JP2011217505A - 同期モータの制御装置、及び同期モータの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】同期モータへ印加される電流ベクトルと電圧ベクトルとの位相差を簡易な構成で求めて目標位相差に一致するように制御できる同期モータの制御装置、及び同期モータの制御方法を提供する。
【解決手段】制御装置は、駆動部と、同期モータへ印加される電流ベクトルと電圧ベクトルとの位相差を求める演算部と、前記演算部により求められた位相差が目標位相差に一致するように回転座標系上で電圧ベクトルの位相角を調整するとともに、前記回転座標系上で電圧ベクトルの位相角を調整した状態の前記固定座標系における電圧ベクトルの回転速度を推定する推定部と、前記固定座標系において前記推定部により推定された回転速度で電圧ベクトルを回転させたときに前記位相差と前記目標位相差とのずれが生じないように、前記回転座標系における電圧ベクトルの大きさを制御する制御部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、同期モータの制御装置、及び同期モータの制御方法に関する。

ブラシレス同期モータを効率的に運転する駆動技術として、負荷や回転数に応じてモータ電圧とモータ電流との位相差を所定の角度に制御する技術がある。

特許文献１には、同期モータの制御装置において、同期モータに印加される電圧のベクトル位相と電流のベクトル位相とを求め、電圧のベクトル位相と電流のベクトル位相との位相差である力率をリアルタイムで演算することが記載されている。具体的には、制御装置は、３相信号源からＲ相、Ｓ相、Ｔ相の信号（３相信号）を受けて、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相の信号の大小関係から３相信号が区間「０」〜「５」のどの区間にあるかを判別する。そして、制御装置は、その判別結果から３相信号の換算位相値を算出し、この算出した換算位相値から電圧のベクトル位相と電流のベクトル位相とを求める。これにより、特許文献１によれば、簡易な構成で精度の高い同期モータの同期運転制御を実現することができるとされている。

特許文献２には、ブラシレスＤＣモータの駆動装置において、ブラシレスＤＣモータに印加される１相又は３相の電流を検出し、検出した電流の位相を演算し、その演算された位相と指令された電流位相との差（電流位相差）が０になるように制御することが記載されている。これにより、特許文献２によれば、電圧に対する電流の位相差を任意に制御することができるとされている。

特開２００８−１９９７０６号公報 特開平５−２３６７８９号公報

特許文献１の制御装置では、同期モータに印加される電圧のベクトル位相と電流のベクトル位相との位相差の演算を３相（Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相）の固定座標系上で行うので、位相差の演算処理が複雑になる。これにより、制御装置の構成も複雑になるので、制御装置の製造コストが高くなる。

特許文献２には、ブラシレスＤＣモータに印加される電流と電圧との位相差をどのようにして演算するのかについて記載がない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、同期モータへ印加される電流ベクトルと電圧ベクトルとの位相差を簡易な構成で求めて目標位相差に一致するように制御できる同期モータの制御装置、及び同期モータの制御方法を提供す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、本発明にかかる同期モータの制御装置は、外部から指令回転速度を受けて、前記指令回転速度で動作するようにセンサレス同期モータを制御する同期モータの制御装置であって、前記同期モータを駆動する駆動部と、前記駆動部により前記同期モータを駆動する際の固定座標系における電流ベクトルを回転座標系における電流ベクトルへ変換し、少なくとも前記変換された前記回転座標系における電流ベクトルを用いて、前記同期モータへ印加される電流ベクトルと電圧ベクトルとの位相差を求める演算部と、前記演算部により求められた位相差が目標位相差に一致するように前記回転座標系上で電圧ベクトルの位相角を調整するとともに、前記回転座標系上で電圧ベクトルの位相角を調整した状態の前記固定座標系における電圧ベクトルの回転速度を推定する推定部と、前記固定座標系において前記推定部により推定された回転速度で電圧ベクトルを回転させたときに前記位相差と前記目標位相差とのずれが生じないように、前記回転座標系における電圧ベクトルの大きさを制御する制御部とを備え、前記駆動部は、前記制御部により制御された電圧ベクトルに対応した電圧で前記同期モータが動作するように、前記同期モータを駆動することを特徴とする。

また、本発明にかかる同期モータの制御装置は、上記の発明において、前記回転座標系は、互いに直交するδ軸とγ軸とからなり、前記演算部は、前記固定座標系における電流ベクトルを、前記制御部により制御された電圧ベクトルの方向が前記δ軸に一致するように定義された回転座標系における電流ベクトルへ変換することを特徴とする。

また、本発明にかかる同期モータの制御装置は、上記の発明において、前記演算部は、前記回転座標系における電流ベクトルの前記δ軸の成分をｉ_δとし、前記γ軸の成分をｉ_γとしたとき、ｔａｎ（Δθ）＝ｉ_γ／ｉ_δの式により、前記同期モータへ印加される電流ベクトルと電圧ベクトルとの位相差Δθを求めることを特徴とする。

また、本発明にかかる同期モータの制御方法は、外部から指令回転速度を受けて、前記指令回転速度で動作するようにセンサレス同期モータを制御する同期モータの制御方法であって、前記駆動部により前記同期モータを駆動する際の固定座標系における電流ベクトルを回転座標系における電流ベクトルへ変換し、少なくとも前記回転座標系における前記変換された電流ベクトルを用いて、前記同期モータへ印加される電流ベクトルと電圧ベクトルとの位相差を求め、前記求められた位相差が目標位相差に一致するように前記回転座標系上で電圧ベクトルの位相角を調整するとともに、前記回転座標系上で電圧ベクトルの位相角を調整した状態の前記固定座標系における電圧ベクトルの回転速度を推定し、前記固定座標系において前記推定された回転速度で電圧ベクトルを回転させたときに前記位相差と前記目標位相差とのずれが生じないように、前記回転座標系における電圧ベクトルの大きさを制御し、前記制御された電圧ベクトルに対応した電圧で前記同期モータが動作するように、前記同期モータを駆動することを特徴とする。

