JP5744151B2

JP5744151B2 - 電動機の駆動装置および電動機の駆動方法

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Publication number: JP5744151B2
Application number: JP2013216954A
Authority: JP
Inventors: 貴彦小林; 史朗高木; 大樹松浦; 和田　典之; 典之和田; 安西　清治; 清治安西
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-10-18
Filing date: 2013-10-18
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2033-10-18
Also published as: JP2015080353A

Description

この発明は、電動機に印加する電圧により電動機に流れる電流を制御する電動機の駆動装置に関するものであって、特に、電動機に流れる電流を広範囲の運転条件にわたって可変制御することができる電動機の駆動装置および電動機の駆動方法に関するものである。

広範囲の運転領域で安定かつ高性能に交流電動機を駆動するために、様々な工夫がなされている。例えば、電動機の回転子が高速回転している際には、回転速度に略比例して増大する誘起電圧を補償するために、非干渉化制御が実施されている。

電動機に対する非干渉化制御では、電動機に流れる電流（および、永久磁石を備える電動機においては永久磁石磁束）と回転速度とに基づいて補償すべき電圧が決定されるのが一般的である。

従来の電動機の駆動装置における非干渉化制御としては、電動機に流れる電流を検出した電流検出値に基づくもの（例えば、特許文献１参照）や、電流指令値に基づくものや、両者を併用するもの（例えば、特許文献２参照）や、電流偏差に基づくもの（例えば、特許文献３／特許文献４参照）がある。

特開平６−１５３５６７号公報特許第４１２８８９１号公報特許第１６４１３００号公報特許第３３２１３５６号公報特許第３６８３３０４号公報特許第３５２７２０７号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
従来の電動機の駆動装置では、駆動対象とする電動機を広い運転範囲で駆動しようとすれば、電動機が高速で回転する時や電動機に流れる電流が大きい時といった限界運転時において、電動機に流れる電流を適切に制御できなくなるといった問題点があった。

例えば、電流検出値と回転速度に基づいて非干渉化を行なう方式においては、これをデジタル実装した場合、遅れのために、制御周期からその数倍程度の周期で振動したり、著しくは電流制御が成り立たなくなったりする問題があった。なお、制御周期を短くすることでこのような問題を解決できる場合もあるが、使用するマイコンの性能やＰＷＭによる制約のために、制御周期を充分に短くすることができない場合があった。

あるいは、電流指令値と回転速度に基づいて非干渉化を行なう方式においては、実際の電流に比べて、通常は、電流指令値の位相が進んでいる。このため、非干渉化電圧が適切とならず、電流制御系の設計応答付近の周波数帯、もしくは、設計応答より高い周波数帯で電流の振動が見受けられる場合があった。また、電流検出や電圧印加に際して、位相誤差を含む場合、前述の周波数帯よりも低い周波数で電流脈動が生じる場合があった。

あるいは、電流検出値と電流指令値を併用する方式においては、検出値と指令値との間の重み付けを調整することにより、上述した問題点の幾つかを解決できる場合もある。しかしながら、全てを同時に解決することができない場合もある。特に、電流検出や電圧印加の位相誤差に起因して生じる低周波の電流脈動を解決できない場合が多い。

なお、電流検出や電圧印加の位相誤差については、その補正方法が公知である（例えば、電圧印加の誤差については特許文献５）。しかしながら、その誤差量が未知である場合には、適切な補正量もまた未知となる。このため、適切に補正ができないという別の課題が発生する。

あるいは、電流偏差と回転速度とに基づく方式では、既存の方式は、回転速度の急変時に非干渉化の補償電圧が回転速度の急変に対応できずに電流波形が乱れるといった課題を抱えていた。

特許文献３に開示された方式では、角周波数を乗じた量を積分するため、高速回転時においては、積分器が大きな値を保持することになる。しかしながら、回転速度が急に低下した場合、低速回転時の適正量に比して著しく過大な値が積分器に残留することとなる。この結果、出力電圧値が過大となり、電流波形が過渡的に乱れるといった問題がある。

