JP2023161406A - 同期機制御装置、同期機制御方法、および電気車 - Google Patents

Abstract

【課題】電圧制限の近傍で安定した電流制御を行うことができない。
【解決手段】同期機を駆動制御する同期機制御装置において、前記同期機に対する電流指令値と前記同期機に流れる実電流との差分を演算して比例積分制御によって電流指令値を生成する電流指令演算部と、前記電流指令演算部で生成された電流指令値に基づいて同軸電圧指令値および直交軸電圧指令値より成る電圧指令値を生成する電圧ベクトル演算部と、前記電圧指令値が所定の電圧制限値を超過しないように前記直交軸電圧指令値に優先して前記同軸電圧指令値を制限する電圧制限部と、前記電圧制限部による電圧制限に基づいて、前記電流指令値を補正するための電流指令値補正量を算出する補正量算出部とを備え、前記電流指令演算部は、前記電流指令値補正量に基づいて前記比例積分制御による前記電流指令値を補正する同期機制御装置。
【選択図】図３

Description

本発明は、同期機制御装置、同期機制御方法、および電気車に関する。

同期機、例えば同期モータの小型化等のために、同期モータの高速回転化および電圧利用率の向上が進んでいる。特に、電気自動車等の電気車においては、同期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。電圧利用率の向上を実現するために、同期モータを制御する同期機制御装置は、インバータの電圧制限値近傍までの高い電圧を用いるように制御しているが、電圧指令値が電圧制限値を超過しないように電圧を制限する必要がある。

従来行われている電圧の制限について、図１、図２を参照して説明する。図１は、電圧ベクトルをｄｑ軸座標で示す図である。電圧ベクトルは同軸に作用する同軸電圧ベクトル２１５（ｄ軸電流指令からｄ軸電圧に作用する成分２２３とｑ軸電流指令からｑ軸電圧に作用する成分２２４の合成成分）と直交軸に作用する直交軸電圧ベクトル２１３（ｄ軸電流指令からｑ軸電圧に作用する成分２２２とｑ軸電流指令からｄ軸電圧に作用する成分２２１との合成成分）に分けられる。同軸電圧ベクトル２１５と直交軸電圧ベクトル２１３の合成である電圧ベクトル２１１に対して、振幅が電圧制限値２１７に収まるように、電圧ベクトル２１１の方向（電圧位相角）は変更せずに振幅を制限して電圧ベクトル２１９とする。直交軸に作用する直交軸電圧ベクトル２１３はｄｑ軸間の干渉を抑制するが、直交軸電圧ベクトル２１３が制限されると、ｄｑ軸間の干渉成分によって、図２に示す、ｄ軸電流およびｑ軸電流の基本波のグラフのように、ｄ軸電流２０１およびｑ軸電流２０３に基本波周波数ｆ0の振動が発生する。

特許文献１には、電流検出値と電流指令値が一致するように第二の電流指令値を生成し、制御も含めたモータモデルの逆モデルによって電流制御を行う方式が提案されている。特許文献２には、磁束推定値と磁束指令値が一致するように第二の磁束指令値を生成し、制御も含めたモータモデルの逆モデルによって電流制御を行う方式が提案されている。非特許文献１には、トルク過渡応答を高めるアルゴリズムが提案されている。

特開２００８－１７３００６４号公報 特開２０２１－１５１００３号公報

「A dynamic decoupling control scheme for high-speed operation ofinduction motors」IEEE Transactions on IndustrialElectronics, Vol. 46, Iss. 1 (1999)

従来の制御では、電圧制限の近傍で安定した電流制御を行うことができない課題があった。

本発明による同期機制御装置は、同期機を駆動制御する同期機制御装置において、前記同期機に対する電流指令値と前記同期機に流れる実電流との差分を演算して比例積分制御によって電流指令値を生成する電流指令演算部と、前記電流指令演算部で生成された電流指令値に基づいて同軸電圧指令値および直交軸電圧指令値より成る電圧指令値を生成する電圧ベクトル演算部と、前記電圧指令値が所定の電圧制限値を超過しないように前記直交軸電圧指令値に優先して前記同軸電圧指令値を制限する電圧制限部と、前記電圧制限部による電圧制限に基づいて、前記電流指令値を補正するための電流指令値補正量を算出する補正量算出部とを備え、前記電流指令演算部は、前記電流指令値補正量に基づいて前記比例積分制御による前記電流指令値を補正する。
本発明による同期機制御装置は、同期機を駆動制御する同期機制御装置において、前記同期機に対する電流指令値から第一磁束指令値を生成する第一磁束指令演算部と、前記同期機に流れる実電流から磁束推定値を求める磁束推定部と、前記第一磁束指令値と前記磁束推定値との差分を演算して比例積分制御によって第二磁束指令値を生成する第二磁束指令演算部と、前記第二磁束指令値に基づいて同軸電圧指令値および直交軸電圧指令値より成る電圧指令値を生成する電圧ベクトル演算部と、前記電圧指令値が所定の電圧制限値を超過しないように前記直交軸電圧指令値に優先して前記同軸電圧指令値を制限する電圧制限部と、前記電圧制限部による電圧制限に基づいて、前記第二磁束指令値を補正するための磁束指令値補正量を算出する補正量算出部とを備え、前記第二磁束指令演算部は、前記磁束指令値補正量に基づいて前記比例積分制御による前記第二磁束指令値を補正する。
本発明による同期機制御方法は、同期機を駆動制御する同期機制御方法において、前記同期機に対する電流指令値と前記同期機に流れる実電流との差分を演算して比例積分制御によって電流指令値を生成し、前記生成された電流指令値に基づいて同軸電圧指令値および直交軸電圧指令値より成る電圧指令値を生成し、前記電圧指令値が所定の電圧制限値を超過しないように前記直交軸電圧指令値に優先して前記同軸電圧指令値を制限し、前記制限に基づいて、前記電流指令値を補正するための電流指令値補正量を算出し、前記制限により前記電圧制限値を超過した電圧超過分のうち、同軸成分の超過分に相当する電流指令値補正量に基づいて前記比例積分制御の同軸に掛かる積分器を補正する。

本発明によれば、電圧制限の近傍であっても安定した電流制御を実現できる。

背景技術における電圧ベクトルをｄｑ軸座標で示す図である。 背景技術におけるｄ軸電流およびｑ軸電流の基本波を示すグラフである。 第１の実施形態における同期機制御装置のブロック構成図である。 第１の実施形態における第二ｄｑ軸電流指令演算部の構成図である。 第１の実施形態における電圧ベクトル演算部の構成図である。 第１の実施形態における直交軸電圧ベクトルが電圧制限値以下の場合の電圧ベクトルをｄｑ軸座標で示す図である。 第１の実施形態における直交軸電圧ベクトルが電圧制限値より大きい場合の電圧ベクトルをｄｑ軸座標で示す図である。 第１の実施形態における例１に係る電圧制限部の構成図である。 第１の実施形態における例２に係る電圧制限部の構成図である。 第２の実施形態における補正量算出部の構成図である。 第２の実施形態における第２の実施形態における同期機制御装置のブロック構成図である。 第２の実施形態における第二ｄｑ軸磁束指令演算部の構成図である。 第２の実施形態における電圧ベクトル演算部の構成図である。 第２の実施形態における補正量算出部の構成図である。 第３の実施形態における電気車の構成図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。

以下の説明では同期機として、永久磁石同期モータ(Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ
Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ；ＰＭＳＭ)を例に説明するが、本発明の効果は永久磁石同期モータに限定されるものではなく、シンクロリラクタンスモータや永久磁石同期発電機、巻線型同期機といった同期機であれば同様の効果が得られる。以下、同期機をモータと称する。

