特許 7012931 インバータ制御装置および電動機駆動システム

(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】2022-01-21

(45)【発行日】2022-01-31

(54)【発明の名称】インバータ制御装置および電動機駆動システム

(51)【国際特許分類】

   H02P 21/24 20160101AFI20220124BHJP

   H02P 27/06 20060101ALI20220124BHJP

   H02P 21/18 20160101ALI20220124BHJP

【ＦＩ】

H02P21/24

H02P27/06

H02P21/18

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2018030095

(22)【出願日】2018-02-22

(65)【公開番号】P2019146419

(43)【公開日】2019-08-29

【審査請求日】2021-02-02

(73)【特許権者】

【識別番号】598076591

【氏名又は名称】東芝インフラシステムズ株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】513296958

【氏名又は名称】東芝産業機器システム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100108855

【弁理士】

【氏名又は名称】蔵田 昌俊

(74)【代理人】

【識別番号】100103034

【弁理士】

【氏名又は名称】野河 信久

(74)【代理人】

【識別番号】100075672

【弁理士】

【氏名又は名称】峰 隆司

(74)【代理人】

【識別番号】100153051

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 直樹

(74)【代理人】

【識別番号】100189913

【氏名又は名称】鵜飼 健

(72)【発明者】

【氏名】谷口 峻

(72)【発明者】

【氏名】茂田 智秋

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 健太郎

【審査官】安池 一貴

(56)【参考文献】

【文献】特開２０００－３０８３９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－０９５１３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１３９２３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１５５２８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－２２９１９６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｐ ２１／２４

Ｈ０２Ｐ ２７／０６

Ｈ０２Ｐ ２１／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

インバータと、
前記インバータから出力される電流応答値を検出する電流検出器と、
前記インバータに接続する電動機の回転速度と回転速度指令値とが等しくなるように、前記電動機のトルク指令値を演算する第１ＰＩ制御器を含む速度制御回路と、
前記トルク指令値を用いて、前記電流応答値に相当する電流指令値を演算する電流指令値生成回路と、
前記電流指令値と前記電流応答値とが等しくなるように前記インバータから出力する出力電圧を演算する電流制御回路と、
前記回転速度指令値と回転速度概略値との差を入力としトルク指令推定値を出力する第２ＰＩ制御器と、前記トルク指令推定値を用いて前記回転速度概略値を演算するモータ機械モデル回路と、を備え、前記第２ＰＩ制御器で用いられるゲインは、前記第１ＰＩ制御器で用いられるゲインと同等である概略速度推定回路と、
前記回転速度概略値を用いて前記電動機の速度推定値を演算する速度推定回路と、を備えたことを特徴とするインバータ制御装置。

【請求項2】

前記速度制御回路は、前記トルク指令値を制限する第１トルク制限回路を備え、
前記概略速度推定回路は、前記第１トルク制限回路と同じ値で前記トルク指令推定値を制限する第２トルク制限回路を備えることを特徴とする請求項１記載のインバータ制御装置。

【請求項3】

前記速度制御回路は、前記トルク指令値を制限するトルク制限回路を備え、
前記第２ＰＩ制御器は、前記トルク制限回路と同じ値で前記トルク指令推定値を制限するリミッタと、前記回転速度指令値と前記回転速度概略値との差に比例ゲインを乗じた積を出力する比例ゲイン乗算器と、前記回転速度指令値と前記回転速度概略値との差に積分ゲインを乗じた積を出力する積分ゲイン乗算器と、前記リミッタにより制限される前の前記トルク指令推定値と前記リミッタにより制限された後の前記トルク指令推定値との差を出力する第１減算器と、前記積分ゲイン乗算器の出力値から前記第１減算器の出力値を引いた差を出力する第２減算器と、前記第２減算器の出力値を積分して出力する積分器と、前記比例ゲイン乗算器の出力値と前記積分器の出力値とを加算した和を前記リミッタへ供給する加算器と、を備えることを特徴とする請求項１記載のインバータ制御装置。

【請求項4】

請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のインバータ制御装置と、
前記電動機と、を備えたことを特徴とする電動機駆動システム。

【請求項5】

前記電動機は、シンクロナスリラクタンスモータであることを特徴とする請求項４記載の電動機駆動システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、インバータ制御装置および電動機駆動システムに関する。

【背景技術】

【0002】

永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）やシンクロナスリラクタンスモータ（ＳｙｎＲＭ）の回転角センサレス制御装置において、回転角を推定する方法が利用されている。速度の推定ではＰＬＬ（Phase Locked Loop）と呼ばれる軸誤差に相当する評価指標が０になるようにＰＩ制御を行なうことで速度を推定する方式が知られている。

