モーター制御装置
【課題】電動モーターのＴＮ特性を向上させる。
【解決手段】モーター制御装置であって、電動モーターに対して駆動電流の供給を制御する制御部と、前記電動モーターの回転速度を検知する回転速度検知部と、を備え、前記駆動電流は、ｄ軸電流とｑ軸電流とを含んでおり、前記制御部は、前記電動モーターに対するトルク指令値に基づいて前記ｑ軸電流の目標値であるｑ軸電流指令値を算出し、 前記電動モーターの回転速度と予め定められた前記電動モーターのベース回転速度との差と、前記算出したｑ軸電流指令値とを用いて前記ｄ軸電流の目標値であるｄ軸電流指令値を算出し、前記ｄ軸電流指令値と前記ｑ軸電流指令値とを用いて前記電動モーターに対してベクトル制御を行う。
【解決手段】モーター制御装置であって、電動モーターに対して駆動電流の供給を制御する制御部と、前記電動モーターの回転速度を検知する回転速度検知部と、を備え、前記駆動電流は、ｄ軸電流とｑ軸電流とを含んでおり、前記制御部は、前記電動モーターに対するトルク指令値に基づいて前記ｑ軸電流の目標値であるｑ軸電流指令値を算出し、 前記電動モーターの回転速度と予め定められた前記電動モーターのベース回転速度との差と、前記算出したｑ軸電流指令値とを用いて前記ｄ軸電流の目標値であるｄ軸電流指令値を算出し、前記ｄ軸電流指令値と前記ｑ軸電流指令値とを用いて前記電動モーターに対してベクトル制御を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モーターの制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動モーターは、負荷トルク−回転数特性（ＴＮ特性）を持っている。このＴＮ特性は、電動モーターに特有なものであり、ある電動モーターのＴＮ特性は駆動電圧が決まれば基本的に１種類に決まる。しかし、このＴＮ特性は、弱め界磁制御という制御技術を用いることにより変更することができる（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３２０４００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の弱め界磁制御では、速度と負荷とを考慮して負の値にｄ軸電流制御を行うことにより実現している。しかし、どのような電圧下で電動モーターを利用するかは、利用者の利用状況に依存するため、電動モーターのＴＮ特性を十分に向上させることができなかった。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、電動モーターのＴＮ特性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
モーター制御装置であって、電動モーターに対して駆動電流の供給を制御する制御部と、前記電動モーターの回転速度を検知する回転速度検知部と、を備え、前記駆動電流は、ｄ軸電流とｑ軸電流とを含んでおり、前記制御部は、前記電動モーターに対するトルク指令値に基づいて前記ｑ軸電流の目標値であるｑ軸電流指令値を算出し、前記電動モーターの回転速度と予め定められた前記電動モーターのベース回転速度との差と、前記算出したｑ軸電流指令値とを用いて前記ｄ軸電流の目標値であるｄ軸電流指令値を算出し、前記ｄ軸電流指令値と前記ｑ軸電流指令値とを用いて前記電動モーターに対してベクトル制御を行う、モーター制御装置。
この適用例によれば、ＴＮ特性の向上が必要な、高トルク領域において、ｄ軸電流指令値を大きくし、ＴＮ特性を向上させることができる。
【０００８】
［適用例２］
適用例１に記載のモーター制御装置において、前記ｄ軸電流指令値Ｉｄｒは、ゲイン係数をＫｄ、前記トルク指令値に基づいて算出された前記ｑ軸電流指令値をＩｑｒ、前記電動モーターの回転速度をω、前記電動モーターのベース回転速度をωｂｓとすると、Ｉｄｒ＝Ｋｄ×Ｉｑｒ×（ω−ωｂｓ）で示される、モーター制御装置。
【０００９】
［適用例３］
適用例１に記載のモーター制御装置において、前記ｄ軸電流指令値Ｉｄｒは、ゲイン係数をＫｄ、前記トルク指令値に基づいて算出された前記ｑ軸電流指令値をＩｑｒ、予め定められたベースｑ軸電流指令値Ｉｑｂｓ、前記電動モーターの回転速度をω、前記電動モーターのベース回転速度をωｂｓとすると、Ｉｄｒ＝Ｋｄ×（Ｉｑｒ−Ｉｑｂｓ）×（ω−ωｂｓ）で示される、モーター制御装置。
［適用例４］
適用例１から適用例３のうちのいずれか１つの適用例に記載のモーター制御装置において、前記電動モーターの回転速度が前記ベース回転速度以下の場合には、前記ｄ軸電流指令値をゼロとする、モーター制御装置。
この適用例によれば、ＴＮ特性の向上が必要でない、低トルク領域、あるいは、低回転速度の場合には、ｄ軸電流指令値を低く抑えることにより効率低下を抑制することが可能となる。
【００１０】
［適用例５］
適用例１から適用例４までのうちのいずれか１つの適用例に記載のモーター制御装置において、前記制御部は、前記ベース回転速度を前記電動モーターの駆動電圧に比例して変化させる、モーター制御装置。
電動モーターの駆動電圧に応じて、ベース回転速度を変化させるので、駆動電圧に応じて、電動モーターのＴＮ特性を良くすることが可能となる。
【００１１】
［適用例６］
適用例５に記載のモーター制御装置において、前記制御部は、前記電動モーターの駆動電圧と前記ベース回転速度との関係を示す表又は関係式を格納するための記憶部を有している、モーター制御装置。
【００１２】
本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、電動モーター制御装置の他、電動モーターの制御方法等様々な形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】電動モーターのＴＩ特性（トルク−電流特性）とＴＮ特性（トルク−回転数特性）の一例を示す説明図である。
【図２】永久磁石の磁束以外が同じである電動モーターのＴＮ特性を示す説明図である。
【図３】図２に示す電動モーターを定速制御した上でトルクを変化させたときのＴＮ特性を示す説明図である。
【図４】弱め界磁制御を行ったときのＴＩ特性（トルク−電流特性）とＴＮ特性（トルク−回転数特性）の一例を示す説明図である。
【図５】第１の実施例の電動モーターのＴＮ特性を示す説明図である。
【図６】ｑ軸電流を示す説明図である。
【図７】ｄ軸電流を示す説明図である。
【図８】ｄ−ｑ軸のベクトル図である。
【図９】本実施例の制御系のブロック図である。
【図１０】ｄ軸電流指令値演算回路を示す説明図である。
【図１１】第１の実施例の変形例におけるＴＮ特性を示す説明図である。
【図１２】第２の実施例の電動モーターのＴＮ特性を示す説明図である。
【図１３】第３の実施例の電動モーターのＴＮ特性を示す説明図である。
【図１４】第３の実施例の変形例を示す説明図である。
【図１５】ＰＷＭ駆動の駆動パルスを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
[電動モーターの特性]
図１は、電動モーターのＴＩ特性（トルク−電流特性）とＴＮ特性（トルク−回転数特性）の一例を示す説明図である。一般にＤＣモーターでは、電動モーターのトルクＴと電動モーターの電流Ｉとの間には、式（１）に示す比例関係がある。
【数１】
ここで、Ｋは、電動モーターの構造により定まる比例定数であり、φは電動モーターの永久磁石（図示せず）の磁束［Ｗｂ］である。比例定数Ｋと磁束φの積をトルク定数Ｋｔとする。次に電動モーターのトルクＴと電動モーターの回転数Ｎとの間には、式（２）に示す比例関係がある。
【数２】
式（２）において、Ｋ１は比例定数であり、Ｎｎｌは無負荷回転数である。ここで比例定数Ｋ１は式（３）で示される。
【数３】
式（３）において、Ｒｄｃは電動モーターの電磁コイル（図示せず）の電気抵抗であり、Ｅｓは電動モーターの駆動電圧であり、Ｉｎｌは無負荷電流である。
【００１５】
図１において、電動モーターの回転数が増加すると、機械的負荷が大きくなる。最大回転数Ｎｍａｘよりも高回転では、トルクＴよりも機械的負荷の方が大きくなるため、電動モーターを最大回転数Ｎｍａｘよりも高回転で回転させることができない。一方、式（１）で示すように、電流ＩはトルクＴに比例する。ここで、電動モーターの電流Ｉが流れると電動モーターは、ジュール熱（Ｑ＝Ｉ2×Ｒｄｃ）により発熱する。ジュール熱Ｑが大きくなりすぎると、熱により電動モーターを破壊する恐れがある。したがって、ジュール熱Ｑが一定以上にならないように、トルクＴまたは電流Ｉを制限する。このときのトルクＴを最大トルクＴｍａｘ、電流Ｉを最大電流Ｉｍａｘと呼ぶ。
【００１６】
図２は、永久磁石の磁束以外が同じである電動モーターのＴＮ特性を示す説明図である。２つの特性グラフから明らかなように、総磁束が大きい電動モーターＭｇ２の方が、総時速が小さい電動モーターＭｇ１よりも、無負荷回転数が小さく（Ｎ１＜Ｎ２）、始動トルクが大きい（Ｔ１＜Ｔ２）。すなわち、総磁束が小さい電動モーターＭｇ１の方が、始動トルクが小さいが、無負荷回転数が大きくなる。これは、電動モーターの一般的な特性である。
