JP5499965B2 - 交流回転機の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、誘導機や同期機といった交流回転機の制御装置に関する。

従来の交流回転機の制御装置において、交流回転機に位置センサを取り付けることなく交流回転機を速度制御する方法として、交流回転機の誘起電圧から交流回転機の速度を推定し、推定した推定速度と速度指令とが一致するように交流回転機を制御する方法（センサレスベクトル制御）がある。この方法で用いる誘起電圧の大きさは交流回転機の速度に比例するため、低速域では誘起電圧が小さくなり、誘起電圧の検出または推定が困難になり推定速度の精度が悪化する。このため、低速域では交流回転機を速度制御することが困難になる。

そこで、誘起電圧の検出または推定が困難な低速域では、任意の制御位相上に所定の電流ベクトルを流し、速度指令を積分することで得られた同期位相を制御位相として与えることで、交流回転機の速度が速度指令に対して追従するように交流回転機を制御する方法（同期電流制御）がある。低速域では同期電流制御で交流回転機を駆動し、速度指令が誘起電圧の検出または推定が十分行える値になったら、同期電流制御からセンサレスベクトル制御へ切換える方法が知られている。この方法では、同期電流制御とセンサレスベクトル制御との切換えにおいて、制御位相や電流ベクトル指令が不連続にならないように適切な指令を与えないと、交流回転機の速度が変動したりしてスムーズに交流回転機を駆動することができない。このような切換え時にスムーズに交流回転機を駆動する方法として、同期運転モード中に、永久磁石同期モータの回転子軸とｄｑベクトル制御部の制御系軸との軸誤差を推定し、推定した軸誤差と電流指令値の位相差とを略一致させてから同期運転モードから位置センサレスモードに切換える方法がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−０２９０１６号（第７−１０頁、第２図）

特許文献１に開示された方法は、予め設定しておいた電流指令値と推定した軸誤差との位相を略一致させることで、制御位相をモータ実位相に一致させた後で同期運転モード（同期電流制御）から位置センサレスモード（センサレスベクトル制御）に切換えることでスムーズに交流回転機を駆動させる方法である。電流指令値と推定した軸誤差との位相を略一致させる期間は、軸誤差が正しく推定できている期間であるので、位置センサレスモードでも駆動できる期間である。位置センサレスモードであれば、速度指令と推定速度との偏差に応じて電流が自動調整されるため、高負荷がかかっても交流回転機の駆動が可能である。

しかしながら、特許文献１に開示された方法では、スムーズに交流回転機を駆動させる目的で、予め電流指令値と推定した軸誤差との位相を略一致させているため、予め電流指令値の大きさより小さい電流を必要とする負荷に対しては駆動することができるが、予め電流指令値の大きさ以上の電流を必要とする高負荷に対しては駆動することができない。また、特許文献１に開示された方法は、電流指令値と推定した軸誤差との位相を略一致させることで同期運転モードから位置センサレスモードにスムーズに切換えるものであるが、特許文献１には、位置センサレスから同期運転モードへの切換え方法については記載されておらず、また、仮に電流指令値と推定した軸誤差との位相を略一致させようとしても、位置センサレスモードでは軸誤差が発生していないため、特許文献１に開示された方法では位置センサレスモードから同期運転モードへスムーズに切換えることは困難である。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、同期電流制御（特許文献１における電流指令値と推定した軸誤差との位相を略一致させる期間以外の同期運転モードに相当）からセンサレスベクトル制御（特許文献１における位置センサレスモードに相当）へ、またはセンサレスベクトル制御から同期電流制御へ切換える制御（特許文献１における電流指令値と推定した軸誤差との位相を略一致させる期間に相当）において、高負荷がかかってもスムーズに交流回転機を駆動する切換え制御を行う交流回転機の制御装置を得るものである。

この発明に係る交流回転機の制御装置は、電圧指令値に基づいて交流回転機に電圧を印加する電圧印加手段と、交流回転機に流れる回転機電流を検出する電流検出手段と、電圧指令値および回転機電流に基づいて交流回転機の回転子位置の推定値である推定位相と、交流回転機の回転速度の推定値である推定速度とを出力する推定手段と、任意の制御位相上での制御電流ベクトル指令を生成し、回転機電流を制御位相上へ変換した制御電流ベクトルが制御電流ベクトル指令に一致するように電圧指令値を出力する制御手段とを備え、制御手段は、外部より入力する速度指令と推定速度とが一致するようして得た実電流指令ベクトルと、制御位相と、推定位相と、予め設定された電流ベクトル設定値とに基づいて制御電流ベクトル指令を生成するとともに、任意に設定する同期位相と推定位相とを相互に切換えて制御位相とし、同期位相は、同期電流制御中は速度指令を積分した値に設定され、切換え中および制御位相と推定位相とが同一であるときは推定速度を積分した値に設定されるものである。

