JP6695497B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータの駆動を制御するモータ制御装置に関する。

従来のモータ制御装置の一例が特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されたモータ制御装置は、ｄ軸電流指令値、ｑ軸電流指令値、永久磁石モータの巻線インダクタンスおよび誘起電圧定数を含む複数のパラメータを用いて、永久磁石モータに印加する電圧の指令値を算出する電圧指令値作成器を備えている。特許文献１には、永久磁石モータを起動する際の手順として、次のように開示されている。

（１）位置決めモードとして、モータ制御装置は、上位コントローラから与えられるｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値に基づいて電圧指令値作成器が決定した電圧指令値に基づいて、永久磁石モータに電圧を印加する。
（２）次に、同期運転モードとして、モータ制御装置は、ｄ軸電流指令値を一定値のままとして、インバータの周波数指令値を増加させ、ある回転数まで加速する。
（３）次に、位置センサレスモードとして、モータ制御装置は、磁極位置の推定値もしくは磁極位置センサ等による回転角度位置の情報を用いて運転する。

特許文献１では、上記（１）および（２）のモードにおいてはインバータ周波数指令値を積分して、上記（３）のモードにおいては検出周波数を積分して、永久磁石モータの磁極位置を推定している。上記（１）〜（３）の全てのモードにおいて、モータ制御装置は、磁極位置または推定磁極位置を制御軸として、永久磁石モータを運転している。

特許第４７２９３５６号公報

特許文献１に開示された方法では、永久磁石モータに印加する電圧を設定する際、永久磁石モータの巻線インダクタンスおよび誘起電圧定数の値が必要となる。巻線インダクタンスは磁気飽和により取り得る値が変化する。また、巻線インダクタンスおよび誘起電圧定数は、温度および製造ばらつきにより、取り得る値が変化する。また、巻線インダクタンスおよび誘起電圧定数には回転位置に依存した高調波が含まれる場合もある。その結果、永久磁石モータを安定に駆動することができない。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、モータを安定に駆動するモータ制御装置を提供するものである。

本発明に係るモータ制御装置は、電圧指令値に対応してモータに電圧を印加する電力変換回路と、前記電力変換回路から前記モータに供給される電流を検出した値である電流検出値を出力する電流検出手段と、前記電圧指令値を調整する制御部と、を有し、前記制御部は、前記モータに印加される電圧の基になる電流指令値に対応して前記電圧指令値を算出する電流制御器と、前記電圧指令値および前記電流検出値に基づいて、前記モータで生じる磁束を推定した値である推定磁束と、前記モータの角速度を推定した値である推定角速度とを出力する磁束推定器と、前記推定磁束が磁束指令値になるように前記電流指令値を調整する磁束制御器と、前記推定角速度が角速度指令値になるように前記電流指令値を調整する速度制御器と、を有し、前記制御部は、前記電流指令値の調整に適用される制御器として、前記速度制御器の適用の有無と前記磁束制御器の適用の有無との組み合わせを切り替え、前記速度制御器および前記磁束制御器のいずれも適用しない同期電流モードから、前記速度制御器を適用しないが前記磁束制御器を適用する同期磁束モードに切り替えた後、前記速度制御器および前記磁束制御器を適用するモードに切り替えるものである。

本発明は、同期磁束モードの後、電流指令値に対して速度制御および磁束制御による調整を行うモードに遷移することで、印加する電圧の算出に巻線インダクタンスおよび誘起電圧定数の値が不要であり、これらの値の変化および高調波による影響を抑制し、モータを安定に駆動することができる。

本発明の実施の形態１に係るモータ制御装置の一構成例を示すブロック図である。 図１に示した電力変換回路の一構成例を示す回路図である。 制御モードが同期電流モードおよび同期磁束モードである場合における磁束推定器の一構成例を示す図である。 制御モードが位置センサレス第１モードおよび位置センサレス第２モードである場合における磁束推定器の一構成例を示す図である。 図１に示したｄ軸側の電流制御器の一構成例を示す図である。 図１に示したｑ軸側の電流制御器の一構成例を示す図である。 図１に示した速度制御器の一構成例を示す図である。 図１に示した磁束制御器の一構成例を示す図である。 図１に示したモータ制御装置が永久磁石モータを起動する際、およびその後における各制御モードの遷移を示す簡略図である。 図１に示したモード切替スイッチによる切替動作の手順を示すフローチャートである。

実施の形態１．
本実施の形態１のモータ制御装置の構成を説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係るモータ制御装置の一構成例を示すブロック図である。モータ制御装置１は、３相電圧指令値（Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊）にしたがって電圧を永久磁石モータ（ＰＭ（Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）モータ）６に印加する電力変換回路５と、電力変換回路５から永久磁石モータ６に供給される電流からｄ軸電流検出値Ｉｄｃおよびｑ軸電流検出値Ｉｑｃを求め、これらの電流検出値を入力として演算を行って３相電圧指令値（Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊）を電力変換回路５に出力する制御部２とを有する。電力変換回路５から永久磁石モータ６に供給される３相の交流電流のうち、Ｕ相電流Ｉｕを検出するモータ電流検出手段７ａが設けられている。また、永久磁石モータ６に供給される３相の交流電流のうち、Ｗ相電流Ｉｗを検出するモータ電流検出手段７ｂが設けられている。なお、３相の交流電流のうち、任意の２相、もしくは３相全てを検出してもよい。

