JP5791848B2 - 永久磁石型モータの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石型モータの制御装置に関する。

永久磁石型モータを高速運転させたり、モータトルクを大きく発生させたりすると、モータを駆動するために高い電圧が必要となり、アンプから出力可能な電圧を超えてしまうという、いわゆる電圧飽和の状態が発生する。電圧飽和が発生すると、指令通りの速度やトルクが出なくなるだけでなく、速度やモータ電流が振動するなどの制御特性の悪化も引き起こす。

永久磁石型モータの場合、ｄ軸電流（励磁電流）を負に流して、電圧飽和の発生を抑えるという弱め磁束制御と呼ばれる方法が、広く知られている。その一例として、電圧飽和の度合いを示す電圧飽和量を検出して、それに応じたｄ軸電流を流すという方式が、特許文献１および特許文献２に記載されている。

電圧飽和量は、電圧指令値が電圧リミッタ値に対してオーバーする量に相当する。したがって、電圧飽和量は電圧指令値と電圧リミッタ値の差分演算で求めることができる。なお電圧指令値は、正・負の両方が考えられるため、電圧飽和量は正・負の両方の領域で発生する。電圧飽和量は電圧指令値と電圧リミッタ値の差分で求めることができるが、実際には電圧指令値および電圧リミッタ値の極性を考える必要があるため、単純な減算器だけでは求めることができない。

そこで、電圧指令値の絶対値と電圧リミッタ値（＋値だけでよい）を考慮すると、電圧飽和量はどんな場合でも、単純に電圧指令値の絶対値−電圧リミッタ値の減算だけで求めることが可能になる。このように電圧指令値の絶対値−電圧リミッタ値の減算で電圧飽和量を求める方法は、特許文献３に記載されている。

特許第４５０７４９３号公報 特開２０００−３４１９９０号公報 特開平１１−２７９９６号公報

近年、資源高騰の影響や国際的な地球温暖化防止の動きを背景に、二酸化炭素の発生源であるエネルギー使用量の抑制に対する意識が高まりつつある。中でも、世界総発電量の約４０％を消費する回転電機が注目されており、その効率改善が急務になっている。そこで、リラクタンストルクを積極的に活用し、表面磁石型（ＳＰＭ（Surface Permanent Magnet））モータよりも効率の良い、埋め込み磁石型（ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet））モータが多く使われ始めている。

永久磁石型モータの運転モードには、「正転・力行」、「正転・回生」、「逆転・力行」、「逆転・回生」の４種類が存在する。表面磁石型モータのようにｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスに差がない場合、モータの運転モードに対して、ｄ軸電圧とｑ軸電圧の動作する領域が直交座標（ｄ軸電圧とｑ軸電圧の直交座標）上で、きれいに分割されており、同じ運転モード内であれば、電圧指令の極性が変わることがない。このため、上述のように、電圧指令値の絶対値−電圧リミッタ値の減算で電圧飽和量を求める方法を適用することができる。

一方、埋め込み磁石型（ＩＰＭ）モータでは、ｄ軸電流を流すことでリラクタンストルクを発生させる。埋め込み磁石型モータでは、同じ運転モード内でも電圧指令の極性が変わる可能性がある。このため、電圧飽和量を電圧指令値の絶対値−電圧リミッタ値の減算により求める方法が使えなくなる。条件分岐などを使いながら、正確な電圧飽和量を導出することは不可能ではないが、単純な減算器だけではなくなり、計算が複雑になることが想定される。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、表面磁石型モータ、埋め込み磁石型モータを問わず、単純な減算器だけで電圧飽和量を求めることができる永久磁石型モータの制御装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、永久磁石型モータに印加する電流を、回転するｄｑ軸座標系における２つの成分であるｄ軸電流とｑ軸電流とをそれぞれ比例積分制御するＰＩ電流制御器を備えた永久磁石型モータの制御装置であって、前記ｄ軸電流を制御するために前記ＰＩ電流制御器から出力されるｄ軸電圧指令と、前記ｑ軸電流を制御するために前記ＰＩ電流制御器から出力されるｑ軸電圧指令と、を所定の角度でそれぞれ回転座標変換し、前記回転座標変換の結果をｄ軸電圧補正指令およびｑ軸電圧補正指令として出力する電圧指令回転座標変換器と、前記ｄ軸電圧補正指令の絶対値を算出する第１の絶対値演算器と、前記ｑ軸電圧補正指令の絶対値を算出する第２の絶対値演算器と、前記ｄ軸電圧補正指令の絶対値と前記ｄ軸電圧指令を制限するためのｄ軸電圧リミッタ値を前記所定の角度で回転座標変換した値であるｄ軸電圧回転リミッタ値とに基づいてｄ軸電圧飽和量を求める第１の減算器と、前記ｑ軸電圧補正指令の絶対値と前記ｑ軸電圧指令を制限するためのｑ軸電圧リミッタ値を前記所定の角度で回転座標変換した値であるｑ軸電圧回転リミッタ値とに基づいてｑ軸電圧飽和量を求める第２の減算器と、を備えることを特徴とする。

