JP6261396B2 - 永久磁石式同期モータのベクトル制御装置及び磁石磁束推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、界磁として永久磁石を有する永久磁石式同期モータのベクトル制御装置に関し、特に、磁石磁束の推定値に応じて永久磁石式同期モータの動作を制御する永久磁石式同期モータのベクトル制御装置に関する。

一般に、永久磁石式同期モータのベクトル制御装置においては、回転座標系であるｄ軸及びｑ軸の電流値及びインダクタンス値や、永久磁石による鎖交磁束（以下、「磁石磁束」という）の値に応じて制御される出力トルクによってモータが駆動される（例えば、後述の（９）式参照）。しかし、磁石磁束は、永久磁石の温度上昇に伴い減少することが知られている。また、ｄ軸及びｑ軸のインダクタンスは、電流が変化したときに磁気飽和の影響によって変動する特性を有する。よって、モータの動作状況に応じて、磁石磁束の値や各インダクタンスの値が変動するので、その変動を反映できない場合には出力トルクの正確な制御に支障を来すことになる。

特許文献１には、永久磁石の温度上昇に起因する磁石磁束の変動への対策として、ｑ軸の電圧値の偏差を利用して磁石磁束の変化量の推定値を求め、この推定値に基づき出力トルクを制御する手法が開示されている。特許文献１の手法は、ｄ軸のインダクタンスが既知であることを前提として演算を行うものである。

これに対し、特許文献２には、演算により求めた無効電力を用いて磁石磁束を推定するベクトル制御の手法が開示されている。すなわち、無効電力と磁石磁束及びインダクタンスの所定の関係式（後述の（３）式参照）を利用し、ｄ軸の電流として設定された「正」と「負」の２段階の値に対応する２つの無効電力値を演算することにより、インダクタンスの変動やバラツキの影響を受けることなく、磁石磁束を推定することができる（例えば、特許文献２の段落５１〜５３参照）。

特開平１０−２２９７００号公報 特開２００７−１５９２１２号公報 特開平１１−１２２９８４号公報

特許文献１において、ｄ軸のインダクタンスはｑ軸のインダクタンスと比較して、電流条件に磁気飽和の影響を受けにくくインダクタンス値が安定しているため（特許文献３の段落［００６８］参照）、電流条件によらず安定して推定精度を維持することが期待できる。しかしながら、本手法にはモータ個体差によるインダクタンスのバラツキに対する考慮がなされていなかった。

特許文献２の手法を採用すれば、簡便に磁石磁束を推定できる。しかしながら、磁石磁束の推定は、無効電力の推定値を演算する際のｄ軸の電流の設定条件に起因するという制約がある。図６は、特許文献２のベクトル制御において、ｄ軸の電流Ｉｄが負に設定された場合（図６（Ａ））及び正に設定された場合（図６（Ｂ））のそれぞれのベクトル図の例を示す図である。図６においては、ｄ軸及びｑ軸の電流Ｉｄ、Ｉｑ、モータ印加電圧（端子電圧）Ｖｏ及びモータ印加電流（端子電流）Ｉｏ、モータ角速度ω、磁石磁束φｍ、電機子鎖交磁束φａ、ｄ軸及びｑ軸のインダクタンスＬｄ、Ｌｑ、電流位相角βのそれぞれがベクトル図で表示されている。図６に示すように、Ｌｄ・Ｉｄの方向性に起因して、モータ印加電圧Ｖｏの大きさは、ｄ軸の電流が正の場合には、ｄ軸の電流が負の場合に比べて大幅に上昇することがわかる。従って、特にモータの回転が高くなる動作領域においては、モータに印加される電圧値の制限により、図６（Ｂ）の動作は実際上困難になるという問題がある。以上のように、従来の永久磁石式同期モータのベクトル制御装置においては、インダクタンスの変動の影響を受けず、かつ、モータの多様な動作条件の下、高精度に磁石磁束を推定可能な手法は実現できなかった。

本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、磁気飽和の影響によるインダクタンスの変動を考慮しつつ、モータの広い回転領域等の多様な動作条件下であっても適用可能で、高精度に磁石磁束を推定し得る永久磁石式同期モータのベクトル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に、本発明の第１の態様は、界磁として永久磁石を有する永久磁石同期モータ（１６）を駆動するインバータ（１４）の出力電圧をトルク指令（Ｔｒ）に応じてベクトル制御する永久磁石同期モータのベクトル制御装置であって、回転座標系であるｄ軸及びｑ軸の電圧指令値（Ｖｄ^＊、Ｖｑ^＊）と、前記インバータから前記永久磁石同期モータに供給される電流（Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ）の検出値に対応する前記ｄ軸及びｑ軸の電流（Iｄ、Iｑ）とに基づいて、前記永久磁石同期モータの無効電力（Ｑ）を演算する無効電力演算手段（２０ａ、５０）と、前記ｑ軸の電流をゼロにして前記永久磁石同期モータを駆動した状態で、前記ｄ軸の電流と、前記無効電力と、前記永久磁石同期モータの角速度（ω）とに基づいて、前記永久磁石による鎖交磁束である磁石磁束（φｍ）を推定する第１の磁石磁束推定手段（２１ａ、５１）とを備えることを特徴としている。

