JP5088413B2

JP5088413B2 - 電動機の脈動抑制装置

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Publication number: JP5088413B2
Application number: JP2010526678A
Authority: JP
Inventors: 裕吾只野; 岳夫秋山; 昌克野村
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2008-08-26
Filing date: 2009-08-21
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2029-08-21
Also published as: JPWO2010024194A1; WO2010024194A1

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機のトルク制御装置において、電動機の構造に起因して発生するトルク脈動などを抑制する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動機は、構造的な磁束の歪みやコギングトルクを持つため、回転に応じて振動・騒音の一因となるトルク脈動を発生する。また、電動機と負荷との間で多慣性系が構成される場合、その機械系共振点とトルク脈動周波数成分が一致することで過大な軸ねじれトルクが発生し、運転特性上の悪影響やシステム破損の危険がある。
【０００３】
これらの対策として、フィードバック制御による軸ねじれ共振抑制手法や、共振の基となるトルク脈動自体をフィードバック制御で低減する手法がある。しかし、フィードバックによる共振抑制方法では、共振周波数とインバータの応答周波数が近い場合、または制御系のサンプリング時間を充分に短くできない場合に共振抑制が困難になる。
【０００４】
これらの課題を解決するため、ＩＰＭモータ出力のトルクリップルを打ち消す補償信号をフィードフォワード制御でＩＰＭモータのｄ、ｑ軸電流指令またはトルク指令に加えるようにしたものがある。
【０００５】
一方、電動機に発生するトルク脈動は、モータ構造の磁気的な不完全性や、それを駆動するインバータの応答・電流誤差、機械系の特性など、様々な要因が複雑に関連している。ただし、電動機の脈動周期に着目すると、主に回転子位置に依存して発生することが分かっており、これを周期的な外乱と見なして繰り返し補償信号を生成する方法が従来から考えられている。
【０００６】
例えば、トルク脈動の検出値をフーリエ変換し、そのフーリエ係数をＰＩ制御器によって制御する手法がある（例えば、特許文献１参照）。トルク脈動検出値をフーリエ変換すると、正弦・余弦の２つのフーリエ係数を導くことができるため、これらの係数が２つともゼロとなるようにＰＩ制御すれば、その係数をもつ周波数成分のトルク脈動を抑制できる。
【０００７】
この手法のブロック構成を図１７に示し、テンション指令Ｔｓと検出信号Ｔｆの偏差に応じてＰＩ制御部に電流指令Ｉｓを得、これを電流制御部ＡＣＲでモータＭの電流を制御するテンション制御装置において、テンションセンサで検出するテンションに含まれる脈動の正弦項係数と余弦項係数を算出し、これらと指令値「０」との偏差をＰＩ制御で求め、これらを正弦波信号と余弦波信号に変換して電流指令の正弦波および余弦波補正値として加算する構成としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】
日本国の公告特許公報である特公平８−１７５８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の特許文献１では、２つのフーリエ係数が２つともゼロとなるようにＰＩ制御することでその周波数成分のトルク脈動を抑制できる。ただし、特許文献１には、ＰＩ制御パラメータの調整手法について提案されておらず、厳密なパラメータ調整を必要としない単純なシステムへの適用に限定されるものである。例えば、ＰＩ制御パラメータを無調整にしたトルク脈動抑制装置を多慣性系システムに適用すると、機械共振点で過補償となるか、逆に不安定振動を引き起こす原因となる。
【００１０】
一方、電動機の中でも特に埋込磁石式同期電動機は、永久磁石によるトルクだけでなく、磁気的異方性を用いたリラクタンストルクも有効活用できる高効率な電動機である。その反面、トルク脈動の観点からは、マグネットトルク脈動とリラクタンストルク脈動の双方が複合的に発生する。この点、特許文献１では、単に電流指令値に脈動補償電流を重畳することのみが記述されており、埋込磁石同期電動機のリラクタンストルクとマグネットトルクの脈動が補償電流によって干渉する問題に触れられていない。また、回転座標変換したｄｑ軸でベクトル制御することが明記されていない。したがって、埋込磁石同期電動機の場合は、必ずしも最適にトルク脈動を抑制できるとは限らず、他の周波数成分へ悪影響を与える可能性もある。
［００１１］
本発明の目的は、トルク脈動成分などをフーリエ係数の形で検出し、このフーリエ係数の大きさを「０」とするＰＩ制御器の制御により脈動補償信号を得る脈動抑制装置において、脈動補償信号による過補償や不安定振動、干渉を防いだ安定制御をしながら、脈動補償信号の学習を確実、容易にした電動機の脈動抑制装置を提供することにある。
［００１２］
本発明は、前記の課題を解決するため、インバータで駆動する電動機のトルクなどをフーリエ変換し、任意周波数の脈動成分を２つのフーリエ係数の形で検出し、この２つのフーリエ係数の検出による脈動抑制の学習制御系を複素ベクトル平面で構成し、前記脈動補償電流を求めるようにしたもので、以下の構成を特徴とする。
［００１３］
（１）インバータで駆動する電動機の脈動検出値をフーリエ変換し、任意周波数の脈動成分を２つのフーリエ係数の形で検出し、学習制御器により脈動を抑制するように学習制御して、ベクトル制御における回転座標系のｄ軸電流指令値あるいはｑ軸電流指令値あるいはｄ軸ｑ軸電流指令値の双方に学習した脈動補償電流を重畳して、脈動を抑制する電動機の脈動抑制装置において、
前記２つのフーリエ係数の検出による脈動抑制の学習制御系を、複素ベクトル平面で構成し、前記脈動補償電流を求める手段を備え、
前記脈動補償電流を求める手段は、複素ベクトル平面で制御対象システムの周波数特性、あるいはシステム同定結果を用いて、それを複素ベクトルで表現し、脈動補償電流と電動機駆動システムから２つのフーリエ係数の干渉項を基に、複素ベクトルの実部と虚部を非干渉化する非干渉化制御要素を備えたことを特徴とする。
［００１４］
【００１５】
（３）前記手段は、学習制御器をＰＩＤ制御器で構成し、このＰＩＤ制御器の出力を前記非干渉化制御要素を通して補償電流を求め、ＰＩＤ制御器のゲインを所望の閉ループ応答となるように極配置する学習制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１６】
（４）前記学習制御器の出力段に初期値０の低周波数域通過フィルタを挿入した上で、所望の閉ループ応答となるように極配置し、前記学習制御系の脈動抑制開始時に逆応答またはオーバーシュートが発生するのを防止する手段を備えたことを特徴とする。
【００１７】
（５）前記学習制御器へのフィードバック信号経路に、脈動抑制開始時のみ機能する初期値０の低周波数域通過フィルタを挿入し、脈動抑制開始後および低周波数域通過フィルタの時定数経過後は該フィルタを介さない経路に切り換える手段を備えたことを特徴とする。
【００１８】
（６）前記学習制御器のゲインは、電動機の回転数に適応して可変、自動調整する制御ゲイン自動調整手段を備えたことを特徴とする。
【００１９】
（７）前記学習制御器のフーリエ変換周期を電動機の回転数に合わせて変更することを特徴とする。
【００２０】
（８）前記学習制御器の応答周波数を、フーリエ変換周期に適応して設定する手段を備えたことを特徴とする。
【００２１】
（９）前記学習制御器を異なる周波数成分において適用し、それらを並列化して、同時に複数の周波数成分のトルク脈動を抑制する手段を備えたことを特徴とする。
【００２２】
（１０）前記脈動成分は、電動機の軸トルク検出値とし、電動機の軸トルクの脈動を抑制することを特徴とする。
【００２３】
（１１）前記脈動成分は、電動機のフレームの脈動成分とし、電動機のフレームの脈動を抑制することを特徴とする。
【００２４】