【0003】

また、誘導モータ（ＩＭ）の速度センサレス制御装置において、ｑ軸二次磁束誘起電圧から推定一次周波数を演算し、ＰＩ制御器にフィードフォワードで与える一次周波数推定器が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第３６９２０８５号公報

【非特許文献】

【0005】

【文献】「ＡＣドライブシステムのセンサレスベクトル制御」、電気学会・センサレスベクトル制御の整理に関する調査専門委員会編、オーム社、２０１６年９月発売

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

高速な速度推定の応答が要求されるときには、ＰＬＬ制御においてＰＩ制御器のゲインを上げないと脱調する可能性があった。一方、ＰＩ制御器のゲインを上げると過制御となり、制御が振動的になってしまう。

【0007】

これに対し、永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）やシンクロナスリラクタンスモータ（ＳｙｎＲＭ）でも、誘導モータ（ＩＭ）と同様にｑ軸誘起電圧から演算された推定速度をフィードフォワードで与えることで、ＰＩ制御器のゲインを上げずに高速な速度応答を実現することが可能である。しかしながら、主としてリラクタンストルクを利用する永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）やシンクロナスリラクタンスモータ（ＳｙｎＲＭ）ではｑ軸誘起電圧が負荷に応じて変化するため、ｑ軸誘起電圧から推定速度を演算することが困難であった。

【0008】

本発明の実施形態は、上記事情を鑑みてなされたものであって、高速な速度応答を実現するインバータ制御装置および電動機駆動システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

実施形態によるインバータ制御装置は、インバータと、前記インバータから出力される電流応答値を検出する電流検出器と、前記インバータに接続する電動機の回転速度と回転速度指令値とが等しくなるように、前記電動機のトルク指令値を演算する第１ＰＩ制御器を含む速度制御回路と、前記トルク指令値に基づいて、前記電流応答値に相当する電流指令値を演算する電流指令値生成回路と、前記電流指令値と前記電流応答値とが等しくなるように前記インバータから出力する出力電圧を演算する電流制御回路と、前記回転速度指令値と回転速度概略値との差を入力としトルク指令推定値を出力する第２ＰＩ制御器と、前記トルク指令推定値を用いて前記回転速度概略値を演算するモータ機械モデル回路と、を備え、前記第２ＰＩ制御器で用いられるゲインは、前記第１ＰＩ制御器で用いられるゲインと同等である概略速度推定回路と、前記回転速度概略値を用いて、前記電動機の速度推定値を演算する速度推定回路と、を備える。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、第１実施形態のインバータ制御装置および電動機駆動システムの構成例を概略的に示すブロック図である。

【図2】図２は、図１に示すインバータ制御装置の速度制御回路の一構成例を概略的に示すブロック図である。

【図3】図３は、図１に示す概略速度推定回路の一構成例を概略的に示すブロック図である。

【図4】図４は、図１に示す速度・回転位相角推定回路の一構成例を概略的に示すブロック図である。

【図5】図５は、図４に示す回転位相角誤差演算回路の一構成例を概略的に示すブロック図である。

【図6】図６は、図１に示す概略速度推定回路の他の構成例を概略的に示すブロック図である。

【図7】図７は、図３に示すモータ機械モデルの他の構成例を概略的に示すブロック図である。

【図8】図８は、第２実施形態のインバータ制御装置および電動機駆動システムの構成例を概略的に示すブロック図である。

【図9】図９は、図８に示す速度推定回路の一構成例を概略的に示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、複数の実施形態のインバータ制御装置および電動機駆動システムについて、図面を参照して説明する。
図１は、第１実施形態のインバータ制御装置および電動機駆動システムの構成例を概略的に示すブロック図である。

【0012】

本実施形態の電動機駆動システムは、インバータ制御装置と、インバータ１と、同期機２と、を備えている。
同期機２は、例えば、固定子と、回転子とを備えたシンクロナスリラクタンスモータ（ＳｙｎＲＭ）である。同期機２は、インバータ１から供給される三相交流電流により駆動され、各励磁相に流れる３相交流電流によって磁界を発生し、回転子との磁気的相互作用によりトルクを発生する交流モータである。

