JP2014090626A - 一次磁束制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】一次磁束制御において、トルクに応じて一次磁束指令値を変更することで電流位相を適切に制御し、以てトルクに応じて効率が良い動作点で回転電動機を駆動する技術を提供する。
【解決手段】あるトルクＴについて、一次磁束の振幅Λδが値λδ０（Ｔ）を採るときに、電機子電流の振幅ｉａを最小値にする。このとき、最大トルク／電流制御が可能となる。よって一次磁束指令値の振幅に値λδ０（Ｔ）を採用して一次磁束制御を行うことにより、自動的に電機子電流が決定する。即ち、電流位相βが一意に決定する。つまり、当該トルクＴに応じた所望の位相に電流位相βを制御することになり、トルクに応じて効率が良い動作点で回転電動機が駆動される。
【選択図】図４

Description

この発明は、界磁と電機子とを備える同期電動機を制御する技術に関する。

特に、当該界磁が発生する界磁磁束と、電機子巻線に流れる電機子電流によって発生する電機子反作用の磁束との合成である、いわゆる一次磁束に基づいて、回転電動機を制御する技術に関する。

従来から、一次磁束に基づいた回転電動機の制御、いわゆる一次磁束制御が種々提案されている。一次磁束制御は、簡単に言えば、回転電動機の一次磁束をその指令値に従って制御することにより、回転電動機を安定に制御する技術である。

例えば界磁磁束Λ０の位相を回転座標系のｄ軸に採用し、一次磁束［λ１］（これは向きと振幅を有するベクトルとして扱われる）の位相を他の回転座標系のδ軸に採用し、δ軸のｄ軸に対する位相差を負荷角φとして考える。但しここではγ軸をδ軸に対して９０度進相の位相において採用する。また、一次磁束λ１の制御で採用する回転座標系の制御軸としてδｃ軸及びγｃ軸と定義する。δｃ軸及びγｃ軸はそれぞれδ軸及びγ軸に対応しており、δｃ軸のｄ軸に対する位相差をφｃとする。

この場合、一次磁束λ１の指令値（以下「一次磁束指令値」と称す）［Λ１＊］（これは向きと振幅を有するベクトルとして扱われる）はそのδｃ軸成分に正値Λδ＊を有し、γｃ軸成分は零となる。よって一次磁束［λ１］が一次磁束指令値［Λ１＊］に一致すれば、一次磁束［λ１］のδｃ軸成分λ１δｃは正値Λδ＊（これは一次磁束指令値［Λ１＊］の振幅でもある）に等しく、位相差φｃは負荷角φと等しく、δｃ軸がδ軸に一致する。

一次磁束制御では、一次磁束［λ１］のδｃ軸成分λ１δｃを一次磁束指令値［Λ１＊］の振幅Λδ＊に等しくするのみならず、そのγｃ軸成分λ１γｃを零にするように、例えば電圧指令値を修正する制御が行われる。これにより負荷角φに位相差φｃが一致する。

このように、一次磁束制御において一次磁束［λ１］の振幅Λδを指令値［Λ１＊］の振幅Λδ＊に等しくし、負荷角φに位相差φｃを一致させることにより、回転電動機のトルクＴをその回転角速度に依らずに電機子電流の振幅ｉａのγｃ軸成分ｉγｃに比例させて制御することができる。通常、振幅Λδ＊は一定として当該制御が行われる。

具体的には、極対数ｎ、電流振幅ｉａ、電流のｑ軸（これはｄ軸に対して９０度進相する）に対する位相（いわゆる電流位相）βを導入して、トルクＴは下式（１）で求められる。

なお、下掲の先行技術文献のうち非特許文献６は、下掲の他の先行技術文献と、δ軸／γ軸が入れ替わって採用されている。

特許第３６７２７６１号公報 特開平４−９１６９３号公報

掘田、浅野、常広、「位置検出器のないDCブラシレスモータの制御法」昭和６３年度電気関係学会東海支部連合大会、ｐ．１６１ 角、常広、「DCブラシレスモータの位置センサレス制御法」、１９９０年度電気関係学会東海支部連合大会、ｐ．１７２ 角、山村、常広、「DCブラシレスモータの位置センサレス制御法」、電気学会論文誌Ｄ、平成３年、１１１巻８号、ｐ．６３９−６４４ 瓜田、塚本、常広、「一次磁束制御された同期機の定数推定法について」 １９９８年度電気関係学会東海支部連合大会、ｐ．１０１ 瓜田、山村、常広、「同期機駆動用汎用インバータについて」電気学会論文誌Ｄ、平成１１年、１１９巻５号、ｐ．７０７−７１２ 矢部、坂廼辺、「過変調PWMを併用したIPMモータのセンサレス駆動」、電気学会研究会資料. RM、 回転機研究会 2001(159)、ｐ．７−１２ 武田、松井、森本、本田、「埋込磁石同期モータの設計と制御」、オーム社、２００１年、ｐ．２３−２６

回転電動機の制御において、従来から比Ｔ／ｉａを最大とする、いわゆる最大トルク／電流制御が指向されている。そして電流ベクトル制御により、トルクが一定の場合において振幅ｉａを最小とする電流位相βが求められていた（例えば非特許文献７参照）。

他方、一次磁束制御において適切な電流位相βを設定するには、電流ベクトル制御とは異なるアプローチが必要となる。電流ベクトル制御のように電流位相を直接に制御できないからである。しかしながらそのようなアプローチはこれまで知られていない。

