(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導モータに流れる１次電流を検出する電流検出手段と、前記１次電流からトルク電流成分及び励磁電流成分を変換生成する座標変換手段と、前記励磁電流成分から前記誘導モータの磁束を推定する磁束推定手段と、前記誘導モータを駆動する過程で外部から入力される磁束指令と前記磁束推定手段が推定した磁束との偏差が小さくなるようにする励磁電流指令を生成する磁束制御手段と、前記磁束制御手段が出力する励磁電流指令のうち制限値以内の励磁電流指令を制御に必要な励磁電流指令として出力する励磁電流制限手段とを備え、前記誘導モータをベクトル制御により駆動制御するモータ制御装置において、
前記磁束指令に基づいて磁束遅れ補正指令を生成する磁束遅れ補償手段を備え、前記磁束遅れ補正指令は、前記磁束指令に代えて前記磁束推定手段が推定した磁束との偏差を取るのに用いられ、
前記磁束遅れ補償手段は、
前記磁束推定手段の伝達関数の逆数の伝達特性または前記磁束推定手段の伝達関数の逆数を近似した伝達特性を有し前記磁束指令が入力される第１のフィルタと、
前記磁束制御手段の伝達関数の逆数の伝達特性または前記磁束制御手段の伝達関数の逆数を近似した伝達特性を有し前記第１のフィルタの出力が入力される第２のフィルタと、
前記第２のフィルタの出力に所定ゲインを乗算する乗算器と、
前記乗算器の出力と前記磁束指令とを加算する加算器と、
前記加算器の出力のうち制限値以下を前記磁束遅れ補正指令として出力する出力制限手段と、
を備えていることを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
誘導モータに流れる１次電流を検出する電流検出手段と、前記１次電流からトルク電流成分及び励磁電流成分を変換生成する座標変換手段と、前記励磁電流成分から前記誘導モータの磁束を推定する磁束推定手段と、前記誘導モータを駆動する過程で外部から入力される磁束指令と前記磁束推定手段が推定した磁束との偏差が小さくなるようにする励磁電流指令を生成する磁束制御手段と、前記磁束制御手段が出力する励磁電流指令のうち制限値以内の励磁電流指令を制御に必要な励磁電流指令として出力する励磁電流制限手段とを備え、前記誘導モータをベクトル制御により駆動制御するモータ制御装置において、
前記磁束指令に基づいて磁束遅れ補正指令を生成する磁束遅れ補償手段を備え、前記磁束遅れ補正指令は、前記磁束制御手段の出力に加算されて前記励磁電流制限手段に入力され、
前記磁束遅れ補償手段は、
前記磁束推定手段の伝達関数の逆数の伝達特性または前記磁束推定手段の伝達関数の逆数を近似した伝達特性を有し前記磁束指令が入力される第１のフィルタと、
前記磁束制御手段の伝達関数の逆数の伝達特性または前記磁束制御手段の伝達関数の逆数を近似した伝達特性を有し前記第１のフィルタの出力が入力される第２のフィルタと、
前記第２のフィルタの出力に所定ゲインを乗算する乗算器と、
前記乗算器の出力と前記磁束指令とを加算する加算器と、
前記加算器の出力のうち制限値以下を前記磁束遅れ補正指令として出力する出力制限手段と、
を備えていることを特徴とするモータ制御装置。
【請求項３】
誘導モータに流れる１次電流を検出する電流検出手段と、前記１次電流からトルク電流成分及び励磁電流成分を変換生成する座標変換手段と、前記励磁電流成分から前記誘導モータの磁束を推定する磁束推定手段と、前記誘導モータを駆動する過程で外部から入力される磁束指令と前記磁束推定手段が推定した磁束との偏差が小さくなるようにする励磁電流指令を生成する磁束制御手段と、前記磁束制御手段が出力する励磁電流指令のうち制限値以内の励磁電流指令を制御に必要な励磁電流指令として出力する励磁電流制限手段とを備え、前記誘導モータをベクトル制御により駆動制御するモータ制御装置において、
前記磁束指令に基づいて第１及び第２の磁束遅れ補正指令をそれぞれ生成する磁束遅れ補償手段を備え、前記第１及び第２の磁束遅れ補正指令のうち、第１の磁束遅れ補正指令は前記磁束指令に代えて前記磁束推定手段が推定した磁束との偏差を取るのに用いられ、第２の磁束遅れ補正指令は前記磁束制御手段の出力に加算されて前記励磁電流制限手段に入力される
ことを特徴とするモータ制御装置。
【請求項４】
前記出力制限手段は、
入力された信号に対し、出力を設定された最大値以下に制限する出力上限手段および出力を設定された最小値以上に制限する出力下限手段を備え、前記磁束指令が入力された場合、前記出力制限手段の出力である前記磁束遅れ補正指令は、前記出力上限手段に設定された最大値および前記出力下限手段に設定された最小値以内に制限し出力される
ことを特徴とする請求項１または２に記載のモータ制御装置。
【請求項５】
前記磁束遅れ補償手段は、
前記誘導モータの理想モデルによって構成され、前記磁束指令と推定されたモデル磁束指令との偏差に基づきモデル励磁電流指令を生成するモデル磁束制御手段と、
前記誘導モータの理想モデルによって構成され、前記モデル励磁電流指令に基づき前記モデル磁束指令を推定するモデル磁束推定手段と
を備え、
前記モデル磁束指令が前記第１の磁束遅れ補正指令となり、前記モデル励磁電流指令が前記第２の磁束遅れ補正指令となる
ことを特徴とする請求項３に記載のモータ制御装置。
【請求項６】
前記磁束遅れ補償手段は、
前記磁束指令に基づき磁束フィードフォワード指令を演算生成するフィードフォワード補償手段と、
磁束制御系の理想モデルによって構成され、前記磁束フィードフォワード指令とモデル磁束指令との偏差に基づきモデル励磁電流指令を生成するモデル磁束制御手段と、
前記誘導モータの理想モデルによって構成され、前記モデル励磁電流指令に基づき前記モデル磁束指令を推定するモデル磁束推定手段と
を備え、
前記モデル磁束指令が前記第１の磁束遅れ補正指令となり、前記モデル励磁電流指令が前記第２の磁束遅れ補正指令となる
ことを特徴とする請求項３に記載のモータ制御装置。
【請求項７】
前記モデル磁束制御手段は、
制御系の応答性を決定する応答帯域定数が、前記磁束制御手段の応答帯域定数よりも大きな値に設定されている
ことを特徴とする請求項５または６に記載のモータ制御装置。
【請求項８】
前記フィードフォワード補償手段は、
前記モデル磁束推定手段の伝達関数の逆数の伝達特性または前記モデル磁束推定手段の伝達関数の逆数を近似した伝達特性を有し前記磁束指令が入力される第１のフィルタと、
前記モデル磁束制御手段の伝達関数の逆数の伝達特性または前記モデル磁束制御手段の伝達関数の逆数を近似した伝達特性を有し前記第１のフィルタの出力が入力される第２のフィルタと、
前記第２のフィルタの出力に所定ゲインを乗算する乗算器と、
前記乗算器の出力と前記磁束指令とを加算する加算器と、
前記加算器の出力のうち制限値以下を前記磁束フィードフォワード指令として出力する出力制限手段と
を備えていることを特徴とする請求項６に記載のモータ制御装置。
【請求項９】
前記出力制限手段は、
入力された信号に対し、出力を設定された最大値以下に制限する出力上限手段および出力を設定された最小値以上に制限する出力下限手段を備え、前記磁束指令が入力された場合、前記出力制限手段の出力である前記磁束フィードフォワード指令は、前記出力上限手段に設定された最大値および前記出力下限手段に設定された最小値以内に制限し出力される
ことを特徴とする請求項８に記載のモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導モータをベクトル制御により駆動するモータ制御装置に関し、特に、工作機械の主軸や車両等で用いられる誘導モータを駆動するモータ制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
