JP2013039015A

JP2013039015A - 永久磁石同期電動機の駆動制御方法

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Publication number: JP2013039015A
Application number: JP2011183118A
Authority: JP
Inventors: Shinji Aranaka; 新二新中
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Priority date: 2011-08-08
Filing date: 2011-08-08
Publication date: 2013-02-21

Abstract

【課題】本発明は、数学モデルに立脚した永久磁石同期電動機の駆動制御方法に関する。特に、永久磁石磁束がｑ軸電流により軸間磁束干渉を受ける永久磁石同期電動機に対して、軸間磁束干渉の影響を排除して電動機を適切に駆動できる制御方法を提供する。
【解決手段】固定子電流の制御を担う電流制御器６には、軸間磁束干渉を考慮に入れた非干渉器を備えさせ、高精度な電流制御を可能とした。また、マグネットトルク指令値からｑ軸電流指令値の生成を担う補正形指令生成器１０には、軸間磁束干渉を考慮に入れた非線形な変換を遂行させ、高精度な電流制御と共に、トルク指令値通りのマグネットトルクを発生できるようにし、課題を解決した。
【選択図】図３

Description

本発明は、界磁に永久磁石を利用した永久磁石同期電動機の駆動制御方法に関する。特に、永久磁石から発した永久磁石磁束に影響を受ける電流応答の制御、マグネットトルクの制御を中心とした永久磁石同期電動機の駆動制御方法を提供するものである。

永久磁石同期電動機の高性能な制御は、ベクトル制御法により達成することができる。ベクトル制御法は、モデルベースド（ｍｏｄｅｌｂａｓｅｄ）な制御法であり、永久磁石同期電動機の主要特性（電気回路的特性、トルク発生特性）を簡潔に数式表現した数学モデルに立脚して構築される。本構築原理により明らかなように、数学モデルの変更は、これに立脚したベクトル制御法に相応の影響・変更をもたらす。

従来の数学モデルは、以下のような理想的ともいえる前提を設けるもであり、また従来の電動機に対しては実際的であり有用であった。
（ａ）ｕ、ｖ、ｗ相の各巻線の電気磁気的特性は同一である。
（ｂ）電流、磁束の高調波成分は無視できる。
（ｃ）正弦着磁がなされている。
（ｄ）磁気回路の飽和特性などの非線形特性は無視できる。
（ｅ）磁気回路での損失である鉄損は無視できる。
（ｆ）磁気回路でのｄｑ軸間磁束干渉は無視できる。

永久磁石同期電動機の特長の一つは、電動機の単位体積当たりの軸出力を比較的大きくできる点にある。本特長の一層の向上を図る場合には、他軸電流による軸間磁束干渉が発生し、ひいては発生トルクの低下が起きることがある。このような場合には、上記前提（ｆ）はもはや成立しない。

他軸による磁束干渉を考慮した数学モデルに関する先行発明は、後掲の特許文献１、非特許文献１〜５がある。これら先行発明は、例外なく、「永久磁石に起因する永久磁石磁束は他軸の軸間干渉は受けない」ものとして、電機子反作用磁束における軸間磁束干渉をモデル化するものである。特に、特許文献１、非特許文献１は、電機子鎖交磁束（電機子磁束ともいう）をｄ軸電流、ｑ軸電流を用いた非線形関数でモデル化しているが、「本磁束モデルにおいても、永久磁束磁束は一定」としている。

永久磁石同期電動機が発生するトルクは、一般に、リラクタンストルクとマグネットトルクに二分される。前者のリラクタンストルクは、電動機電機子のインダクタンスに蓄積された磁気エネルギーの空間的非一様性に起因するトルクであり、電機子反作用磁束に直接的に関連している。これに対して後者のマグネットトルクは、フレミングの左手則に基づくトルクであり、永久磁石磁束に直接的に関連している。両トルクを発生する永久磁石同期電動機（すなわち、突極形同期電動機）の多くにおいては、支配的なトルクはマグネットトルクである。特に、非突極（円筒形）の永久磁石同期電動機は、マグネットトルクのみを発生する。しかしながら、上に説明したように、マグネットトルクに直接的な影響を与える永久磁石磁束への軸間干渉を考慮した数学モデル、さらにはこれに基づく駆動制御方法に関する研究、技術開発は見受けられない。

