特開 2023-22690 交流電動機の駆動制御装置および駆動制御方法

(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】P2023022690

(43)【公開日】2023-02-15

(54)【発明の名称】交流電動機の駆動制御装置および駆動制御方法

(51)【国際特許分類】

   H02P 21/05 20060101AFI20230208BHJP

   H02P 21/22 20160101ALI20230208BHJP

   H02P 21/06 20160101ALI20230208BHJP

【ＦＩ】

H02P21/05

H02P21/22

H02P21/06

【審査請求】未請求

【請求項の数】16

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021127701

(22)【出願日】2021-08-03

(71)【出願人】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110000062

【氏名又は名称】弁理士法人第一国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】坂井 俊文

(72)【発明者】

【氏名】隅田 悟士

(72)【発明者】

【氏名】篠宮 健志

【テーマコード（参考）】

5H505

【Ｆターム（参考）】

5H505BB04

5H505CC01

5H505DD03

5H505DD08

5H505EE41

5H505EE49

5H505GG02

5H505GG04

5H505GG08

5H505HA01

5H505HA08

5H505HB02

5H505JJ04

5H505JJ24

5H505JJ26

5H505LL22

5H505LL41

5H505LL58

5H505MM19

(57)【要約】

【課題】交流電動機の位置センサ付き制御において位置センサの偏芯や信号ノイズの影響による角度誤差に起因したトルク振動を抑制する交流電動機の駆動制御装置を提供する。
【解決手段】ベクトル制御を用いて電力変換器により駆動される交流電動機の駆動制御装置として、交流電動機の回転位置情報とベクトル制御を行う際に用いる制御位相との位相差を演算して第１の位相差を出力する位相差演算部と、第１の位相差から特定の周波数成分をフィルタ処理により減衰した第２の位相差を出力するフィルタ部と、第２の位相差に基づいて交流電動機の回転速度および制御位相を演算する速度および位相演算部とを備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ベクトル制御を用いて電力変換器により駆動される交流電動機の駆動制御装置であって、
前記交流電動機の回転位置情報と前記ベクトル制御を行う際に用いる制御位相との位相差を演算して第１の位相差を出力する位相差演算部と、
前記第１の位相差から特定の周波数成分をフィルタ処理により減衰した第２の位相差を出力するフィルタ部と、
前記第２の位相差に基づいて前記交流電動機の回転速度および前記制御位相を演算する速度および位相演算部と
を備える交流電動機の駆動制御装置。

【請求項2】

請求項１に記載の交流電動機の駆動制御装置であって、
前記フィルタ部は、ノッチフィルタ処理を行い、ノッチ周波数、当該ノッチ周波数における減衰ゲインおよびノッチ幅に関与する減衰比、に基づいて、前記特定の周波数成分を減衰する
ことを特徴とする交流電動機の駆動制御装置。

【請求項3】

請求項２に記載の交流電動機の駆動制御装置において、
前記フィルタ部は、前記ノッチ周波数を前記交流電動機の回転速度に基づいて設定する
ことを特徴とする交流電動機の駆動制御装置。

【請求項4】

請求項２に記載の交流電動機の駆動制御装置において、
前記フィルタ部は、前記ノッチ周波数を前記交流電動機を含む前記駆動制御装置の機械共振周波数に基づいて設定する
ことを特徴とする交流電動機の駆動制御装置。

【請求項5】

請求項１に記載の交流電動機の駆動制御装置であって、
前記フィルタ部は、一次遅れフィルタ処理を行う
ことを特徴とする交流電動機の駆動制御装置。

【請求項6】

請求項５に記載の交流電動機の駆動制御装置であって、
前記フィルタ部は、前記一次遅れフィルタ処理の時定数を、前記交流電動機の回転速度に基づいて変更する
ことを特徴とする交流電動機の駆動制御装置。

【請求項7】

請求項１から６のいずれか１項に記載の交流電動機の駆動制御装置であって、
前記位相差演算部は、前記回転位置情報と前記制御位相との位相差を演算し更にフィードフォワード補償した当該位相差を前記第１の位相差として出力する
ことを特徴とする交流電動機の駆動制御装置。

【請求項8】

請求項１から６のいずれか１項に記載の交流電動機の駆動制御装置であって、
前記交流電動機の回転速度に応じて前記第１の位相差または前記第２の位相差を切り換える位相差切換え部を備え、
前記速度および位相演算部は、前記第１の位相差または前記第２の位相差に基づいて前記交流電動機の回転速度および前記制御位相を演算する
ことを特徴とする交流電動機の駆動制御装置。

【請求項9】

請求項２から４のいずれか１項に記載の交流電動機の駆動制御装置であって、
前記フィルタ部は、前記交流電動機を流れる２軸電流の少なくとも一つの軸電流の振動成分の周波数に基づいて、前記ノッチ周波数を設定する
ことを特徴とする交流電動機の駆動制御装置。