本発明にかかる同期モータの制御装置、及び同期モータの制御方法は、同期モータへ印加される電流ベクトルと電圧ベクトルとの位相差を簡易な構成で求めて目標位相差に一致するように制御できるという効果を奏する。

図１は、実施の形態にかかる同期モータの制御装置の構成を示す図である。 図２は、γ−δ座標系における電圧ベクトルと電流ベクトルとを示す図である。 図３は、実施の形態における位相差検出器の構成を示す図である。 図４は、γ−δ座標系とｄ−ｑ座標系との関係を示す図である。 図５は、実施の形態における速度推定器の構成を示す図である。 図６は、実施の形態における電圧制御器の構成を示す図である。 図７は、実施の形態にかかる同期モータの制御方法を示すフローチャートである。 図８は、実施の形態の変形例にかかる同期モータの制御装置の構成を示す図である。

以下に、本発明にかかる同期モータの制御装置の実施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本発明が限定されるものではない。

実施の形態にかかる同期モータの制御装置１について図１を用いて説明する。制御装置１は、外部から指令回転速度を受ける。制御装置１は、指令回転速度で動作するようにセンサレス同期モータ（以下、同期モータとする）Ｍを制御する。同期モータＭは、例えば、ブラシレス永久磁石モータ及び負荷を含む。図１は、回転座標系において位相差を制御する制御装置１の構成を示すブロック図である。

制御装置１は、駆動部１０、検出部５０、演算部２０、推定部３０、制御部４０、及び積分器６０を備える。

駆動部１０は、３相の交流信号Ｕ、Ｖ、Ｗを同期モータＭへ供給することにより、同期モータＭを駆動する。駆動部１０の内部構成は、後述する。

検出部５０は、少なくとも２相の電流の振幅を検出（ピックアップ）する。具体的には、検出部５０は、電流センサ５１、及び電流センサ５２を含む。電流センサ５１は、Ｕ相の電流ｉ_Ｕの振幅を検出し演算部２０へ供給する。電流センサ５２は、Ｗ相の電流ｉ_Ｗの振幅を検出し演算部２０へ供給する。電流センサ５１、及び電流センサ５２は、それぞれ、電流値をＡＤ変換してデジタルコンピュータで制御可能な信号として演算部２０へ供給しても良い。

演算部２０は、駆動部１０により同期モータＭを駆動する際の固定座標系（ＵＶＷ座標系）における電流ベクトル（ｉ_Ｕ，ｉ_Ｗ）を回転座標系（γ−δ座標系）における電流ベクトル（ｉ_γ，ｉ_δ）へ変換する。回転座標系（γ−δ座標系）は、互いに交差するδ軸とγ軸とを有する。そして、演算部２０は、少なくとも変換された回転座標系における電流ベクトル（ｉ_γ，ｉ_δ）を用いて、同期モータＭへ印加される電流ベクトルＩと電圧ベクトルＶとの位相差を求める。

具体的には、演算部２０は、３相−２相変換器（ＵＶＷ／γ−δ）２１、及び位相差検出器２２を含む。

３相−２相変換器２１は、Ｕ相の電流ｉ_Ｕの振幅の検出値を電流センサ５１から受け、Ｗ相の電流ｉ_Ｗの振幅の検出値を電流センサ５２から受ける。また、３相−２相変換器２１は、回転座標系の位相角θ（電圧ベクトルの位相角−π／２）を積分器６０から受ける。３相−２相変換器２１は、例えば、次の式（１）及び式（２）により、固定座標系（ＵＶＷ座標系）における電流ベクトル（ｉ_Ｕ，ｉ_Ｗ）を回転座標系（γ−δ座標系）における電流ベクトル（ｉ_γ，ｉ_δ）へ変換する。

ｉ_γ＝（√２）｛ｉ_Ｕ×ｃｏｓ（θ＋３０°）−ｉ_Ｗ×ｓｉｎ（θ）｝・・・（１）
ｉ_δ＝−（√２）｛ｉ_Ｕ×ｓｉｎ（θ＋３０°）＋ｉ_Ｗ×ｃｏｓ（θ）｝・・・（２）
３相−２相変換器２１は、固定座標系（ＵＶＷ座標系）における電流ベクトル（ｉ_Ｕ，ｉ_Ｗ）を、制御部４０により制御された電圧ベクトル（ｖ_γ，ｖ_δ）の方向がδ軸に一致する（すなわち、ｖ_γ＝０となる）ように定義された回転座標系（γ−δ座標系）における電流ベクトルへ変換してもよい。３相−２相変換器２１は、変換した回転座標系（γ−δ座標系）における電流ベクトル（ｉ_γ，ｉ_δ）を位相差検出器２２へ出力する。

位相差検出器２２は、回転座標系における電流ベクトル（ｉ_γ，ｉ_δ）を用いて、同期モータＭへ印加される電流ベクトルＩと電圧ベクトルＶとの位相差Δθを求める。位相差検出器２２は、例えば、３相−２相変換器２１により固定座標系（ＵＶＷ座標系）における電流ベクトル（ｉ_Ｕ，ｉ_Ｗ）がｖ_γ＝０となるように定義された回転座標系（γ−δ座標系）における電流ベクトル（ｉ_γ，ｉ_δ）へ変換された場合、後述の式（１１）により、同期モータＭへ印加される電流ベクトルＩと電圧ベクトルＶとの位相差Δθを求める。位相差検出器２２は、求めた位相差Δθを推定部３０へ供給する。

