WO2016079791A1

WO2016079791A1 - モータ制御装置及びモータ制御方法

Info

Publication number: WO2016079791A1
Application number: PCT/JP2014/080376
Authority: WO
Inventors: 高木　護; 森本　進也; 野中　剛; 大戸　基道; 隆明石井
Original assignee: 株式会社安川電機
Priority date: 2014-11-17
Filing date: 2014-11-17
Publication date: 2016-05-26

Abstract

　界磁の変化に応じて可変界磁モータを適切に駆動制御することを課題とする。界磁磁束を可変させる可変界磁機構を有する可変界磁モータ（Ｍ）の駆動を制御するモータ制御装置（１）であって、可変界磁モータ（Ｍ）の界磁率を算出するように構成された界磁率演算部（１４）と、界磁率演算部（１４）で算出された界磁率に基づいて可変界磁モータ（Ｍ）のモータパラメータ（Δθ，φ，Ｌｄ，Ｌｑ）を補正するように構成されたモータパラメータ補正部（１７）と、を有し、界磁率演算部（１４）は、トルク指令（Ｔｒｅｆ）とモータ速度（ω）に基づいてテーブル換算により界磁率を算出する。

Description

モータ制御装置及びモータ制御方法

　開示の実施形態は、モータ制御装置及びモータ制御方法に関する。

　特許文献１には、永久磁石の鎖交磁束の変動に対応して弱め界磁電流により制御する永久磁石同期モータの制御方法が開示されている。

特開２００２－９５３００号公報

　一方、磁極部から出る磁束の強さを可変にすることで出力範囲を拡大できる可変界磁モータが提案されている。この可変界磁モータを制御対象とした場合、その界磁（磁極部の磁束の強さ）を変更した際にはモータ特性が変化してしまうため、通常のモータ制御装置では界磁を変化させた際に電流制御が適切に機能せず、可変界磁モータの応答特性が変化したり、場合によっては制御不能となる。

　本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、界磁の変化に応じた可変界磁モータの適切な駆動制御が可能なモータ制御装置及びモータ制御方法を提供することを目的とする。

　上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、界磁磁束を可変させる可変界磁機構を有する可変界磁モータの駆動を制御するモータ制御装置であって、前記可変界磁モータの界磁率を算出するように構成された界磁率演算部と、前記界磁率演算部で算出された前記界磁率に基づいて前記可変界磁モータのモータパラメータを補正するように構成されたモータパラメータ補正部と、を有するモータ制御装置が適用される。

　また、本発明の別の観点によれば、界磁磁束を可変させる可変界磁機構を有する可変界磁モータの駆動を制御するモータ制御方法であって、前記可変界磁モータの界磁率を算出することと、算出された前記界磁率に基づいて前記可変界磁モータのモータパラメータを補正することと、を実行するモータ制御方法が適用される。

　また、本発明の別の観点によれば、界磁磁束を可変させる可変界磁機構を有する可変界磁モータの駆動を制御するモータ制御装置であって、前記可変界磁モータの界磁率を算出する手段と、前記界磁率演算部で算出された前記界磁率に基づいて前記可変界磁モータのモータパラメータを補正する手段と、を有するモータ制御装置が適用される。

　また、本発明の別の観点によれば、界磁磁束を可変させる可変界磁機構を有する可変界磁モータの駆動を制御するモータ制御装置であって、前記可変界磁モータの界磁率を算出するように構成された界磁率演算部と、前記界磁率演算部で算出された前記界磁率に基づいて前記可変界磁モータのモータパラメータを補正するように構成されたモータパラメータ補正部と、を有し、前記界磁率演算部は、トルク指令とモータ速度に基づいてテーブル換算により前記界磁率を算出し、前記モータパラメータ補正部は、前記可変界磁モータにおける前記磁極部の磁束密度と、電機子巻線のｄ軸インダクタンス及びｑ軸インダクタンスを前記モータパラメータとしてそれらの補正値を算出するよう構成されたモータ定数補正部を有するモータ制御装置が適用される。

　また、本発明の別の観点によれば、界磁磁束を可変させる可変界磁機構を有する可変界磁モータの駆動を制御するモータ制御方法であって、前記可変界磁モータの界磁率を算出するステップと、算出された前記界磁率に基づいて前記可変界磁モータのモータパラメータを補正するステップと、を実行するモータ制御方法が適用される。

　また、本発明の別の観点によれば、前記界磁率を算出するステップでは、トルク指令とモータ速度に基づいてテーブル換算により前記界磁率を算出するモータ制御方法が適用される。

　また、本発明の別の観点によれば、前記モータパラメータを補正するステップでは、前記可変界磁モータにおける磁極部の磁束密度と、電機子巻線のｄ軸インダクタンス及びｑ軸インダクタンスを前記モータパラメータとしてそれらの補正値を算出するモータ制御方法が適用される。

　また、本発明の別の観点によれば、前記モータパラメータを補正するステップでは、前記可変界磁モータにおける前記磁極部の磁極位置を前記モータパラメータとしてその差分補正量を算出するモータ制御方法が適用される。

　また、本発明の別の観点によれば、前記モータパラメータを補正するステップでは、前記界磁率の入力に対して経時的に遅れて前記モータパラメータを補正させるモータ制御方法が適用される。

