WO2024224659A1

WO2024224659A1 - 電力変換装置

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Publication number: WO2024224659A1
Application number: PCT/JP2023/036163
Authority: WO
Inventors: 和明戸張; 満松原; 裕理高野; 雄介上井; 輝朋近藤
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2023-04-26
Filing date: 2023-10-04
Publication date: 2024-10-31
Anticipated expiration: 2025-10-26
Also published as: CN120642203A; JP2024157737A; TW202444030A

Abstract

電力と電流の両方を制限して、高安定な制御特性を実現する電力変換器が提供される。電力変換装置１００は、永久磁石モータ１と、永久磁石モータ１に電力を供給する電力変換器２と、速度情報ω_ｒｃと、トルク指令値τ^＊と、一次電流ｉｃと、に基づき、速度指令値ω_ｒ ^＊を補正する速度指令補正演算部１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄと、を備える。速度指令補正演算部１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは、電力変換器２の直流電圧により変化する永久磁石モータ１のトルク値よりも大きな負荷トルクが印加された場合、永久磁石モータ１の電流値を所定の制限値ｉ_ｍａｘ ^＊以下に制限するように電力の制限値を演算し、電力が、電力の制限値まで増加しないように速度指令値ω_ｒ ^＊を補正する。

Description

電力変換装置

　本発明は、電力変換装置に関する。

　弱め界磁域の定出力領域において、安定運転を実現する制御技術が、特許文献１に記載されている。

　特許文献１には、モータ出力電力演算手段と、出力電力が所定値以下となるように速度指令値を補正する技術であって、弱め界磁域の定出力領域において、永久磁石同期モータのトルク値よりも大きな負荷トルクが印加された場合に、過電流に至ることを回避しようとする技術が記載されている。

特開２００６－１９１７２１号公報

　特許文献１は、速度指令値を修正することを目的としているため、弱め界磁域で演算するｄ軸（磁束軸）の電流指令値や速度制御で演算するｑ軸（トルク軸）の出力電流の制限法については触れていない。

　特許文献１記載の技術では、電力が制限値より増加しないように速度制御入力を制限しているが、弱め界磁域の定出力領域において、大きな負荷トルクが印加された場合には、一次電流が過電流となる場合がある。一次電流が過電流を超過すると、運転が不可となってしまう場合がある。

　本発明の目的は、電力と電流の両方を制限して、高安定な制御特性を実現する電力変換装置を提供することである。

　上記目的を達成するため、本発明は次のように構成される。

　電力変換装置において、永久磁石モータと、前記永久磁石モータに電力を供給する電力変換器と、速度情報と、トルク指令値と、一次電流と、に基づき、速度指令値を補正する速度指令補正演算部と、を備え、前記速度指令補正演算部は、前記電力変換器の直流電圧により変化する前記永久磁石モータのトルク値よりも大きな負荷トルクが印加された場合、前記永久磁石モータの電流値を所定の制限値以下に制限するように前記電力の制限値を演算し、前記電力が、前記電力の制限値まで増加しないように前記速度指令値を補正する。

　本発明によれば、電力と電流の両方を制限して、高安定な制御特性を実現する電力変換装置を提供することができる。

　つまり、本発明によれば、弱め界磁域の定出力領域において、電力変換器の直流電圧により変化する永久磁石モータのトルク値よりも大きな負荷トルクが印加された場合に、過電流に至らずに安定運転が可能な電力変換装置を提供することができる。

実施例１に係わる電力変換装置の概略構成図である。実施例１に係わる速度指令修正演算部の構成図である。実施例１を用いない場合の制御特性を示す図である。実施例１を用いた場合の制御特性を示す図である。実施例１を採用した場合の検証方法についての説明図である。実施例２に係わる電力変換装置の概略構成図である。実施例２に係わる速度指令修正演算部の構成図である。実施例３に係わる電力変換装置の構成図である。実施例３に係わる速度指令修正演算部の構成図である。実施例４に係わる電力変換装置の構成図である。実施例４に係わる速度指令修正演算部の構成図である。実施例５に係わる電力変換装置の構成図である。実施例５に係わる速度指令修正演算部の構成図である。実施例６に係わる電力変換装置の構成図である。実施例７に係わる電力変換装置の構成図である。実施例８に係わる電力変換装置の構成図である。実施例９に係わる電力変換装置の構成図である。実施例９に係わる速度指令修正演算部の構成図である。

　以下、図面を用いて本実施例を詳細に説明する。なお、各図における共通の構成については同一の参照番号を付してある。また、以下に説明する各実施例は図示例に限定されるものではない。

　また、実施例は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施することが可能である。

　特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

　<実施例１>
　図１は、実施例１に係る電力変換装置１００の概略構成図である。

　図１において、永久磁石モータ１は、永久磁石の磁束によるトルク成分と電機子巻線のインダクタンスによるトルク成分を合成したモータトルクを出力する。

　電力変換器２は、３相交流の電圧指令値ｖ_ｕ ^＊、ｖ_ｖ ^＊、ｖ_ｗ ^＊に比例した電圧値を出力し、永久磁石モータ１の出力電圧値と出力周波数値を可変する。電力変換器２のコントローラ（マイクロコンピユータなど）が、電力の制限値Ｐ_ｍａｘ ^＊、一次電流の制限値ｉ_ｍａｘ ^＊を設定し、電力の制限値Ｐ_ｍａｘ ^＊＊を演算する。