なお、検出部５０は、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の電流の振幅を検出（ピックアップ）して演算部２０へ供給してもよい。この場合、検出部５０は、Ｖ相の電流ｉ_Ｖの振幅を検出し演算部２０へ供給する電流センサ（図示せず）をさらに含む。３相−２相変換器２１は、例えば、式（１）及び（２）に電流ｉ_Ｖの振幅も考慮した因子をそれぞれ加えた式を用いて、固定座標系（ＵＶＷ座標系）における電流ベクトル（ｉ_Ｕ，ｉ_Ｖ，ｉ_Ｗ）を回転座標系（γ−δ座標系）における電流ベクトル（ｉ_γ，ｉ_δ）へ変換する。

推定部３０は、演算部２０により求められた位相差が目標位相差に一致するように回転座標系（γ−δ座標系）上で電圧ベクトル（ｖ_γ，ｖ_δ）の位相角を調整する。それとともに、推定部３０は、回転座標系（γ−δ座標系）上で電圧ベクトル（ｖ_γ，ｖ_δ）の位相角を調整した状態の固定座標系（ＵＶＷ座標系）における電圧ベクトルの回転速度を推定する。

具体的には、推定部３０は、目標位相差テーブル３１、比較器３２、及び速度推定器３３を含む。

目標位相差テーブル３１は、電流値（例えば、ｉ_Ｕまたはｉ_γ，ｉ_δ）や回転速度（例えば、指令回転速度ω^＊）を読み出し条件として、電圧と電流との目標位相差を提供するデータテーブルである。目標位相差は、同期モータＭを適用する環境や動作特性、起動時など、製品や使用する同期モータＭによって異なる。このため、目標位相差テーブル３１には、予め最適値となる位相差を試験的に決定して記憶しておく。

比較器３２は、同期モータＭへ印加される電流ベクトルＩと電圧ベクトルＶとの位相差Δθを位相差検出器２２から受ける。比較器３２は、目標位相差テーブル３１を参照して目標位相差Δθ^＊を取得する。比較器３２は、同期モータＭへ印加される電流ベクトルＩと電圧ベクトルＶとの位相差Δθと、目標位相差Δθ^＊との比較した結果を、誤差Δθ_ｄとする。比較器３２は、例えば、後述の式（１２）（又は式（１３））により誤差Δθ_ｄを求める。比較器３２は、求めた誤差Δθ_ｄを速度推定器３３へ出力する。

速度推定器３３は、誤差Δθ_ｄを比較器３２から受ける。速度推定器３３は、誤差Δθ_ｄが０になるように、回転座標系（γ−δ座標系）上で電圧ベクトル（ｖ_γ，ｖ_δ）の位相角を調整する。それとともに、速度推定器３３は、回転座標系（γ−δ座標系）上で電圧ベクトル（ｖ_γ，ｖ_δ）の位相角を調整したときの固定座標系（ＵＶＷ座標系）における電圧ベクトルの回転速度ωｅを瞬時的な値として推定する。速度推定器３３は、推定した回転速度ωｅを制御部４０及び積分器６０へそれぞれ出力する。

制御部４０は、固定座標系（ＵＶＷ座標系）において推定部３０により推定された回転速度ωｅで電圧ベクトルを回転させたときに位相差Δθと目標位相差Δθ^＊とのずれが生じないように、回転座標系（γ−δ座標系）における電圧ベクトル（ｖ_γ，ｖ_δ）の大きさを制御する。

具体的には、制御部４０は、変換器４１、指令入力部４２、比較器４３、及び電圧制御器４４を含む。

変換器４１は、固定座標系（ＵＶＷ座標系）における電圧ベクトルの回転速度ωｅを速度推定器３３から受ける。変換器４１は、固定座標系（ＵＶＷ座標系）における電圧ベクトルの回転速度ωｅを同期モータＭにおけるロータの機械的な回転速度ω_ｍに変換する。すなわち、変換器４１は、固定座標系（ＵＶＷ座標系）における電圧ベクトルの回転速度ωｅを極対数Ｐ／２（Ｐをモータの磁極数とする）で割る（極対数の逆数２／Ｐをかける）ことにより、同期モータＭにおけるロータの機械的な回転速度ω_ｍを求める。変換器４１は、求めた機械的な回転速度ω_ｍを比較器４３へ出力する。

指令入力部４２には、外部（例えば、ホスト装置）から指令回転速度ω^＊が入力される。指令回転速度ω^＊は、同期モータＭの同期回転速度を指定するための値である。指令入力部４２は、入力された指令回転速度ω^＊を比較器４３へ出力する。

比較器４３は、速度推定器３３により推定された回転速度ωｅに対応した機械的な回転速度ω_ｍを変換器４１から受け、また、指令回転速度ω^＊を指令入力部４２から受ける。比較器４３は、推定された回転速度ωｅに対応した機械的な回転速度ω_ｍと、指令回転速度ω^＊とを比較した結果を、速度差分Δωとする。

電圧制御器４４は、速度差分Δωを比較器４３から受ける。電圧制御器４４は、速度差分Δωが０になるように、回転座標系（γ−δ座標系）における電圧ベクトル（ｖ_γ，ｖ_δ）の大きさを制御する。電圧制御器４４は、（電圧ベクトル（ｖ_γ，ｖ_δ）の方向がδ軸に一致するように回転座標系を再定義するために）ｖ_γを０にするとともに、速度差分Δωに応じて同期モータＭ内で発生するリラクタンストルクの余剰分を打ち消すようにｖ_δの値を調整する。これにより、電圧制御器４４は、電圧ベクトル（ｖ_γ，ｖ_δ）を生成して駆動部１０へ供給する。

積分器６０は、固定座標系（ＵＶＷ座標系）における電圧ベクトルの回転速度ωｅを速度推定器３３から受ける。積分器６０は、電圧ベクトルの回転速度ωｅを積分することにより、電圧ベクトルと共に回転する回転座標系の位相角θ（電圧ベクトルの位相角−π／２）を算出する。積分器６０は、算出した位相角θを駆動部１０及び演算部２０へそれぞれ出力する。

