(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2021-12-07
(45)【発行日】2022-01-12
(54)【発明の名称】電動機の制御装置
(51)【国際特許分類】
H02P 21/22 20160101AFI20220104BHJP
H02M 7/48 20070101ALI20220104BHJP
【ＦＩ】
H02P21/22
H02M7/48 E
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2018015733
(22)【出願日】2018-01-31
(65)【公開番号】P2019134612
(43)【公開日】2019-08-08
【審査請求日】2020-08-11
(73)【特許権者】
【識別番号】000149066
【氏名又は名称】オークマ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001210
【氏名又は名称】特許業務法人ＹＫＩ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】江口 悟司
【審査官】佐藤 彰洋
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１３－２２６０３３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－２１７５８９（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｐ ２１／００－２１／３６
Ｈ０２Ｍ ７／４８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
インバータを介して電動機に印加される電流を、二相回転座標系で演算する制御装置であって、トルク指令値に応じたｑ軸電流値を算出するｑ軸電流算出部と、
前記ｑ軸電流値と、前記電動機の速度と、前記インバータのＤＣバス電圧と、に基づいてｑ軸電流指令値およびｄ軸電流指令値を演算する電流ベクトル制御部と、
を備え、
前記電流ベクトル制御部は、
前記ＤＣバス電圧に起因した電圧制限によって定まる電流制限値をｄｑ平面上に表した電圧制限円を、前記電動機の速度と、前記ＤＣバス電圧と、に基づいて算出し、
前記電圧制限円と、予め規定されるとともに前記電動機の電流制限によって定まる電流制限値をｄｑ平面上に表した電流制限円と、に基づいてｑ軸電流制限値を算出し、
前記ｑ軸電流算出部で算出された前記ｑ軸電流値を前記ｑ軸電流制限値でリミット処理した値を、ｑ軸電流指令値として特定し、
前記ｑ軸電流指令値に基づいて、対応するｄ軸電流指令値を特定し、
前記電流ベクトル制御部は、前記電圧制限円および前記電流制限円が重なる内部領域のうち、ｑ軸座標値の絶対値が最大となる値を、ｑ軸電流制限値として特定する、
ことを特徴とする電動機の制御装置。
【請求項2】
請求項１に記載の電動機の制御装置であって、前記電流ベクトル制御部は、前記内部領域内において、ｑ軸座標値が前記リミット処理して得られるｑ軸電流指令値をとり、かつ、ｄ軸座標値の絶対値が最小となる点のｄ軸座標値を前記ｄ軸電流指令値として特定する、ことを特徴とする電動機の制御装置。
【請求項3】
請求項１または２に記載の電動機の制御装置であって、前記電流ベクトル制御部は、
前記電動機の電気角速度に、前記ＤＣバス電圧の変動に起因する電圧制限の変動比率を乗算することで、電圧変動を考慮した電気角速度を算出し、
前記電圧変動を考慮した電気角速度に基づいて、前記電圧制限円を演算する、
ことを特徴とする電動機の制御装置。
【請求項4】
請求項３に記載の電動機の制御装置であって、前記電流ベクトル制御部は、前記ｑ軸電流制限値および前記ｄ軸電流制限値の算出式が切り替わる前記電圧変動を考慮した電気角速度である電気角速度パラメータを、予め、定数として記憶している、ことを特徴とする電動機の制御装置。
【請求項5】
請求項４に記載の電動機の制御装置であって、前記電流ベクトル制御部は、さらに、前記電圧制限円と前記電流制限円と、に基づいて、ｄ軸電流をゼロにし得るｑ軸電流値の最大値である電圧制限開始時ｑ軸電流も特定し、
前記電流ベクトル制御部は、電圧制約が発生する最小の電気角速度を示す第一電気角速度パラメータと、電圧制限円が電流制限円の内側に配置される最小の電気角速度を示す第二電気角速度パラメータと、前記電圧制限開始時ｑ軸電流がゼロとなる最小の電気角速度を示す第三電気角速度パラメータと、を記憶しており、
