JP2015171314A

JP2015171314A - 交流電動機の駆動制御装置

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Publication number: JP2015171314A
Application number: JP2014062626A
Authority: JP
Inventors: 新中　新二; Shinji Aranaka; 新二新中
Original assignee: C&S Kokusai Kenkyusho KK
Current assignee: C&S Kokusai Kenkyusho KK
Priority date: 2014-03-06
Filing date: 2014-03-06
Publication date: 2015-09-28
Anticipated expiration: 2034-03-06
Also published as: JP6311105B2

Abstract

【課題】本発明は、交流電動機のセンサレス駆動装置に関し、▲１▼実効的に電圧制限が存在しない定格速度以下の速度領域では、最小銅損に準じた効率駆動を達成し、▲２▼実効的に電圧制限が存在する定格速度以上の速度領域では、弱め磁束制御と同等な作用を伴う性能を発揮し、しかも、電圧制限下での最良あるいは準最良な効率駆動を可能とする駆動制御装置を提供する。
【解決手段】ベクトル回転器位相決定手段に、電圧制限検出手段と、電圧制限検出値に応じて力率位相相当指令値を自動調整し生成する指数指令生成手段と、電動機の端子電力の力率位相相当値を検出する力率位相検出手段と、力率位相相当値が力率位相相当指令値に従うように回転器位相を制御・決定する位相制御手段とをもたせ、課題を解決した。
【選択図】図６

Description

本発明は、交流電動機（永久磁石同期電動機、同期リラクタンス電動機、誘導電動機など）の駆動制御装置であって、特に、駆動制御のために必要なベクトル回転器あるいはベクトル回転器内蔵変換器（以下、ベクトル回転器等と略記）の位相の確保に位相決定器を利用したセンサレス駆動制御装置に関するものである。位相決定器は、ベクトル回転器位相決定手段を実現したのであり、位相推定器とも呼ばれる。

γ軸とδ軸の直交２軸からなる「γδ回転座標系」の上で２×１ベクトルとして扱われた固定子電流がδ軸上あるいはγ軸上に存在する場合を考える（図２参照）。本場合のように固定子電流の位相と座標系の位相とが一致した「γδ回転座標系」を、特に「γδ電流座標系」と呼称する。また、γ軸とδ軸の直交２軸からなるγδ回転座標系の上で２×１ベクトルとして扱われた固定子電圧がδ軸上あるいはγ軸上に存在する場合を考える（図４参照）。本場合のように固定子電圧の位相と座標系の位相とが一致した「γδ回転座標系」を、特に「γδ電圧座標系」と呼称する。

交流電動機では、発生トルクは固定子電流如何で定まる。特に、永久磁石同期電動機、同期リラクタンス電動機、誘導電動機などの交流電動機にあっては、同一トルクを発生する電流は無数に存在し、特に重要な制御が、最小銅損制御である。代表的な交流電動機である永久磁石同期電動機のセンサレスベクトル制御においては、固定子電流が最小／準最小損失軌跡上に存在するように、固定子電流位相を直接推定する方法が知られている。この代表的方法が「力率位相形ベクトル制御法」と呼ばれるものである（特許文献（１）、（２）、（３）、非特許文献（１）、（２）参照）。力率位相形ベクトル制御法は、固定子電流と固定子電圧との間の位相である「力率位相」の制御を介して、直接的にγδ回転座標系の位相を決定・制御するものである。

力率位相形ベクトル制御法は、「固定子電流を２×１ベクトルとして捕らえ、ベクトル回転器あるいはベクトル回転器内蔵変換器が指定したγδ回転座標系上のγ軸電流指令値、δ軸電流指令値に追従するように、固定子電流をフィードバック制御するフィードバック電流制御手段」と、「固定子電圧をγδ回転座標系上の２×１ベクトルとして捕らえ、固定子電流と固定子電圧との間の位相である力率位相の相当値が、指定の値に従うように、ベクトル回転器あるいはベクトル回転器内蔵変換器に使用する回転器位相を決定するベクトル回転器位相決定手段」と、を備えるという特徴を有する。本特徴を有する力率位相形ベクトル制御法の簡単な構成法としては、γδ電流座標系上で構成する方法と（特許文献（１）、非特許文献（１））と、γδ電圧座標系上で構成する方法（特許文献（２）、（３）、非特許文献（２））と、がある。

