JP2012239250A - 同期モータの印加電圧電気角設定方法とモータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電流の応答遅延を考慮して印加電圧の指示値を設定できる同期モータの制御技術を提案する。
【解決手段】この提案に係る印加電圧電気角設定方法は、同期モータＭの印加電圧及び電流を検出し、これら検出値に基づいて電流波高値Ｉｐを算出すると共に現在の印加電圧位相αを算出し、目標値設定部２０において電流波高値Ｉｐに基づき目標電流位相βtargを算出してから該目標電流位相に相当する目標印加電圧位相αtargを算出し、電圧電気角指示値設定部１０において、現在の印加電圧位相α及び目標印加電圧位相αtargの差を同期モータの応答時定数Ｌ／Ｒにより補正した変化角度Δθｖと、印加電圧及び電流に基づき算出した回転速度ωと、前回の印加電圧電気角指示値θｖtargと、に基づいて、新しい印加電圧電気角指示値θｖtargを算出する。
【選択図】図１

Description

同期モータの位置検出運転に関する技術が以下に開示される。

同期モータ（永久磁石同期モータ）の駆動方式として適用例が増えている正弦波駆動方式（１８０度通電方式）では、ロータ位置（ロータの回転位置）をセンサレスで検出し、ステータコイルへ適切な通電を行う制御を実行する。このセンサレスでロータ位置を検出する機能を備えたモータ制御装置として、特許文献１に開示のモータ制御装置が提案されている。特許文献１のモータ制御装置は、同期モータの相電流を検出する相電流検出手段と、検出された相電流に基づいて電流位相を演算する電流位相演算手段と、演算された電流位相に所定の位相差を加えて電圧位相とする電圧位相設定手段と、により印加電圧の電圧位相を決定する。そして、この電圧位相と、運転指令に従って決定された指令電圧とに基づいて、同期モータへの印加電圧が設定される。

特許文献１のモータ制御装置によると、同期モータへ印加する印加電圧の位相指示値は、検出された電流位相に所定の位相差を加えることで設定される。その加えるべき位相差は、検出された電流波高値及び誘起電圧の角速度と、目標とする電流位相（ｑ軸からの進み角）とに基づいて算出されるか、あるいは、電流波高値と誘起電圧の角速度からデータテーブルをアクセスすることにより求められる。

特開２００４−１８７４０７号公報

一般的に、同期モータにおいて印加電圧の電圧位相を変化させると、次式１のモータ特性式に従って電流位相も変化する。式１はロータ座標系のモータベクトル図に基づく式で、Ｅｄは誘起電圧Ｅのｄ軸成分、Ｅｑは誘起電圧Ｅのｑ軸成分、Ｖｄは印加電圧Ｖのｄ軸成分、Ｖｑは印加電圧Ｖのｑ軸成分、Ｒはステータコイルの抵抗、Ｉｄは電流Ｉのｄ軸成分、Ｉｑは電流Ｉのｑ軸成分、ωは回転速度、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、ψaはロータ磁石の磁束、ｐは微分演算子（ｄ／ｄｔ）である。
［式１］

式１において、同期モータの回転が安定している位置検出運転の応答特性は、式中のＡ部分の計算式で表せる。一方、出力軸の負荷変動などで同期モータの回転が過渡状態にある位置検出運転の応答特性には、式中のＢ部分の計算式がＡ部分に加えて入ってくる。すなわち、Ｌ／Ｒ時定数（Ｌ：インダクタンス、Ｒ：コイル抵抗）に従う応答遅延が発生する。この応答遅延を無視して位置検出運転を続けると、印加電圧の位相指示値に対して実際のロータの回転が追い付かなくなり、指示値の発振や脱調につながる。

特許文献１に開示されるようなモータ制御装置では、印加電圧の位相指示値を生成するべく検出電流位相に加えられる位相差に、上記のような応答遅延が加味されないため、特に過渡状態になったときの運転の安定性に改善の余地がある。この点に鑑みると、モータ特性による応答遅延を考慮して印加電圧の指示値を設定できることが必要である。

上記課題に対して提案するのは、同期モータの印加電圧電気角設定方法であって、その第１の態様は、
ステータコイルに印加される印加電圧及び該印加電圧に従い前記ステータコイルに流れる電流を検出し、
前記検出した印加電圧及び電流に基づいて、現在の印加電圧位相（又は印加電圧電気角）を算出すると共に電流波高値を算出し、該電流波高値に基づいて目標電流位相を算出してから該目標電流位相に相当する目標印加電圧位相（又は目標印加電圧電気角）を算出し、
前記現在の印加電圧位相（又は印加電圧電気角）及び前記目標印加電圧位相（又は印加電圧電気角）の差を当該同期モータの応答時定数により補正した変化角度と、前記検出した印加電圧及び電流に基づき算出した回転速度と、前回の印加電圧電気角指示値と、に基づいて、新しい印加電圧電気角指示値を算出する、
印加電圧電気角設定方法である。

この印加電圧電気角設定方法を実施するべく提案するモータ制御装置は、
同期モータのステータコイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記ステータコイルに印加される印加電圧を検出する印加電圧検出手段と、
前記電流検出手段で検出される電流に基づいて電流波高値及び電流電気角を検出する電流波高値・電気角検出手段と、
前記電流検出手段で検出される電流と前記印加電圧検出手段で検出される印加電圧とに基づいて誘起電圧波高値及び誘起電圧電気角を検出する誘起電圧波高値・電気角検出手段と、
前記電流電気角又は前記誘起電圧電気角を変数として含むと共に、前記電流波高値、前記誘起電圧波高値、及び前記誘起電圧電気角と前記電流電気角との差のうちの少なくとも２つに基づいて求められる電流位相又は誘起電圧位相を変数として含む、ロータ位置計算式を使用して、前記同期モータのロータ位置を検出するロータ位置検出手段と、
前記ロータ位置検出手段で検出されるロータ位置に基づいて回転速度を検出する回転速度検出手段と、
前記相電流波高値・電気角検出手段で検出される電流波高値に基づいて目標電流位相を算出し、該目標電流位相に基づいて目標印加電圧位相（又は目標印加電圧電気角）を算出する目標値設定手段と、
前記印加電圧検出手段で検出される印加電圧に基づき算出した現在の印加電圧位相（又は印加電圧電気角）と前記目標印加電圧位相（又は目標印加電圧電気角）との差を前記同期モータの応答時定数により補正した変化角度、前記回転速度検出手段で検出される回転速度、及び前回の印加電圧電気角指示値に基づいて、新しい印加電圧電気角指示値を算出する電圧電気角指示値設定手段と、
を含んで構成される。