【請求項10】

請求項２から４のいずれか１項に記載の交流電動機の駆動制御装置であって、
前記フィルタ部は、前記交流電動機の回転速度、前記交流電動機のトルク指令、前記交流電動機の検出電流および前記駆動制御装置の演算周期の少なくとも一つに基づいて、前記減衰ゲインを設定する
ことを特徴とする交流電動機の駆動制御装置。

【請求項11】

請求項１から１０のいずれか１項に記載の交流電動機の駆動制御装置を搭載する鉄道車両。

【請求項12】

電力変換装置により駆動される交流電動機をベクトル制御する交流電動機の駆動制御方法であって、
前記交流電動機の回転位置情報と前記ベクトル制御する際に用いる制御位相との位相差を演算して第１の位相差を出力し、
前記第１の位相差から特定の周波数成分をフィルタ処理して減衰させた第２の位相差を出力し、
前記第２の位相差に基づいて前記交流電動機の回転速度および前記制御位相を演算する
ことを特徴とする交流電動機の駆動制御方法。

【請求項13】

請求項１２に記載の交流電動機の駆動制御方法であって、
前記フィルタ処理は、ノッチフィルタ処理であり、ノッチ周波数、当該ノッチ周波数における減衰ゲインおよびノッチ幅に関与する減衰比、に基づいて、前記特定の周波数成分を減衰させる
ことを特徴とする交流電動機の駆動制御方法。

【請求項14】

請求項１２に記載の交流電動機の駆動制御方法であって、
前記フィルタ処理は、一次遅れフィルタ処理であり、当該一次遅れフィルタ処理の時定数を、前記交流電動機の回転速度に基づいて変更する
ことを特徴とする交流電動機の駆動制御方法。

【請求項15】

請求項１２から１４のいずれか１項に記載の交流電動機の駆動制御方法であって、
前記第１の位相差を、前記回転位置情報と前記制御位相との位相差を演算し更にフィードフォワード補償して出力する
ことを特徴とする交流電動機の駆動制御方法。

【請求項16】

請求項１２から１４のいずれか１項に記載の交流電動機の駆動制御方法であって、
前記交流電動機の回転速度に応じて前記第１の位相差または前記第２の位相差を切り換え、
前記第１の位相差または前記第２の位相差に基づいて前記交流電動機の回転速度および前記制御位相を演算する
ことを特徴とする交流電動機の駆動制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、交流電動機の駆動制御装置および駆動制御方法に関し、電気鉄道車両、電気自動車、産業用インバータ、風力発電システムおよびディーゼル発電機システム等に適用されるものである。

【背景技術】

【0002】

近年の省エネルギー化や環境負荷低減の要求の高まりから、交流電動機の駆動制御装置は、家電製品、産業機器、インフラなど幅広い用途にその普及が進んでいる。
交流電動機の駆動制御方法の一つとして、交流電動機の回転子位置を検出する角度センサを利用したものがある。この角度センサとしては、レゾルバや磁気センサなどがあり、特に、レゾルバは電磁誘導を利用して機械角度を電気的信号に変換する角度センサであり、工作機械やロボットの角度検出用センサとして一般に普及するようになった。また、最近では、耐環境性に優れているなどの特徴を持つことから、自動車用永久磁石同期電動機の角度検出用センサとして適用が進んでいる。

【0003】

しかしながら、レゾルバを用いて交流電動機を制御する場合、レゾルバからの出力電圧信号に偏芯による直流オフセット誤差やゲインアンバランスによる振幅誤差、伝送遅延や出力側巻線の製造誤差などがある場合、それらに起因した角度誤差が生じ、交流電動機の駆動制御装置に交流電動機の駆動周波数の１倍または２倍の振動成分が発生することが知られている。そのため、交流電動機が高速回転時ほど、駆動周波数に比例したトルクや速度の振動現象が発生し、交流電動機の駆動制御装置を構成する機器類が破損する恐れがある。したがって、レゾルバのセンサノイズ等に起因した角度信号の誤差による振動現象を抑制する必要がある。

【0004】

一般に、レゾルバなどの角度センサの角度誤差による速度やトルクの振動を抑制する制御方法に関しては、角度センサの出力信号に基づいて算出された交流電動機の速度検出値に振動成分を低減するフィルタを挿入する手法や、交流電動機の速度フィードバックや電流フィードバックの制御ループ内に振動成分を低減するフィルタを挿入する手法がある。

【0005】

例えば、特許文献１には、角度センサの検出角度に基づいて演算して得た交流電動機の電気角周波数に対して、遮断したい周波数のノッチフィルタ処理をかけることで、角度センサの誤差の影響を低減する技術が、開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１５－１３６２１８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１に開示の技術は、角度センサの検出角度の時間変化から交流電動機の電気角周波数を演算し、その電気角周波数演算値に比例した周波数成分を遮断するノッチフィルタ処理をかけることで、角度センサの角度誤差に起因した交流電動機の駆動制御装置のトルク振動や速度振動を低減するものである。

