JP7363219B2 - 巻線界磁型回転電機の制御方法、及び、巻線界磁型回転電機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、巻線界磁型回転電機の制御方法、及び、巻線界磁型回転電機の制御装置に関する。

巻線界磁同期型の回転電機においては、固定子が備える巻線に電圧を印加することにより固定子側に界磁が発生するとともに、回転子が備える巻線に電圧を印加することにより回転子側に界磁が発生し、両者の界磁が制御されることで回転駆動が行われる。このような巻線界磁型の回転電機は、固定子への印加電圧（ｄ軸電圧、ｑ軸電圧）とともに、回転子への印加電圧（ｆ軸電圧）が制御される。

特許文献１には、巻線界磁同期型の回転電機の制御方法が開示されている。この制御方法によれば、損失、銅損、トルクリプル、及び、電磁加振力の４つのパラメータのそれぞれが最小となる指令値の組み合わせを示す制御マップが予め記憶されている。そして、回転電機の駆動状況に応じて、これらの制御マップのうち少なくとも２つを切り換えることにより、固定子への指令値（ｄ軸電圧指令値、ｑ軸電圧指令値）と、回転子への指令値（ｆ軸電圧指令値）との組み合わせが定められる。

特開２００８－１０９７５９号公報

特許文献１に開示される回転電機の制御方法においては、固定子に対するｄ軸電圧、ｑ軸電圧が制御されるとともに、回転子が備える巻線に対するｆ軸電圧が制御される。しかしながら、これらのｄ軸、ｑ軸、及び、ｆ軸のうちの１つの軸方向における電圧を変化させると、その変化する電圧と同じ軸方向の電流に影響を与えるだけでなく、他の軸方向における電流に干渉することが知られている。

例えば、ｄ軸電圧を変化させると、ｄ軸電流に加えて、ｑ軸電流及びｆ軸電流において逆起電圧による変化が生じる。同様に、ｑ軸電圧の変化は、ｑ軸電流だけでなく、ｄ軸電流及びｆ軸電流に影響し、ｆ軸電圧の変化は、ｆ軸電流だけでなく、ｄ軸電流及びｑ軸電流に影響を与える。

さらに、巻線界磁型の回転電機の制御モデルにおいては、電圧指令値を入力とし、回転電機に流れる電流を出力とする伝達特性において、振動成分が含まれることが知られている。

そのため、例えば、回転電機に対するトルク指令値に応じて、１つの軸方向の電圧指令値だけを変化させたとしても、ｄ軸電流、ｑ軸電流及びｆ軸電流の全てが変動する。さらに、ｄ軸電流、ｑ軸電流及びｆ軸電流における制御系に振動成分が含まれるので、駆動制御を精度よく行えないおそれがある。

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、振動成分を除去することにより駆動制御を精度よく行うことができる巻線界磁型の回転電機の制御方法、及び、その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回転電機の制御方法は、固定子に固定子巻線を備えるとともに、回転子に回転子巻線を備える巻線界磁型のモータの制御方法である。このモータの制御方法は、トルク指令値に基づいて、固定子巻線への供給電力を制御するｄ軸電圧指令値、ｑ軸電圧指令値、及び、回転子巻線への供給電圧を制御するｆ軸電圧指令値と、を算出する算出ステップと、巻線界磁型モータを制御対象とするプラントモデルに含まれる振動成分を除去するフィルタを用いて、算出ステップにて算出されるｄ軸電圧指令値、ｑ軸電圧指令値、及び、ｆ軸電圧指令値に対する補正を行う、補正ステップと、補正ステップにおいて補正されたｄ軸電圧指令値、及び、補正されたｑ軸電圧指令値に基づいて、固定子巻線に電圧を印加するとともに、補正されたｆ軸電圧指令値に基づいて、回転子巻線に電圧を印加する、電圧印加ステップと、を備える。フィルタは、制御されるｄ軸電圧指令値、ｑ軸電圧指令値、及び、ｆ軸電圧指令値のそれぞれの電圧指令値が変化する場合において、変化する前記電圧指令値と同軸方向、及び、変化する電圧指令値とは異なる軸方向の電流における振動成分を抑制するように構成される。そして、フィルタは、少なくとも、ｄ軸電圧指令値の変化により発生するｆ軸電流における振動成分を抑制するように、ｄ軸電圧指令値に基づくｆ軸電圧指令値を補正、ｑ軸電圧指令値の変化により発生するｆ軸電流における振動成分を抑制するように、ｑ軸電圧指令値に基づくｆ軸電圧指令値を補正、ｆ軸電圧指令値の変化により発生するｄ軸電流における振動成分を抑制するように、ｆ軸電圧指令値に基づくｄ軸電圧指令値を補正、ｆ軸電圧指令値の変化により発生するｑ軸電流における振動成分を抑制するように、ｆ軸電圧指令値に基づくｑ軸電圧指令値を補正、及び、ｆ軸電圧指令値の変化により発生するｆ軸電流における振動成分を抑制するような、ｆ軸電圧指令値の補正、のうちのいずれかを行う。また、別の態様では、フィルタは、少なくとも、ｄ軸電圧指令値の変化により発生するｄ軸電流における振動成分を抑制するような、ｄ軸電圧指令値の補正、ｄ軸電圧指令値の変化により発生するｑ軸電流における振動成分を抑制するように、ｄ軸電圧指令値に基づくｑ軸電圧指令値の補正、ｑ軸電圧指令値の変化により発生するｄ軸電流における振動成分を抑制するように、ｑ軸電圧指令値に基づくｄ軸電圧指令値の補正、及び、ｑ軸電圧指令値の変化により発生するｑ軸電流における振動成分を抑制するような、ｑ軸電圧指令値の補正、のうちのいずれかを行う。