【0013】

インバータ１は、例えば、直流電源（直流負荷）と、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相２つのパワー半導体素子と、を備えたインバータ主回路（いずれも図示せず）とを備えている。各相２つのパワー半導体素子は、直流電源の正極に接続した直流ライン（直流リンク）と、直流電源の負極に接続した直流ライン（直流リンク）との間に直列に接続している。インバータ１のパワー半導体素子は、後述するインバータ制御装置から受信したゲート指令により動作を制御される。インバータ１は、Ｕ相電流ｉｕ、Ｖ相電流ｉｖ、Ｗ相電流ｉｗを交流負荷である同期機２へ出力する三相交流インバータである。また、インバータ１は、同期機２で発電された電力を直流電源へ充電することも可能である。

【0014】

本実施形態のインバータ制御装置は、ハードウエアにより構成されてもよく、ソフトウエアにより構成されてもよく、ハードウエアとソフトウエアとを組み合わせて構成されてもよい。インバータ制御装置は、例えば、少なくとも１つのプロセッサと、プロセッサにより実行されるプログラムが記録されたメモリと、を備えていてもよい。

【0015】

本実施形態のインバータ制御装置は、電流検出器３と、ＰＷＭ変調回路２２と、座標変換（ＵＶＷ／ｄｃｑｃ）回路２３と、座標変換（ｄｃｑｃ／ＵＶＷ）回路２４と、電流制御回路２５と、速度・回転位相角推定回路２６と、電流指令生成回路２７と、速度制御回路２８と、概略速度推定回路２９と、を備えている。

【0016】

電流検出器３は、インバータ１から出力される三相交流電流（Ｕ相電流値ｉｕ、Ｖ相電流値ｉｖ、Ｗ相電流値ｉｗ）のうち、少なくとも２相の電流応答値（例えば、Ｕ相電流値ｉｕ、Ｗ相電流値ｉｗ）を検出する。電流検出器３で検出された電流応答値は、座標変換（ＵＶＷ／ｄｃｑｃ）回路２３に入力される。

【0017】

座標変換（ＵＶＷ／ｄｃｑｃ）回路２３は、回転位相角推定値θｅｓｔを用いて、三相固定座標系からｄｃｑｃ軸回転座標系への座標変換を行うベクトル変換回路である。座標変換（ＵＶＷ／ｄｃｑｃ）回路２３は、三相固定座標系のＵ相電流値ｉｕ、Ｗ相電流値ｉｗをｄｃｑｃ軸回転座標系のｄｃ軸電流値ｉｄｃとｑｃ軸電流値ｉｑｃとに変換して出力する。

【0018】

なお、ｄｃｑｃ軸回転座標系は、推定回転座標系である。ｄ軸は、同期機２の回転子において静的インダクタンスが最も小さくなるベクトル軸であり、ｑ軸は電気角でｄ軸と直交するベクトル軸である。これに対し、推定回転座標系は回転子の推定位置におけるｄ軸とｑ軸とに対応する。すなわち、ｄ軸から回転角誤差Δθだけ回転したベクトル軸がｄｃ軸であり、ｑ軸から回転角誤差Δθだけ回転したベクトル軸がｑｃ軸である。

【0019】

速度制御回路２８は、例えばＰＩ制御器を備え、外部から供給される速度指令ω^＊と、速度・回転位相角推定回路２６から供給される速度推定値ωestとが等しくなるように、トルク指令Ｔ^＊を算出して出力する。

【0020】

図２は、図１に示すインバータ制御装置の速度制御回路の一構成例を概略的に示すブロック図である。
速度制御回路２８は、減算器３１と、ＰＩ制御器（第１ＰＩ制御器）３２と、トルク制限回路３３と、を備えている。

【0021】

減算器３１は、速度指令ω^＊から速度推定値ωｅｓｔを減算し、演算結果である速度誤差Δω（＝ω^＊－ωｅｓｔ）を出力する。
ＰＩ制御器３２は、減算器３１から速度誤差Δωを受信し、速度誤差Δωがゼロになるようにトルク指令演算値Ｔ^＊ｃａｌを演算する。

【0022】

トルク制限回路３３は、トルク指令演算値Ｔ^＊calをトルク制限値Ｔlimでリミットして、制限後の値であるトルク指令値Ｔ^＊を出力する。トルク制限値Ｔlimは、予め設定された値であってもよく、外部から入力される値であってもよい。
電流指令生成回路２７は、トルク指令Ｔ^＊と推定速度ωestとを用いて、ｄｑ軸電流指令ｉｄｃ^＊、ｉｑｃ^＊を生成して出力する。

