JP5309242B1 - 電源回生及び停電時の同期モータの停止を行うために同期モータを制御する同期モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】同期モータに交流電力を供給するインバータに並列に接続されたＤＣリンク部の電圧が過電圧になる事態を、コスト及び同期モータの運転効率に悪影響を及ぼすことなく回避することができるとともに、交流電源の停電時に過電圧アラームを発生することなく迅速かつ安全に同期モータを停止させることができる同期モータ制御装置を提供する。
【解決手段】ｑ軸電流指令値設定部１２は、永久磁石同期電動機５の駆動時に交流電源１が停電したときは、ｑ軸電流指令値Ｉ_qcomをｑ軸電流値Ｉ_qkに設定し、ｄ軸電流指令値設定部１３は、永久磁石同期電動機５の駆動時に交流電源１が停電したときは、ｄ軸電流指令値Ｉ_dcomをｄ軸電流値Ｉ_dkに設定する。ｑ軸電流値Ｉ_qk及びｄ軸電流値Ｉ_dkは、永久磁石同期電動機５の単位時間当たりの仕事率の絶対値が永久磁石同期電動機５の単位時間当たりの損失と等しくなるように設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、同期モータの減速時に生じる回生エネルギーを交流電源側に回生する電源回生を行うとともに交流電源の停電時に同期モータの停止を行うために同期モータを制御する同期モータ制御装置に関する。

従来、モータの減速時に生じる回生エネルギーを処理するために、回生エネルギーを交流電源側に回生する電源回生を行うためにモータを制御するモータ制御装置が用いられている。このような電源回生を行う場合、交流電源の停電時にはモータの減速に伴って生じた回生エネルギーを交流電源側に回生することができないので、モータに交流電力を供給するインバータに並列に接続されたＤＣリンク部の電圧が過電圧（異常電圧）になる。ＤＣリンク部の電圧が過電圧になる事態を回避するために、交流電源の停電時にモータの減速に伴って生じた回生エネルギーを消費するための回生抵抗又はダイナミックブレーキを設けたモータ制御装置が提案されている（例えば、特許文献１，２）。

しかしながら、モータ制御装置に回生抵抗又はダイナミックブレーキを設ける場合、モータの出力が大きくなるに従って回生抵抗又はダイナミックブレーキの容量を大きくする必要があり、回生抵抗又はダイナミックブレーキの容量が大きくなるに従ってモータ制御装置のコストが増大するという不都合がある。

一方、交流電源の停電時にモータの減速に伴って生じた回生エネルギーを回生抵抗又はダイナミックブレーキを設けることなく処理することができるように誘導モータを制御する誘導モータ制御装置が提案されている（例えば、特許文献３）。このような誘導モータ制御装置では、交流電源の停電に伴う誘導モータの減速時において、同一トルク条件下で誘導モータのｄ軸電流の値を抑制することによって誘導モータのｑ軸電流の値を増大させ、誘導モータの運転効率を誘導モータの減速時以外の駆動時よりも低下させることによって交流電源側に回生される回生エネルギーが発生しないようにしている。また、上述した誘導モータ制御装置では、交流電源の停電に伴う誘導モータの減速時以外の駆動時において、誘導モータの運転効率を誘導モータの減速時よりも上げるために、ｄ軸電流の値を、減速時よりも大きな値に設定している。

特開平１０−２４３６７５号公報 特開２００２−３６９５６４号公報 特開平５−５１１８２号公報

しかしながら、電源回生を行うように同期モータを制御する場合、ｑ軸電流がトルクの生成に寄与するので、交流電源の停電に伴う同期モータの減速時に同期モータのｄ軸電流の値を抑制するとともに同期モータのｑ軸電流の値を増大させた場合、回生エネルギーが増大し、同期モータに交流電力を供給するインバータに並列に接続されたＤＣリンク部の電圧が過電圧になることによって過電圧アラームが発生するおそれがある。また、交流電源の停電に伴う同期モータの減速時以外の駆動時において、ｄ軸電流の値を、ゼロを超える値に設定した場合、同期モータの消費電力が増大し、同期モータの運転効率が著しく低下する。

本発明の目的は、同期モータに交流電力を供給するインバータに並列に接続されたＤＣリンク部の電圧が過電圧になる事態を、コスト及び同期モータの運転効率に悪影響を及ぼすことなく回避し、交流電源の停電時に過電圧アラームを発生することなく迅速かつ安全に同期モータを停止させることができる同期モータ制御装置を提供することである。

本発明による同期モータ制御装置は、同期モータの減速時に生じる回生エネルギーを交流電源側に回生する電源回生を行うとともに交流電源の停電時に同期モータの停止を行うために同期モータを制御する同期モータ制御装置であって、同期モータのトルク電流に相当するｑ軸電流及び同期モータの励磁電流に相当するｄ軸電流を、同期モータに流れる第１の相の電流、第２の相の電流及び第３の相の電流のうちの少なくとも二つ及び同期モータの位置に基づいて検出するｑ軸電流及びｄ軸電流検出部と、同期モータの駆動時に交流電源が停電しないときは、同期モータの第１のｑ軸電流指令値を、同期モータの速度と同期モータに対する速度指令値との差に基づいて設定し、同期モータの駆動時に交流電源が停電したときは、同期モータの第２のｑ軸電流指令値を設定するｑ軸電流指令値設定部と、同期モータの駆動時に交流電源が停電しないときは、同期モータの第１のｄ軸電流指令値をゼロの値に設定し、同期モータの駆動時に交流電源が停電したときは、同期モータの第２のｄ軸電流指令値をゼロより大きい値に設定するｄ軸電流指令値設定部と、同期モータを、ｑ軸電流、ｄ軸電流、第１のｑ軸電流指令値又は第２のｑ軸電流指令値、及び第１のｄ軸電流指令値又は第２のｄ軸電流指令値に基づいて駆動する駆動部と、を備え、第２のｑ軸電流指令値及び第２のｄ軸電流指令値は、同期モータの単位時間当たりの仕事率の絶対値が同期モータの単位時間当たりの損失と等しくなるように設定されることを特徴とする。

