(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直交するｄ軸とｑ軸で構成される回転ｄｑ座標系上で、固定子電流をｄ軸成分とｑ軸成分に分割し制御する電流制御工程を有する交流電動機のベクトル制御方法であって、固定子電圧ｖ１と固定子電流ｉ１と固定子銅損抵抗Ｒ１と固定子鉄損抵抗Ｒｃと負荷電圧ｖＬと固定子負荷電流ｉＬと固定子鉄損電流ｉＲと固定子に鎖交する固定子磁束φ１とベクトル基底の瞬時角速度ωと微分演算子ｓと単位行列Ｉと交代行列Ｊとを用いて記述した次の３式からなる連立方程式
ｖ１＝Ｒ１・ｉ１＋ｖＬ
ｖＬ＝Ｒｃ・ｉＲ＝［ｓＩ＋ωＪ］φ１
ｉ１＝ｉＬ＋ｉＲ
を満足する次の関係
ｉＬ＝ｉ１＋（Ｒ１・ｉ１−ｖ１）／Ｒｃ
あるいはこれと数学的に等価な関係を少なくとも用いて得た固定子負荷電流ｉＬを利用して、固定子電流ｉ１を制御することを特徴とする交流電動機のベクトル制御方法。
【請求項２】
該固定子負荷電流ｉＬをｄ軸成分とｑ軸成分に分割し直接的に制御することにより、該固定子電流ｉ１を間接的に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ベクトル制御方法。
【請求項３】
該固定子電圧、該固定子電流として、少なくともいずれか１つを、実測値に代わってその推定値を利用することを特徴とする請求項１または請求項２記載の交流電動機のベクトル制御方法。
【請求項４】
該固定子負荷電流ｉＬをｄ軸成分とｑ軸成分に分割し直接的に制御するための該固定子負荷電流のｄ軸成分指令値とｑ軸成分指令値とを共に、トルク発生の指令値あるいはこれに準じるトルク目標値に従って、変更生成することを特徴とする請求項２記載の交流電動機のベクトル制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固定子端子に交流電力を受けてトルク発生及び機械エネルギー発生を行う交流電動機の中で、サーボへの利用が可能な誘導電動機、同期電動機及びこれらのハイブリッド電動機に共通に利用し得るベクトル制御方法に関するものである。特に、固定子鉄損の影響を考慮に入れた、高品質なトルク発生更には電気エネルギーの機械エネルギーへの高効率なエネルギー変換が可能なベクトル制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
誘導電動機、同期電動機などの交流電動機をサーボに利用する場合、固定子電流の制御が不可欠であり、従来よりこのための制御法としてベクトル制御方法が知られている。ベクトル制御方法は、互いに直交するｄ軸とｑ軸で構成される回転ｄｑ座標系上で、固定子電流をｄ軸成分とｑ軸成分に分割し制御する電流制御工程を有する。このときのｄｑ座標系としては、回転子磁束あるいは固定子磁束など、電動機内部の特定の磁束に位相差ゼロで同期した回転座標系が採用される。当然のことながら、この磁束オリエンテーションのために、ベクトル制御方法には回転座標系の位相を内部決定するあるいはこの位相情報を外部より取り込む工程を有することになる。
【０００３】
図１１は、交流電動機として誘導電動機を対象にした場合について、従来のベクトル制御方法を装置化した代表的１例を概略的にブロック図で示したものである。１は誘導電動機を、２は回転子の位置検出器を、３は電力変換器を、４は電流検出器を、５ａ、５ｂは夫々３相２相変換器、２相３相変換器を、６ａ、６ｂは共にベクトル回転器を、７は位相決定器を、８は電流制御器を示している。
【０００４】
特に、位相決定器７は電動機内部磁束の推定に基づいてｄｑ座標系の位相を決定する工程を具現化したものであり、電流制御器８はｄ、ｑ軸成分に分割された固定子電流の各成分を制御する工程を担当する手段を具現化したものである。なお、同図では、信号線の輻輳を避け簡明性を確保すべく、２つのスカラ信号からなる１つのベクトル信号は１本の太い信号線で表現している。
【０００５】
電流検出器４で検出された３相固定子電流は、３相２相変換器５ａで固定座標系上の２相電流（すなわちベクトル電流）ｉｌに変換された後、ベクトル回転器６ａでｄｑ座標系のベクトル電流ｉｌに変換され、位相決定器７及び電流制御器８へ送られる。電流制御器８は、変換後の固定子電流ｉｌが、指令電流値ｉｌ＊に追随すべくｄｑ座標系上の指令電圧ｖｌ＊を生成しベクトル回転器６ｂへ送る。このとき、電流制御器は位相決定器より電源角周波数ωｌの情報を得ており、電流のｄ、ｑ成分の非干渉化も遂行した形で指令電圧ｖｌ＊を生成する。６ｂでは、このベクトル信号を固定座標系のベクトル指令電圧ｖｌ＊に変換し、２相３相変換器５ｂへ送る。５ｂでは、２相のベクトル信号を３相指令電圧に変換し、電力変換器３への指令値として出力する。電力変換器３は、指令に応じた電力を発生し、誘導電動機１へ印加しこれを駆動する。