JP7182031B2

JP7182031B2 - 二重三相巻線永久磁石同期形電動機の駆動システム

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Publication number: JP7182031B2
Application number: JP2017167885A
Authority: JP
Inventors: 新二新中
Original assignee: 有限会社シー・アンド・エス国際研究所
Priority date: 2017-08-15
Filing date: 2017-08-15
Publication date: 2022-12-02
Anticipated expiration: 2037-08-15
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Description

本発明は、永久磁石を有する回転子と２個の三相巻線（第１三相巻線と第２三相巻線）を有する固定子とからなる二重三相巻線永久磁石同期形電動機と、２個の三相巻線に三相電流を同時に供給できる電力変換装置とを少なくとも備える二重三相巻線永久磁石同期形電動機の駆動システムに関する。以降の説明では、簡単のため、「巻線」を「三相巻線」と同義で使用する。上記の二重三相巻線永久磁石同期形電動機を、簡単のため、二重同期電動機と略称する。さらには、同様の理由で、同駆動システムを二重同期電動機駆動システムと略称する。発明の二重同期電動機駆動システムの用途は、バッテリ電気自動車、燃料電池電気自動車、ハイブリッド電気自動車等の主駆動、広範囲にわたり効率駆動を求められる家電製品等の用途、あるいは対故障性、機能安全性を要求される用途である。

本発明では、二重同期電動機において三相巻線が施された部分を「固定子」と呼称する。本発明における「固定子」は、「電機子」と同義である。固定子に施される三相巻線には、Ｙ形とΔ形が存在する。当業者には周知のように、三相端子から評価した場合、Ｙ形巻線による特性とΔ形巻線による特性は互いに等価変換される。説明の簡明性を確保すべく、本明細書における技術説明は、Ｙ形結線を想定して行なう。等価変換の存在より明白なように、これにより、本発明の一般性を失うことなない。

本発明では、２次元平面を極座標的に捉え、角度、空間的位置、空間的位相の３用語を同義で使用する。これらの単位は「ラジアン（ｒａｄ）」または「度（ｄｅｇｒｅｅ）」である。本発明における角度、空間的位置、空間的位相の正方向は、左周り（反時計周り）、右周り（時計周り）のいずれに定義してもよい。ただし、本明細書では、説明の簡明性を維持すべく、角度、空間的位置、空間的位相の正方向は左周り（反時計周り）と定義し、本発明を説明する。これにより、本発明の一般性を失うことはない。

本発明では、二重同期電動機に交流電力を供給する装置を、電力変換装置と呼称する。電力変換装置の主要機器である電力変換器としては、インバータ、マトリックスコンバータなどが実用化されている。単一・六相用、２個・三相用、６個・単相用の電力変換器等が、本発明の電力変換装置を構成しうる。

当業者は周知の通り、回転子速度には電気速度と機械速度が存在するが、両速度の間には１対１の厳密な関係が存在し、電気速度から機械速度、機械速度から電気速度への一意の変換が可能である。本発明では、当業者間の周知性を考慮し、説明の明瞭性が失われない限り、回転子速度は電気速度を意味するものとして、これを使用する。

本発明の二重同期電動機駆動システムが駆動対象とする二重同期電動機に関する先行発明としては、例えば、特許文献１～２、非特許文献１～６がある。既報の二重同期電動機は、固定子の二重三相巻線の配置の観点から、三相単純同期電動機（非特許文献１～２）、六相同期電動機（特許文献２、非特許文献３～４）、三相逆同期電動機（非特許文献５～６）の３種に概略ながら大別される。

非特許文献１、２を参考に、従前の二重同期電動機（三相単純同期電動機）の概要を、極対数ＮｐをＮｐ＝１とした場合を例に、図１に示した。１は二重同期電動機（回転子、固定子を含む）を、１１は二重同期電動機の回転子を、１２１は二重同期電動機の固定子の第１巻線を、１２２は二重同期電動機の固定子の第２巻線を、各々示している。同図では、固定子の第１巻線と第２巻線との区別の明瞭化を図るべく、第１巻線は実線で、第２巻線は破線で表示している。また、第２巻線が、巻線配置上第１巻線と重なるため、描画上の重複を回避すべく、第２巻線を意図的に右にシフトして描画している。

