JP2021151003A - 同期機制御装置および同期機制御方法、並びに電気車 - Google Patents

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Abstract

【課題】制御系を複雑にすることなく、モータの高性能化が可能な同期機制御装置を提供する。【解決手段】同期機制御装置が、同期機（１）に電力を供給する電力変換器（２）を制御するものであって、同期機（１）の電流指令値（Ｉｄ＊，Ｉｑ＊）から第一磁束指令値（φｄ＊，φｑ＊）を演算する第一磁束指令演算部（２１）と、同期機（１）の電流検出値（Ｉｄｃ，Ｉｑｃ）から同期機（１）の磁束値（φｄｃ，φｑｃ）を推定する磁束推定部（２３）と、第一磁束指令値（φｄ＊，φｑ＊）と磁束値（φｄｃ，φｑｃ）が一致するように電力変換器の電圧指令値（Ｖｄ＊，Ｖｑ＊）を作成する電圧演算部（１９）と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、同期モータなどの同期機を駆動するための同期機制御装置および同期機制御方法、並びにそれらを用いる電気車に関する。
同期モータを小型化するために、モータの高速回転化および高磁束密度化が進んでいる。特に、電気自動車等の電気車においては、モータの重量が消費電力量に影響を与えるため、その傾向は顕著である。
高速回転化に対応する従来の制御技術として、特許文献１に記載の制御技術が知られている。
特許文献１に記載の制御技術では、ｄ軸電流およびｑ軸電流について、電流検出値が第１の電流指令値に近づくように、第２の電流指令値が作成される。そして、第２の電流指令値に基づいて電圧指令値が作成される。
また、高磁束密度化に対応する従来の制御技術として、特許文献２および特許文献３に記載の制御技術が知られている。
特許文献２に記載の制御技術では、上記特許文献１における第２の電流指令値に基づくとともに、コイル鎖交磁束に基づいて、電圧指令値が作成される。
特許文献３に記載の制御技術では、モータ電流値に対するインダクタンス値の変化に対応させて同様に電流制御ゲインを変化させる。
特開２００４−２９７９６６号公報 国際公開第２０１０／１１６８１５号 特開２００３−３４８８７５号公報
上記制御技術を適用して、モータの高速回転化および高磁束密度化を共に達成しようとすると、制御系が複雑になり、特に磁束関連の演算に用いる定数が多くなりパラメータ同定が難しくなったり、制御装置の負荷が増加したりする。このため、電気車などの適用対象への搭載が難しくなる。
そこで、本発明は、制御系を複雑にすることなく、モータの高性能化が可能な同期機制御装置および同期機制御方法、並びにそれらを用いる電気車を提供する。
上記課題を解決するために、本発明による同期機制御装置は、同期機に電力を供給する電力変換器を制御するものであって、同期機の電流指令値から第一磁束指令値を演算する第一磁束指令演算部と、同期機の電流検出値から同期機の磁束値を推定する磁束推定部と、第一磁束指令値と磁束値が一致するように電力変換器の電圧指令値を作成する電圧演算部と、を備える。
また、上記課題を解決するために、本発明による同期機制御方法は、同期機に電力を供給する電力変換器を制御する方法であって、同期機の電流指令値から第一磁束指令値を演算し、同期機の電流検出値から同期機の磁束値を推定し、第一磁束指令値と磁束値が一致するように電力変換器の電圧指令値を作成する。
また、上記課題を解決するために、本発明による電気車は、車輪と、車輪を駆動する同期機と、同期機に電力を供給する電力変換器と、電力変換器を制御する制御装置と、を備えるものであって、制御装置が、上記本発明による同期機制御装置である。
本発明により、制御系を複雑にすることなく、同期機の磁気飽和の影響を考慮して、同期機を精度よく制御できる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