【0023】

電流制御回路２５は、電流検出器３において検出された電流応答値ｉｕ、ｉｗをベクトル変換した電流応答値ｉｄｃ、ｉｑｃと、電流指令生成回路２７によって生成された電流指令値ｉｄｃ^＊、ｉｑｃ^＊とを比較し、電流指令値ｉｄｃ^＊、ｉｑｃ^＊を実現するように基本波電圧指令値（変調率指令値）ｖｄｃ^＊、ｖｑｃ^＊を決定する。

【0024】

座標変換（ｄｃｑｃ／ＵＶＷ）回路２４は、回転位相角推定値θestを用いて、ｄｃｑｃ軸回転座標系から三相固定座標系への座標変換を行うベクトル変換回路である。座標変換（ｄｃｑｃ／ＵＶＷ）回路２４は、ｄｃｑｃ軸回転座標系の電圧指令値ｖｄｃ^＊、ｖｑｃ^＊を三相固定座標系の電圧指令値（変調率指令値）ｖｕ^＊、ｖｖ^＊、ｖｗ^＊へ変換して出力する。

【0025】

ＰＷＭ変調回路２２は、同期機２を駆動するための電圧指令値ｖｕ^＊、ｖｖ^＊、ｖｗ^＊を、三角波ＰＷＭによって変調し、インバータ１の各相パワー半導体素子のオン（導通）／オフ（非導通）指令であるゲート信号を出力する。
概略速度推定回路２９は、速度指令ω^＊を用いて速度推定ＦＦ（フィードフォワード）値ωestFFを演算する。

【0026】

図３は、図１に示す概略速度推定回路の一構成例を概略的に示すブロック図である。
概略速度推定回路２９は、減算器４１と、ＰＩ制御器（第２ＰＩ制御器）４２と、トルク制限回路４３と、モータ機械モデル回路４４と、を備えている。

【0027】

減算器４１は速度指令ω^＊から速度推定ＦＦ値ω^＊estFFを減算し、速度誤差Δω^＊を演算する。
ＰＩ制御器４２は、速度誤差Δω^＊が０になるようにトルク指令演算推定値Ｔ^＊estcalを演算する。ここで、ＰＩ制御器４２で用いる比例ゲインおよび積分ゲインは、速度制御回路２８のＰＩ制御器３２で用いる比例ゲインおよび積分ゲインと同じである。

【0028】

トルク制限回路４３は、トルク指令演算推定値Ｔ^＊estcalをトルク制限値Ｔlimでリミットしてトルク指令推定値Ｔ^＊estを出力する。ここで、トルク制限値Ｔlimは速度制御回路２８で用いるトルク制限回路３３で用いるトルク制限値Ｔlimと同じ値を用いることとする。

【0029】

モータ機械モデル回路４４は、除算器４８と、積分器４９と、を備えている。
除算器４８は、トルク指令推定値Ｔ^＊estをイナーシャ推定値Ｊestで除算して出力する。
積分器４９は、除算器４８から出力された値Ｔ^＊est／Ｊestを積分し、速度推定ＦＦ値ω^＊estFFを演算して出力する。イナーシャ推定値Ｊestは速度制御で調整された固定値を用いることができる。すなわち、速度推定ＦＦ値ω^＊estFFは下記式のように表すことができる。

【0030】

【数1】

上記速度推定ＦＦ値ω^＊estFFは、モータ機械モデル回路４４により演算された同期機２の回転速度概略値である。
速度・回転位相角推定回路２６は、速度推定ＦＦ値ω^＊estFF、電圧指令ｖｄｃ^＊、ｖｑｃ^＊および電流応答値ｉｄｃ、ｉｑｃを用いて速度推定値ωestおよび回転位相角推定値θestを演算する。

【0031】

図４は、図１に示す速度・回転位相角推定回路の一構成例を概略的に示すブロック図である。
図５は、図４に示す回転位相角誤差演算回路の一構成例を概略的に示すブロック図である。
速度・回転位相角推定回路２６は、回転位相角誤差演算回路５１と、ＰＩ制御器５２と、加算器５３と、積分器５４と、を備えている。

【0032】

回転位相角誤差演算回路５１は、位相差δ設定回路６０と、γ電圧演算回路６１と、γ電圧推定回路６２と、減算器６３と、を備えている。
位相差δ設定回路６０は、トルク指令値Ｔ^＊を入力として、回転子位相推定値と回転子位相とに誤差が生じたときに、電圧変化が一番大きくなる付近の位相角δを設定する。位相差δ設定回路６０は、トルク指令値Ｔ^＊に応じて解析的または実験的に予め求めておいた位相角δの設定値を格納した、位相角δの設定値のテーブルを備えていてもよい。

