(57)【要約】【課題】  巻線界磁式同期機の特性が変動した場合でも、当該特性の変動を反映して容易に最適な制御を行うことができる巻線界磁式同期機の制御装置を得る。【解決手段】  同期機１の回転数ωを入力して磁束指令Φｒを発生する磁束指令発生手段９と、電機子電流及び界磁電流値ｉｆｆから永久磁石の磁束を考慮して電機子鎖交磁束Φの大きさ｜Φ｜と位相∠Φとを算出する磁束推定手段７と、トルク指令τｒを電機子鎖交磁束で除して電機子電流指令ｉδｒを求める除算器１５と、電機子鎖交磁束Φの大きさ｜Φ｜と磁束指令Φｒの誤差より界磁電流指令値ｉｆｒを決定する磁束制御手段１１と、電機子鎖交磁束の方向とこれに直交する方向のγδ直交２軸上でγ軸方向の電機子電流ｉδｆと電機子電流指令ｉδｒとの誤差が零になるように制御し、かつγ軸方向の電機子電流ｉγｆが零になるように制御するδ及びγ軸電流制御器１６，１８とを設けた。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁として巻線界磁と永久磁石とを有する巻線界磁式同期機を制御するものであって、上記巻線界磁式同期機の回転数を入力して磁束指令を発生する磁束指令発生手段と、上記巻線界磁式同期機の電機子電流及び界磁電流値から上記永久磁石の磁束を考慮して電機子鎖交磁束の大きさと位相と負荷角とを算出する電機子鎖交磁束算出手段と、トルク指令を上記電機子鎖交磁束で除して電機子電流指令を求める除算器と、上記電機子鎖交磁束算出手段の算出した上記電機子鎖交磁束と上記磁束指令との誤差及び上記負荷角に基づき界磁電流指令を算出する界磁電流指令算出手段と、上記電機子鎖交磁束の方向及び上記電機子鎖交磁束の方向と直交する方向の直交２軸上で上記電機子鎖交磁束の方向と直交する方向の電機子電流と上記電機子電流指令との誤差が零になるように制御するとともに上記電機子鎖交磁束の方向の電機子電流が零になるように制御する電機子電流制御手段とを備えた巻線界磁式同期機の制御装置。
【請求項２】
上記電機子鎖交磁束算出手段は上記巻線界磁式同期機ごとの特性に基づいて上記電機子鎖交磁束の大きさと位相とを算出するものであり、上記界磁電流算出手段は上記巻線界磁式同期機ごとの特性に基づいて上記界磁電流指令を算出するものであることを特徴とする請求項１に記載の巻線界磁式同期機の制御装置。
【請求項３】
界磁として巻線界磁と永久磁石とを有する巻線界磁式同期機を制御するものであって、上記巻線界磁式同期機の回転数を入力して磁束指令を発生する磁束指令発生手段と、トルク指令を上記磁束指令の指令値で除して電機子電流指令を求める除算器と、上記磁束指令と上記電機子電流指令とから負荷角を演算する負荷角演算手段と、上記磁束指令と上記負荷角とから上記永久磁石の磁束を考慮して界磁電流指令を算出する界磁電流指令発生手段と、回転子位相に上記負荷角を加えて上記磁束指令の位相を求める加算器と、上記磁束指令の方向及び上記磁束指令の方向と直交する方向の直交２軸上で上記磁束指令の方向と直交する方向の電機子電流と上記電機子電流指令との誤差が零になるように制御するとともに上記電機子鎖交磁束の方向の電機子電流が零になるように制御する電機子電流制御手段とを備えた巻線界磁式同期機の制御装置。
【請求項４】
上記負荷角演算手段は上記巻線界磁式同期機ごとの特性に基づいて上記負荷角を演算するものであり、上記界磁電流指令発生手段は上記巻線界磁式同期機ごとの特性に基づいて上記界磁電流指令を算出するものであることを特徴とする請求項３に記載の巻線界磁式同期機の制御装置。
【請求項５】
界磁として巻線界磁と永久磁石とを有する巻線界磁式同期機を制御するものであって、上記巻線界磁式同期機の回転数を入力して磁束指令を発生する磁束指令発生手段と、上記巻線界磁式同期機の電機子電流及び界磁電流値から上記永久磁石の磁束を考慮して電機子鎖交磁束の大きさと位相と負荷角とを算出する電機子鎖交磁束算出手段と、トルク指令を上記電機子鎖交磁束で除して電機子電流指令を求める除算器と、上記磁束指令と上記位相とから上記永久磁石の磁束を考慮して界磁電流指令を算出する界磁電流指令発生手段と、上記電機子鎖交磁束の方向及び上記電機子鎖交磁束の方向と直交する方向の直交２軸上で上記電機子鎖交磁束の方向と直交する方向の電機子電流と上記電機子電流指令との誤差が零になるように制御するとともに上記電機子鎖交磁束の方向の電機子電流が零になるように制御する電機子電流制御手段とを備えた巻線界磁式同期機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転子の界磁巻線により界磁磁界を発生する巻線界磁式同期機の制御装置に係り、特に界磁磁界の発生に界磁巻線と共に永久磁石を併用する巻線界磁式同期機の制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
