JP2008211933A - 電動機の制御装置、制御方法及びコンピュータプログラム並びに電動機のトルクリップル推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】トルクリップルを正確に低減可能な電動機の制御装置を提供する。
【解決手段】外乱オブザーバ１１３は、回転位置検出部１０８が検出した回転位置θと、三相電流検出部１１０が検出したコイル電流ｉ_Ｕ、ｉ_Ｖ、ｉ_Ｗの値と、三相電圧検出部１１１が検出した電圧操作量ｖ_Ｕ、ｖ_Ｖ、ｖ_Ｗと、インダクタンス判別部１１３２が求めたインダクタンス行列Ｌと、に基づいて誘起電圧Ｅ_Ｕ、Ｅ_Ｖ、Ｅ_Ｗを推定する。推定された誘起電圧Ｅ_Ｕ、Ｅ_Ｖ、Ｅ_Ｗから求められた補正トルクＴｏｕｔを指示トルクＴｒｅｑから減算することにより、三相交流電動機５０のトルクリップルを低減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機の制御装置、制御方法及びコンピュータプログラム並びにび電動機のトルクリップルを推定する方法に関する。

電動機を駆動する場合、振動や騒音の発生防止などの理由からトルクリップルが低減されるように電動機を制御することが望ましい。また、トルクリップルを低減させるための１つの手段として、トルクリップルの推定値に基づいて指示トルクを補正する方法が考えられる。このため、電動機のトルクリップルを正確に推定することが望まれる。

特許文献１に開示された電動機の駆動装置は、電流進角に対してトルクリップルが最小になる最小トルクリップル曲線と、電流進角に対してトルクが最大になる最大トルク曲線を各々マップで有する。ここで、電流進角は、電動機のロータの各ロータ磁極がステータの各ステータ磁極に最も近づくタイミングよりも、ステータ磁極を構成する各相コイルに交流電流を流すタイミングをどれだけ早くするかを示す電気角、すなわち位相角を表す。また、トルクリップルは、電動機が出力するトルクの平均値に対する実際に出力されるトルクの変動率を表す。そして、電動機のコイルに流す電流進角を決定する際に使用するマップを、使用状況に応じて切り替える。つまり、振動や騒音を抑えたい時は最小トルクリップル曲線のマップを使用してトルクリップルを低減させ、振動や騒音を抑える必要がない時は最大トルク曲線のマップを使用しトルク効率の向上を図る。
特開２００５−２３７０５４号公報

特許文献１に開示された電動機の駆動装置は、トルクに応じてトルクリップルを最小限に抑える電流進角を決定し、決定された電流進角を用いて電動機を駆動する。しかし、この電動機の駆動装置では、電動機のロータの回転位置に基づいて、あらかじめ用意された最小トルクリップル曲線のマップから電流進角を補正するだけであるため、完全にトルクリップルを抑えることは困難である。また、特許文献１には、電動機のトルクリップルを推定する方法は開示されていない。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、トルクリップルを正確に低減可能な電動機の制御装置、制御方法及びコンピュータプログラムを提供することを目的とする。

また、本発明は、電動機のトルクリップルを推定する方法を提供することを別の目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第一の観点にかかる電動機の制御装置は、
電動機のコイルに発生している誘起電圧を推定する誘起電圧推定手段と、
前記誘起電圧推定手段により推定された誘起電圧に基づいて、電動機のトルクリップルを推定するトルクリップル推定手段と、
前記トルクリップル推定手段により推定されたトルクリップルに基づいて、電動機の回転トルクを指示する指示トルクを補正して、出力する補正手段と、
前記補正手段により補正された指示トルクに基づいて、電動機を駆動する駆動手段と、を備える、
ことを特徴とする。

前記補正手段は、前記誘起電圧推定手段により推定された誘起電圧に基づいて、電動機のトルクリップルを抑制するように、指示トルクを補正してもよい。

前記誘起電圧推定手段は、
電動機のコイルに流れる電流の電流値を検出する電流検出手段と、
電動機のコイルに印加する電圧の操作量を検出する電圧操作量検出手段と、
電動機のコイルのインダクタンスを求めるインダクタンス判別手段と、
前記電流検出手段により検出された電流値と、前記電圧操作量検出手段により検出された印加電圧の操作量と、前記インダクタンス判別手段により求められたインダクタンスと、に基づいて電動機のコイルの誘起電圧を推定する推定手段と、を備えていてもよい。

前記誘起電圧推定手段は、
電動機のロータの回転位置とコイルに流れる電流の電流値とに対応付けてコイルのインダクタンスを記憶するテーブルと、
ロータの回転位置を検出する回転位置検出手段と、
電動機のコイルに流れる電流の電流値を検出する電流検出手段と、
電動機のコイルに印加する電圧の操作量を検出する電圧操作量検出手段と、
前記回転位置検出手段により検出された回転位置と前記電流検出手段により検出された電流値とに基づいて、前記テーブルを検索して、コイルのインダクタンスを求めるインダクタンス判別手段と、
前記電流検出手段により検出された電流値と、前記電圧操作量検出手段により検出された印加電圧の操作量と、前記インダクタンス判別手段により求められたインダクタンスと、に基づいて電動機の誘起電圧を推定する推定手段と、を備えていてもよい。

前記トルクリップル推定手段は、
電動機のコイルに流れる電流の電流値を検出する電流検出手段と、
電動機のロータの回転位置を検出する回転位置検出手段と、
前記回転位置検出手段により検出された回転位置から電動機のロータの回転数を検出する回転数検出手段と、
前記誘起電圧推定手段により推定された誘起電圧と、前記電流検出手段により検出された電流値と、前記回転数検出手段により検出された回転数と、に基づいて電動機のトルクを推定するトルク推定手段と、
前記トルク推定手段により推定されたトルクから直流成分を除去することによりトルクリップル分を抽出するハイパスフィルタと、を備えていてもよい。

前記電動機の制御装置は、前記トルクリップル推定手段により推定された値を乗算する乗算手段をさらに備え、
前記補正手段は、前記乗算手段により乗算された値に基づいて指示トルクを補正してもよい。

