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JP7719482B2 - AC motor control device and control method - Google Patents
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JP7719482B2 - AC motor control device and control method - Google Patents

AC motor control device and control method

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JP7719482B2 JP2021092262A JP2021092262A JP7719482B2 JP 7719482 B2 JP7719482 B2 JP 7719482B2 JP 2021092262 A JP2021092262 A JP 2021092262A JP 2021092262 A JP2021092262 A JP 2021092262A JP 7719482 B2 JP7719482 B2 JP 7719482B2
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  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

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特許法第30条第2項適用 1.発明の公開日(ウェブサイトからダウンロードが可能となった日) 令和 3年 5月30日 2.ウェブサイトのアドレス https://www.bookpark.ne.jp/cm/ieej/detail/IEEJ-20210602X11201-PRT/ 3.発明の公開者名 長谷川 勝、河村 尚輝、片瀬 貴也 4.発明の内容 トルク応答を指定する永久磁石同期電動機のトルク制御法Article 30, paragraph 2 of the Patent Act applies 1. Publication date of the invention (date when it became available for download from the website): May 30, 2021 2. Website address: https://www.bookpark.ne.jp/cm/ieej/detail/IEEJ-20210602X11201-PRT/ 3. Names of the people who published the invention: Masaru Hasegawa, Naoki Kawamura, Takaya Katase 4. Contents of the invention: Torque control method for a permanent magnet synchronous motor that specifies torque response

本発明は、交流電動機の制御装置および制御方法に関するものである。 The present invention relates to a control device and control method for an AC motor.

交流電動機の制御装置や制御方法として、例えば、下記特許文献1,2に開示されている「モータ制御装置、モータ制御方法」や「交流電動機の制御装置」がある。この種の装置等では、例えば、交流電動機に対して電流ベクトル制御が行われる。電流ベクトル制御では、交流電動機の各相に出力される電流を、交流電動機にトルクを発生させるq軸の電流成分と、交流電動機の回転子に磁束を発生させるd軸の電流成分とにベクトル分解し、それぞれを独立に制御を行う。そのため、交流電動機の各相または任意相に流れる電流の情報は、d軸電流とq軸電流に相数変換された後、フィードバックされて制御に使用される(特許文献1;図1,7、特許文献2;図5,6)。なお、本明細書においては交流電動機のことを単に「モータ」と表現する場合がある。 Control devices and control methods for AC motors include the "Motor Control Device and Motor Control Method" and "AC Motor Control Device" disclosed in Patent Documents 1 and 2 below. In these types of devices, for example, current vector control is performed on the AC motor. In current vector control, the current output to each phase of the AC motor is vector-decomposed into a q-axis current component that generates torque in the AC motor and a d-axis current component that generates magnetic flux in the rotor of the AC motor, and each is controlled independently. Therefore, information on the current flowing through each phase or any phase of the AC motor is converted into d-axis current and q-axis current, then fed back and used for control (Patent Document 1: Figures 1 and 7; Patent Document 2: Figures 5 and 6). Note that throughout this specification, AC motors may be simply referred to as "motors."

特開2004-180441号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-180441 特開2014-113026号公報JP 2014-113026 A

中山陽介、道木慎二「インバータ過変調領域でのPMSMベクトル制御を可能とする帯域除去フィルタの設計」、電気学会論文誌D、Vol.138 No.11 pp.884-893、2018年Yosuke Nakayama and Shinji Michiki, "Design of a Band-Rejection Filter for PMSM Vector Control in Inverter Overmodulation Region," IEEJ Transactions on Power Systems, Vol. 138, No. 11, pp. 884-893, 2018

ところで、このような制御が行われる交流電動機は、典型的には、電気自動車を代表例とする移動体の動力源に用いられる。そのため、交流電動機に対する交流電力の供給では、バッテリや電圧コンバータ等の直流電圧源から出力された直流電力を交流電力に変換するインバータが使用される。インバータは、制御装置により制御されるが、直流電圧源の出力電圧を超える電圧を出力することはできない。インバータが出力可能な電圧の限界値(出力限界電圧)に起因して、制御装置で行われる電流ベクトル制御では、下記のような問題が生じ得る。なお、ここでは交流電動機は三相交流モータであることを前提とする。 However, AC motors controlled in this way are typically used as power sources for mobile objects, a representative example of which is an electric vehicle. Therefore, to supply AC power to an AC motor, an inverter is used, which converts DC power output from a DC voltage source such as a battery or voltage converter into AC power. The inverter is controlled by a control device, but it cannot output a voltage that exceeds the output voltage of the DC voltage source. Due to the limit value of the voltage that the inverter can output (output limit voltage), the following problems can arise with current vector control performed by the control device. Note that this discussion assumes that the AC motor is a three-phase AC motor.

(1) 特許文献1の図2に示されているように、三相交流モータの各相(U,V,W相)の電圧軸を表した静止座標系と、モータに供給される電圧を直交二軸(d,q軸)のベクトル空間で表した回転座標系との関係を示す電圧ベクトル図においては、モータに供給可能な電圧V_maxの範囲が六角形で表現される。つまり、この六角形はインバータの出力限界電圧を表す。そのため、制御装置は、インバータの出力電圧が六角形の各辺に相当する境界まで到達するようにインバータを制御するのが望ましいものの、それには各辺に適合した複雑なリミッタ制御を可能にするアルゴリズムが必要になる。したがって、このような演算処理に要する時間が制御指令に対する応答速度の低下を招き得る。 (1) As shown in Figure 2 of Patent Document 1, in a voltage vector diagram showing the relationship between a stationary coordinate system representing the voltage axes of each phase (U, V, W) of a three-phase AC motor and a rotating coordinate system representing the voltage supplied to the motor in a vector space of two orthogonal axes (d and q axes), the range of voltage V_max that can be supplied to the motor is expressed as a hexagon. In other words, this hexagon represents the inverter's output voltage limit. Therefore, while it is desirable for the control device to control the inverter so that the inverter's output voltage reaches the boundaries corresponding to each side of the hexagon, this requires an algorithm that enables complex limiter control that is tailored to each side. Therefore, the time required for such calculation processing can lead to a decrease in the response speed to control commands.

(2) このため、特許文献1の制御装置では、六角形の内接円C_2を超えた六角形内の過変調領域においては、内接円C_2を超えたd軸電圧の不足分Vdnを演算してq軸電流指令値を補正する処理が行われる。このような過変調領域で行われる、d軸優先制御や襷(たすき)掛け電流制御は演算処理が複雑になりやすい。また電流ベクトル制御では、特許文献1の図1や図7に示されているように、d軸電流およびq軸電流はいずれもPI制御(d軸電流制御器、q軸電流制御器)により生成され、その処理には積分器等による積分演算が伴うことが多い。したがって、これらの演算処理も結局は制御の応答速度の低下に繋がり得る。 (2) For this reason, in the control device of Patent Document 1, in the overmodulation region within the hexagon beyond the inscribed circle C_2 of the hexagon, the d-axis voltage shortfall Vdn beyond the inscribed circle C_2 is calculated and the q-axis current command value is corrected. The d-axis priority control and sash current control performed in such an overmodulation region tend to require complex calculations. Furthermore, in current vector control, as shown in Figures 1 and 7 of Patent Document 1, both the d-axis current and the q-axis current are generated by PI control (d-axis current controller, q-axis current controller), and this processing often involves integral calculations using an integrator or the like. Therefore, these calculation processes can ultimately lead to a decrease in the control response speed.

(3) また、上記の非特許文献1に示すように、過変調領域におけるインバータ制御においては制御装置でフィードバックされる電流に様々な高調波が含まれることが知られている(非特許文献1のFig.1やFig.6等)。これらの高調波が外乱としてフィードバック電流に重畳した場合には、モータ制御が不安定になったり制御性能が劣化したりし得ることから、当該高調波をフィルタで除去する構成が採用されることが多い。しかし、このようなフィルタ処理には、一般的に積分器等による積分演算が含まれるため、積分演算に伴う遅延時間が制御の応答速度を低下させ得る。 (3) Furthermore, as shown in the above-mentioned Non-Patent Document 1, it is known that in inverter control in the overmodulation region, various harmonics are contained in the current fed back by the control device (see, for example, Figs. 1 and 6 of Non-Patent Document 1). If these harmonics are superimposed on the feedback current as disturbances, motor control may become unstable or control performance may deteriorate. Therefore, a configuration is often adopted in which these harmonics are removed using a filter. However, such filtering generally involves integral calculations using an integrator or the like, and the delay time associated with these integral calculations can reduce the response speed of the control.

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、制御の応答速度の低下を抑制し得る交流電動機の制御装置および制御方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and aims to provide a control device and control method for an AC motor that can suppress a decrease in control response speed.

交流電動機が埋込構造永久磁石同期電動機(IPMSM:Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)である場合には、dq回転座標系におけるIPMSMの電圧方程式(d軸電圧vd,q軸電圧vq)は次の式(1)により表されることが知られている。 When the AC motor is an Interior Permanent Magnet Synchronous Motor (IPMSM), it is known that the voltage equation of the IPMSM in the dq rotating coordinate system (d-axis voltage v d , q-axis voltage v q ) can be expressed by the following equation (1):

R,Ld,Lq,keは、交流電動機に固有のパラメータであり、Rは交流電動機を構成する各相のコイルの巻線抵抗、Ldはd軸等価コイルのインダクタンス、Lqはq軸等価コイルのインダクタンス、keは逆起電力定数である。また、idはd軸電流、iqはq軸電流、ωreは交流電動機の出力軸の電気角速度である。 R, Ld , Lq , and k e are parameters specific to an AC motor, where R is the winding resistance of the coils of each phase that make up the AC motor, Ld is the inductance of the d-axis equivalent coil, Lq is the inductance of the q-axis equivalent coil, k e is the back electromotive force constant, i d is the d-axis current, i q is the q-axis current, and ω re is the electrical angular velocity of the output shaft of the AC motor.

上記の式(1)に基づいてd軸電流idおよびq軸電流iqをそれぞれ時間で微分すると、次の式(2),(3)が得られ、また交流電動機の出力軸のトルク(出力トルク)τは、式(4)により表される。なお、Pは交流電動機の極対数である。
If the d-axis current i d and the q-axis current i q are differentiated with respect to time based on the above equation (1), the following equations (2) and (3) are obtained, and the torque (output torque) τ of the output shaft of the AC motor is expressed by equation (4), where P is the number of pole pairs of the AC motor.

このようにIPMSMの数学モデルは、上記3つの式(2)~(4)により表現することが可能であり、その出力トルクτは上記式(4)により表される。そのため、交流電動機の電流ベクトル制御においては上記式(1),(2)に基づく制御が行われている。即ち、電流ベクトル制御では、交流電動機に流れる交流電流(モータ電流)の情報をセンサにより検出しそれをフィードバックさせてモータ電流を指令電流値に一致させ得るようにPI(比例積分)制御を行うことによって、目標の出力トルクを得る。したがって、IPMSMの交流電動機は、図1(A)に示すような電動機モデルとして表すことができる。 In this way, the mathematical model of an IPMSM can be expressed using the three equations (2) to (4) above, and its output torque τ is expressed by equation (4) above. Therefore, current vector control of an AC motor is performed based on equations (1) and (2) above. That is, in current vector control, information about the AC current (motor current) flowing through the AC motor is detected by a sensor and fed back to perform PI (proportional-integral) control so that the motor current matches the command current value, thereby obtaining the target output torque. Therefore, an IPMSM AC motor can be represented by the motor model shown in Figure 1(A).

図1(A)において、Rは交流モータ50(交流電動機)を構成する各相のコイルの巻線抵抗であり、Lはそれらのコイルのインダクタンスである。sはラプラス演算子である。また、vは同コイルに印加される交流電圧であり、iは同コイルに流れるモータ電流である。τは交流モータ50の出力トルクである。f(i)はコイルの各相に流れる交流電流iを出力トルクτに変換する所定の伝達関数である。なお、dq回転座標系の場合には、vはvd,qであり、iはid,qである。また、本明細書や図面では、vd,qやiu,v,wのように下付きの添え字において、カンマ「,」で区切られた二文字や三文字を記載する場合があるが、これは、本来、添え字が付けられる文字にこれらの添え字を一文字ずつ付すべきところ、そのような表記を省略したことを表している(例えば、vd,qは、vdとvqを意味する)。 In FIG. 1A , R is the winding resistance of the coil of each phase that constitutes the AC motor 50 (AC electric motor), and L is the inductance of the coil. s is the Laplace operator. Furthermore, v is the AC voltage applied to the coil, and i is the motor current flowing through the coil. τ is the output torque of the AC motor 50. f(i) is a predetermined transfer function that converts the AC current i flowing through each phase of the coil into the output torque τ. In the case of a dq rotating coordinate system, v is v d,q , and i is i d,q . In addition, in this specification and drawings, subscripts such as v d,q and i u,v,w may have two or three letters separated by a comma (,). This indicates that these subscripts should be added one by one to the letter to which the subscript is attached, but this notation has been omitted (for example, v d,q means v d and v q ).

より具体的には、図24に示すように、モータシステム100において交流モータ130に対して電流ベクトル制御を行う場合には、電流センサ140により検出されたモータ電流iu,v,wに対して座標および相数を変換した後、制御装置110にフィードバックする(id,iq)。制御装置110では、外部から入力されたトルク指令値τ*に基づいてd,q軸電流指令値i* d,i* qを電流指令生成部111により生成するとともにフィードバック入力される電流情報id,iqがd,q軸電流指令値i* d,i* qに近づくようにPI制御されたd,q軸電圧指令値v* d,v* qをd軸電流PI制御部112とq軸電流PI制御部113とにより生成する。生成された電圧指令値v* d,v* qは、座標・相数変換部115により座標および相数が変換されて電圧指令値v* u,v,wとしてインバータ120に出力される。そして、電圧指令値v* u,v,wに従ってスイッチング制御されたインバータ120から交流電圧vu,v,wが出力されて交流モータ130に供給される。 24 , when current vector control is performed on an AC motor 130 in a motor system 100, coordinates and phase numbers of motor currents iu ,v,w detected by a current sensor 140 are converted and then fed back to a control device 110 (i d , i q ). In the control device 110, a current command generator 111 generates d- and q-axis current command values i * d , i * q based on an externally input torque command value τ * , and a d-axis current PI controller 112 and a q-axis current PI controller 113 generate d- and q -axis voltage command values v * d, v * q that are PI-controlled so that the feedback-input current information i d, iq approaches the d- and q-axis current command values i * d , i * q . The generated voltage command values v * d , v * q are converted in coordinate and phase number by a coordinate/phase number converter 115 and output to an inverter 120 as voltage command values v * u,v,w . Then, AC voltages v u,v,w are output from the inverter 120 that is switching controlled in accordance with the voltage command values v* u,v,w and supplied to the AC motor 130 .

しかし、このような交流電動機の典型的な制御方式とも言える電流ベクトル制御では、PI制御を行う必要から制御処理の過程において遅延要因となる積分演算を欠くことができない。図24の構成例では、d軸電流PI制御部112およびq軸電流PI制御部113において積分演算が必ず行われることから、積分演算に伴う遅延時間がトルク指令に対する応答速度を低下させてしまう。つまり、交流電動機の電流ベクトル制御は、積分器等による積分演算が含まれる限り制御の応答速度の低下の抑制に限界がある。 However, current vector control, which can be said to be a typical control method for such AC motors, requires PI control, and therefore requires integral calculations, which cause delays in the control process. In the configuration example shown in Figure 24, integral calculations are always performed in the d-axis current PI control unit 112 and the q-axis current PI control unit 113, and the delay time associated with these integral calculations reduces the response speed to torque commands. In other words, current vector control of AC motors has limitations in preventing a decrease in control response speed as long as it includes integral calculations using integrators, etc.

このため、図24に示す比較例のモータシステム100のように電流ベクトル制御を行った場合の計算機シミュレーションの結果によると、図25(A)に示すように、入力されたトルク指令値τ*に対して交流モータ130の出力軸から出力されるトルク(出力トルク)τには、応答速度の低下に伴うオーバーシュートが生じ得ることがわかる(同図に示す破線楕円内)。また、図25(B)に示すように、d軸やq軸電流id,iqにおいても応答遅延によるオーバーシュートが生じ得ることがわかる。なお、同図において、τの上のハット(∧)記号はそのτが計算により得られた推定値であることを表す。 For this reason, according to the results of a computer simulation when current vector control is performed as in the comparative motor system 100 shown in Figure 24, it can be seen that, as shown in Figure 25(A), the torque (output torque) τ output from the output shaft of the AC motor 130 in response to the input torque command value τ * can overshoot due to a decrease in response speed (indicated by the dashed ellipse in the figure). Furthermore, as shown in Figure 25(B), it can be seen that overshoot due to response delay can also occur in the d-axis and q-axis currents i d and i q . Note that in the figure, the hat (^) symbol above τ indicates that τ is an estimated value obtained by calculation.

そこで、本願発明者らは、出力トルクτに対するトルク微分値τdotに着目して、交流電動機を図1(B)に示すような電動機モデルとして捉えた。同図において、v(dq回転座標系のvd,q)は交流モータ50(交流電動機)を構成する各相のコイルに印加される交流電圧であり、g(v)はコイルの各相に印加される交流電圧vをトルク微分値τdotに変換する伝達関数である。なお、同図において、τの上のドット「・」記号は時間微分の表記であり、明細書におけるτdotの「dot」と同義の表記である(以下同じ)。 Therefore, the inventors of the present application focused on the torque differential value τdot with respect to the output torque τ and viewed the AC motor as a motor model as shown in Figure 1(B). In this figure, v (vd ,q in the dq rotating coordinate system) is the AC voltage applied to the coil of each phase that constitutes the AC motor 50 (AC motor), and g(v) is a transfer function that converts the AC voltage v applied to the coil of each phase into the torque differential value τdot. In this figure, the dot symbol "·" above τ denotes time differentiation and is synonymous with the "dot" symbol in τdot in the specification (the same applies hereinafter).

図1(B)に示す電動機モデルのg(v)は次のように求められる。即ち、上記の式(4)を時間微分すると次式(5)が得られるため、それに上記の式(2),(3)を代入すると式(6)が得られ、さらにその式(6)をd軸電圧vdとq軸電圧vqについて整理すると、g(v)として式(7)が得られる。なお、この式(7)により表されるg(v)は、特許請求の範囲に記載の「所定関数」に相当し得るものである。
ただし、A( d, q),B( d, q),C( d, qre)は、
g(v) of the motor model shown in Figure 1(B) can be calculated as follows: By differentiating the above equation (4) with respect to time, the following equation (5) is obtained. Substituting the above equations (2) and (3) into this equation gives equation (6), which is then rearranged with respect to the d-axis voltage vd and the q-axis voltage vq to obtain equation (7) for g(v). Note that g(v) expressed by equation (7) may correspond to the "predetermined function" described in the claims.
However, A( i d , i q ), B( i d , i q ), and C( i d , i qre ) are

上記の式(6)や式(7)は、電圧に関して時変係数を有する線形関数になることから、電圧を操作するだけでトルク微分値を管理することが可能になる。つまり、電流制御を行うことなく、積分器等の積分要素を備えることなく、交流モータ50(交流電動機)の出力トルクτを制御することができる。また、トルク微分値のフィードフォワード制御も可能になる。以下、このようなトルク応答管理型の電圧ベクトル制御のことを「本電圧ベクトル制御」という。 Since the above equations (6) and (7) are linear functions with time-varying coefficients for voltage, it is possible to manage the torque differential value simply by manipulating the voltage. In other words, the output torque τ of the AC motor 50 (AC electric motor) can be controlled without current control or an integral element such as an integrator. Feedforward control of the torque differential value is also possible. Hereinafter, this type of torque response management type voltage vector control will be referred to as "this voltage vector control."

このような技術的根拠に基づいて、上記目的を達成するため、特許請求の範囲に記載された請求項の技術的手段を採用する。この手段によると、交流電動機の制御方法の発明は、交流電動機に三相交流電力を供給可能なインバータに対して前記交流電動機に出力すべき交流電圧の電圧指令値を出力するものであって、電圧指令値は、交流電動機に要求される出力トルクの時間微分値であり指令値として入力され上記の式(7),(8)で表されるトルク微分値、つまりトルク微分指令値に基づいて生成される。 Based on such technical grounds , in order to achieve the above object, the present invention employs the technical means of claim 7. According to this means, the invention of a control method for an AC motor outputs a voltage command value of an AC voltage to be output to an AC motor to an inverter capable of supplying three-phase AC power to the AC motor, and the voltage command value is a time differential value of an output torque required of the AC motor, and is input as a command value and is generated based on the torque differential value expressed by the above equations (7) and (8), i.e., the torque differential command value.

これにより、交流電動機の制御装置または交流電動機の制御方法の発明では、上述のように、電流制御を行うことなく、トルク微分指令値に基づいて、交流電動機の出力トルクを制御する(出力トルクの定値制御を行う)ことが可能になることから、例えば、一般的な電流ベクトル制御において行われるようなPI制御処理(図24に示す符号112,113)における積分演算を必要としない。 As a result, in the invention of the AC motor control device or AC motor control method, as described above, it is possible to control the output torque of the AC motor (perform constant value control of the output torque) based on the torque differential command value without performing current control, and therefore, for example, there is no need for integral calculations in the PI control processing (reference numerals 112 and 113 in Figure 24) that are performed in general current vector control.

また、特許請求の範囲に記載された請求項の技術的手段を採用する。この手段によると、交流電動機の制御装置の発明は、交流電動機に三相交流電力を供給可能なインバータに対して交流電動機に出力すべき交流電圧の電圧指令値を出力するものであって、電圧指令値は、交流電動機に要求される出力トルクの時間微分値であり指令値として入力され上記の式(7),(8)で表されるトルク微分値に基づいて生成される。また、電圧情報生成部と座標変換部と電圧指令値出力部を有し、トルク微分値に基づいて交流電動機の回転座標系の直交二軸に対応する回転座標系電圧情報を生成し、交流電動機の出力軸の回転角に基づいて回転座標系電圧情報を回転座標系から静止座標系の直交二軸に対応する静止座標系電圧情報に変換する。そして、当該静止座標系電圧情報で表される電圧ベクトルがインバータの出力限界電圧の範囲内にある場合には静止座標系電圧情報を電圧指令値としてインバータに対して出力し、電圧ベクトルが出力限界電圧の範囲外にある場合には出力限界電圧の範囲内に収まる大きさに変更した変更後電圧ベクトルを表す静止座標系電圧情報を電圧指令値としてインバータに対して出力する。なお、電圧指令値の相数を交流電動機の相数に適合させる相数変換部を介して出力する場合もある。これにより、トルク微分指令値に基づく出力トルクの定値制御として、静止座標系電圧情報で表される電圧ベクトルがインバータの出力限界電圧の範囲内にある場合には静止座標系電圧情報を電圧指令値としてインバータに対して出力し、電圧ベクトルが出力限界電圧の範囲外にある場合には出力限界電圧の範囲内に収まる大きさに変更した変更後電圧ベクトルを表す静止座標系電圧情報を電圧指令値としてインバータに対して出力する。 The present invention also employs the technical means of claim 1. According to this means, a control device for an AC motor outputs a voltage command value of an AC voltage to be output to an inverter capable of supplying three-phase AC power to the AC motor. The voltage command value is a time derivative of an output torque required of the AC motor and is input as a command value and generated based on a torque differential value expressed by the above equations (7) and (8). The control device also includes a voltage information generation unit, a coordinate conversion unit, and a voltage command value output unit, and generates rotating coordinate system voltage information corresponding to two orthogonal axes of a rotating coordinate system of the AC motor based on the torque differential value, and converts the rotating coordinate system voltage information from the rotating coordinate system to stationary coordinate system voltage information corresponding to the two orthogonal axes of a stationary coordinate system based on the rotation angle of the output shaft of the AC motor. If a voltage vector represented by the stationary coordinate system voltage information is within a range of an output voltage limit of the inverter, the stationary coordinate system voltage information is output to the inverter as a voltage command value. If the voltage vector is outside the range of the output voltage limit, the stationary coordinate system voltage information representing a changed voltage vector, which has been changed to a size within the range of the output voltage limit, is output to the inverter as a voltage command value. In some cases, the voltage command value is output via a phase number conversion unit that adapts the number of phases of the voltage command value to the number of phases of the AC motor. As a result, as constant value control of the output torque based on the torque differential command value, when the voltage vector represented by the stationary coordinate system voltage information is within the range of the inverter's output limit voltage, the stationary coordinate system voltage information is output to the inverter as a voltage command value, and when the voltage vector is outside the range of the output limit voltage, stationary coordinate system voltage information representing a changed voltage vector whose size is changed to fit within the range of the output limit voltage is output to the inverter as a voltage command value.

また、特許請求の範囲に記載された請求項の技術的手段を採用する。この手段によると、交流電動機の制御装置の発明は、交流電動機に三相交流電力を供給可能なインバータに対して交流電動機に出力すべき交流電圧の電圧指令値を出力するものであって、電圧指令値は、交流電動機に要求される出力トルクの時間微分値であり指令値として入力されるトルク微分値に基づいて生成される。また、電圧情報生成部と座標変換部と電圧指令値出力部を有し、トルク微分値に基づいて交流電動機の回転座標系の直交二軸に対応する回転座標系電圧情報を生成し、交流電動機の出力軸の回転角に基づいて回転座標系電圧情報を回転座標系から静止座標系の直交二軸に対応する静止座標系電圧情報に変換する。そして、当該静止座標系電圧情報で表される電圧ベクトルがインバータの出力限界電圧の範囲内にある場合には静止座標系電圧情報を電圧指令値としてインバータに対して出力し、電圧ベクトルが出力限界電圧の範囲外にある場合には出力限界電圧の範囲内に収まる大きさに変更した変更後電圧ベクトルを表す静止座標系電圧情報を電圧指令値としてインバータに対して出力する。なお、電圧指令値の相数を交流電動機の相数に適合させる相数変換部を介して出力する場合もある。そして、回転座標系の二軸が交流電動機を構成する回転子の磁極方向に平行なd軸とこのd軸に直交するq軸である場合、つまりdq回転座標系においては、電圧情報生成部は、「トルク微分値、d軸電流、q軸電流および出力軸の角速度」を含む所定関数で表される直線に対して、最短距離で交わるその交点までの大きさを有する電圧ベクトルの座標情報を回転座標系電圧情報として生成する。これにより、電圧ベクトルとして電圧振幅が最小値のものが得られるため、トルク微分指令値に対応した最小電圧(最小電圧振幅)の電圧指令値をイ ンバータに出力することが可能になる。 The present invention also employs the technical means of claim 2. According to this means, a control device for an AC motor outputs a voltage command value of an AC voltage to be output to an inverter capable of supplying three-phase AC power to the AC motor. The voltage command value is generated based on a torque differential value, which is a time differential value of output torque required of the AC motor and is input as a command value. The control device also includes a voltage information generation unit, a coordinate conversion unit, and a voltage command value output unit, and generates rotating coordinate system voltage information corresponding to two orthogonal axes of a rotating coordinate system of the AC motor based on the torque differential value, and converts the rotating coordinate system voltage information from the rotating coordinate system to stationary coordinate system voltage information corresponding to the two orthogonal axes of a stationary coordinate system based on the rotation angle of the output shaft of the AC motor. If a voltage vector represented by the stationary coordinate system voltage information is within an output voltage limit range of the inverter, the stationary coordinate system voltage information is output to the inverter as a voltage command value. If the voltage vector is outside the output voltage limit range, the stationary coordinate system voltage information representing a changed voltage vector, which has been changed to a size within the output voltage limit range, is output to the inverter as a voltage command value. In some cases, the voltage command value is output via a phase number converter that adapts the number of phases of the AC motor. When the two axes of the rotating coordinate system are a d-axis parallel to the magnetic pole direction of a rotor constituting the AC motor and a q-axis perpendicular to the d-axis, i.e., in a dq rotating coordinate system, the voltage information generator generates, as rotating coordinate system voltage information, coordinate information of a voltage vector having a magnitude up to the shortest intersection point of a line expressed by a predetermined function including "torque differential value, d-axis current, q-axis current, and angular velocity of the output shaft." This provides a voltage vector with a minimum voltage amplitude, making it possible to output a voltage command value with a minimum voltage (minimum voltage amplitude) corresponding to the torque differential command value to the inverter.

