JP2012085485A - 回転機の制御装置および回転機の制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】回転数および電圧値が変化しても、従来よりもトルク応答性を向上させる。
【解決手段】回転機（電動機５０等）の制御装置２０において、電動機５０の回転数Ｎおよび電力変換回路４０に入力する電圧値Ｖdcに基づいて制御ゲインを設定するゲイン設定器２３と、少なくとも積分要素を含み、トルク指令Ｔ^＊とトルクとの偏差とゲイン設定器２３で設定される制御ゲインとに基づいてフィードバック制御を行い電力変換回路４０が出力する電圧の位相を示す電圧位相指令θ^＊を出力するフィードバック制御器２４と、フィードバック制御器２４から出力される電圧位相指令θ^＊に基づいてスイッチング素子の制御を行う制御信号Ｓｃを生成して電力変換回路４０に出力するスイッチング信号生成器２５とを有する構成とした。回転数Ｎや電圧値Ｖdcが変化しても適切な制御ゲインが設定され、トルク応答性が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、供給される電圧を電力変換回路で変換して回転機に伝達する際、トルク指令値に基づいてスイッチング素子の制御を行うことで回転機の実トルクを制御する回転機の制御装置および回転機の制御システムに関する。

従来では、回転機の実トルク（実際のトルク）をトルク指令値（要求トルク）に制御するに際し、高い電圧利用率が要求される領域においても回転機の制御性を高く維持する技術の一例が開示されている（例えば特許文献１を参照）。この技術では、回転機に対するトルク指令値および回転機の回転数（回転速度）に基づいて、ノルム設定手段が回転２相座標系における電力変換回路が出力する電圧ベクトルのノルム（電圧指令振幅）を設定し、位相設定手段が実トルクとトルク指令値との差に基づいて、回転２相座標系における電力変換回路が出力する電圧の位相を設定する。電圧ベクトルのノルムはトルク指令値に制御するためのフィードフォワード操作量として機能し、回転機の実トルクがトルク指令値に追従する。

特開２００９−２３２５３１号公報

しかし、実際の回転機では、電力変換回路が出力する電圧の位相に対し、トルクの傾きが回転機の回転数または電力変換回路が出力する電圧ベクトルのノルム（電圧指令振幅）に応じて特性が変化する。特性の変化に伴ってトルク応答性がばらつくという問題点があった。特に、回転機の回転数が高くなるにつれてトルク応答性が悪化し、上記電圧値が低くなるにつれてトルク応答性が悪化する。

本発明はこのような点に鑑みてなしたものであり、回転数および電圧指令振幅が変化しても、従来よりもトルク応答性を向上させることができる回転機の制御装置および回転機の制御システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、供給される電圧を電力変換回路で変換して回転機に伝達する際、トルク指令値に基づいて前記電力変換回路に含まれるスイッチング素子の制御を行うことにより、前記回転機のトルクを制御する回転機の制御装置において、前記回転機の回転数、前記電力変換回路に入力する電圧値、電圧指令振幅および前記トルク指令値のうちで一つ以上に基づいて、制御ゲインを設定するゲイン設定器と、少なくとも積分要素を含み、前記トルク指令値と前記トルクとの偏差と、前記ゲイン設定器で設定される制御ゲインとに基づいてフィードバック制御を行い、前記電力変換回路が出力する電圧の位相を示す電圧位相指令を出力するフィードバック制御器と、前記フィードバック制御器から出力される電圧位相指令に基づいて、前記スイッチング素子の制御を行う制御信号を生成して前記電力変換回路に出力するスイッチング信号生成器と、を有することを特徴とする。

この構成によれば、ゲイン設定器が回転数、電圧値、電圧指令振幅（ノルム）およびトルク指令値のうちで一つ以上に基づいて制御ゲインを設定し、フィードバック制御器が偏差と制御ゲインとに基づいてフィードバック制御を行う。回転数および電圧指令振幅に応じて回転機の特性が変化するが、電力変換回路に入力する電圧値に応じて、出力できる電圧指令振幅が変化するため、電力変換回路に入力する電圧値に応じて回転機の特性が変化する。なお、電力変換回路の出力電圧が電圧指令値に追従するように電力変換回路を制御（変調率を制御）するため、変調率により実出力電圧振幅は若干変化するものの、実質利用する変調率が高い状況においては、変調率の変化による特性の変化は小さいため、電力変換回路に入力する電圧値により回転機の特性が変化するとみなすことができる。また、上述している特許文献１の技術のように、トルク指令値および回転機の回転数に基づいて、ノルム設定手段が回転２相座標系における電力変換回路が出力する電圧ベクトルのノルム（電圧指令振幅）を決定する制御方法においては、トルク指令に基づいて電圧指令振幅が変化するため、トルク指令値により回転機の特性が変化するとみなすことができる。回転数、電圧値、電圧指令振幅およびトルク指令値のうちで一つ以上に応じて特性が変化しても、ゲイン設定器によって適切な制御ゲインが設定されるので、トルク応答性を向上させることができる。言い換えれば、回転数、電圧値、電圧指令振幅およびトルク指令値のいずれが変化しても同等のトルク応答性が得られる。

