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JP2020124024A - Motor controller - Google Patents

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JP2020124024A JP2019013720A JP2019013720A JP2020124024A JP 2020124024 A JP2020124024 A JP 2020124024A JP 2019013720 A JP2019013720 A JP 2019013720A JP 2019013720 A JP2019013720 A JP 2019013720A JP 2020124024 A JP2020124024 A JP 2020124024A
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悠貴 中島
大森 洋一
Yoichi Omori
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  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Abstract

To solve a problem such that beyond a maximum possible output voltage of a power converter, a desired output torque of a motor cannot be obtained.SOLUTION: A current controller has an integrator with phase correction that calculates a correction phase from a voltage phase calculation unit for calculating a voltage phase of a motor and a voltage saturation detector for outputting a saturation degree of 0 to 1 according to voltage saturation, multiplies a d-axis current deviation and a q-axis current deviation by an integration gain and a sample time, adds an output prior to one sample subjected to reverse rotation coordinate conversion by a correction phase, and outputs those subjected to rotary coordinate conversion by a correction phase by dividing into a d-axis voltage command and a q-axis voltage command. By performing Q-axis current priority control to make a q-axis current control voltage a tangential component of a voltage vector, a torque according to a torque command is output.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、モータを駆動するためのモータ制御装置に関する。 The present invention relates to a motor control device for driving a motor.

従来の交流モータの電流制御技術について、図4に基づいて以下に説明する。電流検出器2は、モータ1の固定子電流を回転する直交座標であるdq軸上の各成分のd軸電流idとq軸電流iqに変換して出力する。前記d軸は、モータ1が誘導電動機の場合に一般的に該モータの2次鎖交磁束ベクトルの方向に定義され、モータ1が永久磁石同期電動機の場合に一般的に該電動機の回転子の永久磁石のN極方向に定義される。 A conventional AC motor current control technique will be described below with reference to FIG. The current detector 2 converts the stator current of the motor 1 into a d-axis current id and a q-axis current iq of each component on the dq axes which are orthogonal coordinates for rotation and outputs the converted current. The d-axis is generally defined in the direction of the secondary flux linkage vector of the motor 1 when the motor 1 is an induction motor, and is generally defined as the rotor of the motor 1 when the motor 1 is a permanent magnet synchronous motor. It is defined in the N pole direction of the permanent magnet.

電流指令生成器4は、前記dq座標上のd軸電流指令idrefとq軸電流指令iqrefを生成して出力する。d軸偏差演算器6は、電流指令生成器4で得られたd軸電流指令idrefと電流検出器2で得られたd軸電流idとのd軸偏差ideを算出する。d軸比例増幅器8はd軸偏差演算器6で得られたd軸偏差ideを所定倍に増幅しd軸比例成分vdpを算出する。また、d軸偏差ideは、d軸積分ゲイン増幅器32で増幅された後にd軸積分器34で時間積分されてd軸積分成分vdiとなる。 The current command generator 4 generates and outputs the d-axis current command idref and the q-axis current command iqref on the dq coordinates. The d-axis deviation calculator 6 calculates a d-axis deviation ide between the d-axis current command idref obtained by the current command generator 4 and the d-axis current id obtained by the current detector 2. The d-axis proportional amplifier 8 amplifies the d-axis deviation ide obtained by the d-axis deviation calculator 6 by a predetermined factor to calculate the d-axis proportional component vdp. Further, the d-axis deviation ide is amplified by the d-axis integral gain amplifier 32 and then time-integrated by the d-axis integrator 34 to become a d-axis integral component vdi.

q軸偏差演算器5は、電流指令生成器4で得られたq軸電流指令iqrefと電流検出器2で得られたq軸電流iqとのq軸偏差iqeを算出する。q軸比例増幅器7はq軸偏差演算器5で得られたq軸偏差iqeを所定倍に増幅しq軸比例成分vqpを算出する。また、q軸偏差iqeは、q軸積分ゲイン増幅器31で増幅された後にq軸積分器33で時間積分されてq軸積分成分vqiとなる。 The q-axis deviation calculator 5 calculates a q-axis deviation iqe between the q-axis current command iqref obtained by the current command generator 4 and the q-axis current iq obtained by the current detector 2. The q-axis proportional amplifier 7 amplifies the q-axis deviation iqe obtained by the q-axis deviation calculator 5 by a predetermined factor to calculate the q-axis proportional component vqp. The q-axis deviation iqe is amplified by the q-axis integral gain amplifier 31 and then time-integrated by the q-axis integrator 33 to become a q-axis integral component vqi.

加算器35は、q軸比例増幅器7の出力vqpとq軸積分器33の出力vqiとを加算し、q軸電圧指令vqrを算出し電力変換器3へ出力する。加算器36は、d軸比例増幅器8の出力vdpとd軸積分器34の出力とを加算し、d軸電圧指令vdrを算出し電力変換器3へ出力する。 The adder 35 adds the output vqp of the q-axis proportional amplifier 7 and the output vqi of the q-axis integrator 33 to calculate a q-axis voltage command vqr and outputs it to the power converter 3. The adder 36 adds the output vdp of the d-axis proportional amplifier 8 and the output of the d-axis integrator 34 to calculate a d-axis voltage command vdr and outputs it to the power converter 3.

電力変換器3は、入力した電圧指令通りの電圧をモータ1に印加するが、該電圧指令の大きさが電力変換器3の出力可能な最大電圧よりも大きければ大きさが該最大電圧で位相が指令通りの電圧をモータ1に印加する。 The power converter 3 applies the voltage according to the input voltage command to the motor 1. If the magnitude of the voltage command is larger than the maximum voltage that the power converter 3 can output, the magnitude is phased at the maximum voltage. Applies the voltage as instructed to the motor 1.

図4に示された電流制御では、d軸成分vdrとq軸成分vqrをもつ電圧指令ベクトルの大きさが電力変換器3の出力可能最大電圧を超えると、指令通りの電圧をモータ1に印加できないことになるので、dq軸の片方または両方の電流制御ができなくなる。この問題を解決するために提案されたのが図5に示された特許文献1記載の電流制御である。以下は図5について説明するが、図4と同一部分の説明は省略し、異なる部分のみ説明する。 In the current control shown in FIG. 4, when the magnitude of the voltage command vector having the d-axis component vdr and the q-axis component vqr exceeds the maximum output voltage of the power converter 3, the voltage according to the command is applied to the motor 1. Since it cannot be done, current control of one or both of the dq axes cannot be performed. The current control described in Patent Document 1 shown in FIG. 5 is proposed to solve this problem. Although FIG. 5 will be described below, description of the same parts as in FIG. 4 will be omitted, and only different parts will be described.

