JP7130595B2 - 電動機駆動制御装置および該方法ならびに電動機駆動制御システム - Google Patents

Description

本発明は、電動機の駆動を制御する電動機駆動制御装置および電動機駆動制御方法に関する。そして、本発明は、前記電動機駆動制御装置を備える電動機駆動制御システムに関する。

電動機の駆動制御には、例えばＰＩ制御を用いたフィードバック制御が用いられることが多い。その速度制御では、目標速度に対する応答性は、電動機が用いられた製品の性能に影響するため、その高さが要求される。前記フィードバック制御では、フィードバックゲインを大きく設定することで、応答性を向上できるが、いわゆるオーバーシュートやハンチングが生じてしまう虞がある。

このため、従来の前記フィードバック制御に較べて高い応答性を実現できることから、モデル予測制御（ｍｏｄｅｌ ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ、ＭＰＣ）が電動機の駆動制御に提案されている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。このモデル予測制御では、制御周期ごとに次の一連の処理が繰り返し実行されることで電動機が駆動制御される。前記一連の処理において、まず、電動機のモデルを用いることで複数の候補入力電圧ごとに、電動機における将来の挙動が予測される。次に、各予測結果（電動機の各挙動）が評価され、最も目標に近い予測結果が選択され、この選択された予測結果を与える候補入力電圧で電動機が駆動制御される。このようなモデル予測制御では、予測結果を基に最適化した候補入力電圧を決定できることから、従来の前記フィードバック制御を超える高い応答性が期待できる。

モデル予測制御で速度制御する場合、上述のように予測が必要であり、この予測には、電動機の場合、電動機自身の特性パラメータだけでなく、電動機に外部から働く負荷トルクの情報も必要となる。しかしながら、負荷トルクは、一般に、未知であり、事前の予測が難しい。そこで、例えば、非特許文献１に開示された技術がある。この非特許文献１に開示された、電動機をモデル予測制御で速度制御する技術では、カルマンフィルタを用いて負荷トルクが推定されている。

特開２００８－２２８４１９号公報 特開２０１３－６２９４９号公報

Ｅｓｔｅｂａｎ Ｆｕｅｎｔｅｓ，ｅｔ．ａｌ，「Ｃａｓｃａｄｅ－Ｆｒｅｅ Ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ Ｓｐｅｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｄｒｉｖｅｓ」、ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮ ＯＮ ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ，Ｖｏｌ．６１，Ｎｏ．５，ＭＡＹ ２０１４

前記非特許文献１に開示された技術は、カルマンフィルタを用いて負荷トルクを推定することで、電動機をモデル予測制御で速度制御できている。しかしながら、モデル予測制御では、前記予測の情報処理に演算リソースの多くが占められ、負荷トルクの推定等のその他の情報処理に対し演算リソースを割くことが難しい。演算処理能力の比較的高い、例えばＦＰＧＡ（ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ）等を用いることによって、前記非特許文献１に開示された技術における負荷トルク推定が、モデル予測制御での速度制御の実行中に可能となり得るが、コスト高になってしまう。コストの制約から演算処理能力の比較的高くない情報処理装置を用いて非特許文献１に開示された技術を用いると、リアルタイムで速度制御することが難しい。

本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、より少ない情報処理量で負荷トルクを推定でき、モデル予測制御で電動機を駆動制御できる電動機駆動制御装置および電動機駆動制御方法ならびに前記電動機駆動制御装置を備える電動機駆動制御システムを提供することである。

本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の一態様にかかる電動機駆動制御装置は、インバータ回路の出力で駆動される電動機を制御する電動機駆動制御装置であって、前記電動機に働く負荷トルクを推定する負荷トルク推定部と、前記インバータ回路で出力可能な時系列な電圧パターンを、互いに異なるように複数、生成する電圧パターン生成部と、前記電圧パターン生成部で生成された複数の時系列な電圧パターンそれぞれについて、前記負荷トルク推定部で推定された負荷トルクが前記電動機に働いている場合であって、当該時系列な電圧パターンが前記電動機に入力された場合における前記電動機の回転速度を回転速度予測値として予測する速度予測部と、前記電圧パターン生成部で生成された複数の時系列な電圧パターンの中から、前記速度予測部で予測された前記電動機の各回転速度予測値の中で最も高い評価の回転速度予測値に対応する時系列な電圧パターンを選択する電圧パターン選択部と、前記電圧パターン選択部で選択された時系列な電圧パターンに基づいて、前記インバータ回路を制御するインバータ制御部とを備え、前記負荷トルク推定部は、前記速度予測部で過去に予測された現在の回転速度予測値に基づいて前記負荷トルクを推定する。好ましくは、電動機駆動制御装置は、インバータ回路の出力で駆動される電動機を制御する電動機駆動制御装置であって、前記電動機の回転速度を回転速度現在値として求める速度出力処理を実施する速度出力部と、前記電動機に働く負荷トルクを推定する負荷トルク推定処理を実施する負荷トルク推定部と、前記インバータ回路で出力可能な時系列な電圧パターンを、互いに異なるように複数、生成する電圧パターン生成処理を実施する電圧パターン生成部と、前記電圧パターン生成部で生成された複数の時系列な電圧パターンそれぞれについて、前記負荷トルク推定部で推定された負荷トルクが前記電動機に働いている場合であって、当該時系列な電圧パターンが前記電動機に入力された場合における前記電動機の回転速度を回転速度予測値として予測する速度予測処理を実施する速度予測部と、前記電圧パターン生成部で生成された複数の時系列な電圧パターンの中から、前記速度予測部で予測された前記電動機の各回転速度予測値の中で最も高い評価の回転速度予測値に対応する時系列な電圧パターンを選択する電圧パターン選択処理を実施する電圧パターン選択部と、前記電圧パターン選択部で選択された時系列な電圧パターンに基づいて、前記インバータ回路を制御するインバータ制御処理を実施するインバータ制御部と、前記速度出力処理、前記負荷トルク推定処理、前記電圧パターン生成処理、前記速度予測処理、前記電圧パターン選択処理およびインバータ制御処理を、前記速度出力部、前記負荷トルク推定部、電圧パターン生成部、前記速度予測部、前記電圧パターン選択部および前記インバータ制御部に、所定の制御周期で繰り返し実施させる繰返し制御部とを備え、前記前記負荷トルク推定部は、前記速度予測部で過去に予測された現在の回転速度予測値に基づいて前記負荷トルクを推定する。

このような電動機駆動制御装置は、負荷トルクの推定に、過去に予測された現在の回転速度予測値を用いるので、従来のカルマンフィルタを用いる場合に較べてより少ない情報処理量で負荷トルクを推定でき、負荷トルクが働く使用条件でも、モデル予測制御で電動機を駆動制御できる。このため、演算処理能力の比較的低い、安価な演算処理装置でモデル予測制御を実現する場合でも、上記電動機駆動制御装置は、略リアルタイムで電動機を駆動制御できる。

他の一態様では、上述の電動機駆動制御装置において、前記電動機の回転速度を回転速度現在値として求める速度出力部をさらに備え、前記負荷トルク推定部は、前記速度予測部で過去に予測された現在の回転速度予測値と前記速度出力部で求めた回転速度現在値との差分に、所定の係数を乗じた差分乗算値を、制御周期ごとに積算することで前記負荷トルクを推定する。

このような電動機駆動制御装置は、速度予測部で過去に予測された現在の回転速度予測値と速度出力部で求めた回転速度現在値との差分に、所定の係数を乗じた差分乗算値を、制御周期ごとに積算することで負荷トルクを推定するので、簡便に、より少ない情報処理量で負荷トルクを推定でき、モデル予測制御で電動機を駆動制御できる。

