JP5920671B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

開示の実施形態は、モータ制御装置に関する。

特許文献１には、モータの高速回転時に入力電圧の増減変化に応じてｄ軸電流を流して弱め界磁を行うことで駆動を安定させる定出力制御の技術が記載されている。

特許第３６８６９８７号公報

しかし、このような定出力制御では、高速回転時における入力電圧が常に最大に維持されるだけであり、モータへの入力電圧と入力電流の積で表される入力電力が大きくなりやすい。このため、上記の定出力制御は、入力電力に対するモータ出力の電力変換効率の観点で改善する余地があった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、高速回転時でもモータを高効率で安定して駆動できるモータ制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、交流モータの駆動を制御するモータ制御装置であって、電圧指令値を算出するように構成された電圧算出部と、前記モータの駆動特性に対応して電力変換効率が略最大となる第１電圧制限値を生成するように構成された電圧制限値生成部と、前記第１電圧制限値と前記電圧指令値の偏差に基づいてｄ軸電流を調整するように構成されたｄ軸電流調整部と、前記モータが、回転子から出る磁束の強さを可変にできるモータであった場合、前記モータの出力に関係する少なくとも１つの第２パラメータ群と、前記第２パラメータ群に対応して前記電力変換効率が略最大となる前記モータの界磁率との相関を記憶する界磁率マップに基づいて界磁率指令を生成し、前記モータへ出力するように構成された界磁率指令生成部と、前記モータにおける界磁率を検出するように構成された界磁率検出部と、を有し、前記電圧制限値生成部は、前記界磁率指令生成部が生成した前記界磁率指令と、前記界磁率検出部が検出した前記界磁率との間に所定以上の差異がある場合、当該差異に応じて前記第１電圧制限値を前記電圧指令値より大きくなるよう修正するように構成される、モータ制御装置が適用される。

本発明によれば、高速回転時でもモータを高効率で安定して駆動できる。

第１実施形態に係るモータ制御装置の機能ブロック図である。 従来型の定出力制御を行う第１比較例のモータ制御装置の機能ブロック図である。 第１比較例において、入力電力、入力電圧、ｄ軸電流の関係を示すチャートである。 第２比較例において、入力電力、入力電圧、ｄ軸電流の関係を示すチャートである。 第１実施形態において、入力電力、入力電圧、ｄ軸電流の関係を示すチャートである。 可変界磁モータの一例における軸直交断面である。 可変界磁モータの一例における回転子の外観斜視図である。 第２実施形態に係るモータ制御装置の機能ブロック図である。 第３実施形態において、入力電力、入力電圧、ｄ軸電流の関係を示すチャートである。 第３実施形態に係るモータ制御装置の機能ブロック図である。

＜第１実施形態の基本構成＞
以下、一実施の形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、第１の実施形態に係るモータ制御装置の機能ブロック図を示している。この図１において、Ｉｑ演算部２と、Ｉｄ演算部３と、ＡＣＲ４と、ｄｑ／３相変換部５と、ＰＷＭ変換部６と、インバータ７と、電流検出部８と、モータＭと、エンコーダＰＧと、３相／ｄｑ変換部９と、速度演算部１０と、電圧指令値演算部１１と、電圧制限値生成部１２と、電圧制限部１３と、加算器１４と、減算器１５が示されている。このうちインバータ７、モータＭ、及びエンコーダＰＧを除いた構成部が、本実施形態のモータ制御装置１を構成する。

Ｉｑ演算部２及びＩｄ演算部３は、それぞれ入力された同一のトルク指令Ｔｒｅｆから、モータＭのトルクの発生に大きく影響を与えるｑ軸成分のｑ軸電流指令Ｉｑｒｅｆと、励磁に大きく影響を与えるｄ軸成分のｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆを算出する。これらの演算は、それぞれ算出式に基づいて行われる。ｑ軸電流指令ＩｑｒｅｆはそのままＡＣＲ４に入力され、ｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆは後述の電圧制限部１３の出力と加算器１４で加算された後にＡＣＲ４に入力される。なお、モータＭの種類（例えばＩＰＭモータなど）によっては、ｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆもトルクに多少の影響を与える場合がある。

ＡＣＲ４は、上記のｑ軸電流指令Ｉｑｒｅｆとｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆが入力されるとともに、後述の３相／ｄｑ変換部９から検出ｑ軸電流値Ｉｑと検出ｄ軸電流値Ｉｄが入力され、各軸に対応してそれらの間の偏差に基づきｑ軸電圧指令Ｖｑｒｅｆとｄ軸電圧指令Ｖｄｒｅｆを出力する電流制御部としての機能を有する。

ｄｑ／３相変換部５は、後述のエンコーダＰＧから検出されたモータＭの回転位置θに基づいて、上記のｑ軸電圧指令Ｖｑｒｅｆとｄ軸電圧指令Ｖｄｒｅｆを、Ｕ相電圧指令Ｖｕ、Ｖ相電圧指令Ｖｖ、及びＷ相電圧指令Ｖｗの３相電圧指令に座標変換する。

ＰＷＭ変換部６は、上記の３相電圧指令Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと内部で生成した搬送波（三角波）との比較に基づくＰＷＭ変換により、各相に対応するＰＷＭドライブ信号を出力する。

インバータ７は、上記の各相対応のＰＷＭドライブ信号に基づくスイッチング動作により、特に図示しない外部電源からの供給電力をＰＷＭ制御で各相の駆動電力に変換してモータＭに給電する。

電流検出部８は、インバータ７から給電された各相の駆動電力の駆動電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗをそれぞれ検出する。

