JP6740890B2 - インバータの制御方法およびインバータの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、埋込磁石同期モータ（ＩＰＭＳＭ：Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ）を可変速制御するインバータ装置に係り、特に、トルク指令値（速度制御器から生成されるトルク指令値も含む）を与えてトルク制御をする際に、トルク指令値からベクトル制御のｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値へ変換するテーブルを自動生成する装置およびその制御手法に関する。

非特許文献１には、最大トルク／電流制御等，トルク指令値からｄ軸電流指令値，ｑ軸電流指令値に変換する基本的な解析式が記載されている。なお、本願発明は、非特許文献１に記載の基本的な変換解析式に相当する変換テーブルを用意し、解析誤差や精度向上を目指して実験値ベースでテーブルを自動生成する手段を提供する。

特許文献１では、周期外乱オブザーバによるトルクリプル抑制手段を開示している。また、特許文献２では周期外乱オブザーバによるトルクリプル抑制の学習制御法を開示しており、特許文献３ではトルクリプル補償テーブルの自動生成手法および実装方法に関して開示している。

特許５０８８４１４号公報 特許５６２６０９０号公報 特許５４３４３６９号公報

武田 洋次，松井 伸行，森本 茂雄，本田 幸夫「埋込磁石同期モータの設計と制御」，オーム社（平成１３年発行)，ｐ１６−３６

埋込磁石同期モータは、永久磁石によるマグネットトルクに加えて、磁気的な突極性を用いたリラクタンストルクを活用することができる。また、インバータによって電流位相を適切に制御することでトルクを最大化できることが一般的に知られている。

例えば、三相インバータの回転座標系で電流ベクトル制御を行う場合、永久磁石のＮ極方向にｄ軸を、ｄ軸の９０度進んだ位相にｑ軸を定義し、ｄ軸電流とｑ軸電流の割合を任意の値に追従制御することで電流ベクトル（振幅と位相）を決定することができる。

また、非特許文献１では最大トルク／電流制御，最大効率制御，最大トルク／磁束制御など、電流位相（ｄ軸電流とｑ軸電流の割合）を決定する方法について理論的な内容が記載されている。

一般に、こうした理論的な数式に基づき、回転数とトルクの動作状態に応じた電流位相を決定し、テーブルマップとしてインバータプログラムに実装することが多い。

しかしながら、実際のモータは非線形性があり、設計パラメータとの誤差がある。より高精度に電流位相を決定するためには、実測値に基づいてテーブルマップを補正することが考えられる。また、モータを駆動するインバータの非線形性やフィードバック制御に用いる電流センサやデジタル制御に伴う応答性・無駄時間なども、最適な電流位相を決定する上での誤差要因となる。

一方、実測値に基づいてテーブルマップを生成ないし補正する場合は、そのテーブル生成や調整に時間がかかる問題がある。特に調整作業者が実測値を確認しながら手動でテーブルを生成する場合は、非常に多くの時間・労力を必要とし、テーブルの精度も調整作業者のスキルにも依存する。

ところで、埋込磁石同期モータは構造上、原理的にトルクリプルと呼ばれるトルク脈動が発生する問題が広く知られており、その対策も必要となる。特許文献１や特許文献２では、トルクリプル抑制制御方式が記載されており、制御的にトルクリプルを抑制することができる。

また、特許文献３では、トルクリプル補償テーブルを学習・自動生成する手段や実装方法について提案されている。

このように制御系でトルクリプルを抑制する場合、基本的にトルクリプルを打ち消すようなリプル周波数成分を補償信号としてトルク指令値に重畳する。つまり、トルクリプルと同一の周波数成分をモータに入力して打ち消すことになる。

ところが、実際のモータは非線形特性を持つため、重畳したトルクリプル補償信号の周波数成分とは別の周波数成分が新たに発生するという問題がある。本願発明では、特に、トルクリプル補償信号を入力することによって発生する直流成分に関する問題を取り扱う。

トルクリプル抑制制御を行うことで発生する直流成分誤差は、前述したｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値のテーブルマップの精度低下、すなわち、定常トルク誤差に繋がる。したがって、ｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値のテーブルマップは、トルクリプル抑制制御を実施した状態で自動生成することが望ましい。特許文献１〜３では、トルクリプル抑制制御と電流指令テーブルマップの関係や精度低下に関する問題点について記載がなく、解決策が見出されていない。

以上示したようなことから、インバータの制御装置において、トルクリプル抑制制御の適用を前提としたｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値のテーブルマップの自動生成装置ならびに自動生成手法を提供し、トルクリプル抑制制御とトルク精度向上を両立させることが課題となる。

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、モータを可変速制御するインバータに与えるトルク指令値からベクトル制御のｄ軸電流指令値，補正後ｑ軸電流指令値の演算に用いる電流指令テーブルおよびトルクリプル補償テーブルを自動生成するインバータの制御方法であって、回転速度とトルクの二次元で電流指令テーブルとトルクリプル補償テーブルを生成するため、データを取得する動作点における速度指令値，前記トルク指令値を設定し、負荷装置の回転速度が前記一つの動作点で設定された速度指令値となるように前記負荷装置に対して速度制御を実行し、トルク検出値と、前記一つの動作点で設定された前記トルク指令値が一致するようにトルクフィードバック制御を行ってｑ軸電流指令値を生成するｑ軸電流指令値生成処理を実行し、前記速度制御および前記トルクフィードバック制御がなされている状態で、トルクリプル抑制制御部においてトルクリプル補償信号を生成し、前記ｑ軸電流指令値に加算して補正後ｑ軸電流指令値を算出し、前記トルクフィードバック制御で前記ｑ軸電流指令値が自動的に制御された状態、かつ、トルクリプル抑制制御が実施されて前記補正後ｑ軸電流指令値が算出された状態で、電圧指令デューティ比に基づいて、最適なｄ軸電流指令値を探索して生成するｄ軸電流調整処理を実行し、前記ｄ軸電流指令値，前記ｑ軸電流指令値，前記トルクリプル補償信号の生成処理を全動作点において実行し、前記全動作点について生成された前記ｄ軸電流指令値と前記ｑ軸電流指令値を回転速度とトルクに各々対応つけてテーブル化し電流指令テーブルを生成し、前記トルクリプル補償信号を回転速度とトルクに各々対応つけてテーブル化しトルクリプル補償テーブルを生成する自動調整処理を実行し、回転速度検出値と、前記トルク指令値とに基づいて、前記電流指令テーブルにより、前記ｄ軸電流指令値と前記ｑ軸電流指令値を出力し、前記回転速度検出値と、前記トルク指令値とに基づいて、前記トルクリプル補償テーブルにより、前記トルクリプル補償信号のｄｎ軸成分，ｑｎ軸成分を出力し、前記トルクリプル補償テーブルのｄｎ軸成分とｑｎ軸成分を合成して前記トルクリプル補償信号を出力し、前記ｄ軸電流指令値と前記ｑ軸電流指令値と前記トルクリプル補償信号とに基づいてインバータを制御することを特徴とする。

また、その一態様において、前記ｄ軸，ｑ軸電流指令値の電流振幅が電流振幅制限値を超えたか否かを判定し、電流振幅が電流振幅制限値を超えたとき前記ｄ軸電流指令値、前記ｑ軸電流指令値に制限をかける電流振幅制限処理を行う電流振幅制限処理と、インバータの三相電流検出値を座標変換したｄ軸電流検出値、ｑ軸電流検出値が前記ｄ軸電流指令値、前記補正後ｑ軸電流指令値に一致するように追従制御してｄ軸電圧指令値、ｑ軸電圧指令値を得、前記ｄ軸電圧指令値、前記ｑ軸電圧指令値の振幅が電圧振幅制限値を超えたか否かを判定し、電圧振幅が電圧振幅制限値を超えたとき前記ｄ軸電圧指令値、前記ｑ軸電圧指令値に制限をかける電圧振幅制限処理と、を実行し、前記ｄ軸電流調整処理は、前記一つの動作点での前記トルクフィードバック制御がなされている状態で、前記電流振幅又は電圧振幅の少なくともいずれか一方が前記電流振幅制限値または前記電圧振幅制限値を超えた場合に、トルク検出値と前記トルク指令値の偏差を示すトルク誤差に基づいて、第１の探索モードを実行して、トルク誤差が最小となる前記ｄ軸電流指令値を探索して生成し、前記電流振幅と電圧振幅の両方が前記制限値以下の場合に、第２の探索モードを実行して、入力電力または電流振幅値または電圧指令デューティ比が最小となる前記ｄ軸電流指令値を探索して生成し、前記第１又は第２の探索モード実行時のデータが最小点に収束したから否かを判定する収束判定処理を行うことを特徴とする。

