JP2013078200A - 同期電動機の制御装置及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動する永久磁石同期電動機が任意のモータであっても、弱め界磁制御と最大トルク制御との切り換えを安定して行うことができる同期電動機の制御装置及び制御方法を提供する。
【解決手段】最大線間電圧演算部１１によって演算された最大線間電圧ＶmaxとＰＭモータ１の電気角速度ωeとを用いて弱め界磁制御用のｄ軸電流演算値を演算するｄ軸電流演算部１２と、最大線間電圧ＶmaxとＰＭモータ１の電気角速度ωeとに基づいて、弱め界磁制御用のｄ軸電流演算値と最大トルク制御用のｄ軸電流設定値とのいずれかをｄ軸電流指令値Ｉd*として出力させる弱め界磁制御切換部１３とを設ける。また、ｄ軸電流演算部１２によって、最大線間電圧Ｖmaxと、ＰＭモータ１の電気角速度と、ＰＭモータ１のモータパラメータである逆起電力係数及びｄ軸インダクタンスとからｄ軸電流演算値を演算する。
【選択図】図１

Description

本発明は、同期電動機の制御装置及び制御方法に関し、特に弱め界磁制御への切り換えを安定して行える同期電動機の制御装置及び制御方法に関する。

永久磁石同期電動機を基底回転数以上の速度で制御する場合、ｄ軸電流により永久磁石が発生する磁束を弱めて制御する弱め界磁制御への切り換えが行われている。弱め界磁制御への切り換えの判断は、基底回転数とモータ回転数との比較に基づいて行っていたが、直流電圧が大きく変動するような装置の場合、基底回転数以下の速度でインバータ出力電圧が飽和して制御不能となることがあった。

そこで本出願人は、直流電圧が変動しても、弱め界磁制御と最大トルク制御との切り換えを安定して行うことができる技術を提案している（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、直流電圧をリアルタイムで検出して、制御中の回転数に必要な直流電圧の演算値との比較により、弱め界磁制御を行うか、最大トルク制御を行うかの判断を行っている。

特開２００３−３３０９７号公報

しかしながら、特許文献１では、主回路部の入力仕様がバッテリを主とした直流電源である特定のモータを制御対象としており、主回路部の入力仕様が３相交流＋ダイオード整流による直流電源である場合や任意のモータに対応することができないという課題があった。すなわち、特許文献１では、比較的安定したバッテリを直流電源としていたが、３相交流＋ダイオード整流による直流電源では直流電圧が変動するため、弱め界磁制御への切り換えが不安定になってしまう。また、特許文献１では、特定のモータ用のテーブルデータを用いてｄ軸電流演算を行っているため、任意のモータに対応することができない。

本発明の目的は、従来技術の上記課題を解決し、駆動する永久磁石同期電動機が任意のモータであっても、弱め界磁制御と最大トルク制御との切り換えを安定して行うことができる同期電動機の制御装置及び制御方法を提供することにある。

本発明の同期電動機の制御装置は、３相交流をダイオード整流して得られた直流電圧を三相電圧指令値に基づいてインバータ回路で交流電圧に変換し、変換した交流電圧を同期電動機に供給して駆動する同期電動機の制御装置であって、前記同期電動機に流れる三相交流電流を回転座標上のｄ軸電流とｑ軸電流とに変換させる電流座標変換手段と、前記直流電圧を用いて最大線間電圧を演算する最大線間電圧演算手段と、該最大線間電圧演算手段によって演算された前記最大線間電圧と前記同期電動機の電気角速度とを用いて弱め界磁制御用のｄ軸電流演算値を演算するｄ軸電流演算手段と、前記最大線間電圧演算手段によって演算された前記最大線間電圧と前記同期電動機の前記電気角速度とに基づいて、前記ｄ軸電流演算手段によって演算された弱め界磁制御用の前記ｄ軸電流演算値と最大トルク制御用のｄ軸電流設定値とのいずれかをｄ軸電流指令値として出力させる弱め界磁制御切換手段と、供給されたモータ速度指令値と前記同期電動機のモータ角速度とを用いてｑ軸電流指令値を演算するｑ軸電流演算手段と、前記弱め界磁制御切換手段から出力される前記ｄ軸電流指令値と前記電流座標変換手段によって変換された前記ｄ軸電流との偏差に基づいてｄ軸電圧演算値を演算するｄ軸電圧演算手段と、前記ｑ軸電流演算手段によって演算された前記ｑ軸電流指令値と前記電流座標変換手段によって変換された前記ｑ軸電流との偏差に基づいてｑ軸電圧演算値を演算するｑ軸電圧演算手段と、前記ｄ軸電圧演算手段によって演算された前記ｄ軸電圧演算値と前記ｑ軸電圧演算手段によって演算された前記ｑ軸電圧演算値とを前記三相電圧指令値に変換させる電圧指令値変換手段とを具備することを特徴とする。
さらに、本発明の同期電動機の制御装置において、前記ｄ軸電流演算手段は、前記最大線間電圧演算手段によって演算された前記最大線間電圧と、前記同期電動機の前記電気角速度と、前記同期電動機のモータパラメータである逆起電力係数及びｄ軸インダクタンスとから前記ｄ軸電流演算値を演算するようにしても良い。
さらに、本発明の同期電動機の制御装置において、前記弱め界磁制御切換手段は、前記同期電動機の前記電気角速度に基づいてモータ線間電圧を演算し、演算した前記モータ線間電圧と前記最大線間電圧演算手段によって演算された前記最大線間電圧との比較結果に基づいて、前記ｄ軸電流演算手段によって演算された弱め界磁制御用の前記ｄ軸電流演算値と最大トルク制御用のｄ軸電流設定値とのいずれかを選択してｄ軸電流指令値として出力させるようにしても良い。
さらに、本発明の同期電動機の制御装置において、前記ｄ軸電圧演算手段及び前記ｑ軸電圧演算手段によってそれぞれ演算された前記ｄ軸電圧演算値及び前記ｑ軸電圧演算値に基づくｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値を合成ベクトルが所定の値以下になるようにリミットして出力させる電圧指令値制限手段を具備し、前記電圧指令値変換手段は、前記電圧指令値制限手段から出力される前記ｄ軸電圧指令値及び前記ｑ軸電圧指令値を前記三相電圧指令値に変換させるようにしても良い。
さらに、本発明の同期電動機の制御装置において、前記最大線間電圧演算手段は、前記直流電圧と前記インバータ回路の変調度とから前記最大線間電圧を演算するようにしても良い。
また、本発明の同期電動機の制御方法は、３相交流をダイオード整流して得られた直流電圧を三相電圧指令値に基づいてインバータ回路で交流電圧に変換し、変換した交流電圧を同期電動機に供給して駆動する同期電動機の制御方法であって、前記同期電動機に流れる三相交流電流を回転座標上のｄ軸電流とｑ軸電流とに変換し、前記直流電圧を用いて最大線間電圧を演算し、前記最大線間電圧と前記同期電動機の電気角速度とを用いて弱め界磁制御用のｄ軸電流演算値を演算し、前記最大線間電圧と前記同期電動機の電気角速度とに基づいて、弱め界磁制御用の前記ｄ軸電流演算値と最大トルク制御用のｄ軸電流設定値とのいずれかをｄ軸電流指令値として出力し、供給されたモータ速度指令値と前記同期電動機のモータ角速度とを用いてｑ軸電流指令値を演算し、前記ｄ軸電流指令値と前記ｄ軸電流との偏差に基づいてｄ軸電圧演算値を演算し、前記ｑ軸電流指令値と前記ｑ軸電流との偏差に基づいてｑ軸電圧演算値を演算し、前記ｄ軸電圧演算値と前記ｑ軸電圧演算値とを前記三相電圧指令値に変換することを特徴とする。