また、上記課題を解決するために、本発明の第２の態様は、前述の永久磁石同期モータ（１６）を駆動するインバータ（１４）の出力電圧をトルク指令（Ｔｒ）に応じてベクトル制御する永久磁石同期モータのベクトル制御装置であって、前記インバータから前記永久磁石同期モータに供給される電流（Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ）の検出値と、前記インバータの前記出力電圧を印加する配線を介して取得される各線間の電圧（Ｖｕｖ、Ｖｖｗ、Ｖｗｕ）に基づいて、前記永久磁石同期モータの無効電力（Ｑ）を演算する無効電力演算手段（３０ａ、６０）と、回転座標系であるｄ軸及びｑ軸の電流（Iｄ、Iｑ）のうち前記ｑ軸の電流をゼロにして前記永久磁石同期モータを駆動した状態で、前記電流の検出値に対応する前記ｄ軸の電流と、前記無効電力と、前記永久磁石同期モータの角速度（ω）とに基づいて、前記永久磁石による鎖交磁束である磁石磁束（φｍ）を推定する第１の磁石磁束推定手段（２１ａ、６１）とを備えることを特徴としている。

本発明の第１及び第２の態様によれば、磁石磁束の推定には負のｄ軸電流が用いられ、ｑ軸の電流がゼロに設定されるので、モータの端子電圧（Ｖｏ）を抑制することができ、モータの広い高回転領域で、インダクタンスの変動の影響を受けることなく高精度に磁石磁束を推定することができる。また、第１の態様は電圧指令値を用いて無効電力を演算するので、電圧を検出するデバイスを追加することなく電力演算が可能であるとともに、回転座標系で演算を行うので直流として取り扱うことができ、電力演算の負荷が軽減される。さらに、第２の態様は、電圧実測値を用いて無効電力を演算するので、電力演算精度が向上し、かつ、推定精度の向上が期待できる。

本発明の第１及び第２の態様において、前記第１の磁石磁束推定手段は、前記ｄ軸のインダクタンスが磁気飽和しない範囲内で前記ｄ軸の電流の異なる２値Ｉｄ１、Ｉｄ２を設定したとき、前記無効電力のうち前記Ｉｄ１、Ｉｄ２に対応する２値Ｑ１、Ｑ２と、前記角速度のうち前記Ｉｄ１、Ｉｄ２に対応する２値ω１、ω２とを用いて、後述の（６）式を演算することにより、前記磁石磁束φｍを推定することができる。この場合において、Ｉｄ２＝Ａ・Ｉｄ１と設定したとき、後述の（７）式を演算することにより、前記磁石磁束φｍを推定することができる。さらに、この場合において、前記角速度ωの２値ω１、ω２に関し、ω＝ω１＝ω２とみなせるときは、後述の（８）式を演算することにより、前記磁石磁束φｍを推定することができる。

本発明の第３の態様は、前述の第１の態様において、前記ｄ軸及びｑ軸の電圧指令値と、前記インバータから前記永久磁石同期モータに供給される電流の検出値に対応する前記ｄ軸及びｑ軸の電流とに基づいて、前記永久磁石同期モータの有効電力（Ｐ）を演算する有効電力演算手段（２０ｂ）と、前記ｄ軸の電流をゼロにして前記永久磁石同期モータを駆動した状態で、前記ｑ軸の電流と、前記有効電力と、前記角速度とに基づいて、前記磁石磁束を推定する第２の磁石磁束推定手段（２１ｂ）とを更に備えていてもよい。同様に、本発明の第４の態様は、前述の第２の態様においては、前記電流の検出値と、前記配線を介して取得される各線間の電圧とに基づいて、前記永久磁石同期モータの有効電力（Ｐ）を演算する有効電力演算手段（３０ｂ）と、前記ｄ軸の電流をゼロにして前記永久磁石同期モータを駆動した状態で、前記ｑ軸の電流と、前記有効電力と、前記角速度とに基づいて、前記磁石磁束を推定する第２の磁石磁束推定手段（２１ｂ）とを更に備えていてもよい。第３及び第４のいずれの態様においても、制御信号に応じて、前記無効電力を用いた前記第１の磁石磁束推定手段による前記磁石磁束の推定と、前記有効電力を用いた前記第２の磁石磁束推定手段による前記磁石磁束の推定とを、選択的に切り替え可能に構成することができる。

本発明の第３及び第４の態様によれば、第２の磁石磁束推定手段による磁石磁束の推定時に、ｄ軸の電流をゼロに設定してモータを駆動するので、ｄ軸の電流を正の値に設定する場合に比べて、モータの高回転領域で問題となるモータの印加電圧の上昇を抑制することができる。よって、モータの多様な動作条件の下で、インダクタンスの変動の影響を受けることなく高精度に磁石磁束を推定することができる。

