JP6980716B2 - 永久磁石同期機の駆動装置、永久磁石同期機のトルク補償方法、および電気車 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石同期機の駆動装置、永久磁石同期機のトルク補償方法、および電気車に関する。

永久磁石を有する同期電動機の駆動装置において、例えば永久磁石の温度変化によって永久磁石の磁束量が変化し、トルク指令に応じた同一の電流動作点に制御しても出力トルクが変動してしまうことがわかっている。そのため、永久磁石同期電動機を所望の出力にトルク制御する場合、永久磁石の温度を計測または推定し、その値に応じて永久磁石同期電動機を制御することが必要になる。

また、従来、永久磁石同期電動機の制御では、永久磁石同期電動機の回転速度および電力変換器に供給される電源電圧の大きさに応じて、永久磁石同期電動機の端子電圧を抑えるための弱め界磁電流を制御する方法が用いられてきた。例えば永久磁石の温度変化によって永久磁石の磁束量が変化した場合、回転速度に応じた永久磁石同期電動機の誘起電圧の大きさが変化するため、回転速度と電源電圧の大きさに加えて永久磁石の温度によっても弱め界磁電流を制御することが必要になる。

したがって、永久磁石の温度変化などにより永久磁石の磁束量が変化した場合、永久磁石同期電動機の出力トルクの変化や運転効率の悪化が生じてしまうため、トルク、回転速度、電源電圧、磁石温度などの変動に応じて永久磁石同期電動機を好適に制御する必要がある。

一般に、永久磁石同期電動機の温度変化に伴う出力トルクの補償方法に関しては、トルク、回転速度、電源電圧、磁石温度の変動に対応して電流指令を補償する手法が知られており、例えば、特許文献１や特許文献２に開示されている。

特許文献１では、バッテリ電圧に基づきモータに印加できる電圧値を算出し、モータ温度に基づいて算出された電圧値を補正した補正電圧値を求め、この補正電圧値と要求トルクに基づき弱め界磁電流値を算出することで、モータの温度上昇に伴うモータの特性の変動を補償し、出力トルク特性の劣化を防止する技術が開示されている。

特許文献２では、バッテリ電圧に応じた複数のｄｑ軸電流指令マップを用いて、バッテリ電圧の変化とモータ温度の変化に応じてモータ電流を変化させることで、バッテリ電圧変化時の効率向上とモータ温度変化時のトルク変動を抑制する技術が開示されている。

特開２０００−１８４７６６号公報 特開２００６−３０４４４１号公報

しかしながら、特許文献１に開示の技術は、モータ温度に基づいてモータの電圧特性の変動分を永久磁石同期電動機の電圧方程式より算出し、この電圧変動分をインバータ入力電圧より算出した最大モータ印加電圧から差し引くことで電圧補正し、この電圧補正値に基づいてｄ、ｑ軸電流指令を算出している。そのため、モータ温度に基づいてトルク指令を変更した場合、それに伴う出力電圧の変動を補正する演算ステップにおいて出力電圧の飽和度合いに応じて弱め界磁電流を制御する必要があるため、トルク指令に対して最適なｄ、ｑ軸電流指令値の算出が複雑になり、トルク制御応答を高く設定できない恐れがある。また、演算式に用いるインダクタンス値にモータ電流依存性を考慮していないため、ｄ、ｑ軸電流指令の配分を最適には制御できず、運転効率の悪化が生じる。

また、特許文献２に開示の技術は、トルク指令、モータ回転数、バッテリ電圧、モータ温度の変化に応じたｄ、ｑ軸電流指令の算出に複数の多次元テーブルを用いるため、複雑なテーブル参照演算を実施しており制御装置の演算負荷が大きくなる。また、これらのテーブルデータを予め算出するための試験や解析、調整時間の増加や、テーブルデータを格納するためのメモリ容量の増加といった課題がある。

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、トルク指令、回転速度、電源電圧、磁石温度などの変化に対する永久磁石同期電動機の出力トルク誤差を抑制するとともに高効率運転のための適切な電流指令を算出し、簡単な構成で高精度かつ高応答なトルク制御を可能とする永久磁石同期機の駆動装置、永久磁石同期機のトルク補償方法、および電気車を提供することである。

かかる課題を解決するため本発明においては、一例において、永久磁石同期機を駆動する電力変換器と、前記電力変換器を制御する制御器とを有する永久磁石同期機の駆動装置であって、前記制御器は、入力されたトルク指令値を補正するトルク補正部と、前記トルク補正部によって補正されたトルク指令値から、前記永久磁石同期機を駆動制御するための電流指令値を生成する電流指令演算部とを備え、前記トルク補正部は、前記永久磁石同期機の磁石磁束と関連付けられる値と、前記電流指令演算部によって生成された電流指令値とに基づいて前記トルク指令値を補正することを特徴とする。

本発明によれば、永久磁石同期電動機の磁石温度の変化による出力トルクの調整手段と、磁石温度の変化による出力電圧の調整手段とを機能分離し、永久磁石同期機の磁石磁束と関連付けられる値と電流指令値に基づいてトルク指令値を補正することで、磁石温度変動時のトルク精度、運転効率およびトルク制御応答の向上が可能になる。

実施例１の永久磁石同期機駆動システムの構成例を表すブロック図。 実施例１の永久磁石同期機の制御において使用される使用される座標系と記号の定義を示す図。 実施例１の電流指令演算部１１１の構成例を表すブロック図。 実施例１のトルク補正部１１０の構成例を表すブロック図。 実施例１のトルク補正係数演算部３０１の構成例を表すブロック図。 基準温度Ｔｍａｇ０における永久磁石同期機のｄ、ｑ軸電流と出力トルクの関係を例示したグラフ。 基準温度Ｔｍａｇ０よりも高い磁石温度条件における永久磁石同期機のｄ、ｑ軸電流と出力トルクの関係を例示したグラフ。 基準温度Ｔｍａｇ０よりも低い磁石温度条件における永久磁石同期機のｄ、ｑ軸電流と出力トルクの関係を例示したグラフ。 基準温度Ｔｍａｇ０における出力トルクと基準温度Ｔｍａｇ０よりも高い磁石温度条件における永久磁石同期機のｄ、ｑ軸電流と出力トルク比の関係を例示したグラフ。 実施例１の変形例であるトルク補正係数演算部３０１ｂの構成例を表すブロック図。 実施例１の変形例であるリラクタンストルク比率補正係数演算部４０２ｂの構成例を表すブロック図。 実施例１の変形例であるトルク補正部１１０ｃの構成例を表すブロック図。 実施例２の永久磁石同期機駆動システムの構成例を表すブロック図。 実施例２の電流指令演算部１１１ｄの構成例を表すブロック図。 実施例３の永久磁石同期機駆動システムの構成例を表すブロック図。 実施例３の電流指令演算部１１１ｅの構成例を表すブロック図。 実施例４の電流指令演算部１１１ｆの構成例を表すブロック図。 実施例５の永久磁石同期機駆動システムの構成例を表すブロック図。 実施例５のトルク補正部１１０ｇの構成例を表すブロック図。 実施例５のトルク補正係数演算部３０１ｇの構成例を表すブロック図。 実施例５のｄ軸電流特性補償係数演算部９０２ｇの構成例を表すブロック図。 実施例６の永久磁石同期機駆動システムの構成例を表すブロック図。 実施例６のトルク指令損失補償部１１７ｈの構成例を表すブロック図。 実施例６の鉄損演算部１２０１ｈの構成例を表すブロック図。 実施例６の機械損演算部１２０２ｈの構成例を表すブロック図。 実施例６の負荷損演算部１２０３ｈの構成例を表すブロック図。 実施例６の出力調整部１２０５ｈの構成例を表すブロック図。 実施例６の変形例である永久磁石同期機駆動システムの構成例を表すブロック図。 実施例６の変形例であるトルク指令損失補償部１１７ｉの構成例を表すブロック図。 実施例６の変形例である鉄損演算部１２０１ｉの構成例を表すブロック図。 実施例６の変形例である鉄損演算部１２０１ｊの構成例を表すブロック図。 実施例６の変形例である永久磁石同期機駆動システムの構成例を表すブロック図。 実施例６の変形例であるトルク指令損失補償部１１７ｋの構成例を表すブロック図。 実施例６の変形例である鉄損演算部１２０１ｋの構成例を表すブロック図。 実施例７の永久磁石同期機駆動システムの構成例を表すブロック図。 実施例７のトルク補正部１１０ｍの構成例を表すブロック図。 実施例７のトルク補正係数演算部１３０１ｍの構成例を表すブロック図。 実施例７の変形例であるトルク補正係数演算部１３０１ｎの構成例を表すブロック図。 実施例７の変形例であるトルク補正係数演算部１３０１ｏの構成例を表すブロック図。 実施例８として、実施例１〜７のいずれかの永久磁石同期機駆動システムを搭載する鉄道車両の一部の概略構成を示した図。

以下、図面を参照して本発明の実施例１〜８について詳細に説明する。なお、同一の要素については、全ての図において、原則として同一の符号を付している。また、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。以下の実施例および変形例は、矛盾しない範囲で、その一部または全部を組み合わせてもよい。

図１は、実施例１の永久磁石同期機駆動システムの構成例を表すブロック図である。実施例１の永久磁石同期機駆動システムは、制御対象である永久磁石同期機１０３と、永久磁石同期機１０３を駆動する電力変換器１０２と、電力変換器１０２を制御する制御器１０１と、永久磁石同期機１０３のトルク指令Ｔｍ＊を発生する指令発生器１０５と、永久磁石同期機１０３に流れる電流を検出する相電流検出部１２１と、永久磁石同期機１０３の回転子の磁極位置を検出する回転位置検出部１２４と、永久磁石同期機１０３の磁石温度Ｔｍａｇを検出する温度検出部１２５を備える。永久磁石同期機１０３の磁石温度Ｔｍａｇは、永久磁石同期機１０３の永久磁石の磁束量と関連付けられる値の一例である。

電力変換器１０２は、電力変換器１０２に電力を供給する入力端子１２３ａ、１２３ｂと、６個のスイッチング素子Ｓｕｐ〜Ｓｗｎで構成される主回路部１３２と、主回路部１３２を直接駆動するゲート・ドライバ１３３と、電力変換器１０２の過電流保護用に取り付けた直流抵抗器１３４と、平滑用コンデンサ１３１を備える。電力変換器１０２は、制御器１０１が生成したゲート指令信号に基づいて、入力端子１２３ａ、１２３ｂから供給される直流電力を三相交流電力に変換して、三相交流電力を永久磁石同期機１０３に供給する。

相電流検出部１２１は、電力変換器１０２から永久磁石同期機１０３に流れる三相交流電流ｉｕ、ｉｗを検出する。相電流検出部１２１は、たとえばホール素子を用いた電流センサにより実現される。なお、図１の相電流検出部１２１は２相検出により交流電流を検出する構成としているが、３相検出としてもよい。また、相電流センサを用いず、電力変換器１０２の過電流保護用に取り付けられた直流抵抗器１３４を流れる電流値から推定される交流電流値を用いてもよい。

回転位置検出部１２４は、永久磁石同期機１０３の回転子位置（回転角度）を検出する。回転位置検出部１２４は、たとえばレゾルバやエンコーダ、磁気センサなどにより実現される。また、検出された回転位置からベクトル制御部１１２にて永久磁石同期機１０３の回転速度ωｒを算出する。なお、回転位置センサや速度センサを用いず、電圧指令値や電流検出値などに基づいて永久磁石同期機１０３の回転速度ωｒや磁極位置θｄを推定したものを用いて、速度センサレスや位置センサレスの構成としてもよい。