また、特許請求の範囲に記載された請求項の技術的手段を採用する。この手段によると、交流電動機の制御装置の発明は、交流電動機に三相交流電力を供給可能なインバータに対して交流電動機に出力すべき交流電圧の電圧指令値を出力するものであって、電圧指令値は、交流電動機に要求される出力トルクの時間微分値であり指令値として入力されるトルク微分値に基づいて生成される。また、電圧情報生成部と座標変換部と電圧指令値出力部を有し、トルク微分値に基づいて交流電動機の回転座標系の直交二軸に対応する回転座標系電圧情報を生成し、交流電動機の出力軸の回転角に基づいて回転座標系電圧情報を回転座標系から静止座標系の直交二軸に対応する静止座標系電圧情報に変換する。そして、当該静止座標系電圧情報で表される電圧ベクトルがインバータの出力限界電圧の範囲内にある場合には静止座標系電圧情報を電圧指令値としてインバータに対して出力し、電圧ベクトルが出力限界電圧の範囲外にある場合には出力限界電圧の範囲内に収まる大きさに変更した変更後電圧ベクトルを表す静止座標系電圧情報を電圧指令値としてインバータに対して出力する。なお、電圧指令値の相数を交流電動機の相数に適合させる相数変換部を介して出力する場合もある。そして、回転座標系の二軸が交流電動機を構成する回転子の磁極方向に平行なd軸とこのd軸に直交するq軸である場合、つまりdq回転座標系においては、電圧情報生成部は、トルク微分値、d軸電流、q軸電流、出力軸の角速度、およびMTPA(Maximum Torque Per Ampere)制御におけるd軸電流の時間微分指令値に基づいて、回転座標系電圧情報を生成する。これにより、インバータの出力電流に対して交流電動機の出力トルクが最大になる電圧ベクトルが得られるため、トルク微分指令値に対応した出力トルクの効率が最も良い電圧指令値をインバータに出力することが可能になる。 The present invention also employs the technical means of claim 3. According to this means, a control device for an AC motor outputs a voltage command value of an AC voltage to be output to an inverter capable of supplying three-phase AC power to the AC motor. The voltage command value is generated based on a torque differential value, which is a time differential value of output torque required of the AC motor and is input as a command value. The control device also includes a voltage information generation unit, a coordinate conversion unit, and a voltage command value output unit, and generates rotating coordinate system voltage information corresponding to two orthogonal axes of a rotating coordinate system of the AC motor based on the torque differential value, and converts the rotating coordinate system voltage information from the rotating coordinate system to stationary coordinate system voltage information corresponding to the two orthogonal axes of a stationary coordinate system based on the rotation angle of the output shaft of the AC motor. If a voltage vector represented by the stationary coordinate system voltage information is within an output limit voltage range of the inverter, the stationary coordinate system voltage information is output to the inverter as a voltage command value. If the voltage vector is outside the output limit voltage range, the stationary coordinate system voltage information representing a changed voltage vector, which has been changed to a size within the output limit voltage range, is output to the inverter as a voltage command value. In some cases, the voltage command value is output via a phase number converter that adapts the number of phases of the AC motor. When the two axes of the rotating coordinate system are a d-axis parallel to the magnetic pole direction of the rotor constituting the AC motor and a q-axis perpendicular to the d-axis, i.e., in a dq rotating coordinate system, the voltage information generator generates rotating coordinate system voltage information based on the torque differential, the d-axis current, the q-axis current, the angular velocity of the output shaft, and a time differential command value of the d-axis current in maximum torque per ampere (MTPA) control. This allows a voltage vector to be obtained that maximizes the output torque of the AC motor relative to the inverter's output current, making it possible to output to the inverter a voltage command value that provides the most efficient output torque corresponding to the torque differential command value.

また、特許請求の範囲に記載された請求項の技術的手段を採用する。この手段によると、交流電動機の制御装置の発明は、交流電動機に三相交流電力を供給可能なインバータに対して交流電動機に出力すべき交流電圧の電圧指令値を出力するものであって、電圧指令値は、交流電動機に要求される出力トルクの時間微分値であり指令値として入力されるトルク微分値に基づいて生成される。また、電圧情報生成部と座標変換部と電圧指令値出力部を有し、トルク微分値に基づいて交流電動機の回転座標系の直交二軸に対応する回転座標系電圧情報を生成し、交流電動機の出力軸の回転角に基づいて回転座標系電圧情報を回転座標系から静止座標系の直交二軸に対応する静止座標系電圧情報に変換する。そして、当該静止座標系電圧情報で表される電圧ベクトルがインバータの出力限界電圧の範囲内にある場合には静止座標系電圧情報を電圧指令値としてインバータに対して出力し、電圧ベクトルが出力限界電圧の範囲外にある場合には出力限界電圧の範囲内に収まる大きさに変更した変更後電圧ベクトルを表す静止座標系電圧情報を電圧指令値としてインバータに対して出力する。なお、電圧指令値の相数を交流電動機の相数に適合させる相数変換部を介して出力する場合もある。そして、電圧ベクトルが出力限界電圧の範囲外にある場合、電圧指令値出力部は、変更後電圧ベクトルが出力限界電圧の範囲内に収まるまでトルク微分値を減少させる。これにより、電圧ベクトルが出力限界電圧の範囲外にある場合、つまり実現不可能な電圧指令値が要求された場合、出力限界電圧の範囲内に収まるまでトルク微分値が減少するので、電圧指令値出力部は、積分演算を行うことなく、実現可能な電圧指令値をインバータに対して出力することが可能になる。 The present invention also employs the technical means of claim 4. According to this means, a control device for an AC motor outputs a voltage command value of an AC voltage to be output to an inverter capable of supplying three-phase AC power to the AC motor. The voltage command value is generated based on a torque differential value, which is a time differential value of output torque required of the AC motor and is input as a command value. The control device also includes a voltage information generation unit, a coordinate conversion unit, and a voltage command value output unit, and generates rotating coordinate system voltage information corresponding to two orthogonal axes of a rotating coordinate system of the AC motor based on the torque differential value, and converts the rotating coordinate system voltage information from the rotating coordinate system to stationary coordinate system voltage information corresponding to the two orthogonal axes of a stationary coordinate system based on the rotation angle of the output shaft of the AC motor. If a voltage vector represented by the stationary coordinate system voltage information is within an output limit voltage range of the inverter, the stationary coordinate system voltage information is output to the inverter as a voltage command value. If the voltage vector is outside the output limit voltage range, the stationary coordinate system voltage information representing a changed voltage vector, which has been changed to a size within the output limit voltage range, is output to the inverter as a voltage command value. In some cases, the voltage command value is output via a phase number conversion unit that adapts the number of phases of the voltage vector to the number of phases of the AC motor. If the voltage vector is outside the output limit voltage range, the voltage command value output unit reduces the torque differential value until the changed voltage vector falls within the output limit voltage range. As a result, if the voltage vector is outside the output limit voltage range, that is, if an unrealizable voltage command value is requested, the torque differential value is reduced until the voltage vector falls within the output limit voltage range, allowing the voltage command value output unit to output a realizable voltage command value to the inverter without performing an integral operation.

また、特許請求の範囲に記載された請求項の技術的手段を採用する。この手段によると、交流電動機の制御装置の発明は、交流電動機に三相交流電力を供給可能なインバータに対して交流電動機に出力すべき交流電圧の電圧指令値を出力するものであって、電圧指令値は、交流電動機に要求される出力トルクの時間微分値であり指令値として入力されるトルク微分値に基づいて生成される。また、電圧情報生成部と座標変換部と電圧指令値出力部を有し、トルク微分値に基づいて交流電動機の回転座標系の直交二軸に対応する回転座標系電圧情報を生成し、交流電動機の出力軸の回転角に基づいて回転座標系電圧情報を回転座標系から静止座標系の直交二軸に対応する静止座標系電圧情報に変換する。そして、当該静止座標系電圧情報で表される電圧ベクトルがインバータの出力限界電圧の範囲内にある場合には静止座標系電圧情報を電圧指令値としてインバータに対して出力し、電圧ベクトルが出力限界電圧の範囲外にある場合には出力限界電圧の範囲内に収まる大きさに変更した変更後電圧ベクトルを表す静止座標系電圧情報を電圧指令値としてインバータに対して出力する。なお、電圧指令値の相数を交流電動機の相数に適合させる相数変換部を介して出力する場合もある。そして、回転座標系の二軸が交流電動機を構成する回転子の磁極方向に平行なd軸とこのd軸に直交するq軸である場合、つまりdq回転座標系において、電圧ベクトルが出力限界電圧の範囲外にあるとき、つまり実現不可能な電圧指令値が要求されたとき、電圧指令値出力部は次の制御を行う。回転座標系において、「トルク微分値、d軸電流、q軸電流および出力軸の角速度」を含む所定関数で表される直線に対して、出力限界電圧の範囲を表す六角形を構成する6つの辺のうち最も平行に近い辺と、この所定関数で表される直線とが交わるときには、その交点まで延びる電圧ベクトルを変更後電圧ベクトルとし、当該変更後電圧ベクトルを表す静止座標系電圧情報を電圧指令値としてインバータに対して出力する。これにより、変更後電圧ベクトルは、出力限界電圧の範囲を表す六角形の6つの辺のうちの一辺に到達するので、電圧指令値出力部は、例えば、複雑な演算が必要なリミッタ制御等を用いることなく、また積分演算を行うことなく、実現可能な電圧指令値として最大値をインバータに対して出力することが可能になる。 The present invention also employs the technical means of claim 5. According to this means, a control device for an AC motor outputs a voltage command value of an AC voltage to be output to an inverter capable of supplying three-phase AC power to the AC motor. The voltage command value is generated based on a torque differential value, which is a time differential value of output torque required of the AC motor and is input as a command value. The control device also includes a voltage information generation unit, a coordinate conversion unit, and a voltage command value output unit, and generates rotating coordinate system voltage information corresponding to two orthogonal axes of a rotating coordinate system of the AC motor based on the torque differential value, and converts the rotating coordinate system voltage information from the rotating coordinate system to stationary coordinate system voltage information corresponding to the two orthogonal axes of a stationary coordinate system based on the rotation angle of the output shaft of the AC motor. If a voltage vector represented by the stationary coordinate system voltage information is within an output voltage limit range of the inverter, the stationary coordinate system voltage information is output to the inverter as a voltage command value. If the voltage vector is outside the output voltage limit range, the stationary coordinate system voltage information representing a changed voltage vector, which has been changed to a size within the output voltage limit range, is output to the inverter as a voltage command value. In some cases, the voltage command value is output via a phase number conversion unit that adapts the number of phases of the AC motor. When the two axes of the rotating coordinate system are a d-axis parallel to the magnetic pole direction of a rotor constituting the AC motor and a q-axis perpendicular to the d-axis in a dq rotating coordinate system, that is, when the voltage vector is outside the output limit voltage range, that is, when an unrealizable voltage command value is requested, the voltage command value output unit performs the following control: When, in the rotating coordinate system, a line expressed by a predetermined function including "the torque differential value, the d-axis current, the q-axis current, and the angular velocity of the output shaft" intersects with the line expressed by the predetermined function, the voltage vector extending to the intersection is determined as a modified voltage vector, and stationary coordinate system voltage information representing the modified voltage vector is output to the inverter as a voltage command value. As a result, the changed voltage vector reaches one of the six sides of the hexagon representing the range of the output limit voltage, so the voltage command value output unit can output the maximum value as a achievable voltage command value to the inverter without using, for example, limiter control that requires complex calculations, or without performing integral calculations.

また、特許請求の範囲に記載された請求項の技術的手段を採用する。この手段によると、交流電動機の制御装置の発明は、交流電動機に三相交流電力を供給可能なインバータに対して交流電動機に出力すべき交流電圧の電圧指令値を出力するものであって、電圧指令値は、交流電動機に要求される出力トルクの時間微分値であり指令値として入力されるトルク微分値に基づいて生成される。また、電圧情報生成部と座標変換部と電圧指令値出力部を有し、トルク微分値に基づいて交流電動機の回転座標系の直交二軸に対応する回転座標系電圧情報を生成し、交流電動機の出力軸の回転角に基づいて回転座標系電圧情報を回転座標系から静止座標系の直交二軸に対応する静止座標系電圧情報に変換する。そして、当該静止座標系電圧情報で表される電圧ベクトルがインバータの出力限界電圧の範囲内にある場合には静止座標系電圧情報を電圧指令値としてインバータに対して出力し、電圧ベクトルが出力限界電圧の範囲外にある場合には出力限界電圧の範囲内に収まる大きさに変更した変更後電圧ベクトルを表す静止座標系電圧情報を電圧指令値としてインバータに対して出力する。なお、電圧指令値の相数を交流電動機の相数に適合させる相数変換部を介して出力する場合もある。そして、回転座標系の二軸が交流電動機を構成する回転子の磁極方向に平行なd軸とこのd軸に直交するq軸である場合、つまりdq回転座標系において、電圧ベクトルが出力限界電圧の範囲外にあるとき、つまり実現不可能な電圧指令値が要求されたとき、電圧指令値出力部は次の制御を行う。回転座標系において、「トルク微分値、d軸電流、q軸電流および出力軸の角速度」を含む所定関数で表される直線に対して、出力限界電圧の範囲を表す六角形を構成する6つの辺のうち最も平行に近い辺と、この所定関数で表される直線とが交わらないときには、最も平行に近い辺の両端点を表す2つの電圧ベクトルのうちトルク微分値が大きい方の電圧ベクトルを変更後電圧ベクトルとし、当該変更後電圧ベクトルを表す静止座標系電圧情報を電圧指令値としてインバータに対して出力する。これにより、変更後電圧ベクトルは、出力限界電圧の範囲を表す六角形の6つの頂点のうちの一頂点に到達するので、電圧指令値出力部は、例えば、複雑な演算が必要なリミッタ制御等を用いることなく、また積分演算を行うことなく、実現可能な電圧指令値として最大値をインバータに対して出力することが可能になる。 The present invention also employs technical means according to claim 6. According to this means, a control device for an AC motor outputs a voltage command value of an AC voltage to be output to an inverter capable of supplying three-phase AC power to the AC motor. The voltage command value is generated based on a torque differential value, which is a time differential value of output torque required of the AC motor and is input as a command value. The control device also includes a voltage information generation unit, a coordinate conversion unit, and a voltage command value output unit, and generates rotating coordinate system voltage information corresponding to two orthogonal axes of a rotating coordinate system of the AC motor based on the torque differential value, and converts the rotating coordinate system voltage information from the rotating coordinate system to stationary coordinate system voltage information corresponding to the two orthogonal axes of a stationary coordinate system based on the rotation angle of the output shaft of the AC motor. If a voltage vector represented by the stationary coordinate system voltage information is within an output voltage limit range of the inverter, the stationary coordinate system voltage information is output to the inverter as a voltage command value. If the voltage vector is outside the output voltage limit range, the stationary coordinate system voltage information representing a changed voltage vector, which has been changed to a size within the output voltage limit range, is output to the inverter as a voltage command value. In some cases, the voltage command value is output via a phase number conversion unit that adapts the number of phases of the AC motor. When the two axes of the rotating coordinate system are a d-axis parallel to the magnetic pole direction of a rotor constituting the AC motor and a q-axis perpendicular to the d-axis in a dq rotating coordinate system, that is, when the voltage vector is outside the output limit voltage range, i.e., when an unrealizable voltage command value is requested, the voltage command value output unit performs the following control. When the most parallel side of six sides constituting a hexagon representing the range of the output limit voltage does not intersect with a line expressed by a predetermined function including "torque differential value, d-axis current, q-axis current, and angular velocity of the output shaft" in the rotating coordinate system, the voltage vector with the larger torque differential value of the two voltage vectors representing the endpoints of the most parallel side is set as a modified voltage vector, and stationary coordinate system voltage information representing the modified voltage vector is output to the inverter as a voltage command value. As a result, the changed voltage vector reaches one of the six vertices of the hexagon representing the range of the output limit voltage, so the voltage command value output unit can output the maximum value as a achievable voltage command value to the inverter without using, for example, limiter control that requires complex calculations, or without performing integral calculations.

求項の発明では、電流制御を行うことなく、トルク微分指令値に基づく出力トルクの定値制御を行うことが可能になることから、例えば、一般的な電流ベクトル制御において行われるようなPI制御処理(図24に示す符号112,113)における積分演算を必要としない。したがって、積分演算に伴う遅延時間が生じないため、制御指令に対する応答速度の低下を抑制することができる。 In the seventh aspect of the present invention , constant value control of output torque based on a torque differential command value can be performed without current control, and therefore, for example, integral calculation in the PI control process (reference numerals 112 and 113 shown in FIG. 24) performed in general current vector control is not required. Therefore, since there is no delay time associated with integral calculation, it is possible to suppress a decrease in response speed to a control command.

請求項の発明では、トルク微分指令値に基づく出力トルクの定値制御として、静止座標系電圧情報で表される電圧ベクトルがインバータの出力限界電圧の範囲内にある場合には静止座標系電圧情報を電圧指令値としてインバータに対して出力し、電圧ベクトルが出力限界電圧の範囲外にある場合には出力限界電圧の範囲内に収まる大きさに変更した変更後電圧ベクトルを表す静止座標系電圧情報を電圧指令値としてインバータに対して出力する。したがって、静止座標系電圧情報で表される電圧ベクトルが出力限界電圧の範囲内にある場合は勿論のこと、出力限界電圧の範囲外にある場合においても、出力限界電圧の範囲内で静止座標系電圧情報を電圧指令値としてインバータに出力することができる。 In the invention of claim 1 , as constant value control of the output torque based on the torque differential command value, when a voltage vector represented by stationary coordinate system voltage information is within the inverter's output limit voltage range, stationary coordinate system voltage information is output to the inverter as a voltage command value, and when the voltage vector is outside the output limit voltage range, stationary coordinate system voltage information representing a changed voltage vector changed to a size that falls within the output limit voltage range is output to the inverter as a voltage command value. Therefore, not only when the voltage vector represented by the stationary coordinate system voltage information is within the output limit voltage range, but also when it is outside the output limit voltage range, the stationary coordinate system voltage information can be output to the inverter as a voltage command value within the output limit voltage range.

請求項の発明では、電圧ベクトルとして最小値のものが得られるため、トルク微分指令値に対応した最小電圧(最小電圧振幅)の電圧指令値をインバータに出力することが可能になる。したがって、例えば、インバータの出力電圧または交流電動機の入力電圧を、極力、小さくしたい等のニーズがある場合にそれを満たすことができる。 In the second aspect of the present invention, since the minimum value is obtained as the voltage vector, it is possible to output to the inverter a voltage command value with the minimum voltage (minimum voltage amplitude) corresponding to the torque differential command value, thereby satisfying, for example, the need to minimize the inverter output voltage or the AC motor input voltage.

請求項の発明では、インバータの出力電流に対して交流電動機の出力トルクが最大になる電圧ベクトルが得られるため、トルク微分指令値に対応した出力トルクの効率が最も良い電圧指令値をインバータに出力することが可能になる。したがって、MTPA制御にスムースに移行することが可能になるため、例えば、要求トルクに対してインバータの出力電流を最小限に抑えたい等のニーズがある場合にそれを満たすことができる。 In the third aspect of the present invention, a voltage vector that maximizes the output torque of the AC motor relative to the inverter output current can be obtained, making it possible to output to the inverter a voltage command value that provides the most efficient output torque corresponding to the torque differential command value. This allows for a smooth transition to MTPA control, thereby satisfying needs such as minimizing the inverter output current relative to the required torque.

請求項の発明では、電圧ベクトルが出力限界電圧の範囲外にある場合、つまり実現不可能な電圧指令値が要求された場合、出力限界電圧の範囲内に収まるまでトルク微分値が減少するので、電圧指令値出力部は、積分演算を行うことなく、実現可能な電圧指令値をインバータに対して出力することが可能になる。したがって、積分演算に伴う遅延時間が生じないため、制御指令に対する応答速度の低下を抑制することができる。 In the fourth aspect of the present invention, when the voltage vector is outside the output limit voltage range, i.e., when an unrealizable voltage command value is requested, the torque differential value is reduced until the voltage vector falls within the output limit voltage range, so that the voltage command value output unit can output a realizable voltage command value to the inverter without performing an integral calculation. Therefore, since there is no delay time associated with the integral calculation, it is possible to suppress a decrease in the response speed to the control command.

請求項の発明では、変更後電圧ベクトルは、出力限界電圧の範囲を表す六角形の一辺に到達するので、電圧指令値出力部は、例えば、複雑な演算が必要なリミッタ制御等を用いることなく、また積分演算を行うことなく、実現可能な電圧指令値として最大値をインバータに対して出力することが可能になる。したがって、複雑な演算や積分演算に伴う遅延時間が生じないため、制御指令に対する応答速度の低下を抑制することができる。 In the fifth aspect of the present invention, the post-change voltage vector reaches one side of the hexagon representing the range of the output limit voltage, so that the voltage command value output unit can output the maximum value as a achievable voltage command value to the inverter without using, for example, limiter control requiring complex calculations or performing integral calculations. Therefore, since there is no delay time associated with complex calculations or integral calculations, it is possible to suppress a decrease in the response speed to control commands.

請求項の発明では、変更後電圧ベクトルは、出力限界電圧の範囲を表す六角形の一頂点に到達するので、電圧指令値出力部は、例えば、複雑な演算が必要なリミッタ制御等を用いることなく、また積分演算を行うことなく、実現可能な電圧指令値として最大値をインバータに対して出力することが可能になる。したがって、複雑な演算や積分演算に伴う遅延時間が生じないため、制御指令に対する応答速度の低下を抑制することができる。 In the sixth aspect of the present invention, the post-change voltage vector reaches one vertex of a hexagon representing the range of the output limit voltage, so that the voltage command value output unit can output the maximum value as a achievable voltage command value to the inverter without using, for example, limiter control requiring complex calculations or performing integral calculations. Therefore, since there is no delay time associated with complex calculations or integral calculations, it is possible to suppress a decrease in the response speed to control commands.

交流電動機を数学的に表した電動機モデルの概念図であり、図1(A)は電流ベクトル制御において用いられるモデル、図1(B)は出力トルクに対するトルク微分値に着目したモデルである。These are conceptual diagrams of motor models that mathematically represent AC motors. Figure 1(A) is a model used in current vector control, and Figure 1(B) is a model that focuses on the torque differential value with respect to the output torque. 図2(A)は、本発明の交流電動機の制御装置や制御方法を適用したモータシステムのハードウェアの構成例を示すブロック図である。図2(B)は、本実施形態のモータシステムに含まれるインバータの構成例を示す回路図である。Fig. 2(A) is a block diagram showing an example of the hardware configuration of a motor system to which the control device and control method for an AC motor of the present invention are applied, and Fig. 2(B) is a circuit diagram showing an example of the configuration of an inverter included in the motor system of this embodiment. 本実施形態のモータシステムを構成する制御系要素の構成例1を示すブロック線図である。FIG. 2 is a block diagram showing a first example of the configuration of control system elements that make up the motor system of the present embodiment. 図3に示すコントローラにより行われる本電圧ベクトル制御の概念図であり、図4(A)は電圧情報生成部において行われる電圧指令値の生成アルゴリズムの概念例を表したもの、図4(B)は電圧指令値出力部において行われる制御アルゴリズムの概念例を表したものである。4A and 4B are conceptual diagrams of the voltage vector control performed by the controller shown in FIG. 3, where FIG. 4A shows a conceptual example of a generation algorithm of a voltage command value performed in a voltage information generation unit, and FIG. 4B shows a conceptual example of a control algorithm performed in a voltage command value output unit. 図3に示すコントローラによる本電圧ベクトル制御を計算機シミュレーションした結果を示す説明図であり、図5(A)はトルク指令値や出力トルク値等を表したものであり、図5(B)はインバータの出力電圧の軌跡を表したものである。5A and 5B are explanatory diagrams showing the results of a computer simulation of this voltage vector control by the controller shown in FIG. 3, where FIG. 5A shows the torque command value, output torque value, etc., and FIG. 5B shows the trajectory of the inverter output voltage. 本実施形態のモータシステムを構成する制御系要素の構成例2を示すブロック線図である。FIG. 10 is a block diagram showing a second configuration example of control system elements that make up the motor system of the present embodiment. 図6に示すコントローラにより行われる電圧指令値出力処理の流れを示すフローチャートである。7 is a flowchart showing a flow of a voltage command value output process performed by the controller shown in FIG. 6 . 図6に示すコントローラによる本電圧ベクトル制御を計算機シミュレーションした結果を示す説明図であり、図8(A)はトルク指令値に対する出力トルク値等を表したものであり、図8(B)はd軸,q軸電流値を表したものであり、図8(C)はモータ電流値を表したものである。8A and 8B are explanatory diagrams showing the results of a computer simulation of this voltage vector control using the controller shown in FIG. 6, in which FIG. 8A shows the output torque value relative to the torque command value, FIG. 8B shows the d-axis and q-axis current values, and FIG. 8C shows the motor current value. 図6に示すコントローラによる本電圧ベクトル制御を計算機シミュレーションした結果を示す説明図であり、図9(A)はインバータの出力電圧の軌跡を表したものであり、図9(B)はインバータを構成する各相のスイッチング素子に入力されるスイッチング波形を表したものである。9A and 9B are explanatory diagrams showing the results of a computer simulation of this voltage vector control by the controller shown in FIG. 6, where FIG. 9A shows the trajectory of the inverter output voltage, and FIG. 9B shows the switching waveforms input to the switching elements of each phase that make up the inverter. 図6に示すコントローラによる本電圧ベクトル制御を行った場合において、トルク指令値、トルク推定値、d軸,q軸電流値を実機により計測した結果を示す説明図であり、図10(A)は、過変調運転を含まない線形領域動作の場合を表したものであり、図10(B)は一時的な過変調運転を含む線形領域動作の場合を表したものである。10A and 10B are explanatory diagrams showing the results of measuring the torque command value, torque estimation value, and d-axis and q-axis current values using an actual device when this voltage vector control is performed using the controller shown in FIG. 6 , where FIG. 10A shows the case of linear region operation that does not include overmodulation operation, and FIG. 10B shows the case of linear region operation that includes temporary overmodulation operation. 本実施形態のモータシステムを構成する制御系要素の構成例3を示すブロック線図である。FIG. 10 is a block diagram showing a third example of the configuration of the control system elements that make up the motor system of the present embodiment. 図11に示すコントローラにより行われる本電圧ベクトル制御の概念図であり、電圧情報生成部において行われる電圧指令値の生成アルゴリズムの概念例を表したものである。12 is a conceptual diagram of the voltage vector control performed by the controller shown in FIG. 11, showing a conceptual example of a generation algorithm of a voltage command value performed in a voltage information generating unit. 図11に示すコントローラによる本電圧ベクトル制御を計算機シミュレーションした結果を示す説明図であり、図13(A)はトルク指令値や出力トルク値等を表したものであり、図13(B)はd軸,q軸電流値を表したものであり、図13(C)はモータ電流値を表したものである。13A and 13B are explanatory diagrams showing the results of a computer simulation of this voltage vector control using the controller shown in FIG. 11, where FIG. 13A shows the torque command value and output torque value, FIG. 13B shows the d-axis and q-axis current values, and FIG. 13C shows the motor current value. 制御系要素の構成例1~3のコントローラにより行われる本電圧ベクトル制御の概念図であり、電圧指令値出力部において行われる電圧指令値修正アルゴリズムの概念例を表したものである。1 is a conceptual diagram of the voltage vector control performed by the controllers of the control system element configuration examples 1 to 3, and shows a conceptual example of a voltage command value correction algorithm performed in the voltage command value output unit. 図14に示す電圧指令値修正アルゴリズムに対応する電圧指令値修正処理(I)の流れを示すフローチャートである。15 is a flowchart showing the flow of a voltage command value correction process (I) corresponding to the voltage command value correction algorithm shown in FIG. 14 . 制御系要素の構成例1~3のコントローラにより行われる本電圧ベクトル制御の概念図であり、電圧指令値出力部において行われる電圧指令値修正アルゴリズムの他の例の概念例を表したものである。10 is a conceptual diagram of the voltage vector control performed by the controllers of the control system element configuration examples 1 to 3, and shows a conceptual example of another example of the voltage command value correction algorithm performed in the voltage command value output unit. 図16に示す電圧指令値修正アルゴリズムに対応する電圧指令値修正処理(II)の流れを示すフローチャートである。17 is a flowchart showing the flow of a voltage command value correction process (II) corresponding to the voltage command value correction algorithm shown in FIG. 16 . 制御系要素の構成例1~3のコントローラにより行われる本電圧ベクトル制御における統合制御処理の流れを示すフローチャートである。10 is a flowchart showing the flow of integrated control processing in the voltage vector control performed by the controllers of the control system element configuration examples 1 to 3. 図18に示す統合制御処理による本電圧ベクトル制御を計算機シミュレーションした結果を示す説明図であり、図19(A)はトルク指令値、出力トルク値、d軸,q軸電流値、モータ電流値等を表したものであり、図19(B)はインバータに出力される三相電圧指令値を表したものである。19A and 19B are explanatory diagrams showing the results of a computer simulation of this voltage vector control using the integrated control processing shown in FIG. 18, in which FIG. 19A shows the torque command value, output torque value, d-axis and q-axis current values, motor current values, etc., and FIG. 19B shows the three-phase voltage command values output to the inverter. 図19とは異なる条件において、統合制御処理による本電圧ベクトル制御を計算機シミュレーションした結果を示す説明図であり、図20(A)はトルク指令値、出力トルク値、d軸,q軸電流値、モータ電流値等を表したものであり、図20(B)はインバータに出力される三相電圧指令値を表したものである。20A and 20B are explanatory diagrams showing the results of a computer simulation of this voltage vector control using integrated control processing under conditions different from those of FIG. 19, where FIG. 20A shows the torque command value, output torque value, d-axis and q-axis current values, motor current values, etc., and FIG. 20B shows the three-phase voltage command values output to the inverter. 本実施形態のモータシステムを構成する制御系要素の構成例4を示すブロック線図である。FIG. 10 is a block diagram showing a fourth example of the configuration of the control system elements that make up the motor system of the present embodiment. 図21に示すコントローラによる本電圧ベクトル制御を計算機シミュレーションした結果を示す説明図であり、図22(A)はトルク指令値や出力トルク値等を表したものであり、図22(B)はd軸,q軸電流値を表したものであり、図22(C)は、モータ電流値を表したものである。22A and 22B are explanatory diagrams showing the results of a computer simulation of this voltage vector control using the controller shown in FIG. 21, where FIG. 22A shows the torque command value and output torque value, FIG. 22B shows the d-axis and q-axis current values, and FIG. 22C shows the motor current value. 図23(A)は任意座標系に関する説明図であり、図23(B)は静止座標系に関する説明図である。FIG. 23(A) is an explanatory diagram relating to an arbitrary coordinate system, and FIG. 23(B) is an explanatory diagram relating to a stationary coordinate system. モータシステムにおいて電流ベクトル制御を行った場合の制御系要素の構成例を示すブロック線図である。FIG. 1 is a block diagram showing an example of the configuration of control system elements when current vector control is performed in a motor system. 電流ベクトル制御を行った場合における計算機シミュレーションの結果を示す説明図であり、図25(A)はトルク指令値や出力トルク値等を表したものであり、図25(B)はd軸電流値やq軸電流値を表したものである。25A and 25B are explanatory diagrams showing the results of a computer simulation when current vector control is performed, in which FIG. 25A shows the torque command value and output torque value, and FIG. 25B shows the d-axis current value and q-axis current value.