本発明の第３及び第４の態様において、前記第２の磁石磁束推定手段は、前記有効電力Ｐと、前記ｑ軸の電流Ｉｑと、前記角速度ωと、前記永久磁石同期モータの磁石極対数Ｐｎ、巻線抵抗Ｒａ、機械的損失Ｗｍとを用いて、後述の（１３）式を演算することにより、前記磁石磁束φｍを推定することができる。

また、上記課題を解決するために、本発明の磁石磁束推定装置（４０）は、界磁として永久磁石を有する永久磁石同期モータを駆動する際の前記永久磁石による鎖交磁束である磁石磁束を推定する磁石磁束推定装置であって、前記永久磁石同期モータに供給される電流の検出値と、前記永久磁石同期モータに電圧を印加する配線を介して取得される各線間の電圧とに基づいて、前記永久磁石同期モータの無効電力を演算する無効電力演算手段と、回転座標系であるｄ軸及びｑ軸の電流のうち前記ｑ軸の電流をゼロにして前記永久磁石同期モータを駆動した状態で、前記電流の検出値に対応する前記ｄ軸の電流と、前記無効電力と、前記永久磁石同期モータの角速度とに基づいて、前記永久磁石による鎖交磁束である磁石磁束を推定する第１の磁石磁束推定手段とを備えることを特徴としている。本発明の磁石磁束推定装置を多様な装置に適用することにより、前述の第１及び第２の態様と同様の効果を得ることができる。

本発明の磁石磁束推定装置においては、前記電流の検出値と、前記配線を介して取得される各線間の電圧とに基づいて、前記永久磁石同期モータの有効電力を演算する有効電力演算手段と、前記ｄ軸の電流をゼロにして前記永久磁石同期モータを駆動した状態で、前記ｑ軸の電流と、前記有効電力と、前記角速度とに基づいて、前記磁石磁束を推定する第２の磁石磁束推定手段と、を更に備えていてもよい。かかる構成を多様な装置に適用することにより、前述の第３及び第４の態様と同様の効果を得ることができる。

本発明によれば、磁気飽和の影響によるインダクタンスの変動を回避しつつ、モータの広い回転領域等の多様な動作条件下でモータの印加電圧等によって制約されることなく、高精度に磁石磁束を推定し得る永久磁石式同期モータのベクトル制御装置を実現することができる。

第１実施形態の永久磁石式同期モータのベクトル制御装置における概略の全体構成を示すブロック図である。 第１実施形態の第２の推定方法を用いたベクトル制御におけるベクトル図の一例を示す図である。 第２実施形態の永久磁石式同期モータのベクトル制御装置における概略の全体構成を示すブロック図である。 第１実施形態の変形例に係る永久磁石式同期モータのベクトル制御装置における概略の全体構成を示すブロック図である。 第２実施形態の変形例に係る永久磁石式同期モータのベクトル制御装置における概略の全体構成を示すブロック図である。 特許文献２のベクトル制御におけるベクトル図の例を示す図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、以下に述べる実施形態は本発明を適用した形態の例であって、本発明が本実施形態の内容により限定されることはない。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態に係る永久磁石式同期モータのベクトル制御装置について説明する。図１は、第１実施形態の永久磁石式同期モータのベクトル制御装置における概略の全体構成を示すブロック図であり、電流指令生成部１０と、電流制御部１１と、２相／３相変換部１２と、ＰＷＭ演算部１３と、インバータ１４と、電流検知部１５と、モータ１６と、回転角検知部１７と、３相／２相変換部１８と、角速度演算部１９と、電力演算部２０と、磁石磁束推定部２１とを含む構成が示されている。

図１において、電流指令生成部１０は、外部から受け取ったトルク指令Ｔｒに基づいて、２相の回転座標系であるｄ軸及びｑ軸の電流指令値Ｉｄ^＊、Ｉｑ^＊を生成する。図１のモータ１６が電気自動車に搭載される場合を例にとると、電流指令生成部１０に入力されるトルク指令Ｔｒは、アクセル操作量に連動して変化する。また、後述の磁石磁束推定部２１により推定される磁石磁束φｍが電流指令生成部１０にフィードバックされるので、永久磁石の温度変動などによって磁石磁束φｍが変化する場合であっても、電流指令生成部１０で生成される上記各指令値が適切に補償するように制御される。

電流制御部１１は、１対の減算部１１ａ、１１ｂと、ＰＩ制御演算部１１ｃとによって構成される。減算部１１ａ、１１ｂは、電流指令生成部１０から出力される上記電流指令値Ｉｄ^＊、Ｉｑ^＊から、後述の３相／２相変換部１８から出力されるｄ軸及びｑ軸の電流Ｉｄ、Ｉｑをそれぞれ減算し、電流偏差ΔＩｄ、ΔＩｑを出力する。ＰＩ制御演算部１１ｃは、周知の関係式を用いてＰＩ（Proportional and Integral）制御を実行し、減算部１１ａ、１１ｂからの電流偏差ΔＩｄ、ΔＩｑと、角速度演算部１９から出力される角速度ωとに基づき、ｄ軸及びｑ軸の電圧指令値Ｖｄ^＊、Ｖｑ^＊をそれぞれ演算する。

