JP2011030352A - 電動機の電流制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電圧指令が電力変換器の電圧制限を越えるような電流指令が入力された場合においても、電動機に流れる出力電流がオーバーシュートするのを防止し、安定で正確な制御を実現する。
【解決手段】ＦＦ演算部１は、電力変換器３の出力電圧範囲に基づいた範囲にモデル電圧Ｖｍを制限しつつ、電動機８の電気特性モデルに基づく関係を持つようにモデル電圧Ｖｍと電流指令Ｉｒｅｆに追従するモデル電流Ｉｍとを演算する。
【選択図】 図１

Description

本発明は電動機の電流制御装置に関し、特に、電動機を駆動する電力変換器の出力電圧範囲を越えるような電流指令が入力された場合でも、安定で正確な電流制御を実現する方法に関する。

電力変換器を介して電動機を駆動させる電流制御装置では、電動機に流れた出力電流と電流指令とを比較し、その偏差が０になるように比例積分制御（ＰＩ制御）を行うＰＩ補償器により電圧指令を生成し、この電圧指令に従い電力変換器が駆動電圧を出力することで、電動機を駆動している。

この電力変換器は、その電源電圧によって出力できる電圧範囲が決まっている。このため、電力変換器の出力電圧範囲を超える電圧指令が発生する制御を行うと、電力変換器の出力がその最大電圧に制限されるという電圧飽和現象が発生する。この電圧飽和現象が発生すると、ＰＩ制御の積分演算に起因して出力電流がオーバーシュートし、正確で安定な電流制御ができなくなる。

このような現象の対策として、電力変換器の電圧飽和現象を検出すると、ＰＩ補償器の積分演算を停止し、電圧飽和現象から回復すると積分演算を再開する方式が広く用いられている（特許文献１）。

また、高応答の電流制御性能を安定して得るために、フィードフォワード演算で生成したモデル電流とモデル電圧により電流制御を行うものが提案されている（特許文献２）。この従来技術では、モデル制御器と電動機モデルを有する閉ループで構成されるフィードフォワード信号演算部を用いて、入力された電流指令に追従するモデル電流と、モデル電流と駆動させる電動機の電気特性に対応した関係をもつモデル電圧とが演算される。そして、モデル電圧に基づく電圧指令が電力変換器の出力電圧範囲を越えない場合は、モデル電流とモデル電圧を用いて電動機を高精度に制御できる。

また、フィードフォワード演算に電動機逆モデルを利用してモデル電圧を演算し、このモデル電圧を用いた制御により、電流制御を高応答化する方式も提案されている（特許文献３）。

特開平０９−０２８０９９号公報 特開平１１−１８４６９号公報 特開２００２−３２５４９９号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術によれば、電力変換器に出力電圧範囲を越える電圧指令が入力された時に積分演算を単に停止させるだけなので、電気的時定数が大きいなどの特性を持つ電動機を駆動させるような場合には、オーバーシュートを十分抑えられないという問題があった。

また、上記特許文献２、３の技術によれば、電圧指令が電力変換器の出力電圧範囲を越えない場合には電動機に流れる出力電流がオーバーシュートしない高精度な制御を行えるが、電圧指令が電力変換器の出力電圧範囲を越えるような場合には、電動機に流れる出力電流がオーバーシュートしてしまうため、安定した電流制御を行えないという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電圧指令が電力変換器の出力電圧範囲を越えるような電流指令が入力された場合においても、電動機に流れる出力電流がオーバーシュートするのを防止し、安定で正確な電流制御を実現する電動機の電流制御装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明における電動機の電流制御装置は、電動機を駆動する電力変換器と、前記電力変換器の出力電圧範囲に基づいた所定の範囲にモデル電圧を制限しつつ、電流指令に追従するモデル電流を前記モデル電圧に対して、前記電動機の電気特性モデルに基づく関係を持つように演算するＦＦ演算部と、前記電動機に流れる出力電流と前記モデル電流との偏差に基づいて電圧補正指令を演算する電流補償演算部と、前記モデル電圧と前記電圧補正指令とを加算して前記電力変換器の電圧指令を生成する加算器とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、電圧指令が電力変換器の出力電圧範囲を越えるような電流指令を入力した場合においても、電動機に流れる出力電流がオーバーシュートするのを防ぐ効果を奏する。

図１は、本発明に係る電動機の電流制御装置の実施の形態１の概略構成を示すブロック図である。 図２は、図１のＦＦ演算部１の概略構成の一例を示すブロック図である。 図３は、本発明に係る電動機の電流制御装置の実施の形態２，３の概略構成を示すブロック図である。 図４は、図３のＦＦ演算部１ａの概略構成の一例を示すブロック図である。 図５は、本発明に係る電動機の電流制御装置の実施の形態３に適用されるＦＦ演算部１ａの概略構成を示すブロック図である。 図６は、本発明に係る電動機の電流制御装置の実施の形態４の概略構成を示すブロック図である。 図７は、図６のＦＦ演算部１ｂの概略構成の一例を示すブロック図である。

以下に、本発明に係る電動機の電流制御装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明に係る電動機の電流制御装置の実施の形態１の概略構成を示すブロック図である。図１において、電動機の電流制御装置には、ＦＦ演算部１、減算器５、電流補償演算部４および加算器２が設けられている。