二重同期電動機の固定子巻線配置の第２例（六相同期電動機の例）として、特許文献２、非特許文献３～４を参考に、極対数ＮｐをＮｐ＝１とした場合を例に、図２に、回転子とともに概略的に示した（巻線抵抗の描画は省略）。引き線番号１、１１、１２１、１２２の意味は、図１と同一である。ただし、第２巻線の配置を第１巻線に対して、１極対数を基準とした空間において、空間的にθ１２＝π／６［ｒａｄ］シフトしている点が図１の例と異なっている。

二重同期電動機の固定子巻線配置の第３例（三相逆同期電動機の例）として、非特許文献５～６を参考に、極対数ＮｐをＮｐ＝２とした場合の例を図３に、回転子とともに概略的に示した（巻線抵抗の描画は省略）。引き線番号１、１１、１２１、１２２の意味は、図１と同一である。

図１～図３に例示した二重同期電動機においては、第１巻線と第２巻線は必ずしも同一特性をもつように構成される必要はない。両巻線は、特許文献１～２及び非特許文献１～５に示されているように同一特性をもつように構成することも、また、非特許文献６に示されているように互いに異なる特性をもつように構成することも可能である。

図１～図３に例示した二重同期電動機においては、第１巻線の中性点と第２巻線の中性点は、不接続となっている。本発明が対象とする二重同期電動機においては、一般には、第１巻線の中性点と第２巻線の中性点は、不接続、接続のいずれも可能である。

続いて、二重同期電動機駆動システムすなわち二重同期電動機を対象した駆動システムに関する従前技術を紹介する。本願発明は、二重同期電動機駆動システムの主要構成装置の１つである電流制御装置に関するものである。この点を踏まえ、二重同期電動機駆動システムのための電流制御装置に関する従前技術を紹介する。図７は、非特許文献１～２で提案された二重同期電動機駆動システムのための電流制御装置を引用したものである（特許文献１にも同一発明者による実質同一の電流制御装置が示されている）。なお、非特許文献１～２は、二重同期電動機として図１の三相単純同期電動機を対象とし、このときの二重同期電動機は非突極としている。

図７の左側に記載された３つのブロック「第１群電流制御系」、「第２群電流制御系」、「非干渉化部」が本願明細書の用語「電流制御装置」に該当する。同図の「第１群電流制御系」は、第１巻線用のフィードバック電流制御器を意味し、この出力信号（図７では「電圧指令－１」と記載）をｖ１１＊で表現している。同様に、同図の「第２群電流制御系」は、第２巻線用のフィードバック電流制御器を意味し、この出力信号（図７では「電圧指令－２」と記載）をｖ２２＊で表現している。

電力変換器へ引き渡される第１巻線用、第２巻線用の最終的電圧指令値は、各々、ｖ１＊、ｖ２＊と表現されており、これらは、「第１群電流制御系」、「第２群電流制御系」の出力信号の和として、次式のように生成れている。

なお、簡略図である図７においては、インバータ等の電力変換装置は省略され記載されていない。

（１）式より明白なように、従前の電流制御装置は、各巻線用のフィードバック制御器の出力信号（電圧指令値）を一定の線形関係で相互に加重して、各巻線用の最終電圧指令値を合成するものである。この種の平均化処理は、第１巻線と第２巻線が同一の電気的特性を有し、かつ両巻線の電流値を同一に制御する場合に限り、意味をもつ。当然のことながら、第１巻線と第２巻線の特性が異なる、あるいは、第１巻線と第２巻線の電流値を異なる値に制御する場合には、従前法は適用できない。二重同期電動機を対象に、厳密な数学的解析を行なうことなく構築された従前の電流制御装置は、安定性確保上、ＰＩ（比例＋積分）形の電流制御器は利用できず、比例制御器のみが利用されている（非特許文献２参照）。このため、電流応答は電流指令値に対してオフセットをもつことになる。さらには、速応性も芳しくなく、達成可能な速応性は、標準的電動機を対象とした電流制御系の速応性の５０％以下のようである。

佐竹彰・水野滋基：「多重巻線電動機の制御装置」、特開第２００１－３４１１３５号（２００１－１１－６）伴在慶一郎・大林和良：「自動車用電動駆動装置」、特開第２０００－４１３９２号（１９９８－７－２３）

