JP2022117586A - 永久磁石電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子の位置を検出する機能を備えていない永久磁石電動機の起動時間の短縮化を図りつつ永久磁石電動機の制御性の低下を抑制する。【解決手段】電流指令値出力部１１は、電動機Ｍの起動時、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊として所定値Ｉｃ１を出力することにより回転子の回転数ω＾を増加させる強制同期を実行し、回転数ω＾が閾値ωｔｈ以上になると、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊としてゼロより大きく、かつ、所定値Ｉｃ１より小さい所定値Ｉｃ２を出力することにより電動機Ｍのトルクを増加させる切替制御を実行する。【選択図】図１

Description

本発明は、回転子の位置を検出する機能を備えていない永久磁石電動機の制御装置に関する。

永久磁石電動機の制御装置として、永久磁石電動機の起動時、ｄ軸電流指令値をゼロから所定値に変化させることで回転子の回転数を増加させ、回転子の回転数が閾値以上になると、ｑ軸電流指令値をゼロから所定値に変化させることで永久磁石電動機のトルクを増加させ、その後、通常制御に移行するものがある。関連する技術として、特許文献１がある。

ところで、永久磁石電動機の起動時間の短縮化を図る場合、永久磁石電動機に流れるｄ軸電流及びｑ軸電流をｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値に追従させるためのフィードバック制御のゲインを大きくして、ｑ軸電流指令値をゼロから所定値に変化させたときにｄ軸電流及びｑ軸電流がｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値に収束するためにかかる時間を短くすることが考えられる。

しかしながら、上記制御装置において、フィードバック制御のゲインを大きくすると、ｑ軸電流指令値をゼロから所定値に変化させたときのｄ軸電流の発振が大きくなるため、永久磁石電動機のトルクが必要以上に増加し、永久磁石電動機の制御性が低下するおそれがある。

特開２０１９－０５４６６３号公報

本発明の一側面に係る目的は、回転子の位置を検出する機能を備えていない永久磁石電動機の起動時間の短縮化を図りつつ永久磁石電動機の制御性の低下を抑制することである。

本発明に係る一つの形態である永久磁石電動機の制御装置は、搬送波の電圧値と電圧指令値との比較結果により永久磁石電動機の回転子を駆動させるインバータ回路と、前記回転子の位置により前記永久磁石電動機に流れる電流をｄ軸電流及びｑ軸電流に変換する電流変換部と、前記ｄ軸電流及び前記ｑ軸電流により前記回転子の位置及び前記回転子の回転数を推定する推定部と、前記回転子の回転数と回転数指令値との差によりトルク指令値を算出するトルク指令値算出部と、前記トルク指令値によりｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を出力する電流指令値出力部と、前記ｄ軸電流と前記ｄ軸電流指令値との差が小さくなるようにｄ軸電圧指令値を算出するとともに前記ｑ軸電流と前記ｑ軸電流指令値との差が小さくなるようにｑ軸電圧指令値を算出する電圧指令値算出部と、前記回転子の位置により前記ｄ軸電圧指令値及び前記ｑ軸電圧指令値を前記電圧指令値に変換する電圧指令値変換部とを備える。

前記電流指令値出力部は、前記永久磁石電動機の起動時、前記ｄ軸電流指令値として第１の所定値を出力することにより前記回転子の回転数を増加させる強制同期を実行し、前記回転数が閾値以上になると、前記ｑ軸電流指令値としてゼロより大きく、かつ、前記第１の所定値より小さい第２の所定値を出力することにより前記永久磁石電動機のトルクを増加させる切替制御を実行する。

これにより、永久磁石電動機の起動時、電流指令値出力部からｑ軸電流指令値として第１の所定値が出力される場合に比べて、ｑ軸電流が大きくなることを抑えることができるため、永久磁石電動機のトルクが比較的大きくなることを抑制することができ、永久磁石電動機の制御性の低下を抑制することができる。また、電流指令値出力部からｑ軸電流指令値として第１の所定値が出力される場合に比べて、ｑ軸電流の発振を抑えることができる。また、ｑ軸電流の発振を抑えることができるため、ｑ軸電流の変動の影響によるｄ軸電流の発振も抑えることができる。そのため、ｄ軸電流及びｑ軸電流がｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値に収束するためにかかる時間を短くすることができ、永久磁石電動機の起動時間の短縮化を図ることができる。

また、前記電流指令値出力部は、前記回転数が前記閾値以上になると、前記ｄ軸電流指令値としてゼロを出力した後、前記ｑ軸電流指令値として前記第２の所定値を出力するように構成してもよい。