　また、本発明の別の観点によれば、前記モータパラメータを補正するステップでは、前記界磁率に基づいてテーブル換算又は近似式演算により前記モータパラメータを補正するモータ制御方法が適用される。

　また、本発明の別の観点によれば、前記トルク指令と、補正した前記モータパラメータに基づいてｄ軸電流指令を生成するステップを実行するモータ制御方法が適用される。

　また、本発明の別の観点によれば、前記ｄ軸電流指令、補正した前記モータパラメータ、及び前記トルク指令に基づいてｑ軸電流指令を生成するステップを実行するモータ制御方法が適用される。

　また、本発明の別の観点によれば、前記ｄ軸電流指令、前記ｑ軸電流指令、ｄ軸入力電流、ｑ軸入力電流、及び補正した前記モータパラメータに基づいて３相入力電圧を制御するステップを実行するモータ制御方法が適用される。

　本発明によれば、界磁の変化に応じた可変界磁モータの適切な駆動制御が可能となる。

実施形態に係るモータ制御装置の機能ブロック図である。可変界磁モータの一例における鎖交磁束が弱まった状態の回転子の外観斜視図である。可変界磁モータの一例における鎖交磁束が最も強くなった状態の回転子の外観斜視図である。界磁率テーブルの一例を示す図である。モータ定数補正部の内部構成を示すブロック図である。磁極位置補正部の内部構成を示すブロック図である。ＡＣＲの内部構成を示すブロック図である。変形例に係るモータ制御装置の機能ブロック図である。

＜実施形態の基本構成＞
　以下、実施の形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態に係るモータ制御装置の機能ブロック図を示している。この図１において、高効率制御部２と、Ｉｑ指令生成部３と、ＡＣＲ４と、ｄｑ／３相変換部５と、ＰＷＭ変換部６と、インバータ７と、電流検出部８と、モータＭと、エンコーダＰＧと、界磁調整機構９と、３相／ｄｑ変換部１０と、微分器１１と、電圧指令値演算部１２と、定出力制御部１３と、界磁率演算部１４と、モータ定数補正部１５と、磁極位置補正部１６と、加算器１９，２０が示されている。このうちモータＭ、エンコーダＰＧ、及び界磁調整機構９を除いた構成部が、本実施形態のモータ制御装置１を構成する。

　高効率制御部２は、外部から入力されたトルク指令Ｔｒｅｆに基づいて、モータＭの励磁に大きく影響を与えるｄ軸成分のｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆを生成する。このｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆは、マグネットトルクとリラクタンストルクを利用して最小の電流で最大のトルクが得られるよう生成されるものであり、この例では算出式に基づく演算によってこのｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆを生成する（この演算の詳細については後述する）。ｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆは、後述の定出力制御部１３の出力と加算器１９で加算された後にＩｑ指令生成部３とＡＣＲ４にそれぞれ入力される。

　Ｉｑ指令生成部３は、入力されたｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆに基づいて、モータＭのトルクの発生に大きく影響を与えるｑ軸成分のｑ軸電流指令Ｉｑｒｅｆを生成する。この例では、算出式に基づく演算によってこのｑ軸電流指令Ｉｑｒｅｆを生成する（この演算の詳細については後述する）。ｑ軸電流指令ＩｑｒｅｆはそのままＡＣＲ４に入力される。なお、モータＭの種類（例えばＩＰＭモータなど）によっては、ｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆもトルクに多少の影響を与える場合がある。

　ＡＣＲ４は、上記のｑ軸電流指令Ｉｑｒｅｆとｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆが入力されるとともに、後述の３相／ｄｑ変換部１０から検出ｑ軸電流値Ｉｑと検出ｄ軸電流値Ｉｄが入力され、各軸に対応してそれらの間の偏差に基づいてｑ軸電圧指令Ｖｑｒｅｆとｄ軸電圧指令Ｖｄｒｅｆを出力する電流制御部としての機能を有する。また本実施形態でこのＡＣＲ４は、後述の微分器１１から入力されたモータ速度ωと、後述のモータ定数補正部１５から入力された磁束密度φ、ｄ軸インダクタンスＬｄ、及びｑ軸インダクタンスＬｑに基づく演算によって、モータＭの界磁率の変化に対応したｑ軸電圧指令Ｖｑｒｅｆとｄ軸電圧指令Ｖｄｒｅｆを生成する（この演算の詳細については後述する）。なお、このＡＣＲ４が、各請求項記載の電流制御部に相当する。

　ｄｑ／３相変換部５は、後述のエンコーダＰＧから検出されたモータＭの回転位置θに基づいて、上記のｑ軸電圧指令Ｖｑｒｅｆとｄ軸電圧指令Ｖｄｒｅｆを、Ｕ相電圧指令Ｖｕ、Ｖ相電圧指令Ｖｖ、及びＷ相電圧指令Ｖｗの３相電圧指令に座標変換する。なお、上記ＡＣＲ４とｄｑ／３相変換部５が、各請求項記載の電流制御部に相当する。

　ＰＷＭ変換部６は、上記の３相電圧指令Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと内部で生成した搬送波（三角波）との比較に基づくＰＷＭ変換により、各相に対応するＰＷＭドライブ信号を出力する。