【0033】

γ電圧演算回路６１は、電圧指令ｖｄｃ^＊、ｖｑｃ^＊と、位相差δとを入力として下記式によりγ電圧Ｖγを演算する。
Ｖγ＝ｖｄｃ^＊×ｃｏｓ（δ）＋ｖｑｃ^＊×ｓｉｎ（δ）
γ電圧推定回路６２は、ｄｃｑｃ軸回転座標系の電流応答値ｉｄｃ、ｉｑｃと、速度推定値ωestと、位相差δとを入力として、γ電圧推定値ＶγＨを演算する。

【0034】

γ電圧推定回路６２は、ｄｃｑｃ軸電圧推定値ＶｄｃＨ、ＶｑｃＨを下記式により演算する。

【数2】

【0035】

なお、上記数式において、Ｒは巻線抵抗であり、Ｌｄｃはｄｃ軸インダクタンスであり、Ｌｑｃはｑｃ軸インダクタンスであり、φＰＭは永久磁石磁束であり、ｓはラプラス演算子である。

【0036】

γ電圧推定回路６２は、上記式により求めたｄｃｑｄ軸電圧推定値ＶｄｃＨ、ＶｑｃＨを用いて、下記式によりγ電圧推定値ＶγＨを演算する。
ＶγＨ＝ＶｄｃＨ×ｃｏｓ（δ）＋ＶｑｃＨ×ｓｉｎ（δ）
減算器６３は、γ電圧Ｖγからγ電圧推定値ＶγＨを減算して、電圧誤差ΔＶγを出力する。電圧誤差ΔＶγは、位相差δだけｄｃ軸からずれたγ軸方向の電圧誤差である。回転位相角誤差Δθがゼロのときに回転位相角推定値θestは、実際の回転位相角θに追従するものとなる。すなわち、回転位相角誤差Δθは回転位相角推定値θestに含まれる誤差分であって、電圧誤差ΔＶγがゼロのときに回転位相角誤差Δθはゼロとなる。

【0037】

回転位相角誤差演算回路５１は、例えば電圧誤差ΔＶγと回転位相角誤差Δθとの関係を表す数式やテーブル等を予め有し、電圧誤差ΔＶγに基づいて回転位相角誤差Δθを演算して出力することができる。

【0038】

回転位相角誤差Δθと電圧誤差ΔＶγとの関係は、同期機２のインダクタンス特性により異なる。例えば、同期機２がシンクロナスリラクタンスモータ（ＳｙｎＲＭ）であるときには、回転位相角誤差Δθと電圧誤差ΔＶγとの関係は、回転位相角誤差Δθがゼロのときに電圧誤差ΔＶγがゼロとなり、回転位相角誤差Δθが±９０°のときに電圧誤差ΔＶγが最大となる正弦波である。また、例えば、同期機２が永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）であるときには、回転位相角誤差Δθと電圧誤差ΔＶγとの関係は、回転位相角誤差Δθがゼロのときに電圧誤差ΔＶγがゼロとなり、回転位相角誤差Δθが±１８０°のときに電圧誤差ΔＶγが最大となる正弦波である。なお、回転位相角誤差演算回路５１は、上記方式に限らず、回転位相角誤差Δθに相当する値を演算してもよい。

【0039】

ＰＩ制御器５２は、回転位相角誤差演算回路５１は、回転位相角誤差Δθを受信し、回転位相角誤差ΔθがゼロとなるようにＰＩ制御を行い、速度推定ＦＢ（フィードバック）値ω^＊estFBを演算する。速度推定ＦＢ値ω^＊estFBは、速度推定値ωestに対する速度推定ＦＦ値ω^＊estFFの誤差分に相当する。

【0040】

加算器５３は、速度推定ＦＢ値ω^＊estFBと速度推定ＦＦ値ω^＊estFFとを加算して、速度推定値ωestを演算する。積分器５４は速度推定値ωestを積分して回転角推定値θestを演算する。

【0041】

上記インバータ制御装置および電動機駆動システムにおいて、概略速度推定回路２９は、速度指令ω^＊が変化すると、それに応じた速度推定ＦＦ値ω^＊estFFを演算して出力する。このとき、ＰＩ制御器４２で用いる比例ゲインおよび積分ゲインは、速度制御回路２８のＰＩ制御器３２で用いる比例ゲインおよび積分ゲインと同じであるため、モータ機械モデル回路４４が実際の同期機２の機械系の応答と一致していれば、速度推定ＦＦ値ω^＊estFFは実際の速度と一致する。速度推定ＦＦ値ω^＊estFFは、速度・回転位相角推定回路２６の加算器５３により速度推定値ωestの演算に用いられる。

