JP5994355B2

JP5994355B2 - 永久磁石形同期電動機の制御装置

Info

Publication number: JP5994355B2
Application number: JP2012097370A
Authority: JP
Inventors: ラウドサミット; 糸魚川　信夫; 信夫糸魚川
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2012-04-23
Filing date: 2012-04-23
Publication date: 2016-09-21
Anticipated expiration: 2032-04-23
Also published as: CN103378792B; JP2013226001A; CN103378792A

Description

本発明は、半導体電力変換器により永久磁石形同期電動機を駆動するための制御装置に関するものである。

図６は、インバータによりブラシレスモータを駆動するための従来のモータ駆動装置を示している。このモータ駆動装置は特許文献１に記載されており、例えば、洗濯機の洗濯槽駆動用のブラシレスモータを適用対象としている。

図６において、２０１は交流電源、２０２は整流回路、２０３は平滑コンデンサ、２０４はインバータ主回路、２０５はブラシレスモータ、２０６は負荷としての洗濯槽である。
また、３０１は平滑コンデンサ２０３の電圧Ｅ_ｄ１を検出する直流電圧検出器、３０２は直流電圧指令値Ｅ_ｄ１ ^＊を出力する直流電源、３０３は直流電圧抑制回路、３０４は位置検出器、３０５は回転数演算回路、３０６は回転数指令値Ｎ^＊及び回転数演算値Ｎが入力される回転数制御回路、３０７はインバータ主回路２０４の半導体スイッチング素子に対する駆動パルスを出力する制御回路である。

制御回路３０７は、直流電圧抑制回路３０３から出力されるｄ軸電流指令値Ｉ_ｄ ^＊と、回転数制御回路３０６から出力されるｑ軸電流指令値Ｉ_ｑ ^＊と、位置検出器３０４から出力されるモータ２０５の磁極位置情報とを用いて、駆動パルスを生成する。
ここで、ｄ軸とは、モータ２０５の回転子永久磁石（磁極）による磁束に平行な方向の座標軸をいい、ｑ軸とは前記磁束と直交する方向（ｄ軸に直交する方向）の座標軸をいう。

上記構成において、回転数制御回路３０６は、回転数指令値Ｎ^＊と回転数演算値Ｎとの偏差を比例積分演算してｑ軸電流指令値Ｉ_ｑ ^＊を生成する。また、直流電圧抑制回路３０３は、モータ２０５の定速時及び加速時にはｄ軸電流指令値Ｉ_ｄ ^＊として「０」を出力し、モータ２０５の減速時であって直流電圧検出値Ｅ_ｄ１が直流電圧指令値Ｅ_ｄ１ ^＊を超えた時に、Ｅ_ｄ１とＥ_ｄ１ ^＊との偏差を比例積分演算してｄ軸電流指令値Ｉ_ｄ ^＊を生成する。
制御回路３０７は、電流制御器や２相／３相座標変換器（何れも図示せず）等を備えている。この制御回路３０７は、ｑ軸電流を調整してモータ２０５に対するブレーキトルクを所定値に制御し、ｄ軸電流を調整してモータ２０５からの回生エネルギーを所定値に制御するように駆動パルスを生成する。

特許第４５９２７１２号公報（段落［００３０］〜［００９２］、図１〜図３等）

図６に記載した従来技術では、モータ２０５からの回生エネルギーを制御するため、ｄ軸電流をｑ軸電流とは独立して制御することが必要である。従って、通常運転時（定速時及び加速時）に用いられるモータ２０５の制御系に加えて、回生エネルギーを制御するために直流電圧抑制回路３０３等を設けなくてはならず、回路が複雑化する。
また、この従来技術において、モータ２０５の通常運転時の制御と回生時の制御との切り替えは、直流電圧抑制回路３０３内の制御系レベルで行わなければならない。この場合、制御系の切替時にしばしば生じる不連続や不安定などの問題を回避するためには、切替動作自体を適切に制御することが必要となり、システムが一層複雑化するおそれがある。

更に、図６に示した従来技術では、回生エネルギーをｄ軸電流により制御し、モータ２０５のブレーキトルクをｑ軸電流により、それぞれ独立に制御している。すなわち、この従来技術は、トルクがｄ軸電流に依存せずｑ軸電流のみに依存するモータに限って適用可能であり、この種のモータとしては、永久磁石形同期電動機の分野では非突極性の表面磁石形同期電動機のみが該当する。