本発明の一態様によれば、巻線界磁型回転電機を精度よく制御することができる。

図１は、本実施形態におけるモータ制御システムの概略構成図である。 図２は、本実施形態におけるモータの駆動制御のフローチャートを示す図である。 図３は、第１比較例におけるモータの駆動状態のタイミングチャートである。 図４は、第２比較例におけるモータの駆動状態のタイミングチャートである。 図５は、本実施形態におけるモータの駆動状態の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１０の概略構成図である。モータ制御システム１０においては、巻線界磁同期型の回転電機であるモータ１００が、制御装置２００により制御される。モータ制御システム１０は、ハイブリッド自動車を含む電動車両に限らず、車両以外のシステムに適用されてもよい。なお、モータ制御システム１０が電動車両に適用される場合、モータ１００は車両の駆動源となる。

モータ１００は、巻線界磁型同期モータであり、固定子に設けられる三相の電機子巻線に加えて回転子に界磁巻線を有している。そのため、制御装置２００は、固定子の巻線に印加されるｕｖｗ相の交流電圧ｖ_u、ｖ_v、ｖ_wに加えて、回転子の巻線に対するｆ軸電圧（巻線界磁電圧）ｖ_fを制御する。そして、回転子及び回転子の界磁が変化することにより、モータ１００の回転駆動が制御される。

モータ１００と制御装置２００との間には、電流センサ１０１が複数設けられている。モータ１００の固定子と制御装置２００（インバータ２０５）との間のｕｖｗ相の３つの配線のうちｕｖ相の２つの配線に、電流センサ１０１ｕ、１０１ｖが設けられている。電流センサ１０１ｕによりｕ相電流測定値ｉ_uが検出され、電流センサ１０１ｖによりｖ相電流測定値ｉ_vが検出される。モータ１００の回転子と制御装置２００（界磁制御部２０７）との間には、ｆ軸電流（巻線界磁電流）ｉ_fを検出する電流センサ１０１ｆが設けられている。

モータ１００には、回転子の磁極位置を検出する磁極位置検出器１０２が設けられている。磁極位置検出器１０２は、一例としてはレゾルバであり、回転子の磁極位置を示すＡＢＺパルスを、制御装置２００（パルスカウンタ２１０）へ出力する。

制御装置２００は、モータ１００を制御するために、電圧指令値算出部２０１、電圧指令補正フィルタ２０２、ｄ－ｑ／３相交流座標変換器２０３、ＰＷＭ変換器２０４、インバータ２０５、直流電源２０６、界磁制御部２０７、Ａ／Ｄ変換器２０８、３相／ｄ－ｑ交流座標変換器２０９、パルスカウンタ２１０、角速度演算器２１１、及び、先読み補償部２１２を備える。

電圧指令値算出部２０１は、上位装置からのトルク指令値Ｔ^*、後述する角速度演算器２１１から出力されるモータ回転数ω_rm、及び、モータ１００の駆動電源である直流電源２０６から供給される電源電圧Ｖ_dcを受け付ける。電圧指令値算出部２０１は、これらのパラメータに基づいて、ｄ軸電圧指令値ｖ_d ^*、ｑ軸電圧指令値ｖ_q ^*、及び、ｆ軸電圧指令値ｖ_f ^*を算出する。

詳細には、電圧指令値算出部２０１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軸電圧指令値ｖ_d ^*、ｑ軸電圧指令値ｖ_q ^*、及び、ｆ軸電圧指令値ｖ_f ^*との関係を定めたマップデータを予め記憶しておき、入力されるパラメータに基づいてマップデータを参照することで電圧指令値ｖ_d ^*、ｖ_q ^*、ｖ_f ^*を求める。

電圧指令値算出部２０１は、電圧指令値ｖ_d ^*、ｖ_q ^*、ｖ_f ^*の算出過程において、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 ^*を算出してもよい。このような場合には、電圧指令値算出部２０１には、モータ１００の電流測定値ｉ_d、ｉ_q、ｉ_fがフィードバック入力され、電流測定値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、電圧指令値ｖ_d ^*、ｖ_q ^*、ｖ_f ^*が求められる。

電圧指令補正フィルタ２０２は、電圧指令値算出部２０１から出力される電圧指令値ｖ_d ^*、ｖ_q ^*、ｖ_f ^*を受け付けると、所定のフィルタ処理を行い、補正電圧指令値ｖ_d ^**、ｖ_q ^**、ｖ_f ^**を算出する。ここで、このフィルタ処理においては、モータ１００における電圧指令値ｖ_d ^*、ｖ_q ^*、ｖ_f ^*の変化に起因して生じる電流ｉ_d、ｉ_q、ｉ_fの振動成分が除去される。なお、電圧指令補正フィルタ２０２は、後述の（１０）式の行列により示される伝達特性を有する。

ｄ－ｑ／３相交流座標変換器２０３は、後述の先読み補償部２１２において補償処理がなされたモータ１００の回転子の電気角度θ_re’を用いて、直交２軸直流座標系（ｄ－ｑ軸）から３相交流座標系（ｕｖｗ軸）への変換を行なう。具体的に、ｄ－ｑ／３相交流座標変換器２０３は、次式の関係を用いて、補正電圧指令値ｖ_d ^**、ｖ_q ^**から、電圧指令値ｖ_u ^*、ｖ_v ^*、ｖ_w ^*を算出する。

ＰＷＭ変換器２０４は、入力される電圧指令値ｖ_u ^*、ｖ_v ^*、ｖ_w ^*に基づき、インバータ２０５を構成するスイッチング素子の操作に用いるデューティ指令値Ｄ_uu ^*、Ｄ_ul ^*、Ｄ_vu ^*、Ｄ_vl ^*、Ｄ_wu ^*、Ｄ_wl ^*を生成する。なお、インバータ２０５は、３相２アームの６つのスイッチング素子を備えており、デューティ指令値Ｄ_uu ^*、Ｄ_ul ^*、Ｄ_vu ^*、Ｄ_vl ^*、Ｄ_wu ^*、Ｄ_wl ^*はこれらの６つのスイッチング素子に対するものである。

