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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022184420
(43)【公開日】2022-12-13
(54)【発明の名称】交流電動機の制御装置および制御方法
(51)【国際特許分類】
H02P 21/22 20160101AFI20221206BHJP
【ＦＩ】
H02P21/22
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021092262
(22)【出願日】2021-06-01
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り １．発明の公開日（ウェブサイトからダウンロードが可能となった日） 令和 ３年 ５月３０日 ２．ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｂｏｏｋｐａｒｋ．ｎｅ．ｊｐ／ｃｍ／ｉｅｅｊ／ｄｅｔａｉｌ／ＩＥＥＪ－２０２１０６０２Ｘ１１２０１－ＰＲＴ／ ３．発明の公開者名 長谷川 勝、河村 尚輝、片瀬 貴也 ４．発明の内容 トルク応答を指定する永久磁石同期電動機のトルク制御法
(71)【出願人】
【識別番号】500433225
【氏名又は名称】学校法人中部大学
(74)【代理人】
【識別番号】100147625
【弁理士】
【氏名又は名称】澤田 高志
(74)【代理人】
【識別番号】100150430
【弁理士】
【氏名又は名称】河野 元
(74)【代理人】
【識別番号】100155099
【弁理士】
【氏名又は名称】永井 裕輔
(72)【発明者】
【氏名】長谷川 勝
(72)【発明者】
【氏名】河村 尚輝
【テーマコード（参考）】
5H505
【Ｆターム（参考）】
5H505AA16
5H505AA19
5H505BB09
5H505CC04
5H505DD03
5H505DD08
5H505EE41
5H505GG04
5H505GG08
5H505HA09
5H505HA10
5H505JJ23
5H505LL22
5H505LL41
5H505LL58
(57)【要約】
【課題】制御の応答速度の低下を抑制し得る交流電動機の制御装置および制御方法を提供する。
【解決手段】実施形態のモータシステム１０ａでは、コントローラ２０ａは、電圧情報生成部２１、座標変換部２２、電圧指令値出力部２３、相数変換部２４を有する。そして、電圧情報生成部２１は、上位システム等の外部から入力されたトルク微分指令値τdot*に基づいてｖ* d,q＝ｇ-1(τdot*)から交流モータ５０のｄｑ軸電圧指令値ｖ* d,qを生成する。また、座標変換部２２は、交流モータ５０の出力軸の電気角θreに基づいてｄｑ軸電圧指令値ｖ* d,qからαβ軸電圧指令値ｖ* α,βに変換する。さらに、電圧指令値出力部２３は、αβ軸電圧指令値ｖ* α,βで表される電圧ベクトル(ｖ* α,ｖ* β)がインバータ３０の出力限界範囲２３ａの範囲内にある場合にはαβ軸電圧指令値ｖ* α,βをαβ軸電圧指令値ｖ** α,βとして相数変換部２４を介してインバータ３０に出力する。
【選択図】図３
【解決手段】実施形態のモータシステム１０ａでは、コントローラ２０ａは、電圧情報生成部２１、座標変換部２２、電圧指令値出力部２３、相数変換部２４を有する。そして、電圧情報生成部２１は、上位システム等の外部から入力されたトルク微分指令値τdot*に基づいてｖ* d,q＝ｇ-1(τdot*)から交流モータ５０のｄｑ軸電圧指令値ｖ* d,qを生成する。また、座標変換部２２は、交流モータ５０の出力軸の電気角θreに基づいてｄｑ軸電圧指令値ｖ* d,qからαβ軸電圧指令値ｖ* α,βに変換する。さらに、電圧指令値出力部２３は、αβ軸電圧指令値ｖ* α,βで表される電圧ベクトル(ｖ* α,ｖ* β)がインバータ３０の出力限界範囲２３ａの範囲内にある場合にはαβ軸電圧指令値ｖ* α,βをαβ軸電圧指令値ｖ** α,βとして相数変換部２４を介してインバータ３０に出力する。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
交流電動機に三相交流電力を供給可能なインバータに対して前記交流電動機に出力すべき交流電圧の電圧指令値を出力する、交流電動機の制御装置であって、
前記電圧指令値は、前記交流電動機に要求される出力トルクの時間微分値であり指令値として入力されるトルク微分値に基づいて生成される、ことを特徴とする交流電動機の制御装置。
前記電圧指令値は、前記交流電動機に要求される出力トルクの時間微分値であり指令値として入力されるトルク微分値に基づいて生成される、ことを特徴とする交流電動機の制御装置。
【請求項2】
前記トルク微分値に基づいて前記交流電動機の回転座標系の直交二軸に対応する回転座標系電圧情報を生成する電圧情報生成部と、
前記交流電動機の出力軸の回転角に基づいて前記回転座標系電圧情報を前記回転座標系から静止座標系の直交二軸に対応する静止座標系電圧情報に変換する座標変換部と、
前記静止座標系電圧情報で表される電圧ベクトルが前記インバータの出力限界電圧の範囲内にある場合には前記静止座標系電圧情報を前記電圧指令値として前記インバータに対して出力し、前記電圧ベクトルが前記出力限界電圧の範囲外にある場合には前記出力限界電圧の範囲内に収まる大きさに変更した変更後電圧ベクトルを表す静止座標系電圧情報を前記電圧指令値として前記インバータに対して出力する電圧指令値出力部と、
を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の交流電動機の制御装置。
前記交流電動機の出力軸の回転角に基づいて前記回転座標系電圧情報を前記回転座標系から静止座標系の直交二軸に対応する静止座標系電圧情報に変換する座標変換部と、
前記静止座標系電圧情報で表される電圧ベクトルが前記インバータの出力限界電圧の範囲内にある場合には前記静止座標系電圧情報を前記電圧指令値として前記インバータに対して出力し、前記電圧ベクトルが前記出力限界電圧の範囲外にある場合には前記出力限界電圧の範囲内に収まる大きさに変更した変更後電圧ベクトルを表す静止座標系電圧情報を前記電圧指令値として前記インバータに対して出力する電圧指令値出力部と、
を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の交流電動機の制御装置。
【請求項3】
前記回転座標系の二軸が前記交流電動機を構成する回転子の磁極方向に平行なｄ軸とこのｄ軸に直交するｑ軸である場合であって、
前記電圧情報生成部は、前記回転座標系において、
「前記トルク微分値、ｄ軸電流、ｑ軸電流および前記出力軸の角速度」を含む所定関数で表される直線に対して、最短距離で交わるその交点までの大きさを有する電圧ベクトルの座標情報を前記回転座標系電圧情報として生成する、ことを特徴とする請求項２に記載の交流電動機の制御装置。
前記電圧情報生成部は、前記回転座標系において、
「前記トルク微分値、ｄ軸電流、ｑ軸電流および前記出力軸の角速度」を含む所定関数で表される直線に対して、最短距離で交わるその交点までの大きさを有する電圧ベクトルの座標情報を前記回転座標系電圧情報として生成する、ことを特徴とする請求項２に記載の交流電動機の制御装置。
【請求項4】
前記回転座標系の二軸が前記交流電動機を構成する回転子の磁極方向に平行なｄ軸とこのｄ軸に直交するｑ軸である場合であって、
前記電圧情報生成部は、前記トルク微分値、ｄ軸電流、ｑ軸電流、前記出力軸の角速度、およびＭＴＰＡ(Maximum Torque Per Ampere)制御における前記ｄ軸電流の時間微分指令値に基づいて、前記回転座標系電圧情報を生成する、ことを特徴とする請求項２に記載の交流電動機の制御装置。
前記電圧情報生成部は、前記トルク微分値、ｄ軸電流、ｑ軸電流、前記出力軸の角速度、およびＭＴＰＡ(Maximum Torque Per Ampere)制御における前記ｄ軸電流の時間微分指令値に基づいて、前記回転座標系電圧情報を生成する、ことを特徴とする請求項２に記載の交流電動機の制御装置。
【請求項5】
前記電圧ベクトルが前記出力限界電圧の範囲外にある場合、前記電圧指令値出力部は、
前記変更後電圧ベクトルが前記出力限界電圧の範囲内に収まるまで前記トルク微分値を減少させる、ことを特徴とする請求項２に記載の交流電動機の制御装置。
前記変更後電圧ベクトルが前記出力限界電圧の範囲内に収まるまで前記トルク微分値を減少させる、ことを特徴とする請求項２に記載の交流電動機の制御装置。
【請求項6】
前記回転座標系の二軸が前記交流電動機を構成する回転子の磁極方向に平行なｄ軸とこのｄ軸に直交するｑ軸である場合であって、
前記電圧ベクトルが前記出力限界電圧の範囲外にあるとき、前記電圧指令値出力部は、前記回転座標系において、
「前記トルク微分値、ｄ軸電流、ｑ軸電流および前記出力軸の角速度」を含む所定関数で表される直線に対して、前記出力限界電圧の範囲を表す六角形を構成する６つの辺のうち最も平行に近い辺と、前記直線とが交わるときには、その交点まで延びる電圧ベクトルを前記変更後電圧ベクトルとし、当該ベクトルを表す静止座標系電圧情報を前記電圧指令値として前記インバータに対して出力する、ことを特徴とする請求項２に記載の交流電動機の制御装置。
前記電圧ベクトルが前記出力限界電圧の範囲外にあるとき、前記電圧指令値出力部は、前記回転座標系において、
「前記トルク微分値、ｄ軸電流、ｑ軸電流および前記出力軸の角速度」を含む所定関数で表される直線に対して、前記出力限界電圧の範囲を表す六角形を構成する６つの辺のうち最も平行に近い辺と、前記直線とが交わるときには、その交点まで延びる電圧ベクトルを前記変更後電圧ベクトルとし、当該ベクトルを表す静止座標系電圧情報を前記電圧指令値として前記インバータに対して出力する、ことを特徴とする請求項２に記載の交流電動機の制御装置。
【請求項7】
前記回転座標系の二軸が前記交流電動機を構成する回転子の磁極方向に平行なｄ軸とこのｄ軸に直交するｑ軸である場合であって、
前記電圧ベクトルが前記出力限界電圧の範囲外にあるとき、前記電圧指令値出力部は、前記回転座標系において、
「前記トルク微分値、ｄ軸電流、ｑ軸電流および前記出力軸の角速度」を含む所定関数で表される直線に対して、前記出力限界電圧の範囲を表す六角形を構成する６つの辺のうち最も平行に近い辺と、前記直線とが交わらないときには、前記最も平行に近い辺の両端点を表す２つの電圧ベクトルのうち前記トルク微分値が大きい方の電圧ベクトルを前記変更後電圧ベクトルとし、当該ベクトルを表す静止座標系電圧情報を前記電圧指令値として前記インバータに対して出力する、ことを特徴とする請求項２に記載の交流電動機の制御装置。
前記電圧ベクトルが前記出力限界電圧の範囲外にあるとき、前記電圧指令値出力部は、前記回転座標系において、
「前記トルク微分値、ｄ軸電流、ｑ軸電流および前記出力軸の角速度」を含む所定関数で表される直線に対して、前記出力限界電圧の範囲を表す六角形を構成する６つの辺のうち最も平行に近い辺と、前記直線とが交わらないときには、前記最も平行に近い辺の両端点を表す２つの電圧ベクトルのうち前記トルク微分値が大きい方の電圧ベクトルを前記変更後電圧ベクトルとし、当該ベクトルを表す静止座標系電圧情報を前記電圧指令値として前記インバータに対して出力する、ことを特徴とする請求項２に記載の交流電動機の制御装置。
【請求項8】
交流電動機に三相交流電力を供給可能なインバータに対して前記交流電動機に出力すべき交流電圧の電圧指令値を出力する、交流電動機の制御方法であって、
前記電圧指令値は、前記交流電動機に要求される出力トルクの時間微分値であり指令値として入力されるトルク微分値に基づいて生成される、ことを特徴とする交流電動機の制御方法。
前記電圧指令値は、前記交流電動機に要求される出力トルクの時間微分値であり指令値として入力されるトルク微分値に基づいて生成される、ことを特徴とする交流電動機の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、交流電動機の制御装置および制御方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
交流電動機の制御装置や制御方法として、例えば、下記特許文献１，２に開示されている「モータ制御装置、モータ制御方法」や「交流電動機の制御装置」がある。この種の装置等では、例えば、交流電動機に対して電流ベクトル制御が行われる。電流ベクトル制御では、交流電動機の各相に出力される電流を、交流電動機にトルクを発生させるｑ軸の電流成分と、交流電動機の回転子に磁束を発生させるｄ軸の電流成分とにベクトル分解し、それぞれを独立に制御を行う。そのため、交流電動機の各相または任意相に流れる電流の情報は、ｄ軸電流とｑ軸電流に相数変換された後、フィードバックされて制御に使用される（特許文献１；図１，７、特許文献２；図５，６）。なお、本明細書においては交流電動機のことを単に「モータ」と表現する場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２００４－１８０４４１号公報
【特許文献2】特開２０１４－１１３０２６号公報
【非特許文献】
【0004】
【非特許文献1】中山陽介、道木慎二「インバータ過変調領域でのＰＭＳＭベクトル制御を可能とする帯域除去フィルタの設計」、電気学会論文誌Ｄ、Vol.138 No.11 pp.884-893、2018年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところで、このような制御が行われる交流電動機は、典型的には、電気自動車を代表例とする移動体の動力源に用いられる。そのため、交流電動機に対する交流電力の供給では、バッテリや電圧コンバータ等の直流電圧源から出力された直流電力を交流電力に変換するインバータが使用される。インバータは、制御装置により制御されるが、直流電圧源の出力電圧を超える電圧を出力することはできない。インバータが出力可能な電圧の限界値（出力限界電圧）に起因して、制御装置で行われる電流ベクトル制御では、下記のような問題が生じ得る。なお、ここでは交流電動機は三相交流モータであることを前提とする。
【0006】
(1) 特許文献１の図２に示されているように、三相交流モータの各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）の電圧軸を表した静止座標系と、モータに供給される電圧を直交二軸（ｄ，ｑ軸）のベクトル空間で表した回転座標系との関係を示す電圧ベクトル図においては、モータに供給可能な電圧Ｖ＿ｍａｘの範囲が六角形で表現される。つまり、この六角形はインバータの出力限界電圧を表す。そのため、制御装置は、インバータの出力電圧が六角形の各辺に相当する境界まで到達するようにインバータを制御するのが望ましいものの、それには各辺に適合した複雑なリミッタ制御を可能にするアルゴリズムが必要になる。したがって、このような演算処理に要する時間が制御指令に対する応答速度の低下を招き得る。
【0007】
(2) このため、特許文献１の制御装置では、六角形の内接円Ｃ＿２を超えた六角形内の過変調領域においては、内接円Ｃ＿２を超えたｄ軸電圧の不足分Ｖｄｎを演算してｑ軸電流指令値を補正する処理が行われる。このような過変調領域で行われる、ｄ軸優先制御や襷（たすき）掛け電流制御は演算処理が複雑になりやすい。また電流ベクトル制御では、特許文献１の図１や図７に示されているように、ｄ軸電流およびｑ軸電流はいずれもＰＩ制御（ｄ軸電流制御器、ｑ軸電流制御器）により生成され、その処理には積分器等による積分演算が伴うことが多い。したがって、これらの演算処理も結局は制御の応答速度の低下に繋がり得る。
【0008】
