WO2005112249A1

WO2005112249A1 - 同期機制御装置

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Publication number: WO2005112249A1
Application number: PCT/JP2005/008013
Authority: WO
Inventors: Akira Satake; Atsuo Haishi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-05-14
Filing date: 2005-04-27
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2006-11-14
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Abstract

　電力変換器の出力電流の制限を考慮しながら、所望の指令トルクに出来るだけ近いトルクを発生することが出来るような、同期機制御装置を得ることを目的とするものである。　トルク指令τ*と磁束指令φ*とからトルク電流指令iδ**を演算するトルク電流演算器１５と磁化電流指令iγ*と電流制限値imaxとに基づき発生可能なトルク電流指令最大値iδ*maxを発生するトルク電流制限発生器１４とiδ*maxに基づきiδ**に制限を加えるリミッタ１６とからなるトルク電流指令発生器９、このトルク電流指令発生器９からのiδ*に基づき磁束指令φ*を演算する磁束指令発生器１０、電機子電流帰還値に基づき電機子鎖交磁束帰還値｜Φ｜を演算する磁束演算器５、およびφ*と｜Φ｜とが一致するように磁化電流指令iγ*を作成してトルク電流指令発生器９に入力する磁束制御器１３を備えた。

Description

明細書

同期機制御装置

技術分野

[0001] 本発明は、永久磁石モータやリラクタンスモータなどの同期機の制御装置に関するものである。

背景技術

[0002] 永久磁石モータやリラクタンスモータなどの同期機の制御においては、従来は回転子に対して一定の位相方向に電機子電流ベクトルが向くように制御してきた。例えば、従来の永久磁石モータでは、電機子電流ベクトルを回転子の永久磁石磁束軸と直交する方向に制御し、所望のトルクに比例して電機子電流ベクトルの絶対値を制御する。

一方、近年、回転子の突極性により発生するリラクタンストルクを利用する同期機の適用が進んでいる力これらのモータでは、電機子電流ベクトルの絶対値と発生トルクとが比例しないことが知られており、この場合、従来の制御方式では高精度なトルク制御が難しい。また、永久磁石モータの回転速度が上昇すると、永久磁石磁束による誘起電圧のため電機子電圧が上昇して制御装置の出力可能電圧を超えるため、これを防ぐため永久磁石磁束軸方向に負の電機子電流ベクトル (弱め電流)を発生させて電機子鎖交磁束を小さくする弱め磁束制御が行われるが、弱め電流が同じでも発生トルクが異なると電機子電圧は変化するため、変動するトルクに対して電機子電圧を所望の値に制御することは、従来の制御方式は困難であった。

[0003] このような課題を解決する手段としては、例えば、特許文献 1に記載された技術が開示されている。特許文献 1に開示された技術は、同期機が所望のトルクと電機子電圧を発生するような電機子鎖交磁束指令とそれに直交する電機子電流（トルク電流）指令を生成する一方、電機子電流より磁束演算を行って求められる電機子鎖交磁束が前記磁束指令と一致するように磁束軸方向の電流 (磁化電流)指令を決定した後、トルク電流指令と磁化電流指令から回転子 dq軸方向の電流指令を生成するものである。 [0004] 特許文献 1 :特開平 10— 243699号公報 (段落 0038〜0040、第 1図、第 3図）発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] 従来の同期機制御装置は、トルク指令と回転速度とから磁束指令を算出する。そして、磁束指令の上限は、回転速度で電力変換器の最大出力電圧を除した値で決定される力モータ端子電圧がこの最大出力電圧に達しない場合は、トルク指令に対して所望のモータ性能が最大となるような最適な磁束指令を与える必要がある。ここで所望のモータ性能とは、例えば、トルク Z電機子電流比、あるいはトルク Z消費電力比のことを指す。従来の同期機制御装置では、このトルク指令と磁束指令から、トルク電流指令と磁化電流指令を算出する。

ところで、電力変には出力可能な最大出力電流が存在し、トルク電流指令と磁化電流指令との合成電流はこの最大出力電流を超えないように制限する必要がある。従来の同期機制御装置においては、磁束指令はトルク指令と回転速度とから決定されるので、この電流制限を考慮しながら、上記の最適な磁束指令を求めることができな、という問題点があった。

[0006] この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものである。即ち、この発明は、電力変の出力電流の制限を考慮しながら、所望の指令トルクに出来るだけ近いトルクを発生することが出来るような、同期機制御装置を得ることを目的とするものである。

課題を解決するための手段

[0007] この発明に係る同期機制御装置は、トルク指令から電機子電流指令を発生し該電機子電流指令に基づき電力変換器により同期機の電機子電流を制御する同期機制御装置であって、

トルク指令と磁束指令とから電機子電流指令のトルク成分であるトルク電流指令を演算するトルク電流演算器と電機子電流が電力変の電流制限値を越えないよう電機子電流指令の磁化成分である磁化電流指令と上記電流制限値とに基づき発生可能なトルク電流指令最大値を発生するトルク電流制限発生器と上記トルク電流指令最大値に基づきトルク電流指令に制限を加えるリミッタとからなるトルク電流指令発生器、このトルク電流指令発生器力のトルク電流指令に基づき磁束指令を演算する磁束指令発生器、同期機の電機子電流または電機子電流および電機子電圧に基づき電機子鎖交磁束を演算する磁束演算器、および磁束指令と上記電機子鎖交磁束とがー致するように磁化電流指令を作成してトルク電流指令発生器に入力する磁束制御器を備えたものである。

発明の効果

[0008] この発明によれば、トルク電流指令は、磁束指令と磁化電流指令とを参照しながら算出されるので、電力変換器の出力電流の制限を考慮することが出来、また、磁束指令はトルク電流指令を参照しながら算出されるので、上記の出力電流制限によるトルク電流指令の変動を反映した最適なものとすることが出来る。

発明を実施するための最良の形態

[0009] 実施の形態 1.

