JP7151872B2 - 永久磁石同期機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石同期機の制御装置に関する。

特許文献１は、永久磁石同期電動機の制御方法の例を開示する。当該方法において、回転子の位置は、位相補正値によって補正される。位相補正値は、電動機を据付けた後の調整中に算出される。

日本特許第３３３６８７０号公報

しかしながら、特許文献１において、位相補正値は、駆動電圧を測定して算出される。このため、制御装置は、駆動電圧を測定する電圧センサを必要とする。これにより、制御装置のハードウェア構成が複雑になる。

本発明は、このような課題を解決するためになされた。本発明の目的は、簡易な構成によって磁極位置の補正値を計算できる永久磁石同期機の制御装置を提供することである。

本発明に係る電動機の制御装置は、永久磁石同期機のｄ軸電流およびｑ軸電流の指令値を生成する電流指令生成部と、電流指令生成部が生成した指令値を入力として永久磁石同期機のｄ軸電圧およびｑ軸電圧の指令値を算出する電流制御部と、電流制御部が算出したｄ軸電圧の指令値に基づいて第１補正位相を算出する第１補正位相算出部と、電流制御部が算出したｑ軸電流の指令値または永久磁石同期機のｑ軸電流の実際値の少なくともいずれかおよび永久磁石同期機のパラメータに基づいて第２補正位相を算出する第２補正位相算出部と、第１補正位相および第２補正位相の和である第３補正位相によって補正された永久磁石同期機の電気角を用いて電流制御部におけるｄ－ｑ座標についての座標変換を行う変換部と、を備える。

本発明によれば、制御装置は、電流指令生成部と、電流制御部と、第１補正位相算出部と、第２補正位相算出部と、変換部と、を備える。電流指令生成部は、永久磁石同期機のｄ軸電流およびｑ軸電流の指令値を生成する。電流制御部は、電流指令生成部が生成した指令値を入力として、永久磁石同期機のｄ軸電圧およびｑ軸電圧の指令値を算出する。第１補正位相算出部は、電流制御部が算出したｄ軸電圧の指令値に基づいて第１補正位相を算出する。第２補正位相算出部は、電流制御部が算出したｑ軸電流の指令値または永久磁石同期機のｑ軸電流の実際値の少なくともいずれかおよび永久磁石同期機のパラメータに基づいて第２補正位相を算出する。変換部は、第１補正位相および第２補正位相の和である第３補正位相によって補正された永久磁石同期機の電気角を用いて電流制御部におけるｄ－ｑ座標についての座標変換を行う。これにより、制御装置は、簡易な構成によって磁極位置の補正値を計算できる。

実施の形態１に係る制御装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係る第１補正位相算出部の構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係る電動機の実際の磁極位置による座標系と非干渉化電圧に対応する誤差のずれを含む座標系との関係を示す図である。 実施の形態１に係る制御装置の主要部のハードウェア構成を示す図である。 実施の形態２に係る制御装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態２に係る運転モード設定部の構成を示すブロック図である。 実施の形態２に係る制御装置の学習運転における動作の例を示すフローチャートである。 実施の形態２に係る制御装置の学習運転における動作の例を示すフローチャートである。 実施の形態３に係る制御装置の通常運転における動作の例を示すフローチャートである。

本発明を実施するための形態について添付の図面を参照しながら説明する。各図において、同一または相当する部分には同一の符号を付して、重複する説明は適宜に簡略化または省略する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る制御装置の構成を示すブロック図である。

制御装置１は、永久磁石同期機を駆動する装置である。この例において、永久磁石同期機は、電動機２である。電動機２は、例えば３相電動機である。この例において、電動機２の回転子の形状は、例えば非突極型の形状である。電動機２は、例えばエレベータに適用される。電動機２は、例えばエレベータの巻上機またはドアなどに適用される。

一般に、３相交流電動機の制御において、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相からなる３相の電流および電圧は、２軸に変換して取り扱われることが多い。３相のうちＵ相の軸にα軸を合わせた静止２軸上の座標系は、α－β座標系と呼ばれる。回転子の磁界の方向にｄ軸を合わせた回転２軸上の座標系は、ｄ－ｑ座標系と呼ばれる。電動機２の回転子の電気角θ_ｒｅは、α－β座標系から見たｄ－ｑ座標系の回転角度である。

制御装置１は、電流検出器３と、回転角検出器４と、位相算出部５と、速度算出部６と、電流指令生成部７と、電流制御部８と、第１補正位相算出部９と、第２補正位相算出部１０と、座標変換部１１と、電力変換器１２と、を備える。

電流検出器３は、電動機２に流れる電流を測定する機器である。電流検出器３は、例えば電動機２に入力される３相の相電流を測定しうるように各相の配線に設けられる。この例において、電流検出器３は、Ｕ相の電流ｉ_Ｕ、Ｖ相の電流ｉ_Ｖ、およびＷ相の電流ｉ_Ｗをそれぞれ測定する。

回転角検出器４は、電動機２の回転角を検出する機器である。回転角検出器４は、例えば光学式のエンコーダ、レゾルバまたは磁気センサなどを含む。

位相算出部５は、電動機２の回転子の電気角θ_ｒｅを算出する部分である。位相算出部５における電気角θ_ｒｅの算出において、例えば回転角検出器４に検出される電動機２の回転角が用いられる。

