(57)【要約】モータのトルクの目標値であるトルク指令に基づいて、モータの電流を直交したｄ軸電流とｑ軸電流とに分離して制御するモータ制御装置であって、ｄ軸電流指令とｑ軸電流指令とが入力され、ｄ軸電流の値とｄ軸電流指令の値との差分がゼロとなるようにｄ軸電圧指令を生成し、ｑ軸電流の値とｑ軸電流指令の値との差分がゼロとなるようにｑ軸電圧指令を生成する電流ベクトル制御部と、トルク指令に基づき、ｑ軸電流指令を生成するｑ軸電流指令生成部と、電流ベクトル制御部から出力されるｄ軸電圧指令をｄ軸成分とし、ｑ軸電圧指令をｑ軸成分とするベクトルである電圧指令の振幅が基準電圧を超えないように、電圧指令と基準電圧との差分に基づき、ｄ軸電流指令を生成する弱め磁束制御部と、ｄ軸成分をｄ軸電流指令とし、ｑ軸成分をｑ軸電流指令とするモータの電流指令ベクトルの大きさが電流制限値を超えないように、ｑ軸電流指令の大きさに応じてｄ軸電流指令の大きさを制限する電流リミッタと、ｄ軸電流指令の制限前の値とｄ軸電流指令の制限後の値との差分に基づいて、基準電圧を修正する基準電圧修正部とを備える。
2020100497.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータのトルクの目標値であるトルク指令に基づいて、モータの電流を直交したｄ軸電流とｑ軸電流とに分離して制御するモータ制御装置であって、
ｄ軸電流指令とｑ軸電流指令とが入力され、前記ｄ軸電流の値と前記ｄ軸電流指令の値との差分がゼロとなるようにｄ軸電圧指令を生成し、前記ｑ軸電流の値と前記ｑ軸電流指令の値との差分がゼロとなるようにｑ軸電圧指令を生成する電流ベクトル制御部と、
前記トルク指令に基づき、前記ｑ軸電流指令を生成するｑ軸電流指令生成部と、
前記電流ベクトル制御部から出力される前記ｄ軸電圧指令をｄ軸成分とし、前記ｑ軸電圧指令をｑ軸成分とするベクトルである電圧指令の振幅が基準電圧を超えないように、前記電圧指令と前記基準電圧との差分に基づき、前記ｄ軸電流指令を生成する弱め磁束制御部と、ｄ軸成分を前記ｄ軸電流指令とし、ｑ軸成分をｑ軸電流指令とする前記モータの電流指令ベクトルの大きさが電流制限値を超えないように、前記ｑ軸電流指令の大きさに応じて前記ｄ軸電流指令の大きさを制限する電流リミッタと、
前記ｄ軸電流指令の制限前の値と前記ｄ軸電流指令の制限後の値との差分に基づいて、前記基準電圧を修正する基準電圧修正部と、
を備えるモータ制御装置。
【請求項２】
前記基準電圧を所定の上限値で制限する基準電圧リミッタと、
前記電圧指令の振幅が前記所定の上限値より大きくなると、前記ｑ軸電流指令または前記トルク指令を減少させるように修正する指令修正部と、
をさらに備える請求項１記載のモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流ベクトル制御を用いたモータ制御装置に関する。本発明は、特に、弱め磁束制御または過変調制御を行い、電圧飽和領域付近でモータを駆動させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、永久磁石同期モータの巻線電流を制御する方法として、モータの巻線電流を回転子磁束方向のｄ軸成分とそれに直交するｑ軸成分とに分離して制御するベクトル制御が用いられる。ベクトル制御を行う電流制御部は、外部からの指令を受けて、モータに電力を供給するモータ駆動部への電圧指令の値を計算する。【０００３】
外部からの指令の値が大きくなった場合など、この電圧指令の値がモータ駆動部の供給可能電圧を上回ることがある。この現象は、電圧飽和と呼ばれる。電圧飽和は、モータの駆動速度が大きいほど生じやすくなる。モータ駆動中に生じる誘起電圧が、駆動速度に比例して上昇し、これを供給電圧で補うためにモータの端子間電圧も同様に上昇するためである。モータの負荷が大きい場合または電源電圧が低い場合も、供給電圧余裕が小さくなるため、電圧飽和が生じやすくなる。【０００４】
力行（りっこう）動作時のモータに電圧飽和が生じると、トルクを発生できず、速度を増やせなくなる。また、その二次的影響として、電流制御部または速度制御部の積分項がワインドアップして応答が劣化する場合がある。【０００５】
電圧飽和を抑制する手段として、負のｄ軸電流を流すことによって、永久磁石による磁束を弱め、誘起電圧の増加を抑制する弱め磁束制御が用いられる。【０００６】
しかし、負のｄ軸電流を増やしていくと、反作用磁界によって永久磁石の不可逆減磁が生じたり、モータの効率が悪化したりするため、ｄ軸電流の大きさには制限が課されることがある。【０００７】
さらに、モータおよびモータを駆動するインバータには通電可能な電流の上限が存在するため、ｄ軸電流とｑ軸電流を合わせた合成電流の大きさにも制限が課されることがある。【０００８】
このようなｄ軸電流の制限下および合成電流の制限下における弱め磁束制御が、例えば特許文献１に記されている。特許文献１に開示の手法では、電圧指令の値と所定の基準値の差分に基づいてｄ軸電流指令を生成する。このｄ軸電流指令が負方向の制限値を超えた量に基づいて、外部からの目標指令値またはｑ軸電流指令値を制限している。さらに、特許文献１には、ｄ軸電流指令とｑ軸電流指令を合わせたモータの電流指令ベクトルの大きさが所定の値を超えないように、ｄ軸電流指令の大きさに応じてｑ軸電流指令の大きさを制限する電流リミッタを備えた技術が示されている。【０００９】
特許文献１の技術は、ｄ軸電流指令の値とｑ軸電流指令の値を合わせた合成電流の大きさが所定の値に到達すると、ｑ軸電流指令の値を低減させる処理を行う。このため、当初のｑ軸電流指令の値が大きいほど、ｄ軸電流指令の値を増やす余地が小さくなり、弱め磁束制御の効果を得にくい。したがって、大トルクを必要とする運転領域ほど、トルクを維持したままで速度を増やすことが困難になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】日本国特許第５９４８６１３号公報
【発明の概要】
【００１１】
本発明は、上記従来の問題を解決するために成されたものである。本発明は、電流制限によってｄ軸電流を十分に流せない運転領域でも速度を増やすことを可能にし、モータの出力をより引き出せるようにしたモータ制御装置を提供することを目的とする。
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明のモータ制御装置は、モータのトルクの目標値であるトルク指令に基づいて、モータの電流を直交したｄ軸電流とｑ軸電流とに分離して制御する。本モータ制御装置は、電流ベクトル制御部と、ｑ軸電流指令生成部と、弱め磁束制御部と、電流リミッタと、基準電圧修正部とを備える。電流ベクトル制御部は、ｄ軸電流指令とｑ軸電流指令とが入力され、ｄ軸電流の値とｄ軸電流指令の値との差分がゼロとなるようにｄ軸電圧指令を生成し、ｑ軸電流の値とｑ軸電流指令の値との差分がゼロとなるようにｑ軸電圧指令を生成する。ｑ軸電流指令生成部は、トルク指令に基づき、ｑ軸電流指令を生成する。弱め磁束制御部は、電流ベクトル制御部から出力されるｄ軸電圧指令をｄ軸成分とし、ｑ軸電圧指令をｑ軸成分とするベクトルである電圧指令の振幅が基準電圧を超えないように、電圧指令と基準電圧との差分に基づき、ｄ軸電流指令を生成する。電流リミッタは、ｄ軸成分をｄ軸電流指令とし、ｑ軸成分をｑ軸電流指令とするモータの電流指令ベクトルの大きさが電流制限値を超えないように、ｑ軸電流指令の大きさに応じてｄ軸電流指令の大きさを制限する。そして、基準電圧修正部は、ｄ軸電流指令の制限前の値とｄ軸電流指令の制限後の値との差分に基づいて、基準電圧を修正する構成である。
【００１３】
この構成によれば、ｄ軸電流指令の値とｑ軸電流指令の値を合わせた合成電流値が電流制限値に到達した場合に、基準電圧修正部によって、弱め磁束制御時の基準電圧が修正される。このため、電流制限によってｄ軸電流が十分に流せない運転領域においても、出力電圧の増大によって速度を増やすことができる。
