン、オフ）される。このように、インバータ１０はベクトル制御部１１からの三相電圧指令値に基づいた電圧を生成し、これをモータＭに印加する。
【００２０】
ベクトル制御部１１の基本的動作は次の通りである。電流検出器１２によって検出されたインバータ１０の三相出力電流は、回転座標系上の二相電流（ベクトル）に変換される。ここで、回転座標系の一方の軸をモータＭの磁石磁束の方向に一致させると、他方の軸はモータＭの磁石磁束に直交する。したがって、モータＭの磁石磁束に直交する軸上の電流ベクトルを制御することによって、モータＭのトルクを制御することができる。すなわち、変換された二相電流とそれぞれの目標値との偏差がなくなるようにＰＩ制御が行なわれ、二相の電圧指令値が求められる。求められた回転座標系上の二相の電圧指令値は、静止座標系上の三相の電圧指令値に変換される。そして、各相の電圧指令値に対応したＰＷＭ信号が生成され、このＰＷＭ信号はインバータ１０のゲートドライバ１０Ｂに送られる。ベクトル制御部１１は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）または専用の処理装置から構成することができる。
【００２１】
次に、図１を参照してベクトル制御部１１について詳細に説明する。電流検出器１２によって検出された三相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは３／２相変換部１７に送られ、ここで静止座標系上の三相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは静止座標系上の二相電流に変換される。この静止座標系上の二相電流は静止／回転座標変換部１８に送られ、ここで位相θに基づいて回転座標系上の二相電流、すなわち磁化電流Ｉｍおよびトルク電流Ｉｔに変換される。
【００２２】
トルク電流Ｉｔおよび磁化電流Ｉｍは、トルク電圧制御部２１および速度演算部３１にそれぞれ送られる。トルク電圧制御部２１には、目標トルク電流決定部２４からトルク電流指令値Ｉｔ＊が入力される。そして、トルク電圧制御部２１は、トルク電流指令値Ｉｔ＊と現在のトルク電流Ｉｔとの偏差が０となるようにＰＩ演算を行ない、トルク電圧指令値Ｖｔ＊を求める。目標トルク電流決定部２４は速度制御部であり、ベクトル制御部１１の外部から入力される角速度指令値ω＊と、モータＭの現在の角速度ωとの偏差が０となるようなトルク電流指令値Ｉｔ＊をＰＩ演算により求める。
【００２３】
目標磁化電流決定部２６は、目標出力電圧決定部２７（後で詳述する）から送られる目標出力電圧Ｖｏｕｔ＊と現在の出力電圧Ｖｏｕｔ（＝Ｖｔ＊）との偏差が０となるような磁化電流指令値Ｉｍ＊をＰＩ演算により求める。
【００２４】
速度演算部３１には、目標磁化電流決定部２６から磁化電流指令値Ｉｍ＊が入力される。速度演算部３１としては位相同期回路（Phase  Locked  Loop）が使用される。速度演算部３１は、磁化電流指令値Ｉｍ＊と現在の磁化電流Ｉｍとの偏差が０となるようにＰＩ演算を行ない、トルク電圧指令値Ｖｔ＊と信号処理することにより、ロータの現在の角速度ωが求められる。この角速度ωは、目標トルク電流決定部２４、目標出力電圧決定部２７、および積分器３３に入力される。積分器３３は、角速度ωを積分してロータの位相θを求める。この位相θは静止／回転座標変換部１８および回転／静止座標変換部３５に入力される。
【００２５】
