JP2006014431A - 電動機の電流センサレス制御装置および制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 負荷が重く回転速度が低いなどのオンディレー時間の影響を無視できない場合でも、電力効率が良く高性能な制御ができる電動機の電流センサレス制御装置および制御方法を提供する。
【解決手段】 電流センサレス制御装置において、ｄ軸推定電流とｑ軸推定電流および前記回転子位置を入力して三相オンディレー補償電圧を出力するオンディレー補償電圧推定手段１８と、交流三相電圧指令に三相オンディレー補償電圧を足した新たな交流三相電圧指令を前記ＰＷＭインバータへ出力する加算手段１９とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電流センサを用いることなく高性能、高効率に電動機を制御する装置および制御方法に関する。

一般に、電動機の高性能制御は、電流センサが検出した電機子電流信号に基づき電流制御を行いながら、位置センサが検出した回転子の位置信号に基づき速度（或いは位置）制御を行っている。一方、電動機駆動システムには小型軽量化、低価格化、信頼性向上などが要求されるため、センサをできれば減らしたい。ところが、高性能制御のために位置センサが欠かせないものである。
従来は、電流センサを用いず電流の推定値を用いて制御系を構成している（例えば、非特許文献１参照）。
図３は従来技術の電動機の電流センサレス制御装置の構成を示すブロック図である。
図３において、１１は制御補償器であり、速度偏差ω_err、回転子速度ω_mおよびｄ、ｑ軸の推定電流ｉ_ds、ｉ_qsに基づきｄ、ｑ軸電圧指令ｖ_dr、ｖ_qrを計算する。１２は電流推定器であり、ｄ、ｑ軸電圧指令ｖ_dr、ｖ_qrに基づきｄ、ｑ軸の推定電流ｉ_ds、ｉ_qsを計算する。１３はｄ―ｑ／３相交流座標変換器であり、ｄ、ｑ軸電圧指令ｖ_dr、ｖ_qrおよび回転子位置θ_mに基づき三相電圧指令ｖ_ur、ｖ_vr、ｖ_wrを計算する。１４はＰＷＭインバータであり、三相電圧指令ｖ_ur、ｖ_vr、ｖ_wrに基づき三相電圧ｖ_u、ｖ_v、ｖ_wを出力し、電動機１５を駆動する。
オンディレー時間が十分短くその影響が小さい場合は、電圧指令は電動機の入力電圧と、推定電流が実際の電流と一致するので、電流センサを用いなくても、普通の電動機の駆動システムと同じように安定かつ高性能な制御系を構成することができる。
このように、従来技術の電動機の制御装置は、電圧指令に基づき電流を推定して制御系を構成するものである。
森本茂雄、外２名、「低分解能位置センサのみによる同期モータの電流センサレスドライブシステム」、電気学会、電気学会論文誌Ｄ、平成１３年（２００１）、１２１巻１１号、P．１１２６−１１３３

