特開 2024-146466 モータ制御装置

(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】P2024146466

(43)【公開日】2024-10-15

(54)【発明の名称】モータ制御装置

(51)【国際特許分類】

   H02P 21/26 20160101AFI20241004BHJP

【ＦＩ】

H02P21/26

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023059375

(22)【出願日】2023-03-31

(71)【出願人】

【識別番号】000006611

【氏名又は名称】株式会社富士通ゼネラル

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】浦山 昌春

【テーマコード（参考）】

5H505

【Ｆターム（参考）】

5H505DD06

5H505EE41

5H505EE49

5H505EE55

5H505FF01

5H505GG02

5H505GG04

5H505JJ04

5H505JJ25

5H505LL14

5H505LL22

5H505LL41

(57)【要約】

【課題】モータの種類によらずモータの安定した起動を可能にすること。
【解決手段】モータＭの回転速度が速度指令値に一致するようにモータＭを制御し、かつ、速度指令値を積分した回転位相にモータを同期させる同期運転モードであって、速度上昇区間と電流調整区間とを有する同期運転モードと、制御系座標軸とロータ座標軸との軸誤差を帰還制御することで得られる速度推定値が速度指令値に一致するようにモータを制御する位置センサレス制御モードとを有するモータ制御装置１００において、軸誤差指令値生成器５０は、電流調整区間において、軸誤差の目標値である軸誤差指令値であって、負の値を有する軸誤差指令値を生成し、同期運転電流指令値生成器１３は、速度上昇区間においてモータの回転数を所定回転数まで上昇させた後、電流調整区間において、軸誤差を軸誤差指令値に近づけるように帰還制御することによりｑ軸電流指令値を調整する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

モータの回転速度が速度指令値に一致するように前記モータを制御し、かつ、前記速度指令値を積分した回転位相にモータを同期させる同期運転モードであって、速度上昇区間と電流調整区間とを有する前記同期運転モードと、制御系座標軸とロータ座標軸との軸誤差を帰還制御することで得られる速度推定値が前記速度指令値に一致するように前記モータを制御する位置センサレス制御モードとを有するモータ制御装置であって、
前記電流調整区間において、前記軸誤差の目標値である軸誤差指令値であって、負の値を有する前記軸誤差指令値を生成する軸誤差指令値生成器と、
前記速度上昇区間において前記モータの回転数を所定回転数まで上昇させた後、前記電流調整区間において、前記軸誤差を前記軸誤差指令値に近づけるように帰還制御することによりｑ軸電流指令値を調整する同期運転電流指令値生成器と、
を具備するモータ制御装置。

【請求項2】

前記軸誤差指令値生成器は、運転モードが前記同期運転モードから前記位置センサレス制御モードへ移行した時点から、前記軸誤差指令値を前記負の値から徐々に０に変化させる、
請求項１に記載のモータ制御装置。

【請求項3】

前記同期運転電流指令値生成器は、前記電流調整区間におけるｄ軸電流指令値を、前記位置センサレス制御モードにおいて前記モータを動作させる際のｄ軸電流指令値に収束させる、
請求項１に記載のモータ制御装置。

【請求項4】

運転モードが前記同期運転モードから前記位置センサレス制御モードへ移行する際に、前記同期運転モードにおけるｄ軸電流指令値の最終値、及び、前記同期運転モードにおける前記ｑ軸電流指令値の最終値に基づいて、前記速度指令値と前記速度推定値との差を０に近づけるためのトルク指令値の初期値を設定する速度制御器、をさらに具備する、
請求項１に記載のモータ制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、モータ制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ＰＭＳＭ（Permanent Magnet Synchronous Motor）の制御の一つとして、モータのロータ位置を推定する位置センサレス制御が知られている。位置センサレス制御では、モータの回転に伴って発生する誘起電圧（以下では「モータ誘起電圧」と呼ぶことがある）を用いてモータのロータ位置の推定（以下では「位置推定」と呼ぶことがある）を行う。位置センサレス制御では、モータの停止状態や、モータ誘起電圧が小さい極低回転状態において位置推定の誤差が大きくなる。

【0003】

モータの起動時はモータ誘起電圧が小さいため、位置センサレス制御を行う際には、事前にモータを所定回転速度まで強制的に加速させる同期運転を行った後に、位置センサレス制御に切り替える方法が知られている。この方法を用いてモータを制御するモータ制御装置は、同期運転を行う運転モード（以下では「同期運転モード」と呼ぶことがある）と位置センサレス制御を行う運転モード（以下では「位置センサレス制御モード」と呼ぶことがある）とを切り替える。なお、モータ制御装置が運転モードを切り替える際、制御系座標軸とロータ座標軸との軸誤差が大きいと、切替直後に振動が発生したり回転速度が変化したりする「切替ショック」が生じる。そこで、同期運転モードにおいて軸誤差が０近傍になるように電流ベクトルの位相（以下では「電流位相」と呼ぶことがある）を調整した上で、運転モードを同期運転モードから位置センサレス制御モードに移行させる技術が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１０－０２９０１６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

同期運転モードにおいて電流位相のみが調整された状態で運転モードが同期運転モードから位置センサレス制御モードに切り替わる上記技術は、ｑ軸電流のみがトルクに寄与しｄ軸電流がトルクに寄与しない（換言すれば、ｄ軸電流によるリラクタンストルクを発生させない）ＳＰＭＳＭ（Surface Permanent Magnet Synchronous Motor）には適用可能である。これは、ｄ軸電流が０に調整される位置センサレス制御に切り替わる際に、切り替わる直前のｑ軸電流値を初期値として設定しても、ＳＰＭＳＭにはトルクの変動が生じないため、モータの制御が不安定化しないからである。

【0006】

しかし、リラクタンストルクを発生させるＩＰＭＳＭ（Interior Permanent Magnet Synchronous Motor）では、ｄ－ｑ座標の第一象限で定トルク曲線が大きく湾曲する（換言すれば、ｄ軸電流がトルクに寄与する）。このため、ＩＰＭＳＭに上記技術が適用されて同期運転モードにおいて電流位相のみが調整された状態で位置センサレス制御モードに切り替わると、ｑ軸電流の初期値として大きな値が設定されてしまう。この結果、トルクの増加が引き起こされてモータの急加速につながる。

