JP2019216570A

JP2019216570A - 回転電機システム

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Publication number: JP2019216570A
Application number: JP2018113602A
Authority: JP
Inventors: 一也久冨; Kazuya Hisatomi; 旭涛李; Xutao Li
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-06-14
Filing date: 2018-06-14
Publication date: 2019-12-19

Abstract

【課題】回転電機の過渡的な回転速度の変化の影響、回転速度検出の性能による影響を抑制して出力トルクを測定し、トルク脈動を低減できる回転電機システムを提供する。【解決手段】この回転電機システム１００における制御部６は、トルク指令検出部７からのトルク指令、インバータ１の出力電流、エンコーダ５で検出される回転速度に基づいて、回転電機であるモータ２の出力トルクを計算した結果からトルク脈動の高次高調波を抽出し、抽出したトルク値を高次高調波よりも低次な高次成分の信号に戻すことで、電流の成分に変換してトルク脈動を低減するための補正電流を生成するトルク脈動低減部１７Ａを備える。トルク脈動低減部１７Ａで生成された補正電流は、電流指令変換部８から出力される電流制御用の目標値と加算される。この後は、加算された信号がベクトル軸変換部１４からの制御信号と加減算され、トルク脈動が低減される。【選択図】図２

Description

本発明は、トルク脈動を低減する回転電機システムに関する。

従来の回転電機では、供給される電流の流れと、回転角度による磁束との相互作用が一定でないと、出力にトルク脈動が生じ、負荷に対して均一にトルクを出力できなくなるという問題がある。

こうした問題を対策するため、周期的なトルク脈動を抑制し、安定な制御を行うことができる回転電機の外乱抑圧装置及び外乱抑圧方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に係る技術では、周期的なトルク脈動を抑制するために、回転電機の出力トルクを測定している。そして、特許文献１に係る技術では、測定した出力トルクにフーリエ変換を施すことで、回転電機の出力トルクに含まれるトルク脈動の周波数成分を抽出している。

ところが、回転電機の回転速度の変化によって、回転電機の出力トルクに含まれる周波数成分が変化する。そこで、特許文献１は、回転電機の回転速度の変化に対応したトルク脈動を抑制する技術を提案している。このトルク脈動を抑制する技術は、任意の動作点をフーリエ変換するために用いる係数テーブルをメモリ内にあらかじめ記憶させておき、動作点に応じたフーリエ変換を行う際に、この係数テーブルを参照している。

特許第５０８８４１４号公報

しかしながら、特許文献１に係る技術は、回転電機の出力トルクに含まれるトルク脈動の周波数成分を抽出するために、回転電機の回転速度の周期内で、予め定めた計測数で出力トルクを測定する必要がある。

こうした場合、回転電機の回転速度が速くなると、回転速度の周期内に、予め定めた計測数の測定を終えることが困難になる。反対に、回転電機の回転速度が遅くなると、回転速度の周期に満たない時間で、予め定めた計測数の測定が終了する。このため、特許文献１に係る技術は、回転速度によって計測数に乱れが生じ、回転電機の出力トルクを正確に測定することが困難になってしまう。

そこで、回転電機の回転周期の変化に対応するためには、回転周期の変化に応じて測定を終了できる計測数に切り替える機能を追加する手法が考えられる。ところが、このような手法を採用する場合にも、過渡的な回転周期の変化に対応させることは、困難である。

その他、回転電機の回転速度を検出するために、エンコーダ等を用いる手法も考えられる。ところが、このような手法を採用する場合には、エンコーダの性能によって、回転速度の検出精度が左右される。このため、回転電機の出力トルクを正確に測定することができない。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものである。具体的には、回転電機の過渡的な回転速度の変化の影響、及び回転速度検出の性能による影響を抑制して出力トルクを測定し、トルク脈動を低減できる回転電機システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の回転電機システムは、回転駆動されて出力トルクを発生する回転電機と、出力電流を供給して回転電機を回転駆動させるインバータと、出力トルクを目標トルクにするためのトルク指令を出力するトルク指令検出部と、トルク指令に従って、インバータを制御する制御部と、回転電機の回転速度を検出した結果を制御部へ出力する回転速度検出部と、を備え、制御部は、トルク指令、出力電流、回転速度に基づいて、回転電機の出力トルクを計算した結果からトルク脈動の高次高調波を抽出し、抽出したトルク値を高次高調波よりも低次な高次成分の信号に戻すことで、電流の成分に変換してトルク脈動を低減するための補正電流を生成するトルク脈動低減部を備える。

本発明によれば、上記構成により、回転電機の過渡的な回転速度の変化の影響、及び回転速度検出の性能による影響を抑制して出力トルクを測定し、トルク脈動を低減できるようになる。