他の一態様では、上述の電動機駆動制御装置において、前記負荷トルクを入力とし前記速度予測部の推定誤差を出力とする伝達関数が、安定性を満足する範囲内に、前記所定の係数を設定する係数設定部をさらに備える。

このような電動機駆動制御装置は、制御系が安定するように係数を適切に設定できる。このため、不適切な係数によって駆動の際に生じる発振や不安定化が事前に回避できる。

他の一態様では、これら上述の電動機駆動制御装置において、前記電圧パターン選択部は、制御目標の回転速度を含む評価関数を用いることによって前記評価を行い、現在以前の実績値に基づいて将来の制御目標の回転速度を予測する制御目標予測部をさらに備える。好ましくは、上述の電動機駆動制御装置において、前記制御目標予測部は、現在以前の実績値における変化量に基づいて将来の制御目標の回転速度を予測する。他の一態様では、これら上述の電動機駆動制御装置において、前記制御目標予測部は、現在以前の実績値を外挿することによって将来の制御目標の回転速度を予測する。

このような電動機駆動制御装置は、制御目標予測部をさらに備えるので、制御目標の回転速度が変化する場合でも、より適切に制御できる。

本発明の他の一態様にかかる電動機駆動制御方法は、インバータ回路の出力で駆動される電動機を制御する電動機駆動制御方法であって、前記電動機に働く負荷トルクを推定する負荷トルク推定工程と、前記インバータ回路で出力可能な時系列な電圧パターンを、互いに異なるように複数、生成する電圧パターン生成工程と、前記電圧パターン生成工程で生成された複数の時系列な電圧パターンそれぞれについて、前記負荷トルク推定工程で推定された負荷トルクが前記電動機に働いている場合であって、当該時系列な電圧パターンが前記電動機に入力された場合における前記電動機の回転速度を回転速度予測値として予測する速度予測工程と、前記電圧パターン生成工程で生成された複数の時系列な電圧パターンの中から、前記速度予測工程で予測された前記電動機の各回転速度予測値の中で最も高い評価の回転速度予測値に対応する時系列な電圧パターンを選択する電圧パターン選択工程と、前記電圧パターン選択工程で選択された時系列な電圧パターンに基づいて、前記インバータ回路を制御するインバータ制御工程とを備え、前記負荷トルク推定工程は、前記速度予測工程で過去に予測された現在の回転速度予測値に基づいて前記負荷トルクを推定する。

このような電動機駆動制御方法は、負荷トルクの推定に、過去に予測された現在の回転速度予測値を用いるので、従来のカルマンフィルタを用いる場合に較べてより少ない情報処理量で負荷トルクを推定でき、負荷トルクが働く使用条件でも、モデル予測制御で電動機を駆動制御できる。このため、演算処理能力の比較的低い、安価な演算処理装置でモデル予測制御を実現する場合でも、上記電動機駆動制御方法は、略リアルタイムで電動機を駆動制御できる。

本発明の他の一態様にかかる電動機駆動制御システムは、電動機と、前記電動機を駆動するインバータ回路と、前記インバータ回路を制御することで前記電動機を制御する電動機駆動制御部とを備え、前記電動機駆動制御部は、これら上述のいずれかの電動機駆動制御装置である。

これによれば、これら上述のいずれかの電動機駆動制御装置を備えた電動機駆動制御システムが提供できる。このような電動機駆動制御システムは、これら上述のいずれかの電動機駆動制御装置を備えるので、より少ない情報処理量で負荷トルクを推定でき、モデル予測制御で電動機を駆動制御できる。

本発明にかかる電動機駆動制御装置および電動機駆動制御方法は、より少ない情報処理量で負荷トルクを推定でき、モデル予測制御で電動機を駆動制御できる。そして、本発明によれば、この電動機駆動制御装置を備えた電動機駆動制御システムが提供できる。

実施形態における電動機駆動制御システムの構成を示すブロック図である。 前記電動機駆動制御システムにおけるＭＰＣ制御部の構成を示すブロック図である。 前記電動機駆動制御システムにおけるインバータ回路の構成を示す回路図である。 前記電動機駆動制御システムにおける負荷トルク推定部の構成を示すブロック図である。 前記インバータ回路で出力可能な電圧を示すベクトル図である。 前記インバータ回路で出力可能な時系列な電圧パターンの一例を説明するための図である。 負荷トルクを入力とし、回転速度予測の推定誤差を出力とする伝達関数のステップ応答を説明するための図である。 前記電動機駆動制御システムにおける動作を示すフローチャートである。 負荷トルクの更新量を調整するためのゲインを求めるためのフローチャートである。 速度制御のシミュレーション結果を示す図である。 前記電動機駆動制御システムの第１変形形態を説明するための図である。

以下、図面を参照して、本発明の１または複数の実施形態が説明される。しかしながら、発明の範囲は、開示された実施形態に限定されない。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。

図１は、実施形態における電動機駆動制御システムの構成を示すブロック図である。図２は、前記電動機駆動制御システムにおけるＭＰＣ制御部の構成を示すブロック図である。図３は、前記電動機駆動制御システムにおけるインバータ回路の構成を示す回路図である。図４は、前記電動機駆動制御システムにおける負荷トルク推定部の構成を示すブロック図である。図５は、前記インバータ回路で出力可能な電圧を示すベクトル図である。図６は、前記インバータ回路で出力可能な時系列な電圧パターンの一例を説明するための図である。図７は、負荷トルクを入力とし、回転速度予測の推定誤差を出力とする伝達関数のステップ応答を説明するための図である。図７の横軸は、経過時間であり、その縦軸は、回転速度の推定誤差である。

実施形態における電動機駆動制御システムは、電動機を、制御しつつ、駆動するシステムであり、インバータ回路の出力で駆動される電動機を制御する電動機駆動制御装置を備える。本実施形態では、電動機駆動制御システムＳは、モデル予測制御を用いたベクトル制御によって、電動機を、制御しつつ、駆動する。このような電動機駆動制御システムＳは、例えば、図１に示すように、電動機Ｍと、インバータ回路ＩＶと、モデル予測制御部ＭＣと、３相２相変換部ＣＶと、負荷トルク推定部ＴＥと、回転速度処理部ＲＳＣと、電流測定部ＣＳと、回転角度測定部ＶＳとを備える。

電動機Ｍは、インバータ回路ＩＶに接続され、インバータ回路ＩＶの交流出力で駆動される電動機である。例えば、電動機Ｍは、インバータ回路ＩＶから出力されるＵ相、Ｖ相およびＷ相の三相交流電流で駆動される同期電動機、より具体的には、本実施形態では永久磁石式同期電動機（ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ、ＰＭＳＭ）である。なお、電動機Ｍは、これに限定されるものではなく、例えば、誘導電動機（ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ、ＩＭ）やＳＲモータ(Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ ｍｏｔｏｒ、ＳＲＭ）等の他の種類であっても良い。