なお、「トルク指令値」は目標値として指令されるトルク値を意味し、「目標トルク」や「要求トルク」等と同義である。「トルク」は、回転機に生じている実際のトルク値を意味し、「出力トルク」等と同義である。「回転機」は、例えば電動機（モータ），発電機，発電電動機等が該当する。「フィードバック制御器」は、トルク指令値とトルクとの偏差を入力し、制御ゲインに基づいて「ＰＩ制御」や「ＰＩＤ制御」等を行う。「制御ゲイン」はフィードバック制御を行う際に必要となるゲインを意味し、例えば比例ゲインや積分ゲイン等が該当する。「スイッチング素子」には、制御信号に基づいてオン／オフを制御可能な任意の素子を適用できる。例えば、ＦＥＴ（具体的にはＭＯＳＦＥＴ，ＪＦＥＴ，ＭＥＳＦＥＴ等）、ＩＧＢＴ、ＧＴＯ、パワートランジスタ等が該当する。

請求項２に記載の発明は、前記ゲイン設定器は、前記回転数が高くなるにつれて前記制御ゲインを増加するように設定し、前記電圧値、前記電圧指令振幅および前記トルク指令値のうちで一つ以上が低くなるにつれて前記制御ゲインを増加するように設定することを特徴とする。この構成によれば、回転数、電圧値、電圧指令振幅およびトルク指令値に応じた適切な制御ゲインが設定されるので、従来よりも確実にトルク応答性を向上させることができる。

請求項３に記載の発明は、前記回転数、前記電圧値、前記電圧指令振幅および前記トルク指令値のうちで一つ以上と、前記制御ゲインとの関係を規定するゲイン情報を記録する記録媒体を有し、前記ゲイン設定器は、前記記録媒体に記録された前記ゲイン情報を参照し、前記回転数、前記電圧値、前記電圧指令振幅および前記トルク指令値のうちで一つ以上に対応する前記制御ゲインを特定して設定することを特徴とする。この構成によれば、ゲイン情報を参照することで、回転数、電圧値、電圧指令振幅およびトルク指令値のいずれかに対応する制御ゲインが簡単に得られる。算術処理を行わずに済むので、処理負荷を抑制した上で、トルク応答性を向上させることができる。

請求項４に記載の発明は、前記ゲイン設定器は、前記回転数、前記電圧値、前記電圧指令振幅および前記トルク指令値のうちで一つ以上の基準値を規定し、前記回転数、前記電圧値、前記電圧指令振幅および前記トルク指令値のうちで一つ以上の値と前記基準値との比に基づいて前記制御ゲインを設定することを特徴とする。この構成によれば、比を算出するだけで、対応する制御ゲインが素早く得られる。簡単な算術処理で済むので、処理負荷を抑制した上で、トルク応答性を向上させることができる。

請求項５に記載の発明は、回転機の制御システムにおいて、請求項１から４のいずれか一項に記載の回転機の制御装置と、前記電力変換回路とを有することを特徴とする。この構成によれば、電圧値、電圧指令振幅およびトルク指令値のうちいずれかが変化しても、従来よりはトルク応答性が向上する回転機の制御システムを提供することができる。

回転機の制御装置にかかる構成例を示す模式図である。 ゲイン設定器およびフィードバック制御器の構成例を示す模式図である。 回転機の制御システムにかかる構成例を示す模式図である。 フィードバック制御処理の手続き例を示すフローチャートである。 電圧位相（ｑ軸基準）とトルクの関係例を示すグラフ図である。 電圧値とトルク／電圧位相との関係を示すグラフ図である。 電圧位相（ｑ軸基準）とトルクの関係例を示すグラフ図である。 回転数とトルク／電圧位相との関係を示すグラフ図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面に基づいて説明する。なお、特に明示しない限り、「接続する」という場合には電気的な接続を意味する。各図は、本発明を説明するために必要な要素を図示し、実際の全要素を図示してはいない。連続符号は記号「〜」を用いて簡略化する。例えば「スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６」は「スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６」を意味する。上下左右等の方向を言う場合には、図面の記載を基準とする。

回転機の制御装置にかかる構成例について、各々模式図で示す図１および図２を参照しながら説明する。本形態では、「回転機」として三相の電動機である永久磁石同期電動機（図面では「Ｍ」と記載する）を適用する。詳しくは、突極型の永久磁石同期電動機（IPMSM）である。

図１に示す制御装置２０は、供給される電圧を電力変換回路４２（図３を参照）で変換して電動機５０に伝達する機能を担う。この機能には、トルク指令値Ｔ^＊に基づいて電力変換回路４２に含まれるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６（図３を参照）の制御を行うことにより、電動機５０のトルクＴを制御する機能を含む。制御装置２０は、記録媒体２１，ゲイン設定器２３，フィードバック制御器２４，スイッチング信号生成器２５，回転数演算器２６などを有する。各要素の構成は記録媒体２１を除いて任意である。例えば、ＣＰＵ（マイコンを含む）によってソフトウェア制御を行う構成でもよく、ＩＣ（ＬＳＩやゲートアレイ等を含む）やトランジスタ等の電子部品を用いてハードウェア制御を行う構成でもよい。

