JP7035818B2 - 巻線界磁型同期モータの制御方法、及び、制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、巻線界磁型同期モータの制御方法、及び、制御装置に関する。

特許文献１には、回転子側に界磁巻線を有する界磁巻線型の同期モータのトルク制御において、ｆ軸電流と称される界磁巻線に流す電流を変化させることで回転子側の界磁磁束を変化させる技術が開示されている。

国際公開第２０１７／０１４２４９号

特許文献１に開示される界磁巻線型の同期モータにおいては、固定子に印加されるｄ、ｑ軸電圧に加えて、回転子における界磁磁束を変化させるためにｆ軸電圧が制御される。ここで、ｄ、ｑ、及び、ｆ軸においては１つの軸の電圧の制御が他の軸の制御を干渉するので、相互の干渉成分をキャンセルする非干渉制御部を設けることで、界磁磁束をｆ軸において制御することができる。

ｆ軸の制御は、印加電流に対する界磁磁束の応答性が比較的悪いという性質を有する。そのため、ｆ軸電圧指令値の算出にフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御が用いられる場合には、所望の応答性を実現するためにＦ／Ｂゲインを大きくする必要がある。しかしながら、Ｆ／Ｂゲインが大きくなると、演算時間などの制御系が持つむだ時間が大きい場合などには、界磁磁束が発散するおそれがある。一方、発散を防止するためにフィードバックゲインを小さくすると、応答性が悪くなってしまい収束までに時間がかかるおそれがある。

本発明は、このような課題に着目してなされたものであり、Ｆ／Ｂ補償器を用いることなく界磁磁束を安定的に制御することで回転制御を精度よく行える巻線界磁型の同期モータの制御方法、及び、制御装置を提供することを目的とする。

本発明の巻線界磁型の同期モータの制御方法の一態様は、固定子におけるｄ軸、ｑ軸の電圧指令値、及び、回転子における磁束を制御するｆ軸の電圧指令値を算出し、ｄ軸、ｑ軸、及びｆ軸の電圧指令値に基づいて回転駆動を制御する。巻線界磁型の同期モータの制御方法は、トルク指令値に応じてｆ軸電流指令値を算出するｆ軸電流指令値演算ステップと、ｆ軸電流センサにより取得されるｆ軸電流がｆ軸電流指令値に追従するように制御するために、第１のｆ軸電圧指令値を算出するｆ軸電流制御ステップと、ｆ軸とｄ軸及びｑ軸との間の干渉電圧をキャンセルするｆ軸非干渉電圧を算出するｆ軸非干渉制御ステップと、第１のｆ軸電圧指令値をｆ軸非干渉電圧により補正して第２のｆ軸電圧指令値を求め、第２のｆ軸電圧指令値に応じて回転子の巻線に対してｆ軸電圧を出力するｆ軸電圧出力ステップと、を有する。ｆ軸電流制御ステップは、ｆ軸電流指令値に対して負帰還電流に基づいた疑似Ｆ／Ｂ制御を行うことにより、疑似Ｆ／Ｂ電圧指令値を算出する疑似Ｆ／Ｂステップと、疑似Ｆ／Ｂ電圧指令値を制限してｆ軸制限電圧指令値を出力する制限ステップと、ｆ軸電圧からｆ軸電流までの応答をモデル化した規範応答モデルを用いて、ｆ軸制限電圧指令値から、負帰還電流となるｆ軸電流規範応答を算出する規範応答処理ステップと、ｆ軸制限電圧指令値に基づいて第１のｆ軸電圧指令値を算出する第１のｆ軸電圧指令値算出ステップと、を有する。

本発明の一態様によれば、Ｆ／Ｂ補償器を用いることなく界磁磁束を安定的に制御することで回転制御を精度よく行うことができる。

図１は、モータ制御システムのブロック図である。 図２は、ｆ軸電流制御部の詳細なブロック図である。 図３は、ｆ軸Ｆ／Ｆ補償器の詳細なブロック図である。 図４は、ｆ軸電流モデルの詳細なブロック図である。 図５は、ｆ軸電流Ｆ／Ｂモデル詳細なブロック図である。 図６は、ｆ軸リミット処理部の詳細なブロック図である。 図７は、ｆ軸リミット処理部の詳細なブロック図の他の一例である。 図８は、ｆ軸Ｆ／Ｂ補償器の詳細なブロック図である。 図９は、ｆ軸ロバスト補償器の詳細なブロック図である。 図１０は、モータの制御処理を示すフローチャートである。 図１１Ａは、本実施形態と比較例とにおける制御処理を示すタイミングチャートである。 図１１Ｂは、本実施形態と比較例とにおける制御処理を示すタイミングチャートである。 図１２Ａは、本実施形態と比較例とにおける制御処理を示すタイミングチャートである。 図１２Ｂは、本実施形態と比較例とにおける制御処理を示すタイミングチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

図１は、本実施形態の制御方法により制御されるモータ制御システム１００のブロック図である。モータ制御システム１００は、例えば、電気自動車に適用される。なお、電気自動車以外に、例えば、ハイブリッド自動車や、自動車以外のシステムに適用することも可能である。

まず、モータ制御システム１００の制御の概略について説明する。モータ制御システム１００により制御されるモータ１０１は、固定子の巻線に電圧を印加可能に構成されるとともに、回転子に巻線を備え回転子側の磁束を変化させることができる巻線界磁型同期モータである。モータ１０１の回転制御においては、固定子に印加されるｄ、ｑ軸の電圧に加えて、回転子の磁束を変化させるｆ軸の電圧が制御される。

電流指令値演算器１１３は、アクセル開度などに基づくトルク指令値Ｔ^*に応じてｄ、ｑ及びｆ軸の電流指令値（ｉ_d ^*、ｉ_q ^*、ｉ_f ^*）を算出する。ｄ、ｑ及びｆ軸の電流制御部１１４、１１５、１１６は、Ａ／Ｄ変換器１０７、及び、３相／ｄ－ｑ交流座標変換器１０８を介して入力されるモータ１０１の実電流（ｉ_d、ｉ_q、ｉ_f）が、電流指令値（ｉ_d ^*、ｉ_q ^*、ｉ_f ^*）に追従するように第１の電圧指令値（ｖ_{d_dsh}、ｖ_{q_dsh}、ｖ_{f_dsh}）を算出する。

なお、ｄ、ｑ及びｆ軸の制御において相互の干渉が発生するので、この干渉をキャンセルするために、非干渉制御部１１７は、電流制御部１１４、１１５、１１６からの出力に基づいて非干渉電圧（ｖ_{d_dcpl}、ｖ_{q_dcpl}、ｖ_{f_dcpl}）を生成する。第２の電圧指令値演算部１１８において、第１の電圧指令値（ｖ_{d_dsh}、ｖ_{q_dsh}、ｖ_{f_dsh}）と非干渉電圧（ｖ_{d_dcpl}、ｖ_{q_dcpl}、ｖ_{f_dcpl}）とが加算されることで、ｄ、ｑ及びｆ軸の相互干渉が生じない第２の電圧指令値（ｖ_d ^*、ｖ_q ^*、ｖ_f ^*）が算出される。このように非干渉電圧を加算することで、ｄ、ｑ及びｆ軸のそれぞれの軸の電圧制御において、他の軸からの影響を考慮する必要がなくなる。

ｄ、ｑ軸に関しては、第２の電圧指令値演算部１１８から出力される第２の電圧指令値（ｖ_d ^*、ｖ_q ^*）は、ｄ－ｑ／３相交流座標変換器１１９、ＰＷＭ変換器１０２、三相電圧型のインバータ１０３を介して、交流電圧（ｖ_u、ｖ_v、ｖ_w）としてモータ１０１の固定子が備える巻線に印加される。

ｆ軸に関しては、第２の電圧指令値演算部１１８から出力される第２の電圧指令値（ｖ_f ^*）は、ｆ軸電流出力部１０５に入力される。ｆ軸電流出力部１０５は、直流電源１０４の直流電圧（Ｖ_dc）を用いて、第２の電圧指令値（ｖ_f ^*）に応じたｆ軸電圧ｖ_fを生成し、ｆ軸電圧ｖ_fをモータ１０１の回転子が備えるコイルに印加する。

なお、モータ制御システム１００においては、全体の遅れ成分を考慮して制御を行うために、パルスカウンタ１１０、角速度演算器１１１、及び、先読み補償部１１２などが設けられている。