　インバータ７は、上記の各相対応のＰＷＭドライブ信号に基づくスイッチング動作により、特に図示しない外部電源からの供給電力をＰＷＭ制御で各相の駆動電力に変換してモータＭに給電する。

　電流検出部８は、インバータ７から給電された各相の駆動電力の駆動電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗをそれぞれ検出する。

　モータＭは、その内部の界磁磁束を可変させる可変界磁機構を備えた可変界磁モータであり、インバータ７から給電された各相の駆動電力により駆動する。なお、上記の可変界磁機構も含めた可変界磁モータの構成例については後に詳述する。

　エンコーダＰＧは、例えば光学式のロータリエンコーダなどで構成され、モータＭの回転位置θ（以下、モータ位置θという）を検出する。

　界磁調整機構９は、後述の界磁率演算部１４から入力される界磁率に基づいて可変界磁モータＭにおける可変界磁機構を制御し、当該可変界磁モータＭの界磁磁束を調整する。なお、本実施形態の例では、この界磁調整機構９はサーボモータ等を用いた機械的な駆動機構により界磁磁束を調整する構成を想定しているが、これに限られずに油圧による機械的な駆動で可変界磁機構を制御する構成等も適用可能である。

　３相／ｄｑ変換部１０は、エンコーダＰＧから検出されたモータ位置θに基づいて、上記電流検出部８から検出された各相の駆動電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを、検出ｑ軸電流値Ｉｑ（ｑ軸入力電流）と検出ｄ軸電流値Ｉｄ（ｄ軸入力電流）に座標変換する。また上述したように、上記のＡＣＲ４は、トルク指令Ｔｒｅｆに基づくｑ軸電流指令Ｉｑｒｅｆ及びｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆと、実際にモータＭに入力される検出ｑ軸電流値Ｉｑ及び検出ｄ軸電流値Ｉｄとの間の偏差に基づいてｑ軸電圧指令Ｖｑｒｅｆ及びｄ軸電圧指令Ｖｄｒｅｆを出力する。これにより、ＡＣＲ４、ｄｑ／３相変換部５、ＰＷＭ変換部６、インバータ７、電流検出部８、及び３相／ｄｑ変換部１０で電流制御（トルク制御）のためのフィードバックループが構成され、モータＭに実際に入力される電流をトルク指令Ｔｒｅｆの値に対応して追従するよう制御する。なお、特に図示しないが、トルク指令Ｔｒｅｆは上位制御装置から直接入力されてもよいし、またはさらに速度制御用のフィードバックループや、位置制御用のフィードバックループを設けてそれらから入力されてもよい。

　電圧指令値演算部１２は、上記ＡＣＲ４が出力したｑ軸電圧指令Ｖｑｒｅｆとｄ軸電圧指令Ｖｄｒｅｆに基づいて、それらのｑ軸成分とｄ軸成分を合成したモータＭへの入力電圧の指令値に相当する電圧指令値Ｖ１を演算する。

　微分器１１は、エンコーダＰＧで検出したモータ位置θを一階微分演算することでモータ速度ωを算出する。

　定出力制御部１３は、外部から入力された電圧指令Ｖｒｅｆと電圧指令値Ｖ１との間の偏差に基づいてｄ軸電流調整信号－ΔＩｄｒｅｆを出力し、これを加算器１９でｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆだけに加算する。これにより、モータＭの高速回転時における入力電圧の増減変化に応じてｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆを調整し、モータＭの駆動を安定させる定出力制御が可能となる。なお、定出力制御部１３内部の処理については、例えば適宜のゲインやフィードフォワードなどを用いて偏差が小さくなるようにするいわゆるＰＩＤ制御等を行えばよい（特に図示せず）。

　界磁率演算部１４は、トルク指令Ｔｒｅｆとモータ速度ωに基づいて、その時点の可変界磁モータＭの電力変換効率を最も高めることのできる界磁率を出力する。なお、この界磁率演算部１４における界磁率の算出手法については後に詳述する。

　モータ定数補正部１５は、上記界磁率演算部１４から入力された界磁率に基づいて、モータＭにおける磁極部（後述）の磁束密度φと、電機子巻線のｄ軸インダクタンスＬｄ及びｑ軸インダクタンスＬｑのそれぞれの補正値を算出する。これら磁束密度φ、ｄ軸インダクタンスＬｄ、及びｑ軸インダクタンスＬｑは、高効率制御部２、Ｉｑ指令生成部３、及びＡＣＲ４にそれぞれ入力される。

　磁極位置補正部１６は、上記界磁率演算部１４から入力された界磁率に基づいてモータ位置θの位相補正量Δθを算出する。この位相補正量Δθは、上記エンコーダＰＧが検出したモータ位置θと加算器２０で加算された後にｄｑ／３相変換部５、３相／ｄｑ変換部１０、及び微分器１１にそれぞれ入力される。

　なお本実施形態では、上記の磁束密度φ、ｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑ、及び位相補正量Δθをまとめてモータパラメータと呼称し、これらを出力する上記のモータ定数補正部１５と磁極位置補正部１６をまとめてモータパラメータ補正部１７と呼称する。モータ定数補正部１５と磁極位置補正部１６のそれぞれの補正機能については、後に詳述する。

