JP2016082790A - 電動機制御装置、電動機制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】回転速度の制御性を維持しつつも、出力トルクの負荷トルクに対する変動を抑制し、以て電動機の効率を悪化させない。
【解決手段】負荷角指令生成部４Ａにおいて、電動機２の回転速度ωｅ＾と、回転速度指令値ω０^＊との偏差ωerrに対して比例制御を行なって演算値φｃ^＊を得る。演算値φｃ^＊の微分値ｓφｃ^＊を速度修正量ωcorrとする。回転速度ωｅ＾と速度修正量ωcorrとの和を、回転座標系の制御軸回転速度ω０として採用する。制御軸回転速度ω０の積分値を固定座標系に対する回転座標系の間の回転角θ０とする。電圧指令生成部７０は、一次磁束についての指令値［λ^＊］と、制御軸回転速度ω０および回転角θ０とに基づいて、電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊を生成し、これらを電圧供給源に与える。
【選択図】図３

Description

本発明は、電動機の制御装置および電動機制御システムに関し、例えば同期電動機へと交流電圧を印加する電動機の制御装置に関する。

特許文献１，２には、同期電動機の制御方法について記載されている。同期電動機は巻線を有する電機子と、界磁とを有している。

特許文献１では、電機子に流れる電流（以下「電機子電流」と称す）を一定に制御する技術について紹介されている。

特許文献２では、同期電動機の一次磁束が制御される。より詳細には、制御軸として互いに直交するγ軸及びδ軸を採用し、一次磁束のγ軸成分を零に制御する。この際、同期電動機を駆動するインバータの制御周波数は、電機子電流のγ軸成分をフィードバックして行っている。

特許文献３では、一次磁束制御を行うためのδｃ−γｃ回転座標系を採用し、そのγｃ軸電流に基づく補正量で速度の指令値ω^＊に補正を行なって、δｃ−γｃ回転座標系の回転速度（以下「制御軸回転速度」と称す）を算出している。当該補正量としては、特許文献２と類似して、γｃ軸電流から直流成分を除去して得られる高調波成分と、ゲインとの積が採用されている。

なお、公知のように（例えば特許文献４を参照）、出力トルクは負荷角の正弦値および負荷角の二倍の正弦値に依存する。また出力トルクは電機子電流のγｃ軸成分（以下「γｃ軸電流」と称す）に依存する。

特許第２５５１１３２号公報 特許第３６７２７６１号公報 特許第５４９４７６０号公報 特開２００２−３４２８０号公報 特許第３５５１９１９号公報

電動機に一次磁束制御を行うとき、負荷トルクが減少すると回転速度が過渡的に増大する。これはδｃ―γｃ回転座標系とｄ−ｑ回転座標系の間の位相角（負荷角）が増大することを意味する。このとき、大きな負荷角が得られればγｃ軸電流も大きい。

特許文献３に記載される技術では、γｃ軸電流の減少分に基づいて、δｃ−γｃ回転座標系の回転速度を減少させ、負荷角を減少させることができる。逆に負荷トルクが減少するとγｃ軸電流は大きな値をとり、δｃ−γｃ回転座標系の回転速度が増大する。このようにして負荷角の大きさを反映した制御により、電動機の脱調が防がれる。

しかしながら、かかる制御では負荷角の値に基づいた制御を行っている。つまり、γｃ軸電流が実際に大きな値を得てから、当該値に基づいて脱調が防がれている。このような制御ではγｃ軸電流が変動し、この変動は電機子電流の脈動を招来し、ひいては電動機の効率を悪化させることとなる。

そこで、本発明は、回転速度の制御性を維持しつつも、出力トルクの負荷トルクに対する変動を抑制し、以て電動機の効率を悪化させない、電動機の制御装置を提供することを目的とする。

この発明にかかる電動機制御装置（３）は、電機子（２１）と、界磁磁束（［Λ０］）を発生する界磁（２３）とを有する同期電動機（２）に対して交流電圧を印加し、交流電流（ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗ）を前記電機子に流す電圧供給源（１）を制御する制御装置である。

そしてその第１の態様は、前記同期電動機の電気角における回転速度（ωｅ＾）と、回転座標（δｃ−γｃ）の回転速度たる制御軸回転速度（ω０）の指令値（ω０^＊）との偏差（ωerr）を求める第１減算器（４１）と；前記偏差に対して少なくとも比例制御を行なって、前記界磁磁束に対する前記回転座標の位相たる制御負荷角（φｃ）の指令値たる負荷角指令（φｃ^＊）を求めるゲイン部（４２）と；を有する負荷角指令生成部（４Ａ，４Ｂ）と；前記負荷角指令と、前記界磁磁束の回転情報（ωｅ＾，θｅ）とを用いて、前記制御軸回転速度及び前記回転座標の回転角（θ０）を求める回転情報取得部（５Ａ〜５Ｄ）と；前記制御軸回転速度及び前記回転角を用いて、前記交流電流によって発生する電機子反作用の磁束と前記界磁磁束との合成である一次磁束(［λ］)を前記回転座標において制御し、前記交流電圧の指令値たる電圧指令（Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊）を求める電圧指令生成部（７０）とを備える。

