JP5127377B2 - 永久磁石ドライブシステム - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石同期電動機を駆動する永久磁石ドライブシステムに関する。

近年、効率に優れ、小型化や低騒音化が期待できる永久磁石同期電動機（以下、「ＰＭ」という。）が、誘導電動機（以下、「ＩＭ」という）に代わり、普及し始めている。例えば、鉄道車両や電気自動車向けの駆動モータとしても、ＰＭが適用されている。

ＩＭは、ステータからの励磁電流によって、磁束自体を作り出す。このため、励磁電流を流すことによる損失が発生することがデメリットとなる。

一方、ＰＭは、ロータに永久磁石を備え、その磁束を利用してトルクを出力するモータである。従って、ＰＭは、その永久磁石のため、回転数に応じた誘起電圧が発生する。鉄道車両や自動車など、回転範囲が広い応用分野では、最高回転数において生じる誘起電圧によって、ＰＭを駆動制御するインバータが過電圧により破壊しないことが条件となる。

この条件を満たすには、インバータの耐圧を十分に高いものにするか、又は、モータに備える永久磁石の磁束を制限することになる。前者は、電源側への影響もあり、後者を選択することも多い。

後者を選択した場合、ＰＭの磁束量は、ＩＭ（ＩＭの場合には励磁電流によって作りだすギャップ磁束量）と比較すると、３分の１程度になるケースもある。この場合、同一なトルクを発生させるためには、磁束量の小さいＰＭでは、大きな（トルク）電流を流す必要がある。即ち、低速域において、同一トルクを出力する電流を、ＩＭとＰＭとで比較すると、ＰＭの方が大きな電流を流す必要がある。このため、ＰＭを駆動するインバータの電流容量は増加する。更に、一般に低速では、インバータ内のスイッチング素子のスイッチング周波数が高い。このため、発生する損失は、電流値に依存し増大することから、大きな損失と発熱を生じることになる。電車などは、走行風による冷却効果を期待することができる。しかし、低速時に大きな損失が生じる場合には、冷却能力を向上させる必要性から、インバータ装置が大型化することになる。一方、誘起電圧が高い場合、弱め界磁制御を行うことになるが、このときは、励磁電流を重畳することで、効率が低下してしまう。

このようにＰＭは、磁石を内在させることに起因するメリットとデメリットがある。モータとしては、そのメリットの分が大きく、損失低減や小型化につながる。しかし、電車や電気自動車など可変速制御の場合には、ＩＭに比べて力率や効率の悪い動作点も存在する。これは、インバータの電流容量を増大させ、損失も増大させる。このため、インバータの体格が大きくなる。システムの効率は、モータ側が支配的であるため、ＰＭを適用することにより、総合効率は改善する。しかし、インバータの体格は増加するため、システムのデメリットとなる。

そこで、永久磁石の磁束が可変である永久磁石同期電動機（以下、「可変磁束モータ」という。）を駆動制御する駆動装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−３０４２０４号公報

しかしながら、先行技術文献に開示されている装置は、可変磁束モータの永久磁石の磁化をする際に、実用上問題点となる発熱、損失又は振動などの対策については触れられていない。

そこで、本発明の目的は、可変磁束モータの永久磁石の磁束を制御し、より実用的な永久磁石ドライブシステムを提供することにある。

本発明の観点に従った永久磁石ドライブシステムは、磁束を変化させるための永久磁石を備えた可変磁束モータと、前記可変磁束モータを駆動するインバータと、前記インバータを、前記永久磁石の磁束軸方向の電流である磁化電流を変化させることにより、前記永久磁石の磁束を変化させ、前記磁化電流と直交する電流を変化させることにより、前記可変磁束モータのトルク変動を抑制して、前記可変磁束モータのトルク変動を抑制しながら、前記可変磁束モータの前記永久磁石の磁束を変化させる制御をする制御手段とを備えた構成である。

本発明によれば、可変磁束モータの永久磁石の磁束を制御し、より実用的な永久磁石ドライブシステムを提供することができる。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る永久磁石ドライブシステム１の構成を示すブロック図である。なお、以降の図における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。以降の実施形態も同様にして重複する説明を省略する。

永久磁石ドライブシステム１は、インバータ５と、直流電源３と、電流検出器２ｕ，２ｗと、制御部１０と、可変磁束モータ４と、位置検出器（レゾルバ）９とを備えている。

インバータ５は、直流電源３から供給された直流電力を交流電力に変換する。インバータ５は、変換した交流電力を可変磁束モータ４に供給することで、可変磁束モータ４を駆動する。

電流検出器２ｕは、可変磁束モータ４に供給される三相交流のＵ相電流Ｉｕを検出する。電流検出器２ｗは、可変磁束モータ４に供給される三相交流のＷ相電流Ｉｗを検出する。

位置検出器９は、モータロータの角度（位置）を検出する。

制御部１０は、電流検出器２ｕ，２ｗ及び位置検出器９のそれぞれの検出値に基づいて、可変磁束モータ４を駆動制御する。

次に、可変磁束モータ４について説明する。ここでは、ロータ側について主に説明する。なお、ステータ側については、以下に説明するロータ側の要旨を逸脱しなければ、どのような構成でもよい。

可変磁束モータ４は、永久磁石を備えた永久磁石モータである。可変磁束モータ４は、磁束密度を可変にすることができる。

図２は、第１の実施形態に係る可変磁束モータ４をモデル化したイメージ図である。可変磁束モータ４は、ロータ側には、永久磁石として、磁性体の磁束密度が固定の固定磁石４２と、磁性体の磁束密度が可変の可変磁石４１とを設けている。同図において、可変磁石４１の磁束量も、Ｄ軸方向の量が変動するだけで、Ｑ軸方向は０と考えてよい。但し、設計の都合などで、厳密には０でなくともよい。

可変磁石４１及び固定磁石４２について説明する。

まず、永久磁石とは、外部から電流などを流さない状態において、磁化した状態を維持するものである。従って、その磁束密度は、いかなる条件においても厳密に変化しないわけではない。可変磁束モータでないＰＭモータであっても、インバータなどにより過大な電流を流すことで減磁したり、又は着磁したりする。よって、永久磁石とは、その磁束量が変化しないものではなく、通常のインバータ運転中では、その電流によって、磁束密度が概変化しないものを指すものとする。

可変磁石４１は、磁束密度を変化させることを目的として設けられた永久磁石である。従って、インバータ５で流し得る電流によって、磁束密度を変化させることができる。このような可変磁石４１は、磁性体の材質や構造に依存して、ある程度の範囲で設計することができる。一方、固定磁石４２は、磁束密度を変化させることを目的とせずに設けられた永久磁石である。

固定磁石４２は、例えばネオジム（ＮｄＦｅＢ）磁石である。ネオジム磁石は、残留磁束密度Ｂｒ（１．２Ｔ程度）が高いため、大きなトルクを小さい体格にて出力することができる。よって、ネオジム磁石は、モータの高出力小型化が求められるＨＥＶ（Hybrid Electric Vehicle）や電車には好適である。ネオジム磁石は、非常に高い保持力Ｈｃ（約１，０００ｋＡ／ｍ）を有しているため、通常の電流によって減磁しないことから固定磁石４２として最適な磁性体である。即ち、固定磁石４２としては、残留磁束密度が大きく、保磁力の大きい磁石を選定する。

