JP2003009598A - 交流電動機のベクトル制御装置及び制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 交流電動機に供給される交流電流の電流波形
を、乱れることなく、本来の正弦波となるようにして交
流電動機を安定して制御する。 【解決手段】 ｄ軸の電圧指令値Ｖd^*の絶対値がその制
限値Ｖ_dlimよりも大きくなった場合、電圧指令値制限部
３１は、ｄ軸電圧指令値Ｖd^*を制限する。それでもｄ軸
の電圧指令値Ｖd^*、ｑ軸の電圧指令値Ｖq^*の合成ベクト
ルの長さＶ_１ ^*がその制限値を越えているとき、電圧指
令値制限部３１は、合成ベクトルの長さＶ _１ ^*を所定制
限値以下となるように修正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、交流電動機のベク
トル制御装置と制御方法に関し、特に交流電動機を安定
して制御することが可能な交流電動機のベクトル制御装
置と制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、交流電動機のベクトル制御装
置が知られている（特開平０６−２２５５７３号公
報）。ベクトル制御は、トルクの制御性を向上させるた
め、交流電動機の一次電流を、磁束を形成する磁化電流
とトルクに比例するトルク電流とに分けて制御する制御
方法である。

【０００３】従来の交流電動機のベクトル制御装置の構
成図を図８に示す。従来の交流電動機のベクトル制御装
置は、整流回路２と、直流リンク回路３と、インバータ
回路４と、Ｕ相電流検出器５と、Ｗ相電流検出器６と、
回転子位置検出器８と、電流座標変換部９と、電圧指令
値演算部１０と、電圧指令値座標変換部１１と、を備え
て構成されている。

【０００４】かかる構成において、例えば、商用周波数
の交流は三相交流電源１によって供給され、整流回路２
によって直流電圧に変換され、この直流電圧は、直流リ
ンク回路３によって平滑化される。平滑化された直流電
圧は、インバータ回路４に供給される。

【０００５】インバータ回路４はＰＷＭ（Pulse Width
Modulation）制御を行い、供給された直流電圧から所定
の電圧、周波数の交流に変換し、変換した交流電圧を交
流電動機７に出力する。インバータ回路４から交流電動
機７に電流が流れ、交流電動機７は回転する。

【０００６】Ｕ相電流検出器５、Ｗ相電流検出器６は、
それぞれ交流電動機７のＵ相、Ｗ相の一次巻線（固定子
巻線）に流れる電流Ｉu、Ｉwを検出する。尚、Ｖ相の電
流Ｉvは、三相平衡という条件に基づいて電流Ｉu、Ｉw
から算出される。また、回転子位置検出器８は、交流電
動機７の固定子の巻線軸（例えば、Ｕ相の巻線軸を基準
軸とする。）に対する回転子軸の回転角θを検出する。

【０００７】電流座標変換部９は、検出された静止座標
系におけるＵ相、Ｗ相の電流Ｉu、Ｉwを、回転子位置検
出器８によって検出された回転角θに基づいて、回転座
標系のｄ軸（磁束軸）の電流Ｉdとｑ軸（トルク軸）の
電流Ｉqとに座標変換する。

【０００８】電圧指令値演算部１０には、ｄ軸の電流指
令値Ｉd^*とｑ軸の電流指令値Ｉq^*とが供給される。電圧
指令値演算部１０は、電流Ｉdと電流指令値Ｉd^*との偏
差と、電流Ｉqと電流指令値Ｉq^*との偏差とを算出し、
この偏差をＰＩ（比例積分）演算することによって回転
座標系におけるｄ軸の電圧指令値Ｖd^*とｑ軸の電圧指令
値Ｖq^*とを求める。

【０００９】回転座標系における電圧指令値Ｖd^*と電圧
指令値Ｖq^*とは、回転角θに基づいて、電圧指令値座標
変換部１１により、静止座標系における三相電圧指令値
Ｖu^*、Ｖv^*、Ｖw^*に変換され、変換された三相電圧指令
値Ｖu^*、Ｖv^*、Ｖw^*がインバータ回路４に出力される。
インバータ回路４は、三相電圧指令値Ｖu^*、Ｖv^*、Ｖw^*
に基づいて交流電動機７に交流電圧を供給する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、交流電動機
７の回転速度が上昇するに従って交流電動機７の誘導電
圧も上昇し、この誘導電圧に抗して電流を交流電動機７
に流そうとすると、電圧指令値Ｖu^*、Ｖv^*、Ｖw^*も大き
くなってしまう。しかし、直流リンク回路３から供給さ
れる直流電圧は一定であり、これ以上の交流電圧を交流
電動機７に供給することはできない。

【００１１】従って、従来の交流電動機のベクトル制御
装置では、電圧指令値Ｖu^*、Ｖv^*、Ｖw^*（一次電圧）
が、インバータ回路４が交流電動機７に供給可能な最大
電圧を越えたとき、この一次電圧を制限し、さらに座標
変換されたｄ軸の電圧及びｑ軸の電圧を、前回の演算で
用いられた値に設定するようにしている。

