JP6367332B2 - インバータ制御装置及びモータ駆動システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、インバータ制御装置及びモータ駆動システムに関する。

従来、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）の回転位相角センサレス制御装置において、高速域では誘起電圧を利用した回転位相角の推定方法が利用されている。しかしながら、ＳｙｎＲＭや、磁石磁束が小さいＰＭＳＭでは、高速域であっても、低負荷の状態では誘起電圧が小さいため、回転位相角の推定精度が悪化するという問題があった。

特開２００３−２５０２９３号公報 特開２００６−７４９０２号公報

高速かつ低負荷の状態におけるモータの回転位相角を精度よく推定できるインバータ制御装置及びモータ駆動システムを提供する。

一実施形態に係るインバータ制御装置は、インバータ主回路と、電流検出器と、電流指令値算出部と、電圧指令値算出部と、推定部と、を備える。インバータ主回路は、所定の回転駆動対象と電気的に接続可能である。電流検出器は、インバータ主回路から出力される電流値を検出する。電流指令値算出部は、インバータ主回路から出力される出力電圧が所定の目標値以上となる電流指令値を算出する。電圧指令値算出部は、電流値が、電流指令値と等しくなる電圧指令値を算出する。推定部は、電圧指令値及び電流値に基づいて、回転駆動対象の推定回転位相角を算出する。

第１実施形態に係るモータ駆動システムの構成を示す図。 三相固定座標系及びｄｃｑｃ軸回転座標系を説明する図。 図１の速度・回転位相角推定部の構成を示す図。 図１の電流指令値算出部の構成を示す図。 電流指令値の算出方法を説明する図。 図１の制御装置のトルク指令値Ｔ^＊と出力電圧との関係を示す図。 電流指令値算出部の変形例１の構成を示す図。 電流指令値算出部の変形例２の構成を示す図。 変形例２における電流指令値の算出方法を説明する図。 変形例２における電流指令値の算出方法を説明する図。 電流指令値算出部の変形例３の構成を示す図。 補正部の構成を示す図。 電流指令値算出部の変形例４の構成を示す図。 第２実施形態に係るモータ駆動システムの構成を示す図。 図１４のトルク指令値算出部の構成を示す図。 図１４の電流指令値算出部の構成を示す図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
第１実施形態に係るモータ駆動システム（以下、「システム」という）について、図１〜図１３を参照して説明する。図１は、本実施形態に係るシステムの構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態に係るシステムは、モータ１と、インバータ制御装置２と、を備える。

モータ１は、制御装置２の回転駆動対象であり、制御装置２に接続される。以下では、モータ１がシンクロナスリラクタンスモータ（以下、「ＳｙｎＲＭ１」という）である場合を例として説明する。ＳｙｎＲＭ１は、固定子と、回転子と、を備える。固定子は、３つの励磁相（Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相）を有する。固定子は、各励磁相に流れる３相交流電流によって磁界を発生させる。回転子は、永久磁石を有さない。回転子は、固定子が発生させた磁界との磁気的相互作用により回転する。

インバータ制御装置２（以下、「制御装置２」という）は、ＳｙｎＲＭ１の回転位相角を、センサレスで制御する。図１に示すように、本実施形態に係る制御装置２は、インバータ２１と、電流検出器２２と、座標変換部２３と、電流指令値算出部２４と、電圧指令値算出部２５と、座標変換部２６と、ＰＷＭ変調部２７と、速度・回転位相角推定部２８と、を備える。

インバータ２１は、スイッチング素子（トランジスタ）を備える回路である。インバータ２１は、スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを切替えることにより、電源（図示省略）からの電力を交流に変換して、ＳｙｎＲＭ１に供給する。インバータ２１は、各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御する制御信号をＰＷＭ変調部２２から入力される。

電流検出器２２は、ＳｙｎＲＭ１の固定子に流れる３相交流電流のうち、２相又は３相の電流値を検出する。図１は、２相（Ｕ相及びＷ相）の電流値ｉｕ，ｉｗを検出する構成を示している。

座標変換部２３は、電流検出器２２が検出した電流値ｉｕ，ｉｗを、三相固定座標系からｄｃｑｃ軸回転座標系に座標変換する。ここで、三相固定座標系及びｄｃｑｃ軸回転座標系について、図２を参照して説明する。

図２に示すように、三相固定座標系は、α軸とβ軸とからなる固定座標系である。図２において、α軸は、Ｕ相方向に設定され、β軸は、α軸と垂直な方向に設定されている。電流検出器２２により検出された電流値ｉｕ，ｉｗは、このような三相固定座標上で表される。

これに対して、ｄｃｑｃ軸回転座標系は、ｄｃ軸とｑｃ軸とからなる回転座標系である。ｄｃ軸は、制御装置２がｄ軸方向（回転子のインダクタンスが最小の方向）と推定した方向に設定され、ｑｃ軸は、制御装置２がｑ軸方向（回転子のインダクタンスが最大の方向）と推定した方向に設定される。図２のインダクタンス楕円は、回転子のインダクタンスを示している。

図２に示すように、ｄｃｑｃ軸と、ｄｑ軸と、は必ずしも一致するとは限らない。回転子の実際の回転位相角θは、α軸からｄ軸までの角度で表される。また、制御装置２が推定した回転子の推定回転位相角θｅｓｔは、α軸からｄｃ軸までの角度で表される。回転位相角θと推定回転位相角θｅｓｔとの角度が近いほど、回転位相角の推定精度が高いことを意味する。

座標変換部２３は、速度回転位相角推定部２８が出力した推定回転位相角θｅｓｔを用いることにより、三相固定座標系をｄｃｑｃ軸回転座標系に変換することができる。以下では、座標変換部２３が座標変換した電流値ｉｕ，ｉｗを、電流値ｉｄｃ，ｉｑｃという。電流値ｉｄｃは、固定子に流れる電流のｄｃ軸成分であり、電流値ｉｑｃは、固定子に流れる電流のｑｃ軸成分である。