【００１４】
さらに、この構成では、モータの速度が上昇する状況において、出力電圧の修正は弱め磁束制御に対して劣後的に行われ、弱め磁束制御が優先的に行われる。このため、出力電圧を過変調させてモータの速度拡大を図る場合、弱め磁束制御を実施する運転領域に比して過変調を実施する運転領域を小さくすることができ、過変調に付随する高調波成分の発生領域を小さく抑えることができる。
【００１５】
また、本発明のモータ制御装置は、基準電圧を所定の上限値で制限する基準電圧リミッタと、電圧指令の振幅が所定の上限値より大きくなると、ｑ軸電流指令またはトルク指令を減少させるように修正する指令修正部とをさらに備えると好ましい。
【００１６】
この構成によれば、電流ベクトル制御部から出力される電圧指令の値の振幅が出力電圧の上限値を超えて大きくならないように、ｑ軸電流指令またはトルク指令が修正される。このため、モータの出力可能限界を超えるトルク指令が入力された場合に、電流ベクトル制御部への電流指令が自動的にモータの出力可能限界に応じたベクトルに修正され、安定な電流制御を維持することができる。
【００１７】
以上のように、本発明のモータ制御装置によれば、電流制限によってｄ軸電流を十分に流せない運転領域でも速度を増やすことができ、モータの出力もさらに引き出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態におけるモータ制御装置が適用されたモータ駆動系の機能ブロック図
【図２】本発明の実施の形態におけるモータ制御装置の基準電圧修正部の回路図
【図３】本発明の実施の形態におけるモータ制御装置の電流リミッタおよび基準電圧修正部の動作を説明するための図
【図４】本発明の変形例のモータ制御装置を示す機能ブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態におけるモータ制御装置について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは、一例であって、本開示を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００２０】
各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、各図において縮尺等は必ずしも一致していない。各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。
【００２１】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態におけるモータ制御装置が適用されたモータ駆動系の機能ブロック図である。図１に示すように、本実施の形態のモータ駆動系は、モータ１、インバータ２、電流検出部３、位置検出部４およびモータ制御装置５を含む。モータ制御装置５は、モータ１のトルクが、上位の制御部（図示しない）から入力されるトルク指令τ０＊に一致するように、インバータ２を制御する。
【００２２】
本実施の形態では、モータ１の一例として、永久磁石を保持したロータと巻線を巻回したステータとを備えた永久磁石同期モータを挙げて説明する。
【００２３】
インバータ２は、モータ制御装置５で生成される電圧指令に従って、半導体スイッチングを行い、電源（図示しない）からの直流電圧を交流に変換し、その交流をモータ１に駆動電圧として供給する。このようにして、インバータ２は、モータ１に電力を供給する。インバータ２内部におけるスイッチ構成およびスイッチング方式は、モータ１を駆動する目的に適合していれば、特に限定されるものではない。
【００２４】
電流検出部３は、モータ１の３相巻線に流れる相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを直接検出し、相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗに応じた信号を出力する。相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを推定できる限り、いかなる部分にて電流を検出してもよい。例えば２相のみ相電流を直接検出し、残り１相を演算で求めてもよい。あるいは、インバータ２の直流母線（図示しない）に電流検出部３を挿入して母線電流を検出し、検出した母線電流から相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを推定してもよい。
【００２５】
位置検出部４は、モータ１に取り付けられている。位置検出部４は、モータ１の回転子（図示せず）の位置θに応じた信号を出力する。このようにして、位置検出部４は、モータ１の回転子の位置θを検出する。なお、回転子の位置または速度を推定によって検出できる場合には、位置検出部４は不要である。
【００２６】
そして、モータ制御装置５は、モータ１の回転を制御するため、モータ１の巻線電流に関して、ロータ磁束方向のｄ軸成分とそれに直交するｑ軸成分とに分離して制御するベクトル制御を利用している。すなわち、モータ制御装置５は、モータ１の電流を直交したｄ軸電流とｑ軸電流とに分離し、モータ１の巻線を通電するための電流を、電流ベクトル制御に基づき制御している。
【００２７】
次に、モータ制御装置５の構成要素を説明する。
【００２８】
速度検出部６は、回転子の位置θに基づいてモータの駆動速度ωを検出する。ただし、回転子の位置θおよび駆動速度ωを推定によって検出するセンサレス制御を用いてもよい。センサレス制御を用いてモータ１を駆動する場合には、位置検出部４の出力信号を用いる代わりに、モータ１の相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗおよび電圧指令ｖｄ＊、ｖｑ＊を用いて駆動速度ωを計算する。
【００２９】
ｄｑ変換部７は、電流検出部３により検出した各相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗと、位置検出部４より検出した回転子の位置θとから、ｄ軸およびｑ軸の検出電流であるｄ軸電流ｉｄおよびｑ軸電流ｉｑを算出し、電流ベクトル制御部１１に出力する。
【００３０】
逆ｄｑ変換部８は、電流ベクトル制御部１１より入力したｄ軸およびｑ軸の電圧指令ｖｄ＊およびｖｑ＊と、位置検出部４より検出した回転子の位置θとから、モータ１の各相に与える駆動電圧に対応した電圧指令ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊を算出し、インバータ２に出力する。
【００３１】
本実施の形態では、ｄｑ変換部７および逆ｄｑ変換部８は、変換の前後で３相の電力が変わらない絶対変換を行うものとする。
【００３２】
また、上述のように、モータ制御装置５には、例えば上位の制御部（図示しない）から、モータのトルクの目標値であるトルク指令τ０＊が通知される。トルク指令τ０＊は、モータ制御装置５において、指令修正部９に通知される。指令修正部９は、基準電圧リミッタ１６から入力した電圧リミット差分ｅｒｆに基づいて、トルク指令τ０＊を減少させるように修正し、修正後トルク指令τ＊として出力する。
【００３３】
ｑ軸電流指令生成部１０は、指令修正部９から入力した修正後トルク指令τ＊に基づいて、ｑ軸電流の目標値であるｑ軸電流指令ｉｑ＊を生成し、電流ベクトル制御部１１および電流リミッタ１４へと出力する。生成方法は特に限定されるものではないが、例えば、式（１）に示すように、通常時電流指令位相βと通常時電流指令振幅Ｉとを用いて演算してもよい。
【００３４】
【数１】
2020100497.tif 000003
【００３５】