２相／３相変換部１２は、回転角検知部１７で検知されたモータ１６の回転角θに基づき、ｄ軸及びｑ軸で表される回転座標系における２相の電圧指令値Ｖｄ^＊、Ｖｑ^＊を座標変換し、ｕ相、ｖ相、ｗ相により表される３相交流の電圧指令値Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊を出力する。

ＰＷＭ演算部１３及びインバータ１４は、２相／３相変換部１２から出力される電圧指令値Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊に基づき、モータ１６を駆動するための３相交流の出力電圧を生成する。なお、３相交流の出力電圧は、互いに位相が１２０°ずれる関係にある。インバータ１４は、例えば、ＰＷＭ演算部１３により生成されるＰＷＭ制御信号に応じてスイッチング制御される複数のトランジスタ等のスイッチング素子（不図示）を備え、その出力側がｕ相、ｖ相、ｗ相からなる３相の各配線を介してモータ１６の入力側と電気的に接続されている。

電流検知部１５は、インバータ１４からモータ１６に流れる３相の各配線の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検知する。電流検知部１５は、例えば、３相の各配線の近傍に発生する磁界を利用することにより各電流を検知することができる。

モータ１６は、界磁として永久磁石を用いた回転子と、インバータ１４から供給される３相交流により回転磁界を発生する固定子とを備え、３相交流の周波数に同期して回転する永久磁石式同期モータである。また、モータ１６に付随する回転角検知部１７は、モータ１６の回転子の位置としての上述の回転角θを検知する。

３相／２相変換部１８は、回転角検知部１７で検知されたモータ１６の回転角θに基づき、電流検知部１５で検知された３相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを座標変換し、ｄ軸及びｑ軸で表される回転座標系の２相の電流Ｉｄ、Ｉｑを出力する。

角速度演算部１９は、回転角検知部１７で検知されたモータ１６の回転角θに基づき、モータ１６の上述の角速度ωを出力する。この角速度ωにより、モータ１６の回転数を判別することができる。

電力演算部２０は、モータ１６の無効電力Ｑを演算する無効電力演算部２０ａ（本発明の無効電力演算手段）と、モータ１６の有効電力Ｐを演算する有効電力演算部２０ｂ（本発明の有効電力演算手段）とを含んで構成される。有効電力Ｐ及び無効電力Ｑは、上述の３相／２相変換部１８から出力されるｄ軸及びｑ軸の電流Ｉｄ、Ｉｑと、電流制御部１１から出力されるｄ軸及びｑ軸の電圧指令値Ｖｄ^＊、Ｖｑ^＊とを用いて、それぞれ次の（１）式及び（２）式のように演算することができる。

ここで、回転座標系における電流及び電圧指令値の各ベクトルに関し、（１）式は外積の差に相当し、（２）式は内積の和に相当する。

磁石磁束推定部２１は、無効電力演算部２０ａから出力される無効電力Ｑに基づき磁石磁束φｍを推定する第１推定部２１ａ（本発明の第１の磁石磁束推定手段）と、有効電力演算部２０ｂから出力される有効電力Ｐに基づき磁石磁束φｍを推定する第２推定部２１ｂ（本発明の第２の磁石磁束推定手段）とを含んで構成される。第１推定部２１ａ及び第２推定部２１ｂにおける具体的な推定方法については後述する。磁石磁束推定部２１には、第１推定部２１ａと第２推定部２１ｂのいずれを用いるかを選択的に制御する制御信号Ｓｍが印加され、第１推定部２１ａと第２推定部２１ｂのうち制御信号Ｓｍにより選択された側の磁石磁束φｍが出力され、前述の電流指令生成部１０に送出される。

次に、図１の磁石磁束推定部２１による磁石磁束φｍの推定方法のうち、無効電力Ｑを用いて第１推定部２１ａにより行われる第１の推定方法について説明する。まず、無効電力Ｑは、前述のｄ軸及びｑ軸の電流Ｉｄ、Ｉｑ、ｄ軸及びｑ軸のインダクタンスＬｄ、Ｌｑ、磁石磁束φｍ、角速度ωを用いて、次の（３）式で表すことができる。

そして、（３）式に基づき、電流Ｉｑ＝０（電流位相角β＝９０°）に設定した上でモータ１６を駆動しつつ、ｄ軸電流Ｉｄとして、互いに異なる２値Ｉｄ１、Ｉｄ２を設定し、それぞれ（３）式の演算を行う。これにより、２値Ｉｄ１、Ｉｄ２に対応する下記の（４）式及び（５）式が演算される。