図２は、図１に示した電力変換回路５の一構成例を示す回路図である。図２に示すように、電力変換回路５は、インバータ２１と、直流電圧源２０と、ドライバ回路２３とを有する構成である。インバータ２１は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）およびパワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの半導体素子を複数有する構成である。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の上下アームのそれぞれに半導体素子が用いられている。各相の上下アームの接続点が永久磁石モータ６へ配線されている。インバータ２１は、ドライバ回路２３が出力するパルス状のＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）パルス信号２２ａ、２２ｂ、２２ｃに応じてスイッチング動作する。電力変換回路５は、直流電圧源２０をスイッチングすることで、任意の周波数の交流電圧を永久磁石モータ６に印加してモータを駆動する。

制御部２は、３φ／ｄｑ変換器８と、磁束推定器１０と、モード切替スイッチ１６ａ〜１６ｃと、速度制御器（ＡＳＲ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｓｐｅｅｄ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ））１４と、磁束制御器１５と、電流制御器４２、４３と、ｄｑ／３φ変換器４と、積分器９とを有する。３φ／ｄｑ変換器８は、モータ電流検出手段７ａ、７ｂが検出したＵ相電流Ｉｕ、Ｗ相電流Ｉｗに対して推定磁束の方向である制御軸位相θｄｃを用いて、３相軸から制御軸へ座標変換してｄ軸電流検出値Ｉｄｃおよびｑ軸電流検出値Ｉｑｃを求める。

電流制御器４２はｄ軸側の電流制御器であり、電流制御器４３はｑ軸側の電流制御器である。電流制御器４２、４３は、入力される電流指令値に対応して電圧指令値を算出する。電流指令値は永久磁石モータ６に印加される電圧の基になる値である。電流制御器４２、４３の構成の詳細は後述する。制御部２は、プログラムを記憶するメモリと、プログラムにしたがって処理を実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）およびＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）等の演算制御機能を備えた演算処理部とを有する半導体集積回路で構成される。制御部２は、例えば、マイクロコンピュータである。

本実施の形態１におけるモータ制御装置１は、永久磁石モータ６の制御に関して、複数種のモードを有する。例えば、制御部２は、電流制御器４２、４３に入力する電流指令値の調整に、磁束制御器１５を適用しないモードと、磁束制御器１５を適用するモードと、速度制御器１４を適用するモードと、速度制御器１４を適用しないモードとを有する。制御部２は、これら複数種のモードを用いて、速度制御器１４の適用の有無と磁束制御器１５の適用の有無との組み合わせを切り替える。以下では、速度制御の有無と磁束制御の有無とを組み合わせたモードを、制御モードと称する。制御モードには、位置フィードバックを行わないモードと、位置フィードバックを行うモードとがある。位置フィードバックを行わないモードは、同期電流モードと、同期磁束モードとを含む。同期電流モードは、電流指令値の調整に、速度制御器１４および磁束制御器１５のいずれも適用しないモードである。同期磁束モードは、電流指令値の調整に、速度制御器１４を適用しないが磁束制御器１５を適用するモードである。位置フィードバックを行うモードは、位置センサレス第１モードと、位置センサレス第２モードとを含む。位置センサレス第１モードは、電流指令値の調整に、速度制御器１４を適用するが磁束制御器１５を適用しないモードである。位置センサレス第２モードは、電流指令値の調整に、速度制御器１４および磁束制御器１５を適用するモードである。制御部２は、制御モードに対応してモード切替スイッチ１６ａ〜１６ｃを切り替える。

モード切替スイッチ１６ａ〜１６ｃは、同期電流モード、同期磁束モード、位置センサレス第１モードおよび位置センサレス第２モードの制御モードに対応して、接続を切り替える。具体的には、制御モードが同期電流モードの場合、モード切替スイッチ１６ａ〜１６ｃは、接続先を図１に示すＡ端子に接続する。制御モードが同期磁束モードの場合、モード切替スイッチ１６ａ〜１６ｃは、接続先を図１に示すＢ端子に接続する。制御モードが位置センサレス第１モードの場合、モード切替スイッチ１６ａ〜１６ｃは、接続先を図１に示すＣ端子に接続する。制御モードが位置センサレス第２モードの場合、モード切替スイッチ１６ａ〜１６ｃは、接続先を図１に示すＤ端子に接続する。

なお、図１では、モード切替スイッチ１６ａ、１６ｂにおいて、Ａ端子およびＢ端子は共通の端子であり、Ｃ端子およびＤ端子は共通の端子である。また、モード切替スイッチ１６ｃにおいて、Ａ端子とＣ端子は共通の端子である。図１は、説明のために、モード切替スイッチ１６ａ〜１６ｃを模式的に機械的なスイッチとして表している。モード切替スイッチ１６ａ〜１６ｃは、制御部２の演算処理部がプログラムを実行することで、モータ制御装置１に構成される。また、制御部２の演算処理部がプログラムを実行することで、３φ／ｄｑ変換器８、ｄｑ／３φ変換器４、積分器９、磁束推定器１０、速度制御器１４、磁束制御器１５および電流制御器４２、４３が、モータ制御装置１に構成されてもよい。さらに、これらの構成のうち、一部がＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等の専用回路であってもよい。例えば、３φ／ｄｑ変換器８、ｄｑ／３φ変換器４、積分器９、磁束推定器１０、速度制御器１４、磁束制御器１５および電流制御器４２、４３のそれぞれが、専用回路で構成され、制御部２とは別に設けられていてもよい。ただし、これらの構成は制御部２と同じプリント基板に設けられていることが望ましい。

