JPWO2013073033A1 - 交流回転機の制御装置及び交流回転機の制御装置を備えた電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

回転二軸上の電圧指令を演算する電圧指令演算手段（１）と、電圧指令演算手段が出力する回転二軸上の電圧指令に基づいて交流回転機（３）に電圧を印加する電圧印加手段（２）とを備え、電圧指令演算手段（１）は、回転二軸上の第１軸上の電圧指令及び第２軸上の電圧指令を演算するとともに、第２軸上の電圧指令の制限値を第１軸上の電圧指令の二乗に比例して減少するようにした交流回転機の制御装置。

Description

この発明は、回転二軸上の電圧指令に基づいて交流回転機を制御する交流回転機の制御装置、及び交流回転機の制御装置を備えた電動パワーステアリング装置に関するものである。

直流電圧を交流電圧に変換する電力変換器を用いて交流回転機に交流電圧を印加する場合、電力変換器が交流回転機に印加できる電圧振幅の上限は、直流電圧の振幅によって定まる。
電力変換器が交流回転機に印加する電圧を回転二軸上の電圧指令に基づいて制御する場合、交流回転機の回転速度が高くなるに連れ、交流回転機の誘起電圧が大きくなるので、回転二軸上の電圧指令も大きくする必要があるが、直流電圧の振幅によって定まる電圧振幅の上限に達した場合、交流回転機に印加する電圧振幅はそれ以上大きくすることはできない。その一方で、交流回転機に印加する電圧位相は任意に与える余地がある。

例えば特許文献１に記載される従来の交流回転機の制御装置では、電力変換装置の３相出力電流のうち少なくとも２相の電流を検出し、その検出電流を回転座標系上の直交する２軸成分に座標変換し、それぞれの電流指令値との偏差を増幅して得られる電圧指令値を、再び座標変換して３相の電圧指令値を演算し、その電圧指令値に前記電力変換装置の出力電圧が追従するように制御される電力変換装置において、ｄ軸成分の偏差増幅信号の絶対値が第１の制限値以下となるように制限する第１の制限回路と、第１の制限回路の出力信号であるｄ軸成分電圧指令値V_d ^*と第２の制限値V_mとからｑ軸電圧制限値V_qmを、
V_qm=(V_m ²-V_d ^*2)^1/2 なる関係で演算する制御値演算回路と、ｑ軸成分の偏差信号の絶対値が制御値演算回路で演算された制限値V_qm以下に制限する第２の制限値回路とを有し、前記第２の制限値回路の出力信号をｑ軸成分電圧指令V_q ^*とするように構成している。
このように構成することで、交流回転機の回転速度が高くなり、電力変換器が出力する電圧振幅が第２の制限値V_mに達した場合、交流回転機に印加する電圧振幅を第２の制限値V_mに保つとともに交流回転機に印加する電圧位相をｄ軸に対してtan^-1(V_qm/V_d ^*)だけ変化させて制御する。

また、例えば特許文献２に記載される従来の交流回転機の制御装置では、ｄ軸およびｑ軸の電流指令値と、ｄ軸およびｑ軸の電流検出値と、周波数演算値と、モータ定数の設定値とに従い、永久磁石モータを駆動する電力変換器の出力電圧指令値を制御し、電力変換器の出力電圧値が制限された場合は、ｑ軸の電流指令値とｑ軸の電流検出値との偏差により、制御の基準軸とモータの磁束軸との偏差である位相誤差の指令値を作成するようにして制御している。
このように構成することで、交流回転機の回転速度が高くなり、電力変換器が出力する電圧振幅が上限値に到達した場合、ｑ軸の電流指令値とｑ軸の電流検出値との偏差が大きくなり、この偏差に基づいて制御の基準軸とモータの磁束軸との偏差である位相誤差の指令を与えることによって交流回転機に印加する電圧位相を変化させて制御する。

特開平２−１１１２８１号公報 特開２００７−２５２０５２号公報

特許文献１に記載の従来の交流回転機の制御装置では、ｄ軸成分電圧指令値V_d ^*と第２の制限値V_mとからｑ軸電圧制限値 V_qmをV_qm=(V_m ²-V_d ^*2)^1/2 なる関係で演算するようにしていたので、V_d ^*がV_mに近づくと電圧位相が急変してしまい、前記ｄ軸成分の偏差増幅信号が振動的となり、その結果ｄ軸電流がハンチングしてしまう問題があった。
また、特許文献１に記載の従来の交流回転機の制御装置では、ｄ軸成分電圧指令値V_d ^*を第１の制限値以下となるように第１の制限回路で制限し、ｑ軸電圧制限値V_qmはｄ軸成分電圧指令値V_d ^*に基づいた平方根演算で与えるようにするが、平方根内の値が負値にならないように第１の制限回路でｄ軸成分電圧指令値V_d ^*を制限する。その結果、ｑ軸電圧制限値V_qmの演算が取り得る範囲は、零から第２の制限値V_mの範囲となり、ｑ軸電圧制限値V_qmを負の値にすることはできず、操作できる電圧位相がｄ軸に対して０〜１８０度の範囲に限られてしまう問題があった。

また、特許文献２に記載の従来の交流回転機の制御装置では、電力変換器の出力電圧値が制限された場合は、ｑ軸の電流指令値とｑ軸の電流検出値との偏差により、制御の基準軸とモータの磁束軸との偏差である位相誤差の指令値を作成するようにしているので、V_d ^*がV_mに近づくと電圧位相が急変してしまったり、操作できる電圧位相がｄ軸に対して０〜１８０度の範囲に限られてしまう問題は解消できるものの、電力変換器の出力電圧値が制限された場合と制限されない場合で制御の切替を行うため、不連続動作が発生し、切替に起因するトルク脈動が発生するといった問題があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、不連続動作が伴うような制御切替を行うことなく、電圧飽和中の電圧位相を所望の位相に制御できる交流回転機の制御装置を得ることを目的としている。