【００１２】しかし、一次電圧が制限されると、必要と
なる電圧を供給できないため、インバータ回路４から交
流電動機７に供給される電流Ｉu、Ｉv、Ｉwの波形は乱
れてしまい、本来、正弦波となるべきものが、ピークが
つぶれて台形波となってしまう。

【００１３】そして、交流電動機７に乱れた波形の電流
が供給されると、波形が乱れた電流がフィードバックさ
れてトルクや磁束の制御が行われるので、余計に電圧指
令値Ｖu^*、Ｖv^*、Ｖw^*が乱れてしまい、制御が安定しな
くなるという不都合が生じる。

【００１４】本発明は、このような従来の問題点に鑑み
てなされたもので、電圧指令値を制限しても、交流電動
機に供給される交流電流の波形が、正弦波となるように
することが可能な交流電動機のベクトル制御装置及び制
御方法を提供することを目的とする。また、本発明は、
交流電動機を安定して制御することが可能な交流電動機
のベクトル制御装置及び制御方法を提供することを目的
とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明の第１の観点に係る交流電動機のベクトル制
御装置は、交流電動機に流れる電流の測定値を、回転座
標系の磁束軸上の磁化電流とトルク軸上のトルク電流と
に変換し、それぞれの電流指令値との偏差に基づいて磁
束軸上の電圧指令値とトルク軸上の電圧指令値とを演算
する電圧指令値演算手段と、前記電圧指令値演算手段に
よって演算された磁束軸上の電圧指令値とトルク軸上の
電圧指令値を、所定の電圧指令制限値以下の値に制限す
る電圧指令値制限手段と、前記電圧指令値制限手段によ
って制限された磁束軸上の電圧指令値とトルク軸上の電
圧指令値とを、静止座標系の電圧指令値に変換する電圧
指令値座標変換手段と、前記電圧指令値座標変換手段に
より変換された静止座標系の電圧指令値に基づいて前記
交流電動機に交流電圧を供給する交流供給手段と、を備
えた交流電動機のベクトル制御装置において、前記電圧
指令値制限手段は、前記電圧指令値演算手段によって演
算された磁束軸及びトルク軸上の電圧指令値のいずれか
一方を、所定の電圧指令制限値と比較する比較手段と、
前記比較手段により、前記電圧指令制限値を越えたと判
定された電圧指令値を、前記電圧指令制限値以下の値に
修正する電圧指令値修正手段と、前記電圧指令値修正手
段によって修正された電圧指令値と他方の電圧指令値と
の合成ベクトルの長さを、所定のベクトル制限値と比較
し、当該ベクトル制限値以上と判定された合成ベクトル
の長さが、前記ベクトル制限値以下となるように、磁束
軸上の電圧指令値とトルク軸上の電圧指令値とを演算
し、演算した電圧指令値を前記電圧指令値座標変換手段
に出力する電圧指令値出力手段と、を備えるようにし
た。

【００１６】このような構成によれば、電圧指令値の制
限は、回転座標系における電圧指令値、合成ベクトルに
ついて行われ、静止座標系における電圧指令値について
の制限は行われなくなる。従って、交流電動機に供給さ
れる交流の電流波形が乱れることはなく、交流電動機の
制御は安定する。

【００１７】前記交流電動機は、永久磁石形同期電動機
でもよい。また、前記磁束軸上の電圧指令値を制限する
電圧指令制限値を前記電圧指令値制限手段に供給する電
圧指令制限値供給手段を備えるようにしてもよい。

【００１８】前記電圧指令制限値供給手段は、前記合成
ベクトルの長さが所定のベクトル制限値以下となる範囲
内でトルク軸上の電圧指令値を高めるべく調整した磁束
軸上の電圧指令制限値を前記電圧指令値制限手段に供給
するように構成されたものでもよい。

【００１９】本発明の第２の観点に係る交流電動機のベ
クトル制御方法は、交流電動機に流れる電流を測定し、
測定した電流値を、回転座標系の磁束軸上の磁化電流と
トルク軸上のトルク電流とに変換し、変換された磁束軸
上の電圧指令値とトルク軸上の電圧指令値とのいずれか
一方を、所定の電圧指令制限値と比較し、当該電圧指令
制限値よりも大きいと判定された場合に、該電圧指令値
を、前記電圧指令制限値以下の値に修正し、修正された
電圧指令値と他方の電圧指令値との合成ベクトルの長さ
を、所定のベクトル制限値と比較し、合成ベクトルの長
さが当該ベクトル制限値以上であると判定された場合
に、合成ベクトルの長さが前記ベクトル制限値以下にな
るような磁束軸上の電圧指令値とトルク軸上の電圧指令
値とを求め、求めた磁束軸上の電圧指令値とトルク軸上
の電圧指令値とに基づいて、前記交流電動機に交流電圧
を供給するようにしたものである。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態に係る
交流電動機のベクトル制御装置を図面を参照して説明す
る。まず、第１の実施の形態について説明する。