本発明によれば、最大線間電圧演算手段によって演算された最大線間電圧と同期電動機の電気角速度とを用いて弱め界磁制御用のｄ軸電流演算値を演算し、最大線間電圧と同期電動機の電気角速度とに基づいて、弱め界磁制御用の前記ｄ軸電流演算値と最大トルク制御用のｄ軸電流設定値とのいずれかをｄ軸電流指令値として出力させるように構成することにより、駆動する永久磁石同期電動機が任意のモータであっても、永久磁石同期電動機のモータパラメータを設定するだけで、任意の永久磁石同期電動機に最適な弱め界磁制御におけるｄ軸電流指令値をリアルタイムに演算することが可能となる。また、弱め界磁制御と最大トルク制御とをスムーズに安定して切り換えを行うことができ、モータ定格速度の広範囲（例えば２倍程度）な可変速制御を実現することができるという効果を奏する。

本発明に係る同期電動機の制御装置の実施の形態の回路構成を示す回路構成図である。 図１に示す弱め界磁制御切換部の制御ブロック図である。 図１に示す弱め界磁制御切換部における切り換え動作を説明するためのフローチャートである。 図１に示す電圧指令値制限部におけるリミット処理を説明するための説明図である。

次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。
本実施の形態は、同期電動機として永久磁石形同期電動機（以下、ＰＭモータ１と称す）を駆動制御する制御装置であり、図１を参照すると、インバータ回路２と、Ｕ相電流センサ３ｕ，Ｗ相電流センサ３ｗと、エンコーダ４と、制御部１０とを備えている。電源は、３相交流＋ダイオード整流による直流電源であり、三相交流電源５をダイオードブリッジ回路６により整流し、平滑コンデンサ７によりリップルを除去した直流電圧Ｖdcがインバータ回路２に供給され、インバータ回路２で可変電圧、可変周波数の三相交流を出力してＰＭモータ１に印加するように構成されている。

インバータ回路２は、ブリッジ接続されたスイッチ素子Ｑ１〜Ｑ６から構成されている。スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ６としては、ＮＰＮバイポーラトランジスタや、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）を用いることもでき、また、トランジスタの代わりにＩＧＢＴ（Insulated GateBipolor Transistor）や、サイリスタを用いることもできる。

Ｕ相電流センサ３ｕは、ＰＭモータ１のＵ相巻線に流れる電流の電流値を、Ｗ相電流センサ３ｗは、ＰＭモータ１のＷ相巻線に流れる電流の電流値をそれぞれ検出するモータ電流検出手段である。なお、Ｕ相電流センサ３ｕとＷ相電流センサ３ｗとしては、コイルとホール素子とによって構成された電流センサや、シャント抵抗を用いることができる。

エンコーダ４は、ＰＭモータ１の回転によりパルス信号を出力する回転子位置検出手段である。エンコーダ４としては、スケールの変位を明暗信号に換えて光電測定する光学式のもの、多極着磁されたドラムの回転を磁気センサで検出する磁気式のもの、相対的な回転量のみを出力するインクリメンタル型のもの、絶対的な回転量を出力するアブソリュート型のものを用いることかできる。