ＦＦ演算部１は、入力された電流指令Ｉｒｅｆに対して、電力変換器３の出力電圧範囲に制限したモデル電圧Ｖｍを加算器２に出力し、電流指令Ｉｒｅｆに追従するモデル電流Ｉｍを、前記モデル電圧Ｖｍに対して電動機８の電気特性モデルに基づく関係を持つように演算し減算器５に出力する。減算器５は、モデル電流Ｉｍと電流検出器６が検出する電動機８の出力電流の電流検出値Ｉｆｂとの偏差を求め、電流補償演算部４に出力する。電流補償演算部４は、モデル電流Ｉｍと電流検出値Ｉｆｂの偏差が０になるようにＰＩ制御に基づいた補償演算を行うことで、電圧補正指令Ｖａを生成する。加算器２は、モデル電圧Ｖｍと電圧補正指令Ｖａとを加算し、電圧指令Ｖｒｅｆとして電力変換器３に出力する。

そして、電力変換器３は、電圧指令Ｖｒｅｆに従って電動機８に電圧を印加し、出力電流が電動機８に流れることで、電動機８を駆動する。なお、電力変換器３としては、例えば、ＰＷＭ制御されるインバータを用いることができる。

ここで、ＦＦ演算部１は、電力変換器３の出力電圧範囲にモデル電圧Ｖｍを制限しつつ、モデル電圧Ｖｍと電流指令Ｉｒｅｆに追従するモデル電流Ｉｍとを、両者が電動機８の電気特性モデルに基づく関係を持つように演算することにより、通常の制御では電圧指令Ｖｒｅｆが電力変換器３の出力電圧範囲を越えるような電流指令Ｉｒｅｆが入力された場合においても、電動機８に流れる出力電流がオーバーシュートするのを防ぎ、安定で正確な電流制御を実現できる。

図２は、図１のＦＦ演算部１の概略構成の一例を示すブロック図である。図２に示すＦＦ演算部１には、フィルタ９および電動機電気特性逆モデル部１２が設けられている。ここで、フィルタ９には、減算器３１、比例ゲイン要素３２、制限器１０および積分器１１が設けられており、モデル電圧Ｖｍが電力変換器３の出力電圧範囲を越えないように制限器１０の出力Ｖｆを制限しつつ、電流指令Ｉｒｅｆに追従するモデル電流Ｉｍを演算する。

減算器３１は、電流指令Ｉｒｅｆとモデル電流Ｉｍとの偏差を求め、比例ゲイン要素３２に出力する。比例ゲイン要素３２は、減算器３１の出力をＫｍ倍し、制限器１０に出力する。制限器１０は、比例ゲイン要素３２の出力を所定の範囲になるように制限して出力する。積分器１１は、制限器１０の出力Ｖｆに対して積分演算を行い、モデル電流Ｉｍを生成する。

電動機電気特性逆モデル部１２は、モデル電圧Ｖｍとモデル電流Ｉｍとが電動機８の電気特性モデルに基づく関係を持つようにモデル電圧Ｖｍを生成する。すなわち、電動機電気特性逆モデル部１２は、モデル電流Ｉｍと制限器１０の出力Ｖｆに基づき、モデル抵抗値Ｒｍとモデルインダクタンス値Ｌｍを用いて、以下の（１）式に従いモデル電圧Ｖｍを算出する。
Ｖｍ＝Ｌｍ・Ｖｆ＋Ｒｍ・Ｉｍ ・・・（１）

なお、モデル抵抗値Ｒｍとモデルインダクタンス値Ｌｍは、電動機８の巻き線抵抗と巻線インダクタンスより決定する。

ここで、電動機電気特性逆モデル部１２には、モデル抵抗ゲイン要素３３、モデルインダクタンスゲイン要素３４および加算器３５が設けられている。

モデル抵抗ゲイン要素３３は、モデル電流Ｉｍにモデル抵抗値Ｒｍを乗算し、加算器３５に出力する。モデルインダクタンスゲイン要素３４は、制限器１０の出力Ｖｆにモデルインダクタンス値Ｌｍを乗算し、加算器３５に出力する。加算器３５は、モデル抵抗ゲイン要素３３の出力とモデルインダクタンスゲイン要素３４の出力とを加算し、（１）式に従いモデル電圧Ｖｍを算出する。

次に、図１のＦＦ演算部１として図２の構成が用いられた時の電動機の電流制御装置の動作について説明する。まず、図１の電力変換器３の出力電圧範囲に制限が無いと仮定し、図２の制限器１０が制限動作を行わない場合について電動機の電流制御装置の動作を説明する。

図２において、制限器１０が制限動作を行わない時には、ＦＦ演算部１は、モデル電流Ｉｍが１次遅れ特性を持って電流指令Ｉｒｅｆに追従するように演算する。また、ＦＦ演算部１は、電動機電気特性逆モデル部１２によってモデル電圧Ｖｍとモデル電流Ｉｍとを、電動機８の電気特性モデルに基づいた関係を持つように演算し出力する。このため、電動機電気特性逆モデル部１２にて与えられる電動機８の電気特性モデルが正確であるとすると、電動機８がモデル電圧Ｖｍに応じた動作をする時、電動機８に流れる出力電流とモデル電流Ｉｍは一致する。