また、以下の説明では、同期機制御装置１００、１００’を複数のブロック構成で説明するが、少なくとも一つ以上のブロック構成を、プログラムとプログラムを処理するプロセッサ（例えばＣＰＵ、ＧＰＵ）とにより実現してもよい。プログラムは、プロセッサ（例えばＣＰＵ、ＧＰＵ）によって実行されることで、定められた処理を、適宜に記憶資源（例えばメモリ）および／またはインターフェースデバイス（例えば通信ポート）等を用いながら行うため、処理の主体がプロセッサとされてもよい。同様に、プログラムを実行して行う処理の主体が、プロセッサを有するコントローラ、装置、システム、計算機、ノードであってもよい。プログラムを実行して行う処理の主体は、演算部であれば良く、特定の処理を行う専用回路（例えばＦＰＧＡやＡＳＩＣ）を含んでいてもよい。

プログラムは、プログラムソースから計算機のような装置にインストールされてもよい。プログラムソースは、例えば、プログラム配布サーバまたは計算機が読み取り可能な記憶メディアであってもよい。プログラムソースがプログラム配布サーバの場合、プログラム配布サーバはプロセッサと配布対象のプログラムを記憶する記憶資源を含み、プログラム配布サーバのプロセッサが配布対象のプログラムを他の計算機に配布してもよい。また、以下の説明において、２以上のプログラムが１つのプログラムとして実現されてもよいし、１つのプログラムが２以上のプログラムとして実現されてもよい。

［第１の実施形態]
図３は、本発明の第１の実施形態における同期機制御装置１００のブロック構成図である。
同期機制御装置１００は、電力変換器２を制御することによりモータ１を駆動する。電力変換器２にはバッテリなどの直流電圧源９から直流電力が供給される。同期機制御装置１００は、相電流検出器３、磁極位置検出器４、周波数演算部５、電流座標変換部７、第二ｄｑ軸電流指令演算部２４、補正量算出部２６、電圧制限部２８を備える。

電力変換器２は、インバータを構成し、バッテリなどの直流電圧源９からの直流電力を後述のゲート信号に従って交流電力に変換してモータ１を駆動する。インバータを構成する半導体スイッチング素子はＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、その他の電力用半導体素子である。

相電流検出器３は、ホールＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）等から成り、電力変換器２からモータ１に流れるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相の電流Ｉｕｃ、Ｉｖｃ、Ｉｗｃを検出する。
磁極位置検出器４は、レゾルバ等から成り、モータ１の磁極位置を検出して磁極位置情報θ*を出力する。

周波数演算部５は、磁極位置検出器４で検出された磁極位置情報θ＊から、例えば微分演算によって速度情報ω１＊を出力する。
電流座標変換部７は、相電流検出器３で検出した電流Ｉｕｃ、Ｉｖｃ、Ｉｗｃを磁極位置検出器４で検出した磁極位置情報θ＊で座標変換してｄ軸電流検出値Ｉｄｃ、ｑ軸電流検出値Ｉｑｃとして出力する。

第二ｄｑ軸電流指令演算部２４は、ｄ軸電流指令値Iｄ＊とｄ軸電流検出値Iｄｃが一致するように、またｑ軸電流指令値Iｑ＊とｑ軸電流検出値Iｑｃが一致するように、比例積分制御により第二ｄ軸電流指令値Iｄ＊＊、第二ｑ軸電流指令値Iｑ＊＊を出力する。すなわち、第二ｄｑ軸電流指令演算部２４は、モータ１に対する電流指令値とモータ１に流れる実電流との差分を演算して比例積分制御によって電流指令値を生成する。ただし、詳細は後述するが、補正量算出部２６による電流指令値補正量ｄＩｄ、ｄＩｑ、ｄＩｄ２、ｄＩｑ２によって、比例積分制御の積分項を補正する。

電圧ベクトル演算部１８は、第二ｄ軸電流指令値Iｄ＊＊、第二ｑ軸電流指令値Iｑ＊＊、速度情報ω１＊に基づいて、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊、ｄ軸同軸電圧指令値Ｖｄｓ＊、ｑ軸同軸電圧指令値Ｖｑｓ＊、ｄ軸直交軸電圧指令値Ｖｄｘ＊、ｑ軸直交軸電圧指令値Ｖｑｘ＊を電圧制限部２８へ出力する。また、ｄ軸同軸電圧指令値Ｖｄｓ＊、ｑ軸同軸電圧指令値Ｖｑｓ＊、ｄ軸直交軸電圧指令値Ｖｄｘ＊、ｑ軸直交軸電圧指令値Ｖｑｘ＊を補正量算出部２６へ出力する。すなわち、電圧ベクトル演算部１８は、第二ｄｑ軸電流指令演算部２４で生成された電流指令値に基づいて同軸電圧指令値および直交軸電圧指令値を生成する。詳細は後述する。

電圧制限部２８は、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊、ｄ軸同軸電圧指令値Ｖｄｓ＊、ｑ軸同軸電圧指令値Ｖｑｓ＊、ｄ軸直交軸電圧指令値Ｖｄｘ＊、ｑ軸直交軸電圧指令値Ｖｑｘ＊、直流電圧検出器６からの直流電圧情報Ｖｄｃが入力され、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を電圧制限する。そして、ｄ軸電圧指令値Ｖｄｌ＊、ｑ軸電圧指令値Ｖｑｌ＊を座標変換部１１へ出力する。電圧制限後のｄ軸同軸電圧Ｖｄｓｌ＊、電圧制限後のｑ軸同軸電圧Ｖｑｓｌ＊、ｄ軸直交軸電圧Ｖｄｘｌ＊、ｑ軸直交軸電圧Ｖｑｘｌ＊は、補正量算出部２６へ出力する。電圧制限部２８は、電圧指令値が所定の電圧制限値を超過しないように直交軸電圧指令値に優先して同軸電圧指令値を制限する。電圧制限部２８の詳細については後述する。

補正量算出部２６は、電圧ベクトル演算部１８より、ｄ軸同軸電圧指令値Ｖｄｓ＊、ｑ軸同軸電圧指令値Ｖｑｓ＊、ｄ軸直交軸電圧指令値Ｖｄｘ＊、ｑ軸直交軸電圧指令値Ｖｑｘ＊が入力され、電圧制限部２８より、ｄ軸同軸電圧Ｖｄｓｌ＊、ｑ軸同軸電圧Ｖｑｓｌ＊、ｄ軸直交軸電圧Ｖｄｘｌ＊、ｑ軸直交軸電圧Ｖｑｘｌ＊が入力される。そして、第二ｄｑ軸電流指令演算部２４がアンチワインドアップ制御を実現するための電流指令値補正量ｄＩｄ、ｄＩｑ、ｄＩｄ２、ｄＩｑ２を演算する。すなわち、補正量算出部２６は、電圧制限部２８による制限に基づいて、電流指令値を補正するための電流指令値補正量を算出する。詳細は後述する。

座標変換部１１は、電圧制限部２８で出力したｄ軸電圧指令値Ｖｄｌ＊、ｑ軸電圧指令値Ｖｑｌ＊を磁極位置検出器４で検出された磁極位置情報θ＊で座標変換して三相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を出力する。ＰＷＭ制御器１２は、三相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊と直流電圧検出器６により検出された直流電圧源９の直流電圧情報Ｖｄｃとを用いて、例えば三角波比較を行ってゲート信号を電力変換器２へ出力する。

図４は、第二ｄｑ軸電流指令演算部２４の構成図である。
第二ｄｑ軸電流指令演算部２４は、ｄ軸電流指令値Iｄ＊が入力される比例積分制御部５０とｑ軸電流指令値Iｑ＊が入力される比例積分制御部６０とを備える。

