JP5653898B2

JP5653898B2 - 永久磁石モータ制御装置

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Publication number: JP5653898B2
Application number: JP2011286497A
Authority: JP
Inventors: 山下　幸生; 幸生山下; 林　慎之; 慎之林
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2015-01-14
Anticipated expiration: 2031-12-27
Also published as: EP2800269B1; JP2013135594A; US20140375235A1; US9793844B2; EP2800269A1; EP2800269A4; WO2013099400A1

Description

本発明は、永久磁石モータの制御装置に係り、特に、永久磁石モータにおける制御装置に一般的に用いられている、ｄｑ座標変換を使った永久磁石モータ制御装置の技術分野に関するものである。

永久磁石モータ（永久磁石同期モータ）は、機械的な整流機構を持たないため保守が容易であり、永久磁石を利用しているため高効率である。従って、永久磁石モータは電気自動車用、産業機械用、あるいは空調機の圧縮機用などのモータとして幅広く使用されている。

図８は典型的な永久磁石モータの内部構成を示す断面図である。図８に示す永久磁石モータＭ１０は、ロータ１（内部埋め込み磁石型のロータでもよいし、表面磁石型のロータでもよい）と、集中巻構造のステータ２とを備えた２極３スロット構造を有する永久磁石同期モータであり、ステータ鉄心３に巻かれた各ステータ巻線４に相交流を印加することにより駆動される。

永久磁石モータにおけるｄｑ座標変換を使った制御装置では、まず、モータＭ１０のステータ巻線４に流れる相電流を検出し、静止座標系における相電流を、回転座標系のｄ軸電流値及びｑ軸電流値に変換する。そして、ｄ軸電流値がｄ軸電流指令値の値となるよう比例積分制御してｄ軸電圧値を作成すると共に、ｑ軸電流値がｑ軸電流指令値の値となるよう比例積分制御してｑ軸電圧指令値を作成する。そして、これらのｄ軸電圧指令値とｑ軸電圧指令値とを静止座標系の相電圧指令値に変換し、ステータ巻線４にこの相電圧指令値で示される電圧を印加して、ｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値で表される正弦波状の相電流をステータ巻線４に流し、所定の出力トルクを発生させて制御している。

ところで、この種の永久磁石モータでは、ロータに作用する磁気吸引力によって、回転中のロータに偏心が生じる。図９は典型的な永久磁石モータＭ１０におけるロータ１の偏心の様子を模式的に示したものである。この例では、ロータ１が図９（ｉ）〜（ｖｉ）にかけて反時計回りに１８０度回転しており（図中のロータ１の一部表面に示した太線マーカａを参照）、この間、ロータ１の中心は磁気吸引力によって時計回りに３６０度回転する（図中の径方向矢印を参照）。このように２極３スロット構造の永久磁石モータでは、ロータ１の機械的な回転周波数に対して、２倍の周波数で偏心が発生するため、回転曲げ振動が生じる。

永久磁石モータの用途として例えば電動過給機や発電機などが考えられるが、このような用途ではロータ１の回転周波数が数万回転以上に達することがあるため、回転曲げ振動周波数もまた大きくなり、ロータ１の疲労破断を招いてしまう場合がある。特にこれらの用途ではロータをすべり軸受けを用いて回転可能に支持する構成が用いられるが、すべり軸受は転がり軸受と比較するとガタが大きいため、ロータ１に偏心が生じやすく、回転曲げ振動による疲労破断が生じやすい。

このように永久磁石モータではロータの回転曲げ振動対策が重要課題となっている。この種の対策技術の一例として特許文献１がある。特許文献１ではロータにおいて回転曲げ振動が検出された場合にモータを停止させることによって、回転曲げ振動によってロータが破断することを防止している。

特開２００６−００７０９３号公報

しかしながら、特許文献１では、回転曲げ振動が発生した際にモータを停止させるものであって、ロータの回転曲げ振動自体を根本的に解決するものではない。特に特許文献１では、回転曲げ振動の発生時にはモータを停止せざるを得ず、モータの運用に著しい制限が課されてしまう。

ロータの回転曲げ振動の抑制対策としては様々な手法が考えられるが、例えば、ロータ径を太くして物理的耐性を向上させることで破断防止することも考えられる。しかしながら、ロータ径を太くなるとイナーシャが増加するため、電動過給機のメリットでもある応答性が悪化してしまう。またロータ形状を加工することによって、回転曲げ振動への耐性を高めることも考えられるが、加工工程が増加し、コスト面で不利になってしまう。また、ロータを回転可能に支持する軸受部のガタを小さくすることによって、ロータの偏心を低減して回転曲げ振動を抑制することも考えられる。しかしながら、ガタが小さくなった分、軸受のダンピング特性が悪化して、ロータ振動が増大したり、モータ寿命が短くなるおそれがある。

