JP5904729B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ制御装置に係り、特に、永久磁石同期モータをトルク制御するに好適なモータ制御装置に関する。

従来、トルク制御するモータ制御装置において、モータの電気定数を演算するモータ定数演算部を備え、直交する２つの軸（ｄ軸およびｑ軸）のうち一方の軸上で定義される電気定数の設定値を、同一の軸上で定義される状態変数を用いた関数式で補正し、かつ他方の軸上で定義される状態変数を用いた関数式で補正するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

かかる方式により、永久磁石同期モータの電気定数をより簡便に設定することができる。その結果、その正確な電気定数をトルク制御に用いることにより、高トルク時においても、より高精度なトルク制御が可能となり、高応答かつ高効率にモータを駆動することができる。

特開２００９−１３６０８５号公報

しかしながら、特許文献１記載のものでは、モータ定数の設定誤差などについては触れられていない。モータ定数の設定誤差があると、その誤差分だけトルク制御の精度が低下することになる。

本発明の目的は、モータ定数の設定誤差も含めて補償して、高精度なトルク制御が可能なモータ制御装置を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、モータに対するトルク指令値から求められた電流指令値が、前記モータに電力変換器を介して供給される電流に対する電流検出値に一致するように、前記モータに供給される電流を制御する制御部を有するモータ制御装置であって、前記制御部は、前記モータが出力するトルクを推定し、推定された前記モータのトルク推定値が、前記トルク指令値に一致するように前記モータに供給される電流を制御し、前記制御部は、前記モータが出力するトルクを推定するトルク推定演算部と、ｄ軸及びｑ軸電流指令値と、ｄ軸及びｑ軸電流検出値と、速度推定値と、モータ定数の設定値に基づいて、ｄ軸及びｑ軸電圧指令値を算出する電圧ベクトル演算部と、該電圧ベクトル演算部が出力するｄ軸及びｑ軸電圧指令値と、前記速度推定値と、前記ｄ軸及びｑ軸電流検出値と、前記モータ定数の設定値に基づいて、前記モータの回転位相の推定値と前記モータの回転位相値との偏差である位相誤差の推定値である位相誤差推定値を出力する位相誤差推定演算部と、前記トルク推定演算部が推定した前記トルク推定値と前記トルク指令値との偏差の積分値を算出する位相誤差指令演算部と、前記位相誤差指令演算部が出力する前記積分値に、前記位相誤差推定演算部が出力する位相誤差推定値が一致するように、前記速度推定値を出力する速度推定演算部とを備えるようにしたものである。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記トルク推定演算部は、前記ｄ軸電圧指令値と前記ｄ軸電流検出値の乗算値と、前記ｑ軸電圧指令値と前記ｑ軸電流検出値の乗算値とを加算した第１の電力信号から、ｄ軸およびｑ軸電流検出値をそれぞれ２乗し、それらを加算した値に、前記モータの抵抗値を乗じた第２の電力信号を減算し、該減算値を前記速度推定値で除算した結果に、定数を乗じて算出するようにしたものである。

（３）上記（２）において、好ましくは、前記位相誤差推定演算部は、前記トルク推定演算部が推定した前記トルク推定値と前記トルク指令値との偏差に積分ゲインを乗して積分演算して、前記積分値を算出するようにしたものである。

（４）上記（１）において、好ましくは、前記トルク推定演算部は、前記電力変換器に対する３相の電圧指令値と３相の電圧検出値を、３相の各相毎に乗算し、それら乗算値を加算した第１の電力情報から、前記３相の電圧検出値を各相毎に２乗し、それらを加算した値に、前記モータの抵抗値を乗じた第２の電力信号を減算し、該減算値を該速度推定値で除算した結果に、定数を乗じて算出するようにしたものである。

（５）上記（１）において、好ましくは、前記トルク推定演算部は、前記電力変換器の直流電圧と直流電流を乗算した結果に、定数を乗じた第１の電力信号から、前記ｄ軸およびｑ軸電流検出値をそれぞれ２乗し、それらを加算した値に、前記モータの抵抗値を乗じた第２の電力信号を減算し、該減算値を前記速度推定値で除算した結果に、定数を乗じて算出するようにしたものである。

（６）上記目的を達成するために、本発明は、モータに対するトルク指令値から求められた電流指令値が、前記モータに電力変換器を介して供給される電流に対する電流検出値に一致するように、前記モータに供給される電流を制御する制御部を有するモータ制御装置であって、前記制御部は、前記モータが出力するトルクを推定し、推定された前記モータのトルク推定値が、前記トルク指令値に一致するように前記モータに供給される電流を制御し、前記制御部は、前記モータが出力するトルクを推定するトルク推定演算部と、ｄ軸及びｑ軸電流指令値と、ｄ軸及びｑ軸電流検出値と、速度推定値と、モータ定数の設定値に基づいて、ｄ軸及びｑ軸電圧指令値を算出する電圧ベクトル演算部と、前記トルク推定演算部が推定した前記トルク推定値と前記トルク指令値との偏差から、ｑ軸インダクタンスの修正値を算出するｑ軸インダクタンス修正演算部と、前記電圧ベクトル演算部が出力するｄ軸及びｑ軸電圧指令値と、前記速度推定値と、前記ｄ軸及びｑ軸電流検出値と、前記モータ定数の設定値と、前記ｑ軸インダクタンスの修正値に基づいて、前記モータの回転位相の推定値と前記モータの回転位相値との偏差である位相誤差の推定値である位相誤差推定値を出力する位相誤差推定演算部と、該位相誤差推定演算部が出力する前記位相誤差推定値が零となるように、前記速度推定値を出力する速度推定演算部とを備えるようにしたものである。