（１２）前記脈動成分は、電動機の回転速度検出値、あるいは回転位置検出値の脈動成分とし、電動機の速度の脈動あるいは回転位置の脈動を抑制することを特徴とする。
【００２５】
（１３）前記脈動成分は、電動機の電流の脈動成分とし、電動機の電流の脈動を抑制することを特徴とする。
【００２６】
（１４）前記コントローラによってトルクリプル抑制制御を実行したときに指定した定常動作状態（定常トルク指令・定常回転数）で学習したトルクリプル補償電流ｉ_qc ^*の振幅Ｍおよび位相φを、トルク指令Ｔ_ref ^*と回転数ωを変数とした２次元の振幅テーブルおよび位相テーブルを生成しておく振幅・位相補償テーブルと、
電動機の運転状態での前記トルク指令Ｔ_ref ^*と回転数ωからそのときの振幅Ｍと位相φを前記振幅・位相補償テーブルから読み出し、これら振幅Ｍと位相φとそのときの電動機の回転位相θを用いて、テーブル補償電流ｉ_qct ^*＝Ｍ・ｓｉｎ（ｎθ＋φ）を生成する補償電流生成部と、
電動機の運転状態での脈動検出値Ｔ_detをフーリエ変換し、前記テーブル補償電流ｉ_qct ^*と同じ周波数の脈動成分を２つのフーリエ係数の形で検出し、この脈動成分を０にするトルク脈動補償電流ｉ_qcc ^*を求めるトルクリプル抑制制御手段と、
前記トルク脈動補償電流ｉ_qcc ^*と前記テーブル補償電流ｉ_qct ^*を合成して前記ｄ，ｑ軸電流指令値に重畳する補償電流合成手段とを備えたことを特徴とする。
【００２７】
（１５）前記コントローラによってトルクリプル抑制制御を実行したときに指定した定常動作状態（定常トルク指令・定常回転数）で学習したトルクリプル補償電流ｉ_qc ^*の振幅Ｍおよび位相φを、トルク指令Ｔ_ref ^*と回転数ωを変数とした２次元の振幅テーブルおよび位相テーブルを生成しておく振幅・位相補償テーブルと、
電動機の運転状態での脈動検出値Ｔ_detをフーリエ変換し、前記テーブル補償電流ｉ_qct ^*と同じ周波数の脈動成分を２つのフーリエ係数の形で検出し、この脈動成分を０にする補償電流振幅指令値Ｍ^*および補償電流位相指令値φ^*を求めるトルクリプル抑制制御手段と、
電動機の運転状態での前記トルク指令Ｔ_ref ^*と回転数ωからそのときの前記振幅Ｍと位相φを前記振幅・位相補償テーブルから読み出し、これら振幅Ｍおよび位相φと、前記補償電流振幅指令値Ｍ^*および補償電流位相指令値φ^*をそれぞれ合成して合成補償電流振幅値Ｍ’および合成補償電流位相値φ’を生成する合成手段と、
前記合成補償電流振幅値Ｍ’と合成補償電流位相値φ’およびそのときの電動機の回転位相θを用いて、テーブル補償電流ｉ_qc ^*＝Ｍ’・ｓｉｎ（ｎθ＋φ’）を生成する補償電流生成部とを備えたことを特徴とする。
【００２８】
（１６）前記コントローラによってトルクリプル抑制制御を実行したときに指定した定常動作状態（定常トルク指令・定常回転数）で学習したトルクリプル周波数成分の補償電流余弦フーリエ係数テーブル値Ａおよび補償電流正弦フーリエ係数テーブル値Ｂを、トルク指令Ｔ_ref ^*と回転数ωを変数とした２次元のテーブル値として生成しておくフーリエ係数補償テーブルと、
電動機の運転状態での脈動検出値Ｔ_detをフーリエ変換し、前記フーリエ係数補償テーブルのテーブル値Ａ，Ｂと同じ周波数の脈動成分を０にする２つの補償電流余弦フーリエ係数Ａ^*と補償電流正弦フーリエ係数Ｂ^*を求めるトルクリプル抑制制御手段と、
電動機の運転状態での前記トルク指令Ｔ_ref ^*と回転数ωからそのときの前記フーリエ係数テーブル値ＡおよびＢを前記フーリエ係数補償テーブルから読み出し、これらフーリエ係数テーブル値ＡおよびＢと、前記補償電流余弦フーリエ係数Ａ^*と補償電流正弦フーリエ係数Ｂ^*をそれぞれ合成して補償電流余弦フーリエ係数合成値Ａ’と補償電流正弦フーリエ係数合成値Ｂ’を生成する合成手段と、
前記フーリエ係数合成値Ａ’と補償電流正弦フーリエ係数合成値Ｂ’およびそのときの電動機の回転位相θを用いて、振幅Ｍ＝√（Ａ’²＋Ｂ’²）、位相φ＝ｔａｎ^-1（Ｂ’／Ａ’）のテーブル補償電流ｉ_qc ^*＝Ｍ・ｓｉｎ（ｎθ＋φ）を生成する補償電流生成部とを備えたことを特徴とする。
【００２９】
（１７）前記補償テーブルと合成手段とトルクリプル抑制制御手段および補償電流生成部は、複数次数成分で個別に振幅Ｍ、位相φを生成またはフーリエ係数を生成し、これら次数別に合成して補償電流を生成する手段を備えたことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る電動機のトルク制御装置の構成図。
【００３１】
【図２】本発明に係る学習制御系のブロック構成図。
【００３２】
【図３】実施形態１におけるシステム同定装置の概略図。
【００３３】
【図４】トルク脈動補償電流と同定システムの特性図。
【００３４】
【図５】非干渉化制御の構成図。
【００３５】
【図６】実施形態２における非干渉化制御の構成図。
【００３６】
【図７】非干渉化実現後の制御系のブロック図。
【００３７】
【図８】非干渉化後の制御構成図。
【００３８】
【図９】実施形態４における非干渉化制御のブロック図。
【００３９】
【図１０】１次ローパスフィルタの構成図。
【００４０】
【図１１】実施形態３，４によるＩ−Ｐ制御波形図。
【００４１】
【図１２】実施形態６における非干渉化制御の構成図。
【００４２】
【図１３】実施形態７における非干渉化制御の構成図。
【００４３】
【図１４】実施形態８における非干渉化制御の構成図。
【００４４】
【図１５】実施形態９における非干渉化制御の構成図。
【００４５】
【図１６】実施形態１０における非干渉化制御の構成図。
【００４６】
【図１７】トルク脈動抑制ブロック付きのテンション制御装置の構成図。
【００４７】
【図１８】実施形態１１における電動機のトルク制御装置の構成図。
【００４８】
【図１９】実施形態１２における電動機のトルク制御装置の構成図。
【００４９】
【図２０】実施形態１３における電動機のトルク制御装置の構成図。
【００５０】
【図２１】実施形態１４における電動機のトルク制御装置の構成図。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
（基本構成）
本発明の実施形態を説明する前に、本発明による脈動抑制装置の基本構成を説明する。
【００５２】
図１は、本発明に係る電動機のトルク制御装置の構成を示す。トルク脈動の発生源となる電動機１と、何らかの負荷装置２をシャフト３で結合し、その軸トルクをトルクメータ４で計測してコントローラ５に入力する。また、ロータリエンコーダ等の回転位置センサ６を用いて電動機の回転子位置情報を入力する。コントローラ５は、トルク脈動抑制手段を搭載し、トルク指令値（あるいは速度指令値）に基づいて生成された電流指令値に、トルク脈動補償電流を上乗せした指令値をインバータ７に与える。図１の例では、インバータ７で電流ベクトル制御することを考慮して、電動機の回転に同期した回転座標（直交ｄｑ軸）上のｄ軸、ｑ軸電流指令値ｉ_d ^*、ｉ_q ^*を与えている。
【００５３】
コントローラ５は、軸トルクメータ４によるトルク検出値からトルク脈動を検出しているが、この形態はあくまで一例であり、フレームに設置した加速度センサによるフレーム振動検出、エンコーダ等による回転速度／位置変動検出、あるいは電流センサによる電流脈動検出に置き換え、電動機の軸の脈動抑制や電動機のフレームの脈動抑制、電動機の速度の脈動抑制あるいは回転位置の脈動抑制、電動機の電流の脈動抑制をすることが可能である。
【００５４】
図１の装置構成において、トルク脈動は電動機の構造上、回転子位置に応じて周期的に発生することが知られている。また、３相モータのトルク脈動は、主として電気的な回転基本周波数の６×ｎ倍（ｎは正の整数：以後、６倍成分を６ｆ、１２倍成分を１２ｆといったように表現する）の周波数成分が大きくなることも知られている。そのほか、インバータの不完全性などにより、１ｆ、２ｆトルク脈動が現れることもある。また、図１のように軸ねじれ共振が起こり得るシステムにおいては、機械共振点に近い脈動成分が増幅されて現れる。
【００５５】
本発明では、これらの様々な周波数成分が入り交じったトルク脈動をフーリエ変換に基づいて抽出する。すなわち、図１における軸トルクメータ４の検出値Ｔ_detを、電動機回転子位相θを用いて任意次数毎のフーリエ変換を行う。ここで、フーリエ級数は以下の式で定義される。ωは電気角周波数、Ｔ_rは任意に定義される脈動成分の１周期を意味する。
【００５６】
【数１】