佐竹彰・加藤覚・今中晶：「多重巻線永久磁石モータのモデル化と非干渉制御方式」、電気学会産業応用部門大会講演論文集、Ｉ、ｐｐ．１９９－２０２（２００５）Ｓ．Ｓａｔａｋｅ，Ｙ．Ｏｋａｍｏｔｏ，ａｎｄＳ．Ｋａｔｏ："ＤｅｓｉｇｎｏｆＣｏｕｐｌｉｎｇＣａｎｃｅｌｌａｔｌｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｆｏｒａＤｏｕｂｌｅＷｉｎｄｉｎｇＰＭＳＭ"，ＩＥＥＪＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｎｄｕｓｔｒｙＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，Ｖｏｌ．６，Ｎｏ．１，ｐｐ．２９－３５（２０１７）今井隆文・大澤文明・山田靖・稲熊幸雄：「ＥＶ・ＨＥＶ電気駆動系の規格化の可能性について（多相モータの電流リプル抑制）」、電気学会全国大会講演論文集、４、ｐｐ．３６１－３６２（２０１６）森辰也・古川晃：「二重三相ＰＭＳＭ駆動１シャント電流検出ダブルインバータにおけるトルクリップルを低減するパルスパターン」、電気学会産業応用部門大会講演論文集、ＩＩＩ、ｐｐ．１５９－１６４（２０１６）新中新二：「１８０度空間位相差の逆二重三相巻線をもつ三相永久磁石同期モータ（二重巻線配置、動的数学モデル、ベクトルシミュレータ）」、平成２８年電気学会産業応用部門大会講演論文集、ＩＩＩ、ｐｐ．２８５－２９０（２０１６）新中新二：「１８０度空間位相差の逆二重三相巻線をもつ三相永久磁石同期モータ（二重巻線配置、動的数学モデル、ベクトルシミュレータ）」、電気学会論文誌Ｄ，Ｖｏｌ．１３７，Ｎｏ．２，ｐｐ．７５－８６（２０１７）

本発明は上記背景の下になされたものである。本発明の目的は、「二重同期電動機が、第１巻線と第２巻線の間に強い磁気的結合を有し、かつ異なる巻線特性をもつ場合にも、あるいは第１巻線と第２巻線へ通流すべき電流の値が異なる場合にも適用できる。さらには、二重同期電動機のフィードバック電流制御のための電流制御器として、指令値と応答値の間のオフセット除去が可能なＰＩ形電流制御器が使用できる。また、二重同期電動機の電流制御系に対して高い安定性と速応性を同時に付与できる。」と言った機能・性能をもつ二重同期電動機駆動システムのための新たな電流制御装置を提供することにある。

以降の説明の平易化を図るべく、先ず、座標系を説明する。図４を考える。図４には、αβ固定座標系、ｄｑ同期座標系を示している。αβ固定座標系は固定子に対応した座標系であり、一般に、α軸は、固定子第１巻線のｕ相巻線の中心に取られる（固定子第２巻線のｕ相巻線の中心にとっても本質的相違はない）。ｄｑ同期座標系は回転座標系の１つであり、特に、ｄ軸が回転子磁束と同期した座標系となっている。すなわち、ｄｑ同期座標系においては、ｄ軸の位相は回転子磁束の位相と同一である。ｄｑ同期座標系の速度は、回転子速度ωｎと瞬時瞬時において同一である。α軸から見たｄ軸の位相をθαで表現している。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、を備える永久磁石同期形電動機駆動システムであって、該回転子永久磁石のＮ極の位相をｄ軸の位相とし、ｄ軸に対してπ／２［ｒａｄ］の位相進みにｑ軸をもつ２軸直交座標系をｄｑ同期座標系とするとき、該永久磁石同期形電動機に、抵抗、ｄ軸自己インダクタンス、ｑ軸自己インダクタンスの少なくとも１つに関し、第１三相巻線と第２三相巻線とで異なる値を持もたせ、２個の三相巻線に流れる該固定子電流を、ｄ軸高速時定数、ｄ軸低速時定数、ｑ軸高速時定数、ｑ軸低速時定数により各々動特性的に特徴づけられるｄ軸高速モード電流、ｄ軸低速モード電流、ｑ軸高速モード電流、ｑ軸低速モード電流にモード分割し、あるいは２個の三相巻線に流れる該固定子電流に対しモード分割と数学的に等価な処理を行ない、該固定子電流をフィードバック制御するように該電流制御装置を構成したことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載の永久磁石同期形電動機駆動システムであって、２個の三相巻線に流れる該固定子電流をフィードバック制御するための電流指令値とともに、該固定子電流に対し該モード分割あるいは該モード分割と数学的に等価な処理を行なうようにしたことを特徴とする。

