JP7127657B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ制御装置に関する。

空気調和装置等に用いられる圧縮機は、圧縮機を駆動するモータのロータの１回転中において負荷トルクが周期的に変動する。この負荷トルク変動は、吸入、圧縮、吐出の各行程におけるガス冷媒の圧力変化に起因する。この周期的な負荷トルク変動は、モータの回転速度の変動を生じさせ、振動や騒音を発生させる要因となる。特に、シングルロータリー圧縮機では、低回転領域で振動が大きくなる傾向にある。このようなロータの１回転中の負荷トルク変動を有する圧縮機を駆動する場合、モータの速度変動を抑えるためにトルク制御（周期的外乱抑制制御）が行われる。

通常、トルク制御は、振動が顕著となる低回転領域を制御する最大トルク／電流制御等の通常制御領域で実施される。しかし、インバータやモータの仕様および負荷条件によっては、弱め磁束制御等の電圧飽和領域でも振動が発生し、それに起因してモータのピーク電流が増大する。そして、振動の増加は、空気調和装置等において配管へのダメージや騒音を生じさせ、また、モータのピーク電流の増加による効率低下や圧縮機モータの減磁、また、減磁を防止するためのインバータの保護機能が動作してモータが停止等に陥る。

そこで、周期変動を抑制するための出力トルク変動を速度変動に対して最適化することで、電圧飽和領域におけるトルク制御の制振効率を向上させることが行われる。

特開２０１９－１８０１７３号公報

通常制御領域と電圧飽和領域の両方でトルク制御を行う場合、通常制御領域で生成される電流指令値と、電圧飽和領域で生成される電流指令値が大きく異なるため、制御を切り替えた際に電圧指令生成器に入力される電流偏差が大きくなる。このため、電圧指令生成器の出力が大きく変化し、トルク制御が不安定になるという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、通常制御領域と電圧飽和領域との制御領域を切り替えた時の電流指令値の差を小さくし、トルク制御の不安定化を防ぐことを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明の実施形態の一例では、モータの速度指令値と速度とからモータ電流指令値を生成する電流指令生成器を備えたモータ制御装置において、前記電流指令生成器は、通常制御領域で電流指令値を生成する第１電流指令生成器と、電圧飽和領域で電流指令値を生成する第２電流指令生成器とを備え、通常制御領域から電圧飽和領域、または電圧飽和領域から通常制御領域へと制御領域が切り替わる際に、前記第１電流指令生成器と前記第２電流指令生成器を併用して前記モータ電流指令値を生成する。

本発明の実施形態の一例によれば、通常制御領域と電圧飽和領域との間で制御領域を切り替え時のトルク制御の不安定化を防ぐことができる。

図１は、実施形態のモータ制御装置の一例を示すブロック図である。 図２は、電流指令スムージング処理器によるスムージング処理を説明するための図である。 図３は、電流指令スムージング処理器の一例を示すブロック図である。 図４は、スムージング処理中の電流ベクトルを示す図である。 図５は、スムージング処理中の電流指令値の推移を示す図である。

以下に添付図面を参照して開示の技術にかかるモータ制御装置の実施形態の例について説明する。以下の実施形態は、周期的な負荷トルク変動を有する圧縮機を駆動する永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ（Permanent Magnet Synchronous Motor））のトルク制御を、位置センサレスベクトル制御により行う、例えば空気調和装置または低温保存装置等に用いられるモータ制御装置に関する。しかし、開示の技術は、周期的な負荷トルク変動を有する負荷を駆動するモータのトルク制御を行うモータ制御装置に広く適用可能である。また、以下の説明で単に速度と記した場合は、特に断らない限り角速度を表す。

なお、以下に示す実施形態は、開示の技術を限定するものではない。また、以下に示す実施形態は、開示の技術にかかる構成および処理について主に示し、その他の構成および処理の説明を簡略化または省略する。

なお、以下で用いる主な記号の説明の一覧を、下記（表１）に示す。

（実施形態）
［実施形態のモータ制御装置］
図１は、実施形態のモータ制御装置の一例を示すブロック図である。実施形態のモータ制御装置１００は、減算器１１、１８、１９、３８、速度制御器１２、加算器１３、１６、１７、２１、２２、電流指令生成器１４、制御切替判定部１５、電圧指令生成器２０、ｄ－ｑ／ｕ，ｖ，ｗ変換器（２相－３相変換器）２３、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）変調器２４、ＩＰＭ（Intelligent Power Module）２５を有する。

また、モータ制御装置１００は、シャント（ｓｈｕｎｔ）抵抗２６、電流センサ２７ａ、２７ｂ、３φ電流算出器２８を有する。なお、モータ制御装置１００は、シャント抵抗２６、もしくは、電流センサ２７ａ、２７ｂの何れか一方を備えていればよい。