インバータ回路ＩＶは、モデル予測制御部ＭＣに接続され、モデル予測制御部ＭＣの制御に従って、直流電源Ｖｄｃの直流電力を、所定の周波数の交流電力へ変換する回路である。インバータ回路ＩＶは、例えば、図３に示すように、直列に接続された２個のスイッチング素子Ｔｒを１組として、互いに並列に接続された３組Ｔｒ１、Ｔｒ４；Ｔｒ２、Ｔｒ５；Ｔｒ３、Ｔｒ６を備える。より具体的には、インバータ回路ＩＶは、６個の第１ないし第６スイッチングＴｒ１～Ｔｒ６を備える。これら第１ないし第６スイッチング素子Ｔｒ１～Ｔｒ６は、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等の、オンオフするスイッチ機能を持つ電力用半導体素子である。第１ないし第３スイッチング素子Ｔｒ１～Ｔｒ３の各一方端子（例えば各コレクタ端子）は、それぞれ、直流電源Ｖｄｃの一方端子に接続される。第１スイッチング素子Ｔｒ１の他方端子（例えばエミッタ端子）は、第４スイッチング素子Ｔｒ４の一方端子（例えば各コレクタ端子）に接続される。第２スイッチング素子Ｔｒ２の他方端子（例えばエミッタ端子）は、第５スイッチング素子Ｔｒ５の一方端子（例えば各コレクタ端子）に接続される。第３スイッチング素子Ｔｒ３の他方端子（例えばエミッタ端子）は、第６スイッチング素子Ｔｒ６の一方端子（例えば各コレクタ端子）に接続される。これら第４ないし第６スイッチング素子Ｔｒ４～Ｔｒ６の各他方端子（例えば各エミッタ端子）は、それぞれ、直流電源Ｖｄｃの他方端子に接続される。これら第１ないし第６スイッチング素子Ｔｒ１～Ｔｒ６における、スイッチング素子Ｔｒをオンオフするための制御信号が入力される各制御端子（例えばゲート端子）は、モデル予測制御部ＭＣに接続される。これら第１ないし第６スイッチング素子Ｔｒ１～Ｔｒ６それぞれにおいて、その一方端子と他方端子との各間それぞれには、他方端子にアノード端子を接続した各ダイオードＤ１～Ｄ６が接続される。そして、第１スイッチング素子Ｔｒ１と第４スイッチング素子Ｔｒ４とを接続する第１接続点は、例えばＵ相の交流電流を出力し、電動機ＭのＵ相を接続する入力端子に接続される。第２スイッチング素子Ｔｒ２と第５スイッチング素子Ｔｒ５とを接続する第２接続点は、例えばＶ相の交流電流を出力し、電動機ＭのＶ相を接続する入力端子に接続される。第３スイッチング素子Ｔｒ３と第６スイッチング素子Ｔｒ６とを接続する第３接続点は、例えばＷ相の交流電流を出力し、電動機ＭのＷ相を接続する入力端子に接続される。このような構成のインバータ回路ＩＶは、いわゆる２レベル３相インバータ回路であり、各組の一方のスイッチング素子Ｔｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３と他方のスイッチング素子Ｔｒ４、Ｔｒ５、Ｔｒ６とは、互いに逆のスイッチング態様（一方がオンの場合には他方がオフで、一方がオフの場合には他方がオンである態様）となるようにモデル予測制御部ＭＣの制御に従って制御され、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の３相の交流電流を電動機Ｍへ出力する。

電流測定部ＣＳは、３相２相変換部ＣＶに接続され、インバータ回路ＩＶから電動機Ｍへ流れる電流、本実施形態では、Ｕ相電流、Ｖ相電流およびＷ相電流それぞれを測定し、その各測定結果を３相２相変換部ＣＶへ出力する装置である。電流測定部ＣＳは、例えば交流電流計を備えて構成される。

回転角度測定部ＶＳは、３相２相変換部ＣＶおよび回転速度処理部ＲＳＣそれぞれに接続され、電動機Ｍにおける磁極位置を角度で測定し、その測定結果（回転角度）を３相２相変換部ＣＶおよび回転速度処理部ＲＳＣそれぞれに出力する装置である。回転角度測定部ＶＳは、例えば、ロータリエンコーダ（パルスジェネレータ）や、ホールＩＣ等を備えて構成される。なお、センサレスの場合には、回転角度測定部ＶＳは、電動機Ｍのモデルを用いて電流および電圧から電動機Ｍの回転角度を求めても良い。

３相２相変換部ＣＶは、モデル予測制御部ＭＣに接続され、電流測定部ＣＳから入力された測定結果（Ｕ相電流、Ｖ相電流およびＷ相電流）および回転角度測定部ＶＳから入力された測定結果（回転角度）から、いわゆるクラーク（Ｃｌａｒｋｅ）変換およびパーク（Ｐａｒｋ）変換によって、励磁電流（ｄ軸電流）ｉ_ｄおよびトルク分電流（ｑ軸電流）ｉ_ｑを求め、この求めたｄ軸電流ｉ_ｄおよびｑ軸電流ｉ_ｑをモデル予測制御部ＭＣへ出力するものである。

回転速度処理部ＲＳＣは、モデル予測制御部ＭＣおよび負荷トルク推定部ＴＥそれぞれに接続され、回転角度測定部ＶＳから入力された測定結果（回転角度）から、電動機Ｍの回転速度ω_ｍを求め、この求めた回転速度ω_ｍを回転速度現在値ω_ｍとしてモデル予測制御部ＭＣおよび負荷トルク推定部ＴＥそれぞれへ出力するものである。すなわち、回転速度処理部ＲＳＣは、回転角度測定部ＶＳから入力された測定結果（回転角度）から、電動機Ｍの回転速度ω_ｍを求め、この求めた回転速度ω_ｍを回転速度現在値ω_ｍとしてモデル予測制御部ＭＣおよび負荷トルク推定部ＴＥそれぞれへ出力する速度出力処理を実施する。例えば、回転角度測定部ＶＳで測定された回転角度θ_ｅを時間微分して電動機Ｍの極対数ｐの逆数を乗じることによって回転速度ω_ｍが求められる。

負荷トルク推定部ＴＥは、モデル予測制御部ＭＣに接続され、電動機Ｍに働く負荷トルクを推定するものである。すなわち、負荷トルク推定部ＴＥは、電動機Ｍに働く負荷トルクを推定する負荷トルク推定処理を実施する。モデル予測制御では、その性質上、現時点における電動機Ｍの回転速度を過去に予測している。回転速度の予測値は、電動機Ｍに負荷トルクを加えた電圧方程式および運動方程式に基づいて導出される。ここで、仮に、予測された回転速度予測値と実測された回転速度現在値との間に誤差が生じている場合、電動機Ｍのモデルに含まれる誤差を無視すると、そこには、回転速度の予測に用いられた負荷トルクの推定値に誤差が含まれていると考えられる。この考えから、本実施形態では、負荷トルク推定部ＴＥは、モデル予測制御部ＭＣにおける後述の速度予測部１３で過去に予測された現在の回転速度予測値に基づいて負荷トルクを推定する。より具体的には、負荷トルク推定部ＴＥは、速度予測部１３で過去に予測された現在の回転速度予測値と回転角度測定部ＶＳで測定された回転角度から求めた回転速度現在値との差分に、予め設定された所定の係数を乗じた差分乗算値を、制御周期ごとに積算することで負荷トルクを推定する。

すなわち、モデル予測制御部ＭＣが、予め設定された所定の制御周期ごとに繰り返し電動機Ｍをインバータ回路ＩＶを介して制御する場合、ｋ番目の制御における負荷トルク推定値を、上にハット（＾）付きのＴ_ｌ（ｋ）とし、電動機Ｍの慣性モーメントをＪとし、ｋ番目の制御（現在）における回転速度予測値を、上にハット（＾）付きのω（ｋ）とし、ｋ番目の制御（現在）における回転速度現在値をω（ｋ）とし、制御周期（モデル予測制御における繰り返し制御の時間間隔）をＴ_ｓとし、前記所定の係数として、負荷トルクのゲイン（更新量を調整するための更新量調整ゲイン）をＫとする場合に、負荷トルク推定値は、次式１で表される。