ここで、上記Ｉｄ１、Ｉｄ２は、ｄ軸のインダクタンスＬｄが磁気飽和しない範囲内に設定されるものとする。つまり、２つのＬｄ１、Ｌｄ２は磁気飽和しないために一定（Ｌｄ１＝Ｌｄ２）とみなすことができる。よって、（４）式及び（５）式において、ｄ軸の電流Ｉｄの２値Ｉｄ１、Ｉｄ２に対応して、２つの無効電力Ｑ１、Ｑ２と、２つの角速度ω１、ω２が得られる。

次いで、磁石磁束φｍに関し、上記（４）式及び（５）式を連立方程式として計算すると、次の（６）式が得られる。

（６）式において、Ｉｄ１、Ｉｄ２の所定の比率Ａが得られる場合には、Ｉｄ２＝Ａ・Ｉｄ１と表すことにより、次の（７）式を導くことができる。

ただし、Ｋ１、Ｋ２：定数

また、上記のようにモータ１６を駆動する際、角速度ωは時間的に緩やかに変化するので、ω＝ω１＝ω２とみなしてもよい。この場合、（７）式から、次の（８）式を導くことができる。

従って、第１推定部２１ａでは、無効電力演算部２０ａから受け取った無効電力Ｑと、３相／２相変換部１８から受け取ったｄ軸の電流Ｉｄと、角速度演算部１９から受け取った角速度ωとをそれぞれ抽出し、第１の推定方法として（６）〜（８）式のいずれかの演算を行うことができる。

第１の推定方法においては、磁石磁束φｍの推定には負のｄ軸電流Ｉｄが用いられ、ｑ軸の電流Ｉｑがゼロに設定されるのでモータ１６の端子電圧Ｖｏを抑制することができ、従来の推定方法（特許文献２の方法）のようにモータの高回転領域における印加電圧の制限を受けることなく、高精度に磁石磁束φｍを推定することが可能となる。また、（６）〜（８）式の演算では、インダクタンスＬｄ、Ｌｑの値を使用しないため、従来の推定方法（特許文献１の方法）で問題となる磁石磁束φｍの推定精度のインダクタンスのバラツキ影響を回避することができる。

次に、図１の磁石磁束推定部２１による磁石磁束φｍの推定方法のうち、有効電力Ｐを用いて第２推定部２１ｂにより行われる第２の推定方法について説明する。まず、モータ１６のトルクＴは、前述のｄ軸及びｑ軸の電流Ｉｄ、Ｉｑ及びインダクタンスＬｄ、Ｌｑと、磁石磁束φｍを用いて、次の（９）式で表すことができる。

ただし、Ｐｎ：磁極対数
なお、（９）式のうち、磁極対数Ｐｎ、磁石磁束φｍ、インダクタンスＬｄ、Ｌｑは、モータ１６の特性に依存するパラメータ（モータ定数）である。

また、この場合ｄ軸の電流Ｉｄがゼロに設定されるので（９）式は、次の（１０）式で表すことができる。

一方、上記トルクＴは、有効電力Ｐと角速度ωを用いて、次の（１１）式で表すことができる。

ただし、Ｒａ：巻線抵抗
Ｒｃ：等価鉄損抵抗
Ｗｍ：モータの機械的損失
Ｖｏ：モータの印加電圧

（１１）式において、右辺分子の括弧内は、順に銅損、鉄損、機械損の和になっている。このうち、一般にモータ１６は低回転領域においては鉄損が無視できる程度に小さいため、（１１）式は、次の（１２）式のように書き換えることができる。

（１０）式及び（１２）式に基づいて、磁束φｍの演算式として、次の（１３）式が得られる。

従って、第２推定部２１ｂでは、有効電力演算部２０ｂから受け取った有効電力Ｐと、３相／２相変換部１８から受け取ったｑ軸の電流Ｉｑと、角速度演算部１９から受け取った角速度ωとをそれぞれ抽出するとともに、予め設定可能なパラメータ（モータの機械的損失Ｗｍ、巻線抵抗Ｒａ、磁極対数Ｐｎ）を用いて、比較的簡単に第２の推定方法として（１３）式の演算を行うことができる。

（１３）式から理解できるように、第２の推定方法においては、磁石磁束φｍの推定にはｑ軸の電流Ｉｑが用いられ、ｄ軸の電流Ｉｄが流れない条件でモータ１６が動作する。また第２の推定方法においては、ｑ軸の電流Ｉｑを印加しているため、モータ１６にトルクが発生している。ここで、図２は、第２の推定方法を用いたベクトル制御において、ｄ軸及びｑ軸の電流Ｉｄ、Ｉｑ、モータ１６の印加電圧Ｖｏ及び印加電流Ｉｏ、角速度ω、磁石磁束φｍ、電機子鎖交磁束φａ、ｑ軸のインダクタンスＬｑ、電流位相角βを表示したベクトル図の一例を示している。図２に示すモータ１６の印加電圧Ｖｏは、従来（特許文献２）のベクトル図である図６と比較すると、Ｉｄが正の値となる図６（Ｂ）のモータ印加電圧Ｖｏに比べて、小さい値になることがわかる。このように、Ｉｄ＝０を前提とする第２の推定方法によれば、正の電流Ｉｄを用いて磁石磁束φｍを推定する従来の推定方法（特許文献２の方法）と比べると、モータ１６の高回転領域における印加電圧Ｖｏの制約を減らし、適切に磁石磁束φｍを推定することが可能となる。