【００１７】
図３は、図２に示す電動モーターを定速制御した上で、トルクを変化させたときのＴＮ特性を示す説明図である。トルクが０〜Ｔｘの間では、定速制御をしているため、トルクが大きくなっても、電動モーターＭｇ１、Ｍｇ２の回転数はＮｘで変わらない。トルクがＴｘ〜Ｔｙ（Ｔｘ＜Ｔｙ）の間では、電動モーターＭｇ１の回転数はＮｘで変わらないが、電動モーターＭｇ２の回転数はＮｘよりも小さくなる。トルクがＴｙ〜Ｔｍａｘ（Ｔｍａｘ＜Ｔｚ、Ｔｚは、電動モーターＭｇ１とＭｇ２のＴＮ曲線がクロスするときのトルク）の間では、電動モーターＭｇ１、Ｍｇ２ともトルクの増大とともに、回転数が小さくなる。この期間では、同じトルクであれば、磁束の小さい電動モーターＭｇ１の方が磁束の大きい電動モーターＭｇ２よりも高回転であり、同じ回転数であれば、電動モーターＭｇ１の方が電動モーターＭｇ２よりも高トルクである。すなわち、磁束を小さくすると（弱め界磁）、電動モーターのＴＮ特性を良くすることができる。
【００１８】
図４は、弱め界磁制御を行ったときのＴＩ特性（トルク−電流特性）とＴＮ特性（トルク−回転数特性）の一例を示す説明図である。図４において、実線が弱め界磁をおこなったときの特性であり、破線が弱め界磁を行っていないときの特性である。破線の示す特性は、図１に示す特性と同じである。弱め界磁制御は、永久磁石の磁束φを小さくするように制御するものである。したがって、式（１）から、トルク定数Ｋｔが小さくなる（Ｋｔ＝Ｋφ）。そのため、弱め界磁制御では、トルク当たりの電流が増加する。すなわち、弱め界磁制御では、電流Ｉは、最大トルクＴｍａｘより小さいトルクＴａにおいて最大電流Ｉｍａｘに達し、ジュール熱による発熱が大きくなる。したがって、弱め界磁を行うと、電動モーターを最大トルクＴｍａｘで動作させることができない場合が生じる。
【００１９】
上述したように、弱め界磁制御を行うと、電動モーターのＴＮ特性を向上させることができるが、最大トルクＴｍａｘより小さいトルクＴａにおいて最大電流Ｉｍａｘに達すると、ジュール熱による発熱により、電動モーターのトルクを、これ以上大きくする制御を行うことが出来ない。本実施例では、これに対応し、ＴＮ特性を向上させるための様々な制御を行う。
【００２０】
［第１の実施例］
図５は、第１の実施例の電動モーターのＴＮ特性を示す説明図である。第１の実施例では、トルクTが最大トルクＴｍａｘに至るまで、電流IがＩｍａｘに達しないようにｄ軸電流制御を行う。駆動電流には、ｄ軸電流とｑ軸電流があり、電動モーターのベクトル制御では、このｄ軸電流とｑ軸電流の目標値（ｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値）にもとづいて、フィードバック制御を行い、駆動電流を制御する。ｄ軸を永久磁石の磁束の向きに取ると、ｄ軸電流は流れている駆動電流のうちこの磁束を発生させるのに使われている成分（励磁電流成分）を示し、ｑ軸電流は負荷のトルクに対応した成分を示す。
【００２１】
図６は、ｑ軸電流を示す説明図である。電磁コイル４００が永久磁石３００のｑ軸方向に位置する場合において、電磁コイル４００に電流を流すことにより、電動モーターを回転させるトルクを生じさせる。なお、図６では、電磁コイルが回転するとしている。
【００２２】
図７は、ｄ軸電流を示す説明図である。電磁コイル４００が永久磁石３００のｄ軸方向に位置する場合において、電磁コイル４００に電流を流すことにより、永久磁石３００が作る界磁の大きさを制御する。弱め界磁では、永久磁石３００の界磁を弱める。本実施例では、永久磁石３００の界磁を弱める弱め界磁を行っている。
【００２３】
図８は、ｄ−ｑ軸のベクトル図である。ｄ軸とｑ軸は位相が９０度ずれている。ｄ軸電流とｑ軸電流とのベクトル和を取ることにより合成ベクトルが生成される。電磁コイル４００には、この合成ベクトルに相当する電圧実行値が印加される。なお図に示すθは、ｑ軸に対する位相角であり、ｄ軸＝０からどの程度位相を進めているかを示している。
【００２４】
図５のＴＮ特性について説明する。この実施例では、駆動電流Ｉａｌｌを検出し、予め設定された最大電流Ｉｍａｘと比較することにより、ｄ軸電流指令値を算出する。これにより、ｄ軸電流による弱め界磁を実行してＴＮ特性を向上させるとともに、最大電流Ｉｍａｘに達することなく最大トルクＴｍａｘまで出力をすることが可能となる。
【００２５】
図９は、本実施例の制御系のブロック図である。本実施例の電動モーターシステムは、電動モーター１０と、エンコーダー２０と、制御ブロック３０と、を備える。エンコーダー２０は、電動モーター１０のローター（図示せず）の速度と位置を検出するために用いられる。制御ブロック３０は、電動モーター１０の動作を制御する。制御ブロック３０は、位置制御系ブロック１００と、速度制御系ブロック１１０と、ｄ軸電流ＰＩ制御ブロック１２０と、ｑ軸電流ＰＩ制御ブロック１３０と、ＵＶ−ｄｑ軸座標変換ブロック１４０と、ｄｑ軸―ＵＶＷ座標変換ブロック１５０と、ＰＷＭ駆動信号生成回路１６０と、インバーター回路１７０と、Ｕ相電流計１８０と、Ｖ相電流計１９０と、を備える。ｄ軸電流ＰＩ制御ブロック１２０と、ｑ軸電流ＰＩ制御ブロック１３０と、ＵＶ−ｄｑ軸座標変換ブロック１４０と、ｄｑ軸―ＵＶＷ座標変換ブロック１５０と、でベクトル制御ブロック２００を構成している。
【００２６】
位置制御系ブロック１００は、エンコーダー２０から電動モーター１０のローターの位置情報を取得し、さらに位置指令値に基づいて、速度制御系ブロック１１０に対し、速度指令値を送る。ここで、位置指令値は、図示しない、電動モーターを利用する上位の制御装置より送られる。なお、本実施例では、上位の制御装置を用いているが、位置指令値を算出する演算手段であれば、様々な装置、演算手段を採用することが可能である。
【００２７】
速度制御系ブロック１１０は、エンコーダー２０から電動モーター１０のローターの回転速度情報を取得し、さらに、位置制御系ブロック１００から送られた速度指令値に基づいて、ｑ軸電流指令値Ｉｑｒをｑ軸電流ＰＩ制御ブロック１３０に送る。
【００２８】
ＵＶ−ｄｑ軸座標変換ブロック１４０は、Ｕ相電流計１８０からのＵ相電流値Ｉｕと、Ｖ相電流計１９０からのＶ相電流値Ｉｖとから、ｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑとを算出する。なお、本実施例は、三相モーターであるので、Ｗ相電流Ｉｗもある。Ｗ相電流計を備えることによりＷ相電流Ｉｗを測定してもよいが、Ｗ相電流ＩｗをＵ相電流値ＩｕとＶ相電流値Ｉｖとを用いて算出してもよい。具体的には、Ｗ相電流Ｉｗは、Ｉｗ＝−Ｉｖ−Ｉｕで算出することができる。ｄ軸電流Ｉｄはｄ軸電流ＰＩ制御ブロック１２０に送られ、ｑ軸電流Ｉｑは、ｑ軸電流ＰＩ制御ブロック１３０に送られる。
【００２９】
ｄ軸電流ＰＩ制御ブロック１２０は、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒと、ＵＶ−ｄｑ軸座標変換ブロック１４０から送られたｄ軸電流Ｉｄを用い、ＰＩ制御を行い、ｄ軸電流制御値Ｉｄｉを出力する。ｄ軸電流指令値Ｉｄｒをどのように決定するかについては後述する。ＰＩ制御とは、フィードバック制御の一種であり、目標値（ｄ軸電流指令値Ｉｄｒ）と出力値（ｄ軸電流Ｉｄ）のに基づいて比例制御（Ｐ制御）、積分制御（Ｉ制御）を実行する。なお、本実施例ではＰＩ制御を用いたが、さらに微分制御（Ｄ制御）を含めたＰＩＤ制御を採用してもよい。ｑ軸電流ＰＩ制御ブロック１３０は、同様に、ｑ軸電流指令値ＩｑｒとＵＶ−ｄｑ軸座標変換ブロック１４０から送られたｑ軸電流Ｉｑを用い、ＰＩ制御を行い、ｑ軸電流制御値Ｉｑｉを出力する。
【００３０】
ｄｑ軸―ＵＶＷ座標変換ブロック１５０は、ｄ軸電流ＰＩ制御ブロック１２０とｑ軸電流ＰＩ制御ブロック１３０とからのｄ軸電流制御値Ｉｄｉとｑ軸電流制御値Ｉｑｉにもとづいて、Ｕ相電流制御値Ｉｕｉ、Ｖ相電流制御値Ｉｖｉ、Ｗ相電流制御値Ｉｗｉを出力する。
【００３１】
ＰＷＭ駆動信号生成回路１６０は、Ｕ相電流制御値Ｉｕｉ、Ｖ相電流制御値Ｉｖｉ、Ｗ相電流制御値Ｉｗｉに基づいて、インバーター回路１７０を駆動するためのＰＷＭ駆動信号ＰＷＭＵＨ、ＰＷＭＵＬ、ＰＷＭＶＨ、ＰＷＭＶＬ、ＰＷＭＷＨ、ＰＷＭＷＬを出力する。インバーター回路１７０は、例えば三相ブリッジ回路（図示せず）を有しており、ＰＷＭ駆動信号ＰＷＭＵＨ、ＰＷＭＵＬ、ＰＷＭＶＨ、ＰＷＭＶＬ、ＰＷＭＷＨ、ＰＷＭＷＬに基づいて、電動モーター１０の電磁コイル（図示せず）に電圧を印可する。
【００３２】