一次磁束制御において、通常は一次磁束の振幅を一定として制御されるので、トルクが変動したときに効率が良い電流位相での制御ができていない場合もあった。

この発明は上記の点に鑑みたもので、一次磁束制御において、トルクに応じて一次磁束指令値を変更することで電流位相を適切に制御し、以てトルクに応じて効率が良い動作点で回転電動機を駆動する技術を提供することを目的とする。

この発明にかかる一次磁束制御方法は、電機子巻線を有する電機子と、前記電機子と相対的に回転する界磁たる回転子と含む回転電動機に対し、一次磁束（［λ１］）の指令値たる一次磁束指令値（［Λ１＊］）を設定し、前記一次磁束指令値に従って前記一次磁束を制御する方法である。

前記一次磁束は、前記界磁が発生する界磁磁束（Λ０）と、前記電機子に流れる電機子電流（ｉａ）によって発生する電機子反作用の磁束（［λａ］：ｉｄ・Ｌｄ，ｉｑ・Ｌｑ）との合成である。

そしてその第１の態様では、前記回転電動機のトルク（Ｔ）に応じて前記一次磁束指令値を変更して、前記界磁磁束（Λ０）と同相のｄ軸よりもπ／２で進相するｑ軸に対する前記電機子電流の電流位相（β）を前記トルクに応じた所望の位相に制御する。

この発明にかかる一次磁束制御方法の第２の態様は、その第１の態様であって、前記一次磁束（［λ１］）と、前記電機子電流（ｉａ）と、前記回転電動機のトルク（Ｔ）との関係に基づき、前記トルクに応じて、前記電機子電流を最小にする前記一次磁束の振幅（Λδ０（Ｔ））を前記一次磁束指令値（［Λ１＊］）の振幅（Λδ＊）として設定する。

この発明にかかる一次磁束制御方法の第２の態様において望ましくは、前記関係は、前記一次磁束（［λ１］）の前記ｄ軸に対する負荷角φ、前記電機子電流（ｉａ）の前記ｑ軸に対する電流位相β、前記界磁磁束の振幅Λ０、前記一次磁束の振幅Λδ、前記回転電動機のｄ軸インダクタンスＬｄ及びｑ軸インダクタンスＬｑ、前記電機子電流のｄ軸成分ｉｄ及びｑ軸成分ｉｑ、前記回転電動機の極対数ｎ、トルクＴを導入して、Ｔ＝ｎ・Λδ・ｉａ・cos（φ−β）、Λδ・sinφ＝Ｌｑ・ｉｑ、Λδ・cosφ＝Ｌｄ・ｉｄ＋Λ０、tanβ＝−ｉｄ／ｉｑ、ｉａ＝√（ｉｄ^２＋ｉｑ^２）で決定される。

あるいは望ましくは、前記一次磁束に対して最小値を採る前記電機子電流と前記トルクとの関係に基づき、前記電機子電流から前記一次磁束指令値を設定する。

あるいは望ましくは、前記一次磁束に対して最小値を採る前記電機子電流のうち前記一次磁束に同相の同相成分（ｉδ）と前記トルクとの関係に基づき、前記電機子電流の前記同相成分から前記一次磁束指令値を設定する。

あるいは望ましくは、前記一次磁束に対して最小値を採る前記電機子電流のうち前記一次磁束に直交する直交成分（ｉγ）と前記トルクとの関係に基づき、前記電機子電流の前記直交成分から前記一次磁束指令値を設定する。

あるいは望ましくは、前記一次磁束に対して最小値を採る前記電機子電流によって発生する前記電機子反作用の磁束及び前記界磁磁束で決定される前記負荷角（φ）と前記トルクとの関係に基づき、前記負荷角から前記一次磁束指令値を設定する。

この発明にかかる一次磁束制御方法の第３の態様は、その第１の態様であって、前記一次磁束（［λ１］）と、前記回転電動機の損失と、前記回転電動機のトルク（Ｔ）及び回転速度との関係に基づき、前記トルク及び前記回転速度に応じて、前記損失を最小にする前記一次磁束を前記一次磁束指令値として設定する。

この発明にかかる一次磁束制御方法の第４の態様は、その第１乃至第３の態様のいずれかであって、前記一次磁束指令値を更新する周期は、前記一次磁束指令値に基づく前記一次磁束の制御の周期とは異なる。

この発明にかかる一次磁束制御方法の第５の態様は、その第１乃至第４の態様のいずれかであって、前記一次磁束指令値は、前記一次磁束指令値に基づく前記一次磁束の制御が過渡期においては変更せず、前記制御が安定している状態で更新される。

この発明にかかる一次磁束制御方法の第６の態様は、その第２の態様であって、ローパスフィルタで処理された、前記回転電動機のトルク（Ｔ）または前記同相成分（ｉδ）または前記直交成分（ｉγ）または前記負荷角（φ）に応じて前記一次磁束指令値を変更する。

例えば、前記一次磁束指令値は、前記トルクの推定値に応じて変更される。

この発明にかかる一次磁束制御方法の第１の態様によれば、トルクに応じて一次磁束指令値を変更することで、電流位相を適切に制御でき、トルクに応じて効率が良い動作点で回転電動機を駆動できる。

この発明にかかる一次磁束制御方法の第２の態様によれば、トルク一定の条件下では電機子電流は一次磁束に対して最小値を有するので、当該最小値に対応した一次磁束指令値として採用することにより、最大トルク／電流制御を実現することができる。

この発明にかかる一次磁束制御方法の第３の態様によれば、トルク及び回転速度が一定の条件下では損失は一次磁束に対して最小値を有するので、当該最小値に対応した一次磁束指令値として採用することにより、最大効率制御を実現することができる。

