(57)【要約】【課題】永久磁石形同期電動機の制御装置において、軽負荷時に電流が零にならないようにして電流制御系を安定させると共に、トルク制御誤差を発生させず、電流が過大になるのを防止する。【解決手段】永久磁石形同期電動機８０の回転子の永久磁石の磁極と平行方向の電流であるｄ軸電流と、前記磁極と直交方向の電流であるｑ軸電流とを制御することにより、電動機８０のトルクまたは速度を制御する制御装置において、電流指令演算器１３３により演算した第１のｄ軸電流指令値ｉｄ０＊の上限値を、零または負の上限値ｉｄｍａｘにより制限するようにした出力制限器１５１を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石形同期電動機の回転子の永久磁石の磁極と平行方向の電流であるｄ軸電流と、前記磁極と直交方向の電流であるｑ軸電流とを制御することにより、前記電動機のトルクまたは速度を制御する制御装置において、
ｄ軸電流指令値の上限値を零または負の値に制限する上限値制限手段を備えたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
【請求項２】
永久磁石形同期電動機の回転子の永久磁石の磁極と平行方向の電流であるｄ軸電流と、前記磁極と直交方向の電流であるｑ軸電流とを制御することにより、前記電動機のトルクまたは速度を制御する制御装置において、
ｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値とのベクトル和の下限値を制限する下限値制限手段を備えたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
【請求項３】
請求項２に記載した制御装置において、
前記下限値制限手段は、
前記ｑ軸電流指令値からｄ軸電流上限値を演算する手段と、
前記ｄ軸電流指令値の上限値を前記ｄ軸電流上限値により制限する手段とを備え、
前記ｄ軸電流上限値を零または負の値にしたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載した制御装置において、
前記ｄ軸電流指令値と前記ｑ軸電流指令値とからトルクを演算する手段と、
トルク指令値とトルク演算値との偏差が零になるように前記ｄ軸電流指令値と前記ｑ軸電流指令値とを演算する手段と、
を備えたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軽負荷時における電流制御系の安定性を改善した永久磁石形同期電動機の制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石形同期電動機（ＰＭＳＭ）は、電流、端子電圧及び磁束をベクトルとしてとらえ、回転子と同期して回転する回転座標軸であるｄ，ｑ軸上で電流制御を行うことにより、高性能なトルク制御、速度制御を実現可能である。ここで、ｄ，ｑ軸は、回転子の永久磁石の磁極方向をｄ軸、ｄ軸から９０度進んだ方向をｑ軸と定義する。
永久磁石形同期電動機のトルクは電流の増加関数であることから、通常、電流はトルク指令値の増加関数として制御され、無負荷時には電流をほぼ零に制御することが多い。
【０００３】
しかしながら、電流が微小な場合、電流検出器のオフセットやノイズの影響、及び、永久磁石形同期電動機に電力を供給する電力変換器の出力電圧の安定性低下により、電流制御系の安定性が低下する問題がある。この問題を解決するため、電流が微小となる軽負荷時にｄ軸電流を積極的に通流することで、電流が零にならないようにする技術が既に提供されている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、ｑ軸電流指令値が大きい場合にはｄ軸電流指令値を零に制御し、ｑ軸電流指令値が小さい場合にはｄ軸電流指令値をｑ軸電流の関数として制御することで、電流が零にならないようにする技術が記載されている。
また、特許文献２には、ｄ軸電流指令値をトルク／電流が最大になる条件で制御し、トルク指令値が小さい場合には、トルク指令値に応じてｄ軸電流指令値を補正することにより、電流が所定の下限値以上になるように制御する技術が記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特許第３７８３７５７号公報（段落［００２４］〜［００２６］、図１，図２等）
【特許文献２】特許第３７９６５５６号公報（段落［００１５］〜［００１９］、図１，図２等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載されている技術は、回転子に突極性のない表面磁石構造永久磁石形同期電動機（ＳＰＭＳＭ）の電流制御に適している。しかし、この技術を回転子に突極性のある埋込磁石形同期電動機（ＩＰＭＳＭ）に適用した場合、重負荷時にｄ軸電流を零に制御するのでリラクタンストルクを利用できず、トルク／電流を最大化できない問題があり、また、軽負荷時には、ｄ軸電流を通流することによって発生するリラクタンストルクの影響によりトルク制御誤差が発生するという問題がある。