　直流電源３は、電力変換器２に直流電圧を供給する。

　電流検出器４は、永久磁石モータ１の３相の交流電流ｉ_ｕ、ｉ_ｖ、ｉ_ｗの検出値であるｉ_ｕｃ、ｉ_ｖｃ、ｉ_ｗｃを出力する。また、該電流検出器４は、永久磁石モータ１の３相の内の２相、例えば、ｕ相とｗ相の交流電流を検出し、ｖ相の交流電流は、交流条件（ｉ_ｕ＋ｉ_ｖ＋ｉ_ｗ＝０）から、ｉ_ｖ＝－（ｉ_ｕ＋ｉ_ｗ）として求めてもよい。

　位置検出器５は永久磁石モータ１の位置を高精度に検出する分解能を持っており、永久磁石モータ１の速度を算出するために用いられる。

　座標変換部６は、３相の交流電流ｉ_ｕ、ｉ_ｖ、ｉ_ｗの検出値ｉ_ｕｃ、ｉ_ｖｃ、ｉ_ｗｃと位相検出値θ_ｄｃから永久磁石モータ１に入力されるｄ軸およびｑ軸の電流検出値ｉ_ｄｃ、ｉ_ｑｃを出力する。

　速度制御演算部７は、速度指令値ω_ｒ ^＊と速度指令値の修正値Δω_ｒ ^＊を加算した新たな速度指令値ω_ｒ ^＊＊および速度検出値（あるいは速度推定値）ｗ_ｒｃに基づいてｑ軸の電流指令値ｉ_ｑ ^＊を演算して出力する。なお、速度検出値（あるいは速度指定値）ｗ_ｒｃを速度情報と定義することができる。

　ベクトル制御演算部８は、ｄ軸およびｑ軸の電流指令値ｉ_ｄ ^＊、ｉ_ｑ ^＊、電流検出値ｉ_ｄｃ、ｉ_ｑｃ、速度検出値ω_ｒｃと永久磁石モータ１の電気回路パラメータに基づいて演算したｄ軸およびｑ軸の電圧指令値ｖ_ｄｃ ^＊＊、ｖ_ｑｃ ^＊＊と、電圧指令値Ｖ^＊と直流電圧値Ｅ_ｄｃの１／２の比率である変調率Ｋ_ｈ ^＊を出力する。

　弱め界磁制御演算部９は、電圧指令値の変調率Ｋ_ｈ ^＊に基づいてｄ軸の電流指令値ｉ_ｄ ^＊を出力する。

　周波数および位相の検出演算部１０は、位置検出器５により検出された位置検出値ｑ_ｄを永久磁石モータ１の機械角一回転で、０～２πで変化する位相検出値θ_ｄｃに変換する。また、位置検出値ｑ_ｄｃに基づいて変化する速度検出値ｗ_ｒｃを演算する。

　速度指令修正演算部１１は、ｄ軸およびｑ軸の電流指令ｉ_ｄ ^＊、ｉ_ｑ ^＊と、トルク指令値τ^＊および速度検出値ｗ_ｒｃに基づいて、速度指令値の修正値Δω_ｒ ^＊を出力する。

　座標変換部１２は、ｄ_ｃ軸およびｑ_ｃ軸の電圧指令値ｖ_ｄｃ ^＊＊、ｖ_ｑｃ ^＊＊と、位相検出値θ_ｄｃに基づいて、３相交流の電圧指令値ｖ_ｕ ^＊、ｖ_ｖ ^＊、ｖ_ｗ ^＊を出力する。

　最初に、本実施例１の特徴である速度指令修正演算部１１を用いた場合のベクトル制御方式の基本動作について説明する。

　周波数および位相の検出演算部１０はインクリメンタル方式あるいはアブソリュート方式のエンコーダ信号を取り込み、機械角１回転で位相値が０から２πまで変化する位相検出値ｑ_ｄｃを作成する。このｑ_ｄｃを用いて、次式（１）に従い速度検出値ω_ｒｃを演算する。

　速度制御演算部６は、後述する新たな速度指令値ω_ｒ ^＊＊に速度検出値ω_ｒｃが追従するように、比例制御と積分制御により、次式（２）に従いトルク指令値τ^＊を演算する。

　式（２）において、Ｋ_ｓｐは速度制御の比例ゲイン、Ｋ_ｓｉはあ速度制御の積分ゲインである。

　また、トルク指令値τ^＊とｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊および永久磁石モータ１の電気パラメータ（Ｌ_ｄ，Ｌ_ｑ，Ｋ_ｅ）を用いて次式（３）に従いｑ軸の電流指令値ｉ_ｑ ^＊を演算する。

　式（３）において、Ｌ_ｄ ^＊は、ｄ軸のインダクタンス設定値、Ｌ_ｑ ^＊は、ｑ軸のインダクタンス設定値、Ｋ_ｅ ^＊は、誘起電圧係数の設定値、Ｐ_ｍは、極対数である。

　弱め界磁制御演算部９は、後述する変調率Ｋ_ｈが変調率の制限値Ｋ_ｈ ^＊を越えないように積分制御により、次式（４）に従いｄ軸の電流指令値ｉ_ｄ ^＊を演算する。

　式（４）において、Ｋ_ｐ＿ｉｄは、弱め界磁制御の比例ゲイン、Ｋ_ｉ＿ｉｄは、弱め界磁制御の積分ゲインである。

　ベクトル制御演算部８では、第１に永久磁石モータ１の電気パラメータである巻線抵抗の設定値Ｒ^＊、ｄ軸インダクタンスの設定値Ｌ_ｄ ^＊、ｑ軸のインダクタンスの設定値Ｌ_ｑ ^＊、誘起電圧係数の設定値Ｋ_ｅ ^＊、ｄ_ｃ軸およびｑ_ｃ軸の電流指令値ｉ_ｄ ^＊、ｉ_ｑ ^＊と速度検出値ω_ｒｃを用いて、次式（５）に従いｄ_ｃ軸およびｑ_ｃ軸の電圧基準値ｖ_ｄｃ ^＊、ｖ_ｑｃ ^＊を出力する。

