特許 6014401 電動機制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6014401

(24)【登録日】2016年9月30日

(45)【発行日】2016年10月25日

(54)【発明の名称】電動機制御装置

(51)【国際特許分類】

   H02P 21/16 20160101AFI20161011BHJP

【ＦＩ】

   H02P21/16

【請求項の数】10

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2012-164726(P2012-164726)

(22)【出願日】2012年7月25日

(65)【公開番号】特開2014-27742(P2014-27742A)

(43)【公開日】2014年2月6日

【審査請求日】2015年4月21日

(73)【特許権者】

【識別番号】302038844

【氏名又は名称】東芝シュネデール・インバータ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000567

【氏名又は名称】特許業務法人 サトー国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】有馬 裕樹

【審査官】 マキロイ 寛済

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−３５２７７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１７１７８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２４２９０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−２６０７８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−３１３４９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２６９２７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−０１５０５８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｐ ２１／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電動機を駆動するインバータ装置と、
前記電動機の検出電流を出力周波数に同期した同期座標軸上に変換し、その同期座標軸上においてロータの回転速度を推定して出力周波数を決定するとともに電流指令値と電流検出値が一致するように指令出力電圧を決定し、その指令出力電圧を静止座標軸上に変換して前記インバータ装置を駆動するベクトル制御器と、
速度指令値と前記ベクトル制御器で推定された速度推定値が一致するようにトルク指令値を決定する速度制御器と、
前記トルク指令値に基づいて前記電流指令値を算出して前記ベクトル制御器に入力する電流指令演算器と、
前記電動機のロータに接続された負荷機のトルクを推定し、前記電動機が出力するトルク値から前記負荷トルク推定値を減算して得られる加減速トルク出力値と、前記速度推定値の単位時間あたりの変化量に慣性モーメント推定値を乗じて得た加減速トルク推定値との偏差に基づいて、前記電動機のロータの慣性モーメントと前記負荷機の慣性モーメントとを合わせた慣性モーメントを推定する慣性モーメント推定器とを備え、
前記速度制御器は、前記慣性モーメント推定器で推定された慣性モーメント推定値に基づいて、制御定数を調整可能に構成され、
前記電動機が定格回転速度以下の速度指令値により駆動している状態から、前記速度指令値が増減方向のうち第１の向きに所定の速度幅だけ変化し、前記電動機の回転速度が整定する時間が経過した後、前記速度指令値が先の向きとは逆の第２の向きに前記速度幅だけ変化し、前記電動機の回転速度が整定する時間が経過した後、再び前記速度指令値が前記第１の向きに変化するように前記速度指令値の変化が繰り返される状態において、前記慣性モーメント推定器は前記慣性モーメントを推定し、
前記加減速トルク出力値または前記加減速トルク推定値の単位時間あたりの変化量が規定値以上になるように前記速度指令値の速度変化幅が調整された状態において、前記慣性モーメント推定器は前記慣性モーメントを推定することを特徴とする電動機制御装置。

【請求項2】

電動機を駆動するインバータ装置と、
前記電動機の検出電流を出力周波数に同期した同期座標軸上に変換し、その同期座標軸上においてロータの回転速度を推定して出力周波数を決定するとともに電流指令値と電流検出値が一致するように指令出力電圧を決定し、その指令出力電圧を静止座標軸上に変換して前記インバータ装置を駆動するベクトル制御器と、
速度指令値と前記ベクトル制御器で推定された速度推定値が一致するようにトルク指令値を決定する速度制御器と、
前記トルク指令値に基づいて前記電流指令値を算出して前記ベクトル制御器に入力する電流指令演算器と、
前記電動機のロータに接続された負荷機のトルクを推定し、前記電動機が出力するトルク値から前記負荷トルク推定値を減算して得られる加減速トルク出力値と、前記速度推定値の単位時間あたりの変化量に慣性モーメント推定値を乗じて得た加減速トルク推定値との偏差に基づいて、前記電動機のロータの慣性モーメントと前記負荷機の慣性モーメントとを合わせた慣性モーメントを推定する慣性モーメント推定器とを備え、
前記速度制御器は、前記慣性モーメント推定器で推定された慣性モーメント推定値に基づいて、制御定数を調整可能に構成され、
前記電動機が定格回転速度以下の速度指令値により駆動している状態から、前記速度指令値が増減方向のうち第１の向きに所定の速度幅だけ変化し、前記電動機の回転速度が整定する時間が経過した後、前記速度指令値が先の向きとは逆の第２の向きに前記速度幅だけ変化し、前記電動機の回転速度が整定する時間が経過した後、再び前記速度指令値が前記第１の向きに変化するように前記速度指令値の変化が繰り返される状態において、前記慣性モーメント推定器は前記慣性モーメントを推定し、
前記慣性モーメント推定器は、前記速度推定値の単位時間あたりの変化量が所定のしきい値未満となる期間中、前記慣性モーメントの推定動作を停止し、当該期間の前に推定した慣性モーメント推定値を維持することを特徴とする電動機制御装置。

