特許 6045768 交流回転機の制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6045768

(24)【登録日】2016年11月25日

(45)【発行日】2016年12月14日

(54)【発明の名称】交流回転機の制御装置

(51)【国際特許分類】

   H02P 29/00 20160101AFI20161206BHJP

【ＦＩ】

   H02P29/00

【請求項の数】10

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2016-555639(P2016-555639)

(86)(22)【出願日】2015年3月27日

(86)【国際出願番号】JP2015059666

【審査請求日】2016年9月2日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100094916

【弁理士】

【氏名又は名称】村上 啓吾

(74)【代理人】

【識別番号】100073759

【弁理士】

【氏名又は名称】大岩 増雄

(74)【代理人】

【識別番号】100127672

【弁理士】

【氏名又は名称】吉澤 憲治

(74)【代理人】

【識別番号】100088199

【弁理士】

【氏名又は名称】竹中 岑生

(72)【発明者】

【氏名】蜂矢 陽祐

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 正人

(72)【発明者】

【氏名】山崎 尚徳

(72)【発明者】

【氏名】佐竹 彰

【審査官】 池田 貴俊

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−２７７４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−４２６３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１３１０２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 欧州特許出願公開第２５３７７８９（ＥＰ，Ａ２）

【文献】 中国特許出願公開第１０２３５５１９３（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｐ ２９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

機械装置に接続された交流回転機を駆動するための電圧指令を慣性モーメントを用いて生成する指令生成部と、
上記交流回転機の電流を検出する電流検出部と、
上記電流検出部からの検出電流に基づいて上記交流回転機の出力トルクを演算する出力トルク演算部と、
上記電圧指令と上記検出電流とに基づいて上記交流回転機の推定速度を演算する速度推定部と、
上記推定速度と上記出力トルクとに基づいて上記慣性モーメントを演算する慣性モーメント演算部とを備え、
上記出力トルク演算部は、上記推定速度の推定遅延に対応する遅延特性を上記出力トルクに与え、
上記慣性モーメント演算部は、上記遅延特性を有する上記出力トルクを用いて上記慣性モーメントを演算する、
交流回転機の制御装置。

【請求項2】

上記出力トルク演算部は、上記検出電流と上記電圧指令とから得られる出力電力と上記推定速度とに基づいて上記出力トルクを演算することにより、上記遅延特性を上記出力トルクに与える、
請求項１に記載の交流回転機の制御装置。

【請求項3】

上記出力トルク演算部は、上記検出電流に基づいて演算された上記出力トルクを補正するトルク補正部を備え、
上記トルク補正部は、上記推定速度の推定遅延に対応する伝達特性を用いて上記出力トルクを補正して上記遅延特性を上記出力トルクに与える、
請求項１に記載の交流回転機の制御装置。

【請求項4】

上記出力トルク演算部は、演算された上記出力トルクを補正するトルク補正部を備え、
上記トルク補正部は、上記推定速度の推定遅延に対応する伝達特性を用いて上記出力トルクを補正する、
請求項２に記載の交流回転機の制御装置。

【請求項5】

上記伝達特性は、上記推定速度の推定遅延に同期する閉ループ伝達関数である、
請求項３または請求項４に記載の交流回転機の制御装置。

【請求項6】

上記出力トルク演算部は、上記出力電力を上記推定速度により除算して上記出力トルクを演算するもので、上記推定速度の大きさが設定された下限値未満の時、上記出力電力および上記推定速度を用いず、上記検出電流に基づいて上記出力トルクを演算する、
請求項２または請求項４に記載の交流回転機の制御装置。

【請求項7】

上記推定速度に基づいて演算される上記交流回転機の推定磁極位置が、上記検出電流および上記電圧指令の双方において回転二軸座標と三相静止座標との間の座標変換に用いられる、
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の交流回転機の制御装置。

【請求項8】

上記慣性モーメント演算部は、上記推定速度から過渡加速度成分を抽出し、上記遅延特性を有する上記出力トルクから過渡トルク成分を抽出して、上記過渡加速度成分および上記過渡トルク成分から上記慣性モーメントを演算し、上記過渡加速度成分、上記過渡トルク成分のそれぞれに閾値を設け、上記過渡加速度成分、上記過渡トルク成分の少なくとも一方が上記閾値以下のとき、上記慣性モーメントとして一定値を出力する、
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の交流回転機の制御装置。

【請求項9】

上記電流検出部は、上記交流回転機の電流を回転二軸座標に変換する座標変換器を備えて、上記検出電流を回転二軸座標上の電流として検出し、
上記指令生成部は、上記推定速度が速度指令に追従するように電流指令を生成する速度制御器と、上記検出電流が上記電流指令に追従するように上記電圧指令を生成する電流制御器とを備えた、
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の交流回転機の制御装置。