角速度演算器１１１、先読み補償部１１２、電流指令値演算器１１３、ｄ軸電流制御部１１４、ｑ軸電流制御部１１５、ｆ軸電流制御部１１６、非干渉制御部１１７、第２の電圧指令値演算部１１８、ｄ－ｑ／３相交流座標変換器１１９は、例えばＣＰＵなどの１つのコントローラによって制御が実行されてもよい。また、ＰＷＭ変換器１０２、ｆ軸電流出力部１０５、Ａ／Ｄ変換器１０７、３相／ｄ－ｑ交流座標変換器１０８、パルスカウンタ１１０などは、本実施形態においては上述のコントローラにより処理が行われるものとするが、コントローラとは別のマイコンにより制御が行われてもよい。

以下においては、それぞれの構成について詳細に説明する。

モータ１０１は、巻線界磁型同期モータである。巻線界磁型同期モータは、固定子側の三相の電機子巻線に加えて回転子側に界磁巻線を有し、界磁巻線への印加電圧を制御することで回転子の磁束を変更させることができる。なお、モータ制御システム１００が電気自動車に適用される場合、モータ１０１は車両の駆動源となる。

ＰＷＭ変換器１０２は、入力される三相の電圧指令値ｖ_u ^*、ｖ_v ^*、ｖ_w ^*に基づき、三相電圧型のインバータ１０３を構成するスイッチング素子（ＩＧＢＴなど）の操作に用いるＰＷＭ Ｄｕｔｙ駆動信号（Ｄ_uu ^*、Ｄ_ul ^*、Ｄ_vu ^*、Ｄ_vl ^*、Ｄ_wu ^*、Ｄ_wl ^*）を生成する。

インバータ１０３は、直流電源１０４の電源電圧Ｖ_dcを用いて、ＰＷＭ変換器１０２により生成される駆動信号に応じて交流電圧ｖ_u、ｖ_v、ｖ_wを生成し、交流電圧ｖ_u、ｖ_v、ｖ_wをモータ１０１に供給する。なお、直流電源１０４は、例えば積層型リチウムイオンバッテリである。

ｆ軸電流出力部１０５は、直流電源１０４から供給される電源電圧Ｖ_dcを用いて、第２のｆ軸電圧指令値ｖ_f ^*に応じたｆ軸電圧ｖ_fを回転子巻線に印加することで、回転子巻線にはｆ軸電流ｉ_fが流れる。このように、固定子および回転子に設けられる巻線には共通の直流電源１０４から電力が供給される。なお、電源電圧Ｖ_dcは、後述の制限処理に用いられるためにｆ軸電流制御部１１６へと出力される。

電流センサ１０６は、複数設けられている。それらのうちの２つの電流センサ１０６ｕ、電流センサ１０６ｖは、インバータ１０３からモータ１０１に供給される三相交流電流のうち、少なくとも２相の電流であるｕ相電流ｉ_u、及び、ｖ相電流ｉ_vを検出する。検出されたｕ相電流ｉ_u、及び、ｖ相電流ｉ_vは、Ａ／Ｄ変換器１０７でデジタル信号であるｕ相電流ｉ_us、及び、ｖ相電流ｉ_vsに変換され、３相／ｄ－ｑ交流座標変換器１０８に入力される。なお、電流センサ１０６を３相のうちの２相にのみに取り付ける場合、残りの１相のｗ相電流ｉ_wsは、次式（１）により求めることができる。

また、他の１つのｆ軸電流センサ１０６ｆは、ｆ軸電流出力部１０５からモータ１０１への電流供給路にも設けられており、ｆ軸電流ｉ_fを検出する。検出されたｆ軸電流ｉ_fは、Ａ／Ｄ変換器１０７においてデジタル信号に変換され、３相／ｄ－ｑ交流座標変換器１０８に入力される。

磁極位置検出器１０９は、モータ１０１に設けられるレゾルバから出力されるＡＢＺ相のパルスを検出する。パルスカウンタ１１０は、磁極位置検出器１０９により取得されたＡＢＺ相のパルスに応じて電気角度θ_reを求め、電気角度θ_reを３相／ｄ－ｑ交流座標変換器１０８、及び、先読み補償部１１２に出力する。

角速度演算器１１１は、電気角度θ_reを入力して、その時間変化率に基づいて、電気角速度ω_re、及び、モータ回転数ω_rmを求める。なお、モータ回転数ω_rmは、電気角速度ω_reをモータ極対数ｐにて除して求められる。

先読み補償部１１２は、電気角度θ_reと電気角速度ω_reを入力して、電気角度θ_reに対して、電気角速度ω_reと制御系が持つむだ時間との乗算値を加算することにより、先読み補償後電気角θ_re ^'を求める。先読み補償部１１２は、先読み補償後電気角θ_re ^' をｄ－ｑ／３相交流座標変換器１１９へと出力する。

３相／ｄ－ｑ交流座標変換器１０８は、３相交流座標系（ｕｖｗ軸）から直交２軸直流座標系（ｄ－ｑ軸）への変換を行なう。具体的には、ｕ相電流ｉ_us、ｖ相電流ｉ_vsと及び電気角度θ_reを入力として、次式（２）よりｄ軸電流ｉ_d、及び、ｑ軸電流ｉ_qを算出する。

電流指令値演算器１１３は、トルク指令値Ｔ^*、機械角速度であるモータ回転数ω_rm、及び、電源電圧Ｖ_dcを入力とし、ｄ軸電流指令値ｉ_d ^*、ｑ軸電流指令値ｉ_q ^*、及び、ｆ軸電流指令値ｉ_f ^*を算出する。電流指令値演算器１１３は、トルク指令値Ｔ^*、モータ回転数ω_rm、及び、電源電圧Ｖ_dcと、ｄ軸電流指令値ｉ_d ^*、ｑ軸電流指令値ｉ_q ^*、及び、ｆ軸電流指令値ｉ_f ^*との関係を定めたマップデータを予めメモリに記憶しておき、このマップデータを参照することでｄ軸電流指令値ｉ_d ^*、ｑ軸電流指令値ｉ_q ^*及びｆ軸電流指令値ｉ_f ^*の各々を求める。

ｄ軸電流制御部１１４は、計測されたｄ軸電流ｉ_dがｄ軸電流指令値ｉ_d ^*に追従するように、第１のｄ軸電圧指令値ｖ_{d_dsh}、ｄ軸電流規範応答ｉ_{d_ref}、及び、ｄ軸電流規範応答の微分値ｓ・ｉ_{d_ref}を算出する。ｑ軸電流制御部１１５は、ｑ軸電流ｉ_qがｑ軸電流指令値ｉ_q ^*に追従するように、第１のｑ軸電圧指令値ｖ_{q_dsh}、及び、ｑ軸電流規範応答ｉ_{q_ref}を算出する。ｆ軸電流制御部１１６は、ｆ軸電流ｉ_fがｆ軸電流指令値ｉ_f ^*に追従するように、第１のｆ軸電圧指令値ｖ_{f_dsh}、ｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref}、及び、ｆ軸電流規範応答の微分値ｓ・ｉ_{f_ref}を算出する。これらの処理のうち、ｆ軸電流制御部１１６の詳細については、図２を用いて後述する。なお、ｆ軸電流制御部１１６は、ｆ軸電流制御ステップを実行するブロックの一例である。

非干渉制御部１１７は、電気角速度ω_reと、ｄ軸電流制御部１１４から出力されるｄ軸電流規範応答ｉ_{d_ref}、及び、ｄ軸電流規範応答の微分値ｓ・ｉ_{d_ref}と、ｑ軸電流制御部１１５から出力されるｑ軸電流規範応答ｉ_{q_ref}と、ｆ軸電流制御部１１６から出力されるｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref}、及び、ｆ軸電流規範応答の微分値ｓ・ｉ_{f_ref}を入力して、ｄ、ｑ及びｆ軸において各々の１軸に対して他の２軸からの干渉電圧を相殺するために必要な非干渉電圧ｖ_{d_dcpl}、ｖ_{q_dcpl}、ｖ_{f_dcpl}を算出する。なお、非干渉電圧ｖ_{f_dcpl}は、後述の制限処理に用いられるためにｆ軸電流制御部１１６へと出力される。なお、非干渉制御部１１７は、ｆ軸非干渉制御ステップを実行するブロックの一例である。