【００２１】第１の実施の形態に係る交流電動機のベク
トル制御装置の構成図を図１に示す。本実施の形態に係
る交流電動機のベクトル制御装置は、整流回路２２と、
直流リンク回路２３と、インバータ回路２４と、Ｕ相電
流検出器２５と、Ｗ相電流検出器２６と、回転子位置検
出器２８と、電流座標変換部２９と、電圧指令値演算部
３０と、電圧指令値制限部３１と、電圧指令制限値供給
部３２と、電圧指令値座標変換部３３と、を備えて構成
されている。

【００２２】尚、本実施の形態では、交流電動機を永久
磁石形同期電動機（以後、「ＰＭモータ」と記す。）２
７として説明する。三相交流電源２１は、商用周波数の
交流を供給する電源である。整流回路２２は、三相交流
電源２１からの交流電圧を整流する回路である。この整
流回路２２は、例えば、ブリッジ整流回路等によって構
成される。直流リンク回路２３は、整流回路２２によっ
て整流された交流電圧を、電圧Ｖdcの直流電圧に平滑化
するものであり、例えば、電解コンデンサによって構成
されている。

【００２３】インバータ回路２４は、直流電圧を交流電
圧に変換する回路である。インバータ回路２４の構成図
を図２に示す。インバータ回路２４は、トランジスタＱ
１〜Ｑ６を備えている。トランジスタＱ１〜Ｑ６には、
例えば、ＮＰＮバイポーラトランジスタが用いられる。

【００２４】尚、トランジスタＱ１〜Ｑ６には、ＦＥＴ
（Field Effect Transistor）を用いることもでき、あ
るいは、トランジスタの代わりにＩＧＢＴ（Insulated
GateBipolor Transistor）、サイリスタを用いることも
できる。各トランジスタＱ１〜Ｑ６の各ベースには、所
定パルス幅のパルス信号が供給されてＰＷＭ制御が行わ
れる。

【００２５】Ｕ相電流検出器２５は、ＰＭモータ２７に
流れるＵ相の電流Ｉuを検出するものである。Ｗ相電流
検出器２６は、ＰＭモータ２７に流れるＷ相の電流Ｉw
を検出するものである。回転子位置検出器２８は、例え
ば、エンコーダ等を備えてＰＭモータ２７の回転子の位
置を検出し、固定子の巻線軸（例えば、Ｕ相の巻線軸を
基準軸とする。）に対する回転子軸の回転角θを検出す
るものである。

【００２６】電流座標変換部２９は、Ｕ相電流検出器２
５によって検出されたＵ相の電流ＩuとＷ相電流検出器
２６によって検出されたＷ相の電流Ｉwを、回転子位置
検出器２８によって検出された回転角θに基づいて、Ｐ
Ｍモータ２７の回転子と同期して回る回転座標系の電流
Ｉd、Ｉqに変換するものである。

【００２７】電圧指令値演算部３０は、所定の電流指令
値Ｉd^*、Ｉq^*が供給されて、供給された電流指令値Ｉd^*
と電流Ｉdとの偏差及び電流指令値Ｉq^*と電流Ｉqとの偏
差を求め、求めた偏差をＰＩ（比例積分）演算して回転
座標系の電圧指令値Ｖd^*、Ｖq^*を演算するものである。

【００２８】電圧指令値制限部３１は、静止座標系にお
ける三相電圧指令値Ｖu^*、Ｖv^*、Ｖw^*が、インバータ回
路２４が供給可能な最大出力電圧を超えないように、電
圧指令値演算部３０によって演算された電圧指令値Ｖ
d^*、Ｖq^*を制限するものである。電圧指令制限値供給部
３２は、２つの制限値、即ち、ｄ軸上の電圧指令値Ｖd^*
を制限するために予め設定された電圧制限値Ｖ_dlim及び
電圧指令値Ｖd^*とＶq^*との合成ベクトルの長さＶ_１ ^*を
制限するために予め設定された制限値Ｖ_limを記憶し、
電圧指令値制限部３１に供給するものである。

【００２９】電圧指令値座標変換部３３は、電圧指令値
制限部３１によって制限された回転座標系における電圧
指令値を、静止座標系における三相電圧指令値Ｖu^*、Ｖ
v^*、Ｖw^*に変換し、変換した三相電圧指令値Ｖu^*、Ｖ
v^*、Ｖw^*をインバータ回路２４に出力するものである。

【００３０】次に本実施の形態に係るＰＭモータ２７の
ベクトル制御装置の動作を説明する。整流回路２２は、
三相交流電源２１によって供給された商用周波数の交流
電圧を直流電圧に変換する。直流リンク回路２３は、こ
の直流電圧を平滑化する。平滑化された直流電圧は、イ
ンバータ回路２４に供給される。

【００３１】インバータ回路２４はＰＷＭ制御を行い、
供給された直流電圧を、所定の電圧、周波数の交流電圧
に変換し、変換した交流電圧をＰＭモータ２７に供給す
る。ＰＭモータ２７には、インバータ回路２４から出力
された交流電圧に基づいて電流Ｉu、Ｉv、Ｉwが流れ、
ＰＭモータ２７は、回転する。

