JP2020145885A - 回転電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】界磁巻線に現れる三相巻線の空間高調波を抑制する。【解決手段】界磁電流測定値ｉｆに現れる三相巻線の高調波成分を抽出してｆ軸電流値ｉｓｆを取得し、ｆ軸電流値ｉｓｆの位相を９０度遅らせたｃ軸電流値ｉｓｃを取得し、ｆ軸電流値とｃ軸電流値を、回転するｆｈ−ｃｈ軸直交座標におけるｆｈ軸電流値ｉｓｆｈとｃｈ軸電流値ｉｓｃｈに変換し、ｆｈ軸電流値とｃｈ軸電流値を０に近づけるようにｆｈ軸電圧値ｖｓｆｈとｃｈ軸電圧値ｖｓｃｈを設定し、ｆｈ軸電圧値ｖｓｆｈとｃｈ軸電圧値ｖｓｃｈを、ｆ−ｃ軸直交座標におけるｆ軸電圧値ｖｓｆに変換する。界磁電流測定値ｉｆと界磁電流指令値の偏差に基づいて設定された暫定界磁電圧指令値ｖｒｆｔに、ｆ軸電圧値ｖｓｆ（付加指令値）を加算して界磁電圧指令値ｖｒｆとする。界磁電圧指令値ｖｒｆに基づいて、界磁巻線に接続されたコンバータを制御する。【選択図】図４

Description

本発明は、界磁巻線と電機子巻線（三相巻線）を備えた回転電動機の制御装置に関する。

従来、界磁巻線と電機子巻線を備え、界磁巻線に界磁電流を流すことで生じる界磁磁束によりトルクを変化させることができる回転電動機が知られている。このような回転電動機では、界磁巻線を流れる界磁電流と、電機子巻線を流れる電機子電流とが互いに干渉することがある。特許文献１には、ｄ軸電流（電機子電流のｄ軸成分）の変化により界磁巻線に外乱電圧が発生し、界磁電流が変動する問題と、界磁電流の変化により電機子巻線に外乱電圧が発生し、ｄ軸電流が変動する問題が示されている。

上記問題を解決するために、特許文献１に記載の制御装置は、電機子電流のｄ軸成分の指令値と実際値との偏差に基づいて、電機子巻線に印加する電機子電圧のｄ軸成分の指令値である第１指令電圧を設定し、界磁電流の指令値と実際値との偏差に基づいて、界磁巻線に印加する界磁電圧の指令値である第２指令電圧を設定し、界磁電流の指令値と実際値との偏差に基づいて第１指令電圧を補正し、電機子電流の指令値と実際値との偏差に基づいて第２指令電圧を補正することにより、電機子電流のｄ軸成分と界磁電流とを非干渉化する、構成を採用している。

特開２０１７−２８８３６号公報

回転電動機の三相巻線（電機子巻線）を流れる三相巻線電流（電機子電流）の基本波周波数の逓倍の高調波成分（空間高調波とも言う）が、界磁巻線に現れることがある。界磁巻線に空間高調波が現れると、回転電動機にトルクリップルが発生してしまう。特許文献１に記載の制御装置は、界磁巻線に対する三相巻線電流の基本波成分の干渉を抑制する構成であり、界磁巻線に現れる三相巻線電流の高調波成分を抑制することができない。

本発明の目的は、界磁巻線に現れる三相巻線の空間高調波を抑制して、回転電動機のトルクリップルを抑制することにある。

本発明の回転電動機の制御装置は、界磁巻線と三相巻線を備える回転電動機に適用され、前記界磁巻線に界磁電流を流すコンバータのスイッチングを制御する制御部を備える回転電動機の制御装置であって、前記制御部は、界磁電流測定値と界磁電流指令値の偏差に基づき暫定界磁電圧指令値を設定する暫定指令値設定部と、前記暫定界磁電圧指令値に付加する付加指令値を生成する付加指令値生成部とを備え、前記付加指令値生成部は、前記界磁電流測定値に現れる、前記三相巻線を流れる三相電流の基本波周波数に対する予め定められた次数の高調波成分を、前記界磁電流測定値から抽出してｆ軸電流値を出力するバンドパスフィルタと、前記ｆ軸電流値の位相を９０度遅らせた、または、進ませたｃ軸電流値を出力するオールパスフィルタと、ｆ−ｃ軸直交座標における前記ｆ軸電流値と前記ｃ軸電流値を、前記回転電動機の回転角の前記予め定められた次数倍の回転角で回転するｆｈ−ｃｈ軸直交座標におけるｆｈ軸電流値とｃｈ軸電流値に変換する第１座標変換部と、前記ｆｈ軸電流値を０に近づけるようにｆｈ軸電圧値を設定すると共に、前記ｃｈ軸電流値を０に近づけるようにｃｈ軸電圧値を設定する電圧値設定部と、前記ｆｈ−ｃｈ軸直交座標における前記ｆｈ軸電圧値と前記ｃｈ軸電圧値を、前記ｆ−ｃ軸直交座標におけるｆ軸電圧値に変換する第２座標変換部と、を含み、前記ｆ軸電圧値を前記付加指令値として出力し、前記制御部は、前記暫定界磁電圧指令値に前記付加指令値を加算して界磁電圧指令値を出力する加算部をさらに備え、前記界磁電圧指令値に基づいて、前記コンバータのスイッチングを制御する、ことを特徴とする。