また、モータ制御装置１００は、ｕ，ｖ，ｗ／ｄ－ｑ変換器（３相－２相変換器）２９、軸誤差演算器３０、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）制御器３１、位置推定器３２、１／Ｐ_n処理器３３、補正トルク生成器３４、ｉｉｒ（infinite impulse response）３５ａ、３５ｂ、非干渉化制御器３６、電流誤差補正生成器３７を有する。

減算器１１は、外部（例えば、上位のコントローラ）からモータ制御装置１００へ入力された機械角速度指令値ω_m ^*から、１／Ｐ_n処理器３３により出力された現在の推定角速度である機械角推定角速度ω_mを減算した角速度偏差Δωを、速度制御器１２へ出力する。

速度制御器１２は、減算器１１から入力された角速度偏差Δωの平均が、ゼロに近付くような平均トルク指令値Ｔ₀ ^*を生成して出力する。加算器１３は、速度制御器１２により出力された平均トルク指令値Ｔ₀ ^*と、補正トルク生成器３４により出力された変動トルク指令値ΔＴとを加算した合計トルク指令値Ｔ^*を出力する。

電流指令生成器１４は、通常制御領域および電圧飽和領域のそれぞれにおいて、加算器１３により出力された合計トルク指令値Ｔ^*に基づいてｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*およびｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*を生成して出力する。ただし、電流指令生成器１４は、通常制御領域と電圧飽和領域の切り替えが行われると、切り替え時から所定の時間は、切り替え前の電流指令値から切り替え後の電流指令値に徐々に変化する電流指令値を生成して出力する。電流指令生成器１４は、通常制御領域電流指令生成器１４ａ（第１電流指令生成器に相当）、電圧飽和領域電流指令生成器１４ｂ（第２電流指令生成器に相当）、電流指令スムージング処理器１４ｃ（第３電流指令生成器に相当）を有する。

通常制御領域電流指令生成器１４ａは、通常制御領域において、加算器１３により出力された合計トルク指令値Ｔ^*の定トルク曲線と同一電流で最大トルクとなる最大トルク／電流（ＭＴＰＩ）曲線との交点であるＭＴＰＩｄ軸電流指令値Ｉ_{d_mtpi} ^*およびＭＴＰＩｑ軸電流指令値Ｉ_{q_mtpi} ^*を生成して出力する。

電圧飽和領域電流指令生成器１４ｂは、電圧飽和領域において、加算器１３により出力された合計トルク指令値Ｔ^*を満たす弱め磁束ｄ軸電流指令値Ｉ_{d_fw} ^*および弱め磁束ｑ軸電流指令値Ｉ_{q_fw} ^*を生成して出力する。電圧飽和領域電流指令生成器１４ｂは、ｄ軸電流検出値Ｉ_d、ｑ軸電流検出値Ｉ_q、出力電圧限界値Ｖ_{dq_limit}、機械角位相θ_mおよび電気角推定角速度ω_eを用いて、弱め磁束ｄ軸電流指令値Ｉ_{d_fw} ^*および弱め磁束ｑ軸電流指令値Ｉ_{q_fw} ^*を生成して出力する。出力電圧限界値Ｖ_{dq_limit}は、ＩＰＭ２５に外部（例えば、図示しない電源コンバータ）から供給される直流電圧Ｖ_dcを制御系であるｄｑ回転座標軸系における電圧値に変換したものである。

電流指令スムージング処理器１４ｃは、通常制御領域と電圧飽和領域の切り替え時に、切り替え前後の電流指令値を用いて、電流指令生成器１４の指令値をスムージング処理して出力する。電流指令スムージング処理器１４ｃは、通常制御領域電流指令生成器１４ａと電圧飽和領域電流指令生成器１４ｂが出力したｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値を用いて最終的なｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*およびｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*を出力する。なお、電流指令スムージング処理器１４ｃの詳細は後述する。

制御切替判定部１５は、出力電圧限界値Ｖ_{dq_limit}、仮ｄ軸電圧指令値Ｖ_{d_pi}がｄ軸非干渉化補正値Ｖ_daにより補正された結果であるｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*、仮ｑ軸電圧指令値Ｖ_{q_pi}がｑ軸非干渉化補正値Ｖ_qaにより補正された結果であるｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*をもとに、現在のモータ１０の制御領域が通常制御領域と電圧飽和領域の何れであるかを判定する。そして、制御切替判定部１５は、現在のモータ１０の制御領域が通常制御領域である場合にはCONTROL_TYPE：Ａ（通常制御）を出力し、現在のモータ１０の制御領域が電圧飽和領域である場合にはCONTROL_TYPE：Ｂ（電圧飽和制御）を出力する。