特許文献４に開示された方式では、積分される値に対して回転速度相当量が乗じられていない。このため、一見すると、回転速度の急変の影響がないように見えるが、実際には回転速度急変の影響を受ける。なぜなら、物理法則上、必要な非干渉化電圧は、回転速度に比例する一方で、積分値は、回転数の変化に応じて瞬時には変わらずに、遅れを伴うため、電流波形が過渡的に乱れることに変わりはないからである。

特許文献６に開示された方式では、積分される電流偏差値に乗じられる積分ゲインに関して、その具体的な値の設定について、高い自由度を有することが記述されている。しかしながら、電流偏差値に乗じるゲインをどのような値に設定したとしても、前述と同様に、物理法則上、電流波形に過渡的な乱れが生じることに変わりはない。

以上のように、従来の電動機の駆動装置にあっては、電動機を広範囲の運転条件で駆動しようとすれば、高速回転時や大電流時を始めとする限界運転時において、電流に脈動が重畳したり電流の制御応答が著しく低下したりするなど、電流を適切に制御できず、不安定化する場合があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、電動機に流れる電流を広範囲の運転条件にわたって可変制御することができ、種々の制御誤差を個別に補償することなく、電動機を安定に駆動することができる電動機の駆動装置および電動機の駆動方法を得ることを目的とする。

この発明に係る電動機の駆動装置は、電動機として界磁巻線を有する回転界磁型同期電動機を適用し、電動機に印加する電圧値を制御して、電動機に流れる電流を電流指令値に追従させることにより電動機を駆動制御する電動機の駆動装置であって、電動機に流れる電流を電流検出値として検出する電流検出器と、電流指令値と電流検出値との差を電流偏差として演算する電流偏差演算器と、電流偏差に基づいて電動機の電機子を鎖交する電機子鎖交磁束を推定する磁束推定器と、電機子鎖交磁束の推定値、電流偏差、および電動機の回転速度に基づいて電動機に印加する電圧値を決定する電流制御器と、電流検出器が出力する電流検出値を、三相座標系からｄｑ座標系に変換するｕｖｗ／ｄｑ変換器と、電流制御器が出力する電圧値を、ｄｑ座標系から三相座標系に変換するｄｑ／ｕｖｗ変換器と、界磁巻線に流れる電流であるｆ軸電流検出値を検出する界磁巻線電流検出器と、外部から与えられるｆ軸電流指令値とｆ軸電流検出値との差をｆ軸電流偏差として演算するｆ軸電流偏差演算器とを備え、電流偏差演算器は、ｄｑ／ｕｖｗ変換器が出力するｄｑ座標系の電流検出値と、ｄｑ座標系として与えられる電流指令値との差をｄ軸電流偏差およびｑ軸電流偏差として演算し、磁束推定器は、ｄ軸電流偏差とｆ軸電流偏差の和を積分することで電機子鎖交磁束のｄ軸成分を推定するｄ軸積分器と、ｑ軸電流偏差を積分することで電機子鎖交磁束のｑ軸成分を推定するｑ軸積分器とを有し、電流制御器は、電機子鎖交磁束のｄ軸成分およびｑ軸成分の推定値と、ｄ軸電流偏差およびｑ軸電流偏差と、ｆ軸電流偏差と、電動機の回転速度とに基づいて電動機に印加する電圧値をｄｑ座標系として決定するとともに、界磁巻線に印加する電圧値を決定するものである。

