JP2015111973A - 電動機制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一次磁束指令値の変動に対する一次磁束の追従を向上させる。
【解決手段】電動機制御装置１は、座標変換部１０１、第１計算部１０２、座標変換部１０４を備えている。座標変換部１０１は、三相電流［Ｉ］を、一次磁束制御を行うδｃ−γｃ回転座標系における電機子電流［ｉ］に変換する。第１計算部１０２はδｃ−γｃ回転座標系における電圧指令値［ｖ＊］を求める。座標変換部１０４は、電圧指令値［ｖ＊］を座標変換して、回転電動機３に印加する電圧の他の座標系における電圧指令値［Ｖ＊］へ変換する。第１計算部１０２は電圧指令値［ｖ＊］を求めるとき、一次磁束指令値の変動に応じた過渡項を盛り込んで計算する。
【選択図】図１

Description

この発明は、電機子と、電機子に対して相対的に回転する回転子とを備える回転電動機を制御する技術に関する。

特に、電機子と回転子との間の空隙を流れる磁束（以下「空隙磁束」ともいう）に基づいて、同期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。

一次磁束は、界磁たる回転子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り、空隙磁束として現れる。

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］（記号［］（角括弧：square bracket）はベクトルであることを示す。以下同様）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。

一次磁束制御では、一次磁束［λ１］を、その指令値（以下「一次磁束指令値」と称す）に等しくすることにより、位相差φｃが負荷角φと等しくなり、δｃ軸がδ軸に一致する。よって一次磁束制御においては、通常、一次磁束指令値のγｃ軸成分が零に選定される。

このような一次磁束制御では、回転電動機のトルクを、その回転角速度に依らずに電機子電流のγｃ軸成分に比例させて制御することができる。

なお、特許文献２、非特許文献２、非特許文献４では、特許文献１、非特許文献１、非特許文献３とは回転座標系の座標軸の名称（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 特許第３８６００３１号公報

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 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 上里、他３名、「リラクタンスモータの回転子位置センサレスベクトル制御法」、平成６年電気学会産業応用部門全国大会講演論文集、ｐ．５９−６４ 伊東、豊崎、大沢、「永久磁石同期電動機のＶ／ｆ制御の高性能化」、電気学会論文誌Ｄ、平成１４年、１２２巻３号、ｐ．２５３−２５９ 坂田、藤本、「電流ループとＰＷＭホールドを考慮した厳密モデルに基づくサーボモータの完全追従制御法」、電気学会論文誌Ｄ、平成１９年、１２７巻６号、ｐ．５８７−５９３

一次磁束制御にて電動機を高効率に駆動するには負荷に応じて一次磁束指令を変更させる必要がある。しかし従来の技術では、一次磁束指令値の変動に対する一次磁束の過渡的な振る舞いを考慮した制御を行っていない。そのゆえに、一次磁束指令値の変動に対する一次磁束の追従が十分ではないという問題があった。

また、一次磁束制御では回転速度が安定するような制御軸速度を速度指令と電流から生成する。これは制御軸の回転に同期して一次磁束が回転していることを前提にしている。しかし従来の技術では、一次磁束指令値を変動させる際に一次磁束の過渡的な振る舞いを考慮した制御を行っていない。そのゆえに、制御軸と一次磁束の回転が非同期になり、かかる速度の安定化が正しく作用しない恐れがある。

かかる問題に鑑みて、この発明は、一次磁束指令値の変動に対する一次磁束の追従を向上させることを目的とする。

この発明にかかる電動機制御装置の第１の態様は、電機子電流（［ｉ］）が流れる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回転子とを含む回転電動機を、第１軸（δｃ）と前記回転子の回転方向について前記第１軸に対して９０度進相の第２軸（γｃ）とを有して回転する回転座標系において制御する装置である。当該装置は前記電機子と前記回転子との間の空隙を流れる磁束たる空隙磁束（［λ１］）を制御する。

前記電動機制御装置は、計算部（１０２）と、位相算出部（１０６）と、第１座標変換部（１０４）とを備える。

前記電動機制御装置は、前記回転子が回転する第１角速度（ω０）の指令値（ω＊）と前記電機子電流とに基づいて、前記回転座標系が回転する第２角速度（ω１）を求める速度算出部（１０８，１０９，１１０）を更に備えても良い。

前記計算部は、前記空隙磁束の前記回転座標系における指令値たる磁束指令値（［Λ１＊］）及びその微分値と、前記回転座標系が回転する角速度（ω１）とを用いて、前記回転電動機に印加する電圧の、前記回転座標系における指令値たる第１電圧指令値（［ｖ＊］，［ｖ＊’］）を求める。

前記位相算出部は、前記角速度を積分して前記回転座標系の位相（θ）を求める。

前記第１座標変換部は、前記第１電圧指令値を前記位相（θ）で座標変換して、前記回転電動機に印加する電圧の他の座標系における指令値たる第２電圧指令値（［Ｖ＊］）を求める。