本発明の第二の観点にかかる電動機の制御方法は、
電動機のコイルに発生している誘起電圧を推定する誘起電圧推定ステップと、
推定された誘起電圧に基づいて、電動機のトルクリップルを推定するトルクリップル推定ステップと、
推定されたトルクリップルに基づいて、電動機の回転トルクを指示する指示トルクを補正して、出力する補正ステップと、
補正された指示トルクに基づいて、電動機を駆動する駆動ステップと、を備える、
ことを特徴とする。

本発明の第三の観点にかかるコンピュータプログラムは、
コンピュータに、
電動機のコイルに発生している誘起電圧を推定する誘起電圧推定ステップと、
推定された誘起電圧に基づいて、電動機のトルクリップルを推定するトルクリップル推定ステップと、
推定されたトルクリップルに基づいて、電動機の回転トルクを指示する指示トルクを補正して、出力する補正ステップと、
補正された指示トルクに基づいて、電動機を駆動する駆動ステップと、
を実施させる。

本発明の第四の観点にかかる電動機のトルクリップル推定方法は、
電動機のコイルに発生している誘起電圧を推定する誘起電圧推定ステップと、
推定された誘起電圧に基づいて、電動機のトルクリップルを推定するトルクリップル推定ステップと、を備える、
ことを特徴とする。

本発明によれば、推定された誘起電圧に基づいて指示トルクを補正するため、電動機のトルクリップルを低減できる。

また、本発明によれば、推定された誘起電圧に基づいてトルクリップルを推定するため、電動機のトルクリップルを正確に推定できる。

以下、図面に基づき、本発明の実施の形態に係る電動機の制御装置の全体構成及び該装置が実行する制御方法について説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る電動機の制御装置の全体構成を示すブロック図である。

電動機の制御装置１００は、図１に示すように、三相交流電動機５０を駆動制御するための装置であり、トルク補正演算部１０１と、トルク／電流変換部１０２と、減算器１０３、１０４と、電流制御部１０５と、二相／三相電圧変換部１０６と、ＰＷＭ生成部１０７と、回転位置検出部１０８と、回転数検出部１０９と、三相電流検出部１１０と、三相電圧検出部１１１と、三相／二相電流変換部１１２と、外乱オブザーバ１１３と、トルク推定部１１４と、ハイパスフィルタ１１５と、乗算部１１６と、を備えている。また、トルク補正演算部１０１には、ＥＣＵ（Electric Control Unit）１０が接続されている。さらに、ＰＷＭ生成部１０７にはインバータ４０が接続されている。インバータ４０には、直流電源２０とキャパシタ３０が並列に接続されている。インバータ４０には、制御対象である三相交流電動機５０が接続されている。

ＥＣＵ１０は、トルク補正演算部１０１に、三相交流電動機５０の回転トルクを指示する指示トルクＴｒｅｑを出力する。

直流電源２０は、インバータ４０に接続されており、インバータ４０に電源を供給する。

キャパシタ３０は、直流電源２０と並列にインバータ４０に接続されている。従って、インバータ４０に供給される電荷の充電・放電を行う機能を有する。

インバータ４０は、ＰＷＭ生成部１０７から入力されるＰＷＭ信号に従ってコイル電流ｉ_Ｕ、ｉ_Ｖ、ｉ_Ｗを流し三相交流電動機５０を駆動する。以下に、図２を用いてインバータ４０の機能を説明する。

図２は、インバータ４０の機能を説明するための図である。

インバータ４０は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であるＩＧＢＴ４１１〜ＩＧＢＴ４１６と、ダイオードであるＤ４２１〜Ｄ４２６と、を備える。ＩＧＢＴ４１１〜ＩＧＢＴ４１６は、キャパシタ３０を介して直流電源２０から電圧を印加され、ＰＷＭ生成部１０７から入力されるＰＷＭ波形により三相交流電動機５０のＵ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルの各相コイルに電流を流す。また、Ｄ４２１〜Ｄ４２６は、ＩＧＢＴ４１１〜ＩＧＢＴ４１６のエミッタ−コレクタ間にそれぞれ接続されており、エミッタ側からコレクタ側に電流を流す。

三相交流電動機５０は、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル及びＷ相コイルをステータコイルとして含む三相の交流電動機である。Ｕ相コイル、Ｖ相コイル及びＷ相コイルには、それぞれコイル電流ｉ_Ｕ、ｉ_Ｖ、ｉ_Ｗが流れる。

トルク補正演算部１０１は、ＥＣＵ１０から入力した指示トルクＴｒｅｑから、乗算部１１６から入力した補正トルクＴｏｕｔを減算し、補正後トルクＴｒｅｖを求める。補正後トルクＴｒｅｖは、三相交流電動機５０の各相コイルによって発生する誘起電圧分のトルクリップルを打ち消すように指示トルクＴｒｅｑを補正したものである。また、トルク補正演算部１０１は、演算結果である補正後トルクＴｒｅｖを、トルク／電流変換部１０２に出力する。

トルク／電流変換部１０２は、トルク補正演算部１０１から補正後トルクＴｒｅｖを入力し、回転数検出部１０９から三相交流電動機５０のロータの電気角速度である角速度ωを入力する。また、トルク／電流変換部１０２は、補正後トルクＴｒｅｖにより指示されたトルクを出力するために必要なｄ軸、ｑ軸上の電流値である電流指令ｒｅｑ＿ｉｄ、ｒｅｑ＿ｉｑを生成する。また、トルク／電流変換部１０２は、生成した電流指令ｒｅｑ＿ｉｄを減算器１０３と電流制御部１０５に出力し、生成した電流指令ｒｅｑ＿ｉｑを減算器１０４と電流制御部１０５に出力する。

