(57)【要約】    【課題】同期電動機を基底回転数以上の領域まで可変速制御するために、例えば、キャリア周波数１０ｋＨｚの非同期ＰＷＭ制御，５パルスの同期ＰＷＭ制御，３パルスの同期ＰＷＭ制御，１パルスの同期ＰＷＭ制御のいずれかを行って、インバータから所望の交流電圧を出力するときに好適な制御方法を提供する。    【解決手段】同期電動機３の制御装置３０を構成する制御モード判別回路１９と出力制限回路３１または出力制限回路３１のいずれかとにより、前記非同期ＰＷＭ制御−同期ＰＷＭ制御切替時、該同期ＰＷＭ制御中の比例積分回路３３，３４の出力を所定の制限値で制限する。【選択図】        図１
2005086920.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期電動機が所定の回転数より低い回転数領域ではインバータから非同期ＰＷＭ制御により出力される交流電力を給電し、前記電動機が前記所定の回転数より高い回転数領域では前記インバータから１パルス運転を含む同期ＰＷＭ制御により出力される交流電力を給電することにより前記電動機を可変速駆動する同期電動機駆動装置において、
前記非同期ＰＷＭ制御から同期ＰＷＭ制御に切替わるときには、前記同期電動機の電流に基づくフイードフォワード補償制御のための比例積分演算結果の値に対して予め定めた制限値に基づく制限動作を行わせ、
前記同期ＰＷＭ制御から非同期ＰＷＭ制御に切替わるときには、前記制限動作を解除することを特徴とする同期電動機駆動装置の制御方法。
【請求項２】
同期電動機が所定の回転数より低い回転数領域ではインバータから非同期ＰＷＭ制御により出力される交流電力を給電し、前記電動機が前記所定の回転数より高い回転数領域では前記インバータから１パルス運転を含む同期ＰＷＭ制御により出力される交流電力を給電することにより前記電動機を可変速駆動する同期電動機駆動装置において、
前記非同期ＰＷＭ制御から同期ＰＷＭ制御に切替わるときには、前記同期電動機の電流に基づくフイードフォワード補償制御のための比例積分演算結果の値に対して予め定めた第１制限値に基づく制限動作を行わせ、その後、前記制限動作を第２制限値（第１制限値≧第２制限値）に到達するまで所定の時間勾配で継続させ、
前記同期ＰＷＭ制御から非同期ＰＷＭ制御に切替わるときには、前記制限動作を解除することを特徴とする同期電動機駆動装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、永久磁石形同期電動機をインバータにより可変速駆動する同期電動機駆動装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、電気自動車の車両駆動用電動機として使用される永久磁石形同期電動機を、より広い回転数領域でインバータを介して可変速駆動するための制御装置に対して、下記特許文献１など種々の制御方法が知られている。
【０００３】
図４は、この種の同期電動機駆動装置の従来例を示す回路構成図であり、この図において、１は蓄電池，整流電源などの直流電源、２は半導体電力変換回路などから構成されるインバータ、３はインバータ２より給電される永久磁石形同期電動機などの同期電動機、４は直流電源１の端子電圧ＶDCを検出する電圧検出器、５はインバータ２から同期電動機３への電流を検出する電流検出器、６は同期電動機３の回転数Ｎ，磁極位置θを検出するためのレゾルバなどの位置検出器、８は運転指令回路、１０はインバータ２を介して可変速駆動される同期電動機３が運転指令回路８からのトルク指令Ｔ* に基づいたトルクを出力しつつ回転するための制御装置である。