【0008】

また、ノッチフィルタの遮断周波数を電気角周波数の演算結果に応じて可変にすることで、回転数指令と機械角回転数とが一致していない過渡状態でも、角度誤差による速度演算値の振動成分を低減することができる。

【0009】

しかし、角度センサの検出角度に基づく交流電動機の電気角度に生じる角度誤差を除去できていないため、交流電動機のトルク制御や速度制御が振動することになる。

【0010】

したがって、本発明の目的は、上記の課題に鑑み、角度センサのセンサノイズの影響による角度誤差に起因した交流電動機のトルク振動を抑制する交流電動機の駆動制御装置および駆動制御方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記の課題を解決するために、代表的な本発明の交流電動機の駆動制御装置の一つは、ベクトル制御を用いて電力変換器により駆動される交流電動機の駆動制御装置であって、交流電動機の回転位置情報とベクトル制御を行う際に用いる制御位相との位相差を演算して第１の位相差を出力する位相差演算部と、第１の位相差から特定の周波数成分をフィルタ処理により減衰した第２の位相差を出力するフィルタ部と、第２の位相差に基づいて交流電動機の回転速度および制御位相を演算する速度および位相演算部とを備えるものである。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、ベクトル制御に対する角度センサのセンサノイズによる角度誤差の影響を低減することにより、交流電動機のトルク振動を抑制し、制御安定性の高い交流電動機の駆動制御装置が実現できる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施をするための形態における説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の実施例１に係る交流電動機の駆動制御装置の構成例を表すブロック図である。

【図2】本発明による交流電動機の制御において使用される座標系と記号の定義を示す図である。

【図3】実施例１に係る位相・速度演算部の構成例を表すブロック図である。

【図4】実施例１に係る位相差演算部の構成例を表すブロック図である。

【図5】実施例１に係る比例・積分制御部の構成例を表すブロック図である。

【図6】本発明の実施例２に係る交流電動機の駆動制御装置の構成例を表すブロック図である。

【図7】実施例２に係る位相・速度演算部の構成例を表すブロック図である。

【図8】実施例２に係る位相差演算部の構成例を表すブロック図である。

【図9】実施例２に係る位相差ＦＦ補償部の構成例を表すブロック図である。

【図10】本発明の実施例３に係る交流電動機の駆動制御装置の構成例を表すブロック図である。

【図11】実施例３に係る位相・速度演算部の構成例を表すブロック図である。

【図12】本発明の実施例４に係る交流電動機の駆動制御装置の構成例を表すブロック図である。

【図13】実施例４に係る位相・速度演算部の構成例を表すブロック図である。

【図14】本発明の実施例５に係る交流電動機の駆動制御装置の構成例を表すブロック図である。

【図15】実施例５に係る位相・速度演算部の構成例を表すブロック図である。

【図16】本発明の実施例６として、実施例１～５のいずれかを用いた交流電動機の駆動制御装置を搭載する鉄道車両の一部の概略構成を表すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態として、実施例１から６について詳細に説明する。なお、同一の要素については、全ての図において、原則として同一の符号を付している。また、同一の機能を有する部分については、重複した説明を省略する。以下で説明する実施例および変形例は、矛盾しない範囲で、その一部または全部を組み合わせてもよい。

【実施例0015】

図１は、本発明の実施例１に係る交流電動機の駆動制御装置の構成例を表すブロック図である。図１では、制御対象である交流電動機１０３、交流電動機１０３を駆動する電力変換器１０２、電力変換器１０２を制御する制御器１０１、交流電動機１０３のトルク指令Ｔｍ＊を発生する指令発生器１０５、交流電動機１０３に流れる電流を検出する相電流検出部１２１および交流電動機１０３の回転子位置を検出する回転位置検出部１２４、を備える。

【0016】

交流電動機１０３は、電力変換器１０２から出力される交流電力により制御される電動機である。なお、本発明の各実施例では、交流電動機の一種として、永久磁石同期電動機を例に発明内容を説明するが、この電動機に限定されるものではなく、本発明は他のすべての交流電動機に適用可能である。また、本発明の各実施例では交流電動機を例にしているが、交流発電機を制御対象としても交流電動機の場合と同様の効果が得られる。

【0017】

電力変換器１０２は、電力変換器１０２に直流電力を供給する入力端子１２３ａと１２３ｂ、６個のスイッチング素子Ｓｕｐ～Ｓｗｎで構成される主回路部１３２、主回路部１３２を直接駆動するゲート・ドライバ１３３、電力変換器１０２の過電流保護用に取り付けた直流抵抗器１３４および平滑用コンデンサ１３１を備える。また、電力変換器１０２は、入力端子１２３ａと１２３ｂとから供給される直流電力を、制御器１０１が生成したゲート指令信号に基づいて交流電力に変換し、変換した交流電力を交流電動機１０３に供給する。

