JP2001161099A - 同期電動機の制御方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＩＰＭの制御に、トルク指令と電圧条件のみ
によりｄ，ｑ軸電流を求めるのでは収束演算に問題があ
ること、電圧飽和や磁気飽和の問題がある。 【解決手段】 ｑ軸電流演算は、磁束テーブル１１によ
り界磁に同期して回転する回転座標系の電流に応じた磁
束成分を推定し、出力トルク演算部１３はｑ軸電流と磁
束推定結果からその電流状態で発生するトルクを推定
し、トルク電流演算部１４は推定したトルクをトルク指
令に一致させるよう該推定トルクとトルク指令との誤差
成分を補正するｑ軸電流成分を求め、ｑ軸電流成分を現
在のｑ軸電流と加算して新たなトルク電流指令として出
力する。インダクタンステーブル１２は回転座標系の電
流変化時のｄ軸及びｑ軸の自已インダクタンスを演算し
てｑ軸電流演算用にする。また、出力電圧が電圧制限値
以上に増加した場合は減磁電流を発生させる電圧飽和防
止制御手段も含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、界磁鉄心内部に埋
めこまれた永久磁石を界磁源とする同期電動機（ＩＰ
Ｍ：ＩｎｔｅｒｉｏｒｍｏｕｎｔｅｄＰｅｒｍａｎｅｎ
ｔｍａｇｎｅｔＭｏｔｏｒ）の制御方式、特にトルク制
御方式に関する。

【０００２】

【従来の技術】（１）ＩＰＭの特徴 誘導電動機に対してＩＰＭは効率がよく、小型になるこ
とが知られている。高い効率の要因は、（ａ）誘導機は
磁束を発生させるために励磁電流成分が必要であった
が、同期電動機ではこれが存在しない。そのため、一次
抵抗による銅損が少なくなる。（ｂ）誘導機は二次回路
に電流を流す原理のため、二次回路の抵抗の銅損があっ
たが、同期電動機では存在しない。

【０００３】小型化の要因は、誘導機の二次導体の厚み
分が永久磁石の厚みのみでよくなるため、界磁側の半径
寸法も小さくなり、モータの外形寸法も小さくすること
ができる。

【０００４】（２）ＩＰＭの種類 同期電動機については、界磁鉄心の形状を基準にして分
類すると、ＳＰＭ（ＳｕｒｆａｃｅｍｏｕｎｔｅｄＰｅ
ｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔＭｏｔｏｒ）、ＩＰＭ（Ｉ
ｎｔｅｒｉｏｒｍｏｕｎｔｅｄＰｅｍａｎｅｎｔｍａｇ
ｎｅｔＭｏｔｏｒ）に分けられる。

【０００５】ＳＰＭは円筒型の鉄心形状に、その表面上
にカワラ状の永久磁石を張付けたものである。端子から
みた電機子インダクタンスはｄ軸（界磁軸）とｑ軸（界
磁軸の直交軸）のインダクタンス成分が等しい円筒形の
同期機特性を有している。

【０００６】これに対して、鉄心内部に永久磁石を埋め
込むＩＰＭの場合は、電機子インダクタンスについて、
ｄ軸（界磁軸）とｑ軸（界磁軸の直交軸）のインダクタ
ンス成分が異なった突極形同期機特性を有している。

【０００７】本発明は、ＩＰＭのような突極性を有する
場合の制御方式、特にトルク制御方式に係るものであ
り、ＩＰＭについての特性を説明した文献としては、次
の文献１がある。

【０００８】文献１「ＰＭ形ブラシレスＤＣモータの最
大トルク制御」、畠中啓太、童毅、森本茂雄、武田洋
次、平紗多賀男（大阪府立大学）、半導体電力変換研究
会、ＳＰＣ−９１−６」 （３）ＩＰＭの線形条件での関係式 ＩＰＭでは突極形の特性を有しているため、通常の永久
磁石の磁束と電流によるトルク以外にも突極性によるリ
ラクタンストルクが発生するが、これを有効利用してモ
ータの出力トルクを向上させる制御方式がある。

【０００９】まず、モータのパラメータが一定値である
という線形な場合の関係式を説明しておく。インダクタ
ンスを固定定数とした場合の電圧電流方程式は下記のよ
うになる。