この構成によれば、界磁電流測定値に現れる三相巻線の予め定められた次数の高調波成分を抽出したｆ軸電流値と、ｆ軸電流値の９０度位相遅れ、または進みのｃ軸電流値とを生成し、ｆ軸電流値およびｃ軸電流値を、回転電動機の回転角の上記予め定められた次数倍の回転角で回転するｆｈ−ｃｈ軸直交座標におけるｆｈ軸電流値とｃｈ軸電流値に変換する。これにより、界磁電流測定値から抽出された高調波成分は、直流成分としてのｆｈ軸電流値とｃｈ軸電流値に変換され、直流成分を対象とした制御処理が可能となる。具体的には、この後、ｆｈ軸電流値を０に近づけるようにｆｈ軸電圧値を設定すると共に、ｃｈ軸電流値を０に近づけるようにｃｈ軸電圧値を設定する。ｆｈ軸電圧値とｃｈ軸電圧値は、界磁電流測定値に現れる上記予め定められた次数の高調波成分を打ち消すための成分を表している。そして、ｆｈ−ｃｈ軸直交座標におけるｆｈ軸電圧値とｃｈ軸電圧値を、ｆ−ｃ軸直交座標におけるｆ軸電圧値（交流成分）に変換する。なお、この際、ｆ軸電圧値に加えてｃ軸電圧値にも変換することができるが、ｃ軸電圧値は、界磁電流測定値に現れる高調波成分に対して９０度位相遅れ、または進みの成分であり、以降の制御で使用しないので変換は不要である。なお、ｆ軸電圧値は、界磁電流測定値に現れる高調波成分の位相と同じ位相の成分である。そして、ｆ軸電圧値を、界磁電圧指令値の付加指令値として出力する。付加指令値（ｆ軸電圧値）は、界磁巻線上の上記予め定められた次数の高調波成分を打ち消すための制御成分である。そして、界磁電流測定値と界磁電流指令値の偏差に基づいて暫定界磁電圧指令値を設定した上で、暫定界磁電圧指令値に上記付加指令値を加算して界磁電圧指令値とする。この界磁電圧指令値には、界磁巻線に現れる三相巻線の上記予め定められた次数の高調波成分を打ち消すための制御成分が含まれているため、この界磁電圧指令値に基づいてコンバータのスイッチングを制御することにより、界磁巻線における三相巻線の空間高調波（高調波成分）の発生を抑制することができる。そのため、回転電動機のトルクリップルを抑制することができ、回転電動機のトルクを制御する界磁電流の制御性能を向上させることができる。

また、本発明の回転電動機の制御装置において、前記予め定められた次数は、６のｎ倍（但しｎは１以上の整数）の数である、としてもよい。

また、本発明の回転電動機の制御装置において、前記バンドパスフィルタの中心周波数は、前記三相巻線を流れる三相電流の基本波周波数の６×ｎ倍（但しｎは１以上の整数）の周波数に設定される、としてもよい。

また、本発明の回転電動機の制御装置において、前記オールパスフィルタを前記ｆ軸電流値の位相を９０度遅らせるフィルタとして機能させる場合において、前記オールパスフィルタの通過帯域の特性を示すクオリティファクタＱを√２（ルート２）に設定した際の前記オールパスフィルタの基底周波数Ｆａｃ１は、前記バンドパスフィルタの中心周波数をＦｂｃとし、前記予め定められた次数をＤとする時、下記（１）式を満たす、としてもよい。
Ｆａｃ１＝Ｆｂｃ×２×（Ｄ／６）・・・（１）

また、本発明の回転電動機の制御装置において、前記オールパスフィルタを前記ｆ軸電流値の位相を９０度進ませるフィルタとして機能させる場合において、前記オールパスフィルタの通過帯域の特性を示すクオリティファクタＱを√２（ルート２）に設定した際の前記オールパスフィルタの基底周波数Ｆａｃ２は、前記三相巻線を流れる三相電流の基本波周波数をＦとし、前記予め定められた次数をＤとする時、下記（２）式を満たす、としてもよい。
Ｆａｃ２＝Ｆ×π×（Ｄ／６）・・・（２）

また、本発明の回転電動機の制御装置において、前記制御部は、前記予め定められた次数の設定値が異なる複数の前記付加指令値生成部を備え、前記制御部の前記加算部は、複数の前記付加指令値生成部のそれぞれから出力される前記付加指令値を前記暫定界磁電圧指令値に加算して前記界磁電圧指令値を出力する、としてもよい。

本発明によれば、界磁巻線に現れる三相巻線の空間高調波を抑制して、回転電動機のトルクリップルを抑制することができる。

回転電動機の制御システムの回路図である。 回転電動機の制御装置の機能構成及び処理手順を示す図である。 α−β軸直交座標とｄ−ｑ軸直交座標の関係を示す図である。 第１制御部（制御部）のブロック構成図である。 ｆ軸およびｆ軸の９０度位相遅れのｃ軸（ｆ−ｃ軸直交座標）と、ｆｈ−ｃｈ軸直交座標との関係を示す図である。 付加指令値生成部においてｃ軸電流値をｆ軸電流値の９０度位相遅れにして処理した際の各信号の時間変化の一例を示す図である。 ｆ軸およびｆ軸の９０度位相進みのｃ軸（ｆ−ｃ軸直交座標）と、ｆｈ−ｃｈ軸直交座標との関係を示す図である。 付加指令値生成部においてｃ軸電流値をｆ軸電流値の９０度位相進みにして処理した際の各信号の時間変化の一例を示す図である。 別の回転電動機の制御システムの回路図である。 界磁電流に現れる、三相電流の６次の空間高調波の一例を示す図である。

以下に、本発明に係る実施形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。以下で述べる構成は、説明のための例示であって、回転電動機の制御システムの仕様等に合わせて適宜変更が可能である。全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、以下において複数の実施形態や変形例などが含まれる場合、それらの特徴部分を適宜に組み合わせて用いることは当初から想定されている。