図１に示すように、磁束制御器１５において、入力側に減算器１１ｅが設けられ、出力側にはモード切替スイッチ１６ｃが接続されている。モード切替スイッチ１６ｃのＢ端子がモード切替スイッチ１６ｂのＡ端子およびＢ端子と接続されている。モード切替スイッチ１６ａの出力側に減算器１１ｄが設けられている。速度制御器１４において、入力側に減算器１１ｄが接続され、出力側にモード切替スイッチ１６ｂのＣ端子およびＤ端子が接続されている。モード切替スイッチ１６ｂは減算器１１ｃを介して電流制御器４３と接続されている。モード切替スイッチ１６ｃのＤ端子は減算器１１ｂを介して電流制御器４２と接続されている。

磁束推定器１０は、ｄ軸電流検出値Ｉｄｃおよびｑ軸電流検出値Ｉｑｃと、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ^＊およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ^＊とを入力として、永久磁石モータ６の推定磁束Φ１および推定角速度ω１を演算によって算出する。速度制御器１４は、位置センサレス第１モードおよび位置センサレス第２モードにおいて、角速度指令値ω^＊と推定角速度ω１との差を減算器１１ｄで求め、この差の値がゼロになるようにｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊を調整する。

磁束制御器１５は、同期磁束モードにおいて、磁束指令値Φ^＊と推定磁束Φ１との差の値が減算器１１ｅから入力されると、この差の値がゼロになるようにｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊を調整する。磁束制御器１５は、位置センサレス第２モードにおいて、磁束指令値Φ^＊と推定磁束Φ１との差の値が減算器１１ｅから入力されると、この差の値がゼロになるようにｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊を調整する。

電流制御器４２は、ｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊とｄ軸電流検出値Ｉｄｃとの差を求め、この差の値がゼロになるようにｄ軸電圧指令値Ｖｄ^＊を出力する。電流制御器４３は、ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊とｑ軸電流検出値Ｉｑｃとの差を求め、この差の値がゼロになるようにｑ軸電圧指令値Ｖｑ^＊を出力する。ｄｑ／３φ変換器４は、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ^＊およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ^＊の制御軸から３相軸へ座標変換して永久磁石モータ６に印加する３相電圧指令値（Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊）を出力する。

次に、制御部２に含まれる構成のうち、主要な構成について詳しく説明する。

［磁束推定器１０］
図１に示した磁束推定器１０の構成を説明する。
磁束推定器１０は、ｄ軸電流検出値Ｉｄｃおよびｑ軸電流検出値Ｉｑｃを３φ／ｄｑ変換器８から受け取り、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ^＊およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ^＊を電流制御器４２、４３から受け取る。磁束推定器１０は、ｄ軸電流検出値Ｉｄｃおよびｑ軸電流検出値Ｉｑｃとｄ軸電圧指令値Ｖｄ^＊およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ^＊とを用いて、永久磁石モータ６に生じる磁束および永久磁石モータ６の角速度を推定する。磁束推定器１０は、推定した磁束である推定磁束Φ１と、推定した角速度である推定角速度ω１とを出力する。

位置センサレス第１モードおよび位置センサレス第２モードでは、積分器９が推定角速度ω１を積分することで、永久磁石モータ６の推定磁束の方向である制御軸位相θｄｃを推定する。制御軸位相θｄｃは、ｄｑ／３φ変換器４と３φ／ｄｑ変換器８に入力され、各ブロックの演算に用いられる。

図３は、制御モードが同期電流モードおよび同期磁束モードである場合における磁束推定器の一構成例を示す図である。制御モードが同期電流モードおよび同期磁束モードである場合、モード切替スイッチ１６ａはＡ端子およびＢ端子と接続する。磁束推定器１０には、モード切替スイッチ１６ａを介して角速度指令値ω^＊が入力される。

磁束推定器１０は、式（１）にしたがって、ｄ軸上の推定磁束であるｄ軸推定磁束Φｄ１を算出する。具体的には、磁束推定器１０は、ｄ軸電流検出値Ｉｄｃに永久磁石モータ６の一次巻線の抵抗値Ｒを乗じた結果の値を、ｄ軸側の電流制御器４２の出力であるｄ軸電圧指令値Ｖｄ^＊から減算する。そして、磁束推定器１０は、その減算の結果に、ｑ軸上の推定磁束であるｑ軸推定磁束Φｑ１と角速度指令値ω^＊とを掛け合わせたものを加算する。さらに、磁束推定器１０は、その加算の結果に変数ｓを用いてカットオフ周波数ωｃの一次遅れフィルタ処理をすることで、ｄ軸推定磁束Φｄ１を算出する。

