JP5788354B2 - モータ制御装置及びそれを用いた作業機械 - Google Patents

Description

本発明は、モータ制御装置及びそれを用いた作業機械に係り、特に、永久磁石同期モータをトルク制御するに好適なモータ制御装置及びそれを用いた作業機械に関する。

従来、トルク制御するモータ制御装置において、モータの電気定数を演算するモータ定数演算部を備え、直交する２つの軸（ｄ軸およびｑ軸）のうち一方の軸上で定義される電気定数の設定値を、同一の軸上で定義される状態変数を用いた関数式で補正し、かつ他方の軸上で定義される状態変数を用いた関数式で補正するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

かかる方式により、永久磁石同期モータの電気定数をより簡便に設定することができる。その結果、その正確な電気定数をトルク制御に用いることにより、高トルク時においても、より高精度なトルク制御が可能となり、高応答かつ高効率にモータを駆動することができる。

特開２００９−１３６０８５号公報

しかしながら、特許文献１記載のものでは、モータ定数の設定誤差などについては触れられていない。モータ定数の設定誤差があると、その誤差分だけトルク制御の精度が低下することになる。

本発明の目的は、モータ定数の設定誤差も含めて補償して、高精度なトルク制御が可能なモータ制御装置及びそれを用いた作業機械を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、永久磁石同期電動機に対するトルク指令値から求められた電流指令値が、前記永久磁石同期電動機に電力変換器を介して供給される電流に対する電流検出値に一致するように、前記永久磁石同期電動機に供給される電流を制御する制御部を有し、永久磁石同期電動機のトルク制御を行うモータ制御装置であって、前記制御部は、上位制御装置から与えられる第１のトルク指令値に前記電力変換器の電力情報から求めたトルク推定値が一致するように、第２のトルク指令値を演算し、該第２のトルク指令値に従いトルク制御を行うようにしたものである。
かかる構成により、モータ定数の設定誤差も含めて補償して、高精度なトルク制御が可能となる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記永久磁石同期電動機の磁極位置を検出する位置検出器を備え、前記制御部は、該位置検出器によって検出された磁極位置から算出された速度検出値と、前記第２のトルク指令値から求めたｄ軸およびｑ軸の電流指令値と、電流検出値と、モータ定数の設定値とに従い、ｄ軸およびｑ軸の電圧指令値の演算を行い、前記電力変換器の出力電圧を制御するようにしたものである。

（３）上記（１）において、好ましくは、前記制御部は、前記第２のトルク指令値から求めたｄ軸およびｑ軸の電流指令値と、電流検出値と、速度推定値と、モータ定数の設定値とに従い、ｄ軸およびｑ軸の電圧指令値の演算を行い、電力変換器の出力電圧を制御し、前記速度推定値を積分して求めた回転位相推定値と前記永久磁石同期電動機の回転位相値との偏差である位相誤差が位相誤差の指令値に一致するように前記速度推定値を演算するようにしたものである。

（４）上記（２）若しくは（３）において、好ましくは、前記制御部は、前記トルク推定値を算出するトルク推定値演算部を備え、該トルク推定値演算部は、ｄ軸の電圧指令値と電流検出値の乗算値とｑ軸の電圧指令値と電流検出値の乗算値とを加算した第１の電力信号から、ｄ軸およびｑ軸の電流検出値をそれぞれ２乗した加算値に前記永久磁石同期電動機の抵抗値を乗じた第２の電力信号を減算し、該減算値を速度推定値で除算した結果に定数を乗じて前記トルク推定値を算出するようにしたものである。

（５）上記（２）若しくは（３）において、好ましくは、前記制御部は、前記トルク推定値を算出するトルク推定値演算部を備え、該トルク推定値演算部は、前記電力変換器の直流電圧と直流電流を乗算した結果に定数を乗じた第１の電力信号から、３相の電流検出値を各相毎に２乗した加算値にモータの抵抗値を乗じた第２の電力信号を減算し、該減算値を速度推定値で除算した結果に定数を乗じて前記トルク推定値を算出するようにしたものである。

（６）上記（２）若しくは（３）において、好ましくは、前記制御部は、前記トルク推定値を算出するトルク推定値演算部を備え、該トルク推定値演算部は、前記電力変換器の直流電圧と直流電流を乗算した結果に定数を乗じた第１の電力信号から、ｄ軸およびｑ軸の電流検出値をそれぞれ２乗し、それらを加算した値に、前記永久磁石同期電動機の抵抗値を乗じた第２の電力信号を減算し、該減算値を速度推定値で除算した結果に、定数を乗じて前記トルク推定値を算出するようにしたものである。

（７）上記（１）において、好ましくは、前記上位制御装置から与えられる前記第１のトルク指令値とトルク出力値の偏差は、永久磁石同期電動機の電流値の２乗に比例し、電動機速度に反比例するものである。

（８）また、上記目的を達成するために、本発明は、永久磁石同期電動機と、 直流を３相交流に変換し、前記永久磁石同期電動機に供給して、前記永久磁石同期電動機の出力トルクを可変する電力変換器と、前記永久磁石同期電動機に対するトルク指令値から求められた電流指令値が、前記永久磁石同期電動機に前記電力変換器を介して供給される電流に対する電流検出値に一致するように、前記永久磁石同期電動機に供給される電流を制御する制御部を有する作業機械であって、前記制御部は、上位制御装置から与えられる第１のトルク指令値に前記電力変換器の電力情報から求めたトルク推定値が一致するように、第２のトルク指令値を演算し、該第２のトルク指令値に従いトルク制御を行うようにしたものである。
かかる構成により、モータ定数の設定誤差も含めて補償して、高精度なトルク制御が可能となる。