上記に紹介した従前の力率位相形ベクトル制御法は、電力変換器（インバータ）が有する電圧制限の存在を考慮していない。このため、定格速度以下の速度領域では所期の効率的な駆動制御をもたらすが、定格速度を超える速度領域では、使用することができない。一方で、定格速度を超える速度領域で使用可能な「改良力率位相形ベクトル制御法」が広く産業界から求められている。改良力率位相形ベクトル制御法に求められる機能・性能は、
「▲１▼ 実効的に電圧制限が存在しない定格速度以下の速度領域では、従前の力率位相形ベクトル制御法と同等な性能を発揮する」、「▲２▼ 実効的に電圧制限が存在する定格速度以上の速度領域では、電圧制限下で使用できるように弱め磁束制御と同等な作用を伴う性能を発揮する。この際、電圧制限下での最良あるいは準最良な効率駆動を可能とする」と、いうものである。

（１）新中新二：「永久磁石同期電動機の駆動制御装置」、特開２００８−１９９８６８（２００７−２−１０）（２）新中新二：「永久磁石同期電動機の駆動制御装置」、特開２０１１−１５６０１（２０１１−１−２０）（３）大西徳生・山中健二・合田英治：「電力変換制御装置、電力変換制御方法、および電力変換制御用プログラム」、特許４０２２６３０号（２００６−６−２７）

（１）新中新二：「永久磁石同期電動機のベクトル制御技術、下巻（センサレス駆動制御の真髄）」、電波新聞社ｐｐ．２４７−２７３（２００８−１２）（２）新中新二：「センサレスＰＭＳＭの簡易効率駆動のための力率位相形ベクトル制御法（簡略化と電圧座標系への転換）」、電気学会論文誌Ｄ，Ｖｏｌ．１３０、Ｎｏ．２、ｐｐ．２１５−２２７（２０１０−２）

本発明は上記背景の下になされたものであり、その目的は、交流電動機（永久磁石同期電動機、同期リラクタンス電動機、誘導電動機など）のセンサレス駆動制御装置として、上記の▲１▼、▲２▼項の機能・性能を有する改良軌跡指向形ベクトル制御法に基づく装置を新規に提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、固定子電流を２×１ベクトルとして捕らえ、ベクトル回転器あるいはベクトル回転器内蔵変換器が指定したγδ回転座標系上のγ軸電流指令値、δ軸電流指令値に追従するように、固定子電流をフィードバック制御するフィードバック電流制御手段と、固定子電圧をγδ回転座標系上の２×１ベクトルとして捕らえ、固定子電流と固定子電圧との間の位相である力率位相の相当値が、指定の値に従うように、ベクトル回転器あるいはベクトル回転器内蔵変換器に使用する回転器位相を決定するベクトル回転器位相決定手段と、を有する交流電動機のセンサレス駆動制御装置であって、該ベクトル回転器位相決定手段が、電圧相当値が電圧制限値に到達したか否かを検出する電圧制限検出手段と、制限値到達の検出に応じて弱め磁束に対応する方向に、また、制限値未到達の検出に応じて反弱め磁束に対応する方向に、力率位相相当指令値を限定的範囲内で指数的に自動調整し生成する指数指令生成手段と、電動機の端子電力の力率位相相当値を検出する力率位相検出手段と、検出した力率位相相当値が力率位相相当指令値に従うように回転器位相を制御・決定する位相制御手段と、を備えることを特徴とする。

請求項２の発明は、固定子電流を２×１ベクトルとして捕らえ、ベクトル回転器あるいはベクトル回転器内蔵変換器が指定したγδ回転座標系上のγ軸電流指令値、δ軸電流指令値に追従するように、固定子電流をフィードバック制御するフィードバック電流制御手段と、固定子電圧をγδ回転座標系上の２×１ベクトルとして捕らえ、固定子電圧がδ軸上あるいはγ軸上に存在するように、ベクトル回転器あるいはベクトル回転器内蔵変換器に使用する位相を決定するベクトル回転器位相決定手段と、を有する交流電動機のセンサレス駆動制御装置であって、該フィードバック電流制御手段が、電圧相当値が電圧制限値に到達したか否かを検出する電圧制限検出手段と、制限値到達の検出に応じて弱め磁束に対応する方向に、また、制限値未到達の検出に応じて反弱め磁束に対応する方向に、力率位相相当指令値を限定的範囲内で指数的に自動調整し生成する指数指令生成手段と、生成された力率位相相当指令値に基づき、γ軸電流指令値、δ軸電流指令値の少なくとも１つを合成する力率位相形電流指令合成手段との３手段を具備する電流指令生成手段を備えるようにしたことを特徴とする。

