特許 7234464 電動機駆動システム、及び制御方法

(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】2023-02-27

(45)【発行日】2023-03-07

(54)【発明の名称】電動機駆動システム、及び制御方法

(51)【国際特許分類】

   H02P 27/06 20060101AFI20230228BHJP

   H02P 21/36 20160101ALI20230228BHJP

   H02P 21/13 20060101ALI20230228BHJP

【ＦＩ】

H02P27/06

H02P21/36

H02P21/13

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2022528409

(86)(22)【出願日】2020-07-21

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-09-13

(86)【国際出願番号】 JP2020029176

(87)【国際公開番号】W WO2021015296

(87)【国際公開日】2021-01-28

【審査請求日】2022-01-07

(31)【優先権主張番号】62/878,343

(32)【優先日】2019-07-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】16/879,029

(32)【優先日】2020-05-20

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】591013274

【氏名又は名称】ウィスコンシン アラムニ リサーチ ファンデーション

(73)【特許権者】

【識別番号】501137636

【氏名又は名称】東芝三菱電機産業システム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106909

【弁理士】

【氏名又は名称】棚井 澄雄

(74)【代理人】

【識別番号】100154852

【弁理士】

【氏名又は名称】酒井 太一

(74)【代理人】

【識別番号】100135301

【弁理士】

【氏名又は名称】梶井 良訓

(72)【発明者】

【氏名】ヤン・シュ

(72)【発明者】

【氏名】森藤 力

【審査官】佐藤 彰洋

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－０１０３１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０１３１２９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｐ ２７／０６

Ｈ０２Ｐ ２１／３６

Ｈ０２Ｐ ２１／１３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

誘導電動機の巻線に電流を流すインバータと、
前記インバータをベクトル制御で制御して前記誘導電動機を駆動させる制御装置と
を備え、
前記制御装置は、
前記誘導電動機の固定子磁束推定値の算定基準を複数備え、
前記誘導電動機を制動させる場合に、前記誘導電動機の損失をより多くするような前記固定子磁束推定値の算定基準を、少なくとも前記誘導電動機の回転速度に基づいて、複数の算定基準の中から選択する適正磁束指令生成ユニットを備える、
電動機駆動システム。

【請求項2】

前記適正磁束指令生成ユニットは、
前記インバータが出力する電圧と、前記インバータから前記誘導電動機の巻線に流れる電流と、前記誘導電動機の回転速度とに基づいて規定される論理値に基づいて、前記固定子磁束推定値の算定基準を、前記選択する、
請求項１に記載の電動機駆動システム。

【請求項3】

前記適正磁束指令生成ユニットは、
固定子磁束座標平面上で、前記誘導電動機の巻線に流れる電流の最大電流を示す楕円が、前記誘導電動機の巻線に係る電圧の最大電圧の円内に含まれるか否かを基準にして、前記固定子磁束推定値の算定基準を前記選択する、
請求項１に記載の電動機駆動システム。

【請求項4】

前記適正磁束指令生成ユニットは、
前記誘導電動機の回転速度が比較的低速の場合、固定子磁束座標平面上で、前記誘導電動機の巻線に流れる電流の最大電流とトルク指令値とに基づいて定まる動作点に基づいて、固定子磁束指令値の大きさを決定する、
請求項１に記載の電動機駆動システム。

【請求項5】

前記適正磁束指令生成ユニットは、
前記誘導電動機の回転速度が比較的低速の場合、前記固定子磁束座標平面上で、前記誘導電動機の巻線に流れる電流の最大電流とトルク指令値とに基づいて定まる動作点に係る固定子磁束指令値の大きさは、前記誘導電動機の巻線に掛かる最大電圧に基づいて定まる動作点に係る固定子磁束指令値の大きさよりも小さい、
請求項４に記載の電動機駆動システム。

【請求項6】

前記適正磁束指令生成ユニットは、
前記誘導電動機の回転速度が比較的高速の場合、固定子磁束座標平面上で、前記誘導電動機の巻線に係る電圧の最大電圧とトルク指令値とに基づいて定まる動作点は、
前記誘導電動機の巻線に流れる電流の最大電流を規定する楕円の内側に配置される、
請求項１に記載の電動機駆動システム。

【請求項7】

前記制御装置は、
前記誘導電動機のエアギャップトルクの指令値を、前記誘導電動機の損失と、前記誘導電動機の回転速度とに基づいて定められた値で制限するトルク指令制限ユニット
を備える請求項１に記載の電動機駆動システム。

【請求項8】

誘導電動機の巻線に電流を流すインバータと、
前記インバータをベクトル制御で制御して前記誘導電動機を駆動させる制御装置と
を備える電動機駆動システムの制御方法であって、
前記制御装置は、前記誘導電動機の固定子磁束推定値の算定基準を複数有しており、
前記誘導電動機を制動させる場合に、前記誘導電動機の損失をより多くするような前記固定子磁束推定値の算定基準を、少なくとも前記誘導電動機の回転速度に基づいて、複数の算定基準の中から選択する過程
を含む制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、電動機駆動システム、及び制御方法に関する。
この出願は、２０１９年７月２５日に出願された米国仮特許出願第６２／８７８，３４３号と、２０２０年５月２０日に出願された米国特許出願第１６／８７９，０２９号とに基づいており、優先権の利益を主張する。その全内容は、参照により本明細書に組み込まれる。

【背景技術】

【0002】

電動機駆動システムは、電力変換装置を制御することによって誘導電動機を駆動させ、条件に応じてその誘導電動機を制動させる。駆動中の誘導電動機を制動させることに関する幾つかの技術が知られている。このような誘導電動機をより安定に制動させることが、電動機駆動システムに要求されることがあった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】米国特許第９２８１７７２号明細書

【非特許文献】

【0004】

【文献】Y. Wang, T. Ito, R.D. Lorenz, “Loss manipulation capabilities of deadbeat direct torque and flux control induction machine drives”, IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), pp.4554-4566, Nov. / Dec. 2015.

【文献】M. Hinkkanen, J. Luomi, “Braking scheme for vector controlled induction motor drives equipped with diode rectifier without braking resistor”, IEEE Trans. on Ind. Appl., vol. 42, no. 5, pp. 1257-1263, Sept./Oct. 2006.

【文献】J. Jiang, J. Holtz, “An efficient braking method for vector controlled AC drives with a diode rectifier front end”, IEEE Trans. on Ind. Appl, vol. 37, no. 5, pp. 1299-1307, Sept./Oct. 2001.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明が解決しようとする課題は、誘導電動機をより安定に制動させることができる電動機駆動システム、及び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】

【0006】

実施形態の電動機駆動システムは、インバータと、制御装置とを備える。前記インバータは、誘導電動機の巻線に電流を流す。前記制御装置は、前記インバータをベクトル制御で制御して前記誘導電動機を駆動させる。前記制御装置は、前記誘導電動機の固定子磁束推定値の算定基準を複数備え、前記誘導電動機を制動させる場合に、前記誘導電動機の損失をより多くするような前記固定子磁束推定値の算定基準を、少なくとも前記誘導電動機の回転速度に基づいて、複数の算定基準の中から選択する適正磁束指令生成ユニットを備える。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】第１の実施形態の電動機駆動システムのブロック図。

【図2】第１の実施形態に係る制御装置の一部を拡大した構成図。

【図3】第１の実施形態の磁束のｑｄｓ軸座標系における電圧の制限値Vsmaxを示す図。

【図4】第１の実施形態の磁束のｑｄｓ軸座標系における電流の制限値Ismaxを示す図。

【図5】第１の実施形態の磁束のｑｄｓ軸座標系における電圧の制限値Vsmaxと電流の制限値Ismaxの関係を説明するための図。

【図6】第１の実施形態の比較的低速度状態からの制動制御を説明するための図。

【図7】第１の実施形態の比較的高速度状態からの制動制御を説明するための図。

【図8】第１の実施形態の損失最大化手法を適用したときの実験結果を説明するための図。

【図9】第２の実施形態の電動機駆動システムのブロック図。

【図10】第２の実施形態の演算処理を説明するための図。

【図11】第３の実施形態の電動機駆動システムのブロック図。

【図12】上記の実施形態の制御装置１０のブロック図。

【図13】実施形態の変数について説明するための図。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、実施形態の電動機駆動システム、及び制御方法を、図面を参照して説明する。以下の説明の電動機駆動システムは、電動機に所望の交流電力を供給する。