図 1は、この発明の実施の形態 1における同期機制御装置を示す構成図である。同期機 1は、電力変である三相ドライブ回路 2に電機子卷線が接続されて駆動されており、電機子卷線の電流は電流センサ 3によって検出される。また、同期機 1の回転子位相（電気角） Θは、回転子位置センサ 4によって検出されている。

磁束演算器 5は、図 6、 7で後述するように、例えば、三相電機子電流帰還値 iu,iv,iwと三相電圧指令 vu*,w*,vw* (但し、図では、 vu,w,vwと略記している）とから電機子鎖交磁束の絶対値 | Φ |および位相 Z Φを算出する。

[0010] 電機子電流の制御は、電機子鎖交磁束位相 Ζ Φの方向（ γ軸）およびその直交方向（ δ軸）の 2軸上で行われるため、電機子電流帰還値 iu,iv,iwは、座標変換器 7により γ δ軸上の電流 ί γ -,i δ -に変換される力この時、 γ軸電流が電機子電流の磁ィ匕成分である磁化電流に、 δ軸電流が電機子電流のトルク成分であるトルク電流にそれぞれ相当する。

電機子電流制御器 6は、電機子電流 i γ -,ί δ -を γ δ軸上での所望の電機子電流指令 i γ *,i δ *に一致させるように電流制御演算を行 \ γ δ軸上の電圧指令 ν γ ,ν δを出力する。そして、この電圧指令 ν γ ,ν δは、座標変換器 8により三相電圧指令 vu*,w*,vw*に変換され、三相ドライブ回路 2に出力される。 [0011] 一方、トルク電流指令発生器 9は、与えられたトルク指令 τ *より γ軸電流 (磁化電流)指令 i Ύ *、磁束指令 Φ*を参照しながら δ軸電流（トルク電流)指令 i δ *を算出する。

磁束指令発生器 10は、 δ軸電流指令 i δ *から、回転子位相 Θを微分器 11で微分して求めた回転速度 ωを参照しながら、磁束指令 Φ*を算出する。また、加算器 12は、磁束演算器 5より出力された電機子鎖交磁束の絶対値 | Φ |を磁束指令 Φ*から減じて磁束誤差を算出し、磁束制御器 13は、この磁束誤差が 0になるように γ軸電流指令 i γ *を調節する。

[0012] 図 2は、トルク電流指令発生器 9の内部構成を示す。図 1に示す制御系では、電機子鎖交磁束と γ軸とがー致するように制御は行われるため、同期機 1の発生するトルク τと δ軸電流 i δとの間には（1)式の関係がある。但し、 ρρは同期機 1の極対数である。

[0013] [数 1]

[0014] 磁束制御が良好に行われていれば、磁束絶対値 | Φ |と磁束指令 Φ*とは一致しているので、トルク電流演算器 15は、（1)式の | Φ |を磁束指令 Φ*に置き換えた式により、 δ軸電流指令中間値 i δ **を算出する。トルク電流制限発生器 14は、 γ軸電流指令 i γ *および電流制限値 imaxを用いて、（2)式に従、 δ軸電流指令最大値 i δ *maxを算出する。

[0015] [数 2]

[0016] リミッタ 16は、 δ軸電流指令中間値 i δ **を δ軸電流指令最大値 i δ *maxにより制限して δ軸電流指令 i δ *を出力する。

[0017] 図 3は、磁束指令発生器 10の内部構成を示す。最適磁束指令演算器 17は、入力された δ軸電流指令 i δ *に最適な磁束指令を出力するが、その概念について図 4、 5を参照して以下に説明する。

永久磁石モータ（ΙΡΜモータのようにリラクタンストルクを利用するものを含む）やリラクタンスモータにおいては、図 4に示すように、絶対値一定の電流ベクトルの回転子 d 軸からの位相を変化させると、同図（b)に示すように、トルクが最大となる位相が存在する。

ここで、 d軸は、永久磁石モータの回転子では永久磁石磁束軸が相当し、これに直交する軸が q軸に相当する。

[0018] 例えば、 IPMモータのように、 d軸より q軸のインダクタンスが大きい逆突極性のモータの場合には、図 4に示すように、電流ベクトルの位相が 90° より大きいある角度でトルクが最大になる。なお、鉄心の磁気飽和がなければ、この最適な電流位相は、電機子電流の大きさに拘わらず一定であるが、実際のモータでは、磁気飽和によりィンダクタンスが変化するので、リラクタンストルクの影響により、最適電流位相は、電機子電流の大きさにより変化する。

例えば、通常の IPMモータの場合、電機子電流が小さい状態では磁気飽和が無いので、位相 Pは 90° より大きく（例えば 110° 程度）にした方がトルクが大きくなる 1S 電機子電流が大きくなると、主に電流が流れている q軸方向に磁気飽和が発生し、 q軸インダクタンスと d軸インダクタンスとの差が小さくなり、このため位相を小さく（例えば 100° 程度に）した方力トルクが大きくなる。

[0019] ここで、この最適電流位相状態での、電機子電流と磁束の関係について検討してみる。図 4 (b)のトルク最大状態でのモータのベクトル図を図 5に示す力電機子鎖交磁束 Φは、電流ベクトル iにより生じる電機子反作用磁束 Φ aと永久磁石磁束 Φ mとの合成で表され、この電機子鎖交磁束 Φに直交する方向を δ軸とすれば、電流べタトル iの δ軸方向成分が δ軸電流 i δである。

従って、電機子電流絶対値とこの絶対値より決まる最適電流位相からなる電流べタトル iが決まれば、 δ軸電流 i δおよび電機子鎖交磁束 Φの絶対値が一意に決定されることになる。このことから、トルク最大条件においては、 δ軸電流 i δと磁束絶対値 | Φ |との間に一対一の関係が成り立つことが理解できる。なお、以上の磁束絶対値 | Φ Iの決定は電圧の制限に考慮されずに行われることに注意すべきである。

