JP6358834B2 - ベクトル制御装置、それを組み込んだインバータ及びそれを組み込んだインバータとモータとのセット装置 - Google Patents

Description

本発明は、交流モータのドライブ制御技術に関する。

交流モータの弱め界磁制御域におけるドライブ制御技術としては、特許文献１に記載された、出力電圧指令値と出力電圧値との偏差の積分演算値を、ｄ軸電流指令とする、弱め界磁指令演算部を備え、弱め界磁制御を行うベクトル制御装置がある。

特開２００６−２０４１１号公報

上記のようなベクトル制御装置においては、電力変換器に供給される直流電圧が急激に低下する状態が発生する場合がある。例えば、複数の電力変換器が一つの共通バッテリに接続されている場合に、ある電力変換器の電力使用量が大となった場合、他の電力変換器への供給電圧が低下する場合がある。

このような場合、電力変換器への供給電圧の低下により、モータ電流が電流指令の通りに流れず、弱め界磁制御が不能となり、再起動が必要となることが考えられる。

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、上述のような、電力変換器への供給電圧の低下による弱め界磁制御不能となる事態に対しては考慮がなされておらず、電力変換器への供給電圧の低下により、モータ電流が電流指令の通りに流れず、場合によっては再起動が必要となる問題があった。

本発明の目的は、直流電圧変動が生じた場合でも、再起動が必要となる事態の発生を抑制し、安定なトルク制御運転が可能なベクトル制御装置、それを組み込んだインバータ及びそれを組み込んだインバータとモータとのセット装置を実現することである。

上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成される。

本発明のベクトル制御装置は、交流モータを駆動するため、該交流モータに電力を供給する電力変換器と、上記電力変換器の出力電圧指令値を演算し、演算した出力電圧指令値を上記電力変換器に出力するベクトル演算器と、上記電力変換器が上記交流モータに供給する電流値を上記ベクトル演算器に指令する電流制御演算部と、指令演算部とを備える。

そして、指令演算部は、上記ベクトル演算器が出力した出力電圧指令に基づいて、電圧変調率を演算する電圧変調率演算部と、該電圧変調率演算部が演算した電圧変調率又は上記交流モータに供給される電圧位相に基づいて、上記電流制御演算部に電流指令を供給して弱め界磁制御を行う弱め界磁制御部と、上記電圧変調率に基づいて、上記電流制御演算部に供給するトルク指令値又は電流指令値を調整する過電流制御部とを備え、上記弱め界磁制御部は、上記電圧変調率が第１の電圧変調率を超えるとｄ軸の電流指令値を調整して弱め界磁制御を行うｄ軸電流修正演算部を有し、上記過電流制御部は、上記電圧変調率が第１の電圧変調率より大の第２の電圧変調率を超えないように上記トルク指令値を調整して過電流制御を行うトルク指令修正演算部を有する。

本発明によれば、直流電圧変動が生じた場合でも、再起動が必要となる事態の発生を抑制し、安定なトルク制御運転が可能なベクトル制御装置、それを組み込んだインバータ及びそれを組み込んだインバータとモータとのセット装置を実現することができる。

本発明の第１の実施例であるベクトル制御装置の概略構成図である。 図１に示した指令演算部の内部構成図である。 本発明のトルク指令修正演算部を設けない場合の制御特性を示すグラフである。 図３の例における電力変換器のＵ相とＶ相と間の線間電圧（Ｖ_ｕ−Ｖ_ｖ）の平均値と電圧変調率Ｋ_ｈとの関係を示すグラフである。 本発明の第１の実施例を用いて、高回転域においてトルク制御を行い、その際に直流電圧値Ｅ_ｄｃを大きく低下させた場合の制御特性を示すグラフである。 電力変換器のＵ相とＶ相間の線間電圧（Ｖ_ｕ−Ｖ_ｖ）の平均値と電圧変調率Ｋ_ｈの関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施例であるベクトル制御装置の概略構成図である。 本発明の第３の実施例であるベクトル制御装置の概略構成図である。 本発明の第３の実施例における指令演算部の内部構成図である。 本発明の第４の実施例である産業・建機用インバータ装置の概略構成図である。

以下、添付図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。

（第１の実施例）
図１は、本発明の第１の実施例であるベクトル制御装置（交流モータのドライブ制御装置）の概略構成図である。

図１において、交流モータ１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モータトルクを出力する。電力変換器２は、３相交流の電圧指令値Ｖ_ｕ ^＊、Ｖ_ｖ ^＊、Ｖ_ｗ ^＊に比例した電圧値を出力し、交流モータ１の出力電圧と回転周波数とを可変する。

直流電源２ａは、電力変換器２に直流電圧値Ｅ_ｄｃを供給する。また、電流検出器３は、交流モータ１の３相の交流電流Ｉ_ｕ、Ｉ_ｖ、Ｉ_ｗを検出し、検出値Ｉ_ｕｃ、Ｉ_ｖｃ、Ｉ_ｗｃを出力する。

座標変換部４は、電流検出器３が検出した３相の交流電流Ｉ_ｕ、Ｉ_ｖ、Ｉ_ｗの検出値Ｉ_ｕｃ、Ｉ_ｖｃ、Ｉ_ｗｃと、位置検出器５から供給される位置検出値θ_ｄｃとから、ｄ軸およびｑ軸の電流検出値Ｉ_ｄｃ、Ｉ_ｑｃを算出して出力する。

