特許 7180149 交流電動機の制御装置

(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】2022-11-21

(45)【発行日】2022-11-30

(54)【発明の名称】交流電動機の制御装置

(51)【国際特許分類】

   H02P 21/22 20160101AFI20221122BHJP

【ＦＩ】

H02P21/22

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2018128516

(22)【出願日】2018-07-05

(65)【公開番号】P2020010476

(43)【公開日】2020-01-16

【審査請求日】2021-06-14

(73)【特許権者】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】野村 尚史

(72)【発明者】

【氏名】彦根 修

【審査官】安池 一貴

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－１２４８１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】韓国登録特許第１０－１３２２２４０（ＫＲ，Ｂ１）

【文献】特開２０１１－０３６０９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０９３５７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－２２３０２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２２８４１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－２５２９９１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｐ ２１／２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電力変換器により交流電動機に供給する電流及び電圧を制御する制御装置であって、
トルク指令値及び前記交流電動機の速度検出値に基づいて、第１の電流指令値を演算する第１の電流指令部と、
前記交流電動機の端子電圧の大きさが前記電力変換器の最大出力電圧以下の電圧制限値以下になり、かつ、前記第１の電流指令値と第２の電流指令値との偏差が最小になるように、前記第２の電流指令値を演算する第２の電流指令部と、
前記交流電動機の電流が前記第２の電流指令値に一致するように前記交流電動機の端子電圧を制御する端子電圧制御部とを備え、
前記第２の電流指令部は、
前記交流電動機の端子電圧の推定値に基づいて前記交流電動機の電流の推定値を推定し、
前記端子電圧の推定値の大きさを前記電圧制限値に制御したときに、前記第１の電流指令値と前記電流の推定値との偏差を最小にする前記端子電圧の推定値の角度の最適値を演算し、
前記電圧制限値をＶ _ａｌｉｍ 、現時刻ｋ後の時刻ｋ＋１での前記角度の最適値をδ _{ｖａｏｐｔ} （ｋ＋１｜ｋ）、現時刻ｋ後の時刻ｋ＋１での前記端子電圧の最適値をｖ _{ｄｑｏｐｔ} （ｋ＋１｜ｋ）とするとき、
前記端子電圧の最適値を、前記角度の最適値を使って以下の数１８に従って演算し、

【数18】

数１８に従って導出された前記端子電圧の最適値を使って、前記端子電圧の大きさを前記電圧制限値に制御し、かつ、前記端子電圧の角度を前記角度の最適値に制御したときの前記電流の推定値を、前記第２の電流指令値と設定する、交流電動機の制御装置。

【請求項2】

前記第２の電流指令部は、
前記交流電動機の端子電圧と電流とに基づいて、電圧外乱を推定し、
前記端子電圧の推定値と前記電圧外乱の推定値とに基づいて、前記交流電動機の電流を推定する、請求項１に記載の制御装置。

【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に関する。

【背景技術】

【0002】

電動機の効率を向上するためには、電動機の端子電圧を高く制御することが好ましい。一方、電動機のトルクを高応答かつ高精度に制御するためには、所望のトルクを出力するための電流指令値に電流が一致するようにフィードバック制御を行うことが好ましい。しかしながら、電動機の端子電圧を高くすると、電動機に給電するインバータ等の電力変換器の最大出力電圧の制約により、電流制御系の安定性が低下することがある。

【0003】

電流制御系の安定性を向上させる従来技術として、例えば、電動機の端子電圧が電圧制限値以下の条件で電動機の効率を最大にし、かつ、所望のトルクを出力させる電流指令値を演算する制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００９‐１２４８１１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、従来の電流指令値の演算方法は、電流制御系の過渡状態が考慮されていないため、交流電動機の電流の制御精度が低下するおそれがある。

【0006】

そこで、本開示は、交流電動機の電流制御精度を向上させることが可能な、交流電動機の制御装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の技術の一態様として、
電力変換器により交流電動機に供給する電流及び電圧を制御する制御装置であって、
トルク指令値及び前記交流電動機の速度検出値に基づいて、第１の電流指令値を演算する第１の電流指令部と、
前記交流電動機の端子電圧の大きさが前記電力変換器の最大出力電圧以下の電圧制限値以下になり、かつ、前記第１の電流指令値と第２の電流指令値との偏差が最小になるように、前記第２の電流指令値を演算する第２の電流指令部と、
前記交流電動機の電流が前記第２の電流指令値に一致するように前記交流電動機の端子電圧を制御する端子電圧制御部とを備え、
前記第２の電流指令部は、
前記交流電動機の端子電圧の推定値に基づいて前記交流電動機の電流の推定値を推定し、
前記端子電圧の推定値の大きさを前記電圧制限値に制御したときに、前記第１の電流指令値と前記電流の推定値との偏差を最小にする前記端子電圧の推定値の角度の最適値を演算し、
前記電圧制限値をＶ _ａｌｉｍ 、現時刻ｋ後の時刻ｋ＋１での前記角度の最適値をδ _{ｖａｏｐｔ} （ｋ＋１｜ｋ）、現時刻ｋ後の時刻ｋ＋１での前記端子電圧の最適値をｖ _{ｄｑｏｐｔ} （ｋ＋１｜ｋ）とするとき、
前記端子電圧の最適値を、前記角度の最適値を使って以下の数１８に従って演算し、

