(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期モータに直流電圧を交流または直流に変換して供給するインバータと、該インバータの出力電圧と周波数とを制御する制御装置と、前記同期モータの回転速度を検出もしくは推定する手段とを備えた同期モータの駆動装置において、
前記制御装置が、前記回転速度を回転速度指令と一致させるようなトルク指令Ｔ* を出力する手段と、該トルク指令Ｔ* を入力として電流振幅指令Ｉ* と電流位相指令φ* とを演算して出力する手段とを備え、
前記電流振幅指令Ｉ* は前記トルク指令Ｔ＊をパラメータとし制御対象のモータによって決まる定数ＡおよびＢを有する１つの１次関数Ｉ* ＝Ａ・Ｔ* ＋Ｂを用いることを特徴とした同期モータの駆動装置。
【請求項２】
同期モータに直流電圧を交流または直流に変換して供給するインバータと、該インバータの出力電圧と周波数とを制御する制御装置と、前記同期モータの回転速度を検出もしくは推定する手段とを備えた同期モータの駆動装置において、
前記制御装置が、前記回転速度を回転速度指令と一致させるようなトルク指令Ｔ* を出力する手段と、該トルク指令Ｔ* を入力として電流振幅指令Ｉ* と電流位相指令φ* とを演算して出力する手段とを備え、
前記電流振幅指令Ｉ* は前記トルク指令Ｔ* をパラメータとし制御対象のモータによって決まる定数Ｃ，ＤおよびＥを有する２つの１次関数Ｉ* ＝Ｃ・Ｔ* およびＩ* ＝Ｄ・
Ｔ* ＋Ｅを用いることを特徴とした同期モータの駆動装置。
【請求項３】
同期モータに直流電圧を交流または直流に変換して供給するインバータと、該インバータの出力電圧と周波数とを制御する制御装置と、前記同期モータの回転速度を検出もしくは推定する手段とを備えた同期モータの駆動装置において、
前記制御装置が、前記回転速度を回転速度指令と一致させるようなトルク指令Ｔ* を出力する手段と、該トルク指令Ｔ* を入力として電流振幅指令Ｉ* と電流位相指令φ* とを演算して出力する手段とを備え、
前記電流位相指令φ* は前記トルク指令Ｔ* をパラメータとし制御対象のモータによって決まる定数ＦおよびＧを有する１つの１次関数φ* ＝Ｆ・Ｔ* ＋Ｇを用いることを特徴とした同期モータの駆動装置。
【請求項４】
同期モータに直流電圧を交流または直流に変換して供給するインバータと、該インバータの出力電圧と周波数とを制御する制御装置と、前記同期モータの回転速度を検出もしくは推定する手段とを備えた同期モータの駆動装置において、
前記制御装置が、前記回転速度を回転速度指令と一致させるようなトルク指令Ｔ* を出力する手段と、該トルク指令Ｔ* を入力として電流振幅指令Ｉ* と電流位相指令φ* とを演算して出力する手段とを備え、
前記電流位相指令φ* は前記トルク指令Ｔ* をパラメータとし制御対象のモータによって決まる定数Ｈ，ＪおよびＫを有する１つの１次関数φ* ＝Ｈ・Ｔ* およびφ* ＝Ｊ・
Ｔ* ＋Ｋを用いることを特徴とした同期モータの駆動装置。
【請求項５】
多層構造のスリットを回転子鉄心内に設けて複数の帯状磁路を成形した同期リラクタンスモータに、直流電圧を交流または直流に変換して供給するインバータと、該インバータの出力電圧と周波数とを制御する制御装置と、前記同期モータの回転速度を検出もしくは推定する手段とを備えた同期モータの駆動装置において、
前記制御装置が、前記回転速度を回転速度指令と一致させるようなトルク指令Ｔ* を出力する手段と、該トルク指令Ｔ* を入力として電流振幅指令Ｉ* と電流位相指令φ* とを演算して出力する手段とを備え、
前記電流振幅指令Ｉ* は前記トルク指令Ｔ* をパラメータとし制御対象のモータによって決まる定数ＡおよびＢを有する１つの１次関数Ｉ* ＝Ａ・Ｔ* ＋Ｂを用いることを特徴とした同期モータの駆動装置。
【請求項６】