記録媒体２１は、ゲイン情報２１ａおよびマップ２１ｂのうち一方または双方を少なくとも記録可能な任意の媒体が用いられる。例えばＲＯＭ，ＥＥＰＲＯＭ，光磁気ディスク等のような不揮発性メモリが望ましい。ゲイン情報２１ａは、回転数Ｎ、電力変換回路４２に入力する電圧値（以下では「電圧値Ｖdc」と呼ぶ。）、電圧指令振幅に相当するノルムＶｎおよびトルク指令値Ｔ^＊のうちで一つ以上と、比例ゲインＫｐおよび積分ゲインＫｉとの関係を規定する情報である。規定する形式は任意であり、マップ形式やテーブル形式等が該当する。ゲイン設定器２３およびフィードバック制御器２４については後述する（図２を参照）。スイッチング信号生成器２５は、フィードバック制御器２４から出力される電圧位相指令θ^＊（さらにはノルムＶｎ）に基づいて、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の制御を行う制御信号Ｓｃを生成して電力変換回路４２に出力する。制御信号Ｓｃには、本形態ではパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を用いる。電圧位相指令θ^＊は、電力変換回路４２が出力する電圧の位相である。ノルムＶｎ（電圧指令振幅）は、回転二相座標系における電力変換回路４２の出力電圧ベクトル（もしくはベクトルの大きさ）である。回転数演算器２６は、レゾルバ５１（図１，図３を参照）から出力される電気角θ_ｅに基づいて回転数Ｎを演算して出力する機能を担う。

図２には、ゲイン設定器２３およびフィードバック制御器２４の構成例を示す。ゲイン設定器２３は、フィードバック制御を行うための制御ゲイン（すなわち比例ゲインＫｐや積分ゲインＫｉ等）を増減して設定し出力する機能を担う。フィードバック制御器２４は、少なくとも積分要素を含み、トルク指令値Ｔ^＊とトルクＴとの偏差ΔＴと、ゲイン設定器２３で設定し出力されるゲインとに基づいてフィードバック制御を行う機能を担う。フィードバック制御に従って、電圧位相指令θ^＊（さらにはノルムＶｎ）を出力する。

ゲイン設定器２３は、ゲイン算定部２３ａおよびゲイン参照部２３ｂのうちで一方または双方を有する。例えば積分ゲインＫｉの設定は、回転数Ｎが高くなるにつれて積分ゲインＫｉを増加するように設定する。その反面、回転数Ｎが低くなるにつれて積分ゲインＫｉを減少するように設定する。また、電圧値Ｖdc、ノルムＶｎおよびトルク指令値Ｔ^＊のうちで一以上が低くなるにつれて積分ゲインＫｉを増加するように設定する。その反面、電圧値Ｖdc、ノルムＶｎおよびトルク指令値Ｔ^＊のうちで一以上が高くなるにつれて積分ゲインＫｉを減少するように設定する。比例ゲインＫｐは、上記積分ゲインＫｉと同様にして設定を行う。

ゲイン算定部２３ａは、回転数Ｎ、電圧値Ｖdc、ノルムＶｎおよびトルク指令値Ｔ^＊のうちで一つ以上の値と基準値との比に基づいて、制御ゲインを設定する。比は、回転数Ｎと基準回転数Ｎ_baseとの回転数比（すなわちＮ／Ｎ_base）、電圧値Ｖdcと基準電圧値Ｖdc_baseとの電圧値比（すなわちＶdc_base／Ｖdc）、ノルムＶｎと基準ノルムＶｎ_baseとのノルム比（すなわちＶｎ_base／Ｖｎ）、トルク指令値Ｔ^＊と基準トルク指令値Ｔ^＊_baseとのトルク指令値比（すなわちＴ^＊_base／Ｔ^＊）のうちで一以上が該当する。

基準回転数Ｎ_baseは、電動機５０の基準となる回転数（例えば定格回転数等）である。基準電圧値Ｖdc_baseは、電力変換回路４２に供給される電圧の基準となる電圧値（例えば図３に示すコンバータ回路４１の定格電圧値等）である。基準ノルムＶｎ_baseは、ノルムＶｎの基準となる電圧指令振幅である。基準トルク指令値Ｔ^＊_baseは、トルク指令値Ｔ^＊の基準となるトルク指令値である。

ゲイン算定部２３ａによる算定式の一例を次の式（１）および式（２）に示す。式（１）は積分ゲインＫｉを求める算定式であり、式（２）は比例ゲインＫｐを求める算定式である。なお、制御ゲインの基準となる基準積分ゲインを「Ｋｉ_base」とし、基準比例ゲインを「Ｋｐ_base」とする。

上述した式（１）および式（２）は回転数比と電圧値比とを用いた例であるが、ノルム比やトルク指令値比をさらに用いてもよい。そこで、ノルム比を用いる算定式の一例を次の式（３）と式（４）に示し、トルク指令値比を用いる算定式の一例を次の式（５）と式（６）に示す。式（３）および式（５）は積分ゲインＫｉを求める算定式であり、式（４）および式（６）は比例ゲインＫｐを求める算定式である。なお上記以外の算定式であって、電動機５０の種類や使用目的等に合わせて、回転数比，電圧値比，ノルム比およびトルク指令値比のうちで一以上の比を用いて積分ゲインＫｉや比例ゲインＫｐを求める算定式を定義してもよい。

ゲイン参照部２３ｂは、記録媒体２１に記録されたゲイン情報２１ａを参照し、回転数Ｎ、電圧値Ｖdc、ノルムＶｎおよびトルク指令値Ｔ^＊のうちで一以上に対応する積分ゲインＫｉを特定して設定する。マップ形式やテーブル形式等で記録されるゲイン情報２１ａは、記録媒体２１の記録容量に上限があるため、離散的なデータの集合体にすぎない。そのため、所要の特定方法によって積分ゲインＫｉを特定する。以下では、一例として２つの特定方法について簡単に説明する。

