JP4989075B2 - 電動機駆動制御装置及び電動機駆動システム - Google Patents

Description

本発明は、電動機電流を検出して電動機を制御する電動機駆動制御装置及び電動機駆動システムに関する。

多相交流電動機を多相矩形波電圧を用いて速度制御する場合、回転子の回転角を検出することが必要である。
センサを用いて電気角位置を直接検出することなく同期電動機を制御する手法として、同期電動機内部の磁極位置を推定する方法が開示されている。たとえば、特許文献１には、永久磁石同期電動機(以下、ＰＭ（Permanent Magnet）モータという)に対し、電圧パルスを印加して、該電圧パルスを印加した方向と直交する軸方向に発生した電流パルスに基づき、磁極位置を推定する手法が開示されており、この技術はＰＭモータが停止した状態から適用できる。また、特許文献２には、ＰＭモータが回転することで発生する誘起電圧の位相を、ＰＭモータに流れる電流に基づいて推定する方法が開示されている。
特開平７−２４５９８１号公報 特開２００１−２５１８８９号公報

しかし、特許文献１の技術は、適用するＰＭモータの構造に突極性を有する必要があり、電圧パルスの印加により発生する音の問題から、適用できる場合が限られている。また、特許文献２は、ＰＭモータが回転することで発生する誘起電圧の位相を、ＰＭモータに流れる電流に基づいて推定し、制御軸と実軸との差である軸ズレを最小にするように制御する手法である。本手法は、ＰＭモータの構造には依存せず、また音の問題も発生しないが、誘起電圧は回転速度に比例するため、ＰＭモータ（電動機）の回転速度が低い場合には適用できない。

そこで、本発明は、回転速度が低いときから電動機を効率よく制御できる電動機駆動制御装置及び電動機駆動システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、外部に接続された電動機に流れる電動機電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段が検出した電流検出値（Ｉｄｃ，Ｉｑｃ）、及び前記電動機が回転する回転速度を指令する速度指令値（ω１^＊）に基づいて、前記電動機に流れる電動機電流を、励磁軸方向、及びこれに直交するトルク軸方向に分解して前記電動機を制御する制御手段とを備える電動機駆動制御装置であって、前記制御手段は、前記電流検出値（Ｉｄｃ，Ｉｑｃ）、及び前記電動機に印加する印加電圧を規定する電圧指令値（Ｖｄ^＊，Ｖｑ^＊）を用いて、前記電動機に出力する負荷電力（Ｐｏｗ）を推定する負荷推定手段（１０１）と、前記推定された負荷電力推定値（Ｐｏｗ）、及び前記速度指令値（ω１ ^＊ ）に基づいて、前記電動機のトルク電流を演算するトルク電流演算手段（負荷電流演算手段１０２）と、前記トルク電流演算手段（１０２）により演算されたトルク電流推定値（Ｉｑ＾）、及び前記速度指令値（ω１^＊）に基づいて、前記第１の電流指令値（Ｉｄ^＊、Ｉｑ^＊）を演算する電流指令値演算手段（５）と、前記トルク電流推定値（Ｉｑ＾）、及び前記第１の電流指令値（Ｉｄ^＊、Ｉｑ^＊）に基づいて、電気角速度を推定した推定電気角速度（ω１ｃ）と前記速度指令値（ω１^＊）との速度偏差（Δωｃ）を演算する回転速度偏差演算手段（１１）と、前記電動機電流の検出値（Ｉｄｃ，Ｉｑｃ）、及び第１の電流指令値（Ｉｄ^＊、Ｉｑ^＊）に基づいて、第２の電流指令値（Ｉｄ^＊＊，Ｉｑ^＊＊）を演算する電流制御手段（６）と、前記電流制御手段（６）により演算された第２の電流指令値、及び前記推定電気角速度（ω１ｃ）に基づいて、前記電圧指令値を演算するベクトル演算手段（７）とを備えることを特徴とする。なお、（ ）内の符号や記号は例示である。

これによれば、電動機電流の検出値、速度指令値及び推定された電動機に出力する負荷電力に基づいて、電動機電流が制御される。これらの検出値、速度指令値及び推定された負荷電力は、電動機の回転速度に相当する推定電気角速度ω１ｃに依存しないので、回転速度が低いときから電動機を安定に制御することができる。

