JP2004129381A - 永久磁石型同期電動機の制御装置 - Google Patents
永久磁石型同期電動機の制御装置 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】スイッチング素子の電流容量を増大させずに低速での電流制御精度を確保し、機器の効率を低下させずに高速での弱め界磁制御を実現する。
【解決手段】弱め磁束制御される永久磁石型同期電動機４の制御装置において、ｑ軸電流指令値と電圧振幅指令値とｄ軸電流検出値と速度検出値と電動機定数とから第２の電圧位相指令値を求める電圧位相演算器２３と、第１の電圧位相指令値と第２の電圧位相指令値とを切り換える電圧位相切換器２１と、低速運転時と弱め界磁制御が必要な高速運転時とを判断し、前記電圧位相切換器２１に対して切換信号を出力する位相切換判断器２２とを備える。
【選択図】 図１
【解決手段】弱め磁束制御される永久磁石型同期電動機４の制御装置において、ｑ軸電流指令値と電圧振幅指令値とｄ軸電流検出値と速度検出値と電動機定数とから第２の電圧位相指令値を求める電圧位相演算器２３と、第１の電圧位相指令値と第２の電圧位相指令値とを切り換える電圧位相切換器２１と、低速運転時と弱め界磁制御が必要な高速運転時とを判断し、前記電圧位相切換器２１に対して切換信号を出力する位相切換判断器２２とを備える。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電圧形インバータを用いて永久磁石型同期電動機の弱め磁束制御を行う永久磁石型同期電動機の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０に電圧形インバータにより永久磁石型同期電動機を駆動するシステムの構成例を示す。このシステムは、直流電源１、電圧形インバータ２、電流検出器３、永久磁石型同期電動機４、この同期電動機４に連結された磁極位置検出器５、速度検出器６、及び、トルク指令τ＊を受けてインバータ２に駆動用のゲートパルス信号を与える制御装置７から構成されている。
【０００３】
次に、制御装置７の構成について述べる。同期電動機４の永久磁石が作り出す磁束と同期して回転する回転座標系において、磁束方向をｄ軸とし、これと直交する方向をｑ軸とするｄｑ座標系を考え、電流検出器３により検出された同期電動機４の相電流検出値をｄｑ座標上のｄ軸電流検出値Ｉｄｆ、ｑ軸電流検出値Ｉｑｆに変換する座標変換器１１、トルク指令値τ＊と速度検出器ωと直流電圧検出値Ｖｃとからｄ軸電流指令値Ｉｄ ＊、ｑ軸電流指令値Ｉｑ ＊を演算する電流指令演算器１２、ｄ軸、ｑ軸電流検出値Ｉｄｆ，Ｉｑｆをｄ軸、ｑ軸電流指令値Ｉｄ ＊，Ｉｑ ＊に追従させる電流制御系１３、その出力であるｄ軸電圧指令値Ｖｄ ＊、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ ＊を極座標形式の電圧振幅指令値Ｖ＊＊と電圧位相指令値δ＊（＝δ１）に変換する極座標変換器１４、電圧振幅指令値Ｖ＊＊の大きさを制限するリミッタ１５、リミッタ１５を通った後の電圧振幅指令値Ｖ＊（≦Ｖ＊＊）と電圧位相指令値δ＊（＝δ１）とからゲートパルス信号を演算するパルスパターン演算器１６から構成されている。
【０００４】
前記電流制御系１３は、ｄ軸、ｑ軸の電流指令値Ｉｄ ＊，Ｉｑ ＊と電流検出値Ｉｄｆ，Ｉｑｆとの偏差をそれぞれ求める減算器３１，３２と、これらの偏差を無くすように調節動作するｄ軸のＰＩ調節器３３、ｑ軸のＰＩ調節器３４と、ｄ軸、ｑ軸の電流指令値Ｉｄ ＊，Ｉｑ ＊と速度検出値ωとから電機子抵抗、同期リアクタンスによる電圧低下や誘起電圧を演算して補償するｄ軸の補償演算器３５、ｑ軸の補償演算器３６と、ＰＩ調節器３３，３４の出力と各補償演算器３５，３６の出力とを加算する加算器３７，３８とから構成される。
【０００５】
次に、この従来技術の動作を説明する。電流検出器３により検出される相電流検出値は、位置検出器５により検出される磁極位置信号θを用いて、座標変換器１１によりｄ軸、ｑ軸電流検出値Ｉｄｆ，Ｉｑｆに変換される。一方、トルク指令値τ＊と、速度検出器６により検出される速度検出値ωと、インバータ２の直流電圧検出値Ｖｃとに応じて、電流指令演算器１２によりｄ軸、ｑ軸電流指令値Ｉｄ ＊，Ｉｑ ＊が求められる。そして、ｄ軸、ｑ軸電流検出値Ｉｄｆ，Ｉｑｆをｄ軸、ｑ軸電流指令値Ｉｄ ＊，Ｉｑ ＊に追従させるように電流制御系１３が動作し、数式１、数式２に示すようなｄ軸、ｑ軸電圧指令値Ｖｄ ＊，Ｖｑ ＊が出力される。
【０００６】
【数１】
【０００７】
【数２】
【０００８】
なお、これらの数式において、Ｒ：電機子抵抗、ω：速度検出値、Ｌｄ，Ｌｑ：永久磁石型同期電動機のｄ軸、ｑ軸インダクタンス、ａｃｒ＿ｄ，ａｃｒ＿ｑ：ｄ軸、ｑ軸のＰＩ調節器出力、Ｇ：比例ゲイン、Ｔ０：積分時間、ｓ：ラプラス演算子である。
【０００９】
このｄ軸、ｑ軸電圧指令値Ｖｄ ＊，Ｖｑ ＊は、極座標変換器１４により、数式３に示すように極座標形式の電圧振幅指令値Ｖ＊＊と電圧位相指令値δ＊に変換される。
電圧振幅指令値Ｖ＊＊は、インバータ２の出力可能な電圧値以上にならないようにするために、リミッタ１５によって大きさがＶ＊に制限される。この制限後の電圧振幅指令値Ｖ＊と電圧位相指令値δ＊とから、パルスパターン演算器１６によりインバータ２のゲート信号のパルスパターンが求められる。このゲート信号によりインバータ２が運転され、永久磁石型同期電動機４が駆動される。
【００１０】
【数３】
Ｖ＊＊＝√（Ｖｄ ＊２＋Ｖｑ ＊２），
δ＊＝δ１＝ｔａｎ−１（−Ｖｄ ＊／Ｖｑ ＊）
【００１１】
永久磁石型同期電動機４を高速で駆動する場合、速度に比例して誘起電圧が上昇し、インバータ２が出力可能な電圧を越えてしまうことがある。この場合に、トルク指令値τ＊と直流電圧検出値Ｖｃと速度検出値ωとから磁石磁束と逆方向である負のｄ軸電流指令値Ｉｄ ＊を求め、それに追従するようにｄ軸電流を流すことにより、誘起電圧に対抗する電圧を生じさせるいわゆる弱め磁束制御を行ない、高速域における駆動を可能としている。
【００１２】
図１１に、永久磁石型同期電動機４を駆動する時のインバータ２の電圧ベクトル図を示す。図１１の各図において、実線の半円はインバータ２が出力可能な最大電圧を示しており、また、点線の半円はＰＩ調節器にて電流の制御を行った時に、積分器の飽和を抑えるための制御上の電圧余裕を取った場合のインバータ出力電圧を示している。
同期電動機４の端子電圧がインバータの出力電圧を少しでも越えると所望のトルクが得られなくなると共に、ＰＩ調節器の積分器が飽和して最悪の場合は制御不能となる。このため、ＰＩ調節器を安定に動かすためには制御上の電圧余裕を設ける必要がある。従って、実線の半円で示した最大電圧よりも前記電圧余裕分だけ小さい点線の半円内の電圧振幅指令値でインバータ２を駆動するため、その分、インバータ２の出力電圧が低下することになる。
【００１３】
従来技術において、図１１の（ａ）に示す低速運転時には、同期電動機４の誘起電圧（ωψにて示す（ψ：永久磁石の磁束））が低く、同期電動機４の最大トルクを得る場合でも電圧振幅指令値Ｖ＊は図示するように点線の半円の内側となり、ｄ軸電流Ｉｄをゼロとしたままで駆動が可能である。
一方、図１１の（ｂ−１）に示すように、速度が上昇して誘起電圧ωψがインバータ２の出力可能な電圧よりも高くなった場合には、負のｄ軸電流Ｉｄを流し、−ωＬｄＩｄの電圧降下を生じさせて誘起電圧値と電圧振幅指令値との電圧差を補う弱め磁束制御を行う必要がある。
【００１４】
このとき、従来技術において安定な電流制御を行うためにはＰＩ調節器の積分器の飽和を抑える必要があり、電圧振幅指令値Ｖ＊は積分器が飽和しないように電圧余裕を取った点線の半円の円周上の値までに制限される。そのため、出力電圧が電圧余裕分だけ低下すると共に、−ωＬｄＩｄに相当する弱め磁束制御に必要なｄ軸電流Ｉｄが大きくなる。
従って、電動機を高速運転して出力を得る場合に必要な電流容量が増加し、インバータ２や同期電動機４の効率低下を招く等の問題が生じる。
【００１５】
上記の問題を解決するために、例えば特許文献１に示すような方式が提案されている。この方式では、電圧余裕を少なくするために電流制御系としてＰＩ調節器から積分器を除いた比例調節器のみを用いている。
【００１６】
【特許文献１】
特開平８−３３６３００号公報（図１）
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特許文献１記載の発明では、電流制御系から積分器を除いたことにより、弱め磁束制御が必要でない低速においても電流検出値が電流指令値に対して偏差をもち、電流制御精度が低下するという問題が生じる。そのため、トルク電流の制御精度が低下し、起動トルクのように低速での大きなトルクが必要な動作領域で所望のトルクが得られなかったり、電流指令値に対する電流実際値の偏差分だけ余裕をもった電流値でインバータに用いられるスイッチング素子定格を選択するため、スイッチング素子の電流容量の増大を招き、低コスト化の妨げになるといった問題がある。
そこで本発明は、スイッチング素子の電流容量を増大させることなく低速での電流制御精度を確保し、しかも機器の効率を低下させずに高速での弱め磁束制御を実現させる低コストの制御装置を提供しようとするものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、永久磁石からなる磁極を有する永久磁石型同期電動機を電圧形インバータにより駆動するための制御装置であって、
永久磁石が作る磁束と同期して回転するｄｑ座標系において同期電動機のトルク指令値から同期電動機のｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を求める電流指令演算手段と、インバータの出力電流検出値をｄｑ座標系に変換してなるｄ軸電流検出値及びｑ軸電流検出値をそれぞれｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値に追従させるように調節動作するＰＩ調節手段と、ｄ軸、ｑ軸電流指令値及び同期電動機の速度検出値から電機子抵抗及び同期リアクタンスによる電圧低下や誘起電圧を演算して補償するｄ軸、ｑ軸の補償演算手段とからなる電流制御手段と、この電流制御手段の出力であるｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値を極座標形式の電圧振幅指令値及び第１の電圧位相指令値に変換する極座標変換手段と、前記電圧振幅指令値及び電圧位相指令値からインバータの駆動用パルスパターンを求めるパルスパターン演算手段とを有する制御装置において、