実施例１である同期機制御装置の機能構成を示すブロック図である。 第二ｄｑ軸磁束指令演算部２５におけるＰＩ制御器の機能構成を示すブロック図である。 式（１）で表される逆モデルに基づいて構成された電圧ベクトル演算部１９の構成を示す。 磁束と電流の関係の一例を示す。 実施例２である同期機制御装置の機能構成を示すブロック図である。 非干渉制御演算部１３の機能構成例を示すブロック図である。 実施例３である同期機制御装置の機能構成を示すブロック図である。 第二ｄｑ軸磁束指令演算部２５Ｂの機能構成例を示すブロック図である。 実施例４である電気車の構成を示すブロック図である。
以下、本発明の実施形態について、下記の実施例１〜４により、図面を用いながら説明する。各図において、参照番号が同一のものは同一の構成要件あるいは類似の機能を備えた構成要件を示している。
実施例１〜４において、制御対象である同期機は、永久磁石同期モータ(以下、「ＰＭＳＭ」（Permanent Magnet Synchronous Motorの略)と記す）である。
図１は、実施例１である同期機制御装置の機能構成を示すブロック図である。なお、本実施例においては、マイクロコンピュータなどのコンピュータシステムが、所定のプログラムを実行することにより、図１に示す同期機制御装置として機能する（他の実施例も同様）。
図１において、電力変換器２は、直流電圧源９（例えばバッテリ）からの直流電力を交流電力に変換してＰＭＳＭ１へ出力する。ＰＭＳＭ１は、この交流電力によって、回転駆動される。電力変換器２は、半導体スイッチング素子からなるインバータ主回路を備えている。半導体スイッチング素子がゲート信号によってオン・オフ制御されることにより、直流電力が交流電力に変換される。なお、半導体スイッチング素子としては、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が適用される。
相電流検出器３は、電力変換器２からＰＭＳＭ１に流れる３相のモータ電流、すなわちＵ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流ＩｖおよびＷ相電流Ｉｗを検出して、それぞれＵ相電流検出値Ｉｕｃ、Ｖ相電流検出値ＩｖｃおよびＷ相電流検出値Ｉｗｃとして出力する。なお、相電流検出器３としては、ホールＣＴ（Current Transformer）などが適用される。
磁極位置検出器４は、ＰＭＳＭ１の磁極位置を検出して、磁極位置情報θ*を出力する。磁極位置検出器４としては、レゾルバなどが適用される。
周波数演算部５は、磁極位置検出器４が出力する磁極位置情報θ＊から、時間微分演算などによって速度情報ω１ ＊を演算して出力する。
座標変換部７は、相電流検出器が出力するＩｕｃ，Ｉｖｃ，Ｉｗｃを、磁極位置情報θ＊に応じて、回転座標系におけるｄｑ軸電流検出値Ｉｄｃ，Ｉｑｃに変換して、Ｉｄｃ，Ｉｑｃを出力する。
ｄｑ軸磁束推定部２３は、座標変換部７が出力するｄｑ軸電流検出値Ｉｄｃ，Ｉｑｃに基づいて、ルックアップテーブル（テーブルデータ）を参照して、ｄｑ軸磁束推定値φｄｃ，φｑｃを推定する。ｄｑ軸磁束推定部２３が参照するルックアップテーブル（テーブルデータ）は、Ｉｄｃ，Ｉｑｃとφｄｃ，φｑｃとの対応を表す表データであり、本実施例の同期機制御装置が備える記憶装置（図示せず）に記憶されている。なお、ルックアップテーブルに替えて、所定の関数（近似式など）を用いてもよい。
第一ｄｑ軸磁束指令演算部２１は、上位制御装置などから与えられるｄｑ軸電流指令値Ｉｄｃ＊，Ｉｑｃ＊に基づいて、ルックアップテーブル（テーブルデータ）を参照して、第一ｄｑ軸磁束指令値φｄ＊，φｑ＊を演算して出力する。第一ｄｑ軸磁束指令演算部２１が参照するルックアップテーブル（テーブルデータ）は、Ｉｄｃ＊，Ｉｑｃ＊とφｄ＊，φｑ＊との対応を表す表データであり、本実施例の同期機制御装置が備える記憶装置（図示せず）に記憶されている。なお、ルックアップテーブルに替えて、所定の関数（近似式など）を用いてもよい。