加算器１６は、電流指令生成器１４により出力されたｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*と電流誤差補正生成器３７により出力されたｄ軸電流誤差補正値ΔＩ_dとを加算した加算結果であるｄ軸電流補正指令値Ｉ_{d_FF} ^*を出力する。加算器１７は、電流指令生成器１４により出力されたｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*と電流誤差補正生成器３７により出力されたｑ軸電流誤差補正値ΔＩ_qとを加算した加算結果であるｑ軸電流補正指令値Ｉ_{q_FF} ^*を出力する。

減算器１８は、加算器１６により出力されたｄ軸電流補正指令値Ｉ_{d_FF} ^*から、ｕ，ｖ，ｗ／ｄ－ｑ変換器２９により出力されたモータ１０のｄ軸電流検出値Ｉ_dを減算したｄ軸電流偏差Ｉ_{d_dif}を出力する。減算器１９は、加算器１７により出力されたｑ軸電流補正指令値Ｉ_{q_FF} ^*から、ｕ，ｖ，ｗ／ｄ－ｑ変換器２９により出力されたモータ１０のｑ軸電流検出値Ｉ_qを減算したｑ軸電流偏差Ｉ_{q_dif}を出力する。

電圧指令生成器２０は、減算器１８により出力されたｄ軸電流偏差Ｉ_{d_dif}と、減算器１９により出力されたｑ軸電流偏差Ｉ_{q_dif}それぞれにＰＩ（Proportional Integral）制御を実行し、変動誤差を抑制した仮ｄ軸電圧指令値Ｖ_{d_pi}、仮ｑ軸電圧指令値Ｖ_{q_pi}を出力する。

加算器２１は、電圧指令生成器２０により出力された仮ｄ軸電圧指令値Ｖ_{d_pi}と、非干渉化制御器３６により出力されたｄ軸非干渉化補正値Ｖ_daとを加算したｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*を出力する。また、加算器２２は、電圧指令生成器２０により出力された仮ｑ軸電圧指令値Ｖ_{q_pi}と、非干渉化制御器３６により出力されたｑ軸非干渉化補正値Ｖ_qaとを加算したｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*を出力する。

ｄ－ｑ／ｕ，ｖ，ｗ変換器２３は、位置推定器３２により出力された現在のロータ位置である電気角位相（ｄｑ軸位相）θ_eをもとに、加算器２１、２２により出力された２相のｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*およびｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*を３相のＵ相出力電圧指令値Ｖ_u ^*、Ｖ相出力電圧指令値Ｖ_v ^*、Ｗ相出力電圧指令値Ｖ_w ^*へ変換する。そして、ｄ－ｑ／ｕ，ｖ，ｗ変換器２３は、Ｕ相出力電圧指令値Ｖ_u ^*、Ｖ相出力電圧指令値Ｖ_v ^*、Ｗ相出力電圧指令値Ｖ_w ^*をＰＷＭ変調器２４へ出力する。ＰＷＭ変調器２４は、Ｕ相出力電圧指令値Ｖ_u ^*、Ｖ相出力電圧指令値Ｖ_v ^*、Ｗ相出力電圧指令値Ｖ_w ^*と、図示しないＰＷＭキャリア信号から、６相のＰＷＭ信号を生成して、ＩＰＭ２５へ出力する。

ＩＰＭ２５は、ＰＷＭ変調器２４により出力された６相のＰＷＭ信号をもとに、外部から供給される直流電圧Ｖ_dcを変換して、モータ１０のＵ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれへ印加する交流電圧を生成し、それぞれの交流電圧をモータ１０のＵ相、Ｖ相、Ｗ相へ印加する。

３φ電流算出器２８は、シャント抵抗２６を用いた１シャント方式で母線電流が検出される場合、ＰＷＭ変調器２４により出力された６相のＰＷＭスイッチング情報と、検出された母線電流とから、モータ１０のＵ相電流値Ｉ_u、Ｖ相電流値Ｉ_v、Ｗ相電流値Ｉ_wを算出する。

または、電流を検出する方式は、母線電流を検出する１シャント方式に限らず、例えば、２つの電流センサとしてＣＴ（Current Transformer）を用い、電流センサ２７ａでモータ１０のＵ相の電流を、電流センサ２７ｂでモータ１０のＶ相の電流を検出してもよい。３φ電流算出器２８は、電流センサ２７ａ、２７ｂでＵ相電流およびＶ相電流が検出される場合、残りのＷ相電流値Ｉｗは、Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝０のキルヒホッフの法則より算出する。３φ電流算出器２８は、算出した各相の相電流値Ｉ_u、Ｉ_v、Ｉ_wをｕ，ｖ，ｗ／ｄ－ｑ変換器２９へ出力する。