そして、電動機８に流れる出力電流の電流検出値Ｉｆｂとモデル電流Ｉｍとの偏差は生じないため、電流補償演算部４の出力である電圧補正指令Ｖａは０となり、電圧指令Ｖｒｅｆはモデル電圧Ｖｍと同値になる。この結果、モデル電圧Ｖｍの値が電力変換器３に入力され、電動機８をモデル電圧Ｖｍに応じて動作させることができる。

このように、電力変換器３の出力電圧範囲に制限がない時、ＦＦ演算部１で演算するモデル電圧Ｖｍとモデル電流Ｉｍを用いた制御を行うことで、電動機８に流れる出力電流とモデル電流Ｉｍが一致するように電動機８を動作させ、電動機８に流れる出力電流をモデル電流Ｉｍに高精度に追従させることができる。

なお、電流補償演算部４は、外乱などによる定常偏差や電動機電気特性逆モデル部１２の誤差などに対して補償する役割を持つ。

次に、電力変換器３の出力電圧範囲に制限があるが、ＦＦ演算部１は制限器１０を備えない場合について電動機の電流制御装置の動作を説明する。

図１において、電圧指令Ｖｒｅｆが電力変換器３の出力電圧範囲を越えるような電流指令Ｉｒｅｆを入力すると、ＦＦ演算部１がモデル電圧Ｖｍに対し制限を加えなければ、モデル電圧Ｖｍは電力変換器３の出力電圧範囲を越える値に演算される。この結果、電力変換器３はモデル電圧Ｖｍに応じた電圧を電動機８に印加できず、電動機８はモデル電圧Ｖｍに従った動作ができない。このため、電動機８に流れる出力電流とモデル電流Ｉｍとは一致しないようになり、通常は出力電流とモデル電流Ｉｍの間に定常偏差を持たないようにＰＩ制御による補償を行う電流補償演算部４が、電動機８の出力電流の電流検出値Ｉｆｂとモデル電流Ｉｍに生じた偏差に対して補償が行うため、ＰＩ制御の積分演算に起因して電動機８の出力電流にオーバーシュートが発生し、電動機８に対して安定で正確な制御を行えなくなる。

次に、電力変換器３の出力電圧範囲に制限があり、ＦＦ演算部１が制限器１０の制限動作により、モデル電圧Ｖｍの範囲を制限する場合について電動機の電流制御装置の動作を説明する。

図２において、電力変換器３の出力電圧範囲を超えるような電流指令ＩｒｅｆがＦＦ演算部１に入力された場合、制限器１０は出力Ｖｆの出力範囲を制限する。この結果、制限器１０の出力Ｖｆに基づき電動機電気特性逆モデル部１２で演算されるモデル電圧Ｖｍの範囲が制限される。さらにモデル電流Ｉｍは、制限されたモデル電圧Ｖｍに対して電動機８の電気的特性に基づいた関係を有するように演算される。ここで、制限器１０が制限動作を行い、出力Ｖｆの範囲を制限することにより、モデル電圧Ｖｍが電力変換器３の出力電圧範囲を越えないとすると、電力変換器３の出力電圧範囲に制限がないと仮定した時と同様に、電圧指令Ｖｒｅｆはモデル電圧Ｖｍと同値となる。このため、電動機８がモデル電圧Ｖｍに従って動作することにより、電動機８に流れる出力電流はモデル電流Ｉｍと一致する。

電力変換器３の出力電圧範囲がＶｌｏｗからＶｕｐまでとすると、電圧指令Ｖｒｅｆが電力変換器３の出力電圧範囲を越えないようにするためには、モデル電圧Ｖｍの出力範囲は、以下の（２）式の条件を満たす必要がある。
Ｖｌｏｗ≦Ｖｍ≦Ｖｕｐ ・・・（２）

モデル電圧Ｖｍが（２）式の条件を満たすためには、（２）式と（１）式より、制限器１０がその出力Ｖｆを以下の（３）式の範囲に制限すればよい。
（Ｖｌｏｗ−Ｒｍ・Ｉｍ）／Ｌｍ≦Ｖｆ≦（Ｖｕｐ−Ｒｍ・Ｉｍ）／Ｌｍ・・・（３）

さらに、ＦＦ演算部１内部で制限器１０による制限動作を行うことの特長として、ＦＦ演算部１では、モデル電流Ｉｍと電流指令Ｉｒｅｆの偏差自体に対して積分演算を行うことなく、モデル電流Ｉｍが電流指令Ｉｒｅｆに追従するように演算できることが挙げられる。このため、制限器１０が制限動作を行って出力Ｖｆを生成するような場合でも、モデル電流Ｉｍと電流指令Ｉｒｅｆの偏差自体に対しては積分演算が行われないため、ＦＦ演算部１は、オーバーシュートを生じさせることなく、モデル電流Ｉｍを演算できる。

そして、電動機８に流れる出力電流とモデル電流Ｉｍが一致し、且つモデル電流Ｉｍにはオーバーシュートが発生しないため、電動機８に流れる出力電流にオーバーシュートが発生するのを防止し、電動機８の正確で安定な制御を実現できる。

なお、上述した実施の形態では、電動機電気特性逆モデル部１２は、（１）式に従ってモデル電圧Ｖｍを演算する方法について説明したが、以下の（４）式に示すように、制限器１０の出力Ｖｆを用いることなくモデル電圧Ｖｍを演算するようにしてもよい。なお、ｓはラプラス演算子を示す。
Ｖｍ＝（Ｌｍ・ｓ＋Ｒｍ）・Ｉｍ ・・・（４）