電流指令値算出部２４は、トルク指令値Ｔ^＊及び推定速度ωｅｓｔに基づいて、電流指令値ｉｄｃ^＊，ｉｑｃ^＊を算出する。トルク指令値Ｔ^＊とは、回転子に発生させるトルク値である。本実施形態では、トルク指令値Ｔ^＊は、外部装置から入力されるものとする。推定速度ωｅｓｔとは、制御装置２が推定した回転子の角速度のことである。電流指令値ｉｄｃ^＊とは、ＳｙｎＲＭ１に流す電流のｄｃ軸成分である。電流指令値ｉｑｃ^＊とは、ＳｙｎＲＭ１に流す電流のｑｃ軸成分である。電流指令値算出部２４の詳細については後述する。

電圧指令値算出部２５（電流制御部）は、ＳｙｎＲＭ１の電流値ｉｄｃ，ｉｑｃが、電流指令値ｉｄｃ^＊，ｉｑｃ^＊と等しくなる電圧指令値ｖｄｃ^＊，ｖｑｃ^＊を算出する。電圧指令値ｖｄｃ^＊は、ＳｙｎＲＭ１の固定子に印加する電圧のｄｃ軸成分である。電圧指令値ｖｑｃ^＊は、ＳｙｎＲＭ１の固定子に印加する電圧のｑｃ軸成分である。

座標変換部２６は、電圧指令算出部２５が出力した電圧指令値ｖｄｃ^＊，ｖｑｃ^＊を、ｄｃｑｃ軸回転座標系から三相固定座標系に座標変換する。座標変換部２６は、座標変換部２３と同様、推定回転位相角θｅｓｔを用いることにより、ｄｃｑｃ軸回転座標系を三相固定座標系に変換することができる。以下では、座標変換部２６が座標変換した電圧指令値ｖｄｃ^＊，ｖｑｃ^＊を、電圧指令値ｖｕ^＊，ｖｖ^＊，ｖｗ^＊という。電圧指令値ｖｕ^＊は、固定子のＵ相に印加する電圧であり、電圧指令値ｖｖ^＊は、固定子のＶ相に印加する電圧であり、電圧指令値ｖｗ^＊は、固定子のＷ相に印加する電圧である。

ＰＷＭ変調部２７は、電圧指令値ｖｕ^＊，ｖｖ^＊，ｖｗ^＊を、三角波を用いたＰＷＭ（Pulse-Width Modulation）によって変調し、インバータ２１の各スイッチング素子のＯＮ又はＯＦＦに対応した２値の制御信号を生成する。ＰＷＭ変調部２７は、生成した制御信号をインバータ２１に入力する。

速度・回転位相角推定部２８（以下、「推定部２８」という）は、トルク指令値Ｔ^＊、電圧指令値ｖｄｃ^＊，ｖｑｃ^＊、及び電流値ｉｄｃ，ｉｑｃに基づいて、ＳｙｎＲＭ１の回転子の速度ω及び回転位相角θを推定し、推定速度ωｅｓｔ及び推定回転位相角θｅｓｔを算出する。

図３は、推定部２８の構成を示す図である。図３に示すように、推定部２８は、位相差δ設定部３１と、γ電圧算出部３２と、γ電圧推定部３３と、減算器３４と、ＰＩ制御器３５と、積分器３６と、を備える。

位相差δ設定部３１は、予め記憶した複数の位相差δの中から、トルク指令値Ｔ^＊に応じた位相差δを出力する。位相差δとは、回転位相角θと推定回転位相角θｅｓｔとの誤差Δθの影響による、電圧の変化が一番大きくなる位相差の値又は範囲のことである。複数の位相差δは、トルク値毎に解析的又は実験的に予め算出され、位相差δ設定部３１に記憶される。

γ電圧算出部３２は、電圧指令値ｖｄｃ^＊，ｖｑｃ^＊と、位相差δ設定部３１が設定（出力）した位相差δと、に基づいて、γ電圧の電圧値ｖγを算出する。γ電圧とは、誤差Δθに応じて変化する特徴量である。電圧値ｖγは、例えば、以下の式により算出される。

γ電圧算出部３２が算出した電圧値ｖγは、減算器３４に入力される。

γ電圧推定部３３は、電圧値ｖｄｃｅｓｔ，ｖｑｃｅｓｔと、位相差δ設定部３１が設定（出力）した位相差δと、に基づいて、γ電圧の推定電圧値ｖγｅｓｔを算出する。

まず、γ電圧推定部３３は、電流値ｉｄｃ，ｉｑｃと、推定速度ωｅｓｔと、に基づいて、電圧値ｖｄｃｅｓｔ，ｖｑｃｅｓｔを算出する。電圧値ｖｄｃｅｓｔは、ＳｙｎＲＭ１の固定子に印加された電圧のｄｃ軸成分の推定値である。電圧値ｖｑｃｅｓｔは、ＳｙｎＲＭ１の固定子に印加された電圧のｑｃ軸成分の推定値である。電圧値ｖｄｃｅｓｔ，ｖｑｃｅｓｔは、以下の式により算出される。

式（２）において、Ｒｍは固定子の巻線抵抗、Ｌｄはｄ軸方向のインダクタンス、Ｌｑはｑ軸方向のインダクタンス、ｐは微分演算子（ｄ／ｄｔ）である。γ電圧推定部３３は、これらの値を予め記憶する。

次に、γ電圧推定部３３は、電圧値ｖｄｃｅｓｔ，ｖｑｃｅｓｔと、位相差δと、に基づいて、γ電圧の推定電圧値ｖγｅｓｔを算出する。推定電圧値ｖγｅｓｔは、例えば、以下の式により算出される。