温度検出部１２５は、永久磁石同期機１０３の磁石温度を検出する。温度検出部１２５は、たとえば温度センサにより実現される。なお、温度検出部１２５は、磁石温度そのものではなく、永久磁石同期機１０３のフレーム温度や固定子のコイル温度を検出し、そのフレーム温度検出値やコイル温度検出値から永久磁石同期機１０３の磁石温度Ｔｍａｇを推定した値を用いてもよい。また、永久磁石同期機１０３の回転速度に応じた誘起電圧の大きさを検出または推定し、その値から磁石温度Ｔｍａｇを推定してもよい。

指令発生器１０５は、交流電動機へのトルク指令Ｔｍ＊を発生する、制御器１０１の上位に位置する制御器である。制御器１０１は、指令発生器１０５のトルク指令Ｔｍ＊に基づき、永久磁石同期機１０３の発生トルクを制御する。この上位の制御器としては、例えば、永久磁石同期機１０３に流れる電流を制御する場合には電流制御器が用いられ、あるいは回転速度や位置を制御する場合には速度制御器や位置制御器が用いられる。本実施例ではトルクの制御を行うことを目的としているためトルク制御器として動作している。

制御器１０１は、トルク補正部１１０と、電流指令演算部１１１と、ベクトル制御部１１２と、極座標変換部１１３と、位相演算部１１４と、三相座標変換部１１５と、ＰＷＭ信号制御器１１６を備える。制御器１０１は、永久磁石同期機１０３を流れる三相交流電流ｉｕ、ｉｗの検出値である交流電流検出値Ｉｕ、Ｉｗと、指令発生器１０５からのトルク指令Ｔｍ＊とに基づいた電流制御系と位相制御系の演算結果から、電力変換器１０２のスイッチング素子を駆動するためのゲート指令信号を生成し、電力変換器１０２のゲート・ドライバ１３３に供給する。

図２は、本発明による永久磁石同期機１０３の制御において使用される座標系と記号の定義を示す図である。図２において、ａ軸とｂ軸で定義されるａｂ軸座標系は、永久磁石同期機１０３の固定子巻線の位相を表す固定子座標系であり、ａ軸は一般的に永久磁石同期機１０３のｕ相巻線位相が基準にとられる。ｄ軸とｑ軸で定義されるｄｑ軸座標系は、永久磁石同期機１０３の回転子の磁極位置を表す回転子座標系であり、永久磁石同期機１０３の回転子磁極位置と同期して回転する。永久磁石同期機の場合、ｄ軸は一般的に回転子に取り付けられた永久磁石による磁極のＮ極方向が基準にとられ、ｄ軸は磁極軸とも呼ばれる。ｄｃ軸とｑｃ軸で定義されるｄｃ−ｑｃ軸座標系は、永久磁石同期機１０３の回転子磁極位置の推定位相、すなわち制御器１０１がｄ軸、ｑ軸方向と想定している座標系であり、制御軸とも呼ばれる。なお、各座標系において組み合わされる座標軸同士はいずれも互いに直交している。

上記の各座標系において、図２に示すように、ａ軸を基準としたｄ軸、ｄｃ軸の各軸の位相をθｄ、θｄｃとそれぞれ表す。また、ｄ軸に対するｄｃ軸の偏差をΔθｃと表す。なお、回転位置検出部１２４にて検出した永久磁石同期機１０３の磁極位置θｄを用いてベクトル制御を実施する場合、ｄｑ軸座標系とｄｃ−ｑｃ軸座標系は一致することになり、ｄ軸に対するｄｃ軸の偏差Δθｃは零となる。ただし、回転位置検出部１２４にて検出した永久磁石同期機１０３の回転子磁極位置にセンサ取付誤差などの角度誤差があった場合はｄ軸に対するｄｃ軸の偏差Δθｃが生じることになる。

先ず、図１の制御器１０１の構成について詳しく説明する。

トルク補正部１１０は、指令発生器１０５から出力されるトルク指令Ｔｍ＊と、温度検出部１２５から出力される磁石温度Ｔｍａｇと、電流指令演算部１１１から出力されるｄｃ−ｑｃ軸座標系上の電流指令値Ｉｄｃ＊、Ｉｑｃ＊に基づいて演算されたトルク指令補正値Ｔｒｑ＊＊を出力する。

電流指令演算部１１１は、ベクトル制御部１１２から出力される永久磁石同期機１０３の駆動周波数ω１と、平滑用コンデンサ１３１の電圧検出値Ｅｃｆと、トルク補正部１１０から出力されるトルク指令補正値Ｔｒｑ＊＊に基づいて演算されたｄｃ−ｑｃ軸座標系上の電流指令値Ｉｄｃ＊、Ｉｑｃ＊を出力する。

ベクトル制御部１１２は、永久磁石同期機１０３の交流電流検出値である三相交流電流ｉｕ、ｉｗを、トルク電流成分（ｑ軸電流成分）と弱め界磁電流成分（ｄ軸電流成分）に分離して、電流指令演算部１１１が出力したｄｃ−ｑｃ軸座標系上の電流指令値Ｉｄｃ＊、Ｉｑｃ＊と一致させるべく、それぞれ電流制御を行う。電流制御の結果、回転座標系であるｄｃ−ｑｃ軸上の電圧指令値Ｖｄｃ＊ならびにＶｑｃ＊が演算され、出力される。また、ベクトル制御部１１２では、永久磁石同期機１０３の駆動周波数ω１や制御位相θｄｃも演算され、出力される。なお、回転位置検出部１２４で検出した回転速度ωｒや磁極位置θｄを駆動周波数ω１や制御位相θｄｃとして用いてもよいし、電圧指令値や電流検出値などに基づいて永久磁石同期機１０３の回転速度ωｒや磁極位置θｄを推定したものを用いてもよい。

極座標変換部１１３は、ベクトル制御部１１２が出力した電圧指令値Ｖｄｃ＊、Ｖｑｃ＊を電圧振幅指令値Ｖ１＊と電圧指令位相δに変換し、出力する。位相演算部１１４は、電圧指令位相δを制御位相θｄｃに加算して、電圧位相θｖとして出力する。三相座標変換部１１５は、極座標変換部１１３が出力した電圧振幅指令値Ｖ１＊を、位相演算部１１４が出力した電圧位相θｖに基づいて三相交流電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に変換し、ＰＷＭ信号制御器１１６に出力する。

ＰＷＭ信号制御器１１６は、任意のキャリア周波数ｆｃと平滑用コンデンサ１３１の電圧検出値Ｅｃｆに基づいて三角波キャリアを生成し、その三角波キャリアと三相交流電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に基づく変調波との大小比較を行い、パルス幅変調を実施する。このパルス幅変調の演算結果にて生成されたゲート指令信号によって、電力変換器１０２のスイッチング素子をオン／オフ制御する。

以下、本発明の実施例１の特徴部分であるトルク補正部１１０と電流指令演算部１１１について詳しく説明する。

図３は、実施例１の電流指令演算部１１１の構成例を表すブロック図である。図３に示すように電流指令演算部１１１は、磁束量制限値演算部２０１と、ｄ軸電流指令演算部２０２と、ｑ軸電流指令演算部２０３を備える。電流指令演算部１１１は、トルク指令補正値Ｔｒｑ＊＊と、磁石温度Ｔｍａｇと、電圧検出値Ｅｃｆと、駆動周波数ω１の変動に対して最適なｄ、ｑ軸電流指令値を算出し、出力する。

磁束量制限値演算部２０１は、平滑用コンデンサ１３１の電圧検出値Ｅｃｆと、ベクトル制御部１１２から出力される永久磁石同期機１０３の駆動周波数ω１に基づいて、電力変換器１０２の出力電圧の制限値となる磁束量制限値λｌｉｍを演算し、ｄ軸電流指令演算部２０２およびｑ軸電流指令演算部２０３に出力する。磁束量制限値λｌｉｍは、電圧検出値Ｅｃｆに比例し、かつ、駆動周波数ω１に反比例する関数であればよい。磁束量制限値λｌｉｍは、例えば、以下の式（１）にて演算されるものとする。

ｄ軸電流指令演算部２０２は、トルク補正部１１０から出力されるトルク指令補正値Ｔｒｑ＊＊と、磁束量制限値演算部２０１から出力される磁束量制限値λｌｉｍに基づいてｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊を演算し出力する。ｑ軸電流指令演算部２０３は、トルク補正部１１０から出力されるトルク指令補正値Ｔｒｑ＊＊と、磁束量制限値演算部２０１から出力される磁束量制限値λｌｉｍに基づいてｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊を演算し出力する。

実施例１の電流指令演算部１１１は、ｄ、ｑ軸電流指令の演算に際して、永久磁石同期機１０３の駆動周波数ω１と平滑用コンデンサ１３１の電圧検出値Ｅｃｆの比をとり磁束量制限値λｌｉｍとして一元化して利用することで、トルク指令補正値Ｔｒｑ＊＊と磁束量制限値λｌｉｍを入力とする参照テーブルでｄ、ｑ軸電流指令演算を構成可能となる。なお、ｄ軸電流指令の参照テーブルおよびｑ軸電流指令の参照テーブルは、例えば予め試験や解析から求めたものを用いればよい。また、参照テーブルは任意の基準となる磁石温度条件におけるｄ、ｑ軸電流指令値を設定する。

さらに、電流指令演算部１１１は、トルク指令と磁石温度の変化による出力トルクの変動をトルク指令補正値Ｔｒｑ＊＊を調整することで抑制し、回転速度と電源電圧の変化による出力電圧の変動を磁束量制限値λｌｉｍを調整することで抑制する。このように電流指令演算部１１１は、トルク指令、回転速度、電源電圧、磁石温度の変化に対する出力トルクの変動補正と出力電圧の変動補正を分離して制御することが可能となる。

したがって、実施例１は、磁石温度の変化による永久磁石同期機１０３の出力トルク補償を、トルク補正部１１０にて磁石温度Ｔｍａｇと電流指令値に基づきトルク指令補正値Ｔｒｑ＊＊を調整することで高精度かつ高応答なトルク制御を実現可能となる。

図４は、実施例１のトルク補正部１１０の構成例を表すブロック図である。図４に示すようにトルク補正部１１０は、トルク補正係数演算部３０１と、乗算器８０１を備える。トルク補正部１１０は、トルク指令Ｔｍ＊にトルク補正係数演算部３０１から出力されるトルク補正係数Ｋｔｅｍｐ＊を乗算した演算結果をトルク指令補正値Ｔｒｑ＊＊として出力する。

図５は、実施例１のトルク補正係数演算部３０１の構成例を表すブロック図である。図５に示すようにトルク補正係数演算部３０１は、温度検出部１２５にて検出した永久磁石同期機１０３の磁石温度Ｔｍａｇと、電流指令演算部１１１から出力されるｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊およびｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊に基づいて、トルク補正係数Ｋｔｅｍｐ＊を演算し、出力する。なお、トルク補正係数Ｋｔｅｍｐ＊の演算には、例えば、磁石温度Ｔｍａｇと、ｄ軸電流指令値Ｉｄｃと、ｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊を入力とする参照テーブルを用いればよい。また、トルク補正係数Ｋｔｅｍｐ＊の参照テーブルは予め試験や解析から求めたものを用いればよい。

次に、実施例１の特徴である永久磁石同期機の磁石温度変化に対するトルク補償手段について詳しく説明する。

先ず、実施例１の電流指令演算部１１１は、磁石温度を一定とした場合、トルク指令、回転速度、電源電圧の変化に対して最適なｄ、ｑ軸電流指令を算出することが可能な構成である。また、もう一つの特徴として、トルク制御と、回転速度と電源電圧の変化による出力電圧の変動を個別に制御することが可能である。したがって、永久磁石同期機の磁石温度の変化による出力トルク変動分の補償は、ｄ軸電流指令演算部２０２およびｑ軸電流指令演算部２０３の入力であるトルク指令値を調整するだけでトルク補償が可能となる。