本発明にかかる永久磁石型モータの制御装置は、表面磁石型モータ、埋め込み磁石型モータを問わず、単純な減算器だけで電圧飽和量を求めることができるという効果を奏する。

図１は、本発明にかかる永久磁石型モータの制御装置の構成例を示す図である。 図２は、電圧指令値と電圧リミッタ値と電圧飽和量の関係の一例を示す図である。 図３は、電圧指令値の絶対値と電圧リミッタ値による電圧飽和量の算出の一例を示す図である。 図４は、モータ速度ωとトルク電流ｉｑの直交座標上における４種類の運転モードの分布を示す図である。 図５は、ｄ軸電流ｉｄとｑ軸電流ｉｑの直交座標上におけるモータ電圧の等電圧線の一例を示す図である。 図６は、表面磁石型モータにおけるｄ軸電圧Ｖｄとｑ軸電圧Ｖｑの直交座標上におけるモータ運転モードを示す図である。 図７は、埋め込み磁石型モータの正転・力行運転におけるｄ軸電圧Ｖｄとｑ軸電圧Ｖｑの一例を示す図である。 図８は、表面磁石型モータを用いた場合の電圧指令値と電圧リミッタ値、およびその両者から求まる電圧飽和量の関係を示す図である。 図９は、埋め込み磁石型モータを用いた場合の電圧指令値と電圧リミッタ値、およびその両者から求まる電圧飽和量の関係を示す図である。 図１０は、角度βで回転座標変換させた後の電圧指令値と電圧リミッタ値、およびその両者から求まる電圧飽和量の関係を示す図である。

以下に、本発明にかかる永久磁石型モータの制御装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本発明にかかる永久磁石型モータの制御装置の構成例を示す図である。本実施の形態の永久磁石型モータの制御装置は、永久磁石型モータ３４に印加する電流を、回転する直交座標系であるｄｑ軸座標系の２つの成分（ｄ軸電流、ｑ軸電流）にわけて比例積分制御（ＰＩ（Proportional Integral）制御）する。本実施の形態の永久磁石型モータの制御装置は、後述する電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に基づいて永久磁石型モータ３４に電力を供給するＰＷＭインバータ３２と、永久磁石型モータ３４の電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを検出する電流検出器３３ａ、３３ｂ、３３ｃと、永久磁石型モータ３４のモータ速度ωを検出する速度検出器３５と、を備える。永久磁石型モータ３４は、表面磁石型モータであってもよいし、埋め込み磁石型モータであってもよい。また、本実施の形態の永久磁石型モータの制御装置は、速度検出器３５が検出した永久磁石型モータ３４のモータ速度ω（ωｒ）に基づいてｄｑ軸座標の回転角速度ωｅを演算する係数器３７と、回転角速度ωｅを積分してｄｑ軸座標の位相角θを出力する積分器３８と、ｄｑ軸座標の位相角θに基づいて電流検出器３３ａ、３３ｂ、３３ｃの電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗをｄｑ軸座標上のｄ軸電流ｉｄとｑ軸電流ｉｑとに分解して出力する三相二相座標変換器３６と、を備える。

また、本実施の形態の永久磁石型モータの制御装置は、後述するｄ軸電流補正指令ｉｄ＊ｃｍｄとｄ軸電流ｉｄとの電流偏差ｅｉｄを出力する減算器１１と、電流偏差ｅｉｄが０になるようにＰＩ制御してｄ軸電圧指令Ｖｄ＊を出力するｄ軸電流制御器１２と、後述するｑ軸電流補正指令ｉｑ＊ｃｍｄとｑ軸電流ｉｑとの電流偏差ｅｉｑを出力する減算器２１と、電流偏差ｅｉｑが０になるようにＰＩ制御してｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を出力するｑ軸電流制御器２２と、ｄｑ軸座標の位相角θに基づいてｄ軸電圧指令Ｖｄ＊とｑ軸電圧指令Ｖｑ＊とを三相交流座標上の電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に変換してＰＷＭインバータ３２の電圧指令として出力する二相三相座標変換器３１と、を備える。