[0020] 図 3に戻り、最適磁束指令演算器 17は、この δ軸電流 i δと磁束絶対値 I Φ Iの関係を数式やテーブルデータの形で格納しており、入力された δ軸電流指令 i δ *に従い最適な磁束絶対値である最適磁束指令 Φ**を出力する。なお上記の説明では、発生トルクが最大となるように δ軸電流指令 i δ *と最適磁束指令 Φ**とを関係付けたが、運転目的に応じて、例えば、効率最大という目標でもよぐ一般に所望の性能が最大となるような δ軸電流指令 i δ *と最適磁束指令 Φ**との関係付けを行えば、その目的に応じた運転特性を得ることが出来る。

なお、例えば、効率最大となるような δ軸電流指令 i δ *と最適磁束指令 Φ**との関係付けを行う場合は、鉄損の影響を考慮するためにモータ回転数を要因として参照し、モータ回転数が上昇すると最適磁束指令 Φ**を下げるような調整を行えば、より特性を向上させることも可能である。

[0021] 磁束制限発生器 18は、電力変翻 (三相ドライブ回路）が出力可能な電圧を基に、モータ回転速度 ω (同ブロック内制限特性図の横軸）に応じた磁束指令最大値を 0>*max (同特性図の縦軸)を算出する。リミッタ 19は、最適磁束指令演算器 17からの最適磁束指令 Φ **を磁束指令最大値 Φ *maxにより制限して磁束指令 Φ *を出力する。

[0022] なお、図 1の構成においては、トルク電流指令発生器 9と磁束指令発生器 10との間で計算が循環的になるという問題がある。即ち、図 1の構成でそのまま信号の処理をすると、トルク指令て *→ (トルク電流指令発生器 9)→トルク電流指令 i δ *→ (磁束指令発生器 10)→磁束指令 Φ*→ (トルク電流指令発生器 9)→トルク電流指令 i δ *· ·、というループが出来ており、入力されたトルク指令て *に対してトルク電流指令 i δ *および磁束指令 Φ*を確定するには、トルク電流指令発生器 9および磁束指令発生器 1 0の演算を繰り返し行い収束させる必要があり、一般に大きな演算時間が必要になる。あるいは、条件によっては演算が収束しないという問題が出てくる可能性がある。

[0023] しかし、若干の演算精度の低下を許容すれば、例えば、以下に示す対策を施すことで上記問題は回避できる。即ち、実際の装置で上記処理をマイコンを用いて所定の演算周期で処理する際に、例えば、トルク電流指令発生器 9が使用する磁束指令 Φ*に前回の演算結果を用い、この指令値を用いて計算した δ軸電流指令 i δ *によつて磁束指令発生器 10が今回の磁束指令 Φ*を算出する方法で考えられる。また、磁束指令発生器 10において、磁束指令 Φ*の値を適切なフィルタを通して出力することで、演算処理の安定性を高めるようにすることが出来る。

[0024] また、図 1〜3の説明では、トルク電流指令発生器 9での演算に磁束指令 Φ*および γ軸電流指令 ί γ *を用いているが、替わりに、実際値である磁束絶対値 | Φ |および γ 軸電流帰還値 ί γ -を用いてもよい。また、磁束指令発生器 10での演算に δ軸電流指令 i δ *を用いている力替わりに、実際値である δ軸電流帰還値 i δ -を用いてもよい。これらの変更により、制御演算が、実際値が含むノイズの影響を受けやすくなるものの、上記の演算が循環的になるという問題を回避することが出来る。

[0025] 次に、図 6に、磁束演算器 5の内部の構造の一例を示す。図 6において、座標変換器 20は、三相電機子電流 iu,iv,iwを、回転子位相 Θを用いて回転子軸上の dq座標電流 id,iqに変換する。電流型磁束演算器 21では、 dq軸電流 id,iqより電機子鎖交磁束 Φの絶対値 | Φ |と同磁束の d軸からの位相 Δ Θとを求める。

永久磁石モータにおいては、電流と磁束の間に（3)式に示す関係が成立する。

[0026] [数 3]

' ₍ί ^{= L}d ^ld + "

φ I q = L q I q

[0027] 但し、 φ dは d軸磁束、 φ qは q軸磁束、 Ldは d軸インダクタンス、 Lqは q軸インダクタンス、 φ mは永久磁石磁束である。なお、リラクタンスモータでは、 φ πι=0とした（3)式が成立する。 dq軸磁束 φ d, φ qより、電機子鎖交磁束の絶対値 | Φ |および同磁束の d 軸からの位相 Δ Θは（4)式で求められる。

[0028] [数 4]

[0029] 加算器 22は、回転子位相 Θと電機子鎖交磁束 Φの d軸力もの位相 Δ Θとを加算して、電機子鎖交磁束 Φの位相 Z Φを求める。なお、 dq軸インダクタンスは磁気飽和のために dq軸電流により値が変化することが知られて、るが、予め dq軸電流と dq軸インダクタンスとの関係を数式あるいはテーブルの形で記憶しておき、 dq軸電流に応じて（3)式に用いる dq軸インダクタンスの値を変化させることにより、インダクタンス変動による磁束推定の誤差を低減することができる。

[0030] 図 7は、磁束演算器 5の、図 6とは異なる例を示したものである。図 7において、座標変換器 20は図 6と同様であり、座標変換器 23は、電機子の三相電圧 vu,w,vwを、回転子位相 Θを用いて回転子軸上の dq座標電圧 vd,vqに変換する。微分器 25は回転子位相 Θを微分して、回転子の電気角速度 ωを求める。