一方、近年において、永久磁石形同期電動機の一種である埋込磁石形同期電動機は、産業機器やハイブリッド自動車・電気自動車などに幅広く用いられている。この埋込磁石形同期電動機は突極性が大きいため、ｄ軸電流によるリラクタンストルクを無視することができず、むしろ、リラクタンストルクを積極的に利用することが望まれている。
この埋込磁石形同期電動機のトルクとｄ，ｑ軸電流との関係は非線形であり、トルクを制御することに関してｄ軸電流とｑ軸電流とを独立に制御することはできないため、図６に示したような従来技術は適していない。
つまり、図６の従来技術を埋込磁石形同期電動機の駆動システムに適用すると、所望のトルク制御精度を得ることができず、速度制御系や位置制御系などのシステム全体の不安定化を招く恐れがある。

また、図６に示した従来技術では、通常運転時においてｄ軸電流が０または小さい値であるという運転条件だけが考慮されている。すなわち、永久磁石形同期電動機が高速で運転する定出力領域において必要不可欠な弱め磁束制御の動作として、ｄ軸電流がｑ軸電流に対して大きなマイナスの値となる運転条件が一切考慮されていない。
通常、電動機の高速運転時における弱め磁束制御では、電動機の回転速度や電動機の電圧指令などの情報に基づいてｄ軸電流指令値を決定している。しかし、図６の従来技術はこれらの情報を考慮せずに、力率を０近傍に保って回生エネルギーを制御する目的のもとでｄ軸電流指令値Ｉ_ｄ ^＊を独立に決定している。このため、上記従来技術では、弱め磁束制御を行いながら回生エネルギーを制御することが理論上成立せず、定出力領域の高速運転から減速するといった運転パターンは実現不可能である。

更に、回生エネルギーを制御する目的としては、第１に、システムの高効率を保ちながら直流中間電圧の上昇を抑制することと、第２に、効率を犠牲にしてとにかく速やかに直流中間電圧の上昇を抑制することがある。
しかしながら、図６の従来技術では、回生エネルギーによる直流中間電圧の上昇を抑制するときに、力率を０近傍に保つことのみを考慮して制御しているので、前述した第１の目的のみを重視することになる。つまり、図６の従来技術では目的を分けて回生エネルギーを制御できないので、前述した第２の目的のように、直流中間電圧の上昇をできる限り速やかに抑制することが重要なアプリケーションには適用不可能である。

そこで、本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、永久磁石形同期電動機の運転状態に関わらず、電動機からの回生エネルギーによる電力変換器の直流中間電圧の上昇を抑制することにある。
また、本発明の他の目的は、電動機の通常運転時の制御と回生エネルギーの制御とを切り替える必要がなく、シームレスな制御を可能にした制御装置を提供することにある。
更に、本発明の別の目的は、突極性がある埋込磁石形同期電動機にも適用可能な制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、半導体電力変換器により駆動される永久磁石形同期電動機の電流を、回転子磁極による磁束に平行な成分のｄ軸電流と前記磁束に直交する成分のｑ軸電流とに分離して制御することにより、前記電動機を制御する制御装置において、
少なくとも前記電動機のトルク指令値に基づいてｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を演算する電流指令演算手段を有し、
前記電流指令演算手段は、前記電動機のトルク指令値から演算した第１の磁束指令値を前記電力変換器の電圧制限値及び前記電動機の速度に応じて第１の出力制限手段により制限した第２の磁束指令値と、磁束補正係数と、を乗じて第３の磁束指令値を演算する第１の演算手段と、
前記電動機の回生運転時における前記第３の磁束指令値を、前記電動機の定速運転時及び加速運転時よりも大きい値に調整するための演算手段であって、前記電力変換器の電圧制限値と電圧指令値振幅との偏差を増幅して得た前記磁束補正係数を上下限値により制限して出力する第２の出力制限手段を備えた第２の演算手段と、
前記トルク指令値とトルク演算値との偏差を増幅して得た負荷角指令値と、前記第２の演算手段から出力される前記第３の磁束指令値と、を用いて前記ｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を演算する第３の演算手段と、を備え、
前記第２の演算手段は、
前記直流中間電圧及び速度指令値に応じて、前記磁束補正係数の上限値として、前記電動機の定速運転時及び加速運転時の第１の上限値、または、前記電動機の回生エネルギー制御時の上限値であって前記第１の上限値より大きい第２の上限値または第３の上限値、のうちの何れかを選択して出力する磁束補正係数上限値演算手段を有し、前記第２の上限値が一定値であり、かつ、前記第３の上限値が、予め設定されたパターンに基づき前記直流中間電圧に応じて変化する値であることを特徴とする。