この発明は、交流回転機の回転子位置の推定値である推定位相と、交流回転機の回転速度の推定値である推定速度とを出力する推定手段と、任意の制御位相上での制御電流ベクトル指令を生成し、回転機電流を制御位相上へ変換した制御電流ベクトルが制御電流ベクトル指令に一致するように電圧指令値を出力する制御手段とを備え、制御手段は、外部より入力する速度指令と推定速度とが一致するようして得た実電流指令ベクトルと、制御位相と、推定位相と、予め設定された電流ベクトル設定値とに基づいて制御電流ベクトル指令を生成するとともに、任意に設定する同期位相と推定位相とを相互に切換えて制御位相とし、同期位相は、同期電流制御中は速度指令を積分した値に設定され、切換え中、及び制御位相と推定位相とが同一であるときは推定速度を積分した値に設定されるので、制御位相を切換える前に負荷が変動しても、切換え中の制御電流ベクトル指令や制御位相が不連続にならず、スムーズに交流回転機を駆動することができる交流回転機の制御装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１における交流回転機の制御装置の構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態１における推定手段の内部を示す構成図である。 本発明の実施の形態１における速度指令の絶対値｜ω＊｜と位相比例係数Ｋｃとの関係を示す図である。 本発明の実施の形態１におけるｄ−ｑ軸上に表した電流ベクトル図である。 本発明の実施の形態１におけるδ軸電流指令演算部の内部を示す構成図である。 本発明の実施の形態１におけるｄ−ｑ軸上に表した各制御時の電流ベクトル図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における、交流回転機の制御装置の構成を示す構成図である。本発明は、センサレスベクトル制御と同期電流制御との間で切換え制御を行う交流回転機の制御装置に関するものであり、本実施の形態では、同期電流制御から切換え制御を経てセンサレスベクトル制御へ切換える場合について説明する。また、交流回転機１は、三相永久磁石同期機である。

なお、センサレスベクトル制御とは、交流回転機に位置センサを取り付けることなく交流回転機を速度制御する方法であり、交流回転機の誘起電圧から交流回転機の速度を推定し、推定した推定速度と速度指令とが一致するように交流回転機を制御する方法である。また、同期電流制御とは、任意の制御位相上に所定の電流ベクトルを流し、任意に設定した同期位相を制御位相として与えることで、交流回転機の速度が速度指令に対して追従するように交流回転機を制御する方法であり、誘起電圧の検出または推定が困難な低速域で適用される方法である。

図１において、交流回転機の制御装置は、電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｕｗ＊に基づいて交流回転機１に電圧を印加する電圧印加手段３と、交流回転機１と電圧印加手段３との間を流れる回転機電流ｉｕ、ｉｗを検出する電流検出手段２と、電圧指令値Ｖｕ＊、Ｕｗ＊および回転機電流ｉｕ、ｉｗに基づいて交流回転機１の回転子位置の推定値である推定位相（推定位置）θ０と交流回転機１の回転速度の推定値である推定速度ωｒ０とを出力する推定手段４と、任意の制御位相θｃ上での制御電流ベクトル指令ｉγ＊、ｉδ＊を生成し、回転機電流ｉｕ、ｉｗを制御位相θｃ上へ変換した制御電流ベクトルｉγ、ｉδが制御電流ベクトル指令ｉγ＊、ｉδ＊に一致するように電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｕｗ＊を出力し、電圧印加手段３へ電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｕｗ＊を出力する制御手段５とによって構成されている。

図１において、電流検出手段２は、例えば変流器等からなり、交流回転機１と電圧印加手段３とを結ぶ電力線からＵ相電流ｉｕとＶ相電流ｉｖとの二相分の電流（回転機電流）を検出する。なお、Ｕ相とＶ相以外に、Ｕ相電流ｉｕ、Ｖ相電流ｉｖ、Ｗ相電流ｉｗのうち任意の二相分の電流を検出してもよいし、Ｕ相電流ｉｕ、Ｖ相電流ｉｖ、Ｗ相電流ｉｗの三相電流を検出してもよい。電圧印加手段３は、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）インバータなどの半導体電力変換器であり、制御手段５の出力である電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｕｗ＊に基づいてＰＷＭ変調した電圧を交流回転機１に印加する。

推定手段４は、電流検出手段２の出力である回転機電流ｉｕ、ｉｖと後述する制御手段５の出力である電圧指令値Ｖｕ＊、Ｕｗ＊とに基づいて、交流回転機１の推定位相θ０を演算し出力するものである。なお、電圧指令値は、適当な組合せの２相分の電圧指令値を使ってもよいし、３相全ての電圧指令値を使ってもよい。以下に、交流回転機１の推定位相θ０を演算する方法の一例として、誘起電圧を利用した方法について説明する。

図２は、推定手段４の内部を示す構成図である。図２において、３相／２相変換器Ａ４００は、電圧指令値Ｖｕ＊、Ｕｗ＊を交流回転機１の静止二軸上であるα−β軸上の電圧指令ベクトルＶαｓ＊、Ｖβｓ＊に変換する。３相／２相変換器Ｂ４０１は、回転機電流ｉｕ、ｉｖをα−β軸上の電流ベクトルｉαｓ、ｉβｓに変換する。ここで、交流回転機１の電機子抵抗をＲ、電機子インダクタンスをＬ、推定速度をωｒ０とし、行列Ａ、Ｂ、Ｃ１、Ｃ２、Ｈを（１）式のように定義する。

ここで、行列Ｈのｈ１１、ｈ１２、ｈ２１、ｈ２２、ｈ３１、ｈ３２、ｈ４１、ｈ４２の値は、例えば再公表特許ＷＯ２００２／０９１５５８号の第９図に記載されているように推定回転速度に応じて各増幅ゲインの値を変更するようにする。ゲイン行列演算器４０３は、行列Ｂに電圧指令ベクトル（Ｖαｓ＊、Ｖβｓ＊）^Ｔを乗算した結果を出力する。なお、Ｔは転置行列を表す。加減算器４０２は、電流ベクトルｉαｓ、ｉβｓと後述する推定電流ｉαｓ０、ｉβｓ０とを図２記載の符号に従って加減算して電流偏差ベクトル（ｅα、ｅβ）^Ｔを出力する。ゲイン行列演算器４０４は、電流偏差ベクトル（ｅα、ｅβ）^Ｔに行列Ｈを乗算した結果を増幅偏差ベクトル（ｅ１、ｅ２、ｅ３、ｅ４）^Ｔとして出力する。加減算器４０５は、ゲイン行列演算器４０３の出力とゲイン行列演算器４０４の出力と後述するゲイン行列演算器４０６の出力とを図２記載の符号に従って加減算したベクトルを出力する。

