JP6809958B2 - 電動機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動機を制御する電動機の制御装置に関するものである。

電動機を駆動させる際、負荷の周期的な変動による外乱トルクや、電動機自身のマグネットトルク及びコギングトルク等の外乱トルクにより、回転速度に脈動が生じる。この脈動は、電動機自身及び電動機を駆動源としている機械装置の振動や騒音を引き起こす原因となる。このような脈動は、特に、低速駆動時に顕著に発生し、機械装置の滑らか且つ高精度な駆動を実現する際の障壁となる。

これらの課題解決を目的とする従来技術として以下に挙げる特許文献が公知である。特許文献１は、電動機と負荷との間にトルク検出器を設け、トルク検出器が検出したトルク検出値をフーリエ変換してトルク脈動成分を検出し、検出したトルク脈動成分に基づいてトルク脈動補償電流を学習することで、脈動を抑制する技術を開示する。

特許文献２は、電動機の出力軸にトルク検出器を設け、トルク検出器が検出したトルクからｍ次元高調波成分を演算し、演算したｍ次元高調波成分を時間積分することで、ｍ次元高調波成分を補正するための補正値を学習する。そして、学習した補正値をもとに、電動機への電流指令を出力し、トルク脈動を抑制する技術を開示する。

特許文献３は、加速度センサによって検出されたモータの振動から特定周波数の振動成分を抽出し、この振動成分を当該特定周波数の主振動成分と脈動振動成分とに分解し、得られた主振動成分と脈動振動成分との全てを同時に抑制する補償信号を生成することで、モータの脈動を抑制する技術を開示する。

国際公開第２０１０／０２４１９４号 特開２０１３−１９８２２１号公報 特開２０１２−８０６１４号公報

上記いずれの技術も、脈動や振動を抑制するためにトルク検出器や加速度検出器といった、専用の検出器が追加されているが、このような専用の検出器は、大規模且つ高価であるので、システムのコストアップを招来すると同時に、部品点数が増大し、システムの信頼性が低下するという問題がある。

特に、トルク検出器は、検出対象となるトルクが増大するにつれて、コスト及びサイズが増大するので、機械装置への搭載性という面で課題がある。

更に、特許文献１、２は、学習制御が用いられているが、学習には一定の時間が必要であると共に、学習は装置が稼働される度に行う必要があるので、装置の使用開始から脈動が十分に抑制されるまで、毎回タイムラグが発生するという問題がある。特に、特許文献１、２の技術をオペレータが操作する作業機械に適用した場合、毎回、脈動が発生するので、オペレータに煩わしさを与えるという問題がある。また、タイムラグの経過後には脈動が抑制されるので、タイムラグの経過の前後で異なる操作感をオペレータに与えてしまうという問題も発生する。

本発明の目的は、大規模な検出器を用いなくても、稼働開始から直ぐに回転速度の脈動を抑制することができる電動機の制御装置を提供することである。

本発明の一態様に係る電動機の制御装置は、電動機の回転速度を目標速度にするための電圧指令値を算出する電圧指令値算出部と、
前記電圧指令値算出部により算出された電圧指令値に基づいて前記電動機を駆動させる駆動部と、
前記電動機の回転速度を検出する速度検出部と、
前記速度検出部により検出された回転速度から特定の周波数の脈動成分を抽出する脈動抽出部と、
前記脈動抽出部により抽出された脈動成分から、前記脈動成分の加速度である脈動加速度を算出し、前記算出した脈動加速度に、前記脈動成分に仮想的な慣性負荷を与えるための所定の係数を乗算し、乗算結果を電圧に変換することで補償電圧値を算出する補償電圧算出部と、
前記補償電圧算出部により算出された補償電圧値を前記電圧指令値に加算する加算器と、
前記目標速度から前記特定の周波数の脈動成分を抽出する第１脈動抽出部と、
前記第１脈動抽出部により抽出された脈動成分から、第１脈動加速度を算出し、前記算出した第１脈動加速度に前記所定の係数を乗算し、乗算結果を電圧に変換することで応答補償電圧値を算出する第１補償電圧算出部と、
前記補償電圧算出部により算出された補償電圧値から前記応答補償電圧値を減算する第１減算器とを備え、
前記加算器は、前記応答補償電圧値が減算された補償電圧値を前記電圧指令値に加算する。

本態様によれば、検出された回転速度から脈動成分が抽出され、抽出された脈動成分から脈動加速度が算出され、算出された脈動加速度に所定の係数が乗算され、乗算結果が電圧に変換されることで補償電圧値が算出され、この補償電圧値が電圧指令値に加算される。これにより、電圧指令値において脈動成分の電圧値が増大し、脈動成分にのみ仮想的な慣性負荷を与えることができる。その結果、脈動成分を抑制するような電圧指令値を用いて、電動機を制御することができ、回転速度の脈動を抑制することができる。
特定の周波数の脈動成分に仮想的な慣性負荷を与えるだけでは、目標速度が変化したときに過剰な慣性負荷が加わってしまい、目標速度の変化に対する回転速度の応答性が悪化してしまう。本態様では、目標速度から抽出された脈動成分に基づいて応答補償電圧値が算出され、この応答補償電圧値が補償電圧算出部で算出された補償電圧値から減じられている。そのため、補償電圧値を脈動の抑制にのみに作用させることができ、速度制御に対する応答性の悪化を回避することができる。

このように、本態様では、学習によらなくても、脈動成分が抑制できるので、電動機の稼働開始時から直ぐに脈動成分を抑制できる。

また、本態様では、高コスト且つ大規模なトルク検出器や加速度センサが用いられていないので、低コスト且つ小規模に装置を構成できる。

また、上記態様において、前記脈動成分は、周波数が異なる第１及び第２脈動成分を含み、
前記脈動抽出部は、前記第１及び第２脈動成分に対応する第１及び第２脈動抽出部を含み、
前記補償電圧算出部は、前記第１及び第２脈動成分に対応する第１及び第２補償電圧算出部を含み、
前記第１及び第２補償電圧算出部により算出された第１及び第２補償電圧値を加算する積分器を更に備え、
前記加算器は、前記加算された前記第１及び第２補償電圧値を前記電圧指令値に加算してもよい。