この発明に係る交流回転機の制御装置は、回転二軸上の電圧指令を演算する電圧指令演算手段と、前記電圧指令演算手段が出力する回転二軸上の電圧指令に基づいて交流回転機に電圧を印加する電圧印加手段とを備え、前記電圧指令演算手段は、前記回転二軸上の第１軸上の電圧指令及び第２軸上の電圧指令を演算するとともに、前記第２軸上の電圧指令の制限値を前記第１軸上の電圧指令の二乗に比例して減少するようにしたものである。

この発明の交流回転機の制御装置によれば、第２軸上の電圧指令の制限値を第１軸上の電圧指令の二乗に比例して減少するようにしたので、電圧印加手段が電圧飽和した場合、電圧印加手段が出力する電圧振幅は一定で、且つ、第１軸上の電圧指令の大きさの変化に応じて第１軸上に対する電圧位相を線形的に変化させることができる。
その結果、第１軸上に対する電圧位相が第１軸上に近づくような場合でも電圧位相の急変を抑え、安定に制御することが可能となる。

上述した、またその他の、この発明の目的、特徴、効果は、以下の実施の形態における詳細な説明および図面の記載からより明らかとなるであろう。

本発明の実施の形態１における交流回転機の制御装置の全体構成を示す図である。 本発明の実施の形態１における第１軸上の電圧指令と第２軸上の電圧指令の制限値の関係をプロットした図である。 本発明の実施の形態１における第１軸を基準にした「第１軸上の電圧指令」と「制限後の第２軸上の電圧指令」の電圧位相をプロットした図である。 本発明の実施の形態２における交流回転機の制御装置の電圧指令演算手段の内部構成を示す図である。 本発明の実施の形態２における第１軸上の電圧指令と第２軸上の電圧指令の制限値の関係をプロットした図である。 本発明の実施の形態３における交流回転機の制御装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態３における上下限値演算器が出力する上限値と下限値について記した表である。 本発明の実施の形態３において、回転速度が正の場合の、第１軸上の電圧指令と第２軸上の電圧指令の制限値の関係をプロットした図である。 本発明の実施の形態３において、回転速度が零の場合の、第１軸上の電圧指令と第２軸上の電圧指令の制限値の関係をプロットした図である。 本発明の実施の形態３において、回転速度が負の場合の、第１軸上の電圧指令と第２軸上の電圧指令の制限値の関係をプロットした図である。 本発明の実施の形態３における上下限値演算器が出力する上限値と下限値について記した表である。 本発明の実施の形態４における電動パワーステアリングの制御装置の全体構成を示す図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における交流回転機の制御装置の全体構成を示す図である。図１において、回転二軸上の電圧指令を演算する電圧指令演算手段１は第1軸上の電流指令と第2軸上の電流指令、及び第１軸上の検出電流と第２軸上の検出電流に基づいて、第１軸上の電圧指令及び第２軸上の電圧指令を出力する。この第１軸と第２軸は、それぞれ、交流回転機の回転に同期して回転する回転二軸の各軸である。

電圧印加手段２は、前記第１軸上の電圧指令と第２軸上の電圧指令と交流回転機３の回転位置基づいて、交流回転機３に三相電圧を印加するとともに、交流回転機３の三相電流を座標変換して第１軸上の検出電流及び第２軸上の検出電流として出力する。回転位置検出器４は交流回転機３の回転位置を検出し、前記電圧印加手段２に出力する。

電圧指令演算手段１の内部構成について説明する。減算器５は第１軸上の電流指令から第１軸上の検出電流を減算し、第１軸上の電流偏差を出力する。同様に減算器６は第２軸上の電流指令から第２軸上の検出電流を減算し、第２軸上の電流偏差を出力する。
偏差増幅器７は前記第１軸上の電流偏差を増幅し、第1軸上の電圧指令として出力する。該電流偏差の増幅は比例演算、比例積分演算の何れでも構わない。同様に偏差増幅器８は前記第２軸上の電流偏差を増幅し、第２軸上の電圧指令として出力する。該電流偏差の増幅は比例演算、比例積分演算の何れでも構わない。

乗算器９は、第１軸上の電圧指令の二乗演算を行い、その値を比例演算器１０に出力する。比例演算器１０は第１軸上の電圧指令の二乗演算値をＫ１倍して、前記第１軸上の電圧指令の二乗に比例する値を出力する。ここで、Ｋ１は任意の正数である。
定数設定器１１は予め設定した任意の正数Ｃ１を出力する。減算器１２は定数設定器１１から得たＣ１から比例演算器１０が出力する第１軸上の電圧指令の二乗に比例する値を減算し、出力する。減算器１２が出力する値をＬ１と定義すると、Ｌ１は（１）式となる。

Ｌ１＝Ｃ１−Ｋ１×（第１軸上の電圧指令の二乗） ・・・ （１）

下限値制限器１３は、減算器１２の出力Ｌ１が所定値Ｌ１min以上の場合はＬ１を出力し、所定値未満の場合は所定値Ｌ１minを出力することで、Ｌ１がＬ１min以上になるように制限してＬ１を出力する。定数設定器１４は予め設定した任意の正数Ｌ２の符号を反転させた値−Ｌ２を出力する。なお、−Ｌ２の値は、前記Ｌ１の下限値Ｌ１minよりも小さい値に設定する。換言すると、下限値制限器１３は−Ｌ２以上の任意の値でＬ１を制限するが、該任意の値Ｌ１minは正値、零、−Ｌ２以上の負値のいずれでも良い。
本実施の形態１における下限値制限器１３は、Ｌ１minを負値とし、Ｌ１がＬ１min以上になるように制限してＬ１を出力する。

