特許 7446968 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】2024-03-01

(45)【発行日】2024-03-11

(54)【発明の名称】制御装置

(51)【国際特許分類】

   H02P 21/14 20160101AFI20240304BHJP

   H02P 21/18 20160101ALI20240304BHJP

【ＦＩ】

H02P21/14

H02P21/18

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2020166546

(22)【出願日】2020-09-30

(65)【公開番号】P2022057998

(43)【公開日】2022-04-11

【審査請求日】2023-04-14

(73)【特許権者】

【識別番号】000003115

【氏名又は名称】東洋電機製造株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100161148

【弁理士】

【氏名又は名称】福尾 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100163511

【弁理士】

【氏名又は名称】辻 啓太

(72)【発明者】

【氏名】高木 正志

【審査官】安池 一貴

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－１１５２１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－３０９９９６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｐ ２１／１４

Ｈ０２Ｐ ２１／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電動機の制御装置であって、
前記電動機に流れる電流ベクトルを検出する電流検出器と、
前記電流ベクトルと、拾い上げ電圧指令とが入力され、実磁束ベクトルを推定する実磁束推定器と、
前記実磁束ベクトルと、拾い上げ時刻とが入力され、前記電動機の初期速度を推定する初期速度推定器と、
前記電流ベクトルと、前記初期速度と、前記拾い上げ時刻とが入力され、前記電動機の初期二次磁束を推定する初期磁束推定器と、
前記電流ベクトルと、複数の直流電流指令と、電流位相角指令とに基づき、前記電動機の電流を直流に制御する電圧指令を生成し、前記複数の直流電流指令それぞれを用いて生成した電圧指令を前記拾い上げ状態指令により切り替えて、前記拾い上げ電圧指令として出力する拾い上げ制御部と、
前記実磁束ベクトルと、直流位相角基準指令と、方向指令とが入力され、前記拾い上げ状態指令と、前記電流位相角指令とを出力する位相再設定部と、を備える制御装置。

【請求項2】

請求項１に記載の制御装置において、
前記位相再設定部は、
前記実磁束ベクトルと、前記直流位相角基準指令とに基づき、前記拾い上げ状態指令を生成する状態切替器と、
前記実磁束ベクトルと、前記拾い上げ状態指令と、前記方向指令とに基づき、磁束位相角指令を生成する位相演算器と、
前記直流位相角基準指令と、前記磁束位相角指令とを、前記拾い上げ状態指令により切り替えて、前記電流位相角指令として出力する位相切替器と、を備える制御装置。

【請求項3】

請求項２に記載の制御装置において、
前記状態切替器は、
前記拾い上げ状態指令の初期値を第１状態とし、
前記直流位相角基準指令に直交する前記実磁束ベクトルの成分の最大値を検出した場合に、前記拾い上げ状態指令を第２状態とし、
前記拾い上げ状態指令が前記第２状態であり、前記実磁束ベクトルの軌跡の長さが所定値より小さい場合に、前記拾い上げ状態指令を第３状態とする、制御装置。

【請求項4】

請求項３に記載の制御装置において、
前記位相切替器は、
前記拾い上げ状態指令が前記第１状態または前記第２状態である場合、前記直流位相角基準指令を前記電流位相角指令として出力し、
前記拾い上げ状態指令が前記第３状態である場合、前記磁束位相角指令を前記電流位相角指令として出力する、制御装置。

【請求項5】

請求項３または４に記載の制御装置において、
前記位相演算器は、前記拾い上げ状態指令が前記第２状態から前記第３状態へ切り替わる際の前記実磁束ベクトルの位相角をθφとし、前記方向指令が正転を示す場合にθ１１＝θφ＋π／２とし、前記方向指令が逆転を示す場合にθ１１＝θφ－π／２としたとき、前記磁束位相角指令をθ１１とする、制御装置。

【請求項6】

請求項３または４に記載の制御装置において、
前記位相演算器は、前記拾い上げ状態指令が前記第２状態から前記第３状態へ切り替わる際の前記実磁束ベクトルの位相角をθφとし、前記方向指令が正転を示す場合にθ１１＝θφ＋π／２とし、前記方向指令が逆転の場合にθ１１＝θφ－π／２としたとき、ｎ＊π／３（ｎは整数）の中から前記θ１１に最も近い値を前記磁束位相角指令とする、制御装置。

【請求項7】

請求項３または４に記載の制御装置において、
前記位相演算器は、前記拾い上げ状態指令が前記第２状態から前記第３状態へ切り替わる際の前記実磁束ベクトルの位相角をθφとし、前記方向指令が正転を示す場合にθ１１＝θφ＋π／２とし、前記方向指令が逆転の場合にθ１１＝θφ－π／２としたとき、ｎ＊π（ｎは整数）の中から前記θ１１に最も近い値を前記磁束位相角指令とする、制御装置。