（９）上記（８）において、好ましくは、前記作業機械は、ホイルローダであり、該ホイルローダは、前記永久磁石同期電動機として、車輪を駆動する走行駆動用モータと、エンジンをアシストするアシストモータとを備え、前記走行駆動用モータを制御するモータ制御装置は、請求項２記載の制御部を備え、前記アシストモータを制御するモータ制御装置は、請求項３記載の制御部を備えるようにしたものである。

（１０）上記（８）において、好ましくは、前記作業機械は、ホイルローダであり、該ホイルローダは、前記永久磁石同期電動機として、車輪を駆動する走行駆動用モータと、エンジンをアシストするアシストモータとを備え、前記走行駆動用モータを制御するモータ制御装置及び前記アシストモータを制御するモータ制御装置は、請求項２記載の制御部を備えるようにしたものである。

（１１）上記（８）において、好ましくは、前記作業機械は、油圧ショベルであり、該油圧ショベルは、前記永久磁石同期電動機として、下部走行体に対して上部旋回体を旋回させる旋回モータと、エンジンをアシストするアシストモータとを備え、前記旋回モータを制御するモータ制御装置は、請求項２記載の制御部を備え、前記アシストモータを制御するモータ制御装置は、請求項３記載の制御部を備えるようにしたものである。

（１２）上記（８）において、好ましくは、前記作業機械は、油圧ショベルであり、該油圧ショベルは、前記永久磁石同期電動機として、下部走行体に対して上部旋回体を旋回させる旋回モータと、エンジンをアシストするアシストモータとを備え、前記旋回モータを制御するモータ制御装置及び前記アシストモータを制御するモータ制御装置は、請求項２記載の制御部を備えるようにしたものである。

本発明によれば、モータ定数の設定誤差も含めて補償して、高精度なトルク制御が可能となる。

本発明の第１の実施形態によるモータ制御装置を用いたモータ駆動システムの構成について説明する。 モータ定数の設定値に誤差がない場合の出力トルクの変動の説明図である。 モータ定数の設定値に誤差がある場合の出力トルクの変動の説明図である。 モータ定数の設定値に誤差がない場合の出力トルクの変動の説明図である。 モータ定数の設定値に誤差がある場合の出力トルクの変動の説明図である。 本発明の第１の実施形態によるモータ制御装置に用いるトルク推定演算部の動作説明図である。 本発明の第１の実施形態によるモータ制御装置に用いるトルク修正演算部の動作説明図である。 本発明の第１の実施形態によるモータ制御装置を用いたモータ駆動システムにおける出力トルクの変動の説明図である。 本発明の第１の実施形態によるモータ制御装置を用いたモータ駆動システムにおける出力トルクの変動の説明図である。 本発明の第１の実施形態によるモータ制御装置に用いるトルク推定演算部の他の構成の説明図である。 本発明の第２の実施形態によるモータ制御装置を用いたモータ駆動システムの構成について説明する。 本発明の第２の実施形態によるモータ制御装置に用いるトルク推定演算部の動作説明図である。 本発明の第３の実施形態によるモータ制御装置を用いたモータ駆動システムの構成について説明する。 本発明の第３の実施形態によるモータ制御装置の動作説明図である。 本発明の各実施形態によるモータ制御装置を適用する作業機械の構成図である。 本発明の各実施形態によるモータ制御装置を適用する作業機械の構成図である。

以下、図１〜図１０を用いて、本発明の第１の実施形態によるモータ制御装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態によるモータ制御装置を用いたモータ駆動システムの構成について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態によるモータ制御装置を用いたモータ駆動システムの構成について説明する。
本実施形態によるモータ駆動システムは、モータ制御装置１００と、電力変換器ＩＮＶと、永久磁石同期モータ（ＰＭモータ；交流モータ）ＭＯＴと、位置検出器ＰＤと、トルク指令設定部ＴＳとから構成されている。

永久磁石同期モータ（ＰＭモータ；交流モータ）ＭＯＴは、永久磁石及び界磁巻線を備えた回転子と、電機子巻線を備えた固定子とから構成される。永久磁石同期モータＭＯＴは、永久磁石の磁束によるトルク成分と、電機子巻線のインダクタンスによるトルク成分を合成したトルクを出力する。永久磁石同期モータＭＯＴは、図１５を用いて後述するように、作業機械に用いられるモータである。本実施形態のモータ制御装置１００は、かかるモータＭＯＴを制御するために用いられる。

電力変換器ＩＮＶは、３相交流の電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*に基づいて、直流電源Ｂから供給される直流電圧を３相交流電圧に変換し、永久磁石同期モータＭＯＴに供給し、永久磁石同期モータＭＯＴの出力トルクを可変する。

電流検出器ＳＩは、永久磁石同期モータＭＯＴの３相の交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出する。

位相検出器ＰＤは、モータの位置θを検出できるレゾルバやエンコーダであり、位置検出値θｄｃを出力する
トルク指令設定部ＴＳは、モータ制御装置１００に対して、永久磁石同期モータＭＯＴが出力するトルクの指令値であるトルク指令値τ*を出力する。トルク指令値τ*は、「零」を含む「正負極性」の値である。トルク指令設定部ＴＳは、モータ制御装置１００に対する上位の制御装置の内部に備えられる。

モータ制御装置１００は、座標変換部１０と、速度演算部１５と、トルク推定演算部２０と、トルク修正演算部２５と、ｄ軸電流指令設定部４０と、電流指令変換演算部４５と、ｄ軸電流制御演算部５０と、ｑ軸電流制御演算部５５と、電圧ベクトル演算部６０と、座標変換部６５と、差演算部ＤＦ１，ＤＦ２，ＤＦ３，ＤＦ４とを備えている。