回転形の電動機においては、電機子は固定子であり、界磁を担う永久磁石は回転子に装着されている。一方、直動形のリニア電動機においては、永久磁石が固定され、電機子が可動子となることが多い。以降の説明では、生産量で回転形電動機が圧倒している事実を考慮し、次の各用語を同義で使用する。すなわち、電機子と固定子、電機子鎖交磁束（電機子磁束）と固定子鎖交磁束（固定子磁束）、電機子反作用磁束と固定子反作用磁束、電機子電流と固定子電流、永久磁石磁束と回転子磁束、等である。

名倉寛和・岩路善尚・中津川潤之助・岩崎則久：「交流モータの制御装置及び交流モータ駆動システム」、公開特許公報、特開２０１０−２３９７３０（２００９−３−３１）

中津川潤之助・岩崎則久・名倉寛和・岩路善尚：「磁気飽和およびｄｑ軸間干渉を考慮した永久磁石同期モータの数式モデルの提案」、電気学会論文誌Ｄ、１３０，１１，ｐｐ．１２１２−１２２０（２０１０−１１）Ｂ．Ｓｔｕｍｂｅｒｇｅｒ，Ｇ．Ｓｔｕｍｂｅｒｇｅｒ，Ｄ．Ｄｏｌｉｎａｒ，Ａ．Ｈａｍｌｅｒ，ａｎｄＭ．Ｔｒｌｅｐ： "ＥｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆＳａｔｕｒａｔｉｏｎａｎｄＣｒｏｓｓ−ＭａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎＥｆｆｅｃｔｓｉｎＩｎｔｅｒｉｏｒＰｅｒｍａｎｅｎｔ−ＭａｇｎｅｔＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭｏｔｏｒ"，ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ＩｎｄｕｓｔｒｙＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．５，ｐｐ．１２６４−１２７１（２００３−９）Ｇ．Ａｌｍａｎｄｏｚ，Ｊ．Ｐｏｚａ，Ｍ．Ａ．Ｒｏｄｒｉｇｕｅｚ，ａｎｄＡ．Ｇｏｎｚａｌｅｚ： "ＭｏｄｅｌｉｎｇｏｆＣｒｏｓｓ−ＭａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎＥｆｆｅｃｔｉｎＩｎｔｅｒｉｏｒＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＭａｃｈｉｎｅｓ"，Ｐｒｏｃ．ｏｆ１８ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＭａｃｈｉｎｅｓ（ＩＣＥＭ２００８），ｐｐ．１−６（２００８−９）Ｍ．ＳｅｉｌｍｅｔｅｒａｎｄＢ．Ｐｉｅｐｅｎｂｒｅｉｅｒ： "ＭｏｄｅｌｉｎｇｏｆＰＭＳＭｗｉｔｈＭｕｌｔｉｐｌｅＳａｌｉｅｎｃｉｅｓＵｓｉｎｇａＳｔａｔｏｒ−ＯｒｉｅｎｔｅｄＭａｇｎｅｔｉｃＣｉｒｃｕｉｔＡｐｐｒｏａｃｈ"，Ｐｒｏｃ．ｏｆＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＥｌｅｃｔｒｉｃＭａｃｈｉｎｅｓａｎｄＤｒｉｖｅｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（ＩＥＭＤＣ２０１１），ｐｐ．１３１−１３６（２０１１−５）Ｔ．Ｈｅｒｏｌｄ，Ｄ．Ｆｒａｎｃｋ，Ｅ．Ｌａｎｇｅ，ａｎｄＫ．Ｈａｍｅｙｅｒ： "ＥｘｔｅｎｓｔｉｏｎｏｆａＤ−ＱＭｏｄｅｌｏｆａＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＥｘｃｉｔｅｄＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭａｃｈｉｎｅｂｙＩｎｃｌｕｄｉｎｇＳａｔｕｒａｔｉｏｎ，Ｃｒｏｓｓ−ＣｏｕｐｌｉｎｇａｎｄＳｌｏｔｔｉｎｇＥｆｆｅｃｔｓ"，Ｐｒｏｃ．ｏｆＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＥｌｅｃｔｒｉｃＭａｃｈｉｎｅｓａｎｄＤｒｉｖｅｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（ＩＥＭＤＣ２０１１），ｐｐ．１３７９−１３８３（２０１１−５）