以上のように構成された本発明の作用は、以下の通りである。
電動機の通常運転時においては、上位の制御系から電流指令演算手段に与えられたトルク指令値を磁束指令値及び負荷角指令値のディメンションに換算してから、ｄ，ｑ軸電流指令値を生成する。すなわち、電流指令演算手段は、電動機の回生エネルギーを制御することに直接関係する電動機の磁束量を容易に操作することができる。また、本発明の制御装置は、電動機の通常運転時において、電力変換器の直流中間電圧に比例する電圧制限値と電圧指令値振幅との偏差を磁束調節手段により積分して磁束補正係数を生成し、その上下限値を第２の出力制限手段により制限して磁束補正係数を調整する。

電動機の通常運転時には、直流中間電圧の上昇が比較的少ないため、磁束補正係数の上限値を例えば１００％に設定すればよい。一方、電動機の回生エネルギーが発生する場合には直流中間電圧が自然に上昇するため、磁束補正係数も自動的に増加する。また、回生エネルギーによる直流中間電圧の上昇を抑制するために、理論上は磁束量を大きく設定することが必要である。
そこで、回生エネルギー制御が必要な時には、磁束補正係数の上限値を１００％より大きい値に設定すれば、直流中間電圧の上昇を自動的に抑制することが可能である。言い換えると、本発明の制御系は、通常運転時の制御と回生エネルギー制御との両方を同一構成の制御系により行うことができる。
通常運転時の制御と回生エネルギー制御との切り替えは、磁束補正係数の上限値の設定のみを変更すればよい。従って、本発明によれば、回生エネルギー制御のために新たな制御系を追加したり制御系レベルを切り替えたりする必要もなく、簡潔かつシームレスなシステムを実現することができる。

また、本発明においては、前述した電圧制御による磁束補正係数の生成に加え、トルク指令値通りにトルクを制御するために、トルク指令値とトルク演算値との偏差を負荷角調節手段により比例積分演算して負荷角の補償量を生成する。回生エネルギー制御時においても同じ制御系の構成を適用するため、直流中間電圧の上昇を抑制するための磁束量の増加に対して、負荷角の補償により電動機のトルクをトルク指令値通りに正確かつ自動的に制御することができる。

更に、負荷角の補償量の演算に用いるトルク演算値を、適用対象である電動機のトルクとｄ，ｑ軸電流・磁束との関係を示す理論方程式を直接用いて演算することにより、リラクタンストルクが大きい電動機や、磁気飽和の影響によりインダクタンスが変動する場合にも本発明を適用することができる。すなわち、本発明は、回生エネルギー制御及びブレーキトルク制御の目的でｄ軸電流とｑ軸電流とを個別に制御するのではなく、回生エネルギー制御及びブレーキトルク制御の両方の目的を達成するために、一括してｄ，ｑ軸電流指令値を生成する。これにより、リラクタンストルクがない表面磁石形同期電動機は勿論のこと、リラクタンストルクがある埋込磁石形同期電動機に対しても、回生エネルギー制御とブレーキトルク制御との両立が可能となる。

また、本発明では、通常の定出力領域における高速運転時に必要な弱め磁束制御を実現するために、回転速度に応じて磁束を減少させると共に、前述した電圧制御による磁束補正係数の調整によって磁束を減少させている。電動機を高速運転している状態から減速する時のように回生エネルギー制御が必要となる場合では、磁束補正係数の上限値を大きめに設定する。そして、回転速度に応じて低減された磁束量に対して、回生エネルギーにより上昇した直流中間電圧に応じて求められた磁束補正係数を乗算する。これにより、高速運転時における弱め磁束制御と回生エネルギー制御とが両立するようなバランス点で動作させることができる。
すなわち、本発明の制御装置は、定出力領域における弱め磁束制御が常に可能な構成を備えており、永久磁石形同期電動機の定トルク領域は勿論、高速運転となる定出力領域においても、同じ構成の制御系によって回生エネルギー制御を実現することができる。