　以上のように本実施形態のモータ制御装置１では、トルク指令Ｔｒｅｆに対応する電流指令をｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆとｑ軸電流指令Ｉｑｒｅｆに分けたｄｑ軸ベクトル制御を行うことにより、制御構成が比較的単純な直流モータと同等に交流モータＭを機能的に制御できる。また本実施形態のモータ制御装置１では、トルク指令Ｔｒｅｆとモータ速度ωに応じた界磁率を算出して可変界磁モータＭの界磁を調整することにより、当該可変界磁モータＭの電力変換効率を最適化できる。

＜可変界磁モータの概要＞
　本実施形態のモータ制御装置１の制御対象となる可変界磁モータＭの一例についてその概要を説明する。この例の可変界磁モータＭは回転型の３相交流モータであり、図２、図３は当該可変界磁モータＭが有する回転子のみを斜視で示している。

　回転子１２０は、磁界を発生する磁極部１２１と、鉄心１２２とを備え、界磁として構成されている。

　磁極部１２１は、軸方向に３分割されており、シャフト１３０の外周に固定された中央の磁極部１２１ａに対し負荷側磁極部１２１ｂ及び反負荷側磁極部１２１ｃが相対的に回動可能となっている。各磁極部１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃは、鉄心１２２に設けられた略Ｖ字形状の装着孔に磁界を発生する磁石１２３が着磁方向を対面又は背面としつつ装着されることで構成されている。以上のように相対回転可能な３つの磁極部１２１ａ，１２１ｂ，１２１を備えた構成が、上記可変界磁機構に相当する。

　このように可変界磁モータＭが備える可変界磁機構に対して上記界磁調整機構９が機械的に連結されており（図示省略）、当該界磁調整機構９に設けられたサーボモータの駆動によって一体に締結された負荷側界極部１２１ｂ及び反負荷側磁極部１２１ｃを中央の磁極部１２１ａに対し円周方向に相対的に回動させることで、特に図示しない固定子と回転子１２０との間を鎖交する鎖交磁束を変化させる。

　すなわち、鎖交磁束を弱めるときには、界磁調整機構９の駆動によって中央の磁極部１２１ａに対する負荷側磁極部１２１ｂ及び反負荷側磁極部１２１ｃの相対角度が増加される。図２に示す状態では、負荷側磁極部１２１ｂ及び反負荷側磁極部１２１ｃは、中央の磁極部１２１ａに対し相対的に大きく回動し、磁極同士が相殺して鎖交磁束は弱くなっている。

　一方、鎖交磁束を強めるときには、界磁調整機構９の駆動によって中央の磁極部１２１ａに対する負荷側磁極部１２１ｂ及び反負荷側磁極部１２１ｃの相対角度が減少される。図３に示す状態では、負荷側磁極部１２１ｂ及び反負荷側磁極部１２１ｃは、中央の磁極部１２１ａと磁極を並べ、鎖交磁束は最も強くなっている。

　そして上述した界磁率とは、鎖交磁束が最大となるときの誘起電圧定数に対するその時点の誘起電圧定数の割合（値の範囲としては、０％～１００％）であり、つまりこの例において中央の磁極部１２１ａに対し負荷側磁極部１２１ｂ及び反負荷側磁極部１２１ｃが相対的に回動した状態での誘起電圧定数の割合に相当する。可変界磁モータＭは、界磁率が高い状態ではトルクを出しやすく、界磁率が低い状態ではモータ速度ωを出しやすくなる。なお、本実施形態の例では、可変界磁モータＭが備える可変界磁機構が上述したように機械的な駆動により界磁磁束を制御する構成としていたが、これに限られず、電気的な調整により界磁磁束を制御する構成等も適用可能である。

　このような可変界磁モータＭでは、界磁率を変化させることによって電力変換効率を能動的に変動させて出力範囲を拡大させることができるが、それ以前に電力変換効率自体はモータ出力に応じて受動的に変化する。そしてこれらの間の関係性は、単純な算出式に当てはまらない複雑な関係である場合が多い。このため本実施形態のモータ制御装置１では、界磁率演算部１４がその内部に図４に示すような界磁率テーブルを備え、これを参照したテーブル換算により適切な界磁率を算出する。この界磁率テーブルは、モータ出力に関係するパラメータをキー変数とし、これらに対応して入力電力を極小値にできる界磁率との相関を記憶している。図４に示す例としては、モータＭのトルク（トルク指令Ｔｒｅｆで代用）とモータ回転数（＝モータ速度ω）の２つのパラメータで直交座標を取り、それらの組み合わせに対応して入力電力を極小値にできる界磁率を記憶した２元テーブルで界磁率テーブルを構成する。

＜本実施形態の特徴＞
　上述したように本実施形態のモータ制御装置１は、外部から入力されたトルク指令Ｔｒｅｆに基づいて制御対象のモータＭにおけるｄ軸電流、ｑ軸電流の各指令を生成し、それらｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆ、ｑ軸電流指令Ｉｑｒｅｆを制御して３相電圧に変換した後にＰＷＭ制御部及びインバータ７を介してモータＭに入力することで当該モータの電流制御（トルク制御）を行う。このとき、ｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆ及びｑ軸電流指令Ｉｑｒｅｆを制御するにあたっては、制御対象のモータＭの特性を示す各種のモータパラメータが必要となる。