回転／静止座標変換部３５には、トルク電圧制御部２１と磁化電圧出力部２３とが接続されている。磁化電圧出力部２３は、磁化電圧指令値Ｖｍ＊として０を回転／静止座標変換部３５に出力する。この磁化電圧出力部２３はＰＩ制御部ではなく、磁化電圧指令値Ｖｍ＊として０を単に出力するように構成される。
【００２６】
磁化電圧指令値Ｖｍ＊およびトルク電圧指令値Ｖｔ＊は、回転／静止座標変換部３５に入力され、ここで回転座標系上の磁化電圧指令値Ｖｍ＊およびトルク電圧指令値Ｖｔ＊は、位相θに基づき静止座標系上のトルク電圧指令値および磁化電圧指令値に変換される。さらに２／３相変換部３６により、静止座標系上のトルク電圧指令値および磁化電圧指令値は、三相（ｕ相，ｖ相，ｗ相）の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に変換される。インバータ１０は、上述したように、電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に従って電圧を生成する。
【００２７】
ここで、ベクトル制御部１１が永久磁石型同期モータを制御する場合について説明する。
ｄｑ回転座標系において、ロータの永久磁石による磁束の方向をｄ軸とし、ｄ軸に直交する軸をｑ軸とすると、同期モータの等価回路は図３（ａ）および図３（ｂ）に示すようになる。図３（ａ）および図３（ｂ）において、Ｒは巻線抵抗を表し、Ｌｄはｄ軸方向のインダクタンスを表し、Ｌｑはｑ軸方向のインダクタンスを表し、ωは角速度を表し、Ｅは誘起電圧を表している。
【００２８】
図３（ａ）はｄ軸の方向に電流Ｉｄが流れたときの等価回路を示し、図３（ｂ）はｑ軸の方向に電流Ｉｑが流れたときの等価回路を示す。図３（ａ）および図３（ｂ）により、電圧方程式は次のように表される。
Ｖｄ＝Ｉｄ・Ｒ＋ｐＬｄＩｄ−ωＬｑＩｑ          （１）
Ｖｑ＝Ｉｑ・Ｒ＋ｐＬｑＩｑ＋ωＬｄＩｄ＋Ｅ      （２）
ここで、ｐは時間微分（ｄ／ｄｔ）を表す。図３（ａ）および図３（ｂ）に示す記号ｊは虚数単位を表している。干渉成分ｊωＬｑＩｑ，ｊωＬｄＩｄをｄｑ軸（モータ軸）上に表すと、ベクトルの方向が変換されて記号ｊがとれるので、記号ｊは式（１）および式（２）に表されていない。なお、式（１）および式（２）において、誘起電圧Ｅは、角速度ωと永久磁石による磁束Ψとの積である。
【００２９】
ここで、インダクタンス成分（Ｌ）があるため、インバータ１０の出力電流Ｉｏｕｔに対して、出力電圧Ｖｏｕｔには位相遅れが生じる。図４はインバータ１０の出力電流Ｉｏｕｔおよび出力電圧Ｖｏｕｔをベクトルで表した図である。図４において、モータがある理想的な制御状態にあるときの出力電圧Ｖｏｕｔ-ｉの位相に一致する軸をＴ軸とし、そのＴ軸に垂直な軸をＭ軸とする。ＭＴ軸とｄｑ軸との間には、位相差βが存在する。本実施形態では、Ｔ軸上の電圧Ｖｔ、電流Ｉｔ、およびＭ軸上の電圧Ｖｍ、電流Ｉｍを用いてモータのベクトル制御を行なう。ＭＴ軸はインバータ１０を制御する軸になるため、本明細書ではＭＴ軸をインバータ軸と呼称する。
【００３０】
本実施形態では、Ｔ軸を基準軸とするためＭ軸の電圧成分Ｖｍ＊を０として、Ｔ軸に電圧Ｖｔを、Ｍ軸に電圧Ｖｍをそれぞれ印加し、出力電流Ｉｏｕｔがｑ軸に一致するように制御する。
【００３１】