次に、トルク補正部１１０のトルク補正係数Ｋｔｅｍｐ＊について具体的な例を示して説明する。

図６は、基準温度Ｔｍａｇ０における永久磁石同期機のｄ、ｑ軸電流と出力トルクの関係を例示したグラフである。横軸を永久磁石同期機に流れるｄ軸電流ｉｄ、縦軸を永久磁石同期機に流れるｑ軸電流ｉｑとし、永久磁石同期機が出力するトルクの大きさを等高線で表している。なお、出力トルクの大きさを表す等高線は、Ａ＜Ｂ＜Ｃ＜Ｄ＜Ｅの順で出力トルクが大きいものとする。図６の任意の磁石温度条件において、例えば、Ｚ点で示したｄ軸電流およびｑ軸電流の動作点で永久磁石同期機を電流制御した場合、出力トルクの大きさはＣとなる。また、このときの磁石温度条件を基準温度Ｔｍａｇ０とする。

図７は、基準温度Ｔｍａｇ０よりも高い磁石温度条件における永久磁石同期機のｄ、ｑ軸電流と出力トルクの関係を例示したグラフである。図７に示すトルクマップによれば、図６と同じｄ軸電流およびｑ軸電流のＺ点で永久磁石同期機を電流制御した場合、出力トルクの大きさはＣよりも下がってしまうことがわかる。

図８は、基準温度Ｔｍａｇ０よりも低い磁石温度条件における永久磁石同期機のｄ、ｑ軸電流と出力トルクの関係を例示したグラフである。図６、図７と同じｄ軸電流およびｑ軸電流のＺ点で永久磁石同期機を電流制御した場合、出力トルクの大きさはＣよりも上がってしまうことがわかる。

このように、永久磁石を有する同期電動機の駆動装置において、永久磁石の温度変化によって永久磁石の磁束量が変化し、トルク指令に応じた同一の電流動作点に制御しても出力トルクが変動してしまう。

そこで実施例１では、トルク補正部１１０にて磁石温度Ｔｍａｇと、ｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊と、ｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊に基づいてトルク補正係数Ｋｔｅｍｐ＊を算出し、このトルク補正係数Ｋｔｅｍｐ＊を用いてトルク指令Ｔｍ＊を補正することで永久磁石同期機の磁石温度の変化による出力トルクの変動分を補償する。

図９は、基準温度Ｔｍａｇ０における出力トルクと基準温度Ｔｍａｇ０よりも高い磁石温度条件における永久磁石同期機のｄ、ｑ軸電流と出力トルク比の関係を例示したグラフである。図９は、図６の基準温度Ｔｍａｇ０における出力トルクと図７の基準温度Ｔｍａｇ０よりも高い磁石温度における出力トルクの比を、ｄ軸電流ｉｄとｑ軸電流ｉｑのテーブルマップとして表したものである。

実施例１では、例えば、電流指令演算部１１１のｄ軸電流指令演算部２０２およびｑ軸電流指令演算部２０３の参照テーブルに、磁石温度条件が基準温度Ｔｍａｇ０で算出したｄ、ｑ軸電流指令値を設定した場合、トルク補正部１１０のトルク補正係数Ｋｔｅｍｐ＊には、電流指令演算部１１１のｄ軸電流指令演算部２０２およびｑ軸電流指令演算部２０３の算出条件と同じ基準温度Ｔｍａｇ０における出力トルクを基準にして、磁石温度の変化に応じた出力トルクの比を参照テーブルとして有しておけば、磁石温度の変化による出力トルク変動分の補償が実施可能となる。

したがって、本実施例のように、ｄ、ｑ軸電流指令演算の入力であるトルク指令値を磁石温度に応じて調整することで、磁石温度の変化による出力トルク変動分を補償することができる。

なお、実施例１では、トルク補正部１１０のトルク補正係数演算部３０１において、磁石温度Ｔｍａｇ、ｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊、ｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊を入力としてトルク補正係数Ｋｔｅｍｐ＊を出力する三次元テーブルデータを用いた構成例を示した。多次元のテーブルデータを利用することは、複数の入力の変化に対する複雑な状態変化を考慮できるため、より高精度なトルク補償制御が可能となる。しかしながら、３次元以上のテーブルデータはｄ、ｑ軸電流指令値の算出のための試験や解析・調整時間が増大してしまうことや、制御装置のメモリ容量やテーブル参照の演算負荷の増大といった問題が生じてしまう。

図１０は、実施例１の変形例であるトルク補正係数演算部３０１ｂの構成例を表すブロック図である。実施例１は、磁石温度、ｄ軸電流指令、ｑ軸電流指令に応じたトルク補正係数Ｋｔｅｍｐ＊の算出に、三次元参照テーブルを用いるトルク補正係数演算部３０１の代わりに、三次元参照テーブルを用いないトルク補正係数演算部３０１ｂを用いることでも実現できる。

図１０において、トルク補正係数演算部３０１ｂは、磁石温度依存トルク補正係数演算部４０１ｂと、リラクタンストルク比率補正係数演算部４０２ｂと、加算器８０２ｂを備える。トルク補正係数演算部３０１ｂは、磁石温度依存トルク補正係数演算部４０１ｂから出力されるトルク補正係数Ｋｔｅｍｐ１＊と、リラクタンストルク比率補正係数演算部４０２ｂから出力されるトルク補正係数Ｋｔｅｍｐ２＊を加算した値をトルク補正係数Ｋｔｅｍｐ＊として出力する。

まず、磁石温度依存トルク補正係数演算部４０１ｂは、磁石温度Ｔｍａｇに基づいて、基準温度Ｔｍａｇ０を基準として磁石温度の変化によるマグネットトルクの変化量に相当する係数を算出し、トルク補正係数Ｋｔｅｍｐ１＊として出力する。マグネットトルクは、永久磁石同期機の磁石磁束の大きさに比例するため、磁石温度Ｔｍａｇに応じた磁石磁束の変化量を算出し、基準温度Ｔｍａｇ０を基準としてマグネットトルクの変化量に相当するトルク補正係数Ｋｔｅｍｐ１＊を演算すればよい。

次に、リラクタンストルク比率補正係数演算部４０２ｂについて詳しく説明する。

図１１は、実施例１の変形例であるリラクタンストルク比率補正係数演算部４０２ｂの構成例を表すブロック図である。図１１に示すようにリラクタンストルク比率補正係数演算部４０２ｂは、リラクタンストルク比率磁石温度補正部５０１ｂと、リラクタンストルク推定演算部５０２ｂと、乗算器８０３ｂを備える。リラクタンストルク比率補正係数演算部４０２ｂは、ｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊と、ｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊と、磁石温度Ｔｍａｇに基づいて、基準温度Ｔｍａｇ０を基準として磁石温度の変化による任意のＩｄｃ＊、Ｉｑｃ＊の電流動作点でのマグネットトルクとリラクタンスの比率の変化量に相当する係数を算出し、トルク補正係数Ｋｔｅｍｐ２＊として出力する。

リラクタンストルク比率磁石温度補正部５０１ｂは、基準温度Ｔｍａｇ０に基づいて、マグネットトルクに対するリラクタンストルクの比率を補正するための係数を乗算器８０３ｂに出力する。

リラクタンストルク推定演算部５０２ｂは、ｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊とｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊に基づいてリラクタンストルクを推定演算し、乗算器８０３ｂに出力する。

したがって、リラクタンストルク比率補正係数演算部４０２ｂは、三次元テーブルを用いずに、磁石温度Ｔｍａｇ、ｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊、ｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊の変化に応じたトルク補正係数Ｋｔｅｍｐ２＊を算出できる。永久磁石同期機の磁石温度の変化およびトルク指令、回転速度、電源電圧の変化によって変わる最適なｄ、ｑ軸電流指令値に応じてトルク補正を行うため、これにより磁石温度が変化した場合に高効率かつ高精度なトルク制御が実現可能となる。

なお、ｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスの差がない非突極型の永久磁石同期機の場合、リラクタンストルクは０となるため、リラクタンストルク比率補正係数演算部４０２ｂは必要なくなる。また、リラクタンストルク比率補正係数演算部４０２ｂにおいて、ｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊、ｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊の代わりに、ｄ軸電流検出値Ｉｄｃ、ｑ軸電流検出値Ｉｑｃを用いても実現可能である。

さらに、電流制御において、トルク電流比最大化や効率最大化などｄ、ｑ軸電流指令に制約をかけた場合は、リラクタンストルク比率補正係数演算部４０２ｂの入力であるｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊、ｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊の代わりにトルク指令を用いることが可能である。

また、実施例１のトルク補正係数演算部３０１は、電流指令演算部１１１のｄ軸電流指令演算部２０２およびｑ軸電流指令演算部２０３の基準温度Ｔｍａｇ０を基準として、同一のｉｄ、ｉｑ電流動作点における永久磁石同期機の磁石温度の変化による出力トルクの変動比率をトルク補正係数Ｋｔｅｍｐ＊として出力すれば実施可能となる。

一般に、永久磁石同期機の出力トルクＴｍの大きさは式（２）で表される。式（２）において、永久磁石同期機の磁石磁束の大きさをΦｍ、ｄ軸インダクタンスをＬｄ、ｑ軸インダクタンスをＬｑ、極対数をＰｍ、永久磁石同期機に流れるｄ軸電流をｉｄ、ｑ軸電流をｉｑとする。なお、式（２）の右辺第一項がマグネットトルク、右辺第二項がリラクタンストルクとなる。

したがって、トルク補正係数演算部３０１は、基準温度Ｔｍａｇ０における永久磁石同期機の磁石磁束Φｍ０、磁石温度Ｔｍａｇにおける永久磁石同期機の磁石磁束Φｍ’として、ｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊、ｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊で電流制御した場合の磁石温度の変化による出力トルクの変動分を推定し、トルク補正係数Ｋｔｅｍｐ＊を演算する。トルク補正係数Ｋｔｅｍｐ＊は、例えば、以下の式（３）にて演算されるものとする。

なお、式（３）において、磁石温度Ｔｍａｇにおける永久磁石同期機の磁石磁束Φｍ’は、Ｔｍａｇに基づく関数とすればよく、例えば、以下の式（４）で演算されるものとする。また、温度係数は永久磁石同期に使用した永久磁石の種類、特性によって変更する必要がある。

さらに、式（３）において、ｄ軸インダクタンスＬｄおよびｑ軸インダクタンスＬｑは、ｄ軸電流、ｑ軸電流に対して非線形に変化する特性を有するため、ｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊、ｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊またはｄ軸電流検出値Ｉｄｃ、ｑ軸電流検出値Ｉｑｃに基づいてインダクタンスの値を算出することで、本実施例のトルク補正による出力トルク精度が向上可能である。

なお、本実施例では、トルク補正部１１０において、トルク補正係数演算部３０１または３０１ｂはトルク補正係数Ｋｔｅｍｐ＊を演算し、指令発生器１０５からのトルク指令Ｔｍ＊にトルク補正係数Ｋｔｅｍｐ＊を乗算することでトルク指令補正値Ｔｒｑ＊＊を算出したが、磁石温度Ｔｍａｇとｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊とｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊に基づくトルク補償量ΔＴｒｑ−ｍａｇ＊を算出し、このトルク補償量ΔＴｒｑ−ｍａｇ＊をトルク指令Ｔｍ＊に加算することでトルク指令補正値Ｔｒｑ＊＊を算出し、用いてもよい。

図１２は、実施例１の変形例であるトルク補正部１１０ｃの構成例を表すブロック図である。実施例１は、トルク指令、磁石温度、ｄ軸電流指令、ｑ軸電流指令の変化に応じたトルク指令補正値Ｔｒｑ＊＊の演算において、永久磁石同期機の磁石温度の変化による出力トルクの補正量を算出し、指令発生器１０５からのトルク指令Ｔｍ＊に加算することで、トルク補正部１１０の代わりに、トルク補正部１１０ｃを用いることでも実現できる。

