(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トルク指令に基づき交流電動機を制御する交流電動機の制御装置であって、
上記交流電動機の電機子鎖交磁束の磁束絶対値と磁束位相とを演算する磁束推定器、上記交流電動機の電流検出値と上記磁束位相とからトルク電流帰還値を演算する座標変換器、上記トルク指令と上記磁束絶対値とからトルク電流指令を演算する電流指令演算器、および上記トルク電流帰還値が上記トルク電流指令に一致するよう、上記交流電動機を駆動する電力変換器の出力電圧を制御する電流制御器を備え、
上記交流電動機の回転子位相検出値から回転速度を演算する速度演算器を備え、
上記磁束推定器は、上記速度演算器からの回転速度と上記電力変換器への電圧指令とから上記磁束絶対値と磁束位相とを演算する交流電動機の制御装置。
【請求項２】
上記電力変換器が波高値一定の矩形波電圧を出力して上記交流電動機を駆動する場合、
上記電流制御器は、上記トルク電流帰還値が上記トルク電流指令に一致するよう、上記交流電動機の回転子位相検出値に対する上記矩形波電圧の位相を制御することを特徴とする請求項１記載の交流電動機の制御装置。
【請求項３】
トルク指令に基づき交流電動機を制御する交流電動機の制御装置であって、
上記交流電動機の電機子鎖交磁束の磁束絶対値と磁束位相とを演算する磁束推定器、上記交流電動機の電流検出値と上記磁束位相とからトルク電流帰還値を演算する座標変換器、上記トルク指令と上記磁束絶対値とからトルク電流指令を演算する電流指令演算器、および上記トルク電流帰還値が上記トルク電流指令に一致するよう、上記交流電動機を駆動する電力変換器の出力電圧を制御する電流制御器を備え、
上記磁束位相から上記交流電動機の回転速度を演算する速度演算器を備え、
上記磁束推定器は、上記速度演算器からの回転速度と上記電力変換器への電圧指令とから上記磁束絶対値と磁束位相とを演算する交流電動機の制御装置。
【請求項４】
上記電力変換器が波高値一定の矩形波電圧を出力して上記交流電動機を駆動する場合、
上記電流制御器は、上記トルク電流帰還値が上記トルク電流指令に一致するよう、上記磁束位相に対する上記矩形波電圧の位相を制御することを特徴とする請求項１または３に記載の交流電動機の制御装置。
【請求項５】
トルク指令に基づき交流電動機を制御する交流電動機の制御装置であって、
上記交流電動機の電機子鎖交磁束の磁束絶対値と磁束位相とを演算する磁束推定器、上記交流電動機の電流検出値と上記磁束位相とからトルク電流帰還値を演算する座標変換器、上記トルク指令と上記磁束絶対値とからトルク電流指令を演算する電流指令演算器、および上記トルク電流帰還値が上記トルク電流指令に一致するよう、上記交流電動機を駆動する電力変換器の出力電圧を制御する電流制御器を備え、
上記電力変換器が波高値一定の矩形波電圧を出力して上記交流電動機を駆動する場合、
上記電流制御器は、上記トルク電流帰還値が上記トルク電流指令に一致するよう、上記交流電動機の回転子位相検出値に対する上記矩形波電圧の位相を制御し、
上記磁束推定器は、上記電力変換器の直流電源電圧と上記交流電動機の回転子位相検出値と上記矩形波電圧の制御位相とから上記磁束絶対値と磁束位相とを演算する交流電動機の制御装置。
【請求項６】
トルク指令に基づき交流電動機を制御する交流電動機の制御装置であって、
上記交流電動機の電機子鎖交磁束の磁束絶対値と磁束位相とを演算する磁束推定器、上記交流電動機の電流検出値と上記磁束位相とからトルク電流帰還値を演算する座標変換器、上記トルク指令と上記磁束絶対値とからトルク電流指令を演算する電流指令演算器、および上記トルク電流帰還値が上記トルク電流指令に一致するよう、上記交流電動機を駆動する電力変換器の出力電圧を制御する電流制御器を備え、
上記電力変換器が波高値一定の矩形波電圧を出力して上記交流電動機を駆動する場合、
上記電流制御器は、上記トルク電流帰還値が上記トルク電流指令に一致するよう、上記磁束位相に対する上記矩形波電圧の位相を制御し、
上記磁束位相から上記交流電動機の回転速度を演算する速度演算器を備え、
上記磁束推定器は、上記電力変換器の直流電源電圧と上記速度演算器からの回転速度と上記矩形波電圧の制御位相とから上記磁束絶対値と磁束位相とを演算する交流電動機の制御装置。