図１は、本実施形態における回転電動機の制御システム１０の回路図である。回転電動機の制御システム１０は、直流電源１４、コンデンサ１５、コンバータ１６、インバータ１８、回転電動機２０、及び制御装置１２を含んで構成される。回転電動機２０は、ステータとロータを含み、ステータは、ロータに界磁を作る直流電流を流す界磁巻線２４と、当該界磁との相互作用によりロータにトルクを発生させる交流電流を流す電機子巻線２２（三相巻線）とを備える。なお、ここでは、ステータが界磁巻線２４を備えるとしたが、ロータまたはロータ周辺の部材が界磁巻線２４を備える構成であってもよい。

コンデンサ１５、コンバータ１６及びインバータ１８は、直流電源１４に対し並列に接続される。コンバータ１６は、フルブリッジ回路で構成される。具体的には、コンバータ１６は、並列接続された第１アームＡ１及び第２アームＡ２を含む。また、各アームＡ１，Ａ２には２つのスイッチング素子Ｓ１及びＳ２とスイッチング素子Ｓ３及びＳ４がそれぞれ直列に接続され、各スイッチング素子の両端には、各スイッチング素子の電流方向とは逆方向の電流が流れるようにダイオードが並列接続される。界磁巻線２４の一端は、第１アームＡ１のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２間の中点に接続され、界磁巻線２４の他端は、第２アームＡ２のスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４間の中点に接続される。スイッチング素子Ｓ１とＳ４のオン時間をスイッチング素子Ｓ２とＳ３のオン時間より長くすることで、正の界磁電流ｉｆの大きさを制御できる。また、スイッチング素子Ｓ１とＳ４のオン時間をスイッチング素子Ｓ２とＳ３のオン時間より短くすることで、負の界磁電流ｉｆの大きさを制御できる。このようにしてコンバータ１６は、界磁巻線２４の電流の大きさ及び流れ方向をスイッチングによって制御する。また、界磁電流ｉｆの電流経路には電流センサ３０が設けられている。電流センサ３０によって測定された界磁電流ｉｆの測定値（以下、界磁電流測定値ｉｆとも言う）は、制御装置１２に送信される。

インバータ１８は、３相インバータである。具体的には、インバータ１８は、並列接続されたＵ相アームＢ１、Ｖ相アームＢ２及びＷ相アームＢ３を含む。また、各アームＢ１，Ｂ２，Ｂ３には２つのスイッチング素子Ｓａ，Ｓｂが直列に接続され、各スイッチング素子Ｓａ，Ｓｂの両端には、各スイッチング素子の電流方向とは逆方向の電流が流れるようにダイオードが並列接続される。三相巻線２２は、Ｕ相電流が流れるＵ相巻線、Ｖ相電流が流れるＶ相巻線、及びＷ相電流が流れるＷ相巻線を含む。図１では、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線にそれぞれｕ、ｖ、ｗの符号を付している。インバータ１８は、三相巻線２２の電流（三相電流）をスイッチングによって制御する。図１では、三相巻線２２の各相の巻線を簡略化して示して、各相で１つのみとしているが、実際には、各相で複数の巻線が直列に接続される。

Ｕ相巻線の一端は、Ｕ相アームＢ１のスイッチング素子Ｓａ、Ｓｂ間の中点に接続される。Ｖ相巻線の一端は、Ｖ相アームＢ２のスイッチング素子Ｓａ、Ｓｂ間の中点に接続される。Ｗ相巻線の一端は、Ｗ相アームＢ３のスイッチング素子Ｓａ、Ｓｂ間の中点に接続される。Ｕ相巻線、Ｖ相巻線及びＷ相巻線の他端は、中性点Ｇで共通に接続される。

Ｕ相巻線に流れる電流ｉｕは、電流センサ２８ｕによって測定され、その測定値が制御装置１２へ送信される。また、Ｖ相巻線に流れる電流ｉｖは、電流センサ２８ｖによって測定され、その測定値が制御装置１２へ送信される。また、Ｗ相巻線に流れる電流ｉｗは、電流センサ２８ｗによって測定され、その測定値が制御装置１２へ送信される。なお、三相巻線２２の各相の巻線は中性点Ｇで共通接続されているため、各相の巻線に流れる電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗの総和がゼロになることから、電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗのいずれか１つの電流は、他の２つの電流から算出することが可能である。そのため、電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを測定するための電流センサ２８ｕ，２８ｖ，２８ｗのうちのいずれか１つを省略するようにしてもよい。

回転電動機２０には、回転角センサ２６（例えばレゾルバ）が設けられている。回転角センサ２６によって検出されたロータの回転角度位置（以下、回転角とも言う）θｅは、制御装置１２へ送信される。

制御装置１２は、コンバータ１６及びインバータ１８のスイッチングを制御する。制御装置１２は、発生または入力されたトルク指令に基づいて、スイッチングの指令信号を生成し、その指令信号によって、インバータ１８のスイッチングを制御し、三相巻線２２に流れる三相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを制御する。また、制御装置１２は、ｉｆ指令値に基づいてコンバータ１６のスイッチング制御を行い、界磁電流ｉｆを制御する。

次に、本実施形態の制御装置１２における制御について具体的に説明する。図２は、制御装置１２の機能構成及び処理手順を示す図である。図２に示すように、制御装置１２は、コンバータ１６のスイッチングを制御する第１制御部（単に制御部とも言う）４０と、インバータ１８のスイッチングを制御する第２制御部４２を備える。本実施形態の制御装置１２は、第１制御部４０に特徴があり、第１制御部４０は、界磁巻線２４における三相巻線２２の空間高調波の発生を抑制するようにコンバータ１６のスイッチングを制御する。第１制御部４０については、第２制御部４２を説明した後に詳細に述べる。