【0018】

相電流検出部１２１は、電力変換器１０２から永久磁石同期機１０３に流れる交流電流ｉｕおよびｉｗを検出する。この相電流検出部１２１は、例えばホール素子を用いた電流センサにより実現される。なお、図１に示す相電流検出部１２１は、２相検出による交流電流検出の構成としているが、３相検出としてもよい。また、相電流センサを用いず、電力変換器１０２の過電流保護用に取り付けられた直流抵抗器１３４を流れる電流値から推定される交流電流値を用いてもよい。

【0019】

回転位置検出部１２４は、交流電動機１０３の回転子位置（回転角度）に応じた角度信号φを出力する。この回転位置検出部１２４は、例えばレゾルバやエンコーダ、磁気センサなどにより実現される。

【0020】

位相・速度演算部１１０は、検出された回転子位置に応じた角度信号φから、交流電動機１０３の回転速度の電気角周波数ωｒｅおよびベクトル制御のための電流検出値のｄｑ座標変換や電圧指令値のＵＶＷ座標変換で用いる制御位相θｄｃを算出する。

【0021】

指令発生器１０５は、制御器１０１の上位に位置する制御器で、交流電動機へのトルク指令Ｔｍ＊を発生する。

【0022】

制御器１０１は、指令発生器１０５からのトルク指令Ｔｍ＊に基づき、交流電動機１０３の発生トルクを制御する。この制御器としては、例えば、交流電動機１０３に流れる電流を制御する場合には電流制御器が、あるいは、回転速度や位置を制御する場合には速度制御器や位置制御器が、用いられる。実施例１では、トルクの制御を行うことを目的とするトルク制御器として動作しているが、上位の制御器として速度制御器や位置制御器を用いた構成としてもよい。

【0023】

制御器１０１の構成としては、位相・速度演算部１１０、電流指令演算部１１１、ベクトル制御部１１２、電流検出部１１３、ｄｑ座標変換部１１４、極座標変換部１１５、ＵＶＷ座標変換部１１６およびＰＷＭ信号制御器１１７を備える。

【0024】

また、制御器１０１は、回転位置検出部１２４からの交流電動機１０３の回転子位置（回転角度）に応じた角度信号φと、交流電動機１０３を流れる交流電流ｉｕおよびｉｗの検出値である交流電流検出値ＩｕおよびＩｗと、指令発生器１０５からのトルク指令Ｔｍ＊とに基づいた電流制御系と位相制御系の演算結果から、電力変換器１０２のスイッチング素子を駆動するためのゲート指令信号を生成し、電力変換器１０２のゲート・ドライバ１３３に供給する。

【0025】

図２は、本発明による交流電動機１０３の制御において使用される座標系と記号の定義を示す図である。ここで、交流電動機１０３としては、上述のとおり、永久磁石同期電動機を例に説明する。

【0026】

図２では、ａ軸とｂ軸で定義されるａｂ軸座標系は、永久磁石同期電動機１０３ａの固定子巻線の位相を表す固定子座標系である。ａ軸は、一般的に永久磁石同期電動機１０３ａのｕ相巻線位相が基準にとられる。

【0027】

ｄ軸とｑ軸で定義されるｄｑ軸座標系は、永久磁石同期電動機１０３ａの回転子の磁極位置を表す回転座標系であり、永久磁石同期電動機１０３ａの回転子磁極位置と同期して回転する。永久磁石同期機の場合、ｄ軸は、一般的に回転子に取り付けられた永久磁石による磁極のＮ極方向が基準にとられるため、磁極軸とも呼ばれる。

【0028】

ｄｃ軸とｑｃ軸で定義されるｄｃ－ｑｃ軸座標系は、ベクトル制御のための制御位相、すなわち制御器１０１がｄ軸およびｑ軸方向として制御している座標系であり、制御軸とも呼ばれる。

【0029】

また、ｚ軸は、回転位置検出部１２４が出力する永久磁石同期電動機１０３ａの回転子位置（回転角度）に応じた角度信号φの位相を表す回転座標系である。
なお、各座標系において組み合わされる座標軸同士は、いずれも互いに直交している。

【0030】

上記の各座標系において、図２に示すように、ａ軸を基準としたｄ軸、ｄｃ軸およびｚ軸の各軸の位相を、θｄ、θｄｃおよびφとそれぞれ表す。また、ｄ軸に対するｄｃ軸の偏差をΔθｅｒｒ、ｚ軸に対するｄｃ軸の偏差をΔθｃと表す。

【0031】

ここで、回転位置検出部１２４が出力する永久磁石同期電動機１０３ａの回転子位置（回転角度）に応じた角度信号φを用いてベクトル制御を実施する場合、ｄ軸とｚ軸が一致していればｄｑ軸座標系とｄｃ－ｑｃ軸座標系は一致することになり、ｄ軸に対するｄｃ軸の偏差Δθｅｒｒは零となる。

【0032】

ただし、回転位置検出部１２４が出力する永久磁石同期電動機１０３ａの回転子位置（回転角度）に応じた角度信号φに、センサノイズ等による角度誤差があった場合は、ｄ軸に対するｄｃ軸の偏差Δθｅｒｒが生じることになる。

