JP2010166701A - モータドライブシステム - Google Patents

Abstract

【課題】モータを駆動するインバータに入力される電圧の変動に対するロバスト性の高い運転をすることのできるモータドライブシステムを提供することにある。
【解決手段】可変磁石を備えた可変磁束モータ４を駆動するためのインバータ２を備え、直流電圧検出器７により検出されたインバータ２に入力される直流電圧ＶＦＣに基づいて、可変磁束モータ４のトルク指令Ｔｍ＊を維持するように、可変磁束モータ４の磁束を変化させるモータドライブシステム１。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁束を変化させることのできる可変磁束モータを駆動するインバータを備えたモータドライブシステムに関する。

近年、低保磁力の永久磁石を磁化することにより、磁束を変化させることのできる可変磁束モータが知られている（例えば、特許文献１，２参照）。また、可変磁束モータを備えたモータドライブシステムが開示されている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００６−２８０１９５号公報 特開２００６−２２０５５７号公報 特開２００８−１２５２０１号公報

しかしながら、上述のようなモータドライブシステムを、ＨＥＶ(Hybrid Electric Vehicle)又はＥＶ(Electric Vehicle)などに応用する場合、直流電源であるバッテリ等の充電状態やインバータに流れる電流による電圧降下分などにより、可変磁束モータを駆動させるインバータに入力される直流電圧が変動することがある。

この電圧変動の影響により、モータ端子電圧の最大値は変動する。このモータ端子電圧の最大値は、モータの高回転時の性能に影響する。具体的には、同じ回転速度でも、モータ端子電圧の最大値が高いほど、トルクは高くなる。即ち、インバータに入力される電圧の状態によって、モータ出力が変動することになる。従って、このインバータ入力電圧が低下した場合、モータは、期待した性能要求を出せない可能性がある。

そこで、本発明の目的は、モータを駆動するインバータに入力される電圧の変動に対するロバスト性の高い運転をすることのできるモータドライブシステムを提供することにある。

本発明の観点に従ったモータドライブシステムは、直流電源と、磁束を変化させるための永久磁石を備えた永久磁石同期電動機と、前記直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換して、前記永久磁石同期電動機を駆動するインバータと、前記インバータに入力される直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、前記直流電圧検出手段により検出された直流電圧に基づいて、前記永久磁石同期電動機のトルクを維持するように、前記永久磁石の磁束を変化させる磁束可変手段とを備えている。

本発明によれば、モータを駆動するインバータに入力される電圧の変動に対するロバスト性の高い運転をすることのできるモータドライブシステムを提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係るモータドライブシステムの構成を示すブロック図。 第１の実施形態に係る可変磁束制御部の磁化補正量を演算する磁化電流演算部の構成を示すブロック図。 第１の実施形態に係る磁化電流テーブルを示す座標図。 第１の実施形態に係るモータドライブシステムのトルクと直流電圧との関係を示す座標図。 第１の実施形態に係るモータドライブシステムの磁束とトルクとの関係を示す座標図。 第１の実施形態に係るモータドライブシステムの磁化電流テーブルによる制御の原理を説明するための座標図。 本発明の第２の実施形態に係るモータドライブシステムの構成を示すブロック図。 第２の実施形態に係る可変磁束制御部の磁化電流演算部の構成を示すブロック図。 本発明の第３の実施形態に係るモータドライブシステムの構成を示すブロック図。 第３の実施形態に係る磁束指令演算部及び可変磁束制御部による構成を示すブロック図。 第３の実施形態に係る可変磁石の磁化特性を示す特性図。 本発明の第４の実施形態に係る磁束指令演算部及び可変磁束制御部の構成を示すブロック図。 第４の実施形態に係る磁化電流指令演算部における磁化補正量を演算するための可変磁石の磁化特性を示す特性図。 本発明の第５の実施形態に係るモータドライブシステムの構成を示すブロック図。 第５の実施形態に係る磁束指令演算部及び可変磁束制御部の構成を示すブロック図。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るモータドライブシステム１の構成を示すブロック図である。なお、以降の図における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。以降の実施形態も同様にして重複する説明を省略する。

モータドライブシステム１は、インバータ２と、直流電源３と、可変磁束モータ４と、回転角度センサ５と、直流電圧検出器７と、交流電流検出器８Ｕ，８Ｗと、制御部１０とを備えている。

可変磁束モータ４は、磁束を変化させることのできる永久磁石同期電動機である。可変磁束モータ４の回転子には、固定磁石と可変磁石が組み込まれている。固定磁石は、磁束密度（磁束量）を変化させない磁石である。よって、固定磁石には、高保磁力の磁性体を用いる。可変磁石は、磁束密度（磁束量）を変化させる磁石である。よって、可変磁石には、低保磁力の磁性体を用いる。

インバータ２は、直流電源３から供給された直流電力を三相交流電力に変換する。インバータ２は、変換した交流電力を可変磁束モータ４に供給する。インバータ２は、可変磁束モータ４に交流電力を出力することで、可変磁束モータ４を駆動する。

回転角度センサ５は、可変磁束モータ４の回転角度を検出する。回転角度センサ５は、検出した回転角度θを、制御部１０に出力する。

直流電圧検出器７は、インバータ２に入力される直流電圧（インバータ入力電圧）を検出する。直流電圧検出器７は、検出した直流電圧ＶＦＣを、制御部１０に出力する。

交流電流検出器８Ｕは、インバータ２から出力されるＵ相電流Ｉｕを検出する。交流電流検出器８Ｕは、検出したＵ相電流Ｉｕを信号として、制御部１０に出力する。交流電流検出器８Ｗは、インバータ２から出力されるＷ相電流Ｉｗを検出する。交流電流検出器８Ｗは、検出したＷ相電流Ｉｗを、制御部１０に出力する。

制御部１０は、回転角度センサ５により検出された回転角度θ、直流電圧検出器７により検出された直流電圧ＶＦＣ、及び交流電流検出器８Ｕ，８Ｗによりそれぞれ検出された交流電流Ｉｕ，Ｉｗに基づいて、インバータ２を制御する。制御部１０は、インバータ２を介して、可変磁束モータ４の駆動や磁束を制御する。