電圧型磁束演算器 24では、 dq軸電圧 vd,vqおよび dq軸電流 id,iqより、電機子鎖交磁束 Φの絶対値 | Φ |と同磁束の d軸からの位相 Δ Θとを求める。永久磁石モータにおいては、電流、電圧と磁束との間に（5)式に示す関係が成立する。

[0031] [数 5]

[0032] 但し、 Rは電機子抵抗、 sは微分演算子である。なお（5)式にお、て、電流の変化が緩やかである場合には微分演算子 sを含む項は無視してもよぐこの場合（5)式は以下の（6)式のように変形される。

[0033] [数 6]

[0034] 更に、電機子抵抗 Rがその他の項に比較して小さ!/、場合には、これを含む項を無視してちよい。

一方、電機子抵抗 Rは、同期機 1の温度によって変化するので、同期機 1の温度を検出して電機子抵抗 Rの値を補正すれば、磁束推定の精度を向上させることが出来る。（5)式または（6)式により求められた dq軸磁束 (H qより、図 6の場合と同様に、電機子鎖交磁束の絶対値 I Φ Iおよび同磁束の位相 Φを求めることができる。

なお、図 1において、磁束演算器 5は、電機子電流には帰還値を、電機子電圧には指令値を入力して演算に使用しているが、逆に、前者に指令値を、後者に帰還値を使用してもよぐまた、双方に指令値か帰還値かのいずれかを使用するようにしてもよい。

[0035] なお、上記のような電圧より磁束の絶対値と位相を求める計算は、回転子位相 Θを用いずに行うようにしてもよい。具体的には、三相電圧 vu,w,vwより三相電流 iu,iv,iw による抵抗電圧降下分を減じた値を極座標変換して、その絶対値を回転子電気角速度 ωで除したものを電機子鎖交磁束絶対値 I Φ |、その位相から 90° を減じた（ ω >0の場合)あるいは 90° をカ卩えた（ωく 0の場合)ものを電機子鎖交磁束位相 Ζ Φ とすればよぐこの方法は計算が簡便になるという利点がある。

[0036] 図 6に示すような電流型磁束演算器を持つ磁束演算器は、回転速度にかかわらず磁束の推定が可能であるが、（3)式に示すように磁束演算にインダクタンス値を使用するので、飽和等によるモータ特性の変動の影響を受けやすい。一方、図 7に示すような電圧型磁束演算器を持つ磁束演算器で、（6)式で演算するものでは、インダクタンス値を用いないのでモータ特性の変動の影響を受けにくいが、回転速度が小さく電機子電圧が低い場合には、推定精度が低下することがある。これらの問題を解決する方法として、電流型磁束演算器と電圧型磁束演算器とを併用して、回転速度が小さい領域では電流型を主に使用し、回転速度が上昇すると電圧型を主に使用するように、磁束演算器を切り替える、あるいは回転速度を参照した重み付けを行いながら二つの磁束演算器の出力を平均化するなどの方法を用いることも出来る。

[0037] 実施の形態 2.

図 8は、この発明の実施の形態 2における同期機制御装置を示す構成図である。本形態は、三相ドライブ回路 2の直流電源電圧が可変である場合の構成を示しており、 1〜9および 11〜13は実施の形態 1のものと同様である。

[0038] ここで、三相ドライブ回路 2の直流電源電圧を可変とする利点等について説明する一般に、電力変であるインバータの直流電源電圧は、使用する電源 (バッテリ一あるいは交流電源）により決定される。一方、永久磁石モータは、回転数に概ね比例した誘起電圧を発生するので、モータ電圧をインバータの上限以下に制限しながら回転数を大きくするには、永久磁石磁束を打ち消すような弱め電流を電機子に流して、弱め磁束運転を行う必要がある。

この弱め電流は、トルクの発生に寄与しない無効電流であるため、弱め磁束運転が必要な領域では永久磁石モータの効率は著しく低下する。また、インバータの最大電流が制限されているので、弱め電流の分だけトルク発生に使用できる電流が減少し、トルクが低下する。

[0039] これに対して、 DC— DCコンバータなどにより直流電源電圧を可変として直流電源電圧を高くすることが出来れば、上記の弱め磁束運転を行う必要のある回転数上限を高めることが出来、より高い回転数まで高効率 '大トルクで運転することが可能になる。

一方、 DC— DCコンバータはそれ自体が損失を発生し、一般にインバータのスイツチング損失は直流電源電圧が高いほど大きくなるので、回転数が低く弱め磁束運転の必要がな！ヽ運転領域では、直流電源電圧を高くしな！、方がシステム全体として効率が良くなる。従って、直流電源電圧を必要に応じて可変にする方式には、以上のような禾 IJ点がある。

[0040] 図 8に戻り、磁束指令発生器 10aが発生する直流電圧指令 vdc*により、可変電圧電源 26は三相ドライブ回路 2に供給する直流電源電圧を操作する。可変電圧電源² 6の出力電圧範囲には制限があり、また三相ドライブ回路 2が出力する電力等により、実際に可変電圧電源 26が出力する直流電圧である直流電圧帰還値 vdc-は、直流電圧指令 vdc*とは一致しない場合がある。磁束指令発生器 10aは、直流電圧帰還値 vdc-と回転速度 ωを参照しながら磁束指令 Φ*を決定する。

[0041] 図 9は、磁束指令発生器 10aの内部構成を示したものである。 δ軸電流指令 i δ *より最適磁束指令演算器 17は、図 3同様に電圧の制限を考慮しない最適磁束指令 Φ **を出力する。乗算器 27は、最適磁束指令 Φ**に回転速度 (帰還値） ωを乗算して、最適磁束指令 Φ**を発生するのに必要な電圧を算出する。加算器 30は、この電圧に制御余裕および抵抗電圧降下分電圧である電圧余裕 A vdcを加算し、直流電圧指令 vdc*を算出して出力する。