ここで、通常時電流指令位相βと通常時電流指令振幅Ｉは、電圧飽和が生じない通常運転領域における電流指令の位相と振幅である。関数ｆは、通常時電流指令振幅Ｉを求めるための修正後トルク指令τ＊の関数である。いずれも事前にモータ１の実トルクと実電流ベクトルの関係に基づいて求めておく必要がある。通常時電流指令位相βは、固定の値でもよいし、モータ１の銅損および鉄損を抑制するために、駆動速度ωおよび修正後トルク指令τ＊またはトルク指令τ０＊に応じて変化させるようにしてもよい。なお、関数ｆは、数式ないしは同式に基づく数値テーブルでもよい。
【００３６】
電流ベクトル制御部１１は、ｄ軸電流の目標値であるｄ軸電流指令ｉｄ＊の値とｄ軸電流ｉｄの値との差分である誤差がゼロになるように、ｄ軸電圧指令ｖｄ＊を生成する。また、ｑ軸電流の目標値であるｑ軸電流指令ｉｑ＊の値とｑ軸電流ｉｑの値との差分である誤差がゼロになるように、ｑ軸電圧指令ｖｑ＊を生成する。ｄ軸電圧指令ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令ｖｑ＊を生成する生成手段として、例えばＰＩ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｔｅｇｒａｌ、比例積分）制御がある。すなわち、ｄ軸電流に関しては、まず、ｄ軸電流指令ｉｄ＊の値とｄ軸電流ｉｄの値との差分を求める。そして、その差分に対して比例積分処理を行い、その比例積分の結果をｄ軸電圧指令ｖｄ＊とすればよい。同様に、ｑ軸電流に関しては、ｑ軸電流指令ｉｑ＊の値とｑ軸電流ｉｑの値との差分に対して比例積分処理を行い、その比例積分の結果をｑ軸電圧指令ｖｑ＊とすればよい。
【００３７】
電圧指令振幅演算部１２は、電流ベクトル制御部１１から逆ｄｑ変換部８へと出力される電圧指令ｖｄ＊およびｖｑ＊を取り込む。電圧指令振幅演算部１２は、取り込んだ電圧指令ｖｄ＊およびｖｑ＊を用いて、次の式（２）に基づく演算を行い、ｄ軸成分をｖｄ＊とし、ｑ軸成分をｖｑ＊とするベクトルである電圧指令振幅ｖｆｂを算出する。
【００３８】
【数２】
2020100497.tif 000004
【００３９】
なお、電圧指令振幅ｖｆｂを、インバータ２の直流母線電圧の検出値（図示しない）を用いて補正し、電源電圧の変動を反映した電圧値となるようにしてもよい。
【００４０】
弱め磁束制御部１３は、電圧指令振幅演算部１２から入力した電圧指令振幅ｖｆｂと、基準電圧リミッタから入力した基準電圧ｖｒｆとを用いて、ゼロを含む負の制限前ｄ軸電流指令ｉｄ０＊を生成する。具体的には、電圧指令振幅ｖｆｂの値が基準電圧ｖｒｆの値を超えた場合に、制限前ｄ軸電流指令ｉｄ０＊をさらに負方向に増大させるように演算する。例えば、電圧指令振幅ｖｆｂの値と基準電圧ｖｒｆの値との差分を積分演算し、この積分演算結果に比例した制限前ｄ軸電流指令ｉｄ０＊を出力する。なお、本実施の形態では、「負である指令を負方向に増大させる」とは、負の指令の絶対値が増大するように負方向に変化、すなわち、負の指令をゼロから遠ざかる方向に変化させる意味である。
【００４１】
また、正のｄ軸電流は弱め磁束制御に必要ないため、弱め磁束制御部１３において、制限前ｄ軸電流指令ｉｄ０＊を正方向への制限値に制限してもよい。ここで、本実施の形態では、制限前ｄ軸電流指令ｉｄ０＊を負としているため、正方向への制限値とは、ゼロに近づく方向への変化に対する制限値である。正方向への制限値は、ゼロでもよいし、式（３）に示すように、通常時電流指令位相βと通常時電流指令振幅Ｉを用いて演算される負の値ＩＤＭＡＸとしてもよい。例えば、制限値をゼロとした場合、制限前ｄ軸電流指令ｉｄ０＊は、正方向に変化した結果がゼロを超えるときには、ゼロを超えないように制限される。
【００４２】
【数３】
2020100497.tif 000005
【００４３】
ここで、通常時電流指令位相βと通常時電流指令振幅Ｉは、電圧飽和が生じない通常運転領域における電流指令の位相と振幅である。関数ｆは通常時電流指令振幅Ｉを求めるための修正後トルク指令τ＊の関数である。いずれも事前にモータ１の実トルクと実電流ベクトルの関係に基づいて求めておく必要がある。通常時電流指令位相βは、固定の値でもよいし、モータ１の銅損および鉄損を抑制するために、駆動速度ωおよび修正後トルク指令τ＊またはトルク指令τ０＊に応じて変化させるようにしてもよい。なお、関数ｆは、数式ないしは同式に基づく数値テーブルでもよい。
【００４４】
上記のように構成された弱め磁束制御部１３について、以下にその作用を説明する。
【００４５】
駆動速度の上昇などにより、電圧指令振幅ｖｆｂが基準電圧ｖｒｆより大きくなると、ゼロを含む負の制限前ｄ軸電流指令ｉｄ０＊が負方向に増加、すなわちゼロから遠ざかるように変化する。一方、電圧指令振幅ｖｆｂが基準電圧ｖｒｆより小さくなると、この制限前ｄ軸電流指令ｉｄ０＊がゼロに近づくように変化する。これにより、電圧指令振幅ｖｆｂが基準電圧ｖｒｆを超えないように弱め磁束制御が行われる。
【００４６】
電流リミッタ１４は、ｑ軸電流指令ｉｑ＊を用いて、式（４）に基づく演算を行い、ｄ軸電流指令ｉｄ＊の負方向の制限値ｉｄ＿ｌｍｔを算出する。具体的には、電流リミッタ１４は、弱め磁束制御部１３から入力した制限前ｄ軸電流指令ｉｄ０＊に対して、制限値ｉｄ＿ｌｍｔ以内に制限する。すなわち、ゼロを含む負の制限前ｄ軸電流指令ｉｄ０＊が、制限値ｉｄ＿ｌｍｔよりもゼロに近い場合には、電流リミッタ１４は、制限前ｄ軸電流指令ｉｄ０＊をそのまま出力する。一方、負の制限前ｄ軸電流指令ｉｄ０＊が、制限値ｉｄ＿ｌｍｔをゼロから遠ざかる方向に超える場合には、電流リミッタ１４は、制限前ｄ軸電流指令ｉｄ０＊に代えて、制限値ｉｄ＿ｌｍｔを出力する。式（４）において、ＩＭＡＸはｄ軸成分をｄ軸電流指令ｉｄ＊とし、ｑ軸成分をｑ軸電流指令ｉｑ＊とするモータの電流指令ベクトルの大きさの最大値（以下、「電流制限値」と呼称する）である。このようにして、電流リミッタ１４からは、ｄ軸電流の目標値であるｄ軸電流指令ｉｄ＊が出力され、電流ベクトル制御部１１に供給される。
【００４７】
【数４】
2020100497.tif 000006
【００４８】
上記のように構成された電流リミッタ１４によって、ｄ軸電流指令ｉｄ＊とｑ軸電流指令ｉｑ＊を合わせたモータの電流指令ベクトルの大きさ（以下、「合成電流値」と呼称する）が電流制限値ＩＭＡＸを超えないように制限することができる。
【００４９】
基準電圧修正部１５は、ｄ軸電流指令ｉｄ＊から制限前ｄ軸電流指令ｉｄ０＊を引いた差分ｅｉｄ（以下、ｄ軸電流指令リミット差分ｅｉｄと呼ぶ）の大きさに応じて、制限前基準電圧ｖｒｆ１を増加させる。図２は、本発明の実施の形態におけるモータ制御装置５の基準電圧修正部１５の回路図である。基準電圧修正部１５は、図２に示すように、ｄ軸電流指令リミット差分ｅｉｄに対し、まず、乗算器２０により、基準電圧修正係数Ｋｃｒを乗じる。そして、基準電圧修正部１５は、その乗算結果を、基準電圧初期値ｖｒｆ０に加算し、制限前基準電圧ｖｒｆ１として出力する。
【００５０】
基準電圧修正係数Ｋｃｒの設定値は、特に限定されるものではないが、弱め磁束制御部１３の伝達特性の逆特性となるように決定することが望ましい。例えば、弱め磁束制御部１３において、制限前ｄ軸電流指令ｉｄ０＊を積分演算によって生成している場合、基準電圧修正係数Ｋｃｒは、積分演算における積分ゲインの逆数とすることが望ましい。
【００５１】
上記のように構成された電流リミッタ１４および基準電圧修正部１５について、図３を用いてその動作を説明する。図３は、本発明の実施の形態におけるモータ制御装置５の電流リミッタ１４および基準電圧修正部１５の動作を説明するための図である。図３において、図３の（ａ）では、ｄ軸電流指令ｉｄ＊と制限前ｄ軸電流指令ｉｄ０＊との関係、図３の（ｂ）では、ｄ軸電流指令ｉｄ＊とｄ軸電流指令リミット差分ｅｉｄとの関係、図３の（ｃ）では、ｄ軸電流指令ｉｄ＊と制限前基準電圧ｖｒｆ１との関係を示している。
