JP2015163035A - 同期モータを制御するモータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】突極性を有する同期モータを制御するｑ軸電流指令およびｄ軸電流指令を高速に生成し、トルクを高精度に制御できるモータ制御装置を実現する。【解決手段】モータ制御装置１は、トルク指令がゼロのときの値を初期値としトルク指令が増加するほど減少する速度基準値を算出する算出手段１１と、トルク指令について算出手段１１により算出された速度基準値と速度指令との大小関係を判定する判定手段１２と、同期モータ３へ流すｑ軸電流を指令するｑ軸電流指令を、速度指令が速度基準値より小さいときは、トルク指令と同期モータ３のトルク定数の逆数とに基づいて生成し、速度指令が速度基準値以上であるときは、速度指令を独立変数とする関数とトルク指令と同期モータ３のトルク定数の逆数とに基づいて生成するｑ軸電流指令手段１３と、ｑ軸電流指令に基づいて同期モータ３へ流すｄ軸電流を指令するｄ軸電流指令を生成するｄ軸電流指令手段１４とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、同期モータを電流ベクトル制御するモータ制御装置に関し、特にｑ軸電流指令およびｄ軸電流指令に基づいて、突極性を有する永久磁石同期モータ（Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ：ＰＭＳＭ）を電流ベクトル制御するモータ制御装置に関する。

永久磁石を有する三相交流同期モータ（以下、単に「同期モータ」と称することがある。）の制御方法として、ｄｑ座標制御系を用いた電流ベクトル制御が知られている（例えば、非特許文献１参照。）。ｄｑ座標制御系では、回転子の磁極の方向（すなわち永久磁石の中心軸）がｄ軸に設定され、ｄ軸と電気的および磁気的に直交する軸（永久磁石間の軸）がｑ軸に設定される。この場合、トルク指令からｑ軸電流指令およびｄ軸電流指令を生成し、ｑ軸電流指令およびｄ軸電流指令を用いて同期モータの回転子の磁極位置に応じて適切な励磁位相巻線に電流を流すことで、トルク指令に応じた所望のトルクを同期モータに発生させる。

例えば、トルク指令および速度指令に応じてｑ軸電流指令を制限し、速度指令およびｑ軸電流指令からｄ軸指令を算出することで、複雑な計算式を用いずに処理速度を高速化したモータ制御装置がある（例えば、特許文献１）。

また、同期モータに流れる電流値に応じて変化するｄ軸及びｑ軸のインダクタンスを電流値に関連付けたインダクタンス情報を予め設定しておき、ｄ軸およびｑ軸の電流指令を生成するにあたり、既に出力したｄ軸およびｑ軸の電流指令によって同期モータに流れたとみなせる電流値に対応するｄ軸およびｑ軸のインダクタンスを用いてｄ軸電流指令およびｑ軸電流指令を生成するモータ制御装置がある（例えば、特許文献２）。

また、ｄ軸方向とｑ軸方向のインダクタンスに差があるモータにおいて、高負荷側のトルクだれを防止し、モータのトルク向上や小型化を図るために、最大トルク・電流制御を行って電流位相を調整する制御方法がある（例えば、特許文献３）。

突極性を持たない永久磁石同期モータの場合、回転磁界の極と回転子の永久磁石の磁極との吸引力および反発力によってマグネットトルクが発生する。突極性を持たない同期モータの極対数をＰ_n、永久磁石の鎖交磁束をΨ_a、同期モータの励磁位相巻線に流れるｑ軸電流をＩ_qとすると、マグネットトルクＴ_Mは式１のように表せる。

入力されたトルク指令Ｔ_CMDに対して、式１を変形した式２に基づき、ｑ軸電流指令Ｉ_q ^*を生成し、さらにｑ軸電流指令Ｉ_q ^*からｄ軸電流指令Ｉ_d ^*を生成し、これらｑ軸電流指令Ｉ_q ^*およびｄ軸電流指令Ｉ_q ^*を用いることで、突極性を持たない同期モータを制御することができる。

