JP5795980B2 - 電動機制御装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電動機制御装置に関する。

従来、永久磁石を回転子とした永久磁石同期電動機等の電動機では、電動機制御装置でトルク振幅・位相情報を用いたベクトル制御において電動機へ供給する電流の補正を行うことで、駆動時のトルク脈動（トルクリプル）を低減している。

特開２００６−２８８０７６号公報

しかしながら、上述した従来技術においては、振幅と位相におけるトルク脈動を低減する補正を行なっている時に、脈動成分が小さくなるのに従ってトルク脈動の振幅、位相が判別しづらくなることから、トルク脈動の低減量が変動し、その変動が振動や騒音の源となる場合があった。

上述した課題を解決するために、実施形態の電動機制御装置は、電動機の回転角を検出する回転角検出手段と、前記電動機の軸トルクを検出する軸トルク検出手段と、前記検出された回転角と、前記検出された軸トルクとをもとに、前記電動機が発生する軸トルクに含まれるｍ次（ｍ＝１、２、…Ｌ）高調波成分を演算する高調波成分演算手段と、前記演算されたｍ次高調波成分と、前記電動機のｄ軸とｑ軸の電流値と、前記電動機の回転角の位相である電気角位相と、当該電気角位相と前記電動機の目標とする回転周波数である運転周波数との積と、を基に、時間積分して、前記ｍ次高調波成分を補正するための補正値を学習する学習手段と、前記学習された補正値をもとに、前記電動機へ供給する電流にかかる電流波形を演算する波形演算手段と、前記演算された電流波形について、前記ｍ次高調波成分が予め設定された範囲まで抑えられているか否かを判定する判定手段と、前記演算された電流波形をもとに、前記電動機への電流指令を出力する出力手段と、を備え、前記学習手段は、前記判定手段の判定結果をもとに、前記ｍ次高調波成分が予め設定された範囲まで抑えられていない間は前記時間積分による補正値の学習を行い、前記ｍ次高調波成分が予め設定された範囲まで抑えられている間は、前記時間積分による補正値の学習を停止する。

また、実施形態の電動機制御装置は、電動機の回転角を検出する回転角検出手段と、前記電動機の回転に伴う振動・騒音を検出する振動・騒音検出手段と、前記検出された回転角と、前記検出された振動・騒音とをもとに、前記電動機が発生する軸トルクに含まれるｍ次（ｍ＝１、２、…Ｌ）高調波成分を演算する演算手段と、前記演算されたｍ次高調波成分と、前記電動機のｄ軸とｑ軸の電流値と、前記電動機の回転角の位相である電気角位相と、当該電気角位相と前記電動機の目標とする回転周波数である運転周波数との積と、を基に、時間積分して、前記ｍ次高調波成分を補正するための補正値を学習する学習手段と、前記学習された補正値をもとに、前記電動機へ供給する電流にかかる電流波形を出力する出力手段と、前記出力された電流波形について、前記ｍ次高調波成分が予め設定された範囲まで抑えられているか否かを判定する判定手段と、を備え、前記学習手段は、前記判定手段の判定結果をもとに、前記ｍ次高調波成分が予め設定された範囲まで抑えられていない間は前記時間積分による補正値の学習を行い、前記ｍ次高調波成分が予め設定された範囲まで抑えられている間は、前記時間積分による補正値の学習を停止する。

また、実施形態の電動機制御装置は、電動機の回転角を検出する回転角検出手段と、前記電動機へ供給する電流を検出する電流検出手段と、前記検出された回転角と、前記検出された電流とをもとに、前記電動機が発生する軸トルクに含まれるｍ次（ｍ＝１、２、…Ｌ）高調波成分を演算する演算手段と、前記演算されたｍ次高調波成分と、前記電動機のｄ軸とｑ軸の電流値と、前記電動機の回転角の位相である電気角位相と、当該電気角位相と前記電動機の目標とする回転周波数である運転周波数との積と、を基に、時間積分して、前記ｍ次高調波成分を補正するための補正値を学習する学習手段と、前記学習された補正値をもとに、前記電動機へ供給する電流にかかる電流波形を出力する出力手段と、前記出力された電流波形について、前記ｍ次高調波成分が予め設定された範囲まで抑えられているか否かを判定する判定手段と、を備え、前記学習手段は、前記判定手段の判定結果をもとに、前記ｍ次高調波成分が予め設定された範囲まで抑えられていない間は前記時間積分による補正値の学習を行い、前記ｍ次高調波成分が予め設定された範囲まで抑えられている間は、前記時間積分による補正値の学習を停止する。