　一方、上述した可変界磁モータを制御対象とした場合、その界磁（磁極部１２１の磁束の強さ）を変更した際にはモータ特性が変化し、上述した各種のモータパラメータも変化してしまう。このため、モータパラメータを固定値とした場合には界磁を変化させた際に上述した電流制御が適切に機能せず、可変界磁モータＭの応答特性が変化したり、場合によっては制御不能となる。

　これに対し本実施形態では、界磁率演算部１４が可変界磁モータの界磁率を算出し、モータパラメータ補正部１７がその界磁率に基づいて当該可変界磁モータのモータパラメータを補正する。このように界磁率を補正基準とすることで、当該可変界磁モータＭの電流制御に必要な各種のモータパラメータを機能的かつ適切に補正することができる。以下、そのようなモータパラメータの補正機能について順に説明する。

＜モータ定数補正部における補正機能＞
　図５は、モータ定数補正部１５の内部機能について模式的に示している。この図５において、モータ定数補正部１５は、遅れ要素１５１と、磁束密度算出部１５２（図中ではφ算出部と略記）と、ｄ軸インダクタンス算出部１５３（図中ではＬｄ算出部と略記）と、ｑ軸インダクタンス算出部１５４（図中ではＬｑ算出部と略記）とを有している。

　界磁率演算部１４から入力された界磁率は、遅れ要素１５１を介して磁束密度算出部１５２、ｄ軸インダクタンス算出部１５３、及びｑ軸インダクタンス算出部１５４にそれぞれ入力される。磁束密度算出部１５２、ｄ軸インダクタンス算出部１５３、及びｑ軸インダクタンス算出部１５４は、それぞれ入力された界磁率に基づいて磁束密度φ、ｄ軸インダクタンスＬｄ、及びｑ軸インダクタンスＬｑの算出値を出力する。図示する例では、各算出部のいずれにおいても、界磁率の増加に対して所定値から単調減少する変化特性で算出値が求められる。本実施形態の例では、各算出部１５２，１５３，１５４のいずれにおいても、界磁率をキー変数としてそれぞれの変化特性に対応する算出値との相関を記憶した１元テーブルを備えており、入力された界磁率からのテーブル換算により各算出値を求めている。なお、磁束密度算出部１５２、ｄ軸インダクタンス算出部１５３、及びｑ軸インダクタンス算出部１５４は、それぞれ上記のテーブル換算に限られず、例えば近似式を用いた演算により磁束密度φ、ｄ軸インダクタンスＬｄ、及びｑ軸インダクタンスＬｑを算出してもよい。

　また上述したように、界磁調整機構９が機械的動作により可変界磁モータＭの界磁を変化させる構成である場合には、その界磁変化動作が完了するまでに比較的長い時間を必要とするため、界磁率演算部１４から出力される界磁率に対して実際に可変界磁モータＭの界磁が追従変化するまでには大きな応答遅れが生じる。これに対し本実施形態では、モータ定数補正部１５が上記応答遅れを考慮して経時的に遅れて界磁率情報を伝達する遅れ要素１５１を有していることで、界磁変化動作中に不確定なモータパラメータの補正を行うことなく安定した電流制御を行わせることができる。なお、この遅れ要素１５１について具体的には、適宜の遅れ時間で界磁率情報を伝達できるフィルタまたはソフトウェアスタートで構成すればよい（特に図示せず）。

＜磁極位置補正部における補正機能＞
　図６は、磁極位置補正部１６の内部機能について模式的に示している。この図６において、磁極位置補正部１６は、遅れ要素１６１と、位相補正量算出部１６２（図中ではΔθ算出部と略記）とを有している。

　一般的な可変界磁モータＭにおいて、磁極部１２１は回転子１２０に設けられており、上記エンコーダＰＧは固定子（特に図示せず）を含む静止系の基準位置に対する磁極部１２１の所定の磁極位置をモータ位置θとして検出する。しかし、可変界磁モータＭの界磁を変化させた場合には、その磁極部１２１における磁極位置が変化してしまい、エンコーダＰＧが検出するモータ位置θに誤差が生じてしまう。そこで磁極位置補正部１６は、このような可変界磁モータＭの界磁変化によって生じるモータ位置θの誤差を位相補正量Δθ（差分補正量）として算出する。

　界磁率演算部１４から入力された界磁率は、遅れ要素１６１を介して位相補正量算出部１６２に入力される。位相補正量算出部１６２は、入力された界磁率に基づいて位相補正量Δθの算出値を出力する。図示する例では、位相補正量算出部１６２において界磁率の増加に対し０値から単調増加する変化特性（いわゆる正比例の特性）で算出値が求められる。本実施形態の例では、位相補正量算出部１６２において、界磁率をキー変数として上記変化特性に対応する位相補正量Δθとの相関を記憶した１元テーブルを備えており、入力された界磁率からのテーブル換算により位相補正量Δθを求めている。またこの磁極位置補正部１６においても、上記モータ定数補正部１５と同様に遅れ要素１６１を備えていることで、界磁率情報が適宜の遅れ時間で位相補正量算出部１６２に伝達される。なお、位相補正量算出部１６２は、上記のテーブル換算に限られず、例えば近似式を用いた演算により位相補正量Δθを算出してもよい。