【0009】

（第１の実施形態）
次に、電動機駆動システム１の構成例について説明する。図１は、実施形態の電動機駆動システム１のブロック図である。

【0010】

電動機駆動システム１は、例えば、電動機２と、電力変換装置３と、電流検出器９ａと電流検出器９ｂと、制御装置１０とを備える。図１中の電動機駆動システム１は、交流電源５（Ｇ）から電力の供給を受ける。電動機駆動システム１において、電力変換装置３を制御する制御装置１０が適用される。

【0011】

電動機２は、例えば三相の誘導電動機（IM:Induction motor）である。電動機２の軸は、図示されない負荷の軸に機械的に連結される。電動機２の回転子は、例えば、固定子巻線に供給される三相交流電力により回転して、負荷の軸を回転させる。電動機２の軸には、センサ２Ａが設けられている。センサ２Ａは、例えば、レゾルバ、速度センサなどを有する。センサ２Ａは、電動機２の軸の回転を検出し、軸の角度（位相）又は角速度の応じた物理量を示す情報を出力する。例えば、センサ２Ａが出力する物理量の情報が、電動機２の回転子電気角θrである場合を例示して説明する。この電動機２には、トルクセンサが設けられていない。

【0012】

電力変換装置３は、例えば、整流器６と、コンデンサ７と、電力変換ユニット８とを備える。整流器６は、交流電源５から、整流器６の交流入力に供給される交流を整流する。整流器６の直流出力には直流リンクが接続されている。コンデンサ７は、上記の直流リンクに設けられている。コンデンサ７は、直流リンクに印加される電圧を平滑化する。

【0013】

電力変換ユニット８の直流入力は、直流リンクに接続されている。電力変換ユニット８は、直流リンクを経て供給される直流電力を三相交流電力に変換して、三相交流電力を電力変換ユニット８の交流出力から電動機２に供給する。電力変換ユニット８は、電圧型インバータである。例えば、電力変換ユニット８は、後述する制御装置１０からのＰＷＭ（Pulse Wide Modulation）制御により駆動される。電力変換ユニット８は、制御装置１０によってＶＶＶＦ（Variable Voltage Variable Frequency）制御されて、電動機２の速度などを調整する。

【0014】

電力変換ユニット８は、交流出力の三相に対応する電力変換回路を有する。電力変換回路は、相ごとに上アームと下アームを有する。上アームと下アームは、各々少なくとも１つのスイッチング素子を備える。

【0015】

電流検出器９ａは、電力変換ユニット８の出力側のｖ相に設けられる。電流検出器９ａは、ｖ相固定子電流Ivsを検出する。電流検出器９ｂは、電力変換ユニット８の出力側のｗ相に設けられる。電流検出器９ｂは、ｗ相固定子電流Iwsを検出する。図示する電流検出器９ａ、９ｂは、二相に設けられているが、電流検出器を三相にそれぞれ設けてもよい。

【0016】

制御装置１０は、上位装置からの指令値と電流検出器９ａ、９ｂの検出結果とに基づいて、電力変換装置３を制御する。

【0017】

ここで、制御装置１０で利用される座標系について説明する。
制御装置１０における制御では、複数の座標系、例えば第１と第２の座標系を目的により適宜使い分けて利用する。なお、例示する以外の座標系の利用を制限するものではなく、他の座標系を適宜追加し、また変更してもよい。
第１の座標系として、三相座標系がある。三相座標系は、電動機２の固定子巻線の電圧（固定子電圧）に基づいた三相の成分を含む。例えば、電動機２の固定子電圧は、ｕ相、ｖ相、ｗ相の三相の成分（三相信号成分）で表すことができる。電動機２の固定子電圧を所定の平面上に原点を基準にしてベクトル表記した場合、各相の電圧ベクトルが２π／３の角度差を有して原点（中心）から放射状に描かれる。

【0018】

第２の座標系として、ｑｄｓ軸座標系がある。ｑｄｓ軸座標系は、互いに直交するｑｓ軸とｄｓ軸を含む。例えば、ｑｄｓ軸座標系の原点を基準にｑｄｓ軸座標系のｑｓ軸の方向を、固定子のｕ相の電圧ベクトルの方向に一致させて、三相座標系とｑｄｓ軸座標系が所定の平面上に配置される。三相座標系の三相信号成分をｑｄｓ軸座標系のｑｓ軸とｄｓ軸の二相信号成分に変換する演算を、「ｑｄｓ軸変換」と呼ぶ。「ｑｄｓ軸変換」によって、三相信号成分は、ｑｓ軸とｄｓ軸の二相信号成分に変換される。ｑｄｓ軸座標系のｑｓ軸とｄｓ軸の二相信号成分を三相座標系の三相信号成分に変換する演算を、「ｑｄｓ軸逆変換」と呼ぶ。「ｑｄｓ軸逆変換」によって、ｑｓ軸とｄｓ軸の二相信号成分は、三相信号成分に変換される。例えば、ｑｄｓ軸座標系の原点は、固定子磁束に基づいて規定される。

【0019】

第３の座標系として、同期ｑｄｓ軸座標系がある。同期ｑｄｓ軸座標系は、互いに直交する同期ｑｓ軸と同期ｄｓ軸を含む。この第３の座標系は、第２の実施形態で用いる。

【0020】

第４の座標系として、同期ｑｄｒ軸座標系がある。同期ｑｄｒ軸座標系は、静止座標系に対して基準信号θeに同期して回転する同期ｑｒ軸と同期ｄｒ軸を含む。この第４の座標系は、第３の実施形態で用いる。

【0021】

図１３を参照して、実施形態を例示する図と式において使用される変数について説明する。図１３は、実施形態の変数について説明するための図である。

【0022】

例えば、ｑｄｓ軸座標系における固定子磁束の推定値のことを、本実施形態において固定子ｑｄｓ軸磁束推定値λqds_s_estと記す。「λ」は磁束を示す。これに続くサフィックスの第１パートのｑｄｓがｑｄｓ軸座標のｑｓ軸成分とｄｓ軸成分を示す。サフィックスの第２パートのｓが固定子側の静止座標系（以下、固定子側座標系という。）を示す。固定子ｑｄｓ軸磁束λqds_sは、ｑｄｓ軸座標の２相成分を纏めて表したものである。上記の場合の２相成分は、固定子ｑｓ軸磁束λqs_sと固定子ｄｓ軸磁束λds_sの２つである。固定子ｑｓ軸磁束λqs_sは、固定子磁束のｑｄｓ軸座標系におけるｑｓ軸成分を示す。固定子ｄｓ軸磁束λds_sは、固定子磁束のｑｄｓ軸座標系におけるｄｓ軸成分を示す。なお、２相成分で表した情報を纏めて、複素ベクトル空間のベクトル値として扱うことがある。サフィックスの第３パートのestが推定値を示す。第３パートに続く小括弧内に時系列情報を識別する情報を記載する。第３パートに示すものとして、上記のほかに指令値(com)、微分値(dot)、検出値（det）、平均値（ave）などがある。

【0023】

また、後述する演算式及び図面の中では、本文中の表記と異なる表記をとる。例えば、上記の固定子ｑｄｓ軸磁束推定値λqds_s_estについては、式（１）に示すように表記する。

【0024】

【数1】

【0025】

上記の式（１）に示す「λ」の右下付き文字のｑｄｓは、ｑｄｓ軸座標の２相成分の情報であることを示す。「λ」の右上付き文字の「ｓ」は、固定子側座標系の情報であることを示す。「λ」の上に示す「^」は、推定値を示す。文字の上に示す記号には、上記のほかに微分値を示す「・」がある。指令値については右上付き文字の「＊」を用いて示す。複素ベクトルを示す変数には、上記の磁束λと、電圧Ｖと、電流ｉとがある。その他の詳細は、図１３を参照する。