巻線界磁式同期機（以下、単に同期機という場合もある）の制御においては、電機子鎖交磁束と電機子電流が直交するように制御するベクトル制御方式が、高効率・高力率な制御方式として従来より用いられている（例えば、非特許文献１参照）。これに対して永久磁石を併用する同期機では、永久磁石が発生する磁束の影響を考慮する必要があることから、従来の同期機のベクトル制御方式を適用することができない。
【０００３】
このような課題を解決する手段として、制御装置に与えられるトルク指令と同期機の回転数から、その運転状態で効率が最大となるような、界磁磁束方向（ｄ軸）及びその直交方向（ｑ軸）の電機子電流指令値と、界磁磁束指令値を、テーブルを参照することにより求めるものがある。このようなテーブルの各データは、制御対象となる同期機の特性パラメータを用いて計算される（例えば、特許文献１参照）。同様の技術として、界磁磁束指令の代わりに界磁電流指令をテーブルより求められているものが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平０８−３３１９００号公報（段落番号００３７〜００４７及び図１４）
【特許文献２】特開平１１−３１３４９８公報（段落番号００３５〜００３８及び図５）
【非特許文献１】大沢博他著「同期電動機の高性能可変速制御」  電気学会Ｄ部門論文集  第１０７巻第２号  電気学会  昭和６２年２月  Ｐ１７５〜１８２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の同期機の制御装置は以上のように構成され、ｄ軸電流、ｑ軸電流、及び界磁磁束指令や界磁電流指令などの界磁の指令値は、テーブルを参照することにより求められる。テーブルの各データは、制御対象となる同期機の特性パラメータを用いて計算されるが、その演算は複雑で繰り返し計算が必要である。このため、上記テーブルのデータは、あらかじめオフラインで計算して作成する。以上のようにして作成したテーブルを用いて各電流指令を作成することにより、制御装置は与えられたトルク指令に対して、例えば電機子電流に対して最大のトルクが得られる最大トルク制御運転を実現することができる。
【０００６】
ところが、実際の同期機の製造においては、同じ機種の同期機でもインダクタンスや永久磁石磁束等の特性パラメータを完全に同じにすることは難しく、製造のばらつきによるこれら特性パラメータの変動は避けられない。従来の方式では、同期機の特性パラメータが異なる場合には、同期機毎にテーブルのデータを再度作成する必要があり、多大の労力が必要であった。また、同期機と制御装置は、それぞれ単体で出荷された後に使用先で初めて組み合わされて運転される場合が多く、その際に運転する同期機に対応したテーブルのデータを制御装置に記録する必要がある。
【０００７】
しかし、従来の方式では、トルク指令と回転数の組み合わせに対応したｄ軸電流、ｑ軸電流、及び界磁の指令値のテーブルが必要になり、データ量が膨大で制御装置への記録が容易でないという問題点があった。
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、同期機の特性パラメータが変動した場合でも、当該特性パラメータの変動を反映して容易に最適な制御を行うことができる巻線界磁式同期機の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】
【０００８】
この発明に係る巻線界磁式同期機の制御装置は、界磁として巻線界磁と永久磁石とを有する巻線界磁式同期機を制御するものであって、巻線界磁式同期機の回転数を入力して磁束指令を発生する磁束指令発生手段と、巻線界磁式同期機の電機子電流及び界磁電流値から永久磁石の磁束を考慮して電機子鎖交磁束の大きさと位相と負荷角とを算出する電機子鎖交磁束算出手段と、トルク指令を電機子鎖交磁束で除して電機子電流指令を求める除算器と、電機子鎖交磁束算出手段の算出した電機子鎖交磁束と磁束指令との誤差及び負荷角に基づき界磁電流指令を算出する界磁電流指令算出手段と、電機子鎖交磁束の方向及び電機子鎖交磁束の方向と直交する方向の直交２軸上で電機子鎖交磁束の方向と直交する方向の電機子電流と電機子電流指令との誤差が零になるように制御するとともに電機子鎖交磁束の方向の電機子電流が零になるように制御する電機子電流制御手段とを備えたものである。