本発明の実施の形態１に係る回転電機システムの基本構成を示したブロック図である。図１に示す回転電機システムについて、制御部を細部構成にして示したブロック図である。図２に示す制御部内のトルク脈動低減部の細部構成を周辺の構成を含めて示したブロック図である。図３に示すトルク脈動低減部の要部に係る動作処理を示したフローチャートである。図３に示すトルク脈動低減部のデータ抽出部で推定される推定回転周期を含むトルク脈動の波形を時間に対するトルクの関係で示した模式図である。本発明の実施の形態２に係る回転電機システムの制御部内のトルク脈動低減部の細部構成を示したブロック図である。図６に示すトルク脈動低減部に備えられる切り替え部の切り替えスイッチ動作の対応を示した図である。本発明の実施の形態３に係る回転電機システムの制御部内のトルク脈動低減部の細部構成を示したブロック図である。図８に示すトルク脈動低減部に備えられるｎ次総和比較部の出力レベルに応じた他部の切り替え選択の対応を示した図である。図８に示すトルク脈動低減部に備えられるｎ次総和比較部の出力信号レベルの決定に至るまでの各データ抽出部における比較部との信号対応を示した図である。

以下、本発明の回転電機システムについて、幾つかの実施の形態を挙げ、図面を参照して詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る回転電機システム１００の基本構成を示したブロック図である。

図１を参照すれば、この回転電機システム１００は、インバータ１、回転電機としてのモータ２、エンコーダ５、制御部６、及びトルク指令検出部７を備えて構成される。

インバータ１は、出力電流を供給してモータ２を回転駆動させる。モータ２は、回転駆動されて出力トルクを発生する。トルク指令検出部７は、出力トルクを目標トルクにするためのトルク指令を出力する。制御部６は、トルク指令に従って、インバータ１を制御する。エンコーダ５は、モータ２の回転速度を検出した結果を制御部６へ出力する回転速度検出部として機能する。

この回転電機システム１００において、制御部６は、トルク指令検出部７からのトルク指令に従って、インバータ１を制御することにより、モータ２を回転駆動させる。このとき、モータ２の回転軸に出力トルクが発生する。モータ２で発生した出力トルクは、シャフト４を介して負荷装置３に伝えられる。

図２は、回転電機システム１００に用いられる制御部６の細部構成を示したブロック図である。尚、図２中では、モータ２の回転軸に出力トルクが発生した際の回転軸の回転角速度を、ωとして表記している。

図２を参照すれば、制御部６は、電流指令変換部８、ＰＩＤ制御部９、ベクトル軸変換部１０、パルス幅変調部１１、電流変換部１２、座標変換部１３、ベクトル軸変換部１４、Ａ／Ｄ変換部１８、モータ相電圧計算部１９を備える。これらの各部は、トルク指令検出部７からのトルク指令信号と、インバータ１からのフィードバック信号とに関係している。ベクトル軸変換部１０は、ｄｑの２軸からａｂｃの３軸に変換するためのものである。ベクトル軸変換部１４は、ａｂｃの３軸からｄｑの２軸に変換するためのものである。

また、制御部６は、第１の信号生成部１５、第２の信号生成部１６を更に備える。これらの各部は、エンコーダ５による回転速度の検出結果に関係している。更に、制御部６は、トルク脈動低減部１７Ａを備える。このトルク脈動低減部１７Ａは、インバータ１からのフィードバック信号とエンコーダ５による回転速度の検出結果とに関係している。

トルク指令検出部７からのトルク指令信号が、制御部６内の電流指令変換部８に入力される。電流指令変換部８は、トルク指令信号に示される目標トルクを、トルク指令信号を電流制御するための目標値に変換し、電流制御用の目標値をＰＩＤ制御部９へ出力する。ＰＩＤ制御部９は、電流制御用の目標値に対して比例制御Ｐ、積分制御Ｉ、微分制御Ｄを含むＰＩＤ制御の演算処理を行い、電流の制御量として決定した制御信号を、ベクトル軸変換部１０へ出力する。

ベクトル軸変換部１０は、エンコーダ５で検出されたモータ２の回転速度信号に基づいて第１の信号生成部１５で生成された信号を用いて、ＰＩＤ制御部９から出力された制御信号を、ベクトル軸に変換する。ベクトル軸変換部１０によるベクトル軸変換は、ｄｑ→ａｂｃである。ベクトル軸変換部１０は、ベクトル軸変換信号をパルス幅変調部１１へ出力する。パルス幅変調部１１は、ベクトル軸変換信号をＰＷＭ信号に変換して、インバータ１を駆動する。

この結果、インバータ１は、出力電流をモータ２に供給し、モータ２を回転駆動させる。電流変換部１２は、インバータ１の出力電流を、モータ２の各相の電流値に変換し、座標変換部１３へ出力する。座標変換部１３は、各相の電流値を座標軸に変換して、ベクトル軸変換部１４及びトルク脈動低減部１７Ａへ出力する。ベクトル軸変換部１４は、第１の信号生成部１５からの信号に基づいて、座標軸に変換された各相の電流値を、トルクの制御及び磁束の制御に用いるためのフィードバック信号に変換する。電流指令変換部８から出力される電流制御用の目標値出力に対するフィードバック信号の偏差が、ＰＩＤ制御部９に入力される。

第１の信号生成部１５は、エンコーダ５で検出されたモータ２の回転速度を、回転速度信号に変換する。第２の信号生成部１６も、同様に、エンコーダ５で検出されたモータ２の回転速度を、回転速度信号に変換する。第１の信号生成部１５及び第２の信号生成部１６からの回転速度信号は、トルク脈動低減部１７Ａに入力される。

