JP2008199868A - 永久磁石同期電動機の駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、永久磁石同期電動機のセンサレス駆動制御において、指令変換器を要することなく高効率運転を可能とする駆動制御装置を提供し、ひいては、より軽い計算負荷で高効率運転が可能なセンサレス駆動制御装置を提供することにある。
【解決手段】 ベクトル回転器あるいはベクトル回転器内蔵変換器に使用する位相を決定する位相決定器２を、永久磁石同期電動機の端子電力の力率位相相当値を検出する力率位相検出器２ａと、力率位相指令値を生成する力率位相指令器２ｂと、力率位相相当値が力率位相指令に合致するように、ベクトル回転器あるいはベクトル回転器内蔵変換器に使用する位相を制御生成する力率位相制御器２ｃとで構成し、課題を解決した。
【選択図】図６

Description

本発明は、永久磁石同期電動機の駆動制御装置であって、特に、駆動制御のために必要なベクトル回転器あるいはベクトル回転器内蔵変換器（以下、ベクトル回転器等と略記）の位相の確保に位相決定器を利用したセンサレス駆動制御装置に関するものである。位相決定器は、ベクトル回転器位相決定手段を実現したのであり、位相推定器とも呼ばれる。本発明が対象とする位相決定器は、永久磁石同期電動機の端子電力の力率位相の制御を介して、ベクトル回転器等用の位相を推定的に決定するものである。

永久磁石同期電動機をして高い制御性能を発揮せしめるには、トルク発生に寄与する固定子電流を、回転子Ｎ極の位相（以降では、回転子位相と略記）に対して、所定の位相差を持たせる必要がある。このため、α軸をｕ相巻線の中心に選定した固定αβ座標系上で評価した回転子位相を知る必要がある。回転子位相の最も簡単な検出方法は、エンコーダ、レゾルバーと言った位置センサを回転子に装着することであるが、位置センサの装着は、信頼性、コストなどの点で問題があり、電動機駆動用の固定子電圧、電流の信号を用いて回転子位相を推定することが行なわれている。

回転子位相の推定は、固定αβ座標系上で行なうことも、あるいは回転子位相に位相差なく同期することを目指した準同期γδ座標系上で行なうことも可能である。なお、回転子位相に位相差なく同期した座標系は、最近では、同期ｄｑ座標系と呼ばれている。準同期γδ座標系は、同期が完了した時点では、実質的に同期ｄｑ座標系と等価である。この点を考慮し、以降では、準同期γδ座標系と厳密な同期ｄｑ座標系とを含めたこれらを、広い意味で同期ｄｑ座標系と呼ぶ。これに対して、回転子位相に対して、「位相差のない同期」を目指さないγδ座標系を、制御γδ座標系と呼ぶ。

図９は、永久磁石同期電動機に対し、位相決定器を利用した駆動制御装置の代表的１例を概略的にブロック図で示したものである。１は永久磁石同期電動機を、２は位相決定器を、３は電力変換器を、４は電流検出器を、５ａ、５ｂは夫々３相２相変換器、２相３相変換器を、６ａ、６ｂは共にベクトル回転器を、７は余弦正弦信号発生器を、８は電流制御器を、９は指令変換器を、１０は速度制御器を、１１は機械速度推定器を示している。本図では、簡明性を確保すべく、２ｘ１のベクトル信号を１本の太い信号線で表現している。以下のブロック図表現もこれを踏襲する。

特に、２の位相決定器は、固定子の電圧、電流の相当値（実測値、指令値など）を入力として得て、固定αβ座標系上で評価した回転子位相の推定値と、回転子電気速度の推定値を出力している。余弦正弦信号発生器７は回転子位相推定値を余弦・正弦信号に変換して、これをベクトル回転器６ａ、６ｂへ伝達している。電気速度推定値は、機械速度推定器１１において、極対数で除されて、機械速度推定値に変換されている。４、５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂ、７、８の５種の機器は、トルク発生に寄与する固定子電流を、同期ｄｑ座標系上のベクトル信号として捕らえ、ｄ軸及びｑ軸の各成分を各軸電流指令値に追随するように制御するフィードバック的な電流制御手段を構成している。また、位相決定器２が、ベクトル回転器位相決定手段を構成している。