速度算出部６は、電動機２の回転速度ωを算出する部分である。回転速度ωの算出において、例えば回転角検出器４に検出される電動機２の回転角の時間微分が用いられる。

電流指令生成部７は、ｄ－ｑ座標系における電流指令値として、ｄ軸電流の指令値ｉ_ｄ ^＊、およびｑ軸電流の指令値ｉ_ｑ ^＊を生成する部分である。この例において、回転子の形状が非突極型である場合などに、ｄ軸電流の指令値ｉ_ｄ ^＊は、０に設定される。ｑ軸電流の指令値ｉ_ｑ ^＊は、例えば、電動機２の回転速度の指令値および実際値の偏差に基づいて算出されたトルクの指令値を電流の指令値に換算することで算出される。トルクの指令値は、例えばＰ制御（Ｐ：Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ）、ＰＩ制御（Ｉ：Ｉｎｔｅｇｒａｌ）、ＰＩＤ制御（Ｄ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）、またはその他の制御方法などによって算出される。

電流制御部８は、ｄ－ｑ座標系における電圧指令値として、ｄ軸電圧の指令値ｖ_ｄ、およびｑ軸電圧の指令値ｖ_ｑを算出する部分である。電流制御部８による電圧指令値の算出は、ｄ－ｑ座標系における電流の指令値ｉ_ｄ ^＊およびｉ_ｑ ^＊と、ｄ－ｑ座標系における電流の実際値ｉ_ｄおよびｉ_ｑと、電動機２の回転速度ωと、を入力として行われる。

電流制御部８は、ｄ－ｑ座標系における電流の指令値ｉ_ｄ ^＊およびｉ_ｑ ^＊と、ｄ－ｑ座標系における電流の実際値ｉ_ｄおよびｉ_ｑとの偏差に基づいて、ベクトル制御によって実際値を指令値に追従させる補償電圧を算出する。補償電圧は、フィードバック制御によって算出される。補償電圧は、例えばＰ制御、ＰＩ制御、ＰＩＤ制御、またはその他の制御方法などによって算出される。

また一般に、ｄ軸およびｑ軸の間において電圧干渉が生じる。このため、電流制御部８において、電圧干渉を非干渉化する非干渉化電圧によってフィードフォワード補償が行われる。非干渉化電圧は、電動機２の電気角速度と、ｄ－ｑ座標系における電流の実際値と、電動機２のパラメータと、によって算出される。電気角速度は、速度算出部６が算出した電動機２の回転速度ωに電動機２の極対数を乗算することで算出される。電動機２のパラメータは、例えばインダクタンス、および誘起電圧定数を含む。

電流制御部８は、上記のように得られた補償電圧と干渉電圧との和を、ｄ－ｑ座標系における電圧指令値として出力する。

第１補正位相算出部９は、第１補正位相Δθ_１を算出する部分である。第２補正位相算出部１０は、第２補正位相Δθ_２を算出する部分である。第１補正位相Δθ_１および第２補正位相Δθ_２は、位相算出部５が算出した電気角θ_ｒｅの補正に用いられる。

座標変換部１１は、補正された電気角に基づいて、電流制御部８におけるｄ－ｑ座標についての座標変換を行う部分である。座標変換部１１は、変換部の例である。座標変換部１１は、３相／２軸変換部１３と、２軸／３相変換部１４と、を備える。３相／２軸変換部１３は、電流検出器３が検出した電動機２の３相の電流ｉ_Ｕ、ｉ_Ｖ、およびｉ_Ｗを、ｄ－ｑ座標系における２軸の電流ｉ_ｄおよびｉ_ｑに座標変換する部分である。２軸／３相変換部１４は、電流制御部８が算出したｄ－ｑ座標系における２軸の電圧指令値ｖ_ｄおよびｖ_ｑを、３相の電圧指令値ｖ_Ｕ、ｖ_Ｖ、およびｖ_Ｗに座標変換する部分である。

電力変換器１２は、入力される電圧指令値に基づいて、図示されない電源の電圧を可変電圧可変周波数の電圧に変換する機器である。この例において、電力変換器１２は、交流の電源の電圧を直流電圧に変換するコンバータと、コンバータによって変換された直流電圧を可変電圧可変周波数の交流電圧に変換するインバータと、を備える。

続いて図２および図３を用いて、制御装置１における電気角の補正の例を説明する。

図２は、実施の形態１に係る第１補正位相算出部の構成を示すブロック図である。

第１補正位相算出部９は、電流制御部８が出力するｄ軸電圧の指令値ｖ_ｄに基づいて第１補正位相Δθ_１を算出する。第１補正位相算出部９は、ゲインアンプ１５と、積分器１６と、を備える。ゲインアンプ１５は、ｄ軸電圧の指令値に定数を乗じて積分器１６に出力する。積分器１６は、入力された値を積分して第１補正位相Δθ_１として出力する。