インバータ２０５は、直流電源２０６から供給される電源電圧Ｖ_dcを用いて、デューティ指令値Ｄ_uu ^*、Ｄ_ul ^*、Ｄ_vu ^*、Ｄ_vl ^*、Ｄ_wu ^*、Ｄ_wl ^*に応じてスイッチング素子を操作することにより、交流電圧ｖ_u、ｖ_v、ｖ_wを生成する。交流電圧ｖ_u、ｖ_v、ｖ_wは、モータ１００に供給される。

直流電源２０６は、例えば積層型リチウムイオンバッテリであり、インバータ２０５、及び、界磁制御部２０７の両者に電源電圧Ｖ_dcを供給する。すなわち、モータ１００の固定子側の巻線と回転子側の巻線には、共通の直流電源２０６から供給された電源電圧Ｖ_dcにより生成された電圧が印加される。

界磁制御部２０７は、直流電源２０６から供給される電源電圧Ｖ_dcを用いて、電圧指令補正フィルタ２０２から出力されるｆ軸電圧指令値ｖ_f ^**に応じたｆ軸電圧ｖ_fを、モータ１００の回転子が備える巻線に印加する。これにより、回転子側の巻線にはｆ軸電流ｉ_fが流れ、磁束（界磁）が発生する。

Ａ／Ｄ変換器２０８は、電流センサ１０１により検出される電流測定値ｉ_u、ｉ_v、ｉ_fを受け付けると、デジタル信号の電流測定値ｉ_us、ｉ_vs、ｉ_fsに変換する。変換により得られる電流測定値ｉ_us、ｉ_vsは、さらに、３相／ｄ－ｑ交流座標変換器２０９へと出力される。

３相／ｄ－ｑ交流座標変換器２０９は、Ａ／Ｄ変換器２０８から出力される電流測定値ｉ_us、ｉ_vsとともに、後述のパルスカウンタ２１０から出力される回転子の電気角度θ_reを受け付ける。電流センサ１０１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、次式により求めることができる。

３相／ｄ－ｑ交流座標変換器２０９は、電流測定値ｉ_us、ｉ_vsを用い、（２）式に基づいて、ｗ相電流ｉ_wsを算出する。そして、３相／ｄ－ｑ交流座標変換器２０９は、電流測定値ｉ_us、ｉ_vs、ｉ_wsに対して、次式に基づく相変換を行うことで、ｄ軸電流測定値ｉ_d、及び、ｑ軸電流測定値ｉ_qを算出する。この座標変換において、パルスカウンタ２１０から出力される電気角度θ_reが用いられる。

なお、３相／ｄ－ｑ交流座標変換器２０９により算出される電流測定値ｉ_d、ｉ_qは、Ａ／Ｄ変換器２０８から出力される電流ｉ_fsとともに、電圧指令値算出部２０１におけるフィードバック制御に用いられてもよい。

パルスカウンタ２１０は、磁極位置検出器１０２から出力されるＡＢＺパルスを検出すると、ＡＢＺパルスに応じて回転子の電気角度θ_reを求め、電気角度θ_reを３相／ｄ－ｑ交流座標変換器２０９、角速度演算器２１１、及び、先読み補償部２１２に出力する。

角速度演算器２１１は、パルスカウンタ２１０により取得された電気角度θ_reを受け付けると、電気角度θ_reの時間変化率に基づいて、電気角速度ω_reを求める。さらに、角速度演算器２１１は、電気角速度ω_reをモータ１００の極対数ｐによって除することによりモータ回転数ω_rmを求める。電気角速度ω_reは、先読み補償部２１２に出力され、モータ回転数ω_rmは、電圧指令値算出部２０１に出力される。

先読み補償部２１２は、パルスカウンタ２１０から出力される電気角度θ_re、角速度演算器２１１から出力される電気角速度ω_reを受け付ける。先読み補償部２１２は、電気角度θ_reに対して、電気角速度ω_reに制御系が持つむだ時間を乗じた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。先読み補償後電気角θ_re ^'は、ｄ－ｑ／３相交流座標変換器２０９へと出力される。

なお、制御装置２００は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータによって、所定のプログラムを実行可能に構成される。電圧指令値算出部２０１～先読み補償部２１２までの複数の機能ブロックは、制御装置２００において論理的に構成されてもよいし、異なるハードウェアにより構成されてもよい。

制御装置２００は、インバータ２０５などの一部の構成を含まなくてもよい。また、制御装置２００の内部構成は任意であり、ＰＷＭ変換器２０４及びインバータ２０５を、一体的に、電圧印加部として構成してもよい。

図２は、制御装置２００により行われるモータ１００の回転制御のフローチャートである。制御装置２００がプログラムを実行することで、制御装置２００を構成する複数の機能ブロックが動作し、モータ１００の回転制御が行われる。

ステップＳ１において、Ａ／Ｄ変換器２０８は、電流センサ１０１ｕ、１０１ｖ、１０１ｆにより検出される電流測定値ｉ_u、ｉ_v、ｉ_fを受け付け、電流測定値ｉ_u、ｉ_v、ｉ_fをデジタル信号である電流測定値ｉ_us、ｉ_vs、ｉ_fsに変換する。同時に、パルスカウンタ２１０は、磁極位置検出器１０２から出力されるＡＢＺ相のパルスを検出し、回転子の電気角度θ_reを求める。

ステップＳ２において、角速度演算器２１１は、ステップＳ１で求められた電気角度θ_re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。

ステップＳ３において、先読み補償部２１２は、パルスカウンタ２１０から出力される電気角度θ_re、及び、角速度演算器２１１から出力される電気角速度ω_reを用いて制御時における電気角の先読み補償を行い、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２０９は、Ａ／Ｄ変換器２０８から出力される電流測定値ｉ_us、ｉ_vsと、パルスカウンタ２１０から出力される回転子の電気角度θ_reとを用いて、ｄ軸電流測定値ｉ_d、及び、ｑ軸電流測定値ｉ_qを算出する。

ステップＳ５において、電圧指令値算出部２０１は、トルク指令値Ｔ^*、モータ回転数ω_rm、及び、直流電源２０６の電源電圧Ｖ_dcに基づいて、ｄ軸電圧指令値ｖ_d ^*、ｑ軸電圧指令値ｖ_q ^*、及び、ｆ軸電圧指令値ｖ_f ^*を算出する。