以下、本発明の交流電動機の制御装置や制御方法を適用したモータシステム10の実施形態について図を参照して説明する。まず、図1~3に基づいて本実施形態のモータシステムを構成するハードウェアについて説明する。 An embodiment of a motor system 10 incorporating an AC motor control device and control method of the present invention will be described below with reference to the drawings. First, the hardware that constitutes the motor system of this embodiment will be described with reference to Figures 1 to 3.

図2(A)に示すように、モータシステム10は、主に、コントローラ20、インバータ30、回転角センサ45、交流モータ50等により構成されており、例えば、電気自動車や鉄道電動車等の走行用モータを制御する駆動系モータシステムや、ロボット等の駆動用モータを制御するサーボ系モータシステムに用いられる。 As shown in Figure 2(A), the motor system 10 is primarily composed of a controller 20, an inverter 30, a rotation angle sensor 45, an AC motor 50, etc., and is used, for example, in drive motor systems that control the traction motors of electric vehicles, electric railway vehicles, etc., and servo motor systems that control the drive motors of robots, etc.

コントローラ20は、交流電動機の制御装置の一例であり、典型的には、例えば、マイクロコンピュータ(CPU)と、ROM、RAM、EEPROM等の半導体メモリ装置と、入出力インタフェースとから構成される、いわゆるマイコンボード(不図示)である。コントローラ20には、インバータ30、電流センサ41,42,43、回転角センサ45や上位システム(不図示)が接続されており、これらのセンサ41~43,45から、交流モータ50に供給されているモータ電流iu,v,wの情報や交流モータ50のシャフト(出力軸)の回転角(機械角)θrmの情報が入力されたり、交流モータ50に要求する出力トルクτの情報(指令値)が上位システムから入力されたりする。 The controller 20 is an example of a control device for an AC motor, and is typically a so-called microcomputer board (not shown) that includes, for example, a microcomputer (CPU), semiconductor memory devices such as ROM, RAM, and EEPROM, and an input/output interface. The controller 20 is connected to the inverter 30, current sensors 41, 42, and 43, a rotation angle sensor 45, and a higher-level system (not shown), and receives inputs of information on motor currents i u,v,w supplied to the AC motor 50 and information on the rotation angle (mechanical angle) θ rm of the shaft (output shaft) of the AC motor 50 from these sensors 41 to 43 and 45, and also receives inputs of information (command value) on the output torque τ required of the AC motor 50 from the higher-level system.

これらの情報に基づいて、コントローラ20は、以下説明する制御系要素の構成例1~4による本電圧ベクトル制御のアルゴリズムに従って電圧指令値v* u,v,wを生成してそれをインバータ30に出力する。そのため、コントローラ20のEEPROM等には、本電圧ベクトル制御のアルゴリズムを構成する部品として、後述する「電圧情報生成部21、座標変換部22、電圧指令値出力部23、相数変換部24等」の各機能をソフトウェア的に実現するプログラムが予め格納されている。なお、本願発明者らは、交流モータ50の出力トルクτに対するトルク微分値τdotに着目して、交流電動機を図1(B)に示すような電動機モデルとして捉えている(「dot」はその直前の文字や記号が時間微分値であることを意味する。以下同じ。)。そのため、上位システムから入力される指令値は、原則的には、交流モータ50に要求する出力トルク(トルク指令値)τ*ではなく、トルク微分値(トルク微分値指令値)τdot*である。 Based on this information, the controller 20 generates voltage command values v * u,v,w according to the voltage vector control algorithm using control system element configuration examples 1 to 4 described below, and outputs them to the inverter 30. Therefore, the EEPROM or the like of the controller 20 pre-stores programs that implement, in software, the functions of the "voltage information generator 21, coordinate converter 22, voltage command value output unit 23, phase number converter 24, etc." (These components constitute the voltage vector control algorithm.) The inventors of the present application focus on the torque differential value τdot with respect to the output torque τ of the AC motor 50 and consider the AC motor as a motor model as shown in FIG. 1B ("dot" means that the character or symbol immediately before it is a time differential value; the same applies below). Therefore, the command value input from the higher-level system is, in principle, not the output torque (torque command value) τ * required of the AC motor 50, but the torque differential value (torque differential command value) τdot * .

インバータ30は、交流モータ50の駆動に適した直流電圧を交流モータ50の相数分の交流電圧に変換して出力する電力変換装置である。本実施形態では、交流モータ50は三相交流モータであることから、外部から入力される直流電圧をコントローラ20から入力された電圧指令値v* u,v,wに従って交流電圧(出力電圧)vu,v,wに変換し交流モータ50に供給する。そのため、インバータ30には交流モータ50の駆動可能な電圧を出力する直流電圧源Battが接続されている。インバータ30は、交流モータ50の各相に対応して直流電圧を交流電圧vu,v,wに変換するスイッチング回路(図2(B))や、このスイッチング回路を電圧指令値v* u,v,wに従ってスイッチング動作させる制御回路(不図示)等を備えている。直流電圧源Battは、バッテリそのものである場合や、昇圧や降圧の必要があるときにはバッテリが接続された電圧コンバータである場合がある。 The inverter 30 is a power conversion device that converts a DC voltage suitable for driving the AC motor 50 into an AC voltage corresponding to the number of phases of the AC motor 50 and outputs the converted voltage. In this embodiment, since the AC motor 50 is a three-phase AC motor, the inverter 30 converts an externally input DC voltage into an AC voltage (output voltage) v u,v,w according to a voltage command value v * u,v,w input from the controller 20 and supplies the AC voltage to the AC motor 50. To this end, the inverter 30 is connected to a DC voltage source Batt that outputs a voltage capable of driving the AC motor 50. The inverter 30 includes a switching circuit ( FIG. 2(B) ) that converts the DC voltage into an AC voltage v u,v,w corresponding to each phase of the AC motor 50, and a control circuit (not shown) that switches the switching circuit according to the voltage command value v * u,v,w . The DC voltage source Batt may be a battery itself, or a voltage converter connected to a battery when voltage step-up or step-down is required.

図2(B)に示すように、インバータ30は、直列接続された2つのスイッチング素子(上下アーム)を当該インバータ30が出力する交流電圧の相数分だけ並列接続したスイッチング回路を有する。直流電圧源Battはそれぞれの上下アームの両端に接続されており、またこれら上下アームの中間点、即ちスイッチング素子間の接続部には交流モータ50の各相のコイルが接続されている。本実施形態では、交流モータ50が三相交流モータであることから、スイッチング素子は上下アーム合わせて6つのFWD付きのIGBT31~36である。直流電圧源Battのプラス電極側が上アームのIGBT31,33,35に接続され、マイナス電極側が下アームのIGBT32,34,36に接続されている。また、IGBT31,32の接続部、IGBT33,34の接続部、IGBT35,36の接続部には、交流モータ50のU相コイル、V相コイル、W相コイルの各端子がそれぞれ接続されている。スイッチング素子はパワーMOSFET等のトランジスタでもよい。 As shown in FIG. 2B, inverter 30 has a switching circuit in which two series-connected switching elements (upper and lower arms) are connected in parallel, the number of which corresponds to the number of phases of the AC voltage output by inverter 30. A DC voltage source Batt is connected to both ends of each upper and lower arm, and the coils of each phase of AC motor 50 are connected to the midpoint between these upper and lower arms, i.e., the connection between the switching elements. In this embodiment, since AC motor 50 is a three-phase AC motor, the switching elements are IGBTs 31-36 with FWDs, a total of six, in the upper and lower arms. The positive electrode side of DC voltage source Batt is connected to IGBTs 31, 33, and 35 of the upper arm, and the negative electrode side is connected to IGBTs 32, 34, and 36 of the lower arm. Furthermore, the terminals of the U-phase coil, V-phase coil, and W-phase coil of AC motor 50 are connected to the connection between IGBTs 31 and 32, the connection between IGBTs 33 and 34, and the connection between IGBTs 35 and 36, respectively. The switching element may be a transistor such as a power MOSFET.

電流センサ41~43は、交流電流を計測可能に構成された検出デバイスであり、インバータ30から交流モータ50に供給される交流電力の電流値を計測してコントローラ20に出力する。例えば、インバータ30と交流モータ50を接続する各相の電気配線に取り付けられた電流センサ41~43から、U,V,Wの各相の電流情報iu,v,wが出力されてコントローラ20に入力される。電流センサ41~43から入力された各電流情報iu,v,wは、コントローラ20において、dq軸電流情報id,qに相変換されて使用される。 The current sensors 41 to 43 are detection devices configured to be able to measure AC current, and measure the current value of AC power supplied from the inverter 30 to the AC motor 50 and output the measured value to the controller 20. For example, current information i u, v, w for each of the U, V, and W phases is output from the current sensors 41 to 43 attached to the electrical wiring of each phase connecting the inverter 30 and the AC motor 50 and input to the controller 20. The current information i u, v, w input from the current sensors 41 to 43 is phase-converted into d-axis and q-axis current information i d, q in the controller 20 and then used.

回転角センサ45は、交流モータ50のシャフトの回転角度を計測可能に構成された検出デバイスであり、例えば、シャフトの反負荷側に取り付けられてコントローラ20に角度情報(機械角)θrmを出力する。本実施形態では、回転角度を絶対値で検出可能なアブソリュートエンコーダやレゾルバが用いられる。アブソリュートエンコーダは角度情報θrmをデジタル値で出力し、レゾルバは角度情報θrmをアナログ値(正弦波)で出力する。回転角センサ45から入力された角度情報θrmは、機械角であることから、コントローラ20においては、電気角θreや角速度ωreに変換されて使用される。 The rotation angle sensor 45 is a detection device configured to be able to measure the rotation angle of the shaft of the AC motor 50, and is attached, for example, to the anti-load side of the shaft, and outputs angle information (mechanical angle) θrm to the controller 20. In this embodiment, an absolute encoder or resolver that can detect the rotation angle as an absolute value is used. The absolute encoder outputs the angle information θrm as a digital value, and the resolver outputs the angle information θrm as an analog value (sine wave). Because the angle information θrm input from the rotation angle sensor 45 is a mechanical angle, it is converted into an electrical angle θre or an angular velocity ωre in the controller 20 and used.

交流モータ50は、例えば、三相交流電力が供給されて駆動する埋込構造永久磁石同期電動機(IPMSM:Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)であり、極数Pは4極に設定されている。交流モータ50の構造は、特に図示していないが、例えば、主に、U,V,Wの各相のコイルが巻回される複数のスロットを内周に有する円筒状のステータ(固定子)と、一端側(負荷側)に負荷に接続し他端側(反負荷側)に回転角センサ45等を接続し得るシャフト(出力軸)と、このシャフトが軸中心に貫通し周方向に複数組の永久磁石が埋設される円柱形状のロータ(回転子)と、シャフトの両端(負荷側および反負荷側)を除いてこれらを収容するケースと、により構成されている。 The AC motor 50 is, for example, an interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM) that is powered by a supply of three-phase AC power, and has four poles P. The structure of the AC motor 50 is not specifically illustrated, but it mainly includes, for example, a cylindrical stator having multiple slots on its inner periphery around which U, V, and W phase coils are wound; a shaft (output shaft) that is connected to a load at one end (load side) and to which a rotation angle sensor 45 or the like can be connected at the other end (anti-load side); a cylindrical rotor through which the shaft passes through the center and in which multiple sets of permanent magnets are embedded circumferentially; and a case that houses these components except for both ends of the shaft (load side and anti-load side).

なお、交流モータ50の電動機モデルをブロック線図で表現すると、図1(B)に示す電動機モデルを拡張した制御系要素で表される。即ち、図3に示すように、交流モータ50は、座標変換要素51、関数要素52および積分要素53の機能を有する。座標変換要素51は、UVW静止座標系の三相の電圧ベクトル(vu,vv,vw)をdq回転座標系の電圧ベクトル(vd,vq)に変換する機能である。関数要素52と積分要素53は、図1(B)を参照して説明した交流モータ50の電動機モデルと同様である。 If the motor model of AC motor 50 is expressed in the form of a block diagram, it is represented by control system elements that are an extension of the motor model shown in Fig. 1(B). That is, as shown in Fig. 3, AC motor 50 has the functions of coordinate transformation element 51, function element 52, and integral element 53. Coordinate transformation element 51 has a function of converting a three-phase voltage vector ( vu , vv , vw ) in the UVW stationary coordinate system into a voltage vector ( vd , vq ) in the dq rotating coordinate system. Function element 52 and integral element 53 are the same as those in the motor model of AC motor 50 described with reference to Fig. 1(B).

このようにハードウェアが構成されるモータシステム10は、例えば、図3に示すようなブロック線図で表される制御系要素の構成例1として概念できる。ここからは、モータシステム10(10a)の制御系要素の構成例1を図3~15に基づいて説明する。 The motor system 10, whose hardware is configured in this manner, can be conceptualized as control system element configuration example 1, represented by the block diagram shown in Figure 3. From here on, configuration example 1 of the control system elements of the motor system 10 (10a) will be explained based on Figures 3 to 15.

[制御系要素の構成例1]
図3に示すように、制御系要素の構成例1(以下「構成例1」という)のモータシステム10aでは、コントローラ20aは、電圧情報生成部21、座標変換部22、電圧指令値出力部23、相数変換部24の機能を有する。
[Configuration example 1 of control system elements]
As shown in FIG. 3, in a motor system 10a according to a first configuration example of control system elements (hereinafter referred to as “first configuration example”), a controller 20a has the functions of a voltage information generating unit 21, a coordinate conversion unit 22, a voltage command value output unit 23, and a phase number conversion unit 24.

前述したように、コントローラ20aには、図略の上位システムから指令値としてトルク微分値指令値τdot*が入力される。図1(B)を参照して説明したように、交流モータ50は、出力トルクτに対するトルク微分値τdotに着目すると、g(v)の関数要素と1/sの積分要素との2つの制御系要素で表現することが可能である。前者は、前述した式(7)により表されるτdot=A(id,iq)vd+B(id,iq)vq+C(id,iqre)である。また後者は純積分器である。つまり、τdot=A…で表されるg(v)は、左辺のトルク微分値τdotと右辺の電圧ベクトル(vd,vq)とが線形かつ静的な関係にあることがわかる。また、積分要素は、制御対象である交流モータ50に含まれる一方で、制御を行うコントローラ20a(電圧情報生成部21等)には積分器等の積分要素が含まれないことが理解できる。 As described above, the controller 20a receives a torque differential command value τdot * as a command value from a host system (not shown). As described with reference to FIG. 1B, when focusing on the torque differential value τdot with respect to the output torque τ, the AC motor 50 can be expressed by two control system elements: a function element of g(v) and an integral element of 1/s. The former is τdot = A( id , iq ) vd + B( id , iq ) vq + C( id , iq , ωre ) as expressed in the above-mentioned equation (7). The latter is a pure integrator. In other words, it can be seen that g(v) expressed as τdot = A... has a linear and static relationship between the torque differential value τdot on the left side and the voltage vector ( vd , vq ) on the right side. It can also be understood that an integral element is included in the AC motor 50 to be controlled, whereas the controller 20a (voltage information generating unit 21, etc.) that performs the control does not include an integral element such as an integrator.

したがって、電圧ベクトル(vd,vq)からトルク微分値τdotを直接指定することができ、その逆もできる。ただし、トルク微分値τdotから電圧ベクトル(vd,vq)を指定するg(v)の逆関数v=g-1(τdot)は、電圧ベクトル(vd,vq)が変数2つを入力する関数であることから、選定可能なd軸電圧vdとq軸電圧vqの組み合わせは無数に存在する。しかし、逆関数v=g-1(τdot)は線形関数であることから、複雑なアルゴリズムになり難く、非線形関数の場合に比べると簡単な情報処理で実現することが可能である。また、図24,25を参照して説明したように、積分演算(積分要素)が必ず含まれる電流ベクトル制御に対して、逆関数v=g-1(τdot)の演算処理には積分演算(積分要素)が含まれないことから、電流ベクトル制御において生じる積分演算に伴う遅延時間に起因した出力トルクτのオーバーシュート(図25の破線楕円内)も発生しない。したがって、このような出力トルクτのオーバーシュートの発生を抑制する、例えばアンチワインドアップ処理等が不要になる。 Therefore, the torque differential value τdot can be directly specified from the voltage vector ( vd , vq ), and vice versa. However, the inverse function v=g -1 (τdot) of g(v), which specifies the voltage vector ( vd , vq ) from the torque differential value τdot, requires two input variables , and therefore there are countless combinations of the d - axis voltage vd and the q-axis voltage vq . However, because the inverse function v=g -1 (τdot) is a linear function, it is unlikely to become a complex algorithm and can be realized with simpler information processing than a nonlinear function. Furthermore, as described with reference to Figures 24 and 25, current vector control always includes an integral operation (integral element), whereas the calculation process of the inverse function v=g -1 (τdot) does not include an integral operation (integral element). Therefore, overshoot of the output torque τ (within the dashed ellipse in Figure 25) due to the delay time associated with the integral operation in current vector control does not occur. Therefore, there is no need to perform anti-windup processing or the like to suppress the occurrence of such an overshoot in the output torque τ.

このような理由から、電圧情報生成部21は、[発明が解決しようとする課題]の欄で述べた式(7)の逆関数v* d,q=g-1(τdot*)として機能する。つまり、上位システムからトルク微分値指令値τdot*が入力され、また電流センサ41~43から電流情報iu,v,wや回転角センサ45から角度情報θrmが入力されると、そのトルク微分値τdotを用いて算出可能なd軸電圧指令値v* dおよびq軸電圧指令値v* q(回転座標系電圧情報)が電圧情報生成部21から出力される。電流情報iu,v,wや角度情報θrmは、コントローラ20において電流情報id,qや角速度ωreに変換されて使用される。 For this reason, voltage information generator 21 functions as the inverse function v * d,q = g -1 (τdot * ) of equation (7) described in the section "Problems to be Solved by the Invention." In other words, when a torque differential command value τdot * is input from a higher-level system, and current information iu ,v,w is input from current sensors 41 to 43 and angle information θrm is input from rotation angle sensor 45, voltage information generator 21 outputs a d-axis voltage command value v * d and a q-axis voltage command value v * q (rotating coordinate system voltage information) that can be calculated using the torque differential value τdot. The current information iu,v,w and angle information θrm are converted into current information id ,q and angular velocity ωre in controller 20 and used.

なお、前述したように、電圧ベクトル(vd,vq)は、変数2つを入力する関数であることから、d軸電圧vdやq軸電圧vqの選定には任意性が残る。そこで、電圧情報生成部21においては、図4(A)に示す概念図により表される生成アルゴリズム(電圧ベクトル計算処理(I))に従って電圧指令値を選定する。 As described above, since the voltage vector ( vd , vq ) is a function that inputs two variables, the selection of the d-axis voltage vd and the q-axis voltage vq remains arbitrary. Therefore, the voltage information generator 21 selects a voltage command value in accordance with a generation algorithm (voltage vector calculation process (I)) represented by the conceptual diagram shown in FIG. 4(A).

図4(A)に示すように、電圧ベクトル計算処理(I)では、例えば、電圧ベクトル(vd,vq)(電圧ベクトル71)が存在するdq回転座標系のvd-vq平面において、トルク微分値指令値τdot*により得られるトルク微分値直線91を与え、両者が最短距離で交わる交点を求め、当該交点までの大きさを有する電圧ベクトル71を電圧指令値v* d,qとして選定する。つまり、要求されたトルク微分値τdot(トルク微分指令値τdot*)に対して電圧振幅が最小になる電圧ベクトル71を電圧指令値v* d,qとして選定する。 4A, in the voltage vector calculation process (I), for example, a torque differential line 91 obtained by the torque differential command value τdot * is given in the vd - vq plane of the dq rotating coordinate system on which the voltage vector (vd , vq ) (voltage vector 71) exists, and the point of intersection where the two lines intersect over the shortest distance is determined. The voltage vector 71 having a magnitude up to the intersection point is selected as the voltage command value v * d,q . In other words, the voltage vector 71 whose voltage amplitude is minimum for the requested torque differential value τdot (torque differential command value τdot * ) is selected as the voltage command value v * d,q .

より具体的には、コントローラ20aにより式(9)の演算が行われて電圧指令値v* d,qが求められる。式(9)の演算により選定された電圧指令値v* d,qを用いて行われる交流モータ50の運転制御のことを、以下「電圧振幅最小制御」という。なお、A,B,Cは、前述した式(8)に示されている、A(id,iq),B(id,iq),C(id,iqre)である。
なお、式(9)は次のように得られる。
More specifically, the controller 20a calculates the voltage command value v * d,q according to equation (9). The operation control of the AC motor 50 performed using the voltage command value v * d,q selected by the calculation of equation (9) is hereinafter referred to as "voltage amplitude minimum control." Note that A, B, and C are A(i d , i q ), B(i d , i q ), and C(i d , i q , ω re ) shown in the above-mentioned equation (8).
Equation (9) can be obtained as follows:

前述の式(7)をq軸電圧vqについて解いたうえでd軸電圧vd、q軸電圧vq、トルク微分値τdotをそれぞれ指令値に置き換えることにより、次式(10)が得られる。vd-vq平面においては、式(10)は傾き-A/Bのトルク微分値直線91で表されることから、このトルク微分値直線91に対して最短距離で電圧ベクトル71が交わるためには、電圧ベクトル71が同直線91に直角で交わる(直交する)必要がある。つまり、電圧ベクトル71は、式(11)を満たせばよいことになるので、これらの2式(10),(11)の連立方程式を解くことによって求められる前述の式(9)から、電圧振幅が最小になる電圧ベクトル71として、d軸電圧指令値v* dおよびq軸電圧指令値v* q(dq軸電圧指令値v* d,q)が得られる。 By solving the above-mentioned equation (7) for the q-axis voltage vq and then substituting the d-axis voltage vd , the q-axis voltage vq , and the torque differential value τdot with their respective command values, the following equation (10) is obtained. In the vd - vq plane, equation (10) is expressed by a torque differential value line 91 with a slope of -A/B. Therefore, in order for the voltage vector 71 to intersect with this torque differential value line 91 at the shortest distance, the voltage vector 71 must intersect with this line 91 at a right angle (be perpendicular). In other words, the voltage vector 71 only needs to satisfy equation (11). Therefore, from the above-mentioned equation (9) obtained by solving the simultaneous equations of these two equations (10) and (11), the d-axis voltage command value v * d and the q-axis voltage command value v * q (dq-axis voltage command values v * d,q ) can be obtained as the voltage vector 71 with the smallest voltage amplitude.

座標変換部22は、dq回転座標系の電圧ベクトル(vd,vq)をαβ静止座標系の電圧ベクトル(vα,vβ)に変換する機能を有する。ここでは、電圧情報生成部21から出力されたd軸電圧指令値v* dとq軸電圧指令値v* qを、α軸電圧指令値v* αとβ軸電圧指令値v* β(静止座標系電圧情報)に変換して出力する。回転座標から静止座標への変換は、公知の変換行列から導き出される変換式(v* α=v* dcosθre-v* qsinθre,v* β=v* dsinθre+v* qcosθre)が用いられる。そのため、座標変換部22には、電圧情報生成部21から入力されるd軸電圧指令値v* dとq軸電圧指令値v* qのほかに、回転角センサ45から入力された角度情報θrmが電気角θreに変換されて使用される。 The coordinate conversion unit 22 has a function of converting a voltage vector (v d , v q ) in the dq rotating coordinate system into a voltage vector (v α , v β ) in the αβ stationary coordinate system. Here, the coordinate conversion unit 22 converts the d-axis voltage command value v * d and the q-axis voltage command value v * q output from the voltage information generation unit 21 into an α-axis voltage command value v * α and a β-axis voltage command value v * β (stationary coordinate system voltage information) and outputs them. The conversion from the rotating coordinates to the stationary coordinates uses conversion formulas (v * α = v * d cos θ re - v * q sin θ re , v * β = v * d sin θ re + v * q cos θ re ) derived from a known conversion matrix. Therefore, in addition to the d-axis voltage command value v * d and the q-axis voltage command value v * q input from the voltage information generation unit 21, the coordinate conversion unit 22 also converts angle information θrm input from the rotation angle sensor 45 into an electrical angle θre and uses the converted information.

電圧指令値出力部23は、座標変換部22から入力されたα軸電圧指令値v* αとβ軸電圧指令値v* βからなる電圧ベクトル(v* α,v* β)を、インバータ30が出力可能な電圧の限界値である出力限界範囲23aの範囲内に収まる大きさに変更してα軸電圧指令値v** αとβ軸電圧指令値v** β(電圧指令値)を出力する機能(リミッタ機能)を有する。インバータ30は、当該インバータ30に入力される直流電圧源Battの出力電圧を超える電圧を出力することはできない。つまり、インバータ30は、その仕様や入力される直流電圧源Battの出力電圧から、出力限界範囲23aが予め決まっている。そのため、図4(B)に示すような概念図において表される正六角形状を有する出力限界範囲23aを定めることが可能になる。 The voltage command value output unit 23 has a function (limiter function) of changing the voltage vector (v * α , v * β ) consisting of the α-axis voltage command value v * α and the β-axis voltage command value v * β input from the coordinate conversion unit 22 to a magnitude that falls within an output limit range 23a, which is the limit value of the voltage that the inverter 30 can output, and outputting the α-axis voltage command value v ** α and the β-axis voltage command value v ** β (voltage command values). The inverter 30 cannot output a voltage that exceeds the output voltage of the DC voltage source Batt input to the inverter 30. In other words, the output limit range 23a of the inverter 30 is predetermined based on its specifications and the output voltage of the DC voltage source Batt input. Therefore, it is possible to determine the output limit range 23a having a regular hexagonal shape as shown in the conceptual diagram of FIG. 4(B).

この出力限界範囲23aを表す正六角形(以下「六角形」という)は、直交するα軸とβ軸の交点を中心に周方向に120度間隔でαβ静止座標系の座標平面を三分割する3本の軸(U軸、V軸、W軸)を、交点側においても延長することにより「*」形状に延びる6本の線ができることから、それらの6本を同じ長さ(最大出力電圧)の位置で隣り合う線同士を接続することによって得られる。なお、この六角形の内接円(図4(B)に示す破線円)を超えた六角形内の範囲(薄墨色の範囲)はいわゆる過変調領域であり、図24に示すような構成の電流ベクトル制御においては、d軸優先制御や襷(たすき)掛け電流制御等の複雑な演算処理が行うことによってこのような過変調領域に達する電圧ベクトルの制御を可能にしている。 The regular hexagon (hereinafter referred to as the "hexagon") representing this output limit range 23a is obtained by extending three axes (U-axis, V-axis, and W-axis) that divide the coordinate plane of the αβ stationary coordinate system into thirds at 120-degree intervals circumferentially around the intersection of the orthogonal α-axis and β-axis toward the intersection, creating six lines extending in a "*" shape. These six lines are then connected at the same length (maximum output voltage). The range within the hexagon (light gray area) that extends beyond the inscribed circle of this hexagon (dashed circle shown in Figure 4(B)) is the so-called overmodulation region. Current vector control configured as shown in Figure 24 enables voltage vector control that reaches this overmodulation region by performing complex calculations such as d-axis priority control and sash current control.

なお、d軸優先制御については、例えば、『高橋健治、大石潔、上野俊幸「d軸電圧を優先した埋込型永久磁石同期モータの一駆動法」、電気学会論文誌D、Vol.131 No.9 pp.1103-1111、2011年』を参照されたい。また、たすき掛け制御については、例えば、『牧島信吾、上園恵一、永井正夫「電圧飽和状態における電動機制御応答性の検証及び考察」、電気学会論文誌D、Vol.130 No.5 pp.663-670、2010年』を参照されたい。 For more information on d-axis priority control, see, for example, Takahashi Kenji, Oishi Kiyoshi, and Ueno Toshiyuki, "A Driving Method for Interior Permanent Magnet Synchronous Motors with Priority on d-Axis Voltage," IEEJ Transactions on Motors, Vol. 131, No. 9, pp. 1103-1111, 2011. For more information on cross-coupling control, see, for example, Makishima Shingo, Uezono Keiichi, and Nagai Masao, "Verification and Consideration of Motor Control Response in Voltage Saturation States," IEEJ Transactions on Motors, Vol. 130, No. 5, pp. 663-670, 2010.

