JP5150366B2 - ベクトル制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石同期電動機のベクトル制御方式に係わり、高精度，高応答なトルク制御を実現する技術に関する。

特許文献１には、電力変換器の出力電圧値が制限された（飽和した）場合の従来技術について開示されており、具体的には電流制御演算により作成される電圧指令値の更新を中止し、制限から回復した時は、電流制御演算により作成される電圧指令値の更新を再開する技術が開示されている。

特許文献２では、電動機の定数を用いて電流指令値から作成したフィードフォワード電流制御演算による第１の電圧指令値と、電流検出値と電流指令値によるフィードバック電流制御演算による第２の電圧指令値との加算値である電圧指令値に基づいて、電力変換器の出力電圧値を制御し、出力電圧値が制限された場合には、第２の電圧指令値である電流制御演算のフィードバックゲインをゼロにする制御技術が開示されている。

特開平９−２８０９９号公報 特開平９−４７０６９号公報

従来の方法では、電力変換器の出力電圧値が制限された（飽和した）状態から、負荷トルクや回転速度が大きく変化し、出力電圧値が制限から回復すると、電流制御（あるいは第２の電圧指令値の比例積分制御）が再開され、その時に、電動機の電流値が急激に変化する。そして、この電流値の急激な変化が原因となり、モータの「トルクショック」が発生する問題があった。

そこで、本発明の目的は、電力変換器の出力電圧値が制限された状態から、負荷トルクや回転速度が大きく変化し、出力電圧値が制限から回復した時でも、高精度，高応答なトルク制御を実現できる「永久磁石同期電動機のベクトル制御装置」を提供することにある。

本発明は、電力変換器の出力電圧値が制限された場合に、変換器の出力電圧値と永久磁石同期電動機の定数（設定値）および周波数演算値を用いて、電圧指令値あるいは電流指令値を出力する「積分演算」あるいは「比例積分演算」の制限値を演算し、出力電圧値を制限することを特徴とする。

本発明によれば、永久磁石同期電動機のベクトル制御方式に係わり、電力変換器の出力電圧値が制限された（飽和した）場合にも、高精度，高応答なトルク制御を実現することができ、また、安価な電流検出を行うシステムや、位置検出器を省略したシステムにおいても、共通に適用可能な「永久磁石同期電動機のベクトル制御装置」を提供できる。

本発明は、永久磁石同期電動機を駆動する電力変換器を有し、電流指令値と電流検出値の偏差により電圧指令値を演算し、電力変換器の出力電圧値を制御するベクトル制御装置であって、電力変換器の出力電圧値が制限された場合に、出力電圧値と電動機定数と電流指令値および周波数演算値を用いて、電圧指令値の制限値を演算することを特徴とする。

また、電流指令値又は電流検出値，周波数演算値および電動機定数により演算した第１の電圧指令値と、電流指令値と電流検出値の偏差により演算した第２の電圧指令値とを加算し、電力変換器の出力電圧値を制御し、出力電圧値と、電動機定数，電流指令値および周波数演算値を用いて、第２の電圧指令値の制限値を演算することを特徴とする。

さらに、第１の電流指令値と電流検出値の偏差により演算した第２の電流指令値と、周波数演算値と、電動機定数とに応じて前記電力変換器の出力電圧値を制御するベクトル制御装置であって、出力電圧値が制限された場合に、出力電圧値と、電動機定数と、周波数演算値と、を用いて、第２の電流指令値の制限値を演算することを特徴とする。

また、本発明は、永久磁石同期電動機を駆動する電力変換器の出力電圧値を制御するベクトル制御装置において、電力変換器の出力電圧値が制限された場合に、ｄ軸電流成分の値を指令値通りに追従させることを特徴とし、出力電圧値の制限の有無に拘わらず、ｄ軸電流指令値が０の場合に、位置検出値θｃのゼロ点とｕ相電流Ｉｕのゼロ点の位相が一致していることを特徴とする。

さらに、本発明においては、前述の特徴に加えて、電圧指令値の制限値，第２の電圧指令値の制限値或いは第２の電流指令値の制限値は、電力変換器の出力電圧値と、電動機定数である抵抗値と、インダクタンス値と、誘起電圧係数と、周波数演算値と、を用いて演算することを特徴とする。

また、電流指令値と電流検出値の偏差により演算した電圧指令値，第２の電圧指令値或いは第２の電流指令値、の出力値の極性と、各々の出力値に対応する演算された制限値の極性と、が異なる場合に、演算された制限値を出力値とすることを特徴とする。

さらに、電圧指令値の制限値，第２の電圧指令値の制限値、或いは第２の電流指令値の制限値、を用いて、電力変換器の出力電圧値を制限することを特徴とし、ｄ軸成分あるいはｑ軸成分の少なくともどちらか一方の制限値を用いて、電力変換器の出力電圧値を制限することを特徴とする。

また、本発明は、周波数演算値が、ｄ軸およびｑ軸の電圧指令値と検出したモータ電流或いは再現した電流より、位相指令値とモータの回転位相値との偏差を演算により求め、偏差が零となるように演算して求められることを特徴とし、電流検出値が、電力変換器の入力直流母線電流検出値からモータ電流を再現した電流であることを特徴とする永久磁石モータの弱め界磁ベクトル制御装置である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。