本態様によれば、脈動抽出部及び補償電圧算出部のセットが、周波数の異なる複数の脈動成分に対応して並列的に複数設けられているので、複数の脈動成分を同時に抑制できる。

上記態様において、前記電圧指令値算出部は、前記速度検出部により検出された前記電動機の回転速度と前記目標速度との速度偏差を０にするための目標電流値を算出し、前記目標電流値と前記電動機に供給される電流値との電流偏差を０にするための電圧指令値を算出し、
前記脈動抽出部により抽出された脈動成分から、前記第１脈動抽出部により抽出された脈動成分を減算する第２減算器と、
前記第２減算器による減算結果を、前記目標速度と前記速度検出部により検出された前記電動機の回転速度との速度偏差から減算する第３減算器とを更に備えてもよい。

応答補償電圧値が減じられた補償電圧値を電圧指令値に加算した場合、前記減じられた補償電圧値に含まれる目標速度の脈動成分と回転速度の脈動成分との差分項が、電流フィードバック制御により算出される電圧指令値と干渉し、制御の開始時に大きな脈動が発生する可能性がある。

本態様によれば、脈動抽出部により抽出された脈動成分から、第１脈動抽出部により抽出された脈動成分が減算され、その減算結果が目標速度と速度検出部により検出された回転速度との速度偏差から減算されている。

そのため、前記減じられた補償電圧値に含まれる目標速度の脈動成分と回転速度の脈動成分との差分項が、前記減算結果によって弱められ、前記干渉の影響を弱めることができ、制御の開始時に表れる大きな脈動を抑制することができる。

また、上記態様において、前記目標速度は周期的に変化してもよい。

本態様によれば、目標速度が周期的に変化する場合においても、速度制御に対する応答性の悪化を回避できる。

また、前記脈動抽出部は、前記特定の周波数を通過周波数とするバンドパスフィルタを用いて前記脈動成分を抽出してもよい。

本態様によれば、特定の周波数を通過周波数とするバンドパスフィルタが用いられているので、脈動成分を正確に抽出できる。

また、上記態様において、前記電圧指令値算出部は、ｄ軸及びｑ軸の電圧指令値を算出し、
前記加算器は、前記ｑ軸の電圧指令値に前記補償電圧値を加算してもよい。

補償電圧値は、脈動加速度に係数を乗じ、電圧に変換することで算出されているので、仮想的な慣性負荷の慣性トルクに相当する電圧指令値を示す。本態様では、補償電圧値は、電圧指令値のトルク成分であるｑ軸の電圧指令値に加算されているので、慣性トルクをモータに正確に付与できる。

本発明によれば、トルク検出器や加速度検出器といった専用の検出器を用いなくても、稼働開始から直ぐに回転速度の脈動を抑制することができる。

本発明の実施の形態に係るモータの制御装置の構成を示すブロック図である。 図１に示す補償電圧値による電圧補償を説明する図である。 図１に示す脈動抽出部と、補償電圧算出部との詳細を示すブロック図である。 式（１）に示すバンドパスフィルタのボード線図である。 実施の形態１における脈動成分の抑制効果を確認するために行ったシミュレーションの結果を示すグラフである。 本発明の実施の形態２に係る制御装置のブロック図である。 目標速度が変化した場合に、慣性負荷をモータに付与したことによる応答性の低下を説明する図である。 本発明の実施の形態３に係る制御装置の構成を示すブロック図である。 図８に示す脈動抽出部と、補償電圧算出部との詳細を示すブロック図である。 実施の形態３における脈動成分の抑制効果を確認するために行ったシミュレーションの結果を示すグラフである。 本発明の実施の形態４に係るモータの制御装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態４における脈動成分の抑制効果を確認するために行ったシミュレーションの結果を示すグラフである。 実施の形態４における脈動成分の抑制効果を確認するために行ったシミュレーションの結果を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態に係る電動機（以下、「モータ」と記述する。）の制御装置について図面を参照しながら説明する。永久磁石同期電動機をはじめとした３相ブラシレスモータの速度制御は、近年、ベクトル制御が用いられることが一般的である。したがって、本実施の形態においても、モータの速度制御として、ベクトル制御を採用する。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態に係るモータＭの制御装置１の構成を示すブロック図である。制御装置１は、減算器５、電圧指令値算出部１０、駆動部２０、脈動抽出部３０、補償電圧算出部４０、加算器５０、ｕｖｗ／ｄｑ変換器６０、角度検出器７０（速度検出部に相当）、速度算出器８０（速度検出部に相当）、及び電流センサ８１，８２，８３を備える。

角度検出器７０は、例えば、レゾルバやエンコーダ等で構成され、モータＭの回転角度を検出し、検出した回転角度を角度検出値として速度算出器８０に出力する。ここで、角度検出値としては、例えば、基準回転位置に対する回転子の回転角度が採用できる。なお、速度検出値（回転速度の一例）は、例えば、回転子が所定の第１方向（例えば、右回りの方向）に回転している場合、プラスの値を持ち、回転子が第１方向とは反対の第２方向（例えば、左回りの方向）に回転した場合は、マイナスの値を持つようにして、回転方向を区別可能に構成してもよい。