電流検出器４で検出された３相の固定子電流は、３相２相変換器５ａで固定αβ座標系上の２相電流に変換された後、ベクトル回転器６ａで同期ｄｑ座標系の２相電流に変換され、電流制御器８へ送られる。電流制御器８は、同期ｄｑ座標系上の２相電流が、各相の電流指令値に追随すべく同期ｄｑ座標系上の２相電圧指令値を生成しベクトル回転器６ｂへ送る。６ｂでは、同期ｄｑ座標系上の２相電圧指令値を固定αβ座標系上の２相電圧指令値に変換し、２相３相変換器５ｂへ送る。５ｂでは、２相信号を３相電圧指令値に変換し、電力変換器３への指令値として出力する。電力変換器３は、指令値に応じた電力を発生し、同期電動機１へ印加しこれを駆動する。このときの同期ｄｑ座標系上の２相電流指令値は、トルク指令値を指令変換器９に通じ変換することにより得ている。図９においては、ベクトル回転器の左側に存在する固定子電圧、電流の信号は、同期ｄｑ座標系上の信号であることを明示すべく、脚符にｄｑを付している。なお、ベクトル回転器６ａ、６ｂは、３相２相変換器、２相３相変換器５ａ、５ｂと各々一体的に構成されこともある。本発明では、一体的に構成されたこれらをベクトル回転器内蔵変換器と呼称している。

図９の本例では、速度制御系を構成した例を示しているので、速度指令値と速度推定値を入力とする速度制御器１０の出力としてトルク指令値を得ている。当業者には周知のように、制御目的が発生トルクにあり速度制御系を構成しない場合には、速度制御器１０、機械速度推定器１１は不要である。この場合には、トルク指令値が外部から直接印加される。

上記構成機器において、本発明に特に関連する機器が、位相決定器２と指令変換器９である。位相決定器は、固定子の電圧、電流の相当値を利用して回転子位相を推定し、ベクトル回転器等に使用する位相を決定している。併せて、電気速度推定値を決定している。回転子位相の推定は、先ず回転子磁束あるいは誘起電圧を推定し、次にこれらに含まれる回転子位相情報を抽出することにより、行われる。回転子磁束あるいは誘起電圧の推定には、広く、固定子の電圧、電流の相当値を利用した状態オブザーバ、外乱オブザーバ等が利用されている。

電動機はトルク発生機であると同時に電気エネルギーの機械エネルギーの変換機であり、電動機のエネルギー変換効率は、電動機の主要な性能の１つである。エネルギー変換効率向上の課題は、電動機制御の観点からは、所要のトルク発生を達成しながら銅損などの損失を最小に抑えるような電流制御を如何に実施するか、あるいは、力率の最大化を図るような電流制御を如何に実施するか、と言う技術課題に置き換えることができる。この課題解決の役割を果たしいるのが、指令変換器９である。指令変換器では、トルク指令から高高率な運転を可能とする同期ｄｑ座標系上のｄ軸、ｑ軸電流指令を生成している。指令変換器に関連した先行発明としては、たとえば、次のものがある。

（１）大沢、野村：「逆突極ＰＭモータの機器利用効率の向上」、平成９年電気学会全国大会講演論文集４、ｐｐ．３４８−３４９
（２）新中新二：「同期電動機のベクトル制御方法」、特開平１１−０４１９９８
（３）新中新二：「効率重視の電流制御に向けた突極形同期モータのベクトル信号による解析」、電気学会論文誌Ｄ分冊、１１９、５、ｐｐ．６４８−６５８（１９９９−５）

トルク指令から高効率を達成する同期ｄｑ座標系上のｄ軸、ｑ軸電流指令の生成には、一般には、ｄ軸電流、ｑ軸電流、発生トルクの３者の関係を記述したトルク発生式と、高効率を達成する軌道を数学的に記述した軌道式とによる、非線形連立方程式の解法が要求される。当業者には周知のように、この解法は、一般には大変難解であり、これを多少なりとも効率的に遂行すべく指令変換器の改良が試みられてはいる。しかし、従来の永久磁石同期電動機の駆動制御装置おいて高効率を追求する限りは、この指令変換器は必須であり、排除することはできなかった。

発明が解決しようとする課題

本発明は上記背景の下になされたものであり、その目的は、永久磁石同期電動機のセンサレス駆動制御において、指令変換器を要することなく高効率運転を可能とする駆動制御装置を提供し、ひいては、より軽い計算負荷で高効率運転が可能なセンサレス駆動制御装置を提供することである。

課題を解決するための手段

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、トルク発生に寄与する固定子電流を、ベクトル回転器あるいはベクトル回転器内蔵変換器を用いて、フィードバック的あるいはフィードフォワード的に制御する電流制御手段と、ベクトル回転器あるいはベクトル回転器内蔵変換器に使用する位相を決定するベクトル回転器位相決定手段とを有する永久磁石同期電動機の駆動制御装置であって、該ベクトル回転器位相決定手段が、永久磁石同期電動機の端子電力の力率位相相当値を検出する力率位相検出手段と、力率位相指令値を生成する力率位相指令手段と、力率位相相当値が力率位相指令に合致するように、ベクトル回転器あるいはベクトル回転器内蔵変換器に使用する位相を制御生成する力率位相制御手段と、を備えることを特徴とする。

