JP5228629B2 - 交流電動機のインバータ装置及びその電動機電流制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、交流電動機を駆動するインバータ装置及びその電動機電流制御方法に関する。

近年、小型化やコスト低減の要求により、埋込型永久磁石モータ（ＩＰＭＭ）やリラクタンスモータ（ＳｙｎＲＭ）などの交流電動機は、車載用、工作機械用とその利用分野を広げている。これらの分野では、リラクタンストルクを積極的に利用して高効率に駆動するため、結果的に磁気飽和によりインダクタンスが無負荷時の半分程度やそれ以下にまで低下する電気的特性を持つモータが設計され、速度制御範囲の拡大の要求に対応するため、高速域で磁束を弱める界磁制御が行われている。
周知のように交流電動機のインダクタンス値は、電流の大きさでその値は可変するので、交流電動機のｄ軸インダクタンス、ｑ軸インダクタンスは、運転中にダイナミックに変化することになり、これに対応できる電流制御が求められるようになってきた。

従来の電流制御方法は、制御対象である埋込型永久磁石モータのｄ軸インダクタンスＬｄ及びｄ軸抵抗Ｒｄに基づきｄ軸電流制御部のゲインを設定し、ｑ軸インダクタンスＬｑ及びｑ軸抵抗Ｒｑに基づきｑ軸電流制御部のゲインを設定し、ｄ軸、ｑ軸の電流応答を同一にしている（例えば、特許文献１参照）。また、速度センサレスのベクトル制御における磁極位置を推定する方法として、高周波電圧を印加し、高周波インピーダンスをｄ−ｑ座標系から４５°位相を遅らせたｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系で高周波インピーダンスＺdm、Ｚqmを検出し、磁極位置推定値が正しければ、ＺdmとＺqmとに差は生じないことを利用する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

図７（ａ）は電流制御系のｄ軸電流、（ｂ）は電流制御系のｑ軸電流の構成を伝達関数で表現したブロック線図で、１２３、１２４は減算器、１２６はｄ軸電流ＰＩ制御部、１２８はｑ軸電流ＰＩ制御部、２５０ｄはｄ軸モータ・駆動回路系、２５０ｑはｑ軸モータ・駆動回路系である。ｄ軸モータ・駆動回路系２５０ｄの伝達関数Ｇｄｍ（ｓ）、ｑ軸モータ・駆動回路系２５０ｑの伝達関数Ｇｑｍ（ｓ）、ｄ軸電流ＰＩ制御部１２６の伝達関数Ｇｄｐｉ（ｓ）、及びｑ軸電流ＰＩ制御部１２８の伝達関数Ｇｑｐｉ（ｓ）は、次式で表される。
Ｇｄｍ（ｓ）＝Ｋｍ／（Ｌｄ・ｓ＋Ｒｄ） …（１）
Ｇｑｍ（ｓ）＝Ｋｍ／（Ｌｑ・ｓ＋Ｒｑ） …（２）
Ｇｄｐｉ（ｓ）＝Ｋｄｐ＋Ｋｄｉ／ｓ …（３）
Ｇｑｐｉ（ｓ）＝Ｋｑｐ＋Ｋｑｉ／ｓ …（４）
ここで、Ｋｍは定数、Ｌｄ、Ｌｑは各軸のインダクタンス、Ｒｄ、Ｒｑは各軸の抵抗、Ｋｄｐ、Ｋｑｐは各軸の比例ゲイン、Ｋｄｉ、Ｋｑｉは各軸の積分ゲインを示す。

ｄ軸電流ＰＩ制御部１２６の制御パラメータである上記の比例ゲインＫｄｐおよび積分ゲインＫｄｉは、Ｋ１を任意の係数として、上記のｄ軸インダクタンスＬｄおよびｄ軸抵抗Ｒｄに基づき次のように設定される。
Ｋｄｐ＝Ｋ１・Ｌｄ …（５）
Ｋｄｉ＝Ｋ１・Ｒｄ …（６）
また、ｑ軸電流ＰＩ制御部１２８の制御パラメータである上記の比例ゲインＫｑｐおよび積分ゲインＫｑｉは、Ｋ２を任意の係数として、上記のｑ軸インダクタンスＬｑおよびｑ軸抵抗Ｒｑに基づき次のように設定される。
Ｋｑｐ＝Ｋ２・Ｌｑ …（７）
Ｋｑｉ＝Ｋ２・Ｒｑ …（８）

上記のような電流制御系では、ｄ軸電流についての閉ループ伝達関数Ｇｄｃｌ（ｓ）は、図７（ａ）および式（１）（３）（５）（６）より、
Ｇｄｃｌ（ｓ）＝Ｇｄｐｉ（ｓ）・Ｇｄｍ（ｓ）／{１＋Ｇｄｐｉ（ｓ）・Ｇｄｍ（ｓ）}
＝Ｋ１・Ｋｍ／（ｓ＋Ｋ１・Ｋｍ） …（９）
となる。ここで、Ｋ１・Ｋｍ＝Ｒｄ／Ｌｄとおくと、
Ｇｄｃｌ（ｓ）＝Ｒｄ／（Ｌｄ・ｓ＋Ｒｄ） …（１０）
となる。上記式（１０）を式（１）と比較すればわかるように、この場合、電流制御系は、ｄ軸電流につきモータ・駆動回路系と同様の周波数特性を有する。