【請求項10】

上記電圧指令に基づいて上記交流回転機に電圧を印加する電圧印加部を備えた、
請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の交流回転機の制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、機械装置に接続された交流回転機を駆動する制御装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

交流回転機を制御して機械装置を駆動する場合、機械装置に接続された交流回転機を所望の応答性で駆動するためには、交流回転機が接続されている機械装置の機械定数を把握する必要がある。しかし、実際の機械装置は複雑な機構を有しており、正確な機械定数を把握することが困難な場合も多い。このような問題を解決するために、従来から、機械装置の機械定数である慣性モーメントを推定する方法がある。

【0003】

例えば非特許文献１に記載の方法では、交流回転機の電流を検出してトルクを演算し、また速度センサや位置センサを用いて交流回転機の回転速度を検出する。そして、回転速度から加速度成分を演算して、交流回転機の運動方程式に基づいて、統計的手法を用い慣性モーメントを演算する。この場合、速度センサや位置センサを用いているため、耐故障性およびメンテナンスの面で不利となる。
このため、これらのセンサを用いることなく機械装置の慣性モーメントを推定するため、従来の交流回転機の制御装置としてベクトル制御インバータ装置が示されている。
ベクトル制御インバータ装置は、角速度制御によって定速回転させた交流回転機に、一定のトルク軸（ｑ軸）電流指令を与えて微小変化させる。そして、検出した電流からトルクの変化量を演算するとともに、トルク軸電流指令の変化前後の交流回転機の推定速度から加速度成分を抽出し、慣性モーメントを演算する（例えば、特許文献１参照）。

【0004】

また、非特許文献２には、電動機の位置センサレス制御において、回転二軸上で構成する適応オブザーバについて、速度推定ゲインおよびフィードバックゲインの設計法が示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００４−２４２４３０号公報

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】「低精度エンコーダを用いるサーボモータの高性能制御―瞬時速度オブザーバと慣性モーメントの同定―」電学論Ｄ、１１４巻４号、平成６年

【非特許文献2】「回転座標上の適応オブザーバを用いたＰＭ電動機の位置センサレス制御」電学論Ｄ、１２３巻５号、２００３年

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

上記特許文献１や上記非特許文献２に示すような、速度センサや位置センサを用いない従来の交流回転機の制御装置では、交流回転機の速度を、ＰＩ制御等の制御器を用いて推定している。このため、制御器の出力である推定速度が収束するのに遅延が発生し、即ち、実際の回転機速度に対して推定速度に推定遅延が発生する。これにより演算される慣性モーメントに誤差が発生するという問題点があった。

【0008】

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、速度センサや位置センサを用いずに慣性モーメントを精度よく演算可能な交流回転機の制御装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

この発明に係る交流回転機の制御装置は、機械装置に接続された交流回転機を駆動するための電圧指令を慣性モーメントを用いて生成する指令生成部と、上記交流回転機の電流を検出する電流検出部と、上記電流検出部からの検出電流に基づいて上記交流回転機の出力トルクを演算する出力トルク演算部と、上記電圧指令と上記検出電流とに基づいて上記交流回転機の推定速度を演算する速度推定部と、上記推定速度と上記出力トルクとに基づいて上記慣性モーメントを演算する慣性モーメント演算部とを備える。上記出力トルク演算部は、上記推定速度の推定遅延に対応する遅延特性を上記出力トルクに与える。そして、上記慣性モーメント演算部は、上記遅延特性を有する上記出力トルクを用いて上記慣性モーメントを演算する。

【発明の効果】

【0010】

この発明の交流回転機の制御装置によれば、上記慣性モーメント演算部は、推定速度と、この推定速度の推定遅延に対応する遅延特性を有する出力トルクとを用いて慣性モーメントを演算するため、慣性モーメントを精度よく演算できる。これにより、交流回転機の制御装置は、交流回転機を所望の応答で信頼性良く制御できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】この発明の実施の形態１による交流回転機の制御装置の構成を示すブロック図である。