請求項２の発明は、トルク発生に寄与する固定子電流を、ベクトル回転器あるいはベクトル回転器内蔵変換器を用いて、フィードバック的あるいはフィードフォワード的に制御する電流制御手段と、ベクトル回転器あるいはベクトル回転器内蔵変換器に使用する位相を決定するベクトル回転器位相決定手段とを有する永久磁石同期電動機の駆動制御装置であって、該ベクトル回転器位相決定手段が、永久磁石同期電動機の端子電力の力率位相相当値を検出する力率位相検出手段と、力率位相相当値がゼロとなるように、ベクトル回転器あるいはベクトル回転器内蔵変換器に使用する位相を固定パラメータのみを用いて制御生成する力率位相制御手段と、を備えることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１乃至請求項２記載の永久磁石同期電動機の駆動制御装置であって、ベクトル回転器あるいはベクトル回転器内蔵変換器によって指定された制御γδ座標系上の電圧相当値を用いて、力率位相相当値を検出するように該力率位相検出手段を構成したことを特徴する。

請求項４の発明は、請求項１記載の永久磁石同期電動機の駆動制御装置であって、固定子電流相当値、回転子速度相当値を少なくとも利用して、力率位相指令値を生成するように該力率位相指令手段を構成したことを特徴する。

請求項５の発明は、請求項１乃至請求項２記載の永久磁石同期電動機の駆動制御装置であって、該位相の制御生成の最終工程で積分処理工程を伴うように、該力率位相制御手段を構成したことを特徴とする。

次に本発明の作用を、同期電動機の電気磁気的関係を記述した数式を利用して、説明する。図１のように、速度ωで回転する制御γδ座標系を考える。また、永久磁石同期電動機の回転子Ｎ極が主軸のγ軸に対し、ある瞬時に位相θ_ｒをなしているものとする。このとき、永久磁石同期電動機の電気磁気的関係は、制御γδ座標系上で評価した信号を用い、次の（１）〜（８）式で記述されることが知られている。

ここに、２ｘ１ベクトルν_ｌ、ｉ_ｌ、φ_ｌは、それぞれ固定子の電圧、電流、磁束を意味している。２ｘ１ベクトルφ_ｉ、φ_ｍは固定子磁束φ_ｌを構成する成分を示しており、φ_ｉは固定子電流ｉ_ｌによって誘導発生した磁束であり、またφ_ｍは回転子永久磁石に起因する回転子磁束であり、ｅは誘起電圧である。Ｉは２ｘ２単位行列であり、Ｊは次式で定義された２ｘ２交代行列である。

ω_２ｎは回転子の電気速度であり、Ｒ_ｌは固定子巻線の抵抗である。Ｌ_ｉ，Ｌ_ｍは固定子の同相インダクタンス、鏡相インダクタンスであり、ｄ、ｑインダクタンスとは次の関係を有する。

また、Ｄ（ｓ，ω）は次式で定義されたＤ因子であり、

ｓは微分演算子ｄ／ｄｔである。

（１）〜（８）式の電気磁気的関係は、常時θ_ｒ＝０とする場合には、同期ｄｑ座標系上の関係となる。また、同様に、常時θ_ｒ＝θ_αとする場合には、固定αβ座標系上の関係となる。ただし、このときの（１）〜（８）式における信号は、関連した座標系上で評価した信号である必要がある。

同期電動機を効率的に駆動制御するには、固定子電流は、特定軌道上に存在しなければならない。例えば、力率１の状態でトルク発生を行なうには、同期ｄｑ座標系上で評価した固定子電流は、次式で記述される軌道上に存在しなければならない。

上式の固定子電流の脚符ｄｑは、電流のｄ軸、ｑ軸成分を意味している。また、最小銅損の状態でトルク発生を行なうには、固定子電流は、同期ｄｑ座標系上で評価した場合、次の（１２）式の最小銅損軌道上に存在しなければならない。

図２に、ある同期電動機のパラメータを利用して、力率１軌道と最小銅損軌道の１例を、参考までに描画した。

本発明で言う力率位相とは、固定子電流からみた固定子電圧の位相を意味している。図３に本発明が定義した力率位相θ_ｉνを示した。また、同図において、以降の説明の利便性を考慮し、固定子電流は制御γδ座標系のδ軸上に存在するものとしている。換言するならば、固定子電流の位相をδ軸位相としている。

