JP7585152B2 - 電動機駆動制御装置および該方法ならびに電動機駆動制御システム - Google Patents

Description

本発明は、電動機の駆動を制御する電動機駆動制御装置および電動機駆動制御方法に関する。そして、本発明は、前記電動機駆動制御装置を備える電動機駆動制御システムに関する。

電動機の駆動制御には、例えばＰＩ制御を用いたフィードバック制御が用いられることが多い。その速度制御では、目標速度に対する応答性は、電動機が用いられた製品の性能に影響するため、その高さが要求される。前記フィードバック制御では、フィードバックゲインを大きく設定することで、応答性を向上できるが、いわゆるオーバーシュートやハンチングが生じてしまう虞がある。

このため、従来の前記フィードバック制御に較べて高い応答性を実現できることから、モデル予測制御（ｍｏｄｅｌ ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ、ＭＰＣ）が電動機の駆動制御に提案されている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。このモデル予測制御では、制御周期ごとに次の一連の処理が繰り返し実行されることで電動機が駆動制御される。前記一連の処理において、まず、電動機のモデルを用いることで複数の候補入力電圧ごとに、電動機における将来の挙動が予測される。次に、各予測結果（電動機の各挙動）が評価され、最も目標に近い予測結果が選択され、この選択された予測結果を与える候補入力電圧で電動機が駆動制御される。このようなモデル予測制御では、予測結果を基に最適化した候補入力電圧を決定できることから、従来の前記フィードバック制御を超える高い応答性が期待できる。

特開２００８－２２８４１９号公報 特開２０１３－０６２９４９号公報

ところで、電動機を駆動すると、トルクが脈動することがある（脈動トルク、トルク脈動）。前記特許文献１や特許文献２に開示されたモデル予測制御では、応答性の向上が期待できるが、モデル制御に用いられている電動機のモデルに、電動機自身で生じる、この脈動トルクが考慮されておらず、前記脈動トルクに起因する速度脈や振動（騒音）が生じる虞がある。

本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、前記脈動トルクに起因する速度脈等の現象を低減できる電動機駆動制御装置、電動機駆動制御方法、および、前記電動機駆動制御装置を備える電動機駆動制御システムを提供することである。

本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の一態様にかかる電動機駆動制御装置は、インバータ回路の出力で駆動される電動機を制御する装置であって、前記インバータ回路で出力可能な時系列な電圧パターンを、互いに異なるように複数、生成する電圧パターン生成部と、前記電圧パターン生成部で生成した複数の時系列な電圧ターンそれぞれについて、当該時系列な電圧パターンが前記電動機に入力された場合における前記電動機の制御目的に関する所定の物理量の値を予測値として予測する予測部と、前記電圧パターン生成部で生成した複数の時系列な電圧ターンの中から、前記予測部で予測された前記電動機の各予測値の中で最も高い評価の予測値に対応する時系列な電圧パターンを選択する電圧パターン選択部と、前記電圧パターン選択部で選択された時系列な電圧パターンに基づいて、前記インバータ回路を制御するインバータ制御部とを備え、前記所定の物理量は、トルクに基づいて求められる前記電動機の回転速度を含み、前記トルクは、時間経過に従ってトルクの大きさが増減する脈動トルクを含む。好ましくは、上述の電動機駆動制御装置において、前記所定の物理量は、前記電動機の駆動電流を含む。好ましくは、上述の電動機駆動制御装置において、前記脈動トルクを表すモデル関数を用いることによって前記脈動トルクを求める脈動トルク処理部をさらに備える。

このような電動機駆動制御装置は、予測値を求める場合に、時間経過に従ってトルクの大きさが増減する脈動トルクを考慮するので、前記脈動トルクに起因する速度脈等の現象を低減できる。

他の一態様では、上述の電動機駆動制御装置において、前記脈動トルクは、前記電動機の円周方向における起磁力分布の空間高周波成分に起因する第１脈動トルク、および、コギングトルクである第２脈動トルクのうちの少なくとも一方を含む。

このような電動機駆動制御装置は、電動機自体に生じる第１および第２脈動トルクのうちの少なくとも一方を抑制できる。

他の一態様では、これら上述の電動機駆動制御装置において、前記電圧パターン選択部は、目標速度との偏差に基づき前記最も高い評価の予測値を選定する。

これによれば、速度制御しつつ脈動トルクを抑制できる電動機駆動制御装置が提供できる。

他の一態様では、これら上述の電動機駆動制御装置において、前記所定の物理量は、前記電動機の駆動電流を含み、前記電圧パターン選択部は、目標駆動電流との偏差に基づき前記最も高い評価の予測値を選定する。好ましくは、上述の電動機駆動制御装置において、前記駆動電流は、ｑ軸電流およびｄ軸電流で表され、前記偏差は、目標ｑ軸電流との偏差である第１偏差および目標ｄ軸電流との偏差である第２偏差を含み、前記目標ｄ軸電流は、０である。

これによれば、電流制御によるトルク制御しつつ脈動トルクを抑制できる電動機駆動制御装置が提供できる。

本発明の他の一態様にかかる電動機駆動制御方法は、インバータ回路の出力で駆動される電動機を制御する方法であって、前記インバータ回路で出力可能な時系列な電圧パターンを、互いに異なるように複数、生成する電圧パターン生成工程と、前記電圧パターン生成工程で生成した複数の時系列な電圧ターンそれぞれについて、当該時系列な電圧パターンが前記電動機に入力された場合における前記電動機の制御目的に関する所定の物理量の値を予測値として予測する予測工程と、前記電圧パターン生成工程で生成した複数の時系列な電圧ターンの中から、前記予測工程で予測された前記電動機の各予測値の中で最も高い評価の予測値に対応する時系列な電圧パターンを選択する電圧パターン選択工程と、前記電圧パターン選択工程で選択された時系列な電圧パターンに基づいて、前記インバータ回路を制御するインバータ制御工程とを備え、前記所定の物理量は、トルクに基づいて求められる前記電動機の回転速度を含み、前記トルクは、時間経過に従ってトルクの大きさが増減する脈動トルクを含む。