一方、可変電圧電源 26からフィードバックされた実際の直流電圧帰還値 vdc-より、加算器 31により制御余裕および抵抗電圧降下分電圧である電圧余裕 A vdcを減算して磁束分電圧を求め、これを除算器 28において回転速度 ωにより除算して発生可能な磁束指令最大値 0>*maxが算出される。リミッタ 29は、最適磁束指令 Φ**を磁束指令最大値 0>*maxにより制限し、最終的な磁束指令 Φ*が算出される。

[0042] 従って、可変電圧電源 26が、直流電圧帰還値 vdc-を直流電圧指令 vdc*に確実に追従させる制御が実現している条件下では、最適磁束指令演算器 17で求められた、トルクを最大とする最適磁束指令 Φ**を補償するための直流電圧指令 vdc*に一致する直流電圧帰還値 vdc-が供給されることになり、従って、その場合、リミッタ 29は実質的に磁束制限動作はせず、最適磁束指令 Φ **がそのまま磁束指令 Φ *として出力されること〖こなる。

[0043] なお、図 8の構成では、磁束指令発生器 10aは、直流電圧指令 vdc*を出力しながら直流電圧帰還値 vdc-を参照して磁束指令を決定するが、直流電源電圧の変動に対応するという目的であれば、直流電圧指令 vdc*を出力することなく直流電圧帰還値 vdc-を参照して磁束指令を決定するようにすればよいことは明らかであり、所望の効果が得られる。

また、直流電源電圧が直流電圧指令 vdc*のとおりに追従すると考えられる場合は、直流電圧帰還値 vdc-を参照する必要は無く、直流電圧帰還値 vdc-の替わりに直流電圧指令 vdc*を用いるようにすればよいことは自明である。この場合、直流電源電圧の電圧出力範囲には制限があるため、磁束指令発生器 10a内で直流電圧指令 vdc* にリミットをカ卩える必要がある。

[0044] なお、図 9の磁束指令発生器 10aの構成では、電圧余裕 Δ vdcの算出に電機子電流を参照していないが、電源利用率がより向上するように、電機子電流を参照して電圧余裕 Avdcを算出することも可能であることは言うまでもない。

[0045] 実施の形態 3.

図 10は、この発明の実施の形態 3を示すものである。

先の実施の形態 1のトルク電流指令発生器 9では、上位系力与えられるトルク指令て *は、その値をそのまま使用するものとした。

しかし、同期機 1のインダクタンスが大きい場合、電機子鎖交磁束 φを磁束指令 Φ* に一致させるにはトルク指令て *を制限する必要が生じることがある。図 10は、このトルク制限が必要な場合のトルク電流指令発生器 9の内部構成を示す図である。図において、トルク制限発生器 32は、磁束指令 Φ*を参照して、その磁束で発生しうる最大トルク τ *maxを出力し、リミッタ 33はこの最大トルク τ *maxにより元のトルク指令 τ *を制限して制限後のトルク指令て *を出力する。トルク電流制限発生器 14、トルク電流演算器 15およびリミッタ 16は、この制限後のトルク指令 τ *を用いて、図 2と同様な処理により δ軸電流指令 i δ *を算出する。

[0046] ここで、トルク制限発生器 32の演算例について説明する。同期機が非突極の永久磁石モータの場合、モータの発生するトルクは次式で示すことが出来る。

[0047] [数 7] て = PP 、 P_m ' ' ' ' ' ( 7 )

[0048] 一方、モータの電機子鎖交磁束 φの大きさは、次式で表すことが出来る。但し、 L は、モータのインダクタンスであり、非突極の場合は dq軸で同じ値である。

[0049] [数 8] + ) ² +

[0050] ここで、（8)式平方根内の第一項は、 d軸電流 idを負の値とすることにより 0にすることが可能であるが、第二項は、 q軸電流 iqの大きさにより決定される。即ち、電機子鎖交磁束 φを所望の値 φ *にしようとする場合、 q軸電流 iqは次式を満たす値である必要がある。 [0051] [数 9] '… ( 9 )

[0052] (7)式に（9)式を代入し、整理して次式を得る。

[0053] [数 10]

[0054] 以上の説明より、非突極の永久磁石モータの場合は、トルク制限発生器 32は（10) 式を用いて最大トルクて *maxを算出すればよいことがわかる。また、モータが、インダクタンスが負荷により変化する飽和特性を持つ場合や、モータの突極性の影響をカロ味する場合は、上記のような式の形ではなくテーブルの形で磁束指令 φ *と最大トルク τ *maxの関係を記憶しておいてもよいことは勿論である。

[0055] 実施の形態 4.

図 11は、この発明の実施の形態 4を示すものである。

先の実施の形態 1の磁束指令発生器 10では、その最適磁束指令演算器 17が、電機子電流絶対値一定でトルクを最大とする条件下で決定されるトルク電流と電機子鎖交磁束との関係に基づき磁束指令を演算するようにした場合について説明した。しかし、同期機 1の運転特性が予め分からない場合や、解析で得られた特性が実機の特性と異なる場合には、同期機 1の所望の性能が最大となるような δ軸電流指令 i δ *と最適磁束指令 Φ**の関連付けを学習的に生成または調整する必要が生じることがある。

図 11は、この δ軸電流指令 i δ *と最適磁束指令 Φ**の生成を学習的に行う必要力 Sある場合の最適磁束指令演算器 17の内部構成を示す図である。

[0056] 初期磁束指令演算器 34は、 δ軸電流指令 i δ *に対する初期の最適磁束指令の絶対値 10>**_init|との関係を数式やテーブルデータでの形で格納しており、入力された δ軸電流指令 i δ *に対して初期の最適磁束指令 0>**jnitを出力する。ここで、初期の最適磁束指令 0>**_initは、 δ軸電流指令 i δ *に対して出力可能な磁束指令の出力範囲内を取ればよぐ最適な磁束指令 Φ**が予め分力ない場合でも同期機 1 の代表的なモータ特性から大まかな初期値を与えることが可能である。