また、上述した実施の形態では、電動機電気特性逆モデル部１２は、（１）式に従ってモデル電圧Ｖｍを演算する方法について説明したが、電動機８の巻き線抵抗値が相対的に十分小さい値である場合には、電動機電気特性逆モデル部１２は、以下の（５）式に示すように、制限器１０の出力Ｖｆとモデルインダクタンス値Ｌｍだけを用いてモデル電圧Ｖｍを演算するようにしてもよい。
Ｖｍ＝Ｌｍ・Ｖｆ ・・・（５）

なお、（５）式からモデル電圧Ｖｍを演算する場合、（３）式で示される制限器１０の出力Ｖｆの範囲は、以下の（６）式で与える。
Ｖｌｏｗ／Ｌｍ≦Ｖｆ≦Ｖｕｐ／Ｌｍ ・・・（６）

実施の形態２．
図３は、本発明に係る電動機の電流制御装置の実施の形態２の概略構成を示すブロック図である。

電動機８が回転する場合、電動機８の回転速度ωに比例して誘起電圧Ｅが発生する。上述した実施の形態１では、この誘起電圧Ｅの影響を考慮していなかったが、誘起電圧Ｅの影響が大きい場合には誘起電圧Ｅに対する補償を行うようにした方が高精度な制御を実現できる。このような場合にも、電圧指令Ｖｒｅｆが電力変換器３の出力電圧範囲を超えないようにモデル電圧Ｖｍの出力範囲を制限することで、電動機８に流れる出力電流がオーバーシュートするのを防止し、電動機８の正確で安定な制御を実現できる。

ここで、図３の電動機の電流制御装置では、図１のＦＦ演算部１の代わりにＦＦ演算部１ａが設けられるとともに、図１の電動機の電流制御装置の構成に加え、誘起電圧補償部１３および加算器１４が設けられている。

誘起電圧補償部１３は、回転検出器７が検出する電動機８の回転速度ωと誘起電圧定数Ｋｅから、以下の（７）式に従って誘起電圧補償量Ｅ＊を演算する。ここで、誘起電圧補償部１３には、電動機８の回転速度ωに誘起電圧定数Ｋｅを乗算する誘起電圧ゲイン要素３６が設けられている。
Ｅ＊＝Ｋｅ・ω ・・・（７）

そしてＦＦ演算部１ａは、誘起電圧補償量Ｅ＊を考慮し、電流指令Ｉｒｅｆと電動機８の回転速度ωに対応して、電圧指令Ｖｒｅｆが電力変換器３の出力電圧範囲を超えないようにモデル電圧Ｖｍを制限して演算し、加算器２に出力する。さらにＦＦ演算部１ａは、電流指令Ｉｒｅｆに追従するモデル電流Ｉｍを、モデル電圧Ｖｍと電動機８の電気特性モデルに基づく関係を持つように演算し、減算器５に出力する。

一方、電流検出器６は電動機８の出力電流を検出し、その電流検出値Ｉｆｂを減算器５に出力する。そして、減算器５は、モデル電流Ｉｍと電流検出値Ｉｆｂとの偏差を求め、電流補償演算部４に出力する。

電流補償演算部４は、モデル電流Ｉｍと電流検出値Ｉｆｂとの偏差が０になるようにＰＩ制御に基づいた補償演算を行い、加算器２に電圧補正指令Ｖａとして出力する。

そして、加算器２は、モデル電圧Ｖｍと電圧補正指令Ｖａとを加算し、加算器１４に出力する。そして、加算器１４は、誘起電圧補償量Ｅ＊と加算器２の出力とを加算することで電圧指令Ｖｒｅｆを生成し、電力変換器３に出力する。

電力変換器３は、電圧指令Ｖｒｅｆに従って電動機８に電圧を印加し、電動機８に出力電流が流れることで、電動機８が駆動される。

ここで、ＦＦ演算部１ａは、誘起電圧補償量Ｅ＊を考慮して、電圧指令Ｖｒｅｆが電力変換器３の出力電圧範囲を超えないようにモデル電圧Ｖｍを制限しつつ、モデル電圧Ｖｍと電流指令Ｉｒｅｆに追従するモデル電流Ｉｍとを、電動機８の電気特性モデルに基づく関係を持つように演算することにより、電圧指令Ｖｒｅｆが電力変換器３の出力電圧範囲を越えるような電流指令Ｉｒｅｆが入力された場合においても、誘起電圧Ｅに対する補償を行いつつ、電動機８に流れる出力電流がオーバーシュートするのを防止し、安定で正確な電流制御を実現できる。

図４は、図３のＦＦ演算部１ａの概略構成の一例を示すブロック図である。図４において、ＦＦ演算部１ａには、図２のフィルタ９に代わりにフィルタ９ａが設けられ、フィルタ９ａには、図２の制限器１０に代わりに制限器１０ａが設けられている。ここで、制限器１０ａは、電動機８の回転速度ωと誘起電圧定数Ｋｅから求められる誘起電圧補償量Ｅ＊に基づいて、出力Ｖｆの制限範囲を変更する。具体的には、制限器１０ａは、誘起電圧補償量Ｅ＊を考慮して、電圧指令Ｖｒｅｆが電力変換器３の出力電圧範囲を超えないようにモデル電圧Ｖｍを制限するために、電流指令Ｉｒｅｆとモデル電流Ｉｍとの偏差をＫｍ倍した値を所定の範囲に制限して出力Ｖｆを出力する。