【0033】

以下、図１に示す制御器１０１の構成について詳しく説明する。
位相・速度演算部１１０は、回転位置検出部１２４から出力される永久磁石同期電動機１０３ａの回転子位置に応じた角度信号φに基づいて、回転速度の電気角周波数ωｒｅと、ベクトル制御を行うｄｃ－ｑｃ軸座標系の制御位相θｄｃとを演算して出力する。

【0034】

電流指令演算部１１１は、位相・速度演算部１１０から出力される永久磁石同期電動機１０３ａの回転速度の電気角周波数ωｒｅと、平滑用コンデンサ１３１の電圧検出値Ｅｃｆと、指令発生器１０５から出力されるトルク指令Ｔｍ＊とに基づいて、ｄｃ－ｑｃ軸座標系上の電流指令値Ｉｄｃ＊およびＩｑｃ＊を演算して出力する。なお、電流指令値Ｉｄｃ＊およびＩｑｃ＊の演算は、例えば、トルク指令Ｔｍ＊と、電圧検出値Ｅｃｆと、インバータ周波数ω１とに対して、最適なｄ軸およびｑ軸の電流指令値を、予め試験や解析から求めた値を参照テーブル、関数式、近似式、設計式また、理論式として用いて求めればよい。

【0035】

ベクトル制御部１１２は、ｄｑ座標変換部１１４が出力したｄｃ－ｑｃ軸座標系上の電流検出値ＩｄｃおよびＩｑｃと、電流指令演算部１１１が出力したｄｃ－ｑｃ軸座標系上の電流指令値Ｉｄｃ＊およびＩｑｃ＊とを一致させるべく、それぞれ電流制御を行う。この電流制御の結果と、永久磁石同期電動機１０３ａの回転速度の電気角周波数ωｒｅとに基づいて、回転座標系であるｄｃ－ｑｃ軸上の電圧指令Ｖｄｃ＊およびＶｑｃ＊が演算され、出力される。

【0036】

ベクトル制御部１１２において、ｄｃ－ｑｃ軸上の電圧指令Ｖｄｃ＊およびＶｑｃ＊は、ｄｃ－ｑｃ軸座標系上の電流指令値Ｉｄｃ＊およびＩｑｃ＊と、永久磁石同期電動機１０３ａの電気角周波数ωｒｅと、電動機定数Ｒ１、Ｌｄ、ＬｑおよびＫｅ（逆起電力定数）とを用いて、例えば、以下の式（１）にて演算されるものとする。

【数1】

なお、式（１）において、Ｒ１＊、Ｌｄ＊、Ｌｑ＊およびＫｅ＊は、それぞれ電動機定数の制御設定値を表している。

【0037】

電流検出部１１３は、相電流検出部１２１が検出した永久磁石同期電動機１０３ａに流れる交流電流ｉｕおよびｉｗから三相電流検出値Ｉｕ、ＩｖおよびＩｗを演算し、ｄｑ座標変換部１１４に出力する。

【0038】

ｄｑ座標変換部１１４は、電流検出部１１３が出力した三相電流検出値Ｉｕ、ＩｖおよびＩｗを、回転位置検出部１２４が出力する永久磁石同期電動機１０３ａの回転子位置に応じた角度信号φに基づいて位相・速度演算部１１０で演算した制御位相θｄｃを用いて、ｄｃ－ｑｃ軸座標系上の電流検出値ＩｄｃおよびＩｑｃに変換して出力する。

【0039】

極座標変換部１１５は、ベクトル制御部１１２が出力したｄｃ－ｑｃ軸上の電圧指令Ｖｄｃ＊およびＶｑｃ＊に基づいて、電圧振幅指令Ｖ１＊および電圧位相指令δに変換して出力する。

【0040】

ＵＶＷ座標変換部１１６は、極座標変換部１１５が出力した電圧振幅指令Ｖ１＊および電圧位相指令δと、位相・速度演算部１１０が出力した制御位相θｄｃとに基づいて三相交流電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊およびＶｗ＊に変換し、ＰＷＭ信号制御器１１７に出力する。

【0041】

ＰＷＭ制御器１１７は、任意のキャリア周波数ｆｃと平滑用コンデンサ１３１の電圧検出値Ｅｃｆとに基づいて三角波キャリアを生成し、その三角波キャリアと三相交流電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊およびＶｗ＊に基づく変調波との大小比較を行い、パルス幅変調を実施する。このパルス幅変調の演算結果にて生成されたゲート指令信号によって、電力変換器１０２のスイッチング素子をオン／オフ制御する。

【0042】

次に、実施例１の特徴部分である位相・速度演算部１１０について詳しく説明する。
図３は、実施例１に係る位相・速度演算部１１０の構成例を表すブロック図である。
図３に示す位相・速度演算部１１０は、位相差演算部２０１、比例・積分制御部２０２、制御位相演算部２０３およびフィルタ処理部２０４を備える。