トルク電流Ｉｔの目標値を決定する制御ブロックを図５に示す。トルク電流の目標値、すなわちトルク電流指令値Ｉｔ＊は、目標トルク電流決定部２４によって生成される。この目標トルク電流決定部２４には、角速度指令値ω＊および現在の角速度ωが入力され、目標トルク電流決定部２４はこれら２つの値ω＊，ωの偏差を０とするためのトルク電流指令値Ｉｔ＊を決定する。角速度指令値ω＊は、モータＭに要求される所望の角速度であり、ベクトル制御部１１の外部から目標トルク電流決定部２４に入力される。一方、現在の角速度ωは、速度演算部３１によって与えられる。この速度演算部３１は、目標磁化電流決定部２６によって決定されたＩｍ＊と、現在の磁化電流Ｉｍとの偏差が０となるようにＰＩ演算を行い、さらにトルク電圧指令値Ｖｔ＊の信号を処理することで推定角速度を求め、この求められた推定角速度が現在の角速度ωとして使用される。
【００３２】
目標トルク電流決定部２４は、角速度指令値ω＊が現在の角速度ωよりも大きければ（すなわち、ω＊＞ωであれば）、トルクを増やして増速させるためにより大きなトルク電流指令値Ｉｔ＊を出力する。一方、角速度指令値ω＊が現在の角速度ωよりも小さければ（すなわち、ω＊＜ωであれば）、トルクを減らして減速させるためにより小さなトルク電流指令値Ｉｔ＊を出力する。
【００３３】
次に、磁化電流Ｉｍの目標値である磁化電流指令値Ｉｍ＊を決定するプロセスについて説明する。説明の簡略化のために、同期モータがＳＰＭモータ（表面磁石型モータ、Surface  Permanent  Magnet  motor）である場合を考える。ＳＰＭモータの場合は、インバータ１０からの出力電流Ｉｏｕｔがｄ軸に垂直に流れるときが最も運転効率がよくなる。つまり、ｄ軸上の電流Ｉｄが０となるようにインバータ１０の出力電流を制御することが望ましい。図６（ａ）は、最も運転効率がよい状態におけるｄｑ軸上の電流ベクトルとＭＴ軸上の電流ベクトルとの関係を示している。
【００３４】
一方、インバータ１０の出力電圧Ｖｏｕｔは、式（１）および式（２）より次のように求められる。
Ｖｏｕｔ（→）＝Ｖｄ（→）＋Ｖｑ（→）      （３）
【数１】
2015173540.tif 000003
ただし、記号（→）はベクトルを表している。
【００３５】
モータＭが安定して運転している場合、出力電流は正弦波となる。このとき、座標変換された電流Ｉｔ，Ｉｍはほとんど変化しないため、定常状態にあるといえる。よって、上記式（４）の微分項は無視することができるので、上記式（４）は、
【数２】
2015173540.tif 000004
と表される。
【００３６】
図６（ａ）に示す状態においては、Ｉｄ＝０であるので、Ｉｑ＝Ｉｏｕｔとなる。したがって、式（５）は次のように表される。
【数３】
2015173540.tif 000005
さらに、図６（ａ）に示すように、ＩｏｕｔをＭＴ軸上で表すと、
【数４】
2015173540.tif 000006
となる。
式（６）に式（７）を代入すると、
【数５】
2015173540.tif 000007
となる。
【００３７】
上記式（８）によれば、トルク電流Ｉｔ、磁化電流Ｉｍ、ロータの角速度ω、巻線抵抗（モータ抵抗）Ｒ、磁束Ψ、およびｑ軸インダクタンスＬｑを用いて出力電圧Ｖｏｕｔを求めることができる。以下、本明細書において、巻線抵抗Ｒ、磁束Ψ、およびｑ軸インダクタンスＬｑを総称してモータ定数と呼称することがある。
【００３８】
図６（ｂ）は図６（ａ）に示すＩｏｕｔに対応するＶｏｕｔをベクトルで表した図である。図６（ａ）はＩｄが０となる理想状態を示しているため、このときの出力電圧を理想出力電圧Ｖｏｕｔ-ｉとする。そして、Ｔ軸は、この理想出力電圧Ｖｏｕｔ-ｉのベクトルの方向に一致する。
【００３９】