可変磁石４１は、例えばアルニコ（ＡｌＮｉＣｏ）磁石（Ｈｃ：６０〜１２０ｋＡ／ｍ）やＦｅＣｒＣｏ磁石（Ｈｃ：約６０ｋＡ／ｍ）などである。アルニコ磁石やＦｅＣｒＣｏ磁石は、残留磁束密度が高く、保持力Ｈｃの小さい磁石である。

図３は、第１の実施形態に係る可変磁束モータ４の構成を示す構成図である。

可変磁束モータ４は、高保磁力の固定磁石４２と低保磁力の可変磁石４１とを組み合わせて配置している。可変磁束モータ４は、Ｄ軸方向において、固定磁石４２による一定した磁束量に、可変磁石４１による可変した磁束量が加わるように配置されている。可変磁石４１は、Ｑ軸方向とその磁化方向が直交するため、基本的にはＱ軸電流の影響を受けず、Ｄ軸電流によって磁化することができる。

図４は、第１の実施形態に係る固定磁石４２と可変磁石４１のＢＨ特性（磁束密度−磁化特性）のイメージ図である。また、図５は、永久磁石の第２象限におけるＢＨ特性を定量的に示したグラフ図である。

可変磁束モータ４は、通常の電流によって、固定磁石４２の磁束密度（磁束量）はほぼ一定であり、可変磁石４１の磁束密度（磁束量）は可変するように、構成されている。ここで、「通常の電流」とは、インバータによって従来のＰＭモータを駆動する際に流す程度の電流量という意味である。厳密に言えば、固定磁石４２は可逆領域で利用しているため、微小な範囲で磁束密度の変動をし、インバータ電流がなくなれば、当初の値に戻るものである。一方、可変磁石４１は、不可逆領域（電流を０にしても、電流印加前の磁束密度Ｂに戻らない）まで利用するため、インバータ電流がなくなっても、当初の値にならず、磁石が可変した状態となる。

残留磁束密度Ｂｒは、ネオジム磁石とアルニコ磁石とには大差がない。保磁力Ｈｃは、ネオジム磁石に対して、アルニコ磁石で１／１５〜１／８、ＦｅＣｒＣｏ磁石で１／１５になる。可変磁束モータでないＰＭドライブにおいては、インバータの出力電流による磁化領域は、ネオジム磁石の保磁力より十分に小さく、その磁化特性の可逆範囲で利用されている。一方、可変磁石４１は、保磁力が小さい。このため、インバータの出力電流の範囲において、不可逆領域での利用ができる。この特性を利用することで、可変磁石４１の磁束密度（磁束量）を可変にすることができる。

可変磁束モータ４の動特性の等価簡易モデルを、式（１）に示す。同モデルは、Ｄ軸を磁石磁束方向、Ｑ軸をＤ軸に直交する方向として与えたＤＱ軸回転座標系上のモデルである。

ここに、Ｒ１は巻線抵抗、ＬｄはＤ軸インダクタンス、ＬｑはＱ軸インダクタンス、φFIXは固定磁石の（鎖交）磁束量、φVARは可変磁石の（鎖交）磁束量、ω１はインバータ周波数である。

図１を参照して、制御部１０について説明する。

制御部１０は、永久磁石ドライブシステム１における主回路および制御ブロックにより構成されている。この制御ブロックは、制御マイコンによって、所定時間ごとに制御がなされている。

制御部１０は、運転指令生成部１６、トルク指令生成部１９、ゲート指令生成部１５、磁束指令演算部１２、電流基準演算部１１、磁化要求生成部１４、電圧指令演算部２０、座標変換部１７，２１、擬似微分器１８、ＰＷＭ回路２２を備えている。

座標変換部１７は、Ｕ相電流Ｉｕ及びＷ相電流Ｉｗを、ＤＱ軸座標上のＤ軸電流Ｉｄ及びＱ軸電流Ｉｑに変換する。座標変換部１７は、変換したＤＱ軸電流Ｉｄ，Ｉｑを電圧指令演算部２０に入力する。

座標変換部２１は、電圧指令演算部２０により出力されたＤＱ軸電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を、インバータ５から出力される三相交流の各相に対する電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に変換する。座標変換部２１は、変換した電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊をＰＷＭ回路２２に出力する。

ＰＷＭ回路２２は、電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に基づいて、インバータ５をパルス幅変調による制御をするための回路である。

運転指令生成部１６は、運転指令Ｒｕｎ＊が入力され、保護条件などを加味して、運転状態フラグＲｕｎを生成出力する。基本的には、運転指令が入った場合（運転指令Ｒｕｎ＊＝１）に、運転状態フラグＲｕｎを運転状態「１」にする。また、運転指令が停止を指示した場合（運転指令Ｒｕｎ＊＝０）に、運転状態フラグＲｕｎを停止状態「０」にする。運転指令生成部１６は、トルクをかける許可をするためのトルク許可フラグＴｒｑＯＮを生成する（「１」はトルクをかける、「０」はトルクをかけない)。運転指令Ｒｕｎ＊が「０」から「１」になった場合、可変磁束モータ４の磁化処理が行われる。この磁化処理を実施している間、磁化完了フラグが「１」になっている。トルク許可フラグＴｒｑＯＮは、この磁化が完了して、磁化完了フラグが「１」から「０」になって、初めて「１」になる。即ち、制御部１０は、磁化を完了させてからトルクを立ち上げる。

一方、運転指令Ｒｕｎ＊が「１」から「０」になった場合（即ち、運転停止を指示した場合）、トルク許可フラグＴｒｑＯＮ＝０にして、トルク指令Ｔｍ＊を０まで絞る。その後、運転状態フラグＲｕｎを停止状態「０」にする。

トルク指令生成部１９は、トルク指令Ｔｍ＊を生成する。トルク指令Ｔｍ＊は、トルク許可フラグＴｒｑＯＮ＝０の場合には、目標値を０にする。トルク指令Ｔｍ＊は、ＴｒｑＯＮ＝１の場合には、所望なトルクになるように生成される。

ゲート指令生成部１５は、運転状態フラグＲｕｎが入力され、インバータ１に内在するスイッチング素子へのゲート指令Ｇｓｔを生成出力する。ゲート指令生成部１５は、運転状態フラグＲｕｎが停止「０」から運転「１」に変わる場合、即時に、ゲートスタート（ゲート指令Ｇｓｔ＝１）させる。ゲート指令生成部１５は、運転状態フラグＲｕｎが運転「１」から停止「０」に変わる場合、所定時間の経過後に、ゲートオフ（ゲート指令Ｇｓｔ＝０）する。この所定時間経過した後にゲートオフするのは、フリーラン時に誘起電圧を低減させて、可変磁石４１を減磁してから停止させたいためである。