ｕ，ｖ，ｗ／ｄ－ｑ変換器２９は、位置推定器３２により出力された現在のロータ位置である電気角位相θ_eをもとに、３φ電流算出器２８により出力された３相のＵ相電流値Ｉ_u、Ｖ相電流値Ｉ_v、Ｗ相電流値Ｉ_wを、２相のｄ軸電流検出値Ｉ_dおよびｑ軸電流検出値Ｉ_qへ変換する。そして、ｕ，ｖ，ｗ／ｄ－ｑ変換器２９は、ｄ軸電流検出値Ｉ_dを電流指令生成器１４、減算器１８、軸誤差演算器３０、ｉｉｒ３５ａ、電流誤差補正生成器３７へ、ｑ軸電流検出値Ｉ_qを電流指令生成器１４、減算器１９、軸誤差演算器３０、ｉｉｒ３５ｂ、電流誤差補正生成器３７へ、それぞれ出力する。

軸誤差演算器３０は、加算器２１により出力されたｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*、加算器２２により出力されたｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*、ｕ，ｖ，ｗ／ｄ－ｑ変換器２９により出力されたｄ軸電流検出値Ｉ_dおよびｑ軸電流検出値Ｉ_qを用いて軸誤差Δθ（推定した回転軸と実際の回転軸との差）を算出する。算出した軸誤差ΔθをＰＬＬ制御器３１へ出力する。

ＰＬＬ制御器３１は、軸誤差演算器３０により出力された軸誤差Δθから、現在の推定角速度である電気角推定角速度ω_eを算出して、電流指令生成器１４、位置推定器３２および１／Ｐ_n処理器３３へそれぞれ出力する。

位置推定器３２は、ＰＬＬ制御器３１により出力された電気角推定角速度ω_eから電気角位相θ_eおよび機械角位相θ_mを推定する。そして、位置推定器３２は、推定した電気角位相θ_eをｄ－ｑ／ｕ，ｖ，ｗ変換器２３およびｕ，ｖ，ｗ／ｄ－ｑ変換器２９へそれぞれ出力する。また、位置推定器３２は、推定した機械角位相θ_mを、電流指令生成器１４の中の電圧飽和領域電流指令生成器１４ｂ、電流誤差補正生成器３７、補正トルク生成器３４へそれぞれ出力する。

１／Ｐ_n処理器３３は、ＰＬＬ制御器３１により出力された電気角推定角速度ω_eをモータ１０の極対数Ｐ_nで除算して機械角推定角速度ω_mを算出し、減算器１１、補正トルク生成器３４へそれぞれ出力する。

減算器３８は、１／Ｐ_n処理器３３より出力された機械角推定角速度ω_mから機械角速度指令値ω_m ^*を減算することにより機械角推定角速度変動Δω_mを算出し、算出した機械角推定角速度変動Δω_mを補正トルク生成器３４へ出力する。

補正トルク生成器３４は、モータ制御装置１００内に記憶されモータ１０の振動が許容できる速度変動範囲である速度変動許容値|Δω_m|^*、減算器３８から出力された機械角推定角速度Δω_m、位置推定器３２により出力された機械角位相θ_mから、周期的な速度変動である機械角推定角速度変動（速度変動）Δω_mを速度変動許容値|Δω_m|^*以下に抑制するための変動トルク指令値ΔＴを生成する。変動トルク指令値ΔＴは、消費電力低減やモータ１０の減磁防止等を考慮して調整される。なお、機械角推定角速度変動（速度変動）Δω_mは、上記の角速度偏差Δωの値と正負の符号が異なるだけである。

ｉｉｒ３５ａは、ｕ，ｖ，ｗ／ｄ－ｑ変換器２９により出力されたｄ軸電流検出値Ｉ_dを入力とし、ノイズを除去してｄ軸応答電流Ｉ_{d_iir}を出力するフィルタである。ｉｉｒ３５ｂは、ｕ，ｖ，ｗ／ｄ－ｑ変換器２９により出力されたｑ軸電流検出値Ｉ_ｑを入力とし、ノイズを除去してｑ軸応答電流Ｉ_{q_iir}を出力するフィルタである。ｉｉｒは、無限インパルス応答フィルタであり、ノイズ除去フィルタの一例である。