モータ1が誘導電動機の場合の1次側の電圧方程式は、(1)式と(2)式で表される。ここで、vdはd軸電圧、vqはq軸電圧、R1は巻線抵抗値、Lσ=L1−M・M/L2、ωは出力角周波数、Mは相互インダクタンス、L1とL2はそれぞれ1次と2次の自己インダクタンス、φ2は2次鎖交磁束の大きさ、pは時間微分を表す。モータ1が永久磁石同期電動機の場合の電圧方程式は、(3)式と(4)式で表される。ここで、LdとLqはそれぞれd軸とq軸のインダクタンス、φは永久磁石磁束の大きさである。 The voltage equation on the primary side when the motor 1 is an induction motor is expressed by equations (1) and (2). Here, vd is a d-axis voltage, vq is a q-axis voltage, R1 is a winding resistance value, Lσ=L1−M·M/L2, ω is an output angular frequency, M is a mutual inductance, and L1 and L2 are primary orders, respectively. And the secondary self-inductance, φ2 is the magnitude of the secondary interlinkage magnetic flux, and p is the time derivative. The voltage equation when the motor 1 is a permanent magnet synchronous motor is expressed by the equations (3) and (4). Here, Ld and Lq are d-axis and q-axis inductances, respectively, and φ is the magnitude of the permanent magnet magnetic flux.

Figure 2020124024
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q軸積分器33の入力に加算器44によってd軸電流偏差ideをd軸速度比例増幅器42で増幅したものを加算している。d軸速度比例増幅器42は、モータ1が誘導電動機ならば(2)式、永久磁石同期電動機ならば(4)式の右辺第3項に基づくもので、その増幅ゲインは角周波数ωに比例したものとなる。同様に、加算器45によってq軸電流偏差iqeをq軸速度比例増幅器43で増幅したものを加算している。q軸速度比例増幅器43は、モータ1が誘導電動機ならば(1)式、永久磁石同期電動機ならば(3)式の右辺第3項に基づくもので、その増幅ゲインは角周波数ωに比例したものとなる。加算器45の出力は、d軸積分器34に入力される。d軸積分ゲイン増幅器32の入力にはスイッチ41が挿入されており、スイッチ41は、電力変換器3の入力電圧指令の大きさが電力変換器3の出力可能最大電圧より小さい場合にd軸電流偏差ide、そうで無い場合に0を出力する。 The adder 44 adds the d-axis current deviation ide amplified by the d-axis speed proportional amplifier 42 to the input of the q-axis integrator 33. The d-axis speed proportional amplifier 42 is based on the third term on the right side of the equation (2) if the motor 1 is an induction motor and the equation (4) if it is a permanent magnet synchronous motor, and its amplification gain is proportional to the angular frequency ω. Will be things. Similarly, the adder 45 adds the q-axis current deviation iqe amplified by the q-axis speed proportional amplifier 43. The q-axis speed proportional amplifier 43 is based on the third term on the right side of the formula (1) when the motor 1 is an induction motor and the formula (3) when the motor 1 is a permanent magnet synchronous motor, and its amplification gain is proportional to the angular frequency ω. Will be things. The output of the adder 45 is input to the d-axis integrator 34. A switch 41 is inserted in the input of the d-axis integral gain amplifier 32, and the switch 41 operates when the magnitude of the input voltage command of the power converter 3 is smaller than the maximum outputtable voltage of the power converter 3. Deviation ide, 0 is output if not.

スイッチ41がオフ状態でも、d軸電流偏差ideはd軸速度比例増幅器42と加算器44を介してq軸積分器33でq軸電圧指令vqrを補正することでd軸電流偏差を0にすることができ、d軸電流制御は実現できる。しかし、電力変換器3の入力電圧指令の大きさが電力変換器3の出力可能最大電圧を超えた電圧飽和状態となると、q軸積分器33の出力は制限値に制限された固定値となるのでd軸電流制御はできなくなる。 Even when the switch 41 is off, the d-axis current deviation ide is set to 0 by correcting the q-axis voltage command vqr by the q-axis integrator 33 via the d-axis speed proportional amplifier 42 and the adder 44. Therefore, d-axis current control can be realized. However, when the magnitude of the input voltage command of the power converter 3 exceeds the maximum outputtable voltage of the power converter 3 and enters a voltage saturation state, the output of the q-axis integrator 33 becomes a fixed value limited to the limit value. Therefore, the d-axis current control cannot be performed.

一方、q軸偏差演算器5の出力のq軸電流偏差iqeはq軸速度比例増幅器43と加算器45とd軸積分器34を介してd軸電圧指令vdrを補正することでq軸電流制御は保たれたままとなる。つまり、電圧飽和状態ではd軸電流制御を放棄しq軸電流制御を優先した制御とすることができる。そして、q軸は磁束軸に直交した軸であることから、q軸電流を制御することでモータ1のトルクが制御できるので、電圧が飽和してもトルク制御は維持できることとなる。 On the other hand, the q-axis current deviation iqe of the output of the q-axis deviation calculator 5 is corrected by correcting the d-axis voltage command vdr via the q-axis speed proportional amplifier 43, the adder 45 and the d-axis integrator 34. Remains retained. That is, in the voltage saturation state, the d-axis current control can be abandoned and the q-axis current control can be prioritized. Since the q-axis is an axis orthogonal to the magnetic flux axis, the torque of the motor 1 can be controlled by controlling the q-axis current, so that torque control can be maintained even if the voltage is saturated.