また、上記課題に対して提案する第２の態様に係る同期モータの印加電圧電気角設定方法は、
ステータコイルに印加される印加電圧及び該印加電圧に従い前記ステータコイルに流れる電流を検出し、
前記検出した印加電圧及び電流に基づいて、現在のロータの鎖交磁束と目標電流位相に該当する目標鎖交磁束との差分に相当する鎖交磁束変化量を算出し、
前記検出した印加電圧及び電流に基づき算出した回転速度と前記鎖交磁束変化量とに基づいて変化角度を算出し、
前記算出した回転速度、前記変化角度、及び前回の印加電圧電気角指示値に基づいて、新しい印加電圧電気角指示値を算出する、
印加電圧電気角設定方法である。

この印加電圧電気角設定方法を実施するべく提案するモータ制御装置は、
同期モータのステータコイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記ステータコイルに印加される印加電圧を検出する印加電圧検出手段と、
前記電流検出手段で検出される電流に基づいて電流波高値及び電流電気角を検出する電流波高値・電気角検出手段と、
前記電流検出手段で検出される電流と前記印加電圧検出手段で検出される印加電圧とに基づいて誘起電圧波高値及び誘起電圧電気角を検出する誘起電圧波高値・電気角検出手段と、
前記電流電気角又は前記誘起電圧電気角を変数として含むと共に、前記電流波高値、前記誘起電圧波高値、及び前記誘起電圧電気角と前記電流電気角との差のうちの少なくとも２つに基づいて求められる電流位相又は誘起電圧位相を変数として含む、ロータ位置計算式を使用して、前記同期モータのロータ位置を検出するロータ位置検出手段と、
前記ロータ位置検出手段で検出されるロータ位置に基づいて回転速度を検出する回転速度検出手段と、
前記電流波高値に基づいて目標ｄ軸電流を算出する目標値設定手段と、
前記電流波高値及び前記電流位相に基づき得られる現在のｄ軸電流と前記目標ｄ軸電流とのｄ軸電流差を算出すると共に該ｄ軸電流差に対応するロータの鎖交磁束変化量を算出し、該鎖交磁束変化量と前記回転速度とに基づいて算出した変化角度、前記回転速度、及び前回の印加電圧電気角指示値に基づいて、新しい印加電圧電気角指示値を演算する電圧電気角指示値設定手段と、
を含んで構成される。

上記第１の態様によると、前の指示値に対する新しい印加電圧電気角指示値の変化角度を同期モータの応答時定数により補正しているので、同期モータの応答特性に応じた適切な応答速度を保って印加電圧電気角指示値が更新される。

また、上記第２の態様によると、磁束の変化量に基づいて印加電圧電気角指示値を更新している。目標鎖交磁束は目標電流位相で運転されたときの磁束であり、電圧＝回転数×磁束の関係が一般に成り立つので、磁束の変化量に相当するだけ回転速度を速くする印加電圧位相の制御を行えば、結果的に電流位相が目標位相に到達する。このときの電流の応答特性は、同期モータ自体が応答遅延のフィルタとして作用することから、応答遅延に配慮する必要がない。したがって、同期モータの応答特性に応じた適切な応答速度を保って印加電圧電気角指示値が更新される。

モータ制御装置の実施形態を示したブロック図。 正弦波通電における（Ａ）電流、（Ｂ）誘起電圧、（Ｃ）印加電圧の各波形図。 ロータ（ｄｑ）座標系のモータベクトル図。 第２設定方法に係る電圧電気角指示値設定部を示したブロック図。

図１は、モータ制御装置の実施形態を示している。
本実施形態の同期モータＭは、３相のスター結線型で、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のステータコイルを含むステータと、永久磁石を含むロータとを有する。図中にはＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各ステータコイルのみを示し、その他は図示を省略してある。なお、スター結線型を例として示すがデルタ結線でも同様に適用される。

この同期モータＭを駆動するパワーモジュール（ＩＰＭ）ＰＭは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相ごとに上アーム側のスイッチング素子＋Ｕ，＋Ｖ，＋Ｗ及び下アーム側のスイッチング素子−Ｕ，−Ｖ，−Ｗを直流電源の高位側と低位側の間に直列接続してある。また、下アーム側スイッチング素子−Ｕ，−Ｖ，−Ｗの低位側には、各相に流れる電流を検出するためのシャント抵抗Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗが設けられる。各スイッチング素子＋Ｕ〜−Ｗはインバータ駆動部１によるＰＷＭ信号で駆動され、これに従いＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各ステータコイルが正弦波通電（１８０度通電）で制御される。当該制御によって各相Ｕ，Ｖ，Ｗに流れる電流が、シャント抵抗Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗを利用して検出される。

インバータ駆動部１及び以下に説明する各部は、本実施形態の場合、プログラムに従って動作するマイコン等のコンピュータにより実行されるものとして説明する。ただし、これに限らず、ハードウエアによりそれぞれを構成することなども可能である。