次に、図３のＦＦ演算部１ａとして図４の構成が用いられた時の電動機の電流制御装置の動作について説明する。

図３において、加算器１４にて誘起電圧補償量Ｅ＊を加算している電圧指令Ｖｒｅｆに応じて電力変換器３が電動機８に対して印加する電圧のうち、誘起電圧補償量Ｅ＊に対応する電圧が誘起電圧Ｅを打ち消すように補償される。そして電動機８は、電圧指令Ｖｒｅｆから誘起電圧補償量Ｅ＊を除いた指令量に応じて印加される電圧によって、電動機８に出力電流が流れ、電動機８は駆動される。

電力変換器３の出力電圧範囲を超えるような電流指令Ｉｒｅｆが入力された場合、ＦＦ演算部１ａにおいて、制限器１０ａは出力Ｖｆを、電力変換器３の出力電圧範囲と誘起電圧補償量Ｅ＊に基づいた範囲に制限する。この結果、電動機電気特性逆モデル部１２にて演算されるモデル電圧Ｖｍの範囲は制限され、モデル電圧Ｖｍと誘起電圧補償量Ｅ＊を加算した値が電力変換器３の出力電圧範囲を越えないものとすると、電圧指令Ｖｒｅｆはモデル電圧Ｖｍと誘起電圧補償量Ｅ＊を加算した値と一致し、電圧指令Ｖｒｅｆから誘起電圧補償量Ｅ＊を除いた値であるモデル電圧Ｖｍに従って電動機８が動作する。

そして、モデル電流Ｉｍと制限されたモデル電圧Ｖｍとは、電動機電気特性逆モデル部１２にて電動機８の電気的特性に基づいた関係を有するように演算されることから、電動機８をモデル電圧Ｖｍに従って動作させることで、電動機８に流れる出力電流はモデル電流Ｉｍに一致する。

また、制限器１０ａが制限動作を行わない時には、ＦＦ演算部１ａは、モデル電流Ｉｍが１次遅れ特性を持って電流指令Ｉｒｅｆに追従するように演算する。

電力変換器３の電圧範囲がＶｌｏｗからＶｕｐまでとすると、電圧指令Ｖｒｅｆが電力変換器３の出力電圧範囲を越えないためには、モデル電圧Ｖｍの出力範囲は、以下の（８）式の条件を満たす必要がある。
Ｖｌｏｗ−Ｅ＊≦Ｖｍ≦Ｖｕｐ−Ｅ＊ ・・・（８）

モデル電圧Ｖｍが（８）式の条件を満たすためには、（８）式と（１）式より、電動機８の回転速度ωから求まる誘起電圧補償量Ｅ＊に応じて、制限器１０ａがその出力Ｖｆを以下の（９）式の範囲に制限すればよい。
（Ｖｌｏｗ−Ｅ＊−Ｒｍ・Ｉｍ）／Ｌｍ≦Ｖｆ≦（Ｖｕｐ−Ｅ＊−Ｒｍ・Ｉｍ）／Ｌｍ
・・・（９）

実施の形態２の電動機の電流制御装置では、実施の形態１の電動機の電流制御装置と同様に、ＦＦ演算部１ａは、モデル電流Ｉｍと電流指令Ｉｒｅｆの偏差自体に対して積分演算を行うことなく、モデル電流Ｉｍが電流指令Ｉｒｅｆに追従するように演算する。このため、制限器１０ａが制限動作を行ってＶｆを出力するような場合でも、ＦＦ演算部１ａは、オーバーシュートを生じさせることなく、モデル電流Ｉｍを演算できる。

そして、電動機８に流れる出力電流とモデル電流Ｉｍが一致し、且つモデル電流Ｉｍにはオーバーシュートが発生しないため、電動機８に流れる出力電流にオーバーシュートが発生するのを防止し、電動機８の正確で安定な制御を実現できる。

また、上記では誘起電圧補償部１３を用いる構成について説明したが、電流補償演算部４の応答が十分速ければ電流補償演算部４により誘起電圧の補償がなされる。このような場合においても、ＦＦ演算部１ａを用いてもよい。

なお、上述した実施の形態では、モデル電圧Ｖｍを演算する電動機電気特性逆モデル部１２は、（１）式に従ってモデル電圧Ｖｍを演算する方法について説明したが、（４）式に従ってモデル電圧Ｖｍを演算するようにしてもよい。

また、上述した実施の形態では、電動機電気特性逆モデル部１２は、（１）式に従ってモデル電圧Ｖｍを演算する方法について説明したが、電動機電気特性逆モデル部１２は、制限器１０の出力Ｖｆとモデルインダクタンス値Ｌｍだけを用いて（５）式に従ってモデル電圧Ｖｍを演算するようにしてもよい。

なお、（５）式からモデル電圧Ｖｍを演算する場合、（９）式で示される制限器１０ａの出力Ｖｆの範囲は、以下の（１０）式で与える。
（Ｖｌｏｗ−Ｅ＊）／Ｌｍ≦Ｖｆ≦（Ｖｕｐ−Ｅ＊）／Ｌｍ ・・・（１０）