図１は、実施形態にかかる電動機制御装置の設置例を示す概念図である。 図２は、実施形態にかかる電動機制御装置の構成を示すブロック図である。 図３は、トルク波形を例示するグラフである。 図４は、固有振動数を励起した時のトルク波形を例示するグラフである。 図５は、電流補償部の構成の一例を示すブロック図である。 図６は、高調波学習部の構成の一例を示すブロック図である。 図７は、トルク脈動を目標範囲近傍まで抑えたトルク波形を例示するグラフである。 図８は、変形例１にかかる電流補償部の構成の一例を示すブロック図である。 図９は、変形例２にかかる電流補償部の構成の一例を示すブロック図である。 図１０は、周波数領域における電流波形の一例を示すグラフである。 図１１は、変形例３にかかる電流補償部の構成の一例を示すブロック図である。 図１２は、変形例４にかかる電流補償部の構成の一例を示すブロック図である。 図１３は、変形例５にかかる電流補償部の構成の一例を示すブロック図である。

以下、添付図面を参照して実施形態の電動機制御装置を詳細に説明する。図１は、実施形態にかかる電動機制御装置１の設置例を示す概念図である。

図１に示すように、電動機制御装置１は、電動機２を駆動させるインバータ等であり、コンソールの操作などで設定された目標の回転速度として入力される運転指令値をもとに、永久磁石を回転子とした永久磁石同期電動機等の電動機２へ供給する電力を制御することで、電動機２の駆動を制御している。電動機２は、例えば永久磁石同期型の３相交流電動機である。電動機２は、アプリケーションによって異なるが、例えば鉄道車両などの場合は車軸等の負荷装置３に駆動軸（図示しない）が接続され、車両下部の取付装置４に据え付けられる。

図２は、実施形態にかかる電動機制御装置１の構成を示すブロック図である。図２に示すように、電動機制御装置１は、ｄ／ｑ軸電流指令部１１、電流補償部１２、電流制御部１３、２相３相変換部１４、駆動部１５、３相２相変換部１６、回転角検出部１７、電流検出部１８を備える。電動機２は、３相固定子巻線２１、２２、２３を備え、電動機制御装置１より３相固定子巻線２１、２２、２３に与えられる駆動電圧にて駆動する。

ｄ／ｑ軸電流指令部１１は、運転指令値（設定された回転速度）と、回転角検出部１７により実測した電動機２の回転速度（回転角）とに基づき、ｄ軸とｑ軸の電流指令値を決定する。ｄ／ｑ軸電流指令部１１により決定されたｄ軸とｑ軸の電流指令値は電流補償部１２へ出力される。電流補償部１２は、回転角検出部１７により実測した電動機２の回転角の入力を受け付け、トルク脈動を低減するようにｄ軸とｑ軸の電流指令値を補正する（詳細は後述する）。補正されたｄ軸とｑ軸の電流指令値は電流制御部１３へ出力される。

電流制御部１３は、電流補償部１２により補正された直交回転座標系におけるｄ軸とｑ軸の電流指令値と、３相２相変換部１６にて変換された直交回転座標系におけるｄ軸とｑ軸の電流値とを受け付け、電流検出部１８で検出された出力電流（３相２相変換部１６にて変換された直交回転座標系におけるｄ軸とｑ軸の電流値）が、電流補償部１２により補正されたｄ軸とｑ軸の電流指令値を満たすようなｄ軸とｑ軸の駆動指令（ｄ軸とｑ軸の電圧指令）を演算する。電流制御部１３は演算により得られたｄ軸とｑ軸の駆動指令を２相３相変換部１４へ出力する。２相３相変換部１４は、直交回転座標系におけるｄ軸とｑ軸の駆動指令を、３相で示される直交静止座標系の駆動指令（３相の電圧指令）に変換する。３相で示される変換後の駆動指令は駆動部１５へ出力される。

駆動部１５は、入力された直交静止座標系の駆動指令に基づいて、電動機２の３相固定子巻線２１、２２、２３に３相の駆動電圧を与える。３相２相変換部１６は、回転角検出部１７により実測した電動機２の回転角とを受け付け、電流検出部１８の電流検出器１８ａ、１８ｂ、１８ｃから検出された３相で示される直交静止座標系の電流信号を、直交回転座標系におけるｄ軸とｑ軸の電流信号に変換する。変換されたｄ軸とｑ軸の電流信号は電流制御部１３へ出力される。

回転角検出部１７は、電動機２の駆動軸に取り付けられた回転数センサ（例えばＰＧ（パルス発信器）など）・回転子位置センサ（例えばホール素子など）であり、電動機２の回転角（電気角）に対応したパルス信号を出力する。この電動機２の回転角に対応したパルス信号はｄ／ｑ軸電流指令部１１、電流補償部１２、３相２相変換部１６へ出力される。電流検出部１８は、駆動部１５から３相固定子巻線２１、２２、２３に与えられる、３相で示される直交静止座標系の電流値を電流検出器１８ａ、１８ｂ、１８ｃで検出する。検出された３相の電流値は３相２相変換部１６へ出力される。

図２に例示するような電動機制御装置１によって駆動する電動機２は、さまざまなシステムの原動機として採用されている。例えば、電動機２が永久磁石同期電動機である場合、その突極性からトルク脈動が発生しやすく、振動、騒音の原因となる。