ステップＳ６において、電圧指令補正フィルタ２０２は、電圧指令値算出部２０１から出力される電圧指令値ｖ_d ^*、ｖ_q ^*、ｖ_f ^*を受け付けると、所定のフィルタ処理を行い、補正電圧指令値ｖ_d ^**、ｖ_q ^**、ｖ_f ^**を算出する。

ステップＳ７において、３相／ｄ－ｑ交流座標変換器２０９は、先読み補償部２１２において補償処理がなされた電気角度θ_reを用いて、電圧指令補正フィルタ２０２から出力される補正電圧指令値ｖ_d ^**、ｖ_q ^**に対して位相変換をすることで、電圧指令値ｖ_u ^*、ｖ_v ^*、ｖ_w ^*を算出する。

ステップＳ８において、ＰＷＭ変換器２０４が電圧指令値ｖ_u ^*、ｖ_v ^*、ｖ_w ^*に応じてデューティ指令値Ｄ_uu ^*、Ｄ_ul ^*、Ｄ_vu ^*、Ｄ_vl ^*、Ｄ_wu ^*、Ｄ_wl ^*を生成する。そして、インバータ２０５がデューティ指令値Ｄ_uu ^*、Ｄ_ul ^*、Ｄ_vu ^*、Ｄ_vl ^*、Ｄ_wu ^*、Ｄ_wl ^*に応じて操作されることで、モータ１００の固定子側の巻線に交流電圧ｖ_u、ｖ_v、ｖ_wが印加される。さらに、界磁制御部２０７は、ｆ軸電圧指令値ｖ_f ^**に応じたｆ軸電圧ｖ_fを、回転子側の巻線に印加する。

このようにして、巻線界磁型のモータ１００の回転駆動は、制御装置２００により制御される。

以下では、電圧指令補正フィルタ２０２における処理について説明する。まず、巻線界磁型のモータ１００における電流と電圧の関係を示す電圧方程式は、次式のように示すことができる。

なお、（４）式におけるＡ（ｓ）は、次式のように示される。

ただし、（５）式の行列におけるパラメータは、以下の値を示すものである。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１００の設計により定められる。

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

次に、（４）式の両辺に対してＡ^-1（ｓ）を乗算し、左辺と右辺とを入れ替えると、次式となる。

Ａ^-1（ｓ）は、Ａ（ｓ）を逆変換することにより求められ、次式のように示される。

なお、（７）式におけるＧ（ｓ）は、次式となる。

ここで、（７）式に示されるＡ^-1（ｓ）は、振動要素を含む。すなわち、巻線界磁型のモータ１００に印加される電圧ｖ_d、ｖ_q、ｖ_fを入力とし、流れる電流ｉ_d、ｉ_q、ｉ_fを出力とする伝達特性は振動系となる。そのため、モータ１００の電流ｉ_d、ｉ_q、ｉ_fに振動成分が含まれてしまう。

さらに、Ａ^-1（ｓ）に示されるように、ｄ軸、ｑ軸、ｆ軸は相互干渉しており、ｄ軸電圧ｖ_dが変化した場合には、ｄ軸電流ｉ_dだけでなく、ｑ軸電流ｉ_q及びｆ軸電流ｉ_fも逆起電圧により変化する。同様に、ｑ軸電圧ｖ_qが変化した場合には、ｑ軸電流ｉ_qだけでなく、ｄ軸電流ｉ_d及びｆ軸電流ｉ_fも変化する。ｆ軸電圧ｖ_fが変化した場合には、ｆ軸電流ｉ_fだけでなく、ｄ軸電流ｉ_d及びｑ軸電流ｉ_qも変化する。

ここで、（５）式の伝達特性Ａ（ｓ）を有するプラントモデルを、図１に示される本実施形態に適用する場合においては、右辺のｄ軸電圧ｖ_d、ｑ軸電圧ｖ_q、ｆ軸電圧ｖ_fは、それぞれ、電圧指令値ｖ_d ^*、ｖ_q ^*、ｖ_f ^*に相当する。さらに、電圧指令補正フィルタ２０２における伝達特性は、Ｃ_mmf（ｓ）と示されるものとする。

このような場合には、電圧指令値算出部２０１により算出される電圧指令値ｖ_d ^*、ｖ_q ^*、ｖ_f ^*を入力とし、モータ１００の電流ｉ_d、ｉ_q、ｉ_fを出力とするモータ１００のプラントモデルは、モータ１００のモデル特性であるＡ^-1（ｓ）と、電圧指令補正フィルタ２０２の伝達特性であるＣ_mmf（ｓ）とが直列に接続されたものになるため、次式のように示される。

ここで、Ａ^-1（ｓ）Ｃ_mmf（ｓ）の伝達特性において振動成分が含まれないようにするために、Ｃ_mmf（ｓ）を次式のように定める。

ただし、（１０)式におけるＧ（０）は、次式のとおりである。

また、（１０）式におけるパラメータは、以下の値を示すものである。

τ_m ：ｄ、ｑ軸電流規範応答時定数
τ_f ：界磁電流規範応答時定数

式（１１）に示されるＣ_mmf（ｓ）を電圧指令補正フィルタ２０２に用いることで、（８）式に示される本実施形態のプラントモデルは、次式のように示すことができる。

ここで、（１２）式の行列内の要素の分母部分が「τ_mｓ＋１」または「τ_fｓ＋１」となり、τ_m、τ_fが１よりも大きな値であることにより、プラントモデルに振動成分が含まれないことになる。その結果、巻線界磁型のモータ１００を安定的に制御することができる。

以下においては、本実施形態による効果について、図３～図５のタイミングチャートを用いて説明する。

図３は、第１比較例のモータ１００の制御状態を示すタイミングチャートである。第１比較例においては、本実施形態と同様の構成において電圧指令補正フィルタ２０２が設けられていないものとする。この図においては、左列に電流値、右列に電圧値を示すグラフが示されている。そして、左列及び右列の双方において、上段にはｄ軸、中段にはｑ軸、下段にはｆ軸について、それぞれのパラメータの経時的な変化が示されている。