本発明における「電圧相当値」とは、交流電動機に印加される電圧真値と相関をもつ信号の総称である。代表的な電圧相当値としては、電圧実測値、電圧指令値がる。また、本発明における「力率位相相当値」とは力率位相と相関をもつ信号の総称である。代表的な力率位相相当値は、力率位相自体、力率位相の正接値がある。なお、力率位相相当指令値の定義は、力率位相の定義に準ずるものとしている。

請求項１の発明の効果について説明する。説明を簡明性を確保すべく、ここでは代表的な交流電動機として永久磁石同期電動機を駆動対象として取り上げ、発明の効果を説明する。先ず、座標系の説明する。図１を考える。図１には、αβ固定座標系、ｄｑ同期座標系、γδ回転座標系を示している。αβ固定座標系は固定子に対応した座標系であり、一般に、α軸は、固定子ｕ相巻線の中心に取られる。ｄｑ同期座標系のｄ軸は、回転子磁束と同期した座標系である。すなわち、ｄｑ同期座標系においては、ｄ軸の位相は回転子磁束の位相と同一である。座標系の速度は、回転子速度ω２ｎと同一である。γδ回転座標系は、回転座標系の一種であり、その速度は、ωγとしている。α軸からみたγ軸の位相をθαγとして、γ軸からみたｄ軸の位相をθγとしている。

請求項１の発明を利用して駆動制御装置を構成する場合、最も都合のよい座標系は、γδ回転座標系の一種であるγδ電流座標系である。図２にγδ電流座標系の１例を概略的に示した。本例では、２×１ベクトルとしての固定子電流ｉ１の位相とδ軸の位相が一致している。換言するならば、γ軸電流は、常時ゼロになっている。γ軸電流を常時にゼロ制御することにより、簡単にγδ電流座標系は実現される。２×１ベクトルとしての固定子電流からみた２×１ベクトルとしての固定子電圧ｖ１の位相はθｉｖとしている。

図３は、交流電動機（永久磁石同期電動機）に対し、γδ電流座標系上の位相決定器を利用した駆動制御装置の代表的１例を概略的にブロック図で示したものである。１は交流電動機（永久磁石同期電動機）を、２は位相決定器を、３は電力変換器を、４は電流検出器を、５ａ、５ｂは夫々３相２相変換器、２相３相変換器を、６ａ、６ｂは共にベクトル回転器を、７は余弦正弦信号発生器を、８は電流制御器を、１０は速度制御器を、１１は機械速度推定器を示している。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。

特に、２の位相決定器は、固定子の電圧、電流の相当値（実測値、指令値など）に加えて、回転子速度の相当値（指令値、推定値など）と電圧制限値ｃｖを入力として得て、電流座標系の位相θαγ＾と、回転子電気速度ω２ｎの推定値を出力している（記号＾は、対応信号の推定値を意味する）。位相決定器への入力される電圧制限値ｃｖは、一般には、電力変換器３のバス電圧（リンク電圧ともいう）が変動するので、時変である。余弦正弦信号発生器７は座標系位相推定値を余弦・正弦信号に変換して、これをベクトル回転器６ａ、６ｂへ伝達している。電気速度推定値は、機械速度推定器１１において、極対数Ｎｐで除されて、機械速度推定値に変換されている。４、５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂ、７、８の５種の機器は、固定子電流を、γδ電流座標系上のベクトル信号として捕らえ、γ軸及びδ軸の各成分を各軸電流指令値に追随するように制御するフィードバック電流制御手段を構成している。また、位相決定器２が、ベクトル回転器位相決定手段を構成している。

電流検出器４で検出された３相の固定子電流は、３相２相変換器５ａ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６ａでγδ電流座標系上の２相電流に変換され、電流制御器８へ送られる。電流制御器８は、γδ電流座標系上の２相電流が、各相の電流指令値に追随すべくγδ電流座標系上の２相電圧指令値を生成しベクトル回転器６ｂへ送る。６ｂでは、γδ電流座標系上の２相電圧指令値をαβ固定座標系上の２相電圧指令値に変換し、２相３相変換器５ｂへ送る。５ｂ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３への指令値として出力する。電力変換器３は、指令値に応じた電力を発生し、交流電動機（永久磁石同期電動機）１へ印加しこれを駆動する。電力変換器３は、電力発生の際、バス電圧に依存した電圧制限値ｃｖを位相決定器２に向け出力をしている。