【0026】

図１に戻り、制御装置１０について説明する。
制御装置１０は、例えば、モーションコントローラ１２と、速度／位相推定ユニット１３と、ＤＢ－ＤＴＦＣ演算ユニット１４と、第１座標変換ユニット１５と、ＰＷＭコントローラ１６と、第２座標変換ユニット１７と、滑り角周波数推定ユニット１８と、加算器ユニット１９と、電流／磁束推定ユニット２０と、適正磁束指令生成ユニット２１と、損失推定ユニット２２と、トルク指令制限ユニット２３と、除算ユニット２７とを備える。

【0027】

モーションコントローラ１２は、回転子角速度指令値（電気角）ωr_comと、回転子角速度推定値（電気角）ωr_estとに基づいて、エアギャップトルク指令値Tem1_comを算出する。例えば、回転子角速度指令値（電気角）ωr_comは、制御装置１０の外部の装置（上位装置）から供給されてもよい。回転子角速度推定値（電気角）ωr_estは、後述の速度／位相推定ユニット１３から供給される。以下、回転子角速度推定値（電気角）ωr_estのことを、単に回転子角速度推定値ωr_estと呼ぶ。モーションコントローラ１２は、回転子角速度推定値ωr_estを、回転子角速度指令値（電気角）ωr_comに追従させるようなエアギャップトルク指令値Tem1_comを算出する。エアギャップトルク指令値Tem1_comの値は、後述するトルク指令制限ユニット２３を経ることで信号の振幅が制限されることがある。これにより、後述するＤＢ－ＤＴＦＣ演算ユニット１４に対するエアギャップトルク指令値Tem_comの値が、エアギャップトルク指令値Tem1_comの値とは異なる値に変換されることがある。

【0028】

速度／位相推定ユニット１３は、例えば、センサ２Ａから供給される回転子電気角θrに基づいて、回転子角速度推定値ωr_estと、回転子角度推定値(電気角)θr_estとを算出する。例えば、回転子角度推定値(電気角)θr_estは、回転子電気角θrの平均値であってよい。以下、回転子角度推定値(電気角)θr_estのことを、単に回転子角度推定値θr_estと呼ぶ。

【0029】

例えば、速度／位相推定ユニット１３は、電動機２の回転状態を推定するモーションオブザーバを有する。上記のモーションオブザーバは、ゼロラグフィルタ（zero lag filter）と等価であり、一般的に用いられる１次遅れフィルタよりも、入力信号に対する出力信号の遅延を少なくする。つまり、速度／位相推定ユニット１３は、回転子電気角θrに対する、回転子角速度推定値ωr_estと、回転子角度推定値θr_estとの遅延を少なくする。回転子角速度推定値ωr_estと、回転子角度推定値θr_estは、それぞれの現在の状態量の値の推定値になる。速度／位相推定ユニット１３は、このようなモーションオブザーバを用いることで、出力信号に含まれるノイズ成分の少ない出力信号を得ることを可能にする。

【0030】

例えば、速度／位相推定ユニット１３は、回転子角速度推定値ωr_estを、モーションコントローラ１２と、ＤＢ－ＤＴＦＣ演算ユニット１４と、加算器ユニット１９と電流／磁束推定ユニット２０と、損失推定ユニット２２と、除算ユニット２７とに供給する。除算ユニット２７によって変換された回転子角速度推定値（機械角）ωrｍ_estは、トルク指令制限ユニット２３に供給される。速度／位相推定ユニット１３は、回転子角度推定値θr_estを、電流／磁束推定ユニット２０に供給する。

【0031】

なお、上記のモーションオブザーバへの入力は、位相と角速度の何れであっても良い。速度／位相推定ユニット１３の入力信号は、例えば、センサ２Ａに位相センサを用いる場合には位相θrであってよく、センサ２Ａに速度センサを用いる場合には角速度ωrであってよい。PLG(Pulse Generator)は、速度センサの一例である。

【0032】

なお、センサ２Ａなどの物理的なセンサを用いない場合には、速度／位相推定ユニット１３として、ポジショントラッキングオブザーバ（position tracking observer）を用いてよい。この場合のポジショントラッキングオブザーバの入力信号には、電流、電圧、及び磁束の何れを用いてもよい。ポジショントラッキングオブザーバの構成例については、Yang Xu他、"Extending Low Speed Self-Sensing via Flux Tracking with Volt-Second Sensing", [online], 2018年, IEEE, [2018年9月13日検索]、インターネット（URL：https://ieeexplore.ieee.org/document/8344841/）などを参照してもよい。

【0033】

ＤＢ－ＤＴＦＣ演算ユニット１４（図中の記載はＤＢ－ＤＴＦＣ。）は、ＤＢ－ＤＴＦＣ（Deadbeat, Direct Torque and Flux Control）方式に従い電動機２を制御するコントローラである。ＤＢ－ＤＴＦＣ演算ユニット１４には、電動機２の物理モデルが予め設定されている。物理モデルは、電動機２を等価的な電気回路に置き換えて数式化したものである。ＤＢ－ＤＴＦＣ演算ユニット１４は、物理モデルを用いて、少なくとも電動機２に対するトルク指令と電動機２の固定子磁束の推定値と電動機２の固定子磁束の基準値とに基づいて電動機２の駆動量を規定する駆動量指令値を算出する。

【0034】

例えば、ＤＢ－ＤＴＦＣ演算ユニット１４は、エアギャップトルク指令値Tem_comと、固定子ｑｄｓ軸磁束推定値λqds_s_estと、回転子ｑｄｓ軸磁束推定値λqdr_s_estと、固定子磁束指令値λs_comと、固定子角速度推定値ωr_estとを入力変数に含み、上記の各入力変数に基づいたＤＢ－ＤＴＦＣによって固定子ｑｄｓ軸電圧指令値Vqds_s_comを算出する。エアギャップトルク指令値Tem_comは、トルク指令制限ユニット２３から供給される。固定子ｑｄｓ軸磁束推定値λqds_s_estと、回転子ｑｄｓ軸磁束推定値λqdr_s_estは、後述の電流／磁束推定ユニット２０から供給される。固定子磁束指令値λs_comは、例えば、適正磁束指令生成ユニット２１から供給される。固定子角速度推定値ωr_estは、速度／位相推定ユニット１３から供給される。エアギャップトルク指令値Tem_comは、電動機２に対するトルク指令の一例である。固定子磁束指令値λs_comは、電動機２の固定子磁束の基準値の一例である。エアギャップトルク指令値Tem_comは、例えば、制御周期の中の所定の位相で取得される。

【0035】

ＤＢ－ＤＴＦＣ演算ユニット１４は、上記の入力変数の値を用いて、固定子ｑｄｓ軸電圧指令値Vqds_s_comを算出する。ＤＢ－ＤＴＦＣ演算ユニット１４は、算出した固定子ｑｄｓ軸電圧指令値Vqds_s_comを、第１座標変換ユニット１５と電流／磁束推定ユニット２０とに出力する。ＤＢ－ＤＴＦＣ演算ユニット１４は、固定子ｑｄｓ軸電圧指令値Vqds_s_comに基づいて、電力変換装置３を制御する。

【0036】

第１座標変換ユニット１５は、ｑｄｓ軸座標系における電圧指令値である固定子ｑｄｓ軸電圧指令値Vqds_s_comを、三相固定子座標系（静止座標系）における電圧指令値である三相固定子電圧指令値Vus_s_com、Vvs_s_com、Vws_s_comに変換する。第１座標変換ユニット１５による変換は、「ｑｄｓ軸逆変換」である。