図２に示すように、第２制御部４２は、トルク指令値Ｔｒが与えられると、ステップＳ１において、トルク指令値Ｔｒに対応するｄｑ軸電流指令値ｉｒｄ，ｉｒｑを導出する。なお、トルク指令値Ｔｒは、外部から与えられてもよいし、例えば、制御システム１０が車両に搭載される場合にはアクセル開度及び車速から制御装置１２においてマップ参照等により導出してもよい。

そして、第２制御部４２は、ステップＳ２において、制御装置１２に入力された三相電流測定値ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを、回転電動機（ロータ）の回転角θｅを用いて、ｄ軸電流測定値ｉｄ及びｑ軸電流測定値ｉｑに変換する。具体的には、この変換は、次のように行う。まず、以下の（数１）式を用いて、三相電流測定値ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを二相電流測定値ｉα，ｉβに変換する。

・・・（数１）

次に、二相電流測定値ｉα，ｉβ（交流成分）を、ｄ軸電流測定値ｉｄ及びｑ軸電流測定値ｉｑ（直流成分）に変換する。この変換は、図３に示すように、静止するα−β軸直交座標にプロットされる二相電流測定値ｉα，ｉβのプロット点（例えば図３に示す星印）を、回転電動機の回転角θｅで回転するｄ−ｑ軸直交座標におけるｄ軸電流測定値ｉｄ及びｑ軸電流測定値ｉｑで表すようにする座標変換である。この座標変換は、以下の（数２）式を用いて行うことができる。

・・・（数２）

この座標変換により、交流成分であった二相電流測定値ｉα，ｉβが、直流成分であるｄ軸電流測定値ｉｄ及びｑ軸電流測定値ｉｑに変換され、以下に説明する、直流成分を制御対象とする比例積分制御を行うことが可能となる。

図２に戻り、第２制御部４２の処理の説明を続ける。第２制御部４２は、ステップＳ２でｄｑ軸電流測定値ｉｄ，ｉｑを取得した後、ステップＳ３に進む。第２制御部４２は、ステップＳ３においてｄ軸電流指令値ｉｒｄ及びｑ軸電流指令値ｉｒｑとｄ軸電流測定値ｉｄ及びｑ軸電流測定値ｉｑとの誤差を算出し、ステップＳ４においてこれらの誤差をゼロに近づけるように比例積分制御（ＰＩ制御）を行って、ステップＳ５においてｄ軸電圧指令値ｖｒｄ及びｑ軸電圧指令値ｖｒｑを設定する。

そして、第２制御部４２は、続くステップＳ６において、回転電動機２０（ロータ）の回転角θｅを用いて、ｄ軸電圧指令値ｖｒｄ及びｑ軸電圧指令値ｖｒｑを三相電圧指令値ｖｒｕ，ｖｒｖ，ｖｒｗに変換する。具体的には、この変換は、次のように行う。まず、回転するｄ−ｑ軸直交座標から、静止するα−β軸直交座標に戻す座標変換を行う（図３参照）。具体的には、ｄ軸電圧指令値ｖｒｄ及びｑ軸電圧指令値ｖｒｑから二相電圧指令値ｖｒα，ｖｒβを取得する。この座標変換は、以下の（数３）式を用いて行うことができる。

・・・（数３）

次に、以下の（数４）式を用いて、二相電圧指令値ｖｒα，ｖｒβを三相電圧指令値ｖｒｕ，ｖｒｖ，ｖｒｗに変換する。

・・・（数４）

第２制御部４２は、図２のステップＳ６において三相電圧指令値ｖｒｕ，ｖｒｖ，ｖｒｗを取得した後、続くステップＳ７において、三相電圧指令値ｖｒｕ，ｖｒｖ，ｖｒｗに基づいて三相制御信号Ｊ２を生成する。そして、第２制御部４２は、三相制御信号Ｊ２を用いて、インバータ１８のスイッチングを制御する。

次に、第１制御部４０について詳細に説明する。第１制御部４０は、コンバータ１６のスイッチングを制御して、界磁巻線２４に流れる界磁電流ｉｆを制御する。界磁電流には、三相巻線２２を流れる三相電流の基本波周波数の逓倍の高調波成分（空間高調波）が現れることがある。図１０は、界磁電流ｉｆ＿ｔに現れる、三相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗの６次の空間高調波の一例を示す図である。図１０に示すように、三相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗの基本波の１周期Ｔ１の間に、界磁電流ｉｆ＿ｔに６つの山が現れていることが分かる。このように、界磁電流に三相巻線２２の空間高調波が現れると、回転電動機２０にトルクリップルが発生してしまう。そこで、本実施形態の第１制御部４０は、界磁巻線２４における三相巻線２２の空間高調波の発生を抑制するようにコンバータ１６のスイッチングを制御する。

図４は、第１制御部４０（制御部）のブロック構成図である。第１制御部４０は、界磁電流指令値ｉｒｆと制御装置に入力された界磁電流測定値ｉｆとの偏差（誤差）に基づき暫定界磁電圧指令値ｖｒｆｔを設定する暫定指令値設定部５０と、界磁電流測定値ｉｆに基づいて付加指令値ｖｓｆを生成する付加指令値生成部５２と、暫定界磁電圧指令値ｖｒｆｔと付加指令値ｖｓｆとを加算して界磁電圧指令値ｖｒｆを出力する加算部（加算器）９４と、界磁電圧指令値ｖｒｆに対応する界磁制御信号Ｊ１を生成するＰＷＭ９６と、を備える。