以上説明したように、第１実施形態における磁石磁束φｍの推定に関し、無効電力Ｑを用いた第１の推定方法と、有効電力Ｐを用いた第２の推定方法は、それぞれ異なる特徴を有する。よって、磁石磁束推定部２１に印加される制御信号Ｓｍにより、トルク指令Ｔｒやモータ１６の動作状態に応じて、第１推定部２１ａ及び第２推定部２１ｂを選択的に活性化することにより、多様な状況下で高精度に磁石磁束φｍを推定することができる。なお、第１及び第２の推定方法の一方のみを用いる場合、制御信号Ｓｍを固定的に設定する制御も可能である。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る永久磁石式同期モータのベクトル制御装置について説明する。図３は、第２実施形態の永久磁石式同期モータのベクトル制御装置における概略の全体構成を示すブロック図である。図３のうち、図１の第１実施形態と異なるのは、電力演算部２０の構成及び接続関係であり、それ以外の構成の多くは図１と共通である。よって、以下では、第２実施形態のうち、第１実施形態と異なる点を中心に説明するものとし、第１実施形態と同様の点については説明を省略する。

図３に示すように、第２実施形態の電力演算部３０は、電流検知部１５で検知された３相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗと、インバータ１４からモータ１６への出力電圧を印加する配線を介して取得される各線間の電圧Ｖｕｖ、Ｖｖｗ、Ｖｗｕとが入力される。なお、３相の各配線と電力演算部３０との間に設けた分圧回路や増幅回路を介して各線間の電圧Ｖｕｖ、Ｖｖｗ、Ｖｗｕを取得する構成を採用してもよい。図１と図３を比較すると、第１実施形態では電流Ｉｄ、Ｉｑ及び電圧指令値Ｖｄ^＊、Ｖｑ^＊を電力演算部２０に入力しているのに対し、第２実施形態では実測値としての上記３相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ及び電圧Ｖｕｖ、Ｖｖｗ、Ｖｗｕを電力演算部３０に入力した点が異なる。

電力演算部３０のうちの無効電力演算部３０ａは、上述の実測値を用いた二電力計法に基づいて、無効電力Ｑを次の（１４）式、（１５）式、（１６）式のいずれかを用いて演算することができる。

なお、（１５）式において、電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ及び電圧Ｖｕｖ、Ｖｖｗ、Ｖｗｕは、異なる組合せを用いてもよく、平均化処理の時間を許容できる場合は、１つの乗算のみを用いて（１６）式の演算を行ってもよい。この場合の乗算は、Ｖｗｕ・Ｉｖ、Ｖｕｖ・Ｉｗを用いることができる。

電力演算部３０のうちの有効電力演算部３０ｂは、上述の実測値を用いた二電力計法に基づいて、有効電力Ｐを次の（１７）式のように演算することができる。

なお、二電力計法に基づく演算を行う限り、電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ及び電圧Ｖｕｖ、Ｖｖｗ、Ｖｗｕの組合せは、（１７）式に限られない。

そして、図３の磁石磁束推定部２１のうち、第１推定部２１ａは、（１４）〜（１６）式のいずれかによって得られた無効電力Ｑを用いて、第１実施形態と同様の演算により磁石磁束φｍを推定し、第２推定部２１ｂは、（１７）式によって得られた有効電力Ｐを用いて、第１実施形態と同様の演算により磁石磁束φｍを推定する。なお、第１推定部２１ａと第２推定部２１ｂのいずれの推定方法を用いるかは、第１実施形態の場合と同様、磁石磁束推定部２１に供給される制御信号Ｓｍに応じて選択的に制御される。

第２実施形態を採用する場合であっても、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。ここで、図３の構成において、電力演算部３０および磁石磁束推定部２１を含む部分は、磁石磁束推定ユニット４０（本発明の磁石磁束推定装置）を構成する。そして、この磁石磁束推定ユニット４０は、永久磁石式同期モータのベクトル制御装置に限らず、モータの駆動に関連する多様な装置に組み込むことにより、上述の作用効果を得ることができる。なお、図３の構成において、磁石磁束φｍの推定時には、電力演算部３０のうちの無効電力演算部３０ａ及び有効電力演算部３０ｂが同時に動作することはない。よって、乗算に用いる電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ及び電圧Ｖｕｖ、Ｖｖｗ、Ｖｗｕを切り替える機能や反転機能等を付加することにより、磁石磁束推定部２１の構成を簡素化することができる。