積分器４０７は、加減算器４０５が出力するベクトルを各要素毎に積分し、α−β軸上の推定電機子反作用ベクトルｐαｓ０、ｐβｓ０、およびα−β軸上の推定磁束ベクトルｐαｒ０、ｐβｒ０を、ベクトル（ｐαｓ０、ｐβｓ０、ｐαｒ０、ｐβｒ０）^Ｔとして出力する。ゲイン行列４０６は、推定速度ωｒ０に基づいて（１）式の行列Ａを得るとともに、この行列Ａにベクトル（ｐαｓ０、ｐβｓ０、ｐαｒ０、ｐβｒ０）^Ｔを乗算した結果を出力する。この一連の演算では、積分器４０７の入力が（１）式の各行列の右辺に相当するようになっている。また、（１）式の左辺はベクトル（ｐαｓ０、ｐβｓ０、ｐαｒ０、ｐβｒ０）^Ｔの微分であり、積分器４０７の入力でもあるから、積分器４０７の出力はベクトル（ｐαｓ０、ｐβｓ０、ｐαｒ０、ｐβｒ０）^Ｔとなる。ここまでの動作を数式で表すと（２）式のようになり、α−β軸上の電圧指令ベクトル（Ｖαｓ＊、Ｖβｓ＊）^Ｔおよび増幅偏差ベクトル（ｅ１、ｅ２、ｅ３、ｅ４）^Ｔが与えられればα−β軸上の推定電機子反作用ベクトルｐαｓ０、ｐβｓ０、およびα−β軸上の推定磁束ベクトルｐαｒ０、ｐβｒ０を得ることができる。

なお、（２）式の行列Ａの内部パラメータである推定速度ωｒ０は、α−β軸上の電流偏差ベクトルのα軸成分をｅα、β軸成分をｅβ、ｓをラプラス演算子（微分演算子）、ｋｐを比例ゲイン、ｋｉを積分ゲインと定義し、（３）式によって与えることができる。

次に、ゲイン行列４０８は、（４）式の行列演算を行い、推定電流（ｉαｓ０、ｉβｓ０）^Ｔを出力する。また、ゲイン行列４０９は、（５）式の行列演算を行い、推定磁束ベクトル（ｐαｒ０、ｐβｒ０）^Ｔを出力する。

位相推定器４１０は、入力される推定磁束ベクトル（ｐαｒ０、ｐβｒ０）^Ｔに基づいて（６）式の演算を行い、推定位相θ０を出力する。

速度推定器４１１は、入力される推定磁束ベクトル（ｐαｒ０、ｐβｒ０）^Ｔと電流偏差ベクトル（ｅα、ｅβ）^Ｔとに基づいて（３）式の演算を行い、推定速度ωｒ０を出力する。以上のように、推定手段４は、交流回転機１の推定位相を演算して出力する。また、推定手段４は、誘起電圧を利用した方法であるため、低速域では推定位相の演算精度が悪い。そこで、外部より入力する速度指令ω＊の絶対値｜ω＊｜が予め設定した基準値ωｌｅｖ１未満の場合には推定手段４を停止させ、｜ω＊｜が基準値ωｌｅｖ１以上になったら推定手段４を動作させるようにしておくと良い。基準値ωｌｅｖ１は、推定位相θ０、推定速度ωｒ０の演算精度が所望の値となるうちで最も小さい値に設定しておくと良い。なお、推定手段４は、上記に説明した方法に限らず、交流回転機１の回転子位置を推定するものであればどのような方法でも構わない。

制御手段５は、任意に設定した同期位相θｓと、推定位相θ０と、予め設定した電流ベクトル設定値ｉγ＊＿ｓｅｔとに基づいて、任意の制御位相θｃ上での制御電流ベクトル指令ｉγ＊、ｉδ＊を生成し、回転機電流ｉｕ、ｉｗを制御位相θｃ上へ変換した制御電流ベクトルｉγ、ｉδが制御電流ベクトル指令ｉγ＊、ｉδ＊に一致するように電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を出力するものである。また、制御手段５は、速度指令ω＊と推定速度ωｒ０とが一致するようして得た実電流指令ベクトルｉδｓｐ＊と、制御位相θｃと、推定位相θ０と、電流ベクトル設定値ｉγ＊＿ｓｅｔとに基づいて制御電流ベクトル指令ｉδ＊を生成するとともに、任意に設定した同期位相θｓと推定位相θ０とを相互に切換えて制御位相θｃとするものである。なお、本実施の形態では、同期位相θｓは、速度指令ω＊を積分した値に設定される。以下に詳細の動作について説明する。