また、この発明に係る電動機の駆動方法は、電動機として界磁巻線を有する回転界磁型同期電動機を適用し、電動機に印加する電圧値を制御して、電動機に流れる電流を電流指令値に追従させることにより電動機を駆動制御する制御部を備えた電動機の駆動装置で実行される電動機の駆動方法であって、制御部は、電動機の回転速度を読み取る回転速度読み取りステップと、電流検出器により電動機に流れる電流を電流検出値として検出する電流検出ステップと、電流指令値と電流検出値との差を電流偏差として演算する電流偏差演算ステップと、電流偏差に基づいて電動機の電機子を鎖交する電機子鎖交磁束を推定する磁束推定ステップと、電機子鎖交磁束の推定値、電流偏差、および電動機の回転速度に基づいて電動機に印加する電圧値を決定する電流制御ステップと、電流検出ステップで出力される電流検出値を、三相座標系からｄｑ座標系に変換するｕｖｗ／ｄｑ変換ステップと、電流制御ステップで出力される電圧値を、ｄｑ座標系から三相座標系に変換するｄｑ／ｕｖｗ変換ステップと、界磁巻線に流れる電流であるｆ軸電流検出値を検出する界磁巻線電流検出ステップと、外部から与えられるｆ軸電流指令値とｆ軸電流検出値との差をｆ軸電流偏差として演算するｆ軸電流偏差演算ステップとを有し、電流偏差演算ステップは、ｄｑ／ｕｖｗ変換ステップで出力されるｄｑ座標系の電流検出値と、ｄｑ座標系として与えられる電流指令値との差をｄ軸電流偏差およびｑ軸電流偏差として演算し、磁束推定ステップは、ｄ軸電流偏差とｆ軸電流偏差の和を積分することで電機子鎖交磁束のｄ軸成分を推定し、ｑ軸電流偏差を積分することで電機子鎖交磁束のｑ軸成分を推定し、電流制御ステップは、電機子鎖交磁束のｄ軸成分およびｑ軸成分の推定値と、ｄ軸電流偏差およびｑ軸電流偏差と、ｆ軸電流偏差と、電動機の回転速度とに基づいて電動機に印加する電圧値をｄｑ座標系として決定するとともに、界磁巻線に印加する電圧値を決定するものである。

この発明によれば、電流指令値と電流検出値との差である電流偏差に基づいて電機子鎖交磁束を推定し、電機子鎖交磁束の推定値、電流偏差、および電動機の回転速度に基づいて電動機に印加する電圧値を決定している。この結果、電動機に流れる電流を広範囲の運転条件にわたって可変制御することができ、種々の制御誤差を個別に補償することなく、電動機を安定に駆動することができる電動機の駆動装置および電動機の駆動方法を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る電動機の駆動装置の構成を示す例示図である。本発明の実施の形態１に係る磁束推定器の構成を示す例示図である。本発明の実施の形態１に係る電流制御器の構成を示す例示図である。本発明の実施の形態３に係る電動機の駆動装置の構成を示す例示図である。本発明の実施の形態３に係る磁束推定器の構成を示す例示図である。本発明の実施の形態３に係る電流制御器の構成を示す例示図である。

以下、本発明における電動機の駆動装置および電動機の駆動方法の好適な実施の形態について図面を用いて説明する。なお、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電動機の駆動装置の構成を示す例示図である。図１に示す電動機の駆動装置は、磁束推定器１、電流制御器２、ｄｑ／ｕｖｗ変換器３、電圧出力器４、電流検出器５、ｕｖｗ／ｄｑ変換器６、および微分器７を備えて構成される。

また、図１には、電動機の駆動装置の他にも、電動機の駆動装置によって駆動される電動機１０と、電動機１０の回転子の電気角を検出する電気角検出器３１が示されている。そして、電気角検出器３１により検出される回転角検出値は、θとして図示されており、この回転角検出値θは、ｄｑ／ｕｖｗ変換器３、ｕｖｗ／ｄｑ変換器６、および微分器７に与えられる。

以下、図１を参照しながら、本発明の実施の形態１に係る電動機の駆動装置の各構成要素の機能について説明する。

電流検出器５は、駆動対象となる電動機１０を流れる三相電流を検出する。これらの３相分の検出値をまとめて三相電流検出値とよび、またｕｖｗの各相の検出値をそれぞれ、ｕ相電流検出値（ｉ_ｕ）、ｖ相電流検出値（ｉ_ｖ）、ｗ相電流検出値（ｉ_ｗ）として図１に示す。

ｕｖｗ／ｄｑ変換器６は、三相電流検出値を電動機１０の回転に同期したｄｑ座標系に変換する。本実施の形態１では、ｄ軸方向を電動機１０の回転子の磁束の方向とし、ｑ軸をｄ軸の直交方向（電動機の回転軸に沿って反時計回りに９０度進めた方向）とする。ｕｖｗ／ｄｑ変換器６によるこれらの変換値を、それぞれｄ軸電流検出値（ｉ_ｄ）とｑ軸電流検出値（ｉ_ｑ）として図に示す。