特開2003−88193号公報JP, 2003-88193, A 特開2003−209997号公報JP, 2003-209997, A 特開2012−151931号公報JP2012-151931A 特開2016−167946号公報JP, 2016-167946, A

解決しようとする問題点は、図4の従来技術においては、電圧が飽和すると両軸または片方軸の制御ができなくなり、モータの所望の出力トルクが得られなくなることである。図5の従来技術では、電圧飽和時となっても、q軸優先制御とすることができて所望の出力トルクが得られるので前記問題点を解決できるが以下の問題がある。 The problem to be solved is that, in the prior art of FIG. 4, when the voltage is saturated, control of both shafts or one shaft becomes impossible, and the desired output torque of the motor cannot be obtained. In the prior art of FIG. 5, the q-axis priority control can be performed even when the voltage is saturated, and a desired output torque can be obtained, so that the above problem can be solved, but there are the following problems.

図6は、図5の従来技術において、電圧飽和時の電圧指令ベクトルvrやvr1とモータ1に印加される電圧ベクトルvやv1を図示している。電圧ベクトルvやv1は、電力変換器3の出力可能最大電圧である電圧出力限界円内に制限されていて、電圧指令ベクトルvrやvr1のq軸成分は電圧飽和によりq軸積分器33の制限値vqrlmtに制限されている。このvqrlmtは電力変換器3の出力可能最大電圧以上にする必要がある。図6に示されているように電圧飽和状態ではq軸電圧指令は制限値vqrlmtに制限されているのでd軸電圧指令を調整して電圧ベクトルの位相を変化させてq軸電流を制御していることになる。例えば、電圧ベクトル位相をΔθ変化させるにはΔvdrのd軸電圧指令の変化が必要になる。誘導電動機の場合は図6に示されているように、電圧ベクトルがq軸に近い方向を向いているので、電圧ベクトル位相を変化させるのに必要なd軸電圧指令の変化分は小さくて済む。しかし、永久磁石同期電動機の場合は電圧ベクトルの向きがq軸から大きく離れている場合があるため、電圧ベクトル位相を変化させるのに必要なd軸電圧指令の変化分Δvdrを大きくしなければならない。従って、d軸積分器34の出力範囲を非常に大きくしておく必要があり、その積分ゲインとなるq軸速度比例増幅器43やd軸積分ゲイン増幅器32のゲイン調整が困難となる。 FIG. 6 shows the voltage command vectors vr and vr1 at the time of voltage saturation and the voltage vectors v and v1 applied to the motor 1 in the conventional technique of FIG. The voltage vectors v and v1 are limited within the voltage output limit circle that is the maximum output voltage of the power converter 3, and the q-axis component of the voltage command vectors vr and vr1 is limited by the q-axis integrator 33 due to voltage saturation. Limited to the value vqrlmt. This vqrlmt needs to be equal to or higher than the maximum outputtable voltage of the power converter 3. As shown in FIG. 6, in the voltage saturation state, the q-axis voltage command is limited to the limit value vqrlmt, so the d-axis voltage command is adjusted to change the phase of the voltage vector to control the q-axis current. Will be there. For example, in order to change the voltage vector phase by Δθ, it is necessary to change the d-axis voltage command of Δvdr. In the case of an induction motor, as shown in FIG. 6, since the voltage vector is oriented in the direction close to the q-axis, the change amount of the d-axis voltage command required to change the voltage vector phase can be small. .. However, in the case of a permanent magnet synchronous motor, the direction of the voltage vector may be far away from the q-axis, so the amount of change Δvdr of the d-axis voltage command required to change the voltage vector phase must be increased. .. Therefore, it is necessary to make the output range of the d-axis integrator 34 very large, and it becomes difficult to adjust the gain of the q-axis speed proportional amplifier 43 or the d-axis integral gain amplifier 32, which is the integral gain.

また、電圧ベクトルの向きがd軸に近くなるとd軸電圧指令制御では電圧ベクトル位相を制御できなくなり制御不能になってしまう。このことは、回生運転で電圧ベクトルが図6の第1象限にある場合も同様である。 Further, when the direction of the voltage vector becomes close to the d-axis, the voltage vector phase cannot be controlled by the d-axis voltage command control and the control becomes impossible. This also applies to the case where the voltage vector is in the first quadrant of FIG. 6 in the regenerative operation.

特許文献2では、上記問題点を解決するために、交流電動機の一次鎖交磁束ベクトルと一致するM軸とそれに直交するT軸を導入し、dq軸の代わりにMT軸で図5と同様な構成としているが、以下の問題がある。T軸電流優先制御とすることができるが、dq軸電流指令から回転座標変換によってMT軸電流指令を得た場合は、電圧飽和によってq軸電流が指令と一致しなくなり、所望のトルクが得られなくなる。また電流の急変によりd軸から見たM軸の位相が急変することがある。その際に各軸の電圧指令はその位相に見合った値に急変させる必要がある。しかし積分器の出力は急変できないので、MT軸の位相が急変した場合は電流制御が不安定となることがある。 In Patent Document 2, in order to solve the above-mentioned problems, an M axis that matches the primary interlinkage magnetic flux vector of the AC motor and a T axis that is orthogonal thereto are introduced, and the MT axes are used instead of the dq axes as in FIG. However, there are the following problems. Although the T-axis current priority control can be performed, when the MT-axis current command is obtained from the dq-axis current command by rotational coordinate conversion, the q-axis current does not match the command due to voltage saturation, and the desired torque is obtained. Disappear. In addition, the phase of the M axis viewed from the d axis may change suddenly due to the sudden change of the current. At that time, it is necessary to suddenly change the voltage command of each axis to a value corresponding to the phase. However, since the output of the integrator cannot change suddenly, current control may become unstable when the phase of the MT axis changes suddenly.

上記のような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、
電圧飽和時に、q軸電流制御出力を電圧ベクトルの接線方向成分とすることでq軸電流優先制御が実現でき、電圧飽和となってもトルク指令通りのトルクを出力することである。
また、電源電圧に応じた制限値でq軸電流指令を制限することでトルク指令通りの出力は得られなくなるが、制御不能状態に至ることを防ぐことができる。
The object of the present invention made in view of the above problems,
When the voltage is saturated, the q-axis current control output is used as the tangential component of the voltage vector, whereby the q-axis current priority control can be realized, and even if the voltage is saturated, the torque according to the torque command is output.
Further, by limiting the q-axis current command with a limit value according to the power supply voltage, an output according to the torque command can no longer be obtained, but it is possible to prevent an uncontrollable state.