非干渉化制御器３６は、モータ制御装置１００の外部（例えば、上位のコントローラ）からの電気角速度指令値ω_e ^*と、ｑ軸応答電流Ｉ_{q_iir}とから、仮ｄ軸電圧指令値Ｖ_{d_pi}を補正するためのｄ軸非干渉化補正値Ｖ_daを生成する。また、非干渉化制御器３６は、電気角速度指令値ω_e ^*と、ｄ軸応答電流Ｉ_{d_iir}とから、仮ｑ軸電圧指令値Ｖ_{q_pi}を補正するためのｑ軸非干渉化補正値Ｖ_qaを生成する。ｄ軸非干渉化補正値Ｖ_daおよびｑ軸非干渉化補正値Ｖ_qaは、ｄｑ軸間の干渉項を予めフィードフォワードして、電流制御による干渉をキャンセルするための補正値である。ここで、干渉項の演算については、安定制御を図るために、非干渉化補正値は直流化された値であることが望ましい。このために、例えば、速度については電気角速度指令値ω_e ^*を用い、ｄ軸電流検出値Ｉ_dおよびｑ軸電流検出値Ｉ_qについては変動成分が排除されたｉｉｒの出力値であるｄ軸応答電流Ｉ_{d_iir}およびｑ軸応答電流Ｉ_{q_iir}を用いて演算される。

電流誤差補正生成器３７は、電流指令生成器１４の応答遅延やｄｑ軸の干渉により、ｄｑ軸電流が電流指令値に追従し切れずに生じる変動誤差（位相誤差および振幅誤差）を積算し、積算値の反転出力を電流誤差補正値（ｄ軸電流誤差補正値ΔＩ_dおよびｑ軸電流誤差補正値ΔＩ_q）として生成する。ここで、ｄ軸電流誤差補正値ΔＩ_dはｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*とモータ１０を流れるｄ軸電流検出値Ｉ_dとの変動誤差を補正するための電流フィードフォワード成分であり、ｑ軸電流誤差補正値ΔＩ_qはｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*とモータ１０を流れるｑ軸電流検出値Ｉ_qとの変動誤差を補正するための電流フィードフォワード成分である。

すなわち、電流誤差補正生成器３７は、電流指令生成器１４により出力されたｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*およびｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*と、ｕ，ｖ，ｗ／ｄ－ｑ変換器２９により出力されたｄ軸電流検出値Ｉ_dおよびｑ軸電流検出値Ｉ_qと、位置推定器３２により出力された機械角位相θ_mとからｄ軸電流誤差補正値ΔＩ_dおよびｑ軸電流誤差補正値ΔＩ_qを生成して出力する。

［実施形態の電流指令スムージング処理器］
次に、電流指令スムージング処理器１４ｃについて説明する。通常、通常制御領域で生成される電流指令値と電圧飽和領域で生成される電流指令値が異なるため、制御領域を切り替えた際に電流指令値が急激に変化しモータの回転速度制御やトルク制御が不安定な状態になる。このように制御が不安定な状態になることを防ぐために、制御領域を切り替えた際に移行期間を設け、この移行期間にスムージング処理を行う。このスムージング処理は、制御領域を切り替える際に通常制御領域電流指令生成器１４ａと電圧飽和領域電流指令生成器１４ｂを同時に使用して、電流指令値を切り替え前の制御領域の電流指令値から切り替え後の制御領域の電流指令値に徐々に変化させる処理である。図２は、電流指令スムージング処理器１４ｃによる電流指令値のスムージング処理を説明するための図である。図２において、通常制御領域と電圧飽和領域との間で制御領域を切り替えた時、Ｇ_after（スムージングゲイン＿ａｆｔｅｒ）は、切り替え後の制御領域の電流指令値に乗算される係数であり、Ｇ_before（スムージングゲイン＿ｂｅｆｏｒｅ）は、切り替え前の制御領域の電流指令値に乗算される係数である。

Ｇ_afterおよびＧ_beforeの値の範囲は、０～１であり、Ｇ_after＋Ｇ_before＝１である。スムージング処理を行う時間（移行期間）として設定される設定時間（スムージング処理設定時間）をｔ_set（例えば１秒）とし、スムージング処理の開始からの経過時間（スムージング処理経過時間）をｔとすると、Ｇ_after＝ｔ／ｔ_setであり、Ｇ_before＝１－ｔ／ｔ_setである。したがって、Ｇ_afterの増加率とＧ_beforeの減少率は同じ一定の率となる。

電流指令スムージング処理器１４ｃは、制御領域を切り替える際に経過時間ｔが０のときは切り替え前の電流指令値だけを出力する。そして、電流指令スムージング処理器１４ｃは、経過時間ｔの増加にともなって切り替え前の電流指令値の割合を減らし、切り替え後の電流指令値の割合を増やして出力する。そして、電流指令スムージング処理器１４ｃは、経過時間ｔが設定時間ｔ_setに達すると切り替え後の電流指令値だけを出力する。