【0007】

さらに、インダクタンスの磁気飽和特性の変化が大きいモータの場合には、電流振幅が大きい過励磁状態（つまり、大きな正のｄ軸電流が流れている状態）では、位置センサレス制御への移行時のｑ軸電流の初期値が適正なｑ軸電流から大きく乖離するため、モータの制御が不安定化してしまう。

【0008】

そこで、本開示は、モータの種類によらずモータの安定した起動が可能な技術を提案する。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本開示のモータ制御装置は、モータの回転速度が速度指令値に一致するように前記モータを制御する。また、本開示のモータ制御装置は、前記速度指令値を積分した回転位相にモータを同期させる同期運転モードであって、速度上昇区間と電流調整区間とを有する前記同期運転モードと、制御系座標軸とロータ座標軸との軸誤差を帰還制御することで得られる速度推定値が前記速度指令値に一致するように前記モータを制御する位置センサレス制御モードとを有する。また、本開示のモータ制御装置は、軸誤差指令値生成器と、同期運転電流指令値生成器とを有する。前記軸誤差指令値生成器は、前記電流調整区間において、前記軸誤差の目標値である軸誤差指令値であって、負の値を有する前記軸誤差指令値を生成する。前記同期運転電流指令値生成器は、前記速度上昇区間において前記モータの回転数を所定回転数まで上昇させた後、前記電流調整区間において、前記軸誤差を前記軸誤差指令値に近づけるように帰還制御することによりｑ軸電流指令値を調整する。

【発明の効果】

【0010】

本開示によれば、モータの種類によらずモータの安定した起動が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、本開示の実施例のモータ制御装置の構成例を示す図である。

【図2】図２は、本開示の実施例のモータ制御装置の軽負荷時の動作例を示す図である。

【図3】図３は、本開示の実施例のモータ制御装置の過負荷時の動作例を示す図である。

【図4】図４は、本開示の実施例の重み係数の一例を示す図である。

【図5】図５は、本開示の実施例の電流調整区間の終了時点における電流ベクトルの一例を示す図である。

【図6】図６は、本開示の実施例の同期運転モードから位置センサレス制御モードへの移行の際の電流ベクトル変化の一例を示す図である。

【図7】図７は、本開示の実施例の同期運転モードから位置センサレス制御モードへの移行の際の電流ベクトル変化の一例を示す図である。

【図8】図８は、本開示の実施例の同期運転モードから位置センサレス制御モードへの移行の際の電流ベクトル変化の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本開示の実施例を図面に基づいて説明する。以下の実施例において、同一の部位には同一の符号を付し、重複する説明を省略することがある。

【0013】

［実施例］
＜モータ制御装置の構成＞
図１は、本開示の実施例のモータ制御装置の構成例を示す図である。図１において、モータ制御装置１００は、減算器１１，１８，１９と、速度制御器１２と、電流制御器２０と、加算器２１，２２と、ｄｑ／ｕｖｗ変換器２３と、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）処理器２４と、ＩＰＭ（Intelligent Power Module）２５とを有する。ＩＰＭ２５は、モータＭに接続される。モータＭの一例としてＩＰＭＳＭ及びＳＰＭＳＭ等のＰＭＳＭが挙げられる。本開示の技術は、磁気突極性を有するモータにも、磁気突極性を有しないモータにも、モータの種類にかかわらず適用可能である。

【0014】

また、モータ制御装置１００は、電流検出器２８と、ｕｖｗ／ｄｑ変換器２９と、軸誤差演算器３０と、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）制御器３１と、位置推定器３２と、非干渉化制御器３６とを有する。

【0015】

また、モータ制御装置１００は、電流指令値生成器１０と、スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３と、運転モード切替器４０と、軸誤差指令値生成器５０とを有する。電流指令値生成器１０は、同期運転電流指令値生成器１３と、センサレス電流指令値生成器１４とを有する。スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３の各々は、Ａ接点とＢ接点とを有する。

【0016】

モータ制御装置１００の運転モードには、同期運転モードと、位置センサレス制御モードとがある。運転モード切替器４０は、モータ制御装置１００の運転モードを、同期運転モードと位置センサレス制御モードとの間で切り替える。運転モード切替器４０は、モータ制御装置１００の外部のコントローラによって制御される。運転モード切替器４０は、運転モードが同期運転モードであるときは、電流指令値生成器１０において同期運転電流指令値生成器１３を動作させる一方でセンサレス電流指令値生成器１４の動作を停止させるとともに、スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３を接点Ｂに接続する。また、運転モード切替器４０は、運転モードが位置センサレス制御モードであるときは、電流指令値生成器１０においてセンサレス電流指令値生成器１４を動作させる一方で同期運転電流指令値生成器１３の動作を停止させるとともに、スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３を接点Ａに接続する。同期運転電流指令値生成器１３は、運転モードが同期運転モードにあるときの電流指令値を生成する。センサレス電流指令値生成器１４は、運転モードが位置センサレス制御モードにあるときの電流指令値を生成する。

【0017】

軸誤差演算器３０は、ｄ軸電流検出値ｉｄと、ｑ軸電流検出値ｉｑと、ｄ軸電圧指令値Ｖｄと、ｑ軸電圧指令値Ｖｑとに基づいて、制御系座標軸であるｄｃ－ｑｃ座標軸と、モータＭのロータ座標軸であるｄ－ｑ座標軸との差である軸誤差Δθを算出する。軸誤差演算器３０によって算出された軸誤差Δθは、ＰＬＬ制御器３１及び同期運転電流指令値生成器１３に入力される。