座標変換部１０は、永久磁石同期モータＭＯＴに供給される３相の交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの電流検出器ＳＩによる検出値である電流検出値Ｉｕｃ，Ｉｖｃ，Ｉｗｃと、位相演算部３５によって推定された回転位相の推定値θｄｃとから、ｄ軸およびｑ軸の電流検出値Ｉｄｃ，Ｉｑｃを出力する。

速度演算部１５は、位置検出器ＰＤによって検出された位置検出値θｄｃが入力され、ＰＭモータ１の速度検出値ωを出力する。

トルク推定演算部２０は、電圧ベクトル演算部６０が出力する電圧指令値Ｖｄｃ*，Ｖｑｃ*と、速度推定演算部３０によって推定された速度推定値ω＾と、座標変換部１０が出力する電流検出値Ｉｄｃ，Ｉｑｃとを用いて、出力トルクの推定演算を行い、トルク推定値τ＾を出力する。

差演算部ＤＦ１は、トルク指令設定部ＴＳが出力するトルク指令値τ*と、トルク推定演算部２０が算出したトルク推定値τ＾との偏差（τ*−τ＾）を算出する。

トルク修正演算部２５は、差演算部ＤＦ１の出力である偏差（τ*−τ＾）を比例・積分演算し、トルク指令の修正値Δτ*を出力する。

加算部ＡＤ１は、トルク指令設定部ＴＳが出力するトルク指令値τ*と、トルク修正演算部２５が出力するトルク指令の修正値Δτ*を加算する。

ｄ軸電流指令設定部４０は、「零」あるいは「負極性」の値であるｄ軸の電流指令値Ｉｄ*を出力する。

電流指令変換演算部４５は、トルク指令設定部ＴＳからのトルク指令値τ*と、ｄ軸電流指令設定部４０が出力するｄ軸の電流指令値Ｉｄ*と、永久磁石同期モータＭＯＴの電気定数（Ｌｄ，Ｌｑ，Ｋｅ）を用いて、ｑ軸の電流指令値Ｉｑ*を算出する。ここで、電気定数（Ｌｄ，Ｌｑ，Ｋｅ）は、電流指令変換演算部４５の内部に設定値として保持されている。電気定数（Ｌｄ，Ｌｑ，Ｋｅ）の値としては、本実施形態のモータ制御装置１００によって駆動制御される永久磁石同期モータＭＯＴの設計値を設定保持している。

差演算部ＤＦ２は、ｄ軸電流指令設定部４０が出力する第１のｄ軸の電流指令値Ｉｄ*と、座標変換部１０が出力する電流検出値Ｉｄｃとの偏差（Ｉｄ*−Ｉｄｃ）を算出する。

ｄ軸電流制御演算部５０は、差演算部ＤＦ２が算出した偏差（Ｉｄ*−Ｉｄｃ）から、第２のｄ軸の電流指令値Ｉｄ**を出力する。

差演算部ＤＦ３は、電流指令変換演算部４５が出力する第１のｑ軸の電流指令値Ｉｑ*と、座標変換部１０が出力する電流検出値Ｉｑｃとの偏差（Ｉｑ*−Ｉｑｃ）を算出する。

ｑ軸電流制御演算部５５は、差演算部ＤＦ３が算出した偏差（Ｉｑ*−Ｉｑｃ）から、第２のｑ軸の電流指令値Ｉｑ**を出力する。

電圧ベクトル演算部６０は、ｄ軸電流制御演算部５０が出力する第２のｄ軸の電流指令値Ｉｄ**と、ｑ軸電流制御演算部５５が出力する第２のｑ軸の電流指令値Ｉｑ**と、速度推定値ω＾と、予め設定されている永久磁石同期モータＭＯＴの電気定数（Ｒ，Ｌｄ，Ｌｑ，Ｋｅ）とに基づいて、ｄ軸およびｑ軸の電圧指令値Ｖｄｃ*，Ｖｑｃ*をそれぞれ出力する。

座標変換部６５は、電圧ベクトル演算部６０が出力する電圧指令値Ｖｄｃ*，Ｖｑｃ*と、位相演算部３５が推定した回転位相の推定値θｄｃとから、３相交流の電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*をそれぞれ出力する。

すなわち、本実施形態では、モータに対するトルク指令値τ*から求められたｑ軸電流指令値Ｉｑ*及び設定されているｄ軸電流指令値Ｉｄ*が、モータに電力変換器を介して供給される電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗに対するｄ軸及びｑ軸電流検出値ｄｃ，Ｉｑｃに一致するように、モータに供給される電流を制御している。以上のフィードバック制御により、モータのトルクがトルク指令値に一致するようにモータに供給される電流が制御される。但し、モータ定数に誤差があると、実際にモータから出力されるトルク値は、トルク指令値とは異なることになる。

次に、本実施形態のモータ制御装置１００の動作について説明するが、最初に、本実施形態の特徴である「トルク推定演算部２０」及び「トルク修正演算部２５」を用いない場合の制御方式の基本動作について説明する。

電流指令変換演算部４５において、トルク指令τ*とｄ軸の電流指令Ｉｄ*およびＰＭモータＭＯＴの電気定数を用いて、式（１）によりトルク指令τ*に見合ったｑ軸の電流指令Ｉｑ*を演算する。