駆動部１０は、制御部４０により制御された電圧ベクトル（ｖ_γ，ｖ_δ）に対応した電圧で同期モータＭが動作するように、同期モータＭを駆動する。具体的には、駆動部１０は、２相−３相変換器（γ−δ／ＵＶＷ）１１及びドライバ１２を含む。

２相−３相変換器１１は、回転座標系（γ−δ座標系）における電圧ベクトル（ｖ_γ，ｖ_δ）を電圧制御器４４から受ける。２相−３相変換器１１は、位相角θを積分器６０から受ける。２相−３相変換器１１は、例えば、次の式（３）〜式（５）により、回転座標系（γ−δ座標系）における電圧ベクトル（ｖ_γ，ｖ_δ）を固定座標系（ＵＶＷ座標系）における電圧ベクトル（ｖ_Ｕ，ｖ_ｖ，ｖ_Ｗ）へ変換する。

ｖ_Ｕ＝（√（２／３））｛ｖ_γ×ｃｏｓ（θ）−ｖ_δ×ｓｉｎ（θ）｝・・・（３）
ｖ_ｖ＝（√（１／２）×ｖ_γ＋√（１／６）×ｖ_δ）×ｓｉｎ（θ）＋（√（１／２）×ｖ_δ−√（１／６）×ｖ_γ）×ｃｏｓ（θ）・・・（４）
ｖ_Ｗ＝（√（１／６）×ｖ_δ−√（１／２）×ｖ_γ）×ｓｉｎ（θ）−（√（１／６）×ｖ_γ＋√（１／２）×ｖ_δ）×ｃｏｓ（θ）・・・（５）
２相−３相変換器１１は、変換した回転座標系（γ−δ座標系）における固定座標系（ＵＶＷ座標系）における電圧ベクトル（ｖ_Ｕ，ｖ_ｖ，ｖ_Ｗ）をドライバ１２へ出力する。なお、上式（３）〜（５）は、３相復調の式であるが、２相−３相変換器１１は、２相変調を行って、電圧利用率を上げても良い。

ドライバ１２は、固定座標系（ＵＶＷ座標系）における電圧ベクトル（ｖ_Ｕ，ｖ_ｖ，ｖ_Ｗ）を２相−３相変換器１１から受ける。ドライバ１２は、ＵＶＷ電圧信号である電圧ベクトル（ｖ_Ｕ，ｖ_ｖ，ｖ_Ｗ）をＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）変調してパルス列（Ｕ、Ｖ、Ｗ）を生成するなどの電力変換操作を行う。すなわち、ドライバ１２は、生成した３相の交流信号Ｕ、Ｖ、Ｗを同期モータＭへ供給することにより、同期モータＭを駆動する。

なお、誤差Δθ_ｄが０になるように電圧ベクトル（ｖ_γ，ｖ_δ）の位相角を調整するための速度推定器３３における係数と、速度差分Δωが０になるように電圧ベクトル（ｖ_γ，ｖ_δ）の大きさを制御するための電圧制御器４４における係数とは、互いに適切な値となるように予め決定されているものとする。すなわち、速度推定器３３における係数と電圧制御器４４における係数とは、速度推定器３３による位相角の調整と電圧制御器４４による電圧ベクトルの大きさの制御とがそれぞれ互いとの関係で収束するように、予め決定されているものとする。

次に、位相差検出器２２における処理を、図２を用いて詳細に説明する。

図２は、回転座標系（γ−δ座標系）上の電圧ベクトルＶ＝（ｖ_γ，ｖ_δ）と電流ベクトルＩ＝（ｉ_γ，ｉ_δ）とを示す。図２では、電圧ベクトルＶの各成分を、ドライバ１２による損失を無視して、電圧制御器４４が出力している電圧ｖ_γ，ｖ_δで代用可とする。電流ベクトルＩの各成分は、３相−２相変換器２１から出力されるｉ_γ，ｉ_δである。

電圧ベクトルＶが回転座標系のδ軸と成す角をθ_ｖ、電流ベクトルＩが回転座標系のδ軸と成す角をθ_ｉとすると、位相差検出器２２により求められる、電圧ベクトルＶと電流ベクトルＩとの位相差Δθは、
Δθ＝θ_ｉ−θ_ｖ・・・（６）
と表される。

このとき、θ_ｖ、θ_ｉのｔａｎ値を、ｖ_γ、ｖ_δ、ｉ_γ、ｉ_δを用いてそれぞれ表すと
ｔａｎ（θ_ｖ）＝ｖ_γ／ｖ_δ・・・（７）
ｔａｎ（θ_ｉ）＝ｉ_γ／ｉ_δ・・・（８）
となる。

また、ｓｉｎ（Δθ）とｃｏｓ（Δθ）とは、式（６）を代入して展開すると、
ｓｉｎ（Δθ）＝ｓｉｎ（θ_ｉ−θ_ｖ）＝ｓｉｎ（θ_ｉ）×ｃｏｓ（θ_ｖ）−ｃｏｓ（θ_ｉ）ｓｉｎ（θ_ｖ）
ｃｏｓ（Δθ）＝ｃｏｓ（θ_ｉ−θ_ｖ）＝ｃｏｓ（θ_ｉ）×ｃｏｓ（θ_ｖ）＋ｓｉｎ（θ_ｉ）ｓｉｎ（θ_ｖ）
である。

この２式の比をとってｔａｎ（Δθ）として整理すると、次の式（９）を得る。
ｓｉｎ（Δθ）／ｃｏｓ（Δθ）＝ｔａｎ（Δθ）＝｛ｔａｎ（θ_ｉ）−ｔａｎ（θ_ｖ）｝／｛１＋ｔａｎ（θ_ｉ）×ｔａｎ（θ_ｖ）｝・・・（９）