【０００９】
また、この発明に係る巻線界磁式同期機の制御装置は、界磁として巻線界磁と永久磁石とを有する巻線界磁式同期機を制御するものであって、巻線界磁式同期機の回転数を入力して磁束指令を発生する磁束指令発生手段と、トルク指令を磁束指令の指令値で除して電機子電流指令を求める除算器と、磁束指令と電機子電流指令とから負荷角を演算する負荷角演算手段と、磁束指令と負荷角とから永久磁石の磁束を考慮して界磁電流指令を算出する界磁電流指令発生手段と、回転子位相に負荷角を加えて磁束指令の位相を求める加算器と、磁束指令の方向及び磁束指令の方向と直交する方向の直交２軸上で磁束指令の方向と直交する方向の電機子電流と電機子電流指令との誤差が零になるように制御するとともに電機子鎖交磁束の方向の電機子電流が零になるように制御する電機子電流制御手段とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明は、界磁として巻線界磁と永久磁石とを有する巻線界磁式同期機を制御するものであって、巻線界磁式同期機の回転数を入力して磁束指令を発生する磁束指令発生手段と、巻線界磁式同期機の電機子電流及び界磁電流値から永久磁石の磁束を考慮して電機子鎖交磁束の大きさと位相と負荷角とを算出する電機子鎖交磁束算出手段と、トルク指令を電機子鎖交磁束で除して電機子電流指令を求める除算器と、電機子鎖交磁束算出手段の算出した電機子鎖交磁束と磁束指令との誤差及び負荷角に基づき界磁電流指令を算出する界磁電流指令算出手段と、電機子鎖交磁束の方向及び電機子鎖交磁束の方向と直交する方向の直交２軸上で電機子鎖交磁束の方向と直交する方向の電機子電流と電機子電流指令との誤差が零になるように制御するとともに電機子鎖交磁束の方向の電機子電流が零になるように制御する電機子電流制御手段とを備えたので、巻線界磁式同期機の特性パラメータが変動した場合でも、当該特性パラメータの変動を反映して容易に最適な制御を行うことができる。
【００１１】
また、界磁として巻線界磁と永久磁石とを有する巻線界磁式同期機を制御するものであって、巻線界磁式同期機の回転数を入力して磁束指令を発生する磁束指令発生手段と、トルク指令を磁束指令の指令値で除して電機子電流指令を求める除算器と、磁束指令と電機子電流指令とから負荷角を演算する負荷角演算手段と、磁束指令と負荷角とから永久磁石の磁束を考慮して界磁電流指令を算出する界磁電流指令発生手段と、回転子位相に負荷角を加えて磁束指令の位相を求める加算器と、磁束指令の方向及び磁束指令の方向と直交する方向の直交２軸上で磁束指令の方向と直交する方向の電機子電流と電機子電流指令との誤差が零になるように制御するとともに電機子鎖交磁束の方向の電機子電流が零になるように制御する電機子電流制御手段とを備えたので、巻線界磁式同期機の特性パラメータが変動した場合でも、当該特性パラメータの変動を反映して容易に最適な制御を行うことができるとともに、磁束の推定及び制御を行わずに負荷角演算手段や界磁電流指令発生手段を用いて簡易化した制御が行えるのでより簡便な構成とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１〜図３は、この発明を実施するための実施の形態１を示すものであり、図１は同期機の制御装置の構成を示す構成図、図２は図１の制御系の動作を説明するための同期機のベクトル図である。図３は、図１の磁束制御手段の詳細構成を示す構成図である。図１において、同期機１は、界磁として巻線界磁１ｂと図示しない永久磁石を有している。同期機１は、図示しない電機子巻線が三相ドライブ回路２に接続され、界磁巻線１ｂが直流ドライブ回路３に接続されて駆動され、それぞれの巻線の電流は電機子電流センサ４及び界磁電流センサ５によって検出される。
【００１３】
また、同期機１の回転子位相θは回転子位置センサ６によって検出される。磁束推定手段７は、電機子電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ、界磁電流ｉｆ、及び回転子位相θから電機子鎖交磁束の大きさ｜Φ｜及び位相∠Φを算出するが、計算の詳細については後述する。この実施の形態の同期機の制御装置においては、電機子の電流制御は、この電機子鎖交磁束の位相∠Φの方向（γ軸）及びその直交方向（δ軸）の２軸上で行われるので、電機子電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗは座標変換器１２によりγδ軸電機子電流ｉγｆ，ｉδｆに座標変換される。また、加算器１４は電機子鎖交磁束の位相∠Φから回転子位相θを減じて、負荷角Δθを求める。