好適には、第２のｑ軸電流指令値は、同期モータの速度と同期モータに対する速度指令値との差に基づいて設定され、第２のｄ軸電流指令値は、同期モータの速度と同期モータに対する速度指令値との差に基づいて設定した第２のｑ軸電流指令値に基づいて設定される。

好適には、第２のｑ軸電流指令値及び第２のｄ軸電流指令値は、同期モータが許容できる最大の消費電力又は予め与えられた消費電力に基づいて設定される。

好適には、同期モータの駆動時に交流電源が停電したときに同期モータのトルクを制限するために設けられた第２のｑ軸電流指令値の第１のリミット値は、同期モータの駆動時に交流電源が停電しないときに同期モータのトルクを制限するために設けられた第２のｑ軸電流指令値の第２のリミット値よりも低い値に設定される。

本発明によれば、第２のｑ軸電流指令値及び第２のｄ軸電流指令値は、同期モータの単位時間当たりの仕事率の絶対値が同期モータの単位時間当たりの損失と等しくなるように設定されるので、同期モータの駆動時に交流電源が停電したときに生じる回生電力がゼロになる。したがって、同期モータに交流電力を供給するインバータに並列に接続されたＤＣリンク部の電圧が過電圧になる事態を、コスト及び同期モータの運転効率に悪影響を及ぼすことなく回避することができるとともに、交流電源の停電時に過電圧アラームを発生することなく迅速かつ安全に同期モータを停止させることができる。

本発明の実施の形態の同期モータ制御装置を有するシステムのブロック図である。 図１の同期モータ制御装置の動作のフローチャートである。 ｑ軸電流指令値及びｄ軸電流指令値の第１の設定例を説明するための図である。 ｑ軸電流指令値及びｄ軸電流指令値の第２の設定例を説明するための図である。

本発明による同期モータ制御装置の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施の形態の同期モータ制御装置を有するシステムのブロック図である。図１に示すシステムは、交流電源としての三相交流電源１と、コンバータ２と、ＤＣリンク部としての平滑用コンデンサ３と、インバータ４と、同期モータとしての永久磁石同期電動機５と、被駆動体６と、位置検出部７と、回転速度演算部８と、メモリ９と、同期モータ制御装置１０と、停電検出部２１と、上位制御装置２２と、コンバータ制御部２３と、を有する。

コンバータ２は、例えば、複数（３相交流の場合は６個）の整流ダイオード及びこれらの整流ダイオードのそれぞれに逆並列に接続されたトランジスタによって構成され、三相交流電源１から供給される交流電力を直流電力に変換する。平滑用コンデンサ３は、コンバータ２の整流ダイオードによって整流された電圧を平滑化するためにコンバータ２に並列に接続される。インバータ４は、平滑用コンデンサ３に並列に接続され、例えば、複数（３相交流の場合は６個）の整流ダイオード及びこれらの整流ダイオードのそれぞれに逆並列に接続されたトランジスタによって構成され、後に説明するＰＷＭ信号Ｖ_PWMに基づいてトランジスタのオンオフ動作を行うことによって、コンバータ２によって変換された直流電力を交流電力に変換する。

永久磁石同期電動機５は、テーブル、アーム、それらに着脱されるワーク等の被駆動体６が接続され、例えば、工作機械においてワークを保持するテーブルの位置や姿勢を変えるためのもの、ロボットのアームを回転操作させるもの等であってもよい。本実施の形態では、永久磁石同期電動機５を、位置検出部７が取り付けられた回転軸５１を有するロータ５２と、ロータ５２を取り囲むように配置されたステータ５３とを有する回転型サーボモータとする。

ロータ５２は、９０°間隔で配置された４個の永久磁石５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄを有する。永久磁石５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄは、ステータ５３側の端部がロータ５２の回転方向に対して互いに９０°ずつ離れるとともに、永久磁石５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄの外側の端部が交互にＮ極、Ｓ極、Ｎ極及びＳ極となるように配置される。

ステータ５３は、１２０°間隔で配置され、第１の相の電流、第２の相の電流及び第３の相の電流としてのＵ相電流Ｉ_U、Ｖ相電流Ｉ_V及びＷ相電流Ｉ_Wがそれぞれ供給される３個の巻線５５ｕ，５５ｖ，５５ｗを有する。したがって、永久磁石同期電動機５は、三相同期電動機として機能する。

本実施の形態では、ステータ５３が、コイル（巻線５５ｕ，５５ｖ，５５ｗ）を有し、電力を受給する一次側となり、ロータ５２が、磁石（永久磁石５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄ）を有し、一次側から力を受ける二次側となる。

位置検出部７は、可動子の位置としてロータ５２の回転角度θを検出するロータリーエンコーダによって構成される。回転速度演算部８は、回転角度θが入力され、回転角度θを時間で微分することによってＵ相電流Ｉ_U、Ｖ相電流Ｉ_V及びＷ相電流Ｉ_Wの周波数に相当するロータ５２の回転速度ωを演算し、回転速度ωを同期モータ制御装置１０に出力する。

メモリ９は、上位制御装置２２から同期モータ制御装置１０に入力されるロータ５２に対する速度指令値である回転速度指令ω_comと、永久磁石同期電動機５の駆動時に三相交流電源１が停電したときの第２のｑ軸電流指令値及び第２のｄ軸電流指令値として設定されるｑ軸電流値Ｉ_qk及びｄ軸電流値Ｉ_dkとの関係を表すルックアップテーブルを格納する。

インバータ４から永久磁石同期電動機５に供給される単位時間（例えば、同期モータ制御装置１０の制御周期（例えば、２５０マイクロ秒））当たりの電力をＰｍで表し、ロータ５２を回転させることによって永久磁石同期電動機５の外部に作用する永久磁石同期電動機５の単位時間当たりの仕事率をＰｗで表し、銅損、鉄損等の永久磁石同期電動機５の単位時間当たりの損失をＰｌで表した場合、