【００１０】

【数１】

【００１１】ここで、図６のように界磁極と同期して回
転する２次元直交座標系（ｄｑ軸）を定義する。また、
モータについては図７の等価回路について取り扱う。

【００１２】上記の式において、インダクタンスは、漏
れ成分と回転子鎖交成分とがあり、次式のようになる。

【００１３】

【数２】

【００１４】また、トルク式は、電気角速度ωのかかっ
た磁束項に左辺から転置した電流を乗算すればよく、次
式のようになる。

【００１５】

【数３】

【００１６】なお、本発明とは直接に関係しないが、
ｄ，ｑ軸の漏れインダクタンスが等しいと近似すると、
巻線インダクタンスに含まれる漏れインダクタンスは
（３）式の第２項の両インダクタンスに等分だけ含まれ
ているため、トルク式には一次、二次のどちらのインダ
クタンスを使用してもよいことがわかる。

【００１７】

【数４】

【００１８】上記の（４）式の第１項が永久磁石とそれ
と直交な電流成分により生じるトルク成分になり、第２
項が突極性によるリラクタンストルクの項になる。

【００１９】（４）電流とトルクの関係式（最大トルク
条件） 前記の（３）式によれば、リラクタンストルクの影響に
より、ｄ，ｑ軸の両方の電流成分によってトルクが変化
することになる。これをｄ，ｑ電流座標上でトルクの等
高線として表すと図８のように双曲線状になる。

【００２０】前記の（１）、（３）式からトルクを媒介
変数とする方程式に変形し、（３）式のトルク式を、左
辺がｉｑとなるように変形すると、下記の（５）式とな
る。

【００２１】

【数５】

【００２２】ここで、λｄ−ｉｄ・（Ｌｄ−Ｌｑ）が分
母となっており、トルクー定の等高線を描くと図８のよ
うな双曲線になる。

【００２３】図８の電流座標上において、トルクの等高
線に接するように原点を中心とする補助円を描くと、そ
の接点がトルクを発生できる最少電流の条件になる。こ
の点で運転すると銅損が最少な効率の高い運転条件が得
られる。

【００２４】この点の物理的な意味は、振幅一定の電流
ベクトルを補助円上を位相のみ回転させた場合のトルク
を、図９のように横軸に電流ベクトルの位相、縦軸にト
ルクとして描くと分かりやすい。ちょうど、図８の電流
最少動作点は、言い替えれば電流振幅が一定の条件で最
大トルクを発生させる条件となっている。このことか
ら、図８の最大トルクの軌跡上に電流ベクトルを制御す
る方式を「最大トルク制御」と呼ぶことが多く、以下の
説明でもこの呼び方を使用する。

【００２５】（５）電流と電圧の関係 定出力範囲では出力電圧が制限されるため、減磁電流を
流す必要がある。前記の（１）式の電圧電流方程式から
定常状態にて検討するため、ｐの項を零と近似して、電
圧ベクトルの大きさを求めると、下記の（６）式とな
る。

【００２６】

【数６】

【００２７】さらに、変形すると下記の（７）式のよう
になり、電流座標上で電圧の等高線は楕円の方程式とな
る。

【００２８】

【数７】

【００２９】この楕円を図示したものが図１０である。
電圧制限があるときには、その制限範囲は楕円状とな
り、それよりも外に出る電流ベクトルでは電圧が制限値
を越えてしまう。そのため、（３）式のトルクの式と
（７）式の電圧との２つの条件を満足する必要がある。

【００３０】これらの条件を同じ電流座標上で示すと、
図１１のように、電圧とトルクの等高線の交点が定出力
範囲における動作点となる。

【００３１】この動作点を求めるためには、（３）式と
（７）式とを連立して解かねばならず代数的にはかなり
複雑となる。演算時間的に制約があり、また実際にはイ
ンダクタンスなどの非線形要素などもあるため、収束計
算により計算しなければならない。

【００３２】以上が、定数が一定で線形であると仮定し
た場合の、ＩＰＭの特性についての説明である。

【００３３】（６）従来の基本的な制御方式 下記の文献２では、実用的なトルク指令からｑ，ｄ軸の
各電流成分に展開することが論じられている。

【００３４】文献２「ＩＰＭモータの高効率可変速ドラ
イブ」、柴田尚武、出光利明、亀山健（安川電機）、電
気学会論文誌、ＭＩＤ−９８−１２」

【００３５】

【発明が解決しようとする課題】前記の文献２では、ト
ルク指令と電圧条件（電圧飽和による電圧限界）が与え
られ、それら満たすようなｑ，ｄ軸の電流指令を求めて
いるが、これらの電圧・電流・トルクの関係は線形な関
係式とならないため、三角関数や平方根を使用したり、
収束計算を行って近似解を得るようになっている。この
収束演算をどのように構築すれば良いかが第１の問題点
である。