位相決定器７は、回転子位置検出器２より回転子位置情報が入力されると、位置情報の近似微分処理等を通じて得た回転子の速度情報と変換後の電流ｉｌとを用いて、オリエンテイトすべき磁束位置を推定しすなわち回転ｄｑ座標系の位相をベクトル信号として決定し、２つのベクトル回転器６ａ、６ｂ向け出力する。このとき併せて、電源角周波数ωｌも生成する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来のベクトル制御方法では、上記の位相決定器７、電流制御器８の諸パラメータは、誘導電動機の伝統的な電気パラメータである固定子銅損抵抗、固定子インダクタンス、相互イングクタンス、回転子銅損抵抗、回転子インダクタンスに基づき決定されている。換言するならば、従来のベクトル制御方法では、固定子の鉄損の影響を一切考慮することなく、位相決定器及び電流制御器を設計しかつ構成するものであった。
【０００７】
誘導電動機の固定子コアを構成する電磁鋼板は渦電流損、ヒステリシス損に代表される鉄損を発生する。渦電流損は鎖交磁束の２乗と周波数の２乗の積に比例して、また、ヒステリシス損は鎖交磁束の２乗と周波数の積に比例して増大する。このため、鉄損の影響を無視した従来のベクトル制御方法に従って位相決定器及び電流制御器を構成した場合には、同一のトルクを発生すべく指令電流を与えた場合にも電動機の回転速度に依存して発生トルクが変動した。また、不要にトルクリプルが大きくなったりもした。また、電動機の制御においては、所要のトルクを発生しながら電気エネルギーの機械エネルギーの変換に伴う損失を最小にするような高効率な制御を要求される場合がしばしばあるが、固定子鉄損を無視した従来のベクトル制御方法では、損失の最小化も精度良く達成維持することは困難であった。実際的には無視できない固定子鉄損を無視した従来のベクトル制御方法は、このようにトルク発生の精度、安定性更にはエネルギー変換の効率性に問題を有していた。この問題は、例えば文献（Ｅ．Ｌｅｖｉ：  Ｉｍｐａｃｔｏｆ  Ｉｒｏｎ  Ｌｏｓｓ  ｏｎ  Ｂｅｈａｖｉｏｒ  ｏｆ  Ｖｅｃｔｏｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ  Ｍａｃｈｉｎｅｓ，ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．ｏｎ  Ｉｎｄｕｓｔｒｙ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．６，ｐｐ．１２８７−１２９６，１９９５）などにも詳しく述べられている。
【０００８】
以上、交流電動機として誘導電動機を制御対象として、固定子鉄損を無視した従来のベクトル制御方法によりこれを制御する場合のブロック構成の１例を示しながら、このベクトル制御方法の問題点を説明した。当業者にとっては周知のように、交流電動機として同期電動機を制御対象としてベクトル制御方法によりこれを制御する場合の概略的なブロック構成も誘導電動機の場合と基本的に同一となる。同期電動機の場合には、回転子の磁束レベルは既知で、しかも回転子の位置情報から直接的に磁束の位置を得ることができるため、ベクトル回転器にベクトル状の位相情報を出力する位相決定器７の構成が著しく簡単になるが、本発明に関連して必要な同期電動機の概略的なブロック構成は誘導電動機のそれとの本質的な違いはない。また、当業者にとっては周知のように、誘導電動機、同期電動機及びこれらのハイブリッドによる電動機の固定子は交流電動機として基本的に同一であり、上に説明した固定子鉄損を無視した従来のベクトル制御方法の問題は、同期電動機を含む交流電動機に共通の問題である。
【０００９】
本発明は、以上の背景のもとになされたものであり、その目的は、固定子鉄損の影響を受けることなく精度良くかつ安定したトルク発生が可能な更には固定子鉄損の存在下で高いエネルギー伝達効率を達成し得る交流電動機のベクトル制御方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、互いに直交するｄ軸とｑ軸で構成される回転ｄｑ座標系上で、固定子電流をｄ軸成分とｑ軸成分に分割し制御する電流制御工程を有する交流電動機のベクトル制御方法であって、固定子電圧ｖ１と固定子電流ｉ１と固定子銅損抵抗Ｒ１と固定子鉄損抵抗Ｒｃと負荷電圧ｖＬと固定子負荷電流ｉＬと固定子鉄損電流ｉＲと固定子に鎖交する固定子磁束φ１とベクトル基底の瞬時角速度ωと微分演算子ｓと単位行列Ｉと交代行列Ｊとを用いて記述した（２）〜（４）式（後述の段落００１５参照）からなる連立方程式を満足する次の関係
【数１】
0003994419.tif 000002
