TWI491166B - 馬達控制裝置 - Google Patents

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Kazuaki Ando
Akira Tanabe
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Mitsubishi Electric Corp
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Description

馬達控制裝置
本發明係關於透過反用換流器(inverter)來進行馬達的驅動控制之馬達控制裝置。
馬達控制裝置係產生用來使具備有反用換流器之開關元件(switching element)進行開啟/關閉(on/off)動作之控制訊號。反用換流器在開關元件按照來自馬達控制裝置的控制訊號而進行之開啟/關閉(on/off)動作下，將直流電源的輸出電力變換為交流電力，並供給至馬達。藉此，以使其位置或速度或轉矩成為希望的值之方式對馬達進行控制。此種類的馬達，係採用感應馬達、永久磁鐵同步馬達等。
然而，作為反用換流器的直流電源者，可舉出的例子有：將來自三相交流電源之電力予以整流然後輸出之二極體轉換器(diode converter)、及將來自電池或電容器(capacitor)之電力的電壓準位(level)予以變換然後輸出之DC/DC轉換器(DC/DC converter)等。
此種類之直流電源，其可輸出的電力或電壓一般都存在有上限值，必須在該範圍內使用。例如電池或電容器，其可輸出的電力的上限係由其壽命及蓄積的能量等所決定。就DC/DC轉換器或二極體轉換器而言，其可輸出的電力或電壓係相當其本身可處理的電壓值或電流值等的規格。除此之外，在二極體轉換器方面，還有三相交流電源 的電源設備容量(capacity)作為其他的限制因素。因此，反用換流器可輸出的電力也受到約束。在反用換流器所受的約束中，有反用換流器本身的規格所致之約束，也有應該使輸出的交流電力在前述直流電源的輸出電力以下這樣的約束。
又，反用換流器因為是透過半導體開關元件的開啟/關閉(on/off)動作而將直流電源的直流電壓供給至馬達，所以並無法將比來自直流電源的直流電壓高之電壓供給至馬達。因此，與前述的電力一樣，反用換流器可輸出的電壓也受到約束。從以上的理由可知，馬達控制裝置必須在由直流電源及反用換流器規格所決定的電力及電壓的約束範圍內進行馬達的控制。
針對此課題，在例如專利文獻1中，揭示有預先考慮馬達的動作時序(timing)及電源的供給電力，而產生預想了馬達的加速度(轉矩(torque))及馬達速度的限制之位置指令之技術。採用此技術，就可將馬達的加減速所需的電力抑制在預定的範圍內。
[先前技術文獻] (專利文獻)
(專利文獻1)日本特開2002-272153號公報
然而，專利文獻1中揭示的技術中，在考慮馬達的消耗電力之際並未考慮馬達的損失。因此，在應用於例如損 失很大的馬達之情況，就會有直流電源所應供給的電力超過可輸出的電力的上限之可能性。
此外，專利文獻1中揭示的技術中，並未考慮馬達驅動所需的電壓。因此，會在例如馬達高速運轉時產生感應電壓，而有超出反用換流器可供給的電壓而發生電壓飽和之可能性。
於發生此等電力、電壓不足之情況，就會發生轉矩不足，而有招致位置控制或速度控制的精度降低或不穩定化之虞。另外，若採取使弱電流流動之方式來迴避電壓飽和，則由於銅損會因為弱電流而增加，因此會發生無法同時滿足前述電力及電壓的約束之情形。
本發明係有鑑於上述之課題而研創者，其目的在得到一種馬達控制裝置，係可將馬達的消耗電力及馬達驅動所需的電壓都抑制在預定的範圍內。
為了解決上述的課題，達成本發明的目的，本發明係一種馬達控制裝置，具備有輸出用來使馬達的轉子位置追隨目標位置之位置指令之位置指令產生部、進行使得前述馬達的轉子位置與前述位置指令兩者一致之控制並輸出馬達轉子速度指令之位置控制部、以及輸出作為前述馬達的容許轉矩之轉矩限制值之轉矩限制值輸出部，其特徵在於：前述轉矩限制值輸出部係因應前述馬達的轉子速度，而輸出使前述馬達之驅動所需的消耗電力落在預定的馬達電力限制值以內，且使前述馬達之驅動所需的電壓振幅落在預 定的電壓限制以內之前述轉矩限制值，而前述位置指令產生部，係按照前述轉矩限制值而產生前述位置指令。
根據本發明，能發揮可將馬達的消耗電力及馬達驅動所需的電壓都抑制在預定的範圍內之功效。
以下，根據圖式來詳細說明本發明之馬達控制裝置的實施形態。惟本發明並不受此實施形態所限定。
實施形態1.
第1圖係顯示本發明實施形態1之馬達控制裝置的構成之方塊圖。本實施形態1之馬達控制裝置1a係具備有一邊將馬達5的消耗電力及馬達5之驅動所需的電壓分別抑制在預定值以下，一邊將馬達5的轉子位置控制在目標位置之位置控制的構成。
在第1圖中，反用換流器3係利用按照來自本實施形態1之馬達控制裝置1a的開關指令9而開關元件3a進行開啟/關閉(on/off)之動作，將直流電源2之輸出電力變換為交流電力，並將之供給至馬達5。利用安裝於反用換流器3與馬達5之間的電源線(cable)之電流檢測器4而檢測出之檢測馬達電流8，係作為回饋訊號而輸入至馬達控制裝置1a。另外，利用安裝於馬達5之位置檢測器6而檢測出之檢測馬達位置7，係作為回饋訊號而輸入至馬達控制裝置1a。
在本實施形態1中，馬達5係為內藏磁鐵型同步馬達 (Interior Permanent Magnet Synchronous Motor：IPM)。IPM之驅動控制，係在由與IPM轉子的永久磁鐵的磁通向量(vector)的方向一致之d軸、及與d軸正交之q軸所構成之兩軸正交旋轉座標上，以將該馬達電流分為d軸上的電流成分(激磁電流成分)及q軸上的電流成分(轉矩電流成分)而處理之方式進行。
在IPM之驅動控制中使用之dq軸座標上的迴路方程式，係以式(1)加以表示。式(1)中，Vd為d軸電壓、Vq為q軸電壓、R為線圈電阻、Ld為d軸電感(inductance)成分、Lq為q軸電感成分、Φ為感應電壓常數、ωre為電角頻率(馬達旋轉速度的極對數(Number of Pole Pairs)倍)、p為極對數、Id為激磁(弱)電流、Iq為轉矩電流。
第1圖中還顯示有上位控制裝置10。本實施形態1之馬達控制裝置1a係具備有作為與上位控制裝置10的介面(interface)之通訊/參數記憶部11。在上位控制裝置10與通訊/參數記憶部11之間，進行馬達5及直流電源2、反用換流器3、電力限制值28、電壓限制值27以及其他資訊的傳送接收。電力限制值28係馬達5的消耗電力的上限值。電壓限制值27係馬達5之驅動所需的電壓的上限值。上位控制裝置10係根據直流電源2的電源容量及輸出電壓來決定電力限制值28及電壓限制值27，並將之傳送至馬 達控制裝置1a。亦即，馬達控制裝置1a可依據上位控制裝置10的指令而設定馬達消耗電力及馬達驅動所需的電壓的上限。以及，可依據周圍環境及運轉條件而設定馬達消耗電力及馬達驅動所需的電壓的上限。
首先，針對上位控制裝置10及通訊/參數記憶部11進行說明。上位控制裝置10，係不單只考慮直流電源2的電源容量及輸出電壓，也考慮包含馬達5、反用換流器3、馬達控制裝置1a在內之系統全體的電力及運轉時間等馬達5的周圍環境來設定驅動條件。因而，馬達控制裝置1a必須按照上位控制裝置10的設定來驅動馬達5。因此，在馬達控制裝置1a設置通訊/參數記憶部11，以期能夠達成此要求。