本発明によれば、回転速度が低いときから電動機を安定に制御できる電動機駆動制御装置及び電動機駆動システムを提供することができる。

（第１実施形態）
図１に本発明の一実施形態である電動機駆動システム（交流電動機駆動システム）の構成図を示す。交流電動機駆動システム１００は、電動機３と、電動機３の駆動を制御する制御装置１と、電動機３を駆動する電力変換器２とを備え、制御装置１の内部で、電動機３の回転子位置の推定演算と速度制御を行う。以下、電動機３は３相の永久磁石型同期電動機（Permanent Magnet Synchronous Motor）とし、図面上では信号線に３本の斜線が記されている。また、制御装置１は、制御装置１内部の励磁電流方向（磁束軸方向）であるｄｃ軸とトルク電流方向であるｑｃ軸とによる回転座標系ｄｃｑｃ軸上でベクトル制御する。なお、制御装置１の各手段は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ等のハードウェア及びコンピュータに実行させるプログラムによって実現される。

ここで、図２を参照して、回転座標軸ｄｃｑｃ軸について説明する。Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の界磁コイル６２，６３，６４がＹ結線されている。また、界磁コイル６２，６３，６４を備える固定子の内部で、多極（２極）に磁化された回転子６１が回転するように構成されている。
回転子６１のＮ極とＳ極とを結んだ実際の軸（実軸）をｄ軸とし、制御装置１の内部で制御する仮想的な回転位置の回転軸をｄｃ軸と定義し、ｄ軸とｄｃ軸との角度差である軸ずれをΔθとする。したがって、仮にｄ軸とＵ相の界磁コイル６２の巻線軸とがなす角度をθｄとしたとき、仮想的な制御軸ｄｃとＵ相の界磁コイル６２の巻線軸とがなす角度θｄｃは、
θｄｃ＝θｄ＋Δθ
となる。なお、ｄ軸から回転方向に９０°進んだ軸をｑ軸といい、ｄｃ軸から回転方向に９０°進んだ軸をｑｃ軸という。

再び図１に戻り、制御装置１は、電力変換器２から電動機３へ流れた電流を検出する電流検出手段４と、電動機３に流す電流の目標値を与える電流指令生成手段５と、電動機３に流す電流の目標値と電流検出手段４による電動機３へ流れた電流の検出値とを基に、電動機３へ流れた電流を電流の目標値となるように動作する電流制御手段６と、所望の速度指令あるいはトルク指令に基づいて電動機３への印加電圧を計算するベクトル演算手段７と、制御装置１内で推定した電動機３の電気角速度である推定電気角速度ω１cを積分し、電動機３の電気角位置（または位相）θdcを演算する積分器８と、ｄｃｑｃ軸上の電圧指令Ｖd*、Ｖq*を三相交流の電圧指令Ｖu*、Ｖv*、Ｖw*に座標変換するｄｑ逆変換器９と、電動機３に流れる電流の検出値を基に、電動機３の負荷状態を推定する負荷推定手段１０と、負荷推定手段１０の出力に基づき速度指令の補正量Δωｃを演算する速度補正手段１１と、電動機３の速度指令値ω１*を与える速度指令手段１２と、速度指令の補正量Δωｃを速度指令値ω１*へ加算して制御装置１内での推定電気角速度ω１cを算出する加算器１３と、で構成される。ここで、＊は指令値を意味する記号である。

次に、本実施形態の動作原理を説明する。制御装置１は次のように動作する。まず、電流検出手段４は、電動機３へ流れた電流を検出してｄｃｑｃ軸上の値に変換した電流検出値Ｉdc、Ｉqcを得る。電流指令生成手段５は、所望の速度或いはトルクを得るために必要な電流の目標値として、ｄｃｑｃ軸上の電流指令Ｉd*、Ｉq*を出力する。電流制御手段６は、電流指令Ｉd*、Ｉq*と、電流検出値Ｉdc、Ｉqcを基に、第２の電流指令Ｉd**、Ｉq**を生成する。ベクトル演算手段７は、Ｉd**を用いてＩdcがＩd*と等しくなるように、またＩq**を用いてＩqcがＩq*と等しくなるように、電動機３に与えるｄｃｑｃ軸上の電圧指令Ｖd*、Ｖq*を出力する。ｄｑ逆変換器９は、電圧指令Ｖd*、Ｖq*から三相交流の電圧指令Vu*、Ｖv*、Ｖw*を演算し、電力変換器２に出力する。そして、電力変換器２はＶu*、Ｖv*、Ｖw*に基づき、Ｖd*、Ｖq*に相当する電圧を電動機３に印加する。

