JP2006262700A - モーター制御装置およびモーター制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】空間高調波が大きいモーターの制御性能を向上する。
【解決手段】少なくとも交流モーターＭのトルク指令値Ｔe^＊に基づいてモーター電流の基本波電流指令値ｉd^＊、ｉq^＊を決定する基本波電流指令値決定手段１と、少なくとも交流モーターＭのトルク指令値Ｔe^＊に基づいてモーター電流の高調波電流指令値ｉdh^＊、ｉqh^＊を決定する高調波電流指令値決定手段１と、前記基本波電流指令値ｉd^＊、ｉq^＊と前記高調波電流指令値ｉdh^＊、ｉqh^＊に基づいて前記交流モーターＭに流れる電流を制御する電流制御手段２，５，６，８，９とを備える。これにより、空間高調波が大きいモーターに対して、効率を改善しながら出力の向上とトルク、電圧および電流リップルの低減を図ることができ、空間高調波が大きいモーターの制御性能を向上することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は交流モーターを駆動制御する装置および方法に関する。

一般に３相交流モーターの電流制御回路では、取り扱いが煩雑な３相交流の物理量を直流の物理量に変換して制御演算が行われている（特許文献１参照）。図１２は、一般に広く用いられている３相交流モーターの制御装置の構成を示す。この種の制御装置では、３相交流モーターに流れる電流の励磁電流成分の方向をｄ軸に設定するとともに、トルク電流成分の方向をｄ軸と直交するｑ軸に設定し、回転するｄｑ軸直交座標系において直流量で電流制御演算を行うことにより、電流の制御偏差を小さくしている。

一方、交流モーターでは、小型化と高効率化を図るために、図１３に示すような内部埋め込み磁石構造のローターと、集中巻構造のステーターの採用が増加している。前者のローターは磁石トルクとリラクタンストルクを有効利用できる構造であり、このような構造のローターを有するモーターはＩＰＭ（Interior Permanent-magnet Motor）と呼ばれている。一方、後者のステーターはコイルエンドの大幅低減が可能な構造である。上述した構造のローターとステーターを備えたモーターは集中巻ＩＰＭモーターと呼ばれ、小形で高い効率を実現できるモーターとして注目されている。

特開平０８−３３１８８５号公報参照

ところで、上述した集中巻ＩＰＭモーターは小形化と高効率化に適したモーターであるが、空間高調波が大きいという特性を有している。集中巻構造のモーターは１極当たりのスロット数が少ないため、分布巻構造のモーターに比べて磁束の分布が不均一になり、空間高調波が大きくなる。

また、図１４に示すようなローターの表面が磁石で覆われている表面磁石構造のＳＰＭモーターに比べ、図１３に示す内部埋め込み磁石構造のＩＰＭモーターでは、ローターの円周に沿って磁石が埋め込まれている部分と磁石が存在しない部分とがあるため、磁束の変化が大きく、したがって空間高調波成分が大きくなる。

モーターの空間高調波が大きいとモーターに流れる電流の高調波成分が大きくなるため、モーターの効率と出力が低下したり、トルク、電流および電圧リップルが大きくなり、モーターの制御性能が低下するという問題がある。

一実施の形態の構成を示す図１に対応づけて本発明を説明すると、
（１）請求項１の発明は、少なくとも交流モーターＭのトルク指令値Ｔe^＊に基づいてモーター電流の基本波電流指令値ｉd^＊、ｉq^＊を決定する基本波電流指令値決定手段１と、少なくとも交流モーターＭのトルク指令値Ｔe^＊に基づいてモーター電流の高調波電流指令値ｉdh^＊、ｉqh^＊を決定する高調波電流指令値決定手段１と、交流モーターＭに流れる実電流を検出する電流検出手段１１，１２と、電流検出手段１１，１２によって検出される実電流を、基本波電流指令値決定手段１によって決定される基本波電流指令値ｉd^＊、ｉq^＊と一致させるための基本波制御指令値ｖd^＊、ｖq^＊を決定する基本波制御指令値決定手段２と、電流検出手段１１，１２によって検出される実電流の高調波成分を検出する高調波成分検出手段８と、高調波成分検出手段８によって検出されるモーター電流の高調波成分を、高調波電流指令値決定手段１によって決定される高調波電流指令値ｉdh^＊、ｉqh^＊と一致させるための高調波制御指令値ｖd'、ｖq'を決定する高調波制御指令値決定手段６と、基本波制御指令値決定手段２によって決定される基本波制御指令値ｖd^＊、ｖq^＊、および、高調波制御指令値決定手段６によって決定される高調波制御指令値ｖd'、ｖq'に基づいて、交流モーターＭを駆動するモーター駆動手段３，４，１０とを備え、これにより上記目的を達成する。
（２）請求項２のモーター制御装置は、基本波電流指令値決定手段１によって、電機子鎖交磁束の基本波成分に同期して回転するｄｑ座標系における基本波電流指令値ｉd^＊、ｉq^＊を決定し、高調波電流指令値決定手段１によって、電機子鎖交磁束の高調波次数成分に同期して回転するｄhｑh座標系における高調波電流指令値ｉdh^＊、ｉqh^＊を決定するようにしたものである。
（３）請求項３のモーター制御装置は、基本波制御指令値決定手段２は、電機子鎖交磁束の基本波成分に同期して回転するｄｑ座標系において、モーター電流の基本波成分を基本波電流指令値ｉd^＊、ｉq^＊と一致させるための基本波制御指令値ｖd^＊、ｖq^＊を決定し、高調波制御指令値決定手段６は、電機子鎖交磁束の高調波次数成分に同期して回転するｄhｑh座標系において、モーター電流の高調波成分を高調波電流指令値ｉdh^＊、ｉqh^＊と一致させるための高調波制御指令値ｖd'、ｖq'を決定する。
（４）請求項４のモーター制御装置は、基本波電流指令値決定手段１および高調波電流指令値決定手段１によって、モータートルクをトルク指令値に一致させながら効率を最大にする基本波電流指令値ｉd^＊、ｉq^＊と高調波電流指令値ｉdh^＊、ｉqh^＊を決定するようにしたものである。
（５）請求項５のモーター制御装置は、基本波電流指令値決定手段１および高調波電流指令値決定手段１によって、モータートルクを前記トルク指令値に一致させながらトルクリップルを最少にする基本波電流指令値ｉd^＊、ｉq^＊と高調波電流指令値ｉdh^＊、ｉqh^＊を決定するようにしたものである。
（６）請求項６のモーター制御装置は、基本波電流指令値決定手段１および高調波電流指令値決定手段１によって、モータートルクをトルク指令値に一致させながら電圧リップルを最少にする基本波電流指令値ｉd^＊、ｉq^＊と高調波電流指令値ｉdh^＊、ｉqh^＊を決定するようにしたものである。
（７）請求項７のモーター制御装置は、基本波電流指令値決定手段１および高調波電流指令値決定手段１によって、モータートルクをトルク指令値に一致させながら電流リップルを最少にする基本波電流指令値ｉd^＊、ｉq^＊と高調波電流指令値ｉdh^＊、ｉqh^＊を決定するようにしたものである。
（８）請求項８のモーター制御装置は、基本波電流指令値決定手段１および高調波電流指令値決定手段１によって、モータートルクをトルク指令値に一致させながら効率を最大にする基本波電流指令値ｉd^＊、ｉq^＊と高調波電流指令値ｉdh^＊、ｉqh^＊、モータートルクをトルク指令値に一致させながらトルクリップルを最少にする基本波電流指令値ｉd^＊、ｉq^＊と高調波電流指令値ｉdh^＊、ｉqh^＊、モータートルクをトルク指令値に一致させながら電圧リップルを最少にする基本波電流指令値ｉd^＊、ｉq^＊と高調波電流指令値ｉdh^＊、ｉqh^＊、およびモータートルクをトルク指令値に一致させながら電流リップルを最少にする基本波電流指令値ｉd^＊、ｉq^＊と高調波電流指令値ｉdh^＊、ｉqh^＊を決定し、モーターの動作状態を検出する動作状態検出手段と、基本波電流指令値決定手段１および高調波電流指令値決定手段１により決定される基本波電流指令値ｉd^＊、ｉq^＊と高調波電流指令値ｉdh^＊、ｉqh^＊の中から、モーターの動作状態に応じた最適な電流指令値ｉd^＊、ｉq^＊、ｉdh^＊、ｉqh^＊を選択する電流指令値選択手段１とを備える。
（９）請求項９のモーター制御装置は、電流指令値選択手段１によって、モータートルクが最大値に近い所定領域内のモーター動作状態が検出されたときは、モータートルクをトルク指令値に一致させながら電流リップルを最少にする基本波電流指令値ｉd^＊、ｉq^＊と高調波電流指令値ｉdh^＊、ｉqh^＊を選択するようにしたものである。
（１０）請求項１０のモーター制御装置は、電流指令値選択手段１によって、モータートルクとモーター回転速度がともに低い所定範囲内のモーター動作状態が検出されたときは、モータートルクをトルク指令値に一致させながらトルクリップルを最少にする基本波電流指令値ｉd^＊、ｉq^＊と高調波電流指令値ｉdh^＊、ｉqh^＊を選択するようにしたものである。
（１１）請求項１１のモーター制御装置は、電流指令値選択手段１によって、モーター出力が最大値に近い所定領域内のモーター動作状態が検出されたときは、モータートルクをトルク指令値に一致させながら電圧リップルを最少にする基本波電流指令値ｉd^＊、ｉq^＊と高調波電流指令値ｉdh^＊、ｉqh^＊を選択するようにしたものである。
（１２）請求項１２のモーター制御装置は、電流指令値選択手段１によって、モータートルクとモーター出力がそれらの最大値に近い所定領域内になく、かつモータートルクとモーター回転速度が所定範囲内にないモーター動作状態が検出されたときは、モータートルクをトルク指令値に一致させながら効率を最大にする基本波電流指令値ｉd^＊、ｉq^＊と高調波電流指令値ｉdh^＊、ｉqh^＊を選択するようにしたものである。
（１３）請求項１３のモーター制御方法は、少なくとも交流モーターのトルク指令値Ｔe^＊に基づいて、モーター電流の基本波電流指令値ｉd^＊、ｉq^＊およびモーター電流の高調波電流指令値ｉdh^＊、ｉqh^＊を決定し、交流モーターＭに流れる実電流を基本波電流指令値ｉd^＊、ｉq^＊と一致させるための基本波制御指令値ｖd^＊、ｖq^＊を決定するとともに、交流モーターＭに流れる実電流の高調波成分を高調波電流指令値ｉdh^＊、ｉqh^＊と一致させるための高調波制御指令値ｖd'、ｖq'を決定し、基本波制御指令値ｖd^＊、ｖq^＊、および、高調波制御指令値ｖd'、ｖq'に基づいて、交流モーターＭを駆動することにより上記目的を達成する。