以上に述べた各部は、電流指令と実電流の偏差を０にするようなＰＩ電流制御器（ＰＷＭインバータ３２、電流検出器３３ａ、３３ｂ、３３ｃと、速度検出器３５、係数器３７、積分器３８、三相二相座標変換器３６、減算器１１、ｄ軸電流制御器１２、減算器２１、ｑ軸電流制御器２２および二相三相座標変換器３１で構成されるＰＩ制御器）を用いた永久磁石型モータ３４のベクトル制御の基本動作を行う部分であるため、その詳細な動作説明を省略する。

本実施の形態の永久磁石型モータの制御装置は、さらに、ｄ軸電圧指令Ｖｄ＊とｑ軸電圧指令Ｖｑ＊をそれぞれ角度βだけ回転させｄ軸電圧補正指令Ｖｄ＊’とｑ軸電圧補正指令Ｖｑ＊’を出力する回転座標変換器１（電圧指令回転座標変換器）と、ｄ軸電圧リミッタ値Ｖｄ＿ｌｉｍｉｔとｑ軸電圧リミッタ値Ｖｑ＿ｌｉｍｉｔをそれぞれ角度βだけ回転させｄ軸電圧補正リミッタ値Ｖｄ＿ｌｉｍｉｔ’とｑ軸電圧補正リミッタ値Ｖｑ＿ｌｉｍｉｔ’を出力する回転座標変換器２（リミッタ値回転座標変換器）と、を備える。本実施の形態の永久磁石型モータの制御装置は、さらに、回転座標変換器１から出力されたｄ軸電圧補正指令Ｖｄ＊’の絶対値｜Ｖｄ＊’｜を求める絶対値演算器１３（第１の絶対値演算器）と、回転座標変換器１から出力されたｑ軸電圧補正指令Ｖｑ＊’の絶対値｜Ｖｑ＊’｜を求める絶対値演算器２３（第２の絶対値演算器）と、回転座標変換器２から出力されたｄ軸電圧補正リミッタ値Ｖｄ＿ｌｉｍｉｔ’とｄ軸電圧補正指令Ｖｄ＊’の差分であるｄ軸電圧飽和量ΔＶｄを出力する減算器１４（第１の減算器）、回転座標変換器２から出力されたｑ軸電圧補正リミッタ値Ｖｑ＿ｌｉｍｉｔ’とｑ軸電圧補正指令Ｖｑ＊’の差分であるｑ軸電圧飽和量ΔＶｑを出力する減算器２４（第２の減算器）と、を備える。

本実施の形態の永久磁石型モータの制御装置は、さらに、ｄ軸電圧飽和量ΔＶｄから電圧飽和を回避するためのｑ軸電流指令補正量Δｉｑを出力するｑ軸電流指令補正器１５と、ｑ軸電圧飽和量ΔＶｑから電圧飽和を回避するためのｄ軸電流指令補正量Δｉｄを出力するｄ軸電流指令補正器２５と、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊とｄ軸電流指令補正量Δｉｄの差分であるｄ軸電流補正指令ｉｄ＊ｃｍｄを出力する減算器１６と、ｑ軸電流指令値ｉｑ＊とｑ軸電流指令補正量Δｉｑの差分であるｑ軸電流補正指令ｉｑ＊ｃｍｄを出力する減算器２６と、を備える。

本実施の形態の永久磁石型モータの制御装置では、電圧飽和量を検出する。ここで、電圧飽和量について説明する。永久磁石型モータを高速運転させたり、モータトルクを大きく発生させたりすると、モータを駆動するために高い電圧が必要となり、いわゆる電圧飽和の状態が発生する。電圧飽和が発生すると、指令通りの速度やトルクが出なくなるだけでなく、速度やモータ電流が振動するなどの制御特性の悪化も引き起こすため、電圧飽和量を検出して、それに応じたｄ軸電流を流す等の対策がとられる。