の関係が成立する。仕事率Ｐｗは、永久磁石同期電動機５が加速するときにはゼロの値より大きくなり、永久磁石同期電動機５が減速するときにはゼロの値より小さくなる。損失Ｐｌは常にゼロの値より大きくなる。電力Ｐｍの極性は、仕事率Ｐｗの値及び損失Ｐｌの値に依存して変化し、電力Ｐｍがゼロの値より大きいときは、インバータ４から永久磁石同期電動機５に交流電力を供給している状態（力行）に対応し、電力Ｐｍがゼロの値より小さいときは、永久磁石同期電動機５からインバータ４に交流電力を供給している状態（回生）に対応する。永久磁石同期電動機５の減速時に永久磁石同期電動機５からインバータ４に回生される回生電力をＰｒで表した場合、

の関係が成立する。

永久磁石同期電動機５の加速時には、ロータ５２の回転エネルギーＥｒｅｖ＝ΣＰｗがロータ５２に蓄積され、永久磁石同期電動機５の減速時には、永久磁石同期電動機５が発電機として働くので、ロータ５２に蓄積されたロータ５２の回転エネルギーＥｒｅｖが電気エネルギーとして平滑用コンデンサ３に供給される。

本実施の形態によれば、ｑ軸電流値Ｉ_qk及びｄ軸電流値Ｉ_dkは、永久磁石同期電動機５の単位時間当たりの仕事率Ｐｗの絶対値｜Ｐｗ｜が永久磁石同期電動機５の単位時間当たりの損失Ｐｌと等しくなるように設定される。永久磁石同期電動機５の単位時間当たりの仕事率Ｐｗの絶対値｜Ｐｗ｜が永久磁石同期電動機５の単位時間当たりの損失Ｐｌと等しい場合、回生電力Ｐｒは、式（２）からわかるようにゼロになる。

ここで、ｑ軸電流値Ｉ_qk及びｄ軸電流値Ｉ_dkの設定について更に詳しく説明する。
式（２）において、回生電力Ｐｒをゼロにした場合、

の関係が成立する。したがって、仕事率Ｐｗと損失Ｐｌとの間で

の関係が成立する。

仕事率Ｐｗは、トルク定数Ｋｔ、ｑ軸電流値Ｉ_qk及び回転速度ωとの積で表すことができる。すなわち、

の関係が成立する。

また、ロータ５２のイナーシャをＪで表した場合、

の関係が成立する。式（６）を時間ｔで１階微分すると、

となる。仕事率Ｐｗは、回転エネルギーＥｒｅｖを時間ｔで１階微分したものに等しい。すなわち、

の関係が成立する。式（７）及び式（８）から

の関係が成立することがわかる。

一方、損失Ｐｌを、巻線５５ｕ，５５ｖ，５５ｗのうちの一つの抵抗値Ｒにｑ軸電流値Ｉ_qkの平方値にｄ軸電流値Ｉ_dkの平方値を加算した値を乗じることによって表すこともできる。すなわち、

の関係が成立する。したがって、式（４）に示すように、仕事率Ｐｗの絶対値｜Ｐｗ｜が損失Ｐｌと等しくなるようにｑ軸電流値Ｉ_qk及びｄ軸電流値Ｉ_dkを設定することによって、永久磁石同期電動機５の駆動時に三相交流電源１が停電したときの永久磁石同期電動機５の回生エネルギーに相当する回生電力Ｐｒを永久磁石同期電動機５内すなわち巻線５５ｕ，５５ｖ，５５ｗで全て消費することができる。

式（５）をｑ軸電流値Ｉ_qkについて解くと、

となる。また、式（１１）で求めたｑ軸電流値Ｉ_qkを式（１０）に代入し、式（４）より、損失Ｐｌに仕事率Ｐｗの絶対値｜Ｐｗ｜を代入し、ｄ軸電流値Ｉ_dkについて解くと、

となる。

仕事率Ｐｗの絶対値｜Ｐｗ｜が損失Ｐｌと等しくなるようにｑ軸電流値Ｉ_qk及びｄ軸電流値Ｉ_dkを設定するために、ｑ軸電流値Ｉ_qkを、回転速度ωと回転速度指令値ω_comとの差に基づいて設定し、ｄ軸電流値Ｉ_dkを、回転速度ωと回転速度指令値ω_comとの差に基づいて設定したｑ軸電流値Ｉ_qkに基づいて設定することができる。この場合、回転速度ωと回転速度指令値ω_comとの差に基づいて設定したｑ軸電流値Ｉ_qkを式（５）に代入することによって仕事率Ｐｗを計算し、計算した仕事率Ｐｗを式（１２）に代入することによって、ｄ軸電流値Ｉ_dkを計算する。後述するように、永久磁石同期電動機５の駆動時に停電検出部２１が三相交流電源１の停電を検出しないときの第１のｑ軸電流指令値としてのｑ軸電流指令値Ｉ_qcomを回転速度ωと回転速度指令値ω_comとの差に基づいて設定している。したがって、ｑ軸電流値Ｉ_qkを回転速度ωと回転速度指令値ω_comとの差に基づいて設定する場合、三相交流電源１の停電の有無に関係なくｑ軸電流指令値Ｉ_qcomが回転速度ωと回転速度指令値ω_comとの差に基づいて設定され、すなわち、ｑ軸電流指令値Ｉ_qcomの設定を三相交流電源１の停電の有無に応じて変更する必要がなくなるので、ｑ軸電流指令値Ｉ_qcomの設定を三相交流電源１の停電の有無に応じて変更する場合に比べて同期モータ制御装置１０の制御を簡単にすることができる。