トルク補正部１１０ｃは、トルク補償量演算部３０２ｃと加算器８０４ｃを備える。トルク補正部１１０ｃは、トルク補償量演算部３０２ｃにおいて磁石温度Ｔｍａｇとｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊とｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊に基づいてトルク補償量ΔＴｒｑ−ｍａｇ＊を算出し、このトルク補償量ΔＴｒｑ−ｍａｇ＊をトルク指令Ｔｍ＊に加算した演算結果をトルク指令補正値Ｔｒｑ＊＊として出力する。

トルク補償量演算部３０２ｃは、トルク補正係数演算部３０１や３０１ｂにおいて、出力されるトルク補正係数Ｋｔｅｍｐ＊の代わりに、基準温度Ｔｍａｇ０を基準として、同一のｉｄ、ｉｑ電流動作点における永久磁石同期機の磁石温度の変化による出力トルクの変動量を算出し、トルク補償量ΔＴｒｑ−ｍａｇ＊として出力すれば実現可能となる。

以上説明したように、本実施例によれば、永久磁石同期機の磁石温度と電流指令値に基づいてトルク指令値を補正することで、磁石温度の変化による出力トルク変動分を補償する。これにより、より簡易な構成で、磁石温度変動時のトルク精度およびトルク制御応答の向上が可能になる。

実施例２では、ｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊とｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊の演算において、平滑用コンデンサ１３１の電圧検出値Ｅｃｆとベクトル制御部１１２から出力される永久磁石同期機１０３の駆動周波数ω１に加えて、温度検出部１２５から出力される永久磁石同期機１０３の磁石温度Ｔｍａｇに基づいて磁束量制限値λｌｉｍを算出する。これにより、実施例１よりも磁石温度の変化による出力電圧の変動分を考慮した最適なｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊とｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊を演算できるようになり、実施例１よりも高効率な運転が可能な永久磁石同期機の駆動装置が実現できる。

図１３は、実施例２の永久磁石同期機駆動システムの構成例を表すブロック図である。実施例２の説明において、図１に示した実施例１と比較して、相違部分のみを説明する。

図１３において、実施例２の永久磁石同期機の駆動装置は、図１の実施例１の電流指令演算部１１１の代わりに、電流指令演算部１１１ｄを用いることで実現できる。

図１４は、実施例２の電流指令演算部１１１ｄの構成例を表すブロック図である。図１４に示すように電流指令演算部１１１ｄは、磁束量制限値演算部６０１ｄと、ｄ軸電流指令演算部２０２と、ｑ軸電流指令演算部２０３を備える。

磁束量制限値演算部６０１ｄは、平滑用コンデンサ１３１の電圧検出値Ｅｃｆと、ベクトル制御部１１２から出力される永久磁石同期機１０３の駆動周波数ω１と、温度検出部１２５から出力される永久磁石同期機１０３の磁石温度Ｔｍａｇに基づいて磁束量制限値λｌｉｍを演算し、ｄ軸電流指令演算部２０２およびｑ軸電流指令演算部２０３に出力する。

磁束量制限値演算部６０１ｄにおいて、ｄ軸電流指令演算部２０２およびｑ軸電流指令演算部２０３の入力変数である磁束量制限値λｌｉｍは、電圧検出値Ｅｃｆと駆動周波数ω１の比をとったものに磁石温度の変化によって生じる磁石磁束が増減する分に応じた補正値を加算すればよい。例えば、以下の式（５）にて演算されるものとする。

式（５）において、永久磁石同期機の磁石温度Ｔｍａｇと、ｄ軸電流指令演算部２０２およびｑ軸電流指令演算部２０３の演算において設定した基準温度Ｔｍａｇ０と、補正係数Ｋｖに基づいて演算した右辺第一項が、磁石温度の変化によって磁石磁束が増減する分に応じた磁束量制限値の補正値相当となる。なお、補正係数Ｋｖは定数でもよいし、磁石温度Ｔｍａｇの関数式として演算してもよい。

また、磁束量制限値λｌｉｍは、電圧検出値Ｅｃｆと駆動周波数ω１の比をとったものに、磁石温度Ｔｍａｇに応じた補正係数を乗算したものでもよい。例えば、以下の式（６）にて演算されるものとする。

なお、式（６）において、補正係数Ｋｖ’は、定数でもよいし、磁石温度Ｔｍａｇの関数式として演算してもよい。

実施例２の電流指令演算部１１１ｄは、磁束量制限値演算部６０１ｄ以外の構成は、実施例１の電流指令演算部１１１と同じである。

したがって、実施例２では、磁束量制限値λｌｉｍを磁石温度に基づいて調整することで、磁石温度の変化による出力電圧の変動分を考慮したｄ軸電流指令およびｑ軸電流指令の演算が実現できるようになり、永久磁石同期機の駆動装置の高効率化を図ることができる。

実施例３では、ｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊とｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊の演算において、平滑用コンデンサ１３１の電圧検出値Ｅｃｆとベクトル制御部１１２から出力される永久磁石同期機１０３の駆動周波数ω１に加えて、電力変換器１０２の出力電圧制限値Ｖ１ｌｉｍを制御する目標制限変調率Ｙｍｆ＊に基づいて磁束量制限値λｌｉｍを算出する。これにより、電力変換器１０２の最大出力電圧やＰＷＭ制御の最大変調率の仕様や制約条件が変更されたことによる出力電圧最大値の変動分を考慮した最適なｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊とｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊を演算できるようになり、実施例１よりも高効率な運転が可能な永久磁石同期機の駆動装置が実現できる。

図１５は、実施例３の永久磁石同期機駆動システムの構成例を表すブロック図である。図１に示した実施例１と比較して、相違部分のみを説明する。

図１５において、実施例３の永久磁石同期機の駆動装置は、図１の実施例１の電流指令演算部１１１およびベクトル制御部１１２の代わりに、電流指令演算部１１１ｅおよびベクトル制御部１１２ｅを用いることで実現できる。

図１６は、実施例３の電流指令演算部１１１ｅの構成例を表すブロック図である。図１６に示すように電流指令演算部１１１ｅは、磁束量制限値演算部６０１ｅと、ｄ軸電流指令演算部２０２と、ｑ軸電流指令演算部２０３を備える。

磁束量制限値演算部６０１ｅは、平滑用コンデンサ１３１の電圧検出値Ｅｃｆと、ベクトル制御部１１２ｅから出力される永久磁石同期機１０３の駆動周波数ω１と、ベクトル制御部１１２ｅから出力される電力変換器１０２の出力電圧制限値Ｖ１ｌｉｍを制御する目標制限変調率Ｙｍｆ＊に基づいて磁束量制限値λｌｉｍを演算し、ｄ軸電流指令演算部２０２およびｑ軸電流指令演算部２０３に出力する。出力電圧制限値Ｖ１ｌｉｍは、例えば、以下の式（７）にて演算されるものとする。

なお、目標制限変調率Ｙｍｆ＊は１以下の値を設定し、電力変換器１０２において出力電圧最大値が得られる同期１パルスでＰＷＭ制御した場合、目標制限変調率Ｙｍｆ＊は１となる。また、Ｅｃｆ０は出力電圧制限値Ｖ１ｌｉｍを決定するための平滑用コンデンサ１３１の直流電圧の基準値である。

目標制限変調率Ｙｍｆ＊は、例えば、出力電圧制限値Ｖ１ｌｉｍに制御するために、ベクトル制御部１１２ｅにて弱め界磁制御を実施する場合の弱め界磁制御の目標電圧値に基づく目標変調率とすればよい。または、目標制限変調率Ｙｍｆ＊は、ＰＷＭ制御の運転条件から決まる目標変調率とすればよい。

したがって、磁束量制限値演算部６０１ｄにおいて、ｄ軸電流指令演算部２０２およびｑ軸電流指令演算部２０３の入力変数である磁束量制限値λｌｉｍは、電圧検出値Ｅｃｆと駆動周波数ω１の比をとったものに電力変換器１０２の目標制限変調率Ｙｍｆ＊を乗算したものでよい。例えば、以下の式（８）にて演算されるものとする。

実施例２の電流指令演算部１１１ｅは、磁束量制限値演算部６０１ｅ以外の構成は、実施例１の電流指令演算部１１１と同じである。

したがって、実施例３では、磁束量制限値λｌｉｍを電力変換器１０２の出力電圧の制限値に基づいて調整することで、電力変換器の出力電圧やＰＷＭ制御演算の制約による出力電圧の変動分を考慮したｄ軸電流指令およびｑ軸電流指令の演算が実現できるようになり、電力変換器や制御器の仕様や性能、運転条件に応じて永久磁石同期機の駆動装置の高効率化を図ることができる。

実施例４では、ｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊とｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊の演算において、平滑用コンデンサ１３１の電圧検出値Ｅｃｆと、ベクトル制御部１１２から出力される永久磁石同期機１０３の駆動周波数ω１と、トルク補正部１１０から出力されるトルク指令補正値Ｔｒｑ＊＊に基づいて、予め試験やシミュレーション解析などによって算出した三次元テーブルを利用する。これにより、実施例１よりもトルク指令、回転速度、電源電圧の変化に対して最適なｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊とｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊を演算できるようになり、実施例１よりも高効率な運転が可能な永久磁石同期機の駆動装置が実現できる。

図１７は、実施例４の電流指令演算部１１１ｆの構成例を表すブロック図である。実施例４の永久磁石同期機の駆動装置は、図１の実施例１の電流指令演算部１１１の代わりに、電流指令演算部１１１ｆを用いることで実現できる。図１に示した実施例１と比較して、構成の相違部分のみを説明する。

図１７において、電流指令演算部１１１ｆは、ｄ軸電流指令三次元テーブル参照部７０１ｆと、ｑ軸電流指令三次元テーブル参照部７０２ｆを備える。

ｄ軸電流指令三次元テーブル参照部７０１ｆは、平滑用コンデンサ１３１の電圧検出値Ｅｃｆと、ベクトル制御部１１２から出力される永久磁石同期機１０３の駆動周波数ω１と、トルク補正部１１０から出力されるトルク指令補正値Ｔｒｑ＊＊に基づいてｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊を演算し、出力する。ｑ軸電流指令三次元テーブル参照部７０２ｆは、平滑用コンデンサ１３１の電圧検出値Ｅｃｆと、ベクトル制御部１１２から出力される永久磁石同期機１０３の駆動周波数ω１と、トルク補正部１１０から出力されるトルク指令補正値Ｔｒｑ＊＊に基づいてｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊を演算し、出力する。

ｄ軸電流指令三次元テーブル参照部７０１ｆおよびｑ軸電流指令三次元テーブル参照部７０２ｆにおいて、ｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊およびｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊の算出に用いる三次元テーブルデータは、永久磁石の基準温度Ｔｍａｇ０を磁石温度条件の設定値としてトルク指令、回転速度、電源電圧の変化に対して最適なｄ軸電流指令およびｑ軸電流指令を予め、試験やシミュレーション解析などによって求めておくことで実現できる。

なお、実施例４では、トルク指令、回転速度、電源電圧の変化に対して、ｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊およびｑ軸電流指令を三次元テーブルデータを用いて算出したが、演算式を用いて求めてもよい。

したがって、実施例４では、予め試験や解析などで求めた三次元テーブルデータに基づいてｄ軸電流指令およびｑ軸電流指令を演算することで、トルク指令、回転速度、電源電圧の変化に対して最適なｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊とｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊の演算が実現できるようになり、永久磁石同期機の駆動装置の高効率化を図ることができる。

実施例５では、トルク指令補正値Ｔｒｑ＊＊の演算において、温度検出部１２５にて検出した永久磁石同期機１０３の磁石温度Ｔｍａｇと、電流指令演算部１１１から出力されるｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊に基づいてトルク補正係数Ｋｔｅｍｐ＊を算出する。これにより、多次元テーブルを用いずに磁石温度の変化に対するトルク指令補正値Ｔｒｑ＊＊を演算できるようになり、実施例１よりも制御装置の演算負荷が少なく、省メモリ容量化が可能な永久磁石同期機の駆動装置が実現できる。