上述した課題を解決するための手段の項では、説明を分かりやすくするために一実施の形態の図を用いたが、これにより本発明が一実施の形態に限定されるものではない。

（１）請求項１の発明によれば、従来のモーター制御装置では基本波電流成分しか制御していなかったのに対し、高調波電流成分も任意の値に制御することができ、空間高調波が大きいモーターに対して、効率を改善しながら出力の向上とトルク、電圧および電流リップルの低減を図ることができ、空間高調波が大きいモーターの制御性能を向上することができる。
（２）請求項２の発明によれば、基本波電流と高調波電流をそれぞれ正確に制御することができ、請求項１の上記効果を確実に達成することができる。
（３）請求項３の発明によれば、基本波電流と高調波電流をそれぞれ直流量に変換して追従性の良好な電流制御を実現でき、請求項１の上記効果を確実に達成することができる。
（４）請求項４の発明によれば、従来のモーター制御装置のように基本波電流成分を制御するだけでは達成できない高い効率を得ることができる。
（５）請求項５の発明によれば、従来のモーター制御装置のように基本波電流成分を制御するだけでは達成できないトルクリップルの低減効果を得ることができる。特に、モーターを駆動源とする電気自動車に適用した場合には、低速かつ低トルクの運転状態においてトルクリップルに起因した振動、騒音を低減でき、乗り心地をよくすることができる。
（６）請求項６の発明によれば、従来のモーター制御装置のように基本波電流成分を制御するだけでは達成できない電圧リップルの低減効果を得ることができる。特に、モーターを最大出力ライン近傍で運転したときに、電圧リップルによる基本波電圧の低減量を少なくすることができ、弱め界磁領域すなわち定出力制御領域におけるモーター効率の改善と出力増加を図ることができる。
（７）請求項７の発明によれば、従来のモーター制御装置のように基本波電流成分を制御するだけでは達成できない電流リップルの低減効果を得ることができる。特に、モーターを最大トルクライン近傍で運転したときに、電流リップルによる基本波電流の低減量を少なくすることができ、定トルク制御領域におけるモータートルクの増加を図ることができる。
（８）請求項８の発明によれば、モーターの動作状態に応じた最適な電流指令値を選択でき、モーターのすべての動作状態において請求項１の上記効果を達成することができる。
（９）請求項９の発明によれば、モーターを最大トルクライン近傍で運転したときに、電流リップルによる基本波電流の低減を少なくすることができ、定トルク制御領域におけるモータートルクの増加を図ることができる。
（１０）請求項１０の発明によれば、低速かつ低トルクのモーター動作状態においてトルクリップルに起因した振動、騒音を低減でき、モーターを駆動源とする電気自動車に適用した場合には乗り心地の改善を図ることができる。
（１１）請求項１１の発明によれば、モーターを最大出力ライン近傍で運転したときに、電圧リップルによる基本波電圧の低減を少なくすることができ、弱め界磁領域すなわち定出力制御領域におけるモーター効率の改善と出力増加を図ることができる。
（１２）請求項１２の発明によれば、モーターの通常の動作状態において高いモーター駆動効率を得ることができる。
（１３）請求項１３の発明によれば、従来のモーター制御装置では基本波電流成分しか制御していなかったのに対し、高調波電流成分も任意の値に制御することができ、空間高調波が大きいモーターに対して、効率を改善しながら出力の向上とトルク、電圧および電流リップルの低減を図ることができ、空間高調波が大きいモーターの制御性能を向上することができる。

《発明の第１の実施の形態》
モーターの効率と出力を改善する第１の実施の形態を説明する。図１に第１の実施の形態の構成を示す。この実施の形態のモーター制御装置は、３相交流モーターで直流モーター並のトルク制御を実現するベクトル制御を行う。

この一実施の形態のモーター制御装置は、基本波電流制御回路と高調波電流制御回路とを備えている。基本波電流制御回路は、３相交流モーターＭに流れる電流ｉu、ｉv、ｉwの励磁電流成分に対応するｄ軸とトルク電流成分に対応するｑ軸とからなり、モーター回転に同期して回転する直交座標系（以下、基本波座標系と呼ぶ）ｄｑにおいて、モーター電流ｉu、ｉv、ｉwの基本波成分を制御する回路である。

一方、高調波電流制御回路は、基本波電流制御回路のみでモーター電流ｉu、ｉv、ｉwを制御した場合に発生する所定次数の高調波成分の周波数で回転する直交座標系（以下、高調波座標系と呼ぶ）ｄhｑh、換言すれば、モーター電流ｉu、ｉv、ｉwの基本波成分の周波数の整数倍の周波数で回転する高調波座標系ｄhｑhにおいて、モーター電流ｉu、ｉv、ｉwに含まれる高調波成分を制御する回路である。

図１において、トルク制御部１は、トルク指令値Ｔe^＊およびモーター回転速度ωeに基づいて、基本波座標系ｄｑにおけるｄ軸電流指令値ｉd^＊とｑ軸電流指令値ｉq^＊を演算するとともに、高調波座標系ｄhｑhにおけるｄh軸電流指令値ｉdh^＊とｑh軸電流指令値ｉqh^＊を演算する。