この例において、ｄ軸電流の指令値ｉ_ｄ ^＊は０に設定されている。位相算出部５が算出した電気角θ_ｒｅが電動機２の実際の磁極位置からずれていない場合に、電流のフィードバック制御によってｄ軸電流の指令値および実際値の偏差が０であるならば、電流制御部８は、定常状態においてｄ軸の補償電圧を０として算出する。一方、位相算出部５が算出した電気角θ_ｒｅが電動機２の実際の磁極位置からずれている場合に、ｑ軸電流がｄ軸に流れ込むので、ｄ軸電流を０に制御したとしてもｄ軸の補償電圧は０にならない。

第１補正位相算出部９は、この特性を利用することで、ｄ軸電圧の指令値ｖ_ｄが０になるまで第１補正位相Δθ_１を算出する。これにより、第１補正位相Δθ_１は、位相算出部５が算出する電気角θ_ｒｅと電動機２の実際の磁極位置とのずれを補正する補正値となる。

ここで、ｄ軸電圧の指令値ｖ_ｄは、補償電圧の他に非干渉化電圧を含む。このため、第１補正位相は、非干渉化電圧に対応する誤差を含んでいる。そこで、第２補正位相算出部１０は、非干渉化電圧に対応する誤差を補正する補正値である第２補正位相Δθ_２を算出する。

図３は、実施の形態１に係る電動機の実際の磁極位置による座標系と非干渉化電圧に対応する誤差のずれを含む座標系との関係を示す図である。

図３において、ｄ軸およびｑ軸は、電動機２の実際の磁極位置によるｄ－ｑ座標系を表す。ｄｃ軸およびｑｃ軸は、非干渉化電圧に対応する誤差のずれを含むｄ－ｑ座標系を表す。このとき、ｄ軸とｄｃ軸との間、およびｑ軸とｑｃ軸との間において、Δθの角度誤差がある。

電動機２における実際のｄ軸電流およびｑ軸電流は、図３に示される座標系の関係から、電流値ｉ_ｑｃを用いて次の式（１）および式（２）のように表される。ここで、電流値ｉ_ｑｃは、第２補正位相Δθ_２による補正がない場合の制御装置１においてｑ軸電流の実際値として扱われる電流値である。また、この例において、ｄ軸電流は０に制御されている。

また、式（１）および式（２）を用いて、電動機２の実際のｄ－ｑ座標系における電圧ｖ_ｄおよびｖ_ｑは、次の式（３）および式（４）のように表わされる。ここで、Ｒは、抵抗値を表す。Ｌ_ｄおよびＬ_ｑは、ｄ軸およびｑ軸のインダクタンスを表す。φは、誘起電圧定数を表す。ω_ｒｅは、電気角速度を表す。

式（１）および式（２）式と同様に、図３に示される座標系の関係から、ｄ軸電圧およびｑ軸電圧とｄｃ軸電圧およびｑｃ軸電圧との関係が導かれる。このとき、式（３）および式（４）を考慮すると、ｄｃ軸電圧は、次の式（５）のように表される。

ここで、式（５）の右辺第一項がｄｃ軸の非干渉化電圧なので、右辺第二項および第三項が補償電圧であることが分かる。第１補正位相Δθ_１は制御装置１におけるｄｃ軸電圧の指令値ｖ_ｄｃが０になるように算出されるので、第１補正位相Δθ_１による補正を考慮すると式（５）の左辺は０になる。このとき、式（５）をΔθについて解くと、Δθは、式（６）に表されるように、電動機２のインダクタンス、誘起電圧定数およびｑｃ軸電流の関数となる。

すなわち、第１補正位相算出部９が算出するΔθ_１は、磁極位置のずれの正しい補正値に対して式（６）の誤差を持った値となる。この誤差を補正するために、第２補正位相算出部１０は、第２補正位相Δθ_２を式（６）によってΔθ_２＝Δθとして算出する。したがって、磁極位置のずれの補正値である第３補正位相Δθ_３は、第１補正位相Δθ_１と第２補正位相Δθ_２とを加算することによって得られる。

なお、電流制御部８によりｑ軸電流の実際値が指令値に追従している場合において、第２補正位相算出部１０は、式（６）のｑ軸電流として指令値または実際値のいずれを用いてもよい。

座標変換部１１は、位相算出部５が算出した電気角θ_ｒｅに第３補正位相Δθ_３を加算することで補正された電気角を用いて、電流制御部８におけるｄ－ｑ座標についての座標変換を行う。

以上に説明したように、実施の形態１に係る制御装置１は、電流指令生成部７と、電流制御部８と、第１補正位相算出部９と、第２補正位相算出部１０と、変換部と、を備える。電流指令生成部７は、永久磁石同期機のｄ軸電流およびｑ軸電流の指令値を生成する。電流制御部８は、電流指令生成部７が生成した指令値を入力として永久磁石同期機のｄ軸電圧およびｑ軸電圧の指令値を算出する。第１補正位相算出部９は、電流制御部８が算出したｄ軸電圧の指令値ｖ_ｄに基づいて第１補正位相Δθ_１を算出する。第２補正位相算出部１０は、電流制御部８が算出したｑ軸電流の指令値ｉ_ｑ ^＊または永久磁石同期機のｑ軸電流の実際値ｉ_ｑの少なくともいずれかおよび永久磁石同期機のパラメータに基づいて第２補正位相Δθ_２を算出する。変換部は、第３補正位相Δθ_３によって補正された永久磁石同期機の電気角を用いて電流制御部８におけるｄ－ｑ座標についての座標変換を行う。第３補正位相Δθ_３は、第１補正位相Δθ_１および第２補正位相Δθ_２の和である。

