JP2001095281A - 同期電動機の制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電圧形インバータにより給電される同期電動機
を磁極，速度センサレスのベクトル制御に基づいて可変
速制御する際の特性を改善する。 【解決手段】電流制御系に信号発生器４１より高周波信
号を注入し、この高周波成分の瞬時無効電力から同期電
動機２の磁極位置の真値（θ₀ ）と積分器３９で得られ
る該電動機の磁極位置の推定値（θ_E1）との誤差を磁極
位置補正器４２で求め、座標変換器３４，３７はこの誤
差を補正した磁極位置の推定値（θ_E2）で座標変換演算
を行うようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は電圧形インバータ
により給電される同期電動機を、磁極位置センサおよび
回転速度センサを使用しない、所謂、磁極，速度センサ
レスベクトル制御に基づいて可変速制御する同期電動機
の制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】電圧形インバータにより給電される同期
電動機の可変速制御方法の第１の従来例としては、該電
動機に磁極位置センサおよび回転速度センサを装着し、
これらのセンサからの検出信号などに基づくベクトル制
御により、該電動機を可変速制御することが行われてい
る。

【０００３】また上述の制御方法とは異なった第２の従
来例としては、前記磁極，速度センサレスベクトル制御
を行う際に、前記電動機の回転子位置の推定演算を行
い、この推定演算値を単に微分演算し、この演算値を回
転速度推定値にしていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述の第１の従来例の
如く、同期電動機に磁極位置センサおよび回転速度セン
サを装着すると該電動機の双方の出力軸を負荷に連結す
る用途に不向きであり、また、磁極位置センサおよび回
転速度センサは高価であり、さらに、該電動機の設置場
所と前記電圧形インバータなどの駆動装置の設置場所と
の距離が離れている場合には、それぞれのセンサからの
検出信号にノイズが混入するなど、該駆動装置の動作信
頼性を阻害する要因となっていた。

【０００５】また前述の第２の従来例では、先ず最初に
同期電動機の回転子位置を推定するが、この推定値は検
出信号に混入するノイズによって適正でないことがよく
あるので、そのとき、該電動機は脱調現象を起こしてし
まう。さらに、この推定値の微分値である回転速度推定
値は、検出信号に混入するノイズに対してとても感度が
高くなるので、回転速度推定値の誤差は大きくなり、速
度制御系はその誤差により、振動的・不安定な応答結果
になる。

【０００６】この発明の目的は上記問題点を解決し、電
圧形インバータにより給電される同期電動機を磁極，速
度センサレスで好適に可変速制御できる該電動機の制御
方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この第１の発明は、電圧
インバータにより給電される同期電動機であって、該電
動機の磁極位置推定値と回転速度推定値とに基づくベク
トル制御によって該電動機を可変速制御する同期電動機
の制御方法において、前記ベクトル制御による前記電動
機のｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値に微小振幅の
高周波信号を加算した値を該電動機の新たなｄ軸電流指
令値およびｑ軸電流指令値とし、この新たなｄ軸電流指
令値と前記電動機の電流を座標変換して得られるｄ軸電
流検出値との偏差を零にする調節演算を行い、この演算
結果を該電動機のｄ軸電圧指令値とし、前記新たなｑ軸
電流指令値と前記電動機の電流を座標変換して得られる
ｑ軸電流検出値との偏差を零にする調節演算を行い、こ
の演算結果を該電動機のｑ軸電圧指令値とし、前記ｄ，
ｑ軸それぞれの電流検出値と電圧指令値とに基づく前記
高周波信号成分の瞬時無効電力から前記電動機の磁極位
置補正値を導出し、前記回転速度推定値を積分演算した
値に前記磁極位置補正値を加算した値を前記磁極位置推
定値としたことを特徴とする。

【０００８】第２の発明は前記第１の発明において、前
記高周波信号のｄ軸成分とｑ軸成分とは、その振幅が等
しく、且つ、互いに９０°の位相差を有する正弦波にし
たことを特徴とする。