第１の特定方法は、記録されている回転数Ｎ、電圧値Ｖdc、ノルムＶｎおよびトルク指令値Ｔ^＊のうちで一以上の数値を基準値とし、当該基準値を含む所定範囲内の数値であるときは、当該回転数Ｎ、電圧値Ｖdc、ノルムＶｎおよびトルク指令値Ｔ^＊のうちで一以上に対応する積分ゲインＫｉを特定する。

第２の特定方法は、記録媒体２１に記録されている隣り合う二以上の数値に基づいて、所定の補間法に従って補間して特定する。所定の補間法には、例えば０次補間（最近傍補間，最近傍点補間とも呼ぶ。）、線形補間（直線補間，１次補間とも呼ぶ。）、放物線補間（２次補間とも呼ぶ。）、多項式補間、キュービック補間（３次補間とも呼ぶ。）、キュービックコンボリューション、ラグランジュ補間、スプライン補間、Sinc関数、ランツォシュ（Lanczos-n）補間などが該当する。

フィードバック制御器２４は、加合部２４ａ，ＰＩ制御部２４ｂ，ノルム算出部２４ｃ，トルク推定部２４ｄ，二相変換部２４ｅなどを有する。加合部２４ａは、入力信号の加え合わせを行う。図２の例では負帰還ループを形成するため、トルク指令値Ｔ^＊からトルクＴを差し引き、差分値を偏差ΔＴとして出力する。ＰＩ制御部２４ｂは、加合部２４ａから出力される偏差ΔＴと、ゲイン設定器２３から出力される比例ゲインＫｐや積分ゲインＫｉ等とに基づいてＰＩ制御を行うため、電圧位相指令θ^＊を算出して出力する。ＰＩ制御部２４ｂが算出する算出式の一例を次の式（７）に示す。式（７）では、経時的に変化することを考慮して、時間ｔをパラメータとして括弧内に示す。

ノルム算出部２４ｃは、トルク指令値Ｔ^＊および回転数Ｎに基づいて、ノルムＶｎを算出して出力する。電気角速度ωを用いて算出する場合には、回転数Ｎと極対数Ｐとを用いて算出すればよい（ω＝２πＰＮ／６０）。二相変換部２４ｅは、三相の電動機５０に流れるＵ相電流Ｉｕ，Ｖ相電流Ｉｖ，Ｗ相電流Ｉｗを二相の電流すなわちｑ軸電流Ｉｑ，ｄ軸電流Ｉｄに変換して出力する。トルク推定部２４ｄは、二相変換部２４ｅが出力するｑ軸電流Ｉｑ，ｄ軸電流Ｉｄに基づいて、電動機５０のトルクＴを推定して出力する。ノルム算出部２４ｃの算出法、二相変換部２４ｅの変換法については、いずれも周知であるので具体的な構成例の説明や図示を省略する。トルク推定部２４ｄの推定法は、例えば電流に対するトルクマップより推定する方法、電流とモータモデルを用いて推定する方法などによって推定する。また、トルク推定値の代わりに電動機５０に備えたトルク計より検出した値を用いても良い。

次に、上述した制御装置２０を備える回転機の制御システムにかかる構成例について、模式図で示す図３を参照しながら説明する。図３に示す制御システムは、少なくとも制御装置２０や電力変換機構４０などを備える。なお、図１，図２と同一の要素には同一符号を付して説明を省略する。以下では、電力変換機構４０の構成例を中心に説明する。

図３に示す電力変換機構４０は、コンバータ回路４１や電力変換回路４２などを有する。コンバータ回路４１は必要に応じて備えられ、電源３０から平滑用のコンデンサＣ１を介して供給される直流電圧（電圧値Ｖin；例えば３００ボルト等）を、電力変換回路４２で必要とする直流電圧（電圧値Ｖdc）に変換して出力する機能を担う。コンバータ回路４１の構成や作動等は周知であるので図示および説明を省略する。

電力変換回路４２は、供給される直流電圧（電圧値Ｖdc；例えば６６０ボルト等）を変換して電動機５０に出力する機能を担う。電源３０（例えばバッテリ等）と電力変換回路４２との間には、コンバータ回路４１を介在させている。コンバータ回路４１と電力変換回路４２との間には、平滑用のコンデンサＣ２が接続される。コンデンサＣ２は、コンバータ回路４１の出力電圧値（電圧値Ｖdc）の電位変動を低減する機能を担う。

電力変換回路４２は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６やダイオードＤ１〜Ｄ６などを有する。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６にはＩＧＢＴが用いられ、制御装置２０から個別に伝達される制御信号Ｓｃに従ってオン／オフが駆動される。ダイオードＤ１〜Ｄ６は、それぞれ対応するスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のコレクタ端子とエミッタ端子との間に並列接続される。これらのダイオードＤ１〜Ｄ６は、いずれもフリーホイールダイオードとして機能する。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３やダイオードＤ１〜Ｄ３などは上アーム側に配置され、スイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６やダイオードＤ４〜Ｄ６などは下アーム側に配置される。共通電位Ｇ２は電力変換機構４０内で共通する電位（同電位グランド）であり、接地されるグランドＧ１と接続された場合には０[Ｖ]になる。共通電位Ｇ２は接地電位と同電位でないことが多く、グランドＧ１とは異なる図記号を用いて図示する。