【請求項７】
上記交流電動機の電流検出値と上記磁束位相とから磁束方向電流帰還値を演算する座標変換器、上記電力変換器および交流電動機に許容される最大電流と上記磁束方向電流帰還値とから最大トルク電流を演算する最大トルク電流演算器、および上記トルク電流指令が上記最大トルク電流を越えないよう上記電流指令演算器からの出力を制限するリミッタを備えたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の交流電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電力変換器を用いた交流電動機の制御装置に係り、特に、トルク指令に基づき交流電動機を制御する交流電動機の制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
直流電源からの電力を半導体素子のスイッチング動作により交流に変換する電力変換器の制御において、電源電圧に対して電動機駆動電圧を最大にする必要がある場合、波高値一定の矩形波電圧による駆動方式が用いられる。
矩形波駆動においては、スイッチング制御による電圧波形は一定であり、電圧波形の位相を操作することにより電動機が発生するトルクを操作することができ、例えば、永久磁石同期電動機の場合は、回転子位置に対する電圧波形位相を操作すればトルクを操作することが出来る。一方、電動機が発生するトルクは、電動機のパラメータ（例えば、永久磁石同期電動機の場合、永久磁石磁束やインダクタンスが相当する）により変化し、また、上記電圧波形位相とトルク変化の関係は非線形であるため、電動機の各相電圧および電流から算出した電動機電力を用いてトルクを推定し、この推定トルクを用いたフィードバック制御を行うことにより、電動機の発生するトルクを所望の値に制御する方式が、例えば、特許文献１、２に提案されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−０５０６８９号公報（段落００２０〜００２２、図１）
【特許文献２】特許３５４７１１７号公報（段落００１１〜００１２、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
以上のように、従来の交流電動機の制御装置は、電力変換器の出力電力からトルクを推定し、矩形波電圧の位相により直接トルクを制御する方式であり、直接に電動機電流の制御は行われない。ところが、電力変換器の電力出力にはトルクに寄与しない変換器損失やモータ損失が含まれるので、従来の制御装置では、トルクを正確に制御することは困難であった。
また、従来の制御装置では、電動機電流の制御を行わないため、電動機電流を所望の値に制限することは困難であり、過大な電流が流れる恐れから、電力変換器の許容最大電流付近での運転は困難であった。
【０００５】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、交流電動機の制御装置において、正確なトルク制御を実現することを目的としている。
また、この発明は、電力変換器の能力を最大限に活用しながら正確なトルク制御を実現することを目的としている。
更に、この発明は、電動機の速度センサを使用しない制御装置にあっても、正確なトルク制御を実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る主たる交流電動機の制御装置は、トルク指令に基づき交流電動機を制御する交流電動機の制御装置であって、
交流電動機の電機子鎖交磁束の磁束絶対値と磁束位相とを演算する磁束推定器、交流電動機の電流検出値と磁束位相とからトルク電流帰還値を演算する座標変換器、トルク指令と磁束絶対値とからトルク電流指令を演算する電流指令演算器、およびトルク電流帰還値がトルク電流指令に一致するよう、交流電動機を駆動する電力変換器の出力電圧を制御する電流制御器を備え、
上記交流電動機の回転子位相検出値から回転速度を演算する速度演算器を備え、
上記磁束推定器は、上記速度演算器からの回転速度と上記電力変換器への電圧指令とから上記磁束絶対値と磁束位相とを演算するものである。
【発明の効果】
【０００７】