あるいはこれと数学的に等価な関係を少なくとも用いて得た固定子負荷電流ｉＬを利用して、固定子電流ｉ１を制御することを特徴とするものである。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１記載の交流電動機のベクトル制御方法であって、該固定子負荷電流ｉＬをｄ軸成分とｑ軸成分に分割し直接的に制御することにより、該固定子電流ｉｌを間接的に制御することを特徴とするものである。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２記載の交流電動機のベクトル制御方法であって、該固定子電圧、該固定子電流として、少なくともいずれか１つを、実測値に代わってその推定値を利用することを特徴とするものである。
【００１３】
請求項４の発明は、請求項２記載の交流電動機のベクトル制御方法であって、該固定子負荷電流ｉＬをｄ軸成分とｑ軸成分に分割し直接的に制御するための該固定子負荷電流のｄ軸成分指令値とｑ軸成分指令値とを共に、トルク発生の指令値あるいはこれに準じるトルク目標値に従って、変更生成することを特徴とするものである。
【００１４】
つぎに本発明の作用を詳細に説明する。交流電動機に関する電圧、電流、磁束と言った物理量は、周知のように、２ｘ１のベクトル信号として表現することができる。ベクトル信号の記述には、先ず、ベクトル基底を定めなければならない。以下の説明では、図１に示した任意の瞬時角速度ωで回転する直交軸上の単位ベクトルをベクトル基底とする。
【００１５】
固定子に鎖交する固定子磁束をφｌと表現するならば、交流電動機の固定子側からみた物理量の関係は、図２に示したベクトル信号を用いた等価回路（以下、ベクトル等価回路と略記）を利用して表現することができる。等価回路的に、同図の１３は固定子側の損失を表現した固定子損失回路を、また１４は固定子側からみた損失のない負荷を表現した固定子負荷回路を示している。固定子損失回路と固定子負荷回路から構成されるこのベクトル等価回路の関係は、数式を用いて厳密に表現するならば、次の（２）〜（４）式で記述することができる。
【数２】
0003994419.tif 000003
【数３】
0003994419.tif 000004
【数４】
0003994419.tif 000005
図２および（３）、（４）式におけるｉＲは鉄損抵抗Ｒｃに流れる等価的な電流であり、また、ｖＬは負荷に印加される負荷電圧である。また、ωはベクトル基底の瞬時角速度、ｓは微分演算子、Ｉは単位行列、Ｊは次式で定義された交代行列である。
【数５】
0003994419.tif 000006
【００１６】
固定子損失は、次の（６）式に示すように、銅損抵抗Ｒｌによる損失と鉄損抵抗Ｒｃによる損失の和として評価され得る。
【数６】
0003994419.tif 000007
【００１７】
上式の右辺第２項に示した損失が本発明に直接関係する損失であり、これは電磁鋼板コアで発生する渦電流損、ヒステリシス損からなる鉄損を表現するものでなくてはならない。先ずこの事実を数式を用いて厳密に明らかにする。このため、鉄損抵抗Ｒｃを以下のように周波数特性を持たせたより詳細な形で表現することにする。
【数７】
0003994419.tif 000008
ここに、ωｌは固定子電力の角周波数である。（６）式の右辺第２項に示した損失は、（３）式と（７）式を用いると次式のように評価することができる。
【数８】
0003994419.tif 000009
【００１８】
（８）式の右辺第１項は固定子渦電流損を、第２項は固定子ヒステリシス損を示すものである。すなわち、電磁鋼板コアの鉄損の主要素である渦電流損とヒステリシス損に関しては、渦電流損は鎖交磁束の２乗と周波数の２乗の積に比例して、また、ヒステリシス損は鎖交磁束の２乗と周波数の積に比例して増大することが古くより知られているが、（８）式に示した損失は、電磁鋼板のこの鉄損特性を適切に表現していることが明らかである。換言するならば、交流電動機のベクトル制御方法に関する本発明の説明に使用している図２及びこれを数学的に厳密に表現した（２）〜（４）式は固定子鉄損を適切に表現するものであることが明らかである。
【００１９】
ところで、交流電動機においては、固定子と回転子は電磁的に結合しており、固定子に印加された電気エネルギーはこの電磁結合を経て回転子に伝達され機械エネルギーとして回転子より放出されている。この電磁結合を担うのが磁束であり、図２では固定子負荷回路における固定子磁束φｌがこの電磁結合を表現している。電磁結合を担う固定子磁束は、当然のことながら、固定子インダクタンスにより自己生成した磁束と回転子が生成した磁束との両磁束の固定子鎖交分より構成されている。
【００２０】