このような電動機駆動制御方法は、予測値を求める場合に、時間経過に従ってトルクの大きさが増減する脈動トルクを考慮するので、前記脈動トルクに起因する速度脈等の現象を低減できる。

本発明の他の一態様にかかる電動機駆動制御システムは、電動機と、前記電動機を駆動するインバータ回路と、前記インバータ回路を制御することで前記電動機を制御する電動機駆動制御部とを備え、前記電動機駆動制御部は、これら上述のいずれかの電動機駆動制御装置である。

これによれば、これら上述のいずれかの電動機駆動制御装置を備えた電動機駆動制御システムが提供できる。このような電動機駆動制御システムは、これら上述のいずれかの電動機駆動制御装置を備えるので、前記脈動トルクに起因する速度脈等の現象を低減できる。

本発明にかかる電動機駆動制御装置および電動機駆動制御方法は、前記脈動トルクに起因する速度脈等の現象を低減できる。本発明によれば、前記電動機駆動制御装置を備える電動機駆動制御システムが提供できる。

実施形態における電動機駆動制御システムの構成を示すブロック図である。 前記電動機駆動制御システムにおけるＭＰＣ制御部の構成を示すブロック図である。 前記電動機駆動制御システムにおけるインバータ回路の構成を示す回路図である。 前記インバータ回路で出力可能な電圧を示すベクトル図である。 前記インバータ回路で出力可能な時系列な電圧パターンの一例を説明するための図である。 前記電動機駆動制御システムにおける動作を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の１または複数の実施形態が説明される。しかしながら、発明の範囲は、開示された実施形態に限定されない。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。

実施形態における電動機駆動制御システムは、電動機を、制御しつつ、駆動するシステムであり、例えば、電動機と、前記電動機を駆動するインバータ回路と、前記インバータ回路を制御することで前記電動機を制御する電動機駆動制御部とを備える。この電動機駆動制御部は、前記インバータ回路で出力可能な時系列な電圧パターンを、互いに異なるように複数、生成する電圧パターン生成部と、前記電圧パターン生成部で生成した複数の時系列な電圧ターンそれぞれについて、当該時系列な電圧パターンが前記電動機に入力された場合における前記電動機の制御目的に関する所定の物理量の値を予測値として予測する予測部と、前記電圧パターン生成部で生成した複数の時系列な電圧ターンの中から、前記予測部で予測された前記電動機の各予測値の中で最も高い評価の予測値に対応する時系列な電圧パターンを選択する電圧パターン選択部と、前記電圧パターン選択部で選択された時系列な電圧パターンに基づいて、前記インバータ回路を制御するインバータ制御部とを備える。前記所定の物理量は、トルクに基づいて求められる前記電動機の回転速度を含み、前記トルクは、時間経過に従ってトルクの大きさが増減する脈動トルクを含む。以下、このような電動機駆動制御部とを備える電動機駆動制御システムについて、より具体的に説明する。

図１は、実施形態における電動機駆動制御システムの構成を示すブロック図である。図２は、前記電動機駆動制御システムにおけるＭＰＣ制御部の構成を示すブロック図である。図３は、前記電動機駆動制御システムにおけるインバータ回路の構成を示す回路図である。図４は、前記インバータ回路で出力可能な電圧を示すベクトル図である。図５は、前記インバータ回路で出力可能な時系列な電圧パターンの一例を説明するための図である。

実施形態における電動機駆動制御システムＳは、例えば、図１に示すように、電動機Ｍと、インバータ回路ＩＶと、ＰＷＭ変調器ＰＷと、２相３相変換部ＣＶ１と、モデル予測制御部（ＭＰＣ制御部）ＭＣと、３相２相変換部ＣＶ２と、回転速度処理部ＲＳＣと、電流測定部ＣＳと、回転角度測定部ＶＳとを備える。

電動機Ｍは、インバータ回路ＩＶに接続され、インバータ回路ＩＶの交流出力で駆動される電動機である。例えば、電動機Ｍは、インバータ回路ＩＶから出力されるＵ相、Ｖ相およびＷ相の三相交流電力で駆動される同期電動機、より具体的には、本実施形態では表面型永久磁石式同期電動機（Ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｕｎｔｅｄ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ、ＳＰＭＳＭ）である。なお、電動機Ｍは、これに限定されるものではなく、例えば、例えば、誘導電動機（ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ、ＩＭ）やＳＲモータ（Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ ｍｏｔｏｒ、ＳＲＭ）等の他の種類であっても良い。