Ａ／Ｄ変換部１８は、インバータ１の出力電流をデジタル信号に変換して、モータ相電圧計算部１９へ出力する。モータ相電圧計算部１９は、インバータ１の出力電流に相当するデジタル信号に基づいて、モータ相の電圧を計算し、その計算結果をトルク脈動低減部１７Ａへ出力する。

トルク脈動低減部１７Ａには、座標変換部１３によって各相の電流値を座標軸に変換した結果、第１の信号生成部１５と第２の信号生成部１６とからの回転速度信号、及びモータ相電圧計算部１９からのモータ相の電圧を計算結果が、それぞれ入力される。そこで、トルク脈動低減部１７Ａは、これらに入力に基づいてトルク脈動を低減させるための補正電流を生成する。トルク脈動低減部１７Ａから出力される補正電流は、電流指令変換部８から出力される電流制御用の目標値に加算される。

トルク脈動低減部１７Ａは、モータ２の出力トルクを計算した結果から、トルク脈動の高次高調波を抽出する。さらに、トルク脈動低減部１７Ａは、抽出したトルク値を高次高調波よりも低次な高次成分の信号に戻す。さらに、トルク脈動低減部１７Ａは、高次成分の信号を電流の成分に変換して、トルク脈動を低減するための補正電流を生成する。トルク脈動低減部１７Ａに関する細部の構成機能については、後文で詳述する。

図３は、上述した制御部６内のトルク脈動低減部１７Ａの細部構成を、周辺の構成を含めて示したブロック図である。

図３を参照すれば、トルク脈動低減部１７Ａは、トルク計算部２０、メモリ２１、ｎ次指令部２４、データ抽出部２５、フーリエ変換部２６、第１のＰＩ制御部（虚部）２７、第２のＰＩ制御部（実部）２８、逆フーリエ変換部２９を備える。また、トルク脈動低減部１７Ａは、補正電流生成部３０、トリガ部３１、ｈ次指令部３２を備える。但し、ｎは、モータ２のトルク脈動の高次高調波を示す。また、ｈは、ｎよりも低次なトルク脈動の低減用に生成する電流のｈ次高調波を示す。更に、ｎとｈとの関係は、Ｎをモータ２のロータ極数のペア数とした場合、ｎ／Ｎ＝ｈの関係にある。

周辺構成の１つであるＡ／Ｄ変換部１８は、モータ２の出力トルクを計算するため、インバータ１に印加される電源電圧をＡ／Ｄ変換する。電源電圧のデジタル信号を入力したモータ相電圧計算部１９は、モータ相電圧を計算する。トルク計算部２０は、座標変換部１３により各相の電流値を座標軸に変換した結果、第２の信号生成部１６からの回転速度信号、及びモータ相電圧計算部１９からのモータ相の電圧を計算結果に基づいて、モータ２の出力トルクを計算する。

出力トルクの計算に際して、トルク計算部２０は、トリガ部３１からのトリガ信号の立ち上がりをトリガとして、出力トルクを計算する。出力トルクの計算に用いるトリガ信号としては、キャリア周波数、ＰＷＭ信号、他の基準クロック等を適用できる。また、出力トルクを計算するタイミングは、トリガ信号の立ち下がりでも構わない。何れにせよ、トルク計算部２０は、トリガ部３１のトリガ信号をトリガとして、任意の期間内に任意の規定数のトルク値を計算した後、メモリ２１に個々のトルク値を格納する。

データ抽出部２５は、平均化部２２と比較部２３とを有して構成される。平均化部２２は、メモリ２１内に格納されたトルク値を読み取り、平均化して平均値を取得する。比較部２３は、メモリ２１に格納されたトルク値のそれぞれを、平均化部２２により計算されたトルク値の平均値と比較し、計算されたトルク値の平均値と同じトルク値を有するメモリ２１内のトルク値に対してマーキング処置を施す。即ち、比較部２３は、メモリ２１に格納されたトルク値に対して、マーキングする機能を有する。

図４は、トルク脈動低減部１７Ａの要部に係る動作処理を示したフローチャートである。但し、ここでの要部とは、トルク計算部２０、メモリ２１、及びデータ抽出部２５を示すものである。

図４を参照すれば、トルク脈動低減部１７Ａの要部に係る動作処理では、まずステップＳ４１において、データ抽出部２５は、トルク計算部２０で計算されてメモリ２１に格納されている出力トルクのトルク値を、マーキングの処理対象とする。次に、ステップＳ４２に進み、データ抽出部２５内の平均化部２２は、メモリ２１に格納されたトルク値を平均化する。更に、ステップＳ４３に進み、データ抽出部２５内の比較部２３は、トルク計算部２０で計算され、メモリ２１に格納されるトルク値と、既にメモリ２１に格納されたトルク値の平均値とを比較する。

引き続き、データ抽出部２５内の比較部２３は、ステップＳ４４に進み、トルク計算部２０で計算されたトルク値と、メモリ２１に格納されたトルク値の平均値とが一致するか否かの判定を行う。この判定の結果、一致していない場合、比較部２３は、ステップＳ４２の平均化に戻って、それ以降の処理を行う。これに対し、一致している場合、比較部２３は、メモリ２１に格納されたトルク値にマーキングする。