γ電圧推定部３３が算出した推定電圧値ｖγｅｓｔは、減算器３４に入力される。

減算器３４は、推定電圧値ｖγｅｓｔから電圧値ｖγを減算し、γ電圧の誤差Δｖγを算出する。γ電圧は、誤差Δθに応じて変化するため、誤差Δｖγは、誤差Δθに比例する。減算器３４が算出した誤差Δｖγは、ＰＩ制御器３５に入力される。

なお、γ電圧を式（１）で算出することにより、誤差Δθに対する誤差Δｖγの線形性を向上させることができる。すなわち、誤差Δｖγが誤差Δθに比例する誤差Δθの範囲を広げることができる。

ＰＩ制御器３５は、誤差Δｖγが０となるようにＰＩ制御を行うことで、回転子の速度ωを推定し、推定速度ωｅｓｔを算出する。ＰＩ制御器３５が算出した推定速度ωｅｓｔは、γ電圧推定部３３に逐次フィードバックされると共に、積分器３６に入力される。

積分器３６は、ＰＩ制御器３５が算出した推定速度ωｅｓｔを積分し、推定回転位相角θｅｓｔを算出する。

以上のような構成により、推定部２８は、推定速度ωｅｓｔ及び推定回転位相角θｅｓｔを算出することができる。推定部２８が算出した推定速度ωｅｓｔは、電流指令値算出部２４に入力される。また、推定回転位相角θｅｓｔは、座標変換部２３，２６に入力され、座標変換に利用される。

なお、推定部２８による速度ω及び回転位相角θの推定方法はこれに限られず、既知の推定方法から任意に選択可能である。例えば、推定部２８は、鎖交磁束により生じる電圧を利用する他の方法により回転位相角θを推定してもよいし、鎖交磁束自体を利用して回転位相角θを推定してもよいし、電流値のｑ軸成分の偏差が０になるようにＰＩ制御することにより回転位相角θを推定してもよい。

ここで、電流指令値算出部２４について詳細に説明する。本実施形態に係る電流指令値算出部２４は、ＳｙｎＲＭ１の出力電圧が所定の目標値Ｖ_ＳＥＴ以上となるように、電流指令値を算出する。目標値Ｖ_ＳＥＴは、速度ω及び回転位相角θを精度よく推定可能な出力電圧として、実験的又は解析的に予め求められた電圧値である。

ここで、図４は、電流指令値算出部２４の構成を示す図である。図４に示すように、電流指令値算出部２４は、第１算出部４１と、第２算出部４２と、選択部４３と、を備える。

第１算出部４１は、トルク指令値Ｔ^＊に基づいて、第１電流指令値ｉｄ１^＊，ｉｑ１^＊を生成する。第１電流指令値ｉｄ１^＊とは、ＳｙｎＲＭ１に流す電流のｄｃ軸成分である。第１電流指令値ｉｑ１^＊とは、ＳｙｎＲＭ１に流す電流のｑｃ軸成分である。第１算出部４１は、ＳｙｎＲＭ１のトルクがトルク指令値Ｔ^＊となるように、第１電流指令値ｉｄ１^＊，ｉｑ１^＊を算出する。

図５は、電流指令値の算出方法を説明する図である。図５において、横軸はｉｄｃ、縦軸はｉｑｃ、矢印５１は第１電流ベクトル、矢印５２は第２電流ベクトル、曲線５３はトルク指令値Ｔ^＊の等トルク曲線、及び曲線６２は目標値Ｖ_ＳＥＴの等電圧楕円である。

第１電流ベクトル５１は、第１電流指令値ｉｄ１^＊，ｉｑ１^＊に対応するベクトルである。以上の説明では、第１電流指令値は、（ｉｄ１^＊，ｉｑ１^＊）の２値で表されたが、電流の大きさ（ｉｄ１^＊２＋ｉｑ１^＊２）^１／２と、電流位相角β１と、で表すことも可能である。これらの表現は、相互に変換可能である。図５の平面上から任意の点を選択することは、第１電流指令値を算出（選択）することと対応する。

図５に示すように、第１算出部４１は、第１電流指令値として、トルク指令値Ｔ^＊の等トルク曲線５３上の任意の点を選択する。第１算出部４１は、制御装置２により実現したい制御に応じた任意の方法で、等トルク曲線５３上から第１電流指令値を選択することができる。

例えば、第１算出部４１は、固定子に流す電流の大きさ（第１電流ベクトルの大きさ）が最小となるように、第１電流指令値を選択する。この場合、第１算出部４１は、磁気飽和を無視して、電流位相角β１が１３５度となる第１電流指令値を選択してもよいし、磁気飽和を考慮して、電流位相角β１が１３５度より進んだ角度となる第１電流指令値を選択してもよい。また、第１算出部４１は、ＳｙｎＲＭ１の効率や力率が最大となるように第１電流指令値を選択してもよい。

第１算出部４１は、上記のような第１電流指令値を、トルク値毎の第１電流指令値が記憶されたテーブルを参照して選択してもよいし、計算により求めてもよい。第１算出部４１により算出された第１電流指令値は、選択部４３に入力される。

第２算出部４２は、トルク指令値Ｔ^＊及び推定速度ωｅｓｔに基づいて、第２電流指令値ｉｄ２^＊，ｉｑ２^＊を算出する。第２電流指令値ｉｄ２^＊とは、ＳｙｎＲＭ１に流す電流のｄｃ軸成分である。電流指令値ｉｑ２^＊とは、ＳｙｎＲＭ１に流す電流のｑｃ軸成分である。第２算出部４２は、ＳｙｎＲＭ１のトルクがトルク指令値Ｔ^＊となるように、かつ、ＳｙｎＲＭ１の出力電圧が目標値Ｖ_ＳＥＴとなるように、第２電流指令値ｉｄ２^＊，ｉｑ２^＊を算出する。