ＰＷＭ変調器ＰＷは、変更可能なパスル幅で矩形波を出力する回路であり、インバータ回路ＩＶは、直流電力を交流電力に変換する回路であり、本実施形態では、ＰＷＭ変調器ＰＷおよびインバータ回路ＩＶにより、三相交流電力で電動機を駆動する、いわゆる３相ＰＷＭインバータモータドライバが構成される。これらＰＷＭ変調器ＰＷおよびインバータ回路ＩＶは、２相３相変換部ＣＶ１を介してモデル予測制御部ＭＣに接続され、モデル予測制御部ＭＣの制御に従って、直流電源Ｖｄｃからの直流電力を、所定の周波数の交流電力へ変換する。より具体的には、ＰＷＭ変調器ＰＷは、モデル予測制御部ＭＣの制御に従った周波数およびパルス幅の矩形波を後述の制御信号（ＩＶ制御信号）としてインバータ回路ＩＶへ出力する回路である。インバータ回路ＩＶは、ＰＷＭ変調器ＰＷに接続され、ＰＷＭ変調器ＰＷからのＩＶ制御信号に従って、直流電源Ｖｄｃの直流電力を、所定の周波数の交流電力へ変換する回路である。インバータ回路ＩＶは、例えば、図３に示すように、直列に接続された２個のスイッチング素子Ｔｒを１組として、互いに並列に接続された３組Ｔｒ１、Ｔｒ４；Ｔｒ２、Ｔｒ５；Ｔｒ３、Ｔｒ６を備える。より具体的には、インバータ回路ＩＶは、６個の第１ないし第６スイッチングＴｒ１～Ｔｒ６を備える。これら第１ないし第６スイッチング素子Ｔｒ１～Ｔｒ６は、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等の、オンオフするスイッチ機能を持つ電力用半導体素子である。第１ないし第３スイッチング素子Ｔｒ１～Ｔｒ３の各一方端子（例えば各コレクタ端子）は、それぞれ、直流電源Ｖｄｃの一方端子に接続される。第１スイッチング素子Ｔｒ１の他方端子（例えばエミッタ端子）は、第４スイッチング素子Ｔｒ４の一方端子（例えば各コレクタ端子）に接続される。第２スイッチング素子Ｔｒ２の他方端子（例えばエミッタ端子）は、第５スイッチング素子Ｔｒ５の一方端子（例えば各コレクタ端子）に接続される。第３スイッチング素子Ｔｒ３の他方端子（例えばエミッタ端子）は、第６スイッチング素子Ｔｒ６の一方端子（例えば各コレクタ端子）に接続される。これら第４ないし第６スイッチング素子Ｔｒ４～Ｔｒ６の各他方端子（例えば各エミッタ端子）は、それぞれ、直流電源Ｖｄｃの他方端子に接続される。これら第１ないし第６スイッチング素子Ｔｒ１～Ｔｒ６における、スイッチング素子ＴｒをオンオフするためのＩＶ制御信号が入力される各制御端子（例えばゲート端子）は、ＰＷＭ変調器ＰＷに接続される。これら第１ないし第６スイッチング素子Ｔｒ１～Ｔｒ６それぞれにおいて、その一方端子と他方端子との各間それぞれには、他方端子にアノード端子を接続した各ダイオードＤ１～Ｄ６が接続される。そして、第１スイッチング素子Ｔｒ１と第４スイッチング素子Ｔｒ４とを接続する第１接続点は、例えばＵ相の交流電流を出力し、電動機ＭのＵ相を接続する入力端子に接続される。第２スイッチング素子Ｔｒ２と第５スイッチング素子Ｔｒ５とを接続する第２接続点は、例えばＶ相の交流電流を出力し、電動機ＭのＶ相を接続する入力端子に接続される。第３スイッチング素子Ｔｒ３と第６スイッチング素子Ｔｒ６とを接続する第３接続点は、例えばＷ相の交流電流を出力し、電動機ＭのＷ相を接続する入力端子に接続される。このような構成では、インバータ回路ＩＶは、いわゆる２レベル３相インバータ回路であり、各組の一方のスイッチング素子Ｔｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３と他方のスイッチング素子Ｔｒ４、Ｔｒ５、Ｔｒ６とは、互いに逆のスイッチング態様（一方がオンの場合には他方がオフで、一方がオフの場合には他方がオンである態様）となるように、ＰＷＭ変調器ＰＷからのＩＶ制御信号に従って制御され、直流電源Ｖｄｃの直流電力を変換してＵ相、Ｖ相およびＷ相の３相の交流電流を電動機Ｍへ出力する。

電流測定部ＣＳは、３相２相変換部ＣＶ２に接続され、インバータ回路ＩＶから電動機Ｍへ流れる電流、本実施形態では、Ｕ相電流、Ｖ相電流およびＷ相電流それぞれを測定し、その各測定結果を３相２相変換部ＣＶ２へ出力する装置である。電流測定部ＣＳは、例えば交流電流計を備えて構成される。

回転角度測定部ＶＳは、２相３相変換部ＣＶ１、３相２相変換部ＣＶ２および回転速度処理部ＲＳＣそれぞれに接続され、電動機Ｍにおける磁極位置を角度で測定し、その測定結果（回転角度、電気角（＝機械角／電動機Ｍの極対数））を２相３相変換部ＣＶ１、３相２相変換部ＣＶ２および回転速度処理部ＲＳＣそれぞれに出力する装置である。回転角度測定部ＶＳは、例えば、ロータリエンコーダ（パルスジェネレータ）や、ホールＩＣ等を備えて構成される。なお、センサレスの場合には、回転角度測定部ＶＳは、電動機Ｍのモデルを用いて電流および電圧から電動機Ｍの回転角度を求めてもよい。

２相３相変換部ＣＶ１は、モデル予測制御部ＭＣに接続され、回転角度測定部ＶＳから入力された測定結果（回転角度）およびモデル予測制御部ＭＣで後述のように求められた電圧パターンに基づく目標電圧ｖ_ｄ ^＊、ｖ_ｑ ^＊から、この目標電圧ｖ_ｄ ^＊、ｖ_ｑ ^＊に対応する目標のＵ相電流、Ｖ相電流およびＷ相電流をインバータ回路ＩＶから出力するようにＰＷＭ変調器ＰＷを制御するための制御信号（ＰＷＭ制御信号）を求め、このＰＷＭ制御信号をＰＷＭ変調器ＰＷへ出力するものである。