本発明は上記背景の下になされたものであり、その主たる目的は以下の通りである。
１）回転子磁束への軸間磁束干渉を考慮した数学モデルを新規に提供し、本数学モデルに立脚した永久磁石同期電動機の新規な駆動制御方法を提供する。
２）特に、回転子磁束への軸間磁束干渉がある場合にも、マグネットトルク指令値通りにマグネットトルクが発生される永久磁石同期電動機の新規な駆動制御方法を提供する。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、電動機数学モデルに基づく、電機子電流の制御を伴う永久磁石同期電動機の駆動制御方法であって、電機子に鎖交した永久磁石磁束のベクトル位相にｄ軸位相が同期したｄｑ同期座標系上で評価した電機子電流のｑ軸要素をｑ軸電流とするとき、該電動機数学モデルが、永久磁石磁束をｑ軸電流の関数として表現した数式あるいは本数式に準じた数式を含むことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載の永久磁石同期電動機の駆動制御方法であって、該ｑ軸電流をｉｑとし、該ｄｑ同期座標系上で評価した永久磁石磁束のｄ軸要素をφｍｄとし、特にｑ軸電流がゼロのときの永久磁石磁束のｄ軸要素をΦとするとき、永久磁石磁束のｑ軸電流による該関数を、係数Ｋｌを用いた次の１次近似式

とすることを特徴とする。

請求項３の発明は、電動機数学モデルに基づく、電機子電流の制御を伴う永久磁石同期電動機の駆動制御方法であって、電機子に鎖交した永久磁石磁束のベクトル位相にｄ軸位相が同期したｄｑ同期座標系上で評価した電機子電流のｑ軸要素をｑ軸電流とするとき、該電動機数学モデルが、永久磁石磁束に起因するマグネットトルクをｑ軸電流の非線形関数として表現した数式あるいは本数式に準じた数式を含むことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３記載の永久磁石同期電動機の駆動制御方法であって、該ｑ軸電流をｉｑとし、該ｑ軸電流がゼロのときの永久磁石磁束のｄ軸要素をΦとし、該マグネットトルクをτｍとするとき、マグネットトルクのｑ軸電流による該非線形関数を、極対数Ｎｐと係数Ｋｌを用いた次の２次近似式

とすることを特徴とする。

請求項１の発明の効果を説明する。効果の説明に先だち、これに必要な座標系の説明を行う。図１を考える。同図には、α軸の位相がｕ相巻線の中心と一致したαβ固定座標系、ｄ軸位相が回転子磁束のベクトル位相（回転子永久磁石のＮ極位相と同一）と同一のｄｑ同期座標系、任意の（角）速度ωγで回転するγδ一般座標系を描画している。ｄｑ同期座標系の速度は、回転子の速度ω２ｎと同一である。また、α軸からみたｄ軸の位相をθα、γ軸からみたｄ軸の位相をθγとしている。なお、本発明におけるベクトル位相とは、磁束等の電動機物理量を２×１ベクトルとして捕らえた場合のベクトルの位相をいう。

段落０００３に示した前提が実質的に成立する状況下では、回転子磁束φｍは、ｄｑ同期座標系上、γδ一般座標系上、αβ固定座標系上では、各々次式で記述される。

なお、回転子磁束φｍの脚符は関連座標系を示している。（３）式においては、２×１ベクトルとしの回転子磁束のノルムは、固定子電流の如何にかかわらず一定値Φをとる。すなわち、

ところが、前提（ｆ）が成立しない永久磁石同期電動機にいては、回転子磁束ノルムを一定とすることは、数学モデル内で矛盾が発生し、合理的な数学モデルを構築することができない。ひいては、数学モデルに基づいた合理的な駆動制御法を確立することができない。
本発明は前提（ｆ）が成立しない同期電動機を対象としたものであり、請求項１の発明は、回転子磁束φｍを、ｄｑ同期座標系上、γδ一般座標系上、αβ固定座標系上で次のようにｑ軸電流ｉｑを用いて数式表現する。

（５ａ）式は、永久磁石磁束をｑ軸電流の関数として表現した数式に該当する。また、位相情報θγ、θαを含む（５ｂ）、（５ｃ）式は、永久磁石磁束をｑ軸電流の関数として表現した数式に準じた数式に該当することになる。（５）式に関しては、次の関係が成立する。