図７（ａ）は、出力電流Ｉｏｕｔが電流Ｉｑに対して位相進みである場合、つまり、Ｉｄ＜０となる場合のIｏｕｔ，Ｉｑ，Ｉｄ，Ｉｔ，Ｉｍの関係を示している。トルク電流Ｉｔが、トルク電流指令値Ｉｔ＊に基づいて図６（ａ）の場合と同じ大きさで制御されている条件下では、ベクトルＩｏｕｔの先端は、ベクトルＩｔの先端を通る、Ｔ軸に垂直な直線上にある。したがって、ベクトルＩｑは図６（ａ）に示す理想状態の時よりも小さくなる。このときの電圧Ｖｏｕｔのベクトルは図７（ｂ）に示すようになる。Ｉｄ＜０であるため、ＩｄＲは左向きのベクトルとなり、ωＬｄＩｄは下向きのベクトルとなる。これらのベクトルの存在とＩｑが小さくなることから、出力電圧Ｖｏｕｔは、点線で示す理想出力電圧Ｖｏｕｔ-ｉ（図６（ｂ）参照）よりも小さくなる。このとき、Ｍ軸上の電流Ｉｍは、図６（ａ）に示す理想状態における電流Ｉｍよりも小さくなる。
【００４０】
一方、図８（ａ）は、出力電流Ｉｏｕｔが電流Ｉｑに対して位相遅れである場合、つまり、Ｉｄ＞０となる場合のIｏｕｔ，Ｉｑ，Ｉｄ，Ｉｔ，Ｉｍの関係を示している。トルク電流Ｉｔが、トルク電流指令値Ｉｔ＊に基づいて図６（ａ）の場合と同じ大きさで制御されている条件下では、Ｉｑは図６（ａ）に示す理想状態の時よりも大きくなる。このときの電圧Ｖｏｕｔのベクトルは図８（ｂ）に示すようになる。Ｉｄ＞０であるため、ＩｄＲが右向きのベクトルとなり、ωＬｄＩｄは上向きのベクトルとなる。これらのベクトルの存在とＩｑが大きくなることから、出力電圧Ｖｏｕｔは、点線で示す理想出力電圧Ｖｏｕｔ-ｉ（図６（ｂ）参照）よりも大きくなる。このとき、Ｍ軸上の電流Ｉｍは、図６（ａ）に示す理想状態における電流Ｉｍよりも大きくなる。
【００４１】
図６（ａ）〜図８（ｂ）から、磁化電流Ｉｍについて以下のことがわかる。ある理想的な出力電圧Ｖｏｕｔ-ｉに対して、実際の出力電圧Ｖｏｕｔが小さい場合は、磁化電流Ｉｍを大きくして、出力電流Ｉｏｕｔの位相を遅らせることによって出力電圧Ｖｏｕｔを理想出力電圧Ｖｏｕｔ-ｉに近づけることができる。一方、理想出力電圧Ｖｏｕｔ-ｉに対して、実際の出力電圧Ｖｏｕｔが大きい場合は、磁化電流Ｉｍを小さくして、出力電流Ｉｏｕｔの位相を進めることによって出力電圧Ｖｏｕｔを理想出力電圧Ｖｏｕｔ-ｉに近づけることができる。つまり、ある運転状態に対して目標となる出力電圧を定め、目標出力電圧と実際の出力電圧との偏差を求めることによって、磁化電流指令値Ｉｍ＊を決定することができる。
【００４２】
上述したＳＰＭモータでは、モータステータの巻線が生成する磁束は、永久磁石による磁気抵抗を均一に受ける。したがって、ｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑとは互いに等しくなる。一方、ＩＰＭモータ（埋込磁石型モータ、Interior  Permanent  Magnet  motor）の場合は、ｄ軸方向の磁束は永久磁石による磁気抵抗を受けるが、ｑ軸方向の磁束は鉄心のみを通過する。したがって、ｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑとの間には差が存在する。このため、出力電流Ｉｏｕｔがｑ軸からある位相進みを持っている時が最も駆動効率が良くなる。
【００４３】
しかしながら、ＩＰＭモータの場合でも、図７（ａ）〜図８（ｂ）に示した関係は成立する。すなわち、理想出力電圧Ｖｏｕｔ-ｉに対して、Ｉｍを大きくするとＶｏｕｔは大きくなり、Ｉｍを小さくするとＶｏｕｔが小さくなる。したがって、ＩＰＭモータにおいても、ある運転状態に対して目標となる出力電圧を定め、目標出力電圧と実際の出力電圧との偏差を求めることによって、磁化電流指令値Ｉｍ＊を決定することができる。