一方、突極性を有する永久磁石同期モータの場合、永久磁石によるマグネットトルクの他に、リラクタンストルクが発生する。リラクタンストルクは、固定子の回転磁界による極と回転子の突極との吸引力だけによって生じるトルクである。突極性を有する同期モータの場合、ｑ軸インダクタンスとｄ軸インダクタンスとに差があるので、ｑ軸電流を一定にして、最大電流と入力電圧に応じてｄ軸電流を決めて動作させると、リラクタンストルクに相当するトルク分だけ増加する。極対数をＰ_n、ｑ軸インダクタンスをＬ_q[Ｈ]、ｄ軸インダクタンスをＬ_d[Ｈ]、同期モータの励磁位相巻線に流れるｑ軸電流をＩ_q[Ａ]、ｄ軸電流をＩ_d[Ａ]とすると、リラクタンストルクＴ_R[Ｎｍ]は式３のように表せる。

よって、突極性を有する同期モータに発生するトルクＴ[Ｎｍ]は、式１および式３を用いて式４のように表せる。

特開２０１３−２２６０３３号公報 特開２０１２−２４９４５９号公報 特開２０１３−８５４０７号公報

武田洋次、松井信行、森本茂雄、本田幸夫著、「埋込磁石同期モータの設計と制御」、株式会社オーム社、第１版第７刷、１７〜２７頁および３８〜４６頁、２００７年

図４は、突極性を有する同期モータを、マグネットトルクのみを考慮してｑ軸電流指令およびｄ軸電流指令を生成して電流ベクトル制御を行った場合における、回転子の速度とトルクとの関係を示す図である。突極性を有する永久磁石同期モータを、マグネットトルクのみを考慮した式２に従ってｑ軸電流指令（およびｄ軸電流指令）を生成して電流ベクトル制御を行うと、入力されたトルク指令Ｔ_CMDに対して、同期モータに実際に発生するトルクＴがリラクタンストルクＴ_M分だけ増えてしまう。特に高速域においてリラクタンストルクＴ_M分の増加は顕著である。ただ、この場合であっても、トルク制御ループの前段に速度制御ループを設け、速度制御ループの前段に位置制御ループを設けた場合には、速度制御ループにおいて必要なトルクに合わせてトルク指令が調整されるため、同期モータの回転子の位置および速度については正しく制御すること自体は可能である。しかしながら、上述のように同期モータのトルクをトルク指令どおりに制御することはできず、誤差が発生してしまう。

このようなトルク誤差を回避するために、マグネットトルクとリラクタンストルクとを併用して突極性を有する同期モータについて電流ベクトル制御を行うことが考えられる。この場合、入力されたトルク指令Ｔ_CMDに対して、式４を変形した式５に基づき、ｑ軸電流指令Ｉ_q ^*を生成する。

図５は、突極性を有する同期モータを、マグネットトルクおよびリラクタンストルクを考慮してｑ軸電流指令およびｄ軸電流指令を生成して電流ベクトル制御を行った場合における、回転子の速度とトルクとの関係を示す図である。式５に従ってｑ軸電流指令Ｉ_q ^*を生成すれば、入力されたトルク指令Ｔ_CMDと、同期モータに実際に発生するトルクＴとを一致させることができる。

しかしながら、ｑ軸電流指令Ｉ_q ^*の算出に用いられる式５には実際に流れるｄ軸電流Ｉ_dが含まれており、ｄ軸電流指令Ｉ_d ^*は式５に従って生成されたｑ軸電流指令Ｉ_q ^*から求められるものであるので、単純にｑ軸電流指令Ｉ_q ^*およびｄ軸電流指令Ｉ_d ^*を算出しようとすると、これらの計算が循環してしまう。この循環参照を回避するためには、ｑ軸電流指令Ｉ_q ^*を算出する際のｄ軸電流Ｉ_dを１周期前の値とする必要があり、これに起因して誤差が依然として生じてしまう。また、式５は、演算処理に負担がかかる割り算を含んでおり、処理に時間がかかるという問題がある。

従って本発明の目的は、上記問題に鑑み、突極性を有する同期モータを制御するのに用いられるｑ軸電流指令およびｄ軸電流指令を高速に生成し、トルクを高精度に制御することができるモータ制御装置を提供することにある。