一般に、同期電動機は、固定子電流が特定の軌道上に存在する場合には、同期電動機の端子電力の力率位相も、特定の値を取ると言う特性を有している。参考までに、ある電動機パラメータを利用して、図４（ａ）に、力行状態で固定子電流（δ軸電流として表示）を正確に最小銅損軌道上に配し、最小銅損状態を達成した場合の固定子電流に対する力率位相の１例を、電気速度ω_２ｎ＝３、３０、１５０、３００、６００（ｒａｄ／ｓ）の場合について、描画した。
固定子電流軌道と力率位相とに関する本特性を活用するならば、力率位相の制御を介して、固定子電流を高効率駆動を達成する軌道上に存在させることが可能となる。

請求項１の発明によれば、ベクトル回転器位相決定手段が、永久磁石同期電動機の端子電力の力率位相相当値を検出する力率位相検出手段と、力率位相指令値を生成する力率位相指令手段と、力率位相相当値が力率位相指令に合致するように、ベクトル回転器等に使用する位相を制御生成する力率位相制御手段とを有することになる。従って、請求項１の発明によれば、力率位相指令手段において、高効率駆動を達成する力率位相指令値を生成するだけで、高効率駆動に必要な、ベクトル回転器等に使用する位相が決定できると作用が得られる。換言するならば、ｄ軸電流、ｑ軸電流、発生トルクの３者の関係を記述したトルク発生式と高効率を達成する軌道を数学的に記述した軌道式とによる非線形連立方程式の解法によることなく、簡単に、高効率駆動のための電流位相を決定できると言う作用が得られる。

続いて、本発明の請求項２の作用について説明する。固定子電流が力率１軌道上に常時存在する場合には、これに対応した力率位相指令は常時ゼロである。従って、固定子電流を力率１軌道上に常時存在させる場合には、力率位相指令手段は必ずしも必要ない（後掲の図６参照）。従って、請求項２の発明によれば、効率駆動は力率１駆動に限定されるが、請求項１の発明と同様な作用が得ることができる。換言するならば、ｄ軸電流、ｑ軸電流、発生トルクの３者の関係を記述したトルク発生式と高効率を達成する軌道を数学的に記述した軌道式とによる非線形連立方程式の解法によることなく、簡単に、力率１駆動のための電流位相を決定できると言う作用が得られる。

力率位相制御手段は、力率位相検出手段によって検出された力率位相相当値が、力率位相指令値（力率１の場合には、力率位相はゼロ）に合致するように、位相を制御生成する機能を遂行する。本機能遂行のための力率位相制御手段の構成法としては、可変パラメータを用いた方法と、固定パラメータを用いた方法とが考えられる。一般的には、ベクトル回転器位相決定手段は、固定パラメータの利用が可能な場合には、固定パラメータを利用した方が、より安定的な位相決定が可能である。請求項２の発明に基づくベクトル回転器位相決定手段においても、本一般論が適用される。請求項２の発明によれば、ベクトル回転器位相決定手段の主要構成要素の１つである力率位相制御手段を、固定パラメータのみを用いて構成するので、より安定的な力率位相制御が可能となると言う作用も得られる。

続いて、本発明の請求項３の作用について説明する。力率位相は、一般に、固定子電圧と固定子電流を用い、以下の関係に従い、検出することができる。

（１４）式の関係は、固定αβ座標系上、制御γδ座標系上のいずれの座標系上の固定子電圧、電流を用いても有効であり、また、同一の算定結果を得ることができる。ここで、図３のように、固定電流の位相をδ軸位相とする制御γδ座標系を考える。本制御γδ座標系上では、固定子電流のγ軸成分成分は常時ゼロであるので、（１４）式は、次の（１５）式のように簡略化される。

（１５）式の正等性は、図３からも、確認される。請求項３の発明によれば、ベクトル回転器等によって指定された制御γδ座標系上の電圧相当値を用いて、力率位相相当値を検出するように力率位相検出手段を構成することになる。従って、制御γδ座標系上の関係式である（１５）式を活用できるようになる。この結果、請求項３の発明によれば、簡単に力率位相相当値を検出できるようになると言う作用が得られる。なお、本発明の言う電圧相当値とは、固定子電圧の検出値、同近似値、同指令値などを意味する。固定子電圧の近似値、指令値が同検出値の良好な近似となる場合には、当業者には周知のように、これらは実質的に検出値として扱ってよい。同様に、本発明の言う力率位相相当値とは、（１４）式を基本原理として検出された力率位相検出値、同近似値、力率位相比例値などを意味する。

続いて、本発明の請求項４の作用について説明する。図４（ａ）に示した力率位相の例は、固定子電流（δ軸電流）が最小銅損軌道上に存在する場合の力率位相の１例である。同図は、固定子電流と回転子速度とが特定されれば、同期電動機の特性上、これに対応した力率位相は、必然的に特定されることを意味している。換言するならば、同図は、固定子電流を特定の軌道上に配置するには、一般に、固定電流と回転子速度とを考慮して、力率位相を指定する必要性を意味している。この数少ない例外は、固定子電流を力率１軌道上に存在させる場合である。力率１に対応した力率位相は、請求項２の発明の作用に関し説明したように、ゼロである。