(3) また、上記の非特許文献１に示すように、過変調領域におけるインバータ制御においては制御装置でフィードバックされる電流に様々な高調波が含まれることが知られている（非特許文献１のFig.１やFig.６等）。これらの高調波が外乱としてフィードバック電流に重畳した場合には、モータ制御が不安定になったり制御性能が劣化したりし得ることから、当該高調波をフィルタで除去する構成が採用されることが多い。しかし、このようなフィルタ処理には、一般的に積分器等による積分演算が含まれるため、積分演算に伴う遅延時間が制御の応答速度を低下させ得る。
【0009】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、制御の応答速度の低下を抑制し得る交流電動機の制御装置および制御方法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】
【0010】
交流電動機が埋込構造永久磁石同期電動機（IPMSM：Interior Permanent Magnet Synchronous Motor）である場合には、ｄｑ回転座標系におけるIPMSMの電圧方程式（ｄ軸電圧ｖd，ｑ軸電圧ｖq）は次の式(1)により表されることが知られている。
【0011】
【数1】
【0012】
上記の式(1)に基づいてｄ軸電流ｉdおよびｑ軸電流ｉqをそれぞれ時間で微分すると、次の式(2)，(3)が得られ、また交流電動機の出力軸のトルク（出力トルク）τは、式(4)により表される。なお、Ｐは交流電動機の極対数である。
【数2】
【数3】
【数4】
【0013】
このようにIPMSMの数学モデルは、上記３つの式(2)～(4)により表現することが可能であり、その出力トルクτは上記式(4)により表される。そのため、交流電動機の電流ベクトル制御においては上記式(1),(2)に基づく制御が行われている。即ち、電流ベクトル制御では、交流電動機に流れる交流電流（モータ電流）の情報をセンサにより検出しそれをフィードバックさせてモータ電流を指令電流値に一致させ得るようにＰＩ（比例積分）制御を行うことによって、目標の出力トルクを得る。したがって、IPMSMの交流電動機は、図１(A)に示すような電動機モデルとして表すことができる。
【0014】
図１(A)において、Ｒは交流モータ５０（交流電動機）を構成する各相のコイルの巻線抵抗であり、Ｌはそれらのコイルのインダクタンスである。ｓはラプラス演算子である。また、ｖは同コイルに印加される交流電圧であり、ｉは同コイルに流れるモータ電流である。τは交流モータ５０の出力トルクである。ｆ(ｉ)はコイルの各相に流れる交流電流ｉを出力トルクτに変換する所定の伝達関数である。なお、ｄｑ回転座標系の場合には、ｖはｖd,qであり、ｉはｉd,qである。また、本明細書や図面では、ｖd,qやｉu,v,wのように下付きの添え字において、カンマ「，」で区切られた二文字や三文字を記載する場合があるが、これは、本来、添え字が付けられる文字にこれらの添え字を一文字ずつ付すべきところ、そのような表記を省略したことを表している（例えば、ｖd,qは、ｖdとｖqを意味する）。
【0015】
より具体的には、図２４に示すように、モータシステム１００において交流モータ１３０に対して電流ベクトル制御を行う場合には、電流センサ１４０により検出されたモータ電流ｉu,v,wに対して座標および相数を変換した後、制御装置１１０にフィードバックする（ｉd，ｉq）。制御装置１１０では、外部から入力されたトルク指令値τ*に基づいてｄ，ｑ軸電流指令値ｉ*
d，ｉ*
qを電流指令生成部１１１により生成するとともにフィードバック入力される電流情報ｉd，ｉqがｄ，ｑ軸電流指令値ｉ*
d，ｉ*
qに近づくようにＰＩ制御されたｄ，ｑ軸電圧指令値ｖ*
d，ｖ*
qをｄ軸電流PI制御部１１２とｑ軸電流PI制御部１１３とにより生成する。生成された電圧指令値ｖ*
d，ｖ*
qは、座標・相数変換部１１５により座標および相数が変換されて電圧指令値ｖ*
u,v,wとしてインバータ１２０に出力される。そして、電圧指令値ｖ*
u,v,wに従ってスイッチング制御されたインバータ１２０から交流電圧ｖu,v,wが出力されて交流モータ１３０に供給される。
【0016】
しかし、このような交流電動機の典型的な制御方式とも言える電流ベクトル制御では、ＰＩ制御を行う必要から制御処理の過程において遅延要因となる積分演算を欠くことができない。図２４の構成例では、ｄ軸電流PI制御部１１２およびｑ軸電流PI制御部１１３において積分演算が必ず行われることから、積分演算に伴う遅延時間がトルク指令に対する応答速度を低下させてしまう。つまり、交流電動機の電流ベクトル制御は、積分器等による積分演算が含まれる限り制御の応答速度の低下の抑制に限界がある。
【0017】
このため、図２４に示す比較例のモータシステム１００のように電流ベクトル制御を行った場合の計算機シミュレーションの結果によると、図２５(A)に示すように、入力されたトルク指令値τ*に対して交流モータ１３０の出力軸から出力されるトルク（出力トルク）τには、応答速度の低下に伴うオーバーシュートが生じ得ることがわかる（同図に示す破線楕円内）。また、図２５(B)に示すように、ｄ軸やｑ軸電流ｉd，ｉqにおいても応答遅延によるオーバーシュートが生じ得ることがわかる。なお、同図において、τの上のハット（∧）記号はそのτが計算により得られた推定値であることを表す。
【0018】
そこで、本願発明者らは、出力トルクτに対するトルク微分値τdotに着目して、交流電動機を図１(B)に示すような電動機モデルとして捉えた。同図において、ｖ（ｄｑ回転座標系のｖd,q）は交流モータ５０（交流電動機）を構成する各相のコイルに印加される交流電圧であり、ｇ(ｖ)はコイルの各相に印加される交流電圧ｖをトルク微分値τdotに変換する伝達関数である。なお、同図において、τの上のドット「・」記号は時間微分の表記であり、明細書におけるτdotの「dot」と同義の表記である（以下同じ）。
【0019】
図１(B)に示す電動機モデルのｇ(ｖ)は次のように求められる。即ち、上記の式(4)を時間微分すると次式(5)が得られるため、それに上記の式(2)，(3)を代入すると式(6)が得られ、さらにその式(6)をｄ軸電圧ｖdとｑ軸電圧ｖqについて整理すると、ｇ(ｖ)として式(7)が得られる。なお、この式(7)により表されるｇ(ｖ)は、特許請求の範囲に記載の「所定関数」に相当し得るものである。
ただし、Ａ(Ｉd,Ｉq)，Ｂ(Ｉd,Ｉq)，Ｃ(Ｉd,Ｉq,ωre)は、
【数5】
【数6】
【数7】
【数8】
【0020】
上記の式(6)や式(7)は、電圧に関して時変係数を有する線形関数になることから、電圧を操作するだけでトルク微分値を管理することが可能になる。つまり、電流制御を行うことなく、積分器等の積分要素を備えることなく、交流モータ５０（交流電動機）の出力トルクτを制御することができる。また、トルク微分値のフィードフォワード制御も可能になる。以下、このようなトルク応答管理型の電圧ベクトル制御のことを「本電圧ベクトル制御」という。
【0021】
このような技術的根拠に基づいて、上記目的を達成するため、特許請求の範囲に記載された請求項１の技術的手段を採用する。この手段によると、交流電動機の制御装置の発明は、交流電動機に三相交流電力を供給可能なインバータに対して前記交流電動機に出力すべき交流電圧の電圧指令値を出力するものであって、電圧指令値は、交流電動機に要求される出力トルクの時間微分値であり指令値として入力されるトルク微分値に基づいて生成される。
【0022】
また、上記目的を達成するため、特許請求の範囲に記載された請求項８の技術的手段を採用する。この手段によると、交流電動機の制御方法の発明は、交流電動機に三相交流電力を供給可能なインバータに対して前記交流電動機に出力すべき交流電圧の電圧指令値を出力するものであって、電圧指令値は、交流電動機に要求される出力トルクの時間微分値であり指令値として入力されるトルク微分値、つまりトルク微分指令値に基づいて生成される。
【0023】
これにより、交流電動機の制御装置または交流電動機の制御方法の発明では、上述のように、電流制御を行うことなく、トルク微分指令値に基づいて、交流電動機の出力トルクを制御する（出力トルクの定値制御を行う）ことが可能になることから、例えば、一般的な電流ベクトル制御において行われるようなＰＩ制御処理（図２４に示す符号１１２，１１３）における積分演算を必要としない。
【0024】
また、特許請求の範囲に記載された請求項２の技術的手段を採用する。この手段によると、交流電動機の制御装置の発明は、電圧情報生成部と座標変換部と電圧指令値出力部を有し、トルク微分値に基づいて交流電動機の回転座標系の直交二軸に対応する回転座標系電圧情報を生成し、交流電動機の出力軸の回転角に基づいて回転座標系電圧情報を回転座標系から静止座標系の直交二軸に対応する静止座標系電圧情報に変換する。そして、当該静止座標系電圧情報で表される電圧ベクトルがインバータの出力限界電圧の範囲内にある場合には静止座標系電圧情報を電圧指令値としてインバータに対して出力し、電圧ベクトルが出力限界電圧の範囲外にある場合には出力限界電圧の範囲内に収まる大きさに変更した変更後電圧ベクトルを表す静止座標系電圧情報を電圧指令値としてインバータに対して出力する。なお、電圧指令値の相数を交流電動機の相数に適合させる相数変換部を介して出力する場合もある。これにより、トルク微分指令値に基づく出力トルクの定値制御として、静止座標系電圧情報で表される電圧ベクトルがインバータの出力限界電圧の範囲内にある場合には静止座標系電圧情報を電圧指令値としてインバータに対して出力し、電圧ベクトルが出力限界電圧の範囲外にある場合には出力限界電圧の範囲内に収まる大きさに変更した変更後電圧ベクトルを表す静止座標系電圧情報を電圧指令値としてインバータに対して出力する。
【0025】
また、特許請求の範囲に記載された請求項３の技術的手段を採用する。この手段によると、交流電動機の制御装置の発明は、回転座標系の二軸が交流電動機を構成する回転子の磁極方向に平行なｄ軸とこのｄ軸に直交するｑ軸である場合、つまりｄｑ回転座標系においては、電圧情報生成部は、「トルク微分値、ｄ軸電流、ｑ軸電流および出力軸の角速度」を含む所定関数で表される直線に対して、最短距離で交わるその交点までの大きさを有する電圧ベクトルの座標情報を回転座標系電圧情報として生成する。これにより、電圧ベクトルとして電圧振幅が最小値のものが得られるため、トルク微分指令値に対応した最小電圧（最小電圧振幅）の電圧指令値をインバータに出力することが可能になる。
【0026】
また、特許請求の範囲に記載された請求項４の技術的手段を採用する。この手段によると、交流電動機の制御装置の発明は、回転座標系の二軸が交流電動機を構成する回転子の磁極方向に平行なｄ軸とこのｄ軸に直交するｑ軸である場合、つまりｄｑ回転座標系においては、電圧情報生成部は、トルク微分値、ｄ軸電流、ｑ軸電流、出力軸の角速度、およびＭＴＰＡ(Maximum Torque Per Ampere)制御におけるｄ軸電流の時間微分指令値に基づいて、回転座標系電圧情報を生成する。これにより、インバータの出力電流に対して交流電動機の出力トルクが最大になる電圧ベクトルが得られるため、トルク微分指令値に対応した出力トルクの効率が最も良い電圧指令値をインバータに出力することが可能になる。
【0027】
また、特許請求の範囲に記載された請求項５の技術的手段を採用する。この手段によると、交流電動機の制御装置の発明は、電圧ベクトルが出力限界電圧の範囲外にある場合、電圧指令値出力部は、変更後電圧ベクトルが出力限界電圧の範囲内に収まるまでトルク微分値を減少させる。これにより、電圧ベクトルが出力限界電圧の範囲外にある場合、つまり実現不可能な電圧指令値が要求された場合、出力限界電圧の範囲内に収まるまでトルク微分値が減少するので、電圧指令値出力部は、積分演算を行うことなく、実現可能な電圧指令値をインバータに対して出力することが可能になる。
【0028】
また、特許請求の範囲に記載された請求項６の技術的手段を採用する。この手段によると、交流電動機の制御装置の発明は、回転座標系の二軸が交流電動機を構成する回転子の磁極方向に平行なｄ軸とこのｄ軸に直交するｑ軸である場合、つまりｄｑ回転座標系において、電圧ベクトルが出力限界電圧の範囲外にあるとき、つまり実現不可能な電圧指令値が要求されたとき、電圧指令値出力部は次の制御を行う。回転座標系において、「トルク微分値、ｄ軸電流、ｑ軸電流および出力軸の角速度」を含む所定関数で表される直線に対して、出力限界電圧の範囲を表す六角形を構成する６つの辺のうち最も平行に近い辺と、この所定関数で表される直線とが交わるときには、その交点まで延びる電圧ベクトルを変更後電圧ベクトルとし、当該ベクトルを表す静止座標系電圧情報を電圧指令値としてインバータに対して出力する。これにより、変更後電圧ベクトルは、出力限界電圧の範囲を表す六角形の６つの辺のうちの一辺に到達するので、電圧指令値出力部は、例えば、複雑な演算が必要なリミッタ制御等を用いることなく、また積分演算を行うことなく、実現可能な電圧指令値として最大値をインバータに対して出力することが可能になる。
【0029】
また、特許請求の範囲に記載された請求項７の技術的手段を採用する。この手段によると、交流電動機の制御装置の発明は、回転座標系の二軸が交流電動機を構成する回転子の磁極方向に平行なｄ軸とこのｄ軸に直交するｑ軸である場合、つまりｄｑ回転座標系において、電圧ベクトルが出力限界電圧の範囲外にあるとき、つまり実現不可能な電圧指令値が要求されたとき、電圧指令値出力部は次の制御を行う。回転座標系において、「トルク微分値、ｄ軸電流、ｑ軸電流および出力軸の角速度」を含む所定関数で表される直線に対して、出力限界電圧の範囲を表す六角形を構成する６つの辺のうち最も平行に近い辺と、この所定関数で表される直線とが交わらないときには、最も平行に近い辺の両端点を表す２つの電圧ベクトルのうちトルク微分値が大きい方の電圧ベクトルを変更後電圧ベクトルとし、当該ベクトルを表す静止座標系電圧情報を電圧指令値としてインバータに対して出力する。これにより、変更後電圧ベクトルは、出力限界電圧の範囲を表す六角形の６つの頂点のうちの一頂点に到達するので、電圧指令値出力部は、例えば、複雑な演算が必要なリミッタ制御等を用いることなく、また積分演算を行うことなく、実現可能な電圧指令値として最大値をインバータに対して出力することが可能になる。
【発明の効果】
【0030】
請求項１の発明または請求項８の発明では、電流制御を行うことなく、トルク微分指令値に基づく出力トルクの定値制御を行うことが可能になることから、例えば、一般的な電流ベクトル制御において行われるようなＰＩ制御処理（図２４に示す符号１１２，１１３）における積分演算を必要としない。したがって、積分演算に伴う遅延時間が生じないため、制御指令に対する応答速度の低下を抑制することができる。
【0031】
請求項２の発明では、トルク微分指令値に基づく出力トルクの定値制御として、静止座標系電圧情報で表される電圧ベクトルがインバータの出力限界電圧の範囲内にある場合には静止座標系電圧情報を電圧指令値としてインバータに対して出力し、電圧ベクトルが出力限界電圧の範囲外にある場合には出力限界電圧の範囲内に収まる大きさに変更した変更後電圧ベクトルを表す静止座標系電圧情報を電圧指令値としてインバータに対して出力する。したがって、静止座標系電圧情報で表される電圧ベクトルが出力限界電圧の範囲内にある場合は勿論のこと、出力限界電圧の範囲外にある場合においても、出力限界電圧の範囲内で静止座標系電圧情報を電圧指令値としてインバータに出力することができる。
【0032】
請求項３の発明では、電圧ベクトルとして最小値のものが得られるため、トルク微分指令値に対応した最小電圧（最小電圧振幅）の電圧指令値をインバータに出力することが可能になる。したがって、例えば、インバータの出力電圧または交流電動機の入力電圧を、極力、小さくしたい等のニーズがある場合にそれを満たすことができる。
【0033】
請求項４の発明では、インバータの出力電流に対して交流電動機の出力トルクが最大になる電圧ベクトルが得られるため、トルク微分指令値に対応した出力トルクの効率が最も良い電圧指令値をインバータに出力することが可能になる。したがって、ＭＴＰＡ制御にスムースに移行することが可能になるため、例えば、要求トルクに対してインバータの出力電流を最小限に抑えたい等のニーズがある場合にそれを満たすことができる。