【００５２】
モータの速度が上昇し、弱め磁束制御が行われる状況において、図３の（ａ）に示すように、制限前ｄ軸電流指令ｉｄ０＊が負方向の制限値ｉｄ＿ｌｍｔで制限されるまでは、図３の（ｂ）に示すように、ｄ軸電流指令リミット差分ｅｉｄはゼロになる。このため、制限が成されるまでは、図３の（ｃ）に示すように、基準電圧修正部１５から出力される制限前基準電圧ｖｒｆ１は、基準電圧初期値ｖｒｆ０と等しくなる。一方、図３の（ａ）のように、制限前ｄ軸電流指令ｉｄ０＊が負方向の制限値ｉｄ＿ｌｍｔで制限された状態では、図３の（ｂ）のように、ｄ軸電流指令リミット差分ｅｉｄはゼロより大きい値となる。このため、制限が成されると、図３の（ｃ）のように、基準電圧修正部１５から出力される制限前基準電圧ｖｒｆ１は、基準電圧初期値ｖｒｆ０よりも大きい値になる。
【００５３】
本実施の形態では、上記のように構成された電流リミッタ１４および基準電圧修正部１５により、合成電流値が電流制限値ＩＭＡＸに到達した場合に、弱め磁束制御時の基準電圧の修正が可能になる。このため、電流制限によってｄ軸電流が十分に流せない運転領域においても、出力電圧の増大によって速度を増やすことができる。
【００５４】
例えば、基準電圧初期値ｖｒｆ０として、正弦波ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ、パルス幅変調）制御の最大電圧値を設定した場合について説明する。この場合、合成電流値が電流制限値ＩＭＡＸ未満の運転領域では正弦波ＰＷＭ制御を行い、合成電流値が電流制限値ＩＭＡＸで制限される運転領域では過変調ＰＷＭ制御を行う。このため、電流制限によってｄ軸電流が十分に流せない場合でも、過変調による出力電圧の増大によって速度を増やすことができる。
【００５５】
ところで、過変調は、鉄道をはじめとする産業界で広く利用されているが、インバータ出力電圧が非正弦波状に歪む。この歪により、出力電圧と巻線電流に高調波成分が重畳し、この高調波成分に起因してモータが振動することが知られている。
【００５６】
このような不都合に対し、本実施の形態では、モータの速度が上昇する状況において、過変調のような上記の出力電圧の修正よりも、弱め磁束制御が優先的に実行されるようにしている。電流リミッタ１４および基準電圧修正部１５により、合成電流値が電流制限値ＩＭＡＸで制限される場合に限定して過変調を行っている。これにより、弱め磁束制御を実施する運転領域に比して過変調を実施する運転領域を小さくしている。このため、本実施の形態によれば、過変調に付随する高調波成分の発生領域を小さく抑えることができる。
【００５７】
基準電圧リミッタ１６は、基準電圧修正部１５から入力した制限前基準電圧ｖｒｆ１を、インバータ２が出力可能な最大電圧値（以下、「最大電圧値」と呼称する）に制限し、基準電圧ｖｒｆとして弱め磁束制御部１３に出力する。
【００５８】
また、基準電圧リミッタ１６は、電圧リミット差分ｅｒｆを指令修正部９に出力する。この電圧リミット差分ｅｒｆは、電圧指令振幅ｖｆｂが最大電圧値より大きくなると正の値となり、電圧指令振幅ｖｆｂが最大電圧値以下になるとゼロになるように出力される。
【００５９】
上記のように構成された基準電圧リミッタ１６および指令修正部９によって、電圧指令振幅ｖｆｂが最大電圧値より大きくなると、修正後トルク指令τ＊が減少するように修正される。そうでない場合は、修正後トルク指令τ＊は修正されない。このため、モータの出力可能限界を超えるトルク指令τ０＊が入力された場合に、モータの出力可能限界に応じた修正後トルク指令τ＊に自動的に修正される。その結果、電流ベクトル制御部１１の積分項のワインドアップ現象を防止でき、安定な電流制御を維持することができる。
【００６０】
（変形例）
実施の形態の変形例について説明する。
【００６１】
図４は、本発明の変形例のモータ制御装置４０を示す機能ブロック図である。
【００６２】
図４において、図１と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。実施の形態に示す図１において、指令修正部９は、基準電圧リミッタ１６から入力した電圧リミット差分ｅｒｆに基づいて、上位の制御部（図示しない）からのトルク指令τ０＊を減少させるように修正し、修正後トルク指令τ＊を出力する。この代わりに、本変形例におけるモータ制御装置４０の指令修正部４２は、基準電圧リミッタ１６から入力した電圧リミット差分ｅｒｆに基づいて、ｑ軸電流指令生成部４１から入力した修正前ｑ軸電流指令ｉｑ０＊を減少させるように修正し、ｑ軸電流指令ｉｑ＊を出力する。また、図１において、ｑ軸電流指令生成部１０は、指令修正部９から入力した修正後トルク指令τ＊に基づいて、ｑ軸電流の目標値であるｑ軸電流指令ｉｑ＊を生成する。この代わりに、本変形例におけるモータ制御装置４０のｑ軸電流指令生成部４１は、上位の制御部（図示しない）からのトルク指令τ＊に基づいて、ｑ軸電流の目標値である修正前ｑ軸電流指令ｉｑ０＊を生成し、指令修正部４２に出力する。
【００６３】
このような構成であったとしても、上記実施の形態と同様の作用および効果が得られる。
【００６４】
以上のように、本実施の形態のモータ制御装置５は、モータのトルクの目標値であるトルク指令に基づいて、モータの電流を直交したｄ軸電流とｑ軸電流とに分離して制御する。モータ制御装置５は、ｄ軸電流指令ｉｄ＊とｑ軸電流指令ｉｑ＊とが入力され、ｄ軸電流ｉｄの値とｄ軸電流指令ｉｄ＊の値との差分がゼロとなるようにｄ軸電圧指令ｖｄ＊を生成し、ｑ軸電流ｉｑの値とｑ軸電流指令ｉｑ＊の値との差分がゼロとなるようにｑ軸電圧指令ｖｑ＊を生成する電流ベクトル制御部１１と、トルク指令τ＊に基づき、ｑ軸電流指令ｉｑ＊を生成するｑ軸電流指令生成部１０と、電流ベクトル制御部１１から出力されるｄ軸電圧指令ｖｄ＊をｄ軸成分とし、ｑ軸電圧指令ｖｑ＊をｑ軸成分とするベクトルである電圧指令の振幅ｖｆｂが基準電圧ｖｒｆを超えないように、電圧指令と基準電圧ｖｒｆとに基づき、ｄ軸電流指令ｉｄ０＊を生成する弱め磁束制御部１３と、ｄ軸成分をｄ軸電流指令ｉｄ＊とし、ｑ軸成分をｑ軸電流指令ｉｑ＊とするモータの電流指令ベクトルの大きさが電流制限値ＩＭＡＸを超えないように、ｑ軸電流指令ｉｑ＊の大きさに応じてｄ軸電流指令ｉｑ＊の大きさを制限する電流リミッタ１４と、ｄ軸電流指令ｉｄ＊の制限前の値とｄ軸電流指令ｉｄ＊の制限後の値との差分に基づいて、基準電圧ｖｒｆを修正する基準電圧修正部１５とを備える。
【００６５】
このような構成とすることにより、電流指令ベクトルの大きさが電流制限値ＩＭＡＸに到達したときに、弱め磁束制御時の基準電圧ｖｒｆが修正される。このため、電流制限によってｄ軸電流が十分に流せない運転領域においても、出力電圧の増大によって速度を増やすことができ、モータの出力もさらに引き出すことができる。
【００６６】
また、好ましい一例として、基準電圧ｖｒｆを所定の上限値で制限する基準電圧リミッタ１６と、電圧指令の振幅ｖｆｂが所定の上限値より大きくなると、ｑ軸電流指令ｉｑ＊またはトルク指令を減少させるように修正する指令修正部９と、をさらに備えてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明のモータ制御装置は、電圧飽和領域で駆動するモータ、例えば、瞬間的ないし断続的に高速・大トルクでの駆動が必要な産業機械、自動車、自動車部品、電車、家電製品、流体機械、建設機械などを駆動するモータに適用できる。
【符号の説明】
【００６８】
１    モータ
２    インバータ
３    電流検出部
４    位置検出部
５    モータ制御装置
６    速度検出部
７    ｄｑ変換部
８    逆ｄｑ変換部
９    指令修正部
１０    ｑ軸電流指令生成部
１１    電流ベクトル制御部
１２    電圧指令振幅演算部
１３    弱め磁束制御部
１４    電流リミッタ
