JP4810410B2 - 同期電動機制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、同期電動機制御装置に係り、特に、同期電動機の入力電流を制御する技術に関する。

本発明に関連した従来技術としては、例えば、特開２０００−９２８８４号公報（特許文献１）、特開２０００−３５８４００号公報（特許文献２）及び特開平１０−１９１７００号公報（特許文献３）に記載されたものがある。特開２０００−９２８８４号公報には、サーボモータの電流位相角を０°以外の一定値に制御し、リラクタンストルクを考慮し精度の良い定トルク及び定出力駆動特性を有する制御装置を得るために、逆突極性を有するＤＣブラシレスモータ駆動において、トルク分電流Ｉｑから見た位相角が一定値となるようにモータ１次電流を制御し、また、ｑ軸インダクタンスＬｑの変動を補償することで、精度の良い定トルク及び定出力駆動特性を有するようにトルク分電流指令値Ｉｑ^＊及び励磁電流指令値Ｉｄ^＊を算出するとした技術が記載され、励磁電流指令値Ｉｄ^＊をモータの基底速度ω_ｂによる２つの制御範囲に分けて定めるとしている。また、特開２０００−３５８４００号公報には、入力されたトルク指令値Ｔｑ^＊と所定値Ｔｒｅｆとの大小関係に応じてｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊及びｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊の算出方式を切り換える、すなわちトルク指令値Ｔｑ^＊が所定値Ｔｒｅｆよりも小さな場合には、ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊を、Ｉｑ^＊＝Ｋｑ１×Ｔｑ^＊により演算し（Ｋｑ１は係数）、ｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊を、Ｉｄ^＊＝０として演算し、トルク指令値Ｔｑ^＊が所定値Ｔｒｅｆよりも大きい場合には、Ｉｑ^＊＝Ｋｑ１×Ｔｒｅｆにより演算し、ｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊を、Ｉｄ^＊＝Ｋｄ１×（Ｔｑ^＊−Ｔｒｅｆ）により演算する（Ｋd１は係数）ことで、出力トルクとトルク指令値との関係を線形化し、常に高精度のトルク制御を行えるようにするとした技術が記載され、特開平１０−１９１７００号公報には、回転子内に永久磁石を有する三相同期電動機において、定出力範囲を広くとれる特性を損なうことなく、低速回転領域においての高速応答を満たし、かつ出力トルクの低下を防ぐ制御方法を提供するために、トルク指令Ｔ^＊と速度フィードバック信号Ｎ_ｆｂとに基づいてｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊及びｑ軸電流指令Ｉｑ^＊を設定し、運転モード切替信号が与えられたとき、ｑ軸電流指令Ｉｑ^＊をＫ１Ｉｑ^＊（Ｋ１≧１）に、ｄ軸電流指令Ｉｄ^＊を一定値に、それぞれ切り替えるとした技術が記載されている。

特開２０００−９２８８４号公報 特開２０００−３５８４００号公報 特開平１０−１９１７００号公報

例えば、上記特開２０００−９２８８４号公報では、一定の電流位相角をβとするとき、励磁電流指令値（ｄ軸電流指令値）Ｉｄ^＊を次の数１により演算している。
Ｉｄ^＊＝ｔａｎ^−１β×Ｉｑ^＊ …（数１）
同一電流にて最大トルクを発生させる電流位相角βは、トルク式をβで偏微分することにより、次の数２で与えられる。ただし、Фは永久磁石による鎖交磁束、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｉａ^*は電流指令実行値である。
β＝sin ^-1 [〔-Фa+｛Фa ² +８(Ｌq-Ｌd) ² Ｉa ^＊2 ｝ ^1/2 〕/４(Ｌｑ-Ｌｄ)Ｉa ^＊ ]
…（数２）
上記数２に示すように、βはＩａ^*によって変化する。上記特開２０００−９２８８４号公報では、電流値Ｉａ^*においてモータが最大効率となる角度をβとし、励磁電流指令値Ｉｄ^＊を演算している。このように様々な近似を用いたＩｄ^＊演算方法が考えられる。しかしながら、最近は、演算にマイコンを用いるのが一般的であり、マイコンの演算能力によって、得られる結果も異なる。このため、マイコンの能力を考慮する必要がある。

本発明の課題点は、上記従来技術の状況に鑑み、同期電動機制御装置において、
従来よりも簡単に、理論値に近いｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊を算出できるようにし、制御の信頼性と制御精度とを改善できるようにすることである。