本発明の効果を説明する。図１～図３に示した３種の二重同期電動機は、明らかに異なった巻線配置を有するが、ｄｑ同期座標系の上では、これらの数学モデル（回路方程式）は、共通して次式で記述される（非特許文献６参照）。

本発明では、脚符１、２で、各々第１巻線、第２巻線への帰属を表現している。また、同様に、脚符ｄ、ｑで、各々ｄ軸、ｑ軸への帰属を表現をしている。数学モデルにおける記号ｓは微分演算子ｄ／ｄｔを意味している。Ｉは２×２単位行列である。第１三相巻線の抵抗、ｄ軸自己インダクタンス、ｑ軸自己インダクタンスを各々Ｒ１、Ｌ１ｄ、Ｌ１ｑで、第２三相巻線の抵抗、ｄ軸自己インダクタンス、ｑ軸自己インダクタンスを各々Ｒ２、Ｌ２ｄ、Ｌ２ｑで、第１三相巻線と第２三相巻線の間のｄ軸相互インダクタンス、ｑ軸相互インダクタンスを各々Ｍｄ、Ｍｑで、表現している。なお、以降の説明では、誤認の恐れがない限り、自己インダクタンスを、簡単に、インダクタンスと呼称する。ｄｑ同期座標系上で定義された２×１ベクトルｖ１、ｉ１、Φ１は、それぞれ固定子第１巻線の電圧、電流、回転子磁束強度を意味している。同様に、２×１ベクトルｖ２、ｉ２、Φ２は、それぞれ固定子第１巻線の電圧、電流、回転子磁束強度を意味している。ωｎは回転子の電気速度である。

本発明が対象とする二重同期電動機においては、２個の三相巻線に起因した電動機パラメータ（巻線抵抗、インダクタンスなど）は、同一の場合もあれば、異なる場合もある。本発明は、巻線に起因した電動機パラメータの同異には依存しない。

（２）式の回路方程式は、電気速度ωｎに着目し、電気速度ωｎを有しない項と有する項とに、形式的に分離して表現することができる。これは、次式となる。

ここで、ｄｑ同期座標系上の２×１ベクトル物理量として、新たに、以下を定義する。

（５）式の定義を、第１、第２巻線の物理量に着目した（３ｂ）式、（４ｂ）式に適用し、ｄ軸、ｑ軸物理量の観点より整理すると、次式を得る。

（６）、（７）式に限っては、ｄ軸信号（電圧、電流）とｑ軸信号（電圧、電流）とのｄｑ軸間干渉はない。

以降の説明の簡明性を確保すべく、以下に、新パラメータの定義を行なっておく。

なお、（１０）に用いた脚符ｆ、ｓは、各々高速モード、低速モードの関係を示している。以降では、同様の意図で、脚符ｆ、ｓを使用する。（１０）式のＴｄｆ、Ｔｄｓ、Ｔｑｆ、Ｔｑｓは、各々、（２）式の二重同期電動機の数学モデルにおけるｄ軸高速時定数、ｄ軸低速時定数、ｑ軸高速時定数、ｑ軸低速時定数を意味している。当然のことながら、二重同期電動機の数学モデルが（２）式と異なれば、ｄ軸高速時定数Ｔｄｆ、ｄ軸低速時定数Ｔｄｓ、ｑ軸高速時定数Ｔｑｆ、ｑ軸低速時定数Ｔｑｓは、（１０）式とは異なるものとなる。この場合でも、本願発明の本質は変わらない。

（６）式と（７）式は、脚符ｄ、ｑの違いを除けば、同一の関係を表現している。この同一性を考慮し、以降では、発明の効果を（６）式を用いて説明する。ｄ軸モード分割行列の１例として、次の２×２行列Ｔｄを考える。