【請求項8】

請求項１から７のいずれか一項に記載の制御装置において、
前記直流位相角基準指令は、ｎ＊π／３（ｎは０～５の整数）の中の１つの値である、制御装置。

【請求項9】

請求項３に記載の制御装置において、
前記拾い上げ制御部は、
前記電流ベクトルを、前記直流電流指令と前記電流位相角指令とにより求まる第１直流電流に制御する、第１拾い上げ電圧指令を出力する第１電流制御部と、
前記電流ベクトルを、前記直流電流指令と異なる値の直流電流指令と、前記電流位相角指令とにより求まる第２直流電流に制御する、第２拾い上げ電圧指令を出力する第２電流制御部と、
前記電流ベクトルを、前記直流電流指令と異なる値または同値の直流電流指令と、前記電流位相角指令とにより求まる第３直流電流に制御する、第３拾い上げ電圧指令を出力する第３電流制御部と、を備え、
前記拾い上げ状態指令が前記第１状態である場合、前記第１拾い上げ電圧指令を前記拾い上げ電圧指令として出力し、前記拾い上げ状態指令が前記第２状態である場合、前記第２拾い上げ電圧指令を前記拾い上げ電圧指令として出力し、前記拾い上げ状態指令が前記第３状態である場合、前記第３拾い上げ電圧指令を前記拾い上げ電圧指令として出力する指令切替器と、を備える制御装置。

【請求項10】

請求項９に記載の制御装置において、
前記第２電流制御部は、前記電流ベクトルを、大きさゼロの直流電流指令と前記電流位相角指令θ２とにより求まる前記第２直流電流に制御する、前記第２拾い上げ電圧指令を出力する、制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電動機のトルク制御を行う制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

電動機のメンテナンス性の向上、および、電動機の小型・高出力化の観点より、速度センサが設けられていない（速度センサを用いない）電動機の制御装置（いわゆる、速度センサレス電動機制御装置）が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような制御装置では一般に、電動機のトルクを制御する際には、電動機の速度（角速度）を推定する必要がある。

【0003】

図５は、速度センサを用いない、いわゆる速度センサレス電動機制御装置である従来の制御装置１００Ａの構成例を示す図である。

【0004】

図５に示すように、制御装置１０Ａは、電流検出器１１と、拾い上げ制御部１２と、実磁束推定器１３と、拾い上げ再設定部１４と、演算用タイマー１５と、初期速度推定器１６と、初期磁束推定器１７と、トルク制御部１８と、切替器１９と、電力変換器２１とを備える。

【0005】

電流検出器１１は、電動機１に流れる電流ベクトルｉを検出し、拾い上げ制御部１２、実磁束推定器１３、初期磁束推定器１７およびトルク制御部１８に出力する。

【0006】

拾い上げ制御部１２は、電流検出器１１により検出された電流ベクトルｉと、後述する拾い上げ再設定部１４から出力された拾い上げ制御切替指令ＳＳと、直流電流指令Ｉと、直流位相角指令θとが入力される。拾い上げ制御部１２は、電流ベクトルｉが、直流電流指令Ｉおよび直流位相角指令θ通りの直流電流となるような拾い上げ電圧指令ｖ０を生成し、実磁束推定部１３および切替器１９に出力する。

【0007】

図６は、拾い上げ制御部１２の構成例を示す図である。

【0008】

図６に示すように、拾い上げ制御部１２は、Ａ電流制御部１２１と、乗算器１２２と、Ｂ電流制御部１２３と、指令切替器１２４とを備える。

【0009】

Ａ電流制御部１２１は、電流ベクトルｉと、直流電流指令Ｉと、直流位相角指令θとが入力される。Ａ電流制御部１２１は、電流ベクトルｉを直流電流指令Ｉおよび直流位相角指令θ通りの第１直流電流に制御する第１拾い上げ電圧指令ｖ０１を生成し、指令切替器１２４に出力する。

【0010】

乗算器１２２は、直流電流指令Ｉが入力される。乗算器１２２は、直流電流指令ＩにゲインＧ１を乗算した直流電流指令Ｉ＊Ｇ１をＢ電流制御部１２３に出力する。

【0011】

Ｂ電流制御部１２３は、電流ベクトルｉと、直流電流指令Ｉ＊Ｇ１と、直流位相角指令θとが入力される。Ｂ電流制御部１２３は、電流ベクトルｉを直流電流指令Ｉ＊Ｇ１および直流位相角指令θ通りの第２直流電流に制御する第２拾い上げ電圧ｖ０２を生成し、指令切替器１２４に出力する。なお、ゲインＧ１＝０とすることが最も効果的である。

【0012】

指令切替器１２４は、Ａ電流制御部１２１により生成された第１拾い上げ電圧指令ｖ０１と、Ｂ電流制御部１２３により生成された第２拾い上げ電圧指令ｖ０２と、拾い上げ制御切替指令ＳＳとが入力される。指令切替器１２４は、拾い上げ制御切替指令ＳＳがオフの場合は、第１拾い上げ電圧指令ｖ０１を拾い上げ電圧指令ｖ０として出力する。指令切替器１２４は、拾い上げ制御切替指令ＳＳがオンの場合は、第２拾い上げ電圧指令ｖ０２を拾い上げ電圧指令ｖ０として出力する。

【0013】

図５を再び参照すると、実磁束推定器１３は、電流ベクトルｉと、拾い上げ制御部１２により生成された拾い上げ電圧指令ｖ０とが入力される。実磁束推定器１３は、電流ベクトルｉおよび拾い上げ電圧指令ｖ０に基づき、以下の式（１）により電動機１の実磁束ベクトルφ２ｒを推定（演算）する。