【数18】

数１８に従って導出された前記端子電圧の最適値を使って、前記端子電圧の大きさを前記電圧制限値に制御し、かつ、前記端子電圧の角度を前記角度の最適値に制御したときの前記電流の推定値を、前記第２の電流指令値と設定する、交流電動機の制御装置が提供される。

【発明の効果】

【0008】

本開示の技術によれば、交流電動機の電流制御精度を向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本開示に係る交流電動機の制御装置の全体構成を例示する制御ブロック図である。

【図2】電流指令演算部の一構成例を示すブロック図である。

【図3】モデル予測制御の考え方を例示する図である。

【図4】制御装置が備える演算装置のハードウェア構成を例示する図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照しながら本開示に係る交流電動機の制御装置の実施形態を説明する。同一の構成要素については同一の符号を付け、重複する説明は省略する。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施することができるものである。

【0011】

本開示に係る制御装置は、永久磁石型同期電動機（以下、ＰＭＳＭとも称する）や誘導電動機などの交流電動機を制御し、交流電動機の端子電圧を高めることで高効率運転を実現し、同時に電流応答を向上することで高応答なトルク制御を実現する。

【0012】

＜第１の制御例＞
図１は、本開示に係る交流電動機の制御装置の全体構成を例示する制御ブロック図である。図１に示される制御装置１００は、ＰＭＳＭ８０の制御を、回転子と同期して回転する直交回転座標軸であるｄ，ｑ軸上で行うことで、高性能なトルク制御や速度制御を実現する。電動機の回転子の磁極のＮ極方向をｄ軸と定義し、ｄ軸から９０°進んだ方向をｑ軸と定義する。

【0013】

まず、ＰＭＳＭ８０の速度制御、電流制御、および、電圧制御について説明する。

【0014】

ＰＭＳＭ８０には、ＰＭＳＭ８０の磁極位置及びＰＭＳＭ８０の回転速度を検出する位置・速度検出器９０が取り付けられている。制御装置１００に備えられる位置・速度検出回路９１は、ＰＭＳＭ８０の磁極位置及びＰＭＳＭ８０の回転速度を検出する位置・速度検出器９０の出力信号に基づいて、速度検出値（電気角周波数）ω_ｒｅと位置検出値（電気角）θ_ｒｅを検出する。速度検出値ω_ｒｅは、ＰＭＳＭ８０の電気角速度の検出値を表し、位置検出値θ_ｒｅは、ＰＭＳＭ８０の電気角の検出値を表す。機械角速度演算器９２は、速度検出値（電気角周波数）ω_ｒｅとＰＭＳＭ８０の極数に基づき、速度検出値（機械角周波数）ω_ｒｍを演算する。速度検出値ω_ｒｍは、ＰＭＳＭ８０の機械角速度の検出値を表す。

【0015】

速度検出値ω_ｒｅと位置検出値θ_ｒｅは、位置・速度検出器９０と位置・速度検出回路９１を用いないで、ＰＭＳＭ８０の端子電流と端子電圧に基づいて演算されてもよい。

【0016】

減算器１６は、速度指令値（機械角周波数）ω_ｒｍ ^＊と速度検出値（機械角周波数）ω_ｒｍとの偏差を演算する。速度指令値ω_ｒｍ ^＊は、外部から供給される、ＰＭＳＭ８０の機械角速度の指令値を表す。トルク指令値τ^＊は、減算器１６により演算された偏差が速度調節器１７により増幅して演算される。トルク指令値τ^＊は、ＰＭＳＭ８０のトルクの指令値を表す。

【0017】

電流指令演算部１８は、トルク指令値τ^＊及び速度検出値ω_ｒｅに基づき、ＰＭＳＭ８０の端子電圧が電圧制限値Ｖ_ａｌｉｍ以下の条件でＰＭＳＭ８０の効率を最大にし、かつ、トルクをトルク指令値τ^＊に制御するｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊とｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊を演算する。電流指令演算部１８は、第１の電流指令部の一例であり、ｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊とｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊は、第１の電流指令値の一例である。電圧制限値Ｖ_ａｌｉｍは、電力変換器７０の最大出力電圧以下の値である。