これにより、ｄ軸電流をｄ軸電流指令値にある程度収束させた後に、ｑ軸電流をｑ軸電流指令値に収束させることができるため、ｄ軸電流の変動の影響によるｑ軸電流の発振を抑えることができるため、永久磁石電動機のトルクが比較的大きくなることをさらに抑えることができ、永久磁石電動機の制御性の低下をさらに抑制することができる。また、ｄ軸電流及びｑ軸電流の発振をより抑えることができるため、ｄ軸電流及びｑ軸電流がｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値に収束するためにかかる時間をさらに短くすることができ、永久磁石電動機の起動時間をさらに短縮させることができる。

また、前記電流指令値出力部は、前記回転数が前記閾値以上になるまで、前記強制同期を複数回実行するとともに、前記強制同期の実行回数が増加するほど前記回転子の回転数の加速度を増加させるように構成してもよい。

これにより、永久磁石電動機の起動を開始させてから回転子の回転数が閾値以上になるまでの期間を短縮することができるため、永久磁石電動機の起動時間をさらに短縮させることができる。

また、前記電流指令値出力部は、前記電動機の起動時、前記ｄ軸電流指令値として前記第１の所定値より小さく、かつ、前記第２の所定値より大きい第３の所定値を出力するとともに前記ｑ軸電流指令値としてゼロを出力することで前記回転子のｄ軸を前記回転子の回転磁界の基準相に追従させながら前記回転子を第１の加速度で回転させる第１強制同期を実行した後、前記ｄ軸電流指令値として前記第１の所定値を出力するとともに前記ｑ軸電流指令値としてゼロを出力することで前記ｄ軸を前記基準相に追従させながら前記回転子を前記第１の加速度より大きい第２の加速度で回転させる第２強制同期を実行するように構成してもよい。

これにより、永久磁石電動機の起動を開始させてから回転子の回転数が閾値以上になるまでの期間を短縮することができるため、永久磁石電動機の起動時間をさらに短縮させることができる。

本発明によれば、回転子の位置を検出する機能を備えていない永久磁石電動機の起動時間の短縮化を図りつつ永久磁石電動機の制御性の低下を抑制することができる。

実施形態の永久磁石電動機の制御装置を示す図である。 電流指令値出力部の動作を示すフローチャートである。 従来の永久磁石電動機の起動時におけるｄ軸電流指令値、ｄ軸電流、ｑ軸電流指令値、ｑ軸電流、及び回転子の回転数の変化例を示す図である。 実施形態の永久磁石電動機の起動時におけるｄ軸電流指令値、ｄ軸電流、ｑ軸電流指令値、ｑ軸電流、及び回転子の回転数の変化例を示す図である。 変形例１の永久磁石電動機の起動時におけるｄ軸電流指令値、ｄ軸電流、ｑ軸電流指令値、ｑ軸電流、及び回転子の回転数の変化例を示す図である。 電流指令値出力部の動作を示すフローチャートである。 変形例２の永久磁石電動機の起動時におけるｄ軸電流指令値、ｄ軸電流、ｑ軸電流指令値、ｑ軸電流、及び回転子の回転数の変化例を示す図である。 電流指令値出力部の動作を示すフローチャートである。

以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。
図１は、実施形態の永久磁石電動機の制御装置を示す図である。

図１に示す制御装置１は、例えば、電動フォークリフトやプラグインハイブリッド車などの車両に搭載される永久磁石電動機Ｍの動作を制御するものであって、インバータ回路２と、制御回路３とを備える。なお、永久磁石電動機Ｍは、例えば、表面磁石型同期モータ（Surface Permanent Magnetic Synchronous Motor）などであって、以下、電動機Ｍとする。

インバータ回路２は、直流電源Ｐから供給される電力により電動機Ｍを駆動させるものであって、コンデンサＣと、スイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ６（例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor））と、電流センサＳｅ１、Ｓｅ２とを備える。すなわち、コンデンサＣの一方端子が直流電源Ｐの正極端子及びスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ３、ＳＷ５の各コレクタ端子に接続され、コンデンサＣの他方端子が直流電源Ｐの負極端子及びスイッチング素子ＳＷ２、ＳＷ４、ＳＷ６の各エミッタ端子に接続されている。スイッチング素子ＳＷ１のエミッタ端子とスイッチング素子ＳＷ２のコレクタ端子との接続点は電流センサＳｅ１を介して電動機ＭのＵ相の入力端子に接続されている。スイッチング素子ＳＷ３のエミッタ端子とスイッチング素子ＳＷ４のコレクタ端子との接続点は電流センサＳｅ２を介して電動機ＭのＶ相の入力端子に接続されている。スイッチング素子ＳＷ５のエミッタ端子とスイッチング素子ＳＷ６のコレクタ端子との接続点は電動機ＭのＷ相の入力端子に接続されている。