請求項１記載の発明は、ｑ軸電流指令値と電圧振幅指令値とｄ軸電流検出値と速度検出値と電動機定数とから第２の電圧位相指令値を求める電圧位相演算手段と、第１の電圧位相指令値と第２の電圧位相指令値とを切り換える電圧位相切換手段と、低速運転時と弱め磁束制御が必要な高速運転時とを判断し、前記電圧位相切換手段に対して切換信号を出力する位相切換判断手段とを備えたものである。
【００１９】
請求項２記載の発明は、ｑ軸電流検出値をｑ軸電流指令値に追従させるように第２の電圧位相指令値を求める電圧位相調節手段と、第１の電圧位相指令値と第２の電圧位相指令値とを切り換える電圧位相切換手段と、低速運転時と弱め磁束制御が必要な高速運転時とを判断し、前記電圧位相切換手段に対して切換信号を出力する位相切換判断手段とを備えたものである。
【００２０】
請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載した制御装置において、
位相切換判断手段は、極座標変換手段の出力である電圧振幅指令値を直流電圧検出値により除算した値が第１の基準値以上になった場合に電圧位相切換手段の出力を第１の電圧位相指令値から第２の電圧位相指令値に切り換えて電流制御手段のＰＩ調節手段内の積分手段への入力を停止させるとともに、前記電圧振幅指令値を直流電圧検出値により除算した値が第２の基準値以下になった場合に電圧位相切換手段の出力を第２の電圧位相指令値から第１の電圧位相指令値に切り換えて前記積分手段への入力を再開させるような切換信号を出力するものである。
【００２１】
請求項４記載の発明は、請求項１または２に記載した制御装置において、
位相切換判断手段は、直流電圧検出値と同期電動機の速度検出値とを用いた演算により求めた値が第１の基準値以上になった場合に電圧位相切換手段の出力を第１の電圧位相指令値から第２の電圧位相指令値に切り換えて電流制御手段のＰＩ調節手段内の積分手段への入力を停止させるとともに、前記速度検出値と直流電圧検出値とを用いた演算により求めた値が第２の基準値以下になった場合に電圧位相切換手段の出力を第２の電圧位相指令値から第１の電圧位相指令値に切り換えて前記積分手段への入力を再開させるような切換信号を出力するものである。
【００２２】
請求項５記載の発明は、請求項３または４に記載した制御装置において、
位相切換判断手段は、電圧位相切換手段の出力を第１の電圧位相指令値から第２の電圧位相指令値に切り換える時に電流制御手段のＰＩ調節手段への入力を停止させるとともに積分手段の入力をゼロにし、かつ、電圧位相切換手段の出力を第２の電圧位相指令値から第１の電圧位相指令値に切り換える時に前記ＰＩ調節手段への入力及び前記積分手段の積分動作を再開させるような切換信号を出力するものである。
【００２３】
以下、本発明の作用について説明する。
永久磁石型同期電動機の出力トルクは、数式４によって求められる。回転子の表面に磁石がある永久磁石型同期電動機では、ｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑの値が等しい特性をもっているので、トルクτはｑ軸電流Ｉｑのみに比例し、弱め磁束電流であるｄ軸電流Ｉｄには無関係である。
なお、数式４において、τ：トルク、ｐｎ：極対数、ψ：磁石磁束、Ｉｄ，Ｉｑ：ｄ軸、ｑ軸電流である。
【００２４】
【数４】
τ＝ｐｎ｛ψＩｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）ＩｄＩｑ｝
【００２５】
請求項１の発明においては、低速での電流制御精度が必要な運転領域では、ＰＩ調節手段と補償演算手段とを有する電流制御手段の出力である電圧振幅指令値Ｖ＊と第１の電圧位相指令値δ１とを用いることでｄ軸、ｑ軸電流指令値とｄ軸、ｑ軸電流検出値との偏差を無くす電流制御を実現する。
また、高速での弱め磁束制御が必要な運転領域では、電圧振幅指令値Ｖ＊として電流制御手段の出力を用い、電圧位相指令値としては、電圧位相演算手段において数式５の演算によりトルク電流であるｑ軸電流検出値が指令値通りに流れるように求めた第２の電圧位相指令値δ２を用いる。
なお、数式５において、δ２：第２の電圧位相指令値、Ｉｄｆ：ｄ軸電流検出値である。
【００２６】
【数５】
【００２７】
上記のようにして求めた第２の電圧位相指令値δ２を弱め磁束制御が必要な運転領域で用いることにより、出力電圧が電圧振幅指令値一定の場合でもトルク制御が可能となる。また、誘起電圧と電圧振幅指令値のｄ軸成分の差に応じて数式６に示すｄ軸電流Ｉｄが流れ、永久磁石型同期電動機の端子電圧を電圧振幅指令値と等しくする弱め磁束制御も行うことが可能となる。
【００２８】
【数６】
【００２９】
このように、第２の電圧位相指令値δ２を用いることで、図１１（ａ），（ｂ−１）に示したごとく電流制御手段に必要であった電圧余裕が不要となり、図１１（ｂ−２）のように電圧振幅指令値Ｖ＊として実線半円のインバータの最大出力電圧まで用いることができ、従来技術に比べて弱め磁束制御を行うときのｄ軸電流Ｉｄを減少させることができる。従って、高速運転時におけるインバータや同期電動機の効率低下や電流容量の増加を防ぐことができる。
【００３０】
請求項２の発明においては、低速での電流制御精度が必要な運転領域では、請求項１の発明と同様に電流制御手段の出力である電圧振幅指令値Ｖ＊と第１の電圧位相指令値δ１とを用いてｄ軸、ｑ軸電流指令値とｄ軸、ｑ軸電流検出値との偏差を無くす電流制御を実現する。
また、高速での弱め磁束制御が必要な運転領域では、電圧振幅指令値Ｖ＊として電流制御手段の出力を用い、電圧振幅指令値としては、電圧位相調節手段においてトルク電流であるｑ軸電流検出値をｑ軸電流指令値に追従させるように数式７によって求めた第２の電圧位相指令値δ’２を用いる。これにより、電圧振幅指令値一定でのトルク制御が可能となる。同時に、図１１（ｂ−２）のごとく電圧振幅指令値をインバータの最大出力電圧まで用いることが可能となり、従来技術に比べて弱め磁束電流であるｄ軸電流を減少させることができる。なお、数式７において、δ’２：第２の電圧位相指令値、Ｇ１：ゲイン、Ｔ１：積分時間である。
【００３１】
【数７】
【００３２】
請求項３の発明においては、請求項１または２に記載した発明において、位相切換判断手段が、電圧振幅指令値を直流電圧検出値によって除算した値が第１の基準値以上になった場合に電流制御精度が必要な運転領域から弱め磁束制御が必要な運転領域に変わったと判断して切換信号を出力することにより、ＰＩ調節手段の積分手段への入力を停止し、かつ、電圧位相切換手段の出力を第２の電圧位相指令値δ２とする。また、電圧振幅指令値を直流電圧検出値で除算した値が第２の基準値以下になった場合に、弱め磁束制御が必要な運転領域から電流制御精度が必要な運転領域に変わったと判断してＰＩ調節手段の積分手段への入力を再開し、かつ、電圧位相切換手段の出力を第１の電圧位相指令値δ１とする。
【００３３】
ここで、電圧振幅指令値を直流電圧検出値によって除算した値はインバータの出力可能な電圧の割合を示し、１００％を越える場合には弱め磁束制御を行う必要があることが分かる。そのため、この値を電圧位相指令の切換判断に用いることで弱め磁束制御が必要かどうかを明確に判断できるようになり、弱め磁束制御が必要になる領域まで、電流指令値に対して電流実際値が偏差を無くすような電流制御を行うことが可能となる。
また、弱め磁束制御時にＰＩ調節手段の積分手段の入力を停止することにより、弱め磁束電流指令値であるｄ軸電流指令値と、誘起電圧と電圧振幅指令値のｄ軸成分との差によって流れるｄ軸電流検出値との偏差により、ＰＩ調節手段の積分手段が飽和するのを防ぐことができる。
【００３４】
請求項４の発明では、請求項１または２に記載した発明において、位相切換判断手段が、同期電動機の速度検出値と直流電圧検出値とを用いた演算により得た値が第１の基準値以上になった場合に電流制御精度が必要な運転領域から弱め磁束制御が必要な運転領域に変わったと判断し、ＰＩ調節手段の積分手段への入力を停止して電圧位相切換手段の出力を第２の電圧位相指令値δ’２とする。また、上記演算により得た値が第２の基準値以下になった場合に弱め磁束制御が必要な運転領域から電流制御精度が必要な運転領域に変わったと判断してＰＩ調節手段の積分手段への入力を再開し、電圧位相切換手段の出力を第１の電圧位相指令値δ１に切り換える。
同期電動機の誘起電圧は速度に比例するため速度検出値から誘起電圧を演算することができ、また、インバータの出力可能な電圧は直流電圧検出値から演算することができる。そのため、速度検出値と直流電圧検出値とを用いて演算した値（速度検出値を直流電圧検出値により除算した値）はインバータの出力可能な電圧の割合を示す値に比例するので、この値を電圧位相指令の切換判断に用いることで、弱め磁束制御が必要かどうかの判断が可能となる。
【００３５】
請求項４の発明によれば、請求項３のように電圧振幅指令値を直流電圧値により除算した値を用いる場合に比べて、速度検出値を直流電圧検出値により除算した値は同じ動作条件における値の変化が少ないため、第１の電圧位相指令値と第２の電圧位相指令値とが過度に切換わることを抑制するのに効果的である。
また、弱め磁束制御時にＰＩ調節手段の積分手段の入力を停止することにより、弱め磁束電流指令値であるｄ軸電流指令値とｄ軸電流検出値との偏差により、ＰＩ調節手段の積分手段が飽和するのを防ぐことができる。
【００３６】
請求項５の発明では、請求項３または４に記載した発明において、電圧位相切換手段の出力を第１の電圧位相指令値から第２の電圧位相指令値に切り換える時に、前述したＰＩ調節手段への入力を停止し、積分手段の入力をゼロとする。また、第２の電圧位相指令値から第１の電圧位相指令値に切り換える時に、前記ＰＩ調節手段への入力と積分手段の動作とを再開する。
このように弱め磁束制御時にＰＩ調節手段への入力を停止し、積分手段の入力をゼロとすることで、弱め磁束制御時のｄ軸電流指令値とｄ軸電流検出値との偏差による前記積分手段の飽和を防ぐことができる。同時に、ＰＩ調節手段の出力をゼロにすることで電圧振幅指令値や電圧位相指令値の切換前後における偏差をそれぞれ小さくでき、特に第２の電圧位相指令値から第１の電圧位相指令値に切り換える際に発生するトルクや電流の急変を抑制することが可能となる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。図１に、請求項１に記載した発明の実施形態を示す。ここでは、図１０の従来技術と異なる点を中心に説明する。