第２の電圧指令値演算部１１８は、ｄ、ｑ及びｆ軸に対応する３つの加算器により構成される。第２の電圧指令値演算部１１８は、ｄ軸電流制御部１１４から出力される第１のｄ軸電圧指令値ｖ_{d_dsh}に、非干渉制御部１１７の出力である非干渉電圧ｖ_{d_dcpl}を加算することで、第２のｄ軸電圧指令値ｖ_d ^*を算出する。第２の電圧指令値演算部１１８は、ｑ軸電流制御部１１５から出力される第１のｑ軸電圧指令値ｖ_{q_dsh}に、非干渉制御部１１７の出力である非干渉電圧ｖ_{q_dcpl}を加算することで、第２のｑ軸電圧指令値ｖ_q ^*を算出する。第２の電圧指令値演算部１１８は、ｆ軸電流制御部１１６から出力される第１のｆ軸電圧指令値ｖ_{f_dsh}に、非干渉制御部１１７の出力であるｆ軸非干渉電圧ｖ_{f_dcpl}を加算することで、第２のｆ軸電圧指令値ｖ_f ^*を算出する。このように非干渉電圧を加算することによりｄ、ｑ及びｆ軸のそれぞれにおいて他の２軸からの干渉成分がキャンセルされるので、ｄ、ｑ及びｆ軸のそれぞれを単純な一次遅れ系として扱うことができる。なお、第２の電圧指令値演算部１１８は、ｆ軸電圧出力ステップを実行するブロックの一例である。また、非干渉制御の詳細については、後に、式（４）～（８）を用いて説明する。

ｄ－ｑ／３相交流座標変換器１１９は、電気角速度ω_reで回転する直交２軸直流座標系（ｄ－ｑ軸）から３相交流座標系（ｕｖｗ軸）への変換を行う。具体的には、第２のｄ軸電圧指令値ｖ_d ^*、第２のｑ軸電圧指令値ｖ_q ^*と、先読み補償後電気角θ_re ^'を入力し、次式（３）による座標変換処理を行うことによって、ｕｖｗ各相の電圧指令値ｖ_u ^*、ｖ_v ^*、ｖ_w ^*を算出して出力する。

以降において、巻線界磁型のモータ１０１における非干渉制御について説明する。まず、巻線界磁型のモータ１０１における電圧方程式は、次式（４）のように示される。

ただし、式（４）のパラメータは以下のとおりである。なおこれらの値のうち、インダクタンス及び抵抗は、モータ１０１の設計により定まる。

ｉ_d ：ｄ軸電流
ｉ_q ：ｑ軸電流
ｉ_f ：ｆ軸電流
ｖ_d ：ｄ軸電圧
ｖ_q ：ｑ軸電圧
ｖ_f ：ｆ軸電圧
Ｌ_d ：ｄ軸インダクタンス
Ｌ_q ：ｑ軸インダクタンス
Ｌ_f ：ｆ軸インダクタンス
Ｍ ：固定子／回転子間の相互インダクタンス
Ｌ_d ^' ：ｄ軸動的インダクタンス
Ｌ_q ^' ：ｑ軸動的インダクタンス
Ｌ_f ^' ：ｆ軸動的インダクタンス
Ｍ^' ：固定子／回転子間の動的相互インダクタンス
Ｒ_a ：固定子巻線抵抗
Ｒ_f ：回転子巻線抵抗
ω_re ：電気角速度
ｓ ：ラプラス演算子

ここで、非干渉制御部１１７が非干渉成分を理想的に算出し、第２の電圧指令値演算部１１８によって非干渉成分が加算されれば、ｄ、ｑ、及び、ｆ軸のそれぞれにおいて他の２軸からの干渉がキャンセルされる。そのため、電圧方程式は次式（５）に示されるように対角化される。

つまり、d、q、及び、f軸における電圧から電流までのモデル、すなわち、電圧を入力として電流を出力とする規範応答モデルは、それぞれ次式（６）、（７）、及び、（８）に示されるような一次遅れ系となることになる。

次に、ｆ軸電流制御部１１６の詳細について図２を用いて説明する。なお、ｄ、ｑ軸における制御についてはｆ軸と同様であるため、説明を割愛し、以下ではｆ軸に関しての制御のみ説明する。

図２は、ｆ軸電流制御部１１６の詳細なブロック図である。

ｆ軸電流制御部１１６においては、Ａ／Ｄ変換器１０７から入力されるｆ軸電流ｉ_fが電流指令値演算器１１３において算出されるｆ軸電流指令値ｉ_f ^*に定常偏差なく所望の応答性で追従するように第１のｆ軸電圧指令値ｖ_{f_dsh}を算出する。さらに、ｆ軸電流制御部１１６は、後の処理にて用いられる、ｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref}、及び、ｆ軸電流規範応答の微分値ｓ・ｉ_{f_ref}を算出する。ｆ軸電流制御部１１６は、ｆ軸Ｆ／Ｆ（フィードフォワード）補償器２０１、ｆ軸Ｆ／Ｂ補償器２０２、ｆ軸ロバスト補償器２０３、及び、ｆ軸リミット処理部２０４により構成されており、以下ではそれぞれの詳細について説明する。

ｆ軸Ｆ／Ｆ補償器２０１は、電流指令値演算器１１３にて算出されるｆ軸電流指令値ｉ_f ^*を入力として、ｆ軸Ｆ／Ｆ補償電圧ｖ_{f_ff}に加えて、ｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref}、及び、その微分値であるｆ軸電流規範応答の微分値ｓ・ｉ_{f_ref}を算出する。ｆ軸Ｆ／Ｆ補償器２０１は、ｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref}、及び、その微分値であるｆ軸電流規範応答の微分値ｓ・ｉ_{f_ref}を非干渉制御部１１７へと出力するとともに、ｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref}をｆ軸Ｆ／Ｂ補償器２０２へと出力する。ｆ軸Ｆ／Ｆ補償器２０１の詳細については、図３を用いて後述する。なお、図示されていないが、ｆ軸Ｆ／Ｆ補償器２０１には、直流電源１０４から出力される電源電圧Ｖ_dc、及び、非干渉制御部１１７から出力される非干渉電圧ｖ_{f_dcpl}が入力される。なお、ｆ軸Ｆ／Ｆ補償器２０１は、ｆ軸電流制御ステップを実行するブロックの一例である。

ｆ軸Ｆ／Ｂ補償器２０２は、一般的なフィードバック補償を行う補償器である。ｆ軸Ｆ／Ｂ補償器２０２は、ｆ軸Ｆ／Ｆ補償器２０１において算出されるｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref}に対して、ｆ軸電流センサ１０６ｆによって測定されたｆ軸電流ｉ_fを負帰還させるＦ／Ｂ処理を行うことで、ｆ軸電流ｉ_fがｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref}に追従するように、ｆ軸Ｆ／Ｂ補償電圧ｖ_{f_fb}を算出する。ｆ軸Ｆ／Ｂ補償器２０２は、ｆ軸Ｆ／Ｂ補償電圧ｖ_{f_fb}を加算器２０５へと出力する。ｆ軸Ｆ／Ｂ補償器２０２の詳細については、図８を用いて後述する。なお、ｆ軸Ｆ／Ｂ補償器２０２は、Ｆ／Ｂ補償ステップを実行するブロックの一例である。加算器２０５は、加算ステップを実行するブロックの一例である。

ｆ軸ロバスト補償器２０３は、後述のｆ軸リミット処理部２０４において算出され最終的にｆ軸電流制御部１１６から出力される第１のｆ軸電圧指令値ｖ_{f_dsh}と、ｆ軸電流ｉ_fとに基づいて、システムの堅牢性を確保するためのｆ軸ロバスト補償電圧ｖ_{f_rbst}を算出する。ｆ軸ロバスト補償器２０３は、ｆ軸ロバスト補償電圧ｖ_{f_rbst}を加算器２０６へと出力する。ｆ軸ロバスト補償器２０３の詳細については、図９を用いて後述する。

ｆ軸リミット処理部２０４の前段には２つの加算器２０５、２０６が設けられている。ｆ軸Ｆ／Ｆ補償器２０１において算出されたｆ軸Ｆ／Ｆ補償電圧ｖ_{f_ff}に対して、加算器２０５によりｆ軸Ｆ／Ｂ補償電圧ｖ_{f_fb}が加算され、さらに、加算器２０６によりｆ軸ロバスト補償電圧ｖ_{f_rbst}が加算される。そして、最終的な加算値が、ｆ軸リミット処理部２０４へと入力される。従って、ｆ軸リミット処理部２０４には、Ｆ／Ｆ指令値であるｆ軸Ｆ／Ｆ補償電圧ｖ_{f_ff}に対して、Ｆ／Ｂ補償値であるｆ軸Ｆ／Ｂ補償電圧ｖ_{f_fb}、及び、ｆ軸ロバスト補償値であるｆ軸ロバスト補償電圧ｖ_{f_rbst}が加算されたものが入力される。