上記課題点を解決するために、本発明の同期電動機制御装置では、トルク指令値Ｔ^＊に基づきｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊とｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊とを演算する電流指令値変換器として、トルク指令値Ｔ^＊に比例定数Ｋ_ＴＩを乗算して上記ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊を演算し、これを基準のｑ軸電流値Ｉｑ_baseと比較し、該ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊が基準のｑ軸電流値Ｉｑ_base以下の場合は、上記ｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊を該ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊の第１の１次関数として演算し、一方、上記比較の結果、上記ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊が上記基準のｑ軸電流値Ｉｑ_baseを超える場合は、ｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊を該ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊の第２の１次関数として演算する構成を備えたものとする。上記第１の１次関数は、上記ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊に比例定数ａ_１を乗じたものであり、上記第２の１次関数は、ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊に比例定数ａ_２を乗じさらに定数ｂを加算したものである。かかる構成とすることで、同期電動機に対し、同一電流値において理論値に近い最大トルクを出力させる。

また、電流指令値変換器として、上記トルク指令値Ｔ^＊に比例定数Ｋ_ＴＩを乗算して上記ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊を演算し、これを基準のｑ軸電流値Ｉｑ_baseと比較し、該比較の結果、ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊が基準のｑ軸電流値Ｉｑ_base以下の場合は、第１のｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊ _１を該ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊の第１の１次関数として演算し、一方、ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊が基準のｑ軸電流値Ｉｑ_baseを超える場合は、第２のｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊ _２を該ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊の第２の１次関数として演算し、さらに、交流変換される直流電圧Ｖｄｃから基準の電気角速度ω_baseを演算し、当該同期電動機の電気角速度ωと比較し、該電気角速度ωが該基準の電気角速度ω_base以上の場合に、該電気角速度ωに比例するｄ軸電流指令増加値Ｉｄ_ωを演算し、上記第１のｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊ _１または上記第２のｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊ _２に上記ｄ軸電流指令増加値Ｉｄ_ωを加算して、該加算結果をｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊として出力する構成のものとする。かかる構成とすることで、同期電動機に対し、重負荷時、最大トルクまたはこれに近いトルクで高速回転させ、電圧飽和が生じる場合にも、安定したトルクを出力させる。

本発明によれば、同期電動機を安定した高トルクで運転可能な同期電動機制御装置を提供することができる。

以下、本発明の実施例につき、図面を用いて説明する。
図１〜図３は、本発明の同期電動機制御装置の第１の実施例の説明図である。図１は、第１の実施例としての同期電動機制御装置の構成例図、図２は、図１の同期電動機制御装置を構成する電流指令値変換器の構成例図、図３は、図１の同期電動機制御装置におけるｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊とｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊との関係の説明図である。

図１において、１は同期電動機制御装置、１００は同期電動機、１１は、同期電動機１００のロータ（図示なし）の回転位置を検出する位置検出器としてのエンコーダ、１２は、上記エンコーダ１１の出力から上記ロータの回転速度を演算する速度演算器、１３は、上記速度演算器１２から得られる上記ロータの現在の回転速度Ｎと、予め設定してある速度指令値Ｎ^＊とから、トルク指令値Ｔ^＊を演算し該トルク指令値Ｔ^＊に対応する信号（便宜上、トルク指令値Ｔ^＊という）を出力する速度制御演算器、１４は、上記トルク指令値Ｔ^＊に基づき、ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊とｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊とを演算し、ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊、ｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊のそれぞれに対応する信号（便宜上、ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊、ｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊という）を形成して出力する電流指令値変換器、１５は、同期電動機１００の入力電流値を検出する電流検出器、１６は、該検出した入力電流値をｑ軸電流値Ｉｑ及びｄ軸電流値Ｉｄに変換する軸電流値変換器としてのＵ−Ｖ−Ｗ／ｄ−ｑ変換器、１７ａは、上記電流指令値変換器１４から出力されたｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊と、上記Ｕ−Ｖ−Ｗ／ｄ−ｑ変換器１６から出力されたｑ軸電流値Ｉｑと加え合わせ、該ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊から該ｑ軸電流値Ｉｑを減算する加算部、１７ｂは、電流指令値変換器１４から出力されたｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊と、Ｕ−Ｖ−Ｗ／ｄ−ｑ変換器１６から出力されたｄ軸電流値Ｉｄと加え合わせ、該ｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊から該ｄ軸電流値Ｉｄを減算する加算部、１７ｃは、予め設定されている同期電動機１００のロータの速度指令値Ｎ^＊に対応する信号（便宜上、速度指令値Ｎ^＊という）と、上記速度演算器１２から出力された同ロータの現在速度Ｎに対応する信号（便宜上、現在速度Ｎという）とを加え合わせ、該速度指令値Ｎ^＊から該現在速度Ｎを減算し速度偏差情報を出力する加算部、１８は、上記ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊から上記ｑ軸電流値Ｉｑを減算した電流値偏差情報と、上記ｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊から上記ｄ軸電流値Ｉｄを減算した電流値偏差情報とに基づき、上記同期電動機１００の入力電流値を演算し出力する電流制御演算器である。該電流制御演算器１８から出力される制御された該入力電流は、同期電動機１００の固定子コイル（図示なし）に入力され、該同期電動機１００が駆動される。上記速度制御演算器１３は、上記加算部１７ｃから出力される速度偏差情報に基づいて上記トルク指令値Ｔ^＊を形成して出力する。上記電流検出器１５及び上記Ｕ−Ｖ−Ｗ／ｄ−ｑ変換器１６は、上記電流制御演算器１８に対してフィードバック制御系を形成する。