実施の形態３．
図５は、本発明に係る電動機の電流制御装置の実施の形態３に適用されるＦＦ演算部の概略構成を示すブロック図である。図５の構成のＦＦ演算部は、図３の構成をとる電動機の電流制御装置のＦＦ演算部１ａにおいて、図４の構成の代わりに設けられるものである。

ここで、図５のＦＦ演算部１ａには、巻き線抵抗ゲイン要素１７、減算器３７、比例ゲイン要素１５、加算器１８、制限器１０ｂおよび電動機電気特性モデル部１６が設けられている。

巻き線抵抗ゲイン要素１７は、モデル電流Ｉｍに電動機８の巻き線抵抗値Ｒａを乗算し、加算器１８に出力する。減算器３７は、電流指令Ｉｒｅｆとモデル電流Ｉｍとの偏差を求め、比例ゲイン要素１５に出力する。比例ゲイン要素１５は、電流指令Ｉｒｅｆとモデル電流Ｉｍとの偏差をＫｌ倍し、加算器１８に出力する。加算器１８は、比例ゲイン要素１５の出力と巻き線抵抗ゲイン要素１７の出力との加算結果を制限器１０ｂに出力する。制限器１０ｂは、加算器１８の出力Ｖｃに対して電動機８の回転速度ωと誘起電圧定数Ｋｅから求まる誘起電圧補償量Ｅ＊に基づいて出力範囲を変更する制限動作を行うことでモデル電圧Ｖｍを生成する。電動機電気特性モデル部１６は、モデル電圧Ｖｍに対して電動機８の電気特性モデルに基づく１次遅れ特性を持つようにモデル電流Ｉｍを演算する。

次に、図３のＦＦ演算部１ａとして図５の構成が用いられた時の電動機の電流制御装置の動作について説明する。

図５において、電動機電気特性モデル部１６は、電動機８の電気特性を模擬し、モデル電流Ｉｍとモデル電圧Ｖｍとが電動機８の所定の電気特性モデルに基づいた関係になるように演算する。

ここで、電動機電気特性モデル部１６の演算では、実際の電動機と異なり出力に誤差などが生じないため、ＦＦ演算部１ａは、モデル電流Ｉｍと電流指令Ｉｒｅｆの偏差に対して積分を伴わない比例演算を比例ゲイン要素１５にて行うとともに、巻き線抵抗値Ｒａを用いたモデル電流Ｉｍに基づく補償演算を加算器１８にて行うことにより、制限器１０ｂが制限動作を行わない時は、モデル電流Ｉｍは電流指令Ｉｒｅｆに対して１次遅れ特性を持って追従する。

さらに、ＦＦ演算部１ａは、制限器１０ｂにてモデル電圧Ｖｍを所定の範囲になるように制限し、モデル電流Ｉｍを制限されたモデル電圧Ｖｍに対して電動機８の電気特性モデルに基づく関係を持つように演算する。このため、ＦＦ演算部１ａは、実施の形態２におけるモデル電圧Ｖｍおよびモデル電流Ｉｍと同様に、誘起電圧補償量Ｅ＊を考慮して、電圧指令Ｖｒｅｆが電力変換器３の出力電圧範囲を超えないようにモデル電圧Ｖｍを制限しつつ、電動機８の電気特性モデルに基づく関係を持つようモデル電圧Ｖｍとモデル電流Ｉｍとを演算できる。

そして、電力変換器３の出力電圧範囲がＶｌｏｗからＶｕｐまでとすると、電圧指令Ｖｒｅｆが、電力変換器３の出力電圧範囲を越えないようにするためには、制限器１０ｂはモデル電圧Ｖｍの出力範囲を、（８）式の条件を満たすように制限すればよい。

また、実施の形態２と同様に電流指令Ｉｒｅｆに追従するモデル電流Ｉｍは、制限器１０ｂにて制限されたモデル電圧Ｖｍに対して電動機８の電気的特性に基づいた関係を有するように演算される。このため、電動機８がモデル電圧Ｖｍに従って動作するとき、電動機８に流れる出力電流はモデル電流Ｉｍと一致する。

さらに、ＦＦ演算部１ａは、実施の形態２と同様に、モデル電流Ｉｍと電流指令Ｉｒｅｆの偏差自体に対して積分演算を行うことなく、モデル電流Ｉｍが電流指令Ｉｒｅｆに追従するように演算している。このため、制限器１０ｂが制限動作を行う場合でも、ＦＦ演算部１ａは、オーバーシュートを生じさせることなく、モデル電流Ｉｍを演算できる。

そして、電動機８に流れる出力電流とモデル電流Ｉｍが一致し、且つモデル電流Ｉｍにはオーバーシュートが発生しないため、電動機８に流れる出力電流にオーバーシュートが発生するのを防止し、実施の形態２と同様に、電動機８の正確で安定な制御を実現できる。

また、上述した実施の形態３では、誘起電圧を補償するために誘起電圧補償部１３を用いる構成について説明したが、電流補償演算部４の応答が十分速ければ、電流補償演算部４により誘起電圧の補償がなされる。このような場合においても、実施の形態２と同様に、ＦＦ演算部１ａを用いてもよい。

実施の形態４．
図６は、本発明に係る電動機の電流制御装置の実施の形態４の概略構成を示すブロック図である。図６において、この電動機の電流制御装置には、図１のＦＦ演算部１の代わりにＦＦ演算部１ｂが設けられている。

