(57)【要約】【課題】電流応答における振動成分を抑制して電流応答性を向上させた同期電動機の制御装置を提供する。【解決手段】トルク指令値Ｔ＊および回転速度ωから求めたｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値に基づいて、電動機の定常状態における電圧方程式〔（数５）式〕によって演算される電圧のうち、電機子巻線抵抗Ｒによる電圧はＰＩ制御部２によって補正値として算出し、それ以外の電圧をｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値とし〔（数６）式〕、フィルタ部２を用いて、前記ｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値の変化速度を緩和し、その緩和された後の前記ｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値を前記補正値によって補正するように構成した同期電動機の制御装置。電圧指令値の変化速度をローパスフィルタによって緩和するため、電流応答から振動成分を除去することができ、電流応答性を向上できる。【選択図】　　　　図１
2004072856.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トルク指令値に基づいてｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値を算出する電圧指令値算出手段と、
該電圧指令値算出手段によって算出されたｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値を入力し、入力されたｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値の変化速度をそれぞれ緩和して出力するローパスフィルタと、
該ローパスフィルタから出力された、変化速度が緩和されたｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値に基づいて、電動機の各相毎の電圧を制御する電圧制御手段と、
を備えたことを特徴とする同期電動機の制御装置。
【請求項２】
トルク指令値に基づいてｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値を算出する電流指令値算出手段と、
電動機の各相に流れる電流を検出して、ｄ軸およびｑ軸の実電流値を検出する実電流検出手段と、
前記電流指令値算出手段によって算出されたｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値と、前記実電流検出手段によって検出されたｄ軸およびｑ軸の実電流値とに基づいて、前記ローパスフィルタから出力されるｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値の補正値を算出する補正値算出手段と、
該補正値算出手段によって算出された補正値に基づいて前記ローパスフィルタから出力されたｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値を補正する補正手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の同期電動機の制御装置。
【請求項３】
トルク指令値と電動機の回転速度とに基づいてｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値を求める電流マップと、
前記電流マップからのｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値に基づいてｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値を算出する電圧指令値演算部と、
前記電圧指令値演算部によって算出されたｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値を入力し、入力されたｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値の変化速度をそれぞれ緩和して出力するローパスフィルタと、
電動機の各相に流れる電流を検出して、ｄ軸およびｑ軸の実電流値を検出する実電流検出手段と、
前記電流マップによって求められたｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値と、前記実電流検出手段によって検出されたｄ軸およびｑ軸の実電流値とに基づいて、比例積分制御を用いて前記ローパスフィルタから出力されるｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値の補正値を算出する補正値算出手段と、
前記補正値算出手段によって算出された補正値に基づいて前記ローパスフィルタから出力されたｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値を補正する補正手段と、前記補正後のｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値に基づいて、電動機の各相毎の電圧を制御する電圧制御手段と、