【0014】

【数1】

【0015】

式（１）において、Ｒ１は電動機１の一次抵抗であり、Ｌ１は電動機１の一次自己インダクタンスであり、Ｌ２は電動機１の二次自己インダクタンスであり、Ｍは電動機１の相互インダクタンスである。

【0016】

実磁束推定器１３は、演算した実磁束ベクトルφ２ｒを拾い上げ再設定部１４および初期速度推定器１６に出力する。

【0017】

拾い上げ再設定部１４は、実磁束推定器１３により推定された実磁束ベクトルφ２ｒと、直流位相角指令θとが入力される。拾い上げ再設定部１４は、拾い上げ制御切替指令ＳＳを生成し、拾い上げ制御部１２および演算用タイマー１４に出力する。拾い上げ制御部１４は、図７に示すように、直流位相角指令θに直交する実磁束ベクトルφ２ｒの成分の最大値を検知するまでは、拾い上げ制御切替指令ＳＳをオフとし、直流位相角指令θに直交する実磁束ベクトルφ２ｒの成分の最大値を検知した時点で、拾い上げ制御切替指令ＳＳをオンとする。

【0018】

上記のような構成により、直流位相角指令θに直交する実磁束ベクトルφ２ｒの成分の最大値を検知した時点で、拾い上げ再設定部１４から出力される拾い上げ制御切替指令ＳＳがオフからオンに切り替わる。拾い上げ制御切替指令ＳＳのオフからオンへの切り替わりに応じて、拾い上げ制御部１２は、電流ベクトルｉの直流電流の大きさが切り替わるように制御する。

【0019】

図５を再び参照すると、演算用タイマー１５は、拾い上げ再設定部１４により生成された拾い上げ制御切替指令ＳＳが入力される。演算用タイマー１５は、拾い上げ制御切替指令ＳＳがオフからオンになるエッジ（タイミング）でゼロクリアされるタイマカウンタであり、拾い上げ時刻ｔ０を初期速度推定器１６および初期磁束推定器１７に出力する。

【0020】

初期速度推定器１６は、実磁束推定器１３により推定された実磁束ベクトルφ２ｒと、演算用タイマー１５から出力された拾い上げ時刻ｔ０とが入力される。初期速度推定器１６は、トルク制御開始指令ＳＷがオンになるまで、実磁束ベクトルφ２ｒの動きから電動機１の初期速度ωｍ０を推定する。

【0021】

初期速度推定器１６は、時刻０から拾い上げ時刻ｔ０までの区間における、時々刻々変換する実磁束ベクトルφ２ｒを記憶するメモリを備える。初期速度推定器１６は、時刻０～拾い上げ時刻ｔ０までの区間における任意の３時点ｔ００，ｔ０１，ｔ０２の実磁束ベクトルφ２ｒであるφ（ｔ００），φ（ｔ０１），φ（ｔ０２）を抽出し、以下の式（２）～式（７）に基づき初期速度ωｍ０を演算する。

【0022】

まず、初期速度推定器１６は、３つのベクトルφ（ｔ００），φ（ｔ０１），φ（ｔ０２）の終点を通る円の中心Ｒを以下の式（２）～式（５）に基づき求める。

【0023】

【数2】

【0024】

ここで、（Ｆ１_Ａ，Ｆ１_Ｂ），（Ｆ２_Ａ，Ｆ２_Ｂ），（Ｒ_Ａ，Ｒ_Ｂ）はそれぞれ、ベクトルＦ１，Ｆ２、Ｒの成分である。次に、初期速度推定器１６は、円の中心Ｒから見た、ベクトルφ（ｔ００）とベクトルφ（ｔ０２）との間の角度θＣを以下の式（６）に基づき求める。

【0025】

【数3】

【0026】

ここで、記号「×」はベクトルの外積を示し、記号「・」はベクトルの内積を示す。

【0027】

時刻ｔ００から時刻ｔ０２まで（例えば、数十ミリ秒）のモータの回転速度はほぼ一定とみなすことができるため、初期速度推定器１６は、以下の式（７）に基づき初期速度ωｍ０を求める。

【0028】

【数4】

【0029】

初期速度推定器１６は、推定（演算）した初期速度ωｍ０を初期磁束推定器１７およびトルク制御部１８に出力する。

【0030】

初期磁束推定器１７は、電流検出器１１により検出された電流ベクトルｉと、演算用タイマー１５から出力された拾い上げ時刻ｔ０と、初期速度推定器１６により推定された初期速度ωｍ０とが入力される。初期磁束推定器１７は、以下の式（８）に基づき、初期二次磁束φ２０を演算する。

【0031】

【数5】

【0032】

ここで、ｊは虚数単位であり、Ｔ２は電動機１の二次時定数であり，Ｌ２／Ｒ２で得られる。φ２０は拾い上げ制御切替指令ＳＳがオフからオンになるエッジ（タイミング）の実磁束である。なお、式（８）の第２項は、ベクトルＲに対する実磁束ベクトルφ２ｒの相対ベクトルとして求めることもできる。