電流検出手段に相当する相電流検出部２は、シャント抵抗Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗにかかる電圧を測定することにより、Ｕ相のステータコイルに流れるＵ相電流Ｉｕ、Ｖ相のステータコイルに流れるＶ相電流Ｉｖ、Ｗ相のステータコイルに流れるＷ相電流Ｉｗをそれぞれ検出する。印加電圧検出手段に相当する印加電圧検出部３は、上アーム側スイッチング素子＋Ｕ〜＋ＷからＵ相のステータコイル、Ｖ相のステータコイル、Ｗ相のステータコイルへそれぞれ印加されるＵ相印加電圧Ｖｕ、Ｖ相印加電圧Ｖｖ、Ｗ相印加電圧Ｖｗを検出する。

電流波高値・電気角検出手段に相当する相電流波高値・電気角検出部４は、相電流検出部２で検出される相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの値に基づいて、相電流波高値Ｉｐ及び相電流電気角θｉ（ステータαβ座標系）を検出する。その検出方法は次の通りである。当該検出方法は、特開２０１１−１０４３８号公報（以下、参考文献１）に詳しく説明されている。

Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に正弦波通電を行っているときの相電流波形図は、図２Ａに示してある通りであり、正弦波形を成すＵ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗにはそれぞれ１２０°の位相差がある。この相電流波形図からすれば、相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ、相電流波高値Ｉｐ、そして相電流電気角θｉの間には次の式２が成立する。相電流波高値・電気角検出部４は、相電流検出部２で検出されるＵ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗを利用して、式２によって相電流波高値Ｉｐ及び相電流電気角θｉを求める。
［式２］
Ｉｕ＝Ｉｐ×ｃｏｓ（θｉ）
Ｉｖ＝Ｉｐ×ｃｏｓ（θｉ−２／３・π）
Ｉｗ＝Ｉｐ×ｃｏｓ（θｉ＋２／３・π）

誘起電圧波高値・電気角検出手段に相当する誘起電圧波高値・電気角検出部５は、相電流検出部２で検出される相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗと、印加電圧検出部３で検出される印加電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗとに基づいて、誘起電圧波高値Ｅｐ及び誘起電圧電気角θｅ（ステータαβ座標系）を検出する。その検出方法は次の通りである。当該検出方法も、参考文献１に詳しく説明されている。

Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に正弦波通電を行っているときの誘起電圧波形図は、図２Ｂに示してある通りであり、正弦波形を成すＵ相誘起電圧Ｅｕ、Ｖ相誘起電圧Ｅｖ、Ｗ相誘起電圧Ｅｗにはそれぞれ１２０°の位相差がある。この誘起電圧波形図からすれば、誘起電圧Ｅｕ，Ｅｖ，Ｅｗ、誘起電圧波高値Ｅｐ、そして誘起電圧電気角θｅの間には次の式３が成立する。
［式３］
Ｅｕ＝Ｅｐ×ｃｏｓ（θｅ）
Ｅｖ＝Ｅｐ×ｃｏｓ（θｅ−２／３・π）
Ｅｗ＝Ｅｐ×ｃｏｓ（θｅ＋２／３・π）

一方、印加電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ、相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ、ステータコイルの抵抗値Ｒｃｕ，Ｒｃｖ，Ｒｃｗ（モータパラメータとして既知）、そして誘起電圧Ｅｕ，Ｅｖ，Ｅｗの間には次の式４が成立する。
［式４］
Ｖｕ−Ｉｕ×Ｒｃｕ＝Ｅｕ
Ｖｖ−Ｉｖ×Ｒｃｖ＝Ｅｖ
Ｖｗ−Ｉｗ×Ｒｃｗ＝Ｅｗ

誘起電圧波高値・電気角検出部５は、相電流検出部２で検出されるＵ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗと、印加電圧検出部３で検出されるＵ相印加電圧Ｖｕ、Ｖ相印加電圧Ｖｖ、Ｗ相印加電圧Ｖｗとに基づいて、式４からＵ相誘起電圧Ｅｕ、Ｖ相誘起電圧Ｅｖ、Ｗ相誘起電圧Ｅｗを求め、そして、求めたＵ相誘起電圧Ｅｕ、Ｖ相誘起電圧Ｅｖ、Ｗ相誘起電圧Ｅｗに基づいて、式３から誘起電圧波高値Ｅｐと誘起電圧電気角θｅを求める。

ロータ位置検出手段に相当するロータ位置検出部６は、相電流波高値・電気角検出部４で検出される相電流波高値Ｉｐ、相電流電気角θｉ、誘起電圧波高値・電気角検出部５で検出される誘起電圧波高値Ｅｐ、誘起電圧電気角θｅに基づいて、ロータ位置θｍ（α軸に対するｄ軸の角度）を検出する。すなわち、電流電気角θｉ又は誘起電圧電気角θｅを変数として含むと共に、電流波高値Ｉｐ、誘起電圧波高値Ｅｐ、及び誘起電圧電気角θｅと電流電気角θｉとの差［θｅ−θｉ］のうちの少なくとも２つに基づいて求められる電流位相β又は誘起電圧位相γを変数として含む、ロータ位置計算式を使用して、同期モータＭのロータ位置θｍを検出する（詳しくは参考文献１参照）。
このうち、相電流電気角θｉと、相電流波高値Ｉｐ及び［誘起電圧電気角θｅ−相電流電気角θｉ］に基づく電流位相βと、を変数として含むロータ位置計算式を使用した第１の検出方法、さらに、誘起電圧電気角θｅと、相電流波高値Ｉｐ及び［誘起電圧電気角θｅ−相電流電気角θｉ］に基づく誘起電圧位相γと、を変数として含むロータ位置計算式を使用した第２の検出方法について、具体的に説明する。

（１）第１の検出方法
第１の検出方法において、検出された相電流電気角θｉ及び電流位相βを変数として含むロータ位置計算式は、次の式５である。
［式５］
θｍ＝θｉ−β−９０°

式５における電流位相βは、相電流波高値Ｉｐ及び［誘起電圧電気角θｅ−相電流電気角θｉ］をパラメータとして、予め用意したデータテーブルを参照することで選出される。そのデータテーブルは、次のようにして用意し、メモリに記憶しておく。