時刻ｔ０において、制御装置２００に所定のトルク指令値Ｔ^*がステップ入力されるものとする。この場合には、右列のグラフにおいて一点鎖線で示されるように、モータ１００におけるトルクに直接的に関与するｄ軸電圧指令値ｖ_d ^*、及び、ｑ軸電圧指令値ｖ_q ^*がステップ状に変化する。なお、第１比較例においては、トルク指令値Ｔ^*のステップ入力に対して、ｆ軸電圧指令値ｖ_f ^*は変化しないものとする。

このような場合には、第１比較例のモータ１００においては、プラントモデルの伝達特性に含まれる振動成分、及び、ｄ軸、ｑ軸、ｆ軸の相互干渉に起因して、左列のグラフにおいて実線で示されるように、ｄ軸電流ｉ_d、ｑ軸電流ｉ_q、及び、ｆ軸電流ｉ_fは、振動する。

時刻ｔ０において開始した振動は、時間の経過とともに振幅が小さくなり、最終的に時刻ｔ３において定常値に収束する。なお、ｄ軸電流ｉ_dの定常値は、ｄ軸電圧指令値ｖ_d ^*の変化に応じた分だけ、振動の開始時（ｔ０）の値よりも小さくなり、ｑ軸電流ｉ_qの定常値は、ｑ軸電圧指令値ｖ_q ^*の変化に応じた分だけ、振動の開始時の値よりも大きくなる。また、ｆ軸電流ｉ_fは、ｆ軸電圧指令値ｖ_f ^*が変化しないため、開始時の値に収束する。

このように、モータ１００のトルクに寄与するｄ軸電流ｉ_d0、及び、ｑ軸電流ｉ_qが振動してしまうことにより、モータ１００におけるトルク変動が発生してしまうので、モータ制御システム１０が電動車両に搭載される場合には、運転者に不快感を与えてしまうおそれがある。

図４は、第２比較例のモータ１００の制御状態を示すタイミングチャートである。第２比較例においては、本実施形態と同様の構成において電圧指令補正フィルタ２０２に替えて、プラントモデルの振動成分を抑制するローパスフィルタが設けられているものとする。これらの図においては、左列において第１比較例が破線で示されるとともに、第２比較例が実線で示されている。また、右列においては、指令値が一点鎖線で示されるとともに、第２比較例が実線で示されている。

右列において実線で示されるように、第２比較例では、時刻ｔ０において制御装置２００に所定のトルク指令値Ｔ^*がステップ入力されると、ローパスフィルタの処理により、ｄ軸電圧指令値ｖ_d ^*、及び、ｑ軸電圧指令値ｖ_q ^*は、滑らかに最終指定値に収束するように変化する。なお、ｆ軸電圧指令値ｖ_f ^*は変化がないため、ローパスフィルタ処理を行った後の値においても変化はない。

第２比較例においては、ローパスフィルタにより、モータ１００のプラントモデルに含まれる振動成分が除去される。しかしながら、左列にて実線で示されるように、ｄ軸、ｑ軸、ｆ軸の相互干渉に起因して、ｄ軸電流ｉ_d、ｑ軸電流ｉ_q、ｆ軸電流ｉ_fは、時刻ｔ０において変化を開始して、時間の経過とともに変化率が小さくなり、最終的に時刻ｔ３において定常値に収束する。このように、モータ１００のトルクに寄与するｄ軸電流ｉ_d、及び、ｑ軸電流ｉ_qが滑らかに立ち上がることにより、トルク変動は少なくなるが、応答が緩慢になり運転者に違和感を与えてしまうおそれがある。

図５は、本実施形態のモータ１００の制御状態を示すタイミングチャートである。これらの図においては、可読性のために、破線により示される第２比較例と、実線で示される本実施形態が記載されている。

時刻ｔ０においてトルク指令値Ｔ^*がステップ入力されると（この図においてトルク指令値Ｔ^*は不図示）、右列に示されるように、電圧指令補正フィルタ２０２の影響により、ｄ軸電圧指令値ｖ_d ^*は略ステップ状に変化するとともに、ｑ軸電圧指令値ｖ_q ^*は一旦大きくなった後に小さくなる。また、ｆ軸電圧指令値ｖ_f ^*は、一旦小さくなった後に所定値へと変化なる。

本実施形態のモータ１００においては、第２比較例のローパスフィルタよりも、応答性が高く、プラントモデルの伝達特性に含まれる振動成分を抑制できる。そのため、本実施形態においては、トルク入力に応じてｄ軸電流ｉ_d、ｑ軸電流ｉ_q、ｆ軸電流ｉ_fの全てに相互干渉に起因する変動が生じたとしても、振動の発生が抑制されるとともに、第２比較例のｄ軸電流ｉ_d、ｑ軸電流ｉ_q、ｆ軸電流ｉ_fよりも応答性が高い。

そのため、本実施形態のように電圧指令補正フィルタ２０２を設けることにより、応答性の悪化を抑制しつつ、振動成分を抑制することができる。その結果、モータ制御システム１０が電動車両に搭載される場合には、運転者における不快感や違和感の発生を抑制できる。

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１００の制御方法によれば、式（９）に示されるように、ｄ軸電圧指令値ｖ_d ^*、ｑ軸電圧指令値ｖ_q ^*、及び、ｆ軸電圧指令値ｖ_f ^*に対して、電圧指令補正フィルタ２０２の伝達特性であるＣ_mmf（ｓ）を乗ずる補正を行う。そして、補正後の電圧指令値に対して、モータ１００のモデル特性であるＡ^-1（ｓ）を乗ずることで、モータ１００の電流ｉ_d、ｉ_q、ｉ_fを求めることができる。