例えば前記回転情報取得部（５Ａ）は、前記負荷角指令（φｃ^＊）の微分値として速度修正量（ωcorr）を求める微分器（５１）と；前記界磁磁束（［Λ０］）の前記回転情報たる前記界磁磁束の回転速度（ωｅ＾）と前記速度修正量とを加算して前記制御軸回転速度（ω０）を出力する加算器（５２）と；前記制御軸回転速度（ω０）を積分して前記回転角（θ０）を出力する積分器（５３）とを有する。

例えば前記回転情報取得部（５Ｂ）は、前記負荷角指令（φｃ^＊）と、前記界磁磁束（［Λ０］）の前記回転情報たる前記界磁磁束の位相（θｅ）とを加算して前記回転角（θ０）を出力する加算器（５４）と；前記回転角を微分して前記制御軸回転速度（ω０）を出力する微分器（５５）とを有する。

例えば前記回転情報取得部（５Ｃ）は、前記負荷角指令（φｃ^＊）と、前記制御負荷角（φｃ）の推定値（φｃ＾）との偏差（φerr）を出力する第２減算器（５６）と；前記第２減算器の出力に対して比例積分制御を行って、速度修正量（ωcorr）を求める比例積分制御部（５７）と；前記界磁磁束（［Λ０］）の前記回転情報たる前記界磁磁束の回転速度（ωｅ＾）と前記速度修正量とを加算して前記制御軸回転速度（ω０）を出力する加算器（５２）と；前記制御軸回転速度（ω０）を積分して前記回転角（θ０）を出力する積分器（５３）とを有する。

例えば前記回転情報取得部（５Ｄ）は、前記負荷角指令（φｃ^＊）と、前記制御負荷角（φｃ）の推定値（φｃ＾）との偏差（φerr）を出力する第２減算器（５６）と；前記第２減算器の出力に対して比例積分制御を行って、角度修正量（θcorr）を求める比例積分制御部（５８）と；前記負荷角指令（φｃ^＊）と、前記角度修正量と、前記界磁磁束の前記回転情報たる前記界磁磁束（［Λ０］）の位相（θｅ）とを加算して前記回転角（θ０）を出力する加算器（５９）と；前記回転角を微分して前記制御軸回転速度（ω０）を出力する微分器（５５）とを有する。

この発明にかかる電動機制御装置の第２の態様は、その第１の態様であって、前記負荷角指令生成部（４Ａ，４Ｂ）は、前記回転速度（ωｅ＾）の、前記同期電動機（２）の周期的な負荷トルク脈動に起因する脈動成分を除去して、前記第１減算器（４１）に出力するローパスフィルタ（４９）を更に備える。

この発明にかかる電動機制御装置の第３の態様は、その第１の態様であって、前記負荷角指令生成部（４Ａ，４Ｂ）は、前記偏差（ωerr）の、前記同期電動機（２）の周期的な負荷トルク脈動に起因する脈動成分を除去するローパスフィルタ（４９）を更に備える。

この発明にかかる電動機制御装置の第４の態様は、その第１の態様であって、前記負荷角指令生成部（４Ａ，４Ｂ）は、前記負荷角指令（φｃ^＊）の、前記同期電動機（２）の周期的な負荷トルク脈動に起因する脈動成分を除去するローパスフィルタ（４９）を更に備える。

この発明にかかる電動機制御装置の第１〜第４の態様において望ましくは、前記回転角に基づいて前記交流電流（ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗ）を前記回転座標における電流たる回転電流（ｉ_δｃ，ｉ_γｃ）に変換する座標変換部（７３）を更に備える。

そして前記電圧指令生成部（７０）は、前記一次磁束(［λ］)の指令値たる一次磁束指令(［λ^＊］)と、前記制御軸回転速度(ω０)と、前記回転電流とに基づいて、前記回転座標における電圧の指令値たる原電圧指令（Ｖ_δｃ ^＊，Ｖ_γｃ ^＊）を求める原電圧指令演算部（７１）と；前記回転角（θ０）に基づいて前記原電圧指令を前記電圧指令（Ｖ_ｕ ^＊，Ｖ_ｖ ^＊，Ｖ_ｗ ^＊）に変換する座標変換部（７２）とを有する。

この発明にかかる電動機制御装置の第１の態様において望ましくは、前記交流電流（ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗ）に基づいて前記回転速度（ωｅ＾）を求める回転速度取得部（６１）を更に備える。