減算器１０３、１０４は、トルク／電流変換部１０２から入力した電流指令ｒｅｑ＿ｉｄ、ｒｅｑ＿ｉｑと、三相／二相電流変換部１１２から入力した二相電流値ｉｄ、ｉｑから電流偏差ｅｄ、ｅｑを求め、電流偏差ｅｄ、ｅｑを電流制御部１０５に出力する。電流偏差ｅｄ、ｅｑは補正後トルクＴｒｅｖを得るために、増加又は減少すべき二相電流の値を示す。

電流制御部１０５は、トルク／電流変換部１０２から電流指令ｒｅｑ＿ｉｄ、電流指令ｒｅｑ＿ｉｑを入力する。また、電流制御部１０５は、減算器１０３から電流偏差ｅｄを入力し、減算器１０４から電流偏差ｅｑを入力する。そして、電流制御部１０５は、電流指令ｒｅｑ＿ｉｄ、ｒｅｑ＿ｉｑ、電流偏差ｅｄ、ｅｑから補正後トルクＴｒｅｖを得るために必要なｄ軸、ｑ軸上の駆動電圧である指示電圧ｖｄ、ｖｑを算出し、算出した指示電圧ｖｄ、ｖｑを後述する二相／三相電圧変換部１０６に出力する。

二相／三相電圧変換部１０６は、電流制御部１０５から指示電圧ｖｄ、ｖｑを入力し、回転位置検出部１０８から回転位置θを入力する。また、二相／三相電圧変換部１０６は、回転位置θを用いて指示電圧ｖｄ、ｖｑから電圧操作量ｖ_Ｕ、ｖ_Ｖ、ｖ_Ｗを算出し、算出した電圧操作量ｖ_Ｕ、ｖ_Ｖ、ｖ_ＷをＰＷＭ生成部１０７及び三相電圧検出部１１１に出力する。電圧操作量ｖ_Ｕ、ｖ_Ｖ、ｖ_Ｗは、補正後トルクＴｒｅｖを得るために、三相交流電動機５０の各相に印加する駆動電圧を表す。

ＰＷＭ生成部１０７は、二相／三相電圧変換部１０６から電圧操作量ｖ_Ｕ、ｖ_Ｖ、ｖ_Ｗを入力し、入力した電圧操作量ｖ_Ｕ、ｖ_Ｖ、ｖ_Ｗに応じたＰＷＭ波形をインバータ４０に出力する。

回転位置検出部１０８は、三相交流電動機５０のロータの回転位置（電気角）である回転位置θを検出し、検出した回転位置θを二相／三相電圧変換部１０６、回転数検出部１０９、三相／二相電流変換部１１２及びインダクタンス判別部１１３２に出力する。回転位置検出部１０８に、レゾルバやエンコーダを使用することができる。

回転数検出部１０９は、回転位置検出部１０８が検出した回転位置θから角速度ωを算出し、算出した角速度ωをトルク／電流変換部１０２及びトルク推定部１１４に出力する。角速度ωの算出は、例えば一定時間毎に回転位置θをサンプリングし、サンプリング周期あたりの回転位置θの変化量の平均値などから算出する。

三相電流検出部１１０は、三相交流電動機５０の各相のコイルに流れる電流であるコイル電流ｉ_Ｕ、ｉ_Ｖ、ｉ_Ｗの値を検出し、検出したコイル電流ｉ_Ｕ、ｉ_Ｖ、ｉ_Ｗの値を三相／二相電流変換部１１２、インダクタンス判別部１１３２、誘起電圧推定部１１３３及びトルク推定部１１４に出力する。

三相電圧検出部１１１は、二相／三相電圧変換部１０６が出力した電圧操作量ｖ_Ｕ、ｖ_Ｖ、ｖ_Ｗを検出し、検出した電圧操作量ｖ_Ｕ、ｖ_Ｖ、ｖ_Ｗを後述する誘起電圧推定部１１３３に出力する。

三相／二相電流変換部１１２は、三相電流検出部１１０が検出したコイル電流ｉ_Ｕ、ｉ_Ｖ、ｉ_Ｗの値を、回転位置検出部１０８が検出した回転位置θを用いて、コイル電流ｉ_Ｕ、ｉ_Ｖ、ｉ_Ｗの値をｄ軸、ｑ軸上の電流値に変換した値である二相電流値ｉｄ、ｉｑに変換する。また、三相／二相電流変換部１１２は、変換した二相電流値ｉｄ、ｉｑをそれぞれ減算器１０３、１０４に出力する。

外乱オブザーバ１１３は、三相交流電動機５０で発生する誘起電圧を一種の外乱ととらえて推定する装置である。具体的には、回転位置検出部１０８が検出した回転位置θと、三相電流検出部１１０が検出したコイル電流ｉ_Ｕ、ｉ_Ｖ、ｉ_Ｗの値と、三相電圧検出部１１１が検出した電圧操作量ｖ_Ｕ、ｖ_Ｖ、ｖ_Ｗと、インダクタンス判別部１１３２が検索したインダクタンス行列Ｌと、に基づいて三相交流電動機５０で発生すると推定される誘起電圧である誘起電圧Ｅ_Ｕ、Ｅ_Ｖ、Ｅ_Ｗを推定する。

外乱オブザーバ１１３は、テーブル記憶部１１３１と、インダクタンス判別部１１３２と、誘起電圧推定部１１３３と、を備える。

テーブル記憶部１１３１には、コイル電流ｉ_Ｕ、ｉ_Ｖ、ｉ_Ｗと回転位置θに対する自己インダクタンス及び相互インダクタンスとの関係を予め実験等により測定して求めた３次元テーブルｔｂｌが保存されている。

３次元テーブルｔｂｌの構成について、より詳細に説明する。
図３（ａ）は、Ｕ相のコイル電流ｉ_Ｕがある特定の値であるときの三相交流電動機５０のロータの回転位置θとＵ相のコイルの自己インダクタンスのＬ_Ｕ（Ｈ）との関係を示す。縦軸はＵ相の自己インダクタンスＬ_Ｕ（Ｈ）を表し、横軸は回転位置θ（度）を表している。図３（ａ）に示すように、Ｕ相の自己インダクタンスＬ_Ｕ（Ｈ）は回転位置θ（度）により変化する。また、Ｕ相の自己インダクタンスＬ_Ｕ（Ｈ）は回転位置θ（度）が同じでもコイル電流ｉ_Ｕ（Ａ）の大きさにより変化する。