これにより、制御装置１は、電圧センサなどの追加のハードウェアを電気角の補正のために必要としない。このため、制御装置１は、簡易な構成によって磁極位置の補正値を計算できる。

一般に、永久磁石同期機である電動機の電流制御は、回転座標であるｄ－ｑ軸上の座標系の電流値に基づいて実施される。このため、電動機の回転子の磁極位置は、電流制御の基準となる重要な情報である。ここで、例えばエレベータなどの低回転大トルクが求められる電動機において、磁石極数が数十にも及ぶ多極の設計が採用される場合が多い。この場合に、電動機の回転角のずれは電気角に換算すると大きなずれとなる。このため、電気角のずれを小さくするためには、回転角検出器などのセンサそのものの検出精度に加え、当該センサの取付け精度についても、十分に高い精度が求められる。一方で、電気角のずれを数度に抑えるように機器を取り付けることは、電気角の精度よりさらに高い取付け精度が要求されるため、電動機の製造コストの上昇に繋がる。

このため、制御装置１は、磁極位置のずれを、算出された第３補正位相Δθ_３によって補正する。これにより、電動機２は、磁極位置がずれたまま運転されることを回避できる。制御装置１は、電動機２を正常に制御できる。このため、磁極位置のずれによる制御性能の悪化および不安定化が防止される。

また、第１補正位相算出部９は、補償電圧と、非干渉化電圧と、の和であるｄ軸電圧の指令値ｖ_ｄに基づいて第１補正位相を算出する。補償電圧は、ｄ軸電流の指令値ｉ_ｄ ^＊および実際値ｉ_ｄの偏差に基づいて計算される。非干渉化電圧は、ｄ軸およびｑ軸の間における電圧干渉を非干渉化する。

位相算出部５が算出した電気角θ_ｒｅが電動機２の実際の磁極位置からずれている場合に、ｄ軸電流を０に制御したとしてもｄ軸の補償電圧は０にならない。このように、ｄ軸電圧の指令値は、磁極位置のずれを反映する。ｄ軸電圧の指令値は、非干渉化電圧によって電圧干渉が非干渉化されている。このため、第１補正位相算出部９は、ｄ軸電圧をｑ軸電圧から独立したものとして第１補正位相Δθ_１を算出できる。このとき、第１補正位相Δθ_１は、非干渉化電圧に由来する誤差を含む。第２補正位相Δθ_２は、第１補正位相Δθ_１に含まれる当該誤差を補正する。このため、制御装置１は、補償電圧および非干渉化電圧を考慮して磁極位置のずれの補正値を算出できる。

また、第１補正位相算出部９は、ｄ軸電圧の指令値ｖ_ｄに定数を乗じて積分することによって第１補正位相Δθ_１を算出する。

これにより、第１補正位相算出部９は、簡易な方法により第１補正位相Δθ_１を算出できる。また、第１補正位相算出部９は、電気角の補正による影響を受けたｄ軸電圧の指令値によって第１補正位相Δθ_１を算出する。これにより、電源電圧の設計値と実際値との間に誤差があったとしても、ｄ軸電圧が０となるように第１補正位相Δθ_１が算出される。

また、第２補正位相算出部１０は、永久磁石同期機のインダクタンスおよび誘起電圧定数をパラメータとして第２補正位相Δθ_２を算出する。

これにより、第２補正位相算出部１０は、永久磁石同期機に関する既知の値に基づいて第２補正位相Δθ_２を算出できる。

なお、電流検出器３は、３相の相電流のうち２相のみを測定してもよい。電流検出器３は、電動機２に流れる電流を測定する機器であればよく、電力変換器１２の出力電流を測定する機器に限られない。電流検出器３は、例えばワンシャント抵抗による電流測定法のように、電力変換器１２の母線電流を測定することで各相の電流を推定してもよい。

また、回転角検出器４は、電動機２の回転角を検出する機器であればよく、例えばエンコーダなどに限られない。回転角検出器４は、例えば回転速度を検出する機能を搭載し、検出された回転速度の時間積分によって電動機２の回転角を算出するものであってもよい。

また、速度算出部６は、回転速度ωの算出において、例えばローパスフィルターによる平滑化によって回転角の時間微分によるノイズを除去してもよい。速度算出部６は、一定時間ごとに電動機２の回転速度を算出してもよい。速度算出部６は、時間を計測する手段を備えてもよい。このとき、速度算出部６は、一定回転角ごとに回転速度を算出してもよい。

また、電流指令生成部７は、電動機２の回転角を制御するようにｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊を算出してもよい。電流指令生成部７は、例えば電動機２に一定のトルクを出力させる場合に、当該一定のトルクの指令値を電流の指令値に換算することでｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊を算出してもよい。