以上、第１及び第２実施形態に基づいて、本発明に係る永久磁石式同期モータのベクトル制御装置（磁石磁束推定装置）について説明したが、本発明は、第１及び第２実施形態には限定されず、多様な変形例がある。図４は、第１実施形態の一変形例に係る永久磁石式同期モータのベクトル制御装置における概略の全体構成を示すブロック図である。図４の変形例は、図１の電力演算部２０及び磁石磁束推定部２１を、無効電力演算部５０及び磁石磁束推定部５１で置き換え、有効電力Ｐを用いることなく、無効電力Ｑを用いた推定方法のみを行うように構成されている。よって、図４の無効電力演算部５０は、図１の無効電力演算部２０ａと同様に機能し、図４の磁石磁束推定部５１は、図１の第１推定部２１ａと同様に機能する。また、図１の制御信号Ｓｍは、図４の磁石磁束推定部５１には印加されていない。

また、図５は、第２実施形態の一変形例に係る永久磁石式同期モータのベクトル制御装置における概略の全体構成を示すブロック図である。図５の変形例は、図４の変形例と同様の趣旨から、図３の電力演算部３０及び磁石磁束推定部２１を、無効電力演算部６０及び磁石磁束推定部６１で置き換えて構成されている。よって、図５の無効電力演算部６０は、図３の無効電力演算部３０ａと同様に機能し、図５の磁石磁束推定部６１は、図３の第１推定部２１ａと同様に機能する。また、図１の制御信号Ｓｍが磁石磁束推定部６１には印加されない点についても、図４の場合と同様である

以上のように、図４及び図５の変形例を採用する場合には、無効電力Ｑを用いて、上述の（６）〜（８）式のいずれかの演算を行うことにより磁石磁束φｍを推定する。かかる変形例はモータ１６の端子電圧Ｖｏを抑制することができ、モータ１６の高回転領域における印加電圧の制限を受けることなく、高精度に磁石磁束φｍを推定することが可能であり、第１及び第２実施形態における第１の推定方法を用いる場合と同様の効果を得ることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明に係る永久磁石式同期モータのベクトル制御装置及び磁石磁束推定装置は、多様な用途に利用することができる。例えば、電気自動車、電動バイク、電車などの移動体、ブロワ、ＦＡ装置、加工装置等の産業用途、昇降機、空調装置等の利用分野において、磁石磁束の変動を補償する構成を備えた永久磁石式同期モータのベクトル制御装置や、それ以外の多様な磁石磁束推定装置に対して本発明を適用することができる。

１０…電流指令生成部
１１…電流制御部
１１ａ、１１ｂ…減算部
１１ｃ…ＰＩ制御演算部
１２…２相／３相変換部
１３…ＰＷＭ演算部
１４…インバータ
１５…電流検知部
１６…モータ
１７…回転角検知部
１８…３相／２相変換部
１９…角速度演算部
２０、３０…電力演算部
２０ａ、３０ａ、５０、６０…無効電力演算部
２０ｂ、３０ｂ…有効電力演算部
２１、５１、６１…磁石磁束推定部
２１ａ…第１推定部
２１ｂ…第２推定部
４０…磁石磁束推定ユニット
Ｔｒ…トルク指令
Ｉｄ、Ｉｑ…ｄ軸及びｑ軸の電流
Ｌｄ、Ｌｑ…ｄ軸及びｑ軸のインダクタンス
Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ…３相交流の電流
Ｖｕｖ、Ｖｖｗ、Ｖｗｕ…３相交流の線間の電圧
Ｐ…有効電力
Ｑ…無効電力
ω…角速度
φｍ…磁石磁束
Ｓｍ…制御信号

Claims (10)

1. 界磁として永久磁石を有する永久磁石同期モータを駆動するインバータの出力電圧をトルク指令に応じてベクトル制御する永久磁石同期モータのベクトル制御装置であって、
   回転座標系であるｄ軸及びｑ軸の電圧指令値と、前記インバータから前記永久磁石同期モータに供給される電流の検出値に対応する前記ｄ軸及びｑ軸の電流とに基づいて、前記永久磁石同期モータの無効電力を演算する無効電力演算手段と、
   前記ｑ軸の電流をゼロにして前記永久磁石同期モータを駆動した状態で、前記ｄ軸の電流と、前記無効電力と、前記永久磁石同期モータの角速度とに基づいて、前記永久磁石による鎖交磁束である磁石磁束を推定する第１の磁石磁束推定手段と、
   を備えることを特徴とする永久磁石同期モータのベクトル制御装置。
2. 界磁として永久磁石を有する永久磁石同期モータを駆動するインバータの出力電圧をトルク指令に応じてベクトル制御する永久磁石同期モータのベクトル制御装置であって、
   前記インバータから前記永久磁石同期モータに供給される電流の検出値と、前記インバータの前記出力電圧を印加する配線を介して取得される各線間の電圧とに基づいて、前記永久磁石同期モータの無効電力を演算する無効電力演算手段と、
   回転座標系であるｄ軸及びｑ軸の電流のうち前記ｑ軸の電流をゼロにして前記永久磁石同期モータを駆動した状態で、前記電流の検出値に対応する前記ｄ軸の電流と、前記無効電力と、前記永久磁石同期モータの角速度とに基づいて、前記永久磁石による鎖交磁束である磁石磁束を推定する第１の磁石磁束推定手段と、
   を備えることを特徴とする永久磁石同期モータのベクトル制御装置。
3. 前記第１の磁石磁束推定手段は、前記ｄ軸のインダクタンスが磁気飽和しない範囲内で前記ｄ軸の電流の異なる２値Ｉｄ１、Ｉｄ２を設定したとき、前記Ｉｄ１、Ｉｄ２に対応する前記無効電力の２値Ｑ１、Ｑ２と、前記Ｉｄ１、Ｉｄ２に対応する前記角速度の２値ω１、ω２とを用いて、
   