３相２相変換部ＣＶ２は、モデル予測制御部ＭＣに接続され、電流測定部ＣＳから入力された測定結果（Ｕ相電流、Ｖ相電流およびＷ相電流）および回転角度測定部ＶＳから入力された測定結果（回転角度）から、いわゆるクラーク（Ｃｌａｒｋｅ）変換およびパーク（Ｐａｒｋ）変換によって、励磁電流（ｄ軸電流）ｉ_ｄおよびトルク分電流（ｑ軸電流）ｉ_ｑを求め、この求めたｄ軸電流ｉ_ｄおよびｑ軸電流ｉ_ｑをモデル予測制御部ＭＣへ出力するものである。

回転速度処理部ＲＳＣは、モデル予測制御部ＭＣに接続され、回転角度測定部ＶＳから入力された測定結果（回転角度）から、電動機Ｍの回転速度ω_ｍを求め、この求めた回転速度ω_ｍをモデル予測制御部ＭＣへ出力するものである。例えば、回転角度測定部ＶＳで測定された回転角度θ_ｅを時間微分して電動機Ｍの極対数ｐの逆数を乗じることによって回転速度ω_ｍが求められる。

モデル予測制御部ＭＣは、モデル予測制御を用いたベクトル制御によって、電動機ＭをＰＷＭ変調器ＰＷおよびインバータ回路ＩＶを介して駆動制御するものである。モデル予測制御部ＭＣは、より具体的には、例えば、図２に示すように、制御部１１と、電圧パターン生成部１２と、予測部１３と、電圧パターン選択部１４と、ＰＷＭインバータ制御部１５とを備える。

制御部１１は、電動機駆動制御システムＳの各部を当該各部の機能に応じて制御し、電動機駆動制御システムＳ全体の制御を司るものである。

電圧パターン生成部１２は、インバータ回路ＩＶで出力可能な時系列な電圧パターンを、互いに異なるように複数、生成するものである。すなわち、電圧パターン生成部１２は、インバータ回路ＩＶで出力可能な時系列な電圧パターンを、互いに異なるように複数、生成する電圧パターン生成処理を実施する。インバータ回路ＩＶは、本実施形態では、上述のように、２レベル３相インバータであるので、第１ないし第６スイッチング素子Ｔｒ１～Ｔｒ６のスイッチング態様に応じて、図４に示すように、２^３＝８通りの電圧Ｖ_０～Ｖ_７を出力できる。なお、電圧ベクトルＶ_０は、第１ないし第３スイッチング素子Ｔｒ１～Ｔｒ３がオフであって第４ないし第６スイッチング素子Ｔｒ４～Ｔｒ６がオンであり、電動機Ｍに給電されない場合（Ｖ_０＝（０、０、０））である。電圧ベクトルＶ_７は、第１ないし第３スイッチング素子Ｔｒ１～Ｔｒ３がオンであって第４ないし第６スイッチング素子Ｔｒ４～Ｔｒ６がオフであり、電動機Ｍに給電されない場合（Ｖ_７＝（０、０、０））である。時系列な電圧パターンは、予測する制御周期数である予測ホライズン、および、制御入力である電圧を可変とする制御周期数である制御ホライズンによって決定される。このため、モデル予測制御部ＭＣには、予め予測ホライズンの数値および制御ホライズンの数値が、モデル予測制御の仕様等に応じて適宜に予め設定され、電圧パターン生成部１２は、インバータ回路ＩＶで出力可能な電圧（上述では８通り）、予測ホライズンの数値および制御ホライズンの数値に応じて互いに異なる複数の時系列な電圧パターンを生成する。図５には、一例として、予測ホライズンＮ_ｐが２であり、制御ホライズンＮ_ｃが１である場合のインバータ回路ＩＶで出力可能な全ての時系列な電圧パターンが樹形図で図示されている。図５では、現在のＮ番目の制御における電圧に対し、予測ホライズンＮ_ｐが２であるので、次の（Ｎ＋１）番目の制御における電圧と、さらに次の（Ｎ＋２）番目の制御における電圧とが予測され、制御ホライズンＮ_ｃが１であるので、インバータ回路ＩＶで出力可能な全ての時系列な電圧パターンは、現在のＮ番目の制御における電圧から、次の（Ｎ＋１）番目の制御では、８通りの電圧Ｖ_０～Ｖ_８に分岐し、さらに次の（Ｎ＋２）番目の制御では、各電圧Ｖ_０～Ｖ_８から、それぞれ当該電圧Ｖ_０～Ｖ_８に維持された８組の時系列な電圧パターンである。なお、他の一例として、予測ホライズンが２であり、制御ホライズンが２である場合、現在のＮ番目の制御における電圧に対し、予測ホライズンが２であるので、次の（Ｎ＋１）番目の制御における電圧と、さらに次の（Ｎ＋２）番目の制御における電圧とが予測され、制御ホライズンが２であるので、インバータ回路ＩＶで出力可能な全ての時系列な電圧パターンは、（Ｎ＋１）番目の制御および（Ｎ＋２）番目の制御それぞれで８通りの電圧Ｖ_０～Ｖ_８に分岐し、６４組の時系列な電圧パターンである。

予測部１３は、電圧パターン生成部１２で生成した複数の時系列な電圧パターンそれぞれについて、当該時系列な電圧パターンが電動機Ｍに入力された場合における前記電動機Ｍの制御目的に関する所定の物理量の値を予測値として予測するものである。すなわち、予測部１３は、電圧パターン生成部１２で生成した複数の時系列な電圧パターンそれぞれについて、当該時系列な電圧パターンが電動機Ｍに入力された場合における前記電動機Ｍの制御目的に関する所定の物理量の値を予測値として予測する予測処理を実施する。より具体的には、本実施形態では、前記電動機Ｍの制御目的に関する所定の物理量は、トルクに基づいて求められる前記電動機Ｍの回転速度を含み、前記トルクは、時間経過に従ってトルクの大きさが増減する脈動トルクを含む。このため、予測部１３は、次式１によってｄ軸電流ｉ_ｄを求め、次式２によってｑ軸電流ｉ_ｑを求める。そして、予測部１３は、次式３によってトルクＴ_ｅを求め、この求めたトルクＴ_ｅを用いた次式４によって回転速度ω_ｍを求める。この式４のトルクの項に脈動トルクＴ_ｄｉｓｔが含まれる。