次に、制御部１０によるインバータ２の制御について説明する。

制御部１０は、擬似微分器１１と、磁束指令演算部１２と、電流基準演算部１３と、座標変換部１４と、電圧指令演算部１５と、座標変換部１６と、ＰＷＭ回路１７と、ゲート指令生成部１８と、磁化要求生成部１９と、現在磁束演算部２０と、可変磁束制御部２１と、加算器ＡＤ１とを備えた構成である。

擬似微分器１１は、回転角度センサ５から入力された回転角度θを微分して、モータ回転速度（回転子回転周波数、インバータ周波数）ω１を算出する。擬似微分器１１は、算出したモータ回転速度ω１を、磁束指令演算部１２、電圧指令演算部１５、現在磁束演算部２０、及び可変磁束制御部２１に出力する。

磁束指令演算部１２には、運転指令Ｒｕｎ＊が入力される。運転指令Ｒｕｎ＊は、モータドライブシステム１を運転する場合は「１」、モータドライブシステム１を停止する場合は「０」が入力される。磁束指令演算部１２は、運転指令Ｒｕｎ＊及び擬似微分器１１から入力されたモータ回転速度ω１に基づいて、磁束指令φ＊を演算する。磁束指令演算部１２は、演算した磁束指令φ＊を、電流基準演算部１３、磁化要求生成部１９、及び可変磁束制御部２１に出力する。

電流基準演算部１３には、トルク指令Ｔｍ＊が入力される。トルク指令Ｔｍ＊は、可変磁束モータ４から出力させるトルクの基準となる指令である。電流基準演算部１３は、トルク指令Ｔｍ＊及び磁束指令演算部１２から入力された磁束指令φ＊に基づいて、インバータ２から出力させるＤＱ軸電流の基準となるＤ軸電流基準ＩｄＲ及びＱ軸電流基準ＩｑＲを演算する。電流基準演算部１３は、演算したＤ軸電流基準ＩｄＲを、加算器ＡＤ１に出力する。電流基準演算部１３は、演算したＱ軸電流基準ＩｑＲを、Ｑ軸電流を制御するための指令であるＱ軸電流指令Ｉｑ＊として、電圧指令演算部１５に出力する。

ここで、ＤＱ軸上のＤ軸とは、磁石磁束方向の軸（磁気トルクに作用しない軸）である。ＤＱ軸上のＱ軸とは、磁石磁束方向の軸（Ｄ軸）と直交する軸（磁気トルクに作用する軸）である。

加算器ＡＤ１は、後述する可変磁束制御部２１から入力された磁化補正量ΔＩｄｍ＊を、電流基準演算部１３から入力されたＤ軸電流基準ＩｄＲに加算し、Ｄ軸電流を制御するための指令であるＤ軸電流指令Ｉｄ＊を算出する。加算器ＡＤ１は、算出したＤ軸電流指令Ｉｄ＊を電圧指令演算部１５に出力する。

座標変換部１４には、回転角度センサ５から出力された回転角度θ及び交流電流検出器８Ｕ，８Ｗから出力されたＵ相電流Ｉｕ及びＷ相電流Ｉｗが入力される。座標変換部１４は、回転角度θ、Ｕ相電流Ｉｕ及びＷ相電流Ｉｗに基づいて、インバータ２から出力された三相交流電流Ｉｕ，Ｉｗを、ＤＱ軸電流Ｉｄ，Ｉｑに変換する。座標変換部１４は、算出したＤ軸電流Ｉｄ及びＱ軸電流Ｉｑを電圧指令演算部１５及び現在磁束演算部２０に出力する。

電圧指令演算部１５は、電流基準演算部１３から加算器ＡＤ１を介して入力されたＤ軸電流指令Ｉｄ＊、電流基準演算部１３から入力されたＱ軸電流指令Ｉｑ＊、擬似微分器１１から入力されたモータ回転速度ω１、及び座標変換部１４から入力されたＤ軸電流Ｉｄ及びＱ軸電流Ｉｑに基づいて、インバータ２から出力されるＤＱ軸電圧を制御するための指令であるＤ軸電圧指令Ｖｄ＊及びＱ軸電圧指令Ｖｑ＊を算出する。電圧指令演算部１５は、算出したＤ軸電圧指令Ｖｄ＊及びＱ軸電圧指令Ｖｑ＊を座標変換部１６に出力する。電圧指令演算部１５は、算出したＱ軸電圧指令Ｖｑ＊を現在磁束演算部２０に出力する。

座標変換部１６には、回転角度センサ５から出力された回転角度θが入力される。座標変換部１６は、回転角度θに基づいて、電圧指令演算部１５から入力されたＤＱ軸電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を、三相交流の電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に変換する。座標変換部１６は、算出したＵ相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令Ｖｖ＊及びＷ相電圧指令Ｖｗ＊を、ＰＷＭ(Pulse Width Modulation)回路１７に出力する。

ゲート指令生成部１５には、運転指令Ｒｕｎ＊が入力される。ゲート指令生成部１５は、運転指令Ｒｕｎ＊に基づいて、ゲート指令Ｇｓｔを生成する。ゲート指令生成部１５は、生成したゲート指令Ｇｓｔを、ＰＷＭ回路１７に出力する。可変磁束モータ４を駆動開始する場合は、ゲート指令生成部１５は、インバータ２をゲートスタートさせるために、ゲート指令Ｇｓｔを「０」から「１」に変える。可変磁束モータ４を停止する場合は、ゲート指令生成部１５は、運転指令Ｒｕｎ＊による停止を示す信号を受信後、所定時間の経過後に、インバータ２をゲートオフするために、ゲート指令Ｇｓｔを「１」から「０」に変える。この所定時間経過した後に、ゲートオフする理由は、フリーラン時に誘起電圧を低減させて、可変磁石を減磁してから停止させるためである。