ｄ軸モード分割行列Ｔｄの逆行列Ｔｄ－１を、（６）式の両辺に左側から作用させると、次の関係を得る。

または

ｄ軸電流にｄ軸モード分割行列Ｔｄの逆行列Ｔｄ－１を作用せて得たｉｄｆ、ｉｄｓが、各々ｄ軸高速モード電流、ｄ軸低速モード電流を示している（（１２ｂ）式、（１３ｂ）式参照）。（１２ａ）式あるいは（１３ａ）式は、「ｄ軸電流に関して、（１）ｄ軸高速時定数Ｔｄｆ、ｄ軸低速時定数Ｔｄｓで各々動特性的に特徴づけられるｄ軸高速モード電流ｉｄｆ、ｄ軸低速モード電流ｉｄｓが存在する、（２）ｄ軸高速モード電流、ｄ軸低速モード電流の特性は関連時定数で定められる１次遅れ特性である、（３）しかも、ｄ軸高速モード電流、ｄ軸低速モード電流は、互いに非干渉の関係にある」ことを示している。同様なことが、ｑ軸電流に関しても主張される。上記のモード電流に関する特性解析においては、二重同期電動機の第１巻線と第２巻線との間の磁気的結合の度合いを示す漏れインダクタンスに関し、如何なる制約も付与していない。また、第１巻線と第２巻線におけえる抵抗、インダクタンスの同一性の制約も付与していない。さらには、第１巻線と第２巻線に流れる電流値の同一性の制約も付与していない。この点を特に指摘しておく。

請求項１の発明は、上記特性解析の結果に基づくものである。すなわち、請求項１の発明によれば、ｄ軸高速時定数Ｔｄｆ、ｄ軸低速時定数Ｔｄｓ、ｑ軸高速時定数Ｔｑｆ、ｑ軸低速時定数Ｔｑｓで各々動特性的に特徴づけられるｄ軸高速モード電流、ｄ軸低速モード電流、ｑ軸高速モード電流、ｑ軸低速モード電流からなる固定子電流のモード電流別フィードバック電流制御が可能なフィードバック形電流制御器を用いることができる。この結果、二重同期電動機が、第１巻線と第２巻線の間に強い磁気的結合を有する（すなわち、漏れインダクタンスが小さい）場合にも、かつ異なる巻線特性をもつ場合にも、あるいは第１巻線と第２巻線へ通流すべき電流値が異なる場合にも、適切に電流制御が行なえると言う効果が得られる。さらには、二重同期電動機のフィードバック電流制御のための電流制御器として、オフセットの除去が可能なＰＩ形電流制御器が使用できると言う効果も得られる。加えて、二重同期電動機の電流制御系に対して高い安定性と速応性を同時に付与できると言う効果も得られる。

（１１）式に対応したｑ軸モード分割行列の２×２行列Ｔｑは次式で与えられる。

また、（１２）式、（１３）式に対応した、ｑ軸の高速モード電流ｉｑｆ、低速モード電流ｉｑｓの関係式は各々次の（１５）式、（１６）式となる。

続いて、請求項２の発明の効果を説明する。電流制御器への入力信号は、電流指令値と電流応答値の差である電流偏差である。電流応答値（制御量としての固定子電流）をモード分割する場合には、電流指令値に対しても電流応答値モード分割に対応した電流指令値の分割が必要である。請求項２の発明によれば、電流指令値とともに、電流応答値のモード分割あるいはモード分割と数学的に等価な処理を行なうことができるようになる。より具体的には、電流偏差の状態で、電流応答値のモード分割あるいはモード分割と数学的に等価な処理を行なうことができるようになる。、これにより、モード分割あるいはこれと数学的に等価な処理の演算量を半減できる（電流応答値、電流指令値に対して個別に実施する場合に比較し）と言う効果を得ることができる。ひいては、「請求項１の発明の効果」を高められるという効果が得られる。

「二重三相巻線永久磁石同期形電動機の巻線配置例（三相単純同期電動機）を示す図」「二重三相巻線永久磁石同期形電動機の巻線配置例（六相同期電動機）を示す図」「二重三相巻線永久磁石同期形電動機の巻線配置例（三相逆同期電動機）を示す図」「２種の２軸直交座標系の関係を示す図」「本発明による４入力４出力電流制御器を用いた二重同期電動機駆動システムの構成例を示す図」「本発明による４入力４出力電流制御器の構成例を示す図」「従前の電流制御装置の基本構成を示す図」