基本波電流制御部（ｄｑ軸電流制御部）２は、ｄ軸とｑ軸の実電流ｉd、ｉqをそれぞれ指令値ｉd^＊、ｉq^＊に一致させるためのｄ軸とｑ軸の基本波電圧指令値ｖd^＊、ｖq^＊を演算する。加算器３は、基本波電流制御部２で生成された基本波電圧指令値ｖd^＊、ｖq^＊と、後述する高調波電流制御部６およびｄhｑh／ｄｑ変換部７で生成された高調波電圧指令値ｖd'、ｖq'とをそれぞれ加算し、最終的なｄ軸電圧指令値（ｖd^＊＋ｖd'）とｑ軸電圧指令値（ｖq^＊＋ｖq'）を得る。

ｄｑ／３相変換部４は、３相交流座標系から見たモーター回転に同期する基本波座標系ｄｑの位相θeに基づいて、ｄ軸とｑ軸の電圧指令値（ｖd^＊＋ｖd'）、（ｖq^＊＋ｖq'）を３相交流電圧指令値ｖu^＊、ｖv^＊、ｖw^＊に変換する。３相／ｄｑ変換部５は、３相交流座標系から見たモーター回転に同期する基本波座標系ｄｑの位相θeに基づいて、３相交流モーターＭの実電流ｉu、ｉv、ｉw（＝−ｉu−ｉv）をｄ軸とｑ軸の実電流ｉd、ｉqへ変換する。なお、基本波電流制御部２と３相／ｄｑ変換部５とが基本波電流制御回路を構成する。

高調波電流制御部（ｄhｑh軸電流制御部）６は、ｄh軸とｑh軸の実電流ｉdh、ｉqhをそれぞれ電流指令値ｉdh^＊、ｉqh^＊に一致させるためのｄh軸とｑh軸の高調波電圧指令値ｖdh^＊、ｖqh^＊を演算する。ｄhｄq／ｄｑ変換部７は、ｄh軸とｑh軸の高調波電圧指令値ｖdh^＊、ｖqh^＊をｄ軸とｑ軸の高調波電圧指令値ｖd’、ｖq’に変換する。ハイパス・フィルター８は、モーター回転速度ωeに基づいてｄｑ軸の実電流ｉd、ｉqにフィルター処理を施して高周波成分を抽出する。ｄｑ／ｄhｑh変換部９は上述した高調波座標系ｄhｑhを有し、基本波座標系ｄｑの実電流ｉd、ｉqの高調波成分を高調波座標系ｄhｑhの実電流ｉdh、ｉqhに変換する。なお、高調波電流制御部６、３相／ｄｑ変換部５、ハイパス・フィルター８およびｄｑ／ｄhｑh変換部９が高調波電流制御回路を構成する。

電力変換部１０は、ＩＧＢＴなどの電力変換素子により３相交流電圧指令値ｖu^＊、ｖv^＊、ｖw^＊にしたがってバッテリーなどの直流電源（不図示）の直流電圧をスイッチングし、３相交流電圧Ｕ、Ｖ、Ｗを３相交流モーターＭに印加する。エンコーダーＰＳは３相交流モーターＭに連結され、モーターＭの回転位置θmを検出する。また、電流センサー１１、１２は、３相交流モーターＭのＵ相とＶ相の実電流ｉu、ｉvを検出する。位相速度演算部１３は、エンコーダーＰＳからの回転位置信号θmに基づいてモーターＭの回転速度ωeと３相交流座標系から見た基本波座標系ｄｑの位相θeを演算する。

次に、空間高調波が大きいＩＰＭモーターを例に上げて、基本波座標系ｄｑと高調波座標系ｄhｑhについて説明する。図２は、空間高調波が存在しない場合の、ＩＰＭモーターの磁石が形成する電機子鎖交磁束（Ｕ相巻線）を示す。図３は、５次成分の空間高調波が存在する場合の、ＩＰＭモーターの磁石が形成する電機子鎖交磁束（Ｕ相巻線）を示す。

磁束はモーターの回転角の変化に対して正弦波状に変化する。通常、電機子鎖交磁束ベクトルの方向をｄ軸に、このｄ軸と直交する方向をｑ軸にとる。従来は、３相交流座標系における電圧や電流などの物理量をｄｑ軸座標系（基本波座標系）の物理量に変換し、ｄｑ軸上でモーター制御を行っている。これに対しこの実施の形態では、電圧や電流などの物理量の内の基本波成分は従来と同様にｄｑ軸座標系において取り扱い、高調波成分は次数ごとに電機子鎖交磁束ベクトルの方向をｄh軸に、このｄh軸と直交する方向をｑh軸にとり、ｄhｑh座標系（高調波座標系）で取り扱う。図３に示すように第５次の高調波成分を含む場合には、電機子鎖交磁束を基本波成分の磁束と第５次高調波成分の磁束とに分け、基本波成分の電機子鎖交磁束ベクトルの方向をｄ軸に、このｄ軸と直交する方向をｑ軸にとるとともに、第５次高調波成分の電機子鎖交磁束ベクトルの方向をｄh軸に、このｄh軸と直交する方向をｑh軸にとる。したがって、基本波座標系ｄｑは電機子鎖交磁束の基本波成分に同期して回転する座標系であり、高調波座標系ｄhｑhは電機子鎖交磁束の高調波次数成分に同期して回転する座標系である。

従来のモーター制御装置は基本波成分の磁束と電流とによりモータートルクを制御しているが、この従来の制御装置により駆動制御されるモーターの効率と出力について説明する。空間高調波成分を含むモーターの出力トルクＴeは、次式により表される。
Ｔe＝Ｐ(φd・ｉd−φq・ｉq)
＝Ｐ｛(φd_1＋φd_h)(ｉq_1＋ｉq_h)−(φq_1＋φq_h)(ｉd_1＋ｉd_h)｝
＝Ｐ｛(φd_1・ｉq_1＋φq_1・ｉd_1)＋(φd_h・ｉq_h＋φq_h・ｉd_h)
＋(φd_h・ｉq_1＋φq_h・ｉd_1)＋(φd_1・ｉq_h＋φq_1・ｉd_h)｝・・・（１）
上式において、Ｐは極対数、φdはｄ軸電機子鎖交磁束、φd_1はｄ軸電機子鎖交磁束の基本波成分、φd_hはｄ軸電機子鎖交磁束の高調波成分、φqはｑ軸電機子鎖交磁束、φq_1はｑ軸電機子鎖交磁束の基本波成分、φq_hはｑ軸電機子鎖交磁束の高調波成分である。また、ｉdはｄ軸電流、ｉd_1はｄ軸電流の基本波成分、ｉd_hはｄ軸電流の高調波成分、ｉqはｑ軸電流、ｉq_1はｑ軸電流の基本波成分、ｉq_hはｑ軸電流の高調波成分である。

なお、基本波座標系ｄｑにおけるｄ軸電流ｉdの基本波成分はｉd_1、高調波成分はｉd_hであるから、
ｉd＝ｉd_1＋ｉd_h・・・（２）
また、基本波座標系ｄｑにおけるｑ軸電流ｉqの基本波成分はｉq_1、高調波成分はｉq_hであるから、
ｉq＝ｉq_1＋ｉq_h・・・（３）

この実施の形態では高調波電流を高調波座標系ｄhｑhで制御するから、トルク制御部１で、基本波座標系ｄｑにおける励磁電流成分のｄ軸電流指令値ｉd^＊とトルク電流成分のｑ軸電流指令値ｉq^＊を演算するとともに、高調波座標系ｄhｑhにおける励磁電流成分のｄh軸電流指令値ｉdh^＊とトルク電流成分のｑh軸電流指令値ｉqh^＊を演算し、基本波電流制御回路２，５でｄｑ軸基本波電流ｉd、ｉqがそれらの指令値ｉd^＊、ｉq^＊に一致するように制御するとともに、高調波電流制御回路５，６，８，９でｄhｑh軸高調波電流ｉdh、ｉqhがそれらの指令値ｉdh^＊、ｉqh^＊に一致するように制御する。以下の説明では、説明を分かりやすくするために、基本波座標系ｄｑにおいて基本波電流ｉd_1、ｉq_1と高調波電流ｉd_h、ｉq_hを取り扱い、最終的にｄｑ軸高調波電流ｉd_h、ｉq_hをｄhｑh軸高調波電流ｉdh、ｉqhに変換することにする。