【0042】

速度推定値ωestを演算する際にフィードバックにより求めた値を用いる場合、速度指令ω^＊が変化したときにＰＩ制御器５２の入力である回転角誤差Δθが大きくなる。これに対し、本実施形態では、速度推定値ωestを演算する際に速度推定ＦＦ値ω^＊estFFがフィードフォワードとして働くことで、速度指令ω^＊が変化したときも回転位相角誤差Δθが大きくなることがない。
したがって、本実施形態では、回転位相角誤差Δθを受信するＰＩ制御器５２のゲインを大きくしなくても脱調することがなく、高速な速度応答を実現できる。

【0043】

なお、モータ機械モデル回路４４は、実際の同期機２の機械系の応答と完全に一致することは困難である。しかし、モータ機械モデル回路４４と実際の同期機２の機械系の応答とが完全に一致していなくても、速度推定値ωestと実際の速度ωとの誤差を低減することが可能であり、特に、高速な速度応答が要求されるときには、脱調を防止することができる。

【0044】

上記のように本実施形態によれば、概略速度推定回路２９で速度制御回路２８と同じゲイン、同じトルクリミットを利用することで、単純に速度指令ω^＊や速度指令ω^＊の一次遅れをフィードフォワードで加算する場合よりも実際の速度ωと誤差が少ない推定が可能となる。

【0045】

すなわち、本実施形態によれば、高速な速度応答を実現するインバータ制御装置および電動機駆動システムを提供することができる。
なお、上記実施形態では同期機２としてシンクロナスリラクタンスモータを採用した例を示したが、リラクタンストルクを用いる永久磁石同期電動機でも同様の効果が得られる。

【0046】

次に、第１実施形態のインバータ制御装置および電動機駆動システムの変形例について説明する。以下に説明する変形例は、上述の第１実施形態のインバータ制御装置と概略速度推定回路２９の構成が異なっている。

【0047】

図６は、図１に示す概略速度推定回路の他の構成例を概略的に示すブロック図である。
この例では、概略速度推定回路２９は、図３に示す例のＰＩ制御器４２とトルク制限回路４３とに替えて、トルク制限付きＰＩ制御器４５を備えている。この点以外は図３に示す構成例と同様である。

【0048】

ＰＩ制御器４５は、速度推定誤差Δω^＊estがゼロとなるように、ＰＩ制御によりトルク指令推定値Ｔ^＊estを演算する。
ＰＩ制御器４５は、比例ゲイン乗算器４５１と、積分ゲイン乗算器４５２と、積分器４５３と、リミッタ４５４と、加算器４５５と、減算器４５６、４５７と、を備えている。

【0049】

比例ゲイン乗算器４５１は、速度推定誤差Δω^＊estに比例ゲインＰを乗じて出力する。
積分ゲイン乗算器４５２は、速度推定誤差Δω^＊estに積分ゲインＩを乗じて出力する。
減算器４５７（第１減算器）は、リミッタ４５４の入力値と出力値との差（ΔＴ^＊est）を演算して出力する。
減算器（第２減算器）４５６は、積分ゲイン乗算器４５２から出力された値（Ｉ×Δω^＊est）から減算器４５７の演算結果（ΔＴ^＊est）を引いた値を出力する。

【0050】

積分器４５３は、減算器４５６から出力された値（Ｉ×Δω^＊est－ΔＴ^＊est）を積分して出力する。
加算器４５５は、比例ゲイン乗算器４５１からの出力値（Ｐ×Δω^＊est）と積分器４５３の出力値（∫（Ｉ×Δω^＊est－ΔＴ^＊est）ｄｔ）とを加算して出力する。
リミッタ４５４は、加算器４５５から出力された値を受信し、インバータ１の出力限界を超えないようにリミットしたトルク指令推定値Ｔ^＊estを出力する。

【0051】

例えば、積分器４５３の前段に減算器４５６がないときには、トルク指令推定値をリミットしたことにより生じる制御誤差をゼロにすることができず、積分器４５３が誤差を加算し続ける。そこで、図６に示すように、リミッタ４５４の入力値と出力値との差を予め積分器４５３の入力から減算しておくことで、積分器４５３が誤差を加算し続けることを回避することができる。