【0018】

位置推定器３２は、スイッチＳＷ３を介して入力される速度情報を積分することで、ｄｃ－ｑｃ座標軸の回転位相θｄｑを生成する。運転モードが同期運転モードにあるときは、スイッチＳＷ３は接点Ｂに接続されるため、モータ制御装置１００の外部（例えば、上位のコントローラ）からモータ制御装置１００へ入力される電気角速度の指令値である速度指令値ω^＊が速度情報として位置推定器３２に入力される。よって、同期運転モードでは、速度指令値ω^＊に基づいて生成された回転位相θｄｑにモータＭが同期する。一方で、運転モードが位置センサレス制御モードにあるときは、スイッチＳＷ３は接点Ａに接続されるため、ＰＬＬ制御器３１から出力される電気角速度の推定値である速度推定値ωが速度情報として位置推定器３２に入力される。よって、位置センサレス制御モードでは、軸誤差Δθが帰還制御されることで得られる速度推定値ωに基づいて回転位相θｄｑが生成される。

【0019】

このように、同期運転モードでは、速度指令値ω^＊を積分した回転位相θｄｑにモータＭを同期させる。一方で、位置センサレス制御モードでは、制御系座標軸とロータ座標軸との軸誤差Δθが帰還制御されることで得られる速度推定値ωが速度指令値ω^＊に一致するようにモータＭが制御される。

【0020】

電流制御器２０は、ｄ軸電流指令値ｉｄ^＊とｄ軸電流検出値ｉｄとの誤差であるｄ軸電流誤差ｉｄ_ｄｉｆを比例積分制御することにより、非干渉化前のｄ軸電圧指令値Ｖｄ_ｃｃを算出する。また、電流制御器２０は、ｑ軸電流指令値ｉｑ^＊とｑ軸電流検出値ｉｑとの誤差であるｑ軸電流誤差ｉｑ_ｄｉｆを比例積分制御することにより、非干渉化前のｑ軸電圧指令値Ｖｑ_ｃｃを算出する。例えば、電流制御器２０は、式（１）に従ってｄ軸電圧指令値Ｖｄ_ｃｃを算出し、式（２）に従ってｑ軸電圧指令値Ｖｑ_ｃｃを算出する。式（１）において、Ｋｐ_ｄはｄ軸比例ゲイン、Ｋｉ_ｄはｄ軸積分ゲインであり、式（２）において、Ｋｐ_ｑはｑ軸比例ゲイン、Ｋｉ_ｑはｑ軸積分ゲインである。

【数1】

【0021】

非干渉化制御器３６は、速度指令値ω^＊とｄ軸電流指令値ｉｄ^＊とｑ軸電流指令値ｉｑ^＊とに基づいて、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ_ｃｃを補償するためのｄ軸非干渉化電圧指令値Ｖｄ_ａを算出する。また、非干渉化制御器３６は、速度指令値ω^＊とｄ軸電流指令値ｉｄ^＊とｑ軸電流指令値ｉｑ^＊とに基づいて、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ_ｃｃを補償するためのｑ軸非干渉化電圧指令値Ｖｑ_ａを算出する。例えば、非干渉化制御器３６は、式（３）に従ってｄ軸非干渉化電圧指令値Ｖｄ_ａを算出し、式（４）に従ってｑ軸非干渉化電圧指令値Ｖｑ_ａを算出する。式（３）及び式（４）において、ＲはモータＭの巻線抵抗、ＬｄはモータＭのｄ軸インダクタンス、ＬｑはモータＭのｑ軸インダクタンス、ΨａはモータＭの電機子鎖交磁束である。

【数2】

【0022】

ここで、非干渉化制御器３６でのｄ軸非干渉化電圧指令値Ｖｄ_ａ及びｑ軸非干渉化電圧指令値Ｖｑ_ａの算出に使用される電流をｄ軸電流指令値ｉｄ^＊及びｑ軸電流指令値ｉｑ^＊とすることにより、急激な電流指令値の変化にもモータＭの制御を追従させることが可能となる。よって、後述する同期運転モードでの電流調整区間において、ｄ軸電流指令値ｉｄ^＊及びｑ軸電流指令値ｉｑ^＊が瞬時に変化する状況下でも、モータＭの制御の安定性と応答性とを両立させることができる。

【0023】

加算器２１は、式（５）に従って、ｄ軸非干渉化電圧指令値Ｖｄ_ａをｄ軸電圧指令値Ｖｄ_ｃｃに加算することにより、最終的なｄ軸電圧指令値Ｖｄを算出する。また、加算器２２は、式（６）に従って、ｑ軸非干渉化電圧指令値Ｖｑ_ａをｑ軸電圧指令値Ｖｑ_ｃｃに加算することにより、最終的なｑ軸電圧指令値Ｖｑを算出する。これにより、ｄ－ｑ座標軸間の干渉がフィードフォワードでキャンセルされたｄ軸電圧指令値Ｖｄ及びｑ軸電圧指令値Ｖｑが算出される。

【数3】

【0024】

ｄｑ／ｕｖｗ変換器２３は、加算器２１，２２から出力される２相のｄ軸電圧指令値Ｖｄ及びｑ軸電圧指令値Ｖｑを、位置推定器３２から出力される回転位相θｄｑに基づいて、３相のＵ相電圧指令値Ｖｕ、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ及びＷ相電圧指令値Ｖｗへ変換する。

【0025】

ＰＷＭ処理器２４は、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ及びＷ相電圧指令値Ｖｗと、ＰＷＭキャリア信号とに基づいて６相のＰＷＭ信号を生成し、生成した６相のＰＷＭ信号をＩＰＭ２５へ出力する。

【0026】

ＩＰＭ２５は、ＰＷＭ処理器２４から出力される６相のＰＷＭ信号に基づいて、直流電圧ＶｄｃからＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相の交流電圧を生成し、生成した３相それぞれの交流電圧をモータＭのＵ相、Ｖ相、Ｗ相へ印加する。

【0027】

電流検出器２８は、１シャント方式でＩＰＭ２５の母線電流が検出される場合、ＰＷＭ処理器２４より出力される６相のＰＷＭ信号と、検出された母線電流とから、モータＭのＵ相電流値ｉｕ、Ｖ相電流値ｉｖ、Ｗ相電流値ｉｗを検出し、各相の相電流値ｉｕ，ｉｖ，ｉｗをｕｖｗ／ｄｑ変換器２９へ出力する。なお、電流検出器２８は、相電流値ｉｕ，ｉｖ，ｉｗのうちの二相の電流を検出し、残りの一相の電流をキルヒホッフの法則を用いて算出しても良い。