　式（５）において、Ｔ_ａｃｒは、電流制御の応答時定数である。

　第２に、ｄ_ｃ軸およびｑ_ｃ軸の電流指令値ｉ_ｄ ^＊、ｉ_ｑ ^＊に各成分の電流検出値ｉ_ｄｃ、ｉ_ｑｃが追従するように比例制御と積分制御により、次式（６）に従い、ｄ_ｃ軸およびｑ_ｃ軸の電圧補正値Δｖ_ｄｃ、Δｖ_ｑｃを演算する。

　式（６）において、Ｋ_ｐｄは、ｄ_ｃ軸の電流制御の比例ゲイン、Ｋ_ｉｄは、ｄ_ｃ軸の電流制御の積分ゲイン、Ｋ_ｐｑはｑ_ｃ軸の電流制御の比例ゲイン、Ｋ_ｉｑはｑ_ｃ軸の電流制御の積分ゲインである。

　さらに、次式（７）に従い、ｄ_ｃ軸およびｑ_ｃ軸の電圧指令値ｖ_ｄｃ ^＊＊、ｖ_ｑｃ ^＊＊を演算する。

　図２に本発明の実施例１の特徴である速度指令修正演算部１１の構成を示す。

　符号１１＿１は永久磁石モータ１あるいは電力変換器２を過電流値以下で制御するため電流の制限値ｉ_ｍａｘの設定部である。電流の制限値ｉ_ｍａｘを電力変換器２の過電流レベル値ｉ_{ｏｃ＿ｌｖｌ}以下となるように、次式（８）に従い設定する。

　一次電流演算部１１＿２は、ｄ軸およびｑ軸の電流指令値ｉ_ｄ ^＊、ｉ_ｑ ^＊を用いて、次式（９）により一次電流の指令値ｉ_ｃ ^＊を演算する。

　電流指令値ｉ_ｄ ^＊、ｉ_ｑ ^＊のｄ軸およびｑ軸の電流検出値ｉ_ｄｃ、ｉ_ｑｃを用いて一次電流の検出値ｉ_ｃを演算し、一次電流の指令値ｉ_ｃ ^＊の代わりに用いてもよい。

　符号１１＿３は永久磁石モータ１あるいは電力変換器２の電力の制限値Ｐ_ｍａｘの設定部であり、永久磁石モータ１を運転できる値を設定すればよい。

　電力演算部１１＿４は速度検出値ω_ｒｃとトルク指令値τ^＊を用いて、次式（１０）により電力演算値Ｐを演算する。

　符号１１＿５は電力・電流制御演算部であり、上記電流の制限値ｉ_ｍａｘ ^＊ _、一次電流の指令値ｉ_ｃ ^＊、電力の制限値Ｐ_ｍａｘ ^＊、電力演算値Ｐが入力され、以下の手順により速度指令値の修正値Δω_ｒ ^＊を演算する。

　（１）一次電流の指令値ｉ_ｃ ^＊が電流の制限値ｉ_ｍａｘ ^＊以下となるように比例・積分演算により、次式（１１）に従い電力の補正値ΔＰ_ｍａｘを演算する。

　式（１１）において、Ｋ_{ｐ＿ａｃｒ}は、一次電流の指令値制御の比例ゲイン、Ｋ_{ｉ＿ａｃｒ}は、一次電流の指令値制御の積分ゲインである。

　（２）電力の制限値Ｐ_ｍａｘ ^＊と電力の補正値ΔＰ_ｍａｘを用いて、次式（１２）に従い新しい電力の制限値Ｐ_ｍａｘ ^＊＊を演算する。

　（３）電力演算値Ｐが新しい電力の制限値Ｐ_ｍａｘ ^＊＊以下となるように比例・積分演算により、次式（１３）に従い速度指令値の補正値Δω_ｒ ^＊を演算する。

　式（１３）において、Ｋ_ｐ＿Δｗは、電力の制限値制御の比例ゲイン、Ｋ_ｉ＿Δｗは電力の制限値制御の積分ゲインである。

　（４）速度指令値ω_ｒ ^＊と速度指令値の補正値Δω_ｒ ^＊を用いて、次式（１４）に従い新しい速度指令値ω_ｒ ^＊＊を演算する。

　次に、本発明が弱め界磁域の定出力領域において安定運転できる原理について説明する。

　図３に、本発明による速度指令修正演算部１１を用いずに、大きな負荷トルクが印加されたときの制御特性を示す。速度指令値を零から基底速度まで増加して負荷トルクを印加したミュレーション結果である。

　図３において、上段は、永久磁石モータ１の速度検出値ω_ｒｃおよび電力演算値Ｐを表示し、下段は、次式（１５）に従い演算した一次電流の検出値ｉ_ｃを表示している。

　図３中の時刻ＡからＢにおいて速度指令値ω_ｒ ^＊をゼロから基底速度まで増加、時刻ＣからＤにおいて大きな負荷トルクを印加している。時刻Ｅにおいて電力演算値Ｐが電力の制限値Ｐ_ｍａｘ ^＊以下になるように速度検出値ω_ｒｃは減速しているが、時刻Ｆにおいて一次電流の検出値ｉ_ｃは過電流レベル値ｉ_{ｏｃ＿ｌｖｌ}まで増加するため、これ以降は運転が不可となってしまう。