磁束指令調節器 35は、入力された初期最適磁束指令 0>**_initに対して上位から磁束調節指令 S_adjが入っている場合は、磁束指令 0>*_adjを所望の性能が最大となるように調節し、調節した磁束指令 Φ *_adjを最適磁束指令器 17の指令 Φ **として出力すると共に、入力されたトルク電流指令 i δ *に対応する磁束指令値 0>**_initの更新データとして初期磁束指令発生器 34の数式やテーブルデータを更新する。

上位カゝら磁束調節指令 S_adjがない場合は、磁束指令調節器 35は動作せず初期磁束指令発生器 34の出力 Φ **_initがそのまま最適磁束指令 Φ **となる。

[0057] 図 12に、所望の性能がトルクを最大とする条件の場合の磁束指令調節器 35の動作をフローチャートにて示す。

先ず、上位指令系から磁束調節指令 S_adjが入っているかどうかを判断する (ステツプ Sl)。ここで、磁束調節指令 S_adjは同期機 1を定トルクかつ定出力かつ三相ドライブ回路 2の電圧出力制限が力かっていない条件で運転している場合にのみ ONになるものとする。磁束調節指令 S_adj力 SONの場合は、磁束指令 0>*_adjを調節し、 OFF の場合は、ステップ S10に分岐して初期最適磁束指令 0>**_initを出力する。

[0058] 次に、調節する磁束指令 0>*_adjを出力可能な磁束指令値の最小値 Φ**_πήηで初期化 ·固定する (ステップ S 2)。この時、トルク指令て *は一定で運転しているため、トルク電流指令 i δ *は、（1)式からトルク指令て *を磁束指令 Φ**_πήηで除した値となる。磁束指令 0>*_adjが更新された後、トルク電流 i δおよび磁束絶対値 I Φ Iがそれぞれの指令値 i δ *_ adj , Φ*_ adjに収束するまで待機する (ステップ S3)。

[0059] トルク電流 i δおよび磁束絶対値 I Φ Iが指令値に収束後、電機子電流の絶対値 iaを電機子電流 iu,iv,iwから求める (ステップ S4)。さらに、絶対値 iaを電機子電流最小値 iajninと比較する (ステップ S5)。絶対値 iaが、電機子電流最小値 iajninと比較して小さい場合、この時のトルク電流指令 i δ *_ adjおよび磁束指令 Φ*_ adjをトルク最大条件を満たすトルク電流指令 i δ *と磁束指令 Φ*の組 (i δ *_ opt , Φ*_ opt )として保存する。また、電機子電流最小値 iajninを電機子電流絶対値 iaで更新する (ステップ S6 )。

[0060] 次に、ステップ S2で固定した磁束指令 0>*_adjを Δ Φだけ増分して更新'固定する（ステップ S7)。そして、この磁束指令が出力可能な磁束指令 0>**_maxを超えない場合は、再び、ステップ S3〜ステップ S7を繰り返す (ステップ S8)。

上記の動作を繰り返すと、一定のトルク指令 τ *に対して磁束指令 Φ*_ adjを最小値 φ**_πή_η力最大値 0>**__maxまで振った時に電機子電流 iaが最小となる (i δ *_ adj

, Φ*_ adj ),つまりトルク最大条件を満たすトルク電流と磁束のペアが (i δ *_ opt , Φ *_ opt )に格納される。

[0061] 最後に、上記の (i δ *_ opt , Φ*_ opt )を使用し、初期磁束指令発生器 34の数式またはテーブルデータを更新する (ステップ S9)。初期磁束指令発生器 34の数式またはテーブルデータの更新後は、磁束指令調整器 35の磁束指令 Φ*_ adjの固定を解除し、トルク電流指令 i δ *に対して更新後の (初期)磁束指令発生器 34の磁束指令 Φ ** jnitを最適磁束指令 Φ **として出力する (ステップ S 10)。

[0062] また、図 12のフローチャートにおいては、磁束指令調整器 35の磁束指令 Φ*_ adj を最小値から最大値まで Δ Φの分解能で動力して電機子電流 iaが最小となる磁束指令を求めているが、これを電機子電流が最小となる点を収束的に求めることで、演算時間を短縮することもできる。

図 13に上記 (i δ *_ opt , Φ*_ opt )を収束的に求める場合の磁束指令調節器 35の動作をフローチャートにて示す。

[0063] 図 13において、先ず、図 12と同様に、上位指令系から磁束調節指令が入っている力どうかを判断し (ステップ Sl)、 ONの場合は磁束指令を調節し、 OFFの場合はステップ S9に分岐して初期最適磁束指令 Φ** jnitをそのまま出力するものとする。

次に、磁束指令 0>*_adjを現在の磁束指令 0>**_initで固定する (ステップ S2)。その後、磁束 | Φ |およびトルク電流 i 5が指令値に収束するまで待機する (ステップ S3)。次に、この時の電機子電流絶対値 iaを測定した (ステップ S4)後に、次回の磁束指令と今回の磁束指令との差である磁束指令ステップ幅 Δ Φを演算する (ステップ S 5)。ここで、磁束指令のステップ幅は、磁束指令の始めの 3点は電機子電流絶対値の最小値を囲い込む 3点を取り、かつ、次の更新で電機子電流絶対値 iaの最小値を囲む 3点の磁束指令の幅の減少が最大となるようなステップ幅を選択するものとする。このようなステップ幅の選択法としては放物線補間と Brentの方法 (1次元)などが利用できる。