モータＭは、本実施形態の例では回転型の３相交流モータであり、インバータ７から給電された各相の駆動電力により駆動する。なお、このモータＭは、回動型以外にも直動型のものも適用可能である。

エンコーダＰＧは、例えば光学式のロータリエンコーダなどで構成され、モータＭの回転位置θを検出する。なお、モータＭが直動型の場合は、例えばリニアスケールなどを用いてモータＭの可動子の駆動位置を検出する。

３相／ｄｑ変換部９は、エンコーダＰＧから検出されたモータＭの回転位置θに基づいて、上記電流検出部８から検出された各相の駆動電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを、検出ｑ軸電流値Ｉｑと検出ｄ軸電流値Ｉｄに座標変換する。また上述したように、上記のＡＣＲ４は、トルク指令Ｔｒｅｆに基づくｑ軸電流指令Ｉｑｒｅｆ及びｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆと、実際にモータＭに入力される検出ｑ軸電流値及び検出ｄ軸電流値Ｉｄとの間の偏差に基づいてｑ軸電圧指令Ｖｑｒｅｆ及びｄ軸電圧指令Ｖｄｒｅｆを出力する。これにより、ＡＣＲ４、ｄｑ／３相変換部５、ＰＷＭ変換部６、インバータ７、電流検出部８、及び３相／ｄｑ変換部９で電流制御（トルク制御）のためのフィードバックループが構成され、モータＭに実際に入力される電流をトルク指令Ｔｒｅｆの値に対応して追従するよう制御する。なお、特に図示しないが、トルク指令Ｔｒｅｆは上位制御装置から直接入力されてもよいし、またはさらに速度制御用のフィードバックループや、位置制御用のフィードバックループを設けてそれらから入力されてもよい。

電圧指令値演算部１１は、上記ＡＣＲ４が出力したｑ軸電圧指令Ｖｑｒｅｆとｄ軸電圧指令Ｖｄｒｅｆに基づいて、それらのｑ軸成分とｄ軸成分を合成したモータＭへの入力電圧の指令値に相当する電圧指令値Ｖ１を演算する。なお、この電圧指令値演算部１１が、各請求項記載の電圧算出部に相当する。

速度演算部１０は、エンコーダＰＧで検出したモータＭの回転位置θに基づいて、モータＭの回転速度ωを演算する。具体的な演算内容としては、モータ回転位置θを微分演算することでモータ回転速度ωを算出する。

電圧制限値生成部１２は、上記速度演算部１０が算出したモータ回転速度ωとトルク指令Ｔｒｅｆに基づいて効率電圧制限値Ｖｌｉｍｉｔを生成する。なお、この効率電圧制限値Ｖｌｉｍｉｔｉの内容と生成手法については、後に詳述する。また、この効率電圧制限値Ｖｌｉｍｉｔが、各請求項記載の第１電圧制限値に相当する。

減算器１５は、上記電圧制限値生成部１２で生成された効率電圧制限値Ｖｌｉｍｉｔと、上記電圧指令値演算部１１で算出された電圧指令値Ｖ１との間の偏差を算出する。

電圧制限部１３は、上記減算器１５が算出した偏差に基づいてｄ軸電流調整信号ΔＩｄｒｅｆを出力し、これを加算器１４でｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆだけに加算する。これにより、モータＭの高速回転時における入力電圧の増減変化に応じてｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆを調整し、モータＭの駆動を安定させる定出力制御が可能となる。なお、定出力制御については後に詳述する。また、減算器１５、電圧制限部１３、及び加算器１４が、各請求項記載のｄ軸電流調整部に相当する。

以上のように本実施形態のモータ制御装置１では、トルク指令Ｔｒｅｆに対応する電流指令をｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆとｑ軸電流指令Ｉｑｒｅｆに分けたｄｑ軸ベクトル制御を行うことにより、制御構成が比較的単純な直流モータと同等に交流モータＭを機能的に制御できる。

＜従来型との対比：第１の比較例＞
ここで、比較例となる従来型のモータ制御装置を２つ示し、それらとの対比により上記本実施形態のモータ制御装置１の機能を説明する。図２は、従来型の定出力制御を行う第１の比較例のモータ制御装置１０１の機能ブロック図を示している。

この図２に示す従来型のモータ制御装置１０１は、上記図１に示した本実施形態のモータ制御装置１と比較して、速度演算部１０と電圧制限値生成部１２を設けずに、上記効率電圧制限値Ｖｌｉｍｉｔｉの代わりにあらかじめ固定的に設定された飽和電圧制限値Ｖｐｎを用いている点で相違している。その他の構成については本実施形態のモータ制御装置１と同等であるため、説明を省略する。

一般的に、モータＭは回転することで逆起電圧として作用する誘起電圧が内部的に生じ、所定速度以上の高速回転時には入力電圧の多くが誘起電圧によって相殺され、巻線に電流を流せなくなるため、それ以上トルクを上げることができなくなる。しかしこのような電圧飽和時にｄ軸電流Ｉｄを流すことで、コアに逆向きの磁束を発生させて相殺させることで（いわゆる弱め界磁）、巻線に電流が流せるようになるため、より高速に回転させることができる。つまり、通常ではｄ軸成分はモータＭの駆動に直接大きく寄与しないが、高速回転時においては入力電圧の増減変化に応じてｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆを制御することでモータＭの駆動を安定させる定出力制御を実現できる。