また、その一態様において、前記収束判定処理によって収束が判定された後に、前記トルク誤差が残留しているか否かを判定することを特徴とする。

また、その一態様において、電流指令テーブルとトルクリプル補償テーブルの生成時に、前記ｄ軸電流指令値の大きさを制限することを特徴とする。

また、その一態様において、前記収束判定処理によって収束が判定された後に、前記トルク誤差が残留しているか否かを判定し、残留している場合に、前記一つの動作点に設定された前記トルク指令値から前記残留したトルク誤差の最小点探索結果を減算して新たなトルク指令値を求め、前記新たなトルク指令値を当該動作点での前記トルク指令値に設定変更し、前記新たなトルク指令値と、そのときの回転数設定値および前記ｄ軸電流指令値，前記ｑ軸電流指令値を記録することを特徴とする。

また、その一態様において、前記第２の探索モードは、前記ｄ軸電流指令値を変化させ、変化前後のインバータの入力電力を観測し、前記入力電力が最小となるｄ軸電流指令値を探索することを特徴とする。

また、その一態様において、前記自動調整処理は、最大効率となるｄ軸電流，ｑ軸電流を予め解析によって求めておき、前記求められたｄ軸電流，ｑ軸電流を前記ｄ軸電流指令値，前記ｑ軸電流指令値の初期値とすることを特徴とする。

また、その一態様において、前記第２の探索モードは、前記ｄ軸電流指令値を変化させ、変化前後の電流振幅値を観測し、前記電流振幅値が最小となる前記ｄ軸電流指令値を探索することを特徴とする。

また、その一態様において、前記インバータの制御は、インバータの三相電流検出値を座標変換したｄ軸電流検出値、ｑ軸電流検出値が、前記ｄ軸電流指令値，前記補正後ｑ軸電流指令値に一致するように追従制御して得たｄ軸電圧指令値，ｑ軸電圧指令値と、インバータの直流入力の直流電圧値とから電圧指令デューティ比を演算し、前記第２の探索モードは、前記ｄ軸電流指令値を変化させ、変化前後の前記電圧指令デューティ比を観測し、前記電圧指令デューティ比が最小となるｄ軸電流指令値を探索することを特徴とする。

また、その一態様において、前記電圧指令デューティ比は、低域通過フィルタを介した値であることを特徴とする。

また、その一態様において、前記収束判定処理によって、収束が判定された後に、前記トルク誤差が残留しているか否か判定し、前記トルク誤差が残留している場合、制限処理後のｑ軸電流指令値にトルクリプル補償信号が重畳されているか否かを判定し、トルクリプル補償信号が重畳されている場合はトルクリプル補償信号を低減することを特徴とする。

また、その一態様において、モータを可変速制御するインバータに与えるトルク指令値からベクトル制御のｄ軸電流指令値，補正後ｑ軸電流指令値の演算に用いる電流指令テーブルおよびトルクリプル補償テーブルを自動生成するインバータの制御装置であって、回転速度検出値と、前記トルク指令値とに基づいて、前記ｄ軸電流指令値と前記ｑ軸電流指令値を出力する電流指令テーブルと、前記回転速度検出値と、前記トルク指令値とに基づいて、トルクリプル補償信号のｄｎ軸成分，ｑｎ軸成分を出力するトルクリプル補償テーブルと、前記トルクリプル補償テーブルのｄｎ軸成分とｑｎ軸成分を合成して前記トルクリプル補償信号を出力するトルクリプル補償信号合成部と、前記ｄ軸電流指令値と前記ｑ軸電流指令値と前記トルクリプル補償信号とに基づいてインバータを制御するインバータ制御部と、を備え、前記電流指令テーブルと、前記トルクリプル補償テーブルは、自動調整処理により生成することを特徴とする。

本発明によれば、インバータの制御装置において、トルクリプル抑制制御の適用を前提としたｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値のテーブルマップの自動生成装置ならびに自動生成手法を提案し、トルクリプル抑制制御とトルク精度向上を両立させることが可能となる。

テーブル生成装置の基本構成図。 実施形態１におけるインバータ制御部を示すブロック図。 実施形態１における自動調整装置を示すブロック図。 実施形態１におけるトルクリプル抑制制御部を示すブロック図。 実施形態１における周期外乱オブザーバを示すブロック図。 実施形態１における電流指令テーブルおよびトルクリプル補償テーブルの自動生成処理を示すフローチャート。 電流指令テーブルおよびトルクリプル補償テーブルを、一般的なベクトル制御のインバータに実装した構成を示すブロック図。 実施形態５における電流指令テーブルおよびトルクリプル補償テーブルの自動生成処理を示すフローチャート。 実施形態６における電流指令テーブルおよびトルクリプル補償デーブルの自動生成処理を示すフローチャート。 実施形態８における電流指令テーブルおよびトルクリプル補償テーブルの自動生成処理を示すブローチャート。

本願発明は、埋込磁石同期モータのｄ軸電流指令値および補正後ｑ軸電流指令値の演算に用いるテーブル（電流指令値の振幅・位相情報）ならびにトルクリプル補償テーブルを、実測値に基づいて高精度、かつ、自動的に生成する手段を提供するものである。種々の情報を実測するテーブル生成装置の基本構成図を図１に示す。

対象となる埋込磁石同期モータ（以下、モータと称する）１は任意の負荷装置２と軸接続する。結合軸にはトルクメータ３を設置し、トルク検出値τを自動調整装置５に出力する。負荷装置２には一般的なサーボモータ制御装置等を適用し、指定した回転速度指令値ωｍ＊となるように速度制御を行う。また、負荷装置２から速度検出値ωｍが自動調整装置５に出力される。

モータ１を駆動するインバータ４は、モータ１の回転位相θに同期した回転座標変換を用いて、一般的な電流ベクトル制御を行う。ここでは、回転座標系において永久磁石のＮ極方向にｄ軸を定義し、ｄ軸の９０度進んだ位相にｑ軸を設定する。

電流センサ１９で検出されたモータ１の三相電流検出値ｉｕ，ｉｖ，ｉｗは、（１）式の回転座標変換を行ってｄ軸電流検出値ｉｄおよびｑ軸電流検出値ｉｑに変換する。自動調整装置５から送られてきたｄ軸電流指令値ｉｄ＊，補正後ｑ軸電流指令値ｉｑ＊にｄ軸電流検出値ｉｄおよびｑ軸電流検出値ｉｑがそれぞれ追従するようにＰＩＤ制御等の自動制御を行う。

自動制御の出力はｄ軸電圧指令値ｖｄ＊，ｑ軸電圧指令値ｖｑ＊となり、ＰＷＭ制御等でインバータ４の半導体スイッチング素子を制御する。また、インバータ４の制御部は、電圧指令デューティ比Ｄｖを演算して自動調整装置５に出力する。

自動調整装置５は、基本的に２つの機能を持つ。第１の機能は「電流指令テーブル自動生成機能」であり、第２の機能は「トルクリプル補償テーブル自動生成機能」である。

第１の機能である「電流指令テーブル自動生成機能」は、運転状態に応じて最適なｄ軸電流指令値ｉｄ＊および後述するｑ軸電流指令値ｉｑ１＊を（図３の電流振幅制限処理部１５の出力）自動調整およびテーブル生成する。第２の機能である「トルクリプル補償テーブル自動生成機能」は、トルクリプルを抑制するためのトルクリプル補償信号を自動調整およびテーブル生成する。

第１の機能である「電流指令テーブル自動生成機能」では、トルク指令値τ＊と速度検出値ωｍに基づいてｄ軸電流指令値ｉｄ＊，ｑ軸電流指令値ｉｑ１＊の値を決定する。

この決定方法については後述するが、トルク検出値τ，速度検出値ωｍ，電流振幅Ｉｍ，電圧指令デューティ比Ｄｖ，入力電力Ｐｉを用いてｄ軸電流指令値ｉｄ＊，後述するｑ軸電流指令値ｉｑ１＊の電流指令テーブル（モータ電流の振幅と位相）を自動調整する。ここで、電流振幅Ｉｍは（２）式，電圧指令デューティ比Ｄｖは（３）式で表現される。

なお、電流振幅Ｉｍの計算にはｄ軸，ｑ軸電流検出値ｉｄ，ｉｑを用いても良いが、電流ベクトル制御が追従していることを前提に本明細書では電流指令値を用いて（２）式を計算する。消費電力（入力電力Ｐｉ）は直流電源２１部分において電力計２０等を用いて検出する。図１ではインバータ４とモータ１の総合消費電力を計測しているが、インバータ４の出力部で計測すればモータ１単体の消費電力にすることも可能である。

第２の機能である「トルクリプル補償テーブル自動生成機能」では、モータ１のトルクリプルを補償するために任意のトルクおよび回転数での定常運転状態において、トルク指令値τ＊と速度検出値ωｍ（速度制御が追従していることを前提に速度指令値ωｍ＊としても良い）を入力とした二次元のトルクリプル補償テーブルを自動生成する。

トルクリプル補償テーブルからはトルクリプル補償信号の振幅・位相が生成され、後述するｑ軸電流指令値ｉｑ１＊に重畳される。上述のトルクリプル補償テーブルを自動生成するためには、定常運転状態においてトルクリプル抑制制御を実施する必要がある。

この制御手法は任意であるが、本明細書では一例として特許文献１，特許文献２で提案されている一般化周期外乱オブザーバ方式によるトルクリプル抑制制御を適用する。一般化周期外乱オブザーバの内容については後段で簡単に説明する。