第1圖中，雖顯示有將一台馬達5及反用換流器3連接至直流電源2之形態，但除此之外，已知也有將複數台馬達及反用換流器連接至直流電源2，並利用上位控制裝置10加以統籌控制之系統。此系統係由上位控制裝置10考慮複數台馬達及反用換流器各別的動作的優先度及協同動作(時序)，來計算出要供給至各對象並使之動作之電力及電壓。就此將複數台馬達及反用換流器連接至直流電源之系統而言，通訊/參數記憶部11為馬達控制裝置1a中之必要的元素。
於此，在將複數台馬達及反用換流器連接至直流電源之過去的系統中，大多只是單純地將作為各馬達及反用換流器的規格而決定之最大使用電力予以相加，並根據加總 的值來選定直流電源。然而，在實際的運轉中，很少有必須用到如此的最大使用電力之動作，因此所選定的直流電源的容量會超過實際的運轉條件所需者而招致成本之增加。對於此一問題，根據本實施形態1，就如後述可適切地實施直流電源2之選定，所以可削減成本。
再者，就將複數台馬達及反用換流器連接至直流電源之系統的具體的例子而言，可舉出有用於工作機械之馬達控制系統。在此馬達控制系統之情況，係以藉由兩台進給用伺服馬達(servo motor)使加工對象物(工件)移動，並用主軸馬達來進行工件切削方式使用複數台馬達及反用換流器。
此時，一般而言主軸馬達的消耗電力在多數的情況都相對地較大，所以在過去，若主軸馬達在進給用伺服馬達進行定位動作的期間進行動作，就會有直流電源的輸出電壓大幅變動，進給用伺服馬達因為電壓不足而無法輸出轉矩，使得動作亂掉之情形。
對於此一問題，根據本實施形態1，就如後述，可在上位控制裝置10預先估計直流電源2的輸出電壓變動並將電壓限制值傳送至進給用伺服馬達的馬達控制裝置，所以可避免電壓不足而使進給用伺服馬達動作。反過來說，可在主軸馬達於進給用伺服馬達實施定位控制當中開始動作之情況等，以可確保進給用伺服馬達的電力為前提，對於主軸馬達的電力限制值或電壓限制值施加限制。
接著，針對通訊/參數記憶部11進行說明。此通訊/ 參數記憶部11係進行與上位控制裝置10之資訊的傳送接收及參數的保持等動作。通訊/參數記憶部11，係在從上位控制裝置10傳送來電力/電壓限制部29及轉矩限制值輸出部30的動作所需的電力限制值28及電壓限制值27時，將之當作是馬達控制裝置1a的控制參數而予以記憶，並在電力/電壓限制部29及轉矩限制值輸出部30需要時予以輸出。另外，通訊/參數記憶部11，係在從上位控制裝置10傳送來位置指令產生部13及到達時間推估程序(sequence)控制部33的動作所需的目標位置12時，將之當作是馬達控制裝置1a的控制參數而予以記憶，並在位置指令產生部13及到達時間推估程序控制部33需要時予以輸出。又，通訊/參數記憶部11，係在從上位控制裝置10傳送來位置指令產生部13的動作所需的位置控制時最高速度35時，將之當作是馬達控制裝置1a的控制參數而予以記憶，並在位置指令產生部13需要時予以輸出。
在通訊/參數記憶部11中馬達控制裝置1a的控制參數記憶時序，係為馬達控制裝置1a之出貨前、馬達控制裝置1a之起動時、以及從上位控制裝置10接收到值之更新通知時等。由於可在通訊/參數記憶部11保持及變更作為控制參數之電力限制值28及電壓限制值27，因此可依據當下的運轉條件以適切的電力、電壓條件達成馬達驅動。例如，可因應設置直流電源2之機房的三相交流電源設備容量及分配給該裝置之電源容量/電壓準位來設定電力限制值28及電壓限制值27，因此不用進行電源設備容量之 增強就可容易地實現該裝置之導入。
再者，通訊/參數記憶部11係將電力/電壓限制部29內的馬達消耗電力計算部29a所算出之馬達5的消耗電力29b、電壓振幅計算部36所算出之馬達驅動所需的電壓37、及到達時間推估程序控制部33所輸出之推估到達時間34予以輸出至上位控制裝置10。
電壓振幅計算部36將電流控制部22所輸出之dq軸電壓指令24代入式(2)來求出馬達驅動所需的電壓37。並且，式(2)中，Vn為馬達驅動所需的電壓37，Vd*為d軸電壓指令，Vq*為q軸電壓指令。
上位控制裝置10可根據這些資訊而進行學習，來設定可給予更適切的運轉條件之電力限制值28及電壓限制值27。又，使馬達5從0速度開始加速之情況，在馬達低速附近，馬達5的消耗電力及驅動所需的電壓，都還比電力限制值28及電壓限制值27小很多(有很大的餘裕)。藉由上位控制裝置10掌握住消耗電力29b及驅動所需的電壓，就可利用該餘裕來使連接至直流電源2之其他的反用換流器及馬達進行動作。
接著，說明透過在位置指令產生部13以後述的方式產生之位置指令14，來對反用換流器3的開關元件3a進行開啟/關閉(on/off)控制之反用換流器驅動系統「位置/ 速度控制部15~電流指令換算部17~電流指令修正部20~電流控制部22~PWM處理部26」。
位置/速度控制部15，係根據來自位置指令產生部13之位置指令14以及來自位置檢測器6之檢出馬達位置7，以位置控制、速度控制之順序實施此兩種控制來產生轉矩指令16並將之輸出至電流指令換算部17。一般而言，位置控制係藉由P控制而以讓其控制偏差為0之方式予以實施，而速度控制係藉由PI控制而以讓其控制偏差為0之方式予以實施，但除此之外，在多數的情況亦合併使用用到馬達位置的理想的動作模型之前饋控制(feedforward control)(FF控制)。
電流指令換算部17，係將轉矩指令16換算為dq軸電流指令18，並將之輸出至電流指令修正部20。此電流指令換算部17之構成，可依據馬達5的種類及應用的用途來考慮各種構成方法。例如，q軸電流指令係將轉矩指令16除以轉矩常數而求出，d軸電流指令則單純地設為0。另外，還有在上位設置磁通控制部並分配其控制輸出之情況。或者，也有藉由用以參照預先作成的運轉條件之對應圖(map)而以成組(set)方式求取d軸電流指令及q軸電流指令之情況。
電流指令修正部20，係根據電力/電壓限制部29內的積分部29d所輸出之dq軸電流指令修正訊號19來修正dq軸電流指令18，並將修正後的dq軸電流指令18當作是dq軸電流指令21而輸出至電流控制部22。關於此電流指令 修正部20的詳細內容將在後面說明。
電流控制部22，係根據經電流指令修正部20加以修正而得到之dq軸電流指令21、來自電流檢測器4之檢出馬達電流8、來自位置檢測器6之檢出馬達位置7來產生電壓指令23。此處，電流控制部22係在dq軸座標上，實施PI控制以及用來補償dq軸間的的電磁干擾之無干擾控制(non-interference control)，進行讓dq軸電流之各者的控制偏差變為0之控制。將在此控制處理過程中得到的dq軸電壓指令24變換為靜止座標上的電壓指令23。座標變換處理中所用的電角係從檢測馬達位置7換算得出。另外，將dq軸電壓指令24輸出至電力/電壓限制部29內的馬達消耗電力計算部29a、q軸電壓限制值計算部29e及q軸電壓取出部29g，以及輸出至電壓振幅計算部36。又，電流控制部22進行檢測馬達電流8的座標變換來求出dq軸電流25。而且，將dq軸電流25輸出至電力/電壓限制部29內的馬達消耗電力計算部29a。
電流控制部22所產生之電壓指令23，係在PWM處理部26中藉由載波(carr ier)比較而變換為開關指令9。藉此，進行反用換流器3的開關元件3a之開啟/關閉(on/off)控制，來使得交流電力供給至馬達5。重複以上的處理來控制馬達5的位置。