暫定指令値設定部５０は、トルク指令値Ｔｒに対応する界磁電流指令値ｉｒｆを生成する界磁電流指令値生成器６０と、界磁電流指令値生成器６０で生成された界磁電流指令値ｉｒｆと制御装置１２に入力された界磁電流測定値ｉｆの誤差（＝ｉｒｆ−ｉｆ）を算出する加算器６２と、加算器６２で算出された誤差を０に近づけるように比例積分制御（ＰＩ制御）を行い、暫定界磁電圧指令値ｖｒｆｔを設定する比例積分制御器６４と、を備える。暫定指令値設定部５０は、以上説明した処理（図２に示すステップＳ８〜Ｓ１１の処理）を行い、暫定界磁電圧指令値ｖｒｆｔを出力する。

一方、付加指令値生成部５２は、図４に示すように、バンドパスフィルタ７０と、オールパスフィルタ７２と、第１座標変換部７４と、２つのゼロ電流指令値生成器８０，８２、２つの加算器８４，８６、及び２つの比例積分制御器（ＰＩ制御器）８８，９０を有する電圧値設定部７６と、第２座標変換部９２と、を備える。

バンドパスフィルタ７０は、界磁電流測定値ｉｆに現れる、三相巻線２２を流れる三相電流の基本波周波数に対する予め定められた次数Ｄの高調波成分を、界磁電流測定値ｉｆから抽出してｆ軸電流値ｉｓｆを出力する。予め定められた次数Ｄは、６のｎ倍（但しｎは１以上の整数）の数にするのが好ましく、この場合、バンドパスフィルタ７０の中心周波数は、三相巻線２２を流れる三相電流の基本波周波数の６×ｎ倍（但しｎは１以上の整数）の周波数に設定される。このように、三相電流の６の逓倍の次数（６次，１２次，１８次・・・）の空間高調波を処理対象とする理由は、回転電動機２０において界磁電流ｉｆに三相電流の６の逓倍の次数の空間高調波が現れやすいためであり、界磁電流ｉｆにおけるこのような空間高調波の発生を抑制するためである。また、界磁電流ｉｆに低い次数の空間高調波が発生すると、回転電動機２０のトルクリップルも低い周波数で現れ、回転電動機２０の運転に悪影響を生じさせ易い。そこで、本実施形態では、予め定められた次数Ｄを６とし、６次の空間高調波（高調波成分）を処理対象としている。

オールパスフィルタ７２は、バンドパスフィルタ７０から出力されたｆ軸電流値ｉｓｆを入力し、ｆ軸電流値ｉｓｆの位相を９０度遅らせたｃ軸電流値ｉｓｃを出力する。なお、発明者らは、予め定められた次数Ｄが６のｎ倍（但しｎは１以上の整数）である場合（６の逓倍の次数の空間高調波を処理対象とする場合）、オールパスフィルタ７２の通過帯域の特性を示すクオリティファクタＱを√２（ルート２）に設定した際のオールパスフィルタの基底周波数Ｆａｃ１を、以下の（数５）式を満たすように設定することにより、ｆ軸電流値ｉｓｆに対してｃ軸電流値ｉｓｃを精度高く９０度位相遅れにできることを見出している。なお、（数５）式において、Ｆｂｃは、バンドパスフィルタ７０の中心周波数を、Ｄは、上記予め定められた次数を表している。

図４に示す第１座標変換部７４は、バンドパスフィルタ７０から出力されたｆ軸電流値ｉｓｆ（交流成分）と、オールパスフィルタ７２から出力されたｃ軸電流値ｉｓｃ（交流成分）とを入力し、それらを直流成分であるｆｈ軸電流値ｉｓｆｈとｃｈ軸電流値ｉｓｃｈに変換する。この変換は、図５に示すように、静止するｆ−ｃ軸直交座標にプロットされるｆ軸電流値ｉｓｆとｃ軸電流値ｉｓｃのプロット点（例えば図５に示す星印）を、回転電動機の回転角θｅの上記予め定められた次数Ｄ（本実施形態では６）倍の回転角で回転するｆｈ−ｃｈ軸直交座標におけるｆｈ軸電流値ｉｓｆｈ及びｃｈ軸電流値ｉｓｃｈで表すようにする座標変換である。この座標変換は、以下の（数６）式を用いて行うことができる。

・・・（数６）

ここで、図５に示すｆ−ｃ軸およびｆｈ−ｃｈ軸は、図３に示すα−β軸およびｄ−ｑ軸に対応するものであり、（数６）式は（数２）式に対応するものである。すなわち、本実施形態では、三相巻線２２の制御における二相電流測定値ｉα，ｉβ（交流成分）からｄｑ軸電流測定値ｉｄ，ｉｑ（直流成分）にする座標変換処理と同様の座標変換処理を、界磁電流測定値ｉｆに現れる高調波成分の制御にも適用する。界磁電流測定値ｉｆから抽出したｆ軸電流値ｉｓｆ（界磁電流に現れる空間高調波、交流成分）だけでは、２つの交流成分が存在せず、三相巻線２２の制御と同様の交流成分から直流成分への座標変換処理を行うことはできない。しかし、上記したように、ｆ軸電流値ｉｓｆに加えて、ｆ軸電流値ｉｓｆの９０度位相遅れのｃ軸電流値ｉｃｆを作り、２つの交流成分を用意することにより、三相巻線２２の制御と同様の座標変換処理を適用可能とし、界磁電流測定値ｉｆに現れる高調波成分を表す直流成分（ｆｈ軸電流値ｉｓｆｈとｃｈ軸電流値ｉｓｃｈ）を生成している。これにより、以下で説明する、直流成分を制御対象とする比例積分制御を行うことが可能となる。図６の上側には、ｆ軸電流値ｉｓｆ、ｃ軸電流値ｉｓｃ、ｆｈ軸電流値ｉｓｆｈ、及びｃｈ軸電流値ｉｓｃｈの時間変化の一例が示されている。