この後、比較部２３は、ステップＳ４５に進み、ｎ次指令部２４の指令に従って、メモリ２１にマーキングしたトルク値が２ｎ＋１になったか否かの判定を行う。ここで、２ｎ＋１のｎは、上述したように、トルク脈動の要因となるｎ次高調波を表すものであり、任意の値に設定できる。ステップＳ４５による判定の結果、マーキングしたトルク値の数が２ｎ＋１になっている場合、比較部２３は、ステップＳ４６に進み、データ抽出を行う。これに対し、マーキングしたトルク値の数が２ｎ＋１になっていない場合、比較部２３は、ステップＳ４３の比較に戻って、それ以降の処理を行う。

即ち、データ抽出部２５は、ｎ次指令部２４の指令に従って、２ｎ＋１の計算を行うと共に、メモリ２１にマーキングしたトルク値を２ｎ＋１番目までをカウントする。更に、データ抽出部２５は、カウントした２ｎ＋１番目を起点として、次の２ｎ＋１までのカウントを行い、同様の動作を継続することによって、モータ２の回転周期を推測する。

図５は、データ抽出部２５で推定される推定回転周期Ｔ^＊を含むトルク脈動ＴＰの波形を示した模式図である。具体的には、図５は、時間ｔに対する出力トルクＴｒの変化を、トルク脈動ＴＰとして示している。

図５を参照すれば、トルク脈動ＴＰとして示した連続した波形は、メモリ２１に格納されたトルク値の連続したデータをアナログイメージで示したものである。図５において、トルク脈動ＴＰを形成している個々の計算されたトルク値のデータについて、平均値と同じ値のトルク値をドットで示している。尚、図５中では、平均値の閾値レベルＳＬについても、点線で示している。

具体的に云えば、比較部２３で求めた１番目の平均値Ａ_１は、メモリ２１に格納されたトルク値の中で、平均値Ａ_１と同じ値であるとして、比較部２３がマーキングしたものである。また、トルク脈動ＴＰの波形には、低減したイメージ化も含まれている。マーキングが施されたメモリ２１内のトルク値のデータのうち、１番目の平均値Ａ_１から２５番目の平均値Ａ_２５までの期間が、モータ２の推定回転周期Ｔ^＊になる。尚、上述した高次高調波を示すｎは、任意の値に設定でき、仮に上述した式のｎに１２を代入して求めると、２５番目の数値が求まる。

更に、図５に示すように、１番目の平均値Ａ_１から２５番目の平均値Ａ_２５までの中に１２個のピークにより基本周波数の１２倍のトルク脈動ＴＰが存在する。従って、データ抽出部２５により、モータ２の推定回転周期Ｔ^＊を推定することにより、モータ２の回転周期の乱れ、エンコーダ５等の検出誤差に左右されず、１２次のトルク脈動ＴＰの範囲を設定することができる。

データ抽出部２５は、推定回転周期Ｔ^＊を求めた後、推定回転周期Ｔ^＊内で個々の計算されたトルク値のデータを、メモリ２１から抽出する。このとき、データ抽出部２５は、メモリ２１に格納された全てのトルク値とトルク計算部２０で計算されたトルク値との差分をとり、これらの差分の全ての結果をフーリエ変換部２６へ出力する。このときの動作は、任意の推定回転数期間にわたって行われる。

次に、データ抽出部２５は、ｎ次指令に従ってメモリ２１から抽出したトルク値を、フーリエ変換部２６へ出力する。フーリエ変換部２６は、データ抽出部２５からのトルク値をフーリエ変換して、ｎ次高調波成分を抽出し、第１のＰＩ制御部２７及び第２のＰＩ制御部２８へ出力する。第１のＰＩ制御部２７と第２のＰＩ制御部２８とは、それぞれフーリエ変換部２６で抽出されたｎ次高調波成分のトルク値について、虚部と実部とのそれぞれに比例制御Ｐ、および積分制御Ｉを施して、逆フーリエ変換部２９へ出力する。

逆フーリエ変換部２９は、第１のＰＩ制御部２７と第２のＰＩ制御部２８とからＰＩ制御されたトルク値の虚部と実部とを逆フーリエ変換して、補正電流生成部３０へ出力する。最終的に、出力トルクは、電流で制御するため、逆フーリエ変換部２９からの出力は、トルク値のｎ次成分となっている。補正電流生成部３０は、第１の信号生成部１５からの回転速度信号、及びｈ次指令部３２からのｈ次指令に基づいて、トルク値のｎ次成分を、トルク脈動ＴＰを低減するためのｈ次の補正電流に変換する。

補正電流生成部３０は、変換生成した補正電流の出力を電流指令変換部８から出力される電流制御用の目標値と足し合わせる。尚、補正電流生成部３０の前段の逆フーリエ変換部２９は、トルク値をｎ次成分の信号に戻している。また、補正電流生成部３０は、ｎ次成分の信号に戻されたトルク値をｎ次成分よりも低次のｈ次の電流成分に変換し、電流制御用の目標値と加算している。

この後は、加算された信号が、ベクトル軸変換部１４からのフィードバック信号と加減算されることになる。これにより、トルク脈動ＴＰが低減される。トルク脈動ＴＰが低減されると、図５に示したトルク脈動ＴＰの波形における振幅が小さくなる。尚、この後の動作は、前述の図２を参照して説明した動作と同じであるので、説明を省略する。