ここで、ｉ_ｄ（ｋ）は、ｋ番目の制御におけるｄ軸電流であり、ｉ_ｑ（ｋ）は、ｋ番目の制御におけるｑ軸電流であり、Ｌ_ｄは、ｄ軸インダクタンスであり、Ｌ_ｑは、ｑ軸インダクタンスである。なお、本実施形態では、電動機Ｍが表面型永久磁石式同期電動機であるので、Ｌ_ｄ＝Ｌ_ｑ＝Ｌとなる。Ｔ_ｓは、制御周期であり、Ｒは、電動機Ｍの巻線抵抗であり、ω_ｅ（ｋ）は、ｋ番目の制御における、電気角回転速度（極対数ｐ×ω_ｍ（ｋ））であり、ω_ｍ（ｋ）は、ｋ番目の制御における、測定された回転速度（実績の回転速度）であり、ｐは、電動機Ｍにおける極対数であり、Ψは、電動機Ｍにおける永久磁石の鎖交磁束であり、Ｊは、電動機Ｍにおける回転子の慣性モーメントであり、Ｄは、電動機Ｍにおける回転子の動摩擦抵抗である。なお、現在、ｋ番目の制御の場合、（ｋ＋１）、（ｋ＋２）、（ｋ＋３）、・・・は、予測値であることを表している。

脈動トルクＴ_ｄｉｓｔのモデル（脈動モデル）は、本実施形態では、次式５のようにモデル化された。

ここで、φ_ｄｈ（θ_ｅ）は、ｄ軸の磁束高調波成分であり、φ_ｑｈ（θ_ｅ）は、ｑ軸の磁束高調波成分である。この式５の第１項は、電動機Ｍの円周方向における起磁力分布の空間高周波成分に起因する脈動トルク（第１脈動トルク）ｐ_ｎを表し、その第２項は、いわゆるコギングトルク（第２脈動トルク）Ｔ_ｃｏｇを表している。前記式５の第１脈動トルクｐ_ｎは、例えば、電動機Ｍの円周方向における起磁力分布がサインカーブとなる理想状態からのズレによって生じる。

この第１脈動トルクｐ_ｎにおけるφ_ｄｈ（θ_ｅ）およびφ_ｑｈ（θ_ｅ）は、例えば、無負荷で前記電動機Ｍを駆動して得られた逆起電圧値ν_ｄ、ν_ｑを検出して次式６に用いることによって求められ、これによって第１脈動トルクｐ_ｎが求められる。Ψは、永久磁石の差交磁束である。あるいは、例えば、φ_ｄｈ（θ_ｅ）およびφ_ｑｈ（θ_ｅ）は、同様の駆動状態を模擬したシミュレーションによって、もしくは、いわゆるＦＥＭ解析から求められる。

この第２脈動トルクＴ_ｃｏｇは、例えば、同様に、無負荷で前記電動機Ｍを駆動して得られた推力値を検出することによって求められる。あるいは、例えば、第２脈動トルクＴ_ｃｏｇは、同様の駆動状態を模擬したシミュレーションによって、もしくは、いわゆるＦＥＭ解析から求められる。

なお、上述では、第１および第２脈動トルクｐ_ｎ、Ｔ_ｃｏｇの両方を含むように脈動トルクＴ_ｄｉｓｔがモデル化されたが、例えば電動機駆動制御システムＳの仕様等に応じて、一方が省略されて脈動トルクＴ_ｄｉｓｔがモデル化されてもよい。

なお、負荷トルクは、一般に、未知のものであり、トルクを検出する検出器によって検出されてよく、あるいは、負荷トルク（推定値）Ｔ_ｌ＾は、次式７によって推定されてもよい。なお、記載の都合上、Ｔの上の＾は、Ｔ＾のように記載する。他も同様である。

ここで、ω_ｍ＾は、予測部１３によって予測された回転速度であり、ω_ｍは、回転角度測定部ＶＳで測定した回転角度から回転速度処理部ＲＳＣで求めた回転速度である。

上述の例では、現在のｋ番目の制御において、８通りの［ｖ_ｄｑ（ｋ＋１）、ｖ_ｄｑ（ｋ＋２）］に対し、予測部１３によって、８通りの２制御周期先までの［ｉ_ｄｑ（ｋ＋１）、ｉ_ｄｑ（ｋ＋２）］および２制御周期先までの［ω_ｍ（ｋ＋１）、ω_ｍ（ｋ＋２）］が各予測値として求められる。なお、電圧ベクトルｖ_ｄｑ（ｋ）は、［ｖ_ｄ（ｋ）、ｖ_ｑ（ｋ）］^Ｔであり（ｖ_ｄｑ（ｋ）＝［ｖ_ｄ（ｋ）、ｖ_ｑ（ｋ）］^Ｔ）、電流ベクトルｉ_ｄｑ（ｋ）は、［ｉ_ｄ（ｋ）、ｉ_ｑ（ｋ）］^Ｔである（ｉ_ｄｑ（ｋ）＝［ｉ_ｄ（ｋ）、ｉ_ｑ（ｋ）］^Ｔ）。