【請求項3】

電動機を駆動するインバータ装置と、
前記電動機の検出電流を出力周波数に同期した同期座標軸上に変換し、その同期座標軸上においてロータの回転速度を推定して出力周波数を決定するとともに電流指令値と電流検出値が一致するように指令出力電圧を決定し、その指令出力電圧を静止座標軸上に変換して前記インバータ装置を駆動するベクトル制御器と、
速度指令値と前記ベクトル制御器で推定された速度推定値が一致するようにトルク指令値を決定する速度制御器と、
前記トルク指令値に基づいて前記電流指令値を算出して前記ベクトル制御器に入力する電流指令演算器と、
前記電動機のロータに接続された負荷機のトルクを推定し、前記電動機が出力するトルク値から前記負荷トルク推定値を減算して得られる加減速トルク出力値と、前記速度推定値の単位時間あたりの変化量に慣性モーメント推定値を乗じて得た加減速トルク推定値との偏差に基づいて、前記電動機のロータの慣性モーメントと前記負荷機の慣性モーメントとを合わせた慣性モーメントを推定する慣性モーメント推定器とを備え、
前記速度制御器は、前記慣性モーメント推定器で推定された慣性モーメント推定値に基づいて、制御定数を調整可能に構成され、
前記電動機が定格回転速度以下の速度指令値により駆動している状態から、前記速度指令値が増減方向のうち第１の向きに所定の速度幅だけ変化し、前記電動機の回転速度が整定する時間が経過した後、前記速度指令値が先の向きとは逆の第２の向きに前記速度幅だけ変化し、前記電動機の回転速度が整定する時間が経過した後、再び前記速度指令値が前記第１の向きに変化するように前記速度指令値の変化が繰り返される状態において、前記慣性モーメント推定器は前記慣性モーメントを推定し、
前記慣性モーメント推定器は、前記速度推定値の単位時間あたりの変化量が所定のしきい値未満となる範囲において、当該変化量が小さいほど前記加減速トルク出力値と前記加減速トルク推定値との偏差に基づく前記慣性モーメントの推定ゲインを低下させることを特徴とする電動機制御装置。

【請求項4】

前記慣性モーメント推定器は、前記電動機が出力するトルク値として、前記トルク指令値を用いることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電動機制御装置。

【請求項5】

前記慣性モーメント推定器は、前記電動機が出力するトルク値として、前記検出電流値に基づいて算出したトルク推定値を用いることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電動機制御装置。

【請求項6】

前記慣性モーメント推定器は、前記トルク指令値を平均化した値または前記検出電流値に基づいて算出したトルク推定値を平均化した値を前記負荷トルク推定値とすることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の電動機制御装置。

【請求項7】

電動機を駆動するインバータ装置と、
前記電動機の検出電流を出力周波数に同期した同期座標軸上に変換し、その同期座標軸上においてロータの回転速度を推定して出力周波数を決定するとともに電流指令値と電流検出値が一致するように指令出力電圧を決定し、その指令出力電圧を静止座標軸上に変換して前記インバータ装置を駆動するベクトル制御器と、
速度指令値と前記ベクトル制御器で推定された速度推定値が一致するようにトルク指令値を決定する速度制御器と、
前記トルク指令値に基づいて前記電流指令値を算出して前記ベクトル制御器に入力する電流指令演算器と、
前記電動機のロータに接続された負荷機のトルクを推定し、前記電動機が出力するトルク値から前記負荷トルク推定値を減算して得られる加減速トルク出力値と、前記速度推定値の単位時間あたりの変化量に慣性モーメント推定値を乗じて得た加減速トルク推定値との偏差に基づいて、前記電動機のロータの慣性モーメントと前記負荷機の慣性モーメントとを合わせた慣性モーメントを推定する慣性モーメント推定器とを備え、
前記速度制御器は、前記慣性モーメント推定器で推定された慣性モーメント推定値に基づいて、制御定数を調整可能に構成され、
前記電動機が定格回転速度以下の速度指令値により駆動している状態から、前記速度指令値が増減方向のうち第１の向きに所定の速度幅だけ変化し、前記電動機の回転速度が整定する時間が経過した後、前記速度指令値が先の向きとは逆の第２の向きに前記速度幅だけ変化し、前記電動機の回転速度が整定する時間が経過した後、再び前記速度指令値が前記第１の向きに変化するように前記速度指令値の変化が繰り返される状態において、前記慣性モーメント推定器は前記慣性モーメントを推定し、
前記慣性モーメント推定器は、前記負荷機のトルクを粘性摩擦によるトルクＴv_estとクーロン摩擦によるトルクＴc_estの和として近似し、前記速度指令値を前記第１の向きおよび前記第２の向きにそれぞれ変化させる直前の速度推定値ωest_H，ωest_Lと、前記速度指令値を前記第１の向きおよび前記第２の向きにそれぞれ変化させる直前のトルク指令値Ｔref_H，Ｔref_Lを用いて、前記粘性摩擦によるトルクＴv_estと前記クーロン摩擦によるトルクＴc_estを推定することを特徴とする電動機制御装置。