電圧指令値出力部23では、座標変換部22から入力されたαβ静止座標系の電圧ベクトル(v* α,v* β)がインバータ30の出力限界範囲23aの範囲外にあるか否かを判定し、出力限界範囲23aの範囲外にない(範囲内にある)と判定した場合には入力された電圧ベクトル(v* α,v* β)をそのままα軸電圧指令値v** αとβ軸電圧指令値v** βとして相数変換部24に出力し、出力限界範囲23aの範囲外にある(範囲内にない)と判定した場合には出力限界範囲23aの範囲内に収まる大きさに電圧ベクトル(v* α,v* β)を変更した後、変更後の電圧ベクトルを表すα軸電圧指令値v** αとβ軸電圧指令値v** βとして相数変換部24に出力する。なお、電圧指令値出力部23に入力された指令値と、電圧指令値出力部23から出力された指令値とを区別する便宜上、後者の指令値には「**」を付している。 The voltage command value output unit 23 determines whether the voltage vector (v * α , v * β ) in the αβ stationary coordinate system input from the coordinate conversion unit 22 is outside the output limit range 23a of the inverter 30, and if it determines that it is not outside the output limit range 23a (within the range), it outputs the input voltage vector (v * α , v * β ) as is to the phase conversion unit 24 as the α-axis voltage command value v ** α and the β-axis voltage command value v ** β , and if it determines that it is outside the output limit range 23a (not within the range), it changes the voltage vector (v * α , v * β ) to a size that falls within the output limit range 23a, and then outputs the changed voltage vector to the phase conversion unit 24 as the α-axis voltage command value v ** α and the β-axis voltage command value v ** β . In addition, for the convenience of distinguishing between the command value input to the voltage command value output unit 23 and the command value output from the voltage command value output unit 23, the latter command value is marked with " ** ".

出力限界範囲23aは、インバータ30の仕様や直流電圧源Battの出力電圧から予め定められていることから、出力限界範囲23aの六角形を構成する各辺は、αβ静止座標系の座標平面における一次関数としてそれぞれ特定することが可能である。六角形の各辺を表すそれぞれの方程式に対して、電圧ベクトル71により表される線分を表す方程式を連立方程式として解を求めることによって1つの解につき1つの交点が存在することがわかる。解が2つ以上存在する場合には交点も2つ以上存在することになり、解が存在しない場合には交点はないことになる。 Since output limit range 23a is predetermined based on the specifications of inverter 30 and the output voltage of DC voltage source Batt, each side of the hexagon of output limit range 23a can be specified as a linear function on the coordinate plane of the αβ stationary coordinate system. By solving the equations representing the lines represented by voltage vector 71 as simultaneous equations for each equation representing each side of the hexagon, it can be seen that there is one intersection for each solution. If there are two or more solutions, there will also be two or more intersections; if there is no solution, there will be no intersection.

このため、まず出力限界範囲23aの六角形の各辺を表す6つの一次関数と電圧ベクトル71により表される線分とが交差する交点を演算で求める処理を行った後、そのような交点が求められた(交点が存在する)か否かを判定する処理が行われる。交点が存在する場合には電圧ベクトル71は出力限界範囲23aの六角形の範囲外にある(範囲内にない)と判定し、交点が存在しない場合には電圧ベクトル71は出力限界範囲23aの六角形の範囲内にあると判定する。 For this reason, first, a process is performed to calculate the intersection point where the six linear functions representing each side of the hexagon of output limit range 23a intersect with the line segment represented by voltage vector 71, and then a process is performed to determine whether such an intersection point has been found (whether an intersection point exists). If an intersection point exists, it is determined that voltage vector 71 is outside (not within) the hexagon of output limit range 23a; if no intersection point exists, it is determined that voltage vector 71 is within the hexagon of output limit range 23a.

「出力限界範囲23aの範囲」には、出力限界範囲23aの範囲を表す六角形の各辺および各頂点を含めない。したがって、電圧ベクトル71の先端位置を表す座標が当該六角形の辺や頂点と重なる場合、つまり交点が存在する場合には出力限界範囲23aの範囲外にあると判定する。なお、出力限界範囲23aの範囲外にあると判定した場合に行われる「出力限界範囲23aの範囲内に収まる大きさに電圧ベクトル(v* α,v* β)を変更する」処理については、制御系要素の構成例2において後述する。 The "range of output limit range 23a" does not include the sides and vertices of the hexagon that represents the range of output limit range 23a. Therefore, if the coordinates representing the tip position of voltage vector 71 overlap with a side or vertex of the hexagon, that is, if an intersection exists, it is determined to be outside the range of output limit range 23a. Note that the process of "changing the voltage vector (v * α , v * β ) to a size that fits within the range of output limit range 23a," which is performed when it is determined to be outside the range of output limit range 23a, will be described later in configuration example 2 of the control system element.

相数変換部24は、αβ静止座標系の二相の電圧ベクトル(vα,vβ)をUVW静止座標系の三相の電圧ベクトル(vu,vv,vw)に変換する機能を有する。ここでは、電圧指令値出力部23から出力されたα軸電圧指令値v** αとβ軸電圧指令値v** βを、U相電圧指令値v* uとV相電圧指令値v* vとW相電圧指令値v* wに変換して出力する(電圧指令値v* u,v,w)。このUVW相の電圧指令値v* u,v,wは、コントローラ20aから出力されてインバータ30に入力される。これにより、インバータ30は、前述したように、コントローラ20から入力された電圧指令値v* u,v,wに従ってIGBT31~36をスイッチングすることにより交流電圧vu,v,wを生成(変換)して交流モータ50に供給する。 The phase number converter 24 has a function of converting a two-phase voltage vector (v α , v β ) in the αβ stationary coordinate system into a three-phase voltage vector (v u , v v , v w ) in the UVW stationary coordinate system. Here, the phase number converter 24 converts the α-axis voltage command value v ** α and the β-axis voltage command value v ** β output from the voltage command value output unit 23 into a U-phase voltage command value v * u , a V-phase voltage command value v * v , and a W-phase voltage command value v * w , and outputs them (voltage command values v * u,v,w ). The UVW-phase voltage command values v * u,v,w are output from the controller 20a and input to the inverter 30. As a result, the inverter 30 generates (converts) AC voltages v u,v,w by switching the IGBTs 31 to 36 in accordance with the voltage command values v * u,v,w input from the controller 20, as described above, and supplies the AC voltages v u,v,w to the AC motor 50.

このように構成例1のモータシステム10aでは、コントローラ20aは、電圧情報生成部21、座標変換部22、電圧指令値出力部23、相数変換部24を有する。そして、電圧情報生成部21により、上位システム等の外部から入力されたトルク微分指令値τdot*に基づいて式(7)の逆関数v* d,q=g-1(τdot*)から交流モータ50のdq回転座標系のdq軸電圧指令値v* d,q(回転座標系電圧情報)を生成する。また座標変換部22により、交流モータ50の出力軸の電気角θreに基づいてdq軸電圧指令値v* d,q(回転座標系電圧情報)からαβ静止座標系のαβ軸電圧指令値v* α,β(静止座標系電圧情報)に変換する。さらに電圧指令値出力部23により、αβ軸電圧指令値v* α,βで表される電圧ベクトル(v* α,v* β)がインバータ30の出力限界範囲23aの範囲内にある場合にはαβ軸電圧指令値v* α,βをαβ軸電圧指令値v** α,βとして相数変換部24を介してインバータ30に出力する。 As described above, in the motor system 10a of configuration example 1, the controller 20a includes a voltage information generating unit 21, a coordinate conversion unit 22, a voltage command value output unit 23, and a phase number conversion unit 24. The voltage information generating unit 21 generates dq-axis voltage command values v * d,q (rotating coordinate system voltage information) in the dq rotating coordinate system of the AC motor 50 from the inverse function v * d,q = g -1 (τdot * ) of equation (7) based on the torque differential command value τdot* input from an external device such as a higher-level system. The coordinate conversion unit 22 converts the dq-axis voltage command values v * d,q ( rotating coordinate system voltage information) into αβ-axis voltage command values v * α,β (stationary coordinate system voltage information) in the αβ stationary coordinate system based on the electrical angle θre of the output shaft of the AC motor 50. Furthermore, when the voltage vector (v * α , v * β ) represented by the αβ-axis voltage command value v * α,β is within the output limit range 23a of the inverter 30, the voltage command value output unit 23 outputs the αβ-axis voltage command value v * α,β to the inverter 30 via the phase number conversion unit 24 as the αβ-axis voltage command value v ** α,β .

これにより、コントローラ20aによる電圧振幅最小制御では、電流制御を行うことなく、トルク微分指令値τdot*に基づく出力トルクτの定値制御が可能になるので、例えば、一般的な電流ベクトル制御において行われるようなPI制御処理(図24に示す符号112,113)における積分演算を必要としない。したがって、積分演算に伴う遅延時間が生じないため、制御指令に対する応答速度の低下を抑制することができる。 As a result, in the voltage amplitude minimum control by the controller 20a, constant value control of the output torque τ based on the torque differential command value τdot * is possible without performing current control, and therefore, for example, integral calculation in the PI control process (reference numerals 112 and 113 shown in FIG. 24) performed in general current vector control is not required. Therefore, since there is no delay time associated with integral calculation, it is possible to suppress a decrease in the response speed to a control command.

このような技術的な効果は、例えば、コントローラ20aによる本電圧ベクトル制御を計算機シミュレーションした結果として、図5(A)に示す出力トルク等の応答特性や、図5(B)に示すインバータ30に対する出力電圧(交流電圧vu,v,w)の軌跡を得ていることからもわかるので、それについて図5を参照して説明する。 Such technical effects can be seen, for example, from the results of computer simulation of this voltage vector control by the controller 20a, which show the response characteristics of the output torque and the like shown in FIG. 5(A) and the trajectory of the output voltage (AC voltage v u,v,w ) for the inverter 30 shown in FIG. 5(B), which will be described with reference to FIG. 5.

シミュレーションにおいては、図3の紙面下方の破線矩形枠内に表されているように、電圧情報生成部21の前段に減算部25とトルク制御部26を設けることにより、電圧情報生成部21にトルク微分指令値τdot*を入力している。減算部25には上位システム(図略)から出力されたトルク指令値τ*と計算により得られたトルク推定値τhatとが入力されて、トルク指令値τ*からトルク推定値τhatを減算した結果(トルク指令値τ*に対する出力トルクτの推定偏差)が制御ゲインKのトルク制御部26に入力される。つまり、電圧情報生成部21に入力されるトルク微分指令値τdot*は、τdot*=K(τ*-τhat)で表される。トルク制御部26は、制御ゲインKの大きさを変更することにより、トルク微分指令値τdot*の大きさや、出力トルクτが立ち上がり時間等を制御することが可能である。 In the simulation, as shown in the dashed rectangular box at the bottom of FIG. 3 , a subtraction unit 25 and a torque control unit 26 are provided before the voltage information generation unit 21, and a torque differential command value τdot * is input to the voltage information generation unit 21. The torque command value τ * output from a higher-level system (not shown) and a calculated torque estimate value τhat are input to the subtraction unit 25, and the result of subtracting the torque estimate value τhat from the torque command value τ * (the estimated deviation of the output torque τ from the torque command value τ * ) is input to a torque control unit 26 of a control gain K. In other words, the torque differential command value τdot * input to the voltage information generation unit 21 is expressed as τdot * = K(τ * - τhat). The torque control unit 26 can control the magnitude of the torque differential command value τdot * and the rise time of the output torque τ by changing the magnitude of the control gain K.

同図において、τの上のハット「∧」記号は推定値の表記であり、明細書においては「hat」と表記する。なお、τhatは、交流モータ50の回転数とモータ電流iu,v,w等により算出される。このシミュレーションでは、トルク制御部のゲインKはシミュレーションの設定条件として任意値が入力される。 In the figure, the hat symbol "^" above τ denotes an estimated value, and is expressed as "hat" in the specification. Note that τhat is calculated from the rotation speed of the AC motor 50 and the motor currents iu ,v,w , etc. In this simulation, an arbitrary value is input as a setting condition for the gain K of the torque control unit.

このシミュレーションの条件は次の通りである。
・交流モータ50の回転速度:1800min-1(一定)
・トルク制御部の制御ゲインK:2000rad/sec(時定数500μsec)
・トルク指令値τ*:0N・mから1N・mまで増加
The conditions for this simulation are as follows:
Rotation speed of AC motor 50: 1800 min −1 (constant)
Torque control unit control gain K: 2000 rad/sec (time constant 500 μsec)
Torque command value τ * : Increases from 0 N·m to 1 N·m

このシミュレーションにおいては、トルク指令値τ*として、インバータ30の出力限界範囲23aの範囲内で実現可能な値(1N・m)を設定している。そのため、図5(A)に示すように、コントローラ20aが1回目の計算処理時間内(500μsec内)で六角形(出力限界範囲23a)の内側に出力トルクτが立ち上がっていることを確認した。出力トルクτにはオーバーシュートが生じていないことも確認できた。なお、出力トルクτの立ち上がり時間は、トルク指令値τ*の入力後の制御開始から目標値トルクの63.2%に到達するまでに要した時間である。上記条件の時定数は、立ち上がり時間の設計値である。 In this simulation, the torque command value τ * was set to a value (1 N·m) that could be achieved within the output limit range 23a of the inverter 30. Therefore, as shown in FIG. 5A, it was confirmed that the output torque τ rose within the hexagon (output limit range 23a) within the first calculation processing time (500 μsec) of the controller 20a. It was also confirmed that no overshoot occurred in the output torque τ. The rise time of the output torque τ is the time required from the start of control after input of the torque command value τ * until it reached 63.2% of the target torque. The time constant in the above condition is the design value of the rise time.

また、図5(B)に示すインバータ30の出力電圧vα,vβは、当該インバータ30の出力電圧vu,v,wをαβ静止座標系に座標変換したαβ軸電圧vα,βである。インバータ30の出力電圧vα,vβの軌跡では、トルク指令値τ*の入力前は反時計回りで円を描くように回っていおり(符号71a)、トルク指令値τ*の入力により立ち上がって(符号71b)、落ち着くと円に戻る(符号71c)。出力トルクτが立ち上がりピーク71b’においても、六角形(出力限界範囲23a)の内側に収まっていることから、理論通りの応答性能を得られていることが確認できる。なお、交流モータ50は同期電動機であることから、この出力電圧vα,vβの軌跡は、交流モータ50の回転速度(三相交流電圧vu,v,wの周波数)に同期して回転している。 Furthermore, the output voltages v α and v β of the inverter 30 shown in FIG. 5B are αβ-axis voltages v α and β obtained by transforming the output voltages v u,v,w of the inverter 30 into an αβ stationary coordinate system. The trajectories of the output voltages v α and v β of the inverter 30 rotate counterclockwise in a circular motion (reference numeral 71a) before the input of the torque command value τ * , rise upon the input of the torque command value τ * (reference numeral 71b), and then return to a circular motion (reference numeral 71c) after settling. Even at the rising peak 71b', the output torque τ remains within the hexagon (output limit range 23a), confirming that the theoretical response performance is achieved. Note that, because the AC motor 50 is a synchronous motor, the trajectories of the output voltages v α and v β rotate in synchronization with the rotational speed of the AC motor 50 (the frequency of the three-phase AC voltages v u,v,w ).

このように図5(A),(B)のいずれからも、出力トルクτには、トルク指令値τ*に対するオーバーシュートが生じていないことがわかる。即ち、本電圧ベクトル制御では、電圧情報生成部21(逆関数v=g-1(τdot)の演算処理)や座標変換部22等には積分演算(積分要素)が含まれないことから、例えば、アンチワインドアップ処理等を備えてなくても、演算処理に伴う遅延時間に起因し得るオーバーシュートが出力トルクτに発生しない。 5A and 5B, it can be seen that the output torque τ does not overshoot the torque command value τ * . That is, in this voltage vector control, the voltage information generating unit 21 (the calculation process of the inverse function v = g -1 (τdot)) and the coordinate conversion unit 22 do not include integral calculations (integral elements). Therefore, even if anti-windup processing or the like is not provided, no overshoot that may be caused by delay times associated with calculation processing occurs in the output torque τ.

ところで、電圧指令値出力部23は、電圧ベクトル(v* α,v* β)が出力限界範囲23aの範囲外にある場合には出力限界範囲23aの範囲内に収まる大きさに変更する必要がある。インバータ30は、出力限界範囲23aを超えた電圧を交流モータ50に出力することができないからである。そこで、このような場合には、図6に示すモータシステム10(10b)の制御系要素の構成例2により対応する。次にモータシステム10(10b)の制御系要素の構成例2を図6~10に基づいて説明する。 Incidentally, when the voltage vector (v * α , v * β ) is outside the output limit range 23a, the voltage command value output unit 23 needs to change the magnitude to fall within the output limit range 23a. This is because the inverter 30 cannot output a voltage that exceeds the output limit range 23a to the AC motor 50. Therefore, such a case is addressed by a second configuration example of the control system elements of the motor system 10 (10b) shown in FIG. 6. Next, a second configuration example of the control system elements of the motor system 10 (10b) will be described with reference to FIGS. 6 to 10.

[制御系要素の構成例2]
図6に示すように、制御系要素の構成例2(以下「構成例2」という)のモータシステム10bでは、コントローラ20bは、電圧情報生成部21、座標変換部22、電圧指令値出力部23、相数変換部24、減算部25、トルク制御部26の機能を有する。つまり、構成例1のモータシステム10a(図3)に対して、コントローラ20bに減算部25およびトルク制御部26の機能を追加している点がそのコントローラ20aと異なる。そのため、コントローラ20bの説明では、コントローラ20aと同一の構成部分については同一符号を付して説明を省略する。
[Configuration example 2 of control system elements]
As shown in Fig. 6, in motor system 10b of configuration example 2 of control system elements (hereinafter referred to as "configuration example 2"), controller 20b has the functions of voltage information generator 21, coordinate converter 22, voltage command value output unit 23, phase number converter 24, subtractor 25, and torque controller 26. In other words, controller 20b differs from controller 20a of motor system 10a of configuration example 1 (Fig. 3) in that the functions of subtractor 25 and torque controller 26 have been added to controller 20b. Therefore, in the description of controller 20b, the same components as those in controller 20a will be denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.

減算部25とトルク制御部26は、構成例1のモータシステム10aのシミュレーションにおいて使用したものとほぼ同じであるが、トルク制御部26の制御ゲインKが外部から制御可能である点が異なるので、それについて説明する。 The subtraction unit 25 and torque control unit 26 are almost the same as those used in the simulation of the motor system 10a in configuration example 1, except that the control gain K of the torque control unit 26 can be controlled externally, which will now be explained.

トルク制御部26は、制御ゲインKを外部から制御可能なトルク制御部であり、構成例2のコントローラ20bでは、ゲインKを増減可能な制御入力が電圧指令値出力部23に接続されて電圧指令値出力部23によりゲインKを制御可能に構成される。これにより、トルク制御部26には、減算部25から出力されたトルク指令値τ*に対する出力トルクτの推定偏差(τ*-τhat)の情報が入力されるため、その偏差をゲインK倍したものをトルク微分指令値τdot*として電圧情報生成部21に出力する(τdot*=K(τ*-τhat))。ゲインKの大きさは電圧指令値出力部23により制御されるため、電圧指令値出力部23はトルク微分指令値τdot*を減少させたり増加させたりすることが可能である。 The torque control unit 26 is a torque control unit that can externally control the control gain K, and in the controller 20b of configuration example 2, a control input that can increase or decrease the gain K is connected to the voltage command value output unit 23, so that the gain K can be controlled by the voltage command value output unit 23. As a result, information on the estimated deviation (τ * - τhat) of the output torque τ from the torque command value τ * output from the subtraction unit 25 is input to the torque control unit 26, and the deviation is multiplied by the gain K and output as the torque differential command value τdot * to the voltage information generation unit 21 (τdot * = K(τ * - τhat)). Since the magnitude of the gain K is controlled by the voltage command value output unit 23, the voltage command value output unit 23 can decrease or increase the torque differential command value τdot * .

このようにコントローラ20bでは、外部の上位システムからトルク指令値τ*が入力されて、そのトルク指令値τ*に対する出力トルクτの推定偏差をゲインKで減少させたり増加させたりしたものがトルク微分指令値τdot*として電圧情報生成部21に入力される。そのため、電圧指令値出力部23は、このゲインKを制御することによって、座標変換部22により変換された電圧ベクトル(v* α,v* β)が出力限界範囲23aの範囲外にある場合に出力限界範囲23aの範囲内に収まる大きさに変更することが可能になる。 In this way, in controller 20b, torque command value τ * is input from an external higher-level system, and the estimated deviation of output torque τ from torque command value τ * is reduced or increased by gain K, and the result is input as torque differential command value τdot * to voltage information generating unit 21. Therefore, by controlling this gain K, voltage command value output unit 23 can change the voltage vector (v * α , v * β ) converted by coordinate conversion unit 22 to a magnitude that falls within output limit range 23a when the voltage vector is outside output limit range 23a.

電圧指令値出力部23は、構成例1で説明したように、座標変換部22から入力されたαβ静止座標系の電圧ベクトル(v* α,v* β)がインバータ30の出力限界範囲23aの範囲内にあるか否かを判定し、出力限界範囲23aの範囲外にあると判定した場合には出力限界範囲23aの範囲内に収まる大きさに電圧ベクトル(v* α,v* β)を変更する。そして、変更後の電圧ベクトルを表すα軸電圧指令値v** αとβ軸電圧指令値v** βとして相数変換部24に出力する。 As described in configuration example 1, the voltage command value output unit 23 determines whether the voltage vector (v * α , v * β ) in the αβ stationary coordinate system input from the coordinate conversion unit 22 is within the output limit range 23a of the inverter 30, and if it determines that the voltage vector is outside the output limit range 23a, changes the voltage vector (v * α , v * β ) to a size that falls within the output limit range 23a. Then, it outputs to the phase number conversion unit 24 an α-axis voltage command value v ** α and a β-axis voltage command value v ** β that represent the changed voltage vector.

具体的には、例えば、コントローラ20bは、図7に示すような電圧指令値出力処理を行う。なお、この処理は、電圧指令値出力部23の機能をソフトウェア的に実現するプログラムとして、コントローラ20bのEEPROM等に予め格納されている。また、前述した減算部25やトルク制御部26の機能をソフトウェア的に実現するプログラムも同様にコントローラ20bのEEPROM等に予め格納されている。 Specifically, for example, controller 20b performs a voltage command value output process as shown in FIG. 7. This process is stored in advance in the EEPROM of controller 20b as a program that implements the functions of voltage command value output unit 23 in software. Similarly, programs that implement the functions of the subtraction unit 25 and torque control unit 26 in software are also stored in advance in the EEPROM of controller 20b.

図7に示すように、電圧指令値出力処理では、ステップS101により電圧ベクトル計算処理が行われた後、ステップS103によりインバータ30の出力限界範囲23aの範囲外にあるか否かが判定される。これらは、構成例1で説明した内容である。即ち、出力限界範囲23aの六角形の各辺を表す6つの一次関数と電圧ベクトル71により表される線分とが交差する交点を演算で求める処理がステップS101による電圧ベクトル計算処理であり、そのような交点が求められた(交点が存在する)か否かを判定、つまり電圧ベクトル71は出力限界範囲23aの六角形の範囲外にある(範囲内にない)か否かを判定する処理がステップS103による判定処理である。 As shown in FIG. 7, in the voltage command value output process, after voltage vector calculation processing is performed in step S101, it is determined in step S103 whether or not the voltage is outside the output limit range 23a of the inverter 30. This is the same as what was described in configuration example 1. In other words, the voltage vector calculation processing in step S101 is the process of calculating the intersection where the six linear functions representing each side of the hexagon of the output limit range 23a intersect with the line segment represented by the voltage vector 71, and the determination processing in step S103 is the process of determining whether or not such an intersection has been found (whether or not an intersection exists), i.e., whether or not the voltage vector 71 is outside the hexagon of the output limit range 23a (is not within the range).

このような判定処理により、電圧ベクトル71が出力限界範囲23aの六角形の範囲外にあると判定された場合には(S103;Yes)、続くゲイン制御情報出力処理(S105)により、トルク制御部26に対してゲインKを下げる制御情報が出力される。その後、再びステップS101に戻って電圧ベクトル計算処理(S101)が行われた後、さらに判定処理(S103)が行われる。トルク制御部26がゲインKを低下させると、電圧ベクトル71は前回の演算時よりも小さくなる。そのため、ゲイン制御情報出力処理(S105)→電圧ベクトル計算処理(S101)→判定処理(S103)を繰り返すことによって、前述の式(9)により求められた「電圧振幅が最小になる電圧ベクトル71」は、電圧指令値出力部23により出力限界範囲23aの範囲内に収まる大きさに変更される。 If this determination process determines that the voltage vector 71 is outside the hexagonal range of the output limit range 23a (S103; Yes), the subsequent gain control information output process (S105) outputs control information to the torque control unit 26 to lower the gain K. The process then returns to step S101, where the voltage vector calculation process (S101) is performed, followed by the determination process (S103). When the torque control unit 26 lowers the gain K, the voltage vector 71 becomes smaller than it was in the previous calculation. Therefore, by repeating the gain control information output process (S105) → voltage vector calculation process (S101) → determination process (S103), the "voltage vector 71 with the minimum voltage amplitude" calculated using the aforementioned equation (9) is changed by the voltage command value output unit 23 to a size that fits within the output limit range 23a.

そして、電圧ベクトル71が出力限界範囲23aの六角形の範囲内にあると判定されると(S103;No)、αβ軸電圧指令値出力処理(S107)により、変更後の電圧ベクトル(変更後電圧ベクトル)(v* α,v* β)を表すα軸電圧指令値v** αとβ軸電圧指令値v** βを、相数変換部24に出力する。なお、最初から出力限界範囲23aの範囲内に収まる場合にはゲイン制御情報出力処理(S105)が行われないため、入力時の電圧ベクトル(v* α,v* β)をそのままα軸電圧指令値v** αとβ軸電圧指令値v** βを相数変換部24に出力する。 Then, when it is determined that the voltage vector 71 is within the hexagonal range of the output limit range 23a (S103; No), an αβ-axis voltage command value output process (S107) outputs an α-axis voltage command value v ** α and a β-axis voltage command value v ** β representing the changed voltage vector (changed voltage vector) ( v * α , v * β ) to the phase number conversion unit 24. Note that when the voltage vector is within the output limit range 23a from the beginning, the gain control information output process (S105) is not performed, and therefore the input voltage vector (v * α , v * β ) is output as is to the phase number conversion unit 24 as the α-axis voltage command value v ** α and the β-axis voltage command value v ** β .

このように構成例2のモータシステム10bでは、電圧ベクトル71が出力限界範囲23aの範囲外にある場合、電圧指令値出力部23は、変更後の電圧ベクトルが出力限界範囲23aの範囲内に収まるまでトルク制御部26のゲインKを下げる(小さくする)ことによりトルク微分指令値τdot*を減少させる。これにより、電圧ベクトル71が出力限界範囲23aの範囲外にある場合、つまり実現不可能なαβ軸電圧指令値v* α,βが要求された場合、出力限界範囲23aの範囲内に収まるまでトルク微分指令値τdot*が減少する。このようなゲイン制御情報出力処理(S105)→電圧ベクトル計算処理(S101)→判定処理(S103)を繰り返す処理においては、減算部25とトルク制御部26により行われるため、制御パラメータはゲインKだけである。そのため、制御パラメータに着目すると、出力トルクτは、τ=τ*(1-e(-Kt))により表される。なお、tは時間を表す。 As described above, in the motor system 10b of configuration example 2, when the voltage vector 71 is outside the output limit range 23a, the voltage command value output unit 23 decreases the torque differential command value τdot * by lowering (reducing) the gain K of the torque control unit 26 until the changed voltage vector falls within the output limit range 23a. As a result, when the voltage vector 71 is outside the output limit range 23a, that is, when an unrealizable αβ-axis voltage command value v * α,β is requested, the torque differential command value τdot * is decreased until it falls within the output limit range 23a. The process of repeating the gain control information output process (S105), voltage vector calculation process (S101), and determination process (S103) is performed by the subtraction unit 25 and the torque control unit 26, and therefore the only control parameter is the gain K. Therefore, focusing on the control parameters, the output torque τ is expressed as τ = τ * (1 - e (-Kt) ), where t represents time.

したがって、出力トルクτは、トルク指令値τ*に対してオーバーシュートが生じることがなく、また管理も容易であることが理解できる。また、積分要素も含まれないため、例えば、過去の履歴に基づくような処理も行われない。よって、構成例2のモータシステム10bでは、即座に実現可能なαβ軸電圧指令値v** α,βを相数変換部24を介してインバータ30に出力することが可能になる。また、積分演算に伴う遅延時間が生じないため、制御指令に対する応答速度の低下を抑制することができる。 Therefore, it can be seen that the output torque τ does not overshoot the torque command value τ * and is easy to manage. Furthermore, since no integral element is included, for example, processing based on past history is not performed. Therefore, in the motor system 10b of configuration example 2, it is possible to output an αβ-axis voltage command value v ** α,β that can be immediately realized to the inverter 30 via the phase number conversion unit 24. Furthermore, since there is no delay time associated with integral calculation, it is possible to suppress a decrease in the response speed to a control command.

このような技術的な効果は、例えば、コントローラ20bによる本電圧ベクトル制御を計算機シミュレーションした結果として、図8に示す出力トルク等の応答特性や、図9に示すインバータ30に対する出力電圧(交流電圧vu,v,w)の軌跡等を得ていることからもわかるので、それについて図8,9を参照して説明する。 Such technical effects can be seen, for example, from the results of computer simulation of this voltage vector control by the controller 20b, which show the response characteristics of the output torque and the like shown in FIG. 8 and the trajectory of the output voltage (AC voltages v u,v,w ) for the inverter 30 shown in FIG. 9, which will be described with reference to FIGS. 8 and 9.