【0052】

例えば、モータ機械モデル回路４４が実際の同期機２の機械系と一致しておらず、特に、実際の同期機２に負荷トルクがあるとき、実際の速度ωよりも速度推定ＦＦ値ω^＊estFFが大きくなってしまう。図５に示す例では、負荷トルクがあって速度制御回路２８のトルク制限回路３３でトルクが制限されたときに、実際の速度ωと速度推定ＦＦ値ω^＊estFFとの誤差が増加することがなくなる。このことにより、リミット状態から非リミット状態（リミットされない状態）となったときに、誤差を加算し続けた量に応じて制御が不安定化（破たん）することを回避することができる。

【0053】

次に、第１実施形態のインバータ制御装置および電動機駆動システムの他の変形例について説明する。以下に説明する変形例は、上述の第１実施形態のインバータ制御装置のモータ機械モデル回路４４の構成が異なっている。

【0054】

図７は、図３に示すモータ機械モデルの他の構成例を概略的に示すブロック図である。
この例では、モータ機械モデル回路４４において、ベアリングなどの摩擦を考慮した速度推定ＦＦ値ω^＊estFFを演算し、実際の同期機２の機械系をより正確にモデル化している。
モータ機械モデル回路４４は、除算器４８と、積分器４９と、減算器４４１と、乗算器４４２と、を備えている。

【0055】

除算器４８は、トルク指令推定値Ｔ^＊estをイナーシャ推定値Ｊestで除算して出力する。
乗算器４４２は、積分器４９から出力された速度推定ＦＦ値ω^＊estFFと摩擦係数Ｄestとの積を出力する。
減算器４４１は、除算器４８の出力値（Ｔ^＊est／Ｊest）から乗算器４４２の出力値（Ｄest×ω^＊estFF）を減算した差を出力する。

【0056】

積分器４９は、除算器４８から出力された値（Ｔ^＊est／Ｊest－Ｄest×ω^＊estFF）を積分し、速度推定ＦＦ値ω^＊estFFを演算して出力する。イナーシャ推定値Ｊestは速度制御で調整された固定値を用いることができる。すなわち、速度推定ＦＦ値ω^＊estFFは下記式のように表すことができる。

【数3】

【0057】

上記のように、同期機２における摩擦を考慮して速度推定ＦＦ値ω^＊estFFを演算することにより、速度推定ＦＦ値ω^＊estFFと実際の速度値との誤差を小さくすることができる。
すなわち、上記変形例によれば、いずれも上述の第１実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、より信頼性の高いセンサレス制御を行うインバータ制御装置および電動機駆動システムを提供することが可能である。さらにモータに結合された負荷の特性が既知である場合、その特性を除算器４８から出力された値（Ｔ^＊est／Ｊest－Ｄest×ω^＊estFF）からさらに減ずることで、より正確な速度FF値が演算でき、速度応答を向上できる。例えばモータにファンポンプが接合されている場合、モータの回転速度ωの３乗（ω^３）で変化する負荷とみなすことができ、この特性を考慮した値を除算器４８の出力値から減じておくことにより、より正確な速度FF値を演算し、速度応答を向上することができる。

【0058】

次に、第２実施形態のインバータ制御装置および電動機駆動システムについて図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において上述の第１実施形態と同様の構成については同じ符号を付して説明を省略する。

【0059】

図８は、第２実施形態のインバータ制御装置および電動機駆動システムの構成例を概略的に示すブロック図である。
本実施形態の電動機駆動システムは、インバータ制御装置と、インバータ１と、誘導モータ４と、を備えている。

【0060】

誘導モータ４は、例えば、固定子と、回転子とを備え、インバータ１から供給される三相交流電流により駆動される交流モータである。
本実施形態のインバータ制御装置は、電流検出器３と、ＰＷＭ変調回路２２と、座標変換（ＵＶＷ／ｄｃｑｃ）回路２３と、座標変換（ｄｃｑｃ／ＵＶＷ）回路２４と、電流制御回路２５と、速度推定回路１０２と、電流指令生成回路２７と、速度制御回路２８と、概略速度推定回路２９と、すべり周波数演算回路１０１と、速度推定回路１０２と、加算器１０３と、積分器１０４と、を備えている。