【請求項8】

電動機を駆動するインバータ装置と、
前記電動機の検出電流を出力周波数に同期した同期座標軸上に変換し、その同期座標軸上においてロータの回転速度を推定して出力周波数を決定するとともに電流指令値と電流検出値が一致するように指令出力電圧を決定し、その指令出力電圧を静止座標軸上に変換して前記インバータ装置を駆動するベクトル制御器と、
速度指令値と前記ベクトル制御器で推定された速度推定値が一致するようにトルク指令値を決定する速度制御器と、
前記トルク指令値に基づいて前記電流指令値を算出して前記ベクトル制御器に入力する電流指令演算器と、
前記電動機のロータに接続された負荷機のトルクを推定し、前記電動機が出力するトルク値から前記負荷トルク推定値を減算して得られる加減速トルク出力値と、前記速度推定値の単位時間あたりの変化量に慣性モーメント推定値を乗じて得た加減速トルク推定値との偏差に基づいて、前記電動機のロータの慣性モーメントと前記負荷機の慣性モーメントとを合わせた慣性モーメントを推定する慣性モーメント推定器とを備え、
前記速度制御器は、前記慣性モーメント推定器で推定された慣性モーメント推定値に基づいて、制御定数を調整可能に構成され、
前記電動機が定格回転速度以下の速度指令値により駆動している状態から、前記速度指令値が増減方向のうち第１の向きに所定の速度幅だけ変化し、前記電動機の回転速度が整定する時間が経過した後、前記速度指令値が先の向きとは逆の第２の向きに前記速度幅だけ変化し、前記電動機の回転速度が整定する時間が経過した後、再び前記速度指令値が前記第１の向きに変化するように前記速度指令値の変化が繰り返される状態において、前記慣性モーメント推定器は前記慣性モーメントを推定し、
前記慣性モーメント推定器は、前記負荷機のトルクを粘性摩擦によるトルクＴv_estとクーロン摩擦によるトルクＴc_estの和として近似し、前記速度指令値を前記第１の向きおよび前記第２の向きにそれぞれ変化させる直前の速度推定値ωest_H，ωest_Lと、前記速度指令値を前記第１の向きおよび前記第２の向きにそれぞれ変化させる直前の前記検出電流値に基づいて算出したトルク推定値Ｔest_H，Ｔest_Lを用いて、前記粘性摩擦によるトルクＴv_estと前記クーロン摩擦によるトルクＴc_estを推定することを特徴とする電動機制御装置。

【請求項9】

前記慣性モーメント推定器は、前記負荷トルク推定値ＴL_estを、
ＴL_est＝Ｔv_est＋Ｔc_est
Ｔv_est＝ωest・ｆv_est
Ｔc_est＝sign（ωest）・ｆc_est
ｆv_est＝（Ｔref_H−Ｔref_L）／（ωest_H−ωest_L）
ｆc_est＝（Ｔref_H・ωest_L−Ｔref_L・ωest_H）／（−ωest_H＋ωest_L）
ただし、sign：符号関数、ωest：速度推定値、ｆv_est：粘性摩擦係数、ｆc_est：クーロン摩擦係数
により推定することを特徴とする請求項７記載の電動機制御装置。

【請求項10】

前記慣性モーメント推定器は、前記負荷トルク推定値ＴL_estを、
ＴL_est＝Ｔv_est＋Ｔc_est
Ｔv_est＝ωest・ｆv_est
Ｔc_est＝sign（ωest）・ｆc_est
ｆv_est＝（Ｔest_H−Ｔest_L）／（ωest_H−ωest_L）
ｆc_est＝（Ｔest_H・ωest_L−Ｔest_L・ωest_H）／（−ωest_H＋ωest_L）
ただし、sign：符号関数、ωest：速度推定値、ｆv_est：粘性摩擦係数、ｆc_est：クーロン摩擦
により推定することを特徴とする請求項８記載の電動機制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、電動機制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

誘導電動機は、制御し易く、商用電源でも駆動可能であることから、産業用機械などの電動機として長年に亘り幅広く使われている。誘導電動機の制御方法には、周波数に比例した出力電圧を出力するＶ／ｆ一定制御が従来から広く用いられてきた。その後、低速域での特性改善や、トルク制御の適用などの要求に対応するため、センサレスベクトル制御が普及している。

【0003】

一方、永久磁石同期電動機は、無負荷電流がない、二次側銅損がないなどの特性を有しており、誘導電動機と比較して効率が高い。埋込形永久磁石同期電動機のように突極性を有する電動機の場合には、リラクタンストルクを利用することによりさらに高い効率で制御することが可能になる。この永久磁石同期電動機についても、センサレスベクトル制御が普及している。

【0004】

センサレスベクトル制御方式の構成は、一般的に、速度センサ、磁極位置センサなどを備えたセンサ付ベクトル制御方式の構成をベースとし、センサ信号に替えて速度や磁極位置の推定値を用いる構成のものが大半を占めている。この場合、電動機の回転速度を制御するため、速度制御器を備える制御方式が多い。速度制御器は、一般に比例制御器と積分制御器を組み合わせて構成されている。これらＰＩ制御の制御定数を最適化するためには、負荷機の慣性モーメントの値が必要になる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第３７０２１８８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