上記目的を実現するために、本発明においては、ｑ軸電流指令およびｄ軸電流指令を生成し、これらを用いて突極性を有する同期モータを制御するモータ制御装置は、トルク指令がゼロのときの値を初期値としトルク指令が増加するほど減少する値である速度基準値を算出する算出手段と、入力されたトルク指令について算出手段により算出された速度基準値と、入力された速度指令と、の大小関係を判定する判定手段と、同期モータへ流すｑ軸電流を指令するｑ軸電流指令を、判定手段により速度指令が速度基準値より小さいと判定されたときは、トルク指令と同期モータのトルク定数の逆数とに基づいて生成し、判定手段により速度指令が速度基準値以上であると判定されたときは、速度指令を独立変数とする関数とトルク指令と同期モータのトルク定数の逆数とに基づいて生成するｑ軸電流指令手段と、ｑ軸電流指令手段により生成されたｑ軸電流指令に基づいて、同期モータへ流すｄ軸電流を指令するｄ軸電流指令を生成するｄ軸電流指令手段と、を備える。

ここで、モータ制御装置は、トルク指令がゼロのときの速度基準値の初期値として設定される速度基準値初期値と、前記算出手段による算出処理に用いられる速度基準値の変化率と、を記憶する記憶手段をさらに備えてもよい。

また、算出手段は、速度基準値をω_n、トルク指令がゼロのときの速度基準値の初期値として設定される速度基準値初期値をω₀、速度基準値の変化率をｋ、入力されるトルク指令をＴ_CMDとしたとき、式６に基づいて、速度基準値ω_nを算出してもよい。

また、ｑ軸電流指令手段は、同期モータへ流すｑ軸電流を指令するｑ軸電流指令をＩ_q ^*、入力されるトルク指令をＴ_CMD、入力される速度指令をω_CMD、同期モータのトルク定数の逆数をＲ、係数をａ、ｂおよびｃとしたとき、判定手段により速度指令ω_CMDが速度基準値ω_nより小さいと判定されたときは、式７に基づいてｑ軸電流指令Ｉ_q ^*を生成し、判定手段により速度指令ω_CMDが速度基準値ω_n以上であると判定されたときはに基づいてｑ軸電流指令Ｉ_q ^*を生成してもよい。

本発明によれば、突極性を有する同期モータを制御するのに用いられるｑ軸電流指令およびｄ軸電流指令を高速に生成し、トルクを高精度に制御することができるモータ制御装置を実現することができる。

すなわち、本発明によれば、ｑ軸電流指令およびｄ軸電流指令の生成処理に用いる計算式として、同期モータの回転子の回転速度についての指令である速度指令に応じて、マグネットトルクのみを考慮した計算式とマグネットトルクおよびリラクタンストルクの両方を考慮した計算式とを使い分けるので、トルク指令に一致したトルクを同期モータに発生させることができ、トルクを高精度に制御することができる。

また、本発明によれば、ｑ軸電流指令およびｄ軸電流指令の生成処理に用いられる計算式には割り算やｄ軸電流についての循環参照の項が含まれないので、演算処理に要する時間が短縮され、ｑ軸電流指令およびｄ軸電流指令を高速に生成することができる。

本発明の実施例によるモータ制御装置の原理ブロック図である。 突極性を有する同期モータを、本発明の実施例によるモータ制御装置にて電流ベクトル制御を行った場合における、回転子の速度とトルクとの関係を示す図である。 本発明の実施例によるモータ制御装置の動作フローを示すフローチャートである。 突極性を有する同期モータを、マグネットトルクのみを考慮してｑ軸電流指令およびｄ軸電流指令を生成して電流ベクトル制御を行った場合における、回転子の速度とトルクとの関係を示す図である。 突極性を有する同期モータを、マグネットトルクおよびリラクタンストルクを考慮してｑ軸電流指令およびｄ軸電流指令を生成して電流ベクトル制御を行った場合における、回転子の速度とトルクとの関係を示す図である。