電力変換回路４２内の回路素子は、一点鎖線で囲って示すように三相（本例ではＵ相，Ｖ相，Ｗ相）に分けられ、制御装置２０によって相ごとに作動が制御される。Ｕ相は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４やダイオードＤ１，Ｄ４などで構成される。Ｖ相は、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ５やダイオードＤ２，Ｄ５などで構成される。Ｗ相は、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ６やダイオードＤ３，Ｄ６などで構成される。Ｕ相のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４は、直列接続されてハーフブリッジを構成する。Ｖ相のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ５と、Ｗ相のスイッチング素子Ｑ３，Ｑ６とについても同様に、直列接続されてハーフブリッジを構成する。ハーフブリッジの各接続点と電動機５０の三相端子とは、線路Ｋｕ，Ｋｖ，Ｋｗによって相ごとに接続されている。線路ＫｕにはＵ相電流Ｉｕが流れ、線路ＫｖにはＶ相電流Ｉｖが流れ、線路ＫｗにはＷ相電流Ｉｕが流れる。

図３に示す制御装置２０は、コンバータ回路４１や電力変換回路４２等の動作を司る。制御装置２０が入力する信号は、外部装置に相当するＥＣＵ６０から伝達されるトルク指令値Ｔ^＊や、電流センサ５２から伝達される電流Ｉ（Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）、レゾルバ５１から出力される電気角θ_ｅなどがある。制御装置２０が出力する信号は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の制御端子Ｐ１〜Ｐ６に伝達する制御信号Ｓｃや、コンバータ回路４１に備える駆動回路に伝達する制御信号などがある。

電動機５０は、電流センサ５２やレゾルバ５１などを備える。電流センサ５２には各相の電流（Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）を検出可能なセンサを用いることができ、例えば磁気比例型センサ，電磁誘導型センサ，ファラデー効果型センサ，変流器型センサなどが該当する。レゾルバ５１は「位置（回転）検出センサ」に相当し、電動機５０に備える回転子（ロータ）の電気角θ_ｅを検出して出力する。

回転機の制御システム（すなわち図１〜図３に示す制御装置２０や電力変換回路４２など）は、電動機５０の駆動によって移動を実現できる輸送機器に備えるのが望ましい。輸送機器は、例えば自動車，航空機，船舶，鉄道車両などが該当する。

上述のように構成された制御装置２０において実行される処理内容について、図４を参照しながら説明する。図４には、フィードバック制御処理の手続き例をフローチャートで示す。フィードバック制御処理は制御装置２０の作動中において繰り返し実行される。

なお、上述した要素と図４の各ステップとの関連については次のようになる。すなわち、ステップＳ１０は加合部２４ａに相当し、ステップＳ１１〜Ｓ１３はゲイン設定器２３に相当し、ステップＳ１４はＰＩ制御部２４ｂに相当し、ステップＳ１６はスイッチング信号生成器２５に相当する。

図４において、トルク指令値Ｔ^＊とトルクＴとの偏差ΔＴを求めるとともに〔ステップＳ１０〕、制御ゲインを設定する〔ステップＳ１１〜Ｓ１３〕。回転数Ｎには、回転数演算器２６から出力される回転数を用いる。制御ゲインの設定は次の方法で行う。第１の設定法は、回転数比（すなわちＮ／Ｎ_base）および電圧値比（すなわちＶdc_base／Ｖdc）に基づいて式（１）に従って積分ゲインＫｉを求めるとともに、式（２）に従って比例ゲインＫｐを求めて設定する〔ステップＳ１１〕。第２の設定法は、ゲイン情報２１ａを参照して、回転数Ｎ、電圧値Ｖdc、ノルムＶｎおよびトルク指令値Ｔ^＊のうちで一以上に対応する積分ゲインＫｉおよび比例ゲインＫｐを個別に特定して設定する〔ステップＳ１２〕。第３の設定法は、マップ２１ｂを参照して積分ゲインＫｉおよび比例ゲインＫｐを個別に設定する〔ステップＳ１３〕。ステップＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１３に示す設定法について条件を満たすステップの設定法で求めた値で設定してもよく、２以上のステップで求めた値の平均値等を求めて設定してもよい。

ステップＳ１１，Ｓ１２に共通するのは、回転数Ｎが高くなるにつれて積分ゲインＫｉを増加するように設定する反面、回転数Ｎが低くなるにつれて積分ゲインＫｉを減少するように設定することである。比例ゲインＫｐについても同様にして設定する。このように設定するのは、回転数Ｎをパラメータとする図５および図６を参照すると理解し易い。図５には、トルクＴ（縦軸）と電圧位相指令θ^＊を（横軸）との関係を示す。図６には、トルクＴ／電圧位相指令θ^＊（縦軸）と電圧値Ｖdc（横軸）との関係を示す。図５および図６によれば、回転数Ｎが高くなる（大きくなる）につれてトルクＴを得る特性線が下方に移行し、回転数Ｎが低くなる（小さくなる）につれてトルクＴを得る特性線が上方に移行することから明らかである。