第二ｄｑ軸電流指令演算部２４の比例積分制御部５０は、電流指令値補正量ｄＩｄ、ｄＩｄ２に基づいて比例積分制御によるｄ軸電流指令値Iｄ＊を補正して、第二ｄ軸電流指令値Iｄ＊＊を出力する。具体的には、減算器５１は、ｄ軸電流指令値Iｄ＊からｄ軸電流検出値Iｄｃを減算する。その結果は、比例制御ゲイン５７を介して加算器５９の一方へ入力される。また、減算器５１による減算結果は、積分制御ゲイン５５の出力から減算器５２で電流指令値補正量ｄＩｄを減算し、積分器５３へ入力される。積分器５３は、電流指令値補正量ｄＩｄ２を積分器５３から減算して、加算器５９の他方へ入力する。加算器５９の加算結果は第二ｄ軸電流指令値Iｄ＊＊として出力される。

第二ｄｑ軸電流指令演算部２４の比例積分制御部６０は、電流指令値補正量ｄＩｑ、ｄＩｑ２に基づいて比例積分制御によるｑ軸電流指令値Iｑ＊を補正して、第二ｄ軸電流指令値Iｑ＊＊を出力する。具体的には、減算器６１は、ｑ軸電流指令値Iｑ＊からｑ軸電流検出値Iｑｃを減算する。その結果は、比例制御ゲイン６７を介して加算器６９の一方へ入力される。また、減算器６１による減算結果は、積分制御ゲイン６５の出力から減算器６２で電流指令値補正量ｄＩｑを減算し、積分器６３へ入力される。積分器６３は、電流指令値補正量ｄＩｑ２を積分器６３から減算して、加算器５９の他方へ入力する。加算器５９の出力結果は第二ｄ軸電流指令値Iｑ＊＊として出力される。

図５は、電圧ベクトル演算部１８の構成図である。
電圧ベクトル演算部１８は、式（１）に示したモータモデルの逆モデルに基づいて構成される。

ここで、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、Ｒは巻線抵抗、ｓは微分演算子、Ｋｅは速度起電力係数である。

電圧ベクトル演算部１８は、図５に示すように、第二ｄ軸電流指令値Iｄ＊＊、第二ｑ軸電流指令値Iｑ＊＊、速度情報ω１＊が入力され、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊、ｄ軸同軸電圧指令値Ｖｄｓ＊、ｑ軸同軸電圧指令値Ｖｑｓ＊、ｄ軸直交軸電圧指令値Ｖｄｘ＊、ｑ軸直交軸電圧指令値Ｖｑｘ＊を出力する。

図５に示すように、第二ｄ軸電流指令値Iｄ＊＊と巻線抵抗４６の乗算結果は加算器４７の一方へ入力される。第二ｄ軸電流指令値Iｄ＊＊と微分演算子ｓ×ｄ軸インダクタンスＬｄの乗算結果４５は加算器４７の他方へ入力される。加算器４７に入力された両者の加算結果はｄ軸同軸電圧指令値Ｖｄｓ＊として出力されるとともに、加算器４９の一方に入力される。

第二ｑ軸電流指令値Iｑ＊＊と巻線抵抗３６の乗算結果は加算器３７の一方へ入力される。第二ｑ軸電流指令値Iｑ＊＊と（微分演算子ｓ）×（ｑ軸インダクタンスＬｑ）との乗算結果３５は加算器３７の他方へ入力される。加算器３７に入力された両者の加算結果はｑ軸同軸電圧指令値Ｖｑｓ＊として出力されるとともに、加算器３９の一方に入力される。

さらに、第二ｄ軸電流指令値Iｄ＊＊とｄ軸インダクタンスＬｄの乗算結果４４は乗算器３８の一方へ入力され、他方に入力された速度情報ω１＊と乗算される。この乗算結果は、速度情報ω１＊×速度起電力係数Ｋｅと加算器３３で加算され、ｑ軸直交軸電圧指令値Ｖｑｘ＊として出力される。このｑ軸直交軸電圧指令値Ｖｑｘ＊は、ｑ軸同軸電圧指令値Ｖｑｓ＊と加算器３９で加算され、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊として出力される。

第二ｑ軸電流指令値Iｑ＊＊と負のｑ軸インダクタンスＬｑの乗算結果３４は乗算器４８の一方へ入力され、他方に入力された速度情報ω１＊と乗算される。この乗算結果は、ｄ軸直交軸電圧指令値Ｖｄｘ＊として出力される。このｄ軸直交軸電圧指令値Ｖｄｘ＊は、ｄ軸同軸電圧指令値Ｖｄｓ＊と加算器４９で加算され、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊として出力される。

図６は、本実施形態における電圧ベクトルをｄｑ軸座標で示す図である。直交軸電圧ベクトル(直交成分)が電圧制限値以下の場合を示す。電圧ベクトルは同軸に作用する同軸電圧ベクトル(同軸成分)２１５と直交軸に作用する直交軸電圧ベクトル(直交成分)２１３に分けられる。

図６に示すように、電圧制限部２８は、同軸電圧ベクトル２１５と直交軸電圧ベクトル２１３の合成である電圧ベクトル２１１に対して、振幅が電圧制限値２１７に収まるように、直交軸電圧ベクトル(直交成分)２１３を優先して、同軸電圧ベクトル(同軸成分)２１５を制限する。この結果、同軸電圧ベクトル(同軸成分)２１５は、同軸電圧ベクトル(同軸成分)２１５Ａに制限される。これにより、電圧ベクトル２１１は電圧ベクトル２１１Ａとなり、電圧制限値２１７内に収まる。直交成分は非干渉項に相当するため、直交成分を維持することでモータ１の軸間干渉による基本波周波数の振動を抑制することができる。

図７は、本実施形態における電圧ベクトルをｄｑ軸座標で示す図である。直交軸電圧ベクトル(直交成分)が電圧制限値より大きい場合を示す。
図７に示すように、直交成分２１３が電圧制限値２１７よりも大きい場合には直交成分２１３の方向を維持したまま振幅を下げて、直交成分２１３Ｂとする。そして、電圧ベクトル２１１に対して、振幅が電圧制限値２１７に収まるように、直交軸電圧ベクトル(直交成分)２１３Ｂを優先して、同軸電圧ベクトル(同軸成分)２１５を同軸電圧ベクトル(同軸成分)２１５Ｂに制限する。これにより、非干渉成分を小さくすることができる。

図８は、例１に係る電圧制限部２８の構成図である。例１は、図６に示した直交軸電圧ベクトル(直交成分)が電圧制限値以下である条件下で適用される。モータ１がこの条件を常に満たす場合は例１に示す構成を採用することができる。

図６において、電圧制限後の電圧ベクトル２１１Ａの振幅をＶｌｉｍとすると、以下の式（２）が成り立つ。

なお、Ｖｄｘ＊はｄ軸直交軸電圧指令値２２１、Ｖｑｘ＊はｑ軸直交軸電圧指令値２２２を表す。また、Ｖｄｓｌ＊は、電圧制限後のｄ軸同軸電圧指令値２２５、Ｖｑｓｌ＊は、電圧制限後のｑ軸同軸電圧指令値２２６を表す。

ここで、直交軸電圧ベクトル２１３の振幅Ｖｘ、位相角θｘおよび電圧制限後の同軸電圧ベクトル２１５Ａの振幅Ｖｓｌ、位相角θｓ（ただし、同軸電圧ベクトル２１５の位相角θｓと同軸電圧ベクトル２１５Ａの位相角θｓｌは同等であるためθｓｌではなくθｓと表す）を用いると、式（２）は式（３）となる。

式（３）を変形すると式（４）となる。

この式（４）より、同軸電圧ベクトル２１５Ａの振幅Ｖｓｌを求めると式（５）となる。

図８に示す電圧制限部２８は、式（５）を基に図６に示す電圧制限を行う。
まず、振幅・位相角演算部７５により、直交軸電圧ベクトル２１３の振幅Ｖｘ、位相角θｘを演算する。さらに、振幅・位相角演算部７６を用いて、同軸電圧ベクトル２１５の位相角θｓを演算する。