ここで、トルク脈動の一例として６次高調波について説明する。まず、電動機２のＵ相の誘起電圧は次の式（１）のとおりである。なお、Ｖ相、Ｗ相の誘起電圧については、式（１）より１２０度ずつ位相がずれた同様の式で与えられる。

式（１）中、θ_ｅは電気角、ωは電気角速度、Ψ_ｆは１相あたりの永久磁石による電機子鎖交磁束の最大値、Ψ_ｃ５、Ψ_ｃ７、Ψ_ｓ５、Ψ_ｓ７は永久磁石による電機子巻き線１相あたりの５次と７次の正弦、余弦成分の最大鎖交磁束数である。３相分の式（１）についてｄ−ｑ変換をすると式（２）を得る。

式（２）中、θ_ｅはｄ軸Ｕ相からの進み電気角である。

式（２）は、３相モデルの誘起電圧に含まれる５次、７次高調波がｄ−ｑ軸モデルの誘起電圧の６ｆ成分になることを表している。誘起電圧および交流電流に含まれる高調波が、５、７次以外の場合、３相モデルの整数ｍ−１次とｍ＋１次の誘起電圧の高調波は、ｄ−ｑ軸モデルの誘起電圧のｍｆ成分となる。

電動機２のトルクは、誘起電圧と電流の積で求められるため、誘起電圧、電流のいずれかに整数倍の高調波が含まれる場合、そのトルクは脈動を持ち、電動機２は脈動しながら回転をする。電動機２のトルクが周期的に変動すると、低速回転の場合、電動機２の軸に接続された負荷装置３に振動となって伝達する。また、高速回転の場合は、振動が放射する音波が可聴域に達して騒音となる。

図３は、トルク波形Ｔ１を例示するグラフである。図３の横軸は時間、縦軸はトルク（例えば単位はＮｍ）を表している。速度指令値に対応したトルク指令値を中心として、誘起電圧と電流波形の歪み、電動機２のスロットコンビネーション等の理由から、図３に示すトルク波形Ｔ１のように、周期的なトルク脈動が発生する。

また、例えば製造工程において、電動機２の固定子は組立工程における焼きバメ、溶接、圧入などでモータケース内に固定されるが、その際のわずかな変形、回転子の積層鋼板と軸の組み立て、工作精度誤差による偏心、積層鋼板の打ち抜きによって構成される磁気回路のわずかなズレ等の理由から、電動機２はトルク脈動や高調波の電磁加振力を発する。また、電動機２は負荷装置３、取付装置４に接続されるので、トルクの変動や振動（トルク脈動）が負荷装置３、取付装置４に伝達されて振動原因となる。この振動を低減するため、本実施形態では、電動機２への電流もしくは電圧を指令する指令値に対し、トルク脈動が低減するように電流もしくは電圧を補償する補償値を与える。具体的には、電流補償部１２によりｄ軸とｑ軸の電流指令値を補正している。

ここで、電流補償部１２の詳細について説明する。まず、電動機２を永久磁石同期電動機とする場合、そのトルクは次の式（３）で与えられる。

式（３）の中で、Ｐ_ｎは極数、Ｉ_ｄはｄ軸電流、I_ｑはｑ軸電流、Ｌ_ｄはｄ軸インダクタンス、Ｌ_ｑはｑ軸インダクタンス、Ψ_ａは１相あたりの永久磁石による電機子鎖交磁束の最大値Ψ_ｆの√（３／２）倍の値である。Ｐ_ｎ、Ｌ_ｄ、Ｌ_ｑは電動機２の電気設計から決定される。電動機制御装置１からはＩ_ｄ、Ｉ_ｑをいかに電動機２に与えるかで電動機２のトルクが決まる。

また、電動機制御装置１の制御によってトルク脈動や電動機２の電磁高調波による振動の低減を実施する場合、Ψ_ａ、Ｉ_ｄ、Ｉ_ｑに対する補償をいかに行うかでその低減性能が決まる。

運転中の電動機２についてＩ_ｄｃｏ、Ｉ_ｑｃｏをｄ軸、ｑ軸の現在の電流値とし、トルク脈動もしくは振動・騒音を低減するようなｄ軸、ｑ軸電流補償値をｄＩ_ｄ、ｄI_ｑとすれば、電流指令値（Ｉ_ｄ、Ｉ_ｑ）は次の式（４）で与えられる。

ここで、ｄ−ｑ軸モデル上のｍ次高調波成分の低減を目的とする場合の電流補償値は次に式（５）で表される。

式（５）において、ｍは次数、ａ_ｄ、ａ_ｑはｄ軸とｑ軸の振幅補正値、ｎは高調波成分比、θ_ｅは電気角、ｐ_ｄ、ｐ_ｑはｄ軸とｑ軸の位相補正値である。

振幅がａ_ｉ、位相ψ_ｉの正弦波の和で表される原信号に対して、例えばｄ−ｑ軸モデルのｍ次高調波によるトルク脈動もしくは振動・騒音低減を目的にする場合、原信号と学習器側が有する正弦関数ｓｉｎ（−ｍθ＋ζ）との数値積分値ｐｈを評価関数として学習を行う。この数値積分を実施すると、ｐｈは位相がｍ次高調波の位相＋（ζ−（π／２））で、振幅がｍ次高調波の振幅もしくはそれに比例する値であるかのような正弦関数で表される。そこで、ｐｈ＝０となるようなζを決定することがトルク脈動や振動・騒音源になるｍ次高調波の位相成分を学習することと等価になる。