誘導モータは、固定子に１次電流を流して回転磁界を発生させ、回転磁界による磁束を回転子が横切るとき、回転子に電圧が誘起されて２次電流が流れ、この２次電流と磁束との相互作用によりトルクを発生させるものである。一般に、工作機械の主軸や車両等で用いられる誘導モータの駆動制御では、固定子に流す１次電流を、磁束を制御するための励磁電流と、２次電流（すなわち、トルク電流）とに分け、それぞれを個別に制御するベクトル制御が用いられている。なお、回転子に発生するトルクは、励磁電流によって発生する磁束とトルク電流との積に比例する。
【０００３】
一般に、誘導モータのベクトル制御では、トルク電流を一定にし、磁束を変化させることにより誘導モータのトルクを制御している。より具体的には、巻線抵抗やインダクタンス等の誘導モータの電気的定数や、動力源となる電源電圧によって決まる上限電圧に達するまでの回転速度（基底回転速度）までは、定トルク駆動領域として磁束を一定に保ち、トルク一定の駆動が行われる（定トルク駆動制御）。一方、上限電圧に達する回転速度に到達すると、上昇させる回転速度に反比例して磁束を低減させる。これによって、トルクも低減し、出力一定の駆動が行われる（定出力駆動制御）。
【０００４】
上記のように、一般的なベクトル制御により制御される誘導モータでは、定トルク駆動制御と定出力駆動制御とが併用される。このため、誘導モータでは、モータの起動時や、定トルク駆動制御から定出力駆動制御への切り替え時等において、磁束指令値に実際の磁束をすばやく追従させることが要求される。その一方で、磁束は、励磁電流の増減によって制御されるが、発生する磁束は、励磁電流に対し、モータの電気的定数から決まる時定数を持って立ち上がる。その結果、実際の制御では、磁束指令に対し、磁束の追従が遅れる。磁束の追従遅れが発生すると、所定のトルクへの到達時間も遅れ、モータの加速時間が長くなるという問題や、制御性能を上げられないといった問題も生ずる。
【０００５】
このような問題に対し、例えば特許文献１には、磁束指令と推定磁束との偏差に係数を乗算し、磁束指令相当の励磁電流指令を乗算して磁束指令に対する推定磁束の遅れを補正する技術が開示されている。
【０００６】
また，非特許文献１には、励磁電流制御系（励磁電流指令と励磁電流との偏差が小さくなるように、内部に励磁電流制御器を備え、励磁電流指令に対し、励磁電流を追従させる制御系）をマイナーループとし、磁束制御系（磁束指令と推定磁束との偏差が小さくなるように、内部に磁束制御器を備え、磁束指令に対し、推定磁束を追従させる制御系）をメジャーループとしたカスケード制御を構成し、磁束指令に対し、磁束の追従を速くする技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−３０６７９８号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】“ＡＣサーボシステムの理論と設計の実際”（総合電子出版社第５版、１１１頁〜１１２頁、図５．１４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献１に記載された技術は、非励磁状態から励磁状態に切り換えるようなステップ的な磁束指令の変化に対する磁束の立ち上がり時間の短縮には有効であるが、誘導モータを定出力駆動領域で駆動する際の磁束指令の変化に対しては考慮がなされておらず、定出力駆動領域での磁束指令に対し、磁束の追従ができないか、もしくは磁束の追従が遅れるという問題があった。
【００１０】
また、非特許文献１に記載された技術は、前述のように、磁束指令と推定磁束との偏差が小さくなるように磁束指令に対し、推定磁束を追従させる磁束制御系を構成している。そのため、磁束指令に対する磁束の追従の速さは、磁束制御系の応答性（以降「応答帯域」という）に依存する。しかし、磁束制御系のマイナーループに配置される励磁電流制御系は、電流検出部の電流検出遅れや、ｄｑ−ＵＶＷの座標変換およびＵＶ−ｄｑの座標変換での変換遅れ、変換誤差、誘導モータの巻線抵抗やインダクタンスといった電気的定数のバラツキや誤差等の様々な要因から、応答帯域を広げることが難しい場合がある。このような場合、磁束制御系の応答帯域を広げると、制御安定性を損なうため、磁束制御系の応答帯域を広げることが難しい。前述のように磁束制御系の応答帯域を広げることができない場合、磁束指令に対し、磁束の追従が遅くなる。
【００１１】
また、前述のような励磁電流制御系の各要因の影響が少なく、磁束制御系の応答帯域を広げることができたとしても、誘導モータに電力供給を行うインバータ回路には、許容最大電流の制約があり、許容最大電流値の制約と整合を図るべく、磁束の増減を行う励磁電流を制限する必要がある。その場合、磁束制御系の応答帯域を広げると、磁束指令に対し推定磁束がオーバーシュートし、磁束指令に到達する時間が遅くなるという問題が起こる。そのため、磁束制御系は、磁束指令に対し、推定磁束がオーバーシュートしない応答帯域に設定するため、上記と同様に、磁束指令に対し、磁束の追従が遅くなる。
【００１２】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、誘導モータの加速・減速や負荷トルク変動を含む広い動作領域で、磁束指令に対する磁束の追従遅れを補正し、所定のトルクを出力させることが可能なモータ制御装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した課題を解決し目的を達成するために、本発明は、誘導モータに流れる１次電流を検出する電流検出手段と、前記１次電流からトルク電流成分及び励磁電流成分を変換生成する座標変換手段と、前記励磁電流成分から前記誘導モータの磁束を推定する磁束推定手段と、前記誘導モータを駆動する過程で外部から入力される磁束指令と前記磁束推定手段が推定した磁束との偏差が小さくなるようにする励磁電流指令を生成する磁束制御手段と、前記磁束制御手段が出力する励磁電流指令のうち制限値以内の励磁電流指令を制御に必要な励磁電流指令として出力する励磁電流制限手段とを備え、前記三相誘導モータをベクトル制御により駆動制御するモータ制御装置において、前記磁束指令に基づいて磁束遅れ補正指令を生成する磁束遅れ補償手段を備え、前記磁束遅れ補正指令は、前記磁束指令に代えて前記磁束推定手段が推定した磁束との偏差を取るのに用いられることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、誘導モータの定トルク駆動領域から定出力駆動領域に至る広い動作領域において、磁束遅れ補償手段が磁束指令に基づいて生成する磁束遅れ補正指令により、磁束指令に対する推定した磁束の遅れを補正することができる。これによって、定トルク駆動領域では、すばやく所定のトルクを出力させるとともに、定出力駆動領域では、すみやかに回転速度を上昇させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１によるモータ制御装置の要部構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、図１に示す磁束制御器および励磁電流制限器を内部に含む磁束制御系の挙動を説明する図である。
【図３】図３は、図１に示す磁束遅れ補償器の構成例を示すブロック図である。
【図４】図４は、制御対象となるモータの特性を示す図である。
【図５】図５は、図３に示す磁束遅れ補償器を設けた場合と設けない場合とでのモータの制御特性を比較して説明する図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態２によるモータ制御装置の要部構成を示すブロック図である。