【0018】

図２は、電流指令演算部の一構成例を示すブロック図である。なお、電流指令演算部の具体的な構成は、図２に示される構成に限られず、例えば、特許文献１等にも開示されている。

【0019】

図２に示される電流指令演算部１８は、磁束指令演算器１１１、磁束制限値演算器１４１、出力制限器１４２、負荷角指令演算器１１２、負荷角調節器１３２、電流指令演算器１３３、トルク演算器１３４、減算器１３１、及び、加算器１３５を備える。

【0020】

磁束指令演算器１１１は、トルク指令値τ^＊から第１の磁束指令値Ψ_０ ^＊を演算する。第１の磁束指令値Ψ_０ ^＊は、ＰＭＳＭ８０の効率が最大になる条件で演算されるが、この演算をオンラインで実行するのが困難な場合がある。この場合、例えば、ＰＭＳＭ８０の効率が最大になる磁束指令値のテーブルを予め用意しておき、磁束指令演算器１１１は、運転時に、このテーブルを利用することによりトルク指令値τ^＊に基づいて第１の磁束指令値Ψ_０ ^＊を演算してもよい。

【0021】

磁束制限値演算器１４１は、ＰＭＳＭ８０の端子電圧を電力変換器７０の最大出力電圧以下に制限するため、電圧制限値Ｖ_ａｌｉｍ及び速度検出値ω_ｒｅを用いて磁束制限値Ψ_ｌｉｍを演算する。例えば、磁束制限値演算器１４１は、数式「Ψ_ｌｉｍ＝Ｖ_ａｌｉｍ／｜ω_ｒｅ｜」に従って、磁束制限値Ψ_ｌｉｍを演算する。

【0022】

第２の磁束指令値Ψ^＊は、第１の磁束指令値Ψ_０ ^＊が出力制限器１４２により磁束制限値Ψ_ｌｉｍ以下に制限されて出力される。

【0023】

負荷角指令演算器１１２は、トルク指令値τ^＊に基づき、負荷角指令値のフィードフォワード補償値δ_０ ^＊を演算する。また、負荷角調節器１３２は、減算器１３１により演算されたトルク指令値τ^＊とトルク演算値τ_ｃａｌｃとの偏差を増幅して、負荷角指令値の補正値δ_ＰＩ ^＊を演算する。負荷角調節器１３２は、例えば、比例積分増幅器により構成されている。

【0024】

加算器１３５は、フィードフォワード補償値δ_０ ^＊と補正値δ_ＰＩ ^＊とを加算して、負荷角指令値δ^＊を演算する。

【0025】

なお、トルク演算値τ_ｃａｌｃは、トルク演算器１３４により、ｄ，ｑ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊，ｉ_ｑ ^＊に基づいて演算される。例えば、トルク演算器１３４は、ｄ，ｑ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊，ｉ_ｑ ^＊及び諸定数Ｌ_ｄ，Ｌ_ｑ，Ψ_ｍを用いて、数式「τ_ｃａｌｃ＝Ψ_ｍｉ_ｑ ^＊＋（Ｌ_ｄ－Ｌ_ｑ）ｉ_ｄ ^＊ｉ_ｑ ^＊」に従って、トルク演算値τ_ｃａｌｃを演算する。Ｌ_ｄ，Ｌ_ｑ，Ψ_ｍは、それぞれ、ｄ軸インダクタンス、ｑ軸インダクタンス、永久磁石の磁束を表す。

【0026】

電流指令演算器１３３は、第２の磁束指令値Ψ^＊と負荷角指令値δ^＊に基づき、ｄ，ｑ軸磁束指令値Ψ_ｄ ^＊，Ψ_ｑ ^＊を演算する。例えば、電流指令演算器１３３は、数式「Ψ_ｄ ^＊＝Ψ^＊ｃｏｓδ^＊，Ψ_ｑ ^＊＝Ψ^＊ｓｉｎδ^＊」に従って、ｄ，ｑ軸磁束指令値Ψ_ｄ ^＊，Ψ_ｑ ^＊を演算する。更に、電流指令演算器１３３は、磁束指令値Ψ_ｄ ^＊，Ψ_ｑ ^＊に基づき、ｄ，ｑ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊，ｉ_ｑ ^＊を演算する。例えば、電流指令演算器１３３は、例えば、数式「ｉ_ｄ ^＊＝（Ψ_ｄ ^＊－Ψ_ｍ）／Ｌ_ｄ，ｉ_ｑ ^＊＝Ψ_ｑ ^＊／Ｌ_ｑ」に従って、ｄ，ｑ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊，ｉ_ｑ ^＊を演算する。