　図４に本発明による速度指令修正演算部１１を用いた制御特性を示す。図４に示した制御特性は、図３に示した例と同様なシミュレーション結果である。

　図４において、一次電流の指令値ｉ_ｍａｘ ^＊には過電流レベル値ｉ_{ｏｃ＿ｌｖｌ}よりも低い値を設定しており、時刻Ｆにおいて新たな電力の指令値Ｐ_ｍａｘ ^＊＊は電力の指令値Ｐ_ｍａｘ ^＊により修正され、その結果、一次電流の検出値ｉ_ｃもｉ_ｍａｘ ^＊で制御されるため、過電流には至らず安定な運転が可能になる。

　ここで、図５を用いて本実施例１を採用した場合の例についての検証方法について説明する。

　図５において、永久磁石モータ１を駆動する電力変換装置２０に、電流検出器２１を取り付け、永久磁石モータ１のシャフトにはエンコーダ２２を取り付ける。

　電力変換器２のコントローラ（図示せず）に与える速度指令値ω_ｒ ^＊を、基底速度に設定し、永久磁石モータ１に大きなトルクを印加する。

　速度およびベクトル電流成分の計算部２３には、三相交流の電流検出値（ｉ_ｕｃ、ｉ_ｖｃ、ｉ_ｗｃ）とエンコーダ２２の出力である位置検出値θが入力され、次式（１６）によりベクトル電流成分の検出値ｉ_ｄｃｃ、ｉ_ｑｃｃを、次式（１７）により一次電流の検出値ｉ_ｃｃを、次式（１８）により速度検出値ω_ｒｃｃを演算する。

　さらに、永久磁石モータ１の電気パラメータ（Ｋ_ｅ ^＊、Ｌ_ｄ ^＊、Ｌ_ｑ ^＊）およびベクトル電流成分の検出値ｉ_ｄｃｃ、ｉ_ｑｃｃを用いて次式（１９）によりトルク推定値ｔ＾を演算する。

　最後に、速度検出値ω_ｒｃｃとトルク推定値ｔ＾を用いて、次式（２０）により電力推定値Ｐ＾を演算する。

　式（１６）から式（２０）を用いて演算した動作波形を観測して、図４に示す動作波形を確認することにより、本発明の実施例１を用いているとの検証が可能である。

　本発明の実施例１は、上述したように構成されているため、弱め界磁域の定出力領域において、電力変換器２の直流電圧により変化する永久磁石モータ１のトルク値よりも大きな負荷トルクが印加された場合に、過電流に至らずに安定運転が可能な電力変換装置１００を提供することができる。

　＜実施例２＞
　次に、本発明の実施例２について説明する。

　図６は、実施例２に係る電力変換装置１００の概略構成図である。

　上述した実施例１は、速度指令修正演算部１１に電流指令ｉ_ｄ ^＊、ｉ_ｑ ^＊の他に、速度検出値ｗ_ｒｃとトルク指令値τ^＊を入力する方式としたが、実施例２では、速度検出値ｗ_ｒｃとトルク指令値τ^＊に代えて、直流電圧値Ｅ_ＤＣと、直流電流値Ｉ_ＤＣを入力する方式である。

　図６における符号１、２、５～１０、１２は、図１と同一の構成要素を示す。符号１３は直流電流Ｉ_ＤＣを検出する電流検出器、符号１４は直流電圧Ｅ_ＤＣを検出する電圧検出器である。

　直流電流の電流検出値をＩ_ＤＣ、直流電圧の電圧検出値をＥ_ＤＣとする。

　図７に実施例２における速度指令修正演算部１１ａの構成を示す。図７における符号１１ａ＿１、１１ａ＿２、１１ａ＿３、１１ａ＿５は、図２における符号１１＿１、１１＿２、１１＿３、１１＿５と同一の構成要素である。

　符号１１ａ＿４は電力演算部であり、直流電流の電流検出値Ｉ_ＤＣｃ、直流電圧の電圧検出値Ｅ_ＤＣｃを用いて電力演算値Ｐ＾＾を、次式（２１）に従い演算する。

　電力・電流制御演算部１１ａ＿５は電力演算値Ｐ＾＾を電力演算値Ｐに書き代えて速度指令値の補正値Δω_ｒ ^＊を演算する。

　実施例２における電力・電流制御演算部１１ａ＿５のように、速度検出値ｗ_ｒｃとトルク指令値τ^＊に代えて、直流電圧値Ｅ_ＤＣと、直流電流値Ｉ_ＤＣである直流側の電力演算値を用いても、安定な制御特性を実現することができる。

　実施例２においても、実施例１と同様な効果を得ることができる。

　なお、電流検出器１３および電圧検出器１４は、既存の機器を利用可能である。

　＜実施例３＞
　次に、本発明の実施例３について説明する。

　図８は、実施例３に係る電力変換装置１００の構成図である。

　上述した実施例１は、速度指令修正演算部１１に電流指令ｉ_ｄ ^＊、ｉ_ｑ ^＊の他に、速度検出値ｗ_ｒｃとトルク指令値τ^＊を入力する方式としたが、実施例３では、速度検出値ｗ_ｒｃとトルク指令値τ^＊に代えて、ｄ軸およびｑ軸の電圧指令値ｖ_ｄｃ ^＊＊、ｖ_ｑｃ ^＊＊を入力する方式である。