制御部１０は、ベクトル制御に基づいてＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各電圧指令値Ｖu* ，Ｖv* ，Ｖw* を生成し、生成した各電圧指令値Ｖu* ，Ｖv* ，Ｖw* をインバータ回路２に供給する電圧指令値供給手段である。制御部１０は、最大線間電圧演算部１１と、ｄ軸電流演算部１２と、弱め界磁制御切換部１３と、ｄ軸電流偏差演算部１４と、ｄ軸電流ＰＩ演算部１５と、速度偏差演算部１６と、速度ＰＩ演算部１７と、ｑ軸電流換算ゲイン調整部１８と、ｑ軸電流偏差演算部１９と、ｑ軸電流ＰＩ演算部２０と、電圧指令値制限部２１と、電圧指令値座標変換部２２と、電流座標変換部２３と、Ｖ相電流演算部２４と、回転子位置速度演算部２５と、ＰＷＭゲート信号生成器２６とを備えている。

最大線間電圧演算部１１は、インバータ回路２に供給される直流電圧Ｖdcと、インバータ回路２の変調度ｋとに基づいて最大線間電圧Ｖmaxを演算し、求めた最大線間電圧Ｖmaxをｄ軸電流演算部１２と弱め界磁制御切換部１３と電圧指令値制限部２１とに出力する。

ｄ軸電流演算部１２は、最大線間電圧演算部１１によって演算された最大線間電圧Ｖmaxと、回転子位置速度演算部２５で求めた電気角速度ωeとに基づいてｄ軸電流演算値を演算し、求めたｄ軸電流演算値を弱め界磁制御切換部１３に出力する。

弱め界磁制御切換部１３は、最大線間電圧演算部１１によって演算された最大線間電圧Ｖmaxと、電気角速度ωeとに基づいて、弱め界磁制御を行うか最大トルク制御を行うかを判定し、判定結果に基づいて弱め界磁制御及び最大トルク制御のいずれか一方への切り換えを行う。弱め界磁制御切換部１３は、弱め界磁制御を行うと判定した場合には、ｄ軸電流演算部１２によって演算されたｄ軸電流演算値を、最大トルク制御を行うと判定した場合には、任意のｄ軸電流設定値をそれぞれｄ軸電流指令値Ｉd*として出力する。なお、最大トルク制御を行う場合、通常ｄ軸電流設定値をゼロとするか、リラクタンストルクを利用できる場合はゼロ以外の設定を可能にしている。

ｄ軸電流偏差演算部１４は、弱め界磁制御切換部１３から出力されたｄ軸電流指令値Ｉd*と、電流座標変換部２３から出力されたｄ軸電流値Ｉdとの差分をｄ軸電流偏差として演算する減算器である。

ｄ軸電流ＰＩ演算部１５は、ｄ軸電流偏差演算部１４によって演算されたｄ軸電流偏差にＰＩ演算（比例積分演算）を施し、電流座標変換部２３から出力されたｄ軸電流値Ｉdが、弱め界磁制御切換部１３から出力されたｄ軸電流指令値Ｉd*に一致するような電圧を指示するｄ軸電圧演算値Ｖdを演算する。

速度偏差演算部１６は、外部から供給されたモータ速度指令値ωm*と、回転子位置速度演算部２５から出力されたモータ角速度ωmとの差分をモータ速度偏差として演算する減算器である。

速度ＰＩ演算部１７と、速度偏差演算部１６によって演算されたモータ速度偏差にＰＩ演算（比例積分演算）を施し、トルク指令値Ｔm*を演算し、求めたトルク指令値Ｔm*をｑ軸電流換算ゲイン調整部１８に出力する。

ｑ軸電流換算ゲイン調整部１８は、速度ＰＩ演算部１７によって演算されたトルク指令値Ｔm*のゲイン調整を行うことで、ｑ軸電流指令値Ｉq*を演算し、求めたｑ軸電流指令値Ｉq*をｑ軸電流偏差演算部１９に出力する。

ｑ軸電流偏差演算部１９は、ｑ軸電流換算ゲイン調整部１８から出力されたｑ軸電流指令値Ｉq*と、電流座標変換部２３から出力されたｑ軸電流値Ｉqとの差分をｑ軸電流偏差として演算する減算器である。

ｑ軸電流ＰＩ演算部２０は、ｑ軸電流偏差演算部１９によって演算されたｑ軸電流偏差にＰＩ演算（比例積分演算）を施し、電流座標変換部２３から出力されたｑ軸電流値Ｉqが、ｑ軸電流換算ゲイン調整部１８から出力されたｑ軸電流指令値Ｉq*に一致するような電圧を指示するｑ軸電圧演算値Ｖqを演算する。

電圧指令値制限部２１は、ｄ軸電流ＰＩ演算部１５及びｑ軸電流ＰＩ演算部２０によってそれぞれ求められたｄ軸電圧演算値Ｖd及びｑ軸電圧演算値Ｖqに基づくｄ軸電圧指令値Ｖd*及びｑ軸電圧指令値Ｖq*を出力する回路であり、合成ベクトルが所定の値以下になるようにリミットしたｄ軸電圧指令値Ｖd*とｑ軸電圧指令値Ｖq*とを出力する。

電圧指令値座標変換部２２は、電圧指令値制限部２１から出力されたｄ軸電圧指令値Ｖd*及びｑ軸電圧指令値Ｖq*を、回転子位置速度演算部２５が演算した電気角θeを用いて座標変換し、Ｕ相の電圧指令値Ｖu*、Ｖ相の電圧指令値Ｖv*、Ｗ相の電圧指令値Ｖw*をそれぞれ演算し、求めたＵ相の電圧指令値Ｖu*、Ｖ相の電圧指令値Ｖv*、Ｗ相の電圧指令値Ｖw*をＰＷＭゲート信号生成器２６に出力する。