この発明にかかる一次磁束制御方法の第４の態様によれば、一次磁束指令値の設定と、一次磁束の制御との干渉が抑制される。

この発明にかかる一次磁束制御方法の第５の態様によれば、一次磁束指令値が変化しても、一次磁束制御の安定性が損なわれにくい。

この発明にかかる一次磁束制御方法の第６の態様によれば、一次磁束指令値の振幅を設定することが、一次磁束制御それ自体に与える影響を低減できる。

一次磁束制御を説明するベクトル図である。 一次磁束制御を説明するベクトル図である。 一次磁束の振幅と、電機子電流の振幅及び負荷角との関係を示すグラフである。 一次磁束の振幅と、電機子電流の振幅及び電流位相との関係を示すグラフである。 一次磁束指令値の振幅を得るための構成を示すブロック図である。 一次磁束指令値の振幅を得るための構成を示すブロック図である。 最大トルク／電流を実現する動作点におけるトルクと電機子電流の振幅のγ軸成分との関係を示すグラフである。 最大トルク／電流を実現する動作点におけるトルクと電機子電流の振幅のδ軸成分との関係を示すグラフである。 最大トルク／電流を実現する動作点におけるトルクと電機子電流の振幅との関係を示すグラフである。 最大トルク／電流を実現する動作点におけるトルクと負荷角との関係を示すグラフである。 一次磁束指令値の振幅を得るための構成を示すブロック図である。 一次磁束指令値の振幅を得るための構成を示すブロック図である。 一次磁束指令値の振幅を得るための構成を示すブロック図である。 最大トルク／電流を実現する動作点におけるδ軸成分ｉδと一次磁束振幅との関係を示すグラフである。 最大トルク／電流を実現する動作点におけるγ軸成分ｉγと一次磁束振幅との関係を示すグラフである。 一次磁束の振幅に対する損失を示すグラフである。 一次磁束指令値の振幅を得るための構成を示すブロック図である。

以下の実施の形態において、回転電動機は、電機子巻線を有する電機子と、前記電機子と相対的に回転する界磁たる回転子と含む。当該回転電動機は界磁磁束を発生させる永久磁石、あるいは界磁巻線を備える。

第１の実施の形態．
図１及び図２は、いずれも一次磁束制御を説明するベクトル図である。

一次磁束制御では、界磁磁束Λ０の位相を基準としたｄ−ｑ座標系（ｄ軸は界磁磁束Λ０と同相、ｑ軸はｄ軸に対して９０度進相）に対して（つまり回転子の回転に対して）位相差φｃで進相となるδｃ−γｃ座標系を設定する。そして一次磁束と同相のδ軸にδｃ軸が一致するように、回転電動機に対して印加する電圧を調節する。

まず図１に、位相差φｃが負荷角φと一致している場合を示す。図１において示されるように、電機子反作用の磁束［λａ］（これは向きと振幅を有するベクトルとして扱われる）はｑ軸正方向の磁束Ｌｑ・ｉｑと、ｄ軸負方向の磁束Ｌｄ・ｉｄとの合成となる。

そして一次磁束［λ１］は磁束［λａ］と界磁磁束Λ０との合成となり、δ軸において正値Λδ（これは一次磁束指令値の振幅Λδ＊と一致）を採る。

なお、一次磁束［λ１］が一次磁束指令値［Λ１＊］と一致しない場合、図２に示されるように、位相差φｃと負荷角φとの間にずれが発生することもある。

一次磁束制御が行われるδｃ−γｃ回転座標系では、一次磁束［λ１］のδｃ軸成分λ１δｃを一次磁束指令値［Λ１＊］のδｃ軸成分Λδ＊に一致させ、一次磁束［λ１］のγｃ軸成分λ１γｃを一次磁束指令値［Λ１＊］のγｃ軸成分Λγ＊（＝０）に一致させる制御が行われる。

電機子電流はｑ軸に対して電流位相βで進相し、その振幅ｉａはｑ軸成分ｉｑ及びｄ軸成分ｉｄに分解できる。同様に、振幅ｉａはγｃ軸成分ｉγｃ及びδｃ軸成分ｉδｃに分解できる。図１においてはγｃ軸がγ軸に一致する場合が示されているので、γｃ軸成分ｉγｃに相当するγ軸成分ｉγが示されている。なお、図の繁雑を避けるため、図１ではδｃ軸成分ｉδｃに相当する成分を、図２ではｑ軸成分ｉｑ及びｄ軸成分ｉｄを、それぞれ省略している。

図３はトルクＴがある一定値を保つときの、一次磁束［λ１］の振幅たる正値Λδと、電機子電流の振幅ｉａ及び負荷角φとの関係を示すグラフである。正値Λδに対し、振幅ｉａは極小値を有することが判る。このような振幅ｉａの極小値を与える正値Λδ（これを値Λδ０（Ｔ）として示す）を用いて一次磁束制御を行うことにより、最大トルク／電流制御が実現できる。

一次磁束制御では、上述のように、一次磁束［λ１］のδｃ軸成分λ１δｃを正値Λδ＊に一致させるのみならず、一次磁束［λ１］のγｃ軸成分λ１γｃを一次磁束指令値［Λ１＊］のγ軸成分０に一致させるのであるから、正値Λδ＊のみを値Λδ０（Ｔ）に設定することにより、一次磁束［λ１］はその振幅Λδも、負荷角φも一意に決定される。