本発明は上述の問題点に鑑みなされたものであり、永久磁石モータにおいて発生する回転曲げ振動を簡易な構成で、且つ、効果的に抑制可能な永久磁石モータ制御装置を提供することを目的とする。

本発明に係る第１の永久磁石モータ制御装置は上記課題を解決するために、永久磁石モータに流れる相電流を検出する電流検出手段と、該電流検出手段で検出された相電流をモータの回転に同期して回転する直交座標系（以下、ｄｑ座標系と称す）に変換する３相交流―ｄｑ座標変換部と、前記モータの回転速度に基づいて、ｄｑ座標系の目標電流値を設定するｄｑ目標電流設定部と、前記３相交流―ｄｑ座標変換部で変換されたｄｑ座標系の電流値と前記ｄｑ目標電流設定部で設定されたｄｑ座標系の目標電流値とからｄｑ座標系の目標電圧値を生成するｄｑ目標電圧生成部と、該ｄｑ目標電圧生成部で生成したｄｑ座標系の目標電圧値を３相の目標電圧値に変換するｄｑ―３相交流座標変換部と、該ｄｑ―３相交流座標変換部が生成した３相の目標電圧値を３相のモータ駆動電流に変換する電力変換部とを備えてなる永久磁石モータ制御装置において、前記ロータの回転角度を検出する回転角度検出部と、前記ロータ回転軸の回転角度に対応する前記ロータの径方向における変位を予め規定するテーブルとを備え、前記テーブルは、前記永久磁石モータの極数及びスロット数によって決定される偏心周波数を有する周期的な変位が規定されており、
前記ｄｑ目標電流設定部は、前記テーブルに基づいて前記回転角度検出部の検出値に対応する変位を推定し、前記推定した変位から求めた前記永久磁石モータのロータ回転軸の径方向に作用する磁気吸引力を相殺する電流成分を、前記ｄｑ目標電流設定部で設定されたｄ軸目標電流値に加算することにより、前記ロータ回転軸の偏心を低減することを特徴とする。
また前記ロータは、電動過給器又は発電機の回転軸に連結されていてもよい。
この場合、前記ロータは、すべり軸受によって回転可能に支持されていてもよい。

第１の永久磁石モータ制御装置によれば、モータ内部で磁気吸引力がロータに作用することで径方向に生じる偏心を相殺するように、ｄ軸電流値の目標値を設定することで、永久磁石モータにおいて発生する回転曲げ振動を効果的に抑制できる。ｄｑ目標電流設定部では、予めロータに作用する磁気吸引力を磁界解析などによって求めておくことで、ｄ軸電流値の目標値に磁気吸引力を相殺する成分を加算する。このように第１の永久磁石モータ制御装置は物理的なモータ構成の変更を伴うことなく、電流電圧制御によって回転曲げ振動を抑制できるので、簡易なモータ構成でコスト的にも安価な永久磁石モータ制御装置を提供することができる。

尚、前記永久磁石モータのロータ回転軸の径方向における変位を検出する変位センサを備え、前記ｄｑ目標電流設定部は、該変位センサの検出値に基づいて前記ロータ回転軸の径方向に作用する磁気吸引力を算出することにより、前記ｄ軸電流の目標値に加算する電流成分を決定してもよい。この態様によれば、ロータ回転軸の偏心を実測値として取得できるので、精度よく電流成分を算出して、回転曲げ振動を防止することができる。

尚、前記ロータ回転軸の回転角度に応じて前記ｄ軸電流目標値に加算すべき電流成分を予め規定するテーブルを用意しておき、前記ｄｑ目標電流設定部は、前記ロータ回転軸の回転角度に応じて、前記テーブルから読み出した電流成分を前記ｄ軸電流目標値に加算してもよい。この態様によれば、加算すべき電流成分を予めテーブルに記憶しておくことで、適したｄ軸電流を数式演算で求めることが困難な場合にも対応できるようになる。