【図７】図７は、図６に示す磁束遅れ補償器の構成例を示すブロック図である。
【図８】図８は、図７に示す磁束遅れ補償器を設けた場合と設けない場合とでのモータの制御特性を比較して説明する図である。
【図９】図９は、本発明の実施の形態３として、図６に示す磁束遅れ補償器の他の構成例を示すブロック図である。
【図１０】図１０は、図９に示すフィードフォワード補償器の構成例を示すブロック図である。
【図１１】図１１は、図９に示す磁束遅れ補償器を設けた場合と図７に示す磁束遅れ補償器を設けた場合とでのモータの制御特性を比較して説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明にかかるモータ制御装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１７】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施例１によるモータ制御装置の要部構成を示すブロック図である。図１において、制御対象である誘導モータ（以降、単に「モータ」と記す）１は、工作機械の主軸や車両等で用いられるモータである。モータ１には、速度検出器２が取り付けられている。インバータ回路３は、複数のスイッチング素子を備えている。キャパシタ４は、モータ１の動力源となる直流電力を蓄積している。インバータ回路３とモータ１とを接続する電源ケーブルには、電流検出部５が配置されている。
【００１８】
インバータ回路３は、ベース信号生成器１２からスイッチング素子のオン／オフ信号が入力されると、複数のスイッチング素子のスイッチング動作により、キャパシタ４に蓄積された直流電力を用いて、任意の周波数と電圧の交流電力に変換し、モータ１に供給する。そのとき、モータ１には１次電流が流れ、モータ１は回転駆動される。
【００１９】
このときのモータ１の回転速度ωｍＦＢが速度検出器２にて検出され、また、このときのモータ１に流れる１次電流（図１では、例えば、ＵＶの２相の１次電流Ｉｕ，Ｉｖを示す）が電流検出部５にて検出される。
【００２０】
速度検出器２にて検出された回転速度ωｍＦＢは、減算器２１のマイナス入力端（−）および加算器１９の一方の加算入力端（＋）に入力される。減算器２１のプラス入力端（＋）には、外部から回転速度指令ωｍｃｏｍが入力される。減算器２１の出力（速度偏差）は、速度制御器１４に入力される。速度制御器１４は、減算器２１が出力する速度偏差が小さくなるようにするトルク電流指令を生成しトルク電流制限器２２に出力する。トルク電流制限器２２は、出力上限と出力下限とからなる２つの制限値を有し、速度制御器１４が生成したトルク電流指令が増加する場合は出力上限値（設定された最大値）以下のトルク電流指令を、速度制御器１４が生成したトルク電流指令が減少する場合は出力下限値（設定された最小値）以上のトルク電流指令をそれぞれ制御に必要なトルク電流指令ｉｑｃｏｍとして出力する。トルク電流指令ｉｑｃｏｍは、減算器１８のプラス入力端（＋）に入力される。
【００２１】
また、電流検出部５にて検出された１次電流Ｉｕ，Ｉｖは座標変換器６に入力される。座標変換器６は、積分器１５の出力である回転位置推定値θ１に基づいたＵＶ−ｄｑ座標変換を実施し、入力された１次電流Ｉｕ，Ｉｖから励磁電流ｉｄＦＢ、トルク電流ｉｑＦＢを変換生成する。
【００２２】
座標変換器６にて変換された励磁電流ｉｄＦＢは、磁束推定部８と減算器１７のマイナス入力端（−）とにそれぞれ入力される。減算器１７のプラス入力端（＋）には、励磁電流制限器２３の出力（励磁電流指令ｉｄｃｏｍ）が入力される。減算器１７の出力（励磁電流偏差）は、励磁電流制御器１０に入力される。励磁電流制御器１０は、減算器１７が出力する励磁電流偏差が小さくなるようにする励磁電圧指令Ｖｄｃｏｍを生成し、座標変換器７へ出力する。
【００２３】
磁束推定部８は、座標変換器６において変換された励磁電流ｉｄＦＢから磁束Φを推定する。磁束推定部８が推定した磁束Φ（磁束推定ΦＳ）は、すべり速度算出部９の一方の入力となり、また、減算器２０のマイナス入力端（−）に入力されている。
【００２４】
減算器２０のプラス入力端（＋）には、磁束遅れ補償器１６ａが外部入力の磁束指令Φｃｏｍから生成した磁束遅れ補正指令Φｈｃｏｍが入力される。減算器２０の出力（磁束偏差）は、磁束制御器１３に入力される。磁束制御器１３は、減算器２０が出力する磁束偏差が小さくなるようにする励磁電流指令を生成し励磁電流制限器２３に出力する。励磁電流制限器２３は、出力上限と出力下限とからなる２つの制限値を有し、磁束制御器１３が生成した励磁電流指令が増加する場合は出力上限値（設定された最大値）以下の励磁電流指令を、磁束制御器１３が生成した励磁電流指令が減少する場合は出力下限値（設定された最小値）以上の励磁電流指令をそれぞれ制御に必要な励磁電流指令ｉｄｃｏｍとして出力する。励磁電流指令ｉｄｃｏｍは、前記したように減算器１７のプラス入力端（＋）に入力される。
【００２５】
また、座標変換器６にて変換されたトルク電流ｉｑＦＢは、すべり速度算出部９の他方の入力端と減算器１８のマイナス入力端（−）とにそれぞれ入力される。すべり速度算出部９の出力（すべり速度ωＳ）は、加算器１９の他方の加算入力端に入力されている。
【００２６】
加算器１９の出力ω１（ω１＝ωｍＦＢ＋ωＳ）は、積分器１５にて積算されて回転位置推定値θ１となり、座標変換器６，７に制御信号として入力される。座標変換器６は、前記したように積分器１５の出力である回転位置推定値θ１に基づきＵＶ−ｄｑ座標変換を実施する。また、座標変換器７は、後述するように、積分器１５の出力である回転位置推定値θ１に基づきｄｑ−ＵＶＷ座標変換を実施する。
【００２７】
減算器１８のプラス入力端（＋）には、トルク電流制限器２２の出力（トルク電流指令ｉｑｃｏｍ）が入力される。減算器１８の出力（トルク電流偏差）は、トルク電流制御器１１に入力される。トルク電流制御器１１は、減算器１８が出力するトルク電流偏差が小さくなるようにするトルク電圧指令Ｖｑｃｏｍを生成し座標変換器７に出力する。
【００２８】
座標変換器７は、積分器１５の出力である回転位置推定値θ１に基づいたｄｑ−ＵＶＷ座標変換を実施し、入力された励磁電圧指令Ｖｄｃｏｍおよびトルク電圧指令ＶｑｃｏｍをＵ相電圧指令Ｖｕ、Ｖ相電圧指令Ｖｖ、Ｗ相電圧指令Ｖｗへ変換する。
【００２９】
ベース信号生成部１２は、座標変換器７が変換出力するＵ相電圧指令Ｖｕ、Ｖ相電圧指令Ｖｖ、Ｗ相電圧指令Ｖｗに基づき、インバータ回路３の各スイッチング素子のオン／オフ信号を生成しインバータ回路３に対し出力する。これによって、モータ１に対し交流電力が供給され、モータ１が回転駆動される。
【００３０】
以上のように、外部入力の回転速度指令ωｍｃｏｍと検出された回転速度ωｍＦＢとの速度偏差が小さくなるように、回転速度指令ωｍｃｏｍに回転速度ωｍＦＢを追従させる速度制御系は、トルク電流制御器１１を内部に含むトルク電流制御系をマイナーループ（より内側に入るフィードバックループ）とし、且つ、速度制御器１４を内部に含む速度制御系（狭義の意味の速度制御系、以下必要に応じ「狭義の速度制御系」という）をメジャーループ（より外側に入るフィードバックループ）とし、これら狭義の速度制御系およびトルク電流制御系をこの順にカスケード制御で構成されている。
【００３１】