を備えたことを特徴とする同期電動機の制御装置。
【請求項４】
トルク指令値と電動機の回転速度とに基づいてｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値を求める電流マップと、
前記トルク指令値と前記電動機の回転速度とに基づいてｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値を求める電圧マップと、
前記電圧マップによって求められたｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値を入力し、入力されたｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値の変化速度をそれぞれ緩和して出力するローパスフィルタと、
電動機の各相に流れる電流を検出して、ｄ軸およびｑ軸の実電流値を検出する実電流検出手段と、
前記電流マップによって求められたｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値と、前記実電流検出手段によって検出されたｄ軸およびｑ軸の実電流値とに基づいて、比例積分制御を用いて前記ローパスフィルタから出力されるｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値の補正値を算出する補正値算出手段と、
前記補正値算出手段によって算出された補正値に基づいて前記ローパスフィルタから出力されたｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値を補正する補正手段と、前記補正後のｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値に基づいて、電動機の各相毎の電圧を制御する電圧制御手段と、
を備えたことを特徴とする同期電動機の制御装置。
【請求項５】
前記ローパスフィルタは、その特性ｇｆｌｔ（ｓ）が
ｇｆｌｔ（ｓ）＝α／（ｓ＋α）
で表され、
前記補正値算出手段は、そのｄ軸特性ｇｐｉｄ（ｓ）とｑ軸特性ｇｐｉｑ（ｓ）が
ｇｐｉｄ（ｓ）＝（Ｋｐｄｓ＋Ｋｉｄ）／ｓ
ｇｐｉｑ（ｓ）＝（Ｋｐｑｓ＋Ｋｉｑ）／ｓ
で表されることを特徴とする請求項２乃至請求項４の何れかに記載の同期電動機の制御装置。
ただし、
Ｋｐｄ＝αＬｄｃ、Ｋｐｑ＝αＬｑｃ、Ｋｉｄ＝αＲ、Ｋｉｑ＝αＲ
ｓ：ラプラス演算子
α：ローパスフィルタのカットオフ周波数
Ｌｄｃ、Ｌｑｃ：電動機のインダクタンス
Ｒ：電動機の電機子巻線抵抗
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は同期電動機の制御装置に関し、例えば回転子に永久磁石を備えた三相同期電動機における制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電動機制御装置としては、例えば特開２０００−２２４８８３号公報に記載されているものがある。この従来例ではトルク指令値を満足するｄ軸電流およびｑ軸電流を発生するためのｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値を算出し、ｄ軸およびｑ軸の実電流とｄ軸およびｑ軸の電流指令値との差から上記電圧指令値をＰＩ（比例積分）制御で補正する構成が記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来例においては、電流応答に電動機固有の電気的な振動成分が現れるので、とくにトルク指令値がステップ状に近づくほど振動成分が大きくなり、電流が振動して電流応答が悪いという問題があった。
【０００４】
本発明は上記のごとき従来技術の問題を解決するためになされたものであり、電流応答における振動成分を抑制して電流応答性を向上させた同期電動機の制御装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、トルク指令値に基づいてｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値を算出する電圧指令値算出手段と、算出されたｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値を入力し、それらの変化速度をそれぞれ緩和して出力するローパスフィルタと、該ローパスフィルタから出力された、変化速度が緩和されたｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値に基づいて、電動機の各相毎の電圧を制御する電圧制御手段とを備えている。つまり、本発明においては、電圧指令値の変化速度をローパスフィルタによって緩和することにより、電流応答から振動成分を除去するように構成している。
【０００６】
【発明の効果】
本発明によれば、電圧指令値の変化速度をローパスフィルタによって緩和するため、電流応答から振動成分を除去することができ、電流応答性を向上させることができる、という効果が得られる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施例を示すブロック図である。