（５）、（６）式におけるｑ軸電流を変数とする関数ｆ（ｉｑ）は、一般には、ｑ軸電流絶対値に関して単調減少な関数であり、ｑ軸電流に関し偶関数である。

誘起電圧（速度起電力、逆起電力ともいう）は、回転子磁束の回転に伴い発生する。本発明による誘起電圧ｅｍは、ｄｑ同期座標系上、γδ一般座標系上、αβ固定座標系上では、（５）式に対応した次式で表現することになる。

上式において、誘起電圧ｅｍの脚符は関連座標系を、また、ω２ｎは回転子の電気速度を意味する。

（５）式の回転子磁束ひいては（７）式の誘起電圧を利用した数学モデルの回路方程式、特に電流制御器の設計に必要なｄｑ同期座標系上での回路方程式は、次式となる。

上式におけるＲ１、Ｌｄ、Ｌｑは固定子の抵抗、ｄ軸インダクタンス、ｑ軸インダクタンスであり、ｖｄ、ｖｑ、ｉｄは固定子のｄ軸電圧、ｑ軸電圧、ｄ軸電流である。またｓは微分演算子ｄ／ｄｔである。（８）式の回路方程式に従うならば、図２に例示したような非干渉器を備えた電流制御器を構成することができる。なお、同図においては頭符＊をもつ信号は、関連応答信号の指令値を意味する。

電力変換器（インバータ）が、電圧指令値通りの電圧を実質的に発生する場合には、電圧指令値と同応答値は、実質的に同一と見なしてよい。この場合には、非干渉器の効果により、（８）式と図２より、次の関係が成立する。

すなわち、固定子の電圧と電流の関係は、単純な一次遅れの関係となる。ひいては、固定子電流を容易にかつ精度良く制御できる電流制御器を設計でき、電流制御系を構成できるようになる（なお、本発明による電流制御系の具体的な構成例は、実施例の欄で詳しく説明する）。

以上の説明より明らかなように、請求項１の発明によれば、回転子磁束が軸間干渉を受ける場合にも、固定子電圧と固定子電流の関係を実質的に単純な１次遅れの関係にできる作用が得られ、ひいては、固定子電流を容易にかつ精度良く制御できるようになるという効果が得られる。

請求項２の発明の効果を説明する。請求項２の発明は、請求項１の発明における（５）、（６）式に用いたｑ軸電流を変数とする関数ｆ（ｉｑ）を、次式のように特に１次偶関数で近似するものである。

上式におけるΦは、ｑ軸電流がゼロのときの回転子磁束ｄ軸成分である。（１０）式に提示した１次偶関数は、回転子磁束への軸間磁束干渉を記述し得る最小次数の最もコンパクトな数式である。ひいては、請求項２の発明によれば、請求項１による作用・効果を最少の計算量で達成できるという効果が得られる。

請求項３の発明の効果を説明する。段落０００３に示した前提が実質的に成立する状況下では、（３ａ）式の回転子磁束に対応したマグネットトルクτｍは、ｑ軸電流の線形関数である次式で記述されることが知られている。

ところが、前提（ｆ）が成立しない永久磁石同期電動機にいては、マグネットトルクをｑ軸電流の線形関数で表現することは、数学モデル内で矛盾が発生し、合理的な数学モデルを構築することができない。ひいては、数学モデルに基づいた合理的な駆動制御法を確立することができない。

本発明は前提（ｆ）が成立しない同期電動機を対象としたものであり、請求項３の発明は、マグネットトルクをｑ軸電流ｉｑを用いて次のように数式表現する。

（１２）式におけるｑ軸電流を変数とする関数ｇ（ｉｑ）は、一般には、ｑ軸電流に対して非線形な奇関数である。

特に、（５）式の回転子磁束を表現した関数ｆ（ｉｑ）との整合を図る場合には、関数ｇ（ｉｑ）は次式としなければならない。

（５）式に対応した形で、マグネットトルクを２×１ベクトルを用いて表記する場合には、（１３）式のマグネットトルクは、ｄｑ同期座標系上、γδ一般座標系上、αβ固定座標系上では、次の各式の右辺のように記述される。