回転子が発生するトルクを精度よくかつ安定的に制御するにはあるいは回転子が放出するエネルギーを効率的に制御するには、図２より明白なように、これらの直接的な発生源で固定子負荷回路に流入する負荷電流ｉＬを正確に把握した上で固定子電流ｉｌを制御するものでなくてはならない。請求項１の本発明によれば、回転子におけるトルク及び機械エネルギーの直接的な発生源であるこの負荷電流ｉＬが入手できるようになるので、これが実際的に可能となる。本発明による（１）式に代表される関係で利用する信号は、交流電動機の固定子端子から直接測定可能な固定子電圧と固定子電流のみであり、この実際性は明瞭である。入手あるいは把握した負荷電流が適切な値を示すには、本発明で構築した（１）式に示した関係あるいはこれと数学的に等価な関係は、固定子鉄損を適切に表現した（２）〜（４）式の連立方程式を満足しなければならない。本発明による関係は当然これを満足しており、これは（１）式の関係を（２）〜（４）式の連立方程式に代入するすることにより容易に確認される。以上の説明より明白なように、請求項１の本発明によれば、固定子鉄損の影響を考慮した適切な形で交流電動機の固定子電流を制御できるようになると言う作用が得られる。換言するならば、無視できない固定子鉄損をもつ交流電動機に対し、高精度なかつ安定したトルク発生更には高効率なエネルギー発生を達成するに必要な固定子電流制御が可能になると言う作用が得られる。
【００２１】
請求項２の本発明によれば、請求項１のベクトル制御方法において、回転子のトルク及び機械エネルギー発生の直接的な発生源である固定子負荷電流をｄ軸成分とｑ軸成分に分割して直接的に制御することができるようになる。この結果、回転子の発生するトルク及びエネルギーを直接的に制御できると言う作用が得られる。
【００２２】
請求項３の本発明によれば、請求項１または２のベクトル制御方法において、固定子電圧、固定子電流として、この少なくとも１つに対し、実測値に代わってその推定値を利用することができるようになる。この結果、例えば、固定子電流に関してその推定値を利用をする場合には、実測電流値に含まれるノイズあるいは信号の高調波成分の影響を受けにくくなると言う作用が得られる。固定子電圧に関してその推定値を利用する場合には、上記固定子電流と同様な作用が得られる。これに加え、電圧検出器を撤去できると言う作用も得られる。また、後に実施形態例を用いて詳しく説明するように、性能向上に有益なオブザーバなどへの取り込みなど、本発明の多様な利用が可能となると言う作用が得られる。
【００２３】
請求項４の発明によれば、請求項２記載の交流電動機のベクトル制御方法において、該固定子負荷電流ｉＬをｄ軸成分とｑ軸成分に分割し直接的に制御するための該固定子負荷電流のｄ軸成分指令値とｑ軸成分指令値とを共に、トルク発生の指令値あるいはこれに準じるトルク目標値に従って、変更生成することができるようになる（以下、簡単のため、トルク発生の指令値あるいはこれに準ずるトルク目標値を、指令トルク値等と呼ぶ）。このｄ軸指令値とｑ軸指令値の生成における同時性と自由自在性により、所要のトルク発生を達成しながら異なった評価基準でのエネルギー変換の高効率化を達成し得る種々のルールに従い得るｄ軸指令値とｑ軸指令値とを相互に関連づけた形で生成できるようになると言う作用が得られる。
【００２４】
上記の作用が得られることは、理論的には以下のように説明される。請求項１及び２の本発明を適用する交流電動機においては、トルクτは次式の関係に従い発生される。
【数９】
0003994419.tif 000010
上式におけるＮｐは交流電動機の極対数を意味している。（９）式が明快に示しているように、トルクは２つのベクトル信号ｉＬとＪφｌの内積で算定される。これは、同一のトルクを発生する負荷電流成分の組み合わせは無数に存在することを意味する。本発明によれば、この無数の組み合わせの中から、最小損失あるいは最大力率など、エネルギー変換の効率を向上した１組を選定し、負荷電流制御のための指令値として利用することができるようになる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて、本発明の実施形態を詳細に説明する。本発明のベクトル制御方法を適用したベクトル制御装置と交流電動機の１実施形態例の基本的構造を図３に示す。図３における電動機等の１〜６の機器は、従来のベクトル制御方法を適用した図１１と同一であり、７、８の機器に関しては従来と同様である。本実施形態例においては、従来との大きな違いは負荷電流発生器９の存在であり、７、８の機器に関しては細部に小さな違いがあるに過ぎない。従って、実施形態例の説明では、この負荷電流発生器９を中心に詳しく説明し、７、８の機器に関しては違いのみを説明する。
【００２６】