式（７）及び式（８）を式（９）に代入すると、
ｔａｎ（Δθ）＝（ｖ_δ×ｉ_γ−ｖ_γ×ｉ_δ）／（ｖ_δ×ｉ_δ＋ｖ_γ×ｉ_γ）・・・（１０）
となる。

ここで、電圧ベクトル（ｖ_γ，ｖ_δ）の方向がδ軸に一致した回転座標系を再定義するために、電圧制御器４４によりｖ_γ＝０とされているので、式（１０）は
ｔａｎ（Δθ）＝ｉ_γ／ｉ_δ・・・（１１）
に簡略化される。

結局、位相差検出器２２は、式（１１）で求めた値のａｒｃｔａｎを計算することにより、位相差Δθを求めて出力する。このとき、Δθが±π／２近傍ではｔａｎ（Δθ）の値が±∞に近づいて発散傾向となるので、式（１１）の計算結果にリミッタを設けて発散を防止する。

すなわち、図３に示すように、位相差検出器２２は、位相差演算部２２ａ及びリミッタ部２２ｂを含む。位相差演算部２２ａは、回転座標系における電流ベクトル（ｉ_γ，ｉ_δ）を３相−２相変換器２１から受ける。位相差演算部２２ａは、式（１１）により、すなわち回転座標系における電流ベクトルの２成分の比（ｉ_γ／ｉ_δ）を取ることにより、同期モータＭへ印加される電流ベクトルＩと電圧ベクトルＶとの位相差Δθを求めてリミッタ部２２ｂへ供給する。リミッタ部２２ｂは、供給された値が所定の範囲に収まっていれば、そのまま位相差Δθを出力する。これにより、比較器３２は、次の式（１２）を用いて、誤差Δθ_ｄを求める。
Δθ_ｄ＝Δθ^＊−Δθ・・・（１２）

なお、次段の速度推定器３３により位相差Δθと目標位相差Δθ＊との誤差Δθ_ｄが０になるように演算すればよいことを考慮して、位相差検出器２２は、式（１１）で求めたｔａｎ（Δθ）の値をそのまま出力してもよい。この場合、目標位相差テーブルに記憶された値もｔａｎ（Δθ＊）として記憶させておけば良い。これにより、比較器３２は、次の式（１３）を用いて、誤差Δθ_ｄを求める。
Δθ_ｄ≡ｔａｎ（Δθ^＊）−ｔａｎ（Δθ）・・・（１３）

次に、速度推定器３３による位相角の調整と電圧制御器４４による電圧ベクトルの大きさの制御とについて、詳細に説明する。

同期モータＭは、例えば、ＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍｇｎｅｔ）モータである。この場合、同期モータＭでは、磁石トルクとリラクタンストルクとを合成した総合トルク（力率）を最大とするように、印加される電圧ベクトルと電流ベクトルとの位相差Δθが目標位相差Δθ^＊に一致するように（すなわち誤差Δθ_ｄが０になるように）制御する必要がある。この位相差の制御を行うには、同期モータＭに印加される電圧ベクトルの位相角の調節に加えて、同期モータＭに印加される電圧ベクトルの大きさの制御を行う必要がある。

もし、誤差Δθ_ｄがプラスであれば、電圧ベクトル（δ軸）が遅れているので回転速度を上げてやれば良く、誤差Δθ_ｄがマイナスであれば、電圧ベクトル（δ軸）が進んでいるので回転速度を下げてやれば良い。Δθ_ｄが０であれば、電圧ベクトル（δ軸）は指示通りの位相角をもって、同期速度で回転しているはずである。

しかし、電圧ベクトルの進角、遅角だけを補正しても、同期モータＭに印加される電圧ベクトルと電流ベクトルとの位相差Δθを目標位相差Δθ^＊に一致するように維持することはできない。同時に電圧ベクトルの大きさも制御する必要がある。このことについて、図４を用いて詳細に説明する。

図４に示すように、例えばｄ−ｑ回転座標系の軸とγ−δ回転座標系の軸とがずれた関係にある場合を考える。ｄ−ｑ回転座標系において、ｄ軸は、同期モータＭ内のロータの主磁束方向を示し、ｑ軸は、ｄ軸に直交する軸を示している。

γ−δ回転座標系上で電圧ベクトルＶと電流ベクトルＩとがΔθの位相差をもって回転していることが位相差検出器２２により検出され、その位相差Δθが目標位相差Δθ^＊よりも小さいことが比較器３２により分かった場合、速度推定器３３は、誤差Δθ_ｄが０になるように、回転座標系（γ−δ座標系）上で電圧ベクトル（ｖ_γ,ｖ_δ）の位相角を進角する。これにより、電圧ベクトルの回転速度が上がり、次の通電で、電圧ベクトルがδ軸に対して進角する。ここで、新たな座標系としてγ’−δ’回転座標系を導入する。この回転座標系のδ’軸は電圧ベクトルの方向と一致するものとする。このように定義されたγ’−δ’回転座標系における電圧ベクトルが電圧制御器４４から出力される。

このとき、ｑ軸方向に発生している同期モータＭ内のロータの誘起電圧ベクトルＥｃは、δ軸、δ’軸の成分が、それぞれ、ｅ_δ、ｅ_δ’（ｅ_δ＞ｅ_δ’）になる。電圧ベクトルが進角される前（δ軸）において、同期モータＭ内では、
ｖ_δ−ｅ_δ
のトルクでロータが回転されている。

一方、電圧ベクトルが進角された状態（δ’軸）において、同期モータＭ内では、
ｖ_δ−ｅ_δ’（＞ｖ_δ−ｅ_δ）
の増加したトルクでロータが回転されることになる。