【００３２】Ｕ相電流検出器２５、Ｗ相電流検出器２６
は、それぞれＰＭモータ２７に流れるＵ相、Ｗ相の各電
流Ｉu、Ｉwを検出する。また、回転子位置検出器２８
は、ＰＭモータ２７の回転角θを検出する。

【００３３】電流座標変換部２９と、電圧指令値演算部
３０と、電圧指令値制限部３１と、電圧指令値座標変換
部３３とは、Ｕ相電流検出器２５とＷ相電流検出器２６
によって検出された電流ＩuとＩw、及び回転子位置検出
器２８によって検出された回転角θに基づいてベクトル
制御を行う。

【００３４】ベクトル制御の原理を図３に示す。ここ
で、Ｖ_１はＰＭモータ２７に供給される一次供給電圧、
Ｅ_１は逆起電力、Ｉ_１はＰＭモータ２７に流れる一次電
流、Ｉ_Ｍは磁化電流、Ｉ_１Ｌは一次負荷電流、Φは磁束
を示す。尚、これらはベクトルである。

【００３５】一次電流Ｉ_１は、一次負荷電流Ｉ_１Ｌと磁
化電流Ｉ_Ｍとの合成ベクトルとなる。このうち、磁化電
流Ｉ_Ｍは、磁束を作るための電流であって、トルクには
影響しない電流である。また、トルクを発生させるの
は、一次負荷電流Ｉ_１Ｌであって、この一次負荷電流Ｉ
_１Ｌは、トルクに比例する電流である。尚、この一次負
荷電流Ｉ_１Ｌと磁化電流Ｉ_Ｍとの位相差はπ／２であ
る。

【００３６】この一次電流Ｉ_１を磁化電流Ｉ_Ｍと一次負
荷電流Ｉ_１Ｌとに分けて一次負荷電流Ｉ_１Ｌ（トルク電
流）を制御することにより、瞬時トルク制御ができるよ
うになる。ＰＭモータは永久磁石により界磁を行うの
で、磁化電流を０にしておいて制御するのが一般的であ
る。但し、ｄ軸とｑ軸のインダクタンスが異なる（突極
性）ＰＭモータでは、ある程度磁化電流を流すことで最
大トルクで駆動することができる。

【００３７】電流座標変換部２９は、まず、計算しやす
いように三相交流電流Ｉu、Ｉv、Ｉwを二相交流電流Ｉ
α、Ｉβに変換する。尚、Ｖ相の電流Ｉvは、三相平衡
という条件に基づいて電流Ｉu、Ｉwから算出される。変
換は、次の数式１に従って行われる。

【数１】 この二相交流電流Ｉα、Ｉβは、固定子軸を観測座標と
する静止座標系における電流である。電流座標変換部２
９は、この二相交流電流Ｉα、Ｉβを、回転子位置検出
器２８によって検出された回転角θを用いて、回転子軸
を観測座標とする回転座標系のｄ軸（磁束軸）の電流Ｉ
dとｑ軸（トルク軸）の電流Ｉqとに変換する。

【００３８】かかる座標変換の方法を図４に示す。ｄ軸
上の電流Ｉdが磁化電流であり、ｑ軸上の電流Ｉｑがト
ルク電流である。静止座標系の電流Ｉα、Ｉβから回転
座標系の電流Ｉd、Ｉqへの変換は、次の数式２に従って
行われる。

【数２】Ｉd＝ Ｉα×cosθ＋Ｉβ×sinθ Ｉq＝−Ｉα×sinθ＋Ｉβ×cosθ 電流座標変換部２９は、算出された回転座標系の電流Ｉ
d、Ｉqを、電圧指令値演算部３０に供給する。

【００３９】電圧指令値演算部３０には、ｄ軸の電流指
令値Ｉd^*及びｑ軸の電流指令値Ｉq^*も供給される。電圧
指令値演算部３０は、電流Ｉdと電流指令値Ｉd^*との偏
差、電流Ｉqと電流指令値Ｉq^*との偏差を算出し、この
２つの偏差にＰＩ演算を行う。そして、電圧指令値演算
部３０は、ＰＩ演算の結果に基づいて、回転座標系にお
けるｄ軸の電圧指令値Ｖd^*とｑ軸の電圧指令値Ｖq^*とを
求める。

【００４０】電圧指令値演算部３０は、求めた電圧指令
値Ｖd^*、Ｖq^*を、電圧指令値制限部３１に供給する。電
圧指令制限値供給部３２は、予め設定された制限値Ｖ
_dlimを電圧指令値制限部３１に供給する。

【００４１】この制限値Ｖ_dlimは、電圧指令値Ｖd^*の絶
対値を制限するための値である。電圧指令値Ｖd^*の絶対
値を制限する理由は、以下の通りである。インバータ回
路２４からＰＭモータ２７に供給可能な最大電圧は、直
流リンク回路２３から出力される直流電圧Ｖdc、インバ
ータ回路２４のＰＷＭ制御におけるオン、オフ比で決ま
る。