以上のように、実施の形態１に係る回転電機システムによれば、トルク脈動低減部において、モータの過渡的な回転速度の変化による影響、及びエンコーダに係る回転速度検出の性能による影響を抑制して、出力トルクを計算できる。そして、この計算結果に基づいて、トルク脈動ＴＰを低減できる。

実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２に係る回転電機システム１００の制御部６内のトルク脈動低減部１７Ｂの細部構成を示したブロック図である。

図６を参照すれば、実施の形態２に係る回転電機システム１００では、２種類のｎ次高調波を含んだトルク脈動ＴＰを低減することを目的としている。このため、トルク脈動低減部１７Ｂは、第１のｎ次成分用のメモリ２１ａ、第１のｎ次指令部２４ａ、第１のデータ抽出部２５ａ、第２のｎ次成分用のメモリ２１ｂ、第２のｎ次指令２４ｂ、第２のデータ抽出部２５ｂを有している。また、トルク脈動低減部１７Ｂは、これらの切り替えを行う切り替え指令部３５、第１の切り替え部３６ａ、第２の切り替え部３６ｂ、及び第３の切り替え部３６ｃを有している。

このうち、第１のデータ抽出部２５ａは、第１の計算トルク平均化部２２ａと第１の比較部２３ａとを有している。また、第２のデータ抽出部２５ｂは、第２の計算トルク平均化部２２ｂと第２の比較部２３ｂとを有している。

尚、第１のｎ次成分用のメモリ２１ａ、第１の計算トルク平均化部２２ａ、第１の比較部２３ａ、第２のｎ次成分用のメモリ２１ｂ、第２の計算トルク平均化部２２ｂ、及び第２の比較部２３ｂの処理動作は、実施の形態１と同じであるため、説明を省略する。

以下は、実施の形態１との処理動作の相違点を中心に、説明する。第１のｎ次指令部２４ａと第２のｎ次指令２４ｂとは、互いに異なるｎ次指令値を有している。第１のデータ抽出部２５ａは、第１のｎ次指令２４ａのｎ次指令に従って、第１のメモリ２１ａに格納されたトルク計算部２０で計算されたトルク値を抽出する。同様に、第２のデータ抽出部２５ｂは、第２のｎ次指令２４ｂのｎ次指令に従って、第２のメモリ２１ｂに格納されたトルク計算部２０で計算されたトルク値を抽出する。

これらの抽出されたトルク値は、切り替え部３６ａに出力される。切り替え部３６ａは、切り替え指令部３５の指令値により、抽出されたトルク値をフーリエ変換部２６に送出する送出元として、第１のデータ抽出部２５ａ側か、或いは、第２のデータ抽出部２５ｂ側の何れかを切り替え選択する。尚、フーリエ変換部２６から逆フーリエ変換部２９までの構成部分は、実施の形態１の場合と同様であるため、説明を省略する。

また、第２の切り替え部３６ｂと第３の切り替え部３６ｃとにおける切り替え動作は、第１の切り替え部３６ａに同期して行われる。即ち、第１の切り替え部３６ａ、第２の切り替え部３６ｂ、及び第３の切り替え部３６ｃの動作は、切り替え指令部３５の指令値により、第１または第２の同じｎ次指令側に切り替えられる。

図７は、トルク脈動低減部１７Ｂに備えられる３つの切り替え部である第１の切り替え部３６ａ、第２の切り替え部３６ｂ、第３の切り替え部３６ｃの切り替えスイッチ動作の対応を示した図である。

図７を参照すれば、ここでは、第１の切り替え部３６ａにおける接片の１がオンのとき、第２の切り替え部３６ｂにおける接片の１がオン、接片の２がオフ、第３の切り替え部３６ｃにおける接片の１がオン、接片の２がオフとなることを示している。また、第１の切り替え部３６ａにおける接片の１がオフのとき、第２の切り替え部３６ｂにおける接片の１はオフ、接片の２はオン、第３の切り替え部３６ｃにおける接片の１はオフ、接片の２はオンとなることを示している。

また、第１の切り替え部３６ａにおける接片の２がオンのとき、第２の切り替え部３６ｂにおける接片の１はオフ、接片の２はオン、第３の切り替え部３６ｃにおける接片の１はオフ、接片の２はオンとなることを示している。更に、第１の切り替え部３６ａにおける接片の２がオフのとき、第２の切り替え部３６ｂにおける接片の１はオン、接片の２はオフ、第３の切り替え部３６ｃにおける接片の１はオン、接片の２はオフとなることを示している。

このように、第２の切り替え部３６ｂと第３の切り替え部３６ｃとの切り替え動作は、第１の切り替え部３６ａに同期して行われる。何れにしても、これらの切り替え動作については、切り替え指令部３５において、予め定めた任意の時間で切り替わるように設定されている。

実施の形態２に係る回転電機システムでは、トルク脈動低減部１７Ｂにおいて、２種類のｎ次高調波成分に起因するトルク脈動ＴＰを低減することができる。また、トルク脈動低減部１７Ｂにおいて、それぞれｎ個のメモリ２１ｎ、データ抽出部２５ｎ、ｎ次指令部２４ｎ、ｈ次指令部３２ｎ、切り替え指令部３５ｎ、切り替え部３６ｎを持たせる構成とすることもできる。但し、データ抽出部２５ｎは、平均化部２２ｎと比較部２３ｎとを有する構成となる。この場合、ｎ種類のｎ次高調波成分に起因するトルク脈動ＴＰを低減させることが可能になる。