【0037】

ＰＷＭコントローラ１６は、電動機２の駆動量を規定する駆動量指令値に基づいた制御信号を、電動機２を駆動する電力変換装置３に出力する。ＰＷＭコントローラ１６は、例えば、第１座標変換ユニット１５によって変換された三相固定子電圧指令値Vus_s_com、Vvs_s_com、Vws_s_comと、キャリア信号とを比較しＰＷＭ（Pulse Width Modulation）により、電力変換ユニット８に対するゲートパルスGPを生成する。図１に示すＰＷＭコントローラ１６は、電力変換ユニット８の各スイッチング素子に対して、スイッチング素子に対応するゲートパルスGPを出力する。

【0038】

第２座標変換ユニット１７は、電流検出器９ａ、９ｂから供給される固定子電流Ivs、Iwsを、ｑｄｓ軸座標系における固定子ｑｄｓ軸電流検出値Iqds_s_detに変換する。第２座標変換ユニット１７による変換は、「ｑｄｓ軸変換」である。

【0039】

ｑｄｓ軸変換は、例えば、以下の式による。固定子電流Ivs、Iwsに基づいて固定子電流Iusが算出される。三相の固定子電流Ius、Ivs、Iwsと、二相変換後の固定子電流Iqs_s、Ids_sとの関係を下記の式（２）に示す。下記の式（２）に示す変換は、一般的なクラーク変換とは異なる。なお、ｑｄｓ軸逆変換は、式（２）に示す変換の逆である。

【0040】

【数2】

【0041】

滑り角周波数推定ユニット１８は、電動機２の滑りに関わる滑り角周波数推定値ωsl_estを算出する。滑り角周波数推定ユニット１８は、例えば、電流／磁束推定ユニット２０によって算出される回転子ｑｄｓ軸磁束推定値λqdr_s_estの振幅値と、固定子ｑｄｓ軸磁束推定値λqds_s_estの振幅値とに基づいてトルク推定値Te_estを算出し、トルク推定値Te_estの振幅値と回転子ｑｄｓ軸磁束推定値λqdr_s_estの振幅値とを用いて滑り角周波数推定値ωsl_estを算出する。あるいは、滑り角周波数推定ユニット１８は、一般的に用いられる滑り角周波数推定演算方法を利用して滑り角周波数推定値ωsl_estを算出してもよい。滑り角周波数のことを、滑り角速度又は滑り速度と呼ぶことがある。

【0042】

加算器ユニット１９は、回転子角速度推定値ωr_estに、滑り角周波数推定ユニット１８によって算出された滑り角周波数推定値ωsl_estを加算して、電動機２の同期角速度ωe_est（以下、単に同期角速度ωeと呼ぶ。）を算出する。

【0043】

電流／磁束推定ユニット２０は、幾つかの入力変数に基づいて、電動機２の稼働状態を推定するオブザーバであり、固定子ｑｄｓ軸磁束推定値λqds_s_estと、回転子ｑｄｓ軸磁束推定値λqdr_s_estとを算出する。例えば、上記の各入力変数には、固定子ｑｄｓ軸電圧指令値Vqds_s_comと、第２座標変換ユニット１７によって変換された固定子ｑｄｓ軸電流検出値Iqds_s_detと、回転子角速度推定値ωr_estと、回転子角度推定値θr_estとが含まれる。

【0044】

除算ユニット２７は、速度／位相推定ユニット１３よって算出された回転子角速度推定値ωr_estを、極対数である（P/2）で除算して、回転子角速度推定値（機械角）ωrm_estを算出する。大文字のＰは、極数である。

【0045】

適正磁束指令生成ユニット２１は、モーションコントローラ１２によって算出されたトルク指令値Tem1_com及び加算器ユニット１９によって算出された同期角速度ωeと、上記以外にも図２に示されていないブレーキ準備フラグＦｇ１及びブレーキ開始フラグＦｇ２とが入力される。適正磁束指令生成ユニット２１は、トルク指令値Tem1_com、同期角速度ωe、ブレーキ準備フラグＦｇ１、及びブレーキ開始フラグＦｇ２に基づいて、固定子磁束指令値λs_comを算出して、固定子磁束指令値λs_comをＤＢ－ＤＴＦＣ演算ユニット１４に出力する。ここで、適正磁束指令生成ユニット２１から出力される固定子磁束指令値λs_comは、スカラー量である。これの詳細については、後述する。

【0046】

損失推定ユニット２２は、電動機２の物理モデルを用いて電動機２の損失Plossを算出して、その損失Plossの値をトルク指令制限ユニット２３に供給する。

【0047】

トルク指令制限ユニット２３には、モーションコントローラ１２により算出されたトルク指令値Tem1_com、損失Ploss、及び回転子角速度推定値（機械角）ωrm_estと、上記のほかにブレーキ準備フラグＦｇ１及びブレーキ開始フラグＦｇ２とが入力される。トルク指令制限ユニット２３は、ブレーキ準備フラグＦｇ１、ブレーキ開始フラグＦｇ２、損失Ploss、及び回転子角速度推定値（機械角）ωrm_estに基づいて、例えば、制限値Te_maxを、通常運転時に使用する値（Te_maxn）と、ブレーキ時に使用する値（Te_maxb）との何れかに切り替える。トルク指令制限ユニット２３は、トルク指令値Tem_comを速度／位相推定ユニット１３と、ＤＢ－ＤＴＦＣ演算ユニット１４とに出力する。

【0048】

なお、ＤＢ－ＤＴＦＣ演算ユニット１４及び電流／磁束推定ユニット２０のより詳しい説明は、米国特許出願公開第2020/0007858号明細書などを参照するとよい。

【0049】

例えば、制御装置１０は、図示しない上位装置から減速開始指令を受けて、ブレーキ準備フラグＦｇ１を立てて、固定子磁束指令値λs_comを損失最大となる値に変化させる。固定子ｄｑ軸磁束が損失最大となる値に到達したら、制御装置１０は、ブレーキ開始フラグＦｇ２を立てて、速度制御からトルク制御に切り替えて、ブレーキを掛ける。

【0050】

次に、実施形態の制御装置１０のより詳細な一例について説明する。
図２は、第１の実施形態に係る制御装置１０の一部を拡大した構成図である。適正磁束指令生成ユニット２１と、損失推定ユニット２２と、トルク指令制限ユニット２３と、を中心に説明する。

【0051】

損失推定ユニット２２は、例えば、次の式（３）に従い、電動機２の損失Plossを算出する。

【0052】

【数3】

【0053】

なお、式（３）におけるＫｅ，Ｋｂ，Ｋｈは、値が予め定めらている係数である。Ｒｒ，Ｌｒ，Ｒｓ，Ｌｓ，Ｌｍの夫々の値は、電動機２の特性によって規定される。この式（３）に関する詳細なことは、次の文献を参照するとよい。
Y. Wang, T. Ito, R.D. Lorenz, “Loss manipulation capabilities of deadbeat direct torque and flux control induction machine drives”, IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), pp.4554-4566, Nov. / Dec. 2015.