磁束指令演算部１２では、運転状態フラグＲｕｎとインバータ周波数ω１、すなわち、ロータ回転周波数ωＲを入力として、磁束指令φ＊を生成して、出力する。制御部１０は、位置検出器９であるレゾルバを用いた制御構成としている。このため、制御部１０は、レゾルバで検出したモータロータの角度を微分したロータ回転周波数ωＲを、インバータ周波数ω１として利用する。擬似微分器１８は、位置検出器９により検出されたモータロータの角度を擬似微分して、インバータ周波数ω１に変換している。

磁束指令演算部１２は、磁束指令φ＊を、例えば次のように生成する。

運転状態フラグＲｕｎが停止状態「０」の場合、磁束指令演算部１２は、磁束指令φ＊を「０」にする。運転状態フラグＲｕｎが運転状態「１」で、かつ回転周波数ωＲが所定値ωＡよりも低い場合、磁束指令演算部１２は、磁束指令φ＊を最大φｍａｘとする。運転状態フラグＲｕｎが運転状態「１」で、かつ回転周波数ωＲが所定値ωＡよりも高い場合、磁束指令演算部１２は、磁束指令φ＊を最小φｍｉｎとする。

図６は、第１の実施形態に係る磁束指令演算部１２の処理手順を説明するための流れ図である。

磁束指令演算部１２は、運転状態フラグＲｕｎが停止状態「０」か否かを判定する（ステップＳ１０１）。磁束指令演算部１２は、運転状態フラグＲｕｎが停止状態「０」と判定した場合は、磁束指令φ＊を「０」にする（ステップＳ１０１のＹｅｓ、ステップＳ１０２）。磁束指令演算部１２は、運転状態フラグＲｕｎが停止状態「０」でない（又は、運転状態「１」である）と判定した場合は、回転周波数ωＲが所定値ωＡよりも低いか否かを判定する（ステップＳ１０１のＮｏ、ステップＳ１０３）。磁束指令演算部１２は、回転周波数ωＲが所定値ωＡよりも低いと判定した場合は、磁束指令φ＊を最大φｍａｘにする（ステップＳ１０３のＹｅｓ、ステップＳ１０４）。磁束指令演算部１２は、回転周波数ωＲが所定値ωＡよりも低くない（又は、所定値ωＡよりも高い）と判定した場合は、磁束指令φ＊を最小φｍｉｎにする（ステップＳ１０３のＮｏ、ステップＳ１０５）。

磁束指令演算部１２は、磁束を３段階に変える。磁束指令演算部１２は、運転中はこの３段階のうち２段階を、所定回転数ωＡで磁束の高低を切り替えている。磁束指令演算部１２は、回転数が低い領域では、高トルクを必要とするため、磁束を高くして電流を抑制する。磁束指令演算部１２は、回転数が高い領域では、誘起電圧を抑制する弱め界磁電流が流れないようにするため、磁束を低くする。また、磁束指令演算部１２は、運転を停止させるときには、可変磁束モータ４の磁石によって生じる誘起電圧が零になるように、磁束指令φ＊を零にする。

電流基準演算部１１は、可変磁束モータ４を通常運転するための電流基準を演算する。電流基準演算部１１は、トルク指令Ｔｍ＊及び磁束指令φ＊が入力され、Ｄ軸電流基準ＩｄＲ及びＱ軸電流基準ＩｑＲを演算する。

次に、電流基準演算部における演算処理について説明する。

式（２）及び式（３）は、モータのリアクタンストルクを用いないことを想定した演算式（モータ極対数＝１）である。

ＩｄＲ＝０ …式（２）
ＩｑＲ＝Ｔｍ＊／φ＊ …式（３）
Ｄ軸インダクタンスＬｄとＱ軸インダクタンスＬｑの差異ΔLがある突極形モータである場合、例えば、次式のように演算できる。

ＩｄＲ＝Ｋ×ＩｑＲ …式（５）
ここで、Ｋは、Ｄ軸電流とＱ軸電流の比率である。Ｋは、前述の効率最適化や最大出力など、用途によって変わる値である。最適化を図るためには、Ｋは、関数とする。このとき、その関数の引数は、トルクや速度など様々である。Ｋ、或いは、Ｄ軸電流基準ＩｄＲ、Ｑ軸電流基準ＩｑＲは、簡易的な近似やテーブル化をして用いてもよい。

ＤＱ軸電流基準ＩｄＲ,ＩｑＲは、電圧指令演算部２０に入力される。電圧指令演算部２０は、磁化しない通常運転時には、ＤＱ軸電流基準ＩｄＲ,ＩｑＲにＤＱ軸電流Ｉｄ，Ｉｑが一致するように、モータモデルに基づくフィードフォワード演算やフィードバック制御により、ＤＱ軸電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を演算し出力する。また、電圧指令演算部２０は、磁化する際には、後述するように、所望な磁束指令になるようにＤＱ軸電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を演算し出力する。

図７は、第１の実施形態に係る磁化要求生成部１４の構成を示す構成図である。

磁化要求生成部１４は、磁束を変化させるための磁化を要求する磁化要求フラグＦＣｒｅｑを生成する。磁化要求フラグＦＣｒｅｑが立つと、制御部１０は、可変磁束モータ４を通常運転する通常モードから磁石磁束を変化させるための運転である磁化モードに制御を切り換える。

磁化要求生成部１４は、磁束指令前回値保持部１４１と、磁束指令変化判定部１４２と、運転状態フラグ前回値保持部１４３と、運転状態フラグ変化判定部１４４と、及び論理和演算部１４５とを備えている。

磁束指令前回値保持部１４１は、前回値の磁束指令φ＊を保持する。

磁束指令変化判定部１４２は、磁束指令φ＊が変化したか否かを判定する。

運転状態フラグ前回値保持部１４３は、前回値の運転状態フラグＲｕｎを保持する。

運転状態フラグ変化判定部１４４は、運転状態フラグＲｕｎが変化したか否かを判定する。

論理和演算部１４５は、磁束指令変化判定部１４２の判定結果と運転状態フラグ変化判定部１４４との論理和を演算する。

次に、磁化要求生成部１４の処理動作について説明する。

磁束指令前回値保持部１４１は、磁束指令φ＊が入力され、その値を保持する。磁束指令前回値保持部１４１は、この保持した磁束指令φ＊を、前回値の磁束指令φ＊として使用する。

磁束指令変化判定部１４２は、磁束指令前回値保持部１４１から入力された前回値の磁束指令φ＊と、今回の磁束指令φ＊とが入力される。磁束指令変化判定部１４２は、前回値の磁束指令φ＊と今回の磁束指令φ＊とを比較し、変化したか否かを判定する。磁束指令変化判定部１４２は、変化した場合は「１」、変化がない場合は「０」を出力する。

運転状態フラグ前回値保持部１４３は、運転状態フラグＲｕｎが入力され、その値を保持する。運転状態フラグ前回値保持部１４３は、この保持した運転状態フラグＲｕｎを、前回値の運転状態フラグＲｕｎとして使用する。

運転状態フラグ変化判定部１４４は、運転状態フラグ前回値保持部１４３から入力された前回値の運転状態フラグＲｕｎと、今回の運転状態フラグＲｕｎが入力される。運転状態フラグ変化判定部１４４は、前回値の運転状態フラグＲｕｎと今回の運転状態フラグＲｕｎとを比較し、変化したか否かを判定する。運転状態フラグ変化判定部１４４は、変化した場合は「１」、変化がない場合は「０」を出力する。