ｕｖｗ／ｄｑ変換器６は、具体的には、下式（１）の変換を行なう。

外部より与えられるｄ軸電流指令値（ｉ_ｄ ^＊）とｄ軸電流検出値（ｉ_ｄ）との偏差が、下式（２）によって計算され、これをｄ軸電流偏差（ｉ_ｄ ^〜）と呼ぶ。同様に、外部より与えられるｑ軸電流指令値（ｉ_ｑ ^＊）とｑ軸電流検出値（ｉ_ｑ）との偏差も、下式（２）によって計算され、これをｑ軸電流偏差（ｉ_ｑ ^〜）と呼ぶ。

図２は、本発明の実施の形態１に係る磁束推定器１の構成を示す例示図である。磁束推定器１は、ｄ軸電流偏差とｑ軸電流偏差とから、ｄ軸およびｑ軸のそれぞれの電機子鎖交磁束を推定する。この推定値のうち、ｄ軸成分をｄ軸電機子鎖交磁束推定値（φ_ｄ＾）として、図１および図２に示す。また、ｑ軸成分をｑ軸電機子鎖交磁束推定値（φ_ｑ＾）として、図１および図２に示す。

磁束推定器１は、具体的には、下式（３）の演算を行なう。

ここで、Ｋ_ｄはｄ軸電機子鎖交磁束推定ゲイン、Ｋ_ｑはｑ軸電機子鎖交磁束推定ゲインを示す。

微分器７は、電気角検出器３１から回転角検出値θを入力して微分し、回転速度（ω）として電流制御器２に出力している。

図３は、本発明の実施の形態１に係る電流制御器２の構成を示す例示図である。電流制御器２は、電流偏差と電機子鎖交磁束推定値と回転速度（ω）から、電圧指令値を演算する。本実施の形態１においては、電流偏差は、前記のｄ軸電流偏差とｑ軸電流偏差を指し、電機子鎖交磁束推定値は、前記のｄ軸電機子鎖交磁束推定値とｑ軸電機子鎖交磁束推定値を指す。回転速度は、微分器７が出力する値である。また、電圧指令値とは、電機子に流れる電流をその指令値に向けて収束させるために好適な電圧を意味し、本実施の形態１では、ｄ軸成分とｑ軸成分の各成分ごとに計算される。これらをそれぞれｄ軸電圧指令値（ｖ_ｄ ^＊）およびｑ軸電圧指令値（ｖ_ｑ ^＊）として図１および図３に示す。

電流制御器２は、具体的には、下式（４）の演算を行なう。

ここで、Ｋ_Ｐｄはｄ軸比例ゲイン、Ｋ_Ｉｄはｄ軸積分ゲイン、Ｋ_Ｐｑはｑ軸比例ゲイン、Ｋ_Ｉｑはｑ軸積分ゲインを示す。

図３および上式（４）の示すところは、次のとおりである。ｄ軸電圧指令値は、ｄ軸電流偏差による比例積分制御から、ｑ軸電機子鎖交磁束推定値と回転速度との積が減算されて決定されるということを意味している。また、ｑ軸電圧指令値は、ｑ軸電流偏差による比例積分制御から、ｄ軸電機子鎖交磁束推定値と回転速度との積が加算されて決定されるということを意味している。

ｄｑ／ｕｖｗ変換器３は、ｄ軸電圧指令値とｑ軸電圧指令値を三相座標上の電圧指令値に変換する。これらの３相分の指令値をまとめて三相電圧指令値と呼ぶ。また、これらの３相の電圧指令値をそれぞれｕ相電圧指令値（ｖ_ｕ ^＊）、ｖ相電圧指令値（ｖ_ｖ ^＊）、ｗ相電圧指令値（ｖ_ｗ ^＊）として図１に示す。

ｄｑ／ｕｖｗ変換器３は、具体的には、下式（５）の変換を行う。

電圧出力器４は、三相電圧指令値に略一致する電圧を、駆動対象である電動機１０に印加する。当該部分のハードウェア構成は、三相電圧形インバータに準じた構成であり、電圧出力器４は、パルス幅変調された電圧を電動機１０に対して印加することとなる。