１５    基準電圧修正部
１６    基準電圧リミッタ
２０    乗算器
４０    モータ制御装置
４１    ｑ軸電流指令生成部
４２    指令修正部
【図１】
2020100497.tif 000007
【図２】
2020100497.tif 000008
【図３】
2020100497.tif 000009
【図４】
2020100497.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】令和3年2月24日(2021.2.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流ベクトル制御を用いたモータ制御装置に関する。本発明は、特に、弱め磁束制御または過変調制御を行い、電圧飽和領域付近でモータを駆動させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、永久磁石同期モータの巻線電流を制御する方法として、モータの巻線電流を回転子磁束方向のｄ軸成分とそれに直交するｑ軸成分とに分離して制御するベクトル制御が用いられる。ベクトル制御を行う電流制御部は、外部からの指令を受けて、モータに電力を供給するモータ駆動部への電圧指令の値を計算する。
【０００３】
外部からの指令の値が大きくなった場合など、この電圧指令の値がモータ駆動部の供給可能電圧を上回ることがある。この現象は、電圧飽和と呼ばれる。電圧飽和は、モータの駆動速度が大きいほど生じやすくなる。モータ駆動中に生じる誘起電圧が、駆動速度に比例して上昇し、これを供給電圧で補うためにモータの端子間電圧も同様に上昇するためである。モータの負荷が大きい場合または電源電圧が低い場合も、供給電圧余裕が小さくなるため、電圧飽和が生じやすくなる。
【０００４】
力行（りっこう）動作時のモータに電圧飽和が生じると、トルクを発生できず、速度を増やせなくなる。また、その二次的影響として、電流制御部または速度制御部の積分項がワインドアップして応答が劣化する場合がある。
【０００５】
電圧飽和を抑制する手段として、負のｄ軸電流を流すことによって、永久磁石による磁束を弱め、誘起電圧の増加を抑制する弱め磁束制御が用いられる。
【０００６】
しかし、負のｄ軸電流を増やしていくと、反作用磁界によって永久磁石の不可逆減磁が生じたり、モータの効率が悪化したりするため、ｄ軸電流の大きさには制限が課されることがある。
【０００７】
さらに、モータおよびモータを駆動するインバータには通電可能な電流の上限が存在するため、ｄ軸電流とｑ軸電流を合わせた合成電流の大きさにも制限が課されることがある。
【０００８】
このようなｄ軸電流の制限下および合成電流の制限下における弱め磁束制御が、例えば特許文献１に記されている。特許文献１に開示の手法では、電圧指令の値と所定の基準値の差分に基づいてｄ軸電流指令を生成する。このｄ軸電流指令が負方向の制限値を超えた量に基づいて、外部からの目標指令値またはｑ軸電流指令値を制限している。さらに、特許文献１には、ｄ軸電流指令とｑ軸電流指令を合わせたモータの電流指令ベクトルの大きさが所定の値を超えないように、ｄ軸電流指令の大きさに応じてｑ軸電流指令の大きさを制限する電流リミッタを備えた技術が示されている。
【０００９】
特許文献１の技術は、ｄ軸電流指令の値とｑ軸電流指令の値を合わせた合成電流の大きさが所定の値に到達すると、ｑ軸電流指令の値を低減させる処理を行う。このため、当初のｑ軸電流指令の値が大きいほど、ｄ軸電流指令の値を増やす余地が小さくなり、弱め磁束制御の効果を得にくい。したがって、大トルクを必要とする運転領域ほど、トルクを維持したままで速度を増やすことが困難になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】日本国特許第５９４８６１３号公報
【発明の概要】
【００１１】
本発明は、上記従来の問題を解決するために成されたものである。本発明は、電流制限によってｄ軸電流を十分に流せない運転領域でも速度を増やすことを可能にし、モータの出力をより引き出せるようにしたモータ制御装置を提供することを目的とする。
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明のモータ制御装置は、モータのトルクの目標値であるトルク指令に基づいて、モータの電流を直交したｄ軸電流とｑ軸電流とに分離して制御する。本モータ制御装置は、電流ベクトル制御部と、ｑ軸電流指令生成部と、弱め磁束制御部と、電流リミッタと、基準電圧修正部とを備える。電流ベクトル制御部は、ｄ軸電流指令とｑ軸電流指令とが入力され、ｄ軸電流の値とｄ軸電流指令の値との差分がゼロとなるようにｄ軸電圧指令を生成し、ｑ軸電流の値とｑ軸電流指令の値との差分がゼロとなるようにｑ軸電圧指令を生成する。ｑ軸電流指令生成部は、トルク指令に基づき、ｑ軸電流指令を生成する。弱め磁束制御部は、電流ベクトル制御部から出力されるｄ軸電圧指令をｄ軸成分とし、ｑ軸電圧指令をｑ軸成分とするベクトルである電圧指令の振幅が基準電圧を超えないように、電圧指令と基準電圧との差分に基づき、ｄ軸電流指令を生成する。電流リミッタは、ｄ軸成分をｄ軸電流指令とし、ｑ軸成分をｑ軸電流指令とするモータの電流指令ベクトルの大きさが電流制限値を超えないように、ｑ軸電流指令の大きさに応じてｄ軸電流指令の大きさを制限する。そして、基準電圧修正部は、ｄ軸電流指令の制限前の値とｄ軸電流指令の制限後の値との差分に基づいて、基準電圧を修正する構成である。
【００１３】
この構成によれば、ｄ軸電流指令の値とｑ軸電流指令の値を合わせた合成電流値が電流制限値に到達した場合に、基準電圧修正部によって、弱め磁束制御時の基準電圧が修正される。このため、電流制限によってｄ軸電流が十分に流せない運転領域においても、出力電圧の増大によって速度を増やすことができる。
【００１４】
さらに、この構成では、モータの速度が上昇する状況において、出力電圧の修正は弱め磁束制御に対して劣後的に行われ、弱め磁束制御が優先的に行われる。このため、出力電圧を過変調させてモータの速度拡大を図る場合、弱め磁束制御を実施する運転領域に比して過変調を実施する運転領域を小さくすることができ、過変調に付随する高調波成分の発生領域を小さく抑えることができる。
【００１５】
また、本発明のモータ制御装置は、基準電圧を所定の上限値で制限する基準電圧リミッタと、電圧指令の振幅が所定の上限値より大きくなると、ｑ軸電流指令またはトルク指令を減少させるように修正する指令修正部とをさらに備えると好ましい。
【００１６】
この構成によれば、電流ベクトル制御部から出力される電圧指令の値の振幅が出力電圧の上限値を超えて大きくならないように、ｑ軸電流指令またはトルク指令が修正される。このため、モータの出力可能限界を超えるトルク指令が入力された場合に、電流ベクトル制御部への電流指令が自動的にモータの出力可能限界に応じたベクトルに修正され、安定な電流制御を維持することができる。
【００１７】
以上のように、本発明のモータ制御装置によれば、電流制限によってｄ軸電流を十分に流せない運転領域でも速度を増やすことができ、モータの出力もさらに引き出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態におけるモータ制御装置が適用されたモータ駆動系の機能ブロック図
【図２】本発明の実施の形態におけるモータ制御装置の基準電圧修正部の回路図
【図３】本発明の実施の形態におけるモータ制御装置の電流リミッタおよび基準電圧修正部の動作を説明するための図
【図４】本発明の変形例のモータ制御装置を示す機能ブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態におけるモータ制御装置について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは、一例であって、本開示を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００２０】