電流検出器４で検出された３相固定子電流は、３相２相変換器５ａ、ベクトル回転器６ａを経て回転ｄｑ座標系のベクトル電流に変換され後、負荷電流発生器９へ入力される。負荷電流発生器９は、これと同時に、同座標系上の固定子の指令電圧ｖｌ＊と位相決定器より電源角周波数ωｌとを入力として受け、負荷電流ｉＬを位相決定器７と電流制御器８へ向け出力している。位相決定器７は、回転子位置検出器からの回転子位置情報を利用しながらベクトル信号としての磁束位置を決定しベクトル回転器にこれを出力している。なお、交流電動機として誘導電動機を利用する場合には当業者にとっては明白なように磁束位置の決定には電流情報も必要である。電流制御器８は、負荷電流の指令値ｉＬ＊も入力されており、負荷電流ｉＬがこの指令値ｉＬ＊に直接的に追随すべく回転ｄｑ座標系上の指令電圧ｖｌ＊を生成し、これをベクトル回転器６ｂ及び負荷電流発生器９へ送っている。本実施形態例は、固定子電流ｉｌ発生の源泉である指令電圧ｖｌ＊を、固定子負荷電流ｉＬを直接的に制御することにより決定していることより明白なように、固定子負荷電流ｉＬの直接制御を通じ固定子電流ｉｌを間接的に制御するものとなっている。また、固定子電圧の推定値としてその指令値を利用している。
【００２７】
図４は、負荷電流発生器９の内部構造を示したものである。この負荷電流発生器９は本発明による（１）式の関係を直接実現したものである。ただし、実現に際しては、固定子電圧の信号としてその指令値を印加し、更に（７）の式に示したように鉄損抵抗の一部の周波数依存特性を考慮して、電源角周波数に応じてヒステリシス損に対応した抵抗値を自動調整するようにしている。図中の貫徹矢印はこの自動調整を示している。
【００２８】
さてつぎに、本実施形態例における位相決定器７と電流制御器８の従来のベクトル制御方法におけるこれらに対する変更点を説明する。本実施形態例の位相決定器７と電流制御器８は、従来の位相決定器、電流制御器における固定子電流ｉｌを負荷電流ｉＬに、固定子電圧と固定子銅損抵抗とには、係数（Ｒｃ／（Ｒｌ＋Ｒｃ））を乗じて利用するだけでい。すなわち、従来ベクトル制御方法における固定子電流、固定子電圧、固定子銅損抵抗を次の（１０）式に示した関係に従い置換した形で、位相決定器と電流制御器を設計し実現すればよい。
【数１０】
0003994419.tif 000011
【００２９】
本発明における位相決定器と電流制御器の設計と実現を平易に達成するこの置換の妥当性は、図２のベクトル等価回路及び（２）〜（４）式において、交流電動機に共通して次の（１１）式の関係が成立することを考慮するならば、当業者には容易に理解できる。
【数１１】
0003994419.tif 000012
【００３０】
上述の位相決定器７の出力信号をベクトル回転器６ａ，６ｂに利用することにより所要の磁束オリエンテーションを正確に達成することができる。また、上述の電流制御器８を利用することにより、負荷電流の指令値ｉＬ＊に追随し得る負荷電流ｉＬを生成するための固定子電圧の指令値ｖｌ＊を生成することができる。
【００３１】
次に第２実施形態例について説明する。図５は第２実施形態例をブロック図で示したものである。第１実施形態例と違いは、負荷電流発生器９の配置位置が変更になっている点にある。すなわち、本実施形態例では、電流検出器４で検出された３相固定子電流が３相２相変換器５ａで固定座標系上の２相のベクトル電流に変換された直後に、負荷電流発生器９を配置し負荷電流を得、これを直接的に制御するようにしている。当然、固定子電圧もこれに対応して固定座標系上のものが使用されることになる。本実施形態例でも、同図に示したように、固定子電圧の推定値としてその指令値を利用している。この場合の負荷電流発生器９のブロック構成は、図４と同一のものを利用してよい。第１実施形態例と異なり、負荷電流発生器の入出力ベクトル信号は固定座標系上の信号であり、これは基本的に交流信号である。本実施形態例における位相決定器７、電流制御器８は、第１実施形態例の場合と同一のものが利用可能であり、これにより、所要の磁束オリエンテーションと負荷電流の負荷電流指令値への追随を確保する電流制御とが達成される。
【００３２】
図６は、交流電動機として特に誘導電動機を対象にした場合の第３の実施形態例を示したものである。本実施形態例と第２実施形態例との大きな相違は、負荷電流の発生のみならず、磁束オリエンテーションのための位相の決定も固定座標系上で直接的に行うようにしている点にある。このため、この同時遂行の可能なオブザーバ１０を構成している。オブザーバ１０では、電流検出器４、電圧検出器１１、回転子位置検出器２で得た電流、電圧、回転子位置情報を利用して、負荷電流と磁束オリエンテーションのための位相を決定し、各々を、ベクトル回転器６ａとベクトル回転器６ａ、６ｂとへ出力している。本実施形態における電圧検出器１１としては、３相の２つの線間電圧を検出し、これを固定座標系上の２相のベクトル電圧ｖｌに変換し、出力するものを利用している。電流制御器８には、ベクトル回転器６ａで回転ｄｑ座標系上の信号に変換された負荷電流と同指令値とが入力されている。電流制御器８としては、例えば、上述の第１、第２実施形態例と同様なものを利用して差し支えないが、本実施形態例ではこれを簡略化し電源角周波数ωｌを使用しないものを利用している。これにより、所要の磁束オリエンテーションと負荷電流ｉＬの負荷電流指令値ｉＬ＊への追随を確保する電流制御とが達成される。
【００３３】