【0054】

トルク指令制限ユニット２３は、第一ブロック２３ａと、第二ブロック２３ｂと、第三ブロック２３ｃとを備えている。

【0055】

第一ブロック２３ａは、後述する式（４）に従って、損失Plossと回転子速度推定値ωrm_estとに基づいて、上限トルク指令値Te_maxbを算出する。式（４）は、損失Plossと回転子速度推定値ωrm_estとに応じた上限トルク指令値算出用の演算式である。

【0056】

【数4】

【0057】

第二ブロック２３ｂは、上位装置からの駆動指令に応じて、上限トルク指令値Te_maxを決定する。例えば、駆動指令の値は、上位装置からの駆動指令が駆動又は停止であることを０（Normal）で示し、制動であることを、１(braking)で示すものとする。上記の駆動指令は、ブレーキ準備フラグＦｇ１及びブレーキ開始フラグＦｇ２の何れかに対応付けられていてよい。第二ブロック２３ｂは、駆動指令の値が０（Normal）である場合には、平時の上限トルク指令値Te_maxnを選択し、駆動指令の値が１(braking)である場合には、第一ブロック２３ａの出力した上限トルク指令値Te_maxbを選択する。第二ブロック２３ｂは、選択した結果を上限トルク指令値Te_maxとして第三ブロック２３ｃへと伝達する。

【0058】

第三ブロック２３ｃは、第二ブロック２３ｂから伝達された上限トルク指令値Te_maxを用いて、許容トルク範囲を決定する。許容トルク範囲は、下限リミッタトルク値（－Te_max）から上限リミッタトルク値（＋Te_max）までの範囲である。上限リミッタトルク値には、上限トルク指令値Te_maxが適用される。下限リミッタトルク値は、上限リミッタトルク値に負の係数のマイナス１を掛けた値である。なお、この負の係数は、予め定められた値であり、マイナス１以外の値であってもよい。また、この負の係数の代わりに、ゼロを上限リミッタトルク値に掛けることで、下限リミッタトルク値をゼロに設定してもよい。

【0059】

例えば、第三ブロック２３ｃは、第一トルク指令値Tem1_comが許容トルク範囲内であるときには、第一トルク指令値Tem1_comの値をそのまま第二トルク指令値Tem_comに代入する。第三ブロック２３ｃは、第一トルク指令値Tem1_comが上限リミッタトルク値（＋Te_max）よりも大きい場合には、上限リミッタトルク値（＋Te_max）を第二トルク指令値Tem_comに代入する。第三ブロック２３ｃは、第一トルク指令値Tem1_comが下限リミッタトルク値（－Te_max）よりも小さい場合には、下限リミッタトルク値（－Te_max）を第二トルク指令値Tem_comに代入する。

【0060】

つまり、第三ブロック２３ｃは、許容トルク範囲内のトルク指令値のみを通過させるフィルタとしての機能を果たす。これにより、第三ブロック２３ｃは、第二トルク指令値Tem_comを生成することができる。第二トルク指令値Tem_comは、予め定められた許容トルク範囲内に制限されるような修正を第一トルク指令値Tem1_com1に施した値である。

【0061】

適正磁束指令生成ユニット２１は、第一ブロック２１ａと、第二ブロック２１ｂと、第三ブロック２１ｃと、第四ブロック２１ｄと、第五ブロック２１ｅとを備えている。適正磁束指令生成ユニット２１は、同期角速度ω_ｅ又は第一トルク指令値Tem1_comに応じた固定子磁束指令値λs_comを生成する。

【0062】

第一ブロック２１ａは、次の式（５）に従って、固定子磁束指令値λs_opt0を算出する。第一ブロック２１ａは、固定子電圧Vsの制限値Vsmax（以下、電圧の制限値Vsmaxという。）を同期角速度ω_ｅで除算した値の絶対値を算出し、固定子磁束指令値λs_opt0として出力する。

【0063】

【数5】

【0064】

第二ブロック２１ｂは、次の式（６）に従って、固定子磁束指令値λs_opt1を算出する。

【0065】

【数6】

【0066】

第三ブロック２１ｃは、次の式（７）に従って、同期角速度ωeと、同期角速度閾値ωe_cとに基づいて、固定子磁束指令値λs_optを決定するための選択信号の論理値を決定する。例えば、選択信号の論理値は、上位装置からの駆動指令が駆動又は停止である場合（Normal）に１になり、制動である場合(braking)に、同期角速度ωeと、同期角速度閾値ωe_cとを用いた演算の結果によって、０と１が選択される。例えば、第三ブロック２１ｃは、同期角速度ωeが同期角速度閾値ωe_cよりも早い場合に１を選択し、同期角速度ωeが同期角速度閾値ωe_cよりも遅い場合に又は等しい場合に０を選択する。

【0067】

【数7】

【0068】

上記の式（７）における同期角速度閾値ωe_cを、電圧の制限値Vsmaxと、電流の制限値Ismaxと、インダクタンスLeとを用いて、次の式（８）に示すように定義するとよい。

【0069】

【数8】

【0070】

この式（８）内のIrateは、直流リンクの定格電流値である。

【0071】

第四ブロック２１ｄは、選択信号の論理値が０である場合には、第一ブロック２１ａから出力された固定子磁束指令値λs_opt0を選択し、選択信号の論理値が１である場合には、第二ブロック２３ｂから出力された固定子磁束指令値λs_opt1を選択する。第二ブロック２３ｂは、選択した結果を固定子磁束指令値λs_optとして出力する。

【0072】

第五ブロック２１ｅは、所定の周波数よりも低い周波数帯域の成分を通過させるローパスフィルタであり、第四ブロック２１ｄが出力した固定子磁束指令値λs_optの信号の帯域を制限することで、急峻な変化を抑制した固定子磁束指令値λs_comを出力する。

【0073】

次に、実施形態の制動制御について説明する。
電力を系統に回生させることが可能なアクティブフロントエンド（例えば、電力の回生可能なコンバータ。）がない場合には、直流リンク区間に注入される電力を系統に回生させることができない。また、直流リンク区間の過剰な電力を消費する制動抵抗がない場合には、直流リンクの電圧を低下させることが困難である。

【0074】

上記のような場合には、直流リンク区間への入力電力量（Pin）を、次の式（９）に示すように定義することができる。電動機２の制動トルクを、Te_brakingを用いて示す。入力電力量（Pin）は、制動トルクTe_brakingと、回転子速度ωrmとの積に、損失Plossを加算して得られる値になる。制動中の入力電力量（Pin）は、０よりも大きくなる。

【0075】

【数9】

【0076】

その結果、次の式（１０）を用いることで、最大制動トルクが得られる。最大制動トルクは、Te_brakingの絶対値の最大値のことである。Te_brakingの絶対値の最大値は、損失Plossを、回転子速度推定値ωrm_estで除した結果になる。

【0077】

【数10】

【0078】

電力変換ユニット８の損失は、多くの場合、電動機２の損失Plossに比べて小さい。この式（１０）では、電力変換ユニット８の損失を省略して近似している。

【0079】

上記の式（１０）に示されるように、電動機２の制動トルクに関する制限値は、電動機２の損失Plossと回転子速度ωrmとに基づいて定義できる。その制限値は、動的に変化する。電動機２をより早く制動させるためには、電動機２と電力変換ユニット８の電圧の制限値と電流の制限値を用いて、電動機２の損失Plossを増加させるように固定子磁束λs_comを制御するとよい。
電動機２の損失Plossによって制動トルクTe_brakingの制限値が動的に設定されることに加えて、制動トルクTe_brakingは、上記の電圧の制限値と電流の制限値によっても制限されることがある。

【0080】

一般的な誘導電動機の損失と上記の電圧の制限値と電流の制限値とによって設定される制動トルクTe_brakingの制限値のおおよその値について調査した。一般的な誘導電動機の場合、電動機の損失は、定格電力損失の１５％よりも少ない。

【0081】

そのため、式（１０）によって制限される制動トルクTe_brakingの制限値（最大値）は、定格速度時におけるトルクの０．２[pu]よりも小さく、定格速度値の半分の速度におけるトルクの０．４[pu]よりも小さい。その一方で、上記の電圧の制限値と電流の制限値によって制限される制動トルクTe_brakingの制限値（最大値）は、少なくとも１[pu]である。このような結果から、式（１０）によって、上記の電圧の制限値と電流の制限値に基づく制動トルクTe_brakingの制限値に比べてより小さなトルク制限値に決定する。

【0082】

（物理モデル）
次に、ＤＢ-ＤＴＦＣを使ってより早く制動するための電動機２の物理モデル（解析モデル）について説明する。例えば、電動機２の物理モデルを上述の式（３）を用いて定義する。制動制御の初期状態における電動機損（損失Ploss）の推定値は、上述の式（３）を用いて算出される。

【0083】

モーションコントローラ１２から出力された第１トルク指令値Tem１_comは、上記の式（１０）によって制限される。固定子磁束指令値λs_comは、上記の電圧の制限値と電流の制限値を用いて、回転子速度推定値ωrm_estとトルク指令値とに関連付けて選択される。例えば、上記の電圧の制限値Vsmaxを、式（１１）に示す。