電動機３の電気角位置θdcを磁極位置検出器を用いて直接検出するときは、この磁極位置検出器は、検出した位置に基づき、検出電流から励磁電流成分としてｄ軸電流Ｉdとトルク電流成分としてｑ軸電流Ｉqを得る。ベクトル演算手段７は、これら２つの電流成分を独立に制御するもので、Ｉd*にＩdcが一致するように、Ｉq*にＩqcが一致するように、ｄｃｑｃ軸上の電圧指令Ｖd*、Ｖq*の値を変化させる。従って、ベクトル制御を行うには、電動機内部の磁極位置を検出する必要がある。しかし、本実施形態による電動機駆動システムでは、磁極位置検出器を用いることなしに、ベクトル制御が簡易的に実現される。

次に、本実施形態の特徴構成である負荷推定手段１０と、それを用いた制御装置１の動作について説明する。まず負荷推定手段１０の構成例を図３に示す。負荷推定手段１０は、電圧指令Ｖd*、Ｖq*と電流検出値Ｉdc、Ｉqcとから負荷電力Powを演算する負荷電力演算手段１０１と、負荷電力Powと速度指令値ω１*とから、電動機３に流すべきトルク電流の推定値Ｉq^を与える負荷電流演算手段１０２で構成される。ここで、^は推定値を意味する記号である。また負荷電力演算手段１０１に於けるPowの演算式は式（１）で与えられ、また負荷電流演算手段１０２に於けるＩq^の演算式は次式（２）で与えられる。なお、これらの値は、電動機３の回転速度に依存しない。
Pow = 1．5×｛ (Ｖd*×Ｉdc + Vq*×Ｉqc)−R１×(Ｉdc² +Ｉqc²)｝…（１）
Ｉq^ = Ｐow ／ (ω１* × Ke) …（２）
ここでＲ１は電動機３の巻線抵抗であり、Keは磁束に相当する誘起電圧定数である。式（１）は、電動機３に与えられた有効電力から抵抗による損失分を差し引いた式である。何れもｄｃｑｃ軸上の値である電圧指令Ｖd*、Ｖq*と電流検出値Ｉdc、Ｉqcとを用いるので、磁極位置情報なしでも演算可能という特徴がある。式（２）はトルクと速度の積が電力となる関係を示している。定常状態では電動機３の実際の電気角速度ω１Mは速度指令値ω１*と等しいことから、負荷推定手段１０ではこの式（２）でトルク電流の推定値Ｉq^を求める。なお、電動機３の突極性を考慮する場合は、Ｉq^の演算式は次式（３）とする。
Ｉq^ = Pow／ [ω1* × { Ke + （Ld − Lq）×Ｉd*}] …（３）
ここで、Ldは電動機３の磁束軸であるｄ軸方向の巻線インダクタンスであり、Lqは電動機３のトルク軸であるq軸方向の巻線インダクタンスである。

図４は速度補正手段１１の構成である。速度補正手段１１は、Ｉq^からＩq*を第２の加算器１１１で差し引いてＩq^の振動成分を取り出し、ゲイン補正器１１２でゲインを乗じ、速度補正量Δωｃを得る。

以下、Ｉq^を用いた制御装置１の動作について説明する。図５は電流指令生成手段５の構成で、Ｉq*を与えるＩq*生成部５１と、Ｉd*を与えるＩd*生成部５２とからなる。Ｉq*生成部５１は切替器５１１とローパスフィルタ５１２とで構成される。Ｉq*生成部５１はＩq*の初期値Ｉq0*を持ち、Ｉd*生成部５２はＩd*の初期値Ｉd0*を持つ。