そして、ｆ軸リミット処理部２０４は、入力される電圧指令値を制限して第１のｆ軸電圧指令値ｖ_{f_dsh}を算出する。ｆ軸リミット処理部２０４は、ｆ軸電圧指令値ｖ_{f_dsh}を第２の電圧指令値演算部１１８、及び、ｆ軸ロバスト補償器２０３へと出力する。なお、ｆ軸リミット処理部２０４においては、図６及び７を用いて説明される後述のｆ軸リミット処理部３０３と同じ処理が行われる。

次に、ｆ軸Ｆ／Ｆ補償器２０１の詳細な構成について図３を用いて説明する。図３は、ｆ軸Ｆ／Ｆ補償器２０１の詳細なブロック図である。ｆ軸Ｆ／Ｆ補償器２０１は、ｆ軸電流モデル３０１と、ｆ軸電流擬似Ｆ／Ｂモデル３０２と、ｆ軸リミット処理部３０３とを有する。

ｆ軸電流モデル３０１は、ｆ軸電圧からｆ軸電流までの規範応答特性をモデル化したフィルタである。ｆ軸電流モデル３０１は、後述のｆ軸リミット処理部３０３から出力されるf軸Ｆ／Ｆ補償電圧ｖ_{f_ff}に対して、ｆ軸における電圧から電流までの規範応答モデルを用いたフィルタリング処理することで、規範応答であるｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref}を算出し、非干渉制御部１１７、及び、ｆ軸Ｆ／Ｂ補償器２０２へと出力する。また、ｆ軸電流モデル３０１は、後の処理で用いるために、ｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref}の微分値であるｆ軸電流規範応答の微分値ｓ・ｉ_{f_ref}を非干渉制御部１１７へと出力する。ｆ軸電流モデル３０１の詳細については、図４を用いて後述する。なお、ｆ軸電流モデル３０１は、規範応答処理ステップを実行するブロックの一例である。

ｆ軸電流擬似Ｆ／Ｂモデル３０２においては、電流指令値演算器１１３にて算出されるｆ軸電流指令値ｉ_f ^*に対して、ｆ軸電流モデル３０１から出力されるｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref}が負帰還される。ｆ軸電流擬似Ｆ／Ｂモデル３０２は、ｆ軸電流指令値ｉ_f ^*に対してｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref}を定常偏差なく所望の応答性で追従させるために、疑似ＦＢ電圧指令値ｖ_{f_pse_fb}を算出し、ｆ軸リミット処理部３０３へと出力する。ｆ軸電流擬似Ｆ／Ｂモデル３０２の詳細については、図５を用いて後述する。なお、ｆ軸電流擬似Ｆ／Ｂモデル３０２は、疑似Ｆ／Ｂステップを実行するブロックの一例である。

ｆ軸リミット処理部３０３は、ｆ軸電流疑似Ｆ／Ｂモデル３０２から出力される疑似ＦＢ電圧指令値ｖ_{f_pse_fb}に対して制限を行い、ｆ軸Ｆ／Ｆ補償電圧ｖ_{f_ff}を算出し、加算器２０５、及び、ｆ軸電流モデル３０１へと出力する。ｆ軸リミット処理部３０３の詳細については、図６、７を用いて後述する。なお、ｆ軸リミット処理部３０３は、制限ステップを実行するブロックの一例である。

なお、図示されていないが、ｆ軸リミット処理部３０３には、直流電源１０４から出力される電源電圧Ｖ_dc、及び、非干渉制御部１１７から出力される非干渉電圧ｖ_{f_dcpl}が入力される。図２に示されるように、ｆ軸リミット処理部３０３から出力されるｆ軸Ｆ／Ｆ補償電圧ｖ_{f_ff}は、加算器２０５、加算器２０６、及び、ｆ軸リミット処理部２０４を経て、第１のｆ軸電圧指令値ｖ_{f_dsh}が算出される。すなわち、加算器２０５、加算器２０６、及び、ｆ軸リミット処理部２０４は、第１のｆ軸電圧指令値算出ステップを実行するブロックの構成の一例である。

このようにｆ軸Ｆ／Ｆ補償器２０１において、ｆ軸電流擬似Ｆ／Ｂモデル３０２に対して、測定されたｆ軸電流ｉ_fが負帰還されるＦ／Ｂ系ではなく、ｆ軸電流モデル３０１にて算出されるｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref}が負帰還される疑似的なＦ／Ｂ系が構成される。このように擬似的なＦ／Ｂ系を実現することにより、応答性が悪いＦ／Ｂ制御を回避できるため、応答性の向上を図ることができる。

さらに、図１に示されるように、ｆ軸電圧ｖ_fは直流電源１０４により生成されるので、そのｆ軸電圧ｖ_fノ上限は直流電源１０４の電源電圧Ｖ_dcにより制限されて飽和する。そこで、電源電圧Ｖ_dcでの飽和をモデル化したｆ軸リミット処理部３０３を設けて、第１のｆ軸電圧指令値ｖ_{f_dsh}を制限してｆ軸Ｆ／Ｆ補償電圧ｖ_{f_ff}を算出する。電圧飽和が考慮されたｆ軸Ｆ／Ｆ補償電圧ｖ_{f_ff}がｆ軸電流疑似Ｆ／Ｂモデル３０２に帰還されることにより、回転制御の精度の向上を図ることができる。

次に、ｆ軸電流モデル３０１の詳細な構成について図４を用いて説明する。図４は、ｆ軸電流モデル３０１の詳細なブロック図である。ｆ軸電流モデル３０１は、乗算器４０１、減算器４０２、除算器４０３、及び、積分器４０４を有する。

乗算器４０１は、ｆ軸電流モデル３０１の最終的な出力の１つであり後述の積分器４０４から出力されるｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref}に対して、回転子巻線抵抗Ｒ_fを乗算し、乗算結果を減算器４０２へと出力する。この乗算結果は、規範応答の電圧値に相当する。

減算器４０２は、ｆ軸リミット処理部３０３から出力されるｆ軸Ｆ／Ｆ補償電圧ｖ_{f_ff}から、乗算器４０１から出力される規範応答の電圧値を差し引き、その減算値を除算器４０３に出力する。

除算器４０３は、減算器４０２にて算出される差分に対してｆ軸動的インダクタンスＬ_f ^'で除算し、除算結果を非干渉制御部１１７、及び、積分器４０４へと出力する。このようにして、ｆ軸電流規範応答の微分値ｓ・ｉ_{f_ref}が算出される。

積分器４０４は、除算器４０３から出力されるｆ軸電流規範応答の微分値ｓ・ｉ_{f_ref}を積分処理してｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref}を算出し、ｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref}を非干渉制御部１１７、ｆ軸Ｆ／Ｂ補償器２０２、及び、乗算器４０１へと出力する。

このように、ｆ軸電流モデル３０１においては、最終的な出力の１つであるｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref}が乗算器４０１により回転子巻線抵抗Ｒ_fが乗算されて、入力であるｆ軸Ｆ／Ｆ補償電圧ｖ_{f_ff}に対して負帰還させる。この負帰還の結果値を除算器４０３によりｆ軸動的インダクタンスＬ_f ^'で除算することで、ｆ軸Ｆ／Ｆ補償電圧ｖ_{f_ff}に基づくｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref}、及び、その微分値ｓ・ｉ_{f_ref}を求めることができる。

次に、ｆ軸電流疑似Ｆ／Ｂモデル３０２の詳細な構成について図５を用いて説明する。図５は、ｆ軸電流疑似Ｆ／Ｂモデル３０２の詳細なブロック図である。ｆ軸電流疑似Ｆ／Ｂモデル３０２は、フィルタ５０１、フィルタ５０２、及び、減算器５０３を有する。

フィルタ５０１は、電流指令値演算器１１３から出力されるｆ軸電流指令値ｉ_f ^*にゲインＧ_afを乗算し、そのフィルタ処理後の値を減算器５０３へと出力する。

フィルタ５０２は、ｆ軸電流モデル３０１から出力されるｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref}にゲインＧ_bfを乗算し、そのフィルタ処理後の値を減算器５０３へと出力する。

そして、減算器５０３は、フィルタ５０１の出力値からフィルタ５０２の出力値を差し引くことで疑似Ｆ／Ｂ電圧指令値ｖ_{f_pse_fb}を算出し、疑似ＦＢ電圧指令値ｖ_{f_pse_fb}をｆ軸リミット処理部３０３へと出力する。すなわち、測定値ではないｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref}が負帰還されることにより、擬似的なＦ／Ｂ制御が構成されることになる。