＜第１の実施例＞
図１は、本発明の一実施例である「永久磁石同機電動機のベクトル制御装置」の構成例を示す。

１は永久磁石同期電動機、
２は３相交流の電圧指令値Ｖｕ^*，Ｖｖ^*，Ｖｗ^*に比例した電圧を出力する電力変換器、
２１は直流電源、
３は３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検出できる電流検出器、
４は永久磁石同期電動機１の位置θを検出できるレゾルバやエンコーダを用いた位置検出器、
５は位置検出値θｃから周波数演算値ω₁を演算する周波数演算部、
６は３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの検出値Ｉｕｃ，Ｉｖｃ，Ｉｗｃと、
永久磁石同期電動機１の位置検出値θｃからｄ軸およびｑ軸の電流検出値Ｉｄｃ，Ｉｑｃを出力する座標変換部、
７は第１のｑ軸電流指令値Ｉｑ^*とｑ軸電流検出値Ｉｑｃの偏差に応じて、第２のｑ軸電流指令値Ｉｑ^**を演算し、出力電圧制限フラグＶ₁ ^* _{lmt_flg}を用いて、
内部で設定した制限値Ｉｑ^** _lmt0あるいは演算により求めた制限値Ｉｑ^** _lmtを選択し、Ｉｑ^**を制限して出力するｑ軸電流指令演算部、
８は第１のｄ軸電流指令値Ｉｄ^*とｄ軸電流検出値Ｉｄｃの偏差に応じて、第２のｄ軸電流指令値Ｉｄ^**を演算し、出力電圧制限フラグＶ₁ ^* _{lmt_flg}を用いて、
内部で設定した制限値Ｉｄ^** _lmt0あるいは演算により求めた制限値Ｉｄ^** _lmtを選択し、Ｉｄ^**を制限して出力するｄ軸電流指令演算部、
７，８は積分演算あるいは比例演算＋積分演算で構成されるものである。

９はｄ軸およびｑ軸の電圧指令値Ｖｄｃ^*，Ｖｑｃ^*と周波数演算値ω₁および永久磁石同期電動機１の定数に基づいて、第２の電流指令値の制限値Ｉｄ^** _lmt，Ｉｑ^** _lmtを出力する電流指令制限演算部、
１０はｄ軸およびｑ軸の電圧指令値Ｖｄｃ^*，Ｖｄｃ^*から電力変換器の出力電圧値Ｖ₁ ^*を演算し、
出力電圧指令値Ｖ₁ ^*が電圧制限値Ｖ₁ ^* _maxより小さい場合は、出力電圧制限フラグＶ₁ ^* _{lmt_flg}を「０」、
Ｖ₁ ^*がＶ₁ ^* _maxに到達した場合は、出力電圧制限フラグＶ₁ ^* _{lmt_flg}を「１」、
に設定する出力電圧制限検出部である。

ここで、電圧制限値Ｖ₁ ^* _max：電力変換器に供給する直流電圧値Ｅｄから決まる制限値であり、電力変換器を正弦波変調した場合は、Ｖ₁ ^* _maxは（数１）となる。

また、３相交流の電圧指令値Ｖｕ^*，Ｖｖ^*，Ｖｗ^*に、線間電圧では相殺される同相の信号（例えば、３倍調波）を重畳させた場合は、Ｖ₁ ^* _maxは（数２）となる。

１１は永久磁石同期電動機１の電気定数と第２のｄ軸電流指令値Ｉｄ^**，第２のｑ軸電流指令値Ｉｑ^**および周波数指令値ω₁に基づいて、ｄ軸電圧指令値Ｖｄｃ^*，ｑ軸電圧指令値Ｖｑｃ^*を演算する電圧ベクトル演算部、
１２はｄ軸およびｑ軸の電圧指令値Ｖｄｃ^*，Ｖｄｃ^*と位置検出値θｃから３相交流の電圧指令値Ｖｕ^*，Ｖｖ^*，Ｖｗ^*を出力する座標変換部である。

次に、本発明の特徴である電流指令制限演算部９を用いたベクトル制御方式の電圧制御と位相制御の基本動作について説明する。

まず、電圧制御については、図２を用いて、電流指令制限演算部９の構成を説明する。

９１は、ｄ軸およびｑ軸の電圧指令値Ｖｄｃ^*，Ｖｑｃ^*と周波数演算値ω₁および永久磁石同期電動機１の定数（Ｒ^*，Ｌｄ^*，Ｌｑ^*，Ｋｅ^*）を用いて、（数３）に従い、第２のｄ軸電流指令値Ｉｄ^**の制限値Ｉｄ^** _lmtを演算する。

９２では、ｄ軸およびｑ軸の電圧指令値Ｖｄｃ^*，Ｖｑｃ^*と周波数演算値ω₁および永久磁石同期電動機１の定数を用いて、（数４）に従い、第２のｑ軸電流指令値Ｉｑ^**の制限値Ｉｑ^** _lmtを演算する。

ここで、Ｒ^*は、抵抗の設定値、Ｌｄ^*はｄ軸インダクタンスの設定値、Ｌｑ^*はｑ軸インダクタンスの設定値、Ｋｅ^*は、誘起電圧定数の設定値を表す。

また、図１中の出力電圧制限検出部１０においては、（数５）により、ｄ軸およびｑ軸の電圧指令値Ｖｄｃ^*，Ｖｑｃ^*を用いて出力電圧値Ｖ₁ ^*を演算する。

さらに、出力電圧指令値Ｖ₁ ^*と電圧制限値Ｖ₁ ^* _maxを用いて、（数６）に従い、出力電圧制限フラグＶ₁ ^* _{lmt_flg}を作成する。

電力変換器２の出力電圧値Ｖ₁が制限された場合は、これらの第２のｄ軸電流指令値の制限値Ｉｄ^** _lmt，第２のｑ軸電流指令値の制限値Ｉｑ^** _lmtと出力電圧制限フラグＶ₁ ^* _{lmt_flg}を用いて、ｑ軸電流指令演算部７とｄ軸電流指令演算部８の出力値を制限する動作を行う。

