(57)【要約】電動機（６）の回転速度を検出する角速度検出部（９）は、検出部（１７）の出力パルスに基づき電動機（６）の回転角速度を検出する回転速度計算部（１８）と、インバータ（５）の出力電圧と電流とを用いて電動機（６）の回転角速度を推定する回転速度推定部（２０）を有し、回転速度推定部（２０）により推定された回転角速度は回転速度計算部（１８）により検出された回転角速度を用いて修正される。
2020174884.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機の回転指令値をベクトル制御における回転座標系のｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値に変換する電流指令変換部と、
前記ｄ軸電流指令値及び前記ｑ軸電流指令値に基づいて前記電動機の制御を行うインバータと、
前記電動機の回転角速度を検出する角速度検出部と、
検出された回転角速度に重畳される脈動を抑制するための指令補正値を生成する補正指令生成部を備えた電動機の制御装置であって、
前記角速度検出部は、前記電動機の回転を検出する検出部の出力に基づき前記電動機の回転角速度を検出する回転速度計算部と、前記インバータの出力電圧と電流とを用いて前記電動機の回転角速度を推定する回転速度推定部を有し、前記回転速度推定部により推定された回転角速度は前記回転速度計算部により検出された回転角速度を用いて修正される電動機の制御装置。
【請求項２】
前記補正指令生成部は、前記角速度検出部で得られた回転角速度から抑制対象となる次数の脈動成分を抽出する速度脈動抽出部と、前記速度脈動抽出部により抽出された脈動成分の振幅を低減させるような電流補正値を生成する補正値生成部を有した請求項１記載の電動機の制御装置。
【請求項３】
前記補正指令生成部は、前記角速度検出部で得られた角速度を微分することにより角加速度を求める角加速度抽出部と、前記角加速度の脈動成分を抽出して、前記脈動成分の振幅を低減させるような電流補正値を生成する補正値生成部を有した請求項１記載の電動機の制御装置。
【請求項４】
検出された回転角速度から電気回転角速度を求める電気角速度変換部を有し、
前記角速度検出部の前記検出部が故障した場合、前記補正指令生成部及び前記電気角速度変換部は、回転角速度として前記回転速度推定部により推定された回転角速度を利用する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電動機の制御装置。
【請求項５】
前記補正指令生成部により生成された前記電流補正値を回転条件とともに記録した補正値テーブルを設け、前記補正値テーブルから前記電流補正値を読み出す請求項２又は請求項３に記載の電動機の制御装置。
【請求項６】
前記電流補正値は前記ｄ軸電流指令値又は前記ｑ軸電流指令値のうち少なくともいずれか１つに重畳される請求項２又は請求項３に記載の電動機の制御装置。
【請求項７】
前記回転指令値はトルク指令値である請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電動機の制御装置。
【請求項８】
前記回転指令値は速度指令値である請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電動機の制御装置。
【請求項９】
上記検出部は低い分解性能を有するエンコーダまたはホールセンサである請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、回転機械を駆動する電動機の制御装置に関するものであり、電動機のトルク脈動または速度脈動を抑制する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電動機自身及び電動機を駆動するインバータに起因して、電動機の出力トルクに脈動が発生する。電動機自身の要因としては、ロータの永久磁石により各相の電機子巻線の磁束に空間高調波成分が重畳されること、各相の電機子巻線のインダクタンスに高調波が重畳されること、電動機のロータの極数と固定子のスロット数の最小公倍数からなるコギングトルクが発生すること、更には電動機の構造的なアンバランスによるもの等が考えられる。【０００３】
インバータが要因となる脈動発生原因としては、インバータの出力電流を検出する電流センサの誤差、インバータの上アーム及び下アームスイッチ間の短絡を防止するデッドタイムによるものが考えられる。電動機の構造を工夫することによりトルク脈動を低減できるが、設計的限界及び高コスト化による弊害も存在する。このため制御によって電動機の脈動を抑制するのがコスト的に有利である。【０００４】