γδ電流座標系上の２相電流指令値を構成するγ軸電流指令値は常時ゼロに設定されている。電流制御が所期の性能を発揮している状況下では、このゼロ設定により、γδ電流座標系が実現される。δ軸電流指令値は、速度制御器の出力信号として得ている。図３においては、ベクトル回転器の左側に存在する固定子電圧、電流の信号は、γδ電流座標系上の信号であることを明示すべく、脚符にγδを付している。同様に、ベクトル回転器の右側に存在する固定子電圧、電流の信号は、αβ固定座標系上の信号であることを明示すべく、脚符にαβを付している。なお、ベクトル回転器６ａ、６ｂは、３相２相変換器、２相３相変換器５ａ、５ｂと各々一体的に構成されこともある。本発明では、一体的に構成されたこれらをベクトル回転器内蔵変換器と呼称している。

図３の本例では、速度制御系を構成した例を示しているので、速度指令値と速度推定値を入力とする速度制御器１０の出力としてδ軸電流指令値ｉδ＊を得ている（本発明では、頭符＊を付して、対応信号の指令値を明示している）。また、位相決定器は、速度相当値として、速度指令値を得ている。当業者には周知のように、制御目的が電流制御にあり速度制御系を構成しない場合には、速度制御器１０、機械速度推定器１１は不要である。この場合には、δ軸電流指令値が外部から直接印加される。また、本場合には、位相決定器に使用する速度相当値としては、位相決定器が自ら生成する速度推定値が利用される。

請求項１の発明によるベクトル回転器位相決定手段は、図３の構成例では、位相決定器２として実現されている。請求項１の発明の核心は、位相決定器２にある。この効果について説明する。図２に示したγδ電流座標系上では、永久磁石同期電動機の固定子の電圧と電流の関係は次の（１）式で表現される。

上式においては、電圧ｖと電流ｉの脚符γ、δは、γ軸要素、δ軸要素を意味している。Ｒ１は巻線抵抗を、Φは回転子磁束強度を、Ｌｉ、Ｌｍは同相、鏡相インダクタンスを示している（詳しい説明は、公知の非特許文献（１）などを参照）。これより、γ軸とｄ軸との位相θγと力率位相θｉｖに関して、次の（２）式の関係が成立していることが確認される。

実効的な電圧制限のない状況下での最も基本的な電動機駆動は、γ軸とδ軸を一致させることである。本駆動は、位相θγ＝０を意味する。簡単のため正回転・力行を想定して、（２）式に本条件を用いると次の（３）式の関係を得る。

一方、実効的に電圧制限がある場合での高速回転には、「弱め磁束制御」が必須である。最大の弱め磁束制御は、γ軸とｄ軸との位相θγがθγ＝−π／２（正回転、力行を想定）となる。本条件を、（２）式に用いると次の（４）式の関係を得る。

（３）、（４）式は、次の４点を意味している。▲１▼電圧制限の状況に応じて、力率位相を制御できるならば、最大の弱め磁束を必要とする広範な速度領域で、電動機の駆動制御が可能である。▲２▼この際の力率位相の制御の方向は、制限値到達の検出に応じて弱め磁束に対応する方向に、また、制限値未到達の検出に応じて反弱め磁束に対応する方向とする必要がある。▲３▼正回転・力行の場合には、力率位相の制御の方向は、制限値到達の検出に応じて固定子電流が固定子電圧に対して位相進みの方向に、また、制限値未到達の検出に応じて固定子電流が固定子電圧に対して位相遅れの方向とする必要がある。力率位相およびその正接値は、正から負の広い値をとる。▲４▼力率位相およびその正接値は、正から負におよぶ範囲での値をとる。しかしながら、その範囲は、最大でも（３）式と（４）式とで示した限定的な範囲にとどまる。