第二ｄｑ軸磁束指令演算部２５は、第一ｄｑ軸磁束指令値φｄ＊，φｑ＊とｄｑ軸磁束推定値φｄｃ，φｑｃが一致するように、比例積分（ＰＩ）制御器によって第二ｄｑ軸磁束指令値φｄ＊＊，φｑ＊＊を演算して出力する。
図２は、第二ｄｑ軸磁束指令演算部２５におけるＰＩ制御器の機能構成を示すブロック図である。
図２の上図に示すように、第二ｄ軸磁束指令値φｄ＊＊を演算するＰＩ制御器においては、加減算器８１によって、第一ｄ軸磁束指令値φｄ＊とｄ軸磁束推定値φｄｃとの差分（φｄ＊−φｄｃ）が演算され、差分演算値に比例ゲイン８７（ＫＰ）が乗算される。また、差分演算値は、積分器８３によって積分され、積分値に積分ゲイン８５（ＫＩ）が乗算される。比例ゲイン８７が乗算された差分演算値と、積分ゲイン８５が乗算された積分値とが、加算器８９によって加算され、第二ｄ軸磁束指令値φｄ＊＊が演算される。
図２の下図に示すように、第二ｑ軸磁束指令値φｑ＊＊を演算するＰＩ制御器においては、加減算器９１によって、第一ｑ軸磁束指令値φｑ＊とｑ軸磁束推定値φｑｃとの差分（φｑ＊−φｑｃ）が演算され、差分演算値に比例ゲイン９７（ＫＰ）が乗算される。また、差分演算値は、積分器９３によって積分され、積分値に積分ゲイン９５（ＫＩ）が乗算される。比例ゲイン９７が乗算された差分演算値と、積分ゲイン９５が乗算された積分値とが、加算器９９によって加算され、第二ｑ軸磁束指令値φｑ＊＊が演算される。
図１に示す電圧ベクトル演算部１９は、モータモデルの逆モデルによって、電圧指令値を作成する。
モータモデルの逆モデルは、モータのｄ軸磁束およびｑ軸磁束をそれぞれφｄおよびφｑとし、モータのｄ軸電圧およびｑ軸電圧をそれぞれＶｄおよびＶｑとし、モータ速度をω１とすると、例えば、式（１）のような電圧方程式によって表される。
Figure 2021151003
本実施例においては、式（１）で表される逆モデルが適用されるが、ＶｄおよびＶｑをそれぞれｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊とし、φｄおよびφｑをそれぞれ第二ｄ軸磁束指令値φｄ＊＊および第二ｑ軸磁束指令値φｑ＊＊とし、ω１を速度情報ω１ ＊とする。
なお、後述するように、式（１）においては、モータの磁気飽和が考慮されている。
図３は、式（１）で表される逆モデルに基づいて構成された電圧ベクトル演算部１９の構成を示す。なお、Ｒ，Ｌｄ，Ｌｑ，Ｋｅは、それぞれＰＭＳＭ１における巻線抵抗、ｄ軸インダクタンス、ｑ軸インダクタンス、磁石磁束である。
図３に示すように、微分器４５により、φｄ＊＊の微分が演算される。また、加減算器４４により、φｄ＊＊とＫｅとの差分（φｄ＊＊−Ｋｅ）が演算される。この差分演算値にＲ／Ｌｄ（４６）が乗じられる。微分器４５による微分演算値と、ゲインであるＲ／Ｌｄ（４６）が乗じられた差分演算値とが、加算器４７によって加算される。また、乗算器４８によって、ω１ ＊とφｑ＊＊とが乗算される。さらに、加減算器４９によって、加算器４７による加算演算値と、乗算器４８による乗算値との差分が演算されて、Ｖｄ＊が作成される。
また、図３に示すように、微分器３５により、φｑ＊＊の微分が演算される。また、φｑ＊＊にＲ／Ｌｑ（３６）が乗じられる。微分器３５による微分演算値と、Ｒ／Ｌｑ（３６）が乗じられたφｑ＊＊とが、加算器３７によって加算される。また、乗算器３８によって、ω１ ＊とφｄ＊＊とが乗算される。さらに、加算器３９によって、加算器３７による加算演算値と、乗算器３８による乗算値とが加算されて、Ｖｑ＊が作成される。
このように、モータモデルの逆モデルを表す電圧方程式に基づいて、電圧ベクトル演算部を構成することができる。
図１に示す座標変換部１１は、電圧ベクトル演算部１９が出力する、電力変換器２に対するｄｑ軸電圧指令値Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を磁極位置検出器４で検出される磁極位置情報θ＊を用いて座標変換することにより、電力変換器２に対する三相電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を作成して出力する。