図２は、電圧指令値と電圧リミッタ値と電圧飽和量の関係の一例を示す図である。電圧飽和量は、電圧指令値が電圧リミッタ値に対してオーバーする量に相当する。したがって、電圧飽和量は電圧指令値と電圧リミッタ値の差分演算で求めることができる。電圧指令値は、正・負の両方が考えられるため、図２に示すように電圧飽和量は正・負の両方の領域で発生する。従って、電圧飽和量を求めるには、電圧指令値および電圧リミッタ値の極性を考える必要があるため、単純な減算器だけでは求めることができない。

図３は、電圧指令値の絶対値と電圧リミッタ値（＋値だけでよい）による電圧飽和量の算出の一例を示す図である。上記特許文献３では、このように電圧指令値の絶対値−電圧リミッタ値の減算で電圧飽和量を求めることにより電圧飽和量を減算器だけを用いて算出することが記載されている。

永久磁石型モータの運転モードには、「正転・力行」、「正転・回生」、「逆転・力行」、「逆転・回生」の４種類が存在する。正転はモータ速度が正（ω＞０）、逆転はモータ速度が負（ω＜０）の状態である。力行はモータ速度とｑ軸電流（トルク電流）ｉｑの積が正（ω×ｉｑ＞０）、回生はモータ速度とｑ軸電流ｉｑの積が負（ω×ｉｑ＜０）の状態である。図４は、モータ速度ωとｑ軸電流ｉｑの直交座標上における４種類の運転モードの分布を示す図である。

永久磁石型モータの定常状態におけるｄ軸電圧Ｖｄとｑ軸電圧Ｖｑは、一般的に以下の式（１）および式（２）で与えられる。
Ｖｄ＝Ｒ・ｉｄ−Ｐｍ・ω・Ｌｑ・ｉｑ …（１）
Ｖｑ＝Ｒ・ｉｑ＋Ｐｍ・ω・（φ＋Ｌｄ・ｉｄ） …（２）
ここで、Ｒ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、φは永久磁石磁束、Ｐｍは極対数、ωはモータ速度、ｉｄはｄ軸電流、ｉｑはｑ軸電流である。

上記の式（１）、式（２）に示した電圧方程式は、巻線抵抗による電圧降下分と、巻線インダクタンスによる変圧器起電力と、永久磁石磁束による速度起電力との和から成り立っている。ここで、巻線抵抗による電圧降下分は、一般的に他の２つに比べて小さいため、式（１）および式（２）は、式（３）および式（４）のように近似することができる。
Ｖｄ＝−Ｐｍ・ω・Ｌｑ・ｉｑ …（３）
Ｖｑ＝ Ｐｍ・ω・Ｌｑ（φ＋Ｌｄ・ｉｄ） …（４）

表面磁石型モータのように、ｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスに差がないモータでは、Ｌｄ＝Ｌｑ＝Ｌとして、式（３）および式（４）は、以下の式（５）および式（６）で表すことができる。
Ｖｄ＝−Ｐｍ・ω・Ｌ・ｉｑ …（５）
Ｖｑ＝ Ｐｍ・ω・（φ＋Ｌ・ｉｄ） …（６）

また、モータ電圧Ｖの二乗は、以下の式（７）に示すように、ｄ軸電圧Ｖｄとｑ軸電圧Ｖｑの二乗との加算で表すことができる。
Ｖ²＝Ｖｄ²＋Ｖｑ²
＝（Ｐｍ・ω・Ｌ）²・｛ｉｑ²＋（φ／Ｌ＋ｉｄ）²｝ …（７）
上記式（７）を変形すると、以下の式（８）が得られる。
（ｉｄ＋φ／Ｌ）²＋ｉｑ²＝｛Ｖ／（Ｐｍ・ω・Ｌ）｝² …（８）

図５は、ｄ軸電流ｉｄとｑ軸電流ｉｑの直交座標上におけるモータ電圧の等電圧線の一例を示す図である。図５の等電圧線１０１、１０２は、式（８）を図示したものであり、等電圧線１０１はモータ速度ωが大きい場合、等電圧線１０２は、モータ速度ωが小さい場合のモータ電圧の等電圧線を示している。図５に示すように、モータ速度ωが大きい場合でも小さな場合でも、モータ電圧の等電圧線は、同一の中心点からの円軌跡を描くことがわかる。なお、表面磁石型モータでは、モータトルクはｑ軸電流ｉｑによってのみ決まるため、モータ電圧の等電圧線において最大のトルクを出力できるポイントは、円軌跡の一番上に存在する。また一般的に、強め磁束制御となるｄ軸電流を正の値にすることは行わない。以上より、表面磁石型モータでは、実際にｄ軸電流を流す範囲は、以下の式（９）で与えられる。
−φ／Ｌ≦ｉｄ≦０ …（９）