制限器１５は第２軸上の電圧指令が、上限値と下限値の範囲内となるように制限するものであり、偏差増幅器８から得た第２軸上の電圧指令が下限値制限器１３から得たＬ１よりも大きい場合はＬ１を出力し、偏差増幅器８から得た第２軸上の電圧指令が定数設定器１４から得た−Ｌ２よりも小さい場合は−Ｌ２を出力し、それ以外の場合は偏差増幅器８から得た第２軸上の電圧指令を出力する。

このように電圧指令演算手段１は、偏差増幅器７の出力を第１軸上の電圧指令、制限器１５の出力を第２軸上の電圧指令として、電圧印加手段２へ出力する。
このような構成によって、電圧指令演算手段１は、回転二軸上の第１軸上の電圧指令及び第２軸上の電圧指令を演算するとともに、第２軸上の電圧指令の制限値を、第１軸上の電圧指令の二乗に比例して減少するようにしている。

次に、電圧印加手段２の内部構成について説明する。座標変換器１６は回転位置検出器４から得た回転位置に基づいて、電圧指令演算手段１から得た第１軸上の電圧指令と第２軸上の電圧指令を座標変換し、三相交流電圧指令であるＵ相電圧指令、Ｖ相電圧指令、Ｗ相電圧指令として出力するとともに、三相交流検出電流であるＵ相検出電流、Ｖ相検出電流、Ｗ相検出電流を座標変換し、第１軸上の検出電流及び第２軸上の検出電流として出力する。直流電源１８から得た直流電圧を交流電圧に変換する電力変換器１７は、前記Ｕ相電圧指令、Ｖ相電圧指令、Ｗ相電圧指令に基づいたＵ相電圧、Ｖ相電圧、Ｗ相電圧を交流回転機３に印加する。電流検出器１９は交流回転機３のＵ相電流を検出してＵ相検出電流として座標変換器１６に出力する。同様に電流検出器２０は交流回転機３のＶ相電流を検出してＶ相検出電流として座標変換器１６に出力し、電流検出器２１は交流回転機３のＷ相電流を検出してＷ相検出電流として座標変換器１６に出力する。
このような構成によって、電圧印加手段２は、電圧指令演算手段１が出力する回転二軸上の電圧指令に基づいて交流回転機３に電圧を印加するようにしている。

図２は本発明の実施の形態１における第１軸上の電圧指令と第２軸上の電圧指令の制限値の関係をプロットしたものである。
図２において、実線は電圧指令演算手段１が出力する第１軸上の電圧指令と第２軸上の電圧指令の制限値の関係をプロットしたものである。また、破線で記載している円は電力変換器１７が交流回転機３に印加できる電圧の範囲を示している。電力変換器１７は交流回転機３に任意の位相で電圧を印加することができるが、その振幅の最大値は直流電源１８から得た直流電圧の大きさに依存した有限の値である。図２の目盛は、電力変換器１７が交流回転機３に印加する電圧振幅の最大値を１００％としている。また、第２軸上の電圧指令の上限値Ｌ１の値は、（１）式のＣ１を「電力変換器１７が出力できる電圧振幅の最大値」、即ち１００％の振幅で与え、Ｋ１を０．５で与えた場合を扱っている。

図２において、第１軸の電圧指令が−１００％の場合は、第２軸上の電圧指令の制限値は、上限値Ｌ１は＋５０％であるとともに、下限値−Ｌ２は−１００％であるので、第２軸上の電圧指令は−１００％〜＋５０％の範囲の値を取り得る。
また、第１軸の電圧指令が＋１５０％の場合は、第２軸上の電圧指令の制限値は、上限値Ｌ１は−１２．５％であるとともに、下限値−Ｌ２は−１００％であるので、第２軸上の電圧指令は−１００％〜−１２．５％の範囲の値を取り得る。

例えば、第1軸上の電圧指令を−５０％、第２軸上の電圧指令を＋５０％で与えた場合、前記破線で記載している円の内部の□印であり、第1軸上の電圧指令及び、第２軸上の電圧指令ともに、所望の値と一致した電圧を交流回転機３に印加することができる。
また、例えば、第1軸上の電圧指令を−１００％、偏差増幅器８が出力する第２軸上の電圧指令を＋１００％で与えた場合、第２軸上の電圧指令は制限器１５によって第２軸上の電圧指令は＋５０％に制限される。この場合、第１軸上の電圧指令と第２軸上の電圧指令のベクトル和の振幅は１００％を超え、前記破線で記載している円の外部（○印）となる。第1軸上の電圧指令及び、第２軸上の電圧指令のベクトル和が破線で記載している円の外部に存在する場合、電力変換器１７が交流回転機３に印加する電圧は○印と同じ位相で且つ振幅は１００％となり、破線で記載している円上の●印の電圧が電力変換器１７によって出力されることになる。