【００４４】
誘導モータの場合には、同期モータと異なり、磁束発生のために多くの磁化電流Ｉｄを流す必要があり、これによって生じた磁束に直交するｄ軸に誘起電力Ｅが生じる。しかし、誘導モータの場合でも、図７（ａ）〜図８（ｂ）に示した関係が同様に成立する。すなわち、理想出力電圧Ｖｏｕｔ-ｉに対して、Ｉｍを大きくするとＶｏｕｔは大きくなり、Ｉｍを小さくするとＶｏｕｔが小さくなる。したがって、ある運転状態に対して目標となる出力電圧を定め、目標出力電圧と実際の出力電圧との偏差を求めることによって、磁化電流指令値Ｉｍ＊を決定することができる。
【００４５】
磁化電流Ｉｍの目標値である磁化電流指令値Ｉｍ＊を決定する制御のブロックを図９に示す。図９に示すように、磁化電流指令値Ｉｍ＊は、目標出力電圧Ｖｏｕｔ＊と、現在の出力電圧Ｖｏｕｔとを目標磁化電流決定部２６に入力することで求められる。現在の出力電圧Ｖｏｕｔは、ベクトル制御の結果得られるＭＴ軸上の電圧指令値Ｖｍ＊，Ｖｔ＊の信号を合成して得ることができる。
【数６】
2015173540.tif 000008
本実施形態では、インバータ軸であるＭＴ軸上のＴ軸を基準として指令電圧を決定しており、Ｖｍ＊として０が回転／静止座標変換部３５に入力される。このため、インバータ出力電圧はＴ軸上に一致するためＶｏｕｔ＝Ｖｔ＊となる。すなわち、目標磁化電流決定部２６は、Ｖｔ＊＞Ｖｏｕｔ＊であれば出力電流Ｉｏｕｔの位相を遅らせるようにより磁化電流指令値Ｉｍ＊を大きくし、Ｖｔ＊＜Ｖｏｕｔ＊であれば出力電流Ｉｏｕｔの位相を進ませるようにより磁化電流指令値Ｉｍ＊を小さくする。
【００４６】
トルク電流指令値Ｉｔ＊は、図１に示すように、トルク電圧制御部２１に入力される。そして、上述したように、トルク電圧制御部２１は、現在のトルク電流Ｉｔとトルク電流指令値Ｉｔ＊との偏差に基づいてトルク電圧指令値Ｖｔ＊を算出する。磁化電圧指令値Ｖｍ＊として上述したように０が入力される。このようにして、インバータ軸であるＭＴ軸上のＴ軸のベクトルを用いたベクトル制御が可能となる。
【００４７】
目標出力電圧Ｖｏｕｔ＊は、上記式（８）を用いて、次のように算出される。
【数７】
2015173540.tif 000009
上記式（９）を用いて、目標出力電圧決定部２７は、トルク電流Ｉｔ、磁化電流Ｉｍ、ロータの角速度ω、およびモータ定数としての巻線抵抗Ｒ、ｑ軸インダクタンスＬｑ、磁束Ψに基づいて目標出力電圧Ｖｏｕｔ＊を決定する。
【００４８】
トルク電流Ｉｔ、磁化電流Ｉｍ、およびモータ定数は目標出力電圧決定部２７に入力され、目標出力電圧決定部２７はこれらのパラメータと上記式（９）を用いて目標出力電圧Ｖｏｕｔ＊を決定する。すなわち、図１に示すように、目標出力電圧決定部２７には静止／回転座標変換１８からトルク電流Ｉｔおよび磁化電流Ｉｍが入力され、速度演算部３１から角速度ωが入力される。目標出力電圧決定部２７には、モータ定数（巻線抵抗Ｒ、ｑ軸インダクタンスＬｑ、磁束Ψ）がベクトル制御部１１の外部から予め入力されており、目標出力電圧決定部２７に記憶（格納）されている。
【００４９】
駆動すべきモータが特定されていれば、予めモータ定数を取得することができる。モータ定数は公知の技術を用いて取得することができる。例えば、巻線抵抗Ｒおよびｑ軸インダクタンスＬｑはＬＣＲメータなどの測定器によって測定することができる。磁束Ψはモータ固有の設計値またはモータの誘起電圧の測定値から算出されてもよく、またはガウスメータなどの測定器によって測定されてもよい。