この実施例においては、トルク指令値Ｔ＊および回転速度ω（電気角速度）から求めたｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値に基づいて、電動機の定常状態における電圧方程式〔後記（数５）式〕によって演算される電圧のうち、電機子巻線抵抗Ｒによる電圧はＰＩ制御部２によって補正値として算出し、それ以外の電圧をｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値とし〔後記（数６）式〕、フィルタ部１を用いて、前記ｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値の変化速度を緩和し、その緩和された後の前記ｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値を前記補正値によって補正するように構成している。
【０００８】
図１において、フィルタ部１は例えば１次遅れのローパスフィルタで構成し、その特性ｇｆｌｔ（ｓ）は、下記（数１）式で示される。
【０００９】
【数１】
2004072856.tif 000003
ただし、ｓ：ラプラス演算子
α：ローパスフィルタのカットオフ周波数
また、ＰＩ制御部２（補正値算出手段）におけるＰＩゲインのｄ軸特性ｇｐｉｄ（ｓ）は下記（数２）式で、ｑ軸特性ｇｐｉｑ（ｓ）は下記（数３）式で示される。
【００１０】
【数２】
2004072856.tif 000004
【００１１】
【数３】
2004072856.tif 000005
ただし、（数２）式、（数３）式において、比例係数Ｋｐｄ、Ｋｐｑ、積分係数Ｋｉｄ、Ｋｉｑは下記（数４）式で示されるように、電動機のインダクタンスとローパスフィルタのカットオフ周波数αとで関連付けしている。
【００１２】
【数４】
2004072856.tif 000006
ただし、ｓ：ラプラス演算子
α：ローパスフィルタのカットオフ周波数
Ｌｄｃ、Ｌｑｃ：電動機のインダクタンス（測定値又は推定値）
Ｒ：電動機の電機子巻線抵抗
指令値決定部３では、まず、外部から入力されたトルク指令値Ｔ＊および現在の回転速度ωを指標として、電流マップ３０１（電流指令値算出手段）を用いてマップ引きによりｄ軸電流指令値ｉｄ＊およびｑ軸電流指令値ｉｑ＊を求める。そして電圧指令値演算部３０２（電圧指令値算出手段）では入力されたｄ軸電流指令値ｉｄ＊およびｑ軸電流ｉｑ＊から、下記（数６）式によってｄ軸電圧指令値ｖｄ’およびｑ軸電圧指令値ｖｑ’を演算して出力する。
電動機の定常状態における電圧方程式は、下記（数５）式によって演算されるが、本実施例においては、（数６）式を用いている。（数５）式と（数６）式を比較すれば判るように、（数６）式においては、電動機の電機子巻線抵抗Ｒに相当する項が抜けている。したがって（数６）式で演算されるｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値は電機子巻線抵抗Ｒによる電圧以外の成分であり、電機子巻線抵抗Ｒによる電圧はＰＩ制御部２によるフィードバックループによって補正させるように構成している。
【００１３】
【数５】
2004072856.tif 000007
【００１４】
【数６】
2004072856.tif 000008
ただし、ω：電気角速度
φ：磁石による巻線鎖交磁束数
Ｌｄｃ、Ｌｑｃ：制御に用いる電動機のインダクタンス値（測定値又は推定値）
フィルタ部１では、指令値決定部３から出力された（数６）式によるｄ軸電圧指令値ｖｄ’およびｑ軸電圧指令値ｖｑ’を（数１）式のフィルタを通すことにより、下記（数７）式、（数８）式に示すｑ軸電圧指令値ｖｄ１、ｑ軸電圧指令値ｖｑ１として出力する。
【００１５】
【数７】
2004072856.tif 000009
【００１６】
【数８】
2004072856.tif 000010
一方、座標変換器１０は、電流検出器７で検出した二相の電流ｉｕ、ｉｖから求めた三相の検出電流（実電流）ｉｕ、ｉｖ、ｉｗと、位置検出器９で検出した検出位置（回転子の回転位相）とに基づいて、ｄ軸電流（磁束電流）ｉｄとｑ軸電流（トルク電流）ｉｑを求める。
【００１７】
ＰＩ制御部２では、指令値決定部３の電流マップ３０１から出力されたｄ軸電流指令値ｉｄ＊およびｑ軸電流指令値ｉｑ＊と、座標変換器１０から送られたｄ軸電流ｉｄとｑ軸電流ｉｑとの差分を増幅し、下記（数９）式、（数１０）式に示す電圧補正値（ｖｄ２、ｖｑ２）を生成する。
【００１８】
【数９】
2004072856.tif 000011
【００１９】
【数１０】
2004072856.tif 000012
ただし、Ｋｐｄ、Ｋｐｑ：比例係数
Ｋｉｄ、Ｋｉｑ：積分係数
上記のようにして求められたフィルタ処理後の電圧指令値（ｖｄ１、ｖｑ１）は電圧補正値（ｖｄ２、ｖｑ２）との和を求めることによって補正を行い、補正後の電圧指令値（ｖｄ、ｖｑ）として座標変換器４へ送られる。そして座標変換器４で三相交流ｖｕ、ｖｖ、ｖｗに変換され、ＰＷＭ変換器５でＰＷＭ信号に変換される。そのＰＷＭ信号でインバータ６を制御することにより、三相の交流電力を作り、それによって電動機８を駆動する。
【００２０】
次に、作用を説明する。