位置検出器５は、モータ１の位置θを検出できるレゾルバやエンコーダであり、位置検出値θ_ｄｃを座標変換部４、１６、速度演算部６に出力する。

また、速度演算部６は、位置検出器５から位置検出値θ_ｄｃが入力され、交流モータ１の速度演算値ωを演算し、演算した速度演算値ωを出力する。

ｄ軸の電流指令設定部７は、この電流指令設定部７に格納している「０」あるいは「負極性」の値であるｄ軸の電流指令値Ｉ_ｄ０ ^＊を出力する。また、トルク指令設定部８は、このトルク指令設定部８に格納している「０」を含む「正負極性」の値であるトルク指令値τ_０ ^＊を出力する。また、第１の変調率設定部９は、この第１の変調率設定部９に格納し、「弱め界磁制御」に入る変調率指令Ｋ_ｈ１ ^＊を出力する。また、第１の変調率設定部９は、この第２の変調率設定部１０が格納し、「トルク指令修正制御」に入る変調率指令Ｋ_ｈ２ ^＊を出力する。

設定部７〜１０に格納されている上記指令値は、固定されていてもよいし、上位の制御コンピュータにより、変更可能となっていてもよい。

指令演算部１１は、電流指令設定部７及びトルク指令設定部８から与えられるｄ軸の電流指令値Ｉ_ｄ０ ^＊とトルク指令値τ_０ ^＊と、第１の変調率設定部９及び第１の変調率設定部９から与えられる第１と第２の変調率指令Ｋ_ｈ１ ^＊、Ｋ_ｈ２ ^＊と、電圧ベクトル演算部１５から与えられるベクトル電圧指令値Ｖ_ｄｃ ^＊、Ｖ_ｑｃ ^＊と、直流電源２ａから与えられる直流電圧値Ｅ_ｄｃとから、新たなｄ軸の電流指令Ｉ_ｄ ^＊と新たなトルク指令値τ^＊とを出力する。

電流指令変換部１２は、指令演算部１１にて演算されたトルク指令値τ^＊とｄ軸の電流指令値Ｉ_ｄ ^＊および交流モータ１の電気定数（Ｌ_ｄ、Ｌ_ｑ、Ｋ_ｅ）を用いて、ｑ軸の電流指令値Ｉ_ｑ ^＊を出力する。なお、Ｌ_ｄはｄ軸インダンクタンス、Ｌ_ｑは軸インダクタンス、Ｋ_ｅは誘起電圧定数である。

ｄ軸電流制御演算部１３は、演算器２５にて演算されたｄ軸の電流指令値Ｉ_ｄ ^＊と電流検出値Ｉ_ｄｃとの偏差（Ｉ_ｄ ^＊−Ｉ_ｄｃ）が供給され、この偏差（Ｉ_ｄ ^＊−Ｉ_ｄｃ）から第２のｄ軸の電流指令値Ｉｄ^＊＊を演算して出力する。

ｑ軸電流制御演算部１４は、演算器２６にて演算されたｑ軸の電流指令値Ｉ_ｑ ^＊と電流検出値Ｉ_ｑｃとの偏差（Ｉ_ｑ ^＊−Ｉ_ｑｃ）が供給され、この偏差（Ｉ_ｑ ^＊−Ｉ_ｑｃ）から第２のｑ軸の電流指令値Ｉ_ｑ ^＊＊を演算して出力する。

また、電圧ベクトル演算部１５は、第２の電流指令値Ｉ_ｄ ^＊＊、Ｉ_ｑ ^＊＊および速度演算値ωが供給され、交流モータ１の電気定数（Ｒ、Ｌ_ｄ、Ｌ_ｑ、Ｋ_ｅ）と第２の電流指令値Ｉ_ｄ ^＊＊、Ｉ_ｑ ^＊＊および速度演算値ωに基づいて、ｄ軸およびｑ軸の電圧指令値Ｖ_ｄｃ ^＊、Ｖ_ｑｃ ^＊を演算して出力する。なお、Ｒは抵抗を示す。

座標変換部１６は、電圧ベクトル演算部１５から供給される電圧指令値Ｖ_ｄｃ ^＊、Ｖ_ｑｃ ^＊と、位置検出器５から供給される位置検出値θ_ｄｃとから、３相交流の電圧指令値Ｖ_ｕ ^＊、Ｖ_ｖ ^＊、Ｖ_ｗ ^＊を演算して電力変換部２に出力する。

次に、本発明の第１の実施例における特徴である「指令演算部１１」のトルク制御方式についての基本動作について説明する。

電流指令変換部１２において、トルク指令値τ^＊とｄ軸の電流指令値Ｉ_ｄ ^＊および交流モータ１の電気定数とを用いて、次式（１）によりトルク指令値τ^＊に応じたｑ軸の電流指令Ｉ_ｑ ^＊を演算する。

また、ｄ軸の電流制御演算部１３には、ｄ軸の電流指令値Ｉ_ｄ ^＊と電流検出値Ｉ_ｄｃとが入力され、ｑ軸の電流制御演算部１４にはｑ軸の電流指令値Ｉ_ｑ ^＊と電流検出値Ｉ_ｑｃとが入力される。