【0027】

このように、図２の場合、ＰＭＳＭ８０の効率が最大になるような第１の磁束指令値Ψ_０ ^＊が演算されると共に、第１の磁束指令値Ψ_０ ^＊を磁束制限値Ψ_ｌｉｍを超えないように補正した値である第２の磁束指令値Ψ^＊が演算される。この第２の磁束指令値Ψ^＊に基づいてｄ，ｑ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊，ｉ_ｑ ^＊が演算される。これにより、ＰＭＳＭ８０の端子電圧を電力変換器７０の最大出力電圧以下に制御すると共にトルクを高精度に制御することができる。

【0028】

図１において、電流指令補正部３０は、過渡状態においても、電圧指令値ｖ_ｄ ^＊，ｖ_ｑ ^＊の大きさが電圧制限値Ｖ_ａｌｉｍ以下になり、かつ、電流指令値ｉ_ｄ ^＊，ｉ_ｑ ^＊と電流指令値ｉ_ｄＡＣＲ ^＊，ｉ_ｑＡＣＲ ^＊との偏差が最小になるように、電流指令値ｉ_ｄＡＣＲ ^＊，ｉ_ｑＡＣＲ ^＊を演算する。電流指令補正部３０は、第２の電流指令部の一例であり、ｄ軸電流指令値ｉ_ｄＡＣＲ ^＊とｑ軸電流指令値ｉ_ｑＡＣＲ ^＊は、第２の電流指令値の一例である。電流指令補正部３０の詳細は、後で説明する。

【0029】

直流電圧検出回路１２は、制御装置１００に備えられており、整流回路６０により整流されて電力変換器７０に入力される直流電圧を検出する。電圧制限値演算器２２は、直流電圧検出回路１２により検出される直流電圧検出値Ｅ_ｄｃに基づいて、直流電圧検出値Ｅ_ｄｃの大きさに対応する電圧制限値Ｖ_ａｌｉｍを演算する。直流電圧検出値Ｅ_ｄｃは、整流回路６０により整流されて電力変換器７０に入力される直流電圧の検出値を表す。電圧制限値演算器２２は、例えば、直流電圧検出値Ｅ_ｄｃにほぼ比例し、かつ、直流電圧検出値Ｅ_ｄｃに応じて決まる電力変換器７０の最大出力電圧以下の電圧制限値Ｖ_ａｌｉｍを演算する。

【0030】

ｕ相電流検出器１１ｕは、電力変換器７０とＰＭＳＭ８０との間を流れるｕ相電流を検出し、ｕ相電流の大きさの検出値を表すｕ相電流検出値ｉ_ｕを出力する。ｗ相電流検出器１１ｗは、電力変換器７０とＰＭＳＭ８０との間を流れるｗ相電流を検出し、ｗ相電流の大きさの検出値を表すｗ相電流検出値ｉ_ｗを出力する。電流座標変換器１４は、相電流検出値ｉ_ｕ，ｉ_ｗを、位置検出値θ_ｒｅを使ってｄ，ｑ軸電流検出値ｉ_ｄ，ｉ_ｑに座標変換する。

【0031】

ｄ軸電流調節器２０ａは、減算器１９ａで演算したｄ軸電流指令値ｉ_ｄＡＣＲ ^＊とｄ軸電流検出値ｉ_ｄとの偏差を増幅してｄ軸電圧指令値ｖ_ｄ ^＊を演算する。ｑ軸電流調節器２０ｂは、減算器１９ｂで演算したｑ軸電流指令値ｉ_ｑＡＣＲ ^＊とｑ軸電流検出値ｉ_ｑとの偏差を増幅してｑ軸電圧指令値ｖ_ｑ ^＊を演算する。

【0032】

電圧座標変換器１５は、ｄ，ｑ軸電圧指令値ｖ_ｄ ^＊，ｖ_ｑ ^＊を、位置検出値θ_ｒｅを使って、ｕ，ｖ，ｗ相の相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に座標変換する。

【0033】

整流回路６０は、三相交流電源５０からの交流電力を整流して直流電力に変換し、この直流電力をインバータ等の電力変換器７０に供給する。

【0034】

ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）回路１３は、相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊および直流電圧検出値Ｅ_ｄｃに基づいて、電力変換器７０の出力電圧を相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に制御するための複数のゲート信号を生成する。電力変換器７０は、ＰＷＭ回路１３からの複数のゲート信号に基づいて、電力変換器７０内部の複数の半導体スイッチング素子を制御することにより、ＰＭＳＭ８０の端子電圧を相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に制御する。

【0035】

制御装置１００は、ＰＭＳＭ８０の電流が電流指令値ｉ_ｄＡＣＲ ^＊，ｉ_ｑＡＣＲ ^＊に一致するようにＰＭＳＭ８０の端子電圧を制御する端子電圧制御部とを備える。例えば、電流座標変換器１４、ｄ軸電流調節器２０ａ、ｑ軸電流調節器２０ｂ、電圧座標変換器１５及びＰＷＭ回路１３が、端子電圧制御部として機能する。