本明細書では、図１の基本装置構成ならびに図１の自動調整装置５の内部で行われる自動調整手法ならびにテーブル自動生成手法について説明する。前述の通り、本明細書で説明するインバータの制御装置は特許文献１〜３では解決できなかったトルクリプル補償テーブルと電流指令テーブルの相互干渉を考慮し、同時に自動調整および自動生成するものである。

これにより、トルクリプル補償精度と電流指令テーブルの精度を両立することが可能となり、トルク精度向上とトルクリプル低減に繋がる。また、高精度なテーブルを自動生成する手段を提供することで、テーブル生成にかかる工数削減にも大きな効果がある。

［実施形態１］
図２に図１におけるインバータ４の制御部（以下、インバータ制御部と称する）の基本制御構成図を示す。 インバータ制御部は、一般的なベクトル制御を実施する。図２の各部について以下説明する。

座標変換部６は、ベクトル制御を行うため（１）式に示すように３相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗをモータ回転に同期した回転座標系（ｄｑ軸座標）のｄ軸電流検出値ｉｄ，ｑ軸電流検出値ｉｑに変換する部分である。

ｄ軸電流制御器８，ｑ軸電流制御器９は一般的なＰＩＤ制御等であり、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊，補正後ｑ軸電流指令値ｉｑ＊とｄ軸，ｑ軸電流検出値ｉｄ，ｉｑが一致するように追従制御する。ｄ軸，ｑ軸電流制御器８，９の出力はそれぞれ制限処理前のｄ軸電圧指令値ｖｄ０＊，制限処理前のｑ軸電圧指令値ｖｑ０＊となる。

電圧振幅制限処理部１０は、インバータの電圧飽和を考慮して（４）式の制限処理前の電圧指令振幅値Ｖｍを、設定した電圧振幅制限値Ｖｍｓａｔで制限する。

Ｖｍ＞Ｖｍｓａｔとなる場合は、ｄ軸電圧指令値ｖｄ＊＝ｖｄ０＊×（ｖｍｓａｔ／ｖｍ），ｑ軸電圧指令値ｖｑ＊＝ｖｑ０＊×（ｖｍｓａｔ／ｖｍ）で制限すれば良い。ｖｍ≦ｖｍｓａｔの場合は、そのまま、ｄ軸電圧指令値ｖｄ＊＝ｖｄ０＊，ｑ軸電圧指令値ｖｑ＊＝ｖｑ０＊で出力される。また、電圧指令の飽和状態を考慮するために（３）式の電圧指令デューティ比Ｄｖを計算し、後述する自動調整装置５にフィードバックする。

座標逆変換部７は、同様に（５）式に示すようにｄｑ軸座標のｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊，ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊から三相電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊に逆変換を行う。

ＰＷＭ制御部１１は、三相に変換された三相電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊に対して、三角波キャリア比較方式等の一般的なＰＷＭ制御を行い、インバータ４の半導体スイッチング素子のゲート信号（スイッチング信号）を生成する。

図３に、図１における自動調整装置５の基本制御構成図を示す。

第１の機能である「電流指令テーブル自動生成機能」について説明する。非特許文献１に示されているように、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊および補正後ｑ軸電流指令値ｉｑ＊の位相の決め方には種々の方法があるが、代表的なものとして下記の３つを考える。
・最大トルク／電流制御…最小の電流振幅で最大トルクが得られるようにｄ軸電流指令値ｉｄ＊，補正後ｑ軸電流指令値ｉｑ＊を決定する方法であり、電流が最小となるため銅損を最小化できる。
・最大トルク／磁束制御（誘起電圧制御）…最小の磁束（誘起電圧）で最大トルクが得られるようにｄ軸電流指令値ｉｄ＊，補正後ｑ軸電流指令値ｉｑ＊を決定する方法であり、磁束（誘起電圧）が最小となるため鉄損を最小化できる。
・最大効率制御…最小の消費電力で最大トルクが得られるようにｄ軸電流指令値ｉｄ＊，補正後ｑ軸電流指令値ｉｑ＊を決定する方法であり、鉄損・銅損等の総合損失を最小化できる。

実際には、モータ１を駆動するインバータ４等の電圧飽和，過電流，発熱，磁石の減磁など様々な制約条件を考慮する必要があり、運転領域に適した制御方式に適宜切り替える。

例えば、効率を重視した場合、インバータの電流・電圧制限値を満たす範囲内では最大効率制御を実施し、電圧または電流が制限値に達した時は、制限値を満たした上で最大出力制御に切り替えることが考えられる。

ここで、最大出力制御とは、電流または電圧が制限された状態で最大出力が得られるように電流指令値を決定する制御方法であり、制限値を保った上で損失を最小にすることが望まれる。

第２の機能である「トルクリプル補償テーブル自動生成機能」について説明する。トルクリプル抑制手法は任意であるが、例えば特許文献１〜３で記載されている周期外乱オブザーバ補償法を用い、トルクリプル抑制制御部１２でトルクリプル補償信号ｉｑｃ＊を生成する。詳細は後述する。

運転領域に応じて最も高効率な電流位相となるようにｄ軸電流・ｑ軸電流を自動調整し、かつ、回転数とトルクに対する２次元テーブルを自動生成すれば、トルク誤差低減（高精度化）と高効率化が実現される。また、電流指令テーブル生成を自動化することで、テーブル生成に係る工数も削減できる。

しかしながら、トルクリプル抑制を行った場合はトルク直流成分に影響を与えるため、その影響を考慮して電流指令テーブルも変更する必要がある。

また、特許文献１〜３では、トルクリプル抑制制御の手法として一般化周期外乱オブザーバ方式が提案されているが、トルクリプル抑制に伴うトルク直流成分の誤差については記載がなく、定常トルク誤差を補償する方式については提案されていない。

本実施形態１は、トルク精度向上と低トルクリプルを実現する制御手法により、上記問題を解決するものである。また、電流指令テーブルとトルクリプル補償テーブルを同時に自動生成する手法ならびに装置構成を説明する。

図１に示すとおり、自動調整装置５は、速度検出値ωｍ，トルク検出値τ，入力電力Ｐｉ，および，図２で示したインバータ４から得られる電圧指令デューティ比Ｄｖを入力する。トルク指令値τ＊は、後述するテーブル自動生成時のシーケンスに応じて内部で生成される。速度指令値ωｍ＊は、図１の負荷装置２に出力される。内部で生成したｄ軸電流指令値ｉｄ＊および補正後ｑ軸電流指令値ｉｑ＊はインバータ４に出力される。

図３に示すように、指令値設定処理部１３は、負荷装置２から得られた速度検出値ωｍと、トルクメータ３から得られたトルク検出値τを監視し、任意に設定した定常動作点（速度指令値ωｍ＊，トルク指令値τ＊）と一致していることを確認する機能と，動作点を変更するシーケンスを実施する。

トルク制御器１４は、トルク指令値τ＊とトルク検出値τが一致するように制御する調整器であり、一般的なＰＩＤ制御等 で追従制御を実現すれば良い。トルク制御器１４の出力は、制限処理前のｑ軸電流指令値ｉｑ０＊とし、後段の電流振幅制限処理部１５に出力する。

ｄ軸電流調整器１６は、 電流振幅Ｉｍ，電圧指令デューティ比Ｄｖ，トルク誤差Δτ，入力電力Ｐｉを入力として、後述する最適なｄ軸電流指令値を決定し、制限処理前のｄ軸電流指令値ｉｄ０＊として出力する。

電流振幅制限処理部１５は、制限処理前のｄ軸電流指令値ｉｄ０＊と制限処理前のｑ軸電流指令値ｉｑ０＊に対して、任意に設定した電流振幅制限値Ｉｍｓａｔで各電流指令値の大きさを制限する。制限処理前の電流振幅は（６）式で計算し、Ｉｍ＞Ｉｍｓａｔとなる場合はｄ軸電流指令値ｉｄ＊＝ｉｄ０＊×（Ｉｍｓａｔ／Ｉｍ），ｑ軸電流指令値ｉｑ１＊＝ｉｑ０＊×（Ｉｍｓａｔ／Ｉｍ）で制限すれば良い。 Ｉｍ≦Ｉｍｓａｔの場合は、そのままｄ軸電流指令値ｉｄ＊＝ｉｄ０＊，制限処理後のｑ軸電流指令値ｉｑ１＊＝ｉｑ０＊が出力される。

トルクリプル抑制制御部１２は、トルク検出値τからリプルを打ち消すようにトルクリプル補償信号ｉｑｃ＊を生成する。トルクリプル補償信号はｉｑｃ＊として制限処理後のｑ軸電流指令値ｉｑ１＊に加算する。本実施形態１は、トルクリプル抑制制御手法を限定しないが、ここでは一例として、一般化周期外乱オブザーバ方式を用いたトルクリプル抑制制御を簡単に説明する。