各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、各図において縮尺等は必ずしも一致していない。各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。
【００２１】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態におけるモータ制御装置が適用されたモータ駆動系の機能ブロック図である。図１に示すように、本実施の形態のモータ駆動系は、モータ１、インバータ２、電流検出部３、位置検出部４およびモータ制御装置５を含む。モータ制御装置５は、モータ１のトルクが、上位の制御部（図示しない）から入力されるトルク指令τ０＊に一致するように、インバータ２を制御する。
【００２２】
本実施の形態では、モータ１の一例として、永久磁石を保持したロータと巻線を巻回したステータとを備えた永久磁石同期モータを挙げて説明する。
【００２３】
インバータ２は、モータ制御装置５で生成される電圧指令に従って、半導体スイッチングを行い、電源（図示しない）からの直流電圧を交流に変換し、その交流をモータ１に駆動電圧として供給する。このようにして、インバータ２は、モータ１に電力を供給する。インバータ２内部におけるスイッチ構成およびスイッチング方式は、モータ１を駆動する目的に適合していれば、特に限定されるものではない。
【００２４】
電流検出部３は、モータ１の３相巻線に流れる相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを直接検出し、相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗに応じた信号を出力する。相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを推定できる限り、いかなる部分にて電流を検出してもよい。例えば２相のみ相電流を直接検出し、残り１相を演算で求めてもよい。あるいは、インバータ２の直流母線（図示しない）に電流検出部３を挿入して母線電流を検出し、検出した母線電流から相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを推定してもよい。
【００２５】
位置検出部４は、モータ１に取り付けられている。位置検出部４は、モータ１の回転子（図示せず）の位置θに応じた信号を出力する。このようにして、位置検出部４は、モータ１の回転子の位置θを検出する。なお、回転子の位置または速度を推定によって検出できる場合には、位置検出部４は不要である。
【００２６】
そして、モータ制御装置５は、モータ１の回転を制御するため、モータ１の巻線電流に関して、ロータ磁束方向のｄ軸成分とそれに直交するｑ軸成分とに分離して制御するベクトル制御を利用している。すなわち、モータ制御装置５は、モータ１の電流を直交したｄ軸電流とｑ軸電流とに分離し、モータ１の巻線を通電するための電流を、電流ベクトル制御に基づき制御している。
【００２７】
次に、モータ制御装置５の構成要素を説明する。
【００２８】
速度検出部６は、回転子の位置θに基づいてモータの駆動速度ωを検出する。ただし、回転子の位置θおよび駆動速度ωを推定によって検出するセンサレス制御を用いてもよい。センサレス制御を用いてモータ１を駆動する場合には、位置検出部４の出力信号を用いる代わりに、モータ１の相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗおよび電圧指令ｖｄ＊、ｖｑ＊を用いて駆動速度ωを計算する。
【００２９】
ｄｑ変換部７は、電流検出部３により検出した各相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗと、位置検出部４より検出した回転子の位置θとから、ｄ軸およびｑ軸の検出電流であるｄ軸電流ｉｄおよびｑ軸電流ｉｑを算出し、電流ベクトル制御部１１に出力する。
【００３０】
逆ｄｑ変換部８は、電流ベクトル制御部１１より入力したｄ軸およびｑ軸の電圧指令ｖｄ＊およびｖｑ＊と、位置検出部４より検出した回転子の位置θとから、モータ１の各相に与える駆動電圧に対応した電圧指令ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊を算出し、インバータ２に出力する。
【００３１】
本実施の形態では、ｄｑ変換部７および逆ｄｑ変換部８は、変換の前後で３相の電力が変わらない絶対変換を行うものとする。
【００３２】
また、上述のように、モータ制御装置５には、例えば上位の制御部（図示しない）から、モータのトルクの目標値であるトルク指令τ０＊が通知される。トルク指令τ０＊は、モータ制御装置５において、指令修正部９に通知される。指令修正部９は、基準電圧リミッタ１６から入力した電圧リミット差分ｅｒｆに基づいて、トルク指令τ０＊を減少させるように修正し、修正後トルク指令τ＊として出力する。
【００３３】
ｑ軸電流指令生成部１０は、指令修正部９から入力した修正後トルク指令τ＊に基づいて、ｑ軸電流の目標値であるｑ軸電流指令ｉｑ＊を生成し、電流ベクトル制御部１１および電流リミッタ１４へと出力する。生成方法は特に限定されるものではないが、例えば、式（１）に示すように、通常時電流指令位相βと通常時電流指令振幅Ｉとを用いて演算してもよい。
【００３４】
【数１】
2020100497.tif 000011
【００３５】
ここで、通常時電流指令位相βと通常時電流指令振幅Ｉは、電圧飽和が生じない通常運転領域における電流指令の位相と振幅である。関数ｆは、通常時電流指令振幅Ｉを求めるための修正後トルク指令τ＊の関数である。いずれも事前にモータ１の実トルクと実電流ベクトルの関係に基づいて求めておく必要がある。通常時電流指令位相βは、固定の値でもよいし、モータ１の銅損および鉄損を抑制するために、駆動速度ωおよび修正後トルク指令τ＊またはトルク指令τ０＊に応じて変化させるようにしてもよい。なお、関数ｆは、数式ないしは同式に基づく数値テーブルでもよい。
【００３６】
電流ベクトル制御部１１は、ｄ軸電流の目標値であるｄ軸電流指令ｉｄ＊の値とｄ軸電流ｉｄの値との差分である誤差がゼロになるように、ｄ軸電圧指令ｖｄ＊を生成する。また、ｑ軸電流の目標値であるｑ軸電流指令ｉｑ＊の値とｑ軸電流ｉｑの値との差分である誤差がゼロになるように、ｑ軸電圧指令ｖｑ＊を生成する。ｄ軸電圧指令ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令ｖｑ＊を生成する生成手段として、例えばＰＩ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｔｅｇｒａｌ、比例積分）制御がある。すなわち、ｄ軸電流に関しては、まず、ｄ軸電流指令ｉｄ＊の値とｄ軸電流ｉｄの値との差分を求める。そして、その差分に対して比例積分処理を行い、その比例積分の結果をｄ軸電圧指令ｖｄ＊とすればよい。同様に、ｑ軸電流に関しては、ｑ軸電流指令ｉｑ＊の値とｑ軸電流ｉｑの値との差分に対して比例積分処理を行い、その比例積分の結果をｑ軸電圧指令ｖｑ＊とすればよい。
【００３７】
電圧指令振幅演算部１２は、電流ベクトル制御部１１から逆ｄｑ変換部８へと出力される電圧指令ｖｄ＊およびｖｑ＊を取り込む。電圧指令振幅演算部１２は、取り込んだ電圧指令ｖｄ＊およびｖｑ＊を用いて、次の式（２）に基づく演算を行い、ｄ軸成分をｖｄ＊とし、ｑ軸成分をｖｑ＊とするベクトルである電圧指令振幅ｖｆｂを算出する。
【００３８】
【数２】
2020100497.tif 000012
【００３９】