図１０は、ｄ軸電流指令値演算回路を示す説明図である。ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、図９のｄ軸電流ＰＩ制御ブロック１２０の前段に配置される。ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、記憶部２２０を有しており、記憶部２２０には、ｄ軸電流指令値を演算するための、様々な関係式（後述する各式）、データが格納されている。ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、最大電流Ｉｍａｘと駆動電流Ｉａｌｌを用いて、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒを出力する。ここで、最大電流Ｉｍａｘは、上述した電流制限値である。駆動電流Ｉａｌｌは、ｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑを用いて以下に示す式（４）により算出される。
【数４】
本実施例では、ｄ軸電流指令値演算回路２１０への入力として、駆動電流Ｉａｌｌを用いたが、駆動電流Ｉａｌｌの代わりに、ｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑを用いてもよい。
【００３３】
以下、ｄ軸電流指令値の算出について説明する。ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、まず、駆動電流Ｉａｌｌと最大電流Ｉｍａｘを比較する。駆動電流Ｉａｌｌが最大電流Ｉｍａｘより小さい場合には、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒを以下の式（５）により算出する。
【数５】
ここで、係数Ｋａ（Ｋａ≦０）は、制御ゲインであり、予め実験により求められている。
【００３４】
一方、駆動電流Ｉａｌｌが最大電流Ｉｍａｘ以上の場合には、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒを以下の式（６）により算出する。
【数６】
ここで、係数Ｋｂ（Ｋｂ＜０）は、制御ゲインであり、予め実験により求められている。式（６）においては、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒを下げることにより、ｄ軸電流Ｉｄの絶対値を減少させ、駆動電流Ｉａｌｌを減少させて最大電流Ｉｍａｘ以下にする。
【００３５】
本実施例によれば、駆動電流Ｉａｌｌが最大電流Ｉｍａｘより小さい場合には、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、式（５）に基づいて、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒを算出し、制御ブロック３０は、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒに基づいて弱め界磁制御を実行する。駆動電流Ｉａｌｌが最大電流Ｉｍａｘ以上の場合には、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、式（６）に基づいてｄ軸電流指令値Ｉｄｒの絶対値を減少させることでｄ軸電流Ｉｄの絶対値を減少させる。その結果、電動モーター１０は、最大電流Ｉｍａｘに達することなく、最大トルクＴｍａｘまで出力することが可能となる。
【００３６】
［変形例］
図１１は、第１の実施例の変形例におけるＴＮ特性を示す説明図である。この変形例では、駆動電流Ｉａｌｌが最大電流Ｉｍａｘ以上の場合には、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、式（７）に基づいてｄ軸電流指令値Ｉｄｒを算出する。
【数７】
ここで、ｑ軸電流指令値Ｉｑｒは、電動モーター１０に要求されるトルク指令値に基づいて算出される。
【００３７】
この変形例によれば、駆動電流Ｉａｌｌが最大電流Ｉｍａｘより小さく、駆動電流Ｉａｌｌに余裕がある場合には、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、式（５）に基づいて、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒを算出し、制御ブロック３０は、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒに基づいて弱め界磁制御を実行し、駆動電流Ｉａｌｌが設定した最大電流Ｉｍａｘに達しようとした場合には、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、駆動電流Ｉａｌｌの値に応じてｄ軸電流の絶対値を減少させる。その結果、電動モーター１０は、最大電流Ｉｍａｘに達することなく、最大トルクＴｍａｘまで出力することが可能となる。
【００３８】
この変形例では、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、駆動電流Ｉａｌｌを用いてｄ軸電流指令値Ｉｄｒ、ｑ軸電流指令値Ｉｑｒを算出しているが、この駆動電流Ｉａｌｌの代わりに、Ｕ相電流Ｉｕ、Ｖ送電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗあるいは、ｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑを用いてｄ軸電流指令値Ｉｄｒ、ｑ軸電流指令値Ｉｑｒを算出してもよい。また、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、トルク指令値及び電動モーターのトルクを用いてｄ軸電流指令値Ｉｄｒ、ｑ軸電流指令値Ｉｑｒを算出してもよい。
【００３９】
［第２の実施例］
図１２は、第２の実施例の電動モーターのＴＮ特性を示す説明図である。第２の実施例では、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒについて、トルクＴに制御ゲインを掛けてトルクにｄ軸電流指令値Ｉｄｒを比例させることにより、予め設定された最大トルクＴｍａｘまで電流制限にかからないようにｄ軸電流制御を行う。式（８）は、第２の実施例におけるｄ軸電流指令値Ｉｄｒを算出する演算式を示す。
【数８】
式（８）において、Ｋｃは制御ゲインであり、実験により求めることができる。Ｔは電動モーター１０のトルクである。
【００４０】
第２の実施例では、ＴＮ特性の向上が必要でない、低トルク領域、あるいは、低回転速度の場合には、ｄ軸電流制御値を低く抑えることにより効率低下を抑制するとともに、ｄ軸電流が必要な領域Ａｘにおいて、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒを大きくする制御が可能となる。なお、駆動電流Ｉａｌｌが最大電流Ｉｍａｘに達する場合には、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、第１の実施例と同様に、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒを調整し、制御ブロック３０は、最大トルクＴｍａｘ以下で最大電流Ｉｍａｘに達しないように制御することが好ましい。
【００４１】
［変形例］
第２の実施例では、トルクＴに制御ゲインＫｃを掛けてトルクにｄ軸電流指令値Ｉｄｒを比例させていたが、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、式（９）に示すように、トルクＴと速度ωの両方に制御ゲインＫｃを掛けてトルクにｄ軸電流指令値Ｉｄｒを比例させてもよい。
【数９】
このようにｄ軸電流指令値Ｉｄｒを算出しても、ＴＮ特性の向上が必要でない、低トルク領域、あるいは、低回転速度の場合には、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒを低く抑えることにより効率低下を抑制するとともに、ｄ軸電流が必要な領域Ａｘにおいて、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒを大きくする制御が可能となる。
【００４２】
なお、第２の実施例、及び第２の実施例の変形例では、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒを算出する際に、電動モーター１０のトルクＴを用いたが、トルクＴの代わりに、電動モーター１０に要求されるトルク指令値を用いてもよい。
【００４３】
［第３の実施例］
図１３は、第３の実施例の電動モーターのＴＮ特性を示す説明図である。第３の実施例では、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、式（１０）に示すように、電動モーター１０に対するトルク指令値に基づいてｑ軸電流指令値Ｉｑｒを算出し、電動モーターの回転速度ωと予め定められた電動モーターのベース回転速度ωｂｓとの差（ω―ωｂｓ）と、ｑ軸電流指令値Ｉｑｒと、制御ゲインとを掛けてｄ軸電流指令値Ｉｄｒを算出する。