図３（ｂ）は、Ｕ相のコイル電流ｉ_Ｕがある特定の値であるときの三相交流電動機５０のロータの回転位置θとＵ相Ｖ相間の相互インダクタンスのＭ_ＵＶ（Ｈ）との関係を示す。図３（ｂ）では、縦軸はＵ相Ｖ相間の相互インダクタンスＭ_ＵＶ（Ｈ）を表し、横軸は回転位置θ（度）を表している。図３（ｂ）に示すように、Ｕ相Ｖ相間の相互インダクタンスＭ_ＵＶ（Ｈ）は回転位置θ（度）により変化する。また、Ｕ相Ｖ相間の相互インダクタンスＭ_ＵＶ（Ｈ）は回転位置θ（度）が同じでもコイル電流ｉ_Ｕ（Ａ）の大きさにより変化する。

テーブル記憶部１１３１には、予め三相交流電動機５０の動作特性を解析して求めておいた三相の自己インダクタンスＬ_Ｕ、Ｌ_Ｖ、Ｌ_Ｗ及び三相間の相互インダクタンスＭ_ＵＶ、Ｍ_ＵＷ、Ｍ_ＶＵ、Ｍ_ＶＷ、Ｍ_ＷＵ、Ｍ_ＷＶの全てについて、回転位置θとコイル電流ｉ_Ｕ、ｉ_Ｖ、ｉ_Ｗの値に対する３次元テーブルｔｂｌが保存されている。従って、回転位置検出において検出された回転位置θと、三相電流検出において検出されたコイル電流ｉ_Ｕ、ｉ_Ｖ、ｉ_Ｗの値とから、３次元テーブルｔｂｌを参照することにより、そのＵＶＷ相の自己インダクタンスと相互インダクタンスを求める（予想する）ことができる。

インダクタンス判別部１１３２は、回転位置θとコイル電流ｉ_Ｕ、ｉ_Ｖ、ｉ_Ｗの値とから、３次元テーブルｔｂｌを検索しＵＶＷ相の自己インダクタンスと相互インダクタンスを求め、後述するインダクタンス行列Ｌを求める。インダクタンス判別部１１３２は、求めたインダクタンス行列Ｌを誘起電圧推定部１１３３に出力する。

誘起電圧推定部１１３３は、コイル電流ｉ_Ｕ、ｉ_Ｖ、ｉ_Ｗと、電圧操作量ｖ_Ｕ、ｖ_Ｖ、ｖ_Ｗと、インダクタンス行列Ｌと、から誘起電圧Ｅ_Ｕ、Ｅ_Ｖ、Ｅ_Ｗを推定する。また、誘起電圧推定部１１３３は、推定した誘起電圧Ｅ_Ｕ、Ｅ_Ｖ、Ｅ_Ｗを後述するトルク推定部１１４に出力する。

トルク推定部１１４は、回転数検出部１０９から角速度ωを入力し、三相電流検出部１１０が検出したコイル電流ｉ_Ｕ、ｉ_Ｖ、ｉ_Ｗの値を入力し、誘起電圧推定部１１３３が推定した誘起電圧Ｅ_Ｕ、Ｅ_Ｖ、Ｅ_Ｗを入力する。また、トルク推定部１１４は、入力した角速度ωとコイル電流ｉ_Ｕ、ｉ_Ｖ、ｉ_Ｗの値と誘起電圧Ｅ_Ｕ、Ｅ_Ｖ、Ｅ_Ｗから三相交流電動機５０にて発生すると推定されるトルクである推定トルクＴを推定し、推定した推定トルクＴをハイパスフィルタ１１５に出力する。

ハイパスフィルタ１１５は、トルク推定部１１４が推定した推定トルクＴから直流成分を除去して、トルクリップルの推定値であるトルクリップルＴｒｉｐを求め、求めたトルクリップルＴｒｉｐを乗算部１１６に出力する。

乗算部１１６は、ハイパスフィルタ１１５が求めたトルクリップルＴｒｉｐを入力し、トルクリップルＴｒｉｐとゲインＫを乗算することにより、補正トルクＴｏｕｔを求める。補正トルクＴｏｕｔは、誘起電圧分のトルクリップルを打ち消すために指示トルクＴｒｅｑから減ずるトルクの補正値である。また、乗算部１１６は、求められた補正トルクＴｏｕｔをトルク補正演算部１０１に出力する。

次に、上記構成を備える電動機の制御装置１００の動作を説明する。

まずＥＣＵ１０は、制御の必要に応じて、指示トルクＴｒｅｑをトルク補正演算部１０１に出力する。

回転位置検出部１０８は、三相交流電動機５０のロータの回転位置θを検出する。

回転数検出部１０９は、回転位置検出部１０８が検出した回転位置θを入力し、入力した回転位置θから角速度ωを算出する。

三相電流検出部１１０は、三相交流電動機５０の各相コイルに流れるコイル電流ｉ_Ｕ、ｉ_Ｖ、ｉ_Ｗの値を検出する。

三相電圧検出部１１１は、二相／三相電圧変換部１０６が出力した電圧操作量ｖ_Ｕ、ｖ_Ｖ、ｖ_Ｗの値を検出する。

外乱オブザーバ１１３は、三相電流応答の基本式を式（１）のように定義し、式（２）で表わされる誘起電圧Ｅ＝［Ｅ_Ｕ Ｅ_Ｖ Ｅ_Ｗ］^Ｔを推定する。ここで、添え字「^Ｔ」は転置行列を示す。