図１８は、実施例５の永久磁石同期機駆動システムの構成例を表すブロック図である。実施例５の説明では、図１に示した実施例１と比較して、相違部分のみを説明する。

図１８において、実施例５の永久磁石同期機の駆動装置は、図１の実施例１のトルク補正部１１０の代わりに、トルク補正部１１０ｇを用いることで実現できる。

図１９は、実施例５のトルク補正部１１０ｇの構成例を表すブロック図である。図１９に示すようにトルク補正部１１０ｇは、トルク補正係数演算部３０１ｇと、乗算器８０１ｇを備える。トルク補正部１１０ｇは、トルク指令Ｔｍ＊にトルク補正係数演算部３０１ｇから出力されるトルク補正係数Ｋｔｅｍｐ＊を乗算した演算結果をトルク指令補正値Ｔｒｑ＊＊として出力する。

図２０は、実施例５のトルク補正係数演算部３０１ｇの構成例を表すブロック図である。図２０に示すようにトルク補正係数演算部３０１ｇは、磁石温度補償係数演算部９０１ｇと、ｄ軸電流特性補償係数演算部９０２ｇを備える。トルク補正係数演算部３０１ｇは、温度検出部１２５にて検出した永久磁石同期機１０３の磁石温度Ｔｍａｇと、電流指令演算部１１１から出力されるｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊に基づいて、トルク補正係数Ｋｔｅｍｐ＊を演算し、出力する。

磁石温度補償係数演算部９０１ｇは、磁石温度Ｔｍａｇに基づいて、基準温度Ｔｍａｇ０を基準として磁石温度の変化による出力トルクの変化量に相当する係数を算出し、トルク補正係数Ｋｔｅｍｐ−ｍａｇ＊として出力する。

以下、本発明の実施例５の特徴部分であるｄ軸電流特性補償係数演算部９０２ｇについて詳しく説明する。

実施例１において、図９に基準温度Ｔｍａｇ０における出力トルクと基準温度Ｔｍａｇ０よりも高い磁石温度における出力トルクの比をｄ軸電流ｉｄとｑ軸電流ｉｑのテーブルマップとして表したものをトルク指令の補正手段として用いたが、図９に示すように、永久磁石の温度変化による出力トルク比の大きさはｑ軸電流よりもｄ軸電流の大きさに対して強い相関があることがわかる。

図２１は、実施例５のｄ軸電流特性補償係数演算部９０２ｇの構成例を表すブロック図である。図２１に示すようにｄ軸電流特性補償係数演算部９０２ｇは、ｄ軸電流特性磁石温度補正係数演算部１００１ｇと、ｄ軸電流特性係数演算部１００２ｇと、乗算器８０３ｇを備える。ｄ軸電流特性補償係数演算部９０２ｇは、ｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊と磁石温度Ｔｍａｇに基づいて、基準温度Ｔｍａｇ０を基準として磁石温度の変化による任意のＩｄｃ＊、Ｉｑｃ＊の電流動作点でのマグネットトルクとリラクタンスの比率の変化量に相当する係数を算出し、トルク補正係数Ｋｔｅｍｐ−ｉｄ＊として出力する。

ｄ軸電流特性磁石温度補正係数演算部１００１ｇは、基準温度Ｔｍａｇ０に基づいて、ｄ軸電流に依存する出力トルク比の特性量が磁石温度に応じて変動する分を補正するための係数を乗算器８０３ｂに出力する。ｄ軸電流特性係数演算部１００２ｇは、ｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊に基づいてｄ軸電流に依存する出力トルク比の変化量を補正するための係数を演算し、乗算器８０３ｂに出力する。

このように、ｄ軸電流特性補償係数演算部９０２ｇは、多次元テーブルを用いずに、トルク補正係数Ｋｔｅｍｐ−ｉｄ＊を演算できる。

したがって、実施例５では、永久磁石の温度変化や運転条件の変化によるマグネットトルクとリラクタンストルクの比率の変化に相当する係数をｄ軸電流指令と磁石温度に基づいて演算することで、多次元テーブルを用いずにトルク指令補正値の演算が実現できるようになり、永久磁石同期機の駆動装置の演算負荷軽減および省メモリ容量化を図ることができる。

以上、実施例５について説明した。説明上、主として実施例１を基本構成として説明したが、実施例２〜４を基本構成としても同様に適用可能である。

実施例６では、永久磁石の温度変化による出力トルク誤差の補償に加え、永久磁石同期機の機械損や鉄損などの駆動装置の出力損失をロストルク分としてトルク指令を補償することで、実施例１よりも高精度なトルク制御が可能な永久磁石同期機の駆動装置が実現できる。

図２２は、実施例６の永久磁石同期機駆動システムの構成例を表すブロック図である。図１に示した実施例１と比較して、相違部分のみを説明する。

図２２において、実施例６の永久磁石同期機の駆動装置は、図１の実施例１にトルク指令損失補償部１１７ｈの追加することで実現できる。

図２３は、実施例６のトルク指令損失補償部１１７ｈの構成例を表すブロック図である。図２３に示すようにトルク指令損失補償部１１７ｈは、鉄損演算部１２０１ｈと、機械損演算部１２０２ｈと、負荷損演算部１２０３ｈと、損失トルク換算部１２０４ｈと、出力調整部１２０５ｈと、加算器１２０６ｈ、１２０７ｈ、１２０８ｈを備える。

鉄損演算部１２０１ｈは、ベクトル制御部１１２から出力される永久磁石同期機１０３の駆動周波数ω１と、極座標変換部１１３から出力される電圧振幅指令値Ｖ１＊に基づいて鉄損Ｗｉを演算し、出力する。

機械損演算部１２０２ｈは、ベクトル制御部１１２から出力される永久磁石同期機１０３の駆動周波数ω１に基づいて機械損Ｗｍを演算し、出力する。

負荷損演算部１２０３ｈは、指令発生器１０５から出力されるトルク指令Ｔｍ＊と、ベクトル制御部１１２から出力される永久磁石同期機１０３の駆動周波数ω１に基づいて負荷損Ｗｌを演算し、出力する。

加算器１２０６ｈ、１２０７ｈは、鉄損演算部１２０１ｈから出力される鉄損Ｗｉと、機械損演算部１２０２ｈから出力される機械損Ｗｍと、負荷損演算部１２０３ｈから出力される負荷損Ｗｌを加算し、出力損失Ｗｌｏｓｓを出力する。

損失トルク換算部１２０４ｈは、ベクトル制御部１１２から出力される永久磁石同期機１０３の駆動周波数ω１に基づいて出力損失Ｗｌｏｓｓをトルクに換算し、損失トルクＴｌｏｓｓを出力する。

加算器１２０８ｈは、指令発生器１０５から出力されるトルク指令Ｔｍ＊に、損失トルク換算部１２０４ｈから出力される損失トルクＴｌｏｓｓを加算し、モータ出力トルクＴｏｕｔを出力する。

出力調整部１２０５ｈは、加算器１２０８ｈから出力されるモータ出力トルクＴｏｕｔと、ベクトル制御部１１２から出力される永久磁石同期機１０３の駆動周波数ω１に基づいてトルク指令Ｔｍ＊＊を演算し、トルク補正部１１０に出力する。

以下、実施例６の特徴部分である鉄損演算部１２０１ｈと、機械損演算部１２０２ｈと、負荷損演算部１２０３ｈと、損失トルク換算部１２０４ｈと、出力調整部１２０５ｈについて詳しく説明する。

図２４は、実施例６の鉄損演算部１２０１ｈの構成例を表すブロック図である。図２４に示すように鉄損演算部１２０１ｈは、ヒステリシス損演算部１２１１ｈと、渦電流損演算部１２１２ｈと、加算器８１３ｈを備える。

ヒステリシス損演算部１２１１ｈは、ベクトル制御部１１２から出力される永久磁石同期機１０３の駆動周波数ω１と、極座標変換部１１３から出力される電圧振幅指令値Ｖ１＊に基づいて、ヒステリシス損Ｗｈを演算し、出力する。ヒステリシス損Ｗｈは、例えば、以下の式（９）にて演算されるものとする。

なお、ヒステリシス損係数ｋｈおよび磁束密度係数ｋＢは、永久磁石同期機１０３の材料や構造に基づいて決定される値であり、設計値、解析値、実測値のいずれを用いてもよい。また、ヒステリシス損演算部１２１１ｈは、駆動周波数ω１と電圧振幅指令値Ｖ１＊を入力変数として、予め実測または解析から求めたヒステリシス損Ｗｈを出力する二次元テーブルを用いる構成としてもよい。

渦電流損演算部１２１２ｈは、極座標変換部１１３から出力される電圧振幅指令値Ｖ１＊に基づいて渦電流損Ｗｅを演算し、出力する。渦電流損Ｗｅは、例えば、以下の式（１０）にて演算されるものとする。

なお、渦電流損係数ｋｅおよび磁束密度係数ｋＢは、永久磁石同期機１０３の材料や構造に基づいて決定される値であり、設計値、解析値、実測値のいずれを用いてもよい。また、渦電流損演算部１２１２ｈは、電圧振幅指令値Ｖ１＊を入力変数として、予め実測または解析から求めた渦電流損Ｗｅを出力する一次元テーブルを用いる構成としてもよい。

加算器８１３ｈは、ヒステリシス損演算部１２１１ｈから出力されるヒステリシス損Ｗｈと、渦電流損演算部１２１２ｈから出力される渦電流損Ｗｅを加算し、鉄損Ｗｉを出力する。

図２５は、実施例６の機械損演算部１２０２ｈの構成例を表すブロック図である。図２５に示すように機械損演算部１２０２ｈは、軸受損演算部１２２１ｈと、風損演算部１２２２ｈと、加算器８２３ｈを備える。

軸受損演算部１２２１ｈは、ベクトル制御部１１２から出力される永久磁石同期機１０３の駆動周波数ω１（電気角周波数）に基づいて軸受損Ｗｂを演算し、出力する。軸受損Ｗｂは、モータ回転数（機械角周波数）の一乗に比例する特性があり、例えば、以下の式（１１）にて演算されるものとする。

なお、軸受損係数ｋｂは、永久磁石同期機１０３の軸受部分の材料や構造に基づいて決定される値であり、設計値、解析値、実測値のいずれを用いてもよい。また、軸受損演算部１２２１ｈは、駆動周波数ω１（電気角周波数）もしくはモータ回転数（機械角周波数）を入力変数として、予め実測または解析から求めた軸受損Ｗｂを出力する一次元テーブルを用いる構成としてもよい。

風損演算部１２２２ｈは、ベクトル制御部１１２から出力される永久磁石同期機１０３の駆動周波数ω１（電気角周波数）に基づいて風損Ｗｗを演算し、出力する。風損Ｗｗは、モータ回転数（機械角周波数）の三乗に比例する特性があり、例えば、以下の式（１２）にて演算されるものとする。

なお、風損係数ｋｗは、永久磁石同期機１０３の回転部分の材料や構造、空気などとの摩擦抵抗などに基づいて決定される値であり、設計値、解析値、実測値のいずれを用いてもよい。また、風損演算部１２２２ｈは、駆動周波数ω１（電気角周波数）もしくはモータ回転数（機械角周波数）を入力変数として、予め実測または解析から求めた風損Ｗｗを出力する一次元テーブルを用いる構成としてもよい。

加算器８２３ｈは、軸受損演算部１２２１ｈから出力される軸受損Ｗｂと、風損演算部１２２２ｈから出力される風損Ｗｗを加算し、機械損Ｗｍを出力する。

図２６は、実施例６の負荷損演算部１２０３ｈの構成例を表すブロック図である。図２６に示すように負荷損演算部１２０３ｈは、漂遊負荷損演算部１２３１ｈと、外部負荷損演算部１２３２ｈと、加算器８３３ｈを備える。