【図2】この発明の実施の形態１による指令生成部を説明するブロック図である。

【図3】この発明の実施の形態１による慣性モーメント演算部を説明するブロック図である。

【図4】この発明の実施の形態１による交流回転機の制御装置を含む回転機システムのハードウエア構成を示すブロック図である。

【図5】この発明の実施の形態２による交流回転機の制御装置における動作を説明する各部の波形図である。

【図6】この発明の実施の形態３による交流回転機の制御装置の構成を示すブロック図である。

【図7】この発明の実施の形態３による出力トルク演算部を説明するブロック図である。

【図8】この発明の実施の形態４による交流回転機の制御装置の構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１による交流回転機の制御装置について説明する。図１は、この発明の実施の形態１による交流回転機の制御装置の構成を示すブロック図である。
図１に示すように、機械装置２が交流回転機１に接続され、交流回転機１の制御装置１０が交流回転機１を駆動制御することで、交流回転機１は機械装置２を駆動する。なお、交流回転機１には、例えば、永久磁石を用いた同期機を用いる。
制御装置１０は、交流回転機１の電流を検出する電流検出部３と、交流回転機１を駆動するための電圧指令ｖｄ＊、ｖｑ＊を生成する指令生成部４と、交流回転機１に電圧を印加する電圧印加部５と、推定速度ω０および推定磁極位置θ０を演算する速度推定部６と、出力トルク演算部７と、慣性モーメント演算部８とを備える。電圧印加部５はインバータ回路等の電力変換器にて構成され、この場合、制御装置１０が電圧印加部５を備えて、電圧印加部５の出力が制御装置１０から交流回転機１に出力される。

【0013】

電流検出部３は、交流回転機１の三相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを回転二軸座標に変換する座標変換器３１を備える。電流検出部３は、三相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを検出し、座標変換器３１において、速度推定部６から出力される推定磁極位置θ０を用いて、交流回転機１の回転子に同期して回転する直交座標として公知であるｄｑ軸上の電流に座標変換し、これを検出電流ｉｄ、ｉｑとして出力する。
なお、三相電流を検出するには、電流を三相とも検出するほか、２相分を検出して三相電流の和がゼロであることを利用して残りの１相分の電流を求めても良い。また、電圧印加部５において、例えば、電力変換器の母線電流やスイッチング素子に流れる電流とスイッチング素子の状態とから三相電流を演算してもよい。

【0014】

交流回転機１を駆動するための任意の速度指令ω＊が、制御装置１０に与えられて指令生成部４に入力される。指令生成部４は、速度指令ω＊と、速度推定部６から出力される推定速度ω０と、慣性モーメント演算部８から出力される慣性モーメントＪとに基づいて、交流回転機１を駆動するために必要なｄｑ軸上の電圧指令ｖｄ＊、ｖｑ＊を演算して出力する。指令生成部４の制御構成の例を図２に示す。
図２に示すように、指令生成部４は、速度制御器４２と電流制御器４４ａ、４４ｂとを備える。そして加減算器４１において、速度指令ω＊から推定速度ω０を減算して速度偏差Δωを演算する。速度制御器４２は、速度偏差Δωが０になるように慣性モーメントＪの値を用いたＰＩ制御によって、トルク電流であるｑ軸の検出電流ｉｑの電流指令ｉｑ＊を演算する。

【0015】

交流回転機１を所望の応答で回転制御するためには、速度制御器４２のＰＩ制御器は一般的に式（１）に基づいて設定される。
ｉｑ＊＝ｋｗｐ（１＋ｋｗｉ／ｓ）・Δω ・・・（１）
但し、ｋｗｐ＝ωｓｃ・Ｐｍ^２・φｆ／Ｊ
ｋｗｉ＝ωｓｃ／Ｎ
ｓ：ラプラス演算子、ωｓｃ：速度応答設定値、Ｐｍ：交流回転機の極対数、φｆ：交流回転機の磁石磁束、Ｊ：慣性モーメント、Ｎ：任意の正整数

【0016】

次いで加減算器４３ａは、電流指令ｉｑ＊から検出電流ｉｑを減算してｑ軸電流偏差を演算する。電流制御器４４ａはｑ軸電流偏差が０になるようにＰＩ制御によって電圧指令ｖｑ＊を演算する。

【0017】

一方、ｄ軸の電流指令ｉｄ＊は、単純に０と設定しても良いし、交流回転機１の出力するトルクが最大となるように、ｑ軸の電流指令ｉｑ＊に基づいて設定しても良い。加減算器４３ｂは、電流指令ｉｄ＊から検出電流ｉｄを減算してｄ軸電流偏差を演算する。電流制御器４４ｂはｄ軸電流偏差が０になるようにＰＩ制御によって電圧指令ｖｄ＊を演算する。
このように、推定速度ω０が速度指令ω＊に追従するように速度制御器４２にて電流指令ｉｑ＊が生成され、検出電流ｉｄ、ｉｑが電流指令ｉｄ＊、ｉｑ＊に追従するように電流制御器４４ｂ、４４ａにて電圧指令ｖｄ＊、ｖｑ＊が生成される。これにより、推定速度ω０が速度指令ω＊に一致するように交流回転機１を制御することができる。

【0018】

電圧印加部５は、指令生成部４からのｄｑ軸上の電圧指令ｖｄ＊、ｖｑ＊を、速度推定部６から出力される推定磁極位置θ０を用いて、静止座標の三相電圧指令ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊に変換し、三相電圧指令ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊に基づいて電圧印加部５が三相電圧を出力して交流回転機１に印加する。