ｄ軸の電流制御演算部１３及びｑ軸の電流制御演算部１４は、次式（２）に従い、電流指令値Ｉ_ｄ ^＊、Ｉ_ｑ ^＊に、各成分の電流検出値Ｉ_ｄｃ、Ｉ_ｑｃが追従するよう比例積分演算を行い、第２のｄ軸およびｑ軸の電流指令値Ｉ_ｄ ^＊＊、Ｉ_ｑ ^＊＊を出力する。

なお、Ｋ_ｐｄはｄ軸の電流制御の比例ゲイン、Ｋ_ｉｄはｄ軸の電流制御の積分ゲイン、Ｋ_ｐｑはｑ軸の電流制御の比例ゲイン、Ｋ_ｉｑはｑ軸の電流制御の積分ゲイン、ω_ＡＣＲは電流制御の応答角周波数（ｒａｄ／ｓ）である。

さらに、電圧ベクトル演算部１５において、得られた第２の電流指令値Ｉ_ｄ ^＊＊、Ｉ_ｑ ^＊＊と交流モータ１の電気定数（Ｒ、Ｌ_ｄ、Ｌ_ｑ、Ｋ_ｅ）および速度演算値ωを用いて、次式（３）に示す電圧指令値Ｖ_ｄｃ ^＊、Ｖ_ｑｃ ^＊を演算し、電力変換器２の出力を制御する。

一方、レゾルバ、エンコーダ、磁極位置検出器などの位置検出器５では、交流モータ１の位置θを検出し、位置検出値θ_ｄｃを得る。

座標変換部４、１６では、上記位置検出値θ_ｄｃを用いて、次式（数４）、（数５）に示す座標変換を行っている。

次に、図２を用いて、指令演算部１１の内部構成を説明する。

図２において、指令演算部１１は、電圧変調率演算部１１ａと、ｄ軸電流修正演算部１１ｂと、トルク指令修正演算部１１ｃと、演算器１１２〜１１５と備えている。電圧変調率演算部１１ａと、ｄ軸電流修正演算部１１ｂとにより、弱め界磁制御部が構成され、電圧変調率演算部１１ａと、トルク指令修正演算部１１ｃとにより、過電流制御部が構成される。

電圧変調率１１ａでは、電圧指令値Ｖ_ｄｃ ^＊、Ｖ_ｑｃ ^＊と直流電圧Ｅ_ｄｃとが供給され、これらの値及び次式（６）を用いて、電圧変調率Ｋ_ｈを演算する。

ｄ軸電流修正演算部１１ｂでは、上述の電圧変調率Ｋ_ｈが弱め界磁制御を行う第１の変調率指令Ｋ_ｈ１ ^＊を超えないように、ｄ軸の電流指令値Ｉ_ｄ ^＊を負側に発生させて行く。演算器１１４は、Ｋ_ｈ１ ^＊−Ｋ_ｈを演算し、演算結果をｄ軸電流修正演算部１１ｂに供給する。ｄ軸電流修正演算部１１ｂは、比例＋積分演算あるいは積分演算の構成にすれば良い。

以上が、トルク制御系の基本動作である。

ここからは、本発明の第１の実施例における特徴である「トルク指令修正演算部１１ｃの効果」について説明を行う。

最初に、トルク指令修正演算部１１ｃを設けない場合の制御特性について述べる。

図３は、本発明のトルク指令修正演算部１１ｃを設けない場合の制御特性であり、高回転域においてトルク制御を行い、その際に直流電圧値Ｅ_ｄｃを大きく低下させた場合の制御特性を示すグラフである。なお、横軸に示す時間は秒を示す。

図３中の、丸で囲ったＡで示した時点で、モータトルク指令を０からτ_０ ^＊までステップ変化させ、丸で囲ったＢで示した時点から、電力変換器２に供給する直流電圧値Ｅ_ｄｃを階段的に低下させている。

丸で囲ったＡで示した時点で、電圧変調率Ｋ_ｈが第１の変調率指令Ｋ_ｈ１ ^＊を超えると、ｄ軸電流修正演算部１１ｂの作用で、演算器１１２に供給される信号ΔＩ_ｄ ^＊が負側に増加し弱め、界磁制御が行われる。

しかし、丸で囲ったＢで示した時点から、直流電圧値Ｅ_ｄｃが低下するので、ｄ軸の電流指令値Ｉ_ｄ ^＊は制限値まで増加してしまう（弱め界磁制御ができない領域となる）。

この領域に陥ってしまうと、電圧変調率Ｋ_ｈが正弦波駆動可能な制限値１．１５ｐ．ｕ．まで増加してしまい、ｄ軸およびｑ軸の電流（Ｉ_ｄ、Ｉ_ｑ）は電流指令値（Ｉ_ｄ ^＊、Ｉ_ｑ ^＊）と同一となるようには発生しない。つまり、場合によっては「過電流トリップ」に至ってしまう。