請求項４の発明によれば、固定子電流相当値、回転子速度相当値を少なくとも利用して、力率位相指令値を生成するように力率位相指令手段を構成することになる。従って、本発明による力率位相指令手段によれば、固定子電流、回転子速度に応じて、固定子電流を損失を最小化するような軌道上に配置する力率位相指令値を合理的に生成できるようになると言う作用が得られる。本発明の言う電流相当値とは、電流検出値、同近似値、電流指令値等を意味する。また、回転子速度相当値とは、回転子速度推定値、回転子速度指令値等を意味する。当業者には容易に理解されるように、電流検出値は、適切な電流制御が遂行されている場合には、同指令値で置換される。また、回転子速度真値は、適切に推定されている場合には同推定値で、また適切に制御されている場合には同指令値で置換される。

続いて、本発明の請求項５の作用について説明する。位相の微分は、速度である。従って、位相の制御生成の最終工程で積分処理工程を伴うようにすれば、被積分処理信号は、制御決定された位相の微分値すなわち速度となる。このときの位相は、ベクトル回転器等に使用される位相であるので、この微分値である速度はベクトル回転器等で指定された制御γδ座標系の速度となる。同期電動機の駆動制御においては、回転子速度と制御γδ座標系の速度は同一である。従って、被積分処理信号は、回転子速度推定となる。請求項５の発明によれば、位相の制御生成の最終工程で積分処理工程を伴うように力率位相制御手段を構成するので、非積分処理信号から、簡単に回転子速度推定値を生成できるようになると言う作用が得られる。

以下、図面を用いて、本発明の実施形態を詳細に説明する。永久磁石同期電動機に対し本発明の駆動制御装置を適用した１実施形態例の基本的構造を図５に示す。図９に示した従来の駆動制御装置に対する本装置の違いは、第１に位相決定器２の構成にある。違いの第２は、指令変換器が存在せず、速度制御器１０の出力が直接、δ軸電流指令値になり、かつ、γ軸電流指令値は、常時ゼロがセットされている点にある。図５においては、ベクトル回転器の左側に存在する固定子電圧、電流の信号は、制御γδ座標系上の信号である。本事実を明示すべく、これら信号の脚符にγ、δを付している。一方、図９では、ベクトル回転器の左側に存在する固定子電圧、電流の信号は、同期ｄｑ座標系上の信号であった。この相違には、特に注意されたい。他の構成機器に関しては、従来の駆動制御装置と本装置との違いは、無い。

指令変換器を要しない本発明の核心は、ベクトル回転器位相決定手段を実現した位相決定器２にある。図６は、本発明に従って構成した位相決定器の１実施形態例である。位相決定器２は、請求項１の発明に従い、力率位相検出手段を実現した力率位相検出器２ａ、力率位相指令手段を実現した力率位相指令器２ｂ、力率位相制御手段を実現した力率位相制御器２ｃから構成されている。特に、図６の実施形態例として示した位相決定器２は、力率指令器２ｂを撤去する場合には、後述の説明で明らかになるように、請求項２の発明に従った構成となるようにしている。

力率位相検出器２ａは、原理的には、請求項３の発明に基づく（１５）式に従い構成している。ただし、電圧相当値としては、固定子電圧検出値に代わって、固定子電圧指令値を利用している。すなわち、本実施形態例での力率位相検出器２は、次式に従い、構成している。

当然のことながら、固定子電圧指令値に代わって、固定子電圧検出値、同近似値を利用してもよい。固定子電圧指令値を利用した（１６）式に従い得た力率位相相当値は、力率位相の近似値となっている。

ている。請求項４の発明に従った、固定子電流相当値、回転子速度相当値を利用した力率位相指令器の構成は、例えば、次のものを考えることができる。

を、Ｌｍｔ（・）はリミッタ処理を意味する。なお、トルク制御には（１７）式第１式あるいは第２式を、速度制御には（１７）式第３式を使用するようにすればよい。図６の実施形態例では、（１７）式第３式に従い、力率位相指令器２ｂを構成している。本例では、電流相当値として電流検出値を、回転子速度相当値として回転子速度指令値を利用した例ともなっている。

力率位相指令器２ｂを（１７）式に基づき構成した場合の設計パラメータ及びリミッタの設計指針は、以下の通りである。

（ｒａｄ）は、力率位相として大きめな値である。

図４（ｂ）は、（１８）式の設計指針に従い、設計パラメータを下の（１９）式とした場合の（１７）式第３式に基づく力率位相指令値を、図４（ａ）の場合と同一の電動機パラメータを利用し