また、電力変換器１２は、入力される電圧指令値に基づいて電源の電圧を可変電圧可変周波数の電圧に変換する機器であればよく、例えばコンバータおよびインバータによって変換を行う機器に限られない。電力変換器１２は、例えばマトリクスコンバータなどのように、交流電圧を直接的に交流の可変電圧可変周波数の電圧に変換する機器であってもよい。また、電力変換器１２は、インバータのデッドタイムを補正する手段を備えてもよい。

また、２軸／３相変換部１４は、例えば電力変換器１２と一体のハードウェアに設けられてもよい。すなわち、電力変換器１２および２軸／３相変換部１４を含むハードウェアは、ｄ軸電圧およびｑ軸電圧の指令値の入力に基づいて、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相からなる３相の可変電圧可変周波数の電圧に電源の電圧を変換してもよい。

また、制御装置１は、例えばｄ軸電流またはｄ軸電圧の指令値などの値を０に設定する場合に、当該値を０とみなせる値に設定してもよい。

続いて、図４を用いて制御装置１のハードウェア構成の例について説明する。
図４は、実施の形態１に係る制御装置の主要部のハードウェア構成を示す図である。

制御装置１の各機能は、処理回路により実現し得る。処理回路は、少なくとも１つのプロセッサ１ｂと少なくとも１つのメモリ１ｃとを備える。処理回路は、プロセッサ１ｂおよびメモリ１ｃと共に、あるいはそれらの代用として、少なくとも１つの専用のハードウェア１ａを備えてもよい。

処理回路がプロセッサ１ｂとメモリ１ｃとを備える場合、制御装置１の各機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせで実現される。ソフトウェアおよびファームウェアの少なくとも一方は、プログラムとして記述される。そのプログラムはメモリ１ｃに格納される。プロセッサ１ｂは、メモリ１ｃに記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、制御装置１の各機能を実現する。

プロセッサ１ｂは、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＤＳＰともいう。メモリ１ｃは、例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ等の、不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ等により構成される。

処理回路が専用のハードウェア１ａを備える場合、処理回路は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、またはこれらの組み合わせで実現される。

制御装置１の各機能は、それぞれ処理回路で実現することができる。あるいは、制御装置１の各機能は、まとめて処理回路で実現することもできる。制御装置１の各機能について、一部を専用のハードウェア１ａで実現し、他部をソフトウェアまたはファームウェアで実現してもよい。このように、処理回路は、ハードウェア１ａ、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせで制御装置１の各機能を実現する。

実施の形態２．
実施の形態２では、実施の形態１で開示された例と相違する点について詳しく説明する。実施の形態２で説明しない特徴については、実施の形態１で開示された例のいずれの特徴が採用されてもよい。

図５は、実施の形態２に係る制御装置の構成を示すブロック図である。

電動機２において、磁極位置のずれは、電動機２と回転角検出器４との取付け状態によって一意に決まる。このため、電動機２と回転角検出器４との取付け状態が変わらなければ、制御装置１は、磁極位置のずれを補正する補正値である第３補正位相Δθ_３として、学習によって得られた同一の値を継続して使用できる。

電動機２は、複数の運転モードを有する。電動機２の運転モードは、例えば通常運転モードと、学習運転モードと、を含む。通常運転モードは、例えば電動機２が設けられる装置に駆動力を供給する電動機２の通常の運転が行われる運転モードである。学習運転モードは、第３補正位相Δθ_３を得るための電動機２の学習運転が行われる運転モードである。学習運転は、例えば電動機２が据え付けられたときに行われる。なお、学習運転は、回転角検出器４が交換されたときに行われてもよい。

また、制御装置１への電力供給が遮断された後に電力供給が再開された場合、電動機２の保守などによって電力供給の遮断の前後において電動機２と回転角検出器４との取付け状態が変化している可能性がある。このとき、電力供給の遮断の前の学習によって得られた第３補正位相Δθ_３は、電力供給の遮断の後の電動機２と回転角検出器４との取付け状態に対応した値であるか否かが不明である。このため、学習運転は、制御装置１に電力供給が開始されたときに行われてもよい。

ここで、実施の形態１において説明した式（１）から式（６）は、電動機２の定常状態を前提とした式である。このため、学習運転において、第３補正位相Δθ_３は、電動機２が一定速度および一定トルクで運転しているとき、または電動機２が一定速度および一定トルクで運転しているとみなせるときに算出される。すなわち、学習運転において、電流指令生成部７は、ｄ軸電流の指令値ｉ_ｄ ^＊を０に設定する。電流指令生成部７は、第３補正位相Δθ_３を算出するときに、電動機２の回転速度が一定になるように、または電動機２の回転速度が一定とみなせるようにｑ軸電流の指令値ｉ_ｑ ^＊を生成する。

制御装置１は、運転モード設定部１７を備える。運転モード設定部１７は、電動機２の運転モードを設定する部分である。運転モード設定部１７は、設定された電動機２の運転モードに応じて、第３補正位相Δθ_３を出力する機能を備える。