（７）上記（６）において、好ましくは、前記ｑ軸インダクタンス修正演算部は、前記トルク推定演算部が推定した前記トルク推定値と前記トルク指令値との偏差に積分ゲインを乗して積分演算して、前記ｑ軸インダクタンス修正値を算出するようにしたものである。

本発明によれば、モータ定数の設定誤差も含めて補償して、高精度なトルク制御が可能となる。

本発明の第1の実施形態によるモータ制御装置を用いたモータ駆動システムの構成について説明する。 従来のモータ制御装置を用いたモータ駆動システムにおける出力トルクの変動の説明図である。 本発明の第1の実施形態によるモータ制御装置に用いるトルク推定演算部の動作説明図である。 本発明の第1の実施形態によるモータ制御装置に用いる位相誤差指令演算部の動作説明図である。 本発明の第1の実施形態によるモータ制御装置を用いたモータ駆動システムにおける出力トルクの変動の説明図である。 本発明の第1の実施形態によるモータ制御装置に用いるトルク推定演算部の他の構成の説明図である。 本発明の第２の実施形態によるモータ制御装置を用いたモータ駆動システムの構成について説明する。 本発明の第２の実施形態によるモータ制御装置に用いるトルク推定演算部の動作説明図である。 本発明の第３の実施形態によるモータ制御装置を用いたモータ駆動システムの構成について説明する。 本発明の第３の実施形態によるモータ制御装置に用いるｑ軸インダクタンス修正演算部の動作説明図である。 本発明の第３の実施形態によるモータ制御装置に用いる位相誤差推定演算部の動作説明図である。 本発明の各実施形態によるモータ制御装置を適用する作業車両の構成図である。 本発明の各実施形態によるモータ制御装置を適用する作業車両の構成図である。

以下、図１〜図６を用いて、本発明の第1の実施形態によるモータ制御装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態によるモータ制御装置を用いたモータ駆動システムの構成について説明する。
図１は、本発明の第1の実施形態によるモータ制御装置を用いたモータ駆動システムの構成について説明する。
本実施形態によるモータ駆動システムは、モータ制御装置１００と、電力変換器ＩＮＶと、永久磁石同期モータ（ＰＭモータ；交流モータ）ＭＯＴと、トルク指令設定部ＴＳとから構成されている。

永久磁石同期モータ（ＰＭモータ；交流モータ）ＭＯＴは、永久磁石及び界磁巻線を備えた回転子と、電機子巻線を備えた固定子とから構成される。永久磁石同期モータＭＯＴは、永久磁石の磁束によるトルク成分と、電機子巻線のインダクタンスによるトルク成分を合成したトルクを出力する。永久磁石同期モータＭＯＴは、図１２を用いて後述するように、作業車両に用いられるモータである。本実施形態のモータ制御装置１００は、かかるモータＭＯＴを制御するために用いられる。

電力変換器ＩＮＶは、３相交流の電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*に基づいて、直流電源Ｂから供給される直流電圧を３相交流電圧に変換し、永久磁石同期モータＭＯＴに供給し、永久磁石同期モータＭＯＴの出力トルクを可変する。

電流検出器ＳＩは、永久磁石同期モータＭＯＴの３相の交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出する。

トルク指令設定部ＴＳは、モータ制御装置１００に対して、永久磁石同期モータＭＯＴが出力するトルクの指令値であるトルク指令値τ*を出力する。トルク指令値τ*は、「零」を含む「正負極性」の値である。トルク指令設定部ＴＳは、モータ制御装置１００に対する上位の制御装置の内部に備えられる。

モータ制御装置１００は、座標変換部１０と、位相誤差推定演算部１５と、トルク推定演算部２０と、位相誤差指令演算部２５と、速度推定演算部３０と、位相演算部３５と、ｄ軸電流指令設定部４０と、電流指令変換演算部４５と、ｄ軸電流制御演算部５０と、ｑ軸電流制御演算部５５と、電圧ベクトル演算部６０と、座標変換部６５と、差演算部ＤＦ１，ＤＦ２，ＤＦ３，ＤＦ４とを備えている。

座標変換部１０は、永久磁石同期モータＭＯＴに供給される３相の交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの電流検出器ＳＩによる検出値である電流検出値Ｉｕｃ，Ｉｖｃ，Ｉｗｃと、位相演算部３５によって推定された回転位相の推定値θｄｃとから、ｄ軸およびｑ軸の電流検出値Ｉｄｃ，Ｉｑｃを出力する。

位相誤差推定演算部１５は、電圧ベクトル演算部６０が出力する電圧指令値Ｖｄｃ*，Ｖｑｃ*と、速度推定演算部３０によって推定された速度推定値ω＾と、座標変換部１０が出力する電流検出値Ｉｄｃ，Ｉｑｃと、予め設定されている永久磁石同期モータＭＯＴの電気定数（Ｒ，Ｌｄ，Ｌｑ，Ｋｅ）に基づいて、回転位相の推定値θｄｃと永久磁石同期モータＭＯＴの回転位相値θｄとの偏差である位相誤差Δθ（＝（θｄｃ−θｄ））の推定演算により、位相誤差推定値Δθｃを出力する。ここで、電気定数（Ｒ，Ｌｄ，Ｌｑ，Ｋｅ）は、位相誤差推定演算部１５の内部に設定値として保持されている。電気定数（Ｒ，Ｌｄ，Ｌｑ，Ｋｅ）の値としては、本実施形態のモータ制御装置１００によって駆動制御される永久磁石同期モータＭＯＴの設計値を設定保持している。なお、実際に用いられる個々の永久磁石同期モータＭＯＴの電気定数（Ｒ，Ｌｄ，Ｌｑ，Ｋｅ）の値は、永久磁石同期モータＭＯＴの電気定数（Ｒ，Ｌｄ，Ｌｑ，Ｋｅ）の設計値とは異なるものであるが、両者の誤差、及び個々の永久磁石同期モータＭＯＴの電気定数（Ｒ，Ｌｄ，Ｌｑ，Ｋｅ）が経時変化することにより生じる設定値との誤差は、以下に説明するトルク推定演算部２０及び位相誤差指令演算部２５を用いることにより、補償されるものである。