以上のように、実施の形態２に係る回転電機システムによれば、トルク脈動低減部において、モータの過渡的な回転速度の変化による影響、及びエンコーダに係る回転速度検出の性能による影響を抑制して、出力トルクを計算できる。そして、この計算結果に基づいて、トルク脈動ＴＰを低減できる。更に、実施の形態２に係る回転電機システムによれば、ｎ種類のｎ次高調波成分に起因するトルク脈動ＴＰを低減することができる。

実施の形態３．
図８は、本発明の実施の形態３に係る回転電機システム１００の制御部６内のトルク脈動低減部１７Ｃの細部構成を示したブロック図である。

図８を参照すれば、実施の形態３に係る回転電機システム１００では、トルク脈動低減部１７Ｃにおいて、先の実施の形態２に係るトルク脈動低減部１７Ｂの第１のデータ抽出部２５ａ及び第２のデータ抽出部２５ｂの間にｎ次総和比較部３７を設けた点が相違している。ｎ次総和比較部３７は、トルク脈動ＴＰの大きい方のｎ次高調波を自動的に選択し、トルク脈動ＴＰを低減するための選択指示を切り替え指令部３５へ出力する。

以下では、実施の形態３に係るトルク脈動低減部１７Ｃについて、実施の形態２に係るトルク脈動低減部１７Ｂとの処理動作の相違を中心に説明する。トルク脈動低減部１７Ｃは、２種類のｎ次高調波の中でトルク脈動ＴＰの大きい方のｎ次高調波を自動で選択して低減する機能を持つものである。

このため、第１のデータ抽出部２５ａ内の第１の比較部２３ａは、第１のメモリ２１ａに格納されてマーキングを施したトルク値のデータの１番目から２ｎ＋１番目までを１周期としたモータ２の推定回転周期Ｔ^＊内にあるトルク値を、抽出対象とする。そして、第１の比較部２３ａは、第１のメモリ２１ａから推定回転周期Ｔ^＊内にあるトルク値を抽出し、ｎ次総和比較部３７へ出力する。

同様に、第２のデータ抽出部２５ｂ内の第２の比較部２３ｂは、第２のメモリ２１ｂに格納されてマーキングを施したトルク値のデータの１番目から２ｎ＋１番目までを１周期としたモータ２の推定回転周期Ｔ^＊内にあるトルク値を、抽出対象とする。そして、第２の比較部２３ｂは、第２のメモリ２１ｂから推定回転周期Ｔ^＊内にあるトルク値を抽出し、ｎ次総和比較部３７へ出力する。

ｎ次総和比較部３７では、第１のデータ抽出部２５ａと第２のデータ抽出部２５ｂとから送信された、それぞれのｎ次高調波のトルク値の総和を比較し、比較結果に応じた選択指示信号を切り替え指令部３５へ出力する。

ｎ次総和比較部３７は、
第１のデータ抽出部２５ａの出力＞第２のデータ抽出部２５ｂの出力
のとき、Ｈレベルの選択指示信号を切り替え指令部３５へ出力する。また、ｎ次総和比較部３７は、
第１のデータ抽出部２５ａの出力＜第２のデータ抽出部２５ｂの出力
のとき、Ｌレベルの選択指示信号を切り替え指令部３５へ出力する。切り替え指令部３５は、選択指示信号のレベルに応じて、第１の切り替え部３６ａ、第２の切り替え部３６ｂ、第３の切り替え部３６ｃへ切り替え信号を出力する

図９は、ｎ次総和比較部３７の出力レベルに応じた他部の切り替え選択の対応を示した図である。

図９を参照すれば、ｎ次総和比較部３７の出力がＨレベルの選択指示信号であるとき、切り替え指令部３５による切り替え信号の出力を受けて、第１の切り替え部３６ａ、第２の切り替え部３６ｂ、第３の切り替え部３６ｃが切り替えられる。このとき、切り替え先として、第１のｎ次指令２４ａ、第１のデータ抽出部２５ａ、及び第１のｈ次指令３２ａが選択される。即ち、第２のｎ次指令２４ｂ、第２のデータ抽出部２５ｂ、及び第２のｈ次指令３２ｂについては、選択されない。

また、ｎ次総和比較部３７の出力がＬレベルの選択指示信号であるとき、切り替え指令部３５による切り替え信号の出力を受けて、第１の切り替え部３６ａ、第２の切り替え部３６ｂ、第３の切り替え部３６ｃが切り替えられる。このとき、切り替え先として、第２のｎ次指令２４ｂ、第２のデータ抽出部２５ｂ、及び第２のｈ次指令３２ｂが選択される。即ち、第１のｎ次指令２４ａ、第１のデータ抽出部２５ａ、及び第１のｈ次指令３２ａについては、選択されない。