図５の第２電流ベクトル５２は、第２電流指令値ｉｄ２^＊，ｉｑ２^＊に対応するベクトルである。以上の説明では、第２電流指令値は、（ｉｄ２^＊，ｉｑ２^＊）の２値で表されたが、電流の大きさ（ｉｄ２^＊２＋ｉｑ２^＊２）^１／２と、電流位相角β２と、で表すことも可能である。これらの表現は、相互に変換可能である。図５の平面上から任意の点を選択することは、第２電流指令値を算出（選択）することと対応する。

図５に示すように、第２算出部４２は、第２電流指令値として、トルク指令値Ｔ^＊の等トルク曲線５３と、目標値Ｖ_ＳＥＴの等電圧楕円５４と、の交点のいずれか１つを選択する。第２算出部４２は、２つの交点Ａ，Ｂが存在する場合、図５に示すように、交点Ａを選択するのが好ましい。

交点Ａとは、２つの交点のうち、ｉｑｃ軸側（ｑ軸側）の交点のことである。一般に、等電圧楕円５４は、ｄ軸方向に広く、ｑ軸方向に狭くなるため、ｑ軸側の交点Ａを選択すると、ｄ軸側の交点Ｂを選択した場合より、固定子に流す電流の大きさ（第２電流ベクトルの大きさ）が小さくなる。このため、第２算出部４２が交点Ａを選択することにより、制御装置２を省電力することができる。以下では、第２電流指令値は交点Ａであるものとする。

なお、第２算出部４２は、上記のような第２電流指令値を、トルク値毎の第２電流指令値が記憶されたテーブルを参照して選択してもよいし、以下の式を解くことにより求めてもよい。

第２算出部４２により算出された第２電流指令値は、選択部４３に入力される。

選択部４３は、第１電流指令値ｉｄ１^＊，ｉｑ１^＊又は第２電流指令値ｉｄ２^＊，ｉｑ２^＊を電流指令値ｉｄｃ^＊，ｉｑｃ^＊として出力する。まず、選択部４３は、第１電流指令値ｉｄ１^＊，ｉｑ１^＊に応じた出力電圧Ｖ_１が、目標値Ｖ_ＳＥＴより低いか否か判定する。出力電圧Ｖ_１とは、電流指令値として第１電流指令値を出力した場合のＳｙｎＲＭ１の出力電圧のことである。判定方法については後述する。

次に、選択部４３は、判定結果に応じて第１電流指令値ｉｄ１^＊，ｉｑ１^＊及び第２電流指令値ｉｄ２^＊，ｉｑ２^＊の一方を選択し、電流指令値ｉｄｃ^＊，ｉｑｃ^＊として出力する。

出力電圧Ｖ_１が目標値Ｖ_ＳＥＴより低い場合（Ｖ_１＜Ｖ_ＳＥＴ）、選択部４３は、第２電流指令値ｉｄ２^＊，ｉｑ２^＊を電流指令値ｉｄｃ^＊，ｉｑｃ^＊として選択する。出力電圧Ｖ_１が目標値Ｖ_ＳＥＴより低い場合とは、図５に示すように、第１電流指令値が、等電圧楕円５４に含まれる場合である。

このとき、第２電流指令値は、第１電流指令値よりｉｑｃ軸（ｑ軸）に近い。すなわち、第２電流指令値の電流位相角β２は、第１電流指令値の電流位相角β１よりｉｑｃ軸（ｑ軸）側である。また、第２電流指令値のｑ軸成分ｉｑ２^＊は、第１電流指令値のｑ軸成分ｉｑ１^＊より大きく、第２電流指令値のｄ軸成分ｉｄ２^＊は、第１電流指令値のｄ軸成分ｉｄ１^＊より小さい。

一方、出力電圧Ｖ_１が目標値Ｖ_ＳＥＴ以上の場合（Ｖ_１≧Ｖ_ＳＥＴ）、選択部４３は、第１電流指令値ｉｄ１^＊，ｉｑ１^＊を電流指令値ｉｄｃ^＊，ｉｑｃ^＊として選択する。出力電圧Ｖ_１が目標値Ｖ_ＳＥＴ以上の場合とは、第２電流指令値が、等電圧楕円５４上又は等電圧楕円５４の外側にある場合である。

このとき、第１電流指令値は、第２電流指令値よりｉｑｃ軸（ｑ軸）に近い。すなわち、第１電流指令値の電流位相角β１は、第２電流指令値の電流位相角β２よりｉｑｃ軸（ｑ軸）側である。また、第１電流指令値のｑ軸成分ｉｑ１^＊は、第２電流指令値のｑ軸成分ｉｑ２^＊より大きく、第１電流指令値のｄ軸成分ｉｄ１^＊は、第２電流指令値のｄ軸成分ｉｄ２^＊より小さい。

選択部４３は、選択した第１電流指令値又は第２電流指令値を電流指令値として出力する。選択部４３により出力された電流指令値は、電圧指令算出部２５に入力される。

次に、選択部４３による、出力電圧Ｖ_１が目標値Ｖ_ＳＥＴより低いか否かの判定方法について説明する。

選択部４３は、例えば、出力電圧Ｖ_１を取得し、目標値Ｖ_ＳＥＴと比較することにより、判定を行う。選択部４３は、第１電流指令値毎の出力電圧が記憶されたテーブルを参照して出力電圧Ｖ_１を選択してもよいし、以下の式により算出してもよい。

また、選択部４３は、第１電流指令値の電流位相角β１と、第２電流指令値の電流位相角β２と、を比較することにより、判定を行なってもよい。選択部４３は、電流位相角β２が電流位相角β１よりｑ軸側の場合、出力電圧Ｖ_１が目標値Ｖ_ＳＥＴより低いと判定する。