振幅・位相角演算部７５は、入力されたｄ軸直交軸電圧指令値Ｖｄｘ＊、ｑ軸直交軸電圧指令値Ｖｑｘ＊を基に、直交軸電圧ベクトル２１３の振幅Ｖｘを式（６）により演算する。

振幅・位相角演算部７５は、入力されたｄ軸直交軸電圧指令値Ｖｄｘ＊、ｑ軸直交軸電圧指令値Ｖｑｘ＊を基に、直交軸電圧ベクトル２１３の位相角θｘを式（７）により演算する。

振幅・位相角演算部７６は、入力されたｄ軸同軸電圧指令値Ｖｄｓ＊、ｑ軸同軸電圧指令値Ｖｑｓ＊を基に、同軸電圧ベクトル２１５の位相角θｓを式（８）により演算する。

制限値演算部８２は、インバータ直流電圧Ｖｄｃを基に電圧制限値Ｖｌｉｍを式（９）により演算する。

なお、電圧制限値Ｖｌｉｍは式（９）によらず、例えば、式（９）の値に数パーセントのマージンを持たせたり、過変調領域を用いるために、数パーセント増加させる等、制限したい電圧に設定する。

式（６）～式（９）で演算したＶｘ、θｘ、θｓ、Ｖｌｉｍを基に、式（５）を実現する以下の回路により同軸電圧ベクトル２１５Ａの振幅Ｖｓｌを求める。
式（５）を実現する回路は、図８に示す、減算器８３、正弦波生成部９１、余弦波生成部９２、乗算器９５、９６、二乗差平方根演算部８５、減算器８７である。減算器８３は、θｘ－θｓを演算し、正弦波生成部９１および余弦波生成部９２へ出力する。乗算器９５は、正弦波生成部９１の出力とＶｘを乗算して、二乗差平方根演算部８５へ出力する。二乗差平方根演算部８５は、二乗差平方根を演算して減算器８７へ出力する。乗算器９６は、余弦波生成部９２の出力とＶｘを乗算して、減算器８７へ出力する。減算器８７は、二乗差平方根演算部８５の演算結果から減算器８７の演算結果を減算して式（５）に示すＶｓｌを求める。

さらに、乗算器８８は、Ｖｓｌと余弦波生成部９３の演算結果とを乗算して電圧制限後のｄ軸同軸電圧Ｖｄｓｌ＊を演算する。乗算器８９は、Ｖｓｌと正弦波生成部９４の演算結果とを乗算して電圧制限後のｑ軸同軸電圧Ｖｑｓｌ＊を演算する。

加算器９７は、Ｖｄｓｌ＊にＶｄｘ＊を加算して電圧制限後のｄ軸電圧指令値Ｖｄｌ０＊を演算する。加算器９８は、Ｖｑｓｌ＊にＶｑｘ＊を加算して電圧制限後のｑ軸電圧指令値Ｖｑｌ０＊を演算する。

最後に、電圧選択部９９は、電圧振幅が電圧制限値Ｖｌｉｍ以下の場合には、Ｖｄ＊、Ｖｑ＊をそのままｄ軸電圧指令値Ｖｄｌ＊、ｑ軸電圧指令値Ｖｑｌ＊として出力し、電圧振幅が電圧制限値Ｖｌｉｍよりも大きい場合には、リミット後の値Ｖｄｌ０、Ｖｑｌ０をｄ軸電圧指令値Ｖｄｌ＊、ｑ軸電圧指令値Ｖｑｌ＊として出力する。なお、電圧制限後のｄ軸同軸電圧Ｖｄｓｌ＊、電圧制限後のｑ軸同軸電圧Ｖｑｓｌ＊は、補正量算出部２６へ出力される。

図９は、例２に係る電圧制限部２８の構成図である。例２は、図７に示した直交軸電圧ベクトル(直交成分)が電圧制限より大きい条件下でも適用可能な構成である。図８に示した例１と同一の箇所には同一の符号を附して説明を簡略に行う。

図７に示すように、電圧制限後の合成ベクトル２１３Ｂは直交軸電圧ベクトル２１３と同じ方向（同じ電圧位相角）で振幅のみ制限されている。そこで、制限部７７は、ＶｘをＶｌｉｍに制限してＶｘｌを出力する。二乗差平方根演算部８５は、式（５）でＶｘの代わりにＶｘｌを用いてＶｓｌを演算して減算器８７へ出力する。式（５）でＶｘの代わりにＶｘｌを用いてＶｓｌを演算すると、Ｖｓｌは常に０になる。

また、余弦波生成部７８には、直交軸電圧ベクトル２１３の位相角θｘが入力される。乗算器８０は、余弦波生成部７８の出力と制限後のＶｘｌを乗算して、ｄ軸直交軸電圧Ｖｄｘｌ＊として出力する。正弦波生成部７９には、直交軸電圧ベクトル２１３の位相角θｘが入力される。乗算器８１は、正弦波生成部７９の出力と制限後のＶｘｌを乗算して、ｑ軸直交軸電圧Ｖｑｘｌ＊として出力する。

また、加算器９７は、Ｖｄｓｌ＊にＶｄｘｌ＊を加算して電圧制限後のｄ軸電圧指令値Ｖｄｌ０＊を演算する。加算器９８は、Ｖｑｓｌ＊にＶｑｘｌ＊を加算して電圧制限後のｑ軸電圧指令値Ｖｑｌ０＊を演算する。

最後に、電圧選択部９９は、電圧振幅が電圧制限値Ｖｌｉｍ以下の場合には、Ｖｄ＊、Ｖｑ＊をそのままｄ軸電圧指令値Ｖｄｌ＊、ｑ軸電圧指令値Ｖｑｌ＊として出力し、電圧振幅が電圧制限値Ｖｌｉｍよりも大きい場合には、リミット後の値Ｖｄｌ０＊、Ｖｑｌ０＊をｄ軸電圧指令値Ｖｄｌ＊、ｑ軸電圧指令値Ｖｑｌ＊として出力する。なお、電圧制限後のｄ軸同軸電圧Ｖｄｓｌ＊、電圧制限後のｑ軸同軸電圧Ｖｑｓｌ＊、ｄ軸直交軸電圧Ｖｄｘｌ＊、ｑ軸直交軸電圧Ｖｑｘｌ＊は、補正量算出部２６へ出力される。これにより、図９に示す例２の電圧制限部２８は、図７に示した直交軸電圧ベクトル(直交成分)が電圧制限より大きい条件、および図６に示した直交軸電圧ベクトル(直交成分)が電圧制限値Ｖｌｉｍ以下である条件でも適用可能になる。

図１０は、補正量算出部２６の構成図である。この補正量算出部２６は、図９に示した例２の電圧制限部２８に接続される。
図１０に示すように、減算器２５１は、電圧ベクトル演算部１８より出力されたｄ軸同軸電圧指令値Ｖｄｓ＊から電圧制限部２８より出力されたｄ軸同軸電圧Ｖｄｓｌ＊を減算する。これは、電圧制限値Ｖｌｉｍを超過した電圧超過分である。この減算結果は、ゲイン２６１によりｄ軸インダクタンスＬｄで除算され、電流指令値補正量ｄＩｄとして、第二ｄｑ軸電流指令演算部２４へ出力される。また、減算器２５３は、電圧ベクトル演算部１８より出力されたｑ軸同軸電圧指令値Ｖｑｓ＊から電圧制限部２８より出力されたｑ軸同軸電圧Ｖｑｓｌ＊を減算する。この減算結果は、ゲイン２６３によりｑ軸インダクタンスＬｑで除算され、電流指令値補正量ｄＩｑとして、第二ｄｑ軸電流指令演算部２４へ出力される。電流指令値補正量ｄＩｄ、ｄＩｑは、電圧制限によりｄｑ軸同軸電圧が制限されて電圧制限値を超過した電圧超過分を表している。