この発明にかかる電動機制御システムは、この発明にかかる電動機制御装置の電動機制御装置（３）と、前記電圧供給源（１）とを備える。

この発明にかかる電動機制御装置の第１の態様によれば、回転速度の制御性を維持しつつも、出力トルクの負荷トルクに対する変動が抑制され、以て電動機の効率が悪化しない。

この発明にかかる電動機制御装置の第２〜第４態様によれば、制御が安定化される。

回転座標と磁束との一例を模式的に示すベクトル図である。 電動機の制御装置とその周辺装置の概念的な構成の一例を示すブロック図である。 制御部の構成の概念的な一例を示すブロック図である。 負荷トルク、出力トルクおよび電機子電流の波形を示すグラフである。 制御部の構成の概念的な他の例を示すブロック図である。 ローパスフィルタを挿入する態様を例示するブロック図である。 ローパスフィルタを採用した場合の負荷トルク、出力トルクおよび電機子電流の波形を示すグラフである。 ローパスフィルタを挿入する態様を例示するブロック図である。 ローパスフィルタを挿入する態様を例示するブロック図である。 回転情報取得部の構成を示すブロック図である。 回転情報取得部の他の構成を示すブロック図である。

実施の形態の詳細な説明に入る前に、この発明の前提について説明する。

＜１．前提＞
図１は同期電動機（以下、単に「電動機」と称す。なお同期電動機の特殊なものとして、スイッチトリラクタンスモータのように界磁を有しないものもある。しかしここでは同期電動機とは界磁を有しているものを指す。）における空隙磁束［λ］（記号［］はベクトル量を表す：以下同様）と、電動機における界磁磁束［Λ０］との関係を示すベクトル図である。界磁磁束［Λ０］は例えば電動機が永久磁石を有している場合には当該永久磁石によって発生するし、電動機が界磁巻線を有している場合には当該界磁巻線に電流が流れることによって発生する。

電動機の回転と同期する回転座標系としてｄ−ｑ回転座標系を導入する。ここではｄ軸を界磁磁束［Λ０］と同相に設定し、ｑ軸はｄ軸に対して、電動機の制御によって回転させたい方向（以下、単に「回転方向」と称す）に向かって位相が９０度進む。よって、ｄ−ｑ回転座標系の回転速度ωｅは電動機の回転速度とみなすことができる。なお、後の説明の便宜のため、固定軸αに対するｄ軸の位相を界磁磁束位相θｅとして導入する。

また回転座標系としてδ−γ回転座標系とδｃ−γｃ回転座標系とを導入する。δ軸はｄ軸に対して、γ軸はｑ軸に対して、それぞれ電動機の回転方向に向かって位相角φで位相が進む。δｃ軸はｄ軸に対して、γｃ軸はｑ軸に対して、それぞれ電動機の回転方向に向かって位相角φｃで位相が進む。

例えば、「一次磁束制御」として知られている電動機の制御方法では、空隙磁束［λ］と同相にδ軸を設定する。この場合、位相角φは負荷角（界磁磁束［Λ０］と空隙磁束［λ］との間の位相角）として把握される。

以下、説明の便宜上、δ軸のｄ軸に対する位相角φを実負荷角φと称し、δｃ軸のｄ軸に対する位相角φｃを制御負荷角φｃと称する。なお、後の説明の便宜のため、固定軸αに対するδｃ軸の位相を回転角θ０として導入する。

さて、空隙磁束［λ］は周知のように、電動機（より詳細には電動機が備える電機子が有する電機子巻線）に供給される電圧及び電流と、電動機の機器定数（例えばインダクタンス、電機子巻線の抵抗成分、界磁磁束（［Λ０］））と、電動機の回転速度とで決定される。よって電動機を制御する制御装置は、上述の「一次磁束制御」では、前記空隙磁束［λ］が空隙磁束［λ］の指令値［λ^＊］と等しくなるように制御を行う。また、指令値［λ^＊］のγ軸成分は０である。

かかる制御においてδｃ−γｃ回転座標系を採用すると、制御負荷角φｃが実負荷角φと一致することで、電動機の回転を適切に制御することができる。

＜２．電力変換装置の構成＞
図２は上記の前提に基づいて本実施の形態の制御を行なう電動機制御装置３およびその周辺装置を示すブロック図である。

電動機２は三相の電動機であり、電機子２１と、界磁２３たる回転子を備える。技術的な常識として、電機子２１は電機子巻線２２を有し、回転子は電機子２１と相対的に回転する。界磁２３は例えば上述の界磁磁束［Λ０］を発生させる磁石を備える場合について説明される。電動機２は例えば圧縮機を駆動する。

電圧供給源１は例えば電圧制御型インバータ及びその制御部を備え、三相の電圧指令値［ｖ_ｘ ^＊］＝［ｖ_ｕ ^＊ ｖ_ｖ ^＊ ｖ_ｗ ^＊］^ｔ（括弧の後の上付の“ｔ”は行列の転置を示す。以下同様）に基づいて、三相電圧ｖ_ｕ，ｖ_ｖ，ｖ_ｗを電動機２に印加する。これにより、電動機２には三相の交流電流（以下「三相電流」とも称す）［ｉ_ｘ］＝［ｉ_ｕ ｉ_ｖ ｉ_ｗ］^ｔが流れる。但し、電圧指令値［ｖ_ｘ ^＊］や三相電流［ｉ_ｘ］が有する成分は、例えばＵ相成分、Ｖ相成分、Ｗ相成分の順に記載されている。