また、外部入力の磁束指令Φｃｏｍから磁束遅れ補償器１６ａにて生成された磁束遅れ補正指令Φｈｃｏｍと推定磁束ΦＳとの磁束偏差が小さくなるように、磁束遅れ補正指令Φｈｃｏｍに推定磁束ΦＳを追従させる磁束制御系は、励磁電流制御器１０を内部に含む励磁電流制御系をマイナーループとし、且つ、磁束制御器１３を内部に含む磁束制御系（狭義の意味の磁束制御系、以下必要に応じ「狭義の磁束制御系」という）をメジャーループとし、これら狭義の磁束制御系および励磁電流制御系をこの順にカスケード制御で構成されている。以下、要部について、具体的に説明する。
【００３２】
まず、励磁電流ｉｄＦＢから推定磁束ΦＳを推定算出する機能を備えた磁束推定部８の伝達関数Ｇｉｄ＿Φ（ｓ）は、モータ１の回転子の２次抵抗Ｒｒ、モータ１の回転子の自己インダクタンスＬｒ、モータ１の巻線間の相互インダクタンスＭ、ラプラス演算子ｓとを用いて、式（１）で表すことができる。
Ｇｉｄ＿Φ（ｓ）＝Ｍ／（１＋ｓ・（Ｌｒ／Ｒｒ））  …（１）
【００３３】
次に、磁束制御器１３について説明する。磁束制御器１３は、磁束制御系の応答帯域を決定する部分である。磁束制御器１３が例えばＰＩ制御系を構成している場合における磁束制御器１３の伝達関数ＧΦ（ｓ）は、比例ゲインＫΦ、積分ゲインＫΦｉを用いて、式（２）で表すことができる。
ＧΦ（ｓ）＝ＫΦ＋ＫΦｉ／ｓ …（２）
【００３４】
ここで、ＰＩ制御系における比例ゲインＫΦ、積分ゲインＫΦｉに用いられている定数は、モータ１のインダクタンスや巻線抵抗に依存する固定値部分と、いわゆるゲインに依存する可変値部分とで構成されるので、その可変値部分を本明細書では、磁束制御器１３の応答帯域定数ｗｃと称しており、この応答帯域定数ｗｃも用いて、比例ゲインＫΦは式（３）のように設定され、また、積分ゲインＫΦｉは式（４）のように設定されている。
ＫΦ＝ｗｃ・Ｌｒ／（Ｒｒ・Ｍ）             …（３）
ＫΦｉ＝ｗｃ／Ｍ             …（４）
【００３５】
式（２）、式（３）、式（４）より、磁束制御器１３では、応答帯域定数ｗｃの設定値を増減することにより、比例ゲインＫΦと積分ゲインＫΦｉの増減を行うことができる。つまり、応答帯域定数ｗｃを大きくすると、比例ゲインＫΦと積分ゲインＫΦｉが大きくなり、磁束制御系の応答帯域を広くすることができる。このように、磁束制御器１３の応答帯域定数ｗｃは、磁束制御系の応答帯域の大小を決める定数である。
【００３６】
磁束制御系の応答帯域と励磁電流制限器２３との関係について説明する。前述したように、磁束制御系は、励磁電流制御系をマイナーループとし、狭義の磁束制御系をメジャーループとしたカスケード制御を構成しており、一般的にマイナーループである励磁電流制御系の応答帯域を広げることができれば、磁束制御器１３の応答帯域定数ｗｃを大きくすることができ、磁束制御系の応答帯域を広げることができる。
【００３７】
一方、励磁電流制限器２３は、前述のように磁束制御器１３の出力値を制限する機能を備え、励磁電流制限器２３の出力値を励磁電流指令ｉｄｃｏｍとしている。これは、モータ１に電力供給を行うインバータ回路３の許容最大電流値の制約から設けられたものである。
【００３８】
図２は、図１に示す磁束制御器１３および励磁電流制限器２３を内部に含む磁束制御系の挙動を説明する図であり、図２（ａ１）（ａ２）は応答帯域を広げた場合の動作特性を示し、図２（ｂ１）（ｂ２）は応答帯域を広げない場合の動作特性を示している。
【００３９】
図２（ａ１）（ａ２）について説明する。磁束制御器１３の応答帯域定数ｗｃを大きくし、磁束制御系の応答帯域を広げた場合、図２（ａ１）に示すように、励磁電流指令ｉｄｃｏｍがクランプされている。これは、磁束制御器１３の出力値が励磁電流制限器２３の出力上限値よりも大きい値になり、励磁電流制限器２３により、励磁電流指令ｉｄｃｏｍが制限されていることを示している。このような場合、図２（ａ２）に示すように、磁束指令Φｃｏｍに対し、磁束Φがオーバーシュートし、磁束Φが磁束指令Φｃｏｍに到達する時間が遅くなるという問題が起こる。
【００４０】
図２（ｂ１）（ｂ２）について説明する。磁束制御器１３の応答帯域定数ｗｃを大きくせず、磁束制御系の応答帯域を広げない場合、図２（ｂ１）に示すように、励磁電流指令ｉｄｃｏｍはクランプされていない。これは、磁束制御器１３の出力値が励磁電流制限器２３の出力上限値よりも小さく、励磁電流制限器２３の出力下限値よりも大きい値のため、磁束制御器１３の出力値がそのまま励磁電流指令ｉｄｃｏｍとして使用されていることを示している。このような場合、図２（ｂ２）に示すように、磁束指令Φｃｏｍに対し、磁束Φはオーバーシュートしないが、図２（ａ２）と同様に磁束指令Φｃｏｍに対し磁束Φの追従が遅くなる。
【００４１】
以上から、マイナーループである励磁電流制御系の応答帯域を広げることができたとしても、磁束制御系の内部に励磁電流制限器２３を含む場合、磁束制御系の応答帯域を広げると、磁束指令Φｃｏｍに対し磁束Φがオーバーシュートする。そのため、磁束制御系の応答帯域を広げることが難しく、磁束指令Φｃｏｍに対し磁束Φの追従を速くすることが難しい。
【００４２】
そこで、本実施の形態１では、図１に示すように、磁束遅れ補償器１６ａを設け、磁束制御器１３の応答帯域定数ｗｃを大きくせず、それによって生ずる磁束指令Φｃｏｍに対する磁束Φの追従遅れを、磁束遅れ補償器１６ａにより補正するようにした。
【００４３】
前述のように励磁電流制限器２３は、入力される磁束制御器１３の出力に対し、出力する励磁電流指令ｉｄｃｏｍを制限する機能を備えている。出力上限値をｉｄｍａｘ、出力下限値をｉｄｍｉｎとすると、励磁電流制限器２３から出力される励磁電流指令ｉｄｃｏｍは、式（５）のように表すことができる。
ｉｄｍｉｎ≦ｉｄｃｏｍ≦ｉｄｍａｘ …（５）
【００４４】
次に、磁束遅れ補償器１６ａについて説明する。図３は、図１に示す磁束遅れ補償器の構成例を示すブロック図である。磁束遅れ補償器１６ａは、例えば図３に示すように、加算器２５と、フィルタ２６，２７と、乗算器２８と、出力制限手段である制限器２９とを備えて構成される。
【００４５】
フィルタ２６，２７は、それぞれＦＩＲフィルタやＩＩＲフィルタ等様々なフィルタで構成することが可能である。乗算器２８で用いるゲインは、正の実数をとるものとする。制限器２９は、入力された信号に対し、出力を制限する機能を備えている。例えば、入力された信号が増加する場合は、出力上限値に設定された最大値以下の値を出力し、入力された信号が減少する場合は、出力下限値に設定された最小値以上の値を出力する。
【００４６】
外部からの磁束指令Φｃｏｍは、フィルタ２６，２７にこの順に入力され、それぞれでフィルタリングされた後、乗算器２８にてゲイン倍される。そして、磁束指令値Φｃｏｍと、乗算器２８の出力とを加算器２５に入力して加算し、制限器２９にて加算器２５が出力する加算磁束指令Φ１ｃｏｍのうち制限値以内の磁束指令を取り出し、それを磁束遅れ補償器１６ａが出力する磁束遅れ補正指令Φｈｃｏｍとする。
【００４７】
以上のように構成される磁束遅れ補償器１６ａの動作について説明する。
フィルタ２６の伝達関数を磁束推定部８の伝達関数Ｇｉｄ＿Φ（ｓ）の逆数「１／Ｇｉｄ＿Φ（ｓ））」とし、フィルタ２７の伝達関数を磁束制御器１３の伝達関数ＧΦ（ｓ）の逆数「１／ＧΦ（ｓ）」とし、乗算器２８のゲインを値１と設定すると、フィルタ２６から乗算器２８までの伝達関数Ｇｏ１（ｓ）は、次の式（６）で表される。
Ｇｏ１（ｓ）
＝１／Ｇｉｄ＿Φ（ｓ）×１／ＧΦ（ｓ）×１
＝（１＋ｓ・（Ｌｒ／Ｒｒ））／Ｍ×ｓ／（ＫΦ・ｓ＋ＫΦｉ）×１
＝（１＋ｓ・（Ｌｒ／Ｒｒ））／Ｍ×ｓ／（ｗｃ・Ｌｒ／（Ｒｒ・Ｍ）・ｓ＋ｗｃ／Ｍ）
＝ｓ／ｗｃ    …（６）
【００４８】
加算器２５が出力する加算磁束指令Φ１ｃｏｍは、磁束指令Φｃｏｍと乗算器２８の出力とを加算したものであり、次の式（７）で表される。
Φ１ｃｏｍ＝（１＋Ｇｏ１（ｓ））・Φｃｏｍ