【0028】

ｕｖｗ／ｄｑ変換器２９は、位置推定器３２から出力される回転位相θｄｑに基づいて、３相のＵ相電流値ｉｕ、Ｖ相電流値ｉｖ、Ｗ相電流値ｉｗを、２相のｄ軸電流検出値ｉｄ及びｑ軸電流検出値ｉｑへ変換する。

【0029】

軸誤差指令値生成器５０は、軸誤差Δθの目標値である軸誤差指令値Δθ^＊を生成し、生成した軸誤差指令値Δθ^＊を同期運転電流指令値生成器１３及びＰＬＬ制御器３１へ出力する。軸誤差指令値Δθ^＊の詳細については後述する。

【0030】

ＰＬＬ制御器３１は、軸誤差Δθを比例積分制御することにより、軸誤差Δθが軸誤差指令値Δθ^＊となるような速度推定値ωを算出する。ＰＬＬ制御器３１によって算出された速度推定値ωがスイッチＳＷ３を介して位置推定器３２に入力されることで回転位相θｄｑが修正され、その結果、軸誤差Δθを軸誤差指令値Δθ^＊に近づけることができる。

【0031】

減算器１１は、速度指令値ω^＊から速度推定値ωを減算することにより速度誤差ω_ｄｉｆを算出する。

【0032】

速度制御器１２は、速度誤差ω_ｄｉｆを比例積分制御することにより、速度誤差ω_ｄｉｆを０に近づけるためのトルク指令値Ｔ^＊を生成する。例えば、速度制御器１２は、式（７）に従って、トルク指令値Ｔ^＊を生成する。式（７）において、Ｋｐ_ｓｃは速度制御器１２の比例ゲインであり、Ｋｉ_ｓｃは速度制御器１２の積分ゲインである。なお、速度制御器１２は、運転モードが同期運転モードから位置センサレス制御モードに切り替わる前に、ｄ軸電流指令値ｉｄ^＊及びｑ軸電流指令値ｉｑ^＊に基づいて速度制御器１２の積分値を初期化する。積分値の初期化により、運転モードの切替前後での切替ショックを低減できる。

【数4】

【0033】

センサレス電流指令値生成器１４は、運転モードが位置センサレス制御モードであるときに、トルクが一定となる電流の軌跡である定トルク曲線に基づいてトルク指令値Ｔ^＊をｄ－ｑ座標軸上の電流ベクトルに変換することにより、センサレスｄ軸電流指令値ｉｄ_ｓｌ^＊及びセンサレスｑ軸電流指令値ｉｑ_ｓｌ^＊を生成する。以下では、センサレスｄ軸電流指令値及びセンサレスｑ軸電流指令値を「センサレス電流指令値」と総称することがある。

【0034】

以上のように、電流制御器２０、非干渉化制御器３６及び加算器２１によって、モータＭに流れる電流が電流指令値に一致するようなｄ軸電圧指令値Ｖｄ及びｑ軸電圧指令値Ｖｑが生成される。

【0035】

ここで、モータＭがＳＰＭＳＭである場合とＩＰＭＳＭである場合とでセンサレス電流指令値の好ましい生成方法は異なるため、制御されるモータの種類に応じたセンサレス電流指令値の生成方法をモータ制御装置１００に予め設定しておくのが好ましい。例えば、センサレス電流指令値生成器１４は、モータＭがＳＰＭＳＭである場合は、定トルク曲線上でのセンサレスｄ軸電流指令値ｉｄ_ｓｌ^＊を０としてセンサレスｑ軸電流指令値ｉｑ_ｓｌ^＊を生成する。その理由は、モータＭがＳＰＭＳＭの場合は、回転力を生み出すトルクはマグネットトルクが主になる（つまり、リラクタンストルクが発生しない）ためである。

【0036】

一方で、モータＭがＩＰＭＳＭである場合は、センサレス電流指令値生成器１４は、定トルク曲線とＭＴＰＡ曲線（最大トルク／電流制御曲線）との交点（以下では「二曲線交点」と呼ぶことがある）からセンサレスｄ軸電流指令値ｉｄ_ｓｌ^＊及びセンサレスｑ軸電流指令値ｉｑ_ｓｌ^＊を生成するのが好ましい。その理由は、モータＭがＩＰＭＳＭの場合は、回転力を生み出すトルクはマグネットトルクだけでなく、リラクタンストルクの寄与が大きくなるためである。

【0037】

なお、モータＭがＳＰＭＳＭである場合とＩＰＭＳＭである場合との双方のセンサレス電流指令値の生成方法をモータ制御装置１００に予め設定しておき、モータＭの種類に応じて何れか一方の生成方法を選択するようにしても良い。

【0038】

例えば、センサレス電流指令値生成器１４は、モータＭがＳＰＭＳＭである場合は、式（８）に示すモータトルク式におけるセンサレスｄ軸電流指令値ｉｄ_ｓｌ^＊に０を代入することで、式（９）に示すセンサレスｑ軸電流指令値ｉｑ_ｓｌ^＊を得ることができる。式（８）及び式（９）において、ＰｎはモータＭの極対数である。

【数5】

【0039】

また例えば、センサレス電流指令値生成器１４は、モータＭがＩＰＭＳＭである場合は、式（８）に示すモータトルク式と、式（１０）とに従って、センサレスｄ軸電流指令値ｉｄ_ｓｌ^＊及びセンサレスｑ軸電流指令値ｉｑ_ｓｌ^＊を算出する。

【数6】

【0040】

まず、式（８）及び式（１０）からセンサレスｄ軸電流指令値ｉｄ_ｓｌ^＊を消去すると、センサレスｑ軸電流指令値ｉｑ_ｓｌ^＊に関する四次方程式である式（１１）が得られる。

【数7】

【0041】

式（１１）に示す四次方程式の実数解の一つが二曲線交点でのセンサレスｑ軸電流指令値ｉｑ_ｓｌ^＊となるため、センサレス電流指令値生成器１４は、式（１１）の解を導出することによりセンサレスｑ軸電流指令値ｉｑ_ｓｌ^＊を算出する。四次方程式の解は、例えばニュートン法などを用いて導出することができる。センサレス電流指令値生成器１４は、式（１１）を用いてセンサレスｑ軸電流指令値ｉｑ_ｓｌ^＊を算出した後に、式（１０）にセンサレスｑ軸電流指令値ｉｑ_ｓｌ^＊を代入することでセンサレスｄ軸電流指令値ｉｄ_ｓｌ^＊を算出する。