【００３６】第２の問題点として、電圧飽和が発生した
ときに、減磁電流を流して端子電圧を制御する必要があ
る。電機子反作用磁束による電圧成分により端子電圧が
増加して、変換器の出力可能電圧を越えて電圧飽和状態
となることがある。こうなると電流制御が不可能とな
り、不安定になってしまう。

【００３７】電圧飽和しないように、誘起起電力自体を
低めに設定する方法もあるが、電圧を低減した分だけ電
流定格が増加し、ドライバに必要な容量が増加してしま
う。

【００３８】従って、モータの定格電圧は高めに設定し
ておいて定格電流を高めに設定しておき、直流電源電圧
や出力電圧を監視しておき、電圧飽和に達しそうになっ
たら、減磁電流を流して端子電圧の飽和を防止する制御
が必要になる。

【００３９】第３の問題点は、磁気的な非線形性による
ものである。前述の文献では前提条件として、モータの
インダクタンスは一定であると仮定している。しかし、
実際のＩＰＭの鉄心内部では、永久磁石の磁束と電機子
反作用磁束とが合成されるため、磁束変化による鉄心の
磁気飽和が発生して負荷電流等によってインダクタンス
成分が変化してしまう。

【００４０】磁束の非線形性の例を電流のｄｑ座標上で
ｄ，ｑ軸の各磁束成分尾の等高線として示したものが、
図１２、図１３の例である。

【００４１】本来、インダクタンスが一定であれば、磁
束の等高線は各軸に平行かつ等間隔になる。ところが、
実際には鉄心内部の磁気飽和などの影響により、ｄ，ｑ
軸成分の電流が干渉することにより、磁束が非線形に変
化するため曲がった特性となっている。等間隔でないの
は、インダクタンスの値が磁気飽和などにより変化して
いるためであり、軸に平行でないのはｄ軸電流によりｑ
軸磁束が発生しているなど、軸間の干渉磁束が存在して
いることを意味している。これを、式的に表現すると次
のようになる。

【００４２】従来は、インダクタンスとして、Ｌｄ，Ｌ
ｑのみ存在しており、電流と磁束の関係は次式と考えら
れていた。ここで、一方の対角成分は零とみなしてい
た。

【００４３】

【数８】

【００４４】しかし、実際にはｄ−ｑ間軸間の干渉があ
り、２行２列のインダクタンスは次のような形となる。
さらに、各インダクタンス成分は電流により非線形に変
化してしまう。

【００４５】

【数９】

【００４６】このような非線形性があると、トルク指令
通りに出力トルクが制御できないほか、電圧も制御でき
ず電圧飽和が発生して、電流制御系自体も制御不能に陥
るため不安定になったりする。

【００４７】このような磁束の非線形性があっても制御
を行うために、下記の文献３では電圧とトルク成分をフ
ィードバックする制御系を提案している。

【００４８】文献３「突極形永久磁石同期電動機のトル
クフィードバック制御方式、近藤圭一浪、松岡孝一（鉄
道総研）、中沢洋介、清水秀幸（東芝）電気学会論文詩
Ｄ，１１９刊１０号、ｐ.１１１５、平成１１年」しか
し、この論文でも次のような問題点がある。

【００４９】トルクをフィードバックして電流指令を計
算する部分に、ＰＩ演算を使用している。このＰＩ演算
が固定のままではインダクタンスの変動に対応していな
いために、収束性が最適に制御されていない。そのた
め、トルク指令の変化に対して、実際の出力トルクの応
答を低めに設定しなくてはならない。

【００５０】また、文献３では電圧のフィードバックは
ｄ軸、トルクのフィードバックはｑ軸にのみ影響するよ
うに構成されているため、ｄ軸のフィードバック成分の
影響により生じるトルク変動は直接演算によって補正さ
れておらず、間接的に次回以降のトルクフィードバック
演算で補正する形態となっている。そのため、さらに応
答性が遅くなることが想定される。

【００５１】文献３では鉄道用に開発しているため高い
トルク応答性能が要求されておらず、そのような用途の
場合にはこのような方式でも適用可能であるが、産業用
の可変速システムとして使用するためにはトルク制御の
応答性の改善が要望される。