前記電流ベクトル制御部は、
前記電圧変動を考慮した電気角速度の絶対値が、前記第一電気角速度パラメータ未満の場合、前記ｑ軸電流制限値を、前記電動機の電流制限によって定まる電流制限値とし、
前記電圧変動を考慮した電気角速度の絶対値が、前記第一電気角速度パラメータ以上かつ前記第二電気角速度パラメータ未満の場合、前記電流制限円と前記電圧制限円との交点におけるｑ軸座標値を、前記ｑ軸電流制限値とし、前記電圧制限円と前記ｑ軸との交点におけるｑ軸座標値を前記電圧制限開始時ｑ軸電流とし、
前記電圧変動を考慮した電気角速度の絶対値が、前記第二電気角速度パラメータ以上かつ前記第三電気角速度パラメータ未満の場合、前記電圧制限円の中心を通るとともにｑ軸に平行な線である電圧中心線と前記電圧制限円との交点におけるｑ軸座標値を、前記ｑ軸電流制限値とし、前記電圧制限円と前記ｑ軸との交点におけるｑ軸座標値を、前記電圧制限開始時ｑ軸電流とし、
前記電圧変動を考慮した電気角速度の絶対値が、前記第三電気角速度パラメータ以上の場合、前記電圧中心線と前記電圧制限円との交点におけるｑ軸座標値を、前記ｑ軸電流制限値とし、ゼロを、前記電圧制限開始時ｑ軸電流とする、
ことを特徴とする電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電動機の制御装置（例えば、ＮＣ工作機械等の送り軸に採用され、電動機の速度や回転角度（位置）を制御する制御装置）において、電動機の電流を、２相回転座標系（一般に、磁極方向をｄ軸、その電気的直交方向をｑ軸と呼ぶ）を用いて演算制御する電流制御技術に関するものである。
【背景技術】
【0002】
ＮＣ工作機械の送り軸には、緊急時の非常停止動作を確実に遂行するため、回転中に、巻線を短絡接続するのみで、大きな制動力が得られる特徴を有する、永久磁石同期電動機（以降、「電動機」または「モータ」と呼ぶ）が採用される場合が多い。また、一般には、電動機の速度や回転角（位置）を制御する制御装置では、電力変換器としてＰＷＭインバータが利用される。
【0003】
従来、ＰＷＭインバータによる永久磁石同期電動機の速度や回転角（位置）を制御する制御装置では、モータ速度や、インバータのＤＣバス電圧に起因した電圧制約に応じて、ｄ軸電流を流す事で、モータの電圧を抑制している。しかし、ｑ軸電流については、モータのＮ－τ（速度－トルク）特性に基づいたｑ軸電流制限値を採用しており、電圧制約を考慮した制御になっていない。
【0004】
図１１は、従来の３相永久磁石同期電動機の制御装置の一例として、速度制御装置２００の構成例を示すブロック図である。以下、本例の速度制御装置２００について説明する。ＰＷＭインバータは、まず、３相交流電源１００を入力として、コンバータ部１０１で整流し、大容量コンデンサ１０２で平滑化を行い、ＤＣ電圧に変換する。この電圧はＤＣバス電圧Ｖｄｃと呼ばれ、３相交流電源１００の振幅に応じて変化する。
【0005】
インバータ部１０３は、図の様に、ＤＣバス間に電力半導体を、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相毎に、ブリッジ配置して構成され、ＰＷＭ信号により、ブリッジの上側半導体と下側半導体のＯＮ時間を調整することで、所望の時変電圧を得て、３相永久磁石同期電動機１０４を制御する。位置検出器１０５は、モータの回転角を検出する位置検出器で、電流検出器１０６ｕと１０６ｗは、Ｕ相電流とＷ相電流を検出する電流検出器である。
【0006】
上位装置（図示しない）より、本例の速度制御装置２００に対して、速度指令値ωｍ＊が出力される。位置検出器１０５より出力されるモータの回転角θｍは、微分器５１で時間微分され、モータ速度ωｍとして出力される。尚、微分器５１のｓは、ラプラス変換の微分演算子を示している。減算器５０で、速度指令値ωｍ＊から、モータ速度ωｍが減算され、減算器５０出力である速度偏差は、速度制御器５２で比例積分増幅され、モータのトルク指令値τｃ＊となる。
【0007】
以降の制御ブロック構成は、よく知られた２相（ｄ軸，ｑ軸）座標系で表現している。トルク電流変換器５３は、トルク指令値τｃ＊をｑ軸（トルク）電流に換算する変換器で、Ｋｅはモータのトルク定数を示している。したがって、トルク電流変換器５３は、トルク指令値τｃ＊に応じたｑ軸電流値を算出するｑ軸電流算出部として機能する。
【0008】