この定出力制御の具体的な手法を、図３を用いて説明する。図３は、位相角の変化に対する入力電力Ｐｉｎ、入力電圧Ｖ１、ｄ軸電流Ｉｄの変化を示すチャートである。位相角とはｄｑ軸座標における入力電力ベクトルの位相角であり、これが大きいほどｑ軸電流に対するｄ軸電流Ｉｄの比率が増加し、すなわちｄ軸電流Ｉｄが緩やかに単調増加する。これにより、比較的小さい範囲での位相角の増減はｄ軸電流Ｉｄの増減にほぼ同等にみなせる。

入力電力Ｐｉｎは、当該モータ制御装置１０１の内部における各指令に基づいて仮想的に算出されるモータＭへの入力電力であり、Ｐｉｎ＝ＶＩｃｏｓδの算出式で表せる（δは入力電力Ｐｉｎの電流と電圧の位相差）。この入力電力Ｐｉｎは、図示するように、ある位相角において極小値を持ち、そこから位相角を増加または減少させる変化に対して入力電力Ｐｉｎが上下逆向きの略放物曲線状に増加する特性を持つ。またこの入力電力Ｐｉｎに対して、モータＭから実際に出力された機械的な仕事量を電力値に換算したものが出力電力Ｐｏｕｔ（特に図示せず）に相当し、Ｐｏｕｔ＝Ｔ・Ｎの算出式で表せる（Ｔは出力トルク、Ｎはモータ回転数（＝モータ回転速度ω））。そして、入力電力Ｐｉｎに対する出力電力Ｐｏｕｔの比Ｐｏｕｔ／ＰｉｎがモータＭにおける電力変換効率ηに相当し、つまりこの電力変換効率ηが高いほど少ない入力電力Ｐｉｎで所望のモータ出力を引き出せる。

入力電圧Ｖ１は、モータＭに入力される電圧であり、上記電圧指令値演算部１１が算出する電圧指令値Ｖ１と同等である。この入力電圧Ｖ１は、図示するように、位相角の増加に対して単調減少から単調増加へと略Ｖ字状に変化する特性がある。この特性は、上述したようにｄ軸電流Ｉｄの増加により弱め界磁の効果を大きくすることで入力電圧Ｖ１を単調減少できるものの、ある限界点（略Ｖ字状曲線の変化点）を超えてｄ軸電流Ｉｄを増加した場合には逆に入力電圧Ｖ１を単調増加させてしまうために生じる。また、この入力電圧Ｖ１は、モータ回転速度ω（モータ回転数Ｎ）が増加すると略Ｖ字状曲線全体がそのまま上方に移動し、位相角の全範囲に渡って入力電圧Ｖ１が等しく増加する特性も有している。

そして上記の従来型のモータ制御装置１０１で設定される飽和電圧制限値Ｖｐｎは、上述したモータＭ内部の誘起電圧で入力電圧Ｖ１が相殺されることにより電圧飽和状態を生じさせる閾値に相当し、入力電圧Ｖ１がそれを超えると定速回転中でもトルクの変動に対してモータＭの駆動が不安定となる。つまり、入力電圧Ｖ１が飽和電圧制限値Ｖｐｎ以下となる位相角範囲内だけが、モータＭを安定駆動可能な駆動可能範囲となる。この飽和電圧制限値Ｖｐｎは、通常はインバータ７に供給される電源電圧で決まるパラメータである。なお、この飽和電圧制限値Ｖｐｎが、各請求項記載の第２電圧制限値に相当する。

ここで、上述したｄｑ軸ベクトル制御では、ｄ軸電流Ｉｄを調整することで、モータ回転速度ωを維持したまま入力電圧Ｖ１のバランスを取ることができる。つまり、図３のチャートにおいて、モータ回転数Ｎが一定であることを前提とした場合（入力電圧Ｖ１に対応する略Ｖ字状曲線の上下位置が一定である場合）に、位相角を増減変化（ｄ軸電流Ｉｄを増減変化）させることによって上述した弱め界磁の効果を調整し、モータＭを上記の駆動可能範囲内の状態に維持させることができる。具体的には、図３中に示すように、駆動可能範囲内で特に入力電圧Ｖ１の略Ｖ字状曲線の単調減少範囲内（弱め界磁有効範囲内）に位置する点Ｐ１に対応した値となるようｄ軸電流Ｉｄを調整すればよい。

このようなｄ軸電流Ｉｄの調整を行うために、上記図２に示した従来型のモータ制御装置１０１では、固定値である飽和電圧制限値Ｖｐｎと電圧指令値Ｖ１との間の偏差に基づいて電圧制限部１３がｄ軸電流調整信号ΔＩｄｒｅｆを出力し、これを加算器１４でｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆに加算する。なお、電圧制限部１３内部の処理については、例えば適宜のゲインやフィードフォワードなどを用いて偏差が小さくなるようにするいわゆるＰＩＤ制御等を行えばよい。この構成により、モータ回転速度が変化して図３中の入力電圧Ｖ１の曲線の上下位置が変化した場合でも、常に点Ｐ１が駆動可能範囲内（入力電圧Ｖ１が飽和電圧制限値Ｖｐｎ以下）に収まるようｄ軸電流Ｉｄが調整される。すなわち、高速回転時においても入力電圧Ｖ１の増減変化に応じてモータＭの駆動を安定させる定出力制御を実現できる。

しかしながら上記従来型の定出力制御では、高速回転時における入力電圧Ｖ１が常に駆動可能範囲内における最大値（つまり飽和電圧制限値Ｖｐｎとほぼ同等）に維持されるだけであり、モータＭへの入力電圧Ｖ１と入力電流の積で表される入力電力Ｐｉｎが大きくなりやすい。このため、上記の定出力制御は、入力電力Ｐｉｎに対する出力電力Ｐｏｕｔの電力変換効率η（＝Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ）の観点で改善する余地があった。