在以上說明的利用在位置指令產生部13所產生的位置指令14來進行反用換流器3的開關元件3a之開啟/關閉(on/off)控制之反用換流器驅動系統的構成中，除了進行 電流指令的修正之電流指令修正部20以外的構成係皆為一般的構成。
接著，針對電力/電壓限制部29的構成及動作進行詳細的說明。此電力/電壓限制部29之功能，係在馬達5之驅動中，將該馬達的消耗電力限制在電力限制值以下，且將驅動所需的電壓限制在電壓限制值以下。此功能係藉由以馬達消耗電力抑制處理及馬達驅動電壓抑制控制來產生用於dq軸電流指令18的修正之dq軸電流指令修正訊號19而予以實現。
首先，說明將馬達5的消耗電力限制在電力限制值以下之馬達消耗電力抑制處理。馬達消耗電力計算部29a，係使用dq軸電流25及dq軸電壓指令24來進行式(3)之計算，導出馬達消耗電力29b。式(3)中，Pow為馬達消耗電力、Vd*為d軸電壓指令、Vq*為q軸電壓指令、Id為d軸電流、Iq為q軸電流。又，利用式(3)而求出之消耗電力Pow，包含馬達機械輸出、馬達摩擦等之機械損失、馬達銅損、馬達鐵損等。反用換流器3的損失很大之情況、或者從直流電源2到反用換流器3之配線及從反用換流器3到馬達5之配線很長而無法忽視其損失之情況，將該等損失加到式(3)的計算結果，就可使得將從直流電源2輸出的電力抑制在電力限制值以內之動作高精度化。不過，亦可不進行式(3)之計算，而在從直流電源2到反用換流器3之配線中檢測出直流電流、直流電壓，然後使用其累計值。
[數式3]Pow=V d * ．I d +V q * ．I q …(3)
就減法器29j而言，係求出馬達消耗電力計算部29a所求出的馬達消耗電力29b、與通訊/參數記憶部11所輸出的電力限制值28之差分29c並予以輸出至積分部29d。
積分部29d，係對於差分29c進行乘以積分增益之處理以及積分處理，演算出將傳送至電流指令修正部20之dq軸電流指令修正訊號19中的q軸電流指令修正訊號。電流指令修正部20係將原來的q軸電流指令減去q軸電流指令修正訊號，來使得馬達5的轉矩的絕對值變小。
利用式(3)而求出之馬達5的消耗電力，係為馬達機械輸出與馬達損失之相加值。馬達機械輸出係為馬達速度與馬達轉矩之積，因此抑制馬達轉矩也可抑制馬達消耗電力。馬達消耗電力超過電力限制值28之情況，q軸電流指令修正訊號會為正值。在此情況，電流指令修正部20在馬達動力運轉(power runni ng)時係單純地對q軸電流指令進行減算處理，但在馬達再生(regeneration)時係以讓q軸電流指令的絕對值變小之方式使q軸電流指令修正訊號的極性反轉而進行減算處理。並且，在本實施形態1中，雖形成為電流指令修正部20進行q軸電流指令的修正之構成，但由於馬達轉矩與q軸電流為同極性而亦會進行增減，所以形成為修正轉矩指令16之構成也可得到同樣的效果。
接著，說明將馬達驅動所需之電壓抑制在電壓限制值27以下之馬達驅動電壓抑制處理。q軸電壓限制值計算部 29e，係將電流控制部22所輸出的dq軸電壓指令24、及通訊/參數記憶部11所輸出的電壓限制值27代入式(4)來算出q軸電壓限制值29f。並且，式(4)中，VqLim相當於q軸電壓限制值29f。VnLim為電壓限制值27。Vd*為從dq軸電壓指令24得到之d軸電壓指令。
q軸電壓取出部29g，係只從電流控制部22所輸出的dq軸電壓指令24中選擇出q軸電壓份，並將之當作是q軸電壓指令29h而輸出。
減法器29k，係求出q軸電壓取出部29g所求出的q軸電壓指令29h、與q軸電壓限制值計算部29e所求出的q軸電壓限制值29f之差分29i並予以輸出至積分部29d。
積分部29d，係對於差分29i進行乘以積分增益之處理以及積分處理，並演算傳送至電流指令修正部20之dq軸電流指令修正訊號19中的d軸電流指令修正訊號。電流指令修正部20係進行將d軸電流指令減去d軸電流指令修正訊號之修正。
電壓指令之振幅，包含有d軸(激磁)電流、及由於馬達5的轉子的永久磁鐵的磁通旋轉而產生之感應電壓。此感應電壓成分主要出現在q軸側。因此，電流指令修正部20藉由根據q軸電壓來修正d軸電流指令就可抑制q軸電壓，所以可實現馬達驅動所需的電壓之抑制。又，若以上 說明之感應電壓的性質上為存在有d軸電流及馬達5的永久磁鐵的磁通，或者有磁通控制部，則亦可形成為修正磁通指令之構成。
積分部29d雖如前述進行積分處理，但在不需要進行dq軸電流指令的修正時係停止動作。亦即，在內建的積分器設定下限值且使該下限值為0。因此dq軸電流指令修正訊號19不會變為負值。利用積分器來實施積分處理，係因為要保持d軸及q軸各軸的電流指令修正訊號，以及防止d軸及q軸各軸的電流指令修正動作之開啟/關閉(on/off)的震顫(chattering)，以期能夠進行平滑的電力/電壓抑制控制處理。
電流指令修正部20，係如前述將dq軸電流指令18減去dq軸電流指令修正訊號。電流指令修正部20隨後利用式(5)來從減算後的dq軸電流指令算出電流指令的振幅。並且，式(5)中，Id*為減算處理後的d軸電流指令，Iq*為q軸電流指令，In*為要求出的電流指令振幅。
在利用式(5)得出之電流指令振幅超過由馬達5及反用換流器3的規格所決定的最大電流振幅之情況，係在維持住d軸電流指令與q軸電流指令的比率之情況下，將兩者抑制成電流指令振幅保持在容許範圍內，然後將之當作是修正後的dq軸電流指令21而予以輸出。具體而言，假 設由馬達5及反用換流器3的規格所決定的最大電流振幅為Inmax，則實施式(6)及式(7)所示之置換。
又，進行(6)及式(7)之電流振幅的限制之情況，電力/電壓限制部29內的積分部29d，為了要避免積分器的過剩的積分值之蓄積，而使往積分器輸出增加之方向的積分器動作停止。
如以上所說明的，將馬達消耗電力抑制在電力限制值28以下之情況，雖然要修正q軸電流，但如同從式(1)之迴路方程式也可清楚看出的，d軸電壓會隨著q軸電流之變化而變化，且馬達驅動所需之電壓也會變化。再者，將馬達驅動所需之電壓抑制在電壓限制值27以下之情況，雖然要修正d軸電流，但馬達線圈之銅損也會隨之增減，馬達消耗電力也會變化。馬達消耗電力及馬達驅動所需之電壓之兩個物理量之間存在有如此之干涉。因此，藉由使前述的馬達消耗電力抑制處理及馬達驅動電壓抑制處理同時且並行地動作，就可顯著提高兩控制處理的精度。結果，就具有在反用換流器3及直流電源2方面可採用更小容量的機種，來削減成本(cost)之效果。
接著，針對轉矩限制輸出部30，參照顯示構成例之第2及第3圖來進行說明。於第2圖中，轉矩限制輸出部30 係如例如第2圖所示，透過收斂計算部30a及轉矩換算部30q的動作，並根據電壓限制值27、電力限制值28、及馬達轉子速度資訊32來進行轉矩限制值31之算出。
收斂計算部30a具備有馬達模型30d及模型電力/電壓限制部30b。馬達模型30d係使用屬於模型電力/電壓限制部30b之輸出的模型dq軸電流30c、及馬達轉子速度資訊32來進行模型dq軸電壓30e之計算。馬達模型30d具體上係實施式(1)之計算。
模型電力/電壓限制部30b具備有：馬達消耗電力計算部30f、q軸電壓限制值計算部30l、q軸電壓取出部30j、減法器30o、30p、及積分/電流振幅抑制部30i。換言之，模型電力/電壓限制部30b係利用與電力/電壓限制部29大致同樣之構成，來進行大致同樣的動作。