ＰＷＭ回路１７は、ゲート指令生成部１８から入力されたゲート指令Ｇｓｔにより、インバータ２のスイッチング素子の駆動制御をする。ＰＷＭ回路１７は、座標変換部１６から入力された電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に基づいて、インバータ２をパルス幅変調による制御をするためのゲート信号を、インバータ２に出力する。

磁化要求生成部１９には、運転指令Ｒｕｎ＊が入力される。磁化要求生成部１９は、磁束指令演算部１２から入力された磁束指令φ＊及び運転指令Ｒｕｎ＊に基づいて、磁化要求フラグＦＣｒｅｑを生成する。磁化要求生成部１９は、生成した磁化要求フラグＦＣｒｅｑを、可変磁束制御部２１に出力する。磁化要求フラグＦＣｒｅｑは、可変磁束モータ４の磁石磁束を変化させるための磁化を要求するためのフラグである。磁化要求フラグＦＣｒｅｑが立つと、制御部１０は、可変磁束モータ４の磁石磁束を変化させる制御をする。

現在磁束演算部２０は、擬似微分器１１から入力されたモータ回転速度ω１、座標変換部１４から入力されたＤＱ軸電流Ｉｄ，Ｉｑ、及び電圧指令演算部１５から入力されたＱ軸電圧指令Ｖｑ＊に基づいて、可変磁束モータ４の現在の磁石磁束φを演算する。現在磁束演算部２０は、演算した磁石磁束φを、可変磁束制御部２１に出力する。

可変磁束制御部２１には、トルク指令Ｔｍ＊及び直流電圧検出器７から出力された直流電圧ＶＦＣが入力される。可変磁束制御部２１は、磁化要求フラグＦＣｒｅｑが立つと、可変磁束モータ４の磁石磁束を変化させるための制御を開始する。可変磁束制御部２１は、トルク指令Ｔｍ＊、直流電圧ＶＦＣ、擬似微分器１１から入力されたモータ回転速度ω１、及び磁束指令演算部１２から入力された磁束指令φ＊に基づいて、Ｄ軸電流基準ＩｄＲを補正するための補正量となる磁化補正量ΔＩｄｍ＊を演算する。可変磁束制御部２１は、演算した磁化補正量ΔＩｄｍ＊を加算器ＡＤ１に出力する。磁化補正量ΔＩｄｍ＊によりＤ軸電流指令Ｉｄ＊が補正されることで、制御部１０は、インバータ２から可変磁束モータ４に磁化電流（Ｄ軸電流Ｉｄ）を流す。可変磁束モータ４は、磁化電流により可変磁石の磁束が変化することで、可変磁束モータ４の回転子の磁石磁束（固定磁石と可変磁石とのそれぞれの磁束の合計）が変化する。

ここで、制御部１０における演算に用いるための各種の計算式について説明する。

まず、電流制限について説明する。

可変磁束モータ４の電圧方程式を式（１）に示す。また、トルク方程式を式（２）に示す。

ここで、「Ｖｄ」はＤ軸モータ端子電圧、「Ｖｑ」はＱ軸モータ端子電圧、「Ｉｄ」はＤ軸モータ電流、「Ｉｑ」はＱ軸モータ電流、「Ｒ」は抵抗、「Ｌｄ」はＤ軸インダクタンス、「Ｌｑ」はＱ軸インダクタンス、「ω１」はモータ回転速度、「φ」は磁束、「ｐ」はｄ／ｄｔ、「τ」はトルク、「Ｐｎ」は極対数、をそれぞれ示している。

式（１）の右辺において、第１項は、抵抗とインダクタンスによる電圧降下、第２項は、電機子反作用による電圧、第３項は、磁石から発生した逆起電圧、をそれぞれ求めている。第２項と第３項の大きさは、モータ回転速度ω１に比例する。

次に、可変磁束モータ４に流れる電流の最大値を式（３）に示す。

式（３）に示すように、電流制限は、ＤＱ軸座標平面上でモータ定格電流Ｉｍａｘの半径をもつ円となる。

次に、電圧制限について説明する。

モータ端子電圧は、インバータ入力電圧により制限される。特に高回転時は、モータ端子電圧は、式（１）の第２項と第３項が支配的となる。

電圧制限特性を表す式を式（４）に示す。

ここで、「ＶＦＣ」はインバータ入力電圧を示している。

式（４）に示すように、電圧制限特性は、楕円形となる。制限値は、インバータ端子電圧とモータ回転速度との比（Ｖ／ω制限）となる。即ち、モータ回転速度が高いか若しくは直流電圧ＶＦＣが低いほど、Ｖ／ω制限の値は小さくなり、モータ電流は流れ難くなる。

式（１）により、現在磁束演算部２０における現在の磁石磁束φを求めるための式は、式（５）のように求まる。

図２は、本実施形態に係る可変磁束制御部２１の磁化補正量ΔＩｄｍ＊を演算する磁化電流演算部２１Ｐの構成を示すブロック図である。

磁化電流演算部２１Ｐは、調整ゲイン２１１と、磁化電流演算テーブル２１２と、減算器ＳＵ２１と、加算器ＡＤ２１とを備えている。

磁化電流演算テーブル２１２には、初期状態として、インバータ入力電圧のノミナル値ＶＮにより設計された磁化電流テーブルが設定されている。

減算器ＳＵ２１は、直流電圧検出器７により検出された直流電圧ＶＦＣとノミナル値ＶＮとの差分を演算する。減算器ＳＵ２１は、演算した差分を調整ゲイン２１１に出力する。

調整ゲイン２１１は、減算器ＳＵ２１により演算された差分に予め設定されたゲインを掛けて、回転速度修正量を算出する。調整ゲイン２１１は、算出した回転速度修正量を加算器ＡＤ２１に出力する。

加算器ＡＤ２１は、擬似微分器１１から入力されたモータ回転速度ω１に、調整ゲイン２１１から入力された回転速度修正量を加算する。加算器ＡＤ２１は、回転速度修正量を加算したモータ回転速度ω１を、磁化電流演算テーブル２１２に出力する。