＜従来型との対比：第２の比較例＞
次に、電力変換効率ηの最適化を図るための手法として従来型のマップ制御を行う第２の比較例のモータ制御装置について説明する。

第２比較例のモータ制御装置２０１は、上記図１に示した本実施形態のモータ制御装置１と比較して、Ｉｄ演算部３、電圧指令値演算部１１、電圧制限値生成部１２、及び電圧制限部１３を設けずに、Ｉｄ演算部３の代わりにトルク指令Ｔｒｅｆ及びモータ回転速度ωに基づくマップ制御によりｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆを生成するｄ軸電流指令生成部を設ける点で相違している（図示省略）。その他の構成については本実施形態のモータ制御装置１と同等であるため、説明を省略する。

このマップ制御の具体的な手法を、上記図３に対応する図４を用いて説明する。上述したように、電力変換効率ηは入力電力Ｐｉｎに対する出力電力Ｐｏｕｔの比Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎで表される。このため、所望する出力電力Ｐｏｕｔ（＝Ｔ・Ｎ；分子）を引き出すために必要とされる入力電力Ｐｉｎ（＝ＶＩｃｏｓδ；分母）をできるだけ小さく抑えることで電力変換効率ηを向上できる。また上述したように、入力電力Ｐｉｎは、位相角の変化（ｄ軸電流Ｉｄの変化）に対し、ある位相角で極小値を持つ逆放物線曲線状の特性を持っている。

そこで当該第２比較例では、この入力電力Ｐｉｎが極小値となる位相角に対応したｄ軸電流Ｉｄ（図中の点Ｐ２参照）をピンポイントで設定し、これに対応するｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆを用いてｄｑ軸ベクトル制御を行う。つまり、トルクにあまり影響を与えない場合が多いｄ軸電流Ｉｄを適切に設定することで、入力電力Ｐｉｎを極小値としながら所望の出力電力Ｐｏｕｔを得ることができ、電力変換効率ηを向上させるようバランスを取ることができる。

このようなｄ軸電流Ｉｄの設定を行うために、上記図４に示した従来型のモータ制御装置２０１では、上記のｄ軸電流指令生成部がトルク指令Ｔｒｅｆとモータ回転速度ωに基づいて適切なｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆを生成し、ＡＣＲ４に出力する。ここで、図中に示したような位相角の変化に対する入力電力Ｐｉｎの増減特性（逆放物線状曲線の全体形状や配置で示される特性）は、モータＭの出力の変化に応じて変化する。そのため、入力電力Ｐｉｎの極小値もまたモータ出力に応じて変化するが、これらの間の関係性は制御対象のモータＭの機械的特性及び電気的特性に依存しており、単純な算出式に当てはまらない複雑な関係である場合が多い。

このため当該第２比較例では、上記のｄ軸電流指令生成部がその内部にｄ軸電流マップを備え、これを参照して適切なｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆを生成する。このｄ軸電流マップは、モータ出力に関係するパラメータをキー変数とし、これらに対応して入力電力Ｐｉｎを極小値にできるｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆとの相関を記憶している。当該第２比較例における具体例としては、トルクＴとモータ回転数Ｎの２つのパラメータで直交座標を取り、それらの組み合わせに対応して入力電力Ｐｉｎを極小値にできるｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆを記憶した２元テーブルでｄ軸電流マップを構成する（特に図示せず）。なお当該第２比較例では、実際にモータＭが出力したトルクＴを検出する代わりに、トルク指令Ｔｒｅｆを用いてｄ軸電流マップを参照する。

しかしながら上記従来型のマップ制御では、ｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆを半固定的に設定するために駆動可能範囲から外れる可能性がある。例えば、上述したようにモータ回転数Ｎが高くなると入力電圧Ｖ１の特性曲線（略Ｖ字状曲線）の全体が上方に移動して飽和電圧制限値Ｖｐｎ以下となる位相角範囲、つまり駆動可能範囲が狭くなることから、ｄ軸電流Ｉｄの設定精度がより厳格に要求される。しかし、制御対象のモータＭの設計上の理論値で設定されているｄ軸電流マップの内容に対して、モータＭのロットによる製作誤差や、作動中の温度変化などといった実作動の要因による特性誤差が生じた場合には、そのような誤差に対応できずにｄ軸電流Ｉｄが駆動可能範囲から外れてモータＭの駆動を不安定にさせる可能性がある。これに対して、誤差の発生が想定できるパラメータも含めてｄ軸電流マップを作成する対策も考えられるが、そのようにマップの座標となるパラメータを増やして多元的なテーブルで作成した場合には膨大なマップデータが必要となる。

＜第１実施形態の特徴＞
以上説明した２つの従来型の比較例に対して、本実施形態では以下の手法によりモータＭの駆動制御を行う。すなわち、上記図３、図４に対応する図５に示すように、入力電力Ｐｉｎが極小値となる位相角に対応した入力電圧Ｖ１を効率電圧制限値Ｖｌｉｍｉｔとして設定する。そして、飽和電圧制限値Ｖｐｎに代えてこの効率電圧制限値Ｖｌｉｍｉｔに基づいて定出力制御を行う（図中の点Ｐ３参照）。

具体的には、上記図１に示す本実施形態のモータ制御装置１において、電圧制限値生成部１２が、トルク指令Ｔｒｅｆとモータ回転速度ωに基づいて電力変換効率ηが略最大となる効率電圧制限値Ｖｌｉｍｉｔを生成する。そして、電圧制限部１３が、効率電圧制限値Ｖｌｉｍｉｔと電圧指令値Ｖ１の偏差に基づいてｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆを調整する。