【0033】

初期磁束推定器１７は、推定した初期二次磁束φ２０をトルク制御部１８に出力する。

【0034】

トルク制御部１８は、トルク制御開始指令ＳＷと、電流検出器１１により検出された電流ベクトルｉと、初期速度推定器１６により推定された初期速度ωｍ０と、初期磁束推定器１７により推定された初期二次磁束φ２０とが入力される。トルク制御部１８は、トルク制御開始指令ＳＷがオンになると、初期速度ωｍ０と、初期二次磁束φ２０とを初期値として、電流ベクトルｉに基づき、電動機１のトルクを制御するトルク制御電圧指令ｖ１を生成し、切替器１９に出力する。

【0035】

切替器１９は、トルク制御開始指令ＳＷと、拾い上げ制御部１２により生成された拾い上げ電圧指令ｖ０と、トルク制御部１８により生成されたトルク制御電圧指令ｖ１とが入力される。切替器１９は、トルク制御開始指令ＳＷに従い、拾い上げ電圧指令ｖ０とトルク制御電圧指令ｖ１とを切り替えて、電圧指令ｖ＊として電力変換器２１に出力する。具体的には、切替器１９は、トルク制御開始指令ＳＷがオンになるまでは、拾い上げ電圧指令ｖ０を電圧指令ｖ＊として電力変換器２１に出力する。切替器１９は、トルク制御開始指令ＳＷがオンになると、トルク制御電圧指令ｖ１を電圧指令ｖ＊として電力変換器２１に出力する。電力変換器２１は、切替器１９から出力された電圧指令ｖ＊を増幅して、増幅器１に電力を供給する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0036】

【文献】特開２０１９－１１５２１２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0037】

図５を参照して説明した制御装置１０Ａにおいては、式（２）～式（７）を用いて実磁束ベクトルφ２ｒの円の軌跡の動きから電動機１の初期速度ωｍ０を推定する際に、式（８）の、時刻ｔ０が変化した際の第２項部分の動きを使って初期速度ωｍ０を推定していると考えることができる。

【0038】

式（８）の第２項において、括弧内の絶対値が小さくなるような実磁束φｘｘになった場合、式（２）～式（７）を用いた演算は、ベクトルＦ１，Ｆ２の大きさ小さい分、実磁束推定器１３の推定誤差の影響が大きくなる。その結果、演算精度が悪くなり、初期速度ωｍ０および初期二次磁束φ２０の推定に誤差が生じる可能性がある。

【0039】

特に、電動機１のＲ２が小さい場合、拾い上げ制御開示時の残留磁束があった場合、あるいは、推定すべき初期速度ωｍ０が小さい場合、式（８）の第２項の括弧内の絶対値が小さくなる可能性がある。そのため、トルク制御部１８の初期入力値である、初期速度ωｍ０および初期二次磁束φ２０の推定値に誤差が生じ、電動機１のトルク制御を高精度に行うことができない可能性がある。

【0040】

上記のような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、電動機の初期速度ωｍ０および初期二次磁束φ２０の推定の精度向上を図ることができる制御装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0041】

上記課題を解決するため、本発明に係る制御装置は、電動機の制御装置であって、前記電動機に流れる電流ベクトルを検出する電流検出器と、前記電流ベクトルと、拾い上げ電圧指令とが入力され、実磁束ベクトルを推定する実磁束推定器と、前記実磁束ベクトルと、拾い上げ時刻とが入力され、前記電動機の初期速度を推定する初期速度推定器と、前記電流ベクトルと、前記初期速度と、前記拾い上げ時刻とが入力され、前記電動機の初期二次磁束を推定する初期磁束推定器と、前記電流ベクトルと、複数の直流電流指令と、電流位相角指令とに基づき、前記電動機の電流を直流に制御する電圧指令を生成し、前記複数の直流電流指令それぞれを用いて生成した電圧指令を前記拾い上げ状態指令により切り替えて、前記拾い上げ電圧指令として出力する拾い上げ制御部と、前記実磁束ベクトルと、直流位相角基準指令と、方向指令とが入力され、前記拾い上げ状態指令と、前記電流位相角指令とを出力する位相再設定部と、を備える。

【0042】

また、本発明に係る制御装置において、前記位相再設定部は、前記実磁束ベクトルと、前記直流位相角基準指令とに基づき、前記拾い上げ状態指令を生成する状態切替器と、前記実磁束ベクトルと、前記拾い上げ状態指令と、前記方向指令とに基づき、磁束位相角指令を生成する位相演算器と、前記直流位相角基準指令と、前記磁束位相角指令とを、前記拾い上げ状態指令により切り替えて、前記電流位相角指令として出力する位相切替器と、を備えることが好ましい。

【0043】

また、本発明に係る制御装置において、前記状態切替器は、前記拾い上げ状態指令の初期値を第１状態とし、前記直流位相角基準指令に直交する前記実磁束ベクトルの成分の最大値を検出した場合に、前記拾い上げ状態指令を第２状態とし、前記拾い上げ状態指令が前記第２状態であり、前記実磁束ベクトルの軌跡の長さが所定値より小さい場合に、前記拾い上げ状態指令を第３状態とすることが好ましい。

【0044】

また、本発明に係る制御装置において、前記位相切替器は、前記拾い上げ状態指令が前記第１状態または前記第２状態である場合、前記直流位相角基準指令を前記電流位相角指令として出力し、前記拾い上げ状態指令が前記第３状態である場合、前記磁束位相角指令を前記電流位相角指令として出力することが好ましい。