より具体的には、本実施形態では、負荷トルク推定部ＴＥは、上記式１から、例えば、図４に示すように、減算部３１と、ローパスフィルタ部３２と、パラメータ演算部３３と、ゲイン演算部３４とを備える。

減算部３１は、回転速度処理部ＲＳＣおよびモデル予測制御部ＭＣそれぞれに接続され、モデル予測制御部ＭＣの速度予測部１３で過去、例えば制御周期の１つ前に求められた現在の回転速度予測値（上にハット（＾）付きのω（ｋ））と回転速度処理部ＲＳＣで求められた現在の回転速度現在値ω（ｋ）との差分を求め、この求めた差分をローパスフィルタ部３２へ出力するものである。

ローパスフィルタ部３２は、減算部３１から出力された前記差分に含まれる、例えばノイズ等に起因する高周波成分を除去し、この高周波成分を除去した前記差分をパラメータ演算部３３へ出力するものである。ローパスフィルタ部３２は、例えば、次式２で表される２次のデジタルローパスフィルタＦ（ｚ）を備えて構成される。ここで、ａ_０、ａ_１、ａ_２、ｂ_０、ｂ_１、およびｂ_２は、フィルタ係数であり、ローパスフィルタ部３２の仕様等に応じて適宜に設定される。なお、デジタルローパスフィルタＦ（ｚ）は、２次に限定されるものではなく、１次や３次以上あっても良い。また、前記差分に含まれる高周波成分が無視できる場合には、ローパスフィルタ部３２は、省略されても良い。

パラメータ演算部３３は、ローパスフィルタ部３２の出力（前記高周波成分を除去した前記差分）に、式１におけるパラメータ（－Ｊ／Ｔ_ｓ）を乗算し、この乗算結果をゲイン演算部３４へ出力するものである。

ゲイン演算部３４は、モデル予測制御部ＭＣに接続され、パラメータ演算部３３の出力（パラメータ（－Ｊ／Ｔ_ｓ）を乗算した前記差分）に、負荷トルクのゲインＫを乗算し、この乗算結果をモデル予測制御部ＭＣへ出力するものである。

このゲインＫは、回転速度予測値と回転速度現在値との間の差異に振動成分が生じて回転速度予測値が発散しないように、適切に設定されなければならない。このため、本実施形態では、例えば、負荷トルクを入力とし、速度予測部１３の推定誤差を出力とする伝達関数が安定性を満足する範囲内に、前記所定の係数としてのゲインＫが、設定される。より具体的には、回転速度予測値と回転速度現在値とは、それぞれ、次式３および次式４に従う。ここで、Ｂは、電動機Ｍにおける回転体の摩擦係数であり、Ｔ_ｅ（ｋ）は、電動機Ｍにおける実際の出力トルクであり、Ｔ_ｌ（ｋ）は、電動機Ｍに働く実際の負荷トルクであり、上にハット（＾）付きのＴ_ｅ（ｋ）は、電動機Ｍにおける実際の出力トルクの推定値であり、上にハット（＾）付きのＴ_ｌ（ｋ）は、電動機Ｍに働く実際の負荷トルクの推定値であり、△Ｔ_ｌ（ｋ）は、制御周期ごとに負荷トルク推定値をインクリメント（またはデクリメント）するための負荷トルク更新量、すなわち、ｋ番目の制御で、（ｋ－１）番目の制御における負荷トルク推定値に積算される前記差分であり、次式５で表される。なお、上にハット（＾）付きのω（ｋ｜ｋ－１）は、（ｋ－１）番目の制御（過去）で求められたｋ番目の制御（現在）における回転速度予測値である。

式５から、現在の制御で求められる、過去に予測された現在の回転速度予測値と回転速度現在値との差分に基づき更新量を求めて制御周期ごとに積算することで、負荷トルクが、推定されている。

これら式１ないし式５から、前記伝達関数Ｈ（ｚ）は、次式６となる。

この式６から、ゲインＫが負荷トルクと回転速度推定誤差との間における応答特性に寄与していることが分かる。負荷トルクが加わった際に、式５に基づく更新量で負荷トルク推定値が更新されることによってモデル予測制御における回転速度推定誤差の推移が図７に示されている。ゲインＫの大きさによってステップ応答の過渡特性が異なっている。式６で表される伝達関数Ｈ（ｚ）が安定となるためには、式６で表される伝達関数Ｈ（ｚ）の全ての極ｐ_ｉで、その大きさが１以内となる必要がある。すなわち、ｐ_ｉ＝ｃ_ｉ＋ｄ_ｉ（式６では極数ｉ＝１、２、３、４）、｜ｃ_ｉ＋ｊｄ_ｉ｜＜１である。ここで、ｊは、虚数単位である（ｊ^２＝－１）。このようなゲインＫは、ユーザによって予め求められて負荷トルク推定部ＴＥのゲイン演算部３４に設定されて良く、あるいは、負荷トルク推定部ＴＥは、前記負荷トルクを入力とし、前記速度予測部の推定誤差を出力とする伝達関数が安定性を満足する範囲内に前記所定の係数を設定する係数設定部（不図示）をさらに備え、後述のフローチャートに従って前記係数設定部によって求められても良い。

モデル予測制御部ＭＣは、モデル予測制御を用いたベクトル制御によって、電動機Ｍをインバータ回路ＩＶを介して駆動制御するものである。モデル予測制御部ＭＣは、より具体的には、例えば、図２に示すように、制御部１１と、電圧パターン生成部１２と、速度予測部１３と、電圧パターン選択部１４と、インバータ制御部１５とを備える。

制御部１１は、電動機駆動制御システムＳの各部を当該各部の機能に応じて制御し、電動機駆動制御システムＳ全体の制御を司るものである。

電圧パターン生成部１２は、インバータ回路ＩＶで出力可能な時系列な電圧パターンを、互いに異なるように複数、生成するものである。すなわち、電圧パターン生成部１２は、インバータ回路ＩＶで出力可能な時系列な電圧パターンを、互いに異なるように複数、生成する電圧パターン生成処理を実施する。インバータ回路ＩＶは、本実施形態では、上述のように、２レベル３相インバータであるので、第１ないし第６スイッチング素子Ｔｒ１～Ｔｒ６のスイッチング態様に応じて、図５に示すように、２^３＝８通りの電圧を出力できる。なお、電圧ベクトルＶ_０は、第１ないし第３スイッチング素子Ｔｒ１～Ｔｒ３がオフであって第４ないし第６スイッチング素子Ｔｒ４～Ｔｒ６がオンであり、電動機Ｍに給電されない場合（Ｖ_０＝（０、０、０））である。電圧ベクトルＶ_７は、第１ないし第３スイッチング素子Ｔｒ１～Ｔｒ３がオンであって第４ないし第６スイッチング素子Ｔｒ４～Ｔｒ６がオフであり、電動機Ｍに給電されない場合（Ｖ_７＝（０、０、０））である。時系列な電圧パターンは、予測する制御周期数である予測ホライズン、および、制御入力である電圧を可変とする制御周期数である制御ホライズンによって決定される。このため、モデル予測制御部ＭＣには、予め予測ホライズンの数値および制御ホライズンの数値が、モデル予測制御の仕様等に応じて適宜に予め設定され、電圧パターン生成部１２は、インバータ回路ＩＶで出力可能な電圧（上述では８通り）、予測ホライズンの数値および制御ホライズンの数値に応じて互いに異なる複数の時系列な電圧パターンを生成する。図６には、一例として、予測ホライズンが２であり、制御ホライズンが１である場合のインバータ回路ＩＶで出力可能な全ての時系列な電圧パターンが樹形図で図示されている。図６では、現在のＮ番目の制御における電圧に対し、予測ホライズンが２であるので、次の（Ｎ＋１）番目の制御における電圧と、さらに次の（Ｎ＋２）番目の制御における電圧とが予測され、制御ホライズンが１であるので、インバータ回路ＩＶで出力可能な全ての時系列な電圧パターンは、現在のＮ番目の制御における電圧から、次の（Ｎ＋１）番目の制御では、８通りの電圧Ｖ_０～Ｖ_８に分岐し、さらに次の（Ｎ＋２）番目の制御では、各電圧Ｖ_０～Ｖ_８から、それぞれ当該電圧Ｖ_０～Ｖ_８に維持された８組の時系列な電圧パターンである。なお、他の一例として、予測ホライズンが２であり、制御ホライズンが２である場合、現在のＮ番目の制御における電圧に対し、予測ホライズンが２であるので、次の（Ｎ＋１）番目の制御における電圧と、さらに次の（Ｎ＋２）番目の制御における電圧とが予測され、制御ホライズンが２であるので、インバータ回路ＩＶで出力可能な全ての時系列な電圧パターンは、（Ｎ＋１）番目の制御および（Ｎ＋２）番目の制御それぞれで８通りの電圧Ｖ_０～Ｖ_８に分岐し、６４組の時系列な電圧パターンである。