図６は、実施の形態２に係る運転モード設定部の構成を示すブロック図である。

運転モード設定部１７は、記憶部１８を備える。記憶部１８は、学習運転において得られた第３補正位相Δθ_３を記憶する部分である。電動機２の運転モードが通常運転モードである場合に、運転モード設定部１７は、記憶部１８に記憶されている第３補正位相Δθ_３を出力する。一方、電動機２の運転モードが学習運転モードである場合に、第１補正位相算出部９が算出した第１補正位相Δθ_１と、第２補正位相算出部１０が算出した第２補正位相Δθ_２との和を第３補正位相Δθ_３として出力する。記憶部１８は、例えば、運転モードが学習運転モードから切り替わるときに、第１補正位相Δθ_１と第２補正位相Δθ_２との和を第３補正位相Δθ_３として記憶する。

実施の形態１において述べた電気角の補正値は、補償電圧と非干渉化電圧との和であるｄ軸電圧の指令値ｖ_ｄに基づいて算出される。ここで、磁極位置のずれの方向および大きさによって、磁極位置のずれがあるにも関わらずｄ軸電圧の指令値ｖ_ｄが０に近い値をとる可能性がある。このとき、制御装置１は、電気角の補正値として正しい値を得ることができない場合がある。このため、制御装置１は、学習運転において算出される第３補正位相Δθ_３の精度を向上させるために、学習運転において例えば次のように電動機２を制御する。

図７および図８は、実施の形態２に係る制御装置の学習運転における動作の例を示すフローチャートである。

図７において、学習運転において電動機２の回転速度を変更することによって第３補正位相Δθ_３の精度を向上させる制御装置１の動作の例が示される。

ステップＳ７１において、制御装置１は、ｄ軸電圧の指令値ｖ_ｄが予め設定された閾値以上であるかを判定する。当該判定は、例えば運転モード設定部１７において行われる。ここで、当該閾値は、例えば、発生しうる磁極位置のずれ、学習運転における電動機２の運転速度、または電動機２のパラメータなどに基づいて設定される。ｄ軸電圧の指令値ｖ_ｄについての判定結果がＮｏの場合に、制御装置１の動作は、ステップＳ７２に進む。当該判定結果がＹｅｓの場合に、制御装置１の動作は、ステップＳ７３に進む。

ステップＳ７２において、制御装置１は、一定速度で運転される電動機２の回転速度を変更する。ここで、制御装置１は、例えば電流指令生成部７が生成する電流指令値によって電動機２の回転速度を変更する。電流指令生成部７は、例えば、現在運転されている回転速度と異なる一定の回転速度で電動機２が運転されるようにｑ軸電流の指令値ｉ_ｑ ^＊を生成する。その後、制御装置１の動作は、ステップＳ７１に進む。

ステップＳ７３において、運転モード設定部１７は、運転モードを学習運転モードに継続して設定する。制御装置１は、学習運転において、第３補正位相Δθ_３を算出する。学習運転は、例えば算出される第３補正位相Δθ_３が変化しなくなったときに完了する。学習運転が完了したときに、運転モード設定部１７の記憶部１８は、算出された第３補正位相Δθ_３を記憶する。その後、学習運転における制御装置１の動作は、終了する。

図８において、学習運転において電動機２の回転方向を変更することによって第３補正位相Δθ_３の精度を向上させる制御装置１の動作の例が示される。

ステップＳ８１において、制御装置１は、ｄ軸電圧の指令値ｖ_ｄが予め設定された閾値以上であるかを判定する。当該判定は、例えば運転モード設定部１７において行われる。ここで、当該閾値は、例えば、発生しうる磁極位置のずれ、学習運転における電動機２の運転速度、または電動機２のパラメータなどに基づいて設定される。ｄ軸電圧の指令値ｖ_ｄについての判定結果がＮｏの場合に、制御装置１の動作は、ステップＳ８２に進む。当該判定結果がＹｅｓの場合に、制御装置１の動作は、ステップＳ８３に進む。

ステップＳ８２において、制御装置１は、一定速度で運転される電動機２の回転方向を変更する。ここで、制御装置１は、例えば電流指令生成部７が生成する電流指令値によって電動機２の回転方向を変更する。電流指令生成部７は、例えば、現在運転されている回転方向と異なる回転方向で電動機２が運転されるようにｑ軸電流の指令値ｉ_ｑ ^＊を生成する。その後、制御装置１の動作は、ステップＳ８１に進む。

ステップＳ８３において、運転モード設定部１７は、運転モードを学習運転モードに継続して設定する。制御装置１は、学習運転において、第３補正位相Δθ_３を算出する。学習運転は、例えば算出される第３補正位相Δθ_３が変化しなくなったときに完了する。学習運転が完了したときに、運転モード設定部１７の記憶部１８は、算出された第３補正位相Δθ_３を記憶する。その後、学習運転における制御装置１の動作は、終了する。

以上に説明したように、実施の形態２に係る制御装置１は、運転モード設定部１７を備える。運転モード設定部１７は、永久磁石同期機の運転モードを設定する。運転モード設定部１７は、記憶部１８を有する。記憶部１８は、運転モードが学習運転モードであるときに算出された第３補正位相Δθ_３を記憶する。運転モードが通常運転モードであるときに、変換部は、記憶部１８が記憶している第３補正位相Δθ_３によって補正された電気角を用いて座標変換を行う。