【０００４】
この制御装置１０には電流指令回路１１、３相／２相変換回路１２、加算演算器１３，１４、比例積分回路１５，１６、軸電圧演算回路１７、電圧演算回路１８、制御モード判別回路１９、速度検出回路２０、電圧指令回路２１、過電流検出回路２２を備えている。なお、これらの制御要素は全て周知の技術により形成されている。
【０００５】
図４に示した同期電動機駆動装置の動作を、図面を参照しつつ、以下に説明する。
【０００６】
図５は、インバータ２を介して可変速駆動される同期電動機３としての永久磁石形同期電動機の回転数に対する代表的な特性図である。この図の例では、同期電動機３の回転数が零から基底回転数Ｎb まで、すなわち図示の特性域１の区間では全界磁制御のトルク一定運転を行い、また、基底回転数Ｎb から許容最高回転数ＮMAX まで、すなわち図示の特性域２の区間では弱め界磁制御の定出力運転を行うことを示している。従って、特性域１の区間では同期電動機３の回転数の上昇に応じてその誘起電圧も上昇するので、同期電動機３から所定のトルクが得られるように、インバータ２が出力する電圧も同期電動機３の回転数の上昇に応じて高くなるように制御している。
【０００７】
図６は、同期電動機３の基底回転数Ｎb 付近でのインバータ２のＰＷＭ制御を説明する波形図である。
【０００８】
図６において、同期電動機３の回転数が零から図示のＮ1 までは、例えば、キャリア周波数が１０ｋＨｚの非同期ＰＷＭ制御により所望の交流電圧をインバータ２が出力し、前記回転数がＮ1 を越えると前記非同期ＰＷＭ制御から５パルスの同期ＰＷＭ制御に切替わり、この５パルスの同期ＰＷＭ制御により所望の交流電圧をインバータ２が出力し、また、前記回転数が図示のＮ2 を越えると前記５パルスの同期ＰＷＭ制御から３パルスの同期ＰＷＭ制御に切替わり、この３パルスの同期ＰＷＭ制御により所望の交流電圧をインバータ２が出力し、さらに、前記回転数が基底回転数Ｎb を越えると１パルスの同期ＰＷＭ制御を行うようにしている。
【０００９】
すなわち、図６に示すように、非同期ＰＷＭ制御における変調率がλ1 に達したら（回転数Ｎ1 ）、非同期ＰＷＭ制御から５パルスの同期ＰＷＭ制御に切替え、また、５パルスの同期ＰＷＭ制御での変調率がλ2 に達したら（回転数Ｎ2 ）、５パルスの同期ＰＷＭ制御からの３パルスの同期ＰＷＭ制御に切替え、さらに、３パルスの同期ＰＷＭ制御での変調率がλ3 に達したら（回転数Ｎ3 ）、１パルスの同期ＰＷＭ制御に切替えている。このとき、上述のそれぞれの切替点で、インバータ２が出力する交流電圧に変動が生じないように、切替後のＰＷＭ制御の変調率を調整している。なお図６において、同期電動機３が基底回転数Ｎb 以上の高速域（図５の特性域２）で１パルスの同期ＰＷＭ制御を行っているのは、インバータ２から出力できる交流電圧がより高くできるためである。
【００１０】
図７は、図５に示した特性域１での同期電動機３のフェザー図である。この図では同期電動機３の突極比が１（ｄ軸成分のリアクタンスとｑ軸成分のリアクタンスの比率が１）で、同期電動機３の巻線抵抗による電圧降下分を無視したときの状態を示し、また、Ｖｍは同期電動機３の誘起電圧、Ｖｉはインバータ２の出力電圧、Ｉq はトルク電流（ｑ軸電流とも称する）、Ｘq はｑ軸成分のリアクタンスをそれぞれ示している。
【００１１】