また、電圧値Ｖdcが低くなるにつれて積分ゲインＫｉを増加するように設定する反面、電圧値Ｖdcが高くなるにつれて積分ゲインＫｉを減少するように設定することである。比例ゲインＫｐについても同様にして設定する。このように設定するのは、電圧値Ｖdcをパラメータとする図７および図８を参照すると理解し易い。図７には、トルクＴ（縦軸）と電圧位相指令θ^＊を（横軸）との関係を示す。図８には、トルクＴ／電圧位相指令θ^＊（縦軸）と回転数Ｎ（横軸）との関係を示す。図７および図８によれば、電圧値Ｖdcが高くなる（大きくなる）につれてトルクＴを得る特性線が上方に移行し、電圧値Ｖdcが低くなる（小さくなる）につれてトルクＴを得る特性線が下方に移行することから明らかである。なお図示を省略するが、下記理由により電圧値Ｖdcの代わりにノルムＶｎおよびトルク指令値Ｔ^＊をパラメータに取った場合についても、図７および図８と同様の関係となる。
（理由１）変調率を一定でインバータ入力電圧Ｖdcをパラメータとして変化させた図が図７および図８である。この場合、インバータ入力電圧Ｖdcを変化させることはノルムＶｎ（電圧指令振幅）を変化させていることと同じであるため、ノルムＶｎ（電圧指令振幅）をパラメータに取った場合も図７および図８と同様の関係になる。
（理由２）上述している特許文献１の技術のように、トルク指令値および回転機の回転数に基づいて、ノルム設定手段が回転２相座標系における電力変換回路が出力する電圧ベクトルのノルムＶｎ（電圧指令振幅）を決定する制御方法ではトルク指令値に基づいて電圧指令振幅が変化する。そのため、トルク指令値Ｔ^＊をパラメータに取った場合も図７および図８と同様の関係になる。

ステップＳ１０で求めた偏差ΔＴや、ステップＳ１１，Ｓ１２で設定した比例ゲインＫｐおよび積分ゲインＫｉ等に基づいて、式（７）に従って電圧位相指令θ^＊を算出し〔ステップＳ１４〕、当該ステップＳ１４で算出した電圧位相指令θ^＊やノルムＶｎに基づいて制御信号Ｓｃを生成して電力変換回路４２（具体的にはスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６）に出力し〔ステップＳ１５〕、フィードバック制御処理をリターンする。電圧位相指令θ^＊およびノルムＶｎに基づいて制御信号Ｓｃを生成する方法については周知であるので構成および説明を省略する。

上述した実施の形態によれば、以下に示す各効果を得ることができる。まず請求項１に対応し、制御装置２０は、回転数Ｎ、電圧値Ｖdc、ノルムＶｎ（電圧指令振幅）およびトルク指令値Ｔ^＊のうちで一以上に基づいて制御ゲイン（すなわち積分ゲインＫｉや比例ゲインＫｐ等）を設定するゲイン設定器２３と、少なくとも積分要素を含み、トルク指令値Ｔ^＊とトルクＴとの偏差ΔＴとゲイン設定器２３で設定される制御ゲインとに基づいてフィードバック制御を行い電力変換回路４２が出力する電圧の位相を示す電圧位相指令θ^＊を出力するフィードバック制御器２４と、フィードバック制御器２４から出力される電圧位相指令θ^＊に基づいてスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の制御を行う制御信号Ｓｃを生成して電力変換回路４２に出力するスイッチング信号生成器２５とを有する構成とした（図１〜図３を参照）。この構成によれば、回転数Ｎ、電圧値Ｖdc、ノルムＶｎおよびトルク指令値Ｔ^＊のうちで一以上に応じて特性が変化しても、ゲイン設定器２３によって適切な制御ゲインが設定されるので、トルク応答性を向上させることができる。言い換えれば、回転数、電圧値、電圧指令振幅およびトルク指令値のいずれが変化しても同等のトルク応答性が得られる。

請求項２に対応し、ゲイン設定器２３は、回転数Ｎが高くなるにつれて制御ゲインを増加するように設定し、電圧値Ｖdc、ノルムＶｎおよびトルク指令値Ｔ^＊のうちで一以上が低くなるにつれて制御ゲインを増加するように設定する構成とした。この構成によれば、回転数Ｎや電圧値ＶdcやノルムＶｎやトルク指令値Ｔ^＊に応じた適切な制御ゲインが設定されるので、従来よりも確実にトルク応答性を向上させることができる。

請求項３に対応し、回転数Ｎ、電圧値Ｖdc、ノルムＶｎおよびトルク指令値Ｔ^＊のうちで一以上と、制御ゲインとの関係を規定するゲイン情報２１ａを記録する記録媒体２１を備える構成とした（図１を参照）。ゲイン設定器２３は、記録媒体２１に記録されたゲイン情報２１ａを参照し、回転数Ｎ、電圧値Ｖdc、ノルムＶｎおよびトルク指令値Ｔ^＊のうちで一以上に対応する制御ゲインを特定して設定する構成とした（図４のステップＳ１２を参照）。この構成によれば、ゲイン情報２１ａを参照することで、回転数Ｎ、電圧値Ｖdc、ノルムＶｎおよびトルク指令値Ｔ^＊のうちでいずれかに対応する制御ゲインが素早く得られる。簡単な算術処理で済むので、処理負荷を抑制した上で、トルク応答性を向上させることができる。