このときの電力変換器２のＵ相とＶ相と間の線間電圧（Ｖ_ｕ−Ｖ_ｖ）の平均値と電圧変調率Ｋ_ｈとの関係を図４に示している。図４において、丸で囲ったＢで示した時点から右の区間では、線間電圧（Ｖ_ｕ−Ｖ_ｖ）が低下しているが、線間電圧（Ｖ_ｕ−Ｖ_ｖ）から計算した変調率（Ｖ_ｕ−Ｖ_ｖ）／（√３・Ｅ_ｄｃ）は制限値の１．１５ｐ．ｕ．まで増加していることがわかる。

そこで、本発明の第１の実施例においては、図２中の「ｄ軸電流修正演算部１１ｂ」と「トルク指令修正演算部１１ｃ」を同時に用いて、直流電圧値Ｅ_ｄｃが大きく低下した場合でも電流指令値通りの電流を発生させる。

以下、ｄ軸電流修正演算部１１ｂとトルク指令修正演算部１１ｃとの動作について詳細に説明を行う。

図２において、トルク指令修正演算部１１ｃでは、電圧変調率Ｋ_ｈがトルク指令修正制御を実行する第２の変調率指令Ｋ_ｈ２ ^＊を超えないように、トルク指令値τ_０ ^＊を減少させる働きをする。つまり、トルク指令修正演算部１１ｃは、比例＋積分演算あるいは積分演算で補正量Δτ^＊を演算器１１３（加算器）に出力する構成を取り、トルク指令発生部８から演算器１１３に供給されるトルク指令値τ_０ ^＊が自動的に修正する機能を持っている。修正されたτ_０ ^＊はτ^＊として演算器１１３から出力される。

図５は、本発明の第１の実施例を用いて、高回転域においてトルク制御を行い、その際に直流電圧値Ｅ_ｄｃを大きく低下させた場合の制御特性を示すグラフである。なお、図５の横軸は時間（秒）を示している。

図３に示した例と同様に、図５中の丸で囲ったＡで示した時点で、トルク指令値を「０」からτ_０ ^＊までステップ変化させ、丸で囲ったＢで示した時点から、直流電圧値Ｅ_ｄｃを階段的に低下させている。

上記Ａで示した時点で電圧変調率Ｋ_ｈが第１の変調率指令Ｋ_ｈ１ ^＊を超えると、ｄ軸電流修正演算部１１ｂの作用で、信号ΔＩ_ｄ ^＊が負側に増加し、ｄ軸電流指令設定部７からの指令値Ｉ_ｄ０ ^＊と演算器１１２にて加算され、ｄ軸電流指令値Ｉ_ｄ ^＊となって、弱め界磁制御が行われる。

丸で囲ったＢで示した時点からは、変調率Ｋ_ｈが第２の変調率指令Ｋ_ｈ２ ^＊（１．１５ｐ．ｕ．以下の値を設定）を超えるので、トルク指令修正演算部１１ｃの作用で、信号Δτ^＊が逆極性側に増加し、トルク指令設定部８からの指令値τ_０ ^＊と演算器１１３にて加算され、トルク指令値τ^＊となって、トルク指令修正制御が行われる。

この方式においては、電圧変調率Ｋ_ｈは定常的に第２の変調率Ｋ_ｈ２ ^＊を超えることはないので、電圧変調率Ｋ_ｈは第２の変調率Ｋ_ｈ２ ^＊である制限値１．１５ｐ．ｕ．以内で制御することができる。その結果、ｄ軸およびｑ軸の電流（Ｉ_ｄ、Ｉ_ｑ）は電流指令値（Ｉ_ｄ ^＊、Ｉ_ｑ ^＊）の通りに発生することになる。つまり「過電流トリップ」に至ることはなく、安定なトルク制御運転を行うことができる。

このときの電力変換器２のＵ相とＶ相間の線間電圧（Ｖ_ｕ−Ｖ_ｖ）の平均値と電圧変調率Ｋ_ｈの関係も図６に示す。

図６において、丸で囲ったＢ点から右の区間では、線間電圧（Ｖ_ｕ−Ｖ_ｖ）が低下しているが、計算した電圧変調率（Ｖ_ｕ−Ｖ_ｖ）／（√３・Ｅｄｃ）は制限値１．１５ｐ．ｕ．以下の第２の変調率指令Ｋ_ｈ２ ^＊で制御されていることがわかる。第１と第２の変調率指令Ｋ_ｈ１ ^＊、Ｋ_ｈ２ ^＊は、次式（７）の関係で設定すれば良い。

以上のように、本発明の第１の実施例においては、電圧変調率Ｋ_ｈが、第１の変調率指令Ｋ_ｈ１ ^＊を超えると、弱め界磁制御を行い、電圧変調率Ｋ_ｈが、第２の変調率指令Ｋ_ｈ２ ^＊を超えると、トルク指令を制御して、電圧変調率Ｋ_ｈが、第２の変調率指令Ｋ_ｈ２ ^＊を超えないように制御する。

したがって、弱め界磁制御を適切に行うことが出来るとともに、直流電圧変動により、過電流トリップが生じ、再起動が必要となる事態を回避することができる。つまり、本発明は、電力変換器に供給される直流電圧が急激に低下した場合でも過電流トリップに至らず、安定なトルク制御運転を実現することができる。