更に、本発明の制御装置は、回生エネルギー制御時における磁束補正係数の上限値の設定手段として、上限値演算手段の内部に二つの設定手段を備えている。
第１の設定手段は、磁束補正係数の上限値を直接かつ一定値に設定する手段であり、この手段により設定される上限値は、請求項における第２の上限値に相当する。実際の運転条件または電動機のパラメータなどに合わせて、第２の上限値として磁束補正係数の上限値を設定することにより、直流中間電圧の上昇を速やかに抑制することができる。
一方、第２の設定手段は、予め用意した直流中間電圧と磁束補正係数の上限値との関係パターンに基づいて、直流中間電圧の変動に応じて自動的に磁束補正係数の上限値を設定する。この手段により設定される上限値は、請求項における第３の上限値に相当する。この第２の設定手段を用いることにより、必要な磁束量のみを増加させてシステム全体を高効率に維持することができる。
上述した第１または第２の設定手段のうちのどちらを選択するかは、電動機の運転状態や直流中間電圧などの情報を用いて判断する。すなわち、本発明は、効率の観点だけではなく、応答性の観点も考慮しながら、回生エネルギー制御の目的に応じて磁束補正係数の上限値を調整することにより、磁束指令値を制御するものである。

本発明によれば、永久磁石形同期電動機のいかなる運転状態（加速時・定速時・減速時）においても、電動機からの回生エネルギーによる直流中間電圧の上昇を抑制することができる。
また、本発明によれば、通常運転時の制御と回生エネルギー制御とを切り替える必要がなく、シームレスな制御が可能であると共に、突極性の有無に関わらず各種の永久磁石形同期電動機に適用することができる。

本発明の実施形態を示すブロック図である。図１における電流指令演算部の構成を示すブロック図である。図２における磁束補正係数上限値演算器の構成を示すブロック図である。図３の上限値演算器に設定される直流中間電圧と磁束補正係数上限値との関係を示す図である。図３の上限値選択器による磁束補正係数上限値の選択動作の一例を示すフローチャートである。特許文献１に記載された従来技術を示すブロック図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。図１は、この実施形態に係る制御装置を、永久磁石形同期電動機を駆動する主回路と共に示したブロック図である。
まず、永久磁石形同期電動機８０を駆動する主回路について説明する。
図１において、５０は三相交流電源であり、整流回路６０は交流電源５０の三相交流電圧を整流して直流中間電圧に変換する。この直流中間電圧はＰＷＭインバータからなる電力変換器７０に供給され、電動機８０を駆動するための所定の振幅、周波数を有する三相交流電圧に変換される。

次に、電動機８０を電力変換器７０により駆動するための制御装置の構成及び作用を説明する。
図１において、電圧検出器１２は、電力変換器７０の入力となる直流中間電圧Ｅ_ｄｃを検出する。磁極位置検出器９０は永久磁石形同期電動機８０の回転子の磁極位置θ_１を検出し、速度検出器９１は電動機８０の速度ω_１を検出する。

減算器１６は、速度指令値ω^＊と速度検出値ω_１との偏差を演算し、その偏差を速度調節器１７が増幅してトルク指令値τ^＊を演算する。
電圧制限値演算器２２は、直流中間電圧Ｅ_ｄｃにほぼ比例する電圧制限値Ｖ_ａｌｉｍを演算する。この電圧制限値Ｖ_ａｌｉｍは、直流中間電圧Ｅ_ｄｃから決まる電力変換器７０の最大出力電圧以下とする。

電流指令演算部１８は、トルク指令値τ^＊、電圧制限値Ｖ_ａｌｉｍ、電圧指令値振幅Ｖ_ａ ^＊及び速度検出値ω_１から、電動機８０の通常運転時において、電動機８０の端子電圧が電力変換器７０の最大出力電圧以下になる条件でトルク／電流が最大になり、かつ、所望のトルクを出力するようなｄ，ｑ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊，ｉ_ｑ ^＊を演算する。
また、電流指令演算部１８は、直流中間電圧Ｅ_ｄｃ及び速度指令値ω^＊から、回生エネルギー制御時において、直流中間電圧Ｅ_ｄｃの上昇を抑制し、かつ、所望のトルクを出力するようなｄ，ｑ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊，ｉ_ｑ ^＊を演算する。
上記の電流指令演算部１８は本発明の主要部を構成するものであり、その詳細については後述する。

電流座標変換器１４は、ｕ相電流検出器１１ｕ、ｗ相電流検出器１１ｗからそれぞれ出力された相電流検出値ｉ_ｕ，ｉ_ｗを用いて三相分の電流検出値ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗを求める。更に、これらの電流検出値ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗを磁極位置検出値θ_１に基づいてｄ，ｑ軸電流検出値ｉ_ｄ，ｉ_ｑに座標変換する。