すなわち、特性域１では同期電動機３の回転数が増大して、同期電動機３の誘起電圧がＶｍ1 からＶｍ2 に増大すると、インバータ２の出力電圧もＶｉ1 からＶｉ2 に増大させて、トルク電流Ｉq が常に一定になるような制御をしている。従って、特性域１では同期電動機３が所望の出力トルク（トルク電流Ｉq ）になるために、インバータ２の出力電圧Ｖｍを制御する。また、このときには同期電動機３は全界磁運転するために、減磁電流Ｉd （ｄ軸電流Ｉd とも称する）は流さない。
【００１２】
図８は、図５に示した特性域２での同期電動機３のフェザー図である。この図では、図７と同様に、同期電動機３の突極比が１で、巻線抵抗による電圧降下分を無視したときの状態を示し、Ｖｍは同期電動機３の誘起電圧、Ｖｉはインバータ２の出力電圧、Ｖq はｑ軸成分の電圧、Ｖd はｄ軸成分の電圧、Ｉq はトルク電流、Ｉd は減磁電流、Ｘq はｑ軸成分のリアクタンス、Ｘd はｄ軸成分のリアクタンスをそれぞれ示している。
【００１３】
すなわち、特性域２では同期電動機３の誘起電圧Ｖｍはインバータ２の出力電圧Ｖｉの最大値より大きいので、減磁電流Ｉd を流す制御を行う。このときは、前記出力電圧Ｖｍと誘起電圧Ｖｉとこれらの電圧間の位相角βとに対応したトルク電流Ｉq および減磁電流Ｉd が流れ、それぞれのリアクタンスによる電圧成分Ｉd ・Ｘd およびＩq ・Ｘq も図示のようになる。従って、この特性域２では前記位相角βを調整することにより、同期電動機３が所望の出力トルク（トルク電流Ｉq ）になる制御が行われる。
【００１４】
制御装置１０を構成する電流指令回路１１では、運転指令回路８からの運転指令としてのトルク指令Ｔ* （トルクの大きさとその極性）と速度検出回路２０により得られる同期電動機３の回転角速度ωなどから下記数１式の演算に基づいて、ｑ軸電流の指令値Ｉq*とｄ軸電流の指令値Ｉd*とを導出している。
［数１］
Ｔ*＝ｐnΦＩq*＋ｐn（Ｌd−Ｌq）Ｉd*・Ｉq*
ここで、ｐn は同期電動機３の極対数、Φは同期電動機３の電機子鎖交磁束数、Ｌd はｄ軸成分のインダクタンス、Ｌq はｑ軸成分のインダクタンスである。
【００１５】
また制御装置１０を構成する軸電圧演算回路１７では、ｑ軸成分の電圧指令Ｖq*とｄ軸成分の電圧指令Ｖd*とを導出するために、下記数２式の演算を行っている。
【００１６】
【数２】
2005086920.tif 000003
ここで、ｒは同期電動機３の電機子抵抗、ωは同期電動機３の回転角速度、Ｌd はｄ軸成分のインダクタンス、Ｌq はｑ軸成分のインダクタンス、Φは同期電動機３の電機子鎖交磁束数であり、また、Ｉ1 は比例積分回路１５の出力値、Ｉ2 は比例積分回路１６の出力値である。
【００１７】
また制御装置１０を構成する電圧演算回路１８では、軸電圧演算回路１７の出力であるｑ軸成分の電圧指令Ｖq*とｄ軸成分の電圧指令Ｖd*と電圧検出器４で検出された直流電源１の端子電圧ＶDCとからインバータ２が出力電圧Ｖｉの大きさに相当する前記変調率λと位相角βとを演算している。この演算の際に、後述の制御モード判別回路１９の出力により、図６で説明したそれぞれ切替点におけるインバータ２の出力電圧Ｖｉに変動が生じないように、切替直後の変調率λを調整している。
【００１８】
すなわち、制御モード判別回路１９では、電圧演算回路１８からの変調率λと速度検出回路２０が出力する同期電動機３の回転数Ｎに対応する回転角速度ωと電圧検出器４で検出された直流電源１の端子電圧ＶDCとから先述の非同期ＰＷＭ制御、５パルスの同期ＰＷＭ制御、３パルスの同期ＰＷＭ制御、１パルスの同期ＰＷＭ制御の内のいずれを行うかを判定し、その判定結果を出力している。
【００１９】