なお、第１の実施例では、交流モータ１は永久磁石同期モータであったが、誘導モータであっても良い。

また、第１の変調率指令Ｋ_ｈ１を１．０ｐ．ｕ．とし、第２の変調率指令Ｋ_ｈ２を１．１５ｐ．ｕ．としてもよいし、第１の変調率指令Ｋ_ｈ１を１．０ｐ．ｕ．とし、第２の変調率指令Ｋ_ｈ２を１．１５ｐ．ｕ．以下の１．１０ｐ．ｕ．としてもよい。さらに、第２の変調率指令Ｋ_ｈ２は１．１５ｐ．ｕ．以下のその他の値とすることも可能である。

（第２の実施例）
次に、本発明の第２の実施例について説明する。

図７は、本発明の第２の実施例であるベクトル制御装置（交流モータのドライブ制御装置）の概略構成図である。

第２の実施例は、レゾルバやエンコーダなどの位置検出器を省略したベクトル制御装置に適用したものである。

図７において、符号１〜４、７〜１６、２ａは、図１のものと同一の物を示している。したがって、第２の実施例については、第１の実施例と同等のものについての詳細な説明は省略し、異なる部分について説明する。

図７において、位相誤差推定部１７は、電圧ベクトル演算部１５からの電圧指令値Ｖ_ｄｃ ^＊、Ｖ_ｑｃ ^＊と、座標変換部４からの電流検出値Ｉ_ｄｃ、Ｉ_ｑｃと、速度推定値ω＾と、モータ定数とに基づいて、位相推定値θ_ｄｃ＾と交流モータ１の位相θとの偏差である位相誤差Δθ（＝θ_ｄｃ＾−θ）を次式（８）により推定演算する。

位相誤差推定部１７は、位相誤差の推定値Δθ_ｃを、演算器２７を介して推定値Δθ_ｃ ^＊として速度推定部１８に供給する。そして、速度推定部１８は、位相誤差の推定値Δθ_ｃ ^＊を「０」にするように、速度推定値ω＾を演算する。

位相推定部１９は、速度推定部１８から供給された速度推定値ω＾を積分し、位置推定値θ_ｄｃ＾を出力する。

そして、位相推定部１９から出力された位置推定値θ_ｄｃ＾は座標変換部４、１６に供給される。

上述した位置センサレス制御方式にも、本発明を適用することができる。

本発明の第２の実施例においても、第１の実施例と同様な効果を得ることができる。さらに、本発明の第２の実施例においては、高価な位置検出器を省略することができるので、安価でありながら、実施例１と同等な効果を得ることができる。

なお、第２の実施例においても、交流モータ１は、永久磁石同期モータ、誘導モータのいずれであっても良い。

（第３の実施例）
次に、本発明の第３の実施例について説明する。

図８は、本発明の第３の実施例であるベクトル制御装置（交流モータのドライブ制御装置）の概略構成図である。

本発明の第３の実施例は、位相を制御することにより、弱め界磁制御を行う位相演算型のベクトル制御装置に、本発明を適用したものである。

図８において、構成要素の１〜６、８、１６、２ａは、図１のものと同一の物を示している。したがって、第３の実施例については、第１の実施例と同等のものについての詳細な説明は省略し、異なる部分について説明する。

図８において、ｄ軸の電流指令設定部７’は、「０」を出力する。

電圧位相の制限値設定部２０は、「トルク指令修正制御」を行う電圧位相の制限値θ_ｖ＿_ｌｍｔを出力する。

指令演算部１１’は、トルク指令設定部８から与えられるトルク指令値τ_０ ^＊と、電圧位相の制限値設定部２０からの電圧位相の制限値θ_ｖ＿_ｌｍｔと、電圧ベクトル演算部１５から供給されるベクトル電圧指令値Ｖ_ｄｃ ^＊＊、Ｖ_ｑｃ ^＊＊と、直流電源２ａから供給される直流電圧値Ｅ_ｄｃとが供給され、トルク指令値τ^＊および変調率制限フラグＶ_ｌｍｔ＿_ｆｌｇを出力する。

次に、図９を用いて、指令演算部１１’の内部構成について説明する。

図９において、指令演算部１１’は、トルク指令修正演算部１１’ｃと、電圧位相演算部１１’ｄと、電圧変調率演算部１１’ａと、変調率制限検出部１１’ｅと、演算器３０、３１とを備える。電圧変調率演算部１１’ａと、電圧位相演算部１１’ｄと、トルク指令修正演算部１１’ｃとにより弱め界磁制御部が構成され、電圧変調率演算部１１’ａと、変調率制限検出部１１’ｅとにより過電流制御部が構成される。

電圧変調率演算部１１’ａでは、電圧指令値Ｖ_ｄｃ ^＊＊、Ｖ_ｑｃ ^＊＊と、直流電圧値Ｅ_ｄｃとを用いて、次式（９）により電圧変調率Ｋ_ｈ’を演算する。

また、電圧変調率Ｋ_ｈ’が供給された変調率制限検出部１１’ｅでは、電圧変調率Ｋ_ｈ’が所定の変調指令値Ｋ_{ｈ＿ｌｍｔ}より小さい場合は、変調率制限フラグＶ_ｌｍｔ＿_ｆｌｇを「０」とし、電圧変調率Ｋ_{ｈ＿ｌｍｔ}に到達した場合は、変調率制限フラグＶ_ｌｍｔ＿_ｆｌｇを「１」として出力する。