ｄ軸の電流制御演算部５０には、ｄ軸の電流指令値Ｉｄ*と電流検出値Ｉｄｃが入力され、ｑ軸の電流制御演算部５５にはｄ軸の電流指令値Ｉｑ*と電流検出値Ｉｑｃが入力される。

ここでは、ｄ軸の電流制御演算部５０及びｑ軸の電流制御演算部５５は、式（２）に従い、電流指令値Ｉｄ*，ｑ*に、各成分の電流検出値Ｉｄｃ，Ｉｑｃが追従するよう、比例・積分演算を行い、第２のｄ軸およびｑ軸の電流指令値Ｉｄ**，ｑ**を出力する。

ここで、Ｋｐｄ：ｄ軸の電流制御の比例ゲイン、Ｋｉｄ：ｄ軸の電流制御の積分ゲイン、Ｋｐｑ：ｑ軸の電流制御の比例ゲイン、Ｋｉｑ：ｑ軸の電流制御の積分ゲインである。

さらに、電圧ベクトル演算部６０において、得られた第２の電流指令値Ｉｄ**，Ｉｑ**とモータ定数（Ｒ，Ｌｄ，Ｌｑ，Ｋｅ）および速度検出値ωを用いて、式（３）に示す電圧指令値Ｖｄｃ**、Ｖｑｃ**を演算し、３相のＰＷＭインバータの出力を制御する。

ここで、モータ定数（Ｒ，Ｌｄ，Ｌｑ，Ｋｅ）は、電圧ベクトル演算部６０の内部に設定値として保持されている。モータ定数（Ｒ，Ｌｄ，Ｌｑ，Ｋｅ）の値としては、本実施形態のモータ制御装置１００によって駆動制御される永久磁石同期モータＭＯＴの設計値を設定保持している。なお、実際に用いられる個々の永久磁石同期モータＭＯＴのモータ定数（Ｒ，Ｌｄ，Ｌｑ，Ｋｅ）の値は、永久磁石同期モータＭＯＴのモータ定数（Ｒ，Ｌｄ，Ｌｑ，Ｋｅ）の設計値とは異なるものであるが、両者の誤差、及び個々の永久磁石同期モータＭＯＴのモータ定数（Ｒ，Ｌｄ，Ｌｑ，Ｋｅ）が経時変化することにより生じる設定値との誤差は、後述するトルク推定演算部２０及び位相誤差指令演算部２５を用いることにより、補償されるものである。

一方、レゾルバ，エンコーダ，磁極位置検出器などの位置検出器ＰＤでは、モータの位置θを検出し、位置検出値θｄｃを得る。

座標変換部１０，６５では、この位置検出値θｄｃを用いて、式（４）や式（５）に示す座標変換を行っている。

以上が、トルク推定演算部２０、トルク修正演算部２５を用いない場合の、トルク制御の基本動作である。

次に、トルク推定演算部２０、トルク修正演算部２５を設けない場合の、制御特性について説明する。

最初に、図２〜図５を用いて、「電流指令変換演算部４５」と「電圧ベクトル演算部６０」に設定するモータ定数の誤差がトルク制御特性におよぼす影響について説明する。

図２及び図４は、モータ定数の設定値に誤差がない場合の出力トルクの変動の説明図である。図３及び図５は、モータ定数の設定値に誤差がある場合の出力トルクの変動の説明図である。

各図（Ａ）は、トルク指令τ*を１００％ステップ変化させた場合の出力トルクτを示し、各図（Ｂ）は交流のモータ電流Ｉｕを示す。

［１］Ｉｄ*＝０設定の場合
図１の制御装置において、ｄ軸の電流指令Ｉｄ*＝０設定で、トルク指令τ*を１００％ステップ変化させる動作を行う。

モータ定数の設定値に誤差がない場合は、図２に示すように、誤差がない理想の状態では、図２（Ｂ）に示すように、１００％のｕ相の交流電流Ｉｕを発生させているため、図２（Ｂ）に示すように、トルク指令τ*通り１００％の出力トルクτを得ることができている。

モータ定数の設定値に誤差がある場合は、ここでは、Ｌｑ*＞Ｌｑ、Ｋｅ*＞Ｋｅの関係で誤差を与えている。

図３（Ａ）に示すように、トルク指令τ*を１００％与えているが、出力トルクτは８３％になっている。これは「電流指令変換演算部４５」において、式（６）を演算する際、ｑ軸の電流指令値Ｉｑ*が減少しているためである。その結果、図３（Ｂ）に示すように、ｕ相の交流電流Ｉｕが８３％になっている。

これは、式（６）の分母成分にＫｅ*が含まれているため、Ｋｅ*に設定誤差が存在するとトルクに見合った電流を流すことができなくなる。

［２］最大トルク制御Ｉｄ*＜０設定の場合
次に、図１の制御装置において、ｄ軸の電流指令Ｉｄ*＜０設定で、トルク指令τ*を１００％ステップ変化させる動作を行う。

ＰＭモータＭＯＴの出力トルクτは式（７）である。

この式（７）を展開すると、式（８）を得る。

右辺の第１項は「磁石トルク成分」、第２項が「リラクタンストルク成分」である。ｄ軸の電流指令Ｉｄ*を数式（９）により発生させることで、リラクタンストルク成分を活用し、同一トルクにおいてモータ電流の最小化を行うことができる。

モータ定数の設定値に誤差がない場合は、図４（Ａ）に示すように、誤差がない理想の状態では、トルク指令τ*通り１００％の出力トルクτを得ることができており、図４（Ｂ）に示すように、ｕ相の交流電流Ｉｕは８８％になっている。すなわち、図２より少ない電流で同一トルクを出力することができている。