この補正量算出部２６が、図８に示した例１の電圧制限部２８と接続される場合は、補正量算出部２６は、以上説明した電流指令値補正量ｄＩｄ、ｄＩｑを出力する構成であればよい。以下、この場合について説明する。

電圧ベクトルの同軸成分は主に電流を変化させるための電圧であり、それが制限されると電流が変化しないことになる。図４に示す第二ｄｑ軸電流指令演算部２４の比例積分制御部５０、６０における積分器５３、６３は、電流が積分ゲインＫＩで変化することを想定して動作しているので、電圧が制限された場合、第二の電流指令値と電流に差が生じてしまう。これを防ぐために、電圧が制限されて変化したことによって電流が変化しない分を、すなわち電流指令値補正量ｄＩｄ、ｄＩｑを減算器５２、６２で減算する。具体的には、第二ｄｑ軸電流指令演算部２４は、電圧制限により電圧制限値Ｖｌｉｍを超過した電圧超過分のうち、同軸成分の超過分に相当する電流指令値補正量ｄＩｄに基づいて比例積分制御の同軸に掛かる積分器５３を補正する。さらに、第二ｄｑ軸電流指令演算部２４は、電圧制限により電圧制限値Ｖｌｉｍを超過した電圧超過分のうち、直交軸成分の超過分に相当する電流指令値補正量ｄＩｑに基づいて比例積分制御の直交軸に掛かる積分器６３を補正する。これによって、電圧制限値Ｖｌｉｍによって第二の電流指令値と電流に差が生じることを防ぐことができる。

図１０の説明に戻る。減算器２５５は、電圧ベクトル演算部１８より出力されたｄ軸直交軸電圧指令値Ｖｄｘ＊から電圧制限部２８より出力されたｄ軸直交軸電圧Ｖｄｘｌ＊を減算する。この減算結果は、加算器２５９の一方へ入力される。加算器２５９の他方にはｄ軸同軸電圧指令値Ｖｄｓ＊からｄ軸同軸電圧Ｖｄｓｌ＊が減算された減算結果が入力される。そして、両者は加算器２５９で加算される。この加算結果は、ゲイン２６５によりｑ軸インダクタンスＬｑで除算され、速度情報ω１＊を用いて除算器２７１で除算してゲイン２７５で符号を反転して電流指令値補正量ｄＩｑ２として出力する。ｄＩｑ２は符号が逆になるのでゲイン２７５で符号を反転している。これにより、電圧制限値を超過した電圧超過分のうち、ｄ軸の同軸方向の電圧超過分に相当する電流指令値補正量ｄＩｑ２が求められる。

さらに、減算器２５７は、電圧ベクトル演算部１８より出力されたｑ軸直交軸電圧指令値Ｖｑｘ＊から電圧制限部２８より出力されたｑ軸直交軸電圧Ｖｑｘｌ＊を減算する。この減算結果は、ゲイン２６７によりｄ軸インダクタンスＬｄで除算され、速度情報ω１＊を用いて除算器２７３で除算され、その結果は電流指令値補正量ｄＩｄ２として出力される。

図９に示した例２の電圧制限部２８と接続される補正量算出部２６は、図７に示すように、直交軸成分が電圧制限値を超えた場合に、直交軸成分を小さくする必要がある。ただし、直交軸成分の方向を維持したまま振幅を絞るだけでは、電流制御が効かなくなる。直交軸成分が電圧制限値に掛かった場合には弱め磁束電流を流して電圧ベクトルを小さくする必要があるため、ｄ軸側の比例積分制御を維持する必要がある。減算器２５１により、ｄ軸同軸電圧指令値Ｖｄｓ＊からｄ軸同軸電圧Ｖｄｓｌ＊を減算された値は、ｄ軸の同軸方向の電圧制限値を超過した電圧超過分である。すなわち、電流指令値補正量ｄＩｄ２は、このd軸の同軸成分の超過分を含む。図４に示す第二ｄｑ軸電流指令演算部２４の比例積分制御部６０は、電流指令値補正量ｄＩｑ２を積分器６３から減算する。すなわち、第二ｄｑ軸電流指令演算部２４は、電圧超過分のうち、ｄ軸の同軸方向の電圧超過分に相当する電流指令値補正量に基づいてｑ軸に掛かる積分器６３を補正する。

これにより、第二ｄｑ軸電流指令演算部２４は、ｄ軸側の同軸成分を考慮してｄ軸電流制御が維持できる余裕を与える。図７に示すように、直交軸成分が電圧制限値を超えるのは、モータ１の速度が急激に上昇した場合や直流電圧源９の電圧が急激に下がった場合であり、具体的には、電気自動車などの電気車のように空転で速度が急上昇する場合である。このように、直交軸成分が電圧制限値を超えた場合でも弱め磁束制御が働いて電流制御が効かなくなるのを防ぐことができる。

本実施形態によれば、電流指令値に基づく電圧指令値を制限した場合に、電圧制限の近傍であっても安定した電流制御を実現できる。

［第２の実施形態]
図１１は、本発明の第２の実施形態における同期機制御装置１００’のブロック構成図である。第１の実施形態では、電流指令値に基づく電圧指令値を制限した場合の例を説明したが、第２の実施形態では、磁束指令値に基づく電圧指令値を制限した場合の例を説明する。図３に示した第１の実施形態における同期機制御装置１００と同一の個所には同一の符号を付してその説明を簡略に行う。

図１１に示すように、同期機制御装置１００’は、電力変換器２、相電流検出器３、磁極位置検出器４、周波数演算部５、電流座標変換部７、第一ｄｑ軸磁束指令演算部２１、ｄｑ軸磁束推定部２３、第二ｄｑ軸磁束指令演算部２５、補正量算出部２７、電圧制限部２８、を備える。

ｄｑ軸磁束推定部２３は、電流座標変換部７から出力されたｄ軸検出値Ｉｄｃ、ｑ軸検出値Ｉｑｃを用いて、例えばルックアップテーブルを参照してｄ軸磁束推定値φｄ、ｑ軸磁束推定値φｑを推定する。第一ｄｑ軸磁束指令演算部２１は、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を用いて、例えばルックアップテーブルを参照して第一ｄ軸磁束指令値φｄ＊、第一ｑ軸磁束指令値φｑ＊を出力する。

第二ｄｑ軸磁束指令演算部２５は、第一ｄ軸磁束指令値φｄ＊、第一ｑ軸磁束指令値φｑ＊とｄ軸磁束推定値φｄ、ｑ軸磁束推定値φｑが一致するように、比例積分制御により、第二ｄ軸磁束指令値φｄ＊＊、第二ｑ軸磁束指令値φｑ＊＊を出力する。さらに、第二ｄｑ軸磁束指令演算部２５には、補正量算出部２７より磁束指令値補正量ｄφｄ、dφｑ、ｄφｄ２、ｄφｑ２が入力され、アンチワインドアップ制御に用いられる。詳細は後述する。

電圧ベクトル演算部１９は、第二ｄ軸磁束指令値φｄ＊＊、第二ｑ軸磁束指令値φｑ＊＊、速度情報ω１＊に基づいて、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊、ｄ軸同軸電圧指令値Ｖｄｓ＊、ｑ軸同軸電圧指令値Ｖｑｓ＊、ｄ軸直交軸電圧指令値Ｖｄｘ＊、ｑ軸直交軸電圧指令値Ｖｑｘ＊を電圧制限部２８へ出力する。また、ｄ軸同軸電圧指令値Ｖｄｓ＊、ｑ軸同軸電圧指令値Ｖｑｓ＊、ｄ軸直交軸電圧指令値Ｖｄｘ＊、ｑ軸直交軸電圧指令値Ｖｑｘ＊を補正量算出部２７へ出力する。すなわち、電圧ベクトル演算部１９は、第二ｄｑ軸磁束指令演算部２５で生成された第二磁束指令値に基づいて同軸電圧指令値および直交軸電圧指令値を生成する。