さらに、選択部４３は、第１電流指令値のｑ軸成分ｉｑ１^＊と、第２電流指令値のｑ軸成分ｉｑ２^＊と、を比較することにより、判定を行なってもよい。選択部４３は、ｑ軸成分ｉｑ１^＊がｑ軸成分ｉｑ２^＊より小さい場合、出力電圧Ｖ_１が目標値Ｖ_ＳＥＴより低いと判定する。

またさらに、選択部４３は、第１電流指令値のｄ軸成分ｉｄ１^＊と、第２電流指令値のｄ軸成分ｉｄ２^＊と、を比較することにより、判定を行なってもよい。選択部４３は、ｄ軸成分ｉｄ１^＊がｄ軸成分ｉｄ２^＊より大きい場合、出力電圧Ｖ_１が目標値Ｖ_ＳＥＴより低いと判定する。

電流指令値算出部２４がこのように電流指令値ｉｄｃ^＊，ｉｑｃ^＊を算出することにより、図６に実線で示すように、任意のトルク指令値Ｔ^＊に対して、ＳｙｎＲＭ１の出力電圧を目標値Ｖ_ＳＥＴ以上とすることができる。

従来の制御装置では、ＳｙｎＲＭ１が高速域で動作しても、トルク指令値Ｔ^＊が小さい低負荷の状態では、図６に破線で示すように、ＳｙｎＲＭ１の出力電圧（誘起電圧）が小さくなった。このため、誘起電圧を利用して精度よく速度ωや回転位相角θを推定することが困難であった。

しかしながら、本実施形態に係る制御装置２は、低負荷の場合であっても、出力電圧を目標値Ｖ_ＳＥＴ以上とすることができるため、ＳｙｎＲＭ１の出力電圧に基づいて、ＳｙｎＲＭ１の速度ωや回転位相角θを精度よく推定することができる。

なお、以上の説明では、制御装置２がＳｙｎＲＭ１の動作を制御する場合について説明したが、この制御装置２は、磁石磁束が小さいＰＭＳＭの制御装置として利用することもできる。磁石磁束が小さいＰＭＳＭは、ＳｙｎＲＭ１と同様に、低負荷時の誘起電圧が小さい。このようなＰＭＳＭに本実施形態に係る制御装置２を適用することにより、ＰＭＳＭの速度ωや回転位相角θの低負荷時における推定精度を向上させることができる。

（第１実施形態の変形例１）
本実施形態に係る電流指令値算出部２４の変形例１について、図７を参照して説明する。図７は、電流指令値算出部２４の変形例１の構成を示す図である。図７に示すように、第２算出部４３は、ｑ軸成分算出部４４と、ｄ軸成分算出部４５と、を備える。電流指令値算出部２４の他の構成は図４と同様である。

ｑ軸成分算出部４４は、推定速度ωｅｓｔに基づいて第２電流指令値のｑ軸成分ｉｑ２^＊を算出する。具体的には、ｑ軸成分算出部４４は、電流値ｉｑ２^＊が推定速度ωｅｓｔと反比例するようにｑ軸成分ｉｑ２^＊を算出する。ｑ軸成分ｉｑ２^＊は、例えば、以下の式により算出される。

ｄ軸成分算出部４５は、トルク指令値Ｔ^＊及びｑ軸成分ｉｑ２^＊に基づいて、第２電流指令値のｄ軸成分ｉｄ２^＊を算出する。ｄ軸成分ｉｄ２^＊は、例えば、以下の式により算出される。

このような構成により、制御装置２は、低負荷時の出力電圧を目標値Ｖ_ＳＥＴ以上とすることができる。また、高速域における電流損失を抑制することができる。

（第１実施形態の変形例２）
本実施形態に係る電流指令値算出部２４の変形例２について、図８〜図１０を参照して説明する。図８は、電流指令値算出部２４の変形例２の構成を示す図である。図８に示すように、この電流指令値算出部２４は、トルク指令値Ｔ^＊及び推定速度ωｅｓｔに基づいて、電流指令値ｉｑｃ^＊，ｉｄｃ^＊を算出する。

本変形例において、電流指令値算出部２４は、図９に示すように、電流指令値のｑ軸成分ｉｑｃ^＊が所定の目標値Ｉｑ_ＳＥＴ以上となるように、ｑ軸成分ｉｑｃ^＊を算出する。また、電流指令値算出部２４は、図１０に示すように、推定速度ωｅｓｔが大きくなるほど、目標値Ｉｑ_ＳＥＴが小さくなるように、ｑ軸成分ｉｑｃ^＊を生成する。

このような構成により、低負荷時のモータ出力電圧を目標値Ｖ_ＳＥＴ以上とすることができる。また、高速域における電流損失を抑制することができる。

（第１実施形態の変形例３）
本実施形態に係る電流指令値算出部２４の変形例３について、図１１及び図１２を参照して説明する。以上で説明した電流指令値算出部２４は、２つの電流指令値から一方を選択することにより、出力電圧が目標値Ｖ_ＳＥＴ以上となる電流指令値を算出した。これに対して、本変形例では、１つの電流指令値を補正することにより、出力電圧が目標値Ｖ_ＳＥＴ以上となる電流指令値を算出する。

図１１は、電流指令値算出部２４の変形例３の構成を示す図である。図１１に示すように、電流指令値算出部２４は、ｑ軸成分算出部４６と、補正部４７と、加算器４８と、ｄ軸成分算出部４９と、を備える。