本実施形態例におけるオブザーバにおいては、本発明で構築した（１）式の関係を数学的に等価な次の（１２）式の関係に改め、更に固定子電流としてのその推定値用いて利用している。
【数１２】
0003994419.tif 000013
図７は、（１２）式の関係を利用したオブザーバ１０の内部構造をブロック図により概略的に示したものである。同図の破線ブロック１０ａが本発明を利用している部所である。すなわち、本オブザーバは、（１２）式の関係における固定子電流としてその推定値を利用し、これを用いて負荷電流ｉＬを得てオブザーバより出力している。本オブザーバは、（１２）式の関係を一時的に固定子電流の推定に利用しこれを用いて最終的に負荷電流を得ていると換言することもできる。なお、本実施形態例のオブザーバは、負荷電流と正規化された回転子磁束φ２ｎを状態変数とする場合の同一次元オブザーバである。図７におけるＬ１ｔは固定子総合漏れインダクタンスを、Ｗ２は回転子時定数の逆数を、Ｒ２ｎは正規化された回転子の銅損抵抗を示している。これより当業者にとっては明白なように、オブザーバ１０における１０ｂは積分器を、１０ｃは状態変数のための４ｘ４のシステム行列を、１０ｄは回転子速度情報を得るための近似微分器を、１０ｅはオブザーバゲインを、また、１０ｆは磁束ベクトルの位相情報を検出するための単位化器を意味している。なお、図１０においては、固定子鉄損の周波数依存性を考慮した固定子鉄損抵抗値の自動修正は、図の輻輳を避けるべく表示しなかった。以上、本発明を利用したオブザーバの１構成例を説明した。
【００３４】
以上、請求項１、２、３に関する本発明につき、誘導電動機、同期電動機を含む交流電動機に共通な実施形態として第１例、第２例を用いて説明した。また、誘導電動機のみを対象にした実施形態として第３例を用いて説明した。当業者にとっては明白であるが、本発明は上記実施形態例に限定されるものでないことを念のため指摘しておく。
【００３５】
例えば、制御すべき交流電動機を誘導電動機とする場合には、オリエンテイトすべき電動機内部の磁束を、固定子、回転子、空隙の何れに選定する場合にも、本発明は適用可能である。また、磁束にオリエンテイトする方法すなわち回転ｄｑ座標系の位相の決定法が、上記の実施形態例から明白なように、直接的、間接的、あるいはこれらの複合であるハイブリッド的のいずれの場合にも、本発明は適用可能である。実施形態例を用いて示したように、本発明は固定座標系、回転座標系の何れの座標系でも適用可能である。また、オブザーバのような他の機器内での適用も可能である。実施形態例としては示さなかったが、回転子位置検出器あるいは回転子速度検出器を具備しないセンサレスな誘導電動機に対しても、併用のオリエンテーション法、回転子の速度推定法等の如何にかかわらず、本発明は適用可能である。
【００３６】
制御すべき交流電動機を同期電動機とする場合には、オリエンテイトすべき電動機内部の磁束を、固定子、回転子の何れに選定する場合にも、本発明は適用可能である。実施形態例にて示したように、本発明は、固定座標系、回転座標系の何れの座標系上でも適用可能である。また、オブザーバのような他の機器内での適用も可能である。同期電動機のオブザーバの細部構成は、回転子の構造が誘導電動機のそれと異なるので、誘導電動機のオブザーバの細部構成と異なることになるが、同期電動機の場合にも、本発明による関係を（１２）式の等価な関係に改めれば難なく適用することができる。実施形態例としては示さなかったが、回転子位置検出器を具備しないセンサレスな同期電動機に対しても、回転子位置推定法の如何にかかわらず本発明は適応可能である。
【００３７】
本発明の説明では、説明の簡明性を確保すべく、回転形の交流電動機の用語を一貫して利用したが、本発明は回転形の交流電動機に限定されるものではなく、リニア形の交流電動機にも適用可能である。当業者においては周知のように、リニア形交流電動機は、原理的に、回転形交流電動機を直線的に開放したものとして扱い得る。本発明の説明に利用した回転形電動機の固定子、回転子のいずれをリニア形電動機の可動部に対応させるかに注意すれば、本発明はリニア形交流電動機に適用できる。この対応は、当業者が熟知しているように、対象とするリニア形交流電動機の構造に依存し、構造的に定まる。
【００３８】
第１〜３の実施形態例で明らかなように、回転子におけるトルク及び機械エネルギーの直接的な発生源である負荷電流ｉＬは請求項１〜３による本発明により負荷電流の指令値ｉＬ＊に追随するよう制御することができる。さてつぎに、負荷電流指令値ｉＬ＊の生成法を請求項４による本発明に基づき説明する。
【００３９】