仕事率Ｐｗの絶対値｜Ｐｗ｜が損失Ｐｌと等しくなるようにｑ軸電流値Ｉ_qk及びｄ軸電流値Ｉ_dkを設定するために、ｑ軸電流値Ｉ_qk及びｄ軸電流値Ｉ_dkを、永久磁石同期電動機５が許容できる最大の消費電力又は予め与えられた最大の消費電力Ｐｍａｘに基づいて設定することもできる。ここで、消費電力Ｐｍａｘは、永久磁石同期電動機５が許容できる予め設定された最大電流値Ｉｍａｘ及び最大電圧値Ｖｍａｘの積として算出され又は作業者によって予め設定された最大の消費電力として与えられる。この場合、

の関係が成立するので、式（１３）で表される仕事率Ｐｗを式（１１）に代入することによってｑ軸電流値Ｉ_qkを計算し、式（１３）で表される仕事率Ｐｗを式（１２）に代入することによってｄ軸電流値Ｉ_dkを計算することができる。このようにｑ軸電流値Ｉ_qk及びｄ軸電流値Ｉ_dkを、永久磁石同期電動機５が許容できる最大の消費電力又は予め与えられた最大の消費電力Ｐｍａｘに基づいて設定することによって、永久磁石同期電動機５が許容できる最大のｑ軸電流値又は予め定めた最大の消費電力Ｐｍａｘを満たす最大のｑ軸電流値Ｉ_qkを設定することができ、永久磁石同期電動機５の駆動時に三相交流電源１が停電したときの永久磁石同期電動機５の停止距離すなわち停止時間を最短にすることができる。

上述したように、メモリ９に格納されたルックアップテーブルに回転速度指令ω_comと、ｑ軸電流値Ｉ_qk及びｄ軸電流値Ｉ_dkとの関係が一義的に決定されているので、ｑ軸電流値Ｉ_qk及びｄ軸電流値Ｉ_dkは、回転速度指令ω_comが決定されると一義的に決定される。したがって、同期モータ制御装置１０は、三相交流電源１の停電に伴う永久磁石同期電動機５の減速時において、速度指令ω_comに応じたｑ軸電流値Ｉ_qk及びｄ軸電流値Ｉ_dkを読み出し、読み出したｑ軸電流値Ｉ_qk及びｄ軸電流値Ｉ_dkをそれぞれｑ軸電流指令値Ｉ_qcom及びｄ軸電流指令値Ｉ_dcomとして用いる。

また、本実施の形態では、永久磁石同期電動機５の駆動時に三相交流電源１が停電したときに永久磁石同期電動機５のトルクを制限するために設けられたｑ軸電流指令値Ｉ_qcomすなわちｑ軸電流値Ｉ_qkの第１のリミット値は、永久磁石同期電動機５の駆動時に三相交流電源１が停電しないときに永久磁石同期電動機５のトルクを制限するために設けられたｑ軸電流指令値Ｉ_qcomの第２のリミット値よりも低い値に設定される。これによって、三相交流電源１の停電に伴う永久磁石同期電動機５の減速時に永久磁石同期電動機５が生成するトルクを、永久磁石同期電動機５の駆動時に三相交流電源１が停電しないときより小さくすることができるので、永久磁石同期電動機５の駆動時に三相交流電源１が停電したときの永久磁石同期電動機５が生成する回生電力Ｐｒを低く抑えることができる。

また、第１のリミット値を設けることによって回生電力Ｐｒを低減した場合、式（５）及び式（１２）からわかるように、ｄ軸電流値Ｉ_dkを低減することができる。永久磁石同期電動機５の運転効率を上げるためには、トルクの生成に寄与しない後述するｄ軸電流Ｉ_dの値をできるだけ小さくするのが望ましい。したがって、第１のリミット値を設けてｄ軸電流値Ｉ_dkを低減することによって、永久磁石同期電動機５の運転効率を上げることができる。

同期モータ制御装置１０は、永久磁石同期電動機５の減速時に生じる回生エネルギーを三相交流電源１側に回生する電源回生を行うとともにために三相交流電源１の停電時に永久磁石同期電動機５の停止を行うよう永久磁石同期電動機５を制御するために、トルク電流に相当する永久磁石同期電動機５のｑ軸電流及びトルク電流に寄与しない（励磁電流に相当する）永久磁石同期電動機５のｄ軸電流を独立に制御するベクトル制御を行う。このために、同期モータ制御装置１０は、ｑ軸電流及びｄ軸電流検出部１１と、ｑ軸電流指令値設定部１２と、ｄ軸電流指令値設定部１３と、駆動部１４と、を備える。

本実施の形態では、回転速度演算部８、メモリ９、ｑ軸電流及びｄ軸電流検出部１１、ｑ軸電流指令値設定部１２、ｄ軸電流指令値設定部１３、駆動部１４、並びに停電検出部２１は、入出力ポート、シリアル通信回路、Ａ／Ｄ変換器、コンパレータ等を備えたプロセッサによって実現され、図示しないメモリに格納された処理プログラムに従って後に説明する処理を実行する。

ｑ軸電流及びｄ軸電流検出部１１は、ｑ軸電流Ｉ_q及びｄ軸電流Ｉ_dを、永久磁石同期電動機５に流れる三相のＵ相電流Ｉ_U、Ｖ相電流Ｉ_V及びＷ相電流Ｉ_W及び回転角度θに基づいて検出する。このために、ｑ軸電流及びｄ軸電流検出部１１は、回転座標変換及び三相−二相変換を行う座標変換器によって構成される。したがって、ｑ軸電流及びｄ軸電流検出部１１は、静止座標系（ＵＶＷ座標系）の三相のＵ相電流Ｉ_U、Ｖ相電流Ｉ_V及びＷ相電流Ｉ_Wを、静止座標系（αβ座標系）に対して回転角度θだけ回転する回転座標系で表される二相のｑ軸電流Ｉ_q及びｄ軸電流Ｉ_dに変換し、ｑ軸電流Ｉ_q及びｄ軸電流Ｉ_dを駆動部１４に出力する。