制御手段５は、速度指令ω＊の大きさに応じて、同期電流制御と切換え制御とセンサレスベクトル制御との３種類の制御方法を選択する。制御手段５は、速度指令ω＊の絶対値｜ω＊｜が０から予め設定した基準値ωｌｅｖ２（ωｌｅｖ２＞ωｌｅｖ１）未満までは同期電流制御を選択し、｜ω＊｜が基準値ωｌｅｖ２から予め設定された基準値ωｌｅｖ３（ωｌｅｖ３＞ωｌｅｖ２）未満までは切換え制御を選択し、｜ω＊｜が基準値ωｌｅｖ３以上であればセンサレスベクトル制御を選択し、制御を行う。

このような制御を実現するために、図１の同期位相演算器５０は、同期電流制御時（｜ω＊｜＜ωｌｅｖ２）には速度指令ω＊を積分した同期位相θｓを出力する。また、切換え制御時（ωｌｅｖ２≦｜ω＊｜＜ωｌｅｖ３）には、速度推定値ωｒ０を積分した同期位相θｓを出力する。また、センサレスベクトル制御時（ωｌｅｖ３≦｜ω＊｜）には、後述する（１９）式のように電流ベクトル設定値ｉγ＊＿ｓｅｔとセンサレスベクトル制御時の制御電流ベクトル指令ｉδ＊であるｉδｓｐ＊とを逆正弦演算して求めた負荷角θαを、（７）式のように推定位相θ０に加算した位相を同期位相θｓとして出力する。同期位相θｓは、実電流指令ベクトルｉδｓｐ＊と、推定位相θ０と、電流ベクトル設定値ｉγ＊＿ｓｅｔとに基づいて求めることができる。また、センサレスベクトル制御時には（１９）式で求めた負荷角θαも出力する。

ここで、同期電流制御と切換え制御の間、および切換え制御とセンサレスベクトル制御の間の切換えをスムーズに行うために、位相比例係数Ｋｃを設定する。図３に、速度指令ω＊の絶対値｜ω＊｜と位相比例係数Ｋｃとの関係について示す。制御位相演算器５５では、（８）式（図３）のように速度指令ω＊に基づいて各制御毎に位相比例係数Ｋｃを演算し、Ｋｃに応じて制御位相θｃを出力する。

すなわち、制御位相演算器５５が出力する制御位相θｃは、同期電流制御（０≦｜ω＊｜＜ωｌｅｖ２）の場合には、同期位相演算器５０が出力する同期位相θｓを、切換え制御（ωｌｅｖ２≦｜ω＊｜＜ωｌｅｖ３）の場合には、同期位相θｓと推定手段４の出力である推定位相θ０とを位相比例係数Ｋｃで重み付けした位相を、センサレスベクトル制御（ωｌｅｖ３≦｜ω＊｜）の場合には、推定位相θ０を、それぞれ出力する。本実施の形態においては、係数として速度指令ω＊に比例して変化する位相比例係数Ｋｃを用いて説明したが、係数としては、速度指令ω＊がωｌｅｖ２の時に同期位相θｓとなり、速度指令ω＊がωｌｅｖ３の時に推定位相θ０となるように変化するものであればよい。

なお、交流回転機１が停止状態から起動する場合には、同期位相演算器５０が、速度指令ω＊の積分初期値を０として与えたり、例えば特許４２７１３９７号記載の方法で求めた初期磁極位置を積分初期値として与える。また、同期電流制御から切換え制御へ移行する場合には、同期電流制御から切換え制御へ移行して同期位相演算器５０が推定速度ωｒ０を積分して、同期位相θｓの演算を開始する直前の同期位相θｓを推定速度ωｒ０の積分の積分初期値として与える。さらに、切換え制御から同期電流制御へ移行する場合も同様に、切換え制御から同期電流制御へ移行して同期位相演算器５０が速度指令ω＊を積分して、同期位相θｓの演算を開始する直前の同期位相θｓを速度指令ω＊の積分の積分初期値として与える。

センサレスベクトル制御から切換え制御へ移行する場合には、センサレスベクトル制御から切換え制御へ移行して同期位相演算器５０が推定速度ωｒ０を積分して同期位相θｓの演算を開始する直前の同期位相θｓ、すわなち、（７）式で求めた同期位相θｓを推定速度ωｒ０の積分の積分初期値として与える。このようにすることで、同期位相θｓは積分する値が変わっても不連続になることを防ぐことができる。

制御手段５において、制御位相演算器５５が出力する制御位相θｃ上で動作できるようにするため、座標変換器Ｂ５４は、（９）式のように電流検出手段２で検出した回転機電流ｉｕ、ｉｖを制御位相θｃ上の軸γ−δ軸への換算値である制御電流ベクトルｉγ、ｉδに座標変換する。

まず、同期電流制御時の制御手段５の動作について説明する。上述のとおり、同期電流制御時の制御位相θｃ上の軸γ−δ軸の電流指令である制御電流ベクトル指令ｉγ＊、ｉδ＊のうち、ｉγ＊を予め設定した電流ベクトル設定値ｉγ＊＿ｓｅｔとして与える。電流ベクトル設定値ｉγ＊＿ｓｅｔは、任意の値で構わないが、交流回転機１の連続定格電流未満に設定しておくことが望ましい。そして、δ軸電流指令演算部５１が出力する、もう１つ制御電流ベクトル指令であるｉδ＊については、ゼロに設定しておく。

電流制御器５２は、制御電流ベクトル指令ｉγ＊、ｉδ＊に座標変換器Ｂ５４の出力である制御電流ベクトルｉγ、ｉδが一致するように比例積分制御を行い、制御電圧ベクトルＶγ＊、Ｖδ＊を出力する。そして、座標変換器Ａ５３は（１０）式のように、制御電圧ベクトルＶγ＊、Ｖδ＊を電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に変換し、出力する。