永久磁石型モータの運転モードごとに、表面磁石型モータの定常状態におけるｄ軸電圧Ｖｄとｑ軸電圧Ｖｑがどのような値をとるかを検討してみる。正転・力行運転のときは、モータ速度ω＞０、ｑ軸電流ｉｑ＞０、ｄ軸電流は式（９）の範囲、という条件になる。これらの条件を、式（３）に当てはめるとｄ軸電圧Ｖｄ＜０が得られ、式（４）に当てはめるとｑ軸電圧Ｖｑ＞０が得られる。同じようにすべての運転モードについて考えると、運転モードごとのモータ電圧は、図６に示すように分布する。図６は、表面磁石型モータにおけるｄ軸電圧Ｖｄとｑ軸電圧Ｖｑの直交座標上におけるモータ運転モードを示す図である。図６に示すように、どの運転モードの場合も、軽負荷運転時（トルク電流ｉｑが小さい場合）はｑ軸電圧Ｖｑが＋方向または−方向に大きくなり、重負荷運転時（トルク電流ｉｑが大きい場合）はｄ軸電圧Ｖｄが＋方向または−方向に大きくなる。

表面磁石型モータでは、図６に示すように、永久磁石型モータの運転モードに対して、ｄ軸電圧とｑ軸電圧の動作する領域が直交座標上で、きれいに分割されており、同じ運転モード内であれば、電圧指令の極性が変わることがない。このため、電圧指令値の絶対値−電圧リミッタ値の減算により電圧飽和量を求めることが可能である。

一方、埋め込み磁石型モータでは、ｄ軸電流を流すことでリラクタンストルクが発生する。したがって、図５で説明したモータ電圧の等電圧線において最大のトルクを出力できるポイントは、円軌跡の一番上ではなく、それよりもさらにｄ軸電流を負に流した部分に存在する。つまり、実際にｄ軸電流を流す範囲は、上記式（９）よりも負の方向に広がると考えて良い。

埋め込み磁石型モータの定常状態におけるｄ軸電圧Ｖｄとｑ軸電圧Ｖｑがどのような値をとるかを検討してみる。正転・力行運転のとき、モータ速度ω＞０、ｑ軸電流ｉｑ＞０、ｄ軸電流は式（９）よりも負の方向に広がる範囲、という条件になる。これらの条件を、上記式（３）に当てはめるとｄ軸電圧はＶｄ＜０だが、式（４）に当てはめるとｑ軸電圧はＶｑ＞０とＶｑ＜０の両方の可能性があることが分かる。これを図示したものが、図７である。図７は、埋め込み磁石型モータの正転・力行運転におけるｄ軸電圧Ｖｄとｑ軸電圧Ｖｑの一例を示す図である。

図７には記載していないが、他の運転モードについても、同じようなことが言える。このような場合、電圧飽和量を電圧指令値の絶対値−電圧リミッタ値の減算で求める方法が使えなくなる。それは、例えば、図７のＡで示した電圧指令値とＢで示した電圧指令値は、絶対値を取った段階で同じ値になってしまうため、電圧指令値の絶対値−電圧リミッタ値の減算では正確な電圧飽和量を導出できないからである。もちろん、条件分岐などを使いながら、正確な電圧飽和量を導出することは不可能ではないが、単純な減算器だけではなくなり、計算が複雑になることが想定される。

このように、埋め込み磁石型モータでは、同じ運転モード内でも電圧指令の極性が変わる可能性があり、電圧指令値の絶対値−電圧リミッタ値の減算により電圧飽和量を求めることができない。このため、複雑な処理が必要となるという問題がある。本実施の形態では、埋め込み磁石型モータを用いる場合でも、減算器のみで、電圧飽和量を求めることができる永久磁石型モータの制御装置について説明する。