電流座標変換部２３は、Ｕ相電流センサ３ｕによって検出されたＵ相の電流値Ｉuと、Ｗ相電流センサ３ｗによって検出されたＷ相の電流値Ｉwと、Ｖ相電流演算部２４によって求められたＶ相の電流値Ｉvを、回転子位置速度演算部２５によって求められた電気角θeに基づいて、ＰＭモータ１の回転子と同期して回る回転座標系のｄ軸上のｄ軸電流値Ｉd、ｑ軸上のｑ軸電流値Ｉqに座標変換し、求めたｄ軸電流値Ｉdをｄ軸電流偏差演算部１４に、求めたｑ軸電流値Ｉqをｑ軸電流偏差演算部１９にそれぞれ出力する。

Ｖ相電流演算部２４は、三相平衡条件の下で、Ｕ相電流センサ３ｕによって求められたＵ相の電流値Ｉuと、Ｗ相電流センサ３ｗによって求められたＷ相の電流値Ｉwとに基づいて、Ｖ相の電流値Ｉvを演算する減算器である。

回転子位置速度演算部２５は、エンコーダ４から出力されたパルス信号θmをカウントすることにより、ＰＭモータ１の回転子の電気角θeと、ＰＭモータ１の回転速度を示す電気角速度ωeとモータ角速度ωmとを演算し、求めた電気角θeを電圧指令値座標変換部２２と電流座標変換部２３とに出力すると共に、求めた電気角速度ωeをｄ軸電流演算部１２と弱め界磁制御切換部１３とに出力する。また、回転子位置速度演算部２５は、求めたモータ角速度ωmを速度偏差演算部１６に出力する。なお、電気角θe は、固定子の巻線軸、例えば、Ｕ相の巻線軸を基準軸として、その基準軸と回転子の回転子軸との回転角を表す。また、モータ角速度ωmは、ＰＭモータ１の回転軸の実際の回転角速度である。

ＰＷＭゲート信号生成器２６は、電圧指令値座標変換部２２から出力されたＵ相の電圧指令値Ｖu*、Ｖ相の電圧指令値Ｖv*、Ｗ相の電圧指令値Ｖw*に基づいて、インバータ回路２のスイッチ素子Ｑ１〜Ｑ６をオン／オフするインバータゲート信号を生成して、インバータ回路２を駆動する。

次に制御部１０の動作について説明する。
ｑ軸電流指令値Ｉq*の演算動作は、まず、ＰＭモータ１の速度制御を行うため、回転子位置はエンコーダ４により検出を行い、回転子位置速度演算部２５において電気角速度ωeを演算する。次に、速度偏差演算部１６において、供給されたモータ速度指令値ωm*と、回転子位置速度演算部２５で求めたモータ角速度ωmとの差分をモータ速度偏差として演算する。次に、速度ＰＩ演算部１７において、速度偏差演算部１６で演算したモータ速度偏差にＰＩ演算処理を施し、トルク指令値Ｔm*を演算する。次に、ｑ軸電流換算ゲイン調整部１８において、速度ＰＩ演算部１７によって演算されたトルク指令値Ｔm*のゲイン調整を行うことで、ｑ軸電流指令値Ｉq*を演算する。

また、ｄ軸電流指令値Ｉd*の演算動作は、まず、最大線間電圧演算部１１において、インバータ回路２に供給される直流電圧Ｖdcと、インバータ回路２の変調度ｋとに基づいて最大線間電圧Ｖmaxを演算する。次に、ｄ軸電流演算部１２において、最大線間電圧演算部１１によって演算された最大線間電圧Ｖmaxと、回転子位置速度演算部２５で求めた電気角速度ωeとに基づいてｄ軸電流演算値を求める。次に、弱め界磁制御切換部１３において、最大線間電圧演算部１１によって演算された最大線間電圧Ｖmaxと、電気角速度ωeとに基づいて、弱め界磁制御を行うか最大トルク制御を行うかを判定し、弱め界磁制御を行うと判定した場合には、任意のｄ軸電流設定値を、最大トルク制御を行うと判定した場合には、ｄ軸電流演算部１２によって演算されたｄ軸電流演算値をそれぞれｄ軸電流指令値Ｉd*として出力する。