従来の電動機の電流センサレス制御装置は、オンディレーの影響を無視して制御系を構成したので、負荷が重く回転速度が低い場合は、オンディレー時間の影響で電圧指令は電動機の入力電圧と、推定電流が実際の電流とずれるので、制御系の特性は設計の通りにならず悪くなる。また、正確に非干渉補償できなくなり、ｄ軸電流が大きくなり、電力効率が悪いというような問題も抱えていた。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、オンディレーの影響を補償して制御系を構成することで、電力効率が良く高性能な制御ができる電動機の電流センサレス制御装置および制御方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、電動機の回転子位置を検出する位置センサと、前記回転子位置を微分して前記電動機の回転子速度を出力する微分手段と、速度指令を前記回転子速度で減算して速度偏差を得る減算手段と、前記速度偏差と前記回転子速度とｄ軸推定電流およびｑ軸推定電流を入力してｄ軸電圧指令およびｑ軸電圧指令を出力する制御補償手段と、前記ｄ軸電圧指令および前記ｑ軸電圧指令を入力して前記ｄ軸推定電流および前記ｑ軸推定電流を出力する電流推定手段と、前記ｄ軸電圧指令と前記ｑ軸電圧指令および前記回転子位置を入力して交流三相電圧指令をＰＷＭインバータへ出力する座標変換手段と、前記三相電圧指令を入力とし前記電動機を駆動する三相電圧を出力するＰＷＭインバータとを備えた電流センサレス制御装置において、
前記ｄ軸推定電流と前記ｑ軸推定電流および前記回転子位置を入力して三相オンディレー補償電圧を加算手段へ出力するオンディレー補償電圧推定手段と、
前記交流三相電圧指令に前記三相オンディレー補償電圧を足した新たな交流三相電圧指令を前記ＰＷＭインバータへ出力する加算手段と、を備えるものである。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記オンディレー補償電圧推定手段は、前記ｄ軸推定電流と前記ｑ軸推定電流および前記回転子位置に基づきｄ−ｑ／３相交流座標変換を行い三相推定電流を計算し、前記三相推定電流の正負符号を判定し、オンディレー時間を設けたことによって生じた前記ＰＷＭインバータの入力電圧と出力電圧との差の絶対値に前記正負符号を付けて前記三相オンディレー補償電圧とすることを特徴とするものである。
また、請求項３記載の発明は、電動機の回転子位置を検出する位置センサと、前記回転子位置を微分して前記電動機の回転子速度を出力する微分手段と、速度指令を前記回転子速度で減算して速度偏差を得る減算手段と、前記速度偏差と前記回転子速度とｄ軸推定電流およびｑ軸推定電流を入力してｄ軸電圧指令およびｑ軸電圧指令を出力する制御補償手段と、前記ｄ軸電圧指令および前記ｑ軸電圧指令を入力して前記ｄ軸推定電流および前記ｑ軸推定電流を出力する電流推定手段と、前記ｄ軸電圧指令と前記ｑ軸電圧指令および前記回転子位置を入力して交流三相電圧指令をＰＷＭインバータへ出力する座標変換手段と、前記三相電圧指令を入力とし前記電動機を駆動する三相電圧を出力するＰＷＭインバータとを備えた電流センサレス制御方法において、
オンディレー補償電圧推定手段は、前記ｄ軸推定電流と前記ｑ軸推定電流および前記回転子位置に基づき(ｄ−ｑ)／３相交流座標変換を行い三相推定電流を計算し、前記三相推定電流の正負符号を判定し、オンディレー時間を設けたことによって生じた前記ＰＷＭインバータの入力電圧と出力電圧との差の絶対値に前記正負符号を付けて前記三相オンディレー補償電圧として、加算手段へ出力し、加算手段により、前記交流三相電圧指令に前記三相オンディレー補償電圧を足した新たな交流三相電圧指令を前記ＰＷＭインバータへ出力したものである。

本発明によれば、推定電流を用いてオンディレー補償電圧を計算し、それを電圧指令に加えることで電圧指令が電動機の入力電圧と良く一致するため、推定電流を電機子電流と良く一致させることができ、安定かつ高性能な制御をする電動機の電流センサレス制御装置および制御方法を提供ことができる。また、正確な推定電流を用いてより正確な非干渉補償ができるので、ｄ軸の電流を小さく抑えることで駆動システムの電力効率をアップすることができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の実施例を示す電動機の電流センサレス制御装置のブロック図である。図において、１１は制御補償器であり、速度偏差ω_err、回転子速度ω_mおよびｄ、ｑ軸の推定電流ｉ_ds、ｉ_qsに基づきｄ、ｑ軸電圧指令ｖ_dr、ｖ_qrを計算する。１２は電流推定器であり、ｄ、ｑ軸電圧指令ｖ_dr、ｖ_qrに基づきｄ、ｑ軸の推定電流ｉ_ds、ｉ_qsを計算する。１８はオンディレー補償電圧推定器であり、ｄ、ｑ軸の推定電流ｉ_ds、ｉ_qsおよび回転子位置θ_mに基づき三相オンディレー補償電圧Δｖ_us、Δｖ_vs、Δｖ_wsを計算する。１３はｄ―ｑ／３相交流座標変換器であり、ｄ、ｑ軸電圧指令ｖ_dr、ｖ_qrおよび回転子位置θ_mに基づき三相電圧指令ｖ_ur、ｖ_vr、ｖ_wrを計算する。１９は加算器であり、三相電圧指令ｖ_ur、ｖ_vr、ｖ_wrに三相オンディレー補償電圧Δｖ_us、Δｖ_vs、Δｖ_wsを足して新たな三相電圧指令ｖ_ur1、ｖ_vr1、ｖ_wr1とする。
１４はＰＷＭインバータであり、新たな三相電圧指令ｖ_ur1、ｖ_vr1、ｖ_wr1に基づき三相電圧ｖ_u、ｖ_v、ｖ_wを出力し、電動機１５を駆動する。
本発明が非特許文献１と異なる部分は、オンディレー補償電圧推定器１８と加算器１９を備えた部分である。