同様に、ｑ軸電流についての閉ループ伝達関数Ｇｑｃｌ（ｓ）は、図７（ｂ）および式（２）（４）（６）（８）より、
Ｇｑｃｌ（ｓ）＝Ｇｑｐｉ（ｓ）・Ｇｑｍ（ｓ）／{１＋Ｇｑｐｉ（ｓ）・Ｇｑｍ（ｓ）}
＝Ｋ２・Ｋｍ／（ｓ＋Ｋ２・Ｋｍ） …（１１）
となる。ここで、Ｋ２・Ｋｍ＝Ｒｑ／Ｌｑとおくと、
Ｇｑｃｌ（ｓ）＝Ｒｑ／（Ｌｑ・ｓ＋Ｒｑ） …（１２）
となる。上記式（１２）を式（２）と比較すればわかるように、この場合、電流制御系は、ｑ軸電流につきモータ・駆動回路系と同様の周波数特性を有する。
なお、上記式（５）〜（８）に示す比例ゲインおよび積分ゲインにおける係数Ｋ１，Ｋ２は、Ｋ１＝Ｋ２となるように設定されるのが通常であり、この場合、式（９）（１１）より、Ｋ１，Ｋ２自体の値に拘わらず、ｄ軸電流についての閉ループ伝達関数Ｇｄｃｌ（ｓ）とｑ軸電流についての閉ループ伝達関数Ｇｑｃｌ（ｓ）とが等しくなり、両軸の電流についての応答性が一致する。
このように、従来の電流制御方法は、ｄ軸及びｑ軸で異なるインダクタンスおよび抵抗に応じ各軸の電流制御ゲインを個別に設定することで、ｄ軸、ｑ軸の電流応答性を同一とし、モータの性能を最大限に引き出すのである。
特開２００５−６４２０号公報（第１１、１２頁、図３） 特開２００２−２９１２８３号公報（第６頁、図１）

従来の交流電動機のインバータ装置及びその電動機電流制御方法は、既知でしかも固定値である電動機定数を用いて電流制御部のゲインを予め決定するようになっているので、運転中の電流の大きさや運転周波数といった運転条件によりインダクタンスが大きく変化すると、ｄ軸、ｑ軸の電流周波数応答を同一と出来ず、モータの性能を最大限に引き出せなくなるという問題があった。
なお、運転中にｑ軸インダクタンスは、埋込型永久磁石モータ（ＩＰＭＭ）では１／２、リラクタンスモータ（ＳｙｎＲＭ）にいたっては１／５以下になるものがあり、このような場合には、電流制御ループは不安定となり、発振に至ることさえあった。

この対策として、運転中にインダクタンスを同定し、同定したインダクタンスに応じて電流制御部のゲインを変更する方法が考えられるが、電流制御部が制御している電流の大きさを用いて電流制御部のゲインを決定し、ゲインを変更することでまた電流の大きさが変化してしまうことになるので、運転状態によっては不安定になり、さらに、ｑ軸インダクタンスは、ｄ軸インダクタンスよりも電流依存性が強いために、やはり電流応答にアンバランスが生じ、電動機の性能が低下するばかりでなく電流制御ループが不安定になったりするという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、運転中に駆動している交流電動機のｄ軸、ｑ軸のインダクタンスの一方が大きく変化しても、ｄ軸、ｑ軸の電流応答性のアンバランスを解消した安定な電流制御を行う交流電動機のインバータ装置及びその電動機電流制御方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、与えられたトルク指令を用いて電流指令を出力する電流指令演算器と、交流電動機に流れる電流を検出して電流検出を算出する電流検出器と、前記交流電動機の磁軸あるいは推定磁軸をｄ軸、該ｄ軸から９０°進んだ軸をｑ軸としたｄ−ｑ座標系に対し、４５°遅らせたｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系で前記電流指令と前記電流検出の偏差（電流偏差）がゼロになるように演算して、前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系の電圧指令を算出する前記電流制御器と、前記ｄ _ｍ −ｑ _ｍ 座標系の電圧指令に基づく電圧を前記交流電動機に供給して駆動するインバータ部と、を備えるようにしたものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記ｄ−ｑ座標系の電流指令を前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系に変換する座標変換器と、前記ｄ−ｑ座標系の電流検出を前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系に変換する第２の座標変換器と、前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系の電圧指令を前記ｄ−ｑ座標系に変換する座標逆変換器と、をさらに備えるものである。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記電流偏差を前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系に変換する座標変換器と、前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系の電圧指令を前記ｄ−ｑ座標系に変換する座標逆変換器と、をさらに備えるものである。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記交流電動機の速度及び前記電流検出を用いて、前記ｄ−ｑ座標間の干渉項を演算する非干渉化演算器と、 前記ｄ _ｍ −ｑ _ｍ 座標系の電圧指令を前記ｄ−ｑ座標系に変換する座標逆変換器と、前記ｄ−ｑ座標系に変換された電圧指令に前記干渉項を加算する加算器と、をさらに備えるものである。
また、請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記交流電動機の速度及び前記電流検出を用いて、前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標間の干渉項を演算する非干渉化演算器と、 前記ｄ _ｍ −ｑ _ｍ 座標系の電圧指令に前記干渉項を加算する加算器と、をさらに備えるものである。

また、請求項６に記載の発明は、請求項２または３に記載の発明において、前記交流電動機の速度及び前記ｄ−ｑ座標系の電流検出を用いて、前記ｄ−ｑ座標間の干渉項を演算する非干渉化演算器と、前記ｄ−ｑ座標系の電圧指令に前記干渉項を加算する加算器と、をさらに備えるものである。
また、請求項７に記載の発明は、請求項２または３に記載の発明において、前記交流電動機の速度及び前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系の電流検出を用いて、前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標間の干渉項を演算する非干渉化演算器と、前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系の電圧指令に前記干渉項を加算する加算器と、をさらに備えるものである。