ここで、ｖ＝［ｖ_Ｕ ｖ_Ｖ ｖ_Ｗ］^Ｔは三相電圧ベクトル、Ｒは直列抵抗（例えば０．２ｅ^−３）、Ｉは３×３の単位行列、ｉ＝［ｉ_Ｕ ｉ_Ｖ ｉ_Ｗ］^Ｔは三相電流ベクトル、Ψ＝［Ψ_Ｕ Ψ_Ｖ Ψ_Ｗ］^Ｔは鎖交磁束数のベクトル表示、θはロータの回転位置である。また、インダクタンス行列Ｌは三相コイルの自己インダクタンスと相互インダクタンスを式（３）のように３×３の行列で表現したものである。

以下、誘起電圧Ｅを推定する具体的な方法を説明する。

テーブル記憶部１１３１には、予め三相交流電動機５０の動作特性を解析して求めておいた三相の自己インダクタンスＬ_Ｕ、Ｌ_Ｖ、Ｌ_Ｗ及び三相間の相互インダクタンスＭ_ＵＶ、Ｍ_ＵＷ、Ｍ_ＶＵ、Ｍ_ＶＷ、Ｍ_ＷＵ、Ｍ_ＷＶの全てについて、回転位置θとコイル電流ｉ_Ｕ、ｉ_Ｖ、ｉ_Ｗの値と対応付ける３次元テーブルｔｂｌが保存されている。インダクタンス判別部１１３２は、この３次元テーブルｔｂｌを基にして、回転位置検出部１０８で検出された回転位置θと、三相電流検出部１１０で検出されたコイル電流ｉ_Ｕ、ｉ_Ｖ、ｉ_Ｗの値から、３次元テーブルｔｂｌを参照し、式（３）で表されたインダクタンス行列Ｌの全ての要素（自己インダクタンスと相互インダクタンス）を検索し、誘起電圧推定部１１３３に供給する。

誘起電圧推定部１１３３は、三相電流検出部１１０で検出されたコイル電流ｉ_Ｕ、ｉ_Ｖ、ｉ_Ｗと、三相電圧検出部１１１で検出された電圧操作量ｖ_Ｕ、ｖ_Ｖ、ｖ_Ｗと、インダクタンス判別部１１３２で検索されたインダクタンス行列Ｌと、から誘起電圧Ｅ_Ｕ、Ｅ_Ｖ、Ｅ_Ｗを推定する。以下に誘起電圧Ｅ_Ｕ、Ｅ_Ｖ、Ｅ_Ｗの推定方法を示す。

まず、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｅを任意の状態空間行列として、新たに三相電流応答の状態空間表現Ｐ_（ｓ）を式（４）のように定義する。
なお、記号上部のドット「・」は時間微分を表す。

また、外乱オブザーバ１１３のフィルタを式（５）のように定義する。
なお、τは時定数（例えば、τ＝１／３０００）であり、ｓはラプラス演算子である。

ここで、（τｓ＋１）Ｐ_（ｓ）を考慮して、式（４）は式（６）、（７）のように変形可能である。

ここでＡ＝ＲＩ、Ｂ＝Ｉ、Ｃ＝Ｉ、Ｅ＝Ｌとおいて、逆行列を計算すると式（８）は式（９）のように表現可能である。

よって、求める誘起電圧Ｅ_Ｕ、Ｅ_Ｖ、Ｅ_Ｗを［Ｅ_Ｕ Ｅ_Ｖ Ｅ_Ｗ］^Ｔ、コイル電流ｉ_Ｕ、ｉ_Ｖ、ｉ_Ｗを［ｉ_Ｕ ｉ_Ｖ ｉ_Ｗ］^Ｔ、電圧操作量ｖ_Ｕ、ｖ_Ｖ、ｖ_Ｗを［ｖ_Ｕ ｖ_Ｖ ｖ_Ｗ］^Ｔとすると、式（１０）のように表現できる。
なお、［ｘ_Ｕ ｘ_Ｖ ｘ_Ｗ］^Ｔ、［ｙ_Ｕ ｙ_Ｖ ｙ_Ｗ］^Ｔは媒介変数である。

式（１０）より、誘起電圧推定部１１３３は、誘起電圧Ｅ_Ｕ、Ｅ_Ｖ、Ｅ_Ｗを推定する。

トルク推定部１１４は、推定トルクＴを推定する。

以下、推定トルクＴを推定する具体的な方法を説明する。

推定トルクＴは、三相交流電動機５０の極対数をＰ_ｎとすると、式（１１）のように表すことが可能である。
ただし、電磁エネルギーＷは式（１２）の通りである。

（ｄθ／ｄｔ）は角速度ωに相当するため、式（２）より式（１１）は式（１３）のように変形が可能である。

角速度ωは回転数検出部１０９で検出され、コイル電流ｉ_Ｕ、ｉ_Ｖ、ｉ_Ｗの値は三相電流検出部１１０で検出され、誘起電圧Ｅ_Ｕ、Ｅ_Ｖ、Ｅ_Ｗは誘起電圧推定部１１３３で求められる。トルク推定部１１４は、これらの値から、式（１３）を用いて推定トルクＴを推定する。

ハイパスフィルタ１１５は、トルク推定部１１４が推定した推定トルクＴから、式（１４）で示されるハイパスフィルタを用いて直流成分を除去したトルクの変動成分であるトルクリップルＴｒｉｐを求める。
なお、ｆ１とｆ２は適当なゲインであり、例えばｆ１＝０．１、ｆ２＝１０とする。

乗算部１１６は、ハイパスフィルタ１１５が求めたトルクリップルＴｒｉｐを入力し、式（１５）に示すように入力したトルクリップルＴｒｉｐに定数Ｋを乗じて、指示トルクＴｒｅｑの補正分である補正トルクＴｏｕｔを求める。

トルク補正演算部１０１は、ＥＣＵ１０から供給された指示トルクＴｒｅｑと、乗算部１１６から供給された補正トルクＴｏｕｔを入力する。そして、トルク補正演算部１０１は、指示トルクＴｒｅｑから補正トルクＴｏｕｔを減算し補正後トルクＴｒｅｖを求める。補正後トルクＴｒｅｖは、三相交流電動機５０の各相コイルによって発生する誘起電圧分のトルクリップルを打ち消すように補正されることになる。従って、補正後トルクＴｒｅｖに従って三相交流電動機５０に電流を流すことにより、三相交流電動機５０は安定したトルクを出力することができる。