図１は、本発明の実施例によるモータ制御装置の原理ブロック図である。以下、モータ制御装置１を用いて突極性を有する三相交流同期モータ３の回転を制御する場合について説明する。同期モータ３の駆動電力は逆変換器４によって供給される。逆変換器４は、例えばＰＷＭインバータなどのような、内部に半導体スイッチング素子を有する電力変換回路である。逆変換器４は、モータ制御装置１により生成されたスイッチング指令ｕ^*、ｖ^*およびｗ^*によりその半導体スイッチング素子のスイッチング動作が制御されることで、電源２からから供給される直流電力を、突極性を有する三相交流同期モータ３を駆動するための所望の電圧および所望の周波数の三相交流電力に変換する。これにより、同期モータ３は、供給された電圧可変および周波数可変の三相交流電力に基づいて動作する。なお、逆変換器４へ直流電力を供給する電源２は、例えば商用の三相交流電源（図示せず）からの三相交流電力を直流に変換する整流器で構成される。

本発明の実施例によるモータ制御装置１においては、マグネットトルクおよびリラクタンストルクの両方を考慮してｑ軸電流指令ｉ_q ^*およびｄ軸電流指令ｉ_d ^*を生成するが、この生成処理に用いる計算式として、同期モータ３の回転子の回転速度についての指令である速度指令ω_CMDに応じて、マグネットトルクのみを考慮した計算式とマグネットトルクおよびリラクタンストルクの両方を考慮した計算式とを使い分ける。すなわち、本発明の実施例では、同期モータ３の回転子の回転速度についての指令である速度指令ω_CMDに応じて、ｑ軸電流指令ｉ_q ^*を生成するのに用いる計算式を変更することで、同期モータ３がトルク指令に一致したトルクを実際に発生できるようにする。また、ｑ軸電流指令ｉ_q ^*およびｄ軸電流指令ｉ_d ^*の生成処理に用いられる計算式は割り算を含まないものとすることで、演算処理に要する時間を短縮し、ｑ軸電流指令ｉ_q ^*およびｄ軸電流指令ｉ_d ^*を高速に生成できるようにする。このようなｑ軸電流指令ｉ_q ^*およびｄ軸電流指令ｉ_d ^*を生成するために、モータ制御装置１は、記憶手段１０と、算出手段１１と、判定手段１２と、ｑ軸電流指令手段１３と、ｄ軸電流指令手段１４と、を備える。

算出手段１１は、生成すべきｑ軸電流指令ｉ_q ^*を決定する際に用いられる判断基準となる速度基準値を算出する。すなわち、算出手段１１は、式９に基づいて速度基準値ω_nを算出する。ここで、速度基準値をω_n、トルク指令がゼロのときの速度基準値の初期値として設定される速度基準値初期値をω₀、速度基準値の変化率をｋ、入力されるトルク指令をＴ_CMDとする。

式９に示すように、速度基準値ω_nは、トルク指令Ｔ_CMDがゼロのときの値を初期値とし、トルク指令Ｔ_CMDが増加するほど減少する値である。算出手段１１は、入力されるトルク指令Ｔ_CMDごとに、式９に基づいて速度基準値ω_nを算出する。たとえば、速度基準値初期値ω₀＝３０００ｒｐｍ、速度基準値の変化率ｋ＝１００としたとき、入力されるトルク指令Ｔ_CMDが０から１０まで変化すると、速度基準値ωnは３０００ｒｐｍから２０００ｒｐｍに変化する。

なお、速度基準値初期値ω₀および速度基準値の変化率ｋは、同期モータ３の特性や用途に応じて適宜設定すればよく、設定されたこれらの値はモータ制御装置１内に設けられた記憶手段１０に記憶される。

判定手段１２は、入力されたトルク指令Ｔ_CMDについて算出手段１１により式９に従って算出された速度基準値ω_nと、入力された速度指令ω_CMDと、の大小関係を判定する。判定手段１２による判定結果はｄ軸電流指令手段１３へ送られる。

ｑ軸電流指令手段１３は、判定手段１２の判定結果に基づきｑ軸電流指令を生成する。ここで、同期モータ３へ流すべきｑ軸電流を指令するｑ軸電流指令をＩ_q ^*、入力されるトルク指令をＴ_CMD、入力される速度指令をω_CMD、同期モータ３のトルク定数の逆数をＲとする。ｑ軸電流指令手段１３は、判定手段１２により速度指令ω_CMDが速度基準値ω_nより小さいと判定されたときは、トルク指令Ｔ_CMDと同期モータ３のトルク定数の逆数Ｒとに基づいてｑ軸電流指令Ｉ_q ^*を生成し、判定手段１２により速度指令ω_CMDが速度基準値ω_n以上であると判定されたときは、速度指令ω_CMDを独立変数とする関数とトルク指令Ｔ_CMDと同期モータ３のトルク定数の逆数Ｒとに基づいてｑ軸電流指令Ｉ_q ^*を生成する。一例として、速度指令ω_CMDを独立変数とする関数を２次関数とした場合について説明すると次の通りである。