図６は、速度指令ω１*が一定の状態で、電動機３の負荷トルクＴＬが線形増加した場合の、電流指令生成手段５並びに負荷推定手段１０の動作を示す図である。図６（ａ）は速度指令ω１*であり一定である。図６（ｂ）に示す負荷トルクＴＬは、時刻ｔ１から時刻ｔ２の間で線形増加し、電動機３の発生トルクＴＭは負荷トルクＴＬとほぼ等しいとする。このとき、図６（ｃ）に示す負荷電力Ｐowは、負荷トルクＴＬに比例して変化する。従って、負荷推定手段１０で求めるＩq^もまた、図６（ｄ）に示すように、ＴＬに比例して推移する。同図に於いては電流指令生成手段５の切替器５１１は常時Ｉq^を出力し、図６（ｅ）に示すように、Ｉq*はＩq^をローパスフィルタ処理した値となる。また図６（ｆ）に示すように、Ｉd*生成部５２が出力するＩd*は初期値Ｉd0*から、Ｉq*の増加に伴い漸減する。

図７に示すように、Ｉd*生成部５２では、Ｉq*の絶対値ａｂｓ（Ｉq*）に基いて、Ｉd*を決定する。まず、Ｉd*maxはＩd*の設定可能最大値であり、Ｉd*minはＩd*の最小値である。Ｉd*maxは電力変換器２が出力できる最大電流値を下回る必要があり、他方で負荷トルクＴＬが定格まで掛かるには、例えば、Ｉd*maxは電動機３の定格電流に対して１００％を超え１５０％以内の範囲で設定されればよい。また、Ｉd*minは理想的にはゼロにできるが、その場合、負荷トルクＴＬがゼロ付近から急激に変化したときに脱調し易い。このため、この脱調を防止するためには、電動機３の定格電流に対して例えば５０％から１００％の範囲で設定することが好ましい。そして、Ｉd*は式（４−１）から式（４−３）の関係を用いて決定する。

このようにＩd* を決定することで、負荷トルクＴＬに応じてｑ軸方向の電流の大きさを変えられるので、負荷が小さいときには電動機損失を減らすように駆動することが可能となる。あるいは、Ｉd0* = Ｉd*maxとして、且つＩd*minをゼロとして、電動機３の電流のｄ軸方向に対する位相のみを変えるように動作することもできる。この場合、電流指令の大きさ自体は変化しないので、負荷トルクＴＬがゼロ付近から急変した場合の脱調はほぼ発生しない。

次に、速度補正手段１１の動作を説明する。図８は速度指令ω１*が一定で、負荷トルクＴＬがステップ変化したときの、速度指令ω１*、負荷トルクＴＬと、電流指令生成手段５、負荷推定手段１０並びに速度補正手段１１の動作を示す。負荷トルクＴＬのステップ変動に対し、電動機３の実際の電気角速度ω１M、発生トルクＴＭは、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように振動する。実際の電気角速度ω１Mの振動が大きい場合、脱調が発生して電動機３を駆動できなくなる。

速度補正手段１１が生成した速度補正量Δωｃを、加算器１３で速度指令ω１*から差し引いて、制御装置１内部の推定電気角速度ω１ｃを得る。この速度補正手段１１により、負荷トルクＴＬがステップ変化したときの、制御装置１の動作は図９に示すようになり、負荷トルク変動時にも電動機３の電気角速度ω１Mの振動を抑制し安定に駆動することが可能となる。

次に、本実施形態に於いて電動機３を停止状態から始動する場合の動作を説明する。図１０は電流指令生成手段５並びに負荷推定手段１０の動作を示す図であり、図１０（ａ）は速度指令ω１*で、時刻ｔ１に停止状態から始動され、時刻ｔ２まで一定の加速レートで加速される場合を示している。図１０（ｂ）は負荷トルクＴＬを単純化のため一定とした場合である。このとき、図１０（ｃ） に示す負荷電力Ｐowは、実際は例えば式（１）に於いて抵抗による損失分の見積もり誤差で、図１０（ｃ）のようにその理想値Ｐow＿id に対し誤差を持つ。Ｉq^は図１０（ｄ）に示すように、停止状態ではω１*がゼロの為に無限大となり、更に起動直後の速度指令値ω１*が小さい間は、Ｉq^がその理想値Ｉq^＿idと無関係に非常に大きな値を取り、電動機３を正常に駆動できないことが起こり得る。