速度算出器８０は、角度検出器７０で検出された角度検出値を微分し、モータＭの回転速度を算出し、速度検出値として出力する。

減算器５は、目標速度から速度検出値を減算し、速度偏差を算出する。目標速度は、モータＭが適用される装置に応じて異なる。例えば、モータＭが建設機械のウィンチドラムや上部旋回体や下部走行体の駆動に用いられるのであれば、操作レバーの操作量に応じた値に目標速度は設定される。また、モータＭが電気自動車やハイブリッド自動車の走行モータに適用されるのであれば、アクセルの操作量に応じた値に目標速度は設定される。

電圧指令値算出部１０は、速度算出器８０により算出されたモータＭの回転速度と目標速度との速度偏差を０にするための目標電流値を算出し、目標電流値とモータＭに供給される電流値との電流偏差を０にするための電圧指令値を算出する。具体的には、電圧指令値算出部１０は、速度制御器１１、電流指令生成器１２、電流制御器１３、及び減算器１４，１５を備える。

速度制御器１１は、減算器５から速度偏差が入力され、この速度偏差を０にするためのトルク指令値を算出する。ここで、速度制御器１１は、例えばＰＩ（比例・積分）制御を用いてトルク指令値を算出すればよい。なお、これは一例であり、速度制御器１１は、ＰＩＤ（比例・積分・微分）制御を用いてトルク指令値を算出してもよい。

電流指令生成器１２は、トルク指令値に基づいて、ｄ軸の目標電流値Ｉｄ＿ｒｅｆとｑ軸の目標電流値Ｉｑ＿ｒｅｆとを算出する。ここで、電流指令生成器１２は、例えば、トルク指令値に対して予め定められた値を目標電流値Ｉｄ＿ｒｅｆ，Ｉｑ＿ｒｅｆとして生成すればよい。

減算器１４は、目標電流値Ｉｄ＿ｒｅｆからｄ軸の実電流値Ｉｄを減算し、ｄ軸の電流偏差を算出する。減算器１５は、目標電流値Ｉｑ＿ｒｅｆからｑ軸の実電流値Ｉｑを減算し、ｑ軸の電流偏差を算出する。

電流制御器１３は、減算器１４からのｄ軸の電流偏差を０にするためのｄ軸の電圧指令値を算出すると共に、減算器１５からのｑ軸の電流偏差を０にするためのｑ軸の電圧指令値を算出する。ｄ軸の電圧指令値はモータＭに出力する電圧の界磁成分を制御する指令値であり、ｑ軸の電圧指令値はモータＭに出力する電圧のトルク成分を制御するための指令値である。ここで、電流制御器１３は、例えば、ＰＩ制御を用いてｄ，ｑ軸の電圧指令値を算出すればよい。但し、これは一例であり、電流制御器１３は、ＰＩＤ制御を用いてｄ，ｑ軸の電圧指令値を算出してもよい。

駆動部２０は、ｄｑ／ｕｖｗ変換器２１及びインバータ２２を備え、電流制御器１３により生成されたｄ，ｑ軸の電圧指令値に基づいてモータＭを駆動させる。

ｄｑ／ｕｖｗ変換器２１は、ｄ，ｑ軸の電圧指令値を座標変換し、ｕｖｗ相の３相からなるＰＷＭ信号を生成し、インバータ２２に出力する。

インバータ２２は、例えば、３相のインバータで構成され、３相のＰＷＭ信号からＵＶＷの３相の交流電力を生成し、モータＭに出力する。

モータＭは、例えば、３相のブラシレスモータで構成され、インバータ２２から出力されるＵＶＷの３相の交流電力に従って駆動される。例えば、制御装置１がクレーンやショベルカーといった建設機械に適用されるのであれば、モータＭは、上部旋回体を旋回させたり、ウィンチドラムを回転させたりする。また、制御装置１が電気自動車に適用されるのであれば、電気自動車を走行させる。

電流センサ８１，８２，８３は、それぞれ、例えば、ホール素子を利用したホール式の電流センサで構成され、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の交流電流を検出する。

ｕｖｗ／ｄｑ変換器６０は、電流センサ８１，８２，８３で検出されたＵ，Ｖ，Ｗ相の交流電流を座標変換し、ｄ，ｑ軸の実電流値Ｉｄ，Ｉｑを算出し、減算器１４，１５に出力する。

以上が制御装置１の基本構成であり、速度検出値が目標速度に追従するように、モータＭがフィードバック制御される。

脈動抽出部３０は、速度算出器８０が算出した速度検出値から、特定の周波数の脈動成分の速度である脈動速度を抽出する。ここで、脈動抽出部３０は、例えば、式（１）の伝達関数で表される２次のバンドパスフィルタを用いて脈動速度を抽出すれば良い。

ｓ：ラプラス演算子 ｆ０：通過周波数 ζ：減衰比
補償電圧算出部４０は、脈動加速度算出器４１、乗算器４２、及び変換器４３を備える。脈動加速度算出器４１は、脈動抽出部３０により抽出された脈動速度から、脈動成分の加速度である脈動加速度を算出する。ここで、脈動加速度算出器４１は、脈動抽出部３０により抽出された脈動速度に対して微分処理を行うことで、脈動加速度を算出する。

本実施例では、脈動加速度算出器４１は、この微分処理を数値的に行うため、式（２）の伝達関数で表される近似微分処理を行う。

ｓ：ラプラス演算子 Ｔ：時定数
なお、時定数Ｔは、例えば、Ｔ＜＜１を満たす十分小さい値であるものとする。

乗算器４２は、脈動加速度に所定の係数ｋを乗じることで、慣性トルクを算出する。ここで、係数ｋは、特定の脈動成分に仮想的な慣性負荷を与えるための係数である。

変換器４３は、乗算器４２が算出した慣性トルクを電圧に変換する所定の演算を行うことで、補償電圧値を算出する。所定の演算については後述する。

加算器５０は、電流制御器１３により算出されたｑ軸の電圧指令値に、補償電圧値を加算することで、ｑ軸の電圧指令値を補正し、補正したｑ軸の電圧指令値をｄｑ／ｕｖｗ変換器２１に出力する。これにより、モータＭの回転速度に含まれる脈動成分が抑制され、滑らかなモータＭの駆動が実現される。