判定手段１２により速度指令ω_CMDが速度基準値ω_nより小さいと判定されたとき、ｑ軸電流指令手段１３は、既に説明したマグネットトルクＴ_Mの式１を利用してｑ軸電流指令Ｉ_q ^*を生成する。同期モータ３のトルク定数は「極対数Ｐ_n×永久磁石の鎖交磁束をΨ_a」で表せるが、その逆数Ｒを予め計算しておき、モータ制御装置１内の記憶手段（図示せず）に記憶しておき、演算処理の際にはこの逆数Ｒが用いられる。そして、入力されたトルク指令Ｔ_CMDに対して、式１を変形した式１０に基づき、速度指令ω_CMDが速度基準値ω_nより小さい場合におけるｑ軸電流指令Ｉ_q ^*を生成する。ここで、係数をａ、ｂおよびｃとする。

一方、判定手段１２により速度指令ω_CMDが速度基準値ω_n以上であると判定されたとき、ｑ軸電流指令手段１３は、式１１を利用してｑ軸電流指令Ｉ_q ^*を生成する。

ｄ軸電流指令手段１４は、ｑ軸電流指令手段１３により生成されたｑ軸電流指令Ｉ_q ^*に基づいて、同期モータへ流すｄ軸電流を指令するｄ軸電流指令Ｉ_d ^*を生成する。

このように、同期モータ３の回転子の回転速度についての指令である速度指令ω_CMDに応じて、ｑ軸電流指令ｉ_q ^*を生成するのに用いる計算式を変更することで、同期モータ３がトルク指令Ｔ_CMDに一致したトルクを実際に発生させることができる。また、ｑ軸電流指令ｉ_q ^*およびｄ軸電流指令Ｉ_d ^*の生成処理に用いられる計算式は割り算やｄ軸電流についての循環参照の項を含まないので、演算処理に要する時間を短縮し、ｑ軸電流指令ｉ_q ^*を高速に生成することができる。

以上のようにして生成されたｑ軸電流指令Ｉ_q ^*およびｄ軸電流を指令するｄ軸電流指令Ｉ_d ^*は、ＤＱ／三相変換回路１５に入力される。

ＤＱ／三相変換回路ブロック１５では、ｑ軸電流指令ｉ_q ^*およびｄ軸電流指令ｉ_d ^*を二相三相変換して同期モータ３のｕ相、ｖ相およびｗ相の各相ごとの電流指令ｉ_u ^*、ｉ_v ^*およびｉ_w ^*を生成する。

電流制御部１６は、同期モータ３の励磁位相巻線に流れる電流ｉ_u、ｉ_vおよびｉ_wをＤＱ／三相変換回路１５から出力された三相電流指令ｉ_u ^*、ｉ_v ^*およびｉ_w ^*に追従させるためのスイッチング指令ｕ^*、ｖ^*およびｗ^*を生成する。逆変換器４は、生成されたスイッチング指令ｕ^*、ｖ^*およびｗ^*に基づいてその半導体スイッチング素子のスイッチング動作が実行されることで、電源２からの直流を交流に変換し、同期モータ３の各相巻線に交流の駆動電流ｉ_u、ｉ_vおよびｉ_wを供給する。

なお、算出手段１１、判定手段１２、ｑ軸電流指令手段１３、ｄ軸電流指令手段１４、ＤＱ／三相変換回路１５および電流制御部１６は、例えばソフトウェアプログラム形式で構築されてもよく、あるいは各種電子回路とソフトウェアプログラムとの組み合わせで構築されてもよい。例えば算出手段１１、判定手段１２、ｑ軸電流指令手段１３、ｄ軸電流指令手段１４、ＤＱ／三相変換回路１５および電流制御部１６をソフトウェアプログラム形式で構築する場合は、モータ制御装置１内の演算処理装置はこのソフトウェアプログラムに従って動作することで上述の各手段の機能が実現される。また、既存のモータ制御装置は、通常ＤＱ／三相変換回路１５および電流制御部１６の機能を有するが、これに算出手段１１、判定手段１２、ｑ軸電流指令手段１３およびｄ軸電流指令手段１４に係るソフトウェアプログラムを当該モータ制御装置に追加的にインストールすることで本発明を適用することも可能である。