そこで、電流指令生成手段５に於いては、切替器５１１を速度指令値ω１*によって動作させる。具体的には、切替器５１１は、速度指令値の閾値ω１０*に対し、停止状態からω１*の絶対値がω１０*より小さい間は初期値Ｉq0*を出力し、ω１*の絶対値がω１０*以上となる時刻ｔ３以降、Ｉq^を出力するように動作する。これにより、得られるＩq*は図１０(ｅ)のようになり、起動直後のω１*の絶対値が小さい間は負荷状態と無関係にＩq*が非常に大きな値となる問題を回避し、停止状態からの起動が可能になる。

この速度指令値の閾値ω１０*は、制御装置１で用いる電動機３の定数の設定精度にも依存するが、例えば電動機３の定格角速度かつ定格負荷の動作点に於いて、誘起電圧に対する抵抗電圧降下を５％とし、抵抗の設定誤差を１０％とすると、ω１*が定格速度の２％で、Ｉq^の誤差は定格負荷でのＩq*の２５％となる。このことから、速度指令値の閾値ω１０*は電動機３の定格角速度の２％以上に設定すれば、概ね好適な動作が得られる。

尚、本実施形態ではＩq0*を０として説明したが、実際に次式（５）を満たす範囲で任意に設定可能で、また例えばω1*によって変化させてもよい。
（Ｉd0*）^２+ (Ｉq0*)^２≦Ｉd*max^２ …（５）
以上の制御装置１の動作により、電動機３を、その負荷状態に応じて電流の大きさを変え、且つ負荷の変動に対しても安定に、駆動することが可能となる。

以上説明したように本実施形態によれば、負荷推定手段１０が電圧指令Ｖd*、Ｖq*と電流検出値Ｉdc、Ｉqcとから負荷電力Powを推定するので、電動機３にかかる負荷に応じた駆動を、安定に行える交流電動機の駆動装置及び交流電動機駆動システムを提供することができる。また、負荷電力Powは、電動機３の回転速度に依存しないので、速度が低いときから電動機３を効率よく駆動することができる。

(第２実施形態)
次に、第２実施形態について説明する。図１１は本実施形態に於ける交流電動機駆動システムの構成図である。軸誤差推定器１４は、ｄ軸に対するｄｃ軸の相差角として図２で定義した軸誤差Δθを求めることで、磁極位置を推定する。軸誤差Δθが最小になるように制御することにより、指令値通りの電流が実軸に流れ、トルク発生に関係する電流成分が減少しない。磁極位置の推定方法は様々な方法が知られているが、本実施形態では軸誤差の推定値Δθcを次式（６）で算出する。

ＰＬＬ演算器１５は位置センサレス・ベクトル制御を実現するためのＰＩ演算器であり、軸誤差の推定値Δθcを入力として第２の速度指令の補正量Δωcpを出力する。図１２は本実施形態に於ける電流指令生成手段５の構成図で、Ｉq*生成部５１ｂ中の切替器５１１ｂは、Ｉq*の初期値Ｉq0*、Ｉq^とｑｃ軸電流検出値Ｉqcの３つを切り替えるように動作する。第２の切替器５３は、Ｉd*生成部５２の出力と位置センサレス・ベクトル制御時のｄｃ軸電流指令値Ｉd1*とを切り替える。第２のローパスフィルタ（ＬＰＦ）５４は、切替器５３の動作において、Ｉd*がＩd*生成部５２の出力とＩd1*との間でステップ変化することを防止する。本実施形態での負荷推定手段１０ｂは、次式（７）よってＩq^を算出する演算器とする。

Ｉｑ^＝Ｉｄｃ×ｓｉｎ（Δθｃ）＋Ｉｑｃ×ｃｏｓ（Δθｃ） （７）

また加算器１３ｂは、速度指令値ω１*から、速度指令の補正値ΔωcとＰＬＬ演算器１５の出力である第２の速度指令の補正量Δωcpを差し引き、推定電気角速度ω１cとして出力する。他の構成要素は、第１実施形態と同一である。