速度制御器の制御定数が最適でない場合、例えば慣性モーメントの設定値が実際の負荷機の慣性モーメントよりも小さい場合には、比較的短い時間で加速、減速させたときに、回転速度にオーバーシュート、アンダーシュートが現われる。その度合いが過度な場合には、過電圧異常が発生し、或いは減速停止させる場合に一旦逆転するなどの現象が生じる。その結果、電動機制御装置の仕様を満たせない場合が生じる。

【0007】

このような現象を避けるため、速度制御器の制御定数を最適化することが必要になる。しかし、負荷機の慣性モーメントを計測しようとしても、回転部の全体が外部から確認できない場合がある。また、負荷機の設計書等を入手して慣性モーメントを算出しようとしても、設計書等が入手できない場合も多い。

【0008】

そこで、電動機制御装置により、負荷機の慣性モーメントを推定し、速度制御器の制御定数を最適化することが望まれる。しかし、負荷機を駆動するには、電動機の回転子軸に、負荷機の回転に伴い生じる負荷トルクに対抗するだけのトルクを発生させる必要がある。このため、全くの無負荷状態で慣性モーメントのチューニングができることは稀である。通常は、何らかの負荷トルクが加わった状態で慣性モーメントの推定を正確に行わなければならない。

【0009】

そこで、負荷機に負荷トルクが生じている状態でも慣性モーメントを正確に推定できる電動機制御装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0010】

実施形態の電動機制御装置は、電動機を駆動するインバータ装置、ベクトル制御器、速度制御器、電流指令演算器および慣性モーメント推定器を備えている。速度制御器は、慣性モーメント推定器で推定された慣性モーメント推定値に基づいて、制御定数を調整可能に構成されている。

【0011】

ベクトル制御器は、電動機の検出電流を出力周波数に同期した同期座標軸上に変換し、その同期座標軸上においてロータの回転速度を推定して出力周波数を決定するとともに電流指令値と電流検出値が一致するように指令出力電圧を決定し、その指令出力電圧を静止座標軸上に変換してインバータ装置を駆動する。速度制御器は、速度指令値とベクトル制御器で推定された速度推定値が一致するようにトルク指令値を決定する。電流指令演算器は、トルク指令値に基づいて電流指令値を算出してベクトル制御器に入力する。

【0012】

慣性モーメント推定器は、電動機のロータに接続された負荷機のトルクを推定し、電動機が出力するトルク値から負荷トルク推定値を減算して得られる加減速トルク出力値と、速度推定値の単位時間あたりの変化量に慣性モーメント推定値を乗じて得た加減速トルク推定値との偏差に基づいて、電動機のロータの慣性モーメントと負荷機の慣性モーメントとを合わせた慣性モーメントを推定する。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】第１の実施形態を示す電動機制御装置のブロック構成図

【図2】慣性モーメント推定部のブロック構成図

【図3】フィルタと速度制御部のブロック構成図

【図4】速度制御系のモデルを示す図

【図5】慣性モーメントと制御ゲインの調整機能を選択したときの波形図

【図6】第２の実施形態を示す図１相当図

【図7】図２相当図

【図8】第３の実施形態を示す図５相当図

【図9】第４の実施形態を示す図２相当図

【図10】第５の実施形態を示す図５相当図

【発明を実施するための形態】

【0014】

各実施形態において実質的に同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
（第１の実施形態）
以下、図１ないし図５を参照しながら第１の実施形態について説明する。図１に示す装置は、速度センサや位置センサを備えることなくセンサレスで電動機２を駆動可能な電動機制御装置１である。電動機２は三相誘導電動機または三相永久磁石同期電動機であり、そのロータ軸には伝達機構を介して負荷機３が接続されるようになっている。

【0015】

電圧形ＰＷＭインバータ４は、入力した電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに基づいて、電動機２に対しＰＷＭ波形を持つ交流電圧を出力するインバータ装置である。電流検出器５は、ホール素子などから構成されており、少なくとも２相の電動機電流を検出する。速度指令値ωrefと電流検出値とを入力して電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを出力する制御部は、マイクロコンピュータにより構成されている。

【0016】

制御プログラムに従って制御部が実行する処理は、図１に示すように速度指令生成部６、フィルタ７、減算器８、速度制御部９、電流指令演算部１０、ベクトル制御部１１および慣性モーメント推定部１２の各機能ブロックとして表すことができる。速度指令生成部６は、操作部（図示せず）の設定状態、外部からの入力信号、運転モード（制御モード、調整モード）などに応じて速度指令値ωrefを生成する。フィルタ７は、図３、図４に示すように一次遅れ要素である。減算器８は、フィルタ７が出力する速度指令値ωrefから速度推定値ωestを減算して速度偏差Δωを出力する。

【0017】

速度制御部９は、慣性モーメント推定部１２で推定された慣性モーメント設定誤差率推定値Ｊrate_est（以下、誤差率推定値Ｊrate_estと称す）に基づいてＰＩ補償器の制御定数を調整可能に構成されている。この速度制御部９は、速度偏差Δωがゼロになるようにトルク指令値Ｔrefを決定する。電流指令演算部１０は、トルク指令値Ｔrefに基づいてＤ軸電流指令値ＩdrefとＱ軸電流指令値Ｉqrefを算出してベクトル制御部１１に入力する。