以上の動作が、制御手段５の動作であるが、電流ベクトルの関係を示して同期電流制御時の駆動原理を説明する。図４に、ｄ−ｑ軸上に表した電流ベクトル図を示す。図４において、ｄ軸は交流回転機１の回転子に存在する永久磁石のＮ極と同一方向の軸であり、ｑ軸はｄ軸と直交する方向の軸である。ｄ−ｑ軸は、交流回転機１の回転子に同期して回転する軸であり、すなわち、交流回転機１の実際の軸である。一方、前述したように、γ−δ軸は、同期電流制御時には速度指令ω＊を積分した同期位相θｓ上の軸であるので、γ−δ軸は速度指令ω＊と同期して回転する軸である。ここで、交流回転機１から発生する回転機トルクＴｍを考える。回転機トルクＴｍは、例えば突極性が無い永久磁石同期機の場合、永久磁石磁束をφｆ、極対数をＰｍ、ｑ軸方向の電流をｉｑで定義すると（１１）式のようになる。
Ｔｍ＝Ｐｍ・φｆ・ｉｑ ・・・（１１）

無負荷時には、定常的にｉｑ＝０となるため、上述したように制御電流ベクトル指令ｉδ＊＝０と制御していれば、図４（ａ）のように、制御電流ベクトル指令ｉγ＊は、ｄ軸方向に流れることになる。交流回転機１の回転子（ｄ−ｑ軸）は、図４（ａ）のようにｑ軸方向の電流ｉｑ＝０の関係を保とうとするため、γ−δ軸に追従するように回転する。これが同期電流制御の駆動原理である。また、負荷時には、図４（ｂ）のように、負荷トルクと回転機トルクＴｍとが釣り合う時のｑ軸方向の電流ｉｑを負荷電流ｉＬとすると、γ軸とｄ軸との間には、なす角（以下負荷角）θαが発生し、定常的に制御電流ベクトル指令ｉγ＊のｑ軸射影成分が負荷電流ｉＬと一致するようにγ−δ軸がｄ−ｑ軸に対して傾き、交流回転機１の回転子（ｄ−ｑ軸）はγ−δ軸に追従するように回転する。

すなわち、ｄ−ｑ軸の回転子位相をθｅとして、負荷角θαを（１２）式のように定義すると、制御電流ベクトル指令ｉγ＊および負荷電流ｉＬは（１３）式の関係を保つように、負荷角θαが自動的に決まり、γ−δ軸に追従するように交流回転機１の回転子（ｄ−ｑ軸）が回転する。
θα＝θｓ−θｅ ・・・（１２）
ｉＬ＝−ｉγ＊・ｓｉｎ（θα） ・・・（１３）

同期電流制御時には、以上のような原理で交流回転機１が駆動するため、同期電流制御において駆動できる負荷は、電流ベクトル設定値ｉγ＊＿ｓｅｔの大きさで決まる。このため、電流ベクトル設定値ｉγ＊＿ｓｅｔよりも大きな電流を必要とする負荷が交流回転機１にかかった場合には、同期電流制御で駆動することができない。

次に、センサレスベクトル制御時の制御手段５の動作について説明する。センサレスベクトル制御時には、制御位相演算器５５が出力する制御位相θｃは、推定手段４が出力する推定位相θ０と同一である。また、センサレスベクトル制御時には、推定手段４は、ほぼ正確に交流回転機１の速度と位相を推定できていることが前提であるため、推定位相θ０≒交流回転機１の回転子位相θｅである。すなわち、制御手段５は、センサレスベクトル制御時には、交流回転機１の実位相上で動作していることになる。

図５は、δ軸電流指令演算部５１の内部を示す構成図である。図５のδ軸電流指令演算部は切換え制御にも関連するが、ここではセンサレスベクトル制御に関連する部分のみ説明することとする。図５において、切換え器５１３は、速度指令ω＊の絶対値｜ω＊｜に応じて、同期電流制御時（０≦｜ω＊｜＜ωｌｅｖ２）には０を、切換え制御時（ωｌｅｖ２≦｜ω＊｜＜ωｌｅｖ３）には切換え電流指令演算器５１１の出力である電流指令ベクトルｉδｃｈ＊を、センサレスベクトル制御時（ωｌｅｖ３≦｜ω＊｜）には速度制御器５１２の出力である実電流指令ベクトルｉδｓｐ＊を、それぞれ制御電流ベクトル指令ｉδ＊として出力する。

速度制御器５１２は、外部より入力する速度指令ω＊と推定手段４の出力である推定速度ωｒ０とが一致するように比例積分制御を行うことで得た実電流指令ベクトルｉδｓｐ＊を出力する。よって、センサレスベクトル制御時には、電流ベクトル設定値ｉγ＊＿ｓｅｔと、速度制御器５１２において速度指令ω＊と推定速度ωｒ０とが一致するように比例積分制御を行うことで得た実電流指令ベクトルｉδｓｐ＊とを制御電流ベクトル指令ｉγ＊、ｉδ＊として電流制御器５２に与える。電流制御器５２は、制御電流ベクトル指令ｉγ＊、ｉδ＊に座標変換器Ｂ５４の出力である制御電流ベクトルｉγ、ｉδが一致するように比例積分制御を行い、制御電圧ベクトルＶγ＊、Ｖδ＊を出力する。そして、座標変換器Ａ５３は（１０）式に基づいて、制御位相θｃを用いて、制御電圧ベクトルＶγ＊、Ｖδ＊を電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に変換し、出力する。