多層構造のスリットを回転子鉄心内に設けて複数の帯状磁路を成形した同期リラクタンスモータに、直流電圧を交流または直流に変換して供給するインバータと、該インバータの出力電圧と周波数とを制御する制御装置と、前記同期モータの回転速度を検出もしくは推定する手段とを備えた同期モータの駆動装置において、
前記制御装置が、前記回転速度を回転速度指令と一致させるようなトルク指令Ｔ* を出力する手段と、該トルク指令Ｔ* を入力として電流振幅指令Ｉ* と電流位相指令φ* とを演算して出力する手段とを備え、
前記電流振幅指令Ｉ* は前記トルク指令Ｔ* をパラメータとし制御対象のモータによって決まる定数Ｃ，ＤおよびＥを有する２つの１次関数Ｉ* ＝Ｃ・Ｔ* およびＩ* ＝Ｄ・
Ｔ* ＋Ｅを用いることを特徴とした同期モータの駆動装置。
【請求項７】
多層構造のスリットを回転子鉄心内に設けて複数の帯状磁路を成形した同期リラクタンスモータに、直流電圧を交流または直流に変換して供給するインバータと、該インバータの出力電圧と周波数とを制御する制御装置と、前記同期モータの回転速度を検出もしくは推定する手段とを備えた同期モータの駆動装置において、
前記制御装置が、前記回転速度を回転速度指令と一致させるようなトルク指令Ｔ* を出力する手段と、該トルク指令Ｔ* を入力として電流振幅指令Ｉ* と電流位相指令φ* とを演算して出力する手段とを備え、
前記電流位相指令φ* は前記トルク指令Ｔ* をパラメータとし制御対象のモータによって決まる定数ＦおよびＧを有する１つの１次関数φ* ＝Ｆ・Ｔ* ＋Ｇを用いることを特徴とした同期モータの駆動装置。
【請求項８】
多層構造のスリットを回転子鉄心内に設けて複数の帯状磁路を成形した同期リラクタンスモータに、直流電圧を交流または直流に変換して供給するインバータと、該インバータの出力電圧と周波数とを制御する制御装置と、前記同期モータの回転速度を検出もしくは推定する手段とを備えた同期モータの駆動装置において、
前記制御装置が、前記回転速度を回転速度指令と一致させるようなトルク指令Ｔ* を出力する手段と、該トルク指令Ｔ* を入力として電流振幅指令Ｉ* と電流位相指令φ* とを演算して出力する手段とを備え、
前記電流位相指令φ* は前記トルク指令Ｔ* をパラメータとし制御対象のモータによって決まる定数Ｈ，ＪおよびＫを有する１つの１次関数φ* ＝Ｈ・Ｔ* およびφ* ＝Ｊ・
Ｔ* ＋Ｋを用いることを特徴とした同期モータの駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同期モータの駆動装置に関わり、特に同期モータの出力トルクの線形性を改善し、かつ効率の高い運転を可能にする駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
同期モータの出力トルクの線形化については、各種の方法が提案されている。例えば特開２０００−３５８４００号公報では、トルク指令値に対して複雑な演算処理をすることなく出力トルクを線形にする方法が開示されている。
【０００３】
一方、同期モータの高効率制御方法についても、各種の方法が提案されている。モータを高い効率で運転するためには、同じ大きさのモータ電流を流した時に出力トルクを最大限に利用することが望ましい。そこで、モータ電流に対する最大トルクの関係を、数式化あるいはテーブル化することによってトルク・電流比最大制御を実現できると考えられている。例えば特開平７−３０８０８８号公報では、トルク指令及び回転速度をパラメータとし、適切な電流振幅指令及び電流位相指令を求める方法が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記特開２０００−３５８４００号公報に開示の方法では、高効率に制御できているとは限らない。また、前記特開平７−３０８０８８号公報には、電流振幅指令と電流位相指令の算出方法として、トルク指令値に応じた関数を数式で記憶させ、その都度計算しているが、具体的な数式が開示されていない。さらに前記特開平７−３０８０８８号公報には、関数のパターンをメモリ上に記憶させ、その都度値を読み出してくる方法も開示されているが、メモリに記憶させるデータ量が多くなるという欠点がある。