データテーブル作成に関し、図３に示すのは、同期モータＭのロータが回転しているときのモータベクトル図であり、印加電圧Ｖ（Ｖｕ〜Ｖｗ）、電流Ｉ（Ｉｕ〜Ｉｗ）、誘起電圧Ｅ（Ｅｕ〜Ｅｗ）の関係をｄ−ｑ座標にベクトルで表してある。誘起電圧Ｅは［ωψ］で表される。また、図３において、Ｖｄは印加電圧Ｖのｄ軸成分、Ｖｑは印加電圧Ｖのｑ軸成分、Ｉｄは電流Ｉのｄ軸成分、Ｉｑは電流Ｉのｑ軸成分、Ｅｄは誘起電圧Ｅのｄ軸成分、Ｅｑは誘起電圧Ｅのｑ軸成分である。さらに、ｑ軸を基準とした電圧位相がα、ｑ軸を基準とした電流位相がβ、ｑ軸を基準とした誘起電圧位相がγである。図中のψａはロータの永久磁石の磁束、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、Ｒはステータコイルの抵抗値（Ｒｃｕ〜Ｒｃｗ）、ψはロータの総合鎖交磁束である。

このモータベクトル図からすれば、ロータの回転速度をωとして次の式６が成立し、そして、式６の右辺からωに関する値を左辺に移して式７が成立する。
［式６］

［式７］

このように図３のモータベクトル図下で式６、式７が成り立つことを基礎としてデータテーブルが予め作成される。すなわち、モータベクトル図に示される電流位相β及び電流Ｉをそれぞれ所定範囲内で段階的に増加させながら、［誘起電圧位相γ−電流位相β］が所定値のときの電流位相βを保存し、電流Ｉに相当する相電流波高値Ｉｐと、［誘起電圧位相γ−電流位相β］に相当する［誘起電圧電気角θｅ−相電流電気角θｉ］と、をパラメータとした電流位相βのデータテーブルを作成する。

詳しくは、例えば参考文献１の図５に示されているように、電流位相βを−１８０°から１８０°まで０．００１°ずつ増加させ、且つ、電流Ｉを０Ａから６４Ａまで１Ａずつ増加させながら、同期モータＭに固有のｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑを利用して、モータベクトル図を基に電圧位相α、電流位相β、誘起電圧位相γを求める。そして、［誘起電圧位相γ−電流位相β］が１°，２°，３°，…のときの電流位相βを保存する。これにより、電流Ｉに相当する相電流波高値Ｉｐを１つのパラメータとし、且つ、［誘起電圧位相γ−電流位相β］に相当する［誘起電圧電気角θｅ−相電流電気角θｉ］をもう１つのパラメータとした、電流位相βのデータテーブルが作成される。

このデータテーブルから選出される電流位相βと相電流電気角θｉとを、ロータ位置計算式の式５に挿入すれば、ロータ位置θｍが検出される。

（２）第２の検出方法
第２の検出方法において、検出された誘起電圧電気角θｅ及び誘起電圧位相γを変数として含むロータ位置計算式は、次の式８である。
［式８］
θｍ＝θｅ−γ−９０°

式８における誘起電圧位相γは、相電流波高値Ｉｐ及び［誘起電圧電気角θｅ−相電流電気角θｉ］をパラメータとして、予め用意したデータテーブルを参照することで選出される。そのデータテーブルは、次のように用意し、メモリに記憶しておく。

この場合のデータテーブルも、図３のモータベクトル図下で式６、式７が成り立つことを基礎として予め作成される。すなわち、モータベクトル図に示される電流位相β及び電流Ｉをそれぞれ所定範囲内で段階的に増加させながら、［誘起電圧位相γ−電流位相β］が所定値のときの誘起電圧位相γを保存し、電流Ｉに相当する相電流波高値Ｉｐと、［誘起電圧位相γ−電流位相β］に相当する［誘起電圧電気角θｅ−相電流電気角θｉ］と、をパラメータとした誘起電圧位相γのデータテーブルを作成する。

詳しくは、上記同様に、電流位相βを−１８０°から１８０°まで０．００１°ずつ増加させ、且つ、電流Ｉを０Ａから６４Ａまで１Ａずつ増加させながら、同期モータＭに固有のｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑを利用して、モータベクトル図を基に電圧位相α、電流位相β、誘起電圧位相γを求める。そして、［誘起電圧位相γ−電流位相β］が１°，２°，３°，…のときの誘起電圧位相γを保存する。これにより、電流Ｉに相当する相電流波高値Ｉｐを１つのパラメータとし、且つ、［誘起電圧位相γ−電流位相β］に相当する［誘起電圧電気角θｅ−相電流電気角θｉ］をもう１つのパラメータとした、誘起電圧位相γのデータテーブルが作成される。

このデータテーブルから選出される誘起電圧位相γと誘起電圧電気角θｅとを、ロータ位置計算式の式８に挿入すれば、ロータ位置θｍが検出される。

以上の第１及び第２の検出方法を実行するロータ位置検出部６によると、上記のロータ位置計算式を用いてロータ位置θｍを直接的に求めているので、位置検出運転においてロータ位置θｍを精度良く検出することができる。また、ロータ計算式に含まれる変数の１つである電流位相β又は誘起電圧位相γを、予め用意したデータテーブルから選出する方式が採用されているので、電流位相β又は誘起電圧位相γをその都度計算によって求める場合に比べて処理負荷が低い。ただし、処理負荷を考えなくてもよいのであれば、その都度の計算で算出するように構成することも可能である。

上記に説明した第１及び第２の検出方法では、データテーブルとして、相電流波高値Ｉｐ及び［誘起電圧電気角θｅ−相電流電気角θｉ］をパラメータとして電流位相β又は誘起電圧位相γを選出するテーブルを例示した。これ以外にも、誘起電圧波高値Ｅｐ及び［誘起電圧電気角θｅ−相電流電気角θｉ］をパラメータとして電流位相β又は誘起電圧位相γを選出するデータテーブル、相電流波高値Ｉｐ及び誘起電圧波高値Ｅｐをパラメータとして電流位相β又は誘起電圧位相γを選出するデータテーブル、あるいは、相電流波高値Ｉｐ、誘起電圧波高値Ｅｐ及び［誘起電圧電気角θｅ−相電流電気角θｉ］をパラメータとして電流位相β又は誘起電圧位相γを選出するデータテーブル、のいずれかを用いることが同様に可能である。