【００４２】この最大電圧を電圧Ｖmaxとして、もし、
電圧指令値Ｖu^*、Ｖv^*、Ｖw^*が、電圧Ｖmaxを越えたと
しても、実際にＰＭモータ２７に供給される電圧は、こ
の電圧Ｖmaxに制限される。

【００４３】ＰＭモータ２７に供給される電圧がこの電
圧Ｖmaxに制限されると、インバータ回路２４からＰＭ
モータ２７に供給される電流に歪みが生じてしまう。従
って、インバータ回路２４に供給される電圧指令値Ｖ
u^*、Ｖv^*、Ｖw^*を、インバータ回路２４からＰＭモータ
２７に供給される電圧を越えないように設定する必要が
ある。

【００４４】制限値Ｖ_dlimは、このような理由で設定さ
れた値であり、静止座標系における三相電圧指令値Ｖ
u^*、Ｖv^*、Ｖw^*がＰＭモータ２７に供給可能な電圧を越
えないように、直流リンク回路２３から出力される直流
電圧Ｖdc、インバータ回路２４のＰＷＭ制御におけるオ
ン、オフ比に基づいて設定される。

【００４５】電圧指令値制限部３１は、電圧指令制限値
供給部３２によって供給された制限値Ｖ_dlimに基づい
て、この電圧指令値Ｖd^*、Ｖq^*が所定の範囲内となるよ
うに制御する。

【００４６】電圧指令値制限部３１の動作を示すフロー
チャートを図５に示し、電圧指令値制限部３１の動作説
明図を図６に示す。電圧指令値制限部３１は、電圧指令
値Ｖd^*の絶対値を、その制限値Ｖ_dlimと比較する（ステ
ップＳ１１）。

【００４７】電圧指令値Ｖd^*の絶対値を制限値Ｖ_dlimと
比較した結果、ｄ軸の電圧指令値Ｖd^*の絶対値がｄ軸の
電圧指令制限値Ｖ_dlimを越えたとき、電圧指令値制限部
３１は、電圧指令値Ｖd^*が０以上か否かを判別する（ス
テップＳ１２）。

【００４８】電圧指令値Ｖd^*が０以上の値であると判別
された場合、電圧指令値制限部３１は、電圧指令値Ｖd^*
に制限値としてＶ_dlimをセットする（ステップＳ１
３）。電圧指令値Ｖd^*が０より小さい値であると判別さ
れた場合、電圧指令値制限部３１は、電圧指令値Ｖd^*に
制限値として−Ｖ_dlimをセットする（ステップＳ１
４）。

【００４９】次に、電圧指令制限値供給部３２は、予め
設定された制限値Ｖ_limを電圧指令値制限部３１に供給
し、電圧指令値制限部３１は、電圧指令値Ｖd^*とＶq^*と
の合成ベクトルの長さＶ_１ ^*の２乗値Ｖ_１ ^*２を演算し
（ステップＳ１５）、合成ベクトルの長さＶ_１ ^*の２乗
値Ｖ_１ ^*２が、電圧指令制限値供給部３２から供給され
た制限値Ｖ_limの２乗値Ｖ_lim ^２以上であるか否かを判別
する（ステップＳ１６）。この制限値Ｖ_limは、電圧指
令値Ｖd^*とＶq^*との合成ベクトルの長さＶ_１ ^*を制限す
るための値である。合成ベクトルの長さＶ_１ ^*を制限す
る理由は、以下の通りである。インバータ回路２４が供
給しうる最大出力電圧は、回転座標系では、最大出力電
圧を半径とする円で表される。従って、ＰＭモータ２７
に供給する電圧ができるだけ最大となるように制御しよ
うとすると、回転座標系における電圧指令値Ｖd^*とＶq^*
との合成ベクトルの長さＶ_１ ^*が、インバータ回路２４
が供給しうる電圧範囲を超えるおそれがある。しかし、
前述したように合成ベクトルの長さＶ_１ ^*が、この電圧
範囲を超えると、ＰＭモータ２７に供給される電流Ｉ
u、Ｉv、Ｉwの波形が乱れてしまい、ＰＭモータ２７の
制御が安定しなくなる。従って、合成ベクトルの長さＶ
_１ ^*がこの電圧範囲を超えないようにする必要がある。
これが合成ベクトルの長さＶ_１ ^*を制限する理由であ
り、制限値Ｖ_limは、合成ベクトルの長さＶ_１ ^*が、前記
インバータ回路２４の最大出力電圧を超えないように予
め設定された値である。また、合成ベクトルの長さＶ_１
^*と制限値Ｖ_limとの比較を、それぞれ、２乗した値で行
うのは、平方根を求める演算より処理ステップを削減で
きるからである。合成ベクトルの長さＶ_１ ^*の２乗値Ｖ
_１ ^*２が制限値Ｖ_limの２乗値Ｖ_lim ^２未満であると判別
された場合、電圧指令値制限部３１は、この処理を終了
させる。