図３には、ｑ軸電流指令演算部７の構成を示す。ここでは、構成が簡単な積分演算を例としている。

第１のｑ軸電流指令値Ｉｑ^*とｑ軸電流検出値Ｉｑｃの偏差であるΔＩｑは、積分ゲインがＫである積分演算部７１に入力され、第２のｑ軸電流指令値Ｉｑ^**を演算する。

制限値の選択部７２において、出力電圧制限フラグＶ₁ ^* _{lmt_flg}が「０」のとき、７２内部で設定された制限値Ｉｑ^** _lmt0が選択され、Ｖ₁ ^* _{lmt_flg}が「１」のときは、電流指令制限演算部９の出力である第２のｑ軸電流指令値の制限値Ｉｑ^** _lmtが選択され、制限値Ｉｑ^** _{lmt_set}として出力する。

制限部７３には、第２のｑ軸電流指令値Ｉｑ^**と制限値Ｉｑ^** _{lmt_set}が入力されるが、Ｉｑ^**とＩｑ^** _{lmt_set}が同符号（どちらも正あるいは負の極性）の場合は、Ｉｑ^**の絶対値｜Ｉｑ^**｜とＩｑ^** _{lmt_set}の絶対値｜Ｉｑ^** _{lmt_set}｜を比較し、（数７）に従い、Ｉｑ^**を出力する。

また、Ｉｑ^**とＩｑ^** _{lmt_set}が異符号（どちらかが正、一方が負の極性）の場合は、（数８）に従い、Ｉｑ^** _{lmt_set}をＩｑ^**として出力する。

同様に、図４に示すｄ軸電流指令演算部８でも、第１のｄ軸電流指令値Ｉｄ^*とｄ軸電流検出値Ｉｄｃの偏差であるΔＩｄは、積分ゲインがＫである積分演算部８１に入力され、第２のｄ軸電流指令値Ｉｄ^**を演算する。

制限値の選択部８２において、出力電圧制限フラグＶ₁ ^* _{lmt_flg}が「０」のとき、８２内部で設定された制限値Ｉｄ^** _lmt0が、Ｖ₁ ^* _{lmt_flg}が「１」のときは、電流指令制限演算部９の出力である第２のｄ軸電流指令値の制限値Ｉｄ^** _lmtが選択され、制限値Ｉｄ^** _{lmt_set}として出力する。

制限部８３には、第２のｄ軸電流指令値Ｉｄ^**と制限値Ｉｄ^** _{lmt_set}が入力されるが、Ｉｄ^**とＩｄ^** _{lmt_set}が同符号（どちらも正あるいは負の極性）の場合は、Ｉｄ^**の絶対値｜Ｉｄ^**｜とＩｄ^** _{lmt_set}の絶対値｜Ｉｄ^** _{lmt_set}｜を比較し、（数９）に従い、Ｉｄ^**を出力する。

また、Ｉｄ^**とＩｄ^** _{lmt_set}が異符号（どちらかが正、一方が負の極性）の場合は、（数１０）に従い、Ｉｄ^** _{lmt_set}をＩｄ^**として出力する。

また、電圧ベクトル演算部１１では、（数１１）で示すように、第２のｄ軸およびｑ軸の電流指令値Ｉｄ^**，Ｉｑ^**と周波数演算値ω₁および永久磁石同期電動機１の定数を用いて、ｄ軸およびｑ軸の電圧指令値Ｖｄｃ^*，Ｖｑｃ^*を演算し、変換器の出力電圧値Ｖ₁を制御する。

一方、位相制御では、レゾルバやエンコーダなどの位置検出器４において、永久磁石同期電動機１の位置θを検出し、位置検出値θｃを得る。

周波数演算部５では、この位置検出値θｃを用いて、（数１２）により周波演算令値ω₁を求める。

以上が、電圧制御と位相制御の基本動作である。

次に、本発明のもたらす作用効果について、本実施例により説明する。

図１の制御装置において、第２のｄ軸およびｑ軸の電流指令値Ｉｄ^**，Ｉｑ^**の制限に、電流指令制限演算部９の第２のｄ軸電流指令値の制限値Ｉｄ^** _lmt，第２のｑ軸電流指令値の制限値Ｉｑ^** _lmtを用いない場合の制御特性について説明する。

ｑ軸電流指令演算部７，ｄ軸電流指令演算部８では、出力電圧値が制限されていない場合（Ｖ₁ ^* _{lmt_flg}＝０）には、７２，８２内部で設定された制限値Ｉｑ^** _lmt0，Ｉｄ^** _lmt0により、積分演算部７１と８１の出力は制限される。

しかし、出力電圧値が制限された場合（Ｖ₁ ^* _{lmt_flg}＝１）には、積分演算部７１と８１の更新を中止し、制限から回復した（Ｖ₁ ^* _{lmt_flg}＝０）ときに、積分演算部７１と８１の更新を再開する。

一方、従来方式である特開平９−４７０６９号公報に記載の方法と等価にするため、第１の電流指令値を第２の電流指令値に加算する「フィードフォワード補償」を行うと、第３の電流指令値Ｉｄ^***，Ｉｑ^***は、（数１３）のようになる。