ただし、
【００５７】
【数２】

【００５８】
上記の数式２で示されるフーリエ係数Ｔ_An、Ｔ_Bnは、電動機回転数および周期的外乱である脈動成分が任意期間で一定であれば直流値を出力することに着目する。仮に何らかの制御を与えてこれらの係数がどちらも０で定常となれば、その周波数成分のトルク脈動は抑制されたことを意味する。
【００５９】
そこで、本発明では、目標値を０としたＰＩ制御系を考え、トルク脈動成分のフーリエ係数が両方とも０となるように学習制御する手法を提案する。この手法は前記の特許文献１における図１７と類似するが、本発明では、図２に示すように、特許文献１の手法をベクトル制御系に拡張するとともに、多慣性系システムの発散防止処理などの改善を図り、また、実際のインバータ駆動装置および軸トルクフィードバック信号に基づいて学習的にトルク脈動を補償することで、トルク脈動を高い精度で抑制する。
【００６０】
図２について説明する。正弦・余弦波生成器１１では、電動機の回転子位相角θと、抑制したい脈動成分の次数ｎを設定し、基準となる周波数の正弦・余弦波を生成する。フーリエ変換部１２では、この正弦・余弦波および任意のフーリエ変換周期Ｔ_rを設定して、トルク検出値Ｔ_detを数式２に基づきフーリエ変換し、ｎ次のフーリエ係数Ｔ_An、Ｔ_Bnを演算する。ここで、前記の数式２のフーリエ変換の積分処理を適度な時定数を持つ低周波数域通過フィルタ（ローパスフィルタ）に置き換えることも可能である。
【００６１】
次に、これらの脈動成分のフーリエ係数が目標値０（すなわち脈動を抑制）となるように２つのＰＩ制御器１３Ａ，１３Ｂで各々制御する。ＰＩ制御器の構成方法は任意であり、トルク脈動のフーリエ係数を０に制御するための出力Ｉ_An、Ｉ_Bnをそのまま補償電流信号のフーリエ係数として、フーリエ変換部と同じ正弦・余弦波を乗算器１４Ａ，１４Ｂでそれぞれ乗算して逆変換する。つまり、時間波形の補償電流信号として復元する。復元したトルク脈動補償電流はベクトル制御インバータ１６のｄ軸あるいはｑ軸電流指令値に重畳する。図２では、ｑ軸電流指令値にのみ重畳した例である。ここでは、重畳する前のｄ軸、ｑ軸電流指令値をそれぞれＩ_do、Ｉ_qoと定義し、これらは指令値変換部１５でトルク指令値から任意の配分で各軸電流指令値に変換したものを用いる。例えば、指令値変換部１５は最大トルク制御を実現する指令値変換テーブル等で構成される。なお、インバータ１６は３相から回転座標変換したｄ軸、ｑ軸において電流ベクトル制御を実現する一般的な電動機駆動装置であり、電動機負荷１７を駆動する。
【００６２】
ここで、図１のような装置構成の機械系を、電動機１と負荷装置２による２慣性系システムとして捉えた場合、軸トルク検出値はその機械特性に依存して共振点を持ち、任意動作点でゲインや位相特性が急変する。したがって、機械特性が不明のままフィードバック学習制御を行うと単純に安定とはならず、逆に発散方向に脈動補償してしまうケースもあり得る。
【００６３】
そこで、軸トルク検出値をフィードバックして最適なトルク脈動の補償信号を学習生成するため、ＰＩ制御出力（補償電流のフーリエ係数）の応答が定常値に落ち着くまでの時間を学習時間として、脈動補償電流のフーリエ係数Ｉ_An、Ｉ_Bnを低周波数域通過フィルタ（ＬＰＦ）１８を介してメモリ１９に記録する。一旦、学習した後は、メモリ１９からの読み出し値にセレクタ２０Ａ，２０Ｂを切り換えて、フィードフォワード制御でトルク脈動を抑制する。ＲＭＳ評価＆ゲイン調整器２１は、トルク脈動検出値フーリエ係数の２乗平均平方根：ＲＭＳ（数式３）を用いて脈動成分の振幅値を評価し、発散・収束条件を判別し、学習時間を決定している。
【００６４】
【数３】

【００６５】
また、ＲＭＳ評価＆ゲイン調整器２１は、上記ＲＭＳ評価値が仮に発散方向となり、トルク脈動学習制御系が不安定となった場合は、ＰＩ制御器１３Ａ，１３Ｂの２つの比例ゲインの極性の組み合わせから、収束方向となる組み合わせを探索して調整し、これにより多慣性系システムのゲイン・位相特性の変動に対応する。
【００６６】
このＰＩ制御器のゲイン調整に関しては、逐次、トルク脈動評価値の収束性を見てから調整量を少しずつ増減していく簡易的な調整手法であるが、調整時間・学習時間が長くなる場合がある。特に、初期値を小さく設定している場合に学習遅れが顕著となり、収束性の判別も難しい。逆に初期値が大きすぎると発散・振動的になり、最悪の場合は収束条件の探索自体も困難となる可能性がある。
【００６７】
本発明では、トルク脈動補償信号の学習に、ＰＩ制御器のゲインの初期ノミナル値に適切な値を得、トルク制御系の応答に適応した学習速度と安定性を得るものである。以下、実施形態を説明する。
【００６８】
（実施形態１）
本実施形態は、基本的な制御ブロック構成は図２と同様であり、フーリエ係数学習制御系を用いる。
【００６９】
本実施形態では、電動機駆動装置の周波数特性を予め把握することから始める。周波数特性の把握やシステム同定を行う手法は多種多様であるが、これらは既知の一般的技術であるため、本実施形態では特定の手法に限定しない。例えば、図３のように、トルク指令値変換部１５で発生する電流指令でインバータ１６と電動機負荷１７の運転を行うシステムの任意の定常動作状態において、システム同定装置２２は、白色雑音信号をトルク脈動補償電流ｉ_qcとしてトルク電流指令値に重畳する（図３はｑ軸電流に重畳しているが、ｄ軸、あるいはその両方でも良い）。そのときの軸トルク検出値Ｔ_detをシステム出力信号として、システムの入出力データを得る。その入出力の時系列データから周波数応答をスペクトル解析し、トルク脈動補償電流指令値から軸トルク検出値までの周波数伝達関数を取得する。
【００７０】
システム同定理論に基づいて定式化することもできるが、本実施形態では以下の数式４のように、伝達関数を複素ベクトルの集合で表現する。集合の要素は各周波数におけるゲイン・位相特性を示す複素ベクトルに対応する。
【００７１】
【数４】