図１の制御装置７Ａにおいて、トルク指令値τ＊からｄ軸、ｑ軸電流の指令値を作る電流指令演算器１２Ａの出力として、ｄ軸電流指令値Ｉｄ ＊は常にゼロとし、ｑ軸電流指令値Ｉｑ ＊のみをトルク指令値τ＊に比例した値とする。ｑ軸電流指令値Ｉｑ ＊、電圧振幅指令値Ｖ＊、速度検出値ω、ｄ軸電流検出値Ｉｄｆ、及び電動機定数（電機子抵抗Ｒ、ｑ軸インダクタンスＬｑ等）から前述の数式５により第２の電圧位相指令値δ２を求める電圧位相演算器２３と、極座標変換器１４の出力である第１の電圧位相指令値δ１と前記第２の電圧位相指令値δ２とを切り換える電圧位相切換器２１と、リミッタ１５を経た電圧振幅指令値Ｖ＊と直流電圧検出値Ｖｃとから電圧位相指令の切換を判断する位相切換判断器２２とを設け、電圧振幅指令値Ｖ＊と電圧位相切換器２１から出力される電圧位相指令値δ＊とを用いて、パルスパターン演算器１６によりインバータ２のゲート信号を演算する。
【００３８】
低速での電流制御精度が必要な運転領域では、ＰＩ調節器３３，３４と補償演算器３５，３６とを有する電流制御系１３の出力である電圧振幅指令値Ｖ＊と第１の電圧位相指令値δ１とを用いることにより、ｄ軸、ｑ軸電流指令値Ｉｄ ＊，Ｉｑ ＊とｄ軸、ｑ軸電流検出値Ｉｄｆ，Ｉｑｆとの偏差を無くす電流制御を実現することができる。
また、高速での弱め磁束制御が必要な運転領域では、電圧振幅指令値Ｖ＊としては低速時と同様に電流制御系１３の出力を用い、電圧位相指令値δ＊としては、電圧位相演算器２３においてトルク電流であるｑ軸電流が指令通りに流れるように数式５から求めた第２の電圧位相指令値δ２を用いることにより、出力電圧が電圧振幅指令値一定の場合であってもトルク制御が可能となる。このため、電圧振幅指令値Ｖ＊として図１１（ｂ−２）に示したようにインバータ２の最大出力電圧まで用いることが可能となり、従来技術の（ｂ−１）に比べて弱め磁束制御を行う際のｄ軸電流Ｉｄを減少させることができる。
【００３９】
なお、この実施形態における第１、第２の電圧位相指令値の切換は、後に詳述するように、位相切換判断器２２が内部の除算器４１で電圧振幅指令値Ｖ＊を直流電圧検出値Ｖｃにより除算して得た値（変調率λ＊）を比較器４２にて第１、第２の基準値と比較し、それによって得た切換信号を電圧位相切換器２１に出力することにより行うものである。
【００４０】
次に、図２に請求項２に記載した発明の実施形態を示す。以下では、図１０の従来技術と異なる点を中心に説明する。
図２の制御装置７Ｂにおいて、図１と同様にｄ軸電流指令値Ｉｄ ＊は常にゼロとし、ｑ軸電流指令値Ｉｑ ＊は電流指令演算器１２Ａによってトルク指令値τ＊に比例した値とし、減算器２４から出力されるｑ軸電流指令値Ｉｑ ＊とｑ軸電流検出値Ｉｑｆとの偏差を無くすように前述の数式７によって第２の電圧位相指令値δ’２を演算する電圧位相調節器２５と、極座標変換器１４から出力される第１の電圧位相指令値δ１と上記第２の電圧位相指令値δ’２とを切り換える電圧位相切換器２１と、速度検出値ωと直流電圧検出値Ｖｃとに基づいた演算により電圧位相指令値の切り換えを判断する位相切換判断器２２Ｂとを設け、電圧振幅指令値Ｖ＊と電圧位相切換器２１から出力される電圧位相指令値δ＊とを用いて、パルスパターン演算器１６によりインバータ２のゲート信号を演算する。
【００４１】
このようにして求めた第２の電圧位相指令値δ’２を用いれば、出力電圧が電圧振幅指令値一定の場合でもトルクの制御が可能となる。また、図１１の（ｂ−２）のように、従来技術の（ｂ−１）に対し、ＰＩ調節器の積分器の飽和を防ぐための電圧余裕が不要となった分、電圧振幅指令値をインバータ２の最大出力電圧まで増加させることができ、その結果、弱め磁束電流であるｄ軸電流Ｉｄを減少させることができる。
【００４２】
この実施形態における第１、第２の電圧位相指令値の切換は、後に詳述するように、位相切換判断器２２Ｂが内部の演算器４３により速度検出値ωと電圧振幅指令値Ｖ＊とを用いて演算を行い、その演算値（変調率λｓ）を比較器４２にて第１、第２の基準値と比較し、それによって得た切換信号を電圧位相切換器２１に出力することにより行うものである。
【００４３】
次いで、請求項３の発明の実施形態を図３及び図４を用いて説明する。
構成例としては、図１に示すＰＩ調節器３３，３４と位相切換判断器２２において、ＰＩ調節器３３，３４を図３に示すような構成とし、位相切換判断器２２は、図１に示したように電圧振幅指令値Ｖ＊を直流電圧検出値Ｖｃにより除算して数式８の変調率λ＊を求める除算器４１と、この変調率λ＊を第１、第２の基準値と比較する比較器４２とから構成される。
【００４４】
【数８】
λ＊＝Ｖ＊／Ｖｃ
【００４５】
なお、図３ではｄ軸のＰＩ調節器３３について示してあるが、ｑ軸のＰＩ調節器３４の構成も同様である。以下では、便宜上、ｄ軸のＰＩ調節器３３のみについてその構成、動作を説明する。
図３に示すＰＩ調節器３３は、比例ゲイン５１と、積分器５２と、比例ゲイン５１の出力と積分器５２の出力とを加算する加算器５３と、積分器５２への入力を停止するスイッチ５４とから構成されている。
【００４６】
この実施形態における位相切換判断器２２の動作を、図４のフローチャートに従って説明する。
初期状態として、図３の積分器５２への入力が停止されておらず（スイッチ５４がオン）、位相切換判断器２２による電圧位相指令値の切換信号が“０”の状態で電圧位相指令値として第１の電圧位相指令値δ１を出力している（図４のＳ１，Ｓ２）。
位相切換判断器２２において、変調率λ＊が位相切換判断器２２の第１の基準値以上になった場合（Ｓ３ ＹＥＳ）に切換信号を“１”としてスイッチ５４により積分器５２への入力を停止し（図３において、積分器５２の入力を“０”とする）、電圧位相切換器２１により第１の電圧位相指令値δ１を第２の電圧位相指令値δ２に切り換えて出力する（Ｓ４〜Ｓ６）。
【００４７】
また、第２の電圧位相指令値δ２が選択され、換言すれば位相切換判断器２２による電圧位相指令値の切換信号が“１”の状態（Ｓ２ ＯＮ）では、変調率λ＊が位相切換判断器２２の第２の基準値以下になった場合（Ｓ７ ＹＥＳ）に切換信号を“０”としてスイッチ５４により積分器５２への入力を再開する（図３の状態）とともに、電圧位相切換器２１により第２の電圧位相指令値δ２を第１の電圧位相指令値δ１に切り換えて出力する（Ｓ８〜Ｓ１０）。
なお、ステップＳ６，Ｓ１０の後は終了条件が満たされれば終了し、満たされない場合にはステップＳ２に戻る（Ｓ１１）。
【００４８】
このときの電圧位相指令値δ＊（δ１，δ２）とＰＩ調節器３３，３４の出力を、図５に示す。
図５（ａ）において、永久磁石型同期電動機４の速度が上昇して電圧振幅指令値Ｖ＊が大きくなり、それに伴って変調率λ＊が増加し、位相切換判断器２２の第１の基準値以上となった場合に、切換信号が“０”から“１”となり、ＰＩ調節器の積分器への入力を停止し、第１の電圧位相指令値δ１に代えて第２の電圧位相指令値δ２が出力される。更に速度が上昇すると、電圧振幅指令値Ｖ＊がインバータ２の出力可能な電圧値よりも大きくなり、誘起電圧と電圧振幅指令値のｄ軸成分との差に応じて数式６に示すｄ軸電流Ｉｄが流れ始める。こうして流れるｄ軸電流Ｉｄによって永久磁石型同期電動機４の端子電圧を電圧振幅指令値と等しくする弱め磁束制御が行われる。このとき、ｄ軸電流指令値Ｉｄ ＊はゼロのままであるため、ｄ軸のＰＩ調節器３３の出力のみ増加している。
【００４９】
また、図５（ｂ）において、電動機４の速度が減少し、電圧振幅指令値Ｖ＊がインバータ２の出力可能な最大電圧値以下になると、負のｄ軸電流が流れなくなるためにｄ軸のＰＩ調節器３３の出力が一定になる。更に速度が減少していって変調率λ＊が位相切換判断器２２の第２の基準値以下になると、切換信号が“１”から“０”となって積分器への入力が再開され、電圧位相指令値が第２の電圧位相指令値δ２から電流制御系１３の出力である第１の電圧位相指令値δ１に切り換えられる。
【００５０】
図６は、請求項１の発明の他の実施形態である。この実施形態は、制御装置７Ｃにおいて、電圧振幅指令値Ｖ＊を直流電圧検出値Ｖｃにより除算する除算器４１を位相切換判断器２２Ｃの内部からリミッタ１５の後段に置き、この除算器４１の出力である変調率λ＊を位相切換判断器２２Ｃの第１の基準値や第２の基準値と比較して切換信号を生成し、この切換信号を第１の電圧位相指令値δ１と第２の電圧位相指令値δ２との切り換えに用いるようにしても請求項１と同様の効果が得られる。
この実施形態は、図３に示した請求項３の発明の実施形態にも適用可能である。
【００５１】
次に、請求項４の発明の実施形態を説明する。この実施形態は、図２に示す位相切換判断器２２Ｂの構成に特徴を有しており、請求項３における位相切換判断器２２との違いは、除算器４１に代えて、速度検出値ωと直流電圧検出値Ｖｃとを用いた演算により変調率λｓを求める演算器４３を有することである。
【００５２】
すなわち、図２に示した位相切換判断器２２Ｂ内の演算器４３において、速度検出値ωと直流電圧検出値Ｖｃとを用いて数式９により演算された変調率λｓが第１の基準値以上になった場合に、スイッチによりＰＩ調節器３３，３４の積分器への入力を停止し、電圧位相切換器２１により第１の電圧位相指令値δ１を第２の電圧位相指令値δ’２に切り換えて出力する。なお、数式９において、Ｋ０はＰＷＭ変調方式による係数である。
【００５３】
【数９】
λｓ＝（Ｋ０・ωψ）／Ｖｃ
【００５４】
また、第２の電圧位相指令値δ２が選択されていて変調率λｓが第２の基準値以下になった場合には、スイッチによりＰＩ調節器３３，３４の積分器への入力を再開し、電圧位相切換器２１により、第２の電圧位相指令値δ２から第１の電圧位相指令値δ１に切り換えて出力する。
【００５５】
次いで、請求項５の実施形態を図７，図８を用いて説明する。構成例としては、図１に示すＰＩ調節器３３，３４を図７のような構成とし、そのときの位相切換判断器２２の動作を図８に示すフローチャートのようにする。
なお、図７ではｄ軸のＰＩ調節器３３について示してあるが、ｑ軸のＰＩ調節器３４の構成も同様である。以下では、便宜上、ｄ軸のＰＩ調節器３３のみについてその構成、動作を説明する。
【００５６】
図７に示すＰＩ調節器３３は、比例ゲイン６１と、積分器６２と、比例ゲイン６１の出力と積分器６２の出力とを加算する加算器６３と、ＰＩ調節器３３の入力を停止するスイッチ６４と、積分器６２の出力を増幅する増幅器６５と、ＰＩ調節器の入力から増幅器６５の出力を減算する減算器６６と、減算器６６への入力を増幅器６５の出力か“０”かの何れかに切り換えるスイッチ６７とから構成されている。
【００５７】
図８において、初期状態としてＰＩ調節器３３の入力が停止されていない状態で（スイッチ６４がオン）、スイッチ６７により減算器６６の入力をゼロとし（Ｓ２１）、電圧位相指令値の切換信号が“０”の状態で電圧位相指令値として第１の電圧位相指令値δ１を出力している（Ｓ２２ ＹＥＳ）。