電流ベクトル演算部８０は、ｑ軸電流指令値ｉｑ＊と、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊を演算出力する演算部である。トルク電流変換器５３の出力に対して、モータのＮ－τ（速度－トルク）特性を考慮して、ｑ軸電流リミッタ８１では、モータ速度ωｍに応じて、高速時ではトルク指令が制約される様に、ｑ軸電流指令にリミット処理が加えられる。なお、ｑ軸電流リミットＩｑ＿ｌｉｍは、モータ速度ωｍと、負の相関関係を有している。ｑ軸電流リミッタ８１の出力が、ｑ軸電流指令値ｉｑ＊になる。
【0009】
一方で、ｄ軸電流は、高速回転時の電圧飽和を回避するために、モータの誘起電圧を低減させる方向に指令する。ＤＣバス電圧検出部５４は、リアルタイムでＤＣバス電圧Ｖｄｃを検出し、予め設定された規定値電圧との差である、ＤＣバス電圧変動検出値Δｄｃを出力する。ｄ軸電流指令生成部８２は、モータ速度ωｍにおいて、永久磁石により発生する誘起電圧と、ＤＣバス電圧変動検出値Δｄｃに基づき、モータを回転制御する際の電圧余裕を演算して、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊を出力する。
【0010】
モータのＵ相電流ｉｕとＷ相電流ｉｗは、電流検出器１０６ｕと１０６ｗにより検出される。なお、Ｖ相電流ｉｖは、ｉｖ＝－（ｉｕ＋ｉｗ）で算出できる。モータ回転電気角θｒｅは、変換器５５で、モータ回転角θｍを対極数ｐ倍することで演算される。３相→ｄｑ変換部５７は、モータ回転電気角θｒｅと、Ｕ相電流ｉｕと、Ｗ相電流ｉｗから、座標変換により、ｄ軸電流検出値ｉｄとｑ軸電流検出値ｉｑを演算出力する。
【0011】
減算器５８は、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊からｄ軸電流検出値ｉｄを減算し、減算器５９は、ｑ軸電流指令値ｉｑ＊からｑ軸電流検出値ｉｑを減算する。これらの減算器出力は、ｄ軸電流誤差及びｑ軸電流誤差として、電流制御器６０の入力となる。電流制御器６０は、各軸の電流指令値と電流検出値を一致させるために、両軸の電流誤差を比例積分増幅する誤差増幅器と、軸間を非干渉化するための補償制御部を含み、ｄ軸電圧指令値ｖｄ＊とｑ軸電圧指令値ｖｑ＊を出力する。なお、電気角速度ωｒｅは、モータ回転電気角θｒｅを微分器５６で時間微分された信号で、電流制御器６０での非干渉化制御に利用される。
【0012】
ｄｑ→３相変換部６１は、モータ回転電気角θｒｅと、ｄ軸電圧指令値ｖｄ＊とｑ軸電圧指令値ｖｑ＊を入力として、Ｕ相電圧指令値ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令値ｖｖ＊、Ｗ相電圧指令値ｖｗ＊を出力する。ＰＷＭ信号演算部６２は、相電圧指令値の大きさに応じた電圧を、モータの相電圧として出力するため、インバータ部１０３のブリッジ上側半導体と下側半導体のＯＮ時間の割合を制御する。各半導体に対する、このＯＮ／ＯＦＦ指令がＰＷＭ信号（全部で６本）である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0013】
以上説明した様に、従来の制御装置では、ＤＣバス電圧の変動に応じて、電圧余裕を演算し、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊を決定しているが、ｑ軸電流指令値ｉｑ＊については、モータのＮ－τ（速度－トルク）特性を考慮してリミットを加えているが、リアルタイムでの電圧制約は考慮していない。このため、高速力行状態では、電圧制約を受けて、指令通りのトルクが発生できなかったり、逆に、過度なリミットを与える事で、原理的にモータが有する発生限界トルクを引き出すことができなかったりした。
【0014】
そこで、本明細書では、高速回転時における出力トルクの最大化と高効率化を実現できる電動機の制御装置を開示する。
【課題を解決するための手段】
【0015】