さらに、制御装置１０を構成する電圧指令回路２１では前記判定結果と、電圧演算回路１８からの変調率λと位相角βと、速度検出回路２０により得られる同期電動機３の回転角速度ωと磁極位置θとに基づきインバータ２の出力電圧Ｖｉに対応するＰＷＭ制御された電圧指令Ｖｉ* を生成している。
【００２０】
また、過電流検出回路２２ではインバータ２から同期電動機３への電流が予め定めた上限値を越えたときに、これを検知して、例えば、インバータ２の電力変換動作を停止させ、インバータ２を構成するスイッチング素子などの損傷を防止するようにしている。
【特許文献１】特開平９−４７１００号公報  （第４〜５頁，第１図など）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
図４に示した従来の同期電動機駆動装置では、同期電動機３の電流に基づくフイードフォワード補償制御を行っている。すなわち、運転指令回路８からの同期電動機３へのトルク指令Ｔ* に対応するｑ軸電流の指令値Ｉq*およびｄ軸電流の指令値Ｉd*と、同期電動機３の前記電流を３相／２相変換して得られるｑ軸電流Ｉq およびｄ軸電流Ｉd との偏差を加算演算器１３，１４で求め、それぞれの偏差が零になるように比例積分回路１５，１６で調節演算し、それぞれの演算結果からｑ軸成分の電圧指令Ｖq*とｄ軸成分の電圧指令Ｖd*とを導出している。
【００２２】
しかしながら、先述の非同期ＰＷＭ制御から同期ＰＷＭ制御に切替わるとき、または同期ＰＷＭ制御から非同期ＰＷＭ制御に切替わるとき、若しくは同期電動機３が基底回転数Ｎb を越えた領域で動作中に比例積分回路１５，１６のうちの何れかの出力が飽和状態になると、電圧演算回路１８が出力する位相角βが適正値を逸脱し、その結果、インバータ２へのＰＷＭ制御された電圧指令Ｖｍ* も適正値を外れ、インバータ２から同期電動機３への電流に擾乱が発生する恐れがあった。
【００２３】
この発明の目的は、前記問題点を解決する同期電動機駆動装置の制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
この第１の発明は、同期電動機が所定の回転数より低い回転数領域ではインバータから非同期ＰＷＭ制御により出力される交流電力を給電し、前記電動機が前記所定の回転数より高い回転数領域では前記インバータから１パルス運転を含む同期ＰＷＭ制御により出力される交流電力を給電することにより前記電動機を可変速駆動する同期電動機駆動装置において、
前記非同期ＰＷＭ制御から同期ＰＷＭ制御に切替わるときには、前記同期電動機の電流に基づくフイードフォワード補償制御のための比例積分演算結果の値に対して予め定めた制限値に基づく制限動作を行わせ、前記同期ＰＷＭ制御から非同期ＰＷＭ制御に切替わるときには、前記制限動作を解除することを特徴とする制御方法を行う。
【００２５】
また第２の発明は前記同期電動機駆動装置において、
前記非同期ＰＷＭ制御から同期ＰＷＭ制御に切替わるときには、前記同期電動機の電流に基づくフイードフォワード補償制御のための比例積分演算結果の値に対して予め定めた第１制限値に基づく制限動作を行わせ、その後、前記制限動作を第２制限値（第１制限値≧第２制限値）に到達するまで所定の時間勾配で継続させ、前記同期ＰＷＭ制御から非同期ＰＷＭ制御に切替わるときには、前記制限動作を解除することを特徴とする制御方法を行う。
【発明の効果】
【００２６】