馬達消耗電力計算部30f，係根據馬達模型30d所輸出之模型dq軸電壓30e、及屬於模型電力/電壓限制部30b之輸出的模型dq軸電流30c，來計算馬達模型消耗電力30g。式(1)中所考慮的損失為馬達銅損。在將馬達鐵損、因配線而造成的導通損失、馬達機械損失加以模型化(modelling)時，則也包含該等值而進行計算。
減法器30o，係取得馬達模型消耗電力30g與電力限制值28之差分30h，並將之輸出至積分/電流振幅抑制部30i。積分/電流振幅抑制部30i係對於差分30h實施積分處理來求出模型dq軸電流30c中之模型d軸電流。
再者，模型q軸電壓限制計算部30l，係進行與式(4) 一樣之計算來算出模型q軸電壓限制值30m。q軸電壓取出部30j，係只從馬達模型30d所產生的模型dq軸電壓30e中選擇出q軸電壓份，並將之當作是模型q軸電壓30k而輸出。
減法器30p，係取得模型q軸電壓限制值30m與模型q軸電壓30k之差分30n，並將之輸出至積分/電流振幅抑制部30i。積分/電流振幅抑制部30i係對於差分30n實施積分處理，來求出模型dq軸電流30c中之模型q軸電流。積分/電流振幅抑制部30i將模型d軸電流與模型q軸電流兩者合在一起當作是模型dq軸電流30c。轉矩換算部30q，係從模型dq軸電流30c轉換產生出轉矩限制值31。
如上所述之第2圖所示的轉矩限制輸出部30，係利用馬達模型30d、模型電力/電壓限制部30b、及轉矩換算部30q之動作，來進行轉矩限制值31之算出。亦即，係構成為利用收斂計算來求出在馬達模型30d之電壓及消耗電力滿足在電力限制值28以及電壓限制值27以內的條件之情況下，轉矩會為最大之dq軸電流，然後從該dq軸電流求出轉矩限制值31並予以輸出。因此模型電力/電壓限制部30b的構成，係與用第1圖說明過之電力/電壓限制部29的構成大致相同。採用此方式就可預先將由於d軸電流而產生之消耗電力增加量也列入考慮而決定出轉矩限制值。
又，在第1圖之電力/電壓限制部29中之減法器29i,29k得到的差分，與在第2圖之模型電力/電壓限制部30b中之減法器30o,30p得到的差分所用的符號之所以不同， 係因為在電力/電壓限制部29中，該差分係用來產生相對於另外存在的dq軸電流指令18的dq軸電流指令修正訊號19，相對的，在模型電力/電壓限制部30b中，該差分則是用來產生dq軸電流本身之緣故。
此處，若再假設d軸電流只為負值，則在積分/電流振幅抑制部30i中將輸出模型d軸電流之積分器的上限值設為0之設定。另一方面，為了得到轉矩會為最大之q軸電流，在積分/電流振幅抑制部30i中並不特別對輸出模型q軸電流之積分器設置上限值或下限值。此時，積分/電流振幅抑制部30i中之積分器所保持的值，係成為收斂計算中之dq軸電流的初始值。
另外，如同在電流指令修正部20之中所說明者，要在積分/電流振幅抑制部30i中採取抑制電流振幅、以及避免內建的積分器的值蓄積得過多之措施。以及，在積分/電流振幅抑制部30i的積分器中將馬達5所容許的最大轉矩電流值設定於q軸電流的收斂計算的初始值。d軸電流的收斂計算的初始值則設為0。
此收斂計算，係在每次馬達轉子速度資訊32改變時實施。此收斂計算，一般而言，係藉由構成馬達控制裝置1a之電腦(computer)上的軟體或FPGA等之電子電路而實現，且係週期性且離散性地執行。該電路動作可想成比馬達5的轉子速度變化快很多，且成為接近前次的收斂計算實施時的馬達轉子速度之值，且藉由收斂計算所得到的dq軸電流也會成為與前次結果接近之值。因此將在前次的收 斂計算中得到之值用於馬達消耗電力計算部30l內的積分器的初始值，即可帶來收斂計算次數的削減。
轉矩換算部30q係在收斂計算結束後，將利用以上的收斂計算而得到的模型dq軸電流30c代入式(8)來計算出轉矩Ta，並將之當作是轉矩限制值31而輸出。
[數式7]T a =P．Φ．I q +P(L d -L q )．I d ．I q …(8)
以上之求出dq軸電流之計算亦可採用例如牛頓法(Newton’s method)等。以上說明的以收斂計算來計算出轉矩限制值31之方法具有無需事先掌握符合電力限制值28及電壓限制值27等全部的計算條件之解的存在，即使沒有如此的解也可輸出較接近條件的解之優點。
另外，轉矩限制輸出部30除了以上說明的進行收斂計算之第2圖所示的構成之外，如第3圖所示，亦可利用例如轉矩表初始化控制部30r、記憶與馬達轉子速度對應的轉矩限制值之轉矩表(torque table)30s、及未圖示的轉矩限制值輸出部來構成。
轉矩表初始化控制部30r，係在馬達5的運轉開始前，或者在變更前述電力限制值之時序，或變更電壓限制值之時序中，預先針對每個馬達轉子速度實施利用第2圖說明過之收斂計算，並將得到的轉矩限制值設定至轉矩表30s。未圖示的轉矩限制值輸出部，係在馬達運轉中，根據馬達轉子速度資訊32並參照轉矩表30s而輸出轉矩限制值 31。在形成為如此的構成時，因為預先計算馬達驅動時的消耗電力及驅動電壓會在預定範圍內之轉矩，所以無需使第2圖所示的收斂計算處理與馬達的位置、速度、電流控制處理並列進行，可減輕處理負荷。
再者，位置指令產生部13具備有加減速設定部13a及馬達模型13c。馬達模型13c係利用式(9)及式(10)所表示的模擬機械方程式來計算出模型速度13d及模型位置13e。然後，馬達模型13c將模型速度13d輸出至加減速設定部13a，以及將模型速度13d分配至轉矩限制輸出部30中使用的馬達轉子速度資訊32。另外，馬達模型13c將模型位置13e輸出至到達時間推估程序控制部33，以及將模型位置13e分配至要給予位置/速度控制部15之位置指令14。並且，在式(9)及式(10)中，Tb為來自加減速設定部13a之模型轉矩13b，ωrm為輸出至加減速設定部13a之模型速度13d，θrm為輸出至加減速設定部13a之模型位置13e。
雖然可將從檢測馬達位置7計算出之馬達轉子速度或速度指令等分配至轉矩限制值輸出部30中使用的馬達轉子速度資訊32，但容易受到機械摩擦及負載轉矩等伴隨著馬達的模型化而來的誤差或或速度控制偏差，或包含於檢 測馬達位置7中之雜訊(noise)等外部干擾的影響。相對於此，使用模型速度13d，則可避免雜訊等外部干擾的影響而產生穩定的位置指令。
加減速設定部13a，係以來自轉矩限制輸出部30之轉矩限制值31、來自馬達模型13c之模型速度13d及模型位置13e、及來自通訊/參數記憶部11之目標位置12及位置控制時最高速度35作為其輸入，來產生用於馬達模型13c之機械方程式的計算中之模型轉矩13b並將之輸出至馬達模型13c。
第4圖係用來說明在第1圖所示的位置指令產生部中，加減速設定部判斷馬達模型的加速、減速之手續之流程圖(flowchart)。第4圖中，加減速設定部13a在有目標位置12輸進來時(步驟S1："是"(Yes))，利用模型速度13b將此情形通知給馬達模型13c知道，並進入到加速模式(mode)(步驟S2)，然後判定相對於目標位置12之模型位置13e的位置偏差是否比減速距離大(步驟S3)。馬達模型13c接著開始加速。
加減速設定部13a在步驟S3中判定為相對於目標位置12之模型位置13e的位置偏差比減速距離大時(步驟S3："是")，判定模型速度13d是否比ωrmmax(位置控制時最高速度35)大(步驟S4)。若比ωrmmax小(步驟S4："否"(No))則回到步驟S2，若比ωrmmax大(步驟S4："是")則前進到步驟S5。