請求項１の発明によれば、ベクトル回転器位相決定手段（すなわち、位相決定器２）が電圧相当値が電圧制限値に到達したか否かを検出する電圧制限検出手段と、制限値到達の検出に応じて弱め磁束に対応する方向に、また、制限値未到達の検出に応じて反弱め磁束に対応する方向に、力率位相相当指令値を限定的範囲内で指数的に自動調整し生成する指数指令生成手段と、電動機の端子電力の力率位相相当値を検出する力率位相検出手段と、力率位相相当値が力率位相相当指令値に従うように回転器位相を制御・決定する位相制御手段と、を備える。ひいては、「限定的範囲」の一端を実効的な電圧制限がない場合に効率駆動をもたらす値に設定し、また他の一端を期待最高速度に対応する値に設定するだけで、「▲１▼実効的に電圧制限が存在しない定格速度以下の速度領域では、効率駆動性能を発揮する」、「▲２▼実効的に電圧制限が存在する定格速度以上の速度領域では、電圧制限下で使用できるように弱め磁束制御と同等な作用を伴う性能を発揮する。この際、電圧制限下での最良あるいは準最良な効率駆動を可能とする」という効果が得られる。しかも、この調整を指数的に（換言するならば段階的に）遂行するので、自動調整を容易に安定化できると言う効果も得られる。

つづいて、請求項２の発明の効果を説明する。説明を簡明性を確保すべく、ここでも代表的な交流電動機として永久磁石同期電動機を駆動対象として取り上げ、発明の効果を説明する。請求項２の発明は、特に、γδ電圧座標系上で、フィードバック電流制御を含めた信号処理を遂行する点に特徴がある。図４にγδ電圧座標系の１例を概略的に示した。本例では、２×１ベクトルとしての固定子電圧ｖ１の位相とδ軸の位相が一致している。換言するならば、γ軸電圧は、常時ゼロになっている。２×１ベクトルとしての固定子電流ｉ１からみた２×１ベクトルとしての固定子電圧ｖ１の位相はθｉｖとしている。図４における固定子電圧と固定子電流の相対的関係は、図２における固定子電圧と固定子電流の相対的関係と同一である。

図５は、交流電動機（永久磁石同期電動機）に対し、γδ電圧座標系上の位相決定器２を利用した駆動制御装置の代表的１例を概略的にブロック図で示したものである。図３に対する図５の大きな変更点は、位相決定器２とγ軸電流指令生成器９の２点である。他の機器は、同一であるので、これら機器の説明は省略する。図５の位相決定器は、ベクトル回転器位相決定手段を実現したものである。その役割は、γδ電圧座標系をつくるための位相θαγ＾を生成することにある。この位相決定器は、特許文献（２）、非特許文献（２）に提示されているものと基本的に同一である。このため、これ以上の説明は省略する。γ軸電流指令生成器９は、δ軸電流相当値（実測値、指令値など）、回転子速度相当値（指令値、推定値など）に加えて、固定子電圧相当値（実測値、指令値など）、電圧制限値ｃｖを入力として得て、γ軸電流指令値ｉγ＊を出力している。電力変換器３から得ている電圧制限値ｃｖは、一般には、電力変換器３のバス電圧が変動するので、時変である。

図１より理解されるように、γδ電圧座標系上では、γ軸電流ｉ_γとδ軸電流ｉ_δの間には次の関係が成立している。

フィードバック電流制御を介し（５）式の関係を達成すべく、たとえば、力率位相相当指令値としてθｉｖ＊の正接値を利用してγ軸電流指令値を以下のように生成する。

力率位相の調整が、非電圧制限下の効率駆動、電圧制限下の弱め磁束と同等の作用を発揮する点は、電流座標系、電圧座標系のいずれにおいても同一である（図２、図４参照）。すなわち、この作用的特性に関しては、座標系の選定如何を問わない。

したがって、（６）式に従い、γ軸電流指令値を生成するようにすれば、請求項１の発明と同様な効果が得られる。当然のことなから、このときの（６）式における力率位相相当指令値（本例では、ｔａｎθｉｖ＊）は、（３）〜（４）式に関連して説明したように、限定的範囲で、指数的に調整することになる。

請求項２の発明によれば、フィードバック電流制御手段が、電流指令生成手段を備える。このときの電流指令生成手段は、電圧相当値が電圧制限値に到達したか否かを検出する電圧制限検出手段と、制限値到達の検出に応じて弱め磁束に対応する方向に、また、制限値未到達の検出に応じて反弱め磁束に対応する方向に、力率位相相当指令値を限定的範囲内で指数的に自動調整し生成する指数指令生成手段と、生成された力率位相相当指令値に基づき、γ軸電流指令値、δ軸電流指令値の少なくとも１つを合成する力率位相形電流指令合成手段との３手段を具備する。ひいては、請求項１の発明と同様に、力率位相相当指令値の「限定的範囲」の一端を実効的な電圧制限がない場合に効率駆動をもたらす値に設定し、また他の一端を期待最高速度に対応する値に設定するだけで、「▲１▼実効的に電圧制限が存在しない定格速度以下の速度領域では、効率駆動性能を発揮する」、「▲２▼実効的に電圧制限が存在する定格速度以上の速度領域では、電圧制限下で使用できるように弱め磁束制御と同等な作用を伴う性能を発揮する。この際、電圧制限下での最良あるいは準最良な効率駆動を可能とする」という効果が得られる。しかも、この調整を指数的に（換言するならば段階的に）遂行するので、自動調整を容易に安定化できると言う効果も得られる。