コンデンサＣは、直流電源Ｐから出力されインバータ回路２へ入力される電圧を平滑する。

スイッチング素子ＳＷ１は、制御回路３から出力される駆動信号Ｓ１に基づいて、オンまたはオフする。スイッチング素子ＳＷ２は、制御回路３から出力される駆動信号Ｓ２に基づいて、オンまたはオフする。スイッチング素子ＳＷ３は、制御回路３から出力される駆動信号Ｓ３に基づいて、オンまたはオフする。スイッチング素子ＳＷ４は、制御回路３から出力される駆動信号Ｓ４に基づいて、オンまたはオフする。スイッチング素子ＳＷ５は、制御回路３から出力される駆動信号Ｓ５に基づいて、オンまたはオフする。スイッチング素子ＳＷ６は、制御回路３から出力される駆動信号Ｓ６に基づいて、オンまたはオフする。スイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ６がそれぞれオンまたはオフすることで、直流電源Ｐから出力される直流電圧が、互いに位相が１２０度ずつ異なる３つの交流電圧に変換され、それら交流電圧が電動機ＭのＵ相、Ｖ相、及びＷ相の入力端子に印加され電動機Ｍの回転子が回転する。

電流センサＳｅ１は、ホール素子やシャント抵抗などにより構成され、電動機ＭのＵ相に流れるＵ相電流Ｉｕを検出して制御回路３に出力する。また、電流センサＳｅ２は、ホール素子やシャント抵抗などにより構成され、電動機ＭのＶ相に流れるＶ相電流Ｉｖを検出して制御回路３に出力する。
制御回路３は、記憶部４と、ドライブ回路５と、演算部６とを備える。

記憶部４は、ＲＡＭ（Random Access Memory）またはＲＯＭ（Read Only Memory）などにより構成される。また、記憶部４は、後述する、所定値Ｉｃ１、所定値Ｉｃ２、閾値ωｔｈなどを記憶している。

ドライブ回路５は、ＩＣ（Integrated Circuit）などにより構成され、演算部６から出力されるＵ相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＊、及びＷ相電圧指令値Ｖｗ＊と搬送波（三角波、ノコギリ波、または逆ノコギリ波など）の電圧値とを比較し、その比較結果に応じた駆動信号Ｓ１～Ｓ６をスイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ６のそれぞれのゲート端子に出力する。例えば、ドライブ回路５は、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＊が搬送波以上である場合、ハイレベルの駆動信号Ｓ１を出力するとともに、ローレベルの駆動信号Ｓ２を出力し、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＊が搬送波より小さい場合、ローレベルの駆動信号Ｓ１を出力するとともに、ハイレベルの駆動信号Ｓ２を出力する。また、ドライブ回路５は、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＊が搬送波以上である場合、ハイレベルの駆動信号Ｓ３を出力するとともに、ローレベルの駆動信号Ｓ４を出力し、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＊が搬送波より小さい場合、ローレベルの駆動信号Ｓ３を出力するとともに、ハイレベルの駆動信号Ｓ４を出力する。また、ドライブ回路５は、Ｗ相電圧指令値Ｖｗ＊が搬送波以上である場合、ハイレベルの駆動信号Ｓ５を出力するとともに、ローレベルの駆動信号Ｓ６を出力し、Ｗ相電圧指令値Ｖｗ＊が搬送波より小さい場合、ローレベルの駆動信号Ｓ５を出力するとともに、ハイレベルの駆動信号Ｓ６を出力する。

演算部６は、マイクロコンピュータなどにより構成され、電流変換部７と、推定部８と、減算部９と、トルク指令値算出部１０と、電流指令値出力部１１と、減算部１２と、減算部１３と、電圧指令値算出部１４と、電圧指令値変換部１５とを備える。例えば、マイクロコンピュータが記憶部４に記憶されているプログラムを実行することにより、電流変換部７、推定部８、減算部９、トルク指令値算出部１０、電流指令値出力部１１、減算部１２、減算部１３、電圧指令値算出部１４、及び電圧指令値変換部１５が実現される。

電流変換部７は、電流センサＳｅ１により検出されるＵ相電流Ｉｕ及び電流センサＳｅ２により検出されるＶ相電流Ｉｖを用いて、電動機ＭのＷ相に流れるＷ相電流Ｉｗを求める。

また、電流変換部７は、推定部８により推定される電動機Ｍの回転子の位置θ＾を用いて、Ｕ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、及びＷ相電流Ｉｗをｄ軸電流Ｉｄ（弱め界磁を発生させるための電流成分）及びｑ軸電流Ｉｑ（トルクを発生させるための電流成分）に変換する。

例えば、電流変換部７は、下記式１に示す変換行列Ｃ１を用いて、Ｕ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗを、ｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑに変換する。