位相切換判断器２２において、電圧振幅指令値Ｖ＊を直流電圧検出値Ｖｃにより除算した値である変調率λ＊が位相切換判断器２２の第１の基準値以上になった場合に（Ｓ２３ ＹＥＳ）、切換信号を“１”としてスイッチ６４によりＰＩ調節器３３への入力を停止し、スイッチ６７により減算器６６の入力を増幅器６５の出力として積分器６２の入力をゼロにする（Ｓ２４〜Ｓ２６）。このとき、電圧位相指令値は第２の電圧位相指令値δ２に切り換えられる（Ｓ２７）。
【００５８】
また、第２の電圧位相指令値δ２が選択されている状態、すなわち切換信号が“１”の状態で（Ｓ２２ ＯＮ）変調率λ＊が第２の基準値以下になった場合（Ｓ２８ ＹＥＳ）には、切換信号を“０”としてスイッチ６４によりＰＩ調節器３３への入力を開始すると共に（図７の状態）、スイッチ６７により減算器６６への入力を“０”にして積分器動作を再開する（Ｓ２９〜Ｓ３１）。このとき、電圧位相指令値は第１の電圧位相指令値δ１に切り換えられる（Ｓ３２）。
なお、ステップＳ２７，Ｓ３２の後は終了条件が満たされれば終了し、満たされない場合にはステップＳ２２に戻る（Ｓ３３）。
【００５９】
このときの変調率λ＊とＰＩ調節器３３，３４の出力との関係を図９に示す。図９（ａ）において、永久磁石型同期電動機４の速度が上昇し、切換判断値である変調率λ＊が位相切換判断器２２の第１の基準値以上になった場合に切換信号が“０”から“１”となり、第１の電圧位相指令値δ１から第２の電圧位相指令値δ２に切り換えられる。そのとき、ＰＩ調節器３３，３４への入力が停止し、積分器の値がゼロとなることでＰＩ調節器３３，３４の出力はゼロとなる。
また、図９（ｂ）において、同期電動機４の速度が減少して変調率λ＊が第２の基準値以下になると、切換信号が“１”から“０”となり、第２の電圧位相指令値δ２から第１の電圧位相指令値δ１に切り換えられる。そのとき、ＰＩ調節器３３，３４への入力が再開され、ＰＩ調節器３３，３４の出力がゼロから増加する。
【００６０】
なお、請求項５記載の発明については、上記実施形態において請求項１及び請求項３記載の発明に適用した場合につき説明したが、請求項２及び請求項４記載の発明に適用することも可能である。
【００６１】
【発明の効果】
以上のように請求項１の発明によれば、永久磁石型同期電動機に対し起動トルク等の大きなトルク電流を流すための電流制御精度が必要な領域では、ＰＩ調節器を用いた電流制御手段の出力である第１の電圧位相指令値を用いることで電流偏差の無い電流制御を実現する。また、高速での弱め磁束制御が必要な領域では、電圧振幅指令値、速度検出値、ｄ軸電流検出値等を用いて演算した第２の電圧位相指令値を用いることで、出力電圧一定の条件下でのトルク制御を可能とし、電圧振幅指令値をインバータの最大出力電圧まで用いてｄ軸電流を減少させ、同一のトルクまたは出力を得る場合の機器の効率を向上させることができる。
【００６２】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明と同様に大きなトルク電流を流すための電流制御精度が必要な領域では、電流偏差の無い電流制御を実現し、また、弱め磁束制御が必要な領域では、ｑ軸電流検出値をｑ軸電流指令値に追従させるような第２の電圧位相指令値を用いることで、出力電圧一定の条件下でのトルク制御を可能とし、電圧振幅指令値をインバータの最大出力電圧まで用いてｄ軸電流を減少させ、同一トルクまたは出力を得る場合の機器の効率向上を可能にしている。
【００６３】
請求項３の発明によれば、請求項１または２に記載した発明において、電圧位相指令値の切換判断を、電圧振幅指令値を直流電圧検出値により除算した値と位相切換手段の基準値との比較により行うこととし、前記除算結果が第１の基準値以上となった場合に電流制御精度が必要な運転領域から弱め磁束制御が必要な運転領域に変わったと判断し、ＰＩ調節手段の積分手段の入力を停止すると共に第１の電圧位相指令値から第２の電圧位相指令値に切り換えるものである。また、前記除算結果が第２の基準値以下になった場合には、弱め磁束制御が必要な運転領域から電流制御精度が必要な運転領域に変わったと判断し、ＰＩ調節手段の積分手段への入力を再開すると共に、第２の電圧位相指令値から第１の電圧位相指令値に切り換えるものである。
このように電圧位相指令値を切り換えることで、弱め磁束制御が必要な動作領域の直前まで、ＰＩ調節手段を用いた電流偏差の無い電流制御を実現することができる。また、弱め磁束制御時にＰＩ調節手段の積分手段の入力を停止することで、積分手段の飽和を防止でき、電圧位相指令値の切換えを行った時でも安定な制御を行うことができる。
【００６４】
請求項４の発明によれば、請求項１または２に記載した発明において、電圧位相指令値の切換判断を、速度検出値と直流電圧検出値とを用いて演算した値と位相切換判断手段の基準値とを比較することとし、前記演算結果が第１の基準値以上となった場合に電流制御精度が必要な運転領域から弱め磁束制御が必要な運転領域に変わったと判断し、ＰＩ調節手段の積分手段の入力を停止すると共に第１の電圧位相指令値から第２の電圧位相指令値に切り換えるものである。また、前記演算結果が第２の基準値以下になった場合には、弱め磁束制御が必要な運転領域から電流制御精度が必要な運転領域に変わったと判断し、ＰＩ調節手段の積分手段への入力を再開すると共に、第２の電圧位相指令値から第１の電圧位相指令値に切り換えるものである。
このように電圧位相指令値を切り換えることで、低速ではＰＩ調節手段を用いた電流偏差の無い電流制御を行ない、高速では弱め磁束制御を行なうことが可能となり、速度検出値を直流電圧検出値により除算した値を切換判断値として用いることで、過度に電圧位相指令値が切換わって制御が不安定になるのを抑制することができる。
更に、弱め磁束制御時にＰＩ調節手段の積分手段の入力を停止することで積分手段の飽和を防ぎ、電圧位相指令値の切換えを行なっても安定な制御を行うことができる。
【００６５】
請求項５においては、請求項３または４記載の発明において、電圧位相切換手段により電圧位相指令値を第１の電圧位相指令値から第２の電圧位相指令値に切り換える時に、電流制御手段のＰＩ調節手段への入力を停止して積分手段の値をゼロとし、また、電圧位相指令値を第２の電圧位相指令値から第１の電圧位相指令値に切り換える時に、上記ＰＩ調節手段への入力と積分手段の積分動作とを再開するものである。
電圧位相切換手段から第２の電圧位相指令値が出力される弱め磁束制御の際に、上述の如くＰＩ調節手段への入力を停止することで積分手段が飽和するのを防ぐことができ、積分手段の入力をゼロとすることでＰＩ調節手段の出力がゼロとなり、電圧位相指令値の切換え前後の電圧振幅指令値や電圧位相指令値の偏差を少なくし、電圧位相指令値の切換わり時に発生するトルクや電流の急変を抑制して良好なトルク制御を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１の発明の実施形態を示すブロック図である。
【図２】請求項２の発明の実施形態を示すブロック図である。
【図３】請求項３の発明の実施形態を示すブロック図である。
【図４】請求項３の発明の実施形態の動作を示すフローチャートである。
【図５】請求項３の発明の実施形態における電圧位相指令値とＰＩ調節器出力との関係を示す図である。
【図６】請求項１の発明の他の実施形態を示すブロック図である。
【図７】請求項５の発明の実施形態を示すブロック図である。
【図８】請求項５の発明の実施形態の動作を示すフローチャートである。
【図９】請求項５の発明の実施形態における電圧位相指令値とＰＩ調節器出力との関係を示す図である。
【図１０】従来技術を示すブロック図である。
【図１１】従来技術と本発明の電圧ベクトル図である。
【符号の説明】
１：直流電源
２：電圧形インバータ
３：電流検出器
４：永久磁石型同期電動機
５：位置検出器
６：速度検出器
７Ａ，７Ｂ，７Ｃ：制御装置
１１：座標変換器
１２Ａ：電流指令演算器
１３：電流制御系
１４：極座標変換器
１５：リミッタ
１６：パルスパターン演算器
２１：電圧位相切換器
２２，２２Ｂ，２２Ｃ：位相切換判断器
２３：電圧位相演算器
２４，３１，３２，６６：減算器
２５：電圧位相調節器
３３，３４：ＰＩ調節器
３５，３６：補償演算器
３７，３８，５３，６３：加算器
４１：除算器
４２：比較器
４３：演算器
５１，６１：比例ゲイン
５２，６２：積分器
５４，６４，６７：スイッチ
６５：増幅器
【発明の属する技術分野】
この発明は、電圧形インバータを用いて永久磁石型同期電動機の弱め磁束制御を行う永久磁石型同期電動機の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０に電圧形インバータにより永久磁石型同期電動機を駆動するシステムの構成例を示す。このシステムは、直流電源１、電圧形インバータ２、電流検出器３、永久磁石型同期電動機４、この同期電動機４に連結された磁極位置検出器５、速度検出器６、及び、トルク指令τ＊を受けてインバータ２に駆動用のゲートパルス信号を与える制御装置７から構成されている。
【０００３】
次に、制御装置７の構成について述べる。同期電動機４の永久磁石が作り出す磁束と同期して回転する回転座標系において、磁束方向をｄ軸とし、これと直交する方向をｑ軸とするｄｑ座標系を考え、電流検出器３により検出された同期電動機４の相電流検出値をｄｑ座標上のｄ軸電流検出値Ｉｄｆ、ｑ軸電流検出値Ｉｑｆに変換する座標変換器１１、トルク指令値τ＊と速度検出器ωと直流電圧検出値Ｖｃとからｄ軸電流指令値Ｉｄ ＊、ｑ軸電流指令値Ｉｑ ＊を演算する電流指令演算器１２、ｄ軸、ｑ軸電流検出値Ｉｄｆ，Ｉｑｆをｄ軸、ｑ軸電流指令値Ｉｄ ＊，Ｉｑ ＊に追従させる電流制御系１３、その出力であるｄ軸電圧指令値Ｖｄ ＊、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ ＊を極座標形式の電圧振幅指令値Ｖ＊＊と電圧位相指令値δ＊（＝δ１）に変換する極座標変換器１４、電圧振幅指令値Ｖ＊＊の大きさを制限するリミッタ１５、リミッタ１５を通った後の電圧振幅指令値Ｖ＊（≦Ｖ＊＊）と電圧位相指令値δ＊（＝δ１）とからゲートパルス信号を演算するパルスパターン演算器１６から構成されている。
【０００４】
前記電流制御系１３は、ｄ軸、ｑ軸の電流指令値Ｉｄ ＊，Ｉｑ ＊と電流検出値Ｉｄｆ，Ｉｑｆとの偏差をそれぞれ求める減算器３１，３２と、これらの偏差を無くすように調節動作するｄ軸のＰＩ調節器３３、ｑ軸のＰＩ調節器３４と、ｄ軸、ｑ軸の電流指令値Ｉｄ ＊，Ｉｑ ＊と速度検出値ωとから電機子抵抗、同期リアクタンスによる電圧低下や誘起電圧を演算して補償するｄ軸の補償演算器３５、ｑ軸の補償演算器３６と、ＰＩ調節器３３，３４の出力と各補償演算器３５，３６の出力とを加算する加算器３７，３８とから構成される。