そして一次磁束［λ１］が定まれば、界磁磁束Λ０は一定なので磁束［λａ］は一意に定まる（図１参照）。そして磁束［λａ］を構成する磁束Ｌｑ・ｉｑ，Ｌｄ・ｉｄはそれぞれ電機子電流のｑ軸成分ｉｑ及びｄ軸成分ｉｄに比例し、その比例定数Ｌｑ，Ｌｄは回転電動機のインダクタンスで決定される。よって結局、あるトルクＴについて、値Λδ０（Ｔ）を採る正値Λδ＊さえ定まれば、電流ベクトル制御のような計算を改めて行う必要はなく、電流位相βが適切に制御されることになる。図４はトルクＴがある一定値を保つときの、正値Λδと、振幅ｉａ及び電流位相βとの関係を示すグラフである。

もちろん、値Λδ０（Ｔ）はトルクＴに依存して異なる値を採る。よって種々のトルクＴについて、一次磁束の振幅Λδと電機子電流の振幅ｉａとの関係を求めておけば、トルクに応じて得られる値Λδ０（Ｔ）を、一次磁束指令値の振幅Λδ＊として採用することができる。これにより一次磁束制御において最大トルク／電流制御が実現できる。

換言すれば、トルクＴに応じて一次磁束指令値［Λ１＊］を変更して一次磁束制御を行うことにより、当該トルクに応じて電流位相βを所望の位相に制御することができる。

従来のように一次磁束指令値［Λ１＊］の振幅Λδ＊を一定とした一次磁束制御を行うと、回転電動機は、そのトルクＴについて効率が悪い動作点で駆動される場合がある。これに対して、上述の技術では、トルクＴに応じて振幅Λδ＊を変更することで、電流位相βを適切に制御でき、トルクＴに応じて効率が良い動作点で駆動することができる。

特に値Λδ０（Ｔ）を、振幅Λδ＊として採用することにより最大トルク／電流制御が実現できる。なお、振幅Λδ＊が得られた後の一次磁束制御は簡単に上述したし、周知であるので、ここでは詳細な動作、当該動作に必要な構成の説明を省略する。

図５は、このような振幅Λδ＊を得るための構成を示すブロック図である。一次磁束指令値設定部１は一次磁束［λ１］の振幅Λδと、電機子電流の振幅ｉａと、回転電動機のトルクＴとの関係を記憶する。そしてトルクＴに応じて、振幅ｉａを最小にする値Λδ０（Ｔ）を、一次磁束指令値［Λ１＊］の振幅Λδ＊として出力する。

図５では、図３や図４に示された振幅ｉａと振幅Λδ＊との関係が、様々なトルクＴについて一次磁束指令値設定部１に記憶されているイメージを描いている。

あるいは一次磁束指令値設定部１は、上記関係に基づいて計算を行って振幅Λδ＊を出力する。一次磁束の振幅Λδと、比例定数Ｌｑ，Ｌｄ、負荷角φ、電機子電流の振幅ｉａ及びｑ軸成分ｉｑ及びｄ軸成分ｉｄ、電流位相βの間には下式（２）の関係があることが公知である。但し、ｉγ＝ｉｑ・cosφ−ｉｄ・sinφの関係がある。

よって式（１）（２）を計算することにより、トルクＴ毎に振幅ｉａを最小にする一次振幅Λδの値Λδ０（Ｔ）を求めることができる。

なお、トルクＴは検出された値を用いることができる。あるいは推定値Ｔ＾を採用することができる。推定値Ｔ＾は、図２を参照して、下式（３）で求められる。

あるいは、回転電動機が定常状態にある場合には、一次磁束［λ１］とその指令値［Λ１＊］とが一致していると考えられる。よって図１と図２とを参照して下式（４）で推定値Ｔ＾を求めても良い。

あるいは、所望のトルクＴにて一次磁束制御を実際に動作させつつ、振幅Λδ＊が採るべき値Λδ０（Ｔ）を得ることもできる。図６はある制御タイミングにおける一次磁束指令値［Λ１＊］の振幅Λδ＊［ｎ−１］から、その次の制御タイミングにおける一次磁束指令値［Λ１＊］の振幅Λδ＊［ｎ］を求める技術を示すブロック図である。ここでは振幅ｉａを最小とする振幅Λδ＊を求めてはいるが、パラメータを変更して制御対象値の極大値を求めるいわゆる「山登り法」と同じ手法を用いる。

ある制御タイミングにおける一次磁束指令値［Λ１＊］の振幅Λδ＊［ｎ−２］から、その次の制御タイミングにおける振幅Λδ＊［ｎ−１］へと変化量ΔΛδで増加したとき、振幅ｉａが差分Δｉａで増加した場合を想定する。この場合は、振幅ｉａを最小とする値Λδ０（Ｔ）から遠離るように振幅Λδ＊［ｎ−２］から振幅Λδ＊［ｎ−１］へ変化したのである。よって振幅Λδ＊［ｎ］を振幅Λδ＊［ｎ−１］に対して変化量ΔΛδで減少させることで、値Λδ０（Ｔ）に近づくと考えられる。

逆に、振幅Λδ＊［ｎ−２］から振幅Λδ＊［ｎ−１］へと変化量ΔΛδで増加したとき、振幅ｉａが差分Δｉａで減少した場合を想定する。この場合は、振幅ｉａを最小とする値Λδ０（Ｔ）に近づくように振幅Λδ＊［ｎ−２］から振幅Λδ＊［ｎ−１］へ変化したのである。よって振幅Λδ＊［ｎ］は振幅Λδ＊［ｎ−１］に対して変化量ΔΛδで増加させることで、値Λδ０（Ｔ）に近づくと考えられる。