また、本実施の形態１では、第２軸上の電圧指令の制限値Ｌ１として、正の値だけでなく、負の値を許容するようにしている。第1軸上の電圧指令を−１７３％、偏差増幅器８が出力する第２軸上の電圧指令を＋１００％で与えた場合、第２軸上の電圧指令は制限器１５によって第２軸上の電圧指令は−５０％に制限される。この場合、第１軸上の電圧指令と第２軸上の電圧指令のベクトル和の振幅は１００％を超え、前記破線で記載している円の外部（△印）となる。
第1軸上の電圧指令及び、第２軸上の電圧指令のベクトル和が破線で記載している円の外部に存在するので、電力変換器１７が交流回転機３に印加する電圧は、△印と同じ位相で且つ振幅は１００％となり、破線で記載している円上の▲印の電圧が電力変換器１７によって出力されることになる。この▲印を見て判るように、第２軸上の電圧指令の制限値Ｌ１が負になる領域では、電力変換器１７が交流回転機３に印加する電圧の位相は第１軸に対して１８０度よりも大きくなる。

このように、本実施の形態１における電圧指令演算手段１は、第1軸上の電圧指令の二乗に比例して減少する第２軸上の電圧指令の制限値Ｌ１として、正及び負の値を許容するようにしているので、制限器１５にて制限される前の第２軸上の電圧指令が正の値であっても、図２の場合であれば、第１軸上の電圧指令の振幅が１４１％よりも大きい場合は、制限器１５にて制限された後の第２軸上の電圧指令は負の値になるようにできるので、第１軸に対する電圧位相を１８０度よりも大きくすることができる効果を得る。

図３は、「第１軸上の電圧指令」と「制限前の第２軸上の電圧指令」のベクトル和が１００％を超えている場合、即ち、電力変換器１７が電圧飽和して、電圧振幅が１００％となり電圧位相だけが変化する場合において、第１軸を基準にした「第１軸上の電圧指令」と「制限後の第２軸上の電圧指令」の電圧位相をプロットしたものである。
図において、「第１軸上の電圧指令」の符号は負、「制限前の第２軸上の電圧指令」の符号は正とした。また、（ａ），（ｂ），（ｃ）は次の条件についてプロットしたものである。
（ａ）：第２軸上の電圧指令の上限を１００％に制限した場合
（ｂ）：第２軸上の電圧指令の上限を特許文献１に倣い次式で制限した場合
「第２軸上の電圧指令の上限」＝
（「電圧振幅の最大値の二乗」−「第１軸上の電圧指令の二乗」）^1/2 ・・・（２）
（ｃ）：第２軸上の電圧指令の上限を本発明の制限器１５によって制限した場合

図３を見て判るように第１軸上の電圧指令がおよそ−５０〜０％の範囲の場合は、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のいずれについても大きな差異はない。一方、−１５０〜−５０％の範囲では（ａ）、（ｂ）、（ｃ）で差異が発生する。
（ａ）は、第２軸上の電圧指令の上限を１００％に制限したものである。第１軸上の電圧指令がおよそ−１５０〜−５０％の範囲では、第１軸上の電圧指令に対する電圧位相の変化が小さくなり、第１軸上の電圧指令が変化しても、電圧位相は殆ど変化しなくなる。ここでは、電力変換器１７の電圧飽和により電圧振幅は１００％一定であるので、電圧位相も変化しなくなると電流制御の応答性が著しく低下することになる。また、第１軸上の電圧指令の振幅を図示する範囲外まで大きくしたとしても、出力できる電圧位相は１８０度未満となる。従って、第１軸に対する電圧位相を１８０度よりも大きくすることができない。

（ｂ）は特許文献１に倣ったものである。第１軸上の電圧指令がおよそ−１００〜−５０％の範囲では、第１軸上の電圧指令に対する電圧位相の変化が大きくなり、特に第１軸上の電圧指令が−１００〜−９０％近傍であるときは第１軸上の電圧指令が僅かに変化しただけで、電圧位相が急変する。換言すると第１軸に対する電圧位相を１５０〜１８０度に制御しようとしたとき、第１軸上の電圧指令が僅かな振動をしただけで電圧位相が変化するので、電圧位相に振動やハンチングが現れやすい。
また、（２）式の演算は平方根を利用しているので「第１軸上の電圧指令の二乗」が「電圧振幅の最大値の二乗」よりも大きくなると演算不能となるので、第１軸上の電圧指令の大きさは１００％以下でなければならず、その結果、第１軸に対する電圧位相を１８０度よりも大きくすることができない。

（ｃ）は本実施の形態１に記載の制限器１５によって第２軸上の電圧指令の上限を制限したものである。ここでは、（１）式のＣ１を「電力変換器１７が出力できる電圧振幅の最大値」、即ち１００％の振幅で与え、Ｋ１を０．５で与えている。
第１軸上の電圧指令が−１５０〜−５０％の範囲でも、第１軸上の電圧指令が−５０〜０％の範囲の場合と、第１軸上の電圧指令に対する電圧位相の変化は殆ど変化しない。
このように、本実施の形態１に記載の制限器１５によって、電力変換器１７が電圧飽和により電圧振幅が１００％一定である状態では、第１軸上の電圧指令の振幅の変化に応じて直線的に電圧位相を変化させることが可能である。

また、上述したように下限値制限器１３は、Ｌ１minを負値とし、Ｌ１がＬ１min以上になるように制限してＬ１を出力しているので、第１軸上の電圧指令の振幅が１４１％を超えると、図２のように制限器１５の上限値も正から負に変化する。従って、第１軸上の電圧指令の振幅が１４１％を超えるように、第１軸上の電圧指令を−１４１％以下にすれば、第１軸に対する電圧位相を１８０度よりも大きくすることができる。即ち、電圧指令演算手段１は、第1軸上の電圧指令の二乗に比例して減少する第２軸上の電圧指令の制限値として、正及び負の値を許容するようにしたので、第１軸に対する電圧位相を１８０度よりも大きくすることができる効果を得る。
第１軸に対する電圧位相の制約を解けば、交流回転機３の制御できる電流範囲の制約もなくなり、より高い回転数まで安定に制御することが可能となる。