また、磁束推定器１０は、式（２）にしたがって、ｑ軸推定磁束Φｑ１を算出する。具体的には、磁束推定器１０は、ｑ軸電流検出値Ｉｑｃに永久磁石モータ６の一次巻線の抵抗値Ｒを乗じた結果の値を、ｑ軸側の電流制御器４３の出力であるｑ軸電圧指令値Ｖｑ^＊から減算する。そして、磁束推定器１０は、その減算の結果から、角速度指令値ω^＊とｄ軸推定磁束Φｄ１とを掛け合わせたものを減算する。さらに、磁束推定器１０は、その減算の結果にカットオフ周波数ωｃの一次遅れフィルタ処理をすることで、ｑ軸推定磁束Φｑ１を算出する。一次遅れフィルタ処理を行うことで低速回転域で永久磁石モータ６を安定に駆動させることができる。そして、磁束推定器１０は、ｑ軸推定磁束Φｑ１を推定磁束Φ１として減算器１１ｅに出力する。

図４は、制御モードが位置センサレス第１モードおよび位置センサレス第２モードである場合における磁束推定器の一構成例を示す図である。制御モードが位置センサレス第１モードおよび位置センサレス第２モードである場合、モード切替スイッチ１６ａはＣ端子およびＤ端子と接続する。磁束推定器１０には、角速度指令値ω^＊は入力されない。

磁束推定器１０は、式（３）にしたがって、ｄ軸推定磁束Φｄ１を算出する。具体的には、磁束推定器１０は、ｄ軸電流検出値Ｉｄｃに永久磁石モータ６の一次巻線の抵抗値Ｒを乗じた結果の値を、ｄ軸側の電流制御器４２の出力であるｄ軸電圧指令値Ｖｄ^＊から減算する。そして、磁束推定器１０は、この減算の結果にカットオフ周波数ωｃの一次遅れフィルタ処理をすることで、ｄ軸推定磁束Φｄ１を算出する。そして、磁束推定器１０は、ｄ軸推定磁束Φｄ１を推定磁束Φ１として減算器１１ｅに出力する。

また、磁束推定器１０は、式（４）にしたがって、推定角速度ω１を算出する。具体的には、磁束推定器１０は、ｑ軸電流検出値Ｉｑｃに永久磁石モータ６の一次巻線の抵抗値Ｒを乗じた結果の値を、ｑ軸側の電流制御器４３の出力であるｑ軸電圧指令値Ｖｑ^＊から減算する。そして、磁束推定器１０は、その減算の結果をｄ軸推定磁束Φｄ１で割ることで、推定角速度ω１を算出する。そして、磁束推定器１０は推定角速度ω１をモード切替スイッチ１６ａに出力する。

［電流制御器４２、４３］
次に、図１に示した電流制御器４２、４３の構成について説明する。図５は、図１に示したｄ軸側の電流制御器の一構成例を示す図である。電流制御器４２は、比例演算部４２Ａと、積分演算部４２Ｂと、加算器４２Ｃとを有する。電流制御器４２は、式（５）にしたがって、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ^＊を算出する。具体的には、減算器１１ｂが、上位コントローラを含む上位装置（不図示）または磁束制御器１５から入力されるｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊とｄ軸電流検出値Ｉｄｃとの偏差を算出して出力する。電流制御器４２は、比例演算部４２Ａが減算器１１ｂの出力値に比例ゲインＫｐｄを乗じた結果と、積分演算部４２Ｂが減算器１１ｂの出力値に積分ゲインＫｉｄを乗じて積分処理を行った結果とを加算して、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ^＊を算出する。そして、電流制御器４２はｄ軸電圧指令値Ｖｄ^＊をｄｑ／３φ変換器４に出力する。

図６は、図１に示したｑ軸側の電流制御器の一構成例を示す図である。電流制御器４３は、比例演算部４３Ａと、積分演算部４３Ｂと、加算器４３Ｃとを有する。電流制御器４３は、式（６）にしたがって、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ^＊を算出する。具体的には、減算器１１ｃが、上位装置（不図示）、速度制御器１４または磁束制御器１５から入力されるｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊とｑ軸電流検出値Ｉｑｃとの偏差を算出して出力する。電流制御器４３は、比例演算部４３Ａが減算器１１ｃの出力値に比例ゲインＫｐｑを乗じた結果と、積分演算部４３Ｂが減算器１１ｃの出力値に積分ゲインＫｉｑを乗じて積分処理を行った結果とを加算して、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ^＊を算出する。そして、電流制御器４３はｑ軸電圧指令値Ｖｑ^＊をｄｑ／３φ変換器４に出力する。

［速度制御器１４］
次に、図１に示した速度制御器１４の構成を説明する。図７は、図１に示した速度制御器の一構成例を示す図である。速度制御器１４は、比例演算部１４Ａと、積分演算部１４Ｂと、加算器１４Ｃとを有する。速度制御器１４は、制御モードが位置センサレス第１モードおよび位置センサレス第２モードである場合、式（７）にしたがって、ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊を算出する。

具体的には、モード切替スイッチ１６ａがＣ端子およびＤ端子と接続されるので、減算器１１ｄには、モード切替スイッチ１６ａを介して推定角速度ω１が磁束推定器１０から入力される。減算器１１ｄは、上位装置（不図示）から入力される角速度指令値ω^＊から推定角速度ω１を減算し、減算の結果を速度制御器１４に出力する。速度制御器１４は、比例演算部１４Ａが減算器１１ｄの出力値に比例ゲインＫｐａを乗じた結果と、積分演算部１４Ｂが減算器１１ｄの出力値に積分ゲインＫｉａを乗じて積分処理を行った結果とを加算して、ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊を算出する。そして、速度制御器１４は、ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊を減算器１１ｃに出力する。