よって増分発生器２は変化量ΔΛδ及び差分Δｉａとを入力してΔΛδ×ｇ(Δｉａ）を出力し、加算器が振幅Λδ＊［ｎ−１］にΔΛδ×ｇ(Δｉａ）を加算して振幅Λδ＊［ｎ］を求める動作が望ましい。但し関数ｇ(Ｑ）は値Ｑが正のときに値（−１）を採り、値Ｑが負の時に値１を採る。

図７乃至図９は最大トルク／電流を実現する動作点におけるトルクＴと電機子電流との関係を示すグラフである。図７はトルクＴと振幅ｉａのγ軸成分ｉγとの関係を示すグラフであり、図８はトルクＴと振幅ｉａのδ軸成分ｉδとの関係を示すグラフであり、図９はトルクＴと振幅ｉａとの関係を示すグラフである。図１０は最大トルク／電流を実現する動作点におけるトルクＴと負荷角φとの関係を示すグラフである。これらのグラフは、最大トルク／電流を実現する動作点については、トルクＴがγ軸成分ｉγ、δ軸成分ｉδ、振幅ｉａ、及び負荷角φによって一意に決定されることを示している。

例えば図７乃至図１０に示されるグラフは、式（１）（２）から求めても良いし、実験的に求めてもよい。

もちろん、γ軸成分ｉγとδ軸成分ｉδとを組み合わせて、トルクＴに依存した新たな指標を求め、当該指標に対応した値Λδ０（Ｔ）を振幅Λδ＊に採用してもよい。但し、当該指標はトルクＴを一意に決定しなければならない。図２に鑑みれば、振幅ｉａは当該指標の一つとして把握できる。

なお、定常状態においてはφ＝φｃ、ｉγ＝ｉγｃ、ｉδ＝ｉδｃが成立する。よってトルクＴに替えてγｃ軸成分ｉγｃ、δｃ軸成分ｉδｃ、振幅ｉａ、及び位相差φｃに対応した値Λδ０（Ｔ）を振幅Λδ＊に採用することにより、最大トルク／電流を実現することができる。この場合、トルクＴを検出する装置が不要となる。

図１１は、γｃ軸成分ｉγｃ、δｃ軸成分ｉδｃ、振幅ｉａ、及び位相差φｃに対応した値Λδ０（Ｔ）を振幅Λδ＊として出力する技術を示すブロック図である。

一次磁束指令値設定部４は、トルク推定部３と一次磁束指令値設定部１を有する。トルク推定部３はγｃ軸成分ｉγｃ、δｃ軸成分ｉδｃ（あるいは更に振幅ｉａ）、または位相差φｃに基づいて、トルク推定値Ｔｅを設定する。トルク推定値Ｔｅは式（３）や式（４）から得られる推定値Ｔ＾ではなく、式（１）及び式（２）、あるいは図７〜図１０から推定されるトルクＴの推定値である。

このようにして、トルクＴを検出することなく最大トルク／電流を実現することができる。

図１２は一次磁束指令値設定部１の前段にフィルタ５を設けた構成を例示する。また図１３は一次磁束指令値設定部４の前段にフィルタ５を設けた構成を例示する。フィルタ５はローパスフィルタとして機能する。ローパスフィルタで処理されたトルクＴに基づいて一次磁束指令値を設定することにより、その急激な変化を抑制する。これにより、一次磁束制御それ自体に、トルクＴ（あるいはその推定値Ｔｅ）毎に、あるいはδｃ軸成分ｉδｃ、γｃ軸成分ｉγｃ、または位相差φｃ毎に、振幅Λδ＊を設定することが与える影響を低減できる。

なお、図１１において示される一次磁束指令値設定部４は、必ずしもトルク推定部３と一次磁束指令値設定部１を有する必要はない。むしろ、予め実験的にδ軸成分ｉδと値Λδ０との関係（図１４参照）や、γ軸成分ｉγと値Λδ０との関係（図１５参照）を得て、これを定式化またはテーブル（あるいはマップ）として得ておくことが望ましい。トルク推定値Ｔｅを一旦求める必要がないからである。

第２の実施の形態．
値Λδ０（Ｔ）が、最大トルク／電流を与える一次磁束［λ１］の振幅ではなく、最小電力／トルクを与える一次磁束［λ１］であってもよい。この場合にも、値Λδ０（Ｔ）を採る振幅Λδ＊さえ定まり、一次磁束制御を行えば、電流ベクトル制御のような計算を改めて行う必要はなく、最大効率を得るための電流位相βが適切に制御されることになる。

つまり一次磁束［λ１］と、回転電動機の損失と、回転電動機のトルクＴ及び回転速度との関係に基づいて、トルクＴ及び回転速度に応じて、損失を最小にする一次磁束を一次磁束指令値として設定し、一次磁束制御を行えば最大効率制御が実現できる。

図１６は回転電動機のトルクＴ及び回転速度が一定の場合の、一次磁束［λ１］の振幅Λδに対する損失を示すグラフである。曲線Ｇ１，Ｇ２は、それぞれ回転電動機の銅損、銅損及び鉄損の合計を示す。銅損は回転電動機に流れる電流の２乗に比例するので、曲線Ｇ１の最小値を与える一次磁束は、第１の実施の形態にいう値Λδ０（Ｔ）として採用できる。

本実施の形態では、曲線Ｇ２の最小値を与える一次磁束［λ１］の振幅を値Λδ１（Ｔ）として求め、これを一次磁束指令［Λ１＊］の振幅Λδ＊として採用する。

このような値Λδ１（Ｔ）は、図６を用いて説明したのと同様に、いわゆる「山登り法」と類似した手法で求めることができる。

具体的には、図１７を参照して、ある制御タイミングにおける振幅Λδ＊［ｎ−１］から、その次の制御タイミングにおける振幅Λδ＊［ｎ］を求める。ここでは電力を最小とする振幅Λδ＊を求める。