【0045】

また、本発明に係る制御装置において、前記位相演算器は、前記拾い上げ状態指令が前記第２状態から前記第３状態へ切り替わる際の前記実磁束ベクトルの位相角をθφとし、前記方向指令が正転を示す場合に、θ１１＝θφ＋π／２とし、前記方向指令が逆転を示す場合に、θ１１＝θφ－π／２としたとき、前記磁束位相角指令をθ１１とすることが好ましい。

【0046】

また、本発明に係る制御装置において、前記位相演算器は、前記拾い上げ状態指令が前記第２状態から前記第３状態へ切り替わる際の前記実磁束ベクトルの位相角をθφとし、前記方向指令が正転を示す場合にθ１１＝θφ＋π／２とし、前記方向指令が逆転の場合にθ１１＝θφ－π／２としたとき、ｎ＊π／３（ｎは整数）の中からθ１１に最も近い値を前記磁束位相角指令とすることが好ましい。

【0047】

また、本発明に係る制御装置において、前記位相演算器は、前記拾い上げ状態指令が前記第２状態から前記第３状態へ切り替わる際の前記実磁束ベクトルの位相角をθφとし、前記方向指令が正転を示す場合にθ１１＝θφ＋π／２とし、前記方向指令が逆転の場合にθ１１＝θφ－π／２としたとき、ｎ＊π（ｎは整数）の中からθ１１に最も近い値を前記磁束位相角指令とすることが好ましい。

【0048】

また、本発明に係る制御装置において、前記直流位相角基準指令は、ｎ＊π／３（ｎは０～５の整数）の中の１つの値であることが好ましい。

【0049】

また、本発明に係る制御装置において、前記拾い上げ制御部は、前記電流ベクトルを、前記直流電流指令と前記電流位相角指令とにより求まる第１直流電流に制御する、第１拾い上げ電圧指令を出力する第１電流制御部と、前記電流ベクトルを、前記直流電流指令と異なる値の直流電流指令と、前記電流位相角指令とにより求まる第２直流電流に制御する、第２拾い上げ電圧指令を出力する第２電流制御部と、前記電流ベクトルを、前記直流電流指令と異なる値または同値の直流電流指令と、前記電流位相角指令とにより求まる第３直流電流に制御する、第３拾い上げ電圧指令を出力する第３電流制御部と、を備え、前記拾い上げ状態指令が前記第１状態である場合、前記第１拾い上げ電圧指令を前記拾い上げ電圧指令として出力し、前記拾い上げ状態指令が前記第２状態である場合、前記第２拾い上げ電圧指令を前記拾い上げ電圧指令として出力し、前記拾い上げ状態指令が前記第３状態である場合、前記第３拾い上げ電圧指令を前記拾い上げ電圧指令として出力する指令切替器と、を備えることが好ましい。

【0050】

また、本発明に係る制御装置において、
前記第２電流制御部は、前記電流ベクトルを、大きさゼロの直流電流指令と前記電流位相角指令θ２とにより求まる前記第２直流電流に制御する、前記第２拾い上げ電圧指令を出力することが好ましい。

【発明の効果】

【0051】

本発明に係る制御装置によれば、電動機の初期速度ωｍ０および初期二次磁束φ２０の推定の精度向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0052】

【図1】本発明の一実施形態に係る制御装置の構成例を示す図である。

【図2】図１に示す位相再設定部の構成例を示す図である。

【図3】図１に示す拾い上げ制御部の構成例を示す図である。

【図4】図１に示す制御装置の動作を説明するための図である。

【図5】従来の制御装置の構成例を示す図である。

【図6】図５に示す拾い上げ制御部の構成例を示す図である。

【図7】図５に示す拾い上げ再設定部の動作を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0053】

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

【0054】

図１は、本発明の一実施形態に係る制御装置１０の構成例を示す図である。本実施形態に係る制御装置１０は、速度センサを用いずに電動機１のトルク制御を行う、いわゆる速度センサレス電動機制御装置である。図１において、図５と同様の構成には同じ符号を付し、説明を省略する。

【0055】

図１に示す制御装置１０は、電流検出器１１と、拾い上げ制御部２２と、実磁束推定器１３と、位相再設定部２３と、演算用タイマー１５と、初期速度推定器１６と、初期磁束推定器１７と、トルク制御部１８と、切替器１９と、電力変換器２１とを備える。図１に示す制御装置１０は、図５に示す制御装置１０Ａと比較して、拾い上げ制御部１２を拾い上げ制御部２２に変更した点と、拾い上げ再設定部１４を位相再設定部２３に変更した点とが異なる。

【0056】

位相再設定部２３は、実磁束推定器１３により推定された実磁束ベクトルφ２ｒと、直流位相角基準指令θ０と、電動機１の回転方向を示す方向指令ＦＲとが入力される。位相再設定部２３は、実磁束ベクトルφ２ｒ、直流位相角基準指令θ０および方向指令ＦＲに基づき、拾い上げ状態指令ＳＳ２および電流位相角指令θ２を生成する。位相再設定部２３は、生成した拾い上げ状態指令ＳＳ２を演算用タイマー１５および拾い上げ制御部２２に出力する。また、位相再設定部２３は、生成した電流位相角指令θ２を拾い上げ制御部２２に出力する。演算用タイマー１５は、拾い上げ制御切替指令ＳＳの代わりに拾い上げ状態指令ＳＳ２が入力され、拾い上げ状態指令ＳＳ２の状態が変わるたびに、拾い上げ時刻ｔ０をゼロクリアする。