【0042】

運転モードが位置センサレス制御モードであるときは、スイッチＳＷ１，ＳＷ２は接点Ａに接続されるため、センサレス電流指令値生成器１４によって生成されるセンサレスｄ軸電流指令値ｉｄ_ｓｌ^＊及びセンサレスｑ軸電流指令値ｉｑ_ｓｌ^＊が、減算器１８，１９及び非干渉化制御器３６に入力されるｄ軸電流指令値ｉｄ^＊及びｑ軸電流指令値ｉｑ^＊となる。

【0043】

一方で、運転モードが同期運転モードであるときは、スイッチＳＷ１，ＳＷ２は接点Ｂに接続されるため、同期運転電流指令値生成器１３によって生成される同期運転ｄ軸電流指令値ｉｄ_ｓｙ^＊及び同期運転ｑ軸電流指令値ｉｑ_ｓｙ^＊が、減算器１８，１９及び非干渉化制御器３６に入力されるｄ軸電流指令値ｉｄ^＊及びｑ軸電流指令値ｉｑ^＊となる。

【0044】

減算器１８は、ｄ軸電流指令値ｉｄ^＊からｄ軸電流検出値ｉｄを減算することによりｄ軸電流誤差ｉｄ_ｄｉｆを算出する。減算器１９は、ｑ軸電流指令値ｉｑ^＊からｑ軸電流検出値ｉｑを減算することによりｑ軸電流誤差ｉｑ_ｄｉｆを算出する。

【0045】

＜モータ制御装置の動作＞
図２及び図３は、本開示の実施例のモータ制御装置の動作例を示す図である。図２には軽負荷時の動作例を示し、図３には過負荷時の動作例を示す。モータＭの起動時や低回転時では、モータ誘起電圧が小さいため、軸誤差演算器３０によって算出される軸誤差Δθに誤差が生じ、軸誤差Δθに生じる誤差の影響でモータＭの制御が不安定化する恐れがある。そこで、モータＭの回転数を位置センサレス制御が適用可能な回転数まで引き上げるために、位置センサレス制御を行う前に、位置決め、及び、同期運転を行う。つまり、モータ制御装置１００の運転モードは、図２及び図３に示すように、位置決めモードＭ１、同期運転モードＭ２、位置センサレス制御モードＭ３の順に移行する。運転モードが位置決めモードＭ１または同期運転モードＭ２であるときは、運転モード切替器４０は、電流指令値生成器１０において同期運転電流指令値生成器１３を動作させる一方でセンサレス電流指令値生成器１４の動作を停止させるとともに、スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３を接点Ｂに接続する。センサレス電流指令値生成器１４の動作の停止に伴い、センサレス電流指令値生成器１４の入力側に位置する速度制御器１２及びＰＬＬ制御器３１の動作も停止される。また、運転モードが位置センサレス制御モードＭ３であるときは、運転モード切替器４０は、電流指令値生成器１０においてセンサレス電流指令値生成器１４を動作させる一方で同期運転電流指令値生成器１３の動作を停止させるとともに、スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３を接点Ａに接続する。

【0046】

また、同期運転モードＭ２は、図２及び図３に示すように、速度上昇区間I１と電流調整区間I２とを有し、同期運転モードＭ２では、制御区間が、速度上昇区間I１、電流調整区間I２の順に移行する。

【0047】

また、運転モードが位置決めモードＭ１または同期運転モードＭ２であるときは、スイッチＳＷ１，ＳＷ２が接点Ｂに接続されるため、同期運転電流指令値生成器１３によって生成される同期運転ｄ軸電流指令値ｉｄ_ｓｙ^＊及び同期運転ｑ軸電流指令値ｉｑ_ｓｙ^＊が、減算器１８，１９及び非干渉化制御器３６に入力されるｄ軸電流指令値ｉｄ^＊及びｑ軸電流指令値ｉｑ^＊となる。一方で、運転モードが位置センサレス制御モードＭ３であるときは、スイッチＳＷ１，ＳＷ２が接点Ａに接続されるため、センサレス電流指令値生成器１４によって生成されるセンサレスｄ軸電流指令値ｉｄ_ｓｌ^＊及びセンサレスｑ軸電流指令値ｉｑ_ｓｌ^＊が、減算器１８，１９及び非干渉化制御器３６に入力されるｄ軸電流指令値ｉｄ^＊及びｑ軸電流指令値ｉｑ^＊となる。

【0048】

図２及び図３に示すように、位置決めモードＭ１では、速度指令値ω^＊が０とされ、同期運転電流指令値生成器１３は、同期運転ｄ軸電流指令値ｉｄ_ｓｙ^＊を０から所定値ｉｄ_ｉｎｉまで増加させる一方で、同期運転ｑ軸電流指令値ｉｑ_ｓｙ^＊を０にする。同期運転ｄ軸電流指令値ｉｄ_ｓｙ^＊の増加中にモータＭのロータが動き始めて位置決めされる。例えば、最大負荷を駆動可能な電流値が所定値ｉｄ_ｉｎｉとして設定されることで、同期運転モードＭ２において過負荷時でもモータＭは脱調することなく起動できる。

【0049】

また、図２及び図３に示すように、速度上昇区間Ｉ１では、同期運転電流指令値生成器１３が所定値ｉｄ_ｉｎｉを初期値として同期運転ｄ軸電流指令値ｉｄ_ｓｙ^＊を所定値ｉｄ_ｉｎｉで一定に保つとともに、同期運転ｑ軸電流指令値ｉｑ_ｓｙ^＊を０で一定に保ったまま、速度指令値ω^＊が０から所定回転数ω１まで線形増加される。これにより、速度上昇区間Ｉ１では、同期運転ｄ軸電流指令値ｉｄ_ｓｙ^＊及び同期運転ｑ軸電流指令値ｉｑ_ｓｙ^＊が一定に保たれた状態で、モータＭの回転数が、所定回転数ω１に対応する所定の回転数まで上昇する。なお、所定回転数ω１は、モータＭの誘起電圧が十分に検出できることが分かっている回転数に予め設定され、例えば圧縮機用のモータの場合は１５ｒｐｓ相当の電気角速度である。