描画したものである。

図４（ａ）、（ｂ）の比較より、本例の力率位相指令値は、最小銅損軌道に対応した力率位相

言う性質を考慮するならば、本例からも、（１８）式の設計パラメータを（１７）式に適用して力率位相指令を生成することにより、最小銅損制御に準じた最適な電流制御を遂行できることが確認される。

（１８）式に明示しているように、設計パラメータＫ_２としては、ゼロを採用することも可能である。この場合は、（１７）式より明らかなように、力率位相指令値としてゼロを指令することを意味する。図６に示した位相決定器２の構成から明らかなように、ゼロの力率位相指令値は、力率位相指令器２ｂの撤去と完全等価である。図６の位相決定器２は、力率位相指令器２ｂを撤去する場合には、請求項２の発明に基づく構成となる。当然のことながら、力率位相指令が常時ゼロと等価な本構成では、力率１の駆動制御を常時遂行することになる。

力率位相制御器２ｃは、請求項５の発明に従って構成されている。具体的には、図６に明示しているように、位相積分器２ｃ−１、周波数制御器２ｃ−２、基本周波数ゲイン２ｃ−３等から構成されている。これらは、以下のように、数式を用い表現することも可能である。

請求項５の発明に従い、制御γδ座標系の位相決定に先立って、先ず、同座標系の速度ωを生成している。座標系速度ωを生成した後に、これに対して積分処理を行ない、ベクトル回転器等に使用する位相θを決定している。図６あるいは（２０）〜（２４）式より明らかなように、積分処理は位相の制御生成における最終工程で実施されている。図６には、座標速度をローパスフィルタ２ｃ−４で処理して回転子の電気速度推定値を生成する様子も示しているが、当業者には容易に理解されるように、ベクトル回転器等に使用する位相の生成と言う視点からは、積分処理が最終工程となる。

本実施形態例では、（２１）式に明示しているように、座標系速度ωは、基本周波数ω_ｌと補正周波数Δωとの単純和として合成している。基本周波数の生成は、δ軸電圧相当値に比例する形で生成している。本実施形態例では、δ軸電圧相当値としてδ軸電圧指令を利用している。（２１）式におけるＫ_ｌは、設計者に設計されるべき、一定の基本周波数ゲインである。なお、基本周波数ゲイン設計の一応の指針は、同式右端に示している。

基本周波数に加算される補正周波数Δωは、力率位相相当値と同指令との位相偏差

（２４）式に示しているようにｍ次有理多項式として構成されるが、有理多項式のパラメータは固定であり、これら固定のパラメータは次の（２５）式の（ｍ＋１）次Ｈ（・）がフルビッツ多項式となるように設計されている。

周波数制御器が上記条件を満足するように設計される場合には、力率位相偏差はゼロに収

請求項１及び請求項２の発明における力率位相制御手段の目的が達成される。

ローパスフィルタ２ｃ−４の目的は、請求項５の発明の作用に関連して説明したように、座標系速度から回転子の電気速度推定値を簡単に得るためのものである。すなわち、

本目的のローパスフィルタとしては、通常は、次の固定パラメータをもつ１次でよい。

力率位相制御器２ｃを構成する周波数制御器２ｃ−２、基本周波数ゲイン２ｃ−３、ローパスフィルタ２ｃ−４においては、設計者に設計が委ねられたパラメータが使用されている。既に説明したように、これらのパラメータはすべて固定である点を指摘しておく。これは、請求項２の発明の要件に合致するものである。

図５は、速度制御モードの実施形態例であるが、トルク制御モードに準じた準トルク制御モードを遂行することも可能である。準トルク制御モードでは、δ軸電流指令を直接外部より与えるようにすればよい。この場合には、力率位相指令器は、（１７）式第２式に立脚して構成するようれにすればよい。（１７）式第２式に立脚するには、回転子の電気速度推定値が必要であるが、既に説明したように、これは、力率位相制御器２ｃの内部にあるローパスフィルタ２ｃ−４によって生成されている。ローパスフィルタによる回転子電気速度推定値を力率位相指令器に利用するようにすればよい。

図５に示した実施形態例では、電流制御はフィードバック的に行なっている。電流制御をフィードフォワード的に行なう場合にも本発明は適用可能であり、フィードバック的な電流制御の場合と同一の作用、効果を得ることができる。

本発明による位相決定器は、アナログ的に実現可能であるが、最近のディジタル技術の著しい進歩を考えるとディジタル的に構成することが好ましい。ディジタル構成はハードウェア的構成とソフトウェア的構成があるが、当業者にとっては既に自明のように本発明はいずれでも構成できる。