ある制御タイミングにおける振幅Λδ＊［ｎ−２］から、その次の制御タイミングにおける振幅Λδ＊［ｎ−１］へと変化量ΔΛδで増加したとき、電力が差分ΔＰで増加した場合を想定する。

増分発生器６は変化量ΔΛδ及び差分ΔＰとを入力してΔΛδ×ｇ(ΔＰ）を出力し、加算器７が振幅Λδ＊［ｎ−１］にΔΛδ×ｇ(ΔＰ）を加算して振幅Λδ＊［ｎ］を求める。関数ｇについては前述の通りである。

第２の実施の形態においても第１の実施の形態と同様に、フィルタを用いてトルクＴ（あるいはその推定値Ｔｅ）の一次磁束制御の制御周波数近傍の成分を除去して振幅Λδ＊を設定してもよい。

また、回転速度に応じて損失を最小にする一次磁束の値Λδ１（Ｔ）を、あるいは回転速度とトルクＴに応じて損失を最小にする一次磁束の値を、それぞれ予め実験で求めておき、これらの値をテーブル（或いはマップ）にしてもよい。そして回転速度とトルクＴとに応じて、上記テーブルから損失を最小にする一次磁束の値を読み出し、読み出された値を上記一次磁束指令値として設定すればよい。

また回転速度は電気角についての値でも機械角についての値でもよい。定常状態では制御軸（δｃ軸、γｃ軸）の速度や（電気角の）速度指令は回転速度と一致するので、これらを回転速度に代用してもよい。

あるいは第１の実施の形態及び第２の実施の形態において、フィルタを採用する代わりに、振幅Λδ＊を更新する周期を、一次磁束制御の制御周期よりも遅くしてもよい。これにより、一次磁束指令値［Λ１＊］の設定と、一次磁束制御との干渉が抑制される。

あるいは速度脈動が所定範囲に収まっているときにおいてのみ振幅Λδ＊を更新し、それ以外では振幅Λδ＊を更新しないことにより、一次磁束制御を安定して実行することができる。

換言すれば、一次磁束指令値［Λ１＊］が変化しても一次磁束制御の安定性が損なわれにくい観点では、一次磁束指令値［Λ１＊］は、これに基づく一次磁束制御が過渡期においては変更せず、一次磁束制御が安定している状態で更新されることが望ましい。

ｉａ 電機子電流の振幅
ｉγｃ （電機子電流の）γｃ軸成分
ｉδｃ （電機子電流の）δｃ軸成分
Ｔ トルク
β 電流位相
［λ１］ 一次磁束
Λ０ 界磁磁束
［Λ１＊］ 一次磁束指令値
Λδ＊ 一次磁束指令値の振幅
φ 負荷角

例えば界磁磁束Λ０の位相を回転座標系のｄ軸に採用し、一次磁束［λ１］（これは向きと振幅を有するベクトルとして扱われる）の位相を他の回転座標系のδ軸に採用し、δ軸のｄ軸に対する位相差を負荷角φとして考える。但しここではγ軸をδ軸に対して９０度進相の位相において採用する。また、一次磁束［λ１］の制御で採用する回転座標系の制御軸としてδｃ軸及びγｃ軸を定義する。δｃ軸及びγｃ軸はそれぞれδ軸及びγ軸に対応しており、δｃ軸のｄ軸に対する位相差をφｃとする。

この場合、一次磁束［λ１］の指令値（以下「一次磁束指令値」と称す）［Λ１＊］（これは向きと振幅を有するベクトルとして扱われる）はそのδｃ軸成分に正値Λδ＊を有し、γｃ軸成分は零となる。よって一次磁束［λ１］が一次磁束指令値［Λ１＊］に一致すれば、一次磁束［λ１］のδｃ軸成分λ１δｃは正値Λδ＊（これは一次磁束指令値［Λ１＊］の振幅でもある）に等しく、位相差φｃは負荷角φと等しく、δｃ軸がδ軸に一致する。

具体的には、極対数ｎ、電流振幅ｉａ、電機子電流のｑ軸（これはｄ軸に対して９０度進相する）に対する位相（いわゆる電流位相）β及び振幅Λδを導入して、トルクＴは下式（１）で求められる。

図５では、図３や図４に示された振幅ｉａと値Λδ０（Ｔ）との関係が、様々なトルクＴについて一次磁束指令値設定部１に記憶されているイメージを描いている。

図１２は一次磁束指令値設定部１の前段にフィルタ５を設けた構成を例示する。また図１３は一次磁束指令値設定部４の前段にフィルタ５を設けた構成を例示する。フィルタ５はローパスフィルタとして機能する。ローパスフィルタで処理して得られたトルクＴに基づいて一次磁束指令値を設定することにより、その急激な変化を抑制する。これにより、一次磁束制御それ自体に、トルクＴ（あるいはその推定値Ｔｅ）毎に、あるいはδｃ軸成分ｉδｃ、γｃ軸成分ｉγｃ、または位相差φｃ毎に、振幅Λδ＊を設定することが与える影響を低減できる。

そして、前記回転電動機のトルク（Ｔ）に応じて前記一次磁束指令値を変更して、前記界磁磁束（Λ０）と同相のｄ軸よりもπ／２で進相するｑ軸に対する前記電機子電流の電流位相（β）を前記トルクに応じた所望の位相に制御する。