ただし、ゲインＧ_af及びゲインＧ_bfは、次式（９）のように示すことができる。ただし、τ_fは、ｆ軸の電流制御規範応答時定数である。

このように構成されることで、ｆ軸電流疑似Ｆ／Ｂモデル３０２においては、ｆ軸電流指令値ｉ_f ^*に対して、実際に測定されるｆ軸電流ｉ_fでなくｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref}をＦ／Ｂ成分として用いて疑似的なＦ／Ｂ制御を実現することができる。

次に、ｆ軸リミット処理部３０３の詳細な構成について図６を用いて説明する。図６は、ｆ軸リミット処理部３０３の詳細なブロック図である。ｆ軸リミット処理部３０３は、比較器６０１、反転器６０２、比較器６０３、及び、減算器６０４、６０５を有する。

比較器６０１の前段に設けられる減算器６０４においては、直流電源１０４の電源電圧Ｖ_dcから非干渉制御部１１７から出力されるｆ軸非干渉電圧ｖ_{f_dcpl}を差し引いた減算値が求められる。そして、比較器６０１は、ｆ軸電流疑似Ｆ／Ｂモデル３０２からの出力値である疑似ＦＢ電圧指令値ｖ_{f_pse_fb}と、減算器６０４における減算値とを比較し、より小さな値を比較器６０３へと出力する。

反転器６０２は、電源電圧Ｖ_dcの符号を反転させる。

比較器６０３の前段には減算器６０５が設けられており、減算器６０５においては、反転器６０２の出力から、非干渉制御部１１７から出力されるｆ軸非干渉電圧ｖ_{f_dcpl}を差し引いた減算値が求められる。そして、比較器６０３は、比較器６０１の出力値と、減算器６０５における減算値とを比較し、より大きな値をｆ軸電流モデル３０１、及び、加算器２０５へと出力する。

このような構成により、ｆ軸リミット処理部３０３においては、ｆ軸電流疑似Ｆ／Ｂモデル３０２の出力値である疑似ＦＢ電圧指令値ｖ_{f_pse_fb}に対して、ｆ軸非干渉電圧ｖ_{f_dcpl}を加算するだけの余裕を得るために、ｆ軸非干渉電圧ｖ_{f_dcpl}だけマイナスにオフセットされた電源電圧Ｖ_dcに基づく制限処理、具体的には、上限値が「Ｖ_dc－ｖ_{f_dcpl}」、下限値が「－Ｖ_dc－ｖ_{f_dcpl}」となる制限処理が行われる。

また、ｆ軸リミット処理部３０３を図７に示されるように構成してもよい。図７は、ｆ軸リミット処理部３０３の詳細なブロック図の他の一例である。この一例においては、ｆ軸リミット処理部３０３は、比較器７０１、反転器７０２、比較器７０３、減算器７０４、及び、加算器７０５を有する。

比較器７０１の前段には加算器７０５が設けられており、加算器７０５において、非干渉制御部１１７から出力されるｆ軸非干渉電圧ｖ_{f_dcpl}と、ｆ軸電流疑似Ｆ／Ｂモデル３０２から出力される疑似ＦＢ電圧指令値_{vf_pse_fb}とが加算される。そして、比較器７０１は、直流電源１０４の電源電圧Ｖ_dcと、加算器７０５における加算結果とを比較し、より小さな値を比較器７０３へと出力する。

反転器７０２は、電源電圧Ｖ_dcの符号を反転させる。

比較器７０３は、比較器７０１からの出力と、反転器７０２からの出力とを比較して、大きな値を減算器７０４へと出力する。

減算器７０４は、比較器７０３の出力値から非干渉制御部１１７から出力されるｆ軸非干渉電圧ｖ_{f_dcpl}を差し引くことによりｆ軸Ｆ／Ｆ補償電圧ｖ_{f_ff}を算出する。減算器７０４は、ｆ軸Ｆ／Ｆ補償電圧ｖ_{f_ff}を、ｆ軸電流モデル３０１、及び、ｆ軸電流制御部１１６を構成する加算器２０５へ出力する。

このような構成しても、ｆ軸リミット処理部３０３においては、ｆ軸電流疑似Ｆ／Ｂモデル３０２の出力値である疑似ＦＢ電圧指令値ｖ_{f_pse_fb}に対して、ｆ軸非干渉電圧ｖ_{f_dcpl}を加算する余裕を得るために、ｆ軸非干渉電圧ｖ_{f_dcpl}だけマイナスにオフセットされた電源電圧Ｖ_dcに基づく制限処理、具体的には、上限値が「Ｖ_dc－ｖ_{f_dcpl}」、下限値が「－Ｖ_dc－ｖ_{f_dcpl}」となる制限処理が行われる。

次に、ｆ軸Ｆ／Ｂ補償器２０２の詳細について説明する。図８は、ｆ軸Ｆ／Ｂ補償器２０２の詳細なブロック図である。ｆ軸Ｆ／Ｂ補償器２０２は、ブロック８０１、乗算器８０２、及び、減算器８０３を有する。

ブロック８０１は、遅延フィルタであって、制御系が持つむだ時間Ｌだけの遅延処理を行う。ブロック８０１は、ｆ軸Ｆ／Ｆ補償器２０１から出力されるｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref}の入力に対してｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref}を遅延させ、ｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref}とｆ軸電流ｉ_fの位相を合わせるためにむだ時間処理後ｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref} ^'を算出し、乗算器８０２の前段に設けられる減算器８０３へ出力する。ここで、制御系が持つむだ時間Ｌとは制御演算遅れに相当するものとする。ブロック８０１は、遅延ステップを実行するブロックの一例である。

減算器８０３は、ブロック８０１から出力されるむだ時間処理後ｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref} ^'から、Ａ／Ｄ変換器１０７から出力されるｆ軸電流ｉ_fを差し引いて減算結果を算出する。

乗算器８０２は、減算器８０３における減算結果を入力として、ｆ軸Ｆ／ＢゲインＫ_fを乗算することによりｆ軸Ｆ／Ｂ補償電圧ｖ_{f_fb}を算出し、ｆ軸Ｆ／Ｂ補償電圧ｖ_{f_fb}を加算器２０５へ出力する。なお、ｆ軸Ｆ／ＢゲインＫ_fは、ゲイン余裕や位相余裕などの安定性が所定の基準を満足するように実験にて調整して値を決定する。

このように構成されることで、ｆ軸Ｆ／Ｂ補償器２０２において、ｆ軸電流ｉ_fに基づくｆ軸Ｆ／Ｂ補償電圧ｖ_{f_fb}が算出される。

図９は、ｆ軸ロバスト補償器２０３の詳細なブロック図である。ｆ軸ロバスト補償器２０３は、ブロック９０１、ブロック９０２、ブロック９０３、及び、減算器９０４により構成される。

ブロック９０１は、Ａ／Ｄ変換器１０７から出力されるｆ軸電流ｉ_fを入力に対してフィルタリング処理して第１のｆ軸電圧推定値ｖ_{f_est1}を算出し、ｆ軸電圧推定値ｖ_{f_est1}を減算器９０４へ出力する。ブロック９０１は、後述のブロック９０３のローパスフィルタ１／（τ_{h_f}・ｓ＋１）を含む、（Ｌ_f ^'・ｓ＋Ｒ_f）／（τ_{h_f}・ｓ＋１）の特性を有する遅延フィルタである。

ブロック９０２は、ブロック８０１と同じ遅延フィルタである。ブロック９０２は、ｆ軸リミット処理部２０４から出力される第１のｆ軸電圧指令値ｖ_{f_dsh}に対して、制御系が持つむだ時間Ｌだけ遅延させて、第２のｆ軸電圧推定値ｖ_{f_est2}を算出する。そして、ブロック９０２は、第２のｆ軸電圧推定値ｖ_{f_est2}をブロック９０３へと出力する。

ブロック９０３は、１／（τ_{h_f}・ｓ＋１）の特性を有するローパスフィルタである。ブロック９０３は、ブロック９０２から出力される第２のｆ軸電圧推定値ｖ_{f_est2}に対して、ローパスフィルタ処理を行い、第３のｆ軸電圧推定値ｖ_{f_est3}を算出する。そして、ブロック９０３は、第３のｆ軸電圧推定値ｖ_{f_est3}を減算器９０４へと出力する。