【0036】

以上に述べた制御によって、ＰＭＳＭ８０の速度を指令値（より詳しくは、速度指令値ω_ｒｍ ^＊）に制御できる。

【0037】

次に、電流指令補正部３０の詳細について説明する。

【0038】

電流指令補正部３０は、電流制御系の過渡状態でも、ｄ，ｑ軸電圧指令値ｖ_ｄ ^＊，ｖ_ｑ ^＊の大きさが電圧制限値Ｖ_ａｌｉｍ以下になり、かつ、電流指令値ｉ_ｄ ^＊，ｉ_ｑ ^＊と電流指令値ｉ_ｄＡＣＲ ^＊，ｉ_ｑＡＣＲ ^＊との偏差が最小になるように、電流指令値ｉ_ｄＡＣＲ ^＊，ｉ_ｑＡＣＲ ^＊を演算する。より具体的には、電流指令補正部３０は、モデル予測制御（以下、ＭＰＣ）の技術を利用して、電流指令値ｉ_ｄＡＣＲ ^＊，ｉ_ｑＡＣＲ ^＊を演算する。

【0039】

まず、ＭＰＣの概要を説明する。

【0040】

図３は、入力ベクトルをｕ、出力ベクトルをｙとする離散値系の状態方程式モデルにおけるＭＰＣの原理を示す。図２において、各記号は、
ｓ（ｔ）：設定値軌道ベクトル
ｒ（ｔ｜ｋ）：現時刻ｋの後のサンプル点ｔの参照軌道ベクトル
ｕ_ｅｓｔ（ｔ｜ｋ）：現時刻ｋの後のサンプル点ｔの入力ベクトル推定値
ｙ_ｅｓｔ（ｔ｜ｋ）：現時刻ｋの後のサンプル点ｔの出力ベクトル推定値
Ｈ_Ｐ：予測ホライズン
とする。参照軌道ベクトルｒとは、現時刻の出力ｙ（ｋ）から出発して、出力ｙ（ｔ）が設定値軌道ベクトルｓ（ｔ）に戻るべき理想的な軌道を表す。

【0041】

まず、電流指令補正部３０は、サンプル点ｋにおいて、目標値に相当する設定値軌道ベクトルｓ（ｔ）を用いて、サンプル点ｋから（ｋ＋Ｈ_Ｐ）までの参照軌道ベクトルｒ（ｔ｜ｋ）を演算する。参照軌道ベクトルｒ（ｔ｜ｋ）は、時間の経過に伴って設定値軌道ベクトルｓ（ｔ）に近づくように演算される。電流指令補正部３０は、参照軌道ベクトルｒ（ｔ｜ｋ）と入力ベクトル推定値ｕ_ｅｓｔ（ｔ｜ｋ）と出力ベクトル推定値ｙ_ｅｓｔ（ｔ｜ｋ）との関数である評価関数を定義し、その評価関数が最小になる入力ベクトル推定値ｕ_ｅｓｔ（ｔ｜ｋ）の最適解を求める。状態ベクトル推定値ｘ_ｅｓｔ（ｔ｜ｋ）は、サンプル点ｋの出力ｙ（ｋ）と入力ベクトル推定値ｕ_ｅｓｔ（ｔ｜ｋ）とを用いて状態方程式モデルを使って演算可能なので、評価関数は入力ベクトル推定値ｕ_ｅｓｔ（ｔ｜ｋ）のみの関数に変形可能である。

【0042】

次に、ＭＰＣを利用した電流指令値の演算方法について説明する。

【0043】

インバータ等の電力変換器７０の出力電圧の制御遅れが１サンプル周期である場合、ＰＭＳＭ８０の電流制御系の離散値系モデルは、次式で表現可能である。

【0044】

【数1】

【0045】

システム行列Ａ，Ｂは、ＰＭＳＭの電気定数を用いて次式のように定義される。システム行列Ａ，Ｂ内のＴ_ｓは、サンプリング周期を表す。

【0046】

【数2】

【0047】

ＭＰＣの設定値軌道ベクトルｓは、電流指令値ｉ_ｄｑ ^＊とする。参照軌道ベクトルｒに相当する電流指令値ｉ_ｄｑｒ ^＊は、その初期値を電流指令補正部３０の出力である電流指令値ｉ_{ｄｑＡＣＲ} ^＊の前回値とし、電力変換器７０の出力電圧の制御遅れを考慮して、電流応答が最も早くなるように次式のように設定される。