論理和演算部１４５は、磁束指令変化判定部１４２の判定結果と、運転状態フラグ変化判定部１４４の判定結果が入力される。論理和演算部１４５は、磁束指令変化判定部１４２から「１」が入力された場合、又は、運転状態フラグ変化判定部１４４から「１」が入力された場合に、磁化要求フラグＦＣｒｅｑを“磁化要求”を意味する「１」にする。それ以外は、磁化要求フラグＦＣｒｅｑは、“磁化要求なし”を意味する「０」となる。即ち、磁化要求フラグＦＣｒｅｑは、インバータ５が始動するとき、又は、インバータ５が停止するときなどに変化する。

図８は、第１の実施形態に係る電圧指令演算部２０の構成を示す構成図である。

電圧指令演算部２０は、インバータ５から出力させる電圧に対するＤＱ軸電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を出力する。

電圧指令演算部２０は、通常モード電圧指令演算部２０２と、磁化モード電圧指令演算部２０３と、切替器２０１とを備えている。

通常モード電圧指令演算部２０２は、通常運転時において、電流基準演算部１１の出力であるＤＱ軸電流指令ＩｄＲ,ＩｑＲに一致するように、第１のＤＱ軸出力電圧指令Ｖｄ１＊，Ｖｑ１＊を演算する。通常モード電圧指令演算部２０２は、モータモデルに基づくフィードフォワード項やフィードバック演算を用いて、第１のＤＱ軸出力電圧指令Ｖｄ１＊，Ｖｑ１＊を演算する。

磁化モード電圧指令演算部２０３は、可変磁束モータ４の永久磁石の磁束を変化させるための第２のＤＱ軸出力電圧指令Ｖｄ２＊，Ｖｑ２＊を演算する。

切替器２０１は、通常モード電圧指令演算部２０２から出力された第１のＤＱ軸出力電圧指令Ｖｄ１＊，Ｖｑ１＊と、磁化モード電圧指令演算部２０３から出力された第２のＤＱ軸出力電圧指令Ｖｄ２＊，Ｖｑ２＊とのいずれを出力するかを選択するために切り替える。

次に、磁化モード電圧指令演算部２０３の動作について説明する。

磁化モード電圧指令演算部２０３は、磁束指令演算部１２から磁束指令φ＊が入力される。磁化モード電圧指令演算部２０３は、磁石磁束が磁束指令φ＊に一致するまで磁化電流を流す。その後、磁化モード電圧指令演算部２０３は、磁化電流を減少させて、通常運転に移行させる。この間を磁化モードと呼び、「モード状態ＭＡＧｍｏｄｅ＞０」を磁化モードと定義する。一方、通常モードは、「モード状態ＭＡＧｍｏｄｅ＝０」と定義する。即ち、通常モードは、通常運転する運転モードである。磁化モードには、磁化フェーズ（モード状態ＭＡＧｍｏｄｅ＝１）と、移行フェーズ（モード状態ＭＡＧｍｏｄｅ＝２）がある。磁化フェーズは、磁束を変化させるために、磁化電流を増加させる。移行フェーズは、磁束変化が完了したときに、磁化電流を減少させて通常モードへの移行を行う。ここに、磁化とは、磁化モード、すなわち、磁化フェーズと移行フェーズとの両フェーズを合わせて指すと定義する。磁化モード電圧指令演算部２０３は、磁化の際（モード状態ＭＡＧｍｏｄｅ＞０）、トルク変動が生じないように電圧指令を演算するものである。

図９は、第１の実施形態に係る磁化モード電圧指令演算部２０３の処理手順を説明するための流れ図である。なお、磁化フェーズ（モード状態ＭＡＧｍｏｄｅ＝１）と移行フェーズ（モード状態ＭＡＧｍｏｄｅ＝２）との処理手順は、図９に示すステップＳ２０２における磁化電流の方向を含む変移量ΔＩｄの初期値の算出方法が異なる点以外は、同じ処理手順である。

まず、磁化フェーズにおける処理手順について説明する。

現時点でのＤＱ軸電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を、初期値Ｖｄ０,Ｖｑ０として記憶する。また、現時点でのＤＱ軸電流値Ｉｄ，Ｉｑを、初期値Ｉｄ０，Ｉｑ０として記憶する（ステップＳ２０１）。

磁束指令φ＊と、現時点での磁束量を示している磁束シミュレータの予測値φｈに基づき、磁化電流を流すべき方向を含む磁化電流の変移量ΔＩｄの初期値を決定する。即ち、αを正の所定値とすると、次のようになる。

磁束指令φ＊が磁束予測値φｈよりも大きければ、変移量ΔＩｄをαとする。そうでなければ（磁束指令φ＊が磁束予測値φｈ以下であれば）、変移量ΔＩｄを−αとする（ステップＳ２０２）。

制御周期ΔＴの経過後のトルク変動を零であるようにΔＩｑを決定するための処理を行う（ステップＳ２０３）。磁化電流（即ち、Ｄ軸電流）を式（６）のように流した場合の磁束推定値φｈ’を予測する。この磁束推定値φｈ’は、式（７）の磁束シミュレータを使って予測する（ステップＳ２０４）。この磁束シミュレータは、現時点での磁束φｈに対して、磁化電流Ｉｄ’を流すことで変化することが予想される磁束の推定値φｈ’を出力するものである。

Ｉｄ’＝Ｉｄ０＋ΔＩｄ …式（６）
φｈ’＝Ｆ（Ｉｄ’，φｈ） …式（７）
磁化特性のモデル化は様々な方式があるが、１つの実現方法としては、複数の磁化特性をそれぞれ多項式近似しておき、条件に応じた磁化特性多項式を参照することで、実現することができる。磁化特性のモデリングは、次のＵＲＬが参考になる。

http://www.engin.umd.umich.edu/vi/w2_workshops/memory_motors_vlado_w2.pdf
式（６）及び式（７）により求められた磁化電流Ｉｄ’及び磁束推定値φｈ’に基づいて、トルク変動を抑制するに必要なＱ軸電流Ｉｑ’を演算する。Ｑ軸電流Ｉｑ’は、式（８）を用いて、求めることができる。

磁化電流（Ｄ軸電流）Ｉｄ’、Ｑ軸電流Ｉｑ’、磁束φｈ’とするために、必要なＤＱ軸電圧指令Ｖｄ２＊，Ｖｑ２＊を求める（ステップＳ２０６）。

永久磁石リラクタンスモータの動特性は、式（９）で表される。特に可変磁束モータ４に適合するため、磁束の変化項がある。

式（９）で、Ｉｄ’→Ｉｄ、Ｉｑ’→Ｉｑ、φｈ’→φとすれば、直接、必要なＤＱ軸電圧指令Ｖｄ２＊，Ｖｑ２＊を求めることができる。また、変化分を別に考えれば、次のように求めることもできる。