本明細書で開示する電動機の制御装置は、インバータを介して電動機に印加される電流を、二相回転座標系で演算する制御装置であって、トルク指令値に応じたｑ軸電流値を算出するｑ軸電流算出部と、前記ｑ軸電流値と、前記電動機の速度と、前記インバータのＤＣバス電圧と、に基づいてｑ軸電流指令値およびｄ軸電流指令値を演算する電流ベクトル制御部と、を備え、前記電流ベクトル制御部は、前記ＤＣバス電圧に起因した電圧制限によって定まる電流制限値をｄｑ平面上に表した電圧制限円を、前記電動機の速度と、前記ＤＣバス電圧と、に基づいて算出し、前記電圧制限円と、予め規定されるとともに前記電動機の電流制限によって定まる電流制限値をｄｑ平面上に表した電流制限円と、に基づいてｑ軸電流制限値を算出し、前記ｑ軸電流算出部で算出された前記ｑ軸電流値を前記ｑ軸電流制限値でリミット処理した値を、ｑ軸電流指令値として特定し、前記ｑ軸電流指令値に基づいて、対応するｄ軸電流指令値を特定し、前記電流ベクトル制御部は、前記電圧制限円および前記電流制限円が重なる内部領域のうち、ｑ軸座標値の絶対値が最大となる値を、ｑ軸電流制限値として特定する。
【0016】
また、インバータのＤＣバス電圧を検出し、ＤＣバス電圧の変動を電気角速度の変動に変換することにより、対応する電圧制限円とｑ軸で構成される電流ベクトル上の動作点を決定して、ｑ軸電流制限値Ｉｑ＿ｍａｘを定め、ｑ軸電流指令値ｉｑ＊と、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊の演算を同時に実行する。
【発明の効果】
【0017】
インバータのＤＣバス電圧の変動を考慮した電圧制約に応じて、ｑ軸電流制限値Ｉｑ＿ｍａｘを演算し、最適なｑ軸電流指令値ｉｑ＊と、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊を決定することで、高速回転時における出力トルクアップと高効率化制御を実現できる。また、ＤＣバス電圧の変動を電気角速度の変動に変換することで、電流ベクトル制限図上の電気角速度パラメータ（ωａ，ωｂ，ωｃ）のリアルタイムでの再演算は不要になる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】永久磁石同期電動機の制御装置の構成例を示すブロック図である。
【図2】永久磁石同期電動機の制御装置における電流ベクトル制御部の演算アルゴリズムを説明するフローチャートである。
【図3】制御装置の速度指令値、モータ速度の一例を示すグラフである。（Δｄｃ＝０の場合）
【図4】制御装置のトルク指令値、ｑ軸電流指令値、ｄ軸電流指令値の一例を示すグラフである。（Δｄｃ＝０の場合）
【図5】制御装置の加速時における電流ベクトル制御部の内部動作の一例を示すグラフである。（Δｄｃ＝０の場合）
【図6】制御装置の減速時における電流ベクトル制御部の内部動作の一例を示すグラフである。（Δｄｃ＝０の場合）
【図7】制御装置のトルク指令値、ｑ軸電流指令値、ｄ軸電流指令値の一例を示すグラフである。（Δｄｃ＞０の場合）
【図8】制御装置の加速時における電流ベクトル制御部の内部動作の一例を示すグラフである。（Δｄｃ＞０の場合）
【図9】制御装置の減速時における電流ベクトル制御部の内部動作の一例を示すグラフである。（Δｄｃ＞０の場合）
【図10】永久磁石同期電動機の電流ベクトルの制御範囲を示した電流ベクトル制限図である。
【図11】従来の永久磁石同期電動機の制御装置の構成例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下、本発明の実施形態について説明する。はじめに、本実施形態におけるｑ軸電流指令値ｉｑ＊およびｄ軸電流指令値ｉｄ＊の算出の原理について図１０を参照して説明する。
【0020】
よく知られた、永久磁石同期電動機の（ｄ，ｑ）軸座標系電圧方程式を式（１）に示す。なお、ここで挙げた誘起電圧定数Ｋｅが、トルク電流変換器５３（図１、図１１参照）におけるトルク定数Ｋｅと一致することは、よく知られている。
【0021】
【数1】
【0022】
ＰＷＭインバータは、電力半導体の許容通電容量などから、電流制限を受ける。電流制限は、式（２）で示される。
【0023】
【数2】
【0024】
一方で、モータをＰＷＭインバータを用いて回転制御するには、ＤＣバス電圧Ｖｄｃと、式（１）の電圧ベクトルＶの間には、式（３）の関係が要求される。
【0025】
【数3】
【0026】
つまり、（ｄ，ｑ）軸座標系での電圧の大きさ｜Ｖ｜は、ＤＣバス電圧Ｖｄｃの（１／√２）以下に電圧制限しないとモータ制御ができなくなることを示している。ここで、式（１）の電流ベクトルＩを直流量とし、抵抗Ｒによる電圧降下分を除いた、次の式（４）の電圧制限値Ｖ０ｍａｘを考える。
【0027】
【数4】
【0028】