図２は、図１に示す補償電圧値による電圧補償を説明する図である。モータＭは、駆動対象となる物体の慣性負荷が大きくなるにつれて、その物体の加減速時に大きなトルク（慣性トルク）を付与する必要がある。この慣性トルクの大きさは、慣性負荷の大きさを示す慣性モーメントに角加速度を乗じた値を持つ。

したがって、脈動加速度に係数ｋを乗じた乗算結果は、係数ｋの慣性モーメントを持つ慣性負荷２００がモータＭに接続されている場合の慣性トルクを表すことになる。そこで、本実施の形態では、この慣性トルクを電圧に変換することで、補償電圧値を算出し、算出した補償電圧値をｑ軸の電圧指令値に加算している。

これにより、脈動成分の周波数においてのみ有効な慣性負荷２００が、あたかもモータＭに接続されているかのようなトルク制御をモータＭに対して行うことができる。その結果、脈動成分に対するモータＭの回転速度の応答性が低下して脈動成分が抑制され、滑らかなモータＭの駆動を実現できる。ここで、外乱トルクとしては、モータＭに接続された負荷の周期的な変動やコギングトルクによってモータＭに加わるトルクが該当する。また、外乱トルクをもたらす負荷としては、例えば、減速器が該当する。

次に、変換器４３による所定の演算について説明する。乗算器４２が算出するのは、慣性トルクであり、電圧のディメンションを持っていないので、そのまま、ｑ軸の電圧指令値に加算することはできない。そこで、本実施の形態は、変換器４３を設け、慣性トルクに相当する電圧値である補償電圧値を算出する。

具体的には、変換器４３は、式（３）又は式（４）を用いて補償電圧値を算出する。

Δｖｑ：ｑ軸の電圧指令値の変化量 Ｒａ：巻線抵抗 ΔＴｑ：慣性トルクの変化量 Ｐｎ：極対数 Ψａ：永久磁石の鎖交磁束 Ｌｑ：ｑ軸のインダクタンス Ｌｄ：ｄ軸インダクタンス ｉｑ：ｑ軸の実電流値 ｉｄ：ｄ軸の実電流値 ΔＴ：演算周期
なお、式（３）、（４）において、Ｒａ、Ｐｎ、Ψａ、Ｌｑ、Ｌｄ、ΔＴは既知であり、ｉｄ，ｉｑは、ｕｖｗ／ｄｑ変換器６０が算出する実電流値Ｉｄ，Ｉｑである。

トルクと電流指令値との関係は、下記の式（５）で表される。また、巻線抵抗Ｒａのみを考慮した場合、Δｉｑだけ電流指令値を追加する場合に必要な電圧指令値は、下記の式（６）で表される。

更に、巻線抵抗Ｒａに加えて、ｑ軸のインダクタンスＬｑも考慮した場合、Δｉｑだけ電流指令値を追加する場合に必要な電圧指令値は、上記の式（７）で表される。

式（５）をｉｑについて解き、式（６）に代入すると、式（３）が得られる。また、式（５）をｉｑについて解き、式（７）に代入すると、式（３）が得られる。したがって、乗算器４２が慣性トルクの変化量（ΔＴｑ）出力するとすると、変換器４３は、式（３）又は式（４）を用いて電圧指令値の変化量（Δｖｑ）を求め、算出した電圧指令値の変化量（Δｖｑ）を補償電圧値の変化量として出力すればよい。

図３は、図１に示す脈動抽出部３０と、補償電圧算出部４０との詳細を示すブロック図である。以下、外乱トルクとしてコギングトルクを採用し、コギングトルクを抑制対象とした場合を例に挙げて説明する。脈動抽出部３０は、上述したように、式（１）のバンドパスフィルタが用いられている。ここで、コギングトルクの周波数は、モータＭの極数及びスロット数から事前に求めることができる。また、脈動加速度算出器４１は、式（２）の伝達関数が用いられている。

図４は、式（１）に示すバンドパスフィルタＧ４０１のボード線図であり、縦軸はゲイン、横軸は周波数を示している。図４に示すように、バンドパスフィルタＧ４０１は、ピークに対応する通過周波数ｆ０を中心にゲインが一定の傾きで減少する左右対称な形状を持っている。バンドパスフィルタＧ４０１は、通過周波数ｆ０がコギングトルクの周波数に一致されている。また、通過周波数ｆ０を中心とする通過帯域Ｂは、ピークに対してゲインが一定の比率以上となる帯域である。一定の比率としては、例えば８０％や９０％とといった値が採用できる。ここでは、通過帯域Ｂの幅が一定の幅を確保できるように、減衰比ζが設定されている。

このように通過帯域Ｂを設定することで、モータＭの極数及びスロット数から求められたコギングトルクの周波数に対して、実際のコギングトルクの周波数が多少ずれていたとしても、バンドパスフィルタＧ４０１は、脈動成分を抽出できる。

図５は、実施の形態１における脈動成分の抑制効果を確認するために行ったシミュレーションの結果を示すグラフであり、縦軸はモータＭの回転速度を示し、横軸は時間を示している。図５のグラフでは、時刻Ｔ１になるまでは、脈動抽出部３０及び補償電圧算出部４０による脈動抑制制御は作動されておらず、時刻Ｔ１以降に脈動抑制制御が作動されている。また、このシミュレーションでは、モータＭは一定の目標速度Ｖ０となるように制御されている。