次に、本実施形態での制御装置１の動作を説明する。図１３は速度指令値ω1*が一定の状態で、電動機３の負荷トルクＴＬが線形的に増加した場合の、軸誤差演算器１４、電流指令生成手段５並びに負荷推定手段１０の動作を示す。図１３（ａ）は速度指令値ω１*であり一定である。図１３（ｂ）に示す負荷トルクＴＬは、時刻ｔ１から時刻ｔ２の間で線形増加し、このときの電動機３の発生トルクＴＭは負荷トルクＴＬとほぼ等しいとする。このとき、軸誤差Δθは負荷トルクＴＬによる負荷角に相当するので、軸誤差の推定値Δθcは図１３（ｃ）のように非線形な変化となるが、Ｉq^は式（７）の関係より、図１３（ｄ）のように負荷トルクＴＬに比例して増加する。切替器５１１ｂが常時Ｉq^を出力するとすれば、電流指令生成手段５の動作は、図１３（ｅ）及び図１３（ｆ）に示すように、図４の動作と同一である。

また本実施形態で電動機３を停止状態から始動する場合は、切替器５１１ｂ及び第２の切替器５３を、表１に示すように速度指令値ω１*の値に応じて切り替えることとする。

このときの制御装置１の動作を、図１４を用いて説明する。図１４（ａ）は速度指令値ω1*で、時刻ｔ１に停止状態から始動され、一定の加速レートで加速し続けるものとする。また図１４（ｂ）に示す負荷トルクＴＬは一定とし、発生トルクＴＭは負荷トルクＴＬとほぼ等しいとする。

図１４（ｃ）は軸誤差Δθとその推定値Δθcである。停止状態に於いては、Δθは負荷トルクＴＬに応じた値となるが、式（６）の演算に用いる電動機３の各定数の設定値に誤差がある場合、ΔθcはΔθに対して誤差を持ち、その大きさは電動機３の実際の電気角速度ω１Mが小さいほど大きくなる。この結果、図１４（ｄ）のトルク電流の推定値Ｉq^も、その理想値Ｉq^＿idに対して誤差を持つ。そこで速度指令値の閾値ω１０*を設け、切替器５１１ｂは、ω１*の絶対値がω１０*より小さい間はＩq0*を出力し、時刻ｔ２でω１*の絶対値がω１０*以上となったら出力をＩq^へと切り替えるように動作させることで、Ｉq*が理想値Ｉq^＿idから掛け離れた値となることが防止される。そして速度指令値ω１*の絶対値が更に上昇し、第２の速度指令値の閾値ω１１*以上となる時刻ｔ３以降は、切替器５１１ｂはＩqcを、第２の切替器はＩd1*を夫々出力し、更にＰＬＬ演算器１５の動作を開始することで、制御装置１の動作を位置センサレス・ベクトル制御に切り替えられる。この結果、電流指令Ｉd*、Ｉq*は、図１４（ｅ）及び図１４(ｆ)に示すように推移する。このように動作することで、時刻ｔ３では、Ｉq*が負荷トルクＴＬに応じた値になり、また軸誤差Δθ及びその推定値Δθcはほぼゼロになっていることから、位置センサレス・ベクトル制御への切替えを、円滑に行える。

尚、負荷を推定する方法としては、図３に示す構成の負荷推定手段１０と、図１１の軸誤差推定器１４と負荷推定手段１０ｂを組み合せた構成との、何れを用いてもよい。
また、電動機３の電流の検出方法には、様々な方法が知られているが、本実施形態に適用できる電流の検出方法の１つの構成を図１５に示す。電力変換器２は、主回路部２１、直流電源２２、直流抵抗２３と、電力変換器２から電動機３へ流れる各相の相電流Ｉu、Ｉv、Ｉwを検出する相電流検出器２４で構成され、相電流Ｉu、Ｉv、Ｉwが、電流検出手段４へ入力される。電流検出手段４はｄｑ変換器４１であり、相電流Ｉu、Ｉv、Ｉwからｄｃｑｃ軸上の電流検出値Ｉdc、Ｉqcを得る。尚、相電流検出器２４は少なくとも２相以上の相電流を検出すればよい。