このように、特許文献１に記載の従来の交流回転機の制御装置では、電力変換器が電圧飽和した状態で、第１軸上の電圧指令が−１００〜−９０％近傍であるときは、第１軸上の電圧指令が僅かに変化しただけで、電圧位相が急変し、電圧位相に振動やハンチングが現れやすい問題があった。
一方、本実施の形態１の交流回転機の制御装置によれば、第２軸上の電圧指令の制限値を第１軸上の電圧指令の二乗に比例して減少するようにしたので、電圧印加手段２の電力変換器１７が電圧飽和した場合、電力変換器１７が出力する電圧振幅は一定で、且つ、第１軸上の電圧指令の大きさの変化に応じて第１軸上に対する電圧位相を線形的に変化させることができる。その結果、第１軸上に対する電圧位相が１８０度、即ち、電圧位相が第１軸上に近づくような場合でも安定に制御することが可能となる、といった効果がある。

また、特許文献１に記載の従来の交流回転機の制御装置では、第２軸上の電圧指令の制限値の演算に平方根を利用しているため、第１軸上の電圧指令の大きさは１００％以下でなければならず、その結果、第１軸に対する電圧位相を１８０度よりも大きくすることができない問題があった。
一方、本実施の形態１の交流回転機の制御装置によれば、第1軸上の電圧指令の二乗に比例して減少する第２軸上の電圧指令の制限値として、正及び負の値を許容するようにしたので、電力変換器１７が電圧飽和により電圧振幅が１００％一定である状態でも、制限器１５によって制限された第２軸上の電圧指令を負の値にすることが可能となり、第１軸に対する電圧位相を０〜１８０度の範囲を超えた広範囲に操作できる効果を得る。

また、特許文献２に記載の従来の交流回転機の制御装置では、電力変換器の出力電圧値が制限された場合と制限されない場合で制御の切替を行うため、不連続動作が発生し、切替に起因するトルク脈動が発生するといった問題があった。
一方、本実施の形態１の交流回転機の制御装置によれば、制限器１５によって、第２軸上の電圧指令の上限値と下限値を操作するだけであり、特殊な制御の切替が不要である。従って、電力変換器１７が電圧飽和により電圧振幅が１００％近傍であっても、制御切替に起因するトルク脈動が発生しないといった効果を得る。

なお、本実施の形態１では、回転二軸上の第１軸を交流回転機３の回転子磁束と同位相方向とし、回転二軸上の第２軸を回転二軸上の第１軸と直交する方向となるように構成する。具体的には、座標変換器１６での座標変換を公知の手法で回転二軸上の第１軸を交流回転機３の回転子磁束と同位相方向と同期して回転するようにすれば良い。回転二軸上の第１軸を交流回転機３の回転子磁束と同位相方向とした場合、第１軸上の電圧指令の振幅に応じて、偏差増幅器８が出力する第２軸上の電圧指令は制限器１５によって制限されることになる一方、偏差増幅器７が出力する第１軸上の電圧指令は制限されないので、回転子磁束と同位相方向の電流偏差が零になるように作用する。
このように作用している場合、回転子磁束と直交方向の電流は制限器１５により所望の値に制御できないことがあるものの、偏差増幅器７の出力は制限されないので、回転子磁束と同位相方向の電流は所望の値に制御することができる。従って、回転二軸上の第１軸を交流回転機３の回転子磁束と同位相方向とすることで、回転子磁束を打ち消す方向に電流を所望の値に制御することが可能であり、誘起電圧を低減させることが可能となる。
これにより、交流回転機３の回転速度をより高い範囲まで動作させることができるといった効果を得る。

実施の形態２．
回転二軸上の第１軸を交流回転機の回転子磁束と同位相方向とし、回転二軸上の第２軸を回転二軸上の第１軸と直交する方向となるように構成した場合、制限器１５で制限される前の第２軸上の電圧指令の符号は、交流回転機３の回転速度の符号によって異なる。
前記実施の形態１では、下限値制限器１３は、Ｌ１minを負値とし、Ｌ１がＬ１min以上になるように制限してＬ１を出力していた。また、制限器１５は第２軸上の電圧指令が下限値制限器１３から得たＬ１よりも大きい場合はＬ１を出力し、偏差増幅器８から得た第２軸上の電圧指令が定数設定器１４から得た−Ｌ２よりも小さい場合は−Ｌ２を出力し、それ以外の場合は偏差増幅器８から得た第２軸上の電圧指令を出力するようにしていた。
このような構成の場合、交流回転機３の回転速度の符号によっては、交流回転機の回転速度が高い場合であっても、第２軸上の電圧指令が第１軸上の電圧指令の二乗に比例して減少する動作とならず、交流回転機の回転速度と出力トルクの特性が回転速度の符号によって異なってしまう。

そこで、本実施の形態２では交流回転機の回転速度と出力トルクの特性を、交流回転機の回転速度の符号に依存しないようにする電圧指令演算手段を備えたものである。
図４は本発明の実施の形態２における交流回転機の制御装置の電圧指令演算手段１ａを示す図であり、実施の形態１と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものである。
下限値制限器１３ａは、減算器１２の出力Ｌ１が所定値Ｌ１min以上の場合はＬ１を出力し、所定値未満の場合は所定値Ｌ１minを出力することで、Ｌ１がＬ１min以上になるように制限してＬ１を出力する点は前記実施の形態１の下限値制限器と同じであるが、Ｌ１minを零としＬ１が零以上になるように制限している点が異なっている。符号反転器３０は下限値制限器１３ａから得たＬ１の符号を反転して−Ｌ１を出力する。