ここで、Ｃ_mmf（ｓ）は、（１０）式に示されるような３ｘ３の行列となるとともに、これらの成分において、Ａ^-1（ｓ）における振動成分が抑制されるように構成される。すなわち、ｄ軸、ｑ軸、及び、ｆ軸の各成分において、電圧指令値ｖ_d ^*、ｖ_q ^*、ｖ_f ^*が変化する場合に、変化する電圧指令値ｖ_d ^*、ｖ_q ^*、ｖ_f ^*と同軸方向の電流ｉ_d、ｉ_q、ｉ_f、及び、変化する電圧指令値ｖ_d ^*、ｖ_q ^*、ｖ_f ^*とは異なる軸方向の電流ｉ_d、ｉ_q、ｉ_fにおける振動成分を抑制するように構成される。

このような構成となることで、（１２）式に示されるように、応答振動を抑制することができる制御系を構成できる。また、図５に示されるように、本実施形態のＣ_mmf（ｓ）は、ローパスフィルタと比較すると、振動を抑制しつつ、高い応答性を実現することができる。その結果、モータ１００の駆動制御を精度よく行うことができる

本実施形態の巻線界磁型のモータ１００の制御方法によれば、（１０）式により示されるＣ_mmf（ｓ）は、以下の行列成分を有する。なお、以下においては、（１０）式における「ｎ行、ｍ列」の成分について、（ｎ，ｍ）と示すものとする。

（３，１）：ｄ軸電圧指令値の変化により発生するｆ軸電流における振動成分を抑制するように、ｄ軸電圧指令値に基づくｆ軸電圧指令値の補正をする成分。
（３，２）：ｑ軸電圧指令値の変化により発生するｆ軸電流における振動成分を抑制するように、ｑ軸電圧指令値に基づくｆ軸電圧指令値の補正をする成分。
（１，３）：ｆ軸電圧指令値の変化により発生するｄ軸電流における振動成分を抑制するように、ｆ軸電圧指令値に基づくｄ軸電圧指令値の補正をする成分。
（２，３）：ｆ軸電圧指令値の変化により発生するｑ軸電流における振動成分を抑制するように、ｆ軸電圧指令値に基づくｑ軸電圧指令値の補正をする成分。
（３，３）：ｆ軸電圧指令値の変化により発生するｆ軸電流における振動成分を抑制するような、ｆ軸電圧指令値の補正をする成分。

すなわち、巻線界磁型のモータ１００は、回転子側の巻線に界磁が発生する点に特徴がある。Ｃ_mmf（ｓ）の（１，３）、（２，３）、及び、（３，３）の成分は、この回転子側の界磁に影響を与えるｆ軸電圧指令値ｖ_f ^*の変化に起因する、電流ｉ_d、ｉ_q、ｉ_fにおける振動を抑制する。

さらに、Ｃ_mmf（ｓ）の（３，１）、及び、（３，２）は、回転子側へと流れるｆ軸電流ｉ_fにおいて、ｄ軸電圧指令値ｖ_d ^*、ｑ軸電圧指令値ｖ_q ^*の変化に起因する振動を抑制する。

そのため、巻線界磁型のモータ１００に特有のｆ軸電圧指令値ｖ_f ^*に起因する、または、ｆ軸電流ｉ_fにおける振動を抑制することができ、回転駆動の制御精度を向上させることができる。

本実施形態の巻線界磁型のモータ１００の制御方法によれば、（１０）式により示されるＣ_mmf（ｓ）は、以下の行列成分を有する。

（１，１）：ｄ軸電圧指令値の変化により発生するｄ軸電流における振動成分を抑制するような、ｄ軸電圧指令値の補正をする成分。
（２，１）：ｄ軸電圧指令値の変化により発生するｑ軸電流における振動成分を抑制するように、ｄ軸電圧指令値に基づくｑ軸電圧指令値の補正をする成分。
（１，２）：ｑ軸電圧指令値の変化により発生するｄ軸電流における振動成分を抑制するように、ｑ軸電圧指令値に基づくｄ軸電圧指令値の補正をする成分。
（２，２）：ｑ軸電圧指令値の変化により発生するｑ軸電流における振動成分を抑制するような、ｑ軸電圧指令値の補正をする成分。

モータ１００は、巻線界磁型であっても永久磁石型であっても、一般に、固定子側の巻線における界磁が制御される。Ｃ_mmf（ｓ）の（１，１）、（１，２）、（２，１）、及び、（２，２）は、この固定子側の制御におけるｄ軸及びｑ軸おいて、電圧指令値ｖ_d ^*、ｖ_q ^*に起因して発生する電流ｉ_d、ｉ_qにおける振動を抑制する。

そのため、一般的なモータにおいても発生しうる、電圧指令値ｖ_d ^*、ｖ_q ^*に起因して発生する電流ｉ_d、ｉ_qにおける振動を抑制することができる。その結果、モータ１００の回転駆動の制御精度を向上させることができる。

また、本実施形態の巻線界磁型のモータ１００の制御方法によれば、（１０）式により示されるＣ_mmf（ｓ）は、モータ１００の電気角速度ω_m、及び、モータの設計パラメータであるインダクタンスＬ、相互インダクタンスＭ及び抵抗Ｒのうちのいずれかにより構成される。このように、設計値や測定値からＣ_mmf（ｓ）を求めることにより、計算量が大幅に増加することなく、巻線界磁型のモータ１００の回転駆動を精度よく制御できる。

さらに、（１２）式により示されるように、電圧指令値ｖ_d ^*、ｖ_q ^*、ｖ_f ^*に対してＣ_mmf（ｓ）を用いたフィルタリング処理した信号は、（７）式に示されるような抵抗Ｒ、インダクタンスＬ、及び、相互インダクタンスＭなどのモータパラメータや、電気角速度ω_reにより示されるＡ^-1（ｓ）と乗ざれることにより、振動成分が抑制される。これを、Ｃ_mmf（ｓ）の行列成分と対応させれば、以下のように示すことができる。