本実施形態では、予測部１３は、前記脈動トルクＴ_ｄｉｓｔを表すモデル関数Ｔ_ｄｉｓｔ（ｋ）を用いることによって前記脈動トルクＴ_ｄｉｓｔを求める脈動トルク処理部を含む。

電圧パターン選択部１４は、電圧パターン生成部１２で生成した複数の時系列な電圧パターンの中から、予測部１３で予測された電動機Ｍの各予測値の中で最も高い評価の予測値に対応する時系列な電圧パターンを選択するものである。すなわち、電圧パターン選択部１４は、電圧パターン生成部１２で生成した複数の時系列な電圧パターンの中から、予測部１３で予測された電動機Ｍの各予測値の中で最も高い評価の予測値に対応する時系列な電圧パターンを選択する電圧パターン選択処理を実施する。より具体的には、電圧パターン選択部１４は、電圧パターン生成部１２で生成した複数の時系列な電圧パターンそれぞれについて、予測部１３で予測された電動機Ｍの電流予測値［ｉ_ｄｑ（ｋ＋１）、ｉ_ｄｑ（ｋ＋２）］および回転速度予測値［ω_ｍ（ｋ＋１）、ω_ｍ（ｋ＋２）］を、例えば次式８の評価式ｇに用いることによって、前記時系列な電圧パターンを定量的に評価し、前記複数の時系列な電圧パターンの中から、最も高い評価の電流予測値［ｉ_ｄｑ（ｋ＋１）、ｉ_ｄｑ（ｋ＋２）］および回転速度予測値［ω_ｍ（ｋ＋１）、ω_ｍ（ｋ＋２）］に対応する時系列な電圧パターンを選択する。式８の評価式ｇでは、評価値が小さいほど、評価が高い。したがって、前記複数の時系列な電圧パターンの中から、最も小さい評価値を与える電流予測値［ｉ_ｄｑ（ｋ＋１）、ｉ_ｄｑ（ｋ＋２）］および回転速度予測値［ω_ｍ（ｋ＋１）、ω_ｍ（ｋ＋２）］に対応する時系列な電圧パターンが最適な時系列な電圧パターンとして選択される。なお、モデル予測制御部ＭＣには、外部から制御目的の目標値の回転速度ω_ｍ ^＊が入力され、設定される。

上記式８の評価式ｇは、速度制御の上で重要となることから、速度偏差を第１項とし、表面型永久磁石式同期電動機の場合、無駄な給電を防止するために、トルクの発生に寄与しないｄ軸電流ｉ_ｄを０に保持することが重要であることから、電流偏差を第２項とし、これら第１項および第２項を係数ａ、ｂで線形結合することで構成されている。したがって、第１項と第２項とにおける相対的な重要度に応じて係数ａ、ｂが予め適宜に決定される。言い換えれば、係数ａ、ｂで第１項と第２項とにおける相対的な重要度が調整できる。すなわち、電動機Ｍの制御で、速度偏差が電流偏差より相対的に重要である場合には、係数ａは、係数ｂより大きく設定され（ａ＞ｂ）、逆に、電動機Ｍの制御で、電流偏差が速度偏差より相対的に重要である場合には、係数ｂは、係数ａより大きく設定され（ｂ＞ａ）、両者が等しく重要である場合には、係数ａは、係数ｂと同値に設定される（ａ＝ｂ）。

ＰＷＭインバータ制御部１５は、電圧パターン選択部１４で選択された時系列な電圧パターンに基づいて、インバータ回路ＩＶを制御するものである。すなわち、ＰＷＭインバータ制御部１５は、電圧パターン選択部１４で選択された時系列な電圧パターンに基づいて、インバータ回路ＩＶを制御するＰＷＭインバータ制御処理を実施する。より具体的には、本実施形態では、ＰＷＭインバータ制御部１５は、現在、ｋ番目の制御である場合に、電圧パターン選択部１４で選択された時系列な電圧パターンにおける次回の（ｋ＋１）番目の制御でのｄ軸電圧ｖ_ｄ（ｋ＋１）およびｑ軸電圧ｖ_ｑ（ｋ＋１）それぞれをｄ軸目標電圧ｖ_ｄ ^＊およびｑ軸目標電圧ｖ_ｑ ^＊それぞれとして、この目標電圧ｖ_ｄ ^＊、ｖ_ｑ ^＊に対応する目標のＵ相電流、Ｖ相電流およびＷ相電流をインバータ回路ＩＶから出力するように、２相３相変換部ＣＶ１にＰＷＭ制御信号を生成させてこのＰＷＭ制御信号でＰＷＭ変調器ＰＷにＩＶ制御信号を生成させ、この生成させたＩＶ制御信号をＰＷＭ変調器ＰＷからインバータ回路ＩＶへ出力させる。

そして、制御部１１は、前記電圧パターン生成処理、前記予測処理、前記電圧パターン選択処理および前記インバータ制御処理を、電圧パターン生成部１２、予測部１３、電圧パターン選択部１４およびＰＷＭインバータ制御部１５に、所定の制御周期で繰り返し実施させる。

このようなモデル予測制御部ＭＣ、２相３相変換部ＣＶ１、３相２相変換部ＣＶ２および回転速度処理部ＲＳＣは、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、メモリおよびその周辺回路を備えて構成されるマイクロプロセッサで構成可能であり、モデル予測制御部ＭＣにおける制御部１１、電圧パターン生成部１２、予測部１３、電圧パターン選択部１４およびＰＷＭインバータ制御部１５、２相３相変換部ＣＶ１、３相２相変換部ＣＶ２、ならびに、回転速度処理部ＲＳＣは、所定のプログラムの実行により、前記ＣＰＵに機能的に構成される。