【０００５】
次に、この従来技術の動作を説明する。電流検出器３により検出される相電流検出値は、位置検出器５により検出される磁極位置信号θを用いて、座標変換器１１によりｄ軸、ｑ軸電流検出値Ｉｄｆ，Ｉｑｆに変換される。一方、トルク指令値τ＊と、速度検出器６により検出される速度検出値ωと、インバータ２の直流電圧検出値Ｖｃとに応じて、電流指令演算器１２によりｄ軸、ｑ軸電流指令値Ｉｄ ＊，Ｉｑ ＊が求められる。そして、ｄ軸、ｑ軸電流検出値Ｉｄｆ，Ｉｑｆをｄ軸、ｑ軸電流指令値Ｉｄ ＊，Ｉｑ ＊に追従させるように電流制御系１３が動作し、数式１、数式２に示すようなｄ軸、ｑ軸電圧指令値Ｖｄ ＊，Ｖｑ ＊が出力される。
【０００６】
【数１】
【数２】
なお、これらの数式において、Ｒ：電機子抵抗、ω：速度検出値、Ｌｄ，Ｌｑ：永久磁石型同期電動機のｄ軸、ｑ軸インダクタンス、ａｃｒ＿ｄ，ａｃｒ＿ｑ：ｄ軸、ｑ軸のＰＩ調節器出力、Ｇ：比例ゲイン、Ｔ０：積分時間、ｓ：ラプラス演算子である。
【０００９】
このｄ軸、ｑ軸電圧指令値Ｖｄ ＊，Ｖｑ ＊は、極座標変換器１４により、数式３に示すように極座標形式の電圧振幅指令値Ｖ＊＊と電圧位相指令値δ＊に変換される。
電圧振幅指令値Ｖ＊＊は、インバータ２の出力可能な電圧値以上にならないようにするために、リミッタ１５によって大きさがＶ＊に制限される。この制限後の電圧振幅指令値Ｖ＊と電圧位相指令値δ＊とから、パルスパターン演算器１６によりインバータ２のゲート信号のパルスパターンが求められる。このゲート信号によりインバータ２が運転され、永久磁石型同期電動機４が駆動される。
【００１０】
【数３】
Ｖ＊＊＝√（Ｖｄ ＊２＋Ｖｑ ＊２），
δ＊＝δ１＝ｔａｎ−１（−Ｖｄ ＊／Ｖｑ ＊）
【００１１】
永久磁石型同期電動機４を高速で駆動する場合、速度に比例して誘起電圧が上昇し、インバータ２が出力可能な電圧を越えてしまうことがある。この場合に、トルク指令値τ＊と直流電圧検出値Ｖｃと速度検出値ωとから磁石磁束と逆方向である負のｄ軸電流指令値Ｉｄ ＊を求め、それに追従するようにｄ軸電流を流すことにより、誘起電圧に対抗する電圧を生じさせるいわゆる弱め磁束制御を行ない、高速域における駆動を可能としている。
【００１２】
図１１に、永久磁石型同期電動機４を駆動する時のインバータ２の電圧ベクトル図を示す。図１１の各図において、実線の半円はインバータ２が出力可能な最大電圧を示しており、また、点線の半円はＰＩ調節器にて電流の制御を行った時に、積分器の飽和を抑えるための制御上の電圧余裕を取った場合のインバータ出力電圧を示している。
同期電動機４の端子電圧がインバータの出力電圧を少しでも越えると所望のトルクが得られなくなると共に、ＰＩ調節器の積分器が飽和して最悪の場合は制御不能となる。このため、ＰＩ調節器を安定に動かすためには制御上の電圧余裕を設ける必要がある。従って、実線の半円で示した最大電圧よりも前記電圧余裕分だけ小さい点線の半円内の電圧振幅指令値でインバータ２を駆動するため、その分、インバータ２の出力電圧が低下することになる。
【００１３】
従来技術において、図１１の（ａ）に示す低速運転時には、同期電動機４の誘起電圧（ωψにて示す（ψ：永久磁石の磁束））が低く、同期電動機４の最大トルクを得る場合でも電圧振幅指令値Ｖ＊は図示するように点線の半円の内側となり、ｄ軸電流Ｉｄをゼロとしたままで駆動が可能である。
一方、図１１の（ｂ−１）に示すように、速度が上昇して誘起電圧ωψがインバータ２の出力可能な電圧よりも高くなった場合には、負のｄ軸電流Ｉｄを流し、−ωＬｄＩｄの電圧降下を生じさせて誘起電圧値と電圧振幅指令値との電圧差を補う弱め磁束制御を行う必要がある。
【００１４】
このとき、従来技術において安定な電流制御を行うためにはＰＩ調節器の積分器の飽和を抑える必要があり、電圧振幅指令値Ｖ＊は積分器が飽和しないように電圧余裕を取った点線の半円の円周上の値までに制限される。そのため、出力電圧が電圧余裕分だけ低下すると共に、−ωＬｄＩｄに相当する弱め磁束制御に必要なｄ軸電流Ｉｄが大きくなる。
従って、電動機を高速運転して出力を得る場合に必要な電流容量が増加し、インバータ２や同期電動機４の効率低下を招く等の問題が生じる。
【００１５】
上記の問題を解決するために、例えば特許文献１に示すような方式が提案されている。この方式では、電圧余裕を少なくするために電流制御系としてＰＩ調節器から積分器を除いた比例調節器のみを用いている。
【００１６】
【特許文献１】
特開平８−３３６３００号公報（図１）
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特許文献１記載の発明では、電流制御系から積分器を除いたことにより、弱め磁束制御が必要でない低速においても電流検出値が電流指令値に対して偏差をもち、電流制御精度が低下するという問題が生じる。そのため、トルク電流の制御精度が低下し、起動トルクのように低速での大きなトルクが必要な動作領域で所望のトルクが得られなかったり、電流指令値に対する電流実際値の偏差分だけ余裕をもった電流値でインバータに用いられるスイッチング素子定格を選択するため、スイッチング素子の電流容量の増大を招き、低コスト化の妨げになるといった問題がある。
そこで本発明は、スイッチング素子の電流容量を増大させることなく低速での電流制御精度を確保し、しかも機器の効率を低下させずに高速での弱め磁束制御を実現させる低コストの制御装置を提供しようとするものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、永久磁石からなる磁極を有する永久磁石型同期電動機を電圧形インバータにより駆動するための制御装置であって、
永久磁石が作る磁束と同期して回転するｄｑ座標系において同期電動機のトルク指令値から同期電動機のｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を求める電流指令演算手段と、インバータの出力電流検出値をｄｑ座標系に変換してなるｄ軸電流検出値及びｑ軸電流検出値をそれぞれｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値に追従させるように調節動作するＰＩ調節手段と、ｄ軸、ｑ軸電流指令値及び同期電動機の速度検出値から電機子抵抗及び同期リアクタンスによる電圧低下や誘起電圧を演算して補償するｄ軸、ｑ軸の補償演算手段とからなる電流制御手段と、この電流制御手段の出力であるｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値を極座標形式の電圧振幅指令値及び第１の電圧位相指令値に変換する極座標変換手段と、前記電圧振幅指令値及び電圧位相指令値からインバータの駆動用パルスパターンを求めるパルスパターン演算手段とを有する制御装置において、
請求項１記載の発明は、ｑ軸電流指令値と電圧振幅指令値とｄ軸電流検出値と速度検出値と電動機定数とから第２の電圧位相指令値を求める電圧位相演算手段と、第１の電圧位相指令値と第２の電圧位相指令値とを切り換える電圧位相切換手段と、低速運転時と弱め磁束制御が必要な高速運転時とを判断し、前記電圧位相切換手段に対して切換信号を出力する位相切換判断手段とを備えたものである。
【００１９】
請求項２記載の発明は、ｑ軸電流検出値をｑ軸電流指令値に追従させるように第２の電圧位相指令値を求める電圧位相調節手段と、第１の電圧位相指令値と第２の電圧位相指令値とを切り換える電圧位相切換手段と、低速運転時と弱め磁束制御が必要な高速運転時とを判断し、前記電圧位相切換手段に対して切換信号を出力する位相切換判断手段とを備えたものである。
【００２０】
請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載した制御装置において、
位相切換判断手段は、極座標変換手段の出力である電圧振幅指令値を直流電圧検出値により除算した値が第１の基準値以上になった場合に電圧位相切換手段の出力を第１の電圧位相指令値から第２の電圧位相指令値に切り換えて電流制御手段のＰＩ調節手段内の積分手段への入力を停止させるとともに、前記電圧振幅指令値を直流電圧検出値により除算した値が第２の基準値以下になった場合に電圧位相切換手段の出力を第２の電圧位相指令値から第１の電圧位相指令値に切り換えて前記積分手段への入力を再開させるような切換信号を出力するものである。
【００２１】
請求項４記載の発明は、請求項１または２に記載した制御装置において、
位相切換判断手段は、直流電圧検出値と同期電動機の速度検出値とを用いた演算により求めた値が第１の基準値以上になった場合に電圧位相切換手段の出力を第１の電圧位相指令値から第２の電圧位相指令値に切り換えて電流制御手段のＰＩ調節手段内の積分手段への入力を停止させるとともに、前記速度検出値と直流電圧検出値とを用いた演算により求めた値が第２の基準値以下になった場合に電圧位相切換手段の出力を第２の電圧位相指令値から第１の電圧位相指令値に切り換えて前記積分手段への入力を再開させるような切換信号を出力するものである。
【００２２】
請求項５記載の発明は、請求項３または４に記載した制御装置において、
位相切換判断手段は、電圧位相切換手段の出力を第１の電圧位相指令値から第２の電圧位相指令値に切り換える時に電流制御手段のＰＩ調節手段への入力を停止させるとともに積分手段の入力をゼロにし、かつ、電圧位相切換手段の出力を第２の電圧位相指令値から第１の電圧位相指令値に切り換える時に前記ＰＩ調節手段への入力及び前記積分手段の積分動作を再開させるような切換信号を出力するものである。
【００２３】
以下、本発明の作用について説明する。
永久磁石型同期電動機の出力トルクは、数式４によって求められる。回転子の表面に磁石がある永久磁石型同期電動機では、ｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑの値が等しい特性をもっているので、トルクτはｑ軸電流Ｉｑのみに比例し、弱め磁束電流であるｄ軸電流Ｉｄには無関係である。
なお、数式４において、τ：トルク、ｐｎ：極対数、ψ：磁石磁束、Ｉｄ，Ｉｑ：ｄ軸、ｑ軸電流である。
【００２４】
【数４】
τ＝ｐｎ｛ψＩｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）ＩｄＩｑ｝
【００２５】