図４は、図３におけるトルクリプル抑制制御部１２の基本構成図である。はじめに、トルクリプル成分抽出部３３において、トルク検出値τからトルクリプル成分Ｔｎを抽出する。トルクリプルはモータの回転数に依存した周波数成分として知られており、例えば、電気的回転周波数の６次成分など複数の次数で発生する。

そこで、速度検出値ωｍにモータ極対数を乗じた電気的周波数ωｅに応じて、そのｎ倍周波数成分に同期した回転座標系、すなわち、トルクリプル同期座標系（ここでは、ｄｎｑｎ座標系と称する）を構築する。ｎ次のトルクリプル周波数ｎ・ωｅで回転する位相をｎ・θと定義すると、トルクリプル周波数成分は（７）式で抽出できる。ただし、基準位相θの余弦成分をｄｎ軸，正弦成分をｑｎ軸として定義する。

Ｔｄｎ：トルクリプルｄｎ軸成分，Ｔｑｎ：トルクリプルｑｎ軸成分，ｔ：時間，ｓ：ラプラス演算子，Ｌはラプラス変換，ＧＦ（ｓ）は周波数成分をｄｎｑｎ回転座標上の直流値として抽出するための任意の低域通過フィルタである。

ｄｎ軸を複素ベクトルの実軸，ｑｎ軸を虚軸と表現すれば、ｄｎｑｎ座標系で抽出されたトルクリプル成分Ｔｎは、１次元複素ベクトルとして（８）式のように表現できる。

次に抽出したｎ次トルクリプル成分Ｔｎを抑制する補償信号を生成するために図５に示す周期外乱オブザーバ１７を用いる。図４の周期外乱オブザーバ１７の内部構成図は、図５の１７に相当する。

図５に示すように、加算器２８において、トルクリプル補償成分Ｉｃｎ＊に周期外乱電流ｄＩｎを加算すると、実システム入力電流Ｉｎが算出される。乗算器２９において、実システム入力電流Ｉｎに実システムの伝達特性Ｐｎを乗算するとトルク検出値τを算出される。トルク検出値τは（７）式によりトルクリプル成分Ｔｎが演算される。

前述したとおり、トルクリプル周波数成分に同期したｄｎｑｎ座標系において周期外乱オブザーバを構成する。すなわち、特定の周波数成分のみに着目し、制御システムを構築する。

トルクリプル補償成分Ｉｃｎ＊からトルク検出値τまでの実システム伝達特性をＰｎとすると、ｄｎｑｎ座標系においては実システム伝達特性Ｐｎも１次元複素ベクトルで（９）式のように表現できる。なお、実システム伝達特性Ｐｎには、モータ特性・インバータ特性，機械特性，センサ特性，無駄時間などの要素が含まれているが、特定周波数成分のみで表現することで、単純な１次元複素ベクトルで一般化されている。

次に、周期外乱オブザーバ１７について説明する。基本的には通常の外乱オブザーバ方式を踏襲しているが、本方式は複素ベクトル表現を用いたトルクリプル同期座標で構成するため、トルクリプル成分Ｔｎから周期外乱電流ｄＩｎを推定するための逆モデルには、（９）式の１次元複素ベクトルの逆数，すなわち（１０）式を用いればよい。

乗算器３０により（１０）式を用いて、（１１）式のように周期外乱電流ｄＩｎを含む実システム入力電流Ｉｎの推定値Ｉｎ＾を演算する。

（１１）式は周期外乱成分を含む電流推定値のため、減算器３１により、実システム入力電流Ｉｎの推定値Ｉｎ＾からトルクリプル補償成分Ｉｃｎ＊に低域通過フィルタＧＦ（ｓ）を介した値を差し引き、（１２）式のように周期外乱電流推定値ｄＩｎ＾のみを抽出する。

なお、ＧＦ（ｓ）は（７）式で使用した低域通過フィルタである。

加算器３２において、（１２）式の周期外乱電流推定値ｄＩｎ＾に周期外乱電流指令値ｄＩｎ＊（通常０）を加算し、トルクリプル補償成分Ｉｃｎ＊を算出することで、周期外乱を抑制できる。

周期外乱オブザーバ１７で生成したトルクリプル補償成分Ｉｃｎ＊は抑制対象次数ごとに出力されるため、図４における補償信号生成部１８では、（１３）式のように時間波形に展開した補償信号ｉｑｃｎ＊を生成し、全次数の補償信号を総和したものをトルクリプル補償信号ｉｑｃ＊として出力する。

上述のように生成したトルクリプル補償信号ｉｑｃ＊は、図３の制限処理後のｑ軸電流指令値ｉｑ１＊に重畳する。

仮に、ｑ軸電流指令値ではなくトルク指令値τ＊にトルクリプル補償信号を重畳した場合、トルク制御器１４を介してトルクリプル補償信号Ｉｑｃ＊をシステムに入力することになる。直流成分のトルクを制御するトルク制御器１４は低応答な制御設計がなされているため、補償信号のリプル成分が減衰して、十分にトルクリプルを補償できない。したがって、図３に示したように、トルク制御器１４の出力側で制限処理後のｑ軸電流指令値ｉｑ１＊にトルクリプル補償信号ｉｑｃ＊を加算する構成を採用している。

以上、図３の自動調整装置５の各部の基本機能について説明した。

次に、自動調整装置５全体の作用・動作について、図６のフローチャートを用いて説明する。

Ｓ１：図３の指令値設定処理部１３では、回転速度とトルクの二次元でｄ軸電流指令値ｉｄ＊と補正後ｑ軸電流指令値ｉｑ＊の演算に用いる電流指令テーブルおよびトルクリプル補償テーブルを生成するため、回転数（速度指令値ωｍ＊）およびトルク（トルク指令値τ＊）のテーブルデータ範囲と点数を設定する。

データを取得する動作点は、定トルク範囲，定出力範囲などのモータ仕様を考慮して任意に設定する。また、モータの各種パラメータの温度依存性を考慮し、十分な暖機運転を行ってからテーブル自動生成処理を開始する。

そのほか、電流振幅制限値Ｉｍｓａｔおよび電圧振幅制限値Ｖｍｓａｔなど、後述の処理で利用する各種パラメータや初期値等を予め設定する。

Ｓ２： Ｓ１にて予め設定された全動作点において、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊，ｑ軸電流指令値ｉｑ＊とトルクリプル補償信号ｉｑｃ＊を順次決定する処理を繰り返す。ある１つの動作点において、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊，制限処理後のｑ軸電流指令値ｉｑ１＊（ｉｑ１＊は制限処理後のｉｑ０＊であり、トルクリプル補償信号ｉｑｃ＊を重畳する前の基本波成分ｑ軸電流指令に相当する値)，トルクリプル補償信号ｉｑｃ＊のｄｎ軸成分Ｉｃｄｎ＊とｑｎ軸成分Ｉｃｑｎ＊のデータを取得し、次の動作点に順次移行する処理を行う。全動作点のデータが取得されるまで自動的に繰り返されるシーケンスである。

Ｓ３：Ｓ１，Ｓ２で設定された速度指令値ωｍ＊を図１における負荷装置２に送信し、回転速度を所望の値に制御する。負荷装置２では速度制御が行われており、速度検出値ωｍを自動調整装置５に返す。図３の指令値設定処理部１３において、速度検出値ωｍが所望の速度指令値に一致していることを確認し、Ｓ４へ移行する。

Ｓ４：Ｓ２で設定されたトルク指令値τ＊とトルク検出値τが一致するように、図３のトルク制御器１４でトルクフィードバック制御を行う。トルク指令値τ＊とトルク検出値τの偏差は一般的なＰＩＤ制御などを用いて追従制御し、ＰＩＤ制御出力を制限処理前ｑ軸電流指令値ｉｑ０＊とする。

このとき、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊の初期値は０とする（ｉｄ＝０制御，ｄ軸電流調整については後段で処理）。トルク検出値τが設定値に一致したことを確認し、Ｓ５に移行する。また、トルク誤差をΔτ（＝τ＊−τ）とし、ｄ軸電流調整器１６に入力する。

Ｓ５： 図３のトルクリプル抑制制御部１２で説明したとおり、Ｓ３，Ｓ４で設定された回転速度，トルクの定常状態においてトルクリプル抑制制御を実施する。その動作点においてトルクリプル補償信号ｉｑｃ＊を生成し、制限処理後のｑ軸電流指令値ｉｑ１＊に重畳する。

本処理を行うと、モータにリプルを打ち消すための周波数成分が重畳されるため、モータの非線形性によってトルク直流成分に影響を与えることになるが、Ｓ４でトルクフィードバック制御を行っているため、その影響も考慮して自動的にトルク誤差Δτを補正することができる。すなわち、トルクリプル抑制精度とトルク精度を両立することができる。

図６のｄ軸電流調整，図３のｄ軸電流調整器１６では、Ｓ４においてトルク制御器１４によりトルクフィードバック制御でｑ軸電流指令値が自動的に制御された状態、かつ、Ｓ５のトルクリプル抑制制御が実施された状態で、最適な制限処理前のｄ軸電流指令値ｉｄ０＊を探索する処理を行う。