従来の制御による電動機の脈動抑制技術として、エンコーダ又はレゾルバ等の検出装置を用いて電動機の回転角速度を検出し、角速度の脈動成分を抽出し、抽出された角速度脈動成分を抑制することにより電動機の軸に発生するトルク脈動を抑制する技術があった（特許文献１参照）。【０００５】
また従来の電動機の脈動抑制技術としては、電動機を駆動するインバータの出力電圧と電流から回転角速度を取得し、回転角速度を微分して角加速度を取得し、角加速度の基本波成分を抽出してその逆相を平均電流指令に重畳することで電動機のトルク脈動を抑制する技術があった（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−７９４７７号公報
【特許文献２】特開２００４−１５３８６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１において、エンコーダ等の検出装置を用いて電動機の回転角速度を検出して、角速度の脈動成分抽出を行うことにより電動機の脈動を抑制する技術は、高い分解性能を有するエンコーダ又はレゾルバ等の検出装置を用いることにより電動機の角速度に重畳される脈動を検出できる。しかし高い性能を有する検出装置がシステムのコストを増加させるという問題がある。更には検出装置が故障した場合に２重冗長の機能を保証できなくなるという問題があった。
この２重冗長の機能については後に詳しく説明する。【０００８】
上記特許文献２において、インバータの出力電圧と電流を用いて電動機の回転角速度を取得し、回転角速度を微分して角加速度を取得し、更に角加速度の基本波成分抽出を行うことによる電動機の脈動抑制においては、電動機の特性が変動した場合に脈動抑制効果が低下するという問題があった。【０００９】
本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、システムのコストが増加すること、並びに２重冗長の機能問題、更には脈動抑制効果が低下するという問題を解決するためになされたものである。即ち検出装置を用いる電動機の回転角速度の検出と、インバータの出力電圧と電流を用いる回転角速度の推定とを組み合わせることにより電動機の回転角速度を検出し、電動機の角速度に重畳される脈動成分を抑制することにより電動機の脈動を抑制することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願に開示される電動機の制御装置は、電動機の回転指令値をベクトル制御における回転座標系のｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値に変換する電流指令変換部と、
前記ｄ軸電流指令値及び前記ｑ軸電流指令値に基づいて前記電動機の制御を行うインバータと、
前記電動機の回転角速度を検出する角速度検出部と、
検出された回転角速度に重畳される脈動を抑制するための指令補正値を生成する補正指令生成部を備えたものであって、
前記角速度検出部は、前記電動機の回転を検出する検出部の出力に基づき前記電動機の回転角速度を検出する回転速度計算部と、前記インバータの出力電圧と電流とを用いて前記電動機の回転角速度を推定する回転速度推定部を有し、前記回転速度推定部により推定された回転角速度は前記回転速度計算部により検出された回転角速度を用いて修正されるものである。
【発明の効果】
【００１１】
本願に開示される電動機の制御装置によれば、電動機の特性が変動した場合にも電動機自身とインバータと負荷とに起因して電動機の軸に発生する周期的な脈動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１による電動機の脈動抑制手段を備えた制御装置を示すブロック構成図である。
【図２】電動機のトルク脈動の例を示す線図である。
【図３】電動機のトルクの脈動成分の一例を示す図である。
【図４】電動機の回転速度の検出例を示す線図である。
【図５】実施の形態２による電動機の脈動抑制手段を備えた制御装置を示すブロック構成図である。
【図６】実施の形態３による電動機の脈動抑制手段を備えた制御装置を示すブロック構成図である。
【図７】本願の比較例における電動機の脈動抑制装置を示すブロック構成図である。
【図８】実施の形態４による電動機の脈動抑制手段を備えた制御装置を示すブロック構成図である。