電動機制御装置３は、電動機２に対し、空隙磁束［λ］及び回転速度を制御する装置である。空隙磁束［λ］は一次磁束とも称され、界磁磁束［Λ０］と、電機子２１に流れる電機子電流（これは三相電流［ｉ_ｘ］でもある）によって発生する電機子反作用の磁束との合成である。以下では、空隙磁束［λ］を一次磁束［λ］とも呼ぶ。

電動機制御装置３は、電圧供給源１と共に、電動機制御システムを構成すると把握できる。

図３は、電動機制御装置３の内部構成の概念的な一例を示すブロック図である。電動機制御装置３は、負荷角指令生成部４Ａと、回転情報取得部５Ａと、原電圧指令演算部７１と、座標変換部７２，７３とを備えている。

座標変換部７３は、電流検出部８（図２も参照）によって検出される三相電流［ｉ_ｘ］を、δｃ−γｃ回転座標系における電流（以下「回転電流」とも称す）［ｉ_δγｃ］＝［ｉ_δｃ ｉ_γｃ］^ｔに変換する。座標変換部７２は、δｃ−γｃ回転座標系における電圧指令値（以下「原電圧指令」と称す）［ｖ_δγｃ ^＊］＝［ｖ_δｃ ^＊ ｖ_γｃ ^＊］^ｔを電圧指令値［ｖ_ｘ ^＊］に変換する。これらの変換には電動機２についての固定座標系（例えばＵＶＷ固定座標系）に対するδｃ−γｃ回転座標系の回転角θ０が用いられる。これらの座標変換は周知の技術で実現されるので、ここではその詳細を省略する。

原電圧指令演算部７１は一次磁束指令値［λ^＊］および制御軸回転速度ω０に基づいて原電圧指令［ｖ_δγｃ ^＊］を生成する。一次磁束指令値［λ^＊］は一次磁束［λ］についての指令値であり、一次磁束制御においてはそのγｃ軸成分λγ^＊は零と設定される。これにより、一次磁束［λ］がδｃ軸に沿うように制御される。

このような原電圧指令［ｖ_δγｃ ^＊］の生成方法は任意の公知の方法を採用すればよい。かかる方法は例えば特許文献３に詳述されているので、ここでは説明を省略する。

なお原電圧指令演算部７１および座標変換部７２の一組は、一次磁束指令値［λ^＊］と回転角θ０とに基づいて、電動機２の交流電圧についての電圧指令値［ｖ_ｘ ^＊］を生成する電圧指令生成部７０と把握できる。

負荷角指令生成部４Ａは、回転速度指令値ω０^＊と、回転速度ωｅ＾とを入力し、制御軸回転速度ω０を算出する。これらはいずれも電気角である。

回転速度指令値ω０^＊は、制御軸回転速度ω０についての指令値であり、負荷角指令生成部４Ａの外部から与えられる。回転速度ωｅ＾は回転速度ωｅの推定値であり、回転速度取得部６１によって取得される。例えば回転速度取得部６１は、回転電流［ｉ_δγｃ］を入力し、公知の技術により回転速度ωｅ＾を算出（推定）する。なお回転速度取得部６１は任意の回転速度センサであってもよい。この場合、回転速度ωｅ＾は検出値として用いられる。

負荷角指令生成部４Ａはまず、回転速度指令値ω０^＊と回転速度ωｅ＾とに基づいて、負荷角指令φｃ^＊を算出する。負荷角指令φｃ^＊は回転速度指令値ω０^＊と回転速度ωｅ＾との偏差ωerrに対して、例えば下式（１）で示すように比例制御を行なって算出される。Ｋｐは比例ゲインであり、例えば負荷角指令生成部４Ａ内に予め格納される。

φｃ^＊＝Ｋｐ・ωerr＝Ｋｐ・（ω０^＊−ωｅ＾）…（１）。

負荷角指令φｃ^＊は、制御負荷角φｃの指令値として採用することができる。これは回転速度指令値ω０^＊と回転速度ωｅ＾とが相違すれば時間の経過と共に制御負荷角φｃのずれも変動するからである。

図１も参照して、制御軸回転速度ω０は下式（２）で示すように、回転速度ωｅと制御負荷角φｃの微分値との和である。但し時間微分を示す微分演算子ｓを導入した。

ω０＝ωｅ＋ｓφｃ…（２）。

よって式（１）（２）を参照して、制御軸回転速度ω０を下式（３）で算出する。

ω０＝ωｅ＾＋ｓ｛Ｋｐ・（ω０^＊−ωｅ＾）｝…（３）。

式（３）に基づく演算を行なうべく、例えば負荷角指令生成部４Ａは、減算器４１とゲイン部４２とを備える。

減算器４１は、回転速度指令値ω０^＊から回転速度ωｅ＾を減算して偏差ωerrを得る。ゲイン部４２は、偏差ωerrにゲインＫｐを乗算して、その演算結果として負荷角指令φｃ^＊（＝Ｋｐ・（ω０^＊−ωｅ＾））を得る。