なお、電圧指令振幅ｖｆｂを、インバータ２の直流母線電圧の検出値（図示しない）を用いて補正し、電源電圧の変動を反映した電圧値となるようにしてもよい。
【００４０】
弱め磁束制御部１３は、電圧指令振幅演算部１２から入力した電圧指令振幅ｖｆｂと、基準電圧リミッタから入力した基準電圧ｖｒｆとを用いて、ゼロを含む負の制限前ｄ軸電流指令ｉｄ０＊を生成する。具体的には、電圧指令振幅ｖｆｂの値が基準電圧ｖｒｆの値を超えた場合に、制限前ｄ軸電流指令ｉｄ０＊をさらに負方向に増大させるように演算する。例えば、電圧指令振幅ｖｆｂの値と基準電圧ｖｒｆの値との差分を積分演算し、この積分演算結果に比例した制限前ｄ軸電流指令ｉｄ０＊を出力する。なお、本実施の形態では、「負である指令を負方向に増大させる」とは、負の指令の絶対値が増大するように負方向に変化、すなわち、負の指令をゼロから遠ざかる方向に変化させる意味である。
【００４１】
また、正のｄ軸電流は弱め磁束制御に必要ないため、弱め磁束制御部１３において、制限前ｄ軸電流指令ｉｄ０＊を正方向への制限値に制限してもよい。ここで、本実施の形態では、制限前ｄ軸電流指令ｉｄ０＊を負としているため、正方向への制限値とは、ゼロに近づく方向への変化に対する制限値である。正方向への制限値は、ゼロでもよいし、式（３）に示すように、通常時電流指令位相βと通常時電流指令振幅Ｉを用いて演算される負の値ＩＤＭＡＸとしてもよい。例えば、制限値をゼロとした場合、制限前ｄ軸電流指令ｉｄ０＊は、正方向に変化した結果がゼロを超えるときには、ゼロを超えないように制限される。
【００４２】
【数３】
2020100497.tif 000013
【００４３】
ここで、通常時電流指令位相βと通常時電流指令振幅Ｉは、電圧飽和が生じない通常運転領域における電流指令の位相と振幅である。関数ｆは通常時電流指令振幅Ｉを求めるための修正後トルク指令τ＊の関数である。いずれも事前にモータ１の実トルクと実電流ベクトルの関係に基づいて求めておく必要がある。通常時電流指令位相βは、固定の値でもよいし、モータ１の銅損および鉄損を抑制するために、駆動速度ωおよび修正後トルク指令τ＊またはトルク指令τ０＊に応じて変化させるようにしてもよい。なお、関数ｆは、数式ないしは同式に基づく数値テーブルでもよい。
【００４４】
上記のように構成された弱め磁束制御部１３について、以下にその作用を説明する。
【００４５】
駆動速度の上昇などにより、電圧指令振幅ｖｆｂが基準電圧ｖｒｆより大きくなると、ゼロを含む負の制限前ｄ軸電流指令ｉｄ０＊が負方向に増加、すなわちゼロから遠ざかるように変化する。一方、電圧指令振幅ｖｆｂが基準電圧ｖｒｆより小さくなると、この制限前ｄ軸電流指令ｉｄ０＊がゼロに近づくように変化する。これにより、電圧指令振幅ｖｆｂが基準電圧ｖｒｆを超えないように弱め磁束制御が行われる。
【００４６】
電流リミッタ１４は、ｑ軸電流指令ｉｑ＊を用いて、式（４）に基づく演算を行い、ｄ軸電流指令ｉｄ＊の負方向の制限値ｉｄ＿ｌｍｔを算出する。具体的には、電流リミッタ１４は、弱め磁束制御部１３から入力した制限前ｄ軸電流指令ｉｄ０＊に対して、制限値ｉｄ＿ｌｍｔ以内に制限する。すなわち、ゼロを含む負の制限前ｄ軸電流指令ｉｄ０＊が、制限値ｉｄ＿ｌｍｔよりもゼロに近い場合には、電流リミッタ１４は、制限前ｄ軸電流指令ｉｄ０＊をそのまま出力する。一方、負の制限前ｄ軸電流指令ｉｄ０＊が、制限値ｉｄ＿ｌｍｔをゼロから遠ざかる方向に超える場合には、電流リミッタ１４は、制限前ｄ軸電流指令ｉｄ０＊に代えて、制限値ｉｄ＿ｌｍｔを出力する。式（４）において、ＩＭＡＸはｄ軸成分をｄ軸電流指令ｉｄ＊とし、ｑ軸成分をｑ軸電流指令ｉｑ＊とするモータの電流指令ベクトルの大きさの最大値（以下、「電流制限値」と呼称する）である。このようにして、電流リミッタ１４からは、ｄ軸電流の目標値であるｄ軸電流指令ｉｄ＊が出力され、電流ベクトル制御部１１に供給される。
【００４７】
【数４】
2020100497.tif 000014
【００４８】
上記のように構成された電流リミッタ１４によって、ｄ軸電流指令ｉｄ＊とｑ軸電流指令ｉｑ＊を合わせたモータの電流指令ベクトルの大きさ（以下、「合成電流値」と呼称する）が電流制限値ＩＭＡＸを超えないように制限することができる。
【００４９】
基準電圧修正部１５は、ｄ軸電流指令ｉｄ＊から制限前ｄ軸電流指令ｉｄ０＊を引いた差分ｅｉｄ（以下、ｄ軸電流指令リミット差分ｅｉｄと呼ぶ）の大きさに応じて、制限前基準電圧ｖｒｆ１を増加させる。図２は、本発明の実施の形態におけるモータ制御装置５の基準電圧修正部１５の回路図である。基準電圧修正部１５は、図２に示すように、ｄ軸電流指令リミット差分ｅｉｄに対し、まず、乗算器２０により、基準電圧修正係数Ｋｃｒを乗じる。そして、基準電圧修正部１５は、その乗算結果を、基準電圧初期値ｖｒｆ０に加算し、制限前基準電圧ｖｒｆ１として出力する。
【００５０】
基準電圧修正係数Ｋｃｒの設定値は、特に限定されるものではないが、弱め磁束制御部１３の伝達特性の逆特性となるように決定することが望ましい。例えば、弱め磁束制御部１３において、制限前ｄ軸電流指令ｉｄ０＊を積分演算によって生成している場合、基準電圧修正係数Ｋｃｒは、積分演算における積分ゲインの逆数とすることが望ましい。
【００５１】
上記のように構成された電流リミッタ１４および基準電圧修正部１５について、図３を用いてその動作を説明する。図３は、本発明の実施の形態におけるモータ制御装置５の電流リミッタ１４および基準電圧修正部１５の動作を説明するための図である。図３において、図３の（ａ）では、ｄ軸電流指令ｉｄ＊と制限前ｄ軸電流指令ｉｄ０＊との関係、図３の（ｂ）では、ｄ軸電流指令ｉｄ＊とｄ軸電流指令リミット差分ｅｉｄとの関係、図３の（ｃ）では、ｄ軸電流指令ｉｄ＊と制限前基準電圧ｖｒｆ１との関係を示している。
【００５２】
モータの速度が上昇し、弱め磁束制御が行われる状況において、図３の（ａ）に示すように、制限前ｄ軸電流指令ｉｄ０＊が負方向の制限値ｉｄ＿ｌｍｔで制限されるまでは、図３の（ｂ）に示すように、ｄ軸電流指令リミット差分ｅｉｄはゼロになる。このため、制限が成されるまでは、図３の（ｃ）に示すように、基準電圧修正部１５から出力される制限前基準電圧ｖｒｆ１は、基準電圧初期値ｖｒｆ０と等しくなる。一方、図３の（ａ）のように、制限前ｄ軸電流指令ｉｄ０＊が負方向の制限値ｉｄ＿ｌｍｔで制限された状態では、図３の（ｂ）のように、ｄ軸電流指令リミット差分ｅｉｄはゼロより大きい値となる。このため、制限が成されると、図３の（ｃ）のように、基準電圧修正部１５から出力される制限前基準電圧ｖｒｆ１は、基準電圧初期値ｖｒｆ０よりも大きい値になる。
【００５３】
本実施の形態では、上記のように構成された電流リミッタ１４および基準電圧修正部１５により、合成電流値が電流制限値ＩＭＡＸに到達した場合に、弱め磁束制御時の基準電圧の修正が可能になる。このため、電流制限によってｄ軸電流が十分に流せない運転領域においても、出力電圧の増大によって速度を増やすことができる。
【００５４】
例えば、基準電圧初期値ｖｒｆ０として、正弦波ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ、パルス幅変調）制御の最大電圧値を設定した場合について説明する。この場合、合成電流値が電流制限値ＩＭＡＸ未満の運転領域では正弦波ＰＷＭ制御を行い、合成電流値が電流制限値ＩＭＡＸで制限される運転領域では過変調ＰＷＭ制御を行う。このため、電流制限によってｄ軸電流が十分に流せない場合でも、過変調による出力電圧の増大によって速度を増やすことができる。
【００５５】
ところで、過変調は、鉄道をはじめとする産業界で広く利用されているが、インバータ出力電圧が非正弦波状に歪む。この歪により、出力電圧と巻線電流に高調波成分が重畳し、この高調波成分に起因してモータが振動することが知られている。
【００５６】
