JP2006033993A - 電動機の回転位置検出装置の原点オフセット量算出方法およびこの算出方法を用いた電動機制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 3相同期電動機をdq軸制御するインバータにおいて、2相3相の相互変換のためには電動機の回転位置を検出する回転位置センサが必要である。この回転位置センサの角度誤差は、dq軸制御の精度に影響するので、正確に補正する必要かあるが、従来の方法では、ノイズの影響などにより無視できない誤差が生じてしまうという課題があった。
【解決手段】 dq軸電流指令値を強制的にゼロとする第1手順、このとき磁束成分電圧指令値に比例積分ゲインかける第2手順、これにより磁束成分電圧指令値がゼロとなるので、ゼロとなったときの回転センサ位相誤差を記憶する第3手順、を含む。
【選択図】図2
Description
電動機制御装置は供給する電圧などの位相を電動機の回転角度に応じて制御する必要があるので、電動機にはその回転子の回転角度を瞬時データとして出力可能な回転位置検出装置が取り付けられる。しかし、このような回転位置検出装置は回転子の真の原点位置に対して、いくらかずれて取り付けられる場合が多いので、検出された回転角度信号を補正して使用する必要がある。
この補正の仕方にはいろいろな方法が提案されているが、要は、回転子基準位置と回転位置検出装置の原点との位相差を算出して補正するものであり、たとえば特許文献1に示すものが有る。
回転子の磁束の方向をd軸とし、回転子の磁束に直交する方向をq軸(制御軸とも言う)とし、回転子基準位置と回転位置検出装置の位相差がゼロである場合の電動機のd軸とq軸成分とにおける電圧方程式を考えると、
Vq=Riq+ωφd (2)
ここでVdはd軸電圧、 Vqはq軸電圧、 Rは1相の抵抗、
idはd軸電流、 iqはq軸電流、 φdはd軸成分磁束、
φqはq軸成分磁束、 ωは回転子の角速度である。
上式において、id=0, iq=0とすると、φd、φqは次式で表される。
φd=Ldid+φf=φf (3)
φq=Lqiq=0 (4)
となる。
ここでLdはd軸インダクタンス、Lqはq軸インダクタンス、φfは回転子の磁束である。
このときのd軸、q軸成分における電圧方程式は
Vd=0 (5)
Vq=ωφf (6)
となり、 Vdがゼロとなる。
id’=idcosη−iqsinη (7)
iq’=idsinη+iqcosη (8)
で表されるid’,iq’に変換される。
このときのd’, q’軸成分における電圧方程式は
Vd’=Rid’−ωφqcosη+ωφdsinη (9)
Vd’=Riq’+ωφqsinη+ωφdcosη (10)
で表される。
このとき、id’=0, iq’=0としても
Vd’=ωφfsinη (11)
Vq’=ωφfcosη (12)
となってVd’がゼロとならない。
(1)d軸電圧指令値がゼロでないとき、上記回転位置検出装置の出力に等差数列(1°、2°、・・・n°)を位相補正量として順次加算してゆき、d軸電圧指令値がゼロになるまで加算を続ける方法。
(2)d軸電圧指令値及びq軸電圧指令値の逆正接(アークタンジェント)を計算し、これを原点オフセット量として上記回転位置検出装置の出力に加算する方法。
(3)d軸電圧指令値がゼロでないとき、位相補正量として1°から180°まで所定角度刻みで走査して上記d軸電圧指令値を記録し、そして上記d軸電圧指令値がゼロに近い2つの位相補正量から内挿して原点オフセット量を算出する方法がある。
また、電流検出器に検出誤差がある場合、実際の電流値がゼロであっても検出誤差量が出力されるので、これを座標変換すると、一定値とならず周期的に変動する値となるため、これをゼロとすべく制御を行っても電圧指令値がゼロとならず周期的に変動する値となることから、原点オフセット量の算出精度が低下するという課題があった。
さらに、回転変動によっても座標変換後の電流値や電圧指令値が変動することから、原点オフセット量の算出精度が低下するという課題があった。
即ち、従来の原点オフセット量の算出方法では、高い算出精度が得られないと言う課題があった。
また、この算出方法を使用した回転位置検出装置の原点オフセット量算出装置を備えた電動機制御装置を提供することである。