以上のように、この発明に係る主たる交流電動機の制御装置は、トルク電流を制御するので、正確なトルク制御を実現することができる。また、電動機電流を制御対象とするので、電流値の監視が可能となり、電力変換器の能力を最大限に活用しながら正確なトルク制御を実現することができる。
更に、トルク電流指令とトルク電流帰還値の演算に必要な磁束絶対値と磁束位相の推定が、検出した回転子位相に基づき確実になされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による交流電動機の制御装置の構成を示す図である。図において、制御装置１は、上位コントローラ（図示せず）からのトルク指令に基づき、交流電動機である同期電動機１３を駆動制御する。
制御装置１は、主たる構成要素として、回転角センサ１４からの回転子位相検出値から回転速度を演算する速度演算器１２と、回転速度と電力変換器であるインバータ５への電圧指令とから同期電動機１３の電機子鎖交磁束の磁束絶対値と磁束位相とを演算する磁束推定器１０と、電流センサ８からの同期電動機１３の電流検出値と磁束位相とからトルク電流帰還値を演算する座標変換器９と、トルク指令と磁束絶対値とからトルク電流指令を演算する電流指令演算器２と、トルク電流帰還値がトルク電流指令に一致するよう、インバータ５の出力電圧を制御する電流制御器４とを備えている。
【０００９】
次に、制御系の詳細な動作について説明する。磁束推定器１０は、電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗと、回転子の回転速度ωから電機子鎖交磁束の磁束絶対値Φａと磁束位相θφを演算により推定する。なお、回転速度ωは、同期電動機１３の回転子位相θを回転角センサ１４で検出し、速度演算器１２で変化率を計算することにより得られる。
図２に、永久磁石電動機のベクトル図を示す。電機子鎖交磁束Φａは、回転子上の永久磁石が作る永久磁石磁束Φｆと、電機子電流が作る電機子反作用磁束との合計である。電機子巻線の抵抗による電圧降下を無視すれば、電圧ベクトルの絶対値Ｖａと位相θｖは、以下の（１）（２）式で表すことが出来る。
【００１０】
【数１】
0004777051.tif 000002
【００１１】
一方、電圧ベクトルの絶対値Ｖａと位相θｖとは、電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗより、以下の（３）〜（６）式で算出することが出来る。
【００１２】
【数２】
0004777051.tif 000003
【００１３】
但し、ｓｉｇｎ（ω）は、回転速度ωの正負いずれかの符号を示す。
以上の関係を用いて、電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗと回転速度ωとから電機子鎖交磁束の磁束絶対値Φａと磁束位相θφとを推定することが出来る。
【００１４】
次に、座標変換器９は、電流センサ８により検出された電動機電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを、磁束位相θφに直交する方向に以下の（７）式を用いて座標変換する。この磁束直交方向の電流成分を、以後トルク電流と呼ぶ。
【００１５】
【数３】
0004777051.tif 000004
【００１６】
ここで、電動機が発生するトルクについて検討する。例えば、突極性を持つ永久磁石電動機が発生するトルクτは、一般に次の（８）式で表されることが知られている。ここで、Ｌｄ、Ｌｑは、それぞれｄ、ｑ軸インダクタンス、ｉｄ、ｉｑは、それぞれｄ、ｑ軸電流、Φｆは永久磁石磁束である。
【００１７】
【数４】
0004777051.tif 000005
【００１８】
（８）式の最右辺は、永久磁石電動機の発生するトルクを、ｄ、ｑ軸上の電機子鎖交磁束と電流ベクトルとの外積で表したものと考えることが出来る。ベクトルの外積が作る値は観測する座標系によらないので、電機子鎖交磁束と平行および直交する座標系においても、トルクτが電機子鎖交磁束と電流ベクトルとの外積で算出できるという関係は成立する。
但し、このとき、電機子鎖交磁束に平行な電流ベクトル成分はトルクを発生しないので、電動機の発生するトルクτは、次の（９）式のように、電機子鎖交磁束の大きさΦａとトルク電流ｉＴとの積の形で表すことが出来る。
【００１９】
【数５】