ΔＩｄ＝Ｉｄ’−Ｉｄ０
ΔＩｑ＝Ｉｑ’−Ｉｑ０
Δφ ＝φｈ’−φ０

このＤＱ軸電圧ΔＶｄ’，ΔＶｑ’は、所望な磁束指令φ＊に向けて、微小な磁化電流を流すにあたり、トルク変動がないようなＤＱ軸電圧の変移ベクトルになる。ＤＱ軸電圧指令Ｖｄ２＊，Ｖｑ２＊は、初期電圧に、変移電圧ベクトルを加えて、次式のように演算する。

Ｖｄ２＊＝Ｖｄ０＋ΔＶｄ
Ｖｑ２＊＝Ｖｑ０＋ΔＶｑ …式（１１）
このＤＱ軸電圧指令Ｖｄ２＊，Ｖｑ２＊が、上記の微小な磁化電流Ｉｄ’を流し、かつ、トルク変動を抑制するのに必要なＤＱ軸電圧である。

インバータ５で出力可能なＤＱ軸上の最大電圧であるＤＱ軸最大電圧ＶｄｑＭａｘと、上記のＤＱ軸電圧指令Ｖｄ２＊，Ｖｑ２＊を比較する（ステップＳ２０７）。ＤＱ軸最大電圧ＶｄｑＭａｘは、１パルスモードまで用いれば、直流リンク電圧をＶｄｃとして、次式のように演算する。

また、必要なＤＱ軸電圧の大きさＶｄｑ２は、次式で演算できる。

必要なＤＱ軸電圧の大きさＶｄｑ２がＤＱ軸最大電圧ＶｄｑＭａｘよりも小さい場合は、インバータ５の出力電圧にまだ余裕がある。このため、磁化電流Ｉｄ’（＝Ｉｄ０＋ΔＩｄ）の大きさを更に増加させる（ステップＳ２０７のＮｏ、ステップＳ２０８）。磁化電流Ｉｄ’の大きさを増加させた後は、ステップＳ２０３から処理を繰り返す。

ここで“磁化電流の大きさを増加する”とは、符号を変えずに、磁化電流の大きさを大きくするという意味である。よって、磁化電流は、ステップＳ２０２で述べたように、磁束を増磁させる場合と減磁させる場合とで、重畳すべき磁化電流の符号が異なる。

必要なＤＱ軸電圧の大きさＶｄｑ２がＤＱ軸最大電圧ＶｄｑＭａｘよりも大きい場合は、インバータ５の出力電圧に余裕がない。よって、これ以上の磁化電流は流せない。繰り返し計算は、これで終了する。この時点でのＤＱ軸電圧指令Ｖｄ２＊，Ｖｑ２＊を出力する（ステップＳ２０９）。なお、ＤＱ軸電圧指令Ｖｄ２＊，Ｖｑ２＊の出力は、前回の演算で算出されたＤＱ軸電圧を出力してもよいし、前回と今回の演算で算出されたＤＱ軸電圧の間を補完した値でもよいし、又はインバータ５の出力可能な最大にリミットして出力してもよい。

上述のように、磁化モード電圧指令演算部２０３では、上記の各ステップに基づき、第２のＤＱ軸出力電圧指令Ｖｄ２＊,Ｖｑ２＊を演算し、出力する。

切替器２０１は、磁化処理中であることを表す磁化モード（モード状態ＭＡＧｍｏｄｅ＞０）の場合は、磁化モード電圧指令演算部２０３からの第２のＤＱ軸電圧指令Ｖｄ２＊，Ｖｑ２＊を選択する。一方、切替器２０１は、磁化が行われていない通常モード（モード状態ＭＡＧｍｏｄｅ＝０）の場合は、通常モード電圧指令演算部２０からの第１のＤＱ軸電圧指令Ｖｄ１＊，Ｖｑ１＊を選択する。切替器２０１は、選択したＤＱ軸電圧指令を最終的なＤＱ軸電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊として出力する。

磁化モード（モード状態ＭＡＧｍｏｄｅ＞０）では、所定の磁束変化を達成すると、第１の磁化フェーズから、第２の移行フェーズへと移る。

次に、移行フェーズにおける処理手順について説明する。ここでは、磁化フェーズの処理手順と異なる点について説明する。その他の点は、磁化フェーズと同様のため説明を省略する。

移行フェーズでは、磁化フェーズにおけるステップＳ２０２での磁化電流の方向を含む変移量ΔＩｄの初期値を以下のように算出する。

Ｄ軸電流基準ＩｄＲと、その時点でのＤ軸電流Ｉｄに基づき、磁化電流の方向と初期値を決定する。すなわち、αを正の所定値とすると、次のようになる。

Ｄ軸電流基準ＩｄＲがＤ軸電流Ｉｄよりも大きければ、変移量ΔＩｄをαとする。そうでなければ（Ｄ軸電流基準ＩｄＲがＤ軸電流Ｉｄ以下であれば）、変移量ΔＩｄを−αとする（ステップＳ２０２）。

ここに、磁化フェーズと移行フェーズでは、磁化電流の変移量ΔＩｄの符号が逆になる。移行フェーズにおいて、他は磁化フェーズと同等に動作させる。

Ｄ軸電流ＩｄがＤ軸電流基準ＩｄＲに到達したときに、磁化モード（モード状態ＭＡＧｍｏｄｅ＞０）を通常（モード状態ＭＡＧｍｏｄｅ＝０）に切り替える。これにより、移行フェーズの完了、即ち、磁化モードの完了となる。

次に、永久磁石ドライブシステム１の動作について説明する。

磁束指令φ＊が変化することにより磁化要求フラグＦＣＲｅｑが立つ。これにより、制御部１０のモードが通常モード（モード状態ＭＡＧｍｏｄｅ＝０）から磁化モード（モード状態ＭＡＧｍｏｄｅ＞０）へ移行する。これを受けて、電圧指令演算部２０２では、通常モード電圧指令演算部２０から磁化モード電圧指令演算部２０３へと処理が移行する。

磁化モード電圧指令演算部２０３では、その時点でのＤＱ軸電流Ｉｄ，Ｉｑに基づき、ある制御処理時間経過する間の磁化電流の変移量ΔＩｄ’を初期値として求める。これは、取り敢えず、微小な変移でよい。この磁化電流（Ｉｄ＋ΔＩｄ’）を流すことで、磁石磁束が変移（変移量Δφ）することが想定されるため、磁束の変化を磁束シミュレータで予測する。

このとき、磁化電流としてＤ軸電流Ｉｄが変化し、磁石磁束φが変化するため、トルク変動を生じる可能性がある。このため、トルクが変動しないように、トルク電流（Ｑ軸電流Ｉｑ）の変移量ΔＩｑを算出する。この変移量ΔＩｄ，ΔＩｑ，Δφは、ある制御処理時間ΔTに変移すると仮定しているため、それに要する電圧ベクトルΔＶｄ，ΔＶｑを演算できる。即ち、磁化電流Ｉｄを変化させるにあたり、磁化電流Ｉｄと共に、トルク変動を抑制する方向に、トルク電流Ｉｑを変化させる。或いは、その電流が流れるように、電圧ベクトルに変移量（ΔＶｄ，ΔＶｑ）を与える。

ここで、この時点での電圧ベクトルの変移量ΔＶｄ，ΔＶｑは、出力電圧に余裕がある場合がある。この場合、磁化電流の変移量ΔＩｄの大きさを、初期値の変移量ΔＩｄ’から更に増加させ、上述の演算処理を再度行う。このような演算を繰り返し行う。