磁化電流演算テーブル２１２は、加算器ＡＤ２１から入力された値により、インバータ入力電圧のノミナル値ＶＮにより設計された磁化電流テーブルを修正する。

磁化電流演算テーブル２１２は、修正された磁化電流テーブルを用いて、トルク指令Ｔｍ＊を維持するように、現在の磁石磁束φに基づいて、磁化補正量ΔＩｄｍ＊を演算する。磁化電流演算テーブル２１２は、演算した磁化補正量ΔＩｄｍ＊を加算器ＡＤ１に出力する。

図３は、本実施形態に係る磁化電流テーブルを示す座標図である。

磁化電流テーブルは、横軸を回転速度、縦軸をトルクとしたときに、必要とする磁束量を示す座標である。この座標は、Ｎ個の領域Ｄ１〜ＤＮに分割されている。それぞれの領域Ｄ１〜ＤＮは、トルクを出力させるのに必要な磁束量を示している。磁化電流テーブルは、加算器ＡＤ２１から入力された値により、回転速度の目盛り（横軸の幅）が修正される。これにより、変動する直流電圧ＶＦＣに対応するように、磁化電流テーブルが修正される。

トルク指令Ｔｍ＊が磁化電流テーブル上のどの領域Ｄ１〜ＤＮに属しているかで、可変磁束モータ４に必要な磁束量が決定される。磁化電流演算テーブル２１２は、磁化電流テーブルにより決定された必要な磁束量と、現在の磁石磁束φに基づいて、磁化補正量ΔＩｄｍ＊を演算する。

図４から図６を参照して、本実施形態に係る磁化電流テーブルによる制御について説明する。

図４は、本実施形態に係るモータドライブシステム１のトルクと直流電圧ＶＦＣとの関係を示す座標図である。横軸は、Ｄ軸電流（磁化電流）Ｉｄを示している。縦軸は、Ｑ軸電流Ｉｑを示している。この座標は、モータ回転速度ω１が１０００［ｒａｄ／ｓｅｃ］の場合を表している。

電流制限グラフＩＲは、電流制限が３３３［Ａ］の場合を示している。

Ｖ／ω制限グラフＦＲ４１は、直流電圧ＶＦＣが４００［Ｖ］の場合のＶ／ω制限を示している。Ｖ／ω制限グラフＦＲ４２は、直流電圧ＶＦＣが２００［Ｖ］の場合のＶ／ω制限を示している。グラフＦＲ４３は、直流電圧ＶＦＣが１００［Ｖ］の場合のＶ／ω制限を示している。

トルク曲線ＦＴ４１は、トルクが１００［Ｎｍ］の場合を示している。トルク曲線ＦＴ４２は、トルクが６０［Ｎｍ］の場合を示している。トルク曲線ＦＴ４３は、トルクが３０［Ｎｍ］の場合を示している。

Ｖ／ω制限グラフＦＲ４１〜ＦＲ４３に示すように、直流電圧ＶＦＣが低いほど、Ｖ／ω制限は小さくなる。

最大トルクが発生する動作点は、電流制限グラフＩＲの円とＶ／ω制限グラフＦＲ４１〜ＦＲ４３の楕円が重なった点である。

トルク曲線ＦＴ４１〜ＦＴ４３、式（２）から計算されるため、双曲線となる。

例として、直流電圧ＶＦＣが２００［Ｖ］から１００［Ｖ］に低下した場合について説明する。

直流電圧ＶＦＣが２００［Ｖ］の場合、最大トルクを作り出すときのＤＱ軸電流Ｉｄ，Ｉｑは、Ｖ／ω制限グラフＦＲ４２と電流制限グラフＩＲとの交点である。このときの最大トルクは、この交点を通るトルク曲線となる。よって、この交点を通るトルク曲線ＦＴ４２のトルク６０［Ｎｍ］が最大トルクである。

同様にして、直流電圧ＶＦＣが１００［Ｖ］の場合、Ｖ／ω制限グラフＦＲ４３と電流制限グラフＩＲとの交点を通るトルク曲線が最大トルクとなる。よって、この交点を通るトルク曲線ＦＴ４３のトルク３０［Ｎｍ］が最大トルクである。

従って、モータ回転速度ω１が１０００［ｒａｄ／ｓｅｃ］のときに、直流電圧ＶＦＣが２００［Ｖ］から１００［Ｖ］に低下した場合、最大トルクは、６０［Ｎｍ］から３０［Ｎｍ］に減少する。

次に、磁束φが減少する場合について説明する。

図５は、本実施形態に係るモータドライブシステム１の磁束φとトルクとの関係を示す座標図である。横軸は、Ｄ軸電流（磁化電流）Ｉｄを示している。縦軸は、Ｑ軸電流Ｉｑを示している。この座標は、モータ回転速度ω１が１０００［ｒａｄ／ｓｅｃ］、直流電圧ＶＦＣが１００［Ｖ］の場合を表している。

電流制限グラフＩＲは、電流制限が３３３［Ａ］の場合を示している。

Ｖ／ω制限グラフＦＲ５１は、磁束φが０．１５７［Ｗｂ］の場合のＶ／ω制限を示している。Ｖ／ω制限グラフＦＲ５２は、磁束φが０．１２５［Ｗｂ］の場合のＶ／ω制限を示している。Ｖ／ω制限グラフＦＲ５３は、磁束φが０．０９４［Ｗｂ］の場合のＶ／ω制限を示している。

トルク曲線ＦＴ５１は、トルクが３１［Ｎｍ］、磁束φが０．０９４［Ｗｂ］の場合を示している。トルク曲線ＦＴ５２は、トルクが３３［Ｎｍ］、磁束φが０．１２５［Ｗｂ］の場合を示している。トルク曲線ＦＴ５３は、トルクが３０［Ｎｍ］、磁束φが０．１５７［Ｗｂ］の場合を示している。

磁束φが減ると、図５に示すように、Ｖ／ω制限の楕円（Ｖ／ω制限グラフＦＲ５１〜ＦＲ５３）の中心点が原点に近くなる。これにより、Ｖ／ω制限の楕円と電流制限の円（電流制限グラフＩＲ）との交点が移動する。