この発明にかかる電動機制御装置の第２の態様は、その第１の態様であって、前記計算部（１０２）は、更に前記電機子巻線の抵抗値と前記電機子電流との積をも用いて前記第１電圧指令値を求める。

この発明にかかる電動機制御装置の第３の態様は、その第２の態様であって、前記電機子電流を前記位相（θ）で座標変換して、前記電機子電流の前記第１軸の成分たる第１電流値（ｉδｃ）と、前記電機子電流の前記第２軸の成分たる第２電流値（ｉγｃ）とを求める第２座標変換部（１０１）を更に備える。

前記計算部（１０２）は、前記抵抗値（Ｒ）と前記第１電流値との積と、前記磁束指令値の前記第１軸の成分たる第１軸磁束指令値（λ１δｃ＊）を微分して得られる第１微分値（ｓλ１δｃ＊）との和から、前記磁束指令値の前記第２軸の成分たる第２磁束指令値（λ１γｃ＊）と前記角速度との積を減じて、前記第１電圧指令値の前記第１軸の成分（ｖδｃ＊，ｖδｃ＊’）を求める。

また前記計算部は、更に、前記抵抗値と前記第２電流値（ｉγｃ）との積と、前記第２磁束指令値を微分して得られる第２微分値（ｓλ１γｃ＊）と、前記第１磁束指令値と前記角速度との積とを加算して、前記第１電圧指令値の前記第２軸の成分（ｖγｃ＊，ｖγｃ＊’）を求める。

この発明にかかる電動機制御装置の第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、前記空隙磁束（［λ１］）の前記磁束指令値（［Λ１＊］）に対する偏差を比例積分微分制御した結果を用いて前記第１電圧指令値（［ｖ＊’］）を補正する補正部（１０３）を更に備える。

この発明にかかる電動機制御装置の第５の態様は、その第４の態様であって、前記空隙磁束（［λ１］）の推定値（［λ１＾］）を求め、前記補正部に与える磁束推定部（１０５）を更に備える。

この発明にかかる電動機制御装置の第１乃至第３の態様によれば、回転座標系での電動機制御において一次磁束指令値が変動した際、一次磁束の追従性を、従来よりも高めることができる。

この発明にかかる電動機制御装置の第４の態様によれば、一次磁束についてのフィードバックを制御に組み込むことができる。

この発明にかかる電動機制御装置の第５の態様によれば、一次磁束の直接的な検出が不要となる。

第１の実施の形態にかかる電動機制御装置の構成及びその周辺装置を示すブロック図である。 第１計算部の構成を例示するブロック図である。 第２の実施の形態にかかる電動機制御装置の構成及びその周辺装置を示すブロック図である。 第２計算部の構成を例示するブロック図である。 第３の形態にかかる電動機制御装置の構成及びその周辺装置を示すブロック図である。 一次磁束推定部の構造を例示するブロック図である。 第１計算部及び第２計算部に相当する部分についての、離散時間系の処理を示すブロック図である。

この発明の基本的思想．
実施の形態の詳細な説明に入る前に、この発明の基本的思想について説明する。もちろん、この基本的思想も本発明に含まれる。

一次磁束制御では、界磁磁束の位相を基準としたｄ−ｑ座標系（ｄ軸は界磁磁束と同相、ｑ軸はｄ軸に対して９０度進相）に対して（つまり回転電動機の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。

これら二つの回転座標系の関係を考慮すると、ｄ−ｑ座標系における電圧方程式から、以下のようにしてδｃ−γｃ座標系における電圧方程式が得られる。

まずｄ−ｑ座標系における電圧方程式は、回転電動機に印加される電圧のｄ軸成分たるｄ軸電圧ｖｄ、回転電動機に印加される電圧のｑ軸成分たるｑ軸電圧ｖｑ、回転電動機が備える電機子巻線のインダクタンスのｄ軸成分たるｄ軸インダクタンスＬｄ、電機子巻線のインダクタンスのｑ軸成分たるｑ軸インダクタンスＬｑ、電機子巻線の抵抗成分Ｒ、電機子電流のｄ軸成分たるｄ軸電流ｉｄ、電機子電流のｑ軸成分たるｑ軸電流ｉｑ、界磁磁束Λ０、回転電動機の回転角速度ω０、時間微分の演算子ｓを導入して、下式（１）で表される。

界磁磁束Λ０は時間に依存しないことを考慮して、式（１）は式（２）に変形できる。ここでベクトル［Λ０ ０］^ｔ（括弧の後の上付の“ｔ”は行列の転置を示す：以下同様）はｄ−ｑ座標系における界磁磁束Λ０を表す。式（２）の右辺第２項の記号｛｝（波括弧：curly brace）内の数式はｄ−ｑ座標系における一次磁束［λ１］を表す。