【0043】

位相・速度演算部１１０は、回転位置検出部１２４から出力される永久磁石同期電動機１０３ａの回転子位置に応じた角度信号φに基づいて、ベクトル制御のための永久磁石同期電動機１０３ａの電気角周波数ωｒｅおよびｄｃ－ｑｃ軸座標系の制御位相θｄｃを演算して出力する。

【0044】

図４は、実施例１に係る位相差演算部２０１の構成例を表すブロック図である。
図４に示す位相差演算部２０１は、±π処理部３０１、±π処理部３０２および加減算器８０１を備える。

【0045】

位相差演算部２０１は、回転位置検出部１２４から出力される永久磁石同期電動機１０３ａの回転子位置に応じた角度信号φと、制御位相演算部２０３から出力される制御位相θｄｃとに基づいて、角度信号φと制御位相θｄｃとの位相差Δθｃ’を演算して出力する。なお、本発明の各実施例では、回転位置検出部１２４から出力される永久磁石同期電動機１０３ａの回転子位置に応じた角度信号φは、－π～＋π（－１８０度～＋１８０度）で変化する角度情報を有するものとする。

【0046】

±π処理部３０１は、制御位相演算部２０３から出力される制御位相θｄｃを、－π～＋πの大きさに換算処理し、±π処理部３０２は、角度信号φからこの換算処理した制御位相θｄｃを減算した位相差Δθｃを、－π～＋πの大きさに換算処理する。角度信号φと制御位相θｄｃとの位相差Δθｃを±π換算処理したΔθｃ’は、例えば、以下の式（２）にて演算されるものとする。

【数2】

【0047】

位相差演算部２０１から出力される、角度信号φと制御位相θｄｃとの位相差Δθｃ’は、角度信号φと制御位相θｄｃとの位相差Δθｃを－π～＋π（－１８０度～＋１８０度）の大きさに換算処理したものとする。

【0048】

図５は、実施例１に係る比例・積分制御部２０２の構成例を表すブロック図である。
図５に示す比例・積分制御部２０２は、比例器４０１、比例器４０２、積分器４０３および加算器８０２を備える。

【0049】

比例・積分制御部２０２は、角度信号φと制御位相θｄｃとの位相差Δθｃ’に基づいて、永久磁石同期電動機１０３ａの電気角周波数ωｒｅを演算して出力する。

【0050】

ここで、永久磁石同期電動機１０３ａの電気角周波数ωｒｅは、角度信号φと制御位相θｄｃとの位相差Δθｃ’を０に制御するため、比例演算結果と比例積分演算結果とを加算したものとする。ベクトル制御で用いる永久磁石同期電動機１０３ａの電気角周波数ωｒｅは、例えば、以下の式（３）にて演算される。

【数3】

【0051】

ここで、比例器４０１の比例ゲインＫｐ－ｐｌｌおよび比例器４０２の積分ゲインＫｉ－ｐｌｌは、例えば、以下の式（４）にて設定されるものとする。

【数4】

なお、式（４）において、ωｐｌｌ＊は、位相フィードバック制御の制御応答角周波数、Ｎｐｌｌは、比例・積分制御の折れ点比、である。ここで、比例・積分制御の折れ点比Ｎｐｌｌは、例えば、２～１０の任意の値を用いればよい。

【0052】

なお、比例・積分制御部２０２の比例ゲインＫｐ－ｐｌｌおよび積分ゲインＫｉ－ｐｌｌは、定数でもよいし、電流指令値、電流検出値、速度またはベクトル演算周期などの関数式として演算したものを用いてもよい。

【0053】

図３に示す制御位相演算部２０３は、比例・積分制御部２０２が出力した永久磁石同期電動機１０３ａの電気角周波数ωｒｅに基づいて、ベクトル制御で用いるｄｃ－ｑｃ軸座標系の制御位相θｄｃを演算して出力する。ここで、制御位相θｄｃは、電気角周波数ωｒｅを積分演算したものとする。

【0054】

図３に示すフィルタ処理部２０４は、位相差演算部２０１が出力した位相差Δθｃ’と、比例・積分制御部２０２が出力した電気角周波数ωｒｅとに基づいて、フィルタ処理された位相差ΔθｃＮ’を演算して出力する。

【0055】

フィルタ処理部２０４によってフィルタ処理された位相差ΔθｃＮ’とは、ベクトル制御で用いる永久磁石同期電動機１０３ａの電気角周波数ωｒｅや、制御位相θｄに含まれる永久磁石同期電動機１０３ａの電気角周波数ωｒｅに比例した周波数成分や角度誤差を低減するため、角度信号φと制御位相θｄｃとの位相差Δθｃ’をフィルタ処理したものとする。

【0056】

ここで、フィルタ処理部２０４は、例えば、特定の周波数成分のみを低減し、それ以外の周波数成分を通過させるノッチフィルタ機能を有すればよい。なお、ノッチフィルタ処理は、例えば、以下の式（５）のノッチフィルタの伝達関数Ｇｎ（ｓ）に基づくものとする。