漂遊負荷損演算部１２３１ｈは、指令発生器１０５から出力されるトルク指令Ｔｍ＊と、ベクトル制御部１１２から出力される永久磁石同期機１０３の駆動周波数ω１に基づいて、漂遊負荷損Ｗｓを演算し、出力する。一般に、漂遊負荷損は、銅損や鉄損、機械損に含まれない損失のことであり、正確に算出することが困難なわずかな損失である。漂遊負荷損Ｗｓは、例えば、以下の式（１３）にて演算されるものとする。

なお、漂遊負荷損係数ｋｓは、任意の値を設定することが可能である。例えば、永久磁石同期機１０３の定格出力Ｐｒを用いて以下の式（１４）にて値を決定する。

また、漂遊負荷損演算部１２３１ｈは、トルク指令Ｔｍ＊と駆動周波数ω１を入力変数として、予め実測または解析から求めた漂遊負荷損Ｗｓを出力する二次元テーブルを用いる構成としてもよい。

外部負荷損演算部１２３２ｈは、指令発生器１０５から出力されるトルク指令Ｔｍ＊と、ベクトル制御部１１２から出力される永久磁石同期機１０３の駆動周波数ω１に基づいて、外部負荷損Ｗｏを演算し、出力する。外部負荷損Ｗｏは、永久磁石同期機１０３につながる負荷特性が出力トルクや回転数に応じて負荷状態が変動する分を補償するためのものであり、コンベアやクレーンなどの定トルク負荷や、ファンやポンプなどの二乗低減負荷、巻取機などの定出力負荷など、駆動装置の負荷の種類や用途に応じて決定される。

外部負荷損演算部１２３２ｈは、トルク指令Ｔｍ＊と駆動周波数ω１を入力変数として、予め実測または解析から求めた外部負荷損Ｗｏを出力する二次元テーブルを用いる構成で実現できる。なお、指令発生器１０５から出力されるトルク指令Ｔｍ＊にこれらの負荷特性が考慮されている場合は、外部負荷損Ｗｏは零としてよい。

加算器８３３ｈは、漂遊負荷損演算部１２３１ｈから出力される漂遊負荷損Ｗｓと、外部負荷損演算部１２３２ｈから出力される外部負荷損Ｗｏを加算し、負荷損Ｗｌを出力する。

損失トルク換算部１２０４ｈは、鉄損Ｗｉと機械損Ｗｍと負荷損Ｗｌの合計値である出力損失Ｗｌｏｓｓと、ベクトル制御部１１２から出力される永久磁石同期機１０３の駆動周波数ω１に基づいて、損失トルクＴｌｏｓｓを演算し、出力する。損失トルクＴｌｏｓｓは、例えば、以下の式（１５）にて演算されるものとする。

図２７は、実施例６の出力調整部１２０５ｈの構成例を表すブロック図である。図２７に示すように出力調整部１２０５ｈは、ギア効率演算部１２５２ｈと、除算器８５２ｈを備える。

ギア効率演算部１２５２ｈは、ベクトル制御部１１２から出力される永久磁石同期機１０３の駆動周波数ω１に基づいてギア効率ηｇを演算し、出力する。ギア効率ηｇは、例えば、駆動周波数ω１を入力変数として、予め実測または解析から求めたギア効率ηｇを出力する一次元テーブルを用いる構成とすればよい。また、ギア効率ηｇは定数として用いてもよく、あるいは駆動周波数ω１の関数式として演算してもよい。

なお、ギア効率ηｇは、永久磁石同期機１０３の軸受やギアの摩擦抵抗、潤滑油の抵抗などに基づいて決定される値であり、設計値、解析値、実測値のいずれを用いてもよい。また、永久磁石同期機１０３と、永久磁石同期機１０３につながる負荷との間にギアを有しない機器構成の場合は、トルク指令損失補償部１１７ｈから出力調整部１２０５ｈを除外するか、もしくはギア効率演算部１２５２ｈから出力されるギア効率ηｇを常に１と設定すればよい。

除算器８５２ｈは、トルク指令Ｔｍ＊と損失トルクＴｌｏｓｓの合計値であるモータ出力トルクＴｏｕｔを、ギア効率演算部１２５２ｈから出力されるギア効率ηｇで除算し、トルク指令Ｔｍ＊＊を出力する。

したがって、実施例６では、永久磁石同期機の駆動装置のロストルク分を考慮したトルク指令補正値の演算が実現できるようになり、永久磁石同期機の駆動装置のトルク制御の高精度化を図ることができる。

なお、出力損失Ｗｌｏｓｓの演算は、ヒステリシス損Ｗｈと、渦電流損Ｗｅと、軸受損Ｗｂと、風損Ｗｗと、漂遊負荷損Ｗｓと、外部負荷損Ｗｏのいずれか１つ以上を用いることで、トルク指令に対してロストルクによるモータの出力トルクの低下を補償し、トルク制御の高精度化を図ることができる。

また、実施例６の鉄損演算部１２０１ｈは、極座標変換部１１３から出力される電圧振幅指令値Ｖ１＊の代わりに、電流指令演算部１１１から出力されるｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊、ｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊を用いても実現可能である。

図２８は、実施例６の変形例である永久磁石同期機駆動システムの構成例を表すブロック図である。実施例６では、図２２に示した実施例６の構成例と比較して、構成の相違部分のみを説明する。

図２８において、実施例６の永久磁石同期機の駆動装置の構成の変形例は、図２２の実施例６のトルク指令損失補償部１１７ｈの代わりに、トルク指令損失補償部１１７ｉを用いることで実現できる。

図２９は、実施例６の変形例であるトルク指令損失補償部１１７ｉの構成例を表すブロック図である。図２９に示すようにトルク指令損失補償部１１７ｉは、鉄損演算部１２０１ｈの代わりに、鉄損演算部１２０１ｉを用いることで実現できる。

鉄損演算部１２０１ｉは、ベクトル制御部１１２から出力される永久磁石同期機１０３の駆動周波数ω１と、電流指令演算部１１１から出力されるｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊、ｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊に基づいて鉄損Ｗｉを演算し、出力する。

次に、鉄損演算部１２０１ｉについて詳しく説明する。

図３０は、実施例６の変形例である鉄損演算部１２０１ｉの構成例を表すブロック図である。図３０に示すように鉄損演算部１２０１ｉは、ヒステリシス損演算部１２１１ｉと、渦電流損演算部１２１２ｉと、加算器８１３ｉを備える。

ヒステリシス損演算部１２１１ｉは、ベクトル制御部１１２から出力される永久磁石同期機１０３の駆動周波数ω１と、電流指令演算部１１１から出力されるｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊、ｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊に基づいて、ヒステリシス損Ｗｈを演算し、出力する。

ヒステリシス損演算部１２１１ｉは、例えば、駆動周波数ω１と、ｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊と、ｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊を入力変数として、予め実測または解析から求めたヒステリシス損Ｗｈを出力する三次元テーブルを用いることで実現できる。

渦電流損演算部１２１２ｉは、ベクトル制御部１１２から出力される永久磁石同期機１０３の駆動周波数ω１と、電流指令演算部１１１から出力されるｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊、ｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊に基づいて、渦電流損Ｗｅを演算し、出力する。

渦電流損演算部１２１２ｉは、例えば、駆動周波数ω１と、ｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊と、ｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊を入力変数として、予め実測または解析から求めた渦電流損Ｗｅを出力する三次元テーブルを用いることで実現できる。

さらに、鉄損演算部１２０１ｉにおいて、ヒステリシス損Ｗｈおよび渦電流損Ｗｅを駆動周波数ω１の二乗で正規化することで、ｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊と、ｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊を入力変数とする二次元テーブルを用いた構成でも実現できる。

図３１は、実施例６の変形例である鉄損演算部１２０１ｊの構成例を表すブロック図である。図３１に示すように鉄損演算部１２０１ｊは、ヒステリシス損周波数正規化値演算部１２１１ｊと、渦電流損周波数正規化値演算部１２１２ｊと、加算器８１３ｊと、乗算器８１４ｊ、８１５ｊ、８１６ｊを備える。

ヒステリシス損周波数正規化値演算部１２１１ｊは、電流指令演算部１１１から出力されるｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊、ｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊に基づいて、ヒステリシス損周波数正規化値Ｗｈ’を演算し、出力する。ヒステリシス損周波数正規化値演算部１２１１ｊは、例えば、ｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊と、ｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊を入力変数として、予め実測または解析から求めたヒステリシス損Ｗｈを正規化したヒステリシス損周波数正規化値Ｗｈ’を出力する二次元テーブルを用いることで実現できる。

渦電流損周波数正規化値演算部１２１２ｊは、電流指令演算部１１１から出力されるｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊、ｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊に基づいて、渦電流損周波数正規化値Ｗｅ’を演算し、出力する。渦電流損周波数正規化値演算部１２１２ｊは、例えば、ｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊と、ｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊を入力変数として、予め実測または解析から求めた渦電流損Ｗｅの渦電流損周波数正規化値Ｗｅ’を出力する二次元テーブルを用いることで実現できる。

また、鉄損演算部１２０１ｊにおいて、永久磁石同期機１０３の磁石温度Ｔｍａｇの変動によるヒステリシス損Ｗｈおよび渦電流損Ｗｅの変動を考慮することで、鉄損の演算精度の向上が図れる。

図３２は、実施例６の変形例である永久磁石同期機駆動システムの構成例を表すブロック図である。図２８に示した実施例６の構成例と比較して、相違部分のみを説明する。

図３２において、実施例６の永久磁石同期機の駆動装置の構成の変形例は、図２８の実施例６のトルク指令損失補償部１１７ｉの代わりに、トルク指令損失補償部１１７ｋを用いることで実現できる。

図３３は、実施例６の変形例であるトルク指令損失補償部１１７ｋの構成例を表すブロック図である。図３３に示すようにトルク指令損失補償部１１７ｋは、鉄損演算部１２０１ｉの代わりに、鉄損演算部１２０１ｋを用いることで実現できる。

鉄損演算部１２０１ｋは、ベクトル制御部１１２から出力される永久磁石同期機１０３の駆動周波数ω１と、電流指令演算部１１１から出力されるｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊、ｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊と、温度検出部１２５から出力される磁石温度Ｔｍａｇに基づいて鉄損Ｗｉを演算し、出力する。

なお、磁石温度Ｔｍａｇは、永久磁石同期機１０３の回転速度に応じた誘起電圧の大きさを検出または推定し、その値から磁石温度Ｔｍａｇを推定した値を用いてもよい。

次に、鉄損演算部１２０１ｋについて詳しく説明する。

図３４は、実施例６の変形例である鉄損演算部１２０１ｋの構成例を表すブロック図である。図３４に示すように鉄損演算部１２０１ｋは、ヒステリシス損周波数正規化値演算部１２１１ｋと、渦電流損周波数正規化値演算部１２１２ｋと、加算器８１３ｋと、乗算器８１４ｋ、８１５ｋ、８１６ｋを備える。

ヒステリシス損周波数正規化値演算部１２１１ｋは、電流指令演算部１１１から出力されるｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊、ｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊と、温度検出部１２５から出力される磁石温度Ｔｍａｇに基づいて、ヒステリシス損周波数正規化値Ｗｈ’を演算し、出力する。

ヒステリシス損周波数正規化値演算部１２１１ｋは、例えば、ｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊と、ｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊と、磁石温度Ｔｍａｇを入力変数として、予め実測または解析から求めたヒステリシス損Ｗｈを正規化したヒステリシス損周波数正規化値Ｗｈ’を出力する三次元テーブルを用いることで実現できる。

渦電流損周波数正規化値演算部１２１２ｋは、電流指令演算部１１１から出力されるｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊、ｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊と、温度検出部１２５から出力される磁石温度Ｔｍａｇに基づいて、渦電流損周波数正規化値Ｗｅ’を演算し、出力する。渦電流損周波数正規化値演算部１２１２ｋは、例えば、ｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊と、ｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊と、磁石温度Ｔｍａｇを入力変数として、予め実測または解析から求めた渦電流損Ｗｅを正規化した渦電流損周波数正規化値Ｗｅ’を出力する三次元テーブルを用いることで実現できる。