前記3相同期電動機の回転位置を検出する回転位置検出装置と、
前記3相電流を前記回転位置にもとづき磁束成分と前記磁束成分に直交する直交成分とに座標変換する3相2相変換器と、
外部から与えられた電流指令値を前記磁束成分の電流指令値と、前記直交成分の電流指令値とに分離する電流指令発生器と、
前記電流指令発生器の各成分の指令値に、前記磁束成分の電流値と、前記直交成分の電流値とが一致するように前記各成分の電圧指令値を演算する電流制御演算器と、
前記各成分の電圧指令値を3相電圧指令値に座標変換する2相3相変換器と、
前記2相3相変換器の出力にもとづき前記3相同期電動機に加える電圧を出力するインバータとを有する電動機制御装置に、
前記各成分の電流指令値を強制的にゼロとする第1手順、
前記電流指令値がゼロとなったとき、前記磁束成分電圧指令値とゼロとの偏差に予め定めた比例積分ゲインを掛けることにより前記磁束成分電圧指令値がゼロとなるように前記回転位置検出装置の出力に加算するオフセットを制御する第2手順、
前記磁束成分電圧指令値がゼロとなったときの、前記オフセットを前記回転子基準位置と前記回転位置検出装置の原点との位相差とし、これを原点オフセット量として記憶する第3手順、
前記回転位置検出装置の出力に前記原点オフセット量を加算する第4手順を含ませたものである。
前記3相同期電動機の回転位置を検出する回転位置検出装置、
前記3相電流を前記回転位置にもとづき磁束成分と前記磁束成分に直交する直交成分とに座標変換する3相2相変換器、
外部から与えられた電流指令値を前記磁束成分の電流指令値と、前記直交成分の電流指令値とに分離する電流指令発生器、
前記電流指令発生器の前記各成分の指令値に、前記各成分の電流値が、一致するように前記各成分の電圧指令値を演算する電流制御演算器、
前記各成分の電圧指令値を3相電圧指令値に座標変換する2相3相変換器、
前記2相3相変換器の出力にもとづき前記3相同期電動機に加える電圧を出力するインバータ、
前記制御状態に於いて、前記制御座標系各成分の電流指令値を強制的にゼロとするゼロ入力回路、
前記電流指令値がゼロとなったとき、前記磁束成分電圧指令値とゼロとの偏差に予め定めた比例積分ゲインを掛けることにより前記磁束成分電圧指令値がゼロとなるように前記回転位置検出装置の出力に加算するオフセットを制御する比例積分位相補正量演算器、
前記磁束成分電圧指令値がゼロとなったときの前記オフセットを前記回転子基準位置と前記回転位置検出装置の原点との位相差とし、これを原点オフセット量として記憶する記憶回路、
前記回転位置検出装置の出力に前記原点オフセット量を加算する補正回路を備えたものである。
また、上記各成分の検出電流値および磁束成分の電圧指令値が所定の範囲内に収まっていることを確認し、上記各成分の検出電流値および磁束成分の電圧指令値が所定範囲内である場合の位相補正量の平均値を原点オフセット量としているので、電圧の高調波やノイズ、または電流検出器の検出誤差、電動機の回転変動等の影響を受けにくく、原点オフセット量検出精度を向上させることができる。
図1はこの発明の実施の形態1の原点オフセット量算出方法を説明するための電動機制御装置を含む電動機制御システム全体のブロック図である。
図2と図3はこの発明の実施の形態1に係る回転位置検出装置の原点オフセット量算出方法を説明するためのフローチャートである。
図4はこの発明の実施の形態1に係る原点オフセット量算出方法を説明するための磁束成分電圧指令値と同成分に直交する成分の電圧指令値と位相の関係を示す図である。
図1において、永久磁石界磁または巻線界磁を有する3相同期電動機1(以下、電動機という)には、電動機1を制御する制御装置2が接続されている。電動機1の図示しない回転子の軸にはレゾルバまたはロータリエンコーダからなる回転位置検出装置3が取り付けられている。回転位置検出装置3の出力は回転子位置を算出する位相演算器4に入力される。電動機1の3相電流は電流検出器5によって検出される。
3相2相変換器6は、回転子の磁束の方向をd軸とし、これに直交した方向をq軸として、3相電流iu, iv, iwを回転子位置信号にもとづいてd軸、q軸の電流に座標変換する。電流指令発生器7はトルク指令T*を受けて、このT*と電動機1が発生させるトルクとが一致するような上記d軸、q軸成分の電流指令値を発生する。電流制御演算器8は、d軸電流指令値id*と実電流idの偏差、およびq軸電流指令値iq*と実電流iqの偏差からd軸電圧指令値Vd*、およびq軸成分の電圧指令値Vq*を演算して出力する。