亦即，加減速設定部13a在相對於目標位置12之模 型位置13e的位置偏差比減速距離大(步驟S3："是")，且模型速度13d比ωrmmax小(步驟S4："否")之狀況持續之時係維持加速模式(步驟S2)。
然後，在相對於目標位置12之模型位置13e的位置偏差比減速距離大(步驟S3："是")，且模型速度13d也變為比ωrmmax大(步驟S4："是")時，加減速設定部13a進入到速度維持模式(步驟S5)。加減速設定部13a在相對於目標位置12之模型位置13e的位置偏差比減速距離大的期間(步驟S6："是")，使得速度維持模式繼續保持(步驟S5)。
加減速設定部13a在維持加速模式(步驟S2)之情況，當相對於目標位置12之模型位置13e的位置偏差變成比減速距離小時(步驟S3："否")，以及，在維持著速度維持模式(步驟S5)之情況，當相對於目標位置12之模型位置13e的位置偏差變成比減速距離小時(步驟S6："否")，進入到減速模式(步驟S7)。
然後，加減速設定部13a在模型速度13d的值比0大(步驟S8："是")，且在相對於目標位置12之模型位置13e的位置偏差的值比0大(步驟S9："是")之狀況持續之期間維持著減速模式(步驟S7)。然後，在維持著減速模式的過程中，若模型速度13d的值變為0(步驟S8："否")，或相對於目標位置12之模型位置13c的位置偏差的值變為0(步驟S9："否")，則使動作停止(步驟S10)，然後結束此手續之流程。
並且，減速距離係表示在減速中所前進之位置的變化 量。加速模式中，係將模型位置13e分配至減速距離。速度維持模式中，係將從加速模式變到速度維持模式的瞬間之模型位置13e分配至保持的值。此係基於加速所需的距離(位置的變化量)與減速所需的距離相等之假設。
藉由如以上所述之加減速設定部13a與馬達模型13c的協同動作而產生的模型速度13d，係作為馬達轉子速度資訊32而輸入至轉矩限制值輸出部30。此外，藉由同樣的協同動作而產生的模型位置13e，係作為位置指令14而輸入至位置/速度控制部15及到達時間推估程序控制部33。
此處，在位置指令產生部13中，用於加減速之轉矩即使並非一定值亦無妨。亦即，具有相對於馬達轉子速度之轉矩限制值的形狀可為任意的波形之特徵。另一方面，在過去的馬達位置控制處理中，一般係將用於加速、減速之轉矩設為固定值，並使得其速度圖型(pattern)為相對於時間呈梯形或三角形之方式來進行位置指令之產生。
參照第5圖來進行說明。第5圖係顯示第3圖所示的轉矩限制輸出部中的轉矩表的計算例之圖。在第5圖中，以粗實線表示之大致梯形形狀的轉矩圖型(torque pattern)42，係在第3圖所示之轉矩限制輸出部進行處理而得到之轉矩限制值。而在轉矩限制值42內，以鏈線圍繞表示之四角形的轉矩圖型43，係為將轉矩設為固定值來進行過去的位置控制之情況的使用轉矩圖型。進行位置控制時所容許的最高速度44，係由使用者加以設定。使用轉矩圖型43 的上邊部之劃陰影線(hatching)的區域45，係為在將轉矩設為固定值所進行之過去的位置控制所未使用到的轉矩。根據本實施形態1，在位置指令產生部13中，由於用於加減速之轉矩即使並非一定值亦無妨，故該區域45中之轉矩也能使用到。因此，可縮短將馬達5的轉子控制到目標位置所需的時間。
當然，在本實施形態1中，若如第5圖所示來決定轉矩限制值42的話，則加減速轉矩之值就會依進行位置控制時所容許的最高速度44而決定，因此也可進行將轉矩設為固定值之過去的位置控制。
接著，到達時間推估程序控制部33，在馬達5的動作開始前，分別使轉矩限制輸出部30及位置指令產生部13進行假想的模擬(simulate)動作，來推估出模型位置13e到達目標位置12之時間，並以之作為推估到達時間34而透過通訊/參數記憶部11將之傳送至上位控制裝置10。上位控制裝置10，在接收到的推估到達時間34比例如假想的時間長之情況，實施將電力限制值28調高並傳送給馬達控制裝置1a等再度調整。藉此，就可實現在上位控制裝置之適切的電力、電壓限制值設定。
在除了馬達5及反用換流器3之外，還有複數台馬達及反用換流器連接至直流電源2，並由上位控制裝置10統籌加以控制之系統中，該推估到達時間34在各馬達的協同動作的排程(scheduling)上為必須要有的資訊。在進行依據由過去之固定轉矩加減速而來之三角速度線形或梯形速 度線形來進行位置指令產生之情況，到達目標位置之到達時間可用解析的方式從轉矩及馬達慣性矩(motor inertia)等條件算出。不過，就最大限度地利用轉矩限制值31方法而言，要用解析的方式來導出到達目標位置之到達時間會有困難，必須利用模擬動作來求出推估到達時間34。
根據如以上所述之本實施形態1，在產生相對於目標位置之位置指令之際，係參照馬達消耗電力會在預定的馬達電力限制值以內，且馬達驅動所需的電壓振幅會在預定的電壓限制值以內之轉矩限制值，依照該轉矩限制值來產生位置指令，因此能夠一邊將馬達消耗電力抑制在電力限制值以內，且將馬達之驅動所需的電壓抑制在電壓限制值以內，一邊穩定且平滑地實施使馬達的轉子位置追隨目標位置之控制。
藉此，就可在反用換流器3及直流電源2方面，採用較小電容之機種，因此具有削減成本之功效。反過來說，可事先掌握必要的電力及電壓，因此也可得到直流電源2的選擇作業變得簡易之功效。此外，因為可在日間抑制電力使用，在夜間使用大電力來縮短定位時間，所以可對於在設置馬達控制裝置之設施中的計畫性的電力消耗做出很大的貢獻。
又，即使不使用電力/電壓限制部29，也可進行依照轉矩限制輸出部30所輸出的轉矩限制值31之位置指令14之產生，因此可同時達成馬達消耗電力之抑制及馬達驅動電壓之抑制。不過，因為若將電力/電壓限制部29予以組 合，就可利用d軸電流之修正來抑制感應電壓而更加提高馬達的最高速度，所以具有能夠縮短使轉子位置到目標位置之位置控制，亦即謀求縮短定位所需的時間之功效。
若與電力/電壓限制部29進行組合，就算是轉矩限制輸出部30的馬達模型30d及馬達5的模型化誤差造成了馬達消耗電力之增加及驅動電壓之增加，電力/電壓限制部29也可利用藉由將該等之增加藉由回饋所進行之電流指令修正來加以吸收，使得將馬達消耗電力及馬達驅動所需電壓抑制在限制值以內之動作高精度化。
另一方面，在只有電力/電壓限制部29之情況也可將馬達的消耗電力抑制在電力限制值28以內，且將馬達之驅動所需的電壓抑制在電壓限制值27以內。但在此情況，當到達各個限制值之時，會有馬達的輸出轉矩、與位置指令產生部所設想的轉矩之差異變得很顯著之情形。
在位置控制系統中，積分器及濾波器(filter)等與時間相依的部份很多，因此若要在位置控制系統中進行針對該轉矩誤差之對策，就會有控制系統會變得繁雜之問題。此點在本實施形態1中，則因為預先進行依照轉矩限制值輸出部30所輸出的轉矩限制值之位置指令生成，所以具有可將對於轉矩誤差之對策予以省略，且可達成平滑的位置控制之功效。
此處，本實施形態1雖是形成為轉矩限制輸出部30及位置指令產生部13係為馬達控制裝置1a所具備的之構成，但亦可形成為在上位控制裝置10實施包含電力限制值 及電壓限制值之設定在內的一連串的處理然後將得到的位置指令傳送至馬達控制裝置1a之構成。當然，不限於此，亦可根據所使用的硬體來分擔各處理，而不會改變本發明之使馬達在電力限制值內及電壓限制值內動作之本質。
實施形態2.