以上、実施例６について説明した。説明上、主として実施例１を基本構成として説明したが、実施例２〜５を基本構成としても同様に適用可能である。

実施例７では、トルク指令補正値Ｔｒｑ＊＊の演算において、永久磁石同期機１０３の磁石温度Ｔｍａｇの検出値または推定値の代わりに、永久磁石同期機１０３の磁石磁束Φｍの検出値または推定値、もしくは磁石磁束Φｍに相当する係数を用いる。これにより、永久磁石同期機１０３が減磁した場合にも磁石温度の変化に対するトルク指令補正値Ｔｒｑ＊＊を演算できるようになり、実施例１よりも高精度なトルク制御が可能な永久磁石同期機の駆動装置が実現できる。

図３５は、実施例７の永久磁石同期機駆動システムの構成例を表すブロック図である。図１に示した実施例１と比較して、相違部分のみを説明する。

図３５において、実施例７の永久磁石同期機の駆動装置は、図１の実施例１のトルク補正部１１０の代わりにトルク補正部１１０ｍを、ベクトル制御部１１２の代わりにベクトル制御部１１２ｍを、そして磁石磁束係数演算部１１８ｍを追加して用いることで実現できる。

ベクトル制御部１１２ｍは、永久磁石同期機１０３の交流電流検出値である三相交流電流ｉｕ、ｉｗと、電流指令演算部１１１が出力したｄｃ−ｑｃ軸座標系上の電流指令値Ｉｄｃ＊、Ｉｑｃ＊に基づいて、ｄｃ−ｑｃ軸上の電圧指令値Ｖｄｃ＊、Ｖｑｃ＊を演算し、出力する。また、電圧指令値Ｖｄｃ＊、Ｖｑｃ＊と、三相交流電流ｉｕ、ｉｗの検出値に基づいて永久磁石同期機１０３の駆動周波数ω１や推定される磁極の制御位置θｄｃを演算し、出力する。さらに、三相交流電流ｉｕ、ｉｗの検出値と、推定した制御位置θｄｃに基づいて、ｄｃ−ｑｃ軸座標系上の電流検出値Ｉｄｃ、Ｉｑｃを演算し、出力する。

磁石磁束係数演算部１１８ｍは、ベクトル制御部１１２から出力される永久磁石同期機１０３の駆動周波数ω１、ｄｃ−ｑｃ軸上の電圧指令値Ｖｄｃ＊、Ｖｑｃ＊およびｄｃ−ｑｃ軸座標系上の電流検出値Ｉｄｃ、Ｉｑｃに基づいて、永久磁石同期機１０３の磁石磁束係数Ｋｆｅを演算し、出力する。

トルク補正部１１０ｍは、指令発生器１０５から出力されるトルク指令Ｔｍ＊と、電流指令演算部１１１から出力されるｄｃ−ｑｃ軸座標系上の電流指令値Ｉｄｃ＊、Ｉｑｃ＊と、磁石磁束係数演算部１１８ｍから出力される磁石磁束係数Ｋｆｅに基づいて、トルク指令補正値Ｔｒｑ＊＊を演算し、出力する。

以下、実施例７の特徴部分である磁石磁束係数演算部１１８ｍとトルク補正部１１０ｍについて詳しく説明する。

磁石磁束係数演算部１１８ｍにおいて、ベクトル制御部１１２から出力される永久磁石同期機１０３の駆動周波数ω１と、ｄｃ−ｑｃ軸上の電圧指令値Ｖｄｃ＊、Ｖｑｃ＊と、ｄｃ−ｑｃ軸座標系上の電流検出値Ｉｄｃ、Ｉｑｃに基づいて、永久磁石同期機１０３の磁石磁束係数Ｋｆｅを演算し、出力する。磁石磁束係数Ｋｆｅは、例えば、ｄｑ座標系で表した永久磁石同期機の電圧方程式に基づいて、以下の式（１６）にて演算されるものとする。

式（１６）において、右辺の分子の多項式は、永久磁石同期機１０３の回転速度に応じて発生する誘起電圧（速度起電圧）を算出するものである。したがって、磁石磁束係数Ｋｆｅは、永久磁石同期機１０３の誘起電圧を検出または推定した値に基づき、永久磁石同期機１０３の磁石磁束と関連付けられる値として用いてもよい。

なお、式（１６）において、永久磁石同期機のｄ軸インダクタンスをＬｄ、巻線抵抗をＲ１とする。また、ｄｃ−ｑｃ軸座標系上の電流検出値Ｉｄｃ、Ｉｑｃの代わりに、電流指令演算部１１１から出力されるｄｃ−ｑｃ軸座標系上の電流指令値Ｉｄｃ＊、Ｉｑｃ＊を用いてもよい。

ここで、永久磁石同期機のｄ軸インダクタンスをＬｄは電流依存性があり、巻線抵抗Ｒ１は温度依存性がある。そのため、これらのモータ定数誤差によって磁石磁束係数Ｋｆｅの演算結果に誤差が生じる恐れがある。そこで、永久磁石同期機のモータ定数誤差の影響を無視するため、ベクトル制御で電流を零に制御した状態のｄｃ−ｑｃ軸上の電圧指令値Ｖｑｃ＊と駆動周波数ω１に基づいて磁石磁束係数Ｋｆｅを演算することで、モータ定数誤差の影響を受けない手段を用いることができる。そのほか、磁束センサや電圧センサなどを用いて、それらの検出値と駆動周波数ω１から磁石磁束係数相当を演算し、用いてもよい。

図３６は、実施例７のトルク補正部１１０ｍの構成例を表すブロック図である。図３６に示すようにトルク補正部１１０ｍは、トルク補正係数演算部１３０１ｍと、乗算器１３０２ｍを備える。トルク補正部１１０ｍは、トルク指令Ｔｍ＊にトルク補正係数演算部１３０１ｍから出力されるトルク補正係数Ｋｔｅｍｐ＊を乗算した演算結果をトルク指令補正値Ｔｒｑ＊＊として出力する。

図３７は、実施例７のトルク補正係数演算部１３０１ｍの構成例を表すブロック図である。図３７に示すようにトルク補正係数演算部１３０１ｍは、磁石磁束係数演算部１１８ｍから出力される磁石磁束係数Ｋｆｅと、電流指令演算部１１１から出力されるｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊およびｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊に基づいて、トルク補正係数Ｋｔｅｍｐ＊を演算し、出力する。なお、トルク補正係数Ｋｔｅｍｐ＊の演算には、例えば、磁石磁束係数Ｋｆｅと、ｄ軸電流指令値Ｉｄｃと、ｑ軸電流指令値Ｉｑｃ＊を入力とする参照テーブルを用いればよい。また、トルク補正係数Ｋｔｅｍｐ＊の参照テーブルは予め試験や解析から求めたものを用いればよい。

実施例７は、例えば、電流指令演算部１１１のｄ軸電流指令演算部２０２およびｑ軸電流指令演算部２０３の参照テーブルに、磁石温度条件が基準温度Ｔｍａｇ０のときの永久磁石同期機１０３の磁石磁束Φｍ０に基づく基準磁石磁束係数Ｋｆｅ０で算出したｄ、ｑ軸電流指令値を設定した場合、トルク補正部１１０ｍのトルク補正係数Ｋｔｅｍｐ＊には、電流指令演算部１１１のｄ軸電流指令演算部２０２およびｑ軸電流指令演算部２０３の算出条件と同じ基準磁石磁束係数Ｋｆｅ０における出力トルクを基準にして、磁石磁束係数Ｋｆｅの変化に応じた出力トルクの比を参照テーブルとして有しておけば、永久磁石同期機１０３の磁石温度の変化や減磁の影響による磁石磁束の変化による出力トルク変動分の補償が実施可能となる。

また、実施例７は、トルク補正係数演算部１３０１ｍの代わりに、トルク補正係数演算部１３０１ｎを用いることでも実現できる。

図３８は、実施例７の変形例であるトルク補正係数演算部１３０１ｎの構成例を表すブロック図である。トルク補正係数演算部１３０１ｎは、磁石磁束係数、ｄ軸電流指令、ｑ軸電流指令に応じたトルク補正係数Ｋｔｅｍｐ＊の算出の際、三次元参照テーブルを用いない。

トルク補正係数演算部１３０１ｎは、磁石磁束依存トルク補正係数演算部１４０１ｎと、リラクタンストルク比率補正係数演算部１４０２ｎと、加算器８０２ｎを備え、磁石磁束依存トルク補正係数演算部１４０１ｎから出力されるトルク補正係数Ｋｔｅｍｐ１＊と、リラクタンストルク比率補正係数演算部１４０２ｎから出力されるトルク補正係数Ｋｔｅｍｐ２＊を加算した値をトルク補正係数Ｋｔｅｍｐ＊として出力する。

トルク補正係数演算部１３０１ｎは、実施例１のトルク補正係数演算部３０１ｂと比較して、磁石温度Ｔｍａｇの代わりに磁石磁束係数Ｋｆｅを用いる点のみが異なり、磁石磁束係数Ｋｆｅに基づいてトルク補正係数Ｋｔｅｍｐ１＊およびトルク補正係数Ｋｔｅｍｐ２＊を演算すればよい。

例えば、永久磁石同期機の磁石温度Ｔｍａｇと磁石磁束係数Ｋｆｅは比例関係にあるため、電流指令演算部１１１のｄ軸電流指令演算部２０２およびｑ軸電流指令演算部２０３の算出条件と同じ基準磁石磁束係数Ｋｆｅ０を基準として、磁石温度Ｔｍａｇの変化に応じた磁石磁束係数を算出すれば容易に置き換え可能である。

また、実施例７は、トルク補正係数演算部１３０１ｍの代わりに、トルク補正係数演算部１３０１ｏを用いることでも実現できる。図３９は、実施例７の変形例であるトルク補正係数演算部１３０１ｏの構成例を表すブロック図である。トルク補正係数演算部１３０１ｏは、トルク補正係数Ｋｔｅｍｐ＊の算出に、三次元参照テーブルを用いない。

トルク補正係数演算部１３０１ｏは、磁石磁束係数演算部１１８ｍから出力される磁石磁束係数Ｋｆｅと、電流指令演算部１１１から出力されるｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊に基づいてトルク補正係数Ｋｔｅｍｐ＊を算出することで、多次元テーブルを用いずに磁石磁束の変化に対するトルク指令補正値Ｔｒｑ＊＊を演算できる。これにより、制御装置の演算負荷が少なく、省メモリ容量化が可能な永久磁石同期機の駆動装置が実現できる。

トルク補正係数演算部１３０１ｏは、磁石磁束補償係数演算部１９０１ｏと、ｄ軸電流特性補償係数演算部１９０２ｏと、加算器８０２ｏを備え、磁石磁束補償係数演算部１９０１ｏから出力されるトルク補正係数Ｋｔｅｍｐ−ｍａｇ＊と、ｄ軸電流特性補償係数演算部１９０２ｏから出力されるトルク補正係数Ｋｔｅｍｐ−ｉｄ＊を加算した値をトルク補正係数Ｋｔｅｍｐ＊として出力する。

磁石磁束補償係数演算部１９０１ｏは、磁石磁束係数Ｋｆｅに基づいて、電流指令演算部１１１のｄ軸電流指令演算部２０２およびｑ軸電流指令演算部２０３の算出条件である基準磁石磁束係数Ｋｆｅ０を基準として磁石温度の変化や減磁による磁石磁束の変化に対する出力トルクの変化量に相当する係数を算出し、トルク補正係数Ｋｔｅｍｐ−ｍａｇ＊として出力する。

ｄ軸電流特性補償係数演算部１９０２ｏは、ｄ軸電流指令値Ｉｄｃ＊と磁石磁束係数Ｋｆｅに基づいて、基準磁石磁束係数Ｋｆｅ０を基準として磁石温度の変化や減磁による磁石磁束の変化に対する任意のＩｄｃ＊、Ｉｑｃ＊の電流動作点でのマグネットトルクとリラクタンスの比率の変化量に相当する係数を算出し、トルク補正係数Ｋｔｅｍｐ−ｉｄ＊として出力する。