本発明においては、交流電動機のトルクは（９）式に関連して既に説明したように負荷電流ｉＬと磁束の関係で発生するものとしている。一方、固定子鉄損の存在を無視した従来のベクトル制御法では、固定子電流ｉｌと磁束の関係でトルクは発生するものとしている。この相違に留意すれば容易に理解されるように、指令トルク値等に対応した負荷電流指令値の変更生成としては、磁束に関連した負荷電流ｉＬのｄ軸成分の指令値は一定値に保持し、負荷電流ｉＬのｑ軸成分を指令トルク値等に比例して自動的に変更修正するようにすればよい。請求項１〜３に関する本発明により、この場合、高い精度と高い安定性を有するトルク発生が可能となる。これに加え、高いエネルギー変換効率を達成するには、請求項４の本発明の作用に関連し説明したように、指令トルク値等に応じて負荷電流のｄ軸、ｑ軸両成分の指令値を変更生成すればよい。
【００４０】
図８は、請求項４に関連する本発明の１実施形態例に関するブロック図である。同図における指令変換器１２は、指令トルク値等τ＊に従って、負荷電流のｄｑ軸成分を制御するための各々の指令値ｉＬｄ＊、ｉＬｑ＊を共に更新生成する装置を示している。１２ａは中間指令生成器、１２ｂはｄ軸指令生成器、１２ｃはｑ軸指令生成器を示している。中間指令生成器１２ａでは、指令トルク値等τ＊から負荷電流の２つの指令値を生成する工程で共通かつ複雑な演算処理を一手に担って行い、処理済みの信号を中間指令値λとして出力している。ｄ軸及びｑ軸の指令生成器はこの中間指令値λに簡単な演算処理を施し、所期の各々の指令値ｉＬｄ＊，ｉＬｑ＊を生成するようにしている。
【００４１】
所要のトルクを発生しながら銅損抵抗、鉄損抵抗に起因する損失を最小にする負荷電流値の最適値は、例えば所要のトルク値を拘束条件にし損失を最小にする最適制御問題を構築しこの解法により決定することができる。同様に、所要のトルクを発生しながら固定子側の電力の力率を最大にする負荷電流の最適値も、例えば所要のトルク値を拘束条件にし力率を最大にする最適制御問題を構築しこの解法により決定することができる。電気エネルギーの機械エネルギーの変換効率の向上を図るこのような最適指令値の生成には高次方程式の解法が一般に必要であり、本実施形態例で示した構成によれば、２つの指令値生成に要する実時間演算量を実質的に半減できるので、実用的価値は大である。
【００４２】
高次方程式を近似的に解法する場合には、指令トルク値等から指令値の生成に要する演算は相当簡略化でき、負荷電流ｄ軸指令値とｑ軸指令値に共通の中間指令値を生成する必要性は相対的に低下する。したがって、近似演算処理の採用する場合には、指令トルク値等から直接的にｄ軸指令値とｑ軸指令値を生成してよい。図９は、このような状態での指令変換器１２の内部構造の１例を示すブロック図である。同図における１２ｂはｄ軸指令生成器、１２ｃはｑ軸指令生成器を示している。しかし、図８の指令変換器と異なり、ｄ軸指令値とｑ軸指令値は指令トルク値等から直接的に生成されている。
【００４３】
指令変換器１２としては、図８、９に示した以外の処理構造を採用することも可能であることを指摘しておく。例えば、ｄ軸指令値そのものを中間指令値として採用し、まず指令トルク値等からｄ軸指令値を生成し、生成されたｄ軸指令値からｑ軸指令値を生成する構造にしてもよい。あるいは、この双対の構造を利用してもよい。ｄ軸指令値を一定に保持する場合と同様に、所要トルクに対する負荷電流指令値のｄ、ｑ成分のいずれか一方が決定されれば、他方は容易に決定することができる。
【００４４】
以上、指令トルク値等に従って負荷電流のｄ軸、ｑ軸指令値を方程式の合理的な実時間解法を通じて得る場合の指令変換器の構造を中心に本発明の実施形態例を説明した。この指令変換器の構造は、方程式の実時間解法に代わって、関数表を利用する場合にも利用可能であることを指摘しておく。例えば、指令トルク値等とｄ、ｑ軸指令値の一意関係を事前に求め、各々を参照入力と参照出力とした指令値関数表を用意し、電流制御時にこの指令値関数表を実時間で参照する場合の構造は、図９と同一の構造が採用可能である。また、指令トルク値等τ＊から中間指令値λの生成の関係を関数表化するならば、図８と同一の構造が採用できる。これら２例から理解されるように、他の構造でも同様である。特に複雑な演算に関数表を利用すれば、実時間処理に要求される演算負荷は著しく低減できる。
【００４５】
指令値関数表の実装に当たっては、参照入力の分解能が実際的問題となり、分解能の向上には、一般には、記憶素子の容量の増大につながる。分解能の実質的な向上を図りながら記憶素子の容量の増大を抑えるには、指令値関数表に保存した入出力関係以外の入出力関係は、保存した入出力関係より補間し生成するようにすればよいことを指摘しておく。図１０は、補間関数を併用した１実施形態例を示したものであり、ここでは補間関数として１次関数を利用した場合の補間の様子を概略的に示している。同図の横軸が参照入力を、縦軸が参照出力を示している。折点部分が指令値関数表に保存されている入出力関係であり、直線部分が補間した入出力関係である。
【００４６】