【０００７】
一方、特許文献２に記載されている技術の場合、埋込磁石形同期電動機のリラクタンストルクを利用してトルク／電流が最大になるように電流制御できるので、特許文献１の上記課題を解決することができる。しかしながら、ｄ軸電流を流したときのｄ軸電機子反作用を利用して電機子巻線の鎖交磁束（以下、単に磁束という）を減少させ、端子電圧を電力変換器の最大出力電圧以下に制御する、いわゆる「弱め磁束制御」を行う場合には、電流が過大になる恐れがある。
【０００８】
そこで、本発明の解決課題は、特許文献１，２と同様に軽負荷時に電流が零にならないようにして電流制御系を安定させると共に、トルク制御誤差を発生させず、また、ｄ軸電流が過大になるのを防止した永久磁石形同期電動機の制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、永久磁石形同期電動機の回転子の永久磁石の磁極と平行方向の電流であるｄ軸電流と、前記磁極と直交方向の電流であるｑ軸電流とを制御することにより、前記電動機のトルクまたは速度を制御する制御装置において、
ｄ軸電流指令値の上限値を零または負の値に制限する上限値制限手段を備えたものである。
本発明によれば、簡単な構成によって軽負荷時に電流が零にならないようにすることができ、電流制御系の安定性を改善することができる。
【００１０】
請求項２に係る発明は、ｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値とのベクトル和の下限値を制限する下限値制限手段を備えたものである。
また、上記下限値制限手段は、請求項３に記載するように、ｑ軸電流指令値からｄ軸電流上限値を演算する手段と、ｄ軸電流指令値の上限値をｄ軸電流上限値により制限する手段とを備え、ｄ軸電流上限値を零または負の値にしたことを特徴とする。
これらの発明によれば、軽負荷時に流す電流を必要最小限にすることができ、電流制御系の安定性を改善することができる。
【００１１】
更に、請求項４に係る発明は、請求項１〜３に記載した制御装置において、
ｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値とからトルクを演算する手段と、トルク指令値とトルク演算値との偏差が零になるようにｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値とを演算する手段と、を備えたものである。
本発明によれば、軽負荷時に電流が零にならないようにし、かつ、トルクを指令値に制御することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、簡単な構成により軽負荷時に電流が零にならないようにして電流制御系を安定させ、トルク制御誤差を発生させないと共に、電流が過大になるのを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。図１は発明の実施形態に係るブロック図である。
まず、永久磁石形同期電動機８０を駆動する主回路について説明すると、５０は三相交流電源であり、整流回路６０は電源５０の三相交流電圧を整流して直流電圧に変換する。この直流電圧はＰＷＭインバータからなる電力変換器７０に供給され、電動機８０を駆動するための所定の三相交流電圧に変換される。
【００１４】
次に、電動機８０を電力変換器７０により駆動するための制御装置の構成及び作用を説明する。
図１において、電圧検出器１２は、電力変換器７０の入力電圧Ｅｄｃを検出する。磁極位置検出器９０は永久磁石形同期電動機８０の磁極位置θ１を検出し、速度検出器９１は電動機８０の速度ω１を検出する。
速度指令値ω＊と速度検出値ω１との偏差を減算器１６により演算し、この偏差を速度調節器１７により増幅してトルク指令値τ＊を演算する。
【００１５】
電圧制限値演算器２２は、入力電圧Ｅｄｃにほぼ比例して電圧制限値Ｖａｌｉｍを演算する。この電圧制限値Ｖａｌｉｍは、入力電圧Ｅｄｃから決まる電力変換器７０の最大出力電圧以下とする。
電流指令演算部１８は、トルク指令値τ＊、電圧制限値Ｖａｌｉｍ及び速度検出値ω１から、電動機８０の端子電圧が電力変換器７０の最大出力電圧以下になる条件でトルク／電流が最大になり、かつ、所望のトルクを出力するｄ，ｑ軸電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊を演算する。なお、電流指令演算部１８の詳細については後述する。
【００１６】
電流座標変換器１４は、ｕ相電流検出器１１ｕ、ｗ相電流検出器１１ｗによりそれぞれ検出した相電流検出値ｉｕ，ｉｗを、磁極位置検出値θ１に基づいてｄ，ｑ軸電流検出値ｉｄ，ｉｑに座標変換する。
ｄ軸電流指令値ｉｄ＊とｄ軸電流検出値ｉｄとの偏差を減算器１９ａにより演算し、この偏差をｄ軸電流調節器２０ａにより増幅してｄ軸電圧指令値ｖｄ＊を演算する。一方、ｑ軸電流指令値ｉｑ＊とｑ軸電流検出値ｉｑとの偏差を減算器１９ｂにより演算し、この偏差をｑ軸電流調節器２０ｂにより増幅してｑ軸電圧指令値ｖｑ＊を演算する。