位相補正量演算器11は、電流制御演算器8の出力であるd軸、q軸電圧指令値Vd*、Vq*を受けて、回転子基準位置と回転位置検出装置の原点との位相差である位相補正量を算出し(動作の詳細は後述)、位相演算器4の出力に位相補正量を加算するものであり、次の部分を備えている。即ち、Vq*から回転子基準位置に関する位相補正量初期値θiniを算出する位相補正量初期値演算器12。 Vd*とゼロとの偏差に比例積分ゲインを掛けて比例積分位相補正量θpiを求める比例積分位相補正量演算器13。 位相補正量初期値演算器12の出力θiniと比例積分位相補正量演算器13の出力θpiを加算して位相補正量を出力する位相補正量初期値加算器14。 位相演算器4の出力と位相補正量初期値加算器14の出力である位相補正量とを合算する位相補正量加算器15である。
また、電動機1には図示しない界磁巻線を励磁する界磁巻線駆動部16を備えている。
位相補正量演算器11を除くその他の部分の構成は特許文献1に開示された公知のベクトル制御と同じである。
電動機1の回転子位置が回転位置検出装置3と位相演算器4で計算される。
電動機1の3相電流を検出する電流検出器5の出力と位相演算器4の出力とから3相2相変換器6によってidおよびiqが算出される。
トルク指令T*が電流指令発生器7に入力されると、電動機1が発生するトルクをトルク指令値T*と一致させるようなid*およびiq*が出力される。
id*とidの偏差およびiq*とiqの偏差から、これらの偏差を減少させるように電流制御演算器8にてVd*およびVq*が算出される。
さらに、Vd*およびVq*は2相3相変換器9によって、上記位相演算器4の出力である回転子位置情報に基づき、3相電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*に座標変換される。この3相電圧指令値に基づき、インバータ10が出力を制御し、電動機1が制御される。このようにして電動機1のベクトル制御が行われる。
このような補正を行うための原点オフセット量算出方法について図2のフローチャートにより説明する。
(ステップS001)で回転位置補正指令A*が入力されると、(ステップS002)で電動機1が回転中であれば、(ステップS003)でトルク指令T*を無視して電流指令発生器7の出力であるid*, iq*をそれぞれ強制的にゼロにする(第1手順という)。強制的にゼロにする回路は図示しないが、電流指令発生器7の内部に含まれている。
フローチャートには示さないが、回転子に磁束を発生させるために界磁巻線駆動部16により界磁巻線を励磁し、id*=iq*=0にもとづき、id=iq=0となるように電流制御演算器8が自動的にVd*, Vq*を演算して出力する(第2手順という)。
(ステップS004)でVq*>0ならば、(ステップS005)で位相補正量初期値演算器12がVq*から位相補正量初期値θiniを求める(第5手順という)。
(ステップS006)でVd*とゼロとの偏差に、比例積分位相補正量演算器13が比例積分ゲインを掛けて(即ち、比例積分であるということは入力がゼロでない限り出力は時間と共に増大する)出力し、この値を用いて制御されるので、この間図4に示すように位相角は走査される。やがて収束して変化が止まった時点で比例積分位相補正量θpiを求める。
(ステップS007)で加算器14が位相補正量初期値θiniと上記比例積分位相補正量θpiを加算して位相補正量θを求める(第6手順という)。
(ステップS008)でVd*,id,iqが所定の範囲内であることを確認して(ステップS007)で求めたθを有効として記憶する(第3手順という)。
加算器15が位相演算器4の出力に位相補正量θを加算する(第4手順という)。
後に説明するが第5手順と第6手順とは省いても良い。
原点オフセット量の算出はVd*がゼロでない時に行う。
(ステップS004)ではVq*が正の場合、位相補正量初期値θiniは0°とし、Vq*が負の場合は位相補正量初期値θiniを180°とする。