【数１０】
式（１０）において、Ｋｄは制御ゲインであり、実験により求めることができる。なお、本実施例では、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、トルクが予め定められたベーストルクＴｂｓ以下の場合には、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒをゼロとしている。
【００４４】
本実施例では、トルクが予め定められたベーストルク以上であり、電動モーター１０の回転速度ωが予め定められたベース回転速度ωｂｓ以上の場合には、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒを増加させる。なお、さらに高トルクとなり、電動モーター１０の回転速度ωが予め定められたベース回転速度ωｂｓ未満となった場合には、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒをゼロとする。なお、同様に、ベーストルクを利用する場合には、トルクがベーストルク以下の場合にもｄ軸電流指令値Ｉｄｒをゼロとする。なお、駆動電流Ｉａｌｌが最大電流Ｉｍａｘに達する場合には、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、第１の実施例、第２の実施例と同様に、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒを調整し、最大トルクＴｍａｘ以下で最大電流Ｉｍａｘに達しないように制御することが好ましい。
【００４５】
本実施例によれば、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、ＴＮ特性の向上が必要でない、低トルク領域、あるいは、低回転速度の場合には、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒを低く抑えることにより効率低下を抑制するとともに、ＴＮ特性の向上が必要な、高トルク領域において、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒを大きくし、ＴＮ特性を向上させることができる。
【００４６】
［変形例］
図１４は、第３の実施例の変形例を示す説明図である。この変形例では、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、電動モーター１０の駆動電圧Ｅｓに応じて、ベース回転速度ωｂｓを変化させる。電動モーター１０の駆動電圧Ｅｓと、ベース回転速度ωｂｓとの関係は、ｄ軸電流指令値演算回路２１０の記憶部２２０に格納されている。ここで、駆動電圧とは、ＰＷＭ駆動の元となる直流電圧を意味する。図１５は、ＰＷＭ駆動の駆動パルスの一例を示す説明図である。ＰＷＭ駆動の駆動パルスに高さ（電圧）が、電動モーター１０の駆動電圧Ｅｓに対応する。図１５に示す例では、電動モーター１０を１７０Ｖの駆動電圧で動作させている。図１４のグラフに従って、例えば、駆動電圧が大きくなると、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、ベース回転速度ωｂｓを大きくする。こうすると、例えば、駆動電圧が下がると、ベース回転速度ωｂｓが小さくなる。そうすると、（ω―ωｂｓ）が大きくなるので、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒを大きくすることができ、電動モーターのＴＮ特性を良くすることが可能となる。また、電動モーターの利用者は、電動モーター１０を、スペックに規定された範囲内の駆動電圧で動作をさせることができるが、本実施例によれば、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、利用者が実際に利用する駆動電圧に基づいてベース回転速度ωｂｓを変更し、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒを変更するので、各駆動電圧において、電動モーターのＴＮ特性を良くすることが可能となる。なお、図４においては、駆動電圧Ｅｓとベース回転速度ωｂｓとは、比例関係にあるように示されているが、駆動電圧Ｅｓとベース回転速度ωｂｓとが対応していれば良く、駆動電圧Ｅｓとベース回転速度ωｂｓとは、必ずしも比例関係でなくてもよい。また、こ関係は実験により求めてもよい。式（１０）において、制御ゲインＫｄの値についても駆動電圧Ｅｓに応じて可変にしてもよい。
【００４７】
なお、第３の実施例、及びその変形例において、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、ｑ軸電流指令値Ｉｑｒを用いて、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒを算出しているが、式（１１）に示すように、ｑ軸電流指令値Ｉｑｒと、予め定められたベースｑ軸電流Ｉｑｂｓとの差（Ｉｑｒ―Ｉｑｂｓ）を用いてｄ軸電流指令値Ｉｄｒを算出してもよい。
【数１１】
【００４８】
なお、式（１１）において、電動モーター１０の駆動電圧Ｅｓに応じて、ベース回転速度ωｂｓを変化させる他、制御ゲインＫｄやベースｑ軸電流Ｉｑｂｓの値についても駆動電圧Ｅｓに応じて可変にしてもよい。
【００４９】
上記各実施例において、式（１２）を適用し、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒの大きさに制限をかけてもよい。
【数１２】
また、上記各実施例においてＩｑｒ2＋Ｉｄｒ2＞Ｉｍａｘの場合にはＩｑｒ＝√（Ｉｍａｘ2−Ｉｄｒ2）として最大電流Ｉａｌｌを制限しても良い。
【００５０】
上記各実施例においては、３相モーターを例にとり説明したが、永久磁石を用いたモーターであれば、３相モーターに限らず、２相モーターや、３相以上の多相モーターにおいても適用可能である。
【００５１】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【符号の説明】
【００５２】
１０…電動モーター
２０…エンコーダー
３０…制御ブロック
１００…位置制御系ブロック
１１０…速度制御系ブロック
１２０…ｄ軸電流ＰＩ制御ブロック
１３０…ｑ軸電流ＰＩ制御ブロック
１４０…ＵＶ−ｄｑ軸座標変換ブロック
１５０…ｄｑ軸―ＵＶＷ座標変換ブロック
１６０…ＰＷＭ駆動信号生成回路
１７０…インバーター回路
１８０…Ｕ相電流計
１９０…Ｖ相電流計
２００…ベクトル制御ブロック
２１０…ｄ軸電流指令値演算回路
２２０…記憶部
３００…永久磁石
４００…電磁コイル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モーターの制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動モーターは、負荷トルク−回転数特性（ＴＮ特性）を持っている。このＴＮ特性は、電動モーターに特有なものであり、ある電動モーターのＴＮ特性は駆動電圧が決まれば基本的に１種類に決まる。しかし、このＴＮ特性は、弱め界磁制御という制御技術を用いることにより変更することができる（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３２０４００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の弱め界磁制御では、速度と負荷とを考慮して負の値にｄ軸電流制御を行うことにより実現している。しかし、どのような電圧下で電動モーターを利用するかは、利用者の利用状況に依存するため、電動モーターのＴＮ特性を十分に向上させることができなかった。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、電動モーターのＴＮ特性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
モーター制御装置であって、電動モーターに対して駆動電流の供給を制御する制御部と、前記電動モーターの回転速度を検知する回転速度検知部と、を備え、前記駆動電流は、ｄ軸電流とｑ軸電流とを含んでおり、前記制御部は、前記電動モーターに対するトルク指令値に基づいて前記ｑ軸電流の目標値であるｑ軸電流指令値を算出し、前記電動モーターの回転速度と予め定められた前記電動モーターのベース回転速度との差と、前記算出したｑ軸電流指令値とを用いて前記ｄ軸電流の目標値であるｄ軸電流指令値を算出し、前記ｄ軸電流指令値と前記ｑ軸電流指令値とを用いて前記電動モーターに対してベクトル制御を行う、モーター制御装置。
この適用例によれば、ＴＮ特性の向上が必要な、高トルク領域において、ｄ軸電流指令値を大きくし、ＴＮ特性を向上させることができる。
【０００８】
［適用例２］