次に、本実施形態の動作について説明する。図６は、前記電動機駆動制御システムにおける動作を示すフローチャートである。

このような電動機駆動制御システムＳでは、電源が投入されると、必要な各部の初期化を実行し、その稼働を始める。そして、例えば、プログラムの実行によって、前記ＣＰＵには、モデル予測制御部ＭＣ、２相３相変換部ＣＶ１、３相２相変換部ＣＶ２および回転速度処理部ＲＳＣが機能的に構成され、モデル予測制御部ＭＣには、制御部１１、電圧パターン生成部１２、予測部１３、電圧パターン選択部１４およびＰＷＭインバータ制御部１５が機能的に構成される。

そして、図６に示す処理Ｓ１１ないし処理Ｓ１６の各処理が、電動機Ｍの駆動が停止されるまで、制御部１１によって所定の制御周期ごとに繰り返し実行される。

図６において、まず、今回（ｋ番目）において、電流測定部ＣＳによって測定された各相の電流値が取得され、回転角度測定部ＶＳによって測定された回転角度の値が取得される（Ｓ１１）。電流測定部ＣＳは、この取得した各相の電流値を、３相２相変換部ＣＶ２へ出力し、回転角度測定部ＶＳは、この取得した回転角度値を、２相３相変換部ＣＶ１、３相２相変換部ＣＶ２および回転速度処理部ＲＳＣそれぞれへ出力する。

続いて、３相２相変換部ＣＶ２は、処理Ｓ１１で取得された各相の電流値および回転角度値から、ｄ軸電流ｉ_ｄおよびｑ軸電流ｉ_ｑを求め、この求めたｄ軸電流ｉ_ｄおよびｑ軸電流ｉ_ｑをモデル予測制御部ＭＣへ出力し、回転速度処理部ＲＳＣは、処理Ｓ１１で取得された各相の電流値および回転角度値から、回転速度ω_ｍを求め、この求めた回転速度ω_ｍを、モデル予測制御部ＭＣへ出力する（Ｓ１２）。

続いて、モデル予測制御部ＭＣは、電圧パターン生成部１２によって、予め設定された予測ホライズンの値および制御ホライズンの値に応じて、インバータ回路ＩＶで出力可能な時系列な電圧パターンを、互いに異なるように複数、生成する（Ｓ１３、電圧パターン生成処理）。

続いて、モデル予測制御部ＭＣは、予測部１３によって、処理Ｓ１３で電圧パターン生成部１２によって生成した複数の時系列な電圧パターンそれぞれについて、当該時系列な電圧パターンが電動機Ｍに入力された場合における前記電動機Ｍの制御目的に関する所定の物理量の値を予測値として予測する（Ｓ１４、予測処理）。より具体的には、本実施形態では、予測部１３は、次式１によってｄ軸電流ｉ_ｄを求め、次式２によってｑ軸電流ｉ_ｑを求め、次式３によってトルクＴ_ｅを求め、次式４によって回転速度予測値ω_ｍを求める。

続いて、モデル予測制御部ＭＣは、電圧パターン選択部１４によって、処理Ｓ１３で電圧パターン生成部１２によって生成した複数の時系列な電圧パターンの中から、処理Ｓ１４で予測部１３によって予測された電動機Ｍの各予測値の中で最も高い評価の予測値に対応する時系列な電圧パターンを選択する（Ｓ１５、電圧パターン選択処理）。

続いて、モデル予測制御部ＭＣは、ＰＷＭインバータ制御部１５によって、処理Ｓ１５で電圧パターン選択部１４によって選択された時系列な電圧パターンに基づいて、ＰＷＭ変調器ＰＷおよびインバータ回路ＩＶを制御して電動機Ｍを駆動する（Ｓ１６、ＰＷＭインバータ制御処理）。

このように電動機Ｍが、制御目的の目標値の回転速度ω_ｍ ^＊となるように、モデル予測制御で制御され、駆動される。

以上説明したように、本実施形態における電動機駆動制御システムＳ、電動機駆動制御装置およびこれに実装された電動機駆動制御方法は、予測値を求める場合に、時間経過に従ってトルクの大きさが増減する脈動トルクＴ_ｄｉｓｔを考慮するので、前記脈動トルクに起因する速度脈等の現象を低減できる。

上記電動機駆動制御システムＳ、電動機駆動制御装置および電動機駆動制御方法は、電動機自体に生じる第１および第２脈動トルクのうちの少なくとも一方、上述の実施形態では両方を抑制できる。

本実施形態によれば、速度制御しつつ脈動トルクを抑制できる速度制御できる電動機駆動制御システムＳ、電動機駆動制御装置および電動機駆動制御方法が提供できる。

なお、上述の実施形態では、速度制御するために、前記電動機Ｍの制御目的に関する所定の物理量は、回転速度であったが、これに限定されるものではなく、他であってもよい。例えば、トルク制御するために、前記電動機Ｍの制御目的に関する所定の物理量は、駆動電流であってもよい。これによれば、電流制御によるトルク制御しつつ脈動トルクを抑制できる電動機駆動制御システムＳ、電動機駆動制御装置および電動機駆動制御方法が提供できる。

この場合では、予測部１３は、処理Ｓ１４において、前記式１によってｄ軸電流ｉ_ｄを求め、前記式２によってｑ軸電流ｉ_ｑを求める。そして、電圧パターン選択部１４は、処理Ｓ１５において、処理Ｓ１３で電圧パターン生成部１２によって生成した複数の時系列な電圧パターンそれぞれについて、予測部１３で予測された電動機Ｍの電流予測値［ｉ_ｄｑ（ｋ＋１）、ｉ_ｄｑ（ｋ＋２）］を、例えば次式９の評価式ｇに用いることによって、前記時系列な電圧パターンを定量的に評価し、前記複数の時系列な電圧パターンの中から、最も高い評価の電流予測値［ｉ_ｄｑ（ｋ＋１）、ｉ_ｄｑ（ｋ＋２）］に対応する時系列な電圧パターンを選択する。式９の評価式ｇでは、評価値が小さいほど、評価が高い。