このようにして、最終的に求まる変移量Ｉｄをインバータ５の制御に用いる。これにより、インバータ５が出力可能な最大電圧による磁化電流Ｉｄを流すことができる。

図１０を参照して、磁化モード電圧指令演算部２０３による出力電圧・電流ベクトルの推移について説明する。

磁化モードに切り替った時点での出力電圧はＶ０、モータ電流はＩ０であるとする。このとき、増磁するために、磁化電流であるＤ軸電流Ｉｄを磁化電流目標値まで増加することを考える（そこまで磁化すれば、磁束指令φ＊に磁束φが一致する）。図１０中において、インバータ５が出力可能な範囲を、出力電圧リミットとして示している。即ち、出力電圧リミット内がインバータ５の自由に出力できる電圧である。

ある制御処理時間ΔＴが経過した後に、ある磁化電流Ｉｄ（Ｄ軸電流としてＩ０+ΔＩｄ）を流すことを考える。

磁化モード電圧指令演算部２０３は、この流した磁化電流による磁束変化Δφを磁束シミュレータで予測する。次に、磁化モード電圧指令演算部２０３は、磁束変化Δφによるトルク変動を抑制するようにＱ軸電流の変移量ΔＩｑを決定する。Ｄ軸電流の変移量ΔＩｄとＱ軸電流の変移量ΔＩｑにより、電流ベクトルの変移量ΔＩ１が決定される。この変移量ΔＩ１を流すために必要となる電圧ベクトルの変移量がΔＶ１となる。

ここで、電圧ベクトルＶ０から電圧変移ベクトルΔＶ１が変移しても、出力電圧は、リミット内である。このため、変移量ΔＶ１による電圧は、出力可能と判断される。従って、磁化モード電圧指令演算部２０３は、更に磁化電流Ｉｄを増加させて、２度目の同様の演算を行う。この演算により、電流変移ベクトルΔＩ２、電圧変移ベクトルΔＶ２が求まる。

この電圧変移ベクトルΔＶ２の変移による電圧も、出力可能な範囲である。そこで、再度更に磁化電流Ｉｄを増加させて、３度目の同様の演算を行う。この演算により電流変移ベクトルΔＩ３、電圧変移ベクトルΔＶ３が求まる。

電圧変移ベクトルΔＶ３の変移による電圧は、出力可能な範囲外となる。従って、繰り替えし演算は、これで打ち切る。電圧指令としては、Ｖ０＋ΔＶ２、又は、Ｖ０＋ΔＶ３を出力する。なお、最大電圧となるように、変移量ΔＶ２と変移量ΔＶ３を補間することや、電圧リミットになるまで、磁化電流の変移量ΔＩｄを変えて収束演算をさせてもよい。

図１１は、第１の実施形態に係る永久磁石ドライブシステム１における制御状態を示すタイミングチャートである。図１１は、制御部１０が通常モード（モード状態ＭＡＧｍｏｄｅ＝０）から磁化モード（モード状態ＭＡＧｍｏｄｅ＞０）へ、そして、再度、通常モードへと移行するときの、状態量の変化を簡便に図示している。

トルク指令Ｔｍ＊は、通常モードであるか磁化モードであるかに関わらず、不変である。

磁化要求フラグＦＣＲｅｑは、磁束指令φ＊の変化と同時に立つ。これにより、モード状態ＭＡＧｍｏｄｅは、「０」から「１」になる。

磁束指令φ＊の変化と同時に、電流基準演算部１１の作用として、Ｄ軸電流基準ＩｄＲとＱ軸電流基準ＩｑＲが変化する。これらの電流基準は、磁束変化が完了した後の通常状態における電流基準を指し示すものである。

磁束指令φ＊に磁束φ（実磁束）が一致するように、Ｄ軸電流Ｉｄが増加する。これに応じて、磁束φ（同時に磁束推定値φｈ）は、増加する。Ｑ軸電流Ｉｑは、磁束の変化Δφ、Ｄ軸電流の変化によるリラクタンストルクの変化を考慮して、トータルのトルク変動を抑えるように変化する。

磁束指令φ＊に推定磁束φｈ（ここでは、実磁束φは、推定磁束φｈと等しいと仮定する。）が一致した段階で、制御部１０は、磁化フェーズ（モード状態ＭＡＧｍｏｄｅ＝１）から移行フェーズ（モード状態ＭＡＧｍｏｄｅ＝２）へ移行する。移行フェーズは、磁石磁束の変化が完了した後、磁化するために必要だった磁化電流を低減し、スムーズに通常モードへとモード移行するための磁化モードである。磁化電流（Ｄ軸電流）の低減目標値は、Ｄ軸電流基準ＩｄＲである。Ｑ軸電流は、磁化フェーズのときと同様に、そのときのトルク変動を抑制するように変化する。制御部１０は、Ｄ軸電流がＤ軸電流基準ＩｄＲに達して、磁化するために行った一連の制御を完了すると、磁化モード（モード状態ＭＡＧｍｏｄｅ＝２）から通常モード（モード状態ＭＡＧｍｏｄｅ＝０）に変化する。

本実施形態によれば、以下の作用効果を得ることができる。

出力可能な電圧範囲による最大の電圧によって、磁化電流の変移をさせている。したがって、磁化に要する時間を最小化することができる。磁化には、通常より過大な電流が必要であり、損失や発熱が問題となる。永久磁石ドライブシステム１の構成によれば、インバータの限界内にて、最小時間にて所定の磁化を完了させることが可能である。従って、損失や発熱を最小に抑えることができる。これにより、永久磁石ドライブシステム１は、インバータ５の冷却器を簡素化したり、スイッチング素子容量を低減できる。従って、ドライブシステム１は、小型・軽量化やコスト低減の効果が得られる。

また、磁化の際には、磁化電流を流すことによって、過渡トルクが生じる。この過渡トルクは、モータの負荷側に機械が接続された場合などでは、機械系に運動エネルギーを与えることで、振動等の問題を生じる。しかし、過渡トルクの大きさが低減できずとも、過渡トルクによって機械系に与える運動エネルギーが小さければ、問題にはならない。永久磁石ドライブシステム１の構成によれば、インバータ５による出力可能な最大の電圧で、磁化電流を最短で流すことで、過渡トルクの生じる時間を最短にすることできる。これにより、永久磁石ドライブシステム１は、振動等を低減することができる。

さらに、可変磁束モータ４を用いることで、磁束を零にして、惰行すれば、インバータの短絡故障やモータの地絡した場合などによる誘起電圧の発生を抑えることができる。例えば、ＰＭドライブでは、誘起電圧の発生を防止するため、ＰＭとインバータとの間に負荷接触器を入れるなど、装置が増大する。本実施形態に係る構成によれば、このような課題を解決することができる。また、磁束は、零まででなくとも、可変磁束モータ４における最小にして惰行することで、誘起電圧の発生によるリスクを低減できる。