【0018】

ベクトル制御部１１は、電流検出器５による電流検出値、Ｄ軸電流指令値ＩdrefおよびＱ軸電流指令値Ｉqrefを入力し、電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗと速度推定値ωestを出力する。具体的には、以下のような機能ブロックからなる。

【0019】

座標変換器１３は、出力周波数を積分して得た磁束の推定位相角θestを入力し、電流検出値に対し３相−２相変換および回転座標変換を実行して制御部内で用いる同期座標軸上のＤ軸電流ＩｄとＱ軸電流Ｉｑを演算する。減算器１４は、Ｄ軸電流指令値ＩdrefからＤ軸電流検出値Ｉｄを減算してＤ軸電流偏差ΔＩｄを求め、減算器１５は、Ｑ軸電流指令値ＩqrefからＱ軸電流検出値Ｉｑを減算してＱ軸電流偏差ΔＩｑを求める。

【0020】

電流制御部１６は、これらの電流偏差ΔＩｄ、ΔＩｑがゼロになるようにＰＩ演算を行って出力電圧補正値を生成する。Ｖcompは、電流制御に係るＤ軸とＱ軸の積分項である。加算器１７、１８は、それぞれ後述するＤ軸電圧Ｖdc、Ｑ軸電圧Ｖqcに電流制御部１６が出力するＤ軸電圧補正値、Ｑ軸電圧補正値を加算してＤ軸電圧指令値Ｖdref、Ｑ軸電圧指令値Ｖqrefを生成する。座標変換器１９は、同期座標軸上で生成された電圧指令値Ｖdref、Ｖqrefを三相静止座標軸上に変換する。

【0021】

センサレス制御部２０は、同期座標軸上において、上記電流制御に係るＤ軸積分項とＱ軸積分項に基づいてロータの回転速度を推定演算する。そして、その速度推定値ωestを積分して磁束の位相情報である推定位相角θestを求める。さらに、センサレス制御部２０は、Ｄ軸電流指令値ＩdrefとＱ軸電流指令値Ｉqrefを入力して、フィードフォワード項であるＤ軸電圧ＶdcとＱ軸電圧Ｖqcを演算する。

【0022】

慣性モーメント推定部１２は、速度制御部９の制御ゲイン（制御定数）を最適化するため、電動機２のロータの慣性モーメントと負荷機３の慣性モーメントとを合わせた慣性モーメントＪを推定する。負荷機３にギヤ機構が介在する場合には、負荷機３の慣性モーメントはロータ軸に換算した値である。

【0023】

速度制御部９と慣性モーメント推定部１２には、電動機制御装置１が駆動対象とする標準的な電動機２のロータの慣性モーメントＪsetが予め設定されている。慣性モーメント推定部１２は、（１）式に示すように、推定する慣性モーメントＪと予め設定されている慣性モーメントＪsetとの比率である誤差率推定値Ｊrate_estを演算して出力する。慣性モーメント設定値Ｊsetは既定値であるので、慣性モーメント推定部１２は、実質的に慣性モーメントＪを推定していることになる。
Ｊrate_est＝Ｊ／Ｊset …（１）

【0024】

図２は、慣性モーメント推定部１２が誤差率推定値Ｊrate_estを演算する具体的な処理を機能ブロックにより示している。慣性モーメント推定部１２は、負荷機３のトルクを推定して負荷トルク推定値ＴL_estを出力する負荷トルク推定部２１を備えている。この負荷トルク推定部２１は、トルク指令値Ｔrefを平均化した値、Ｄ軸電流検出値ＩｄとＱ軸電流検出値Ｉｑに基づいて算出したトルク推定値Ｔestを平均化した値、または第５の実施形態で説明するように負荷機３の粘性摩擦とクーロン摩擦から推定したトルク値を負荷トルク推定値ＴL_estとする。

【0025】

慣性モーメント推定部１２は、速度制御部９で決定したトルク指令値Ｔrefを、電動機２が出力するトルク値として用いる。減算器２２は、速度制御部９で決定したトルク指令値Ｔrefから負荷トルク推定値ＴL_estを減算し、加減速に寄与するトルクである加減速トルク出力値ＴＡを求める。

【0026】

一方、微分器２３は、前回の制御周期と今回の制御周期の速度推定値ωestの差分を、離散値系の制御周期Ｔｓで除すことにより、速度推定値ωestの単位時間あたりの変化量すなわち速度微分値αestを算出する。乗算器２４は、この速度推定値ωestの微分値αestに、以下のように推定される慣性モーメントＪ（＝Ｊset×Ｊrate_est）を乗算し、加減速に寄与するトルクの推定値である加減速トルク推定値ＴＢを求める。