また、請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の発明において、前記電流制御器の制御ゲインは、前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系での前記交流電動機の回路定数を基に決定されているものである。
また、請求項９に記載の発明は、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の発明において、記電流制御器の制御ゲインは、所定の負荷条件における前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系での前記交流電動機の回路定数を基に決定されているものである。
また、請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の発明において、前記所定の負荷条件は、前記交流電動機の定格負荷状態とするものである。
また、請求項１１に記載の発明は、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の発明において、前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系は、前記ｄ−ｑ座標系に対し４５°遅らせたことに代えて前記ｄ−ｑ座標系に対し４５°進ませたようにしたものである。

さらに、上記問題を解決するため、本発明は、次のようにしたのである。
請求項１２に記載の発明は、与えられたトルク指令を用いて電流指令を演算するステップと、交流電動機に流れる電流を検出して電流検出を算出するステップと、前記交流電動機の磁軸あるいは推定磁軸をｄ軸、該ｄ軸から９０°進んだ軸をｑ軸としたｄ−ｑ座標系に対し、４５°位相が異なるｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系を定義し、前記電流指令を前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系に変換するステップと、前記電流検出を前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系に変換するステップと、前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系に変換された電流指令と前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系に変換された電流検出の偏差（電流偏差）を演算するステップと、前記電流偏差がゼロになるように電流制御して電圧指令を演算するステップと、前記電圧指令を前記ｄ−ｑ座標系に変換するステップと、前記ｄ−ｑ座標系に変換された電圧指令に基づく電圧を前記交流電動機に供給して駆動するステップと、を備えるものである。

また、請求項１３に記載の発明は、与えられたトルク指令を用いて電流指令を演算するステップと、交流電動機に流れる電流を検出して電流検出を算出するステップと、前記電流指令と前記電流検出の偏差（電流偏差）を算出するステップと、前記交流電動機の磁軸あるいは推定磁軸をｄ軸、該ｄ軸から９０°進んだ軸をｑ軸としたｄ−ｑ座標系に対し、４５°位相が異なるｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系を定義し、前記電流偏差を前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系に変換するステップと、前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系に変換された電流偏差がゼロになるように電流制御して電圧指令を演算するステップと、前記電圧指令を前記ｄ−ｑ座標系に変換するステップと、前記ｄ−ｑ座標系に変換された電圧指令に基づく電圧を前記交流電動機に供給して駆動するステップと、を備えるものである。

本発明によると、交流電動機のｄ軸インダクタンス、ｑ軸インダクタンスの変化に対し、電流応答への影響を軽減するとともに、ｄ軸、ｑ軸の電流応答を同じにすることで、電流制御の不安定性が解消でき、安定な電動機起動が実現できる。
特に、請求項４乃至７に記載の発明によると、ｄ−ｑ座標間あるいはｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標間の干渉を抑制でき、速度に依存しない安定な電流制御が実現でき、請求項８乃至１０に記載の発明によると、電流制御ゲインを適正に、かつ容易に設定でき、さらに安定な電流制御が実現できる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の交流電動機を駆動するインバータ装置の制御ブロック図である。図において、１はインバータ制御装置で駆動される交流電動機、２は交流電動機１に取り付けられ交流電動機１の位置を検出する位置検出器、３は位置検出器２で検出された位置情報を基に検出速度ωを演算する微分演算器、１７は与えられた速度指令ω^＊と検出速度ωの偏差（速度偏差）を演算する減算器、４は速度偏差がゼロになるように、例えば比例・積分制御してトルク指令τ^＊を出力する速度制御器、５はトルク指令τ^＊を入力とし、後述する演算により電流指令ベクトルｉ_ｄｑ ^＊（ｉ_ｄ ^＊、ｉ_ｑ ^＊）を出力する電流指令演算器である。
なお、電流指令ベクトルｉ_ｄｑ ^＊は、ｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊、ｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊の２つの要素を持つので、ベクトルと称している。また、後述される電流ベクトル、電圧指令ベクトルなどについても同様であり、図においては、ベクトル部分を太線で表示している。

さらに、６は４５°位相を遅らせる４５°座標変換器で、後述する変換行列Ｔ_４５を用いてｄ−ｑ座標系の電流指令ベクトルｉ_ｄｑ ^＊をｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系の電流指令ベクトルｉ_ｄｑｍ ^＊（ｉ_ｄｍ ^＊、ｉ_ｑｍ ^＊）に変換する。なお、ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系はｄ−ｑ座標系に対し４５°遅れた位相関係にある。１８は減算器で、ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系の電流指令ベクトルｉ_ｄｑｍ ^＊、および後述する電流ベクトルｉ_ｄｑｍ（ｉ_ｄｍ、ｉ_ｑｍ）の偏差（電流偏差）を演算し、７は電流制御器で、電流偏差がゼロになるように、例えば比例・積分制御を用いて、ｄ_ｍ、ｑ_ｍ軸独立に制御し電圧指令ベクトルΔ_ｄｑｍ（Δ_ｄｍ、Δ_ｑｍ）を算出する。８は４５°位相を進ませる４５°座標逆変換器で、後述する変換行列Ｔ_４５ ^−１用いてｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系の電圧指令ベクトルｖ_ｄｑｍ ^＊（ｖ_ｄｍ ^＊、ｖ_ｑｍ ^＊）をｄ−ｑ座標系の電圧指令ベクトルｖ_ｄｑ ^＊（ｖ_ｄ ^＊、ｖ_ｑ ^＊）に変換する。９はベクトル制御回路で、電圧指令ベクトルｖ_ｄｑ ^＊を３相の電圧指令ベクトルｖ_ｕｖｗ ^＊（ｖ_ｕ ^＊、ｖ_ｖ ^＊、ｖ_ｗ ^＊）に変換する。１０はインバータ回路で、電圧指令ベクトルｖ_ｕｖｗ ^＊に基づく電圧を印加して交流電動機１を駆動する。