さて、δｃ−γｃ座標系がｄ−ｑ座標系に対して位相差φｃで進相であるので、式（２）を位相差φｃで進相した表現を求める。具体的には式（２）に対して式（３）で示される回転行列Ｃを用いて回転変換を行う。これにより式（４）が得られる。

回転電動機に印加される電圧のδｃ軸成分たるδｃ軸電圧ｖδｃ、回転電動機に印加される電圧のγｃ軸成分たるγｃ軸電圧ｖγｃで得られるベクトル［ｖδｃ ｖγｃ］^ｔは、式（４）の左辺と一致する。よって当該ベクトルは式（５）で表される。

次に、式（５）の右辺第２項の記号｛｝内の数式を変形する。この数式はδｃ−γｃ座標系における一次磁束［λ１］を表す。当該数式に対して式（３）を代入して、式（６）が得られる。

式（６）の右辺第１項は電機子電流［ｉ］が流れることによって発生する磁束（電機子反作用）であり、第２項は界磁磁束Λ０に起因する磁束である。

更に、式（７）を導入して、式（８）が得られる。

式（８）を式（５）の右辺第２項の記号｛｝内の数式に代入して、式（９）が得られる。

式（９）の右辺第２項の記号｛｝内の数式が一次磁束［λ１］を表すので、そのδｃ軸成分λ１δｃ及びγｃ軸成分λ１γｃを導入して式（１０）を得る。

式（１０）は更に、式（１１）を経て式（１２）に変形できる。

但し、式（１２）はδｃ−γｃ座標系についての式であるものの、回転電動機の回転角速度ω０に依存している。δｃ−γｃ座標系において一次磁束［λ１］を制御するためには、δｃ−γｃ座標系の回転角速度ω１に基づいて制御する必要がある。一次磁束指令値が変動した直後には、過渡的に、回転角速度ω０は回転角速度ω１に一致せず、位相差φｃも時間的に変動することを考慮しなければならない。

この点に注意して式（１２）を変形する。まず式（３）を参照して回転行列Ｃ^−１を具体的に示して式（１３）が得られる。

そして演算子ｓを作用させて式（１４）を得る。上述のように位相差φｃも時間的に変動することを考慮し、式（３）を参照して回転行列Ｃを具体的に示して式（１５）が得られる。但し、位相差φｃの上に付記された点（ドット）は時間微分を示す。

式（１５）の一次磁束［λ１δｃ λ１γｃ］^ｔの係数となる行列を計算して式（１６）が得られる。

位相差φｃの時間微分は、δｃ−γｃ座標系のｄ−ｑ座標系に対する相対的な角速度であるので、角速度差（ω１−ω０）として把握できる。これにより式（１６）は式（１７）へ変形される。

式（１７）の右辺第２項と第４項とを纏めて式（１８）が得られる。これにより、δｃ−γｃ座標系において一次磁束［λ１］を制御するための、電圧方程式が導かれた。式（１８）は過渡状態をも反映した電圧方程式である。

δｃ−γｃ座標系において一次磁束［λ１］を制御するためには、δｃ軸成分λ１δｃ及びγｃ軸成分λ１γｃのそれぞれの指令値λ１δｃ＊，λ１γｃ＊に基づいてδｃ軸電圧ｖδｃ及びγｃ軸電圧ｖγｃのそれぞれの指令値ｖδｃ＊，ｖγｃ＊を得ることになる。よって式（１８）に基づいて、ベクトル［ｖδｃ＊ ｖγｃ＊］^ｔは式（１９）で得られる。これは電機子巻線に印加される電圧の指令値（以下「電圧指令値」と称す）［ｖ＊］を表している。また、ベクトル［λ１δｃ＊ λ１γｃ＊］^ｔは一次磁束指令値を表している。

式（１９）の右辺第１項及び第２項は時間微分を含まず、第３項は時間微分を含む。従来の技術では、電圧指令ベクトル［ｖδｃ＊ ｖγｃ＊］^ｔを求めるに際し、定常的な動作のみを考慮していた。よって右辺第２項で一次磁束［λ１δｃ λ１γｃ］^ｔの係数となる行列において採用される回転角速度ω１は回転角速度ω０と同一視されたり、第３項が無視されたりしていた。第３項は一次磁束指令値の変動に応じた過渡項と見ることができる。

例えば特許文献１では、電圧指令値を設定する式（８）の導出において、定常状態での一次磁束制御を前提としており、一次磁束指令値の変動に対する一次磁束の過渡的な振る舞いを考慮できていない。

また特許文献２では、電圧方程式を示す式（８）において、定常状態を前提としている。

また非特許文献１では、電圧指令値を設定する式（８）の導出において、本願の式（１８）に相当する式から出発してはいるものの、一次磁束指令値の時間的変動が正確に反映されていない。

また非特許文献２では、電圧指令値を設定する式（１３）の導出において、本願の式（１８）に相当する式（７）から出発してはいるものの、その式（１２ａ），（１２ｂ）において一次磁束指令値を一定値としている。