なお、図１の構成では、Ｕ−Ｖ−Ｗ／ｄ−ｑ変換器１６に３相の電流検出器１５から検出した電流値を入力しているが、例えば，これを２相とし、Ｕ相、Ｗ相の電流を検出して、Ｖ相電流Ｉｖを、Ｕ相電流ＩｕとＷ相電流Ｉｗとの差とし、Ｉｖ＝Ｉｕ−Ｉｗと演算してもよい。
以下の説明中で用いる図１の構成要素には、図１の場合と同じ符号を付して用いる。

図２は、図１の同期電動機制御装置１を構成する電流指令値変換器１４の構成例図である。
図２において、１４１は、トルク指令値Ｔ^＊に比例定数Ｋ_ＴＩを乗算し上記ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊を演算して出力するｑ軸電流指令値演算器、１４２は、該出力されたｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊のレベルを基準のｑ軸電流値Ｉｑ_baseのレベルと比較する比較部、１４３は、該比較部１４２での比較の結果、上記ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊のレベルが上記基準のｑ軸電流値Ｉｑ_baseのレベル以下の場合は、上記ｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊を該ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊の第１の１次関数として演算する第１の１次関数演算器、１４３ａは、上記ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊に乗ずる比例定数ａ_１を設定する比例定数設定部、１４４は、上記比較部１４２での比較の結果、上記ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊が上記基準のｑ軸電流値Ｉｑ_baseを超える場合、上記ｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊を該ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊の第２の１次関数として演算する第２の１次関数演算器、１４４ａは、上記ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊に乗ずる比例定数ａ_２を設定する比例定数設定部、１４４ｂは、該ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊と比例定数ａ_２との積に加算される定数ｂを設定する定数設定部である。上記比較部１４２は、上記比較の結果、上記ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊のレベルが上記基準のｑ軸電流値Ｉｑ_baseのレベル以下の場合は、上記ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊が上記第１の１次関数演算器１４３に入力されるようにし、一方、上記比較の結果、上記ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊のレベルが上記基準のｑ軸電流値Ｉｑ_baseのレベルを超える場合は、上記ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊が上記第２の１次関数演算器１４４に入力されるようにする。ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊が第１の１次関数演算器１４３に入力された場合には、該第１の１次関数演算器１４３において、該ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊に比例定数ａ_１が乗算され、積がｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊として出力される。また、ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊が第２の１次関数演算器１４４に入力された場合には、該第２の１次関数演算器１４４において、該ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊に比例定数ａ_２が乗算され、さらに該積に定数ｂが加算されたものがｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊として出力される。