＜高効率制御部におけるｄ軸電流指令生成機能＞
　上記の高効率制御部２は、上述したモータパラメータを用いて機能するものであり、界磁率の変動によるモータＭの特性変化、つまりモータパラメータの変動の影響を強く受ける。この高効率制御部２において、ｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆは、
　Ｉｄｒｅｆ＝－ｓｉｎβ×Ｔｒｅｆ
で求められる。ここで、βは高効率位相であり、
　

で求められる。

　本実施形態では、高効率制御部２が、上記モータ定数補正部１５から出力された磁束密度φ、ｄ軸インダクタンスＬｄ、及びｑ軸インダクタンスＬｑの補正値を用いることで、ｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆを適切に生成できる。

＜Ｉｑ指令生成部におけるｑ軸電流指令生成機能＞
　上記のＩｑ指令生成部３は、上述したモータパラメータを用いて機能するものであり、界磁率の変動によるモータＭの特性変化、つまりモータパラメータの変動の影響を強く受ける。このＩｑ指令生成部３において、ｑ軸電流指令Ｉｑｒｅｆは、
　

で求められる。なお、Ｐは極対数である。

　本実施形態では、Ｉｑ指令生成部３が、上記モータ定数補正部１５から出力された磁束密度φ、ｄ軸インダクタンスＬｄ、及びｑ軸インダクタンスＬｑの補正値を用いることで、ｑ軸電流指令Ｉｑｒｅｆを適切に生成できる。

＜ＡＣＲにおける電流制御機能＞
　図７は、ＡＣＲ４の内部構成を模式的なブロック図で示している。この図７において、ＡＣＲ４は、２つのＰＩ制御部４１，４２と、非干渉化制御部４３と、２つの減算器４４，４５と、２つの加算器４６，４７とを有している。

　各ＰＩ制御部４１，４２は、適宜の比例制御（Ｐ制御）と積分制御（Ｉ制御）を行うものであり（特に図示せず）、それぞれｑ軸電流とｄ軸電流に対応するフィードバックループにおいて各軸の電流成分を制御する。つまり、Ｉｑ指令生成部３と高効率制御部２から入力されたｑ軸電流指令Ｉｑｒｅｆとｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆに対して、それぞれ減算器４４，４５で上記３相／ｄｑ変換部１０から入力された検出ｑ軸電流Ｉｑと検出ｄ軸電流Ｉｄとの偏差を取り、各ＰＩ制御部４１，４２がそれら偏差に基づいてｑ軸電圧指令Ｖｑｒｅｆとｄ軸電圧指令Ｖｄｒｅｆを出力する。

　非干渉化制御部４３は、上記のｑ軸電流制御系フィードバックループとｄ軸制御系フィードバックループの間の相互干渉を防ぐためのものであり、上記３相／ｄｑ変換部１０から入力された検出ｑ軸電流Ｉｑと検出ｄ軸電流Ｉｄに基づいて各軸に対応した非干渉化信号Ｖｑ，Ｖｄを出力する。そして、これら各軸に対応した非干渉化信号Ｖｑ，Ｖｄを加算器４６，４７で上記のｑ軸電圧指令Ｖｑｒｅｆとｄ軸電圧指令Ｖｄｒｅｆにそれぞれ加算する。

　以上の各ＰＩ制御部４１，４２及び非干渉化制御部４３は、それぞれ上述したモータパラメータを用いて機能するものであり、界磁率の変動によるモータＭの特性変化、つまりモータパラメータの変動の影響を強く受ける。例えばｑ軸電流制御系フィードバックループに用いるＰＩ制御部４１においては、その比例制御に用いる比例ゲインＫａｑが、
　Ｋａｑ＝２πｆ・Ｌｑ
で算出される。また、ｄ軸電流制御系フィードバックループに用いるＰＩ制御部４２においては、その比例制御に用いる比例ゲインＫａｄが、
　Ｋａｄ＝２πｆ・Ｌｄ
で算出される。

　また、非干渉化制御部４３においては、ｑ軸に対応する非干渉化信号Ｖｑが、
　Ｖｑ＝ωＬｄ・Ｉｄ＋ωφ
で算出され、ｄ軸に対応する非干渉化信号Ｖｄが、
　Ｖｄ＝－ωＬｑ・Ｉｑ
で算出される。

　本実施形態では、各ＰＩ制御部４１，４２が、上記モータ定数補正部１５から出力されたｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑの補正値に基づく比例ゲインＫａｄ，Ｋａｑを用いることで、各軸の電流制御を適切に機能させることができる。

　また本実施形態では、非干渉化制御部４３が、モータ速度ωと、上記モータ定数補正部１５から出力された磁束密度φ、ｄ軸インダクタンスＬｄ、及びｑ軸インダクタンスＬｑの補正値に基づいて非干渉化信号Ｖｄ，Ｖｑを算出することで、各軸の制御系フィードバックループの間の相互干渉を適切に防ぐことができる。

＜本実施形態により得られる効果＞
　以上説明した本実施形態によれば、次のような効果を得る。すなわち、本実施形態のモータ制御装置１では、界磁率演算部１４が可変界磁モータの界磁率を算出し、モータパラメータ補正部１７がその界磁率に基づいて当該可変界磁モータのモータパラメータを補正する。このように界磁率を補正基準とすることで、当該可変界磁モータの電流制御に必要な各種のモータパラメータを機能的かつ適切に補正することができる。この結果、界磁の変化に応じた可変界磁モータの適切な駆動制御が可能となる。