速度予測部１３は、電圧パターン生成部１２で生成された複数の時系列な電圧パターンそれぞれについて、負荷トルク推定部ＴＥで推定された負荷トルクが電動機Ｍに働いている場合であって、当該時系列な電圧パターンが電動機Ｍに入力された場合における電動機Ｍの回転速度を回転速度予測値として予測するものである。すなわち、速度予測部１３は、電圧パターン生成部１２で生成された複数の時系列な電圧パターンそれぞれについて、負荷トルク推定部ＴＥで推定された負荷トルクが電動機Ｍに働いている場合であって、当該時系列な電圧パターンが電動機Ｍに入力された場合における電動機Ｍの回転速度を回転速度予測値として予測する速度予測処理を実施する。より具体的には、速度予測部１３は、次式７によってｄ軸電流ｉ_ｄを求め、次式８によってｑ軸電流ｉ_ｑを求める。そして、速度予測部１３は、次式９によって電動機Ｍの出力トルクＴ_ｅを求め、次式１０によって回転速度予測値（上にハット（＾）付きのω_ｍ）を求める。ここで、ｉ_ｄ（ｋ）は、ｋ番目の制御におけるｄ軸電流であり、ｉ_ｑ（ｋ）は、ｋ番目の制御におけるｑ軸電流であり、Ｌ_ｄは、ｄ軸インダクタンスであり、Ｌ_ｑは、ｑ軸インダクタンスである。なお、本実施形態では、電動機Ｍが永久磁石式同期電動機であるので、Ｌ_ｄ＝Ｌ_ｑ＝Ｌとなる。Ｒは、電動機Ｍの巻線抵抗であり、ω_ｅ（ｋ）は、ｋ番目の制御における電動機Ｍの電気角速度であり、ｖ_ｄ（ｋ）は、ｋ番目の制御におけるｄ軸電圧であり、ｖ_ｑ（ｋ）は、ｋ番目の制御におけるｑ軸電圧であり、Ψは、電動機Ｍにおける永久磁石の鎖交磁束であり、Ｄは、電動機Ｍにおける回転子の動摩擦抵抗である。

上述の例では、予測ホライズンが２であるので、速度予測部１３は、８組の時系列な電圧パターンそれぞれについて、現在のｋ番目の制御に対し、２制御周期先までの、ｄｑ軸での電流予測値［ｉ_ｄｑ（ｋ＋１）、ｉ_ｄｑ（ｋ＋２）］および回転速度予測値［上にハット（＾）付きのω（ｋ＋１）、上にハット（＾）付きのω（ｋ＋２）］を求める。なお、電流ベクトルｉ_ｄｑ（ｋ）は、［ｉ_ｄ（ｋ）、ｉ_ｑ（ｋ）］^Ｔである（ｉ_ｄｑ（ｋ）＝［ｉ_ｄ（ｋ）、ｉ_ｑ（ｋ）］^Ｔ）。

電圧パターン選択部１４は、電圧パターン生成部１２で生成された複数の時系列な電圧パターンの中から、速度予測部１３で予測された電動機Ｍの各回転速度予測値の中で最も高い評価の回転速度予測値に対応する時系列な電圧パターンを選択するものである。すなわち、電圧パターン選択部１４は、電圧パターン生成部１２で生成された複数の時系列な電圧パターンの中から、速度予測部１３で予測された電動機Ｍの各回転速度予測値の中で最も高い評価の回転速度予測値に対応する時系列な電圧パターンを選択する電圧パターン選択処理を実施する。より具体的には、電圧パターン選択部１４は、電圧パターン生成部１２で生成された複数の時系列な電圧パターンそれぞれについて、速度予測部１３で予測された電動機Ｍの電流予測値および回転速度予測値を、例えば次式１１の評価式ｇに用いることによって、前記時系列な電圧パターン定量的に評価し、前記複数の時系列な電圧パターンの中から、最も高い評価の電流予測値および回転速度予測値に対応する時系列な電圧パターンを選択する。式１１の評価式ｇでは、評価値が小さいほど、評価が高い。したがって、前記複数の時系列な電圧パターンの中から、最も小さい評価値を与える電流予測値および回転速度予測値に対応する時系列な電圧パターンが最適な時系列な電圧パターンとして選択される。なお、モデル予測制御部ＭＣには、外部から制御目標の回転速度ω_ｍ ^＊が入力され、設定される。

上記式１１の評価式ｇは、速度制御の上で重要となることから、速度偏差を第１項とし、永久磁石式同期電動機の場合、無駄な給電を防止するために、トルクの発生に寄与しないｄ軸電流ｉ_ｄを０に保持することが重要であることから、電流偏差を第２項とし、これら第１項および第２項を係数ａ、ｂで線形結合することで構成されている。したがって、第１項と第２項とにおける相対的な重要度に応じて係数ａ、ｂが予め適宜に決定される。言い換えれば、係数ａ、ｂで第１項と第２項とにおける相対的な重要度が調整できる。すなわち、電動機Ｍの制御で、速度偏差が電流偏差より相対的に重要である場合には、評価式ｇ中の第１項と係数ａを乗じた値が、第２項と係数ｂを乗じた値よりも十分大きい値となるよう係数ａ、係数ｂを設定し、逆に、電動機Ｍの制御で、電流偏差が速度偏差より相対的に重要である場合には、評価式ｇ中の第２項と係数ｂを乗じた値が、第１項と係数ａを乗じた値よりも十分大きい値となるよう係数ａ、係数ｂを設定する。

インバータ制御部１５は、電圧パターン選択部１４で選択された時系列な電圧パターンに基づいて、インバータ回路ＩＶを制御するものである。すなわち、インバータ制御部１５は、電圧パターン選択部１４で選択された時系列な電圧パターンに基づいて、インバータ回路ＩＶを制御するインバータ制御処理を実施する。より具体的には、インバータ制御部１５は、現在、ｋ番目の制御である場合に、電圧パターン選択部１４で選択された時系列な電圧パターンにおける次回の（ｋ＋１）番目の制御での電圧を目標電圧として、この目標電圧に対応する目標のＵ相電流、Ｖ相電流およびＷ相電流をインバータ回路ＩＶから出力するように、インバータ回路ＩＶにおける第１ないし第６スイッチング素子Ｔｒ１～Ｔｒ６の各制御端子へ制御信号を出力する。