なお、上述の実施例では、一例として、入力されたトルク指令Ｔ_CMDおよび速度指令ω_CMDに基づいてｑ軸電流指令Ｉ_q ^*およびｄ軸電流指令Ｉ_d ^*を生成するオープン制御ループとした場合を説明したが、同期モータ３の回転子の回転についての速度検出値や位置検出値を用いたフィードバック制御およびフィードフォワード制御を付加してもよい。例えば、同期モータ３の回転子に対する位置指令を入力とし、位置指令と同期モータ３の回転子の位置検出値とから速度指令ω_CMDを生成する位置フィードバック制御ループと、速度指令ω_CMDと同期モータ３の回転子の位置検出値とからトルク指令Ｔ_CMDを生成する速度フィードバック制御ループとを、モータ制御装置１に設けてもよい。またさらに、速度指令に対する応答性を高めるために速度フィードバック制御ループに付加される速度フィードフォワード制御系や、位置指令に対する応答性を高めるために位置フィードバック制御ループに付加される位置フィードフォワード制御系をモータ制御装置１に設けてもよい。

図２は、突極性を有する同期モータを、本発明の実施例によるモータ制御装置にて電流ベクトル制御を行った場合における、回転子の速度とトルクとの関係を示す図である。図２は上述の式１１においてａ＝１、ｂ＝１、ｃ＝１とした例を示しており、従来技術（図４）では発生していた高速域のリラクタンストルクＴ_M分の増加を抑制することができ、トルクを高精度に制御することができることがわかる。

図３は、本発明の実施例によるモータ制御装置の動作フローを示すフローチャートである。まず、ステップＳ１００においてトルク指令Ｔ_CMDおよび速度指令ω_nが入力されると、ステップＳ１０１において、算出手段１１は、式９に基づいて速度基準値ω_nを算出する。

次いでステップＳ１０２において、判定手段１２は、入力されたトルク指令Ｔ_CMDについて算出手段１１により式９に従って算出された速度基準値ω_nと、入力された速度指令ω_CMDと、の大小関係を判定する。

ステップＳ１０２において速度指令ω_CMDが速度基準値ω_nより小さいと判定されたとき、ステップＳ１０３において、ｑ軸電流指令手段１３は、式１０に基づきｑ軸電流指令Ｉ_q ^*を生成する。

ステップＳ１０２において速度指令ω_CMDが速度基準値ω_n以上であると判定されたとき、ステップＳ１０４において、ｑ軸電流指令手段１３は、式１１に基づきｑ軸電流指令Ｉ_q ^*を生成する。

次いでステップＳ１０５において、ｄ軸電流指令手段１４は、ｑ軸電流指令手段１３により生成されたｑ軸電流指令Ｉ_q ^*に基づいて、同期モータへ流すｄ軸電流を指令するｄ軸電流指令Ｉ_d ^*を生成する。

本発明は、埋込磁石型同期モータ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ：ＩＰＭＳＭ）など、突極性を有する永久磁石同期モータ（Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ：ＰＭＳＭ）を制御するモータ制御装置に適用することができる。

１ モータ制御装置
２ 同期モータ
３ 電源
４ 逆変換器
１０ 記憶手段
１１ 算出手段
１２ 判定手段
１３ ｑ軸電流指令手段
１４ ｄ軸電流指令手段
１５ ＤＱ／三相変換回路
１６ 電流制御部

入力されたトルク指令Ｔ_CMDに対して、式１を変形した式２に基づき、ｑ軸電流指令Ｉ_q ^*を生成し、さらにｑ軸電流指令Ｉ_q ^*からｄ軸電流指令Ｉ_d ^*を生成し、これらｑ軸電流指令Ｉ_q ^*およびｄ軸電流指令Ｉ _d ^*を用いることで、突極性を持たない同期モータを制御することができる。