【0027】

慣性モーメント推定部１２は、加減速トルク出力値ＴＡを規範モデルとし、加減速トルク推定値ＴＢを適応モデルとし、これら加減速トルク出力値ＴＡと加減速トルク推定値ＴＢの差に基づいて、適応モデル内で用いられている誤差率推定値Ｊrate_estを収束演算する。すなわち、減算器２５は、加減速トルク出力値ＴＡから加減速トルク推定値ＴＢを減算して加減速トルク差分ΔＴを求める。誤差率推定部２６は、加減速トルク差分ΔＴを慣性モーメント設定値Ｊsetで除すとともに、逆数器２７で得た１／αestを乗じて（つまりαestで除して）無次元の値にする。その後、Ｔｓ／Ｔｃ（Ｔｃは積分時定数）を乗じて積分演算することにより誤差率推定値Ｊrate_estを得る。

【0028】

続いて、図３、図４を参照しながら速度制御部９の制御ゲインの設定について説明する。上述したように、電流制御部１６は、電流指令値Ｉdref、Ｉqrefと電流検出値Ｉｄ、Ｉｑとが一致するように制御する。一般に、電流制御部１６のカットオフ周波数は、速度制御部９のカットオフ周波数に比べ十分に高く設定されている。これにより、トルク指令値Ｔrefと実際のトルクＴが一致しているとして扱うことができ、速度制御系のモデルは図４に示すように考えることができる。電動機２の実際の回転速度をωｒとすれば、速度制御系の伝達関数は（２）式になる。

【0029】

【数1】

【0030】

ここで、速度制御系を一般的な２次系として扱えるようにＫFILを１に設定すると、速度制御系の伝達関数は（３）式になる。伝達関数の分子は１になる。

【0031】

【数2】

【0032】

減衰係数をζ、固有角周波数をωとし、比例ゲインＫPおよび積分ゲインＫIを（４）式および（５）式のように設定することにより、速度制御系を一般的な２次系の応答として見通しよく扱うことができる。
ＫP＝２ζωＪ …（４）
ＫI＝ω^２Ｊ …（５）

【0033】

（１）式を書き直すと、電動機２と負荷機３を合わせた全ての慣性モーメントＪは、予め設定された慣性モーメントＪsetと推定した誤差率推定値Ｊrate_estを用いて（６）式のように表せる。
Ｊ＝ＪsetＪrate_est …（６）

【0034】

（４）式ないし（６）式によれば、速度制御部９に設定する制御ゲインＫP、ＫIを（７）式、（８）式のように調整すれば最適化できることになる。周知のように減衰係数ζを１にすると臨界減衰になる。
ＫP＝２ζωＪsetＪrate_est …（７）
ＫI＝ω^２ＪsetＪrate_est …（８）

【0035】

従って、図３に示すように、慣性モーメント推定部１２で得られた誤差率推定値Ｊrate_estを、速度制御部９に設定されている慣性モーメントＪsetに乗算することにより、速度制御部９の制御ゲイン（ＫP＋ＫI／ｓ）を最適化できる。

【0036】

図５は、慣性モーメントおよび制御ゲインの調整機能を選択したときの速度指令値ωref、速度推定値ωest、トルク指令値Ｔrefの変化波形を示している。速度指令生成部６は、慣性モーメントおよび制御ゲインの調整が終了するまでの期間、加速度を発生させるために速度指令値ωrefを以下のように変化させる。

【0037】

すなわち、速度指令生成部６は、はじめに電動機２を定格回転速度以下に設定された所定の速度指令値まで加速して定常運転に移行する。その後、時刻ｔ１に速度指令値ωrefを増加の向き（第１の向き）に所定の速度幅ωａだけ変化させる。そして、電動機２の速度推定値ωestが整定する時間が経過した後の時刻ｔ２で、速度指令値ωrefを逆に減少の向き（第２の向き）に速度幅ωａだけ変化させる。電動機２の速度推定値ωestが整定する時間が経過した後の時刻ｔ３で、再び速度指令値ωrefを増加の向き（第１の向き）に所定の速度幅ωａだけ変化させる。以降、こうした速度指令値ωrefの変化を繰り返す（時刻ｔ４、ｔ５、…）。

【0038】

慣性モーメント推定部１２は、このように速度指令値ωrefが変化する状態において、誤差率推定値Ｊrate_estの算出（すなわち慣性モーメントＪの推定）および速度制御部９の制御ゲインの最適化を実行する。このように加速度を繰り返し発生させることにより、慣性モーメントの設定誤差情報が得易くなる。

【0039】

この収束演算は、例えば予め定められた調整時間が経過した時点で終了する。また、予め設定されている慣性モーメントＪsetは、電動機２の慣性モーメントと負荷機３の慣性モーメントを合わせた慣性モーメントよりも小さい場合が多く、誤差率推定値Ｊrate_estは増加する向きに調整される。この調整に伴い、速度推定値ωestのオーバーシュート量およびアンダーシュート量が減少する。そこで、速度推定値ωestのオーバーシュート量およびアンダーシュート量が所定値以下に低下したことを収束演算の終了条件としてもよい。