【図９】実施の形態１による電動機の制御装置の動作を実現させるためのハードウェア構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１は実施の形態１による電動機の脈動抑制手段を備えた制御装置を示すブロック構成図である。本実施の形態による電動機の制御システムは、電流指令変換部１と、制御器２と、制御器３と、ａｂｃ／ｄｑ座標変換部４と、インバータ５と、電動機６及び負荷７と、ｄｑ／ａｂｃ座標変換部１１と、角速度検出部９と、補正指令生成部１０とを備えている。そして電流指令変換部１は回転指令値であるトルク指令値Ｔ＊（あるいは速度指令値）をベクトル制御における回転座標系のｄ軸電流成分Ｉｄ＊及びｑ軸電流成分Ｉｑ＊に変換し、その出力をｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値とする。制御器２は後述の電流補正値を重畳したＩｑ＊＊にインバータの電流検出値Ｉａ、Ｉｂから得たｑ軸電流Ｉｑを追従させる。制御器３はｄ軸電流指令値Ｉｄ＊にインバータの電流検出値Ｉａ、Ｉｂから得たｄ軸電流Ｉｄを追従させる。ａｂｃ／ｄｑ座標変換部４は制御器３の出力信号ｕｄ、制御器２の出力信号ｕｑを静止座標系の信号ｕａ、ｕｂ、ｕｃに変換する。インバータ５は信号ｕａ、ｕｂ、ｕｃにより制御される。電動機６及び負荷７はインバータ５の出力電圧と電流により駆動される。ｄｑ／ａｂｃ座標変換部１１はインバータ５の出力電流Ｉａ、Ｉｂを回転座標系の電流Ｉｄ、Ｉｑに変換する。角速度検出部９は電動機６の回転角速度を検出する。補正指令生成部１０は検出された角速度に重畳される速度脈動を抑制するための指令補正値を生成する。
【００１４】
又制御器２、３等により電流制御部８が構成されている。又図１には出力電流Ｉａ、Ｉｂのみが記載されているが、インバータ５が出力する電流は３相であり、Ｉｃも存在する。但しＩａ、Ｉｂ、Ｉｃの間の関係にはＩｃ＝−Ｉａ−Ｉｂの関係があるので、二相の検出のみで良い。又ｅｄは制御器３に対する入力値であり、ｅｄ＝Ｉｄ＊−Ｉｄである。同様にｅｑは制御器２に対する入力値である。又制御器２、３としてはＰＩ（ＰＲＯＰＯＲＴＩＯＮＡＬ  ＩＮＴＥＧＲＡＬ）制御器等が該当する。
図９は実施の形態１による電動機の制御装置の動作を実現させるためのハードウェア構成図である。図９において、制御装置は、プロセッサおよびメモリを有するマイクロコントローラ（ＭＣＵ（ＭＩＣＲＯ  ＣＯＮＴＲＯＬ  ＵＮＩＴ））３４を備えている。マイクロコントローラ３４は、電流センサ４０によって検出された電流検出値Ｉａ、Ｉｂと、角速度検出部９によって検出された回転速度ω４と、上位のコントローラから入力されるトルク指令値Ｔ＊を受け取り、電圧の信号ｕａ、ｕｂ、ｕｃをインバータ５に出力する。上記メモリに保存されたプログラムを実行するプロセッサにより図１に示された電流制御部８と角速度検出部９と補正指令生成部１０を動作させる。
【００１５】
次に電動機６のトルク脈動の発生原因について説明する。電動機６自身並びにインバータ５に起因して、電動機６の出力トルクに脈動が発生する。電動機６自身による要因の１つについて以下説明する。電動機６のロータの永久磁石による磁束は電動機６の固定子における各相の電機子巻線（固定子巻線）に対して歪みのない正弦波状に鎖交するのではなく、空間高調波成分が重畳される。また、電動機６の電機子巻線のインダクタンスに磁気飽和が発生した場合、磁気特性が非線形となることにより高調波成分が電機子巻線の磁束に重畳される。この高調波成分の影響の程度は巻線方式（集中巻と分布巻）によって異なり、集中巻の方が影響が大きくなる傾向にある。
【００１６】
次に電動機６自身による要因の２つ目について説明する。永久磁石式同期電動機では、永久磁石により無通電時にも電動機内に磁束が通るため、電動機６の電機子のスロット及びティースとロータとの相対位置関係によって回転方向に対して正又は負のトルクが発生する。このトルクはコギングトルクと呼ばれ、回転時にはトルク脈動となる。埋込型永久磁石式同期電動機ではロータ構造に突極性を有するため影響が大きい。コギングトルクはその発生原理から、ロータ極数とスロット数の最小公倍数に基づいて発生する。
電動機６自身による要因の３つ目としては、電動機６の構造的なアンバランスを有する場合には極数およびスロット数それぞれの倍数による次数のトルク脈動が発生するものである。
【００１７】