ただし、Ｐ_SYS＾：同定システム、ｍ：周波数成分の分割要素番号、Ｐ_Am：ｍ番要素の同定システム実数部、Ｐ_Bm：ｍ番要素の同定システム虚数部
【００７２】
ここで、ｍについて説明する。例えば、同定に必要な周波数成分を直流〜５ｋＨｚ、分解能を１Ｈｚとすると、要素数は５００１個となる。したがって、ｍ＝｛０、１、２、３、・・・、４９９９、５０００｝として、各要素（周波数成分）には、スペクトル解析結果あるいはシステム同定結果を当てはめる。周波数成分毎のシステムのゲイン・位相特性は、複素平面の複素ベクトルで表現できるため、数式４のように表現できる。
【００７３】
ところで、フーリエ変換を用いると任意周波数成分のトルク脈動を抽出することができる。数式２に示したように、２つのフーリエ係数は直交性を有するので、任意の周波数成分のシステム状態に着目して上述の数式４の複素ベクトルを用いれば、フーリエ係数を用いたトルク脈動抑制学習制御系を複素ベクトル空間で構築することが可能となる。
【００７４】
以下の数式５および図４は、トルク脈動補償電流と同定システムの特性を複素ベクトル空間で示したものである。ここで、数式４の同定システムとフーリエ係数の位相基準、遅れ・進み方向の定義を統一しておく。
【００７５】
【数５】

【００７６】
このように、フーリエ変換後のフーリエ係数学習制御系でシステム特性を表すと、図４に示すとおり、システムは２つのフーリエ係数制御系（実部の系と虚部の系）が干渉する項を持っていることが分かる。そこで、本実施形態では、複素ベクトルの実部と虚部の非干渉化制御を実現する。図５は、その構成例であり、実システム２３の前段で非干渉化制御要素２４を介挿する。
【００７７】
フーリエ変換によって周波数成分を抽出する際の応答を伝達関数Ｇ_FTで表現すると、任意周波数成分のトルク脈動のフーリエ係数Ｔ_An（実部：ｃｏｓ成分）、Ｔ_Bn（虚部：ｓｉｎ成分）は、数式６で示される。
【００７８】
【数６】

【００７９】
上記の数式６に示すとおり、脈動補償電流の実部と虚部が干渉しているため、干渉項の影響を打ち消すように図５に示す非干渉化制御要素２４を追加する。この非干渉化制御要素２４によって、数式６は以下の数式７ように置き換えられ、トルク脈動の実部Ｔ_Anは脈動補償電流の実部Ｉ_An、虚部Ｔ_Bnは脈動補償電流の実部Ｉ_Bnの関係式で分離することが可能となる。
【００８０】
【数７】

【００８１】
上記の数式７により、実部の制御系と虚部の制御系は独立となり、かつ、全く同じ制御構成となる。
【００８２】
したがって、本実施形態を適用すれば、２つのフーリエ係数学習制御系の補償電流の干渉による悪影響を除去し、振動的な応答を低減できるだけでなく、制御系を構築する上で簡素化することが可能となる。
【００８３】
（実施形態２）
実施形態１によって、フーリエ変換後のトルク脈動フーリエ係数と補償電流を、複素ベクトル空間で非干渉化できたので、これを用いて制御器を構築する。制御器は従来方式の図２と同様に、一般的なＰＩＤ制御を用いる。ＰＩＤ制御にも種々の方式があるが、本実施形態では一例として比例先行型Ｉ−Ｐ制御を用いて説明する。ＰＩＤ制御器の構成方法は任意であり、そのほかの場合でも同様に構成可能である。
【００８４】
本実施形態の全体構成を図６に示す。なお、図中「ｓ」はラプラス演算子である。図６ではトルク脈動成分のみに着目した制御構成図で示し、Ｉ−Ｐ制御器２６に対し、非干渉化制御要素２４を介挿し、フーリエ変換部２５Ａ，２５Ｂによって周波数成分を抽出する伝達関数Ｇ_FTを通した非干渉化した出力をフィードバック信号とする。
【００８５】
図６において、２つのフーリエ係数の目標値Ｔ_An ^*およびＴ_Bn ^*は、通常は０であり、その周波数成分の脈動を抑制するように設定する。フーリエ係数の検出値Ｔ_AnおよびＴ_Bnは、数式７のように実システムとフーリエ変換応答を介して検出される。目標値と検出値を、図６に示すような比例先行型Ｉ−Ｐ制御器に入力する。このときの比例ゲインをＫ_p、積分ゲインをＫ_iとする。Ｉ−Ｐ制御器の出力は脈動補償電流のフーリエ係数として出力するが、実施形態１の非干渉化制御要素を用いて干渉項の影響を除去する。トルク脈動補償電流を複素ベクトルに復元したｉ_qcを時間軸の波形でｑ軸電流指令値に重畳し、ベクトル制御インバータを介して電動機負荷を駆動する。このとき、周期的外乱としてトルク脈動成分を検出することになるので、軸トルクＴ_snに含まれる脈動成分をフーリエ変換によって抽出し、複素ベクトル空間における実部Ｔ_Anと虚部Ｔ_Bnに分離してＩ−Ｐ制御系にフィードバックする。以上の制御により、フーリエ係数学習制御系を複素ベクトル空間で構築することができる。
【００８６】
ここで、前記の数式７により、非干渉化実現後の制御系を簡単化して示すと、図７のように２つのフーリエ係数Ｉ−Ｐ学習制御系を独立して表現できる。この制御系に基づき、指令値Ｔ_An ^*およびＴ_Bn ^*から検出値Ｔ_AnおよびＴ_Bnまでの閉ループ系伝達関数をそれぞれ計算すると、以下の数式８のようになる。ただし、本実施形態では一例として、フーリエ変換応答伝達関数Ｇ_FTを以下の数式９に示す簡素な一次遅れ系で近似する。
【００８７】
【数８】

【００８８】
【数９】

ｗ_fは、フーリエ変換応答周波数［ｒａｄ／ｓ］
【００８９】
上記の数式８の閉ループ系応答を考慮して比例ゲインと積分ゲインを決定すれば、学習制御系を任意の極配置で設計できる。以下、数式８を二項係数標準系モデルにマッチングした極配置とする例を挙げる。極配置の方法は他にもバターワース標準系などがあり、同様に計算できる。
【００９０】
数式８は２次系であるので、以下の数式１０に示す２次系の二項係数標準系にモデルマッチングする。
【００９１】
【数１０】

ｗ_cは、学習制御応答周波数［ｒａｄ／ｓ］であり、フーリエ変換応答周波数ｗ_fを超えない条件下で所望の値を任意に設定する。
【００９２】
数式８と１０を係数比較し、比例ゲインＫ_pと積分ゲインＫ_iを求めると以下のようになる。
【００９３】
【数１１】