さらに、三相交流の電圧指令値（Ｕ相の電圧指令値Ｖu*、Ｖ相の電圧指令値Ｖv*、Ｗ相の電圧指令値Ｖw*）の演算動作は、まず、Ｕ相電流センサ３ｕによって、ＰＭモータ１のＵ相巻線に流れる電流の電流値をすると共に、Ｗ相電流センサ３ｗによって、ＰＭモータ１のＷ相巻線に流れる電流の電流値を検出する。次に、Ｖ相電流演算部２４によって、Ｕ相の電流値Ｉuと、Ｗ相の電流値Ｉwとに基づいて、Ｖ相の電流値Ｉvを演算する。次に、電流座標変換部２３において、Ｕ相の電流値Ｉuと、Ｗ相の電流値Ｉwと、Ｖ相の電流値Ｉvを、回転子位置速度演算部２５によって求められた電気角θeに基づいて、ＰＭモータ１の回転子と同期して回る回転座標系のｄ軸上のｄ軸電流値Ｉd、ｑ軸上のｑ軸電流値Ｉqに座標変換する。次に、ｄ軸電流偏差演算部１４において、ｄ軸電流指令値Ｉd*と、ｄ軸電流値Ｉdとの差分をｄ軸電流偏差として演算すると共に、ｑ軸電流偏差演算部１９において、ｑ軸電流指令値Ｉq*と、ｑ軸電流値Ｉqとの差分をｑ軸電流偏差として演算する。次に、ｄ軸電流ＰＩ演算部１５において、演算されたｄ軸電流偏差にＰＩ演算（比例積分演算）を施し、ｄ軸電圧演算値Ｖdを演算すると共に、ｑ軸電流ＰＩ演算部２０において、演算されたｑ軸電流偏差にＰＩ演算（比例積分演算）を施し、ｑ軸電圧演算値Ｖqを演算する。次に、電圧指令値制限部２１において、ｄ軸電圧演算値Ｖd及びｑ軸電圧演算値Ｖqに基づくｄ軸電圧指令値Ｖd*及びｑ軸電圧指令値Ｖq*を、合成ベクトルが所定の値以下になるようにリミットして出力する。次に、電圧指令値座標変換部２２において、ｄ軸電圧指令値Ｖd*及びｑ軸電圧指令値Ｖq*を、回転子位置速度演算部２５が演算した電気角θeを用いて座標変換し、Ｕ相の電圧指令値Ｖu*、Ｖ相の電圧指令値Ｖv*、Ｗ相の電圧指令値Ｖw*をそれぞれ演算する。このようにして演算されたＵ相の電圧指令値Ｖu*、Ｖ相の電圧指令値Ｖv*、Ｗ相の電圧指令値Ｖw*に基づいて、ＰＷＭゲート信号生成器２６は、インバータ回路２のスイッチ素子Ｑ１〜Ｑ６をオン／オフするインバータゲート信号を生成して、インバータ回路２を駆動する。

次に、ｄ軸電流演算部１２の演算動作について詳細に説明する。
ｄ軸電流演算部１２では、ＰＭモータ１の電圧方程式から、最大線間電圧演算部１１によって演算された最大線間電圧Ｖmaxと、回転子位置速度演算部２５で求めた電気角速度ωeと、ＰＭモータ１のモータパラメータとを用いてｄ軸電流演算値を演算する。なお、ｄ軸電流演算部１２によって求められるｄ軸電流演算値は、弱め界磁制御を行う場合のｄ軸電流指令値Ｉd*となる。

Ｖd：ｄ軸電圧（Ｖ）、Ｖq：ｑ軸電圧（Ｖ）、ｉd：ｄ軸電流（Ａ）、ｉq：ｑ軸電流（Ａ）、Ｌd：ｄ軸インダクタンス（Ｈ）、Ｌq：ｑ軸インダクタンス（Ｈ）、ωe：電気角速度（ｒａｄ／ｓ）、Ｋe：逆起電力係数（Ｖ／ｒａｄ／ｓ）とそれぞれすると、ＰＭモータ１の電圧方程式は、以下に示す［数１］で表される。なお、式を簡略化するため、電機子抵抗による電圧降下は無視し、定常状態の条件から、電機子インダクタンスによる過渡項も無視した。

このときＰＭモータ１の最大線間電圧をＶmaxとすると、最大線間電圧Ｖmaxと、ｄ軸電圧Ｖd及びｑ軸電圧Ｖqとの関係は、以下に示す［数２］で表される。

ここで、［数２］に［数１］を代入すると、以下に示す［数３］の関係が導かれる。

［数３］を展開してｄ軸電流ｉdについて整理すると、ｄ軸電流に関する２次方程式となるため、ｄ軸電流について解くと［数４］と［数５］の関係が導かれる。

弱め界磁制御を行うためのｄ軸電流ｉdは、［数４］と［数５］のいずれを用いても求めることができるが、効率性を考えるとなるべくｄ軸電流ｉdが小さい方が良いので、本実施の形態では［数４］の演算式を用いる。また、［数４］において、平方根の中の第１項と第２項を比較したところ、大抵の永久磁石同期電動機の場合、第１項に比べて第２項の方が小さい。そこで第２項を無視して０とすると［数４］は、以下に示す［数６］式に置きかえられる。

従って、制御中において、最大線間電圧Ｖmax及び電気角速度ωeと、モータパラメータである逆起電力係数Ｋe及びｄ軸インダクタンスＬdとにより、ｄ軸電流演算値、すなわち弱め界磁制御を行う場合のｄ軸電流指令値Ｉd*を演算して求めることができる。このようにモータパラメータである逆起電力係数Ｋe及びｄ軸インダクタンスＬdが分かればｄ軸電流演算値の演算が可能になるため、どの様なＰＭモータ１を制御する場合にも適用することができ、ＰＭモータ１毎にｄ軸電流指令値テーブルを用意する必要がなくなる。

なお、本実施の形態では、演算の負担を考慮して、［数４］において平方根の中の第２項を無視して平方根の演算を回避したが、演算能力に余裕がある場合には、［数４］を演算してｄ軸電流演算値を求めても良い。この場合には、最大線間電圧Ｖmax及び電気角速度ωeと、モータパラメータである逆起電力係数Ｋe及びｄ軸インダクタンスＬdとに加え、電流座標変換部２３で求められるｑ軸電流値Ｉqと、モータパラメータであるｑ軸インダクタンスＬqとにより、ｄ軸電流演算値を演算して求めることができる。

なお、最大線間電圧Ｖmaxは、最大線間電圧演算部１１において、インバータ回路２に供給される直流電圧Ｖdcと、インバータ回路２の変調度ｋとから、以下に示す［数７］を用いて演算される。

ここで、インバータ回路２の変調度ｋは、通常の変調方式では「１」となるが、二相変調などインバータの利用率を高める変調方式を使用している場合はその方式での変調度を設定することで、直流電圧がぎりぎりのところまで最大トルク制御で制御することができる。