適用例１に記載のモーター制御装置において、前記ｄ軸電流指令値Ｉｄｒは、ゲイン係数をＫｄ、前記トルク指令値に基づいて算出された前記ｑ軸電流指令値をＩｑｒ、前記電動モーターの回転速度をω、前記電動モーターのベース回転速度をωｂｓとすると、Ｉｄｒ＝Ｋｄ×Ｉｑｒ×（ω−ωｂｓ）で示される、モーター制御装置。
【０００９】
［適用例３］
適用例１に記載のモーター制御装置において、前記ｄ軸電流指令値Ｉｄｒは、ゲイン係数をＫｄ、前記トルク指令値に基づいて算出された前記ｑ軸電流指令値をＩｑｒ、予め定められたベースｑ軸電流指令値Ｉｑｂｓ、前記電動モーターの回転速度をω、前記電動モーターのベース回転速度をωｂｓとすると、Ｉｄｒ＝Ｋｄ×（Ｉｑｒ−Ｉｑｂｓ）×（ω−ωｂｓ）で示される、モーター制御装置。
［適用例４］
適用例１から適用例３のうちのいずれか１つの適用例に記載のモーター制御装置において、前記電動モーターの回転速度が前記ベース回転速度以下の場合には、前記ｄ軸電流指令値をゼロとする、モーター制御装置。
この適用例によれば、ＴＮ特性の向上が必要でない、低トルク領域、あるいは、低回転速度の場合には、ｄ軸電流指令値を低く抑えることにより効率低下を抑制することが可能となる。
【００１０】
［適用例５］
適用例１から適用例４までのうちのいずれか１つの適用例に記載のモーター制御装置において、前記制御部は、前記ベース回転速度を前記電動モーターの駆動電圧に比例して変化させる、モーター制御装置。
電動モーターの駆動電圧に応じて、ベース回転速度を変化させるので、駆動電圧に応じて、電動モーターのＴＮ特性を良くすることが可能となる。
【００１１】
［適用例６］
適用例５に記載のモーター制御装置において、前記制御部は、前記電動モーターの駆動電圧と前記ベース回転速度との関係を示す表又は関係式を格納するための記憶部を有している、モーター制御装置。
【００１２】
本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、電動モーター制御装置の他、電動モーターの制御方法等様々な形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】電動モーターのＴＩ特性（トルク−電流特性）とＴＮ特性（トルク−回転数特性）の一例を示す説明図である。
【図２】永久磁石の磁束以外が同じである電動モーターのＴＮ特性を示す説明図である。
【図３】図２に示す電動モーターを定速制御した上でトルクを変化させたときのＴＮ特性を示す説明図である。
【図４】弱め界磁制御を行ったときのＴＩ特性（トルク−電流特性）とＴＮ特性（トルク−回転数特性）の一例を示す説明図である。
【図５】第１の実施例の電動モーターのＴＮ特性を示す説明図である。
【図６】ｑ軸電流を示す説明図である。
【図７】ｄ軸電流を示す説明図である。
【図８】ｄ−ｑ軸のベクトル図である。
【図９】本実施例の制御系のブロック図である。
【図１０】ｄ軸電流指令値演算回路を示す説明図である。
【図１１】第１の実施例の変形例におけるＴＮ特性を示す説明図である。
【図１２】第２の実施例の電動モーターのＴＮ特性を示す説明図である。
【図１３】第３の実施例の電動モーターのＴＮ特性を示す説明図である。
【図１４】第３の実施例の変形例を示す説明図である。
【図１５】ＰＷＭ駆動の駆動パルスを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
[電動モーターの特性]
図１は、電動モーターのＴＩ特性（トルク−電流特性）とＴＮ特性（トルク−回転数特性）の一例を示す説明図である。一般にＤＣモーターでは、電動モーターのトルクＴと電動モーターの電流Ｉとの間には、式（１）に示す比例関係がある。
【数１】
ここで、Ｋは、電動モーターの構造により定まる比例定数であり、φは電動モーターの永久磁石（図示せず）の磁束［Ｗｂ］である。比例定数Ｋと磁束φの積をトルク定数Ｋｔとする。次に電動モーターのトルクＴと電動モーターの回転数Ｎとの間には、式（２）に示す比例関係がある。
【数２】
式（２）において、Ｋ１は比例定数であり、Ｎｎｌは無負荷回転数である。ここで比例定数Ｋ１は式（３）で示される。
【数３】
式（３）において、Ｒｄｃは電動モーターの電磁コイル（図示せず）の電気抵抗であり、Ｅｓは電動モーターの駆動電圧であり、Ｉｎｌは無負荷電流である。
【００１５】
図１において、電動モーターの回転数が増加すると、機械的負荷が大きくなる。最大回転数Ｎｍａｘよりも高回転では、トルクＴよりも機械的負荷の方が大きくなるため、電動モーターを最大回転数Ｎｍａｘよりも高回転で回転させることができない。一方、式（１）で示すように、電流ＩはトルクＴに比例する。ここで、電動モーターの電流Ｉが流れると電動モーターは、ジュール熱（Ｑ＝Ｉ2×Ｒｄｃ）により発熱する。ジュール熱Ｑが大きくなりすぎると、熱により電動モーターを破壊する恐れがある。したがって、ジュール熱Ｑが一定以上にならないように、トルクＴまたは電流Ｉを制限する。このときのトルクＴを最大トルクＴｍａｘ、電流Ｉを最大電流Ｉｍａｘと呼ぶ。
【００１６】
図２は、永久磁石の磁束以外が同じである電動モーターのＴＮ特性を示す説明図である。２つの特性グラフから明らかなように、総磁束が大きい電動モーターＭｇ２の方が、総時速が小さい電動モーターＭｇ１よりも、無負荷回転数が小さく（Ｎ１＜Ｎ２）、始動トルクが大きい（Ｔ１＜Ｔ２）。すなわち、総磁束が小さい電動モーターＭｇ１の方が、始動トルクが小さいが、無負荷回転数が大きくなる。これは、電動モーターの一般的な特性である。
【００１７】
図３は、図２に示す電動モーターを定速制御した上で、トルクを変化させたときのＴＮ特性を示す説明図である。トルクが０〜Ｔｘの間では、定速制御をしているため、トルクが大きくなっても、電動モーターＭｇ１、Ｍｇ２の回転数はＮｘで変わらない。トルクがＴｘ〜Ｔｙ（Ｔｘ＜Ｔｙ）の間では、電動モーターＭｇ１の回転数はＮｘで変わらないが、電動モーターＭｇ２の回転数はＮｘよりも小さくなる。トルクがＴｙ〜Ｔｍａｘ（Ｔｍａｘ＜Ｔｚ、Ｔｚは、電動モーターＭｇ１とＭｇ２のＴＮ曲線がクロスするときのトルク）の間では、電動モーターＭｇ１、Ｍｇ２ともトルクの増大とともに、回転数が小さくなる。この期間では、同じトルクであれば、磁束の小さい電動モーターＭｇ１の方が磁束の大きい電動モーターＭｇ２よりも高回転であり、同じ回転数であれば、電動モーターＭｇ１の方が電動モーターＭｇ２よりも高トルクである。すなわち、磁束を小さくすると（弱め界磁）、電動モーターのＴＮ特性を良くすることができる。
【００１８】
図４は、弱め界磁制御を行ったときのＴＩ特性（トルク−電流特性）とＴＮ特性（トルク−回転数特性）の一例を示す説明図である。図４において、実線が弱め界磁をおこなったときの特性であり、破線が弱め界磁を行っていないときの特性である。破線の示す特性は、図１に示す特性と同じである。弱め界磁制御は、永久磁石の磁束φを小さくするように制御するものである。したがって、式（１）から、トルク定数Ｋｔが小さくなる（Ｋｔ＝Ｋφ）。そのため、弱め界磁制御では、トルク当たりの電流が増加する。すなわち、弱め界磁制御では、電流Ｉは、最大トルクＴｍａｘより小さいトルクＴａにおいて最大電流Ｉｍａｘに達し、ジュール熱による発熱が大きくなる。したがって、弱め界磁を行うと、電動モーターを最大トルクＴｍａｘで動作させることができない場合が生じる。
【００１９】
上述したように、弱め界磁制御を行うと、電動モーターのＴＮ特性を向上させることができるが、最大トルクＴｍａｘより小さいトルクＴａにおいて最大電流Ｉｍａｘに達すると、ジュール熱による発熱により、電動モーターのトルクを、これ以上大きくする制御を行うことが出来ない。本実施例では、これに対応し、ＴＮ特性を向上させるための様々な制御を行う。
【００２０】
［第１の実施例］
図５は、第１の実施例の電動モーターのＴＮ特性を示す説明図である。第１の実施例では、トルクTが最大トルクＴｍａｘに至るまで、電流IがＩｍａｘに達しないようにｄ軸電流制御を行う。駆動電流には、ｄ軸電流とｑ軸電流があり、電動モーターのベクトル制御では、このｄ軸電流とｑ軸電流の目標値（ｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値）にもとづいて、フィードバック制御を行い、駆動電流を制御する。ｄ軸を永久磁石の磁束の向きに取ると、ｄ軸電流は流れている駆動電流のうちこの磁束を発生させるのに使われている成分（励磁電流成分）を示し、ｑ軸電流は負荷のトルクに対応した成分を示す。
【００２１】
図６は、ｑ軸電流を示す説明図である。電磁コイル４００が永久磁石３００のｑ軸方向に位置する場合において、電磁コイル４００に電流を流すことにより、電動モーターを回転させるトルクを生じさせる。なお、図６では、電磁コイルが回転するとしている。
【００２２】
図７は、ｄ軸電流を示す説明図である。電磁コイル４００が永久磁石３００のｄ軸方向に位置する場合において、電磁コイル４００に電流を流すことにより、永久磁石３００が作る界磁の大きさを制御する。弱め界磁では、永久磁石３００の界磁を弱める。本実施例では、永久磁石３００の界磁を弱める弱め界磁を行っている。