トルク推定演算部２０は、電圧ベクトル演算部６０が出力する電圧指令値Ｖｄｃ*，Ｖｑｃ*と、速度推定演算部３０によって推定された速度推定値ω＾と、座標変換部１０が出力する電流検出値Ｉｄｃ，Ｉｑｃとを用いて、出力トルクの推定演算を行い、トルク推定値τ＾を出力する。

差演算部ＤＦ１は、トルク指令設定部ＴＳが出力するトルク指令値τ*と、トルク推定演算部２０が算出したトルク推定値τ＾との偏差（τ*−τ＾）を算出する。位相誤差指令演算部２５は、差演算部ＤＦ１が出力する偏差（τ*−τ＾）を比例・積分演算し、その出力値を位相誤差の指令値Δθｃ*として出力する。

差演算部ＤＦ２は、位相誤差推定演算部１５が出力する位相誤差Δθと、位相誤差指令演算部２５が出力する位相誤差の指令値Δθｃ*との差（Δθｃ*−Δθ）を演算し、出力する。

速度推定演算部３０は、差演算部ＤＦ２が出力する差（Δθｃ*−Δθ）が零となるように、すなわち、位相誤差指令演算部２５が出力する位相誤差の指令値Δθｃ*に、位相誤差指令演算部２５が出力する位相誤差の推定値Δθｃが一致するように、速度推定値ω＾を出力する。

なお、ここで、「位相誤差の指令値Δθｃ*に、位相誤差の推定値Δθｃが一致する」とは、位相誤差の指令値Δθｃ*と位相誤差の推定値Δθｃとが厳密に一致する場合だけでなく、位相誤差の指令値Δθｃ*に対して、位相誤差の推定値Δθｃがある許容範囲内となる場合も含むものである。

位相演算部３５は、速度推定演算部３０が算出した速度推定値ω＾を積分して、得られた回転位相の推定値θｄｃを座標変換部１０，６５に出力する。

ｄ軸電流指令設定部４０は、「零」あるいは「負極性」の値であるｄ軸の電流指令値Ｉｄ*を出力する。

電流指令変換演算部４５は、トルク指令設定部ＴＳからのトルク指令値τ*と、ｄ軸電流指令設定部４０が出力するｄ軸の電流指令値Ｉｄ*と、永久磁石同期モータＭＯＴの電気定数（Ｌｄ，Ｌｑ，Ｋｅ）を用いて、ｑ軸の電流指令値Ｉｑ*を算出する。ここで、電気定数（Ｌｄ，Ｌｑ，Ｋｅ）は、電流指令変換演算部４５の内部に設定値として保持されている。電気定数（Ｌｄ，Ｌｑ，Ｋｅ）の値としては、本実施形態のモータ制御装置１００によって駆動制御される永久磁石同期モータＭＯＴの設計値を設定保持している。

差演算部ＤＦ３は、ｄ軸電流指令設定部４０が出力する第１のｄ軸の電流指令値Ｉｄ*と、座標変換部１０が出力する電流検出値Ｉｄｃとの偏差（Ｉｄ*−Ｉｄｃ）を算出する。

ｄ軸電流制御演算部５０は、差演算部ＤＦ３が算出した偏差（Ｉｄ*−Ｉｄｃ）から、第２のｄ軸の電流指令値Ｉｄ**を出力する。

差演算部ＤＦ４は、電流指令変換演算部４５が出力する第１のｑ軸の電流指令値Ｉｑ*と、座標変換部１０が出力する電流検出値Ｉｑｃとの偏差（Ｉｑ*−Ｉｑｃ）を算出する。

ｑ軸電流制御演算部５５は、差演算部ＤＦ４が算出した偏差（Ｉｑ*−Ｉｑｃ）から、第２のｑ軸の電流指令値Ｉｑ**を出力する。

電圧ベクトル演算部６０は、ｄ軸電流制御演算部５０が出力する第２のｄ軸の電流指令値Ｉｄ**と、ｑ軸電流制御演算部５５が出力する第２のｑ軸の電流指令値Ｉｑ**と、速度推定値ω＾と、予め設定されている永久磁石同期モータＭＯＴの電気定数（Ｒ，Ｌｄ，Ｌｑ，Ｋｅ）とに基づいて、ｄ軸およびｑ軸の電圧指令値Ｖｄｃ*，Ｖｑｃ*をそれぞれ出力する。

座標変換部６５は、電圧ベクトル演算部６０が出力する電圧指令値Ｖｄｃ*，Ｖｑｃ*と、位相演算部３５が推定した回転位相の推定値θｄｃとから、３相交流の電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*をそれぞれ出力する。