３座標系と回転子との位相関係例を示す図 γδ電流座標系とｄｑ同期座標系の関係例を示す図１実施形態例における駆動制御装置を含む駆動制御システムのブロック図 γδ電圧座標系とｄｑ同期座標系の関係例を示す図１実施形態例における駆動制御装置を含む駆動制御システムのブロック図１実施形態例における位相決定器の基本構成を示すブロック図１実施形態例におけるγ軸電流指令生成器の基本構成を示すブロック図

以下、図面を用いて、本発明の実施形態例を詳細に説明する。

図３の駆動制御システムの核心部である位相決定器２の実施例を説明する。図６は、請求項１の発明に従って構成した位相決定器の１実施例である。位相決定器２は、請求項１の発明に従い、電圧制限検出手段を実現した電圧制限検出器２ａ，指数指令生成手段を実現した力率位相指令器２ｂ、力率位相検出手段を実現した力率位相検出器２ｃ、位相制御手段を実現した位相制御器２ｄから構成されている。位相決定器２は、実際性を重視し、信号は離散時間的に処理されるものとして、離散時間表現を採用して描画している。以降では、制御周期をＴｓとする場合、時刻ｔ＝ｋＴｓの信号を単に（ｋ）を用い表現する。

電圧制限検出器２ａは電圧相当値が電圧制限値に到達したか否かを検出している。図６の例では、γδ電流座標系上の電圧指令値と電圧制限値ｃｖとを比較し、次式のように、電圧制限値に未到達の場合は０を、到達の場合は１を検出信号ｕとして出力している。

力率位相指令器２ｂの１実現例は、次の（８）式で記述される。

（８ａ）式は、信号ｘは指数的に変化することを意味する。同式のα１は、指数変化の度合いを指定するための設計パラメータであり、その選定は設計者に委ねられている。選定範囲は、同式右端に明示している通りである。（８ｂ）式と（８ｃ）式は、基本的に、（３）式と（４）式から得られており、力率位相相当指令の２つの両端値を示している。（８ｂ）式におけるｉδ^〜は、電動機の定格電流を意味する。ω２ｎ、ω２ｍは、回転子の電気速度、機械速度であり、記号＾、記号＊は、対応信号の推定値、指令値を意味する。Ｎｐは極対数であり、Ｌｄ、Ｌｑはｄ軸、ｑ軸インダクタンスである。またＬｍｔはリミッタ関数を意味する。Ｋ２、Ｋ３は設計者に選定が委ねられた設計パラメータであり、その選定範囲は（８ｂ）式に明示している

いる（８ｄ）式は、指数変化の信号ｘを用いて２個の両端値を加重平均している。総合的には、力率位相指令器２ｂは、制限値到達の検出に応じて弱め磁束に対応する方向に、また、制限値未到達の検出に応じて反弱め磁束に対応する方向に、力率位相相当指令値を限定的範囲内で指数的に自動調整し生成している。

力率位相検出器２ｃは、簡単な次式に従い、力率位相相当値を検出している。

本例では、電圧実測値に代わって、電圧指令値の相対比の極性反転値を力率位相相当値として利用している。もちろん、電圧検出器のコストが問題ならない場合には、電圧実測値を利用してよい。

位相制御器２ｄは、次式のように構成されている。

（１０ｅ）式のＦｌ（ｚ−１）は、ローパスフィルタである。（１０）式は、ＰＬＬの一種であり、力率位相相当値が力率位相相当指令値に従うように回転器位相を決定・制御する役割を遂行している。本ＰＬＬは、特許文献（１）、非特許文献（１）にも利用されて、これらにおいて詳しく説明されているので、これ以上の説明は省略する。

図６の位相決定器２に関し、力率位相指令器２ｂの第２の実施例を示す。（８ｂ）式の値が高速回転時には、概ねＫ２・ｉδとなることを考慮すると、力率位相指令器２ｂの実施例として、次の（１１）式のものを得ることができる。