また非特許文献３では、回転子角速度（ωｒ）と制御を行うための回転座標系（本願にいうδｃ−γｃ座標系）とが区別されておらず、過渡状態を十分に考慮できていない。

また非特許文献４では、定常状態での制御を前提とした電圧指令生成式を採用しており、過渡状態を考慮できていない。

これらの従来技術とは異なり、式（１９）に基づいて得られる電圧指令ベクトルで表される電圧指令値［ｖ＊］を用いることにより、δｃ−γｃ座標系での電動機制御において一次磁束指令値が変動した際、一次磁束の追従性を、従来よりも高めることができる。

もちろん、本発明のように一次磁束指令値の時間的変動に基づいて得られた電圧指令値に対し、特許文献１にいう電流フィードバックの項や、特許文献２にいう補正項や、非特許文献２にいう磁束誤差をフィードバックする項を、フィードバック項として追加してもよい。

式（１９）の右辺は、電機子巻線の抵抗成分Ｒという既知量、電機子電流［ｉ］（＝［ｉδｃ ｉγｃ］^ｔ）という可観測量、δｃ−γｃ座標系の回転角速度ω１、及び一次磁束指令値［Λ１＊］（＝［λ１δｃ＊ λ１γｃ＊］^ｔ）という入力に基づいて決定されるフィードフォワード量として把握される。よって式（１９）の左辺を［ｖδｃ＊＿Ｆ ｖγｃ＊＿Ｆ］^ｔと書き改めてフィードフォワード項として把握し、フィードバック項を［ｖδｃ＊＿Ｂ ｖγｃ＊＿Ｂ］^ｔと表現すると、一次磁束指令値の時間的変動のみならず、そのフィードバックをも考慮した電圧指令値［ｖδｃ＊ ｖγｃ＊］^ｔは式（２０）で表される。

以上のようにして一次磁束についてのフィードバックを制御に組み込むことができる。

なお、以下の実施の形態では、回転電動機の回転角速度ω０の指令値（以下「回転角速度指令値」と称す）ω＊を導入して説明をおこなう。

第１の実施の形態．
図１は本実施の形態にかかる電動機制御装置１の構成及びその周辺装置を示すブロック図である。

回転電動機３は不図示の電機子と、界磁たる回転子とを備える。技術的な常識として、電機子は電機子巻線を有する。回転電動機３は例えば埋込磁石型の三相の電動機であり、界磁には界磁磁石が埋め込まれる。回転電動機３において、回転子は電機子に対して相対的に回転する。

電圧供給源２は例えば電圧制御型インバータ及びその制御部を備え、三相の電圧指令値［Ｖ＊］＝［Ｖｕ＊ Ｖｖ＊ Ｖｗ＊］^ｔに基づいて、三相電圧を回転電動機３に印加する。これにより、回転電動機３には三相電流［Ｉ］＝［Ｉｕ Ｉｖ Ｉｗ］^ｔが流れる。但し、電圧指令値［Ｖ＊］や三相電流［Ｉ］が有する成分は、例えばＵ相成分、Ｖ相成分、Ｗ相成分の順に記載されている。

電動機制御装置１は、回転電動機３に対し、一次磁束指令値［Λ１＊］及び電機子電流［ｉ］に基づいて回転角速度ω０を制御する装置である。

電動機制御装置１は、座標変換部１０１，１０４、第１計算部１０２、積分器１０６、定数倍部１０８、減算器１０９、ハイパスフィルタ１１０を備えている。

座標変換部１０１は、三相電流［Ｉ］を、一次磁束制御（但し通常の一次磁束制御のように一次磁束指令値のγｃ軸成分を零にする場合には限定されない）を行うδｃ−γｃ回転座標系における電機子電流［ｉ］に変換する。このような回転座標系への回転変換は公知の技術であるので、その詳細な説明を省略する。

第１計算部１０２はδｃ−γｃ回転座標系における電圧指令値［ｖ＊］を、式（１９）に則って求める。具体的な構成は後述する。

座標変換部１０４は、電圧指令値［ｖ＊］を座標変換して、回転電動機３に印加する電圧の他の座標系における電圧指令値［Ｖ＊］へ変換する。この「他の座標系」は例えばｄ−ｑ回転座標系であっても良いし、α−β固定座標系（例えばα軸はＵ相と同相に設定される）であっても良いし、ＵＶＷ固定座標系であっても良いし、極座標系であっても良い。いずれの座標系を「他の座標系」として採用するかは、電圧供給源２がどのような制御を行うかに依存する。例えば電圧指令値［Ｖ＊］がα−β固定座標系で設定される場合、［Ｖ＊］＝［Ｖα＊ Ｖβ＊］^ｔ（但し先に示された成分がα軸成分であり、後に示された成分はβ軸成分である）となる。