ここで、上述したように、位相角の変化に対する入力電力Ｐｉｎの増減特性や極小値の配置は、モータＭの出力の変化に応じて変化する。そこで本実施形態の例では、電圧制限値生成部１２がその内部に電圧制限値マップを備え、これを参照して適切な効率電圧制限値Ｖｌｉｍｉｔを生成する。この例における電圧制限値マップは、モータ出力に関係するトルクＴ（トルク指令Ｔｒｅｆで代用）とモータ回転数Ｎ（＝モータ回転速度ω）の２つのパラメータで直交座標を取り、それらの組み合わせに対応して入力電力Ｐｉｎを極小値（電力変換効率ηを略最大）にできる効率電圧制限値Ｖｌｉｍｉｔを記憶した２元テーブルで電圧制限値マップを構成する（特に図示せず）。そしてこのようなトルクＴとモータ回転数Ｎをキー変数とした電圧制限値マップから得られる効率電圧制限値Ｖｌｉｍｉｔは、飽和電圧制限値Ｖｐｎよりも低い値で生成される。なお、本実施形態の例におけるトルク指令Ｔｒｅｆとモータ回転速度ωが、各請求項記載の第１パラメータ群に相当する。

これにより、モータＭへの入力電圧を制御する電圧指令値Ｖ１が、定出力制御により効率電圧制限値Ｖｌｉｍｉｔに安定維持される。つまり、高速回転時におけるモータＭへの入力電圧Ｖ１が、駆動対象のモータＭの駆動特性に対応して電力変換効率ηが略最大となる効率電圧制限値Ｖｌｉｍｉｔに常に維持される。このとき、上述したようなモータＭの製作誤差や実作動の要因による特性誤差が生じた場合でも、本実施形態では定出力制御によって入力電圧Ｖ１が飽和電圧制限値Ｖｐｎより低い効率電圧制限値Ｖｌｉｍｉｔに常に維持されるため、駆動可能範囲から外れることはない。

＜第１実施形態により得られる効果＞
以上説明した第１実施形態によれば、次のような効果を得る。すなわち、本実施形態のモータ制御装置１では、モータＭへの入力電圧Ｖ１を制御する電圧指令値Ｖ１が、減算器１５、電圧制限部１３、及び加算器１４により効率電圧制限値Ｖｌｉｍｉｔに安定維持される。つまり、高速回転時におけるモータＭへの入力電圧Ｖ１が常に効率電圧制限値Ｖｌｉｍｉｔに維持される。この効率電圧制限値Ｖｌｉｍｉｔは、駆動対象のモータＭの駆動特性に対応して電力変換効率ηが略最大となる電圧値であるため、高速回転時でもモータＭを高効率で安定して駆動できる。また、モータＭの製作誤差や実作動の要因による特性誤差が生じた場合でも、入力電圧Ｖ１が飽和電圧制限値Ｖｐｎより低い効率電圧制限値Ｖｌｉｍｉｔに常に維持されるため、駆動可能範囲から外れることはない。

また、電力変換効率η（入力電力Ｐｉｎの極小値）は、例えばモータ検出速度、速度指令、トルク指令Ｔｒｅｆ等といったモータＭの出力に関係するパラメータの影響を大きく受けて変動し、またそれらの関係性は使用するモータＭの駆動特性（機械的特性、電気的特性）で大きく相違する。さらに、電力変換効率ηとパラメータとの関係性は、単純な算出式に当てはまらない複雑な関係である場合が多い。このため、本実施形態では特に、電圧制限値生成部１２が、モータＭの出力に関係する少なくとも１つのパラメータ群（検出速度、速度指令、トルク指令Ｔｒｅｆ等）と、このパラメータ群に対応して電力変換効率ηが略最大となる効率電圧制限値Ｖｌｉｍｉｔとの相関を記憶する電圧制限値マップに基づいて効率電圧制限値Ｖｌｉｍｉｔを生成する。これにより、パラメータ群のそれぞれの値に対応して電力変換効率ηが略最大となる効率電圧制限値Ｖｌｉｍｉｔを、迅速かつ正確に生成できる。

また、本実施形態では特に、電圧制限値マップで使用するパラメータ群は、トルク指令Ｔｒｅｆの値とモータ回転数Ｎである。これにより、電力変換効率ηが特に影響を受けるモータＭのトルクと回転数をパラメータ群とすることで、効率電圧制限値Ｖｌｉｍｉｔを適切に生成できる。

なお、上記第１実施形態では電圧制限値生成部１２が電圧制限値マップを用いたマップ制御により効率電圧制限値Ｖｌｉｍｉｔを生成したが、これに限られない。上述したように、電力変換効率ηは入力電圧Ｖ１を含む算出式（Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ）で算出できる。このため、電力変換効率ηとモータ出力に関係するパラメータ群との関係性が所定の算出式で近似できる場合には、電力変換効率ηが略最大となる効率電圧制限値Ｖｌｉｍｉｔもパラメータ群を用いた算出式で算出してもよい。この場合、電圧制限値マップを備える必要がないため、記憶装置等における記憶容量の省容量化が可能となる。

なお、開示の実施形態は、上記に限られるものではなく、その趣旨及び技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。以下、そのような変形例を説明する。