請求項４に対応し、ゲイン設定器２３は、回転数Ｎ、電圧値Ｖdc、ノルムＶｎおよびトルク指令値Ｔ^＊のうちで一以上の基準値（すなわち基準回転数Ｎ_base、基準電圧値Ｖdc_base、基準ノルムＶｎ_base、基準トルク指令値Ｔ^＊_base）を規定し、回転数Ｎ、電圧値Ｖdc、ノルムＶｎおよびトルク指令値Ｔ^＊の値と基準値との比に基づいて、制御ゲインを設定する構成とした（式（１），式（２）および図４のステップＳ１１を参照）。この構成によれば、比を算出するだけで、対応する制御ゲインが簡単に得られる。簡単な算術処理で済むので、処理負荷を抑制した上で、トルク応答性を向上させることができる。

請求項５に対応し、電動機５０の制御システムにおいて、制御装置２０と、電力変換回路４２とを有する構成とした（図３を参照）。この構成によれば、回転数Ｎ，ノルムＶｎやトルク指令値Ｔ^＊のいずれかが変化しても、従来よりはトルク応答性が向上する電動機５０の制御システムを提供することができる。

〔他の実施の形態〕
以上では本発明を実施するための形態について説明したが、本発明は当該形態に何ら限定されるものではない。言い換えれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施することもできる。例えば、次に示す各形態を実現してもよい。

上述した実施の形態では、スイッチング素子としてＩＧＢＴを適用した（図１〜図３を参照）。この形態に代えて、他のスイッチング素子を適用してもよい。他のスイッチング素子としては、例えばＦＥＴ（具体的にはＭＯＳＦＥＴ，ＪＦＥＴ，ＭＥＳＦＥＴ等）、ＧＴＯ、パワートランジスタ等が該当する。いずれを適用するにせよ、ＩＧＢＴと同等に機能するので、上述した実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

上述した実施の形態では、回転機として突極型の永久磁石同期電動機（IPMSM）５０を適用した。この形態に代えて、非突極型の永久磁石同期電動機（SPMSM）でもよい。また、回転機としては、永久磁石同期電動機に限定するものではなく、例えばシンクロナスリラクタンスモータ（SynRM）、ロータが巻線タイプの巻線型同期モータ（突極および非突極型）、誘導機（IM）などでもよい。さらには、回転機が電動機動作だけに限定するものではなく、発電機動作を行ってもよい。いずれを適用するにせよ、電動機５０と同等に機能するので、上述した実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

上述した実施の形態では、制御ゲインとして積分ゲインＫｉおよび比例ゲインＫｐを適用し、第１の設定法から第３の設定法までを用いて設定する構成とした（図４のステップＳ１１〜Ｓ１３を参照）。この形態に代えて、積分ゲインＫｉおよび比例ゲインＫｐのうち一方については、一定値で設定してもよい。一方の制御ゲインを一定値で設定する場合でも、従来よりはトルク応答性が向上する。

上述した実施の形態では、ＰＩ制御部２４ｂはＰＩ制御を行う構成とした（図２を参照）。この形態に代えて、さらに微分要素を含めてＰＩＤ制御を行う構成としてもよい。この場合には、ゲイン設定器２３は、比例ゲインＫｐおよび積分ゲインＫｉの設定と同様にして、微分ゲインＫｄを増減して設定する構成としてもよい。回転機の性能や用途等によっては回転数Ｎが急激に変化する場合があり、このような回転機についてもトルク応答性が向上させることができる。なお、ＰＩＤ制御を行う場合には電圧位相指令θ^＊を次の式（８）に従って算出する。制御ゲインの基準となる基準微分ゲインを「Ｋｄ_base」とする。

上述した実施の形態では、制御装置２０は、電力変換機構４０やＥＣＵ６０とは別体に設ける構成とした（図３を参照）。この形態に代えて、制御装置２０と電力変換機構４０とを一体に設ける構成としてもよく、制御装置２０とＥＣＵ６０とを一体に設ける構成としてもよく、制御装置２０，電力変換機構４０およびＥＣＵ６０を一体に設ける構成としてもよい。形態上の差異に過ぎず機能は同等であるので、上述した実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

上述した実施の形態では、電力変換回路４２はコンバータ回路４１を経て供給される電圧（電圧値Ｖdc）を変換して電動機５０に出力する構成とした（図１，図３を参照）。この形態に代えて、コンバータ回路４１を不要とし、電力変換回路４２は電源３０から直接供給される電圧（電圧値Ｖin）を変換して電動機５０に出力する構成としてもよい。この場合はＶdc＝Ｖinと考え、同様の処理を行えばよい。単に電圧の供給手段が相違するに過ぎないので、上述した実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

上述した実施の形態では、ゲイン設定器２３またはフィードバック制御器２４に入力する回転数Ｎは、電動機５０に備えたレゾルバ５１で検出した電気角θ_ｅに基づいて回転数演算器２６で演算する構成とした（図２を参照）。この形態に代えて、位置（回転）検出センサとしてのロータリエンコーダ（インクリメンタル型またはアブソリュート型）を電動機５０に備え、ロータリエンコーダから出力される信号（例えばパルス信号等）に基づいて回転数Ｎを演算する回転数演算器とを備える構成としてもよい。同様に、位置（回転）検出センサとしての角速度センサ（例えばジャイロスコープ等）を電動機５０に備え、角速度センサから出力される信号（例えば角速度信号等）に基づいて回転数Ｎを演算する回転数演算器とを備える構成としてもよい。いずれの位置（回転）検出センサを用いても電動機５０の回転数Ｎが得られるので、上述した実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