【００５２】本発明の目的は、上記までの課題を解決し
た同期電動機の制御方式を提供することにある。

【００５３】

【課題を解決するための手段】本発明は、永久磁石を界
磁源とする同期電動機をトルク指令に応じてトルク制御
し、該トルク指令に対して最大トルク条件などによって
ｄ軸電流指令を演算する手段と、該トルク指令とｄ軸電
流指令からｑ軸電流指令を演算する手段を有する同期電
動機の制御方式であって、前記ｑ軸電流指令を演算する
手段は、界磁に同期して回転する回転座標系の電流に応
じた磁束成分を関数またはテーブル近似等で推定する磁
束推定部と、前記電流と磁束推定結果からその電流状態
で発生するトルクを推定する推定トルク演算部と、前記
推定したトルクをトルク指令に一致させるよう該推定ト
ルクとトルク指令との誤差成分を補正するｑ軸電流成分
を求める電流変化量演算部と、前記ｑ軸電流成分を現在
のｑ軸電流と加算して新たなトルク電流指令として出力
する電流加算部とを備えたことを特徴とする。

【００５４】また、前記磁束推定とトルク演算と電流変
化量演算及び電流加算の一連の演算は、トルク推定がト
ルク指令に収束するように、複数回繰り返して収束演算
した結果を電流指令として出力することを特徴とする。

【００５５】また、前記回転座標系の電流変化時のｄ軸
及びｑ軸の自己インダクタンスを演算し、この自己イン
ダクタンスを前記電流変化量演算部によるｑ軸電流演算
に使用する自己インダクタンス演算部を備えたことを特
徴とする。

【００５６】また、同期電動機に印加する出力電圧が電
圧制限値以上に増加した場合は減磁電流を発生させる電
圧飽和防止制御手段を設け、最大トルク条件などのパタ
ーンによって出力されるｄ軸電流指令と加算したもの
を、新たなｄ軸電流指令とすることを特徴とする。

【００５７】また、前記ｄ軸電流の絶対値制限値以下に
した電流指令になるように、ｄ軸電流に応じてｑ軸電流
の制限値を可変で減少させることを特徴とする。

【００５８】また、前記減磁電流が同期電動機の減磁電
流制限値に達してそれ以上に減磁電流を増加できないと
き、まだ電圧制限値よりも高いときには、ｑ軸電流指令
をさらに減少させる手段を備えたことを特徴とする。

【００５９】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）ＩＰＭを用い
て、速度制御系を構成した場合の制御ブロックを図１に
示す。各部は次の要素で構成されている。

【００６０】速度制御アンプ１は、速度指令に速度検出
が追従するように、ＰＩ（比例・積分）演算などによ
り、トルク指令を演算する。トルク−電流指令変換部２
は、トルク指令と後に示す電圧飽和防止制御部からの減
磁電流指令からｄ，ｑ軸の電流指令に変換する。電流制
御アンプ３は電流指令に応じた実電流を発生させるため
電圧を演算する。電力増幅器４は、電流制御アンプ３の
出力電圧をＰＷＭ変調などによって電力増幅する。ＩＰ
Ｍ５は実際に負荷を駆動するためのモータである。位置
センサ６はＩＰＭ５の回転位置（位相）を検出する。位
相検出器７は、位置センサ６が出力する信号を、実際の
位相角度θに変換する。速度検出器８は位置検出データ
（θ）を微分して速度を演算する。絶対値変換部９は、
電力増幅器４の出力電圧、または、電流制御アンプ３が
出力する電圧指令より、ＩＰＭ５の端子電圧を演算す
る。電圧飽和防止制御部１０は端子電圧が電力増幅器の
出力電圧限界に達しないように、減磁電流を制御する。

【００６１】本実施形態は、図１におけるトルク−電流
指令変換部２と電圧飽和防止制御部１０の部分につい
て、新しい制御方法を提案するものである。それ以外の
部分は従来と同様な制御方式が適用できる。また、速度
制御用途以外に、トルク制御系や位置制御系など他の用
途にも展開が可能である。

【００６２】以下、トルク−電流指令変換部２と電圧飽
和防止制御部１０の各部について詳細に説明する。

【００６３】（１Ａ）非線形を考慮するため電流に対す
る磁束として非線形関数を定義 まず、図２の磁束テーブル１１に相当する磁束の非線形
性の取り扱い方法を説明する。

【００６４】ここでは、前記の式（９）を関数近似また
は磁束テーブルとして、取り扱うことにする。界磁に同
期して回転する回転座標系（ｄ，ｑ座標）の電流（ｉ
ｄ，ｉｑ）を入力とし、その時のｄｑ座標上の磁束成分
（Λｄ（ｉｄ，ｉｑ）、Λｑ（ｉｄ，ｉｑ））を出力と
する「非線形磁束関数」を使用する。実際には、下記の
ような様々な非線形性の表現方法がある。