＜第２実施形態＞
上述した効率電圧制限値Ｖｌｉｍｉｔに基づく定出力制御は、界磁率を可変制御可能な可変界磁モータの駆動制御に特に好適である。本実施形態では、可変界磁モータを制御対象とした場合の適用例について説明する。なお、以下において界磁率とは、鎖交磁束が最大となるときの誘起電圧定数に対する、相対的に回動させたときの誘起電圧定数の割合（値の範囲としては、０％〜１００％）を言う。

＜可変界磁モータの概要＞
まず可変界磁モータの概要について説明する。図６は、可変界磁モータＭｍの一例における軸直交断面を示し、図７（ａ）（ｂ）は回転子のみを斜視で示している。この例の可変界磁モータＭｍは３相交流モータで構成されており、内部には油圧駆動機構を備えている。可変界磁モータＭｍは、固定子１１０と、固定子１１０に対し回転自在に支持された回転子１２０とを有し、回転子１２０が固定子１１０に対し回転することで、回転子１２０に結合されたシャフト１３０を回転させ、回転力を出力する。

固定子１１０は、空芯コイルで構成された巻線１１１と、鉄心１１２とを備え、電機子として構成されている。

回転子１２０は、磁界を発生する磁極部１２１と、鉄心１２２とを備え、界磁として構成されている。

磁極部１２１は、軸方向に３分割されており、シャフト１３０の外周に固定された中央の磁極部１２１ａに対し負荷側磁極部１２１ｂ及び反負荷側磁極部１２１ｃが相対的に回動可能となっている。各磁極部１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃは、鉄心１２２に設けられた略Ｖ字形状の装着孔に磁界を発生する磁石１２３が着磁方向を対面又は背面としつつ装着されることで構成されている。

可変界磁モータＭｍには後述する界磁調整機構１７が接続されており、この内部には特に図示しない油圧制御部が設けられている。この油圧制御部は、シャフト１３０に設けられた増磁側油導入路１３２及び減磁側油導入路１３３を通して、シャフト１３０に設けられた油圧室１３４に油圧を供給する。これにより、油圧制御部は、油圧室１３４に装着された移動自在の受圧プレート１５０を円周方向に移動させ、受圧プレート１５０に一体に締結された負荷側界極部１２１ｂ及び反負荷側磁極部１２１ｃを中央の磁極部１２１ａに対し相対的に回動させることで、固定子１１０と回転子１２０との間を鎖交する鎖交磁束を変化させる。なお、可変界磁モータＭｍ内部に備えられた油圧駆動機構は、上記の増磁側油導入路１３２、減磁側油導入路１３３、油圧室１３４、受圧プレート１５０等により構成されている。つまり、油圧駆動機構は、界磁調整機構１７の油圧制御部の制御により油圧室１３４に油圧を供給することで、負荷側界極部１２１ｂ及び反負荷側磁極部１２１ｃを中央の磁極部１２１ａに対し相対的に回動させるというような、回転子１２０に対する機械的な調整により、鎖交磁束を変化させる。

すなわち、鎖交磁束を弱めるときには、油圧制御部の制御により減磁側油導入路１３３から油圧室１３４へ高圧のオイルが導入され、受圧プレート１５０が円周方向一方側へ移動することで、中央の磁極部１２１ａに対する負荷側磁極部１２１ｂ及び反負荷側磁極部１２１ｃの相対角度が増加される。図７（ａ）に示す状態では、負荷側磁極部１２１ｂ及び反負荷側磁極部１２１ｃは、中央の磁極部１２１ａに対し相対的に大きく回動し、磁極同士が相殺して鎖交磁束は弱くなっている。

一方、鎖交磁束を強めるときには、油圧制御部の制御により増磁側油導入路１３２から油圧室１３４へ高圧のオイルが導入され、受圧プレート１５０が円周方向他方側へ移動することで、中央の磁極部１２１ａに対する負荷側磁極部１２１ｂ及び反負荷側磁極部１２１ｃの相対角度が減少される。図７（ｂ）に示す状態では、負荷側磁極部１２１ｂ及び反負荷側磁極部１２１ｃは、中央の磁極部１２１ａと磁極を並べ、鎖交磁束は最も強くなっている。

＜第２実施形態の構成と特徴＞
以上のような可変界磁モータＭｍを駆動対象とする本実施形態のモータ制御装置の機能ブロック図を図８に示す。この図８に示すモータ制御装置１Ａは、上記図１に示した第１実施形態のモータ制御装置１と比較して、可変界磁モータＭｍが界磁調整機構１７を備えるとともに、トルク指令Ｔｒｅｆとモータ回転速度ωに基づいて界磁率指令Ｍｒｅｆを界磁調整機構１７に出力する界磁率指令生成部１８をさらに備えている点で相違している。

界磁調整機構１７は、界磁率指令Ｍｒｅｆに基づいて油圧制御部を制御し、可変界磁モータＭｍにおける界磁率を調整する。界磁率は、中央の磁極部１２１ａに対し負荷側磁極部１２１ｂ及び反負荷側磁極部１２１ｃが相対的に回動した状態での誘起電圧定数の割合である。モータＭｍは、界磁率が高い状態ではトルクを出しやすく、界磁率が低い状態ではモータ回転速度ωを出しやすくなる。但し、上記のように油圧駆動機構が機械的動作により鎖交磁束を変化させるとき、磁束変化の完了までに比較的長い時間が必要であるため、界磁率指令Ｍｒｅｆの出力に対して大きな応答遅れが生じる。このように鎖交磁束を変化させている間は、モータ定数が連続的に変化し続ける状態となり、つまり電気的特性に誤差が生じ続ける状態と同等となる。