本発明による駆動制御装置の特性、性能、作用、効果を確認すべく実験を行ったので、結果の１例を提示する。実験システムは、図５に従い構成した。供試電動機と負荷装置の様子を図７に示す。供試電動機は、４００（Ｗ）の突極形永久磁石同期電動機である（図７左端）。実験に用いた位相決定器は、図６と同一とした。また、その主要な設計パラメータは、提示の設計指針に従い、以下のように定めた。

力率位相指令器におけるリミッタの上下限も、提示の設計指針に従い、±０．４（ｒａｄ）とした。また、周波数制御器２ｃ−２は、次の１次とし、

２次のフルビッツ多項式がｓ＝−７５で安定二重根を持つように２個のパラメータを設計した。回転子速度推定用のローパスフィルタ２ｃ−４は１次とし、その帯域は２０（ｒａｄ／ｓ）とした。電流制御ループは、制御周期１２５（μｓ）を考慮の上、帯域２０００（ｒａｄ／ｓ）が得られるように設計し、速度制御ループは、供試電動機の約５３倍にも及ぶ負荷装置の巨大な慣性モーメントを考慮し、線形速度応答が確保される概ね上限帯域である帯域２（ｒａｄ／ｓ）が得られるように設計した。図５に示した駆動制御システムにおいて、３相２相変換器から２相３相変換器に至るすべての機器は、単一のＤＳＰで離散時間的に実現した。

定格の力行負荷は印加した場合の実験結果の１例を図８に示す。同図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）では、定格速度１８０（ｒａｄ／ｓ）を考慮し、機械速度１８０、１８、９（ｒａｄ／ｓ）での応答としている。同図（ａ）は、上から、α軸から評価したγδ座標系位相（γ軸位相）θ、α軸から評価した回

子位相の符号反転値−θ_ｒ＝θ−θ_α、ｕ相電流を示している（図１参照）。γ軸から評価した回転子位相θ_ｒはγ軸とｄ軸の位相差であるが、図８では、安定性の高いｄ軸を基準にとり（すなわち符号反転して）、これを表示している。

図８（ａ）より、力率位相指令値は、次の設計通りの値

が指示されていることが分かる。力率位相相当値θ_ｉνは同指令値に従い制御され、位相偏

同図（ａ）の合理的な応答は、本発明による所期の特性、性能、作用、効果を裏付けるものである。

定格速度からの減速に対しても、１８（ｒａｄ／ｓ）の同図（ｂ）に示したように、所期の特性、性能、作用、効果が確認された。ただし、定格速度の１／２０に相当する９（ｒａｄ／ｓ）前後（同図（ｃ）参照）から、ｕ相電流波形の乱れ、これに誘起されたと思われるγδ座標系位相の乱れが視認できる程度に出てきた。なお、ｕ相電流波形の乱れは、ｖ相ｗ相電流のゼロクロス時点で発生していることから理解されるように、インバータデッドタイムの影響によるものである。

以上、本発明に関し、各種の図を利用しつつ多様な実施形態例を詳しく説明した。また、実機実験を行い、所期の特性、性能、作用、効果を検証確認した。

発明の効果

以上の説明より明白なように、本発明は以下の効果を奏する。請求項１の発明によれば、力率位相指令手段において、高効率駆動を達成する力率位相指令値を生成するだけで、高効率駆動に必要な、ベクトル回転器等に使用する位相が決定できると作用が得られた。換言するならば、ｄ軸電流、ｑ軸電流、発生トルクの３者の関係を記述したトルク発生式と高効率を達成する軌道を数学的に記述した軌道式とによる非線形連立方程式の解法によることなく、簡単に、高効率駆動のための電流位相を決定できると言う作用が得られた。本作用の結果、請求項１の発明によれば、指令変換器によらなくとも、永久磁石同期電動機の高効率運転が可能になると言う効果が得られる。ひいては、軽い計算負荷で高効率運転が可能になると言う効果が得られる。

次に、請求項２の本発明による効果を説明する。請求項２の発明によれば、効率駆動は力率１駆動に限定されるが、請求項１の発明と同様な作用が得ることができた。本作用の結果、請求項２の発明によれば、指令変換器によらなくとも、力率１駆動が可能になると言う効果が得られる。特に請求項２の発明では、請求項１の発明と異なり、ベクトル回転器位相決定手段の構成に力率位相検出手段が不要であり、より軽い計算負荷で効率的な力率１運転が可能になると言う効果が得られる。また、請求項２の発明によれば、ベクトル回転器位相決定手段の主要構成要素の１つである力率位相制御手段を、固定パラメータのみを用いて構成するので、より安定的な力率位相制御が可能となると言う作用も得られた。本作用の結果、より安定的に効率運転が遂行できると言う効果も得られる。