　図８における符号１～１０、１２は、図１と同一の構成要素を示す。

　図９に実施例３における速度指令修正演算部１１ｂの構成を示す。図９における符号１１ｂ＿１、１１ｂ＿２、１１ｂ＿３、１１ｂ＿５は、図２における符号１１＿１、１１＿２、１１＿３、１１＿５と同一の構成要素である。符号１１ｂ＿４は電力演算部であり、電力演算値Ｐ＾＾＾をｄ軸およびｑ軸の電流指令値ｉ_ｄ ^＊、ｉ_ｑ ^＊と電圧指令値ｖ_ｄｃ ^＊＊、ｖ_ｑｃ ^＊＊、永久磁石モータ１の電気パラメータである抵抗の設定値Ｒ^＊を用いて、次式（２２）に従い演算する。

　電力・電流制御演算部１１ｂ＿５は、電力演算値Ｐ＾＾＾を電力演算値Ｐに書き代えて速度指令値の補正値Δω_ｒ ^＊を演算してもよい。

　実施例３によれば、ベクトル制御の電力演算値を用いても、実施例１と同様に安定な制御特性を実現することができる。

　実施例３は、実施例１、２と比較して、ソフトウェアで構成する部分に置き換えることができるという効果がある。

　＜実施例４＞
　次に、本発明の実施例４について説明する。

　図１０は、実施例４に係る電力変換装置１００の構成図である。

　本実施例４は、速度指令修正演算部１１ｃに設定するパラメータ（電力の制限値）を新たな速度指令値ω_ｒ ^＊＊（補正された速度指令値）で修正する方式である。

　図１０における符号１～１０、１２は、図１と同一の構成要素を示す。図１１に速度指令修正演算部１１ｃの構成を示す。図１１における符号１１ｃ＿１、１１ｃ＿２、１１ｂ＿４、１１ｂ＿５は、図２における符号１１＿１、１１＿２、１１＿４、１１＿５と同一の構成要素である。符号１１ｃ＿３は電力の制限値Ｐ_ｍａｘ ^＊の設定部である。実施例１では、電力の制限値Ｐ_ｍａｘ ^＊は、新たな速度指令値ω_ｒ ^＊＊の大きさに関係なく固定値であったが、速度指令値ω_ｒ ^＊＊に従い電力の制限値Ｐ_ｍａｘ ^＊を書換えてもよい。あるいは速度指令値ω_ｒ ^＊＊の大きさより電力の制限値Ｐ_ｍａｘ ^＊を出力する参照テーブルであってもよい。

　実施例４は、実施例１と同様な効果を得ることができる他、電力の制限値Ｐ_ｍａｘ ^＊を運転状態に応じて最適化することで、一次電流の検出値ｉ_ｃは必要以上に大きな値とならず、電流値は少なくなり、さらに高効率で、安定した制御特性を実現することができるという効果が得られる。

　＜実施例５＞
　次に、本発明の実施例５について説明する。

　図１２は、実施例５に係る電力変換装置１００の構成図である。

　上述した実施例１～４は、速度指令修正演算部１１に回転座標系のｄ軸およびｑ軸の電流指令値ｉ_ｄ ^＊、ｉ_ｑ ^＊を入力する方式としたが、実施例５では、静止座標系における一次電流の検出値ｉ_ｃ１（永久磁石モータ１に入力される電流の検出値から算出した電流値）を入力する方式である。

　図１２における符号１～５、７～１０、１２は、図１と同一の構成要素を示す。符号６ａはｄ_ｃ軸およびｑ_ｃ軸の電流検出値ｉ_ｄｃ、ｉ_ｑｃと一次電流の検出値ｉ_ｃ１を演算する座標変換部である。座標変換部６ａは、次式（２３）に従い一次電流の検出値ｉ_ｃ１を演算する。

　図１３に速度指令修正演算部１１ｄの構成を示す。図１３における符号１１ｄ＿１、１１ｄ＿３、１１ｄ＿４、１１ｄ＿５は、図２における符号１１＿１、１１＿３、１１＿４、１１＿５と同一の構成要素である。一次電流の検出値ｉ_ｃ１を検出値ｉ_ｃと書換えて１１ｄ＿５において速度指令値の補正値Δω_ｒ ^＊を演算してもよい。

　実施例５は、実施例１と同様な効果を得ることができる他、実施例１における一次電流演算部１１＿２を省略することができ、少ない制御演算で、安定な制御特性を実現することができるという効果がある。

　なお、実施例５の速度指令修正演算部１１ｄは、実施例１の速度指令修正演算部１１の一次電流演算部１１＿２を省略して、一次電流の検出値ｉ_ｃ１を入力しているが、実施例２～４の速度指令修正演算部１１ａ＿２、１１ｂ＿２、１１ｃ＿２を省略して、一次電流の検出値ｉ_ｃ１を入力する構成とすることも可能である。

　＜実施例６＞　
　次に、本発明の実施例６について説明する。

　図１４は、実施例６に係る電力変換装置１００の構成図である。

　上述した実施例１は、永久磁石モータ１に位置検出器５を取り付けた方式としたが、本実施例６では、位置検出器５を省略した方式である。

　図１４における符号１～４、６～１２は、図１と同一の構成要素を示す。符号１５は、電力変換器２のｄ_ｃ軸およびｑ_ｃ軸の電圧指令値ｖ_ｄｃ ^＊＊、ｖ_ｑｃ ^＊＊と、電流検出値ｉ_ｄｃ、ｉ_ｑｃと、が入力され、これらに基いて、速度推定値ω_ｒｃと、位置推定値θ_ｄｃと、を出力する。