図３に示すとおり、ｄ軸電流調整器１６は入力電力Ｐｉ，トルク誤差Δτ，電流振幅Ｉｍ，電圧指令デューティ比Ｄｖの情報を用いて、電流・電圧振幅値の制限を考慮しながらｄ軸電流指令値を探索する。本実施形態１では最大効率制御を目指すため、同一のトルクで入力電力Ｐｉが最小（つまり、効率が最大）となるｄ軸電流を求める。

Ｓ６：まず、電流振幅Ｉｍおよび電圧指令デューティ比Ｄｖを用いて、電流振幅Ｉｍ，電圧振幅が、Ｓ１で設定した電流振幅制限値Ｉｍｓａｔおよび電圧振幅制限値Ｖｍｓａｔを超えているか否かを判定する。なお、電圧振幅制限値Ｖｍｓａｔは直流電圧Ｖｄｃで除して電圧指令デューティ比制限値Ｄｖｓａｔに単位変換し、インバータ制御部からフィードバックされてきた電圧指令デューティ比Ｄｖと比較すればよい。

電流もしくは電圧の振幅が制限された状態である場合は、Ｓ７へ移行する。制限されていない場合は、Ｓ８へ移行する。

Ｓ７の「トルク誤差最小点探索」のモード（第１の探索モード）は、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊＝０を初期値とした状態で電流振幅もしくは電圧振幅が制限されるため、そのままではＳ４のトルクフィードバック制御が追従できないことを意味する。

したがって、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊を負方向に流すことで、最大トルク／電流制御や弱め磁束制御となる方向にｄ軸電流指令値ｉｄ＊の動作点を移動し、電流・電圧の制限を緩和しながらトルク誤差Δτをなくす必要がある。

そこで、制限処理前のｄ軸電流指令値ｉｄ０＊を変化させたときのトルク誤差Δτを監視し、トルク検出値τがトルク指令値τ＊と一致するまでｄ軸電流を変化させる。トルク誤差Δτが０となる、あるいはトルク誤差Δτが最小となるｄ軸電流指令値ｉｄ＊を探索し、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊を収束させる。探索手法は特に限定しないが、一般的な山登り法、最急勾配法などを用いれば良い。

例えば、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊＝０の初期値から任意のステップ幅で制限処理前ｄ軸電流指令値ｉｄ０＊を負方向に変化させる。変化前後のトルク誤差Δτを観測し、変化前よりトルク誤差Δτが小さくなればさらに負方向に制限処理前のｄ軸電流指令値ｉｄ０＊を変化させる。本処理を繰り返すことで、電流振幅が最小となるｄ軸電流指令値ｉｄ＊を探索できる。

このとき、制限処理前のｄ軸電流指令値ｉｄ０＊を変化させるとトルク検出値τも変化することになるが、Ｓ４の処理（図３のトルクフィードバック制御）が効いているため、制限処理前のｄ軸電流指令値ｉｄ０＊の変化に応じてトルク検出値τはトルク指令値τ＊に常に一致するように、制限処理前のｑ軸電流指令値ｉｑ０＊が自動的に調整される。

また、制限処理前のｄ軸電流指令値ｉｄ０＊の変更に伴い、制限処理前のｄ軸電流指令値ｉｄ０＊と制限処理前のｑ軸電流指令値ｉｑ０＊のバランスも変化するため、マグネットトルクとリラクタンストルクのリプルが複合的に発生する埋込磁石同期モータ１ではトルクリプル特性も変動する。

トルクリプル特性の変動についても、Ｓ５のトルクリプル抑制制御（一般化周期外乱オブザーバ）がフィードバック制御でトルクリプル補償信号Ｉｑｃ＊を生成するため、ｄ軸電流調整時も自動的にトルク精度とトルクリプル抑制精度を維持することができる。

Ｓ８の「入力電力最小点探索」モード（第２の探索モード）は、トルク誤差Δτが０で電流・電圧振幅が制限されていない状態において、入力電力が最小（すなわち、最大効率制御）となるｄ軸電流指令値ｉｄ＊を探索する処理を行う。探索手法は上述の通り、ｄ軸電流指令値を変更したときの入力電力の変化を見て、山登り法などの一般的な手法で入力電力最小点を探索する。

Ｓ９の「収束判定」では、Ｓ７の「トルク誤差最小点探索」もしくはＳ８の「入力電力最小点探索」の処理を実施した後、最小点に収束したことを判定する。通常は、電流・電圧制限範囲内で入力電力が最小となるｄ軸電流指令値ｉｄ＊および補正後ｑ軸電流指令値ｉｑ＊に収束するが、電流・電圧振幅制限のためにｄ軸電流を調整してもトルク誤差Δτが残留する場合は、トルク誤差Δτが最小となる点に収束したことを判定する。

また、トルク誤差Δτが０であっても、電流もしくは電圧振幅、または、その両方の制限値に達する場合がある。その場合、電流・電圧振幅の制限にかかるモード（Ｓ７：トルク誤差最小点探索）と、制限値にかからないモード（Ｓ８：入力電力最小点探索）の２つのモードを繰り返し状態遷移することになる。

この場合は、探索処理中の上述の２つのモードの状態遷移回数と継続時間を判定し、トルク誤差Δτが０であり、かつ、入力電力最小（最大効率）となる動作点として収束させる。以上より、トルク誤差Δτが最小もしくはトルク誤差Δτが０で入力電力最小となるようにｄ軸電流指令値ｉｄ＊，補正後ｑ軸電流指令値ｉｑ＊を自動的に求めることができる。

Ｓ１０の「トルク誤差評価」では、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊および補正後ｑ軸電流指令値ｉｑ＊が収束した後もトルク誤差Δτが残留しているかを判定する。上述のようにモータやインバータの制約上、設定した回転速度とトルクを出力できない限界点に達した場合、ｄ軸電流を調整してもトルク誤差Δτが０とならない場合がある。これは、動作点設定自体に限界があることを意味しているため、その回転数においては、トルク指令値τ＊自体を変更する必要がある。

Ｓ１１：トルク誤差Δτが残留している場合は、トルク指令値τ＊の設定値を変更し、次の動作点に移行する。

以上が、図６の「ｄ軸電流調整」の処理内容となる。これにより、任意の動作点における電流・電圧振幅制限とトルクリプル抑制制御の直流トルクヘの影響を考慮して、最大効率を実現するｄ軸電流指令値ｉｄ＊および補正後ｑ軸電流指令値ｉｑ＊を求めることができる。

Ｓ１２の「ｉｄ＊，ｉｑ１＊，Ｉｃｄｎ＊，Ｉｃｑｎ＊データ記録」 では、前段までの処理で求められた制限処理前のｄ軸電流指令値ｉｄ０＊，制限処理前のｑ軸電流指令値ｉｑ０＊に電流振幅制限処理を介して出力されたｄ軸電流指令値ｉｄ＊，制限処理後のｑ軸電流指令値ｉｑ１＊をそれぞれメモリに記録する（ｉｑ１＊は、トルクリプル補償信号重畳前のｑ軸電流指令値）。併せて、トルクリプル補償信号ｉｑｃ＊のｄｎ軸成分Ｉｃｄｎ＊およびｑｎ軸成分Ｉｑｃｎ＊をメモリに記録する。また、そのときの設定条件である速度検出値ωｍとトルク指令値τ＊も記録する。

トルクリプル補償信号ｉｑｃ＊は、複数の次数の合成値かつ交流波形となるため、一定値として記録することができない。そこで、時間波形に展開する前のｄｎｑｎ軸成分の係数（直流値）であるＩｃｄｎ＊，Ｉｃｑｎ＊を一定値として各次数で記録し、必要なメモリ容量を節約する。

Ｓ１３の 「テーブル自動生成処理ループ終了」では、Ｓ１で設定した全動作点でｄ軸電流指令値ｉｄ＊，制限処理後のｑ軸電流指令値ｉｑ１＊，トルクリプル補償信号ｉｑｃ＊のｄｎ軸成分Ｉｃｄｎ＊，ｑｎ軸成分Ｉｑｃｎ＊のデータ取得が完了するまで、テーブル自動生成処理ループを繰り返す。全動作点のデータを取得した後，Ｓ１４に移行する。

Ｓ１４ の「全動作点のｉｄ＊，ｉｑ１＊，Ｉｃｄｎ＊，Ｉｃｑｎ＊データ読み出し」では、全動作点のｄ軸電流指令値ｉｄ＊，制限処理後のｑ軸電流指令値ｉｑ１＊，トルクリプル補償信号ｉｑｃ＊のｄｎ軸成分Ｉｃｄｎ＊，ｑｎ軸成分Ｉｃｑｎ＊のデータを読み出し、Ｓ１５に移行する。

Ｓ１５ の「電流指令テーブルおよびトルクリプル補償テーブル生成」では、Ｓ１４で読み出した全動作点のｄ軸電流指令値ｉｄ＊，制限処理後のｑ軸電流指令値ｉｑ１＊のデータから、回転速度とトルクを入力とした二次元テーブルとして電流指令テーブルを生成する。同じく、全動作点のトルクリプル補償信号ｉｑｃ＊のｄｎ軸成分Ｉｃｄｎ＊，ｑｎ軸成分Ｉｃｑｎ＊から、回転速度とトルクを入力とした二次元テーブルとしてトルクリプル補償テーブルを生成する。