このシミュレーションの条件は次の通りである。
・交流モータ50の回転速度:3600min-1(一定)
・トルク制御部の制御ゲインK:2000rad/sec(時定数500μsec)
・トルク指令値τ*:0N・mから3N・mまで増加
The conditions for this simulation are as follows:
Rotation speed of AC motor 50: 3600 min −1 (constant)
Torque control unit control gain K: 2000 rad/sec (time constant 500 μsec)
Torque command value τ * : Increases from 0 N·m to 3 N·m

図8および図9においては、構成例2のコントローラ20bによる制御と、構成例1のコントローラ20aによる制御とを期間を変えて使用している。即ち、図8,9に示すシミュレーションの結果は、制御開始から前半の3msecの期間をコントローラ20b(構成例2)により制御し、それ以降の後半の期間をコントローラ20a(構成例1)により制御したことにより得られたものである。したがって、このシミュレーション結果からは、制御開始から前半の3msecの期間においては、構成例2のコントローラ20bによる応答特性について確認でき、前半と後半の境界においては、構成例2→構成例1への制御の切り換え時にノイズや振動等が発生することなくシームレスに移行していることを確認できる。なお、コントローラ20a,20bによるそれぞれの機能は同じハードウェアで実現できることから、このような制御の切り換えはソフトウェア的に対応可能である。 In Figures 8 and 9, control by controller 20b of Configuration Example 2 and control by controller 20a of Configuration Example 1 are used for different periods. That is, the simulation results shown in Figures 8 and 9 were obtained by controlling the first 3 msec period from the start of control using controller 20b (Configuration Example 2) and the second half of the period thereafter using controller 20a (Configuration Example 1). Therefore, these simulation results confirm the response characteristics of controller 20b of Configuration Example 2 during the first 3 msec period from the start of control, and that at the boundary between the first and second halves, there is a seamless transition from Configuration Example 2 to Configuration Example 1 without generating noise or vibration. Note that because the functions of controllers 20a and 20b can be realized using the same hardware, such control switching can be handled via software.

このシミュレーションにおいては、トルク指令値τ*として、インバータ30の出力限界範囲23aの範囲内における過変調領域(図4(B)に示す薄墨色の範囲)を一時的に使用することで実現可能な値(3N・m)を設定している。そのため、通常の電流ベクトル制御等では出力トルクτにオーバーシュートが生じる可能性の高いこのような条件を設定しても、図8(A)に示すように、本電圧ベクトル制御では、出力トルクτやトルク推定値τhatの波形からオーバーシュートが生じていないことを確認した。また、構成例2→構成例1への制御の切り換えタイミングにおいても、出力トルクτやトルク推定値τhatの波形からノイズ等が生じていないことを確認した。なお、図8(B)にはdq軸電流id,qの波形が表されており、また図8(C)には、モータ電流|i|の波形が表されている。|i|は、U,V,W相のモータ電流iu,v,wのそれぞれを二乗して加えた値の平方根(二乗和平方根)により求められたものである。dq軸電流id,qやモータ電流|i|の波形においても、オーバーシュートや切り換えに伴うノイズ等が生じていないことがわかる。 In this simulation, the torque command value τ * was set to a value (3 N·m) that can be achieved by temporarily using the overmodulation region (the light gray region shown in FIG. 4B) within the inverter 30's output limit range 23a. Therefore, even under these conditions, where overshooting of the output torque τ is likely to occur under conventional current vector control, the waveforms of the output torque τ and the estimated torque value τhat were confirmed to be free of overshoot under this voltage vector control, as shown in FIG. 8A. Furthermore, even when switching control from Configuration Example 2 to Configuration Example 1, the waveforms of the output torque τ and the estimated torque value τhat were confirmed to be free of noise. Note that FIG. 8B shows the waveforms of the d- and q-axis currents i d and q , and FIG. 8C shows the waveform of the motor current |i|. |i| is calculated by taking the square root (the square root of the sum of squares) of the U-, V-, and W-phase motor currents i u, v, and w . It can be seen that there is no overshoot or noise due to switching in the waveforms of the dq-axis current i d,q and the motor current |i|.

また、図9(A)に示すように、インバータ30の出力電圧の軌跡においては、構成例1において説明したものと同じであり、同図に示すインバータ30の出力電圧vα,vβは、当該インバータ30の出力電圧vu,v,wをαβ静止座標系に座標変換したものである。このシミュレーションでは、トルク指令値τ*として、インバータ30の出力限界範囲23aの範囲内における過変調領域を一時的に使用する値(3N・m)を意図的に設定している。そのため、インバータ30の出力電圧vα,vβが過変調領域に到達している部分(符号71d)は、出力限界範囲23aの六角形の縁を辿るように軌跡を描いているが、これは出力トルクτにオーバーシュートが生じていることを表すものではない。 9A, the trajectory of the output voltage of the inverter 30 is the same as that described in Configuration Example 1, and the output voltages and of the inverter 30 shown in the figure are obtained by transforming the output voltages vu ,v,w of the inverter 30 into the αβ stationary coordinate system. In this simulation, the torque command value τ * is intentionally set to a value (3 N·m) that temporarily uses the overmodulation region within the output limit range 23a of the inverter 30. Therefore, the portion (reference numeral 71d) where the output voltages and of the inverter 30 reach the overmodulation region traces a trajectory that follows the edge of the hexagon of the output limit range 23a, but this does not indicate that an overshoot occurs in the output torque τ.

さらに、図9(B)に示すように、インバータ30のIGBT31~36に入力されるスイッチング信号の波形(スイッチング波形)を見ると、IGBT31~36にスイッチング信号が入力されていない期間が存在することがわかる。この期間は、インバータ30の出力電圧vα,vβが過変調領域に到達している時間である。なお、同図において、各相の縦軸は、「1.0」が上アームのIGBT31,33,35のオンタイミングを表し、「0.0」が下アームのIGBT32,34,36のオンタイミングを表している。 9B, when the waveforms of the switching signals (switching waveforms) input to the IGBTs 31 to 36 of the inverter 30 are examined, it can be seen that there is a period during which no switching signals are input to the IGBTs 31 to 36. This period is the time during which the output voltages v α and v β of the inverter 30 reach the overmodulation region. In the figure, on the vertical axis of each phase, "1.0" represents the on-timing of the IGBTs 31, 33, and 35 of the upper arm, and "0.0" represents the on-timing of the IGBTs 32, 34, and 36 of the lower arm.

構成例2のモータシステム10bでは、実機による実験も行っているので、その結果についても図10を参照しながら説明する。図10(A)は過変調運転を含まない線形領域動作の場合の実験結果であり、図10(B)は一時的な過変調運転を含む線形領域動作の場合の実験結果である。これらの実験結果では、トルク指令値τ*、トルク推定値τhat、d軸電流id、q軸電流iqの各波形が表されている。この実験では、出力トルクτの代わりにトルク推定値τhatから出力トルクの応答性を確認している。 Experiments were also conducted on the motor system 10b of configuration example 2 using an actual machine, and the results will be described with reference to Figure 10. Figure 10(A) shows the experimental results for linear region operation without overmodulation operation, and Figure 10(B) shows the experimental results for linear region operation with temporary overmodulation operation. These experimental results show the waveforms of the torque command value τ * , torque estimate value τhat, d-axis current id , and q-axis current iq . In this experiment, the responsiveness of the output torque was confirmed from the torque estimate value τhat instead of the output torque τ.

この実験の条件は次の通りである。
・交流モータ50の回転速度:1000min-1(一定)
・トルク制御部の制御ゲインK:図10(A)では2000rad/sec(時定数500μsec)、図10(B)では5000rad/sec(時定数200μsec)
・トルク指令値τ*:0N・mから2N・mまで増加
The conditions for this experiment are as follows:
Rotation speed of AC motor 50: 1000 min −1 (constant)
Control gain K of torque control section: 2000 rad/sec (time constant 500 μsec) in FIG. 10(A), 5000 rad/sec (time constant 200 μsec) in FIG. 10(B)
Torque command value τ * : Increases from 0 N·m to 2 N·m

図10(A)に示すように、過変調運転を含まない線形領域動作の場合には、トルク推定値τhatの波形から、出力トルクはトルク指令値τ*に対してほぼオーバーシュートなしで応答していることが確認できた。またトルク推定値τhatの波形から得られた時定数は600μsecであることから、立ち上がり時間の設計値(時定数500μsec)にほぼ近いことも確認できた。したがって、出力限界範囲23aの範囲内の過変調運転を含まない線形領域においては、トルク応答の管理が可能であることを確認できた。 As shown in Figure 10(A), in the case of linear region operation that does not include overmodulation operation, it was confirmed from the waveform of the estimated torque value τhat that the output torque responds to the torque command value τ * with almost no overshoot. In addition, it was confirmed that the time constant obtained from the waveform of the estimated torque value τhat is 600 μsec, which is almost close to the designed value of the rise time (time constant 500 μsec). Therefore, it was confirmed that torque response can be managed in the linear region that does not include overmodulation operation within the output limit range 23a.

図10(B)に示すように、一時的な過変調運転を含む線形領域動作の場合には、トルク推定値τhatの波形から、出力トルクはトルク指令値τ*に向けて直線的に増加しているが、オーバーシュートを生じることなく応答していることを確認した。したがって、出力限界範囲23aの範囲内においては一時的に過変調運転に移行してもオーバーシュートなしで応答していることが確認できた。なお、トルク推定値τhatの波形は、制御開始から約200μsec遅れて立ち上がり始めていることがわかる。そのため、同図においては、トルク推定値τhatの整定時間は800μsecであるが、この約200μsec遅れを除くと、図10(A)に示すトルク推定値τhatの波形と同様に、出力トルクは立ち上がり時間の設計値に近い値で立ち上が得ることがわかる。 As shown in Figure 10(B), in the case of linear operation including temporary overmodulation operation, the waveform of the estimated torque value τhat shows that the output torque increases linearly toward the torque command value τ * , but responds without overshoot. Therefore, within the output limit range 23a, it was confirmed that the response is without overshoot even when the system temporarily transitions to overmodulation operation. It can also be seen that the waveform of the estimated torque value τhat begins to rise approximately 200 μsec after the start of control. Therefore, although the settling time of the estimated torque value τhat is 800 μsec in this figure, excluding this approximately 200 μsec delay, it can be seen that the output torque rises at a value close to the design value, similar to the waveform of the estimated torque value τhat shown in Figure 10(A).

[制御系要素の構成例3]
次にモータシステム10(10c)の制御系要素の構成例3(以下「構成例3」という)を図11~20に基づいて説明する。構成例1のモータシステム10aでは、電圧情報生成部21において、電圧ベクトル計算処理(I)(図4(A)に示す概念図により表される生成アルゴリズム)に従ってdq軸電圧指令値v* d,qを選定した。前述したように、電圧情報生成部21により得られるd軸電圧指令値v* dおよびq軸電圧指令値v* qの電圧ベクトル(vd,vq)は、変数2つを入力する関数であることから、d軸電圧vdやq軸電圧vqの選定には任意性が残るためである。
[Configuration example 3 of control system elements]
Next, a third configuration example (hereinafter referred to as "third configuration example") of the control system elements of the motor system 10 (10c) will be described with reference to Figures 11 to 20. In the motor system 10a of the first configuration example, the voltage information generator 21 selected the d-axis and q-axis voltage command values v * d,q in accordance with the voltage vector calculation process (I) (the generation algorithm represented by the conceptual diagram shown in Figure 4(A)). As described above, the voltage vector ( vd , vq) of the d-axis and q-axis voltage command values v * d and v * q obtained by the voltage information generator 21 is a function that inputs two variables, and therefore the selection of the d-axis voltage vd and the q-axis voltage vq remains arbitrary.

ところで、交流モータ50等の同期電動機では、出力トルクτが最大になるモータ電流iu,v,wの位相角で交流モータ50を駆動すると各相のコイルの銅損が最小になることから、モータ電流iu,v,wに対して出力トルクτを最大にするMTPA(Maximum Torque Per Ampere)制御が、駆動系モータシステムやサーボ系モータシステム等に多く用いられている。例えば、上位システムが交流モータ50の運転制御をMTPA制御で行う場合においては、当該上位システムからの制御情報としてd軸電流指令値i* dをコントローラ20が取得することによって、図4(A)に示す概念図により表される生成アルゴリズムと同様に、dq軸電圧指令値v* d,qを選定することが可能になる。そこで、構成例1のコントローラ20aによる電圧振幅最小制御の場合に行われた電圧情報生成部21によるdq軸電圧指令値v* d,qの選定の他の例として、交流モータ50の運転制御をMTPA制御で行う場合に適用可能な構成例3のモータシステム10cについて説明する。 Incidentally, in a synchronous motor such as the AC motor 50, copper loss in the coils of each phase is minimized when the AC motor 50 is driven at a phase angle of the motor currents iu ,v,w that maximizes the output torque τ, and therefore, MTPA (Maximum Torque Per Ampere) control, which maximizes the output torque τ with respect to the motor currents iu ,v,w, is often used in drive motor systems, servo motor systems, etc. For example, when a higher-level system controls the operation of the AC motor 50 using MTPA control, the controller 20 acquires the d-axis current command value i * d as control information from the higher-level system, and thereby it becomes possible to select the dq-axis voltage command values v * d,q in the same manner as the generation algorithm represented by the conceptual diagram shown in FIG. Therefore, as another example of the selection of the dq-axis voltage command values v * d,q by the voltage information generating unit 21 in the case of voltage amplitude minimum control by the controller 20a of configuration example 1, we will explain the motor system 10c of configuration example 3, which can be applied when the operation control of the AC motor 50 is performed using MTPA control.

図11に示すように、構成例3のモータシステム10cでは、コントローラ20cは、電圧情報生成部21、座標変換部22、電圧指令値出力部23、相数変換部24、減算部25、トルク制御部26、減算部27、電流制御部28、電圧情報生成部29の機能を有する。つまり、構成例1のモータシステム10a(図3)に対して、コントローラ20cに減算部25、トルク制御部26、減算部27、電流制御部28および電圧情報生成部29の機能を追加している点がそのコントローラ20aと異なる。また、構成例2のモータシステム10b(図6)に対しては、減算部27、電流制御部28および電圧情報生成部29を追加している点がそのコントローラ20bと異なる。そのため、コントローラ20cの説明では、コントローラ20a,20bと同一の構成部分については同一符号を付して説明を省略する。 As shown in FIG. 11, in motor system 10c of configuration example 3, controller 20c has the functions of voltage information generator 21, coordinate converter 22, voltage command value output unit 23, phase number converter 24, subtractor 25, torque controller 26, subtractor 27, current controller 28, and voltage information generator 29. In other words, controller 20c differs from motor system 10a of configuration example 1 (FIG. 3) in that it has the additional functions of subtractor 25, torque controller 26, subtractor 27, current controller 28, and voltage information generator 29. Furthermore, motor system 10b of configuration example 2 (FIG. 6) differs from controller 20b in that it has the additional functions of subtractor 27, current controller 28, and voltage information generator 29. Therefore, in the description of controller 20c, the same components as controllers 20a and 20b will be designated by the same reference numerals and will not be described again.

減算部27は、構成例1のモータシステム10aのシミュレーションにおいて使用したものと同じであるが入力される情報が異なる。減算部27には上位システム(図略)から出力されたMTPA制御におけるd軸電流指令値i* d_MTPAとd軸電流idとが入力されて、d軸電流指令値i* d_MTPAからd軸電流idを減算した結果(d軸電流指令値i* d_MTPAに対するd軸電流idの偏差)が電流制御部28に入力される。 The subtraction unit 27 is the same as that used in the simulation of the motor system 10a of Configuration Example 1, but the information input thereto is different. The d-axis current command value i * d_MTPA and the d-axis current id in the MTPA control output from a higher-level system (not shown) are input to the subtraction unit 27, and the result of subtracting the d-axis current id from the d-axis current command value i * d_MTPA (the deviation of the d-axis current id from the d-axis current command value i * d_MTPA ) is input to the current control unit 28.

電流制御部28は、制御ゲインGを有する制御部であり、減算部27から入力されたd軸電流idの偏差をゲインG倍したものをd軸電流微分指令値idot* dとして出力する(idot* d=G(i* d_MTPA-id))。ゲインGの大きさは予め設定されている。電流制御部28から出力されたd軸電流微分指令値idot* dは、電圧情報生成部29に入力されてd軸電圧指令値v* dの算出に用いられる。 The current control unit 28 is a control unit having a control gain G, and outputs the deviation of the d-axis current i_d input from the subtraction unit 27 multiplied by the gain G as a d - axis current differential command value i_d ( i_d* d = G( i_d_MTPA - i_d )). The magnitude of the gain G is set in advance. The d-axis current differential command value i_d output from the current control unit 28 is input to the voltage information generation unit 29 and used to calculate the d-axis voltage command value v_d .

電圧情報生成部29は、後述する式(15)の逆関数v* d=h-1(idot* d)として機能する。つまり、MTPA制御を行っている上位システムからd軸電流指令値i* d_MTPAが入力されると、そのd軸電流微分指令値idot* dを用いて算出可能なd軸電圧指令値v* dが電圧情報生成部29から出力される。電圧情報生成部29から出力されたd軸電圧指令値v* dは、電圧情報生成部21と座標変換部22に入力される。なお、d軸電流微分指令値idot* dは、d軸電流指令値i* d_MTPAを時間で微分したものであるから、MTPA制御におけるd軸電流の時間微分指令値である。 The voltage information generating unit 29 functions as an inverse function v * d = h -1 (idot * d ) of equation (15) described later. In other words, when a d-axis current command value i * d_MTPA is input from a higher-level system performing MTPA control, a d-axis voltage command value v * d that can be calculated using the d-axis current differential command value i * d is output from the voltage information generating unit 29. The d-axis voltage command value v * d output from the voltage information generating unit 29 is input to the voltage information generating unit 21 and the coordinate conversion unit 22. Note that the d-axis current differential command value i * d is obtained by differentiating the d-axis current command value i * d_MTPA with respect to time, and is therefore a time differential command value of the d-axis current in MTPA control.

電圧情報生成部21は、このようなd軸電圧指令値v* dが電圧情報生成部29から入力されることによって、図12に示す概念図により表される生成アルゴリズム(電圧ベクトル計算処理(II))に従って電圧指令値を選定する。 When the voltage information generating unit 21 receives the d-axis voltage command value v * d from the voltage information generating unit 29, the voltage information generating unit 21 selects a voltage command value in accordance with the generation algorithm (voltage vector calculation process (II)) represented by the conceptual diagram shown in FIG. 12.

図12に示すように、電圧ベクトル計算処理(II)では、例えば、電圧ベクトル(vd,vq)(電圧ベクトル72)が存在するdq回転座標系のvd-vq平面において、トルク微分値指令値τdot*により得られるトルク微分値直線92を与える。前述した構成例1における電圧ベクトル計算処理(I)では、両者が最短距離で交わる交点を求め、当該交点までの大きさを有する電圧ベクトル71を電圧指令値v* d,qとして選定した。 12 , in the voltage vector calculation process (II), for example, a torque differential line 92 obtained from the torque differential command value τdot * is given in the vd - vq plane of the dq rotating coordinate system on which the voltage vector ( vd , vq ) (voltage vector 72) exists. In the voltage vector calculation process (I) in the above-described configuration example 1, the point of intersection where the two intersect with each other at the shortest distance is found, and the voltage vector 71 having a magnitude up to the point of intersection is selected as the voltage command value v * d,q .

しかしここでは、電圧情報生成部21には、電圧情報生成部29から出力されたd軸電圧指令値v* dが入力されることから、電圧情報生成部21により得られるd軸電圧指令値v* dおよびq軸電圧指令値v* qの電圧ベクトル(vd,vq)の2変数のうち、一方のd軸電圧vdが定まる。そのため、他方のq軸電圧vqも決まるので、MTPA制御に適した電圧ベクトル72が電圧指令値v* d,qとして選定される。 However, in this case, the d-axis voltage command value v * d output from the voltage information generator 29 is input to the voltage information generator 21, and therefore one of the two variables, the d-axis voltage vd, of the voltage vector ( vd , vq ) of the d-axis voltage command value v * d and the q-axis voltage command value v * q obtained by the voltage information generator 21 is determined. Therefore, the other q-axis voltage vq is also determined, and the voltage vector 72 suitable for MTPA control is selected as the voltage command value v * d,q .

より具体的には、コントローラ20cにより式(12)の演算が行われて電圧指令値v* d,qが求められる。式(12)の演算により選定された電圧指令値v* d,qを用いて行われる交流モータ50の運転制御のことを、以下「電流振幅最小制御」という。なお、A,B,Cは、前述した式(8)に示されている、A(id,iq),B(id,iq),C(id,iqre)である。
なお、式(12)は次のように得られる。
More specifically, the controller 20c calculates the voltage command value v * d,q according to equation (12). The operation control of the AC motor 50 performed using the voltage command value v * d,q selected by the calculation of equation (12) is hereinafter referred to as "current amplitude minimum control." Note that A, B, and C are A(i d , i q ), B(i d , i q ), and C(i d , i q , ω re ) shown in the above-mentioned equation (8).
Equation (12) can be obtained as follows.

前述の式(7)と式(2)について一部の変数を指令値に置き換えると、次の式(13)と式(14)になる。そして、電流制御部28から出力されるd軸電流微分指令値idot* dは、これまでにも説明しているように式(15)で表されるので、式(13)と式(14)をd軸電圧指令値v* dとq軸電圧指令値v* qについて解くことにより、前述した式(12)が得られる。なお、下記式(15)においては、d軸電流指令値i* d_MTPAは「i* d」で表記されていることに注意されたい。 When some of the variables in the above-mentioned equations (7) and (2) are replaced with command values, the following equations (13) and (14) are obtained. The d-axis current differential command value i * d output from the current control unit 28 is expressed by equation (15), as explained above, and therefore, by solving equations (13) and (14) for the d-axis voltage command value v * d and the q-axis voltage command value v * q , the above-mentioned equation (12) is obtained. Note that in the following equation (15), the d-axis current command value i * d_MTPA is expressed as "i * d ".

このように構成例3のモータシステム10cでは、dq回転座標系においては、電圧情報生成部21は、トルク微分値τdot、d軸電流id、q軸電流iq、角速度ωreおよびd軸電流微分指令値idot* dに基づいて、d軸電圧指令値v* dおよびq軸電圧指令値v* qを生成する。これにより、インバータ30の出力電流iu,v,wに対して交流モータ50の出力トルクτが最大になる電圧ベクトル(vd,vq)が得られるため、トルク微分指令値τdot*に対応した出力トルクτの効率が最も良い電圧指令値αβ軸電圧指令値v** α,βを相数変換部24を介してインバータ30に出力することが可能になる。したがって、構成例3のモータシステム10cでは、例えば、トルク指令値τ*(要求トルク)に対してインバータ30の出力電流iu,v,wを最小限に抑えたい等のニーズがある場合にそれを満たすことができる。また、MTPA制御に適した電圧ベクトル72が電圧指令値v* d,qとして選定されるので、MTPA制御にスムースに移行することができる。 As described above, in the motor system 10c of configuration example 3, in the dq rotating coordinate system, the voltage information generator 21 generates the d-axis voltage command value v* d and the q-axis voltage command value v * q based on the torque differential value τdot, the d-axis current id, the q-axis current iq , the angular velocity ωre , and the d-axis current differential command value idot * d . This makes it possible to obtain a voltage vector ( vd , vq ) that maximizes the output torque τ of the AC motor 50 for the output current iu,v,w of the inverter 30, and therefore makes it possible to output the voltage command values αβ-axis voltage command values v ** α,β that maximize the efficiency of the output torque τ corresponding to the torque differential command value τdot * to the inverter 30 via the phase number converter 24. Therefore, the motor system 10c of configuration example 3 can satisfy needs such as minimizing the output current iu ,v,w of the inverter 30 for the torque command value τ * (required torque). Furthermore, since the voltage vector 72 suitable for the MTPA control is selected as the voltage command value v * d,q , a smooth transition to the MTPA control is possible.

このような技術的な効果は、例えば、コントローラ20cによる本電圧ベクトル制御を計算機シミュレーションした結果として、図13に示す出力トルク等の応答特性を得ていることからもわかるので、それについて図13を参照して説明する。 This technical effect can be seen, for example, from the response characteristics of the output torque, etc., obtained as a result of a computer simulation of this voltage vector control by controller 20c, as shown in Figure 13, which will be explained with reference to Figure 13.

このシミュレーションの条件は次の通りである。
・交流モータ50の回転速度:1000min-1(一定)
・トルク制御部の制御ゲインK:5000rad/sec(時定数1msec)
・電流制御部の制御ゲインG:1000rad/sec(時定数1msec)
・トルク指令値τ*:0N・mから4N・mまで増加
The conditions for this simulation are as follows:
Rotation speed of AC motor 50: 1000 min −1 (constant)
Torque control unit control gain K: 5000 rad/sec (time constant 1 msec)
Control gain G of current control section: 1000 rad/sec (time constant 1 msec)
Torque command value τ * : Increases from 0 N·m to 4 N·m

図13においては、構成例3のコントローラ20cによる制御と、構成例1のコントローラ20aによる制御とを期間を変えて使用している。即ち、図8に示すシミュレーションの結果は、制御開始から前半の1.2msecの期間をコントローラ20a(構成例1)により制御し、それ以降の後半の期間をコントローラ20c(構成例3)により制御したことにより得られたものである。したがって、このシミュレーション結果からは、制御開始から前半の1.2msecの期間においては、構成例1のコントローラ20aによる応答特性について確認でき、前半と後半の境界とそれ以降においては、構成例1→構成例3への制御の切り換え時に、出力トルクτの変動、ノイズや振動等が発生することなくシームレスに移行していることや、MTPA制御によるd軸電流指令値i* dに対するd軸電流idの応答特性等を確認できる。なお、コントローラ20a,20cによるそれぞれの機能は同じハードウェアで実現できることから、このような制御の切り換えはソフトウェア的に対応可能である。 13 , control by the controller 20c of Configuration Example 3 and control by the controller 20a of Configuration Example 1 are used for different periods. That is, the simulation results shown in FIG. 8 were obtained by controlling the first 1.2 msec period from the start of control using the controller 20a (Configuration Example 1) and controlling the second 1.2 msec period thereafter using the controller 20c (Configuration Example 3). Therefore, the simulation results confirm the response characteristics of the controller 20a of Configuration Example 1 during the first 1.2 msec period from the start of control. At the boundary between the first and second halves and thereafter, a seamless transition from Configuration Example 1 to Configuration Example 3 occurs without fluctuations in the output torque τ, noise, vibration, or the like. The simulation results also confirm the response characteristics of the d-axis current i d relative to the d-axis current command value i * d under MTPA control. Note that the functions of the controllers 20a and 20c can be realized by the same hardware, so such control switching can be handled by software.

このシミュレーションにおいては、トルク指令値τ*として、インバータ30の出力限界範囲23aの範囲内における過変調領域を一時的に使用することで実現可能な値(4N・m)を設定している。そのため、制御開始から1.2msecの期間における構成例1のコントローラ20aによる応答特性は、出力トルクτはトルク指令値τ*に向けて直線的に増加しているが、オーバーシュートを生じることなく応答していることを確認した。また、構成例1→構成例3への制御の切り換えタイミングにおいても、出力トルクτやトルク推定値τhatの波形からノイズ等が生じていないことを確認した。さらに制御の切り換え直後においては、d軸電流指令値i* dが段状に急激に低下しそれに応答してd軸電流idがd軸電流指令値i* dに近づいていることから、MTPA制御にスムースに移行していることも確認できた。 In this simulation, the torque command value τ * was set to a value (4 N·m) that can be achieved by temporarily using the overmodulation region within the output limit range 23a of the inverter 30. Therefore, the response characteristics of the controller 20a of Configuration Example 1 during the 1.2 msec period from the start of control confirmed that the output torque τ increased linearly toward the torque command value τ * without overshooting. Furthermore, even when switching control from Configuration Example 1 to Configuration Example 3, it was confirmed that no noise or other artifacts were present in the waveforms of the output torque τ or the estimated torque value τhat. Furthermore, immediately after the control switchover, the d-axis current command value i * d dropped sharply in a stepwise manner, and in response, the d-axis current id approached the d-axis current command value i * d , confirming a smooth transition to MTPA control.

ここで、構成例1~3のモータシステム10a~10cに共通して適用可能な電圧指令値出力部23のアルゴリズムを図14~17に基づいて説明する。
[構成例1~3の改変例1]
Here, an algorithm of the voltage command value output unit 23 that can be commonly applied to the motor systems 10a to 10c of the first to third configuration examples will be described with reference to FIGS.
[Modification 1 of Configuration Examples 1 to 3]

電圧指令値出力部23は、前述したように、座標変換部22から入力されたα軸電圧指令値v* αとβ軸電圧指令値v* βからなる電圧ベクトル(v* α,v* β)を、インバータ30が出力可能な電圧の限界値である出力限界範囲23aの範囲内に収まる大きさに変更してα軸電圧指令値v** αとβ軸電圧指令値v** βを出力するリミッタ機能を有する。そのため、電圧ベクトル(v* α,v* β)が出力限界範囲23aの範囲外にあると判定した場合には、構成例2のコントローラ20bでは、変更後の電圧ベクトルが出力限界範囲23aの範囲内に収まるまで電圧指令値出力部23がトルク制御部26のゲインKを下げるアルゴリズム(図7;電圧指令値出力処理)を用いている。 As described above, the voltage command value output unit 23 has a limiter function of changing the voltage vector (v * α , v * β ) consisting of the α-axis voltage command value v * α and the β-axis voltage command value v * β input from the coordinate conversion unit 22 to a magnitude that falls within the output limit range 23a, which is the limit value of the voltage that can be output by the inverter 30, and outputting the α-axis voltage command value v ** α and the β-axis voltage command value v ** β . Therefore, when it is determined that the voltage vector (v * α , v * β ) is outside the output limit range 23a, the controller 20b of configuration example 2 uses an algorithm (FIG. 7; voltage command value output process) in which the voltage command value output unit 23 reduces the gain K of the torque control unit 26 until the changed voltage vector falls within the output limit range 23a.