制限器１５ａは第２軸上の電圧指令が、上限値と下限値の範囲内となるように制限するものであり、偏差増幅器８から得た第２軸上の電圧指令が、下限値制限器１３ａから得たＬ１よりも大きい場合はＬ１を出力し、偏差増幅器８から得た第２軸上の電圧指令が符号反転器３０から得た−Ｌ１よりも小さい場合は−Ｌ１を出力し、それ以外の場合は偏差増幅器８から得た第２軸上の電圧指令を出力する。
このように電圧指令演算手段１ａは、偏差増幅器７の出力を第１軸上の電圧指令、制限器１５ａの出力を第２軸上の電圧指令として、電圧印加手段２へ出力する。

図５は本発明の実施の形態２における第１軸上の電圧指令と第２軸上の電圧指令の制限値の関係をプロットしたものである。
図５において、実線は電圧指令演算手段１ａが出力する第１軸上の電圧指令と第２軸上の電圧指令の制限値の関係をプロットしたものである。また、破線で記載している円は電力変換器１７が交流回転機３に印加できる電圧の範囲を示している。
図５の目盛は、図２と同様に電力変換器１７が交流回転機３に印加する電圧振幅の最大値を１００％としている。

前記実施の形態１では、制限前の第２軸上の電圧指令がＬ１より大きい場合、第２軸上の電圧指令の制限値Ｌ１は第１軸上の電圧指令の二乗に比例して減少する構成になっていたが、制限前の第２軸上の電圧指令が−Ｌ２より小さい場合、第２軸上の電圧指令の制限値Ｌ２は固定値であったので、制限後の第２軸上の電圧指令は第１軸上の電圧指令の二乗に比例して減少しなかった。一方、本実施の形態２では、制限前の第２軸上の電圧指令がＬ１より大きい場合、第２軸上の電圧指令の制限値Ｌ１は第１軸上の電圧指令の二乗に比例して減少するので制限後の第２軸上の電圧指令も第１軸上の電圧指令の二乗に比例して減少する上に、制限前の第２軸上の電圧指令が−Ｌ１より小さい場合であっても、制限後の第２軸上の電圧指令の振幅は第１軸上の電圧指令の二乗に比例して減少する。

本実施の形態２における電圧指令演算手段１ａは、第１軸上の電圧指令の二乗に比例して減少する第２軸上の電圧指令の制限値Ｌ１として、正の値のみを許容する構成にしているので、電力変換器１７が電圧飽和により電圧振幅が１００％一定である状態で、第１軸に対する電圧位相を０〜１８０度の範囲を超えた範囲で操作することはできないが、第２軸上の電圧指令の符号に関わらず、電力変換器１７が電圧飽和により電圧振幅が１００％一定である状態では、制限後の第２軸上の電圧指令の振幅が第１軸上の電圧指令の二乗に比例して減少するようにできる。その結果、電力変換器１７が電圧飽和した場合、電力変換器１７が出力する電圧振幅は一定で、且つ、第１軸上の電圧指令の大きさの変化に応じて第１軸上に対する電圧位相を線形的に変化させることができるので、第１軸上に対する電圧位相が１８０度、即ち、電圧位相が第１軸上に近づくような場合でも安定に制御することが可能となる、といった効果を得る。
従って、交流回転機３の回転速度の符号に関わらず、交流回転機の回転速度が高くて電力変換器１７が電圧飽和する場合は、第２軸上の電圧指令の振幅は第１軸上の電圧指令の二乗に比例して減少する動作となるので、交流回転機の回転速度と出力トルクの特性が回転速度の符号に依存しないようになる、といった効果を得る。

実施の形態３．
実施の形態２に記載した電圧指令演算手段１ａは、第２軸上の電圧指令の符号に関わらず、電力変換器１７が電圧飽和により電圧振幅が１００％一定である状態では、制限後の第２軸上の電圧指令の振幅が第１軸上の電圧指令の二乗に比例して減少するようにできるものの、第１軸に対する電圧位相を０〜１８０度の範囲を超えた範囲で操作することはできなかった。
そこで、本実施の形態３では交流回転機の回転速度と出力トルクの特性は交流回転機の回転速度の符号に依存しないように保ちつつ、電力変換器１７が電圧飽和する場合に第１軸に対する電圧位相を０〜１８０度の範囲を超えた範囲で操作可能な交流回転機の制御装置について説明する。

図６は本発明の実施の形態３における交流回転機の制御装置の構成を示す図であり、前記実施の形態と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものである。
回転二軸上の電圧指令を演算する電圧指令演算手段１ｂは、第1軸上の電流指令と第２軸上の電流指令、及び第１軸上の検出電流と第２軸上の検出電流と、回転位置検出器４から得た交流回転機３の回転位置に基づいて、第１軸上の電圧指令及び第２軸上の電圧指令を出力する。電圧指令演算手段１ｂの内部の定数設定器４０は予め設定した任意の正数Ｌ２を出力する。

上下限値演算器４１は、下限値制限器１３から得たＬ１と定数設定器４０から得たＬ２と回転速度演算器４２から得た回転速度に基づいて、上限値及び下限値を制限器１５ｂに出力する。回転速度演算器４２は、回転位置検出器４から得た回転位置の変化率に基づいて演算した回転速度を出力する。制限器１５ｂは第２軸上の電圧指令が、上限値と下限値の範囲内となるように制限するものであり、偏差増幅器８から得た第２軸上の電圧指令が上下限値演算器４１から得た上限値よりも大きい場合は上限値を出力し、偏差増幅器８から得た第２軸上の電圧指令が上下限値演算器４１から得た下限値よりも小さい場合は下限値を出力し、それ以外の場合は偏差増幅器８から得た第２軸上の電圧指令を出力する。