なお、電流センサＳｅ１、Ｓｅ２により検出される電流は、Ｕ相電流Ｉｕ及びＶ相電流Ｉｖの組み合わせに限定されず、Ｖ相電流Ｉｖ及びＷ相電流Ｉｗの組み合わせ、または、Ｕ相電流Ｉｕ及びＷ相電流Ｉｗの組み合わせでもよい。電流センサＳｅ１、Ｓｅ２によりＶ相電流Ｉｖ及びＷ相電流Ｉｗが検出される場合、電流変換部７は、Ｖ相電流Ｉｖ及びＷ相電流Ｉｗを用いて、Ｕ相電流Ｉｕを求める。また、電流センサＳｅ１、Ｓｅ２によりＵ相電流Ｉｕ及びＷ相電流Ｉｗが検出される場合、電流変換部７は、Ｕ相電流Ｉｕ及びＷ相電流Ｉｗを用いて、Ｖ相電流Ｉｖを求める。

また、インバータ回路２において、電流センサＳｅ１、Ｓｅ２の他に、電動機ＭのＷ相に流れる電流を検出する電流センサＳｅ３をさらに備える場合、電流変換部７は、推定部８により推定される位置θ＾を用いて、電流センサＳｅ１～Ｓｅ３により検出されるＵ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、及びＷ相電流Ｉｗをｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑに変換するように構成してもよい。

推定部８は、電流変換部７から出力されるｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑを用いて、電動機Ｍの回転子の位置θ＾及び回転数ω^を推定する。例えば、推定部８は、下記式２及び式３により位置θ^及び回転数ω^を算出する。なお、回転子の実際の位置θと位置θ^との差Δθを入力としΔθ^を出力としαをオブザーバの極とする伝達関数をＰ（ｓ）＝α／（ｓ＋α）とし、Δθ^を入力とし位置θ^を出力とする伝達関数をＫ（ｓ）＝ｋ_１＋ｋ_２／ｓ＋ｋ_３／ｓ^２とする。また、Δθ^は、下記式４により算出されるものとする。また、ｅ_γ及びｅ_δは、下記式５により算出されるものとする。また、Ｌｄは電動機Ｍのｄ軸インダクタンスとし、Ｌｑは電動機Ｍのｑ軸インダクタンスとし、Ｉｄはｄ軸電流Ｉｄとし、Ｉｑ´はｑ軸電流Ｉｑの微分項とし、Ｋｅは誘起電圧定数とする。

θ^＝ｋ_１Δθ^＋ω^／ｓ ・・・式２
ω^＝（ｋ_２＋ｋ_３／ｓ）Δθ^ ・・・式３
Δθ^＝ｔａｎ^－１（－ｅ^_γ／ｅ^_δ） ・・・式４

減算部９は、外部から入力される回転数指令値ω＊と推定部８により推定される回転数ω^との差Δωを算出する。

トルク指令値算出部１０は、減算部９から出力される差Δωを用いて、トルク指令値Ｔ＊を算出する。例えば、トルク指令値算出部１０は、記憶部４に記憶されている、電動機Ｍの回転子の回転数と電動機Ｍのトルクとが互いに対応付けられている情報（不図示）を参照して、差Δωに相当する回転数に対応するトルクを、トルク指令値Ｔ＊として求める。

電流指令値算出部１１は、電動機Ｍの通常制御時、トルク指令値算出部１０から出力されるトルク指令値Ｔ＊を用いて、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を算出する。例えば、電流指令値算出部１１は、通常制御時、記憶部４に記憶されている、電動機Ｍのトルクとｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊とが互いに対応付けられている情報（不図示）を参照して、トルク指令値Ｔ＊に相当するトルクに対応するｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を求める。

減算部１２は、電流指令値出力部１１から出力されるｄ軸電流指令値Ｉｄ＊と、電流変換部７から出力されるｄ軸電流Ｉｄとの差ΔＩｄを算出する。

減算部１３は、電流指令値出力部１１から出力されるｑ軸電流指令値Ｉｑ＊と、電流変換部７から出力されるｑ軸電流Ｉｑとの差ΔＩｑを算出する。

電圧指令値算出部１４は、減算部１２から出力される差ΔＩｄ及び減算部１３から出力される差ΔＩｑを用いたＰＩ（Proportional Integral）制御により、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を算出する。例えば、電圧指令値算出部１４は、下記式６を用いてｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊を算出するとともに、下記式７を用いてｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を算出する。なお、ＫｐはＰＩ制御の比例項の定数とし、ＫｉはＰＩ制御の積分項の定数とし、Ｌｑは電動機Ｍのｑ軸インダクタンスとし、Ｌｄは電動機Ｍのｄ軸インダクタンスとし、ω^は推定部８により推定される回転数ω^とし、Ｋｅは誘起電圧定数とする。

ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊＝Ｋｐ×差ΔＩｄ＋∫（Ｋｉ×差ΔＩｄ）－ω＾ＬｑＩｑ・・・式６
ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊＝Ｋｐ×差ΔＩｑ＋∫（Ｋｉ×差ΔＩｑ）＋ω＾ＬｄＩｄ＋ω＾Ｋｅ・・・式７