【００５０】
モータＭに供給されている電流Ｉｏｕｔは、次のように表される。
【数８】
2015173540.tif 000010
よって、式（９）と式（１０）とから、次の式が導かれる。
【数９】
2015173540.tif 000011
電流Ｉｏｕｔは、モータＭに掛かる負荷に依存して変化する。つまり、上記式（１１）から分かるように、目標出力電圧Ｖｏｕｔ＊はモータＭに掛かる負荷の変化に応じて変化する。したがって、モータ効率が改善され、さらにはモータの脱調も防止できる。
【００５１】
図１０（ａ）は、従来のベクトル制御における、モータＭの回転速度（回転周波数）の変化に応じて変化する目標出力電圧Ｖｏｕｔ＊を示すグラフであり、図１０（ｂ）は、本実施形態に係るベクトル制御における、モータＭにかかる負荷の大きさに応じて変化する目標出力電圧Ｖｏｕｔ＊を示すグラフである。図１０（ａ）および図１０（ｂ）において、横軸はモータＭの回転速度（回転周波数）を示しており、縦軸はインバータ１０から生成される出力電圧、すなわちモータ印加電圧を示している。
【００５２】
従来では、図１０（ａ）に示すように、目標出力電圧Ｖｏｕｔ＊の最大値は固定値であり、モータ印加電圧はモータＭの回転速度のみに従って変化する。このようなモータ制御の場合、負荷が小さいときは、必要以上に高いモータ印加電圧でモータＭを制御することになるので、モータＭの運転効率は悪くなる。さらに、モータＭへの負荷が大きいときは、モータロータが脱調する可能性がある。
【００５３】
本実施形態では、図１０（ｂ）に示すように、モータＭの回転速度のみならず、モータＭへの負荷に従って、モータ印加電圧が変化するため効率のよい安定したモータ制御を実現することができる。
【００５４】
なお、本実施形態における駆動装置において、弱め界磁制御を行なうこともできる。すなわち、インバータ１０の出力電圧がモータＭの定格電圧に達した後は、目標出力電圧Ｖｏｕｔ＊をモータＭの定格電圧以下に抑える（維持する）ために、磁化電流指令値Ｉｍ＊を維持する調節をすることが好ましい。これにより、インバータ１０の出力電圧を維持しつつ、モータＭの回転速度を上昇させることができる。また、インバータ１０のＤＣリンク電圧から算出されるインバータ１０の出力電圧の上限、すなわちモータ印加電圧の上限に目標出力電圧Ｖｏｕｔ＊が達した後は、目標出力電圧Ｖｏｕｔ＊をインバータ１０の出力電圧の上限以下に抑える（維持する）ために、磁化電流指令値Ｉｍ＊を維持する調節をすることが好ましい。目標出力電圧Ｖｏｕｔ＊をインバータ１０の出力電圧の上限以下に維持することによりモータＭの回転速度を上昇させることができる。さらに、目標出力電圧Ｖｏｕｔ＊がモータＭの定格電圧およびインバータ１０の出力電圧の上限のうちいずれか一方の電圧に先に達した後は、目標出力電圧Ｖｏｕｔ＊をモータＭの定格電圧およびインバータ１０の出力電圧の上限のうち先に達した方の電圧に維持することがより好ましい。
【００５５】