電流指令値変換器１４にて使用される上記比例定数ａ_１、ａ₂、基準のｑ軸電流値Ｉｑ_baseの演算・算出方法、及び、上記第１の１次関数演算器１４３、上記第２の１次関数演算器１４４の処理内容につき、以下に説明する。
同一電流に対して最大トルクが発生される時のｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊とｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊の関係は、一般に、上記数１、数２と、下記数３、数４とから導かれる数５で示される。ただし、同期電動機１００のｑ軸インダクタンスＬｑ、ｄ軸インダクタンスＬｄは、Ｌｑ＞Ｌｄであるとする。
Ｉｑ^＊＝−Ｉａ^＊×ｓｉｎβ …（数３）
Ｉｄ^＊＝Ｉａ^＊×ｃｏｓβ …（数４）
Ｉｄ^＊＝Фａ/｛２（Ｌｑ-Ｌｄ）｝
−〔Фａ^２/｛４（Ｌｑ-Ｌｄ）^２｝+Ｉｑ^＊２〕^１／２ …（数５）
同一電流において、最大トルクを発生させるためのｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊は、厳密には上記数５から演算されるが、該演算処理に時間がかかるため、該数５を以下のように近似して、ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊を算出する。すなわち、
数５において、
Фａ/｛２（Ｌｑ-Ｌｄ）｝＝Ａ …（数６）
とし、上記数５と数６とから、Ｏ点（Ｉｑ^＊, Ｉｄ^＊）＝（０，０）、Ｘ点（Ｉｑ^＊, Ｉｄ^＊）＝(Ｉｑ_base, Ｉｄ_base)＝（Ａ,（１−２^１／２）Ａ）、Ｙ点（Ｉｑ^＊, Ｉｄ^＊）＝(Ｉｑ_ｍａｘ, Ｉｄ_ｍａｘ)＝（Ｉｑ_ｍａｘ,Ａ−（Ａ^２+Ｉｑ_ｍａｘ ^２）^１／２）とする。以下に示すようにＩｑ^＊を２つの範囲に分けて、上記Ｏ点−Ｘ点間とＸ点−Ｙ点間の直線を示す１次関数から算出する。

（１）０≦Ｉｑ^＊≦Ｉｑ_baseの範囲では、
Ｉｄ^＊＝（１−２^１／２）×Ｉｑ^＊ …（数７）
となり、該数７の直線の傾きである（１−２^１／２）を比例定数ａ₁として設定する。該数７が第１の１次関数演算器１４３で演算される。
（２）Ｉｑ_base≦Ｉｑ^＊≦Ｉｑ_ｍａｘの範囲では、
Ｉｄ^＊＝〔{Ｉｄ_ｍａｘ-(１-２^１／２)×Ａ}/(Ｉｑ_ｍａｘ-Ａ) 〕×Ｉｑ^＊
+Ａ×{ (1-２^１／２)×Ｉｑ_ｍａｘ-Ｉｄ_ｍａｘ}}/( Ｉｑ_ｍａｘ-Ａ) …（数８）
となり、数８の直線の傾きである〔{Ｉｄ_ｍａｘ-(１-２^１／２)×Ａ}/(Ｉｑ_ｍａｘ-Ａ) 〕を比例定数ａ₂として設定し、数８の直線のＩｑ^＊軸との交点であるＡ×{ (1-２^１／２)×Ｉｑ_ｍａｘ-Ｉｄ_ｍａｘ)}/( Ｉｑ_ｍａｘ-Ａ)を定数ｂとして設定する。該数８が第２の１次関数演算器１４４で演算される。
上記Ｉｑ_ｍａｘは、上記数２より制御装置における最大電流値制限値Ｉ_ｍａｘの時のβ_ｍａｘから、上記数３を用いて求める。

図２において、トルク指令値Ｔ*が電流指令値変換器１４に入力され、ｑ軸電流指令値演算器１４１において比例定数Ｋ_ＴＩを乗じることでｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊が算出される。該算出されたｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊のレベルは、比較部１４２において、基準のｑ軸電流値Ｉｑ_baseのレベルと比較される。該比較の結果、ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊のレベルが基準のｑ軸電流値Ｉｑ_baseのレベル以下の場合には、第１の１次関数演算器１４３において、該ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊に比例定数ａ₁が乗算され、これがｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊とされて出力される。また、上記比較の結果、ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊のレベルが基準のｑ軸電流値Ｉｑ_baseを超える場合には、第２の１次関数演算器１４４において、該ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊に比例定数ａ_２が乗算され、該積にさらに定数ｂが加算されたものがｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊として出力される。上記比例定数Ｋ_ＴＩは上記ｑ軸電流指令値演算器１４１が、上記比例定数ａ_１は上記比例定数設定部１４３ａが、上記比例定数ａ_２は上記比例定数設定部１４４ａが、定数ｂは上記定数設定部１４４ｂが、それぞれ、同期電動機制御装置１００の初期化処理のときに設定する。
以下の説明中で用いる図２の構成要素には、図２の場合と同じ符号を付して用いる。

図３は、図１の同期電動機制御装置１００におけるｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊とｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊との関係の説明図である。
図３中、実線は上記数７、数８による特性線、点線は理論値となる数５の場合から算出される特性線、一点鎖線は、ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊の範囲に関係なく、一定の比例定数を該ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊に乗じてｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊を算出したときの特性線である。