【0084】

【数11】

【0085】

上記の電流の制限値Ismaxを、式（１２）に示す。

【0086】

【数12】

【0087】

図３から図５を参照して、磁束のｑｄｓ軸座標系における電圧の制限値Vsmaxと電流の制限値Ismaxの関係を説明する。図３は、磁束のｑｄｓ軸座標系における電圧の制限値Vsmaxを示す図である。図３に実線で示すように、電圧の制限値Vsmaxは、磁束のｑｄｓ軸座標系において座標軸の原点を基準にした円になる。この円の半径は、同期角速度ωeに関連する。上記の式（１１）の関係から、電圧の制限値Vsmaxの大きさが不変であれば、同期角速度ωeが速いほど、円の半径が小さくなる。この図３には、例えば、同期角速度ωeを４段階に変化させた場合を例示する。同期角速度ωeは、ωe１、ωe２、ωe３、ωe４の順に早くなる。

【0088】

図４は、磁束のｑｄｓ軸座標系における電流の制限値Ismaxを示す図である。図４に破線で示すように、電流の制限値Ismaxは、磁束のｑｄｓ軸座標系において座標軸の原点を基準にした楕円になる。上記の式（１２）の関係から、その楕円は同期角速度ωeの大きさに関連しない。この楕円の周を電流楕円と呼び、電流楕円内の領域を、電流楕円領域と呼ぶ。

【0089】

図５に、電圧の制限値Vsmaxと電流の制限値Ismaxの関係を示す。図５は、磁束のｑｄｓ軸座標系における電圧の制限値Vsmaxと電流の制限値Ismaxの関係を説明するための図である。この図５に示す磁束のｑｄｓ軸座標系には、座標軸の原点を基準に前述の図３に示した円（実線）と前述の図４に示した楕円（破線）とが重なるように配置されている。この円と楕円とによって囲まれた領域が、制御に利用可能な領域を示す。ここに示す電圧の制限値Vsmaxは、同期角速度ωeが1.2[pu]であるときのものである。なお、磁束のｑｄｓ軸座標系の第１象限では、図示しない弱め磁束領域による制限領域が規定される。弱め磁束領域では、鉄の飽和を避けるためには電圧円の縦軸の値が１[pu]に制限されることに注意する。ただし、これは、制動中に関係することではない。

【0090】

より簡単に実施方法について説明するために、電動機２の全速度範囲を、速度の大きさに応じて、例えば速度領域Ｉと速度領域ＩIの２つの領域に分割して、夫々について説明する。例えば、速度領域Ｉと速度領域ＩIを、前述の同期角速度閾値ωe_cを用いて分割するとよい。

【0091】

速度領域Ｉは、同期角速度ωeが同期角速度閾値ωe_cよりも比較的低速度である場合に対応する。図６は、比較的低速度で回転する電動機２の制動制御を説明するための図である。図６に示すように比較的低速度状態の場合は、電流楕円領域が電圧円の内部に位置する。最大の損失Ploss（以下、最大損失と呼ぶ。）を得るためには、固定子磁束λqds_sの値と固定子電流Iqds_sの値とをできるだけ大きくする。固定子磁束λqds_sの値と固定子電流Iqds_sの値とをできるだけ大きくしても、電流楕円によって制限される。この結果、トルク曲線と電流楕円との交点を例えば点Ａで示すと、その交点（点Ａ）は、最大損失でかつ最大トルクを満たす動作点になる。この動作点に係る固定子磁束指令λs_comの大きさは、次の式（１３）から算出される。

【0092】

【数13】

【0093】

比較的低速度状態にあると、式（１３）に示した固定子磁束指令λs_comの大きさは、トルク指令値Tem1_comを変数にする関数になるが、同期角速度ωeの大きさには依存せず、同期角速度ωeとは独立の関係になる。固定子電流Iqds_sがその制限値Ismaxに達しても、電圧Vs_comは、電圧円によって定まるその最大値よりも低い値になる。

【0094】

これに対し、速度領域IIは、同期角速度ωeが同期角速度閾値ωe_cよりも比較的高速度である場合に対応する。図７は、比較的高速度で回転する電動機２の制動制御を説明するための図である。図７に示すように比較的高速度状態の場合は、電流楕円領域の一部が電圧円からはみ出して、電圧円の内部に位置しなくなる。損失Plossに関する前述の式（３）によれば、固定子磁束λqds_sの制限値である下限値と上限値の何れかで、最大損失に達することが示されている。速度領域II（高速度領域）では、鉄損が、より高い固定子磁束λqds_sを得ることに寄与する。

【0095】

この結果、トルク曲線と電圧円との交点を例えば点Ｂ又は点Ｃで示すとすれば、その交点は、最大損失でかつ最大制動トルクを満たす動作点として選択される。固定子磁束指令λs_comの大きさは、次の式（１４）から算出される。

【0096】

【数14】

【0097】

比較的高速度状態にあると、式（１４）に示した固定子磁束指令λs_comは、速度の関数になる。電圧Vsがその制限値Vsmaxに達しても、電流Isは、その最大値よりも低い値になる。

【0098】

次に、図８を参照して、実際の誘導電動機に損失最大化手法を適用した実験結果について説明する。図８は、実施形態の損失最大化手法を適用したときの実験結果を説明するための図である。この実験では、開発された損失最大化手法を、3.7kW（キロワット）の電動機２に適用して、電動機２の制動特性を評価する。比較例として、定格磁束を利用して制御する場合を例示する。以下、両者の制動特性を対比して示す。

【0099】

図８に示す各タイミングチャートの横軸が時刻の経過を示し、その単位が秒である。図８に示す各タイミングチャートについて図８の上から順に説明する。図８の中の（ａ）に固定子磁束指令λs_comの大きさを示す。図８の中の（ｂ）に回転子速度ωrの大きさを示す。図８の中の（ｃ）に、トルクＴemの大きさを示す。図８の中の（ｄ）に、直流電圧Vdcの値を示す。図８の中の（ｅ）に、電流帰還値Ｉs_FBKの大きさを示す。電流帰還値Ｉs_FBKは、例えば、電流検出値Is_detに基づいて算出される。図８の中の（ｆ）に、損失Ｐlossの大きさを示す。各タイミングチャートに、本実施形態の損失Ｐlossを最大化するように固定子磁束指令λs_comを最大化する制御方法を適用した場合の結果（黒線）と、比較例として固定子磁束λsを定格値にする制御方法を適用した場合の結果（灰色線）とを対比させて示す。この比較実験の結果は、電動機２の回転子速度ωrを、例えば、0.9[pu]から0.2[pu]まで減速させた場合の一例である。

【0100】

初期状態では、電動機２の回転子速度ωrが制動領域Ｉの範囲内にある。固定子磁束λs_comは、初期状態の値が１[pu]であり、トルクＴemの値が０[pu]である。

【0101】

時刻ｔ１（例えば0.7秒）の時点で、回転子速度指令ωr_comの値が減少して、電動機２の制動が始まる。その後、時刻ｔ２までの間、固定子磁束λs_comは、初期状態の値から単調に増加する。

【0102】

時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間では、その制動が続けられ、制動領域IIの範囲内に至るまで回転子速度ωrが徐々に減速する。このとき、電流がその制限値Ismaxを超えないように、固定子磁束指令λs_comの大きさが調整され、その上限値に制限されている。

【0103】

この制動期間中に、損失Plossと制動トルクTe_brakingが最大になる。この図８に示す比較の結果から、比較例の制動時間に対して、実施例の制動時間が６０％ほど短くなったことが明らかに読み取れる。

【0104】

固定子磁束λsの急な変化と、その結果生じる大きな電流変化とをを除くために、固定子磁束指令λs_comに対して、回転子時定数τのバンド幅を持つフィルタとして第五ブロック２１ｅが追加されていることに注意する必要がある。試験に使用した電動機２の慣性は、比較的小さいものであり、これにより制動時間が比較的短くなっている。固定子磁束指令λs_comがブレーキ領域Ｉの要求値に増加すると、速度がブレーキ領域IIになる。