このようなロータ位置検出部６により検出されたロータ位置θｍは、回転速度検出手段に相当する回転速度検出部７に入力される。回転速度検出部７は、ロータ位置検出部６で検出されたロータ位置θｍに基づいて、ｄθｍ／ｄｔにより回転速度ωを検出する。このときのｄθｍ／ｄｔに関しては、後述（段落００４２）の通り角度補正にＬ／Ｒのフィルタをかけてあることを考慮すると、同様にＬ／Ｒと同じかこれよりも遅いフィルタをかけておくとよい。
電圧指示値設定手段として機能する電圧指示値設定部８は、外部から入力される運転指令に含まれた指令回転速度と回転速度検出部７により検出される回転速度ωとに基づいて、印加電圧の電圧指示値（電圧波高値）Ｖｐtargを設定し、インバータ駆動部１へ提供する。この電圧指示値Ｖｐtargの応答速度については、回転速度ωの計算時に用いたフィルタよりも十分に遅い応答性に設定して、ωとＶｐtargとの間の発振を防止するのがよい。

一方、インバータ駆動部１へ提供されるもう一つの指示値である印加電圧電気角指示値θｖtargは、電圧電気角指示値設定手段に相当する電圧電気角指示値設定部１０により、次に説明する第１設定方法又は第２設定方法に従って設定される。

以下に説明する設定方法においては、モータ効率に優れることから電流位相を目標の位相へ制御する位置検出運転を実行する。すなわち、電流位相を目標位相とするために印加電圧の電圧電気角を制御周期ごとに更新する。この場合、特に過渡状態においては、電圧位相の変化に応じて電流位相が変化するまでに前述の式１で示した同期モータＭのＬ／Ｒ時定数（式１のＢ部分）による応答遅延が発生するので、この応答特性を考慮して印加電圧電気角指示値θｖtargの変化幅を調節しないと、指示値の発振や脱調を生じる。以下に示す第１設定方法及び第２設定方法を実行する電圧電気角指示値設定部１０は、この応答特性を考慮した演算を実行する。

（Ａ）第１設定方法
まず、上述したように、同期モータＭのステータコイルに印加される印加電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗが印加電圧検出部３で検出されると共に相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが相電流検出部２で検出される。そして、検出された相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ及び印加電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに基づいて、相電流波高値・電気角検出部４で電流波高値Ｉｐ及び相電流電気角θｉが検出されると共に誘起電圧波高値・電気角検出部５で誘起電圧波高値Ｅｐ及び誘起電圧電気角θｅが検出される。これら検出された相電流波高値Ｉｐ、相電流電気角θｉ、誘起電圧波高値Ｅｐ、誘起電圧電気角θｅに基づいて、ロータ位置検出部６でロータ位置θｍが検出される。また、電圧電気角指示値設定部１０において、検出された印加電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに基づいて、現在の印加電圧位相αが算出される。この現在の印加電圧位相αは、次のようにして算出することができる。

Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に正弦波通電を行っているときの各相印加電圧波形においては、上述の相電流及び誘起電圧の場合と同様、図２Ｃに示すように、正弦波形を成すＵ相印加電圧電流Ｖｕ、Ｖ相印加電圧Ｖｖ、Ｗ相印加電圧Ｖｗの間にそれぞれ１２０°の位相差がある。この印加電圧波形からすれば、各相の印加電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ、印加電圧波高値Ｖｐ、そして印加電圧電気角θｖの間には次の式９が成立する。電圧電気角指示値設定部１０は、印加電圧検出部３で検出されるＵ相印加電圧Ｖｕ、Ｖ相印加電圧Ｖｖ、Ｗ相印加電圧Ｖｗを利用して、式９によって印加電圧波高値Ｖｐ及び印加電圧電気角θｖを求める。この演算は、ロータ位置検出部６などで実行してもよい。
［式９］
Ｖｕ＝Ｖｐ×ｃｏｓ（θｖ）
Ｖｖ＝Ｖｐ×ｃｏｓ（θｖ−２／３・π）
Ｖｗ＝Ｖｐ×ｃｏｓ（θｖ＋２／３・π）

ロータ位置検出部６により電流位相β及び電流電気角θｉが上記のように算出されているので、これら電流位相β及び電流電気角θｉをロータ位置検出部６から入力した電圧電気角指示値設定部１０は、算出した印加電圧電気角θｖに基づいて、次の式１０に従って現在の印加電圧位相αを演算する。
［式１０］
α＝β＋θｖ−θｉ

他方、目標値設定手段に相当する目標値設定部２０は、ロータ位置検出部６を通して、相電流波高値・電気角検出部４で検出される電流波高値Ｉｐを入力し、この現在の電流波高値Ｉｐに基づいて目標電流位相βtargを算出する。このとき、ロータ位置検出部６において現在の電流位相βが算出されているので、電流波高値Ｉｐ及び電流位相βから推定される現在のｑ軸電流Ｉｑ（電流波高値Ｉｐのｑ軸成分）を、目標電流位相βtargの算出に使用してもよい。いずれにしても、相電流波高値・電気角検出部４で検出される電流波高値Ｉｐに基づいて目標電流位相βtargを算出することにかわりない。目標値設定部２０は、電流波高値Ｉｐ（又はＩｑ）の各値に対し（例えば１Ａごとに）、効率が最大となるか、あるいは同一電流でトルクが最大となる最適電流進角（＝目標電流位相βtarg）を、同期モータＭの既知のパラメータから予め作成したデータテーブルとしてメモリに記憶している。したがって、目標値設定部２０は、現在の電流波高値Ｉｐ（又はＩｑ）に該当する目標電流位相βtargをデータテーブルから選出する。すると、この目標電流位相βtargに対応するｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑが分かるので、次の式１１（モータの電圧方程式）からｄ軸電圧Ｖｄ及びｑ軸電圧Ｖｑを演算し、式１２に従って目標電圧位相αtargを算出する。
［式１１］