図１の同期電動機制御装置１００においては、図３において実線の特性線となり、ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊が、０≦Ｉｑ^＊≦Ｉｑ_baseの範囲では、Ｉｄ^＊＝ａ₁×Ｉｑ^＊＝（１−２^１／２）×Ｉｑ^＊となり、Ｉｑ_base≦Ｉｑ^＊≦Ｉｑ_ｍａｘの範囲では、Ｉｄ^＊＝ａ_２×Ｉｑ^＊＋ｂ＝〔{Ｉｄ_ｍａｘ-(１-２^１／２)×Ａ}/(Ｉｑ_ｍａｘ-Ａ) 〕×Ｉｑ^＊+Ａ×{ (1-２^１／２)×Ｉｑ_ｍａｘ-Ｉｄ_ｍａｘ)}/( Ｉｑ_ｍａｘ-Ａ)となる。

上記第１の実施例としての同期電動機制御装置１によれば、簡単に、理論値に近いｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊を算出することができ、制御の信頼性と制御精度とを改善できる。この結果、同期電動機１００を安定した高トルクで運転することができる。

図４〜図５は、本発明の同期電動機制御装置の第２の実施例の説明図である。図４は、第２の実施例としての同期電動機制御装置の構成例図、図５は、図４の同期電動機制御装置を構成する電流指令値変換器の構成例図である。
本第２の実施例の同期電動機制御装置は、同期電動機が高速運転されたときまたは重負荷運転されたときに発生する電圧飽和の抑制を可能にする構成を有する。

図４において、１'は同期電動機制御装置、１００は同期電動機、１１は、同期電動機１００のロータ（図示なし）の回転位置を検出する位置検出器としてのエンコーダ、１２'は、エンコーダ１１の出力から同期電動機１００のロータの回転速度及び電気角速度ωを演算する速度演算器、１３は、上記速度演算器１２'から得られる上記ロータの現在の回転速度Ｎと、予め設定してある速度指令値Ｎ^＊とから、トルク指令値Ｔ^＊を演算し出力する速度制御演算器、１４'は、上記トルク指令値Ｔ^＊に基づき、ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊とｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊とを演算し出力する電流指令値変換器、１５は、同期電動機１００の入力電流値を検出する電流検出器、１６は、該検出した入力電流値をｑ軸電流値Ｉｑ及びｄ軸電流値Ｉｄに変換する軸電流値変換器としてのＵ−Ｖ−Ｗ／ｄ−ｑ変換器、１７ａは、上記電流指令値変換器１４'から出力されたｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊と、上記Ｕ−Ｖ−Ｗ／ｄ−ｑ変換器１６から出力されたｑ軸電流値Ｉｑと加え合わせ、該ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊から該ｑ軸電流値Ｉｑを減算する加算部、１７ｂは、電流指令値変換器１４'から出力されたｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊と、Ｕ−Ｖ−Ｗ／ｄ−ｑ変換器１６から出力されたｄ軸電流値Ｉｄと加え合わせ、該ｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊から該ｄ軸電流値Ｉｄを減算する加算部、１７ｃは、予め設定されている同期電動機１００のロータの速度指令値Ｎ^＊と、上記速度演算器１２から出力された同ロータの現在速度Ｎとを加え合わせ、該速度指令値Ｎ^＊から該現在速度Ｎを減算し速度偏差情報を出力する加算部、１８'は、上記ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊から上記ｑ軸電流値Ｉｑを減算した電流値偏差情報と、上記ｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊から上記ｄ軸電流値Ｉｄを減算した電流値偏差情報とに基づき、上記同期電動機１００の入力電流値を演算し出力する電流制御演算器である。該電流制御演算器１８'から出力される制御された該入力電流は、同期電動機１００の固定子コイル（図示なし）に入力され、該同期電動機１００が駆動される。上記速度制御演算器１３は、上記加算部１７ｃから出力される速度偏差情報に基づいて上記トルク指令値Ｔ^＊を形成して出力する。上記電流検出器１５及び上記Ｕ−Ｖ−Ｗ／ｄ−ｑ変換器１６は、上記電流制御演算器１８'に対してフィードバック制御系を形成する。

電流指令値変換器１４'には、トルク指令値Ｔ^＊の他、電流制御演算器１８'からの直流電圧Ｖｄｃと、速度演算器１２'からの電気角速度ωが入力される。該電流制御演算器１８'は、上記のように、ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊とｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊とを形成して出力するが、ｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊については、次のようにして形成し出力する。すなわち、ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊が基準のｑ軸電流値Ｉｑ_base以下の場合は、第１のｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊ _１を該ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊の第１の１次関数として演算し、一方、ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊が基準のｑ軸電流値Ｉｑ_baseを超える場合は、第２のｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊ _２を該ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊の第２の１次関数として演算し、さらに、上記直流電圧Ｖｄｃから基準の電気角速度ω_baseを演算し、上記速度演算器１２'から入力される電気角速度ωと比較し、該電気角速度ωが該基準の電気角速度ω_base以上の場合に、該電気角速度ωに比例するｄ軸電流指令増加値Ｉｄ_ωを演算し、上記第１のｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊ _１または上記第２のｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊ _２に上記ｄ軸電流指令増加値Ｉｄ_ωを加算して、該加算結果をｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊として出力する。