この場合、三相のＵ相電流Ｉ_U、Ｖ相電流Ｉ_V及びＷ相電流Ｉ_Wは、インバータ４の出力線に設けられた電流検出器４Ｕ，４Ｖ，４Ｗによって検出され、電流検出器４Ｕ，４Ｖ，４Ｗが出力する電流検出信号は、図示しないＡ／Ｄ変換器に入力されてデジタルデータに変換する。なお、電流検出器４Ｕ，４Ｖ，４Ｗは、例えばホール素子によって構成される。

ｑ軸電流指令値設定部１２は、回転速度指令値ω_com及び回転速度ωが入力される。ｑ軸電流指令値設定部１２は、永久磁石同期電動機５の減速時を含む駆動時に停電検出部２１が三相交流電源１の停電を検出しないときは、回転速度指令値ω_com及び回転速度ωに基づいてｑ軸電流指令値Ｉ_qcomを作成する。このために、ｑ軸電流指令値設定部１２は、回転速度指令値ω_comと回転速度ωとの減算結果である回転速度偏差Δωの比例積分演算を行うことによって第１のｑ軸電流指令値としてのｑ軸電流指令値Ｉ_qcomを作成し、ｑ軸電流指令値Ｉ_qcomを駆動部１４に出力する。

一方、ｑ軸電流指令値設定部１２は、永久磁石同期電動機５の減速時を含む駆動時に停電検出部２１が三相交流電源１の停電を検出したときは、ｑ軸電流指令値Ｉ_qcomを、回転速度指令値ω_comに応じてメモリ９から読み出したｑ軸電流値Ｉ_qkに設定する。第２のｑ軸電流指令値としてのｑ軸電流指令値Ｉ_qcomに相当するｑ軸電流値Ｉ_qkは、永久磁石同期電動機５を停止させるために、同一の回転速度指令値ω_com及び回転速度ωの条件下では、三相交流電源１の停電を検出しない場合のｑ軸電流指令値Ｉ_qcom以下にする。

ｄ軸電流指令値設定部１３は、回転速度指令値ω_com及び回転速度ωが入力される。ｄ軸電流指令値設定部１３は、永久磁石同期電動機５の駆動時に停電検出部２１が三相交流電源１の停電を検出しないときは、第１のｄ軸電流指令値として、ゼロの値のｄ軸電流指令値Ｉ_dcomを作成する。

一方、ｄ軸電流指令値設定部１３は、永久磁石同期電動機５の駆動時に停電検出部２１が三相交流電源１の停電を検出したときは、第２のｄ軸電流指令値として、ｄ軸電流指令値Ｉ_dcomを、回転速度指令値ω_comに応じてメモリ９から読み出したｄ軸電流値Ｉ_dkに設定する。ここで設定されるｄ軸電流値Ｉ_dkは、永久磁石同期電動機５の駆動時に三相交流電源１が停電したときに生じる回生電力Ｐｒが永久磁石同期電動機５内で消費されるようにするためにゼロより大きい値になる。

駆動部１４は、永久磁石同期電動機５を、ｑ軸電流Ｉ_q、ｄ軸電流Ｉ_d、ｑ軸電流指令値Ｉ_qcom及びｄ軸電流指令値Ｉ_dcomに基づいて駆動する。このために、駆動部１４は、減算器１４ａ，１４ｂと、ＰＩ制御部１４ｃ，１４ｄと、指令電圧作成部１４ｅと、ＰＷＭ信号生成部１４ｆと、を有する。

減算器１４ａは、ｄ軸電流指令値Ｉ_dcomが入力される非反転入力部と、ｄ軸電流Ｉ_dが入力される反転入力部と、ｄ軸電流指令値Ｉ_dcomとｄ軸電流Ｉ_dの値との減算結果である電流偏差ΔＩ_dを出力する出力部と、を有する。減算器１４ｂは、ｑ軸電流指令値Ｉ_qcomが入力される非反転入力部と、ｑ軸電流Ｉ_qが入力される反転入力部と、ｑ軸電流指令値Ｉ_qcomとｑ軸電流Ｉ_qの値との減算結果である電流偏差ΔＩ_qを出力する出力部と、を有する。

ＰＩ制御部１４ｃは、電流偏差ΔＩ_dが入力され、電流偏差ΔＩ_dの比例積分演算を行うことによってｄ軸電圧指令値Ｖ_dを作成し、ｄ軸電圧指令値Ｖ_dを指令電圧作成部１４ｅに出力する。ＰＩ制御部１４ｄは、電流偏差ΔＩ_qが入力され、電流偏差ΔＩ_qの比例積分演算を行うことによってｑ軸電圧指令値Ｖ_qを作成し、ｑ軸電圧指令値Ｖ_qを指令電圧作成部１４ｅに出力する。

指令電圧作成部１４ｅは、ｑ軸電圧指令値Ｖ_q及びｄ軸電圧指令値Ｖ_dに基づいてＵ相電圧指令値Ｖ_U、Ｖ相電圧指令値Ｖ_V及びＷ相電圧指令値Ｖ_Wを作成する。このために、指令電圧作成部１４ｅは、回転座標変換及び二相−三相変換を行う座標変換器によって構成される。したがって、指令電圧作成部１４ｅは、静止座標系（αβ座標系）に対して回転角度θだけ回転する回転座標系で表される二相のｄ軸電圧指令値Ｖ_d及びｑ軸電圧指令値Ｖ_qを、三相のＵ相電圧指令値Ｖ_U、Ｖ相電圧指令値Ｖ_V及びＷ相電圧指令値Ｖ_Wに変換し、Ｕ相電圧指令値Ｖ_U、Ｖ相電圧指令値Ｖ_V及びＷ相電圧指令値Ｖ_WをＰＷＭ信号生成部１４ｆに出力する。

ＰＷＭ信号生成部１４ｆは、Ｕ相電圧指令値Ｖ_U、Ｖ相電圧指令値Ｖ_V及びＷ相電圧指令値Ｖ_Wに基づいてＰＷＭ信号Ｖ_PWM（この場合、インバータ４の各トランジスタに対応するＶ_PWM1，Ｖ_PWM2，Ｖ_PWM3，Ｖ_PWM4，Ｖ_PWM5及びＶ_PWM6）を生成し、永久磁石同期電動機５を駆動するためにＰＷＭ信号Ｖ_PWMをインバータ４に出力する。