【0057】

拾い上げ制御部２２は、電流検出器１１により検出された電流ベクトルｉと、直流電流指令Ｉと、位相再設定部２３から出力された拾い上げ状態指令ＳＳ２および電流位相角指令θ２とが入力される。拾い上げ制御部２２は、電流ベクトルｉと、複数の直流電流指令（直流電流指令Ｉに依存した値）と、電流位相角指令θ２とに基づき、電動機１の電流を直流に制御する拾い上げ電圧指令ｖ０を生成する。拾い上げ制御部２２は、複数の直流電流指令それぞれを用いて生成した電圧指令を、拾い上げ状態指令ＳＳ２により切り替えて、拾い上げ電圧指令ｖ０として実磁束推定器１３および切替器１９に出力する。

【0058】

本実施形態に係る制御装置１０によれば、実磁束ベクトルφ２ｒの状態に応じた拾い上げ状態指令ＳＳ２が生成され、拾い上げ状態指令ＳＳ２により拾い上げ制御部２２による直流電流制御状態を切り替えることができる。そのため、実磁束ベクトルφ２ｒの円の軌跡の半径が小さい場合には、実磁束ベクトルφ２ｒの円の軌跡の半径が大きくなるように、直流電流制御状態を切り替えることができる。その結果、初期速度ωｍ０および初期二次磁束φ２０の推定の精度向上を図ることができる。また、初期速度ωｍ０および初期二次磁束φ２０の推定の精度が向上することで、電動機１のトルク制御の精度も向上させることができる。

【0059】

次に、位相再設定部２３および拾い上げ制御部２２の構成について説明する。まず、位相再設定部２３の構成について、図２を参照して説明する。

【0060】

図２に示すように、位相再設定部２３は、状態切替器２３１と、位相演算器２３２と、位相切替器２３３とを備える。

【0061】

状態切替器２３１は、直流位相角基準指令θ０と、実磁束推定器１３により推定された実磁束ベクトルφ２ｒとが入力される。状態切替器２３１は、直流位相角基準指令θ０と、実磁束ベクトルφ２ｒとに基づき、拾い上げ状態指令ＳＳ２を生成する。状態切替器２３１は、生成した拾い上げ状態指令ＳＳ２を位相演算器２３２および位相切替器２３３に出力する。状態切替器２３１により生成された拾い上げ状態指令ＳＳ２は、図１を参照して説明したように、演算用タイマー１５および拾い上げ制御部２２にも出力される。

【0062】

状態切替器２３１は、拾い上げ状態指令ＳＳ２の初期値を第１状態とする。状態切替器１１１は、直流位相角基準指令θ０に直交する実磁束ベクトルφ２ｒの成分の最大値を検知した場合に、拾い上げ状態指令ＳＳ２を第２状態とする。また、状態切替器２３１は、拾い上げ状態指令ＳＳ２が第２状態であり、実磁束ベクトルφ２ｒの軌跡の長さＬＬが所定値ＬＬ１より小さい場合に、拾い上げ状態指令ＳＳ２を第３状態とする。

【0063】

実磁束ベクトルφ２ｒの軌跡の長さＬＬの理論値はおよそ、Ｒ２＊Ｉ＊ｔ０（Ｉは直流電流指令、ｔ０は拾い上げ時刻）で計算することができる。所定値ＬＬ１は、例えば、Ｒ２Ｎ＊Ｉ＊ｔ０とする。Ｒ２Ｎは二次抵抗の設定値である。

【0064】

一方、実磁束ベクトルφ２ｒの軌跡の長さＬＬは、軌跡の半径ＲＲと電動機１の速度ωｍとを用いて、ＲＲ＊ωｍ＊ｔ０で計算することができる。実磁束ベクトルφ２ｒの軌跡の長さＬＬは線積分で求めてもよい。

【0065】

Ｒ２がＲ２Ｎより小さい場合、実磁束ベクトルφ２ｒの軌跡の半径ＲＲが小さくなるため、実磁束ベクトルφ２ｒの軌跡の長さＬＬは所定値ＬＬ１より小さくなり、拾い上げ状態指令ＳＳ２は第３状態となる。また、残留磁束の影響で実磁束ベクトルφ２ｒの軌跡の半径ＲＲが小さくなった場合、実磁束ベクトルφ２ｒの軌跡の長さＬＬは所定値ＬＬ１より小さくなり、拾い上げ状態指令ＳＳ２は第３状態となる。また、電動機１の初期速度ωｍ０が低速の場合、実磁束ベクトルφ２ｒの軌跡の長さＬＬを求める式内のωｍが小さいため、実磁束ベクトルφ２ｒの軌跡の長さＬＬは所定値ＬＬ１よりも小さくなり、拾い上げ状態指令ＳＳ２は第３状態となる。

【0066】

位相演算器２３２は、実磁束推定器１３により推定された実磁束ベクトルφ２ｒと、状態切替器２３１により生成された拾い上げ状態指令ＳＳ２と、方向指令ＦＲとが入力される。位相演算器２３２は、実磁束ベクトルφ２ｒと、拾い上げ状態指令ＳＳ２と、方向指令ＦＲとに基づき、磁束位相角指令θ１を生成し、位相切替器２３３に出力する。