電圧指令値変換部１５は、推定部８により推定される位置θ＾を用いて、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令値Ｖｕ＊、及びＷ相電圧指令値Ｖｗ＊に変換する。例えば、電圧指令値変換部１５は、下記式８示す変換行列Ｃ２を用いて、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＊、Ｗ相電圧指令値Ｖｗ＊に変換する。

図２は、電動機Ｍの起動時における電流指令値出力部１１の動作を示すフローチャートである。

まず、電流指令値出力部１１は、車両のイグニッションオンなどに伴う電動機Ｍの起動指示が制御回路１１に入力されると（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊として所定値Ｉｃ１（第１の所定値）を出力するとともにｑ軸電流指令値Ｉｑ＊としてゼロを出力する（ステップＳ１２）。なお、所定値Ｉｃ１は、回転子のｄ軸（Ｎ極）が電動機Ｍの回転磁界の基準相（例えば、Ｕ相）まで移動した後に回転子のｄ軸が基準相に追従しながら回転子の回転数が増加するときのｄ軸電流Ｉｄ、または、電動機Ｍのトルクが所定トルクになるときのｑ軸電流Ｉｑとする。また、電動機Ｍの起動時において、回転子のｄ軸が回転子の基準相まで移動する期間を「位置合わせ期間」とする。また、電動機Ｍの起動時において、回転子のｄ軸が回転磁界の基準相に追従しながら回転子の回転数が増加する期間を「強制同期期間」とする。

次に、電流指令値出力部１１は、推定部８により推定される回転数ω＾が閾値ωｔｈ以上になると（ステップＳ１３：Ｙｅｓ）、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊としてゼロを出力するとともにｑ軸電流指令値Ｉｑ＊として所定値Ｉｃ２（第２の所定値）を出力する（ステップＳ１４）。なお、閾値ωｔｈは、回転数指令値ω＊と同じ値、または、回転数指令値ω＊より一定値小さい値、または、回転数指令値ω＊より一定値大きい値、または、回転数指令値ω＊に比例する値とする。また、所定値Ｉｃ２は、ゼロより大きく、かつ、所定値Ｉｃ１より小さい任意の値とする。例えば、所定値Ｉｃ２は、所定値Ｉｃ１の１０［％］の値とする。

そして、電流指令値出力部１１は、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊としてゼロを出力するとともにｑ軸電流指令値Ｉｑ＊として所定値Ｉｃ２を出力した後、トルク指令値Ｔ＊に対応するｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を出力することにより、起動制御から通常制御に移行する（ステップＳ１５）。なお、電動機Ｍの起動時において、回転数ω＾が閾値ωｔｈ以上になってからｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑがｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊に収束するまでの期間を「切替制御期間」とする。

図３は、従来の電動機Ｍの起動時におけるｄ軸電流指令値Ｉｄ＊、ｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊、ｑ軸電流Ｉｑ、回転子の回転数ωの変化例を示す図である。なお、図３では、「切替制御期間」において電流指令値出力部１１からｄ軸電流指令値Ｉｄ＊としてゼロが出力されるとともにｑ軸電流指令値Ｉｑ＊として所定値Ｉｃ１が出力される場合を想定する。また、図３（ａ）～図３（ｄ）に示す２次元座標の横軸は時間を示し縦軸は電流を示している。また、図３（ａ）に示す実線はｄ軸電流指令値Ｉｄ＊を示し、図３（ｂ）に示す実線はｄ軸電流Ｉｄを示し、図３（ｃ）に示す実線はｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を示し、図３（ｄ）に示す実線はｑ軸電流Ｉｑを示している。また、図３（ｅ）に示す２次元座標の横軸は時間を示し縦軸は回転数を示している。また、図３（ｅ）に示す実線は推定部８により推定される回転数ω＾を示している。

まず、電流指令値出力部１１は、「位置合わせ期間」において、図３（ａ）に示すようにｄ軸電流指令値Ｉｄ＊として所定値Ｉｃ１を出力するとともに、図３（ｃ）に示すようにｑ軸電流指令値Ｉｑ＊としてゼロを出力する。すると、回転子のｄ軸が回転磁界の基準相に近づいていく。そして、回転子のｄ軸が回転磁界の基準相に一致すると、図３（ｅ）に示すように、「強制同期期間」において、回転数ω＾が徐々に上昇していく。

次に、電流指令値出力部１１は、回転数ω＾が閾値ωｔｈ以上になると、「切替制御期間」において、図３（ａ）に示すようにｄ軸電流指令値Ｉｄ＊としてゼロを出力するとともに、図３（ｃ）に示すようにｑ軸電流指令値Ｉｑ＊として所定値Ｉｃ１を出力する。すると、図３（ｂ）に示すように、ゼロを基準にしてｄ軸電流Ｉｄが発振した後、ｄ軸電流Ｉｄがゼロに収束していく。また、図３（ｄ）に示すように、所定値Ｉｃ１を基準にしてｑ軸電流Ｉｑが発振した後、ｑ軸電流Ｉｑが所定値Ｉｃ１に収束していく。