数式１の右辺第１項は、モーターの電機子鎖交磁束の基本波成分と電流の基本波成分とにより発生するトルクを表す。第２項は、モーターの電機子鎖交磁束の高調波成分と電流の高調波成分とにより発生するトルクを表す。また第３項は、モーターの電機子鎖交磁束の高調波成分と電流の基本波成分とにより発生するトルクを表す。さらに第４項は、モーターの電機子鎖交磁束の基本波成分と電流の高調波成分とにより発生するトルクを表す。

数式１の右辺第３項と第４項は、次数の異なる電機子鎖交磁束成分と電流成分の積であるからその時間平均値は０となり、モーターから出力される平均トルクには寄与しない。しかし、第１項は電機子鎖交磁束の基本波成分と電流の基本波成分との積であるから、当然平均トルクに寄与し、また、第２項は電機子鎖交磁束の高調波成分と電流の高調波成分との積であるから、ともに高調波成分の次数が同一であり平均トルクに寄与する。従来のモーター制御装置はｄｑ座標系での基本波電流制御、つまり電流歪みを０とする制御を行っており、数式１の右辺第１項のトルクしか活用できていない。そのため、従来の制御装置ではモーターの効率が低く、また出力も低い値になっている。

そこでこの第１の実施の形態では、基本波成分の磁束と電流とによりモータートルクを制御するのに加え、高調波成分の磁束と電流とによりモータートルクを制御し、モーターの効率を改善するとともに出力を向上させる。

まず、モーターに流れる高調波電流が効率に与える影響を考察する。図４は基本波電流成分であるｄｑ軸電流ｉd、ｉqを一定にした場合の高調波電流成分と総合効率との関係を示す図であり、(ａ)はｑh軸電流ｉqhを０にした場合のｄh軸電流ｉdhに対する総合効率を示し、(ｂ)はｄh軸電流ｉdhを０にした場合のｑh軸電流ｉqhに対する総合効率を示す。図から明らかなように、高調波電流ｉdhまたはｉqhを０にしたときに効率は最大にならず、ある程度の高調波電流を流したときに効率が最大となる。つまり、基本波電流だけでモーターを駆動制御する従来の制御方法よりも、基本波電流に高調波電流を重畳させた方が総合効率を改善できる。

図５は第１の実施の形態のトルク制御部１の詳細な構成を示す。トルク制御部１は、トルク指令値とモーター回転速度に対するｄ軸電流指令値のデータが収められている最高効率ｉdマップ１ａから、トルク指令値Ｔe^＊とモーター回転速度ωeとに対応するｄ軸電流指令値ｉd^＊を表引き演算する。また、トルク指令値とモーター回転速度に対するｑ軸電流指令値のデータが収められている最高効率ｉqマップ１ｂから、トルク指令値Ｔe^＊とモーター回転速度ωeとに対応するｑ軸電流指令値ｉq^＊を表引き演算する。

同様に、トルク指令値とモーター回転速度に対するｄh軸電流指令値のデータが収められている最高効率ｉdhマップ１ｃから、トルク指令値Ｔe^＊とモーター回転速度ωeとに対応するｄh軸電流指令値ｉdh^＊を表引き演算する。さらに、トルク指令値とモーター回転速度に対するｑh軸電流指令値のデータが収められている最高効率ｉqhマップ１ｄから、トルク指令値Ｔe^＊とモーター回転速度ωeとに対応するｑh軸電流指令値ｉqh^＊を表引き演算する。

これらのマップ１ａ〜１ｄには、モータートルクＴeをトルク指令値Ｔe^＊に一致させるための電流指令値の組み合わせの中で、総合効率を最大にする基本波電流と高調波電流の指令値が収められている。

この第１の実施の形態によれば、あらゆるモーター回転速度ωeにおいて、効率よくトルク指令値Ｔe^＊に一致するトルクＴeをモーターから出力させることができる。

《発明の第２の実施の形態》
モーターのトルクリップルを最少にする第２の実施の形態を説明する。なお、この第２の実施の形態の構成は、トルク制御部１を除いて図１に示す第１の実施の形態の構成と同様であり、全体構成の説明を省略して相違点を中心に説明する。

上記数式１の右辺第３項と第４項は次数の異なる電機子鎖交磁束と電流の積であるから平均トルクには寄与しないが、これらはトルクリップル成分となる。従来のモーター制御装置では、ｄｑ軸座標系での基本波電流の制御、つまり電流の高調波成分を０とする制御を行うので、第４項は０となるが、第３項は０とならずトルクリップル成分となる。つまり、従来の制御装置では空間高調波が大きいモーターのトルクリップルを低減することができなかった。電気自動車ではこのモーターのトルクリップルが乗員に不快感を与える原因となり、低減しなければならない。

そこで、この第２の実施の形態では、空間高調波が存在するＩＰＭモーターの電流と出力トルクとの関係を解析し、トルクリップルを数式で表してトルクリップルを０にするための電流条件を導出する。

ＩＰＭモーターの出力トルクＴeはマグネットトルクＴemと、リラクタンストルクＴerとの和で表すことができる。
Ｔe＝Ｔem＋Ｔer
＝Ｐ(φdm・ｉq−Ｌqd・ｉd・ｉq)・・・（４）
上式において、Ｔemはマグネットトルク、Ｔerはリラクタンストルク、φdmは電機子鎖交磁束（磁石分）、Ｌqdはｄｑ軸インダクダンス差（＝Ｌq−Ｌd＝Ｌqd_1＋Ｌqd_h）である。

まず、マグネットトルクＴemを演算する。
Ｔem＝Ｐ・φdm・ｉq
＝Ｐ(φdm_1＋φdm_h)(ｉq_1＋ｉq_h)
＝Ｐ(φdm_1・ｉq_1＋φdm_h・ｉq_1＋φdm_1・ｉq_h＋φdm_h・ｉq_h)
＝Ｐ・φdm_1・ｉq_1＋Ｐ(φdm_h・ｉq_1＋φdm_1・ｉq_h＋φdm_h・ｉq_h)・・・（５）
上式において、φdm_1は電機子鎖交磁束の基本波成分（磁石分）、φdm_hは電機子鎖交磁束の高調波分（磁石分）である。数式５の右辺第１項は基本波成分トルクを表し、第２項はトルクリップル成分を表す。したがって、第２項を０にする電流条件が存在すれば、マグネットトルクのリップル成分を０にすることができる。
φdm_h・ｉq_1＋φdm_1・ｉq_h＋φdm_h・ｉq_h＝０・・・（６）
つまり、
ｉq_h＝−φdm_h・ｉq_1／(φdm_1＋φdm_h)・・・（７）
ここで、磁石が形成する電機子鎖交磁束の基本波成分が高調波成分に比べて十分に大きい（φdm_1≫φdm_h）とすれば、数式７は次式に近似できる。
ｉq_h＝−φdm_h・ｉq_1／φdm_1・・・（８）
以上の演算により、マグネットトルクＴemのリップルを０にする条件は、ｑ軸電流の高調波成分ｉq_hを数式８で表す値にすればよいことがわかる。