【0019】

速度推定部６は、検出電流ｉｄ、ｉｑと電圧指令ｖｄ＊、ｖｑ＊とに基づいて交流回転機１の推定速度ω０を演算する推定速度演算部６１と、推定速度ω０を積分して交流回転機１の推定磁極位置θ０を演算する積分器６２とを備える。
推定速度演算部６１は、検出電流ｉｄ、ｉｑと電圧指令ｖｄ＊、ｖｑ＊とに基づいて、交流回転機１の推定速度ω０を公知の手法で演算する。例えば、電圧指令ｖｄ＊、ｖｑ＊に基づいて得られる交流回転機のモデルから電流値を推定し、この推定された電流値が検出電流ｉｄ、ｉｑに一致するように推定速度ω０を演算する。

【0020】

積分器６２は、推定速度演算部６１が出力する推定速度ω０を用いて、以下の式（２）により推定磁極位置θ０を演算する。
θ０＝ω０／ｓ ・・・（２）

【0021】

なお、検出電流ｉｄ、ｉｑと電圧指令ｖｄ＊、ｖｑ＊とに基づいて交流回転機１の推定速度ω０を演算する手法は、上記特許文献１、非特許文献２に限らず公知である。この推定速度ω０は、推定速度演算部６１内の制御器を用いて演算され、収束するのに位相の遅れが発生し、即ち、推定速度ω０は推定遅延を有する。
例えば上記非特許文献２に示すように、交流回転機１の実速度ωから演算される推定速度ω０への開ループ伝達特性を伝達関数で示すと、
Ｇ（ｓ）＝ωａｃ／ｓ
となる。ここで、ωａｃは速度推定ゲインである。

【0022】

これにより、実速度ωから推定速度ω０への閉ループ伝達特性を示す伝達関数は、以下の式（３）で示される。
Ｇｘ（ｓ）＝Ｇ（ｓ）／（１＋Ｇ（ｓ））
＝ωａｃ／（ｓ＋ωａｃ） ・・・（３）

【0023】

上記式（３）に示されるように、演算される推定速度ω０は、実速度ωに対し推定遅延を含んでいる。

【0024】

出力トルク演算部７は、検出電流ｉｄ、ｉｑから出力トルクτを演算するトルク演算部７１と、出力トルクτを補正して補正出力トルクτｃを演算するトルク補正部７２とを備える。

【0025】

トルク演算部７１は、検出電流ｉｄ、ｉｑに基づいて、以下の式（４）により、交流回転機１の出力トルクτを演算する。
τ＝Ｐｍ（φｆ・ｉｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）・ｉｄ・ｉｑ） ・・・（４）
但し、Ｌｄ、Ｌｑ：交流回転機のｄ軸、ｑ軸方向のインダクタンス

【0026】

トルク補正部７２は、トルク演算部７１により演算された出力トルクτをフィルタを通すことによって補正する。トルク補正部７２のフィルタは、上記式（３）で示した実速度ωから推定速度ω０への伝達特性と同様の伝達特性を有するフィルタであり、即ち、以下の式（５）により補正出力トルクτｃを演算して出力する。
τｃ＝Ｇｘ（ｓ）・τ ・・・（５）

【0027】

トルク演算部７１は、交流回転機１が実速度ωで回転したときの出力トルクτを、検出電流ｉｄ、ｉｑに基づいて演算しているため、出力トルクτは実速度ωに同期すると言える。このため、トルク補正部７２において、実速度ωから推定速度ω０への伝達関数Ｇｘ（ｓ）を用いて出力トルクτを補正すると、推定速度ω０の推定遅延分だけ出力トルクτを遅延させることになり、補正出力トルクτｃと推定速度ω０とを同期させることができる。
このように、トルク補正部７２は、推定速度ω０の推定遅延に対応する伝達特性（伝達関数Ｇｘ（ｓ））を用いて、該推定遅延に対応する遅延特性を出力トルクτに与え、補正出力トルクτｃを出力する。

【0028】

慣性モーメント演算部８は、速度推定部６からの推定速度ω０と、出力トルク演算部７からの補正出力トルクτｃとから、慣性モーメントＪを演算する。
ところで、交流回転機の運動方程式に依れば、慣性モーメントＪは、速度（実速度）ωと出力トルクτとから、以下の式（６）を用いて求められる。
Ｊ＝τ／（ｓ・ω） ・・・（６）

【0029】

上記（６）式を用いて慣性モーメントＪを演算する場合、演算誤差を抑制するため、出力トルクτ、速度ωについてそれぞれフィルタを用いる。
出力トルクτは上記（４）式により検出電流ｉｄ、ｉｑを用いて求めるため高周波領域の検出ノイズを含む。また、加速時の過渡的な出力トルクを利用するため定常負荷等の低周波領域の直流成分は、慣性モーメントの演算誤差となる。