また電流の検出方法の、他の構成を図１６に示す。電力変換器２は、主回路部２１、直流電源２２、直流抵抗２３と、直流電源２２から主回路部２１へ流れる直流電流Ｉshを直流抵抗２３の両端電圧から検出する直流電流検出手段２５と、で構成され、直流電流Ｉshが電流検出手段４’へ入力される。電流検出手段４’はｄｑ変換器４１と、直流電流Ｉshから相電流Ｉu、Ｉv、Ｉwを得る電動機電流推定器４２で構成される。尚、電動機電流推定器４２の動作は、本実施形態の特徴と関係せず、また既に公知の技術であるため、説明を省略する。

これより、本実施形態は、電動機を制御する制御装置の中で、電動機にかかる負荷を推定して負荷に応じた制御を行うことを目的として、本実施形態での負荷の推定は、制御装置内部のｄｃｑｃ軸上の電圧指令と電流検出値を用いて電動機に与える電力を演算し、電力に基いてトルク電流を推定し、また本実施形態での電流指令生成は推定したトルク電流に基いてｄｃｑｃ軸上の電流指令値を決定し、電流指令値から求めたｄｃｑｃ軸上の電圧指令に基いて、電動機を駆動する。また、推定したトルク電流とｄｃｑｃ軸上の電流指令値から、電動機にかかる負荷の振動成分を取り出し、この振動成分に基いて制御装置の内部で持つ速度指令を補正する。また、負荷の推定は、ｄｃｑｃ軸上の電圧指令と電流検出値を用いて電動機のｄ軸に対するｄｃ軸の相差角である軸誤差を求め、この軸誤差を用いてトルク電流を推定しても行うことができる。

以上により、本実施形態の交流電動機駆動システムによれば、制御装置内部のｄｃｑｃ軸上の電圧指令値と電流検出値とから電動機にかかる負荷に応じたトルク電流を推定し、該推定したトルク電流に基いて電流及び速度の指令値を制御することで、電動機にかかる負荷に応じた運転を、安定に行うことができる。

また、本実施形態による駆動方法によれば、負荷推定手段１０を用いて負荷電力Powを推定する制御から、軸誤差を用いて行う制御に円滑に切り替えられるため、軸誤差を用いての位置センサレス・べクトル制御が適用できる速度域では軸誤差を用いて電動機を駆動することで、より好適な制御を実現できる。

本発明の一実施形態である交流電動機駆動システムの構成図である。 回転子の実回転位置と仮想回転位置とを説明するための図である。 負荷推定手段の構成図である。 速度補正手段の構成図である。 電流指令手段の構成図である。 制御装置の動作の説明図である。 電流指令手段の動作の説明図である。 制御装置の動作の他の説明図である。 制御装置の動作のさらに他の説明図である。 制御装置の動作のさらに他の説明図である。 本発明の第２実施形態の交流電動機駆動システムの構成図である。 電流指令生成手段の構成図である。 第２実施形態の制御装置の動作の説明図である。 第２実施形態の制御装置の動作の他の説明図である。 一の電流検出方法を説明する構成図である。 他の電流検出方法を説明する構成図である。

符号の説明

１ 制御装置
２ 電力変換器
３ 電動機
４，４’ 電流検出手段
５，５ｂ 電流指令生成手段
６ 電流制御手段
７ ベクトル演算手段
８ 積分器
９ ｄｑ逆変換器
１０，１０ｂ 負荷推定手段
１１ 速度補正手段
１２ 速度指令手段
１３，１３ｂ 加算器
１４ 軸誤差推定器
１５ ＰＬＬ演算器
２１ 主回路部
２２ 直流電源
２３ 直流抵抗
２４ 相電流検出器
２５ 直流電流検出手段
４１ ｄｑ変換器
４２，４２’ 電動機電流推定手段
５１，５１ｂ Ｉq*生成部
５２ Ｉｄ*生成部
５３，５１１，５１１ｂ 切替器
５４，５１２ ローパスフィルタ
１０１ 負荷電力演算手段
１０２ 負荷電流演算手段
１１１ 第２の加算器
１１２ ゲイン補正器
Ｉu，Ｉv，Ｉw 相電流
ＴＬ 負荷トルク
ＴＭ 発生トルク
Ｐ_ow 負荷電力
ω１M 電気角速度
ω１c 推定電気角速度
ω1* 速度指令値
Δθ 軸誤差
Ｒ1 巻線抵抗

Claims (6)