図２は、図１におけるオンディレー補償電圧推定器の構成を示すブロック図である。図において、１８１はｄ―ｑ／３相交流座標変換器であり、ｄ、ｑ軸の推定電流ｉ_ds、ｉ_qsおよび回転子位置θ_mに基づき三相推定電流ｉ_us、ｉ_vs、ｉ_wsを計算する。１８２は電流方向判定器であり、三相推定電流ｉ_us、ｉ_vs、ｉ_wsに基づき三相推定電流の正負符号Ｓ_ius、Ｓ_ivs、Ｓ_iwsを決定する。１８３はオンディレー電圧定数ΔＶであり、オンディレー時間を設けたことによって生じたＰＷＭインバータの入力電圧と出力電圧との差の絶対値である。１８４は乗算器であり、オンディレー電圧定数ΔＶに三相推定電流の正負符号Ｓ_ius、Ｓ_ivs、Ｓ_iwsを掛けた値を三相オンディレー補償電圧Δｖ_us、Δｖ_vs、Δｖ_wsとする。

以下、本発明の制御装置の動作原理について説明する。
ＰＷＭインバータでは、直流母線の短絡防止のため必ずオンディレー時間を設けなければならない。一方、オンディレー時間を設けると、ＰＷＭインバータの出力電圧は入力電圧と差を生じる。その差の絶対値（ここで、オンディレー電圧定数と言う）ΔＶは
ΔＶ＝Ｅ_d・ｔ_d・ｆ_c …（１）
で表される。ただし、ｔ_dはオンディレー時間、Ｅ_dは直流母線の電圧、ｆ_cはＰＷＭキャリア周波数である。また、三相のＰＷＭインバータの入力電圧と出力電圧との差ΔＶ_u、ΔＶ_v、ΔＶ_wはそれぞれ三相の電流ｉ_u、ｉ_v、ｉ_wの方向によって符号が違う。電動機へ流入する方向を電流の正方向とすると、ある相の電流方向は正である時その相のＰＷＭインバータの入力電圧と出力電圧との差が正となり、ある相の電流方向は負である時その相のＰＷＭインバータの入力電圧と出力電圧との差が負となる。また、符号関数Ｓｉｇｎ（ｘ）を

と定義すると、
ΔＶ_u＝Ｖ_ur1−Ｖ_u＝Ｓｉｇｎ（ｉ_u）・ΔＶ …（３）
ΔＶ_v＝Ｖ_vr1−Ｖ_v＝Ｓｉｇｎ（ｉ_v）・ΔＶ …（４）
ΔＶ_w＝Ｖ_wr1−Ｖ_w＝Ｓｉｇｎ（ｉ_w）・ΔＶ …（５）
となる。
また、図２によると、三相オンディレー補償電圧は
ΔＶ_us＝Ｓｉｇｎ（ｉ_us）・ΔＶ …（６）
ΔＶ_vs＝Ｓｉｇｎ（ｉ_vs）・ΔＶ …（７）
ΔＶ_ws＝Ｓｉｇｎ（ｉ_ws）・ΔＶ …（８）
となる。
仮に、推定電流が電機子電流と一致するとすると、式（３）〜式（８）により、
ΔＶ_us＝ΔＶ_u＝Ｖ_ur1−Ｖ_u …（９）
ΔＶ_vs＝ΔＶ_v＝Ｖ_vr1−Ｖ_v …（１０）
ΔＶ_ws＝ΔＶ_w＝Ｖ_wr1−Ｖ_w …（１１）
となる。
また、図１によると、三相電圧指令は
Ｖ_ur＝Ｖ_ur1−ΔＶ_us＝Ｖ_u …（１２）
Ｖ_vr＝Ｖ_vr1−ΔＶ_vs＝Ｖ_v …（１３）
Ｖ_wr＝Ｖ_wr1−ΔＶ_ws＝Ｖ_w …（１４）
となる。
すなわち、ｄ、ｑ軸電圧指令ｖ_dr、ｖ_qrは電動機のｄ、ｑ軸電圧と一致する。よって、ｄ、ｑ軸電圧指令ｖ_dr、ｖ_qrに基づいて推定した電流は電機子電流と一致する。
このように、推定電流を基づいて計算したオンディレー補償電圧を電圧指令に加えオンディレー時間の影響を補償することによって、電圧指令を電動機の電圧と一致させることができ、逆にこの電圧指令に基づいて推定した電流を電機子電流と一致させることができる。そして、この推定電流を用いて安定化補償および非干渉化補償を行うと、電流センサを用いなくても電流センサがある場合と同じように高性能かつ高効率な制御をすることができる。

次に、本発明の効果を具体例を用いて説明する。同期電動機に対して従来技術と本発明の技術を用いたシミュレーション結果をそれぞれ図４と図５に示す。従来技術を用いた場合（図４）と較べ、、本発明の技術を用いた場合（図５）は、推定電流が電機子電流と良く一致し、速度応答が速度指令に良く追従し、ｄ軸電流も小さいことが分かる。