次に、リラクタンストルクＴerを演算する。
Ｔer＝−Ｐ・Ｌqd・ｉd・ｉq
＝Ｐ(Ｌqd_1＋Ｌqd_h)(ｉd_1＋ｉd_h)(ｉq_1＋ｉq_h)
＝Ｐ(Ｌqd_1・ｉq_1＋Ｌqd_h・ｉq_1＋Ｌqd_1・ｉq_h＋Ｌqd_h・ｉq_h)(ｉd_1＋ｉd_h)
＝Ｐ・Ｌqd_1・ｉq_1・ｉd_1
＋Ｐ(Ｌqd_h・ｉq_1＋Ｌqd_1・ｉq_h＋Ｌqd_h・ｉq_h)ｉd_1
＋Ｐ(Ｌqd_1・ｉq_1＋Ｌqd_h・ｉq_1＋Ｌqd_1・ｉq_h＋Ｌqd_h・ｉq_h)ｉd_h ・・・（９）
数式９の右辺第１項はリラクタンストルクの基本波成分を表し、第２項と第３項がトルクリップル成分を表す。したがって、第２項と第３項の和を０にする電流条件が存在すれば、リラクタンストルクのリップル成分を０にすることができる。
(Ｌqd_1・ｉq_1＋Ｌqd_h・ｉq_1＋Ｌqd_1・ｉq_h＋Ｌqd_h・ｉq_h)ｉd_h＝−(Ｌqd_h・ｉq_1＋Ｌqd_1・ｉq_h＋Ｌqd_h・ｉq_h)ｉd_1
∴ｉd_h＝−(Ｌqd_h・ｉq_1＋Ｌqd_1・ｉq_h＋Ｌqd_h・ｉq_h)ｉd_1／(Ｌqd_1・ｉq_1＋Ｌqd_h・ｉq_1＋Ｌqd_1・ｉq_h＋Ｌqd_h・ｉq_h)・・・（１０）
ここで、モーターのパラメーターおよび電流は、基本波成分に比べ高調波成分が十分に小さいと仮定すれば、数式１０を次式に近似できる。
ｉd_h＝−(Ｌqd_h・ｉq_1＋Ｌqd_1・ｉq_h)ｉd_1／(Ｌqd_1・ｉq_1)・・・（１１）
以上の演算により、リラクタンストルクのリップルを０にする条件は、ｄ軸電流の高調波成分ｉd_hを数式１１で表す値にすればよいことがわかる。

このように、ｑ軸の高調波成分電流ｉq_hを数式８に示す値に制御し、ｄ軸の高調波成分電流ｉd_hを数式１１に示す値に制御すれば、モーターのトルクリップルを低減することができる。

ところで、ここで用いているｉd_h、ｉq_hはそれぞれｄ軸とｑ軸の高調波成分電流を表しており、次式により高調波座標系のｄh軸とｑh軸の高調波成分電流に変換する。

上式において、θehは基本波ｄｑ軸座標系から見た高調波ｄhｑh軸座標系の位相であり、３相交流座標系で高調波成分が５次の場合にθeh＝−６ωe＋θeo（ここで、θeoはθe＝０とθeh＝０の位相差）である。数式８と数式１１を数式１２に代入してｄh軸電流指令値ｉdh^＊とｑh軸電流指令値ｉqh^＊を算出し、上述したように高調波電流を制御すればモーターのトルクリップルを最少にすることができる。

図６は第２の実施の形態のトルク制御部１Ａの詳細を示す図である。この第２の実施の形態では、図１に示すトルク制御部１に代えてトルク制御部１Ａを用いる。トルク制御部１Ａは、トルク指令値とモーター回転速度に対するｄ軸電流指令値のデータが収められている最高効率ｉdマップ１ｅから、トルク指令値Ｔe^＊とモーター回転速度ωeとに対応するｄ軸電流指令値ｉd^＊を表引き演算する。また、トルク指令値とモーター回転速度に対するｑ軸電流指令値のデータが収められている最高効率ｉqマップ１ｆから、トルク指令値Ｔe^＊とモーター回転速度ωeとに対応するｑ軸電流指令値ｉq^＊を表引き演算する。

トルク制御部１Ａはさらに、ｄｑ軸電流指令値に対するｄh軸電流指令値のデータが収められている最少トルクリップルｉdhマップ１ｇから、ｄｑ軸電流指令値ｉd^＊、ｉq^＊に対応するｄh軸電流指令値ｉdh^＊を表引き演算する。同様に、ｄｑ軸電流指令値に対するｑh軸電流指令値のデータが収められている最少トルクリップルｉqhマップ１ｈから、ｄｑ軸電流指令値ｉd^＊、ｉq^＊に対応するｑh軸電流指令値ｉqh^＊を表引き演算する。

マップ１ｅ〜１ｈには、モータートルクＴeをトルク指令値Ｔe^＊に一致させるための電流指令値の組み合わせの中で、上記数式８と数式１１を満たしトルクリップルを最少にする基本波電流と高調波電流の指令値が収められている。これらの指令値を演算により求めるとずれが生じるので、実験によりトルクリップルを最少とする基本波電流と高調波電流を測定し、それらの値をデータとして採用してもよい。

この第２の実施の形態によれば、あらゆるモーター回転速度ωeにおいて、トルクリップルを最少に抑制しながらトルク指令値Ｔe^＊に一致するトルクＴeをモーターから出力させることができる。

《発明の第３の実施の形態》
電圧リップルを最少にする第３の実施の形態を説明する。なお、この第３の実施の形態の構成は、トルク制御部１を除いて図１に示す第１の実施の形態の構成と同様であり、全体構成の説明を省略して相違点を中心に説明する。

図７はモーターＭの回転速度ωeに対するトルクＴeの関係、つまりモーターＭの出力特性を示す。モーターＭは、回転速度ωeが０から基底回転速度±ωbまでは太線（１）の最大トルクラインまで駆動制御され、基底回転速度±ωbを超えると破線（２）の最大出力ラインまで駆動制御される。通常、電力変換部１０のパワー素子の定格電流は最大トルクライン（１）に応じて決定されので、例えば定格電流が６００Ａの場合には基本波電流を６００Ａまで流すことができる。ところが、モーター電流に高調波電流が含まれると、モーター電流のピーク値が基本波電流のピーク値より大きくなるため、基本波電流を定格の６００Ａより低く抑えなければならなくなり、最大トルクが小さくなる上に、鉄損や銅損が増加して効率が悪くなる。一方、モーター電圧に高調波成分が含まれると、モーター電圧のピーク値が基本波電圧のピーク値より高くなるため、基本波電圧をモーターおよびパワー素子の定格電圧より低く抑えなければならなくなり、電圧不足により所定の電流が流せなくなって出力が低下する。

まず、空間高調波含むモーターの電圧リップルについて説明する。モーターＭの回路方程式は次のように表すことができる。
ｖd＝Ｒ・ｉd＋d(φd)/dt−ωe・φq
＝Ｒ・ｉd＋d(φdm＋Ｌd・ｉd)/dt−ωe・Ｌq・ｉq，
ｖq＝ωe・φd＋Ｒ・ｉq＋d(φq)/dt
＝ωe(φdm＋Ｌd・ｉd)＋Ｒ・ｉq＋d(Ｌq・ｉq)/dt・・・（１３）
ここで、ｖdはｄ軸電圧、ｖqはｑ軸電圧、Ｒは相巻線抵抗、φdはｄ軸電機子鎖交磁束、φqはｑ軸電機子鎖交磁束、φdmは電機子鎖交磁束（磁石分）、Ｌdはｄ軸インダクダンス、Ｌqはｑ軸インダクダンスである。