0004777051.tif 000006
【００２０】
（９）式に基づき、電流指令演算器２は、トルク指令τ＊よりトルク電流指令ｉＴ＊を算出する。加算器３は、トルク電流指令ｉＴ＊と（７）式で求めた実際のトルク電流帰還値ｉＴとを比較して、電流誤差を算出する。電流制御器４は、この電流誤差が０になるように、電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを調節する。このようにして生成された電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに従ってインバータ５が駆動され、同期電動機１３に、トルク指令τ＊に相当する所望のトルクを発生させる。
【００２１】
なお、以上の実施の形態１における磁束推定器１０では、同期電動機１３の電機子巻線の抵抗電圧降下の影響や、インバータ５の出力電圧に発生する電圧誤差の影響について考慮しなかったが、これらを考慮した磁束推定を行えば、より高精度なトルク制御を行うことが出来る。具体的には、磁束推定に、電動機電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを用いて、次の（１０）式により補正を行った電圧値Ｖｕ’、Ｖｖ’、Ｖｗ’を（３）、（４）式に電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗの代わりに用いればよい。なお、（１０）式において、Ｒは電機子巻線抵抗、Δｖは、インバータ素子のＯＮ電圧降下である。
【００２２】
【数６】
0004777051.tif 000007
【００２３】
以上のように、この発明の実施の形態１によれば、トルク指令に基づきトルク電流指令を演算し、検出された電動機電流に基づくトルク電流帰還値がトルク電流指令値と一致するように制御するようにしたので、従来の制御装置に比較して、トルクをトルク指令により正確に一致させることができる。また、電動機電流を制御対象とするので、具体的には、更に後段で例示するが、電流値を監視して、インバータの電流能力を最大限に活用しながら正確なトルク制御を実現することができる。
【００２４】
実施の形態２．
先の実施の形態１では、インバータ５の出力電圧については、任意の波形を扱いうる一般的な場合について説明したが、この実施の形態２では、電源電圧に対して電動機駆動電圧を最大にする必要がある場合等で、波高値一定の矩形波電圧を出力して電動機を駆動する場合に本願発明を適用した場合について説明する。以下、実施の形態１と異なる部分を中心に説明し、同一部分については、適宜説明を省略するものとする。
【００２５】
図３は、この発明の実施の形態２における交流電動機の制御装置の構成を示す図である。
ところで、同期電動機の矩形波電圧駆動では、図４に示すように、回転子位相θに同期した所定の電気角で各相のスイッチを駆動する方式が用いられる。図４の上半分に示すように、各相の電位は０と直流電源６の電圧Ｖｄｃとの間を回転子位相θに応じてスイッチングするが、電動機中性点を基準として各相の電圧を考えると、各相電圧は、図４の下半分に示すような階段状の波形であると考えられる。
【００２６】
この実施の形態２は、図４に示すように、出力電圧波形が矩形波となることから、磁束推定の演算が簡便になし得ることをねらったものである。即ち、この階段状の各相波形の基本波成分の実効値は（√（２）／π）＊Ｖｄｃであることが知られている（例えば、特許文献２参照）。
従って、図４に示した矩形波電圧駆動時の電圧ベクトルの絶対値Ｖａは、（√（６）／π）＊Ｖｄｃであり、また、その位相θｖは、θ＋φ＋π／２として求めることができる。
但し、θは、回転子位相、φは、図４中に示す電圧進み位相である。
【００２７】
以上のように、矩形波電圧駆動の場合は、先の式（３）〜（６）による電圧ベクトルの計算を行う必要は無く、直流電源電圧Ｖｄｃと回転子位相θおよび電圧進み位相φより電圧ベクトルの絶対値Ｖａと位相θｖとを求めることが出来る。そして、これら、絶対値Ｖａと位相θｖとを、先の式（１）、（２）に代入することにより、電機子鎖交磁束の磁束絶対値Φａと磁束位相θφとを求めることが出来る。
【００２８】
