(57)【要約】【課題】  従来のベクトル制御の適用が困難なモータ駆動領域においても高性能なトルク（電流）制御を実現する手法として、モータの数式モデルに基づき電圧位相を高速に変化する手法が提案されているが、上記した技術は、定常時における数式モデルに基づいた手法であるため、その電流（トルク）応答は制限を受ける。また、定常時においても選択されるスイッチングベクトルの最適性は補償されていない。【解決手段】  モータの回転動作を制御する制御系と、前記モータを流れる電流、ロータ磁極位置および回転速度情報を基に、前記モータの回転動作を高性能に制御するために必要なトルク（電流）指令値に対して、過渡状態を考慮したモータモデルに基づき計算された未来のトルク（電流）挙動の誤差が最小化されるスイッチングベクトルを最適化問題の解として選択し、当該スイッチングベクトルを前記制御系にインプットすることにより問題となる速度域においても高応答トルク（電流）制御を実現した。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータを使用した三相交流駆動モータの回転動作制御系において、すべてのスイッチングモードの時系列を導出する第１ステップと、該モータに流れる電流、ロータ磁極位置および回転速度の情報を基に、第１ステップで導出された各時系列に対する未来の電流を導出する第２ステップと、第２ステップで導出された未来の電流値から最適スイッチングベクトルを導出する第３ステップと、第３ステップで導出されたスイッチングベクトルを回転動作制御系に導入する第４ステップとで構成されることを特徴とするモータのトルク制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載のモータが永久磁石同期モータであることを特徴とする請求項１に記載のモータのトルク制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は家庭用電化製品中に含まれる、又は産業用として広く用いられるモータのトルク(電流)制御技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石の性能向上や価格の低下に伴い高効率運転が可能な永久磁石同期モータの需要が高速駆動用途にたいしても高まっているが、従来のように電流誤差を基に生成した電圧指令値と三角波キャリアを比較しスイッチングベクトルを決定する三角波比較PWM方式では、原理的にキャリア周波数と駆動周波数が近接するような場合、所望の制御性能の実現は困難である。
【０００３】
さらに、リンク電圧から決まる出力電圧上限値に対して速度起電力が大きくなるに従い、電圧余裕は小さくなるため電流過渡応答時に電圧飽和が発生しやすくなるが、従来の三角波比較PWM方式では上記特性を考慮し制御系が設計されていないため、適切なスイッチングができず制御性能の劣化を招くばかりでなく最悪の場合、制御不能に陥ることもある。これらの問題は，制御系設計の際にインバータの特性（電圧上限など）を考慮していない点にある．
【０００４】
上記記載の問題点解決方法としては、例えば下記非特許文献１がある。ここでは、上記問題が発生する駆動領域においても、モータの数式モデルに基づき電圧位相を高速に変化することで高い電流（トルク）制御性能を実現している。
【０００５】
【非特許文献１】中沢、戸田、安岡：「電圧固定モードでの誘導電動機ベクトル制御」、電気学会論文誌、Vol.118-D No.9, 1998
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし，上述の非特許文献は定常時における数式モデルに基づいた手法であるため、その電流（トルク）応答は制限を受ける。また、定常時においても選択されるスイッチングベクトルの最適性は補償されていない。
【０００７】
そこで，本発明の目的は、インバータの特性や過渡状態を考慮し、なおかつスイッチングベクトルの選択において最適性を補償した新たな電流（トルク）制御法の実現である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係わるモータの電流（トルク）制御方法は、インバータを使用した三相交流駆動モータの回転動作制御系において、すべてのスイッチングモードの時系列を導出する第１ステップと、該モータに流れる電流、ロータ磁極位置および回転速度の情報を基に、第１ステップで導出された各時系列に対する未来の電流を導出する第２ステップと、第２ステップで導出された未来の電流値から最適スイッチングベクトルを導出する第３ステップと、第３ステップで導出されたスイッチングベクトルを回転動作制御系に導入する第４ステップとで構成されることを特徴とするモータのトルク制御方法である。更に、前記モータが永久磁石同期モータであることを特徴とするモータのトルク制御方法である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば，従来手法では実現が困難な駆動領域における電流（トルク）制御を、インバータの特性や過渡応答を考慮した最適制御として実現可能であるため、従来に比して高い電流（トルク）制御性能が期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１にモータ駆動システムの概要図を示す。モータはインバータ部分の計６個のスイッチのオン，オフにより制御され，上下スイッチの片方がオンすると他方はオフする．したがってスイッチングモードは８通りとなる。