すなわち、本実施形態では、モータに対するトルク指令値τ*から求められたｑ軸電流指令値Ｉｑ*及び設定されているｄ軸電流指令値Ｉｄ*が、モータに電力変換器を介して供給される電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗに対するｄ軸及びｑ軸電流検出値ｄｃ，Ｉｑｃに一致するように、モータに供給される電流を制御している。 なお、ここで、「ｄ軸及びｑ軸電流検出値Ｉｄｃ，Ｉｑｃに、ｄ軸及びｑ軸電流指令値Ｉｄ*，Ｉｑ*が一致する」とは、ｄ軸及びｑ軸電流検出値Ｉｄｃ，Ｉｑｃとｄ軸及びｑ軸電流指令値Ｉｄ*，Ｉｑ*とが厳密に一致する場合だけでなく、ｄ軸及びｑ軸電流検出値Ｉｄｃ，Ｉｑｃに対して、ｄ軸及びｑ軸電流指令値Ｉｄ*，Ｉｑ*がある許容範囲内となる場合も含むものである。以上のフィードバック制御により、モータのトルクがトルク指令値に一致するようにモータに供給される電流が制御される。但し、モータ定数に誤差があると、実際にモータから出力されるトルク値は、トルク指令値とは異なることになる。

次に、本実施形態のモータ制御装置１００の動作について説明するが、最初に、本実施形態の特徴である「トルク推定演算部２０」及び「位相誤差指令演算部２５」を用いない場合の、位置センサレス制御方式の基本動作について説明する。

永久磁石同期モータＭＯＴの出力トルクτは、以下の式（１）によって示すことができる。

ここに、Ｐｍ：モータの極対数、Ｋｅ：発電係数、Ｌｄ：ｄ軸のインダクタンス、Ｌｑ：ｑ軸のインダクタンス、Ｉｄ：モータのｄ軸電流、Ｉｑ：モータのｑ軸電流である。

ここで、制御軸である回転位相の推定値θｄｃとモータ軸である回転位相値θｄとの偏差である位相誤差Δθ（＝（θｄｃ−θｄ））が発生した場合、制御軸（（ｄｃ−ｑｃ）軸）上の電流検出値Ｉｄｃ，Ｉｑｃから、モータ軸（（ｄ−ｑ）軸）上のモータ電流Ｉｄ，Ｉｑへの座標変換行列は、式（２）となる。

ここで、式（２）において、図１におけるｄ軸電流指令設定部４０が出力するｄ軸の電流指令値Ｉｄ*を「ゼロ」に設定して（Ｉｄ*＝Ｉｄｃ＝０）、電流制御を行うと、式（２）は式（３）となる。

式（３）を、出力トルク式である式（１）に代入すると、式（４）が得られる。

一般的に、ｑ軸インダクタンスＬｑは、ｄ軸インダクタンスＬｄと式（５）のような関係にあるので、

式（４）において、位相誤差Δθが発生すると、出力トルクの第２項成分は、
Δθ＞０の場合：増加方向
Δθ＜０の場合：減少方向
となる。つまり、位相誤差Δθが「負極性」で発生すると、出力トルクτは減少することになる。

一方、図１の電圧ベクトル演算部１５では、第２のｄ軸およびｑ軸の電流指令値Ｉｄ**、Ｉｑ**と速度推定値ω＾および電気定数（Ｒ，Ｌｄ，Ｌｑ，Ｋｅ）の設定値を用いて演算される、ｄ軸およびｑ軸の電圧指令値Ｖｄｃ*，Ｖｄｃ*は、式（６）となる。

ここで、位相誤差Δθが存在する場合、制御側で演算したモータの印加電圧Ｖｄ，Ｖｑは式（７）となる。

一方、ｄ軸及びｑ軸のモータ印加電圧Ｖｄ，Ｖｑは、位相誤差Δθと、電流検出値Ｉｄｃ，Ｉｑｃと、モータ定数とを用いて表すと、式（８）となる。

ここで、式（７）＝式（８）の関係から、ｄ軸の電流指令値Ｉｄ*を「ゼロ」に設定し、ｑ軸の電流指令値Ｉｑ*に所定値と与えると、ｄ軸およびｑ軸の電流制御演算部５０，５５の出力値Ｉｄ**，Ｉｑ**は、式（９）となる。

また、位相誤差推定演算部５では、ｄ軸およびｑ軸の電流検出値Ｉｄｃ，Ｉｑｃと、速度推定値ω＾と、モータ定数とを用いて、位相差推定値Δθｃを式（１０）に従い演算する。

ここで、式（６）、式（９）を式（１０）に代入すると、式（１１）が得られる。

速度推定演算部３０は、位相誤差推定演算部５の出力値である位相誤差の推定値Δθｃが、位相誤差の指令値Δθｃ*（＝０）に一致するように速度推定値ω＾を演算する。一定速度では、式（１１）の分子項は「ゼロ」となることから、式（１２）が成立する。

ここで、式（１２）において、位相誤差Δθについて整理すると、式（１３）を得ることができる。

つまり、モータ電流を流すことによりｑ軸インダクタンスＬｑが減少方向に変化、あるいはｑ軸インダクタンスについてのモータ定数の設定値Ｌｑ*に誤差がある場合には、式（１３）の関係で、位相誤差Δθが発生する。

Ｌｑ*＞Ｌｑの場合：Δθは「負」
Ｌｑ*＜Ｌｑの場合：Δθは「正」
式（１３）の結果を式（４）に当てはめると、
Ｌｑ*＞Ｌｑの場合、Δθは「負」となり、出力トルクは減少方向、
Ｌｑ*＜Ｌｑの場合、Δθは「正」となり、出力トルクは増加方向、
となる。