ｑ軸成分算出部４６は、トルク指令値Ｔ^＊に基づいて、電流指令値ｉｑ３^＊を算出する。電流指令値ｉｑ３^＊は、電流指令値のｑ軸成分の補正前の値である。本変形例における電流指令値算出部２４は、電流指令値ｉｑ３^＊を補正することにより、電流指令値のｑ軸成分を算出する。電流指令値ｉｑ３^＊は、ＳｙｎＲＭ１のトルクがトルク指令値Ｔ^＊となるように、制御装置で実現したい制御に応じた任意の方法で算出される。

例えば、ｑ軸成分算出部４６は、固定子に流す電流の大きさが最小となるように、電流指令値ｉｑ３^＊を算出する。この場合、ｑ軸成分算出部４６は、磁気飽和を無視して、電流位相角βが１３５度となる電流指令値ｉｑ３^＊を算出してもよいし、磁気飽和を考慮して、電流位相角βが１３５度より進んだ角度となる電流指令値ｉｑ３^＊を算出してもよい。また、ｑ軸成分算出部４６は、ＳｙｎＲＭ１の効率や力率が最大となるように電流指令値ｉｑ３^＊を算出してもよい。

ｑ軸成分算出部４６が算出した電流指令値ｉｑ３^＊は、加算器４８に入力される。

補正部４７は、電圧指令値算出部２５から、電圧指令値ｖｄｃ^＊，ｖｑｃ^＊を入力される。補正部４７は、電圧指令値ｖｄｃ^＊，ｖｑｃ^＊に基づいて、補正値Δｉｑ^＊を算出する。補正値Δｉｑ^＊は、電流指令値ｉｑ３^＊を補正して、電流指令値のｑ軸成分ｉｑｃ^＊を算出するための電流指令値である。補正部４７の詳細については後述する。補正部４７が算出した補正値Δｉｑ^＊は、加算器４８に入力される。

加算器４８は、電流指令値ｉｑ３^＊に補正値Δｉｑ^＊を加算し、電流指令値ｉｑｃ^＊を算出する。加算器４８が算出した電流指令値ｉｑｃ^＊は、ｄ軸成分算出部４９に入力される。

ｄ軸成分算出部４９は、トルク指令値Ｔ^＊と、電流指令値ｉｑｃ^＊と、に基づいて、ＳｙｎＲＭ１のトルクがトルク指令値Ｔ^＊となるように、電流指令値のｄ軸成分ｉｄｃ^＊を算出する。ｄ軸成分ｉｄｃ^＊は、例えば、以下の式により算出される。

ここで、補正部４７について、図１２を参照して説明する。図１２は、補正部４７の構成を示す図である。図１２に示すように、補正部４７は、出力電圧算出部６１と、減算器６２と、リミッタ６３と、ＰＩ制御器６４と、を備える。

出力電圧算出部６１は、電圧指令値算出部２５が算出した電圧指令値ｖｄｃ^＊，ｖｑｃ^＊を入力される。出力電圧算出部６１は、電圧指令値ｖｄｃ^＊，ｖｑｃ^＊に基づいて、ＳｙｎＲＭ１の出力電圧Ｖ_１を算出する。出力電圧Ｖ_１は、例えば、以下の式により算出される。

出力電圧算出部６１が算出した出力電圧Ｖ_１は、減算器６２に入力される。

減算器６２は、出力電圧の目標値Ｖ_ＳＥＴから出力電圧Ｖ_１を減算し、出力電圧の誤差ΔＶを算出する。減算器６２が算出した誤差ΔＶは、リミッタ６３に入力される。

リミッタ６３は、誤差ΔＶを０以上にリミットする。すなわち、０以上の誤差ΔＶだけを出力する。リミッタ６３が出力した誤差ΔＶは、ＰＩ制御器６４に入力される。

ＰＩ制御器６４は、０以上にリミットされた誤差ΔＶに基づいてＰＩ制御を行い、ＳｙｎＲＭ１の出力電圧Ｖ_１が目標値Ｖ_ＳＥＴ以上となる補正値Δｉｑ^＊を算出する。ＰＩ制御器６４が算出した補正値Δｉｑ^＊は、加算器４８に入力される。

このような構成により、電流指令値に応じた出力電圧Ｖ_１が目標値Ｖ_ＳＥＴより低い場合すなわち、ΔＶが０以上の場合、出力電圧Ｖ_１が目標値Ｖ_ＳＥＴ以上となるように、電流指令値に補正値Δｉｑ^＊がオフセット電流として追加される。これにより、低負荷時の出力電圧Ｖ_１を目標値Ｖ_ＳＥＴ以上とすることができる。

（第１実施形態の変形例４）
本実施形態に係る電流指令値算出部２４の変形例４について、図１６を参照して説明する。本変形例では、変形例３と同様に、１つの電流指令値を補正することにより、出力電圧が目標値Ｖ_ＳＥＴ以上となる電流指令値を算出する。変形例３では、補正部４７によって補正値Δｉｑ^＊を生成し、これを加算器４８で電流指令値ｉｑ３^＊に加算することで、電流指令値ｉｑｃ^＊を生成した。これに対して、本変形例では、下限リミッタ９１によって、電流指令値ｉｑ３^＊の下限をリミットすることで、電流指令値ｉｑｃ^＊を生成する。

下限リミッタ９１は、図９のように、ｉｑｃ^＊がｉｑ_ＳＥＴ以上になるように、ｉｑ３^＊を補正（リミット）する。ｉｑ_ＳＥＴは、例えば本実施例が使用される最小速度ω_ＭＩＮと、出力電圧の目標値Ｖ_ＳＥＴと、から次式で計算される。

このような構成により、低負荷時であっても出力電圧Ｖ_１を目標値Ｖ_ＳＥＴ以上とすることができる。本変形例では、第１実施形態および変形例１〜３に対して、下限リミッタ９１を追加するだけという簡単な構成で、出力電圧Ｖ_１を目標値Ｖ_ＳＥＴ以上とすることができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る制御装置２について、図１４〜図１６を参照して説明する。図１４は、本実施形態に係るシステムの構成を示す図である。図１４に示すように、本実施形態に係る制御装置２は、トルク指令値算出部２９を更に備える。他の構成は、第１実施形態と同様である。