【0105】

また次のことに注意する。図８の中の（ｄ）に示したように、制動中のDC電圧Vdcは、わずかに増加することがある。この現象は、損失Plossの解析に用いた変数の値の近似精度が比較的低い場合に生じることがある。このため、電動機２の制動力を、電動機２の損失よりも幾らか高くして、電動機２の入力電力を幾らか負にするとよい。

【0106】

上記の実施形態によれば、制御装置１０は、電動機２の固定子磁束推定値の算定基準を複数備える。制御装置１０は、電動機２を制動させる場合に、電動機２の損失をより多くするような固定子磁束推定値の算定基準を、少なくとも電動機２の固定子角速度ωrに基づいて、複数の算定基準の中から選択することにより、電動機２をより安定に制動させることができる。

【0107】

（第２の実施形態）
第２の実施形態の電動機駆動システム１Ａについて説明する。
上記の実施形態では、電圧指令値Vs_comを生成するために、ＤＢ－ＤＴＦＣ方式を用いた事例について説明した。第２と第３の実施形態では、これに代えて、磁界方向制御（Field Oriented Control）方式を用いた事例について説明する。以下、磁界方向制御方式を、ＦＯＣ方式と呼ぶ。ＦＯＣ方式とは、トルク（回転力）を発生する電流成分と磁束を発生する電流成分とを互いに分解し、それぞれの電流成分を直流量として独立に制御する方式である。

【0108】

図９は、実施形態の電動機駆動システム１Ａのブロック図である。この図９に示す電動機駆動システム１Ａは、前述の電動機駆動システム１の制御装置１０に代えて、ＦＯＣ方式を適用した制御装置１０Ａを備える。

【0109】

ＦＯＣ方式には、ＩＦＯＣ（Indirect Field Oriented Control)方式とＤＦＯＣ（Direct Field Oriented Control)方式がある。ＩＦＯＣ方式は、磁束推定、あるいは検出によらず電動誘導機の滑りを制御する間接型ベクトル制御（滑り周波数型ベクトル制御とも呼ぶ。）を用いる方式である。ＤＦＯＣ方式は、磁束推定、あるいは検出結果に基づいて電動機２の滑りを制御する直接型ベクトル制御を用いる方式である。本実施形態では、後者のＤＦＯＣ方式の一例について説明し、前者のＩＦＯＣ方式の一例について第３の実施形態で説明する。

【0110】

図９に示す制御装置１０Ａには、ＤＢ－ＤＴＦＣ演算ユニット１４に代えてＦＯＣ演算ユニット４０が設けられており、第１座標変換ユニット１５に代えて第５座標変換ユニット１５Ａが設けられており、滑り角周波数推定ユニット１８が省略され、電流／磁束推定ユニット２０に代えて電流／磁束推定ユニット２０Ａが設けられている。制御装置１０Ａは、後者のＤＦＯＣ方式を適用した一例である。

【0111】

制御装置１０Ａは、第３座標変換ユニット１７Ａと、第４座標変換ユニット１７Ｂとを備えている。第３座標変換ユニット１７Ａには、ｖ相固定子電流Ivsとｗ相固定子電流Iwsとが供給される。第４座標変換ユニット１７Ｂには、第５座標変換ユニット１５Ａの出力である三相固定子電圧指令値Vus_com、Vvs_com、Vws_comが供給される。

【0112】

ＦＯＣ演算ユニット４０には、トルク指令制限ユニット２３からトルク指令値Tem_comが供給される。ＦＯＣ演算ユニット４０には、磁束指令として、適正磁束指令生成ユニット２１から定格固定子磁束の定子磁束指令値λs_comが供給されている。

【0113】

電流／磁束推定ユニット２０Ａは、電流／磁束推定ユニット２０と同様の物理モデルを含む磁束オブザーバ（不図示）を備えている。電流／磁束推定ユニット２０Ａは、磁束オブザーバによって算出された固定子ｑｄｓ軸磁束推定値λqds_s_estなどを用いて、基準信号θe_comと、電動機２の滑りに関わる滑り角周波数推定値ωsl_estとを算出し、夫々を出力する。

【0114】

第３座標変換ユニット１７Ａは、電流／磁束推定ユニット２０Ａから供給される基準信号θe_comに基づいて、入力信号を互いに直交するγ成分とδ成分の回転座標系の信号に変換する。基準信号θe_comの位相を適切に選択することにより、第３座標変換ユニット１７Ａは、基準信号θe_comを基準位相とし、基準位相と同相成分をγ成分とし、基準位相に直交する成分をδ成分とすることができる。第３座標変換ユニット１７Ａは、座標変換したγ軸固定子電流iγとδ軸固定子電流iδをＦＯＣ演算ユニット４０に供給する。

【0115】

第５座標変換ユニット１５Ａは、電流／磁束推定ユニット２０Ａから供給される基準信号θe_comを用いて、上記とは逆に、ＦＯＣ演算ユニット４０からの出力であるγ成分の電圧指令値Vγ_comとδ成分の電圧指令値Vδ_comとを固定座標系の三相固定子電圧指令値Vus_com、Vvs_com、Vws_comに変換する。第５座標変換ユニット１５Ａの演算結果は、ＰＷＭコントローラ１６と第４座標変換ユニット１７Ｂとに供給される。

【0116】

第４座標変換ユニット１７Ｂは、三相固定子電圧指令値Vus_com、Vvs_com、Vws_comをｑｄｓ軸の２軸成分の電圧指令値Vqds_s_comに変換する。第４座標変換ユニット１７Ｂによって変換された値は、電流／磁束推定ユニット２０に供給される。

【0117】

ＦＯＣ演算ユニット４０は、供給された信号に基づいて、その内部で、γ成分の固定子電流指令値iγ_comとδ成分の固定子電流指令値iδ_comを生成する。ＦＯＣ演算ユニット４０は、帰還値であるγ軸固定子電流iγとδ軸固定子電流iδとが指令値に追従するように、固定子電圧指令値Vγ_comと固定子電圧指令値Vδ_comを生成する。なお、γ成分の電圧指令値Vγ_comとδ成分の電圧指令値Vδ_comは、ＦＯＣ演算ユニット４０から第５座標変換ユニット１５Ａに供給され、さらにＰＷＭコントローラ１６を経由して、ゲートパルスGPとして電力変換装置３に与えられる。

【0118】

以下、ＦＯＣ演算ユニット４０の一例について説明する。例えば、ＦＯＣ演算ユニット４０は、演算ブロック４１から４４と、電流安定化ユニット４５とを備える。

【0119】

演算ブロック４１は、次の式（１５）を満たす解、又は式（１５）に基づいて同期ｑｄｓ軸磁束指令値λqds_e_comを算出して出力する。

【0120】

【数15】

【0121】

上記の式（１５）は、図１０のように模式化できる。図１０は、実施形態の演算処理を説明するための図である。

【0122】

同期ｑｄｓ軸磁束指令値λqds_e_comのスカラー値を、同期ｑｄｓ座標系の座標軸の原点を中心とする円で示す。円の半径が、同期ｑｄｓ軸磁束指令値λqds_e_comの大きさである。

【0123】

エアギャップトルク指令値Tem_comは、同期ｑｄｓ座標系上では双曲線になる。同期ｑｄｓ軸磁束指令値λqds_e_comの円と、エアギャップトルク指令値Tem_comの双曲線との交点（例えば、点ａ１、点ａ２又は点ｂ。）が、エアギャップトルク指令値Tem_comを満たすことが可能な同期ｑｄｓ軸磁束指令値λqds_e_comになり、これは、上記の式（１５）の解になる。

【0124】

条件により、同期ｑｄｓ軸磁束指令値λqds_e_comの円と、エアギャップトルク指令値Tem_comの双曲線との交点がない場合がある。この場合、エアギャップトルク指令値Tem_comを満たすことが可能な同期ｑｄｓ軸磁束指令値λqds_e_comを得ることができないが、最良解として点ｃが示す条件を選択するとよい。この場合の点ｃは、同期ｑｄｓ軸磁束指令値λqds_e_comの円の周上の点の中で、同期ｑｄｓ軸磁束指令値λqds_e_comの円から、エアギャップトルク指令値Tem_comの双曲線までの距離が最も近くなる点になる。