回転情報取得部５Ａは、負荷角指令φｃ^＊を入力して、δｃ−γｃ回転座標系の回転についての情報、ここではその回転速度である制御軸回転速度ω０と、回転角θ０とを出力する。回転角θ０は制御軸回転速度ω０を積分することで求められる。よって図３の例示では、回転情報取得部５Ａは、制御軸回転速度ω０を積分する積分器５３を有している。

回転情報取得部５Ａは、更に、微分器５１と加算器５２とを有している。微分器５１は、負荷角指令φｃ^＊を微分して、その微分値ｓφｃ^＊たる速度修正量ωcorr（＝ｓ（ω０^＊−ωｅ＾））を得る（ゲインＫｐは時間に依存しないので微分演算子ｓと演算順序を入れ替えることができる）。加算器５２は速度修正量ωcorrと回転速度ωｅ＾とを加算して、これを制御軸回転速度ω０として出力する。

ゲイン部４２と微分器５１とは、偏差ωerrに対して少なくとも比例制御を行なって得られる演算値φｃ^＊の微分値ｓφｃ^＊として速度修正量ωcorrを求める演算部、として把握することもできる。

負荷角指令生成部４Ａは、演算値φｃ^＊を算出する際に、ＰＩ制御（比例積分制御）を行っても良い。具体的には下式（４）で演算値φｃ^＊を算出する。

φｃ^＊＝｛Ｋｐ＋Ｋｉ（１／ｓ）｝・（ω０^＊−ωｅ＾）…（４）。

かかる構成は図３のゲイン部４２の代わりにＰＩ制御部を設けることで実現できる。

上述のようにして求められた制御軸回転速度ω０を用いて、原電圧指令演算部７１が原電圧指令［ｖ_δγｃ ^＊］を求める。また上述のようにして求められた回転角θ０を用いて、座標変換部７２が原電圧指令［ｖ_δγｃ ^＊］を電圧指令値［ｖ_ｘ ^＊］に変換する。そして当該電圧指令値［ｖ_ｘ ^＊］に基づいて電圧供給源１は三相電圧ｖ_ｕ，ｖ_ｖ，ｖ_ｗを電動機２に印加し、電動機２は回転速度ωｅ＾で回転する。このようにして回転速度ωｅ＾は回転速度指令値ω０^＊に近づくように制御される。

さて偏差ωerrは、制御タイミング間における制御負荷角φｃの変動量を示す。よって偏差ωerrの微分値に基づいた速度修正量ωcorrで制御軸回転速度ω０を修正することは、負荷トルクの変動に由来した回転速度ωｅ＾の変動を、制御負荷角φｃの微分値で修正することになる。換言すれば、速度修正量ωcorrは、制御負荷角φｃの微分値ｓφｃの指令値であると把握できる。

従来の技術では、上述のように制御負荷角φｃそれ自体の値を反映した（より詳細には制御負荷角φｃそれ自体の値に依存したγｃ軸電流ｉ_γｃの大きさに依存した）制御を行っている。これに対して本実施の形態の技術では、制御負荷角φｃのr指令値たる負荷角指令φｃ^＊で制御軸回転速度ω０を修正する。よって従来の技術のような電機子電流の変動を前提とした制御と比較して、電機子電流の変動が抑制される。

図４は負荷トルクが同じ周期的変動を呈する場合において、従来の技術を採用した場合と本実施の形態の場合との、それぞれについて出力トルクおよび電機子電流の変動を、電動機２の機械角での一回転分（電気角二回転分）にて示すグラフである。図４において破線は従来の技術を採用した場合の、実線は本実施の形態を採用した場合の、それぞれの出力トルクおよび電機子電流の波形を示す。

図４から明白なように、本実施の形態を採用した場合の方が、電機子電流の変動が小さくなっていることがわかる。

このようにして、回転速度の制御性を維持しつつも、出力トルクの負荷トルクに対する変動を抑制し、以て電動機の効率を悪化させない技術が提供される。

図５は、制御部の構成の概念的な他の例を示すブロック図である。当該構成は図３に示された構成に対して、負荷角指令生成部４Ａを負荷角指令生成部４Ｂに、回転情報取得部５Ａを回転情報取得部５Ｂに、回転速度取得部６１を界磁磁束位相取得部６２に、それぞれ置換した構成を備えている。

負荷角指令生成部４Ｂは負荷角指令生成部４Ａと同様に、偏差ωｅｒｒを求める減算器４１，偏差ωｅｒｒから負荷角指令φｃ^＊を求めるゲイン部４２を有する他、更に、微分器４５を有している。微分器４５は界磁磁束位相取得部６２から界磁磁束位相θｅを入力し、これを微分して回転速度ωｅ＾を得る。