【０００５】
同期モータのトルクと電流の関係は複雑であり、正確な定式化は容易ではない。また、定式化する際に複雑な計算式を用いると、そのために計算量及び計算時間が増大し、高価な制御用マイコンが必要になる。したがって、ある関数を数式で記憶し、その都度計算で求める場合、できる限り簡単な計算式で済ませることが望まれる。
【０００６】
本発明の目的は、複雑な演算処理をすることなく安価なマイコンを用いて、同期モータの出力トルク及び速度制御系を線形化し、効率の高い制御を実現する方法及び装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の同期モータの駆動装置は、同期モータに直流電圧を交流または直流に変換して供給するインバータと、該インバータの出力電圧と周波数とを制御する制御装置と、前記同期モータの回転速度を検出もしくは推定する手段とを備え、前記制御装置が、前記回転速度を回転速度指令と一致させるようなトルク指令を出力する手段と、該トルク指令を入力とし電流振幅と電流位相とを演算して出力する手段とを備えていて、最大トルクと電流振幅及び最大トルクと電流位相の関係を、トルクをパラメータとした関数で数式化し、トルク指令の入力に対して、最大トルクが得られる電流振幅指令及び電流位相指令を演算し出力する、トルク・電流比最大制御手段を備えている。本発明の同期モータの駆動装置は、上記トルクをパラメータとした関数が１次関数もしくは２次関数である。
【０００８】
また、本発明の同期リラクタンスモータの駆動装置は、最大トルクと電流振幅及び最大トルクと電流位相の関係を、トルクをパラメータとした関数で数式化し、トルク指令の入力に対して、最大トルクが得られる電流振幅指令及び電流位相指令を演算し出力する、トルク・電流比最大制御手段を備えていて、上記トルクをパラメータとした関数が１次関数もしくは２次関数である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図面を用いて説明する。
【００１０】
（実施例１）
図１に本実施例の、同期リラクタンスモータ駆動システムのブロック図を示す。図１において、符号１は、制御対象となる同期リラクタンスモータであって、回転子に位置検出器２が取り付けられている。本実施例の同期リラクタンスモータは、多層構造のスリットを回転子鉄心内に設けて複数の帯状磁路を成形したモータである。位置検出器２が出力する回転子位置θを速度演算器３に入力し、速度演算器３から回転速度ωが出力される。この回転速度ωを速度制御器４に入力し、回転速度ωが回転速度指令ω* に一致するように速度制御器４がトルク指令Ｔ* を演算し、このトルク指令Ｔ* をトルク・電流比最大制御器５に入力する。トルク・電流比最大制御器５では、トルク指令Ｔ*からトルクをパラメータとした１次関数によって電流振幅指令Ｉ* 電流位相指令φ* とをそれぞれ演算し、出力する。これらの電流振幅指令Ｉ* と電流位相指令φ* とを電流変換器６に入力し、電流変換器６がｄ軸，ｑ軸の２軸で表されるｄ軸電流指令Ｉｄ* 、ｑ軸電流指令Ｉｑ*を出力する。
【００１１】
一方、同期リラクタンスモータ１にはＰＷＭインバータ７が接続されている。ＰＷＭインバータ７は、ＰＷＭ信号に従って可変周波数の交流電圧を同期リラクタンスモータ１に供給する。ＰＷＭインバータ７と同期リラクタンスモータ１とを結ぶ線路中にはＵ相の電流を検出する電流検出器８ａとＷ相の電流を検出する電流検出器８ｂとが配置されており、各検出器の出力である検出電流がｕｖｗ−ｄｑ座標変換器９に供給されている。ｕｖｗ−ｄｑ座標変換器９は、電流検出器８ａ，８ｂの検出電流と前記の回転子位置θから、ｄ，ｑ軸で表される２軸のｄ軸電流成分Ｉｄとｑ軸電流成分Ｉｑとを生成する。電流制御器１０は、ｄ軸電流成分Ｉｄとｑ軸電流成分Ｉｑが、前述のｄ軸電流指令Ｉｄ*，ｑ軸電流指令Ｉｑ*とそれぞれ一致するよう、ｄ軸電圧指令Ｖｄ* ，ｑ軸電圧指令Ｖｑ* を演算し出力する。そして電流制御器１０の出力の、ｄ軸電圧指令Ｖｄ* ，ｑ軸電圧指令Ｖｑ* 、位置検出器２より生成された回転子位置θをｄｑ−ｕｖｗ座標変換器１１に入力し、ｄｑ−ｕｖｗ座標変換器１１で三相電圧指令信号Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ* に座標変換して出力し、前述のＰＷＭインバータ７に入力する。