磁束、インダクダンス、電流を基本波成分と高調波成分とに分けて数式１３を記述すると、まずｄ軸電圧ｖdは次のように表される。
ｖd＝Ｒ(ｉd_1＋ｉd_h)
＋d｛(φdm_1＋φdm_h)＋(Ｌd_1＋Ｌd_h)(ｉd_1＋ｉd_h)｝/dt
−ωe(Ｌq_1＋Ｌq_h)(ｉq_1＋ｉq_h)
＝Ｒ(ｉd_1＋ｉd_h)
＋d｛(φdm_1＋Ｌd_1・ｉd_1)＋(φdm_h＋Ｌd_h・ｉd_1＋Ｌd_1・ｉd_h＋Ｌd_h・ｉd_h)｝/dt
−ωe(Ｌq_1・ｉq_1＋Ｌq_h・ｉq_1＋Ｌq_1・ｉq_h＋Ｌq_h・ｉq_h)
＝｛Ｒ・ｉd_1＋d(φdm_1＋Ｌd_1・ｉd_1)/dt＋ωe・Ｌq_1・ｉq_1｝
＋［Ｒ・ｉd_h＋d(φdm_h＋Ｌd_h・ｉd_1＋Ｌd_1・ｉd_h＋Ｌd_h・ｉd_h)/dt−ωe(Ｌq_h・ｉq_1＋Ｌq_1・ｉq_h＋Ｌq_h・ｉq_h)］・・・（１４）
数式１４において、第１項は基本波成分であり、第２項は電圧リップル成分である。電圧リップルを０にするにはこの第２項を０にすればよい。
Ｒ・ｉd_h＋d(φdm_h＋Ｌd_h・ｉd_1＋Ｌd_1・ｉd_h＋Ｌd_h・ｉd_h)/dt−ωe(Ｌq_h・ｉq_1＋Ｌq_1・ｉq_h＋Ｌq_h・ｉq_h)＝０・・・（１５）
そのためには、数式１５の３項すべてを０にする必要があるが、通常、第１項は第２項および第３項に比べて無視できる程度に小さいので、第２項と第３項を０にする条件を導出する。まず、第２項を０にする条件から次式が求められる。
φdm_h＋Ｌd_h・ｉd_1＋(Ｌd_1＋Ｌd_h)ｉd_h＝const，
∴ｉd_h＝−｛(φdm_h＋Ｌd_h・ｉd_1)＋const｝／(Ｌd_1＋Ｌd_h)・・・（１６）
また、第３項を０にする条件から次式が求められる。
Ｌq_h・ｉq_1＋Ｌq_1・ｉq_h＋Ｌq_h・ｉq_h＝０
∴ｉq_h＝−Ｌq_h・ｉq_1／(Ｌq_1＋Ｌq_h)・・・（１７）

このように、ｄ軸電圧ｖdのリップルを０にするには、ｄｑ軸電流の高調波成分ｉd_h、ｉq_hが数式１６、数式１７に示す値となるように制御すればよい。

一方、磁束、インダクダンス、電流を基本波成分と高調波成分とに分けて数式１３を記述すると、ｑ軸電圧ｖqは次のように表される。
ｖq＝ωe｛φdm_1＋φdm_h＋(Ｌd_1＋Ｌd_h)(ｉd_1＋ｉd_h)｝
＋Ｒ(ｉq_1＋ｉq_h)＋d(Ｌq_1＋Ｌq_h)(ｉq_1＋ｉq_h)/dt
＝｛ωe(φdm_1＋Ｌd_1・ｉd_1)＋Ｒ・ｉq_1＋d(Ｌq_1・ｉq_1)/dt｝
＋［ωe｛φdm_h＋(Ｌd_h・ｉd_1＋Ｌd_1・ｉd_h＋Ｌd_h・ｉd_h)｝＋Ｒ・ｉq_h＋d(Ｌq_h・ｉq_1＋Ｌq_1・ｉq_h＋Ｌq_h・ｉq_h)/dt］・・・（１８）
数式１８において、第１項は基本波成分であり、第２項は高次成分（リップル分）である。ｑ軸電圧のリップルを０にするにはこの第２項を０にすればよい。
ωe｛φdm_h＋(Ｌd_h・ｉd_1＋Ｌd_1・ｉd_h＋Ｌd_h・ｉd_h)｝＋Ｒ・ｉq_h＋d(Ｌq_h・ｉq_1＋Ｌq_1・ｉq_h＋Ｌq_h・ｉq_h)/dt＝０・・・（１９）
そのためには、数式１９の３項すべてを０にする必要があるが、通常、第２項は第１項および第３項に比べて無視できる程度に小さいので、第１項と第３項を０にする条件を導出する。まず、第１項を０にする条件から次式が求められる。
φdm_h＋(Ｌd_h・ｉd_1＋Ｌd_1・ｉd_h＋Ｌd_h・ｉd_h)＝０，
∴ｉd_h＝−(φdm_h＋Ｌd_h・ｉd_1)／(Ｌd_1＋Ｌd_h)・・・（２０）
また、第３項を０にする条件から次式が求められる。
Ｌq_h・ｉq_1＋Ｌq_1・ｉq_h＋Ｌq_h・ｉq_h＝const，
∴ｉq_h＝(−Ｌq_h・ｉq_1＋const)／(Ｌq_1＋Ｌq_h)・・・（２１）

このように、ｑ軸電圧ｖqのリップルを０にするには、ｄｑ軸電流の高調波成分ｉd_h、ｉq_hが数式２０、数式２１に示す値となるように制御すればよい。

なお、数式１６と数式２１のconstを０とすれば、数式１６と数式２０、数式１７と数式２１はそれぞれ同一となる。つまり、ｄ軸電圧ｖdのリップル電圧を０にする条件と、ｑ軸電圧ｖqのリップル電圧を０にする条件とを同一にすることができ、ｄ軸電圧ｖdとｑ軸電圧ｖqのリップル成分をともに０にすることが可能になる。
ｉd_h＝−(φdm_h＋Ｌd_h・ｉd_1)／Ｌd_1，
ｉq_h＝−Ｌq_h・ｉq_1／Ｌq_1・・・（２２）
つまり、基本波座標系ｄｑにおけるｄ軸高調波電流id_hとｑ軸高調波電流ｉq_hが数式２２に表す値となるように制御すれば、電圧リップルを小さくすることができる。なお、基本波座標系ｄｑにおける高調波電流ｉd_h、ｉq_hは、上記数式１２により高調波座標系ｄhｑhのｄh軸高調波電流ｉdhとｑh軸高調波電流ｉqhに変換することができる。したがって、数式２２を数式１２に代入してｄh軸電流指令値ｉdh^＊とｑh軸電流指令値ｉqh^＊を算出し、上述したように高調波電流を制御すれば電圧リップルを最少にすることができる。

図８は第３の実施の形態のトルク制御部１Ｂの詳細を示す図である。この第３の実施の形態では、図１に示すトルク制御部１に代えてトルク制御部１Ｂを用いる。トルク制御部１Ｂは、トルク指令値とモーター回転速度に対するｄ軸電流指令値のデータが収められている最高効率ｉdマップ１ｅから、トルク指令値Ｔe^＊とモーター回転速度ωeとに対応するｄ軸電流指令値ｉd^＊を表引き演算する。また、トルク指令値とモーター回転速度に対するｑ軸電流指令値のデータが収められている最高効率ｉqマップ１ｆから、トルク指令値Ｔe^＊とモーター回転速度ωeとに対応するｑ軸電流指令値ｉq^＊を表引き演算する。

トルク制御部１Ｂはさらに、ｄｑ軸電流指令値に対するｄh軸電流指令値のデータが収められている最少電圧リップルｉdhマップ１ｉから、ｄｑ軸電流指令値ｉd^＊、ｉq^＊に対応するｄh軸電流指令値ｉdh^＊を表引き演算する。同様に、ｄｑ軸電流指令値に対するｑh軸電流指令値のデータが収められている最少電圧リップルｉqhマップ１ｊから、ｄｑ軸電流指令値ｉd^＊、ｉq^＊に対応するｑh軸電流指令値ｉqh^＊を表引き演算する。

マップ１ｅ、１ｆ、１ｉ、１ｊには、モータートルクＴeをトルク指令値Ｔe^＊に一致させるための電流指令値の組み合わせの中で、電圧リップルを最少にする基本波電流と高調波電流の指令値データが収められている。これらの指令値を演算により求めるとずれが生じるので、実験により電圧リップルを最少とする基本波電流と高調波電流を測定し、それらの値をデータとして採用してもよい。

この第３の実施の形態によれば、あらゆるモーター回転速度ωeにおいて、電圧リップルを最少に抑制しながらトルク指令値Ｔe^＊に一致するトルクＴeをモーターから出力させることができる。

《発明の第４の実施の形態》
電流リップルを最少にする第４の実施の形態を説明する。なお、この第４の実施の形態の構成は、トルク制御部１を除いて図１に示す第１の実施の形態の構成と同様であり、全体構成の説明を省略して相違点を中心に説明する。