第6圖係顯示本發明實施形態2之馬達控制裝置的構成之方塊圖。本實施形態2之馬達控制裝置1b，具備有一邊將馬達5的消耗電力及馬達5之驅動所需的電壓分別抑制在預定值以下，一邊將馬達5的轉子速度控制在目標速度之速度控制的構成。並且，第6圖中，與第1圖(實施形態1)中顯示的構成元素相同或同等之構成元件都標以相同的符號。以下，將以與本實施形態2有關之部份為中心進行說明。
在第6圖中，本實施形態2之馬達控制裝置1b，係在第1圖(實施形態1)所示的構成中，設置速度指令產生部39來取代位置指令產生部13，設置速度控制部41來取代位置/速度控制部15而構成者。
速度指令產生部39，係具備有加減速設定部39a及馬達模型39c，且根據從通訊/參數記憶部11輸入之上位控制裝置10所送出的目標速度38、及轉矩限制輸出部30所輸出的轉矩限制值31，進行要給予速度控制部41之速度指令40、及要給予轉矩限制值輸出部30之馬達轉子資訊32之產生。
以下，針對速度指令產生部39的動作進行說明。加 減速設定部39a，係根據從通訊/參數記憶部11輸入之目標速度38、轉矩限制輸出部30所輸出的轉矩限制值31、及來自馬達模型39c之模型速度39d，來進行加速或維持速度之判斷，產生表示判斷結果之模型轉矩39b並將之輸出至馬達模型39c。
馬達模型39c，與位置指令產生部13中的馬達模型13一樣，進行式(9)之計算來求出模型速度39b，並將之輸出至加減速設定部39a。加減速設定部39a單純地進行目標速度38與模型速度39d之比較，並在模型速度39d小於目標速度38之情況，將轉矩限制值31當作是模型轉矩39b而輸出至馬達模型39c，而在模型速度39d變到目標速度38以上之情況，則是將輸出至馬達模型39c之模型轉矩39b設為0。
藉由如以上所述之加減速設定部39a與馬達模型39c的協同動作而產生的模型速度39d，係作為速度指令40而輸入至速度控制部41，以及作為馬達轉子速度資訊32而輸入至轉矩限制輸出部30及到達時間推估程序控制部33。
速度控制部41，係從檢測馬達位置7求出馬達5的轉子速度，比較求出的轉子速度與速度指令產生部39輸出的速度指令40，並進行控制處理以使兩者一致，然後輸出轉矩指令16。馬達轉子速度資訊32，係與實施形態1一樣用於轉矩限制值31之計算中。
到達時間推估程序控制部33，與實施形態1一樣，在馬達運轉開始前，分別使轉矩限制值輸出部30及速度指令 產生部39進行假想的模擬動作，來推估出模型速度39d到達目標速度38之時間，並以之作為推估到達時間34而透過通訊/參數記憶部11將之傳送至上位控制裝置10。
根據如以上所述之本實施形態2，在產生相對於目標速度之速度指令之際，係參照馬達消耗電力會在預定的馬達電力限制值以內，且馬達驅動所需的電壓振幅會在預定的電壓限制值以內之轉矩限制值，並依照該轉矩限制值來產生速度指令，因此能夠一邊將馬達的消耗電力抑制在電力限制值以內，且將，馬達之驅動所需的電壓抑制在電壓限制值以內，一邊穩定且平滑地實施使馬達的轉子速度追隨目標速度之控制。
藉此，就可在反用換流器3及直流電源2方面，採用較小電容之機種，因此具有削減成本之功效。反過來說，可事先掌握必要的電力及電壓，因此也可得到直流電源2的選擇作業變得簡易之功效。此外，因為可進行在日間抑制電力使用，在夜間使用大電力來縮短速度控制所需的時間等，所以可對於在設置馬達控制裝置之設施中的計畫性的電力消耗做出很大的貢獻。
又，即使不使用電力/電壓限制部29，也可進行依照轉矩限制值輸出部30輸出的轉矩限制值31之速度指令40之產生，因此可同時達成馬達消耗電力之抑制及馬達驅動電壓之抑制。不過，若將電力/電壓限制部29予以組合，就可利用d軸電流之修正來抑制感應電壓而更加提高馬達的最高速度，所以可對應到更高的目標速度而進行控制。
另一方面，在只有電力/電壓限制部29之情況也可將馬達的消耗電力抑制在電力限制值28以內，且將馬達之驅動所需的電壓抑制在電壓限制值27以內。但在此情況，如在實施形態1中說明過的，會在速度指令產生時所設想的轉矩與馬達轉矩之間產生誤差。不過，在只有速度控制系統之情況，與也具有位置控制系統之情況相比較，由於與積分及時間相依之部份較少，所以對於在速度指令產生時所設想的轉矩與馬達轉矩之間產生的誤差所需採取之對策變得容易而不會成為問題，可藉由與依據轉矩限制值31來產生速度指令之方式相組合而實現平滑的速度控制。
實施形態3.
第7圖係顯示作為本發明的實施形態3之在第3圖所示的轉矩限制值輸出部中的轉矩表的修正例之圖。
在實施形態1、2中，係將第1圖及第6圖所示的轉矩限制輸出部30形成為如第3圖所示之構成。第5圖所示之轉矩限制值42，係為透過第3圖所示的轉矩限制輸出部所做的處理而得到之轉矩限制值(亦即，利用實施形態1中說明過的收斂計算而得到的相對於馬達旋轉速度之轉矩限制值)，但此轉矩限制值42，在零速度附近表示最大轉矩，在最高速度附近表示某一大小之轉矩，在兩處都產生很大的電力消耗。
因此，本實施形態3係針對為了抑制由於過渡性的馬達電流之變化而導致的電力消耗之增大，而在第5圖所示之轉矩限制值42中進行抑制轉矩上升及轉矩下降的變化 率之設定的情況進行說明。而且，為了便於說明，以作為對於實施形態1之應用例來進行說明。
就抑制加速開始時的轉矩上升及減速開始時的轉矩下降的變化率之具體的方法而言，可考慮採用在第5圖所示之轉矩限制值42中，將零速度附近及最高速度附近的轉矩分別抑制成不會成為最大轉矩之方法。
按照如此之將零速度附近及最高速度附近的轉矩分別抑制成不會成為最大轉矩而得到的轉矩表，就可使在馬達5的加速開始時及加速結束時等發生之轉矩的上升及下降緩慢地實施，因而可抑制過渡性的消耗電力。
但是，若在零速度附近及最高速度附近之轉矩為零，則在位置指令之產生中便無法進行模擬速度之啟動。為了防止這種情形，而使在兩速度中殘留有一些轉矩。
以下，參照第7圖來進行說明。第7圖中，以長鏈線表示第5圖顯示之轉矩限制值42。此轉矩限制值42之上升部份及下降部份，係如短鏈線47a,47b所示般修正為以較緩的變化率進行變化，而成為轉矩限制值48。此以較緩的變化率變化之短鏈線47a,47b所示的轉矩，係按照後述之式(20)加以限制而成之轉矩。因此，轉矩限制值48之零速度附近及最高速度附近，分別殘留有用於位置指令的產生之轉矩49a,49b。
並且，此轉矩變化率之限制及抑制，係藉由對於實施形態1中說明過的模型轉矩13b進行低通濾波器(low-pass filter)處理及變化率限制器(limiter)處理就可實現。但 進行此等處理之情況，馬達模型13c中之加速時的模型轉矩13b的時間序列波形與減速時的模型轉矩13b的時間序列波形會變得不同，而成為在位置控制時的減速距離上發生超過或不足的情形之原因。
關於此點，在對於第5圖所示的轉矩限制值42進行修正時，使加速時與減速時的模型轉矩波形相對於時間軸呈對稱，就不會受到加速時與減速時的影響。
接著，針對本實施形態3之轉矩限制的設定方法進行說明。根據式(1)及式(3)，可將含有過渡項之馬達消耗電力表示成式(11)。過渡項的消耗電力，係以劃有底線之「電流變化率與電流之積」加以表示。
位置指令產生之際的速度，大體而言，係以(1)加速開始→(2)加速→(3)加速停止→(4)固定速度→(5)減速開始→(6)減速→(7)減速停止之順序而予以實施，過渡期間的消耗電力，在(1)→(2)及(3)→(4)、(4)→(5)、(6)→(7)之類的情況尤其顯著。