そして、制御部１１は、前記速度出力処理、前記負荷トルク推定処理、前記電圧パターン生成処理、前記速度予測処理、前記電圧パターン選択処理およびインバータ制御処理を、回転速度処理部ＲＳＣ、負荷トルク推定部ＴＥ、電圧パターン生成部１２、速度予測部１３、電圧パターン選択部１４およびインバータ制御部１５に、所定の制御周期で繰り返し実施させる。

このようなモデル予測制御部ＭＣ、３相２相変換部ＣＶ、負荷トルク推定部ＴＥおよび回転速度処理部ＲＳＣは、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、メモリおよびその周辺回路を備えて構成されるマイクロプロセッサで構成可能であり、モデル予測制御部ＭＣにおける制御部１１、電圧パターン生成部１２、速度予測部１３、電圧パターン選択部１４およびインバータ制御部、３相２相変換部ＣＶ、負荷トルク推定部ＴＥにおける減算部３１、ローパスフィルタ部３２、パラメータ演算部３３およびゲイン演算部３４、ならびに、回転速度処理部ＲＳＣは、所定のプログラムの実行により、前記ＣＰＵに機能的に構成される。

本実施形態では、回転角度測定部ＶＳおよび回転速度処理部ＲＳＣが、電動機の回転速度を回転速度現在値として求める速度出力部の一例に相当し、モデル予測制御部ＭＣ、電流測定部ＣＳ、回転角度測定部ＶＳ、３相２相変換部ＣＶ、負荷トルク推定部ＴＥおよび回転速度処理部ＲＳＣが、インバータ回路の出力で駆動される電動機を制御する電動機駆動制御部の一例に相当する。

次に、本実施形態の動作について説明する。図８は、前記電動機駆動制御システムにおける動作を示すフローチャートである。図９は、負荷トルクの更新量を調整するためのゲインを求めるためのフローチャートである。図１０は、速度制御のシミュレーション結果を示す図である。

まず、負荷トルクのゲインＫの設定について説明する。この負荷トルクのゲインＫの設定では、図９において、前記ゲインＫが適当な値に初期設定される（Ｓ３１）。次に、式６の伝達関数Ｈ（ｚ）における極ｐ_ｉが求められる（Ｓ３２、上述の例では、ｉ＝１、２、３、４）。次に、全ての極ｐ_ｉで、その大きさが１以内であるか否かが判定される（Ｓ３３）。

この判定の結果、全ての極ｐ_ｉで、その大きさが１以内である場合（Ｙｅｓ）には、次に、処理Ｓ３４が実施され、少なくとも１つの極ｐ_ｉで、その大きさが１以内ではない場合（Ｎｏ）には、次に、処理Ｓ３６が実施される。

この処理Ｓ３６では、前記ゲインＫが、予め設定された所定値△Ｋ１だけ減算され（Ｋ←Ｋ－△Ｋ１）、処理が処理Ｓ３２に戻される。

一方、前記処理Ｓ３４では、式６の伝達関数Ｈ（ｚ）におけるステップ応答の収束時間が、予め設定された所定値Ｔｃｏ以内か否かが判定される。前記所定値Ｔｃｏは、当該電動機駆動制御システムＳの仕様で許容される応答時間等に応じて適宜に設定される。

この判定の結果、前記収束時間が前記所定値Ｔｃｏ以内である（Ｙｅｓ）には、次に、処理Ｓ３５が実施され、前記収束時間が前記所定値Ｔｃｏ以内ではない（Ｎｏ）には、次に、処理Ｓ３７が実施される。

この処理Ｓ３７では、前記ゲインＫが、予め設定された所定値△Ｋ２だけ加算され（Ｋ←Ｋ＋△Ｋ２）、処理が処理Ｓ３２に戻される。なお、前記所定値△Ｋ１と前記所定値△Ｋ２とは、同値でも異値でも良い。

一方、前記処理Ｓ３５では、式６の伝達関数Ｈ（ｚ）におけるステップ応答のオーバーシュート量（減衰振動におけるオーバーシュートの最大振幅幅）およびアンダーシュート量（前記減衰振動におけるアンダーシュートの最大振幅幅）が、予め設定された所定値ＯＵ以内か否かが判定される。前記所定値ＯＵは、当該電動機駆動制御システムＳの仕様で許容される減衰振動幅等に応じて適宜に設定される。

この判定の結果、前記オーバーシュート量およびアンダーシュート量が前記所定値ＯＵ以内である（Ｙｅｓ）には、このときの値で前記ゲインＫが決定され、処理が終了され、前記オーバーシュート量およびアンダーシュート量が前記所定値ＯＵ以内ではない（Ｎｏ）には、次に、処理Ｓ３６が実施された後に、処理が処理Ｓ３２に戻される。

このような負荷トルクの更新量を調整するためのゲインＫの設定処理は、例えばユーザによって実施され、電動機駆動制御システムＳに設定されて良く、あるいは、前記ＣＵＰに機能的に構成される前記係数設定部（不図示）によって自動的に実行され、電動機駆動制御システムＳに設定されて良い。

次に、モデル予測制御による電動機駆動制御システムＳの動作について説明する。このような電動機駆動制御システムＳでは、電源が投入されると、必要な各部の初期化を実行し、その稼働を始める。そして、例えば、プログラムの実行によって、前記ＣＰＵには、モデル予測制御部ＭＣ、３相２相変換部ＣＶ、負荷トルク推定部ＴＥおよび回転速度処理部ＲＳＣが機能的に構成され、モデル予測制御部ＭＣには、制御部１１、電圧パターン生成部１２、速度予測部１３、電圧パターン選択部１４およびインバータ制御部１５が機能的に構成され、負荷トルク推定部ＴＥには、減算部３１、ローパスフィルタ部３２、パラメータ演算部３３およびゲイン演算部３４が機能的に構成される。

そして、図８に示す処理Ｓ１１ないし処理Ｓ１７の各処理が、電動機Ｍの駆動が停止されるまで、制御部１１によって所定の制御周期ごとに繰り返し実行される。

図８において、まず、今回（ｋ番目）において、電流測定部ＣＳによって測定された各相の電流値が取得され、回転角度測定部ＶＳによって測定された回転角度の値が取得される（Ｓ１１）。電流測定部ＣＳは、この取得した各相の電流値を、３相２相変換部ＣＶへ出力し、回転角度測定部ＶＳは、この取得した回転角度値を、３相２相変換部ＣＶおよび回転速度処理部ＲＳＣそれぞれへ出力する。

続いて、３相２相変換部ＣＶは、処理Ｓ１１で取得された各相の電流値および回転角度値から、ｄ軸電流ｉ_ｄおよびｑ軸電流ｉ_ｑを求め、この求めたｄ軸電流ｉ_ｄおよびｑ軸電流ｉ_ｑをモデル予測制御部ＭＣへ出力し、回転速度処理部ＲＳＣは、処理Ｓ１１で取得された各相の電流値および回転角度値から、回転速度ω_ｍを求め、この求めた回転速度ω_ｍを、回転速度現在値ω_ｍ（＝ω（ｋ））としてモデル予測制御部ＭＣおよび負荷トルク推定部ＴＥそれぞれへ出力する（Ｓ１２、速度出力処理）。