しかし、図14に示すように、前述の式(9)や式(12)により得られた電圧ベクトル71,72が出力限界範囲23aの範囲外にあると判定された場合でもトルク微分値直線93上における他の動作点に変更することで出力限界範囲23aの範囲内に収まる場合がある。そのため、構成例2の電圧指令値出力部23による電圧指令値出力処理では、単純に出力限界範囲23aの範囲内に収まる大きさに変更していたが、必ずしもこのようなアルゴリズムが適切であるとは限らない。例えば、出力限界範囲23aの範囲を表す正六角形に対してトルク微分値直線93が交差する点が存在する場合には、その交点まで延びるベクトルを元の電圧ベクトル71,72に代えて新たな電圧ベクトル73に変更すれば出力限界範囲23aの範囲内に収まる。 However, as shown in FIG. 14, even if it is determined that the voltage vectors 71 and 72 obtained using the above-described equations (9) and (12) are outside the output limit range 23a, they may be able to fall within the output limit range 23a by changing them to another operating point on the torque differential line 93. Therefore, in the voltage command value output process by the voltage command value output unit 23 of configuration example 2, the voltage vectors are simply changed to a size that falls within the output limit range 23a, but this algorithm is not necessarily appropriate. For example, if there is a point where the torque differential line 93 intersects with the regular hexagon representing the output limit range 23a, the vector extending to that intersection can be changed from the original voltage vectors 71 and 72 to a new voltage vector 73, thereby falling within the output limit range 23a.

そこで、本改変例1においては、図14に表された電圧指令値修正アルゴリズムの概念例に基づいて前述の式(9)や式(12)により得られた電圧ベクトル71,72が出力限界範囲23aの範囲外にあると判定された場合においても、出力限界範囲23aの範囲内に収まり得る電圧指令値修正処理(I)を行うことにした。なお、この改変例1や次の改変例2においては、「出力限界範囲23aの範囲」には、出力限界範囲23aの範囲を表す六角形の各辺および各頂点を含める。そのため、変更後の電圧ベクトル73の先端位置を表す座標が当該六角形の辺や頂点と重なる場合も出力限界範囲23aの範囲内にあると判定する。この点は、前述した構成例1~3とは異なるので注意されたい。 In this modified example 1, even if it is determined that voltage vectors 71 and 72 obtained using the aforementioned equations (9) and (12) based on the conceptual example of the voltage command value correction algorithm shown in Figure 14 are outside the output limit range 23a, a voltage command value correction process (I) is performed to bring the voltage vectors within the output limit range 23a. Note that in this modified example 1 and the next modified example 2, the "range of output limit range 23a" includes each side and each vertex of the hexagon representing the range of output limit range 23a. Therefore, even if the coordinates representing the tip position of the modified voltage vector 73 overlap with a side or vertex of the hexagon, it is determined to be within the range of output limit range 23a. Note that this differs from the previously described configuration examples 1 to 3.

念のため、図14に表されているαβ静止座標系とdq回転座標系の関係について説明する。αβ静止座標系のvα-vβ平面は固定されているのに対して、dq回転座標系のvd-vq平面は反時計回り方向に交流モータ50の回転速度に同期して回転する。同図のvd-vq平面は電気角θreだけ回転した瞬間を表現したものである。vα-vβ平面には出力限界範囲23aの六角形だけが表されている。当該六角形以外の電圧ベクトル71,72,73やトルク微分値直線93は、vd-vq平面に表されており、vd-vq平面と共に交流モータ50の回転速度に同期して回転している。 Just to be sure, the relationship between the αβ stationary coordinate system and the dq rotating coordinate system shown in FIG. 14 will be explained. While the - plane of the αβ stationary coordinate system is fixed, the vd - vq plane of the dq rotating coordinate system rotates counterclockwise in synchronization with the rotational speed of the AC motor 50. The vd -vq plane in the same figure represents the instant when the motor has rotated by the electrical angle θre . Only the hexagon of the output limit range 23a is shown on the - plane. The voltage vectors 71, 72, and 73 other than the hexagon and the torque differential value line 93 are shown on the vd - vq plane and rotate, together with the vd - vq plane, in synchronization with the rotational speed of the AC motor 50.

図15に示す電圧指令値修正処理(I)について説明する。この処理は、トルク微分値直線93と出力電圧限界線が1つ以上の交点を有する場合を前提に行われる。出力電圧限界線は、出力限界範囲23aを表す六角形を構成する6つの辺のことである。なお、この処理は、本改変例1における電圧指令値出力部23の機能をソフトウェア的に実現するプログラムとして、コントローラ20a~20cのEEPROM等に予め格納されている。 The voltage command value correction process (I) shown in Figure 15 will now be described. This process is performed on the assumption that the torque differential value line 93 and the output voltage limit line have one or more intersections. The output voltage limit lines are the six sides that make up the hexagon representing the output limit range 23a. This process is stored in advance in the EEPROM or the like of the controllers 20a to 20c as a program that implements the functions of the voltage command value output unit 23 in this modified example 1 in software.

図15に示すように、電圧指令値修正処理(I)では、まずステップS201によりトルク微分値直線93と出力電圧限界線の交点を計算する処理が行われる。この処理は、構成例1において既に説明している「出力限界範囲23aの六角形の各辺を表す6つの一次関数と電圧ベクトル71により表される線分とが交差する交点を演算で求める処理」と同様である。そのため、ステップS201の処理については説明を省略する。 As shown in Figure 15, in the voltage command value correction process (I), step S201 first calculates the intersection of the torque differential value line 93 and the output voltage limit line. This process is similar to the "process of calculating the intersection of the six linear functions representing each side of the hexagon of the output limit range 23a and the line segment represented by the voltage vector 71" already described in configuration example 1. Therefore, a description of step S201 will be omitted.

ステップS201の交点計算処理によって連立方程式の解が2つ以上得られた場合には、トルク微分値直線93と出力電圧限界線の交点が2つ以上存在することになるので、そのような場合には(S203;Yes)、次のステップS205の交点選択処理が行われる。これに対して、両者の交点が複数存在しない場合には(S203;No)、ステップS207の電圧指令値変更処理に移行する。この場合にはその交点を選択する。 If two or more solutions to the simultaneous equations are obtained by the intersection calculation process in step S201, there will be two or more intersections between the torque differential value line 93 and the output voltage limit line. In such a case (S203; Yes), the intersection selection process in the next step S205 is performed. On the other hand, if there are no multiple intersections between the two (S203; No), the process proceeds to the voltage command value change process in step S207. In this case, that intersection is selected.

ステップS205の交点選択処理では、例えば、交点を有する2つ以上の辺のうち、トルク微分値直線93に対して最も平行に近い辺を特定し、その辺に含まれる交点を選択する。例えば、図14に示す例においては、交点80aを有する辺の方が交点80bを有する辺よりもトルク微分値直線93に対して平行に近い。そのため、この場合には交点80aを有する辺から交点80aを選択する。なお、六角形の辺とトルク微分値直線93が平行に近いか否かは、例えば、判定対象の辺の傾きとトルク微分値直線93の傾きとの差を計算し傾き同士の差が小さいほど平行に近いと判定する。 In the intersection selection process of step S205, for example, of two or more sides with an intersection, the side that is closest to being parallel to the torque differential value line 93 is identified, and an intersection included in that side is selected. For example, in the example shown in FIG. 14, the side with intersection 80a is closer to being parallel to the torque differential value line 93 than the side with intersection 80b. Therefore, in this case, intersection 80a is selected from the sides with intersection 80a. Note that whether or not the sides of the hexagon and the torque differential value line 93 are close to being parallel is determined, for example, by calculating the difference between the slope of the side being judged and the slope of the torque differential value line 93, and determining that the smaller the difference between the slopes, the closer to being parallel.

ステップS207の電圧指令値変更処理では、ステップS205等により選択された交点の座標情報に基づいて、その交点座標を先端座標にするベクトル情報を生成して元の電圧ベクトルに対して置き換える処理が行われる。例えば、図14に示す例においては、選択された交点80aの座標情報に基づいて当該交点座標を先端座標にする電圧ベクトル73の情報が生成されて、元の電圧ベクトル71,72に代えて、この新たな電圧ベクトル73に置き換える。これにより、新たな電圧ベクトル73のα軸電圧指令値v* αとβ軸電圧指令値v* βが電圧指令値出力部23から出力される。 In the voltage command value changing process of step S207, based on the coordinate information of the intersection selected in step S205 etc., vector information having the coordinates of the intersection as the tip coordinates is generated and replaced with the original voltage vector. For example, in the example shown in Fig. 14, information of a voltage vector 73 having the coordinates of the selected intersection 80a as the tip coordinates is generated based on the coordinate information of the selected intersection 80a, and the original voltage vectors 71 and 72 are replaced with this new voltage vector 73. As a result, the α-axis voltage command value v * α and the β-axis voltage command value v * β of the new voltage vector 73 are output from the voltage command value output unit 23.

このように本改変例1では、dq回転座標系において、トルク微分値τdot、d軸電流id、q軸電流iqおよび角速度ωreを含む所定関数で表されるトルク微分値直線93に対して出力限界範囲23aを表す六角形を構成する6つの辺のうち最も平行に近い辺と、この所定関数で表されるトルク微分値直線93とが交わるときには、その交点80aまで延びる電圧ベクトルを電圧ベクトル73(変更後電圧ベクトル)とし、当該ベクトルを表すα軸電圧指令値v* α、β軸電圧指令値v* βをαβ軸電圧指令値v** α,βとして相数変換部24を介してインバータ30に出力する。 In this manner, in the present modified example 1, when the side that is closest to parallel among the six sides constituting the hexagon representing the output limit range 23a intersects with the torque differential value line 93 expressed by a predetermined function including the torque differential value τdot, the d-axis current i d , the q-axis current i q and the angular velocity ω re in the dq rotating coordinate system, the voltage vector extending to the intersection 80a is set as the voltage vector 73 (changed voltage vector), and the α-axis voltage command value v * α and the β-axis voltage command value v * β representing this vector are output as the αβ-axis voltage command values v ** α,β to the inverter 30 via the phase number conversion unit 24.

これにより、電圧ベクトル73は、出力限界範囲23aの範囲を表す六角形の6つの辺のうちの一辺に到達するので、電圧指令値出力部23は、例えば、複雑な演算が必要なリミッタ制御等を用いることなく、また積分演算を行うことなく、実現可能な電圧指令値として最大値を相数変換部24を介してインバータ30に出力することが可能になる。したがって、複雑な演算や積分演算に伴う遅延時間が生じないため、トルク微分指令値τdot*やトルク指令値τ*に対する応答速度の低下を抑制することができる。 As a result, voltage vector 73 reaches one of the six sides of the hexagon representing output limit range 23a, and therefore voltage command value output unit 23 can output the maximum value as a feasible voltage command value to inverter 30 via phase number conversion unit 24 without using limiter control or the like that requires complex calculations and without performing integral calculations. Therefore, since no delay time associated with complex calculations or integral calculations occurs, it is possible to suppress a decrease in the response speed to torque differential command value τdot * and torque command value τ * .

[構成例1~3の改変例2]
前述した改変例1では、電圧指令値出力部23の機能として実行される電圧指令値修正処理(I)について説明したが、この処理は、トルク微分値直線93と出力電圧限界線が1つ以上の交点を有する場合を前提にしたものである。そのため、例えば、図16に示すようにトルク微分値直線94と出力電圧限界線の交点がない、つまり両者が交差しない場合には電圧指令値修正処理(I)を適用することができない。
[Modification 2 of Configuration Examples 1 to 3]
In the above-described first modification, the voltage command value correction process (I) executed as a function of the voltage command value output unit 23 has been described, but this process is based on the assumption that the torque differential value line 93 and the output voltage limit line have one or more intersections. Therefore, for example, as shown in FIG. 16 , if there is no intersection between the torque differential value line 94 and the output voltage limit line, that is, if the two do not intersect, the voltage command value correction process (I) cannot be applied.

トルク微分値直線94と出力電圧限界線が交差しない場合に適用可能な電圧指令値修正処理(II)について説明する。図16に示すように、トルク微分値直線94と出力電圧限界線が交差しない場合においては、出力限界範囲23aを表す六角形とトルク微分値直線94とが離れている場合、または両者が近い位置に存在しても六角形の辺とトルク微分値直線93が平行もしくは平行に近い状態にある場合である。このような場合には、図17に示す電圧指令値修正処理(II)により解決する。なお、この処理は、この改変例2における電圧指令値出力部23の機能をソフトウェア的に実現するプログラムとして、コントローラ20a~20cのEEPROM等に予め格納されている。 The following describes voltage command value correction process (II) applicable when the torque differential value line 94 and the output voltage limit line do not intersect. As shown in FIG. 16, the torque differential value line 94 and the output voltage limit line do not intersect when the hexagon representing the output limit range 23a and the torque differential value line 94 are separated, or when the two are close to each other but the sides of the hexagon and the torque differential value line 93 are parallel or nearly parallel. This problem is resolved by voltage command value correction process (II) shown in FIG. 17. This process is stored in advance in the EEPROM or the like of controllers 20a-20c as a program that implements the functions of the voltage command value output unit 23 in this second modified example in software.

図17に示すように、電圧指令値修正処理(II)では、まずステップS301によりトルク微分値直線94と出力電圧限界線(六角形の6つの辺)の平行度合いを計算する処理が行われる。例えば、これらの線の平行度合いは、両直線の傾きの差を計算して傾き同士の差が小さいほど平行度合いが大きい(平行に近い)と判定する。そのため、このステップS301では、トルク微分値直線94の傾きと六角形の各辺の傾きをこれらの直線を特定可能な一次関数から求める計算処理が行われる。これにより、六角形の各辺に対応する6つの平行度合いが得られる。 As shown in FIG. 17, in the voltage command value correction process (II), first, in step S301, the degree of parallelism between the torque differential value line 94 and the output voltage limit line (the six sides of the hexagon) is calculated. For example, the degree of parallelism of these lines is determined by calculating the difference in slope between the two lines, and determining that the smaller the difference in slope, the greater the degree of parallelism (closer to parallelism). Therefore, in step S301, a calculation process is performed to find the slope of the torque differential value line 94 and the slope of each side of the hexagon from a linear function that can identify these lines. As a result, six degrees of parallelism corresponding to each side of the hexagon are obtained.

次のステップS303の特定限界線選択処理では、ステップS301により得られた六角形の各辺に対応する6つの平行度合いのうち、最大値を有する辺を特定する。最大値を有する辺が2つ以上存在する場合には、それら2辺のうちトルク微分値直線93に近い辺を特定する。例えば、それら2辺の中間点座標とトルク微分値直線93の所定位置の座標との位置関係から離隔距離を求める。 In the next step S303, a specific limit line selection process, the side with the maximum parallelism is identified from the six parallelism degrees corresponding to the sides of the hexagon obtained in step S301. If there are two or more sides with the maximum parallelism, the side closest to the torque differential line 93 is identified from those two sides. For example, the separation distance is calculated from the positional relationship between the midpoint coordinates of those two sides and the coordinates of a predetermined position on the torque differential line 93.

続くステップS305の両端座標取得処理では、ステップS301により特定された出力電圧限界線(六角形の特定辺)の両端座標の情報を取得する。例えば、図16に示す例では、端点81,82の座標情報が取得される。そして、ステップS307の両電圧ベクトル計算処理により、この座標情報に基づいて当該端点座標を先端座標にする電圧ベクトルの情報が生成されて両電圧ベクトル(vd,vq)のd軸電圧vdとq軸電圧vqが算出される。そして、これらの電圧ベクトル(vd,vq)のd軸電圧vdとq軸電圧vqをトルク微分値直線94に関する前述の式(7)に代入することで、これらの電圧ベクトルのトルク微分値τdotが算出される。 In the subsequent process of obtaining coordinates of both ends in step S305, information on the coordinates of both ends of the output voltage limit line (specific side of the hexagon) identified in step S301 is obtained. For example, in the example shown in FIG. 16 , coordinate information on end points 81 and 82 is obtained. Then, in the process of calculating both voltage vectors in step S307, information on voltage vectors whose tip coordinates are the coordinates of the end points is generated based on this coordinate information, and the d-axis voltage vd and the q-axis voltage vq of both voltage vectors ( vd , vq ) are calculated. Then, by substituting the d-axis voltage vd and the q-axis voltage vq of these voltage vectors ( vd , vq ) into the aforementioned equation (7) related to the torque differential line 94, the torque differential value τdot of these voltage vectors is calculated.

ステップS309の端点選択処理では、ステップS307により計算された2つの電圧ベクトルのトルク微分値τdotのうち、大きい方の電圧ベクトルの先端位置に相当する端点を選択する。例えば、図16に示す例では、2つの電圧ベクトル74,75のうち、トルク微分値τdotが大きい電圧ベクトル74の端点82が選択される。 In the endpoint selection process of step S309, the endpoint corresponding to the tip position of the larger of the torque differential values τdot of the two voltage vectors calculated in step S307 is selected. For example, in the example shown in Figure 16, of the two voltage vectors 74, 75, endpoint 82 of voltage vector 74, which has the larger torque differential value τdot, is selected.

そして、ステップS311の電圧指令値変更処理では、ステップS309により選択された電圧ベクトルのベクトル情報を元の電圧ベクトルに対して置き換える処理が行われる。例えば、図16に示す例においては、選択された電圧ベクトル74を元の電圧ベクトル71,72に代えて置き換える。これにより、新たな電圧ベクトル74のα軸電圧指令値v* αとβ軸電圧指令値v* βが電圧指令値出力部23から出力される。 Then, in the voltage command value changing process of step S311, the vector information of the voltage vector selected in step S309 is replaced with the original voltage vector. For example, in the example shown in Fig. 16, the selected voltage vector 74 is replaced with the original voltage vectors 71 and 72. As a result, the α-axis voltage command value v * α and the β-axis voltage command value v * β of the new voltage vector 74 are output from the voltage command value output unit 23.

このように本改変例2では、dq回転座標系において、トルク微分値τdot、d軸電流id、q軸電流iqおよび角速度ωreを含む所定関数で表されるトルク微分値直線94に対して出力限界範囲23aを表す六角形を構成する6つの辺のうち最も平行に近い辺と、この所定関数で表されるトルク微分値直線93とが交わらないときには、最も平行に近い辺の両端点81,82を表す2つの電圧ベクトル74,75のうちトルク微分値τdotが大きい方の電圧ベクトル74を(変更後電圧ベクトル)とし、当該ベクトルを表すα軸電圧指令値v* α、β軸電圧指令値v* βをαβ軸電圧指令値v** α,βとして相数変換部24を介してインバータ30に出力する。 In this manner, in the present modified example 2, when the side that is closest to parallel among the six sides constituting the hexagon representing the output limit range 23a with respect to the torque differential value line 94 expressed by a predetermined function including the torque differential value τdot, the d-axis current i d , the q-axis current i q and the angular velocity ω re does not intersect with the torque differential value line 93 expressed by this predetermined function in the dq rotating coordinate system, the voltage vector 74 having the larger torque differential value τdot among the two voltage vectors 74, 75 representing the end points 81, 82 of the side that is closest to parallel is set as the (changed voltage vector), and the α-axis voltage command value v * α and β-axis voltage command value v * β representing this vector are output as αβ-axis voltage command values v ** α,β to the inverter 30 via the phase number conversion unit 24.

これにより、電圧ベクトル74は、出力限界範囲23aの範囲を表す六角形の6つの頂点のうちの一頂点に到達するので、電圧指令値出力部23は、例えば、複雑な演算が必要なリミッタ制御等を用いることなく、また積分演算を行うことなく、実現可能な電圧指令値として最大値を相数変換部24を介してインバータ30に出力することが可能になる。したがって、複雑な演算や積分演算に伴う遅延時間が生じないため、制御指令に対する応答速度の低下を抑制することができる。 As a result, the voltage vector 74 reaches one of the six vertices of the hexagon representing the output limit range 23a, and the voltage command value output unit 23 can output the maximum value as a possible voltage command value to the inverter 30 via the phase number conversion unit 24 without using limiter control, which requires complex calculations, or performing integral calculations. Therefore, there is no delay time associated with complex calculations or integral calculations, and a decrease in the response speed to control commands can be suppressed.

[構成例1~3の改変例3]
前述した改変例1と改変例2は互いに役割が異なり相補関係にある。即ち、改変例1はトルク微分値直線93と出力電圧限界線が1つ以上の交点を有する場合を前提にした処理であり、それとは逆に、改変例2はこれらの両者の交点がない場合を前提にした処理である。したがって、これらの改変例1,2の前処理として、トルク微分値直線93等と出力電圧限界線とが交差するか否かを判定する処理を設け、改変例1,2のそれぞれの前提条件に適合するように制御を振り分けるアルゴリズムを構成する方がよい。
[Modification 3 of Configuration Examples 1 to 3]
The above-described first and second modifications have different roles and are complementary to each other. That is, the first modification is based on the assumption that the torque differential line 93 and the output voltage limit line have one or more intersections, while the second modification is based on the assumption that there are no intersections between them. Therefore, it is better to provide a process for determining whether the torque differential line 93 or the like intersects with the output voltage limit line as preprocessing for the first and second modifications, and to configure an algorithm for allocating control so as to conform to the respective preconditions for the first and second modifications.

また、構成例3において図13を参照しながら説明したように、例えば、交流モータ50の起動後から出力トルクが要求トルクに到達するまでは構成例1の電圧振幅最小制御で交流モータ50を制御し、出力トルクが要求トルクに到達した後は構成例3の電流振幅最小制御に切り換えてMTPA制御にスムースに移行できるように交流モータ50を制御する場合がある。このように交流モータ50の運転状況に応じて、構成例1の電圧振幅最小制御と構成例3の電流振幅最小制御を連携させるアルゴリズムも有益である。 Furthermore, as explained in Configuration Example 3 with reference to FIG. 13, for example, after the AC motor 50 is started, the AC motor 50 may be controlled with the minimum voltage amplitude control of Configuration Example 1 until the output torque reaches the required torque, and after the output torque reaches the required torque, the AC motor 50 may be controlled by switching to the minimum current amplitude control of Configuration Example 3 to enable a smooth transition to MTPA control. In this way, an algorithm that links the minimum voltage amplitude control of Configuration Example 1 and the minimum current amplitude control of Configuration Example 3 depending on the operating conditions of the AC motor 50 is also useful.

そこで、本改変例3では、モータシステム10(10a~10c)のコントローラ20(20a~20c)において、図18に示すような統合制御処理のアルゴリズムを構成することにより、交流モータ50の運転状況に応じた電圧振幅最小制御と電流振幅最小制御の連携や、前述の改変例1,2に対するそれぞれの前提条件に適合した制御の振り分けを可能にした。 In this modified example 3, the controller 20 (20a to 20c) of the motor system 10 (10a to 10c) is configured with an integrated control processing algorithm as shown in Figure 18, which enables coordination of minimum voltage amplitude control and minimum current amplitude control according to the operating conditions of the AC motor 50, and allocation of control that is compatible with the respective prerequisites for the modified examples 1 and 2 described above.

なお、コントローラ20a~20cによるそれぞれの機能は同じハードウェアで実現できることから、このような制御の切り換えはソフトウェア的に対応可能である。この統合制御処理は、当該処理を実現するプログラムとして、コントローラ20のEEPROM等に予め格納されている。また、この統合制御処理は、交流モータ50の運転制御の開始から運転制御の終了までの間において、コントローラ20のCPU等により所定の制御周期で繰り返し実行されている。 Since the functions of controllers 20a to 20c can be realized by the same hardware, such control switching can be handled by software. This integrated control process is stored in advance in the EEPROM of controller 20 as a program that realizes this process. Furthermore, this integrated control process is repeatedly executed at a predetermined control cycle by the CPU of controller 20 from the start to the end of operation control of AC motor 50.

図18に示すように、統合制御処理では、まずステップS501により電圧ベクトル計算処理(II)が行われる。この処理は、構成例3において図12を参照しながら説明したものである。そのため、ここでは構成例3のコントローラ20cが、電流振幅最小制御を行う準備として、電圧情報生成部21に次の処理を行わせる。電圧情報生成部21では、電圧情報生成部29からd軸電圧指令値v* dが入力されると、電圧ベクトル(vd,vq)の2変数のうちのd軸電圧vdが定まるので残りのq軸電圧vqも自動的に決まる。そのため、MTPA制御に適した電圧ベクトル72が電圧指令値v* d,qとして選定されて座標変換部22に出力される。座標変換部22は、入力された電圧指令値v* d,qをdq回転座標系からαβ静止座標系に変換してαβ軸電圧指令値v* α,βを電圧指令値出力部23に出力する。 As shown in FIG. 18 , in the integrated control process, first, a voltage vector calculation process (II) is performed in step S501. This process has been described with reference to FIG. 12 in the configuration example 3. Therefore, here, the controller 20c of the configuration example 3 causes the voltage information generation unit 21 to perform the following process in preparation for current amplitude minimum control. When the d-axis voltage command value v * d is input from the voltage information generation unit 29, the voltage information generation unit 21 determines the d-axis voltage vd , one of the two variables of the voltage vector ( vd , vq ), and therefore the remaining q-axis voltage vq is also automatically determined. Therefore, a voltage vector 72 suitable for MTPA control is selected as the voltage command value v * d,q and output to the coordinate conversion unit 22. The coordinate conversion unit 22 converts the input voltage command value v * d,q from the dq rotating coordinate system to the αβ stationary coordinate system and outputs the αβ-axis voltage command value v * α,β to the voltage command value output unit 23.

すると、次のステップS503により、電圧指令値出力部23がインバータ30の出力限界範囲23aの範囲内にあるか否かを判定する処理が行われる。この判定処理により、電圧ベクトル72が出力限界範囲23aの六角形の範囲内にあると判定された場合には(S503;Yes)、電圧ベクトル72の大きさを変更する必要がないため、電圧指令値出力部23はそのαβ軸電圧指令値v** α,βを相数変換部24に出力する。この場合、構成例3の電流振幅最小制御が行われる。 Then, in the next step S503, the voltage command value output unit 23 performs a process of determining whether or not the voltage vector 72 is within the output limit range 23a of the inverter 30. If this determination process determines that the voltage vector 72 is within the hexagonal range of the output limit range 23a (S503; Yes), there is no need to change the magnitude of the voltage vector 72, and therefore the voltage command value output unit 23 outputs the αβ-axis voltage command value v ** α,β to the phase number conversion unit 24. In this case, the current amplitude minimum control of configuration example 3 is performed.

続くステップS511では、相数変換部24が入力されたαβ軸電圧指令値v** α,βをαβ静止座標系の二相の電圧ベクトルをUVW静止座標系の三相の電圧ベクトルに変換した電圧指令値v* u,v,wを出力する。相数変換部24から出力された電圧指令値v* u,v,wはインバータ30に入力される。インバータ30では電圧指令値v* u,v,wに従ったスイッチング動作が行われてそれにより生成された交流電圧vu,v,wが交流モータ50に供給される。 In the following step S511, the phase number conversion unit 24 converts the input αβ-axis voltage command value v ** α,β from a two-phase voltage vector in the αβ stationary coordinate system into a three-phase voltage vector in the UVW stationary coordinate system, and outputs voltage command values v * u,v,w . The voltage command values v * u,v,w output from the phase number conversion unit 24 are input to the inverter 30. The inverter 30 performs a switching operation in accordance with the voltage command values v * u,v,w, and the AC voltages vu ,v,w generated thereby are supplied to the AC motor 50.

一方、ステップS503の判定処理により、電圧ベクトル72が出力限界範囲23aの六角形の範囲内にない(範囲外にある)と判定された場合には(S503;No)、電圧指令値出力部23はその電圧ベクトル72を破棄する。 On the other hand, if the determination process of step S503 determines that the voltage vector 72 is not within (outside) the hexagonal range of the output limit range 23a (S503; No), the voltage command value output unit 23 discards the voltage vector 72.

そして、この電圧ベクトル72の破棄をトリガーにして、統合制御処理では、ステップS505により電圧ベクトル計算処理(I)が行われる。この処理は、構成例1において図4(A)を参照しながら説明したものである。そのため、ここでは構成例1のコントローラ20aが、電圧振幅最小制御を行う準備として、電圧情報生成部21が入力されたトルク微分指令値τdot*に対して電圧振幅が最小になる電圧ベクトル71を電圧指令値v* d,qとして選定する処理が行われる。選定されたベクトル71の電圧指令値v* d,qは、座標変換部22によりαβ軸電圧指令値v* α,βに変換された後、電圧指令値出力部23に出力される。 Then, in the integrated control process, the discarding of this voltage vector 72 triggers the voltage vector calculation process (I) to be performed in step S505. This process has been described with reference to FIG. 4A in the configuration example 1. Therefore, here, in preparation for performing voltage amplitude minimum control, the controller 20a of the configuration example 1 performs a process in which the voltage information generating unit 21 selects, as the voltage command values v * d,q , the voltage vector 71 that minimizes the voltage amplitude for the input torque differential command value τdot * . The voltage command values v * d,q of the selected vector 71 are converted into αβ-axis voltage command values v * α,β by the coordinate conversion unit 22, and then output to the voltage command value output unit 23.