【００５０】また、合成ベクトルの長さＶ_１ ^*の２乗値
Ｖ_１ ^*２が制限値Ｖ_limの２乗値Ｖ_lim ^２以上であると判
別された場合、電圧指令値制限部３１は、ｑ軸の電圧指
令値Ｖq^*が０以上であるか否かを判別する（ステップＳ
１７）。電圧指令値Ｖq^*が０以上であると判別された場
合、電圧指令値制限部３１は、次の数式３に従って電圧
指令値Ｖq^*を設定する（ステップＳ１８）。

【数３】

【００５１】また、電圧指令値Ｖq^*が０より小さいと判
別された場合、電圧指令値制限部３１は、次の数式４に
従って電圧指令値Ｖq^*を設定する（ステップＳ１９）。

【数４】 電圧指令値制限部３１は、このように設定した電圧指令
値Ｖd^*、Ｖq^*を、電圧指令値座標変換部３３に出力す
る。

【００５２】電圧指令値座標変換部３３は、回転座標系
における電圧指令値Ｖd^*と電圧指令値Ｖq^*とを、回転子
位置検出器２８によって検出された回転角θに基づい
て、静止座標系の二相電圧指令値Ｖα^*、Ｖβ^*に変換す
る。

【００５３】変換は、次の数式５に基づいて行われる。

【数５】Ｖα＝Ｖd×cosθ−Ｖq×sinθ Ｖβ＝Ｖd×sinθ＋Ｖq×cosθ さらに電圧指令値座標変換部３３は、二相電圧指令値Ｖ
α^*、Ｖβ^*を、三相電圧指令値Ｖu^*、Ｖv^*、Ｖw^*に変換
する。

【００５４】変換は、次の数式６に従って行われる。

【数６】 電圧指令値座標変換部３３は、変換された三相電圧指令
値Ｖu^*、Ｖv^*、Ｖw^*をインバータ回路２４に出力する。
インバータ回路２４は、この三相電圧指令値Ｖu^*、Ｖ
v^*、Ｖw^*に基づいてＰＷＭ制御を行い、交流電圧をＰＭ
モータ２７に出力する。

【００５５】ＰＭモータ２７には、電圧Ｖu、Ｖv、Ｖw
が、制限が加えられずに供給され、電流Ｉu、Ｉv、Ｉw
の波形は必ず正弦波となる。

【００５６】以上説明したように、本実施の形態によれ
ば、回転座標系において、電圧指令値Ｖd^*、合成ベクト
ルの長さＶ_１ ^*を、それぞれの制限値内となるように制
限している。従って、静止座標系の電圧指令値Ｖu^*、Ｖ
v^*、Ｖw^*は、ＰＭモータ２７へ供給される交流の供給電
圧以下となり、制限が加わらなくなる。そして、静止座
標系の電圧指令値Ｖu^*、Ｖv^*、Ｖw^*に制限が加わらなけ
れば、電流Ｉu、Ｉv、Ｉwの波形は乱れなくなり、ＰＭ
モータ２７に供給される電流の波形を本来の波形である
正弦波にすることができる。さらに、ＰＭモータ２７に
供給する電流の波形が正弦波となれば、フィードバック
制御が行われても電圧指令値Ｖu^*、Ｖv^*、Ｖw^*は乱れな
くなるので、ＰＭモータ２７の制御を安定させることが
できる。

【００５７】また、大きなトルクが必要になった場合、
ｄ軸の電圧指令値Ｖd^*を優先的に制限し、ｑ軸の電圧指
令値Ｖq^*を、インバータ回路２４が出力可能な最大電圧
となるように制限するようにしているので、トルク電流
Ｉqを最大限に増やすことができ、最大限のトルクを引
き出すことができる。

【００５８】尚、本実施の形態では、回転子位置検出器
２８によって検出された回転角θに基づいて静止座標系
から回転座標系への座標変換を行うようにし、三相電圧
指令値Ｖu^*、Ｖv^*、Ｖw^*を求めているので、位相ずれは
生じない。

【００５９】尚、本発明を実施するにあたっては、種々
の形態が考えられ、上記実施の形態に限られるものでは
ない。電源は三相交流電源には限られず、単相交流電源
またはバッテリ等の直流電源で駆動することもできる。
直流電源の場合、整流回路２２、直流リンク回路２３を
用いなくてもよい。また、本発明を、電圧及び電流を二
相の直交座標に変換して制御するような電力変換器にも
適用することができる。

【００６０】また、例えば、交流電動機は、ＰＭモータ
に限られるものではなく、交流電動機に誘導電動機を用
いてもよい。但し、誘導電動機では、すべりがあるの
で、このすべりを考慮して回転角θを求める必要があ
る。

【００６１】また、電圧指令値Ｖq^*を制限してから、合
成ベクトルの長さＶ_１ ^*を制限するようにすることもで
きる。また、最大出力電圧の制限値Ｖ_lim及び電圧指令
値Ｖd^*の制限値Ｖ_dlimは、必ずしも固定値でなくてもよ
く、例えば変調方式、負荷の特性、使用状況に応じて制
限値Ｖ_lim、Ｖ_dlimを変化させることもできる。また、
Ｖ相の電流Ｉvを、本実施の形態のようにＵ相、Ｗ相の
電流Ｉu、Ｉwから演算により求めるようにしなくてもよ
く、直接検出するようにすることもできる。