図３は、電流指令スムージング処理器１４ｃの一例を示すブロック図である。電流指令スムージング処理器１４ｃは、スムージングゲイン＿ａｆｔｅｒ算出器１４ｃ１（後ゲイン算出器に相当）、後乗算器１４ｃ２、１４ｃ３、前乗算器１４ｃ５、１４ｃ６、スムージングゲイン＿ｂｅｆｏｒｅ算出器１４ｃ４（前ゲイン算出器に相当）、加算器１４ｃ７、１４ｃ８を有する。

スムージングゲイン＿ａｆｔｅｒ算出器１４ｃ１は、制御領域が切り替わってから設定時間ｔ_set以内のときに、Ｇ_afterを算出して出力する。後乗算器１４ｃ２は、スムージングゲイン＿ａｆｔｅｒ算出器１４ｃ１が出力したＧ_afterを切り替え後のｄ軸電流指令値に乗じて後ｄ軸電流指令値Ｉ_{d_after} ^*として出力する。後乗算器１４ｃ３は、スムージングゲイン＿ａｆｔｅｒ算出器１４ｃ１が出力したＧ_afterを切り替え後のｑ軸電流指令値に乗じて後ｑ軸電流指令値Ｉ_{q_after} ^*として出力する。

具体的には、通常制御領域から電圧飽和領域に切り替わった場合には、後乗算器１４ｃ２は、Ｉ_{d_after} ^*＝Ｇ_after×Ｉ_{d_fw} ^*を出力し、後乗算器１４ｃ３は、Ｉ_{q_after} ^*＝Ｇ_after×Ｉ_{q_fw} ^*を出力する。一方、電圧飽和領域から通常制御領域に切り替わった場合には、後乗算器１４ｃ２は、Ｉ_{d_after} ^*＝Ｇ_after×Ｉ_{d_mtpi} ^*を出力し、後乗算器１４ｃ３は、Ｉ_{q_after} ^*＝Ｇ_after×Ｉ_{q_mtpi} ^*を出力する。

電流指令スムージング処理器１４ｃは、例えばスイッチ１４ｃ９を用いて、後乗算器１４ｃ２および１４ｃ３への入力を、電圧飽和領域電流指令生成器１４ｂの出力（Ｉ_{d_fw} ^*，Ｉ_{q_fw} ^*）または通常制御領域電流指令生成器１４ａの出力（Ｉ_{d_mtpi} ^*，Ｉ_{q_mtpi} ^*）のいずれか一方に切り替える。

スムージングゲイン＿ｂｅｆｏｒｅ算出器１４ｃ４は、制御領域が切り替わってから設定時間ｔ_set以内のときに、Ｇ_beforeを算出して出力する。前乗算器１４ｃ５は、スムージングゲイン＿ｂｅｆｏｒｅ算出器１４ｃ４が出力したＧ_beforeを切り替え前のｄ軸電流指令値に乗じて前ｄ軸電流指令値Ｉ_{d_before} ^*として出力する。前乗算器１４ｃ６は、スムージングゲイン＿ｂｅｆｏｒｅ算出器１４ｃ４が出力したＧ_beforeを切り替え前のｑ軸電流指令値に乗じて前ｑ軸電流指令値Ｉ_{q_before} ^*として出力する。

具体的には、通常制御領域から電圧飽和領域に切り替わった場合には、前乗算器１４ｃ５は、Ｉ_{d_before} ^*＝Ｇ_before×Ｉ_{d_mtpi} ^*を出力し、前乗算器１４ｃ６は、Ｉ_{q_before} ^*＝Ｇ_before×Ｉ_{q_mtpi} ^*を出力する。一方、電圧飽和領域から通常制御領域に切り替わった場合には、前乗算器１４ｃ５は、Ｉ_{d_before} ^*＝Ｇ_before×Ｉ_{d_fw} ^*を出力し、前乗算器１４ｃ６は、Ｉ_{q_before} ^*＝Ｇ_before×Ｉ_{q_fw} ^*を出力する。

電流指令スムージング処理器１４ｃは、例えばスイッチ１４ｃ９を用いて、前乗算器１４ｃ５および１４ｃ６への入力を、通常制御領域電流指令生成器１４ａの出力（Ｉ_{d_mtpi} ^*，Ｉ_{q_mtpi} ^*）または電圧飽和領域電流指令生成器１４ｂの出力（Ｉ_{d_fw} ^*，Ｉ_{q_fw} ^*）のいずれか他方に切り替える。