【００１２】
次に、本実施例のトルク・電流比最大制御器５について説明する。図２に、トルク・電流比最大制御器５の構成を示す。トルク・電流比最大制御器５は、電流振幅演算器５１と電流位相演算器５２とを備えている。電流振幅演算器５１は、トルク指令Ｔ* を入力し、最小電流で最大トルクが得られる電流振幅指令Ｉ* を、トルク指令Ｔ* を変数とする１次関数によって演算し、出力する。電流位相演算器５２は、トルク指令Ｔ* を入力し、最小電流で最大トルクが得られる電流位相指令φ* を、トルク指令Ｔ* を変数とする１次関数によって演算し、出力する。
【００１３】
ここで１次関数について、具体的に説明する。図３に示すように、電流振幅Ｉを一定として電流位相φをｄ軸（電気角０度）からｑ軸（電気角９０度）へ変化させて、同期リラクタンスモータのトルク特性をとると、図４に示すようにある電気角でピークを示すトルクカーブになる。いくつかの電流振幅Ｉについて同様にトルクカーブを描くと、そのピーク位置が電流振幅Ｉに依存することがわかる。そこで図４をもとに、最大トルクと電流振幅Ｉと、最大トルクと電流位相φとの関係をそれぞれグラフにプロットすると、図５，図６に示すようになる。
【００１４】
電流振幅演算器５１は、図５に示す最大トルクと電流振幅Ｉとの関係に基づいて構成し、電流位相演算器５２は、図６に示す最大トルクと電流位相φとの関係に基づいて構成する。図５に示す最大トルクと電流振幅Ｉとの関係や、図６に示す最大トルクと電流位相φとの関係は、負荷試験や、シミュレーションなどであらかじめ求める。それらの関係をそれぞれ１つあるいは複数の１次関数を用いて定式化し、制御ブロックに取り入れる。
【００１５】
まず電流振幅演算器５１について、トルク指令が正の場合を述べる。最大トルクが得られる電流振幅指令Ｉ*を演算するには、図７に示すようにトルク指令Ｔ*をパラメータとした１つの１次関数式
Ｉ*＝Ａ・Ｔ*＋Ｂ                                        …（数１）
を用いる方法と、図８に示すように値Ｔ１を境として、０≦Ｔ*≦Ｔ１では、
Ｉ*＝Ｃ・Ｔ*                                            …（数２）
Ｔ１≦Ｔ*では、
Ｉ*＝Ｄ・Ｔ*＋Ｅ                                        …（数３）
という、トルク指令Ｔ* をパラメータとした２つの１次関数式を用いる方法とがある。ここで、係数Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅはそれぞれ制御対象のモータによって決まる定数であり、図５に示した電流振幅特性に近い値を演算できるように決定する。なお、１次関数は３つ以上の数式に増やしてもよい。
【００１６】
特に、トルク指令Ｔ* の値が小さい領域では、図８のように原点あるいは原点付近を通る１次関数を用いて電流振幅指令を演算するとよい。それによって、トルク指令がほとんどない時に無駄な電流を流さずにすむ。さらに、トルク指令が正から負あるいは負から正に切り換わる時に、急激なトルク変動の発生を回避できる。
【００１７】
なお、トルク指令Ｔ* が負の場合は、トルク指令の絶対値を用いて、トルク指令が正の場合と同じ数式で電流振幅指令を演算する。
【００１８】
次に電流位相演算器５２について、トルク指令が正の場合を述べる。最大トルクが得られる電流位相指令φ*を演算するには、図９に示すようにトルク指令Ｔ*をパラメータとした１つの１次関数