本発明に係る第２の永久磁石モータ制御装置は上記課題を解決するために、永久磁石モータのステータ鉄心に巻かれた第１のステータ巻線に流れる相電流を検出する電流検出手段と、該電流検出手段で検出された相電流をモータの回転に同期して回転する直交座標系（以下、ｄｑ座標系と称す）に変換する３相交流―ｄｑ座標変換部と、前記モータの回転速度に基づいて、ｄｑ座標系の目標電流値を設定するｄｑ目標電流設定部と、前記３相交流―ｄｑ座標変換部で変換されたｄｑ座標系の電流値と前記ｄｑ目標電流設定部で設定されたｄｑ座標系の目標電流値とからｄｑ座標系の目標電圧値を生成するｄｑ目標電圧生成部と、該ｄｑ目標電圧生成部で生成したｄｑ座標系の目標電圧値を３相の目標電圧値に変換するｄｑ―３相交流座標変換部と、該ｄｑ―３相交流座標変換部が生成した３相の目標電圧値を３相のモータ駆動電流に変換する電力変換部とを備えてなる永久磁石モータ制御装置において、前記永久磁石モータのステータ鉄心に前記第１のステータ巻線とは独立して巻かれた第２のステータ巻線と、前記永久磁石モータの回転角度を検出する回転角度検出手段と、前記ロータ回転軸の回転角度に応じて該ロータの径方向における変位を予め規定するテーブルとを備え、前記テーブルは、前記永久磁石モータの極数及びスロット数によって決定される偏心周波数を有する周期的な変位が規定されており、前記テーブルに基づいて前記ロータ回転軸の回転角度に対応する前記ロータの径方向における変位を推定し、前記第２のステータ巻線に、前記推定した変位から求めた前記永久磁石モータのロータ回転軸の径方向に作用する磁気吸引力を相殺する電流を印加することにより、前記ロータ回転軸に生じる偏心を低減する。
また、前記ロータは、電動過給器又は発電機の回転軸に連結されていてもよい。
この場合、前記ロータは、すべり軸受によって回転可能に支持されていてもよい。

上述の第１の永久磁石モータ制御装置ではモータ駆動用の相電流のｄ軸電流値を変更するので、出力トルクに寄与するｑ軸電流成分とのベクトル和である相電流が増加し、インバータ印加電圧が不足するおそれがある。一方、第２の永久磁石モータ制御装置では、モータ駆動用の相電流が流れる第１のステータ巻線とは独立して巻かれた第２のステータ巻線を設け、該第２のステータ巻線の電流値を調整することで、ロータの径方向に印加される磁気吸引力を軽減できる。これにより、インバータ電圧不足を招くことなく回転曲げ振動を抑制できる。

尚、第２の永久磁石モータ制御装置では、前記永久磁石モータのロータ回転軸の径方向における変位を検出する変位センサを備え、該変位センサの検出値に基づいて、前記ロータ回転軸の径方向に作用する磁気吸引力を算出することにより、前記第２のステータ巻線に印加する電流を決定してもよい。この態様によれば、上述したように、ロータ回転軸の偏心を実測値として取得できるので、精度よく電流成分を算出して、回転曲げ振動を防止することができる。

尚、前記永久磁石モータの回転角度を検出する回転角度検出手段と、前記永久磁石モータの回転角度に応じて前記第２のステータ巻線に印加すべき電流を予め規定するテーブルとを更に備え、前記回転角度検出手段によって検出された回転角度に応じて、前記テーブルから読み出した電流値を前記第２のステータ巻線に印加してもよい。この態様によれば、第２のステータ巻線に印加すべき電流を予めテーブルに記憶しておくことで、適したｄ軸電流を数式演算で求めることが困難な場合にも対応できるようになる。

本発明に係る第３の永久磁石モータ制御装置は上記課題を解決するために、永久磁石モータのロータ回転軸を回転可能に支持する磁気ベアリングに流れる電流を検出する電流検出手段と、前記ロータ回転軸の径方向における変位量を検出する変位センサと、前記変位センサの検知値に基づいて前記磁気ベアリングに流れる目標電流値を設定する目標電流値設定部と、前記磁気ベアリングに流れる電流を前記目標電流値になるように制御する電流制御部とを備えた永久磁石モータ制御装置において、前記ロータの回転角度を検出する回転角度検出部と、前記ロータ回転軸の回転角度に対応する前記ロータの径方向における変位を予め規定するテーブルとを備え、前記テーブルは、前記永久磁石モータの極数及びスロット数によって決定される偏心周波数を有する周期的な変位が規定されており、前記目標電流設定部は、前記テーブルに基づいて前記回転角度検出部の検出値に対応する変位を推定し、前記推定した変位から求めた前記永久磁石モータのロータ回転軸の径方向に作用する磁気吸引力を相殺する電流成分を、前記目標電流値に加算することにより、前記ロータ回転軸の偏心を低減することを特徴とする。
また前記ロータは、電動過給器又は発電機の回転軸に連結されていてもよい。

第３の永久磁石モータ制御装置によれば、磁気ベアリングに流れる電流値に、前記永久磁石モータのロータ回転軸の径方向に作用する磁気吸引力を相殺する電流成分を加算することにより、前記ロータ回転軸の偏心を低減することができる。

尚、第３の永久磁石モータ制御装置では、前記ロータ回転軸の径方向における変位量に応じて該ロータ回転軸の径方向における磁気吸引力を相殺するために加算すべき電流成分を予め規定するテーブルを用意しておき、前記目標電流設定部は、前記変位センサで検知した変位量に応じて、前記テーブルから読み出した電流成分を前記目標電流値に加算してもよい。この態様によれば、磁気吸引力を相殺するために加算すべき電流成分を予めテーブルに記憶しておくことで、適したｄ軸電流を数式演算で求めることが困難な場合にも対応できるようになる。