【0034】
請求項５の発明では、電圧ベクトルが出力限界電圧の範囲外にある場合、つまり実現不可能な電圧指令値が要求された場合、出力限界電圧の範囲内に収まるまでトルク微分値が減少するので、電圧指令値出力部は、積分演算を行うことなく、実現可能な電圧指令値をインバータに対して出力することが可能になる。したがって、積分演算に伴う遅延時間が生じないため、制御指令に対する応答速度の低下を抑制することができる。
【0035】
請求項６の発明では、変更後電圧ベクトルは、出力限界電圧の範囲を表す六角形の一辺に到達するので、電圧指令値出力部は、例えば、複雑な演算が必要なリミッタ制御等を用いることなく、また積分演算を行うことなく、実現可能な電圧指令値として最大値をインバータに対して出力することが可能になる。したがって、複雑な演算や積分演算に伴う遅延時間が生じないため、制御指令に対する応答速度の低下を抑制することができる。
【0036】
請求項７の発明では、変更後電圧ベクトルは、出力限界電圧の範囲を表す六角形の一頂点に到達するので、電圧指令値出力部は、例えば、複雑な演算が必要なリミッタ制御等を用いることなく、また積分演算を行うことなく、実現可能な電圧指令値として最大値をインバータに対して出力することが可能になる。したがって、複雑な演算や積分演算に伴う遅延時間が生じないため、制御指令に対する応答速度の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0037】
【図2】図２(A)は、本発明の交流電動機の制御装置や制御方法を適用したモータシステムのハードウェアの構成例を示すブロック図である。図２(B)は、本実施形態のモータシステムに含まれるインバータの構成例を示す回路図である。
【図3】本実施形態のモータシステムを構成する制御系要素の構成例１を示すブロック線図である。
【図4】図３に示すコントローラにより行われる本電圧ベクトル制御の概念図であり、図４(A)は電圧情報生成部において行われる電圧指令値の生成アルゴリズムの概念例を表したもの、図４(B)は電圧指令値出力部において行われる制御アルゴリズムの概念例を表したものである。
【図5】図３に示すコントローラによる本電圧ベクトル制御を計算機シミュレーションした結果を示す説明図であり、図５(A)はトルク指令値や出力トルク値等を表したものであり、図５(B)はインバータの出力電圧の軌跡を表したものである。
【図6】本実施形態のモータシステムを構成する制御系要素の構成例２を示すブロック線図である。
【図8】図６に示すコントローラによる本電圧ベクトル制御を計算機シミュレーションした結果を示す説明図であり、図８(A)はトルク指令値に対する出力トルク値等を表したものであり、図８(B)はｄ軸，ｑ軸電流値を表したものであり、図８(C)はモータ電流値を表したものである。
【図9】図６に示すコントローラによる本電圧ベクトル制御を計算機シミュレーションした結果を示す説明図であり、図９(A)はインバータの出力電圧の軌跡を表したものであり、図９(B)はインバータを構成する各相のスイッチング素子に入力されるスイッチング波形を表したものである。
【図10】図６に示すコントローラによる本電圧ベクトル制御を行った場合において、トルク指令値、トルク推定値、ｄ軸，ｑ軸電流値を実機により計測した結果を示す説明図であり、図１０(A)は、過変調運転を含まない線形領域動作の場合を表したものであり、図１０(B)は一時的な過変調運転を含む線形領域動作の場合を表したものである。
【図11】本実施形態のモータシステムを構成する制御系要素の構成例３を示すブロック線図である。
【図13】図１１に示すコントローラによる本電圧ベクトル制御を計算機シミュレーションした結果を示す説明図であり、図１３(A)はトルク指令値や出力トルク値等を表したものであり、図１３(B)はｄ軸，ｑ軸電流値を表したものであり、図１３(C)はモータ電流値を表したものである。
【図14】制御系要素の構成例１～３のコントローラにより行われる本電圧ベクトル制御の概念図であり、電圧指令値出力部において行われる電圧指令値修正アルゴリズムの概念例を表したものである。
【図16】制御系要素の構成例１～３のコントローラにより行われる本電圧ベクトル制御の概念図であり、電圧指令値出力部において行われる電圧指令値修正アルゴリズムの他の例の概念例を表したものである。
【図18】制御系要素の構成例１～３のコントローラにより行われる本電圧ベクトル制御における統合制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図19】図１８に示す統合制御処理による本電圧ベクトル制御を計算機シミュレーションした結果を示す説明図であり、図１９(A)はトルク指令値、出力トルク値、ｄ軸，ｑ軸電流値、モータ電流値等を表したものであり、図１９(B)はインバータに出力される三相電圧指令値を表したものである。
【図20】図１９とは異なる条件において、統合制御処理による本電圧ベクトル制御を計算機シミュレーションした結果を示す説明図であり、図２０(A)はトルク指令値、出力トルク値、ｄ軸，ｑ軸電流値、モータ電流値等を表したものであり、図２０(B)はインバータに出力される三相電圧指令値を表したものである。
【図21】本実施形態のモータシステムを構成する制御系要素の構成例４を示すブロック線図である。
【図22】図２１に示すコントローラによる本電圧ベクトル制御を計算機シミュレーションした結果を示す説明図であり、図２２(A)はトルク指令値や出力トルク値等を表したものであり、図２２(B)はｄ軸，ｑ軸電流値を表したものであり、図２２(C)は、モータ電流値を表したものである。
【図24】モータシステムにおいて電流ベクトル制御を行った場合の制御系要素の構成例を示すブロック線図である。
【発明を実施するための形態】
【0038】
以下、本発明の交流電動機の制御装置や制御方法を適用したモータシステム１０の実施形態について図を参照して説明する。まず、図１～３に基づいて本実施形態のモータシステムを構成するハードウェアについて説明する。
【0039】
図２(A)に示すように、モータシステム１０は、主に、コントローラ２０、インバータ３０、回転角センサ４５、交流モータ５０等により構成されており、例えば、電気自動車や鉄道電動車等の走行用モータを制御する駆動系モータシステムや、ロボット等の駆動用モータを制御するサーボ系モータシステムに用いられる。
【0040】
コントローラ２０は、交流電動機の制御装置の一例であり、典型的には、例えば、マイクロコンピュータ（ＣＰＵ）と、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ等の半導体メモリ装置と、入出力インタフェースとから構成される、いわゆるマイコンボード（不図示）である。コントローラ２０には、インバータ３０、電流センサ４１，４２，４３、回転角センサ４５や上位システム（不図示）が接続されており、これらのセンサ４１～４３，４５から、交流モータ５０に供給されているモータ電流ｉu,v,wの情報や交流モータ５０のシャフト（出力軸）の回転角（機械角）θrmの情報が入力されたり、交流モータ５０に要求する出力トルクτの情報（指令値）が上位システムから入力されたりする。
【0041】
これらの情報に基づいて、コントローラ２０は、以下説明する制御系要素の構成例１～４による本電圧ベクトル制御のアルゴリズムに従って電圧指令値ｖ*
u,v,wを生成してそれをインバータ３０に出力する。そのため、コントローラ２０のＥＥＰＲＯＭ等には、本電圧ベクトル制御のアルゴリズムを構成する部品として、後述する「電圧情報生成部２１、座標変換部２２、電圧指令値出力部２３、相数変換部２４等」の各機能をソフトウェア的に実現するプログラムが予め格納されている。なお、本願発明者らは、交流モータ５０の出力トルクτに対するトルク微分値τdotに着目して、交流電動機を図１(B)に示すような電動機モデルとして捉えている（「dot」はその直前の文字や記号が時間微分値であることを意味する。以下同じ。）。そのため、上位システムから入力される指令値は、原則的には、交流モータ５０に要求する出力トルク（トルク指令値）τ*ではなく、トルク微分値（トルク微分値指令値）τdot*である。
【0042】
インバータ３０は、交流モータ５０の駆動に適した直流電圧を交流モータ５０の相数分の交流電圧に変換して出力する電力変換装置である。本実施形態では、交流モータ５０は三相交流モータであることから、外部から入力される直流電圧をコントローラ２０から入力された電圧指令値ｖ*
u,v,wに従って交流電圧（出力電圧）ｖu,v,wに変換し交流モータ５０に供給する。そのため、インバータ３０には交流モータ５０の駆動可能な電圧を出力する直流電圧源Battが接続されている。インバータ３０は、交流モータ５０の各相に対応して直流電圧を交流電圧ｖu,v,wに変換するスイッチング回路（図２(B)）や、このスイッチング回路を電圧指令値ｖ*
u,v,wに従ってスイッチング動作させる制御回路（不図示）等を備えている。直流電圧源Battは、バッテリそのものである場合や、昇圧や降圧の必要があるときにはバッテリが接続された電圧コンバータである場合がある。
【0043】
図２(B)に示すように、インバータ３０は、直列接続された２つのスイッチング素子（上下アーム）を当該インバータ３０が出力する交流電圧の相数分だけ並列接続したスイッチング回路を有する。直流電圧源Battはそれぞれの上下アームの両端に接続されており、またこれら上下アームの中間点、即ちスイッチング素子間の接続部には交流モータ５０の各相のコイルが接続されている。本実施形態では、交流モータ５０が三相交流モータであることから、スイッチング素子は上下アーム合わせて６つのＦＷＤ付きのＩＧＢＴ３１～３６である。直流電圧源Battのプラス電極側が上アームのＩＧＢＴ３１，３３，３５に接続され、マイナス電極側が下アームのＩＧＢＴ３２，３４，３６に接続されている。また、ＩＧＢＴ３１，３２の接続部、ＩＧＢＴ３３，３４の接続部、ＩＧＢＴ３５，３６の接続部には、交流モータ５０のＵ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルの各端子がそれぞれ接続されている。スイッチング素子はパワーＭＯＳＦＥＴ等のトランジスタでもよい。
【0044】
電流センサ４１～４３は、交流電流を計測可能に構成された検出デバイスであり、インバータ３０から交流モータ５０に供給される交流電力の電流値を計測してコントローラ２０に出力する。例えば、インバータ３０と交流モータ５０を接続する各相の電気配線に取り付けられた電流センサ４１～４３から、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相の電流情報ｉu,v,wが出力されてコントローラ２０に入力される。電流センサ４１～４３から入力された各電流情報ｉu,v,wは、コントローラ２０において、ｄｑ軸電流情報ｉd,qに相変換されて使用される。
【0045】
回転角センサ４５は、交流モータ５０のシャフトの回転角度を計測可能に構成された検出デバイスであり、例えば、シャフトの反負荷側に取り付けられてコントローラ２０に角度情報（機械角）θrmを出力する。本実施形態では、回転角度を絶対値で検出可能なアブソリュートエンコーダやレゾルバが用いられる。アブソリュートエンコーダは角度情報θrmをデジタル値で出力し、レゾルバは角度情報θrmをアナログ値（正弦波）で出力する。回転角センサ４５から入力された角度情報θrmは、機械角であることから、コントローラ２０においては、電気角θreや角速度ωreに変換されて使用される。
【0046】
交流モータ５０は、例えば、三相交流電力が供給されて駆動する埋込構造永久磁石同期電動機（IPMSM：Interior Permanent Magnet Synchronous Motor）であり、極数Ｐは４極に設定されている。交流モータ５０の構造は、特に図示していないが、例えば、主に、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相のコイルが巻回される複数のスロットを内周に有する円筒状のステータ（固定子）と、一端側（負荷側）に負荷に接続し他端側（反負荷側）に回転角センサ４５等を接続し得るシャフト（出力軸）と、このシャフトが軸中心に貫通し周方向に複数組の永久磁石が埋設される円柱形状のロータ（回転子）と、シャフトの両端（負荷側および反負荷側）を除いてこれらを収容するケースと、により構成されている。
【0047】
なお、交流モータ５０の電動機モデルをブロック線図で表現すると、図１(B)に示す電動機モデルを拡張した制御系要素で表される。即ち、図３に示すように、交流モータ５０は、座標変換要素５１、関数要素５２および積分要素５３の機能を有する。座標変換要素５１は、ＵＶＷ静止座標系の三相の電圧ベクトル(ｖu,ｖv,ｖw)をｄｑ回転座標系の電圧ベクトル(ｖd,ｖq)に変換する機能である。関数要素５２と積分要素５３は、図１(B)を参照して説明した交流モータ５０の電動機モデルと同様である。
【0048】
このようにハードウェアが構成されるモータシステム１０は、例えば、図３に示すようなブロック線図で表される制御系要素の構成例１として概念できる。ここからは、モータシステム１０（１０ａ）の制御系要素の構成例１を図３～１５に基づいて説明する。
【0049】
［制御系要素の構成例１］
図３に示すように、制御系要素の構成例１（以下「構成例１」という）のモータシステム１０ａでは、コントローラ２０ａは、電圧情報生成部２１、座標変換部２２、電圧指令値出力部２３、相数変換部２４の機能を有する。
図３に示すように、制御系要素の構成例１（以下「構成例１」という）のモータシステム１０ａでは、コントローラ２０ａは、電圧情報生成部２１、座標変換部２２、電圧指令値出力部２３、相数変換部２４の機能を有する。
【0050】
前述したように、コントローラ２０ａには、図略の上位システムから指令値としてトルク微分値指令値τdot*が入力される。図１(B)を参照して説明したように、交流モータ５０は、出力トルクτに対するトルク微分値τdotに着目すると、ｇ(ｖ)の関数要素と１／ｓの積分要素との２つの制御系要素で表現することが可能である。前者は、前述した式(7)により表されるτdot＝Ａ(ｉd,ｉq)ｖd＋Ｂ(ｉd,ｉq)ｖq＋Ｃ(ｉd,ｉq,ωre)である。また後者は純積分器である。つまり、τdot＝Ａ…で表されるｇ(ｖ)は、左辺のトルク微分値τdotと右辺の電圧ベクトル(ｖd,ｖq)とが線形かつ静的な関係にあることがわかる。また、積分要素は、制御対象である交流モータ５０に含まれる一方で、制御を行うコントローラ２０ａ（電圧情報生成部２１等）には積分器等の積分要素が含まれないことが理解できる。
【0051】
したがって、電圧ベクトル(ｖd,ｖq)からトルク微分値τdotを直接指定することができ、その逆もできる。ただし、トルク微分値τdotから電圧ベクトル(ｖd,ｖq)を指定するｇ(ｖ)の逆関数ｖ＝ｇ-1(τdot)は、電圧ベクトル(ｖd,ｖq)が変数２つを入力する関数であることから、選定可能なｄ軸電圧ｖdとｑ軸電圧ｖqの組み合わせは無数に存在する。しかし、逆関数ｖ＝ｇ-1(τdot)は線形関数であることから、複雑なアルゴリズムになり難く、非線形関数の場合に比べると簡単な情報処理で実現することが可能である。また、図２４，２５を参照して説明したように、積分演算（積分要素）が必ず含まれる電流ベクトル制御に対して、逆関数ｖ＝ｇ-1(τdot)の演算処理には積分演算（積分要素）が含まれないことから、電流ベクトル制御において生じる積分演算に伴う遅延時間に起因した出力トルクτのオーバーシュート（図２５の破線楕円内）も発生しない。したがって、このような出力トルクτのオーバーシュートの発生を抑制する、例えばアンチワインドアップ処理等が不要になる。
【0052】