【0067】

位相演算器２３２は、拾い上げ状態指令ＳＳ２が第２状態から第３状態へ切り替わる際の実磁束ベクトルφ２ｒの位相角をθφとすると、磁束位相角指令θ１を、方向指令ＦＲが正転を示す場合、θ１＝θφ＋π／２とし、方向指令ＦＲが逆転を示す場合θ１＝θφ－π／２とする。

【0068】

電力変換器２１をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）インバータを代表とした、スイッチング素子で構成されるインバータとした場合、電源短絡の防止のためのデッドタイムが存在する。デッドタイムは電流ベクトルｉの極性の影響を受けるため、電流ベクトルｉはなるべくゼロから離れた値とすることが望ましい。そこで、位相演算器２３２は、拾い上げ状態指令ＳＳ２が第２状態から第３状態へ切り替わる際の実磁束ベクトルφ２ｒの位相角をθφとし、方向指令ＦＲが正転を示す場合、θ１１＝θφ＋π／２とし、方向指令ＦＲが逆転を示す場合、θ１１＝θφ－π／２としたとき、ｎ＊π／３（ｎは整数）の中からθ１１に最も近い値を磁束位相角指令θ１としてもよい。こうすることで、電流ベクトルｉは、ゼロから離れた値となる。

【0069】

また、位相演算器２３２は、拾い上げ状態指令ＳＳ２が第２状態から第３状態へ切り替わる際の実磁束ベクトルφ２ｒの位相角をθφとし、方向指令ＦＲが正転を示す場合、θ１１＝θφ＋π／２とし、方向指令ＦＲが逆転を示す場合、θ１１＝θφ－π／２としたとき、ｎ＊π（ｎは整数）の中からθ１１に最も近い値を磁束位相角指令θ１としてもよい。

【0070】

位相切替器２３３は、状態切替器２３１により生成された拾い上げ状態指令ＳＳ２と、磁束位相角指令θ１と、直流位相角基準指令θ０とが入力される。位相切替器２３３は、磁束位相角指令θ１と、直流位相角基準指令θ０とを、拾い上げ状態指令ＳＳ２により切り替えて、電流位相角指令θ２として拾い上げ制御部２２に出力する。

【0071】

具体的には、位相切替器２３３は、拾い上げ状態指令ＳＳ２が第１状態または第２状態である場合、直流位相角基準指令θ０を電流位相角指令θ２として出力する。また、位相切替器２３３は、拾い上げ状態指令ＳＳ２が第３状態である場合、磁束位相角指令θ１を電流位相角指令θ２として出力する。

【0072】

図２を参照して説明した位相再設定部２３によれば、拾い上げ状態指令ＳＳ２が第１状態または第２状態である場合、直流位相角基準指令θ０が拾い上げ制御部２２に入力される。

【0073】

Ｒ２が小さい場合、残留磁束がある場合、または初期速度ωｍ０が低速である場合、状態切替器２３１により、拾い上げ状態指令ＳＳ２が第２状態から第３状態になる。拾い上げ状態指令ＳＳ２が第２状態から第３状態になることで、位相演算器２３２により演算された磁束位相角指令θ１が拾い上げ制御部２２に入力される。

【0074】

ここで、電力変換器２１を、ＰＷＭインバータを代表とした、スイッチング素子で構成されるインバータとした場合を考慮すると、直流位相角基準指令θ０は、ｎ＊π／３（ｎは０～５の整数）の中の１つの値であることが好ましい。こうすることで、、電流ベクトルｉは、ゼロから離れた値となり、電源短絡の防止のためのデッドタイムへの影響を抑制することができる。

【0075】

次に、拾い上げ制御部２２の構成について、図３を参照して説明する。

【0076】

図３に示すように、拾い上げ制御部２２は、第１電流制御部２２１と、乗算器２２２，２２４と、第２電流制御部２２３と、第３電流制御部２２５と、指令切替器２２６とを備える。

【0077】

第１電流制御部２２１は、電流検出器１１により検出された電流ベクトルｉと、位相再設定部２３により生成された電流位相角指令θ２と、直流電流指令Ｉとが入力される。第１電流制御部２２１は、電流ベクトルｉを、直流電流指令Ｉと電流位相角指令θ２とにより求まる（直流電流指令Ｉと電流位相角指令θ２とに追従する）第１直流電流に制御する、第１拾い上げ電圧指令ｖ０１を生成し、指令切替器２２６に出力する。

【0078】

乗算器２２２は、直流電流指令Ｉが入力される。乗算器２２２は、直流電流指令ＩにゲインＧ１を乗算した直流電流指令Ｉ２を第２電流制御部２２３に出力する。ゲインＧ１は、１未満であることが妥当であり、０を代表とする微小値であることが望ましい。直流電流指令Ｉ２＝Ｉ＊Ｇ１であるため、直流電流指令Ｉと直流電流指令Ｉ２とは異なる値である。