直流電圧検出器６は、直流電圧源９の電圧を検出して、直流電圧情報Ｖｄｃを出力する。
ＰＷＭ制御器１２は、電圧ベクトル演算部１９から三相電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を受けるとともに、直流電圧検出器６から直流電圧情報Ｖｄｃを受け、これらに基づいて、パルス幅変調によって、電力変換器２に与えるゲート信号を作成して出力する。ＰＷＭ制御器１２は、例えば、キャリア信号として三角波を用い、三相電圧指令値を変調波とするパルス幅変調によってゲート信号を作成する。
以下、本実施例の電圧ベクトル演算部１９に用いられる、ＰＭＳＭ１の磁気飽和を考慮した電圧指令値の作成手段について説明する。
まず、電流（ｄｑ軸電流Ｉｄ，Ｉｑ）を状態量とする場合、磁気飽和を考慮すると、電圧方程式は式（２）のように表される。
Figure 2021151003
ここで、Ｌｄｈ，Ｌｑｈ，Ｌｄｑｈ，Ｌｑｄｈは動的インダクタンスを表し、Ｌｄ，Ｌｑ，Ｌｄｑ，Ｌｑｄは静的インダクタンスを表す。これらのインダクタンスについて、図４を用いて説明する。
図４は、磁束と電流の関係の一例を示す。なお、縦軸および横軸は、それぞれ、磁束と電流の関係（図中の実線）が、磁束と電流の関係例を示す。
図４に示すように、磁気飽和の影響により、ｑ軸電流（Ｉｑ）が大きくなるほど、ｑ軸磁束（φｑ）の増加の度合いが緩やかになる。このため、インダクタンスとして、動的インダクタンスおよび静的インダクタンスが、次のように定義される。動的インダクタンスＬｑｈは、ある動作点（Ｉｑ，φｑ）における接線（図中の破線）の傾き（ｄφｑ／ｄｔ）である。また、静的インダクタンスＬｑは、ｑ軸電流（Ｉｑ）が０の点と動作点とを結ぶ直線（図中の破線）の傾き（φｑ／Ｉｑ）である。
なお、図示しないが、ｄ軸磁束とｄ軸電流の関係、動的インダクタンスＬｄｈ、静的インダクタンスＬｄについては、図４と同様である。
式（２）において、電流微分項（右辺第二項）における係数（行列）は動的インダクタンスであり、誘起電圧項（右辺第三項）における係数（行列）は静的インダクタンスである。
また、磁気飽和が顕著な場合、制御軸間すなわちｄｑ軸間の相互干渉が発生する。このような相互干渉は、電流微分項の係数（行列）における動的インダクタンスＬｄｑｈ，Ｌｑｄｈ、誘起電圧項の係数（行列）における静的インダクタンスＬｄｑ，Ｌｑｄによって表される。
式（２）に基づき、すなわち電流を状態量として、磁気飽和を考慮してＰＭＳＭ１を制御する場合、上述のような８種類のインダクタンス（Ｌｄｈ，Ｌｑｈ，Ｌｄｑｈ，Ｌｑｄｈ，Ｌｄ，Ｌｑ，Ｌｄｑ，Ｌｑｄ）が用いられる。したがって、この場合、同期機制御装置は、各インダクタンス値と電流値（ｄ軸電流値およびｑ軸電流値）との対応を表すテーブルデータあるいは関数（近似式など）を８個備えることになる。
なお、これらインダクタンスの温度依存性を考慮すると、テーブルデータあるいは数式（近似式など）の各々は、ｄ軸電流値とｑ軸電流値および温度を変数とする、３変数のテーブルデータあるいは関数となる。
さらに、式（２）における磁石磁束Ｋｅはｑ軸電流Ｉｑおよび温度Ｔに対して依存性があるので、同期機制御装置は、ＩｑおよびＴを変数とする、二変数とＫｅの関係を表す二変数のテーブルデータあるいは関数（近似式など）を１個備えることになる。
このように、電流を状態量として、磁気飽和を考慮してＰＭＳＭ１を制御する場合、同期機制御装置は、複数個の多変数テーブルデータあるいは多変数関数を備えることになる。
そこで、以下に説明するように、本実施例では、上述の式（１）で表されるモータモデルの逆モデルのように磁束を状態量とすることにより、磁気飽和を考慮しながらも、同期機制御装置で用いられるテーブルデータあるいは関数（近似式など）の総数（上述のように電流を状態量とする場合は９個）が低減される。
磁束（ｄｑ軸磁束φｄ，φｑ）を状態量とする場合、磁気飽和を考慮すると、電圧方程式は式（３）のように表される。