脈動抑制制御を作動させるまでは、回転速度Ｖは、目標速度Ｖ０を中心に上下に大きく変動しており、コギングトルクにより生じる脈動が発生していることが分かる。一方、脈動抑制制御を作動させると、脈動成分の振幅が時刻Ｔ１より前の脈動成分の振幅に比べて約１０％以下にまで低下されており、脈動が十分に抑制されていることが分かる。

なお、係数ｋが過大であると、慣性負荷２００による慣性トルクが過大となり、応答性が悪化する。一方、係数ｋが過小であると、慣性負荷２００による慣性トルクが過小となり、脈動成分を十分に抑制できなくなる。

そこで、係数ｋとしては、例えば、脈動成分を十分に抑制でき、且つ、一定以上の応答性を保つことができる値が採用される。具体的には、係数ｋは、モータＭの慣性モーメントの２倍や３倍といったオーダーの値が採用されるが、これは一例である。

このように、制御装置１は、補償電圧値をｑ軸の電圧指令値に加算しているので、脈動成分にのみ仮想的な慣性トルクを与えることができ、脈動成分を抑制できる。また、制御装置１は、ロータリーエンコーダといった小規模な角度検出器７０が検出する角度検出値に基づいて、トルクに相当する補償電圧値を算出しているので、トルク検出器や加速度検出器のような、大規模且つ高価なセンサを用いることなく補償電圧値を算出できる。更に、制御装置１は、学習制御を採用することなく補償電圧値を算出しているので、稼働開始時から速やかに脈動を抑制できる。

なお、コギングトルクといった周期的な外乱トルクは、モータＭを、定格速度よりも遅い速度で駆動させた場合に発生する可能性が高い。例えば、クレーンにおける吊荷の上げ下げのような、微妙な位置決め操作が行われるシーンにおいて、モータＭを用いて位置決め制御が行われる場合、モータＭが定格速度よりも低い速度で駆動されることが頻発する。したがって、制御装置１はこのようなシーンにおいて有効となる。つまり、目標速度がモータＭの定格速度域よりも低速の速度域に設定された場合に、制御装置１による制御手法が有効となる。

［実施の形態２］
実施の形態１では、１種類の外乱トルクを抑制対象としたが、実施の形態２では、複数種類の外乱トルクを抑制対象とすることを特徴とする。なお、本実施の形態において、実施の形態１と同一の構成要素には、同一の符号を付し、説明を省く。このことは、実施の形態３も同じである。

モータＭには、上述したように、コギングトルクや、モータＭに接続されている負荷の周期的な脈動が、外乱トルクとなってモータＭに付与されることで、回転速度が脈動する。このように、周期的な外乱トルクは、複数存在しており、これら複数の外乱トルクによる脈動を同時に抑制したいケースも存在する。この課題を解決するのが実施の形態２である。

図６は、本発明の実施の形態２に係る制御装置１のブロック図である。図１との相違点は、抑制対象の脈動成分の周波数毎に、脈動抽出部３０及び補償電圧算出部４０が設けられている点、並びに積分器５１が設けられている点にある。図６の例では、周波数の異なるｎ（ｎは２以上の整数）種類の脈動成分に対応してｎ種類の脈動抽出部３０＿１（３０），・・・，３０＿ｎ（３０）及び補償電圧算出部４０＿１（４０），・・・，４０＿ｎ（４０）が設けられている。なお、脈動抽出部３０＿１は第２脈動抽出部に相当し、脈動抽出部３０＿２，・・・，３０＿ｎは第３脈動抽出部に相当する。また、補償電圧算出部４０＿１は、第２補償電圧算出部に相当し、補償電圧算出部４０＿２，・・・，４０＿ｎは第３補償電圧算出部に相当する。

具体的には、脈動抽出部３０＿１，・・・，３０＿ｎは、それぞれ、対応する脈動成分の周波数に合わせて、バンドパスフィルタＧ４０１の通過周波数ｆ０が設定されている。これにより、脈動抽出部３０＿１，・・・，３０＿ｎは、それぞれ、速度算出器８０で検出された速度検出値から対応する脈動成分を抽出する。

補償電圧算出部４０＿１，・・・，４０＿ｎは、それぞれ、脈動加速度算出器４１、乗算器４２、及び変換器４３を備える。本実施の形態では、乗算器４２の係数ｋは、対応する脈動成分を問わず一律に同じ値が採用されてもよいし、対応する脈動成分毎に異なる値が採用されてもよい。

積分器５１は、補償電圧算出部４０＿１，・・・，４０＿ｎで算出された、ｎ個の補償電圧値を加算して、加算補償電圧値を算出し、加算器５０に出力する。

加算器５０は、電流制御器１３から出力されたｑ軸の電圧指令値に、積分器５１から出力された加算補償電圧値を加算して、ｄｑ／ｕｖｗ変換器２１に出力する。

以上により、電流制御器１３から出力されるｑ軸の電圧指令値には抑制対象となるｎ種類の脈動成分に対応する補償電圧値が加算されることになる。その結果、ｎ種類の脈動成分の周波数においてのみ有効な、係数ｋの慣性モーメントを持った仮想的なｎ種類の慣性負荷２００が、あたかもモータＭに接続されているかのようなトルク制御を、モータＭに対して行うことができる。これにより、複数の種類の脈動成分を、同時に抑制することができる。

［実施の形態３］
図７は、目標速度が変化した場合に、慣性負荷２００をモータＭに付与したことによる応答性の低下を説明する図である。

実施の形態１では、図７のセクション（ａ）に示すように、補償電圧値をｑ軸の電圧指令値に加算して、外乱トルクの周波数においてのみ有効な慣性負荷２００をモータＭに付与することで、回転速度の脈動を抑制した。しかし、目標速度が変化すると、慣性負荷２００をモータＭに付与した分、モータＭの応答性が悪化するので、図７のセクション（ｂ）に示すように、目標速度に対する実際の回転速度の追従性が低下する可能性がある。