1. 外部に接続された電動機に流れる電動機電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段が検出した電流検出値、及び前記電動機が回転する回転速度を指令する速度指令値に基づいて、前記電動機に流れる電動機電流を、励磁軸方向、及びこれに直交するトルク軸方向に分解して前記電動機を制御する制御手段とを備える電動機駆動制御装置であって、
   前記制御手段は、
   前記電流検出値、及び前記電動機に印加する印加電圧を規定する電圧指令値を用いて、前記電動機に出力する負荷電力を推定する負荷推定手段と、
   前記推定された負荷電力推定値、及び前記速度指令値に基づいて、前記電動機のトルク電流を演算するトルク電流演算手段と、
   前記トルク電流演算手段により演算されたトルク電流推定値、及び前記速度指令値に基づいて、前記第１の電流指令値を演算する電流指令値演算手段と、
   前記トルク電流推定値、及び前記第１の電流指令値に基づいて、電気角速度を推定した推定電気角速度と前記速度指令値との速度偏差を演算する回転速度偏差演算手段と、
   前記電動機電流の検出値、及び第１の電流指令値に基づいて、第２の電流指令値を演算する電流制御手段と、
   前記電流制御手段により演算された第２の電流指令値、及び前記推定電気角速度に基づいて、前記電圧指令値を演算するベクトル演算手段と
   を備えることを特徴とする電動機駆動制御装置。
2. 前記電動機は、固定子と、前記固定子に対して回転する回転子とを備える多相交流電動機であり、
   前記電流検出手段は、前記回転子の磁束軸に対して前記回転子の回転方向に軸ずれΔθ進んだ制御上の仮想磁束軸と、前記仮想磁束軸に対して前記回転方向に９０°進んだ仮想トルク軸とに分解された前記電流検出値を検出し、
   前記仮想トルク軸方向成分の電動機電流を制御することを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動制御装置。
3. 前記制御手段は、前記回転子の磁束軸と制御上の仮想磁束軸との軸誤差を推定する軸誤差推定器を備え、
   前記推定された推定軸誤差及び前記負荷電力推定値を用いて前記速度指令値が補正された速度補正値と、前記速度指令値とを用いて前記電動機電流を制御することを特徴とする請求項２に記載の電動機駆動制御装置。
4. 前記制御手段は、前記負荷電力推定値を用いて前記速度指令値を補正する速度補正手段を備え、
   前記速度指令値及び前記補正された速度補正値を用いて前記電動機電流を制御することを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動制御装置。
5. 前記速度指令値が閾値未満であるときに、前記負荷電力推定値を用いて前記速度指令値を補正し、
   前記速度指令値が前記閾値以上であるときに、前記推定軸誤差を用いて前記速度指令値を補正することを特徴とする請求項３に記載の電動機駆動制御装置。
6. 電動機と、前記電動機に流れる電動機電流を生成する電力変換器と、前記電動機電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段が検出した電流検出値及び前記電動機が回転する回転速度を指令する速度指令値に基づいて、前記電動機に流れる電動機電流を、励磁軸方向、及びこれに直交するトルク軸方向に分解して前記電動機を制御する制御手段とを備える電動機駆動システムであって、
   前記制御手段は、
   前記電流検出値、及び前記電動機に印加する印加電圧を規定する電圧指令値を用いて、前記電動機に出力する負荷電力を推定する負荷推定手段と、
   前記推定された負荷電力推定値、及び前記速度指令値に基づいて、前記電動機のトルク電流を演算するトルク電流演算手段と、
   前記トルク電流演算手段により演算されたトルク電流推定値、及び前記速度指令値に基づいて、前記第１の電流指令値を演算する電流指令値演算手段と、
   前記トルク電流推定値、及び前記第１の電流指令値に基づいて、電気角速度を推定した推定電気角速度と前記速度指令値との速度偏差を演算する回転速度偏差演算手段と、
   前記電動機電流の検出値、及び第１の電流指令値に基づいて、第２の電流指令値を演算する電流制御手段と、
   前記電流制御手段により演算された第２の電流指令値、及び前記推定電気角速度に基づいて、前記電圧指令値を演算するベクトル演算手段と
   を備える
   ことを特徴とする電動機駆動システム。

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