補間に使用する補間関数としては、上記の実施形態例のように１次関数に限定されるものではないことを指摘しておく。一般には、計算が簡単で近似が良好な関数であれば、補間関数として利用可能である。また、補間関数は、参照区間に応じて異なった補間関数を用いてよいことを指摘しておく。
【００４７】
図１０を用いて示した上の実施形態例では、指令値関数表に保存した参照入出力のデータ数と補間関数の数はほぼ同数であり、また、補間関数の補間レンジは、保存した参照入出力のデータの前後を補う部分的なものである。これと異なり、指令値関数表がカバーするダイナミックレンジ全体を１つから数個の近似関数で全体的に補間することも可能であることを指摘しておく。全体的な補間関数の決定法としては、種々の方法が考えられる。例えば、簡単には、参照入出力を多項式で近似することとし、このときの係数を最小２乗法等を用いて決定すればよい。ダイナミックレンジ全体を１つから数個の近似関数で全体的に補間するこの場合には、記憶素子に保存された指令値関数表は消滅し、実装的観点からは、指令値関数表は全体的に近似関数により実現されることになる。
【００４８】
請求項４の本発明における指令トルク値等としては、トルク制御時のトルクの指令値に限らず、速度制御時の速度制御器の出力信号などトルク指令値に準じるトルク目標値を扱いうることを指摘しておく。
【００４９】
【発明の効果】
以上の説明より明白なように、本発明は以下の効果を奏する。特に、請求項１の本発明によれば、固定子鉄損の影響を考慮した適切な形で交流電動機の固定子電流を制御できるようになると言う作用が得られる。この作用の結果、無視できない固定子鉄損をもつ交流電動機に対し、固定子電流の制御を通じ、高精度かつ安定したトルク更にはエネルギーを回転子に発生させることができるようになると言う効果が得られる。
【００５０】
特に、請求項２の本発明によれば、回転子の発生するトルク及びエネルギーを直接的に制御できると言う作用が得られ、この作用の結果、回転子に対するトルク更にはエネルギーの高精度かつ安定な制御を平易に遂行できるようになると言う効果が得られる。
【００５１】
特に、請求項３の本発明によれば、固定子電圧あるいは固定子電流に含まれるノイズや信号高調波成分の影響を受けなくなると言う作用が得られる。この作用の結果、トルク発生等の制御は信号の基本波成分に基づいていることもあり、トルク発生等の制御精度を更に向上させると言う効果が得られる。また、電圧検出器を撤去できると言う作用も得られるので、本発明を装置化する上でのコストを低減できると言う効果も得られる。また、本発明の多様な利用が可能となると言う作用も得られるので、オブザーバなどへの取り込みなどを通じ更に制御性能の向上を図ることができると言う効果も得られる。
【００５２】
特に、請求項４の本発明によれば、負荷電流のｄ軸成分指令値とｑ軸成分指令値を指令トルク値等に応じて同時にかつ自由自在に生成できると言う作用が得られる。この作用の結果、請求項１乃至３の本発明によって達成された所要のトルク及びエネルギーの高精度かつ安定発生を確保しながら、電気エネルギーの機械エネルギーへの変換の効率を高められると言う効果が得られる。
【００５３】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるベクトル信号のためのベクトル基底
【図２】固定子鉄損を有するベクトル等価回路
【図３】１実施形態例におけるベクトル制御装置の基本構成を示すブロック図
【図４】１実施形態例における負荷電流発生器の概略構成を示すブロック図
【図５】１実施形態例におけるベクトル制御装置の概略構成を示すブロック図
【図６】１実施形態例におけるベクトル制御装置の概略構成を示すブロック図
【図７】１実施形態例におけるオブザーバの概略構成を示すブロック図
【図８】１実施形態例における指令変換器の概略構成を示すブロック図
【図９】１実施形態例における指令変換器の概略構成を示すブロック図
【図１０】１実施形態例における指令値関数表の保存データと補間関数との概略関係を示す図
【図１１】従来のベクトル制御装置の概略構成を示すブロック図
【符号の説明】
１        交流電動機（誘導電動機、同期電動機）
２        位置検出器
３        電力変換器
４        電流検出器
５ａ      ３相２相変換器
５ｂ      ２相３相変換器
６ａ      ベクトル回転器
６ｂ      ベクトル回転器
７        位相決定器
８        電流制御器
９        負荷電流発生器
１０      オブザーバ
１１      電圧検出器
１２      指令変換器
１３      固定子損失回路
１４      固定子負荷回路
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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