図７は上下限値演算器４１が出力する上限値と下限値について記した表である。
図７を見て判るように、回転速度が正の場合、上下限値演算器４１が出力する上限値と下限値はそれぞれＬ１、−Ｌ２となる。この場合、制限器１５ｂによって動作する第１軸上の電圧指令と第２軸上の電圧指令の制限値の関係は図８のようになる。
図８を見て判るように、回転速度が正の場合、制限器１５ｂは実施の形態１と同様に動作する。本実施の形態３においても、前記実施の形態１と同様に回転二軸上の第１軸を交流回転機３の回転子磁束と同位相方向とし、回転二軸上の第２軸を回転二軸上の第１軸と直交する方向となるように構成している。この構成では、回転速度の符号が正でかつ高回転速度の場合、偏差増幅器８が出力する第２軸上の電圧指令は正方向に大きくなる。

電力変換器１７が電圧飽和した場合、制限器１５ｂは第２軸上の電圧指令が第２軸上の電圧指令の上限値を第１軸上の電圧指令の二乗に比例して減少するようにしたので、電力変換器１７が出力する電圧振幅は一定で、且つ、第１軸上の電圧指令の大きさの変化に応じて第１軸上に対する電圧位相を線形的に変化させることができる。その結果、第１軸上に対する電圧位相が１８０度、即ち、電圧位相が第１軸上に近づくような場合でも安定に制御することが可能である。
さらに、下限値制限器１３は、Ｌ１minを負値とし、Ｌ１がＬ１min以上になるように制限してＬ１を出力するようにしているので、電力変換器１７が電圧飽和した場合、制限器１５ｂによって制限された第２軸上の電圧指令を負の値にすることが可能となり、電力変換器１７が電圧飽和により電圧振幅が１００％一定である状態でも、第１軸に対する電圧位相を０〜１８０度の範囲を超えた広範囲に操作できる。

また、図７に記載したように回転速度が零の場合、上下限値演算器４１が出力する上限値と下限値はそれぞれＬ２、−Ｌ２となる。この場合、制限器１５ｂによって動作する第１軸上の電圧指令と第２軸上の電圧指令の制限値の関係は図９のようになる。
電力変換器１７の電圧飽和は、交流回転機３の回転速度が大きい場合に発生し、回転速度が零の場合は電圧飽和しないので、第２軸上の電圧指令の制限値を第１軸上の電圧指令の二乗に比例して減少させる必要もない。

また、図７を見て判るように回転速度が負の場合、上下限値演算器４１が出力する上限値と下限値はそれぞれＬ２、−Ｌ１となる。この場合、制限器１５ｂによって動作する第１軸上の電圧指令と第２軸上の電圧指令の制限値の関係は図１０のようになる。
回転速度の符号が負でかつ高回転速度の場合、偏差増幅器８が出力する第２軸上の電圧指令は符号が負で振幅は大きくなる。電力変換器１７が電圧飽和した場合、制限器１５ｂは第２軸上の電圧指令が第２軸上の電圧指令の下限値を第１軸上の電圧指令の二乗に比例して減少するようにしたので、電力変換器１７が出力する電圧振幅は一定で、且つ、第１軸上の電圧指令の大きさの変化に応じて第１軸上に対する電圧位相を線形的に変化させることができる。その結果、第１軸上に対する電圧位相が−１８０度、即ち、電圧位相が第１軸上に近づくような場合でも安定に制御することが可能である。
さらに、下限値制限器１３は、Ｌ１minを負値とし、Ｌ１がＬ１min以上になるように制限してＬ１を出力するようにするとともに、回転速度が負の場合、上下限値演算器４１が出力する下限値は−Ｌ１であるので、電力変換器１７が電圧飽和した場合、制限器１５ｂによって制限された第２軸上の電圧指令を正の値にすることも可能であり、電力変換器１７が電圧飽和により電圧振幅が１００％一定である状態でも、第１軸に対する電圧位相を０〜−１８０度の範囲を超えた広範囲に操作できる。

以上のように、本実施の形態３の交流回転機の制御装置における電圧指令演算手段１ｂは、回転方向に応じて第２軸上の電圧指令の上限値、若しくは第２軸上の電圧指令の下限値のいずれかを、第１軸上の電圧指令の二乗に比例して減少する第２軸上の電圧指令の制限値となるようにしたので、交流回転機の回転速度と出力トルクの特性は交流回転機の回転速度の符号に依存しないように保ちつつ、電力変換器１７が電圧飽和する場合に第１軸に対する電圧位相を０〜１８０度、若しくは０〜−１８０度の範囲を超えた範囲でも操作可能となる。

また、本実施の形態３の交流回転機の制御装置によれば、第２軸上の電圧指令の制限値を第１軸上の電圧指令の二乗に比例して減少するようにしたので、電力変換器１７が電圧飽和した場合、電力変換器１７が出力する電圧振幅は一定で、且つ、第１軸上の電圧指令の大きさの変化に応じて第１軸上に対する電圧位相を線形的に変化させることができる。その結果、第１軸上に対する電圧位相が１８０度、即ち、電圧位相が第１軸上に近づくような場合でも安定に制御することが可能となる、といった効果がある。