トルク／電流変換部１０２は、トルク補正演算部１０１から供給された補正後トルクＴｒｅｖと回転数検出部１０９から供給された角速度ωを入力し、三相交流電動機５０が補正後トルクＴｒｅｖを出力するために必要な電流指令ｒｅｑ＿ｉｄ、ｒｅｑ＿ｉｑの値を、例えばテーブルから検索して求める。図４は、トルクと電流指令の関係を表した図である。横軸はトルク（Ｎｍ）を表し、縦軸は電流指令（Ａ）を表す。図４に示されているような関係にあるトルク、電流指令（ｄ軸、ｑ軸）の値をあらかじめテーブルに保存しておき、電流制御する際に読み出すようにすればよい。具体的には、あらかじめ、所定のトルクを出力するために必要な電流指令ｒｅｑ＿ｉｄ、ｒｅｑ＿ｉｑの値を実験などにより求めておき、テーブル記憶部１１３１にテーブルデータとして記憶しておく。そして、電流制御する際に、補正後トルクＴｒｅｖに対応する電流指令ｒｅｑ＿ｉｄ、ｒｅｑ＿ｉｑの値をテーブル記憶部１１３１のテーブルから読み出せばよい。

一方、三相／二相電流変換部１１２は、回転位置センサ１００が検出した回転位置θと、三相電流検出部１１０が検出したコイル電流ｉ_Ｕ、ｉ_Ｖ、ｉ_Ｗの値を入力する。そして、三相／二相電流変換部１１２は、式（１６）を用いて、入力したコイル電流ｉ_Ｕ、ｉ_Ｖ、ｉ_Ｗの値を二相電流値ｉｄ、ｉｑに変換する。

減算器１０３、１０４は、電流指令ｒｅｑ＿ｉｄ、ｒｅｑ＿ｉｑをトルク／電流変換部１０２から入力し、二相電流値ｉｄ、ｉｑを三相／二相電流変換部１１２から入力し、式（１７）により電流偏差ｅｄ、ｅｑを求め、電流制御部１０５に供給する。

電流制御部１０５は、電流指令ｒｅｑ＿ｉｄ、ｒｅｑ＿ｉｑをトルク／電流変換部１０２から入力し、電流偏差ｅｄ、ｅｑをそれぞれ減算器１０３、１０４から入力する。そして、電流制御部１０５は、電流指令ｒｅｑ＿ｉｄ、ｒｅｑ＿ｉｑ、電流偏差ｅｄ、ｅｑから指示電圧ｖｄ、ｖｑを、式（１８）に示すよう、例えばＰＩ（Proportional Integral）制御により算出する。
ただし、ｋ０、ｋ１、ｋ２は定数である。

二相／三相電圧変換部１０６は、指示電圧ｖｄ、ｖｑを電流制御部１０５から入力し、回転位置θを回転位置検出部１０８から入力し、式（１９）により指示電圧ｖｄ、ｖｑを電圧操作量ｖ_Ｕ、ｖ_Ｖ、ｖ_Ｗに変換する。

ＰＷＭ生成部１０７は、電圧操作量ｖ_Ｕ、ｖ_Ｖ、ｖ_Ｗを二相／三相電圧変換部１０６から入力し、電圧操作量ｖ_Ｕ、ｖ_Ｖ、ｖ_Ｗに応じたＰＷＭ信号をインバータ４０に出力する。このＰＷＭ信号により、インバータ４０は、各相に与えるパルスの幅を、三相交流電動機５０に印加する電圧が、電圧操作量ｖ_Ｕ、ｖ_Ｖ、ｖ_Ｗになるように調整して三相交流電動機５０を駆動する。
このとき各相のコイルに流れる電流ｉ_Ｕ、ｉ_Ｖ、ｉ_Ｗの値が三相電流検出部１１０により検出される。

このような一連の動作が図１に示す電動機の制御装置１００で定常的に実施されることにより、三相交流電動機５０は、その誘起電圧分を補正した指示トルクに基づいて駆動される。これにより、トルクリップルの発生が抑制される。

ここで、図５を参照して、本実施形態の電動機の制御装置１００におけるトルク出力と、従来の電動機の制御装置におけるトルク出力の違いを説明する。

図５（ａ）は、従来の電動機の制御装置における電動機のトルクと時間の関係図である。図５（ｂ）は、本実施の形態に係る電動機の制御装置における電動機のトルクと時間の関係図である。

図５（ａ）、（ｂ）において、縦軸は電動機のトルク（Ｎｍ）を表し、横軸は時間（ｓｅｃ）を表す。図５（ａ）においては、時間変化とともにトルクが周期的に変化している。一方、図５（ｂ）においては、トルクの変化が極めて小さくなっている。すなわち、トルク補正演算部１０１が補正トルクＴｏｕｔを指示トルクＴｒｅｑから減算することにより、誘起電圧Ｅ_Ｕ、Ｅ_Ｖ、Ｅ_Ｗによるトルクリップルの発生を抑制していることがわかる。

以上、電動機の制御装置について説明したが、電動機のトルクリップルを推定する方法については、上述した電動機の制御装置の説明の中で既に説明されているため説明を省略する。

なお、この発明は上記実施例に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。

上記実施の形態では、トルク／電流変換部１０２は、電流指令ｒｅｑ＿ｉｄ、ｒｅｑ＿ｉｑの値をテーブルを用いて求めたが、計算式から求めるようにしてもよい。

上記実施の形態では、電流制御部１０５は、ＰＩ制御により指示電圧ｖｄ、ｖｑを算出していたが、Ｐ制御など他の制御方法により指示電圧ｖｄ、ｖｑを算出してもよい。

また、上記実施の形態では、インダクタンス判別部１１３２は、回転位置θとコイル電流ｉ_Ｕ、ｉ_Ｖ、ｉ_Ｗの値に対する３次元テーブルｔｂｌからインダクタンスを求めたが、必ずしも３次元テーブルｔｂｌを用いる必要はなく近似式などからインダクタンスを求めてもよい。