さらに、１１は非干渉化演算器で、後述する演算により電圧指令Δｖ_ｄｑｍ ^＊を出力し、１３は電流検出器で、交流電動機１の相電流ベクトルｉ_ｕｖｗ（ｉ_ｕ、ｉ_ｖ、ｉ_ｗ）を検出し、１４は交流電動機１の固定子巻線のＵ相をα軸とし、α軸に対し９０°だけ進んだ位相をβ軸とするα−β座標系に変換する固定座標変換器で、相電流ベクトルｉ_ｕｖｗを固定座標系電流ベクトルｉ_αβ（ｉ_α、ｉ_β）に変換する。１５は回転座標変換器で、位置検出器２より得られる位置情報を基に算出された位相θを用いて、固定座標電流ベクトルｉ_αβをｄ−ｑ座標系の回転座標系電流ベクトルｉ_ｄｑ（ｉ_ｄ、ｉ_ｑ）に変換する。なお、ｄ−ｑ座標系は、回転子の磁極軸方向をｄ軸、ｄ軸に９０°だけ進んだ位相をｑ軸とするものである。１６は６と同様の動作をする４５°座標変換器で、ｄ−ｑ座標系の電流ベクトルｉ_ｄｑをｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系の電流ベクトルｉ_ｄｑｍに変換する。

本発明が従来技術と異なる部分は、４５°座標変換器６及び１６と４５°座標逆変換器８と備え、電流制御器７及び非干渉化演算器１１においてｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標における電流制御系を構築している部分である。

本発明の動作説明の前に、動作原理について説明する。
従来技術でも説明したように、従来のｄ−ｑ座標系で行われる電流制御では、ｄ軸電流制御ゲインはｄ軸インダクタンスと巻線抵抗に、ｑ軸電流制御ゲインはｑ軸インダクタンスと巻線抵抗に依存する。つまり、ｄ−ｑ座標系で電流制御を行う際の電流応答は、ｄ軸インダクタンスの変化はｄ軸の電流応答に、ｑ軸インダクタンスの変化はｑ軸の電流応答に影響を与える。さらに、非干渉制御が精度よく行われていなければ、特に高速度領域において、インダクタンスの変化はｄ軸電流によるｑ軸電圧への、ｑ軸電流によるｄ軸電圧への影響を与えることになる。
これに対し、ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系で電流制御を行うと、ｄ_ｍ軸、ｑ_ｍ軸ともに、ｄ軸インダクタンス変化、ｑ軸インダクタンス変化に対し、それぞれの影響を１／√２（<１）にでき、しかも同じ大きさの影響とすることができる。
このように、ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系で電流制御を行うことで、ｄ軸インダクタンス、ｑ軸インダクタンスの変化に対し、電流応答への影響を軽減するとともに、ｄ軸、ｑ軸の電流応答を同じにすることができる。

次に、本発明の動作について説明する。ここでは、交流電動機１が埋め込み型永久磁石同期モータ（ＩＰＭＳＭ）の場合を例にして電流指令演算器５の動作を説明する。
交流電動機１が埋め込み型永久磁石同期モータ（ＩＰＭＳＭ）の場合、トルクτと電流ベクトルｉ_ｄｑの関係は、（１３）式で与えられる。

所定のトルクを最小の電流で得るようにする条件を（１３）式に与えると、ｄ軸電流ｉ_ｄとｑ軸電流ｉ_ｑの関係は（１４）式として求まる。

電流指令演算器５では、（１３）式を変形した（１５）式にｄ軸電流ｉ_ｄの前回値を代入してｑ軸電流指令ｉｑ^＊を算出し、さらに、算出したｑ軸電流指令ｉｑ^＊を（１４）式に代入してｄ軸電流指令（今回値）ｉｄ^＊を算出する。

このようにして、電流指令演算器５は、トルク指令τ^＊を入力とし、電流指令ベクトルｉ_ｄｑ ^＊を演算して出力する。

次に、４５°座標変換器６、１６の動作を説明する。
４５°座標変換器６は、ｄ−ｑ座標系の電流指令ベクトルｉ_ｄｑ ^＊を（１６）式で表される変換行列Ｔ_４５を用いて、ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系の電流指令ベクトルｉ_ｄｑｍ ^＊に変換し、４５°座標変換器１６は、ｄ−ｑ座標系の電流ベクトルｉ_ｄｑをｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系の電流ベクトルｉ_ｄｑｍに変換する。

次に、４５°座標逆変換器８の動作を説明する。
４５°座標逆変換器８は、ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系の電圧指令ベクトルｖ_ｄｑ ^＊を（１７）式で表される変換行列Ｔ_４５ ^-1を用いて、ｄ−ｑ座標系の電圧ベクトルに変換（逆変換）する。

次に、電流制御器３１、３２及び非干渉化演算器１１の動作を説明する。
図２は、ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標における電流制御系の伝達関数表示したブロック図である。図において、１１は非干渉化演算器（ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系）、３１はｄ_ｍ軸電流制御器、３２はｑ_ｍ軸電流制御器、３３はｄ_ｍ軸モータ巻線、３４はｑ_ｍ軸モータ巻線であり、非干渉化演算器１１は、駆動する交流電動機１のｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系での回路定数を基に決定されたインダクタンス設定値３５、インダクタンス設定値３６及び誘起電圧設定値３７により構成されている。なお、図２及び後述の図４におけるｓはラプラス変換子を示している。