積分器１０６は回転角速度ω１に基づいて、δｃ軸のα軸に対する位相θを計算する。つまり積分器１０６はδｃ−γｃ回転座標系の、より正確にはδｃ軸のα軸に対する位相を検出する、位相検出部として機能する。

位相θに基づいて、座標変換部１０１，１０４は、それぞれ上述の座標変換を行うことができる。

δｃ−γｃ座標系の回転角速度ω１は、減算器１０９の出力として設定される。電機子電流のγｃ軸成分ｉγｃからその直流分をハイパスフィルタ１１０で除去し、更に定数倍部１０８で所定ゲインＫｍ倍した値が、減算器１０９によって回転角速度ω０の指令値ω＊から差し引かれて、回転角速度ω１が得られる。つまり、定数倍部１０８、減算器１０９、ハイパスフィルタ１１０は相まって、指令値ω＊及び電機子電流［ｉ］に基づいて回転角速度ω１を求める速度算出部として把握することができる。

一次磁束制御が理想的に行われ、かつ定常状態においてはγｃ軸成分ｉγｃは一定であり、ω１＝ω０＝ω＊となる。

図２は、第１計算部１０２の構成を例示するブロック図である。図中、円で囲まれた×は乗算器を、円で囲まれた＋は加算器を、＋−が付記された円は減算器を、それぞれ示している。電機子巻線の抵抗成分Ｒは既知であるので、第１計算部１０２において設定することができる。

第１計算部１０２は一次磁束指令値［Λ１＊］（＝［λ１δｃ＊ λ１γｃ＊］^ｔ）を入力する。通常の一次磁束制御では、λ１γｃ＊＝０に設定されるので、指令値λ１δｃ＊のみを入力し、第１計算部１０２においてλ１γｃ＊＝０を設定してもよい。

第１計算部１０２は電機子電流［ｉ］＝［ｉδｃ ｉγｃ］^ｔも入力し、乗算器によってそれぞれ抵抗成分Ｒが乗じられ、値Ｒ・ｉγｃ、Ｒ・ｉδｃが生成される。値Ｒ・ｉγｃ、Ｒ・ｉδｃは、それぞれ加算器１０２２，１０２１に与えられる。

乗算器によって値（−ω１・λ１γｃ＊），ω１・λ１δｃ＊が得られ、それぞれ加算器１０２１，１０２２に与えられる。

加算器１０２１には更に、（微分された）値ｓλ１δｃ＊が与えられる。加算器１０２２には更に、（微分された）値ｓλ１γｃ＊が与えられる。

以上のようにして、第１計算部１０２において、式（１９）に従った電圧指令値［ｖ＊］が得られる。

第１計算部１０２における計算は、一次磁束［λ１］のδｃ−γｃ回転座標系における指令値たる一次磁束指令値［Λ１＊］及びその微分値と、回転角速度ω１とを用いて、回転電動機３に印加する電圧のδｃ−γｃ回転座標系における指令値たる電圧指令値［ｖ＊］を求める、と把握される。

そして電機子巻線の抵抗成分Ｒが無視できない場合、これと電機子電流［ｉ］との積も加算して、電圧指令値［ｖ＊］が求められる。

第１計算部１０２の計算に供される一次磁束指令値［Λ１＊］は、ローパスフィルタにて、高い周波数成分が除去されていることが望ましい。理由を以下に示す。

一次磁束指令値［Λ１＊］の値の変動が急峻な場合、電圧指令値［ｖ＊］が、引いては電圧指令値［Ｖ＊］が過渡的に大きくなる。しかしながら、電圧供給源２（例えば電圧制御型インバータ）は出力できる電圧に制限がある。よって電圧指令値［Ｖ＊］が過渡的に大きくなれば、回転電動機３に実際に与えられる電圧が飽和する場合がある。このような場合には、当然、一次磁束指令値［Λ１＊］に対する一次磁束［λ１］の追従性も劣化する。

そこで、そのような追従性の劣化を回避するためには、一次磁束指令値［Λ１＊］の値の変動が急峻であっても、第１計算部１０２での計算において電圧指令値［ｖ＊］が過大にならないようにする。

他方、一次磁束指令値［Λ１＊］の値の変動が急峻であるのに、その高周波成分を除去し過ぎて電圧指令値［ｖ＊］の計算に用いれば、一次磁束［λ１］の追従性を下げてしまう。

従って、回転電動機３に与える電圧の範囲と一次磁束の追従性とを考慮して、適宜に設計できる観点で、上記ローパスフィルタを設けることが望ましい。

第２の実施の形態．
図３は本実施の形態にかかる電動機制御装置１の構成及びその周辺装置を示すブロック図である。本実施の形態にかかる電動機制御装置１の構成では、第１の実施の形態にかかる電動機制御装置１の構成に対して、第２計算部１０３が、第１計算部１０２と座標変換部１０４との間に介在して追加されている。