停電検出部２１は、三相交流電源１の停電を検出する。このために、停電検出部２１は、三相交流電源１の出力線に設けられた電流検出器１Ｕ，１Ｖ，１Ｗによって検出される三相のＵ相電流ｉ_U、Ｖ相電流ｉ_V及びＷ相電流ｉ_Wを整流する複数（３相交流の場合は６個）の整流ダイオードを有する整流回路（図示せず）と、整流回路からの出力信号のレベルと基準レベルとを比較し、当該出力信号のレベルが基準レベルより下である場合には停電検出信号Ｓ_sを上位制御装置２２に出力するコンパレータ（図示せず）と、を有する。

上位制御装置２２は、ＣＮＣ（数値制御装置）等によって構成され、回転速度指令値ω_comをｑ軸電流指令値設定部１２及びｄ軸電流指令値設定部１３に入力する。また、上位制御装置２２は、永久磁石同期電動機５の減速時に減速指令Ｃ_rをｑ軸電流指令値設定部１２及びｄ軸電流指令値設定部１３に出力する。上位制御装置２２は、永久磁石同期電動機５が減速時であるか否かの判定を、例えば、現在の回転速度指令値が前回の回転速度指令値より所定の値以上減少しているか否かを判断することによって行うことができる。

本実施の形態では、上位制御装置２２は、停電検出部２１からの停電検出信号Ｓ_sに応じた永久磁石同期電動機５の減速時に減速指令Ｃ_rをｑ軸電流指令値設定部１２及びｄ軸電流指令値設定部１３に出力する場合、停電フラグを付した減速指令Ｃ_rをｑ軸電流指令値設定部１２及びｄ軸電流指令値設定部１３に出力する。ｑ軸電流指令値設定部１２及びｄ軸電流指令値設定部１３は、減速指令Ｃ_rに停電フラグが付されたか否かを識別することによって、永久磁石同期電動機５の減速が三相交流電源１の停電に伴う減速であるか否かを判断することができる。

また、上位制御装置２２は、永久磁石同期電動機５の減速時に生じる回生エネルギーを三相交流電源１側に回生する電源回生を行うために、電源回生指令信号Ｓｃをコンバータ制御部２３に出力する。この場合、駆動部１４がＰＷＭ信号Ｖ_PWMをインバータ４に出力してインバータ４のトランジスタをオンオフ制御するために、上位制御装置２２は、ＰＷＭ信号Ｖ_PWMに対応する回転速度指令値ω_comをｑ軸電流指令値設定部１２及びｄ軸電流指令値設定部１３に出力する。

コンバータ制御部２３は、電源回生指令信号Ｓｃに基づいてＰＷＭ信号Ｖ_PWM’（この場合、インバータ４の各トランジスタに対応するＶ_PWM1’，Ｖ_PWM2’，Ｖ_PWM3’，Ｖ_PWM4’，Ｖ_PWM5’及びＶ_PWM6’）を生成し、電源回生を行うためにＰＷＭ信号Ｖ_PWM’をコンバータ２に出力する。また、コンバータ制御部２３は、平滑用コンデンサ３の電圧（ＤＣリンク電圧）Ｖ_cを検出し、三相交流電源１の停電に伴う永久磁石同期電動機５の減速時を含む永久磁石同期電動機５の駆動時に電圧Ｖ_cのレベルが破壊レベルを超える場合には、アラーム信号Ｓ_aを上位制御装置２２に出力するコンパレータ（図示せず）を有する。

本実施の形態では、コンバータ制御部２３は、入出力ポート、シリアル通信回路、Ａ／Ｄ変換器、コンパレータ等を備えたプロセッサによって実現され、図示しないメモリに格納された処理プログラムに従って電源回生を行うためのコンバータ２の制御を実行する。また、本実施の形態では、電源回生を行うために、三相交流電源１と電流検出器１Ｕ，１Ｖ，１Ｗとの間にリアクトル１ａを配置する。

図２は、図１のモータ制御装置の動作のフローチャートである。このフローチャートは、永久磁石同期電動機５の駆動中に制御周期（例えば、２５０マイクロ秒）ごとに実行され、同期モータ制御装置１０で実行される処理プログラムによって制御される。

先ず、ｑ軸電流指令値設定部１２及びｄ軸電流指令値設定部１３はそれぞれ、減速指令Ｃ_rが入力されたか否か判断する（ステップＳ１）。減速指令Ｃ_rが入力された場合、ｑ軸電流指令値設定部１２及びｄ軸電流指令値設定部１３はそれぞれ、減速指令Ｃ_rに停電フラグが付されているか否か判断する（ステップＳ２）。減速指令Ｃ_rに停電フラグが付されている場合、ｑ軸電流指令値設定部１２は、速度指令ω_comに応じたｑ軸電流値Ｉ_qkをメモリ９から読み出し、読み出したｑ軸電流値Ｉ_qkをｑ軸電流指令値Ｉ_qcomとして減算器１４ｂに出力し、ｄ軸電流指令値設定部１３は、速度指令ω_comに応じたｄ軸電流値Ｉ_dkをメモリ９から読み出し、読み出したｄ軸電流値Ｉ_dkをｄ軸電流指令値Ｉ_dcomとして減算器１４ａに出力し（ステップＳ３）、処理フローを終了する。