［式１２］
αtarg＝tan^−１（Ｖｄ／Ｖｑ）

この目標値設定部２０から目標印加電圧位相αtargが入力されると、電圧電気角指示値設定部１０は、上記算出した現在の印加電圧位相αと目標印加電圧位相αtargとの差を演算し、このときに、予め記憶してある同期モータＭの上記応答時定数Ｌ／Ｒによる補正を実行して変化角度Δθｖを算出する。ここで使う応答時定数としては、前述した式１のＢ部分を、モータパラメータとして既知のＬｄ，Ｌｑと、電流波高値ＩＰ及び電流位相βから算出できるＩｄ，Ｉｑと、に基づいて演算して得た値でもよい。そして、電圧電気角指示値設定部１０は、回転速度検出部７で検出される回転速度ωと、前回（現在出力中）の印加電圧電気角指示値θｖtarg(-1)と、変化角度Δθｖ＝（αtarg−α）×Ｌ／Ｒとを使用して、次の式１３から新しい印加電圧電気角指示値θｖtargを算出する。なお、式中のΔｔは制御周期である。
［式１３］
θｖtarg＝θｖtarg(-1)＋［ω×Δｔ］＋［αtarg−α］×Ｌ／Ｒ

この第１設定方法によると、前の印加電圧電気角指示値θｖtarg(-1)に対する新しい印加電圧電気角指示値θｖtargの変化角度Δθｖを同期モータＭの応答時定数Ｌ／Ｒにより補正しているので、同期モータＭの応答特性に応じた適切な応答速度を保って印加電圧電気角指示値θｖtargが更新される。

なお、電圧電気角指示値設定部１０及び目標値設定部２０における現在の印加電圧位相α及び目標印加電圧位相αtargの演算は、算出された現在の印加電圧電気角θｖと目標印加電圧位相αtargに基づく目標印加電圧電気角θｖ’とによって演算することもできる。この場合、式１３中の［αtarg−α］は、［θｖ’−θｖ］とする。目標印加電圧電気角θｖ’は、θｖ’＝αtarg＋θｍ＋９０°で算出することができる。

電圧電気角指示値設定部１０において応答時定数Ｌ／Ｒによる補正を行うにあたって、同期モータＭのイナーシャ（慣性）を考慮した応答遅延係数を用い、次式１４のようにしてさらに補正すると、より好ましい。
［式１４］
θｖtarg＝θｖtarg(-1)＋［ω×Δｔ］＋［αtarg−α］×［L/R］×J・Ki/Kt

この式１４中、Ｊ・Ｋｉ／Ｋｔがイナーシャによる応答遅延係数で、Ｊが負荷のイナーシャ（ｋｇｍ）、Ｋｉは電流定数（Ｖ／Ａ，＝Ω）、Ｋｔはモータパラメータとして既知のトルク定数（Ｎｍ／Ａ）である。Ｋｉは、Ｖ＝Ｋｅ×ω＋Ｋｉ×Ｉの関係をもち、コイル抵抗Ｒ（Ω）で置き換えることもできる。なお、Ｖは印加電圧（Ｖ）、Ｋｅは誘起電圧定数（Ｖ／（rad/sec））、ωは回転速度（ｒａｄ／ｓｅｃ）である。このＪ・Ｋｉ／Ｋｔは、次のようにして求められる。

同期モータＭのイナーシャによるトルク（Ｎｍ）をＴｊとすると、次式１５の関係がある。式中のωｍは、同期モータＭの機械的な回転速度（機械角回転速度ｒａｄ／ｓｅｃ）である。
［式１５］
Ｔｊ＝Ｊ×ｄωｍ／ｄｔ
また、印加電圧Ｖ（Ｖ）が一定の場合、電流Ｉ（Ａ）に関し、同期モータＭは次式１６で表せる特性を示す。式中のωｍ(0)は、無負荷０Ｎｍ、任意の電圧で同期モータＭを運転したときに電流Ｉ＝０となる機械角回転速度である。
［式１６］
ωｍ＝ωｍ(0)−Ｋｉ×Ｉ
そして、同期モータＭのモータトルク（Ｎｍ）をＴｉとすると、トルクＴｉと電流Ｉの間には次式１７の関係がある。
［式１７］
Ｔｉ＝Ｋｔ×Ｉ

同期モータＭの出力軸にかかる負荷トルク（Ｎｍ）をＴｃとしたときに、このＴｃが一定である場合、次式１８の関係がある。
［式１８］
Ｔｃ＋Ｔｊ＝Ｔｉ
上記式１６を微分して式１５にあてはめ、式１７と共に式１８に代入すると、次式１９のようになり、式２０が導かれる。
［式１９］
Ｔｃ−Ｊ×Ｋｉ×ｄＩ／ｄｔ＝Ｋｔ×Ｉ
［式２０］
Ｔｃ＝Ｋｔ×Ｉ＋Ｊ×Ｋｉ×ｄＩ／ｄｔ

式２０に基づいて電流Ｉに関し過渡応答性を求めると、電流Ｉの応答時定数は、Ｊ・Ｋｉ／Ｋｔとなる。したがって、Ｊ・Ｋｉ／Ｋｔをイナーシャによる応答遅延係数として式１４の通りフィルタをかけることにより、制御安定性が向上する。