続いて、負荷トルク推定部ＴＥは、モデル予測制御部ＭＣの速度予測部１３で過去に予測された現在の回転速度予測値（上にハット付きのω_ｍ＝上にハット付きのω（ｋ））に基づいて負荷トルクを推定する（Ｓ１３、負荷トルク推定処理）。本実施形態では、負荷トルク推定部ＴＥは、減算部３１によって、制御周期の１つ前に処理Ｓ１５で求められた現在の回転速度予測値（上にハット付きのω（ｋ））と処理Ｓ１２で回転速度処理部ＲＳＣによって求められた現在の回転速度現在値ω（ｋ）との差分を求め、この求めた差分を、ローパスフィルタ部３２でフィルタリング（濾波）し、このフィルタリングした前記差分に、パラメータ演算部３３によって、パラメータ（－Ｊ／Ｔ_ｓ）を乗算し、このパラメータ（－Ｊ／Ｔ_ｓ）を乗算した前記差分、上述のように設定された負荷トルクの更新量を調整するためのゲインＫを乗算し、この乗算結果をモデル予測制御部ＭＣへ出力する。

続いて、モデル予測制御部ＭＣは、電圧パターン生成部１２によって、予め設定された予測ホライズンの値および制御ホライズンの値に応じて、インバータ回路ＩＶで出力可能な時系列な電圧パターンを、互いに異なるように複数、生成する（Ｓ１４、電圧パターン生成処理）。

続いて、モデル予測制御部ＭＣは、速度予測部１３によって、電圧パターン生成部１２で生成された複数の時系列な電圧パターンそれぞれについて、負荷トルク推定部ＴＥで推定された負荷トルクが電動機Ｍに働いている場合であって、当該時系列な電圧パターンが電動機Ｍに入力された場合における電動機Ｍの回転速度を回転速度予測値として予測する（Ｓ１５、速度予測処理）。より具体的には、速度予測部１３は、次式７によってｄ軸電流ｉ_ｄを求め、次式８によってｑ軸電流ｉ_ｑを求め、次式９によって電動機Ｍの出力トルクＴ_ｅを求め、次式１０によって回転速度予測値（上にハット付きのω_ｍ）を求める。上述の例では、速度予測部１３は、８組の時系列な電圧パターンそれぞれについて、現在のｋ番目の制御に対し、２制御周期先までの、ｄｑ軸での電流予測値［ｉ_ｄｑ（ｋ＋１）、ｉ_ｄｑ（ｋ＋２）］および回転速度予測値［上にハット（＾）付きのω（ｋ＋１）、上にハット（＾）付きのω（ｋ＋２）］を求める。

続いて、モデル予測制御部ＭＣは、電圧パターン選択部１４によって、式１１の評価式ｇを用いることで、電圧パターン生成部１２で生成された複数の時系列な電圧パターンの中から、処理Ｓ１５で速度予測部１３によって予測された電動機Ｍの各回転速度予測値の中で最も高い評価の回転速度予測値に対応する時系列な電圧パターンを選択する（Ｓ１６、電圧パターン選択処理）。

続いて、モデル予測制御部ＭＣは、インバータ制御部１５によって、インバータ回路ＩＶにおける第１ないし第６スイッチング素子Ｔｒ１～Ｔｒ６の各制御端子へ制御信号を出力することで、電圧パターン選択部１４で選択された時系列な電圧パターンに基づいて、インバータ回路ＩＶを制御して電動機Ｍを駆動する（Ｓ１７、インバータ制御処理）。

このように電動機Ｍが、目標速度ω_ｍ ^＊となるように、モデル予測制御で制御され、駆動される。

シミュレーション（数値実験）によって、本実施形態における電動機駆動制御システムＳ、電動機駆動制御装置およびこれに実装された電動機駆動制御方法の効果が検証された。その一実施例の速度制御のシミュレーション結果がその比較例と共に図１０に示されている。図１０Ａは、本実施形態における電動機駆動制御システムＳによる速度制御のシミュレーション結果を示し、図１０Ｂは、比較例による速度制御のシミュレーション結果を示す。図１０Ａおよび図１０Ｂにおける各横軸は、経過時間であり、それら各縦軸は、回転速度である。

比較例では、負荷トルクは、推定されず、負荷トルクの項は０とした。比較例では、図１０Ｂに示すように、負荷トルクが印加されると、回転速度は、目標速度より低下してしまうが、本実施形態では、図１０Ａに示すように、負荷トルクが印加されても、回転速度は、略目標速度となっている。したがって、本実施形態では、負荷トルクが適切に推定されており、回転速度を予測する式１０に用いることで、回転速度予測値がより精度高く予測できている。この結果、本実施形態では、適切な時系列な電圧パターンが選択でき、回転速度が目標速度の追従できている。

以上説明したように、本実施形態における電動機駆動制御システムＳ、電動機駆動制御装置およびこれに実装された電動機駆動制御方法は、負荷トルクの推定に、過去に予測された現在の回転速度予測値を用いるので、従来のカルマンフィルタを用いる場合に較べてより少ない情報処理量で負荷トルクを推定でき、負荷トルクが働く使用条件でも、モデル予測制御で電動機を駆動制御できる。このため、演算処理能力の比較的低い、安価な演算処理装置でモデル予測制御を実現する場合でも、上記電動機駆動制御システムＳ、電動機駆動制御装置および電動機駆動制御方法は、略リアルタイムで電動機を駆動制御できる。

上記電動機駆動制御システムＳ、電動機駆動制御装置および電動機駆動制御方法は、速度予測部１３で過去に予測された現在の回転速度予測値と回転速度現在値との差分に、所定の係数を乗じた差分乗算値を、制御周期ごとに積算することで負荷トルクを推定するので、簡便に、より少ない情報処理量で負荷トルクを推定でき、モデル予測制御で電動機Ｍを駆動制御できる。

上記電動機駆動制御システムＳ、電動機駆動制御装置および電動機駆動制御方法は、図９を用いて説明したように、制御系が安定するように負荷トルクの更新量を調整するためのゲインＫを適切に設定できる。このため、不適切な前記ゲインＫによって駆動の際に生じる発振や不安定化が事前に回避できる。

なお、上述の実施形態では、電圧パターン選択部１４は、例えば式１１に示すように、制御目標の回転速度ω_ｍ ^＊を含む評価関数の評価式ｇを用いることによって前記評価を行い、モデル予測制御部ＭＣには、制御目標の回転速度ω_ｍ ^＊が外部から入力され設定されたが、これに限定されるものではなく、例えば、電動機駆動制御システムＳおよび電動機駆動制御装置は、現在以前の実績値に基づいて将来の制御目標の回転速度を予測する制御目標予測部をさらに備えても良い。このような制御目標予測部１６は、例えば、図２に破線で示すように、モデル予測制御部ＭＣにさらに備えられ、例えば前記ＣＰＵに機能的に構成される。制御目標の回転速度ω_ｍ ^＊が、例えば固定値（一定値）であったり、例えば操作スイッチでオペレータによって指示入力された所定値であったりする場合、上述の実施形態でも対処可能であるが、制御目標の回転速度ω_ｍ ^＊が、変化するようにオペレータによって指示入力された可変値である場合、制御目標の回転速度ω_ｍ ^＊の変化を検知してからこれに対応することになるので、応答遅れが生じる虞がある。このような電動機駆動制御システムＳおよび電動機駆動制御装置は、前記制御目標予測部をさらに備えるので、制御目標の回転速度が変化する場合でも、前記応答遅れを低減でき、より適切に制御できる。