上式においては、固定子電流ｉ１の脚符は、ベクトルが定義された座標系を示している。
また、Ｊは次の２×２交代行列である。

（１２）、（１３）、（１４ａ）式は、永久磁石磁束に起因するマグネットトルクをｑ軸電流の非線形関数として表現した数式に該当し、γδ一般座標系上の（１４ｂ）式右辺、αβ固定座標系上の（１４ｃ）式右辺は、永久磁石磁束に起因するマグネットトルクをｑ軸電流の非線形関数として表現した数式に準じた数式に該当することになる。

永久磁石同期電動機の固定子電流制御には、図２に例示したように、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊、ｑ軸電流指令値ｉｑ＊の生成が必要である。マグネットトルクにはｄ軸電流は寄与しないので、マグネットトルクのためのｄ軸電流指令値は基本的にはゼロに設定する。一方、ｑ軸電流指令値は、発生すべきマグネットトルク（より実際的には、マグネットトルク指令値）に対応した形で決定しなければならない。請求項３の本発明によれば、マグネットトルクとｑ軸電流は（１２）式の関係に従うことになるので、本式をｑ軸電流について求解し、応答値を指令値に置換した次式に従い得ることができる。

上式の＊は関連応答値に対応した指令値を意味する。電流制御が適切の動作する場合には、電流応答値は電流指令値と実質的に等しくなるので、（１２）、（１６）式より、次式が成立する。

上式は、請求項３の発明によれば、回転子磁束が軸間磁束干渉を受ける永久磁石同期電動機に対しても、マグネットトルク指令値通りのマグネットトルクが発生できるようになるという効果が得られることを示している。本発明によれば、マグネットトルク指令値通りのマグネットトルクが得られるので、電流制御系の上位に速度制御系、位置制御系を構成する場合には、精度のよい速度制御系、位置制御系の構成が可能となるという効果も得られる。

続いて、請求項４の発明の効果を説明する。請求項４の発明は、請求項３の発明における（１２）、（１３）式に用いたｑ軸電流を変数とする関数ｇ（ｉｑ）を、次式のように特に２次奇関数で近似するものである。

上式におけるΦは、ｑ軸電流がゼロのときの回転子磁束ｄ軸成分である。（１８）式に提示した２次奇関数は、回転子磁束への軸間磁束干渉を考慮したトルク式を表現した最小次数の最もコンパクトな非線形関数であり、この逆関数は以下のように直ちに得ることができる。

上式におけるｓｇｎ関数は、変数の極性に応じ１、０、−１の値を示す符号関数である。上式に従い、ｑ軸電流指令値ｉｑ＊はトルク指令値τｍ＊より以下のように直ちに決定される。

以上の説明より明らかなように、請求項４の発明によれば、トルク指令値からｑ軸電流指令値を簡単に生成できると言う効果が得られる。ひいては、請求項４の発明によれば、請求項３による作用・効果を容易に達成できるという効果が得られる。

「回転子位相と３座標系の概略関係を示す図」「１実施例における、非干渉器を備えた電流制御器の基本構成を示すブロック図」「１実施例における、同期電動機駆動制御系の基本構成を示すブロック図」「１実施例における、マグネットトルクに合わせてリラクタンストルクの発生を求めるトルク指令値からｄ軸電流指令値、ｑ軸電流指令値の生成法を示すブロック図」

以下、図面を用いて、本発明の実施例を詳細に説明する。永久磁石同期電動機に対し、本発明の駆動制御方法を適用した１例を図３に示す。１は永久磁石同期電動機を、２は電力変換器を、３は電流検出器を、４ａ、４ｂは夫々３相２相変換器、２相３相変換器を、５ａ、５ｂは共にベクトル回転器を、６は本発明を利用した非干渉器を備えた電流制御器を、７は位相検出器を、８は速度検出器を、９は余弦正弦信号発生器を、１０は本発明を利用した補正形指令変換器を、１１は速度制御器を、各々示している。図３では、１の電動機を除く、２から１１までの諸機器が制御方法を構成している。本図では、簡明性を確保すべく、２×１のベクトル信号を１本の太い信号線で表現している。以下のブロック図表現もこれを踏襲する。なお、本図では、ベクトル信号である固定子電流、固定子電圧の定義された座標系を明示すべく、これらベクトル信号に脚符ｒ（ｄｑ同期座標系）、ｓ（αβ固定座標系）、ｔ（ｕｖｗ座標系）を付している。