なお、本実施の形態１における各種ゲインの設定の一例について、下式（６）にまとめて示す。

ここで、ω_ｃｃ，ｄはｄ軸電流応答の設計パラメータ、ω_ｃｃ，ｑはｑ軸電流応答の設計パラメータ、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、Ｒは巻線の抵抗値を示す。

このように、本実施の形態１における電動機の駆動装置は、電流指令値と電流検出値との差である電流偏差に基づいて推定される磁束推定値を、電動機１０への印加電圧に反映させている。これにより、電動機１０の安定性に与える悪影響を抑制することができ、種々の誤差を個別に補償することなく、電動機１０を広範囲の運転領域で安定に駆動することができる。さらに、回転数の急変時であっても、電流の乱れを生じないといった従来技術では得ることのできない優れた効果を得ることができる。

また、図１に示すように、三相座標をｄｑ軸に座標変換してｄ軸ｑ軸のそれぞれについて、電流指令値と電流検出値との偏差を積分することで、簡易な構成でｄ軸ｑ軸それぞれの電機子鎖交磁束を推定することが可能となる。

ただし、本発明自体は、任意の座標軸上で実施可能であり、その実施をｄｑ座標系だけに限定するものではない。

以上のように、実施の形態１によれば、電流指令値と電流検出値との差である電流偏差に基づいて電機子鎖交磁束を推定し、電機子鎖交磁束の推定値、電流偏差、および電動機の回転速度に基づいて電動機に印加する電圧値を決定している。この結果、電動機に流れる電流を広範囲の運転条件にわたって可変制御することができ、種々の制御誤差を個別に補償することなく、電動機を安定に駆動することができる電動機の駆動装置および電動機の駆動方法を得ることができる。

実施の形態２．
本実施の形態２では、電動機の駆動装置の駆動対象となる電動機１０として、永久磁石を有する永久磁石式同期電動機を対象とする場合に好適な形態ついて説明する。本実施の形態２に係る電動機の駆動装置の構成は、図１に示す先の実施の形態１に係る電動機の駆動装置の構成と同じである。

先の実施の形態１における駆動対象である電動機１０として、永久磁石を有する永久磁石式同期電動機を用いた場合には、その始動時において、電機子鎖交磁束の推定値と実際の値との間に差異を生じる。なぜなら、先の実施の形態１における磁束推定器１は、積分器の初期値がゼロであるため、電機子鎖交磁束推定値もまたゼロであった。これに対して、電動機１０が永久磁石式同期電動機１０の場合には、駆動を始める以前に（電動機に電流が流れる以前に）永久磁石が作る磁束が電機子に鎖交しており、電機子鎖交磁束が非ゼロであるためである。

そこで、本実施の形態２では、磁束推定器１内の積分器の初期値として、永久磁石磁束の電機子鎖交成分に相当する値を予め設定する。具体的な設定例としては、ｄ軸電機子鎖交成分側の積分器の初期値として、トルク定数もしくは逆起電圧定数の測定値を極対数で除したもの設定し、ｑ軸電機子鎖交成分側の初期値として、ゼロを設定する。あるいは、電動機１０の設計値を用いてもよく、この場合、ｄ軸成分が非ゼロの有限値、ｑ軸側がゼロとなる。なお、ｑ軸側の初期値であるゼロは、必ずしも完全にゼロである必要はなく、略ゼロであってもよい。

以上のように、実施の形態２によれば、電動機の駆動装置の駆動対象となる電動機として、永久磁石を有する永久磁石式同期電動機を対象とする場合には、磁束推定器１内の積分器の初期値として、適切な値を予め設定する構成を備えている。これにより、電動機の始動時における制御特性が良好となる電動機の駆動装置および電動機の駆動方法を得ることができる。

実施の形態３．
本実施の形態３では、電動機の駆動装置の駆動対象となる電動機１０として、界磁巻線を有する回転界磁型同期電動機と呼ばれる種類の電動機１０を対象とする場合に好適な形態について説明する。

図４は、本発明の実施の形態３に係る電動機の駆動装置の構成を示す例示図である。図４に示す電動機の駆動装置は、磁束推定器１ａ、電流制御器２ａ、ｄｑ／ｕｖｗ変換器３、電圧出力器４、電流検出器５、ｕｖｗ／ｄｑ変換器６、微分器７、界磁巻線電圧出力器８、および界磁巻線電流検出器９を備えて構成される。