このような理由から、電圧情報生成部２１は、［発明が解決しようとする課題］の欄で述べた式(7)の逆関数ｖ*
d,q＝ｇ-1(τdot*)として機能する。つまり、上位システムからトルク微分値指令値τdot*が入力され、また電流センサ４１～４３から電流情報ｉu,v,wや回転角センサ４５から角度情報θrmが入力されると、そのトルク微分値τdotを用いて算出可能なｄ軸電圧指令値ｖ*
dおよびｑ軸電圧指令値ｖ*
q（回転座標系電圧情報）が電圧情報生成部２１から出力される。電流情報ｉu,v,wや角度情報θrmは、コントローラ２０において電流情報ｉd,qや角速度ωreに変換されて使用される。
【0053】
なお、前述したように、電圧ベクトル(ｖd,ｖq)は、変数２つを入力する関数であることから、ｄ軸電圧ｖdやｑ軸電圧ｖqの選定には任意性が残る。そこで、電圧情報生成部２１においては、図４(A)に示す概念図により表される生成アルゴリズム（電圧ベクトル計算処理(I)）に従って電圧指令値を選定する。
【0054】
図４(A)に示すように、電圧ベクトル計算処理(I)では、例えば、電圧ベクトル(ｖd,ｖq)（電圧ベクトル７１）が存在するｄｑ回転座標系のｖd-ｖq平面において、トルク微分値指令値τdot*により得られるトルク微分値直線９１を与え、両者が最短距離で交わる交点を求め、当該交点までの大きさを有する電圧ベクトル７１を電圧指令値ｖ*
d,qとして選定する。つまり、要求されたトルク微分値τdot（トルク微分指令値τdot*）に対して電圧振幅が最小になる電圧ベクトル７１を電圧指令値ｖ*
d,qとして選定する。
【0055】
より具体的には、コントローラ２０ａにより式(9)の演算が行われて電圧指令値ｖ*
d,qが求められる。式(9)の演算により選定された電圧指令値ｖ*
d,qを用いて行われる交流モータ５０の運転制御のことを、以下「電圧振幅最小制御」という。なお、Ａ，Ｂ，Ｃは、前述した式(8)に示されている、Ａ(ｉd,ｉq)，Ｂ(ｉd,ｉq)，Ｃ(ｉd,ｉq,ωre)である。
なお、式(9)は次のように得られる。
【数9】
【0056】
前述の式(7)をｑ軸電圧ｖqについて解いたうえでｄ軸電圧ｖd、ｑ軸電圧ｖq、トルク微分値τdotをそれぞれ指令値に置き換えることにより、次式(10)が得られる。ｖd-ｖq平面においては、式(10)は傾き－Ａ／Ｂのトルク微分値直線９１で表されることから、このトルク微分値直線９１に対して最短距離で電圧ベクトル７１が交わるためには、電圧ベクトル７１が同直線９１に直角で交わる（直交する）必要がある。つまり、電圧ベクトル７１は、式(11)を満たせばよいことになるので、これらの２式(10),(11)の連立方程式を解くことによって求められる前述の式(9)から、電圧振幅が最小になる電圧ベクトル７１として、ｄ軸電圧指令値ｖ*
dおよびｑ軸電圧指令値ｖ*
q（ｄｑ軸電圧指令値ｖ*
d,q）が得られる。
【0057】
【数10】
【数11】
【0058】
座標変換部２２は、ｄｑ回転座標系の電圧ベクトル(ｖd,ｖq)をαβ静止座標系の電圧ベクトル(ｖα,ｖβ)に変換する機能を有する。ここでは、電圧情報生成部２１から出力されたｄ軸電圧指令値ｖ*
dとｑ軸電圧指令値ｖ*
qを、α軸電圧指令値ｖ*
αとβ軸電圧指令値ｖ*
β（静止座標系電圧情報）に変換して出力する。回転座標から静止座標への変換は、公知の変換行列から導き出される変換式（ｖ*
α＝ｖ*
dcosθre－ｖ*
qsinθre，ｖ*
β＝ｖ*
dsinθre＋ｖ*
qcosθre）が用いられる。そのため、座標変換部２２には、電圧情報生成部２１から入力されるｄ軸電圧指令値ｖ*
dとｑ軸電圧指令値ｖ*
qのほかに、回転角センサ４５から入力された角度情報θrmが電気角θreに変換されて使用される。
【0059】
電圧指令値出力部２３は、座標変換部２２から入力されたα軸電圧指令値ｖ*
αとβ軸電圧指令値ｖ*
βからなる電圧ベクトル(ｖ*
α,ｖ*
β)を、インバータ３０が出力可能な電圧の限界値である出力限界範囲２３ａの範囲内に収まる大きさに変更してα軸電圧指令値ｖ**
αとβ軸電圧指令値ｖ**
β（電圧指令値）を出力する機能（リミッタ機能）を有する。インバータ３０は、当該インバータ３０に入力される直流電圧源Battの出力電圧を超える電圧を出力することはできない。つまり、インバータ３０は、その仕様や入力される直流電圧源Battの出力電圧から、出力限界範囲２３ａが予め決まっている。そのため、図４(B)に示すような概念図において表される正六角形状を有する出力限界範囲２３ａを定めることが可能になる。
【0060】
この出力限界範囲２３ａを表す正六角形（以下「六角形」という）は、直交するα軸とβ軸の交点を中心に周方向に１２０度間隔でαβ静止座標系の座標平面を三分割する３本の軸（Ｕ軸、Ｖ軸、Ｗ軸）を、交点側においても延長することにより「＊」形状に延びる６本の線ができることから、それらの６本を同じ長さ（最大出力電圧）の位置で隣り合う線同士を接続することによって得られる。なお、この六角形の内接円（図４(B)に示す破線円）を超えた六角形内の範囲（薄墨色の範囲）はいわゆる過変調領域であり、図２４に示すような構成の電流ベクトル制御においては、ｄ軸優先制御や襷（たすき）掛け電流制御等の複雑な演算処理が行うことによってこのような過変調領域に達する電圧ベクトルの制御を可能にしている。
【0061】
なお、ｄ軸優先制御については、例えば、『高橋健治、大石潔、上野俊幸「ｄ軸電圧を優先した埋込型永久磁石同期モータの一駆動法」、電気学会論文誌Ｄ、Vol.131 No.9 pp.1103-1111、2011年』を参照されたい。また、たすき掛け制御については、例えば、『牧島信吾、上園恵一、永井正夫「電圧飽和状態における電動機制御応答性の検証及び考察」、電気学会論文誌Ｄ、Vol.130 No.5 pp.663-670、2010年』を参照されたい。
【0062】
電圧指令値出力部２３では、座標変換部２２から入力されたαβ静止座標系の電圧ベクトル(ｖ*
α,ｖ*
β)がインバータ３０の出力限界範囲２３ａの範囲外にあるか否かを判定し、出力限界範囲２３ａの範囲外にない（範囲内にある）と判定した場合には入力された電圧ベクトル(ｖ*
α,ｖ*
β)をそのままα軸電圧指令値ｖ**
αとβ軸電圧指令値ｖ**
βとして相数変換部２４に出力し、出力限界範囲２３ａの範囲外にある（範囲内にない）と判定した場合には出力限界範囲２３ａの範囲内に収まる大きさに電圧ベクトル(ｖ*
α,ｖ*
β)を変更した後、変更後の電圧ベクトルを表すα軸電圧指令値ｖ**
αとβ軸電圧指令値ｖ**
βとして相数変換部２４に出力する。なお、電圧指令値出力部２３に入力された指令値と、電圧指令値出力部２３から出力された指令値とを区別する便宜上、後者の指令値には「**」を付している。
【0063】
出力限界範囲２３ａは、インバータ３０の仕様や直流電圧源Battの出力電圧から予め定められていることから、出力限界範囲２３ａの六角形を構成する各辺は、αβ静止座標系の座標平面における一次関数としてそれぞれ特定することが可能である。六角形の各辺を表すそれぞれの方程式に対して、電圧ベクトル７１により表される線分を表す方程式を連立方程式として解を求めることによって１つの解につき１つの交点が存在することがわかる。解が２つ以上存在する場合には交点も２つ以上存在することになり、解が存在しない場合には交点はないことになる。
【0064】
このため、まず出力限界範囲２３ａの六角形の各辺を表す６つの一次関数と電圧ベクトル７１により表される線分とが交差する交点を演算で求める処理を行った後、そのような交点が求められた（交点が存在する）か否かを判定する処理が行われる。交点が存在する場合には電圧ベクトル７１は出力限界範囲２３ａの六角形の範囲外にある（範囲内にない）と判定し、交点が存在しない場合には電圧ベクトル７１は出力限界範囲２３ａの六角形の範囲内にあると判定する。
【0065】
「出力限界範囲２３ａの範囲」には、出力限界範囲２３ａの範囲を表す六角形の各辺および各頂点を含めない。したがって、電圧ベクトル７１の先端位置を表す座標が当該六角形の辺や頂点と重なる場合、つまり交点が存在する場合には出力限界範囲２３ａの範囲外にあると判定する。なお、出力限界範囲２３ａの範囲外にあると判定した場合に行われる「出力限界範囲２３ａの範囲内に収まる大きさに電圧ベクトル(ｖ*
α,ｖ*
β)を変更する」処理については、制御系要素の構成例２において後述する。
【0066】
相数変換部２４は、αβ静止座標系の二相の電圧ベクトル(ｖα,ｖβ)をＵＶＷ静止座標系の三相の電圧ベクトル(ｖu,ｖv,ｖw)に変換する機能を有する。ここでは、電圧指令値出力部２３から出力されたα軸電圧指令値ｖ**
αとβ軸電圧指令値ｖ**
βを、Ｕ相電圧指令値ｖ*
uとＶ相電圧指令値ｖ*
vとＷ相電圧指令値ｖ*
wに変換して出力する（電圧指令値ｖ*
u,v,w）。このＵＶＷ相の電圧指令値ｖ*
u,v,wは、コントローラ２０ａから出力されてインバータ３０に入力される。これにより、インバータ３０は、前述したように、コントローラ２０から入力された電圧指令値ｖ*
u,v,wに従ってＩＧＢＴ３１～３６をスイッチングすることにより交流電圧ｖu,v,wを生成（変換）して交流モータ５０に供給する。
【0067】
このように構成例１のモータシステム１０ａでは、コントローラ２０ａは、電圧情報生成部２１、座標変換部２２、電圧指令値出力部２３、相数変換部２４を有する。そして、電圧情報生成部２１により、上位システム等の外部から入力されたトルク微分指令値τdot*に基づいて式(7)の逆関数ｖ*
d,q＝ｇ-1(τdot*)から交流モータ５０のｄｑ回転座標系のｄｑ軸電圧指令値ｖ*
d,q（回転座標系電圧情報）を生成する。また座標変換部２２により、交流モータ５０の出力軸の電気角θreに基づいてｄｑ軸電圧指令値ｖ*
d,q（回転座標系電圧情報）からαβ静止座標系のαβ軸電圧指令値ｖ*
α,β（静止座標系電圧情報）に変換する。さらに電圧指令値出力部２３により、αβ軸電圧指令値ｖ*
α,βで表される電圧ベクトル(ｖ*
α,ｖ*
β)がインバータ３０の出力限界範囲２３ａの範囲内にある場合にはαβ軸電圧指令値ｖ*
α,βをαβ軸電圧指令値ｖ**
α,βとして相数変換部２４を介してインバータ３０に出力する。
【0068】
これにより、コントローラ２０ａによる電圧振幅最小制御では、電流制御を行うことなく、トルク微分指令値τdot*に基づく出力トルクτの定値制御が可能になるので、例えば、一般的な電流ベクトル制御において行われるようなＰＩ制御処理（図２４に示す符号１１２，１１３）における積分演算を必要としない。したがって、積分演算に伴う遅延時間が生じないため、制御指令に対する応答速度の低下を抑制することができる。
【0069】
このような技術的な効果は、例えば、コントローラ２０ａによる本電圧ベクトル制御を計算機シミュレーションした結果として、図５(A)に示す出力トルク等の応答特性や、図５(B)に示すインバータ３０に対する出力電圧（交流電圧ｖu,v,w）の軌跡を得ていることからもわかるので、それについて図５を参照して説明する。
【0070】
シミュレーションにおいては、図３の紙面下方の破線矩形枠内に表されているように、電圧情報生成部２１の前段に減算部２５とトルク制御部２６を設けることにより、電圧情報生成部２１にトルク微分指令値τdot*を入力している。減算部２５には上位システム（図略）から出力されたトルク指令値τ*と計算により得られたトルク推定値τhatとが入力されて、トルク指令値τ*からトルク推定値τhatを減算した結果（トルク指令値τ*に対する出力トルクτの推定偏差）が制御ゲインＫのトルク制御部２６に入力される。つまり、電圧情報生成部２１に入力されるトルク微分指令値τdot*は、τdot*＝Ｋ(τ*－τhat)で表される。トルク制御部２６は、制御ゲインＫの大きさを変更することにより、トルク微分指令値τdot*の大きさや、出力トルクτが立ち上がり時間等を制御することが可能である。
【0071】
同図において、τの上のハット「∧」記号は推定値の表記であり、明細書においては「hat」と表記する。なお、τhatは、交流モータ５０の回転数とモータ電流ｉu,v,w等により算出される。このシミュレーションでは、トルク制御部のゲインＫはシミュレーションの設定条件として任意値が入力される。
【0072】
このシミュレーションの条件は次の通りである。
・交流モータ５０の回転速度：１８００min-1（一定）
・トルク制御部の制御ゲインＫ：２０００rad/sec（時定数５００μsec）
・トルク指令値τ*：０Ｎ・ｍから１Ｎ・ｍまで増加
・交流モータ５０の回転速度：１８００min-1（一定）
・トルク制御部の制御ゲインＫ：２０００rad/sec（時定数５００μsec）
・トルク指令値τ*：０Ｎ・ｍから１Ｎ・ｍまで増加
【0073】
このシミュレーションにおいては、トルク指令値τ*として、インバータ３０の出力限界範囲２３ａの範囲内で実現可能な値（１Ｎ・ｍ）を設定している。そのため、図５(A)に示すように、コントローラ２０ａが１回目の計算処理時間内（５００μsec内）で六角形（出力限界範囲２３ａ）の内側に出力トルクτが立ち上がっていることを確認した。出力トルクτにはオーバーシュートが生じていないことも確認できた。なお、出力トルクτの立ち上がり時間は、トルク指令値τ*の入力後の制御開始から目標値トルクの６３．２％に到達するまでに要した時間である。上記条件の時定数は、立ち上がり時間の設計値である。
【0074】
また、図５(B)に示すインバータ３０の出力電圧ｖα，ｖβは、当該インバータ３０の出力電圧ｖu,v,wをαβ静止座標系に座標変換したαβ軸電圧ｖα,βである。インバータ３０の出力電圧ｖα，ｖβの軌跡では、トルク指令値τ*の入力前は反時計回りで円を描くように回っていおり（符号７１ａ）、トルク指令値τ*の入力により立ち上がって（符号７１ｂ）、落ち着くと円に戻る（符号７１ｃ）。出力トルクτが立ち上がりピーク７１ｂ’においても、六角形（出力限界範囲２３ａ）の内側に収まっていることから、理論通りの応答性能を得られていることが確認できる。なお、交流モータ５０は同期電動機であることから、この出力電圧ｖα，ｖβの軌跡は、交流モータ５０の回転速度（三相交流電圧ｖu,v,wの周波数）に同期して回転している。
【0075】
このように図５(A)，(B)のいずれからも、出力トルクτには、トルク指令値τ*に対するオーバーシュートが生じていないことがわかる。即ち、本電圧ベクトル制御では、電圧情報生成部２１（逆関数ｖ＝ｇ-1(τdot)の演算処理）や座標変換部２２等には積分演算（積分要素）が含まれないことから、例えば、アンチワインドアップ処理等を備えてなくても、演算処理に伴う遅延時間に起因し得るオーバーシュートが出力トルクτに発生しない。
【0076】
ところで、電圧指令値出力部２３は、電圧ベクトル(ｖ*
α,ｖ*
β)が出力限界範囲２３ａの範囲外にある場合には出力限界範囲２３ａの範囲内に収まる大きさに変更する必要がある。インバータ３０は、出力限界範囲２３ａを超えた電圧を交流モータ５０に出力することができないからである。そこで、このような場合には、図６に示すモータシステム１０（１０ｂ）の制御系要素の構成例２により対応する。次にモータシステム１０（１０ｂ）の制御系要素の構成例２を図６～１０に基づいて説明する。
【0077】
［制御系要素の構成例２］
図６に示すように、制御系要素の構成例２（以下「構成例２」という）のモータシステム１０ｂでは、コントローラ２０ｂは、電圧情報生成部２１、座標変換部２２、電圧指令値出力部２３、相数変換部２４、減算部２５、トルク制御部２６の機能を有する。つまり、構成例１のモータシステム１０ａ（図３）に対して、コントローラ２０ｂに減算部２５およびトルク制御部２６の機能を追加している点がそのコントローラ２０ａと異なる。そのため、コントローラ２０ｂの説明では、コントローラ２０ａと同一の構成部分については同一符号を付して説明を省略する。