【００６５】・高次方程式や三角関数や対数関数を用い
て関数近似して非線形性を近似する方法。

【００６６】・２次元のテーブルをｄ軸磁束、ｑ軸磁束
の２種類用意し、それらを補間して非線形を近似する方
法。

【００６７】本実施形態では、どのような非線形表現方
式を適用しても同等の機能が実現できるため、抽象的に
「非線形磁束関数」と呼んでこれらを表すことにする。

【００６８】近似した「非線形磁束関数」の磁束と実磁
束とを区別出来るように、テーブルデータの関数として
は大文字のΛを使用して、次式の関数表現で取り扱う。

【００６９】

【数１０】

【００７０】また、図２のインダクタンステーブル１２
は、式（１０）の関数を電流成分で微分した、自己イン
ダクタンス成分を演算する部分である。

【００７１】このインダクタンス行列のうち、軸間の干
渉項である相互インダクタンス成分は、他の自己インダ
クタンス成分よりも値が小さいため、図２の例では自己
インダクタンスのみ使用している。次項で説明するよう
にこの関数を平均的な固定値と大胆に近似してしまって
も、本発明が意図する機能は実現できるが、ここでは、
「インダクタンス演算」を利用する例について説明す
る。

【００７２】（１Ｂ）磁束の非線形を考慮したトルクの
計算式 前項の電流を入力とする非線形磁束関数を使用すると、
トルクを計算することができる。図２の出力トルク演算
部１３は、このトルク演算を行うブロックである。ま
ず、トルク式を導出する。式（１０）非線形磁束関数を
使用すると（１）式の電圧電流方程式は（１１）式とな
る。

【００７３】

【数１１】

【００７４】ここで、１項は電機子巻線の抵抗と漏れイ
ンダクタンスによる電圧降下分であり、２項が永久磁石
と電機子反作用磁東による電圧成分である。２項では非
線形性を考慮しているため、軸間の干渉項も非線形磁東
関数の中に含まれている。

【００７５】この方程式に基づいてトルクを計算するに
は、機械的エネルギーを第２項を用いて求め、それを角
速度ωで割ればよい。そうすると、次式になる。

【００７６】

【数１２】

【００７７】以上のように、非線形なインダクタンスを
有するシステムであっても、磁束を直接使えばトルク演
算が可能である。出力トルク演算部１３ではこのトルク
演算を実行する。

【００７８】（１Ｃ）ｄ軸電流指令の演算方法（最大ト
ルク条件） 電流が既知である場合には、前記の（１１）式でトルク
を求めることができるようになったが、実際の制御で
は、与えられるのはトルク指令であり、これからｉｄ，
ｉｑをどのように計算するかが問題となっている。そこ
で、次に電流指令演算方法を説明する。

【００７９】本項では、まずｄ軸電流（減磁電流）成分
について説明する。ｄ軸電流は、トルク指令を入力とし
て図１１の定トルク範囲の電流軌跡に相当するｄ軸電流
を出力する関数を定義しておく。この関数は、磁束の非
線形性が分っていれば、オフラインで事前に計算してお
くことができる。

【００８０】また、この最大トルク関数の精度に関して
考察してみると、最大トルク条件からずれた結果を出力
したとしても、実際には図９のように、最大トルク付近
のトルク特性はなだらかな頂点を構成していることか
ら、理想的な点とほぼ同等のトルクを得ることができ
る。

【００８１】したがって、このｄ軸電流関数の精度はそ
れほど要求されない。多少の誤差が含まれても最大トル
ク条件とほぼ同等な効率を実現できるため、インダクタ
ンスや磁束を線形と近似して計算しておいてもよい。

【００８２】電圧飽和が起こると電流制御自体が制御不
能になるため、トルクよりも電圧抑制制御側の順位を高
く設定するため、トルク電流演算より前に指令を演算
し、その結果からトルク電流を計算する構成とする。

【００８３】図２の減磁電流テーブル１７と絶対値演算
部１８によってこのｄ軸電流の関数演算を行う。なお、
過大な減磁電流を流すと永久磁石自体が消磁してしまう
ようなモータの場合は、減磁電流リミッタ１９で電磁電
流の最大値を制限することによりモータの保護を行って
もよい。

【００８４】（１Ｄ）トルク指令から電流指令への変換
方法（収束演算の適用） ｄ軸電流に対して、ｑ軸電流成分は直接トルクを制御す
る必要が有るため、トルク制御精度が要求される。ま
た、電圧飽和防止のため減磁電流が最大トルク条件より
も増加させる必要も生じる。そこで、トルク電流指令の
演算方法は、ｄ軸電流の変化に対応できなくてはならな
い。