[0064] 次に、このステップ幅を磁束指令の最小増分幅、すなわち磁束指令の収束誤差 d

Φと比較する (ステップ S6)。もし、収束誤差 (1Φよりステップ幅 Δ Φが大きい場合は、磁束指令 Φ*— adjにステップ幅 Δ Φをカ卩えて更新 '固定し (ステップ S7)、再度 S3〜S6 のループを Δ Φが収束誤差 (1Φ以内に収束するまで繰り返す。

収束完了後、トルク電流指令と磁束指令のペア (i δ *_ adj , Φ*_ adj )はトルク最大条件を満足するトルク電流指令と磁束指令のペア (i δ *_ opt , Φ*_ opt )と等しくなる。このペアにより初期磁束指令発生器 34の数式またはテーブルデータを更新し (ステツプ S8)、トルク電流指令 i δ *に対して更新された初期最適磁束指令 0>**_initを出力する (ステップ S 9)。

[0065] 以上の説明より、同期機 1のトルク最大条件を満たすトルク電流指令 i δ *と磁束指令 Φ*の関係が予めわ力もない場合でも、図 12または図 13のフローチャートの動作をする磁束指令調節器を付加することで学習的にトルク電流指令 i δ *に対する最適磁束指令 Φ**を求めることができる。

また、所望の性能を入力電力最小とおいた場合、図 12、 13のフローチャートにお V、て、電機子電流 iaの代わりに三相ドライブ回路 2の DCリンク電圧 Vdcと DC電流 Idc の積、すなわち、 DC電力 Pdcを最小とするように変更すれば、同一電機子電流絶対値 iaに対して入力電力が最小になるトルク電流指令 i δ *と最適磁束指令 Φ**の点が得られる。

なお、 DCリンク電圧 Vdcが安定している場合は、 DC電流 Idcを最小とするように変更してちよ!、ことは勿！^である。

[0066] 以上のように、この発明にお!/、ては、

トルク電流指令発生器の上段に、磁束指令に基づき出力可能なトルク指令最大値を発生するトルク制限発生器、およびトルク指令最大値に基づきトルク指令に制限をカロえるリミッタを備え、トルク電流指令発生器は、このリミッタで制限されたトルク指令に基づきトルク電流指令を演算するようにしたので、トルク指令を制限する必要がある場合も、円滑な同期機制御が可能となる。

[0067] また、磁束指令発生器は、同期機の回転速度帰還値を入力し、電機子電圧が電力変の電圧制限を超えないよう回転速度帰還値と電圧制限値とに基づき発生可能な磁束指令最大値を発生する磁束制限発生器、および磁束指令最大値に基づき磁束指令に制限を加えるリミッタを備えたので、電力変換器の電圧制限内で所望の磁束指令が確実に作成される。

[0068] また、直流電圧指令に基づき電力変換器に直流電圧を供給する可変電圧電源を備え、磁束指令発生器は、同期機の回転速度帰還値を入力し、磁束指令に回転速度帰還値を乗算して可変電圧電源に出力する直流電圧指令を発生する乗算器、可変電圧電源から入力した直流電圧帰還値を回転速度帰還値で除算して発生可能な磁束指令最大値を発生する除算器、および磁束指令最大値に基づき磁束指令に制限を加えるリミッタを備えたので、直流電圧を可変とする利点を支障なく享受することができる。

[0069] また、除算器は、直流電圧帰還値に替えて直流電圧指令を入力するようにしたので、その分、制御の構成が簡便となる。

[0070] また、直流電圧指令に基づき電力変換器に直流電圧を供給する可変電圧電源を備え、磁束指令発生器は、同期機の回転速度帰還値を入力し、可変電圧電源から入力した直流電圧帰還値を回転速度帰還値で除算して発生可能な磁束指令最大値を発生する除算器、および磁束指令最大値に基づき磁束指令に制限を加えるリミッタを備えたので、直流電圧を可変とする利点を支障なく享受することができる。

[0071] また、トルク電流指令発生器は、磁化電流指令に替えて電機子電流帰還値の磁化成分である磁化電流帰還値を入力するようにしたので、制御動作が安定迅速になる

[0072] また、トルク電流指令発生器は、磁束指令に替えて電機子鎖交磁束を入力するようにしたので、制御動作が安定迅速になる。

[0073] また、磁束指令発生器は、トルク電流指令に替えて電機子電流帰還値のトルク成分であるトルク電流帰還値を入力するようにしたので、制御動作が安定迅速になる。

[0074] また、磁束指令発生器は、電機子電流絶対値一定でトルクを最大とする条件下で決定されるトルク電流と電機子鎖交磁束との関係に基づき磁束指令を演算するようにしたので、与えられた条件下で、トルクを最大にできるという有用な同期機制御が実現する。

[0075] また、磁束指令発生器は、トルク指令一定で電機子電流絶対値または入力電力を最小とする条件下で決定されるトルク電流と電機子鎖交磁束との関係に基づき磁束指令を出力するよう、トルク電流と電機子鎖交磁束との関係を学習的に演算するようにしたので、同期機の運転特性が予め分からない場合や、解析で得られた特性が実機の特性と異なるような場合にも、与えられた条件下で、電機子電流絶対値または入力電力を最小にできるという有用な同期機制御が実現する。

図面の簡単な説明

[0076] [図 1]この発明の実施の形態 1における同期機制御装置を示す構成図である。

[図 2]トルク電流指令発生器 9の内部構成を示す図である。

[図 3]磁束指令発生器 10の内部構成を示す図である。

[図 4]電機子電流のトルクとの関係を説明する図である。

[図 5]トルク最大状態でのモータのベクトル図である。

[図 6]磁束演算器 5の内部構成を示す図である。

[図 7]磁束演算器 5の内部構成を示す、図 6とは異なる図である。

[図 8]この発明の実施の形態 2における同期機制御装置を示す構成図である。

[図 9]磁束指令発生器 10aの内部構成を示す図である。

[図 10]この発明の実施の形態 3における同期機制御装置の、特に、トルク電流指令発生器 9の内部構成を示す図である。

[図 11]この発明の実施の形態 4における同期機制御装置の、特に、最適磁束指令演算器 17の内部構成を示す図である。

[図 12]図 11の最適磁束指令演算器 17の動作を説明するためのフローチャートである。

[図 13]図 11の最適磁束指令演算器 17の、図 12とは異なる動作を説明するためのフローチャートである。符号の説明 1 同期機、 2 三相ドライブ回路、 3 電流センサ、 4 回転子位置センサ、 5 磁束演算器、 6 電機子電流制御器、 9 トルク電流指令発生器、