電動機２と回転角検出器４との取付け状態が変わらない間、変換部は、学習によって既に得られた同一の値を継続して第３補正位相Δθ_３として使用できる。これにより、制御装置１は、磁極位置のずれの補正値を都度計算する必要がない。

また、運転モードが学習運転モードであるときに、電流指令生成部７は、ｄ軸電流の指令値ｖ_ｄを０に設定する。このときに、電流指令生成部７は、永久磁石同期機の回転速度が一定となるようにｑ軸電流の指令値ｉ_ｑ ^＊を生成する。

これにより、学習運転は電動機２の回転速度が一定の条件において行われる。このため、磁極位置の補正値の学習に誤差が含まれる条件が回避される。したがって、制御装置１は、より高い精度で補正された磁極位置に基づいて、より安定して電動機２を制御できる。

また、運転モードが学習運転モードであるときにｄ軸電圧の指令値ｖ_ｄが予め設定された閾値より小さい場合に、電流指令生成部７は、学習運転モードにおいて永久磁石同期機の回転速度を変更するようにｑ軸電流の指令値ｉ_ｑ ^＊を生成する。

回転速度が変更されることによって、ｄ軸電圧の指令値ｖ_ｄを構成する補償電圧および干渉電圧が変化する。これにより、磁極位置のずれがあるにも関わらずｄ軸電圧の指令値ｖ_ｄが０に近い値をとることが回避される。これにより、より高い精度で磁極位置の補正値が学習される。

また、運転モードが学習運転モードであるときにｄ軸電圧の指令値ｖ_ｄが予め設定された閾値より小さい場合に、電流指令生成部７は、学習運転モードにおいて永久磁石同期機の回転方向を変更するようにｑ軸電流の指令値ｉ_ｑ ^＊を生成する。

電動機２に負荷が接続されている場合に、電動機２の電流値の大きさが回転方向に依ることがある。電動機２の電流値が変化すると、ｄ軸電圧の指令値ｖ_ｄの大きさも変化する。このため、磁極位置のずれがあるにも関わらずｄ軸電圧の指令値ｖ_ｄが０に近い値をとることが回避される。これにより、より高い精度で磁極位置の補正値が学習される。

また、運転モード設定部１７は、電力供給が開始されたときに運転モードを学習運転モードに設定する。

これにより、電力供給が遮断されている間に電動機２と回転角検出器４との取付け状態が変化している場合においても、制御装置１は、学習運転によって電動機２と回転角検出器４との取付け状態に対応した補正値を得ることができる。

なお、制御装置１は、学習運転において電動機２の回転速度および回転方向の両方を変更することによって第３補正位相Δθ_３の精度を向上させてもよい。

実施の形態３．
実施の形態３では、実施の形態１および実施の形態２で開示された例と相違する点について詳しく説明する。実施の形態２で説明しない特徴については、実施の形態１および実施の形態２で開示された例のいずれの特徴が採用されてもよい。

電動機２の経時変化などにより、通常運転において磁極位置のずれが生じる可能性がある。このとき、制御装置１による電動機２の制御性能の悪化または電動機２の不安定化が生じる場合がある。このため、制御装置１は、ｑ軸電流の値を監視することで磁極位置のずれを判定する。ここで、ｑ軸電流は、電動機２のトルクに対応する電流値である。制御装置１は、磁極位置のずれを判定する場合に、電動機２の運転モードを学習運転モードに切り替える。

図９を用いて、制御装置１の動作の例を説明する。
図９は、実施の形態３に係る制御装置の通常運転における動作の例を示すフローチャートである。

ステップＳ９１において、制御装置１は、ｑ軸電流の値が予め設定された閾値以下であるかを判定する。当該判定は、例えば運転モード設定部１７において行われる。ここで、当該閾値は、例えば、通常運転における電動機２の運転パターンまたは負荷が決まっている場合に、予め見積もった通常運転において必要なトルクに基づいて設定される。あるいは、当該閾値は、電動機２の定格トルクに基づいて設定されてもよい。ｑ軸電流の値についての判定結果がＮｏの場合に、制御装置１の動作は、ステップＳ９２に進む。当該判定結果がＹｅｓの場合に、運転モード設定部１７は、運転モードを通常運転モードに継続して設定する。その後、制御装置１の動作は、再びステップＳ９１に進む。

ステップＳ９２において、運転モード設定部１７は、電動機２の運転モードを学習運転モードに切り替える。その後、制御装置１の動作は、ステップＳ９１に進む。

以上に説明したように、実施の形態３に係る制御装置１において、運転モードが通常運転モードであるときにｑ軸電流の指令値または実際値が予め設定された閾値を超える場合に、運転モード設定部１７は、運転モードを学習運転モードに設定する。

磁極位置にずれが発生している場合に、ｑ軸に流れるように制御された電流はｄ軸にも流れ込む。このため、指令されたトルクを発生させるために必要なｑ軸電流が大きくなる。よって、ｑ軸電流を監視することで、磁極位置のずれを判定できる。磁極位置がずれていると判定された場合に、運転モード設定部１７は、運転モードを学習運転モードに設定する。これにより、制御装置１は、磁極位置がずれたまま電動機２が運転されることを回避できる。制御装置１は、電動機２を安定して駆動できる。