【0050】

次いで、電流調整区間Ｉ２では、速度指令値ω^＊が所定回転数ω１で一定に保たれた状態で、同期運転電流指令値生成器１３は、同期運転ｄ軸電流指令値ｉｄ_ｓｙ^＊及び同期運転ｑ軸電流指令値ｉｑ_ｓｙ^＊を調整する。電流調整区間Ｉ２では、同期運転電流指令値生成器１３は、所定値ｉｄ_ｉｎｉを初期値として同期運転ｄ軸電流指令値ｉｄ_ｓｙ^＊の調整を開始する。また、電流調整区間Ｉ２では、同期運転電流指令値生成器１３は、同期運転ｑ軸電流指令値ｉｑ_ｓｙ^＊の初期値を０として同期運転ｑ軸電流指令値ｉｑ_ｓｙ^＊の調整を開始する。電流調整区間Ｉ２での同期運転ｄ軸電流指令値ｉｄ_ｓｙ^＊及び同期運転ｑ軸電流指令値ｉｑ_ｓｙ^＊の調整により、電流調整区間Ｉ２では、ｄｃ－ｑｃ座標軸上での電流ベクトルが、位置センサレス制御モードＭ３時の電流ベクトルと同等の状態まで調整される。

【0051】

また、電流調整区間Ｉ２では、軸誤差指令値生成器５０は、軸誤差Δθが積分または比例積分制御される際の軸誤差指令値Δθ^＊を生成する。電流調整区間Ｉ２において、軸誤差指令値生成器５０は、負の値（例えば、－３０ｄｅｇ程度）を有する軸誤差指令値Δθ^＊を生成する。このように、電流調整区間Ｉ２では、軸誤差指令値Δθ^＊が負の値に設定されることにより、ロータ座標軸であるｄ－ｑ座標軸上の電流ベクトルが、位置センサレス制御モードＭ３で制御される電流ベクトルよりも多少過励磁となるようにされるのが好ましい。

【0052】

また、電流調整区間Ｉ２では、同期運転電流指令値生成器１３は、軸誤差Δθを積分または比例積分制御することより同期運転ｑ軸電流指令値ｉｑ_ｓｙ^＊を生成する。同期運転電流指令値生成器１３は、軸誤差Δθが軸誤差指令値Δθ^＊よりも大きいときは同期運転ｑ軸電流指令値ｉｑ_ｓｙ^＊を増加させ、軸誤差Δθが軸誤差指令値Δθ^＊よりも小さいときは同期運転ｑ軸電流指令値ｉｑ_ｓｙ^＊を減少させる。このようにして、電流調整区間Ｉ２では、同期運転電流指令値生成器１３は、軸誤差Δθを負の値を有する軸誤差指令値Δθ^＊に近づけるように帰還制御により同期運転ｑ軸電流指令値ｉｑ_ｓｙ^＊を調整する。電流調整区間Ｉ２では、同期運転電流指令値生成器１３は、例えば式（１２）に従って同期運転ｑ軸電流指令値ｉｑ_ｓｙ^＊を生成する。式（１２）において、Ｋｉ_ｉｑは積分ゲインである。

【数8】

【0053】

ここで、位置センサレス制御モードＭ３では、軸誤差指令値生成器５０は、軸誤差指令値Δθ^＊を０とする。位置センサレス制御モードＭ３では、軸誤差Δθが軸誤差指令値Δθ^＊よりも大きいときは、ＰＬＬ制御器３１が速度推定値ωを減少させることにより速度推定値ωが速度指令値ω^＊を下回るため、速度制御器１２がトルク指令値Ｔ^＊を増加させ、センサレス電流指令値生成器１４がｑ軸電流指令値ｉｑ^＊を増加させる。一方で、同期運転モードＭ２では、速度指令値ω^＊が位置推定器３２に直接入力されるため、同期運転電流指令値生成器１３が軸誤差Δθに基づいて、直接的に同期運転ｑ軸電流指令値ｉｑ_ｓｙ^＊を調整する。そこで、電流調整区間Ｉ２の開始点での同期運転ｄ軸電流指令値ｉｄ_ｓｙ^＊の初期値である所定値ｉｄ_ｉｎｉの大きさ、モータＭのイナーシャ、モータＭの誘起電圧定数、または、モータＭが駆動する負荷の特性等に応じて積分ゲインＫｉ_ｉｑ（式（１２））が調整されることで、同期運転電流指令値生成器１３の所望の応答速度を得ることができる。

【0054】

以上のように、同期運転電流指令値生成器１３は、速度上昇区間Ｉ１においてモータＭの回転数を所定回転数ω１まで上昇させた後、電流調整区間Ｉ２において、軸誤差Δθを軸誤差指令値Δθ^＊に近づけるように帰還制御することにより同期運転ｑ軸電流指令値ｉｑ_ｓｙ^＊を調整する。

【0055】

また、電流調整区間Ｉ２では、同期運転電流指令値生成器１３は、同期運転ｄ軸電流指令値ｉｄ_ｓｙ^＊を、フィルタ等を用いて、または、線形減少させて、位置センサレス制御モードＭ３においてモータＭを動作させる際のｄ軸電流指令値ｉｄ^＊に収束させる。例えば、同期運転電流指令値生成器１３は、モータＭが突極性を有しないＳＰＭＳＭである場合は、同期運転ｄ軸電流指令値ｉｄ_ｓｙ^＊を０に収束させ、モータＭが突極性を有するＩＰＭＳＭである場合は、式（１２）に従って算出される同期運転ｑ軸電流指令値ｉｑ_ｓｙ^＊に対応するＭＴＰＡ曲線上のｄ軸電流指令値ｉｄ^＊に収束させる。