　周波数および位相の推定減算部１５は、永久磁石モータ１の回転座標系であり磁束を基準とするｄ－ｑ軸と、制御で基準とするｄ_ｃ－ｑ_ｃ軸との位相差である位相誤差Δθを次式（２４）で推定する。

　指令値Δθ_ｃ ^＊（＝０）に追従するよう、Ｐ（比例）＋Ｉ（積分）制御により次式（２５）に従い永久磁石モータ１の速度推定値ω_ｒｃを演算し、Ｉ（積分）制御により次式（２６）に従い位相推定値θ_ｄｃをそれぞれ演算する。

　式（２５）において、Ｋ_{ｐ＿ｐｌｌ}はＰＬＬ制御の比例ゲインであり、Ｋ_{ｉ＿ｐｌｌ}はＰＬＬ制御の積分ゲインである。

　実施例６は、実施例１と同様な効果を得ることができる他、実施例１における位置検出器５を省略することができ、安価で高安定な制御特性を実現することができるという効果がある。

　実施例６は、実施例１～５にも適用可能である。

　＜実施例７＞
　次に、本発明の実施例７について説明する。

　図１５は、実施例７に係る電力変換装置１００の構成図である。

　実施例１から実施例６は、電力変換器２のコントローラ（マイクロコンピュータなど）に電力の制限値Ｐ_ｍａｘ ^＊、一次電流の制限値ｉ_ｍａｘ ^＊を設定し、電力の制限値Ｐ_ｍａｘ ^＊＊を演算したが、実施例７は、制御の状態量を上位のＩＯＴコントローラ１６にフィードバックし、ディープラーニング等の機械学習をして上述の電力の制限値Ｐ_ｍａｘ ^＊、一次電流の制限値ｉ_ｍａｘ ^＊を速度指令修正演算部１１ｄに再設定する方式である。

　図１５における符号１～１２は、図１と同一の構成要素を示す。

　図１５において、電力変換器２への電圧指令値ｖ_ｄｃ ^＊、ｖ_ｄｃ ^＊および永久孔磁石モータ１に入力される電流の検出値ｉ_ｄｃ、ｉ_ｑｃと、位相誤差および速度の推定値を、上位装置であるＩＯＴコントローラ１６にフィードバックして解析し、前記電力の制限値に関する所定値あるいは電流の所定値に係わるパラメータを自動修正する。つまり、電力変換装置１００は、電力変換器２への電圧指令値ｖ_ｄｃ ^＊、ｖ_ｑｃ ^＊および永久孔磁石モータ１に入力される電流検出値ｉ_ｄｃ、ｉ_ｑｃと、永久孔磁石モータ１の位相誤差および速度推定値を、フィードバックして解析し、電力の制限値に関するパラメータあるいは電流に関するパラメータを自動修正するＩＯＴコントローラ１６を備える。

　実施例７においても、実施例１と同様な効果を得ることができる。実施例７においては、ＩＯＴコントローラ１６にフィードバックし、ディープラーニング等の機械学習をして上述の電力の制限値Ｐ_ｍａｘ ^＊、一次電流の制限値ｉ_ｍａｘ ^＊を速度指令修正演算部１１ｄに再設定しているので、調整レスでより高安定で高効率な制御特性を実現することができる。

　なお、実施例７は、実施例２～６にも適用可能である。

　＜実施例８＞　
　次に、本発明の実施例８について説明する。

　図１６は、実施例８に係る電力変換装置１００の構成図である。

　実施例８は、永久磁石モータ駆動システムに本発明を適用したものである。図１６において、図１に示した構成要素の符号１～１２で示した構成要素が備えられている。

　図１に示した構成要素と同等の永久磁石モータ１は、電力変換部２０により駆動される。電力変換部２０は、マイクロコンピュータであり、図１の符号６～１２の構成要素がソフトウェア２０ａであり、図１の符号２～５の構成要素がハードウェアとして実装されている。

　また、デジタル・オペレータ２０ｂ、パーソナル・コンピュータ３２、タブレット３３、スマートフォン３４などの上位装置により、ソフトウェア２０ａの「電力の制限値Ｐ_ｍａｘ ^＊」３０、「一次電流の制限値ｉ_ｍａｘ ^＊」３１を設定・変更することができる。電力変換部２０は、電力の制限値に関するパラメータまたは永久磁石モータ１の電流に関するパラメータが設定され、デジタル・オペレータ、パーソナル・コンピュータ３２、タブレット３３またはスマートフォン３４を介して、電力変換部２０に設定されたパラメータを設定または変更することができる。

　なお、「電力の制限値Ｐ_ｍａｘ ^＊」３０、「一次電流の制限値ｉ_ｍａｘ ^＊」３１は、プログラマブル・ロジック・コントローラ、コンピュータと接続するローカル・エリア・ネットワーク、ＩＯＴコントローラなどのフィールドバス上に設定してもよい。