トルク指令値算出部（速度制御器）２９は、速度指令値ω^＊及び推定速度ωｅｓｔに基づいて、トルク指令値Ｔ^＊を算出する。速度指令値ω^＊とは、ＳｙｎＲＭ１の回転子を回転させる角速度である。本実施形態において、電流指令値算出部２４には、トルク指令値算出部２９が算出したトルク指令値Ｔ^＊が入力される。なお、本実施形態では、速度指令値ω^＊は、外部装置から入力されるものとする。

図１５は、トルク指令値算出部２９の構成を示す図である。図１５に示すように、トルク指令値算出部２９は、減算器７１と、ＰＩ制御器７２と、を備える。

減算器７１は、速度指令値ω^＊と推定速度ωｅｓｔとを入力される。減算器７１は、速度指令値ω^＊から推定速度ωｅｓｔを減算し、回転子の角速度の誤差Δωを算出する。減算器７１が算出した誤差Δωは、ＰＩ制御器７２に入力される。

ＰＩ制御器７２は、誤差Δωに基づいてＰＩ制御を行い、誤差Δωが０となるトルク指令値Ｔ^＊を算出する。ＰＩ制御器７２が算出したトルク指令値Ｔ^＊は、電流指令値算出部２４に入力される。

上述の通り、電流指令値算出部２４は、第１実施形態で説明した構成としてもよいが、他の構成とすることもできる。図１６は、電流指令値算出部２４の他の構成を示す図である。この電流指令値算出部２４は、トルク指令値Ｔ^＊及び位相角指令値β^＊に基づいて、電流指令値ｉｄｃ^＊，ｉｄｃ^＊を算出する。

図１６に示すように、この電流指令値算出部２４は、出力電圧算出部８１と、減算器８２と、リミッタ８３と、ＰＩ制御器８４と、位相角指令値算出部８５と、減算器８６と、電流指令値取得部８７と、を備える。

出力電圧算出部８１は、電圧指令値算出部２５が算出した電圧指令値ｖｄｃ^＊，ｖｑｃ^＊を入力される。出力電圧算出部８１は、電圧指令値ｖｄｃ^＊，ｖｑｃ^＊に基づいて、ＳｙｎＲＭ１の出力電圧Ｖ_１を算出する。出力電圧算出部８１が算出した出力電圧Ｖ_１は、減算器８２に入力される。

減算器８２は、出力電圧の目標値Ｖ_ＳＥＴから出力電圧Ｖ_１を減算し、出力電圧の誤差ΔＶを算出する。減算器８２が算出した誤差ΔＶは、リミッタ８３に入力される。

リミッタ８３は、誤差ΔＶを０以上にリミットする。すなわち、０以上の誤差ΔＶだけを出力する。リミッタ８３が出力した誤差ΔＶは、ＰＩ制御器８４に入力される。

ＰＩ制御器８４は、０以上にリミットされた誤差ΔＶに基づいてＰＩ制御を行い、ＳｙｎＲＭ１の出力電圧Ｖ_１が目標値Ｖ_ＳＥＴ以上となる補正値Δβ^＊を算出する。補正値Δβ^＊は、位相角指令値β１^＊を補正して位相角指令値β^＊を算出するための位相角指令値である。ＰＩ制御器８４が算出した補正値Δβ^＊は、減算器８６に入力される。

位相角指令値算出部８５は、トルク指令値Ｔ^＊に基づいて、位相角指令値β１^＊を算出する。位相角指令値β１^＊は、位相角指令値β^＊の補正前の値である。位相角指令値β１^＊は、ＳｙｎＲＭ１のトルクがトルク指令値Ｔ^＊となるように、制御装置で実現したい制御に応じた任意の方法で算出される。

例えば、位相角指令値算出部８５は、固定子に流す電流の大きさが最小となるように、位相角指令値β１^＊を算出する。この場合、位相角指令値算出部８５は、磁気飽和を無視して、位相角指令値β１^＊を１３５度としてもよいし、磁気飽和を考慮して、位相角指令値β１^＊を１３５度より進んだ角度としてもよい。また、位相角指令値算出部８５は、ＳｙｎＲＭ１の効率や力率が最大となるように位相角指令値β１^＊を算出してもよい。

位相角指令値算出部８５が算出した位相角指令値β１^＊は、減算器８６に入力される。

減算器８６は、位相角指令値β１^＊から補正値Δβ^＊を減算して、位相角指令値β^＊を算出する。減算器８６が算出した位相角指令値β^＊は、電流指令値取得部８７に入力される。

電流指令値取得部８７は、トルク指令値Ｔ^＊及び位相角指令値β^＊に基づいて、電流指令値ｉｄｃ^＊，ｉｑｃ^＊を算出する。具体的には、電流指令値取得部８７は、トルク指令値Ｔ^＊の等トルク曲線上の、電流位相角が位相角指令値β^＊となる点の座標を取得すればよい。電流指令値取得部８７により取得された電流指令値ｉｄｃ^＊，ｉｑｃ^＊は、電圧指令値算出部２５に入力される。

以上説明した通り、図１６の電流指令値算出部２４は、出力電圧Ｖ_１が目標値Ｖ_ＳＥＴ以上となるように、電流位相角を補正する。具体的には、電流指令値がｑ軸側に移動するように、電流位相角を遅れ方向に補正する。これにより、低負荷時の出力電圧Ｖ_１を目標値Ｖ_ＳＥＴ以上とすることができる。

また、本実施形態に係る制御装置２は、要求されるトルク制御の精度が第１実施形態に比べて低い。これは、本実施形態に係る制御装置２は、ＳｙｎＲＭ１の速度ωが速度指令値ω^＊となるように制御するためである。