電圧制限部２８は、ｑ軸電圧指令値Ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊、ｄ軸同軸電圧指令値Ｖｄｓ＊、ｑ軸同軸電圧指令値Ｖｑｓ＊、ｄ軸直交軸電圧指令値Ｖｄｘ＊、ｑ軸直交軸電圧指令値Ｖｑｘ＊、直流電圧検出器６からの直流電圧情報Ｖｄｃが入力され、ｑ軸電圧指令値Ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を電圧制限する。そして、ｄ軸電圧指令値Ｖｄｌ＊、ｑ軸電圧指令値Ｖｑｌ＊を座標変換部１１へ出力する。電圧制限後のｄ軸同軸電圧Ｖｄｓｌ＊、電圧制限後のｑ軸同軸電圧Ｖｑｓｌ＊、ｄ軸直交軸電圧Ｖｄｘｌ＊、ｑ軸直交軸電圧Ｖｑｘｌ＊は、補正量算出部２７へ出力する。電圧制限部２８は、電圧指令値が所定の電圧制限値を超過しないように直交軸電圧指令値に優先して同軸電圧指令値を制限する。この電圧制限部２８の詳細な構成は、図９、図１０に示した構成と同様であるのでその図示を省略する。

補正量算出部２７は、電圧ベクトル演算部１９より、ｄ軸同軸電圧指令値Ｖｄｓ＊、ｑ軸同軸電圧指令値Ｖｑｓ＊、ｄ軸直交軸電圧指令値Ｖｄｘ＊、ｑ軸直交軸電圧指令値Ｖｑｘ＊が入力され、電圧制限部２８より、ｄ軸同軸電圧Ｖｄｓｌ＊、ｑ軸同軸電圧Ｖｑｓｌ＊、ｄ軸直交軸電圧Ｖｄｘｌ＊、ｑ軸直交軸電圧Ｖｑｘｌ＊が入力される。そして、第二ｄｑ軸磁束指令演算部２５がアンチワインドアップ制御を実現するための磁束指令値補正量ｄφｄ、dφｑ、ｄφｄ２、ｄφｑ２を演算する。すなわち、補正量算出部２７は、電圧制限部２８による制限に基づいて、磁束指令値を補正するための磁束指令値補正量を算出する。詳細は後述する。

座標変換部１１は、電圧制限部２８で出力したｄ軸電圧指令値Ｖｄｌ＊、ｑ軸電圧指令値Ｖｑｌ＊を磁極位置検出器４で検出された磁極位置情報θ＊で座標変換して三相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を出力する。ＰＷＭ制御器１２は、三相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊と直流電圧検出器６で検出された直流電圧源９の直流電圧情報Ｖｄｃとを用いて、例えば三角波比較を行ってゲート信号を電力変換器２へ出力する。

図１２は、第二ｄｑ軸磁束指令演算部２５の構成図である。
第二ｄｑ軸磁束指令演算部２５は、第一ｄ軸磁束指令値φｄ＊が入力される比例積分制御部５０’と第一ｑ軸磁束指令値φｑ＊が入力される比例積分制御部６０’とを備える。

第二ｄｑ軸磁束指令演算部２５の比例積分制御部５０’は、磁束指令値補正量ｄφｄ、ｄφｄ２に基づいて比例積分制御による第一ｄ軸磁束指令値φｄ＊を補正して、第二ｄ軸磁束指令値φｄ＊＊を出力する。具体的には、減算器１５１は、第一ｄ軸磁束指令値φｄ＊からｄ軸磁束推定値φｄを減算する。その結果は、比例制御ゲイン１５７を介して加算器１５９の一方へ入力される。また、減算器１５１による減算結果は、積分制御ゲイン１５５の出力から減算器１５２で磁束指令値補正量ｄφｄを減算し、積分器１５３へ入力される。積分器１５３は、磁束指令値補正量ｄφｄ２を積分器１５３から減算して、加算器１５９の他方へ入力する。加算器１５９の加算結果は第二ｄ軸磁束指令値φｄ＊＊として出力される。

第二ｄｑ軸磁束指令演算部２５の比例積分制御部６０’は、磁束指令値補正量ｄφｑ、ｄφｑ２に基づいて比例積分制御による第一ｑ軸磁束指令値φｑ＊を補正して、第二ｑ軸磁束指令値φｑ＊＊を出力する。具体的には、減算器１６１は、第一ｑ軸磁束指令値φｑ＊からｑ軸磁束推定値φｑを減算する。その結果は、比例制御ゲイン１６７を介して加算器１６９の一方へ入力される。また、減算器１６１による減算結果は、積分制御ゲイン１６５の出力から減算器１６２で磁束指令値補正量ｄφｑを減算し、積分器１６３へ入力される。積分器１６３は、磁束指令値補正量ｄφｑ２を積分器１６３から減算して、加算器１６９の他方へ入力する。加算器１６９の加算結果は第二ｑ軸磁束指令値φｑ＊＊として出力される。

図１３は、電圧ベクトル演算部１９の構成図である。
電圧ベクトル演算部１９は、式（１０）に示したモータモデルの逆モデルに基づいて構成される。

ここで、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、Ｒは巻線抵抗、ｓは微分演算子、Ｋｅは速度起電力係数である。

電圧ベクトル演算部１９は、図１３に示すように、第二ｄ軸磁束指令値φｄ＊＊、第二ｑ軸磁束指令値φｑ＊＊、速度情報ω１＊を入力し、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊、ｄ軸同軸電圧指令値Ｖｄｓ＊、ｑ軸同軸電圧指令値Ｖｑｓ＊、ｄ軸直交軸電圧指令値Ｖｄｘ＊、ｑ軸直交軸電圧指令値Ｖｑｘ＊を出力する。

図１３に示すように、第二ｄ軸磁束指令値φｄ＊＊は、微分演算子ｓと乗算されて加算器１４７の一方へ入力される。また、第二ｄ軸磁束指令値φｄ＊＊は、減算器１４４で速度起電力係数Ｋｅが減算され、その結果は、巻線抵抗Ｒをｄ軸インダクタンスＬｄで除算した値と乗算されて加算器１４７の他方へ入力される。加算器１４７による加算結果は、ｄ軸同軸電圧指令値Ｖｄｓ＊として出力される。さらに、第二ｄ軸磁束指令値φｄ＊＊は、乗算器１３８で速度情報ω１＊と乗算され、その結果はｑ軸直交軸電圧指令値Ｖｑｘ＊として出力される。

第二ｑ軸磁束指令値φｑ＊＊は、微分演算子ｓと乗算されて加算器１３７の一方へ入力される。また、第二ｑ軸磁束指令値φｑ＊＊は、巻線抵抗Ｒをｑ軸インダクタンスＬｑで除算した値と乗算されて加算器１３７の他方へ入力される。加算器１３７による加算結果は、ｑ軸同軸電圧指令値Ｖｑｓ＊として出力される。さらに、第二ｑ軸磁束指令値φｑ＊＊は、乗算器１４８で速度情報ω１＊と乗算され、その結果はｄ軸直交軸電圧指令値Ｖｄｘ＊として出力される。

ｄ軸同軸電圧指令値Ｖｄｓ＊は、減算器１４９でｄ軸直交軸電圧指令値Ｖｄｘ＊と減算され、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊として出力される。ｑ軸同軸電圧指令値Ｖｑｓ＊は、加算器１３９でｑ軸直交軸電圧指令値Ｖｑｘ＊と加算され、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊として出力される。