【０００９】第３の発明は前記第１又は第２の発明にお
いて、前記同期電動機の始動時に、前記磁極位置補正値
の導出演算を行わせることを特徴とする。

【００１０】第４の発明は前記第１又は第２の発明にお
いて、前記同期電動機は突極性を有する永久磁石同期電
動機とし、該電動機の運転中は、前記磁極位置補正値の
導出演算を常時行わせることを特徴とする。

【００１１】この発明によれば、磁極，速度センサレス
のベクトル制御系に注入した微小振幅の高周波信号によ
り、同期電動機の磁極位置推定値を該電動機の始動時を
含めて、後述の如く、より真値に近づけることができる
ので、磁極，速度センサレスで該電動機を好適に可変速
制御することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は、この発明の実施の形態を
示す同期電動機の制御装置のブロック構成図である。

【００１３】図１において、１は三相の電圧指令値（ｖ
_u ^* ，ｖ_v ^* ，ｖ_w ^* ）に基づいた所望の周波数，振幅
の三相交流電圧（ｖ_u ，ｖ_v ，ｖ_w ）を出力する電圧形
インバータ、２は電圧形インバータ２により給電される
同期電動機、２ａは同期電動機２の出力軸に連結された
負荷、３は電圧形インバータ２を介して同期電動機２を
可変速制御する制御装置である。

【００１４】この制御装置３において、速度調節器３１
とｑ軸電流調節器３２とｄ軸電流調節器３３と座標変換
器３４と電圧指令発生器３５と電流検出器３６と座標変
換器３７と速度オブザーバ３８と積分器３９とは磁極，
速度センサレスのベクトル制御に基づく同期電動機２の
可変速制御を電圧形インバータ１を介して行う基本的な
制御要素であり、さらに、信号発生器４１と磁極位置補
正器４２と加算器４３とはこの発明に基づいて付加され
た制御要素である。

【００１５】図３に示した制御装置３の動作を以下に説
明する。

【００１６】先ず、速度オブザーバ３８では、同期電動
機２の三相電流を電流検出器３６で検出した電流
（ｉ_u ，ｉ_v ，ｉ_w ）に座標変換器３７を介してｄ軸電
流検出値（ｉ_d ）とｑ軸電流値（ｉ_q ）とをそれぞれ３
相−２相座標変換した値と、ｑ軸電流調節器３３の出力
であるｑ軸電圧指令値（ｖ_q ^* ）とを入力して、下記式
（１）に示す演算を行い、同期電動機２の回転速度推定
値（ω_mE）を得ている。

【００１７】

【数１】

【００１８】ここで、Δｖ_q ：電圧形インバータ２を構
成する半導体素子間のデッドタイムおよび電圧降下に基
づく出力電圧誤差のｑ軸変換成分（計算値） Ｒ_q ：同期電動機２の抵抗のｑ軸成分 Ｌ_q ：同期電動機２のリアクタンスのｑ軸成分 Ｌ_d ：同期電動機２のリアクタンスのｄ軸成分 Φ ：同期電動機２の鎖交磁束数 Ｐ ：同期電動機２の磁極対数 α ：速度オブザーバ３８の時定数の逆数値 ｓ ：ラプラス演算子 である。

【００１９】速度調節器３１では指令される回転速度指
令値（ω_m ^* ）と、上記式（１）で得られた回転速度推
定値（ω_mE）との偏差を零にする調節演算を行い、この
演算値をｑ軸電流指令値（ｉ_q ^* ）として出力する。

【００２０】ｑ軸電流調節器３２では前記ｑ軸電流指令
値（ｉ_q ^* ）と後述の信号発生器４１からのｑ軸高周波
信号（ｉ_qh）とを加算した値と、前記ｑ軸電流値
（ｉ_q ）との偏差を零にする調節演算を行い、この演算
値をｑ軸電圧指令値（ｖ_q ^* ）として出力する。