【0040】

以上説明したように、本実施形態の電動機制御装置１は、トルク指令値Ｔrefから負荷トルク推定値ＴL_estを減じて得た加減速トルク出力値ＴＡと、速度推定値ωestの微分値αestに慣性モーメント推定値Ｊを乗じて得た加減速トルク推定値ＴＢとの偏差がゼロに収束するように誤差率推定値Ｊrate_est（すなわち慣性モーメントＪ）を推定する。この推定方法によれば、負荷機３にトルクが生じていても慣性モーメントを正確に推定できる。また、負荷機３を逆転させる必要がないので、逆転が禁止される場合にも適用できる。

【0041】

速度制御部９は、慣性モーメント推定値Ｊに基づいて制御定数を最適化する。これにより、速度指令を変化させたときに、回転速度のオーバーシュートおよびアンダーシュートを防止しながら速度応答性を高めることができる。また、過電圧の発生および減速停止させるときの逆転現象を防止できる。このように、電動機制御装置１は、負荷機３の慣性モーメントが未知の場合にも、速度制御部９の制御定数を修正し速度応答を最適化することができる。

【0042】

（第２の実施形態）
第２の実施形態について図６および図７を参照しながら説明する。電動機制御装置３１は、慣性モーメント推定部３２を除いて電動機制御装置１と同じ構成を備えている。慣性モーメント推定部３２は、Ｄ軸電流検出値ＩｄとＱ軸電流検出値Ｉｑを用いて、電動機２が出力するトルク値を推定演算する。減算器２２は、このトルク推定値Ｔestから負荷トルク推定値ＴL_estを減算し、加減速に寄与するトルクである加減速トルク出力値ＴＡを求める。慣性モーメント推定部３２のその他の構成は、慣性モーメント推定部１２と同じである。本実施形態によっても第１の実施形態と同様の作用および効果が得られる。

【0043】

（第３の実施形態）
第３の実施形態について図８を参照しながら説明する。慣性モーメントおよび制御ゲインの調整機能が選択されたとき、速度指令生成部６（図１、図６参照）は、速度推定値ωestが整定する時間が経過するごとに、速度指令値ωrefの増加と減少を繰り返す（図５参照）。増減を開始したときの初期増加幅と初期減少幅はωａである。

【0044】

速度指令生成部６は、加減速トルク出力値ＴＡまたは加減速トルク推定値ＴＢの単位時間あたりの変化量が規定値（図８において一点鎖線で示す）以上になるまで増減速度幅を徐々に増やす。その後（時刻ｔ１７以後）、慣性モーメント推定部１２、３２（図２、図７参照）は、誤差率推定値Ｊrate_estの収束演算を開始する。本実施形態によれば、十分に大きい加減速トルクを発生させた状態で慣性モーメントを推定できるので、誤差率推定値Ｊrate_estの収束演算を精度よく実行することができる。

【0045】

（第４の実施形態）
第４の実施形態について図９を参照しながら説明する。慣性モーメント推定部４１は、速度微分値αestの絶対値がしきい値αth未満の場合に０となり、しきい値αth以上の場合に１となる係数ｋswを出力するスイッチ４２を備えている。誤差率推定部４３は、加減速トルク差分ΔＴを慣性モーメント設定値Ｊsetで除すとともに、１／αestおよび係数ｋswを乗じてから積分演算することにより誤差率推定値Ｊrate_estを得る。誤差率推定値Ｊrate_estはフィルタ４４を通して乗算器２４に与えられるが、フィルタ４４は省略可能である。その他の構成は、慣性モーメント推定部１２と同じである。

【0046】

慣性モーメント推定部４１は、速度推定値ωestの単位時間あたりの変化量（速度微分値αestの絶対値）が所定のしきい値αth未満となる期間中、誤差率推定値Ｊrate_estの推定動作を停止し、その停止期間の直前に推定した誤差率推定値Ｊrate_estを維持する。速度変化率が小さいときには、加減速トルク出力値ＴＡおよび加減速トルク推定値ＴＢも小さくなるので、そのまま収束演算を継続すると誤差が増大する虞がある。本実施形態によれば、加減速トルクが小さくなる期間の収束演算を停止するので、誤差率推定値Ｊrate_estの誤差の増大を防止する効果が得られる。

【0047】

（第５の実施形態）
負荷トルク推定部２１に関する第５の実施形態について図１０を参照しながら説明する。ここでは、第４の実施形態への適用例を示すが、他の実施形態についても同様に適用できる。

【0048】

負荷トルク推定部２１は、（９）式に示すように、負荷機３のトルク推定値ＴL_estを粘性摩擦によるトルクＴv_estとクーロン摩擦によるトルクＴc_estの和として近似する。
ＴL_est＝Ｔv_est＋Ｔc_est …（９）

【0049】

粘性摩擦によるトルクＴv_estとクーロン摩擦によるトルクＴc_estは、それぞれ（１０）式と（１１）式により表される。ｆv_estは粘性摩擦係数、ｆc_estはクーロン摩擦係数、signは符号関数である。
Ｔv_est＝ωest・ｆv_est …（１０）
Ｔc_est＝sign（ωest）・ｆc_est …（１１）