このため、電流指令値算出部２４は、ＳｙｎＲＭ１のトルクを正確に制御するためのテーブル（電流指令値毎の出力電圧が記憶されたテーブルなど）を用いずに電流指令値を算出することができる。

なお、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって種々の発明を形成できる。また例えば、各実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除した構成も考えられる。さらに、異なる実施形態に記載した構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１：シンクロナスリラクタンスモータ（ＳｙｎＲＭ）、２：インバータ制御装置、２１：インバータ、２２：電流検出器、２３：座標変換部、２４：電流指令値算出部、２５：電圧指令値算出部、２６：座標変換部、２７：ＰＷＭ変調器、２８：速度・回転位相角推定部、２９：トルク指令値算出部、３１：位相差δ設定部、３２：γ電圧算出部、３３：γ電圧推定部、３４：減算器、３５：ＰＩ制御器、３６：積分器、４１：第１算出部、４２：第２算出部、４３：選択部、４４：ｑ軸成分算出部、４５：ｄ軸成分算出部、４６：ｑ軸成分算出部、４７：補正部、４８：加算器、４９ｄ軸成分算出部、５１：第１電流ベクトル、５２：第２電流ベクトル、５３：等トルク曲線、５４：等電圧楕円、６１：出力電圧算出部、６２：減算器、６３：リミッタ、６４：ＰＩ制御器、７１：減算器、７２：ＰＩ制御器、８１：出力電圧算出部、８２減算器、８３：リミッタ、８４：ＰＩ制御器、８５：位相角指令値算出部、８６：減算器、８７：電流指令値取得部

Claims (13)

1. シンクロナスリラクタンスモータの回転子を駆動するインバータ主回路と、
   前記インバータ主回路から出力される電流値を検出する電流検出器と、
   前記インバータ主回路から出力される電流で生じる鎖交磁束により前記シンクロナスリラクタンスモータの固定子で発生する出力電圧が、所定値以上となるための電流指令値を算出する電流指令値算出部と、
   前記電流値が、前記電流指令値と等しくなるように電圧指令値を算出する電圧指令値算出部と、
   前記電圧指令値及び前記電流値に基づいて、前記シンクロナスリラクタンスモータの回転子の推定回転位相角を算出する推定部と、
   を備えるインバータ制御装置。
2. 前記電流指令値算出部は、トルク指令値に基づいて第１電流指令値を、前記トルク指令値及び推定速度に基づいて第２電流指令値をそれぞれ算出し、前記第１電流指令値に応じた前記出力電圧が前記所定値より低いか判定し、前記所定値以上のとき、前記第１電流指令値を前記電流指令値として出力し、前記所定値より低いとき、前記第２電流指令値を前記電流指令値として出力する
   請求項１に記載のインバータ制御装置。
3. 前記第２電流指令値に応じた前記出力電圧は前記所定値である請求項２に記載のインバータ制御装置。
4. 前記電流指令値算出部は、トルク指令値に基づいて第１電流指令値を、前記トルク指令値及び推定速度に基づいて第２電流指令値をそれぞれ算出し、前記第１電流指令値及び前記第２電流指令値のうち、電流位相角がｑ軸に近い方を前記電流指令値として出力する
   請求項１に記載のインバータ制御装置。
5. 前記電流指令値算出部は、トルク指令値に基づいて第１電流指令値を、前記トルク指令値及び推定速度に基づいて第２電流指令値をそれぞれ算出し、前記第１電流指令値及び前記第２電流指令値のうち、ｑ軸成分が大きい方を前記電流指令値として出力する
   請求項１に記載のインバータ制御装置。
6. 前記電流指令値算出部は、前記第１電流指令値に基づいて算出した前記出力電圧の電圧値と、前記所定値と、を比較することにより前記判定を行う
   請求項２又は請求項３に記載のインバータ制御装置。
7. 前記電流指令値算出部は、前記第１電流指令値のｄ軸成分と、前記第２電流指令値のｄ軸成分と、を比較することにより前記判定を行う
   請求項２に記載のインバータ制御装置。
8. 前記電流指令値算出部は、前記第１電流指令値の電流位相角と、前記第２電流指令値の電流位相角と、を比較することにより判定を行う
   請求項４に記載のインバータ制御装置。
9. 前記電流指令値算出部は、前記出力電圧が前記所定値より低いとき、前記出力電圧と前記所定値との誤差に基づいて補正値を算出し、前記電流指令値に前記補正値を加算する
   請求項１に記載のインバータ制御装置。
10. 速度指令値及び推定速度に基づいて、前記トルク指令値を算出するトルク指令値算出部を更に備える
    請求項２乃至請求項８のいずれか１項に記載のインバータ制御装置。
11. 前記電流指令値算出部は、前記電流指令値の下限をリミットする下限リミッタを備える
    請求項１に記載のインバータ制御装置。
12. 前記下限リミッタは、最低速度における前記出力電圧が前記所定値となるように設定される
    請求項１１に記載のインバータ制御装置。
13. シンクロナスリラクタンスモータと、
    前記シンクロナスリラクタンスモータを駆動するインバータ主回路と、
    前記インバータ主回路から出力される電流値を検出する電流検出器と、
    前記インバータ主回路から出力される電流で生じる鎖交磁束により前記シンクロナスリラクタンスモータの固定子で発生する出力電圧が、所定値以上となるための電流指令値を算出する電流指令値算出部と、
    前記電流値が、前記電流指令値と等しくなるように電圧指令値を算出する電圧指令値算出部と、
    前記電圧指令値及び前記電流値に基づいて、前記シンクロナスリラクタンスモータの回転子の推定回転位相角を算出する推定部と、
    を備えるモータ駆動システム。

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