磁束φが０．１５７［Ｗｂ］（Ｖ／ω制限グラフＦＲ５１）から０．１２５［Ｗｂ］（Ｖ／ω制限グラフＦＲ５２）に減少すると、Ｖ／ω制限の楕円（Ｖ／ω制限グラフＦＲ５１，ＦＲ５２）と電流制限の円（電流制限グラフＩＲ）との交点は、Ｑ軸電流Ｉｑが増える方向に移動する。よって、トルクは増加する。

一方、磁束φが０．１２５［Ｗｂ］（Ｖ／ω制限グラフＦＲ５２）から０．０９４［Ｗｂ］（Ｖ／ω制限グラフＦＲ５３）に減少すると、Ｖ／ω制限の楕円（Ｖ／ω制限グラフＦＲ５２，ＦＲ５３）と電流制限の円（電流制限グラフＩＲ）との交点は、Ｑ軸電流Ｉｑが増える方向に移動する。しかし、磁束φ自体が減少しているため、トルクは減少する。よって、磁束φを減らし過ぎると、トルクは減少する。

次に、磁化電流テーブルを用いて、直流電圧ＶＦＣの変動に対して、トルクを維持する制御をする原理について説明する。

図６は、本実施形態に係るモータドライブシステム１の磁化電流テーブルによる制御の原理を説明するための座標図である。横軸は、Ｄ軸電流（磁化電流）Ｉｄを示している。縦軸は、Ｑ軸電流Ｉｑを示している。この座標は、モータ回転速度ω１が１０００［ｒａｄ／ｓｅｃ］の場合を表している。

電流制限グラフＩＲは、電流制限が３３３［Ａ］の場合を示している。

モータドライブシステム１の最初の状態は、直流電圧ＶＦＣが１００［Ｖ］、磁束φが０．１５７［Ｗｂ］であったとする。このとき、Ｖ／ω制限は、Ｖ／ω制限グラフＦＲ６１となる。また、電流制限グラフＩＲとＶ／ω制限グラフＦＲ６１との交点から、トルク曲線ＦＴ６１が求まる。よって、このとき、トルクは３１［Ｎｍ］である。

次に、直流電圧ＶＦＣが１００［Ｖ］から９０［Ｖ］に変動したとする。このとき、Ｖ／ω制限は、Ｖ／ω制限グラフＦＲ６２となる。よって、トルクは２６［Ｎｍ］に減少する（トルク曲線ＦＴ６２）。

ここで、磁化電流Ｉｄを流して、磁束φを０．１５７［Ｗｂ］から０．１１０［Ｗｂ］に減磁すると、Ｖ／ω制限は、Ｖ／ω制限グラフＦＲ６３となる。よって、トルクは３０［Ｎｍ］にまで回復する（トルク曲線ＦＴ６３）。

従って、磁化電流テーブルは、上述のような制御ができるように、インバータ入力電圧（直流電圧ＶＦＣ）のノミナル値を用いて作成する。可変磁束制御部２１は、この磁化電流テーブルを基本として、直流電圧ＶＦＣ又はモータ回転速度ω１の検出値に基づいて修正する。これにより、磁化電流テーブルは、直流電圧ＶＦＣ及びモータ回転速度ω１の変動にも対応できる汎用性のあるものとなる。

本実施形態によれば、可変磁束制御部２１は、直流電圧検出器７により検出された直流電圧ＶＦＣに基づいて、トルクを維持するように、可変磁束モータ４の磁束を変化させることができる。これにより、モータドライブシステム１は、インバータ２に入力される直流電圧ＶＦＣの変動に対して、ロバスト性の高い運転をすることができる。

（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態に係るモータドライブシステム１Ａの構成を示すブロック図である。

モータドライブシステム１Ａは、図１に示す第１の実施形態に係るモータドライブシステム１において、制御部１０を制御部１０Ａに代え、可変磁束モータ４を可変磁束モータ４Ａに代え、スリップリング６、磁化回路５０、及び交流電流検出器８Ｍを追加している。その他の点は、モータドライブシステム１と同様である。

可変磁束モータ４Ａは、第１の実施形態に係る可変磁束モータ４において、回転子に磁化巻線を設けている。その他の点は、可変磁束モータ４と同様の構成である。磁化巻線は、磁化電流が流されることにより、可変磁束モータ４の回転子に設けられた可変磁石の磁束を変化させるための巻線である。

磁化回路５０は、可変磁束モータ４Ａの回転子の磁化巻線に、スリップリング６を介して接続されている。磁化回路５０は、制御部１０Ａから受信する磁化電流指令ＩｍａｇＲｅｆに基づいて、磁化巻線に磁化電流を流す。

磁化回路５０は、磁化巻線制御部５１と、磁化用変換器５３と、直流電源５４とを備えている。

直流電源５４は、磁化用変換器５３に直流電力を供給する。

磁化用変換器５３は、直流電源５４から供給された直流電力を変換し、スリップリング６を介して、磁化電流Ｉｍａｇを磁化巻線に流す。

交流電流検出器８Ｍは、磁化用変換器５３から磁化巻線に流れる磁化電流Ｉｍａｇを検出する。交流電流検出器８Ｍは、検出した磁化電流Ｉｍａｇを磁化巻線制御部５１に出力する。

磁化巻線制御部５１は、制御部１０Ａの可変磁束制御部２１Ａから受信した磁化電流指令ＩｍａｇＲｅｆに基づいて、磁化用変換器５３を制御する。磁化巻線制御部５１は、磁化電流制御部５２を備えている。磁化電流制御部５２は、交流電流検出器８Ｍにより検出された磁化電流Ｉｍａｇを、磁化電流指令ＩｍａｇＲｅｆに一致させるようにＰＩ(proportional-plus-integral control)制御をする。なお、磁化電流制御部５２は、ＰＩ制御の代わりに、ヒステリシスコンパレータなどで制御してもよい。