図５は、図４の同期電動機制御装置１'を構成する電流指令値変換器１４'の構成例図である。
図５において、１４１は、トルク指令値Ｔ^＊に比例定数Ｋ_ＴＩを乗算し上記ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊を演算して出力するｑ軸電流指令値演算器、１４２は、該出力されたｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊のレベルを基準のｑ軸電流値Ｉｑ_baseのレベルと比較する比較部、１４３'は、該比較部１４２での比較の結果、上記ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊が上記基準のｑ軸電流値Ｉｑ_base以下の場合、第１のｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊ _１を該ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊の第１の１次関数として演算する第１の１次関数演算器、１４３ａ'は、上記ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊に乗ずる比例定数ａ_１'を設定する比例定数設定部、１４４'は、上記比較部１４２での比較の結果、上記ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊が上記基準のｑ軸電流値Ｉｑ_baseを超える場合は、第２のｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊ _２を該ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊の第２の１次関数として演算する第２の１次関数演算器、１４４ａ'は、上記ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊に乗ずる比例定数ａ_２'を設定する比例定数設定部、１４４ｂ'は、該ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊と比例定数ａ_２'との積に加算される定数ｂ'を設定する定数設定部、１４５は、交流変換される直流電圧Ｖｄｃから基準の電気角速度ω_baseを演算し、当該同期電動機のロータの電気角速度ωと比較し、該比較の結果、該電気角速度ωが該基準の電気角速度ω_baseを超える場合は、該電気角速度ωと該基準の電気角速度ω_baseとの差に比例するｄ軸電流指令増加値Ｉｄ_ωを演算して出力し、上記比較の結果、上記電気角速度ωが該基準の電気角速度ω_base以下の場合には、ｄ軸電流指令増加値Ｉｄ_ωをゼロレベルにする第３の１次関数演算器、１４５ａは、電気角速度ωを絶対値|ω|に変換する絶対値変換部、１４５ｂは、直流電圧Ｖｄｃから基準の電気角速度ω_baseを演算する基準角速度演算部、１４５ｃは、上記電気角速度ωの絶対値|ω|と上記基準の電気角速度ω_baseを比較し、該絶対値|ω|が該基準の電気角速度ω_baseを超える場合は、その差の信号（便宜上、角速度差という）を出力し、一方、該絶対値|ω|が該基準の電気角速度ω_base以下の場合には、出力信号をゼロにする角速度比較部、１４５ｄは、上記角速度差（|ω|−ω_base）に乗ずる比例定数Ｋ_ωを設定する比例定数設定部である。比例定数設定部１４５ｄからは、Ｋ_ω×（|ω|−ω_base）のｄ軸電流指令増加値Ｉｄ_ωが出力される。１４６は、上記第１のｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊ _１または上記第２のｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊ _２に上記ｄ軸電流指令増加値Ｉｄ_ωを加算し、該加算結果をｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊として出力する加算部である。

上記基準角速度演算部１４５ｂでは、変換係数Ｋ_ｆを用いて直流電圧Ｖｄｃから基準の電気角速度ω_baseを下記数９により演算する。
ω_base＝Ｋ_ｆ×Ｖｄｃ …（数９）
ここで、同期電動機１００のｑ軸インダクタンスをＬｑ、ｄ軸インダクタンスをＬｄ、永久磁石による鎖交磁束をΦ、ｑ軸電流値の最大値をＩｑ_ｍａｘ、ｄ軸電流値の最大値をＩｄ_ｍａｘ、電圧利用率をλとするとき、上記変換係数Ｋ_ｆは、
Ｋ_ｆ＝λ/{（Φａ+Ｌｄ×Ｉｄ_ｍａｘ）^２+（Ｌｑ×Ｉｑ_ｍａｘ）^２}^１／２…（数１０）
で表される値となる。該変換係数Ｋ_ｆは、基準角速度演算部１４５ｂ内に設定される。上記数９から明らかなように、基準の電気角速度ω_baseは、上記直流電圧Ｖｄｃにより変化する。