すると、電流ベクトルＩは、式（２）の電流制限に加えて、式（１）の電圧ベクトルＶ０を、式（４）の電圧制限値Ｖ０ｍａｘ以下に制限すること。つまり、｜Ｖ０｜≦Ｖ０ｍａｘを満たすことが、モータを指令通りに回転制御するための要件になる。
【0029】
図１０は、永久磁石同期電動機の電流ベクトルＩの制御範囲を示した電流ベクトル制限図である。電圧制限は、式（１）の電圧ベクトルＶ０から、式（５）で表現できる。
【0030】
【数5】
【0031】
電気角速度ωｒｅは、モータ速度ωｍの対極数ｐ倍（ωｒｅ＝ｐ・ωｍ）なので、式（５）は、モータ速度ωｍが上がると、径が徐々に縮小していく電圧制限円を表す。電圧制限円とは、ＤＣバス電圧に起因した電圧制限によって定まる電流制限値を表した円である。図１０において、細破線の円は、｜ωｒｅ｜によって変化する電圧制限円を示している。また、図１０における細実線は、電流制限円を示している。電流制限円とは、電動機の電流制限によって定まる電流制限値をｄｑ平面上に表した円である。電流ベクトルＩの制御範囲は、電流制限円と電圧制限円の重なる内部領域で、且つ、ｄ軸電流ｉｄは、モータ電圧を効率良く抑制するため、（－Ｋｅ／ｐＬ）≦ｉｄ≦０の範囲で制御する。
【0032】
｜ωｒｅ｜＜ωａまでの電気角速度では、電圧制約を受けないため、ｄ軸電流ｉｄは、ｉｄ＝０でよく、ｑ軸電流のみをｑ軸上で制御すればよい。ωａ≦｜ωｒｅ｜の電気角速度では、電圧は、電圧制約を受けるため、電流制限円と電圧制限円の両方が制約になる。
例えば、図１０において、太実線は、｜ωｒｅ｜＝ωａｂ（なお、ωａ≦ωａｂ＜ωｂ）における動作点推移を示している。｜ωｒｅ｜＝ωａｂの場合、図１０に示す通り、電圧制限円（外側から２番目の細破線の円）は、座標（０，ｉｑａｂ０），（０，ｉｑａｂ０）でｑ軸と交差し、座標（ｉｄａｂ，ｉｑａｂ），（ｉｄａｂ，－ｉｑａｂ）で、電流制限円（細実線）と交差する。そのため、ｉｑ＜ｉｑａｂ０の場合、ｉｄ＝０でよいが、ｉｑ≧ｉｑａｂ０になると、電圧制限に達するため、（０，ｉｑａｂ０）から（ｉｄａｂ，ｉｑａｂ）に向かって、電圧制限円上を動作点が推移する。ｉｑ＞ｉｑａｂとなるｉｑは、電流制限のため通電不可能である。
例えば、図１０において、太実線は、｜ωｒｅ｜＝ωａｂ（なお、ωａ≦ωａｂ＜ωｂ）における動作点推移を示している。｜ωｒｅ｜＝ωａｂの場合、図１０に示す通り、電圧制限円（外側から２番目の細破線の円）は、座標（０，ｉｑａｂ０），（０，ｉｑａｂ０）でｑ軸と交差し、座標（ｉｄａｂ，ｉｑａｂ），（ｉｄａｂ，－ｉｑａｂ）で、電流制限円（細実線）と交差する。そのため、ｉｑ＜ｉｑａｂ０の場合、ｉｄ＝０でよいが、ｉｑ≧ｉｑａｂ０になると、電圧制限に達するため、（０，ｉｑａｂ０）から（ｉｄａｂ，ｉｑａｂ）に向かって、電圧制限円上を動作点が推移する。ｉｑ＞ｉｑａｂとなるｉｑは、電流制限のため通電不可能である。
【0033】
ωｂ≦｜ωｒｅ｜の電気角速度では、電圧制限円が電流制限円の内側に配置されるため、電圧制限円が制約になる。図１０において、太一点鎖線は、｜ωｒｅ｜＝ωｂｃ（なお、ωｂ≦ωｂｃ＜ωｃ）における動作点推移を示している。｜ωｒｅ｜＝ωｂｃでは、ｉｑ＜ｉｑｂｃ０は、ｉｄ＝０で、電圧制限円上を動作点として、ｉｑ≦ｉｑｂｃまでのｉｑが制御できる。ωｃ≦｜ωｒｅ｜の電気角速度では、図１０において、太二点鎖線で示すように、ｉｑ＝０でも電圧制約を受けるため、全領域でｉｄ＜０となり、電圧制限円に沿って、ｉｑ≦ｉｑｃｄまでのｉｑが制御できる。
【0034】
図１０において、太破線は、ｑ軸電流制限値Ｉｑ＿ｍａｘの推移を示している。このｑ軸電流制限値Ｉｑ＿ｍａｘは、電気角速度ωｒｅの増加に伴って、徐々に減少してゆく。ｑ軸電流制限値の動作線（ロードライン）は、ｑ軸電流が正符号の時、電流ベクトル制限図において、Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄと推移する。なお、ｑ軸電流が負符号の時は、ｑ軸電流制限値Ｉｑ＿ｍａｘは、電流ベクトル制限図において、Ａ’→Ｂ’→Ｃ’→Ｄと推移する。つまり、電圧制限円および電流制限円が重なる内部領域のうち、ｑ軸座標値の絶対値が最大となる値が、ｑ軸電流制限値Ｉｑ＿ｍａｘとなる。トルク指令値に応じて算出されたｑ軸電流値を、このｑ軸電流制限値Ｉｑ＿ｍａｘでリミット処理した値が、ｑ軸電流指令値ｉｑ＊となる。また、電圧制限円および電流制限円が重なる内部領域のうち、ｑ軸電流指令値ｉｑ＊をとり、かつ、ｄ軸座標値の絶対値が最小となる点のｄ軸座標値がｄ軸電流指令値ｉｄ＊となる。
【0035】