さらに、電圧位相演算部１１’ｄでは、供給された電圧指令値Ｖ_ｄｃ ^＊＊、Ｖ_ｑｃ ^＊＊を用いて、次式（１０）により電圧位相θ_ｖを演算する。

また、演算器３１にて、電圧位相演算部１１’ｄからの電圧位相θ_ｖが、電圧位相の制限値設定部２０から供給される制限値θ_ｖ＿_ｌｍｔから減算され、トルク指令修正演算部１１’ｃに供給される。

トルク指令修正演算部１１’ｃは、電圧位相θ_ｖがトルク指令修正制御に入る電圧位相の制限値θ_ｖ＿_ｌｍｔを超えないように、トルク指令値τ_０ ^＊を減少させる働きをする。つまり、トルク指令修正演算部１１’ｃは、比例＋積分演算あるいは積分演算で補正量Δτ^＊を出力する構成を取り、トルク指令修正演算部１１’ｃから出力された補正量Δτ^＊は、演算器３０にてトルク指令τ_０ ^＊と加算され、トルク指令値τ_０ ^＊を自動的に修正する機能を持っている。修正されたτ_０ ^＊はτ^＊として指令演算部１１’から出力される。

図８において、電流指令変換部１２’は、演算されたトルク指令値τ^＊と、ｄ軸の電流検出値Ｉ_ｄｃと、交流モータ１の電気定数（Ｌ_ｄ、Ｌ_ｑ、Ｋ_ｅ）とを用いて、次式（１１）によりｑ軸の電流指令値Ｉ_ｑ ^＊を演算する。

また、電流指令設定部７’からの出力は座標変換部４からの電流検出値Ｉ_ｄｃが演算器２９にて減算され、偏差ΔＩ_ｄとしてｄ軸の電流偏差出力部２１に供給される。ｄ軸の電流偏差出力部２１は、変調率制限フラグＶ_ｌｍｔ＿_ｆｌｇを用いて、偏差ΔＩ_ｄあるいは「０」を出力する。

また、電流指令変換部１２’からの電流指令値Ｉ_ｑ ^＊は、演算器２８にて座標変換部４からの電流検出値Ｉ_ｑｃが減算され、偏差ΔＩ_ｑしてｑ軸の電流偏差出力部２２に供給される。ｑ軸の電流偏差出力部２２は、変調率制限フラグＶ_ｌｍｔ＿_ｆｌｇを用いて、ｑ軸の電流指令値Ｉ_ｑ ^＊と電流検出値Ｉ_ｑｃとの偏差あるいは「０」を、ΔＩ_ｑ１、ΔＩ_ｑ２として出力する。

ｄ軸電流制御演算部１３ａは、ｄ軸の電流偏差出力部２１からの出力値ΔＩ_ｄが入力され、ΔＩ_ｄから第２のｄ軸電流指令値Ｉ_ｄ ^＊＊を演算し出力する。

また、ｑ軸電流制御演算部１４ａは、ｑ軸の電流偏差出力部２２の出力値ΔＩ_ｑ２が入力され、ΔＩ_ｑ２から第２のｑ軸電流指令値Ｉ_ｑ ^＊＊を演算し出力する。

また、位相差指令演算部２３では、変調率制限フラグＶ_ｌｍｔ＿_ｆｌｇが「１」のとき、第１のｑ軸電流指令Ｉ_ｑ ^＊とｑ軸電流検出値Ｉ_ｑｃの偏差ΔＩ_ｑ１を比例＋積分演算し、その演算値が、位相修正指令値Δθ_ｃ ^＊として出力される。このとき、電圧ベクトル演算部１５’では、ｄ軸およびｑ軸の電流制御演算部１３ａ、１４ａの入力信号ΔＩ_ｄ、ΔＩ_ｑ２は、共に「０」で、出力値Ｉ_ｄ ^＊＊、Ｉ_ｑ ^＊＊の演算は更新されず、前回値を保持した状態となる。

ここで、指令演算部１１’からの変調率制限フラグＶ_ｌｍｔ＿_ｆｌｇが「１」又は「０」のときにおける、ｑ軸電流偏差出力部２２及びｄ軸電流偏差出力部２１の内部のスイッチング状態を説明する。

変調率制限フラグＶ_ｌｍｔ＿_ｆｌｇが「１」の場合は、ｑ軸電流偏差出力部２２においては、端子２２ｂと２２ｃとが接続された状態となり、端子２２ａ及び２２ｄは非接続状態となる。ｄ軸電流偏差出力部２１においては、端子２１ａと２１ｃとが接続された状態となり、端子２１ｂは非接続状態となる。

また、変調率制限フラグＶ_ｌｍｔ＿_ｆｌｇが「０」の場合は、ｑ軸電流偏差出力部２２においては、端子２２ａと２２ｂとが接続され、さらに端子２２ｃと２２ｄとが接続された状態となる。ｄ軸電流偏差出力部２１においては、端子２１ｂと２１ｃとが接続された状態となり、端子２１ａは非接続状態となる。