このような不都合に対し、本実施の形態では、モータの速度が上昇する状況において、過変調のような上記の出力電圧の修正よりも、弱め磁束制御が優先的に実行されるようにしている。電流リミッタ１４および基準電圧修正部１５により、合成電流値が電流制限値ＩＭＡＸで制限される場合に限定して過変調を行っている。これにより、弱め磁束制御を実施する運転領域に比して過変調を実施する運転領域を小さくしている。このため、本実施の形態によれば、過変調に付随する高調波成分の発生領域を小さく抑えることができる。
【００５７】
基準電圧リミッタ１６は、基準電圧修正部１５から入力した制限前基準電圧ｖｒｆ１を、インバータ２が出力可能な最大電圧値（以下、「最大電圧値」と呼称する）に制限し、基準電圧ｖｒｆとして弱め磁束制御部１３に出力する。
【００５８】
また、基準電圧リミッタ１６は、電圧リミット差分ｅｒｆを指令修正部９に出力する。この電圧リミット差分ｅｒｆは、電圧指令振幅ｖｆｂが最大電圧値より大きくなると正の値となり、電圧指令振幅ｖｆｂが最大電圧値以下になるとゼロになるように出力される。
【００５９】
上記のように構成された基準電圧リミッタ１６および指令修正部９によって、電圧指令振幅ｖｆｂが最大電圧値より大きくなると、修正後トルク指令τ＊が減少するように修正される。そうでない場合は、修正後トルク指令τ＊は修正されない。このため、モータの出力可能限界を超えるトルク指令τ０＊が入力された場合に、モータの出力可能限界に応じた修正後トルク指令τ＊に自動的に修正される。その結果、電流ベクトル制御部１１の積分項のワインドアップ現象を防止でき、安定な電流制御を維持することができる。
【００６０】
（変形例）
実施の形態の変形例について説明する。
【００６１】
図４は、本発明の変形例のモータ制御装置４０を示す機能ブロック図である。
【００６２】
図４において、図１と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。実施の形態に示す図１において、指令修正部９は、基準電圧リミッタ１６から入力した電圧リミット差分ｅｒｆに基づいて、上位の制御部（図示しない）からのトルク指令τ０＊を減少させるように修正し、修正後トルク指令τ＊を出力する。この代わりに、本変形例におけるモータ制御装置４０の指令修正部４２は、基準電圧リミッタ１６から入力した電圧リミット差分ｅｒｆに基づいて、ｑ軸電流指令生成部４１から入力した修正前ｑ軸電流指令ｉｑ０＊を減少させるように修正し、ｑ軸電流指令ｉｑ＊を出力する。また、図１において、ｑ軸電流指令生成部１０は、指令修正部９から入力した修正後トルク指令τ＊に基づいて、ｑ軸電流の目標値であるｑ軸電流指令ｉｑ＊を生成する。この代わりに、本変形例におけるモータ制御装置４０のｑ軸電流指令生成部４１は、上位の制御部（図示しない）からのトルク指令τ＊に基づいて、ｑ軸電流の目標値である修正前ｑ軸電流指令ｉｑ０＊を生成し、指令修正部４２に出力する。
【００６３】
このような構成であったとしても、上記実施の形態と同様の作用および効果が得られる。
【００６４】
以上のように、本実施の形態のモータ制御装置５は、モータのトルクの目標値であるトルク指令に基づいて、モータの電流を直交したｄ軸電流とｑ軸電流とに分離して制御する。モータ制御装置５は、ｄ軸電流指令ｉｄ＊とｑ軸電流指令ｉｑ＊とが入力され、ｄ軸電流ｉｄの値とｄ軸電流指令ｉｄ＊の値との差分がゼロとなるようにｄ軸電圧指令ｖｄ＊を生成し、ｑ軸電流ｉｑの値とｑ軸電流指令ｉｑ＊の値との差分がゼロとなるようにｑ軸電圧指令ｖｑ＊を生成する電流ベクトル制御部１１と、トルク指令τ＊に基づき、ｑ軸電流指令ｉｑ＊を生成するｑ軸電流指令生成部１０と、電流ベクトル制御部１１から出力されるｄ軸電圧指令ｖｄ＊をｄ軸成分とし、ｑ軸電圧指令ｖｑ＊をｑ軸成分とするベクトルである電圧指令の振幅ｖｆｂが基準電圧ｖｒｆを超えないように、電圧指令と基準電圧ｖｒｆとに基づき、ｄ軸電流指令ｉｄ０＊を生成する弱め磁束制御部１３と、ｄ軸成分をｄ軸電流指令ｉｄ＊とし、ｑ軸成分をｑ軸電流指令ｉｑ＊とするモータの電流指令ベクトルの大きさが電流制限値ＩＭＡＸを超えないように、ｑ軸電流指令ｉｑ＊の大きさに応じてｄ軸電流指令ｉｑ＊の大きさを制限する電流リミッタ１４と、ｄ軸電流指令ｉｄ＊の制限前の値とｄ軸電流指令ｉｄ＊の制限後の値との差分に基づいて、基準電圧ｖｒｆを修正する基準電圧修正部１５とを備える。
【００６５】
このような構成とすることにより、電流指令ベクトルの大きさが電流制限値ＩＭＡＸに到達したときに、弱め磁束制御時の基準電圧ｖｒｆが修正される。このため、電流制限によってｄ軸電流が十分に流せない運転領域においても、出力電圧の増大によって速度を増やすことができ、モータの出力もさらに引き出すことができる。
【００６６】
また、好ましい一例として、基準電圧ｖｒｆを所定の上限値で制限する基準電圧リミッタ１６と、電圧指令の振幅ｖｆｂが所定の上限値より大きくなると、ｑ軸電流指令ｉｑ＊またはトルク指令を減少させるように修正する指令修正部９と、をさらに備えてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明のモータ制御装置は、電圧飽和領域で駆動するモータ、例えば、瞬間的ないし断続的に高速・大トルクでの駆動が必要な産業機械、自動車、自動車部品、電車、家電製品、流体機械、建設機械などを駆動するモータに適用できる。
【符号の説明】
【００６８】
１    モータ
２    インバータ
３    電流検出部
４    位置検出部
５    モータ制御装置
６    速度検出部
７    ｄｑ変換部
８    逆ｄｑ変換部
９    指令修正部
１０    ｑ軸電流指令生成部
１１    電流ベクトル制御部
１２    電圧指令振幅演算部
１３    弱め磁束制御部
１４    電流リミッタ
１５    基準電圧修正部
１６    基準電圧リミッタ
２０    乗算器
４０    モータ制御装置
４１    ｑ軸電流指令生成部
４２    指令修正部
【手続補正２】
【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】
モータのトルクの目標値であるトルク指令に基づいて、モータの電流を直交したｄ軸電流とｑ軸電流とに分離して制御するモータ制御装置であって、
ｄ軸電流指令とｑ軸電流指令とが入力され、前記ｄ軸電流の値と前記ｄ軸電流指令の値との差分がゼロとなるようにｄ軸電圧指令を生成し、前記ｑ軸電流の値と前記ｑ軸電流指令の値との差分がゼロとなるようにｑ軸電圧指令を生成する電流ベクトル制御部と、
前記トルク指令に基づき、前記ｑ軸電流指令を生成するｑ軸電流指令生成部と、
前記電流ベクトル制御部から出力される前記ｄ軸電圧指令をｄ軸成分とし、前記ｑ軸電圧指令をｑ軸成分とするベクトルである電圧指令の振幅が基準電圧を超えないように、前記電圧指令と前記基準電圧との差分に基づき、前記ｄ軸電流指令を生成する弱め磁束制御部と、ｄ軸成分を前記ｄ軸電流指令とし、ｑ軸成分をｑ軸電流指令とする前記モータの電流指令ベクトルの大きさが電流制限値を超えないように、前記ｑ軸電流指令の大きさに応じて前記ｄ軸電流指令の大きさを制限する電流リミッタと、
前記ｄ軸電流指令の制限前の値と前記ｄ軸電流指令の制限後の値との差分に基づいて、前記基準電圧を修正する基準電圧修正部と、
を備えるモータ制御装置。
【請求項２】
前記基準電圧を所定の上限値で制限する基準電圧リミッタと、
前記電圧指令の振幅が前記所定の上限値より大きくなると、前記ｑ軸電流指令または前記トルク指令を減少させるように修正する指令修正部と、
をさらに備える請求項１記載のモータ制御装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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2020100497.tif 000020