図８は、本実施形態に係る可変磁束制御部２１Ａの磁化電流演算部２１ＰＡの構成を示すブロック図である。

制御部１０Ａは、第１の実施形態に係る制御部１０において、可変磁束制御部２１の磁化電流演算部２１Ｐの磁化電流演算テーブル２１２を、磁化電流演算テーブル２１２Ａに代えている。その他の点は、制御部１０と同様である。

磁化電流演算テーブル２１２Ａは、磁化補正量ΔＩｄｍ＊と共に、磁化電流指令ＩｍａｇＲｅｆを演算する。磁化電流演算テーブル２１２Ａは、演算した磁化電流指令ＩｍａｇＲｅｆを磁化回路５０に送信する。これにより、磁化回路５０は、磁化電流Ｉｍａｇを磁化巻線に流す。

本実施形態によれば、第１の実施形態による作用効果に加え、以下の作用効果を得ることができる。

磁化巻線を磁化させるための専用の磁化回路５０を設けることにより、インバータ２の電流容量を減らすことができる。これにより、インバータ２を小型化又は軽量化することができる。

また、磁化回路５０は、磁化するために専用に設けられているため、磁化するために最適な構成とすることができる。また、磁化回路５０の制御は、インバータ２の出力に依存せずに、常時任意の電圧を印加して、磁化電流Ｉｍａｇを流すことができる。従って、磁化回路５０は、磁化巻線を効率的に磁化させることができる。即ち、磁化回路５０は、可変磁束モータ４の磁束を、効率的に変化させることができる。

さらに、磁化巻線を可変磁束モータ４Ａの回転子に設けることで、可変磁石を増磁する場合においても、磁気飽和の影響を受け難いため、磁化用変換器５３は、固定子側から磁化する場合に比べて、より少ない磁化電流Ｉｍａｇで効率的に可変磁石を磁化させることができる。また、磁束を変化させる場合でも、可変磁束モータ４Ａは、過渡トルクの発生を、最小限に抑えることができる。また、突極性を有した場合、磁化巻線に流す磁化電流Ｉｍａｇは直接リラクタンストルクになるものではないため、トルク変動を抑制することができる。

（第３の実施形態）
図９は、本発明の第３の実施形態に係るモータドライブシステム１Ｂの構成を示すブロック図である。

モータドライブシステム１Ｂは、図１に示す第１の実施形態に係るモータドライブシステム１において、制御部１０を制御部１０Ｂに代えている。その他の点は、モータドライブシステム１と同様である。

制御部１０Ｂは、第１の実施形態に係る制御部１０において、磁束指令演算部１２の代わりに磁束指令演算部１２Ｂを設け、可変磁束制御部２１の代わりに可変磁束制御部２１Ｂを設けている。

図１０は、本実施形態に係る磁束指令演算部１２Ｂ及び可変磁束制御部２１Ｂによる構成を示すブロック図である。

磁束指令演算部１２Ｂには、直流電圧検出器７により検出された直流電圧ＶＦＣ、擬似微分器１１により演算されたモータ回転速度ω１、及びトルク指令Ｔｍ＊が入力される。磁束指令演算部１２Ｂは、直流電圧ＶＦＣ、モータ回転速度ω１及びトルク指令Ｔｍ＊に基づいて、磁束指令φ＊を演算する。

式（２）、式（３）、及び式（４）により、磁束（φ）は、式（６）に示すような、トルク（τ）、モータ回転速度（ω１）、及び直流電圧（ＶＦＣ）による関数になる。

磁束指令演算部１２Ｂは、式（６）を用いて、磁束指令φ＊を演算する。磁束指令演算部１２Ｂは、演算した磁束指令φ＊を可変磁束制御部２１Ｂに出力する。

可変磁束制御部２１Ｂは、磁束指令演算部１２Ｂから入力された磁束指令φ＊及び現在磁束演算部２０から入力された現在の磁石磁束φに基づいて、磁化補正量ΔＩｄｍ＊を演算する。可変磁束制御部２１Ｂは、演算した磁化補正量ΔＩｄｍ＊を加算器ＡＤ１に出力する。

可変磁束制御部２１Ｂは、減算器ＳＵ９１，ＳＵ９２及び磁化電流指令演算部２１ＢＰ１を備えた構成である。可変磁束制御部２１Ｂには、固定磁石の磁石磁束φ１が設定されている。

減算器ＳＵ９１は、磁束指令φ＊と固定磁石の磁石磁束φ１との差分を演算する。この差分は、可変磁石を制御するための指令である磁束指令φ２＊となる。減算器ＳＵ９１は、演算した磁束指令φ２＊を磁化電流指令演算部２１ＢＰ１に出力する。

減算器ＳＵ９２は、現在の磁石磁束φと固定磁石の磁石磁束φ１との差分を演算する。この差分は、可変磁石の現在の磁石磁束φ２となる。減算器ＳＵ９２は、演算した磁石磁束φ２を磁化電流指令演算部２１ＢＰ１に出力する。

磁化電流指令演算部２１ＢＰ１は、磁束指令φ２＊及び現在の磁石磁束φ２に基づいて、磁化補正量ΔＩｄｍ＊を演算する。磁化電流指令演算部２１ＢＰ１は、演算した磁化補正量ΔＩｄｍ＊を、加算器ＡＤ１に出力する。

図１１は、本実施形態に係る可変磁石の磁化特性ＦＢ（磁束密度−磁化特性）を示す特性図である。横軸は、磁化電流Ｉｄ（Ｄ軸電流）を示している。縦軸は、磁束を示している。

磁化電流指令演算部２１ＢＰ１は、図１１に示す可変磁石の特性図を用いて、磁化補正量ΔＩｄｍ＊を演算する。

図１１を参照して、磁束φＡから磁束φＢに変化させる場合について説明する。

磁束φＡは、磁束φＢより大きいため、可変磁石を減磁する方向に磁化電流を流すことになる。

そこで、磁束φＢから横軸（磁化電流の軸）の負方向と磁化特性ＦＢとの交点を算出する。この交点の横軸方向の長さが磁束φＢに変化させるために必要な磁化電流Ｉｄ１となる。