そこで、実施の形態３では、図８に示す構成を採用した。図８は、本発明の実施の形態３に係る制御装置１の構成を示すブロック図である。図８において、図１との相違点は、脈動抽出部３００（第１脈動抽出部に相当）及び補償電圧算出部４００（第１補償電圧算出部に相当）が更に設けられている点にある。

脈動抽出部３００は、目標速度から特定の周波数の脈動成分を抽出する。ここで、脈動抽出部３００は、脈動抽出部３０が脈動成分の抽出に用いるバンドパスフィルタと同じバンドパスフィルタを用いて脈動成分を抽出している。しかし、脈動抽出部３００は、速度検出値ではなく目標速度から脈動成分を抽出している点が、脈動抽出部３０と異なる。

補償電圧算出部４００は、脈動加速度算出器４０１、乗算器４０２、及び変換器４０３を備える。脈動加速度算出器４０１は、脈動抽出部３００により抽出された脈動成分から脈動加速度を算出する。乗算器４０２は、脈動加速度算出器４０１により抽出された脈動成分に係数ｋを乗算し、慣性トルクを算出する。変換器４０３は、乗算器４０２が算出した慣性トルクを、上述の式（３）又は式（４）を用いて変換し、応答補償電圧値を算出する。ここで、脈動加速度算出器４０１、乗算器４０２、及び変換器４０３の構成は、脈動加速度算出器４１、乗算器４２、及び変換器４３と同じである。

減算器５２（第１減算器の一例）は、変換器４３から出力された補償電圧値から変換器４０３から出力された応答補償電圧値を減じることで、補償電圧値を補正し、補正した補償電圧値を加算器５０に出力する。

これにより、ｑ軸の電圧指令値には、応答補償電圧値が減じられた補償電圧値が加算されることになる。変換器４３が出力する補償電圧値は、速度検出値から脈動成分を抽出することで算出された電圧値なので、目標速度の脈動成分の影響と、速度検出値の脈動成分の影響とが含まれる。

一方、変換器４０３が出力する応答補償電圧値は、目標速度の脈動成分を抽出することで算出された電圧値なので、目標速度の脈動成分の影響のみが含まれている。したがって、変換器４３が出力した補償電圧値から応答補償電圧値を減じることで、補償電圧値に含まれる目標速度の脈動の影響を除去することがでる。その結果、目標速度が周期的に変動した場合において、モータＭの回転速度の応答性が悪化することを抑制できる。

図９は、図８に示す脈動抽出部３０，３００と、補償電圧算出部４０，４００との詳細を示すブロック図である。図９に示すように、脈動抽出部３００は、脈動抽出部３０と同様、式（１）で表されるバンドパスフィルタが採用されている。ここで、脈動抽出部３００が採用するバンドパスフィルタの各種パラメータ（ｆ０：通過周波数 ζ：減衰比）も、脈動抽出部３０と同じである。

また、脈動加速度算出器４０１も、脈動加速度算出器４１と同様、式（２）で表される伝達関数が採用されている。ここで、脈動加速度算出器４０１の伝達関数が採用する各種パラメータ（Ｔ：時定数）も、脈動加速度算出器４１と同じである。更に、乗算器４０２が採用する係数ｋも乗算器４２と同じである。

図１０は、実施の形態３における脈動成分の抑制効果を確認するために行ったシミュレーションの結果を示すグラフであり、縦軸はモータＭの回転速度を示し、横軸は時間を示している。

なお、図１０において、セクション（ａ）は脈動抽出部３０及び補償電圧算出部４０による脈動抑制制御が作動されていない場合のシミュレーションの結果を示し、セクション（ｂ）は脈動抑制制御のみ作動させた場合のシミュレーションの結果を示し、セクション（ｃ）は脈動抑制制御に加えて、脈動抽出部３００及び補償電圧算出部４００による応答改善制御を作動させた場合のシミュレーションの結果を示している。

また、このシミュレーションでは、周波数が一定のサイン波で目標速度を変化させ、この目標速度に追従するように制御装置１にモータＭを制御させた。但し、これは一例であり、目標速度は一定の周期を持つパルス波のような、サイン波以外の周期的な波形で変化されてもよい。また、このシミュレーションでは、外乱トルクとしてコギングトルクを採用した。

図１０のセクション（ａ）に示すように、脈動抑制制御及び応答改善制御を行わない通常のベクトル制御では、回転速度Ｖは、目標速度Ｖ０に追従しているが、目標速度Ｖ０を中心に大きく変動し、脈動が発生していることが分かる。これは、図５のシミュレーションと同様、モータＭのコギングトルクによる影響であり、極数、スロット数に応じた周波数で、脈動が発生している。

一方、脈動抑制制御のみを作動させた場合、図１０のセクション（ｂ）に示すように、セクション（ａ）に見られていたコギングトルクによる脈動が十分抑制されていることが分かる。

しかし、目標速度Ｖ０に対する追従性については、目標速度Ｖ０に追従しようとするモータＭの回転速度Ｖの変化に対し、それを妨げようとする仮想的な慣性負荷がモータＭに付与され、目標速度Ｖ０に追従できていない領域が発生していることが分かる。具体的には、目標速度Ｖ０が大きく切り替わるサイン波のピークの箇所（山及び谷の箇所）で、回転速度Ｖが目標速度Ｖ０を大きく超えており、この箇所で回転速度Ｖが目標速度Ｖ０に追従できていないことが分かる。

これに対し、脈動抑制制御に加えて応答改善制御を作動させると、目標速度Ｖ０に追従するための回転速度Ｖの変化に対して、慣性負荷２００が過度に作用することが回避される。そのため、図１０のセクション（ｃ）に示すように、セクション（ａ）で見られた脈動や、セクション（ｂ）で見られたような追従性が悪化した箇所が発生することを抑制できる。その結果、コギングトルクによる脈動を抑制すると同時に、目標速度Ｖ０に対する回転速度Ｖの追従性の低下も抑制できる。