図６に示すように、制御系要素の構成例２（以下「構成例２」という）のモータシステム１０ｂでは、コントローラ２０ｂは、電圧情報生成部２１、座標変換部２２、電圧指令値出力部２３、相数変換部２４、減算部２５、トルク制御部２６の機能を有する。つまり、構成例１のモータシステム１０ａ（図３）に対して、コントローラ２０ｂに減算部２５およびトルク制御部２６の機能を追加している点がそのコントローラ２０ａと異なる。そのため、コントローラ２０ｂの説明では、コントローラ２０ａと同一の構成部分については同一符号を付して説明を省略する。
【0078】
減算部２５とトルク制御部２６は、構成例１のモータシステム１０ａのシミュレーションにおいて使用したものとほぼ同じであるが、トルク制御部２６の制御ゲインＫが外部から制御可能である点が異なるので、それについて説明する。
【0079】
トルク制御部２６は、制御ゲインＫを外部から制御可能なトルク制御部であり、構成例２のコントローラ２０ｂでは、ゲインＫを増減可能な制御入力が電圧指令値出力部２３に接続されて電圧指令値出力部２３によりゲインＫを制御可能に構成される。これにより、トルク制御部２６には、減算部２５から出力されたトルク指令値τ*に対する出力トルクτの推定偏差(τ*－τhat)の情報が入力されるため、その偏差をゲインＫ倍したものをトルク微分指令値τdot*として電圧情報生成部２１に出力する（τdot*＝Ｋ(τ*－τhat)）。ゲインＫの大きさは電圧指令値出力部２３により制御されるため、電圧指令値出力部２３はトルク微分指令値τdot*を減少させたり増加させたりすることが可能である。
【0080】
このようにコントローラ２０ｂでは、外部の上位システムからトルク指令値τ*が入力されて、そのトルク指令値τ*に対する出力トルクτの推定偏差をゲインＫで減少させたり増加させたりしたものがトルク微分指令値τdot*として電圧情報生成部２１に入力される。そのため、電圧指令値出力部２３は、このゲインＫを制御することによって、座標変換部２２により変換された電圧ベクトル(ｖ*
α,ｖ*
β)が出力限界範囲２３ａの範囲外にある場合に出力限界範囲２３ａの範囲内に収まる大きさに変更することが可能になる。
【0081】
電圧指令値出力部２３は、構成例１で説明したように、座標変換部２２から入力されたαβ静止座標系の電圧ベクトル(ｖ*
α,ｖ*
β)がインバータ３０の出力限界範囲２３ａの範囲内にあるか否かを判定し、出力限界範囲２３ａの範囲外にあると判定した場合には出力限界範囲２３ａの範囲内に収まる大きさに電圧ベクトル(ｖ*
α,ｖ*
β)を変更する。そして、変更後の電圧ベクトルを表すα軸電圧指令値ｖ**
αとβ軸電圧指令値ｖ**
βとして相数変換部２４に出力する。
【0082】
具体的には、例えば、コントローラ２０ｂは、図７に示すような電圧指令値出力処理を行う。なお、この処理は、電圧指令値出力部２３の機能をソフトウェア的に実現するプログラムとして、コントローラ２０ｂのＥＥＰＲＯＭ等に予め格納されている。また、前述した減算部２５やトルク制御部２６の機能をソフトウェア的に実現するプログラムも同様にコントローラ２０ｂのＥＥＰＲＯＭ等に予め格納されている。
【0083】
図７に示すように、電圧指令値出力処理では、ステップＳ１０１により電圧ベクトル計算処理が行われた後、ステップＳ１０３によりインバータ３０の出力限界範囲２３ａの範囲外にあるか否かが判定される。これらは、構成例１で説明した内容である。即ち、出力限界範囲２３ａの六角形の各辺を表す６つの一次関数と電圧ベクトル７１により表される線分とが交差する交点を演算で求める処理がステップＳ１０１による電圧ベクトル計算処理であり、そのような交点が求められた（交点が存在する）か否かを判定、つまり電圧ベクトル７１は出力限界範囲２３ａの六角形の範囲外にある（範囲内にない）か否かを判定する処理がステップＳ１０３による判定処理である。
【0084】
このような判定処理により、電圧ベクトル７１が出力限界範囲２３ａの六角形の範囲外にあると判定された場合には（Ｓ１０３；Ｙｅｓ）、続くゲイン制御情報出力処理（Ｓ１０５）により、トルク制御部２６に対してゲインＫを下げる制御情報が出力される。その後、再びステップＳ１０１に戻って電圧ベクトル計算処理（Ｓ１０１）が行われた後、さらに判定処理（Ｓ１０３）が行われる。トルク制御部２６がゲインＫを低下させると、電圧ベクトル７１は前回の演算時よりも小さくなる。そのため、ゲイン制御情報出力処理（Ｓ１０５）→電圧ベクトル計算処理（Ｓ１０１）→判定処理（Ｓ１０３）を繰り返すことによって、前述の式(9)により求められた「電圧振幅が最小になる電圧ベクトル７１」は、電圧指令値出力部２３により出力限界範囲２３ａの範囲内に収まる大きさに変更される。
【0085】
そして、電圧ベクトル７１が出力限界範囲２３ａの六角形の範囲内にあると判定されると（Ｓ１０３；Ｎｏ）、αβ軸電圧指令値出力処理（Ｓ１０７）により、変更後の電圧ベクトル（変更後電圧ベクトル）(ｖ*
α,ｖ*
β)を表すα軸電圧指令値ｖ**
αとβ軸電圧指令値ｖ**
βを、相数変換部２４に出力する。なお、最初から出力限界範囲２３ａの範囲内に収まる場合にはゲイン制御情報出力処理（Ｓ１０５）が行われないため、入力時の電圧ベクトル(ｖ*
α,ｖ*
β)をそのままα軸電圧指令値ｖ**
αとβ軸電圧指令値ｖ**
βを相数変換部２４に出力する。
【0086】
このように構成例２のモータシステム１０ｂでは、電圧ベクトル７１が出力限界範囲２３ａの範囲外にある場合、電圧指令値出力部２３は、変更後の電圧ベクトルが出力限界範囲２３ａの範囲内に収まるまでトルク制御部２６のゲインＫを下げる（小さくする）ことによりトルク微分指令値τdot*を減少させる。これにより、電圧ベクトル７１が出力限界範囲２３ａの範囲外にある場合、つまり実現不可能なαβ軸電圧指令値ｖ*
α,βが要求された場合、出力限界範囲２３ａの範囲内に収まるまでトルク微分指令値τdot*が減少する。このようなゲイン制御情報出力処理（Ｓ１０５）→電圧ベクトル計算処理（Ｓ１０１）→判定処理（Ｓ１０３）を繰り返す処理においては、減算部２５とトルク制御部２６により行われるため、制御パラメータはゲインＫだけである。そのため、制御パラメータに着目すると、出力トルクτは、τ＝τ*(１－ｅ(－Kt))により表される。なお、ｔは時間を表す。
【0087】
したがって、出力トルクτは、トルク指令値τ*に対してオーバーシュートが生じることがなく、また管理も容易であることが理解できる。また、積分要素も含まれないため、例えば、過去の履歴に基づくような処理も行われない。よって、構成例２のモータシステム１０ｂでは、即座に実現可能なαβ軸電圧指令値ｖ**
α,βを相数変換部２４を介してインバータ３０に出力することが可能になる。また、積分演算に伴う遅延時間が生じないため、制御指令に対する応答速度の低下を抑制することができる。
【0088】
このような技術的な効果は、例えば、コントローラ２０ｂによる本電圧ベクトル制御を計算機シミュレーションした結果として、図８に示す出力トルク等の応答特性や、図９に示すインバータ３０に対する出力電圧（交流電圧ｖu,v,w）の軌跡等を得ていることからもわかるので、それについて図８，９を参照して説明する。
【0089】
このシミュレーションの条件は次の通りである。
・交流モータ５０の回転速度：３６００min-1（一定）
・トルク制御部の制御ゲインＫ：２０００rad/sec（時定数５００μsec）
・トルク指令値τ*：０Ｎ・ｍから３Ｎ・ｍまで増加
・交流モータ５０の回転速度：３６００min-1（一定）
・トルク制御部の制御ゲインＫ：２０００rad/sec（時定数５００μsec）
・トルク指令値τ*：０Ｎ・ｍから３Ｎ・ｍまで増加
【0090】
図８および図９においては、構成例２のコントローラ２０ｂによる制御と、構成例１のコントローラ２０ａによる制御とを期間を変えて使用している。即ち、図８，９に示すシミュレーションの結果は、制御開始から前半の３ｍsecの期間をコントローラ２０ｂ（構成例２）により制御し、それ以降の後半の期間をコントローラ２０ａ（構成例１）により制御したことにより得られたものである。したがって、このシミュレーション結果からは、制御開始から前半の３ｍsecの期間においては、構成例２のコントローラ２０ｂによる応答特性について確認でき、前半と後半の境界においては、構成例２→構成例１への制御の切り換え時にノイズや振動等が発生することなくシームレスに移行していることを確認できる。なお、コントローラ２０ａ，２０ｂによるそれぞれの機能は同じハードウェアで実現できることから、このような制御の切り換えはソフトウェア的に対応可能である。
【0091】
このシミュレーションにおいては、トルク指令値τ*として、インバータ３０の出力限界範囲２３ａの範囲内における過変調領域（図４(B)に示す薄墨色の範囲）を一時的に使用することで実現可能な値（３Ｎ・ｍ）を設定している。そのため、通常の電流ベクトル制御等では出力トルクτにオーバーシュートが生じる可能性の高いこのような条件を設定しても、図８(A)に示すように、本電圧ベクトル制御では、出力トルクτやトルク推定値τhatの波形からオーバーシュートが生じていないことを確認した。また、構成例２→構成例１への制御の切り換えタイミングにおいても、出力トルクτやトルク推定値τhatの波形からノイズ等が生じていないことを確認した。なお、図８(B)にはｄｑ軸電流ｉd,qの波形が表されており、また図８(C)には、モータ電流|ｉ|の波形が表されている。|ｉ|は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相のモータ電流ｉu,v,wのそれぞれを二乗して加えた値の平方根（二乗和平方根）により求められたものである。ｄｑ軸電流ｉd,qやモータ電流|ｉ|の波形においても、オーバーシュートや切り換えに伴うノイズ等が生じていないことがわかる。
【0092】
また、図９(A)に示すように、インバータ３０の出力電圧の軌跡においては、構成例１において説明したものと同じであり、同図に示すインバータ３０の出力電圧ｖα，ｖβは、当該インバータ３０の出力電圧ｖu,v,wをαβ静止座標系に座標変換したものである。このシミュレーションでは、トルク指令値τ*として、インバータ３０の出力限界範囲２３ａの範囲内における過変調領域を一時的に使用する値（３Ｎ・ｍ）を意図的に設定している。そのため、インバータ３０の出力電圧ｖα，ｖβが過変調領域に到達している部分（符号７１ｄ）は、出力限界範囲２３ａの六角形の縁を辿るように軌跡を描いているが、これは出力トルクτにオーバーシュートが生じていることを表すものではない。
【0093】
さらに、図９(B)に示すように、インバータ３０のＩＧＢＴ３１～３６に入力されるスイッチング信号の波形（スイッチング波形）を見ると、ＩＧＢＴ３１～３６にスイッチング信号が入力されていない期間が存在することがわかる。この期間は、インバータ３０の出力電圧ｖα，ｖβが過変調領域に到達している時間である。なお、同図において、各相の縦軸は、「1.0」が上アームのＩＧＢＴ３１，３３，３５のオンタイミングを表し、「0.0」が下アームのＩＧＢＴ３２，３４，３６のオンタイミングを表している。
【0094】
構成例２のモータシステム１０ｂでは、実機による実験も行っているので、その結果についても図１０を参照しながら説明する。図１０(A)は過変調運転を含まない線形領域動作の場合の実験結果であり、図１０(B)は一時的な過変調運転を含む線形領域動作の場合の実験結果である。これらの実験結果では、トルク指令値τ*、トルク推定値τhat、ｄ軸電流ｉd、ｑ軸電流ｉqの各波形が表されている。この実験では、出力トルクτの代わりにトルク推定値τhatから出力トルクの応答性を確認している。
【0095】
この実験の条件は次の通りである。
・交流モータ５０の回転速度：１０００min-1（一定）
・トルク制御部の制御ゲインＫ：図１０(A)では２０００rad/sec（時定数５００μsec）、図１０(B)では５０００rad/sec（時定数２００μsec）
・トルク指令値τ*：０Ｎ・ｍから２Ｎ・ｍまで増加
・交流モータ５０の回転速度：１０００min-1（一定）
・トルク制御部の制御ゲインＫ：図１０(A)では２０００rad/sec（時定数５００μsec）、図１０(B)では５０００rad/sec（時定数２００μsec）
・トルク指令値τ*：０Ｎ・ｍから２Ｎ・ｍまで増加
【0096】
図１０(A)に示すように、過変調運転を含まない線形領域動作の場合には、トルク推定値τhatの波形から、出力トルクはトルク指令値τ*に対してほぼオーバーシュートなしで応答していることが確認できた。またトルク推定値τhatの波形から得られた時定数は６００μsecであることから、立ち上がり時間の設計値（時定数５００μsec）にほぼ近いことも確認できた。したがって、出力限界範囲２３ａの範囲内の過変調運転を含まない線形領域においては、トルク応答の管理が可能であることを確認できた。
【0097】
図１０(B)に示すように、一時的な過変調運転を含む線形領域動作の場合には、トルク推定値τhatの波形から、出力トルクはトルク指令値τ*に向けて直線的に増加しているが、オーバーシュートを生じることなく応答していることを確認した。したがって、出力限界範囲２３ａの範囲内においては一時的に過変調運転に移行してもオーバーシュートなしで応答していることが確認できた。なお、トルク推定値τhatの波形は、制御開始から約２００μsec遅れて立ち上がり始めていることがわかる。そのため、同図においては、トルク推定値τhatの整定時間は８００μsecであるが、この約２００μsec遅れを除くと、図１０(A)に示すトルク推定値τhatの波形と同様に、出力トルクは立ち上がり時間の設計値に近い値で立ち上が得ることがわかる。
【0098】
［制御系要素の構成例３］
次にモータシステム１０（１０ｃ）の制御系要素の構成例３（以下「構成例３」という）を図１１～２０に基づいて説明する。構成例１のモータシステム１０ａでは、電圧情報生成部２１において、電圧ベクトル計算処理(I)（図４(A)に示す概念図により表される生成アルゴリズム）に従ってｄｑ軸電圧指令値ｖ* d,qを選定した。前述したように、電圧情報生成部２１により得られるｄ軸電圧指令値ｖ* dおよびｑ軸電圧指令値ｖ* qの電圧ベクトル(ｖd,ｖq)は、変数２つを入力する関数であることから、ｄ軸電圧ｖdやｑ軸電圧ｖqの選定には任意性が残るためである。
次にモータシステム１０（１０ｃ）の制御系要素の構成例３（以下「構成例３」という）を図１１～２０に基づいて説明する。構成例１のモータシステム１０ａでは、電圧情報生成部２１において、電圧ベクトル計算処理(I)（図４(A)に示す概念図により表される生成アルゴリズム）に従ってｄｑ軸電圧指令値ｖ* d,qを選定した。前述したように、電圧情報生成部２１により得られるｄ軸電圧指令値ｖ* dおよびｑ軸電圧指令値ｖ* qの電圧ベクトル(ｖd,ｖq)は、変数２つを入力する関数であることから、ｄ軸電圧ｖdやｑ軸電圧ｖqの選定には任意性が残るためである。
【0099】
ところで、交流モータ５０等の同期電動機では、出力トルクτが最大になるモータ電流ｉu,v,wの位相角で交流モータ５０を駆動すると各相のコイルの銅損が最小になることから、モータ電流ｉu,v,wに対して出力トルクτを最大にするＭＴＰＡ(Maximum Torque Per Ampere)制御が、駆動系モータシステムやサーボ系モータシステム等に多く用いられている。例えば、上位システムが交流モータ５０の運転制御をＭＴＰＡ制御で行う場合においては、当該上位システムからの制御情報としてｄ軸電流指令値ｉ*
dをコントローラ２０が取得することによって、図４(A)に示す概念図により表される生成アルゴリズムと同様に、ｄｑ軸電圧指令値ｖ*
d,qを選定することが可能になる。そこで、構成例１のコントローラ２０ａによる電圧振幅最小制御の場合に行われた電圧情報生成部２１によるｄｑ軸電圧指令値ｖ*
d,qの選定の他の例として、交流モータ５０の運転制御をＭＴＰＡ制御で行う場合に適用可能な構成例３のモータシステム１０ｃについて説明する。
【0100】