【0079】

第２電流制御部２２３は、電流検出器１１により検出された電流ベクトルｉと、位相再設定部２３により生成された電流位相角指令θ２と、直流電流指令Ｉ２とが入力される。第２電流制御部２２３は、電流ベクトルｉを、直流電流指令Ｉ２と電流位相角指令θ２とにより求まる（直流電流指令Ｉ２と電流位相角指令θ２とに追従する）第２直流電流に制御する、第２拾い上げ電圧指令ｖ０２を生成し、指令切替器２２６に出力する。

【0080】

乗算器２２４は、直流電流指令Ｉが入力される。乗算器２２４は、直流電流指令ＩにゲインＧ２を乗算した直流電流指令Ｉ３を第３電流制御部２２５に出力する。ゲインＧ２は、０より大きい値である。直流電流指令Ｉ３＝Ｉ＊Ｇ３であるため、直流電流指令Ｉと直流電流指令Ｉ３とは異なる値または同値である。

【0081】

第３電流制御部２２５は、電流検出器１１により検出された電流ベクトルｉと、位相再設定部２３により生成された電流位相角指令θ２と、直流電流指令Ｉ３とが入力される。第３電流制御部２２５は、電流ベクトルｉを、直流電流指令Ｉ３と電流位相角指令θ２とにより求まる（直流電流指令Ｉ３と電流位相角指令θ２とに追従する）第３直流電流に制御する、第３拾い上げ電圧指令ｖ０３を生成し、指令切替器２２６に出力する。

【0082】

指令切替器２２６は、拾い上げ状態指令ＳＳ２と、第１電流制御部２２１により生成された第１拾い上げ電圧指令ｖ０１と、第２電流制御部２２３により生成された第２拾い上げ電圧指令ｖ０２と、第３電流制御部２２５により生成された第３拾い上げ電圧指令ｖ０３とが入力される。指令切替器２２６は、拾い上げ状態指令ＳＳ２が第１状態である場合、第１拾い上げ電圧指令ｖ０１を拾い上げ電圧指令ｖ０として出力する。指令切替器２２６は、拾い上げ状態指令ＳＳ２が第２状態である場合、第２拾い上げ電圧指令ｖ０２を拾い上げ電圧指令ｖ０として出力する。指令切替器２２６は、拾い上げ状態指令ＳＳ２が第３状態である場合、第３拾い上げ電圧指令ｖ０３を拾い上げ電圧指令ｖ０として出力する。

【0083】

図２，３を参照して説明した、位相再設定部２３および拾い上げ制御部２２によれば、拾い上げ状態指令ＳＳ２が第１状態および第２の状態の場合、図５を参照して説明した制御装置１０Ａと類似の動作を実現することができる。特に、ゲインＧ１を０とし、第２電流制御部２２３が、電流ベクトルｉを、大きさゼロの直流電流指令Ｉ２と電流位相角指令θ２とにより求まる第２直流電流に制御する、第２拾い上げ電圧指令ｖ０２を生成する構成とすれば、制御装置１０Ａと同様の動作を実現することができる。すなわち、拾い上げ状態指令ＳＳ２が第１状態である場合が、拾い上げ制御切替指令ＳＳがオフである場合に対応する。また、拾い上げ状態指令ＳＳ２が第２状態である場合が、拾い上げ制御切替指令ＳＳがオンである場合に対応する。

【0084】

本実施形態に係る位相再設定部２３および拾い上げ制御部２２によれば、上述したように、拾い上げ状態指令ＳＳ２が第２状態であり、かつ、Ｒ２が小さい場合、残留磁束がある場合、あるいは、初期速度ωｍ０が低速である場合、拾い上げ状態指令ＳＳ２が第３状態となる。第３状態では、電動機１の電流は、大きさＧ２＊Ｉ、位相角θの直流となる。このときの実磁束ベクトルφ２ｒの軌跡の中心は、電動機１が正転の場合は、およそθ２＋π／２の位相方向、電動機１が逆転の場合は、およそθ２－π／２の位相方向となる。拾い上げ状態指令ＳＳ２が第２状態から第３状態へ切り替わる際の実磁束ベクトルφ２ｒの位相角をθφとすると、方向指令ＦＲが正転の場合、θ２≒θφ＋π／２であり、方向指令ＦＲが逆転の場合θ２≒θφ－π／２であるので、第３状態での実磁束ベクトルφ２ｒの軌跡の中心は、図４に示すように、およそθφ＋πの位相方向となる。その結果、第３状態での実磁束ベクトルφ２ｒの半径は、第２状態での実磁束ベクトルφ２ｒの半径よりも大きくなる。実磁束ベクトルφ２ｒの半径が大きくなることで、初期速度ωｍ０および初期二次磁束φ２０の推定精度が向上し、その結果、電動機１のトルク制御の精度も向上する。

【0085】

上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本発明の趣旨および範囲内で、多くの変更および置換が可能であることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形および変更が可能である。

【符号の説明】

【0086】

１ 電動機
１０ 制御装置
１１ 電流検出器
１３ 実磁束推定器
１５ 演算用タイマー
１６ 初期速度推定器
１７ 初期磁束推定器
１８ トルク制御部
１９ 切替器
２１ 電力変換器
２２ 拾い上げ制御部
２３ 位相再設定部
２２１ 第１電流制御部
２２２，２２４ 乗算器
２２３ 第２電流制御部
２２５ 第３電流制御部
２２６ 切替部
２３１ 位相切替器
２３２ 位相演算器
２３３ 位相切替器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】