Figure 2021151003
自動車用などの多くの高効率ＰＭＳＭでは巻線抵抗Ｒは十分小さいので、モータ制御における式（３）の第一項の影響は比較的小さい。このため、式（１）のように近似して、さらにＬｄ，Ｌｑ，Ｋｅを一定値として設定しても、モータ制御に対する影響は小さい。したがって、本実施例における電圧ベクトル演算部１９は、磁束を状態量とする上述の式（１）に基づき、かつ式（１）におけるＬｄ，Ｌｑ，Ｋｅを一定値として設定して、ｄｑ軸磁束指令値（φｄ＊＊，φｑ＊＊）に応じてｄｑ軸電圧指令値（Ｖｄ＊，Ｖｑ＊）を作成する。
この場合、同期機制御機装置は、ｄ軸磁束（φｄ）およびｑ軸磁束（φｑ）の各々と、電流（ｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑ）との対応関係を表すテーブルデータまたは関数（近似式など）を備える。したがって、同期機制御装置は、総数２個のテーブルデータまたは関数を備える。
このように、磁束を状態量にすることにより、モータ制御に用いるテーブルデータまたは関数の個数が低減される。これにより、磁気飽和を考慮しながらも、制御系が簡単化されるので、同期機制御装置の演算負荷が軽減できたり、パラメータ同定時間を短縮できたりする。
また、本実施例では、モータモデルの逆モデルを用いて、第二ｄｑ軸磁束指令演算部２５によって作成される第二ｄｑ軸磁束指令値φｄ＊＊，φｑ＊＊に基づいて、ｄｑ軸電圧指令値Ｖｄ＊，Ｖｑ＊が作成される。このため、高速領域においても、ｄ軸磁束推定値φｄｃおよびｑ軸磁束推定値φｑｃを、それぞれ第二ｄ軸磁束指令値φｄ＊＊および第二ｑ軸磁束指令値φｑ＊＊に、精度よく一致させることができる。したがって、本実施例による同期機制御装置によれば、ＰＭＳＭ１の高速回転の制御が可能になる。
また、本実施例では、磁束の温度依存性の影響は、第二ｄｑ軸磁束指令演算部２５が備えるＰＩ制御器またはＩ制御器によって緩和される。このため、磁束（φｄ，φｑ）の演算に用いるテーブルデータまたは関数は、変数として温度を含まず、電流のみを変数とするテーブルデータまたは関数（近似式など）でもよい。これにより、同期機制御装置の演算負荷が軽減できたり、パラメータ同定時間を短縮できたりする。
また、第一ｄｑ軸磁束指令演算部２１とｄｑ軸磁束推定部２３で同じテーブルデータまたは関数を用いることにより、Ｉｄｃ，Ｉｑｃが、いわば磁束を介して、それぞれＩｄ＊，Ｉｑ＊に一致するように制御される。この場合、実質、電流制御系が構成されることになる。
また、第一ｄｑ軸磁束指令演算部２１およびｄｑ軸磁束推定部２３の各々が独立したテーブルデータまたは関数を用いることにより、軸間の相互干渉を考慮した制御が可能になる。この場合、第一ｄｑ軸磁束指令演算部２１、およびｄｑ軸磁束推定部２３は、それぞれ、ｄｑ軸磁束指令値（φｄ＊，φｑ＊）とｄｑ軸電流指令値（Ｉｄ＊，Ｉｑ＊）との対応関係を表すテーブルデータまたは関数、およびｄｑ軸磁束推定値（φｄｃ，φｑｃ）とｄｑ軸電流検出値（Ｉｄｃ，Ｉｑｃ）との対応関係を表すテーブルデータまたは関数を用いる。
なお、本実施例の同期機制御装置は、モータの動的インダクタンスおよび静的インダクタンスが実質的に考慮されているので、磁気飽和の影響が大きなＰＭＳＭが用いられ、かつ正確なトルク応答が求められる電気自動車などの電気車への適用に好適である。
なお、ＰＭＳＭ１における磁束と電流の対応関係を表す情報である、上述のルックアップテーブル、テーブルデータ、関数（近似式）は、実測や磁場解析などに基づいて、設定することができる。
図５は、本発明の実施例２である同期機制御装置の機能構成を示すブロック図である。
以下、主に実施例１と異なる点について説明する。
ｄｑ軸磁束指令演算部２０は、前述の第一ｄｑ軸磁束指令演算部２１（図１）と同様の機能を有する。すなわち、ｄｑ軸磁束指令演算部２０は、上位制御装置などから与えられるｄｑ軸電流指令値Ｉｄ＊，Ｉｑ＊に基づいて、実施例１と同様に、テーブルデータまたは関数（近似式など）を用いて、ｄｑ軸磁束指令値φｄ＊，φｑ＊を演算して出力する。