そして、このような可変界磁モータＭｍにおいては、界磁率指令Ｍｒｅｆを変化させることによって電力変換効率ηを能動的に変動させることができるが、それ以前に電力変換効率η（入力電力Ｐｉｎの極小値）自体はモータ出力に応じて受動的に変化する。そしてこれらの間の関係性は、単純な算出式に当てはまらない複雑な関係である場合が多い。このため本実施形態のモータ制御装置１Ａでは、界磁率指令生成部１８がその内部に界磁率マップを備え、これを参照して適切な界磁率指令Ｍｒｅｆを生成する。この界磁率マップは、モータ出力に関係するパラメータをキー変数とし、これらに対応して入力電力Ｐｉｎを極小値にできる界磁率との相関を記憶している。本実施形態における具体例としては、トルクＴ（トルク指令Ｔｒｅｆで代用）とモータ回転数Ｎ（＝モータ回転速度ω）の２つのパラメータで直交座標を取り、それらの組み合わせに対応して入力電力Ｐｉｎを極小値にできる界磁率指令Ｍｒｅｆを記憶した２元テーブルで界磁率マップを構成する（特に図示せず）。なお、本実施形態の例におけるトルク指令Ｔｒｅｆとモータ回転速度ωが、各請求項記載の第２パラメータ群に相当する。

＜第２実施形態により得られる効果＞
以上説明した第２実施形態によれば、次のような効果を得る。すなわち、本実施形態のモータ制御装置１Ａでは、例えばモータ検出速度、速度指令、トルク指令Ｔｒｅｆ等といったモータＭｍの出力に関係する少なくとも１つのパラメータと、このパラメータに対応して電力変換効率ηが略最大となるモータＭｍの界磁率との相関を記憶する界磁率マップに基づいて界磁率指令Ｍｒｅｆを生成し、モータＭｍの界磁率調整機構１７へ出力する界磁率指令生成部１８を有する。これにより、駆動対象のモータが可変界磁モータＭｍである場合、モータＭｍの出力に関係するパラメータに応じて高効率駆動となる界磁率指令ＭｒｅｆをモータＭｍに指令できる。

また上述したように、可変磁束モータＭｍが界磁率調整機構１７の機械的作動により比較的長い時間をかけて鎖交磁束を変化させている間は、その電気的特性に誤差が生じ続ける状態と同等となる。これに対して本実施形態においても、入力電圧Ｖ１が飽和電圧制限値Ｖｐｎより低い効率電圧制限値Ｖｌｉｍｉｔに常に維持されるため、駆動可能範囲から外れることはない。これにより、定出力制御を行う本実施形態のモータ制御装置１Ａは、可変磁界モータＭｍへの適用に好適であるといえる。

また、本実施形態では特に、界磁率が特に影響を受けるモータＭｍのトルクＴとモータ回転数Ｎを界磁率マップのパラメータ群とすることで、界磁率指令Ｍｒｅｆを適切に生成できる。

なお、その時点におけるモータＭｍの実際の界磁率を検出する機能を界磁率調整機構１７（界磁率検出部）に備えることも可能である。この場合に、電圧制限値生成部１２は、界磁率指令生成部１８が生成した界磁率指令Ｍｒｅｆと、界磁率調整機構１７が検出した実際の界磁率との間に所定以上の差異がある場合、当該差異に応じて効率電圧制限値Ｖｌｉｍｉｔを電圧指令値Ｖ１より大きくなるよう修正させてもよい（図示省略）。これにより、界磁率制御に大きな遅れが生じている場合でも効率電圧制限値Ｖｌｉｍｉｔを適切に修正し、定出力制御を無理なくより好適に行うことができる。

＜第３実施形態＞
可変界磁モータＭｍの界磁率を変化させた際には、当該可変界磁モータＭｍのトルク定数ＫｔやインダクタンスＬｑ、Ｌｄも変化する。モータ制御装置１におけるＩｑ演算部２、Ｉｄ演算部３、及びＡＣＲ４は、これらのパラメータＫｔ、Ｌｑ、Ｌｄに基づく算出式を用いて演算等を行っているため、その時点の実際の界磁率をフィードバックさせることが望ましい。

また、上述したように、位相角のある限界点（略Ｖ字状曲線の変化点）を超えてｄ軸電流Ｉｄを増加した場合には、入力電圧Ｖ１を単調増加させる。上記電圧制限値マップなどにおける理論上のモータＭｍの駆動特性と、実際のモータＭｍの駆動特性との間に温度条件などに起因する誤差が生じている場合には、定出力制御でｄ軸電流Ｉｄを増加させた際に上述した入力電圧Ｖ１の増減変化点を超えて入力電圧Ｖ１を増加させてしまうことがある。このため、上記図９に示すように、入力電圧Ｖ１が飽和電圧制限値Ｖｐｎを超える手前、つまり駆動可能範囲内でｄ軸電流Ｉｄの上限を制限することが望ましい。

以上の２点を実現するために、第３実施形態では図１０に示すような構成とする。この図１０に示すモータ制御装置１Ｂは、上記図８に示した第２実施形態のモータ制御装置１Ａと比較して、加算器１４とＡＣＲ４の間のｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆの伝達経路にリミッタ１９を追加するとともに、界磁調整機構１７が検出した可変界磁モータＭｍの実際の界磁率をＩｑ演算部２、Ｉｄ演算部３、リミッタ１９、及びＡＣＲ４に入力し、またリミッタ１９にはモータ回転速度ωも入力している点で相違している。なお、リミッタ１９が、各請求項記載のｄ軸電流制限部に相当する。