第２計算部１０３は第１計算部１０２からの演算結果（これは第１の実施の形態においては電圧指令値［ｖ＊］として採用されていた）［ｖ＊’］に対し、フィードバック項を加算して電圧指令値［ｖ＊］として出力する。

具体的には、第２計算部１０３は一次磁束［λ１］、一次磁束指令値［Λ１＊］を入力し、磁束偏差［ΔΛ］（＝［λ１δｃ＊−λ１δｃ λ１γｃ＊−λ１γｃ］^ｔを求める。そして磁束偏差［ΔΛ］に対して比例積分微分処理（ＰＩＤ制御）を行い、フィードバック項［Ｂ］を求める。そして演算結果［ｖ＊’］に対してフィードバック項［Ｂ］を加算し、その結果を電圧指令値［ｖ＊］として出力する。

つまり第２計算部１０３は、演算結果［ｖ＊’］を式（２０）の第１項［ｖδｃ＊＿Ｆ ｖγｃ＊＿Ｆ］^ｔとして扱い、フィードバック項［Ｂ］を式（２０）の第２項［ｖδｃ＊＿Ｂ ｖγｃ＊＿Ｂ］^ｔとして扱って、式（２０）の左辺［ｖδｃ＊ ｖγｃ＊］^ｔを求める処理を行う。これは第１の実施の形態で得られた電圧指令値をフィードバック項を用いて補正する処理であり、第２計算部１０３は当該処理を行う補正部と把握できる。

但し、本実施の形態において一次磁束［λ１］は可観測値、あるいは既に推定済みの値として取り扱う。

図４は第２計算部１０３の構成を例示するブロック図である。図中、円で囲まれた＋は加算器を、＋−が付記された円は減算器を、それぞれ示している。減算器は一次磁束指令値［Λ１＊］と一次磁束［λ１］とを入力し、磁束偏差［ΔΛ］を出力する。加算器は比例積分微分処理（ＰＩＤ制御）の結果たるフィードバック項［Ｂ］と、演算結果［ｖ＊’］とを入力し、電圧指令値［ｖ＊］を出力する。

このようにフィードバック項を採用することにより、過渡状態であるか定常状態であるかに拘わらず、一次磁束［λ１］の一次磁束指令値［Λ１＊］に対する追従性を高めることができる。

第３の実施の形態．
図５は本実施の形態にかかる電動機制御装置１の構成及びその周辺装置を示すブロック図である。本実施の形態にかかる電動機制御装置１の構成では、第２の実施の形態にかかる電動機制御装置１の構成に対して、一次磁束推定部１０５が追加されている。

一次磁束推定部１０５は第２の実施の形態において可観測値、あるいは既に推定済みの値として取り扱われていた一次磁束［λ１］を推定する。以下、一次磁束［λ１］の推定値を一次磁束推定値［λ１＾］として説明する。

上述のように式（６）や式（８）は一次磁束［λ１］を示す。これらの式において、界磁磁束Λ０、ｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑは既知量であり、電機子電流［ｉ］のδｃ軸成分（以下「δｃ軸電流」と称す）ｉδｃ、γｃ軸成分ｉγｃ（以下「γｃ軸電流」と称す）は可観測量である。よって、位相差φｃが得られれば式（６）あるいは式（７），（８）から一次磁束推定値［λ１＾］を得ることができる。

但し、位相差φｃは可観測量ではないので、これも推定する必要がある。位相差φｃはδｃ軸電圧ｖδｃ、γｃ軸電圧ｖγｃ、δｃ軸電流ｉδｃ、γｃ軸電流ｉγｃ、ｑ軸インダクタンスＬｑ、電機子巻線の抵抗成分Ｒとの間に、式（２１）の関係を有する。

この際、用いられるδｃ軸電圧ｖδｃ、γｃ軸電圧ｖγｃは、実測された電圧を座標変換部１０１によって変換して求めてもよい。但し図５では、既に求められた電圧指令値［ｖ＊］を採用し、新たな位相差φｃの推定に用いる場合が例示されている。あるいは電圧指令値［ｖ＊］に代えて、第１計算部１０２の演算結果［ｖ＊’］を用いてもよい。

図６は一次磁束推定部１０５の構造を例示するブロック図である。一次磁束推定部１０５は、遅延部１０５ａ、負荷角推定部１０５ｂ、電機子反作用推定部１０５ｃ、界磁磁束ベクトル生成部１０５ｄ、加算器１０５ｅを備えている。

電機子反作用推定部１０５ｃは位相差φｃ、ｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑ、δｃ軸電流ｉδｃ、γｃ軸電流ｉγｃを入力し、式（６）の右辺第１項を計算する。

図６では式（６）の右辺第１項の電機子電流［ｉ］の係数となる行列を｛Ｌ｝として示した。

界磁磁束ベクトル生成部１０５ｄは界磁磁束Λ０を入力し、式（６）の右辺第２項を計算する。図６では式（６）の右辺第２項をベクトル［Λ０］で示している。

加算器１０５ｅはγｃ軸成分とδｃ軸成分との二つの成分のそれぞれにおいて加算を行うことによって、式（６）の右辺の第１項と第２項の加算を実現し、一次磁束推定値［λ１＾］（＝［λ１δｃ＾ λ１γｃ＾］^ｔ）を出力する。