図3より位相補正量初期値θiniから原点オフセット量を走査することで、走査範囲を回転位置検出装置と電動機の回転子の原点オフセット量から−90°〜+90°とすることができる。
Vd*とゼロとの偏差に比例積分ゲインを掛けて比例積分位相補正量θpiを算出し、上記位相補正量初期値θiniと比例積分位相補正量θpiを加算して位相補正量θを求める。
位相演算器4の出力に上記位相補正量θを加算し、3相2相変換器および2相3相変換器に入力する。
この原点オフセット量θを図示しない記憶手段に記憶し、電動機の以後の運転に使用する。
(ステップS008)でVd*、id,iqの各値が予め定めた無視できる範囲に入らなかったときは、ノイズの混入など何らかの理由で正確な原点オフセットを求めることができなかったと考えられるので、再び(ステップS006)に戻って各ステップを繰り返す(ステップS013)。そしてVd*、id,iqの各値が予め定めた無視できる範囲に入ったところで繰り返しを終了する。ただし、繰り返し回数が予め定めた所定の回数を超えても結果が収斂しないときは(ステップS014)、図4の(ステップS025)に移って検出異常を知らせるための警報を発信する。
上記に説明した各演算ステップはソフトウェアによって実現されているため、このソフトウェアを僅かに変更するだけで回転位置ずれの補正を行うことができる。
以上で原点オフセットの算出はできたわけであるが、より精度を高めるために、更に図3のフローチャートに示す次の手順をとってもよい。
実施の形態1で説明したVd*がゼロになった時のθOffsetを求めて、これを図示しないバッファに積算する(ステップS009)。これをn回実施する(ステップS010)。そしてn回の結果を加算し、nで除算して平均値を求める(ステップS020)。この平均値を記憶する(ステップS021)。その後、位相補正指令A*をオフにして通常の電動機のベクトル制御へ戻る。このとき図示しない記憶装置に求めた平均のθOffsetを記憶し、通常の運転時にはこの記憶値を用いて原点を補正する。
この場合、Vd*とゼロとの偏差の比例積分演算によりVd*がゼロとなる原点オフセット量θOffsetの平均値を算出することになるため、従来の技術に記載のVd*の瞬時値判定方法に比べ高調波やノイズの影響を受けにくく、精度を向上させることができる。
さらに、次のようにすることでより精度を高めることができる。即ち、3相電流検出器に検出誤差がある場合、実際の電流値がゼロであっても検出誤差量が出力されるので、これを3相2相変換器6にて座標変換した電流検出値id,iqは周期的に変動する値となる。
したがって、上記id,iqをゼロに補正すべく制御を行っても電圧指令値Vd*,Vq*もゼロにならず周期的に変動する値となるが、実施の形態2のように平均値を算出してやることで上記id,iqの平均値がゼロとなり、電流検出器の検出誤差をキャンセルした状態で回転子基準位置と回転位置検出装置の原点との位相差を補正できるという効果も得られる。
大きな回転変動などがあった場合でも、同様に上記座標変換後の検出電流id,iqや上記電圧指令値Vd*,Vq*が変動する。この場合も、変動幅が所定の範囲に収まることを確認することで正しく位相差を検出することができる。
実施の形態1ではd/q軸ベクトル制御による回転位置検出装置の原点オフセット量を算出する例を示した。実施の形態2では、d軸成分磁束とq軸成分磁束のベクトル和を総磁束Φaとし、総磁束成分をγ軸、総磁束成分に直交した成分をδ軸として、この2軸で総磁束制御軸と成し、上記総磁束制御軸上にて電動機を制御する方式において、回転位置検出装置の原点オフセット量を算出する方法(以下、総磁束制御での原点オフセット量算出方法という)について説明する。
図5に総磁束制御する電動機制御装置のブロック図を示す。
図5は直流駆動電源電圧から電機子電圧指令値を演算し、所望の電機子電圧指令値と電機子電圧が一致するような総磁束指令値Φa*を演算する総磁束指令値演算器17と、
総磁束指令値Φa*とd軸電流から総磁束Φaの成す角である負荷角ηaを演算する負荷角演算器18と、
総磁束指令値演算器17より出力された総磁束指令値Φa*に等しい総磁束を発生するための界磁電流指令値を演算する界磁電流指令演算器19を備えている。これ以外の部分は実施の形態1の図1と同じなので詳細な説明を省略する。