ここで、図２を用いて、上述したトルクの減少について説明する。
図２は、従来のモータ制御装置を用いたモータ駆動システムにおける出力トルクの変動の説明図である。

本実施形態の特徴である「トルク推定演算部２０」及び「位相誤差指令演算部２５」を用いない場合のトルク制御特性について説明する。

図１の制御装置において、位相誤差の指令値Δθｃ*は「０」、「電圧ベクトル演算部１５」と「位相誤差推定演算部５」に設定するｑ軸インダクタンスについてのモータ定数の設定値Ｌｑ*は、Ｌｑ*＞Ｌｑの関係で設定している（出力トルクが減少する方向）。

図２（Ａ）は、トルク指令τ*を１００％ステップ変化させた場合の出力トルクτを示し、図２（Ｂ）は交流のモータ電流Ｉｕを示し、図２（Ｃ）は位相誤差Δθの関係を示す。

トルク指令τ*は、図２（Ａ）に破線で示すように１００％与えているので、図２（Ｂ）に示すように、交流のモータ電流Ｉｕも１００％発生しているが、実際の位相誤差Δθは、図２（Ｃ）に示すように、定常的に例えば、−３０（ｄｅｇ）発生している。そのため、実際の出力トルクτは、図２（Ａ）に示すように例えば、８０％まで減少する。

それに対して、本実施形態では、「トルク推定演算部２０」、「位相誤差指令演算部２５」を導入することで、トルク指令τ*通りの出力トルクτが得られる高精度なトルク制御を実現できるものである。

次に、図３及び図４を用いて、本発明の第1の実施形態によるモータ制御装置において、「トルク推定演算部２０」、「位相誤差指令演算部２５」を用いた場合の、動作原理について説明する。
図３は、本発明の第1の実施形態によるモータ制御装置に用いるトルク推定演算部の動作説明図である。図４は、本発明の第1の実施形態によるモータ制御装置に用いる位相誤差指令演算部の動作説明図である。

モータの磁束軸から観た有効電力Ｐは、式（１４）となる。

ここに、式（３）を代入することで、制御の基準軸上での有効電力の演算値Ｐｃを、式（１５）により得ることができる。

図３に示す「トルク推定演算部２０」は、式（１５）の有効電力の演算値Ｐｃを用いて、出力トルクτの推定演算を行う。

式（１５）から、永久磁石同期モータの銅損成分（Ｒ×Ｉｑｃ^２）を減算し、その演算値を速度推定値ω＾で除算してから、定数（３／２×Ｐｍ）を乗じる式（１６）の演算を行うことで、トルク推定演算部２０は、式（４）の出力トルクτを高精度に推定することができる。

また、図４に示す「位相誤差指令演算部２５」においては、トルク指令τ*に出力トルク推定値τ＾が追従するように、トルク指令τ*と出力トルク推定値τ＾の偏差に積分ゲインＡを乗じて積分演算（あるいは比例＋積分演算でも良い）を行い、τ位相誤差の指令値Δθｃ*を作成する。

速度推定演算部３０は、この指令値Δθｃ*に位相誤差の推定値Δθｃが一致するように、τ度推定値τ＾を演算する。

このようなフィードバック・ループを組むことで、モータ定数に誤差があったとしても、その誤差を補償して、高精度なトルク制御を実現することができる。

ここで、図５を用いて、本実施形態における出力トルクの変動について説明する。
図５は、本発明の第1の実施形態によるモータ制御装置を用いたモータ駆動システムにおける出力トルクの変動の説明図である。

本発明を用いた場合のトルク制御特性について説明する。

図１の制御装置において、「電圧ベクトル演算部１５」と「位相誤差推定演算部５」に設定するＬｑ*は、Ｌｑ*＞Ｌｑの関係で設定している（図２と同条件）。

図５（Ａ）は、トルク指令τ*を１００％ステップ変化させた場合の出力トルクτを示し、図５（Ｂ）はモータ電流Ｉｕを示し、図５（Ｃ）は位相誤差Δθの関係を示している。

図２の場合と同様に、図５（Ａ）に破線で示すようにトルク指令τ*を１００％与えているが、時刻ｔ１の点から、図５（Ｃ）に破線で示す位相誤差の指令値Δθｃτが定常的には例えば＋２０（ｄｅｇ）発生し、制御軸の位相を進めることで、実際の位相誤差Δθは「ゼロ」となり、図５（Ａ）に示すように、トルク指令τ*通りの出力トルク１００％を達成することができる。

次に、図６を用いて、本実施形態によるモータ制御装置に用いるトルク推定演算部の他の構成について説明する。
図６は、本発明の第1の実施形態によるモータ制御装置に用いるトルク推定演算部の他の構成の説明図である。

図３に示したでは、トルク推定演算部２０は、ｄ軸およびｑ軸の電圧指令値と電流検出値を用いて推定演算を行ったが、その代わりに、図６に示す構成にしてもよいものである。すなわち、トルク推定演算部２０ａは、３相の電圧指令値（Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*）と、３相の電流検出値（Ｉｕｃ，Ｉｖｃ，Ｉｗｃ）を用いて、出力トルクτの推定演算を行う。

具体的には、以下の式（１７）の演算を、

行うことで、式（１６）と同等に、式（４）の出力トルクτを高精度に推定することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、位置センサを用いない永久磁石同期モータの制御装置において、位置センサレス制御系の位相誤差（制御の基準軸とモータの磁束軸との位相差）の推定演算に設定するｑ軸インダクタンスに誤差が生じている場合でも、有効電力値から演算したトルク推定値がトルク指令値に一致する様に、位相誤差の指令値を演算することにより、トルク指令値通りの出力トルクを実現できるものとなる。このように、モータ定数の設定誤差も含めて補償して、高精度なトルク制御が可能となる。