次に、位相修正指令値Δθ_ｃ ^＊と電圧指令値Ｖ_ｄｃ ^＊、Ｖ_ｑｃ ^＊により、次式（１２）に示すように新たな電圧指令値Ｖ_ｄｃ ^＊＊、Ｖ_ｑｃ ^＊＊が演算される。

つまり、出力電圧が制限されている領域では、ｑ軸の電流指令値Ｉ_ｑ ^＊と電流検出値Ｉ_ｑｃとが一致するように、Δθ_ｃ ^＊を介して出力電圧を制御する。

すると、ｄ軸の電流指令値Ｉ_ｄ ^＊を発生させない状態で、弱め界磁制御を実現することができる。このような、弱め界磁制御を行うベクトル制御装置においても、本発明を用いれば、第１実施例と同様に「過電流トリップ」を抑制する運転を行うことができる。

つまり、本発明の第３の実施例によれば、電圧位相制限値を超えないように、トルク制御することにより弱め界磁制御を行い、かつ、ｄ軸電流指令値を発生させないように、制御することにより、過電流トリップが生じ、再起動が必要となる事態を回避することができる。

なお、所定の変調指令値Ｋ_{ｈ＿ｌｍｔ」}は、正弦波駆動の限界である１．１５ｐ．ｕ．以上から１パルス駆動の限界である１．２７ｐ．ｕ．までの間で設定すれば電圧利用率を極限まで使用することができる。

また、ｑ軸の電圧値Ｖ_ｑ成分が「０」になるまで弱め界磁制御を行うとすると、「所定の位相指令値」はπ／２程度であれば問題はない。

なお、第３の実施例においても、交流モータ１は、永久磁石同期モータ、誘導モータのいずれであっても良い。
交流モータ１は永久磁石同期モータであったが、誘導モータであっても良い。

また、第２の実施例と同様な構成により、位相誤差推定部、速度推定部、位相推定部を追加し、位置検出器５を省略することも可能である。

（第４の実施例）
次に、本発明の第４の実施例について説明する。

図１０は、本発明の第４の実施例である産業・建機用インバータ装置の概略構成図である。

図１０において、ベクトル制御装置２４ａは、図１に示したベクトル制御装置（交流モータのドライブ制御装置）と同様な構成となっており、同様な動作を行う。このため、ベクトル制御装置２４ａについての詳細な説明は省略する。ただし、図１におけるモータ１及び位置検出器５は、ベクトル制御装置２４ａには、含まれていない。ベクトル制御装置２４ａに形成された端子（図示せず）を介して外部のモータと接続される。また、外部の位置検出器から、ベクトル制御装置２４ａに形成された端子（図示せず）を介して、位置検出値θ_ｄｃが供給される構成となっている。

産業・建設用インバータ２４は、マイクロコンピュータやプログラミング可能なＬＳＩが搭載されたコントローラ基板と電力変換器を搭載したベクトル制御装置２４ａを内蔵している。

産業・建設用インバータ２４の操作パネルからの指令により、ｄ軸電流指令設定部７に格納されるｄ軸電流指令値及びトルク指令設定部８に格納されるトルク指令値が設定される。

本発明の第４の実施例においても、弱め界磁制御を適切に行うことが出来るとともに、直流電圧変動により、過電流トリップが生じ、再起動が必要となる事態を回避することができる。

上述した第１〜第４の実施例においては、第１の電流指令値Ｉ_ｄ ^＊、Ｉ_ｑ ^＊と電流検出値Ｉ_ｄｃ、Ｉ_ｑｃから第２の電流指令値Ｉ_ｄ ^＊＊、Ｉ_ｑ ^＊＊を作成し、この第２の電流指令値を用いてベクトル制御演算を行ったが、ｄ軸およびｑ軸の電流制御演算部を持たずに、第１のｄ軸の電流指令Ｉ_ｄ ^＊（＝０）とｑ軸の電流検出値Ｉ_ｑｃの一次遅れ信号Ｉ_ｑｃｔｄ、速度指令値ω^＊と交流モータ１の電気定数を用いて、次式（１３）に従い電圧指令値Ｖ_ｄｃ ^＊、Ｖ_ｑｃ ^＊を演算するベクトル制御演算にも適用することはできる。

さらに、第１の電流指令値Ｉ_ｄ ^＊、Ｉ_ｑ ^＊に電流検出値Ｉ_ｄｃ、Ｉ_ｑｃから、電圧補正値ΔＶ_ｄ ^＊、ΔＶ_ｑ ^＊を作成し、この電圧補正値と、第１の電流指令値Ｉ_ｄ ^＊、Ｉ_ｑ ^＊、速度検出値ω、交流モータ１の電気定数を用いて、次式（１４）に従い電圧指令値Ｖ_ｄｃ ^＊、Ｖ_ｑｃ ^＊を演算するベクトル制御演算方式にも適用することも可能である。

また、上述した第１〜４の実施例は、高価な電流検出器３で検出した３相の交流電流Ｉ_ｕ〜Ｉ_ｗを使用する方式であったが、電力変換器２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から、３相のモータ電流Ｉ_ｕ＾、Ｉ_ｖ＾、Ｉ_ｗ＾を再現し、この再現電流値を用いる「低コスト・システム」にも本発明は対応することができる。