本発明の技術は、オンディレーの影響を補償することによって正確に電流を推定することができるので、ＰＷＭインバータを用いた磁気浮上系の電流センサレス制御にも適応できる。

本発明の実施例を示す電動機の電流センサレス制御装置のブロック図 本発明の電動機の電流センサレス制御装置におけるオンディレー補償電圧推定器の構成を示すブロック図 従来技術の電動機の電流センサレス制御装置の構成を示すブロック図 従来技術を用いた電動機の電流センサレス制御のシミュレーション結果を示す図 本発明の技術を用いた電動機の電流センサレス制御のシミュレーション結果を示す図

符号の説明

１０ 減算器
１１ 制御補償器
１２ 電流推定器
１３、１８１ ｄ―ｑ／３相交流座標変換器
１４ ＰＷＭインバータ
１５ 電動機
１６ 位置センサ
１７ 微分器
１８ オンディレー補償電圧推定器
１９ 加算器
１８２ 電流方向判定器
１８３ オンディレー電圧定数
１８４ 乗算器

Claims (3)

1. 電動機の回転子位置を検出する位置センサと、前記回転子位置を微分して前記電動機の回転子速度を出力する微分手段と、速度指令を前記回転子速度で減算して速度偏差を得る減算手段と、前記速度偏差と前記回転子速度とｄ軸推定電流およびｑ軸推定電流を入力してｄ軸電圧指令およびｑ軸電圧指令を出力する制御補償手段と、前記ｄ軸電圧指令および前記ｑ軸電圧指令を入力して前記ｄ軸推定電流および前記ｑ軸推定電流を出力する電流推定手段と、前記ｄ軸電圧指令と前記ｑ軸電圧指令および前記回転子位置を入力して交流三相電圧指令をＰＷＭインバータへ出力する座標変換手段と、前記三相電圧指令を入力とし前記電動機を駆動する三相電圧を出力するＰＷＭインバータとを備えた電流センサレス制御装置において、
   前記ｄ軸推定電流と前記ｑ軸推定電流および前記回転子位置を入力して三相オンディレー補償電圧を加算手段へ出力するオンディレー補償電圧推定手段と、
   前記交流三相電圧指令に前記三相オンディレー補償電圧を足した新たな交流三相電圧指令を前記ＰＷＭインバータへ出力する加算手段と、
   を備えたことを特徴とする電動機の電流センサレス制御装置。
2. 前記オンディレー補償電圧推定手段は、前記ｄ軸推定電流と前記ｑ軸推定電流および前記回転子位置に基づき(ｄ−ｑ)／３相交流座標変換を行い三相推定電流を計算し、前記三相推定電流の正負符号を判定し、オンディレー時間を設けたことによって生じた前記ＰＷＭインバータの入力電圧と出力電圧との差の絶対値に前記正負符号を付けて前記三相オンディレー補償電圧とすることを特徴とする請求項１記載の電動機の電流センサレス制御装置。
3. 電動機の回転子位置を検出する位置センサと、前記回転子位置を微分して前記電動機の回転子速度を出力する微分手段と、速度指令を前記回転子速度で減算して速度偏差を得る減算手段と、前記速度偏差と前記回転子速度とｄ軸推定電流およびｑ軸推定電流を入力してｄ軸電圧指令およびｑ軸電圧指令を出力する制御補償手段と、前記ｄ軸電圧指令および前記ｑ軸電圧指令を入力して前記ｄ軸推定電流および前記ｑ軸推定電流を出力する電流推定手段と、前記ｄ軸電圧指令と前記ｑ軸電圧指令および前記回転子位置を入力して交流三相電圧指令をＰＷＭインバータへ出力する座標変換手段と、前記三相電圧指令を入力とし前記電動機を駆動する三相電圧を出力するＰＷＭインバータとを備えた電流センサレス制御方法において、
   オンディレー補償電圧推定手段は、前記ｄ軸推定電流と前記ｑ軸推定電流および前記回転子位置に基づき(ｄ−ｑ)／３相交流座標変換を行い三相推定電流を計算し、前記三相推定電流の正負符号を判定し、オンディレー時間を設けたことによって生じた前記ＰＷＭインバータの入力電圧と出力電圧との差の絶対値に前記正負符号を付けて前記三相オンディレー補償電圧として、加算手段へ出力し、
   加算手段により、前記交流三相電圧指令に前記三相オンディレー補償電圧を足した新たな交流三相電圧指令を前記ＰＷＭインバータへ出力することを特徴とする電動機の電流センサレス制御方法。

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