次に、図７及び図８を用いて、本発明の第２の実施形態によるモータ制御装置の構成及び動作について説明する。
図７は、本発明の第２の実施形態によるモータ制御装置を用いたモータ駆動システムの構成について説明する。図８は、本発明の第２の実施形態によるモータ制御装置に用いるトルク推定演算部の動作説明図である。

本実施形態のモータ制御装置１００ａが、図１に示したモータ制御装置１００と相違する点は、図１のモータ制御装置１００におけるトルク推定演算部２０に代えて、トルク推定演算部２０ｂを備えるようにした点である。

直流電源Ｂは、電力変換器ＩＮＶに直流電圧を供給し、直流電圧ＥDCと直流電流ＩDCをトルク推定演算部２０ｂに出力する。

トルク推定演算部２０ｂは、電力変換器の情報（ＥDC，ＩDC）と、ｄ軸およびｑ軸の電流検出値（Ｉｄｃ，Ｉｑｃ）と、速度推定値ω＾を用いて、出力トルクτ＾の推定演算を行う。

すなわち、図１に示したトルク推定演算部２０は、制御系の電圧・電流情報を用いて出力トルクの推定演算を行ったが、本例では、トルク推定演算部２０ｂは、電力変換器の直流電圧と直流電流の情報を用いて出力トルクの推定演算を行うようにしている。

図８に示すように、トルク推定演算部２０ｂは、以下の式（１８）の演算を行うことで、

式（１６）と同等に式（４）の出力トルクτを高精度に推定することができる。

本実施形態によっても、モータ定数の設定誤差も含めて補償して、高精度なトルク制御が可能となる。

次に、図９〜図１１を用いて、本発明の第３の実施形態によるモータ制御装置の構成及び動作について説明する。
図９は、本発明の第３の実施形態によるモータ制御装置を用いたモータ駆動システムの構成について説明する。図１０は、本発明の第３の実施形態によるモータ制御装置に用いるｑ軸インダクタンス修正演算部の動作説明図である。図１１は、本発明の第３の実施形態によるモータ制御装置に用いる位相誤差推定演算部の動作説明図である。

本実施形態のモータ制御装置１００ｂが、図１に示したモータ制御装置１００と相違する点は、図１のモータ制御装置１００における位相誤差推定演算部１５及び位相誤差指令演算部２５に代えて、位相誤差推定演算部１５ａ及びｑ軸インダクタンス修正演算部２５ａを備えるようにした点である。また、位相誤差指令値設定部７０を備えている。

すなわち、図１や図７に示した例では、トルク指令τ*に出力トルク推定値τ＾が追従するように、位相誤差の指令値Δθｃ*を作成している。

それに対して、本例では、位相誤差の指令値Δθｃ*の代わりに、ｑ軸インダクタンス修正値ΔＬｑ*作成し、ｑ軸インダクタンスについてのモータ定数の設定値Ｌｑ*とｑ軸インダクタンス修正値ΔＬｑ*の加算値で、位相誤差の推定値Δθｃ１の推定演算を行うようにしている。

位相誤差推定演算部１５ａは、電圧ベクトル演算部６０が出力する電圧指令値Ｖｄｃ*，Ｖｑｃ*と、速度推定演算部３０によって推定された速度推定値ω＾と、座標変換部１０が出力する電流検出値Ｉｄｃ，Ｉｑｃと、予め設定されている永久磁石同期モータＭＯＴの電気定数（Ｒ，Ｌｄ，Ｌｑ，Ｋｅ）と、ｑ軸インダクタンスの修正値ΔＬｑ*とに基づいて、回転位相の推定値θｄｃと永久磁石同期モータＭＯＴの回転位相値θｄとの偏差である位相誤差Δθの推定演算により、位相誤差推定値Δθｃ１を出力する。

ｑ軸インダクタンス修正演算部２５ａは、差演算部ＤＦ１が出力する偏差（τ*−τ＾）を比例・積分演算し、その出力値をｑ軸インダクタンスの修正値ΔＬｑ*として出力する。

図１０に示すように、ｑ軸インダクタンス修正演算部２５ａは、トルク指令値τ*に出力トルク推定値τ＾が追従するように、トルク指令値τ*と出力トルク推定値τ＾の偏差に積分ゲインＢを乗じて積分演算を行い、ｑ軸インダクタンスの修正値ΔＬｑ*を作成する。なお、ここで、積分演算に代えて、比例＋積分演算でもよいものである。

図１１に示すように、位相誤差推定演算部１５ａは、電圧ベクトル演算部６０が出力する電圧指令値Ｖｄｃ*，Ｖｑｃ*と、速度推定演算部３０によって推定された速度推定値ω＾と、座標変換部１０が出力する電流検出値Ｉｄｃ，Ｉｑｃと、予め設定されている永久磁石同期モータＭＯＴの電気定数（Ｒ，Ｌｄ，Ｌｑ，Ｋｅ）と、ｑ軸インダクタンスの修正値ΔＬｑ*とに基づいて、位相誤差の推定値Δθｃ１を式（１９）に従い演算する。

差演算部ＤＦ２は、位相誤差推定演算部１５ａが出力する位相誤差Δθと、位相誤差指令値設定部７０が出力する位相誤差の指令値Δθｃ*との差（Δθｃ*−Δθ）を演算し、出力する。なお、位相誤差指令値設定部７０が出力する位相誤差の指令値Δθｃ*は、ここでは、「ゼロ」である。従って、差演算部ＤＦ２は、位相誤差推定演算部１５ａが出力する位相誤差Δθをそのまま出力している。