今は定常状態を考えているので負荷トルクは一定とすると、進角によるトルクの増加はロータを加速してしまう。ロータが加速されるということは、ｑ軸が加速されて進角したδ’軸に追いつくように進角することを意味する。すなわち、ｑ軸が加速され進角すると電流ベクトルも加速され進角してしまうので、このままでは、多くした位相差Δθ^＊がもとの位相差Δθに戻ってしまう。したがって、トルクを小さくする（トルクの余剰分を打ち消す）ために、適当な方法で電圧ベクトルの大きさ（ｖ_δ）を減少させる必要がある。

一方、負荷トルクは一定の状態で、電圧ベクトルを遅角させる場合は、上記の逆になる。すなわち、遅角によるトルクの減少はロータを減速させてしまう。ロータが減速されるということは、ｑ軸が減速されて（電圧ベクトルの方向と一致するように）遅角したδ’軸に追いつくように遅角することを意味する。すなわち、ｑ軸が減速され遅角すると電流ベクトルも減速され遅角してしまうので、このままでは、少なくした位相差Δθ^＊がもとの位相差Δθに戻ってしまう。したがって、トルクを大きくする（トルクの不足分を補う）ために、適当な方法で電圧ベクトルの大きさを増加させる必要がある。

また、負荷が増加した場合は、ｄ−ｑ回転座標系の軸とγ−δ回転座標系の軸とのずれが広がる方向なので、制御としては、電圧ベクトルＶと電流ベクトルＩとの位相差Δθを維持するため、電圧ベクトル（δ軸）を遅角させる方向に働く。電圧ベクトルの大きさは増加させる。逆に、負荷が減少した場合は、電圧ベクトルを進角して電圧ベクトルの大きさを減少させる。

電圧ベクトルの進角または遅角させる調節は、速度推定器３３（図１参照）により行われる。速度推定器３３は、図５（ａ）に示すように、ＰＩ制御器３３ａを含む。ＰＩ制御器３３ａは、誤差Δθ_ｄが０になるように、Ｐ制御及びＩ制御を行うことにより、回転座標系（γ−δ座標系）上で電圧ベクトル（ｖ_γ，ｖ_δ）の位相角を調整する。

また、ＰＩ制御器３３ａは、例えば、比較器３２から受けた誤差Δθ_ｄを用いて、
ωｅ＝Ｋ_ｐ×Δθ_ｄ＋Ｋ_Ｉ∫Δθ_ｄｄｔ・・・（１４）
の式により、固定座標系（ＵＶＷ座標系）における電圧ベクトルの回転速度ωｅを瞬時的な回転速度として推定することができる。式（１４）において、Ｋ_ｐ、Ｋ_Ｉは、それぞれ、制御装置１の動作が安定するように予め決められた係数である。

なぜなら、図５（ｂ）に示すように、ＰＩ制御器３３ａの出力を積分器６０で積分すると回転座標系への変換角θとなり、それが３相−２相変換器２１、位相差検出器２２、及び比較器３２を経由して誤差Δθ_ｄとしてＰＩ制御器３３ａに帰還され逐次制御される。これにより、誤差Δθ_ｄが０に収束すれば、検出された位相差Δθが目標位相差Δθ^＊に一致した状態における回転速度ωｅが得られることになるからである。

ＰＩ制御器３３ａにより推定された回転速度ωｅを、積分器６０は、次の式（１５）で示すように時間積分する。
θ＝∫ωｅｄｔ・・・（１５）
すなわち、積分器６０により、回転座標系への変換角θを求めることができる。積分器６０の出力が、次に出力する電圧ベクトルの推定位相角となる。

一方、電圧ベクトルの大きさを減少または増加させる制御は、電圧制御器４４（図１参照）により行われる。具体的には、速度推定器（１０４）により推定された回転速度ωｅが変換器４１により機械的な回転速度ω_ｍに変換されて比較器４３へ出力され、比較器４３は、機械的な回転速度ω_ｍと指令回転数ω^＊と比較し、
Δω＝ω^＊−ω_ｍ・・・（１６）
による速度差分Δωを求めて電圧制御器４４へ出力する。電圧制御器４４は、出力された速度差分Δωに応じて、電圧ベクトルの大きさを制御する。

例えば、電圧制御器４４は、速度差分Δωがプラスであれば、電圧ベクトル（δ軸）が進んでトルクの余剰分が生じているので、電圧ベクトルの大きさ（ｖ_δ）を減少させる。電圧制御器４４は、速度差分Δωがマイナスであれば、電圧ベクトル（δ軸）が遅れてトルクの不足分が生じているので、電圧ベクトルの大きさ（ｖ_δ）を増加させる。すなわち、電圧制御器４４は、速度差分Δωが進角に対するトルクの余剰分に比例すると考えて、速度差分Δωが０になる様に電圧ベクトルの大きさを制御する。言い換えると、電圧制御器４４は、目標位相差に合った電圧ベクトルを生成するために、指令回転数を目標に、トルクを収束させる様に電圧ベクトルの大きさを制御する。

電圧制御器４４は、図６に示すように、生成部４４ａ及びＰＩ制御器４４ｂを含む。生成部４４ａは、電圧ベクトル（ｖ_γ，ｖ_δ）の方向がδ軸に一致した回転座標系を再定義するために、ｖ_γ＝０を出力する。ＰＩ制御器４４ｂは、速度差分Δωが０になるように、Ｐ制御及びＩ制御を行うことにより、回転座標系（γ−δ座標系）上で電圧ベクトル（ｖ_γ，ｖ_δ）の大きさすなわちｖ_δを決定して出力する。