【0048】

【数3】

【0049】

電流指令値ｉ_ｄｒ ^＊は、電流指令演算部１８により演算されるｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊に対応し、電流指令値ｉ_ｑｒ ^＊は、電流指令演算部１８により演算されるｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊に対応する。

【0050】

電流指令値ｉ_ｄｑｒ ^＊（参照軌道ベクトルｒに相当）と電流推定値ベクトルｉ_{ｄｑｕｅｓｔ}（出力ベクトル推定値ｙ_ｅｓｔに相当）との偏差を最小化するため、評価関数は、例えば、次式のように設定される。

【0051】

【数4】

【0052】

電流指令補正部３０は、数式１により、電流推定値ベクトルｉ_{ｄｑｕｅｓｔ}を、電圧推定値ベクトルｖ_{ｄｑｕｅｓｔ}（入力ベクトル推定値ｕ_ｅｓｔに相当）に基づいて次式に従って演算（推定）できる。

【0053】

【数5】

【0054】

電圧推定値ベクトルｖ_{ｄｑｕｅｓｔ}は、ＰＭＳＭ８０の端子電圧の推定値に対応する。数式５によれば、電流推定値ベクトルｉ_{ｄｑｕｅｓｔ}は、電圧推定値ベクトルｖ_{ｄｑｕｅｓｔ}の関数で表現可能なので、数式４に示される評価関数Ｖは、電圧推定値ベクトルｖ_{ｄｑｕｅｓｔ}の関数で表現可能である。

【0055】

また、電力変換器７０の最大出力電圧による電圧指令値の制約は、次式のように電圧推定値ベクトルｖ_{ｄｑｕｅｓｔ}の二乗ノルムの制約として表現可能である。

【0056】

【数6】

【0057】

以上のことから、電流指令補正部３０は、電圧推定値ベクトルｖ_{ｄｑｕｅｓｔ}の大きさを電圧制限値Ｖ_ａｌｉｍ以下にし、かつ、数式４の評価関数Ｖを最小にする電圧最適値ベクトルｖ_{ｄｑｏｐｔ}を、次式の制約条件付き最適化問題を解くことで導出できる。

【0058】

【数7】

【0059】

電流指令補正部３０は、電流指令値ｉ_{ｄｑＡＣＲ} ^＊を、数式７に従って導出された電圧最適値ベクトルｖ_{ｄｑｏｐｔ}を使って、次式に従って演算する。

【0060】

【数8】

【0061】

よって、電流指令補正部３０は、ＰＭＳＭ８０の端子電圧を電圧最適値ベクトルｖ_{ｄｑｏｐｔ}に制御したときのＰＭＳＭ８０の電流の推定値を、電流指令値ｉ_{ｄｑＡＣＲ} ^＊と設定する。

【0062】

このように、第１の制御例によれば、電流指令補正部３０は、ＰＭＳＭ８０の端子電圧の大きさが電圧制限値Ｖ_ａｌｉｍ以下になり、かつ、電流指令値ｉ_ｄ ^＊，ｉ_ｑ ^＊と電流指令値ｉ_ｄＡＣＲ ^＊，ｉ_ｑＡＣＲ ^＊との偏差が最小になるように、電流指令値ｉ_ｄＡＣＲ ^＊，ｉ_ｑＡＣＲ ^＊を演算する。これにより、電流指令演算部１８により一旦演算された電流指令値ｉ_ｄ ^＊，ｉ_ｑ ^＊を補正して得られる電流指令値ｉ_ｄＡＣＲ ^＊，ｉ_ｑＡＣＲ ^＊が電流制御に使用されるので、電流制御系の過渡状態での電流制御精度を向上させることができる。特に、ＰＭＳＭ８０の端子電圧を電圧最適値ベクトルｖ_{ｄｑｏｐｔ}に制御したときのＰＭＳＭ８０の電流の推定値が、電流指令値ｉ_{ｄｑＡＣＲ} ^＊として使用されるので、電流指令値ｉ_{ｄｑＡＣＲ} ^＊を高精度に演算することができ、電流制御精度と電流応答を向上させることができる。

【0063】

＜第２の制御例＞
第２の制御例は、第１の制御例における電流指令補正部３０の演算を簡素化したものである。第１の制御例のＭＰＣを利用した電流指令値演算において、予測ホライズンＨ_Ｐと窓パラメータＨ_ｗを次式のように最小値とする。