本例でも、ｑ軸インダクタンスを修正することで、図１における位相誤差指令演算部２５を設けた場合と同等のトルク制御特性を実現することができる。

尚、本実施例では、トルク推定演算部２０において、ｄ軸およびｑ軸の電圧指令値と電流検出値を用いて推定演算を行ったが、
図６に示すトルク推定演算部２０ａ、図８に示すトルク推定演算部２０ｂを用いてもよいものである。

本実施形態によっても、モータ定数の設定誤差も含めて補償して、高精度なトルク制御が可能となる。

以下、図１〜図１１に示した第１〜第３の実施形態に対する変形零について説明する。第１〜第３の実施形態では、第１の電流指令値（Ｉｄ*，Ｉｑ*）と電流検出値（Ｉｄｃ，Ｉｑｃ）から、第２の電流指令値（Ｉｄ**，Ｉｑ**）を作成して、この電流指令値を用いてベクトル制御演算を行っている。

それに対して、例えば、第１の電流指令値（Ｉｄ*，Ｉｑ*）と電流検出値（Ｉｄｃ，Ｉｑｃ）から、電圧補正値（ΔＶｄ*，ΔＶｑ*）を作成して、この電圧補正値（ΔＶｄ*，ΔＶｑ*）と、第１の電流指令値（Ｉｄ*，Ｉｑ*）と、速度推定値ω＾と、モータＭＯＴの電気定数を用いて、以下の式（２０）に従い、

電圧指令値（Ｖｄｃ*，Ｖｑｃ*）を演算するようにしてもよいものである。

また、第１〜第３の実施形態に対して、第１のｄ軸の電流指令Ｉｄ*（＝ ０）と、ｑ軸の電流検出値Ｉｑｃの一次遅れ信号Ｉｑｃｔｄと、速度推定値ω＾と、モータＭＯＴの電気定数とを用いて、以下の式（２１）に従い、

電圧指令値（Ｖｄｃ*，Ｖｑｃ*）を演算するようにしてもよいものである。

また、第１から第３の実施形態では、高価な電流検出器ＳＩで検出した３相の交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検出する方式であったが、電力変換器ＩＮＶの過電流検出用に取り付けているワンシャント抵抗に流れる直流電流ＩDCから、３相のモータ電流Ｉｕ＾，Ｉｖ＾，Ｉｗ＾を再現し、この再現電流値を用いることもできる。

次に、図１２及び図１３を用いて、本発明の各実施形態によるモータ制御装置を適用する作業車両の構成について説明する。
図１２及び図１３は、本発明の各実施形態によるモータ制御装置を適用する作業車両の構成図である。

図１２は、作業車両の一例として、フォークリフト２０１の構成を示している。

フォークリフト２０１は、その車体２０２の前部に左右一対の前車輪（駆動輪）２０３が設けられるとともに、後部に左右一対の後車輪（換向輪）２０４が設けられ、そして車体２０２の前部で上方には運転部２０５が設けられる。前記車体２０２の前端部には上下方向で伸縮自在なマスト２０６が、車幅方向のマスト連結軸２０７を介して前後方向に傾動自在に取り付けられるとともに、前後傾動を行わせるティルトシリンダー２０８が、車体２０２とマスト２０６との間に設けられる。

前記マスト２０６は、車体２０２側の左右一対の外枠２０９と、この外枠２０９に内枠ローラを介して案内されて昇降自在な左右一対の内枠２１１とからなり、そして外枠２０９と内枠２１１との間にリフトシリンダー２１２が設けられている。また、内枠側にブラケットローラ２１３を介して案内されて昇降自在なリフトブラケット２１４が設けられるとともに、マスト２０６とリフトブラケット２１４との間にリフト連動手段２１５が設けられている。前記リフトブラケット２１４には、保持枠体２２０を介して左右一対のフォーク２２１が設けられている。前記運転部２０５には、座席２２２や、この座席２２２の前方に位置されるハンドル２２３などが配設され、そして上方にはヘッドガード２２４が配設されている。さらに座席２２２の後方で車体２０２上にはカウンターウエイト２２５が設けられている。

図１に示したモータ制御装置１００により制御される永久磁石同期モータＭＯＴは、車輪（駆動輪）２０３を駆動する走行駆動用のモータである。

図１３は、作業車両の他の例として、油圧ショベル３０１の構成を示している。

建設機械としてのクローラ式の油圧ショベル３０１は、自走可能な下部走行体３０２と、該下部走行体３０２上に旋回可能に搭載され、該下部走行体３０２と共に車体を構成する上部旋回体３０３と、該上部旋回体３０３の前側に俯仰動可能に設けられ、土砂の掘削作業等を行なう作業装置３０４とにより大略構成されている。上部旋回体３０３の旋回フレーム３０５は、支持構造体からなる車体フレームとして構成されている。

図１に示したモータ制御装置１００により制御される永久磁石同期モータＭＯＴは、下部走行体３０２に対して上部旋回体３０３を旋回させるための旋回モータである。

Ｂ…直流電源
ＩＮＶ…電力変換器
ＭＯＴ…永久磁石同期モータ
ＳＩ…電流検出器、
ＴＳ…トルク指令設定部
１０…座標変換部
１５、１５ａ…位相誤差推定演算部
２０、２０ａ、２０ｂ…トルク推定演算部
２５…位相誤差指令演算部
２５ａ…ｑ軸インダクタンス修正演算部
３０…速度推定演算部
３５…位相演算部
４０…ｄ軸電流指令設定部
４５…電流指令変換演算部
５０…ｄ軸電流制御演算部
５５…ｑ軸電流制御演算部
６０…電圧ベクトル演算部
６５…座標変換部
７０…位相誤差指令値設定部
１００…モータ制御装置