テーブル化に際しては、正規化や種々のデータ補完（例：キュービックスプライン補完など）を行う。テーブルは２入力（回転数とトルク）１出力（ｉｄ＊，ｉｑ１＊，Ｉｃｄｎ＊，Ｉｑｃｎ＊のいずれか）という形式のデータとなり、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊用，ｑ軸電流指令値ｉｑ＊用，トルクリプル補償信号ｉｑｃ＊のｄｎ軸成分Ｉｃｄｎ＊用，ｑｎ軸成分Ｉｃｑｎ＊用の４種類が生成される。

ただし、トルクリプル補償信号ｉｑｃ＊のｄｎ軸成分Ｉｃｄｎ＊，ｑｎ軸成分Ｉｃｑｎ＊については、抑制対象次数ごとに生成するため、例えばトルクリプル６次成分と１２次成分を同時抑制した場合は、Ｉｃｄ６＊，Ｉｃｑ６＊，Ｉｃｄ１２＊，Ｉｃｑ１２＊が生成され、１次数増える毎に２種類のテーブルが追加される。

以上のすべてのテーブルが生成された後にテーブル自動生成処理を終了する。

次に、自動生成されたテーブルをインバータ４で利用するための実装形態について説明する。自動生成した電流指令テーブルおよびトルクリプル補償テーブルは、インバータ４内部のマイコン等にプログラムとして実装し、モータ１の動作状態（トルク指令値τ＊と速度検出値ωｍの状態）に応じて、適合するｄ軸電流指令値ｉｄ＊，制限処理後のｑ軸電流指令値ｉｑ１＊，トルクリプル補償信号ｉｑｃ＊のｄｎ軸成分Ｉｃｄｎ＊，ｑｎ軸成分Ｉｃｑｎ＊のテーブルデータを線形補完などで読み出し、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊，制限処理後のｑ軸電流指令値ｉｑ１＊，トルクリプル補償信号ｉｑｃ＊として利用する。

したがって、各テーブルを自動生成した後は、図１で示したようなトルクフィードバック等の装置構成を必要とせず、インバータ４単体でモータ１を駆動すれば良い。

図１の装置は、実測に基づいて高精度な電流指令テーブルならびにトルクリプル補償テーブルを自動調整ならびに自動生成する時のみに使用される構成である。

図７は、電流指令テーブルおよびトルクリプル補償テーブルを、−般的なベクトル制御インバータに実装する場合の利用形態の例である。

図７の利用形態について説明する。図１，図３の自動調整装置５の構成および図６のフローチャートで自動生成された電流指令テーブル２５およびトルクリプル補償テーブル２４は、トルク指令値τ＊と速度検出値ωｍを引数とした２次元テーブルの形式で実装される。電流指令テーブル２５からはｄ軸電流指令値ｉｄ＊と制限処理後のｑ軸電流指令値ｉｑ１＊が出力される。

また、トルクリプル補償テーブル２４からは、トルクリプル補償信号ｉｑｃ＊の各次数のｄｎｑｎ座標における係数Ｉｃｄｎ＊，Ｉｃｑｎ＊が出力される。前述の通り、補償対象次数の数に応じてテーブルと係数の数も追加される。

トルクリプル補償信号合成部２６では、（１３）式で示したように回転位相θを用いて時間波形に変換し、トルクリプル抑制対象の全次数の補償信号を合成し、トルクリプル補償信号ｉｑｃ＊とする。ｄ軸電流指令値ｉｄ＊，制限処理後のｑ軸電流指令値ｉｑ１＊，トルクリプル補償信号ｉｑｃ＊は、インバータ制御部に出力される。

トルクリプル補償信号ｉｑｃ＊は制限処理後のｑ軸電流指令値ｉｑ１＊に加算してｑ転電流指令値ｉｑ＊（トルクリプル補償信号重畳）とする。後段のベクトル制御部２７では、回転座標上の電流ベクトル追従制御が行われる。その結果、出力されるｄ軸電圧指令値ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令値ｖｑ＊は、座標逆変換部７において三相電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊に逆変換され、ＰＷＭ制御部１１による三角波キャリア比較等のＰＷＭ制御でゲート信号を生成しインバータ４を制御する。

本実施形態１における自動調整装置および制御手法の特長は、トルクフィードバック制御とトルクリプル抑制制御を同時に実施してｑ軸電流の自動制御を維持しつつ、高効率化される最適なｄ軸電流を探索する点である。さらに、モータ１やインバータ４の電流振幅・電圧振幅の仕様上の制限と、トルクリプル抑制によって新たに発生する直流トルク誤差を考慮して、自動的に最高効率となるｄ軸電流およびｑ軸電流の指令値を決定できる点である。

本実施形態１によれば、モータ１のｄ軸電流指令値ｉｄ＊および補正後ｑ軸電流指令値ｉｑ＊（各軸の電流振幅・位相）を決定するにあたり、トルク誤差低減（高精度化）と高効率化の実現に寄与する。さらに、トルクリプル補償によって発生するトルク誤差Δτをも考慮してトルク精度を向上することにも寄与し、トルクリプル低減も同時に実現することができる。

また、テーブル生成処理を自動化することで、テーブル生成に係る工数を削減できるので、省力化にも大きな効果がある。

また、本実施形態１によれば、 電流指令テーブルとトルクリプル補償テーブルをインバータ制御に適用することによって、定常トルク制御の精度とトルクリプル補償制御の精度の両方を向上させることができる。

［実施形態２］
一般に、永久磁石を用いた同期モータは、負のｄ軸電流を流すことでｄ軸電機子反作用による減磁効果を用いることができる。これにより、ｄ軸方向の磁束を減少させる弱め磁束制御が可能となり、モータ１の場合はモータ特性の改善にも繋がる。しかしながら、過度な減磁起磁力は永久磁石に対して不可逆減磁を引き起こす可能性があるため、負のｄ軸電流の大きさを制限する必要がある。

そこで本実施形態２では、電流振幅・電圧振幅制限に加えて，ｄ軸電流指令値ｉｄ＊の大きさ｜ｉｄ＊｜も制限する。例えば、図３の電流振幅制限処理部１５に実施形態１の電流振幅制限処理に加え、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊の大きさ｜ｉｄ０＊｜がｄ軸電流制限値｜ｉｄ＿ｓａｔ｜を超えた場合に制限するリミッタを設ける。本処理を加えることで、永久磁石の不可逆減磁の恐れがあるｄ軸電流条件を禁止することができる。

［実施形態３］
図６の電流指令テーブル自動生成フローチャートにおいて、実施形態１では「ｄ軸電流調整」のＳ１０「トルク誤差評価」の処理で、ｄ軸電流の探索が収束した後もトルク誤差Δτが残留する場合は、Ｓ１１においてトルク指令値τ＊を変更する処理を実施している。

トルク誤差Δτが残留する場合は、そのときの回転速度におけるトルク出力の運転限界であり、予め設定したトルク指令値τ＊に追従させることはできない。したがって、そのときのトルク指令設定値のデータはメモリに記録せず、次の動作点に移行させていた。

本実施形態３では、上述のようにトルク誤差Δτが残留する場合において、設定されたトルク指令値τ＊からトルク誤差Δτの最小点探索結果減算して、減算後のトルクを新たなトルク指令値τ＊とし、Ｓ１２の「ｉｄ＊，ｉｑ１＊，Ｉｃｄｎ＊，Ｉｃｑｎ＊データ記録」で記録する。

例えば、トルク誤差Δτが残留する場合におけるトルク誤差最小点探索結果をΔτｍｉｎとした場合、新たなトルク指令値はτ＊−Δτｍｉｎとなる。この新たなトルク指令値τ＊−Δτｍｉｎと、そのときの回転速度指令値ωｍ＊およびｄ軸電流指令値ｉｄ＊，ｑ軸電流指令値ｉｑ１＊を、Ｓ１２の「ｉｄ＊，ｉｑ１＊，Ｉｃｄｎ＊，Ｉｃｑｎ＊データ記録」で記録する。

本実施形態３によれば、任意回転速度における運転限界のトルク値を動作点として自動的に追加設定し、最大トルクのデータを記録することができる。

［実施形態４］
これまでの実施形態１〜３では、図６の「ｄ軸電流自動調整」において、ｄ軸電流の初期値をｉｄ＊＝０として調整を開始していた。ｄ軸電流は０を初期値として負方向に調整され、例えば定常動作点において入力電力が最小（最大効率）となるｄ軸電流を探索した。

探索アルゴリズムには、例えば山登り法や最急降下法などの一般的な手法を用いればよいが、探索回数を低減して収束速度を速めるためには、ｄ軸電流の初期値が最適点に近いことが望まれる。