【００８５】また、磁束特性が電流によって変化する非
線形性も存在するため、ここでは収束演算を用いた演算
方法を適用する。

【００８６】前記の文献３では、単にＰＩ演算を使用し
ていたが、本実施形態ではインダクタンスを使用して磁
束の変化を予測してトルクを出力するために必要な電流
を演算、さらにそれを繰り返して収束させる方式とし
た。

【００８７】本実施形態ではインダクタンスという磁束
の微分をつかって収束演算を行うので、一種のニュート
ンラプソン法的な方法であるともいえる。

【００８８】ここで、使用するインダクタンス成分は、
あくまでも電流変化時の磁束を予測するためにのみ使用
しており、最終的なトルク精度は、前述の磁束テーブル
１１を基準としている。つまり、インダクタンスの精度
が悪いときには、収束性は劣ってくるものの、最終的な
収束時のトルク精度には影響を与えない。また、ｑ軸間
の干渉インダクタンス成分は計算を簡単にするために無
視することにした。

【００８９】まず・前回の電流指令ｉｄ，ｉｑが既知で
あり、また、その時の磁束成分Λｄ（ｉｄ，ｉｑ），Λ
ｑ（ｉｄ，ｉｑ）も計算されており、さらに前回の電流
指令によって発生するトルクＴも前記の（１２）次式で
計算済みであるとする。そして、これに対して、新たな
トルク指令Ｔ’とｄ軸電流指令ｉｄ’（減磁電流指令）
が与えられた場合のｑ軸電流ｉｑ’を求めるものとす
る。

【００９０】電流がｉｄ，ｉｑからｉｄ’，ｉｑ’に変
化したと仮定した場合、この電流変化分Δｉｄ，Δｉｑ
によって磁束Λｄ’（ｉｄ，ｉｑ），Λｑ’（ｉｄ，ｉ
ｑ）がどのように変化するかをインダクタンスを用いて
線形近似した次式で適用して推定する。

【００９１】

【数１３】

【００９２】

【数１４】

【００９３】本来は、軸間の干渉インダクタンスも存在
するが、これを考慮すると以降で求めるトルク電流推定
式が２次式となってしまうこと、また、干渉インダクタ
ンスの値が小さく影響が小さいことから、ここでは零と
近似している。

【００９４】この前回の電流ｉｄ，ｉｑのときの磁束式
と，（１２）式のトルク式より新たなｑ軸電流ｉｑ’を
求める式が以下のように得られる。

【００９５】

【数１５】

【００９６】上記の式で、前回のトルク成分との差分ト
ルクに置き換えると、下記のように、電流の変化項で表
すことができる。

【００９７】

【数１６】

【００９８】さらに，Δｉｑを求める式に変形を行う
と、

【００９９】

【数１７】

【０１００】このように（１７）式により、ｑ軸電流の
変化量として求めることが出来るため、前回値のｑ軸電
流指令と加算すると次回のｉｑ’を得ることができる。

【０１０１】このようにインダクタンスにより磁束の変
化を予測してトルク電流成分が得られるので、得られた
電流指令を用いて、再度非線形磁束関数による磁束演算
と、それを用いたトルク演算を行い、指令値と一致する
ことを確認する。

【０１０２】もし、このトルク計算値が指令値と異なっ
ている場合には、再度現在の電流を用いて同じ手順で計
算を繰り返す。そうすると、最終的にはトルク指令と一
致する電流・磁束条件に収束していくようになる。これ
が、本実施形態で適用する収束演算法であり、図２のト
ルク電流演算部１４に相当する。

【０１０３】このようなインダクタンスから変化電流を
求める収束法は高速ではあるが、インダクタンスの誤差
などにより、真値よりも過大となり行きすぎ量が発生す
ることもある。そうすると、収束時にハンチングした
り、収束できなかったりするため、実際には図２のロー
パスフィルタ１５によって電流出力に緩和ゲインをかけ
たりして、安定化を図ることにする。

【０１０４】汎用インバータに適用する場合には、収束
演算の繰返し数が多くなると、演算時間の制限が問題と
なる。場合によっては、１回しか収束演算ができないこ
ともある。このときには図２のローパスフィルタ１６に
よってトルク指令自体にも一次遅れやクッション等を加
えて急激な変化を抑制することも有効である。これによ
り、大幅に電流変化（磁束変化）が生じないため、電流
指令もゆっくりと変化するようになり、収束演算回数が
少なくても誤差が少なくなる。