次に、図３を参照して制御系の動作について説明する。磁束推定器１０は、電圧センサ７からの直流電源電圧Ｖｄｃと、回転角センサ１４からの回転子位相θと、電流制御器４からの電圧進み位相φとから、上述した要領で電機子鎖交磁束の磁束絶対値Φａと磁束位相θφを演算推定する。電流制御器４は、トルク電流指令ｉＴ＊とトルク電流帰還値ｉＴとの電流誤差が０になるように、インバータ５へのスイッチング指令を演算する。即ち、電圧進み位相φを操作して制御を行い、回転子位相θを参照して電圧指令を発生する。
なお、特に、矩形波電圧駆動時の磁束推定値およびトルク電流帰還値には、多くの脈動成分が含まれているので、これらの影響を取り除くためにフィルタなどを用いても良い。
【００２９】
以上のように、この発明の実施の形態２によれば、トルク指令に基づきトルク電流指令を演算し、検出された電動機電流に基づくトルク電流帰還値がトルク電流指令値と一致するように制御するようにしたので、従来の制御装置に比較して、トルクをトルク指令により正確に一致させることができる。
また、矩形波電圧駆動方式を想定しているので、電機子鎖交磁束の磁束絶対値と磁束位相との演算が簡便にでき、特に、演算処理が短縮される利点がある。
更に、形態１の場合と同様、電流値を監視して、インバータの電流能力を最大限に活用しながら正確なトルク制御を実現することができる。
【００３０】
実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３における交流電動機の制御装置の構成を示す図である。
この実施の形態３は、実際に電流値を監視し、これがインバータ５や同期電動機１３に許容される最大電流を越えないよう制限処理を行うことにより、これらの機器の能力を最大限に活用し正確なトルク制御を確実に実現するものである。以下、先の実施の形態１と異なる部分を中心に説明し、同一部分については、適宜説明を省略するものとする。
【００３１】
具体的には、図５の座標変換器９により、電機子鎖交磁束に平行な電流成分（磁束方向電流帰還値）ｉφを以下の（１１）式で求める。そして、最大トルク電流演算器１６により、出力可能な最大トルク電流ｉＴｍａｘを以下の（１２）式で求め、この値により、リミッタ１５が、電流指令演算器２からの出力を制限する。
なお、（１２）式中、ｉｍａｘは、インバータ５あるいは同期電動機１３の許容最大電流ベクトルの絶対値である。
【００３２】
【数７】
0004777051.tif 000008
【００３３】
なお、以上の図５の回路は、先の実施の形態１における図１の制御装置に適用したものであるが、矩形波電圧駆動を採用する先の実施の形態２における図３の制御装置にも、全く同じ要領で適用することが出来る。
【００３４】
以上のように、実施の形態３によれば、機器の許容最大電流値に基づき制御対象であるトルク電流指令に制限を加えるようにしたので、過電流状態に陥ることを回避して安定した運転が可能となり、これらの機器の能力を最大限に活用し正確なトルク制御を確実に実現できる。
【００３５】
実施の形態４．
図６は、この発明の実施の形態４における交流電動機の制御装置の構成を示す図である。ここでは、先の本願発明を、回転角センサを用いずに同期電動機を制御するセンサレス制御方式に適用したものを示す。回転角センサがないため、速度演算器１２は、回転子位相θの替わりに磁束位相θφを用いて回転速度ωを算出する。
同期電動機では、磁束位相θφは、回転子位相θに同期して回転するので、磁束推定器１０で推定する磁束位相θφの値を回転子位相θの替わりに使用することができる。
【００３６】
電流制御器４は、先の実施の形態１では、トルク電流指令ｉＴ＊とトルク電流帰還値ｉＴとの電流誤差が０になるように、回転子位相θを参照して電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを調節するが、この実施の形態４では、磁束位相θφを参照して電圧指令を発生する。
なお、図示は省略するが、先の実施の形態２で説明したように、インバータ５により矩形波電圧を出力する場合は、磁束位相θφに対する電圧進み位相φ’を操作して制御を行い、磁束位相θφを参照して電圧指令を発生する。
更に、このセンサレス制御方式の場合も、先の実施の形態３で説明したと同様の要領により、実際に電流値を監視し、これがインバータ５や同期電動機１３に許容される最大電流を越えないよう制限処理を行うことにより、これらの機器の能力を最大限に活用し正確なトルク制御を確実に実現することができる。