しかし、実際にｐｈを０に近づけると、ｍ次高調波の位相−（ζ−（π／２））が、目標とするトルク指令値の目標とする範囲ε（図３参照）に略一致する時、εがセンサ感度を超えて検出できない値に達し、キャンセルすべき位相情報が定まらなくなるので、トルク脈動の低減量が変動する場合がある。

また、振幅側も同様に、原信号と学習器側が有する正弦関数ｓｉｎ（−ｋθ＋ζ−（π／２））の積の数値積分値ｍａｇが、キャンセルすべきトルク脈動の振幅値ａ_ｋに収束することが要請される。

しかし、ｍａｇをａ_ｋに近づける際に原信号に外乱が入った場合、同様に低減すべき振幅情報が定まらず学習が終了しないため、トルク脈動の低減量が変動する場合がある。また、ｍａｇをａ_ｋに近づける際に、例えばｍａｇ−ａ_ｋが、上述したεに略一致する時、εが微小となりセンサ感度を超え、センサが現在の振幅値ａ_ｋを見失い、トルク脈動の低減量が一定でなく変動する場合がある。これらのトルク脈動の低減量が変動する場合を（場合１）とする。

また、例えば次の式（６）、（７）に示すように、ｄ軸とｑ軸の電流補償値に相当するａ_ｄ、ｐ_ｄを決定する方法がある。

式（６）、（７）において、右上の添字「ｎｅｗ」は補償を行うために決定すべき値、「ｏｌｄ」は前回使用した値を示す。また、式（６）で算出する「ａ」は振幅値を、式（７）で算出する「ｐ」は位相値を示す。また、「ｇ」は補正値を、「ｄＦ_ｒｆ」は振動又は騒音を示す。

式（６）、（７）の場合、電流指令補正信号ｄＩ_ｄｃとその時間微分に応じて、補正値ｇ_ｐｄ、ｄＦ_ｒｆの積または個別に加算もしくは減算をする。電流指令補正信号ｄＩ_ｄｃが０（電流指令補正信号が最大または最小）となるときの振動または騒音ｄＦ_ｒｆと、前回使用した位相Ｐ^ｏｌｄ _ｄとの和で新たな位相Ｐ^ｎｅｗ _ｄを決定する。

図４は、固有振動数を励起した時のトルク波形Ｔ２を例示するグラフである。図４のトルク波形Ｔ２に示すように、ｄＩ_ｄｃ＝０あるいはｄＩ_ｑｃ＝０となる点は、本来低減すべき周期的なトルク脈動の周波数成分が、電動機２と取付装置４の固有振動数を励起し、その共振によって増大したトルク波形の最大変化点である（黒丸を参照）。また、電動機２と取付装置４の固有振動数付近では、センシングの際の基本波形から一様にθ度位相がずれているトルク脈動の位相が急変する（機械角で＋１８０度又は−１８０度変動する）。したがって、固有振動すの通過前後ではｄＩ_ｑｃの時間微分値の正負が定まらないので、振幅補正指令値と位相補正指令値が定まらずに変動する。もしくは固有振動数近傍でトルク脈動を逆に励起して増大するような振幅補正指令値と位相補正指令値を算出してしまうため、トルク脈動低減の制御が安定しない。このようにして振幅補正指令値と位相補正指令値が定まらずに変動する場合を（場合２）とする。

電流補償部１２では、トルク脈動の最大値を最小化する条件を設けて、その条件を満たす場合にトルク脈動を補償するように制御することで、上述した（場合１）、（場合２）を生じさせることなく、安定したトルク脈動の低減を実現する。

具体的には、図３に示すように、突極性の高いＤＣブラシレスモータや永久磁石同期電動機の場合、目標範囲εの中心であるトルク指令値Ｐ１に対し、トルク波形Ｔ１のようにトルク脈動がある。トルク脈動は例えば極数２の永久磁石同期電動機の場合、トルク波形Ｔ１の基本波の６倍の高調波として発生し、また軸が偏心している場合は基本波の２倍の高調波として計測され、振動・騒音の原因となる。図３の例では、基本波の６倍の高調波を含むトルク脈動のトルク波形Ｔ１を表しているが、本実施形態では、２、６を含む自然数倍（ｍ＝１、２、…Ｌ）の複数の高調波成分に対して適用可能である。なお、目標範囲εの上限値ε_ｕ、下限値ε_ｌは、電動機２を取り付けた負荷装置３、取付装置４の製品によって異なるが、例えばトルク脈動の高調波成分が基本波のｘ％（ｘは任意の値であり例えば１〜１０）以下となるように予めメモリ等に設定されるものとする。図３におけるトルク波形Ｔ１上の黒丸が低減したい高調波の最大値であり、機械回転角１周期あたりＴ＿ｕ（ｉ）、ｉ＝０、１、…ｋ−１（ｋは２以上の整数）である。図３の例では、極数２の永久磁石同期電動機でｋは６の整数倍であるが、ｋは６の整数倍に限定しない。