トルク補正係数演算部１３０１ｏは、実施例５のトルク補正係数演算部３０１ｇと比較して、磁石温度Ｔｍａｇの代わりに磁石磁束係数Ｋｆｅを用いる点のみが異なり、磁石磁束係数Ｋｆｅに基づいてトルク補正係数Ｋｔｅｍｐ−ｍａｇ＊およびトルク補正係数Ｋｔｅｍｐ−ｉｄ＊を演算する構成とすればよい。

なお、ここまで実施例７では、磁石磁束係数Ｋｆｅを用いて説明したが、永久磁石同期機１０３の磁石磁束Φｍの検出値または推定値をトルク指令補正の入力変数や電流指令参照テーブルの基準に用いることでも実現可能である。すなわち、トルク指令補正の入力変数や電流指令参照テーブルの基準に用いることができる値は、永久磁石同期機１０３の磁石磁束と関連付けられる値であればいずれでもよい。

したがって、実施例７では、永久磁石同期機の磁石磁束と電流指令値に基づいてトルク指令値を補正することで、磁石温度の変化や減磁による磁石磁束の変化に対する出力トルク変動分を補償演算が実現できるようになり、永久磁石同期機の駆動装置において永久磁石同期機の減磁を含む磁石温度変動時のトルク制御の高精度化を図ることができる。

以上、実施例７について説明した。説明上、主として実施例１を基本構成として説明したが、実施例２〜６を基本構成としても同様に適用可能である。

次に、本発明の実施例８について説明する。図４０は、実施例１〜７のいずれかの永久磁石同期機駆動システムを搭載する鉄道車両の一部の概略構成を示した図である。実施例１〜７のいずれかの永久磁石同期機駆動システムを鉄道車両１００に適用することで、磁石温度変動時のトルク精度、運転効率およびトルク制御応答の向上が可能な鉄道車両を実現できる。

例えば鉄道車両１００は、永久磁石同期機１０３ａおよび１０３ｂが搭載された台車、ならびに、永久磁石同期機１０３ｃおよび１０３ｄが搭載された台車を有する。また鉄道車両は、制御器１０１、電力変換器１０２、指令発生器１０５、および相電流検出部１２１を含む永久磁石同期機の駆動システム（駆動装置）が搭載されている。

鉄道車両１００は、運転士によりマスター・コントローラを介して入力された運転指令に基づき指令発生器１０５が発生したトルク指令Ｔｍ＊に応じて、架線から集電装置を介して供給された電力を電力変換器１０２で交流電力に変換して永久磁石同期機１０３に供給されることで永久磁石同期機１０３を駆動する。

永久磁石同期機１０３は、鉄道車両１００の車軸と連結されており、永久磁石同期機１０３により鉄道車両１００の走行が制御される。実施例８では、鉄道車両１００に、実施例１〜７を適用することで、トルク制御の高応答化と高精度化、および高効率な運転が可能な鉄道車両を実現できる。

本発明は、永久磁石同期機の駆動装置および永久磁石同期機のトルク補償方法に関し、例えば、電気鉄道車両や電気自動車等の電気車、産業機械等のインバータシステム、風力発電システム、ディーゼル発電機システム等に適用して好適なものである。また、本発明は、永久磁石同期電動機のみならず、永久磁石同期発電機にも適用可能である。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば上述した実施例は本発明を分かりやすく説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。さらに実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。また上述の実施例および変形例で例示した各構成および各処理は、実装形態や処理効率に応じて適宜統合、分離、または処理順序の入れ替えを行ってもよい。また、例えば上述の実施例および変形例は、矛盾しない範囲で、その一部または全部を組合せてもよい。

１００：鉄道車両、１０１：制御器、１０２：電力変換器、１０３：永久磁石同期機、１０３ａ，１０３ｃ：永久磁石同期機、１０５：指令発生器、１１０，１１０ｃ，１１０ｇ，１１０ｍ：トルク補正部、１１１，１１１ｄ，１１１ｅ，１１１ｆ：電流指令演算部、１１２，１１２ｅ，１１２ｍ：ベクトル制御部、１１３：極座標変換部、１１４：位相演算部、１１５：三相座標変換部、１１６：ＰＷＭ信号制御器、１１７ｈ，１１７ｉ，１１７ｋ：トルク指令損失補償部、１１８ｍ：磁石磁束係数演算部、１２１：相電流検出部
１２３ａ，１２３ｂ：入力端子、１２４：回転位置検出部、１２５：温度検出部、１３１：平滑用コンデンサ、１３２：主回路部、１３３：ゲート・ドライバ、１３４：直流抵抗器、２０１：磁束量制限値演算部、２０２：ｄ軸電流指令演算部、２０３：ｑ軸電流指令演算部、３０１，３０１ｂ，３０１ｇ，３０２ｃ：トルク補正係数演算部、４０１ｂ：磁石温度依存トルク補正係数演算部、４０２ｂ：リラクタンストルク比率補正係数演算部、５０１ｂ：リラクタンストルク比率磁石温度補正部、５０２ｂ：リラクタンストルク推定演算部、６０１ｄ：磁束量制限値演算部、６０１ｅ：磁束量制限値演算部、７０１ｆ：ｄ軸電流指令三次元テーブル参照部、７０２ｆ：ｑ軸電流指令三次元テーブル参照部、９０１ｇ：磁石温度補償係数演算部、９０２ｇ：ｄ軸電流特性補償係数演算部、１００１ｇ：ｄ軸電流特性磁石温度補正係数演算部、１００２ｇ：ｄ軸電流特性係数演算部、１２０１ｈ，１２０１ｉ，１２０１ｊ，１２０１ｋ：鉄損演算部、１２０２ｈ：機械損演算部、１２０３ｈ：負荷損演算部、１２０４ｈ：損失トルク換算部、１２０５ｈ：出力調整部、
１２１１ｈ，１２１１ｉ：ヒステリシス損演算部、１２１１ｊ：ヒステリシス損周波数正規化値演算部、１２１１ｋ：ヒステリシス損周波数正規化値演算部、１２１２ｈ，１２１２ｉ：渦電流損演算部、１２１２ｊ，１２１２ｋ：渦電流損周波数正規化値演算部、１２２１ｈ：軸受損演算部、１２２２ｈ：風損演算部、１２３１ｈ：漂遊負荷損演算部、１２３２ｈ：外部負荷損演算部、１２５２ｈ：ギア効率演算部、１３０１ｍ，１３０１ｎ，１３０１ｏ：トルク補正係数演算部、１４０１ｎ：磁石磁束依存トルク補正係数演算部、１４０２ｎ：リラクタンストルク比率補正係数演算部、１９０１ｏ：磁石磁束補償係数演算部、１９０２ｏ：ｄ軸電流特性補償係数演算部

Claims (15)

1. 永久磁石同期機を駆動する電力変換器と、前記電力変換器を制御する制御器とを有する永久磁石同期機の駆動装置であって、
   前記制御器は、
   入力されたトルク指令値を補正するトルク補正部と、
   前記トルク補正部によって補正されたトルク指令値から、前記永久磁石同期機を駆動制御するためのｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値を生成する電流指令演算部と
   を備え、
   前記トルク補正部は、前記永久磁石同期機の磁石磁束と関連付けられる値と、前記電流指令演算部によって生成された前記ｄ軸電流指令値とに基づいて前記トルク指令値を補正する
   ことを特徴とする永久磁石同期機の駆動装置。
2. 前記磁石磁束と関連付けられる値は、前記永久磁石同期機の磁石温度であることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石同期機の駆動装置。
3. 前記磁石磁束と関連付けられる値は、前記永久磁石同期機の誘起電圧であることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石同期機の駆動装置。
4. 前記電流指令演算部は、
   前記電力変換器の直流電圧検出値と前記永久磁石同期機の回転速度とから磁束量制限値を演算する磁束量制限値演算部を備え、
   前記磁束量制限値演算部によって演算された磁束量制限値と、前記トルク補正部によって補正されたトルク指令値に基づいて前記ｄ軸電流指令値および前記ｑ軸電流指令値を生成する
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の永久磁石同期機の駆動装置。
5. 前記電流指令演算部は、
   磁束量制限値とトルク指令値とｄ電流指令値とｑ軸電流指令値とが対応付けられたテーブルを参照して、前記磁束量制限値演算部によって演算された磁束量制限値と、前記トルク補正部によって補正されたトルク指令値とに対応するｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値を生成することを特徴とする請求項４に記載の永久磁石同期機の駆動装置。
6. 前記磁束量制限値演算部は、
   前記永久磁石同期機の磁石温度に基づいて前記磁束量制限値を補正することを特徴とする請求項４または５に記載の永久磁石同期機の駆動装置。
7. 前記磁束量制限値演算部は、
   前記電力変換器の出力電圧制限値または前記制御器の弱め界磁制御の目標電圧値に基づいて前記磁束量制限値を補正することを特徴とする請求項４または５に記載の永久磁石同期機の駆動装置。
8. 前記電流指令演算部は、
   前記電力変換器の直流電圧検出値と前記永久磁石同期機の回転速度と前記トルク指令値とから、前記ｄ軸電流指令値および前記ｑ軸電流指令値を生成する
   ことを特徴とする請求項４〜７のいずれか１項に記載の永久磁石同期機の駆動装置。
9. 前記トルク補正部は、
   前記磁石磁束と関連付けられる値と、前記電流指令演算部によって生成された前記ｄ軸電流指令値および前記ｑ軸電流指令値とに基づいて前記トルク指令値を補正する
   ことを特徴とする請求項４〜８のいずれか１項に記載の永久磁石同期機の駆動装置。
10. 前記制御器は、
    前記トルク指令値、前記ｄ軸電流指令値、前記ｑ軸電流指令値、前記永久磁石同期機の電流検出値、前記ｄ軸電流指令値および前記ｑ軸電流指令値に基づいて生成された前記永久磁石同期機を駆動するための電圧指令値、前記永久磁石同期機の回転速度、前記電力変換器の直流電圧検出値、および前記永久磁石同期機の機械パラメータの少なくともいずれかを用いて損失トルク値を演算し、演算した損失トルク値に基づいて前記トルク指令値を補償するトルク指令損失補償部
    を備えたことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石同期機の駆動装置。
11. 永久磁石同期機を駆動する電力変換器と、前記電力変換器を制御する制御器とを有する永久磁石同期機のトルク補償方法であって、
    前記制御器は、
    入力されたトルク指令値を補正するトルク補正部と、
    前記トルク補正部によって補正されたトルク指令値から、前記永久磁石同期機を駆動制御するためのｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値を生成する電流指令演算部と
    を備え、
    前記トルク補正部が、前記永久磁石同期機の磁石磁束と関連付けられる値と、前記電流指令演算部によって生成された前記ｄ軸電流指令値とに基づいて前記トルク指令値を補正する
    ことを特徴とする永久磁石同期機のトルク補償方法。
12. 前記磁石磁束と関連付けられる値は、前記永久磁石同期機の磁石温度であることを特徴とする請求項１１に記載の永久磁石同期機のトルク補償方法。
13. 前記磁石磁束と関連付けられる値は、前記永久磁石同期機の誘起電圧であることを特徴とする請求項１１に記載の永久磁石同期機のトルク補償方法。
14. 前記電流指令演算部が、
    前記電力変換器の直流電圧検出値と前記永久磁石同期機の回転速度とから磁束量制限値を演算し、
    前記演算された磁束量制限値と、前記トルク補正部によって補正されたトルク指令値に基づいて前記ｄ軸電流指令値および前記ｑ軸電流指令値を生成する
    ことを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の永久磁石同期機のトルク補償方法。
15. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の永久磁石同期機の駆動装置を備えた電気車。

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