次にインバータ５を要因とする出力トルクに発生する脈動について以下説明する。インバータ５の出力電流を検出する電流センサ４０の誤差並びにインバータ５の上アーム及び下アームスイッチ間の短絡を防止するデッドタイムが要因として考えられる。インバータ５の電流センサ４０の誤差にオフセット誤差及びゲイン誤差がある。これらの誤差を有する場合、オフセット誤差により電動機６の電気角周波数と同じ周波数を有する空間高調波電流が回転座標系のｄ軸電流及びｑ軸電流に発生し、ゲイン誤差からは２倍の周波数を有する高調波電流を生じる。高調波電流によって電動機６の出力トルクには同期周波数の１倍、２倍とさらに高次のトルク脈動が引き起こされる。尚電気角周波数について簡単に説明すると、モータの軸の回転速度が一般的に機械角周波数であり、モータの構造によりインバータからモータに流れ込む電流の周波数は機械角周波数の倍数となり、この周波数を電気角周波数という。
【００１８】
インバータ５のデッドタイムを原因として主に６倍周波数のトルク脈動が発生する。上記の要因が同時に発生することにより複数の周波数成分が重なり合った複雑な波形となって現れる。また、電動機６の負荷７がエアコン又はエレベータ等の場合、電動機６の軸回転に同期した周期的な負荷トルクの変動によりロータが脈動する。
本実施形態に用いられる４極６スロットの永久磁石式同期電動機を例にして、低負荷時のトルクを図２に示す。図３は図２に示されたトルクをフーリエ変換して電動機のトルクの脈動成分の一例を示した図である。図３に示すように、６次と１２次のトルク脈動の割合が大きい。トルクの脈動抑制を行うには、図３に示すような脈動成分を抑制する必要がある。
【００１９】
上記に示したような電動機６のトルク脈動が発生する場合、電動機６の回転速度にも脈動が発生する。電動機６のトルク脈動または速度脈動は振動、騒音、並びにシステム運転特性悪化の一因となるため、電動機６のトルク脈動又は速度脈動を抑制する必要がある。図７は本願の比較例である電動機の脈動抑制装置を示すブロック構成図である。図７に示された脈動抑制原理を以下に記載する。エンコーダ等の速度検出手段２８を用いて電動機の回転角速度を検出して、絶対位置検出部２９により位置を検出すると共に、角速度の脈動成分をフーリエ変換部３０またはフィルタにより抽出し、抽出された角速度の脈動成分の正負の逆を電流補償部３１と補償演算要素３２とで生成し、その角速度の正負の逆を速度指令に重畳することにより電動機の脈動を抑制する。このような電動機の脈動抑制は、高い分解性能を有するエンコーダ又はレゾルバ等の検出手段を用いる必要がある。
【００２０】
また別の参考例においては、インバータの出力電圧と電流を用いて電動機の回転角速度と回転位置を検出し、回転角速度を微分して角加速度を求め、角加速度の基本波成分を抽出して振幅を調整してから、平均電流指令に重畳することで電動機の脈動を抑制する。このような電動機の脈動抑制技術においては、電動機の特性が変動した場合、例えば電動機の内部温度が変動するような場合に電動機のロータの永久磁石の磁束変動に対応できなくなり、電動機の脈動抑制効果が低下するという問題があった。
【００２１】
次に本実施形態による電動機６の脈動抑制技術について説明する。まず、電動機６の角速度検出部９の原理を説明する。図１の電動機６の回転を検出する検出部１７として、低い分解性能を有するエンコーダ又はホールセンサ等を使用し、検出部１７の出力パルスに基づき回転速度計算部１８により電動機６の回転角速度を検出する。
【００２２】
次にインバータ５の出力電圧と電流を用いる電動機６の回転角速度の推定原理について説明する。下記の式（１）に示すように、回転速度推定部２０はインバータ５の出力電圧と電流とを用いて電動機６の推定角速度ω１を推定する。
ω１＝｛ｖｑ−（Ｒａ＋ｓＬｑ）Ｉｑ｝／Ｐ（ＬｄＩｄ＋Φｆ）・・・（１）
ここで符号ｓは微分であり、Ｐはロータの極対数である。Ｒａは電動機６の各相の電機子巻線の抵抗であり、Ｌｄ，Ｌｑは電動機６の各相の電機子巻線のインダクタンスを回転座標系に変換した値であり、Φｆは電動機６のロータの永久磁石による各相の電機子巻線への鎖交磁束である。電圧ｖｑはインバータ５の出力であるが、インバータ５の出力電圧の検出が難しいためインバータ５に入力するバス電圧Ｖｄを利用して次の式（２）で取得する。
ｖｑ＝Ｖｄ×ｕｑ・・・（２）
ここで、ｕｑは制御器２の出力である。
尚バス電圧Ｖｄはインバータ５に接続する直流電源の電圧であり、インバータ５の入力側の直流母線間の電圧と同じものである。
【００２３】