次に、切換え制御時の制御手段５の動作について説明する。まず、切換え制御時の制御位相θｃについて説明する。切換え制御時には、制御位相演算器５５が出力する制御位相θｃは、図３に示した速度指令ω＊の絶対値｜ω＊｜によって変化する位相比例係数Ｋｃに応じて、（１４）式に示すように同期位相θｓから推定位相θ０へ、または推定位相θ０から同期位相θｓへの切換えを徐々に行う。
θｃ＝Ｋｃ・θｓ＋（１−Ｋｃ）・θ０ ・・・（１４）

同期電流制御時の同期位相θｓと推定位相θ０は互いに独立しており、両者の位相差である負荷角θαは図４のように負荷トルクに応じて変化する。センサレスベクトル制御時には、（７）式のように同期位相θｓが与えられる。また、センサレスベクトル制御時には、推定位相θ０≒交流回転機１の回転子位相θｅであり、負荷電流ｉＬ＝実電流指令ベクトルｉδｓｐ＊となる。負荷電流ｉＬ（＝ｉδｓｐ＊）の状態を保って、同期電流制御で交流回転機１を駆動する場合、同期電流制御時の制御軸γ−δとｄ−ｑ軸との関係は図４（ｂ）のようになるので、この負荷電流の状態で同期電流制御時に同期位相θｓが取るべき値は（７）式から求めることができる。

切換え制御時には、同期位相θｓは推定速度ωｒ０を積分して与えられるので、同期位相θｓと推定位相θ０とは同期して動くことになり、同期位相θｓと推定位相θ０とは切換え制御へ移行する直前の関係（負荷角θα）を保持するため、制御位相θｃは（１４）式のように位相比例係数Ｋｃのみに依存して同期位相θｓと推定位相θ０との間の値を取ることになる。これが切換え制御中の制御位相の動作である。なお、切換え制御中に同期位相θｓを推定速度ωｒ０の積分値ではなく、速度指令ω＊の積分値で与えた場合、切換え制御中に負荷変動があると、負荷変動によって負荷角θαの値が変わり、同期位相θｓも変化する。つまり、同期位相θｓを速度指令ω＊で与えた場合、切換え制御中の制御位相θｃは位相比例係数Ｋｃだけではなく負荷によっても変わってしまうことになり、スムーズに切換えられない場合がある。よって、切換え制御中の同期位相θｓは推定速度ωｒ０の積分値で与え、同期位相θｓと推定位相θ０とを同期させておくほうが良い。

続いて、切換え制御時の制御電流ベクトル指令ｉγ＊、ｉδ＊について説明する。制御電流ベクトル指令ｉγ＊、ｉδ＊のうち、ｉγ＊は予め設定した電流ベクトル設定値ｉγ＊＿ｓｅｔとする。ｉδ＊についてはδ軸電流指令演算部５１の内部を示す構成図である図５を用いて説明する。図５において、制御位相差演算器５１０は、（１５）式に示したように制御位相θｃおよび推定位相θ０に基づいて制御位相差θβを演算する。なお、切換え制御へ移行する直前の同期電流制御時においては、推定手段４が精度良く推定位相θ０を推定できているという前提であるので、推定位相θ０＝交流回転機１の回転子位相θｅとなり、（１６）式に示したように負荷角θαを表すことができる。また、θｃ＝θｓであるので、（１５）式、（１６）式よりθβ＝θαとなる。
θβ＝θｃ−θ０ ・・・（１５）
θα＝θｓ−θ０ ・・・（１６）

速度制御器５１２は、同期電流制御から切換え制御へ移行した時点で演算を開始する。すなわち、速度制御器５１２は、同期電流制御以外の制御において演算を行う。具体的には、速度指令ω＊と推定手段４の出力である推定速度ωｒ０とが一致するように比例積分制御を行い、実電流指令ベクトルｉδｓｐ＊を出力するものである。切換え制御から速度制御器５１２の演算を開始して実電流指令ベクトルｉδｓｐ＊を出力することで、交流回転機１のｑ軸電流、すなわち負荷トルクと釣り合うために必要な負荷電流を常に把握できることになる。なお、速度制御器５１２は、演算開始の比例積分制御の初期値を与えずにゼロに設定すると、実電流指令ベクトルｉδｓｐ＊が負荷電流とほぼ同一の値になるまで遅れが生じるため、比例積分制御の初期値は（１３）式のようにｉγ＊と負荷角θαで求めた負荷電流ｉＬを与えておくことで、実電流指令ベクトルｉδｓｐ＊をスムーズに立ち上げることができる。

切換え電流指令演算器５１１は、速度制御器５１２が出力する実電流指令ベクトルｉδｓｐ＊、制御位相差演算器５１０が出力する制御位相差θβ（制御位相θｃと推定位相θ０との差）、および電流ベクトル設定値ｉγ＊＿ｓｅｔに設定した制御電流ベクトル指令ｉγ＊に基づいて（１７）式より、切換え制御時の制御電流ベクトル指令ｉδ＊であるｉδｃｈ＊を演算し、出力する。

なお、切換え制御中に負荷トルクが変動すると、速度指令ω＊と推定手段４の出力である推定速度ωｒ０とに偏差が生じるが、速度制御器５１２が速度指令ω＊と推定速度ωｒ０を一致させようと比例積分制御を行うことで、自動的に実電流指令ベクトルｉδｓｐ＊が調整される。