＝（１＋ｓ／ｗｃ）・Φｃｏｍ…（７）
【００４９】
前述のように、制限器２９は、入力される加算磁束指令Φ１ｃｏｍに基づいて、磁束遅れ補正指令Φｈｃｏｍを出力する。制限器２９の出力上限値をΦｈｍａｘ、出力下限値をΦｈｍｉｎとすると、磁束遅れ補正指令Φｈｃｏｍは式（８）で表すことができる。
Φｈｍｉｎ≦Φｈｃｏｍ≦Φｈｍａｘ …（８）
【００５０】
制限器２９の出力上限値Φｈｍａｘを磁束指令Φｃｏｍとすると、制限器２９が出力する磁束遅れ補正指令Φｈｃｏｍは次の式（９）または式（１０）で示される。
Φ１ｃｏｍ＜Φｃｏｍ：Φｈｃｏｍ＝Φ１ｃｏｍ         …（９）
Φ１ｃｏｍ≧Φｃｏｍ：Φｈｃｏｍ＝Φｃｏｍ    …（１０）
【００５１】
すなわち、加算器２５が出力する加算磁束指令Φ１ｃｏｍが磁束指令Φｃｏｍに対し、
Φ１ｃｏｍ＜Φｃｏｍ
の関係にある場合は、制限器２９が出力する磁束遅れ補正指令Φｈｃｏｍは、加算器２５が出力する加算磁束指令Φ１ｃｏｍと同じ値である（式（９））。または、加算器２５が出力する加算磁束指令Φ１ｃｏｍが磁束指令Φｃｏｍに対し、
Φ１ｃｏｍ≧Φｃｏｍ
の関係にある場合は、制限器２９が出力する磁束遅れ補正指令Φｈｃｏｍは、外部入力の磁束指令Φｃｏｍと同じ値である（式（１０））。
【００５２】
また、制限器２９の出力下限値Φｈｍｉｎを磁束下限値Φｍｉｎ（例えば、モータ１を駆動させるのに最低限必要な磁束）とすると、制限器２９が出力する磁束遅れ補正指令Φｈｃｏｍは次の式（１１）または式（１２）で示される。
Φ１ｃｏｍ＞Φｍｉｎ：Φｈｃｏｍ＝Φ１ｃｏｍ            …（１１）
Φ１ｃｏｍ≦Φｍｉｎ：Φｈｃｏｍ＝Φｃｏｍｍｉｎ …（１２）
【００５３】
すなわち、加算器２５が出力する加算磁束指令Φ１ｃｏｍが磁束下限値Φｍｉｎに対して、
Φ１ｃｏｍ＞Φｍｉｎ
に関係にある場合は、制限器２９が出力する磁束遅れ補正指令Φｈｃｏｍは、加算器２５が出力する加算磁束指令Φ１ｃｏｍと同じ値である（（式１１））。または、加算器２５が出力する加算磁束指令Φ１ｃｏｍが磁束下限値Φｍｉｎに対し、
Φ１ｃｏｍ≦Φｍｉｎ
の関係にある場合は、制限器２９が出力する磁束遅れ補正指令Φｈｃｏｍは、磁束下限値Φｍｉｎとなる（（式１２））。
【００５４】
以上より、式（９）、式（１０）、式（１１）、式（１２）から、式（８）は、次式（１３）に置き換えることができる。
Φｍｉｎ≦Φｈｃｏｍ≦Φｃｏｍ     …（１３）
【００５５】
この方法によれば、制限器２９は、非励磁状態から励磁状態に切り替えるようステップ的に磁束指令Φｃｏｍが増加する場合や、負荷がステップ的に増加し、磁束指令Φｃｏｍが増加方向にステップ的に変化する場合でも、磁束遅れ補正指令Φｈｃｏｍが、磁束指令Φｃｏｍを越えないように制限することができる。また、負荷がステップ的に減少し、磁束指令Φｃｏｍが減少方向にステップ的に変化する場合でも、磁束遅れ補正指令Φｈｃｏｍが、磁束下限値Φｍｉｎを下回らないように制限することができる。
【００５６】
磁束遅れ補正指令Φｈｃｏｍは、磁束制御系の応答帯域によって発生する追従遅れ分を磁束指令Φｃｏｍに加算された指令である。磁束指令Φｃｏｍが増加する際に、過渡的な変化が大きい場合、磁束遅れ補正指令Φｈｃｏｍは、磁束指令Φｃｏｍよりも大きな値になり、磁束指令Φｃｏｍに対し磁束Φがオーバーシュートする可能性がある。そこで、加算器２５の出力である加算磁束指令Φ１ｃｏｍを制限器２９に入力することで、磁束遅れ補正指令Φｈｃｏｍが過大な値になることを防ぎ、磁束指令Φｃｏｍに対し磁束Φがオーバーシュートしないようにしている。
【００５７】
なお、フィルタ２６の伝達特性は、磁束推定部８の伝達関数の逆数が示す伝達特性であるとして説明し、フィルタ２７の伝達特性は、磁束制御器１３の伝達関数の逆数が示す伝達特性であるとして説明したが、それぞれの伝達関数の逆数を近似した伝達特性であってもよい。
【００５８】
次に、図４と図５を参照して、磁束遅れ補償器１６ａを設けたことによる効果について説明する。図４は、制御対象となるモータの特性を示す図である。図５は、図３に示す磁束遅れ補償器を設けた場合と設けない場合とでのモータの制御特性を比較して説明する図である。
【００５９】
まず、磁束遅れ補償器１６ａを付加したことによる効果を確認するため、図４を参照して、制御対象となるモータ１の特性について説明する。図４（ａ）では、横軸を回転速度とし、縦軸を出力とした回転速度ー出力特性が示されている。また、図４（ｂ）では、横軸を回転速度とし、縦軸をトルクとした回転速度ートルク特性が示されている。図４（ｃ）では、横軸を回転速度とし、縦軸を磁束とした回転速度ー磁束特性が示されている。図４（ｄ）では、横軸を回転速度とし、縦軸をトルク電流とした回転速度ートルク電流特性が示されている。
【００６０】
図４（ａ）（ｂ）に示すように、誘導モータであるモータ１のベクトル制御では、巻線抵抗やインダクタンス等の誘導モータの電気的定数や、動力源となるキャパシタ４の電圧によって決まる上限電圧に達するまでの回転速度（基底回転速度）ωｂまでは、定トルク駆動領域４０であり、磁束を一定に保ち、トルク一定の駆動が行われる。そして、上限電圧に達する回転速度ωｂに到達すると、以降定出力駆動領域４１となり、上昇させる回転速度に反比例して磁束を低減させる。これによって、トルクも低減し、出力一定の駆動が行われる。
【００６１】
モータ１の特性としては、モータの上限電圧によって決まるモータ基底回転速度ωｂの他に、モータ最高回転速度ωｍａｘ、モータ最大トルクＴｍａｘ、モータ最大出力Ｐｏｕｔ、負荷イナーシャＪｍなどがある。
【００６２】
また、モータ１の運転条件は、以下の通りとする。モータ１は、駆動前は非励磁状態であり、磁束は０である。モータ１は駆動時に非励磁状態から励磁状態となるため、磁束指令Φｃｏｍがほぼステップ状に変化する。そして、摩擦負荷等の負荷トルクは０とする。この状態でモータ１を回転速度０からモータ最高回転速度ωｍａｘまで加速運転する。
【００６３】
さて、図５（ａ）では、横軸を時間とし、縦軸を回転速度ωとし、図４（ａ）に示した定トルク駆動領域４０において、磁束遅れ補償器１６ａを設けた「磁束遅れ補償器あり」の場合における回転速度の立ち上がり特性４２と、磁束遅れ補償器１６ａを設けない「磁束遅れ補償器なし」の場合における回転速度の立ち上がり特性４３とが示されている。図５（ａ）に示すように、磁束遅れ補償器１６ａを設けることにより、モータ駆動開始時の定トルク駆動領域において追従が速くなるので、回転速度が速やかに上昇し、加速特性が向上することが解る。
【００６４】
図５（ｂ）では、横軸を時間とし、縦軸を磁束Φとし、図４（ｂ）に示した定出力駆動領域４１において、磁束遅れ補償器１６ａを設けない場合における磁束（つまり磁束指令Φｃｏｍ）の減少変化特性４４と、磁束遅れ補償器１６ａを設けた場合における磁束（つまり磁束遅れ補正指令Φｈｃｏｍ）の減少変化特性４５とが示されている。
【００６５】
磁束遅れ補償器１６ａは、磁束指令Φｃｏｍに対し、磁束制御器１３のゲインを大きくすることができず、磁束制御系の応答帯域を広くできない場合、磁束Φの追従が遅れることを考慮して、予めフィルタ２６，２７、乗算器２８によって遅れ分を補正して磁束指令Φｃｏｍに加算し、制限器２９を介して、磁束遅れ補正指令Φｈｃｏｍを生成している。このように、予め磁束Φの追従が遅れることを考慮して遅れ分を補正しているため、図５（ｂ）に示すように、磁束遅れ補正指令Φｈｃｏｍは、磁束指令Φｃｏｍが過渡的に大きく変化する際に、磁束指令Φｃｏｍよりも大きく変化する特性を示すことになる。
【００６６】