１回転で単相に３６００個のパルスを出力するやや高い分解性能を有するエンコーダを用いた場合の本実施の形態に使用する電動機の低回転時の回転速度を図４に示す。検出部１７において低い分解性能を有するエンコーダまたはホールセンサまたはレゾルバを使用する場合には、検出部１７の出力パルスの個数は図４に示されたものより少なくなる。例えば検出部１７としてホールセンサを使用した場合、一例として図４の点Ａ、Ｂ、Ｃでおいてのみホールセンサからパルスを出力することとなり、点Ａ、Ｂ、Ｃにおける回転角速度のみを計算できることとなる。従って低い分解性能の検出部のみを使用する場合、電動機６の運転性能が悪化する。ただし、図４の点Ａ、Ｂ、Ｃの回転位置から算出される回転角速度は電動機６の実際の回転速度であり、この回転角速度またはその平均値を基準値として用いて良い。
【００２４】
一方式（１）に示すように、回転速度推定部２０においては、電動機６のロータによる各相の電機子巻線への鎖交磁束Φｆと各電機子巻線の抵抗Ｒａを用いて計算する。電動機６の内部温度は鎖交磁束Φｆへの影響が特に大きいため、電動機６の内部温度が変動した場合に式（１）により推定された回転角速度が変動する。
この推定回転角速度を修正するには、前述の検出部１７により検出した回転１周期毎の回転角速度ω１０の平均値ω２に脈動角速度ω３を合算させ、合成部２３で生成された回転角速度ω４を用いる。
【００２５】
この回転速度推定部２０による推定回転角速度の修正を次に説明する。
合成部２３で生成した回転角速度ω４と回転速度推定部２０による推定角速度ω１との差ω５を求め、平均演算部２１により回転１周期毎の平均値ω６を求め、この平均値ω６が目標値０になるように制御器２２により制御されて脈動角速度ω３を生成する。
制御器２２の一般例として、以下の（３）式に示されるようなＰＩ制御を行うＰＩ（ＰＲＯＰＯＲＴＩＯＮＡＬ  ＩＮＴＥＧＲＡＬ）制御器がある。
【００２６】
【数１】
2020174884.tif 000003
【００２７】
ここで、ｋＰとｋＩは制御器の係数であり、ｎは時刻であり、ｅωは入力値である。
この脈動角速度ω３を合成部２３で平均演算部１９で求められた平均値ω２と合算して回転角速度ω４を生成する。
回転角速度ω４から電気角速度変換部１２により電気回転角速度ω７を求めて、積分器１３により電動機６の回転位置θｒを取得する。尚前述したように、回転角速度ω４は機械回転角速度であり、電気回転角速度ω７とは下記の関係がある。
ω７＝Ｐ×ω４
ここで、Ｐはロータの極対数であり、ω７とω４の単位は同じで、ｒａｄ／ｓである。
この回転位置θｒをｄｑ／ａｂｃ座標変換部１１とａｂｃ／ｄｑ座標変換部４に用いる。
【００２８】
次に、電動機６の速度脈動を抑制するための補正指令生成部１０の動作を説明する。角速度検出部９で取得した回転角速度ω４を速度脈動抽出部１４に入力し、速度脈動抽出部１４は抑制対象となる次数の脈動成分を抽出する。速度脈動抽出部１４においてはフーリエ変換を用いて、抑制対象の次数成分のみを抽出できる。フーリエ変換を行うには速度データをある程度多く使う必要があるため、フーリエ変換の演算時間が長くなり、リアルタイム的な脈動抑制には不利である。
【００２９】
そこでフーリエ変換の代わりに、速度脈動抽出部１４においてバンドパスフィルタを用いても良い。ただし、電動機６の回転速度が変化する場合、可変通過帯域のバンドパスフィルタを用いる必要がある。
上記の抽出した速度脈動（脈動成分）の振幅ａｈを低減させ、振幅ａｈが０になるように、抽出した速度脈動の振幅ａｈと目標値０の差（入力値）ｅｈを補正値生成部１５に入力し、補正値生成部１５により制御されて電流補正値Ｉｑｃを生成する。そして補正値生成部１５の出力である電流補正値Ｉｑｃを電流重畳部１６によりｑ軸電流指令値Ｉｑ＊に重畳して、電流Ｉｑのｑ軸電流指令値Ｉｑ＊＊を生成する。
補正値生成部１５の一般例として、下記（４）式に示すようなＰＩ制御を行うＰＩ制御器がある。
【００３０】
【数２】
2020174884.tif 000004
【００３１】
ここで、ｋＰとｋＩは制御器の係数であり、ｎは時刻、ｅｈは入力値である。
補正値生成部１５でＩｑｃ＿ａｍｐを得、下記の式（５）により電流補正値Ｉｑｃを生成する。
Ｉｑｃ＝Ｉｑｃ＿ａｍｐ×ｓｉｎ（ωｃ＋δｃ）・・・（５）
ここで、ωｃは抑制したいトルク脈動の角速度ωｈに対するｑ軸電流の角速度である。但しモータによりωｈからωｃに変換する式が異なる。δｃは初期位相角であり固定値である。
【００３２】
上記の原理で電動機６の速度に重畳される脈動を抑制して、速度脈動を低減すると共に電動機６のトルク脈動をも低減する。
このような電動機６の速度脈動抑制原理を用いて、速度脈動抽出部１４で複数の脈動成分を抽出して複数の脈動を同時に抑制することができる。