減算器１９ｄは、ｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊とｄ軸電流検出値ｉ_ｄとの偏差を演算し、この偏差をｄ軸電流調節器２０ｄが増幅してｄ軸電圧指令値ｖ_ｄ ^＊を演算する。一方、減算器１９ｑは、ｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊とｑ軸電流検出値ｉ_ｑとの偏差をより演算し、この偏差をｑ軸電流調節器２０ｑが増幅してｑ軸電圧指令値ｖ_ｑ ^＊を演算する。

電圧振幅演算器２１は、ｄ，ｑ軸電圧指令値ｖ_ｄ ^＊，ｖ_ｑ ^＊のベクトル和から、電圧指令値振幅Ｖ_ａ ^＊を数式１により演算する。また、この電圧指令値振幅Ｖ_ａ ^＊は、電流指令演算部１８に入力される。

ｄ，ｑ軸電圧指令値ｖ_ｄ ^＊，ｖ_ｑ ^＊は、電圧座標変換器１５により、磁極位置検出値θ_１に基づいて相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に変換される。
ＰＷＭ回路１３は、相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊及び直流中間電圧Ｅ_ｄｃからゲート信号を生成する。電力変換器７０はこのゲート信号に基づいて内部の半導体スイッチング素子を制御することにより、電動機８０の端子電圧を相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に制御する。

次に、図１における電流指令演算部１８の構成を、図２に基づいて説明する。
図２において、磁束指令演算器１１１は、請求項における第１の演算手段に相当し、トルク指令値τ^＊から第１の磁束指令値Ψ_０ ^＊を演算する。第１の磁束指令値Ψ_０ ^＊は、トルク／電流が最大になる条件で演算するが、この演算をオンラインにより実行するのは困難である。そこで、磁束指令演算器１１１では、トルク／電流が最大になる磁束指令値のテーブルを予め用意しておき、運転時にはこのテーブルを利用することにより、トルク指令値τ^＊から第１の磁束指令値Ψ_０ ^＊を演算する。

磁束制限値演算器１４１は、電動機８０の端子電圧を電力変換器７０の最大出力電圧以下に制限するため、電圧制限値Ｖ_ａｌｉｍ及び速度検出値ω_１を用いて磁束制限値Ψ_ｌｉｍを数式２により演算する。この磁束制限値Ψ_ｌｉｍは、後述する第１の出力制限器１４２に与えられている。

第１の出力制限器１４２は、磁束指令演算器１１１から出力される第１の磁束指令値Ψ_０ ^＊の上限値を前記磁束制限値Ψ_ｌｉｍに制限することにより、第２の磁束指令値Ψ_１ ^＊を演算して出力する。

また、減算器１２１が、電圧制限値Ｖ_ａｌｉｍと電圧指令値振幅Ｖ_ａ ^＊との偏差を演算し、この偏差を磁束調節器１２２が増幅して第１磁束補正係数Ｋ_Ψ０を演算する。上記磁束調節器１２２は、例えば積分調節器によって構成されている。
磁束調節器１２２の出力側には、第２の出力制限器１２３が設けられている。この出力制限器１２３の上限値を「Ｋ_Ψｍａｘ」、下限値を「０．０」とすることにより、第１磁束補正係数Ｋ_Ψ０を制限して第２磁束補正係数Ｋ_Ψを得る。上記の上限値Ｋ_Ψｍａｘは、磁束補正係数上限値演算器１２４により求められる。なお、磁束補正係数上限値演算器１２４の詳細については後述する。
乗算器１２５は、第２磁束補正係数Ｋ_Ψと第２の磁束指令値Ψ_１ ^＊とを乗算し、第３の磁束指令値Ψ^＊を求める。
ここで、磁束調節器１２２、第２の出力制限器１２３、磁束補正係数上限値演算器１２４、乗算器１２５等は、請求項における第２の演算手段を構成している。

負荷角指令演算器１１２は、トルク指令値τ^＊に基づき、負荷角指令値のフィードフォワード補償値δ_０ ^＊を演算する。また、減算器１３１は、トルク指令値τ^＊とトルク演算値τ_ｃａｌｃとの偏差を演算する。負荷角調節器１３２は、上記の偏差を増幅して負荷角指令値の補正値δ_ＰＩ ^＊を演算する。ここで、負荷角調節器１３２は比例積分増幅器により構成されている。
加算器１３５は、負荷角指令値のフィードフォワード補償値δ_０ ^＊と補正値δ_ＰＩ ^＊とを加算して負荷角指令値δ^＊を演算する。