請求項１の発明においては、低速での電流制御精度が必要な運転領域では、ＰＩ調節手段と補償演算手段とを有する電流制御手段の出力である電圧振幅指令値Ｖ＊と第１の電圧位相指令値δ１とを用いることでｄ軸、ｑ軸電流指令値とｄ軸、ｑ軸電流検出値との偏差を無くす電流制御を実現する。
また、高速での弱め磁束制御が必要な運転領域では、電圧振幅指令値Ｖ＊として電流制御手段の出力を用い、電圧位相指令値としては、電圧位相演算手段において数式５の演算によりトルク電流であるｑ軸電流検出値が指令値通りに流れるように求めた第２の電圧位相指令値δ２を用いる。
なお、数式５において、δ２：第２の電圧位相指令値、Ｉｄｆ：ｄ軸電流検出値である。
【００２６】
【数５】
上記のようにして求めた第２の電圧位相指令値δ２を弱め磁束制御が必要な運転領域で用いることにより、出力電圧が電圧振幅指令値一定の場合でもトルク制御が可能となる。また、誘起電圧と電圧振幅指令値のｄ軸成分の差に応じて数式６に示すｄ軸電流Ｉｄが流れ、永久磁石型同期電動機の端子電圧を電圧振幅指令値と等しくする弱め磁束制御も行うことが可能となる。
【００２８】
【数６】
このように、第２の電圧位相指令値δ２を用いることで、図１１（ａ），（ｂ−１）に示したごとく電流制御手段に必要であった電圧余裕が不要となり、図１１（ｂ−２）のように電圧振幅指令値Ｖ＊として実線半円のインバータの最大出力電圧まで用いることができ、従来技術に比べて弱め磁束制御を行うときのｄ軸電流Ｉｄを減少させることができる。従って、高速運転時におけるインバータや同期電動機の効率低下や電流容量の増加を防ぐことができる。
【００３０】
請求項２の発明においては、低速での電流制御精度が必要な運転領域では、請求項１の発明と同様に電流制御手段の出力である電圧振幅指令値Ｖ＊と第１の電圧位相指令値δ１とを用いてｄ軸、ｑ軸電流指令値とｄ軸、ｑ軸電流検出値との偏差を無くす電流制御を実現する。
また、高速での弱め磁束制御が必要な運転領域では、電圧振幅指令値Ｖ＊として電流制御手段の出力を用い、電圧振幅指令値としては、電圧位相調節手段においてトルク電流であるｑ軸電流検出値をｑ軸電流指令値に追従させるように数式７によって求めた第２の電圧位相指令値δ’２を用いる。これにより、電圧振幅指令値一定でのトルク制御が可能となる。同時に、図１１（ｂ−２）のごとく電圧振幅指令値をインバータの最大出力電圧まで用いることが可能となり、従来技術に比べて弱め磁束電流であるｄ軸電流を減少させることができる。なお、数式７において、δ’２：第２の電圧位相指令値、Ｇ１：ゲイン、Ｔ１：積分時間である。
【００３１】
【数７】
請求項３の発明においては、請求項１または２に記載した発明において、位相切換判断手段が、電圧振幅指令値を直流電圧検出値によって除算した値が第１の基準値以上になった場合に電流制御精度が必要な運転領域から弱め磁束制御が必要な運転領域に変わったと判断して切換信号を出力することにより、ＰＩ調節手段の積分手段への入力を停止し、かつ、電圧位相切換手段の出力を第２の電圧位相指令値δ２とする。また、電圧振幅指令値を直流電圧検出値で除算した値が第２の基準値以下になった場合に、弱め磁束制御が必要な運転領域から電流制御精度が必要な運転領域に変わったと判断してＰＩ調節手段の積分手段への入力を再開し、かつ、電圧位相切換手段の出力を第１の電圧位相指令値δ１とする。
【００３３】
ここで、電圧振幅指令値を直流電圧検出値によって除算した値はインバータの出力可能な電圧の割合を示し、１００％を越える場合には弱め磁束制御を行う必要があることが分かる。そのため、この値を電圧位相指令の切換判断に用いることで弱め磁束制御が必要かどうかを明確に判断できるようになり、弱め磁束制御が必要になる領域まで、電流指令値に対して電流実際値が偏差を無くすような電流制御を行うことが可能となる。
また、弱め磁束制御時にＰＩ調節手段の積分手段の入力を停止することにより、弱め磁束電流指令値であるｄ軸電流指令値と、誘起電圧と電圧振幅指令値のｄ軸成分との差によって流れるｄ軸電流検出値との偏差により、ＰＩ調節手段の積分手段が飽和するのを防ぐことができる。
【００３４】
請求項４の発明では、請求項１または２に記載した発明において、位相切換判断手段が、同期電動機の速度検出値と直流電圧検出値とを用いた演算により得た値が第１の基準値以上になった場合に電流制御精度が必要な運転領域から弱め磁束制御が必要な運転領域に変わったと判断し、ＰＩ調節手段の積分手段への入力を停止して電圧位相切換手段の出力を第２の電圧位相指令値δ’２とする。また、上記演算により得た値が第２の基準値以下になった場合に弱め磁束制御が必要な運転領域から電流制御精度が必要な運転領域に変わったと判断してＰＩ調節手段の積分手段への入力を再開し、電圧位相切換手段の出力を第１の電圧位相指令値δ１に切り換える。
同期電動機の誘起電圧は速度に比例するため速度検出値から誘起電圧を演算することができ、また、インバータの出力可能な電圧は直流電圧検出値から演算することができる。そのため、速度検出値と直流電圧検出値とを用いて演算した値（速度検出値を直流電圧検出値により除算した値）はインバータの出力可能な電圧の割合を示す値に比例するので、この値を電圧位相指令の切換判断に用いることで、弱め磁束制御が必要かどうかの判断が可能となる。
【００３５】
請求項４の発明によれば、請求項３のように電圧振幅指令値を直流電圧値により除算した値を用いる場合に比べて、速度検出値を直流電圧検出値により除算した値は同じ動作条件における値の変化が少ないため、第１の電圧位相指令値と第２の電圧位相指令値とが過度に切換わることを抑制するのに効果的である。
また、弱め磁束制御時にＰＩ調節手段の積分手段の入力を停止することにより、弱め磁束電流指令値であるｄ軸電流指令値とｄ軸電流検出値との偏差により、ＰＩ調節手段の積分手段が飽和するのを防ぐことができる。
【００３６】
請求項５の発明では、請求項３または４に記載した発明において、電圧位相切換手段の出力を第１の電圧位相指令値から第２の電圧位相指令値に切り換える時に、前述したＰＩ調節手段への入力を停止し、積分手段の入力をゼロとする。また、第２の電圧位相指令値から第１の電圧位相指令値に切り換える時に、前記ＰＩ調節手段への入力と積分手段の動作とを再開する。
このように弱め磁束制御時にＰＩ調節手段への入力を停止し、積分手段の入力をゼロとすることで、弱め磁束制御時のｄ軸電流指令値とｄ軸電流検出値との偏差による前記積分手段の飽和を防ぐことができる。同時に、ＰＩ調節手段の出力をゼロにすることで電圧振幅指令値や電圧位相指令値の切換前後における偏差をそれぞれ小さくでき、特に第２の電圧位相指令値から第１の電圧位相指令値に切り換える際に発生するトルクや電流の急変を抑制することが可能となる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。図１に、請求項１に記載した発明の実施形態を示す。ここでは、図１０の従来技術と異なる点を中心に説明する。
図１の制御装置７Ａにおいて、トルク指令値τ＊からｄ軸、ｑ軸電流の指令値を作る電流指令演算器１２Ａの出力として、ｄ軸電流指令値Ｉｄ ＊は常にゼロとし、ｑ軸電流指令値Ｉｑ ＊のみをトルク指令値τ＊に比例した値とする。ｑ軸電流指令値Ｉｑ ＊、電圧振幅指令値Ｖ＊、速度検出値ω、ｄ軸電流検出値Ｉｄｆ、及び電動機定数（電機子抵抗Ｒ、ｑ軸インダクタンスＬｑ等）から前述の数式５により第２の電圧位相指令値δ２を求める電圧位相演算器２３と、極座標変換器１４の出力である第１の電圧位相指令値δ１と前記第２の電圧位相指令値δ２とを切り換える電圧位相切換器２１と、リミッタ１５を経た電圧振幅指令値Ｖ＊と直流電圧検出値Ｖｃとから電圧位相指令の切換を判断する位相切換判断器２２とを設け、電圧振幅指令値Ｖ＊と電圧位相切換器２１から出力される電圧位相指令値δ＊とを用いて、パルスパターン演算器１６によりインバータ２のゲート信号を演算する。
【００３８】
低速での電流制御精度が必要な運転領域では、ＰＩ調節器３３，３４と補償演算器３５，３６とを有する電流制御系１３の出力である電圧振幅指令値Ｖ＊と第１の電圧位相指令値δ１とを用いることにより、ｄ軸、ｑ軸電流指令値Ｉｄ ＊，Ｉｑ ＊とｄ軸、ｑ軸電流検出値Ｉｄｆ，Ｉｑｆとの偏差を無くす電流制御を実現することができる。
また、高速での弱め磁束制御が必要な運転領域では、電圧振幅指令値Ｖ＊としては低速時と同様に電流制御系１３の出力を用い、電圧位相指令値δ＊としては、電圧位相演算器２３においてトルク電流であるｑ軸電流が指令通りに流れるように数式５から求めた第２の電圧位相指令値δ２を用いることにより、出力電圧が電圧振幅指令値一定の場合であってもトルク制御が可能となる。このため、電圧振幅指令値Ｖ＊として図１１（ｂ−２）に示したようにインバータ２の最大出力電圧まで用いることが可能となり、従来技術の（ｂ−１）に比べて弱め磁束制御を行う際のｄ軸電流Ｉｄを減少させることができる。
【００３９】
なお、この実施形態における第１、第２の電圧位相指令値の切換は、後に詳述するように、位相切換判断器２２が内部の除算器４１で電圧振幅指令値Ｖ＊を直流電圧検出値Ｖｃにより除算して得た値（変調率λ＊）を比較器４２にて第１、第２の基準値と比較し、それによって得た切換信号を電圧位相切換器２１に出力することにより行うものである。
【００４０】
次に、図２に請求項２に記載した発明の実施形態を示す。以下では、図１０の従来技術と異なる点を中心に説明する。
図２の制御装置７Ｂにおいて、図１と同様にｄ軸電流指令値Ｉｄ ＊は常にゼロとし、ｑ軸電流指令値Ｉｑ ＊は電流指令演算器１２Ａによってトルク指令値τ＊に比例した値とし、減算器２４から出力されるｑ軸電流指令値Ｉｑ ＊とｑ軸電流検出値Ｉｑｆとの偏差を無くすように前述の数式７によって第２の電圧位相指令値δ’２を演算する電圧位相調節器２５と、極座標変換器１４から出力される第１の電圧位相指令値δ１と上記第２の電圧位相指令値δ’２とを切り換える電圧位相切換器２１と、速度検出値ωと直流電圧検出値Ｖｃとに基づいた演算により電圧位相指令値の切り換えを判断する位相切換判断器２２Ｂとを設け、電圧振幅指令値Ｖ＊と電圧位相切換器２１から出力される電圧位相指令値δ＊とを用いて、パルスパターン演算器１６によりインバータ２のゲート信号を演算する。
【００４１】
このようにして求めた第２の電圧位相指令値δ’２を用いれば、出力電圧が電圧振幅指令値一定の場合でもトルクの制御が可能となる。また、図１１の（ｂ−２）のように、従来技術の（ｂ−１）に対し、ＰＩ調節器の積分器の飽和を防ぐための電圧余裕が不要となった分、電圧振幅指令値をインバータ２の最大出力電圧まで増加させることができ、その結果、弱め磁束電流であるｄ軸電流Ｉｄを減少させることができる。
【００４２】