この発明の同期電動機駆動装置の制御方法によれば、前記制限値を設けることにより、非同期ＰＷＭ制御動作中の同期電動機のトルク制御精度が向上すると共に、非同期ＰＷＭ制御から同期ＰＷＭ制御へ切替わる動作、または同期ＰＷＭ制御から非同期ＰＷＭ制御へ切替わる動作を滑らかに行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図１は、この発明の実施の形態を示す同期電動機駆動装置の回路構成図であり、図４に示した従来例構成と同一機能を有するものには同一符号を付して、その説明を省略する。
【００２８】
すなわち、図１に示した制御装置３０には、電流指令回路１１、３相／２相変換回路１２、加算演算器１３，１４、軸電圧演算回路１７、電圧演算回路１８、制御モード判別回路１９、速度検出回路２０、電圧指令回路２１、過電流検出回路２２の他に、出力制限回路３１または出力制限回路３２のいずれかが追加され、さらに、比例積分回路１５，１６に代えて、出力制限動作機能を有する比例積分回路３３，３４を備えている。
【実施例１】
【００２９】
図２は、この発明の同期電動機駆動装置の第１の実施例を説明する波形図であり、図１に示した出力制限回路３１と比例積分回路１５，１６に関連した動作波形図である。
【００３０】
すなわち、図２において、同期電動機３の回転数Ｎが上昇し、時刻ｔ1 で回転数がＮ1 になると、制御モード判別回路１９がこれを検知して制御モード切替信号を出力し、非同期ＰＷＭ制御から５パルスの同期ＰＷＭ制御に移行すると共に、比例積分回路３３，３４は、出力制限回路３１からの制限指令により、それぞれの出力値を図示の制限値Ａに制限する。その後、比例積分回路３３，３４の出力を制限値Ａに制限したまま、同期電動機３の回転数Ｎが時刻ｔ2 で回転数がＮ2 になると、５パルスの同期ＰＷＭ制御から３パルスの同期ＰＷＭ制御に移行し、また、同期電動機３の回転数Ｎが時刻ｔ3 で回転数がＮ3 、すなわち、基底回転数Ｎb になると、３パルスの同期ＰＷＭ制御から１パルスの同期ＰＷＭ制御に移行し、時刻ｔ4 で回転数がＮ4 になるまで上昇する。
【００３１】
次に、同期電動機３の回転数がＮ4 から時刻ｔ5 でＮ5 、すなわち、基底回転数Ｎb に下降すると、１パルスの同期ＰＷＭ制御から３パルスの同期ＰＷＭ制御に移行し、また、時刻ｔ6 で回転数がＮ6 に下降すると、３パルスの同期ＰＷＭ制御から５パルスの同期ＰＷＭ制御に移行し、さらに、時刻ｔ7 で回転数がＮ7 に下降すると、制御モード判別回路１９がこれを検知して制御モード切替信号を消滅させ、５パルスの同期ＰＷＭ制御から非同期ＰＷＭ制御に移行すると共に、比例積分回路３３，３４は制限値Ａでの制限動作が解除され、時刻ｔ8 でほぼ定常状態に戻る。
【００３２】
すなわち、図２の実施例１の動作波形図に示したように、制限値Ａを設けることにより、電圧演算回路１８が出力する位相角βが適正値になるのでインバータ２が非同期ＰＷＭ制御動作中の同期電動機３のトルク制御精度が向上すると共に、非同期ＰＷＭ制御−同期ＰＷＭ制御間の切替動作を滑らかに行うことができる。なお、上述の制限値Ａの値は、同期電動機３の負荷の状態、すなわち、同期電動機３が出力すべきトルクなどから、実験により設定することが行われる。
【実施例２】
【００３３】
図３は、この発明の同期電動機駆動装置の第２の実施例を説明する波形図であり、図１に示した出力制限回路３２と比例積分回路１５，１６に関連した動作波形図である。
【００３４】