【0125】

演算ブロック４２は、演算ブロック４１によって算出された同期ｑｄｓ軸座標の同期ｄｓ軸成分である同期ｄｓ軸磁束指令値λds_e_comを「Ls」で除算して、同期ｄｓ軸電流指令値ids_e_comを出力する。

【0126】

演算ブロック４３は、演算ブロック４１によって算出された同期ｑｄｓ軸座標の同期ｑｓ軸成分である同期ｑｓ軸磁束指令値λqs_e_comを「σLs」で除算して、同期ｑｓ軸電流指令値iqs1_e_comを出力する。演算ブロック４４は、同期ｑｓ軸電流指令値iqs1_e_comを所定の振幅範囲に収まるように制限するリミッタである。演算ブロック４４は、同期ｑｓ軸電流指令値iqs1_e_comが所定の振幅範囲に収まっている場合には、同期ｑｓ軸電流指令値iqs1_e_comの値と同じ値の同期ｑｓ軸電流指令値iqs_e_comを透過的に出力し、同期ｑｓ軸電流指令値iqs1_e_comが所定の振幅範囲を超過している場合には、予め定められた制限値の同期ｑｓ軸電流指令値iqs_e_comを出力する。

【0127】

電流安定化ユニット４５は、基準信号θe_comに基づいて、同期ｄｓ軸電流指令値ids_e_comと同期ｑｓ軸電流指令値iqs_e_comを生成する。例えば、電流安定化ユニット４５は、同期ｄｓ軸電流指令値ids_e_comと同期ｑｓ軸電流指令値iqs_e_comとの組と、γ軸固定子電流iγとδ軸固定子電流iδの組とに基づいて、γ軸固定子電流iγとδ軸固定子電流iδが、それぞれ同期ｄｓ軸電流指令値ids_e_comと同期ｑｓ軸電流指令値iqs_e_comに等しくなるように、γ成分の電圧指令値Vγ_comとδ成分の電圧指令値Vδ_comとを調整して、出力する。上記の通り、このγ成分の電圧指令値Vγ_comとδ成分の電圧指令値Vδ_comは、ＦＯＣ演算ユニット４０の出力になる。

【0128】

本実施形態の制御装置１０Ａは、ＦＯＣ演算ユニット４０と、電流／磁束推定ユニット２０Ａとを用いて、ＤＦＯＣ方式によって電動機２を制御する。また、ＦＯＣ演算ユニット４０について、上記の構成に代えて、一般に知られたＦＯＣの構成を適用してもよい。

【0129】

（第３の実施形態）
第３の実施形態の電動機駆動システム１Ｂについて説明する。

【0130】

図１１は、実施形態の電動機駆動システム１Ｂのブロック図である。この図１１に示す電動機駆動システム１Ｂは、電動機駆動システム１ＡのＤＦＯＣ方式を適用した制御装置１０Ａに代えて、ＩＦＯＣ方式を適用した制御装置１０Ｂを備える。

【0131】

制御装置１０Ｂには、制御装置１０Ａの第２座標変換ユニット１７と、第４座標変換ユニット１７Ｂと、電流／磁束推定ユニット２０とが省略された代わりに、同期処理ユニット５０が設けられている。

【0132】

同期処理ユニット５０は、例えば、演算ブロック５１から５８を備える。
演算ブロック５１は、演算ブロック４４から出力される同期ｑｓ軸電流指令値iqs_e_comの振幅値を、回転子時定数推定値τr_estで除算して、その演算結果Ｎを出力する。演算ブロック５２は、演算ブロック４３から出力される同期ｑｓ軸電流指令値iqs1_e_comの振幅値に「Lm」を乗算して、その積を出力する。演算ブロック５３は、演算ブロック５２から出力された積を「（１＋Pτr）」で除算して、その結果を、同期ｑｄｒ軸座標の同期ｑｒ軸成分の同期ｄｒ軸磁束指令値λdr_e_comとして出力する。演算ブロック５４は、演算ブロック５３から出力される同期ｄｒ軸磁束指令値λdr_e_comを、「Lm」の推定値で除算して、その演算結果Ｄを出力する。演算ブロック５５は、演算ブロック５４の演算結果Ｄを、演算ブロック５１の演算結果Ｎで除算して、演算結果を滑り角位相指令値θslip_comとして出力する。演算ブロック５６は、演算ブロック５５から出力される滑り角位相指令値θslip_comを、極数Ｐで除算して、演算結果をスリップ位相θslip_comとして出力する。演算ブロック５７は、加算器であり、演算ブロック５６から出力されるスリップ位相θslip_comと、センサ２Aが出力する位相θrとを加算して、演算結果を推定位相θe_estとして出力する。演算ブロック５７は、演算結果の推定位相θe_estを、ＦＯＣ演算ユニット４０と、第３座標変換ユニット１７Ａと、第５座標変換ユニット１５Ａとに供給する。演算ブロック５８は、演算ブロック５６から出力される滑り角位相指令値θslip_comを微分して、その演算結果を滑り角周波数推定値ωsl_estとして出力する。

【0133】

本実施形態の制御装置１０Ｂは、ＦＯＣ演算ユニット４０と同期処理ユニット５０とを用いて、ＩＦＯＣ方式によって電動機２を制御する。

【0134】

（実施形態の制御装置）
実施形態の制御装置１０について説明する。図１２は、実施形態の制御装置１０のブロック図である。制御装置１０は、処理回路１００を備える。図１２に示す処理回路１００は、ＣＰＵ１０１と、記憶部１０２と、駆動部１０３とを備える。ＣＰＵ１０１と、記憶部１０２と、駆動部１０３は、ＢＵＳで接続されている。処理回路１００は、制御装置１０の一例である。ＣＰＵ１０１は、ソフトウェアプログラムに従い、所望の処理を実行するプロセッサを含む。記憶部１０２は、半導体メモリを含む。駆動部１０３は、ＣＰＵ１０１の制御に従い、電力変換装置３の制御信号を生成する。実施形態において、ＣＰＵ１０１と駆動部１０３が実行する処理を纏めて、単に制御装置１０の処理として説明する。例えば、制御装置１０は、電流検出器９ａ、９ｂなどの検出結果に基づいて、電力変換装置３を制御する。
制御装置１０Ａと制御装置１０Ｂについても、制御装置１０と同様である。

【0135】

以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、電動機駆動システム１は、電力変換装置３と、制御装置１０とを備える。電力変換装置３は、電動機２の巻線に電流を流す。制御装置１０は、電力変換装置３をベクトル制御で制御して電動機２を駆動させる。制御装置１０は、電動機２の固定子磁束推定値の算定基準を複数備え、電動機２を制動させる場合に、電動機２の損失をより多くするような固定子磁束推定値の算定基準を、少なくとも電動機２の回転速度に基づいて、複数の算定基準の中から選択する。これにより、電動機駆動システム１は、電動機２をより安定に制動させることができる。

【0136】

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同様に、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ものである。

【符号の説明】

【0137】

１、１Ａ、１Ｂ…電動機駆動システム、２…電動機、３…電力変換装置、９ａ、９ｂ…電流検出器、１０、１０Ａ、１０Ｂ…制御装置、１２モーションコントローラ、１３…速度／位相推定ユニット、１４…ＤＢ－ＤＴＦＣ演算ユニット、１５…第１座標変換ユニット、１５Ａ…第５座標変換ユニット、１６…ＰＷＭコントローラ、１７…第２座標変換ユニット、１７Ａ…第３座標変換ユニット、１７Ｂ…第４座標変換ユニット、１８…滑り角周波数推定ユニット、１９…加算器ユニット、２０、２０Ａ…電流／磁束推定ユニット、４０…ＦＯＣ演算ユニット

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】