ＦＦ演算部１ｂは、電流指令Ｉｒｅｆと回転検出器７にて検出される電動機８の回転速度ωに対応して誘起電圧補償量Ｅ＊を含むモデル電圧Ｖｍとモデル電流Ｉｍを出力する。

回転検出器７は電動機８の回転速度ωを検出し、ＦＦ演算部１ｂに出力する。そして、ＦＦ演算部１ｂは、電流指令Ｉｒｅｆが入力されると、誘起電圧補償量Ｅ＊を含むモデル電圧Ｖｍとモデル電流Ｉｍとの間に電動機８の電気特性モデルに基づく関係を持たせつつ、電力変換器３の出力電圧範囲にモデル電圧Ｖｍを制限して演算し、加算器２に出力するとともに、電流指令Ｉｒｅｆに追従するようにモデル電流Ｉｍを演算し、減算器５に出力する。

一方、電流検出器６は電動機８の出力電流を検出し、その電流検出値Ｉｆｂを減算器５に出力する。そして、減算器５はモデル電流Ｉｍと電流検出値Ｉｆｂとの偏差を求め、電流補償演算部４に出力する。

そして、電流補償演算部４は、モデル電流Ｉｍと電流検出値Ｉｆｂとの偏差が０になるようにＰＩ制御に基づいた補償演算を行い、電圧補正指令Ｖａとして加算器２に出力する。

加算器２は、モデル電圧Ｖｍと電圧補正指令Ｖａとを加算し、電圧指令Ｖｒｅｆを電力変換器３に出力する。

そして、電力変換器３は入力された電圧指令Ｖｒｅｆに従って電動機８に電圧を印加し、電動機８に出力電流が流れることで、電動機８が駆動される。

ここで、ＦＦ演算部１ｂは、電力変換器３の電圧範囲にモデル電圧Ｖｍを制限しつつ、電動機８の電気特性モデルに基づく関係を持つように、誘起電圧補償量Ｅ＊を含むモデル電圧Ｖｍと、電流指令Ｉｒｅｆに追従するモデル電流Ｉｍとを演算することにより、電圧指令Ｖｒｅｆが電力変換器３の電圧範囲を越えるような電流指令Ｉｒｅｆが入力された場合においても、誘起電圧Ｅに対する補償を行いつつ、電動機８に流れる出力電流がオーバーシュートするのを防止し、安定で正確な電流制御を実現できる。

図７は、図６のＦＦ演算部１ｂの概略構成の一例を示すブロック図である。図７において、ＦＦ演算部１ｂには、図５の制限器１０ｂの代わりに、加算器１９、制限器１０ｃ、減算器２０および誘起電圧補償部１３ａが設けられている。

誘起電圧補償部１３ａは、電動機８の回転速度ωと誘起電圧定数Ｋｅから誘起電圧補償量Ｅ＊を演算する。ここで、誘起電圧補償部１３ａには、電動機８の回転速度ωに誘起電圧定数Ｋｅを乗算する誘起電圧ゲイン要素３６ｃが設けられている。

加算器１９は、加算器１８の出力Ｖｃと誘起電圧補償量Ｅ＊とを加算し、制限器１０ｃに出力する。制限器１０ｃは、加算器１９の出力に対して電力変換器３の出力電圧範囲に基づいた範囲に従って制限動作を行うことでモデル電圧Ｖｍを生成する。減算器２０は、モデル電圧Ｖｍから誘起電圧補償量Ｅ＊を減算し、電動機電気特性モデル部１６に出力する。

次に、図６のＦＦ演算部１ｂとして図７の構成が用いられた時の電動機の電流制御装置の動作について説明する。

図７において、ＦＦ演算部１ｂでは、電動機電気特性モデル部１６と誘起電圧補償部１３ａと減算器２０とで、誘起電圧Ｅの影響も含めた電動機８の特性が模擬される。そして、モデル電圧Ｖｍに対し誘起電圧Ｅの影響も含めた電動機８の所定の電気特性モデルに基づいた関係になるようにモデル電流Ｉｍが演算される。また、誘起電圧補償部１３ａと加算器１９による演算で誘起電圧Ｅに対する補償が行われる。

ここで、図７のＦＦ演算部１ｂにおいて、誘起電圧補償量Ｅ＊は、制限器１０ｃを挟んで、加算器１９で加算され、減算器２０で減算される。このため、制限器１０ｃが制限動作を行わない時は、電流指令Ｉｒｅｆに対するモデル電流Ｉｍの関係には誘起電圧補償量Ｅ＊の加算および減算の影響が現れない。加算器１９と減算器２０を無視すると、ＦＦ演算部１ｂの構成は実施の形態３のＦＦ演算部１ａの構成と同等である。このため、制限器１０ｃが制限動作を行わない時は、実施の形態３と同様に、モデル電流Ｉｍは１次遅れ特性を持って電流指令Ｉｒｅｆに追従する。

さらに、ＦＦ演算部１ｂにおいて、制限器１０ｃは、誘起電圧補償量Ｅ＊を含む入力を所定の範囲に制限することで、モデル電流Ｖｍを出力する。制限器１０ｃの入力が制限値を越えるような電流指令Ｉｒｅｆが入力された時、制限器１０ｃが制限動作を行い、モデル電圧Ｖｍが電力変換器３の出力電圧範囲を越えないように制限されたとすると、電圧指令Ｖｒｅｆはモデル電圧Ｖｍと一致する。そして、電力変換器３は、モデル電圧Ｖｍに従って電動機８に電圧を印加し、電動機電気特性モデル部１６と誘起電圧補償部１３ａと減算器２０との作用で模擬した特性に対応する出力電流が流れるように電動機８を動作させるため、電動機８の出力電流はモデル電流Ｉｍに対して高精度に追従することができる。