第２の永久磁石モータ制御装置によれば、モータ駆動用の相電流が流れる第１のステータ巻線とは独立して巻かれた第２のステータ巻線を設け、該第２のステータ巻線の電流値を調整することで、ロータの径方向に印加される磁気吸引力を軽減できる。これにより、インバータ電圧不足を招くことなく回転曲げ振動を抑制できる。

第１実施形態に係る永久磁石モータ制御装置の全体構成を示すブロック図である。ｄｑ目標電流設定部において、ロータの径方向に作用する磁気吸引力に対応するｄ軸電流成分とｄ軸目標電流値に加算される電流成分ｉ^＊ _ｄａ´の一例を示すグラフ図である。第１実施形態に係る永久磁石モータ制御装置の変形例を示すブロック図である。第２実施形態に係る永久磁石モータの内部構成を示す断面図である。第３実施形態に係る永久磁石モータを周辺構造と共に示す模式図である。図５のＡ―Ａ断面図を磁気ベアリングの電流源と共に示したものである。第３実施形態に係る永久磁石モータ制御装置の内部構成を示すブロック図である。典型的な永久磁石モータの内部構成を示す断面図である。典型的な永久磁石モータにおけるロータの偏心の様子を模式的に示したものである。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

（第１実施形態）
図１は第１実施形態に係る永久磁石モータ制御装置１００の全体構成を示すブロック図である。図１に示す永久磁石モータ制御装置１００の制御対象であるモータＭ１０は、以下に特段の記載が無い限りにおいて、基本的に図８を参照して説明した構成を有しているものとし、重複する記載は適宜省略する。尚、モータＭ１０は内部埋め込み磁石型のロータや表面磁石型のロータと集中巻構造のステータとを備えた、ＩＰＭモータやＳＰＭモータなどの３相交流により駆動される永久磁石同期モータである。

このモータＭ１０を駆動する本発明に係る永久磁石モータ制御装置１００の基本部分は、モータＭ１０を駆動する３相交流電圧ｖ_ｕａ、ｖ_ｖａ、ｖ_ｗａをモータＭ１０に印加する電力制御変換部であるＰＷＭインバータ１１、モータＭ１０に連結され、モータＭ１０の回転位置θｍを検出するエンコーダ１２（レゾルバであってもよい）、該エンコーダ１２からの回転位置信号θｍに基づいて機械角θ_ｒｍ、電気角θ_ｒｅ、並びにそれらの角速度ω_ｒｍ、ω_ｒｅをそれぞれ算出する速度・位置信号処理器１３、機械角速度ω_ｒｍが目標機械角速度ω^＊ _ｒｍになるように比例積分制御してｄｑ目標電流値ｉ^＊ _ｄａ、ｉ^＊ _ｑａを設定するｄｑ目標電流設定部１４、電流検知センサ２５，２６が検出したモータＭ１０の３相交流の実電流ｉ_ｕａ、ｉ_ｖａを、ｄｑ軸座標系の実電流ｉ_ｄａ、ｉ_ｑａに変換する３相交流／ｄ−ｑ座標変換部１５、該３相交流／ｄ−ｑ座標変換部１５で変換されたｄｑ軸電流値ｉ_ｄａ、ｉ_ｑａとｄｑ目標電流設定部１４で設定された目標電流値ｉ^＊ _ｄａ、ｉ^＊ _ｑａとから、ｄｑ座標系の目標電圧値ｖ_ｄａ ^＊、ｖ_ｑａ ^＊を生成するｄ軸目標電圧生成部１６及びｑ軸目標電圧生成部１７からなる。

そしてこの永久磁石モータ制御装置１００は、まず、モータＭ１０のステータ巻線４に流れる相電流を電流検知センサ２５、２６で検出し、３相交流／ｄ−ｑ座標変換部１５において、静止座標系における３相交流の実電流ｉ_ｕａ、ｉ_ｖａを、回転座標系のｄ軸電流値ｉ_ｄａ及びｑ軸電流値ｉ_ｑａに変換する。そしてｄ軸目標電圧生成部１６では、ｄ軸電流値ｉ_ｄａがｄｑ目標電流設定部１４で設定されたｄ軸目標電流値ｉ^＊ _ｄａになるように比例積分制御してｄ軸目標電圧値ｖ_ｄａ ^＊を作成する。ｑ軸目標電圧生成部１７では、ｑ軸電流値ｉ_ｑａがｄｑ目標電流設定部１４で生成されたｑ軸目標電流値ｉ^＊ _ｑａになるように比例積分制御してｑ軸目標電圧値ｖ_ｑａ ^＊を作成する。