座標変換器４に入力するｄ軸電圧ｖｄおよびｑ軸電圧ｖｑは、下記（数１１）式、（数１２）式に示すようになる。
【００２１】
【数１１】
2004072856.tif 000013
【００２２】
【数１２】
2004072856.tif 000014
上記（数１１）式、（数１２）の右辺第１項は、ＰＩ制御部２による電圧補正値（ｖｄ２、ｖｑ２）であり、右辺第２項はフィルタ処理後の電圧指令値（ｖｄ１、ｖｑ１）である。
また、過渡応答を含んだ電動機の電圧方程式は下記（数１３）式に示すようになる。
【００２３】
【数１３】
2004072856.tif 000015
ただし、ω：回転速度（電気角速度）
φ：磁石による巻線鎖交磁束数
Ｒ：電動機の電機子巻線抵抗
Ｌｄｍ、Ｌｑｍ：電動機の実際のインダクタンス値
ｄ軸電流ｉｄとｑ軸電流ｉｑが前記（数１）式の応答特性を持つとすると、パラメータ誤差が無い場合は、回転速度ωの変化が電流の変化に比べて充分に遅いとすると、（数１１）式の右辺第２項と、（数１２）式の右辺第２項は、誘起電圧分に相当するので、ＰＩフィードバックループからみた電動機の電圧方程式は下記（数１４）式に示すようになる。
【００２４】
【数１４】
2004072856.tif 000016
（数１４）式の左辺電圧項に（数９）式、（数１０）式を代入し、電流応答について整理すると、下記（数１５）式、（数１６）式に示すようになる。
【００２５】
【数１５】
2004072856.tif 000017
【００２６】
【数１６】
2004072856.tif 000018
これを解くと、ＰＩ制御部２におけるＰＩゲインを前記（数４）式のように設計することによって、電流は（数１）式の応答特性が得られることになる。
【００２７】
ここで、電圧指令値演算部３０２で出力するｄ軸電圧指令値ｖｄ’およびｑ軸電圧指令値ｖｑ’を、電機機巻線抵抗Ｒによる電圧を除いた（数６）式で算出する理由について説明する。
仮に、電圧指令値演算部３０２で出力するｄ軸電圧指令値ｖｄ’およびｑ軸電圧指令値ｖｑ’を、（数６）式に代えて電機子巻線抵抗Ｒによる電圧も含めた下記（数１７）式で演算した場合、パラメータ誤差が無く、回転速度の変化が電流に比べて充分に遅いとすると、ＰＩフィードバックループから見た電動機の電圧方程式は下記（数１８）式に示すようになる。
【００２８】
【数１７】
2004072856.tif 000019
【００２９】
【数１８】
2004072856.tif 000020
これに（数９）式、（数１０）式を代入し、電流応答について整理すると、下記（数１９）式、（数２０）式に示すようになる。
【００３０】
【数１９】
2004072856.tif 000021
【００３１】
【数２０】
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これを解くと、電流が（数１）式の応答特性を得るためのＰＩゲインは下記（数２１）式に示すようになり、単なるＰゲイン（比例分のみ）となってしまうので、パラメータ誤差や外乱の影響を充分に補正できなくなる。従って、電流応答が（数１）式となり、かつ、電流フィードバックループのゲインをＰＩ（比例積分）とするため、電圧指令値（ｖｄ’、ｖｑ’）は（数６）式によって算出する方が望ましい。
【００３２】
【数２１】
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また、主となる構造が電圧オープン制御なので、電動機インダクタンスの推定値または測定値（Ｌｄｃ、Ｌｑｃ）が実際のインダクタンス値（Ｌｄｍ、Ｌｑｍ）に対して誤差を含んでいるような場合でも、電流応答が不安定になることはない。
【００３３】
図２は、本発明の第２の実施例を示すブロック図である。
図１と異なる点は、図１の電圧指令値演算部３０２の代わりに、電圧マップ３０３を備え、トルク指令値Ｔ＊と回転速度ωから直接に電圧指令値（ｖｄ’、ｖｑ’）を求める点である。
図２において、電圧マップ３０３は、電動機の評価試験の際に、トルク指令値Ｔ＊と回転速度ωを指標とした、定常運転時のｄ軸電圧ｖｄおよびｑ軸電圧ｖｑから電機子巻線抵抗Ｒによる電圧を除いた値によるマップとして作成する。このマップを用いてｄ軸電圧指令値ｖｄ’およびｑ軸電圧指令値ｖｑ’を求める。　そして、電機子巻線抵抗Ｒによる電圧は、図１と同様に、ＰＩ制御部２によるフィードバックループを用いて補正させる。
【００３４】
次に、作用を説明する。
図２の回路においては、電動機の評価試験の際、トルク指令値Ｔ＊と現在の回転速度ωを指標とした、定常運転時のｄ軸電圧ｖｄおよびｑ軸電圧ｖｑから電機子巻線抵抗Ｒによる電圧を除いた値によって作成した電圧マップ３０３を用いて電圧指令値を求めており、上記電圧マップ３０３には、電流によるインダクタンス値の変動分が含まれるので、パラメータ誤差による電流応答への影響をより少なくすることが出来る。
【００３５】
以下、第１および第２の実施例における制御の実例について説明する。
図３〜図１０は、それぞれステップ入力時の電流応答の一例を示す図であり、図３〜図６は本発明における特性、図７〜図１０は比較のために示した従来例および他の参考例の特性である。