上述した実施の形態では、電動機５０の回転数Ｎを用いて制御ゲインの設定を行う構成とした（図４のステップＳ１１〜Ｓ１３を参照）。この形態に代えて、センサレスで推定した推定値を回転数Ｎとして用いる構成としてもよい。例えば、関数式等で表される数式モデルに基づいて回転数を推定したり、車両システムの他のセンサや制御量に基づいて回転数を推定したりする。こうして推定した回転数を回転数Ｎとして用いて、制御ゲインの設定を行えばよい。推定された回転数Ｎを用いる場合でも、状況に応じた制御ゲインを設定することができるので、上述した実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

上述した実施の形態では、電動機５０の回転数Ｎを用いて制御ゲインの設定を行う構成としたが（式（１）から式（６）を参照）、電気角速度ωを用いて制御ゲインの設定を行う構成としてもよい。電気角速度ωは「ω＝２πＰＮ／６０」で表せるように、次元が異なるだけで同じ物理量を表しているため、同様の効果が得られる。制御ゲインの設定に用いる電圧指令振幅（ノルムＶｎ）は、回転２相座標系における電圧指令振幅、３相座標系における電圧指令振幅のうちのいずれでもよい。また、電力変換回路４２が出力する電圧Ｖpの電圧振幅（電気角周波数１次成分の振幅）でもよい。電力変換回路４２は電圧指令値に基づいて電圧を出力するため、同様の効果が得られる。

上述した実施の形態では、制御装置２０から電力変換回路４２に出力（伝達）する制御信号Ｓｃとしてパルス幅変調信号を用いた。この形態に代えて、予め電気角に対するスイッチング信号を記録媒体２１等に記憶したマップを用いて制御信号Ｓｃを出力する構成としてもよい。いずれにせよ、電動機５０の制御を行える信号であれば任意の信号を適用することができる。この場合であっても電動機５０を制御できるので、上述した実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

２０ 制御装置
２１ 記録媒体
２１ａ ゲイン情報
２３ ゲイン設定器
２３ａ ゲイン算定部
２３ｂ ゲイン参照部
２４ フィードバック制御器
２４ａ 加合部
２４ｂ ＰＩ制御部
２４ｃ ノルム算出部
２４ｄ トルク推定部
２４ｅ 二相変換部
２５ スイッチング信号生成器
２６ 回転数演算器
３０ 電源
４０ 電力変換機構
４１ コンバータ回路
４２ 電力変換回路
５０ 電動機（回転機）
５１ レゾルバ（位置（回転）検出センサ）
５２ 電流センサ
６０ ＥＣＵ（外部装置）
Ｋｐ 比例ゲイン（制御ゲイン）
Ｋｉ 積分ゲイン（制御ゲイン）
Ｋｄ 微分ゲイン（制御ゲイン）
Ｎ 回転数
Ｓｃ 制御信号
Ｓｖ 検出値
Ｔ トルク
Ｔ^＊ トルク指令値
Ｖdc 電圧値（電力変換回路に入力する電圧値）
Ｖp 電力変換回路出力電圧
Ｖｎ ノルム（電圧指令振幅）
θ^＊ 電圧位相指令

Claims (5)

1. 供給される電圧を電力変換回路で変換して回転機に伝達する際、トルク指令値に基づいて前記電力変換回路に含まれるスイッチング素子の制御を行うことにより、前記回転機のトルクを制御する回転機の制御装置において、
   前記回転機の回転数、前記電力変換回路に入力する電圧値、電圧指令振幅および前記トルク指令値のうちで一つ以上に基づいて、制御ゲインを設定するゲイン設定器と、
   少なくとも積分要素を含み、前記トルク指令値と前記トルクとの偏差と、前記ゲイン設定器で設定される制御ゲインとに基づいてフィードバック制御を行い、前記電力変換回路が出力する電圧の位相を示す電圧位相指令を出力するフィードバック制御器と、
   前記フィードバック制御器から出力される電圧位相指令に基づいて、前記スイッチング素子の制御を行う制御信号を生成して前記電力変換回路に出力するスイッチング信号生成器と、
   を有することを特徴とする回転機の制御装置。
2. 前記ゲイン設定器は、前記回転数が高くなるにつれて前記制御ゲインを増加するように設定し、前記電圧値、前記電圧指令振幅および前記トルク指令値のうちで一つ以上が低くなるにつれて前記制御ゲインを増加するように設定することを特徴とする請求項１に記載の回転機の制御装置。
3. 前記回転数、前記電圧値、前記電圧指令振幅および前記トルク指令値のうちで一つ以上と、前記制御ゲインとの関係を規定するゲイン情報を記録する記録媒体を有し、
   前記ゲイン設定器は、前記記録媒体に記録された前記ゲイン情報を参照し、前記回転数、前記電圧値、前記電圧指令振幅および前記トルク指令値のうちで一つ以上に対応する前記制御ゲインを特定して設定することを特徴とする請求項１または２に記載の回転機の制御装置。
4. 前記ゲイン設定器は、前記回転数、前記電圧値、前記電圧指令振幅および前記トルク指令値のうちで一つ以上の基準値を規定し、前記回転数、前記電圧値、前記電圧指令振幅および前記トルク指令値のうちで一つ以上の値と前記基準値との比に基づいて前記制御ゲインを設定することを特徴とする請求項１または２に記載の回転機の制御装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の回転機の制御装置と、前記電力変換回路とを有することを特徴とする回転機の制御システム。

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