【0030】

このような低周波数成分と高周波数成分とを除去して過渡的なトルク変化量を抽出するため、出力トルクτに対するフィルタＦτ（ｓ）を、以下の式（７）のように設定する。
Ｆτ（ｓ）＝ｓ／ｆ（ｓ） ・・・（７）
但し、分母多項式ｆ（ｓ）はｓの３次多項式として、低周波数成分と高周波数成分とを除去する特性を持つ。

【0031】

出力トルクτの過渡トルク成分をｄτとすると、以下の式（８）によって過渡トルク成分ｄτを出力トルクτから抽出できる。
ｄτ＝Ｆτ（ｓ）・τ ・・・（８）

【0032】

速度ωに対するフィルタＦω（ｓ）についても、出力トルクτに対するフィルタＦτ（ｓ）と同様の特性を持たせる必要がある。上記式（６）で示すように、慣性モーメントＪの演算には、速度ωから得られる加速度（ｓ・ω）を用いる。過渡加速度成分をｄａとすると、以下の式（９）によって過渡加速度成分ｄａを速度ωから抽出でき、フィルタＦω（ｓ）は、以下の式（１０）で表せる。
ｄａ＝Ｆω（ｓ）・ω
＝Ｆτ（ｓ）・（ｓ・ω）
＝ｓ・Ｆτ（ｓ）・ω ・・・（９）
Ｆω（ｓ）＝ｓ・Ｆτ（ｓ） ・・・（１０）

【0033】

図３は、慣性モーメント演算部８の構成を説明する図である。
図３に示すように、慣性モーメント演算部８は、過渡トルク成分抽出部８１と過渡加速度成分抽出部８２と、慣性モーメント算出部８３とを備える。慣性モーメント演算部８には、速度推定部６からの推定速度ω０と、出力トルク演算部７からの補正出力トルクτｃとが入力され、補正出力トルクτｃは過渡トルク成分抽出部８１に、推定速度ω０は過渡加速度成分抽出部８２に、それぞれ入力される。
過渡トルク成分抽出部８１は、上述したフィルタＦτ（ｓ）に対応し、即ち、低周波数成分と高周波数成分とを除去して補正出力トルクτｃから過渡トルク成分８１ａを抽出する。また、過渡加速度成分抽出部８２は、上述したフィルタＦω（ｓ）に対応し、即ち、低周波数成分と高周波数成分とを除去して推定速度ω０から過渡加速度成分８２ａを抽出する。そして、慣性モーメント算出部８３は、過渡トルク成分８１ａを過渡加速度成分８２ａで除算することにより慣性モーメントＪを算出する。

【0034】

この実施の形態では、実速度ωから推定速度ω０への伝達特性（Ｇｘ（ｓ））を用いて、
τｃ＝Ｇｘ（ｓ）・τ ・・・（１１）
ω０＝Ｇｘ（ｓ）・ω ・・・（１２）
と表せるため、
過渡トルク成分８１ａは、上記式（１１）から
Ｆτ（ｓ）・τｃ＝Ｆτ（ｓ）・Ｇｘ（ｓ）・τ ・・・（１３）
となり、
過渡加速度成分８２ａは、上記式（１０）、式（１２）から
Ｆω（ｓ）・ω０＝ｓ・Ｆτ（ｓ）・Ｇｘ（ｓ）・ω ・・・（１４）
となる。

【0035】

これにより、（過渡トルク成分８１ａ）／（過渡加速度成分８２ａ）で求められる慣性モーメントＪは、上記式（１３）、式（１４）から、
Ｊ＝Ｆτ（ｓ）・Ｇｘ（ｓ）・τ／（ｓ・Ｆτ（ｓ）・Ｇｘ（ｓ）・ω）
＝τ／ｓ・ω ・・・（１５）
となり、上記式（６）と一致することが分かる。
このように、慣性モーメント演算部８は、補正出力トルクτｃと推定速度ω０とを用いて慣性モーメントＪを高精度に演算できる。

【0036】

なお、仮に出力トルクτに遅延特性を与える補正を行わずにそのまま用いたとすると、推定速度ω０の推定遅延は、出力トルクτの立ち上がりに対する加速度の遅れとして現れ、（過渡トルク成分）／（過渡加速度成分）で求められる慣性モーメントには誤差が発生する。また、交流回転機１の実速度ωの立ち上がりが早いほど推定速度ω０の推定遅延が大きくなるため、慣性モーメントの誤差は拡大する。
この場合、慣性モーメントは、
Ｆτ（ｓ）・τ／（ｓ・Ｆτ（ｓ）・Ｇｘ（ｓ）・ω）
＝τ／（ｓ・Ｇｘ（ｓ）・ω）
となる。即ち、分母の成分に遅延特性が残り、慣性モーメントを精度良く演算できないことが分かる。