【００６２】次に、第２の実施の形態について説明す
る。第２の実施の形態は、ＰＭモータの可変速範囲内で
最大限のトルクを引き出せるように、制限値を調整する
ようにしたものである。尚、第２の実施の形態に係る交
流電動機のベクトル制御装置は、図１と同様の構成であ
るので、ここでは、構成の説明は省略する。

【００６３】次に、第２の実施の形態の動作を説明す
る。第２の実施の形態の動作説明図を図７に示す。尚、
制限値Ｖ_dlim1は、静止座標系における三相電圧指令値
Ｖu^*、Ｖv^*、Ｖw^*がＰＭモータ２７に供給可能な電圧を
越えないように設定された制限値とする。

【００６４】電圧指令制限値供給部３２は、電圧指令値
制限部３１に供給する制限値として、Ｖ_dlim1よりも小
さいＶ_dlim2を供給する。電圧指令値制御部３１は、電
圧指令制限値供給部３２から供給された制限値Ｖ _dlim2
に基づいて、トルク軸上の電圧指令値Ｖq^*を高めるべく
電圧指令値Ｖd^*とＶq^*とを調整する。

【００６５】即ち、電圧指令値制限部３１は、電圧指令
値Ｖd^*の絶対値を、その制限値Ｖ_{dl im2}と比較する（ス
テップＳ１１）。電圧指令値Ｖd^*の絶対値を制限値Ｖ
_dlim2と比較した結果、ｄ軸の電圧指令値Ｖd^*の絶対値
がｄ軸の電圧指令制限値Ｖ_dlim2を越えている場合、電
圧指令値制限部３１は、電圧指令値Ｖd^*が０以上か否か
を判別する（ステップＳ１２）。

【００６６】電圧指令値Ｖd^*が０以上の値であると判別
された場合、電圧指令値制限部３１は、電圧指令値Ｖd^*
に制限値としてＶ_dlim2をセットする（ステップＳ１
３）。

【００６７】次に、電圧指令値制限部３１は、電圧指令
値Ｖd^*とＶq^*との合成ベクトルの長さＶ_１ ^*の２乗値Ｖ
_１ ^*２を演算し（ステップＳ１５）、合成ベクトルの長
さＶ_１ ^*の２乗値Ｖ_１ ^*２が制限値Ｖ_limの２乗値Ｖ_lim ^２
以上であるか否かを判別する（ステップＳ１６）。

【００６８】合成ベクトルの長さＶ_１ ^*の２乗値Ｖ_１ ^*２
が制限値Ｖ_limの２乗値Ｖ_lim ^２未満であると判別された
場合、電圧指令値制限部３１は、この処理を終了させ
る。

【００６９】電圧指令値制限部３１が、このように電圧
指令値Ｖd^*に制限値としてＶ_dlim2をセットすることに
より、ｄ軸上の電圧指令値Ｖd^*は、Ｖd1^*よりも小さく
なり、Ｖd2^*となる。一方、ｑ軸上の電圧指令値Ｖq
^*は、Ｖq1^*よりも大きくなってＶq2^*となる。

【００７０】そして、電圧指令値座標変換部３３は、電
圧指令値制限部３１によって制限された回転座標系にお
ける電圧指令値Ｖd2^*とＶq2^*とを、静止座標系における
三相電圧指令値Ｖu^*、Ｖv^*、Ｖw^*に変換し、変換した三
相電圧指令値Ｖu^*、Ｖv^*、Ｖw^*をインバータ回路２４に
出力する。

【００７１】このような三相電圧指令値Ｖu^*、Ｖv^*、Ｖ
w^*がインバータ回路２４に供給されると、トルク電流Ｉ
qは、合成ベクトルの長さＶ₁ ^*が制限値Ｖ_lim以下で最大
電流になり、ＰＭモータ２７の可変速範囲内で最大限の
トルクが引き出されることになる。

【００７２】以上説明したように、第２の実施の形態に
よれば、電圧指令制限値供給部３２が、電圧指令値制限
部３１に供給する制限値として、Ｖ_dlim1よりも小さい
Ｖ_{dli m2}を供給するようにしたので、トルク電流Ｉqを最
大にして、ＰＭモータ２７の可変速範囲内で最大限のト
ルクを引き出すことができる。そして、インバータ回路
２４の最大出力電圧付近で駆動した場合でも、合成ベク
トルの長さＶ_１ ^*が制限値Ｖ_lim以下になるため、ＰＭモ
ータ２７を安定して制御することができ、制御特性は維
持される。

【００７３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
交流電動機に供給される交流電流の電流波形は、本来の
波形又はそれに近い波形となる。そして、電流波形が本
来の波形又はそれに近い波形となれば、制御特性を向上
させることができ、交流電動機を安定して制御すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る交流電動機の
ベクトル制御装置の構成を示すブロック図である。