【００２３】
図８は、ｄ−ｑ軸のベクトル図である。ｄ軸とｑ軸は位相が９０度ずれている。ｄ軸電流とｑ軸電流とのベクトル和を取ることにより合成ベクトルが生成される。電磁コイル４００には、この合成ベクトルに相当する電圧実行値が印加される。なお図に示すθは、ｑ軸に対する位相角であり、ｄ軸＝０からどの程度位相を進めているかを示している。
【００２４】
図５のＴＮ特性について説明する。この実施例では、駆動電流Ｉａｌｌを検出し、予め設定された最大電流Ｉｍａｘと比較することにより、ｄ軸電流指令値を算出する。これにより、ｄ軸電流による弱め界磁を実行してＴＮ特性を向上させるとともに、最大電流Ｉｍａｘに達することなく最大トルクＴｍａｘまで出力をすることが可能となる。
【００２５】
図９は、本実施例の制御系のブロック図である。本実施例の電動モーターシステムは、電動モーター１０と、エンコーダー２０と、制御ブロック３０と、を備える。エンコーダー２０は、電動モーター１０のローター（図示せず）の速度と位置を検出するために用いられる。制御ブロック３０は、電動モーター１０の動作を制御する。制御ブロック３０は、位置制御系ブロック１００と、速度制御系ブロック１１０と、ｄ軸電流ＰＩ制御ブロック１２０と、ｑ軸電流ＰＩ制御ブロック１３０と、ＵＶ−ｄｑ軸座標変換ブロック１４０と、ｄｑ軸―ＵＶＷ座標変換ブロック１５０と、ＰＷＭ駆動信号生成回路１６０と、インバーター回路１７０と、Ｕ相電流計１８０と、Ｖ相電流計１９０と、を備える。ｄ軸電流ＰＩ制御ブロック１２０と、ｑ軸電流ＰＩ制御ブロック１３０と、ＵＶ−ｄｑ軸座標変換ブロック１４０と、ｄｑ軸―ＵＶＷ座標変換ブロック１５０と、でベクトル制御ブロック２００を構成している。
【００２６】
位置制御系ブロック１００は、エンコーダー２０から電動モーター１０のローターの位置情報を取得し、さらに位置指令値に基づいて、速度制御系ブロック１１０に対し、速度指令値を送る。ここで、位置指令値は、図示しない、電動モーターを利用する上位の制御装置より送られる。なお、本実施例では、上位の制御装置を用いているが、位置指令値を算出する演算手段であれば、様々な装置、演算手段を採用することが可能である。
【００２７】
速度制御系ブロック１１０は、エンコーダー２０から電動モーター１０のローターの回転速度情報を取得し、さらに、位置制御系ブロック１００から送られた速度指令値に基づいて、ｑ軸電流指令値Ｉｑｒをｑ軸電流ＰＩ制御ブロック１３０に送る。
【００２８】
ＵＶ−ｄｑ軸座標変換ブロック１４０は、Ｕ相電流計１８０からのＵ相電流値Ｉｕと、Ｖ相電流計１９０からのＶ相電流値Ｉｖとから、ｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑとを算出する。なお、本実施例は、三相モーターであるので、Ｗ相電流Ｉｗもある。Ｗ相電流計を備えることによりＷ相電流Ｉｗを測定してもよいが、Ｗ相電流ＩｗをＵ相電流値ＩｕとＶ相電流値Ｉｖとを用いて算出してもよい。具体的には、Ｗ相電流Ｉｗは、Ｉｗ＝−Ｉｖ−Ｉｕで算出することができる。ｄ軸電流Ｉｄはｄ軸電流ＰＩ制御ブロック１２０に送られ、ｑ軸電流Ｉｑは、ｑ軸電流ＰＩ制御ブロック１３０に送られる。
【００２９】
ｄ軸電流ＰＩ制御ブロック１２０は、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒと、ＵＶ−ｄｑ軸座標変換ブロック１４０から送られたｄ軸電流Ｉｄを用い、ＰＩ制御を行い、ｄ軸電流制御値Ｉｄｉを出力する。ｄ軸電流指令値Ｉｄｒをどのように決定するかについては後述する。ＰＩ制御とは、フィードバック制御の一種であり、目標値（ｄ軸電流指令値Ｉｄｒ）と出力値（ｄ軸電流Ｉｄ）のに基づいて比例制御（Ｐ制御）、積分制御（Ｉ制御）を実行する。なお、本実施例ではＰＩ制御を用いたが、さらに微分制御（Ｄ制御）を含めたＰＩＤ制御を採用してもよい。ｑ軸電流ＰＩ制御ブロック１３０は、同様に、ｑ軸電流指令値ＩｑｒとＵＶ−ｄｑ軸座標変換ブロック１４０から送られたｑ軸電流Ｉｑを用い、ＰＩ制御を行い、ｑ軸電流制御値Ｉｑｉを出力する。
【００３０】
ｄｑ軸―ＵＶＷ座標変換ブロック１５０は、ｄ軸電流ＰＩ制御ブロック１２０とｑ軸電流ＰＩ制御ブロック１３０とからのｄ軸電流制御値Ｉｄｉとｑ軸電流制御値Ｉｑｉにもとづいて、Ｕ相電流制御値Ｉｕｉ、Ｖ相電流制御値Ｉｖｉ、Ｗ相電流制御値Ｉｗｉを出力する。
【００３１】
ＰＷＭ駆動信号生成回路１６０は、Ｕ相電流制御値Ｉｕｉ、Ｖ相電流制御値Ｉｖｉ、Ｗ相電流制御値Ｉｗｉに基づいて、インバーター回路１７０を駆動するためのＰＷＭ駆動信号ＰＷＭＵＨ、ＰＷＭＵＬ、ＰＷＭＶＨ、ＰＷＭＶＬ、ＰＷＭＷＨ、ＰＷＭＷＬを出力する。インバーター回路１７０は、例えば三相ブリッジ回路（図示せず）を有しており、ＰＷＭ駆動信号ＰＷＭＵＨ、ＰＷＭＵＬ、ＰＷＭＶＨ、ＰＷＭＶＬ、ＰＷＭＷＨ、ＰＷＭＷＬに基づいて、電動モーター１０の電磁コイル（図示せず）に電圧を印可する。
【００３２】
図１０は、ｄ軸電流指令値演算回路を示す説明図である。ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、図９のｄ軸電流ＰＩ制御ブロック１２０の前段に配置される。ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、記憶部２２０を有しており、記憶部２２０には、ｄ軸電流指令値を演算するための、様々な関係式（後述する各式）、データが格納されている。ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、最大電流Ｉｍａｘと駆動電流Ｉａｌｌを用いて、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒを出力する。ここで、最大電流Ｉｍａｘは、上述した電流制限値である。駆動電流Ｉａｌｌは、ｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑを用いて以下に示す式（４）により算出される。
【数４】
本実施例では、ｄ軸電流指令値演算回路２１０への入力として、駆動電流Ｉａｌｌを用いたが、駆動電流Ｉａｌｌの代わりに、ｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑを用いてもよい。
【００３３】
以下、ｄ軸電流指令値の算出について説明する。ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、まず、駆動電流Ｉａｌｌと最大電流Ｉｍａｘを比較する。駆動電流Ｉａｌｌが最大電流Ｉｍａｘより小さい場合には、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒを以下の式（５）により算出する。
【数５】
ここで、係数Ｋａ（Ｋａ≦０）は、制御ゲインであり、予め実験により求められている。
【００３４】
一方、駆動電流Ｉａｌｌが最大電流Ｉｍａｘ以上の場合には、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒを以下の式（６）により算出する。
【数６】
ここで、係数Ｋｂ（Ｋｂ＜０）は、制御ゲインであり、予め実験により求められている。式（６）においては、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒを下げることにより、ｄ軸電流Ｉｄの絶対値を減少させ、駆動電流Ｉａｌｌを減少させて最大電流Ｉｍａｘ以下にする。
【００３５】
本実施例によれば、駆動電流Ｉａｌｌが最大電流Ｉｍａｘより小さい場合には、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、式（５）に基づいて、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒを算出し、制御ブロック３０は、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒに基づいて弱め界磁制御を実行する。駆動電流Ｉａｌｌが最大電流Ｉｍａｘ以上の場合には、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、式（６）に基づいてｄ軸電流指令値Ｉｄｒの絶対値を減少させることでｄ軸電流Ｉｄの絶対値を減少させる。その結果、電動モーター１０は、最大電流Ｉｍａｘに達することなく、最大トルクＴｍａｘまで出力することが可能となる。
【００３６】
［変形例］
図１１は、第１の実施例の変形例におけるＴＮ特性を示す説明図である。この変形例では、駆動電流Ｉａｌｌが最大電流Ｉｍａｘ以上の場合には、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、式（７）に基づいてｄ軸電流指令値Ｉｄｒを算出する。
【数７】