　また、本実施形態では特に、界磁率演算部１４は、トルク指令Ｔｒｅｆとモータ速度ωに基づいてテーブル換算により界磁率を算出する。これにより界磁率演算部１４は、可変界磁モータＭへの入力基準となるトルク指令Ｔｒｅｆと、当該可変界磁モータＭの検出出力に相当するモータ速度ωに基づいて、それらに対応して駆動に適切な界磁率を機能的に求めることができる。また、これらトルク指令Ｔｒｅｆ、モータ速度ω、及び界磁率の関係性は制御対象となる可変界磁モータ固有の特性であるため、それらの相関を示すテーブルをあらかじめ作成して換算を行うことにより界磁率を迅速かつ機能的に算出できる。

　また、本実施形態では特に、可変界磁モータＭの界磁を変化させた場合には、その磁極部１２１における磁束密度φや、電機子巻き線におけるｄ軸インダクタンスＬｄ及びｑ軸インダクタンスＬｑが変化してしまい、特に電流制御を行う上でこれらモータパラメータを必要とする高効率制御部２、Ｉｑ指令生成部３、及びＡＣＲ４で大きな影響を受ける。そこでモータパラメータ補正部１７が備えるモータ定数補正部１５が、磁束密度φ、ｄ軸インダクタンスＬｄ、及びｑ軸インダクタンスＬｑの補正値を算出して上記各部に入力することで、電流制御を適切に機能させることができる。

　また、本実施形態では特に、可変界磁モータＭの界磁を変化させた場合には、その磁極部１２１における磁極位置が変化してしまい、エンコーダＰＧが検出するモータ位置θに誤差が生じてしまう。このため、特に電流制御を行う上でモータ位置θをモータパラメータとして必要とするＡＣＲ４で大きな影響を受ける。そこでモータパラメータ補正部１７が備える磁極位置補正部１６が磁極位置の誤差を位相補正量Δθとして算出し、これをエンコーダＰＧが出力したモータ位置θに加算することでモータ位置θの真値を得ることができる。そしてこのモータ位置θの真値をＡＣＲ４に入力することで、電流制御を適切に機能させることができる。

　また、本実施形態では特に、モータパラメータ補正部１７が応答遅れを考慮した遅れ要素を有していることで、界磁変化動作中に不確定なモータパラメータの補正を行うことなく安定した電流制御を行わせることができる。

　また、本実施形態では特に、界磁率と各モータパラメータの関係性は制御対象となる可変界磁モータＭ固有の特性であるため、モータパラメータ補正部１７がそれらの相関を示すテーブルをあらかじめ作成して換算を行うか、または同相関に近似する近似式（理論式）に基づいて演算することによりモータパラメータを迅速かつ機能的に補正できる。

　また、本実施形態では特に、高効率制御部２は、入力されたトルク指令Ｔｒｅｆに対してモータＭを高効率で駆動させるためのｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆを生成する部位であり、特に磁束密度φ、ｄ軸インダクタンスＬｄ、及びｑ軸インダクタンスＬｑのモータパラメータを用いた演算により最小の電流で最大のトルクを得るためのｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆを生成する。このため、モータパラメータ補正部１７が補正した磁束密度φ、ｄ軸インダクタンスＬｄ、及びｑ軸インダクタンスＬｑのモータパラメータに基づいて高効率制御部２がｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆを生成することで、電流制御を機能的かつ適切に行わせることができる。

　また、本実施形態では特に、Ｉｑ指令生成部３は、先に算出されたｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆに対応してモータを高効率で駆動させるためのｑ軸電流指令Ｉｑｒｅｆを生成する部位であり、特に磁束密度φ、ｄ軸インダクタンスＬｄ、及びｑ軸インダクタンスＬｑのモータパラメータを用いた演算によりトルク精度の高いｑ軸電流指令Ｉｑｒｅｆを生成する。このため、モータパラメータ補正部１７が補正した磁束密度φ、ｄ軸インダクタンスＬｄ、及びｑ軸インダクタンスＬｑのモータパラメータに基づいてＩｑ指令成生成部がｑ軸電流指令Ｉｑｒｅｆを生成することで、電流制御を機能的かつ適切に行わせることができる。

　また、本実施形態では特に、ＡＣＲ４は、入力されたｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆとｑ軸電流指令Ｉｑｒｅｆのそれぞれに対して実際にモータに入力された検出ｄ軸電流Ｉｄと検出ｑ軸電流Ｉｑを用いたフィードバック制御を行うとともに、ｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆとｑ軸電流指令Ｉｑｒｅｆの間の非干渉制御を行う部位である。そしてこのＡＣＲ４は、特にモータ速度ω、磁束密度φ、ｄ軸インダクタンスＬｄ、及びｑ軸インダクタンスＬｑのモータパラメータを用いた演算により上記フィードバック制御及び非干渉制御を行う。このため、モータパラメータ補正部１７が補正したモータ位置θ、磁束密度φ、ｄ軸インダクタンスＬｄ、及びｑ軸インダクタンスＬｑのモータパラメータに基づいて上記ＡＣＲ４が上記フィードバック制御及び非干渉制御を行うことで、電流制御を機能的かつ適切に行わせることができる。