φ*＝Ｆ・Ｔ*＋Ｇ                                        …（数４）
を用いる方法と、図１０に示すように値Ｔ２を境として、０≦Ｔ*≦Ｔ２では、
φ*＝Ｈ・Ｔ*                                            …（数５）
Ｔ２≦Ｔ*では、
φ*＝Ｊ・Ｔ*＋Ｋ                                        …（数６）
という、トルク指令Ｔ* をパラメータとした２つの１次関数式を用いる方法がある。ここで、係数Ｆ、Ｇ，Ｈ，Ｊ，Ｋはそれぞれモータによって決まる定数であり、図６に示した電流位相特性に近い値を演算できるように決定する。なお、１次関数は３つ以上の数式に増やしてもよい。
【００１９】
また、トルク指令Ｔ* が負の場合は、トルク指令の絶対値を用いて、トルク指令が正の場合と同じ数式で電流位相指令φ* を演算し、その後電流位相指令φ* の符号を負に変える。トルク指令の値が小さい領域では、図１０に示すように原点あるいは原点付近を通るような１次関数を用いて電流位相指令φ*を演算するとよい。それによって、トルク指令Ｔ* が正から負あるいは負から正に切り換わる時に、急激なトルク変動が発生することを回避できる。
【００２０】
以上のように、電流振幅指令Ｉ* 及び電流位相指令φ* について、いずれもトルク指令Ｔ* をパラメータとした１つの１次関数あるいは複数の１次関数で演算する方法について述べたが、電流振幅指令Ｉ* と電流位相指令φ* とを演算する１次関数はそれぞれ１つでも複数でもよい。
【００２１】
次に電流変換器６について説明する。図１１に、電流変換器６の構成を示す。電流変換器６は、ｄ軸電流演算器６１及びｑ軸電流演算器６２とを備える。ｄ軸電流演算器６１は、電流振幅指令Ｉ* と電流位相指令φ* とを入力して、
Ｉｄ*＝Ｌ・Ｉ*・cosφ*                                  …（数７）
によってｄ軸電流指令Ｉｄ* を演算する。
【００２２】
ｑ軸電流演算器６２は、電流振幅指令Ｉ* と電流位相指令φ* とを入力して、
Ｉｑ*＝Ｍ・Ｉ*・sinφ*                                  …（数８）
によってｑ軸電流指令Ｉｑ* を演算する。ここで、係数Ｌ，Ｍはそれぞれ定数である。
【００２３】
なお、本実施例において、回転子の位置情報を、位置検出器２を用いずに、モータ電圧やモータ電流などから推定し、この回転子の位置情報を用いてもよい。また、本実施例において、モータ電流の情報を、電流検出器８ａと８ｂとを用いずに、モータ電圧やモータ定数などから、あるいはシャント抵抗に流れる電流の情報などから推定し、このモータ電流の情報を用いてもよい。
【００２４】
（実施例２）
図１２に本実施例の同期モータ駆動システムのブロック図を示す。本実施例が図１のブロック図と異なる点は、同期リラクタンスモータ１の代わりに同期モータ２１を用いている点である。本実施例でも実施例１と同様に、電流振幅指令
Ｉ* や電流位相指令φ* の演算を、トルク指令Ｔ* をパラメータとした１つの１次関数あるいは複数の１次関数で演算する。
【００２５】
本実施例において、回転子の位置情報を、位置検出器２を用いずに、モータ電圧やモータ電流などから推定し、この回転子の位置情報を用いてもよい。また、本実施例において、モータ電流の情報を、電流検出器８ａと８ｂとを用いずに、モータ電圧やモータ定数などから、あるいはシャント抵抗に流れる電流の情報などから推定し、このモータ電流の情報を用いてもよい。
【００２６】
（実施例３）
本実施例は、電流振幅指令Ｉ* や電流位相指令φ* の演算を、１次関数の代わりに下記に示すトルク指令Ｔ* をパラメータとした１つの２次関数あるいは複数の２次関数で演算し演算結果の精度を高くした他は、実施例１と同様である。
【００２７】
本実施例では、最大トルクが得られる電流振幅指令Ｉ* をトルク指令Ｔ* をパラメータとした１つの２次関数式