また、上記実施の形態では、乗算部１１６においてトルクリップルＴｒｉｐとゲインＫを乗算し補正トルクＴｏｕｔを求めていたが、必ずしも乗算器を用いる必要はなく、乗算器の代わりに簡単な演算を行う演算器を用いてもよい。

また、上記実施の形態においては、制御装置１００をディスクリート部品で構成するように記載したが、例えば、制御装置１００で実行される処理のほとんどをＣＰＵ(Central Processing Unit)やＤＳＰ（Digital Signal Processor)等のプロセッサ回路に実行させることも可能である。このような構成とすれば、回路構成を簡略化することが可能である。なお、この場合、各種センサの出力は、Ａ／Ｄコンバータなどにより、デジタル化される。プロセッサの出力は必要に応じてＤ／Ａコンバータによりアナログ化されて供給される。

この場合のプロセッサがプログラムを実行することにより行う処理手順の一例を図６、図７、図８を参照して説明する。図６は、電動機の制御装置の主要部をプロセッサで構成した場合の、プロセッサの制御処理を説明するためのフローチャートである。図７は、図６のフローチャートにおけるデータ検出処理を説明するためのフローチャートである。図８は、図６のフローチャートにおけるトルクリップル推定処理を説明するためのフローチャートである。

まず、プロセッサは、回転位置検出部１０８から回転位置θを入力し、回転数検出部１０９から角速度ωを入力し、三相電流検出部１１０からコイル電流ｉ_Ｕ、ｉ_Ｖ、ｉ_Ｗの値を入力し、三相電圧検出部１１１から電圧操作量ｖ_Ｕ、ｖ_Ｖ、ｖ_Ｗを入力する（ステップＳ１）。

続いて、プロセッサは、トルクリップルを推定する（ステップＳ２）。

トルクリップル推定処理（ステップＳ２）では、図８に示すように、プロセッサは、まずインダクタンス行列Ｌを求める（ステップＳ２０１）。即ち、回転位置θとコイル電流ｉ_Ｕ、ｉ_Ｖ、ｉ_Ｗの値とから、３次元テーブルｔｂｌを検索し、インダクタンス行列Ｌの全ての要素を求める。

続いて、プロセッサは、誘起電圧推定（ステップＳ２０２）を実行する。ここで、プロセッサは、コイル電流ｉ_Ｕ、ｉ_Ｖ、ｉ_Ｗの値と、電圧操作量ｖ_Ｕ、ｖ_Ｖ、ｖ_Ｗと、インダクタンス行列Ｌと、から、式（４）〜（１０）等に従って、誘起電圧Ｅ_Ｕ、Ｅ_Ｖ、Ｅ_Ｗを推定する。

続いて、プロセッサは、トルク推定（ステップＳ２０３）を実行する。ここで、プロセッサは、角速度ωと、コイル電流ｉ_Ｕ、ｉ_Ｖ、ｉ_Ｗの値と、誘起電圧Ｅ_Ｕ、Ｅ_Ｖ、Ｅ_Ｗと、から、式（１１）〜（１３）等に従って、推定トルクＴを推定する。

続いて、プロセッサは、推定トルクＴから、式（１４）で示されるハイパスフィルタを用いてトルクリップルＴｒｉｐを求める（ステップＳ２０４）。

続いて、プロセッサは、式（１５）に従ってトルクリップルＴｒｉｐにゲインを乗算し、補正トルクＴｏｕｔを求める（ステップＳ３）。

続いて、プロセッサは、ＥＣＵ１０から指示トルクＴｒｅｑを入力し、また、乗算部１１６から補正トルクＴｏｕｔを入力し、補正後トルクＴｒｅｖを算出する（ステップＳ４）。

続いて、プロセッサは、補正後トルクＴｒｅｖと角速度ωから、二相電流指令ｒｅｑ＿ｉｄ、ｒｅｑ＿ｉｑを算出する（ステップＳ５）。

続いて、プロセッサは、回転位置θとコイル電流ｉ_Ｕ、ｉ_Ｖ、ｉ_Ｗの値から、式（１６）に従って、二相電流値ｉｄ、ｉｑを求める（ステップＳ６）。

続いて、プロセッサは、電流指令ｒｅｑ＿ｉｄ、ｒｅｑ＿ｉｑから二相電流値ｉｄ、ｉｑをそれぞれ減算し、二相電流偏差ｅｄ、ｅｑを求める（ステップＳ７）。

続いて、プロセッサは、二相電流偏差ｅｄ、ｅｑから二相指示電圧ｖｄ、ｖｑを例えばＰＩ制御により算出する（ステップＳ８）。

続いて、プロセッサは、指示電圧ｖｄ、ｖｑと、回転位置θとを用いて、式（１９）により、電圧操作量ｖ_Ｕ、ｖ_Ｖ、ｖ_Ｗを算出する（ステップＳ９）。

続いて、プロセッサは、電圧操作量ｖ_Ｕ、ｖ_Ｖ、ｖ_Ｗに応じたＰＷＭ信号をインバータ４０に出力する（ステップＳ１０）。このＰＷＭ信号により、インバータ４０は、コイル電流ｉ_Ｕ、ｉ_Ｖ、ｉ_Ｗを流し三相交流電動機５０を駆動する。

続いて、プロセッサは、制御をステップＳ１に戻す。

このような処理により、図１の制御装置１００と同様の制御が可能となる。なお、上記実施の形態で説明したフローチャートは実施形態の一例であり、これらの処理ルーチンに限定されるものではないことは勿論である。