磁化電流指令演算部２１ＢＰ１は、算出した磁化電流Ｉｄ１に基づいて、磁化補正量ΔＩｄｍ＊を演算する。

一方、増磁する場合は、磁化電流の正方向と磁化特性ＦＢとの交点を算出することで、磁化電流指令演算部２１ＢＰ１は、磁化電流Ｉｄ２を求める。

本実施形態によれば、直流電圧検出器７により検出された直流電圧ＶＦＣに基づいて、磁束指令φ＊を演算することで、モータドライブシステム１Ｂは、インバータ２に入力される直流電圧ＶＦＣの変動に対して、ロバスト性の高い運転をすることができる。

また、トルク指令Ｔｍ＊に基づいて、磁束指令φ＊を演算することで、モータドライブシステム１Ｂは、トルク指令Ｔｍ＊によるトルクが出力できるように、可変磁束モータ４の磁束φを変化させることができる。

（第４の実施形態）
図１２は、本発明の第４の実施形態に係る磁束指令演算部１２Ｂ及び可変磁束制御部２１Ｂ２の構成を示すブロック図である。図１３は、本実施形態に係る磁化電流指令演算部２１ＢＰ２における磁化補正量ΔＩｄｍ＊を演算するための可変磁石の磁化特性を示す特性図である。

可変磁束制御部２１Ｂ２は、図１０に示す第３の実施形態に係る可変磁束制御部２１Ｂにおいて、磁化電流指令演算部２１ＢＰ１の代わりに、磁化電流指令演算部２１ＢＰ２を設けた構成である。その他の点では、本実施形態に係るモータドライブシステムは、第３の実施形態に係るモータドライブシステム１Ｂと同様である。

次に、磁化電流指令演算部２１ＢＰ２における磁化補正量ΔＩｄｍ＊の演算方法について説明する。

例として、図１３に示すように、磁化特性ＦＢの内部が複数の領域Ｄ１〜Ｄ５に分割されている場合について説明する。各領域Ｄ１〜Ｄ５の間には、ヒステリシス領域が設けられている。磁化電流指令演算部２１ＢＰ１には、各領域Ｄ１〜Ｄ５に対応する磁化電流Ｉｄ（又は、磁化補正量ΔＩｄｍ＊）が予め決められている。磁化電流Ｉｄは、増磁する場合と減磁する場合のそれぞれについて予め決められている。

磁化電流指令演算部２１ＢＰ１は、入力された磁束指令φ２＊が可変磁石の現在の磁石磁束φ２と同一の領域Ｄ１〜Ｄ５にある場合は、可変磁石を磁化しない。即ち、磁化電流指令演算部２１ＢＰ１は、磁化補正量ΔＩｄｍ＊を出力しない。

磁化電流指令演算部２１ＢＰ１は、入力された磁束指令φ２＊が可変磁石の現在の磁石磁束φ２と異なる領域Ｄ１〜Ｄ５にある場合は、磁束指令φ２＊が属している領域Ｄ１〜Ｄ５に対応する磁化電流の磁化補正量ΔＩｄｍ＊を、加算器ＡＤ１に出力する。

本実施形態によれば、第３の実施形態による作用効果に加え、以下の作用効果を得ることができる。

磁化電流指令演算部２１ＢＰ２による演算方法では、可変磁石の磁化特性が複数の領域Ｄ１〜Ｄ５に分けられている。また、各領域Ｄ１〜Ｄ５には、代表の磁化電流Ｉｄが予め決められている。これにより、磁化電流Ｉｄを流す回数を軽減することができる。従って、磁化電流指令演算部２１ＢＰ２による制御をすることで、可変磁束制御部２１Ｂ２は、磁化電流Ｉｄを流す回数が頻繁になることによる損失の発生を防止し、可変磁束モータ４の磁束φの変化を制御することができる。なお、複数の領域は２以上であればよい。

（第５の実施形態）
図１４は、本発明の第５の実施形態に係るモータドライブシステム１Ｃの構成を示すブロック図である。図１５は、本実施形態に係る磁束指令演算部１２Ｂ及び可変磁束制御部２１Ｃの構成を示すブロック図である。

モータドライブシステム１Ｃは、図９に示す第３の実施形態に係るモータドライブシステム１Ｂにおいて、制御部１０Ｂを制御部１０Ｃに代え、可変磁束モータ４を可変磁束モータ４Ａに代え、スリップリング６、磁化回路５０、及び交流電流検出器８Ｍを追加している。その他の点は、モータドライブシステム１Ｂと同様である。

なお、可変磁束モータ４Ａ、スリップリング６、磁化回路５０、及び交流電流検出器８Ｍについては、図７に示す第２の実施形態と同様の機器構成のため、詳しい説明を省略する。

制御部１０Ｃは、第３の実施形態に係る制御部１０Ｂにおいて、可変磁束制御部２１Ｂの代わりに可変磁束制御部２１Ｃを設けている。

可変磁束制御部２１Ｃは、図１０に示す第３の実施形態に係る可変磁束制御部２１Ｂにおいて、磁化電流指令演算部２１ＢＰ１の代わりに、磁化電流指令演算部２１ＢＰＣを設けた構成である。

磁化電流指令演算部２１ＢＰＣは、磁化補正量ΔＩｄｍ＊と共に、磁化電流指令ＩｍａｇＲｅｆを演算する。磁化電流指令演算部２１ＢＰＣは、演算した磁化電流指令ＩｍａｇＲｅｆを磁化回路５０に送信する。これにより、磁化回路５０は、磁化電流Ｉｍａｇを磁化巻線に流す。

本実施形態によれば、第３の実施形態に係るモータドライブシステム１Ｂを基本構成として、第２の実施形態に係る磁化回路５０に関する機器構成を追加することで、第３の実施形態による作用効果に加え、第２の実施形態による作用効果を得ることができる。

なお、各実施形態において、可変磁束モータ４のモータ回転速度を測定するために回転角度センサを設ける構成としたが、これに限らない。可変磁束モータ４のモータ回転速度は、インバータ４の出力電流を検出し、検出された電流値に基づいて推定してもよい。