非干渉化演算器１１では、入力される検出速度ω、ｄ_ｍ軸電流ｉ_ｄｍ、及びｑ_ｍ軸電流ｉ_ｑｍを用い、（１８）式に従って干渉項、つまりｄ_ｍ軸電流ｉ_ｄｍがｑ_ｍ軸電圧指令ｖ_ｑｍ ^＊に影響する項あるいはｑ_ｍ軸電流ｉ_ｑｍがｄ_ｍ軸電圧指令ｖ_ｄｍ ^＊に影響する項、及び交流電動機１の誘起電圧に関する項ω・ｋＥ^＊が演算され、ｄ_ｍ軸電流制御器３１の出力電圧Δｄ_ｍ、及びｑ_ｍ軸電流制御器３２の出力電圧Δｑ_ｍに、それぞれ加算あるいは減算され、ｄ_ｍ軸電圧指令ｖ_ｄｍ ^＊、ｑ_ｍ軸電圧指令ｖ_ｑｍ ^＊が演算される。

なお、ｄ_ｍ軸上のインダクタンスＬ_ｄｍ及びｑ_ｍ軸上のインダクタンスＬ_ｑｍとの間には（１９）式の関係がある。

このようにして演算されたｄ_ｍ軸電圧指令ｖ_ｄｍ ^＊及びｑ_ｍ軸電圧指令ｖ_ｑｍ ^＊は、ベクトル制御回路９、インバータ回路１０を介し、ｄ_ｍ軸モータ巻線３３、ｑ_ｍ軸モータ巻線３４へ出力される。これにより、モータの巻線抵抗Ｒ、及びｄｑ軸インダクタンスより決定される（Ｌ_ｄ＋Ｌ_ｑ）／２Ｒを時定数とした一次遅れの応答としてｄ_ｍ軸電流ｉ_ｄｍ及びｑ_ｍ軸電流ｉ_ｑｍが流れ、この電流が検出されてフィードバック制御で電流制御される。
厳密には、ｄ_ｍ軸電流ｉ_ｄｍ及びｑ_ｍ軸電流ｉ_ｑｍは、電流検出器１３により検出された交流電動機１の相電流ベクトルｉ_ｕｖｗが固定座標変換器１４、回転座標変換器１５、４５°座標変換器１６で順次座標変換されて算出される。
さらに、ｄ_ｍ軸電流ｉ_ｄｍ及びｑ_ｍ軸電流ｉ_ｑｍは、ｄ_ｍ軸電流指令ｉ_ｄｍ ^＊及びｑ_ｍ軸電流指令ｉ_ｑｍ ^＊との偏差が求められてｄ_ｍ軸電流制御器３１及びｑ_ｍ軸電流制御器３２へ入力されると共に、非干渉化演算器１１にも入力される。

ｄ_ｍ軸電流制御器３１及びｑ_ｍ軸電流制御器３２は、比例・積分制御で構成され、ｄ_ｍ軸、ｑ_ｍ軸の各電流制御器の伝達関数Ｇ_ｏｉ_ｄｍ（ｓ）、Ｇ_ｏｉ_ｑｍ（ｓ）はそれぞれ、（２０）式、（２１）式で与えられる。なお、Ｋｐ_ｄｍはｄ_ｍ軸の比例ゲイン、Ｋｉ_ｄｍはｄ_ｍ軸の積分ゲイン、Ｋｐ_ｑｍはｑ_ｍ軸の比例ゲイン、Ｋｉ_ｑｍはｑ_ｍ軸の積分ゲインを示す。

（２２）式を満足するようにｄ_ｍ軸、ｑ_ｍ軸の比例ゲイン、積分ゲインを同じ値に設定すれば、(２０)式、（２１）式の伝達関数が同じになるので、ｄ_ｍ軸、ｑ_ｍ軸の電流応答を等しくすることが可能になる。

このように、電流制御をｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系上で実施し、ｄ_ｍ軸とｑ_ｍ軸の電流制御器に同一の制御ゲインを設定すれば、ｄ_ｍ軸とｑ_ｍ軸の電流応答を等しくできるので、ｄ軸とｑ軸の電流応答も等しくすることができる。
さらに、所定の電流応答になるように電流制御ゲインを設定する際には、ω_ｃを電流制御系のカットオフ周波数とし、（２３）式に従いｄ_ｍ軸電流制御器３１の比例ゲインＫｐ_ｄｍ、及びｑ_ｍ軸電流制御器３２の比例ゲインＫｐ_ｑｍを、（２４）式に従いｄ_ｍ軸電流制御器３１の積分ゲインＫｉ_ｄｍ、及びｑ_ｍ軸電流制御器３２の積分ゲインＫｉ_ｑｍを設定すればよい。

一般に、インダクタンスは、電流が大きくなる程インダクタンスの値は小さくなる電流特性を持つので、上記（２３）式で用いるｄ軸インダクタンス設定値Ｌ_ｄ ^＊及びｑ軸インダクタンス設定値Ｌ_ｑ ^＊は、交流電動機１の定格電流時のインダクタンス値、あるいは事前に負荷状況がわかっている場合においてはその負荷時におけるインダクタンス値を用いると、本発明をより効果的に実施できる。

なお、上記説明では、ｄ−ｑ座標系に対し４５°だけ遅れた位相をｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系と設定したが、４５°だけ進んだ位相をｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系と設定してもよい。この場合は、４５°座標変換器６、１６で用いる変換行列Ｔ_４５である（１６）式と４５°座標逆変換器８で用いる変換行列Ｔ_４５ ^-1である（１７）式を入れ替えるだけで実現できる。