［磁束制御器１５］
次に、図１に示した磁束制御器１５の構成を説明する。図８は、図１に示した磁束制御器の一構成例を示す図である。磁束制御器１５は、比例演算部１５Ａと、積分演算部１５Ｂと、加算器１５Ｃとを有する。制御モードが同期磁束モードおよび位置センサレス第２モードである場合、磁束制御器１５は、式（８）にしたがって、電流指令値Ｉ０^＊を算出する。具体的には、減算器１１ｅは、上位装置（不図示）から入力される磁束指令値Φ^＊と推定磁束Φ１との偏差を算出して出力する。磁束制御器１５は、比例演算部１５Ａが減算器１１ｅの出力値に比例ゲインＫｐｆを乗じた結果と、積分演算部１５Ｂが減算器１１ｅの出力値に積分ゲインＫｉｆを乗じて積分処理を行った結果とを加算して、電流指令値Ｉ０^＊を算出する。

そして、制御モードが同期磁束モードである場合、モード切替スイッチ１６ｃは磁束制御器１５の出力側をＢ端子に接続する。この場合、磁束制御器１５は、電流指令値Ｉ０^＊をｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊としてモード切替スイッチ１６ｂを介して減算器１１ｃに出力する。また、制御モードが位置センサレス第２モードである場合、モード切替スイッチ１６ｃは磁束制御器１５の出力側をＤ端子に接続する。この場合、磁束制御器１５は、電流指令値Ｉ０^＊をｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊として減算器１１ｂに出力する。

［永久磁石モータ６に対するモータ制御装置１による制御方法］
次に、永久磁石モータ６を起動する際のモータ制御装置１の動作について説明する。図９は、図１に示したモータ制御装置が永久磁石モータを起動する際、およびその後における各制御モードの遷移を示す簡略図である。図１０は、図１に示したモード切替スイッチによる切替動作の手順を示すフローチャートである。

上述したように、本実施の形態１における制御モードは、同期電流モード、同期磁束モード、位置センサレス第１モードおよび位置センサレス第２モードの４つのモードがある。同期電流モードは、ｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊およびｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊にしたがって、永久磁石モータ６に印加する電圧を決定するモードである。同期磁束モードは、ｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊および磁束指令値Φ^＊にしたがって、永久磁石モータ６に印加する電圧を決定するモードである。位置センサレス第１モードは、ｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊および角速度指令値ω^＊にしたがって、永久磁石モータ６に印加する電圧を決定するモードである。位置センサレス第２モードは、磁束指令値Φ^＊および角速度指令値ω^＊にしたがって、永久磁石モータ６に印加する電圧を決定するモードである。

これらの制御モードは、ｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊、ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊、角速度指令値ω^＊および磁束指令値Φ^＊のうち、いずれかのパラメータが変更されること、またはモード切替スイッチ１６ａ〜１６ｃが切り替わることによって、別の制御モードに遷移する。なお、モード切替スイッチ１６ａ〜１６ｃは、特に断りがない限り３つとも同等のタイミングで切り替わる。

図９に示すように、電力変換回路５が永久磁石モータ６に電圧印加を開始した後、制御部２は、モード切替スイッチ１６ａ〜１６ｃの接続先をＡ端子に設定する。これにより、制御モードは同期電流モードとなる。図１０に示すように、時間ｔが時間Ｔ１になるまでは、制御部２は、モード切替スイッチ１６ａ〜１６ｃの接続先をＡ端子に維持する（ステップＳ１およびステップＳ２）。時間Ｔ１は、角速度指令値ω^＊が同期磁束モードでの角速度指令値に到達する時間である。

同期電流モードでは、制御部２は、加速トルク分と負荷トルク分に相当するトルクが出るようにｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊を増加させた後、ｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊を一定値にする。また、制御部２は、ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊をゼロとする。モータ制御装置１は、ｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊が一定値まで増加した後、角速度指令値ω^＊を増加させる。これにより、永久磁石モータ６は角速度指令値ω^＊に追従して加速する。

図９において、時間ｔが時間Ｔ１になると、制御部２は、モード切替スイッチ１６ａ〜１６ｃの接続先をＡ端子からＢ端子に切り替える。これにより、制御モードが同期電流モードから同期磁束モードに遷移する。同期磁束モードにおいては、磁束制御器１５は磁束指令値Φ^＊と推定磁束Φ１との差がゼロになるようにｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊を調整する。これにより、ｄ軸推定磁束Φｄ１は永久磁石鎖交磁束と電機子反作用磁束を合成した、モータで生じる全磁束を推定した値となり、この推定磁束の方向が制御軸となる。

同期磁束モードでは、モータ制御装置１は、ｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊を一定値とし、角速度指令値ω^＊も一定値とする。これにより、永久磁石モータ６は角速度指令値ω^＊にしたがって一定回転数で運転し、磁束推定器１０は磁束を推定する。図１０に示すように、時間ｔが時間Ｔ２になるまでは、制御部２は、モード切替スイッチ１６ａ〜１６ｃの接続先をＢ端子に維持する（ステップＳ３およびステップＳ４）。時間Ｔ２は、モータで生じる全磁束の方向に制御軸が収束するまでに必要な時間である。