上記角速度比較部１４５ｃでは、同期電動機１００のロータが、その電気角速度ωが、基準の電気角速度ω_base以下かまたは該基準の電気角速度ω_baseを超えるかを判断する。電気角速度ωが、基準の電気角速度ω_base以下の場合は、電圧飽和状態とならないため、第３の１次関数演算器１４５から出力されるｄ軸電流指令増加値Ｉｄ_ωがゼロレベルとなるようにする。また、電気角速度ωが、基準の電気角速度ω_baseを超える場合は、電圧飽和状態を回避すべく、該第３の１次関数演算器１４５からは、角速度差（|ω|−ω_base）に比例したｄ軸電流指令増加値Ｉｄ_ωが出力されるようにする。すなわち、
（１）０≦|ω|≦ω_baseの場合は、電圧飽和状態となっていないため、第３の１次関数演算器１４５から出力されるｄ軸電流指令増加値Ｉｄ_ωは、
Ｉｄ_ω＝０ …（数１１）
とされる。
（２）ω_base＜|ω|≦ω_maxの場合は、電圧飽和状態を回避するために、第３の１次関数演算器１４５から出力されるｄ軸電流指令増加値Ｉｄ_ωは、
Ｉｄ_ω＝Ｋ_ω×（|ω|−ω_base） …（数１２）
とされる。

上記数１１、数１２により演算されたｄ軸電流指令増加値Ｉｄ_ωは、選択的に第３の１次関数演算器１４５から出力され、加算部１４６において、第１の１次関数演算器１４３'から出力された第１のｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊ _１または第２の１次関数演算器１４４'から出力された第２のｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊ _２に加算される。

上記第２の実施例としての同期電動機制御装置１'によっても、上記第１の実施例の同期電動機制御装置１と同様、簡単に、理論値に近いｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊を算出することができ、制御の信頼性と制御精度とを改善できる。この結果、同期電動機１００を安定した高トルクで運転することができる。特に、本第２の実施例としての同期電動機制御装置１'の場合は、高速回転時にも電圧飽和状態を回避して安定した高トルク運転が可能となる。

第１の実施例としての同期電動機制御装置の構成例図である。 図１の同期電動機制御装置を構成する電流指令値変換器の構成例図である。 図１の同期電動機制御装置におけるｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊とｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊との関係の説明図である。 第２の実施例としての同期電動機制御装置の構成例図である。 図４の同期電動機制御装置を構成する電流指令値変換器の構成例図である。

符号の説明

１、１'…同期電動機制御装置、
１００…同期電動機、
１１…エンコーダ、
１２、１２'…速度演算器、
１３…速度制御演算器、
１４、１４'…電流指令値変換器、
１５…電流検出器、
１６…Ｕ−Ｖ−Ｗ／ｄ−ｑ変換器、
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１４６…加算部、
１８、１８'…電流制御演算器、
１４１…ｑ軸電流指令値演算器、
１４２…比較部、
１４３、１４３'…第１の１次関数演算器、
１４３ａ、１４４ａ、１４３ａ'、１４４ａ'、１４５ｄ…比例定数設定部、
１４４、１４４'…第２の１次関数演算器、
１４４ｂ、１４４ｂ'…定数設定部、
１４５…第３の１次関数演算器、
１４５ａ…絶対値変換部、
１４５ｂ…基準角速度演算部、
１４５ｃ…角速度比較部。

Claims (7)