更に補正値生成部１５で電流補正値Ｉｄｃを生成してｄ軸電流指令値Ｉｄ＊に重畳しても良い。または補正値生成部１５で電流補正値Ｉｑｃ、Ｉｄｃの両方を生成してｑ軸電流指令値Ｉｑ＊、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊のそれぞれに重畳しても良い。
【００３３】
補正値生成部１５で電流補正値を生成する以外にも、トルク補正値を生成してトルク指令にトルク補正値を重畳することにより電動機６の脈動を抑制することもできる。または補正値生成部１５で速度補正値を生成して速度指令に速度補正値を重畳することで電動機６の脈動を抑制することもできる。
このように低い分解性能を有するエンコーダまたはホールセンサを用いて電動機６の回転速度を検出することと、インバータ５の出力電圧と電流を用いて電動機６の回転速度の推定をすることとを組み合わせて、電動機６の速度脈動を抑制することができる。これによりシステムのコストを低減し、更に電動機６のトルク脈動を低減することができる。
【００３４】
実施の形態２．
図５は実施の形態２による電動機の脈動抑制手段を備えた制御装置を示すブロック構成図である。図５において、補正指令生成部１０以外の構造は図１に示した構造と同一である。又本実施形態の動作は、補正指令生成部１０の動作以外、実施の形態１で説明した電動機６の電流制御と角速度検出部９の動作原理と同一である。
電動機６に結合された負荷７がエアコン又はエレベータ等の場合、電動機６の軸回転に同期した周期的な負荷トルクの変動が発生し、これによりロータが脈動し、ロータの回転速度の変動が発生するため、電動機６の角加速度を抑制する必要がある。
【００３５】
図５に示された補正指令生成部１０は、角速度検出部９で取得した角速度ω４を角加速度抽出部２４で微分して角加速度αＴを求める。そしてフーリエ変換またはバンドパスフィルタにより、角加速度αＴの脈動成分を抽出して、脈動成分の振幅ａｈ１が０になるように補正値生成部２５において制御されて電流補正値Ｉｑｃを生成する。この角加速度αＴの脈動の抽出は、実施の形態１で述べた補正指令生成部１０の原理と同一である。角加速度αＴからフーリエ変換またはバンドパスフィルタにより任意次数の脈動成分を抽出して抽出脈動成分の振幅ａｈ１を取得する。抽出脈動成分の振幅ａｈ１を低減させ、振幅ａｈ１が０になるように制御することで、電流補正値またはトルク補正値または速度補正値を生成して、この補正指令を補正対象の指令に重畳する。図５においてｅｈは目標値０とａｈ１との差であり、補正値生成部２５であるＰＩ制御器の入力値となる。
【００３６】
このように低い分解性能を有するエンコーダまたはホールセンサを用いて電動機６の回転速度の検出をすることと、インバータ５の出力電圧と電流を用いて電動機６の回転速度の推定をすることとを組み合わせて、電動機６の角加速度脈動を抑制することができる。特に負荷７から電動機６の軸に影響する脈動を低減できる。
【００３７】
実施の形態３．
図６は実施の形態３による同期電動機の脈動抑制手段を備えた制御装置を示すブロック構成図である。図６において、角速度検出部９以外の構成は図１に示した構成と同一である。
図６に示す角速度検出部９は回転角速度ω４と推定角速度ω１の両方を出力する以外は図１に示した角速度検出部９と同一の動作を行う。
図６に示された補正指令生成部１０としては図１に示された補正指令生成部１０、または図５に示された補正指令生成部１０を用いる。本実施の形態においては、角速度切替え部２６を追加する。
本実施の形態の動作については、電流制御部８の動作原理は実施の形態１で説明した原理と同一である。補正指令生成部１０として図１に示した補正指令生成部１０を用いる場合、図１の補正指令生成部１０の動作原理と同一となる。補正指令生成部１０として図５に示した補正指令生成部１０を用いる場合、図５の補正指令生成部１０の動作原理と同一となる。
【００３８】
次に角速度切替え部２６の動作を説明する。角速度検出部９の検出部１７の状態を監視して、例えばパルスが検出部１７から正常に出なくなった場合、角速度切替え部２６により、電流制御部８及び補正指令生成部１０に用いる回転速度を回転角速度ω４から速やかに推定角速度ω１に切り替える。この角速度の切り替えにより、角速度検出部９の検出部１７が故障した場合、図６に示したシステム全体の動作を維持して、システム全体の２重冗長の機能を保証できる。
即ち一方の検出部１７が故障しても他方の回転速度推定部２０の出力を利用すれば良い。このように低い分解性能を有するエンコーダまたはホールセンサを用いて電動機６の回転速度の検出をすることと、インバータ５の出力電圧と電流を用いて電動機６の回転速度の推定をすることとを組み合わせ、更には検出部１７が故障した場合でも、電動機６の脈動を抑制することができる。更にはシステム全体の２重冗長の機能を保証できる。