すると、次のステップS507により、電圧指令値出力部23がインバータ30の出力限界範囲23aの範囲内にあるか否かの判定処理を行い、電圧ベクトル71が出力限界範囲23aの六角形の範囲内にあると判定された場合には(S507;Yes)、電圧ベクトル71の大きさを変更する必要がないため、電圧指令値出力部23はそのαβ軸電圧指令値v** α,βを相数変換部24に出力する。この場合、構成例1の電圧振幅最小制御が行われる。ステップS511の電圧指令値出力処理では前述と同様の処理が行われて交流電圧vu,v,wが交流モータ50に供給される。 Then, in the next step S507, the voltage command value output unit 23 performs processing to determine whether or not the voltage vector 71 is within the output limit range 23a of the inverter 30. If it is determined that the voltage vector 71 is within the hexagonal range of the output limit range 23a (S507; Yes), there is no need to change the magnitude of the voltage vector 71, and therefore the voltage command value output unit 23 outputs the αβ-axis voltage command value v ** α,β to the phase number conversion unit 24. In this case, the voltage amplitude minimum control of Configuration Example 1 is performed. In the voltage command value output processing of step S511, processing similar to that described above is performed, and AC voltages v u,v,w are supplied to the AC motor 50.

一方、ステップS507の判定処理により、電圧ベクトル71が出力限界範囲23aの六角形の範囲内にない(範囲外にある)と判定された場合には(S507;No)、さらにステップS509による判定処理が行われる。 On the other hand, if the determination process of step S507 determines that the voltage vector 71 is not within the hexagonal range of the output limit range 23a (outside the range) (S507; No), further determination process is performed in step S509.

ステップS509では、トルク微分値直線91と出力電圧限界線(出力限界範囲23aを表す六角形の辺)が交差するか否かを判定する処理が行われる。この処理は、前述した「改変例1,2の前処理」である。そのため、これらが交差すると電圧指令値出力部23により判定された場合には(S509;Yes)、両者は1つ以上の交点を有することになるので、交点を有する場合を前提にした改変例1の電圧指令値修正処理(I)に移行する(S200)。これに対して、トルク微分値直線91と出力電圧限界線が交差しないと電圧指令値出力部23により判定された場合には(S509;No)、両者の交点はないことになるから、交差しない(交点がない)場合を前提にした改変例2の電圧指令値修正処理(II)に移行する(S300)。 In step S509, a process is performed to determine whether the torque differential value line 91 and the output voltage limit line (the sides of the hexagon representing the output limit range 23a) intersect. This process is the "preprocessing for Modified Examples 1 and 2" described above. Therefore, if the voltage command value output unit 23 determines that they intersect (S509; Yes), the two will have one or more intersections, and the process proceeds to voltage command value correction process (I) of Modified Example 1, which assumes that there is an intersection (S200). On the other hand, if the voltage command value output unit 23 determines that the torque differential value line 91 and the output voltage limit line do not intersect (S509; No), the two will not intersect, and the process proceeds to voltage command value correction process (II) of Modified Example 2, which assumes that they do not intersect (there is no intersection) (S300).

改変例1の電圧指令値修正処理(I)(S200)や、改変例2の電圧指令値修正処理(II)(S300)については既に説明しているので、ここでは説明を省略する。これらの電圧指令値修正処理(I),(II)(S200,S300)によって、電圧ベクトル71等が出力限界範囲23aの六角形に収まらない場合においても、六角形の辺や頂点上の大きさの電圧ベクトル73,74,75に変更される(図14,16)。これにより、このような場合には、いわゆるワンパルス制御(1パルス駆動)が行われる。 The voltage command value correction process (I) (S200) of Modified Example 1 and the voltage command value correction process (II) (S300) of Modified Example 2 have already been described, so a detailed description will be omitted here. Even if voltage vector 71 or the like does not fit within the hexagon of output limit range 23a, these voltage command value correction processes (I) and (II) (S200, S300) change it to voltage vectors 73, 74, and 75 with dimensions on the sides and vertices of the hexagon (Figures 14 and 16). As a result, in such cases, so-called one-pulse control (single-pulse drive) is performed.

コントローラ20a~20cによる統合制御処理における本電圧ベクトル制御を計算機シミュレーションした結果として、図19,20に示す出力トルク等の応答特性やインバータ30に出力されるU,V,W相の電圧指令値v* u,v,wを得ているので、それについて説明する。なお、シミュレーションの条件は、図19と図20で異なる。 As a result of computer simulation of this voltage vector control in the integrated control processing by the controllers 20a to 20c, response characteristics such as output torque and voltage command values v * u,v,w of the U, V, and W phases output to the inverter 30 are obtained as shown in Figures 19 and 20, and these will be described below. Note that the simulation conditions are different between Figures 19 and 20.

図19に示す結果のシミュレーション条件
・交流モータ50の回転速度:1800min-1(一定)
・トルク制御部の制御ゲインK:5000rad/sec
・トルク指令値τ*:0N・mから1N・mまで増加
Simulation conditions for the results shown in FIG. 19: Rotational speed of AC motor 50: 1800 min −1 (constant)
Torque control unit control gain K: 5000 rad/sec
Torque command value τ * : Increases from 0 N·m to 1 N·m

図20に示す結果のシミュレーション条件
・交流モータ50の回転速度:1000min-1(一定)
・トルク制御部の制御ゲインK:5000rad/sec
・トルク指令値τ*:0N・mから4N・mまで増加
Simulation conditions for the results shown in FIG. 20: Rotational speed of AC motor 50: 1000 min −1 (constant)
Torque control unit control gain K: 5000 rad/sec
Torque command value τ * : Increases from 0 N·m to 4 N·m

まず、図19に示すシミュレーション結果においては、トルク指令値τ*に対する出力トルクτは比較的速く立ち上がっており(図19(A))、しかも制御開始から約500μsecの期間ではU,V,W相の電圧指令値v* u,v,wの波形が正側最大電圧や負側最小電圧に貼り付いた状態を維持していることから、この間は改変例2によりワンパルス制御が行われていたことがわかる(図19(B))。一時的に過変調領域を使用するトルク指令値τ*にしたことから、改変例2によりワンパルス制御が行われていたと推測される。なお、出力トルクτにオーバーシュートが生じていない(図19(A)に示す破線楕円内)。また、改変例2→構成例1への制御の切り換えタイミングにおいても、出力トルクτやトルク推定値τhatの波形からノイズ等が生じていないことを確認した。 First, in the simulation results shown in FIG. 19, the output torque τ relative to the torque command value τ * rises relatively quickly ( FIG. 19(A) ). Furthermore, for a period of approximately 500 μsec from the start of control, the waveforms of the voltage command values v * u,v,w for the U, V, and W phases remain stuck at the positive maximum voltage and the negative minimum voltage, indicating that one-pulse control was performed according to Modification Example 2 during this period ( FIG. 19(B) ). Since the torque command value τ * temporarily uses the overmodulation region, it is inferred that one-pulse control was performed according to Modification Example 2. Note that no overshoot occurred in the output torque τ (in the dashed ellipse shown in FIG. 19(A) ). Furthermore, it was confirmed that no noise or other artifacts were present in the waveforms of the output torque τ and the torque estimate value τhat even when switching control from Modification Example 2 to Configuration Example 1.

なお、比較例の電流ベクトル制御を行った場合のシミュレーション結果が図25に示されているが、この比較例のシミュレーション条件は、次のように図19に示す結果のシミュレーション条件と同様に設定されている。よって、両者は比較することができる。 Note that Figure 25 shows the simulation results for the comparative example when current vector control was performed. The simulation conditions for this comparative example were set in the same way as the simulation conditions for the results shown in Figure 19, as follows. Therefore, the two can be compared.

比較例(図24,25)のシミュレーション条件は次の通りである。
・交流モータ50の回転速度:1800min-1(一定)
・ACR(電流制御器)の応答周波数:5000rad/sec
・トルク指令値τ*:0N・mから1N・mまで増加
The simulation conditions for the comparative example (FIGS. 24 and 25) are as follows:
Rotation speed of AC motor 50: 1800 min −1 (constant)
・ACR (current controller) response frequency: 5000 rad/sec
Torque command value τ * : Increases from 0 N·m to 1 N·m

したがって、図19(A)と図25(A)の両シミュレーション結果を見比べると、出力トルクτおよびトルク推定値τhatについては、比較例の電流ベクトル制御ではオーバーシュートの発生が明らかにわかる(図25(A)に示す破線楕円内)。しかし、改変例3や構成例1による本電圧ベクトル制御では、前述のように一時的に過変調領域を使用したことによりαβ軸電圧指令値v** α,βが制限されてもそれに起因したオーバーシュートは出力トルクτ等に生じていないことが、図19(A)に示す破線楕円内において確認できる。 19(A) and 25(A), it is clear that overshoot occurs in the output torque τ and the estimated torque value τhat in the current vector control of the comparative example (within the dashed ellipse in FIG. 25(A)). However, in the voltage vector control according to Modification Example 3 and Configuration Example 1, even if the αβ-axis voltage command value v ** α,β is limited by temporarily using the overmodulation region as described above, it can be confirmed from the dashed ellipse in FIG. 19(A) that no overshoot occurs in the output torque τ, etc.

また、図20に示すシミュレーション結果からわかるように、シミュレーション条件が異なる場合においても、図19のシミュレーション結果と同様に、一時的に過変調領域を使用したことによりαβ軸電圧指令値v** α,βが制限されてもそれに起因したオーバーシュートは出力トルクτ等に生じていないことが、図20(A)に示す破線楕円内において確認できる。また、図19,20に示すシミュレーション結果から、改変成2→構成例1への制御の切り換え時にノイズや振動等が発生することなくシームレスに移行していることを確認できる。 Furthermore, as can be seen from the simulation results shown in Fig. 20, even when the simulation conditions are different, as in the simulation results of Fig. 19, even if the αβ-axis voltage command value v ** α,β is limited by temporarily using the overmodulation region, it can be confirmed within the dashed ellipse shown in Fig. 20(A) that no overshoot due to this occurs in the output torque τ, etc. Furthermore, from the simulation results shown in Figs. 19 and 20, it can be confirmed that a seamless transition occurs without the occurrence of noise, vibration, etc. when switching control from Modified Configuration 2 to Configuration Example 1.

このように本改変例3では、コントローラ20(20a~20c)において、統合制御処理を行うことにより、交流モータ50の運転状況に応じて、構成例1の電圧振幅最小制御と構成例3の電流振幅最小制御とを連携させたり、改変例1と改変例2をそれぞれの前提条件に適合させて制御を振り分けたりすることによって、本電圧ベクトル制御に関する様々なアルゴリズム(構成例1~3、改変例1、2)を交流モータ50の運転制御中において切り換えることが可能になる。これにより、例えば、交流モータ50の起動後から出力トルクが要求トルクに到達するまでは構成例1の電圧振幅最小制御で交流モータ50を運転し、出力トルクが要求トルクに到達した後は構成例3の電流振幅最小制御に切り換えて電力効率良く交流モータ50を運転することができる。 In this way, in Modification Example 3, by performing integrated control processing in controller 20 (20a-20c), it is possible to link the minimum voltage amplitude control of Configuration Example 1 with the minimum current amplitude control of Configuration Example 3 depending on the operating conditions of AC motor 50, or to allocate control between Modification Examples 1 and 2 according to their respective preconditions. This makes it possible to switch between various algorithms (Configuration Examples 1-3, Modification Examples 1 and 2) related to this voltage vector control during operation control of AC motor 50. As a result, for example, AC motor 50 can be operated with the minimum voltage amplitude control of Configuration Example 1 from the time the AC motor 50 is started until the output torque reaches the required torque, and then switched to the minimum current amplitude control of Configuration Example 3 after the output torque reaches the required torque, thereby operating AC motor 50 with high power efficiency.

[制御系要素の構成例4]
続いてモータシステム10(10d)の制御系要素の構成例4(以下「構成例4」という)を図21,22に基づいて説明する。これまでに説明した構成例1~3のモータシステム10(10a~10c)を構成するコントローラ20(20a~20c)においては、インバータ30から交流モータ50に流れる電流(モータ電流)の過電流保護について何ら言及していなかった。しかし、過電流保護は、実機においては不可欠な機能である。そこで、構成例4のコントローラ20dでは、過電流保護機能を有する構成を採用した。なお、構成例4の過電流保護機能は、例えば、構成例1~3等に追加されて使用されるものである。
[Configuration example 4 of control system elements]
Next, a fourth configuration example (hereinafter referred to as "Configuration Example 4") of the control system elements of the motor system 10 (10d) will be described with reference to Figures 21 and 22. The controllers 20 (20a to 20c) constituting the motor systems 10 (10a to 10c) of Configuration Examples 1 to 3 described so far have not mentioned overcurrent protection of the current (motor current) flowing from the inverter 30 to the AC motor 50. However, overcurrent protection is an essential function in an actual machine. Therefore, the controller 20d of Configuration Example 4 employs a configuration that includes an overcurrent protection function. Note that the overcurrent protection function of Configuration Example 4 is used by adding it to, for example, Configuration Examples 1 to 3.

図21に示すように、構成例4のモータシステム10dでは、コントローラ20dは、電圧情報生成部21、座標変換部22、電圧指令値出力部23、相数変換部24、減算部25’、トルク制御部26’の機能を有する。つまり、構成例2のモータシステム10b(図6)は、電圧情報生成部21等に加えて、減算部25とトルク制御部26も有することから、構成例4のモータシステム10dは、構成例2のモータシステム10bとほぼ同じように構成されていることになる。 As shown in FIG. 21, in motor system 10d of configuration example 4, controller 20d has the functions of voltage information generator 21, coordinate converter 22, voltage command value output unit 23, phase number converter 24, subtractor 25', and torque controller 26'. In other words, motor system 10b of configuration example 2 (FIG. 6) has subtractor 25 and torque controller 26 in addition to voltage information generator 21, etc., so motor system 10d of configuration example 4 is configured in almost the same way as motor system 10b of configuration example 2.

しかし、構成例4のモータシステム10dでは、外部等から入力される|ilim|2と電流センサ41~43から得られたモータ電流|i|2とが減算部25’に入力されて、減算部25’からは電流リミット値|ilim|2に対するモータ電流|i|2の電流偏差(|ilim|2-|i|2)が演算されて出力される。ここでは、電流リミット値|ilim|2とモータ電流|i|2を二乗形式で表現しているが、単に計算処理を簡易にするためである。電流センサ41~43から得られるU,V,W相のモータ電流iu,v,wからモータ電流|i|を算出するために二乗和平方根を計算する必要があるので、平方根の計算を省略して演算処理を簡易化する理由から、減算部25’では二乗形式で演算している。 However, in motor system 10d of configuration example 4, |i lim | 2 input from an external source and motor current |i| 2 obtained from current sensors 41 to 43 are input to subtraction unit 25', which then calculates and outputs the current deviation (|i lim | 2 - |i| 2 ) of motor current |i| 2 from current limit value |i lim | 2. Here, current limit value |i lim | 2 and motor current |i| 2 are expressed in square form, but this is simply to simplify the calculation process. Since it is necessary to calculate the square root of the sum of squares to calculate motor current |i| from motor currents iu ,v,w of U-, V-, and W-phases obtained from current sensors 41 to 43, subtraction unit 25' uses square form to simplify the calculation process by omitting the square root calculation.

減算部25’から出力された電流偏差(|ilim|2-|i|2)は、制御ゲインKiを有するトルク制御部26’に入力される。トルク制御部26’は、入力された電流偏差(|ilim|2-|i|2)を制御ゲインKi倍したもの(Ki(|ilim|2-|i|2))をトルク微分指令値τdot*の代わりに電圧情報生成部21に入力する。 The current deviation (|i lim | 2 - |i| 2 ) output from the subtraction unit 25' is input to a torque control unit 26' having a control gain Ki. The torque control unit 26' multiplies the input current deviation (|i lim | 2 - |i| 2 ) by the control gain Ki (Ki(|i lim | 2 - |i| 2 )), and inputs this to the voltage information generation unit 21 instead of the torque differential command value τdot * .

ただし、トルク制御部26’からτdot*=Ki(|ilim|2-|i|2)が電圧情報生成部21に入力される条件は、交流モータ50に流れているモータ電流|i|が電流リミット値ilim以上に達した場合(|ilim|2≦|i|2)である。そのため、これ以外の場合、即ちモータ電流|i|が電流リミット値ilim未満である場合には、電圧情報生成部21には、モータシステム10a~10cのコントローラ20a~20cの構成と同様にトルク微分指令値τdot*が入力される。 However, the condition under which torque control unit 26' inputs τdot * = Ki(|i lim | 2 - |i| 2 ) to voltage information generation unit 21 is when motor current |i| flowing through AC motor 50 reaches or exceeds current limit value i lim (|i lim | 2 ≦ |i| 2 ). Therefore, in any other case, that is, when motor current |i| is less than current limit value i lim , torque differential command value τdot * is input to voltage information generation unit 21 in the same manner as in the configuration of controllers 20a to 20c of motor systems 10a to 10c.

つまり、図21に示されているコントローラ20dのブロック線図は、過電流保護機能が働いている場合における制御系要素が表されている。このようにコントローラ20dが構成されることよって、例えば、電流リミット値ilimが8A(アンペア)に設定されている場合には、交流モータ50に8A以上の電流が流れたことを減算部25’が検出し、その情報がトルク制御部26’に入力された場合、トルク制御部26’は、外部から入力されるトルク微分指令値τdot*に代えてτdot*=Ki(|ilim|2-|i|2)を電圧情報生成部21に入力する。これにより、電圧情報生成部21からは、モータ電流を電流リミット値ilim未満に下げる制御が行われるため、当該交流モータ50に流れる電流は、電流リミット値ilim未満に低下する。 21 shows the control system elements when the overcurrent protection function is activated. With the controller 20d configured in this manner, for example, if the current limit value i lim is set to 8 A (amperes), the subtractor 25' detects that a current of 8 A or more flows through the AC motor 50, and this information is input to the torque control unit 26'. The torque control unit 26' inputs τdot * = Ki(|i lim | 2 - |i| 2 ) to the voltage information generator 21, instead of the torque differential command value τdot * input from the outside. As a result, the voltage information generator 21 controls the motor current to be reduced to less than the current limit value i lim , and the current flowing through the AC motor 50 is reduced to less than the current limit value i lim .

コントローラ20dによる交流モータ50の過電流保護機能を計算機シミュレーションした結果として、図21に示す出力トルク等の応答特性や交流モータ50のモータ電流|i|を得ているので、それについて説明する。シミュレーションの条件は、次の通りである。 As a result of computer simulation of the overcurrent protection function of the AC motor 50 using the controller 20d, the response characteristics of the output torque and the motor current |i| of the AC motor 50 shown in Figure 21 were obtained, which will now be explained. The simulation conditions were as follows:

・交流モータ50の回転速度:3600min-1(一定)
・トルク制御部の制御ゲインK:10rad/sec
・トルク指令値τ*:2N・mから6N・mまで増加
・電流リミット値ilim:8A
Rotation speed of AC motor 50: 3600 min −1 (constant)
Control gain K of torque control section: 10 rad/sec
Torque command value τ * : Increased from 2 N·m to 6 N·m Current limit value i lim : 8 A

このシミュレーションでは、交流モータ50の仕様から、出力トルクが6N・m以上に達すると8A以上のモータ電流|i|が流れることが予めわかっていたため、トルク指令値τ*を2N・mから6N・mまで増加させた。制御開始時は2N・mで運転しそのときのモータ電流|i|は約7Aであることが、図22(C)からわかる。その後、トルク指令値τ*を6N・mまで増加させると、それに追従して、一旦、モータ電流|i|が8Aを超えるが、直ぐにトルク制御部26’(電流リミッタ)が機能して、交流モータ50の運転制御がトルク制御モードから電流振幅制御モードに切り換わっていることが確認できる。つまり、構成例1によるトルク制御から構成例4による電流振幅制御に運転制御を変更したことがわかる(図22(C)参照)。電流制御モードにおいては、モータ電流|i|が約8Aに制御されて維持されているため、交流モータ50の出力トルクτは制御されていないが、約3N・mを保っていることがわかる。 In this simulation, it was known from the specifications of the AC motor 50 that a motor current |i| of 8 A or more would flow when the output torque reached 6 N·m or more. Therefore, the torque command value τ * was increased from 2 N·m to 6 N·m. At the start of control, the motor was operated at 2 N·m, and the motor current |i| was approximately 7 A, as can be seen from FIG. 22(C). When the torque command value τ * was subsequently increased to 6 N·m, the motor current |i| temporarily exceeded 8 A. However, the torque control unit 26' (current limiter) immediately functioned, and the operation control of the AC motor 50 switched from torque control mode to current amplitude control mode. In other words, it can be seen that the operation control was changed from torque control according to Configuration Example 1 to current amplitude control according to Configuration Example 4 (see FIG. 22(C)). In the current control mode, the motor current |i| was controlled and maintained at approximately 8 A, and therefore the output torque τ of the AC motor 50 was not controlled but maintained at approximately 3 N·m.

構成例4では、コントローラ20が本来備えている電圧指令値出力部23による出力限界範囲23aの範囲内に電圧ベクトルを制御する電圧に関するリミッタと、上述した減算部25’とトルク制御部26’により機能する電流に関するリミッタと、の2つのリミッタを有する。なお、図22に示すシミュレーション結果から、構成例1→構成例4への制御の切り換え時にノイズや振動等の大きなショックが発生することなくシームレスに移行していることを確認できる。 Configuration Example 4 has two limiters: a voltage limiter that controls the voltage vector within the output limit range 23a by the voltage command value output unit 23 originally provided in the controller 20, and a current limiter that functions by the subtraction unit 25' and torque control unit 26' described above. The simulation results shown in Figure 22 confirm that the transition from Configuration Example 1 to Configuration Example 4 is seamless and without any major shocks such as noise or vibrations occurring when switching control.

このように構成例4では、交流モータ50に流れるモータ電流|i|が所定の電流リミット値(閾値)ilim以上(または超えて)流れていた場合には、それまで行われていた本電圧ベクトル制御による交流モータ50のトルク制御から、交流モータ50の電流制御に切り換える。この電流制御では、モータ電流|i|が所定の電流リミット値またはそれに近い値になるように制御する。これにより、所定の電流リミット値ilim以上または超えるモータ電流|i|が交流モータ50に流れた場合にはモータ電流|i|を所定の電流リミット値に下げるので、過電流に起因した故障や障害から交流モータ50を保護することが可能になる。 As described above, in configuration example 4, when the motor current |i| flowing through AC motor 50 is equal to or greater than (or exceeds) a predetermined current limit value (threshold value) i lim , the torque control of AC motor 50 using this voltage vector control, which had been performed until then, is switched to current control of AC motor 50. This current control controls motor current |i| to be equal to or close to the predetermined current limit value. As a result, when motor current |i| equal to or greater than the predetermined current limit value i lim flows through AC motor 50, motor current |i| is reduced to the predetermined current limit value, making it possible to protect AC motor 50 from breakdowns or failures caused by overcurrent.

なお、上述した本実施形態では、交流電動機の回転座標系として、回転座標系の二軸が「交流電動機を構成する回転子の磁極方向に平行なd軸とこのd軸に直交するq軸である場合」、つまり回転座標系がdq回転座標系である場合を例示して説明したが、交流電動機の座標系であれば、最大トルク制御座標系やその他、任意回転座標系でもよい。また、静止座標系(固定座標系)でもよい。例えば、図23(A)に示すように、γδ軸の任意回転座標系がdq回転座標系(同図中薄墨色で記載)に対して位相差θだけ進んでdq回転座標系と共に、電動機の回転子に同期して回転する場合においては、次式(16)で表される回転座標変換式のvd,vqを前述した式(7)に代入して整理することによって、次式(17)が得られる。 In the above-described embodiment, the rotating coordinate system of the AC motor is described as having two axes, "a d-axis parallel to the magnetic pole direction of the rotor constituting the AC motor and a q-axis perpendicular to the d-axis," i.e., the rotating coordinate system is a dq rotating coordinate system. However, as long as it is a coordinate system of an AC motor, it may be a maximum torque control coordinate system or any other rotating coordinate system. It may also be a stationary coordinate system (fixed coordinate system). For example, as shown in FIG. 23(A), in a case where an arbitrary rotating coordinate system of γδ axes leads the dq rotating coordinate system (shown in light black in the figure) by a phase difference θ and rotates in synchronization with the rotor of the motor together with the dq rotating coordinate system, the following equation (17) can be obtained by substituting vd and vq in the rotating coordinate transformation equation expressed by the following equation (16) into the above-described equation (7) and rearranging:

この式(17)は、トルク微分値τdotの式として任意回転座標の電圧vγ,vδで表現されているので、この式(17)を解くことにより、任意回転座標系上のγ軸電圧指令値v* γ,δ軸電圧指令値v* δを求めることが可能になる。つまり、この式(17)の逆関数に基づく演算処理を電圧情報生成部が行うことにより、当該任意回転座標系の直交二軸に対応する回転座標系電圧情報をトルク微分値に基づいて生成することが可能になる。したがって、最大トルク制御座標系等を含む交流電動機の任意回転座標系を用いる場合においても、上述の本実施形態と同様に、三相交流モータに対するトルク応答管理型の電圧ベクトル制御を行うことができる。 Since this equation (17) is expressed as an equation of the torque differential value τdot using the voltages v γ and v δ of an arbitrary rotating coordinate system, it is possible to obtain the specified γ-axis voltage value v * γ and the specified δ-axis voltage value v * δ in the arbitrary rotating coordinate system by solving this equation (17). In other words, by having the voltage information generating unit perform calculation processing based on the inverse function of this equation (17), it is possible to generate rotating coordinate system voltage information corresponding to the two orthogonal axes of the arbitrary rotating coordinate system based on the torque differential value. Therefore, even when an arbitrary rotating coordinate system of an AC motor, including a maximum torque control coordinate system, is used, it is possible to perform torque response management type voltage vector control for a three-phase AC motor, as in the above-described embodiment.

この考え方に基づいて、任意回転座標系の特殊な例として、θ=-θreとおくことで、交流電動機の静止座標(固定座標)についても、任意回転座標系の場合と同様にトルク微分値τdotの式を得ることが可能になる。θreは、交流モータ50の電気角である。次式(18)で表される回転座標変換式のvd,vqを前述した式(7)に代入して整理することによって、次式(19)が得られる。 Based on this concept, by setting θ = -θ re as a special example of an arbitrary rotating coordinate system, it becomes possible to obtain an equation for the torque differential value τdot for the stationary coordinates (fixed coordinates) of the AC motor in the same way as for the arbitrary rotating coordinate system. θ re is the electrical angle of the AC motor 50. By substituting v d and v q of the rotating coordinate transformation equation expressed by the following equation (18) into the above-mentioned equation (7) and rearranging, the following equation (19) is obtained.

この次式(19)を解くことにより、静止座標系上のα軸電圧指令値v* α,β軸電圧指令値v* βを求めることが可能になる。以上から、交流電動機の回転座標系は、静止座標(固定座標)に置き換えてもよいことが理解できる。つまり、この式(19)の逆関数に基づく演算処理を電圧情報生成部が行うことにより、静止座標系の直交二軸に対応する静止座標系電圧情報をトルク微分値に基づいて生成することが可能になる。したがって、交流電動機の静止座標系を用いる場合においても、上述の本実施形態と同様に、三相交流モータに対するトルク応答管理型の電圧ベクトル制御を行うことができる。 By solving the following equation (19), it is possible to obtain the α-axis voltage command value v * α and the β-axis voltage command value v * β on the stationary coordinate system. From the above, it can be understood that the rotating coordinate system of the AC motor may be replaced with stationary coordinates (fixed coordinates). In other words, by having the voltage information generating unit perform calculation processing based on the inverse function of this equation (19), it is possible to generate stationary coordinate system voltage information corresponding to the two orthogonal axes of the stationary coordinate system based on the torque differential value. Therefore, even when the stationary coordinate system of the AC motor is used, torque response management type voltage vector control for a three-phase AC motor can be performed, as in the above-described embodiment.

また、上述した本実施形態では、交流電動機として、IPMSMの交流モータ50を制御する制御装置や制御方法について説明したが、同期式の交流電動機であれば、例えば、表面構造永久磁石同期電動機(SPMSM:Surface Permanent Magnet Synchronous Motor)やリラクタンスモータを上述した制御装置や制御方法により制御することも可能である。また本実施形態では、三相交流電力が供給されて駆動する三相交流モータ(モータ150)を制御する場合を例示して説明したが、交流電動機であれば、例えば、二相、五相や七相等の多相交流モータを上述した制御装置や制御方法により制御することも可能である。 In addition, in the above-described embodiment, a control device and control method for controlling an IPMSM AC motor 50 were described as an AC motor. However, synchronous AC motors, such as a surface permanent magnet synchronous motor (SPMSM) or a reluctance motor, can also be controlled using the above-described control device and control method. In addition, in the above-described embodiment, a case where a three-phase AC motor (motor 150) driven by a supply of three-phase AC power was controlled was described as an example. However, multi-phase AC motors, such as two-phase, five-phase, or seven-phase AC motors, can also be controlled using the above-described control device and control method.