（Ｂ）第２設定方法
第２設定方法では、現在のロータの鎖交磁束ψと、目標とする電流位相で運転されたときの目標鎖交磁束ψtargとに基づいて、印加電圧電気角指示値θｖtargの変化角度Δθｖを算出する。一般に、鎖交磁束ψと印加電圧Ｖとの間には、Ｖ＝ω×ψの関係があるので、現在の鎖交磁束ψと目標鎖交磁束ψtargとの差分［ψtarg−ψ］に相当する鎖交磁束変化量Δψを算出し、この鎖交磁束変化量Δψの分だけ回転速度ωを速くする印加電圧制御を実行すると、電流位相は、結果的に目標値に到達する。このときの磁束変化に対応する電流Ｉの応答特性は、同期モータＭ自体がフィルタとして作用することから、応答遅延に配慮する必要がない。したがって、同期モータＭの応答特性に応じた適切な応答速度を保って印加電圧電気角指示値θｖtargが更新される。鎖交磁束変化量Δψに相当する回転速度変化量Δωは、Δω＝［（ψtarg−ψ）／ψ］×ωで求めることができる。印加電圧電気角指示値θｖtargの変化角度Δθｖは、制御周期をΔｔとすると、Δθｖ＝Δω×Δｔで算出することができる。以下に詳述する第２設定方法においては、（ψtarg−ψ）／ψを、ｄ軸電流Ｉｄから間接的に算出している。

まず、上述したように、同期モータＭのステータコイルに印加される印加電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗが印加電圧検出部３で検出されると共に相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが相電流検出部２で検出される。そして、検出された相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ及び印加電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに基づいて、相電流波高値・電気角検出部４で電流波高値Ｉｐ及び相電流電気角θｉが検出されると共に誘起電圧波高値・電気角検出部５で誘起電圧波高値Ｅｐ及び誘起電圧電気角θｅが検出される。これら検出された相電流波高値Ｉｐ、相電流電気角θｉ、誘起電圧波高値Ｅｐ、誘起電圧電気角θｅに基づいて、ロータ位置検出部６でロータ位置θｍが検出される。

第２設定方法において目標値設定部２０は、ロータ位置検出部６から入力される電流波高値Ｉｐ（又は上記同様にｑ軸電流Ｉｐでも可）に基づいて、目標ｄ軸電流Ｉｄtargを算出する。具体的には、目標値設定部２０は、電流波高値Ｉｐ（又はＩｑ）の各値に対し（例えば１Ａごとに）、効率が最大となるか、あるいは同一電流でトルクが最大となる最適電流進角（目標電流位相βtarg）に対応する目標ｄ軸電流Ｉｄtargを、同期モータＭの既知のパラメータから予め作成したデータテーブルとしてメモリに記憶している。したがって、目標値設定部２０は、現在の電流波高値Ｉｐ（又はＩｑ）に該当する目標ｄ軸電流Ｉｄtargをデータテーブルから選出し、電圧電気角指示値設定部１０へ入力する。

電圧電気角指示値設定部１０は、ロータ位置検出部６から現在のｄ軸電流Ｉｄを入力し、当該現在のｄ軸電流Ｉｄと目標ｄ軸電流Ｉｄtargとのｄ軸電流差ΔＩｄを算出する。現在のｄ軸電流Ｉｄは、ロータ位置検出部６において電流位相βが検出されているので、電流波高値Ｉｐ及び電流位相βから算出することができる。この演算は、ロータ位置検出部６で実行してもよいし、ロータ位置検出部６から現在の電流波高値Ｉｐ及び電流位相βを受け取った電圧電気角指示値設定部１０で実行してもよい。ｄ軸電流差ΔＩｄが算出されると、電圧電気角指示値設定部１０は、該ｄ軸電流差ΔＩｄに対応するロータの鎖交磁束変化量Δψを算出し、この鎖交磁束変化量Δψと、回転速度検出部７で検出される回転速度ωとに基づいて、変化角度Δθｖを算出する。図４に、第２設定方法に係る電圧電気角指示値設定部１０の内部ブロック図を示す。

電圧電気角指示値設定部１０において、現在のｄ軸電流Ｉｄ及び目標ｄ軸電流Ｉｄtargは、ｄ軸電流差演算部１１に入力され、ΔＩｄ＝Ｉｄtarg−Ｉｄによりｄ軸電流差ΔＩｄが算出される。一方、ψ変化量記憶部１２に、モータパラメータの１つとして、ｄ軸電流Ｉｄが１Ａ変化したときの鎖交磁束ψの単位変化量Δψ／Ａ（％：例えば７０／４０９６）が記憶されており、乗算部１３において、単位変化量Δψ／Ａとｄ軸電流差ΔＩｄとが演算され、ｄ軸電流差ΔＩｄに対応した鎖交磁束変化量Δψが算出される。鎖交磁束変化量Δψは乗算部１４へ入力され、回転速度検出部７から入力される現在の回転速度ω及び制御周期Δｔと演算される。このときの現在の回転速度ωは、クランプ部１５により、応答時定数Ｌ／Ｒに従う最大値でクランプしておく。つまりω（電気角回転数）を１／（Ｌ／Ｒ）Ｈｚでクランプする。これにより指示値の発振がより確実に防止される。

本実施形態の場合、乗算部１４から出力される変化角度Δθｖ＝Δψ×ω×Δｔは、イナーシャ補正部１６へ入力される。イナーシャ補正部１６は、上記第１設定方法と同じ理由から、同期モータＭのイナーシャを考慮した応答遅延係数Ｊ・Ｋｉ／Ｋｔを用いて、変化角度Δθｖを補正する。イナーシャ補正後の変化角度Δθｖ×Ｊ・Ｋｉ／Ｋｔは、加算部１７へ入力される。加算部１７は、現在の回転速度ωに乗算部１８で制御周期Δｔを乗算したω×Δｔと、前回、すなわち１回前の制御周期の印加電圧電気角指示値θｖtarg(-1)と、イナーシャ補正後の変化角度Δθｖ×Ｊ・Ｋｉ／Ｋｔと、を演算して、次式２１で表される新しい印加電圧電気角指示値θｖtargを出力する。
［式２１］
θｖtarg＝θｖtarg(-1)＋［ω×Δｔ］＋［Δθｖ×Ｊ・Ｋｉ／Ｋｔ］