【0064】

【数9】

【0065】

この場合、数式３に示した参照軌道ベクトルｒに相当する電流指令値ｉ_ｄｑｒ ^＊は、次式に変形される。

【0066】

【数10】

【0067】

また、数式４に示した評価関数Ｖは、次式に変形される。

【0068】

【数11】

【0069】

数式５の電流推定値ベクトルｉ_{ｄｑｕｅｓｔ}は、次式に変形される。

【0070】

【数12】

【0071】

さらに、数式６の電力変換器７０の最大出力電圧による電圧指令値の制約は、次式に変形される。

【0072】

【数13】

【0073】

次に、電圧推定値ベクトルｖ_{ｄｑｕｅｓｔ}の大きさを電圧制限値Ｖ_ａｌｉｍ以下にし、かつ、数式１１の評価関数Ｖを最小にする電圧最適値ベクトルｖ_{ｄｑｏｐｔ}の計算方法について説明する。

【0074】

まず、電流指令補正部３０は、電圧推定値ベクトルｖ_{ｄｑｕｅｓｔ}の初期値ｖ_{ｄｑｕｅｓｔ０}を、次式に従って演算する。

【0075】

【数14】

【0076】

電圧推定値ベクトルの初期値ｖ_{ｄｑｕｅｓｔ０}の大きさが電圧制限値Ｖ_ａｌｉｍ以下の場合、電流を電流指令値ｉ_ｄｑｒ ^＊（参照軌道ベクトルｒに相当）に制御できる。そこで、電流指令値ｉ_{ｄｑＡＣＲ} ^＊を電流指令値ｉ_ｄｑｒ ^＊（参照軌道ベクトルｒに相当）に制御する。さらに、数式１０により、電流指令値ｉ_{ｄｑＡＣＲ} ^＊は、次式のように制御される。

【0077】

【数15】

【0078】

一方、電圧推定値ベクトルの初期値ｖ_{ｄｑｕｅｓｔ０}の大きさが電圧制限値Ｖ_ａｌｉｍよりも大きくなるとき、電流を電流指令値ｉ_ｄｑｒ ^＊（参照軌道ベクトルｒに相当）に制御できない。この場合、数式１１の評価関数Ｖを最小にする電圧最適値ベクトルｖ_{ｄｑｏｐｔ}の大きさは、電圧制限値Ｖ_ａｌｉｍに等しくなる。そこで、電圧推定値ベクトルｖ_{ｄｑｕｅｓｔ}を、次式のように、その大きさを電圧制限値Ｖ_ａｌｉｍとし、角度を角度推定値δ_{ｖａｅｓｔ}の関数とするベクトルで表現する。

【0079】

【数16】

【0080】

これにより、電流指令補正部３０は、電圧推定値ベクトルｖ_{ｄｑｕｅｓｔ}の大きさを電圧制限値Ｖ_ａｌｉｍ以下にし、かつ、数式１１の評価関数Ｖを最小にする電圧推定値ベクトルｖ_{ｄｑｕｅｓｔ}の角度の最適値δ_{ｖａｏｐｔ}を、次式の最適化問題を解くことで導出できる。

【0081】

【数17】

【0082】

数式１７の最適化問題は、決定変数が１つだけなので、黄金分割法をはじめとする比較的簡単なアルゴリズムで解くことができる。

【0083】

電流指令補正部３０は、電圧最適値ベクトルｖ_{ｄｑｏｐｔ}を、最適値δ_{ｖａｏｐｔ}を使って次式に従って演算できる。

【0084】

【数18】

【0085】

そして、第１の制御例と同様に、電流指令補正部３０は、電流指令値ｉ_{ｄｑＡＣＲ} ^＊を、数式１８に従って導出された電圧最適値ベクトルｖ_{ｄｑｏｐｔ}を使って、数式８に従って演算する。

【0086】

よって、電流指令補正部３０は、ＰＭＳＭ８０の端子電圧のベクトルの大きさを電圧制限値Ｖ_ａｌｉｍに制御し、かつ、当該端子電圧のベクトルの角度を最適値δ_{ｖａｏｐｔ}に制御したときの電流推定値ベクトルｉ_{ｄｑｕｅｓｔ}を、電流指令値ｉ_{ｄｑＡＣＲ} ^＊と設定する。このように、第２の制御例によれば、より簡単な制御演算で、電流制御精度と電流応答を向上させることができる。

【0087】

＜第３の制御例＞
第３の制御例は、第２の制御例における電流指令補正部３０の演算を高精度化したものである。ＭＰＣを利用するためには、数式５および数式１２で示されるように、正確な状態方程式モデルが必要であり、電動機の電気定数と制御装置内部の電気定数との間に誤差があると、正確な制御演算を実現できない。そこで、電流指令補正部３０は、電気定数の誤差を電圧外乱として扱う状態方程式モデルを使って制御演算を行う。電流指令補正部３０は、ＰＭＳＭ８０の電流と端子電圧とを入力とする外乱オブザーバを使って、電圧外乱を推定する。