この従来の制御方式を用いて、台形波状の第１のｑ軸電流指令値Ｉｑ^*を与え、駆動した制御特性を図５，図６に示す。

図５は、永久磁石同期電動機１の定数と電圧ベクトル演算部１１に設定する定数が一致している場合の制御特性である。ａ点から加速してｂ点で最高回転数に到達していることがわかる。ここで、電力変換器の出力電圧値Ｖ₁が制限される区間（Ｖ₁ ^* _{lmt_flg}＝１）では、ｄ軸およびｑ軸の電流検出値Ｉｄｃ，Ｉｑｃが、第１のｄ軸電流指令値Ｉｄ^*，第１のｑ軸電流指令値Ｉｑ^*に追従していないが、安定に制御運転できていることがわかる。

一方、図６は、永久磁石同期電動機１の定数と電圧ベクトル演算部１１に設定する定数が一致していない場合（Ｌｑ^*＝０.８×Ｌｑ，Ｌｄ^*＝０.８×Ｌｄ）の制御特性である。

この場合、電圧ベクトル演算部１１に設定の誤差が在ると、図６のＡ領域で、ｑ軸の電流検出値Ｉｑｃに「オーバーシュート」が発生しており、モータトルクには、これに起因した「ショック」が発生する。

図７には、（数１３）に用いた第２のｄ軸及びｑ軸電流指令値Ｉｄ^**，Ｉｑ^**の波形を示す。

出力電圧値が制限されている区間（Ｖ₁ ^* _{lmt_flg}＝１）では、積分演算部の出力値であるＩｄ^**，Ｉｑ^**が、ｃ₀点より保持されており、制限から回復したｃ₁点において、Ｉｄ^**，Ｉｑ^**が急激に変化している様子がわかる。

これが、ｑ軸電流検出値Ｉｑｃの「オーバーシュートの原因」となっている。

つまり、永久磁石同期電動機１の回転数や与えるトルク指令値の条件により、出力電圧制限区間に入る直前のｃ₀点と制限から回復したｃ₁点では、最適なＩｑ^**の値が異なることが分かる。

そこで、出力電圧値Ｖ₁が制限された場合は、積分演算部の値を保持する方式ではなく、新しく電流指令制限演算部９を設け、回転数や与えるトルク指令値の条件により、連続的に、積分演算部の出力を制限する。

本発明の特徴である電流指令制限演算部９では、ｄ軸およびｑ軸の電圧指令値Ｖｄｃ^*，Ｖｑｃ^*と周波数演算値ω₁および永久磁石同期電動機１の定数を用いて、回転周波数や電流指令値の状態に応じて、第２のｄ軸及びｑ軸電流指令値Ｉｄ^**，Ｉｑ^**の制限値Ｉｄ^** _lmt，Ｉｑ^** _lmtを演算する。

図８には、本発明での出力電圧飽和制御（図７，図８使用）を行った場合の特性（Ｌｑ^*＝０.８×Ｌｑ，Ｌｄ^*＝０.８×Ｌｄ）を示す。

永久磁石同期電動機１の定数と電圧ベクトル演算部１１に設定する定数が一致していない場合でも、従来（図６）のようなＡ領域におけるＩｑｃのオーバーシュートは無くなり、制限から回復する際にも安定な制御特性となることが分かる。

図９には、ｑ軸電流指令演算部７，ｄ軸電流指令演算部８における積分演算部の出力値である第２のｄ軸及びｑ軸電流指令値Ｉｄ^**，Ｉｑ^**の波形を示す。

出力電圧値Ｖ₁が制限される区間（Ｖ₁ ^* _{lmt_flg}＝１）においても、Ｉｄ^**，Ｉｑ^**は連続的に制限されている様子が分かる。

本実施例では、ｑ軸電流指令演算部７，ｄ軸電流指令演算部８の演算構成を積分演算としたが、比例演算＋積分演算にした場合でも、本実施例と同様の効果を得ることができる。

＜第２の実施例＞
図１０は、本発明の第２の実施例を示す。

本実施例は、ｄ軸およびｑ軸の電流制御演算部を設けたベクトル制御装置に、本発明を適用した一例である。図において、構成要素の１〜６，１０，１２，２１は、図１のものと同一物である。

７ａは第１のｑ軸電流指令値Ｉｑ^*とｑ軸電流検出値Ｉｑｃの偏差に応じて、第２のｑ軸電圧指令値ΔＶｑを演算し、出力電圧制限フラグＶ₁ ^* _{lmt_flg}から、内部で設定した制限値ΔＶｑ_lmt0、あるいは演算により求めた第２のｑ軸電圧指令値の制限値ΔＶｑ_lmtを選択し、ΔＶｑを制限して出力するｑ軸電流制御演算部、８ａは第１のｄ軸電流指令値Ｉｄ^*とｄ軸電流検出値Ｉｄｃの偏差に応じて、第２のｄ軸電圧指令値ΔＶｄを演算し、出力電圧制限フラグＶ₁ ^* _{lmt_flg}から、内部で設定した制限値ΔＶｄ_lmt0、あるいは演算により求めた第２のｄ軸電圧指令値の制限値ΔＶｄ_lmtを選択し、ΔＶｄを制限して出力するｄ軸電流制御演算部を表す。

また、９ａはｄ軸およびｑ軸の電圧指令値Ｖｄｃ^**，Ｖｑｃ^**と周波数演算値ω₁と第１のｄ軸およびｑ軸の電流指令値Ｉｄ^*，Ｉｑ^*および永久磁石同期電動機１の定数に基づいて、第２のｄ軸電圧指令値の制限値ΔＶｄ_lmt，第２のｄ軸電圧指令値の制限値ΔＶｄ_lmtを出力する電圧指令制限演算部、１１ａは永久磁石同期電動機１の定数と第１のｄ軸及びｑ軸電流指令値Ｉｄ^*，Ｉｑ^*と周波数指令値ω₁および電流制御の出力値ΔＶｄ，ΔＶｑに基づいて、ｄ軸及びｑ軸電圧指令値Ｖｄｃ^**，Ｖｑｃ^**を演算する電圧ベクトル演算部を表す。