図５は、電流補償部１２の構成の一例を示すブロック図である。図５に示すように、電流補償部１２は、前述した回転角検出部１７の他、軸トルク検出部１１０、運転周波数指令部１２０、トルク振幅／位相演算部１３０、乗算器１４０、高調波学習部１５０、正弦演算部１６０、誤差判定部１７０、電流補正部１８０を備える構成である。

軸トルク検出部１１０は、電動機２の軸トルクを検出し、検出した軸トルクをトルク振幅／位相演算部１３０へ出力する。運転周波数指令部１２０は、速度指令値をもとにした運転周波数（目標とする回転周波数）をトルク振幅／位相演算部１３０へ出力する。トルク振幅／位相演算部１３０は、軸トルク、運転周波数、回転角検出部１７より検出された電動機２の回転角をもとに、ｍ次高調波成分と、ｄ軸、ｑ軸の電流と、電気角位相とを演算する。演算されたｍ次高調波成分と、ｄ軸、ｑ軸の電流と、電気角位相とは、高調波を低減するような補正値（電流補正値）を演算するために高調波学習部１５０に入力される。また、演算された電気角位相は乗算器１４０に入力され、運転周波数指令部１２０より入力される運転周波数との積が乗算器１４０で演算される。演算された電気位相角と運転周波数との積は高調波学習部１５０に入力される。

高調波学習部１５０は、各々高調波の最大値を最小化するために、図３に例示した目標範囲εの上限値ε_ｕおよび下限値ε_ｌと、トルク脈動をもつトルク波形Ｔ１が交差する点（白丸）で示す位置の振幅情報と位相情報を収集（学習）し、黒丸で示す最大値が白丸近傍にくるように、正弦波の電流補償値になるｍ次高調波振幅補正値と位相補正値とを求める。具体的には、高調波学習部１５０は、ｍ次高調波成分と、ｄ軸、ｑ軸の電流と、電気角位相と、電気位相角と運転周波数との積とをもとに、所定の時間間隔で時間積分を行なってｍ次高調波成分を補正するための補正指令値（振幅補正指令値、位相補正指令値、ｍ次高調波位相角と位相補正指令値との和）を学習する。学習して得られた補正指令値は、正弦演算部１６０へ出力される。

図６は、高調波学習部１５０の構成の一例を示すブロック図である。図６に示すように、高調波学習部１５０は、振幅のゲイン・時間積分部１５１、乗算部１５２、位相ゲイン・時間積分部１５３、和算器１５４を備える構成である。

振幅のゲイン・時間積分部１５１は、ｍ次高調波成分と、ｄ軸、ｑ軸の電流とをもとに、振幅のゲインについて所定の時間間隔で時間積分を行なって振幅補正指令値を算出する。乗算部１５２は、電気角位相をもとに乗算を行なってｍ次高調波位相角を算出する。位相ゲイン・時間積分部１５３は、運転指令周波数と電気角位相の積をもとに、位相のゲインについて所定の時間間隔で時間積分を行なって位相補正指令値を算出する。和算器１５４は、ｍ次高調波位相角と、位相補正指令値との和を算出する。

図５に戻り、正弦演算部１６０は、高調波学習部１５０による補正指令値をもとに、電動機２へ供給する電流にかかる電流波形である、正弦波の電流補償値を演算する（式（５）参照）。誤差判定部１７０は、高調波学習部１５０による補正指令値をもとに演算された正弦波の電流補償値が、トルク脈動（ｍ次高調波成分）の最大値を上述した目標範囲ε近傍まで抑えているか否かを判定する。

具体的には、ｍ次高調波の位相−（ζ−（π／２））が、目標とするトルク指令値の目標とする範囲εに略一致するか否かを判定する。また、振幅側も同様に、正弦関数ｓｉｎ（−ｋθ＋ζ−（π／２））の積の数値積分値ｍａｇがトルク脈動の振幅値ａ_ｋに近づき、ｍａｇ−ａ_ｋが範囲εに略一致するか否かを判定する。

誤差判定部１７０は、トルク脈動（ｍ次高調波成分）の最大値を上述した目標範囲ε近傍まで抑えている場合、高調波学習部１５０における位相と振幅の時間積分処理（振幅のゲイン・時間積分部１５１、位相ゲイン・時間積分部１５３の積分処理）を停止する。また、位相と振幅の時間積分処理を停止した後にトルク脈動が目標範囲εを超えた場合は、時間積分処理を再開する。これにより、高調波学習部１５０は、ｍ次高調波成分が予め設定された目標範囲ε近傍まで抑えられていない間は時間積分による補正指令値の学習を行い、ｍ次高調波成分が予め設定された目標範囲ε近傍まで抑えられている間は時間積分による補正指令値の学習を停止する。ここで、高調波学習部１５０は、内部メモリにおいて振幅のゲイン・時間積分部１５１、位相ゲイン・時間積分部１５３で算出した値を逐次記憶しており、位相と振幅の時間積分処理を停止している間は、停止直前に記憶した値をもとに、補正指令値を出力するものとする。