【0088】

電圧外乱を考慮したＰＭＳＭ８０の電流制御系の離散値系モデルは、次式で表現可能である。

【0089】

【数19】

【0090】

数式１９により、数式１２の電流推定値ベクトルｉ_{ｄｑｕｅｓｔ}の演算は、電圧外乱を考慮すると、次式のように表現できる。

【0091】

【数20】

【0092】

電流指令値ｉ_{ｄｑＡＣＲ} ^＊は、数式１２の電流推定値ベクトルｉ_{ｄｑｕｅｓｔ}の演算を数式２０に置き換えて、第２の実施例と同様に、電流指令補正部３０により演算される。これにより、電流指令補正部３０は、電気定数の誤差がある場合にも正確に最適な電流指令値ｉ_{ｄｑＡＣＲ} ^＊を演算できる。

【0093】

次に、電圧外乱の推定方法を説明する。

【0094】

例えば、電流指令補正部３０は、電圧外乱推定値ｖ_{ｄｑｄｉｓｅｓｔ}を、数式１９の状態方程式モデルに基づき設計された最小次元オブザーバを使って、次式に従って演算する。

【0095】

【数21】

【0096】

数式２１内の電圧ｖ_ｄｑ（ｖ_ｄとｖ_ｑ）には、電圧指令値ｖ_ｄ ^＊，ｖ_ｑ ^＊を用いる。または、電圧検出回路を用いて３相電圧ｖ_ｕ，ｖ_ｖ，ｖ_ｗを検出し、３相電圧ｖ_ｕ，ｖ_ｖ，ｖ_ｗの検出値を位置検出値θ_ｒｅを使って座標変換して得られるｄ，ｑ軸電圧検出値を、数式２１内の電圧ｖ_ｄｑに用いてもよい。

【0097】

このように、第３の制御例によれば、電流指令補正部３０は、ＰＭＳＭ８０の端子電圧と電流とに基づいて、電圧外乱を推定し、当該端子電圧の推定値と当該電圧外乱の推定値とに基づいて、ＰＭＳＭ８０の電流を推定する。これにより、ＰＭＳＭ８０の電気定数と制御装置１００内部の電気定数とに誤差があっても、電流制御精度と電流応答を向上させることができる。

【0098】

図４は、制御装置が備える演算装置のハードウェア構成を例示する図である。図４は、制御装置１００が備える演算装置の一例であるマイクロコンピュータ１１０を示している。マイクロコンピュータ１１０は、メモリ１２１、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１２２、ＡＤ（Analog to Digital）変換部１２３、ＰＷＭモジュール１２４、通信部１２５及びタイマ１２６を備える。ＣＰＵ１２２は、制御装置１００の制御を行うプロセッサである。通信部１２５は、マイクロコンピュータ１１０外部の上位コントローラと通信を行う。タイマ１２６は、タイマ値のカウントを行う。メモリ１２１は、プログラム等を記憶する。メモリ１２１内のプログラムによって、ＣＰＵ１２２が動作する。図１の各制御ブロックの機能は、メモリ１２１に読み出し可能に記憶されるプログラムによってＣＰＵ１２２が動作することにより実現される。

【0099】

図１の各制御ブロックとは、例えば、減算器１６，１９ａ，１９ｂ、機械角速度演算器９２、速度調節器１７、電流指令演算部１８、電流指令補正部３０、電流調節器２０ａ，２０ｂ、電圧座標変換器１５、電圧制限値演算器２２、及び電流座標変換器１４である。

【0100】

図１の各制御ブロックの機能は、コンピュータに各機能を実現させるプログラムによって提供可能である。また、各制御ブロックの機能は、上記のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体、又は、上記のプログラム等のコンピュータプログラムプロダクトによって提供可能である。記録媒体としては、例えばフレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭ等を用いることができる。

【0101】

以上、交流電動機の制御装置を実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。

【0102】

例えば、上述の実施形態では、制御装置が制御する交流電動機がＰＭＳＭの場合を示したが、制御装置が制御する交流電動機は、誘導電動機やシンクロナスリラクタンスモータなどの他の交流電動機でもよい。

【符号の説明】

【0103】

１１ｕ ｕ相電流検出器
１１ｗ ｗ相電流検出器
１２ 直流電圧検出回路
１３ ＰＷＭ回路
１４ 電流座標変換器
１５ 電圧座標変換器
１６ 減算器
１７ 速度調節器
１８ 電流指令演算部
１９ａ，１９ｂ 減算器
２０ａ ｄ軸電流調節器
２０ｂ ｑ軸電流調節器
２２ 電圧制限値演算器
３０ 電流指令補正部
５０ 三相交流電源
６０ 整流回路
７０ 電力変換器
８０ ＰＭＳＭ
９０ 位置・速度検出器
９１ 位置・速度検出回路
９２ 機械角速度演算器
１００ 制御装置
１１０ マイクロコンピュータ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】