以下、図面を用いて、本発明の好適な態様を具体的に説明する。

二重同期電動機に対して請求項１～２の全発明を用いた二重同期電動機駆動システムの実施例を図５に示した。駆動システムは大きくは、二重同期電動機（回転子、固定子を含む）１、電力変換装置２（破線ブロック表示）、電流制御装置３（破線ブロック表示）から構成されている。電力変換装置の内部構成、電流制御装置の内部構成は、第１巻線用と第２巻線用は基本的に同一である。この点を踏まえ、基本的に第１巻線用を中心にこれらを説明し、第１巻線用と第２巻線用で相違がある場合に限り、個別に説明する。

電力変換装置は、第１、第２巻線用の電力変換器２１、電流検出器２２から構成されている。電流制御装置３は、大きくは、第１、第２巻線の固定子電流、固定子電圧指令値の変換を担う信号変換部３２（破線ブロック表示）と、４入力４出力電流制御器３３から構成されている（以下、４入力４出力を４×４と略記、また同様な略記を他にも使用）。補助的には、信号変換部３２で使用する回転子位相を検出するための位相検出器３１１、４×４電流制御器３３で使用する回転子速度を検出するための速度検出器３１２が含まれる。位相検出器３１１、速度検出器３１２は、両巻線の電流制御等で共有されている。信号変換部３２では、第１、第２巻線の電流制御が独立的に遂行できるように、各巻線に対して、３相２相変換器３２１ａ、２相３相変換器３２１ｂ、ベクトル回転器３２２ａ、３２２ｂが構成されている。

なお、第２巻線用の３相２相変換器（２×３行列）、２相３相変換器（３×２行列）に関しては、二重同期電動機の巻線配置の違いに応じて、若干の変更が必要である。すなわち、図５におけるＳＲ（・）に関しては、三相単純同期電動機（図１参照）、三相逆同期電動機（図３参照）の場合には下の（１７ａ）式を用い、六相同期電動機（図２参照）の場合には下の（１７ｂ）式を用いることになる。

同図では、簡明のため、複数のスカラ信号を１つのベクトル信号として捉え、複数のスカラ信号線を１本の太い信号線で表現している。なお、同図における電圧、電流のベクトル信号の脚符ｒ、ｓ、ｔは、各々、ｄｑ同期座標系上の信号、αβ固定座標系上の信号、ｕｖｗ座標系上の信号（三相信号）であることを示している。また頭符「＊」は、関連信号の指令値（電流指令値、電圧指令値）を意味している。

電流制御装置３を構成する信号変換部３２は、従前のものと基本的に同一である。本機器は当業者には周知であるので、これ以上の説明は省略する。本発明の核心は、電流制御装置３を構成する４×４電流制御器３３にある。以降は、図５の４×４電流制御器３３に関し説明する。なお、図５、図６に示す実施例では、請求項２の発明に従い、電流指令値とともに電流応答値をモード分割することを想定している。このため、まず、第１巻線用の電流偏差、第２巻線用の電流偏差を生成し、これら電流偏差を４×４制御器へ引渡すようにしている。

図５における４×４電流制御器３３の詳細構成を図６に示した。４×４電流制御器３３は、大きくは、配列変換器Ｉｏすなわち３３０、２×２ｄ軸電流制御器３３１ｄ、２×２ｑ軸電流制御器３３１ｑ、速度比例形非干渉化器３３２から構成されている。配列変換器Ｉｏは、次の４×４直交行列として定義されている。

配列変換器Ｉｏを４×１ベクトルに作用させると、同ベクトルの第２要素と第３要素の配列が交互に差し替えられる。

図６の最初の第１処理過程では、配列変換器を用いた次の処理が遂行される。

２×１ベクトルｉ１、ｉ２の定義は、（２ｃ）式の通りであり、各々第１、第２巻線の電流を意味している。また、２×１ベクトルｉｄ、ｉｑの定義は、（５）式の通りであり、各々ｄ軸、ｑ軸の電流を意味している。頭符「＊」は、対応信号の指令値を意味している。