従来例においては、図７に示すように、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊およびｑ軸電流ｉｑ＊が実線で示すようにステップ状に変化した場合、実際のｄ軸電流ｉｄとｑ軸電流ｉｑは破線で示すように大きく振動する。また、ｄ軸電圧ｖｄおよびｑ軸電圧ｖｑは図示のようにステップ状に変化し、かつ振動する。
また、図８は、従来例において、ＰＩフィードバックループのゲインを出来るだけ大きくした場合の特性である。この場合には図７よりは少ないが、やはり振動が残っている。従来例において、電動機に固有の電気的振動成分のような、周波数が大きい電流誤差を補正するためには、ＰＩフィードバックループのゲインを充分に大きくしなくてはならないが、ＰＩゲインを大きくするに従って、ノイズまで増幅してしまう。実際の制御は離散系なので、電流応答速度には制御周期による限界があり、図７、図８からも判るように、充分に振動を抑制できない。
【００３６】
これに対して、本発明においては、図３に示すように、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊およびｑ軸電流ｉｑ＊が実線で示すようにステップ状に変化した場合、実際のｄ軸電流ｉｄとｑ軸電流ｉｑは破線で示すように時間遅れをもって滑らかに変化し、振動することはない。また、ｄ軸電圧ｖｄおよびｑ軸電圧ｖｑも滑らかに変化し、振動することはない。つまり、電流応答から振動成分が完全に除去され、滑らかな１次遅れの応答となる。
【００３７】
また、図４は、本発明において、カットオフ周波数αを図７の２０倍の値に設定した場合の特性である。この場合には、実際のｄ軸電流ｉｄとｑ軸電流ｉｑの変化が、かなりｄ軸電流指令値ｉｄ＊およびｑ軸電流ｉｑ＊の変化に近づいているが、やはり振動は生じていない。
上記のように、電流の応答周波数はα［ｒａｄ／ｓ］となり、制御周期による電流応答速度の限界の範囲内あるいはノイズの増幅による悪影響が出ない範囲内で自由に決めることができる。
【００３８】
また、図５、図６は、本発明において、制御に用いる推定インダクタンス値（Ｌｄｃ、Ｌｑｃ）が、実際のインダクタンス値（Ｌｄｍ、Ｌｑｍ）に対して誤差を含んでいる場合の特性例であり、図５は「Ｌｄｍ＝Ｌｄｃ×１．１、Ｌｑｍ＝Ｌｑｃ×０．９」の誤差を含んでいる場合、図６は「Ｌｄｍ＝Ｌｄｃ×１．１、Ｌｑｍ＝Ｌｑｃ×１．１」の誤差を含んでいる場合の特性を示す。
図５、図６から判るように、制御に用いる推定インダクタンス値（Ｌｄｃ、Ｌｑｃ）が、実際のインダクタンス値（Ｌｄｍ、Ｌｑｍ）に対して誤差を含んでいる場合でも、電流応答が振動的になったり、発振することはない。
【００３９】
また、図９、図１０は、電圧指令値に１次遅れのフィルタを使用した場合であって、フィルタのカットオフ周波数とＰＩフィードバックループのゲインとに関連づけをしない構成の場合の特性例を示す。この場合には電流応答に振動が残っている。
【００４０】
以上説明したように、本発明においては、電圧指令値の変化速度をローパスフィルタによって緩和するため、電流応答から振動成分を除去することができ、電流応答性を向上させることができる。
また、電流指令値と実電流の差から、ローパスフィルタを介して出力された電圧指令値を補正するため、各相の電機子巻線抵抗による電圧を補正することができる。
また、電流応答周波数をローパスフィルタのカットオフ周波数α（ｒａｄ／ｓ）とすることができ、所望の応答周波数に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例のブロック図。
【図２】本発明の第２の実施例のブロック図。
【図３】本発明におけるステップ入力時の電流応答その１。
【図４】本発明におけるステップ入力時の電流応答その２。
【図５】本発明におけるステップ入力時の電流応答その３。
【図６】本発明におけるステップ入力時の電流応答その４。
【図７】従来技術におけるステップ入力時の電流応答。
【図８】従来技術におけるＰＩゲインを大きくした場合のステップ入力時の電流応答。
【図９】電圧指令値に１次遅れのフィルタを使用した場合におけるステップ入力時の電流応答その１。
【図１０】電圧指令値に１次遅れのフィルタを使用した場合におけるステップ入力時の電流応答その２。
【符号の説明】
１…フィルタ部　　　　　　　　　　２…ＰＩ制御部
３…指令値決定部　　　　　　　　　４…座標変換器
５…ＰＷＭ変換器　　　　　　　　　６…インバータ
７…電流検出器　　　　　　　　　　８…電動機
９…位置検出器　　　　　　　　　１０…座標変換器
１１…速度演算器　　　　　　　　３０１…電流マップ
３０２…電圧指令値演算部　　　　　３０３…電圧マップ
【図１】
2004072856.tif 000024
【図２】
2004072856.tif 000025
【図３】
2004072856.tif 000026
【図４】
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【図５】
2004072856.tif 000028
【図６】
2004072856.tif 000029
【図７】
2004072856.tif 000030
【図８】
2004072856.tif 000031
【図９】
2004072856.tif 000032
【図１０】
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