モータ定数の設定値に誤差がある場合は、Ｌｑ*＞Ｌｑ、Ｋｅ*＞Ｋｅの関係で誤差を与えている。この場合、図５（Ａ）に示すように、トルク指令τ*を１００％与えているが、出力トルクτは８１％になっており、図３に比べて２％トルクが減少している。図５（Ｂ）に示すように、ｕ相の交流電流Ｉｕも７４％に減少している。

これは「電流指令変換演算部４５」において、式（１）と式（９）を演算する際、分母成分にＫｅ*とＬｑ*が含まれているため、その設定誤差によりトルク指令τ*に見合ったｄ軸およびｑ軸の電流指令値を発生させることができていないためである。

そこで本発明では、「トルク推定演算部２０」、「トルク修正演算部２５」を導入することで、トルク指令τ*通りの出力トルクτが得られる高精度なトルク制御を実現する。

次に、図６及び図７を用いて、本発明の第１の実施形態によるモータ制御装置において、「トルク推定演算部２０」、「トルク修正演算部２５」を用いた場合の、動作原理について説明する。
図６は、本発明の第１の実施形態によるモータ制御装置に用いるトルク推定演算部の動作説明図である。図７は、本発明の第１の実施形態によるモータ制御装置に用いるトルク修正演算部の動作説明図である。

モータの磁束軸から観た有効電力Ｐは式（１０）となる。

また、制御の基準軸（ｄｃ−ｑｃ）上で演算する推定値Ｐ＾は式（１０）となる。

図６に示す「トルク推定演算部２０」では、この有効電力の推定値Ｐ＾を用いて、 出力トルクτの推定演算を行う。

ここで、「モータの磁束軸から観測する有効電力Ｐ」と「基準軸（ｄｃ−ｑｃ）上で演算する推定値Ｐ＾」は一致することを利用して、トルク推定演算部２０は、式（１１）から、ＰＭモータＭＯＴの銅損成分であるＲ×（Ｉｄｃ２＋Ｉｑｃ２）を減算し、その演算値を速度検出値ωで除算した後、定数（（３／２）×Ｐｍ）を乗じる式（１２）の演算を行うことで、式（７）の出力トルクτを高精度に推定することができる。

また、図７に示す「トルク指令修正部２５」においては、トルク指令τ*に出力トルク推定値τ＾が追従するように、τ*とτ＾の偏差に積分ゲインＡを乗じて積分演算（あるいは比例＋積分演算でも良い）を行い、トルク指令の修正値Δτ*を作成する。

この修正値Δτ*を上位から与えられる第１のトルク指令値τ*に加算して、新しい第２のトルク指令値τ**を演算し、電流指令変換演算部４５において、式（１）によりｑ軸の電流指令値Ｉｑ*の演算を行う。

このようなフィードバック・ループを組むことで、高精度なトルク制御を実現することができる。

ここで、図８及び図９を用いて、本実施形態における出力トルクの変動について説明する。
図８及び図９は、本発明の第１の実施形態によるモータ制御装置を用いたモータ駆動システムにおける出力トルクの変動の説明図である。

各図（Ａ）は、トルク指令τ*を１００％ステップ変化させた場合の出力トルクτを示し、各図（Ｂ）は交流のモータ電流Ｉｕを示す。

本発明を用いた場合のトルク制御特性について説明する。

図１の制御装置において、「電流指令変換演算部４５」と「電圧ベクトル演算部６０」に設定するモータ定数の設定値（Ｌｑ*，Ｋｅ*）に、Ｌｑ*＞Ｌｑ、Ｋｅ*＞Ｋｅの関係で誤差を与えている（図２、図３と同条件）。

［１］Ｉｄ*＝０設定の場合
図８には、トルク指令τ*を１００％ステップ変化させた場合の出力トルクτとｕ相の交流電流Ｉｕの関係を示す。時刻ｔ１において、トルク指令修正の制御動作を実行している。図２の場合と同様に、図８（Ａ）に示すように、τ*を１００％与えている。時刻ｔ１から「破線」で示す第２のトルク指令値τ**は定常的に１２０％発生しており、トルク指令値の大きさを修正することで、トルク指令τ*通りの出力トルク１００％を実現できている。

［２］最大トルク制御Ｉｄ*＜０設定の場合
図９には、トルク指令τ*を１００％ステップ変化させた場合の出力トルクτとｕ相の交流電流Ｉｕの関係を示す。

図５の場合と同様に、τ*を１００％与えている。時刻ｔ１から「破線」で示す第２のトルク指令値τ**は定常的に１２３％発生しており、トルク指令値の大きさを修正することで、トルク指令τ*通りの出力トルク１００％を実現できている。

つまり、ＰＭモータＭＯＴのモータ定数の設定誤差に対してロバスト化することができている。

次に、図１０を用いて、本実施形態によるモータ制御装置に用いるトルク推定演算部の他の構成について説明する。
図１０は、本発明の第１の実施形態によるモータ制御装置に用いるトルク推定演算部の他の構成の説明図である。

図６に示したでは、トルク推定演算部２０は、ｄ軸およびｑ軸の電圧指令値と電流検出値を用いて推定演算を行ったが、その代わりに、図１０に示す構成にしてもよいものである。すなわち、トルク推定演算部２０ａでは、３相の電圧指令値（Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*）と３相の電流検出値（Ｉｕｃ，Ｉｖｃ，Ｉｗｃ）を用いて、出力トルクτの推定演算を行う。