【００９４】
このように、予めシステム同定により求めておいたＰ_Am、Ｐ_Bmおよびフーリエ変換応答周波数ｗ_f、所望の学習制御応答周波数ｗ_cを数式１１に代入すれば、一意に制御ゲインを決定することができるので、これを学習制御系のノミナル初期値としてトルク脈動抑制制御を開始する。
【００９５】
学習制御の手法は、数式３のトルク脈動評価値の収束性を判別しながら微調整すればよいが、システム同定結果がある程度正確に得られていれば、ほとんど調整することなく初期値のままで十分に抑制が可能である。
【００９６】
したがって、本実施形態によれば、非干渉化した閉ループ系の応答をシステム同定結果に基づき所望の極配置に近似することができるので、学習制御系の制御ゲイン調整時間を不要、あるいは大幅に低減することができる。
【００９７】
（実施形態３）
実施形態２による比例先行Ｉ−Ｐ形学習制御において、トルク脈動抑制開始のタイミングで一時的に逆応答が発生し、過大な軸トルクとなる場合がある。過渡的な挙動であるため時間が経過すれば問題ないが、瞬時的な過大トルクは、例えば故障判断や動作停止処理等に誤動作を与える可能性がある。
【００９８】
すなわち、図６、図７の構成では、Ｉ−Ｐ制御の比例先行経路が直接的に制御出力に繋がって補償電流を形成するので、抑制開始直前のトルク脈動検出値のフーリエ係数（直流値）が比例ゲインを介して何らかの値を持つ。そのため、抑制制御を開始した瞬間に、補償電流値はステップ的に変化する。後段の非干渉化制御も関連するが、そのときのコントローラ特性によっては、上述の逆応答問題がステップ的に発生し、一時的な過大トルクを生じる原因となる。
【００９９】
そこで、本実施形態ではＩ−Ｐ学習制御系の出力段に低周波数域通過フィルタ（ローパスフィルタ）を挿入する。ローパスフィルタに用いられる積分器の初期値は０としておき、抑制開始前は常時リセットして初期値を維持しておく。これにより、比例先行経路に初期値０のローパスフィルタが入り、抑制開始のタイミングで過大トルクの原因となるステップ的な逆応答が抑制される。
【０１００】
本実施形態の非干渉化後の制御構成図を図８に示す。図７と図８を比較して分かるように、Ｉ−Ｐ制御出力段に、以下の数式１２で示す、Ｇ_LPF1の伝達関数になる１次ローパスフィルタを追加している。
【０１０１】
【数１２】

ｗ_Lは、ローパスフィルタのカットオフ周波数［ｒａｄ／ｓ］
【０１０２】
このときの閉ループ系伝達関数は、以下の数式１３となる。
【０１０３】
【数１３】

【０１０４】
この伝達関数を、以下の数式１４で示される３次の二項係数標準系に極配置を近似すると、比例ゲイン、積分ゲイン、およびローパスフィルタのカットオフ周波数は数式１５となる。
【０１０５】
【数１４】