Claims (7)

1. モータに対するトルク指令値から求められた電流指令値が、前記モータに電力変換器を介して供給される電流に対する電流検出値に一致するように、前記モータに供給される電流を制御する制御部を有するモータ制御装置であって、
   前記制御部は、前記モータが出力するトルクを推定し、推定された前記モータのトルク推定値が、前記トルク指令値に一致するように前記モータに供給される電流を制御し、
   前記制御部は、
   前記モータが出力するトルクを推定するトルク推定演算部と、
   ｄ軸及びｑ軸電流指令値と、ｄ軸及びｑ軸電流検出値と、速度推定値と、モータ定数の設定値に基づいて、ｄ軸及びｑ軸電圧指令値を算出する電圧ベクトル演算部と、
   該電圧ベクトル演算部が出力するｄ軸及びｑ軸電圧指令値と、前記速度推定値と、前記ｄ軸及びｑ軸電流検出値と、前記モータ定数の設定値に基づいて、前記モータの回転位相の推定値と前記モータの回転位相値との偏差である位相誤差の推定値である位相誤差推定値を出力する位相誤差推定演算部と、
   前記トルク推定演算部が推定した前記トルク推定値と前記トルク指令値との偏差の積分値を算出する位相誤差指令演算部と、
   前記位相誤差指令演算部が出力する前記積分値に、前記位相誤差推定演算部が出力する位相誤差推定値が一致するように、前記速度推定値を出力する速度推定演算部とを備えることを特徴とするモータ制御装置。
2. 請求項１記載のモータ制御装置において、
   前記トルク推定演算部は、
   前記ｄ軸電圧指令値と前記ｄ軸電流検出値の乗算値と、前記ｑ軸電圧指令値と前記ｑ軸電流検出値の乗算値とを加算した第１の電力信号から、
   ｄ軸およびｑ軸電流検出値をそれぞれ２乗し、それらを加算した値に、前記モータの抵抗値を乗じた第２の電力信号を減算し、
   該減算値を前記速度推定値で除算した結果に、定数を乗じて算出することを特徴とするモータ制御装置。
3. 請求項２記載のモータ制御装置において、
   前記位相誤差推定演算部は、前記トルク推定演算部が推定した前記トルク推定値と前記トルク指令値との偏差に積分ゲインを乗して積分演算して、前記積分値を算出することを特徴とするモータ制御装置。
4. 請求項１記載のモータ制御装置において、
   前記トルク推定演算部は、
   前記電力変換器に対する３相の電圧指令値と３相の電圧検出値を、３相の各相毎に乗算し、それら乗算値を加算した第１の電力情報から、
   前記３相の電圧検出値を各相毎に２乗し、それらを加算した値に、前記モータの抵抗値を乗じた第２の電力信号を減算し、
   該減算値を該速度推定値で除算した結果に、定数を乗じて算出することを特徴とするモータ制御装置。
5. 請求項１記載のモータ制御装置において、
   前記トルク推定演算部は、
   前記電力変換器の直流電圧と直流電流を乗算した結果に、定数を乗じた第１の電力信号から、
   前記ｄ軸およびｑ軸電流検出値をそれぞれ２乗し、それらを加算した値に、前記モータの抵抗値を乗じた第２の電力信号を減算し、
   該減算値を前記速度推定値で除算した結果に、定数を乗じて算出することを特徴とするモータ制御装置。
6. モータに対するトルク指令値から求められた電流指令値が、前記モータに電力変換器を介して供給される電流に対する電流検出値に一致するように、前記モータに供給される電流を制御する制御部を有するモータ制御装置であって、
   前記制御部は、前記モータが出力するトルクを推定し、推定された前記モータのトルク推定値が、前記トルク指令値に一致するように前記モータに供給される電流を制御し、
   前記制御部は、
   前記モータが出力するトルクを推定するトルク推定演算部と、
   ｄ軸及びｑ軸電流指令値と、ｄ軸及びｑ軸電流検出値と、速度推定値と、モータ定数の設定値に基づいて、ｄ軸及びｑ軸電圧指令値を算出する電圧ベクトル演算部と、
   前記トルク推定演算部が推定した前記トルク推定値と前記トルク指令値との偏差から、ｑ軸インダクタンスの修正値を算出するｑ軸インダクタンス修正演算部と、
   前記電圧ベクトル演算部が出力するｄ軸及びｑ軸電圧指令値と、前記速度推定値と、前記ｄ軸及びｑ軸電流検出値と、前記モータ定数の設定値と、前記ｑ軸インダクタンスの修正値に基づいて、前記モータの回転位相の推定値と前記モータの回転位相値との偏差である位相誤差の推定値である位相誤差推定値を出力する位相誤差推定演算部と、
   該位相誤差推定演算部が出力する前記位相誤差推定値が零となるように、前記速度推定値を出力する速度推定演算部とを備えることを特徴とするモータ制御装置。
7. 請求項６記載のモータ制御装置において、
   前記ｑ軸インダクタンス修正演算部は、前記トルク推定演算部が推定した前記トルク推定値と前記トルク指令値との偏差に積分ゲインを乗して積分演算して、前記ｑ軸インダクタンス修正値を算出することを特徴とするモータ制御装置。

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