図７は、トルク脈動を目標範囲ε近傍まで抑えたトルク波形Ｔ３を例示するグラフである。図７に示すように、誤差判定部１７０は、トルク脈動の最大値（黒丸）、すなわち変動するトルク波形Ｔ３の上限値及び下限値を、目標範囲ε近傍まで抑えている場合に、高調波学習部１５０における位相と振幅の時間積分処理を停止する。なお、トルク波形Ｔ３の上限値及び下限値を目標範囲ε近傍に抑える場合とは、トルク波形Ｔ３の上限値及び下限値が目標範囲εの上限値ε_ｕ及び下限値ε_ｌに略一致する状態を指すものとし、必ずしもトルク波形Ｔ３の上限値及び下限値が目標範囲ε内になくともよいものとする。

また、誤差判定部１７０は、トルク脈動（ｍ次高調波成分）を上述した目標範囲ε近傍まで抑えている場合に、正弦演算部１６０により演算された正弦波の電流補償値を、判定に合格した電流補償値として電流補正部１８０に出力する。電流補正部１８０では、誤差判定部１７０より出力された電流補償値をもとに補正したｄ軸とｑ軸の電流指令値を電流制御部１３へ出力する。したがって、電流補正部１８０は、誤差判定部１７０によりｍ次高調波成分が予め設定された目標範囲εまで抑えられていると判定されている場合に、正弦波の電流補償値をもとに補正した電流指令値を電流制御部１３へ出力している。

このように、トルク脈動を所定の目標範囲ε近傍まで抑えている場合は、高調波学習部１５０における位相と振幅の時間積分処理を停止し、トルク脈動が目標範囲εを超えた場合は時間積分処理を再開することで、上述した（場合１）、（場合２）を生じさせることなく、安定したトルク脈動の低減を実現する。

なお、誤差判定部１７０は、回転周期ごとに正弦演算部１６０より出力される値を逐次記憶する内部メモリを備え、前回の回転周期の値と今回の回転周期の値とを参照し、値が急変した場合は今回の値を破棄してもよい。なお、上述したように値が急変した場合は、前回の値を電流補正部１８０へ出力するものとする。このように、正弦演算部１６０より出力される前回の回転周期の値と、今回の回転周期の値とを参照し、値が急変した場合は今回の値を破棄することで、安定したトルク脈動の低減を実現してもよい。

＜変形例１＞
次に、軸トルクの代わりに電動機２の回転に伴う振動・騒音を直接検出する変形例１について説明する。図８は、変形例１にかかる電流補償部１２ａの構成の一例を示すブロック図である。図８に示すように、電流補償部１２ａでは、軸トルク検出部１１０の代わりの振動騒音検出部１１１と、トルク振幅／位相演算部１３０の代わりの振動騒音振幅／位相演算部１３１とを備える構成である。なお、電流補償部１２ａにおいて、前述した電流補償部１２と同一の構成については同一の符号を付して説明は省略する。

振動騒音検出部１１１は、電動機２又は取付装置４に設置された圧電素子、又はマイク等であり、電動機２の回転に伴う振動・騒音を検出する。振動騒音振幅／位相演算部１３１は、振動騒音検出部１１１より検出された振動・騒音、回転角検出部１７からの回転角、運転周波数指令部１２０からの運転周波数をもとに、振動・騒音に相当するｍ次高調波成分と、ｄ軸、ｑ軸の電流と、電気角位相とを演算する。

このように、電流補償部１２ａでは、軸トルクの代わりに振動・騒音を直接検出して得られるｍ次高調波成分をもとに、そのｍ次高調波成分を低減するように振幅補償値と位相補償値とを演算している。したがって、電流補償部１２ａにより、径方向の電動機２の固有振動数（例えば円環モード）を励起することなく、振動・騒音源となる径方向の電磁力を一定値（目標範囲ε）以下に低減し、低振動、低騒音化を安定して実現している。

＜変形例２＞
次に、軸トルクの代わりに電動機２へ供給する電流を検出して得られるｍ次高調波成分をもとに、そのｍ次高調波成分を低減するように振幅補償値と位相補償値とを演算する変形例２について説明する。図９は、変形例２にかかる電流補償部１２ｂの構成の一例を示すブロック図である。図９に示すように、電流補償部１２ｂでは、軸トルク検出部１１０の代わりの電流検出部１１２と、トルク振幅／位相演算部１３０の代わりの電流振幅／位相演算部１３２とを備える構成である。なお、電流補償部１２ｂにおいて、前述した電流補償部１２と同一の構成については同一の符号を付して説明は省略する。