また、ｑ軸電流は図３のトルク制御器１４のフィードバック制御で決定づけられるが、トルク制御器１４出力の初期値、すなわち、制御処理前のｑ軸電流指令値ｉｑ０＊の初期値についても、解析結果から各動作点の初期値を設定することが可能であり、その場合はトルクフィードバック制御の収束が速くなる。

そこで、本実施形態４では、シミュレーション等の解析結果から、予め最大効率となるｄ軸電流、および、ｑ軸電流を計算しておき、それを各動作点で初期値として設定し、テーブル生成時に適用する。解析結果を得る手法は任意であるが、例えば、有限要素法等を用いた電磁界解析結果からｄ軸電流，ｑ軸電流の初期値を求めておく。

より簡易的に実施するならば、モータ１の一般的なトルク式（１４）式および解析式が得やすい最大トルク／電流制御の解析式（１５）式を用いて、各動作点におけるｄ軸電流，ｑ軸電流を数値的に求め、それを初期値に設定して最適点探索アルゴリズムやトルクフィードバック制御を実施すれば良い。

解析結果には各種要因による誤差が含まれるため、初期値における誤差を補正するように探索アルゴリズムが機能する。

本実施形態４によれば、解析結果を用いてｄ軸電流指令値および補正後ｑ軸電流指令値の初期値を設定するため、最適点探索アルゴリズムの収束速度を速めて、電流指令テーブル自動調整システムの調整時間を短縮することができる。

［実施形態５］
これまでの実施形態１〜４では、インバーターモータの総合効率を優先し、最大効率制御に基づいて電流指令テーブルを自動生成したが、意図的に銅損を減らしたい、あるいは、電流振幅制限を緩和したい場合は、最大トルク／電流制御を用いることもできる。

装置構成は図１，制御構成は図３を用いれば良い。最大トルク／電流制御では、同一トルクで電流振幅が最小となるようにｄ軸電流を調整するため、図８に示すフローチャートで電流振幅最小点を探索する。図８は、実施形態１の図６のフローチャートと基本的に同じ処理を行えばよい。図６からの変更は、Ｓ８の「入力電力最小点探索」をＳ１６の「電流振幅最小点探索」としている点のみである。すなわち、Ｓ１６の「電流振幅最小点探索」モードが第２の探索モードとなる。

したがって、電流・電圧振幅制限にかからない場合は、電流振幅最小点を任意の探索アルゴリズムで決定し、制限にかかる場合は図６と同様にトルク誤差最小点を探索するモードに切り替えれば良い。

本実施形態５によれば、モータやインバータの電流振幅・電圧振幅の仕様上の制限を考慮して、制限された状態においても最大トルク／電流制御（電流振幅最小）を満たすｄ軸電流指令値ｉｄ＊および補正後ｑ軸電流指令値ｉｑ＊の指令値を自動的に決定できることができる。

［実施形態６］
本実施形態６では、モータ１の鉄損を最小化して電圧制限の緩和を優先したい場合に最大トルク／磁束制御（最大トルク／誘起電圧制御）を実現する電流指令テーブル自動調整手法を提供する。

装置構成は図１，制御構成は図３を用いれば良い。最大トルク／磁束制御では、同一トルクで電圧振幅が最小（つまり、電圧指令デューティ比Ｄｖが最小）となるようにｄ軸電流を調整するため、図９に示すフローチャートで電圧指令デューティ比の最小点を探索する。

図９は、図６のフローチャートと基本的に同じ処理を行えばよい。図６からの変更は、Ｓ８の「入力電力最小点探索」をＳ１７の「電圧指令デューティ比最小点探索」としている点のみである。すなわち、Ｓ１７の「電圧指令デューティ比最小点探索」モードが第２の探索モードとなる。

したがって、電流・電圧振幅制限にかからない場合は、電圧指令デューティ比最小点を任意の探索アルゴリズムで決定し、制限にかかる場合は図６と同様にトルク誤差最小点を探索するモードに切り替えれば良い。

本実施形態６によれば、モータやインバータの電流振幅・電圧振幅の仕様上の制限を考慮して、制限された状態においても最大トルク／磁束制御（電圧振幅最小）を満たすｄ軸電流指令値ｉｄ＊および補正後ｑ軸電流指令値ｉｑ＊を自動的に決定できることができる。

［実施形態７］
本願発明では、制限処理後のｑ軸電流指令値ｉｑ１＊にトルクリプル補償信号ｉｑｃ＊を重畳してトルクリプルを打ち消す制御を実施している。その結果、インバータ４のＰＷＭ制御部に与える電圧指令値も、トルクリプルと同じ周波数成分が重畳される。したがって、自動調整装置５へフィードバックする電圧指令デューティ比Ｄｖは、トルクリプルと同じ周波数成分で変動している。

この変動は、前述までの実施形態１〜６において、電圧指令制限状態の監視の障害となる。また実施形態６で述べた最大トルク／磁束制御においては、電圧指令デューティ比最小点探索の誤動作等の障害にもなる。

そこで、本実施形態７では、自動調整装置５において、インバータ４の制御部からフィードバックされた電圧指令デューティ比Ｄｖに対して直流成分のみを抽出する処理を施す。直流成分の抽出方法は任意であるが、例えば、図３のｄ軸電流調整器１６に入力される電圧指令デューティ比Ｄｖに対して、トルクリプル周波数成分を十分に除去できるカットオフ周波数に設定された低域通過フィルタを挿入すれば良い。

なお、このような直流成分抽出フィルタは、自動調整装置５にフィードバックされる電圧指令デューティ比Ｄｖのみに挿入するものであるため、実際の電圧はトルクリプルを補償するリプル成分が重畳されている。したがって、トルクリプル抑制制御を実施しながら、自動調整アルゴリズムの誤動作のみを防止することができる。

本実施形態７によれば、トルクリプル補償信号ｉｑｃ＊によって発生する電圧指令デューティ比Ｄｖの変動について、自動調整装置５へのフィードバック信号（電圧指令デューティ比）Ｄｖに直流成分抽出フィルタを備えることで、自動調整アルゴリズムの誤動作を防止することができる。

［実施形態８］
トルクリプル抑制制御を行うと、電圧指令値にはトルクリプルを打ち消すためのリプル成分が重畳される。実際のインバータは出力できる電圧に制限があるため、トルクリプル補償によるリプル成分が電圧制限値に達した場合はトルクリプル抑制制御の効果は得られない。一方で、定常トルクとしては出力電圧制限下であっても可能な限りトルク指令値τ＊に追従することが望まれる。

そこで、本実施形態８では、電圧制限値に近い領域（電圧飽和領域近傍）では、トルクリプル抑制制御によるトルクリプル補償信号ｉｑｃ＊を低減し、定常トルク（トルクの直流成分）が可能な限り追従するように優先する処理を追加する。

図１０は、本実施形態８のフローチャートを示している。本実施形態８では、電圧飽和領域近傍で最大トルク／電流制御を実現する事例で説明する。ｄ軸電流調整部以外は、図８（実施形態５）のフローチャートと同一の処理を行う。

Ｓ５のトルクリプル抑制制御を実施した状態で、Ｓ１６の電流振幅最小点探索（最大トルク／電流制御）となるｄ軸電流を探索し、Ｓ９において収束判定を行う。

電圧飽和領域近傍では、Ｓ５のトルクリプル抑制制御で重畳された電圧リプルにより電圧制限値に達する状態が多発するため、トルク誤差最小点を探索して電圧制限下でも可能な限りトルク指令値τ＊に追従するような処理が与えられる。その後、Ｓ９の収束判定で収束と判断された場合、Ｓ１０のトルク誤差評価部に移行する。上記までは実施例５と同様である。

本実施形態８では、Ｓ１０の「トルク誤差評価」において誤差ありと判断された場合、トルク指令値τ＊に追従できない運転限界であることを意味するため、Ｓ１８の「トルクリプル補償判定」で制限処理後のｑ軸電流指令値ｉｑ１＊にトルクリプル補償信号ｉｑｃ＊が重畳されているかを判断する。トルクリプル補償ありの場合は、Ｓ１９によりトルクリプル補償信号ｉｑｃ＊を低減し、Ｓ６の電流・電圧制限判定に戻る。

トルクリプル補償信号ｉｑｃ＊の低減方法は任意であるが、例えば、元のトルクリプル補償信号ｉｑｃ＊に対して、０〜１のゲインを段階的に低減しながら乗じれば良い。トルクリプル補償信号ｉｑｃ＊のゲインが０となる（補償なし）、あるいは、トルクリプル補償信号ｉｑｃ＊の低減中にトルク誤差Δτなし、となるまで繰り返される。

Ｓ１９のトルクリプル補償低減処理の段階でトルク誤差Δτがなくなった場合は、Ｓ１２の「ｉｄ＊，ｉｑ１＊，Ｉｃｄｎ＊，Ｉｃｑｎ＊データ記録」に移行し、そのときの各値を記録すれば良い。