図３は第２実施例のインバータ装置における電圧指令演算部２２の詳細制御ブロック図である。第１実施例におけるインバータ装置と異なる部分は、電圧指令演算部２１を電圧指令演算部２２に置き換えた部分だけであるので、インバータ装置の全体図は省略している。
図において、５は電流指令演算器、６は４５°座標変換器、７は電流制御器、８は４５°座標逆変換器、１６は４５°座標変換器、１２は非干渉化演算器（ｄ−ｑ座標系）、１９は加算器であり、図３の電圧指令演算部２２が、第１実施例の図１の電圧指令演算部２１と異なる部分は、非干渉化演算器１１に代えて非干渉化演算器１２を用い、非干渉化演算器１２に入力する電流信号をｄ_ｍ軸電流ｉ_ｄｍ、ｑ_ｍ軸電流ｉ_ｑｍからｄ軸電流ｉ_ｄ、ｑ軸電流ｉ_ｑに変換し、加算器１９が電流制御器７の出力電圧Δｄ_ｍ、Δｑ_ｍと非干渉化演算器１１の出力の加算から、４５°座標逆変換器８の出力信号と非干渉化演算器１２の出力信号と加算するようにした点である。実施例１と同じ符号であるものは、動作は同じであるので、ここでは説明は省略する。
この構成により、第１実施例における非干渉化演算器１１がｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系で演算されているのに対し、第２実施例における非干渉化演算器１２はｄ−ｑ座標系で演算され、４５°座標逆変換器８は、電流制御器７の出力電圧Δｄ_ｍ、Δｑ_ｍをｄ−ｑ座標系の出力電圧Δｄ、Δｑに変換している。

次に、非干渉化演算器１２の構成を図４を用いて説明する。図において、４３はｑ軸インダクタンス設定値Ｌ_ｑ ^*、４４はｄ軸インダクタンス設定値Ｌ_ｄ ^*、４５は誘起電圧設定値ｋＥ^*であり、駆動する交流電動機１の回路定数を基に決定されている。
非干渉化演算器１２には、検出速度ω、ｄ軸電流ｉ_ｄ及びｑ軸電流ｉ_ｑが入力され、ω・Ｌ_ｑ ^*・ｉ_ｑ、ω・Ｌ_ｄ ^*・ｉ_ｄ＋ω・ｋ・Ｅ^*が演算され出力される。
非干渉化演算器１２の出力ω・Ｌ_ｑ ^*・ｉ_ｑ、ω・Ｌ_ｄ ^*・ｉ_ｄ＋ω・ｋ・Ｅ^*は、それぞれ電流制御器７の出力Δｄ、Δｑと、（２５）、（２６）式に従い加減算され、ｄ軸電圧指令ｖ_ｄ ^＊、ｑ軸電圧指令ｖ_ｑ ^＊は求められ、ベクトル制御器９へ出力される。

このように、電流制御のみをｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系で行い、非干渉化演算器１２は、従来通りｄ−ｑ座標系に構築し、それらの出力を座標変換後に加算するという構成としてもよい。

図５は第３実施例のインバータ装置における電圧指令演算部２３の詳細制御ブロック図である。第１実施例におけるインバータ装置と異なる部分は、電圧指令演算部２１を電圧指令演算部２３に置き換えた部分だけであるので、インバータ装置の全体図は省略している。
図において、５は電流指令演算器、６は４５°座標変換器、７は電流制御器、８は４５°座標逆変換器、１２は非干渉化演算器（ｄ−ｑ座標系）、１９は加算器であり、図５の電圧指令演算部２３が、図３の電圧指令演算部２２と異なる部分は、電流指令演算器５が出力する電流指令ベクトルｉ_ｄｑ ^＊は、ｄ―ｑ座標系の電流ベクトルｉ_ｄｑと減算器１８に入力され、それらの偏差は４５°座標変換器６に入力されｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系の電流偏差に変換され、電流制御器７に入力するようにした点である。実施例２と同じ符号であるものは、その動作は同じであるので、ここでは説明は省略する。
上記構成により、第３実施例で行われる電流制御は、ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系で実施される。

このように、ｄ−ｑ座標系で電流指令ベクトルｉ_ｄｑ ^＊と電流ベクトルｉ_ｄｑの偏差を算出した後、ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系への座標変換し、電流制御を行う構成としてもよい。

図６は第４実施例のインバータ装置における電圧指令演算部２４の詳細制御ブロック図である。第１実施例におけるインバータ装置と異なる部分は、電圧指令演算部２１を電圧指令演算部２４に置き換えた部分だけであるので、インバータ装置の全体図は省略している。
図において、５は電流指令演算器、６は４５°座標変換器、７は電流制御器、８は４５°座標逆変換器、１１は非干渉化演算器、１６は４５°座標変換器、１９は加算器であり、図６の電圧指令演算部２４が、図５の電圧指令演算部２２と異なる部分は、４５°座標変換器１６を追加し、非干渉化演算器１１を非干渉化演算器１２に代え、電流制御器７の出力電圧Δｄ_ｍ、Δｑ_ｍと非干渉化演算器１１の出力を加算器１９で加算後、４５°座標逆変換器８に出力するようにし、非干渉化演算器１２の入力を４５°座標変換器１６の出力にした点である。なお、４５°座標変換器１６は、図１と同様、ｄ−ｑ座標系の電流ｉ_ｄｑをｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系の電流ｉ_ｄｑｍに変換している。実施例３と同じ符号であるものは、その動作は同じであるので、ここでは説明は省略する。
上記構成により、第４実施例は、第３実施例の電流制御器と第１実施例の非干渉化演算器を組み合わせた構成としている。