そして、電流指令値出力部１１は、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊としてゼロを出力するとともにｑ軸電流指令値Ｉｑ＊として所定値Ｉｃ１を出力した後、トルク指令値Ｔ＊に対応するｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を出力することにより、起動制御から通常制御に移行する。

このように、電動機Ｍの起動制御が開始されてから通常制御に移行するまでに所定時間を要する。そして、この起動にかかる時間を短縮する場合、ｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑをｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊に追従させるためのフィードバック制御のゲイン（例えば、式６及び式７のＫｐやＫｉ）を比較的大きくすることが考えられる。すなわち、フィードバック制御のゲインを比較的大きくすると、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊が所定値Ｉｃ１からゼロに変化するとともにｑ軸電流指令値Ｉｑ＊がゼロから所定値Ｉｃ１に変化してからｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑがｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊に収束するまでにかかる時間（「切替制御期間」）を短くすることができる。

しかしながら、フィードバック制御のゲインを比較的大きくすると、「切替制御期間」において、ｑ軸電流Ｉｑが比較的大きく発振し、電動機Ｍのトルクが必要以上に大きくなり、電動機Ｍの制御性が低下するおそれがある。

図４は、実施形態の電動機Ｍの起動時におけるｄ軸電流指令値Ｉｄ＊、ｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊、ｑ軸電流Ｉｑ、回転子の回転数ωの変化例を示す図である。なお、図４では、「切替制御期間」において電流指令値出力部１１からｄ軸電流指令値Ｉｄ＊としてゼロが出力されるとともにｑ軸電流指令値Ｉｑ＊として所定値Ｉｃ１より小さい所定値Ｉｃ２が出力される場合を想定する。また、図４（ａ）～図４（ｄ）に示す２次元座標の横軸は時間を示し縦軸は電流を示している。また、図４（ａ）に示す実線はｄ軸電流指令値Ｉｄ＊を示し、図４（ｂ）に示す実線はｄ軸電流Ｉｄを示し、図４（ｃ）に示す実線はｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を示し、図４（ｄ）に示す実線はｑ軸電流Ｉｑを示している。また、図４（ｅ）に示す２次元座標の横軸は時間を示し縦軸は回転数を示している。また、図４（ｅ）に示す実線は推定部８により推定される回転数ω＾を示している。また、図４に示す「位置合わせ期間」及び「強制同期期間」は、図３に示す「位置合わせ期間」及び「強制同期期間」と同様である。

実施形態の制御装置１では、図４（ｃ）に示すように、「切替制御期間」において、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊として所定値Ｉｃ２を電流指令値算出部１０から出力させる。

これにより、図３（ｄ）に示す「切替制御期間」におけるｑ軸電流Ｉｑに比べて、図４（ｄ）に示すように、「切替制御期間」において、ｑ軸電流Ｉｑが比較的大きくなることを抑えることができるため、電動機Ｍのトルクが必要以上に大きくなることを抑制することができ、電動機Ｍの制御性の低下を抑制することができる。また、図３（ｄ）に示す「切替制御期間」におけるｑ軸電流Ｉｑに比べて、図４（ｄ）に示すように、「切替制御期間」において、ｑ軸電流Ｉｑの発振を抑えることができる。また、「切替制御期間」において、ｑ軸電流Ｉｑの発振を抑えることができるため、図３（ｂ）に示す「切替制御期間」におけるｄ軸電流Ｉｄに比べて、図４（ｂ）に示すように、「切替制御期間」において、ｑ軸電流Ｉｑの変動の影響によるｄ軸電流Ｉｄの発振も抑えることができる。そのため、図３に示す「切替制御期間」に比べて、図４に示す「切替制御期間」を短くすることができ、電動機Ｍの起動時間の短縮化を図ることができる。

また、本発明は、以上の実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。

＜変形例１＞
変形例１の電流指令値出力部１１では、電動機Ｍの起動時の「切替制御期間」において、図５（ａ）及び図５（ｃ）に示すように、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊を所定値Ｉｃ１からゼロに変化させた後、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊をゼロから所定値Ｉｃ２に変化させる。

このように、「切替制御期間」において、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊をゼロに変化させた後、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を所定値Ｉｃ２に変化させることにより、ｄ軸電流Ｉｄをｄ軸電流指令値Ｉｄ＊にある程度収束させた後に、ｑ軸電流Ｉｑをｑ軸電流指令値Ｉｑ＊に収束させることができる。これにより、「切替制御期間」において、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊を所定値Ｉｃ１からゼロに変化させるタイミングと、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊をゼロから所定値Ｉｃ２に変化させるタイミングとが互いに同じである場合に比べて、図５（ｄ）に示すように、ｄ軸電流Ｉｄの変動の影響によるｑ軸電流Ｉｑの発振を抑えることができるため、電動機Ｍのトルクが必要以上に大きくなることをさらに抑制することができ、電動機Ｍの制御性の低下をさらに抑制することができる。