　なお、上記実施形態のモータ制御装置１では、高効率制御部２、Ｉｑ指令生成部３、定出力制御部１３、及び界磁率演算部１４をそれぞれ独立した部位で構成していたが、これに限られない。例えば、制御対象として適用する可変界磁モータＭのモータ特性が既知であれば、図８に示すように、上記の高効率制御部２、Ｉｑ指令生成部３、定出力制御部１３、及び界磁率演算部１４を一つにまとめた可変界磁制御部１８として構成してもよい。この場合には、当該可変界磁制御部１８に入力されるトルク指令Ｔｒｅｆ、電圧指令値Ｖ１、及び補正された各種モータパラメータ（モータ速度ω、磁束密度φ、ｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑ）に対応して、ｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆ、ｑ軸電流指令Ｉｑｒｅｆ、及び界磁率それぞれとの相関を記憶するテーブル（図示省略）をあらかじめ記憶しておき、それらを用いたテーブル換算によってｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆ、ｑ軸電流指令Ｉｑｒｅｆ、及び界磁率をそれぞれ求めて出力すればよい。この構成において、界磁率の相関を記憶したテーブルでの換算により界磁率を求める部分が、各請求項記載の界磁率演算部に相当する。

　また、以上既に述べた以外にも、上記実施形態や各変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。

　その他、一々例示はしないが、上記実施形態や各変形例は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。

　１，１Ａ　　　モータ制御装置
　２　　　　　　高効率制御部
　３　　　　　　Ｉｑ指令生成部
　４　　　　　　ＡＣＲ
　５　　　　　　ｄｑ／３相変換部
　６　　　　　　ＰＷＭ変換部
　７　　　　　　インバータ
　８　　　　　　電流検出部
　９　　　　　　界磁調整機構
　１０　　　　　３相／ｄｑ変換部
　１１　　　　　微分器
　１２　　　　　電圧指令値演算部
　１３　　　　　定出力制御部
　１４　　　　　界磁率演算部
　１５　　　　　モータ定数補正部
　１６　　　　　磁極位置補正部
　１７　　　　　モータパラメータ補正部
　１８　　　　　可変界磁制御部
　４１，４２　　ＰＩ制御部
　４３　　　　　非干渉化制御部
　１２１　　　　磁極部
　１５１　　　　遅れ要素
　１５２　　　　磁束密度算出部
　１５３　　　　ｄ軸インダクタンス算出部
　１５４　　　　ｑ軸インダクタンス算出部
　１６１　　　　遅れ要素
　１６２　　　　位相補正量算出部

Claims

　界磁磁束を可変させる可変界磁機構を有する可変界磁モータの駆動を制御するモータ制御装置であって、
　前記可変界磁モータの界磁率を算出するように構成された界磁率演算部と、
　前記界磁率演算部で算出された前記界磁率に基づいて前記可変界磁モータのモータパラメータを補正するように構成されたモータパラメータ補正部と、
を有することを特徴とするモータ制御装置。
　前記界磁率演算部は、
　トルク指令とモータ速度に基づいてテーブル換算により前記界磁率を算出することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
　前記モータパラメータ補正部は、
　前記可変界磁モータにおける磁極部の磁束密度と、電機子巻線のｄ軸インダクタンス及びｑ軸インダクタンスを前記モータパラメータとしてそれらの補正値を算出するよう構成されたモータ定数補正部を有していることを特徴とする請求項２記載のモータ制御装置。
　前記モータパラメータ補正部は、
　前記可変界磁モータにおける前記磁極部の磁極位置を前記モータパラメータとしてその差分補正量を算出するよう構成された磁極位置補正部を有していることを特徴とする請求項３記載のモータ制御装置。
　前記モータパラメータ補正部は、
　前記界磁率の入力に対して経時的に遅れて前記モータパラメータを補正させるよう構成された遅れ要素を有していることを特徴とする請求項４記載のモータ制御装置。
　前記モータパラメータ補正部は、
　前記界磁率に基づいてテーブル換算又は近似式演算により前記モータパラメータを補正するよう構成されていることを特徴とする請求項５記載のモータ制御装置。
　前記トルク指令と、前記モータパラメータ補正部が補正した前記モータパラメータに基づいてｄ軸電流指令を生成するよう構成された高効率制御部を有していることを特徴とする請求項６記載のモータ制御装置。
　前記高効率制御部が生成した前記ｄ軸電流指令、前記モータパラメータ補正部が補正した前記モータパラメータ、及び前記トルク指令に基づいてｑ軸電流指令を生成するよう構成されたＩｑ指令生成部を有していることを特徴とする請求項７記載のモータ制御装置。
　前記高効率制御部が生成した前記ｄ軸電流指令、前記Ｉｑ指令生成部が生成した前記ｑ軸電流指令、ｄ軸入力電流、ｑ軸入力電流、及び前記モータパラメータ補正部が補正した前記モータパラメータに基づいて３相入力電圧を制御するよう構成された電流制御部を有していることを特徴とする請求項８記載のモータ制御装置。
　界磁磁束を可変させる可変界磁機構を有する可変界磁モータの駆動を制御するモータ制御方法であって、
　前記可変界磁モータの界磁率を算出することと、
　算出された前記界磁率に基づいて前記可変界磁モータのモータパラメータを補正することと、
を実行することを特徴とするモータ制御方法。