減算器９０４は、第３のｆ軸電圧推定値ｖ_{f_est3}から第１のｆ軸電圧推定値ｖ_{f_est1}を差し引くことにより、ｆ軸ロバスト補償電圧ｖ_{f_rbst}を加算器２０６へと算出する。

このように、第１のｆ軸電圧指令値ｖ_{f_dsh}に対して、遅延フィルタであるブロック９０１、及び、ローパスフィルタであるブロック９０３の処理を行う処理を行い、測定値に基づく第１のｆ軸電圧推定値ｖ_{f_est1}を減じることで、安定性をさらに向上させるためのｆ軸ロバスト補償電圧ｖ_{f_rbst}が算出される。

図１０は、上述の図１乃至９までのモータ１０１の制御処理を示すフローチャートである。これらの制御は、コントローラが予め定められたプログラムを実行することにより、行われる。

ステップＳ１において、Ａ／Ｄ変換器１０７によって電流値（ｕ相電流ｉ_us、ｖ相電流ｉ_vs、及び、ｆ軸電流ｉ_f）が取得される。パルスカウンタ１１０は、磁極位置検出器１０９により検出されるＡＢＺ相のパルスに基づいて電気角度θ_reを取得する。

ステップＳ２において、角速度演算器１１１は、ステップＳ１で算出された電気角度θ_reに基づいて、機械角速度であるモータ回転数ω_rm、及び、電気角速度ω_reを算出する。

ステップＳ３において、先読み補償部１１２は、ステップＳ２にて算出される電気角度θ_reに基づいて、先読み補償後電気角θ_re ^'を算出する。

ステップＳ４において、３相／ｄ－ｑ交流座標変換器１０８は、ステップＳ１において算出されるｕ相電流ｉ_u、ｖ相電流ｉ_vに基づいてｄ軸電流ｉ_d、及び、ｑ軸電流ｉ_qを算出する。

ステップＳ５において、電流指令値演算器１１３は、ステップＳ２で算出されたモータ回転数ω_rmに加えて、上位装置にて算出されるトルク指令値Ｔ^*、及び、電源電圧Ｖ_dcに応じて、ｄ軸電流指令値ｉ_d ^*、ｑ軸電流指令値ｉ_q ^*、及び、ｆ軸電流指令値ｉ_f ^*を算出する。

ステップＳ６において、ｄ軸電流制御部１１４、ｑ軸電流制御部１１５、及び、ｆ軸電流制御部１１６によって、第１のｄ軸電圧指令値ｖ_{d_dsh}、ｄ軸電流規範応答ｉ_{d_ref}、ｄ軸電流規範応答の微分値ｓ・ｉ_{d_ref}、第１のｑ軸電圧指令値ｖ_{q_dsh}、ｑ軸電流規範応答ｉ_{q_ref}、第１のｆ軸電圧指令値ｖ_{f_dsh}、ｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref}、及び、ｆ軸電流規範応答の微分値ｓ・ｉ_{f_ref}が算出される。

ステップＳ７において、非干渉制御部１１７は、ステップＳ２で算出される電気角速度ω_reと、ステップＳ６で算出されるｄ軸電流規範応答ｉ_{d_ref}、ｄ軸電流規範応答の微分値ｓ・ｉ_{d_ref}、ｑ軸電流規範応答ｉ_{q_ref}、ｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref}、及び、ｆ軸電流規範応答の微分値ｓ・ｉ_{f_ref}に応じて、非干渉電圧ｖ_{d_dcpl}、ｖ_{q_dcpl}、ｖ_{f_dcpl}を算出する。

ステップＳ８において、第２の電圧指令値演算部１１８は、ステップＳ６にて算出される第１のｄ軸電圧指令値ｖ_{d_dsh}、第１のｑ軸電圧指令値ｖ_{q_dsh}、及び、第１のｆ軸電圧指令値ｖ_{f_dsh}のそれぞれに対して、ステップＳ７算出される非干渉電圧ｖ_{d_dcpl}、ｖ_{q_dcpl}、及び、ｖ_{f_dcpl}を加算することで、第２のｄ軸電圧指令値ｖ_d ^*、第２のｑ軸電圧指令値ｖ_q ^*、及び、第２のｆ軸電圧指令値ｖ_f ^*を算出する。

ステップＳ９において、ｄ－ｑ／３相交流座標変換器１１９は、ステップＳ８にて算出される第２のｄ軸電圧指令値ｖ_d ^*、第２のｑ軸電圧指令値ｖ_q ^*、及び、第２のｆ軸電圧指令値ｖ_f ^*に対して座標変化処理を行うことにより、ｕｖｗ各相の電圧指令値ｖ_u ^*、ｖ_v ^*、ｖ_w ^*を算出する。

このようにして、コントローラはステップＳ１～Ｓ９の処理を実行することにより、モータ１０１を制御するための指令値が生成される。生成される指令値のうち、ステップＳ９にて算出される電圧指令値ｖ_u ^*、ｖ_v ^*、ｖ_w ^*は、ＰＷＭ変換器１０２、及び、インバータ１０３を介して、モータ１０１の固定子側の巻線に印加される。ステップＳ８にて算出される第２のｆ軸電圧指令値ｖ_f ^*は、ｆ軸電流出力部１０５を介して、モータ１０１の回転子側の巻線に印加される。このようにして、モータ１０１の回転制御が行われる。

次に、本実施形態により導出される効果について、図１１Ａ、１１Ｂを用いて説明する。上述のように、ｆ軸電圧ｖ_fは、ｆ軸電流出力部１０５において、直流電源１０４の電源電圧Ｖ_dcを用いて出力される。そのため、第２のｆ軸電圧指令値ｖ_f ^*が電源電圧Ｖ_dcを上回る場合には、ｆ軸電圧ｖ_fは電源電圧Ｖ_dcを上限値として飽和してしまう。図１１Ａ、１１Ｂには、第２のｆ軸電圧指令値ｖ_f ^*が電源電圧Ｖ_dcを上回らない場合が示されている。

図１１Ａ、１１Ｂにおいては、電流指令値が破線で示される。本実施形態のようにｆ軸Ｆ／Ｆ補償器２０１において測定値ではなくｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref}が負帰還される疑似的なＦ／Ｂ制御が行われる構成における電流値が実線で示される。また、比較例として測定値が負帰還されるＦ／Ｂ制御が行われる場合の電流値が一点鎖線で示されている。

なお、本実施形態において、ｄ、ｑ及びｆ軸の電流規範応答は実線で示される電流値と略一致するため記載を省略した。比較例において、ｄ、ｑ及びｆ軸の電流規範応答は一点鎖線で示される電流値と略一致するため記載を省略した。また、本実施形態においては、比較例と安定性が等価となるようにｆ軸Ｆ／Ｂ補償器２０２のゲインが設定されるものとする。

図１１Ａ（ｉ）においては縦軸がｄ軸電流ｉ_dを示し、図１１Ａ（ｉｉ）においては縦軸がｑ軸電流ｉ_qを示し、図１１Ａ（ｉｉｉ）においては縦軸がｆ軸電流ｉ_fを示す。また、図１１Ａ（ｉ）～（ｉｉｉ）において横軸は時間経過を示す。

時刻ｔ１において、トルク指令値Ｔ^*がステップ的に印加される。このトルク指令値Ｔ^*のステップ印加に伴い、図１１Ａ（ｉ）～（ｉｉｉ）に示されるように、ｄ軸電流指令値ｉ_d ^*、ｑ軸電流指令値ｉ_q ^*、及び、ｆ軸電流指令値ｉ_f ^*がステップ的に印加される。

時刻ｔ２においては、本実施形態と比較例との双方において、ｄ軸電流ｉ_d、ｑ軸電流ｉ_q、及び、ｆ軸電流ｉ_fが、それぞれ、電流指令値（ｄ軸電流指令値ｉ_d ^*、ｑ軸電流指令値ｉ_q ^*、及び、ｆ軸電流指令値ｉ_f ^*）を目標に収束をする。ここで、両者を比較すれば、一点鎖線で示される比較例においては、Ｆ／Ｂによる安定性の低下をＦ／Ｂゲインの減少により補償しているため、収束の応答性が遅い。これに対して実線で示される本実施形態においては、疑似的なＦ／Ｂ制御が行われるため、ｆ軸Ｆ／Ｆ補償器２０１において所望の応答性を満足するようにゲインを設定することができるため、収束の応答性を早くすることができる。そして、時刻ｔ３を経て時刻ｔ４において電流値は電流指令値へと収束する。