ｄｑ軸電圧指令演算部１５は、比例積分（ＰＩ）器などの制御器によって、ｄ軸磁束指令値φｄ＊とｄ軸磁束推定値φｄｃが一致するように、ｄ軸電圧暫定指令値ＶｄＰＩ＊を演算して出力する。また、ｄｑ軸電圧指令演算部１５は、比例積分（ＰＩ）器などの制御器によって、ｑ軸磁束指令値φｑ＊とｑ軸磁束推定値φｑｃが一致するように、ｑ軸電圧暫定指令値ＶｑＰＩ＊を演算して出力する。
非干渉制御演算部１３は、ｄｑ軸電圧指令値φｄ＊，φｑ＊および速度情報ω１ ＊に基づいて、軸間非干渉制御用のｄｑ軸電圧指令値ＶｄＦＦ＊，ＶｑＦＦ＊を作成して出力する。
図６は、非干渉制御演算部１３の機能構成例を示すブロック図である。
図６に示すように、φｄ＊が、電流制御系のカットオフ周波数ωｃの逆数を時定数とする一次遅れ演算器５１に入力される。一次遅れ演算器５１の出力、すなわちφｄ＊に対して一次遅れ演算が施された結果に、乗算器５５によって、ω１ ＊が乗算されて、軸間非干渉制御用ｄ軸電圧指令値ＶｄＦＦ＊が作成される。
また、図６に示すように、φｑ＊が、一次遅れ演算器５１と同様の一次遅れ演算器５３に入力される。一次遅れ演算器５３の出力、すなわちφｑ＊に対して一次遅れ演算が施された結果に、乗算器５７によって、ω１ ＊が乗算される。乗算器５７の出力の正負を反転器５９（もしくは、ゲイン「−１」）によって反転して、軸間非干渉制御用ｑ軸電圧指令値ＶｑＦＦ＊が作成される。
図５において、電圧ベクトル加算部１０は、ＶｄＰＩ＊とＶｄＦＦ＊を加算して、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊を作成して出力する。また、電圧ベクトル加算部１０は、ＶｑＰＩ＊とＶｑＦＦ＊を加算して、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を出力する。
本実施例２では、誘起電圧項（式（１），（３）の右辺第三項）の演算に用いるｄｑ軸磁束指令値が、実施例１における第一ｄｑ軸磁束指令値（図１に示すφｄ＊，φｑ＊）に一次遅れ演算を施した結果に相当する。したがって、本実施例２の同期機制御装置によれば、実施例１と同様に動的インダクタンスおよび静的インダクタンスが考慮されるとともに、軸間の相互干渉の影響が抑制されるので、磁束飽和が発生するＰＭＳＭを高精度に制御することができる。
図７は、本発明の実施例３である同期機制御装置の機能構成を示すブロック図である。
以下、主に実施例１と異なる点について説明する。
本実施例においては、図７に示す第二ｄｑ軸磁束指令演算部２５Ｂの構成が、実施例１（図２）とは異なり、一次遅れ演算器を含む。他の構成は、実施例１（図１）と同様である。
図８は、第二ｄｑ軸磁束指令演算部２５Ｂの機能構成例を示すブロック図である。
図８に示すように、第二ｄｑ軸磁束指令演算部２５Ｂでは、図２に示した比例積分（ＰＩ）制御器に、電流制御系のカットオフ周波数ωｃの逆数を時定数とする一次遅れ演算器８４，９４）が付加されている。
一次遅れ演算器（８４，９４）に第一ｄｑ磁束指令値（φｄ＊，φｑ＊）が入力される。一次遅れ演算器５１の出力、すなわちφｄ＊，φｑ＊に対して一次遅れ演算が施された結果に、前述した、比例ゲイン（８７，９７）が乗算された差分演算値および積分ゲイン（８５，９５）が乗算された積分値が、加算器（８８，９８）によって加算され、第二ｄｑ軸磁束指令値（φｄ＊＊，φｄ＊＊）が演算される。
本実施例３による同期機制御装置は、微分積分制御器による磁束フィードバック制御系に加え、一次遅れ制御器による磁束フィードフォワード制御系を備えている。これにより、制御応答性が向上する。
図９は、本発明の実施例４である電気車の構成を示すブロック図である。なお、本実施例における電気車は、電気自動車である。