図１１に示すように、構成例３のモータシステム１０ｃでは、コントローラ２０ｃは、電圧情報生成部２１、座標変換部２２、電圧指令値出力部２３、相数変換部２４、減算部２５、トルク制御部２６、減算部２７、電流制御部２８、電圧情報生成部２９の機能を有する。つまり、構成例１のモータシステム１０ａ（図３）に対して、コントローラ２０ｃに減算部２５、トルク制御部２６、減算部２７、電流制御部２８および電圧情報生成部２９の機能を追加している点がそのコントローラ２０ａと異なる。また、構成例２のモータシステム１０ｂ（図６）に対しては、減算部２７、電流制御部２８および電圧情報生成部２９を追加している点がそのコントローラ２０ｂと異なる。そのため、コントローラ２０ｃの説明では、コントローラ２０ａ，２０ｂと同一の構成部分については同一符号を付して説明を省略する。
【0101】
減算部２７は、構成例１のモータシステム１０ａのシミュレーションにおいて使用したものと同じであるが入力される情報が異なる。減算部２７には上位システム（図略）から出力されたＭＴＰＡ制御におけるｄ軸電流指令値ｉ*
d_MTPAとｄ軸電流ｉdとが入力されて、ｄ軸電流指令値ｉ*
d_MTPAからｄ軸電流ｉdを減算した結果（ｄ軸電流指令値ｉ*
d_MTPAに対するｄ軸電流ｉdの偏差）が電流制御部２８に入力される。
【0102】
電流制御部２８は、制御ゲインＧを有する制御部であり、減算部２７から入力されたｄ軸電流ｉdの偏差をゲインＧ倍したものをｄ軸電流微分指令値ｉdot*
dとして出力する（ｉdot*
d＝Ｇ(ｉ*
d_MTPA－ｉd)）。ゲインＧの大きさは予め設定されている。電流制御部２８から出力されたｄ軸電流微分指令値ｉdot*
dは、電圧情報生成部２９に入力されてｄ軸電圧指令値ｖ*
dの算出に用いられる。
【0103】
電圧情報生成部２９は、後述する式(15)の逆関数ｖ*
d＝ｈ-1(ｉdot*
d)として機能する。つまり、ＭＴＰＡ制御を行っている上位システムからｄ軸電流指令値ｉ*
d_MTPAが入力されると、そのｄ軸電流微分指令値ｉdot*
dを用いて算出可能なｄ軸電圧指令値ｖ*
dが電圧情報生成部２９から出力される。電圧情報生成部２９から出力されたｄ軸電圧指令値ｖ*
dは、電圧情報生成部２１と座標変換部２２に入力される。なお、ｄ軸電流微分指令値ｉdot*
dは、ｄ軸電流指令値ｉ*
d_MTPAを時間で微分したものであるから、ＭＴＰＡ制御におけるｄ軸電流の時間微分指令値である。
【0104】
電圧情報生成部２１は、このようなｄ軸電圧指令値ｖ*
dが電圧情報生成部２９から入力されることによって、図１２に示す概念図により表される生成アルゴリズム（電圧ベクトル計算処理(II)）に従って電圧指令値を選定する。
【0105】
図１２に示すように、電圧ベクトル計算処理(II)では、例えば、電圧ベクトル(ｖd,ｖq)（電圧ベクトル７２）が存在するｄｑ回転座標系のｖd-ｖq平面において、トルク微分値指令値τdot*により得られるトルク微分値直線９２を与える。前述した構成例１における電圧ベクトル計算処理(I)では、両者が最短距離で交わる交点を求め、当該交点までの大きさを有する電圧ベクトル７１を電圧指令値ｖ*
d,qとして選定した。
【0106】
しかしここでは、電圧情報生成部２１には、電圧情報生成部２９から出力されたｄ軸電圧指令値ｖ*
dが入力されることから、電圧情報生成部２１により得られるｄ軸電圧指令値ｖ*
dおよびｑ軸電圧指令値ｖ*
qの電圧ベクトル(ｖd,ｖq)の２変数のうち、一方のｄ軸電圧ｖdが定まる。そのため、他方のｑ軸電圧ｖqも決まるので、ＭＴＰＡ制御に適した電圧ベクトル７２が電圧指令値ｖ*
d,qとして選定される。
【0107】
より具体的には、コントローラ２０ｃにより式(12)の演算が行われて電圧指令値ｖ*
d,qが求められる。式(12)の演算により選定された電圧指令値ｖ*
d,qを用いて行われる交流モータ５０の運転制御のことを、以下「電流振幅最小制御」という。なお、Ａ，Ｂ，Ｃは、前述した式(8)に示されている、Ａ(ｉd,ｉq)，Ｂ(ｉd,ｉq)，Ｃ(ｉd,ｉq,ωre)である。
なお、式(12)は次のように得られる。
【数12】
【0108】
前述の式(7)と式(2)について一部の変数を指令値に置き換えると、次の式(13)と式(14)になる。そして、電流制御部２８から出力されるｄ軸電流微分指令値ｉdot*
dは、これまでにも説明しているように式(15)で表されるので、式(13)と式(14)をｄ軸電圧指令値ｖ*
dとｑ軸電圧指令値ｖ*
qについて解くことにより、前述した式(12)が得られる。なお、下記式(15)においては、ｄ軸電流指令値ｉ*
d_MTPAは「ｉ*
d」で表記されていることに注意されたい。
【0109】
【数13】
【数14】
【数15】
【0110】
このように構成例３のモータシステム１０ｃでは、ｄｑ回転座標系においては、電圧情報生成部２１は、トルク微分値τdot、ｄ軸電流ｉd、ｑ軸電流ｉq、角速度ωreおよびｄ軸電流微分指令値ｉdot*
dに基づいて、ｄ軸電圧指令値ｖ*
dおよびｑ軸電圧指令値ｖ*
qを生成する。これにより、インバータ３０の出力電流ｉu,v,wに対して交流モータ５０の出力トルクτが最大になる電圧ベクトル(ｖd,ｖq)が得られるため、トルク微分指令値τdot*に対応した出力トルクτの効率が最も良い電圧指令値αβ軸電圧指令値ｖ**
α,βを相数変換部２４を介してインバータ３０に出力することが可能になる。したがって、構成例３のモータシステム１０ｃでは、例えば、トルク指令値τ*（要求トルク）に対してインバータ３０の出力電流ｉu,v,wを最小限に抑えたい等のニーズがある場合にそれを満たすことができる。また、ＭＴＰＡ制御に適した電圧ベクトル７２が電圧指令値ｖ*
d,qとして選定されるので、ＭＴＰＡ制御にスムースに移行することができる。
【0111】
このような技術的な効果は、例えば、コントローラ２０ｃによる本電圧ベクトル制御を計算機シミュレーションした結果として、図１３に示す出力トルク等の応答特性を得ていることからもわかるので、それについて図１３を参照して説明する。
【0112】
このシミュレーションの条件は次の通りである。
・交流モータ５０の回転速度：１０００min-1（一定）
・トルク制御部の制御ゲインＫ：５０００rad/sec（時定数１ｍsec）
・電流制御部の制御ゲインＧ：１０００rad/sec（時定数１ｍsec）
・トルク指令値τ*：０Ｎ・ｍから４Ｎ・ｍまで増加
・交流モータ５０の回転速度：１０００min-1（一定）
・トルク制御部の制御ゲインＫ：５０００rad/sec（時定数１ｍsec）
・電流制御部の制御ゲインＧ：１０００rad/sec（時定数１ｍsec）
・トルク指令値τ*：０Ｎ・ｍから４Ｎ・ｍまで増加
【0113】
図１３においては、構成例３のコントローラ２０ｃによる制御と、構成例１のコントローラ２０ａによる制御とを期間を変えて使用している。即ち、図８に示すシミュレーションの結果は、制御開始から前半の１．２ｍsecの期間をコントローラ２０ａ（構成例１）により制御し、それ以降の後半の期間をコントローラ２０ｃ（構成例３）により制御したことにより得られたものである。したがって、このシミュレーション結果からは、制御開始から前半の１．２ｍsecの期間においては、構成例１のコントローラ２０ａによる応答特性について確認でき、前半と後半の境界とそれ以降においては、構成例１→構成例３への制御の切り換え時に、出力トルクτの変動、ノイズや振動等が発生することなくシームレスに移行していることや、ＭＴＰＡ制御によるｄ軸電流指令値ｉ*
dに対するｄ軸電流ｉdの応答特性等を確認できる。なお、コントローラ２０ａ，２０ｃによるそれぞれの機能は同じハードウェアで実現できることから、このような制御の切り換えはソフトウェア的に対応可能である。
【0114】
このシミュレーションにおいては、トルク指令値τ*として、インバータ３０の出力限界範囲２３ａの範囲内における過変調領域を一時的に使用することで実現可能な値（４Ｎ・ｍ）を設定している。そのため、制御開始から１．２ｍsecの期間における構成例１のコントローラ２０ａによる応答特性は、出力トルクτはトルク指令値τ*に向けて直線的に増加しているが、オーバーシュートを生じることなく応答していることを確認した。また、構成例１→構成例３への制御の切り換えタイミングにおいても、出力トルクτやトルク推定値τhatの波形からノイズ等が生じていないことを確認した。さらに制御の切り換え直後においては、ｄ軸電流指令値ｉ*
dが段状に急激に低下しそれに応答してｄ軸電流ｉdがｄ軸電流指令値ｉ*
dに近づいていることから、ＭＴＰＡ制御にスムースに移行していることも確認できた。
【0115】
ここで、構成例１～３のモータシステム１０ａ～１０ｃに共通して適用可能な電圧指令値出力部２３のアルゴリズムを図１４～１７に基づいて説明する。
［構成例１～３の改変例１］
［構成例１～３の改変例１］
【0116】
電圧指令値出力部２３は、前述したように、座標変換部２２から入力されたα軸電圧指令値ｖ*
αとβ軸電圧指令値ｖ*
βからなる電圧ベクトル(ｖ*
α,ｖ*
β)を、インバータ３０が出力可能な電圧の限界値である出力限界範囲２３ａの範囲内に収まる大きさに変更してα軸電圧指令値ｖ**
αとβ軸電圧指令値ｖ**
βを出力するリミッタ機能を有する。そのため、電圧ベクトル(ｖ*
α,ｖ*
β)が出力限界範囲２３ａの範囲外にあると判定した場合には、構成例２のコントローラ２０ｂでは、変更後の電圧ベクトルが出力限界範囲２３ａの範囲内に収まるまで電圧指令値出力部２３がトルク制御部２６のゲインＫを下げるアルゴリズム（図７；電圧指令値出力処理）を用いている。
【0117】
しかし、図１４に示すように、前述の式(9)や式(12)により得られた電圧ベクトル７１，７２が出力限界範囲２３ａの範囲外にあると判定された場合でもトルク微分値直線９３上における他の動作点に変更することで出力限界範囲２３ａの範囲内に収まる場合がある。そのため、構成例２の電圧指令値出力部２３による電圧指令値出力処理では、単純に出力限界範囲２３ａの範囲内に収まる大きさに変更していたが、必ずしもこのようなアルゴリズムが適切であるとは限らない。例えば、出力限界範囲２３ａの範囲を表す正六角形に対してトルク微分値直線９３が交差する点が存在する場合には、その交点まで延びるベクトルを元の電圧ベクトル７１，７２に代えて新たな電圧ベクトル７３に変更すれば出力限界範囲２３ａの範囲内に収まる。
【0118】
そこで、本改変例１においては、図１４に表された電圧指令値修正アルゴリズムの概念例に基づいて前述の式(9)や式(12)により得られた電圧ベクトル７１，７２が出力限界範囲２３ａの範囲外にあると判定された場合においても、出力限界範囲２３ａの範囲内に収まり得る電圧指令値修正処理(I)を行うことにした。なお、この改変例１や次の改変例２においては、「出力限界範囲２３ａの範囲」には、出力限界範囲２３ａの範囲を表す六角形の各辺および各頂点を含める。そのため、変更後の電圧ベクトル７３の先端位置を表す座標が当該六角形の辺や頂点と重なる場合も出力限界範囲２３ａの範囲内にあると判定する。この点は、前述した構成例１～３とは異なるので注意されたい。
【0119】
念のため、図１４に表されているαβ静止座標系とｄｑ回転座標系の関係について説明する。αβ静止座標系のｖα-ｖβ平面は固定されているのに対して、ｄｑ回転座標系のｖd-ｖq平面は反時計回り方向に交流モータ５０の回転速度に同期して回転する。同図のｖd-ｖq平面は電気角θreだけ回転した瞬間を表現したものである。ｖα-ｖβ平面には出力限界範囲２３ａの六角形だけが表されている。当該六角形以外の電圧ベクトル７１，７２，７３やトルク微分値直線９３は、ｖd-ｖq平面に表されており、ｖd-ｖq平面と共に交流モータ５０の回転速度に同期して回転している。
【0120】
図１５に示す電圧指令値修正処理(I)について説明する。この処理は、トルク微分値直線９３と出力電圧限界線が１つ以上の交点を有する場合を前提に行われる。出力電圧限界線は、出力限界範囲２３ａを表す六角形を構成する６つの辺のことである。なお、この処理は、本改変例１における電圧指令値出力部２３の機能をソフトウェア的に実現するプログラムとして、コントローラ２０ａ～２０ｃのＥＥＰＲＯＭ等に予め格納されている。
【0121】
図１５に示すように、電圧指令値修正処理(I)では、まずステップＳ２０１によりトルク微分値直線９３と出力電圧限界線の交点を計算する処理が行われる。この処理は、構成例１において既に説明している「出力限界範囲２３ａの六角形の各辺を表す６つの一次関数と電圧ベクトル７１により表される線分とが交差する交点を演算で求める処理」と同様である。そのため、ステップＳ２０１の処理については説明を省略する。
【0122】
ステップＳ２０１の交点計算処理によって連立方程式の解が２つ以上得られた場合には、トルク微分値直線９３と出力電圧限界線の交点が２つ以上存在することになるので、そのような場合には（Ｓ２０３；Ｙｅｓ）、次のステップＳ２０５の交点選択処理が行われる。これに対して、両者の交点が複数存在しない場合には（Ｓ２０３；Ｎｏ）、ステップＳ２０７の電圧指令値変更処理に移行する。この場合にはその交点を選択する。
【0123】
ステップＳ２０５の交点選択処理では、例えば、交点を有する２つ以上の辺のうち、トルク微分値直線９３に対して最も平行に近い辺を特定し、その辺に含まれる交点を選択する。例えば、図１４に示す例においては、交点８０ａを有する辺の方が交点８０ｂを有する辺よりもトルク微分値直線９３に対して平行に近い。そのため、この場合には交点８０ａを有する辺から交点８０ａを選択する。なお、六角形の辺とトルク微分値直線９３が平行に近いか否かは、例えば、判定対象の辺の傾きとトルク微分値直線９３の傾きとの差を計算し傾き同士の差が小さいほど平行に近いと判定する。
【0124】
ステップＳ２０７の電圧指令値変更処理では、ステップＳ２０５等により選択された交点の座標情報に基づいて、その交点座標を先端座標にするベクトル情報を生成して元の電圧ベクトルに対して置き換える処理が行われる。例えば、図１４に示す例においては、選択された交点８０ａの座標情報に基づいて当該交点座標を先端座標にする電圧ベクトル７３の情報が生成されて、元の電圧ベクトル７１，７２に代えて、この新たな電圧ベクトル７３に置き換える。これにより、新たな電圧ベクトル７３のα軸電圧指令値ｖ*
αとβ軸電圧指令値ｖ*
βが電圧指令値出力部２３から出力される。
【0125】
このように本改変例１では、ｄｑ回転座標系において、トルク微分値τdot、ｄ軸電流ｉd、ｑ軸電流ｉqおよび角速度ωreを含む所定関数で表されるトルク微分値直線９３に対して出力限界範囲２３ａを表す六角形を構成する６つの辺のうち最も平行に近い辺と、この所定関数で表されるトルク微分値直線９３とが交わるときには、その交点８０ａまで延びる電圧ベクトルを電圧ベクトル７３（変更後電圧ベクトル）とし、当該ベクトルを表すα軸電圧指令値ｖ*
α、β軸電圧指令値ｖ*
βをαβ軸電圧指令値ｖ**
α,βとして相数変換部２４を介してインバータ３０に出力する。
【0126】
これにより、電圧ベクトル７３は、出力限界範囲２３ａの範囲を表す六角形の６つの辺のうちの一辺に到達するので、電圧指令値出力部２３は、例えば、複雑な演算が必要なリミッタ制御等を用いることなく、また積分演算を行うことなく、実現可能な電圧指令値として最大値を相数変換部２４を介してインバータ３０に出力することが可能になる。したがって、複雑な演算や積分演算に伴う遅延時間が生じないため、トルク微分指令値τdot*やトルク指令値τ*に対する応答速度の低下を抑制することができる。
【0127】
［構成例１～３の改変例２］
前述した改変例１では、電圧指令値出力部２３の機能として実行される電圧指令値修正処理(I)について説明したが、この処理は、トルク微分値直線９３と出力電圧限界線が１つ以上の交点を有する場合を前提にしたものである。そのため、例えば、図１６に示すようにトルク微分値直線９４と出力電圧限界線の交点がない、つまり両者が交差しない場合には電圧指令値修正処理(I)を適用することができない。