【００１１】
先ずステップ１について説明する。本方法では，モータの数式モデルを利用し，未来の電流(トルク)挙動を考慮し最適なスイッチングベクトルを選択する。数式1はｄ−ｑ座標連続系におけるモータの数式モデルを示している。
【００１２】
【数１】
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【００１３】
数式1において，id，iqは，それぞれd軸電流，q軸電流である。Raは電機子巻線抵抗， LdおよびLqはd軸およびq軸インダクタンス， vdおよびvqはd軸およびq軸電圧を表し，ωreおよびφはそれぞれモータ回転角周波数および鎖交磁束数を表す。
Tsをサンプリング時間とし数式２を用いて数式１を離散化すると数式３が得られる。
【数２】
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【数３】
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【００１４】
なお
n=0,1,..,7であり入力電圧ベクトルvndq(t)は第nベクトルを意味する。
次に第２ステップについて説明する。数式３において，ある入力電圧ベクトルを与えると１ステップ未来の電流挙動が求まる．この操作をもう一度繰り返すと数式４に示すように２ステップ未来の電流挙動が求まる。
【数４】
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【００１５】
したがって，あらかじめ予測ステップ数を決めておけば，上記繰返し計算によりあらゆる入力系列に対する電流挙動が導出可能である．そこで，次に得られた電流挙動と所望の電流指令が最も近い入力系列を数式５に示す評価関数を用いて一意に決定する。
【数５】
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【００１６】
数式５はｄ軸およびｑ軸電流の指令値との誤差（Δidq）の二乗和を予測毎に計算し加算する。この評価関数を用いることで，電流誤差を最小化可能なスイッチングが実現される（第３ステップ）。
モデル予測制御を用いた電流制御系を含んだモータ駆動システムのブロック図を図２に示す（第４ステップ）。なお，図２において右肩に“*”を含む文字（ωre*とidq*）は指令値を表している。
【実施例１】
【００１７】
図３に本実施例に用いた装置を示す．今後自動車や鉄道の主機あるいはエアコンのコンプレッサを初め様々な分野での使用が期待される埋込磁石同期モータ(IPMSM :Interior Permanent Magnet Synchronous Motor )を制御対象とした。また，モータのフレームは防振ゴムにより支持され，負荷側のフレームはボルトを用いてベースに固定されている。ここで，ロータ位置の検出を行うためにロータリーエンコーダを使用した。
【００１８】
ここでは、埋込磁石同期モータ(IPMSM )を，1500[rpm]，0.02[Nm]でモデル予測制御を用いて一定駆動させた場合に，負荷をステップ状に3.5[Nm]まで変化した際のｄ軸およびｑ軸電流応答の結果を図４(a)に示す。なお，参考までに図４(ｂ)にシミュレーション結果についても示す。
【００１９】
図４(a)から，急な負荷変動に対しても，インバータの性質を考慮し，スイッチングするため脱調することなく指令値に実電流が追従している。 
【００２０】
また、図４(a)および図４(b)から，シミュレーションと実験結果ではd軸およびq軸電流の脈動成分の振幅値に違いが見られるものの，概ね一致しているとはいえ、この脈動の原因としては，デットタイムの影響や磁気飽和によるインダクタンス変化および空間高調波におけるモデル化誤差などが考えられる。
【００２１】
本手法は，モータの数式モデルに基づきスイッチングモードを決定する。したがって上記のモデル化誤差は直接制御性能の劣化につながるが，今後のさらなる研究によりモータの特性をより正確にモデル化できるようになれば，それにともない本手法の制御性能は格段に上昇する。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明によれば、永久磁石同期モータの電流（トルク）応答の向上を始め、制約条件あるいは評価関数の工夫によるスイッチング周波数低減がもたらすスイッチング素子に対する冷却装置の小型化や損失低減による効率上昇など、産業の発展に資すること極めて大である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】モータ駆動システムを示す概要図である。
【図２】本発明の制御系を示す構成図である。
【図３】本実施例に用いた実験装置である。
【図４】本発明による実験結果（ａ）およびシミュレーション結果（ｂ）である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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