図９において、時間ｔが時間Ｔ２になると、制御部２は、モード切替スイッチ１６ａ〜１６ｃの接続先をＢ端子からＣ端子に切り替える（ステップＳ５およびステップＳ６）。これにより、制御モードが同期磁束モードから位置センサレス第１モードに遷移する。位置センサレス第１モードにおいては、速度制御器１４は、角速度指令値ω^＊と推定角速度ω１との差がゼロになるようにｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊を調整する。

ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊は、加速トルク分と負荷トルク分に相当する値になり、永久磁石モータ６は加速する。その後、永久磁石モータ６が加速を終了して一定速となると、ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊は負荷トルク分に相当する値で一定となる。位置センサレス第１モードにおいては、ｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊は、上位コントローラを含む他の装置（不図示）から制御部２に入力される。

図９において、角速度指令値ω^＊が予め決められた閾値ω２より大きくなると（図１０に示すステップＳ５）、制御部２は、モード切替スイッチ１６ａ〜１６ｃの接続先をＣ端子からＤ端子に切り替える（ステップＳ７）。これにより、制御モードが位置センサレス第１モードから位置センサレス第２モードに遷移する。位置センサレス第２モードにおいては、磁束指令値Φ^＊は、上位コントローラを含む他の装置（不図示）から制御部２に入力される。磁束制御器１５は、入力される磁束指令値Φ^＊と推定磁束Φ１との差がゼロになるようにｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊を調整する。

図９に示したグラフの値は、実際には、永久磁石モータ６の負荷と磁束推定器１０、電流制御器４２、４３、速度制御器１４および磁束制御器１５の応答周波数とに応じて変動が生じるが、その変動を図に示すことを省略している。

なお、図９および図１０を参照して、時間ｔが時間Ｔ２になったとき、制御モードを同期磁束モードから位置センサレス第１モードに切り替える場合で説明したが、位置センサレス第２モードに切り替えてもよい。また、図１０に示すように、位置センサレス第１モードと位置センサレス第２モードとが閾値ω２を基準にして切り替わるようにしてもよい。また、角速度指令値ω^＊が閾値ω２になったときに、制御モードが位置センサレス第１モードから位置センサレス第２モードに切り替わる場合で説明したが、制御モードの切り替えのタイミングはこの場合に限定されない。または、この切り替え処理を、角速度指令値ω^＊の替わりに推定角速度ω１を用いて行ってもよい。

［位置センサレス第１モード、位置センサレス第２モードの特徴］
図９および図１０を参照して、制御モードが同期磁束モードの後に位置センサレス第１モードに遷移する場合で説明したが、同期磁束モードの後に位置センサレス第２モードに遷移してもよい。位置センサレス第２モードでは、磁束指令値Φ^＊の設定により、永久磁石モータ６を任意の動作点で駆動させることができる。例えば、電力最小点で永久磁石モータ６を駆動させることができる。また、位置センサレス第２モードでは、永久磁石モータ６に対して、速度制御を行い、かつ磁束制御も行っているため、印加する電圧の算出に巻線インダクタンスおよび誘起電圧定数の値が不要である。そのため、巻線インダクタンスおよび誘起電圧定数の値の変化および高調波による影響を抑制し、永久磁石モータ６を安定に駆動することができる。

一方、位置センサレス第２モードでは、永久磁石モータおよびインバータのばらつきの影響を受けやすく、特に、モータ電圧が低くなり電圧誤差の影響を受けやすくなる低速回転域でこれらのばらつきの影響を受けやすい。具体的には、ｄ軸推定磁束Φｄ１を算出する式（３）に用いられる、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ^＊、ｄ軸電流検出値Ｉｄｃおよび永久磁石モータ６の一次巻線の抵抗値Ｒの値について、算出式における値と実際の値とにずれがある。ｄ軸推定磁束Φｄ１がこのずれの影響を受ける。

ｄ軸電圧指令値Ｖｄ^＊のずれの要因として、デッドタイム、母線電圧検出回路のばらつきが考えられる。また、ｄ軸電流検出値Ｉｄｃのずれの要因として、電流検出回路のばらつきが考えられる。これらの値のばらつきにより、インバータの出力電圧もばらつく。また、モータの巻線インダクタンスおよび誘起電圧定数のうち、少なくともいずれかの値のばらつきにより、永久磁石モータ６の動作点もばらつく。これらの永久磁石モータおよびインバータのばらつきの影響で、永久磁石モータ６は不安定駆動となり、停止することもある。

位置センサレス第２モードにおける低速回転域での不安定動作を避けるために、本実施の形態１では、位置センサレス第２モードの前段に位置センサレス第１モードを適用している。位置センサレス第１モードが受けるばらつきは、ｄ軸電流検出値Ｉｄｃのずれを引き起こす電流検出回路のばらつきのみである。そのため、位置センサレス第１モードでは、永久磁石モータおよびインバータのばらつきの影響を受けづらく、低速回転域における永久磁石モータおよびインバータのばらつきによる不安定動作を抑制できる。すなわち、位置センサレス第１モードでは、低速回転域で安定な駆動を実現できる。