上記式９の評価式ｇは、トルク制御の上で重要となることから、ｑ軸電流ｉ_ｑの電流偏差を第１項とし、上述のように、表面型永久磁石式同期電動機の場合、無駄な給電を防止するために、トルクの発生に寄与しないｄ軸電流ｉ_ｄを０に保持することが重要であることから、ｄ軸電流ｉ_ｄの電流偏差を第２項とし、これら第１項および第２項を係数ａ、ｂで線形結合することで構成されている。したがって、第１項と第２項とにおける相対的な重要度に応じて係数ａ、ｂが予め適宜に決定される。

本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。

Ｓ 電動機駆動制御システム
Ｍ 電動機
ＩＶ インバータ回路
ＰＭ ＰＷＭ変調器
ＭＣ モデル予測制御部
ＣＳ 電流測定部
ＶＳ 回転角度測定部
ＣＶ１ ２相３相変換部
ＣＶ２ ３相２相変換部
ＲＳＣ 回転速度処理部
１１ 制御部
１２ 電圧パターン生成部
１３ 予測部
１４ 電圧パターン選択部
１５ ＰＷＭインバータ制御部

Claims (6)

1. インバータ回路の出力で駆動される電動機を制御する電動機駆動制御装置であって、
   前記インバータ回路で出力可能な時系列な電圧パターンを、互いに異なるように複数、生成する電圧パターン生成部と、
   前記電圧パターン生成部で生成した複数の時系列な電圧パターンそれぞれについて、当該時系列な電圧パターンが前記電動機に入力された場合における所定の物理量の値を予測値として予測する予測部と、
   前記電圧パターン生成部で生成した複数の時系列な電圧パターンの中から、前記予測部で予測された前記電動機の各予測値の中で最も高い評価の予測値に対応する時系列な電圧パターンを選択する電圧パターン選択部と、
   前記電圧パターン選択部で選択された時系列な電圧パターンに基づいて、前記インバータ回路を制御するインバータ制御部とを備え、
   前記所定の物理量は、トルクに基づいて後記回転速度のモデル式によって求められる前記電動機の回転速度を含み、
   前記トルクは、第１トルクと負荷トルクと時間経過に従ってトルクの大きさが増減する脈動トルクとを含み、
   前記予測部は、前記予測値を求める際に、予め求められた電流のモデル式によって前記電動機の電流を求め、予め求められ、前記電動機の電流を用いて表された前記第１トルクのモデル式によって前記第１トルクを求め、予め求められた負荷トルクのモデル式によって前記負荷トルクを求め、予め求められ、前記電動機の電流を用いて表された前記脈動トルクのモデル式によって前記脈動トルクを求め、予め求められ、前記トルクを用いて表された回転速度のモデル式によって前記電動機の回転速度を求める、
   電動機駆動制御装置。
2. 前記脈動トルクは、前記電動機の円周方向における起磁力分布の空間高周波成分に起因する第１脈動トルク、および、コギングトルクである第２脈動トルクのうちの少なくとも一方を含む、
   請求項１に記載の電動機駆動制御装置。
3. 前記電圧パターン選択部は、前記回転速度において、目標値と予測値との偏差に基づき前記最も高い評価の予測値を選定する、
   請求項１または請求項２に記載の電動機駆動制御装置。
4. 前記所定の物理量は、前記電動機の駆動電流を含み、
   前記電圧パターン選択部は、前記駆動電流において、目標値と予測値との偏差に基づき前記最も高い評価の予測値を選定する、
   請求項１または請求項２に記載の電動機駆動制御装置。
5. インバータ回路の出力で駆動される電動機を制御する電動機駆動制御方法であって、
   前記インバータ回路で出力可能な時系列な電圧パターンを、互いに異なるように複数、生成する電圧パターン生成工程と、
   前記電圧パターン生成工程で生成した複数の時系列な電圧パターンそれぞれについて、当該時系列な電圧パターンが前記電動機に入力された場合における所定の物理量の値を予測値として予測する予測工程と、
   前記電圧パターン生成工程で生成した複数の時系列な電圧パターンの中から、前記予測工程で予測された前記電動機の各予測値の中で最も高い評価の予測値に対応する時系列な電圧パターンを選択する電圧パターン選択工程と、
   前記電圧パターン選択工程で選択された時系列な電圧パターンに基づいて、前記インバータ回路を制御するインバータ制御工程とを備え、
   前記所定の物理量は、トルクに基づいて後記回転速度のモデル式によって求められる前記電動機の回転速度を含み、
   前記トルクは、第１トルクと負荷トルクと時間経過に従ってトルクの大きさが増減する脈動トルクとを含み、
   前記予測工程は、前記予測値を求める際に、予め求められた電流のモデル式によって前記電動機の電流を求め、予め求められ、前記電動機の電流を用いて表された前記第１トルクのモデル式によって前記第１トルクを求め、予め求められた負荷トルクのモデル式によって前記負荷トルクを求め、予め求められ、前記電動機の電流を用いて表された前記脈動トルクのモデル式によって前記脈動トルクを求め、予め求められ、前記トルクを用いて表された回転速度のモデル式によって前記電動機の回転速度を求める、
   電動機駆動制御方法。
6. 電動機と、
   前記電動機を駆動するインバータ回路と、
   前記インバータ回路を制御することで前記電動機を制御する電動機駆動制御部とを備え、
   前記電動機駆動制御部は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の電動機駆動制御装置である、
   電動機駆動制御システム。