［実施の形態４］
実施の形態３に係る制御装置１は、上述したように応答性を改善するが、脈動抑制制御及び応答改善制御の開始時に大きな脈動が発生する可能性がある。以下、図８を用いて説明する。図８において、脈動抽出部３０及び補償電圧算出部４０は脈動抑制制御に関するブロックであり、脈動抽出部３００及び補償電圧算出部４００は応答改善制御に関するブロックである。これら以外のブロックはモータＭに対する通常の電流フィードバック制御に関するブロックである。

電流制御器１３は、ＰＩ制御を実行する制御器であるとする。この場合、電流制御器１３は、目標電流値Ｉｑ＿ｒｅｆ（以下、ｉｑ＊の符号を付して表す。）と実電流値ｉｑとの電流偏差に対し、比例項と積分項とを合わせた式（８）の演算により、ｑ軸の電圧指令値（ｖｑ＊）を算出する。なお、ｄ軸については説明を省略する。

Ｋ＿ｃｑ：電流フィードバック制御の比例ゲイン Ｔ＿ｃｑ：電流フィードバック制御の積分時間 ｖｑ＊：は電流制御器１３により決定されるｑ軸の電圧指令値 ｉｑ＊：ｑ軸の目標電流値Ｉｄ＿ｒｅｆ ｉｑ：ｑ軸の実電流値
また、電流指令生成器１２も同様にＰＩ制御を行う制御器であるとする。この場合、電流指令生成器１２は、式（９）の演算を行い、ｑ軸の目標電流値（ｉｑ＊）を算出する。

Ｋｓｐ：速度制御の比例ゲイン Ｋｓｉ：速度制御の積分ゲイン Ｖ０：目標速度 Ｖ：モータＭの回転速度
式（８）、（９）から目標速度Ｖ０とモータの回転速度Ｖとの速度偏差に対し、電圧指令値（ｖｑ＊）は下記の式（１０）で決定される。式（１０）に示す電圧指令値（ｖｑ＊）は通常の電流フィードバック制御で得られる電圧指令値（ｖｑ＊）である。

一方、脈動抽出部３０が抽出する回転速度Ｖの脈動成分をＶ’、脈動抽出部３００が抽出する目標速度Ｖ０の脈動成分をＶ０’とすると、補償電圧算出部４０、４００、及び減算器５２により、補償電圧値（Δｖｑ）は式（１１）で決定される。

脈動抑制制御及び応答改善制御の制御器があると、結果として式（１０）の電圧指令値（ｖｑ＊）に式（１１）の補償電圧値（Δｖｑ）が加わるため、式（１１）に示す（Ｖ’−Ｖ０’）の項が式（１０）に示す（Ｖ−Ｖ０）の項と干渉する。これにより、式（１１）で示す補償電圧値（Δｖｑ）が、式（１０）に示す通常の電流フィードバック制御により算出される電圧指令値（ｖｑ＊）と干渉し、制御の開始時に大きな脈動が生じる可能性がある。特に積分制御（Ｉ動作）を行った場合、制御の開始時にオーバーシュートやハンチングが生じやすいため、この脈動が大きくなる。

そこで、実施の形態４では、式（１１）で表される、干渉項となる脈動成分（Ｖ’）のと脈動成分（Ｖ０’）との差分（Ｖ’−Ｖ０’）の項の０影響を弱めるために、図１１に示す構成を採用する。

図１１は、本発明の実施の形態４に係る制御装置１の構成を示すブロック図である。図１１の制御装置１は、図８の制御装置１に対して、減算器１１１（第２減算器の一例）と、減算器１１２（第３減算器の一例）とを更に備える。

減算器１１１は、脈動抽出部３０で抽出された脈動成分（Ｖ’）から脈動抽出部３００で抽出された脈動成分（Ｖ０’）を減算する。減算器１１２は、減算器１１１による減算結果（Ｖ’−Ｖ０’）を目標速度Ｖ０と回転速度Ｖとの速度偏差（Ｖ−Ｖ０）から減算する。

こうすることで、補償電圧値（Δｖｑ）における干渉項である脈動成分（Ｖ’）及び脈動成分（Ｖ０’）の差分（Ｖ’−Ｖ０）の項が、減算結果（Ｖ’−Ｖ０’）によって弱められ、補償電圧値（Δｖｑ）が通常の電流フィードバック制御に与える影響を弱めることができる。

図１２、図１３は、実施の形態４における脈動成分の抑制効果を確認するために行ったシミュレーションの結果を示すグラフであり、縦軸はモータＭの回転速度を示し、横軸は時間を示している。

図１２は実施の形態４で示した干渉抑制制御及び応答改善制御を適用していない場合のシミュレーション結果を示し、図１３は干渉抑制制御及び応答改善制御を適用した場合のシミュレーション結果を示している。図１２、図１３のグラフでは、時刻Ｔ１になるまでは、脈動抑制制御及び応答改善制御が作動されておらず、通常の電流フィードバック制御のみが作動されており、時刻Ｔ１以降に脈動抑制制御及び応答改善制御が作動されている。また、このシミュレーションでは、モータＭは一定の目標速度Ｖ０となるように制御されている。また、このシミュレーションでは、周波数が一定のサイン波で外乱トルクが与えられている。なお、目標速度Ｖ０は一定速度ではなく、周期的に変化する波形が採用されてもよく、外乱トルクはサイン波以外の周期的な波形が採用されてもよい。