なお、二相交流モータの場合には、相数変換を行う必要がないため、相数変換部24は不要になり、電圧指令値出力部23からインバータ30にα軸電圧指令値v** αとβ軸電圧指令値v** βを直接、出力することが可能になる。また、五相交流モータや七相交流モータの場合には、相数変換部24に代えて、α軸電圧指令値v** αとβ軸電圧指令値v** βを、五相や七相の電圧指令値に変換する相数変換部が必要になる。また、三相交流モータの場合には正六角形の出力限界範囲23aは、モータの相数に対応して、二相の場合には正四角形、五相の場合には正十角形、七相の場合には正十四角形というように、相数の二倍の頂点を有する正多角形になる。 In the case of a two-phase AC motor, since there is no need to perform phase number conversion, the phase number conversion unit 24 is not required, and the α-axis voltage command value v ** α and the β-axis voltage command value v ** β can be directly output from the voltage command value output unit 23 to the inverter 30. In the case of a five-phase AC motor or a seven-phase AC motor, a phase number conversion unit that converts the α-axis voltage command value v ** α and the β-axis voltage command value v ** β into five-phase or seven-phase voltage command values is required instead of the phase number conversion unit 24. In the case of a three-phase AC motor, the regular hexagonal output limit range 23a becomes a regular polygon with twice the number of vertices as the number of phases, such as a regular square for two phases, a regular decagon for five phases, and a regular tetragon for seven phases, depending on the number of phases of the motor.

さらに、上述した本実施形態では、交流電動機の制御装置として、マイコンボードを用いてコントローラ20を構成する場合を例示して説明したが、電圧情報生成部21、座標変換部22、電圧指令値出力部23、相数変換部24等の各機能をハードウェア的に実現するロジック回路、ゲートアレイ、PLD(Programmable Logic Device)やFPGA(Field Programmable Gate Array)を用いてコントローラ20を構成してもよい。 Furthermore, in the above-described embodiment, the controller 20 is configured using a microcomputer board as a control device for an AC motor, but the controller 20 may also be configured using a logic circuit, gate array, PLD (Programmable Logic Device), or FPGA (Field Programmable Gate Array) that implements the functions of the voltage information generation unit 21, coordinate conversion unit 22, voltage command value output unit 23, phase number conversion unit 24, etc. in hardware.

また、上述した本実施形態では、交流電動機の出力軸に発生するトルク(出力トルク)値の代わりに、コントローラ20により計算して求めたトルク推定値τhatを減算部25に入力してトルク指令値τ*との差(τ*-τhat)を出力トルクτの推定偏差として減算部25から出力する構成を例示して説明したが、例えば、出力トルクを計測可能なトルクセンサを交流モータ50のシャフト(出力軸)に取り付け、当該トルクセンサから出力される出力トルクτの情報を減算部25に入力するように構成してもよい。出力トルクτの高精度な情報をリアルタイムに減算部25に入力できるので、出力トルクτの偏差として推定値ではなく制御対象のリアルな偏差情報を制御に用いることが可能になる。 Furthermore, in the above-described embodiment, an example has been described in which, instead of the torque (output torque) value generated on the output shaft of the AC motor, the torque estimate value τhat calculated by the controller 20 is input to the subtraction unit 25, and the difference between this and the torque command value τ ** - τhat) is output from the subtraction unit 25 as an estimated deviation of the output torque τ. However, for example, a torque sensor capable of measuring the output torque may be attached to the shaft (output shaft) of the AC motor 50, and information on the output torque τ output from this torque sensor may be input to the subtraction unit 25. Since highly accurate information on the output torque τ can be input to the subtraction unit 25 in real time, it becomes possible to use real deviation information on the controlled object, rather than an estimated value, as the deviation of the output torque τ for control.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、上述した具体例を様々に変形または変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。さらに、本明細書または図面に例示した技術は、複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つ。なお、[符号の説明]の欄における括弧内の記載は、上述した本実施形態で用いた用語と、特許請求の範囲に記載の用語との対応関係を明示し得るものである。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications or variations of the above-mentioned specific examples. Furthermore, the technical elements described in this specification or drawings demonstrate technical utility either alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. Furthermore, the technology illustrated in this specification or drawings simultaneously achieves multiple objectives, and achieving one of these objectives is itself technically useful. Note that the descriptions in parentheses in the "Explanation of Symbols" column may clarify the correspondence between the terms used in the above-mentioned embodiments and the terms described in the claims.

10,10a,10b,10c,10d…モータシステム
20,20a,20b,20c,20d…コントローラ(交流電動機の制御装置)
21…電圧情報生成部
22…座標変換部
23…電圧指令値出力部
23a…出力限界範囲(出力限界電圧の範囲)
24…相数変換部
25,25’,27…減算部
26,26a…トルク制御部
28…電流制御部
29…電圧情報生成部
30…インバータ
31~36…IGBT
41~43…電流センサ
45…回転角センサ
50…交流モータ(交流電動機)
51…座標変換要素
52…関数要素
53…積分要素
71,71a,71b,71c,72…電圧ベクトル
73~75…電圧ベクトル(変更後電圧ベクトル)
80a,80b…交点
81,82…端点
91~94…トルク微分値直線(所定関数で表される直線)
d…d軸電流
* d…d軸電流指令値
q…q軸電流
* q…q軸電流指令値
d…d軸電圧
* d…d軸電圧指令値(回転座標系電圧情報)
q…q軸電圧
* q…q軸電圧指令値(回転座標系電圧情報)
u,v,w…交流電圧
* u,v,w…UVW相電圧指令値(交流電動機に出力すべき交流電圧の電圧指令値)
* α…α軸電圧指令値(静止座標系電圧情報)
** α…α軸電圧指令値(電圧指令値)
* β…β軸電圧指令値(静止座標系電圧情報)
** β…β軸電圧指令値(電圧指令値)
τ…出力トルク
τ*…トルク指令値(交流電動機に要求される出力トルク、制御指令値)
τdot…トルク微分値(交流電動機に要求される出力トルクの時間微分値)
τdot*…トルク微分指令値(指令値として入力されるトルク微分値、制御指令値)
θrm…回転角(機械角)
ωre…角速度
10, 10a, 10b, 10c, 10d... Motor system 20, 20a, 20b, 20c, 20d... Controller (control device for AC motor)
21: Voltage information generating unit 22: Coordinate conversion unit 23: Voltage command value output unit 23a: Output limit range (range of output limit voltage)
24... Phase number conversion unit 25, 25', 27... Subtraction unit 26, 26a... Torque control unit 28... Current control unit 29... Voltage information generation unit 30... Inverter 31 to 36... IGBT
41 to 43... Current sensors 45... Rotation angle sensor 50... AC motor (AC electric motor)
51... Coordinate transformation element 52... Function element 53... Integral element 71, 71a, 71b, 71c, 72... Voltage vector 73 to 75... Voltage vector (changed voltage vector)
80a, 80b... intersection points 81, 82... end points 91 to 94... torque differential value lines (lines expressed by a predetermined function)
i d ... d-axis current i * d ... d-axis current command value i q ... q-axis current i * q ... q-axis current command value v d ... d-axis voltage v * d ... d-axis voltage command value (rotating coordinate system voltage information)
v q ...q-axis voltage v * q ...q-axis voltage command value (rotating coordinate system voltage information)
v u,v,w ... AC voltage v * u,v,w ... UVW phase voltage command value (voltage command value of AC voltage to be output to AC motor)
v * α ... α-axis voltage command value (stationary coordinate system voltage information)
v ** α …α-axis voltage command value (voltage command value)
v * β ... β-axis voltage command value (stationary coordinate system voltage information)
v ** β ... β-axis voltage command value (voltage command value)
τ...output torque τ * ...torque command value (output torque required for AC motor, control command value)
τdot: Torque differential value (time differential value of output torque required for AC motor)
τdot * ... Torque differential command value (torque differential value input as a command value, control command value)
θ rm …Rotation angle (mechanical angle)
ω re …angular velocity

Claims (7)

交流電動機に三相交流電力を供給可能なインバータに対して前記交流電動機に出力すべき交流電圧の電圧指令値を出力する、交流電動機の制御装置であって、
前記電圧指令値は、前記交流電動機に要求される出力トルクの時間微分値であり指令値として入力され次式で表されるトルク微分値に基づいて生成され、
前記トルク微分値に基づいて前記交流電動機の回転座標系の直交二軸に対応する回転座標系電圧情報を生成する電圧情報生成部と、
前記交流電動機の出力軸の回転角に基づいて前記回転座標系電圧情報を前記回転座標系から静止座標系の直交二軸に対応する静止座標系電圧情報に変換する座標変換部と、
前記静止座標系電圧情報で表される電圧ベクトルが前記インバータの出力限界電圧の範囲内にある場合には前記静止座標系電圧情報を前記電圧指令値として前記インバータに対して出力し、前記電圧ベクトルが前記出力限界電圧の範囲外にある場合には前記出力限界電圧の範囲内に収まる大きさに変更した変更後電圧ベクトルを表す静止座標系電圧情報を前記電圧指令値として前記インバータに対して出力する電圧指令値出力部と、
を備える、ことを特徴とする交流電動機の制御装置。

ただし、A(id,iq),B(id,iq),C(id,iqre)は、
であり、
前記交流電動機は、回転座標系の直交二軸が前記交流電動機を構成する回転子の磁極方向に平行なd軸とこのd軸に直交するq軸であり、上式において、
ドット「・」記号付きのτはトルク微分値、idはd軸電流、iqはq軸電流、ωreは前記交流電動機の出力軸の電気角速度、Ldはd軸等価コイルのインダクタンス、Lqはq軸等価コイルのインダクタンス、keは逆起電力定数、Rは前記交流電動機を構成する各相のコイルの巻線抵抗である。
A control device for an AC motor that outputs a voltage command value of an AC voltage to be output to an AC motor to an inverter capable of supplying three-phase AC power to the AC motor,
The voltage command value is a time differential value of an output torque required of the AC motor, and is input as a command value and is generated based on a torque differential value expressed by the following equation:
a voltage information generating unit that generates rotating coordinate system voltage information corresponding to two orthogonal axes of a rotating coordinate system of the AC motor based on the torque differential value;
a coordinate conversion unit that converts the rotating coordinate system voltage information from the rotating coordinate system into stationary coordinate system voltage information corresponding to two orthogonal axes of a stationary coordinate system based on a rotation angle of an output shaft of the AC motor;
a voltage command value output unit that outputs the stationary coordinate system voltage information to the inverter as the voltage command value when a voltage vector represented by the stationary coordinate system voltage information is within a range of an output limit voltage of the inverter, and that outputs stationary coordinate system voltage information representing a changed voltage vector, which has been changed to a size that falls within the range of the output limit voltage, to the inverter as the voltage command value when the voltage vector is outside the range of the output limit voltage;
A control device for an AC motor, comprising:

However, A(i d , i q ), B(i d , i q ), and C(i d , i q , ω re ) are
and
In the AC motor, two orthogonal axes of a rotating coordinate system are a d-axis parallel to the magnetic pole direction of a rotor constituting the AC motor and a q-axis orthogonal to the d-axis, and in the above equation,
τ with a dot "·" symbol is the torque differential value, i d is the d-axis current, i q is the q-axis current, ω re is the electrical angular velocity of the output shaft of the AC motor, L d is the inductance of the d-axis equivalent coil, L q is the inductance of the q-axis equivalent coil, k e is the back electromotive force constant, and R is the winding resistance of the coil of each phase that constitutes the AC motor.
交流電動機に三相交流電力を供給可能なインバータに対して前記交流電動機に出力すべき交流電圧の電圧指令値を出力する、交流電動機の制御装置であって、
前記電圧指令値は、前記交流電動機に要求される出力トルクの時間微分値であり指令値として入力されるトルク微分値に基づいて生成され、
前記トルク微分値に基づいて前記交流電動機の回転座標系の直交二軸に対応する回転座標系電圧情報を生成する電圧情報生成部と、
前記交流電動機の出力軸の回転角に基づいて前記回転座標系電圧情報を前記回転座標系から静止座標系の直交二軸に対応する静止座標系電圧情報に変換する座標変換部と、
前記静止座標系電圧情報で表される電圧ベクトルが前記インバータの出力限界電圧の範囲内にある場合には前記静止座標系電圧情報を前記電圧指令値として前記インバータに対して出力し、前記電圧ベクトルが前記出力限界電圧の範囲外にある場合には前記出力限界電圧の範囲内に収まる大きさに変更した変更後電圧ベクトルを表す静止座標系電圧情報を前記電圧指令値として前記インバータに対して出力する電圧指令値出力部と、
を備えており、
前記回転座標系の二軸が前記交流電動機を構成する回転子の磁極方向に平行なd軸とこのd軸に直交するq軸である場合、
前記電圧情報生成部は、前記回転座標系において、
「前記トルク微分値、d軸電流、q軸電流および前記出力軸の角速度」を含む所定関数で表される直線に対して、最短距離で交わるその交点までの大きさを有する電圧ベクトルの座標情報を前記回転座標系電圧情報として生成する、ことを特徴とする交流電動機の制御装置。
A control device for an AC motor that outputs a voltage command value of an AC voltage to be output to an AC motor to an inverter capable of supplying three-phase AC power to the AC motor,
the voltage command value is a time differential value of an output torque required of the AC motor, and is generated based on a torque differential value input as a command value;
a voltage information generating unit that generates rotating coordinate system voltage information corresponding to two orthogonal axes of a rotating coordinate system of the AC motor based on the torque differential value;
a coordinate conversion unit that converts the rotating coordinate system voltage information from the rotating coordinate system into stationary coordinate system voltage information corresponding to two orthogonal axes of a stationary coordinate system based on a rotation angle of an output shaft of the AC motor;
a voltage command value output unit that outputs the stationary coordinate system voltage information to the inverter as the voltage command value when a voltage vector represented by the stationary coordinate system voltage information is within a range of an output limit voltage of the inverter, and that outputs stationary coordinate system voltage information representing a changed voltage vector, which has been changed to a size that falls within the range of the output limit voltage, to the inverter as the voltage command value when the voltage vector is outside the range of the output limit voltage;
It is equipped with
When the two axes of the rotating coordinate system are a d-axis parallel to the magnetic pole direction of a rotor constituting the AC motor and a q-axis perpendicular to the d-axis,
The voltage information generating unit, in the rotating coordinate system,
a control device for an AC motor, characterized in that it generates, as the rotating coordinate system voltage information, coordinate information of a voltage vector having a magnitude up to an intersection point that intersects with a straight line expressed by a predetermined function including "the torque differential value, a d-axis current, a q-axis current, and the angular velocity of the output shaft" at the shortest distance.
交流電動機に三相交流電力を供給可能なインバータに対して前記交流電動機に出力すべき交流電圧の電圧指令値を出力する、交流電動機の制御装置であって、
前記電圧指令値は、前記交流電動機に要求される出力トルクの時間微分値であり指令値として入力されるトルク微分値に基づいて生成され、
前記トルク微分値に基づいて前記交流電動機の回転座標系の直交二軸に対応する回転座標系電圧情報を生成する電圧情報生成部と、
前記交流電動機の出力軸の回転角に基づいて前記回転座標系電圧情報を前記回転座標系から静止座標系の直交二軸に対応する静止座標系電圧情報に変換する座標変換部と、
前記静止座標系電圧情報で表される電圧ベクトルが前記インバータの出力限界電圧の範囲内にある場合には前記静止座標系電圧情報を前記電圧指令値として前記インバータに対して出力し、前記電圧ベクトルが前記出力限界電圧の範囲外にある場合には前記出力限界電圧の範囲内に収まる大きさに変更した変更後電圧ベクトルを表す静止座標系電圧情報を前記電圧指令値として前記インバータに対して出力する電圧指令値出力部と、
を備えており、
前記回転座標系の二軸が前記交流電動機を構成する回転子の磁極方向に平行なd軸とこのd軸に直交するq軸である場合、
前記電圧情報生成部は、前記トルク微分値、d軸電流、q軸電流、前記出力軸の角速度、およびMTPA(Maximum Torque Per Ampere)制御における前記d軸電流の時間微分指令値に基づいて、前記回転座標系電圧情報を生成する、ことを特徴とする交流電動機の制御装置。
A control device for an AC motor that outputs a voltage command value of an AC voltage to be output to an AC motor to an inverter capable of supplying three-phase AC power to the AC motor,
the voltage command value is a time differential value of an output torque required of the AC motor, and is generated based on a torque differential value input as a command value;
a voltage information generating unit that generates rotating coordinate system voltage information corresponding to two orthogonal axes of a rotating coordinate system of the AC motor based on the torque differential value;
a coordinate conversion unit that converts the rotating coordinate system voltage information from the rotating coordinate system into stationary coordinate system voltage information corresponding to two orthogonal axes of a stationary coordinate system based on a rotation angle of an output shaft of the AC motor;
a voltage command value output unit that outputs the stationary coordinate system voltage information to the inverter as the voltage command value when a voltage vector represented by the stationary coordinate system voltage information is within a range of an output limit voltage of the inverter, and that outputs stationary coordinate system voltage information representing a changed voltage vector, which has been changed to a size that falls within the range of the output limit voltage, to the inverter as the voltage command value when the voltage vector is outside the range of the output limit voltage;
It is equipped with
When the two axes of the rotating coordinate system are a d-axis parallel to the magnetic pole direction of a rotor constituting the AC motor and a q-axis perpendicular to the d-axis,
the voltage information generating unit generates the rotating coordinate system voltage information based on the torque differential value, a d-axis current, a q-axis current, an angular velocity of the output shaft, and a time differential command value of the d-axis current in MTPA (Maximum Torque Per Ampere) control.
交流電動機に三相交流電力を供給可能なインバータに対して前記交流電動機に出力すべき交流電圧の電圧指令値を出力する、交流電動機の制御装置であって、
前記電圧指令値は、前記交流電動機に要求される出力トルクの時間微分値であり指令値として入力されるトルク微分値に基づいて生成され、
前記トルク微分値に基づいて前記交流電動機の回転座標系の直交二軸に対応する回転座標系電圧情報を生成する電圧情報生成部と、
前記交流電動機の出力軸の回転角に基づいて前記回転座標系電圧情報を前記回転座標系から静止座標系の直交二軸に対応する静止座標系電圧情報に変換する座標変換部と、
前記静止座標系電圧情報で表される電圧ベクトルが前記インバータの出力限界電圧の範囲内にある場合には前記静止座標系電圧情報を前記電圧指令値として前記インバータに対して出力し、前記電圧ベクトルが前記出力限界電圧の範囲外にある場合には前記出力限界電圧の範囲内に収まる大きさに変更した変更後電圧ベクトルを表す静止座標系電圧情報を前記電圧指令値として前記インバータに対して出力する電圧指令値出力部と、
を備えており、
前記電圧ベクトルが前記出力限界電圧の範囲外にある場合、前記電圧指令値出力部は、
前記変更後電圧ベクトルが前記出力限界電圧の範囲内に収まるまで前記トルク微分値を減少させる、ことを特徴とする交流電動機の制御装置。
A control device for an AC motor that outputs a voltage command value of an AC voltage to be output to an AC motor to an inverter capable of supplying three-phase AC power to the AC motor,
the voltage command value is a time differential value of an output torque required of the AC motor, and is generated based on a torque differential value input as a command value;
a voltage information generating unit that generates rotating coordinate system voltage information corresponding to two orthogonal axes of a rotating coordinate system of the AC motor based on the torque differential value;
a coordinate conversion unit that converts the rotating coordinate system voltage information from the rotating coordinate system into stationary coordinate system voltage information corresponding to two orthogonal axes of a stationary coordinate system based on a rotation angle of an output shaft of the AC motor;
a voltage command value output unit that outputs the stationary coordinate system voltage information to the inverter as the voltage command value when a voltage vector represented by the stationary coordinate system voltage information is within a range of an output limit voltage of the inverter, and that outputs stationary coordinate system voltage information representing a changed voltage vector, which has been changed to a size that falls within the range of the output limit voltage, to the inverter as the voltage command value when the voltage vector is outside the range of the output limit voltage;
It is equipped with
When the voltage vector is outside the range of the output limit voltage, the voltage command value output unit
a torque differential value being reduced until the changed voltage vector falls within a range of the output limit voltage.
交流電動機に三相交流電力を供給可能なインバータに対して前記交流電動機に出力すべき交流電圧の電圧指令値を出力する、交流電動機の制御装置であって、
前記電圧指令値は、前記交流電動機に要求される出力トルクの時間微分値であり指令値として入力されるトルク微分値に基づいて生成され、
前記トルク微分値に基づいて前記交流電動機の回転座標系の直交二軸に対応する回転座標系電圧情報を生成する電圧情報生成部と、
前記交流電動機の出力軸の回転角に基づいて前記回転座標系電圧情報を前記回転座標系から静止座標系の直交二軸に対応する静止座標系電圧情報に変換する座標変換部と、
前記静止座標系電圧情報で表される電圧ベクトルが前記インバータの出力限界電圧の範囲内にある場合には前記静止座標系電圧情報を前記電圧指令値として前記インバータに対して出力し、前記電圧ベクトルが前記出力限界電圧の範囲外にある場合には前記出力限界電圧の範囲内に収まる大きさに変更した変更後電圧ベクトルを表す静止座標系電圧情報を前記電圧指令値として前記インバータに対して出力する電圧指令値出力部と、
を備えており、
前記回転座標系の二軸が前記交流電動機を構成する回転子の磁極方向に平行なd軸とこのd軸に直交するq軸である場合、
前記電圧ベクトルが前記出力限界電圧の範囲外にあるとき、前記電圧指令値出力部は、前記回転座標系において、
「前記トルク微分値、d軸電流、q軸電流および前記出力軸の角速度」を含む所定関数で表される直線に対して、前記出力限界電圧の範囲を表す六角形を構成する6つの辺のうち最も平行に近い辺と、前記直線とが交わるときには、その交点まで延びる電圧ベクトルを前記変更後電圧ベクトルとし、当該変更後電圧ベクトルを表す静止座標系電圧情報を前記電圧指令値として前記インバータに対して出力する、ことを特徴とする交流電動機の制御装置。
A control device for an AC motor that outputs a voltage command value of an AC voltage to be output to an AC motor to an inverter capable of supplying three-phase AC power to the AC motor,
the voltage command value is a time differential value of an output torque required of the AC motor, and is generated based on a torque differential value input as a command value;
a voltage information generating unit that generates rotating coordinate system voltage information corresponding to two orthogonal axes of a rotating coordinate system of the AC motor based on the torque differential value;
a coordinate conversion unit that converts the rotating coordinate system voltage information from the rotating coordinate system into stationary coordinate system voltage information corresponding to two orthogonal axes of a stationary coordinate system based on a rotation angle of an output shaft of the AC motor;
a voltage command value output unit that outputs the stationary coordinate system voltage information to the inverter as the voltage command value when a voltage vector represented by the stationary coordinate system voltage information is within a range of an output limit voltage of the inverter, and that outputs stationary coordinate system voltage information representing a changed voltage vector, which has been changed to a size that falls within the range of the output limit voltage, to the inverter as the voltage command value when the voltage vector is outside the range of the output limit voltage;
It is equipped with
When the two axes of the rotating coordinate system are a d-axis parallel to the magnetic pole direction of a rotor constituting the AC motor and a q-axis perpendicular to the d-axis,
When the voltage vector is outside the range of the output limit voltage, the voltage command value output unit calculates, in the rotating coordinate system,
a voltage vector extending to a point of intersection of a line expressed by a predetermined function including "the torque differential value, a d-axis current, a q-axis current, and the angular velocity of the output shaft" and a side that is closest to parallel among six sides constituting a hexagon that represents the range of the output limit voltage, is set to the changed voltage vector, and static coordinate system voltage information that represents the changed voltage vector is output to the inverter as the voltage command value.
交流電動機に三相交流電力を供給可能なインバータに対して前記交流電動機に出力すべき交流電圧の電圧指令値を出力する、交流電動機の制御装置であって、
前記電圧指令値は、前記交流電動機に要求される出力トルクの時間微分値であり指令値として入力されるトルク微分値に基づいて生成され、
前記トルク微分値に基づいて前記交流電動機の回転座標系の直交二軸に対応する回転座標系電圧情報を生成する電圧情報生成部と、
前記交流電動機の出力軸の回転角に基づいて前記回転座標系電圧情報を前記回転座標系から静止座標系の直交二軸に対応する静止座標系電圧情報に変換する座標変換部と、
前記静止座標系電圧情報で表される電圧ベクトルが前記インバータの出力限界電圧の範囲内にある場合には前記静止座標系電圧情報を前記電圧指令値として前記インバータに対して出力し、前記電圧ベクトルが前記出力限界電圧の範囲外にある場合には前記出力限界電圧の範囲内に収まる大きさに変更した変更後電圧ベクトルを表す静止座標系電圧情報を前記電圧指令値として前記インバータに対して出力する電圧指令値出力部と、
を備えており、
前記回転座標系の二軸が前記交流電動機を構成する回転子の磁極方向に平行なd軸とこのd軸に直交するq軸である場合、
前記電圧ベクトルが前記出力限界電圧の範囲外にあるとき、前記電圧指令値出力部は、前記回転座標系において、
「前記トルク微分値、d軸電流、q軸電流および前記出力軸の角速度」を含む所定関数で表される直線に対して、前記出力限界電圧の範囲を表す六角形を構成する6つの辺のうち最も平行に近い辺と、前記直線とが交わらないときには、前記最も平行に近い辺の両端点を表す2つの電圧ベクトルのうち前記トルク微分値が大きい方の電圧ベクトルを前記変更後電圧ベクトルとし、当該変更後電圧ベクトルを表す静止座標系電圧情報を前記電圧指令値として前記インバータに対して出力する、ことを特徴とする交流電動機の制御装置。
A control device for an AC motor that outputs a voltage command value of an AC voltage to be output to an AC motor to an inverter capable of supplying three-phase AC power to the AC motor,
the voltage command value is a time differential value of an output torque required of the AC motor, and is generated based on a torque differential value input as a command value;
a voltage information generating unit that generates rotating coordinate system voltage information corresponding to two orthogonal axes of a rotating coordinate system of the AC motor based on the torque differential value;
a coordinate conversion unit that converts the rotating coordinate system voltage information from the rotating coordinate system into stationary coordinate system voltage information corresponding to two orthogonal axes of a stationary coordinate system based on a rotation angle of an output shaft of the AC motor;
a voltage command value output unit that outputs the stationary coordinate system voltage information to the inverter as the voltage command value when a voltage vector represented by the stationary coordinate system voltage information is within a range of an output limit voltage of the inverter, and that outputs stationary coordinate system voltage information representing a changed voltage vector, which has been changed to a size that falls within the range of the output limit voltage, to the inverter as the voltage command value when the voltage vector is outside the range of the output limit voltage;
It is equipped with
When the two axes of the rotating coordinate system are a d-axis parallel to the magnetic pole direction of a rotor constituting the AC motor and a q-axis perpendicular to the d-axis,
When the voltage vector is outside the range of the output limit voltage, the voltage command value output unit calculates, in the rotating coordinate system,
a control device for an AC motor, characterized in that, when the most parallel side of six sides constituting a hexagon representing the range of the output limit voltage does not intersect with the line expressed by a predetermined function including "the torque differential value, a d-axis current, a q-axis current, and the angular velocity of the output shaft," the voltage vector representing both end points of the most parallel side, which has a larger torque differential value, is set as the changed voltage vector, and stationary coordinate system voltage information representing the changed voltage vector is output to the inverter as the voltage command value.
交流電動機に三相交流電力を供給可能なインバータに対して前記交流電動機に出力すべき交流電圧の電圧指令値を出力する、交流電動機の制御方法であって、
前記電圧指令値は、前記交流電動機に要求される出力トルクの時間微分値であり指令値として入力され次式で表されるトルク微分値に基づいて生成される、ことを特徴とする交流電動機の制御方法。

ただし、A(id,iq),B(id,iq),C(id,iqre)は、
であり、
前記交流電動機は、回転座標系の直交二軸が前記交流電動機を構成する回転子の磁極方向に平行なd軸とこのd軸に直交するq軸であり、上式において、
ドット「・」記号付きのτはトルク微分値、idはd軸電流、iqはq軸電流、ωreは前記交流電動機の出力軸の電気角速度、Ldはd軸等価コイルのインダクタンス、Lqはq軸等価コイルのインダクタンス、keは逆起電力定数、Rは前記交流電動機を構成する各相のコイルの巻線抵抗である。
1. A method for controlling an AC motor, comprising: outputting a voltage command value of an AC voltage to be output to an AC motor to an inverter capable of supplying three-phase AC power to the AC motor,
the voltage command value is a time differential value of an output torque required of the AC motor, and is input as a command value and is generated based on a torque differential value expressed by the following equation:

However, A(i d , i q ), B(i d , i q ), and C(i d , i q , ω re ) are
and
In the AC motor, two orthogonal axes of a rotating coordinate system are a d-axis parallel to the magnetic pole direction of a rotor constituting the AC motor and a q-axis orthogonal to the d-axis, and in the above equation,
τ with a dot "·" symbol is the torque differential value, i d is the d-axis current, i q is the q-axis current, ω re is the electrical angular velocity of the output shaft of the AC motor, L d is the inductance of the d-axis equivalent coil, L q is the inductance of the q-axis equivalent coil, k e is the back electromotive force constant, and R is the winding resistance of the coil of each phase that constitutes the AC motor.
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