すなわち、図３において、同期電動機３の回転数Ｎが上昇し、時刻ｔ1 で回転数がＮ1 になると、制御モード判別回路１９がこれを検知して制御モード切替信号を出力し、非同期ＰＷＭ制御から５パルスの同期ＰＷＭ制御に移行すると共に、比例積分回路３３，３４は、出力制限回路３２からの制限指令により、それぞれの出力値を図示の制限値Ｂに制限する。その後、比例積分回路３３，３４の出力を制限値Ｂから図示の時間Ｔで制限値Ｃに達する制限動作を行いつつ、同期電動機３の回転数Ｎが時刻ｔ2 で回転数がＮ2 になると、５パルスの同期ＰＷＭ制御から３パルスの同期ＰＷＭ制御に移行し、また、同期電動機３の回転数Ｎが時刻ｔ3 で回転数がＮ3 、すなわち、基底回転数Ｎb になると、３パルスの同期ＰＷＭ制御から１パルスの同期ＰＷＭ制御に移行し、時刻ｔ4 で回転数がＮ4 になるまで上昇する。
【００３５】
次に、同期電動機３の回転数がＮ4 から時刻ｔ5 でＮ5 、すなわち、基底回転数Ｎb に下降すると、１パルスの同期ＰＷＭ制御から３パルスの同期ＰＷＭ制御に移行し、また、時刻ｔ6 で回転数がＮ6 に下降すると、３パルスの同期ＰＷＭ制御から５パルスの同期ＰＷＭ制御に移行し、さらに、時刻ｔ7 で回転数がＮ7 に下降すると、制御モード判別回路１９がこれを検知して制御モード切替信号を消滅させ、５パルスの同期ＰＷＭ制御から非同期ＰＷＭ制御に移行すると共に、比例積分回路３３，３４は制限値Ｃでの制限動作が解除され、時刻ｔ8 でほぼ定常状態に戻る。
【００３６】
すなわち、図３の実施例２の動作波形図に示したように、制限値Ｂおよび制限値Ｃと時間Ｔを設けることにより、電圧演算回路１８が出力する位相角βがより適正値になるのでインバータ２が非同期ＰＷＭ制御動作中の同期電動機３のトルク制御精度が向上すると共に、非同期ＰＷＭ制御から同期ＰＷＭ制御への切替動作をより滑らかに行うことができ、また、非同期ＰＷＭ制御から同期ＰＷＭ制御への切替動作も滑らかに行うことができる。なお、上述の制限値ＢおよびＣの値と時間Ｔの値は、同期電動機３の負荷の状態、すなわち、同期電動機３が出力すべきトルクなどから、実験により設定することが行われる。
【００３７】
なお、上述の動作説明では、永久磁石形同期電動機などの同期電動機３の突極比が１の例で説明したが、この発明の制御方法は、埋込磁石形同期電動機など逆突極性を有する同期電動機にも適用でき、さらに、直流電源１を整流電源とした一般産業用の同期電動機駆動装置にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】この発明の実施の形態を示す同期電動機駆動装置の回路構成図
【図２】この発明の第１の実施例の動作を説明する波形図
【図３】この発明の第２の実施例の動作を説明する波形図
【図４】従来例を示す同期電動機駆動装置の回路構成図
【図５】図４の動作を説明する特性図
【図６】図４の動作を説明する波形図
【図７】図４の動作を説明するフェザー図
【図８】図４の動作を説明するフェザー図
【符号の説明】
【００３９】
１…直流電源、２…インバータ、３…同期電動機、４…電圧検出器、５…電流検出器、６…位置検出器、８…運転指令回路、１０…制御装置、１１…電流指令回路、１２…３相／２相変換回路、１３，１４…加算演算器、１５，１６…比例積分回路、１７…軸電圧演算回路、１８…電圧演算回路、１９…制御モード判別回路、２０…速度検出回路、２１…電圧指令回路、２２…過電流検出回路、３０…制御装置、３１，３２…出力制限回路、３３，３４…比例積分回路。
【図１】
2005086920.tif 000004
【図２】
2005086920.tif 000005
【図３】
2005086920.tif 000006
【図４】
2005086920.tif 000007
【図５】
2005086920.tif 000008
【図６】
2005086920.tif 000009
【図７】
2005086920.tif 000010
【図８】
2005086920.tif 000011