本実施形態では、上述した電圧制限円で表されるインバータのＤＣバス電圧の変動を考慮した電圧制約に応じて、ｑ軸電流制限値Ｉｑ＿ｍａｘを演算したうえで、ｑ軸電流指令値ｉｑ＊とｄ軸電流指令値ｉｄ＊を決定し、これにより、高速回転時における出力トルクの最大化と高効率化を実現する。
【0036】
次に、本実施形態の３相永久磁石同期電動機の速度制御装置１０について図１を参照して説明する。図１は、本実施形態による３相永久磁石同期電動機の速度制御装置１０の構成を示すブロック図である。以下、これまでに説明した従来例と異なる部分についてのみ説明する。
【0037】
速度制御装置１０は、例えば、ＣＰＵとメモリと有したマイコンで構成される。あるいは、速度制御装置１０は、所定の手順に従い演算処理を実行する１以上の電気回路を組み合わせて構成されてもよい。速度制御装置１０では、トルク電流変換器５３の出力が、電流ベクトル制御部１の入力になる。なお、トルク電流変換器５３の出力は、リミット処理を加える前のｑ軸電流指令値ｉｑ＊である。電圧制約式は、式（５）の電圧制限円で表現できる。式（５）から、電圧制限円の大きさ（半径）は、電気角速度ωｒｅ（モータ速度ωｍ）に反比例、かつ、電圧制限値Ｖ０ｍａｘに比例する。式（３ａ）と式（４）から、ＤＣバス電圧Ｖｄｃの変動Δｄｃと、電圧制限値Ｖ０ｍａｘの変動ΔＶ０ｍａｘの間には、式（６）の関係が成立する。
【0038】
【数6】
【0039】
よって、電圧変動を含む電圧制限値Ｖ０ｍａｘ＿ｖを、力行時と回生時で、次の様に定義する。
【0040】
【数7】
【0041】
ここで、電圧制限値Ｖ０ｍａｘ＿ｖについては、式（８）が成立する。
【0042】
【数8】
【0043】
このため、電気角速度ωｒｅを、式（９）で、電圧変動を考慮した電気角速度ωｒｅ＿ｖに変換した後、ωｒｅ＿ｖを用いて電圧制限円を選定すれば、電流ベクトル制限図上の動作点を決定できる。
【0044】
【数9】
【0045】
電流ベクトル制御部１には、モータパラメータである対極数ｐ、巻線インダクタンスＬ、巻線抵抗Ｒ、誘起電圧定数Ｋｅと、ＰＷＭインバータの定格などで決定するＤＣバス基準電圧Ｖｄｃ、基準電圧制限値Ｖ０ｍａｘ、電流制限値Ｉ０ｍａｘと、電流ベクトル制限図上の電気角速度パラメータであるωａ，ωｂ，ωｃが、予め設定され、メモリに記憶されている。この電気角速度パラメータωａ，ωｂ，ωｃは、ｑ軸電流制限値ｉｑ＊およびｄ軸電流制限値ｉｄ＊の算出式が切り替わる電気角速度ωｒｅ＿ｖの境界値を示している。電流ベクトル制御部１は、これらの設定値と、リアルタイムで変化するモータの電気角速度ωｒｅと、ＤＣバス電圧変動検出値Δｄｃから、後述する演算アルゴリズムに基づいて、電流ベクトル制限図上の動作点を決定し、ｑ軸電流指令値ｉｑ＊とｄ軸電流指令値ｉｄ＊を演算出力する。
【0046】
図２は、この速度制御装置１０における電流ベクトル制御部１の演算アルゴリズムを説明するフローチャートである。最初に、Ｓ１において、電流ベクトル制御部１が、ＤＣバス電圧変動検出値Δｄｃを読み込む。Ｓ２では、電流ベクトル制御部１は、モータの動作状態が力行か回生かを判定する。例えば、モータ速度ωｍとモータ加速度が同一符号ならば力行、異符号ならば回生と判定する。電流ベクトル制御部１は、力行時はＳ３に、回生時はＳ４に進み、式（７）に基づいて、電圧変動を含む電圧制限値Ｖ０ｍａｘ＿ｖを演算する。さらに、電流ベクトル制御部１は、Ｓ５に進み、式（９）に基づいて、電気角速度ωｒｅを、電圧変動を考慮した電気角速度ωｒｅ＿ｖに変換する。
【0047】
Ｓ６からＳ８では、電流ベクトル制限図上の動作点の領域判定を行う。ωａは基準電圧時において、電圧制約が発生する最小の電気角速度パラメータであり、電圧制限円が、図１０の電流ベクトル制限図上のＡ（またはＡ’）点を通過する電気角速度になる。ωａは、式（１０）で決定される電気角速度パラメータである。Ｓ６において、電流ベクトル制御部１は、電気角速度絶対値｜ωｒｅ＿ｖ｜が、｜ωｒｅ＿ｖ｜＜ωａの範囲内かどうかを判定する。
【0048】
【数10】
【0049】
｜ωｒｅ＿ｖ｜≧ωａの場合、電流ベクトル制御部１は、Ｓ７に進む。Ｓ７では、電流ベクトル制御部１は、｜ωｒｅ＿ｖ｜が、ωａ≦｜ωｒｅ＿ｖ｜＜ωｂの範囲内かどうかを判定する。ωｂは基準電圧時において、電圧制限円が電流制限円の内側に配置される最小の電気角速度パラメータであり、電圧制限円が、図１０の電流ベクトル制限図上のＢ（またはＢ’）点を通過する電気角速度になる。ωｂは、式（１１）で決定される電気角速度パラメータである。