上記課題を解決するため、本発明に係るモータ制御装置は、離散時間制御するモータ制御装置であって、
d軸とq軸の電流指令を生成する電流指令生成器と、前記電流指令生成器で生成されたd軸電流指令とモータに流れるd軸電流との偏差を算出するd軸電流偏差演算器と、前記電流指令生成器で生成されたq軸電流指令とモータに流れるq軸電流との偏差を算出するq電流偏差演算器と、
前記d軸電流偏差演算器の出力に比例ゲインを乗ずるd軸比例増幅器と、前記q軸電流偏差演算器の出力に比例ゲインを乗ずるq軸比例増幅器と、
前記d軸電流指令と前記q軸電流指令もしくは前記モータに流れるd軸電流とq軸電流とモータインピーダンスを用いて、d軸からの電圧位相を演算する電圧位相演算器と、
d軸電圧指令とq軸電圧指令を用いて、電圧飽和に応じた0〜1の飽和度を出力する電圧飽和検知器と、
前記電圧位相演算器と前記電圧飽和検知器の出力を乗算する補正位相演算器と、
前記d軸電流偏差演算器と前記q軸電流偏差演算器の出力に積分ゲインとサンプル時間を乗じて、1サンプル前の出力を前記補正位相演算器の出力で逆回転座標変換したものを加算して、前記位相補正演算器の出力で回転座標変換したものをd軸成分とq軸成分に分けて出力する位相補正付き積分器と、
前記d軸比例増幅器と前記位相補正付き積分器のd軸成分出力を加算する加算器と、前記加算器の出力に電流フィードバックもしくは電流指令を用いて算出した電圧値を加算して、前記d軸電圧指令を出力するd軸電圧加算器と、
前記q軸比例増幅器と前記位相補正付き積分器のq軸成分出力を加算する加算器と、前記加算器の出力に電流フィードバックもしくは電流指令を用いて算出した電圧値を加算して、前記q軸電圧指令を算出するq軸電圧加算器を備える。
In order to solve the above problems, a motor control device according to the present invention is a motor control device for discrete time control,
a current command generator for generating d-axis and q-axis current commands; and a d-axis current deviation calculator for calculating a deviation between the d-axis current command generated by the current command generator and the d-axis current flowing through the motor. A q-current deviation calculator for calculating a deviation between the q-axis current command generated by the current command generator and the q-axis current flowing through the motor,
A d-axis proportional amplifier that multiplies the output of the d-axis current deviation calculator by a proportional gain, and a q-axis proportional amplifier that multiplies the output of the q-axis current deviation calculator by a proportional gain,
A voltage phase calculator that calculates a voltage phase from the d-axis using the d-axis current command and the q-axis current command or the d-axis current and the q-axis current flowing through the motor and the motor impedance;
a voltage saturation detector that outputs a saturation degree of 0 to 1 according to voltage saturation using the d-axis voltage command and the q-axis voltage command;
A correction phase calculator that multiplies the outputs of the voltage phase calculator and the voltage saturation detector,
The outputs of the d-axis current deviation calculator and the q-axis current deviation calculator are multiplied by the integral gain and the sample time, and the output of the previous sample is subjected to reverse rotation coordinate conversion and added. A phase-corrected integrator that outputs the rotational coordinate conversion output from the phase correction calculator by dividing it into a d-axis component and a q-axis component;
An adder for adding the d-axis component outputs of the d-axis proportional amplifier and the integrator with phase correction, and a voltage value calculated using current feedback or a current command to the output of the adder to add the d-axis component A d-axis voltage adder that outputs a voltage command,
An adder for adding the q-axis component output of the q-axis proportional amplifier and the integrator with phase correction, and a voltage value calculated using current feedback or a current command to the output of the adder to add the q-axis component A q-axis voltage adder that calculates a voltage command is provided.

また、前記電圧飽和検出器は、前記d軸電圧指令と前記q軸電圧指令とをベクトル成分に持つベクトル和が、電圧出力限界未満の場合には、前記電圧飽和検出器は0を出力し、d軸を基準とした電圧位相を前記回転座標変換器と前記逆回転座標変換器に出力し、電圧出力限界を超過した割合に応じて線形に0から1まで変化させ、前記電圧位相演算器が演算する電圧位相を前記回転座標変換器と前記逆回転座標変換器に出力することを特徴とする。 Also, the voltage saturation detector outputs 0 when the vector sum having the d-axis voltage command and the q-axis voltage command as vector components is less than the voltage output limit, The voltage phase based on the d axis is output to the rotary coordinate converter and the inverse rotary coordinate converter, and linearly changed from 0 to 1 according to the ratio of exceeding the voltage output limit. The voltage phase to be calculated is output to the rotary coordinate converter and the reverse rotary coordinate converter.

また、電圧制限によるq軸電流制限値を出力する電圧依存制限演算器と、電流制限によるq軸電流制限値を出力する電流依存制限演算器と、前記電圧依存制限演算器の出力と前記電流依存制限演算器の出力との小さい方を選択しq軸電流制限値を算出する制限選択器と、前記電流指令生成器で生成されるq軸電流指令を入力して前記制限選択器の出力以下となるように制限して前記q電流偏差演算器に出力する制限器を備える。 Further, a voltage-dependent limit calculator that outputs a q-axis current limit value by voltage limit, a current-dependent limit calculator that outputs a q-axis current limit value by current limit, an output of the voltage-dependent limit calculator and the current dependency A limit selector that selects a smaller one of the outputs of the limit calculators to calculate the q-axis current limit value, and a q-axis current command generated by the current command generator is input and the output is less than or equal to the output of the limit selector. A limiter for limiting the output to the q current deviation calculator is provided.

本発明に係るモータ制御装置によれば、電圧飽和が発生した場合でも、q軸電流制御電圧を電圧ベクトルの接線方向成分とし、q軸電流優先制御とすることで、トルク指令通りのトルクを出力することができる。 According to the motor control device of the present invention, even when voltage saturation occurs, the q-axis current control voltage is used as the tangential direction component of the voltage vector and the q-axis current priority control is performed to output the torque according to the torque command. can do.