ここで、ｑ軸電流指令値Ｉｑｒは、電動モーター１０に要求されるトルク指令値に基づいて算出される。
【００３７】
この変形例によれば、駆動電流Ｉａｌｌが最大電流Ｉｍａｘより小さく、駆動電流Ｉａｌｌに余裕がある場合には、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、式（５）に基づいて、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒを算出し、制御ブロック３０は、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒに基づいて弱め界磁制御を実行し、駆動電流Ｉａｌｌが設定した最大電流Ｉｍａｘに達しようとした場合には、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、駆動電流Ｉａｌｌの値に応じてｄ軸電流の絶対値を減少させる。その結果、電動モーター１０は、最大電流Ｉｍａｘに達することなく、最大トルクＴｍａｘまで出力することが可能となる。
【００３８】
この変形例では、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、駆動電流Ｉａｌｌを用いてｄ軸電流指令値Ｉｄｒ、ｑ軸電流指令値Ｉｑｒを算出しているが、この駆動電流Ｉａｌｌの代わりに、Ｕ相電流Ｉｕ、Ｖ送電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗあるいは、ｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑを用いてｄ軸電流指令値Ｉｄｒ、ｑ軸電流指令値Ｉｑｒを算出してもよい。また、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、トルク指令値及び電動モーターのトルクを用いてｄ軸電流指令値Ｉｄｒ、ｑ軸電流指令値Ｉｑｒを算出してもよい。
【００３９】
［第２の実施例］
図１２は、第２の実施例の電動モーターのＴＮ特性を示す説明図である。第２の実施例では、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒについて、トルクＴに制御ゲインを掛けてトルクにｄ軸電流指令値Ｉｄｒを比例させることにより、予め設定された最大トルクＴｍａｘまで電流制限にかからないようにｄ軸電流制御を行う。式（８）は、第２の実施例におけるｄ軸電流指令値Ｉｄｒを算出する演算式を示す。
【数８】
式（８）において、Ｋｃは制御ゲインであり、実験により求めることができる。Ｔは電動モーター１０のトルクである。
【００４０】
第２の実施例では、ＴＮ特性の向上が必要でない、低トルク領域、あるいは、低回転速度の場合には、ｄ軸電流制御値を低く抑えることにより効率低下を抑制するとともに、ｄ軸電流が必要な領域Ａｘにおいて、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒを大きくする制御が可能となる。なお、駆動電流Ｉａｌｌが最大電流Ｉｍａｘに達する場合には、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、第１の実施例と同様に、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒを調整し、制御ブロック３０は、最大トルクＴｍａｘ以下で最大電流Ｉｍａｘに達しないように制御することが好ましい。
【００４１】
［変形例］
第２の実施例では、トルクＴに制御ゲインＫｃを掛けてトルクにｄ軸電流指令値Ｉｄｒを比例させていたが、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、式（９）に示すように、トルクＴと速度ωの両方に制御ゲインＫｃを掛けてトルクにｄ軸電流指令値Ｉｄｒを比例させてもよい。
【数９】
このようにｄ軸電流指令値Ｉｄｒを算出しても、ＴＮ特性の向上が必要でない、低トルク領域、あるいは、低回転速度の場合には、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒを低く抑えることにより効率低下を抑制するとともに、ｄ軸電流が必要な領域Ａｘにおいて、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒを大きくする制御が可能となる。
【００４２】
なお、第２の実施例、及び第２の実施例の変形例では、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒを算出する際に、電動モーター１０のトルクＴを用いたが、トルクＴの代わりに、電動モーター１０に要求されるトルク指令値を用いてもよい。
【００４３】
［第３の実施例］
図１３は、第３の実施例の電動モーターのＴＮ特性を示す説明図である。第３の実施例では、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、式（１０）に示すように、電動モーター１０に対するトルク指令値に基づいてｑ軸電流指令値Ｉｑｒを算出し、電動モーターの回転速度ωと予め定められた電動モーターのベース回転速度ωｂｓとの差（ω―ωｂｓ）と、ｑ軸電流指令値Ｉｑｒと、制御ゲインとを掛けてｄ軸電流指令値Ｉｄｒを算出する。
【数１０】
式（１０）において、Ｋｄは制御ゲインであり、実験により求めることができる。なお、本実施例では、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、トルクが予め定められたベーストルクＴｂｓ以下の場合には、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒをゼロとしている。
【００４４】
本実施例では、トルクが予め定められたベーストルク以上であり、電動モーター１０の回転速度ωが予め定められたベース回転速度ωｂｓ以上の場合には、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒを増加させる。なお、さらに高トルクとなり、電動モーター１０の回転速度ωが予め定められたベース回転速度ωｂｓ未満となった場合には、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒをゼロとする。なお、同様に、ベーストルクを利用する場合には、トルクがベーストルク以下の場合にもｄ軸電流指令値Ｉｄｒをゼロとする。なお、駆動電流Ｉａｌｌが最大電流Ｉｍａｘに達する場合には、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、第１の実施例、第２の実施例と同様に、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒを調整し、最大トルクＴｍａｘ以下で最大電流Ｉｍａｘに達しないように制御することが好ましい。
【００４５】
本実施例によれば、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、ＴＮ特性の向上が必要でない、低トルク領域、あるいは、低回転速度の場合には、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒを低く抑えることにより効率低下を抑制するとともに、ＴＮ特性の向上が必要な、高トルク領域において、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒを大きくし、ＴＮ特性を向上させることができる。
【００４６】
［変形例］
図１４は、第３の実施例の変形例を示す説明図である。この変形例では、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、電動モーター１０の駆動電圧Ｅｓに応じて、ベース回転速度ωｂｓを変化させる。電動モーター１０の駆動電圧Ｅｓと、ベース回転速度ωｂｓとの関係は、ｄ軸電流指令値演算回路２１０の記憶部２２０に格納されている。ここで、駆動電圧とは、ＰＷＭ駆動の元となる直流電圧を意味する。図１５は、ＰＷＭ駆動の駆動パルスの一例を示す説明図である。ＰＷＭ駆動の駆動パルスに高さ（電圧）が、電動モーター１０の駆動電圧Ｅｓに対応する。図１５に示す例では、電動モーター１０を１７０Ｖの駆動電圧で動作させている。図１４のグラフに従って、例えば、駆動電圧が大きくなると、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、ベース回転速度ωｂｓを大きくする。こうすると、例えば、駆動電圧が下がると、ベース回転速度ωｂｓが小さくなる。そうすると、（ω―ωｂｓ）が大きくなるので、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒを大きくすることができ、電動モーターのＴＮ特性を良くすることが可能となる。また、電動モーターの利用者は、電動モーター１０を、スペックに規定された範囲内の駆動電圧で動作をさせることができるが、本実施例によれば、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、利用者が実際に利用する駆動電圧に基づいてベース回転速度ωｂｓを変更し、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒを変更するので、各駆動電圧において、電動モーターのＴＮ特性を良くすることが可能となる。なお、図４においては、駆動電圧Ｅｓとベース回転速度ωｂｓとは、比例関係にあるように示されているが、駆動電圧Ｅｓとベース回転速度ωｂｓとが対応していれば良く、駆動電圧Ｅｓとベース回転速度ωｂｓとは、必ずしも比例関係でなくてもよい。また、こ関係は実験により求めてもよい。式（１０）において、制御ゲインＫｄの値についても駆動電圧Ｅｓに応じて可変にしてもよい。