本実施形態では、低周波数領域でのトルクブーストを行なうことが可能である。一般に、モータの周波数（回転速度）が低い領域では、インバータ１０の出力電流が小さくなるため、モータの制御が難しくなる。そこで、図１１に示すように、モータＭの角速度が所定の値以下の領域では、一点鎖線で示す磁化電流指令値Ｉｍ＊の下限値を設けて、低周波数領域での磁化電流指令値Ｉｍ＊をブーストすることが好ましい。図１１に示す例では、モータＭのロータの角速度がω１以下であるとき、目標磁化電流決定部２６は、予め記憶されている下限値を実線で示す磁化電流指令値Ｉｍ＊として出力する。一方、角速度がω１よりも大きいときは、目標磁化電流決定部２６は、ＰＩ制御の結果得られた点線で示す磁化電流指令値Ｉｍ＊を算出し、これを実線で示す磁化電流指令値Ｉｍ＊として出力する。このように、低周波数の領域において磁化電流指令値Ｉｍ＊を補償することにより、モータの低速領域でのトルクブーストを実現することができる。なお、図１１において、磁化電流指令値Ｉｍ＊の下限値を示す線グラフが傾いている理由は、指令値Ｉｍ＊が大きいと過励磁になり効率が悪くなるためである。このような過励磁状態を避けて、適切な指令値で速やかな制御を行なうために、磁化電流指令値Ｉｍ＊の下限値を角速度の増加に従って減少させて指令値Ｉｍ＊を小さくしている。
【００５６】
なお、磁化電流指令値Ｉｍ＊に代えて、目標出力電圧Ｖｏｕｔ＊に下限値を設けてもよい。この場合は、目標出力電圧決定部２７は、角速度が所定の値以下であるとき、予め記憶されている下限値を目標出力電圧Ｖｏｕｔ＊として出力し、一方、角速度が所定の値よりも大きいときは、目標出力電圧決定部２７により算出された値を目標出力電圧Ｖｏｕｔ＊とする。この場合も、図１１に示す例と同じように、目標出力電圧Ｖｏｕｔ＊の下限値を角速度の増加に従って減少させる。
【００５７】
上述した低周波数領域でのトルクブーストは、磁化電流指令値Ｉｍ＊と目標出力電圧Ｖｏｕｔ＊とのいずれかを選択して行なうようにしてもよい。より具体的には、磁化電流指令値Ｉｍ＊と目標出力電圧Ｖｏｕｔ＊との両方に上記下限値を設け、磁化電流指令値Ｉｍ＊と目標出力電圧Ｖｏｕｔ＊のいずれかの下限値を選択的に、目標磁化電流決定部２６または目標出力電圧決定部２７から出力するようにしてもよい。
【００５８】
上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうることである。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。
【符号の説明】
【００５９】
１０    インバータ
１１    ベクトル制御部
１２    電流検出器
１７    ３／２相変換部
１８    静止／回転座標変換部
２１    トルク電圧制御部
２２    磁化電圧制御部
２３    磁化電圧出力部
２４    目標トルク電流決定部
２６    目標磁化電流決定部
２７    目標出力電圧決定部
３０    出力電圧算出部
３１    速度演算部
３３    積分器
３５    回転／静止座標変換部
３６    ２／３相変換部
【図１】
2015173540.tif 000012
【図２】
2015173540.tif 000013
【図３】
2015173540.tif 000014
【図４】
2015173540.tif 000015
【図５】
2015173540.tif 000016
【図６】
2015173540.tif 000017
【図７】
2015173540.tif 000018
【図８】
2015173540.tif 000019
【図９】
2015173540.tif 000020
【図１０】
2015173540.tif 000021
【図１１】
2015173540.tif 000022
【図１２】
2015173540.tif 000023