トルク演算器１３４は、ｄ，ｑ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊，ｉ_ｑ ^＊を用いて、数式３によりトルク演算値τ_ｃａｌｃを求める。

電流指令演算器１３３は、請求項における第３の演算手段に相当する。この電流指令演算器１３３は、第３の磁束指令値Ψ^＊と負荷角指令値δ^＊とからｄ，ｑ軸磁束指令値Ψ_ｄ ^＊，Ψ_ｑ ^＊を演算する。そして、電流指令演算器１３３は、ｄ，ｑ軸磁束指令値Ψ_ｄ ^＊，Ψ_ｑ ^＊から電流指令値ｉ_ｄ ^＊，ｉ_ｑ ^＊を演算する。ｄ，ｑ軸磁束指令値Ψ_ｄ ^＊，Ψ_ｑ ^＊の演算式を数式４に示し、電流指令値ｉ_ｄ ^＊，ｉ_ｑ ^＊の演算式を数式５に示す。

図２に示す電流指令値演算部１８の構成は、回生エネルギーによる直流中間電圧Ｅ_ｄｃの上昇を抑制するための回生エネルギー制御にそのまま適用可能である。
前述したように、磁束調節器１２２により求められた第１磁束補正係数Ｋ_Ψ０は、出力制限器１２３により上下限値が制限される。実際、出力制限器１２３の上限値Ｋ_Ψｍａｘを調整することのみにより、回生エネルギー制御を実現することができる。

ここで、通常運転時には直流中間電圧Ｅ_ｄｃの上昇が殆どないため、出力制限器１２３の上限値Ｋ_Ψｍａｘを「１．０」と設定すればよい。
一方、回生エネルギー制御時には、電動機８０から発生した回生エネルギーによって直流中間電圧Ｅ_ｄｃが自然に増加することにより、磁束調節器１２２により演算した第１磁束補正係数Ｋ_Ψ０も自動的に大きくなる。その際、上限値Ｋ_Ψｍａｘを通常運転時の値「１．０」のままに設定しておくと、第２磁束補正係数Ｋ_Ψは「１．０」以上にならず、直流中間電圧Ｅ_ｄｃの上昇を抑制することができない。

このため、電動機８０の磁束を大きく設定すれば、電動機８０の損失（銅損＋鉄損）が自動的に増加し、回生エネルギーが電動機８０の内部損失として消費されることにより、回生エネルギーによる直流中間電圧Ｅ_ｄｃの上昇が抑制される。従って、磁束補正係数の上限値Ｋ_Ψｍａｘのみを「１．０」より大きい値に設定すれば、直流中間電圧Ｅ_ｄｃの上昇により第３の磁束指令値Ψ^＊が自動的に大きくなり、直流中間電圧Ｅ_ｄｃの上昇を抑制することができる。

図３は、上限値Ｋ_Ψｍａｘを設定・演算する磁束補正係数上限値演算器１２４の構成を示している。
磁束補正係数上限値演算器１２４では、通常運転時と回生エネルギー制御時とを場合分けして上限値Ｋ_Ψｍａｘを選択し、出力する。
まず、通常運転時の上限値Ｋ_Ψｍａｘは、「１．０」に設定される。この通常運転時の上限値Ｋ_Ψｍａｘは、請求項における第１の上限値である。
これに対し、回生エネルギー制御時には、上限値設定器１２６または上限値演算器１２７の何れか一方を使用して上限値Ｋ_Ψｍａｘを決定する。上限値設定器１２６により設定される上限値Ｋ_Ψｍａｘは、請求項における第２の上限値に相当し、上限値演算器１２７により演算される上限値Ｋ_Ψｍａｘは、請求項における第３の上限値に相当する。
これらの上限値設定器１２６と上限値演算器１２７とは、アプリケーションの目的に応じて使い分ければよい。

上限値設定器１２６は、上限値Ｋ_Ψｍａｘを「１．０」より大きい一定値に設定する機能を有する。ここで、上限値Ｋ_Ψｍａｘは、実際の運転条件や電動機８０のパラメータに合わせて、回生エネルギーによる直流中間電圧Ｅ_ｄｃの上昇を速やかに抑制するための調整パラメータである。