また、ある制御処理時間の経過後の状態を評価することにより、トルク変動が生じないような磁化電流（Ｄ軸電流）Ｉｄ,トルク電流（Ｑ軸電流）Ｉｑを得ることができる。例えば、単純に、磁化電流を所定値まで流して、磁束φを磁束指令φに変化させると、磁化途中でのトルク変動が生じる。よって、トルク変動が生じないような磁化電流及びトルク電流を用いて、永久磁石ドライブシステム１を運転することにより、磁化をする過程においても、トルクの変動を抑制することができる。磁化に伴うトルク変動は、モータの機械負荷への振動を誘発し、また、騒音の要因となる。従って、本効果により、これらを低減した好適な永久磁石ドライブシステムを提供することができる。

具体的には、ある制御処理時間ΔＴ経過した後の状態を評価し、トルク変動を抑制するように、出力電圧の範囲内にて到達可能なＤＱ軸電流値を目標として、出力電圧を決定している。よって、磁化の最終段階のみならず、磁化の開始から終了までの間、トルク変動を抑制できる。ある制御処理時間とは、例えば、スイッチング周波数の１周期など、半周期の整数倍（この整数は１以上）に設定することができる。スイッチング半周期とは、各相が１回ずつスイッチングする状態である。このスイッチング半周期で制御をすると、出力可能な電圧ベクトルのうち、任意の電圧を指定できることになる。

さらに、スイッチングと、制御処理との同期をとると、出力電圧の制御性を良くすることができ、インバータ５の応答性を向上させることができる。

また、本実施形態では、磁化モード（モード状態ＭＡＧｍｏｄｅ＞０)として、磁化フェーズ（モード状態ＭＡＧｍｏｄｅ＝１）と移行フェーズ（モード状態ＭＡＧｍｏｄｅ＝２）と分けている。磁化フェーズでは、磁化電流を増加して、磁束を変化させるフェーズであり、移行フェーズは、磁化電流を低減して、通常制御モードへと移行するフェーズである。移行フェーズにおいても、大きな磁化電流を急速に減少させる必要があるため、トルク変動が生じる可能性が高い。よって、磁化フェーズと同様に処理することで、トルク変動が生じないようにすることができる。

さらに、出力可能な電圧を最大限に使えるため、最も短時間に通常モードへと移行することができる。よって、磁化電流を重畳している時間が短縮され、インバータやモータでの損失・発熱を抑制する効果を低減することができる。

（第２の実施形態）
図１２は、本発明の第２の実施形態に係る永久磁石ドライブシステム１Ａの構成を示すブロック図である。

永久磁石ドライブシステム１Ａは、図１に示す第１の実施形態に係る永久磁石ドライブシステム１において、電圧指令演算部２０及び座標変換部１７，２１の代わりに、電流指令演算部２６、電流制御部２７及び座標変換部２３，２４，２５を設けた点以外は、同様である。

電流指令演算部２６は、ＤＱ軸電流基準ＩｄＲ,ＩｑＲ、磁束指令φ＊、及び磁化要求フラグＦＣＲｅｑに基づいて、通常モード中及び磁化モードにおけるＤＱ軸電流指令Ｉｄ＊，Ｉｑ＊を演算する。電流指令演算部２６は、演算したＤＱ軸電流指令Ｉｄ＊，Ｉｑ＊を座標変換部２５に出力する。

座標変換部２５は、電流指令演算部２６から入力されたＤＱ軸電流指令Ｉｄ＊，Ｉｑ＊を３相電流指令Ｉｕ＊，Ｉｖ＊，Ｉｗ＊に変換する。座標変換部２５は、変換した３相電流指令Ｉｕ＊，Ｉｖ＊，Ｉｗ＊を電流制御部２７に出力する。

電流制御部２７は、３相電流指令Ｉｕ＊，Ｉｖ＊，Ｉｗ＊に、電流検出器２ｕ，２ｗにより検出された３相電流Ｉｕ，Ｉｖ(＝−Ｉｕ−Ｉｗの演算で求まる),Ｉｗが一致するように、３相電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を演算する。電流制御部２７は、例えば、ヒステリシスコンパレータ方式などの瞬時比較制御方式を利用して、３相電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を決定する。電流制御部２７は、演算した３相電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を座標変換部２３及びＰＷＭ回路２２に出力する。

座標変換部２３は、入力された３相電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を、ＤＱ軸回転座標系上でのＤＱ軸電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊に換算する。座標変換部２３は、換算したＤＱ軸電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を電流指令演算部２６に出力する。

図１３は、第２の実施形態に係る電流指令演算部２６の構成を示すブロック図である。

電流指令演算部２６は、通常モード（モード状態ＭＡＧｍｏｄｅ＝０）における電流指令と磁化モード（モード状態ＭＡＧｍｏｄｅ＞０）における電流指令のうちいずれか一方を出力するために選択する切替器２６１と、磁化モードにおける電流指令を演算する磁化電流指令演算部２６２とを備えている。

磁化要求フラグＦＣＲｅｑが「１」になると、モード状態ＭＡＧｍｏｄｅは、「０」から「１」に変化する。切替器２６１は、通常モードでは、電流基準ＩｄＲ，ＩｑＲをＤＱ軸電流指令Ｉｄ＊,Ｉｑ＊として選択する。切替器２６１は、磁化モードになると、磁化電流指令演算部２６２により演算された電流指令を選択する。

図１４は、第２の実施形態に係る磁化電流指令演算部２６２の処理手順を説明するための流れ図である。

図１４に示す処理手順は、図９に示す第１の実施形態に係る磁化モード電圧指令演算部２０３の処理手順において、ステップＳ２０９をステップＳ２０９Ａに代えた点以外は、同様である。

磁化電流指令演算部２６２のステップＳ２０９Ａは、繰り返し計算により最終的に決定されたＤＱ軸電流をＤＱ軸電流指令Ｉｄ＊，Ｉｑ＊として出力する。なお、ＤＱ軸電流指令Ｉｄ＊，Ｉｑ＊の出力は、前回の演算で算出されたＤＱ軸電流を出力してもよいし、前回と今回の演算で算出されたＤＱ軸電流の間を補完した値でもよいし、又はインバータ５の出力可能な最大にリミットして出力してもよい。

本実施形態によれば、以下の作用効果を得ることができる。

本実施形態に係る永久磁石ドライブシステム１Ａは、第１実施形態と同様に、インバータの出力可能な電圧範囲にて、トルク変動を抑制しつつ、最も大きな磁化電流の変移を与えられるように、電流指令を演算する。この電流指令に基づいて、電流追従性の良好である、ヒステリシス制御や空間ベクトル制御などの瞬時比較方式の電流制御部２７が動作する。よって、第１実施例の効果を得ると同時に、精度よく、電流を追従させることが可能である。

可変磁束モータ４は、永久磁石の磁石磁束の急峻な変化を伴うものである。この可変磁石のモデル化は、複雑となる。そのため、モデル化の精度が不十分であると、所望な電流を流すことができず、所望な磁束変化が得られないことになる。このことは、磁束制御精度が劣化し、また、磁化処理に時間を要して、損失や発熱が増大するなどの懸念が生じる。

本実施形態に係る永久磁石ドライブシステム１Ａは、インバータの出力可能な電圧範囲と見込まれる条件にて、変移可能な電流を電流指令として与え、電圧外乱に対してロバスト性が高く電流追従性が高い瞬時比較制御を施している。これにより、上記の懸念を払拭することができる。