また、図４には、電動機の駆動装置の他にも、電動機の駆動装置によって駆動される回転界磁型同期電動機１０ａと、回転界磁型同期電動機１０ａの回転子の電気角を検出する電気角検出器３１が示されている。そして、電気角検出器３１により検出される回転角検出値は、θとして図示されており、この回転角検出値θは、ｄｑ／ｕｖｗ変換器３、ｕｖｗ／ｄｑ変換器６、および微分器７に与えられる。

以下、図４を参照しながら、本発明の実施の形態３に係る電動機の駆動装置の各構成要素の機能について、特に、先の実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。

駆動の対象となる回転界磁型同期電動機１０ａは、固定子の三相巻線に加えて、回転子にも回転界磁用の巻線が存在している。そして、この回転界磁用の巻線は、通常、スリップリング等を介して回転界磁型同期電動機１０ａの外部に接続されている。

界磁巻線電流検出器９は、回転界磁用の巻線に流れる電流を検出する。この検出値を界磁巻線電流検出値（ｉ_ｆ）とし、図４に示す。また、界磁巻線に相当する座標軸を便宜上ｆ軸と呼ぶ。

外部より与えられるｆ軸電流指令値（ｉ_ｆ ^＊）と、ｆ軸電流検出値との偏差が計算され、これをｆ軸電流偏差（ｉ_ｆ ^〜）と呼ぶ。このｆ軸電流偏差（ｉ_ｆ ^〜）は、磁束推定器１ａ、および電流制御器２ａに与えられる。

図５は、本発明の実施の形態３に係る磁束推定器１ａの構成を示す例示図である。図５に示す磁束推定器１ａは、先の実施の形態１の磁束推定器１に加えて、界磁巻線が作る磁束のうち電機子に鎖交する成分を含めて推定を行う。すなわち、磁束推定器１ａは、ｄ軸電流偏差、ｑ軸電流偏差、およびｆ軸電流偏差とから、電機子鎖交磁束を推定する。この推定値のうちｄ軸成分をｄ軸電機子鎖交磁束推定値（φ_ｄ＾）と称し、また、ｑ軸成分をｑ軸電機子鎖交磁束推定値（φ_ｑ＾）称することは、先の実施の形態１の場合と同様である。

磁束推定器１ａは、具体的には、下式（７）の演算により磁束の推定を行なう。

ここで、Ｋ_ｆはｆ軸電機子鎖交磁束推定ゲインを示す。

電流制御器２ａは、電流偏差と電機子鎖交磁束推定値と回転速度（ω）から、電圧指令値を演算する。本実施の形態３においては、電流偏差は、前記のｄ軸電流偏差とｑ軸電流偏差とｆ軸電流偏差を指し、電機子鎖交磁束推定値は、前記のｄ軸電機子鎖交磁束推定値とｑ軸電機子鎖交磁束推定値を指す。また、回転速度は、前記の回転角検出値θを微分器７により微分した微分値に相当する値である。また、電圧指令値とは、電機子に流れる電流をその指令値に向けて収束させるために好適な電圧を意味し、本実施の形態３ではｄ軸成分とｑ軸成分および界磁巻線を示すｆ軸成分の各成分ごとに計算される。これらをそれぞれｄ軸電圧指令値（ｖ_ｄ ^＊）、ｑ軸電圧指令値（ｖ_ｑ ^＊）およびｆ軸電圧指令値（ｖ_ｆ ^＊）として図４に示す。

電流制御器２ａは、具体的には、下式（８）の演算を行なう。

ここで、Ｋ_Ｐｆはｆ軸比例ゲイン、Ｋ_Ｉｆはｆ軸積分ゲイン、Ｋ_Ｐｄｆはｄ軸ｆ軸交叉比例ゲイン、Ｋ_Ｐｆｄはｆ軸ｄ軸交叉比例ゲインを示す。

図６は、本発明の実施の形態３に係る電流制御器２ａの構成を示す例示図である。図６は、電流制御器２ａの演算を図示している。図６中でＰは比例制御を、Ｐ_Ｉは比例積分制御を示している。