図９は第４の実施の形態のトルク制御部１Ｃの詳細を示す図である。この第４の実施の形態では、図１に示すトルク制御部１に代えてトルク制御部１Ｃを用いる。トルク制御部１Ｃは、トルク指令値とモーター回転速度に対するｄ軸電流指令値のデータが収められている最高効率ｉdマップ１ｅから、トルク指令値Ｔe^＊とモーター回転速度ωeとに対応するｄ軸電流指令値ｉd^＊を表引き演算する。また、トルク指令値とモーター回転速度に対するｑ軸電流指令値のデータが収められている最高効率ｉqマップ１ｆから、トルク指令値Ｔe^＊とモーター回転速度ωeとに対応するｑ軸電流指令値ｉq^＊を表引き演算する。

一方、トルク制御部１Ｃは、ｄh軸電流指令値ｉdh^＊とｑh軸電流指令値ｉqh^＊をともに０にする。これにより、高調波電流制御回路５，６，８，９は高調波座標系ｄhｑhのｄh軸電流ｉdhとｑh軸電流ｉqhがともに０になるように制御する。

この第４の実施の形態によれば、あらゆるモーター回転速度ωeにおいて電流リップルを最少に抑制しながら、トルク指令値Ｔe^＊に一致するトルクＴeをモーターから出力させることができる。

《発明の第５の実施の形態》
モーターＭの動作状態に応じて最適な基本波電流指令値と高調波電流指令値を選択するようにした第５の実施の形態を説明する。なお、この第５の実施の形態の構成は、トルク制御部１を除いて図１に示す第１の実施の形態の構成と同様であり、全体構成の説明を省略して相違点を中心に説明する。

図１０は第５の実施の形態のトルク制御部１Ｄの詳細を示す図である。この第５の実施の形態では、図１に示すトルク制御部１に代えてトルク制御部１Ｄを用いる。トルク制御部１Ｄは、最高効率電流指令演算部１ｐ、最少トルクリップル電流指令演算部１ｇ、最少電圧リップル電流指令演算部１ｒ、最少電流リップル電流指令演算部１ｔ、最適指令値選択部１ｕおよび切り換えスイッチ１ｖを備えている。

最高効率電流指令演算部１ｐは、効率を最大にする基本波電流指令値ｉd^＊、ｉq^＊と高調波電流指令値ｉdh^＊、ｉqh^＊を演算する。最少トルクリップル電流指令演算部１ｇは、トルクリップルを最少にする基本波電流指令値ｉd^＊、ｉq^＊と高調波電流指令値ｉdh^＊、ｉqh^＊を演算する。最少電圧リップル電流指令演算部１ｒは、電圧リップルを最少にする基本波電流指令値ｉd^＊、ｉq^＊と高調波電流指令値ｉdh^＊、ｉqh^＊を演算する。最少電流リップル電流指令演算部１ｔは、電流リップルを最少にする基本波電流指令値ｉd^＊、ｉq^＊と高調波電流指令値ｉdh^＊、ｉqh^＊を演算する。

最適指令値選択部１ｕは、モーターＭの回転速度ωeやトルクＴeなどのモーターＭの動作状態に応じて、電流指令演算部１ｐ、１ｑ、１ｒ、１ｔで演算された電流指令値の中から最適な電流指令値を選択し、切り換えスイッチ１ｖを切り換える。なお、モーターＭのトルクＴeは、例えば上述した数式１や数式４により演算により求めてもよいし、トルク検出器を設置して測定してもよい。

図１１により、最適指令値選択部１ｕの動作を説明する。図１１は、図７に示すモーターＭの出力特性の内の第１象限のみを示す。なお、第２象限〜第４象限における動作は第１象限の動作と同様であり、説明を省略する。

図１１において、最大トルクライン（１）近傍の領域（６）では他の領域（３）〜（５）に比べてモーター電流が大きく、モーター電流が電力変換部１０のパワー素子の定格電流に近くなる。モーターＭの回転速度ωeとトルクＴeで決まる運転点が領域（６）内にあるとき、つまりモータートルクＴeと最大トルクとの差が所定値以下でモータートルクＴeが最大値に近いときは、最少電流リップル電流指令演算部１ｔで演算される電流指令値を選択し、モーターＭの電流リップルを最少に抑制することによって、モーター電流のピーク値をパワー素子の定格電流より低く抑える。

また、最大出力ライン（２）近傍の領域（５）では上述したようにモーターＭに大きな電圧を印加する必要があるので、直流母線電圧（インバーターのＤＣリンク電圧）とモーター電圧ｖu、ｖv、ｖwとの差が小さくなる。したがって、モーターＭの回転速度ωeとトルクＴeで決まる運転点が領域（５）内にあるとき、つまりモーター出力と最大出力との差が所定値以下でモーター出力が最大値に近いときは、最少電圧リップル電流指令演算部１ｒで演算される電流指令値を選択し、モーターＭの電圧リップルを最少に抑制することによって、モーター電圧のピーク値がパワー素子の電圧電圧より低くなるようにしながら、リップル電圧によるモーター電圧の低下を防ぐ。

さらに、モーターＭの回転速度ωeとトルクＴeがともに低い領域（４）では、トルクリップルの影響が大きく現れるので、最少トルクリップル電流指令演算部１ｇで演算される電流指令値を選択し、モーターＭのトルクリップルを最少に抑えることによって、トルクリップルに起因した影響、例えば車両の振動や騒音を低減して乗員の不快感を減ずる。

モーターＭの回転速度ωeとトルクＴeで決まる運転点が領域（３）内にあるときは、効率を最大とする最高効率電流指令演算部１ｐで演算された電流指令値を選択し、効率を最大にしてモーターＭの消費電力を低減する。

このように第５の実施の形態によれば、モーターＭの動作状態に応じた最適な電流指令値を選択してモーターＭを駆動制御することができる。

なお、上述した各実施の形態では、トルク制御部１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃにおいて、トルク指令値Ｔe^＊とモーター回転速度ωeに基づいてｄｑ軸基本波電流指令値ｉd^＊、ｉq^＊とｄhｑh軸高調波電流指令値ｉdh^＊、ｉqh^＊を演算する例を示したが、モーターを図７に示す０〜基底回転速度ωbまでの速度範囲で使用する場合、すなわち定トルク制御領域でのみ使用する場合（定トルク制御）には、トルク指令値Ｔe^＊のみに基づいてｄｑ軸基本波電流指令値ｉd^＊、ｉq^＊とｄhｑh軸高調波電流指令値ｉdh^＊、ｉqh^＊を演算する。つまり、トルク指令値に対する電流指令値のマップを予め設定しておき、トルク指令値Ｔe^＊に対応する電流指令値ｉd^＊、ｉq^＊、ｉdh^＊、ｉqh^＊を表引き演算する。

また、本発明は同期モーターや誘導モーターなどの交流モーターに適用することができる。誘導モーターの場合には、磁束の方向を推定する周知の磁束推定器を設け、磁束の基本波成分の推定方向に同期して回転する座標系をｄｑ座標系とし、磁束の高調波次数成分の推定方向に同期して回転する座標系をｄhｑh座標系とする。

第１の実施の形態の構成を示す図である。 空間高調波が存在しない場合の、ＩＰＭモーターの磁石が形成する電機子鎖交磁束（Ｕ相巻線）を示す図である。 ５次の空間高調波が存在する場合の、ＩＰＭモーターの磁石が形成する電機子鎖交磁束（Ｕ相巻線）を示す図である。 基本波電流成分であるｄｑ軸電流ｉd、ｉqを一定にした場合の高調波電流成分と総合効率との関係を示す図である。 第１の実施の形態のトルク制御部の詳細な構成を示す図である。 第２の実施の形態のトルク制御部の詳細な構成を示す図である。 モーターの出力特性を示す図である。 第３の実施の形態のトルク制御部の詳細な構成を示す図である。 第４の実施の形態のトルク制御部の詳細な構成を示す図である。 第５の実施の形態のトルク制御部の詳細な構成を示す図である。 モーターの動作状態に応じた最適な電流指令値の選択動作を説明するための図である。 従来の３相交流モーターの制御装置の構成を示す図である。 ＩＰＭモーターの構造を示す図である。 ＳＰＭモーターの構造を示す図である。