位相差φｃを推定するため、一つ前の制御タイミングにおいて第２計算部１０３で求められた電圧指令値［ｖ＊］を用いる。換言すれば、第２計算部１０３で求められた電圧指令値［ｖ＊］を、遅延部１０５ａによって遅延し、一つ後の制御タイミングにおいて負荷角推定部１０５ｂで式（２１）に従って位相差φｃが計算される。

なお、一つ前の制御タイミングにおいて求められた電圧指令値［ｖ＊］を採用するのではなく、現時点で得られている電圧指令値［ｖ＊］を採用してもよい。この場合には遅延部１０５ａを省略することができる。

本実施の形態によれば、一次磁束［λ１］の直接的な検出が不要となる。

上記のいずれの実施の形態においても、電動機制御装置１はマイクロコンピュータと記憶装置を含んで構成される。マイクロコンピュータは、プログラムに記述された各処理ステップ（換言すれば手順）を実行する。上記記憶装置は、例えばＲＯＭ(Read Only Memory)、ＲＡＭ(Random Access Memory)、書き換え可能な不揮発性メモリ（ＥＰＲＯＭ(Erasable Programmable ROM)等）、ハードディスク装置などの各種記憶装置の１つ又は複数で構成可能である。当該記憶装置は、各種の情報やデータ等を格納し、またマイクロコンピュータが実行するプログラムを格納し、また、プログラムを実行するための作業領域を提供する。

なお、マイクロコンピュータは、プログラムに記述された各処理ステップに対応する各種手段として機能するとも把握でき、あるいは、各処理ステップに対応する各種機能を実現するとも把握できる。また、電動機制御装置１はこれに限らず、電動機制御装置１によって実行される各種手順、あるいは実現される各種手段又は各種機能の一部又は全部をハードウェアで実現しても構わない。

例えばマイクロコンピュータでは、離散時間系で制御を処理することが多い。非特許文献５では、離散時間系でモータの制御を行う技術が開示されている。下記の処理のための変換方法として、非特許文献５で紹介されたＰＴＣ（完全追従制御法）を採用してもよい。

以下では第２の実施の形態における電圧指令値［ｖ＊］を求めるときの離散時間系の処理を説明する。

図７は、第１計算部１０２及び第２計算部１０３に相当する部分についての、離散時間系の処理を示すブロック図である。

ベクトルの各要素の末尾に丸括弧（round brackets）つきで付記された値は、制御周期Ｔｓ毎に更新される値を示す。具体的には（ｎ−１）が付記された値は、（ｎ）が付記された値よりも制御周期Ｔｓの一つ分前の値を示し、（ｎ＋１）が付記された値は、（ｎ）が付記された値よりも制御周期Ｔｓの一つ分後の値を示す。

処理Ｓ１０１，Ｓ１０２は、いずれも遅延処理であり、一次磁束指令値［λ１δｃ＊（ｎ＋１） λ１γｃ＊（ｎ＋１）］^ｔを、それぞれ制御周期Ｔｓの一つ分及び二つ分遅延させる。これらの処理により、それぞれ一次磁束指令値［λ１δｃ＊（ｎ） λ１γｃ＊（ｎ）］^ｔ，一次磁束指令値［λ１δｃ＊（ｎ−１） λ１γｃ＊（ｎ−１）］^ｔが得られる。

処理Ｓ１０３は減算処理であり、一次磁束指令値［λ１δｃ＊（ｎ＋１） λ１γｃ＊（ｎ＋１）］^ｔから一次磁束指令値［λ１δｃ＊（ｎ） λ１γｃ＊（ｎ）］^ｔを引き、制御周期Ｔｓの一つ分での一次磁束指令値の差分が求められる。この差分は、処理Ｓ１０４によって制御周期Ｔｓで除され、一次磁束指令値の微分値に相当する値が得られる。これは式（１９）の右辺第３項に相当する。

処理Ｓ１０５は行列演算であり、一次磁束指令値［λ１δｃ＊（ｎ） λ１γｃ＊（ｎ）］^ｔに対して行列演算を行って、式（１９）の右辺第２項に相当する値が得られる。

処理Ｓ１１０は乗算処理であり、電機子電流［ｉδｃ（ｎ−１） ｉγｃ（ｎ−１）］^ｔに抵抗成分Ｒを乗じ、式（１９）の右辺第１項に相当する積を得る。

処理Ｓ１１１は減算処理であり、一次磁束指令値［λ１δｃ＊（ｎ−１） λ１γｃ＊（ｎ−１）］^ｔから一次磁束［λ１δｃ（ｎ−１） λ１γｃ（ｎ−１）］^ｔを差し引いて磁束偏差を得る。処理Ｓ１０９は当該磁束偏差に対してＰＩ制御を行って、フィードバック項に相当する値を出力する。