【００３７】
以上のように、この発明の実施の形態４によれば、回転角センサを用いないセンサレス制御方式においても、回転子位相に替わって、推定した磁束位相を利用することにより、トルク指令に基づきトルク電流指令を演算し、検出された電動機電流に基づくトルク電流帰還値がトルク電流指令値と一致するように制御するようにしたので、従来の制御装置に比較して、トルクをトルク指令により正確に一致させることができる。また、電動機電流を制御対象とするので、具体的に電流値を監視することで、インバータの電流能力を最大限に活用しながら正確なトルク制御を実現することができる。
【００３９】
また、電力変換器が波高値一定の矩形波電圧を出力して交流電動機を駆動する場合、電流制御器は、トルク電流帰還値がトルク電流指令に一致するよう、交流電動機の回転子位相検出値に対する矩形波電圧の位相を制御するようにしたので、電流制御が簡便になされる。
【００４０】
また、磁束推定器は、電力変換器の直流電源電圧と交流電動機の回転子位相検出値と矩形波電圧の制御位相とから磁束絶対値と磁束位相とを演算するようにしたので、磁束推定の演算が簡便になされる。
【００４１】
また、磁束位相から交流電動機の回転速度を演算する速度演算器を備え、磁束推定器は、速度演算器からの回転速度と電力変換器への電圧指令とから磁束絶対値と磁束位相とを演算するようにしたので、交流電動機の速度センサレス制御においても、磁束推定の演算が確実になされる。
【００４２】
また、電力変換器が波高値一定の矩形波電圧を出力して交流電動機を駆動する場合、電流制御器は、トルク電流帰還値がトルク電流指令に一致するよう、磁束位相に対する矩形波電圧の位相を制御するようにしたので、交流電動機の速度センサレス制御においても、電流制御が簡便になされる。
【００４３】
また、磁束位相から交流電動機の回転速度を演算する速度演算器を備え、磁束推定器は、電力変換器の直流電源電圧と速度演算器からの回転速度と矩形波電圧の制御位相とから磁束絶対値と磁束位相とを演算するようにしたので、交流電動機の速度センサレス制御においても、磁束推定の演算が簡便になされる。
【００４４】
また、交流電動機の電流検出値と磁束位相とから磁束方向電流帰還値を演算する座標変換器、電力変換器および交流電動機に許容される最大電流と磁束方向電流帰還値とから最大トルク電流を演算する最大トルク電流演算器、およびトルク電流指令が最大トルク電流を越えないよう電流指令演算器からの出力を制限するリミッタを備えたので、過電流状態に陥ることを回避して安定した運転が可能となり、機器の能力を最大限に活用し正確なトルク制御を確実に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】この発明の実施の形態１における交流電動機の制御装置の構成を示す図である。
【図２】永久磁石電動機のベクトル図である。
【図３】この発明の実施の形態２における交流電動機の制御装置の構成を示す図である。
【図４】同期電動機の矩形波電圧駆動における電圧波形を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態３における交流電動機の制御装置の構成を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態４における交流電動機の制御装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１  制御装置、２  電流指令演算器、３  加算器、４  電流制御器、５  インバータ、６  直流電源、７  電圧センサ、８  電流センサ、９  座標変換器、１０  磁束推定器、１２  速度演算器、１３  同期電動機、１４  回転角センサ、１５  リミッタ、
１６  最大トルク電流演算器。
【図１】
0004777051.tif 000009
【図２】
0004777051.tif 000010
【図３】
0004777051.tif 000011
【図４】
0004777051.tif 000012
【図５】
0004777051.tif 000013
【図６】
0004777051.tif 000014