この発明にかかる一次磁束制御方法の第１の態様では、前記一次磁束（［λ１］）と、前記電機子電流（ｉａ）と、前記回転電動機のトルク（Ｔ）との関係に基づき、前記トルクに応じて、前記電機子電流を最小にする前記一次磁束の振幅（Λδ０（Ｔ））を前記一次磁束指令値（［Λ１＊］）の振幅（Λδ＊）として設定する。

そして前記関係は、前記一次磁束（［λ１］）の前記ｄ軸に対する負荷角φ、前記電機子電流（ｉａ）の前記ｑ軸に対する電流位相β、前記界磁磁束の振幅Λ０、前記一次磁束の振幅Λδ、前記回転電動機のｄ軸インダクタンスＬｄ及びｑ軸インダクタンスＬｑ、前記電機子電流のｄ軸成分ｉｄ及びｑ軸成分ｉｑ、前記回転電動機の極対数ｎ、トルクＴを導入して、Ｔ＝ｎ・Λδ・ｉａ・cos（φ−β）、Λδ・sinφ＝Ｌｑ・ｉｑ、Λδ・cosφ＝Ｌｄ・ｉｄ＋Λ０、tanβ＝−ｉｄ／ｉｑ、ｉａ＝√（ｉｄ^２＋ｉｑ^２）で決定される。

そして、前記一次磁束に対して最小値を採る前記電機子電流によって発生する前記電機子反作用の磁束及び前記界磁磁束で決定される前記負荷角（φ）と前記トルクとの関係に基づき、前記負荷角から前記一次磁束指令値を設定する。

この発明にかかる一次磁束制御方法の第２の態様は、その第１の態様であって、前記一次磁束指令値を更新する周期は、前記一次磁束指令値に基づく前記一次磁束の制御の周期とは異なる。

この発明にかかる一次磁束制御方法の第３の態様は、その第１の態様であって、前記一次磁束指令値は、前記一次磁束指令値に基づく前記一次磁束の制御が過渡期においては変更せず、前記制御が安定している状態で更新される。

この発明にかかる一次磁束制御方法の第４乃至６の態様では、前記一次磁束（［λ１］）と、前記電機子電流（ｉａ）と、前記回転電動機のトルク（Ｔ）との関係に基づき、前記トルクに応じて、前記電機子電流を最小にする前記一次磁束の振幅（Λδ０（Ｔ））を前記一次磁束指令値（［Λ１＊］）の振幅（Λδ＊）として設定する。
第４の態様では、前記一次磁束に対して最小値を採る前記電機子電流と前記トルクとの関係に基づき、前記電機子電流から前記一次磁束指令値を設定する。そしてローパスフィルタで処理された、前記回転電動機のトルク（Ｔ）に応じて前記一次磁束指令値を変更する。
第５の態様では、前記一次磁束に対して最小値を採る前記電機子電流のうち前記一次磁束に同相の同相成分（ｉδ）と前記トルクとの関係に基づき、前記電機子電流の前記同相成分から前記一次磁束指令値を設定する。そしてローパスフィルタで処理された、前記同相成分（ｉδ）に応じて前記一次磁束指令値を変更する。
第６の態様では、前記一次磁束に対して最小値を採る前記電機子電流のうち前記一次磁束に直交する直交成分（ｉγ）と前記トルクとの関係に基づき、前記電機子電流の前記直交成分から前記一次磁束指令値を設定する。そしてローパスフィルタで処理された、前記直交成分（ｉγ）に応じて前記一次磁束指令値を変更する。
この発明にかかる一次磁束制御方法の第７の態様は、その第１の態様であって、ローパスフィルタで処理された前記負荷角（φ）に応じて前記一次磁束指令値を変更する。
第４乃至６の態様において望ましくは、前記関係は、前記一次磁束（［λ１］）の前記ｄ軸に対する負荷角φ、前記電機子電流（ｉａ）の前記ｑ軸に対する電流位相β、前記界磁磁束の振幅Λ０、前記一次磁束の振幅Λδ、前記回転電動機のｄ軸インダクタンスＬｄ及びｑ軸インダクタンスＬｑ、前記電機子電流のｄ軸成分ｉｄ及びｑ軸成分ｉｑ、前記回転電動機の極対数ｎ、トルクＴを導入して、Ｔ＝ｎ・Λδ・ｉａ・cos（φ−β）、Λδ・sinφ＝Ｌｑ・ｉｑ、Λδ・cosφ＝Ｌｄ・ｉｄ＋Λ０、tanβ＝−ｉｄ／ｉｑ、ｉａ＝√（ｉｄ ^２ ＋ｉｑ ^２ ）で決定される。
この発明にかかる一次磁束制御方法の第９の態様及び第１０の態様では、前記一次磁束（［λ１］）と、前記回転電動機の損失と、前記回転電動機のトルク（Ｔ）及び回転速度との関係に基づき、前記トルク及び前記回転速度に応じて、前記損失を最小にする前記一次磁束を前記一次磁束指令値として設定する。
第９の態様では、前記一次磁束指令値を更新する周期は、前記一次磁束指令値に基づく前記一次磁束の制御の周期とは異なる。
第１０の態様では、前記一次磁束指令値は、前記一次磁束指令値に基づく前記一次磁束の制御が過渡期においては変更せず、前記制御が安定している状態で更新される。

そしてトルク一定の条件下では電機子電流は一次磁束に対して最小値を有するので、当該最小値に対応した一次磁束指令値として採用することにより、最大トルク／電流制御を実現することができる。