処理Ｓ１０６，Ｓ１０７，Ｓ１０８は加算処理であり、処理Ｓ１０４，Ｓ１０５，Ｓ１０９，Ｓ１１０の処理結果を加算する。これにより、電圧指令値［ｖδｃ＊（ｎ） ｖγｃ＊（ｎ）］^ｔが得られる。

このような離散時間系での処理は、第１の実施の形態にも適用できることは明白である。また、第１の実施の形態で示されたローパスフィルタでも離散時間系での処理が可能なことは明白である。

また、離散時間系での処理を得るための変換方法としては、標準ｚ変換の他、双一次ｚ変換を採用することもできる。

他の技術への応用．
本件は、通常の一次磁束制御のように、λ１γｃ＊＝０に選定する場合に限定されない。上記各式の導出及び一次磁束指令値［Λ１＊］の扱いからも判るように、一次磁束指令値［λ１］のγｃ軸成分λ１γｃ＊が零でない場合にも適用できることは明白である。

また、非特許文献４は、一次磁束制御ではなく、永久磁石同期電動機のＶ／ｆ制御を紹介している。しかしこの文献において電圧指令生成式は過渡状態が反映しておらず、過渡状態での効率は低下すると考えられる。よって本願の発明の基本的思想で説明したように、過渡状態を反映した電圧指令を求めることにより、本願と同様の効果を得ることが期待できる。

また特許文献２は一次磁束制御ではないものの、電圧指令生成式において過渡状態を反映させることで、本願と同様の効果を得ることが期待できる。

１ 電動機制御装置
１０１，１０４ 座標変換部
１０２ 第１計算部
１０３ 第２計算部
１０５ 一次磁束推定部
１０６ 積分器

Claims (5)

1. 電機子電流（［ｉ］）が流れる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回転子とを含む回転電動機を、第１軸（δｃ）と前記回転子の回転方向について前記第１軸に対して９０度進相の第２軸（γｃ）とを有して回転する回転座標系において制御する装置であって、
   前記電機子と前記回転子との間の空隙を流れる磁束たる空隙磁束（［λ１］）の前記回転座標系における指令値たる磁束指令値（［Λ１＊］）及びその微分値と、前記回転座標系が回転する角速度（ω１）とを用いて、前記回転電動機に印加する電圧の、前記回転座標系における指令値たる第１電圧指令値（［ｖ＊］，［ｖ＊’］）を求める計算部（１０２）と、
   前記角速度を積分して前記回転座標系の位相（θ）を求める位相算出部（１０６）と、
   前記第１電圧指令値を前記位相（θ）で座標変換して、前記回転電動機に印加する電圧の他の座標系における指令値たる第２電圧指令値（［Ｖ＊］）を求める第１座標変換部（１０４）と
   を備え、前記空隙磁束を制御する、電動機制御装置。
2. 前記計算部（１０２）は、更に前記電機子巻線の抵抗値と前記電機子電流との積をも用いて前記第１電圧指令値を求める、請求項１記載の電動機制御装置。
3. 前記電機子電流を前記位相（θ）で座標変換して、前記電機子電流の前記第１軸の成分たる第１電流値（ｉδｃ）と、前記電機子電流の前記第２軸の成分たる第２電流値（ｉγｃ）とを求める第２座標変換部（１０１）
   を更に備え、
   前記計算部（１０２）は、
   前記抵抗値（Ｒ）と前記第１電流値との積と、前記磁束指令値の前記第１軸の成分たる第１軸磁束指令値（λ１δｃ＊）を微分して得られる第１微分値（ｓλ１δｃ＊）との和から、前記磁束指令値の前記第２軸の成分たる第２磁束指令値（λ１γｃ＊）と前記角速度との積を減じて、前記第１電圧指令値の前記第１軸の成分（ｖδｃ＊，ｖδｃ＊’）を求め、
   前記抵抗値と前記第２電流値（ｉγｃ）との積と、前記第２磁束指令値を微分して得られる第２微分値（ｓλ１γｃ＊）と、前記第１磁束指令値と前記角速度との積とを加算して、前記第１電圧指令値の前記第２軸の成分（ｖγｃ＊，ｖγｃ＊’）を求める、請求項２記載の電動機制御装置。
4. 前記空隙磁束（［λ１］）の前記磁束指令値（［Λ１＊］）に対する偏差を比例積分微分制御した結果を用いて前記第１電圧指令値（［ｖ＊’］）を補正する補正部（１０３）
   を更に備える、請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載の電動機制御装置。
5. 前記空隙磁束（［λ１］）の推定値（［λ１＾］）を求め、前記補正部に与える磁束推定部（１０５）
   を更に備える、請求項４記載の電動機制御装置。

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