図５（ｃ）では、磁束遅れ補償器１６ａを設けない場合における推定した磁束Φの追従性を確認するため、横軸を時間、縦軸を磁束とし、磁束指令Φｃｏｍの変化特性４６と、磁束Φの変化特性４７とが示されている。図５（ｃ）に示すように、磁束遅れ補償器１６ａを設けない場合は、定出力駆動領域において推定される磁束Φは、磁束指令Φｃｏｍに対し遅れている。
【００６７】
図５（ｄ）では、磁束遅れ補償器１６ａを設けた場合における推定した磁束Φの追従性を確認するため、横軸を時間、縦軸を磁束とし、磁束指令Φｃｏｍの変化特性４８と、磁束Φの変化特性４９とが示されている。図５（ｄ）に示すように、磁束遅れ補償器１６ａを設けた場合は、定出力駆動領域において推定される磁束Φは、磁束指令Φｃｏｍに対し遅れることなく追従している。
【００６８】
図５から、磁束遅れ補償器１６ａを設けることにより、定トルク駆動領域４０、定出力駆動領域４１ともに磁束指令Φｃｏｍに対する推定された磁束Φの遅れが補正されていることが分かる。定トルク駆動領域４０では、所定のトルクにすみやかに到達し、定出力駆動領域４１では、磁束指令Φｃｏｍの通りに磁束Φを低減できているので、回転速度の上昇がすみやかに行われている。そのため、モータ最高回転速度ωｍａｘまでの加速時間が短縮されていることが分かる。
【００６９】
また、本実施の形態１によるモータ制御装置を適用した工作機械における一定速度での加工時に、負荷変動によるトルク変動があった場合でも、磁束遅れ補償器１６ａの作用により、磁束指令の変化に磁束を速やかに追従させ得るので、工作機械の主軸として、制御性能の向上にも寄与するという効果を奏する。
【００７０】
磁束遅れ補償器１６ａを設けた場合における効果としては、その他、制限器２９の定数を変更して、非励磁状態から励磁状態に切り替わる際の、磁束の立ち上がりを速くすることも可能である。例えば、制限器２９の出力上限値を磁束指令Φｃｏｍよりも大きな値に設定し、磁束遅れ補正指令Φｈｃｏｍを磁束指令Φｃｏｍよりも大きな値を出力できるようにすれば、磁束指令Φｃｏｍに対し磁束Φの追従は速くなり、磁束の立ち上がりも速くすることができる。
【００７１】
なお、図１では、磁束遅れ補償器１６ａが生成した磁束遅れ補正指令Φｈｃｏｍを減算器２０の加算入力端（＋）に入力させる場合を示してあるが、これに限定されるものではない。すなわち、図１において、減算器２０の加算入力端（＋）には従前の通りに外部入力の磁束指令Φｃｏｍを入力させ、磁束遅れ補償器１６ａを構成するフィルタ２６，２７および乗算器２８の構成や定数を下記のように変更して生成した磁束遅れ補正指令Φｈｃｏｍを、磁束制御器１３の出力に加算しそれを励磁電流制限器２３に入力させる。この構成によっても、同様に磁束の遅れを補正することができる。
【００７２】
磁束遅れ補償器１６ａは、磁束指令Φｃｏｍの過渡的な変化に対する磁束Φの遅れを補正することが目的であるから、充分な時間が経過した定常時での補正はゼロである必要がある。しかし、図１に示した構成では、定常時に余分な補正が行われる。
【００７３】
そこで、磁束遅れ補償器１６ａを、磁束指令Φｃｏｍの過渡的な変化時では、或る補正量を示す磁束遅れ補正指令Φｈｃｏｍを生成し、定常時においては補正量ゼロを示す磁束遅れ補正指令Φｈｃｏｍを生成するように構成する。これは、磁束遅れ補償器１６ａを構成するフィルタ２６，２７、乗算器２８の構成や定数を変更すれば実現できる。よって、上記のように、磁束遅れ補償器１６ａが生成した磁束遅れ補正指令Φｈｃｏｍを磁束制御器１３の出力に加算しそれを励磁電流制限器２３に入力させる構成とすることができる。
【００７４】
実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２によるモータ制御装置の要部構成を示すブロック図である。なお、図６では、図１（実施の形態１）に示した構成要素と同一または同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、本実施の形態２に関わる部分を中心に説明する。
【００７５】
図６において、本実施の形態２によるモータ制御装置では、図１（実施の形態１）に示した構成において、磁束遅れ補償器１６ａに代えて磁束遅れ補償器１６ｂが設けられ、また、加算器２４が磁束制御器１３と励磁電流制限器２３との間に設けられている。
【００７６】
磁束遅れ補償器１６ｂは、例えば図７に示す構成により、外部入力の磁束指令Φｃｏｍから、モデル励磁電流指令ｉｄｍｃｏｍとモデル磁束指令Φｍｃｏｍとを生成する。
【００７７】
磁束遅れ補償器１６ｂの一方の出力であるモデル励磁電流指令ｉｄｍｃｏｍは、加算器２４の一方の加算入力端（＋）に入力される。加算器２４の他方の加算入力は磁束制御器１３の出力であり、加算器２４の出力が励磁電流制限器２３に入力される。これによってモデル励磁電流指令ｉｄｍｃｏｍが、励磁電流制限器２３が制限出力する励磁電流指令ｉｄｃｏｍに反映される。すなわち、モデル励磁電流指令ｉｄｍｃｏｍは、請求項３における第２の磁束遅れ補正指令に対応している。
【００７８】
また、磁束遅れ補償器１６ｂの他方の出力であるモデル磁束指令Φｍｃｏｍは、減算器２０のプラス入力端（＋）に、図１に示した磁束遅れ補正指令Φｈｃｏｍに代えて入力されている。したがって、減算器２０の出力（磁束制御器１３の入力）は、モデル磁束指令Φｍｃｏｍと推定した磁束Φとの偏差（磁束偏差）である。したがって、モデル磁束指令Φｍｃｏｍは、請求項３における第１の磁束遅れ補正指令に対応している。
【００７９】
次に、図７は、図６に示す磁束遅れ補償器の構成例を示すブロック図である。磁束遅れ補償器１６ｂは、例えば図７に示すように、減算器３０、モータ１の理想モデル（巻線抵抗やインダクタンス等のモータ定数に誤差やバラツキがないものとみなすことができる）によって構成されるモデル磁束制御器３１、モデル磁束推定部３２により、フィードバック制御系を構成している（以降「モデル磁束制御系」という）。なお、モデル磁束制御系では、マイナーループである励磁電流制御系は、応答帯域が十分に広く、励磁電流制御系の伝達関数を１とみなすことができるものとする。
【００８０】
減算器３０のプラス入力端（＋）には、磁束指令Φｃｏｍが入力され、減算器３０のマイナス入力端（−）には、モデル磁束推定部３２が出力するモデル磁束指令ΦｍｃｏｍがＦＢ（フィードバック信号）として入力される。モデル磁束制御器３１は、減算器３０の出力（磁束偏差）から、磁束遅れ補償器１６ｂの一方の出力であるモデル励磁電流指令ｉｄｍｃｏｍを求める。モデル磁束推定部３２は、モデル磁束制御器３１が出力するモデル励磁電流指令ｉｄｍｃｏｍから、磁束遅れ補償器１６ｂの他方の出力であるモデル磁束指令Φｍｃｏｍを求める。以下、具体的に説明する。
【００８１】
モデル磁束推定部３２の特性を、磁束推定部８と同様の特性とするために、モデル磁束推定部３２の伝達関数Ｇｍｉｄ＿Φ（ｓ）は、式（１４）で与えられるとする。
Ｇｍｉｄ＿Φ（ｓ）＝Ｍ／（１＋ｓ・（Ｌｒ／Ｒｒ））    …（１４）
【００８２】
モデル磁束制御器３１は、モデル磁束制御系の応答帯域を決定する部分であり、磁束制御器１３と同様にＰＩ制御にて構成されている。モデル磁束制御器３１の伝達関数ＧｍΦ（ｓ）は、モデル比例ゲインＫｍΦと、モデル積分ゲインをＫｍΦｉとを用いて、式（１５）のように示される。
ＧｍΦ（ｓ）＝ＫｍΦ＋ＫｍΦｉ／ｓ      …（１５）
【００８３】
ここで、ＰＩ制御におけるモデル比例ゲインＫｍΦ、モデル積分ＫｍΦｉに用いられる定数は、磁束制御器１３の比例ゲインＫΦ、積分ゲインＫΦｉと同様に、モータ１のインダクタンスや巻線抵抗に依存する固定値部分と、ゲインに依存する可変値部分とで構成されるので、その可変部分を本明細書では、モデル磁束制御器３１の応答帯域定数ｗｍｃと称しており、この応答帯域定数ｗｍｃも用いて、モデル比例ゲインＫｍΦは式（１６）のように設定され、モデル積分ゲインＫｍΦｉは式（１７）のように設定される。