【0037】

また、仮に、指令生成部４で用いる慣性モーメントとして予め把握できている交流回転機１の慣性モーメントＪｍを用いた場合、上記式（１）で示した電流指令ｉｑ＊の演算に用いられるゲインｋｗｐは、
ｋｗｐ＝ωｓｃ・Ｐｍ^２・φｆ／Ｊｍ
となる。この場合の速度応答設定値ωｓｃは、交流回転機１の慣性モーメントＪｍと機械装置２の慣性モーメントＪａとを合わせた本来の慣性モーメントＪを用いた場合の、Ｊｍ／（Ｊｍ＋Ｊａ）倍となり、減少する。このため、所望の速度応答が得られない。

【0038】

以上のように、この実施の形態では、推定速度ω０の推定遅延に対応する伝達特性（伝達関数Ｇｘ（ｓ））を用いて出力トルクτを補正し、該推定遅延に対応する遅延特性を有する補正出力トルクτｃを演算する。そして、推定速度ω０と、推定速度ω０の推定遅延と同等の遅延特性を有する補正出力トルクτｃとから、慣性モーメントＪを演算するため、慣性モーメントＪを精度よく演算できる。そして、指令生成部４は、高精度に演算された慣性モーメントＪを用いて電圧指令ｖｄ＊、ｖｑ＊を生成するため、交流回転機１を所望の応答で信頼性良く制御できる。
また、機械装置２の構成によっては、交流回転機１の運転中に慣性モーメントＪが変わることが想定されるが、運転中に過渡トルク成分８１ａ、過渡加速度成分８２ａの抽出を継続して慣性モーメントＪを継続して演算することができる。

【0039】

また、出力トルクτを補正するための伝達特性に、推定速度ω０の推定遅延に同期する閉ループ伝達関数Ｇｘ（ｓ）を用いたため、推定速度ω０の推定遅延と同等の遅延特性を有する補正出力トルクτｃを高精度に演算でき、推定速度ω０と補正出力トルクτｃとを同期させることができる。

【0040】

なお、出力トルクτを補正するための伝達特性を示す伝達関数Ｇｘ（ｓ）は、上記式（３）で示すものに限らず、推定速度ω０の演算に応じて発生する推定遅延に対応するものであれば良い。

【0041】

また、上記実施の形態では、慣性モーメント演算部８は、過渡トルク成分８１ａを過渡加速度成分８２ａで直接、除算することで慣性モーメントＪを演算したが、これに限るものではない。例えば上記非特許文献１に示される様な統計的な手法を用いることで、慣性モーメントを高精度に演算できる。

【0042】

さらに、上記実施の形態では、永久磁石を用いた同期機を交流回転機１として用いたが、誘導機など他の交流回転機１にも適用できる。

【0043】

さらにまた、電圧印加部５は制御装置１０の外部に設けても良く、その場合、制御装置１０は電圧指令ｖｄ＊、ｖｑ＊を電圧印加部５に出力する。

【0044】

また、速度推定部６において、推定速度ω０を積分器６２で積分して推定磁極位置θ０を演算したが、それに限るものではない。例えば、文献：「外乱オブザーバと速度適応同定による個円筒型ブラシレスＤＣモータの位置・速度センサレス制御」電学論Ｄ、１１８巻７／８号、１９９８年に記載されるように、ＤＣモータの固定子座標（αβ軸）の推定誘起電圧を用いて、その逆正接から推定磁極位置を演算しても良い。

【0045】

次に、上記実施の形態１による交流回転機１の制御装置１０を備える回転機システムのハードウエア構成を図４に示す。
図４に示すように、回転機システムは、交流回転機１と、交流回転機１の制御装置１０と、制御装置１０に指令を与える上位コントローラ１３とを備えて、交流回転機１に接続される機械装置２を駆動する。制御装置１０は、ハードウエア構成として、プロセッサ１１と、記憶装置１２と、電圧印加部５と、電流検出部３とを備える。
図１で示した指令生成部４、速度推定部６、出力トルク演算部７、および慣性モーメント演算部８は、記憶装置１２に記憶されたプログラムを実行するプロセッサ１１により実現される。

【0046】

記憶装置１２は、図示していないが、ランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを備える。不揮発性の補助記憶装置の代わりにハードディスク等の補助記憶装置を備えても良い。
プロセッサ１１に、記憶装置１２の補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプログラムが入力され、プロセッサ１１は、記憶装置１２から入力されたプログラムを実行する。また、プロセッサ１１は、演算結果等のデータを記憶装置１２の揮発性記憶装置に出力するか、あるいは揮発性記憶装置を介して補助記憶装置に出力してデータを保存する。