（１１ａ）式は、信号ｘは指数的に変化することを意味する。同式のα１は、指数変化の度合いを指定するための設計パラメータであり、その選定は設計者に委ねられている。選定範囲は、同式右端に明示している通りである。（１１ｂ）式は、基本的に、（４）式から得られて

値である。（１１ｃ）式は、指数変化の信号ｘを用いて２個の両端値（他の端値はＫ２）を加重平均している。（１１ｄ）式は、力率位相相当指令の最終生成を担っている。総合的には、力率位相指令器２ｂは、制限値到達の検出に応じて弱め磁束に対応する方向に、また、制限値未到達の検出に応じて反弱め磁束に対応する方向に、力率位相相当指令値を限定的範囲内で指数的に自動調整し生成している。

図５の駆動制御システムの核心部は、γ軸電流指令生成器（電流指令生成手段）９にある。γ軸電流指令生成器９の実施例の詳細を説明する。図７は、請求項２の発明に従って構成したγ軸電流指令生成器（電流指令生成手段）９の１実施例である。電流指令生成手段であるγ軸電流指令生成器９は、請求項２の発明に従い、電圧制限検出手段を実現した電圧制限検出器９ａ，指数指令生成手段を実現した力率位相指令器９ｂ、力率位相形電流指令合成手段を実現した乗算器９ｃから構成されている。γ軸電流指令生成器９は、実際性を重視し、信号は離散時間的に処理されるものとしている。

電圧制限検出器９ａは電圧相当値が電圧制限値に到達したか否かを検出している。図７の例では、γδ電圧座標系上の電圧指令値と電圧制限値ｃｖとを比較し、（７）式のように、電圧制限値に未到達の場合は０を、到達の場合は１を検出信号ｕとして出力している。
（７）式に関しては、既に詳しく説明しているので、これ以上の説明は省略する。力率位相指令器９ｂの１実現例は、（８）式のものである。（８）式に関しては、既に詳しく説明しているので、これ以上の説明は省略する。（８）式に関連して既に詳しく説明したように、力率位相指令器９ｂは、制限値到達の検出に応じて弱め磁束に対応する方向に、また、制限値未到達の検出に応じて反弱め磁束に対応する方向に、力率位相相当指令値を限定的範囲内で指数的に自動調整し生成している。

力率位相形電流指令合成手段を実現した乗算器９ｃは、（６）式の中辺に従って、力率位相相当指令値としてのθｉｖ＊の正接値に、δ軸電流実測値を乗じて、γ軸電流指令値ｉγ＊を合成している。こうして合成したγ軸電流指令値ｉγ＊を、γ軸電流指令生成器９から出力していいる。

図９のγ軸電流指令生成器（電流指令生成手段）９に関し、力率位相指令器９ｂの第２の実施例を示す。（８ｂ）式の値が高速回転時には、概ねＫ２・ｉδとなることを考慮すると、力率位相指令器９ｂの実施例として、（１１）式のものを利用してよいことがわかる。（１１）式に基づく力率位相指令器９ｂは、既に詳しく説明したように、制限値到達の検出に応じて弱め磁束に対応する方向に、また、制限値未到達の検出に応じて反弱め磁束に対応する方向に、力率位相相当指令値を限定的範囲内で指数的に自動調整し生成する働きをもつ。

第３実施例、第４実施例では、（６）式の中辺に従って、力率位相相当指令値としてのθｉｖ＊の正接値に、δ軸電流実測値を乗じて、γ軸電流指令値ｉγ＊を合成している。これに代わって、（６）式の右辺に示しているように、同正接値にδ軸電流指令値を乗じて、γ軸電流指令値ｉγ＊を生成してよい。

以上、代表的交流電動機として、永久磁石同期電動機を対象に、本発明の代表的な５つの実施例を与えた。本発明の実施形態は、これら例示に限定されるものでなく、本発明に従った種々の実施形態が存在することを指摘しておく。

本発明を永久磁石同期電動機以外の交流電動機に適用する場合の注意点を述べておく。電動機に応じて（より正確には、電動機の特性に応じて）、機器の内部構成変更を要するのは、力率位相指令器２ｂ、９ｂのみである（力率位相指令器の役割、作用、効果は、交流電動機に共通して同一である）。他の機器に関しては、基本的に内部構成変更の必要はない。このため、力率位相指令器の詳細な内部構成を説明した（８）式と（１１）式に関して、補足説明する。