図１４は、補正量算出部２７の構成図である。この補正量算出部２７は、図９に示した例２の電圧制限部２８に接続される。

図１４に示すように、減算器２５１は、電圧ベクトル演算部１９より出力されたｄ軸同軸電圧指令値Ｖｄｓ＊から電圧制限部２８より出力されたｄ軸同軸電圧Ｖｄｓｌ＊を減算する。これは、電圧制限値Ｖｌｉｍを超過した電圧超過分である。この減算結果は磁束指令値補正量ｄφｄとして、第二ｄｑ軸磁束指令演算部２５へ出力される。また、減算器２５３は、電圧ベクトル演算部１９より出力されたｑ軸同軸電圧指令値Ｖｑｓ＊から電圧制限部２８より出力されたｑ軸同軸電圧Ｖｑｓｌ＊を減算する。この減算結果は、磁束指令値補正量ｄφｑとして、第二ｄｑ軸磁束指令演算部２５へ出力される。磁束指令値補正量ｄφｄ、ｄφｑは、電圧制限によりｄｑ軸同軸電圧が制限されて電圧制限値を超過した電圧超過分を表している。

この補正量算出部２７が、図８に示した例１の電圧制限部２８と接続される場合は、補正量算出部２７は、以上説明した磁束指令値補正量ｄφｄ、ｄφｑを出力する構成であればよい。以下、この場合について説明する。

電圧ベクトルの同軸成分は主に磁束を変化させるための電圧であり、それが制限されると磁束が変化しないことになる。図１２に示す第二ｄｑ軸磁束指令演算部２５の比例積分制御部５０’、６０’における積分器１５３、１６３は、磁束が積分ゲインＫＩで変化することを想定して動作しているので、電圧が制限された場合、第二の磁束指令値と磁束に差が生じてしまう。これを防ぐために、電圧が制限されて変化したことによって磁束が変化しない分を、すなわち磁束指令値補正量ｄφｄ、ｄφｑを減算器１５２、１６２で減算する。これによって、電圧制限値Ｖｌｉｍによって第二の磁束指令値と磁束に差が生じることを防ぐことができる。換言すれば、第二ｄｑ軸磁束指令演算部２５は、電圧制限により電圧制限値を超過した電圧超過分のうち、同軸成分の超過分に相当する磁束指令値補正量ｄφｄに基づいて比例積分制御の同軸に掛かる積分器１５２を補正する。さらに、第二ｄｑ軸磁束指令演算部２５は、電圧制限により電圧制限値を超過した電圧超過分のうち、直交軸成分の超過分に相当する磁束指令値補正量ｄφｑに基づいて比例積分制御の直交軸に掛かる積分器１６２を補正する。これによって、電圧制限値Ｖｌｉｍによって第二の磁束指令値と磁束に差が生じることを防ぐことができる。

図１４の説明に戻る。減算器２５５は、電圧ベクトル演算部１９より出力されたｄ軸直交軸電圧指令値Ｖｄｘ＊から電圧制限部２８より出力されたｄ軸直交軸電圧Ｖｄｘｌ＊を減算する。この減算結果は、加算器２５９の一方へ入力される。加算器２５９の他方にはｄ軸同軸電圧指令値Ｖｄｓ＊からｄ軸同軸電圧Ｖｄｓｌ＊が減算された減算結果が入力される。そして、両者は加算器２５９で加算される。この加算結果は、速度情報ω１＊を用いて除算器２７１で除算してゲイン２７５で符号を反転して磁束指令値補正量ｄφｑ２として出力する。ｄφｑ２は符号が逆になるのでゲイン２７５で符号を反転している。これにより、電圧制限値を超過した電圧超過分のうち、ｄ軸の同軸方向の電圧超過分に相当する磁束指令値補正量ｄφｑ２が求められる。

さらに、減算器２５７は、電圧ベクトル演算部１９より出力されたｑ軸直交軸電圧指令値Ｖｑｘ＊から電圧制限部２８より出力されたｑ軸直交軸電圧Ｖｑｘｌ＊を減算する。この減算結果は、速度情報ω１＊を用いて除算器２７３で除算され、その結果は磁束指令値補正量ｄφｑ２として出力される。磁束指令値補正量ｄφｄ２、ｄφｑ２は直交軸成分が制限されたことによる影響を表している。

図９に示した例２の電圧制限部２８と接続される補正量算出部２７は、図７に示すように、直交軸成分が電圧制限値を超えた場合に、直交軸成分を小さくする必要がある。ただし、直交軸成分の方向を維持したまま振幅を絞るだけでは、磁束制御が効かなくなる。直交軸成分が電圧制限値に掛かった場合には弱め磁束電流を流して電圧ベクトルを小さくする必要があるため、ｄ軸側の比例積分制御を維持する必要がある。そのため、磁束指令値補正量ｄφｑ２の演算では、図１４に示した加算器２５９でｄ軸側の同軸成分を考慮してｄ軸電圧にｄ軸磁束制御が維持できる余裕を与える。すなわち、図１４に示すようにｄ軸直交軸電圧指令値Ｖｄｘ＊、ｑ軸直交軸電圧指令値Ｖｑｘ＊から電圧制限後のｄ軸直交軸電圧指令値Ｖｄｘｌ＊、ｑ軸直交軸電圧指令値Ｖｑｘｌ＊を減算器２５５、２５７で減算し、ｄ軸のみ同軸電圧指令値の電圧制限値量を加算している。これにより、図７に示した、直交軸成分が電圧制限値を超えた場合でも弱め磁束制御が働いて磁束制御が効かなくなるのを防ぐことができる。図１２に示す第二ｄｑ軸磁束指令演算部２５の比例積分制御部６０’は、磁束指令値補正量ｄφｑ２を積分器１６３から減算する。すなわち、第二ｄｑ軸磁束指令演算部２５は、電圧超過分のうち、ｄ軸の同軸方向の電圧超過分に相当する磁束指令値補正量ｄφｑ２に基づいてｑ軸に掛かる積分器１６３を補正する。

これにより、第二ｄｑ軸磁束指令演算部２５は、ｄ軸側の同軸成分を考慮してｄ軸磁束制御が維持できる余裕を与える。図７に示すように、直交軸成分が電圧制限値を超えるのは、モータ１の速度が急激に上昇した場合や直流電圧源９の電圧が急激に下がった場合であり、具体的には、電気自動車などの電気車のように空転で速度が急上昇する場合である。このように、直交軸成分が電圧制限値を超えた場合でも弱め磁束制御が働いて電流制御が効かなくなるのを防ぐことができる。

本実施形態によれば、磁束指令値に基づく電圧指令値を制限した場合に、電圧制限の近傍であっても安定した電流制御を実現できる。

［第３の実施形態]
図１５は、本発明の第３の実施形態における電気車１０００の構成図である。この電気車１０００は、第１の実施形態で説明した同期機制御装置１００、または第２の実施形態で説明した同期機制御装置１００’により制御されるモータ１を駆動源とする車両である。

図１５に示すように、同期機制御装置１００、１００’は、電力変換器２からモータ１に供給する電力を制御する。バッテリなどの直流電圧源９は電力変換器２に電力を供給する。モータ１はトランスミッション１０１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に接続され、車輪１０７に動力を供給する。なお、トランスミッション１０１が無く直接ディファレンシャルギア１０３に接続される構成や、前輪、後輪それぞれにモータ１および電力変換器２が適用される構成でもよい。

電気自動車やハイブリッド自動車などの電気車１０００においては、モータ１を小型化するために、モータ１の高速回転化および電圧利用率の向上が進んでいる。電圧利用率の向上を実現するために、同期機制御装置１００、１００’はインバータの電圧制限値近傍までの高い電圧を用いるように制御しているが、本実施形態によれば、電圧制限の近傍であっても安定した電流制御を実現できる。特に、電気車１０００は、例えばエレベータ等、他の製品に比較して電圧制限の近傍で安定した動作が要求されるが、本実施形態によれば、電圧制限の近傍で安定した動作が可能になり、電圧利用率の向上ひいては消費電力量の低減につながる。