ステップＳ３の終了後、ｑ軸電流値Ｉ_qkの平方値とｄ軸電流値Ｉ_dkの平方値の和の平方根からなる実電流（皮相電流）Ｉ_rkがインバータ４の出力側に生成される。

一方、ステップＳ１において減速指令Ｃ_rが入力されていない又はステップＳ２において減速指令Ｃ_rに停電フラグが付されていないと判断された場合、ｑ軸電流指令値設定部１２は、速度指令ω_comと回転速度ωとの差に基づいてｑ軸電流値Ｉ_qωを設定し、設定したｑ軸電流値Ｉ_qωをｑ軸電流指令値Ｉ_qcomとして減算器１４ｂに出力し、ｄ軸電流指令値設定部１３は、ゼロの値のｄ軸電流値Ｉ_dωを設定し、設定したゼロの値のｄ軸電流値Ｉ_dωをｄ軸電流指令値Ｉ_dcomとして減算器１４ａに出力し（ステップＳ３）、処理フローを終了する。

ステップＳ４の終了後、ｑ軸電流値Ｉ_qωの平方値とｄ軸電流値Ｉ_dωの平方値の和の平方根、すなわち、ｑ軸電流値Ｉ_qωからなる実電流（皮相電流）Ｉ_rk’がインバータ４の出力側に生成される。

図３は、ｑ軸電流指令値及びｄ軸電流指令値の第１の設定例を説明するための図である。図３に示す設定例は、ｑ軸電流値Ｉ_qkを、回転速度ωと回転速度指令値ω_comとの差に基づいて設定し、ｄ軸電流値Ｉ_dkを、回転速度ωと回転速度指令値ω_comとの差に基づいて設定したｑ軸電流値Ｉ_qkに基づいて設定した場合を示す。この場合、ｑ軸電流値Ｉ_qω及びｑ軸電流値Ｉ_qkはいずれも回転速度ωと回転速度指令値ω_comとの差に基づいて設定されるので、ｑ軸電流値Ｉ _qk はｑ軸電流値Ｉ _qω に等しくなる。

図４は、ｑ軸電流指令値及びｄ軸電流指令値の第２の設定例を説明するための図である。図４に示す設定例は、ｑ軸電流値Ｉ_qk及びｄ軸電流値Ｉ_dkを、永久磁石同期電動機５が許容できる最大の消費電力又は予め与えられた最大の消費電力Ｐｍａｘに基づいて設定した場合を示す。この場合、ｑ軸電流値Ｉ_qkは、永久磁石同期電動機５を停止させるために、同一の回転速度指令値ω_com及び回転速度ωの条件下では、三相交流電源１の停電を検出しない場合のｑ軸電流値Ｉ _qω 以下に設定される。

本実施の形態によれば、ｑ軸電流値Ｉ_qk及びｄ軸電流値Ｉ_dkを、仕事率Ｐｗの絶対値｜Ｐｗ｜が損失Ｐｌと等しくなるように設定することによって、永久磁石同期電動機５の駆動時に三相交流電源１が停電したときに生じる回生電力Ｐｒがゼロになる。したがって、平滑用コンデンサ３の電圧が過電圧になる事態を、コスト及び永久磁石同期電動機５の運転効率に悪影響を及ぼすことなく回避することができるとともに、三相交流電源１の停電時に過電圧アラームを発生することなく迅速かつ安全に永久磁石同期電動機５を停止させることができる。

また、ｑ軸電流値Ｉ_qkを、回転速度ωと回転速度指令値ω_comとの差に基づいて設定し、ｄ軸電流値Ｉ_dkを、回転速度ωと回転速度指令値ω_comとの差に基づいて設定したｑ軸電流値Ｉ_qkに基づいて設定する場合、ｑ軸電流指令値Ｉ_qcomの設定を三相交流電源１の停電の有無に応じて変更する必要がなくなるので、ｑ軸電流指令値Ｉ_qcomの設定を三相交流電源１の停電の有無に応じて変更する場合に比べて同期モータ制御装置１０の制御を簡単にすることができる。

また、ｑ軸電流値Ｉ_qk及びｄ軸電流値Ｉ_dkを、永久磁石同期電動機５が許容できる最大の消費電力Ｐｍａｘ（Ｗ）に基づいて設定した場合、永久磁石同期電動機５が許容できる最大のｑ軸電流値Ｉ_qkを設定することができ、永久磁石同期電動機５の駆動時に三相交流電源１が停電したときの永久磁石同期電動機５の停止距離すなわち停止時間を最短にすることができる。

さらに、ｑ軸電流値Ｉ_qkの第１のリミット値をｑ軸電流指令値Ｉ_qcomの第２のリミット値よりも低い値に設定しているので、永久磁石同期電動機５が生成する回生電力を、永久磁石同期電動機５の駆動時に三相交流電源１が停電しないときよりも小さくすることができ、かつ、永久磁石同期電動機５の運転効率を上げることができる。

本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。例えば、交流電源として三相交流電源１を用いたが、三相以外の多相交流電源を電源として用いることもできる。

また、上記実施の形態において、同期モータとしての永久磁石同期電動機５として、ロータ５２に永久磁石５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄが設けられた回転型サーボモータを用いた場合について説明したが、ステータに永久磁石が設けられた回転型サーボモータ、ステータとスライダのうちのいずれか一方に永久磁石が設けられたリニアサーボモータ、ステータとバイブレータのうちのいずれか一方に永久磁石が設けられた振動型サーボモータ等を、永久磁石同期電動機５として用いることができる。また、永久磁石同期電動機以外の同期モータを用いることもできる。

また、回転位置検出部７を、ロータリーエンコーダ以外の部品（例えば、ホール素子又はレゾルバ）によって構成することができる。また、回転位置検出部７を省略し、永久磁石同期電動機５に供給される交流電流及び交流電圧に基づいて回転角度θ及び回転速度ωを演算することもできる。

また、上記実施の形態において、メモリ９をプロセッサの一部として説明したが、メモリ９をプロセッサ外の部品として構成することもできる。また、メモリ９をｑ軸電流指令値設定部１２又はｄ軸電流指令値設定部１３内に設けることもできる。