加算器１４ｃ７は、後乗算器１４ｃ２の出力と前乗算器１４ｃ５の出力を加算しスムージング処理を施したｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*を出力する。すなわち、加算器１４ｃ７は、ｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*＝Ｉ_{d_after} ^*＋Ｉ_{d_before} ^*を出力する。加算器１４ｃ８は、後乗算器１４ｃ３の出力と前乗算器１４ｃ６の出力を加算しスムージング処理を施したｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*を出力する。すなわち、加算器１４ｃ８は、ｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*＝Ｉ_{q_after} ^*＋Ｉ_{q_before} ^*を出力する。

［スムージング処理中の電流指令値］
図４は、スムージング処理中の電流ベクトルを示す図である。図４において、Ｖ_Oは誘起電圧であり、Ψ_aはモータ１０の鎖交磁束であり、Ｌ_dはモータ１０のｄ軸インダクタンスであり、Ｍは定誘起電圧楕円の中心である。図４は、通常制御領域から電圧飽和領域へ切り替わった場合を示す。図４（ａ）は設定時間ｔ_setの０％経過時を示し、図４（ｂ）は設定時間ｔ_setの５０％経過時を示し、図４（ｃ）は設定時間ｔ_setの１００％経過時を示す。

図４（ａ）に示すように、設定時間ｔ_setの０％経過時は、電流指令値は、通常制御領域にあるので、最大トルク／電流（ＭＴＰＩ）曲線上をトルク変動に応じて周期的に変動する。ｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*が大きくなった場合にはｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*は小さくなり、ｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*が小さくなった場合にはｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*は大きくなる。また、ｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*の変動幅よりｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*の変動幅のほうが大きい。

図４（ｂ）に示すように、設定時間ｔ_setの５０％経過時は、電流指令値は、通常制御領域から電圧飽和領域に切り替わる中間点で、通常制御領域の最大トルク／電流（ＭＴＰＩ）曲線と合計トルク指令値Ｔ^*の定トルク曲線との交点の電流指令値と、電圧飽和領域の定誘起電圧楕円と合計トルク指令値Ｔ^*の定トルク曲線の交点の電流指令値とで平均値をとり、この点に対応したｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*、ｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*として用いる。この点は、トルク変動に応じて周期的に変動する。この時、図４（ａ）の通常制御領域と比較すると、ｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*の変動幅は大きくなり、ｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*の変動幅は小さくなる。また、後述の図４（ｃ）の電圧飽和領域と比較すると、ｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*の変動幅は小さく、ｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*の変動幅は大きい。

また、図４（ｃ）に示すように、設定時間ｔ_setの１００％経過時は、電流指令値は、電圧飽和領域にあるので、定誘起電圧楕円上をトルク変動に応じて周期的に変動する。ｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*が大きくなった場合にはｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*は小さくなり、ｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*が小さくなった場合にはｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*は大きくなる。しかし、通常制御領域と異なり、ｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*の変動幅よりｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*の変動幅のほうが小さい。

図５は、スムージング処理中の電流指令値の推移を示す図である。図５において、横軸は時間（ｓ：秒）を示し、縦軸は電流（Ａ：アンペア）を示す。設定時間ｔ_setは１秒である。上段はｑ軸電流を示し、下段はｄ軸電流を示す。図５は、通常制御領域から電圧飽和領域へ切り替わった場合を示す。

図５に示すように、ｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*とｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*は常に逆位相となっている。また、設定時間ｔ_setの０％経過時（横軸が０のとき）、Ｉ_{d_mtpi} ^*の変動幅よりＩ_{q_mtpi} ^*の変動幅が大きいため、Ｉ_d ^*の変動幅よりＩ_q ^*の変動幅が大きくなっている。これは、図４（ａ）と一致する。また、設定時間ｔ_setの１００％経過時（横軸が１のとき）、Ｉ_{d_fw} ^*の変動幅よりＩ_{q_fw} ^*の変動幅が小さいため、Ｉ_d ^*の変動幅よりＩ_q ^*の変動幅が小さくなっている。これは、図４（ｃ）と一致する。

以上説明したように、本実施形態のモータ制御装置１００は、電流指令スムージング処理器１４ｃにより、制御領域の切り替え直後は切り替え前の電流指令値を使用し、時間経過にしたがって切り替え前の電流指令値をＧ_beforeによって小さくしていく。同時に、本実施形態のモータ制御装置１００は、電流指令スムージング処理器１４ｃにより、切り替え後の電流指令値をＧ_afterによって大きくしていき、設定時間経過後は完全に切り替え後の電流指令値を使用する。これにより、本実施形態のモータ制御装置１００は、制御領域が切り替わる際、トルク制御を行いながら切り替え前の制御領域の電流指令値を徐々に小さくしていくと同時に、切り替え後の制御領域の電流指令値を徐々に大きくしていくことで円滑な状態遷移を実現でき、制御領域が切り替わる際のトルク制御の不安定化を防ぐことができる。