ｄ，ｑ軸電圧指令値ｖｄ＊，ｖｑ＊は、電圧座標変換器１５によって磁極位置検出値θ1に基づき相電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊に変換される。
【００１７】
ＰＷＭ回路１３は、相電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊及び前記入力電圧Ｅｄｃからゲート信号を生成する。電力変換器７０はこのゲート信号に基づいて内部の半導体スイッチング素子を制御することにより、永久磁石形同期電動機８０の端子電圧を相電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊に制御する。
【００１８】
次に、図１における電流指令演算部１８の第１実施例を、図２に基づいて説明する。
図２において、磁束指令演算器１１１は、トルク指令値τ＊から第１の磁束指令値Ψ０＊を演算する。第１の磁束指令値Ψ０＊は、トルク／電流が最大になる条件で演算するが、この演算をオンラインにより実行するのは困難である。そこで、磁束指令演算器１１１としては、トルク／電流が最大になる磁束指令値のテーブルを予め用意しておき、運転時には、このテーブルを利用することによりトルク指令値τ＊から第１の磁束指令値Ψ０＊を演算する。
磁束制限値演算器１４１は、電動機８０の端子電圧を電力変換器７０の最大出力電圧以下に制限するため、電圧制限値Ｖａｌｉｍ及び速度検出値ω１を用いて磁束制限値Ψｌｉｍを数式１により演算する。
【００１９】
【数１】
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【００２０】
第２の磁束指令値Ψ＊は、第１の磁束指令値Ψ０＊の上限値を出力制限器１４２により磁束制限値Ψｌｉｍに制限して演算する。
負荷角指令演算器１１２は、トルク指令値τ＊に基づき、負荷角指令値のフィードフォワード補償値δ０＊を演算する。また、負荷角調節器１３２は、減算器１３１により演算したトルク指令値τ＊とトルク演算値τｃａｌｃとの偏差を増幅して、負荷角指令値の補正値δＰＩ＊を演算する。ここで、負荷角調節器１３２は比例積分増幅器により構成されている。
加算器１３５は、前記フィードフォワード補償値δ０＊と補正値δＰＩ＊とを加算して、負荷角指令値δ＊を演算する。
【００２１】
なお、トルク演算値τｃａｌｃは、トルク演算器１３４により、第２のｄ，ｑ軸電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊から数式２により演算する。
【００２２】
【数２】
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【００２３】
電流指令演算器１３３は、第２の磁束指令値Ψ＊と負荷角指令値δ＊とからｄ，ｑ軸磁束指令値Ψｄ＊，Ψｑ＊を演算し、これらのｄ，ｑ軸磁束指令値Ψｄ＊，Ψｑ＊から第１の電流指令値ｉｄ０＊，ｉｑ０＊を演算する。演算式は、それぞれ数式３，数式４に示す通りである。
【００２４】
【数３】
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【００２５】
【数４】
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【００２６】
次いで、第１のｄ軸電流指令値ｉｄ０＊の上限値を、請求項１における上限値制限手段としての出力制限器１５１によってｄ軸電流上限値ｉｄｍａｘに制限することにより、第２のｄ軸電流指令値ｉｄ＊を演算する。ここで、ｄ軸電流上限値ｉｄｍａｘは、零以下の値（零または負の値）とする。
一方、第２のｑ軸電流指令値ｉｑ＊には、第１のｑ軸電流指令値ｉｑ０＊をそのまま設定する。
【００２７】
次に、図２の構成により演算される第２の電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊のベクトル図を、図３に示す。
速度が低い場合（おおむね、基底速度以下）、第１の電流指令値ｉｄ０＊，ｉｑ０＊は、図３の（ａ）トルク／電流最大条件である曲線上に制御される。一方、速度が高い場合（おおむね、基底速度以上）、第１の電流指令値ｉｄ０＊，ｉｑ０＊は、磁束を磁束制限値Ψｌｉｍに制御するため、図３の（ｂ）磁束一定条件の楕円上に制御され、いわゆる弱め磁束制御を実施する。何れの場合も、第１の電流指令値ｉｄ０＊，ｉｑ０＊は、トルク指令値が零の場合、ｑ軸電流が零であるｄ軸上に制御され、トルク指令値の増加と共にｑ軸電流が増加していって矢印の方向に制御される。
【００２８】
ここで、第１の電流指令値ｉｄ０＊の上限値をｄ軸電流上限値ｉｄｍａｘによって制限することで、第２の電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊は、ｄ軸電流ｉｄがｄ軸電流上限値ｉｄｍａｘに等しい条件を示す図３の直線１５１Ｌよりも左側の領域に制限される。この結果、ｄ軸電流が微小な低速軽負荷時には第２の電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊が制限され、一方、ｄ軸電流が微小でない重負荷時や高速時には制限されることがない。