本発明に係るモータ制御装置の電流制御部の構成例を示す図である。It is a figure showing an example of composition of a current control part of a motor control device concerning the present invention. 本発明に係るモータ制御装置にq軸電流指令の制限を追加した図である。It is the figure which added the limitation of the q-axis current command to the motor control device concerning the present invention. q軸電流制限器の詳細を示す図である。It is a figure which shows the detail of a q-axis current limiter. 電流制御の従来技術例1の説明図である。It is explanatory drawing of the prior art example 1 of current control. 電流制御の従来技術例2の説明図である。It is explanatory drawing of the prior art example 2 of current control. 従来技術の電圧ベクトルと各電圧指令の関係を図示したものである。It is the figure which illustrates the relationship between the voltage vector and each voltage command of the prior art. 本発明の電圧ベクトルと各電圧指令の関係を図示したものである。It is the figure which illustrates the relationship between the voltage vector and each voltage command of the present invention.

以下、本発明を永久磁石同期電動機に適応した場合について、図面を参照しながら説明する。なお、図4や図5と同一部分については、同じ符号を付し、説明を省略する。また、本発明は離散時間制御を用いることを前提として説明をする。 Hereinafter, a case where the present invention is applied to a permanent magnet synchronous motor will be described with reference to the drawings. The same parts as those in FIGS. 4 and 5 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted. Further, the present invention will be described on the assumption that discrete time control is used.

図1は本発明に係るモータ制御装置の構成例を示した図である。 FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a motor control device according to the present invention.

電圧位相演算器11は、電流検出器2からの出力であるd軸電流idとq軸電流iqもしくは、電流指令生成器からの出力であるd軸電流指令idrefとq軸電流指令iqrefを用いてd軸からの電圧位相θvを算出する。電圧位相θvは、(5)式と(6)式から求めた電圧ベクトルのd軸からの電圧位相θvである。但し、idvはd軸電流idもしくはd軸電流指令idrefであり、iqvはq軸電流iqもしくはq軸電流指令iqrefである。また、ωは出力角周波数である。 The voltage phase calculator 11 uses the d-axis current id and the q-axis current iq which are the outputs from the current detector 2 or the d-axis current command idref and the q-axis current command iqref which are the outputs from the current command generator. The voltage phase θv from the d-axis is calculated. The voltage phase θv is the voltage phase θv from the d axis of the voltage vector obtained from the equations (5) and (6). However, idv is the d-axis current id or the d-axis current command idref, and iqv is the q-axis current iq or the q-axis current command iqref. Further, ω is the output angular frequency.

Figure 2020124024
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電圧飽和検知器12は、電力変換器3に入力されるd軸電圧指令vdrとq軸電圧指令vqrを用いて、電圧飽和に応じた0〜1の飽和度Vsを算出する。 The voltage saturation detector 12 uses the d-axis voltage command vdr and the q-axis voltage command vqr input to the power converter 3 to calculate the saturation degree Vs of 0 to 1 according to the voltage saturation.

また、電圧飽和検出器12は、d軸電圧指令とq軸電圧指令とをベクトル成分に持つベクトル和が、電圧出力限界未満の場合には、電圧飽和検出器12は0を出力する。そして、ベクトル和が、電圧出力限界を超過した割合に応じて、線形に0から1まで変化させ、電圧位相演算器が演算する電圧位相を回転座標変換器と逆回転座標変換器に出力する。 Further, the voltage saturation detector 12 outputs 0 when the vector sum having the d-axis voltage command and the q-axis voltage command as vector components is less than the voltage output limit. Then, the vector sum is linearly changed from 0 to 1 according to the rate of exceeding the voltage output limit, and the voltage phase calculated by the voltage phase calculator is output to the rotary coordinate converter and the reverse rotary coordinate converter.

また、式(7)はVsを算出するための式の一例である。αはd軸電圧指令とq軸電圧指令から求められる変調率であり、Kは所定ゲインを表し、電圧出力限界を超過したときにVsは1となるような値である。そのため、式(7)を用いた場合には、変調率が0.9を超えた場合にVsが徐々に大きくなり、所定ゲインKにより、変調率が所定値となるとVsは1を出力する。 Expression (7) is an example of an expression for calculating Vs. α is a modulation factor obtained from the d-axis voltage command and the q-axis voltage command, K is a predetermined gain, and Vs is 1 when the voltage output limit is exceeded. Therefore, when the equation (7) is used, Vs gradually increases when the modulation rate exceeds 0.9, and Vs outputs 1 when the modulation rate reaches a predetermined value by the predetermined gain K.

Figure 2020124024
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補正位相演算器13は、補正位相角θrをθr=Vs・θvで求め、位相補正付き積分器100へ出力する。よって、電圧未飽和時にはθr=0となり、電圧が完全に飽和した場合にはθr=θvとなる。 The correction phase calculator 13 obtains the correction phase angle θr by θr=Vs·θv and outputs it to the integrator 100 with phase correction. Therefore, θr=0 when the voltage is not saturated, and θr=θv when the voltage is completely saturated.

位相補正付き積分器100は、q軸積分ゲイン増幅器101、d軸積分ゲイン増幅器102、回転座標変換器103、逆回転座標変換器104、出力保存器105で構成される。逆回転座標変換器104は、出力保存器105に保存された位相補正付き積分器100の1サンプル前の出力vdi、vqiを補正位相角θrで逆回転座標変換する。 The phase-corrected integrator 100 is composed of a q-axis integral gain amplifier 101, a d-axis integral gain amplifier 102, a rotating coordinate converter 103, an inverse rotating coordinate converter 104, and an output saver 105. The inverse rotational coordinate converter 104 performs inverse rotational coordinate conversion on the outputs vdi and vqi of the integrator 100 with phase correction, which is stored in the output storage 105, one sample before by using the corrected phase angle θr.

d軸積分ゲイン増幅器102は、d軸偏差演算器6からの出力であるd軸電流偏差ideに、積分ゲインとサンプル時間を乗じて、逆回転座標変換器104からの出力に加算したVxを回転座標変換器103へ出力する。ここでVxは所定値範囲に制限される。また、q軸積分ゲイン増幅器101は、q軸偏差演算器5からの出力であるq軸電流偏差iqeに、積分ゲインとサンプル時間を乗じて、逆回転座標変換器104からの出力に加算したVyを回転座標変換器103へ出力する。 The d-axis integral gain amplifier 102 multiplies the d-axis current deviation ide, which is the output from the d-axis deviation calculator 6, by the integration gain and the sample time, and rotates Vx added to the output from the inverse rotation coordinate converter 104. Output to the coordinate converter 103. Here, Vx is limited to a predetermined value range. Further, the q-axis integral gain amplifier 101 multiplies the q-axis current deviation iqe, which is the output from the q-axis deviation calculator 5, by the integration gain and the sample time, and adds it to the output from the reverse rotation coordinate converter 104. Is output to the rotary coordinate converter 103.