【0056】

＜ｄ軸電流指令値の収束＞
電流調整区間Ｉ２では、同期運転電流指令値生成器１３は、モータＭが突極性を有しないＳＰＭＳＭである場合は、同期運転ｄ軸電流指令値ｉｄ_ｓｙ^＊を例えば０に収束させる。一方で、モータＭが突極性を有するＩＰＭＳＭである場合は、同期運転電流指令値生成器１３は、同期運転ｄ軸電流指令値ｉｄ_ｓｙ^＊を、例えば式（１３）によって表されるｄ軸電流指令値ｉｄ_ｍｔ^＊に収束させる。

【数9】

【0057】

ここで、モータＭがＩＰＭＳＭである場合には、軸誤差Δθの帰還制御により生成されるｑ軸電流指令値ｉｑ^＊の変化に伴いｄ軸電流指令値ｉｄ^＊も変化するため、式（１３）に従って算出されるｄ軸電流指令値をそのままフィルタ処理するとフィルタの応答遅れが発生する。

【0058】

そこで、同期運転電流指令値生成器１３は、図４に示すように、電流調整区間Ｉ２においてフィルタ応答に応じて増加する重み係数（以下では「増加重み係数」と呼ぶことがある）Ｗ_ｕｐ、及び、電流調整区間Ｉ２においてフィルタ応答に応じて減少する重み係数（以下では「減少重み係数」と呼ぶことがある）Ｗ_ｄｏｗｎを生成する。図４は、本開示の実施例の重み係数の一例を示す図である。同期運転電流指令値生成器１３は、電流調整区間Ｉ２の開始時点（つまり、同期運転ｄ軸電流指令値ｉｄ_ｓｙ^＊の調整開始時点）から、電流調整区間Ｉ２の終了時点（つまり、同期運転ｄ軸電流指令値ｉｄ_ｓｙ^＊の調整終了時点）までの間において、０から１に徐々に増加する増加重み係数Ｗ_ｕｐを用いて、式（１４）に従って減少重み係数Ｗ_ｄｏｗｎを算出する。また、同期運転電流指令値生成器１３は、式（１３）に従って算出されるｄ軸電流指令値ｉｄ_ｍｔ^＊を用いて、式（１５）に従って同期運転ｄ軸電流指令値ｉｄ_ｓｙ^＊を算出する。これにより、フィルタの応答遅れを発生させることなしに、ｄ軸電流指令値ｉｄ^＊を初期値である所定値ｉｄ_ｉｎｉから式（１３）に従って算出されるｄ軸電流指令値ｉｄ_ｍｔ^＊に収束させることができる。なお、電流調整区間Ｉ２の時間の５分の１にフィルタの時定数を設定することにより、電流調整区間Ｉ２の終了時点において９９.３％収束させることができる。例えば、電流調整区間Ｉ２が２５００ｍｓの場合には、フィルタの時定数を５００ｍｓとすれば良い。

【数10】

【0059】

＜軸誤差指令値＞
軸誤差Δθを積分または比例積分制御する際の軸誤差指令値Δθ^＊を負の値とする理由について説明する。

【0060】

一般的に、モータＭが突極性を有しないＳＰＭＳＭである場合は、定トルク曲線上でのｄ軸電流指令値ｉｄ^＊を０として位置センサレス制御が行われ、モータＭが突極性を有するＩＰＭＳＭである場合は、二曲線交点に基づいて位置センサレス制御が行われる。一方で、同期運転モードＭ２では、ＰＬＬ制御器３１によって算出される速度推定値ωに基づく回転位相θｄｑの修正が為されないため、所望のトルクを得るための電流ベクトル振幅が最小となるように電流ベクトルを調整すると、同期運転電流指令値生成器１３が電流指令値を生成する際の応答速度によっては、負荷トルクが出力トルクを上回り、モータＭが脱調する懸念がある。

【0061】

これに対し、軸誤差指令値Δθ^＊を負の値とすることにより軸誤差Δθを負の値に制御することで、制御系座標軸であるｄｃ－ｑｃ座標軸上の電流ベクトルが、電流調整区間Ｉ２の終了時点において位置センサレス制御モードＭ３で動作させる際の電流ベクトル上にあったとしても、ロータ座標軸であるｄ－ｑ座標軸上の電流ベクトルでは過励磁状態を保つことができ、トルク不足によるモータＭの脱調を防止することができる。電流調整区間Ｉ２の終了時点におけるｄｃ－ｑｃ軸上の電流ベクトルＩａ、及び、電流調整区間Ｉ２の終了時点におけるｄ－ｑ軸上の電流ベクトルＩａ’を図５に示す。図５は、本開示の実施例の電流調整区間の終了時点における電流ベクトルの一例を示す図である。

【0062】

ここで、電流調整区間Ｉ２における軸誤差指令値Δθ^＊の値は、例えば、－３０ｄｅｇ程度に設定されるのが好ましい。－３０ｄｅｇ程度の軸誤差Δθが発生している状態においては、軸誤差Δθを０に制御する場合と比較して電流振幅が１２０％程度（Ｉａ／Ｉａ’）となり、適切に過励磁状態を保つことができる。一方で、モータＭに接続される負荷が周期的に変動する場合や、モータＭの温度やモータＭに流れる電流値の変化によりモータＭに設定されるモータ定数が真値から乖離していることが想定される場合には、絶対値がさらに大きな負の値を軸誤差指令値Δθ^＊としても良い。

【0063】

＜同期運転モードから位置センサレス制御モードへの移行＞
同期運転モードＭ２の電流調整区間Ｉ２から位置センサレス制御モードＭ３への移行の際、速度制御器１２は、位置センサレス制御モードＭ３の開始時点でのｄ軸電流指令値ｉｄ^＊及びｑ軸電流指令値ｉｑ^＊（つまり、同期運転モードＭ２における同期運転ｄ軸電流指令値ｉｄ_ｓｙ^＊の最終値、及び、同期運転モードＭ２における同期運転ｑ軸電流指令値ｉｑ_ｓｙ^＊の最終値）に基づいて式（１６）に従ってトルク指令値Ｔ^＊を算出し、式（１６）に従って算出したトルク指令値Ｔ^＊を速度誤差ω_ｄｉｆに対する速度制御器１２の積分値の初期値として設定する。こうすることで、運転モードが同期運転モードＭ２から位置センサレス制御モードＭ３へ切り替わる際のトルク指令値Ｔ^＊の不連続の発生を防止できるため、運転モードの切替によりモータＭに発生する切替ショックを低減できる。