【００２１】同様に、ｄ軸電流調節器３３では指令され
るｄ軸電流指令値（ｉ_d ^* ）と後述の信号発生器４１か
らのｄ軸高周波信号（ｉ_dh）とを加算した値と、前記ｄ
軸電流値（ｉ_d ）との偏差を零にする調節演算を行い、
この演算値をｄ軸電圧指令値（ｖ_d ^* ）として出力す
る。

【００２２】また、座標変換器３４では前記ｑ軸電圧指
令値（ｖ_q ^* ）とｄ軸電圧指令値（ｖ_d ^* ）とを２相−
３相座標変換した三相の電圧設定値（ｖ_u ^ref ，ｖ_v
^ref ，ｖ_w ^ref ）とを出力している。

【００２３】さらに、電圧指令発生器３５では前記三相
の電圧設定値（ｖ_u ^ref ，ｖ_v ^ref，ｖ_w ^ref ）からＰ
ＷＭ制御された三相の電圧指令値（ｖ_u ^* ，ｖ_v ^* ，ｖ
_w ^*を生成し、電圧形インバータ１へ出力している。

【００２４】次に、積分器３９では下記式（２）の積分
演算を行い磁極位置推定値（θ_E1）を出力している。

【００２５】

【数２】θ_E1＝（１／ｓ）ω_mE …（２） なお、マクイロコンピュータによるデジタル制御の場合
には、速度オブザーバ３８と積分器３９とにおける演算
周期は、ｑ軸電流調節器３２，ｄ軸電流調節器３３の演
算周期に等しくすることが好適である。

【００２６】しかしながら従来の制御方法の如く、上記
式（２）で得られた磁極位置推定値（θ_E1）により座標
変換器３４および座標変換器３７の演算を行わせると、
同期電動機２の始動時には磁極位置推定値の初期値を必
要とし、この初期値が適正でないときにはベクトル制御
における座標変換値に誤差を生ずる。

【００２７】そこで、信号発生器４１から出力するｄ軸
高周波信号（ｉ_dh）とｑ軸高周波信号（ｉ_qh）とに下記
式（３），式（４）の関係を持たせる。

【００２８】

【数３】ｉ_dh＝Ｉ_h ｃｏｓ（ω_h ｔ） …（３）

【００２９】

【数４】ｉ_qh＝Ｉ_h ｓｉｎ（ω_h ｔ） …（４） 磁極位置補正器４２では、上記式（３），式（４）の関
係にあるそれぞれの高周波信号をｑ軸電流調節器３２と
ｄ軸電流調節器３３とに注入し、その結果、この電流制
御系に現れるｑ軸電圧指令値（ｖ_qh ^* ）とｄ軸電圧指令
値（ｖ_dh ^* ）とｑ軸電流検出値（ｉ_qh）とｄ軸電流検出
値（ｖ_dh ^* ）とから、下記式（５）に示す高周波信号成
分の瞬時無効電力（Ｑ_h ）を求めている。

【００３０】

【数５】

【００３１】ここで、ω_mE ：回転速度の推定値 ω_m ^* ：回転速度指令値 θ₀ ：磁極位置の真値 θ_E ：磁極位置の推定値 である。

【００３２】上記式（５）から明らかなように、式
（５）の右辺第２項の位相成分（θ₀ −θ_E ）は磁極位
置の真値（θ₀ ）と推定値（θ_E ）との誤差（θ_err ）
に関係した値である。そこで、磁極位置補正器４２に内
蔵するバンドパスフィルタなどにより、右辺第２項のみ
を抽出し、この抽出値と基準になるＩ_h ² ｃｏｓ（ω_h
ｔ）とを比較することにより２（θ₀ −θ_E ）を求める
ことができ、従って、磁極位置補正値θ_err （＝θ₀ −
θ_E ）が演算できる。