次に、図１１を用いて、電圧指令制限演算部９ａの構成を説明する。

９ａ１は、ｄ軸の電圧指令値Ｖｄｃ^**と周波数演算値ω₁と第１のｄ軸およびｑ軸の電流指令値Ｉｄ^*，Ｉｑ^*および永久磁石同期電動機１の定数（Ｒ^*，Ｌｄ^*，Ｌｑ^*，Ｋｅ^*）を用いて、（数１４）に従い、第２のｄ軸電圧指令値ΔＶｄの制限値ΔＶｄ_lmtを演算する。

９ａ２では、ｑ軸の電圧指令値Ｖｑｃ^**と周波数演算値ω₁と第１のｄ軸およびｑ軸の電流指令値Ｉｄ^*，Ｉｑ^*および永久磁石同期電動機１の定数（Ｒ^*，Ｌｄ^*，Ｌｑ^*，Ｋｅ^*）を用いて、（数１５）に従い第２のｑ軸電圧指令値ΔＶｑの制限値ΔＶｑ_lmtを演算する。

図１２には、ｑ軸電流制御演算部７ａの構成を示す。ここでは、構成が簡単な積分演算を例としている。

第１のｑ軸電流指令値Ｉｑ^*とｑ軸電流検出値Ｉｑｃの偏差であるΔＩｑは、積分ゲインがＫである積分演算部７ａ１に入力され、第２のｑ軸電圧指令値ΔＶｑを演算する。制限値の選択部７ａ２において、出力電圧制限フラグＶ₁ ^* _{lmt_flg}が「０」のとき、７ａ２内部で設定された制限値ΔＶｑ_lmt0が、Ｖ₁ ^* _{lmt_flg}が「１」のときは、電圧指令制限演算部９ａの出力である第２のｑ軸電圧指令値の制限値ΔＶｑ_lmtが選択され、制限値ΔＶｑ_{lmt_set}として出力する。

制限部７ａ３には、第２のｑ軸電圧指令値ΔＶｑと制限値ΔＶｑ_{lmt_set}が入力されるが、ΔＶｑとΔＶｑ_{lmt_set}が同符号（どちらも正あるいは負の極性）の場合は、ΔＶｑの絶対値｜ΔＶｑ｜とΔＶｑ_{lmt_set}の絶対値｜ΔＶｑ_{lmt_set}｜を比較し、（数１６）に従い、ΔＶｑを出力する。

また、ΔＶｑとΔＶｑ_{lmt_set}が異符号（どちらかが正、一方が負の極性）の場合は、
（数１７）に従い、ΔＶｑ_{lmt_set}をΔＶｑとして出力する。

図１３には、ｄ軸電流制御演算部８ａの構成を示す。ここでも、構成が簡単な積分演算を例にしている。

第１のｄ軸電流指令値Ｉｄ^*とｄ軸電流検出値Ｉｄｃの偏差であるΔＩｄは、積分ゲインがＫである積分演算部８ａ１に入力され、第２のｄ軸電圧指令値ΔＶｄを演算する。制限値の選択部８ａ２において、出力電圧制限フラグＶ₁ ^* _{lmt_flg}が「０」のとき、８ａ２内部で設定された制限値ΔＶｄ_lmt0が選択され、出力電圧制限フラグＶ₁ ^* _{lmt_flg}が「１」のときは、電圧指令制限演算部９ａの出力である第２のｄ軸電圧指令値の制限値ΔＶｄ_lmtが選択され、制限値ΔＶｄ_{lmt_set}として出力する。

制限部８ａ３には、第２のｄ軸電圧指令値ΔＶｄと制限値ΔＶｄ_{lmt_set}が入力されるが、ΔＶｄとΔＶｄ_{lmt_sett}が同符号（どちらも正あるいは負の極性）の場合は、ΔＶｄの絶対値｜ΔＶｄ｜とΔＶｄ_{lmt_set}の絶対値｜ΔＶｄ_{lmt_set}｜を比較し、（数１８）に従い、ΔＶｄを出力する。

また、ΔＶｄとΔＶｄ_{lmt_set}が異符号（どちらかが正、一方が負の極性）の場合は、
（数１９）に従い、ΔＶｑ_{lmt_set}をΔＶｑとして出力する。

また、電圧ベクトル演算部１１ａでは、（数２０）で示すように、第１のｄ軸およびｑ軸の電流指令値Ｉｄ^*，Ｉｑ^*と周波数演算値ω₁および永久磁石同期電動機１の定数を用いて、第１のｄ軸およびｑ軸の電圧指令値Ｖｄｃ^*，Ｖｑｃ^*を演算し、第２のｄ軸およびｑ軸の電圧指令値ΔＶｄ，ΔＶｑを加算して、変換器の出力電圧値Ｖ₁を制御する。

このような実施例でも、第１の実施例と同様な効果を得ることができる。

また本実施例でも、ｑ軸電流制御演算部７ａ，ｄ軸電流制御演算部８ａの演算構成を積分演算にしたが、比例＋積分演算にしても、本実施例と同様の効果を得ることができる。

＜第３の実施例＞
図１４は、本発明の第３の実施例を示す。

本実施例は、ｄ軸およびｑ軸の電流制御演算部を設けたベクトル制御装置に、本発明を適用した一例である（フィードバック制御のみ）。図において、構成要素の１〜６，１０，１２，２１は、図１のものと同一物である。