前述した改変例１では、電圧指令値出力部２３の機能として実行される電圧指令値修正処理(I)について説明したが、この処理は、トルク微分値直線９３と出力電圧限界線が１つ以上の交点を有する場合を前提にしたものである。そのため、例えば、図１６に示すようにトルク微分値直線９４と出力電圧限界線の交点がない、つまり両者が交差しない場合には電圧指令値修正処理(I)を適用することができない。
【0128】
トルク微分値直線９４と出力電圧限界線が交差しない場合に適用可能な電圧指令値修正処理(II)について説明する。図１６に示すように、トルク微分値直線９４と出力電圧限界線が交差しない場合においては、出力限界範囲２３ａを表す六角形とトルク微分値直線９４とが離れている場合、または両者が近い位置に存在しても六角形の辺とトルク微分値直線９３が平行もしくは平行に近い状態にある場合である。このような場合には、図１７に示す電圧指令値修正処理(II)により解決する。なお、この処理は、この改変例２における電圧指令値出力部２３の機能をソフトウェア的に実現するプログラムとして、コントローラ２０ａ～２０ｃのＥＥＰＲＯＭ等に予め格納されている。
【0129】
図１７に示すように、電圧指令値修正処理(II)では、まずステップＳ３０１によりトルク微分値直線９４と出力電圧限界線（六角形の６つの辺）の平行度合いを計算する処理が行われる。例えば、これらの線の平行度合いは、両直線の傾きの差を計算して傾き同士の差が小さいほど平行度合いが大きい（平行に近い）と判定する。そのため、このステップＳ３０１では、トルク微分値直線９４の傾きと六角形の各辺の傾きをこれらの直線を特定可能な一次関数から求める計算処理が行われる。これにより、六角形の各辺に対応する６つの平行度合いが得られる。
【0130】
次のステップＳ３０３の特定限界線選択処理では、ステップＳ３０１により得られた六角形の各辺に対応する６つの平行度合いのうち、最大値を有する辺を特定する。最大値を有する辺が２つ以上存在する場合には、それら２辺のうちトルク微分値直線９３に近い辺を特定する。例えば、それら２辺の中間点座標とトルク微分値直線９３の所定位置の座標との位置関係から離隔距離を求める。
【0131】
続くステップＳ３０５の両端座標取得処理では、ステップＳ３０１により特定された出力電圧限界線（六角形の特定辺）の両端座標の情報を取得する。例えば、図１６に示す例では、端点８１，８２の座標情報が取得される。そして、ステップＳ３０７の両電圧ベクトル計算処理により、この座標情報に基づいて当該端点座標を先端座標にする電圧ベクトルの情報が生成されて両電圧ベクトル(ｖd,ｖq)のｄ軸電圧ｖdとｑ軸電圧ｖqが算出される。そして、これらの電圧ベクトル(ｖd,ｖq)のｄ軸電圧ｖdとｑ軸電圧ｖqをトルク微分値直線９４に関する前述の式(7)に代入することで、これらの電圧ベクトルのトルク微分値τdotが算出される。
【0132】
ステップＳ３０９の端点選択処理では、ステップＳ３０７により計算された２つの電圧ベクトルのトルク微分値τdotのうち、大きい方の電圧ベクトルの先端位置に相当する端点を選択する。例えば、図１６に示す例では、２つの電圧ベクトル７４，７５のうち、トルク微分値τdotが大きい電圧ベクトル７４の端点８２が選択される。
【0133】
そして、ステップＳ３１１の電圧指令値変更処理では、ステップＳ３０９により選択された電圧ベクトルのベクトル情報を元の電圧ベクトルに対して置き換える処理が行われる。例えば、図１６に示す例においては、選択された電圧ベクトル７４を元の電圧ベクトル７１，７２に代えて置き換える。これにより、新たな電圧ベクトル７４のα軸電圧指令値ｖ*
αとβ軸電圧指令値ｖ*
βが電圧指令値出力部２３から出力される。
【0134】
このように本改変例２では、ｄｑ回転座標系において、トルク微分値τdot、ｄ軸電流ｉd、ｑ軸電流ｉqおよび角速度ωreを含む所定関数で表されるトルク微分値直線９４に対して出力限界範囲２３ａを表す六角形を構成する６つの辺のうち最も平行に近い辺と、この所定関数で表されるトルク微分値直線９３とが交わらないときには、最も平行に近い辺の両端点８１，８２を表す２つの電圧ベクトル７４，７５のうちトルク微分値τdotが大きい方の電圧ベクトル７４を（変更後電圧ベクトル）とし、当該ベクトルを表すα軸電圧指令値ｖ*
α、β軸電圧指令値ｖ*
βをαβ軸電圧指令値ｖ**
α,βとして相数変換部２４を介してインバータ３０に出力する。
【0135】
これにより、電圧ベクトル７４は、出力限界範囲２３ａの範囲を表す六角形の６つの頂点のうちの一頂点に到達するので、電圧指令値出力部２３は、例えば、複雑な演算が必要なリミッタ制御等を用いることなく、また積分演算を行うことなく、実現可能な電圧指令値として最大値を相数変換部２４を介してインバータ３０に出力することが可能になる。したがって、複雑な演算や積分演算に伴う遅延時間が生じないため、制御指令に対する応答速度の低下を抑制することができる。
【0136】
［構成例１～３の改変例３］
前述した改変例１と改変例２は互いに役割が異なり相補関係にある。即ち、改変例１はトルク微分値直線９３と出力電圧限界線が１つ以上の交点を有する場合を前提にした処理であり、それとは逆に、改変例２はこれらの両者の交点がない場合を前提にした処理である。したがって、これらの改変例１，２の前処理として、トルク微分値直線９３等と出力電圧限界線とが交差するか否かを判定する処理を設け、改変例１，２のそれぞれの前提条件に適合するように制御を振り分けるアルゴリズムを構成する方がよい。
前述した改変例１と改変例２は互いに役割が異なり相補関係にある。即ち、改変例１はトルク微分値直線９３と出力電圧限界線が１つ以上の交点を有する場合を前提にした処理であり、それとは逆に、改変例２はこれらの両者の交点がない場合を前提にした処理である。したがって、これらの改変例１，２の前処理として、トルク微分値直線９３等と出力電圧限界線とが交差するか否かを判定する処理を設け、改変例１，２のそれぞれの前提条件に適合するように制御を振り分けるアルゴリズムを構成する方がよい。
【0137】
また、構成例３において図１３を参照しながら説明したように、例えば、交流モータ５０の起動後から出力トルクが要求トルクに到達するまでは構成例１の電圧振幅最小制御で交流モータ５０を制御し、出力トルクが要求トルクに到達した後は構成例３の電流振幅最小制御に切り換えてＭＴＰＡ制御にスムースに移行できるように交流モータ５０を制御する場合がある。このように交流モータ５０の運転状況に応じて、構成例１の電圧振幅最小制御と構成例３の電流振幅最小制御を連携させるアルゴリズムも有益である。
【0138】
そこで、本改変例３では、モータシステム１０（１０ａ～１０ｃ）のコントローラ２０（２０ａ～２０ｃ）において、図１８に示すような統合制御処理のアルゴリズムを構成することにより、交流モータ５０の運転状況に応じた電圧振幅最小制御と電流振幅最小制御の連携や、前述の改変例１，２に対するそれぞれの前提条件に適合した制御の振り分けを可能にした。
【0139】
なお、コントローラ２０ａ～２０ｃによるそれぞれの機能は同じハードウェアで実現できることから、このような制御の切り換えはソフトウェア的に対応可能である。この統合制御処理は、当該処理を実現するプログラムとして、コントローラ２０のＥＥＰＲＯＭ等に予め格納されている。また、この統合制御処理は、交流モータ５０の運転制御の開始から運転制御の終了までの間において、コントローラ２０のＣＰＵ等により所定の制御周期で繰り返し実行されている。
【0140】
図１８に示すように、統合制御処理では、まずステップＳ５０１により電圧ベクトル計算処理(II)が行われる。この処理は、構成例３において図１２を参照しながら説明したものである。そのため、ここでは構成例３のコントローラ２０ｃが、電流振幅最小制御を行う準備として、電圧情報生成部２１に次の処理を行わせる。電圧情報生成部２１では、電圧情報生成部２９からｄ軸電圧指令値ｖ*
dが入力されると、電圧ベクトル(ｖd,ｖq)の２変数のうちのｄ軸電圧ｖdが定まるので残りのｑ軸電圧ｖqも自動的に決まる。そのため、ＭＴＰＡ制御に適した電圧ベクトル７２が電圧指令値ｖ*
d,qとして選定されて座標変換部２２に出力される。座標変換部２２は、入力された電圧指令値ｖ*
d,qをｄｑ回転座標系からαβ静止座標系に変換してαβ軸電圧指令値ｖ*
α,βを電圧指令値出力部２３に出力する。
【0141】
すると、次のステップＳ５０３により、電圧指令値出力部２３がインバータ３０の出力限界範囲２３ａの範囲内にあるか否かを判定する処理が行われる。この判定処理により、電圧ベクトル７２が出力限界範囲２３ａの六角形の範囲内にあると判定された場合には（Ｓ５０３；Ｙｅｓ）、電圧ベクトル７２の大きさを変更する必要がないため、電圧指令値出力部２３はそのαβ軸電圧指令値ｖ**
α,βを相数変換部２４に出力する。この場合、構成例３の電流振幅最小制御が行われる。
【0142】
続くステップＳ５１１では、相数変換部２４が入力されたαβ軸電圧指令値ｖ**
α,βをαβ静止座標系の二相の電圧ベクトルをＵＶＷ静止座標系の三相の電圧ベクトルに変換した電圧指令値ｖ*
u,v,wを出力する。相数変換部２４から出力された電圧指令値ｖ*
u,v,wはインバータ３０に入力される。インバータ３０では電圧指令値ｖ*
u,v,wに従ったスイッチング動作が行われてそれにより生成された交流電圧ｖu,v,wが交流モータ５０に供給される。
【0143】
一方、ステップＳ５０３の判定処理により、電圧ベクトル７２が出力限界範囲２３ａの六角形の範囲内にない（範囲外にある）と判定された場合には（Ｓ５０３；Ｎｏ）、電圧指令値出力部２３はその電圧ベクトル７２を破棄する。
【0144】
そして、この電圧ベクトル７２の破棄をトリガーにして、統合制御処理では、ステップＳ５０５により電圧ベクトル計算処理(I)が行われる。この処理は、構成例１において図４(A)を参照しながら説明したものである。そのため、ここでは構成例１のコントローラ２０ａが、電圧振幅最小制御を行う準備として、電圧情報生成部２１が入力されたトルク微分指令値τdot*に対して電圧振幅が最小になる電圧ベクトル７１を電圧指令値ｖ*
d,qとして選定する処理が行われる。選定されたベクトル７１の電圧指令値ｖ*
d,qは、座標変換部２２によりαβ軸電圧指令値ｖ*
α,βに変換された後、電圧指令値出力部２３に出力される。
【0145】
すると、次のステップＳ５０７により、電圧指令値出力部２３がインバータ３０の出力限界範囲２３ａの範囲内にあるか否かの判定処理を行い、電圧ベクトル７１が出力限界範囲２３ａの六角形の範囲内にあると判定された場合には（Ｓ５０７；Ｙｅｓ）、電圧ベクトル７１の大きさを変更する必要がないため、電圧指令値出力部２３はそのαβ軸電圧指令値ｖ**
α,βを相数変換部２４に出力する。この場合、構成例１の電圧振幅最小制御が行われる。ステップＳ５１１の電圧指令値出力処理では前述と同様の処理が行われて交流電圧ｖu,v,wが交流モータ５０に供給される。
【0146】
一方、ステップＳ５０７の判定処理により、電圧ベクトル７１が出力限界範囲２３ａの六角形の範囲内にない（範囲外にある）と判定された場合には（Ｓ５０７；Ｎｏ）、さらにステップＳ５０９による判定処理が行われる。
【0147】
ステップＳ５０９では、トルク微分値直線９１と出力電圧限界線（出力限界範囲２３ａを表す六角形の辺）が交差するか否かを判定する処理が行われる。この処理は、前述した「改変例１，２の前処理」である。そのため、これらが交差すると電圧指令値出力部２３により判定された場合には（Ｓ５０９；Ｙｅｓ）、両者は１つ以上の交点を有することになるので、交点を有する場合を前提にした改変例１の電圧指令値修正処理(I)に移行する（Ｓ２００）。これに対して、トルク微分値直線９１と出力電圧限界線が交差しないと電圧指令値出力部２３により判定された場合には（Ｓ５０９；Ｎｏ）、両者の交点はないことになるから、交差しない（交点がない）場合を前提にした改変例２の電圧指令値修正処理(II)に移行する（Ｓ３００）。
【0148】
改変例１の電圧指令値修正処理(I)（Ｓ２００）や、改変例２の電圧指令値修正処理(II)（Ｓ３００）については既に説明しているので、ここでは説明を省略する。これらの電圧指令値修正処理(I)，(II)（Ｓ２００，Ｓ３００）によって、電圧ベクトル７１等が出力限界範囲２３ａの六角形に収まらない場合においても、六角形の辺や頂点上の大きさの電圧ベクトル７３，７４，７５に変更される（図１４，１６）。これにより、このような場合には、いわゆるワンパルス制御（１パルス駆動）が行われる。
【0149】
コントローラ２０ａ～２０ｃによる統合制御処理における本電圧ベクトル制御を計算機シミュレーションした結果として、図１９，２０に示す出力トルク等の応答特性やインバータ３０に出力されるＵ，Ｖ，Ｗ相の電圧指令値ｖ*
u,v,wを得ているので、それについて説明する。なお、シミュレーションの条件は、図１９と図２０で異なる。
【0150】
【0151】
【0152】
まず、図１９に示すシミュレーション結果においては、トルク指令値τ*に対する出力トルクτは比較的速く立ち上がっており（図１９(A)）、しかも制御開始から約５００μsecの期間ではＵ，Ｖ，Ｗ相の電圧指令値ｖ*
u,v,wの波形が正側最大電圧や負側最小電圧に貼り付いた状態を維持していることから、この間は改変例２によりワンパルス制御が行われていたことがわかる（図１９(B)）。一時的に過変調領域を使用するトルク指令値τ*にしたことから、改変例２によりワンパルス制御が行われていたと推測される。なお、出力トルクτにオーバーシュートが生じていない（図１９(A)に示す破線楕円内）。また、改変例２→構成例１への制御の切り換えタイミングにおいても、出力トルクτやトルク推定値τhatの波形からノイズ等が生じていないことを確認した。
【0153】
なお、比較例の電流ベクトル制御を行った場合のシミュレーション結果が図２５に示されているが、この比較例のシミュレーション条件は、次のように図１９に示す結果のシミュレーション条件と同様に設定されている。よって、両者は比較することができる。
【0154】
比較例（図２４，２５）のシミュレーション条件は次の通りである。
・交流モータ５０の回転速度：１８００min-1（一定）
・ＡＣＲ（電流制御器）の応答周波数：５０００rad/sec
・トルク指令値τ*：０Ｎ・ｍから１Ｎ・ｍまで増加
・交流モータ５０の回転速度：１８００min-1（一定）
・ＡＣＲ（電流制御器）の応答周波数：５０００rad/sec
・トルク指令値τ*：０Ｎ・ｍから１Ｎ・ｍまで増加
【0155】
したがって、図１９(A)と図２５(A)の両シミュレーション結果を見比べると、出力トルクτおよびトルク推定値τhatについては、比較例の電流ベクトル制御ではオーバーシュートの発生が明らかにわかる（図２５(A)に示す破線楕円内）。しかし、改変例３や構成例１による本電圧ベクトル制御では、前述のように一時的に過変調領域を使用したことによりαβ軸電圧指令値ｖ**
α,βが制限されてもそれに起因したオーバーシュートは出力トルクτ等に生じていないことが、図１９(A)に示す破線楕円内において確認できる。
【0156】
また、図２０に示すシミュレーション結果からわかるように、シミュレーション条件が異なる場合においても、図１９のシミュレーション結果と同様に、一時的に過変調領域を使用したことによりαβ軸電圧指令値ｖ**
α,βが制限されてもそれに起因したオーバーシュートは出力トルクτ等に生じていないことが、図２０(A)に示す破線楕円内において確認できる。また、図１９，２０に示すシミュレーション結果から、改変成２→構成例１への制御の切り換え時にノイズや振動等が発生することなくシームレスに移行していることを確認できる。
【0157】
このように本改変例３では、コントローラ２０（２０ａ～２０ｃ）において、統合制御処理を行うことにより、交流モータ５０の運転状況に応じて、構成例１の電圧振幅最小制御と構成例３の電流振幅最小制御とを連携させたり、改変例１と改変例２をそれぞれの前提条件に適合させて制御を振り分けたりすることによって、本電圧ベクトル制御に関する様々なアルゴリズム（構成例１～３、改変例１、２）を交流モータ５０の運転制御中において切り換えることが可能になる。これにより、例えば、交流モータ５０の起動後から出力トルクが要求トルクに到達するまでは構成例１の電圧振幅最小制御で交流モータ５０を運転し、出力トルクが要求トルクに到達した後は構成例３の電流振幅最小制御に切り換えて電力効率良く交流モータ５０を運転することができる。