電流検出器３で検出された３相の固定子電流は、３相２相変換器４ａでαβ固定座標系上の２相電流に変換された後、ベクトル回転器５ａでｄｑ同期座標系の２相電流に変換される。変換電流は、非干渉器を備えた電流制御器６へ送られる。非干渉器を備えた電流制御器６は、ｄｑ同期座標系上の２相電流が、各相の電流指令値に追随すべくｄｑ同期座標系上の２相電圧指令値を生成する。ｄｑ同期座標系上の２相電圧指令値はベクトル回転器５ｂへ送られる。５ｂでは、ｄｑ同期座標系上の電圧指令値をαβ固定座標系の２相電圧指令値に変換し、２相３相変換器４ｂへ送る。４ｂでは、２相電圧指令値を３相電圧指令値に変換し、電力変換器２への最終指令値として出力する。電力変換器２は、電圧指令値に応じた電圧を発生し、永久磁石同期電動機１へ印加しこれを駆動する。

上述のように、非干渉器を備えた電流制御器６の役割は、ｄｑ同期座標系上の２相電流が、各相の電流指令値に正確に追随すべくｄｑ同期座標系上の２相電圧指令値を生成することにある。これには、効果の欄で説明したように非干渉器が重要な役割を担う。非干渉器を備えた電流制御器６の基本構成は、図２の通りである。図３では、非干渉器を備えた電流制御器６への入力は、ｄ軸電流指令値、ｑ軸電流指令値、ｄ軸電流応答値、ｑ軸電流応答値、回転子電気速度の５種としている。一方、図２では、非干渉器に用いる非干渉信号は、外部から入力されるように描画している。図２の作図は、図の輻輳を避けるための工夫を施している。実際には、非干渉信号は、非干渉器を備えた電流制御器への入力信号から、同電流制御器内で合成されることになる。非干渉器の合成に利用する偶関数ｆ（ｉｑ）としては、簡単には、請求項２の発明による（１０）式を用いればよい。

本発明による非干渉器を備えた電流制御器の構成は図２を基本とするが、実際の構成は、本基本に限定するものではない。図２では、非干渉器に用いる非干渉信号の合成に電流、電気速度の実測値を利用するように描画しているが、非干渉信号の合成には、電流、電気速度の相当値を利用してよい。信号の相当値としては、信号の推定値、指令値、フィルタ処理値などがある。当然のことながら、非干渉器の合成に利用する相当信号に応じて、非干渉器を備えた電流制御器６への入力信号は、異なることになる。

主要発生トルクをマグネットトルクとする場合には、非干渉器を備えた電流制御器６への入力信号であるｄ軸電流指令値はゼロに、ｑ軸電流指令値はトルク指令値から生成することになる。トルク指令値からｑ軸電流指令値の生成を担っているのが、図３の補正形指令変換器１０である。補正形指令変換器は、請求項３の発明に基づく（１２）〜（１５）式に従った（１６）式のように構成されている。簡単には、これは、請求項４の発明に基づく（１８）、（１９）式に従った（２０）式を構成すればよい。

マグネットトルク指令値τｍ＊は、トルク制御を遂行する場合には外部より直接的に与え、速度制御を遂行する場合には速度制御器の出力より得ることになる。図３では、この様子を示している。当然のことながら、トルク制御の場合には、機械速度指令値ω２ｍと同応答値ω２ｍ＊を入力とする速度制御器１１は不要である。また、位置制御を行う場合には、速度制御器を備えた速度制御系の上位に、位置制御器を備えた位置制御系を構成することになる。速度制御器を用いた速度制御系、位置制御器を用いた位置制御系の構成は、回転子磁束への軸間磁束干渉が無い場合と基本的に同一であり、当業者には公知であるので、この説明は省略する。

実施例２では、発生トルクはマグネットトルクのみであり、トルク指令値はマグネットトルク指令値そのものであった。次に、マグネットトルクに加えてリラクタンストルクを発生する実施例を示す。一般には、突極形同期電動機は、マグネットトルクτｍにリラクタンストルクτｒを加えたトルクτを発生することができる。すなわち、

（２１）式のおけるｒτは、トルク比すなわちマグネットトルクに対するリラクタンストルクの比である。（２１）式より理解されるように、マグネットトルク、リラクタンストルクは、トルク比を利用することにより、トルクより次のように算定される。