また、図１１Ｂ（ｉ）～（ｉｉｉ）においては、図１１Ｂ（ｉ）はｄ軸電圧ｖ_dを、図１１Ｂ（ｉｉ）はｑ軸電圧ｖ_qを、図１１Ｂ（ｉｉｉ）はｆ軸電圧ｖ_fを示す。

これらの図に示されるように、ｄ軸電圧ｖ_d、ｑ軸電圧ｖ_q、及び、ｆ軸電圧ｖ_fのそれぞれにおいて、実線で示される本実施形態は、一点鎖線で示される比較例よりも、応答性が早い。このように、本実施形態においては、比較例と安定性が同じとなるようにｆ軸Ｆ／Ｂ補償器２０２のゲインが設定されていても、ｆ軸電流擬似Ｆ／Ｂモデル３０２を備えるｆ軸Ｆ／Ｆ補償器２０１が設けられることで応答性を早くすることができる。

図１２Ａ、１２Ｂには、第２のｆ軸電圧指令値ｖ_f ^*が電源電圧Ｖ_dcを上回る場合が示されている。実線は、本実施形態の全ての構成を有する場合、すなわち、ｆ軸電流擬似Ｆ／Ｂモデル３０２を有し、図６及び図７に示されるｆ軸リミット処理部３０３を有し、かつ、図８に示すようにｆ軸Ｆ／Ｂ補償器２０２はブロック８０１に示されるように遅延フィルタによって制御系が持つむだ時間Ｌが考慮されている場合を示す。一点鎖線は、比較例として、ｆ軸電流擬似Ｆ／Ｂモデル３０２のみを有する例が示されている。

なお、比較例においては、ｄ及びｑ軸の電流規範応答は一点鎖線で示される電流値と略一致する。ｆ軸の電流規範応答は、二点鎖線にて示されており、電流値と一致しないものとする。

時刻ｔ１において、トルク指令値Ｔ^*がステップ的に印加されると、図１２Ａ（ｉ）～（ｉｉｉ）に示されるように、ｄ軸電流指令値ｉ_d ^*、ｑ軸電流指令値ｉ_q ^*、及び、ｆ軸電流指令値ｉ_f ^*がステップ的に印加される。

この場合に、図１２Ｂ（ｉｉｉ）に示されるように、本実施形態と比較例との両者において、ｆ軸電圧ｖ_fが電源電圧Ｖ_dcに達することによりｆ軸電圧ｖ_fが飽和する。

図１２Ａ（ｉｉｉ）を参照すれば、一点鎖線で示されるように、ｆ軸電圧ｖ_fの飽和が考慮されない比較例においては、ｆ軸電流ｉ_fの指令値に対する応答性が低下する。そのため、一点鎖線で示されるｆ軸電流ｉ_fは、二点鎖線で示されるｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref}への追従性が低下する。

非干渉制御部１１７においては、安定性の低下を回避するために、非干渉電圧の算出にモータ１０１に流れる実際の電流値ではなく電流規範応答を用いている。このｆ軸電流ｉ_fのｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref}への追従性が低下により、干渉成分のキャンセルが十分に行われず、非干渉制御性能が低下してしまう。このため、図１２Ａ（ｉｉ）に示すように、ｑ軸電流ｉ_qのオーバーシュートが発生する。

一方、実線で示される本実施形態においては、ｆ軸電圧ｖ_fの飽和が非干渉制御部１１７の前段のｆ軸電流制御部１１６において考慮されている。そのため、電源電圧Ｖ_dcを使い切って生成されるｆ軸電流ｉ_fの応答性を向上させることができるので、ｆ軸電流ｉ_fのｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref}への追従性が高くなる。そのため、非干渉制御の性能低下を抑制できるため、オーバーシュートやアンダーシュートといった電流の応答性を損なうことなく、各軸の電流（ｉ_d、ｉ_q、及び、ｉ_f）を制御することができる。

また、各軸の電流のそれぞれについて、Ｆ／Ｆ補償器（ｆ軸においてはｆ軸Ｆ／Ｆ補償器２０１）は、主に、各軸の電流指令値（ｉ_d ^*、ｉ_q ^*、及び、ｉ_f ^*）に定常偏差なく電流規範応答で追従させるための第１の電圧指令値（ｖ_{d_dsh}、ｖ_{q_dsh}、ｖ_{f_dsh}）を算出する。一方、Ｆ／Ｂ補償器（ｆ軸においてはｆ軸Ｆ／Ｂ補償器２０２）は、パラメータ誤差などの外乱要因を補正に用いられる。そのため、安定性に寄与しないＦ／Ｆ補償器において、所望の応答性を実現するゲイン設定をできるので、安定性を確保するためにゲインを小さくする必要がなくなり、応答性の低下を抑制できる。

本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。

本実施形態の巻線界磁型のモータ１０１の制御方法においては、非干渉制御部１１７が設けられることによりｆ軸の制御において、ｄ軸及びｑ軸における電圧の影響を考慮しなくてもよくなり、単純な一次遅れ系として制御できる。

この制御方法において、ｆ軸電流制御部１１６が有するｆ軸Ｆ／Ｆ補償器２０１（ｆ軸電流制御ステップ）において、ｆ軸電流疑似Ｆ／Ｂモデル３０２は、電流指令値演算器１１３により算出されるｆ軸電流指令値ｉ_f ^*に対して負帰還電流を用いた疑似Ｆ／Ｂ制御を行うことにより、疑似ＦＢ電圧指令値ｖ_{f_pse_fb}を算出する（疑似Ｆ／Ｂステップ）。ｆ軸リミット処理部３０３は、疑似ＦＢ電圧指令値ｖ_{f_pse_fb}を制限してf軸Ｆ／Ｆ補償電圧ｖ_{f_ff}を出力する（制限ステップ）。規範応答処理部であるｆ軸電流モデル３０１は、ｆ軸Ｆ／Ｆ補償電圧ｖ_{f_ff}に対して、ｆ軸電圧からｆ軸電流までの応答をモデル化した規範応答モデルを用いてｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref}を算出する（規範応答処理ステップ）。

この構成において、ｆ軸電流疑似Ｆ／Ｂモデル３０２において、疑似Ｆ／Ｂに用いられる負帰還電流は、ｆ軸電流モデル３０１により算出されるｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref}である。従って、ｆ軸電流疑似Ｆ／Ｂモデル３０２においては、測定されるｆ軸電流ｉ_fが負帰還であるＦ／Ｂ制御をではなく、ｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref}が負帰還である疑似的なＦ／Ｂ制御が行われる。ｆ軸電流疑似Ｆ／Ｂモデル３０２においては、Ｆ／Ｂ制御が行われないので、安定性を考慮してゲインを小さくする必要がなくなり、所望の応答性を満足するゲインを設定することができるので、応答性を犠牲にすることなく安定性を確保できる。

さらに、ｆ軸リミット処理部３０３が設けられることで、ｆ軸電流出力部１０５におけるｆ軸電圧ｖ_fに電源電圧Ｖ_dcによる飽和特性が考慮されることになる。従って、ｆ軸電圧ｖ_fが電源電圧Ｖ_dcで飽和する場合であっても、その飽和がｆ軸リミット処理部３０３によりモデル化されているため、ｆ軸Ｆ／Ｆ補償器２０１から出力されるｆ軸Ｆ／Ｆ補償電圧ｖ_{f_ff}を用いた制御により、ｆ軸電流ｉ_fのｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref}の追従性が向上する。ｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref}の追従性の向上に伴い、ｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref}を用いた非干渉制御部１１７における非干渉制御性能の低下が抑制される。

本実施形態の巻線界磁型のモータ１０１の制御方法においては、ｆ軸リミット処理部３０３は、図６及び図７に示されるように、疑似ＦＢ電圧指令値ｖ_{f_pse_fb}に対して、ｆ軸非干渉電圧ｖ_{f_dcpl}を加算する余裕を持たせて、ｆ軸非干渉電圧ｖ_{f_dcpl}だけオフセットされた電源電圧Ｖ_dcに基づく制限処理を行う。制限処理において、具体的には、上限値が「Ｖ_dc－ｖ_{f_dcpl}」、下限値が「－Ｖ_dc－ｖ_{f_dcpl}」に制限され、制限された第１のｆ軸電圧指令値ｖ_{f_dsh}が出力される。