モータ制御装置１００は、電力変換器２（インバータ）からＰＭＳＭ１に供給する交流電力を制御する。直流電圧源９（例えばバッテリ）は、電力変換器２（インバータ）に直流電力を供給する。電力変換器２（インバータ）は、モータ制御装置１００によって制御されることにより、直流電圧源９からの直流電力を交流電力に変換する。モータ制御装置１００として、前述の実施例１〜３の内のいずれかの同期機制御装置が適用されている。
ＰＭＳＭ１は、トランスミッション１０１に機械的に接続される。トランスミッション１０１は、ディファレンシャルギア１０３を介してドライブシャフト１０５に機械的に接続され、車輪１０７に機械的動力を供給する。これにより、車輪１０７が回転駆動される。
なお、ＰＭＳＭ１が、トランスミッション１０１を介さず、直接、ディファレンシャルギア１０３に接続されてもよい。また、自動車の前輪および後輪の各々が、独立したＰＭＳＭおよびインバータによって駆動されてもよい。
本実施例４によれば、モータ制御装置１００として、前述の実施例１〜３の内のいずれかによる同期機制御装置が適用されるので、磁気飽和の影響が大きなＰＭＳＭを高精度に制御できる。したがって、ＰＭＳＭによって駆動される電気自動車の運転制御の精度が向上する。これにより、電気自動車の搭乗者にとっては、乗り心地が向上する。
また、本実施例４によれば、モータ制御装置の演算負荷が軽減できたり、パラメータ同定時間を短縮できたりする。このため、自動車に搭載する装置のサイズやコストに対する制約のもとで、自動車に搭載可能な高精度・高応答のモータ制御装置を実現できる。
なお、上述した実施例１〜３による同期機制御装置は、電気自動車に限らず、電気鉄道車両などの電気車に適用できる。これらは移動体であるため、モータが小型化される。このため、磁束飽和の影響が大きい。また、振動抑制制御あるいは空転制御のために、トルクの高応答制御が要求される。したがって、電気車に適用するモータ制御装置として、本発明の実施例１〜３による同期機制御装置が好適である。
なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前述した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置き換えをすることが可能である。
例えば、制御対象の同期機は、ＰＭＳＭに限らず、同期リラクタンスモータ、永久磁石同期発電機、巻線界磁型同期電動機、巻線界磁型同期発電機などでもよい。
また、ＰＭＳＭは、埋込磁石型および表面磁石型のいずれでもよいし、外転型および内転型のいずれでもよい。
また、インバータ主回路を構成する半導体スイッチング素子は、ＩＧＢＴに限らず、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などでもよい。
また、上記各実施例による同期機制御装置は、同期機、同期機を駆動する電力変換器および電力変換器を制御する制御装置を備える各種の同期機駆動システムにおいて、この制御装置として適用できる。
１：ＰＭＳＭ、２：電力変換器、３：相電流検出器、
４：磁極位置検出器、５：周波数演算部、６：直流電圧検出器、
７：座標変換部、１０：電圧ベクトル加算部、１１：座標変換部、
１３：非干渉制御演算部、１５：ｄｑ軸電圧指令演算部、
１９：電圧ベクトル演算部、２０：ｄｑ軸磁束指令演算部、
２１：第一ｄｑ軸磁束指令演算部、２３：ｄｑ軸磁束推定部、
２５：第二ｄｑ軸磁束指令演算部、
２５Ｂ：第二ｄｑ軸磁束指令演算部、３５：微分器、
３７：加算器、３８：乗算器、３９：加算器、４４：加減算器、
４５：微分器、４７：加算器、４８：乗算器、４９：加減算器、
５１：一次遅れ演算器、５３：一次遅れ演算器、５５：乗算器、
５７：乗算器、８１：加減算器、８３：積分器、
８４：一次遅れ演算器、８５：積分ゲイン、８７：比例ゲイン、
８８：加算器、８９：加算器、９１：加減算器、９３：積分器、
９４：一次遅れ演算器、９５：積分ゲイン、９７：比例ゲイン、
９８：加算器、９９：加算器、１００：モータ制御装置、
１０１：トランスミッション、１０３：ディファレンシャルギア、
１０５：ドライブシャフト、１０７：車輪

Claims (13)