【０１０５】トルク指令に遅れ成分を挿入すると、当然
応答性能自体も制限されてしまうため、サーボモータの
ように高速な応答性が要求される場合は、収束演算回数
を多くする方法を採用する必要がある。トルク指令に一
次遅れを挿入するのは、省エネ用途のようなそれほど応
答性を要求されない用途に適している。

【０１０６】（第２の実施形態）第１の実施形態では、
インダクタンスの非線形性を考慮して各電流状態におけ
るインダクタンス値を用いる例を示した。こうすると最
適な収束性が得られる。しかし、インダクタンスの変動
が少ない場合には、インダクタンスを平均値などの適当
な固定値としてもよい。インダクタンスは収束のための
電流予測演算のみに使用されており、トルク演算自体に
は使用されていない。つまり、インダクタンスは収束性
には影響するものの、トルク精度には関係しない。

【０１０７】そこで、本実施形態では、インダクタンス
を一定値とするものである。図３にそのブロック図を示
す。同図が図２と異なる部分は、インダクタンスを演算
するインダクタンステーブル１２を省略した構成にな
る。

【０１０８】（第３の実施形態）本実施形態は、電圧飽
和防止制御を付加した場合である。

【０１０９】定出力範囲では回転速度が高くなっても電
圧を一定に保つ必要があるため、ＩＰＭの場合は減磁電
流を流す必要がある。

【０１１０】そこで、本実施形態では、設定された電圧
以上に出力電圧が上昇した場合には、負側のｄ軸電流
（減磁電流）を増加させて端子電圧の上昇を抑制する電
圧飽和防止制御機能を追加する。そのブロック図を図４
に示す。

【０１１１】図４では、図２に対して、電圧飽和防止制
御部２０を追加する例として示している。制御部２０か
らの減磁電流出力はｉｄ電流指令への加算分として得
る。制御部２０では、出力電圧Ｖ１より、端子電圧の絶
対値成分を計算し、この成分が電圧飽和設定値Ｖｌｉｍ
ｉｔを越えた場合には、ＰＩ演算により、減磁電流を増
加させる。

【０１１２】（第４の実施形態）第３の実施形態では、
電圧飽和を防止するため減磁電流フィードバックを追加
したが、減磁電流の追加分だけ出力電流が増加してしま
う。通常の電力増幅器４は電流の制限があるため、減磁
電流が増加しても、この電流制限以内になるように電流
指令にもリミッタ処理を行う必要が有る。

【０１１３】実際には、減磁電流自体を削減してしまう
と電圧飽和が発生して、電流制御自体が不安定となるた
め適用できない。

【０１１４】そこで、本実施形態では、トルク電流に相
当するｑ軸側の電流を減少させることにする。図５に制
御ブロック図を示す。同図は、第３の実施形態のブロッ
ク図に、電流制限機能を追加するものとしてトルク電流
リミッタ値演算部２１を設けている。

【０１１５】演算部２１のうち、２１ａでは、ｄ軸電流
Ｉｄ＿ｒｅｆの絶対値をとり、その後次式でｑ軸電流の
制限値を計算する。

【０１１６】

【数１８】

【０１１７】これにより、Ｉ'ｑ＿ｌｉｍ以下にｑ軸電
流を制限しておけば、電流の絶対値がＩ１＿ｌｉｍを越
えることは無くなる。

【０１１８】次に、ｄ軸電流である電磁電流は、永久磁
石が消磁しないように減磁電流の制限が設定されている
場合が有る。この場合は、減磁電流を利用して電圧低下
を行うことは出来なくなるため、その場合は、ｑ軸電流
の方を減少させて、ｑ軸電流とインダクタンスによる電
圧成分を低減させて端子電圧を抑制する。

【０１１９】そこで、２１ｂでは、電圧飽和防止減磁電
流制御部２０の減磁電流制限値以上にｄ軸電流が増加し
た場合は、２１ａの出力であるｑ軸電流制限値をさら
に、低減させている。

【０１２０】２１ｃでは、２１ａ、２１ｂの出力を合成
したｄ軸電流制限値は絶対値であるため、負値にならに
ように制限している。

【０１２１】２１ｄでは、２１ｃが出力したｑ軸電流の
制限値（絶対値）に従って、実際に、ｑ軸電流指令の正
及び負側をそれぞれ制限している。

【０１２２】

【発明の効果】ＩＰＭは鉄心の突極性により、電流の電
機子反作用によりインダクタンスが変化して非線形性を
有していることが多い。そこで、本発明では、電流と磁
束の関係を非線形関数として制御器内部に持たせる、こ
の磁束関数を用いてトルクを計算することにより、トル
ク精度を改善することができる。