次に、切り替え指令部３５により、第１の切り替え部３６ａ、第２の切り替え部３６ｂ、第３の切り替え部３６ｃへ切り替え信号を出力するタイミングを説明する。第１の比較部２３ａと第２の比較部２３ｂとは、図５に示した２ｎ＋１の推定回転周期Ｔ^＊となるｎ番目の平均値Ａ_ｎを検出する毎に、ｎ次総和比較部３７にパルス信号を送信する。

第１の比較部２３ａと第２の比較部２３ｂとからのそれぞれのパルス信号を受けたｎ次総和比較部３７は、第１の比較部２３ａのパルス信号、第２の比較部２３ｂのパルス信号の何れであるかを判断し、切り替え指令部３５へ選択指示信号を出力する。尚、パルス信号のパルス幅は、ｎ次総和比較部３７が認識できるパルス幅であれば良い。

更に、ｎ次総和比較部３７は、
第１のデータ抽出部２５ａの出力＞第２のデータ抽出部２５ｂの出力
のとき、第１の比較部２３ａからのパルス信号を受けると、切り替え指令部３５へＨレベルの選択指示信号を出力する。同様に、ｎ次総和比較部３７は、
第１のデータ抽出部２５ａの出力＜第２のデータ抽出部２５ｂの出力
のとき、第１の比較部２３ａからのパルス信号を受けると、切り替え指令３５へＬレベルの選択指示信号を出力する。

尚、第１の比較部２３ａと第２の比較部２３ｂとからのｎ次総和比較部３７へのパルス信号が一定時間内で同時に入力された場合には、ｎ次総和比較部３７の比較結果に従って、選択指示信号が出力されるものとする。即ち、第１の比較部２３ａと第２の比較部２３ｂとからのパルス信号のタイミングが一定時間内で同等のタイミングであれば、ｎ次総和比較部３７の比較結果に従って、選択指示信号が出力されるものとする。また、第１の比較部２３ａと第２の比較部２３ｂとからのパルス信号が一定時間を超える場合には、過去のｎ次総和比較部３７の比較結果に従うか、或いは、入力される方のパルス信号に従って、選択指示信号が出力されるようにしても良い。この場合、一定時間については、任意にできる。

図１０は、ｎ次総和比較部３７の出力信号レベルの決定に至るまでの第１のデータ抽出部２５ａ、第２のデータ抽出部２５ｂにおける第１の比較部２３ａ、第２の比較部２３ｂとの信号対応を示した図である。

図１０を参照すれば、ｎ次総和比較部３７の比較結果として、
第１のデータ抽出部２５ａの出力＞第２のデータ抽出部２５ｂの出力
のとき、第１の比較部２３ａのパルスは有り状態、第２の比較部２３ｂのパルスは無し状態となる。この場合、ｎ次総和比較部３７は、出力信号レベルＨを出力する。即ち、ｎ次総和比較部３７は、切り替え指令部３５へＨレベルの選択指示信号を出力する。

また、ｎ次総和比較部３７の比較結果として、
第１のデータ抽出部２５ａの出力＜第２のデータ抽出部２５ｂの出力
のとき、第１の比較部２３ａのパルスは無し状態、第２の比較部２３ｂのパルスは有り状態となる。この場合、ｎ次総和比較部３７は、出力信号レベルＬを出力する。即ち、ｎ次総和比較部３７は、切り替え指令部３５へＬレベルの選択指示信号を出力する。

一方、ｎ次総和比較部３７の比較結果として、
第１のデータ抽出部２５ａの出力＞第２のデータ抽出部２５ｂの出力
であって、かつ、
第１の比較部２３ａ及び第２の比較部２３ｂのパルスが一定期間内、同時
である場合を想定する。この場合、ｎ次総和比較部３７は、出力信号レベルＨを出力する。即ち、ｎ次総和比較部３７は、切り替え指令部３５へＨレベルの選択指示信号を出力する。

これに対し、ｎ次総和比較部３７の比較結果として、
第１のデータ抽出部２５ａの出力＜第２のデータ抽出部２５ｂの出力
であって、かつ、
第１の比較部２３ａ及び第２の比較部２３ｂのパルスが一定期間内、同時
である場合を想定する。この場合、ｎ次総和比較部３７は、出力信号レベルＬを出力する。即ち、ｎ次総和比較部３７は、切り替え指令部３５へＬレベルの選択指示信号を出力する。

他方、ｎ次総和比較部３７の比較結果として、
第１のデータ抽出部２５ａの出力＞第２のデータ抽出部２５ｂの出力
であって、かつ、
第１の比較部２３ａ及び第２の比較部２３ｂのパルスが一定期間外、同時
である場合を想定する。この場合、ｎ次総和比較部３７は、出力信号レベルＨ、或いは、出力信号レベルＬを出力する。即ち、ｎ次総和比較部３７は、切り替え指令部３５へ出力信号レベルＨ、或いは、出力信号レベルＬの選択指示信号を出力する。

これに対し、ｎ次総和比較部３７の比較結果として、
第１のデータ抽出部２５ａの出力＜第２のデータ抽出部２５ｂの出力
であって、かつ、
第１の比較部２３ａ及び第２の比較部２３ｂのパルスが一定期間外、同時
である場合を想定する。この場合も、ｎ次総和比較部３７は、出力信号レベルＨ、或いは、出力信号レベルＬを出力する。即ち、ｎ次総和比較部３７は、切り替え指令部３５へ出力信号レベルＨ、或いは、出力信号レベルＬの選択指示信号を出力する。