続いて、請求項３の本発明の効果を説明する。請求項３の発明によれば、簡単に力率位相相当値を検出できるようになると言う作用が得られた。本作用の結果、請求項１乃至請求項２の効果を奏する本発明を、更に簡単に実現できるようになると言う効果が得られる。

続いて、請求項４の本発明の効果を説明する。請求項３の発明によれば、固定子電流、回転子速度に応じて、固定子電流を損失を最小化するような軌道上に配置する力率位相指令値を合理的に生成できるようになると作用が得られた。本作用の結果、請求項３の発明によれば、請求項１による「高効率運転が可能になると言う効果」を合理的に得ることができると言う効果が得られる。

続いて、請求項５の発明の効果を説明する。請求項５の発明によれば、ローパスフィルタによる簡単な処理で、回転子速度推定値を生成できるようになると言う作用が得られた。当業者には、周知のように、速度制御を行なう場合には、速度推定値の生成が不可欠である。従って、請求項５の発明によれば、ローパスフィルタによる簡単な処理を追加するのみで、速度制御を簡単に遂行できるようなると言う効果が得られる。本効果の結果、請求項１乃至請求項２の効果・有用性を更に高めることができると言う効果も得られる。

上記の効果に関しては、実機実験を通じ、検証確認した。

３座標系と回転子位相の１関係例を示す図 最小銅損軌道と力率１軌道の例を示す図 δ軸上の固定子電流と固定子電圧との力率位相の例を示す図 固定子電流と回転子速度に対する力率位相と力率位相指令の例を示す図 １実施形態例における駆動制御装置を含む駆動制御システムのブロック図 １実施形態例における位相決定器の基本構成を示すブロック図 実機実験システムの概観を示す図 実機実験の応答結果例を示す図 従来の代表的な駆動制御装置を含む駆動制御システムのブロック図

符号の説明

１ 永久磁石同期電動機
２ 位相決定器
２ａ 力率位相検出器
２ｂ 力率位相指令器
２ｃ 力率位相制御器
２ｃ−１ 位相積分器
２ｃ−２ 周波数制御器
２ｃ−３ 基本周波数ゲイン
２ｃ−４ ローパスフィルタ
３ 電力変換器
４ 電流検出器
５ａ ３相２相変換器
５ｂ ２相３相変換器
６ａ ベクトル回転器
６ｂ ベクトル回転器
７ 余弦正弦信号発生器
８ 電流制御器
９ 指令変換器
１０ 速度制御器
１１ 機械速度推定器

Claims (5)

1. トルク発生に寄与する固定子電流を、ベクトル回転器あるいはベクトル回転器内蔵変換器を用いて、フィードバック的あるいはフィードフォワード的に制御する電流制御手段と、ベクトル回転器あるいはベクトル回転器内蔵変換器に使用する位相を決定するベクトル回転器位相決定手段とを有する永久磁石同期電動機の駆動制御装置であって、
   該ベクトル回転器位相決定手段が、永久磁石同期電動機の端子電力の力率位相相当値を検出する力率位相検出手段と、力率位相指令値を生成する力率位相指令手段と、力率位相相当値が力率位相指令に合致するように、ベクトル回転器あるいはベクトル回転器内蔵変換器に使用する位相を制御生成する力率位相制御手段と、を備えることを特徴とする永久磁石同期電動機の駆動制御装置。
2. トルク発生に寄与する固定子電流を、ベクトル回転器あるいはベクトル回転器内蔵変換器を用いて、フィードバック的あるいはフィードフォワード的に制御する電流制御手段と、ベクトル回転器あるいはベクトル回転器内蔵変換器に使用する位相を決定するベクトル回転器位相決定手段とを有する永久磁石同期電動機の駆動制御装置であって、
   該ベクトル回転器位相決定手段が、永久磁石同期電動機の端子電力の力率位相相当値を検出する力率位相検出手段と、力率位相相当値がゼロとなるように、ベクトル回転器あるいはベクトル回転器内蔵変換器に使用する位相を固定パラメータのみを用いて制御生成する力率位相制御手段と、を備えることを特徴とする永久磁石同期電動機の駆動制御装置。
3. ベクトル回転器あるいはベクトル回転器内蔵変換器によって指定された制御γδ座標系上の電圧相当値を用いて、力率位相相当値を検出するように該力率位相検出手段を構成したことを特徴する請求項１乃至請求項２記載の永久磁石同期電動機の駆動制御装置
4. 固定子電流相当値、回転子速度相当値を少なくとも利用して、力率位相指令値を生成するように該力率位相指令手段を構成したことを特徴する請求項１記載の永久磁石同期電動機の駆動制御装置。
5. 該位相の制御生成の最終工程で積分処理工程を伴うように、該力率位相制御手段を構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項２記載の永久磁石同期電動機の駆動制御装置。

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