この発明にかかる一次磁束制御方法の第２の態様によれば、一次磁束指令値の設定と、一次磁束の制御との干渉が抑制される。

この発明にかかる一次磁束制御方法の第３の態様によれば、一次磁束指令値が変化しても、一次磁束制御の安定性が損なわれにくい。

この発明にかかる一次磁束制御方法の第４乃至７の態様によれば、一次磁束指令値の振幅を設定することが、一次磁束制御それ自体に与える影響を低減できる。
この発明にかかる一次磁束制御方法の第８乃至９の態様によれば、トルク及び回転速度が一定の条件下では損失は一次磁束に対して最小値を有するので、当該最小値に対応した一次磁束指令値として採用することにより、最大効率制御を実現することができる。
また、第８及び第９の態様は、それぞれ第２及び第３の態様の効果をも得る。

Claims (15)

1. 電機子巻線を有する電機子と、前記電機子と相対的に回転する界磁たる回転子と含む回転電動機に対し、一次磁束（［λ１」）の指令値たる一次磁束指令値（［Λ１＊］）を設定し、前記一次磁束指令値に従って前記一次磁束を制御する方法であって、
   前記一次磁束は、前記界磁が発生する界磁磁束（Λ０）と、前記電機子に流れる電機子電流（ｉａ）によって発生する電機子反作用の磁束（［λａ］：ｉｄ・Ｌｄ，ｉｑ・Ｌｑ）との合成であり、
   前記回転電動機のトルク（Ｔ）に応じて前記一次磁束指令値を変更して、前記界磁磁束（Λ０）と同相のｄ軸よりもπ／２で進相するｑ軸に対する前記電機子電流の電流位相（β）を前記トルクに応じた所望の位相に制御する、一次磁束制御方法。
2. 前記一次磁束（［λ１］）と、前記電機子電流（ｉａ）と、前記回転電動機のトルク（Ｔ）との関係に基づき、前記トルクに応じて、前記電機子電流を最小にする前記一次磁束の振幅（Λδ０（Ｔ））を前記一次磁束指令値（Λ１＊）の振幅（Λδ＊）として設定する、請求項１記載の一次磁束制御方法。
3. 前記関係は、前記一次磁束（［λ１］）の前記ｄ軸に対する負荷角φ、前記電機子電流（ｉａ）の前記ｑ軸に対する電流位相β、前記界磁磁束の振幅Λ０、前記一次磁束の振幅Λδ、前記回転電動機のｄ軸インダクタンスＬｄ及びｑ軸インダクタンスＬｑ、前記電機子電流のｄ軸成分ｉｄ及びｑ軸成分ｉｑ、前記回転電動機の極対数ｎ、トルクＴを導入して、Ｔ＝ｎ・Λδ・ｉａ・cos（φ−β）、Λδ・sinφ＝Ｌｑ・ｉｑ、Λδ・cosφ＝Ｌｄ・ｉｄ＋Λ０、tanβ＝−ｉｄ／ｉｑ、ｉａ＝√（ｉｄ^２＋ｉｑ^２）で決定される、請求項２記載の一次磁束制御方法。
4. 前記一次磁束に対して最小値を採る前記電機子電流と前記トルクとの関係に基づき、前記電機子電流から前記一次磁束指令値を設定する、請求項２又は３記載の一次磁束制御方法。
5. 前記一次磁束に対して最小値を採る前記電機子電流のうち前記一次磁束に同相の同相成分（ｉδ）と前記トルクとの関係に基づき、前記電機子電流の前記同相成分から前記一次磁束指令値を設定する、請求項２又は３記載の一次磁束制御方法。
6. 前記一次磁束に対して最小値を採る前記電機子電流のうち前記一次磁束に直交する直交成分（ｉγ）と前記トルクとの関係に基づき、前記電機子電流の前記直交成分から前記一次磁束指令値を設定する、請求項２又は３記載の一次磁束制御方法。
7. 前記一次磁束に対して最小値を採る前記電機子電流によって発生する前記電機子反作用の磁束及び前記界磁磁束で決定される前記負荷角（φ）と前記トルクとの関係に基づき、前記負荷角から前記一次磁束指令値を設定する、請求項３記載の一次磁束制御方法。
8. 前記一次磁束（［λ１］）と、前記回転電動機の損失と、前記回転電動機のトルク（Ｔ）及び回転速度との関係に基づき、前記トルク及び前記回転速度に応じて、前記損失を最小にする前記一次磁束を前記一次磁束指令値として設定する、請求項１記載の一次磁束制御方法。
9. 前記一次磁束指令値を更新する周期は、前記一次磁束指令値に基づく前記一次磁束の制御の周期とは異なる、請求項１乃至８のいずれか一つに記載の一次磁束制御方法。
10. 前記一次磁束指令値は、前記一次磁束指令値に基づく前記一次磁束の制御が過渡期においては変更せず、前記制御が安定している状態で更新される、請求項１乃至８のいずれか一つに記載の一次磁束制御方法。
11. ローパスフィルタで処理された前記回転電動機のトルク（Ｔ）に応じて前記一次磁束指令値を変更する、請求項４記載の一次磁束制御方法。
12. ローパスフィルタで処理された前記同相成分（ｉδ）に応じて前記一次磁束指令値を変更する、請求項５記載の一次磁束制御方法。
13. ローパスフィルタで処理された前記直交成分（ｉγ）に応じて前記一次磁束指令値を変更する、請求項６記載の一次磁束制御方法。
14. ローパスフィルタで処理された前記負荷角（φ）に応じて前記一次磁束指令値を変更する、請求項７記載の一次磁束制御方法。
15. 前記一次磁束指令値は、前記トルクの推定値に応じて変更される、請求項１乃至１４のいずれか一つに記載の一次磁束制御方法。

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