【００３９】
モータ回転に、エンコーダ等の検出手段を２つ取り付けて、常にエンコーダの状態を監視して、通常は１つのエンコーダをモータの回転測定に使うが、１つが故障した際に正常なもう１つに切り替えて、同時に警告を出して運転の保全を保証するような２重冗長機能確保が業界で採用されている。一方、エンコーダ等の検出手段を１つ取り付けて、演算によるセンサーレス式の回転速度検出手段をも備えて、常に２つの検出手段の状態を監視して、エンコーダが故障した際に、センサーレス式の回転速度検出に切り換えるというような方法もある。本願は、後述の１つのエンコーダ等の検出手段とセンサーレス式の回転速度検出とを用いる方法に少々似ている。本願は、通常は低い分解性能を有するエンコーダまたはホールセンサ等の回転速度検出手段とセンサーレス式の回転速度検出手段との組合せを用いるが、エンコーダ等が故障した際に、センサーレス式の回転速度検出手段のみの使用に切り替えるものである。
【００４０】
実施の形態４．
図８は実施の形態４による電動機の脈動抑制手段を備えた制御装置を示すブロック構成図である。図８において、補正値テーブル３３を設けると共に補正指令生成部１０を削除した以外の構成は図１に示した構成と同一である。本実施の形態の動作については、電流制御部８と角速度検出部９の動作原理は実施の形態１で説明した原理と同一である。
図８に示された補正値テーブル３３は事前に用意して、補正指令生成部１０の代わりに、補正値テーブル３３からｄ軸電流補正値またはｑ軸電流補正値を読み出して、ｄ軸電流指令値またはｑ軸電流指令値に重畳する。
【００４１】
次に補正値テーブル３３の作成方法について説明する。補正値テーブル３３を下記の手順に従って作成する。
図１または図５の制御構成で電動機６を回転させて、ｄ軸電流補正値またはｑ軸電流補正値を回転条件とともに、例えばパソコンのディスクメモリに記録して保存する。
次に上記保存した電流補正値と回転条件を用いて、例えば表１の補正値テーブル３３を作成する。表１はトルク指令値を回転条件として補正値テーブル３３から電流補正値を読み出す例であり、回転角速度ω１または回転角速度ω２と電流補正値とを記録して補正値テーブル３３を作成することもできる。また、下記表１に示す補正値テーブル３３は電動機６の回転速度の脈動成分、またはトルクリップルの脈動成分の１つ（例えば６次の脈動成分）を抑制する場合の補正値テーブルを示している。複数の脈動成分を抑制する場合、回転条件と複数の脈動成分を抑制するそれぞれの電流補正値とを記録して、補正値テーブル３３を作成する必要がある。
【００４２】
【表１】
2020174884.tif 000005
【００４３】
上記の補正値テーブル３３を事前に用意して、図８の制御構成で電動機６の回転時に上記補正値テーブル３３からｄ軸電流補正値またはｑ軸電流補正値を読み出して、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊またはｑ軸電流指令値Ｉｑ＊に重畳して電動機６の回転速度またはトルクの脈動を抑制する。
【００４４】
その他上記した構成部品の数、寸法及び材料等について適宜変更することができる。
更に本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
【符号の説明】
【００４５】
１  電流指令変換部、５  インバータ、６  電動機、９  角速度検出部、１０  補正指令生成部、１２  電気角速度変換部、１４  速度脈動抽出部、１５  補正値生成部、１７  検出部、１８  回転速度計算部、２０  回転速度推定部、２４  角加速度抽出部、３３  補正値テーブル。
【図１】
2020174884.tif 000006
【図２】
2020174884.tif 000007
【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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【手続補正書】
【提出日】令和3年1月25日(2021.1.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機の回転指令値をベクトル制御における回転座標系のｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値に変換する電流指令変換部と、
前記ｄ軸電流指令値及び前記ｑ軸電流指令値に基づいて前記電動機の制御を行うインバータと、