この図６および上式（８）の示すところは、次のとおりである。ｆ軸電圧指令値は、ｆ軸電流偏差による比例積分制御とｄ軸電流偏差による比例制御との和によって決定されるということを意味している。また、ｄ軸電圧指令値は、ｄ軸電流偏差による比例積分制御とｆ軸電流偏差による比例制御の和から、ｑ軸電機子鎖交磁束推定値と回転速度との積が減算されて決定されるということを意味している。また、ｑ軸電圧指令値は、ｑ軸電流偏差による比例積分制御から、ｄ軸電機子鎖交磁束推定値と回転速度との積が加算されて決定されるということを意味している。

電圧出力器４は、実施の形態１と同様に、三相電圧指令値に略一致する電圧を、駆動対象である回転界磁型同期電動機１０ａに印加する。当該部分のハードウェア構成は、三相電圧形インバータに準じた構成であり、電圧出力器４は、パルス幅変調された電圧を回転界磁型同期電動機１０ａの三相に対して印加するものである。

一方、界磁巻線に電圧を印加する部分のハードウェア構成である界磁巻線電圧出力器８は、単相インバータ回路が好適である。そして、この界磁巻線電圧出力器８は、電圧出力器４と同様に、パルス幅変調された電圧を回転界磁型同期電動機１０ａの界磁巻線に印加する。

なお、本実施の形態３における各種ゲインの設定の一例について、下式（９）にまとめて示す。

ここで、ω_ｃｃ，ｆはｆ軸電流応答の設計パラメータ、Ｍ_ｄｆはｄ軸とｆ軸の相互インダクタンス、Ｌ_ｆはｆ軸のインダクタンス、Ｒ_ｆはｆ軸の抵抗を示す。記載のないそれ以外のゲインは、先の実施の形態１において示した上式（６）と同様の設定である。

以上のように、実施の形態３によれば、電動機の駆動装置の駆動対象となる電動機として、界磁巻線を有する回転界磁型同期電動機を対象とする場合には、回転界磁用の巻線をさらに考慮して、界磁巻線電流偏差に基づいて、界磁巻線に印加する電圧値を決定している。この結果、回転界磁型同期電動機に流れる電流を広範囲の運転条件にわたって可変制御することができ、種々の制御誤差を個別に補償することなく、回転界磁型同期電動機を安定に駆動することができる電動機の駆動装置および電動機の駆動方法を得ることができる。

１、１ａ磁束推定器、２、２ａ電流制御器、３ｄｑ／ｕｖｗ変換器、４電圧出力器、５電流検出器、６ｕｖｗ／ｄｑ変換器、７微分器、８界磁巻線電圧出力器、９界磁巻線電流検出器、１０電動機、１０ａ回転界磁型同期電動機、１１ｄ軸インダクタンス乗算器、１２ｄ軸電流設計応答乗算器、１３ｄ軸積分器、１４ｑ軸インダクタンス乗算器、１５ｑ軸電流設計応答乗算器、１６ｑ軸積分器、１７相互インダクタンス乗算器、１８ｆ軸電流設計応答乗算器、２１ｄ軸電流比例積分制御器、２２ｑ軸磁束推定値に対する回転速度乗算器、２３ｑ軸電流比例積分制御器、２４ｄ軸磁束推定値に対する回転速度乗算器、２５ｆ軸電流比例積分制御器、２６ｄ軸ｆ軸交叉比例制御器、２７ｆ軸ｄ軸交叉比例制御器、３１電気角検出器。