図１２と図１３とでは同じ振幅及び周波数の外乱トルクが加えられている。図１２と図１３とを比較すると、図１３の方が図１２に比べ、脈動抑制制御及び応答改善制御を作動させる前において、波形の振幅が小さく、脈動が抑制されている。そのため、図１３の方が図１２に比べ、脈動抑制制御及び応答改善制御を作動させた後においても、波形の振幅が小さく、脈動が抑制されていることが分かる。特に、脈動抑制制御及び応答改善制御を開始直後において図１２に表れていたハンチングが図１３では大幅に改善されている。

このように実施の形態４では、干渉抑制制御を実行しているので、脈動抑制制御及び応答改善制御の動作開始時の脈動を抑制することができる。

［変形例］
（１）図８では、脈動抽出部３０及び補償電圧算出部４０は１つずつ設けられていたが、これは一例であり、実施の形態２のように抑制対象となる複数の脈動成分に応じて複数個ずつ設けられてもよい。この場合、脈動抽出部３００及び補償電圧算出部４００は、複数の脈動抽出部３０及び補償電圧算出部４０に対応して、複数個ずつ設けられればよい。更に、この場合、脈動抽出部３００は、対応する脈動抽出部３０に対して通過周波数ｆ０が同じバンドパスフィルタを採用すればよい。

（２）上記説明では、外乱トルクは周期性を持つとして説明したが、周期性を持たなくても良い。例えば、外乱トルクが非周期のインパルス波やパルス波である場合、これらの波形は急峻な立ち上がり及び立ち下がりを持つので、複数の周波数成分を含んでいる。したがって、通過周波数ｆ０を持つバンドパスフィルタを用いたとしても、このバンドパスフィルタは、これらの波形に含まれるいずれかの周波数成分を脈動成分として抽出できる。よって、この脈動成分において慣性負荷２００を付与し、脈動を抑制できる。

Ｉｄ，Ｉｑ 実電流値
Ｉｄ＿ｒｅｆ，Ｉｑ＿ｒｅｆ 目標電流値
Ｍ モータ
Ｖ０ 目標速度
１ 制御装置
５，５２，１１１，１１２ 減算器
１０ 電圧指令値算出部
１１ 速度制御器
１２ 電流指令生成器
１３ 電流制御器
１４，１５ 減算器
２０ 駆動部
２１ ｄｑ／ｕｖｗ変換器
２２ インバータ
３０，３０＿１，・・・，３０＿ｎ，３００ 脈動抽出部
４０，４０＿１，・・・，４０＿ｎ，４００ 補償電圧算出部
４１，４０１ 脈動加速度算出器
４２，４０２ 乗算器
５０ 加算器
５１ 積分器
６０ ｕｖｗ／ｄｑ変換器
７０ 角度検出器
８０ 速度算出器
２００ 慣性負荷

Claims (6)

1. 電動機の回転速度を目標速度にするための電圧指令値を算出する電圧指令値算出部と、
   前記電圧指令値算出部により算出された電圧指令値に基づいて前記電動機を駆動させる駆動部と、
   前記電動機の回転速度を検出する速度検出部と、
   前記速度検出部により検出された回転速度から特定の周波数の脈動成分を抽出する脈動抽出部と、
   前記脈動抽出部により抽出された脈動成分から、前記脈動成分の加速度である脈動加速度を算出し、前記算出した脈動加速度に、前記脈動成分に仮想的な慣性負荷を与えるための所定の係数を乗算し、乗算結果を電圧に変換することで補償電圧値を算出する補償電圧算出部と、
   前記補償電圧算出部により算出された補償電圧値を前記電圧指令値に加算する加算器と、
   前記目標速度から前記特定の周波数の脈動成分を抽出する第１脈動抽出部と、
   前記第１脈動抽出部により抽出された脈動成分から、第１脈動加速度を算出し、前記算出した第１脈動加速度に前記所定の係数を乗算し、乗算結果を電圧に変換することで応答補償電圧値を算出する第１補償電圧算出部と、
   前記補償電圧算出部により算出された補償電圧値から前記応答補償電圧値を減算する第１減算器とを備え、
   前記加算器は、前記応答補償電圧値が減算された補償電圧値を前記電圧指令値に加算する電動機の制御装置。
2. 前記脈動成分は、周波数が異なる第２及び第３脈動成分を含み、
   前記脈動抽出部は、前記第２及び第３脈動成分に対応する第２及び第３脈動抽出部を含み、
   前記補償電圧算出部は、前記第２及び第３脈動成分に対応する第２及び第３補償電圧算出部を含み、
   前記第２及び第３補償電圧算出部により算出された第２及び第３補償電圧値を加算する積分器を更に備え、
   前記加算器は、前記加算された前記第２及び第３補償電圧値を前記電圧指令値に加算する請求項１記載の電動機の制御装置。
3. 前記電圧指令値算出部は、前記速度検出部により検出された前記電動機の回転速度と前記目標速度との速度偏差を０にするための目標電流値を算出し、前記目標電流値と前記電動機に供給される電流値との電流偏差を０にするための電圧指令値を算出し、
   前記脈動抽出部により抽出された脈動成分から、前記第１脈動抽出部により抽出された脈動成分を減算する第２減算器と、
   前記第２減算器による減算結果を、前記目標速度と前記速度検出部により検出された前記電動機の回転速度との速度偏差から減算する第３減算器とを更に備える請求項１又は２記載の電動機の制御装置。
4. 前記目標速度は周期的に変化する請求項１〜３のいずれかに記載の電動機の制御装置。
5. 前記脈動抽出部は、前記特定の周波数を通過周波数とするバンドパスフィルタを用いて前記脈動成分を抽出する請求項１〜４のいずれかに記載の電動機の制御装置。
6. 前記電圧指令値算出部は、ｄ軸及びｑ軸の電圧指令値を算出し、
   前記加算器は、前記ｑ軸の電圧指令値に前記補償電圧値を加算する請求項１〜５のいずれかに記載の電動機の制御装置。

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