図４に戻り、第１座標変換部７４の後段にある電圧値設定部７６は、第１座標変換部７４から出力されたｆｈ軸電流値ｉｓｆｈとｃｈ軸電流値ｉｓｃｈを入力し、比例積分制御により、ｆｈ軸電流値ｉｓｆｈを０に近づけるようにｆｈ軸電圧値ｖｓｆｈを設定すると共に、ｃｈ軸電流値を０に近づけるようにｃｈ軸電圧値ｖｓｃｈを設定する。具体的には、次のように設定を行う。まず、ゼロ電流指令値生成器８２が生成した０Ａの電流指令値と、第１座標変換部７４から出力されたｆｈ軸電流値ｉｓｆｈとの誤差（＝０−ｉｓｆｈ）を加算器８６で算出し、算出された誤差を０に近づけるように比例積分制御器９０が比例積分制御（ＰＩ制御）を行い、ｆｈ軸電圧値ｖｓｆｈを設定する。同様に、ゼロ電流指令値生成器８０が生成した０Ａの電流指令値と、第１座標変換部７４から出力されたｃｈ軸電流値ｉｓｃｈとの誤差（＝０−ｉｓｃｈ）を加算器８４で算出し、算出された誤差を０に近づけるように比例積分制御器８８が比例積分制御（ＰＩ制御）を行い、ｃｈ軸電圧値ｖｓｃｈを設定する。ここで、ｆｈ軸電圧値ｖｓｆｈとｃｈ軸電圧値ｖｓｃｈは、界磁電流測定値ｉｆに現れる上記予め定められた次数Ｄの高調波成分（本実施形態では６次の空間高調波）を打ち消すための成分を表している。図６には、ｆｈ軸電流値ｉｓｆｈとｃｈ軸電流値ｉｓｃｈに対する、ｆｈ軸電圧値ｖｓｆｈとｃｈ軸電圧値ｖｓｃｈの一例が示されている。

図４に戻り、第２座標変換部９２は、比例積分制御器９０，８８から出力された直流成分であるｆｈ軸電圧値ｖｓｆｈとｃｈ軸電圧値ｖｓｃｈを入力し、それらを交流成分であるｆ軸電圧値とｃ軸電圧値に変換する。この変換は、回転するｆｈ−ｃｈ軸直交座標から静止するｆ−ｃ軸直交座標に戻す座標変換である（図５参照）。この座標変換は、以下の（数７）式を用いて行うことができる。（数７）式において、θｅは、回転電動機（ロータ）の回転角を、Ｄは、上記予め定められた次数を表している。

・・・（数７）

ここで、（数７）式は、三相巻線の制御における（数３）式に対応するものである。なお、（数７）式において、ｃ軸電圧値ｖｓｃは、界磁電流測定値ｉｆに現れる高調波成分に対して９０度位相遅れの成分であり、以降の制御で使用しないので、ｃ軸電圧値ｖｓｃへの変換は省略してもよい。なお、ｆ軸電圧値ｖｓｆは、界磁電流測定値ｉｆに現れる高調波成分の位相と同じ位相の成分である。

そして、図４に示す付加指令値生成部５２は、第２座標変換部９２から出力されたｆ軸電圧値ｖｓｆを付加指令値として出力する。付加指令値（ｆ軸電圧値ｖｓｆ）は、界磁電流測定値ｉｆに現れる上記予め定められた次数Ｄの高調波成分（本実施形態では６次の空間高調波）を打ち消すための制御成分である。図６には、付加指令値生成部５２内の各部の出力信号に対する付加指令値（ｆ軸電圧値ｖｓｆ）の時間変化の一例が示されている。以上説明した処理を経ることにより、図２に示すステップＳ１２における付加指令値の生成処理が完了する。

第１制御部４０は、図２のステップＳ１３（図４の加算部９４）において、暫定界磁電圧指令値ｖｒｆｔと付加指令値ｖｓｆとを加算（＝ｖｒｆｔ＋ｖｓｆ）して界磁電圧指令値ｖｒｆを取得する。そして、第１制御部４０は、図２のステップＳ１４（図４のＰＷＭ９６）において、界磁電圧指令値ｖｒｆに基づいて界磁制御信号Ｊ１を生成し、界磁制御信号Ｊ１によりコンバータ１６のスイッチングを制御する。

界磁電圧指令値ｖｒｆには、界磁巻線２４に現れる三相巻線２２の上記予め定められた次数Ｄの高調波成分（本実施形態では６次の空間高調波）を打ち消すための制御成分が含まれているため、この界磁電圧指令値ｖｒｆに基づいてコンバータ１６のスイッチングを制御することにより、界磁巻線２４における三相巻線２２の予め定められた次数Ｄの空間高調波（本実施形態では６次の空間高調波）の発生を抑制することができる。そのため、回転電動機２０のトルクリップルを抑制することができ、回転電動機２０のトルクを制御する界磁電流ｉｆの制御性能を向上させることができる。

なお、以上説明した実施形態では、予め定められた次数Ｄを６とし、界磁巻線２４における三相巻線２２の６次の空間高調波の発生を抑制する構成であったが、予め定められた次数Ｄを６以外の数にし、界磁巻線２４における三相巻線２２の６次以外の次数の空間高調波の発生を抑制する構成にしてもよい。