２×２ｄ軸電流制御器３３１ｄ、２×２ｑ軸電流制御器３３１ｑは、各々ｄ軸、ｑ軸の電流偏差を受け取り以下の処理を遂行している。

（２０）式が２×２ｄ軸電流制御器Ｇｄ（ｓ）３３１ｄによるｄ軸側処理を、（２１）式が２×２ｑ軸電流制御器Ｇｑ（ｓ）３３１ｑによるｑ軸側処理を遂行している。ｑ軸側処理は、ｄ軸側処理と原理的に同一であるので、以下では、ｄ軸側処理を中心に説明する。

（２０ａ）に示された処理は、右側から処理が進められる（図６参照）。ｄ軸電流偏差に作用するｄ軸モード分割行列の逆行列Ｔｄ－１の働きは、（１２ｂ）式の第１式に示した処理と同様であり、２×１ベクトルとしてのｄ軸電流偏差をｄ軸高速モード電流偏差、ｄ軸低速モード電流偏差へ変換することである。本実施例では、請求項２の発明に従い、第１巻線のｄ軸電流と第２巻線のｄ軸電流を、第１巻線のｄ軸電流指令値と第２巻線のｄ軸電流指令値とともに、モード分割処理を行なっている。

ｄ軸高速モード電流偏差、ｄ軸低速モード電流偏差に作用するＧｄｆｓ（ｓ）は、２×２行列のｄ軸モード電流制御器である。（１２ａ）式、（１３ａ）式が示すように、ｄ軸高速モード電流、ｄ軸低速モード電流は互いに非干渉の関係にあるので、２×２ｄ軸モード電流制御器Ｇｄｆｓ（ｓ）は、対角要素のみの制御器となる。すなわち、

上式におけるＧｄｆ（ｓ）、Ｇｄｓ（ｓ）はｄ軸高速モード電流、ｄ軸低速モード電流を制御するためのモード電流制御器であり、スカラである。スカラ電流制御器としては、（１２ａ）式、（１３ａ）式より理解されるように、当業者が周知のＰＩ制御器を無修正で利用できる。

２×２ｄ軸モード電流制御器Ｇｄｆｓ（ｓ）の出力信号（ｄ軸高速モード電圧指令値、ｄ軸低速モード電圧指令値）は、原理式たる（１２ｂ）式、（１３ｂ）式の第２式に基づき、第１巻線のｄ軸電圧指令値、第２巻線の電圧指令値へ変換される（図６参照）。（２０ａ）式および図６では、第１、第２巻線の本電圧指令値を２×１ベクトルとして、「ｖ^～ｄ＊」として表現している。

２×２ｑ軸電流制御器３３１ｑによるｑ軸側処理は、上に説明した２×２ｄ軸電流制御器３３１ｄによるｄ軸側処理と同様である。（２２）式のｄ軸モード電流制御器に対応したｑ軸モード電流制御器は、同じく対角の次式となる。

第１、第２巻線のｄ軸電圧指令値「ｖ^～ｄ＊」、第１、第２巻線のｑ軸電圧指令値「ｖ^～ｑ＊」が得られたならば、４×４配列変換器Ｉｏを用いて、巻線単位の電圧指令値（すなわち、第１巻線のｄ軸、ｑ軸電圧指令値、第２巻線のｄ軸、ｑ軸電圧指令値）「ｖ^～１＊」、「ｖ^～２＊」へ配置変換を行なっている。さらには、（３ａ）式、（４ａ）式に準拠して、電気速度に比例

ｖ２＊を生成している。以上の処理は、図６の通りであるが、これら処理は数式を用い以下のように表現することもできる。

が可能である。この点を考慮し、図６では、非干渉化信号による加算処理を破線で示している。

以上の説明よりすでに明らかなように、図６の実施例は、請求項１の発明に直接的に従い、「２個の三相巻線に流れる該固定子電流を、ｄ軸高速時定数、ｄ軸低速時定数、ｑ軸高速時定数、ｑ軸低速時定数で各々動特性的に特徴づけられるｄ軸高速モード電流、ｄ軸低速モード電流、ｑ軸高速モード電流、ｑ軸低速モード電流にモード分割し、固定子電流をフィードバック制御するように４×４電流制御器を、ひいては電流制御装置を構成した」ものとなっている。