【００１４】
回転子位相θを微分器８で微分して回転子速度ωが得られ、磁束指令発生手段９は回転子速度ωより磁束指令Φｒを求める。加算器１０は、磁束指令Φｒから電機子鎖交磁束｜Φ｜を減算して誤差ΔΦを求め、この誤差ΔΦは磁束制御手段１１に入力されて、負荷角Δθ及び永久磁石磁束を参照しながら界磁電流指令ｉｆｒが算出されるが、その詳細については後述する。
【００１５】
一方、除算器１５によりトルク指令τｒを電機子鎖交磁束｜Φ｜で除してδ軸電流指令ｉδｒが得られる。加算器１６は、このδ軸電流指令ｉδｒからδ軸電機子電流ｉδｆを減じてδ軸電流誤差Δｉδを算出し、この誤差Δｉδをδ軸電流制御器１７に入力してδ軸電圧指令ｖδを得る。γ軸電流指令ｉγｒは０であるが、同様に加算器１８がγ軸電流指令ｉγｒからγ軸電機子電流ｉγｆを減じてγ軸電流誤差Δｉγを算出し、この誤差Δｉγをγ軸電流制御器１９に入力してγ軸電圧指令ｖγを得る。
【００１６】
γδ軸電圧指令ｖγ、ｖδは、座標変換器２０により三相電圧ｖｕ，ｖｖ，ｖｗに変換され、三相ドライブ回路２に出力される。また加算器１３は、界磁電流指令ｉｆｒから界磁電流ｉｆｆを減じて界磁電流誤差Δｉｆを算出し、この誤差Δｉｆは界磁電流制御器２１に入力されて界磁電圧指令ｖｆが算出され、直流ドライブ回路３に出力される。
【００１７】
図１の制御装置の動作を図２の同期機のベクトル図により説明する。図２に示すように、電機子に固定されたαβ座標系に対して、回転子に固定されたｄｑ軸は回転子位相θを成している。界磁磁束ベクトルΦｆはｄ軸方向に発生し、その磁束は永久磁石磁束Φｍと界磁電流ｉｆｆによる磁束の合計である。この関係を式で表すと（１）式のようになる。
Φｆ＝Φｍ＋Ｍ・ｉｆｆ                                  ・・・（１）
但し、Ｍは界磁電流ｉｆｆからｄ軸電機子鎖交磁束への相互インダクタンスである。
【００１８】
一方、電機子電流ベクトルｉにより電機子反作用磁束ベクトルΦａが発生し、この二つの磁束ベクトルの総和が電機子鎖交総磁束ベクトルΦであって、この電機子鎖交総磁束ベクトルΦの絶対値｜Φ｜及び位相∠Φは以下の（２）〜（４）式で求めることができる。この式に基づく計算は磁束推定手段７で実行される。
｜Φ｜＝√（（Φｆ＋Ｌｄ・ｉｄ）２＋（Ｌｑ・ｉｑ）２）    ・・・（２）
Δθ＝ｔａｎ−１（Ｌｑ・ｉｑ／（Φｆ＋Ｌｄ・ｉｄ）        ・・・（３）
∠Φ＝θ＋Δθ                                          ・・・（４）
但し、Ｌｄは電機子ｄ軸自己インダクタンス、Ｌｑは電機子ｑ軸自己インダクタンスである。
【００１９】
以上の計算で算出した電機子鎖交磁束の位相∠Φの方向にγ軸、その直交方向にδ軸をとる。電機子電流ベクトルｉが電機子鎖交総磁束ベクトルΦと直交する状態が、発生トルクに対する電機子電流が最小になるので、電機子電流がδ軸方向成分のみを持つように、除算器１５によりトルク指令τｒを電機子鎖交磁束｜Φ｜で除してδ軸電流指令ｉδｒを与えると共に、γ軸電流指令ｉγｒを０にすることにより、電機子電流ｉに対して最大のトルクが得られる最大トルク制御運転を行うことができる。
【００２０】
なお、この実施の形態における磁束推定手段７と加算器１４がこの発明にお
ける電機子鎖交磁束算出手段、磁束制御手段１１が界磁電流指令算出手段、加算器１６とδ軸電流制御器１７と加算器１８とγ軸電流制御器１９とが電機子電流制御手段である。
【００２１】
ここで磁束制御手段１１の詳細について説明する。通常の巻線界磁型同期電動機のベクトル制御では、磁束制御手段は通常のＰＩ制御器が用いられるが、永久磁石併用型の巻線界磁型同期電動機においては、（１）式に示したように永久磁石磁束の影響を加味する必要がある。図３は磁束制御手段１１の内部構造を示すものであるが、図３において、磁束誤差ΔΦは補正器３１により負荷角Δθを用いてｄ軸方向に換算された後、ＰＩ制御器３１に入力されてｄ軸界磁電流指令相当値ｉｆｒｅｑが得られるが、このｄ軸界磁電流指令相当値ｉｆｒｅｑより永久磁石磁束の影響を加味するために磁石相当界磁電流ｉｆｍを加算器３３により減じて、最終的な界磁電流指令ｉｆｒが求められる（ｉｆｒ＝ｉｆｒｅｑ−ｉｆｍ）。なお、磁石相当界磁電流ｉｆｍは（５）式で与えられる。