このような構成により、電流制御をｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系で実施するようにしてもよい。

実施例１から実施例４において説明してきたように、本発明では、ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系で電流制御を実施するような構成をしているので、モータパラメータの誤設定や負荷変動・電圧飽和領域弱め界磁制御・最適効率制御等により、ｄ−ｑ座標系におけるインダクタンスＬ_ｄもしくはＬ_ｑが偏って変化するような運転状態においても、ｄ軸、ｑ軸の電流制御応答は、アンバランスを発生することが無いため、同一の応答で安定に動作することができる。
また、インダクタンス設定値を固定値としているので、運転中に変化するインダクタンスの同定や、電流制御器の制御ゲインの変更を不要とできるので、制御構成の簡素化と安定した駆動を実現できる。
また、制御する２軸（ｄ_ｍ軸、ｑ_ｍ軸）における電流制御ゲインを同じ値として設定できるので、設計を容易にする効果もある。

次に、第５実施例として、本発明を適用した交流電動機の電流制御方法について説明する。
本発明を適用した交流電動機の電流制御方法は、下記の手順で行われる。
まず、電流指令演算器５は、与えられたトルク指令を用いてｄ−ｑ座標系の電流指令ベクトルｉ_ｄｑ ^＊を演算する。
次に、電流検出器１３は、交流電動機１に流れる電流を検出し、検出した相電流ベクトルｉ_ｕｖｗ（ｉ_ｕ、ｉ_ｖ、ｉ_ｗ）を固定座標変換器１４、及び回転座標変換器１５を用いて、ｄ−ｑ座標系の電流ベクトルｉ_ｄｑを演算する。
次に、４５°座標変換器６は、上述した変換行列Ｔ_４５を用いてｄ−ｑ座標系の電流指令ベクトルｉ_ｄｑ ^＊をｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系の電流指令ベクトルｉ_ｄｑｍ ^＊に変換する。
次に、４５°座標変換器１６は、４５°座標変換器６と同じく変換行列Ｔ_４５を用いてｄ−ｑ座標系の電流ベクトルｉ_ｄｑをｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系の電流ベクトルｉ_ｄｑｍに変換する。
次に、減算器１８は、ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系の電流指令ベクトルｉ_ｄｑｍ ^＊、および電流ベクトルｉ_ｄｑｍ（ｉ_ｄｍ、ｉ_ｑｍ）の偏差（電流偏差）を演算する。
次に、電流制御器７は、電流偏差がゼロになるように、例えば比例・積分制御を用いて、ｄ_ｍ、ｑ_ｍ軸独立に制御し電圧指令ベクトルΔ_ｄｑｍ（Δ_ｄｍ、Δ_ｑｍ）を算出する。
次に、４５°座標逆変換器１６は、上述した変換行列Ｔ_４５ ^−１用いてｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系の電圧指令ベクトルΔ_ｄｑｍ（Δ_ｄｍ、Δ_ｑｍ）をｄ−ｑ座標系の電圧指令ベクトルΔ_ｄｑ ^＊（Δ_ｄ ^＊、Δ_ｑ ^＊）に変換する。
次に、ベクトル制御回路９は、電圧指令ベクトルΔ_ｄｑ ^＊を３相の電圧指令ベクトルｖ_ｕｖｗ ^＊（ｖ_ｕ ^＊、ｖ_ｖ ^＊、ｖ_ｗ ^＊）に変換する。
次に、インバータ回路１０は、電圧指令ベクトルｖ_ｕｖｗ ^＊に基づく電圧を印加して交流電動機１を駆動する。

このようにして、交流電動機１の電流制御方法は行われるが、上記電流制御方法において、電流偏差の演算までｄ−ｑ座標系で行った後に、４５°座標変換器６を用いて、電流偏差をｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系に変換し、電流制御器７の動作を行う手順としてもよい。

さらに、実施例１で説明した動作をする非干渉制御器１１あるいは実施例２で説明した動作をする非干渉制御器１２を用いて、干渉項や交流電動機１の誘起電圧に関する項を演算して、演算結果を電圧指令ベクトルΔ_ｄｑｍ（Δ_ｄｍ、Δ_ｑｍ）あるいはΔ_ｄｑ（Δ_ｄ、Δ_ｑ）に加算し、この加算結果をベクトル制御回路９で電圧指令ベクトルｖ_ｕｖｗ ^＊（ｖ_ｕ ^＊、ｖ_ｖ ^＊、ｖ_ｗ ^＊）に変換するようにしてもよい。

本発明の第１実施例を示すインバータ装置の制御ブロック図 ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系で演算する非干渉化演算器１１の詳細制御ブロック図 本発明の第２実施例での電圧指令演算部２２の詳細制御ブロック図 ｄ−ｑ座標系で演算する非干渉化演算器１２の詳細制御ブロック図 本発明の第３実施例での電圧指令演算部２３の詳細制御ブロック図 本発明の第４実施例での電圧指令演算部２４の詳細制御ブロック図 従来の実施形態における電流制御系を伝達関数を用いて表現したブロック線図