実施の形態３に係るトルク脈動低減部１７Ｃにおいても、第１の切り替え部３６ａ、第２の切り替え部３６ｂ、第３の切り替え部３６ｃの最終的な切り替えタイミングは、切り替え指令部３５に予め定めた任意の時間で切り替わるように設定されている。切り替え指令部３５からの切り替え信号を受けた第１の切り替え部３６ａ、第２の切り替え部３６ｂ、第３の切り替え部３６ｃの切り替え動作は、実施の形態２の場合と同様であるため、説明を省略する。

実施の形態３に係る回転電機システムでは、トルク脈動低減部１７Ｃにおいて、２種類のｎ次高調波成分に起因するトルク脈動ＴＰの大きさを自動的に判断する。このため、ｎ次高調波でトルク脈動ＴＰの大きい方を自動的に選択して低減することができる。尚、３種類以上のｎ種類のｎ次高調波成分に起因するトルク脈動ＴＰの大きさを自動的に判断し、ｎ次高調波でトルク脈動ＴＰの大きい方を自動的に選択して低減する構成とすることも可能である。

以上のように、実施の形態３に係る回転電機システムによれば、トルク脈動低減部において、モータの過渡的な回転速度の変化による影響、及びエンコーダに係る回転速度検出の性能による影響を抑制して、出力トルクを計算できる。そして、この計算結果に基づいて、トルク脈動ＴＰを低減できる。更に、実施の形態３に係る回転電機システムによれば、３種類以上のｎ種類のｎ次高調波成分に起因するトルク脈動ＴＰの大きさを自動的に判断した上で、トルク脈動ＴＰを低減することができる。

１インバータ、２モータ、３負荷装置、４シャフト、５エンコーダ、６制御部、７トルク指令検出部、８電流指令変換、９ＰＩＤ制御部、１０、１４ベクトル軸変換部、１１パルス幅変調部、１２電流変換部、１３座標変換部、１５第１信号生成部、１６第２信号生成部、１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃトルク脈動低減部、１８ＡＤ変換部、１９モータ相電圧計算部、２０トルク計算部、２１、２１ａ、２１ｂメモリ、２２、２２ａ、２２ｂ平均化部、２３、２３ａ、２３ｂ比較部、２４、２４ａ、２４ｂｎ次指令部、２５、２５ａ、２５ｂデータ抽出部、２６フーリエ変換部、２７、２８ＰＩ制御部、２９逆フーリエ変換部、３０補正電流生成部、３１トリガ部、３２、３２ａ、３２ｂｈ次指令部、３５切り替え指令部、３６ａ、３６ｂ、３６ｃ切り替え部、３７ｎ次総和比較部、１００回転電機システム、ＴＰトルク脈動。

Claims

回転駆動されて出力トルクを発生する回転電機と、
出力電流を供給して前記回転電機を回転駆動させるインバータと、
前記出力トルクを目標トルクにするためのトルク指令を出力するトルク指令検出部と、
前記トルク指令に従って、前記インバータを制御する制御部と、
前記回転電機の回転速度を検出した結果を前記制御部へ出力する回転速度検出部と、
を備え、
前記制御部は、前記トルク指令、前記出力電流、前記回転速度に基づいて、前記回転電機の出力トルクを計算した結果からトルク脈動の高次高調波を抽出し、抽出したトルク値を当該高次高調波よりも低次な高次成分の信号に戻すことで、電流の成分に変換して当該トルク脈動を低減するための補正電流を生成するトルク脈動低減部を備える
回転電機システム。
前記トルク脈動低減部は、
前記出力トルクを計算するトルク計算部と、
前記トルク計算部で計算されたトルク値を格納する記憶部と、
前記記憶部に格納されたトルク値を平均化した平均値と前記トルク計算部で計算されて当該記憶部に格納されるトルク値とを比較し、当該平均値と一致する当該トルク値を当該記憶部内でマーキングすると共に、ｎ次指令に従って、当該マーキングしたデータの１番目から２ｎ+１（但し、ｎは、前記トルク脈動の高次高調波を示す）番目までの区間で推定した前記回転電機の推定回転周期内の当該トルク値を当該平均値と比較した結果の差分を出力するデータ抽出部と、
前記データ抽出部からの差分が数値制御変換された前記トルク値のｎ次成分データについて、前記ｎ次指令よりも低次なｈ次指令に従って、前記トルク脈動を低減するためのｈ次の補正電流に変換する補正電流生成部と、を備える
請求項１に記載の回転電機システム。
前記トルク脈動低減部は、
前記記憶部、前記データ抽出部、前記ｎ次指令を出力するｎ次指令部、前記ｈ次指令を出力するｈ次指令部、及び当該各部の選択を切り替える切り替え部を複数系統備える
請求項２に記載の回転電機システム。
前記トルク脈動低減部は、
複数系統の前記切り替え部を自動で選択させるための選択指令を出力する切り替え指令部と、
複数系統の前記データ抽出部における出力レベルに基づいて、前記切り替え指令部へ選択指示を出力するｎ次総和比較部と、を更に備える
請求項３に記載の回転電機システム。