７ｂは第１のｑ軸電流指令値Ｉｑ^*とｑ軸電流検出値Ｉｑｃの偏差に応じて、ｑ軸電圧指令値Ｖｑｃ^***を演算し、出力電圧制限フラグＶ₁ ^* _{lmt_flg}から、内部で設定した制限値Ｖｑｃ^*** _lmt0、あるいは演算により求めたｑ軸電圧指令値の制限値Ｖｑｃ^*** _lmtを選択し、Ｖｑｃ^***を制限して出力するｑ軸電流制御演算部、８ｂは第１のｄ軸電流指令値Ｉｄ^*とｄ軸電流検出値Ｉｄｃの偏差に応じて、ｄ軸電圧指令値Ｖｄｃ^***を演算し、出力電圧制限フラグＶ₁ ^* _{lmt_flg}から、内部で設定した制限値Ｖｄｃ^*** _lmt0、あるいは演算により求めたｄ軸電圧指令値の制限値Ｖｄｃ^*** _lmtを選択し、Ｖｄｃ^***を制限して出力するｄ軸電流制御演算部を表す。

また、９ｂはｄ軸およびｑ軸の電圧指令値Ｖｄｃ^***，Ｖｑｃ^***と周波数演算値ω₁と第１のｄ軸およびｑ軸の電流指令値Ｉｄ^*，Ｉｑ^*および永久磁石同期電動機１の定数に基づいて、ｄ軸及びｑ軸電圧指令値の制限値Ｖｄｃ^*** _lmt，Ｖｑｃ^*** _lmtを出力する電圧指令制限演算部を表す。

図１５を用いて、電圧指令制限演算部９ｂの構成を説明する。

９ｂ１は、ｄ軸の電圧指令値Ｖｄｃ^***と周波数演算値ω₁と第１のｄ軸およびｑ軸の電流指令値Ｉｄ^*，Ｉｑ^*および永久磁石同期電動機１の定数（Ｒ^*，Ｌｄ^*，Ｌｑ^*，Ｋｅ^*）を用いて、（数２１）に従い、ｄ軸電圧指令値Ｖｄｃ^***の制限値Ｖｄｃ^*** _lmtを演算する。

９ｂ２では、ｑ軸の電圧指令値Ｖｑｃ^***と周波数演算値ω₁と第１のｄ軸およびｑ軸の電流指令値Ｉｄ^*，Ｉｑ^*および永久磁石同期電動機１の定数（Ｒ^*，Ｌｄ^*，Ｌｑ^*，Ｋｅ^*）を用いて、（数２２）に従い、ｑ軸電圧指令値Ｖｑｃ^***の制限値Ｖｑｃ^*** _lmtを演算する。

図１６には、ｑ軸電流制御演算部７ｂの構成を示す。ここでは、構成が簡単な積分演算を例としている。

第１のｑ軸電流指令値Ｉｑ^*とｑ軸電流検出値Ｉｑｃの偏差であるΔＩｑは、積分ゲインがＫである積分演算部７ｂ１に入力され、ｑ軸電圧指令値Ｖｑｃ^***を演算する。

制限値の選択部７ｂ２において、出力電圧制限フラグＶ₁ ^* _{lmt_flg}が「０」のとき、７ｂ２内部で設定された制限値Ｖｑｃ^*** _lmt0が、出力電圧制限フラグＶ₁ ^* _{lmt_flg}が「１」のときは、電圧指令制限演算部９ｂの出力であるｑ軸電圧指令値の制限値Ｖｑｃ^*** _lmtが選択され、制限値Ｖｑｃ^*** _{_set}として出力する。

制限部７ｂ３には、ｑ軸電圧指令値Ｖｑｃ^***と制限値Ｖｑｃ^*** _{lmt_set}が入力されるが、Ｖｑｃ^***とＶｑｃ^*** _{lmt_sett}が同符号（どちらも正あるいは負の極性）の場合は、Ｖｑｃ^***の絶対値｜Ｖｑｃ^***｜とＶｑｃ^*** _{lmt_set}の絶対値｜Ｖｑｃ^*** _{lmt_set}｜を比較し、（数２３）に従い、Ｖｑｃ^***を出力する。

また、Ｖｑｃ^***とＶｑｃ^*** _{lmt_set}が異符号（どちらかが正、一方が負の極性）の場合は、（数２４）に従い、Ｖｑｃ^*** _{lmt_set}をＶｑｃ^***として出力する。

図１７には、ｄ軸電流制御演算部８ｂの構成を示す。

第１のｄ軸電流指令値Ｉｄ^*とｄ軸電流検出値Ｉｄｃの偏差であるΔＩｄは、積分ゲインがＫである積分演算部８ｂ１に入力され、ｄ軸電圧指令値Ｖｄｃ^***を演算する。

制限値の選択部８ｂ２において、出力電圧制限フラグＶ₁ ^* _{lmt_flg}が「０」のとき、７８ｂ２内部で設定された制限値Ｖｄｃ^*** _lmt0が、出力電圧制限フラグＶ₁ ^* _{lmt_flg}が「１」のときは、電圧指令制限演算部９ｂの出力であるｄ軸電圧指令値の制限値Ｖｄｃ^*** _lmtが選択され、制限値Ｖｄｃ^*** _{lmt_set}として出力する。

制限部８ｂ３には、ｄ軸電圧指令値Ｖｄｃ^***と制限値Ｖｄｃ^*** _{lmt_set}が入力されるが、Ｖｄｃ^***とＶｄｃ^*** _{lmt_set}が同符号（どちらも正あるいは負の極性）の場合は、Ｖｄｃ^***の絶対値｜Ｖｄｃ^***｜とＶｄｃ^*** _{lmt_set}の絶対値｜Ｖｄｃ^*** _{lmt_set}｜を比較し、（数２５）に従い、Ｖｄｃ^***を出力する。