次に、弱め界磁制御切換部１３の構成及び切り換え動作について図２及び図３を用いて詳細に説明する。
弱め界磁制御切換部１３は、図２を参照すると、電流指令値設定部１３１と、スイッチ１３２と、ｄ軸電流指令選択処理部１３３とを備えている。

電流指令値設定部１３１は、外部からの設定入力によって、最大トルク制御時にｄ軸電流指令値Ｉd*として出力される任意のｄ軸電流設定値を設定する電流指令値設定手段である。通常では、最大トルク制御領域においてｄ軸電流ｉd＝０の制御となるので任意のｄ軸電流設定値は「０」に設定されている。しかしながら、ＩＰＭモータ等の突極性のあるＰＭモータ１の場合には、ｄ軸電流ｉdを流した方が最大トルク且つ高効率となる場合もあるので、本実施の形態では、外部からの設定入力によってユーザが任意のｄ軸電流設定値を設定することができる構成を採用している。また、また突極性が明確でｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスが把握できている場合は、演算によりｄ軸電流指令を求めても良い。

スイッチ１３２は、ｄ軸電流指令値Ｉd*として、電流指令値設定部１３１に設定されている任意のｄ軸電流設定値と、ｄ軸電流演算部１２で求められたｄ軸電流演算値とのいずれを出力するかを切り換える出力切り換え手段である。

ｄ軸電流指令選択処理部１３３は、最大線間電圧演算部１１によって演算された最大線間電圧Ｖmaxと、電気角速度ωeとに基づいて、弱め界磁制御を行うか最大トルク制御を行うかを判定し、スイッチ１３２の切り換えを制御する。

図３を参照すると、ｄ軸電流指令選択処理部１３３は、まず、最大線間電圧演算部１１によって求められた最大線間電圧Ｖｍａｘを読み込む（ステップＳ１）。次に、読み込んだ最大線間電圧Ｖmaxと、基準値とを比較し（ステップＳ２）、最大線間電圧Ｖmaxよりも基準値が小さい場合には、最大線間電圧Ｖmaxを基準値に変更させる（ステップＳ３）。なお、基準値はユーザが任意に設定できるように構成されている。これにより、直流電圧Ｖdcが大きく変動するような場合には、基準値を低めの値で設定することで、弱め界磁制御への切り換えがスムーズになり、直流電圧不足による制御不能状態に陥ることを防止することができる。

次に、ｄ軸電流指令選択処理部１３３は、回転子位置速度演算部２５によって求められた電気角速度ωeと、モータパラメータである逆起電力係数Ｋeを用いて、以下に示す［数８］でモータ線間電圧Ｅを演算する（ステップＳ４）。

次に、ｄ軸電流指令選択処理部１３３は、最大線間電圧Ｖｍａｘと、ステップＳ４で求めたモータ線間電圧Ｅとを比較し（ステップＳ５）、最大線間電圧Ｖｍａｘよりもモータ線間電圧Ｅが大きい場合には、弱め界磁制御領域と判断して、弱め界磁制御フラグＷＦ＿ｆｌｇ＝１（弱め界磁制御）の設定を行う（ステップＳ６）。

一方、ステップＳ５で最大線間電圧Ｖmaxよりもモータ線間電圧Ｅが小さい場合には、電気角速度ωeと定格電気角速度ωenの１１０％値との比較を行い（ステップＳ７）、電気角速度ωeが定格電気角速度ωenの１１０％値よりも高い場合には、まだ弱め界磁制御領域と判断し、ステップＳ６で弱め界磁制御フラグＷＦ＿ｆｌｇ＝１（弱め界磁制御）の設定を行う。

一方、ステップＳ７で電気角速度ωeが定格電気角速度ωenの１１０％値よりも低い場合には、最大トルク制御領域と判断し、弱め界磁制御フラグＷＦ＿ｆｌｇ＝０（最大トルク制御）の設定を行う（ステップＳ８）。なお、ステップＳ７の判定基準は定格電気角速度ωenの１１０％に固定する必要はなく、任意の値で設定してかまわない。またこの値を設定することで弱め界磁制御と最大トルク制御の切り替えにヒステリシス特性を設けることが可能となる。

次に、ｄ軸電流指令選択処理部１３３は、弱め界磁制御フラグＷＦ＿ｆｌｇ＝１か否かを判断する（ステップＳ９）。ステップＳ９でＷＦ＿ｆｌｇ＝１（弱め界磁制御）の場合には、ｄ軸電流指令選択処理部１３３は、スイッチ１３２をｄ軸電流演算部１２側に切り換え、ｄ軸電流演算部１２によって演算されたｄ軸電流演算値をｄ軸電流指令値Ｉd*として出力させる（ステップＳ１０）。一方、ステップＳ９でＷＦ＿ｆｌｇ＝０（最大トルク制御）の場合には、スイッチ１３２を電流指令値設定部１３１側に切り換え、電流指令値設定部１３１に設定されている任意のｄ軸電流設定値をｄ軸電流指令値Ｉd*として出力させる（ステップＳ１１）。なお、本実施の形態では、弱め界磁制御フラグＷＦ＿ｆｌｇを設け、弱め界磁制御フラグＷＦ＿ｆｌｇに応じて、弱め界磁制御と最大トルク制御とを切り換えるように構成されている。これにより、外部から弱め界磁制御フラグＷＦ＿ｆｌｇを参照することで、弱め界磁制御と最大トルク制御とのどちらで制御しているかを簡単に把握することができる。