【００３３】すなわち、加算器４３の加算値（θ_E2）
は、上記式（５）の推定値（θ_E ）を積分器３９の演算
値（θ_E1）とすることにより、磁極位置の真値（θ₀ ）
により近い値となる。

【００３４】なお、信号発生器４１からの高周波信号の
周波数は、電圧指令発生器３５におけるＰＷＭ演算のキ
ャリア周波数の１／５〜１／１０程度が望ましい。

【００３５】さらに、マクイロコンピュータによるデジ
タル制御の場合には、磁極位置補正器４２と加算器４３
とで得られる今回の磁極位置推定値（θ_E2）を、座標変
換器３４および座標変換器３７での次回の座標変換演算
の際に使用するとよい。

【００３６】

【発明の効果】この発明によれば、磁極，速度センサレ
スのベクトル制御系に注入した微小振幅の高周波信号に
より、同期電動機の磁極位置推定値を該電動機の始動時
を含めて、より真値に近づけることができるので、磁
極，速度センサレスで該電動機を零速から定格速度域ま
で好適に可変速制御することができる。

【００３７】特に、突極性を有する永久磁石同期電動機
の如く、その電気的パラメータが変動する同期電動機に
対して、この発明の制御方法による磁極位置推定値は前
記電気的パラメータの変動に不感であるので、ロバスト
に該電動機を可変速制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態を示す同期電動機の制御
装置のブロック構成図

【符号の説明】

１…電圧形インバータ、２…同期電動機、２ａ…負荷、
３…制御装置、３１…速度調節器、３２…ｑ軸電流調節
器、３３…ｄ軸電流調節器、３４…座標変換器、３５…
電圧指令発生器、３６…電流検出器、３７…座標変換
器、３８…速度オブザーバ、３９…積分器、４１…信号
発生器、４２…磁極位置補正器、４３…加算器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中野 建 新潟県長岡市福山町301−１ ファミーユ 宮下Ａ102 (72)発明者 糸魚川 信夫 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 Ｆターム(参考） 5H560 BB04 BB12 DC12 EB01 GG04 XA02 XA13

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電圧インバータにより給電される同期電
   動機であって、該電動機の磁極位置推定値と回転速度推
   定値とに基づくベクトル制御によって該電動機を可変速
   制御する同期電動機の制御方法において、 前記ベクトル制御による前記電動機のｄ軸電流指令値お
   よびｑ軸電流指令値に微小振幅の高周波信号を加算した
   値を該電動機の新たなｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指
   令値とし、 この新たなｄ軸電流指令値と前記電動機の電流を座標変
   換して得られるｄ軸電流検出値との偏差を零にする調節
   演算を行い、この演算結果を該電動機のｄ軸電圧指令値
   とし、 前記新たなｑ軸電流指令値と前記電動機の電流を座標変
   換して得られるｑ軸電流検出値との偏差を零にする調節
   演算を行い、この演算結果を該電動機のｑ軸電圧指令値
   とし、 前記ｄ，ｑ軸それぞれの電流検出値と電圧指令値とに基
   づく前記高周波信号成分の瞬時無効電力から前記電動機
   の磁極位置補正値を導出し、 前記回転速度推定値を積分演算した値に前記磁極位置補
   正値を加算した値を前記磁極位置推定値としたことを特
   徴とする同期電動機の制御方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の同期電動機の制御方法
   において、 前記高周波信号のｄ軸成分とｑ軸成分とは、その振幅が
   等しく、且つ、互いに９０°の位相差を有する正弦波に
   したことを特徴とする同期電動機の制御方法。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載の同期電動機の制
   御方法において、 前記同期電動機の始動時に、前記磁極位置補正値の導出
   演算を行わせることを特徴とする同期電動機の制御方
   法。
4. 【請求項４】 請求項１又は２に記載の同期電動機の制
   御方法において、 前記同期電動機は突極性を有する永久磁石同期電動機と
   し、 該電動機の運転中は、前記磁極位置補正値の導出演算を
   常時行わせることを特徴とする同期電動機の制御方法。