符号の説明

１ トルク制御部
１ａ 最高効率ｄ軸電流指令値マップ
１ｂ 最高効率ｑ軸電流指令値マップ
１ｃ 最高効率ｄh軸電流指令値マップ
１ｄ 最高効率ｑh軸電流指令値マップ
１ｅ 最高効率ｄ軸電流指令値マップ
１ｆ 最高効率ｑ軸電流指令値マップ
１ｇ 最少トルクリップルｄh軸電流指令値マップ
１ｈ 最少トルクリップルｑh軸電流指令値マップ
１ｉ 最少電圧リップルｄh軸電流指令値マップ
１ｊ 最少電圧リップルｑh軸電流指令値マップ
１ｐ 最高効率電流指令演算部
１ｑ 最少トルクリップル電流指令演算部
１ｒ 最少電圧リップル電流指令演算部
１ｔ 最少電流リップル電流指令演算部
２ 基本波電流制御部
３ 加算器
４ ｄｑ／３相変換部
５ ３相／ｄｑ変換部
６ 高調波電流制御部
７ ｄhｑh／ｄｑ変換部
８ ハイパスフィルター
９ ｄｑ／ｄhｑh変換部
１０ 電力変換部
１１，１２ 電流センサー
１３ 位相速度演算部

Claims (13)

1. 少なくとも交流モーターのトルク指令値に基づいて、モーター電流の基本波電流指令値を決定する基本波電流指令値決定手段と、
   少なくとも交流モーターのトルク指令値に基づいて、モーター電流の高調波電流指令値を決定する高調波電流指令値決定手段と、
   前記交流モーターに流れる実電流を検出する電流検出手段と、
   前記電流検出手段によって検出される実電流を、前記基本波電流指令値決定手段によって決定される基本波電流指令値と一致させるための基本波制御指令値を決定する基本波制御指令値決定手段と、
   前記電流検出手段によって検出される実電流の高調波成分を検出する高調波成分検出手段と、
   前記高調波成分検出手段によって検出されるモーター電流の高調波成分を、前記高調波電流指令値決定手段によって決定される高調波電流指令値と一致させるための高調波制御指令値を決定する高調波制御指令値決定手段と、
   前記基本波制御指令値決定手段によって決定される基本波制御指令値、および、前記高調波制御指令値決定手段によって決定される高調波制御指令値に基づいて、前記交流モーターを駆動するモーター駆動手段とを備えることを特徴とするモーター制御装置。
2. 請求項１に記載のモーター制御装置において、
   前記基本波電流指令値決定手段は、電機子鎖交磁束の基本波成分に同期して回転するｄｑ座標系における基本波電流指令値を決定し、
   前記高調波電流指令値決定手段は、電機子鎖交磁束の高調波次数成分に同期して回転するｄhｑh座標系における高調波電流指令値を決定することを特徴とするモーター制御装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のモーター制御装置において、
   前記基本波制御指令値決定手段は、電機子鎖交磁束の基本波成分に同期して回転するｄｑ座標系において、前記モーター電流の基本波成分を前記基本波電流指令値と一致させるための基本波制御指令値を決定し、
   前記高調波制御指令値決定手段は、電機子鎖交磁束の高調波次数成分に同期して回転するｄhｑh座標系において、前記モーター電流の高調波成分を前記高調波電流指令値と一致させるための高調波制御指令値を決定することを特徴とするモーター制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれかの項に記載のモーター制御装置において、
   前記基本波電流指令値決定手段および前記高調波電流指令値決定手段は、モータートルクを前記トルク指令値に一致させながら、モーターの効率を最大にする基本波電流指令値および高調波電流指令値をそれぞれ決定することを特徴とするモーター制御装置。
5. 請求項１〜３のいずれかの項に記載のモーター制御装置において、
   前記基本波電流指令値決定手段および前記高調波電流指令値決定手段は、モータートルクを前記トルク指令値に一致させながら、トルクリップルを最少にする基本波電流指令値および高調波電流指令値をそれぞれ決定することを特徴とするモーター制御装置。
6. 請求項１〜３のいずれかの項に記載のモーター制御装置において、
   前記基本波電流指令値決定手段および前記高調波電流指令値決定手段は、モータートルクを前記トルク指令値に一致させながら、電圧リップルを最少にする基本波電流指令値および高調波電流指令値をそれぞれ決定することを特徴とするモーター制御装置。
7. 請求項１〜３のいずれかの項に記載のモーター制御装置において、
   前記基本波電流指令値決定手段および前記高調波電流指令値決定手段は、モータートルクを前記トルク指令値に一致させながら、電流リップルを最少にする基本波電流指令値および高調波電流指令値をそれぞれ決定することを特徴とするモーター制御装置。
8. 請求項１〜３のいずれかの項に記載のモーター制御装置において、
   前記基本波電流指令値決定手段および前記高調波電流指令値決定手段は、モータートルクを前記トルク指令値に一致させながらモーター効率を最大にする基本波電流指令値と高調波電流指令値、モータートルクを前記トルク指令値に一致させながらトルクリップルを最少にする基本波電流指令値と高調波電流指令値、モータートルクを前記トルク指令値に一致させながら電圧リップルを最少にする基本波電流指令値と高調波電流指令値、およびモータートルクを前記トルク指令値に一致させながら電流リップルを最少にする基本波電流指令値と高調波電流指令値をそれぞれ決定し、
   モーターの動作状態を検出する動作状態検出手段と、
   前記基本波電流指令値決定手段および前記高調波電流指令値決定手段により決定される基本波電流指令値および高調波電流指令値の中から、モーターの動作状態に応じた最適な電流指令値を選択する電流指令値選択手段とをさらに備えることを特徴とするモーター制御装置。
9. 請求項８に記載のモーター制御装置において、
   前記電流指令値選択手段は、モータートルクが最大値に近い所定領域内のモーター動作状態が検出されたときは、モータートルクを前記トルク指令値に一致させながら電流リップルを最少にする基本波電流指令値と高調波電流指令値を選択することを特徴とするモーター制御装置。
10. 請求項８に記載のモーター制御装置において、
    前記電流指令値選択手段は、モータートルクとモーター回転速度がともに低い所定範囲内のモーター動作状態が検出されたときは、モータートルクを前記トルク指令値に一致させながらトルクリップルを最少にする基本波電流指令値と高調波電流指令値を選択することを特徴とするモーター制御装置。
11. 請求項８に記載のモーター制御装置において、
    前記電流指令値選択手段は、モーター出力が最大値に近い所定領域内のモーター動作状態が検出されたときは、モータートルクを前記トルク指令値に一致させながら電圧リップルを最少にする基本波電流指令値と高調波電流指令値を選択することを特徴とするモーター制御装置。
12. 請求項８に記載のモーター制御装置において、
    前記電流指令値選択手段は、モータートルクとモーター出力がそれらの最大値に近い前記所定域内になく、かつモータートルクとモーター回転速度がともに低い前記所定範囲内にないモーター動作状態が検出されたときは、モータートルクを前記トルク指令値に一致させながらモーター効率を最大にする基本波電流指令値と高調波電流指令値を選択することを特徴とするモーター制御装置。
13. 少なくとも交流モーターのトルク指令値に基づいて、モーター電流の基本波電流指令値およびモーター電流の高調波電流指令値を決定し、
    前記交流モーターに流れる実電流を前記基本波電流指令値と一致させるための基本波制御指令値を決定するとともに、前記交流モーターに流れる実電流の高調波成分を前記高調波電流指令値と一致させるための高調波制御指令値を決定し、
    前記基本波制御指令値、および、前記高調波制御指令値に基づいて、前記交流モーターを駆動することを特徴とするモーター制御方法。

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