（１，１）：ｄ軸電圧指令値をフィルタリング処理した信号と、電気角速度ω_reとモータパラメータのいずれか一つとに応じて、ｄ軸電圧指令値の補正をする成分。
（１，２）：ｑ軸電圧指令値をフィルタリング処理した信号と、電気角速度ω_reとモータパラメータのいずれか一つとに応じて、ｄ軸電圧指令値の補正をする成分。
（１，３）：ｆ軸電圧指令値をフィルタリング処理した信号と、電気角速度ω_reとモータパラメータのいずれか一つとに応じて、ｄ軸電圧指令値の補正をする成分。
（２，１）：ｄ軸電圧指令値をフィルタリング処理した信号と、電気角速度ω_reとモータパラメータのいずれか一つとに応じて、ｑ軸電圧指令値の補正をする成分。
（２，２）：ｑ軸電圧指令値をフィルタリング処理した信号と、電気角速度ω_reとモータパラメータのいずれか一つとに応じて、ｑ軸電圧指令値の補正をする成分。
（２，３）：ｆ軸電圧指令値をフィルタリング処理した信号と、電気角速度ω_reとモータパラメータのいずれか一つとに応じて、ｑ軸電圧指令値の補正をする成分。
（３，１）：ｄ軸電圧指令値をフィルタリング処理した信号と、電気角速度ω_reとモータパラメータのいずれか一つとに応じて、ｆ軸電圧指令値の補正をする成分。
（３，２）：ｑ軸電圧指令値をフィルタリング処理した信号と、電気角速度ω_reとモータパラメータのいずれか一つとに応じて、ｆ軸電圧指令値の補正をする成分。
（３，３）：ｆ軸電圧指令値をフィルタリング処理した信号と、電気角速度ω_reとモータパラメータのいずれか一つとに応じて、ｆ軸電圧指令値の補正をする成分。

そのため、モータ回転数ω_reやモータパラメータに依らず、モータ１００のプラントモデルにおける電圧の入力から電流の出力までの共振を除去できるので、応答に振動成分が含まれない制御系を構成できる。

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。

１０ ：モータ制御システム
１００ ：モータ
１０１、１０１ｕ、１０１ｖ、１０１ｆ ：電流センサ
２００ ：制御装置
２０１ ：電圧指令値算出部
２０２ ：電圧指令補正フィルタ
２０７ ：界磁制御部

Claims (5)