本発明の実施形態に係る電動機の制御装置の全体構成を示すブロック図である。 図１に示すインバータの機能を説明するための図である。 （ａ）は、ロータの回転位置とコイル電流と自己インダクタンスとの関係図である。（ｂ）は、ロータの回転位置とコイル電流と相互インダクタンスとの関係図である。 トルクと電流指令の関係を表した図である。 （ａ）は、従来の電動機の制御装置における電動機のトルクと時間の関係図である。（ｂ）は、本実施の形態に係る電動機の制御装置における電動機のトルクと時間の関係図である。 電動機の制御装置の主要部をプロセッサで構成した場合の、プロセッサの制御処理を説明するためのフローチャートである。 図６のフローチャートにおけるデータ検出処理を説明するためのフローチャートである。 図６のフローチャートにおけるトルクリップル推定処理を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１０ ＥＣＵ
２０ 直流電源
３０ キャパシタ
４０ インバータ
５０ 三相交流電動機
１０１ トルク補正演算部（補正手段）
１０２ トルク／電流変換部
１０３ 減算器
１０４ 減算器
１０５ 電流制御部
１０６ 二相／三相電圧変換部
１０７ ＰＷＭ生成部（駆動手段）
１０８ 回転位置検出部（回転位置検出手段）
１０９ 回転数検出部（回転数検出手段）
１１０ 三相電流検出部（電流検出手段）
１１１ 三相電圧検出部（電圧操作量検出手段）
１１２ 三相／二相電流変換部
１１３ 外乱オブザーバ（誘起電圧推定手段）
１１３１ テーブル記憶部（テーブル）
１１３２ インダクタンス判別部（インダクタンス判別手段）
１１３３ 誘起電圧推定部（推定手段）
１１４ トルク推定部（トルクリップル推定手段、トルク推定手段）
１１５ ハイパスフィルタ（ハイパスフィルタ）
１１６ 乗算部（乗算手段）

Claims (9)

1. 電動機のコイルに発生している誘起電圧を推定する誘起電圧推定手段と、
   前記誘起電圧推定手段により推定された誘起電圧に基づいて、電動機のトルクリップルを推定するトルクリップル推定手段と、
   前記トルクリップル推定手段により推定されたトルクリップルに基づいて、電動機の回転トルクを指示する指示トルクを補正して、出力する補正手段と、
   前記補正手段により補正された指示トルクに基づいて、電動機を駆動する駆動手段と、を備える、
   ことを特徴とする電動機の制御装置。
2. 前記補正手段は、前記誘起電圧推定手段により推定された誘起電圧に基づいて、電動機のトルクリップルを抑制するように、指示トルクを補正する、ことを特徴とする請求項１に記載の電動機の制御装置。
3. 前記誘起電圧推定手段は、
   電動機のコイルに流れる電流の電流値を検出する電流検出手段と、
   電動機のコイルに印加する電圧の操作量を検出する電圧操作量検出手段と、
   電動機のコイルのインダクタンスを求めるインダクタンス判別手段と、
   前記電流検出手段により検出された電流値と、前記電圧操作量検出手段により検出された印加電圧の操作量と、前記インダクタンス判別手段により求められたインダクタンスと、に基づいて電動機のコイルの誘起電圧を推定する推定手段と、を備える、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電動機の制御装置。
4. 前記誘起電圧推定手段は、
   電動機のロータの回転位置とコイルに流れる電流の電流値とに対応付けてコイルのインダクタンスを記憶するテーブルと、
   ロータの回転位置を検出する回転位置検出手段と、
   電動機のコイルに流れる電流の電流値を検出する電流検出手段と、
   電動機のコイルに印加する電圧の操作量を検出する電圧操作量検出手段と、
   前記回転位置検出手段により検出された回転位置と前記電流検出手段により検出された電流値とに基づいて、前記テーブルを検索して、コイルのインダクタンスを求めるインダクタンス判別手段と、
   前記電流検出手段により検出された電流値と、前記電圧操作量検出手段により検出された印加電圧の操作量と、前記インダクタンス判別手段により求められたインダクタンスと、に基づいて電動機の誘起電圧を推定する推定手段と、を備える、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電動機の制御装置。
5. 前記トルクリップル推定手段は、
   電動機のコイルに流れる電流の電流値を検出する電流検出手段と、
   電動機のロータの回転位置を検出する回転位置検出手段と、
   前記回転位置検出手段により検出された回転位置から電動機のロータの回転数を検出する回転数検出手段と、
   前記誘起電圧推定手段により推定された誘起電圧と、前記電流検出手段により検出された電流値と、前記回転数検出手段により検出された回転数と、に基づいて電動機のトルクを推定するトルク推定手段と、
   前記トルク推定手段により推定されたトルクから直流成分を除去することによりトルクリップルを抽出するハイパスフィルタと、を備える、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電動機の制御装置。
6. 前記電動機の制御装置は、前記トルクリップル推定手段により推定された値を乗算する乗算手段をさらに備え、
   前記補正手段は、前記乗算手段により乗算された値に基づいて指示トルクを補正する、ことを特徴とする請求項１に記載の電動機の制御装置。
7. 電動機のコイルに発生している誘起電圧を推定する誘起電圧推定ステップと、
   推定された誘起電圧に基づいて、電動機のトルクリップルを推定するトルクリップル推定ステップと、
   推定されたトルクリップルに基づいて、電動機の回転トルクを指示する指示トルクを補正して、出力する補正ステップと、
   補正された指示トルクに基づいて、電動機を駆動する駆動ステップと、を備える、
   ことを特徴とする電動機の制御方法。
8. コンピュータに、
   電動機のコイルに発生している誘起電圧を推定する誘起電圧推定ステップと、
   推定された誘起電圧に基づいて、電動機のトルクリップルを推定するトルクリップル推定ステップと、
   推定されたトルクリップルに基づいて、電動機の回転トルクを指示する指示トルクを補正して、出力する補正ステップと、
   補正された指示トルクに基づいて、電動機を駆動する駆動ステップと、
   を実施させるコンピュータプログラム。
9. 電動機のコイルに発生している誘起電圧を推定する誘起電圧推定ステップと、
   推定された誘起電圧に基づいて、電動機のトルクリップルを推定するトルクリップル推定ステップと、を備える、
   ことを特徴とする電動機のトルクリップル推定方法。