この実施形態における第１、第２の電圧位相指令値の切換は、後に詳述するように、位相切換判断器２２Ｂが内部の演算器４３により速度検出値ωと電圧振幅指令値Ｖ＊とを用いて演算を行い、その演算値（変調率λｓ）を比較器４２にて第１、第２の基準値と比較し、それによって得た切換信号を電圧位相切換器２１に出力することにより行うものである。
【００４３】
次いで、請求項３の発明の実施形態を図３及び図４を用いて説明する。
構成例としては、図１に示すＰＩ調節器３３，３４と位相切換判断器２２において、ＰＩ調節器３３，３４を図３に示すような構成とし、位相切換判断器２２は、図１に示したように電圧振幅指令値Ｖ＊を直流電圧検出値Ｖｃにより除算して数式８の変調率λ＊を求める除算器４１と、この変調率λ＊を第１、第２の基準値と比較する比較器４２とから構成される。
【００４４】
【数８】
λ＊＝Ｖ＊／Ｖｃ
【００４５】
なお、図３ではｄ軸のＰＩ調節器３３について示してあるが、ｑ軸のＰＩ調節器３４の構成も同様である。以下では、便宜上、ｄ軸のＰＩ調節器３３のみについてその構成、動作を説明する。
図３に示すＰＩ調節器３３は、比例ゲイン５１と、積分器５２と、比例ゲイン５１の出力と積分器５２の出力とを加算する加算器５３と、積分器５２への入力を停止するスイッチ５４とから構成されている。
【００４６】
この実施形態における位相切換判断器２２の動作を、図４のフローチャートに従って説明する。
初期状態として、図３の積分器５２への入力が停止されておらず（スイッチ５４がオン）、位相切換判断器２２による電圧位相指令値の切換信号が“０”の状態で電圧位相指令値として第１の電圧位相指令値δ１を出力している（図４のＳ１，Ｓ２）。
位相切換判断器２２において、変調率λ＊が位相切換判断器２２の第１の基準値以上になった場合（Ｓ３ ＹＥＳ）に切換信号を“１”としてスイッチ５４により積分器５２への入力を停止し（図３において、積分器５２の入力を“０”とする）、電圧位相切換器２１により第１の電圧位相指令値δ１を第２の電圧位相指令値δ２に切り換えて出力する（Ｓ４〜Ｓ６）。
【００４７】
また、第２の電圧位相指令値δ２が選択され、換言すれば位相切換判断器２２による電圧位相指令値の切換信号が“１”の状態（Ｓ２ ＯＮ）では、変調率λ＊が位相切換判断器２２の第２の基準値以下になった場合（Ｓ７ ＹＥＳ）に切換信号を“０”としてスイッチ５４により積分器５２への入力を再開する（図３の状態）とともに、電圧位相切換器２１により第２の電圧位相指令値δ２を第１の電圧位相指令値δ１に切り換えて出力する（Ｓ８〜Ｓ１０）。
なお、ステップＳ６，Ｓ１０の後は終了条件が満たされれば終了し、満たされない場合にはステップＳ２に戻る（Ｓ１１）。
【００４８】
このときの電圧位相指令値δ＊（δ１，δ２）とＰＩ調節器３３，３４の出力を、図５に示す。
図５（ａ）において、永久磁石型同期電動機４の速度が上昇して電圧振幅指令値Ｖ＊が大きくなり、それに伴って変調率λ＊が増加し、位相切換判断器２２の第１の基準値以上となった場合に、切換信号が“０”から“１”となり、ＰＩ調節器の積分器への入力を停止し、第１の電圧位相指令値δ１に代えて第２の電圧位相指令値δ２が出力される。更に速度が上昇すると、電圧振幅指令値Ｖ＊がインバータ２の出力可能な電圧値よりも大きくなり、誘起電圧と電圧振幅指令値のｄ軸成分との差に応じて数式６に示すｄ軸電流Ｉｄが流れ始める。こうして流れるｄ軸電流Ｉｄによって永久磁石型同期電動機４の端子電圧を電圧振幅指令値と等しくする弱め磁束制御が行われる。このとき、ｄ軸電流指令値Ｉｄ ＊はゼロのままであるため、ｄ軸のＰＩ調節器３３の出力のみ増加している。
【００４９】
また、図５（ｂ）において、電動機４の速度が減少し、電圧振幅指令値Ｖ＊がインバータ２の出力可能な最大電圧値以下になると、負のｄ軸電流が流れなくなるためにｄ軸のＰＩ調節器３３の出力が一定になる。更に速度が減少していって変調率λ＊が位相切換判断器２２の第２の基準値以下になると、切換信号が“１”から“０”となって積分器への入力が再開され、電圧位相指令値が第２の電圧位相指令値δ２から電流制御系１３の出力である第１の電圧位相指令値δ１に切り換えられる。
【００５０】
図６は、請求項１の発明の他の実施形態である。この実施形態は、制御装置７Ｃにおいて、電圧振幅指令値Ｖ＊を直流電圧検出値Ｖｃにより除算する除算器４１を位相切換判断器２２Ｃの内部からリミッタ１５の後段に置き、この除算器４１の出力である変調率λ＊を位相切換判断器２２Ｃの第１の基準値や第２の基準値と比較して切換信号を生成し、この切換信号を第１の電圧位相指令値δ１と第２の電圧位相指令値δ２との切り換えに用いるようにしても請求項１と同様の効果が得られる。
この実施形態は、図３に示した請求項３の発明の実施形態にも適用可能である。
【００５１】
次に、請求項４の発明の実施形態を説明する。この実施形態は、図２に示す位相切換判断器２２Ｂの構成に特徴を有しており、請求項３における位相切換判断器２２との違いは、除算器４１に代えて、速度検出値ωと直流電圧検出値Ｖｃとを用いた演算により変調率λｓを求める演算器４３を有することである。
【００５２】
すなわち、図２に示した位相切換判断器２２Ｂ内の演算器４３において、速度検出値ωと直流電圧検出値Ｖｃとを用いて数式９により演算された変調率λｓが第１の基準値以上になった場合に、スイッチによりＰＩ調節器３３，３４の積分器への入力を停止し、電圧位相切換器２１により第１の電圧位相指令値δ１を第２の電圧位相指令値δ’２に切り換えて出力する。なお、数式９において、Ｋ０はＰＷＭ変調方式による係数である。
【００５３】
【数９】
λｓ＝（Ｋ０・ωψ）／Ｖｃ
【００５４】
また、第２の電圧位相指令値δ２が選択されていて変調率λｓが第２の基準値以下になった場合には、スイッチによりＰＩ調節器３３，３４の積分器への入力を再開し、電圧位相切換器２１により、第２の電圧位相指令値δ２から第１の電圧位相指令値δ１に切り換えて出力する。
【００５５】
次いで、請求項５の実施形態を図７，図８を用いて説明する。構成例としては、図１に示すＰＩ調節器３３，３４を図７のような構成とし、そのときの位相切換判断器２２の動作を図８に示すフローチャートのようにする。
なお、図７ではｄ軸のＰＩ調節器３３について示してあるが、ｑ軸のＰＩ調節器３４の構成も同様である。以下では、便宜上、ｄ軸のＰＩ調節器３３のみについてその構成、動作を説明する。
【００５６】
図７に示すＰＩ調節器３３は、比例ゲイン６１と、積分器６２と、比例ゲイン６１の出力と積分器６２の出力とを加算する加算器６３と、ＰＩ調節器３３の入力を停止するスイッチ６４と、積分器６２の出力を増幅する増幅器６５と、ＰＩ調節器の入力から増幅器６５の出力を減算する減算器６６と、減算器６６への入力を増幅器６５の出力か“０”かの何れかに切り換えるスイッチ６７とから構成されている。
【００５７】
図８において、初期状態としてＰＩ調節器３３の入力が停止されていない状態で（スイッチ６４がオン）、スイッチ６７により減算器６６の入力をゼロとし（Ｓ２１）、電圧位相指令値の切換信号が“０”の状態で電圧位相指令値として第１の電圧位相指令値δ１を出力している（Ｓ２２ ＹＥＳ）。
位相切換判断器２２において、電圧振幅指令値Ｖ＊を直流電圧検出値Ｖｃにより除算した値である変調率λ＊が位相切換判断器２２の第１の基準値以上になった場合に（Ｓ２３ ＹＥＳ）、切換信号を“１”としてスイッチ６４によりＰＩ調節器３３への入力を停止し、スイッチ６７により減算器６６の入力を増幅器６５の出力として積分器６２の入力をゼロにする（Ｓ２４〜Ｓ２６）。このとき、電圧位相指令値は第２の電圧位相指令値δ２に切り換えられる（Ｓ２７）。
【００５８】
また、第２の電圧位相指令値δ２が選択されている状態、すなわち切換信号が“１”の状態で（Ｓ２２ ＯＮ）変調率λ＊が第２の基準値以下になった場合（Ｓ２８ ＹＥＳ）には、切換信号を“０”としてスイッチ６４によりＰＩ調節器３３への入力を開始すると共に（図７の状態）、スイッチ６７により減算器６６への入力を“０”にして積分器動作を再開する（Ｓ２９〜Ｓ３１）。このとき、電圧位相指令値は第１の電圧位相指令値δ１に切り換えられる（Ｓ３２）。
なお、ステップＳ２７，Ｓ３２の後は終了条件が満たされれば終了し、満たされない場合にはステップＳ２２に戻る（Ｓ３３）。
【００５９】
このときの変調率λ＊とＰＩ調節器３３，３４の出力との関係を図９に示す。図９（ａ）において、永久磁石型同期電動機４の速度が上昇し、切換判断値である変調率λ＊が位相切換判断器２２の第１の基準値以上になった場合に切換信号が“０”から“１”となり、第１の電圧位相指令値δ１から第２の電圧位相指令値δ２に切り換えられる。そのとき、ＰＩ調節器３３，３４への入力が停止し、積分器の値がゼロとなることでＰＩ調節器３３，３４の出力はゼロとなる。
また、図９（ｂ）において、同期電動機４の速度が減少して変調率λ＊が第２の基準値以下になると、切換信号が“１”から“０”となり、第２の電圧位相指令値δ２から第１の電圧位相指令値δ１に切り換えられる。そのとき、ＰＩ調節器３３，３４への入力が再開され、ＰＩ調節器３３，３４の出力がゼロから増加する。
【００６０】
なお、請求項５記載の発明については、上記実施形態において請求項１及び請求項３記載の発明に適用した場合につき説明したが、請求項２及び請求項４記載の発明に適用することも可能である。
【００６１】
【発明の効果】
以上のように請求項１の発明によれば、永久磁石型同期電動機に対し起動トルク等の大きなトルク電流を流すための電流制御精度が必要な領域では、ＰＩ調節器を用いた電流制御手段の出力である第１の電圧位相指令値を用いることで電流偏差の無い電流制御を実現する。また、高速での弱め磁束制御が必要な領域では、電圧振幅指令値、速度検出値、ｄ軸電流検出値等を用いて演算した第２の電圧位相指令値を用いることで、出力電圧一定の条件下でのトルク制御を可能とし、電圧振幅指令値をインバータの最大出力電圧まで用いてｄ軸電流を減少させ、同一のトルクまたは出力を得る場合の機器の効率を向上させることができる。
【００６２】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明と同様に大きなトルク電流を流すための電流制御精度が必要な領域では、電流偏差の無い電流制御を実現し、また、弱め磁束制御が必要な領域では、ｑ軸電流検出値をｑ軸電流指令値に追従させるような第２の電圧位相指令値を用いることで、出力電圧一定の条件下でのトルク制御を可能とし、電圧振幅指令値をインバータの最大出力電圧まで用いてｄ軸電流を減少させ、同一トルクまたは出力を得る場合の機器の効率向上を可能にしている。
【００６３】