これらｄ軸目標電圧値ｖ_ｄａ ^＊とｑ軸目標電圧値ｖ_ｑａ ^＊は、ｄ―ｑ／３相交流座標変換部１８において静止座標系の目標電圧値ｖ^＊ _ｕａ、ｖ^＊ _ｖａ、ｖ^＊ _ｗａに変換され、さらにＰＷＭインバータ１１で電圧ｖ_ｕａ、ｖ_ｖａ、ｖ_ｗａに変換されてモータＭ１０のステータ巻線４に印加される。これにより、ｄ軸目標電流値ｉ^＊ _ｄａとｑ軸目標電流値ｉ^＊ _ｑａで表される正弦波状の３相の交流電流がステータ巻線４に流れ、所定の出力が発生させるよう制御が行われる。

ここで、ｄｑ目標電流設定部１４では、従来、モータトルクの出力効率の観点から、ｄ軸目標電流値ｉ^＊ _ｄａを極力小さく（典型的にはゼロに）設定することで、ｑ軸目標電流値ｉ^＊ _ｑａを極力大きく確保するようにしていた。一方、本実施形態に係る永久磁石モータ制御装置１００では、ｄｑ目標電流設定部１４はｄ軸目標電流値に、モータＭ１０のロータ１の径方向に作用する磁気吸引力を相殺する電流成分ｉ^＊ _ｄａ´を加算する。

図２はｄｑ目標電流設定部１４において、ロータ１の径方向に作用する磁気吸引力に対応するｄ軸電流成分とｄ軸目標電流値に加算される電流成分ｉ^＊ _ｄａ´の一例を示すグラフ図である。モータＭ１０は２極３スロット構造を有する永久磁石モータであり（図８を参照）、ロータ１の径方向に作用する磁気吸引力は電気角６０°毎に周期的な振る舞いを有する（図９を参照）。電流成分ｉ^＊ _ｄａ´は、ロータ１の径方向に作用する磁気吸引力を相殺するように、当該磁気吸引力に対応するｄ軸電流成分を逆符号にしたものとして算出される。

本実施形態では特に、テーブル１９には予めロータ１の回転角度に応じて該ロータ１の径方向における変位が規定されており、ｄｑ目標電流設定部１４は速度・位置信号処理器１３から取得した回転角度に基づいて、ロータ１の径方向における変位を推定する。そして推定した変位から、ロータ１の径方向に作用する磁気吸引力を求めて、それに対応するｄ軸電流成分を算出する。そして、図２に示したように、算出したｄ軸電流成分の逆符号をとることによって、ｄ軸目標電流値に加算される電流成分ｉ^＊ _ｄａ´が求められる。

このようにして、本実施形態ではｄｑ目標電流設定部１４においてｄ軸目標電流値ｉ^＊ _ｄａは、次式
ｉ^＊ _ｄａ＝従来のｄ軸目標電流値（典型的にはゼロ）＋ｉ^＊ _ｄａ´
（１）
により求められる。これにより、モータＭ１０内部で磁気吸引力がロータに作用することで径方向に生じる偏心を相殺するように、ｄ軸電流値の目標値を設定することで、モータＭ１０において発生する回転曲げ振動を効果的に抑制できる。

特に図１に示すように、予めロータ１の回転角度に応じて該ロータ１の径方向における変位をテーブル１９に規定しておくことにより、適したｄ軸電流を数式演算で求めることが困難な場合にも対応できるようになる。

図３は第１実施形態に係る永久磁石モータ制御装置１００の変形例を示すブロック図である。この変形例ではモータＭ１０のロータ１の変位（すなわち偏心量）を検知するための変位センサ２０が設けられている。これにより、ロータ１の偏心量を直接検知し、ｄｑ目標電流設定部１４において当該検知した偏心量に基づいてロータ１の径方向に作用する磁気吸引力を算出する。そして、算出した磁気吸引力を相殺するようにｉ^＊ _ｄａ´を算出し（図２を参照）、上記（１）に基づいてｄ軸目標電流値ｉ^＊ _ｄを設定する。

本変形例では、目標電流設定部１４における演算負担が増加するものの、ロータ１の偏心を実測値として取得できるので、磁気吸引力を相殺するための電流成分ｉ^＊ _ｄａ´をより精度よく算出できるので、より効果的に回転曲げ振動を防止することができる。

以上説明したように、第１実施形態に係る永久磁石モータ制御装置１００によれば、モータＭ１０内部で磁気吸引力がロータ１に作用することで径方向に生じる偏心を相殺するように、ｄ軸電流値の目標値を設定することで、モータＭ１０において発生する回転曲げ振動を効果的に抑制できる。このように物理的なモータ構成の変更を伴うことなく、電流電圧制御によって回転曲げ振動を抑制できるので、簡易なモータ構成でコスト的にも安価な永久磁石モータ制御装置を提供することができる。