また、回転二軸上の第１軸を交流回転機３の回転子磁束と同位相方向としたので、第１軸上の電圧指令の振幅に応じて、偏差増幅器８が出力する第２軸上の電圧指令は制限器１５によって制限される一方、偏差増幅器７が出力する第１軸上の電圧指令は制限されないので、回転子磁束と同位相方向の電流偏差が零になるように作用する。回転子磁束と直交方向の電流は制限器１５により所望の値に制御できないことがあるものの、偏差増幅器７の出力は制限されないので、回転子磁束と同位相方向の電流は所望の値に制御することができる。従って、回転二軸上の第１軸を交流回転機３の回転子磁束と同位相方向とすることで、回転子磁束を打ち消す方向に電流を所望の値に制御することが可能であり、誘起電圧を低減させることが可能となる。これにより、交流回転機３の回転速度を符号を問わず、より高い範囲まで動作させることができるといった効果を得る。

なお、上述したように、電力変換器１７の電圧飽和は、交流回転機３の回転速度が大きい場合に発生する。換言すると、回転速度が所定値Ａ１以下の場合は電圧飽和しないので、回転速度が所定値Ａ１以下の場合は、第２軸上の電圧指令の制限値を第１軸上の電圧指令の二乗に比例して減少させる必要もない。このことから、上下限値演算器４１が出力する上限値と下限値は、図７に記載の表の代わりに図１１に記載の表を用いても良いことは言うまでもない。

実施の形態４．
前記実施の形態１〜３では交流回転機の制御装置について説明したが、該交流回転機の制御装置によって操舵トルクを補助するトルクを発生させるようにして電動パワーステアリングの制御装置を構成するようにしても良い。
交流回転機の制御装置を備えた電動パワーステアリング装置において、運転手がハンドルを回転させるときのハンドル回転速度の上限は、交流回転機の回転速度の上限に依存する。このハンドル回転速度の上限が高いほど、緊急回避操舵に優れた転追性の良い電動パワーステアリング装置を提供することができる。

図１２は実施の形態４における電動パワーステアリングの制御装置の構成を示す図であり、前記実施の形態と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものである。運転手は、ハンドル５０を左右に回転させて前輪５１の操舵を行う。
トルク検出手段５２はステアリング系の操舵トルクを検出して検出トルクを電流指令演算手段５３に出力する。電流指令演算手段５３はステアリング系の操舵トルクを補助するトルクを交流回転機３が発生するように、該検出トルクと回転速度演算器４２から得た回転速度に基づいて第１軸上の電流指令及び第２軸上の電流指令を演算し、出力する。

本実施の形態４においても、回転二軸上の第１軸を交流回転機３の回転子磁束と同位相方向とし、回転二軸上の第２軸を回転二軸上の第１軸と直交する方向となるように構成する。電流指令演算手段５３は、回転速度演算器４２から得た回転速度の大きさが大きくなると回転子磁束を打ち消す方向に第１軸上の電流指令を出力することで、交流回転機３の回転速度をより高い範囲まで動作できるようにして、緊急回避操舵に優れた転追性の良い電動パワーステアリング装置をえることができるといった効果が得られる。

この発明は、車両に搭載される、例えば電動パワーステアリング装置に用いて好適な交流回転機の制御装置である。

１ 電圧指令演算手段、２ 電圧印加手段、３ 交流回転機、４ 回転位置検出器、５ 減算器、６ 減算器、７ 偏差増幅器、８ 偏差増幅器、９ 乗算器、１０ 比例演算器、１１ 定数設定器、１２ 減算器、１３ 下限値制限器、１４ 定数設定器、１５ 制限器、１６ 座標変換器、１７ 電力変換器、１８ 直流電源、１９ 電流検出器、２０ 電流検出器、２１ 電流検出器。

この発明に係る交流回転機の制御装置は、回転二軸上の第１軸を交流回転機の回転子磁束と同位相方向とし、前記回転二軸上の第２軸を前記回転二軸上の第１軸と直交する方向とした、前記回転二軸上の第１軸上の電圧指令及び第２軸上の電圧指令を演算する電圧指令演算手段と、前記電圧指令演算手段が出力する前記回転二軸上の電圧指令に基づいて交流回転機に電圧を印加する電圧印加手段とを備え、前記電圧指令演算手段は、前記第２軸上の電圧指令の制限値を前記第１軸上の電圧指令の二乗に比例して減少するようにしたものである。

Claims (6)

1. 回転二軸上の電圧指令を演算する電圧指令演算手段と、前記電圧指令演算手段が出力する回転二軸上の電圧指令に基づいて交流回転機に電圧を印加する電圧印加手段とを備え、
   前記電圧指令演算手段は、前記回転二軸上の第１軸上の電圧指令及び第２軸上の電圧指令を演算するとともに、前記第２軸上の電圧指令の制限値を前記第１軸上の電圧指令の二乗に比例して減少するようにしたことを特徴とする交流回転機の制御装置。
2. 前記電圧指令演算手段は、回転方向に応じて、前記第２軸上の電圧指令の上限値、若しくは前記第２軸上の電圧指令の下限値のいずれかを、前記第１軸上の電圧指令の二乗に比例して減少する前記第２軸上の電圧指令の制限値となるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の交流回転機の制御装置。
3. 前記電圧指令演算手段は、前記第１軸上の電圧指令の二乗に比例して減少する前記第２軸上の電圧指令の制限値として、正及び負の値を許容するようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の交流回転機の制御装置。
4. 前記回転二軸上の第１軸を前記交流回転機の回転子磁束と同位相方向とし、前記回転二軸上の第２軸を前記回転二軸上の第１軸と直交する方向としたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の交流回転機の制御装置。
5. 前記回転二軸上の第１軸を前記交流回転機の回転子磁束と同位相方向とし、前記回転二軸上の第２軸を前記回転二軸上の第１軸と直交する方向としたことを特徴とする請求項３に記載の交流回転機の制御装置。
6. 請求項１〜請求項５のいずれかに記載の交流回転機の制御装置を備えた電動パワーステアリング装置。

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