ＫｍΦ＝ｗｍｃ・Ｌｒ／（Ｒｒ・Ｍ）    …（１６）
ＫｍΦｉ＝ｗｍｃ／Ｍ        …（１７）
【００８４】
なお、モデル磁束制御器３１の応答帯域定数ｗｍｃは、磁束制御器１３の応答帯域定数ｗｃに対し、例えば式（１８）に示すように設定されている。
ｗｍｃ＝２×ｗｃ      …（１８）
【００８５】
次に、図８を参照して、磁束遅れ補償器１６ｂを設けたことによる効果について説明する。なお、図８は、図７に示す磁束遅れ補償器を設けた場合と設けない場合とでのモータの制御特性を比較して説明する図である。なお、制御対象となるモータ１についての運転条件は、実施の形態１にて説明した通りとする。
【００８６】
図８（ａ）では、横軸を時間とし、縦軸を回転速度とし、図４に示した定トルク駆動領域４０において、磁束遅れ補償器１６ｂを設けた「磁束遅れ補償器あり」の場合における回転速度の立ち上がり特性５０と、磁束遅れ補償器１６ｂを設けない「磁束遅れ補償器なし」の場合における回転速度の立ち上がり特性５１とが示されている。図５（ａ）と同様に、加速特性がよくなることが示されている。
【００８７】
図８（ｂ）では、磁束遅れ補償器１６ｂを設けない場合における磁束Φの追従性を確認するため、横軸を時間、縦軸を磁束とし、磁束指令Φｃｏｍの変化特性５２と、磁束Φの変化特性５３とが示されている。図８（ｂ）に示すように、磁束遅れ補償器１６ｂを設けない場合は、磁束指令Φｃｏｍに対する磁束Φの追従は遅くなっている。
【００８８】
図８（ｃ）は、磁束遅れ補償器１６ｂを設けた場合における磁束Φの追従性を確認するため、横軸を時間、縦軸を磁束とし、磁束指令Φｃｏｍの変化特性５４と、磁束Φの変化特性５５とが示されている。図８（ｃ）に示すように、磁束遅れ補償器１６ｂを設けた場合は、磁束指令Φｃｏｍに対する磁束Φの追従が速くなっている。その結果、図８（ａ）に示すように、定トルク駆動領域では、加速が速くなり、また、定出力駆動領域においても、回転速度の上昇がすみやかに行われている。
【００８９】
図８から、磁束遅れ補償器１６ｂを設けることにより、図４に示した定トルク駆動領域４０、定出力駆動領域４１ともに磁束指令Φｃｏｍに対する推定された磁束Φの遅れが補正されていることが解る。これは、磁束遅れ補償器１６ｂの構成要素であるモデル磁束制御器３１のモデル応答帯域定数ｗｍｃを、式（１８）に示すように、大きくすることができたためであり、その結果、最大回転速度ωｍａｘまでの加速特性も向上していることが分かる。
【００９０】
前記したように、磁束制御系は、磁束制御器１３を内部に含む狭義の磁束制御系をメジャーループとし、励磁電流制御系をマイナーループとしたカスケード制御で構成されている。マイナーループである励磁電流制御系の電流検出遅れや座標変換の遅れ、変換誤差等の影響が大きい場合、磁束制御系の制御安定性を損なうため、磁束制御器１３の応答帯域定数ｗｃを大きくすることができず、磁束制御系の応答帯域を広げることができない場合がある。この場合、磁束指令に対する磁束の追従が遅れるという問題があった。
【００９１】
この問題に対し、本実施の形態２によれば、磁束遅れ補償器１６ｂ内のモデル磁束制御器３１の応答帯域定数ｗｍｃを磁束制御器１３の応答帯域定数ｗｃよりも大きな値に設定してあるので、磁束制御系の制御安定性は磁束制御器１３にて確保し、磁束指令に対する磁束の追従性は、磁束遅れ補償器１６ｂ内のモデル磁束制御器３１にて向上させることができる。
【００９２】
実施の形態３．
図９は、本発明の実施の形態３として、図６に示す磁束遅れ補償器の他の構成例を示すブロック図である。図１０は、図９に示すフィードフォワード補償器の構成例を示すブロック図である。図９に示す磁束遅れ補償器１６ｃは、図６に示す磁束遅れ補償器１６ｂに代えて用いるものであるから、磁束遅れ補償器１６ｃが適用されるモータ制御装置は図６に示すようになっている。
【００９３】
図９に示すように、磁束遅れ補償器１６ｃは、図６に示す磁束遅れ補償器１６ｂにおいて、フィードフォワード補償器３３が、外部入力の磁束指令Φｃｏｍが減算器３０のプラス入力端（＋）に入力する経路に介挿されている。
【００９４】
したがって、減算器３０は、フィードフォワード補償器３３が出力する磁束フィードフォワード指令Φｆｃｏｍと、モデル磁束推定部３２が出力するモデル磁束指令Φｍｃｏｍとの偏差（磁束偏差）をモデル磁束制御器３１に出力することになる。
【００９５】
磁束遅れ補償器１６ｃの出力は、磁束遅れ補償器１６ｂと同じに、モデル励磁電流指令ｉｄｍｃｏｍとモデル磁束指令Φｍｃｏｍとの２つである。それらは、磁束遅れ補償器１６ｂの出力と同じに、加算器２４および減算器２０に入力されるが、フィードフォワード補償器３３が設けられているので、その出力内容は、磁束遅れ補償器１６ｂとは異なったものになっている。
【００９６】
次に、フィードフォワード補償器３３について説明する。フィードフォワード補償器３３は、例えば図１０に示すように、フィルタ３４，３５、乗算器３６、加算器３７および制限器３８を備えて構成される。なお、フィルタ３４，３５はＦＩＲフィルタやＩＩＲフィルタ様々なフィルタで構成することが可能である。また、乗算器３６で用いるゲインは正の実数をとるものとする。制限器３８は、実施の形態１で説明した制限器２９と同様の機能を備え、入力された信号に対し、出力を制限する機能を備えている。例えば、入力された信号が増加する場合は、出力上限値に設定された最大値以下の値を出力し、入力された信号が減少する場合は、出力下限値に設定された最小値以上の値を出力する。
【００９７】
図１０において、外部入力の磁束指令Φｃｏｍは、フィルタ３４，３５にこの順に入力され、それぞれでフィルタリングされた後、乗算器３６にてゲイン倍される。そして、磁束指令Φｃｏｍと乗算器３６の出力とを加算器３７に入力して加算し、制限器３８にて加算器３７が出力する加算磁束指令Φ２ｃｏｍのうち制限値以内の磁束指令を取り出し、それをフィードフォワード補償器３３が出力する磁束フィードフォワード指令Φｆｃｏｍとする。
【００９８】
以上のように構成される磁束遅れ補償器１６ａの動作について説明する。
フィルタ３４の伝達関数をモデル磁束推定部３２の伝達関数Ｇｍｉｄ＿Φ（ｓ）の逆数「１／Ｇｍｉｄ＿Φ（ｓ）」とし、フィルタ３５の伝達関数をモデル磁束制御器３１の伝達関数ＧｍΦ（ｓ）の逆数「１／ＧｍΦ（ｓ）」とし、乗算器３６のゲインを値１とすると、フィルタ３４から乗算器３６までの伝達関数Ｇｏ２（ｓ）は式（１９）で表される。
Ｇｏ２（ｓ）
＝１／Ｇｍｉｄ＿Φ（ｓ）×１／ＧｍΦ（ｓ）×１
＝（１＋ｓ・（Ｌｒ／Ｒｒ））／Ｍ×ｓ／（ＫΦ・ｓ＋ＫΦｉ）×１
＝（１＋ｓ・（Ｌｒ／Ｒｒ））／Ｍ×ｓ／（ｗｍｃ・Ｌｒ／（Ｒｒ・Ｍ）・ｓ＋ｗｍｃ／Ｍ）
＝ｓ／ｗｍｃ        …（１９）
【００９９】
加算器３７が出力する加算磁束指令Φ２ｃｏｍは、磁束指令値Φｃｏｍと乗算器３６の出力とを加算したものであり、式（２０）で表される。
Φ２ｃｏｍ＝（１＋Ｇｏ２（ｓ））・Φｃｏｍ
＝（１＋ｓ／ｗｍｃ）・Φｃｏｍ      …（２０）
【０１００】
前述のように、制限器３８は、入力される加算磁束指令Φ２ｃｏｍに基づいて、磁束フィードフォワード指令Φｆｃｏｍを出力する。出力上限値をΦｆｍａｘ、出力下限値をΦｆｍｉｎとすると、磁束フィードフォワード指令Φｆｃｏｍは式（２１）で表すことができる。
Φｆｍｉｎ≦Φｆｃｏｍ≦Φｆｍａｘ …（２１）
【０１０１】
制限器３８の出力上限値Φｆｍａｘを磁束指令Φｃｏｍとすると、制限器３８が出力する磁束フィードフォワード指令Φｈｃｏｍは、次の式（２２）または式（２３）で示される。