トルクリプル補償低減処理によって最終的にゲインが０となった場合は、トルクリプル補償なしの状態となる。この状態でトルク誤差Δτが残留している場合は、その速度検出値ωｍでトルク指令値τ＊どおりにトルクを出力できない運転限界であることを意味するため、実施形態３で示したとおりトルク設定値を変更する処理を行ってＳ１２の「ｉｄ＊，ｉｑ１＊，Ｉｃｄｎ＊，Ｉｃｑｎ＊データ記録」に移行する。

本実施形態８によれば、上述の処理を加えることで、電圧飽和領域近傍ではトルクリプル補償信号ｉｑｃ＊を低減し、定常トルク追従性を優先させることができる。

１２…トルクリプル抑制制御部
１３…指令値設定処理部
１４…トルク制御器
１５…電流振幅制限処理部
１６…ｄ軸電流調整器

Claims (12)

1. モータを可変速制御するインバータに与えるトルク指令値からベクトル制御のｄ軸電流指令値，補正後ｑ軸電流指令値の演算に用いる電流指令テーブルおよびトルクリプル補償テーブルを自動生成するインバータの制御方法であって、
   回転速度とトルクの二次元で電流指令テーブルとトルクリプル補償テーブルを生成するため、データを取得する動作点における速度指令値，前記トルク指令値を設定し、
   負荷装置の回転速度が前記一つの動作点で設定された速度指令値となるように前記負荷装置に対して速度制御を実行し、
   トルク検出値と、前記一つの動作点で設定された前記トルク指令値が一致するようにトルクフィードバック制御を行ってｑ軸電流指令値を生成するｑ軸電流指令値生成処理を実行し、
   前記速度制御および前記トルクフィードバック制御がなされている状態で、トルクリプル抑制制御部においてトルクリプル補償信号を生成し、前記ｑ軸電流指令値に加算して補正後ｑ軸電流指令値を算出し、
   前記トルクフィードバック制御で前記ｑ軸電流指令値が自動的に制御された状態、かつ、トルクリプル抑制制御が実施されて前記補正後ｑ軸電流指令値が算出された状態で、電圧指令デューティ比に基づいて、最適なｄ軸電流指令値を探索して生成するｄ軸電流調整処理を実行し、
   前記ｄ軸電流指令値，前記ｑ軸電流指令値，前記トルクリプル補償信号の生成処理を全動作点において実行し、
   前記全動作点について生成された前記ｄ軸電流指令値と前記ｑ軸電流指令値を回転速度とトルクに各々対応つけてテーブル化し電流指令テーブルを生成し、前記トルクリプル補償信号を回転速度とトルクに各々対応つけてテーブル化しトルクリプル補償テーブルを生成する自動調整処理を実行し、
   回転速度検出値と、前記トルク指令値とに基づいて、前記電流指令テーブルにより、前記ｄ軸電流指令値と前記ｑ軸電流指令値を出力し、
   前記回転速度検出値と、前記トルク指令値とに基づいて、前記トルクリプル補償テーブルにより、前記トルクリプル補償信号のｄｎ軸成分，ｑｎ軸成分を出力し、
   前記トルクリプル補償テーブルのｄｎ軸成分とｑｎ軸成分を合成して前記トルクリプル補償信号を出力し、
   前記ｄ軸電流指令値と前記ｑ軸電流指令値と前記トルクリプル補償信号とに基づいてインバータを制御することを特徴とするインバータの制御方法。
2. 前記ｄ軸，ｑ軸電流指令値の電流振幅が電流振幅制限値を超えたか否かを判定し、電流振幅が電流振幅制限値を超えたとき前記ｄ軸電流指令値、前記ｑ軸電流指令値に制限をかける電流振幅制限処理を行う電流振幅制限処理と、インバータの三相電流検出値を座標変換したｄ軸電流検出値、ｑ軸電流検出値が前記ｄ軸電流指令値、前記補正後ｑ軸電流指令値に一致するように追従制御してｄ軸電圧指令値、ｑ軸電圧指令値を得、前記ｄ軸電圧指令値、前記ｑ軸電圧指令値の振幅が電圧振幅制限値を超えたか否かを判定し、電圧振幅が電圧振幅制限値を超えたとき前記ｄ軸電圧指令値、前記ｑ軸電圧指令値に制限をかける電圧振幅制限処理と、を実行し、
   前記ｄ軸電流調整処理は、前記一つの動作点での前記トルクフィードバック制御がなされている状態で、前記電流振幅又は電圧振幅の少なくともいずれか一方が前記電流振幅制限値または前記電圧振幅制限値を超えた場合に、トルク検出値と前記トルク指令値の偏差を示すトルク誤差に基づいて、第１の探索モードを実行して、トルク誤差が最小となる前記ｄ軸電流指令値を探索して生成し、前記電流振幅と電圧振幅の両方が前記制限値以下の場合に、第２の探索モードを実行して、入力電力または電流振幅値または電圧指令デューティ比が最小となる前記ｄ軸電流指令値を探索して生成し、
   前記第１又は第２の探索モード実行時のデータが最小点に収束したから否かを判定する収束判定処理を行うことを特徴とする請求項１に記載のインバータの制御方法。
3. 前記収束判定処理によって収束が判定された後に、前記トルク誤差が残留しているか否かを判定することを特徴とする請求項２に記載のインバータの制御方法。
4. 電流指令テーブルとトルクリプル補償テーブルの生成時に、前記ｄ軸電流指令値の大きさを制限することを特徴とする請求項１〜３のうち何れかに記載のインバータの制御方法。
5. 前記収束判定処理によって収束が判定された後に、前記トルク誤差が残留しているか否かを判定し、残留している場合に、前記一つの動作点に設定された前記トルク指令値から前記残留したトルク誤差の最小点探索結果を減算して新たなトルク指令値を求め、前記新たなトルク指令値を当該動作点での前記トルク指令値に設定変更し、前記新たなトルク指令値と、そのときの回転数設定値および前記ｄ軸電流指令値，前記ｑ軸電流指令値を記録することを特徴とする請求項３記載のインバータの制御方法。
6. 前記第２の探索モードは、前記ｄ軸電流指令値を変化させ、変化前後のインバータの入力電力を観測し、前記入力電力が最小となるｄ軸電流指令値を探索することを特徴とする請求項２〜５のうち何れかに記載のインバータの制御方法。
7. 前記自動調整処理は、最大効率となるｄ軸電流，ｑ軸電流を予め解析によって求めておき、前記求められたｄ軸電流，ｑ軸電流を前記ｄ軸電流指令値，前記ｑ軸電流指令値の初期値とすることを特徴とする請求項６に記載のインバータの制御方法。
8. 前記第２の探索モードは、前記ｄ軸電流指令値を変化させ、変化前後の電流振幅値を観測し、前記電流振幅値が最小となる前記ｄ軸電流指令値を探索することを特徴とする請求項２〜５のうち何れかに記載のインバータの制御方法。
9. 前記インバータの制御は、インバータの三相電流検出値を座標変換したｄ軸電流検出値、ｑ軸電流検出値が、前記ｄ軸電流指令値，前記補正後ｑ軸電流指令値に一致するように追従制御して得たｄ軸電圧指令値，ｑ軸電圧指令値と、インバータの直流入力の直流電圧値とから電圧指令デューティ比を演算し、
   前記第２の探索モードは、前記ｄ軸電流指令値を変化させ、変化前後の前記電圧指令デューティ比を観測し、前記電圧指令デューティ比が最小となるｄ軸電流指令値を探索することを特徴とする請求項２〜５のうち何れかに記載のインバータの制御方法。
10. 前記電圧指令デューティ比は、低域通過フィルタを介した値であることを特徴とする請求項１〜９のうち何れかに記載のインバータの制御方法。
11. 前記収束判定処理によって、収束が判定された後に、前記トルク誤差が残留しているか否か判定し、前記トルク誤差が残留している場合、制限処理後のｑ軸電流指令値にトルクリプル補償信号が重畳されているか否かを判定し、トルクリプル補償信号が重畳されている場合はトルクリプル補償信号を低減することを特徴とする請求項３，５記載のインバータの制御方法。
12. モータを可変速制御するインバータに与えるトルク指令値からベクトル制御のｄ軸電流指令値，補正後ｑ軸電流指令値の演算に用いる電流指令テーブルおよびトルクリプル補償テーブルを自動生成するインバータの制御装置であって、
    回転速度検出値と、前記トルク指令値とに基づいて、前記ｄ軸電流指令値と前記ｑ軸電流指令値を出力する電流指令テーブルと、
    前記回転速度検出値と、前記トルク指令値とに基づいて、トルクリプル補償信号のｄｎ軸成分，ｑｎ軸成分を出力するトルクリプル補償テーブルと、
    前記トルクリプル補償テーブルのｄｎ軸成分とｑｎ軸成分を合成して前記トルクリプル補償信号を出力するトルクリプル補償信号合成部と、
    前記ｄ軸電流指令値と前記ｑ軸電流指令値と前記トルクリプル補償信号とに基づいてインバータを制御するインバータ制御部と、
    を備え、
    前記電流指令テーブルと、前記トルクリプル補償テーブルは、請求項１記載の自動調整処理により生成することを特徴とするインバータの制御装置。

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