次に、同期モータＭの制御の流れについて、図７を用いて説明する。図７は、同期モータＭの制御方法を示すフローチャートである。

ステップＳ１（第１のステップ）では、検出部５０が、同期モータＭに印加される少なくとも２相の電流の振幅を検出（ピックアップ）する。具体的には、電流センサ５１は、Ｕ相の電流ｉ_Ｕの振幅を検出し演算部２０へ出力する。電流センサ５２は、Ｗ相の電流ｉ_Ｗの振幅を検出し演算部２０へ出力する。そして、演算部２０が、駆動部１０により同期モータＭを駆動する際の固定座標系（ＵＶＷ座標系）における電流ベクトル（ｉ_Ｕ，ｉ_Ｗ）を回転座標系（γ−δ座標系）における電流ベクトル（ｉ_γ，ｉ_δ）へ変換する。

ステップＳ２（第２のステップ）では、演算部２０が、少なくとも変換された回転座標系における電流ベクトル（ｉ_γ，ｉ_δ）を用いて、同期モータＭへ印加される電流ベクトルＩと電圧ベクトルＶとの位相差を求める。

ステップＳ３（第３のステップ）では、推定部３０が、同期モータＭへ印加される電流ベクトルＩと電圧ベクトルＶとの位相差Δθと、目標位相差Δθ^＊とを比較する。そして、推定部３０のフィードバック制御動作により、位相差Δθが目標位相差Δθ^＊より大きい（誤差Δθｄ＜０）場合、処理がステップＳ４へ進み、位相差Δθが目標位相差Δθ^＊より小さい（誤差Δθｄ＞０）場合、処理がステップＳ５へ進み、位相差Δθが目標位相差Δθ^＊に等しい（誤差Δθｄ＝０）場合、処理がステップＳ６へ進む。

ステップＳ４（第３のステップ）では、推定部３０が、回転座標系（γ−δ座標系）上で電圧ベクトルの位相角を遅角する。

ステップＳ５（第３のステップ）では、推定部３０が、回転座標系（γ−δ座標系）上で電圧ベクトルの位相角を進角する。

なお、ステップＳ３〜Ｓ５における処理は、推定部３０の（例えばＰＩ制御器３３ａによる）フィードバック制御動作を概念的に示したものであり、推定部３０（の例えばＰＩ制御器３３ａ）により自動的に行われる。

ステップＳ６（第３のステップ）では、推定部３０が、回転座標系（γ−δ座標系）上で電圧ベクトル（ｖ_γ，ｖ_δ）の位相角を調整した状態の固定座標系（ＵＶＷ座標系）における電圧ベクトルの回転速度ωｅを推定する。制御部４０は、推定部３０により推定された電圧ベクトルの回転速度ωｅを同期モータＭにおけるロータの機械的な回転速度ω_ｍに変換する。

ステップＳ７（第４のステップ）では、制御部４０が、推定された回転速度ωｅに対応した機械的な回転速度ω_ｍと、指令回転速度ω^＊とを比較する。そして、制御部４０のフィードバック制御動作により、回転速度ω_ｍが指令回転速度ω^＊より大きい（速度差分Δω＜０、すなわち電圧ベクトル（δ軸）が進んでいる）場合、処理がステップＳ８へ進み、回転速度ω_ｍが指令回転速度ω^＊より小さい（速度差分Δω＞０、すなわち電圧ベクトル（δ軸）が遅れている）場合、処理がステップＳ９へ進み、回転速度ω_ｍが指令回転速度ω^＊に等しい（速度差分Δω＝０）場合、処理がステップＳ１０へ進む。

ステップＳ８（第４のステップ）では、制御部４０が、回転座標系（γ−δ座標系）上で電圧ベクトルの大きさ（ｖ_δ）を減少させる。

ステップＳ９（第４のステップ）では、制御部４０が、回転座標系（γ−δ座標系）上で電圧ベクトルの大きさ（ｖ_δ）を増加させる。

なお、ステップＳ７〜Ｓ９における処理は、制御部４０の（例えば、ＰＩ制御器４４ｂによる）フィードバック制御動作を概念的に示したものであり、制御部４０（の例えばＰＩ制御器４４ｂ）により自動的に行われる。

ステップＳ１０（第５のステップ）では、駆動部１０が、制御部４０により制御された電圧ベクトル（ｖ_γ，ｖ_δ）に対応した電圧で同期モータＭが動作するように、同期モータＭを駆動する。

ステップＳ１〜ステップＳ１０の処理は、繰り返し行われる。すなわち、ステップＳ３〜ステップＳ５の処理を繰り返し行うことにより、推定部３０は、ステップＳ２で求められた位相差が目標位相差に一致するように回転座標系上で電圧ベクトルの位相角を調整する。ステップＳ７〜ステップＳ９の処理を繰り返し行うことにより、制御部４０は、ステップＳ６で推定された回転速度が指令回転速度に対応した値になるように、回転座標系における電圧ベクトルの大きさを制御する。

以上のように、実施の形態によれば、同期モータＭに印加される電圧ベクトルと電流ベクトルとの位相差を、回転座標系（γ−δ座標系）における電流ベクトルの２成分の比で求めることができる。すなわち、直流量（交流成分が実効的にキャンセルされた量）による位相制御が可能となるので、同期モータＭに印加される電圧ベクトルと電流ベクトルとの位相差を簡易な処理で求めることができる。この結果、制御装置の構成を簡易なものとすることができる。すなわち、同期モータへ印加される電流ベクトルと電圧ベクトルとの位相差を簡易な構成で求めて目標位相差に一致するように制御できる。

また、回転座標系に変換することにより、もともと交流量である電圧ベクトルと電流ベクトルとのそれぞれを、直流量（交流成分が実効的にキャンセルされた量）として制御できるため、瞬時的かつ逐次的に位相を補正することが容易となる。すなわち、位相差を瞬時的に修正することが可能となり、より細かく位相調整が行える。