以下、本実施の形態の電圧飽和量を検出動作と検出された電圧飽和量に基づいて電流指令を修正する動作について説明する。

本実施の形態では、絶対値演算器１３、絶対値演算器２３、減算器１４および減算器２４により、電圧指令値の絶対値−電圧リミッタ値の減算を行うことで、電圧飽和量を求める。ただし、この際、埋め込み磁石型モータ等のように、同じ運転モード内でも電圧指令の極性が変わる可能性がある場合には、電圧指令値、電圧リミッタ値をそのまま用いることができないため、本実施の形態では、後述するように電圧ベクトルを回転させた後に、電圧指令値の絶対値−電圧リミッタ値の減算を行う。

電圧飽和量を求めた後、ｑ軸電流指令補正器１５、ｄ軸電流指令補正器２５が、電圧飽和量に基づいて電流指令修正量（ｑ軸電流指令補正量Δｉｑ、ｄ軸電流指令補正量Δｉｄ）を求める。電圧飽和量に基づいて電流指令修正量を導出する方法は、様々な方法が考えられ、どのような方法を用いてもよいが、たとえば、前述した特許文献１の方法を用いることができる。減算器１６および減算器２６は、電流指令（ｄ軸電流指令値ｉｄ＊、ｑ軸電流指令値ｉｑ＊）と電流指令修正量の差分を算出することにより電流指令を修正し、算出した差分を電流補正指令（ｄ軸電流補正指令ｉｄ＊ｃｍｄ、ｑ軸電流補正指令ｉｑ＊ｃｍｄ）として出力する。そして、電流補正指令を用いてＰＩ制御による永久磁石モータ３４のベクトル制御が実施される。

なお、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊としては、任意の値を与えてもよいし、上位に磁束制御器を設けて、この磁束制御器の出力値を用いてもよい。またｑ軸電流指令値ｉｑ＊は、任意の値を与えてもよいし、上位に速度制御器を設けて、この速度制御器の出力値を用いてもよい。

図８は、電圧指令値と電圧リミッタ値、およびその両者から求まる電圧飽和量の関係を示す図である。この図は、永久磁石型モータ３４を表面磁石型モータとし、正転・力行のモードで運転している場合を示している。斜線の部分は、電圧飽和を発生させることなく電圧指令値が動作できる領域を示す。電圧リミッタ値Ｖｄ＿ｌｉｍｉｔおよびＶｑ＿ｌｉｍｉｔは、この斜線の領域内に設定されることになる。

電圧指令値は、モータ速度やｑ軸電流（トルク電流）によって、その大きさが変わる（式（３）および式（４）参照）。電圧指令値は、負荷トルクが小さい場合は、ｑ軸電圧が＋側で、ｄ軸電圧は−側で小さい領域に位置するが、負荷トルクが大きくなるにしたがい、ｄ軸電圧−側の領域に倒れ込み、さらにその大きさも大きくなり、電圧飽和を起こしやすくなる。図２に示すように、表面磁石型モータの場合は、前述したように、同じ運転モード内であれば、モータ速度や負荷トルクの大きさが変わっても、電圧指令値や電圧リミッタ値の極性が変わることがない。このため、電圧指令値の絶対値−電圧リミッタ値の減算を行うことで、常に簡単に電圧飽和量を求めることができる。

図９は、埋め込み磁石型モータを用いた場合の電圧指令値と電圧リミッタ値、およびその両者から求まる電圧飽和量の関係を示す図である。この図は、永久磁石型モータ３４を埋め込み磁石型モータとし、正転・力行のモードで運転している場合を示している。斜線の部分は、電圧飽和を発生させることなく電圧指令値が動作できる領域を示す。電圧リミッタ値Ｖｄ＿ｌｉｍｉｔおよびＶｑ＿ｌｉｍｉｔは、この斜線の領域内に設定されることになる。

電圧指令値は、モータ速度やｑ軸電流（トルク電流）によって、その大きさが変わる（式（３）および式（４）参照）。負荷トルクが小さい場合は、電圧指令値は、ｑ軸電圧が＋側でｄ軸電圧は−側で、小さい領域に位置するが、負荷トルクが大きくなるにしたがい、電圧指令値は、ｄ軸電圧−側の領域に倒れ込み、さらにその大きさも大きくなり、電圧飽和を起こしやすくなる。埋め込み磁石型モータの場合は、図９に示すように、同じ運転モード内であっても、電圧指令値や電圧リミッタ値の極性が変わる可能性がある。このため、電圧指令値の絶対値−電圧リミッタ値の減算で電圧飽和量を求めることができない場合が出てくる。