ｉｆｍ＝Φｍ／Ｍ                                        ・・・（５）
【００２２】
磁束制御手段１１を以上のように構成することにより、永久磁石磁束の影響を加味した界磁電流指令値を算出することが可能になる。また、電機子電圧は、電機子電流による抵抗電圧降下を無視すれば、電機子鎖交総磁束ベクトル絶対値｜Φ｜と回転数の積で求めることができる。このため、電機子鎖交総磁束ベクトル絶対値｜Φ｜と回転数の積が一定値になるようにすれば、電機子電圧を一定に保つことができ、三相ドライブ回路２の出力電圧に制限がある場合でも、適正な出力電圧を保つことができる。以上の関係を用いて、磁束指令発生手段９は回転数ωから磁束指令Φｒを算出する。
【００２３】
なお、上記の制御演算では、同期機の特性パラメータとして永久磁石磁束Φｍ、界磁電流ｉｆｆからｄ軸電機子鎖交磁束への相互インダンクタンスＭ、電機子自己インダクタンスＬｄ，Ｌｑを使用しているだけであるので、これらの特性パラメータが同期機毎に異なる場合でも、これらの値を変更するだけで最適な運転状態を実現することができる。また特許文献１に示されたような、温度上昇により永久磁石磁束が変動する場合でも、運転中に制御演算の中の永久磁石磁束Φｍの値を変更すれば、即座に特性変動を反映した運転状態に移行することができる。
【００２４】
また、上記の同期機の特性パラメータは制御装置自体による測定が可能であり、この測定値を使用してこの発明の制御装置を運転することにより、それぞれの同期機に最適な運転状態を実現することができる。以下に、その代表的な測定方法を説明する。
永久磁石併用の巻線界磁型同期電動機の定常運転時の電圧方程式を、（６）式に示すが、この（６）式を元に同期機の各特性パラメータの測定方法を説明する。なお、界磁の永久磁石を初めとする同期機の定数の測定時には、回転子位相θを用いて座標変換を行うので、図１においてγ軸がｄ軸に、δ軸がｑ軸に相当することになる。
【００２５】
【数１】
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【００２６】
まず永久磁石磁束Φｍについてであるが、電機子ｄ軸及びｑ軸電流ｉｄ，ｉｑ及び界磁電流ｉｆを０にして（６）式第二列を変形すると（７）式が得られる。
Φｍ＝ｖｑ／ω                                          ・・・（７）
これより、同期機を外部動力により回転駆動した状態で、電機子ｄ軸及びｑ軸電流指令（γ軸及びδ軸電流指令ｉγｒ，ｉδｒ）及び界磁電流指令ｉｆｒを０にして、その時のｑ軸電圧指令（図１におけるδ軸電流制御器１７から出力されるδ軸電圧指令ｖδ）を記録すれば、（７）式より永久磁石磁束Φｍが算出できることが分かる。
【００２７】
次に自己インダクタンスＬｄであるが、界磁電流ｉｆ、電機子ｑ軸電流ｉｑを０にして、電機子ｄ軸電流ｉｄを所定の値にした状態で（６）式第二列を変形すると（８）式が得られる。
Ｌｄ＝（ｖｑ−ω・Φｍ）／ω・ｉｄ                      ・・・（８）
これより、同期機を外部動力により回転駆動した状態で、電機子ｑ軸電流指令及び界磁電流指令ｉｆｒを０にして所定のｄ軸電流指令を与え、その時のｑ軸電圧指令を記録すれば、（８）式より自己インダクタンスＬｄが算出できることが分かる。
【００２８】
また、自己インダクタンスＬｑは、界磁電流ｉｆ、電機子ｄ軸電流ｉｄを０にして、電機子ｑ軸電流ｉｑを所定の値にした状態で（６）式第一列を変形すると（９）式が得られる。
Ｌｄ＝ｖｑ／ω・ｉｄ                                    ・・・（９）
これより、同期機を外部動力により回転駆動した状態で、電機子ｄ軸電流指令及び界磁電流指令ｉｆｒを０にして所定のｑ軸電流指令を与え、その時のｄ軸電圧指令を記録すれば、（８）式より自己インダクタンスＬｄが算出できることが分かる。
【００２９】
最後に相互インダクタンスＭについてであるが、電機子電流ｉｄ，ｉｑを０にして界磁電流ｉｆを所定の値にした状態で（６）式第二列を変形すると（１０）式が得られる。
Ｍ＝（ｖｑ−ω・Φｍ）／ω・ｉｆ                        ・・・（１０）