其中，關於(3)→(4)及(4)→(5)之變化，變化瞬前的固定性的消耗電力與變化中的過渡性的消耗電力之極性不同，就結果而言並不會有很大的消耗電力。例如從加速變到固定速度之情況，由於轉矩電流從正值漸漸減少，所以式(11)的第4項所示之Iq過渡項的電力會為負值，但因為 變化瞬前的消耗電力為正，所以只要電流變化不特別顯著，其和就不會超過限制。另一方面，在(1)→(2)之變化及(6)→(7)之變化之際，變化前的消耗電力與過渡項消耗的電力之極性一致，其和有超過限制之可能性。
以下，以(1)→(2)之變化為例進行說明。使q軸電流呈直線狀上升，且將與記載於轉矩表限制值中的轉矩相當之q軸電流設定為Iq0。假設升起的變化率為α，則轉矩電流的時間式可表示成式(12)，轉矩可表示成式(13)。假設d軸電流為0，則電角頻率可表示成式(14)，馬達消耗電力可表示成式(15)。使q軸電流呈直線狀上升，且將與記載於轉矩表限制值中的轉矩相當之q軸電流達到Iq0之時間△t表示成式(16)。
以式(15)表示之馬達消耗電力，因為會隨著時間之經過而增大，所以在0~△t[秒]的期間，在時間△t之消耗電力最大。因此，將時間△t代入式(15)，可得到式(17)。此式(17)為轉矩電流上升的變化率α之函數，將式(17)以變化率α加以微分可得到式(18)。使變化率α變化而 執行式(17)之計算，則極性會變化之變化率α就會成為使式(17)為最小之變化率α。因此，使式(18)等於0，可得到式(19)，可得到能使過渡性的消耗電力為最小之變化率α，亦即電流上升之變化率。此時，轉矩與馬達速度(電角頻率)的關係會如式(20)。
依照式(20)來實施第5圖所示的轉矩表42之修正，就可達成過渡期間的消耗電力之抑制。相對於變化之過渡性的消耗電力，係即使採用以上所示的計算手續也無法得到q軸電流下降之最佳值。不過，由於較和緩的變化較能抑制過渡性的消耗電力，因此以使利用式(20)而得到之零速度附近的轉矩修正反轉而成之波形來進行修正。
根據本實施形態3，由於在轉矩表的零速度附近及最高速度附近，進行抑制轉矩上升及下降的變化率而設定變化率之修正，因此能夠使轉矩之上升及下降變得和緩而抑制過渡性的消耗電力，而即使在過渡時也能進行預定的消耗電力內的動作。如此，就可做成考慮了馬達驅動時的過 渡期間的消耗電力之轉矩表，所以可謀求消耗電力抑制之高精度化。當然，即使未嚴格按照式(20)，只要抑制如第7圖所示的形狀之加速開始附近時、減速結束附近時之轉矩表，則即便未達到最佳但也可得到一樣之功效。
此處，第1及第6圖顯示的馬達控制裝置係將馬達的電流分成屬於兩軸正交旋轉座標上成分之激磁電流成分及轉矩電流成分，而進行處理之馬達控制裝置，其特徵在於：其中之電力/電壓限制部具備有計算馬達的消耗電力之電力計算部、將電力計算部計算出的馬達消耗電力限制在預定的馬達電力限制值以內之電力限制部、計算馬達的轉矩份電壓限制值之轉矩份電壓限制值計算部、及將馬達的驅動電壓限制在預定的馬達電壓限制值以內之電壓限制部，且該電力限制部，係依據相對於馬達電力限制值之前述馬達消耗電力的超過量來修正馬達轉矩電流，轉矩份電壓限制值計算部，係根據馬達電壓限制值及馬達的激磁份電壓來計算馬達的轉矩份電壓限制值，電壓限制部，係依據相對於轉矩份電壓限制值計算部計算出的馬達的轉矩份電壓限制值之馬達轉矩份電壓的超過量來修正馬達激磁電流。
根據此構成，將馬達的消耗電力予以回饋，來將轉矩電流修正成能讓消耗電力在預定值以下，因此可抑制馬達的輸出轉矩，可在馬達驅動之際高精度地實施將馬達消耗電力抑制在預定值以下之控制。以及，將馬達轉矩份電壓予以回饋來修正馬達的激磁電流，因此可抑制馬達的感應電壓，而可在馬達驅動之際高精度地實施將馬達驅動所需 之電壓抑制在預定值以下之控制。
另外，第2、第3及第5圖顯示的馬達控制裝置係將馬達的電流分成屬於兩軸正交旋轉座標上的成分之激磁電流成分及轉矩電流成分，而進行處理之馬達控制裝置，其特徵在於：其中之轉矩限制輸出部具備有馬達模型部及模型電力/模型電壓限制部，且依據馬達轉子速度來輸出作為前述馬達的容許轉矩之轉矩限制值，且該模型電力/模型電壓限制部，係具備有：計算馬達模型消耗電力之馬達模型電力計算部、將馬達模型電力計算部計算出的馬達模型消耗電力限制在預定的馬達電力限制值以內之馬達模型電力限制部、計算馬達模型的轉矩份電壓限制值之馬達模型轉矩份電壓限制值計算部、及將馬達模型驅動電壓限制在預定的馬達電壓限制值以內之馬達模型電壓限制部，該馬達模型電力限制部，係依據相對於馬達電力限制值之前述馬達模型消耗電力的超過量來修正馬達模型轉矩電流，該馬達模型轉矩份電壓限制值計算部，係根據馬達電壓限制值及馬達模型的激磁份電壓來計算馬達模型的轉矩份電壓限制值，該馬達模型電壓限制部，係就各個馬達旋轉速度實施依據相對於馬達模型轉矩份電壓限制值之前述馬達模型轉矩份電壓的超過量來修正馬達模型激磁電流之處理，並根據經該修正處理而得到的馬達模型的轉矩電流及馬達模型的激磁電流來計算馬達模型的轉矩，然後將該計算出的馬達模型的轉矩當作是轉矩限制值而輸出。
根據此構成，使用馬達模型，就各個馬達旋轉速度算 出預先考慮到馬達的消耗電力及驅動所需的電壓而得到之轉矩限制值，然後以不超過該轉矩限制值為前提進行馬達控制，因此可減輕將馬達消耗電力及馬達驅動所需的電壓限制在預定值以下而進行馬達驅動之際之處理負荷。
(產業上之可利用性)
如以上所述，本發明之馬達控制裝置，在作為能將馬達的消耗電力及馬達驅動所需的電壓抑制在預定的範圍內之馬達控制裝置上係為有用。
1、1a、1b‧‧‧馬達控制裝置
2‧‧‧直流電源
3‧‧‧反用換流器
3a‧‧‧開關元件
4‧‧‧電流檢測器
5‧‧‧馬達(埋入磁鐵型同步馬達：IPM)
6‧‧‧位置檢測器
7‧‧‧檢測馬達位置
8‧‧‧檢測馬達電流
9‧‧‧開關指令
10‧‧‧上位控制裝置
11‧‧‧通訊暨參數記憶部
12‧‧‧目標位置
13‧‧‧位置指令產生部
13a、39a‧‧‧加減速設定部
13b‧‧‧模型轉矩
13c、39c‧‧‧馬達模型(機械)
13d‧‧‧模型速度
13e‧‧‧模型位置
14‧‧‧位置指令
15‧‧‧位置暨速度控制部
16‧‧‧轉矩指令
17‧‧‧電流指令換算部
18、21‧‧‧dq軸電流指令
19‧‧‧dq軸電流指令修正訊號
20‧‧‧電流指令修正部
22‧‧‧電流控制部
23‧‧‧電壓指令
24‧‧‧dq軸電壓指令
25‧‧‧dq軸電流
26‧‧‧PWM處理部
27‧‧‧電壓限制值
28‧‧‧電力限制值
29‧‧‧電力暨電壓限制部
29a‧‧‧馬達消耗電力計算部
29b‧‧‧馬達消耗電力
29c、29i、30h、30n‧‧‧差分
29d‧‧‧積分部
29e‧‧‧q軸電壓限制值計算部
29f‧‧‧q軸電壓限制值
29g‧‧‧q軸電壓取出部
29h‧‧‧q軸電壓指令
29j、29k‧‧‧減法器
30‧‧‧轉矩限制值輸出部
30a‧‧‧收斂計算部
30b‧‧‧模型電力暨電壓限制部
30c‧‧‧模型dq軸電流
30d‧‧‧馬達模型
30e‧‧‧模型dq軸電壓
30f‧‧‧馬達模型消耗電力計算部
30g‧‧‧馬達模型消耗電力
30i‧‧‧積分暨電流振幅抑制部
30j‧‧‧模型q軸電壓取出部
30k‧‧‧模型q軸電壓
30l‧‧‧模型q軸電壓限制值計算部
30m‧‧‧模型q軸電壓限制值
30o、30p‧‧‧減法器
30q‧‧‧轉矩換算部
30r‧‧‧轉矩表初始化部
30s‧‧‧轉矩表
31‧‧‧轉矩限制值
32‧‧‧馬達轉子速度資訊
33‧‧‧到達時間推估程序控制部
34‧‧‧推估到達時間
35‧‧‧位置控制時最高速度
36‧‧‧電壓振幅計算部
37‧‧‧馬達驅動所需之電壓
38‧‧‧目標速度
39‧‧‧速度指令產生部
39a‧‧‧加減速設定部
39b‧‧‧模型轉矩
39c‧‧‧馬達模型
39d‧‧‧模型速度
40‧‧‧速度指令
41‧‧‧速度控制部
42、43‧‧‧轉矩圖型
44‧‧‧最高速度
45‧‧‧陰影線區域
47a、47b‧‧‧短鏈線