次に、各制御間の移行について説明する。ここでは、同期電流制御から切換え制御を経てセンサレスベクトル制御へ移行する場合について説明する。図６に、ｄ−ｑ軸上に表した各制御時の電流ベクトル図を示す。交流回転機１が停止状態から起動して同期電流制御を行う時には、図６（ａ）のように、負荷電流ｉＬと制御電流ベクトル指令ｉγ＊が（１３）式に示すように、すなわち、制御電流ベクトル指令ｉγ＊のｑ軸射影成分と負荷電流ｉＬとが釣り合うように、自動的にｄ−ｑ軸とγ−δ軸との間には負荷角θα（＝制御位相差θβ）の位相差が発生する。

切換え制御時には、図６（ｂ）のような電流ベクトルとなる。速度指令ω＊によって位相比例係数Ｋｃが１から０に変位するにつれて、γ−δ軸も徐々にｄ−ｑ軸へと近づいてゆく。制御電流ベクトル指令ｉγ＊は予め設定した一定の電流ベクトル設定値であるため、制御電流ベクトル指令ｉγ＊のｑ軸射影成分が負荷電流ｉＬより小さくなり釣り合わなくなる。これを補うためにδ軸電流指令演算部５１は、制御電流ベクトル指令ｉδ＊を発生させる。制御電流ベクトル指令ｉδ＊のｑ軸射影成分はｉδ＊にｃｏｓ（θβ）を乗じたものであるので、負荷電流ｉＬと制御電流ベクトル指令ｉγ＊、ｉδ＊との関係は（１８）式を満足するようにすればよい。
ｉＬ＝−ｉγ＊・ｓｉｎ（θβ）＋ｉδ＊・ｃｏｓ（θβ） ・・・（１８）

切換え制御時には、速度制御器５１２は、速度指令ω＊と推定手段４の出力である推定速度ωｒ０とが一致するように比例積分制御を行い、実電流指令ベクトルｉδｓｐ＊を演算しており、この実電流指令ベクトルｉδｓｐ＊は、負荷電流ｉＬとほぼ同一になる。切換え電流指令演算器５１１から出力される切換え制御時の制御電流ベクトル指令ｉδ＊であるｉδｃｈ＊は、（１７）式を利用して演算する。なお、（１８）式は（１７）式のｉδｓｐ＊をｉＬに、ｉδｃｈ＊をｉδ＊に置換えて変形したものである。

センサレスベクトル制御時は、図６（ｃ）のような電流ベクトルとなる。センサレスベクトル制御時はθβ＝０となるため、電流ベクトル設定値ｉγ＊＿ｓｅｔのｑ軸射影成分はゼロとなるので、制御電流ベクトル指令ｉδ＊と負荷電流ｉＬとは一致する。切換え制御からセンサレスベクトル制御へ移行した直後の制御電流ベクトル指令ｉδ＊は、（１７）式にθβ＝０を代入し、ｉδｃｈ＊はｉδ＊を置換えたものであるので、ｉδ＊＝ｉδｓｐ＊となる。このように、切換え制御時から速度制御器５１２の演算を開始し、速度制御器５１２により求めた実電流指令ベクトルｉδｓｐ＊を用いて制御電流ベクトル指令ｉδ＊を（１７）式から演算することで、同期電流制御中には制御電流ベクトル指令ｉγ＊以上に電流を必要とする高負荷がかかった場合には交流回転機１を駆動できない。しかしながら、切換え制御中には制御電流ベクトル指令ｉγ＊以上に電流を必要とする高負荷がかかった場合でも、それに応じて実電流指令ベクトルｉδｓｐ＊が変化し、それに伴い制御電流ベクトル指令ｉδ＊も変化するため、高負荷でも駆動することができ、また、位相比例係数Ｋｃに応じて制御位相θｃを同期位相θｓから推定位相θ０へ移行させることでスムーズに交流回転機１を駆動することができる。すなわち、従来方法ではセンサレスベクトル制御へ移行しないと高負荷駆動できなかったが、本発明では切換え制御の段階から高負荷駆動することができるため、従来方法よりも低速時から高負荷駆動ができる。

以上のように、本実施の形態による交流回転機１の制御装置は、速度指令ω＊と推定速度ωｒ０とが一致するように比例積分制御を行うことで得た実電流指令ベクトルｉδｓｐ＊と、電流ベクトル設定値ｉγ＊＿ｓｅｔに設定したｉγ＊と、（１５）式のように制御位相θｃと推定位相θ０とから求めた制御位相差θβとに基づいて、（１７）式から求めた電流指令ベクトルｉδｃｈ＊を制御電流ベクトル指令ｉδ＊として生成するとともに、速度指令ω＊によって変化する位相比例係数Ｋｃに応じて制御位相θｃを同期位相θｓから推定位相θ０へ徐々に切換えることで、同期電流制御からセンサレスベクトル制御へスムーズに切換えることができ、更に切換え制御の段階から高負荷駆動が可能となる。なお、制御位相θｃを速度指令ω＊に応じて同期位相θｓから推定位相θ０へ徐々に切換えることによって、同期位相θｓと推定位相θ０に偏差があってもスムーズに駆動することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、各制御間の移行について、同期電流制御から切換え制御を経てセンサレスベクトル制御へ移行する場合について説明したが、本実施の形態では、センサレスベクトル制御から切換え制御を経て同期電流制御へ移行する場合、すなわち、制御位相を推定位相から同期位相へ切換える場合について説明する。本実施の形態による交流回転機の制御装置は、図１と同様の構成であるが、一部の動作に異なる部分がある。ここでは、同期位相演算器５０の動作についてのみ説明する。