また、本発明のさらなる実施例としては、第４の実施例におけるインバータ（ベクトル制御装置を組み込んだインバータ）に、図１や図７に示した交流モータ１を接続した、ベクトル制御装置を組み込んだインバータとモータとのセット装置がある。

１・・・交流モータ、２・・・電力変換器、２ａ・・・直流電源、３・・・電流検出器、４、１６・・・座標変換部、５・・・位置検出部、６・・・速度演算部、７・・・ｄ軸の電流指令設定部、８・・・トルク指令設定部、９・・・第１の変調率指令設定部、１０・・・第２の変調率指令設定部、１１、１１’・・・指令演算部、１１ａ、１１’ａ・・・電圧変調率演算部、１１ｂ・・・ｄ軸電流修正演算部、１１ｃ、１１’ｃ・・・トルク指令修正演算部、１１’ｄ・・・電圧位相演算部、１１’ｅ・・・変調率制限検出部、１２、１２’・・・電流指令変換部、１３、１３’、１３ａ・・・ｄ軸電流制御演算部、１４、１４’、１４ａ・・・ｑ軸電流制御演算部、１５、１５’・・・電圧ベクトル演算部、１７・・・位相誤差推定部、１８・・・速度推定部、１９・・・位相推定部、２０・・・電圧位相の制限値設定部、２１・・・ｄ軸の電流偏差出力部、２２・・・ｑ軸の電流偏差出力部、２３・・・位相誤差指令演算部、２４・・・産業・建機用インバータ、２４ａ・・・ベクトル制御装置

Claims (9)

1. 交流モータを駆動するため、該交流モータに電力を供給する電力変換器と、
   上記電力変換器の出力電圧指令値を演算し、演算した出力電圧指令値を上記電力変換器に出力するベクトル演算器と、
   上記電力変換器が上記交流モータに供給する電流値を上記ベクトル演算器に指令する電流制御演算部と、
   上記ベクトル演算器が出力した出力電圧指令に基づいて、電圧変調率を演算する電圧変調率演算部と、該電圧変調率演算部が演算した電圧変調率又は上記交流モータに供給される電圧位相に基づいて、上記電流制御演算部に電流指令を供給して弱め界磁制御を行う弱め界磁制御部と、上記電圧変調率に基づいて、上記電流制御演算部に供給するトルク指令値又は電流指令値を調整する過電流制御部とを有する指令演算部と、
   を備え、上記弱め界磁制御部は、上記電圧変調率が第１の電圧変調率を超えるとｄ軸の電流指令値を調整して弱め界磁制御を行うｄ軸電流修正演算部を有し、上記過電流制御部は、上記電圧変調率が第１の電圧変調率より大の第２の電圧変調率を超えないように上記トルク指令値を調整して過電流制御を行うトルク指令修正演算部を有することを特徴とするベクトル制御装置。
2. 請求項１に記載のベクトル制御装置において、
   上記弱め界磁制御部は、上記電圧位相が電圧位相制限値を超えないように上記トルク指令値を調整するトルク指令修正演算部を有し、上記過電流制御部は、上記電圧変調率が変調率指令値以上のとき、電流指令値を調整する変調率制限部を有することを特徴とするベクトル制御装置。
3. 請求項１に記載のベクトル制御装置において、
   上記第１の電圧変調率は、１．０ｐ．ｕ．であり、上記第２の電圧変調率は、１．１５ｐ．ｕ．であることを特徴とするベクトル制御装置。
4. 請求項２に記載のベクトル制御装置において、
   上記変調率指令値は、１．１５ｐ．ｕ．以上１．２７ｐ．ｕ．以下であり、上記電圧位相制限値はπ／２であることを特徴とするベクトル制御装置。
5. 請求項１に記載のベクトル制御装置において、
   上記交流モータは、誘導モータあるいは永久磁石同期モータであることを特徴とするベクトル制御装置。
6. 請求項１に記載のベクトル制御装置において、
   上記交流モータの位置検出器と、この位置検出器が検出した位置に基づいて、上記交流モータの速度を演算する速度演算部とをさらに備え、
   上記ベクトル演算部は、上記速度演算部が演算した上記交流モータの速度と、上記電流制御演算部から指令された電流値とに基づいて、上記電力変換器の出力電圧指令値を演算することを特徴とするベクトル制御装置。
7. 請求項１に記載のベクトル制御装置において、
   上記交流モータの回転推定値を積分して求めた位相推定値と上記電圧位相との偏差である位相誤差の推定演算を行う位相誤差推定部と、この位相誤差推定部が推定した位相誤差に基づいて上記交流モータの速度を推定する速度推定部とをさらに備え、
   上記ベクトル演算部は、上記速度推定部が推定した上記交流モータの速度と、上記電流制御演算部から指令された電流値とに基づいて、上記電力変換器の出力電圧指令値を演算することを特徴とするベクトル制御装置。
8. 請求項１に記載のベクトル制御装置と、
   上記ベクトル制御装置に、上記交流モータの電流指令値及びトルク指令値を設定する操作パネルと、
   を備えることを特徴とするベクトル制御装置を組み込んだインバータ。
9. 請求項８に記載のインバータと、
   上記インバータに組み込まれた上記ベクトル制御装置から電力が供給される交流モータと、
   を備えることを特徴とするベクトル制御装置を組み込んだインバータとモータとのセット装置。

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