図４は、突極性を有する同期モータを、マグネットトルクのみを考慮してｑ軸電流指令およびｄ軸電流指令を生成して電流ベクトル制御を行った場合における、回転子の速度とトルクとの関係を示す図である。突極性を有する永久磁石同期モータを、マグネットトルクのみを考慮した式２に従ってｑ軸電流指令（およびｄ軸電流指令）を生成して電流ベクトル制御を行うと、入力されたトルク指令Ｔ_CMDに対して、同期モータに実際に発生するトルクＴがリラクタンストルクＴ _R 分だけ増えてしまう。特に高速域においてリラクタンストルクＴ _R 分の増加は顕著である。ただ、この場合であっても、トルク制御ループの前段に速度制御ループを設け、速度制御ループの前段に位置制御ループを設けた場合には、速度制御ループにおいて必要なトルクに合わせてトルク指令が調整されるため、同期モータの回転子の位置および速度については正しく制御すること自体は可能である。しかしながら、上述のように同期モータのトルクをトルク指令どおりに制御することはできず、誤差が発生してしまう。

また、ｑ軸電流指令手段は、同期モータへ流すｑ軸電流を指令するｑ軸電流指令をＩ_q ^*、入力されるトルク指令をＴ_CMD、入力される速度指令をω_CMD、同期モータのトルク定数の逆数をＲ、係数をａ、ｂおよびｃとしたとき、判定手段により速度指令ω_CMDが速度基準値ω_nより小さいと判定されたときは、式７に基づいてｑ軸電流指令Ｉ_q ^*を生成し、判定手段により速度指令ω_CMDが速度基準値ω_n以上であると判定されたときは式８に基づいてｑ軸電流指令Ｉ_q ^*を生成してもよい。

本発明の実施例によるモータ制御装置１においては、マグネットトルクおよびリラクタンストルクの両方を考慮してｑ軸電流指令Ｉ _q ^*およびｄ軸電流指令Ｉ _d ^*を生成するが、この生成処理に用いる計算式として、同期モータ３の回転子の回転速度についての指令である速度指令ω_CMDに応じて、マグネットトルクのみを考慮した計算式とマグネットトルクおよびリラクタンストルクの両方を考慮した計算式とを使い分ける。すなわち、本発明の実施例では、同期モータ３の回転子の回転速度についての指令である速度指令ω_CMDに応じて、ｑ軸電流指令Ｉ _q ^*を生成するのに用いる計算式を変更することで、同期モータ３がトルク指令に一致したトルクを実際に発生できるようにする。また、ｑ軸電流指令Ｉ _q ^*およびｄ軸電流指令Ｉ _d ^*の生成処理に用いられる計算式は割り算を含まないものとすることで、演算処理に要する時間を短縮し、ｑ軸電流指令Ｉ _q ^*およびｄ軸電流指令Ｉ _d ^*を高速に生成できるようにする。このようなｑ軸電流指令Ｉ _q ^*およびｄ軸電流指令Ｉ _d ^*を生成するために、モータ制御装置１は、記憶手段１０と、算出手段１１と、判定手段１２と、ｑ軸電流指令手段１３と、ｄ軸電流指令手段１４と、を備える。

算出手段１１は、生成すべきｑ軸電流指令Ｉ _q ^*を決定する際に用いられる判断基準となる速度基準値を算出する。すなわち、算出手段１１は、式９に基づいて速度基準値ω_nを算出する。ここで、速度基準値をω_n、トルク指令がゼロのときの速度基準値の初期値として設定される速度基準値初期値をω₀、速度基準値の変化率をｋ、入力されるトルク指令をＴ_CMDとする。

判定手段１２は、入力されたトルク指令Ｔ_CMDについて算出手段１１により式９に従って算出された速度基準値ω_nと、入力された速度指令ω_CMDと、の大小関係を判定する。判定手段１２による判定結果はｑ軸電流指令手段１３へ送られる。