なお、第１の実施形態において、図３に示す可変磁石モータ４の構成は、これに限らない。可変磁石モータ４の構成は、図２に示すようなモデル化した構成が成り立てば、可変磁石４１又は固定磁石４２をどのように配置してもよい。

第１の実施形態において、磁束指令演算部１２は、磁束を３段階に変えるものとしたが、何段階に変えるようにしてもよい。また、磁束指令演算部１２は、任意の磁束量に制御できる。

第１の実施形態では、可変磁束モータ４の永久磁石の磁束を変化させる際に、トルク変動が生じないようにＱ軸電流を決定している。これに対して、インバータの出力電圧を最大にして、磁化電流（Ｄ軸電流）を最短時間で流すことで、トルク変動を許容する制御にしてもよい。トルク変動の生じる時間を最短にすることで、機械系に与える運動エネルギーを低減し、振動等を低減することができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施形態に係るインバータ制御装置を適用した構成を示すブロック図。 第１の実施形態に係る可変磁束モータをモデル化したイメージ図。 第１の実施形態に係る可変磁束モータの構成を示す構成図。 第１の実施形態に係る固定磁石と可変磁石のＢＨ特性のイメージ図。 永久磁石の第２象限におけるＢＨ特性を定量的に示したグラフ図。 第１の実施形態に係る磁束指令演算部の処理手順を説明するための流れ図。 第１の実施形態に係る磁化要求生成部の構成を示す構成図。 第１の実施形態に係る電圧指令演算部の構成を示す構成図。 第１の実施形態に係る磁化モード電圧指令演算部による出力電圧・電流ベクトルの推移を示すベクトル図。 第１の実施形態に係る磁化モード電圧指令演算部による出力電圧・電流ベクトルの推移を示す座標図。 第１の実施形態に係る永久磁石ドライブシステムにおける制御状態を示すタイミングチャート。 本発明の第２の実施形態に係る永久磁石ドライブシステムの構成を示すブロック図。 第２の実施形態に係る電流指令演算部の構成を示すブロック図。 第２の実施形態に係る磁化電流指令演算部の処理手順を説明するための流れ図。

符号の説明

１，１Ａ…永久磁石ドライブシステム、２ｕ，２ｗ…電流検出器、３…直流電源、４…可変磁束モータ、５…インバータ、９…位置検出器、１０，１０Ａ…制御部、１１…電流基準演算部、１２…磁束指令演算部、１４…磁化要求生成部、１５…ゲート指令生成部、１６…運転指令生成部、１７…座標変換部、１８…擬似微分器、１９…トルク指令生成部、２０…電圧指令演算部、２１…座標変換部、２２…ＰＷＭ回路、２３…座標変換部、２４…座標変換部、２５…座標変換部、２６…電流指令演算部、２７…電流制御部。

Claims (10)

1. 磁束を変化させるための永久磁石を備えた可変磁束モータと、
   前記可変磁束モータを駆動するインバータと、
   前記インバータを、前記永久磁石の磁束軸方向の電流である磁化電流を変化させることにより、前記永久磁石の磁束を変化させ、前記磁化電流と直交する電流を変化させることにより、前記可変磁束モータのトルク変動を抑制して、前記可変磁束モータのトルク変動を抑制しながら、前記可変磁束モータの前記永久磁石の磁束を変化させる制御をする制御手段と
   を備えたことを特徴とする永久磁石ドライブシステム。
2. 前記制御手段は、前記永久磁石の磁束を変化させるための前記磁化電流を、前記インバータから出力される電圧が最大となるように算出すること
   を特徴とする請求項１に記載の永久磁石ドライブシステム。
3. 前記制御手段は、
   前記磁化電流を流したときに、変化する前記永久磁石の磁束を予測する磁束予測手段を有し、
   前記磁化電流及び前記磁束予測手段により予測され、該磁化電流を流したときに、変化する前記永久磁石の磁束に基づいて、前記可変磁束モータのトルク変動を抑制するように、該磁化電流に直交する電流を算出すること
   を特徴とする請求項１に記載の永久磁石ドライブシステム。
4. 前記制御手段は、
   前記インバータから出力される電流又は電圧に対する指令を演算する指令演算手段を有し、
   前記指令演算手段により演算された前記指令に基づいて、前記インバータを制御すること
   を特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の永久磁石ドライブシステム。
5. 前記指令演算手段は、前記指令の演算を所定周期毎にし、次の前記所定周期後における前記可変磁束モータの電流値、磁束値及びトルクを予測して、前記指令を演算すること
   を特徴とする請求項４に記載の永久磁石ドライブシステム。
6. 前記指令演算手段は、前記所定周期を、前記インバータの半スイッチング周期の１以上の整数倍毎とすること
   を特徴とする請求項５に記載の永久磁石ドライブシステム。
7. 前記制御手段は、前記インバータから最大の電圧を出力させ、前記可変磁束モータの前記永久磁石の磁束を変化させる制御をすること
   を特徴とする請求項１に記載の永久磁石ドライブシステム。
8. 磁束を変化させるための永久磁石を備えた可変磁束モータと、
   前記可変磁束モータを駆動するインバータと、
   前記永久磁石の磁束軸方向の電流であるＤ軸電流を流したときに、変化する前記永久磁石の磁束を予測する磁束予測手段と、
   前記磁束予測手段により予測させるための前記Ｄ軸電流の初期値を算出するＤ軸電流初期値算出手段と、
   前記磁束予測手段より予測された磁束に基づいて、前記可変磁束モータのトルク変動を抑制するように、前記Ｄ軸電流と直交するＱ軸電流を算出するＱ軸電流算出手段と、
   前記Ｄ軸電流及び該Ｄ軸電流に基づく前記Ｑ軸電流算出手段により算出されたＱ軸電流により求まる電流ベクトルを流すための電圧ベクトルを算出する電圧ベクトル算出手段と、
   前記電圧ベクトル算出手段により算出された電圧ベクトルに対応する前記インバータから出力されるインバータ電圧を算出するインバータ電圧算出手段と、
   前記インバータ電圧算出手段により算出される前記インバータ電圧が、前記インバータから出力される最大の電圧を超えないように制限するまで、前記磁束予測手段により予測される前記Ｄ軸電流を増加させるＤ軸電流増加手段と、
   前記永久磁石の磁束が所定の磁束量に変化するまで、前記Ｄ軸電流増加手段により制限されるまで増加されたＤ軸電流に基づいて、前記インバータ電圧算出手段により算出された前記インバータ電圧を出力させるように、前記インバータを制御する制御手段と
   を備えたことを特徴とする永久磁石ドライブシステム。
9. 前記制御手段は、前記永久磁石を所定の磁束に変化させた後、前記可変磁束モータのトルク変動を抑制しながら、前記インバータから出力される前記永久磁石の磁束を変化させるための電流を減少させること
   を特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の永久磁石ドライブシステム。
10. 前記制御手段は、前記永久磁石を所定の磁束に変化させるために、瞬時比較制御方式を適用すること
    を特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の永久磁石ドライブシステム。

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