Claims

電動機として界磁巻線を有する回転界磁型同期電動機を適用し、前記電動機に印加する電圧値を制御して、前記電動機に流れる電流を電流指令値に追従させることにより前記電動機を駆動制御する電動機の駆動装置であって、
前記電動機に流れる電流を電流検出値として検出する電流検出器と、
前記電流指令値と前記電流検出値との差を電流偏差として演算する電流偏差演算器と、
前記電流偏差に基づいて前記電動機の電機子を鎖交する電機子鎖交磁束を推定する磁束推定器と、
前記電機子鎖交磁束の推定値、前記電流偏差、および前記電動機の回転速度に基づいて前記電動機に印加する前記電圧値を決定する電流制御器と、
前記電流検出器が出力する前記電流検出値を、三相座標系からｄｑ座標系に変換するｕｖｗ／ｄｑ変換器と、
前記電流制御器が出力する前記電圧値を、前記ｄｑ座標系から前記三相座標系に変換するｄｑ／ｕｖｗ変換器と、
前記界磁巻線に流れる電流であるｆ軸電流検出値を検出する界磁巻線電流検出器と、
外部から与えられるｆ軸電流指令値と前記ｆ軸電流検出値との差をｆ軸電流偏差として演算するｆ軸電流偏差演算器と
を備え、
前記電流偏差演算器は、前記ｄｑ／ｕｖｗ変換器が出力する前記ｄｑ座標系の電流検出値と、ｄｑ座標系として与えられる電流指令値との差をｄ軸電流偏差およびｑ軸電流偏差として演算し、
前記磁束推定器は、前記ｄ軸電流偏差と前記ｆ軸電流偏差の和を積分することで前記電機子鎖交磁束のｄ軸成分を推定するｄ軸積分器と、前記ｑ軸電流偏差を積分することで前記電機子鎖交磁束のｑ軸成分を推定するｑ軸積分器とを有し、
前記電流制御器は、前記電機子鎖交磁束のｄ軸成分およびｑ軸成分の推定値と、前記ｄ軸電流偏差および前記ｑ軸電流偏差と、前記ｆ軸電流偏差と、前記電動機の回転速度とに基づいて前記電動機に印加する前記電圧値を前記ｄｑ座標系として決定するとともに、前記界磁巻線に印加する電圧値を決定する
電動機の駆動装置。
電動機として界磁巻線を有する回転界磁型同期電動機を適用し、前記電動機に印加する電圧値を制御して、前記電動機に流れる電流を電流指令値に追従させることにより前記電動機を駆動制御する制御部を備えた電動機の駆動装置で実行される電動機の駆動方法であって、
前記制御部は、
前記電動機の回転速度を読み取る回転速度読み取りステップと、
電流検出器により前記電動機に流れる電流を電流検出値として検出する電流検出ステップと、
前記電流指令値と前記電流検出値との差を電流偏差として演算する電流偏差演算ステップと、
前記電流偏差に基づいて前記電動機の電機子を鎖交する電機子鎖交磁束を推定する磁束推定ステップと、
前記電機子鎖交磁束の推定値、前記電流偏差、および前記電動機の前記回転速度に基づいて前記電動機に印加する前記電圧値を決定する電流制御ステップと、
前記電流検出ステップで出力される前記電流検出値を、三相座標系からｄｑ座標系に変換するｕｖｗ／ｄｑ変換ステップと、
前記電流制御ステップで出力される前記電圧値を、前記ｄｑ座標系から前記三相座標系に変換するｄｑ／ｕｖｗ変換ステップと、
前記界磁巻線に流れる電流であるｆ軸電流検出値を検出する界磁巻線電流検出ステップと、
外部から与えられるｆ軸電流指令値と前記ｆ軸電流検出値との差をｆ軸電流偏差として演算するｆ軸電流偏差演算ステップと
を有し、
前記電流偏差演算ステップは、前記ｄｑ／ｕｖｗ変換ステップで出力される前記ｄｑ座標系の電流検出値と、ｄｑ座標系として与えられる電流指令値との差をｄ軸電流偏差およびｑ軸電流偏差として演算し、
前記磁束推定ステップは、前記ｄ軸電流偏差と前記ｆ軸電流偏差の和を積分することで前記電機子鎖交磁束のｄ軸成分を推定し、前記ｑ軸電流偏差を積分することで前記電機子鎖交磁束のｑ軸成分を推定し、
前記電流制御ステップは、前記電機子鎖交磁束のｄ軸成分およびｑ軸成分の推定値と、前記ｄ軸電流偏差および前記ｑ軸電流偏差と、前記ｆ軸電流偏差と、前記電動機の回転速度とに基づいて前記電動機に印加する前記電圧値を前記ｄｑ座標系として決定するとともに、前記界磁巻線に印加する電圧値を決定する
電動機の駆動方法。