一方、上限値演算器１２７は、図４に示すように予め設定された直流中間電圧Ｅ_ｄｃと上限値Ｋ_Ψｍａｘとの関係を示すパターンに基づいて上限値Ｋ_Ψｍａｘを決定する。すなわち、上限値演算器１２７では、上記パターンをテーブルに保存しておき、直流中間電圧Ｅ_ｄｃに基づいて上記テーブルを参照することにより、上限値Ｋ_Ψｍａｘを自動的に算出する。

上限値演算器１２７では、直流中間電圧Ｅ_ｄｃの増加分だけに対して上限値Ｋ_Ψｍａｘを増加させることにより磁束を増加するため、システムの高効率を維持しながら、回生エネルギー制御を実現可能である。図４に示すパターンでは、上限値Ｋ_Ψｍａｘの最大値を「１．５」と設定してあるため、通常運転時の磁束に対して１．５倍まで磁束を増加させることができる。なお、実際には、電動機の許容できる磁束最大値が異なるため、電動機に応じて上限値Ｋ_Ψｍａｘの最大値を設定することが必要である。
なお、図４の横軸に示すＥ_{ｄｃｒａｔｅｄ}，Ｅ_{ｄｃｍａｘ}は、それぞれ定格直流中間電圧，最大許容可能な直流中間電圧を意味する。

図３に示す上限値選択器１２８は、運転状態（速度指令値ω^＊）または直流中間電圧Ｅ_ｄｃに応じて通常運転時か回生エネルギー制御時かを判断し、その判断結果に応じて上限値Ｋ_Ψｍａｘを第１〜第３の上限値の中から選択する。また、回生エネルギー制御時と判断された場合には、上限値設定器１２６の出力（第２の上限値）または上限値演算器１２７の出力（第３の上限値）の何れか一方を上限値Ｋ_Ψｍａｘとして選択する。

上限値選択器１２８による上限値Ｋ_Ψｍａｘの選択動作は、アプリケーションによって異なる。図５は、上限値Ｋ_Ψｍａｘの選択動作の一例を示すフローチャートである。
上限値選択器１２８は、まず、運転状態（速度指令値ω^＊）と直流中間電圧検出値Ｅ_ｄｃとを取得する（ステップＳ１）。そして、速度指令値ω^＊に基づき、運転状態が減速時と判断された場合には（ステップＳ２Ｙｅｓ）、回生エネルギーにより直流中間電圧Ｅ_ｄｃが確実かつ顕著に上昇する減速状態に対して速やかに直流中間電圧Ｅ_ｄｃを抑制するために、磁束補正係数の上限値Ｋ_Ψｍａｘを「１．０」より大きい一定値とする（ステップＳ３）。すなわち、上限値設定器１２６により設定された上限値Ｋ_Ψｍａｘを選択する。

一方、運転状態が加速終了時（速度のオーバーシュートが発生時）と判断された場合には（ステップＳ２Ｎｏ，Ｓ４Ｙｅｓ）、直流中間電圧Ｅ_ｄｃの増加量が比較的小さいため、上限値演算器１２７により演算した上限値Ｋ_Ψｍａｘを選択する（ステップＳ５）。つまり、図４に示した特性により、直流中間電圧Ｅ_ｄｃに応じた上限値Ｋ_Ψｍａｘを選択して出力する。

また、加速終了時ではなく（ステップＳ４Ｎｏ）、電動機８０が定速運転されている運転状態において、外部の負荷機により電動機８０を回転させることで回生エネルギーが生じている状態では、速度指令値ω^＊の情報により運転状態を判断できない。従って、直流中間電圧Ｅ_ｄｃの検出値に基づいて運転状態を判断する。なお、定速運転状態では、直流中間電圧Ｅ_ｄｃの上昇が比較的遅いため、上限値演算器１２７により直流中間電圧Ｅ_ｄｃに応じて変動する上限値Ｋ_Ψｍａｘを演算し、この上限値Ｋ_Ψｍａｘを選択する（ステップＳ６Ｙｅｓ，ステップＳ５）。
更に、直流中間電圧Ｅ_ｄｃが上昇していない場合には、通常運転時と判断し、上限値Ｋ_Ψｍａｘとして「１．０」を選択する（ステップＳ７）。