　さらに、実施例８では、実施例１に適用した例を示してあるが、実施例２から実施例７に適用することもできる。

　実施例１から実施例８においては、電流指令値ｉ_ｄ ^＊、ｉ_ｑ ^＊と電流検出値ｉ_ｄｃ、ｉ_ｑｃから電圧修正値Δｖ_ｄｃ、Δｖ_ｑｃを作成し、この電圧修正値Δｖ_ｄｃ、Δｖ_ｑｃとベクトル制御の電圧基準値を加算する（式（７））に示す演算を行ったが、電流指令値ｉ_ｄ ^＊、ｉ_ｑ ^＊と電流検出値ｉ_ｄｃ、ｉ_ｑｃからベクトル制御演算に使用する次式（２７）に示す中間的な電流指令値ｉ_ｄ ^＊＊、ｉ_ｑ ^＊＊を作成し、速度検出値あるいは速度推定値であるω_ｒｃおよび永久磁石モータ１の電気回路パラメータを用いて次式（２８）に示すベクトル制御演算を行ってもよい。

　式（２７）及び式（２８）において、Ｋ_ｐｄ１はｄ_ｃ軸の電流制御の比例ゲイン、Ｋ_ｉｄ１はｄ_ｃ軸の電流制御の積分ゲイン、Ｋ_ｐｑ１はｑ_ｃ軸の電流制御の比例ゲイン、Ｋ_ｉｑ１はｑ_ｃ軸の電流制御の積分ゲイン、Ｔ_ｄはｄ軸の電気時定数（Ｌ_ｄ／Ｒ）、Ｔ_ｑは、ｑ軸の電気時定数（Ｌ_ｑ／Ｒ）である。

　あるいは、電流指令値ｉ_ｄ ^＊、ｉ_ｑ ^＊と電流検出値ｉ_ｄｃ、ｉ_ｑｃから、ベクトル制御演算に使用するｄ_ｃ軸の比例演算成分の電圧修正値Δｖ_ｄ＿ｐ ^＊、ｄ_ｃ軸の積分演算成分の電圧修正値Δｖ_ｄ＿ｉ ^＊、ｑ_ｃ軸の比例演算成分の電圧修正値Δｖ_ｑ＿ｐ ^＊、ｑ_ｃ軸の積分演算成分の電圧修正値Δｖ_ｑ＿ｉ ^＊　を次式（２９）により作成し、速度検出値あるいは速度推定値ω_ｒｃおよび永久磁石モータ１の電気回路パラメータを用いた次式（３０）に示すベクトル制御演算を行ってもよい。

　式（２９）において、Ｋ_ｐｄ２はｄ_ｃ軸の電流制御の比例ゲイン、Ｋ_ｉｄ２はｄ_ｃ軸の電流制御の積分ゲイン、Ｋ_ｐｑ２はｑ_ｃ軸の電流制御の比例ゲイン、Ｋ_ｉｑ２はｑ_ｃ軸の電流制御の積分ゲインである。

　また、ｄ_ｃ軸の電流指令値ｉ_ｄ ^＊およびｑ_ｃ軸の電流検出値ｉ_ｑｃの一次遅れ信号ｉ_ｑｃｔｄ、速度推定値ω_ｒｃと、永久磁石モータ１の電気回路パラメータを用いて次式（３１）に示すベクトル制御演算を行ってもよい。

　なお、実施例１から実施例８において、電力変換器２を構成するスイッチング素子としては、Ｓｉ（シリコン）半導体素子であっても、ＳｉＣ（シリコンカーバイト）やＧａＮ（ガリュームナイトライド）などのワイドバンドギャップ半導体素子であってもよい。

　実施例８においても、実施例１と同様な効果を得ることができる。さらに、実施例８においては、永久磁石モータ１で駆動するＡＣサーボやインバータに適用すれば、位置検出器５あり／なしのベクトル制御においても、高安定・高効率な制御特性を実現することができる。

　＜実施例９＞
　次に、本発明の実施例９について説明する。

　図１７は、実施例９に係る電力変換装置１００の構成図である。

　実施例９は、速度指令修正演算部１１ｅに設定するパラメータを直流電圧検出値Ｅ_ＤＣCで修正する方式である。

　図１７における符号１～１０、１２は、図１における構成要素と同一の構成要素であり、符号１４は直流電圧Ｅｄｃを検出する電圧検出器である。なお、直流電圧の電圧検出値をＥ_ＤＣｃとする。

　図１８に速度指令修正演算部１１ｅの構成を示す。図１８における符号１１ｅ＿１、１１ｅ＿２、１１ｅ＿４、１１ｅ＿５は、図２における符号１１＿１、１１＿２、１１＿４、１１＿５と同一の構成要素である。また、図１８における符号１１ｅ＿３は電力の制限値Ｐ_ｍａｘ ^＊の設定部である。

　実施例１では直流電圧の検出値Ｅ_ＤＣｃの大きさに関係なく制限値Ｐ_ｍａｘ ^＊は固定値であったが、検出値Ｅ_ＤＣｃに従い電力の制限値Ｐ_ｍａｘ ^＊を修正（書換え）してもよい。あるいは検出値Ｅ_ＤＣｃの大きさより制限値Ｐ_ｍａｘ ^＊を出力する参照テーブルであってもよい。

　実施例９においては、実施例１と同様な効果を得ることができる他、電力の制限値Ｐ_ｍａｘ ^＊を運転状態に応じて最適化することで、一次電流の検出値ｉ_ｃは必要以上に大きな値とならず、電流値は少なくなり高効率で安定な制御特性を実現することができるという効果がある。