【数5】

なお、式（５）において、ωｎは、ノッチ周波数、Ｑｍｉｎは、ノッチ周波数ωｎにおけるゲインの値となる減衰ゲイン、ζｄｎは、ノッチ幅を決定するフィルタの極の減衰比である。

【0057】

実施例１では、回転位置検出部１２４から出力される角度信号φには、角度センサの直流オフセット誤差や振幅誤差に起因した角度誤差が含まれ、この角度誤差による交流電動機の駆動制御装置のトルク振動を抑制するために、永久磁石同期電動機１０３ａの電気角周波数ωｒｅをノッチ周波数ωｎとするノッチフィルタを用いる。

【0058】

なお、実施例１では、ノッチフィルタ処理のノッチ周波数ωｎとして、比例・積分制御部２０２が出力した永久磁石同期電動機１０３ａの電気角周波数ωｒｅを用いたが、これに限定されない。交流電動機を含む駆動制御装置の機械共振振動を抑制したい場合には、ノッチ周波数ωｎとして、この機械共振周波数を設定すればよい。

【0059】

また、上記のように、実施例１のフィルタ処理部２０４をノッチフィルタ処理として説明したが、一次遅れフィルタ処理を用いてもよい。例えば、位相差演算部２０１が出力した位相差Δθｃ’を、一次遅れフィルタ処理により位相差ΔθｃＮ’として、比例・積分制御部２０２に出力してもよい。
ここで、一次遅れフィルタの時定数を、比例・積分制御部２０２が出力した電気角周波数ωｒｅの逆数の２倍以上の値に設定することで、位相差Δθｃ’から電気角周波数ωｒｅに比例した振動成分を低減することができる。

【0060】

次に、実施例１の位相・速度演算部１１０を用いることによって、交流電動機の駆動制御装置のトルク振動を抑制する原理について説明する。
交流電動機の駆動周波数成分に比例した角度誤差が、角度センサの検出角度信号に含まれている場合、その検出角度信号が交流電動機の回転速度に比例した交流量であるため、直接的に、その検出角度信号に対して交流電動機の駆動周波数成分を低減するフィルタ処理をかけることができない。

【0061】

そこで、実施例１では、交流電動機のベクトル制御に対して角度センサの検出角度信号を直接使用せず、角度センサの検出角度信号に同期した第二の検出角度として、ベクトル制御用の制御位相θｄｃを用意する。その制御位相θｄｃは、角度信号φと比較してフィードバック制御することで、交流電動機の加減速などの角度信号の変化に追従するようになる。

【0062】

そして、角度センサの直流オフセット誤差や振幅誤差に起因した角度信号φの角度誤差は、角度信号φと制御位相θｄｃとの位相差Δθｃに交流電動機の駆動周波数成分に比例した周波数成分として現れるため、その位相差Δθｃをフィルタ処理することで角度誤差による振動成分を低減することができる。

【0063】

また、位相フィードバック制御ループ内の位相差Δθｃにフィルタ処理を挿入し、永久磁石同期電動機１０３ａの電気角周波数ωｒｅの演算結果をフィルタ処理のノッチ周波数設定値にフィードバックすることで、角度誤差の振動周波数成分を低減する効果が向上する。

【0064】

このように、位相・速度演算部１１０が出力する永久磁石同期電動機１０３ａの電気角周波数ωｒｅおよび制御位相θｄｃの演算結果は、角度センサの直流オフセット誤差や振幅誤差に起因した角度誤差の振動成分を低減したものになるため、それらを用いたベクトル制御系の振動が抑えられ、トルク振動や速度振動の発生を抑制することができる。

【0065】

以上、実施例１によれば、角度センサの検出角度とベクトル制御の制御位相との差分に振動成分を減衰するフィルタを通過させ，そのフィルタ出力値に基づき交流電動機の回転速度の電気角周波数および制御位相を演算する位相フィードバック制御系を構築する。これにより、角度センサ検出値の角度誤差による交流電動機のトルク振動を抑制し、交流電動機の駆動制御装置の制御安定性の向上を図ることができる。

【実施例0066】

実施例２では、位相・速度演算部１１０による交流電動機の回転速度の電気角周波数ωｒｅおよびベクトル制御を行うｄｃ－ｑｃ軸座標系の制御位相θｄｃの演算において、回転位置検出部１２４から出力される交流電動機１０３の回転子位置に応じた角度信号φと、制御位相演算部２０３から出力される制御位相θｄｃとの位相差Δθｃ’に対して、一次遅れフィルタを用いたフィードフォワード（ＦＦ）補償処理を追加する。

【0067】

これにより、交流電動機１０３の回転速度が加速または減速するときに生じる角度信号φと制御位相θｄｃとの位相差を補償することができ、実施例１よりも制御追従性の向上やトルク精度の向上が可能な交流電動機の駆動制御装置が実現できる。