また、Ｖｄｃ^***とＶｄｃ^*** _{lmt_set}が異符号（どちらかが正、一方が負の極性）の場合は、（数２６）に従い、Ｖｄｃ^*** _{lmt_set}をＶｄｃ^***として出力する。

このような実施例でも、第１の実施例と同様な効果を得ることができる。

また本実施例では、ｑ軸電流制御演算部７ｂ，ｄ軸電流制御演算部８ｂの演算構成を積分演算にしたが、比例＋積分演算にしても、本実施例と同様の効果を得ることができる。

＜第４の実施例＞
図１８は、本発明の第４の実施例を示す。

本実施例は、レゾルバやエンコーダなどの位置検出器を省略した制御装置に適用したものである。図において、構成要素の１〜３，６〜１２，２１は、図１のものと同一物である。

１３はｄ軸およびｑ軸の電圧指令値Ｖｄｃ^*，Ｖｑｃ^*とｄ軸及びｑ軸電流検出値Ｉｄｃ，Ｉｑｃと周波数演算値ω₁および永久磁石同期電動機１の定数に基づいて、（数２７）に従い、位相指令値θｃ′とモータ位相値θの偏差である位相誤差Δθｃ（＝θｃ′−θ）を推定する誤差演算部を表す。

１４は、位相誤差Δθｃを「ゼロ」にするように、周波数推定値ω₁′を演算する周波数推定部、１５は周波数推定値ω₁′を積分して、位相指令値θｃ^′を演算する位相演算部を表す。

このような、安価な位置センサレス制御方式においても、前記実施例と同様に動作し、同様の効果が得られることは明らかである。

また本実施例では、ｑ軸電流制御演算部７，ｄ軸電流制御演算部８の演算構成を積分演算にしたが、比例＋積分演算にしても、本実施例と同様の効果を得ることができる。

また、第２，第３の実施例にある電圧ベクトル演算や電流制御演算を用いても、本実施例と同様の効果を得ることができる。

＜第５の実施例＞
上記の第１〜第４の実施例までは、高価な電流検出器３で検出した３相の交流電流Ｉｕ〜Ｉｗを検出する方式であったが、本発明は、安価な電流検出を行う制御装置においても適用することができる。

図１９に、第５の実施例を示す。図において、構成要素の１，２，６〜１５，２１は、図１８のものと同一物である。

１６は電力変換器の入力母線に流れる直流電流Ｉ_DCから、永久磁石同期電動機１に流れる３相の交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを推定する電流推定部である。この推定電流値Ｉｕ＾，Ｉｖ＾，Ｉｗ＾を用い、座標変換部６において、ｄ軸及びｑ軸の電流検出値Ｉｄｃ，Ｉｑｃを演算する。

このような、安価な電流センサレス制御方式においても、実施例と同様に動作し、同様の効果が得られることは明らかである。

また本実施例では、ｑ軸電流制御演算部７，ｄ軸電流制御演算部８の演算構成を積分演算にしたが、比例＋積分演算にしても、本実施例と同様の効果を得ることができる。

また、第２，第３の実施例にある電圧ベクトル演算や電流制御演算を用いても、本実施例と同様の効果を得ることができる。

なお、本発明にかかる実施例では、電力変換器の出力電圧値が制限された場合でも、ｄ軸（磁束）軸電流成分の値を指令値通りに追従させることができる。ここで、図２０の上側は、従来の制御特性（図６相当）であり、下側は、このときの出力電圧制限区間における「位置検出値θｃと３相交流電流のｕ相電流Ｉｕの関係」を示したものである。従来方式では、Ｉｄ^*＝０でも、Ｉｄが発生しているため、位置検出値θｃのゼロ点とｕ相電流Ｉｕのゼロ点の位相が一致していない（Ｉｄ＝０の場合は一致する）。

一方、図２１の上側は、本発明の制御特性（図８相当）であり、下側は、このときの出力電圧制限区間における「位置検出値θｃと３相交流電流のｕ相電流Ｉｕの関係」を示したものである。

本発明では、Ｉｄ^*＝０の場合、位置検出値θｃのゼロ点とｕ相電流Ｉｕのゼロ点の位相が一致していることが分かる。このように電力変換器の出力電圧値の制限の有無に拘わらず、永久磁石同期電動機１の位置信号あるいは制御軸の基準信号と、モータ電流の位相との関係を見れば明らかである。

本発明の一実施例を示す永久磁石同期電動機のベクトル制御装置の構成図。 図１の制御装置における電流指令制限演算部９の説明図。 図１の制御装置におけるｑ軸電流指令演算部７の説明図。 図１の制御装置におけるｄ軸電流指令演算部８の説明図。 従来の制御方式の制御特性図（制御定数が一致している場合）。 従来の制御方式の制御特性図（制御定数が一致していない場合）。 図６の場合における第３のｄ軸電流指令値Ｉｄ^***，ｑ軸電流指令値Ｉｑ^***の制御特性図。 本実施例における制御特性図（制御定数が一致していない場合）。 図８の場合における第２のｄ軸電流指令値Ｉｄ^**，ｑ軸電流指令値Ｉｑ^**の特性図。 本発明の他の実施例を示す永久磁石同期電動機のベクトル制御装置の構成図。 図１０の制御装置における電圧指令制限演算部９ａの説明図。 図１０の制御装置におけるｑ軸電流制御演算部７ａの説明図。 図１０の制御装置におけるｄ軸電流制御演算部８ａの説明図。 本発明の他の実施例を示す永久磁石同期電動機のベクトル制御装置の構成図。 図１４の制御装置における電圧指令制限演算部９ｂの説明図。 図１４の制御装置におけるｑ軸電流制御演算部７ｂの説明図。 図１４の制御装置におけるｄ軸電流制御演算部８ｂの説明図。 本発明の他の実施例を示す永久磁石同期電動機のベクトル制御装置の構成図。 本発明の他の実施例を示す永久磁石同期電動機のベクトル制御装置の構成図。 従来の制御方式の制御特性図。 本実施例にかかる制御特性図。