【0061】

すべり周波数演算回路１０１は、電流指令ｉｄｃ^＊、ｉｑｃ^＊から、すべり周波数指令ωｓ^＊を演算する。例えば、次式で演算する。

【数4】

ここで、Ｒ_２は二次抵抗、Ｌ_２は二次自己インダクタンスをそれぞれ表す。

【0062】

速度推定回路１０２は、電流指令ｉｑｃ^＊と、電流ｉｑと、速度推定ＦＦ値ω^＊estFFとを受信し、速度推定値ωestを出力する。

【0063】

図９は、図８に示す速度推定回路の一構成例を概略的に示すブロック図である。
速度推定回路１０２は、減算器７１と、ＰＩ制御器７２と、加算器７３と、を備えている。
減算器７１は、電流指令ｉｑ^＊から電流ｉｑを減算してｑ軸電流偏差Δｉｑを演算して出力する。
ＰＩ制御器７２は、ｑ軸電流偏差Δｉｑがゼロとなるように速度推定ＦＢ値ω^＊estFBを演算して出力する。

【0064】

加算器７３は、速度推定ＦＦ値ω^＊estFFと速度推定ＦＢ値ω^＊estFBとを加算して速度推定値ωestを演算して出力する。
加算器１０３は、速度推定値ωestとすべり周波数指令ωｓ^＊とを加算して一次周波数指令ω１^＊を演算して出力する。
積分器１０４は、一次周波数指令ω１^＊を積分してｄ軸位相θを演算して出力する。積分器１０４から出力されたｄ軸位相θは、座標変換（ＵＶＷ／ｄｃｑｃ）回路２３と座標変換（ｄｃｑｃ／ＵＶＷ）回路２４に入力され、ベクトル変換に用いられる。

【0065】

本実施形態でも上述の第１実施形態と同様に、概略速度推定回路２９では、速度指令ω^＊が変化すると、それに応じて速度推定ＦＦ値ω^＊estFFが演算される。このとき、速度制御回路２８と同じゲイン、トルクリミットを用いているため、モータ機械モデル回路４４が実際の誘導モータ４の機械系の応答と一致していれば、速度推定ＦＦ値ω^＊estFFは実際の速度と一致する。そして、速度推定ＦＦ値ω^＊estFFは、速度推定回路１０２の加算器７３において速度推定値ωestの演算に用いられる。

【0066】

速度指令ω^＊が変化したときに、通常、ＰＩ制御器７２の入力であるｑ軸電流偏差Δｉｑが大きくなるが、速度推定ＦＦ値ω^＊estFFがフィードフォワードとして働くことで、速度指令ω^＊が変化していないときと同じようにｑ軸電流偏差Δｉｑが変化しなくなる。このことから、ＰＩ制御器７２のゲインを大きくしなくても脱調することがなくなり、高速な速度応答を実現することができる。

【0067】

なお、例えば従来提案されている方法では、ｑ軸二次磁束誘起電圧を用いた速度推定ＦＦ値ω^＊estFFに相当するものを演算しているが、この方法では、速度ωが小さいときには正しく推定することが難しい。これに対して、本実施形態の、インバータ制御装置および電動機駆動システムでは、速度によらず、フィードフォワードを加えることができ高速な速度応答を実現することができる。
すなわち、本実施形態によれば上述の第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0068】

なお、本実施形態のインバータ制御装置および電動機駆動システムにおいて、第１実施形態で説明した概略速度推定回路２９を適用しても構わない。
また、本実施形態では、誘導モータ４を備えるインバータ制御装置および電動機駆動システムの例を示したが、リラクタンストルクを用いないＰＭＳＭのセンサレス制御においても同様に、低速域での高速な速度応答を実現することができる。

【0069】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0070】

１…インバータ、２…同期機、３…電流検出器、４…誘導モータ、２２…ＰＷＭ変調回路、２３…座標変換回路、２４…座標変換回路、２５…電流制御回路、２６…速度・回転位相角推定回路、２７…電流指令生成回路、２８…速度制御回路、２９…概略速度推定回路、３１…減算器、３２…ＰＩ制御器（第１ＰＩ制御器）、３３…トルク制限回路（第１トルク制限回路）、４１…減算器、４２…ＰＩ制御器（第２ＰＩ制御器）、４３…トルク制限回路（第２トルク制限回路）、４４…モータ機械モデル回路、４５…トルク制限付きＰＩ制御器、４８…除算器、４９…積分器、５１…回転位相角誤差演算回路、５２…ＰＩ制御器、５３…加算器、５４…積分器、６０…位相差δ設定回路、６１…γ電圧演算回路、６２…γ電圧推定回路、６３…減算器、７１…減算器、７２…ＰＩ制御器、７３…加算器、１０１…周波数演算回路、１０２…速度推定回路、１０３…加算器、１０４…積分器、４４１…減算器、４４２…乗算器、４５１…比例ゲイン乗算器、４５２…積分ゲイン乗算器、４５３…積分器、４５４…リミッタ、４５５…加算器、４５６…減算器、４５７…減算器。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】