このように構成されることで、ｆ軸リミット処理部３０３を有するｆ軸電流制御部１１６の後段において、第２の電圧指令値演算部１１８によりｆ軸非干渉電圧ｖ_{f_dcpl}が加算された場合に、その加算後の第２のｆ軸電圧指令値ｖ_f ^*の上限値が「Ｖ_dc」、下限値が「－Ｖ_d」に制限されるので、ｆ軸電流出力部１０５において、電源電圧Ｖ_dcを最大限利用してｆ軸電圧ｖ_fを生成することができる。

本実施形態の巻線界磁型のモータ１０１の制御方法においては、ｆ軸電流制御部１１６は、さらに、ｆ軸Ｆ／Ｂ補償器２０２を有する（Ｆ／Ｂ補償ステップ）。図８に示されるように、ｆ軸Ｆ／Ｂ補償器２０２は、ｆ軸Ｆ／ＢゲインＫ_fを乗算する乗算器８０２及び減算器８０３を備える。

減算器８０３においては、ｆ軸Ｆ／Ｆ補償器２０１のｆ軸電流モデル３０１（規範応答処理ステップ）において算出されるｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref}に対してｆ軸電流ｉ_fが負帰還（減算）され、減算結果に対して乗算器８０２によってｆ軸Ｆ／ＢゲインＫ_fが乗算されることでＦ／Ｂ制御が行われて、ｆ軸Ｆ／Ｂ補償電圧ｖ_{f_fb}が算出される。そして、図２に示されるように、加算器２０５において、ｆ軸Ｆ／Ｂ補償電圧ｖ_{f_fb}は、ｆ軸Ｆ／Ｆ補償器２０１のｆ軸電流モデル３０１により算出されるｆ軸Ｆ／Ｆ補償電圧ｖ_{f_ff}に加算される（加算ステップ）。さらに、この加算結果に基づいて第１のｆ軸電圧指令値ｖ_{f_dsh}が求められる。

ｆ軸Ｆ／Ｆ補償器２０１に加えてｆ軸Ｆ／Ｂ補償器２０２が設けられることにより、パラメータ誤差などの外乱要因を補正することができる。そして、ｆ軸Ｆ／Ｂ補償器２０２においては、ｆ軸電流モデル３０１から出力されるｆ軸電圧ｖ_fの飽和特性が考慮されたｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref}を用いられているので、必要以上にＦ／Ｂ制御が作動してｆ軸電流ｉ_fのオーバーシュートやアンダーシュートを誘発することを防止できる。

図８に示されるように、ｆ軸Ｆ／Ｂ補償器２０２は、ブロック８０１によってｆ軸電流規範応答ｉ_{f_ref}に対して制御系の遅れ時間を考慮した遅延処理を行う。このように、ｆ軸Ｆ／Ｂ補償電圧は、制御系が持つむだ時間を考慮したｆ軸電流規範応答を用いて算出することができるので、Ｆ／Ｂ制御の精度を向上させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

１００ モータ制御システム
１０１ モータ
１０４ 直流電源
１０５ ｆ軸電流出力部
１１６ ｆ軸電流制御部
１１７ 非干渉制御部
１１８ 第２の電圧指令値演算部
２０１ ｆ軸Ｆ／Ｆ補償器
２０２ ｆ軸Ｆ／Ｂ補償器
３０１ ｆ軸電流モデル
３０２ ｆ軸電流擬似Ｆ／Ｂモデル
３０３ ｆ軸リミット処理部

Claims (5)

1. 固定子におけるｄ軸、ｑ軸の電圧指令値、及び、回転子における磁束を制御するｆ軸の電圧指令値を算出し、ｄ軸、ｑ軸、及びｆ軸の電圧指令値に基づいて回転駆動を制御する巻線界磁型の同期モータの制御方法であって、
   トルク指令値に応じてｆ軸電流指令値を算出するｆ軸電流指令値演算ステップと、
   ｆ軸電流センサにより取得されるｆ軸電流が前記ｆ軸電流指令値に追従するように制御するために、第１のｆ軸電圧指令値を算出するｆ軸電流制御ステップと、
   ｆ軸とｄ軸及びｑ軸との間の干渉電圧をキャンセルするｆ軸非干渉電圧を算出するｆ軸非干渉制御ステップと、
   前記第１のｆ軸電圧指令値を前記ｆ軸非干渉電圧により補正して第２のｆ軸電圧指令値を求め、前記第２のｆ軸電圧指令値に応じて前記回転子の巻線に対してｆ軸電圧を出力するｆ軸電圧出力ステップと、を有し、
   前記ｆ軸電流制御ステップは、
   前記ｆ軸電流指令値に対して負帰還電流に基づいた疑似Ｆ／Ｂ制御を行うことにより、疑似Ｆ／Ｂ電圧指令値を算出する疑似Ｆ／Ｂステップと、
   前記疑似Ｆ／Ｂ電圧指令値を制限してｆ軸制限電圧指令値を出力する制限ステップと、
   ｆ軸電圧からｆ軸電流までの応答をモデル化した規範応答モデルを用いて、前記ｆ軸制限電圧指令値から、前記負帰還電流となるｆ軸電流規範応答を算出する規範応答処理ステップと、
   前記ｆ軸制限電圧指令値に基づいて前記第１のｆ軸電圧指令値を算出する第１のｆ軸電圧指令値算出ステップと、を有する巻線界磁型の同期モータの制御方法。
2. 請求項１の巻線界磁型の同期モータの制御方法であって、
   前記ｆ軸電圧出力ステップにおいて、直流電源から供給される直流電圧に基づいて前記ｆ軸電圧が生成され、
   前記制限ステップにおいて、前記ｆ軸非干渉電圧だけオフセットされた前記直流電圧を用いて前記疑似Ｆ／Ｂ電圧指令値の制限を行う、巻線界磁型の同期モータの制御方法。
3. 請求項１または２に記載の巻線界磁型の同期モータの制御方法であって、
   前記第１のｆ軸電圧指令値算出ステップは、さらに、
   前記ｆ軸電流規範応答に対して、前記ｆ軸電流を負帰還させるＦ／Ｂ制御を行うことで、Ｆ／Ｂ制御電圧を算出するＦ／Ｂ制御電圧算出ステップと、
   前記ｆ軸制限電圧指令値に対して前記Ｆ／Ｂ制御電圧を加算することで、前記第１のｆ軸電圧指令値を算出する加算ステップと、を有する、
   巻線界磁型の同期モータの制御方法。
4. 請求項３に記載の巻線界磁型の同期モータの制御方法であって、
   前記ｆ軸Ｆ／Ｂ補償ステップは、さらに、
   前記ｆ軸電流規範応答に対して制御系の遅れ時間を考慮した遅延処理を行う遅延ステップを有する、
   巻線界磁型の同期モータの制御方法。
5. 固定子におけるｄ軸、ｑ軸の電圧指令値、及び、回転子における磁束を制御するｆ軸の電圧指令値を算出し、ｄ軸、ｑ軸、及びｆ軸の電圧指令値に基づいて回転駆動を制御する巻線界磁型の同期モータの制御装置であって、
   前記制御装置は、
   トルク指令値に応じてｆ軸電流指令値を算出するｆ軸電流指令値演算器と、
   ｆ軸電流センサにより取得されるｆ軸電流が前記ｆ軸電流指令値に追従するように制御するために、第１のｆ軸電圧指令値を算出するｆ軸電流制御部と、
   ｆ軸とｄ軸及びｑ軸との間の干渉電圧をキャンセルするｆ軸非干渉電圧を算出するｆ軸非干渉制御部と、
   前記第１のｆ軸電圧指令値を前記ｆ軸非干渉電圧により補正して第２のｆ軸電圧指令値を求め、前記第２のｆ軸電圧指令値に応じて前記回転子の巻線に対してｆ軸電圧を出力するｆ軸電圧出力部と、を有し、
   前記ｆ軸電流制御部は、
   前記ｆ軸電流指令値に対して負帰還電流に基づいた疑似Ｆ／Ｂ制御を行うことにより、疑似Ｆ／Ｂ電圧指令値を算出する疑似Ｆ／Ｂモデルと、
   前記疑似Ｆ／Ｂ電圧指令値を制限してｆ軸制限電圧指令値を出力する制限部と、
   ｆ軸電圧からｆ軸電流までの応答をモデル化した規範応答モデルを用いて、前記ｆ軸制限電圧指令値から、前記負帰還電流となるｆ軸電流規範応答を算出する規範応答処理部と、
   前記ｆ軸制限電圧指令値に基づいて前記第１のｆ軸電圧指令値を算出する第１のｆ軸電圧指令値算出部と、を有する巻線界磁型の同期モータの制御装置。

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