そこで、本実施の形態では、電圧飽和量を求める段階で、電圧ベクトルを回転させて考えることにする。図９において、最大トルク点での電圧指令値がｑ軸電圧の負方向に入り込んでいる角度（最大トルク点での電圧指令値とｄ軸との成す角度）をβとしたとき、電圧指令値および電圧リミッタ値を角度βで回転座標変換させる。図１０は、角度βで回転座標変換させた後の電圧指令値と電圧リミッタ値、およびその両者から求まる電圧飽和量の関係を示す図である。このような回転座標変換を行うことで、重負荷運転時に、電圧指令値や電圧リミッタ値の極性が変わることがなくなるため、電圧指令値の絶対値−電圧リミッタ値の減算を行うことで、簡単に電圧飽和量を求めることができる。

なお、電圧ベクトルを回転させることで、軽負荷運転時の部分がｄ軸電圧の＋方向に入り込んでしまう。しかし、電圧飽和で大きく問題になるのは、重負荷運転時である電圧指令がｄ軸電圧の−方向付近に発生しているときに、電圧飽和の発生によってモータトルクが十分に発生できなくなることである。特に、電圧指令値が斜線領域の一番下に倒れ込んだところに、モータの最大トルク点が存在するため、本実施の形態の動作により、モータトルクを最大限まで引き出すことが可能になる。したがって、軽負荷運転時の部分がｄ軸電圧の＋方向に入り込んだ軽負荷時の電圧飽和量が、本実施の形態の絶対値の演算により、ある程度の誤差を持ったとしても、実用上大きな問題にはならない。

また、図９と図１０を比べるとわかるように、回転座標変換の前後で電圧飽和量ΔＶｄ、ΔＶｑの値は、厳密には同じにならない。しかし、その後で、電圧飽和量に基づいて電流指令をフィードバックにより修正する制御を行っているため、微小な応答性の違いは出る可能性はあるが、動作そのものに大きな問題は発生せず、電圧飽和の発生を抑えることができる。

図１を用いて、回転座標変換について具体的に説明する。回転座標変換器１は、以下の式（１０）に基づいて、ｄ軸電圧指令Ｖｄ＊とｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を角度βだけ回転させる。回転座標変換器２は、以下の式（１１）に基づいて、ｄ軸電圧リミッタ値Ｖｄ＿ｌｉｍｉｔとｑ軸電圧リミッタ値Ｖｑ＿ｌｉｍｉｔを角度βだけ回転させる。

なお、ｄ軸電圧リミッタ値Ｖｄ＿ｌｉｍｉｔ、ｑ軸電圧リミッタ値Ｖｑ＿ｌｉｍｉｔは、固定値でも良いし、ＰＷＭインバータ３２の母線電圧Ｖｄｃなどの値から計算された可変値でも構わない。また、回転座標変換の角度βは、最大トルク点における電圧指令値がｑ軸電圧の負方向に入り込んでいる角度であり、この角度はモータの基本パラメータ（巻線抵抗Ｒ、ｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑ、永久磁石磁束φ、極対数Ｐｍなど）によって一意に決定され、事前に計算で求めておくことができる値である。したがって、ｄ軸電圧リミッタ値Ｖｄ＿ｌｉｍｉｔおよびｑ軸電圧リミッタ値Ｖｑ＿ｌｉｍｉｔが固定値の場合は、式（１１）の右辺はすべて固定の値になるため、ｄ軸電圧補正リミッタ値Ｖｄ＿ｌｉｍｉｔ’とｑ軸電圧補正リミッタ値Ｖｑ＿ｌｉｍｉｔ’については、回転座標変換器２による回転座標変換を行わずに、事前に計算で求めて保持しておき、保持している値を用いることも可能である。

なお、ここまでは正転・力行の運転モードについて説明したが、他の運転モードについても、同様に本実施の形態の電圧飽和量の算出方法を問題なく適用することはできる。ただし、モータ速度に応じて回転座標変換の角度の符号を変える必要はある。具体的には、モータ速度が正（ω＞０）の場合に角度βで回転座標変換を行ったら、モータ速度が負（ω＜０）の場合は角度−βで回転座標変換を行なう。