また、第１制御部４０が、予め定められた次数Ｄの設定値が異なる複数の付加指令値生成部５２（図４参照）を備え、第１制御部４０の加算部９４（同図参照）が、複数の付加指令値生成部５２のそれぞれから出力される付加指令値ｖｓｆを暫定界磁電圧指令値ｖｒｔｆに加算して界磁電圧指令値ｖｒｆを出力する、構成にしてもよい。この構成によれば、界磁巻線２４における三相巻線２２の複数の次数の空間高調波の発生を抑制することができる。

また、以上説明した実施形態では、付加指令値生成部５２が付加指令値（ｆ軸電圧値ｖｓｆ）を生成するにあたり、オールパスフィルタ７２がｆ軸電流値ｉｓｆの位相を９０度遅らせたｃ軸電流値ｉｓｃを生成した。しかし、オールパスフィルタ７２がｆ軸電流値ｉｓｆの位相を９０度進ませたｃ軸電流値ｉｓｃを生成し、当該ｃ軸電流値ｉｓｃを用いて付加指令値（ｆ軸電圧値ｖｓｆ）を生成することもできる。この別の実施形態（以下、実施形態２と言う）について、以下で、詳細に説明する。

実施形態２においても、付加指令値生成部５２のブロック構成は、以上で説明した実施形態の付加指令値生成部５２のブロック構成と同じである（図４参照）。以上で説明した実施形態と異なるのは、オールパスフィルタ７２と、第１座標変換部７４と、第２座標変換部９２の処理機能である。

実施形態２におけるオールパスフィルタ７２は、バンドパスフィルタ７０から出力されたｆ軸電流値ｉｓｆを入力し、ｆ軸電流値ｉｓｆの位相を９０度進ませたｃ軸電流値ｉｓｃを出力する。なお、発明者らは、実施形態２において上記予め定められた次数Ｄが６のｎ倍（但しｎは１以上の整数）の数である場合（６の逓倍の次数の空間高調波を処理対象とする場合）、オールパスフィルタ７２の通過帯域の特性を示すクオリティファクタＱを√２（ルート２）に設定した際のオールパスフィルタの基底周波数Ｆａｃ２を、以下の（数８）式を満たすように設定することにより、ｆ軸電流値ｉｓｆに対してｃ軸電流値ｉｓｃを精度高く９０度位相進みにできることを見出している。なお、（数８）式において、Ｆは、三相巻線２２を流れる三相電流の基本波周波数を、Ｄは、上記予め定められた次数を表している。

そして、実施形態２における第１座標変換部７４は、バンドパスフィルタ７０から出力されたｆ軸電流値ｉｓｆ（交流成分）と、オールパスフィルタ７２から出力された９０度位相進みのｃ軸電流値ｉｓｃ（交流成分）を入力し、それらを、以下の（数９）式を用いて、直流成分であるｆｈ軸電流値ｉｓｆｈとｃｈ軸電流値ｉｓｃｈに変換する。なお、（数９）式、及び、以下で説明する（数１０）式において、θｅは、回転電動機（ロータ）の回転角を、Ｄは、上記予め定められた次数を表している。この変換は、静止するｆ−ｃ軸直交座標から、回転するｆｈ−ｃｈ軸直交座標への座標変換である。図７には、実施形態２におけるｆ−ｃ軸直交座標とｆｈ−ｃｈ軸直交座標の関係が示されている。

・・・（数９）

図４に戻り、実施形態２における電圧値設定部７６は、以上で説明した実施形態の電圧設定部７６と変わる所はない。実施形態２における第２座標変換部９２は、比例積分制御器９０，８８から出力された直流成分であるｆｈ軸電圧値ｖｓｆｈとｃｈ軸電圧値ｖｓｃｈを入力し、それらを、以下の（数１０）式を用いて、交流成分であるｆ軸電圧値ｖｓｆ及びｃ軸電圧値ｖｓｃに変換する。この変換は、回転するｆｈ−ｃｈ軸直交座標から、静止するｆ−ｃ軸直交座標への座標変換である。

・・・（数１０）

なお、（数１０）式において、ｃ軸電圧値ｖｓｃは、界磁電流測定値ｉｆに現れる高調波成分に対して９０度位相進みの成分であり、以降の制御で使用しないので、ｃ軸電圧値ｖｓｃへの変換は省略してもよい。そして、付加指令値生成部５２は、第２座標変換部９２から出力されたｆ軸電圧値ｖｓｆを付加指令値として出力する。図８には、実施形態２における付加指令値生成部５２内の各部の出力信号の時間変化の一例が示されている。

以上説明した実施形態２の付加指令値生成部５２においても、界磁電流測定値ｉｆに現れる上記予め定められた次数Ｄの高調波成分を打ち消すための制御成分である付加指令値（ｆ軸電圧値ｖｓｆ）を生成することができる。

なお、以上説明した回転電動機の制御システム１０（図１参照）のコンバータ１６は、フルブリッジ回路で構成されていたが、コンバータ１６は、図９に示すように、ハーフブリッジ回路で構成されてもよい。界磁電圧指令値ｖｒｆに基づいて生成された界磁制御信号Ｊ１により、コンバータ１６の２つのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を制御して、界磁電流ｉｆの大きさを制御する。

以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明はこうした各実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