電動機２の運転周波数の整数倍の電流や誘起電圧の歪みが電動機２のトルク脈動となる。そこで、電流補償部１２ｂでは、軸トルクを検出する軸トルク検出部１１０より安価に実現できる電流検出部１１２によって、電動機２へ供給する電流を検出する。電流振幅／位相演算部１３２は、電流検出部１１２より検出された電流、回転角検出部１７からの回転角、運転周波数指令部１２０からの運転周波数をもとに、ｍ次高調波成分と、ｄ軸、ｑ軸の電流と、電気角位相とを演算する。

図１０は、周波数領域における電流波形Ｉ１、Ｉ２の一例を示すグラフである。図１０に示すように、電動機２の電流波形Ｉ１は、周波数領域上の基本周波数ｆ１に対する整数倍周波数ｆ２、ｆ３においてトルク脈動となる歪みが生じている。そこで、電流検出部１１２より検出された電流波形Ｉ１をもとに、ｍ次高調波成分（整数倍周波数ｆ２、ｆ３における黒丸）を目標範囲ε近傍まで低減するように振幅補償値と位相補償値とを演算することで、電流波形Ｉ２を電動機２に出力でき、低振動、低騒音化を安定して実現できる。

＜変形例３〜５＞
次に、変形例３〜５について説明する。変形例３〜５では、軸トルク、振動・騒音、電流などについて集録された値が予め設定された上限値ε_ｕ、下限値ε_ｌを超える場合は破棄し、上限値ε_ｕ及び下限値ε_ｌの範囲内の値を採用することで、低振動、低騒音化を安定して実現する。

図１１は、変形例３にかかる電流補償部１２ｃの構成の一例を示すブロック図である。図１１に示すように、電流補償部１２ｃは、軸トルク検出部１１０により検出された軸トルクが所定の範囲を超えた異常値であるか否かを検出する異常値検出部１１３を備える。異常値検出部１１３では、軸トルク検出部１１０の軸トルクについて、予め設定された上限値ε_ｕ、下限値ε_ｌを超える値が集録された場合にその値を破棄し、上限値ε_ｕ及び下限値ε_ｌの範囲内の値を採用してトルク振幅／位相演算部１３０へ出力する。

図１２は、変形例４にかかる電流補償部１２ｄの構成の一例を示すブロック図である。図１２に示すように、電流補償部１２ｄは、振動騒音検出部１１１より検出された振動・騒音が所定の範囲を超えた異常値であるか否かを検出する異常値検出部１１３ａを備える。異常値検出部１１３ａでは、振動騒音検出部１１１より検出された振動・騒音について、予め設定された上限値ε_ｕ、下限値ε_ｌを超える値が集録された場合にその値を破棄し、上限値ε_ｕ及び下限値ε_ｌの範囲内の値を採用して振動騒音振幅／位相演算部１３１へ出力する。

図１３は、変形例５にかかる電流補償部１２ｅの構成の一例を示すブロック図である。図１３に示すように、電流補償部１２ｅは、電流検出部１１２より検出された電流が所定の範囲を超えた異常値であるか否かを検出する異常値検出部１１３ｂを備える。異常値検出部１１３ｂでは、電流検出部１１２より検出された電流について、予め設定された上限値ε_ｕ、下限値ε_ｌを超える値が集録された場合にその値を破棄し、上限値ε_ｕ及び下限値ε_ｌの範囲内の値を採用して電流振幅／位相演算部１３２へ出力する。

なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成することができる。例えば、実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。

１…電動機制御装置、２…電動機、３…負荷装置、４…取付装置、１１…ｄ／ｑ軸電流指令部、１２…電流補償部、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ…電流補償部、１３…電流制御部、１４…２相３相変換部、１５…駆動部、１６…３相２相変換部、１７…回転角検出部、１８…電流検出部、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ…電流検出器、２１〜２３…３相固定子巻線、１１０…軸トルク検出部、１１１…振動騒音検出部、１１２…電流検出部、１１３、１１３ａ、１１３ｂ…異常値検出部、１２０…運転周波数指令部、１３０…トルク振幅／位相演算部、１３１…振動騒音振幅／位相演算部、１３２…電流振幅／位相演算部、１４０…乗算器、１５０…高調波学習部、１５１…振幅のゲイン・時間積分部、１５２…乗算部、１５３…位相ゲイン・時間積分部、１５４…和算器、１６０…正弦演算部、１７０…誤差判定部、１８０…電流補正部、ｆ１…基本周波数、ｆ２、ｆ３…整数倍周波数、Ｉ１、Ｉ２…電流波形、Ｐ１…トルク指令値、Ｔ１〜Ｔ３…トルク波形、ε…目標範囲

Claims (8)