これより、同期機を外部動力により回転駆動した状態で、電機子電流指令を０にして所定の界磁電流指令を与え、その時のｑ軸電圧指令を記録すれば、（７）式より永久磁石磁束Φｍが算出できることが分かる。
【００３０】
以上の方法により、運転前あるいは使用中の適当なタイミングで同期機の特性パラメータを制御装置自体で測定して制御装置内の特性パラメータを更新すれば、特性パラメータのばらつきあるいは変動がある場合でも、最適な運転状態を保つことができる。なお、特性パラメータの測定方法には、上記の方法以外にも、電機子及び界磁巻線に交番電圧を印加して、各巻線に発生する交番電流からインダクタンスを求める方法などが知られているが、同様の効果を奏する。
【００３１】
なお、上記の同期機の特性パラメータは、磁気飽和の影響により変動することが知られており、例えば相互インダクタンスＭは界磁電流ｉｆにより、自己インダクタンスＬｑは電機子ｑ軸電流ｉｑにより大きく影響される場合がある。この磁気飽和の影響を勘案して制御を行うには、特性パラメータを運転条件（各電流値あるいは指令値など）を参照して変化させるような、特性テーブルあるいは特性式を用いればよく、これによって特性パラメータの運転条件による変化を反映した制御が可能になる。
また、上記の実施例では、磁束推定手段７として各電流値より磁束を推定する方式のものについて説明したが、電圧情報を併用して磁束推定精度を向上する磁束オブザーバなどを適用した方式を用いても良い。
【００３２】
以上のように、上記においては磁束推定手段７により、γδ軸電機子電流ｉγｆ、ｉδｆ、界磁電流ｉｆｆ、及び回転子位相θから電機子鎖交磁束の大きさ｜Φ｜及び位相∠Φを算出するものを示した。しかし、実際に検出したγδ軸電機子電流ｉγｆ、ｉδｆ、界磁電流ｉｆｆの代わりに、電機子ｄ軸及びｑ軸電流指令値（γ軸及びδ軸電流指令ｉγｒ、ｉδｒ）及び界磁電流指令ｉｆｒの指令値を用いることもできる。この場合、上で説明したように電機子δ軸電流指令ｉδｒを求めるために電機子鎖交磁束の大きさ｜Φ｜が必要であり、また電機子γδ軸電流指令ｉγｒ、ｉδｒから三相の電機子電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを求めるのに電機子鎖交磁束の位相∠Φが必要であるなど、計算の一部が循環的になる。
【００３３】
これを防止するために、例えば次のように構成する。すなわち、上記のような演算をマイコンを用いて所定の周期で演算し、電機子鎖交磁束の大きさ｜Φ｜とその位相∠Φの値として前回の演算結果を用いて各電流指令値ｉγｒ、ｉδｒ、ｉｆｒを算出し、この指令値を用いて電機子鎖交磁束の大きさ｜Φ｜とその位相∠Φを算出し、得られた値を次回の計算に使用するようにする。なお、運転開始時で電機子ｄ軸及びｑ軸電流指令及び界磁電流指令ｉｆｒの指令値が０の状態においては、例えば電機子鎖交磁束の大きさ｜Φ｜を永久磁石磁束Φｍ、位相∠Φを回転子位相角θで初期化してから制御演算を開始する。また、上記処理の際に、得られ得た電機子鎖交磁束の大きさ｜Φ｜とその位相∠Φの値を所定の特性を有するフィルタを用いて処理して次回の計算に用いるようにすれば、演算の安定性を高くすることができる。以上のように、推定磁束に用いる電流に電流の指令値を用いるので、電流検出に伴うノイズの影響を受けることがなく、より安定した制御を行うことができる。
【００３４】
実施の形態２．
図４及び図５は、この発明の実施の形態２を示すものであり、図４は同期機の制御装置の構成図、図５は電機子鎖交磁束と電機子電流が直交している状態の同期機のベクトル図である。図４において、図１における磁束推定手段７の代わりに、磁束指令Φｒとδ軸電流指令ｉδｒから負荷角Δθを演算する負荷角演算器４１が設けられている。そして、磁束制御手段１１の代わりに磁束指令Φｒと負荷角Δθから界磁電流指令ｉｆｒを算出する界磁電流指令発生器４２が設けられている。なお、実施の形態１のような推定磁束を用いた磁束のフィードバック制御は行われない。加算器４３は回転子位相θに負荷角Δθを与えて電機子鎖交磁束の位相∠Φを算出し、この位相方向のγδ座標上で電機子電流制御が行われる。その他の構成については、図１に示した実施の形態１と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。
【００３５】
この実施の形態による同期機の制御装置では、同期機は電機子鎖交磁束と電機子電流が直交している状態で運転されているものとして、負荷角Δθを算出する。図５は、電機子鎖交磁束Φと電機子電流ｉが直交している状態の同期機のベクトル図である。図５より、負荷角Δθについて次の（１１）式が成立することが分かる。