回転座標変換器103は、VxとVyを入力して補正位相角θrで回転座標変換を行いvdi,vqiを出力する。 The rotary coordinate converter 103 inputs Vx and Vy, performs rotary coordinate conversion with the correction phase angle θr, and outputs vdi and vqi.

加算器18は、d軸比例増幅器8のd軸比例出力vdpと位相補正付き積分器100出力のd軸出力vdiとを加算する。また、d軸電圧加算器16は、電流検出器2からのd軸電流idもしくは電流指令生成器で生成されるd軸電流指令idrefを用いて(6)式でd軸電圧値を算出し、加算器18の出力に加算してd軸電圧指令vdrを算出し、電力変換器3へ出力する。 The adder 18 adds the d-axis proportional output vdp of the d-axis proportional amplifier 8 and the d-axis output vdi of the integrator 100 with phase correction. Further, the d-axis voltage adder 16 calculates the d-axis voltage value by the equation (6) using the d-axis current id from the current detector 2 or the d-axis current command idref generated by the current command generator, The d-axis voltage command vdr is calculated by adding it to the output of the adder 18 and output to the power converter 3.

また、加算器17は、q軸比例増幅器7のq軸比例出力vqpと位相補正付き積分器100出力q軸出力vqiとを加算する。また、q軸電圧加算器15は、電流検出器2からのq軸電流iqもしくは電流指令生成器で生成されるq軸電流指令iqrefを用いて(5)式でq軸電圧値を算出し、加算器17の出力に加算してq軸電圧指令vqrを算出し、電力変換器3へ出力する。 Further, the adder 17 adds the q-axis proportional output vqp of the q-axis proportional amplifier 7 and the output q-axis output vqi of the integrator 100 with phase correction. Further, the q-axis voltage adder 15 calculates the q-axis voltage value by the equation (5) using the q-axis current iq from the current detector 2 or the q-axis current command iqref generated by the current command generator, The q-axis voltage command vqr is calculated by adding to the output of the adder 17 and output to the power converter 3.

以上のようにして、電流指令から電圧指令を求めることが出来る。電圧未飽和時にはθr=0となるため、vdiはideを時間積分したものとなり、vqiはiqeを時間積分したものとなるので、d軸とq軸の個別の比例積分増幅器となり、従来技術の図4と同じような構成となる。 As described above, the voltage command can be obtained from the current command. Since θr=0 when the voltage is not saturated, vdi is the time integrated value of ide, and vqi is the time integrated value of iqe. Therefore, the d-axis and q-axis are independent proportional-integration amplifiers. The configuration is similar to that of 4.

電圧が完全に飽和した状態ではθr=θvとなり、図7のような電圧ベクトル関係図となる。ここでVkは、(6)式と(5)式の電圧を成分に持つ電圧ベクトルである。ΔVは、vdiとvqiを成分とする電圧ベクトルであり、Vrはvdrとvqrを成分とする電圧ベクトルでVrとΔVの和となる。またΔVは、Vkの法線方向成分のVxと接線方向成分のVyでも表すことができる。よって、q軸積分ゲイン増幅器101出力のVyによってVrの位相θを制御することができる。一方、d軸積分ゲイン増幅器102出力のVxではVrの大きさを制御することができるが、電圧飽和状態では実際にモータに印加される電圧の大きさは電圧出力限界に制限された状態となるためVxは所定値に制限されてd軸偏差演算器6出力を定常的に0とすることはできなくなる。以下では、q軸積分ゲイン増幅器101出力のVyによりq軸電流制御ができることを説明する。 In the state where the voltage is completely saturated, θr=θv, and the voltage vector relationship diagram as shown in FIG. 7 is obtained. Here, Vk is a voltage vector having components of the voltages of equations (6) and (5). ΔV is a voltage vector having vdi and vqi as components, and Vr is a voltage vector having vdr and vqr as components and is the sum of Vr and ΔV. Further, ΔV can also be represented by Vx, which is a normal component of Vk, and Vy, which is a tangential component of Vk. Therefore, the phase θ of Vr can be controlled by the Vy of the q-axis integral gain amplifier 101 output. On the other hand, although the magnitude of Vr can be controlled by the Vx of the d-axis integral gain amplifier 102 output, in the voltage saturation state, the magnitude of the voltage actually applied to the motor is limited to the voltage output limit. Therefore, Vx is limited to a predetermined value, and the output of the d-axis deviation calculator 6 cannot be constantly set to zero. In the following, it will be described that q-axis current control can be performed by Vy of the q-axis integral gain amplifier 101 output.

モータが定常状態では、(3)式と(4)式より(8)式と(9)式となり、(8)式と(9)式を各軸電流について解くと、(10)式と(11)式となる。 When the motor is in a steady state, the equations (8) and (9) are obtained from the equations (3) and (4). When the equations (8) and (9) are solved for each axis current, the equations (10) and ( It becomes a formula 11).

Figure 2020124024
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電力変換器が飽和電圧Emで電圧飽和している状態では、d軸からの電圧位相θを用いると、(12)式と出来る。 In the state where the power converter is saturated with the saturation voltage Em, the expression (12) can be obtained by using the voltage phase θ from the d-axis.

Figure 2020124024
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(10)式、(11)式と(12)式より、(13)式と(14)式となり、(13)式と(14)式をθで偏微分をとると、(15)式と(16)式となる。
となる。
From equations (10), (11) and (12), equations (13) and (14) are obtained, and when partial differentiation of equations (13) and (14) is performed with θ, equation (15) is obtained. Equation (16) is obtained.
Becomes

Figure 2020124024
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(15)式より、ω>0かつ0≦θ≦θvxの範囲、または、ω<0かつ−θvx≦θ≦0の範囲で、∂iq/∂θ≧0なので、θを正に増加させればq軸電流iqを正に増加させることが出来ることがわかる。ここで、θvxは(17)式である。 From equation (15), in the range of ω>0 and 0≦θ≦θvx, or in the range of ω<0 and −θvx≦θ≦0, ∂iq/∂θ≧0, so θ can be positively increased. It can be seen that the q-axis current iq can be positively increased. Here, θvx is the expression (17).