符号の説明

１ 交流電動機
２ 位置検出器
３ 微分演算器
４ 速度制御器
５ 電流指令演算器
６、１６ ４５°座標変換器
７ 電流制御器
８ ４５°座標逆変換器
９ ベクトル制御回路
１０ インバータ回路
１１ 非干渉化演算器（ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系）
１２ 非干渉化演算器（ｄ−ｑ座標系）
１３ 電流検出器
１４ 固定座標変換器
１５ 回転座標変換器
１７、１８ 減算器
１９ 加算器
２１、２２、２３、２４ 電圧指令演算部
３１ ｄ_ｍ軸電流制御器
３２ ｑ_ｍ軸電流制御器
３３ ｄ_ｍ軸モータ巻線
３４ ｑ_ｍ軸モータ巻線
３５、３６、４３、４４ インダクタンス設定値
３７、４５ 誘起電圧設定値
４１ ｄ軸モータ巻線
４２ ｑ軸モータ巻線
１２３、１２４ 減算器
１２６ ｄ軸電流ＰＩ制御部
１２８ ｑ軸電流ＰＩ制御部
２５０ｄ ｄ軸モータ・駆動回路系
２５０ｑ ｑ軸モータ・駆動回路系

Claims (13)

1. 与えられたトルク指令を用いて電流指令を出力する電流指令演算器と、
   交流電動機に流れる電流を検出して電流検出を算出する電流検出器と、
   前記交流電動機の磁軸あるいは推定磁軸をｄ軸、該ｄ軸から９０°進んだ軸をｑ軸としたｄ−ｑ座標系に対し、４５°遅らせたｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系で前記電流指令と前記電流検出の偏差（電流偏差）がゼロになるように演算して、前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系の電圧指令を算出する前記電流制御器と、
   前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系の電圧指令に基づく電圧を前記交流電動機に供給して駆動するインバータ部と、
   を備えることを特徴とするインバータ装置。
2. 前記ｄ−ｑ座標系の電流指令を前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系に変換する座標変換器と、
   前記ｄ−ｑ座標系の電流検出を前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系に変換する第２の座標変換器と、
   前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系の電圧指令を前記ｄ−ｑ座標系に変換する座標逆変換器と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
3. 前記電流偏差を前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系に変換する座標変換器と、
   前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系の電圧指令を前記ｄ−ｑ座標系に変換する座標逆変換器と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
4. 前記交流電動機の速度及び前記電流検出を用いて、前記ｄ−ｑ座標間の干渉項を演算する非干渉化演算器と、
   前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系の電圧指令を前記ｄ−ｑ座標系に変換する座標逆変換器と、
   前記ｄ−ｑ座標系に変換された電圧指令に前記干渉項を加算する加算器と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
5. 前記交流電動機の速度及び前記電流検出を用いて、前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標間の干渉項を演算する非干渉化演算器と、
   前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系の電圧指令に前記干渉項を加算する加算器と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
6. 前記交流電動機の速度及び前記ｄ−ｑ座標系の電流検出を用いて、前記ｄ−ｑ座標間の干渉項を演算する非干渉化演算器と、
   前記ｄ−ｑ座標系の電圧指令に前記干渉項を加算する加算器と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項２または３に記載のインバータ装置。
7. 前記交流電動機の速度及び前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系の電流検出を用いて、前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標間の干渉項を演算する非干渉化演算器と、
   前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系の電圧指令に前記干渉項を加算する加算器と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項２または３に記載のインバータ装置。
8. 前記電流制御器の制御ゲインは、前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系での前記交流電動機の回路定数を基に決定されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のインバータ装置。
9. 前記電流制御器の制御ゲインは、所定の負荷条件における前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系での前記交流電動機の回路定数を基に決定されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のインバータ装置。
10. 前記所定の負荷条件は、前記交流電動機の定格負荷状態であることを特徴とする請求項９に記載のインバータ装置。
11. 前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系は、前記ｄ−ｑ座標系に対し４５°遅らせたことに代えて前記ｄ−ｑ座標系に対し４５°進ませたようにしたことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のインバータ装置。
12. 与えられたトルク指令を用いて電流指令を演算するステップと、
    交流電動機に流れる電流を検出して電流検出を算出するステップと、
    前記交流電動機の磁軸あるいは推定磁軸をｄ軸、該ｄ軸から９０°進んだ軸をｑ軸としたｄ−ｑ座標系に対し、４５°位相が異なるｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系を定義し、
    前記電流指令を前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系に変換するステップと、
    前記電流検出を前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系に変換するステップと、
    前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系に変換された電流指令と前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系に変換された電流検出の偏差（電流偏差）を演算するステップと、
    前記電流偏差がゼロになるように電流制御して電圧指令を演算するステップと、
    前記電圧指令を前記ｄ−ｑ座標系に変換するステップと、
    前記ｄ−ｑ座標系に変換された電圧指令に基づく電圧を前記交流電動機に供給して駆動するステップと、
    を備えることを特徴とするインバータ装置の電動機電流制御方法。
13. 与えられたトルク指令を用いて電流指令を演算するステップと、
    交流電動機に流れる電流を検出して電流検出を算出するステップと、
    前記電流指令と前記電流検出の偏差（電流偏差）を算出するステップと、
    前記交流電動機の磁軸あるいは推定磁軸をｄ軸、該ｄ軸から９０°進んだ軸をｑ軸としたｄ−ｑ座標系に対し、４５°位相が異なるｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系を定義し、
    前記電流偏差を前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系に変換するステップと、
    前記ｄ_ｍ−ｑ_ｍ座標系に変換された電流偏差がゼロになるように電流制御して電圧指令を演算するステップと、
    前記電圧指令を前記ｄ−ｑ座標系に変換するステップと、
    前記ｄ−ｑ座標系に変換された電圧指令に基づく電圧を前記交流電動機に供給して駆動するステップと、
    を備えることを特徴とするインバータ装置の電動機電流制御方法。