界磁磁束位相取得部６２は、回転電流［ｉ_δγｃ］を入力し、公知の技術（例えば特許文献５参照）により界磁磁束位相θｅを算出する。なお界磁磁束位相取得部６２は任意の回転位置センサであってもよい。この場合、界磁磁束位相θｅは検出値として用いられる。

回転情報取得部５Ｂは、加算器５４と微分器５５とを有する。加算器５４は負荷角指令φｃ^＊と界磁磁束位相θｅとを加算し、回転角θ０を出力する。これは、図１において式（５）が成立することと、負荷角指令φｃ^＊を制御負荷角φｃの指令値として扱うことから、技術的に妥当な加算である。

θ０＝φｃ＋θｅ…（５）。

原電圧指令演算部７１の演算に必要な制御軸回転速度ω０は、微分器５５が回転角θ０を微分することによって生成される。

本件で説明される微分と積分とはいずれも時間についてのものであるので、回転情報取得部５Ｂを用いても、回転情報取得部５Ａを用いた場合と同様に、制御軸回転速度ω０及び回転角θ０を求めることができるのは明白である。

回転情報取得部５Ａ，５Ｂは制御軸回転速度ω０及び回転角θ０という、δｃ―γｃ回転座標系の回転情報を生成する。この際、回転情報取得部５Ａは回転速度取得部６１から回転速度ωｅ＾を入力し、回転情報取得部５Ｂは界磁磁束位相取得部６２から界磁磁束位相θｅを入力し、また回転情報取得部５Ａ，５Ｂは負荷角指令φｃ^＊をも入力する。よって回転情報取得部５Ａ，５Ｂは、界磁磁束（［Λ０］）の回転情報と、負荷角指令φｃ^＊とを用いて、δｃ―γｃ回転座標系の回転情報を生成していることになる。このように、負荷角指令φｃ^＊によって制御負荷角φｃを直接的に制御することは、本件の効果を奏することに寄与するか、少なくとも潜在的に寄与するものである。

なお、負荷角指令生成部４Ａ，４Ｂにおいて、電動機２の周期的な負荷トルク脈動に起因する脈動成分を除去して、速度修正量ωcorrを演算することも望ましい。かかる周期的な負荷トルク脈動に起因する脈動成分を除去することにより、電機子電流の脈動成分を除去し、ひいては電動機の効率を改善させることとなる。

図６，８，９は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）４９を挿入する種々の態様を、図３の構成を例にとって示すブロック図である。

図６では、ローパスフィルタ４９が、回転速度ωｅ＾の、電動機２の周期的な負荷トルク脈動に起因する脈動成分を除去して、減算器４１に出力する。

図７は、図４と同様、負荷トルクが同じ周期的変動を呈する場合において、従来の技術を採用した場合と本実施の形態の場合との、それぞれについて出力トルクおよび電機子電流の変動を、電動機２の機械角での一回転分（電気角二回転分）にて示すグラフである。図４と同様に、破線は従来の技術を採用した場合の、実線は本実施の形態を採用した場合の、それぞれの出力トルクおよび電機子電流の波形を示す。但し、図７はローパスフィルタ４９を採用した場合のグラフであり、図４に示された場合と同じスケールでグラフを描いている。

図７と図４の比較から明白なように、ローパスフィルタ４９を採用することによって、出力トルクおよび電機子電流のいずれも変動が低減していることがわかる。

図８では、ローパスフィルタ４９が、偏差ωerrの、電動機２の周期的な負荷トルク脈動に起因する脈動成分を除去する。図９では、ローパスフィルタ４９が、負荷角指令φｃ^＊の、電動機２の周期的な負荷トルク脈動に起因する脈動成分を除去して、微分器４３に出力する。これらのようなローパスフィルタ４９の挿入が、図５の構成においても可能なことは明白である。

また回転情報取得部５Ａ，５Ｂにおいて、制御負荷角φｃの推定値φｃ＾をフィードバックすることによって、δｃ―γｃ回転座標系の回転情報を生成することもできる。具体的には推定値φｃ＾と負荷角指令φｃ^＊との偏差に基づいてＰＩ制御を行う。

推定値φｃ＾は公知の技術によって、原電圧指令［ｖ_δγｃ ^＊］および回転電流［ｉ_δγｃ］によって得ることができる（例えば特許文献３参照）。

図１０は回転情報取得部５Ａ（図３参照）に置換して採用可能な回転情報取得部５Ｃの構成を示すブロック図である。回転情報取得部５Ｃは回転情報取得部５Ａの微分器５１を減算器５６と比例積分制御部５７とに置換した構成を有している。

減算器５６は、推定値φｃ＾と負荷角指令φｃ^＊との偏差φerrを出力する。比例積分制御部５７は偏差φerrに比例積分制御を行って、速度修正量ωcorrを求める。

加算器５２及び積分器５３の機能は回転情報取得部５Ａのそれらと同様である。

図１１は回転情報取得部５Ｂ（図５参照）に置換して採用可能な回転情報取得部５Ｄの構成を示すブロック図である。回転情報取得部５Ｄは回転情報取得部５Ｂの加算器５４を減算器５６と比例積分制御部５８と加算器５９とに置換した構成を有している。