Figure 2020124024
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つまり、電圧飽和の状態では、ω>0時に必ず0≦θであり、ω<0時に必ず0≧θであるため、θでq軸電流iqを制御出来ることになる。つまり、q軸積分ゲイン増幅器101出力のVyでq軸電流iqを制御出来ることになる。 That is, in the voltage saturated state, 0≦θ is always satisfied when ω>0, and 0≧θ is always satisfied when ω<0. Therefore, the q-axis current iq can be controlled by θ. That is, the q-axis current iq can be controlled by Vy of the q-axis integral gain amplifier 101 output.

また、(14)式より、電圧飽和時において、d軸電流idはθに応じた値となる。つまり、電圧飽和時は、q軸電流iqを制御した結果のθに応じた値となる。 Further, from the equation (14), the d-axis current id has a value corresponding to θ when the voltage is saturated. That is, when the voltage is saturated, the value becomes according to θ as a result of controlling the q-axis current iq.

上記のように、θでq軸電流iqを制御するにはω>0の場合にθ<θvxでなければならない。(8)式に(12)式とθ=θvxとした(17)式を代入することで、q軸電流制御の限界となるq軸電流制限値iqLMT1を(18)式で得ることができる。つまり飽和電圧Emの元ではiqLMT1以上のq軸電流を制御することが困難となるので、q軸電流指令iqrefはiqLMT1以下に制限されなければならない。 As described above, in order to control the q-axis current iq by θ, θ<θvx must be satisfied when ω>0. By substituting the equation (12) and the equation (17) with θ=θvx into the equation (8), the q-axis current limit value iqLMT1 which is the limit of the q-axis current control can be obtained by the equation (18). That is, since it becomes difficult to control the q-axis current of iqLMT1 or more under the saturation voltage Em, the q-axis current command iqref must be limited to iqLMT1 or less.

Figure 2020124024
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また、電力変換器の出力可能な電流のベクトルの大きさには限界値がある。その限界値以上の電流を流さないようにするために、その限界値を電流制限値Imとすると、(19)式に示されるq軸電流制限値iqLMT2でq軸電流指令iqrefは制限されなければならない。 Further, there is a limit value in the magnitude of the vector of the current that can be output by the power converter. If the limit value is set as the current limit value Im in order to prevent the current exceeding the limit value from flowing, the q-axis current command iqref must be limited by the q-axis current limit value iqLMT2 shown in the equation (19). I won't.

Figure 2020124024
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図2は図1の電流指令生成器4とq軸偏差演算器5との間にq軸電流指令制限器200を追加したものである。図3は図2のq軸電流指令制限器200の一例を示した図あり、q軸電流指令の制限方法を示した図である。電圧依存制限演算器21は、飽和電圧Emを入力して(18)式よりq軸電流制限値iqLMT1を求める。電流依存制限演算器22は、電流制限値Imから(19)式でq軸電流制限値iqLMT2を算出する。制限選択器23は、iqLMT1とiqLMT2の小さい方を選択してiqLMTを出力する。制限器24は、電流指令生成器4によって生成されたq軸電流指令をiqLMT内に制限して出力する。 FIG. 2 shows a q-axis current command limiter 200 added between the current command generator 4 and the q-axis deviation calculator 5 of FIG. FIG. 3 is a diagram showing an example of the q-axis current command limiter 200 of FIG. 2, and is a diagram showing a method of limiting the q-axis current command. The voltage dependence limit calculator 21 inputs the saturation voltage Em and obtains the q-axis current limit value iqLMT1 from the equation (18). The current dependence limit calculator 22 calculates the q-axis current limit value iqLMT2 from the current limit value Im by the formula (19). The limit selector 23 selects the smaller one of iqLMT1 and iqLMT2 and outputs iqLMT. The limiter 24 limits the q-axis current command generated by the current command generator 4 to iqLMT and outputs it.

以上のようにq軸電流指令を制限することで、飽和電圧Emによる制御不能状態を避けることができ、また電力変換器3が許容できる電流以下にすることで電力変換器の保護を行うことができる。 By limiting the q-axis current command as described above, an uncontrollable state due to the saturation voltage Em can be avoided, and the power converter can be protected by setting the current to a value that the power converter 3 does not allow. it can.

本発明を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。 Although the present invention has been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention.

1 モータ
2 電流検出器
3 電力変換装置
4 電流指令生成器
5 q軸偏差演算器
6 d軸偏差演算器
7 q軸比例増幅器
8 d軸比例増幅器
100 位相補正付き積分器
101 q軸積分ゲイン増幅器
102 d軸積分ゲイン増幅器
103 回転座標変換器
104 逆回転座標変換器
105 出力保存器
11 電圧飽和検出器
12 電圧位相演算器
13 位相補正演算器
15 q軸電圧値加算器
16 d軸電圧値加算器

200 q軸電流指令制限器
21 電圧依存制限演算器
22 電流依存制限演算器
23 制限選択器
24 制限器
31 q軸積分ゲイン増幅器
32 d軸積分ゲイン増幅器
33 q軸積分器
34 d軸積分器
41 スイッチ
42 q軸速度比例器
43 d軸速度比例器
17、18、35、36、44、45 加算器
1 Motor 2 Current Detector 3 Power Converter 4 Current Command Generator 5 q-axis Deviation Calculator 6 d-axis Deviation Calculator 7 q-axis Proportional Amplifier 8 d-axis Proportional Amplifier 100 Integrator with Phase Correction 101 q-axis Integral Gain Amplifier 102 d-axis integral gain amplifier 103 rotating coordinate converter 104 inverse rotating coordinate converter 105 output saver 11 voltage saturation detector 12 voltage phase calculator 13 phase correction calculator 15 q-axis voltage value adder 16 d-axis voltage value adder