48‧‧‧轉矩圖型
49a、49b‧‧‧轉矩
S1至S10‧‧‧步驟
第1圖係顯示本發明實施形態1之馬達控制裝置的構成之方塊圖。
第2圖係顯示第1圖所示的轉矩限制輸出部的構成例之方塊圖。
第3圖係顯示第1圖所示的轉矩限制輸出部的另一構成例之方塊圖。
第4圖係用來說明在第1圖所示的位置指令產生部中，加減速設定部判斷馬達模型之加速、減速的手續之流程圖。
第5圖係顯示第3圖所示的轉矩限制值輸出部中的轉矩表的計算例之圖。
第6圖係顯示本發明實施形態2之馬達控制裝置的構成之方塊圖。
第7圖係顯示作為本發明的實施形態3之在第3圖所示的轉矩限制值輸出部中的轉矩表的計算例之圖。
1a‧‧‧馬達控制裝置
2‧‧‧直流電源
3‧‧‧反用換流器
3a‧‧‧開關元件
4‧‧‧電流檢測器
5‧‧‧馬達(埋入磁鐵型同步馬達：IPM)
6‧‧‧位置檢測器
7‧‧‧檢測馬達位置
8‧‧‧檢測馬達電流
9‧‧‧開關指令
10‧‧‧上位控制裝置
11‧‧‧通訊暨參數記憶部
12‧‧‧目標位置
13‧‧‧位置指令產生部
13a‧‧‧加減速設定部
13b‧‧‧模型轉矩
13c‧‧‧馬達模型(機械)
13d‧‧‧模型速度
13e‧‧‧模型位置
14‧‧‧位置指令
15‧‧‧位置暨速度控制部
16‧‧‧轉矩指令
17‧‧‧電流指令換算部
18、21‧‧‧dq軸電流指令
19‧‧‧dq軸電流指令修正訊號
20‧‧‧電流指令修正部
22‧‧‧電流控制部
23‧‧‧電壓指令
24‧‧‧dq軸電壓指令
25‧‧‧dq軸電流
26‧‧‧PWM處理部
27‧‧‧電壓限制值
28‧‧‧電力限制值
29‧‧‧電力暨電壓限制部
29a‧‧‧馬達消耗電力計算部
29b‧‧‧馬達消耗電力
29c、29i‧‧‧差分
29d‧‧‧積分部
29e‧‧‧q軸電壓限制值計算部
29f‧‧‧q軸電壓限制值
29g‧‧‧q軸電壓取出部
29h‧‧‧q軸電壓指令
29j、29k‧‧‧減法器
30‧‧‧轉矩限制值輸出部
31‧‧‧轉矩限制值
32‧‧‧馬達轉子速度資訊
33‧‧‧到達時間推估程序控制部
34‧‧‧推估到達時間
35‧‧‧位置控制時最高速度
36‧‧‧電壓振幅計算部
37‧‧‧馬達驅動所需之電壓
S1至S10‧‧‧步驟

Claims (9)

  1. 一種馬達控制裝置，係具備有輸出用來使馬達的轉子位置追隨目標位置之位置指令之位置指令產生部、進行使得前述馬達的轉子位置與前述位置指令兩者一致之控制而輸出馬達轉子速度指令之位置控制部、以及輸出作為前述馬達的容許轉矩之轉矩限制值之轉矩限制輸出部者，其特徵在於：前述轉矩限制輸出部，係依據前述馬達的轉子速度，而輸出使前述馬達之驅動所需的消耗電力落在預定的馬達電力限制值以內且使前述馬達之驅動所需的電壓振幅落在預定的馬達電壓限制值以內之前述轉矩限制值，前述位置指令產生部，係具有模擬馬達之機械運動的馬達模型，在前述馬達模型中係進行固定速度運轉，或進行在前述轉矩限制值以下之轉矩的加速運轉及減速運轉，而求得馬達模型速度，並將所求得之馬達模型速度予以積分而產生馬達模型位置做為前述位置指令。
  2. 一種馬達控制裝置，係具備有輸出用來使馬達的轉子速度追隨目標速度之速度指令之速度指令產生部、進行使得前述馬達的轉子速度與前述速度指令兩者一致之控制而輸出馬達轉矩指令之速度控制部、以及輸出作為前述馬達的容許轉矩之轉矩限制值之轉矩限制輸出部者，其特徵在於：前述轉矩限制輸出部，係依據前述馬達的轉子速度，而輸出使前述馬達的消耗電力落在預定的馬達電力限 制值以內且使前述馬達之驅動所需的電壓振幅落在預定的馬達電壓限制值以內之前述轉矩限制值，前述速度指令產生部，係具有模擬馬達之機械運動的馬達模型，在前述馬達模型中係進行固定速度運轉，或進行在前述轉矩限制值以下之轉矩的加速運轉及減速運轉，而產生馬達模型速度做為前述速度指令。
  3. 一種馬達控制裝置，係將馬達電流分成屬於兩軸正交旋轉座標上的成分之激磁電流成分及轉矩電流成分，而進行處理之馬達控制裝置，其特徵在於：其中之電力/電壓限制部，係具備有計算前述馬達的消耗電力之電力計算部、將前述電力計算部計算出的馬達消耗電力限制在電力限制值以內之電力限制部、計算前述馬達的轉矩份電壓限制值之轉矩份電壓限制值計算部、及將前述馬達的驅動電壓限制在預定的馬達電壓限制值以內之電壓限制部，其中，前述電力限制值係為用以對前述馬達控制裝置進行電力供給之電源裝置之電源容量所對應之馬達消耗電力的上限值；其中前述電力限制部，係因應相對於前述電力限制值之前述馬達消耗電力的超過量來修正馬達轉矩電流，前述轉矩份電壓限制值計算部，係根據前述馬達電壓限制值及前述馬達的激磁份電壓來計算前述馬達的轉矩份電壓限制值，前述電壓限制部，係因應相對於前述轉矩份電壓限制值計算部計算出的馬達的轉矩份電壓限制值之馬達 轉矩份電壓的超過量來修正馬達激磁電流。
  4. 一種馬達控制裝置，係將馬達電流分成屬於兩軸正交旋轉座標上的成分之激磁電流成分及轉矩電流成分，而進行處理之馬達的控制裝置，其特徵在於：其中之轉矩限制值輸出部，係具備有馬達模型部及模型電力暨模型電壓限制部，且依據馬達轉子速度來輸出作為前述馬達的容許轉矩之轉矩限制值，前述模型電力暨模型電壓限制部，係具備有計算馬達模型消耗電力之馬達模型電力計算部、將前述馬達模型電力計算部計算出的馬達模型消耗電力限制在預定的馬達電力限制值以內之馬達模型電力限制部、計算馬達模型的轉矩份電壓限制值之馬達模型轉矩份電壓限制值計算部、及將馬達模型驅動電壓限制在預定的馬達電壓限制值以內之馬達模型電壓限制部，前述馬達模型電力限制部，係因應相對於前述馬達電力限制值之前述馬達模型消耗電力的超過量來修正馬達模型轉矩電流，前述馬達模型轉矩份電壓限制值計算部，係根據前述馬達電壓限制值及馬達模型的激磁份電壓來計算馬達模型的轉矩份電壓限制值，前述馬達模型電壓限制部，係就各個馬達旋轉速度實施因應相對於前述馬達模型轉矩份電壓限制值之前述馬達模型轉矩份電壓的超過量來修正馬達模型激磁電流之處理，並根據經前述修正處理而得到的馬達模型 的轉矩電流及馬達模型的激磁電流來計算馬達模型的轉矩，然後將前述計算出的馬達模型的轉矩當作是轉矩限制值而輸出，前述馬達控制裝置，係以將馬達的轉矩限制為前述轉矩限制值以下之方式而生成指令。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之馬達控制裝置，其中，轉矩限制輸出部，係具備有記憶與馬達旋轉速度對應的轉矩限制值之轉矩表，且在馬達的運轉開始前，或者變更前述馬達電力限制值的時序或變更前述電壓限制值的時序，將實施利用前述馬達模型及前述模型電力/模型電壓限制部而進行的處理所得到的轉矩限制值記載於前述轉矩表，並在馬達運轉中，因應馬達轉子速度而將記載於前述轉矩表的轉矩限制值予以輸出。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之馬達控制裝置，其中，轉矩限制輸出部的轉矩表所記憶的轉矩限制值係設定成以預定的時間常數實施加速開始時的轉矩上升或減速開始時的轉矩下降。
  7. 如申請專利範圍第1或2項所述之馬達控制裝置，其中，具備有將前述馬達電力限制值及前述馬達電壓限制值當作是可適宜變更的控制參數而加以保持之參數記憶部。
  8. 如申請專利範圍第1或2項所述之馬達控制裝置，其中，具備有藉由與上位控制裝置之通訊來取得前述馬達電力限制值及前述馬達電壓限制值之通訊部。
  9. 如申請專利範圍第1或2項所述之馬達控制裝置，其中，具備有藉由通訊而將到達目標位置或目標速度之到達推估時間通知給上位控制裝置之通訊部。
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