【0050】

図１０は、図８に示す時刻ｔ１８以降に実行する誤差率推定値Ｊrate_estの推定処理に係る波形図である。波形は、上から順に速度指令値ωrefと速度推定値ωest、トルク指令値Ｔrefと負荷機３のトルク推定値ＴL_est、係数ｋsw、誤差率推定値Ｊrate_estとフィルタ通過後の誤差率推定値Ｊrate_est_filt、粘性摩擦係数ｆv_est、クーロン摩擦係数ｆc_estを示している。

【0051】

ここで、速度指令値ωrefを減少の向き（第１の向き）に変化させる直前の速度推定値をωest_H、トルク指令値をＴref_Hとし、速度指令値ωrefを増加の向き（第２の向き）に変化させる直前の速度推定値をωest_L、トルク指令値をＴref_Lとする。負荷トルク推定部２１は、（１２）式および（１３）式により粘性摩擦係数ｆv_estおよびクーロン摩擦係数ｆc_estを推定する。
ｆv_est＝（Ｔref_H−Ｔref_L）／（ωest_H−ωest_L） …（１２）
ｆc_est＝（Ｔref_H・ωest_L−Ｔref_L・ωest_H）／（−ωest_H＋ωest_L）
…（１３）

【0052】

これに替えて、速度指令値ωrefを減少の向きに変化させる直前のＤ軸電流検出値ＩｄとＱ軸電流検出値Ｉｑに基づいて算出したトルク推定値をＴest_H、速度指令値ωrefを増加の向きに変化させる直前のＤ軸電流検出値ＩｄとＱ軸電流検出値Ｉｑに基づいて算出したトルク推定値をＴest_Lとし、（１４）式および（１５）式により粘性摩擦係数ｆv_estおよびクーロン摩擦係数ｆc_estを推定してもよい。
ｆv_est＝（Ｔest_H−Ｔest_L）／（ωest_H−ωest_L） …（１４）
ｆc_est＝（Ｔest_H・ωest_L−Ｔest_L・ωest_H）／（−ωest_H＋ωest_L）
…（１５）

【0053】

負荷トルク推定部２１は、慣性モーメントおよび制御ゲインの調整機能が選択されて速度指令生成部６が速度指令値ωrefの増減を開始すると、粘性摩擦係数ｆv_estとクーロン摩擦係数ｆc_estの推定演算を開始する。例えば、時刻ｔ２３とｔ２４の間では、時刻ｔ２２に得た速度推定値ωest_Hとトルク指令値Ｔref_Hおよび時刻ｔ２３に得た速度推定値ωest_Lとトルク指令値Ｔref_Lを用いて粘性摩擦係数ｆv_estとクーロン摩擦係数ｆc_estを推定する。この推定結果を用いて負荷機３のトルク推定値ＴL_estを演算し、係数ｋswがＨレベルの期間に限り誤差率推定値Ｊrate_estの収束演算を実行する。

【0054】

本実施形態によれば、負荷機３の負荷トルクが未知の場合であっても負荷トルクを推定でき、それを用いて誤差率推定値Ｊrate_estすなわち慣性モーメントを推定できる。これにより、慣性モーメントの推定精度を高めることができる。その他、上述した各実施形態の作用および効果が得られる。

【0055】

（その他の実施形態）
以上説明した複数の実施形態に加えて以下のような構成を採用してもよい。
第２の実施形態で説明した慣性モーメント推定部３２に対しても、第４の実施形態と同様にスイッチ４２およびフィルタ４４を追加してもよい。第３の実施形態に対しても第４の実施形態を適用できる。

【0056】

各実施形態において、慣性モーメント推定部１２、３２、４１の逆数器２７は省略してもよい。慣性モーメント推定部１２、３２、４１は、加減速トルク差分ΔＴに応じた誤差率推定値Ｊrate_estを出力する構成であれば、上述した構成に限られない。

【0057】

第４の実施形態において、逆数器２７とスイッチ４２に替えて（１６）式に示す補正器を備えてもよい。
αest_mod＝αest／（１＋αest^２） …（１６）
この補正器の出力値αest_modは、速度微分値αestが所定のしきい値以上の範囲で逆数１／αestにほぼ等しくなり、速度微分値αestが上記しきい値未満の範囲でαestにほぼ等しくなる。この補正器を用いて誤差率推定値Ｊrate_estの収束演算を行うと、加減速トルクが小さくなる範囲において、加減速トルク差分ΔＴに乗じる推定ゲインが低下するので、誤差率推定値Ｊrate_estの誤差の増大を防止する効果が得られる。

【0058】

以上説明した実施形態によれば、負荷機３にトルクが生じていても、電動機２のロータの慣性モーメントと負荷機３の慣性モーメントとを合わせた慣性モーメントを正確に推定できる。速度制御部９は、慣性モーメント推定値に基づいて制御定数を調整するので、速度応答を最適化できる。

【0059】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0060】

図面中、１、３１は電動機制御装置、２は電動機、３は負荷機、４は電圧形ＰＷＭインバータ（インバータ装置）、９は速度制御部（速度制御器）、１０は電流指令演算部（電流指令演算器）、１１はベクトル制御部（ベクトル制御器）、１２、３２、４１は慣性モーメント推定部（慣性モーメント推定器）である。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】