この制御目標予測部１６は、例えば、現在以前の実績値における変化量に基づいて将来の制御目標の回転速度を予測するものである（第１変形形態）。

図１１は、前記電動機駆動制御システムの第１変形形態を説明するための図である。図１１の横軸は、前記所定の制御周期で繰り返し制御される制御回数を示し、ｋ番目が現在の制御回数である。図１１の縦軸は、制御目標の回転速度ω_ｍ ^＊である。黒丸（●）は、現在以前の実績値である制御目標の回転速度ω_ｍ ^＊を示し（ここではｋ番目および（ｋ－１）番目の各制御における制御目標の各回転速度ω_ｍ ^＊（ｋ）、ω_ｍ ^＊（ｋ－１））、白丸（○）は、将来における制御目標の各回転速度ω_ｍ ^＊を示す（ここでは（ｋ＋１）番目および（ｋ＋２）番目の各制御における制御目標の各回転速度ω_ｍ ^＊（ｋ＋１）、ω_ｍ ^＊（ｋ＋２））。

この制御目標予測部１６では、現在以前の実績値である制御目標の回転速度ω_ｍ ^＊（ｋ）、ω_ｍ ^＊（ｋ－１）、・・・は、将来の制御目標の回転速度ω_ｍ ^＊を演算するために必要なデータ分だけ少なくとも記憶される。そして、制御目標予測部１６は、現在以前の実績値である制御目標の回転速度ω_ｍ ^＊（ｋ）、ω_ｍ ^＊（ｋ－１）、・・・から、１制御回数当たりの、制御目標の回転速度ω_ｍ ^＊における変化量を求め、この求めた変化量だけ制御目標の回転速度ω_ｍ ^＊を変化させることで、将来における制御目標の各回転速度ω_ｍ ^＊を求める。より具体的には、例えば、図１１に示すように、現在以前の実績値における変化量は、一定値であり、将来もこの一定値で、将来における制御目標の各回転速度ω_ｍ ^＊も変化する場合、制御目標予測部１６は、次式１２によって将来における制御目標の各回転速度ω_ｍ ^＊を求める。

電圧パターン選択部１４は、上述のように式１１の評価式ｇを用いて評価する場合、前記式１２で求めたω_ｍ ^＊を用いる。

あるいは、例えば、制御目標予測部１６は、現在以前の実績値を外挿することによって将来の制御目標の回転速度を予測するものである（第２変形形態）。より具体的には、制御目標予測部１６は、例えば、次式１３で示すラグランジュ外挿を用いることによって、将来における制御目標の各回転速度ω_ｍ ^＊を求める。

ここで、Ｎは、次数を示す。例えば、次数が２であり、２制御周期先まで予測する場合、前記式１３を用いることによって、次式１４－１、１４－２のように、（ｋ＋１）番目および（ｋ＋２）番目における制御目標の各回転速度ω_ｍ ^＊（ｋ＋１）、ω_ｍ ^＊（ｋ＋２）が求められる。なお、次数Ｎは、２に限定されるものではなく、前記ＣＰＵの演算能力に応じて適宜に設定されてよい。

電圧パターン選択部１４は、上述のように式１１の評価式ｇを用いて評価する場合、前記式１３で求めたω_ｍ ^＊を用いる。

本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。

Ｓ 電動機駆動制御システム
Ｍ 電動機
ＩＶ インバータ回路
ＭＣ モデル予測制御部
ＣＳ 電流測定部
ＶＳ 回転角度測定部
ＣＶ ３相２相変換部
ＴＥ 負荷トルク推定部
ＲＳＣ 回転速度処理部
１１ 制御部
１２ 電圧パターン生成部
１３ 速度予測部
１４ 電圧パターン選択部
１５ インバータ制御部
３１ 減算部
３２ ローパスフィルタ部
３３ パラメータ演算部
３４ ゲイン演算部

Claims (8)

1. インバータ回路の出力で駆動される電動機を制御する電動機駆動制御装置であって、
   前記電動機に働く負荷トルクを推定する負荷トルク推定部と、
   前記インバータ回路で出力可能な時系列な電圧パターンを、互いに異なるように複数、生成する電圧パターン生成部と、
   前記電圧パターン生成部で生成された複数の時系列な電圧パターンそれぞれについて、前記負荷トルク推定部で推定された負荷トルクが前記電動機に働いている場合であって、当該時系列な電圧パターンが前記電動機に入力された場合における前記電動機の回転速度を回転速度予測値として予測する速度予測部と、
   前記電圧パターン生成部で生成された複数の時系列な電圧パターンの中から、前記速度予測部で予測された前記電動機の各回転速度予測値の中で最も高い評価の回転速度予測値に対応する時系列な電圧パターンを選択する電圧パターン選択部と、
   前記電圧パターン選択部で選択された時系列な電圧パターンに基づいて、前記インバータ回路を制御するインバータ制御部とを備え、
   前記負荷トルク推定部は、前記速度予測部で過去に予測された現在の回転速度予測値に基づいて前記負荷トルクを推定する、
   電動機駆動制御装置。
2. 前記電動機の回転速度を回転速度現在値として求める速度出力部をさらに備え、
   前記負荷トルク推定部は、前記速度予測部で過去に予測された現在の回転速度予測値と前記速度出力部で求めた回転速度現在値との差分に、所定の係数を乗じた差分乗算値を、制御周期ごとに積算することで前記負荷トルクを推定する、
   請求項１に記載の電動機駆動制御装置。
3. 前記負荷トルクを入力とし前記速度予測部の推定誤差を出力とする伝達関数が安定性を満足する範囲内に、前記所定の係数を設定する係数設定部をさらに備える、
   請求項２に記載の電動機駆動制御装置。
4. 前記電圧パターン選択部は、制御目標の回転速度を含む評価関数を用いることによって前記評価を行い、
   現在以前の実績値に基づいて将来の制御目標の回転速度を予測する制御目標予測部をさらに備える、
   請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の電動機駆動制御装置。
5. 前記制御目標予測部は、現在以前の実績値における変化量に基づいて将来の制御目標の回転速度を予測する、
   請求項４に記載の電動機駆動制御装置。
6. 前記制御目標予測部は、現在以前の実績値を外挿することによって将来の制御目標の回転速度を予測する、
   請求項４に記載の電動機駆動制御装置。
7. インバータ回路の出力で駆動される電動機を制御する電動機駆動制御方法であって、
   前記電動機に働く負荷トルクを推定する負荷トルク推定工程と、
   前記インバータ回路で出力可能な時系列な電圧パターンを、互いに異なるように複数、生成する電圧パターン生成工程と、
   前記電圧パターン生成工程で生成された複数の時系列な電圧パターンそれぞれについて、前記負荷トルク推定工程で推定された負荷トルクが前記電動機に働いている場合であって、当該時系列な電圧パターンが前記電動機に入力された場合における前記電動機の回転速度を回転速度予測値として予測する速度予測工程と、
   前記電圧パターン生成工程で生成された複数の時系列な電圧パターンの中から、前記速度予測工程で予測された前記電動機の各回転速度予測値の中で最も高い評価の回転速度予測値に対応する時系列な電圧パターンを選択する電圧パターン選択工程と、
   前記電圧パターン選択工程で選択された時系列な電圧パターンに基づいて、前記インバータ回路を制御するインバータ制御工程とを備え、
   前記負荷トルク推定工程は、前記速度予測工程で過去に予測された現在の回転速度予測値に基づいて前記負荷トルクを推定する、
   電動機駆動制御方法。
8. 電動機と、
   前記電動機を駆動するインバータ回路と、
   前記インバータ回路を制御することで前記電動機を制御する電動機駆動制御部とを備え、
   前記電動機駆動制御部は、請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の電動機駆動制御装置である、
   電動機駆動制御システム。

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