図６は、電動機Ｍの起動時における変形例１の電流指令値出力部１１の動作を示すフローチャートである。なお、図６に示すステップＳ１１～Ｓ１３、Ｓ１５は、図２に示すステップＳ１１～Ｓ１３、Ｓ１５と同じである。

まず、電流指令値出力部１１は、電動機Ｍの起動指示が入力されると（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊として所定値Ｉｃ１（第１の所定値）を出力するとともにｑ軸電流指令値Ｉｑ＊としてゼロを出力する（ステップＳ１２）。

次に、電流指令値出力部１１は、回転数ω＾が閾値ωｔｈ以上になると（ステップＳ１３：Ｙｅｓ）、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊としてゼロを出力した後（ステップＳ１４１）、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊として所定値Ｉｃ２（第２の所定値）を出力する（ステップＳ１４２）。

そして、電流指令値出力部１１は、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊としてゼロを出力するとともにｑ軸電流指令値Ｉｑ＊として所定値Ｉｃ２を出力した後、トルク指令値Ｔ＊に対応するｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を出力することにより、起動制御から通常制御に移行する（ステップＳ１５）。

＜変形例２＞
上記実施形態の電流指令値出力部１１では、図４や図５に示すように、電動機Ｍの起動時、回転子のｄ軸と回転磁界の基準相との位置合わせを実行した後、ｄ軸を基準相に追従させながら回転子を回転させる強制同期を実行している。図４や図５に示す「位置合わせ期間」では、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊として所定電流Ｉｃ１が出力されてからｄ軸が基準相と一致するまでに比較的長い時間がかかる。また、図４や図５に示す「強制同期期間」においても、回転数ω＾が上昇し始めてから回転数ω＾が閾値ωｔｈ以上になるまでに比較的長い時間がかかる。

そこで、変形例２の電流指令値出力部１１では、電動機Ｍの起動時、図７（ａ）に示すようにｄ軸電流指令値Ｉｄ＊として所定値Ｉｃ１より小さく、かつ、所定値Ｉｃ２より大きい所定値Ｉｃ３（第３の所定値）を出力するとともに図７（ｃ）に示すようにｑ軸電流指令値Ｉｄ＊としてゼロを出力することでｄ軸を回転磁界の基準相に追従させながら回転子を加速度ａ１（第１の加速度）で回転させる第１強制同期を実行する。次に、変形例２の電流指令値出力部１１は、図７（ａ）に示すようにｄ軸電流指令値Ｉｄ＊として所定値Ｉｃ１を出力するとともに図７（ｃ）に示すようにｑ軸電流指令値Ｉｄ＊としてゼロを出力することでｄ軸を基準相に追従させながら回転子を加速度ａ１より大きい加速度ａ２（第２の加速度）で回転させる第２強制同期を実行する。これにより、図７（ｅ）に示すように、回転数ω＾が閾値ωｔｈに近い状態で第１強制同期から第２強制同期に移行されるため、「第２強制同期期間」においてすぐに回転数ω＾が閾値ωｔｈ以上になり、「第２強制同期期間」を「強制同期期間」より短くすることができる。

このように、変形例２の電流指令値出力部１１は、電動機Ｍの起動時において、第１強制同期を実行した後、第２強制同期を実行する構成であるため、位置合わせを実行した後、強制同期を実行する場合に比べて、電動機Ｍの起動が開始されてから回転数ω＾が閾値ωｔｈ以上になるまでにかかる時間に対しても短縮化を図ることができ、電動機Ｍの起動時間をさらに短縮させることができる。

図８は、電動機Ｍの起動時における変形例２の電流指令値出力部１１の動作を示すフローチャートである。なお、図８に示すステップＳ１１～Ｓ１５は、図２に示すステップＳ１１～Ｓ１５と同じである。

まず、電流指令値出力部１１は、電動機Ｍの起動指示が入力されると（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊として所定値Ｉｃ３を出力するとともにｑ軸電流指令値Ｉｑ＊としてゼロを出力する（ステップＳ１２１）。なお、所定値Ｉｃ３は、回転子のｄ軸が回転磁界の基準相に追従しつつ回転子が加速度ａ１で回転しているときのｄ軸電流Ｉｄとする。

次に、電流指令値出力部１１は、推定部８により推定される回転数ω＾が閾値ωｔｈ´以上になると（ステップＳ１２２：Ｙｅｓ）、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊として所定値Ｉｃ１を出力するとともにｑ軸電流指令値Ｉｑ＊としてゼロを出力する（ステップＳ１２）。なお、変形例２における所定値Ｉｃ１は、回転子のｄ軸が回転磁界の基準相に追従しつつ回転子が加速度ａ２で回転しているときのｄ軸電流Ｉｄとする。また、閾値ωｔｈ´は、閾値ωｔｈより小さい任意の値とする。また、制御回路３は、第１強制同期を開始してから所定時間が経過すると、第２強制同期を実行するように構成してもよい。例えば、所定時間は、第１強制同期が開始されてから回転速度ωが閾値ωｔｈ´以上になるまでの時間とする。