（第２実施形態）
図４は第２実施形態に係る永久磁石モータの内部構成を示す断面図である。図４では第１実施形態と同様の箇所には共通の符号を付すこととし、重複する説明は適宜省略することとする。第２実施形態では、第１実施形態と共通のステータ巻線４に加えて、ステータ巻線３０を更に備える。すなわち、ステータ巻線４は本発明に係る「第１のステータ巻線」の一例であり、ステータ巻線３０は本発明に係る「第２のステータ巻線」の一例である。そして、ステータ巻線３０には電流源３２が接続されており、ステータ巻線４とは独立に交流電流が印加できるように構成されている。

上述の第１実施形態ではステータ巻線４に印加される相電流のｄ軸電流値を変更するので、出力トルクに寄与するｑ軸電流成分に損失が発生する。すなわち第１実施形態ではインバータ電圧を一定とすると、ｄ軸電流値に電流成分ｉ^＊ _ｄａ´を加算した分だけ、ｑ軸電流成分がベクトル的に減少するのでトルクが減少してしまう。

一方、第２実施形態では、モータ駆動用の相電流が流れるステータ巻線４とは独立して巻かれたステータ巻線３０を設け、該ステータ巻線３０の電流値を電流源３２にて調整することで、ロータ１の径方向に印加される磁気吸引力を軽減できる。すなわち、ｄｑ目標電流設定部１４では、従来と同様に、モータトルクの出力効率の観点から、ｄ軸目標電流値ｉ^＊ _ｄａを極力小さく（典型的にはゼロに）設定すると共に、ｑ軸目標電流値ｉ^＊ _ｑａを極力大きく確保することによりステータ巻線４に相電流を印加してモータ駆動する。一方でステータ巻線３０には、電流源３２から上式（１）で設定されるｄ軸電流成分ｉ^＊ _ｄａ´を印加することにより、ステータ巻線４における電流値を変更することなく、ロータ１の径方向に作用する磁気吸引力を相殺することができる。

このように、第２実施形態によれば、モータＭ１０の駆動効率を低下させることなく、効果的に回転曲げ振動を抑制できる。

（第３実施形態）
続いて図５乃至図７を参照して、第３実施形態に係る永久磁石モータ制御装置について説明する。図５は第３実施形態に係る永久磁石モータを周辺構造と共に示す模式図であり、図６は図５のＡ―Ａ断面図を磁気ベアリングの電流源と共に示したものである。図５では、モータＭ１０は電動過給機の動力源として用いられた例を示しており、ロータ１の端部には、負荷としてコンプレッサ４０が連結されており、該コンプレッサ４０によって吸入空気が吐出空気として過給されている。ロータ１は磁気ベアリング４２によって回転可能に支持されている。

図６に示すように、磁気ベアリング４２は上下一対の電磁石４４ａ、４４ｂと、左右一対の電磁石４６ａ、４６ｂとを備えてなる。電磁石４４ａ、４４ｂはＹ軸方向に沿ってロータ１を挟んで対向するように配置されており、電流源４８を制御することによってロータ１に対して磁気吸引力を作用させ、Ｙ軸方向における位置制御を行う。電磁石４６ａ、４６ｂはＸ軸方向に沿って、ロータ１を挟んで対向するように配置されており、電流源５０を制御することによってロータ１に対して磁気吸引力を作用させ、Ｘ軸方向における位置制御を行う。

また、ロータ１の近傍にはロータ１の中心軸からのＸ・Ｙ軸に沿ったそれぞれの変位を検知するための変位センサ５２が設けられている。変位センサ５２の検知値は制御装置１００´´に入力され、その処理結果に応じて電流源４８、５０の出力電流値が制御されるようになっている。

尚、本実施形態では説明を簡易にするために、Ｘ・Ｙ軸それぞれに沿って一対の電磁石を有する磁気ベアリングを例に説明するが、ロータ１の周囲に沿ってより多くの電磁石が配置されている場合についても、同様に本発明を適用できるのは言うまでも無い。

図７は第３実施形態に係る永久磁石モータ制御装置１００´´の内部構成を示すブロック図である。

まず、永久磁石モータ制御装置１００´´によるＸ軸方向におけるロータ１の位置制御について説明する。制御装置１００´´には変位センサ５２の検知値としてX軸方向における変位量δｘ、その微分値である速度ｖ_ｘ、電流源４８の実電流値ｉ_ｘが入力される。磁気ベアリング４２ではロータ１を中心軸に留めるために目標変位量δｘ^＊はゼロに設定されており、Ｘ軸位置制御部５４は変位センサ５２の検知値である変位量δｘとの偏差に基づいて、目標速度ｖ_ｘ ^＊を求める。そして、Ｘ軸速度制御部５６は、該目標速度ｖ_ｘ ^＊と変位センサ５２の検知値を微分することによって得られた速度度ｖ_ｘとの偏差に基づいて、目標電流値ｉ_ｘ ^＊を求める。そしてＸ軸電流制御部５８は、このように求めた目標電流値ｉ_ｘ ^＊と電流源４８における実電流値ｉ_ｘとの偏差に基づいて、電流源４８に対する制御指令信号を生成する。