【０１０６】
【数１５】

ｗ_cは、学習制御応答周波数［ｒａｄ／ｓ］であり、フーリエ変換応答周波数ｗ_fを超えない条件下で所望の値を任意に設定する。ただし、ｗ_Lは正の周波数でなければならないので、ｗ_c＞ｗ_f／３でなければならない。
【０１０７】
以上から、本実施形態においても適応的に比例ゲイン、積分ゲイン、ならびにローパスフィルタカットオフ周波数を可変することができる。しかも、本実施形態によれば、数式１５に基づき適応的に学習制御パラメータを決定できるとともに、トルク脈動抑制開始時の応答を改善することができる。
【０１０８】
（実施形態４）
実施形態３ではＩ−Ｐ制御器の出力にローパスフィルタを挿入した上で、３次系の閉ループ特性を再設計した。本実施形態では次数を高くすることなく、数式８、数式１０の２次系閉ループ特性を維持した上で、抑制開始時の逆応答を改善する手法を提供する。
【０１０９】
図９は本実施形態の制御構成図である。図９のＧ_LPF2は、トルク脈動抑制開始時のみ機能するローパスフィルタで、トルク脈動抑制制御を開始した後はローパスフィルタを介さない経路に切り換える。
【０１１０】
図１０は１次ローパスフィルタを用いた場合の構成例である。抑制開始信号に同期した切り換え機構を持つ。抑制開始前は、ローパスフィルタ部にトルク脈動検出値のフーリエ係数（直流値）が入力されているので、定常状態ではローパスフィルタ出力とトルク脈動検出値はほぼ一致しており、それらを加減算した偏差は０である。この偏差０は、抑制開始時の出力の初期値となる。
【０１１１】
次に、トルク脈動抑制が開始されると、スイッチが切り替わり、ローパスフィルタの入力は０となる。ローパスフィルタの積分器は、抑制開始直前のトルク脈動値を初期値としているので、その値から応答周波数ｗ_Lの特性に従って徐々に０へと近づく。その結果、後段の偏差出力は初期値０から徐々にトルク脈動検出値の値へと近づく。最終的には、ローパスフィルタ出力が０となり、トルク脈動検出値がそのまま出力に繋がる経路となる。
【０１１２】
図９、図１０の構成を用いれば、制御系の次数を高くすることなく、トルク脈動抑制開始時のみローパスフィルタ特性を与えて逆応答による過大トルクを抑制できる。
【０１１３】
上記の実施形態３，４を適用したことによる改善効果を図１１に示す。同図の（ａ）は通常のＩ−Ｐ制御による各部波形、（ｂ）は実施形態３，４の手法になるフィルタ付きＩ−Ｐ制御の各部波形を示す。波形は上から、軸トルク検出値、トルク脈動のフーリエ係数抽出値（例として１２次脈動成分）、補償電流指令値（１２次補償成分）、トルク脈動の振幅評価値（数式３）である。
【０１１４】
通常のＩ−Ｐ制御による手法では、抑制開始時に軸トルク脈動成分が瞬時的に大きくなっていることが分かる。また、補償電流も逆応答とオーバーシュートを発生している。一方、フィルタ付きＩ−Ｐ制御による手法では、軸トルク脈動がスムーズに抑制され、補償電流も逆応答やオーバーシュートを発生しない。
【０１１５】
（実施形態５）
実施形態２〜４では、電動機駆動システムが定常動作条件であることを仮定し、数式１１に基づいて比例ゲインＫ_pと積分ゲインＫ_iのノミナル初期値を与えたが、本実施形態ではフィードバック学習制御中も常に数式１１または数式１５に基づいて可変とする。すなわち、電動機の回転速度の変動に適応した制御ゲイン自動調整を行う。
【０１１６】
本実施形態を具体的に説明する。前記の数式１１のパラメータの内、システム同定により求めたＰ_Am、Ｐ_Bmは周波数に依存する成分である。つまり、回転速度と補償次数に応じて、システム応答を表す複素ベクトルの集合として記録しておいたシステムＰ_sys（数式４）から、対応する周波数成分の１要素（１次元複素ベクトル）を読み出す必要がある。回転数が変動すると、例えば機械共振点付近ではシステムのゲイン・位相特性が大きく変動するため、これに適応して数式１１を構成することが望ましい。
【０１１７】
そこで、本実施形態では、数式１１のＰ_Am、Ｐ_Bmを回転速度に応じて変更する。同様に、数式１５のＰ_Am、Ｐ_Bmを回転速度に応じて変更する構成とすることもできる。
【０１１８】
本実施形態によれば、速度変動に適応してシステム同定結果を読み出すので、共振点付近などでシステム特性が大きく変動しても、閉ループ系の極配置や非干渉化制御の誤差を低減し、トルク脈動抑制制御を維持することができる。
【０１１９】
（実施形態６）
フーリエ変換は、固定の周期で計算することも可能であるが、電動機の場合は回転に同期した周期的なトルク脈動を発生するため、フーリエ変換の周期も回転速度に合わせて変更することが望ましい。
【０１２０】
そこで、本実施形態では実施形態５に加えて、フーリエ変換周期も回転速度に適応させる。これに伴い、数式９で近似したフーリエ変換応答周波数ｗ_fも回転速度に合わせて変更する。また、学習制御応答周波数ｗ_cは、原理的にフーリエ変換以上の応答性能を出すことができないため、ｗ_cも同様に回転速度に適応させる。
【０１２１】
本実施形態のブロック構成を図１２に示し、ゲイン自動調整部２７により回転速度に応じて比例ゲインＫ_pと積分ゲインＫ_iを自動調整し、速度自動調整部２８によって回転速度に応じてＰ_Am、Ｐ_Bmを自動調整する。
【０１２２】
本実施形態によれば、フーリエ変換周期を回転速度に応じて変更できるので、各速度でトルク脈動の抽出性能を向上させることができると共に、数式１１で示す学習制御パラメータも所望の閉ループ応答となるように自動調整することができる。
【０１２３】
（実施形態７）
以上までの実施形態は、任意のひとつの脈動周波数成分についての抑制制御手段であったが、上記構成を並列化すれば複数のトルク脈動周波数成分を抑制することが可能となる。この場合、システム同定結果の複素ベクトルテーブルについては併用できるが、フーリエ変換処理や適応ゲイン自動調整処理については、各々の周波数成分で別途用意する。
【０１２４】
本実施形態の構成図を図１３に示す。２９₁〜２９_nはフーリエ級数の１次〜ｎ次の次数別に脈動成分を抑制する制御要素になり、これらによる補償電流信号ｉ_qc1〜ｉ_qcnを加算器３０で互いに重畳させ、トルク脈動補償信号ｉ_qcとする。
本実施形態によれば、複数のトルク脈動周波数成分を同時に抑制することができる。
【０１２５】
（実施形態８）
上述までの実施形態では、軸トルクをフィードバックする構成を基にトルク脈動補償方式を提案したが、フィードバックする対象を変更することも可能である。
【０１２６】
本実施形態では、図１４のように、加速度センサ８による振動を検出してフィードバックする構成とする。制御方法については上述までの実施形態と同様である。
【０１２７】
本実施形態によれば、モータフレームの振動やトルク脈動を抑制することができる。
【０１２８】
（実施形態９）
本実施形態では、回転位置センサから提供される位相・速度情報の変動を検出して、その変動を抑制するように制御する。制御内容は基本的に上述までの実施形態と同様である。
【０１２９】
装置構成としては、図１５に示すようになる。
【０１３０】
本実施形態によれば、速度変動や回転位相変動を抑制することができる。
【０１３１】
（実施形態１０）
本実施形態では、インバータ７からトルク脈動補償対象の電動機１に電源供給する３相ラインの電流を電流センサで検出して、トルク脈動に起因した電流脈動を抑制する。
【０１３２】
装置構成は図１６に示すようになり、電流センサ９を新たに追加し、コントローラ５ではこの電流検出値を使った補償電流処理を行う。
【０１３３】
本実施形態によれば、インバータ電流検出値を用いてインバータ電流脈動を抑制することができる。さらには、インバータ電流から換算したトルク推定値を用いてトルク脈動を抑制することもできる。
【０１３４】
（実施形態１１）
前記までの実施形態によるトルクリプル抑制制御では、トルクリプル周波数に同期した周波数成分のシステム伝達関数を１次元複素ベクトルで表現し、任意周波数成分のトルクリプルの実部・虚部をフーリエ変換等で抽出し、その余弦・正弦フーリエ係数を複素ベクトルの実部・虚部に当てはめて、フィードバック抑制制御系を構築する。
【０１３５】
さらに、比例先行Ｉ−Ｐ制御系の閉ループ特性が部分的モデルマッチング法により、任意の標準系規範モデルの極配置と一致するように比例・積分ゲインを決定している。また、それらはシステム同定結果と回転速度情報を用いて自動的にパラメータを適応させ、多慣性共振系システムヘの実装を容易にしている。
【０１３６】
また、任意の定常動作点（定常トルク・定常回転数）において抑制完了したときの補償電流信号の振幅・位相を保存し、それを複数の動作点で実施して、トルク・回転数の２次元テーブルとして実装することも可能である。この場合、トルク・回転数情報をテーブルに入力し、読み出した補償電流振幅・位相データから補償電流を再現してフィードフォワードで制御する。
【０１３７】
上記の補償電流テーブルでフィードフォワード的にトルクリプルを抑制するテーブル補償方式では、予め学習した結果を補償テーブルから読み出して補償するため回転速度やトルクの変化に対する即応性が良い、学習済みの補償テーブルを用いるので電動機に接続する負荷を取り替えても問題ない、軸トルク検出器も不要、基本的にテーブルを実装するのみであるため演算負荷を軽減できる、という利点がある。
【０１３８】