Ｉ*＝Ｎ・Ｔ*・Ｔ*＋Ｏ・Ｔ*＋Ｐ                          …（数９）
を用いる。ここで、係数Ｎ，Ｏ，Ｐはそれぞれ制御対象のモータによって決まる定数であり、図５に示した電流振幅特性に近い値を演算できるように決定する。なお、２次関数を２つ以上の数式に増やしてもよいし、２次関数と１次関数とをトルク指令Ｔ* の値に応じて使い分けても良い。同様に本実施例では電流位相指令φ*を演算するには、トルク指令Ｔ* をパラメータとした１つの２次関数
φ*＝Ｑ・Ｔ*・Ｔ*＋Ｒ・Ｔ*＋Ｓ                        …（数１０）
を用いる。ここで、係数Ｑ，Ｒ，Ｓはそれぞれ制御対象のモータによって決まる定数であり、図６に示した電流位相特性に近い値を演算できるように決定する。なお、２次関数を２つ以上の数式に増やしてもよいし、２次関数と１次関数とをトルク指令Ｔ* の値に応じて使い分けても良い。
【００２８】
なお、本実施例においても、回転子の位置情報を、位置検出器２を用いずに、モータ電圧やモータ電流などから推定し、この回転子の位置情報を用いてもよい。また、本実施例において、モータ電流の情報を、電流検出器８ａと８ｂとを用いずに、モータ電圧やモータ定数などから、あるいはシャント抵抗に流れる電流の情報などから推定し、このモータ電流の情報を用いてもよい。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、安価なマイコンで簡単な計算をすることによって同期モータのトルクの線形性を改善し、かつモータを高効率に運転することができる。これにより、モータ駆動システムの低価格化が図られ、モータの省エネ・高効率駆動ができる。さらに、トルク指令が正から負あるいは負から正に変化したときに、急激なトルク変動を起こすことなくスムーズに切り換えることができ、可変速運転時の過渡的な制御にも対応できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の同期リラクタンスモータ可変速制御システムのブロック構成図である。
【図２】実施例１のトルク・電流比最大制御器の構成図である。
【図３】同期リラクタンスモータの電流ベクトル図である。
【図４】実施例１の同期リラクタンスモータのトルク特性図である。
【図５】実施例１の同期リラクタンスモータの最大トルクと電流振幅の関係図である。
【図６】実施例１の同期リラクタンスモータの最大トルクと電流位相の関係図である。
【図７】実施例１のトルク指令と電流振幅指令の説明図である。
【図８】実施例１のトルク指令と電流振幅指令の別の例の説明図である。
【図９】実施例１のトルク指令と電流位相指令の説明図である。
【図１０】実施例１のトルク指令と電流位相指令の別の例の説明図である。
【図１１】実施例１の電流変換器の構成図である。
【図１２】実施例２の同期モータ可変速制御システムのブロック構成図である。
【符号の説明】
１…同期リラクタンスモータ、２…位置検出器、３…速度演算器、４…速度制御器、５…トルク・電流比最大制御器、６…電流変換器、７…ＰＷＭインバータ、８ａ，８ｂ…電流検出器、９…ｕｖｗ−ｄｑ座標変換器、１０…電流制御器、１１…ｄｑ−ｕｖｗ座標変換器、２１…同期モータ、５１…電流振幅演算器、５２…電流位相演算器、６１…ｄ軸電流演算器、６２…ｑ軸電流演算器。
【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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【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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【図１２】
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