   

   を演算することにより前記磁石磁束φｍを推定することを特徴とする請求項１又は２に記載の永久磁石同期モータのベクトル制御装置。
4. 前記第１の磁石磁束推定手段は、前記ｄ軸の電流の２値Ｉｄ１、Ｉｄ２をＩｄ２＝Ａ・Ｉｄ１と設定したとき、
   

   

   を演算することにより前記磁石磁束φｍを推定することを特徴とする請求項３に記載の永久磁石同期モータのベクトル制御装置。
5. 前記第１の磁石磁束推定手段は、前記角速度ωの２値ω１、ω２に関し、ω＝ω１＝ω２とみなすことができる場合、
   

   

   を演算することにより前記磁石磁束φｍを推定することを特徴とする請求項４に記載の永久磁石同期モータのベクトル制御装置。
6. 前記ｄ軸及びｑ軸の電圧指令値と、前記インバータから前記永久磁石同期モータに供給される電流の検出値に対応する前記ｄ軸及びｑ軸の電流とに基づいて、前記永久磁石同期モータの有効電力を演算する有効電力演算手段と、
   前記ｄ軸の電流をゼロにして前記永久磁石同期モータを駆動した状態で、前記ｑ軸の電流と、前記有効電力と、前記角速度とに基づいて、前記磁石磁束を推定する第２の磁石磁束推定手段と、
   を更に備え、
   制御信号に応じて、前記無効電力を用いた前記第１の磁石磁束推定手段による前記磁石磁束の推定と、前記有効電力を用いた前記第２の磁石磁束推定手段による前記磁石磁束の推定とを、選択的に切り替え可能に構成されることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石同期モータのベクトル制御装置。
7. 前記電流の検出値と、前記配線を介して取得される各線間の電圧とに基づいて、前記永久磁石同期モータの有効電力を演算する有効電力演算手段と、
   前記ｄ軸の電流をゼロにして前記永久磁石同期モータを駆動した状態で、前記ｑ軸の電流と、前記有効電力と、前記角速度とに基づいて、前記磁石磁束を推定する第２の磁石磁束推定手段と、
   を更に備え、
   制御信号に応じて、前記無効電力を用いた前記第１の磁石磁束推定手段による前記磁石磁束の推定と、前記有効電力を用いた前記第２の磁石磁束推定手段による前記磁石磁束の推定とを、選択的に切り替え可能に構成されることを特徴とする請求項２に記載の永久磁石同期モータのベクトル制御装置。
8. 前記第２の磁石磁束推定手段は、前記有効電力Ｐと、前記ｑ軸の電流Ｉｑと、前記角速度ωと、前記永久磁石同期モータの磁石極対数Ｐｎ、巻線抵抗Ｒａ、機械的損失Ｗｍとを用いて、
   

   

   を演算することにより前記磁石磁束φｍを推定することを特徴とする請求項６又は７に記載の永久磁石同期モータのベクトル制御装置。
9. 界磁として永久磁石を有する永久磁石同期モータを駆動する際の前記永久磁石による鎖交磁束である磁石磁束を推定する磁石磁束推定装置であって、
   前記永久磁石同期モータに供給される電流の検出値と、前記永久磁石同期モータに電圧を印加する配線を介して取得される各線間の電圧とに基づいて、前記永久磁石同期モータの無効電力を演算する無効電力演算手段と、
   回転座標系であるｄ軸及びｑ軸の電流のうち前記ｑ軸の電流をゼロにして前記永久磁石同期モータを駆動した状態で、前記電流の検出値に対応する前記ｄ軸の電流と、前記無効電力と、前記永久磁石同期モータの角速度とに基づいて、前記永久磁石による鎖交磁束である磁石磁束を推定する第１の磁石磁束推定手段と、
   を備えることを特徴とする磁石磁束推定装置。
10. 前記電流の検出値と、前記配線を介して取得される各線間の電圧とに基づいて、前記永久磁石同期モータの有効電力を演算する有効電力演算手段と、
    前記ｄ軸の電流をゼロにして前記永久磁石同期モータを駆動した状態で、前記ｑ軸の電流と、前記有効電力と、前記角速度とに基づいて、前記磁石磁束を推定する第２の磁石磁束推定手段と、
    を更に備えることを特徴とする請求項９に記載の磁石磁束推定装置。
    

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