出力電圧範囲がＶｌｏｗからＶｕｐまでとなっている電力変換器３に対して、電圧指令Ｖｒｅｆが電圧制限を超えないようにするためには、制限器１０ｃは、モデル電圧Ｖｍの出力を以下の（１１）の条件を満たすように制限すればよい。
Ｖｌｏｗ≦Ｖｍ≦Ｖｕｐ ・・・（１１）

さらに、ＦＦ演算部１ｂでは、実施の形態３と同様に、モデル電流Ｉｍと電流指令Ｉｒｅｆの偏差自体に対して積分演算を行うことなく、モデル電流Ｉｍが電流指令Ｉｒｅｆに追従するように演算しているために、制限器１０ｃが制限動作を行うような場合でも、ＦＦ演算部１ｂは、オーバーシュートを生じさせることなく、モデル電流Ｉｍを演算できる。

従って、電動機８に流れる出力電流とモデル電流Ｉｍが一致し、且つモデル電流Ｉｍにはオーバーシュートが発生しないため、電動機８に流れる出力電流にオーバーシュートが発生するのを防止し、電動機８の正確で安定な制御を実現できる。

以上のように本発明に係る電動機の電流制御装置は、電圧指令が電力変換器の出力電圧範囲を越えないように制限を加えたモデル電圧と、モデル電圧に対して電動機の電気特性に基づく関係を持つモデル電流とに応じて電動機を動作させ、モデル電流にオーバーシュートが発生しないようにＦＦ演算部の演算を行うことで、電動機の出力電流にもオーバーシュートが発生しない正確で安定した電流制御を実現する方法に適している。

１、１ａ、１ｂ ＦＦ演算部
２、１４、１８、１９、３５ 加算器
３ 電力変換器
４ 電流補償演算部
５、２０、３１、３７ 減算器
６ 電流検出器
７ 回転検出器
８ 電動機
９、９ａ フィルタ
１０、１０ａ〜１０ｃ 制限器
１１ 積分器
１２ 電動機電気特性逆モデル部
１３、１３ａ 誘起電圧補償部
１５、３２ 比例ゲイン要素
１６ 電動機電気特性モデル部
１７ 巻き線抵抗ゲイン要素
３３ モデル抵抗ゲイン要素
３４ モデルインダクタンスゲイン要素
３６、３６ａ〜３６ｃ 誘起電圧ゲイン要素

Claims (5)

1. 電動機を駆動する電力変換器と、
   前記電力変換器の出力電圧範囲に基づく範囲にモデル電圧を制限しつつ、前記電動機の電気特性モデルに基づく関係を持つように前記モデル電圧と、電流指令に追従するモデル電流とを演算するＦＦ演算部と、
   前記電動機に流れる出力電流と前記モデル電流との偏差に基づいて電圧補正指令を演算する電流補償演算部と、
   前記モデル電圧と前記電圧補正指令との加算結果に基づいて前記電力変換器の電圧指令を生成する加算器とを備えることを特徴とする電動機の電流制御装置。
2. 前記ＦＦ演算部は、
   前記電流指令と前記モデル電流の偏差を比例倍する比例ゲイン要素と、
   前記比例ゲイン要素の出力を前記電力変換器出力電圧範囲に基づく範囲に制限する制限器と、
   前記制限器の出力を積分することによりモデル電流を生成する積分器と、
   前記制限器の出力および前記モデル電流のいずれか少なくとも１つに基づいて、前記モデル電流に対して前記電動機の電気特性モデルに基づく関係を持つようにモデル電圧を生成する電動機電気特性逆モデル部とを備えることを特徴する請求項１記載の電動機の電流制御装置。
3. 前記ＦＦ演算部は、
   前記電動機の電気特性モデルに基づいた１次遅れ特性から前記モデル電圧に応じて前記モデル電流を出力する電動機電気特性モデル部と、
   前記電流指令と前記モデル電流との偏差を比例倍する比例ゲイン要素と、
   前記モデル電流に前記電動機の巻き線抵抗値を掛けた値を出力する巻き線抵抗ゲイン要素と、
   前記比例ゲイン要素の出力と前記巻き線抵抗ゲイン要素の出力を加算する加算器と、
   前記加算器の出力を前記電力変換器の出力電圧範囲に基づく範囲に制限することで前記モデル電圧を生成する制限器とを備えることを特徴する請求項１記載の電動機の電流制御装置。
4. 前記制限器は、前記電動機の回転速度から演算された誘起電圧補償量に応じて前記モデル電圧の出力範囲を変更することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電動機の電流制御装置。
5. 前記制限器は、前記電動機の回転速度から演算する誘起電圧補償量を加算した入力を、前記電力変換器の出力電圧範囲に基づいた範囲に制限することで前記モデル電圧を生成し、
   前記電動機電気特性モデル部は、前記誘起電圧補償量を減算した前記モデル電圧に応じて前記モデル電流を演算することを特徴とする請求項３記載の電動機の電流制御装置。

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