Δθ＝ｔａｎ−１（Ｌｑ・ｉｑ／ΦｃｏｓΔθ）
＝ｔａｎ−１（Ｌｑ・ｉδｃｏｓΔθ／ΦｃｏｓΔθ）
＝ｔａｎ−１（Ｌｑ・ｉδ／Φ）                        ・・・（１１）
【００３６】
電機子δ軸電流ｉδｆの代わりに指令値ｉδｒを、電機子鎖交磁束Φの代わりに磁束指令Φｒを用いれば、（１１）式より負荷角Δθを算出することができ、同方法により負荷角演算器４１は負荷角Δθを算出する。この計算方法により、磁束推定手段７を用いた実施の形態１に比べて、負荷角Δθの演算を大幅に簡略化することができる。なお、電機子δ軸電流指令ｉδｒの代わりにフィードバック値である電機子δ軸電流ｉδｆを用いても問題がない。
【００３７】
この実施の形態による同期機の制御装置では、推定磁束を用いた磁束のフィードバック制御は行われない。図５より、ｄ軸上の磁束について次の（１２）式が成立することが分かるが、（１２）式に（１）、（５）式を代入して整理すると、（１３）式が得られる。
Φｆ＝ΦｃｏｓΔθ−Ｌｑ・ｉｄ
＝ΦｃｏｓΔθ＋Ｌｑ・ｉδｓｉｎΔθ              ・・・（１２）
ｉｆ＝（ΦｃｏｓΔθ＋Ｌｑ・ｉδｓｉｎΔθ）／Ｍ−ｉｆｍ  ・・・（１３）
界磁電流指令発生器４２は、電機子δ軸電流ｉδｆの代わりに指令値ｉδｒを、電機子鎖交磁束Φの代わりに磁束指令Φｒを用いて、（１３）式により界磁電流指令ｉｆｒを算出する。
【００３８】
なお、電機子の自己インダクタンスが非突極（Ｌｄ＝Ｌｑ）の場合は、電機子鎖交磁束Φと電機子磁束Φａが直交するので、次の（１４）式が成立し、これに（１）、（５）式を代入して（１５）式が得られる。
Φｆ＝Φ／ｃｏｓΔθ                                    ・・・（１４）
ｉｆ＝Φ／ＭｃｏｓΔθ−ｉｆｍ                          ・・・（１５）
従って、電機子の自己インダクタンスが非突極（Ｌｄ＝Ｌｑ）の場合は、界磁電流指令発生器４２は（１５）式を用いて界磁電流指令ｉｆｒを算出することができる。この場合、界磁電流指令発生器４２は電機子δ軸電流指令値ｉδｒを参照する必要はなく、計算を更に簡略化することができる。
【００３９】
この実施の形態２においても、実施の形態１と同様に運転時に同期機の特性パラメータを測定して、この特性パラメータを用いた制御が即座に可能であるのは同様である。また、先に示したように、同期機の特性パラメータが磁気飽和の影響により変動する現象に対応するには、実施の形態１の場合と同様に、特性パラメータを運転条件（各電流値あるいは指令値など）を参照して変化させるような、特性テーブルあるいは特性式を用いれば良い。
【００４０】
なお、この実施の形態２では、負荷角θの計算と界磁磁束制御の双方を簡略化する方法について説明したが、電機子鎖交磁束位相の計算は実施の形態１の方式で行い、界磁磁束制御のための界磁電流指令を界磁電流指令発生器４２により磁束指令Φｒと負荷角Δθから計算する上記実施の形態２の方法で簡易化する方式も、構成可能である。
【００４１】
なお、この実施の形態における負荷角演算器４１がこの発明における負荷角演算手段、界磁電流指令発生器４２が界磁電流指令発生手段である。
【００４２】
以上に説明したように、この発明によれば、永久磁石の磁束情報を含めた同期機の特性パラメータを用いて最適な運転状態を保つような制御を行うので、同期機の特性パラメータが変動した場合でも、わずかな制御特性パラメータの変更によりその変動を反映して最適な運転状態を保つことが可能になる。また、本発明の実施の形態２による同期機の制御装置では、磁束の推定及び制御を行わずに簡易化した制御が行えるようにしたので、より簡便な構成により実施の形態１と同様の効果を奏することができる。
【００４３】
以上のようにこの発明によれば、界磁として巻線界磁と永久磁石とを有する巻線界磁式同期機を制御するものであって、巻線界磁式同期機の回転数を入力して磁束指令を発生する磁束指令発生手段と、巻線界磁式同期機の電機子電流及び界磁電流値から永久磁石の磁束を考慮して電機子鎖交磁束の大きさと位相と負荷角とを算出する電機子鎖交磁束算出手段と、トルク指令を電機子鎖交磁束で除して電機子電流指令を求める除算器と、電機子鎖交磁束算出手段の算出した電機子鎖交磁束と磁束指令との誤差及び負荷角に基づき界磁電流指令を算出する界磁電流指令算出手段と、電機子鎖交磁束の方向及び電機子鎖交磁束の方向と直交する方向の直交２軸上で電機子鎖交磁束の方向と直交する方向の電機子電流と電機子電流指令との誤差が零になるように制御するとともに電機子鎖交磁束の方向の電機子電流が零になるように制御する電機子電流制御手段とを備えたので、巻線界磁式同期機の特性パラメータが変動した場合でも、当該特性パラメータの変動を反映して容易に最適な制御を行うことができる。