式（１３）の演算を行うことでも式（１２）と同等に出力トルクτを高精度に推定することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、有効電力値から演算したトルク推定値が、上位から与えられるトルク指令値に一致するように、新しい第２のトルク指令値を演算することで、オンライン的に補償を行いトルク指令値通りの出力トルクを実現できるものとなる。このように、モータ定数の設定誤差も含めて補償して、高精度なトルク制御が可能となる。

次に、図１１及び図１２を用いて、本発明の第２の実施形態によるモータ制御装置の構成及び動作について説明する。
図１１は、本発明の第２の実施形態によるモータ制御装置を用いたモータ駆動システムの構成について説明する。図１２は、本発明の第２の実施形態によるモータ制御装置に用いるトルク推定演算部の動作説明図である。

本実施形態のモータ制御装置１００ａが、図１に示したモータ制御装置１００と相違する点は、図１のモータ制御装置１００におけるトルク推定演算部２０に代えて、トルク推定演算部２０ｂを備えるようにした点である。

直流電源Ｂは、電力変換器ＩＮＶに直流電圧を供給し、直流電圧ＥDCと直流電流ＩDCをトルク推定演算部２０ｂに出力する。

トルク推定演算部２０ｂは、電力変換器の情報（ＥDC，ＩDC）と、ｄ軸およびｑ軸の電流検出値（Ｉｄｃ，Ｉｑｃ）と、速度推定値τ＾を用いて、出力トルクτ＾の推定演算を行う。

式（１４）の演算を行うことで、式（１２）と同等に式（７）の出力トルクτを高精度に推定することができる。

本実施形態によっても、高精度なトルク制御が可能となる。

次に、図１３〜図１４を用いて、本発明の第３の実施形態によるモータ制御装置の構成及び動作について説明する。
図１３は、本発明の第３の実施形態によるモータ制御装置を用いたモータ駆動システムの構成について説明する。図１４は、本発明の第３の実施形態によるモータ制御装置の動作説明図である。

本実施形態のモータ制御装置１００ｂが、図１に示したモータ制御装置１００と相違する点は、図１のモータ制御装置１００における位置検出器ＰＤを用いないセンサレス方式であり、図１のモータ制御装置１００における位置検出器ＰＤ，速度演算部１５に代えて、位相誤差推定演算部１７，速度推定演算部３０，位相演算部３５を備えるようにした点である。

位相誤差推定演算部１７は、電圧指令値Ｖｄｃ*、Ｖｑｃ*と電流検出値Ｉｄｃ、Ｉｑｃと速度検出値ωおよびモータ定数に基づいて、位置推定値θｄｃ＾とＰＭモータＭＯＴの位置θの偏差である位相誤差Δθ（＝θｄｃ＾−θ）の推定演算を行う。

電圧指令値Ｖｄｃ*、Ｖｑｃ*と電流検出値Ｉｄｃ、Ｉｑｃと速度検出値ωおよびモータ定数に基づいて、位置推定値とモータの位置の偏差である位相誤差Δθｃを式（１５）により演算する。

速度推定演算部３０は、位相誤差の推定値Δθｃを「ゼロ」にするように、速度推定値ω＾の推定演算を行う。

位相演算３５は、速度推定値ω＾を積分し、位置推定値θｄｃ＾の推定演算を行う。このような位置センサレス制御方式でも前記実施例と同様に動作する。

図１の制御装置において、「電流指令変換演算部４５」と「電圧ベクトル演算部６０」に設定するモータ定数の設定値（Ｌｑ*、Ｋｅ*）に、Ｌｑ*＞Ｌｑ、Ｋｅ*＞Ｋｅの関係で誤差を与えている（図９と同条件）。

図１４は、最大トルク制御（Ｉｄ*＜ ０設定）において、トルク指令τ*を１００％ステップ変化させた場合の出力トルクτとｕ相の交流電流Ｉｕの関係を示している。

時刻ｔ１から「破線」で示す第２のトルク指令値τ**は定常的に１２５％発生しており、トルク指令値の大きさを修正することで、位置センサレス制御時でもトルク指令τ*通りの出力トルク１００％を達成することができている。

以上説明したように、センサレスの場合には、本実施形態によっても、高精度なトルク制御が可能となる。

なお、以上の各実施形態では、第１のトルク指令τ*とトルク指令の修正値Δτ*を加算して第２のトルク指令τ**を作成したが、第１のトルク指令τ*を加算せずトルク指令の修正値Δτ*を直接第２のトルク指令τ**としても良い。

また、各実施形態では、第１の電流指令値Ｉｄ*、Ｉｑ*と電流検出値Ｉｄｃ、Ｉｑｃから第２の電流指令値Ｉｄ**、Ｉｑ**を作成して、この電流指令値を用いてベクトル制御演算を行った。

それに対して、第１の電流指令値Ｉｄ*、Ｉｑ*と電流検出値Ｉｄｃ、Ｉｑｃの偏差を比例＋積分演算して、電圧補正値ΔＶｄ*、ΔＶｑ*を作成し、この電圧補正値ΔＶｄ*、ΔＶｑ*と、第１の電流指令値Ｉｄ*、Ｉｑ*、速度検出値ω、ＰＭモータＭＯＴのモータ定数を用いて、式（１６）に従い電圧指令値Ｖｄｃ*、Ｖｑｃ*を演算するベクトル制御演算方式を適用することもできる。

また、第１のｄ軸の電流指令Ｉｄ*＝０およびｑ軸の電流検出値Ｉｑｃの一次遅れ信号Ｉｑｃｔｄおよび速度指令値ω*、モータＭＯＴのモータ定数を用いて、式（１７）に従い電圧指令値Ｖｄｃ*、Ｖｑｃ*を演算するベクトル制御演算方式にも適用することはできる。