Φ２ｃｏｍ＜Φｃｏｍ：Φｆｃｏｍ＝Φ２ｃｏｍ    …（２２）
Φ２ｃｏｍ≧Φｃｏｍ：Φｆｃｏｍ＝Φｃｏｍ      …（２３）
【０１０２】
すなわち、加算器３７が出力する加算磁束指令Φ２ｃｏｍが磁束指令Φｃｏｍに対し、
Φ２ｃｏｍ＜Φｃｏｍ
の関係にある場合は、制限器３８が出力する磁束フィードフォワード指令Φｆｃｏｍは、加算器３７が出力する加算磁束指令Φ２ｃｏｍと同じ値である（式（２２））。また、加算器３７が出力する加算磁束指令Φ２ｃｏｍが磁束指令Φｃｏｍに対し、
Φ２ｃｏｍ≧Φｃｏｍ
の関係にある場合は、制限器３８が出力する磁束フィードフォワード指令Φｆｃｏｍは、外部入力の磁束指令Φｃｏｍと同じ値である（式（２３））。
【０１０３】
また、制限器３８の出力最小値Φｈｍｉｎを磁束下限値Φｍｉｎとすると、制限器３７が出力する磁束フィードフォワード指令Φｆｃｏｍは次の式（２４）または式（２５）で示される。
Φ２ｃｏｍ＞Φｍｉｎ：Φｆｃｏｍ＝Φ２ｃｏｍ            …（２４）
Φ２ｃｏｍ≦Φｍｉｎ：Φｆｃｏｍ＝Φｃｏｍ        …（２５）
【０１０４】
すなわち、加算器３７が出力する加算磁束指令Φ２ｃｏｍが磁束下限値Φｃｏｍｍｉｎに対し、
Φ２ｃｏｍ＞Φｍｉｎ
の関係にある場合は、制限器３８が出力する磁束フィードフォワード指令Φｈｃｏｍは、加算器３７が出力する加算磁束指令Φ２ｃｏｍと同じ値である（式（２４））。または、加算器３７が出力する加算磁束指令Φ２ｃｏｍが磁束下限値Φｍｉｎに対し、
Φ２ｃｏｍ≦Φｍｉｎ
の関係にある場合は、制限器３８が出力する磁束フィードフォワード指令Φｆｃｏｍは、磁束下限値Φｍｉｎとなる（式（２５））。
【０１０５】
以上より、式（２２）、式（２３）、式（２４）、式（２５）から、式（２１）は次の式（２６）に置き換えることができる。
Φｍｉｎ≦Φｆｃｏｍ≦Φｃｏｍ     …（２６）
【０１０６】
この方法によれば、制限器３８は、非励磁状態から励磁状態に切り替えるようステップ的に磁束指令Φｃｏｍが増加する場合や、負荷がステップ的に増加し、磁束指令Φｃｏｍが増加方向にステップ的に変化するでも、磁束フィードフォワード指令Φｆｃｏｍが、磁束指令Φｃｏｍを越えないように制限することができる。また、負荷がステップ的に減少し、磁束指令Φが減少方向にステップ的に変化する場合でも、磁束フィードフォワード指令Φｆｃｏｍが、磁束下限値Φｍｉｎを下回らないように制限することができる。
【０１０７】
磁束フィードフォワード指令Φｆｃｏｍは、モデル磁束制御器３１の応答帯域定数ｗｍｃによって決定される磁束遅れ補償器１６ｃ内部に構成されるモデル磁束制御系の応答帯域によって発生する追従遅れ分を磁束指令Φｃｏｍに加算された指令である。磁束指令Φｃｏｍが増加する際に、過渡的な変化が大きい場合、磁束フィードフォワード指令Φｆｃｏｍは、磁束指令Φｃｏｍよりも大きな値になり、磁束指令Φｃｏｍに対し磁束Φがオーバーシュートする可能性がある。そこで、加算器３７の出力である加算磁束指令Φ２ｃｏｍを制限器３８に入力することで、磁束フィードフォワード指令Φｆｃｏｍが過大な値になることを防ぎ、磁束指令Φｃｏｍに対し磁束Φがオーバーシュートしないようにしている。
【０１０８】
なお、フィルタ３４は、モデル磁束推定部３２の伝達関数の逆数が示す伝達特性であるとして説明し、フィルタ３５の伝達特性は、モデル磁束制御器３１の伝達関数の逆数が示す伝達特性であるとして説明したが、それぞれの伝達関数の逆数を近似した伝達特性であってもよい。
【０１０９】
次に、図１１を参照して、磁束遅れ補償器１６ｃを設けたことによる効果について説明する。なお、図１１は、図９に示す磁束遅れ補償器を設けた場合と図７に示す磁束遅れ補償器を設けた場合とでのモータの制御特性を比較して説明する図である。なお、制御対象となるモータ１についての運転条件は、実施の形態１にて説明した通りとする。
【０１１０】
図１１（ａ）では、横軸を時間とし、縦軸を回転速度とし、図３に示した定トルク駆動領域４０において、フィードフォワード補償器ありの場合（つまり、磁束遅れ補償器１６ｃを設けた場合）における回転速度の立ち上がり特性５６と、フィードフォワード補償器無しの場合（つまり、磁束遅れ補償器１６ｂを設けた場合）における回転速度の立ち上がり特性５７とが示されている。
【０１１１】
図１１（ｂ）では、フィードフォワード補償器無しの場合（つまり、磁束遅れ補償器１６ｂを設けた場合における磁束Φの追従の速さを確認するため、横軸を時間、縦軸を磁束とし、磁束指令Φｃｏｍの変化特性５８と、磁束Φの変化特性５９とが示されている。
【０１１２】
図１１（ｃ）は、フィードフォワード補償器ありの場合（つまり、磁束遅れ補償器１６ｃを設けた場合）における磁束Φの追従の速さを確認するため、横軸を時間、縦軸を磁束とし、磁束指令Φｃｏｍの変化特性６０と、磁束Φの変化特性６１とが示されている。
【０１１３】
図１１から、磁束遅れ補償器１６ｂにフィードフォワード補償器３３を付加した磁束遅れ補償器１６ｃを設けることにより、（イ）磁束指令Φｃｏｍに対する磁束Φの立ち上がりが速やかに行われていること、（ロ）図３に示した定出力駆動領域４１においても、磁束指令Φｃｏｍに対し、磁束Φが追従しているため、回転速度の上昇がすみやかに行われており、加速特性が向上していること、が理解できる。
【０１１４】
要するに、図８と図１１との比較から、磁束指令Φｃｏｍに対する磁束Φの追従性は、磁束遅れ補償器１６ｂを設けた実施の形態２（図８）よりも、磁束遅れ補償器１６ｃを設けた実施の形態３（図１１）の方が、向上していることが解る。
【０１１５】
以上のように、実施の形態１〜３によれば、磁束指令に対する磁束の遅れを補正できるので、磁束の追従性が向上し、加速・減速や負荷トルク変動を含む広い動作領域において所定のトルクを出力させることができる。その結果、モータの加速性能および制御性能の向上を図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１６】
以上のように、本発明にかかるモータ制御装置は、加速・減速や負荷トルク変動を含む広い動作領域で、磁束指令に対する磁束の追従遅れを補正し、誘導モータに所定のトルクを出力させ得るので、誘導モータの加速性能および制御性能の向上が図れるモータ制御装置として有用であり、特に、工作機械の主軸や車両等で用いられる誘導モータを駆動するモータ制御装置に適している。
【符号の説明】
【０１１７】
１  モータ（誘導モータ）
２  速度検出器
３  インバータ回路
４  キャパシタ
５  電流検出部
６  座標変換器（ＵＶ−ｄｑ）
７  座標変換器（ｄｑ−ＵＶＷ）
８  磁束推定部
９  すべり速度算出部
１０  励磁電流制御器
１１  トルク電流制御器
１２  ベース信号生成部
１３  磁束制御器
１４  速度制御器
１５  積分器
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ  磁束遅れ補償器
１７，１８，２０，２１，３０  減算器
１９，２４，２５，３７  加算器
２２  トルク電流制限器
２３  励磁電流制限器
２６，２７，３４，３５  フィルタ
２８，３６  乗算器
２９，３８  制限器
３１  モデル磁束制御器
３２  モデル磁束推定部
３３  フィードフォワード補償器
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
0005713850.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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