【0047】

なお、指令生成部４、速度推定部６、出力トルク演算部７、および慣性モーメント演算部８は、システムＬＳＩ等の処理回路により実現しても良い。また、電流検出部３内の座標変換器３１、および電圧印加部５への電圧指令ｖｄ＊、ｖｑ＊を三相電圧指令に変換する機能は、プロセッサ１１、またはシステムＬＳＩ等の処理回路により実現しても良い。 さらに、複数のプロセッサ１１および複数の記憶装置１２が連携して上記機能を実行してもよいし、複数の処理回路が連携して上記機能を実行してもよい。また、それらを組み合わせて上記機能を実行してもよい。

【0048】

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２による交流回転機の制御装置について説明する。
慣性モーメント演算部８は、上記実施の形態１と同様に、（過渡トルク成分８１ａ）／（過渡加速度成分８２ａ）の演算を用いて慣性モーメントＪを導出する。このとき、過渡トルク成分８１ａ、過渡加速度成分８２ａのそれぞれの値が小さいと、Ｓ／Ｎ比（ノイズ量に対する信号量の比）が低下して慣性モーメントＪは精度良く演算できない。このため、Ｓ／Ｎ比が確保できるように、過渡トルク成分８１ａ、過渡加速度成分８２ａのそれぞれに閾値を設け、過渡トルク成分８１ａ、過渡加速度成分８２ａの少なくとも一方が設定された閾値以下のとき、慣性モーメントＪとして一定値を出力する。
その他の構成は、上記実施の形態１と同様である。

【0049】

図５は、この発明の実施の形態２による交流回転機１の制御装置１０における動作を説明する各部の波形図である。
図５に示すように、制御装置１０に与えられる速度指令ω＊が立ち上がり、時間経過と共に、推定速度ω０が速度指令ω＊に近づくと共に、演算される電圧指令ｖｄ＊、ｖｑ＊、電流指令ｉｑ＊が安定し、検出電流ｉｑが電流指令ｉｑ＊に近づく。
慣性モーメントＪを示す波形図において、図中、Ａ点より右領域では、図示しない過渡トルク成分８１ａ、過渡加速度成分８２ａの双方が閾値以上である。そして慣性モーメントＪは、Ａ点に至るまで一定値であり、それ以後は、（過渡トルク成分８１ａ）／（過渡加速度成分８２ａ）の演算により得られた値となる。

【0050】

この実施の形態２では、上記実施の形態１と同様の効果が得られると共に、慣性モーメント演算部８が、過渡トルク成分８１ａ、過渡加速度成分８２ａのそれぞれに閾値を設け、信頼性の低い演算を停止するため、慣性モーメントの演算精度の低下を防ぐことができる。また、その間は慣性モーメントに一定値を用いるため、制御装置１０は継続して交流回転機１を運転できる。
運転中に慣性モーメントが変わる場合においても、過渡トルク成分８１ａ、過渡加速度成分８２ａの抽出を継続し、慣性モーメントの演算可否の判断を伴って演算するため、高い演算精度を保つことができる。

【0051】

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３による交流回転機の制御装置について説明する。
図６は、この発明の実施の形態３による交流回転機１の制御装置１０ａの構成を示すブロック図である。
図６に示すように、制御装置１０ａは、電流検出部３と指令生成部４と電圧印加部５と速度推定部６と出力トルク演算部７ａと慣性モーメント演算部８とを備える。出力トルク演算部７ａは、出力トルクτａを演算するトルク演算部７１ａを備える。トルク演算部７１ａは、電流検出部３からの検出電流ｉｄ、ｉｑと、指令生成部４からの電圧指令ｖｄ＊、ｖｑ＊と、速度推定部６からの推定速度ω０とに基づいて、出力トルクτａを演算する。なお、出力トルク演算部７ａ以外の構成は、上記実施の形態１と同様である。

【0052】

図７は、トルク演算部７１ａの構成を説明する図である。
図７に示すように、トルク演算部７１ａは、検出電流ｉｄ、ｉｑと電圧指令ｖｄ＊、ｖｑ＊とから、交流回転機１の出力する電力Ｐを演算する電力演算部７３と、電力演算部７３からの電力Ｐを推定速度ω０で除算して出力トルクτａを演算する除算器７４とを備える。

【0053】

電力演算部７３は、電圧（電圧指令ｖｄ＊、ｖｑ＊）と電流（検出電流ｉｄ、ｉｑ）との内積を用いて、以下の式（１６）により電力Ｐを演算する。
Ｐ＝ｖｄ＊・ｉｄ＋ｖｑ＊・ｉｑ ・・・（１６）

【0054】

そして、除算器７４は、以下の式（１７）により出力トルクτａを演算する。
τａ＝Ｐ／ω０ ・・・（１７）

【0055】

なお、電力Ｐを推定速度ω０で除算する除算器７４では、ゼロ割を防止するための下限値を設け、推定速度ω０の大きさが設定された下限値未満のときには、上記式（１７）で示す除算を停止する。その場合、上記実施の形態１において出力トルクを演算するのに用いた上記式（４）により、検出電流ｉｄ、ｉｑに基づいて出力トルクτａを演算する。