また、各実施形態では、高価な電流検出器ＰＤ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、電力変換器ＩＮＶの過電流検出用に取り付けているワンシャント抵抗に流れる直流電流ＩＤＣから、３相のモータ電流Ｉｕ＾、Ｉｖ＾、Ｉｗ＾を再現し、この再現電流値を用いる「低コストな電動車輌システム」にも対応することができる。

次に、図１５及び図１６を用いて、本発明の各実施形態によるモータ制御装置を適用する作業機械の構成について説明する。
図１５及び図１６は、本発明の各実施形態によるモータ制御装置を適用する作業機械の構成図である。

図１５は、作業機械の一例として、ホイルローダの構成を示している。

本例のホイールローダ２０１は、車両の中心あたりで中折れしてステアリングをきるアーティキュレートタイプの車両であり、プロペラシャフトの中折れする部分にセンタージョイント（ＣＪ）１５が組み込まれていると共に、このセンタージョイント１５より前側のフロントフレーム５０と後側のリアフレーム６０とを有している（図１３参照）。そして、センタージョイント（ＣＪ）１５を挟んで前後のプロペラシャフトのそれぞれに、走行用電動機として第１の電動機（Ｍ１）と、第２の電動機（Ｍ２）が配置されている。走行用電動機が回転すると、その動力はプロペラシャフトへと伝達され、ディファレンシャルギヤ（Ｄｉｆ）およびギヤ（Ｇ）を介して車輪１３が回転駆動するのである。

また、エンジンを駆動すると油圧ポンプが作動し、この油圧ポンプから圧油が油圧作業装置（作業装置）５へと供給される。油圧作業装置５に供給された圧油は、制御弁Ｃ／Ｖを介してバケット、リフト、ステアリングへと供給されており、図示しない運転室からオペレータが操作レバー等を操作することにより、バケット、リフト、ステアリングは所定の動作を行うことができるようになっている。

モータ制御装置により制御される永久磁石同期モータＭＯＴは、車輪を駆動する走行駆動用モータと、エンジンをアシストするアシストモータである。走行駆動用モータは、レゾルバ等の位置検出器ＰＤを用いている。そのため、走行駆動用モータを制御するモータ制御装置としては、図１に示したモータ制御装置１００や図１１に示したモータ制御装置１００ａが用いられる。アシストモータは、位置検出器ＰＤを用いていないものである。そのため、アシストモータを制御するモータ制御装置としては、図１３に示したモータ制御装置１００ｂが用いられる。

また、別の例として、走行駆動用モータを制御するモータ制御装置や、アシストモータを制御するモータ制御装置としては、それぞれ、図１に示したモータ制御装置１００や図１１に示したモータ制御装置１００ａを用いることもできる。

図１６は、作業機械の他の例として、油圧ショベル３０１の構成を示している。

建設機械としてのクローラ式の油圧ショベル３０１は、自走可能な下部走行体３０２と、該下部走行体３０２上に旋回可能に搭載され、該下部走行体３０２と共に車体を構成する上部旋回体３０３と、該上部旋回体３０３の前側に俯仰動可能に設けられ、土砂の掘削作業等を行なう作業装置３０４とにより大略構成されている。上部旋回体３０３の旋回フレーム３０５は、支持構造体からなる車体フレームとして構成されている。

モータ制御装置により制御される永久磁石同期モータＭＯＴは、下部走行体３０２に対して上部旋回体３０３を旋回させるための旋回モータと、エンジンをアシストするアシストモータである。旋回モータは、レゾルバ等の位置検出器ＰＤを用いている。そのため、旋回モータを制御するモータ制御装置としては、図１に示したモータ制御装置１００や図１１に示したモータ制御装置１００ａが用いられる。アシストモータは、位置検出器ＰＤを用いていないものである。そのため、アシストモータを制御するモータ制御装置としては、図１３に示したモータ制御装置１００ｂが用いられる。

また、別の例として、旋回モータを制御するモータ制御装置や、アシストモータを制御するモータ制御装置としては、それぞれ、図１に示したモータ制御装置１００や図１１に示したモータ制御装置１００ａを用いることができる。

１０，６５…座標変換部
１５…速度演算部
１７…位相誤差推定演算部
２０、２０ａ、２０ｂ…トルク推定演算部
２５…トルク修正演算部
３０…速度推定演算部
３５…位相演算部
４０…ｄ軸電流指令設定部
４５…電流指令変換演算部
５０…ｄ軸電流制御演算部
５５…ｑ軸電流制御演算部
６０…電圧ベクトル演算部
１００，１００ａ，１００ｂ…モータ制御装置
Ｂ…直流電源
ＩＮＶ…電力変換器
ＭＯＴ…永久磁石同期電動機
ＰＤ…位置検出器
ＳＩ…電流検出器
ＴＳ…トルク指令設定部

Claims (12)