センサレスベクトル制御時には、同期電流制御の時のように、自動的に負荷角θαが決まらないため、推定位相θ０と同期電流制御時の同期位相θｓとの関係も自動的には決まらない。仮に、負荷角θα＝０として切換え制御から同期電流制御へ切換えると、負荷がかかっている場合には、γ−δ軸は図６（ｃ）の状態から図６（ａ）の状態に急変してしまう。このため、スムーズに交流回転機１を駆動することができない。そこで、同期位相演算器５０は、センサレスベクトル制御時および切換え制御時に、同期電流制御になった時の負荷角θαを常に計算し、（１６）式を用いて同期電流制御時の同期位相θｓを求めておく。同期電流制御時の電流ベクトルは図６（ａ）であり、センサレスベクトル制御時には、実電流指令ベクトルｉδｓｐ＊＝負荷電流ｉＬであるので、（１３）式を変形して負荷角θαは（１９）式より求めることができる。

（１９）式と（１６）式より、同期電流制御時の同期位相θｓは（７）式となる。切換え制御時には、（１６）式、（１９）式、および（７）式で求めた同期位相θｓを用いて、（１４）式のように、制御位相θｃを位相比例係数Ｋｃに応じて推定位相θ０から同期位相θｓへと移行させる。切換え制御から同期電流制御へ移行した時の同期位相θｓと推定位相θ０との位相差は（１９）式の負荷角θαとなる。切換え制御時は、実施の形態１と同様に、切換え制御時の制御電流ベクトル指令ｉδ＊を（１７）式で求めた電流指令ベクトルｉδｃｈ＊で与えることで、実施の形態１と同様に切換え制御中でも交流回転機１の高負荷駆動が可能となる。

以上のように、本実施の形態による交流回転機１の制御装置は、速度指令ω＊と推定速度ωｒ０とが一致するように比例積分制御を行うことで得た実電流指令ベクトルｉδｓｐ＊と、電流ベクトル設定値ｉγ＊＿ｓｅｔに設定したｉγ＊と、（１９）式のように負荷角θαを計算し、計算した負荷角θαと推定位相θ０とを加算することで（７）式のように同期位相θｓを求め、実電流指令ベクトルｉδｓｐ＊と、電流ベクトル設定値ｉγ＊＿ｓｅｔに設定したｉγ＊と、（１５）式のように制御位相θｃと推定位相θ０とから求めた制御位相差θβに基づいて、（１７）式から求めた電流指令ベクトルｉδｃｈ＊を制御電流ベクトル指令ｉδ＊として生成するとともに、速度指令ω＊によって変化する位相比例係数Ｋｃに応じて制御位相θｃを推定位相θ０から同期位相θｓへ徐々に切換えることで、センサレスベクトル制御から同期電流制御へスムーズに切換えることができ、更に切換え制御の段階から高負荷駆動が可能となる。なお、制御位相θｃを速度指令ω＊に応じて推定位相θ０から同期位相θｓへ徐々に切換えることによって、同期位相θｓと推定位相θ０に偏差があってもスムーズに駆動することができる。

１ 交流回転機、２ 電流検出手段、３ 電圧印加手段、４ 推定手段、５ 制御手段、
５０ 同期位相演算器、５１ δ軸電流指令演算部、５２ 電流制御器、
５３ 座標変換器Ａ、５４ 座標変換器Ｂ、５５ 制御位相演算器、
４００ ３相/２相変換器Ａ、４０１ ３相/２相変換器Ｂ、４０２，４０５ 加減算器、
４０３，４０４，４０６，４０８，４０９ ゲイン行列演算器、４０７ 積分器、
４１０ 位相推定器、４１１ 速度推定器、５１０ 制御位相差演算器、
５１１ 切換え電流指令演算器、５１２ 速度制御器、５１３ 切換え器。

Claims (3)

1. 電圧指令値に基づいて交流回転機に電圧を印加する電圧印加手段と、
   前記交流回転機に流れる回転機電流を検出する電流検出手段と、
   前記電圧指令値および前記回転機電流に基づいて前記交流回転機の回転子位置の推定値である推定位相と、前記交流回転機の回転速度の推定値である推定速度とを出力する推定手段と、
   任意の制御位相上での制御電流ベクトル指令を生成し、前記回転機電流を前記制御位相上へ変換した制御電流ベクトルが前記制御電流ベクトル指令に一致するように前記電圧指令値を出力する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、外部より入力する速度指令と前記推定速度とが一致するようして得た実電流指令ベクトルと、前記制御位相と、前記推定位相と、予め設定された電流ベクトル設定値とに基づいて前記制御電流ベクトル指令を生成するとともに、
   任意に設定する同期位相と前記推定位相とを相互に切換えて前記制御位相とし、
   前記同期位相は、同期電流制御中は前記速度指令を積分した値に設定され、切換え中および前記制御位相と前記推定位相とが同一であるときは前記推定速度を積分した値に設定されることを特徴とする交流回転機の制御装置。
2. 前記同期位相は、前記制御位相と前記推定位相とが同一であるときは、前記実電流指令ベクトルと、前記推定位相と、前記電流ベクトル設定値とに基づいて演算した値に設定されることを特徴とする請求項１に記載の交流回転機の制御装置。
3. 前記制御手段は、前記同期位相と前記推定位相との切換えを前記速度指令に応じて徐々に行うことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の交流回転機の制御装置。

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