なお、ｑ軸電流の値は、磁極位置のずれに関わらず突発的に閾値を超える可能性もある。このため、運転モード設定部１７は、ｑ軸電流の指令値または実際値が予め設定された閾値を複数回超える場合に運転モードを学習運転モードに設定してもよい。あるいは、運転モード設定部１７は、ｑ軸電流の指令値または実際値が予め設定された閾値を予め定められた時間の間継続して超えている場合に運転モードを学習運転モードに設定してもよい。

また、制御装置１は、報知部を備えてもよい。報知部は、例えば電動機２を管理する者に警告などの情報を報知する部分である。例えば電動機２の負荷の状態などによって学習運転モードへ移行できない場合に、報知部は、電動機２の運転を停止する警告を報知する。

本発明に係る制御装置は、永久磁石同期機の制御に適用できる。

１ 制御装置、 ２ 電動機、 ３ 電流検出器、 ４ 回転角検出器、 ５ 位相算出部、 ６ 速度算出部、 ７ 電流指令生成部、 ８ 電流制御部、 ９ 第１補正位相算出部、 １０ 第２補正位相算出部、 １１ 座標変換部、 １２ 電力変換器、 １３ ３相／２軸変換部、 １４ ２軸／３相変換部、 １５ ゲインアンプ、 １６ 積分器、 １７ 運転モード設定部、 １８ 記憶部

Claims (10)

1. 永久磁石同期機のｄ軸電流およびｑ軸電流の指令値を生成する電流指令生成部と、
   前記電流指令生成部が生成した指令値を入力として前記永久磁石同期機のｄ軸電圧およびｑ軸電圧の指令値を算出する電流制御部と、
   前記電流制御部が算出したｄ軸電圧の指令値に基づいて第１補正位相を算出する第１補正位相算出部と、
   前記電流制御部が算出したｑ軸電流の指令値または前記永久磁石同期機のｑ軸電流の実際値の少なくともいずれかおよび前記永久磁石同期機のパラメータに基づいて第２補正位相を算出する第２補正位相算出部と、
   前記第１補正位相および前記第２補正位相の和である第３補正位相によって補正された前記永久磁石同期機の電気角を用いて前記電流制御部におけるｄ－ｑ座標についての座標変換を行う変換部と、
   を備える永久磁石同期機の制御装置。
2. 前記第１補正位相算出部は、ｄ軸電流の指令値および実際値の偏差に基づいて計算される補償電圧と、ｄ軸およびｑ軸の間における電圧干渉を非干渉化する非干渉化電圧と、の和であるｄ軸電圧の指令値に基づいて前記第１補正位相を算出する
   請求項１に記載の永久磁石同期機の制御装置。
3. 前記第１補正位相算出部は、ｄ軸電圧の指令値に定数を乗じて積分することによって前記第１補正位相を算出する
   請求項１または請求項２に記載の永久磁石同期機の制御装置。
4. 前記第２補正位相算出部は、前記永久磁石同期機のインダクタンスおよび誘起電圧定数を前記パラメータとして前記第２補正位相を算出する
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の永久磁石同期機の制御装置。
5. 前記永久磁石同期機の運転モードを設定し、前記運転モードが学習運転モードであるときに算出された前記第３補正位相を記憶する記憶部を有する運転モード設定部
   を備え、
   前記変換部は、前記運転モードが通常運転モードであるときに、前記記憶部が記憶している前記第３補正位相によって補正された前記電気角を用いて座標変換を行う
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の永久磁石同期機の制御装置。
6. 前記電流指令生成部は、前記運転モードが前記学習運転モードであるときに、ｄ軸電流の指令値を０に設定し、前記永久磁石同期機の回転速度が一定となるようにｑ軸電流の指令値を生成する
   請求項５に記載の永久磁石同期機の制御装置。
7. 前記電流指令生成部は、前記運転モードが前記学習運転モードであるときにｄ軸電圧の指令値が予め設定された閾値より小さい場合に、前記学習運転モードにおいて前記永久磁石同期機の回転速度を変更するようにｑ軸電流の指令値を生成する
   請求項５または請求項６に記載の永久磁石同期機の制御装置。
8. 前記電流指令生成部は、前記運転モードが前記学習運転モードであるときにｄ軸電圧の指令値が予め設定された閾値より小さい場合に、前記学習運転モードにおいて前記永久磁石同期機の回転方向を変更するようにｑ軸電流の指令値を生成する
   請求項５から請求項７のいずれか一項に記載の永久磁石同期機の制御装置。
9. 前記運転モード設定部は、前記運転モードが前記通常運転モードであるときにｑ軸電流の指令値または実際値が予め設定された閾値を超える場合に、前記運転モードを前記学習運転モードに設定する
   請求項５から請求項８のいずれか一項に記載の永久磁石同期機の制御装置。
10. 前記運転モード設定部は、電力供給が開始されたときに前記運転モードを前記学習運転モードに設定する
    請求項５から請求項９のいずれか一項に記載の永久磁石同期機の制御装置。

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