減算器５６は、回転情報取得部５Ｃと同様にして偏差φerrを出力する。比例積分制御部５８は偏差φerrに比例積分制御を行って、角度修正量θcorrを求める。加算器５９は界磁磁束位相θｅと負荷角指令φｃ^＊と角度修正量θcorrとを加算して回転角θ０を出力する。微分器５５の機能は回転情報取得部５Ｃのそれと同様である。

回転情報取得部５Ｃ，５Ｄは、推定値φｃ＾と負荷角指令φｃ^＊との偏差φerrに基づいて界磁磁束（［Λ０］）の回転情報を得るので、回転角θ０の追従性を高めることができる。

なお、負荷トルクの脈動としては、一回転中に一周期を呈するものもあれば、二周期を呈するものもある。前者の例としては、電動機２の負荷として１シリンダ圧縮機やスクロール圧縮機を採用する場合が挙げられる。後者の例としては、電動機２の負荷として２シリンダ圧縮機を採用する場合が挙げられる。

上記の種々の態様は、互いの機能を損なわない限り、適宜に組み合わせることができる。

上記のブロック図は模式的であり、各部はハードウェアで構成することもできるし、ソフトウェアによって機能が実現されるマイクロコンピュータ（記憶装置を含む）で構成してもよい。各部で実行される各種手順、あるいは実現される各種手段又は各種機能の一部又は全部をハードウェアで実現しても構わない。

マイクロコンピュータは、プログラムに記述された各処理ステップ（換言すれば手順）を実行する。上記記憶装置は、例えばＲＯＭ(Read Only Memory)、ＲＡＭ(Random Access Memory)、書き換え可能な不揮発性メモリ（ＥＰＲＯＭ(Erasable Programmable ROM)等）、ハードディスク装置などの各種記憶装置の１つ又は複数で構成可能である。当該記憶装置は、各種の情報やデータ等を格納し、またマイクロコンピュータが実行するプログラムを格納し、また、プログラムを実行するための作業領域を提供する。なお、マイクロコンピュータは、プログラムに記述された各処理ステップに対応する各種手段として機能するとも把握でき、あるいは、各処理ステップに対応する各種機能を実現するとも把握できる。

１ 電圧供給源
２ 同期電動機
２１ 電機子
２２ 電機子巻線
２３ 界磁
３ 電動機制御装置
４Ａ，４Ｂ 負荷角指令生成部
４１，５６ 減算器
４２ ゲイン部
４３，４７，５１，５５ 微分器
４４，５２，５４，５９ 加算器
４９ ローパスフィルタ
５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ 回転情報取得部
５３ 積分器
５７，５８ 比例積分制御部
７０ 電圧指令生成部
７１ 原電圧指令演算部
７２，７３ 座標変換部
φｃ 制御負荷角
φｃ^＊ 負荷角指令
ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗ 交流電流
Ｖ_ｕ ^＊，Ｖ_ｖ ^＊，Ｖ_ｗ ^＊ 電圧指令
Ｖ_δｃ ^＊，Ｖ_γｃ ^＊ 原電圧指令
θｅ 界磁磁束位相
θ０ 回転角
θcorr 角度修正量
ωcorr 速度修正量
φerr，ωerr 偏差
ωｅ＾ （電動機の）回転速度
ω０^＊ 指令値
ω０ 制御軸回転速度
［Λ０］ 界磁磁束

Claims (12)