さらに、回転座標系上では、電圧ベクトルと電流ベクトルとの位相差が電圧ベクトルと電流ベクトルとの各成分を用いて求められた値をとるｔａｎ関数で表すことができる（式（１０）参照）。そして、電圧ベクトルの方向をδ軸と一致するように回転座標系を再定義して制御に用いることにより、式（１０）は更に簡易な式（１１）になり、γ軸電流とδ軸電流との比（式（７））により求まるので、複雑な計算を用いずに位相差を求めることが容易になる。

瞬時的な位相調整を行うために、目標位相差と検出位相差との誤差が０になる様にＰＩ制御することにより、γ−δ軸の回転速度を推定して、その回転速度を積分してγ−δ軸の位相としてやれば、電圧ベクトルを最適な位置（電流と任意の位相差角をもって）で出力することができる。これにより、逐次的に位相補正が行える。

また、瞬時的に位相調整した電圧ベクトルの大きさを決めるために、γ−δ軸の速度推定器の出力と同期指令回転数とが一致する様にδ軸の電圧値を補正してやることにより、任意の電圧−電流位相差をもって継続した同期運転を維持することができる。

なお、図８で示す制御装置１００の演算部１２０は、変換された回転座標系（γ−δ座標系）における電流ベクトルと、制御部１４０により制御された回転座標系における電圧ベクトルとを用いて、同期モータＭへ印加される電流ベクトルと電圧ベクトルとの位相差を求めてもよい。具体的には、制御部１４０の電圧制御器１４４は、回転座標系（γ−δ座標系）における電圧ベクトル（ｖ_γ，ｖ_δ）を演算部１２０の位相差検出器１２２にも出力する。このとき、電圧制御器１４４は、ｖ_γを０以外の値に制御してもよい。位相差検出器１２２は、式（１０）により、同期モータＭへ印加される電流ベクトルと電圧ベクトルとの位相差Δθを求める。

この場合であっても、回転座標系上では、電圧ベクトルと電流ベクトルとの位相差が電圧ベクトルと電流ベクトルとの各成分を用いて求められた値をとるｔａｎ関数で表すことができる（式（１０）参照）ので、更に目標位相差をｔａｎ値として用意しておけば、ａｒｃｔａｎの計算を用いずに位相差の誤差成分を生成できる。すなわち、複雑な計算を用いずに位相差を求めることが可能となる。

以上のように、本発明にかかる同期モータの制御装置は、同期モータの制御に有用であり、特に、センサレス同期モータの制御に適している。

１、１００ 制御装置
１０ 駆動部
２０、１２０ 演算部
３０ 推定部
４０、１４０ 制御部
５０ 検出部
６０ 積分器

Claims (4)

1. 外部から指令回転速度を受けて、前記指令回転速度で動作するようにセンサレス同期モータを制御する同期モータの制御装置であって、
   前記同期モータを駆動する駆動部と、
   前記駆動部により前記同期モータを駆動する際の固定座標系における電流ベクトルを回転座標系における電流ベクトルへ変換し、少なくとも前記変換された前記回転座標系における電流ベクトルを用いて、前記同期モータへ印加される電流ベクトルと電圧ベクトルとの位相差を求める演算部と、
   前記演算部により求められた位相差が目標位相差に一致するように前記回転座標系上で電圧ベクトルの位相角を調整するとともに、前記回転座標系上で電圧ベクトルの位相角を調整した状態の前記固定座標系における電圧ベクトルの回転速度を推定する推定部と、
   前記固定座標系において前記推定部により推定された回転速度で電圧ベクトルを回転させたときに前記位相差と前記目標位相差とのずれが生じないように、前記回転座標系における電圧ベクトルの大きさを制御する制御部と、
   を備え、
   前記駆動部は、前記制御部により制御された電圧ベクトルに対応した電圧で前記同期モータが動作するように、前記同期モータを駆動する
   ことを特徴とする同期モータの制御装置。
2. 前記回転座標系は、互いに直交するδ軸とγ軸とからなり、
   前記演算部は、前記固定座標系における電流ベクトルを、前記制御部により制御された電圧ベクトルの方向が前記δ軸に一致するように定義された回転座標系における電流ベクトルへ変換する
   ことを特徴とする請求項１に記載の同期モータの制御装置。
3. 前記演算部は、前記回転座標系における電流ベクトルの前記δ軸の成分をｉ_δとし、前記γ軸の成分をｉ_γとしたとき、
   ｔａｎ（Δθ）＝ｉ_γ／ｉ_δ
   の式により、前記同期モータへ印加される電流ベクトルと電圧ベクトルとの位相差Δθを求める
   ことを特徴とする請求項２に記載の同期モータの制御装置。
4. 外部から指令回転速度を受けて、前記指令回転速度で動作するようにセンサレス同期モータを制御する同期モータの制御方法であって、
   前記駆動部により前記同期モータを駆動する際の固定座標系における電流ベクトルを回転座標系における電流ベクトルへ変換し、
   少なくとも前記回転座標系における前記変換された電流ベクトルを用いて、前記同期モータへ印加される電流ベクトルと電圧ベクトルとの位相差を求め、
   前記求められた位相差が目標位相差に一致するように前記回転座標系上で電圧ベクトルの位相角を調整するとともに、前記回転座標系上で電圧ベクトルの位相角を調整した状態の前記固定座標系における電圧ベクトルの回転速度を推定し、
   前記固定座標系において前記推定された回転速度で電圧ベクトルを回転させたときに前記位相差と前記目標位相差とのずれが生じないように、前記回転座標系における電圧ベクトルの大きさを制御し、
   前記制御された電圧ベクトルに対応した電圧で前記同期モータが動作するように、前記同期モータを駆動する
   ことを特徴とする同期モータの制御方法。

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