このように、同期モータ３の回転子の回転速度についての指令である速度指令ω_CMDに応じて、ｑ軸電流指令Ｉ _q ^*を生成するのに用いる計算式を変更することで、同期モータ３がトルク指令Ｔ_CMDに一致したトルクを実際に発生させることができる。また、ｑ軸電流指令Ｉ _q ^*およびｄ軸電流指令Ｉ_d ^*の生成処理に用いられる計算式は割り算やｄ軸電流についての循環参照の項を含まないので、演算処理に要する時間を短縮し、ｑ軸電流指令Ｉ _q ^*を高速に生成することができる。

ＤＱ／三相変換回路１５では、ｑ軸電流指令Ｉ _q ^*およびｄ軸電流指令Ｉ _d ^*を二相三相変換して同期モータ３のｕ相、ｖ相およびｗ相の各相ごとの電流指令ｉ_u ^*、ｉ_v ^*およびｉ_w ^*を生成する。

図２は、突極性を有する同期モータを、本発明の実施例によるモータ制御装置にて電流ベクトル制御を行った場合における、回転子の速度とトルクとの関係を示す図である。図２は上述の式１１においてａ＝１、ｂ＝１、ｃ＝１とした例を示しており、従来技術（図４）では発生していた高速域のリラクタンストルクＴ _R 分の増加を抑制することができ、トルクを高精度に制御することができることがわかる。

図３は、本発明の実施例によるモータ制御装置の動作フローを示すフローチャートである。まず、ステップＳ１００においてトルク指令Ｔ_CMDおよび速度指令ω _CMD が入力されると、ステップＳ１０１において、算出手段１１は、式９に基づいて速度基準値ω_nを算出する。

１ モータ制御装置
２ 電源
３ 同期モータ
４ 逆変換器
１０ 記憶手段
１１ 算出手段
１２ 判定手段
１３ ｑ軸電流指令手段
１４ ｄ軸電流指令手段
１５ ＤＱ／三相変換回路
１６ 電流制御部

Claims (4)

1. ｑ軸電流指令およびｄ軸電流指令を作成し、これらを用いて突極性を有する同期モータを制御するモータ制御装置であって、
   トルク指令がゼロのときの値を初期値としトルク指令が増加するほど減少する値である速度基準値を算出する算出手段と、
   入力されたトルク指令について前記算出手段により算出された速度基準値と、入力された速度指令と、の大小関係を判定する判定手段と、
   同期モータへ流すｑ軸電流を指令するｑ軸電流指令を、前記判定手段により速度指令が速度基準値より小さいと判定されたときは、トルク指令と同期モータのトルク定数の逆数とに基づいて生成し、前記判定手段により速度指令が速度基準値以上であると判定されたときは、速度指令を独立変数とする関数とトルク指令と同期モータのトルク定数の逆数とに基づいて生成するｑ軸電流指令手段と、
   前記ｑ軸電流指令手段により作成されたｑ軸電流指令に基づいて、同期モータへ流すｄ軸電流を指令するｄ軸電流指令を生成するｄ軸電流指令手段と、
   を備えることを特徴とするモータ制御装置。
2. トルク指令がゼロのときの速度基準値の初期値として設定される速度基準値初期値と、前記算出手段による算出処理に用いられる速度基準値の変化率と、を記憶する記憶手段をさらに備える請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記算出手段は、速度基準値をω_n、トルク指令がゼロのときの速度基準値の初期値として設定される速度基準値初期値をω₀、速度基準値の変化率をｋ、入力されるトルク指令をＴ_CMDとしたとき、
   

   

   に基づいて、速度基準値ω_nを算出する、請求項１または２に記載のモータ制御装置。
4. 前記ｑ軸電流指令手段は、同期モータへ流すｑ軸電流を指令するｑ軸電流指令をＩ_q ^＊、入力されるトルク指令をＴ_CMD、入力される速度指令をω_CMD、同期モータのトルク定数の逆数をＲ、係数をａ、ｂおよびｃとしたとき、
   前記判定手段により速度指令ω_CMDが速度基準値ω_nより小さいと判定されたときは、
   

   

   に基づいてｑ軸電流指令Ｉ_q ^＊を生成し、
   前記判定手段により速度指令ω_CMDが速度基準値ω_n以上であると判定されたときは、
   

   

   に基づいてｑ軸電流指令Ｉ_q ^＊を生成する、請求項３に記載のモータ制御装置。

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