【００２９】
以上のように、本実施例によれば、簡単な構成により軽負荷時に電流が零になるのを防止することができる。また、本実施例は、弱め磁束制御のように、軽負荷時にｄ軸電流を積極的に通流する場合にも簡単に適応でき、ｄ軸電流が必要以上に増加することがない。
更に、第２の電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊から演算したトルク演算値τｃａｌｃをフィードバック制御していることから、第２の電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊は所望のトルクを出力する値に自動制御されることになり、電流指令値を制限したことに起因するトルク制御誤差も発生しない。
【００３０】
次に、図１における電流指令演算部１８の第２実施例を、図４に基づいて説明する。
この第２実施例は、第２の電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊のベクトル和の下限値を制限することで、軽負荷時にも電流が微小にならないようにしたものである。具体的には、第１実施例におけるｄ軸電流上限値ｉｄｍａｘを、第１のｑ軸電流指令値ｉｑ０＊を用いて第２の電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊のベクトル和が所定の下限値よりも大きくなるように演算する。
【００３１】
以下、図４に基づいて第１実施例と異なる箇所を中心に説明する。
図４において、ｄ軸電流上限値演算器１５２は、ｄ軸電流上限値ｉｄｍａｘを数式５により演算して負の値または零とする。
【００３２】
【数５】
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【００３３】
図４の構成により演算される第２のｄ，ｑ軸電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊のベクトル図を、図５に示す。
ｄ軸電流上限値ｉｄｍａｘを数式５により演算し、このｄ軸電流上限値ｉｄｍａｘを用いて出力制限器１５１により第１の電流指令値ｉｄ０＊の上限値を制限することで、第２の電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊は、図５に示すように原点からの距離が電流ベクトル和下限値ｉａｍｉｎに等しい円、及び、ｑ軸よりも左側の領域に制限される。この結果、第１実施例と同様に、ｄ軸電流が微小な低速軽負荷時には第２の電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊が制限され、ｄ軸電流が微小でない重負荷時や高速時には制限されることがない。
なお、上記構成において、ｄ軸電流上限値演算器１５２及び出力制限器１５１は、請求項２，３における下限値制限手段を構成している。
この第２実施例においても第１実施例と同様の効果を得ることができ、特に、軽負荷時の電流を第１実施例よりも低減することができる。
【００３４】
以上の説明では永久磁石形同期電動機８０の磁極位置及び速度を検出器によりそれぞれ検出する例を示したが、本発明は、電動機の電流及び端子電圧から磁極位置及び速度を推定演算する、いわゆるセンサレス制御を行う場合にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施形態を示すブロック図である。
【図２】図１における電流指令演算部の第１実施例を示すブロック図である。
【図３】図２に示した電流指令演算部の動作を説明するためのベクトル図である。
【図４】図１における電流指令演算部の第２実施例を示すブロック図である。
【図５】図４に示した電流指令演算部の動作を説明するためのベクトル図である。
【符号の説明】
【００３６】
１１ｕ  ｕ相電流検出回路
１１ｗ  ｗ相電流検出回路
１２  入力電圧検出回路
１３  ＰＷＭ回路
１４  電流座標変換器
１５  電圧座標変換器
１６  減算器
１７  速度調節器
１８  電流指令演算部
１９ａ  減算器
１９ｂ  減算器
２０ａ  ｄ軸電流調節器
２０ｂ  ｑ軸電流調節器
２２  電圧制限値演算器
５０  三相交流電源
６０  整流回路
７０  電力変換器
８０  永久磁石形同期電動機
９０  磁極位置検出器
９１  速度検出器
１１１  磁束指令演算器
１１２  負荷角指令演算器
１３１  減算器
１３２  負荷角調節器
１３３  電流指令演算器
１３４  トルク演算器
１３５  加算器
１４１  磁束制限値演算器
１４２  出力制限器
１５１  出力制限器
１５２  ｄ軸電流上限値演算器
【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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