しかし、電動機やインバータ等の特性が経時変化した場合、学習したときの条件と異なってしまい、補償精度が低下する可能性がある。
【０１３９】
本実施形態１１および後に示す実施形態１２〜１４は、上記のテーブル補償方式によるトルクリプル抑制に、電動機やインバータ等の特性が経時変化した場合にも補償精度を確保できる制御装置を提案するものである。
【０１４０】
図１８は、本実施形態による電動機のトルク制御装置のブロック構成を示し、電流ベクトル制御方式のインバータ制御に、テーブル補償にオンライン補償を併用してトルクリプルを抑制する。
【０１４１】
図１８において、インバータ７の電流ベクトル制御部３１は、電流センサ３２で検出するモータ駆動電流ｉ_u，ｉ_v，ｉ_wとモータ１のロータ回転角度θから座標変換部３３によりモータ回転座標に同期したｄｑ軸直交回転座標系の電流に変換したｄ，ｑ軸電流検出値との比較によりモータ電流の制御を行う。ロータ回転角度θは回転位置センサ６によるエンコーダ波形ａｂｚから速度・位相検出部３４により速度ωと共に求められる。
【０１４２】
トルク／ｉｄ，ｉｑ変換部３５（図２の指令値変換部１５）は、コントローラ５からのトルク指令値Ｔ_refとモータ回転速度ωから、ベクトル制御における回転ｄｑ座標系のｄ軸およびｑ軸電流指令値ｉ_d ^*（Ｉ_do）、ｉ_q0 ^*（Ｉ_qo）に変換し、これら電流指令値のうちｑ軸電流指令値ｉ_q0 ^*にトルク脈動補償電流ｉ_qcm ^*を重畳して電流ベクトル制御指令値とする。
【０１４３】
ここで、補償テーブル３６と補償電流生成部３７は、図２に示すローパスフィルタ１８とメモリ１９に相当するもので、任意の定常動作点（定常トルク・定常回転数）においてトルク脈動のフーリエ係数を０に制御するための出力Ｉ_An、Ｉ_Bnを記憶するメモリ１９の補償電流信号に代えて、振幅Ｍと位相φのテーブルデータとして保存し、これらデータから補償電流を生成する。
【０１４４】
振幅・位相補償テーブル３６は、図２のメモリ１９と同様に、コントローラ５によって学習したトルクリプル補償電流出力Ｉ_An、Ｉ_Bnに相当する振幅Ｍおよび位相φを記録する。この作業を複数の定常動作点で同様に記録して、トルク指令Ｔ_ref ^*と回転数ωを変数とした２次元の振幅テーブルおよび位相テーブルを生成する。データ間の情報は線形補間等で補間する。
【０１４５】
補償電流生成部３７は、運転状態（トルク指令・回転数）からそのときの振幅Ｍと位相φを振幅／位相補償テーブル３６から読み出し、これら読み出した振幅Ｍと位相φは、そのときの回転位相θを用いて、テーブル補償電流ｉ_qct ^*＝Ｍ・ｓｉｎ（ｎθ＋φ）を生成する（ｎは補償次数）。この生成したテーブル補償電流ｉ_qct ^*は、コントローラ５からのオンライン補償電流_iqc ^*と合成してｑ軸電流指令値ｉ_qcm ^*とする。
【０１４６】
コントローラ５は、図１と同様に、トルクリプル抑制制御手段を搭載し、このトルクリプル抑制制御手段としては例えば図２に示すように、基準となる周波数（次数ｎ）と位相θをもつ正弦・余弦波を生成する正弦・余弦波生成器１１と、これら正弦・余弦波の設定と任意のフーリエ変換周期Ｔ_rを設定して、軸トルク検出値Ｔ_detを数式２に基づきフーリエ変換し、ｎ次のフーリエ係数Ｔ_An、Ｔ_Bnを演算するフーリエ変換部１２と、これらの脈動成分のフーリエ係数が目標値０（すなわち脈動を抑制）となるように各々制御する２つのＰＩ制御器１３Ａ，１３Ｂと、これらの出力Ｉ_An、Ｉ_Bnをそのまま補償電流信号のフーリエ係数として、トルク脈動補償電流ｉ_qcc ^*として求める乗算器１４Ａ，１４Ｂとを備える。そして、求めたトルク脈動補償電流ｉ_qcc ^*は補償電流生成部３７からのテーブル補償電流_iqct ^*と合成して、ベクトル制御インバータ７のｑ軸電流指令値ｉ_q0 ^*への補償信号にする。
【０１４７】
したがって、補償テーブル３６および補償電流生成部３７で学習しておいたトルクリプルの補償電流ｉ_qct ^*が周辺温度の変化や経時的な物性変化などによりずれてしまった場合にも、コントローラ５によるオンライン補償のフィードバックループが働いて、テーブル補償電流の精度が低下するのを防止できる。
【０１４８】
なお、テーブル補償電流ｉ_qct ^*は、学習済みの補償電流テーブル３６から瞬時に振幅・位相を得て補償電流を生成するので、速度変化やトルク変化が起きた場合にも好適な補償電流を迅速に出力することができる。
【０１４９】
（実施形態１２）
図１９は、本実施形態による電動機のトルク制御装置のブロック構成を示し、基本的な構成および作用は図１８と変わらないが、補償テーブル３６で発生する補償電流の振幅Ｍ・位相φの誤差を補正するように、コントローラ５からオンライン補償フィードバックループを構成する。
【０１５０】
図１９において、Ｍ^*は補償電流振幅指令値（オンライン補償分）、φ^*は補償電流位相指令値（オンライン補償分）であり、合成器３８，３９ではこれらを補償電流の振幅Ｍ・位相φにそれぞれ合成して補償電流生成部３７への補償電流振幅値（合成値）Ｍ’、補償電流位相値（合成値）φ’とする。
【０１５１】
実施形態１１では、補償電流生成後にテーブル補償電流ｉ_qct ^*とオンライン補償電流ｉ_qc ^*を合成していたが、本実施形態では振幅・位相の状態で合成する。すなわち、補償テーブル振幅値Ｍ、および補償テーブル位相値φを、それぞれオンライン補償振幅値Ｍ^*とオンライン補償位相値φ^*と合成して、合成補償電流振幅値Ｍ’、合成補償電流位相値φ’を生成する。補償電流生成部３７では、ｉ_qc ^*＝Ｍ’・ｓｉｎ（ｎθ＋φ’）にて、最終的な補償電流ｉ_qc ^*を生成する。（ｎは補償次数）
【０１５２】
本実施形態によれば、振幅・位相という直感的にわかりやすい状態量でテーブル誤差を把握・補正できるとともに、補償電流生成部３７を一カ所に纏めることができる。
【０１５３】
（実施形態１３）
図２０は本実施形態による電動機のトルク制御装置のブロック構成を示し、実施形態１２（図１９）の補償テーブル３６の振幅Ｍ・位相φに代えて、図２のメモリ１９と合成器１４Ａ，１４Ｂと同様に、余弦フーリエ係数および正弦フーリエ係数として補償電流を求める構成である。
【０１５４】
補償テーブル４０は、トルク指令Ｔ_ref ^*と回転速度ωに応じて補償電流余弦フーリエ係数テーブル値Ａと補償電流正弦フーリエ係数テーブル値Ｂを発生し、コントローラ５はオンライン補償電流余弦フーリエ係数Ａ^*とオンライン補償電流正弦フーリエ係数Ｂ^*を発生し、合成器３８，３９ではこれらを合成して補償電流余弦フーリエ係数合成値Ａ’と補償電流正弦フーリエ係数合成値Ｂ’を得る。
【０１５５】
トルクリプル抑制制御手段を搭載したコントローラ５では、基本的にフーリエ変換（あるいはそれに類する手法）によってトルクリプル周波数成分を抽出して抑制する手法を用いている。図２では、２つのフーリエ係数（正弦フーリエ係数と余弦フーリエ係数）があり、これらを用いて補償電流の振幅値、位相値を計算している。
【０１５６】
図２の構成では、トルクリプル周波数成分検出値の正弦／余弦フーリエ係数がともにゼロとなるようにＰＩＤ制御器１３Ａ、１３Ｂで制御され、その結果生成されるＰＩＤ制御器の出力値を補償電流余弦フーリエ係数Ａ、補償電流正弦フーリエ係数Ｂとしている。これらから、振幅Ｍおよび位相φは以下のように求められる。
【０１５７】
Ｍ＝√（Ａ²＋Ｂ²）、φ＝ｔａｎ^-1（Ｂ／Ａ）
【０１５８】
実施形態１１、１２は、上記の振幅Ｍ、および位相φを求めてから補償テーブル生成あるいはオンライン補償を行っており、補償電流の特性が直感的に分かりやすい反面、上述の演算変換が必要となっていた。
【０１５９】
そこで、本実施形態では、図２０に示すとおり、振幅・位相に変換する前の２つのフーリエ係数Ａ、Ｂの状態で補償テーブルを生成するとともに、オンライン補償についてもフーリエ係数の状態で合成して、最終段で補償電流ｉ_qc ^*を生成する。これにより、振幅・位相に変換する上記の演算の手間が省け、補償処理を簡略化できる。
【０１６０】
（実施形態１４）
本実施形態では、実施形態１１〜１３のいずれかの構成を並列化して同時に複数次数成分のトルクリプルを抑制する手法を提供する。
【０１６１】
例えば、実施形態１１の構成を並列化した場合について図２１に示す。（他の実施形態についても同様であるので、図面での説明は省略する。）図２１は、２つの補償テーブル３６Ａ、３６Ｂでは２つの次数成分で個別に振幅Ｍ、位相φを生成し、これらから２つの補償電流生成部３７Ａ，３７Ｂで２つの次数について補償電流を生成し、これら２つの次数について同時にトルクリプルを抑制する。なお、当然ではあるが３つ以上の次数を同時に抑制する場合についても拡張可能である。
【０１６２】
以上のとおり、本発明によれば、インバータで駆動する電動機のトルクなどをフーリエ変換し、任意周波数の脈動成分を２つのフーリエ係数の形で検出し、この２つのフーリエ係数の検出による脈動抑制の学習制御系を複素ベクトル平面で構成し、前記脈動補償電流を求めるようにしたため、トルク脈動補償信号などによる過補償や不安定振動、干渉を防いだ安定制御をしながら、トルク脈動補償信号などの学習が確実、容易になる。
【０１６３】
さらに、「テーブル補償方式」を基本として、オンライン補償を併用して、フィードフォワード的に抑制する補償電流を生成するため、電動機やインバータ等の特性が経時変化した場合にも補償精度を確保できる。