【0050】
【数11】
【0051】
｜ωｒｅ＿ｖ｜≧ωｂの場合、電流ベクトル制御部１は、Ｓ８に進む。Ｓ８では、電流ベクトル制御部１は、｜ωｒｅ＿ｖ｜が、ωｂ≦｜ωｒｅ＿ｖ｜＜ωｃの範囲内かどうかを判定する。ωｃは基準電圧時において、ｑ軸電流ｉｑ＝０でも電圧制約が発生する最小の電気角速度パラメータであり、電圧制限円が、図１０の電流ベクトル制限図上のＣ（またはＣ’）点を通過する電気角速度になる。ωｃは、式（１２）で決定される電気角速度パラメータである。
【0052】
【数12】
【0053】
｜ωｒｅ＿ｖ｜＜ωａの範囲内であれば（Ｓ６でＹｅｓ）、未だ、電圧制約が発生する電気角速度に達していないことになる。この領域では、ｄ軸電流ｉｄ＝０で制御すればよく、ｑ軸電流ｉｑは、電流制限値Ｉ０ｍａｘまで通電できる。Ｓ６＿１は、ｑ軸電流指令絶対値｜ｉｑ＊｜と、Ｉ０ｍａｘを比較して、｜ｉｑ＊｜＞Ｉ０ｍａｘの場合は、Ｓ６＿２で、ｑ軸電流指令値ｉｑ＊をＩ０ｍａｘでリミット処理する。ｄ軸電流指令値ｉｄ＊については、Ｓ１４で、ｉｄ＊＝０を設定出力する。
【0054】
ωａ≦｜ωｒｅ＿ｖ｜＜ωｂの範囲内であれば（Ｓ７でＹｅｓ）、ｑ軸電流ｉｑに応じて、ｄ軸電流ｉｄを決定する必要が発生する。ｑ軸電流制限は、図１０の電流ベクトル制限図上のＡ－Ｂ間の電圧制限円と電流制限円の交点（ｉｄａｂ，ｉｑａｂ）となり、式（１３）で演算される。
【0055】
【数13】
【0056】
なお、電圧制約が発生するｑ軸電流ｉｑは、電圧制限円とｑ軸の交点（０，ｉｑａｂ０）でのｉｑａｂ０となり、式（１４）で演算される。
【0057】
【数14】
【0058】
Ｓ７＿１では、電流ベクトル制御部１は、式（１３）で演算したｉｑａｂを、ｑ軸電流制限値Ｉｑ＿ｍａｘに設定する。Ｓ７＿２では、電流ベクトル制御部１は、式（１４）で演算したｉｑａｂ０を、電圧制限開始時ｑ軸電流Ｉｑ＿ｍａｘ＿０に設定する。この電圧制限開始時ｑ軸電流Ｉｑ＿ｍａｘ＿０は、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊＝０にでき得るｑ軸電流指令値ｉｑ＊の最大値を示している。ｑ軸電流指令値ｉｑ＊が、電圧制限開始時ｑ軸電流Ｉｑ＿ｍａｘ＿０を超えた場合、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊は、｜ｉｑ＊｜＞０となる。
【0059】
ωｂ≦｜ωｒｅ＿ｖ｜＜ωｃを満たす場合（Ｓ８でＹｅｓ）も、ｑ軸電流ｉｑに応じて、ｄ軸電流ｉｄが決定される。ｑ軸電流制限は、図１０の電流ベクトル制限図上のＢ－Ｃ間の電圧制限円と、ｉｄ＝－Ｋｅ／ｐＬ（電圧制限円の中心を通り、ｑ軸と平行な線）との交点（ｉｄｂｃ，ｉｑｂｃ）となり、式（１５）で演算される。
【0060】
【数15】
【0061】
なお、電圧制約が発生するｑ軸電流ｉｑは、電圧制限円とｑ軸の交点（０，ｉｑｂｃ０）でのｉｑｂｃ０となり、式（１６）で演算される。
【0062】
【数16】
【0063】
Ｓ８＿１では、電流ベクトル制御部１は、式（１５）で演算したｉｑｂｃを、ｑ軸電流制限値Ｉｑ＿ｍａｘに設定する。Ｓ８＿２では、電流ベクトル制御部１は、式（１６）で演算したｉｑｂｃ０を、電圧制限開始時ｑ軸電流Ｉｑ＿ｍａｘ＿０に設定する。
【0064】
｜ωｒｅ＿ｖ｜≧ωｃを満たす場合（Ｓ８でＮｏ）、ｑ軸電流ｉｑ＝０でも、電圧制約が発生するため、ｄ軸電流ｉｄが必要になる。ｑ軸電流制限は、図１０の電流ベクトル制限図上のＣ－Ｄ間の電圧制限円と、ｉｄ＝－Ｋｅ／ｐＬ（電圧制限円の中心を通り、ｑ軸と平行な線）との交点（ｉｄｃｄ，ｉｑｃｄ）となり、式（１７）で演算される。
【0065】
【数17】
【0066】
Ｓ９＿１において、電流ベクトル制御部１は、式（１７）で演算したｉｑｃｄを、ｑ軸電流制限値Ｉｑ＿ｍａｘに設定する。また、Ｓ９＿２において、電流ベクトル制御部１は、電圧制限開始時ｑ軸電流Ｉｑ＿ｍａｘ＿０に、Ｉｑ＿ｍａｘ＿０＝０を設定する。
【0067】
｜ωｒｅ＿ｖ｜≧ωａを満たす場合（Ｓ６でＮｏ）、ｑ軸電流制限値Ｉｑ＿ｍａｘおよび電圧制限開始時ｑ軸電流Ｉｑ＿ｍａｘ＿０の設定後、Ｓ１０に進む。Ｓ１０では、電流ベクトル制御部１は、ｑ軸電流制限値Ｉｑ＿ｍａｘが、電流制限値Ｉ０ｍａｘ以下となる、｜ωｒｅ＿ｖ｜≧ωａの範囲において、ｑ軸電流指令絶対値｜ｉｑ＊｜と、Ｉｑ＿ｍａｘを比較して、｜ｉｑ＊｜＞Ｉｑ＿ｍａｘの場合は、Ｓ１１で、ｑ軸電流指令値ｉｑ＊をＩｑ＿ｍａｘでリミット処理する。Ｓ１２は、ｑ軸電流指令絶対値｜ｉｑ＊｜と、電圧制限開始時ｑ軸電流Ｉｑ＿ｍａｘ＿０を比較して、｜ｉｑ＊｜＜Ｉｑ＿ｍａｘ＿０の場合は、Ｓ１４でｄ軸電流指令値ｉｄ＊に、ｉｄ＊＝０を設定出力する。｜ｉｑ＊｜≧Ｉｑ＿ｍａｘ＿０の場合は、Ｓ１３で、ｉｑ＊から、電圧制約に応じて必要になるｉｄ＊を式（１８）で演算する。