第５の実施形態では、第３の実施形態に係るモータドライブシステム１Ｂを基本の構成としたが、第４の実施形態に係るモータドライブシステムを基本の構成としてもよい。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…モータドライブシステム、２…インバータ、３…直流電源、４…可変磁束モータ、５…回転角度センサ、７…直流電圧検出器、８Ｕ，８Ｗ…交流電流検出器、１０…制御部、１１…擬似微分器、１２…磁束指令演算部、１３…電流基準演算部、１４…座標変換部、１５…電圧指令演算部、１６…座標変換部、１７…ＰＷＭ回路、１８…ゲート指令生成部、１９…磁化要求生成部、２０…現在磁束演算部、２１…可変磁束制御部、ＡＤ１…加算器。

Claims (12)

1. 直流電源と、
   磁束を変化させるための永久磁石を備えた永久磁石同期電動機と、
   前記直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換して、前記永久磁石同期電動機を駆動するインバータと、
   前記インバータに入力される直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、
   前記直流電圧検出手段により検出された直流電圧に基づいて、前記永久磁石同期電動機のトルクを維持するように、前記永久磁石の磁束を変化させる磁束可変手段と
   を備えたことを特徴とするモータドライブシステム。
2. 直流電源と、
   磁束を変化させるための永久磁石を備えた永久磁石同期電動機と、
   前記直流電源から供給された直流電力を交流電力に変換して、前記永久磁石同期電動機を駆動するインバータと、
   前記インバータに入力される直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、
   前記永久磁石同期電動機の磁束を測定するための磁束測定手段と、
   前記永久磁石同期電動機のトルクを制御するための指令であるトルク指令、前記直流電圧検出手段により検出された直流電圧、及び前記磁束測定手段により測定された磁束に基づいて、前記永久磁石同期電動機の磁束を制御するための指令である磁束指令を演算する磁束指令演算手段と
   を備えたことを特徴とするモータドライブシステム。
3. 直流電源と、
   磁束を変化させるための永久磁石を備えた永久磁石同期電動機と、
   前記直流電源から供給された直流電力を交流電力に変換して、前記永久磁石同期電動機を駆動するインバータと、
   前記インバータに入力される直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、
   前記永久磁石同期電動機の磁束を推定するための磁束推定手段と、
   前記永久磁石同期電動機のトルクを制御するための指令であるトルク指令、前記直流電圧検出手段により検出された直流電圧、及び前記磁束推定手段により推定された磁束に基づいて、前記永久磁石同期電動機の磁束を制御するための指令である磁束指令を演算する磁束指令演算手段と
   を備えたことを特徴とするモータドライブシステム。
4. 前記直流電圧検出手段により検出された直流電圧に基づいて、前記永久磁石同期電動機のトルクを維持するように、前記永久磁石の磁束を変化させる磁束可変手段を備えたこと
   を特徴とする請求項２又は請求項３に記載のモータドライブシステム。
5. 前記磁束可変手段は、前記永久磁石の磁束を変化させるための磁化電流を前記インバータから前記永久磁石同期電動機に出力すること
   を特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のモータドライブシステム。
6. 前記永久磁石同期電動機は、前記回転子に前記永久磁石の磁束を変化させるための磁化巻線が巻かれ、
   前記永久磁石の磁束を変化させるための磁化電流を前記磁化巻線に流すための磁化巻線用磁化電流出力手段を備えたこと
   を特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のモータドライブシステム。
7. 磁束を変化させるための永久磁石を備えた永久磁石同期電動機を駆動するために、直流電力を交流電力に変換するインバータを制御するインバータ制御装置であって、
   前記インバータに入力される直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、
   前記直流電圧検出手段により検出された直流電圧に基づいて、前記永久磁石同期電動機のトルクを維持するように、前記永久磁石の磁束を変化させる磁束可変手段と
   を備えたことを特徴とするインバータ制御装置。
8. 磁束を変化させるための永久磁石を備えた永久磁石同期電動機を駆動するために、直流電力を交流電力に変換するインバータを制御するインバータ制御装置であって、
   前記インバータに入力される直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、
   前記永久磁石同期電動機の磁束を測定するための磁束測定手段と、
   前記永久磁石同期電動機のトルクを制御するための指令であるトルク指令、前記直流電圧検出手段により検出された直流電圧、及び前記磁束測定手段により測定された磁束に基づいて、前記永久磁石同期電動機の磁束を制御するための指令である磁束指令を演算する磁束指令演算手段と
   を備えたことを特徴とするインバータ制御装置。
9. 磁束を変化させるための永久磁石を備えた永久磁石同期電動機を駆動するために、直流電力を交流電力に変換するインバータを制御するインバータ制御装置であって、
   前記インバータに入力される直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、
   前記永久磁石同期電動機の磁束を推定するための磁束推定手段と、
   前記永久磁石同期電動機のトルクを制御するための指令であるトルク指令、前記直流電圧検出手段により検出された直流電圧、及び前記磁束推定手段により推定された磁束に基づいて、前記永久磁石同期電動機の磁束を制御するための指令である磁束指令を演算する磁束指令演算手段と
   を備えたことを特徴とするインバータ制御装置。
10. 前記直流電圧検出手段により検出された直流電圧に基づいて、前記永久磁石同期電動機のトルクを維持するように、前記永久磁石の磁束を変化させる磁束可変手段を備えたこと
    を特徴とする請求項８又は請求項９に記載のインバータ制御装置。
11. 前記磁束可変手段は、前記永久磁石の磁束を変化させるための磁化電流を前記インバータから前記永久磁石同期電動機に出力すること
    を特徴とする請求項７から請求項１０のいずれか１項に記載のインバータ制御装置。
12. 前記永久磁石同期電動機は、前記回転子に前記永久磁石の磁束を変化させるための磁化巻線が巻かれ、
    前記永久磁石の磁束を変化させるための磁化電流を前記磁化巻線に流すための磁化巻線用磁化電流出力手段を備えたこと
    を特徴とする請求項７から請求項１１のいずれか１項に記載のインバータ制御装置。

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