次に、電流指令値出力部１１は、推定部８により推定される回転数ω＾が閾値ωｔｈ以上になると（ステップＳ１３：Ｙｅｓ）、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊としてゼロを出力するとともに、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊として所定値Ｉｃ２（第２の所定値）を出力する（ステップＳ１４）。

そして、電流指令値出力部１１は、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊としてゼロを出力するとともにｑ軸電流指令値Ｉｑ＊として所定値Ｉｃ２を出力した後、トルク指令値Ｔ＊に対応するｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を出力することにより、起動制御から通常制御に移行する（ステップＳ１５）。

なお、変形例２の電流指令値出力部１１は、変形例１の電流指令値出力部１１のように、回転数ω＾が閾値ωｔｈ以上になった場合、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊としてゼロを出力した後、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊として所定値Ｉｃ２を出力するように構成してもよい。これにより、電動機Ｍの制御性の低下をさらに抑制することができるとともに、電動機Ｍの起動時間をさらに短縮させることができる。

また、変形例２の電流指令値出力部１１は、回転数ω＾が閾値ωｔｈ以上になるまで、強制同期を複数回実行するとともに、強制同期の実行回数が増加するほど回転数ωの加速度を増加させるように構成してもよい。

１ 制御装置
２ インバータ回路
３ 制御回路
４ 記憶部
５ ドライブ回路
６ 演算部
７ 電流変換部
８ 推定部
９、１２、１３ 減算部
１０ トルク指令値算出部
１１ 電流指令値出力部
１４ 電圧指令値算出部
１５ 電圧指令値変換部

Claims (4)

1. 搬送波の電圧値と電圧指令値との比較結果により永久磁石電動機の回転子を駆動させるインバータ回路と、
   前記回転子の位置により前記永久磁石電動機に流れる電流をｄ軸電流及びｑ軸電流に変換する電流変換部と、
   前記ｄ軸電流及び前記ｑ軸電流により前記回転子の位置及び前記回転子の回転数を推定する推定部と、
   前記回転子の回転数と回転数指令値との差によりトルク指令値を算出するトルク指令値算出部と、
   前記トルク指令値によりｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を出力する電流指令値出力部と、
   前記ｄ軸電流と前記ｄ軸電流指令値との差が小さくなるようにｄ軸電圧指令値を算出するとともに前記ｑ軸電流と前記ｑ軸電流指令値との差が小さくなるようにｑ軸電圧指令値を算出する電圧指令値算出部と、
   前記回転子の位置により前記ｄ軸電圧指令値及び前記ｑ軸電圧指令値を前記電圧指令値に変換する電圧指令値変換部と、
   を備え、
   前記電流指令値出力部は、前記永久磁石電動機の起動時、前記ｄ軸電流指令値として第１の所定値を出力することにより前記回転子の回転数を増加させる強制同期を実行し、前記回転数が閾値以上になると、前記ｑ軸電流指令値としてゼロより大きく、かつ、前記第１の所定値より小さい第２の所定値を出力することにより前記永久磁石電動機のトルクを増加させる切替制御を実行する
   ことを特徴とする永久磁石電動機の制御装置。
2. 請求項１に記載の永久磁石電動機の制御装置であって、
   前記電流指令値出力部は、前記回転数が前記閾値以上になると、前記ｄ軸電流指令値としてゼロを出力した後、前記ｑ軸電流指令値として前記第２の所定値を出力する
   ことを特徴とする永久磁石電動機の制御装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の永久磁石電動機の制御装置であって、
   前記電流指令値出力部は、前記強制同期を複数回実行するとともに、前記強制同期の実行回数が増加するほど前記回転子の回転数の加速度を増加させる
   ことを特徴とする永久磁石電動機の制御装置。
4. 請求項１または請求項２に記載の永久磁石電動機の制御装置であって、
   前記電流指令値出力部は、前記電動機の起動時、前記ｄ軸電流指令値として前記第１の所定値より小さく、かつ、前記第２の所定値より大きい第３の所定値を出力するとともに前記ｑ軸電流指令値としてゼロを出力することで前記回転子のｄ軸を前記回転子の回転磁界の基準相に追従させながら前記回転子を第１の加速度で回転させる第１強制同期を実行した後、前記ｄ軸電流指令値として前記第１の所定値を出力するとともに前記ｑ軸電流指令値としてゼロを出力することで前記ｄ軸を前記基準相に追従させながら前記回転子を前記第１の加速度より大きい第２の加速度で回転させる第２強制同期を実行する
   ことを特徴とする永久磁石電動機の制御装置。

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