なお、イナーシャ補正部１６を省いた場合の印加電圧電気角指示値θｖtargは、次式２２で表される。
［式２２］
θｖtarg＝θｖtarg(-1)＋［ω×Δｔ］＋Δθｖ

１ インバータ駆動部
２ 相電流検出部
３ 印加電圧検出部
４ 相電流波高値・電気角検出部
５ 誘起電圧波高値・電気角検出部
６ ロータ位置検出部
７ 回転速度検出部
８ 電圧指示値設定部
１０ 電圧電気角指示値設定部
２０ 目標値設定部

Claims (8)

1. 同期モータのステータコイルに印加される印加電圧及び該印加電圧に従い前記ステータコイルに流れる電流を検出し、
   前記検出した印加電圧及び電流に基づいて、現在の印加電圧位相（又は印加電圧電気角）を算出すると共に電流波高値を算出し、該電流波高値に基づいて目標電流位相を算出してから該目標電流位相に相当する目標印加電圧位相（又は目標印加電圧電気角）を算出し、
   前記現在の印加電圧位相（又は印加電圧電気角）及び前記目標印加電圧位相（又は印加電圧電気角）の差を当該同期モータの応答時定数により補正した変化角度と、前記検出した印加電圧及び電流に基づき算出した回転速度と、前回の印加電圧電気角指示値と、に基づいて、新しい印加電圧電気角指示値を算出する、
   同期モータの印加電圧電気角設定方法。
2. 前記変化角度を、イナーシャによる応答遅延係数でさらに補正する、請求項１記載の印加電圧電気角設定方法。
3. 同期モータのステータコイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、
   前記ステータコイルに印加される印加電圧を検出する印加電圧検出手段と、
   前記電流検出手段で検出される電流に基づいて電流波高値及び電流電気角を検出する電流波高値・電気角検出手段と、
   前記電流検出手段で検出される電流と前記印加電圧検出手段で検出される印加電圧とに基づいて誘起電圧波高値及び誘起電圧電気角を検出する誘起電圧波高値・電気角検出手段と、
   前記電流電気角又は前記誘起電圧電気角を変数として含むと共に、前記電流波高値、前記誘起電圧波高値、及び前記誘起電圧電気角と前記電流電気角との差のうちの少なくとも２つに基づいて求められる電流位相又は誘起電圧位相を変数として含む、ロータ位置計算式を使用して、前記同期モータのロータ位置を検出するロータ位置検出手段と、
   前記ロータ位置検出手段で検出されるロータ位置に基づいて回転速度を検出する回転速度検出手段と、
   前記相電流波高値・電気角検出手段で検出される電流波高値に基づいて目標電流位相を算出し、該目標電流位相に基づいて目標印加電圧位相（又は目標印加電圧電気角）を算出する目標値設定手段と、
   前記印加電圧検出手段で検出される印加電圧に基づき算出した現在の印加電圧位相（又は印加電圧電気角）と前記目標印加電圧位相（又は目標印加電圧電気角）との差を前記同期モータの応答時定数により補正した変化角度、前記回転速度検出手段で検出される回転速度、及び前回の印加電圧電気角指示値に基づいて、新しい印加電圧電気角指示値を算出する電圧電気角指示値設定手段と、
   を含んで構成されるモータ制御装置。
4. 前記電圧電気角指示値設定手段は、イナーシャによる応答遅延係数で前記変化角度をさらに補正する、請求項３記載のモータ制御装置。
5. 同期モータのステータコイルに印加される印加電圧及び該印加電圧に従い前記ステータコイルに流れる電流を検出し、
   前記検出した印加電圧及び電流に基づいて、現在のロータの鎖交磁束と目標電流位相に該当する目標鎖交磁束との差分に相当する鎖交磁束変化量を算出し、
   前記検出した印加電圧及び電流に基づき算出した回転速度と前記鎖交磁束変化量とに基づいて変化角度を算出し、
   前記算出した回転速度、前記変化角度、及び前回の印加電圧電気角指示値に基づいて、新しい印加電圧電気角指示値を算出する、
   同期モータの印加電圧電気角設定方法。
6. 前記変化角度を、イナーシャによる応答遅延係数により補正する、請求項５記載の印加電圧電気角設定方法。
7. 同期モータのステータコイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、
   前記ステータコイルに印加される印加電圧を検出する印加電圧検出手段と、
   前記電流検出手段で検出される電流に基づいて電流波高値及び電流電気角を検出する電流波高値・電気角検出手段と、
   前記電流検出手段で検出される電流と前記印加電圧検出手段で検出される印加電圧とに基づいて誘起電圧波高値及び誘起電圧電気角を検出する誘起電圧波高値・電気角検出手段と、
   前記電流電気角又は前記誘起電圧電気角を変数として含むと共に、前記電流波高値、前記誘起電圧波高値、及び前記誘起電圧電気角と前記電流電気角との差のうちの少なくとも２つに基づいて求められる電流位相又は誘起電圧位相を変数として含む、ロータ位置計算式を使用して、前記同期モータのロータ位置を検出するロータ位置検出手段と、
   前記ロータ位置検出手段で検出されるロータ位置に基づいて回転速度を検出する回転速度検出手段と、
   前記電流波高値に基づいて目標ｄ軸電流を算出する目標値設定手段と、
   前記電流波高値及び前記電流位相に基づき得られる現在のｄ軸電流と前記目標ｄ軸電流とのｄ軸電流差を算出すると共に該ｄ軸電流差に対応するロータの鎖交磁束変化量を算出し、該鎖交磁束変化量と前記回転速度とに基づいて算出した変化角度、前記回転速度、及び前回の印加電圧電気角指示値に基づいて、新しい印加電圧電気角指示値を演算する電圧電気角指示値設定手段と、
   を含んで構成されるモータ制御装置。
8. 前記電圧電気角指示値設定手段は、イナーシャによる応答遅延係数により前記変化角度を補正する、請求項７記載のモータ制御装置。

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