【0068】
【数18】
【0069】
以上、述べた図２の演算アルゴリズムにより決定された、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊とｑ軸電流指令値ｉｑ＊は、図１０の電流ベクトル制限図の電圧制限円と電流制限円に対して、電圧変動を考慮した上で、最大出力トルクと最高効率を与える動作点の座標値であり、図１における電流ベクトル制御部１の出力になる。
【0070】
本実施形態における演算アルゴリズムには、各式で二乗演算や開平演算表記があるが、実演算上では、予め、逆正弦関数（θ＝ｓｉｎ－１ｘ）テーブルと余弦関数（ｙ＝ｃｏｓθ）テーブルを作成しておき、式（１３）のｉｑａｂ演算ならば、ｘ＝ｉｄａｂ／Ｉｏｍａｘとしてθ＝ｓｉｎ－１ｘを求め、ｉｑａｂ＝Ｉｏｍａｘ・ｃｏｓθ＝Ｉｏｍａｘ・ｙと演算すればよいから、演算処理負担の増加は殆ど発生しない。
【0071】
図３から図９は、図１に示した本実施形態の速度制御装置に対して、２次関数型加減速処理を施した速度指令値ωｍ＊を入力し、主に電流ベクトル制御部の応答を中心に表現したグラフである。横軸は、時間軸相当で、サンプリング時間Ｔｓ＝０．１［ｍｓ］毎のサンプリング回数で表現している。適用したモータやＰＷＭインバータのパラメータは、対極数ｐ＝４、巻線インダクタンスＬ＝２．３５［ｍＨ］、巻線抵抗Ｒ＝０．２［Ω］、誘起電圧定数Ｋｅ＝０．７６４［Ｖ／（ｒａｄ／ｓ）］、ＤＣバス（基準）電圧Ｖｄｃ＝２８３［Ｖ］、（基準）電圧制限値Ｖ０ｍａｘ＝１７５［Ｖ］、電流制限値Ｉ０ｍａｘ＝１２４［Ａ］、電気角速度パラメータωａ＝５０４、ωｂ＝８００、ωａ＝９１８である。なお、モータの定格回転数＝２０００［ｍｉｎ－１］に対して、速度指令値ωｍ＊のピーク速度ｖｍ＊ｍａｘ＝２５００［ｍｉｎ－１］を指令している。
【0072】
図３から図６は、ＤＣバス電圧変動検出値Δｄｃ＝０［Ｖ］の場合の応答を表現したグラフである。図３は速度指令値ωｍ＊とモータ速度ωｍ、図４はトルク指令値τｃ＊とｄ軸電流指令値ｉｄ＊とｑ軸電流指令値ｉｑ＊を示している。また、図５は、加速領域における、電流ベクトル制御部の内部応答を、図６は、減速領域における電流ベクトル制御部の内部応答を、示している。なお、図５、図６では、内部応答を示すパラメータとして、電圧制限値Ｖ０ｍａｘ＿ｖ、誘起電圧ωｍＫｅ、ｑ軸電流制限値Ｉｑ＿ｍａｘ、電圧制限開始時ｑ軸電流Ｉｑ＿ｍａｘ＿０，ｄ軸電流指令値ｉｄ＊およびｑ軸電流指令値ｉｑ＊の変化を示している。加速の終盤では、ｉｑ＊がＩｑ＿ｍａｘで制限されているが、減速領域では、回生状態となって、電圧制限値Ｖ０ｍａｘ＿ｖが増加するため、ｉｑ＊は制限されることなく線形に応答している。
【0073】
なお、図中の電気角速度パラメータ（ωａ，ωｂ，ωｃ）は定数値であるが、各々が電気角速度ωｒｅ＿ｖに一致するタイミングを示しているため、電圧制限値Ｖ０ｍａｘ＿ｖが異なる力行時と回生時（図５と図６）では、モータ速度ωｍ（＝ωｒｅ／ｐ）換算値は一致しない。
【0074】
図７から図９は、ＤＣバス電圧変動検出値Δｄｃ＝４０［Ｖ］の場合の応答を表現したグラフである。速度指令値ωｍ＊は、図３と同一である。図７は図４に、図８と図９は、図５と図６に対応している。この場合、ＤＣバス電圧が増加することで、電圧余裕が生まれ、ｑ軸電流制限値Ｉｑ＿ｍａｘがアップするから、加速領域でもｉｑ＊がＩｑ＿ｍａｘで制限されることなく線形に応答できている。
【符号の説明】
【0075】
１ 電流ベクトル制御部、１０，２００ 速度制御装置、５０，５８，５９ 減算器、５１，５６ 微分器、５２ 速度制御器、５３ トルク電流変換器、５４ ＤＣバス電圧検出部、５５ 変換器、５７ ３相→ｄｑ変換部、６０ 電流制御器、６１ ｄｑ→３相変換部、６２ ＰＷＭ信号演算部、１００ ３相交流電源、１０１ コンバータ部、１０２ 大容量コンデンサ、１０３ インバータ部、１０４ ３相永久磁石同期電動機（モータ）、１０５ 位置検出器、１０６ｕ，１０６ｗ 電流検出器。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】