２×２ｄ軸電流制御器Ｇｄ（ｓ）３３１ｄ、２×２ｑ軸電流制御器Ｇｑ（ｓ）３３１ｑは、各々、（２０ｂ）式、（２１ｂ）式に定義した通りである。これら２×２ｄ軸電流制御器、２×２ｑ軸電流制御器は、実施例１のように、順次の行列・ベクトル演算を通じて個別的に遂行することも、代わって、一体的に遂行することもできる。一体遂行には、例えば、モード分割行列、この逆行列、２×２モード電流制御器を伴う演算を以下のように一体化すればよい。

（２５）式、（２６）式の右辺における４種のスカラ制御器は、ｄ軸、ｑ軸の高速、低速モード電流を制御するためのスカラのモード電流制御器である（（２２）式、（２３）式参照）。モード電流制御器の存在は、モード分割と数学的に等価な処理を行なうことを意味している。

また、４×４電流制御器の入力端側の配列変換器Ｉｏとモード分割行列の逆行列Ｔｄ－１、Ｔｑ－１を一体化することも可能である。本一体化は、以下のように記述される。

また、４×４電流制御器の出力端側の配列変換器Ｉｏとモード分割行列Ｔｄ、Ｔｑを一体化することも可能である。本一体化は、以下のように記述される。

による処理の直後に加算するようにした（（２４）式参照）。これに代わって、出力端側の配列変換器Ｉｏによる処理の直前に加算するようにした。この変更は、以下のように記述される。

請求項１の発明における「モード分割と数学的に等価な処理」とは、実施例２～５に示したような処理を含んでいると同時に、実施例２～５の例に限定されるものではない。この点を指摘しておく。

本発明は、バッテリ電気自動車、燃料電池電気自動車、ハイブリッド電気自動車の主駆動電動機、家電用高速電動機などに代表される広範囲にわたり効率駆動を要求される用途での二重同期電動機、対故障性、機能安全性を要求される用途での二重同期電動機の駆動システムに好適である。

１二重同期電動機
１１二重同期電動機の回転子
１２１二重同期電動機の固定子の第１巻線
１２２二重同期電動機の固定子の第２巻線
２電力変換装置
２１電力変換器
２２電流検出器
３電流制御装置
３１１位相検出器
３１２速度検出器
３２信号変換部
３２１ａ三相二相変換器
３２１ｂ二相三相変換器
３２２ａベクトル回転器
３２２ｂベクトル回転器
３３４×４電流制御器
３３０配列変換器
３３１ｄ２×２ｄ軸電流制御器
３３１ｑ２×２ｑ軸電流制御器
３３２速度比例形非干渉化器

Claims

永久磁石を有する回転子と第１三相巻線及び第２三相巻線の２個の三相巻線を有する固定子とからなる永久磁石同期形電動機と、
２個の三相巻線に固定子電流を同時に供給できる電力変換装置と、
電力変換装置を介して、２個の三相巻線に流れる固定子電流をフィードバック制御する電流制御装置と
を備える永久磁石同期形電動機駆動システムであって、
該回転子の永久磁石のＮ極の位相をｄ軸の位相とし、ｄ軸に対してπ／２［ｒａｄ］の位相進みにｑ軸をもつ２軸直交座標系をｄｑ同期座標系とするとき、
該永久磁石同期形電動機に、抵抗、ｄ軸自己インダクタンス、ｑ軸自己インダクタンスの少なくとも１つに関し、第１三相巻線と第２三相巻線とで異なる値を持もたせ、
２個の三相巻線に流れる該固定子電流を、ｄ軸高速時定数、ｄ軸低速時定数、ｑ軸高速時定数、ｑ軸低速時定数により各々動特性的に特徴づけられるｄ軸高速モード電流、ｄ軸低速モード電流、ｑ軸高速モード電流、ｑ軸低速モード電流にモード分割し、あるいは２個の三相巻線に流れる該固定子電流に対しモード分割と数学的に等価な処理であり行列演算の一体化処理、加算の順序変更に相当する処理を行ない、該固定子電流をフィードバック制御するように該電流制御装置を構成した
ことを特徴とする永久磁石同期形電動機駆動システム。
２個の三相巻線に流れる該固定子電流をフィードバック制御するための電流指令値とともに、該固定子電流に対し該モード分割あるいは該モード分割と数学的に等価な処理であり行列演算の一体化処理、加算の順序変更に相当する処理を行なうようにしたことを特徴とする請求項１記載の永久磁石同期形電動機駆動システム。