次に、電圧指令値制限部２１のリミット動作について図４を参照して詳細に説明する。
電圧指令値制限部２１は、ｄ軸電圧指令値Ｖd*とｑ軸電圧指令値Ｖq*とをリミットする場合に、図４に示すようなリミット円を用いたリミット処理を実行する。リミット円の値には、最大線間電圧演算部１１によって求められる最大線間電圧Ｖmaxが用いられる。図４（ａ）に示すように、ｄ軸電流ＰＩ演算部１５によって求められたｄ軸電圧演算値Ｖdとｑ軸電流ＰＩ演算部２０によって求められたｑ軸電圧演算値Ｖqとの合成ベクトルＶrefがリミット円の範囲内にある場合、すなわち最大線間電圧Ｖmax以下である場合には、電圧指令値制限部２１は、ｄ軸電圧演算値Ｖd及びｑ軸電圧演算値Ｖqをリミットせずにそのままｄ軸電圧指令値Ｖd*及びｑ軸電圧指令値Ｖq*として出力する。図４（ｂ）に示すように、ｄ軸電圧演算値Ｖdとｑ軸電圧演算値Ｖqとの合成ベクトルＶrefがリミット円の範囲を越えた場合、すなわち最大線間電圧Ｖmaxを超えた場合には、電圧指令値制限部２１は、リミット処理を実行する。リミット処理としては、ｄ軸電圧演算値Ｖd及びｑ軸電圧演算値Ｖqに対して合成ベクトルＶrefと最大線間電圧Ｖmaxとの比をそれぞれ乗算した値をｄ軸電圧指令値Ｖd*及びｑ軸電圧指令値Ｖq*として出力する。なお、リミット中はその前段にあるｄ軸電流ＰＩ演算部１５とｑ軸電流ＰＩ演算部２０の積分処理は停止させておく。このようにリミット処理を実行することで、仮に弱め界磁制御に切り換える前にインバータ出カ電圧が飽和しても、制御が不能に陥ることは無く、制御可能状態になった時に正常な制御に復帰する速度が速くなる。

以上のように、本実施の形態によれば、最大線間電圧演算部１１によって演算された最大線間電圧ＶmaxとＰＭモータ１の電気角速度ωeとを用いて弱め界磁制御用のｄ軸電流演算値を演算するｄ軸電流演算部１２と、最大線間電圧ＶmaxとＰＭモータ１の電気角速度ωeとに基づいて、弱め界磁制御用のｄ軸電流演算値と最大トルク制御用のｄ軸電流設定値とのいずれかをｄ軸電流指令値Ｉd*として出力させる弱め界磁制御切換部１３とを設けることにより、駆動するＰＭモータ１が任意のモータであっても、ＰＭモータ１のモータパラメータを設定するだけで、任意のＰＭモータ１に最適な弱め界磁制御におけるｄ軸電流指令値をリアルタイムに演算することが可能となる。また、弱め界磁制御と最大トルク制御とをスムーズに安定して切り換えを行うことができ、モータ定格速度の広範囲（例えば２倍程度）な可変速制御を実現することができるという効果を奏する。

さらに、本実施の形態によれば、ｄ軸電流演算部１２によって、最大線間電圧演算部１１によって演算された最大線間電圧Ｖmaxと、ＰＭモータ１の電気角速度ωeと、ＰＭモータ１のモータパラメータである逆起電力係数Ｋe及びｄ軸インダクタンスＬdとからｄ軸電流演算値を演算することにより、ｄ軸電流演算値の演算を簡略化することができ、ｄ軸電流演算値をリアルタイムに演算することが可能となる。

さらに、本実施の形態によれば、弱め界磁制御切換部１３は、ＰＭモータ１の電気角速度ωeに基づいてモータ線間電圧を演算し、演算したモータ線間電圧と最大線間電圧Ｖmaxとの比較結果に基づいて、弱め界磁制御用のｄ軸電流演算値と最大トルク制御用のｄ軸電流設定値とのいずれかを選択してｄ軸電流指令値として出力させることにより、弱め界磁制御と最大トルク制御とをスムーズに安定して切り換えを行うことができるという効果を奏する。

さらに、本発明の同期電動機の制御装置において、ｄ軸電圧演算値Ｖd及び前記ｑ軸電圧演算値Ｖqに基づくｄ軸電圧指令値Ｖd*及びｑ軸電圧指令値Ｖq+を合成ベクトルが所定の値以下になるようにリミットして出力させる電圧指令値制限部２１を設けることにより、仮に弱め界磁制御に切り換える前にインバータ出カ電圧が飽和しても、制御が不能に陥ることは無く、制御可能状態になった時に正常な制御に復帰する速度が速くなるという効果を奏する。

さらに、本発明の同期電動機の制御装置において、最大線間電圧演算部において、直流電圧Ｖdcとインバータ回路２の変調度ｋとから最大線間電圧を演算することにより、変調度を設定することで、直流電圧がぎりぎりのところまで最大トルク制御で制御することができるという効果を奏する。

以上、本発明を具体的な実施形態で説明したが、上記実施形態は一例であって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更して実施できることは言うまでも無い。