1. 永久磁石同期電動機に対するトルク指令値から求められた電流指令値が、前記永久磁石同期電動機に電力変換器を介して供給される電流に対する電流検出値に一致するように、前記永久磁石同期電動機に供給される電流を制御する制御部を有し、
   永久磁石同期電動機のトルク制御を行うモータ制御装置であって、
   前記制御部は、上位制御装置から与えられる第１のトルク指令値に前記電力変換器の電力情報から求めたトルク推定値が一致するように、第２のトルク指令値を演算し、
   該第２のトルク指令値に従いトルク制御を行うことを特徴とするモータ制御装置。
2. 請求項１記載のモータ制御装置において、
   前記永久磁石同期電動機の磁極位置を検出する位置検出器を備え、
   前記制御部は、該位置検出器によって検出された磁極位置から算出された速度検出値と、前記第２のトルク指令値から求めたｄ軸およびｑ軸の電流指令値と、電流検出値と、モータ定数の設定値とに従い、ｄ軸およびｑ軸の電圧指令値の演算を行い、前記電力変換器の出力電圧を制御することを特徴とするモータ制御装置。
3. 請求項１記載のモータ制御装置において、
   前記制御部は、前記第２のトルク指令値から求めたｄ軸およびｑ軸の電流指令値と、電流検出値と、速度推定値と、モータ定数の設定値とに従い、ｄ軸およびｑ軸の電圧指令値の演算を行い、電力変換器の出力電圧を制御し、
   前記速度推定値を積分して求めた回転位相推定値と前記永久磁石同期電動機の回転位相値との偏差である位相誤差が位相誤差の指令値に一致するように前記速度推定値を演算することを特徴とするモータ制御装置。
4. 請求項２若しくは請求項３に記載のモータ制御装置において、
   前記制御部は、前記トルク推定値を算出するトルク推定値演算部を備え、
   該トルク推定値演算部は、
   ｄ軸の電圧指令値と電流検出値の乗算値とｑ軸の電圧指令値と電流検出値の乗算値とを加算した第１の電力信号から、ｄ軸およびｑ軸の電流検出値をそれぞれ２乗した加算値に前記永久磁石同期電動機の抵抗値を乗じた第２の電力信号を減算し、
   該減算値を速度推定値で除算した結果に定数を乗じて前記トルク推定値を算出することを特徴とするモータ制御装置。
5. 請求項２若しくは請求項３に記載のモータ制御装置において、
   前記制御部は、前記トルク推定値を算出するトルク推定値演算部を備え、
   該トルク推定値演算部は、
   前記電力変換器の直流電圧と直流電流を乗算した結果に定数を乗じた第１の電力信号から、３相の電流検出値を各相毎に２乗した加算値にモータの抵抗値を乗じた第２の電力信号を減算し、
   該減算値を速度推定値で除算した結果に定数を乗じて前記トルク推定値を算出することを特徴とするモータ制御装置。
6. 請求項２若しくは請求項３に記載のモータ制御装置において、
   前記制御部は、前記トルク推定値を算出するトルク推定値演算部を備え、
   該トルク推定値演算部は、
   前記電力変換器の直流電圧と直流電流を乗算した結果に定数を乗じた第１の電力信号から、ｄ軸およびｑ軸の電流検出値をそれぞれ２乗し、
   それらを加算した値に、前記永久磁石同期電動機の抵抗値を乗じた第２の電力信号を減算し、
   該減算値を速度推定値で除算した結果に、定数を乗じて前記トルク推定値を算出することを特徴とするモータ制御装置。
7. 請求項１記載のモータ制御装置において、
   前記上位制御装置から与えられる前記第１のトルク指令値とトルク出力値の偏差は、永久磁石同期電動機の電流値の２乗に比例し、電動機速度に反比例することを特徴とするモータ制御装置。
8. 永久磁石同期電動機と、
   直流を３相交流に変換し、前記永久磁石同期電動機に供給して、前記永久磁石同期電動機の出力トルクを可変する電力変換器と、
   前記永久磁石同期電動機に対するトルク指令値から求められた電流指令値が、前記永久磁石同期電動機に前記電力変換器を介して供給される電流に対する電流検出値に一致するように、前記永久磁石同期電動機に供給される電流を制御する制御部を有する作業機械であって、
   前記制御部は、上位制御装置から与えられる第１のトルク指令値に前記電力変換器の電力情報から求めたトルク推定値が一致するように、第２のトルク指令値を演算し、
   該第２のトルク指令値に従いトルク制御を行うことを特徴とする作業機械。
9. 請求項８記載の作業機械において、
   前記作業機械は、ホイルローダであり、
   該ホイルローダは、前記永久磁石同期電動機として、車輪を駆動する走行駆動用モータと、エンジンをアシストするアシストモータとを備え、
   前記走行駆動用モータを制御するモータ制御装置は、請求項２記載の制御部を備え、
   前記アシストモータを制御するモータ制御装置は、請求項３記載の制御部を備えることを特徴とする作業機械。
10. 請求項８記載の作業機械において、
    前記作業機械は、ホイルローダであり、
    該ホイルローダは、前記永久磁石同期電動機として、車輪を駆動する走行駆動用モータと、エンジンをアシストするアシストモータとを備え、
    前記走行駆動用モータを制御するモータ制御装置及び前記アシストモータを制御するモータ制御装置は、請求項２記載の制御部を備えることを特徴とする作業機械。
11. 請求項８記載の作業機械において、
    前記作業機械は、油圧ショベルであり、
    該油圧ショベルは、前記永久磁石同期電動機として、下部走行体に対して上部旋回体を旋回させる旋回モータと、エンジンをアシストするアシストモータとを備え、
    前記旋回モータを制御するモータ制御装置は、請求項２記載の制御部を備え、
    前記アシストモータを制御するモータ制御装置は、請求項３記載の制御部を備えることを特徴とする作業機械。
12. 請求項８記載の作業機械において、
    前記作業機械は、油圧ショベルであり、
    該油圧ショベルは、前記永久磁石同期電動機として、下部走行体に対して上部旋回体を旋回させる旋回モータと、エンジンをアシストするアシストモータとを備え、
    前記旋回モータを制御するモータ制御装置及び前記アシストモータを制御するモータ制御装置は、請求項２記載の制御部を備えることを特徴とする作業機械。

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