１０ 制御システム、１２ 制御装置、１４ 直流電源、１５ コンデンサ、１６ コンバータ、１８ インバータ、２０ 回転電動機、２２ 電機子巻線（三相巻線）、２４ 界磁巻線、２６ 回転角センサ、２８ｕ，２８ｖ，２８ｗ，３０ 電流センサ、４０ 第１制御部（制御部）、４２ 第２制御部、５０ 暫定指令値設定部、５２ 付加指令値生成部、６０ 界磁電流指令値生成器、６２ 加算器、６４ 比例積分制御器（ＰＩ制御器）、７０ バンドパスフィルタ、７２ オールパスフィルタ、７４ 第１座標変換部、７６ 電圧値設定部、８０，８２ ゼロ電流指令値生成器、８４，８６ 加算器、８８，９０ 比例積分制御器（ＰＩ制御器）、９２ 第２座標変換部、９４ 加算部（加算器）、９６ ＰＷＭ、Ａ１ 第１アーム、Ａ２ 第２アーム、Ｂ１ Ｕ相アーム、Ｂ２ Ｖ相アーム、Ｂ３ Ｗ相アーム、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓａ，Ｓｂ スイッチング素子、ｉｆ，ｉｆ＿ｔ 界磁電流測定値（界磁電流）、ｉｓｆ ｆ軸電流値、ｉｓｃ ｃ軸電流値、ｉｓｆｈ ｆｈ軸電流値、ｉｓｃｈ ｃｈ軸電流値、ｖｓｆｈ ｆｈ軸電圧値、ｖｓｃｈ ｃｈ軸電圧値、ｖｓｆ ｆ軸電圧値（付加指令値）、ｖｒｆｔ 暫定界磁電圧指令値、ｖｒｆ 界磁電圧指令値。

Claims (6)

1. 界磁巻線と三相巻線を備える回転電動機に適用され、前記界磁巻線に界磁電流を流すコンバータのスイッチングを制御する制御部を備える回転電動機の制御装置であって、
   前記制御部は、界磁電流測定値と界磁電流指令値の偏差に基づき暫定界磁電圧指令値を設定する暫定指令値設定部と、前記暫定界磁電圧指令値に付加する付加指令値を生成する付加指令値生成部とを備え、
   前記付加指令値生成部は、
   前記界磁電流測定値に現れる、前記三相巻線を流れる三相電流の基本波周波数に対する予め定められた次数の高調波成分を、前記界磁電流測定値から抽出してｆ軸電流値を出力するバンドパスフィルタと、
   前記ｆ軸電流値の位相を９０度遅らせた、または、進ませたｃ軸電流値を出力するオールパスフィルタと、
   ｆ−ｃ軸直交座標における前記ｆ軸電流値と前記ｃ軸電流値を、前記回転電動機の回転角の前記予め定められた次数倍の回転角で回転するｆｈ−ｃｈ軸直交座標におけるｆｈ軸電流値とｃｈ軸電流値に変換する第１座標変換部と、
   前記ｆｈ軸電流値を０に近づけるようにｆｈ軸電圧値を設定すると共に、前記ｃｈ軸電流値を０に近づけるようにｃｈ軸電圧値を設定する電圧値設定部と、
   前記ｆｈ−ｃｈ軸直交座標における前記ｆｈ軸電圧値と前記ｃｈ軸電圧値を、前記ｆ−ｃ軸直交座標におけるｆ軸電圧値に変換する第２座標変換部と、を含み、
   前記ｆ軸電圧値を前記付加指令値として出力し、
   前記制御部は、
   前記暫定界磁電圧指令値に前記付加指令値を加算して界磁電圧指令値を出力する加算部をさらに備え、
   前記界磁電圧指令値に基づいて、前記コンバータのスイッチングを制御する、
   ことを特徴とする回転電動機の制御装置。
2. 請求項１に記載の回転電動機の制御装置であって、
   前記予め定められた次数は、６のｎ倍（但しｎは１以上の整数）の数である、
   ことを特徴とする回転電動機の制御装置。
3. 請求項２に記載の回転電動機の制御装置であって、
   前記バンドパスフィルタの中心周波数は、前記三相巻線を流れる三相電流の基本波周波数の６×ｎ倍（但しｎは１以上の整数）の周波数に設定される、
   ことを特徴とする回転電動機の制御装置。
4. 請求項３に記載の回転電動機の制御装置であって、
   前記オールパスフィルタを前記ｆ軸電流値の位相を９０度遅らせるフィルタとして機能させる場合において、前記オールパスフィルタの通過帯域の特性を示すクオリティファクタＱを√２（ルート２）に設定した際の前記オールパスフィルタの基底周波数Ｆａｃ１は、前記バンドパスフィルタの中心周波数をＦｂｃとし、前記予め定められた次数をＤとする時、下記（１）式を満たす、ことを特徴とする回転電動機の制御装置。
   Ｆａｃ１＝Ｆｂｃ×２×（Ｄ／６）・・・（１）
5. 請求項３に記載の回転電動機の制御装置であって、
   前記オールパスフィルタを前記ｆ軸電流値の位相を９０度進ませるフィルタとして機能させる場合において、前記オールパスフィルタの通過帯域の特性を示すクオリティファクタＱを√２（ルート２）に設定した際の前記オールパスフィルタの基底周波数Ｆａｃ２は、前記三相巻線を流れる三相電流の基本波周波数をＦとし、前記予め定められた次数をＤとする時、下記（２）式を満たす、ことを特徴とする回転電動機の制御装置。
   Ｆａｃ２＝Ｆ×π×（Ｄ／６）・・・（２）
6. 請求項１に記載の回転電動機の制御装置であって、
   前記制御部は、前記予め定められた次数の設定値が異なる複数の前記付加指令値生成部を備え、
   前記制御部の前記加算部は、複数の前記付加指令値生成部のそれぞれから出力される前記付加指令値を前記暫定界磁電圧指令値に加算して前記界磁電圧指令値を出力する、
   ことを特徴とする回転電動機の制御装置。