  1. 同期機に電力を供給する電力変換器を制御する同期機制御装置において、
    前記同期機の電流指令値から第一磁束指令値を演算する第一磁束指令演算部と、
    前記同期機の電流検出値から前記同期機の磁束値を推定する磁束推定部と、
    前記第一磁束指令値と前記磁束値が一致するように前記電力変換器の電圧指令値を作成する電圧演算部と、
    を備えることを特徴とする同期機制御装置。
  2. 請求項１に記載の同期機制御装置において、
    前記第一磁束指令演算部は、前記電流指令値と前記第一磁束指令値との対応関係を表す情報に基づいて、前記第一磁束指令値を演算し、
    前記磁束推定部は、前記電流検出値と前記磁束値との対応関係を表す情報に基づいて、前記磁束値を推定することを特徴とする同期機制御装置。
  3. 請求項２に記載の同期機制御装置において、
    前記電流指令値と前記第一磁束指令値との前記対応関係を表す前記情報と、前記電流検出値と前記磁束値との前記対応関係を表す前記情報とが、同一であることを特徴とする同期機制御装置。
  4. 請求項１に記載の同期機制御装置において、
    さらに、前記第一磁束指令値と前記磁束値が一致するように第二磁束指令値を演算する第二磁束指令演算部を備え、
    前記電圧演算部は、前記第二磁束指令値と、前記同期機の速度とに基づいて、前記電圧指令値を作成することを特徴とする同期機制御装置。
  5. 請求項４に記載の同期機制御装置において、
    前記第二磁束指令演算部は、比例制御器および積分制御器を用いて、前記第二磁束指令値を演算することを特徴とする同期機制御装置。
  6. 請求項４に記載の同期機制御装置において、
    前記電圧演算部は、比例制御器および積分制御器と、フィードフォワード制御系を構成する一次遅れ制御器とを用いて、前記第二磁束指令値を演算することを特徴とする同期機制御装置。
  7. 請求項６に記載の同期機制御装置において、
    前記一次遅れ制御器は、電流制御系におけるカットオフ周波数の逆数を時定数とすることを特徴とする同期機制御装置。
  8. 請求項４に記載の同期機制御装置において、
    前記電圧演算部は、前記同期機の逆モデルによって構成されることを特徴とする同期機制御装置。
  9. 請求項１に記載の同期機制御装置において、
    さらに、
    前記第一磁束指令値と前記磁束値が一致するように第一電圧指令値を作成する第一電圧指令演算部と、
    前記第一磁束指令値と前記同期機の速度とに基づいて、非干渉制御のための第二電圧指令を作成する第二電圧指令演算部と、
    を備え、
    前記電圧演算部は、前記第一電圧指令値と前記第二電圧指令値とに基づいて、前記電力変換器の前記電圧指令値を作成することを特徴とする同期機制御装置。
  10. 請求項９に記載の同期機制御装置において、
    第二指令電圧演算部は、一次遅れ制御器を用いて、前記第二電圧指令を作成することを特徴とする同期機制御装置。
  11. 請求項１０に記載の同期機制御装置において、
    前記一次遅れ制御器は、電流制御系におけるカットオフ周波数の逆数を時定数とすることを特徴とする同期機制御装置。
  12. 同期機に電力を供給する電力変換器を制御する同期機制御方法において、
    前記同期機の電流指令値から第一磁束指令値を演算し、
    前記同期機の電流検出値から前記同期機の磁束値を推定し、
    前記第一磁束指令値と前記磁束値が一致するように前記電力変換器の電圧指令値を作成することを特徴とする同期機制御方法。
  13. 車輪と、
    車輪を駆動する同期機と、
    前記同期機に電力を供給する電力変換器と、
    前記電力変換器を制御する制御装置と、
    を備える電気車において、
    前記制御装置が、請求項１に記載の同期機制御装置であることを特徴とする電気車。
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