1. 同期電動機の入力電流を制御する同期電動機制御装置であって、
   上記同期電動機のロータの回転位置を検出する位置検出器と、
   上記位置検出器の出力から上記ロータの回転速度を演算する速度演算器と、
   上記速度演算器から得られる上記ロータの現在の回転速度と、予め設定してある速度指令値とから、トルク指令値Ｔ^＊を演算する速度制御演算器と、
   上記トルク指令値Ｔ^＊に基づき、ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊とｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊とを演算する電流指令値変換器と、
   上記同期電動機の入力電流値を検出する電流検出器と、
   上記検出した入力電流値をｑ軸電流値Ｉｑ及びｄ軸電流値Ｉｄに変換する軸電流値変換器と、
   上記ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊から上記ｑ軸電流値Ｉｑを減算した電流値情報と、上記ｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊から上記ｄ軸電流値Ｉｄを減算した電流値情報とに基づき、上記同期電動機の入力電流値を演算し該入力電流を出力する電流制御演算器と、
   を備えて成り、
   上記電流指令値変換器が、
   上記トルク指令値Ｔ^＊に比例定数Ｋ_ＴＩを乗算して上記ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊を演算するｑ軸電流指令値演算器と、
   上記演算されたｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊を基準のｑ軸電流値Ｉｑ_baseと比較する比較部と、
   上記比較の結果、上記ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊が上記基準のｑ軸電流値Ｉｑ_base以下の場合は、上記ｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊を該ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊の第１の１次関数として演算する第１の１次関数演算器と、
   上記比較の結果、上記ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊が上記基準のｑ軸電流値Ｉｑ_baseを超える場合は、上記ｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊を該ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊の第２の１次関数として演算する第２の１次関数演算器と、
   を備えた構成であることを特徴とする同期電動機制御装置。
2. 上記第１の１次関数演算器は、上記ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊に比例定数ａ_１を乗じてｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊を求め、上記第２の１次関数演算器は、上記ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊に比例定数ａ_２を乗じさらに定数ｂを加算して上記ｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊を求める構成である請求項１に記載の同期電動機制御装置。
3. 上記基準のｑ軸電流値Ｉｑ_base，上記比例定数ａ_２または上記定数ｂは、永久磁石による鎖交磁束Ф、ｑ軸インダクタンスＬｑ、ｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸電流の最大値Ｉｑ_ｍａｘの関数として求められる請求項２に記載の同期電動機制御装置。
4. 上記電流検出器及び上記軸電流値変換器は、上記電流制御演算器に対するフィードバック制御系を形成する請求項１、２または３に記載の同期電動機制御装置。
5. 同期電動機の入力電流を制御する同期電動機制御装置であって、
   上記同期電動機のロータの回転位置を検出する位置検出器と、
   上記位置検出器の出力から上記ロータの回転速度を演算する速度演算器と、
   上記速度演算器から得られる上記ロータの現在の回転速度と、予め設定してある速度指令値とから、トルク指令値Ｔ^＊を演算する速度制御演算器と、
   上記トルク指令値Ｔ^＊に基づき、ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊とｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊とを演算する電流指令値変換器と、
   上記同期電動機の入力電流値を検出する電流検出器と、
   上記検出した入力電流値をｑ軸電流値Ｉｑ及びｄ軸電流値Ｉｄに変換する軸電流値変換器と、
   上記ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊から上記ｑ軸電流値Ｉｑを減算した電流値情報と、上記ｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊から上記ｄ軸電流値Ｉｄを減算した電流値情報とに基づき、上記同期電動機の入力電流値を演算し該入力電流を出力する電流制御演算器と、
   を備えて成り、
   上記電流指令値変換器が、
   上記トルク指令値Ｔ^＊に比例定数Ｋ_ＴＩを乗算して上記ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊を演算するｑ軸電流指令値演算器と、
   上記演算されたｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊を基準のｑ軸電流値Ｉｑ_baseと比較する比較部と、
   上記比較の結果、上記ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊が上記基準のｑ軸電流値Ｉｑ_base以下の場合は、第１のｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊ _１を該ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊の第１の１次関数として演算する第１の１次関数演算器と、
   上記比較の結果、上記ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊が上記基準のｑ軸電流値Ｉｑ_baseを超える場合は、第２のｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊ _２を該ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊の第２の１次関数として演算する第２の１次関数演算器と、
   交流変換される直流電圧Ｖｄｃから基準の電気角速度ω_baseを演算し、当該同期電動機の電気角速度ωと比較し、該比較の結果、該電気角速度ωが該基準の電気角速度ω_baseを超える場合は、該電気角速度ωと該基準の電気角速度ω_baseとの差に比例するｄ軸電流指令増加値Ｉｄ_ωを演算して出力し、上記比較の結果、上記電気角速度ωが該基準の電気角速度ω_base以下の場合には、ｄ軸電流指令増加値Ｉｄ_ωをゼロレベルにする第３の１次関数演算器と、
   上記第１のｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊ _１または上記第２のｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊ _２に上記ｄ軸電流指令増加値Ｉｄ_ωを加算し、該加算結果をｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊として出力する加算部と、
   を備えた構成であることを特徴とする同期電動機制御装置。
6. 上記第１の１次関数演算器は、上記ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊に比例定数α_１を乗じて上記第１のｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊ _１を求め、上記第２の１次関数演算器は、上記ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊に比例定数α_２を乗じ該積に定数βを加算して上記第２のｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊ _２を求める構成である請求項５に記載の同期電動機制御装置。
7. 上記第３の１次関数演算器は、Ｋ_ωを比例定数とするとき、上記ｄ軸電流指令増加値Ｉｄ_ωを、Ｋ_ω（ω−ω_base）により求める構成である請求項５に記載の同期電動機制御装置。

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