本実施の形態１におけるモータ制御装置１は、電圧指令値に対応して永久磁石モータ６に電圧を印加する電力変換回路５と、電力変換回路５から永久磁石モータ６に供給される電流を検出する電流検出手段と、制御部２とを有し、制御部２は、電流指令値に対応して電圧指令値を算出する電流制御器４２、４３と、永久磁石モータ６に生じる磁束を推定した値である推定磁束と永久磁石モータ６の角速度を推定した値である推定角速度とを出力する磁束推定器１０と、推定磁束が磁束指令値になるように電流指令値を調整する磁束制御器１５と、推定角速度が角速度指令値になるように電流指令値を調整する速度制御器１４とを有し、制御部２は、電流指令値の調整に対して、速度制御器１４の適用の有無と磁束制御器１５の適用の有無との組み合わせを切り替え、同期電流モードから同期磁束モードに切り替えた後、速度制御器１４および磁束制御器１５を適用するモードに切り替えるものである。

本実施の形態１によれば、同期磁束モードの後、電流指令値に対して速度制御および磁束制御による調整を行う位置センサレス第２モードに遷移することで、印加する電圧の算出に巻線インダクタンスおよび誘起電圧定数の値が不要となる。その結果、巻線インダクタンスおよび誘起電圧定数の値の変化および高調波による影響を抑制し、永久磁石モータ６を安定に駆動することができる。

本実施の形態１において、制御部２は、同期磁束モードの後、位置センサレス第２モードの前に、電流指令値に対して速度制御による調整を行うが磁束制御による調整を行わない位置センサレス第１モードに切り替えてもよい。この場合、永久磁石モータ６を低速回転域で安定して駆動させることができる。

本実施の形態１において、制御モードが同期電流モードから同期磁束モードに遷移すると、磁束制御器１５は、推定磁束が磁束指令値になるように、電流制御器４３に供給するｑ軸電流指令値を調整する。この場合、モータで生じる全磁束の方向を制御軸として、永久磁石モータ６を制御することができる。その結果、同期磁束モードから、電流指令値の調整に速度制御器１４を適用するモードにスムーズに遷移することができる。

本実施の形態１において、同期磁束モードで、磁束推定器１０は、式（１）にしたがってｄ軸推定磁束を算出し、式（２）にしたがってｑ軸推定磁束を算出し、ｑ軸推定磁束を推定磁束として磁束制御器１５に出力する。この場合、同期磁束モードにおいて、磁束推定器１０で算出された推定磁束がｑ軸電流指令値に反映される。

本実施の形態１において、同期磁束モードから、電流指令値の調整に速度制御器１４を適用するモードに遷移すると、磁束推定器１０が推定角速度を出力し、速度制御器１４は、推定角速度が角速度指令値になるようにｑ軸電流指令値を調整する。この場合、位置センサレス第１モード、位置センサレス第２モードにおいて、永久磁石モータ６の角速度が角速度指令値に追従するようにｑ軸電流指令値が調整される。

本実施の形態１において、電流指令値の調整に速度制御器１４を適用するモードで、磁束推定器１０は、ｄ軸電流検出値に永久磁石モータ６の一次巻線の抵抗値を乗じた結果の値をｄ軸電圧指令値から減算し、減算の結果に一次遅れフィルタ処理をすることでｄ軸推定磁束を算出し、ｄ軸推定磁束を推定磁束として出力する。この場合、位置センサレス第２モードにおいて、磁束推定器１０で算出された推定磁束がｄ軸電流指令値に反映される。

本実施の形態１において、電流指令値の調整に速度制御器１４を適用するモードにおいて、磁束推定器１０は、ｑ軸電流検出値に永久磁石モータ６の一次巻線の抵抗値を乗じた結果の値をｑ軸電圧指令値から減算し、減算の結果をｄ軸推定磁束で割ることで、推定角速度を算出する。この場合、磁束推定器１０で算出された推定角速度がｑ軸電流指令値に反映される。

本実施の形態１において、電流指令値の調整に速度制御器１４を適用するモードにおいて、ｄ軸電流指令値は他の装置から入力されてもよい。この場合、位置センサレス第１モードにおいて、ｄ軸電流指令値を安定駆動可能な任意の値に設定することができる。

本実施の形態１において、電流指令値の調整に速度制御器１４を適用するモードにおいて、磁束指令値は他の装置から入力され、磁束制御器１５は、ｄ軸推定磁束と磁束指令値との差がゼロになるようにｄ軸電流指令値を調整してもよい。この場合、位置センサレス第２モードにおいて、磁束指令値の設定により、永久磁石モータ６を任意の動作点で駆動させることができる。

１ モータ制御装置、２ 制御部、４ ｄｑ／３φ変換器、５ 電力変換回路、６ 永久磁石モータ、７ａ、７ｂ モータ電流検出手段、８ ３φ／ｄｑ変換器、９ 積分器、１０ 磁束推定器、１１ｂ〜１１ｅ 減算器、１４ 速度制御器、１４Ａ 比例演算部、１４Ｂ 積分演算部、１４Ｃ 加算器、１５ 磁束制御器、１５Ａ 比例演算部、１５Ｂ 積分演算部、１５Ｃ 加算器、１６ａ〜１６ｃ モード切替スイッチ、２０ 直流電圧源、２１ インバータ、２２ａ〜２２ｃ パルス信号、２３ ドライバ回路、４２、４３ 電流制御器、４２Ａ、４３Ａ 比例演算部、４２Ｂ、４３Ｂ 積分演算部、４２Ｃ、４３Ｃ 加算器。