【００４７】
なお、第３の実施例、及びその変形例において、ｄ軸電流指令値演算回路２１０は、ｑ軸電流指令値Ｉｑｒを用いて、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒを算出しているが、式（１１）に示すように、ｑ軸電流指令値Ｉｑｒと、予め定められたベースｑ軸電流Ｉｑｂｓとの差（Ｉｑｒ―Ｉｑｂｓ）を用いてｄ軸電流指令値Ｉｄｒを算出してもよい。
【数１１】
【００４８】
なお、式（１１）において、電動モーター１０の駆動電圧Ｅｓに応じて、ベース回転速度ωｂｓを変化させる他、制御ゲインＫｄやベースｑ軸電流Ｉｑｂｓの値についても駆動電圧Ｅｓに応じて可変にしてもよい。
【００４９】
上記各実施例において、式（１２）を適用し、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒの大きさに制限をかけてもよい。
【数１２】
また、上記各実施例においてＩｑｒ2＋Ｉｄｒ2＞Ｉｍａｘの場合にはＩｑｒ＝√（Ｉｍａｘ2−Ｉｄｒ2）として最大電流Ｉａｌｌを制限しても良い。
【００５０】
上記各実施例においては、３相モーターを例にとり説明したが、永久磁石を用いたモーターであれば、３相モーターに限らず、２相モーターや、３相以上の多相モーターにおいても適用可能である。
【００５１】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【符号の説明】
【００５２】
１０…電動モーター
２０…エンコーダー
３０…制御ブロック
１００…位置制御系ブロック
１１０…速度制御系ブロック
１２０…ｄ軸電流ＰＩ制御ブロック
１３０…ｑ軸電流ＰＩ制御ブロック
１４０…ＵＶ−ｄｑ軸座標変換ブロック
１５０…ｄｑ軸―ＵＶＷ座標変換ブロック
１６０…ＰＷＭ駆動信号生成回路
１７０…インバーター回路
１８０…Ｕ相電流計
１９０…Ｖ相電流計
２００…ベクトル制御ブロック
２１０…ｄ軸電流指令値演算回路
２２０…記憶部
３００…永久磁石
４００…電磁コイル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モーター制御装置であって、
電動モーターに対して駆動電流の供給を制御する制御部と、
前記電動モーターの回転速度を検知する回転速度検知部と、
を備え、
前記駆動電流は、ｄ軸電流とｑ軸電流とを含んでおり、
前記制御部は、
前記電動モーターに対するトルク指令値に基づいて前記ｑ軸電流の目標値であるｑ軸電流指令値を算出し、
前記電動モーターの回転速度と予め定められた前記電動モーターのベース回転速度との差と、前記算出したｑ軸電流指令値とを用いて前記ｄ軸電流の目標値であるｄ軸電流指令値を算出し、
前記ｄ軸電流指令値と前記ｑ軸電流指令値とを用いて前記電動モーターに対してベクトル制御を行う、
モーター制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載のモーター制御装置において、
前記ｄ軸電流指令値Ｉｄｒは、
ゲイン係数をＫｄ、前記トルク指令値に基づいて算出された前記ｑ軸電流指令値をＩｑｒ、前記電動モーターの回転速度をω、前記電動モーターのベース回転速度をωｂｓとすると、
Ｉｄｒ＝Ｋｄ×Ｉｑｒ×（ω−ωｂｓ）
で示される、モーター制御装置。
【請求項３】
請求項１に記載のモーター制御装置において、
前記ｄ軸電流指令値Ｉｄｒは、
ゲイン係数をＫｄ、前記トルク指令値に基づいて算出された前記ｑ軸電流指令値をＩｑｒ、予め定められたベースｑ軸電流指令値Ｉｑｂｓ、前記電動モーターの回転速度をω、前記電動モーターのベース回転速度をωｂｓとすると、
Ｉｄｒ＝Ｋｄ×（Ｉｑｒ−Ｉｑｂｓ）×（ω−ωｂｓ）
で示される、モーター制御装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のうちのいずれか一項に記載のモーター制御装置において、
前記電動モーターの回転速度が前記ベース回転速度以下の場合には、前記ｄ軸電流指令値をゼロとする、モーター制御装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のうちのいずれか一項に記載のモーター制御装置において、
前記制御部は、前記ベース回転速度ωｂｓを前記電動モーターの駆動電圧に応じて変化させる、モーター制御装置。
【請求項６】
請求項５に記載のモーター制御装置において、
前記制御部は、前記電動モーターの駆動電圧と前記ベース回転速度ωｂｓとの関係を示す表又は関係式を格納するための記憶部を有している、モーター制御装置。
【請求項１】
モーター制御装置であって、
電動モーターに対して駆動電流の供給を制御する制御部と、
前記電動モーターの回転速度を検知する回転速度検知部と、
を備え、
前記駆動電流は、ｄ軸電流とｑ軸電流とを含んでおり、
前記制御部は、
前記電動モーターに対するトルク指令値に基づいて前記ｑ軸電流の目標値であるｑ軸電流指令値を算出し、
前記電動モーターの回転速度と予め定められた前記電動モーターのベース回転速度との差と、前記算出したｑ軸電流指令値とを用いて前記ｄ軸電流の目標値であるｄ軸電流指令値を算出し、
前記ｄ軸電流指令値と前記ｑ軸電流指令値とを用いて前記電動モーターに対してベクトル制御を行う、
モーター制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載のモーター制御装置において、
前記ｄ軸電流指令値Ｉｄｒは、
ゲイン係数をＫｄ、前記トルク指令値に基づいて算出された前記ｑ軸電流指令値をＩｑｒ、前記電動モーターの回転速度をω、前記電動モーターのベース回転速度をωｂｓとすると、
Ｉｄｒ＝Ｋｄ×Ｉｑｒ×（ω−ωｂｓ）
で示される、モーター制御装置。
【請求項３】
請求項１に記載のモーター制御装置において、
前記ｄ軸電流指令値Ｉｄｒは、
ゲイン係数をＫｄ、前記トルク指令値に基づいて算出された前記ｑ軸電流指令値をＩｑｒ、予め定められたベースｑ軸電流指令値Ｉｑｂｓ、前記電動モーターの回転速度をω、前記電動モーターのベース回転速度をωｂｓとすると、
Ｉｄｒ＝Ｋｄ×（Ｉｑｒ−Ｉｑｂｓ）×（ω−ωｂｓ）
で示される、モーター制御装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のうちのいずれか一項に記載のモーター制御装置において、
前記電動モーターの回転速度が前記ベース回転速度以下の場合には、前記ｄ軸電流指令値をゼロとする、モーター制御装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のうちのいずれか一項に記載のモーター制御装置において、
前記制御部は、前記ベース回転速度ωｂｓを前記電動モーターの駆動電圧に応じて変化させる、モーター制御装置。
【請求項６】
請求項５に記載のモーター制御装置において、
前記制御部は、前記電動モーターの駆動電圧と前記ベース回転速度ωｂｓとの関係を示す表又は関係式を格納するための記憶部を有している、モーター制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１２−１３９１０５（Ｐ２０１２−１３９１０５Ａ）
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−９９１１９（Ｐ２０１２−９９１１９）
【出願日】平成２４年４月２４日（２０１２．４．２４）
【分割の表示】特願２０１０−２０８０２０（Ｐ２０１０−２０８０２０）の分割
【原出願日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年４月２４日（２０１２．４．２４）
【分割の表示】特願２０１０−２０８０２０（Ｐ２０１０−２０８０２０）の分割
【原出願日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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