200 q-axis current command limiter 21 voltage-dependent limit calculator 22 current-dependent limit calculator 23 limit selector 24 limiter 31 q-axis integral gain amplifier 32 d-axis integral gain amplifier 33 q-axis integrator 34 d-axis integrator 41 switch 42 q-axis speed proportional device 43 d-axis speed proportional device 17, 18, 35, 36, 44, 45 adder

Claims (3)

モータを離散時間制御するモータ制御装置であって、
d軸とq軸の電流指令を生成する電流指令生成器と、前記電流指令生成器で生成されたd軸電流指令とモータに流れるd軸電流との偏差を算出するd軸電流偏差演算器と、前記電流指令生成器で生成されたq軸電流指令とモータに流れるq軸電流との偏差を算出するq電流偏差演算器と、
前記d軸電流偏差演算器の出力に比例ゲインを乗ずるd軸比例増幅器と、前記q軸電流偏差演算器の出力に比例ゲインを乗ずるq軸比例増幅器と、
前記d軸電流指令と前記q軸電流指令もしくは前記モータに流れるd軸電流とq軸電流とモータインピーダンスを用いて、d軸からの電圧位相を演算する電圧位相演算器と、
d軸電圧指令とq軸電圧指令を用いて、電圧飽和に応じた0〜1の飽和度を出力する電圧飽和検知器と、
前記電圧位相演算器と前記電圧飽和検知器の出力を乗算する補正位相演算器と、
前記d軸電流偏差演算器と前記q軸電流偏差演算器の出力に積分ゲインとサンプル時間を乗じて、1サンプル前の出力を前記補正位相演算器の出力で逆回転座標変換したものを加算して、前記位相補正演算器の出力で回転座標変換したものをd軸成分とq軸成分に分けて出力する位相補正付き積分器と、
前記d軸比例増幅器と前記位相補正付き積分器のd軸成分出力を加算する加算器と、
該加算器の出力に電流フィードバックもしくは電流指令を用いて算出した電圧値を加算して、前記d軸電圧指令を出力するd軸電圧加算器と、
前記q軸比例増幅器と前記位相補正付き積分器のq軸成分出力を加算する加算器と、前記加算器の出力に電流フィードバックもしくは電流指令を用いて算出した電圧値を加算して、前記q軸電圧指令を算出するq軸電圧加算器を備えたモータ制御装置。
A motor control device for controlling a motor in discrete time,
a current command generator for generating d-axis and q-axis current commands; and a d-axis current deviation calculator for calculating a deviation between the d-axis current command generated by the current command generator and the d-axis current flowing through the motor. A q-current deviation calculator for calculating a deviation between the q-axis current command generated by the current command generator and the q-axis current flowing through the motor,
A d-axis proportional amplifier that multiplies the output of the d-axis current deviation calculator by a proportional gain, and a q-axis proportional amplifier that multiplies the output of the q-axis current deviation calculator by a proportional gain,
A voltage phase calculator that calculates a voltage phase from the d-axis using the d-axis current command and the q-axis current command or the d-axis current and the q-axis current flowing through the motor and the motor impedance;
a voltage saturation detector that outputs a saturation degree of 0 to 1 according to voltage saturation using the d-axis voltage command and the q-axis voltage command;
A correction phase calculator that multiplies the outputs of the voltage phase calculator and the voltage saturation detector,
The outputs of the d-axis current deviation calculator and the q-axis current deviation calculator are multiplied by the integral gain and the sample time, and the output of the previous sample is subjected to reverse rotation coordinate conversion and added. Then, an integrator with phase correction for outputting the output of the phase correction arithmetic unit, which has been subjected to rotational coordinate conversion, into a d-axis component and a q-axis component separately, and
An adder for adding the d-axis component outputs of the d-axis proportional amplifier and the integrator with phase correction;
A d-axis voltage adder that adds a voltage value calculated using current feedback or a current command to the output of the adder, and outputs the d-axis voltage command;
An adder for adding the q-axis component output of the q-axis proportional amplifier and the integrator with phase correction, and a voltage value calculated using current feedback or a current command to the output of the adder to add the q-axis component A motor control device including a q-axis voltage adder that calculates a voltage command.
請求項1に記載の電圧飽和検出器は、
前記d軸電圧指令と前記q軸電圧指令とをベクトル成分に持つベクトル和が、電圧出力限界未満の場合には、前記電圧飽和検出器は0を、d軸を基準とした電圧位相を前記回転座標変換器と前記逆回転座標変換器に出力し、
前記d軸電圧指令と前記q軸電圧指令とをベクトル成分に持つベクトル和が、電圧出力限界を超過した割合に応じて線形に0から1まで変化させ、前記電圧位相演算器が演算する電圧位相を前記回転座標変換器と前記逆回転座標変換器に出力することを特徴とする。
The voltage saturation detector according to claim 1,
When the vector sum having the d-axis voltage command and the q-axis voltage command as vector components is less than the voltage output limit, the voltage saturation detector rotates 0, and the voltage phase based on the d-axis is rotated. Output to the coordinate converter and the inverse rotation coordinate converter,
A voltage phase calculated by the voltage phase calculator, in which the vector sum having the d-axis voltage command and the q-axis voltage command as vector components is linearly changed from 0 to 1 according to the ratio of exceeding the voltage output limit. Is output to the rotary coordinate converter and the reverse rotary coordinate converter.
モータを制御するモータ制御装置であって、電圧制限によるq軸電流制限値を出力する電圧依存制限演算器と、電流制限によるq軸電流制限値を出力する電流依存制限演算器と、前記電圧依存制限演算器の出力と前記電流依存制限演算器の出力との小さい方を選択しq軸電流制限値を算出する制限選択器と、前記電流指令生成器で生成されるq軸電流指令を入力して前記制限選択器の出力以下となるように制限して前記q電流偏差演算器に出力する制限器を備えた請求項1記載のモータ制御装置。 A motor control device for controlling a motor, comprising: a voltage-dependent limit calculator that outputs a q-axis current limit value by voltage limit; a current-dependent limit calculator that outputs a q-axis current limit value by current limit; Input the limit selector that selects the smaller of the output of the limit calculator and the output of the current-dependent limit calculator to calculate the q-axis current limit value, and the q-axis current command generated by the current command generator. 2. The motor control device according to claim 1, further comprising a limiter that limits the output to a value equal to or less than the output of the limit selector and outputs the current to the q current deviation calculator.
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