ここで、Ｘ軸速度制御部５６では、ロータ１の径方向に作用する磁気吸引力を相殺する電流成分ｉ^＊ _ｘ´を加算して目標電流値ｉ_ｘ ^＊を算出する。ロータ１の径方向に作用する磁気吸引力を相殺する電流成分ｉ^＊ _ｘ´は、予め変位量δｘに対応するようにテーブル６０に規定されており、制御装置１００´´は変位センサ５２から取得した変位δｘに基づいて加算すべき電流成分ｉ^＊ _ｘ´を求める。このようにして、本実施形態ではＸ軸速度制御部５６において目標電流値ｉ^＊ _ｘは、次式
ｉ^＊ _ｘ＝従来のＸ軸目標電流値＋ｉ^＊ _ｘ´ （２）
により求められる。これにより、モータＭ１０内部で磁気吸引力がロータに作用することで径方向に生じる偏心を相殺するように、Ｘ軸電流値の目標値を設定することで、モータＭ１０において発生する回転曲げ振動を効果的に抑制できる。

永久磁石モータ制御装置１００´´によるＹ軸方向におけるロータ１の位置制御についても、上述のＸ軸方向における位置制御に倣って行われる。詳細は重複するため簡潔に説明すると、磁気ベアリング４２ではロータ１を中心軸に留めるために目標変位量δｙ^＊はゼロに設定されており、Ｙ軸位置制御部６２は変位センサ５２の検知値である変位量δｙとの偏差に基づいて、目標速度ｖ_ｙ ^＊を求める。そして、Ｙ軸速度制御部６４は、該目標速度ｖ_ｙ ^＊と変位センサ５２の検知値を微分することによって得られた速度度ｖ_ｙとの偏差に基づいて、目標電流値ｉ_ｙ ^＊を求める。そしてＹ軸電流制御部６４は、このように求めた目標電流値ｉ_ｙ ^＊と電流源５０における実電流値ｉ_ｙとの偏差に基づいて、電流源５０に対する制御指令信号を生成する。

ここで、Ｙ軸速度制御部６４では、ロータ１の径方向に作用する磁気吸引力を相殺する電流成分ｉ^＊ _ｙ´を加算して目標電流値ｉ_ｙ ^＊を算出する。この電流成分ｉ^＊ _ｙ´は上記（２）式に倣って、
ｉ^＊ _ｙ＝従来のｙ軸目標電流値＋ｉ^＊ _ｙ´ （３）
により求められる。これにより、モータＭ１０内部で磁気吸引力がロータに作用することで径方向に生じる偏心を相殺するように、Ｙ軸電流値の目標値を設定することで、モータＭ１０において発生する回転曲げ振動を効果的に抑制できる。

以上説明したように、第３実施形態では、磁気ベアリング４２の目標電流に、ロータ１の径方向に作用する磁気吸引力を相殺する電流成分を加算することにより、モータＭ１０において発生する回転曲げ振動を効果的に抑制できる。

本発明は、永久磁石モータの制御装置に係り、特に、永久磁石モータにおける制御装置に一般的に用いられている、ｄｑ座標変換を使った永久磁石モータ制御装置に利用可能である。

１ロータ
２ステータ
３ステータ鉄心
４ステータ巻線（第１のステータ巻線）
１０モータＭ
１１ＰＷＭインバータ
１２エンコーダ
１３速度・位置信号処理器
１４ｄｑ目標電流設定部
１５３相交流／ｄ−ｑ座標変換部
１６ｄ軸目標電圧生成部
１７ｑ軸目標電圧生成部
１８ｄ−ｑ／３相交流座標変換部
１９テーブル
２０変位センサ
２５，２６電流検出センサ
３０第２のステータ巻線
３２電流源
４２磁気ベアリング
４４電磁石
４８，５０電流源
５４Ｘ軸位置制御部
５６Ｘ軸速度制御部
５８Ｘ軸電流制御部
６０テーブル
６２Ｙ軸位置制御部
６４Ｙ軸速度制御部
６６Ｙ軸電流制御部
１００永久磁石モータ制御装置