前記電動機の回転角速度を検出する角速度検出部と、
検出された回転角速度に重畳される脈動を抑制するための指令補正値を生成する補正指令生成部を備えた電動機の制御装置であって、
前記角速度検出部は、前記電動機の回転を検出する検出部の出力に基づき前記電動機の回転角速度を検出する回転速度計算部と、前記インバータの出力電圧と電流とを用いて前記電動機の回転角速度を推定する回転速度推定部と、前記回転速度計算部により検出された回転角速度の平均値と脈動角速度を合算させる合成部を有し、
前記脈動角速度は、前記角速度検出部により生成された回転角速度と前記回転速度推定部により推定された回転角速度との差分を用いて生成されたものである電動機の制御装置。
【請求項２】
前記脈動角速度は、前記角速度検出部により生成された回転角速度と前記回転速度推定部により推定された回転角速度との差分の平均値が０になるように制御されて生成されたものである請求項１記載の電動機の制御装置。
【請求項３】
前記補正指令生成部は、前記角速度検出部で得られた回転角速度から抑制対象となる次数の脈動成分を抽出する速度脈動抽出部と、前記速度脈動抽出部により抽出された脈動成分の振幅を低減させるような電流補正値を生成する補正値生成部を有した請求項１又は請求項２記載の電動機の制御装置。
【請求項４】
前記補正指令生成部は、前記角速度検出部で得られた角速度を微分することにより角加速度を求める角加速度抽出部と、前記角加速度の脈動成分を抽出して、前記脈動成分の振幅を低減させるような電流補正値を生成する補正値生成部を有した請求項１又は請求項２記載の電動機の制御装置。
【請求項５】
検出された回転角速度から電気回転角速度を求める電気角速度変換部を有し、
前記角速度検出部の前記検出部が故障した場合、前記補正指令生成部及び前記電気角速度変換部は、回転角速度として前記回転速度推定部により推定された回転角速度を利用する請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電動機の制御装置。
【請求項６】
前記補正指令生成部により生成された前記電流補正値を回転条件とともに記録した補正値テーブルを設け、前記補正値テーブルから前記電流補正値を読み出す請求項３又は請求項４に記載の電動機の制御装置。
【請求項７】
前記電流補正値は前記ｄ軸電流指令値又は前記ｑ軸電流指令値のうち少なくともいずれか１つに重畳される請求項３又は請求項４に記載の電動機の制御装置。
【請求項８】
前記回転指令値はトルク指令値である請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電動機の制御装置。
【請求項９】
前記回転指令値は速度指令値である請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電動機の制御装置。
【請求項１０】
上記検出部は低い分解性能を有するエンコーダまたはホールセンサである請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の電動機の制御装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本願に開示される電動機の制御装置は、電動機の回転指令値をベクトル制御における回転座標系のｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値に変換する電流指令変換部と、
前記ｄ軸電流指令値及び前記ｑ軸電流指令値に基づいて前記電動機の制御を行うインバータと、
前記電動機の回転角速度を検出する角速度検出部と、
検出された回転角速度に重畳される脈動を抑制するための指令補正値を生成する補正指令生成部を備えたものであって、
前記角速度検出部は、前記電動機の回転を検出する検出部の出力に基づき前記電動機の回転角速度を検出する回転速度計算部と、前記インバータの出力電圧と電流とを用いて前記電動機の回転角速度を推定する回転速度推定部と、前記回転速度計算部により検出された回転角速度の平均値と脈動角速度を合算させる合成部を有し、
前記脈動角速度は、前記角速度検出部により生成された回転角速度と前記回転速度推定部により推定された回転角速度との差分を用いて生成されたものである。
【国際調査報告】
2020174884.tif 000015
2020174884.tif 000016
2020174884.tif 000017
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