また、上記実施の形態において、ｑ軸電流Ｉ_q及びｄ軸電流Ｉ_dを検出するために三相のＵ相電流Ｉ_U、Ｖ相電流Ｉ_V及びＷ相電流Ｉ_Wを用いる場合について説明したが、三相のＵ相電流ＩＵ、Ｖ相電流Ｉ_V及びＷ相電流Ｉ_Wのうちのいずれか二相（例えば、Ｖ相電流Ｉ_V及びＷ相電流Ｉ_W）を用いてｑ軸電流Ｉ_q及びｄ軸電流Ｉ_dを検出することもできる。

また、上記実施の形態では、三相交流電源１の停電に伴う永久磁石同期電動機５の減速時におけるｑ軸電流指令値Ｉ_qcom及びｄ軸電流指令値Ｉ_dcomであるｑ軸電流値Ｉ_qk及びｄ軸電流値Ｉ_dkをルックアップテーブルを用いることによって取得する場合について説明したが、ｑ軸電流値Ｉ_qk及びｄ軸電流値Ｉ_dkを上記式（１１）及び上記式（１２）を用いることによって取得することもできる。

さらに、上記実施の形態では、停電検出部２１が停電検出信号Ｓ_sを上位制御装置２２に出力する場合について説明したが、停電検出部２１が停電検出信号Ｓ_sをｑ軸電流指令値設定部１２及びｄ軸電流指令値設定部１３に出力し、ｑ軸電流指令値設定部１２及びｄ軸電流指令値設定部１３が三相交流電源１の停電の検出の有無を判断することもできる。

１ 三相交流電源
１ａ リアクトル
１ｕ，１ｖ，１ｗ，４ｕ，４ｖ，４ｗ 電流検出部
２ コンバータ
３ 平滑用コンデンサ
４ インバータ
５ 永久磁石同期電動機
６ 被駆動体
７ 回転角度検出部
８ 回転速度演算部
９ メモリ
１０ 同期モータ制御装置
１１ ｑ軸電流及びｄ軸電流検出部
１２ ｑ軸電流指令値設定部
１３ ｄ軸電流指令値設定部
１４ 駆動部
１４ａ，１４ｂ 減算器
１４ｃ，１４ｄ ＰＩ制御部
１４ｅ 指令電圧作成部
１４ｆ ＰＷＭ信号生成部
２１ 停電検出部
２２ 上位制御装置
２３ コンバータ制御部
５１ 回転軸
５２ ロータ
５３ ステータ
５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄ 永久磁石
５５ｕ，５５ｖ，５５ｗ 巻線
Ｉ_d ｄ軸電流
Ｉ_dcom ｄ軸電流指令値
Ｉ_dk ｄ軸電流値
Ｉ_q ｑ軸電流
Ｉ_qcom ｑ軸電流指令値
Ｉ_qk ｑ軸電流値
ｉ_U，Ｉ_U Ｕ相電流
ｉ_v，Ｉ_V Ｖ相電流
ｉ_w，Ｉ_W Ｗ相電流
Ｖ_d ｄ軸電圧指令値
Ｖ_q ｑ軸電圧指令値
Ｖ_U Ｕ相電圧指令値
Ｖ_V Ｖ相電圧指令値
Ｖ_W Ｗ相電圧指令値
Ｖ_PWM’Ｖ_PWM ＰＷＭ信号
ΔＩ_d，ΔＩ_q 電流偏差
θ 回転角度
ω 回転速度
ω_com 回転速度指令値

Claims (4)

1. 同期モータの減速時に生じる回生エネルギーを交流電源側に回生する電源回生を行うとともに交流電源の停電時に同期モータの停止を行うために同期モータを制御する同期モータ制御装置であって、
   同期モータのトルク電流に相当するｑ軸電流及び同期モータの励磁電流に相当するｄ軸電流を、同期モータに流れる第１の相の電流、第２の相の電流及び第３の相の電流のうちの少なくとも二つ及び同期モータの位置に基づいて検出するｑ軸電流及びｄ軸電流検出部と、
   同期モータの駆動時に交流電源が停電しないときは、同期モータの第１のｑ軸電流指令値を、同期モータの速度と同期モータに対する速度指令値との差に基づいて設定し、同期モータの駆動時に交流電源が停電したときは、同期モータの第２のｑ軸電流指令値を設定するｑ軸電流指令値設定部と、
   同期モータの駆動時に交流電源が停電しないときは、同期モータの第１のｄ軸電流指令値をゼロの値に設定し、同期モータの駆動時に交流電源が停電したときは、同期モータの第２のｄ軸電流指令値をゼロより大きい値に設定するｄ軸電流指令値設定部と、
   同期モータを、前記ｑ軸電流、前記ｄ軸電流、前記第１のｑ軸電流指令値又は前記第２のｑ軸電流指令値、及び前記第１のｄ軸電流指令値又は前記第２のｄ軸電流指令値に基づいて駆動する駆動部と、
   を備え、
   前記第２のｑ軸電流指令値及び前記第２のｄ軸電流指令値は、同期モータの単位時間当たりの仕事率の絶対値が同期モータの単位時間当たりの損失と等しくなるように設定されることを特徴とする同期モータ制御装置。
2. 前記第２のｑ軸電流指令値は、同期モータの速度と同期モータに対する速度指令値との差に基づいて設定され、前記第２のｄ軸電流指令値は、同期モータの速度と同期モータに対する速度指令値との差に基づいて設定した第２のｑ軸電流指令値に基づいて設定される請求項１に記載の同期モータ制御装置。
3. 前記第２のｑ軸電流指令値及び前記第２のｄ軸電流指令値は、同期モータが許容できる最大の消費電力又は予め与えられた消費電力に基づいて設定される請求項１に記載の同期モータ制御装置。
4. 同期モータの駆動時に交流電源が停電したときに同期モータのトルクを制限するために設けられた前記第２のｑ軸電流指令値の第１のリミット値は、同期モータの駆動時に交流電源が停電しないときに同期モータのトルクを制限するために設けられた前記第２のｑ軸電流指令値の第２のリミット値よりも低い値に設定される請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の同期モータ制御装置。

Images