1. 電動機の回転角を検出する回転角検出手段と、
   前記電動機の軸トルクを検出する軸トルク検出手段と、
   前記検出された回転角と、前記検出された軸トルクとをもとに、前記電動機が発生する軸トルクに含まれるｍ次（ｍ＝１、２、…Ｌ）高調波成分を演算する高調波成分演算手段と、
   前記演算されたｍ次高調波成分と、前記電動機のｄ軸とｑ軸の電流値と、前記電動機の回転角の位相である電気角位相と、当該電気角位相と前記電動機の目標とする回転周波数である運転周波数との積と、を基に、時間積分して、前記ｍ次高調波成分を補正するための補正値を学習する学習手段と、
   前記学習された補正値をもとに、前記電動機へ供給する電流にかかる電流波形を演算する波形演算手段と、
   前記演算された電流波形について、前記ｍ次高調波成分が予め設定された範囲まで抑えられているか否かを判定する判定手段と、
   前記演算された電流波形をもとに、前記電動機への電流指令を出力する出力手段と、
   を備え、
   前記学習手段は、前記判定手段の判定結果をもとに、前記ｍ次高調波成分が予め設定された範囲まで抑えられていない間は前記時間積分による補正値の学習を行い、前記ｍ次高調波成分が予め設定された範囲まで抑えられている間は、前記時間積分による補正値の学習を停止する電動機制御装置。
2. 前記検出された軸トルクが予め設定された範囲を超えた異常値であるか否かを判定する異常判定手段を更に備え、
   前記演算手段は、前記検出された軸トルクの中で前記異常値でないと判定された軸トルクを用いて前記ｍ次高調波成分を演算する、
   請求項１に記載の電動機制御装置。
3. 電動機の回転角を検出する回転角検出手段と、
   前記電動機の回転に伴う振動・騒音を検出する振動・騒音検出手段と、
   前記検出された回転角と、前記検出された振動・騒音とをもとに、前記電動機が発生する軸トルクに含まれるｍ次（ｍ＝１、２、…Ｌ）高調波成分を演算する演算手段と、
   前記演算されたｍ次高調波成分と、前記電動機のｄ軸とｑ軸の電流値と、前記電動機の回転角の位相である電気角位相と、当該電気角位相と前記電動機の目標とする回転周波数である運転周波数との積と、を基に、時間積分して、前記ｍ次高調波成分を補正するための補正値を学習する学習手段と、
   前記学習された補正値をもとに、前記電動機へ供給する電流にかかる電流波形を出力する出力手段と、
   前記出力された電流波形について、前記ｍ次高調波成分が予め設定された範囲まで抑えられているか否かを判定する判定手段と、
   を備え、
   前記学習手段は、前記判定手段の判定結果をもとに、前記ｍ次高調波成分が予め設定された範囲まで抑えられていない間は前記時間積分による補正値の学習を行い、前記ｍ次高調波成分が予め設定された範囲まで抑えられている間は、前記時間積分による補正値の学習を停止する電動機制御装置。
4. 前記検出された振動・騒音が予め設定された範囲を超えた異常値であるか否かを判定する異常判定手段を更に備え、
   前記演算手段は、前記検出された振動・騒音の中で前記異常値でないと判定された振動・騒音を用いて前記ｍ次高調波成分を演算する、
   請求項３に記載の電動機制御装置。
5. 電動機の回転角を検出する回転角検出手段と、
   前記電動機へ供給する電流を検出する電流検出手段と、
   前記検出された回転角と、前記検出された電流とをもとに、前記電動機が発生する軸トルクに含まれるｍ次（ｍ＝１、２、…Ｌ）高調波成分を演算する演算手段と、
   前記演算されたｍ次高調波成分と、前記電動機のｄ軸とｑ軸の電流値と、前記電動機の回転角の位相である電気角位相と、当該電気角位相と前記電動機の目標とする回転周波数である運転周波数との積と、を基に、時間積分して、前記ｍ次高調波成分を補正するための補正値を学習する学習手段と、
   前記学習された補正値をもとに、前記電動機へ供給する電流にかかる電流波形を出力する出力手段と、
   前記出力された電流波形について、前記ｍ次高調波成分が予め設定された範囲まで抑えられているか否かを判定する判定手段と、
   を備え、
   前記学習手段は、前記判定手段の判定結果をもとに、前記ｍ次高調波成分が予め設定された範囲まで抑えられていない間は前記時間積分による補正値の学習を行い、前記ｍ次高調波成分が予め設定された範囲まで抑えられている間は、前記時間積分による補正値の学習を停止する電動機制御装置。
6. 前記検出された電流が予め設定された範囲を超えた異常値であるか否かを判定する異常判定手段を更に備え、
   前記演算手段は、前記検出された電流の中で前記異常値でないと判定された電流を用いて前記ｍ次高調波成分を演算する、
   請求項５に記載の電動機制御装置。
7. 前記出力手段は、前記判定手段により前記ｍ次高調波成分が予め設定された範囲まで抑えられていると判定されている場合に、前記演算された電流波形をもとにした電流指令を出力する、
   請求項１乃至６のいずれか一項に記載の電動機制御装置。
8. 前記電動機は永久磁石を回転子とした永久磁石同期電動機である、
   請求項１乃至７のいずれか一項に記載の電動機制御装置。

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