1. 固定子に固定子巻線を備えるとともに、回転子に回転子巻線を備える巻線界磁型回転電機の制御方法であって、
   トルク指令値に基づいて、前記固定子巻線への供給電力を制御するｄ軸電圧指令値、ｑ軸電圧指令値、及び、前記回転子巻線への供給電圧を制御するｆ軸電圧指令値、を算出する算出ステップと、
   前記巻線界磁型回転電機を制御対象とするプラントモデルに含まれる振動成分を除去するフィルタを用いて、前記算出ステップにて算出される前記ｄ軸電圧指令値、前記ｑ軸電圧指令値、及び、前記ｆ軸電圧指令値に対する補正を行う、補正ステップと、
   前記補正ステップにおいて補正された前記ｄ軸電圧指令値、及び、補正された前記ｑ軸電圧指令値に基づいて、前記固定子巻線に電圧を印加するとともに、補正された前記ｆ軸電圧指令値に基づいて、前記回転子巻線に電圧を印加する、電圧印加ステップと、を備え、
   前記フィルタは、制御される前記ｄ軸電圧指令値、前記ｑ軸電圧指令値、及び、前記ｆ軸電圧指令値のそれぞれの電圧指令値が変化する場合において、変化する前記電圧指令値と同軸方向、及び、変化する前記電圧指令値とは異なる軸方向の電流における振動成分を抑制するように構成され、
   前記フィルタは、少なくとも、
   前記ｄ軸電圧指令値の変化により発生するｆ軸電流における振動成分を抑制するように、前記ｄ軸電圧指令値に基づく前記ｆ軸電圧指令値を補正、
   前記ｑ軸電圧指令値の変化により発生する前記ｆ軸電流における振動成分を抑制するように、前記ｑ軸電圧指令値に基づく前記ｆ軸電圧指令値を補正、
   前記ｆ軸電圧指令値の変化により発生するｄ軸電流における振動成分を抑制するように、前記ｆ軸電圧指令値に基づく前記ｄ軸電圧指令値を補正、
   前記ｆ軸電圧指令値の変化により発生するｑ軸電流における振動成分を抑制するように、前記ｆ軸電圧指令値に基づく前記ｑ軸電圧指令値を補正、及び、
   前記ｆ軸電圧指令値の変化により発生する前記ｆ軸電流における振動成分を抑制するような、前記ｆ軸電圧指令値の補正、のうちのいずれかを行う、巻線界磁型回転電機の制御方法。
2. 固定子に固定子巻線を備えるとともに、回転子に回転子巻線を備える巻線界磁型回転電機の制御方法であって、
   トルク指令値に基づいて、前記固定子巻線への供給電力を制御するｄ軸電圧指令値、ｑ軸電圧指令値、及び、前記回転子巻線への供給電圧を制御するｆ軸電圧指令値、を算出する算出ステップと、
   前記巻線界磁型回転電機を制御対象とするプラントモデルに含まれる振動成分を除去するフィルタを用いて、前記算出ステップにて算出される前記ｄ軸電圧指令値、前記ｑ軸電圧指令値、及び、前記ｆ軸電圧指令値に対する補正を行う、補正ステップと、
   前記補正ステップにおいて補正された前記ｄ軸電圧指令値、及び、補正された前記ｑ軸電圧指令値に基づいて、前記固定子巻線に電圧を印加するとともに、補正された前記ｆ軸電圧指令値に基づいて、前記回転子巻線に電圧を印加する、電圧印加ステップと、を備え、
   前記フィルタは、制御される前記ｄ軸電圧指令値、前記ｑ軸電圧指令値、及び、前記ｆ軸電圧指令値のそれぞれの電圧指令値が変化する場合において、変化する前記電圧指令値と同軸方向、及び、変化する前記電圧指令値とは異なる軸方向の電流における振動成分を抑制するように構成され、
   前記フィルタは、少なくとも、
   前記ｄ軸電圧指令値の変化により発生するｄ軸電流における振動成分を抑制するような、前記ｄ軸電圧指令値の補正、
   前記ｄ軸電圧指令値の変化により発生するｑ軸電流における振動成分を抑制するように、前記ｄ軸電圧指令値に基づく前記ｑ軸電圧指令値の補正、
   前記ｑ軸電圧指令値の変化により発生するｄ軸電流における振動成分を抑制するように、前記ｑ軸電圧指令値に基づく前記ｄ軸電圧指令値の補正、及び、
   前記ｑ軸電圧指令値の変化により発生するｑ軸電流における振動成分を抑制するような、前記ｑ軸電圧指令値の補正、のうちのいずれかを行う、巻線界磁型回転電機の制御方法。
3. 請求項１または２に記載の巻線界磁型回転電機の制御方法であって、
   前記フィルタは、少なくとも、前記回転電機の電気角速度、前記回転電機における抵抗値、インダクタンス、及び、相互インダクタンスのうちのいずれかを用いて、変化する前記電圧指令値と同軸方向、及び、変化する前記電圧指令値とは異なる軸方向の電流における振動成分を抑制するように構成される、巻線界磁型回転電機の制御方法。
4. 固定子に固定子巻線を備えるとともに、回転子に回転子巻線を備える巻線界磁型回転電機の制御装置であって、
   トルク指令値に基づいて、前記固定子巻線への供給電力を制御するｄ軸電圧指令値、ｑ軸電圧指令値、及び、前記回転子巻線への供給電圧を制御するｆ軸電圧指令値、を算出する電圧指令値算出部と、
   前記巻線界磁型回転電機を制御対象とするプラントモデルに含まれる振動成分を除去するフィルタを用いて、前記電圧指令値算出部にて算出される前記ｄ軸電圧指令値、前記ｑ軸電圧指令値、及び、前記ｆ軸電圧指令値に対する補正を行う、電圧指令値補正部と、
   前記電圧指令値補正部において補正された前記ｄ軸電圧指令値、及び、補正された前記ｑ軸電圧指令値に基づいて、前記固定子巻線に電圧を印加するとともに、補正された前記ｆ軸電圧指令値に基づいて、前記回転子巻線に電圧を印加する、電圧印加部と、を備え、
   前記電圧指令値補正部は、制御される前記ｄ軸電圧指令値、前記ｑ軸電圧指令値、及び、前記ｆ軸電圧指令値のそれぞれの電圧指令値が変化する場合において、変化する前記電圧指令値と同軸方向、及び、変化する前記電圧指令値とは異なる軸方向の電流における振動成分を抑制し、
   前記フィルタは、少なくとも、
   前記ｄ軸電圧指令値の変化により発生するｆ軸電流における振動成分を抑制するように、前記ｄ軸電圧指令値に基づく前記ｆ軸電圧指令値を補正、
   前記ｑ軸電圧指令値の変化により発生する前記ｆ軸電流における振動成分を抑制するように、前記ｑ軸電圧指令値に基づく前記ｆ軸電圧指令値を補正、
   前記ｆ軸電圧指令値の変化により発生するｄ軸電流における振動成分を抑制するように、前記ｆ軸電圧指令値に基づく前記ｄ軸電圧指令値を補正、
   前記ｆ軸電圧指令値の変化により発生するｑ軸電流における振動成分を抑制するように、前記ｆ軸電圧指令値に基づく前記ｑ軸電圧指令値を補正、及び、
   前記ｆ軸電圧指令値の変化により発生する前記ｆ軸電流における振動成分を抑制するような、前記ｆ軸電圧指令値の補正、のうちのいずれかを行う、巻線界磁型回転電機の制御装置。
5. 固定子に固定子巻線を備えるとともに、回転子に回転子巻線を備える巻線界磁型回転電機の制御装置であって、
   トルク指令値に基づいて、前記固定子巻線への供給電力を制御するｄ軸電圧指令値、ｑ軸電圧指令値、及び、前記回転子巻線への供給電圧を制御するｆ軸電圧指令値、を算出する電圧指令値算出部と、
   前記巻線界磁型回転電機を制御対象とするプラントモデルに含まれる振動成分を除去するフィルタを用いて、前記電圧指令値算出部にて算出される前記ｄ軸電圧指令値、前記ｑ軸電圧指令値、及び、前記ｆ軸電圧指令値に対する補正を行う、電圧指令値補正部と、
   前記電圧指令値補正部において補正された前記ｄ軸電圧指令値、及び、補正された前記ｑ軸電圧指令値に基づいて、前記固定子巻線に電圧を印加するとともに、補正された前記ｆ軸電圧指令値に基づいて、前記回転子巻線に電圧を印加する、電圧印加部と、を備え、
   前記電圧指令値補正部は、制御される前記ｄ軸電圧指令値、前記ｑ軸電圧指令値、及び、前記ｆ軸電圧指令値のそれぞれの電圧指令値が変化する場合において、変化する前記電圧指令値と同軸方向、及び、変化する前記電圧指令値とは異なる軸方向の電流における振動成分を抑制し、
   前記フィルタは、少なくとも、
   前記ｄ軸電圧指令値の変化により発生するｄ軸電流における振動成分を抑制するような、前記ｄ軸電圧指令値の補正、
   前記ｄ軸電圧指令値の変化により発生するｑ軸電流における振動成分を抑制するように、前記ｄ軸電圧指令値に基づく前記ｑ軸電圧指令値の補正、
   前記ｑ軸電圧指令値の変化により発生するｄ軸電流における振動成分を抑制するように、前記ｑ軸電圧指令値に基づく前記ｄ軸電圧指令値の補正、及び、
   前記ｑ軸電圧指令値の変化により発生するｑ軸電流における振動成分を抑制するような、前記ｑ軸電圧指令値の補正、のうちのいずれかを行う、巻線界磁型回転電機の制御装置。

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