【数11】

【0064】

また、電流調整区間Ｉ２から位置センサレス制御モードＭ３への移行時には、ＰＬＬ制御器３１は、ＰＬＬ制御器３１が有する積分器の初期値を速度指令値ω^＊に設定する。こうすることで、位置センサレス制御モードＭ３への移行時における回転数の急減速を防止できる。

【0065】

また、位置センサレス制御モードＭ３ではＰＬＬ制御器３１によって軸誤差Δθが０となるように速度推定値ωが生成される一方で、電流調整区間Ｉ２で負の値をとる軸誤差Δθを急激に０となるようにＰＬＬ制御器３１による帰還制御が動作すると、回転数の急加速が発生してしまう。そこで、電流調整区間Ｉ２から位置センサレス制御モードＭ３への移行時には、軸誤差指令値生成器５０は、上記の図２及び図３に示すように、位置センサレス制御モードＭ３の開始時点から所定の時間ＴＡが経過するまでの間に軸誤差指令値Δθ^＊を負の値から徐々に０に変化させる。こうすることで、ＰＬＬの急激なフィードバック動作が緩和され、回転数の急加速を防止できる。例えば、軸誤差指令値生成器５０は、上記の図２及び図３に示すように、位置センサレス制御モードＭ３において速度指令値ω^＊がω１からω２まで増加する区間と同等の所定の時間ＴＡで軸誤差指令値Δθ^＊を負の値から徐々に０に変化させると良い。

【0066】

以上のような動作により、ｄｃ－ｑｃ軸とｄ－ｑ軸とが一致し、さらに過励磁状態が解消され、最大トルクを発生させる電流ベクトルが最小となるように制御する位置センサレス制御モードＭ３に完全に移行できる。

【0067】

図６、図７及び図８は、本開示の実施例の同期運転モードから位置センサレス制御モードへの移行の際の電流ベクトル変化の一例を示す図である。図６には、位置センサレス制御モードＭ３への移行前の電流ベクトルを示し、図７には、位置センサレス制御モードＭ３への移行途中の電流ベクトルを示し、図８には、位置センサレス制御モードＭ３への移行後の電流ベクトルを示す。上記のように軸誤差指令値Δθ^＊を負の値から徐々に０に変化させることにより軸誤差Δθが負の値から徐々に０となるよう制御されることで、電流ベクトルが図６に示す（ａ）から図７に示す（ｂ）を経て図８に示す（ｃ）へと徐々に変化するため、運転モードが同期運転モードＭ２から位置センサレス制御モードＭ３に移行する際においても、電流ベクトルの連続性が保たれる。その結果、位置センサレス制御モードＭ３への移行時の電流飛びや速度飛び等による切替ショックを低減できるため、位置センサレス制御モードＭ３への移行時のモータＭの制御の安定性を向上させることができる。

【0068】

以上のように、軸誤差Δθを帰還制御することによりｑ軸電流指令値ｉｑ^＊を生成することで、軸誤差Δθを０近傍の負の値に収束させ、かつ、ｄｃ－ｑｃ座標軸上における同期運転モードＭ２時の電流ベクトルを位置センサレス制御モードＭ３時と同等の電流ベクトルにすることで、過励磁の度合いが抑制された状態で同期運転から位置センサレス制御へと移行できる。このため、位置センサレス制御への移行後の電流ベクトルの変化が小さくなるので、突極性を有するＩＰＭＳＭ等においても、位置センサレス制御への移行時の電流飛びや速度飛び等による切替ショックを低減できる。よって、モータＭの突極性の有無というモータＭの種類によらず、位置センサレス制御モードへの移行時のモータＭの制御の安定性を向上させることができる。よって、モータＭの種類によらず、モータＭの安定した起動が可能となる。

【0069】

以上、実施例について説明した。

【0070】

以上のように、本開示のモータ制御装置（実施例のモータ制御装置１００）は、モータ（実施例のモータＭ）の回転速度が速度指令値に一致するようにモータを制御する。また、本開示のモータ制御装置は、速度指令値を積分した回転位相にモータを同期させる同期運転モードであって、速度上昇区間と電流調整区間とを有する同期運転モードと、制御系座標軸とロータ座標軸との軸誤差を帰還制御することで得られる速度推定値が速度指令値に一致するようにモータを制御する位置センサレス制御モードとを有する。また、本開示のモータ制御装置は、軸誤差指令値生成器（実施例の軸誤差指令値生成器５０）と、同期運転電流指令値生成器（実施例の同期運転電流指令値生成器１３）とを有する。軸誤差指令値生成器は、電流調整区間において、軸誤差の目標値である軸誤差指令値であって、負の値を有する軸誤差指令値を生成する。同期運転電流指令値生成器は、速度上昇区間においてモータの回転数を所定回転数まで上昇させた後、電流調整区間において、軸誤差を軸誤差指令値に近づけるように帰還制御することによりｑ軸電流指令値を調整する。

【0071】

また、軸誤差指令値生成器は、運転モードが同期運転モードから位置センサレス制御モードへ移行した時点から、軸誤差指令値を負の値から徐々に０に変化させる。

【0072】

また、同期運転電流指令値生成器は、電流調整区間におけるｄ軸電流指令値を、位置センサレス制御モードにおいてモータを動作させる際のｄ軸電流指令値に収束させる。

【0073】

また、本開示のモータ制御装置は、速度制御器（実施例の速度制御器１２）を有する。速度制御器は、運転モードが同期運転モードから位置センサレス制御モードへ移行する際に、同期運転モードにおけるｄ軸電流指令値の最終値、及び、同期運転モードにおけるｑ軸電流指令値の最終値に基づいて、速度指令値と速度推定値との差を０に近づけるためのトルク指令値の初期値を設定する。

【符号の説明】

【0074】

１００ モータ制御装置
１２ 速度制御器
１３ 同期運転電流指令値生成器
５０ 軸誤差指令値生成器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】