１０ モータ
１１、１８、１９ 減算器
１２ 速度制御器
１３、１６、１７、２１、２２ 加算器
１４ 電流指令生成器
１４ａ 通常制御領域電流指令生成器（第１電流指令生成器）
１４ｂ 電圧飽和領域電流指令生成器（第２電流指令生成器）
１４ｃ 電流指令スムージング処理器（第３電流指令生成器）
１４ｃ１ スムージングゲイン＿ａｆｔｅｒ算出器（後ゲイン算出器）
１４ｃ２，１４ｃ３ 後乗算器
１４ｃ５，１４ｃ６ 前乗算器
１４ｃ４ スムージングゲイン＿ｂｅｆｏｒｅ算出器（前ゲイン算出器）
１４ｃ７，１４ｃ８ 加算器
１５ 制御切替判定部
２０ 電圧指令生成器
２３ ｄ－ｑ／ｕ，ｖ，ｗ変換器
２４ ＰＷＭ変調器
２５ ＩＰＭ
２６ シャント抵抗
２７ａ、２７ｂ 電流センサ
２８ ３φ電流算出器
２９ ｕ，ｖ，ｗ／ｄ－ｑ変換器
３０ 軸誤差演算器
３１ ＰＬＬ制御器
３２ 位置推定器
３３ １／Ｐ_n処理器
３４ 補正トルク生成器
３５ａ、３５ｂ ｉｉｒ
３６ 非干渉化制御器
３７ 電流誤差補正生成器
１００ モータ制御装置

Claims (1)

1. モータの速度指令値と速度とからモータ電流指令値を生成する電流指令生成器を備えたモータ制御装置において、
   前記電流指令生成器は、
   通常制御領域で、負荷トルク変動に応じて変化する入力に基づいて電流指令値を生成する第１電流指令生成器と、
   電圧飽和領域で、前記入力を含む複数の入力に基づいて電流指令値を生成する第２電流指令生成器とを備え、
   通常制御領域から電圧飽和領域、または電圧飽和領域から通常制御領域へと制御領域が切り替わる際の移行期間において、前記電流指令生成器は、前記第１電流指令生成器と前記第２電流指令生成器からそれぞれ出力される電流指令値をもとに前記モータ電流指令値を生成する第３電流指令生成器を備え、
   前記第３電流指令生成器は、
   前記第１電流指令生成器が生成した電流指令値と前記第２電流指令生成器が生成した電流指令値を用いて、切り替え前の制御領域の電流指令値に基づく前電流指令値と、切り替え後の制御領域の電流指令値に基づく後電流指令値とを算出し、算出した前記前電流指令値と前記後電流指令値を用いて前記モータ電流指令値を生成し、
   前記第３電流指令生成器は、
   制御領域が切り替わる際の移行期間に使用される電流指令値のうち切り替え前の制御領域の電流指令値の割合を求めるための前ゲインを算出する前ゲイン算出器と、
   前記前ゲイン算出器により算出された前ゲインを切り替え前の制御領域の電流指令値に乗じて前記前電流指令値を出力する前乗算器と、
   制御領域が切り替わる際の移行期間に使用される電流指令値のうち切り替え後の制御領域の電流指令値の割合を求めるため後ゲインを算出する後ゲイン算出器と、
   前記後ゲイン算出器により算出された後ゲインを切り替え後の制御領域の電流指令値に乗じて前記後電流指令値を出力する後乗算器と、
   前記前乗算器が出力した前電流指令値と前記後乗算器が出力した後電流指令値を加えて前記モータ電流指令値を生成する加算器と
   を備え、
   前記移行期間は、所定の設定時間で設定され、
   前記前ゲイン算出器は、前記前ゲインを制御領域の切り替え開始から前記設定時間までに１から０へ一定の率で減少させ、
   前記後ゲイン算出器は、前記後ゲインを制御領域の切り替え開始から前記設定時間までに０から１へ前記一定の率で増加させ、
   前記第３電流指令生成器が、前記後乗算器への入力を、前記第２電流指令生成器の出力または前記第１電流指令生成器の出力のいずれか一方に切り替えると共に、前記前乗算器への入力を、前記第１電流指令生成器の出力または前記第２電流指令生成器の出力のいずれか他方に切り替えるスイッチを更に備え、
   前記加算器は、前記後乗算器の出力と前記前乗算器の出力を加算しスムージング処理を施した電流指令値を出力することを特徴とするモータ制御装置。

Images