力率位相指令器の第１の内部構成例を示した（８）式に関しても、変更の必要がある箇所は限定されている。指数的に自動調整の根源である（８ａ）式は、すべての交流電動機に無修正で適用可能である。同様に、２個の力率位相相当指令値（２個の端値）を加重平均して最終的な力率位相相当指令値を生成する（８ｄ）式も、すべての交流電動機に無修正で適用可能である。最終的な力率位相相当指令値生成に際して、その２個の端値を示した（８ｂ）式、（８ｃ）式に限り、交流電動機の個々の特性に応じて個別変更する必要がある。

力率位相指令器の第２の内部構成例を示した（１１）式に関して説明する。指数的に自動調整の根源である（１１ａ）式は、すべての交流電動機に無修正で適用可能である。最終的な力率位相相当指令値生成に際して、その２個の端値を示した、および端値の特性を利用した加重平均を示した（１１ｂ）〜（１１ｄ）式に限り、交流電動機の個々の特性に応じて個別に変更する必要がある。なお、（１１ｃ）式に提示したゲインに対する加重平均法は、他の交流電動機にも利用可能である。

本発明は、中速度域から定格速度を越える広い速度範囲で効率的なセンサレス駆動を必要とされ、さらには、計算負荷の低減が求められる応用に好適である。

１交流電動機（永久磁石同期電動機）
２位相決定器
２ａ電圧制限検出器
２ｂ力率位相指令器
２ｃ力率位相検出器
２ｄ位相制御器
３電力変換器
４電流検出器
５ａ３相２相変換器
５ｂ２相３相変換器
６ａベクトル回転器
６ｂベクトル回転器
７余弦正弦信号発生器
８電流制御器
９ γ軸電流指令生成器
９ａ電圧制限検出器
９ｂ力率位相指令器
９ｃ乗算器
１０速度制御器
１１機械速度推定器

Claims

固定子電流を２×１ベクトルとして捕らえ、ベクトル回転器あるいはベクトル回転器内蔵変換器が指定したγδ回転座標系上のγ軸電流指令値、δ軸電流指令値に追従するように、固定子電流をフィードバック制御するフィードバック電流制御手段と、固定子電圧をγδ回転座標系上の２×１ベクトルとして捕らえ、固定子電流と固定子電圧との間の位相である力率位相の相当値が、指定の値に従うように、ベクトル回転器あるいはベクトル回転器内蔵変換器に使用する回転器位相を決定するベクトル回転器位相決定手段と、を有する交流電動機のセンサレス駆動制御装置であって、
該ベクトル回転器位相決定手段が、
電圧相当値が電圧制限値に到達したか否かを検出する電圧制限検出手段と、
制限値到達の検出に応じて弱め磁束に対応する方向に、また、制限値未到達の検出に応じて反弱め磁束に対応する方向に、力率位相相当指令値を限定的範囲内で指数的に自動調整し生成する指数指令生成手段と、
電動機の端子電力の力率位相相当値を検出する力率位相検出手段と、
検出した力率位相相当値が力率位相相当指令値に従うように回転器位相を制御・決定する位相制御手段と、
を備えることを特徴とする交流電動機のセンサレス駆動制御装置。
固定子電流を２×１ベクトルとして捕らえ、ベクトル回転器あるいはベクトル回転器内蔵変換器が指定したγδ回転座標系上のγ軸電流指令値、δ軸電流指令値に追従するように、固定子電流をフィードバック制御するフィードバック電流制御手段と、固定子電圧をγδ回転座標系上の２×１ベクトルとして捕らえ、固定子電圧がδ軸上あるいはγ軸上に存在するように、ベクトル回転器あるいはベクトル回転器内蔵変換器に使用する位相を決定するベクトル回転器位相決定手段と、を有する交流電動機のセンサレス駆動制御装置であって、
該フィードバック電流制御手段が、
電圧相当値が電圧制限値に到達したか否かを検出する電圧制限検出手段と、
制限値到達の検出に応じて弱め磁束に対応する方向に、また、制限値未到達の検出に応じて反弱め磁束に対応する方向に、力率位相相当指令値を限定的範囲内で指数的に自動調整し生成する指数指令生成手段と、
生成された力率位相相当指令値に基づき、γ軸電流指令値、δ軸電流指令値の少なくとも１つを合成する力率位相形電流指令合成手段との
３手段を具備する電流指令生成手段
を備えるようにしたことを特徴とする交流電動機のセンサレス駆動制御装置。