【0158】
［制御系要素の構成例４］
続いてモータシステム１０（１０ｄ）の制御系要素の構成例４（以下「構成例４」という）を図２１，２２に基づいて説明する。これまでに説明した構成例１～３のモータシステム１０（１０ａ～１０ｃ）を構成するコントローラ２０（２０ａ～２０ｃ）においては、インバータ３０から交流モータ５０に流れる電流（モータ電流）の過電流保護について何ら言及していなかった。しかし、過電流保護は、実機においては不可欠な機能である。そこで、構成例４のコントローラ２０ｄでは、過電流保護機能を有する構成を採用した。なお、構成例４の過電流保護機能は、例えば、構成例１～３等に追加されて使用されるものである。
続いてモータシステム１０（１０ｄ）の制御系要素の構成例４（以下「構成例４」という）を図２１，２２に基づいて説明する。これまでに説明した構成例１～３のモータシステム１０（１０ａ～１０ｃ）を構成するコントローラ２０（２０ａ～２０ｃ）においては、インバータ３０から交流モータ５０に流れる電流（モータ電流）の過電流保護について何ら言及していなかった。しかし、過電流保護は、実機においては不可欠な機能である。そこで、構成例４のコントローラ２０ｄでは、過電流保護機能を有する構成を採用した。なお、構成例４の過電流保護機能は、例えば、構成例１～３等に追加されて使用されるものである。
【0159】
図２１に示すように、構成例４のモータシステム１０ｄでは、コントローラ２０ｄは、電圧情報生成部２１、座標変換部２２、電圧指令値出力部２３、相数変換部２４、減算部２５’、トルク制御部２６’の機能を有する。つまり、構成例２のモータシステム１０ｂ（図６）は、電圧情報生成部２１等に加えて、減算部２５とトルク制御部２６も有することから、構成例４のモータシステム１０ｄは、構成例２のモータシステム１０ｂとほぼ同じように構成されていることになる。
【0160】
しかし、構成例４のモータシステム１０ｄでは、外部等から入力される|ｉlim|2と電流センサ４１～４３から得られたモータ電流|ｉ|2とが減算部２５’に入力されて、減算部２５’からは電流リミット値|ｉlim|2に対するモータ電流|ｉ|2の電流偏差（|ｉlim|2－|ｉ|2）が演算されて出力される。ここでは、電流リミット値|ｉlim|2とモータ電流|ｉ|2を二乗形式で表現しているが、単に計算処理を簡易にするためである。電流センサ４１～４３から得られるＵ，Ｖ，Ｗ相のモータ電流ｉu,v,wからモータ電流|ｉ|を算出するために二乗和平方根を計算する必要があるので、平方根の計算を省略して演算処理を簡易化する理由から、減算部２５’では二乗形式で演算している。
【0161】
減算部２５’から出力された電流偏差（|ｉlim|2－|ｉ|2）は、制御ゲインＫiを有するトルク制御部２６’に入力される。トルク制御部２６’は、入力された電流偏差（|ｉlim|2－|ｉ|2）を制御ゲインＫi倍したもの（Ｋi（|ｉlim|2－|ｉ|2））をトルク微分指令値τdot*の代わりに電圧情報生成部２１に入力する。
【0162】
ただし、トルク制御部２６’からτdot*＝Ｋi（|ｉlim|2－|ｉ|2）が電圧情報生成部２１に入力される条件は、交流モータ５０に流れているモータ電流|ｉ|が電流リミット値ｉlim以上に達した場合（|ｉlim|2≦|ｉ|2）である。そのため、これ以外の場合、即ちモータ電流|ｉ|が電流リミット値ｉlim未満である場合には、電圧情報生成部２１には、モータシステム１０ａ～１０ｃのコントローラ２０ａ～２０ｃの構成と同様にトルク微分指令値τdot*が入力される。
【0163】
つまり、図２１に示されているコントローラ２０ｄのブロック線図は、過電流保護機能が働いている場合における制御系要素が表されている。このようにコントローラ２０ｄが構成されることよって、例えば、電流リミット値ｉlimが８Ａ（アンペア）に設定されている場合には、交流モータ５０に８Ａ以上の電流が流れたことを減算部２５’が検出し、その情報がトルク制御部２６’に入力された場合、トルク制御部２６’は、外部から入力されるトルク微分指令値τdot*に代えてτdot*＝Ｋi（|ｉlim|2－|ｉ|2）を電圧情報生成部２１に入力する。これにより、電圧情報生成部２１からは、モータ電流を電流リミット値ｉlim未満に下げる制御が行われるため、当該交流モータ５０に流れる電流は、電流リミット値ｉlim未満に低下する。
【0164】
コントローラ２０ｄによる交流モータ５０の過電流保護機能を計算機シミュレーションした結果として、図２１に示す出力トルク等の応答特性や交流モータ５０のモータ電流|ｉ|を得ているので、それについて説明する。シミュレーションの条件は、次の通りである。
【0165】
・交流モータ５０の回転速度：３６００min-1（一定）
・トルク制御部の制御ゲインＫ：１０rad/sec
・トルク指令値τ*：２Ｎ・ｍから６Ｎ・ｍまで増加
・電流リミット値ｉlim：８Ａ
・トルク制御部の制御ゲインＫ：１０rad/sec
・トルク指令値τ*：２Ｎ・ｍから６Ｎ・ｍまで増加
・電流リミット値ｉlim：８Ａ
【0166】
このシミュレーションでは、交流モータ５０の仕様から、出力トルクが６Ｎ・ｍ以上に達すると８Ａ以上のモータ電流|ｉ|が流れることが予めわかっていたため、トルク指令値τ*を２Ｎ・ｍから６Ｎ・ｍまで増加させた。制御開始時は２Ｎ・ｍで運転しそのときのモータ電流|ｉ|は約７Ａであることが、図２２(C)からわかる。その後、トルク指令値τ*を６Ｎ・ｍまで増加させると、それに追従して、一旦、モータ電流|ｉ|が８Ａを超えるが、直ぐにトルク制御部２６’（電流リミッタ）が機能して、交流モータ５０の運転制御がトルク制御モードから電流振幅制御モードに切り換わっていることが確認できる。つまり、構成例１によるトルク制御から構成例４による電流振幅制御に運転制御を変更したことがわかる（図２２(C)参照）。電流制御モードにおいては、モータ電流|ｉ|が約８Ａに制御されて維持されているため、交流モータ５０の出力トルクτは制御されていないが、約３Ｎ・ｍを保っていることがわかる。
【0167】
構成例４では、コントローラ２０が本来備えている電圧指令値出力部２３による出力限界範囲２３ａの範囲内に電圧ベクトルを制御する電圧に関するリミッタと、上述した減算部２５’とトルク制御部２６’により機能する電流に関するリミッタと、の２つのリミッタを有する。なお、図２２に示すシミュレーション結果から、構成例１→構成例４への制御の切り換え時にノイズや振動等の大きなショックが発生することなくシームレスに移行していることを確認できる。
【0168】
このように構成例４では、交流モータ５０に流れるモータ電流|ｉ|が所定の電流リミット値（閾値）ｉlim以上（または超えて）流れていた場合には、それまで行われていた本電圧ベクトル制御による交流モータ５０のトルク制御から、交流モータ５０の電流制御に切り換える。この電流制御では、モータ電流|ｉ|が所定の電流リミット値またはそれに近い値になるように制御する。これにより、所定の電流リミット値ｉlim以上または超えるモータ電流|ｉ|が交流モータ５０に流れた場合にはモータ電流|ｉ|を所定の電流リミット値に下げるので、過電流に起因した故障や障害から交流モータ５０を保護することが可能になる。
【0169】
なお、上述した本実施形態では、交流電動機の回転座標系として、回転座標系の二軸が「交流電動機を構成する回転子の磁極方向に平行なｄ軸とこのｄ軸に直交するｑ軸である場合」、つまり回転座標系がｄｑ回転座標系である場合を例示して説明したが、交流電動機の座標系であれば、最大トルク制御座標系やその他、任意回転座標系でもよい。また、静止座標系（固定座標系）でもよい。例えば、図２３(A)に示すように、γδ軸の任意回転座標系がｄｑ回転座標系（同図中薄墨色で記載）に対して位相差θだけ進んでｄｑ回転座標系と共に、電動機の回転子に同期して回転する場合においては、次式(16)で表される回転座標変換式のｖd，ｖqを前述した式(7)に代入して整理することによって、次式(17)が得られる。
【0170】
【数16】
【数17】
【0171】
この考え方に基づいて、任意回転座標系の特殊な例として、θ＝－θreとおくことで、交流電動機の静止座標（固定座標）についても、任意回転座標系の場合と同様にトルク微分値τdotの式を得ることが可能になる。θreは、交流モータ５０の電気角である。次式(18)で表される回転座標変換式のｖd，ｖqを前述した式(7)に代入して整理することによって、次式(19)が得られる。
【0172】
【数18】
【数19】
【0173】
また、上述した本実施形態では、交流電動機として、IPMSMの交流モータ５０を制御する制御装置や制御方法について説明したが、同期式の交流電動機であれば、例えば、表面構造永久磁石同期電動機（SPMSM：Surface Permanent Magnet Synchronous Motor）やリラクタンスモータを上述した制御装置や制御方法により制御することも可能である。また本実施形態では、三相交流電力が供給されて駆動する三相交流モータ（モータ１５０）を制御する場合を例示して説明したが、交流電動機であれば、例えば、二相、五相や七相等の多相交流モータを上述した制御装置や制御方法により制御することも可能である。
【0174】
なお、二相交流モータの場合には、相数変換を行う必要がないため、相数変換部２４は不要になり、電圧指令値出力部２３からインバータ３０にα軸電圧指令値ｖ**
αとβ軸電圧指令値ｖ**
βを直接、出力することが可能になる。また、五相交流モータや七相交流モータの場合には、相数変換部２４に代えて、α軸電圧指令値ｖ**
αとβ軸電圧指令値ｖ**
βを、五相や七相の電圧指令値に変換する相数変換部が必要になる。また、三相交流モータの場合には正六角形の出力限界範囲２３ａは、モータの相数に対応して、二相の場合には正四角形、五相の場合には正十角形、七相の場合には正十四角形というように、相数の二倍の頂点を有する正多角形になる。
【0175】
さらに、上述した本実施形態では、交流電動機の制御装置として、マイコンボードを用いてコントローラ２０を構成する場合を例示して説明したが、電圧情報生成部２１、座標変換部２２、電圧指令値出力部２３、相数変換部２４等の各機能をハードウェア的に実現するロジック回路、ゲートアレイ、ＰＬＤ（Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）を用いてコントローラ２０を構成してもよい。
【0176】
また、上述した本実施形態では、交流電動機の出力軸に発生するトルク（出力トルク）値の代わりに、コントローラ２０により計算して求めたトルク推定値τhatを減算部２５に入力してトルク指令値τ*との差(τ*－τhat)を出力トルクτの推定偏差として減算部２５から出力する構成を例示して説明したが、例えば、出力トルクを計測可能なトルクセンサを交流モータ５０のシャフト（出力軸）に取り付け、当該トルクセンサから出力される出力トルクτの情報を減算部２５に入力するように構成してもよい。出力トルクτの高精度な情報をリアルタイムに減算部２５に入力できるので、出力トルクτの偏差として推定値ではなく制御対象のリアルな偏差情報を制御に用いることが可能になる。
【0177】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、上述した具体例を様々に変形または変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。さらに、本明細書または図面に例示した技術は、複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つ。なお、[符号の説明]の欄における括弧内の記載は、上述した本実施形態で用いた用語と、特許請求の範囲に記載の用語との対応関係を明示し得るものである。
【符号の説明】
【0178】
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ…モータシステム
２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ…コントローラ（交流電動機の制御装置）
２１…電圧情報生成部
２２…座標変換部
２３…電圧指令値出力部
２３ａ…出力限界範囲（出力限界電圧の範囲）
２４…相数変換部
２５，２５’，２７…減算部
２６，２６ａ…トルク制御部
２８…電流制御部
２９…電圧情報生成部
３０…インバータ
３１～３６…ＩＧＢＴ
４１～４３…電流センサ
４５…回転角センサ
５０…交流モータ（交流電動機）
５１…座標変換要素
５２…関数要素
５３…積分要素
７１，７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７２…電圧ベクトル
７３～７５…電圧ベクトル（変更後電圧ベクトル）
８０ａ，８０ｂ…交点
８１，８２…端点
９１～９４…トルク微分値直線（所定関数で表される直線）
ｉd…ｄ軸電流
ｉ* d…ｄ軸電流指令値
ｉq…ｑ軸電流
ｉ* q…ｑ軸電流指令値
ｖd…ｄ軸電圧
ｖ* d…ｄ軸電圧指令値（回転座標系電圧情報）
ｖq…ｑ軸電圧
ｖ* q…ｑ軸電圧指令値（回転座標系電圧情報）
ｖu,v,w…交流電圧
ｖ* u,v,w…ＵＶＷ相電圧指令値（交流電動機に出力すべき交流電圧の電圧指令値）
ｖ* α…α軸電圧指令値（静止座標系電圧情報）
ｖ** α…α軸電圧指令値（電圧指令値）
ｖ* β…β軸電圧指令値（静止座標系電圧情報）
ｖ** β…β軸電圧指令値（電圧指令値）
τ…出力トルク
τ*…トルク指令値（交流電動機に要求される出力トルク、制御指令値）
τdot…トルク微分値（交流電動機に要求される出力トルクの時間微分値）
τdot*…トルク微分指令値（指令値として入力されるトルク微分値、制御指令値）
θrm…回転角（機械角）
ωre…角速度
２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ…コントローラ（交流電動機の制御装置）
２１…電圧情報生成部
２２…座標変換部
２３…電圧指令値出力部
２３ａ…出力限界範囲（出力限界電圧の範囲）
２４…相数変換部
２５，２５’，２７…減算部
２６，２６ａ…トルク制御部
２８…電流制御部
２９…電圧情報生成部
３０…インバータ
３１～３６…ＩＧＢＴ
４１～４３…電流センサ
４５…回転角センサ
５０…交流モータ（交流電動機）
５１…座標変換要素
５２…関数要素
５３…積分要素
７１，７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７２…電圧ベクトル
７３～７５…電圧ベクトル（変更後電圧ベクトル）
８０ａ，８０ｂ…交点
８１，８２…端点
９１～９４…トルク微分値直線（所定関数で表される直線）
ｉd…ｄ軸電流
ｉ* d…ｄ軸電流指令値
ｉq…ｑ軸電流
ｉ* q…ｑ軸電流指令値
ｖd…ｄ軸電圧
ｖ* d…ｄ軸電圧指令値（回転座標系電圧情報）
ｖq…ｑ軸電圧
ｖ* q…ｑ軸電圧指令値（回転座標系電圧情報）
ｖu,v,w…交流電圧
ｖ* u,v,w…ＵＶＷ相電圧指令値（交流電動機に出力すべき交流電圧の電圧指令値）
ｖ* α…α軸電圧指令値（静止座標系電圧情報）
ｖ** α…α軸電圧指令値（電圧指令値）
ｖ* β…β軸電圧指令値（静止座標系電圧情報）
ｖ** β…β軸電圧指令値（電圧指令値）
τ…出力トルク
τ*…トルク指令値（交流電動機に要求される出力トルク、制御指令値）
τdot…トルク微分値（交流電動機に要求される出力トルクの時間微分値）
τdot*…トルク微分指令値（指令値として入力されるトルク微分値、制御指令値）
θrm…回転角（機械角）
ωre…角速度
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