【図２】第１の実施の形態に係るインバータ回路の構成
の一例を示す回路図である。

【図３】ベクトル制御の原理を示す説明図である。

【図４】静止座標系から回転座標系への座標変換を示す
説明図である。

【図５】第１の実施の形態に係る交流電動機のベクトル
制御装置の動作を示すフローチャートである。

【図６】第１の実施の形態に係る交流電動機のベクトル
制御装置の動作を示す説明図である。

【図７】第２の実施の形態に係る交流電動機のベクトル
制御装置の動作を示す説明図である。

【図８】従来の交流電動機のベクトル制御装置の構成を
示すブロック図である。

【符号の説明】

２４ インバータ回路 ２５ Ｕ相電流検出器 ２６ Ｗ相電流検出器 ２７ ＰＭモータ ３１ 電圧指令値制限部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H560 BB04 BB12 DA07 DC12 EB01 EC01 RR01 SS01 UA03 XA02 XA05 XA10 XA12 XA13 5H576 BB04 CC01 DD02 DD07 EE01 EE11 GG01 GG04 HA02 HB02 JJ28 KK00 LL22 LL41

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】交流電動機に流れる電流の測定値を、回転
   座標系の磁束軸上の磁化電流とトルク軸上のトルク電流
   とに変換し、それぞれの電流指令値との偏差に基づいて
   磁束軸上の電圧指令値とトルク軸上の電圧指令値とを演
   算する電圧指令値演算手段と、前記電圧指令値演算手段
   によって演算された磁束軸上の電圧指令値とトルク軸上
   の電圧指令値を、所定の電圧指令制限値以下の値に制限
   する電圧指令値制限手段と、前記電圧指令値制限手段に
   よって制限された磁束軸上の電圧指令値とトルク軸上の
   電圧指令値とを、静止座標系の電圧指令値に変換する電
   圧指令値座標変換手段と、前記電圧指令値座標変換手段
   により変換された静止座標系の電圧指令値に基づいて前
   記交流電動機に交流電圧を供給する交流供給手段と、を
   備えた交流電動機のベクトル制御装置において、 前記電圧指令値制限手段は、 前記電圧指令値演算手段によって演算された磁束軸及び
   トルク軸上の電圧指令値のいずれか一方を、所定の電圧
   指令制限値と比較する比較手段と、 前記比較手段により、前記電圧指令制限値を越えたと判
   定された電圧指令値を、前記電圧指令制限値以下の値に
   修正する電圧指令値修正手段と、 前記電圧指令値修正手段によって修正された電圧指令値
   と他方の電圧指令値との合成ベクトルの長さを、所定の
   ベクトル制限値と比較し、当該ベクトル制限値以上と判
   定された合成ベクトルの長さが、前記ベクトル制限値以
   下となるように、磁束軸上の電圧指令値とトルク軸上の
   電圧指令値とを演算し、演算した電圧指令値を前記電圧
   指令値座標変換手段に出力する電圧指令値出力手段と、
   を備えた、ことを特徴とする交流電動機のベクトル制御
   装置。
2. 【請求項２】前記交流電動機は、永久磁石形同期電動機
   であることを特徴とする請求項１に記載の交流電動機の
   ベクトル制御装置。
3. 【請求項３】前記磁束軸上の電圧指令値を制限する電圧
   指令制限値を前記電圧指令値制限手段に供給する電圧指
   令制限値供給手段を備えたことを特徴とする請求項１又
   は２に記載の交流電動機のベクトル制御装置。
4. 【請求項４】前記電圧指令制限値供給手段は、前記合成
   ベクトルの長さが所定のベクトル制限値以下となる範囲
   内でトルク軸上の電圧指令値を高めるべく調整した磁束
   軸上の電圧指令制限値を前記電圧指令値制限手段に供給
   するように構成されたことを特徴とする請求項３に記載
   の交流電動機のベクトル制御装置。
5. 【請求項５】交流電動機に流れる電流を測定し、 測定した電流値を、回転座標系の磁束軸上の磁化電流と
   トルク軸上のトルク電流とに変換し、 変換された磁束軸上の電圧指令値とトルク軸上の電圧指
   令値とのいずれか一方を、所定の電圧指令制限値と比較
   し、当該電圧指令制限値よりも大きいと判定された場合
   に、該電圧指令値を、前記電圧指令制限値以下の値に修
   正し、 修正された電圧指令値と他方の電圧指令値との合成ベク
   トルの長さを、所定のベクトル制限値と比較し、合成ベ
   クトルの長さが当該ベクトル制限値以上であると判定さ
   れた場合に、合成ベクトルの長さが前記ベクトル制限値
   以下になるような磁束軸上の電圧指令値とトルク軸上の
   電圧指令値とを求め、 求めた磁束軸上の電圧指令値とトルク軸上の電圧指令値
   とに基づいて、前記交流電動機に交流電圧を供給する、
   ことを特徴とする交流電動機のベクトル制御方法。