以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）同期機１を駆動制御する同期機制御装置１００において、同期機制御装置１００は、同期機１に対する電流指令値と同期機１に流れる実電流との差分を演算して比例積分制御によって電流指令値を生成する電流指令演算部２４と、電流指令演算部２４で生成された電流指令値に基づいて同軸電圧指令値および直交軸電圧指令値を生成する電圧ベクトル演算部１９と、電圧指令値が所定の電圧制限値を超過しないように直交軸電圧指令値に優先して同軸電圧指令値を制限する電圧制限部２８と、電圧制限部２８による制限に基づいて、電流指令値を補正するための電流指令値補正量を算出する補正量算出部２６とを備え、電流指令演算部２４は、電流指令値補正量に基づいて比例積分制御による電流指令値を補正する。これにより、電圧制限の近傍であっても安定した電流制御を実現できる。

（２）同期機１を駆動制御する同期機制御装置１００’において、同期機制御装置１００’は、同期機１に対する電流指令値から第一磁束指令値を生成する第一磁束指令演算部２１と、同期機１に流れる実電流から磁束推定値を求める磁束推定部２３と、第一磁束指令値と磁束推定値との差分を演算して比例積分制御によって第二磁束指令値を生成する第二磁束指令演算部２５と、第二磁束指令値に基づいて同軸電圧指令値および直交軸電圧指令値より成る電圧指令値を生成する電圧ベクトル演算部１９と、電圧指令値が所定の電圧制限値を超過しないように直交軸電圧指令値に優先して同軸電圧指令値を制限する電圧制限部２８と、電圧制限部２８による電圧制限に基づいて、第二磁束指令値を補正するための磁束指令値補正量を算出する補正量算出部２７とを備え、第二磁束指令演算部２５は、磁束指令値補正量に基づいて比例積分制御による第二磁束指令値を補正する。これにより、電圧制限の近傍であっても安定した電流制御を実現できる。

（３）同期機１を駆動制御する同期機制御方法において、同期機１に対する電流指令値と同期機１に流れる実電流との差分を演算して比例積分制御によって電流指令値を生成し、生成された電流指令値に基づいて同軸電圧指令値および直交軸電圧指令値より成る電圧指令値を生成し、電圧指令値が所定の電圧制限値を超過しないように直交軸電圧指令値に優先して同軸電圧指令値を制限し、制限に基づいて、電流指令値を補正するための電流指令値補正量を算出し、制限により電圧制限値を超過した電圧超過分のうち、同軸成分の超過分に相当する電流指令値補正量に基づいて比例積分制御の同軸に掛かる積分器を補正する。これにより、電圧制限の近傍であっても安定した電流制御を実現できる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上述の実施形態を組み合わせた構成としてもよい。

１・・・モータ、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・・・電流座標変換部、９・・・直流電圧源、１１・・・座標変換部、１２・・・ＰＷＭ制御器、１８、１９・・・電圧ベクトル演算部、２１・・・第一ｄｑ軸磁束指令演算部、２３・・・ｄｑ軸磁束推定部、２４・・・第二ｄｑ軸電流指令演算部、２５・・・第二ｄｑ軸磁束指令演算部、２６、２７・・・補正量算出部、２８、２９・・・電圧制限部、７５・・・振幅・位相角演算部、７６・・・振幅・位相角演算部、７７・・・制限部、７８、９１、９３・・・余弦波生成部、７９、９２、９４・・・正弦波生成部、８０、８１、８８、８９・・・乗算器、８２・・・制限値演算部、８３、８７・・・減算器、８５・・・二乗差平方根演算部、９９・・・電圧選択部、９９Ａ・・・磁束指令値補正量演算部、１００、１００’・・・同期機制御装置、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 (10)

1. 同期機を駆動制御する同期機制御装置において、
   前記同期機に対する電流指令値と前記同期機に流れる実電流との差分を演算して比例積分制御によって電流指令値を生成する電流指令演算部と、
   前記電流指令演算部で生成された電流指令値に基づいて同軸電圧指令値および直交軸電圧指令値より成る電圧指令値を生成する電圧ベクトル演算部と、
   前記電圧指令値が所定の電圧制限値を超過しないように前記直交軸電圧指令値に優先して前記同軸電圧指令値を制限する電圧制限部と、
   前記電圧制限部による電圧制限に基づいて、前記電流指令値を補正するための電流指令値補正量を算出する補正量算出部とを備え、
   前記電流指令演算部は、前記電流指令値補正量に基づいて前記比例積分制御による前記電流指令値を補正する同期機制御装置。
2. 同期機を駆動制御する同期機制御装置において、
   前記同期機に対する電流指令値から第一磁束指令値を生成する第一磁束指令演算部と、
   前記同期機に流れる実電流から磁束推定値を求める磁束推定部と、
   前記第一磁束指令値と前記磁束推定値との差分を演算して比例積分制御によって第二磁束指令値を生成する第二磁束指令演算部と、
   前記第二磁束指令値に基づいて同軸電圧指令値および直交軸電圧指令値より成る電圧指令値を生成する電圧ベクトル演算部と、
   前記電圧指令値が所定の電圧制限値を超過しないように前記直交軸電圧指令値に優先して前記同軸電圧指令値を制限する電圧制限部と、
   前記電圧制限部による電圧制限に基づいて、前記第二磁束指令値を補正するための磁束指令値補正量を算出する補正量算出部とを備え、
   前記第二磁束指令演算部は、前記磁束指令値補正量に基づいて前記比例積分制御による前記第二磁束指令値を補正する同期機制御装置。
3. 請求項１に記載の同期機制御装置において、
   前記電流指令演算部は、前記電圧制限により前記電圧制限値を超過した電圧超過分のうち、同軸成分の超過分に相当する前記電流指令値補正量に基づいて前記比例積分制御の同軸に掛かる積分器を補正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、
   前記電流指令演算部は、前記電圧制限により前記電圧制限値を超過した電圧超過分のうち、直交軸成分の超過分に相当する前記電流指令値補正量に基づいて前記比例積分制御の直交軸に掛かる積分器を補正する同期機制御装置。
5. 請求項３または請求項４に記載の同期機制御装置において、
   前記電流指令演算部は、前記電圧超過分のうち、ｄ軸の同軸方向の電圧超過分に相当する前記電流指令値補正量に基づいてｑ軸に掛かる積分器を補正する同期機制御装置。
6. 請求項２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、前記電圧制限により前記電圧制限値を超過した電圧超過分のうち、同軸成分の超過分に相当する前記磁束指令値補正量に基づいて前記比例積分制御の同軸に掛かる積分器を補正する同期機制御装置。
7. 請求項２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、前記電圧制限により前記電圧制限値を超過した電圧超過分のうち、直交軸成分の超過分に相当する前記磁束指令値補正量に基づいて前記比例積分制御の直交軸に掛かる積分器を補正する同期機制御装置。
8. 請求項６または請求項７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、前記電圧超過分のうち、ｄ軸の同軸方向の電圧超過分に相当する前記磁束指令値補正量に基づいてｑ軸に掛かる積分器を補正する同期機制御装置。
9. 請求項１または請求項２に記載の同期機制御装置と、
   前記同期機制御装置により駆動制御される同期機とを備える電気車。
10. 同期機を駆動制御する同期機制御方法において、
    前記同期機に対する電流指令値と前記同期機に流れる実電流との差分を演算して比例積分制御によって電流指令値を生成し、
    前記生成された電流指令値に基づいて同軸電圧指令値および直交軸電圧指令値より成る電圧指令値を生成し、
    前記電圧指令値が所定の電圧制限値を超過しないように前記直交軸電圧指令値に優先して前記同軸電圧指令値を制限し、
    前記制限に基づいて、前記電流指令値を補正するための電流指令値補正量を算出し、
    前記制限により前記電圧制限値を超過した電圧超過分のうち、同軸成分の超過分に相当する電流指令値補正量に基づいて前記比例積分制御の同軸に掛かる積分器を補正する同期機制御方法。

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