Claims

永久磁石モータに流れる相電流を検出する電流検出手段と、
該電流検出手段で検出された相電流をモータの回転に同期して回転する直交座標系（以下、ｄｑ座標系と称す）に変換する３相交流―ｄｑ座標変換部と、
前記モータの回転速度に基づいて、ｄｑ座標系の目標電流値を設定するｄｑ目標電流設定部と、
前記３相交流―ｄｑ座標変換部で変換されたｄｑ座標系の電流値と前記ｄｑ目標電流設定部で設定されたｄｑ座標系の目標電流値とからｄｑ座標系の目標電圧値を生成するｄｑ目標電圧生成部と、
該ｄｑ目標電圧生成部で生成したｄｑ座標系の目標電圧値を３相の目標電圧値に変換するｄｑ―３相交流座標変換部と、
該ｄｑ―３相交流座標変換部が生成した３相の目標電圧値を３相のモータ駆動電流に変換する電力変換部と
を備えてなる永久磁石モータ制御装置において、
前記ロータの回転角度を検出する回転角度検出部と、
前記ロータ回転軸の回転角度に対応する前記ロータの径方向における変位を予め規定するテーブルと
を備え、
前記テーブルは、前記永久磁石モータの極数及びスロット数によって決定される偏心周波数を有する周期的な変位が規定されており、
前記ｄｑ目標電流設定部は、前記テーブルに基づいて前記回転角度検出部の検出値に対応する変位を推定し、前記推定した変位から求めた前記永久磁石モータのロータ回転軸の径方向に作用する磁気吸引力を相殺する電流成分を、前記ｄｑ目標電流設定部で設定されたｄ軸目標電流値に加算することにより、前記ロータ回転軸の偏心を低減することを特徴とする永久磁石モータ制御装置。
前記ロータは、電動過給器又は発電機の回転軸に連結されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石モータ制御装置。
前記ロータは、すべり軸受によって回転可能に支持されていることを特徴とする請求項２に記載の永久磁石モータ制御装置。
永久磁石モータのステータ鉄心に巻かれた第１のステータ巻線に流れる相電流を検出する電流検出手段と、
該電流検出手段で検出された相電流をモータの回転に同期して回転する直交座標系（以下、ｄｑ座標系と称す）に変換する３相交流―ｄｑ座標変換部と、
前記モータの回転速度に基づいて、ｄｑ座標系の目標電流値を設定するｄｑ目標電流設定部と、
前記３相交流―ｄｑ座標変換部で変換されたｄｑ座標系の電流値と前記ｄｑ目標電流設定部で設定されたｄｑ座標系の目標電流値とからｄｑ座標系の目標電圧値を生成するｄｑ目標電圧生成部と、
該ｄｑ目標電圧生成部で生成したｄｑ座標系の目標電圧値を３相の目標電圧値に変換するｄｑ―３相交流座標変換部と、
該ｄｑ―３相交流座標変換部が生成した３相の目標電圧値を３相のモータ駆動電流に変換する電力変換部と
を備えてなる永久磁石モータ制御装置において、
前記永久磁石モータのステータ鉄心に前記第１のステータ巻線とは独立して巻かれた第２のステータ巻線と、
前記永久磁石モータの回転角度を検出する回転角度検出手段と、
前記ロータ回転軸の回転角度に応じて該ロータの径方向における変位を予め規定するテーブルと
を備え、
前記テーブルは、前記永久磁石モータの極数及びスロット数によって決定される偏心周波数を有する周期的な変位が規定されており、
前記テーブルに基づいて前記ロータ回転軸の回転角度に対応する前記ロータの径方向における変位を推定し、前記第２のステータ巻線に、前記推定した変位から求めた前記永久磁石モータのロータ回転軸の径方向に作用する磁気吸引力を相殺する電流を印加することにより、前記ロータ回転軸に生じる偏心を低減することを特徴とする永久磁石モータ制御装置。
前記ロータは、電動過給器又は発電機の回転軸に連結されていることを特徴とする請求項４に記載の永久磁石モータ制御装置。
前記ロータは、すべり軸受によって回転可能に支持されていることを特徴とする請求項５に記載の永久磁石モータ制御装置。
永久磁石モータのロータ回転軸を回転可能に支持する磁気ベアリングに流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記ロータ回転軸の径方向における変位量を検出する変位センサと、
前記変位センサの検知値に基づいて前記磁気ベアリングに流れる目標電流値を設定する目標電流値設定部と、
前記磁気ベアリングに流れる電流を前記目標電流値になるように制御する電流制御部と
を備えた永久磁石モータ制御装置において、
前記ロータの回転角度を検出する回転角度検出部と、
前記ロータ回転軸の回転角度に対応する前記ロータの径方向における変位を予め規定するテーブルと
を備え、
前記テーブルは、前記永久磁石モータの極数及びスロット数によって決定される偏心周波数を有する周期的な変位が規定されており、
前記目標電流設定部は、前記テーブルに基づいて前記回転角度検出部の検出値に対応する変位を推定し、前記推定した変位から求めた前記永久磁石モータのロータ回転軸の径方向に作用する磁気吸引力を相殺する電流成分を、前記目標電流値に加算することにより、前記ロータ回転軸の偏心を低減することを特徴とする永久磁石モータ制御装置。
前記ロータは、電動過給器又は発電機の回転軸に連結されていることを特徴とする請求項７に記載の永久磁石モータ制御装置。