1. 電機子（２１）と、界磁磁束（［Λ０］）を発生する界磁（２３）とを有する同期電動機（２）に対して交流電圧を印加し、交流電流（ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗ）を前記電機子に流す電圧供給源（１）を制御する制御装置であって、
   前記同期電動機の電気角における回転速度（ωｅ＾）と、回転座標（δｃ−γｃ）の回転速度たる制御軸回転速度（ω０）の指令値（ω０^＊）との偏差（ωｅｒｒ）を求める第１減算器（４１）と；
   前記偏差に対して少なくとも比例制御を行なって、前記界磁磁束に対する前記回転座標の位相たる制御負荷角（φｃ）の指令値たる負荷角指令（φｃ^＊）を求めるゲイン部（４２）と；
   を有する負荷角指令生成部（４Ａ，４Ｂ）と；
   前記負荷角指令と、前記界磁磁束の回転情報（ωｅ＾，θｅ）とを用いて、前記制御軸回転速度及び前記回転座標の回転角（θ０）を求める回転情報取得部（５Ａ〜５Ｄ）と；
   前記制御軸回転速度及び前記回転角を用いて、前記交流電流によって発生する電機子反作用の磁束と前記界磁磁束との合成である一次磁束(［λ］)を前記回転座標において制御し、前記交流電圧の指令値たる電圧指令（Ｖ_ｕ ^＊，Ｖ_ｖ ^＊，Ｖ_ｗ ^＊）を求める電圧指令生成部（７０）と
   を備える、電動機制御装置（３）。
2. 前記回転情報取得部（５Ａ）は、
   前記負荷角指令（φｃ^＊）の微分値として速度修正量（ωcorr）を求める微分器（５１）と；
   前記界磁磁束（［Λ０］）の前記回転情報たる前記界磁磁束の回転速度（ωｅ＾）と前記速度修正量とを加算して前記制御軸回転速度（ω０）を出力する加算器（５２）と；
   前記制御軸回転速度（ω０）を積分して前記回転角（θ０）を出力する積分器（５３）と
   を有する、請求項１記載の電動機制御装置（３）。
3. 前記回転情報取得部（５Ｂ）は、
   前記負荷角指令（φｃ^＊）と、前記界磁磁束（［Λ０］）の前記回転情報たる前記界磁磁束の位相（θｅ）とを加算して前記回転角（θ０）を出力する加算器（５４）と；
   前記回転角を微分して前記制御軸回転速度（ω０）を出力する微分器（５５）と
   を有する、請求項１記載の電動機制御装置（３）。
4. 前記回転情報取得部（５Ｃ）は、
   前記負荷角指令（φｃ^＊）と、前記制御負荷角（φｃ）の推定値（φｃ＾）との偏差（φerr）を出力する第２減算器（５６）と；
   前記第２減算器の出力に対して比例積分制御を行って、速度修正量（ωcorr）を求める比例積分制御部（５７）と；
   前記界磁磁束（［Λ０］）の前記回転情報たる前記界磁磁束の回転速度（ωｅ＾）と前記速度修正量とを加算して前記制御軸回転速度（ω０）を出力する加算器（５２）と；
   前記制御軸回転速度（ω０）を積分して前記回転角（θ０）を出力する積分器（５３）と
   を有する、請求項１記載の電動機制御装置（３）。
5. 前記回転情報取得部（５Ｄ）は、
   前記負荷角指令（φｃ^＊）と、前記制御負荷角（φｃ）の推定値（φｃ＾）との偏差（φerr）を出力する第２減算器（５６）と；
   前記第２減算器の出力に対して比例積分制御を行って、角度修正量（θcorr）を求める比例積分制御部（５８）と；
   前記負荷角指令（φｃ^＊）と、前記角度修正量と、前記界磁磁束の前記回転情報たる前記界磁磁束（［Λ０］）の位相（θｅ）とを加算して前記回転角（θ０）を出力する加算器（５９）と；
   前記回転角を微分して前記制御軸回転速度（ω０）を出力する微分器（５５）と
   を有する、請求項１記載の電動機制御装置（３）。
6. 前記負荷角指令生成部（４Ａ，４Ｂ）は、
   前記回転速度（ωｅ＾）の、前記同期電動機（２）の周期的な負荷トルクの脈動に起因する脈動成分を除去して、前記第１減算器（４１）に出力するローパスフィルタ（４９）
   を更に有する、請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の電動機制御装置（３）。
7. 前記負荷角指令生成部（４Ａ，４Ｂ）は、
   前記偏差（ωerr）の、前記同期電動機（２）の周期的な負荷トルクの脈動に起因する脈動成分を除去するローパスフィルタ（４９）
   を更に有する、請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の電動機制御装置（３）。
8. 前記負荷角指令生成部（４Ａ，４Ｂ）は、
   前記負荷角指令（φｃ^＊）の、前記同期電動機（２）の周期的な負荷トルクの脈動に起因する脈動成分を除去するローパスフィルタ（４９）
   を更に有する、請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の電動機制御装置（３）。
9. 前記回転角に基づいて前記交流電流（ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗ）を前記回転座標における電流たる回転電流（ｉ_δｃ，ｉ_γｃ）に変換する座標変換部（７３）
   を更に備え、
   前記電圧指令生成部（７０）は、
   前記一次磁束(［λ］)の指令値たる一次磁束指令(［λ^＊］)と、前記制御軸回転速度(ω０)と、前記回転電流とに基づいて、前記回転座標における電圧の指令値たる原電圧指令（Ｖ_δｃ ^＊，Ｖ_γｃ ^＊）を求める原電圧指令演算部（７１）と；
   前記回転角（θ０）に基づいて前記原電圧指令を前記電圧指令（Ｖ_ｕ ^＊，Ｖ_ｖ ^＊，Ｖ_ｗ ^＊）に変換する座標変換部（７２）と
   を有する、請求項１から請求項８のいずれか一つに記載の電動機制御装置（３）。
10. 前記交流電流（ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗ）に基づいて前記回転速度（ωｅ＾）を求める回転速度取得部（６１）
    を更に備える、請求項２又は請求項４に記載の電動機制御装置（３）。
11. 前記交流電流（ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗ）に基づいて前記界磁磁束の前記位相（θｅ）を求める界磁磁束位相取得部（６２）
    を更に備える、請求項３又は請求項５に記載の電動機制御装置（３）。
12. 請求項１から請求項１１のいずれか一つに記載の電動機制御装置（３）と、
    前記電圧供給源（１）と
    を備える、電動機制御システム。

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