【０１２３】また、インダクタンスを用いたトルクと電
流との関係式より、収束性のよい電流指令演算が実現で
き、その結果、トルク指令に対する応答性を改善でき
る。

【０１２４】また、電圧飽和を防止するため、減磁電流
フィードバック制御機能を追加し、定出力範囲でも動作
可能である。

【０１２５】さらに、変換器の電流制限に対応して、電
流指令自体にも適切な制限がかかるように構成したこと
により、出力トルクは減少するものの、電流制御は常に
制御状態を維持できるようになり、飽和状態による不安
定現象などが発生しない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態を示すＩＰＭの制御ブロック
図。

【図２】実施形態におけるトルク−電流指令変換部のブ
ロック図。

【図３】実施形態におけるトルク−電流指令変換部のブ
ロック図。

【図４】実施形態における電流飽和防止制御を付加した
ブロック図。

【図５】実施形態におけるトルク電流リミッタ値演算を
付加したブロック図。

【図６】座標軸の説明図。

【図７】ＩＰＭの等価回路図。

【図８】トルク−電流ベクトル図。

【図９】電流相差角−トルク特性図。

【図１０】電流座標上の電圧等高線図。

【図１１】電流座標上におけるトルクと電圧の等高線
図。

【図１２】Ｄ軸磁束の等高線図。

【図１３】Ｑ軸磁束の等高線図。

【符号の説明】

１…速度アンプ ２…トルク−電流指令変換部 ３…電流制御アンプ ４…電力増幅器 ５…ＩＰＭ ６…位置センサ ７…位置検出器 ８…速度検出器 ９…絶対値変化部 １０、２０…電圧飽和防止制御部 １１…磁束テーブル １２…インダクタンステーブル １３…出力トルク演算部 １４…トルク電流演算部 １５、１６…ローパスフィルタ １７…減磁電流テーブル １８…絶対値回路 １９…減磁電流リミッタ ２１…トルク電流リミッタ値演算部

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 永久磁石を界磁源とする同期電動機をト
   ルク指令に応じてトルク制御し、該トルク指令に対して
   最大トルク条件などによってｄ軸電流指令を演算する手
   段と、該トルク指令とｄ軸電流指令からｑ軸電流指令を
   演算する手段を有する同期電動機の制御方式であって、 前記ｑ軸電流指令を演算する手段は、 界磁に同期して回転する回転座標系の電流に応じた磁束
   成分を関数またはテーブル近似等で推定する磁束推定部
   と、 前記電流と磁束推定結果からその電流状態で発生するト
   ルクを推定する推定トルク演算部と、 前記推定したトルクをトルク指令に一致させるよう該推
   定トルクとトルク指令との誤差成分を補正するｑ軸電流
   成分を求める電流変化量演算部と、 前記ｑ軸電流成分を現在のｑ軸電流と加算して新たなト
   ルク電流指令として出力する電流加算部とを備えたこと
   を特徴とする同期電動機の制御方式。
2. 【請求項２】 前記磁束推定とトルク演算と電流変化量
   演算及び電流加算の一連の演算は、トルク推定がトルク
   指令に収束するように、複数回繰り返して収束演算した
   結果を電流指令として出力することを特徴とする請求項
   １に記載の同期電動機の制御方式。
3. 【請求項３】 前記回転座標系の電流変化時のｄ軸及び
   ｑ軸の自己インダクタンスを演算し、この自己インダク
   タンスを前記電流変化量演算部によるｑ軸電流演算に使
   用する自己インダクタンス演算部を備えたことを特徴と
   する請求項１または２に記載の同期電動機の制御方式。
4. 【請求項４】 同期電動機に印加する出力電圧が電圧制
   限値以上に増加した場合は減磁電流を発生させる電圧飽
   和防止制御手段を設け、最大トルク条件などのパターン
   によって出力されるｄ軸電流指令と加算したものを、新
   たなｄ軸電流指令とすることを特徴とする請求項１〜３
   のいずれか１に記載の同期電動機の制御方式。
5. 【請求項５】 前記ｄ軸電流の絶対値制限値以下にした
   電流指令になるように、ｄ軸電流に応じてｑ軸電流の制
   限値を可変で減少させることを特徴とする請求項４に記
   載の同期電動機の制御方式。
6. 【請求項６】 前記減磁電流が同期電動機の減磁電流制
   限値に達してそれ以上に減磁電流を増加できないとき、
   まだ電圧制限値よりも高いときには、ｑ軸電流指令をさ
   らに減少させる手段を備えたことを特徴とする請求項４
   または５に記載の同期電動機の制御方式。