　１・・・永久磁石モータ、２・・・電力変換器、３・・・直流電源、４・・・電流検出器、５・・・位置検出器、６、６ａ・・・座標変換部、７・・・速度制御演算部、８・・・ベクトル制御演算部、９・・・弱め界磁制御演算部、１０・・・周波数および位相の検出演算部、１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ・・・速度指令修正演算部、１２・・・座標変換部、１３・・・直流電流の検出器、１４・・・直流電圧の検出器、１５・・・周波数および位相の推定演算部、１６・・・ＩＯＴコントローラ、２０・・・電力変換部、２０ａ…電力変換部のソフト部、２０ｂ・・・電力変換部のデジタル・オペレータ、２１・・・電流検出器、２２・・・エンコーダ、２３・・・速度およびベクトル電流成分の計算部、２４…一次電流の検出値および電力演算値の観測部、３０・・・電力の制限値、３１・・・一次電流の制限値、３２・・・パーソナル・コンピュータ、３３・・・タブレット、３４・・・スマートフォン、１００・・・電力変換装置、ｉ_ｄ ^＊・・・ｄ軸の電流指令値、ｉ_ｑ ^＊・・・ｑ軸電流の指令値、ｉ_ｄｃ・・・ｄ軸の電流指令値、ｉ_ｑｃ・・・ｑ_ｃ軸電流の指令値、τ^＊・・・トルク指令値、ω_ｒｃ・・・速度検出値（あるいは速度推定値）、ω_ｒ・・・永久磁石モータ１の速度、ω_ｒ ^＊・・・速度指令値、ｖ_ｄｃ ^＊　ｖ_ｄｃ ^＊＊　ｖ_ｄｃ ^＊＊＊　ｖ_ｄｃ ^＊＊＊＊　ｖ_ｄｃ ^{＊＊＊＊＊}・・・ｄ軸の電圧指令値、ｖ_ｑｃ ^＊　ｖ_ｑｃ ^＊＊　ｖ_ｑｃ ^＊＊＊　ｖ_ｑｃ ^＊＊＊＊　ｖ_ｑｃ ^{＊＊＊＊＊}・・・ｑ軸の電圧指令値、Ｐ、Ｐ＾、Ｐ＾＾・・・電力演算値、Ｐ_ｍａｘ ^＊　Ｐ_ｍａｘ ^＊＊・・・電力の制限値、ｉ_ｍａｘ ^＊・・・一次電流指令の制限値、ｉ_ｃ　ｉ_ｃ１　・・・一次電流の検出値

Claims

　永久磁石モータと、
　前記永久磁石モータに電力を供給する電力変換器と、
　速度情報と、トルク指令値と、一次電流と、に基づき、速度指令値を補正する速度指令補正演算部と、
　を備え、
　前記速度指令補正演算部は、前記電力変換器の直流電圧により変化する前記永久磁石モータのトルク値よりも大きな負荷トルクが印加された場合、前記永久磁石モータの電流値を所定の制限値以下に制限するように前記電力の制限値を演算し、前記電力が、前記電力の制限値まで増加しないように前記速度指令値を補正することを特徴とする電力変換装置。
　請求項１に記載の電力変換装置において、
　前記速度指令補正演算部は、
　前記トルク指令値と前記速度情報により演算した電力が、前記電力の制限値まで増加しないように前記速度指令値を補正することを特徴とする電力変換装置。
　請求項１に記載の電力変換装置において、
　前記速度指令補正演算部は、
前記電力変換器の直流電圧値および直流電流値により演算した電力が、前記電力の制限値まで増加しないように前記速度指令値を補正することを特徴とする電力変換装置。
　請求項１に記載の電力変換装置において、
　前記速度指令補正演算部は、
前記永久磁石モータのｄ－ｑ軸上の電圧値および電流値により演算した電力が、前記電力の制限値まで増加しないように前記速度指令値を補正することを特徴とする電力変換装置。
　請求項２から４のうちのいずれか一項に記載の電力変換装置において、
　前記一次電流は、前記永久磁石モータに入力される電流の検出値から算出した電流であることを特徴とする電力変換装置。
　請求項２から４のうちのいずれか一項に記載の電力変換装置において、
　前記電力の制限値は、補正された前記速度指令値で修正されることを特徴とする電力変換装置。
　請求項２から４のうちのいずれか一項に記載の電力変換装置において、
　前記永久磁石モータの位置を検出する位置検出器と、前記位置検出器により検出された前記永久磁石モータの位置に基づいて、前記永久磁石モータの速度を演算する周波数および位相の検出演算部と、を備えることを特徴とする電力変換装置。
　請求項２から４のうちのいずれか一項に記載の電力変換装置において、
　前記電力変換器の電圧指令値および電流検出値に基づいて、前記永久磁石モータの位置および速度を推定する周波数および位相の推定演算部を備えることを特徴とする電力変換装置。
　請求項２から４のうちのいずれか一項に記載の電力変換装置において、
　前記電力変換器への電圧指令値ｖ_ｄｃ ^＊および前記永久磁石モータに入力される電流検出値と、前記永久磁石モータの位相誤差および速度推定値を、フィードバックして解析し、前記電力の制限値に関するパラメータを自動修正するＩＯＴコントローラを備えることを特徴とする電力変換装置。
　請求項２から４のうちのいずれか一項に記載の電力変換装置において、
　前記電力の制限値に関するパラメータまたは前記永久磁石モータの電流に関するパラメータが設定された電力変換部を備え、デジタル・オペレータ、パーソナル・コンピュータ、タブレットまたはスマートフォンを介して、前記電力変換部に設定された前記パラメータを設定または変更されることを特徴とする電力変換装置。
　請求項２に記載の電力変換装置において、
　前記電力変換器の直流電圧を検出する電圧検出器を備え、
　前記電力の制限値は、前記電圧検出器が検出した前記直流電圧に従って修正されることを特徴とする電力変換装置。