【００４４】
そして、電機子鎖交磁束算出手段は巻線界磁式同期機ごとの特性に基づいて電機子鎖交磁束の大きさと位相とを算出するものであり、界磁電流算出手段は巻線界磁式同期機ごとの特性に基づいて界磁電流指令を算出するものであることを特徴とするので、巻線界磁式同期機の特性にばらつきがあっても各巻線界磁式同期機に応じて適切な制御を行うことができる。
【００４５】
また、界磁として巻線界磁と永久磁石とを有する巻線界磁式同期機を制御するものであって、巻線界磁式同期機の回転数を入力して磁束指令を発生する磁束指令発生手段と、トルク指令を磁束指令の指令値で除して電機子電流指令を求める除算器と、磁束指令と電機子電流指令とから負荷角を演算する負荷角演算手段と、磁束指令と負荷角とから永久磁石の磁束を考慮して界磁電流指令を算出する界磁電流指令発生手段と、回転子位相に負荷角を加えて磁束指令の位相を求める加算器と、磁束指令の方向及び磁束指令の方向と直交する方向の直交２軸上で磁束指令の方向と直交する方向の電機子電流と電機子電流指令との誤差が零になるように制御するとともに電機子鎖交磁束の方向の電機子電流が零になるように制御する電機子電流制御手段とを備えたので、巻線界磁式同期機の特性パラメータが変動した場合でも、当該特性パラメータの変動を反映して容易に最適な制御を行うことができるとともに、磁束の推定及び制御を行わずに負荷角演算手段や界磁電流指令発生手段を用いて簡易化した制御が行えるのでより簡便な構成とすることができる。
【００４６】
さらに、負荷角演算手段は巻線界磁式同期機ごとの特性に基づいて負荷角を演算するものであり、界磁電流指令発生手段は巻線界磁式同期機ごとの特性に基づいて界磁電流指令を算出するものであることを特徴とするので、巻線界磁式同期機の特性にばらつきがあっても各巻線界磁式同期機に応じて適切な制御を行うことができる。
【００４７】
また、界磁として巻線界磁と永久磁石とを有する巻線界磁式同期機を制御するものであって、巻線界磁式同期機の回転数を入力して磁束指令を発生する磁束指令発生手段と、巻線界磁式同期機の電機子電流及び界磁電流値から永久磁石の磁束を考慮して電機子鎖交磁束の大きさと位相と負荷角とを算出する電機子鎖交磁束算出手段と、トルク指令を電機子鎖交磁束で除して電機子電流指令を求める除算器と、磁束指令と位相とから永久磁石の磁束を考慮して界磁電流指令を算出する界磁電流指令発生手段と、電機子鎖交磁束の方向及び電機子鎖交磁束の方向と直交する方向の直交２軸上で電機子鎖交磁束の方向と直交する方向の電機子電流と電機子電流指令との誤差が零になるように制御するとともに電機子鎖交磁束の方向の電機子電流が零になるように制御する電機子電流制御手段とを備えたので、巻線界磁式同期機の特性パラメータが変動した場合でも、当該特性パラメータの変動を反映して容易に最適な制御を行うことができるとともに、磁束の推定及び制御を行わずに負荷角演算手段や界磁電流指令発生手段を用いて簡易化した制御が行えるのでより簡便な構成とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】この発明の実施の形態１である同期機の制御装置の構成を示す構成図である。
【図２】図１の同期機の制御装置の動作を説明するための同期機のベクトル図である。
【図３】図１の磁束制御手段の詳細構成を示す構成図である。
【図４】この発明の実施の形態２である同期機の制御装置の構成を示す構成図である。
【図５】電機子鎖交磁束と電機子電流が直交している状態の同期機のベクトル図である。
【符号の説明】
【００４９】
１  同期機、７  磁束推定手段、９  磁束指令発生手段、１１  磁束制御手段、
１５  除算器、１７  δ軸電流制御器、１９  γ軸電流制御器、４１  負荷角演算器、
４２  界磁電流指令発生器、４３  加算器。
【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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