符号の説明

１ 永久磁石同期電動機
２ 電力変換器
３ 電流検出器
４ 位置検出器
５ 周波数演算部
６ 座標変換部
７ ｑ軸電流指令演算部
７ａ，７ｂ ｑ軸電流制御演算部
８ ｄ軸電流指令演算部
８ａ，８ｂ ｄ軸電流制御演算部
９ 電流指令制限演算部
９ａ，９ｂ 電圧指令制限演算部
１０ 出力電圧制限検出部
１１ 電圧ベクトル演算部
１２ 座標変換部
１３ 軸誤差演算部
１４ 周波数推定部
１５ 位相演算部
１６ 電流推定部
２１ 直流電源
Ｉｄ^* 第１のｄ軸電流指令値
Ｉｄ^** 第２のｄ軸電流指令値
Ｉｄ^*** 第３のｄ軸電流指令値
Ｉｑ^* 第１のｑ軸電流指令値
Ｉｑ^** 第２のｑ軸電流指令値
Ｉｑ^*** 第３のｑ軸電流指令値
Ｉｄｃ ｄ軸電流検出値
Ｉｑｃ ｄ軸電流検出値
Ｉｄ^** _lmt 第２のｄ軸電流指令値の制限値
Ｉｑ^** _lmt 第２のｑ軸電流指令値の制限値
Ｖ１^* _{lmt_flg} 出力電圧制限フラグ
ΔＶｄ_lmt 第２のｄ軸電圧指令値の制限値
ΔＶｑ_lmt 第２のｑ軸電圧指令値の制限値
Ｖｄｃ^*** _lmt ｄ軸電圧指令値の制限値
Ｖｑｃ^*** _lmt ｑ軸電圧指令値の制限値
Ｖｄｃ^*，Ｖｄｃ^**，Ｖｄｃ^*** ｄ軸電圧指令値
Ｖｑｃ^*，Ｖｑｃ^**，Ｖｑｃ^*** ｑ軸電圧指令値
Ｖ１^* 出力電圧値
θｃ 位置検出値
ω₁ 周波数演算値

Claims (3)

1. 永久磁石同期電動機を駆動する電力変換器を有し、
   電流指令値又は電流検出値、周波数演算値および電動機定数により演算した第１の電圧指令値と、前記電流指令値と前記電流検出値の偏差により演算した第２の電圧指令値とを加算し、前記電力変換器の出力電圧値を制御するベクトル制御装置であって、
   前記電力変換器の出力電圧値が制限された場合に、
   前記出力電圧値のｄ軸側であるＶｄｃ ^** と、前記電動機定数である抵抗の設定値Ｒ ^* 及びｄ軸インダクタンスの設定値Ｌｄ ^* 、及びｑ軸インダクタンスの設定値Ｌｑ ^* 及び誘起電圧定数の設定値Ｋｅ ^* と、前記電流指令値であるｄ軸の電流指令値Ｉｄ ^* 及びｑ軸の電流指令値Ｉｑ ^* と、前記周波数演算値ω ₁ を用いた
   

   

   に基づいて、前記第２の電圧指令値のｄ軸制限値を演算し、
   前記出力電圧値のｑ軸側であるＶｑｃ ^** と、前記電動機定数である抵抗の設定値Ｒ ^* 及びｄ軸インダクタンスの設定値Ｌｄ ^* 及びｑ軸インダクタンスの設定値Ｌｑ ^* 及び誘起電圧定数の設定値Ｋｅ ^* と、前記電流指令値であるｄ軸の電流指令値Ｉｄ ^* 及びｑ軸の電流指令値Ｉｑ ^* と、前記周波数演算値ω ₁ を用いた
   

   

   に基づいて、前記第２の電圧指令値のｑ軸制限値を演算する永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。
2. 永久磁石同期電動機を駆動する電力変換器を有し、
   第１の電流指令値と電流検出値の偏差により演算した第２の電流指令値と、周波数演算値と、電動機定数とに応じて前記電力変換器の出力電圧値を制御するベクトル制御装置であって、
   前記出力電圧値が制限された場合に、
   前記出力電圧値のｄ軸電圧指令値Ｖｄｃ ^* 及びｑ軸電圧指令値Ｖｑｃ ^* と、前記電動機定数である抵抗の設定値Ｒ ^* 及びｄ軸インダクタンスの設定値Ｌｄ ^* 及びｑ軸インダクタンスの設定値Ｌｑ ^* 及び誘起電圧定数の設定値Ｋｅ ^* と、前記周波数演算値ω ₁ を用いた
   

   

   及び
   

   

   に基づいて、前記第２の電流指令値のｄ軸制限値及びｑ軸制限値を演算する永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。
3. 請求項２に記載された永久磁石同期電動機のベクトル制御装置であって、
   前記電流指令値と前記電流検出値の偏差により演算した電圧指令値と、前記第２の電流指令値、の出力値の極性と、
   各々の出力値に対応する演算された制限値の極性と、が異なる場合に、演算された前記制限値を出力値とすることを特徴とする永久磁石同期電動機のベクトル制御装置。

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