10, 10a 磁束指令発生器、 13 磁束制御器、 14 トルク電流制限発生器、 15 トルク電流演算器、 16 リミッタ、 17 最適磁束指令演算器、

18 磁束制限発生器、 19 リミッタ、 21 電流型磁束演算器、

24 電圧型磁束演算器、 26 可変電圧電源、 27 乗算器、 28 除算器、 29 リミッタ、 32 トルク制限発生器、 33 リミッタ、 34 初期磁束指令発生器、 35 磁束指令発生器。

Claims

請求の範囲

[1] トルク指令力電機子電流指令を発生し該電機子電流指令に基づき電力変により同期機の電機子電流を制御する同期機制御装置であって、

上記トルク指令と磁束指令とから上記電機子電流指令のトルク成分であるトルク電流指令を演算するトルク電流演算器と上記電機子電流が上記電力変換器の電流制限値を越えないよう上記電機子電流指令の磁化成分である磁化電流指令と上記電流制限値とに基づき発生可能なトルク電流指令最大値を発生するトルク電流制限発生器と上記トルク電流指令最大値に基づき上記トルク電流指令に制限を加えるリミツタとからなるトルク電流指令発生器、このトルク電流指令発生器力のトルク電流指令に基づき磁束指令を演算する磁束指令発生器、上記同期機の電機子電流または電機子電流および電機子電圧に基づき電機子鎖交磁束を演算する磁束演算器、および上記磁束指令と上記電機子鎖交磁束とがー致するように上記磁化電流指令を作成して上記トルク電流指令発生器に入力する磁束制御器を備えた同期機制御装置

[2] 上記トルク電流指令発生器の上段に、上記磁束指令に基づき出力可能なトルク指令最大値を発生するトルク制限発生器、および上記トルク指令最大値に基づき上記トルク指令に制限を加えるリミッタを備え、上記トルク電流指令発生器は、上記リミッタで制限されたトルク指令に基づきトルク電流指令を演算するようにしたことを特徴とする請求項 1記載の同期機制御装置。

[3] 上記磁束指令発生器は、上記同期機の回転速度帰還値を入力し、上記電機子電圧が上記電力変換器の電圧制限を超えないよう上記回転速度帰還値と上記電圧制限値とに基づき発生可能な磁束指令最大値を発生する磁束制限発生器、および上記磁束指令最大値に基づき上記磁束指令に制限を加えるリミッタを備えたことを特徴とする請求項 1または 2に記載の同期機制御装置。

[4] 直流電圧指令に基づき上記電力変換器に直流電圧を供給する可変電圧電源を備え、

上記磁束指令発生器は、上記同期機の回転速度帰還値を入力し、上記磁束指令に上記回転速度帰還値を乗算して上記可変電圧電源に出力する上記直流電圧指令を発生する乗算器、上記可変電圧電源から入力した直流電圧帰還値を上記回転速度帰還値で除算して発生可能な磁束指令最大値を発生する除算器、および上記磁束指令最大値に基づき上記磁束指令に制限を加えるリミッタを備えたことを特徴とする請求項 1または 2に記載の同期機制御装置。

[5] 上記除算器は、上記直流電圧帰還値に替えて上記直流電圧指令を入力するようにしたことを特徴とする請求項 4記載の同期機制御装置。

[6] 直流電圧指令に基づき上記電力変換器に直流電圧を供給する可変電圧電源を備え、

上記磁束指令発生器は、上記同期機の回転速度帰還値を入力し、上記可変電圧電源から入力した直流電圧帰還値を上記回転速度帰還値で除算して発生可能な磁束指令最大値を発生する除算器、および上記磁束指令最大値に基づき上記磁束指令に制限を加えるリミッタを備えたことを特徴とする請求項 1または 2に記載の同期機制御装置。

[7] 上記トルク電流指令発生器は、上記磁化電流指令に替えて上記電機子電流帰還値の磁化成分である磁化電流帰還値を入力するようにしたことを特徴とする請求項 1な

V、し 6の、ずれかに記載の同期機制御装置。

[8] 上記トルク電流指令発生器は、上記磁束指令に替えて上記電機子鎖交磁束を入力するようにしたことを特徴とする請求項 1な、し 7の、ずれかに記載の同期機制御装置。

[9] 上記磁束指令発生器は、上記トルク電流指令に替えて上記電機子電流帰還値のトルク成分であるトルク電流帰還値を入力するようにしたことを特徴とする請求項 1なヽし 8のいずれかに記載の同期機制御装置。

[10] 上記磁束指令発生器は、上記電機子電流絶対値一定でトルクを最大とする条件下で決定されるトルク電流と電機子鎖交磁束との関係に基づき上記磁束指令を演算するようにしたことを特徴とする請求項 1な、し 9の、ずれかに記載の同期機制御装置。

[11] 上記磁束指令発生器は、上記トルク指令一定で電機子電流絶対値または入力電力を最小とする条件下で決定されるトルク電流と電機子鎖交磁束との関係に基づき上記磁束指令を出力するよう、上記トルク電流と電機子鎖交磁束との関係を学習的に演算するようにしたことを特徴とする請求項 1な、し 9の、ずれかに記載の同期機制