１ ＰＭモータ
２ インバータ回路
３ｕ Ｕ相電流センサ
３ｗ Ｗ相電流センサ
４ エンコーダ
５ 三相交流電源
６ ダイオードブリッジ回路
７ 平滑コンデンサ
１０ 制御部
１１ 最大線間電圧演算部
１２ ｄ軸電流演算部
１３ 弱め界磁制御切換部
１４ ｄ軸電流偏差演算部
１５ ｄ軸電流ＰＩ演算部
１６ 速度偏差演算部
１７ 速度ＰＩ演算部
１８ ｑ軸電流換算ゲイン調整部
１９ ｑ軸電流偏差演算部
２０ ｑ軸電流ＰＩ演算部
２１ 電圧指令値制限部
２２ 電圧指令値座標変換部
２３ 電流座標変換部
２４ Ｖ相電流演算部
２５ 回転子位置速度演算部
２６ ＰＷＭゲート信号生成器
１３１ 電流指令値設定部
１３２ スイッチ
１３３ ｄ軸電流指令選択処理部

Claims (6)

1. ３相交流をダイオード整流して得られた直流電圧を三相電圧指令値に基づいてインバータ回路で交流電圧に変換し、変換した交流電圧を同期電動機に供給して駆動する同期電動機の制御装置であって、
   前記同期電動機に流れる三相交流電流を回転座標上のｄ軸電流とｑ軸電流とに変換させる電流座標変換手段と、
   前記直流電圧を用いて最大線間電圧を演算する最大線間電圧演算手段と、
   該最大線間電圧演算手段によって演算された前記最大線間電圧と前記同期電動機の電気角速度とを用いて弱め界磁制御用のｄ軸電流演算値を演算するｄ軸電流演算手段と、
   前記最大線間電圧演算手段によって演算された前記最大線間電圧と前記同期電動機の前記電気角速度とに基づいて、前記ｄ軸電流演算手段によって演算された弱め界磁制御用の前記ｄ軸電流演算値と最大トルク制御用のｄ軸電流設定値とのいずれかをｄ軸電流指令値として出力させる弱め界磁制御切換手段と、
   供給されたモータ速度指令値と前記同期電動機のモータ角速度とを用いてｑ軸電流指令値を演算するｑ軸電流演算手段と、
   前記弱め界磁制御切換手段から出力される前記ｄ軸電流指令値と前記電流座標変換手段によって変換された前記ｄ軸電流との偏差に基づいてｄ軸電圧演算値を演算するｄ軸電圧演算手段と、
   前記ｑ軸電流演算手段によって演算された前記ｑ軸電流指令値と前記電流座標変換手段によって変換された前記ｑ軸電流との偏差に基づいてｑ軸電圧演算値を演算するｑ軸電圧演算手段と、
   前記ｄ軸電圧演算手段によって演算された前記ｄ軸電圧演算値と前記ｑ軸電圧演算手段によって演算された前記ｑ軸電圧演算値とを前記三相電圧指令値に変換させる電圧指令値変換手段とを具備することを特徴とする同期電動機の制御装置。
2. 前記ｄ軸電流演算手段は、前記最大線間電圧演算手段によって演算された前記最大線間電圧と、前記同期電動機の前記電気角速度と、前記同期電動機のモータパラメータである逆起電力係数及びｄ軸インダクタンスとから前記ｄ軸電流演算値を演算することを特徴とする請求項１記載の同期電動機の制御装置。
3. 前記弱め界磁制御切換手段は、前記同期電動機の前記電気角速度に基づいてモータ線間電圧を演算し、演算した前記モータ線間電圧と前記最大線間電圧演算手段によって演算された前記最大線間電圧との比較結果に基づいて、前記ｄ軸電流演算手段によって演算された弱め界磁制御用の前記ｄ軸電流演算値と最大トルク制御用のｄ軸電流設定値とのいずれかを選択してｄ軸電流指令値として出力させることを特徴とする請求項１又は２記載の同期電動機の制御装置。
4. 前記ｄ軸電圧演算手段及び前記ｑ軸電圧演算手段によってそれぞれ演算された前記ｄ軸電圧演算値及び前記ｑ軸電圧演算値に基づくｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値を合成ベクトルが所定の値以下になるようにリミットして出力させる電圧指令値制限手段を具備し、
   前記電圧指令値変換手段は、前記電圧指令値制限手段から出力される前記ｄ軸電圧指令値及び前記ｑ軸電圧指令値を前記三相電圧指令値に変換させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の同期電動機の制御装置。
5. 前記最大線間電圧演算手段は、前記直流電圧と前記インバータ回路の変調度とから前記最大線間電圧を演算することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の同期電動機の制御装置。
6. ３相交流をダイオード整流して得られた直流電圧を三相電圧指令値に基づいてインバータ回路で交流電圧に変換し、変換した交流電圧を同期電動機に供給して駆動する同期電動機の制御方法であって、
   前記同期電動機に流れる三相交流電流を回転座標上のｄ軸電流とｑ軸電流とに変換し、
   前記直流電圧を用いて最大線間電圧を演算し、
   前記最大線間電圧と前記同期電動機の電気角速度とを用いて弱め界磁制御用のｄ軸電流演算値を演算し、
   前記最大線間電圧と前記同期電動機の電気角速度とに基づいて、弱め界磁制御用の前記ｄ軸電流演算値と最大トルク制御用のｄ軸電流設定値とのいずれかをｄ軸電流指令値として出力し、
   供給されたモータ速度指令値と前記同期電動機のモータ角速度とを用いてｑ軸電流指令値を演算し、
   前記ｄ軸電流指令値と前記ｄ軸電流との偏差に基づいてｄ軸電圧演算値を演算し、
   前記ｑ軸電流指令値と前記ｑ軸電流との偏差に基づいてｑ軸電圧演算値を演算し、
   前記ｄ軸電圧演算値と前記ｑ軸電圧演算値とを前記三相電圧指令値に変換することを特徴とする同期電動機の制御方法。

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