Claims (9)

1. 電圧指令値に対応してモータに電圧を印加する電力変換回路と、
   前記電力変換回路から前記モータに供給される電流を検出した値である電流検出値を出力する電流検出手段と、
   前記電圧指令値を調整する制御部と、を有し、
   前記制御部は、
   前記モータに印加される電圧の基になる電流指令値に対応して前記電圧指令値を算出する電流制御器と、
   前記電圧指令値および前記電流検出値に基づいて、前記モータで生じる磁束を推定した値である推定磁束と、前記モータの角速度を推定した値である推定角速度とを出力する磁束推定器と、
   前記推定磁束が磁束指令値になるように前記電流指令値を調整する磁束制御器と、
   前記推定角速度が角速度指令値になるように前記電流指令値を調整する速度制御器と、を有し、
   前記制御部は、
   前記電流指令値の調整に適用される制御器として、前記速度制御器の適用の有無と前記磁束制御器の適用の有無との組み合わせを切り替え、
   前記速度制御器および前記磁束制御器のいずれも適用しない同期電流モードから、前記速度制御器を適用しないが前記磁束制御器を適用する同期磁束モードに切り替えた後、前記速度制御器および前記磁束制御器を適用するモードに切り替える、モータ制御装置。
2. 前記制御部は、
   前記同期磁束モードから、前記速度制御器および前記磁束制御器を適用するモードに切り替える前に、前記磁束制御器を適用しないが前記速度制御器を適用するモードに切り替える、請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記制御部は、前記電流検出手段で検出する、前記モータに供給される電流に基づいて、前記電流検出値としてｄ軸電流検出値およびｑ軸電流検出値を算出し、
   前記電流制御器は、前記電流指令値として入力されるｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値に対応して、前記電圧指令値としてｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値を算出し、
   前記制御部が前記同期電流モードから前記同期磁束モードに切り替えると、
   前記磁束制御器は、
   前記推定磁束が前記磁束指令値になるように、前記電流制御器に供給する前記ｑ軸電流指令値を調整する、請求項１または２に記載のモータ制御装置。
4. 前記磁束推定器は、
   前記同期磁束モードにおいて、前記ｄ軸電流検出値に前記モータの一次巻線の抵抗値を乗じた値を前記ｄ軸電圧指令値から減算し、減算の結果に前記角速度指令値とｑ軸上の推定磁束であるｑ軸推定磁束とを掛け合わせたものを加算し、該加算の結果に一次遅れフィルタ処理をすることでｄ軸上の推定磁束であるｄ軸推定磁束を算出し、
   前記ｑ軸電流検出値に前記一次巻線の抵抗値を乗じた結果の値を前記ｑ軸電圧指令値から減算し、減算の結果に前記角速度指令値と前記ｄ軸推定磁束とを掛け合わせたものを減算し、減算の結果に一次遅れフィルタ処理をすることで前記ｑ軸推定磁束を算出し、該ｑ軸推定磁束を前記推定磁束として前記磁束制御器に出力する、請求項３に記載のモータ制御装置。
5. 前記制御部は、前記電流検出手段で検出する、前記モータに供給される電流に基づいて、前記電流検出値としてｄ軸電流検出値およびｑ軸電流検出値を算出し、
   前記電流制御器は、前記電流指令値として入力されるｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値に対応して、前記電圧指令値としてｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値を算出し、
   前記制御部が前記同期磁束モードから前記速度制御器を適用するモードに切り替えると、前記磁束推定器が前記推定角速度を出力し、
   前記速度制御器は、
   前記推定角速度が前記角速度指令値になるように前記ｑ軸電流指令値を調整する、請求項１または２に記載のモータ制御装置。
6. 前記速度制御器を適用するモードにおいて、
   前記磁束推定器は、
   前記ｄ軸電流検出値に前記モータの一次巻線の抵抗値を乗じた結果の値を前記ｄ軸電圧指令値から減算し、減算の結果に一次遅れフィルタ処理をすることでｄ軸推定磁束を算出し、該ｄ軸推定磁束を前記推定磁束として前記磁束制御器に出力する、請求項５に記載のモータ制御装置。
7. 前記速度制御器を適用するモードにおいて、
   前記磁束推定器は、
   前記ｑ軸電流検出値に前記一次巻線の抵抗値を乗じた結果の値を前記ｑ軸電圧指令値から減算し、減算の結果を前記ｄ軸推定磁束で割ることで、前記推定角速度を算出する、請求項６に記載のモータ制御装置。
8. 前記速度制御器を適用するモードにおいて、前記ｄ軸電流指令値は他の装置から入力される、請求項５〜７のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
9. 前記速度制御器を適用するモードにおいて、前記磁束指令値は他の装置から入力され、
   前記磁束制御器は、
   前記推定磁束が前記磁束指令値になるように前記ｄ軸電流指令値を調整する、請求項５〜７のいずれか１項に記載のモータ制御装置。

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