Claims

インバータで駆動する電動機の脈動検出値をフーリエ変換し、任意周波数の脈動成分を２つのフーリエ係数の形で検出し、学習制御器により脈動を抑制するように学習制御して、ベクトル制御における回転座標系のｄ軸電流指令値あるいはｑ軸電流指令値あるいはｄ軸ｑ軸電流指令値の双方に学習した脈動補償電流を重畳して、脈動を抑制する電動機の脈動抑制装置において、
前記２つのフーリエ係数の検出による脈動抑制の学習制御系を、複素ベクトル平面で構成し、前記脈動補償電流を求める手段を備え、
前記脈動補償電流を求める手段は、複素ベクトル平面で制御対象システムの周波数特性、あるいはシステム同定結果を用いて、それを複素ベクトルで表現し、脈動補償電流と電動機駆動システムから２つのフーリエ係数の干渉項を基に、複素ベクトルの実部と虚部を非干渉化する非干渉化制御要素を備えたことを特徴とする電動機の脈動抑制装置。
前記手段は、学習制御器をＰＩＤ制御器で構成し、このＰＩＤ制御器の出力を前記非干渉化制御要素を通して補償電流を求め、ＰＩＤ制御器のゲインを所望の閉ループ応答となるように極配置する学習制御手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電動機の脈動抑制装置。
前記学習制御器の出力段に初期値０の低周波数域通過フィルタを挿入した上で、所望の閉ループ応答となるように極配置し、前記学習制御系の脈動抑制開始時に逆応答またはオーバーシュートが発生するのを防止する手段を備えたことを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の電動機の脈動抑制装置。
前記学習制御器へのフィードバック信号経路に、脈動抑制開始時のみ機能する初期値０の低周波数域通過フィルタを挿入し、脈動抑制開始後および低周波数域通過フィルタの時定数経過後は該フィルタを介さない経路に切り換える手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動機の脈動抑制装置。
前記学習制御器のゲインは、電動機の回転数に適応して可変、自動調整する制御ゲイン自動調整手段を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電動機の脈動抑制装置。
前記学習制御器のフーリエ変換周期を電動機の回転数に合わせて変更することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電動機の脈動抑制装置。
前記学習制御器の応答周波数を、フーリエ変換周期に適応して設定する手段を備えたことを特徴とする請求項６に記載の電動機の脈動抑制装置。
前記学習制御器を異なる周波数成分において適用し、それらを並列化して、同時に複数の周波数成分のトルク脈動を抑制する手段を備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の電動機の脈動抑制装置。
前記脈動成分は、電動機の軸トルク検出値とし、電動機の軸トルクの脈動を抑制することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の電動機の脈動抑制装置。
前記脈動成分は、電動機のフレームの脈動成分とし、電動機のフレームの脈動を抑制することを特徴とする請求項９に記載の電動機の脈動抑制装置。
前記脈動成分は、電動機の回転速度検出値、あるいは回転位置検出値の脈動成分とし、電動機の速度の脈動あるいは回転位置の脈動を抑制することを特徴とする請求項９に記載の電動機の脈動抑制装置。
前記脈動成分は、電動機の電流の脈動成分とし、電動機の電流の脈動を抑制することを特徴とする請求項９に記載の電動機の脈動抑制装置。
前記コントローラによってトルクリプル抑制制御を実行したときに指定した定常動作状態（定常トルク指令・定常回転数）で学習したトルクリプル補償電流ｉ_qc ^*の振幅Ｍおよび位相φを、トルク指令Ｔ_ref ^*と回転数ωを変数とした２次元の振幅テーブルおよび位相テーブルを生成しておく振幅・位相補償テーブルと、
電動機の運転状態での前記トルク指令Ｔ_ref ^*と回転数ωからそのときの振幅Ｍと位相φを前記振幅・位相補償テーブルから読み出し、これら振幅Ｍと位相φとそのときの電動機の回転位相θを用いて、テーブル補償電流ｉ_qct ^*＝Ｍ・ｓｉｎ（ｎθ＋φ）を生成する補償電流生成部と、
電動機の運転状態での脈動検出値Ｔ_detをフーリエ変換し、前記テーブル補償電流ｉ_qct ^*と同じ周波数の脈動成分を２つのフーリエ係数の形で検出し、この脈動成分を０にするトルク脈動補償電流ｉ_qcc ^*を求めるトルクリプル抑制制御手段と、
前記トルク脈動補償電流ｉ_qcc ^*と前記テーブル補償電流ｉ_qct ^*を合成して前記ｄ，ｑ軸電流指令値に重畳する補償電流合成手段とを備えたことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の電動機の脈動抑制装置。
前記コントローラによってトルクリプル抑制制御を実行したときに指定した定常動作状態（定常トルク指令・定常回転数）で学習したトルクリプル補償電流ｉ_qc ^*の振幅Ｍおよび位相φを、トルク指令Ｔ_ref ^*と回転数ωを変数とした２次元の振幅テーブルおよび位相テーブルを生成しておく振幅・位相補償テーブルと、
電動機の運転状態での脈動検出値Ｔ_detをフーリエ変換し、前記テーブル補償電流ｉ_qct ^*と同じ周波数の脈動成分を２つのフーリエ係数の形で検出し、この脈動成分を０にする補償電流振幅指令値指令値Ｍ^*および補償電流位相指令値φ^*を求めるトルクリプル抑制制御手段と、
電動機の運転状態での前記トルク指令Ｔ_ref ^*と回転数ωからそのときの前記振幅Ｍと位相φを前記振幅・位相補償テーブルから読み出し、これら振幅Ｍおよび位相φと、前記補償電流振幅指令値指令値Ｍ^*および補償電流位相指令値φ^*をそれぞれ合成して合成補償電流振幅値Ｍ’および合成補償電流位相値φ’を生成する合成手段と、
前記合成補償電流振幅値Ｍ’と合成補償電流位相値φ’およびそのときの電動機の回転位相θを用いて、テーブル補償電流ｉ_qc ^*＝Ｍ’・ｓｉｎ（ｎθ＋φ’）を生成する補償電流生成部とを備えたことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の電動機の脈動抑制装置。
前記コントローラによってトルクリプル抑制制御を実行したときに指定した定常動作状態（定常トルク指令・定常回転数）で学習したトルクリプル周波数成分の補償電流余弦フーリエ係数テーブル値Ａおよび補償電流正弦フーリエ係数テーブル値Ｂを、トルク指令Ｔ_ref ^*と回転数ωを変数とした２次元のテーブル値として生成しておくフーリエ係数補償テーブルと、
電動機の運転状態での脈動検出値Ｔ_detをフーリエ変換し、前記フーリエ係数補償テーブルのテーブル値Ａ，Ｂと同じ周波数の脈動成分を０にする２つの補償電流余弦フーリエ係数Ａ^*と補償電流正弦フーリエ係数Ｂ^*を求めるトルクリプル抑制制御手段と、
電動機の運転状態での前記トルク指令Ｔ_ref ^*と回転数ωからそのときの前記フーリエ係数テーブル値ＡおよびＢを前記フーリエ係数補償テーブルから読み出し、これらフーリエ係数テーブル値ＡおよびＢと、前記補償電流余弦フーリエ係数Ａ^*と補償電流正弦フーリエ係数Ｂ^*をそれぞれ合成して補償電流余弦フーリエ係数合成値Ａ’と補償電流正弦フーリエ係数合成値Ｂ’を生成する合成手段と、
前記フーリエ係数合成値Ａ’と補償電流正弦フーリエ係数合成値Ｂ’およびそのときの電動機の回転位相θを用いて、振幅Ｍ＝√（Ａ’²＋Ｂ’²）、位相φ＝ｔａｎ^-1（Ｂ’／Ａ’）のテーブル補償電流ｉ_qc ^*＝Ｍ・ｓｉｎ（ｎθ＋φ）を生成する補償電流生成部とを備えたことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の電動機の脈動抑制装置。
前記補償テーブルと合成手段とトルクリプル抑制制御手段および補償電流生成部は、複数次数成分で個別に振幅Ｍ、位相φを生成またはフーリエ係数を生成し、これら次数別に合成して補償電流を生成する手段を備えたことを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の電動機の脈動抑制装置。