上記のように、本実施形態によれば、磁束補正係数の上限値Ｋ_Ψｍａｘというパラメータを変更するだけで、通常運転時の制御と回生エネルギー制御との両方を同一の制御系により実現することができる。
なお、図２に示した磁束指令演算器１１１、負荷角指令演算器１１２、電流指令演算器１３３、及びトルク演算器１３４においては、永久磁石形同期電動機８０の磁束と電流との関係方程式、及び、トルクと電流との関係方程式を直接導入することが望ましい。これにより、埋込磁石形同期電動機などの突極性が大きい電動機に対しても、回生エネルギー制御をしながら所望のトルクを正確かつ自動的に制御することができる。

更に、図２において、磁束制限値演算器１４１や磁束調節器１２２などを設けたことにより、電圧指令値振幅Ｖ_ａ ^＊が電圧制限値Ｖ_ａｌｉｍを超えないための弱め磁束制御演算が常に実行される。このため、電動機８０の高速運転時に弱め磁束制御及び回生エネルギー制御を両立させることが可能である。

なお、本実施形態では、速度制御系を備えた制御装置について説明したが、位置制御系を有する場合には、図１における速度制御ループに加えて外ループとなる位置制御ループを追加すればよい。また、トルク制御系を有する場合には、速度制御ループが不要になり、電流指令演算部１８にトルク指令を直接与えればよい。
更に、図１では電動機８０の磁極位置情報、速度情報を磁極位置検出器９０、速度検出器９１により検出しているが、本発明は、いわゆる位置・速度センサレス方式により、磁極位置・速度を演算により推定する場合にも適用可能である。

１１ｕ：ｕ相電流検出器
１１ｗ：ｗ相電流検出器
１２：電圧検出器
１３：ＰＷＭ回路
１４：電流座標変換器
１５：電圧座標変換器
１６，１９ｄ，１９ｑ：減算器
１７：速度調節器
１８：電流指令演算部
２０ｄ：ｄ軸電流調節器
２０ｑ：ｑ軸電流調節器
２１：電圧振幅演算器
２２：電圧制限値演算器
５０：三相交流電源
６０：整流回路
７０：電力変換器
８０：永久磁石形同期電動機
９０：磁極位置検出器
９１：速度検出器
１１１：磁束指令演算器
１１２：負荷角指令演算器
１２１，１３１：減算器
１２２：磁束調節器
１２３：出力制限器
１２４：磁束補正係数上限値演算器
１２５：乗算器
１２６：上限値設定器
１２７：上限値演算器
１２８：上限値選択器
１３２：負荷角調節器
１３３：電流指令演算器
１３４：トルク演算器
１３５：加算器
１４１：磁束制限値演算器
１４２：出力制限器

Claims

半導体電力変換器により駆動される永久磁石形同期電動機の電流を、回転子磁極による磁束に平行な成分のｄ軸電流と前記磁束に直交する成分のｑ軸電流とに分離して制御することにより、前記電動機を制御する制御装置において、
少なくとも前記電動機のトルク指令値に基づいてｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を演算する電流指令演算手段を有し、
前記電流指令演算手段は、
前記電動機のトルク指令値から演算した第１の磁束指令値を前記電力変換器の電圧制限値及び前記電動機の速度に応じて第１の出力制限手段により制限した第２の磁束指令値と、磁束補正係数と、を乗じて第３の磁束指令値を演算する第１の演算手段と、
前記電動機の回生運転時における前記第３の磁束指令値を、前記電動機の定速運転時及び加速運転時よりも大きい値に調整するための演算手段であって、前記電力変換器の電圧制限値と電圧指令値振幅との偏差を増幅して得た前記磁束補正係数を上下限値により制限して出力する第２の出力制限手段を備えた第２の演算手段と、
前記トルク指令値とトルク演算値との偏差を増幅して得た負荷角指令値と、前記第２の演算手段から出力される前記第３の磁束指令値と、を用いて前記ｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を演算する第３の演算手段と、
を備え、
前記第２の演算手段は、
前記直流中間電圧及び速度指令値に応じて、前記磁束補正係数の上限値として、前記電動機の定速運転時及び加速運転時の第１の上限値、または、前記電動機の回生エネルギー制御時の上限値であって前記第１の上限値より大きい第２の上限値または第３の上限値、のうちの何れかを選択して出力する磁束補正係数上限値演算手段を有し、
前記第２の上限値が一定値であり、かつ、前記第３の上限値が、予め設定されたパターンに基づき前記直流中間電圧に応じて変化する値であることを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。