請求項３の発明によれば、請求項１または２に記載した発明において、電圧位相指令値の切換判断を、電圧振幅指令値を直流電圧検出値により除算した値と位相切換手段の基準値との比較により行うこととし、前記除算結果が第１の基準値以上となった場合に電流制御精度が必要な運転領域から弱め磁束制御が必要な運転領域に変わったと判断し、ＰＩ調節手段の積分手段の入力を停止すると共に第１の電圧位相指令値から第２の電圧位相指令値に切り換えるものである。また、前記除算結果が第２の基準値以下になった場合には、弱め磁束制御が必要な運転領域から電流制御精度が必要な運転領域に変わったと判断し、ＰＩ調節手段の積分手段への入力を再開すると共に、第２の電圧位相指令値から第１の電圧位相指令値に切り換えるものである。
このように電圧位相指令値を切り換えることで、弱め磁束制御が必要な動作領域の直前まで、ＰＩ調節手段を用いた電流偏差の無い電流制御を実現することができる。また、弱め磁束制御時にＰＩ調節手段の積分手段の入力を停止することで、積分手段の飽和を防止でき、電圧位相指令値の切換えを行った時でも安定な制御を行うことができる。
【００６４】
請求項４の発明によれば、請求項１または２に記載した発明において、電圧位相指令値の切換判断を、速度検出値と直流電圧検出値とを用いて演算した値と位相切換判断手段の基準値とを比較することとし、前記演算結果が第１の基準値以上となった場合に電流制御精度が必要な運転領域から弱め磁束制御が必要な運転領域に変わったと判断し、ＰＩ調節手段の積分手段の入力を停止すると共に第１の電圧位相指令値から第２の電圧位相指令値に切り換えるものである。また、前記演算結果が第２の基準値以下になった場合には、弱め磁束制御が必要な運転領域から電流制御精度が必要な運転領域に変わったと判断し、ＰＩ調節手段の積分手段への入力を再開すると共に、第２の電圧位相指令値から第１の電圧位相指令値に切り換えるものである。
このように電圧位相指令値を切り換えることで、低速ではＰＩ調節手段を用いた電流偏差の無い電流制御を行ない、高速では弱め磁束制御を行なうことが可能となり、速度検出値を直流電圧検出値により除算した値を切換判断値として用いることで、過度に電圧位相指令値が切換わって制御が不安定になるのを抑制することができる。
更に、弱め磁束制御時にＰＩ調節手段の積分手段の入力を停止することで積分手段の飽和を防ぎ、電圧位相指令値の切換えを行なっても安定な制御を行うことができる。
【００６５】
請求項５においては、請求項３または４記載の発明において、電圧位相切換手段により電圧位相指令値を第１の電圧位相指令値から第２の電圧位相指令値に切り換える時に、電流制御手段のＰＩ調節手段への入力を停止して積分手段の値をゼロとし、また、電圧位相指令値を第２の電圧位相指令値から第１の電圧位相指令値に切り換える時に、上記ＰＩ調節手段への入力と積分手段の積分動作とを再開するものである。
電圧位相切換手段から第２の電圧位相指令値が出力される弱め磁束制御の際に、上述の如くＰＩ調節手段への入力を停止することで積分手段が飽和するのを防ぐことができ、積分手段の入力をゼロとすることでＰＩ調節手段の出力がゼロとなり、電圧位相指令値の切換え前後の電圧振幅指令値や電圧位相指令値の偏差を少なくし、電圧位相指令値の切換わり時に発生するトルクや電流の急変を抑制して良好なトルク制御を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１の発明の実施形態を示すブロック図である。
【図２】請求項２の発明の実施形態を示すブロック図である。
【図３】請求項３の発明の実施形態を示すブロック図である。
【図４】請求項３の発明の実施形態の動作を示すフローチャートである。
【図５】請求項３の発明の実施形態における電圧位相指令値とＰＩ調節器出力との関係を示す図である。
【図６】請求項１の発明の他の実施形態を示すブロック図である。
【図７】請求項５の発明の実施形態を示すブロック図である。
【図８】請求項５の発明の実施形態の動作を示すフローチャートである。
【図９】請求項５の発明の実施形態における電圧位相指令値とＰＩ調節器出力との関係を示す図である。
【図１０】従来技術を示すブロック図である。
【図１１】従来技術と本発明の電圧ベクトル図である。
【符号の説明】
１：直流電源
２：電圧形インバータ
３：電流検出器
４：永久磁石型同期電動機
５：位置検出器
６：速度検出器
７Ａ，７Ｂ，７Ｃ：制御装置
１１：座標変換器
１２Ａ：電流指令演算器
１３：電流制御系
１４：極座標変換器
１５：リミッタ
１６：パルスパターン演算器
２１：電圧位相切換器
２２，２２Ｂ，２２Ｃ：位相切換判断器
２３：電圧位相演算器
２４，３１，３２，６６：減算器
２５：電圧位相調節器
３３，３４：ＰＩ調節器
３５，３６：補償演算器
３７，３８，５３，６３：加算器
４１：除算器
４２：比較器
４３：演算器
５１，６１：比例ゲイン
５２，６２：積分器
５４，６４，６７：スイッチ
６５：増幅器
Claims (5)
- 永久磁石からなる磁極を有する永久磁石型同期電動機を電圧形インバータにより駆動するための制御装置であって、
永久磁石が作る磁束と同期して回転するｄｑ座標系において同期電動機のトルク指令値から同期電動機のｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を求める電流指令演算手段と、
インバータの出力電流検出値をｄｑ座標系に変換してなるｄ軸電流検出値及びｑ軸電流検出値をそれぞれｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値に追従させるように調節動作するＰＩ調節手段と、ｄ軸、ｑ軸電流指令値及び同期電動機の速度検出値から電機子抵抗及び同期リアクタンスによる電圧低下や誘起電圧を演算して補償するｄ軸、ｑ軸の補償演算手段とからなる電流制御手段と、
この電流制御手段の出力であるｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値を極座標形式の電圧振幅指令値及び第１の電圧位相指令値に変換する極座標変換手段と、
前記電圧振幅指令値及び電圧位相指令値からインバータの駆動用パルスパターンを求めるパルスパターン演算手段とを有する制御装置において、
ｑ軸電流指令値と電圧振幅指令値とｄ軸電流検出値と速度検出値と電動機定数とから第２の電圧位相指令値を求める電圧位相演算手段と、
第１の電圧位相指令値と第２の電圧位相指令値とを切り換える電圧位相切換手段と、
低速運転時と弱め磁束制御が必要な高速運転時とを判断し、前記電圧位相切換手段に対して切換信号を出力する位相切換判断手段とを備えたことを特徴とする永久磁石型同期電動機の制御装置。 - 永久磁石からなる磁極を有する永久磁石型同期電動機を電圧形インバータにより駆動するための制御装置であって、
永久磁石が作る磁束と同期して回転するｄｑ座標系において同期電動機のトルク指令値から同期電動機のｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を求める電流指令演算手段と、
インバータの出力電流検出値をｄｑ座標系に変換してなるｄ軸電流検出値及びｑ軸電流検出値をそれぞれｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値に追従させるように調節動作するＰＩ調節手段と、ｄ軸、ｑ軸電流指令値及び同期電動機の速度検出値から電機子抵抗及び同期リアクタンスによる電圧低下や誘起電圧を演算して補償するｄ軸、ｑ軸の補償演算手段とからなる電流制御手段と、
この電流制御手段の出力であるｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値を極座標形式の電圧振幅指令値及び第１の電圧位相指令値に変換する極座標変換手段と、
前記電圧振幅指令値及び電圧位相指令値からインバータの駆動用パルスパターンを求めるパルスパターン演算手段とを有する制御装置において、
ｑ軸電流検出値をｑ軸電流指令値に追従させるように第２の電圧位相指令値を求める電圧位相調節手段と、
第１の電圧位相指令値と第２の電圧位相指令値とを切り換える電圧位相切換手段と、
低速運転時と弱め磁束制御が必要な高速運転時とを判断し、前記電圧位相切換手段に対して切換信号を出力する位相切換判断手段とを備えたことを特徴とする永久磁石型同期電動機の制御装置。 - 請求項１または２に記載した永久磁石型同期電動機の制御装置において、
位相切換判断手段は、
極座標変換手段の出力である電圧振幅指令値を直流電圧検出値により除算した値が第１の基準値以上になった場合に電圧位相切換手段の出力を第１の電圧位相指令値から第２の電圧位相指令値に切り換えて電流制御手段のＰＩ調節手段内の積分手段への入力を停止させるとともに、前記電圧振幅指令値を直流電圧検出値により除算した値が第２の基準値以下になった場合に電圧位相切換手段の出力を第２の電圧位相指令値から第１の電圧位相指令値に切り換えて前記積分手段への入力を再開させるような切換信号を出力することを特徴とする永久磁石型同期電動機の制御装置。 - 請求項１または２に記載した永久磁石型同期電動機の制御装置において、
位相切換判断手段は、
直流電圧検出値と同期電動機の速度検出値とを用いた演算により求めた値が第１の基準値以上になった場合に電圧位相切換手段の出力を第１の電圧位相指令値から第２の電圧位相指令値に切り換えて電流制御手段のＰＩ調節手段内の積分手段への入力を停止させるとともに、前記速度検出値と直流電圧検出値とを用いた演算により求めた値が第２の基準値以下になった場合に電圧位相切換手段の出力を第２の電圧位相指令値から第１の電圧位相指令値に切り換えて前記積分手段への入力を再開させるような切換信号を出力することを特徴とする永久磁石型同期電動機の制御装置。 - 請求項３または４に記載した永久磁石型同期電動機の制御装置において、
位相切換判断手段は、
電圧位相切換手段の出力を第１の電圧位相指令値から第２の電圧位相指令値に切り換える時に電流制御手段のＰＩ調節手段への入力を停止させるとともに積分手段の入力をゼロにし、かつ、電圧位相切換手段の出力を第２の電圧位相指令値から第１の電圧位相指令値に切り換える時に前記ＰＩ調節手段への入力及び前記積分手段の積分動作を再開させるような切換信号を出力することを特徴とする永久磁石型同期電動機の制御装置。
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| JP2002289998A JP2004129381A (ja) | 2002-10-02 | 2002-10-02 | 永久磁石型同期電動機の制御装置 |
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