【0056】

この場合、上記実施の形態１と同様に、速度推定部６が出力する推定磁極位置θ０を、電圧指令ｖｄ＊、ｖｑ＊を静止座標（三相静止座標）の三相電圧指令に変換する際と、座標変換器３１で座標変換して検出電流ｉｄ、ｉｑを得る際との双方で用いる。このため、推定磁極位置θ０が実際の磁極位置から推定遅延による誤差を持つ場合でも、電圧と電流との位相差は変化せず内積の値は変化しない、即ち、電力演算部７３が演算する電力Ｐは推定磁極位置θ０の誤差の影響を受けず高精度に演算できる。

【0057】

また、回転機の出力トルクは、一般に出力電力を速度で除算することで演算でき、除算器７４は、電力Ｐを推定速度ω０で除算して出力トルクτａを演算する。このとき、高精度に演算された電力Ｐを推定速度ω０で除算することにより、演算される出力トルクτａに、推定速度ω０の推定遅延による遅延特性を与えることができる。
そして、慣性モーメント演算部８には、速度推定部６からの推定速度ω０と、出力トルク演算部７ａからの出力トルクτａとが入力され、上記実施の形態１と同様に慣性モーメントＪを演算する。

【0058】

この実施の形態では、出力トルク演算部７ａが、出力トルクτａを演算する際に、推定速度ω０の推定遅延による遅延特性を出力トルクτａに与えるため、出力トルクτａと、推定速度ω０の推定遅延とは、同等の遅延特性を有するものとなる。これにより、上記実施の形態１と同様に、慣性モーメントＪを精度よく演算でき、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。
また、座標変換に同じ推定磁極位置θ０を用いる検出電流ｉｄ、ｉｑと電圧指令ｖｄ＊、ｖｑ＊とから高精度に演算した電力Ｐを、推定速度ω０で除算することにより、遅延特性を有する出力トルクτａを高精度に演算できる。
さらに、除算器７４に下限値を設けて、出力トルクτａの演算を切り替えるため、交流回転機１の運転状態によって推定速度ω０がゼロとなっても、出力トルクτａが継続して演算でき、制御装置１０ａは継続して交流回転機１を運転できる。

【0059】

なお、出力電力を速度で除算することで出力トルクは演算できるが、速度に推定速度ω０に替わるものを用いても良い。例えば、交流回転機１に印加される電圧の角周波数が出力電力Ｐに対する速度であると考え、上記非特許文献２内にて示されるような角周波数を除算器７４で用いて出力トルクτａを演算することもできる。

【0060】

実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４による交流回転機の制御装置について図８に基づいて説明する。
この実施の形態４では、図８に示すように、出力トルク演算部７ｂがトルク演算部７１ａとトルク補正部７２とを備えて、トルク補正部７２が、トルク演算部７１ａが演算する出力トルクτａを補正して補正出力トルクτｂを出力する。その他の構成は、上記実施の形態３と同様である。

【0061】

トルク演算部７１ａは、上記実施の形態３と同様の構成で、検出電流ｉｄ、ｉｑと電圧指令ｖｄ＊、ｖｑ＊とから電力Ｐを演算し、電力Ｐを推定速度ω０で除算することにより、遅延特性を有する出力トルクτａを演算する。
トルク補正部７２は、上記実施の形態１と同様の構成で、トルク演算部７１ａにより演算された出力トルクτａをフィルタを通すことによって補正出力トルクτｂを出力する。トルク補正部７２のフィルタは、実速度ωから推定速度ω０への伝達特性と同様の伝達特性を有するフィルタである。

【0062】

以上のように、この実施の形態では、出力トルク演算部７ｂが、推定速度ω０の推定遅延による遅延特性を出力トルクτａに与え、その出力トルクτａを、さらに補正することにより、補正出力トルクτｂの遅延特性を、推定速度ω０の推定遅延による遅延特性に、さらに精度良く近づけることができる。これにより上記実施の形態３と同様の効果が得られると共に、慣性モーメントＪをさらに精度よく演算できる。

【0063】

なお、この発明は、発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

【要約】

交流回転機（１）の制御装置（１０）は、電流検出部（３）と、慣性モーメントＪを用いて電圧指令を生成する指令生成部（４）と、電圧指令と検出電流とに基づいて推定速度ω０を演算する速度推定部（６）と、検出電流に基づいて出力トルクを演算する出力トルク演算部（７）と、慣性モーメントＪを演算する慣性モーメント演算部（８）とを備える。出力トルク演算部（７）は、推定速度ω０の推定遅延に対応する遅延特性を出力トルクに与え、慣性モーメント演算部（８）は、推定速度ω０と、遅延特性を有する出力トルクとに基づいて慣性モーメントＪを演算する。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】