このとき、ｄ軸電流とリラクタンストルクとは、次の関係を有する。

（２２）、（２３）式を利用すると、マグネットトルク指令値とリラクタンストルク指令値からなるトルク指令値から、ｄ軸電流指令値、ｑ軸電流指令値を生成するブロックとして、図４を構成することができる。図４では、先ず、トルク指令値τ＊から、（２２）式の関係に従い、マグネットトルク指令値τｍ＊とリラクタンストルク指令値τｒ＊を生成している。次に、マグネットトルク指令値から、補正形指令変換器１０を利用してｑ軸電流指令値ｉｑ＊を生成している。このときの補正形電流指令値としては、図３の実施例と同一のものを利用することができる。続いて、リラクタンストルク指令値から、（２３）式の関係を利用してｄ軸電流指令値ｉｄ＊を生成している。このときのｄ軸電流指令値は非正、すなわち負またはゼロである。マグネットトルクに加えてリラクタンストルクを発生する場合には、図３において、ゼロ値のｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値を生成を担う補正形指令変換器１０を、図４の拡張指令変換器１０−１のブロックで差し換えればよい。

本発明においては、トルク指令値τ＊に応じてトルク比を変更するようにすれば、効率的なトルク発生をもたらす電流指令値の生成が可能となる。さらには、回転子速度、電力変換器のバス電圧（リンク電圧ともいう）に応じてトルク比を変更するようにすれば、高速回転が可能なトルク発生をもたらす電流指令値の生成が可能となる。

マグネットトルクに加えてリラクタンストルクの発生をもたらすｑ軸電流指令値、ｄ軸電流指令値の生成法は、請求項３あるいは請求項４の本発明に従うならば、図４の実施例以外の構成も可能であることを指摘しておく。

請求項１または請求項２の発明は、図２、図３を用いて説明した固定子電流制御のみならず、センサレスベクトル制御における回転子位相推定等、同期電動機の駆動制御上で必要とされる他の機能にも利用可能であることを指摘しておく。

本発明は、回転子磁束への軸間磁束干渉を有する永久磁石同期電動機を用いた応用の中で、特に、高精度のトルク発生を必要とする用途に好適である。

１永久磁石同期電動機
２電力変換器
３電流検出器
４ａ３相２相変換器
４ｂ２相３相変換器
５ａベクトル回転器
５ｂベクトル回転器
６非干渉器を備えた電流制御器
６−１基本電流制御器
６−２非干渉器
７位相検出器
８速度検出器
９余弦正弦信号発生器
１０補正形指令変換器
１０−１拡張指令変換器
１１速度制御器

Claims

電動機数学モデルに基づく、電機子電流の制御を伴う永久磁石同期電動機の駆動制御方法であって、
電機子に鎖交した永久磁石磁束のベクトル位相にｄ軸位相が同期したｄｑ同期座標系上で評価した電機子電流のｑ軸要素をｑ軸電流とするとき、該電動機数学モデルが、永久磁石磁束をｑ軸電流の関数として表現した数式あるいは本数式に準じた数式を含むことを特徴とする永久磁石同期電動機の駆動制御方法
該ｑ軸電流をｉｑとし、該ｄｑ同期座標系上で評価した永久磁石磁束のｄ軸要素をφｍｄとし、特にｑ軸電流がゼロのときの永久磁石磁束のｄ軸要素をΦとするとき、永久磁石磁束のｑ軸電流による該関数を、係数Ｋｌを用いた次の１次近似式

とすることを特徴とする請求項１記載の永久磁石同期電動機の駆動制御方法
電動機数学モデルに基づく、電機子電流の制御を伴う永久磁石同期電動機の駆動制御方法であって、
電機子に鎖交した永久磁石磁束のベクトル位相にｄ軸位相が同期したｄｑ同期座標系上で評価した電機子電流のｑ軸要素をｑ軸電流とするとき、該電動機数学モデルが、永久磁石磁束に起因するマグネットトルクをｑ軸電流の非線形関数として表現した数式あるいは本数式に準じた数式を含むことを特徴とする永久磁石同期電動機の駆動制御方法。
該ｑ軸電流をｉｑとし、該ｑ軸電流がゼロのときの永久磁石磁束のｄ軸要素をΦとし、該マグネットトルクをτｍとするとき、マグネットトルクのｑ軸電流による該非線形関数を、極対数Ｎｐと係数Ｋｌを用いた次の２次近似式

とすることを特徴とする請求項３記載の永久磁石同期電動機の駆動制御方法