また、永久磁石型モータ３４を表面磁石型モータとする場合は、β＝０とすればよい。βを変更することで、表面磁石型モータにも埋め込み磁石型モータにも対応することができる。また、基本パラメータの異なる埋め込み磁石型モータを用いる場合にはβを変更すればよい。

以上説明したように、ｄ軸電圧指令Ｖｄ＊とｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を角度βだけ回転させることおよびｄ軸電圧リミッタ値Ｖｄ＿ｌｉｍｉｔとｑ軸電圧リミッタ値Ｖｑ＿ｌｉｍｉｔを角度βだけ回転させるようにした。このため、表面磁石型モータ、埋め込み磁石型モータを問わず、電圧飽和量を単純に電圧指令値の絶対値−電圧リミッタ値の減算だけで求められるようになる。

以上のように、本発明にかかる永久磁石型モータの制御装置は、電圧飽和量を検出する永久磁石型モータの制御装置に有用であり、特に、永久磁石型モータとして埋め込み磁石型モータを用いる場合に適している。

１，２ 回転座標変換器、１１，１４，１６，２１，２４，２６ 減算器、１２ ｄ軸電流制御器、１３，２３ 絶対値演算器、１５ ｑ軸電流指令補正器、２２ ｑ軸電流制御器、２５ ｄ軸電流指令補正器、３１ 二相三相座標変換器、３２ ＰＷＭインバータ、３３ａ，３３ｂ，３３ｃ 電流検出器、３４ 永久磁石型モータ、３５ 速度検出器、３６ 三相二相座標変換器、３７ 係数器、３８ 積分器。

Claims (5)

1. 永久磁石型モータに印加する電流を、回転するｄｑ軸座標系における２つの成分であるｄ軸電流とｑ軸電流とをそれぞれ比例積分制御するＰＩ電流制御器を備えた永久磁石型モータの制御装置であって、
   前記ｄ軸電流を制御するために前記ＰＩ電流制御器から出力されるｄ軸電圧指令と、前記ｑ軸電流を制御するために前記ＰＩ電流制御器から出力されるｑ軸電圧指令と、を所定の角度でそれぞれ回転座標変換し、前記回転座標変換の結果をｄ軸電圧補正指令およびｑ軸電圧補正指令として出力する電圧指令回転座標変換器と、
   前記ｄ軸電圧補正指令の絶対値を算出する第１の絶対値演算器と、
   前記ｑ軸電圧補正指令の絶対値を算出する第２の絶対値演算器と、
   前記ｄ軸電圧補正指令の絶対値と前記ｄ軸電圧指令を制限するためのｄ軸電圧リミッタ値を前記所定の角度で回転座標変換した値であるｄ軸電圧回転リミッタ値とに基づいてｄ軸電圧飽和量を求める第１の減算器と、
   前記ｑ軸電圧補正指令の絶対値と前記ｑ軸電圧指令を制限するためのｑ軸電圧リミッタ値を前記所定の角度で回転座標変換した値であるｑ軸電圧回転リミッタ値とに基づいてｑ軸電圧飽和量を求める第２の減算器と、
   を備えることを特徴とする永久磁石型モータの制御装置。
2. 前記ｄ軸電圧飽和量に基づいて電圧飽和を回避するためのｑ軸電流指令補正量を求めるｑ軸電流指令補正器と、
   前記ｑ軸電圧飽和量に基づいて電圧飽和を回避するためのｄ軸電流指令補正量を求めるｄ軸電流指令補正器と、
   を備え、
   前記ｑ軸電流指令補正量に基づいてｑ軸電流指令を補正し、前記ｄ軸電流指令補正量に基づいてｄ軸電流指令を補正することを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型モータの制御装置。
3. 前記ｄ軸電圧回転リミッタ値および前記ｑ軸電圧回転リミッタ値を、あらかじめ算出して保持している値とすることを特徴とする請求項１または２に記載の永久磁石型モータの制御装置。
4. 前記ｄ軸電圧リミッタ値と前記ｑ軸電圧リミッタ値とを前記所定の角度でそれぞれ回転座標変換し、前記回転座標変換の結果を前記ｄ軸電圧回転リミッタ値および前記ｑ軸電圧回転リミッタ値として出力するリミッタ値回転座標変換器、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１、２または３に記載の永久磁石型モータの制御装置。
5. 前記所定の角度を、ｄｑ座標系において最大トルク点での電圧指令値とｄ軸との成す角度とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の永久磁石型モータの制御装置。

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