以上説明した第３実施形態によれば、次のような効果を得る。すなわち、本実施形態のモータ制御装置１Ｂでは、Ｉｑ演算部２、Ｉｄ演算部３、及びＡＣＲ４が可変界磁モータＭｍの実際の界磁率を参照することで、より精度の高い演算を行い適正に作動できる。なお、界磁率調整機構１７が界磁率指令Ｍｒｅｆの入力を受けて十分な早さで可変磁束モータＭｍの鎖交磁束を変化できる場合には、Ｉｑ演算部２、Ｉｄ演算部３、リミッタ１９、及びＡＣＲ４が界磁率指令Ｍｒｅｆを直接参照してもよい。

また、本実施形態では特に、リミッタ１９が可変界磁モータの実際の界磁率とモータ回転速度ωを参照することで、モータＭｍに電圧飽和が生じる飽和電圧制限値Ｖｐｎよりも電圧指令値Ｖ１（入力電圧Ｖ１）が低くなるｄ軸電流Ｉｄの範囲内に対応してｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆの上限を適正に制限できる。これにより、ｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆを増加しすぎた場合でも、リミッタ１９が駆動可能範囲内でｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆの上限を制限しているため、モータＭｍの安定駆動を確保できる。

＜第４実施形態＞
また特に図示しないが、モータ制御装置がインバータ７の母線間電圧を検出する電圧検出部を備え、電圧制限値生成部１２が上記母線間電圧も参照して効率電圧制限値Ｖｌｉｍｉｔを生成してもよい。具体的には、母線間電圧に基づいて算出されるインバータ７の出力電圧の最大値より効率電圧制限値Ｖｌｉｍｉｔの方が高い場合に、電圧制限値生成部１２が効率電圧制限値Ｖｌｉｍｉｔを当該インバータ７出力電圧の最大値に変更する。このようにすることで、インバータ７の母線間電圧が変動した場合でも、モータＭの安定駆動を確保できる。

また、以上既に述べた以外にも、上記実施形態や各変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。

その他、一々例示はしないが、上記実施形態や各変形例は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。

１ 第１実施形態のモータ制御装置
１Ａ 第２実施形態のモータ制御装置
１Ｂ 第３実施形態のモータ制御装置
２ Ｉｑ演算部
３ Ｉｄ演算部
４ ＡＣＲ
５ ｄｑ／３相変換部
６ ＰＷＭ変換部
７ インバータ
８ 電流検出部
９ ３相／ｄｑ変換部
１０ 速度演算部
１１ 電圧指令値演算部（電圧算出部）
１２ 電圧制限値生成部
１３ 電圧制限部（ｄ軸電流調整部）
１４ 加算器（ｄ軸電流調整部）
１５ 減算器（ｄ軸電流調整部）
１７ 界磁調整機構
１８ 界磁指令生成部
１９ リミッタ（ｄ軸電流制限部）
１０１ 第１比較例のモータ制御装置
２０１ 第２比較例のモータ制御装置
Ｍ 交流モータ
Ｍｍ 可変界磁モータ
ＰＧ エンコーダ

Claims (7)

1. 交流モータの駆動を制御するモータ制御装置であって、
   電圧指令値を算出するように構成された電圧算出部と、
   前記モータの駆動特性に対応して電力変換効率が略最大となる第１電圧制限値を生成するように構成された電圧制限値生成部と、
   前記第１電圧制限値と前記電圧指令値の偏差に基づいてｄ軸電流を調整するように構成されたｄ軸電流調整部と、
   前記モータが、回転子から出る磁束の強さを可変にできるモータであった場合、
   前記モータの出力に関係する少なくとも１つの第２パラメータ群と、前記第２パラメータ群に対応して前記電力変換効率が略最大となる前記モータの界磁率との相関を記憶する界磁率マップに基づいて界磁率指令を生成し、前記モータへ出力するように構成された界磁率指令生成部と、
   前記モータにおける界磁率を検出するように構成された界磁率検出部と、
   を有し、
   前記電圧制限値生成部は、
   前記界磁率指令生成部が生成した前記界磁率指令と、前記界磁率検出部が検出した前記界磁率との間に所定以上の差異がある場合、当該差異に応じて前記第１電圧制限値を前記電圧指令値より大きくなるよう修正するように構成される、
   ことを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記電圧制限値生成部は、
   前記モータの出力に関係する少なくとも１つの第１パラメータ群と、前記第１パラメータ群に対応して前記電力変換効率が略最大となる前記第１電圧制限値との相関を記憶する電圧制限値マップに基づいて前記第１電圧制限値を生成するように構成される、ことを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
3. 前記電圧制限値生成部は、
   前記モータの出力に関係する少なくとも１つの第１パラメータ群を用いた算出式に基づいて前記電力変換効率が略最大となる前記第１電圧制限値を算出するように構成される、ことを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
4. 前記第１パラメータ群は、トルク指令値とモータ回転数であることを特徴とする請求項２又は３記載のモータ制御装置。
5. 前記第２パラメータ群は、トルク指令値とモータ回転数を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
6. 前記モータに電圧飽和が生じる第２電圧制限値よりも前記電圧指令値が低くなるｄ軸電流の範囲内に対応してｄ軸電流指令の上限を制限するように構成されたｄ軸電流指令制限部を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
7. 前記モータに駆動電力を給電するインバータの母線間電圧を検出するように構成された電圧検出部を有し、
   前記電圧制限値生成部は、
   前記第１電圧制限値が、前記母線間電圧に基づいて算出される前記インバータの出力電圧の最大値より高い場合は、前記第１電圧制限値を当該インバータの出力電圧の最大値に変更するように構成される、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
   

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