【0068】

図６は、本発明の実施例２に係る交流電動機の駆動制御装置の構成例を表すブロック図である。以下、図１に示す実施例１と比較して、構成の相違部分のみを説明する。実施例２では、実施例１の位相・速度演算部１１０に替えて、位相・速度演算部１１０ｂを用いる。

【0069】

図７は、実施例２に係る位相・速度演算部１１０ｂの構成例を表すブロック図である。
図７に示す位相・速度演算部１１０ｂは、位相差演算部２０１ｂ、比例・積分制御部２０２、制御位相演算部２０３およびフィルタ処理部２０４を備える。すなわち、図３に示す実施例１の位相・速度演算部１１０の構成において、位相差演算部２０１を位相差演算部２０１ｂに置き換えたものである。

【0070】

位相・速度演算部１１０ｂは、回転位置検出部１２４から出力される永久磁石同期電動機１０３ａの回転子位置に応じた角度信号φに基づいて、ベクトル制御のための永久磁石同期電動機１０３ａの電気角周波数ωｒｅおよびｄｃ－ｑｃ軸座標系の制御位相θｄｃを演算して出力する。

【0071】

ここで、図７に示す位相差演算部２０１ｂの構成について詳しく説明する。
図８は、実施例２に係る位相差演算部２０１ｂの構成例を表すブロック図である。
図８に示す位相差演算部２０１ｂは、±π処理部３０１、±π処理部３０２、加減算器８０１および位相差ＦＦ補償部３０３ｂを備える。

【0072】

位相差演算部２０１ｂは、回転位置検出部１２４から出力される永久磁石同期電動機１０３ａの回転子位置に応じた角度信号φと、制御位相演算部２０３から出力される制御位相θｄｃとに基づいて、角度信号φと制御位相θｄｃの位相差Δθｃ－ｆｆ’を演算して出力する。

【0073】

次に、実施例２の特徴部分である位相差ＦＦ補償部３０３ｂについて詳しく説明する。
図９は、実施例２に係る位相差ＦＦ補償部３０３ｂの構成例を表すブロック図である。
図９に示す位相差ＦＦ補償部３０３ｂは、一次遅れフィルタ部５０１ｂ、比例器５０２ｂおよび加算器８０２を備える。

【0074】

位相差ＦＦ補償部３０３ｂは、±π処理部３０２から出力される位相差Δθｃ’に基づいて、永久磁石同期電動機１０３ａの回転速度の加速または減速による角度信号φと制御位相θｄｃとの位相差を補償した位相差Δθｃ－ｆｆ’を演算して出力する。

【0075】

位相差ＦＦ補償部３０３ｂにおいて、図７に示すフィルタ処理部２０４の入力信号である位相差Δθｃ－ｆｆ’は、図８に示す±π処理部３０２から出力される、角度信号φと制御位相θｄｃとの位相差Δθｃ’に対して、位相差Δθｃ－ｆｆ’を一次遅れフィルタ部５０１で一次遅れフィルタ処理し続いて比例器５０２ｂで比例演算した結果を加算器８０２で加算したものとする。例えば、以下の式（６）にて演算される。

【数6】

【0076】

ここで、一次遅れフィルタ部５０１ｂの一次遅れフィルタ時定数Ｔｐｌｌ－ｆｆおよび比例器５０２ｂの比例ゲインＫｐｌｌ－ｆｆは、例えば、以下の式（７）にて設定されるものとする。

【数7】

なお、式（７）において、ωｐｌｌ＊は、位相フィードバック制御の制御応答角周波数、Ｎｐｌｌ－ｆｆは、位相差ＦＦ補償制御の折れ点比である。位相差ＦＦ補償制御の折れ点比Ｎｐｌｌ－ｆｆは、位相フィードバック制御との制御干渉を回避するため、例えば、２～１０の任意の値を設定すればよい。

【0077】

また、交流電動機１０３の回転速度が加速または減速するときに生じる角度信号φと制御位相θｄｃとの位相差を補償する手段として、位相差ＦＦ補償部３０３ｂに替えて、比例・積分制御部２０２において比例演算と積分演算に、さらに二重積分演算を追加することで実現してもよい。例えば、以下の式（８）にて演算されるものとする。

【数8】

ここで、二重積分ゲインＫｉ２－ｐｌｌは、例えば、位相フィードバック制御の制御応答角周波数ωｐｌｌ＊に基づいて決定した値を設定すればよい。

【0078】

したがって、実施例２では、回転位置検出部１２４の角度信号φとベクトル制御を行う制御位相θｄｃとの位相差Δθｃ’に一次遅れフィルタを用いた位相ＦＦ補償値を加算することで、交流電動機の回転速度が加速または減速するときに生じる角度信号φと制御位相θｄｃとの位相差を補償することができる。これにより、実施例１よりも交流電動機の駆動制御装置の制御追従性やトルク精度の向上を図ることができる。