電流指令発生器7より算出されたδ軸電流指令値と、δ軸に流れるδ軸電流およびγ軸電流がゼロと一致するようなδ電圧指令値Vδ*およびγ軸電圧指令値Vγ*を演算し、
さらにこの電圧指令値Vγ*,Vδ*は2相3相変換器によって、上記回転子位置と負荷角ηaに基づき、3相電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*に変換される。
このようにして電動機の総磁束制御が行われている電動機の制御装置において、
上記γδ軸における電圧方程式は次式で表される。
Vγ=ωΦasinα (13)
Vδ=Riδ+ωΦacosα (14)
上記総磁束制御軸上において総磁束Φaとd軸の成す角を次式で表される負荷角ηaとすると、ηaは次式で表される。
また、実施の形態1および2では、原点オフセット量を算出するために比例積分演算器を用いたが、比例演算器や比例積分微分演算器を用いても同等の効果がある。さらに、巻線界磁式の電動機の例を示したが、永久磁石界磁式の電動機でも同様の効果がある。
4 位相演算器、 5 電流検出器、 6 3相2相変換器、
7 電流指令発生器、 8 電流制御演算器、 9 2相3相変換器、
10 インバータ、 11 位相補正量演算器、
12 位相補正量初期値演算器、 13 比例積分位相補正量演算器、
14 位相補正量初期値加算器、 15 位相補正量加算器、
16 界磁駆動部、 17 総磁束指令値演算器、 18 負荷角演算器、
19 界磁電流指令値演算器。
Claims (10)
- 3相同期電動機の3相電流を検出する電流検出器と、
前記3相同期電動機の回転位置を検出する回転位置検出装置と、
前記3相電流を前記回転位置にもとづき磁束成分と前記磁束成分に直交する直交成分とに座標変換する3相2相変換器と、
外部から与えられた電流指令値を前記磁束成分の電流指令値と、前記直交成分の電流指令値とに分離する電流指令発生器と、
前記電流指令発生器の各成分の指令値に、前記磁束成分の電流値と、前記直交成分の電流値とが一致するように前記各成分の電圧指令値を演算する電流制御演算器と、
前記各成分の電圧指令値を3相電圧指令値に座標変換する2相3相変換器と、
前記2相3相変換器の出力にもとづき前記3相同期電動機に加える電圧を出力するインバータとを有する電動機制御装置に、
前記各成分の電流指令値を強制的にゼロとする第1手順、
前記電流指令値がゼロとなったとき、前記磁束成分電圧指令値とゼロとの偏差に予め定めた比例積分ゲインを掛けることにより前記磁束成分電圧指令値がゼロとなるように前記回転位置検出装置の出力に加算するオフセットを制御する第2手順、
前記磁束成分電圧指令値がゼロとなったときの、前記オフセットを前記回転子基準位置と前記回転位置検出装置の原点との位相差とし、これを原点オフセット量として記憶する第3手順、
前記回転位置検出装置の出力に前記原点オフセット量を加算する第4手順を含ませたことを特徴とする電動機の回転位置検出装置の原点オフセット量算出方法。 - 前記磁束に直交する成分の電圧指令値より位相補正量初期値を求める第5手順、
前記位相補正量初期値を前記回転位置検出装置の出力に加算する第6手順を含むことを特徴とする請求項1に記載の電動機の回転位置検出装置の原点オフセット量算出方法。 - 請求項1または2に記載の回転位置検出装置の原点オフセット量の算出方法を複数回行う手順、
複数回求めた位相補正量を平均化して原点オフセット量平均値を求める手順、
前記原点オフセット量平均値を記憶する手順を含むことを特徴とする電動機の回転位置検出装置の原点オフセット量算出方法。 - 前記各成分の電流指令値を強制的にゼロとする手順の後、前記各成分の電流値が予め定めた所定のレベル以下であることを確認した後、前記磁束成分電圧指令値とゼロとの偏差に予め定めた比例積分ゲインを掛けることにより前記磁束成分電圧指令値がゼロとなるように前記回転位置検出装置の出力に加算するオフセットを制御する手順を実施することを特徴とする請求項3に記載の電動機の回転位置検出装置の原点オフセット量算出方法。
- 前記各成分の電流指令値を強制的にゼロとする手順の後、前記磁束成分電圧指令値が予め定めた所定の範囲内にあることを確認した後、前記磁束成分電圧指令値とゼロとの偏差に予め定めた比例積分ゲインを掛けることにより前記磁束成分電圧指令値がゼロとなるように前記回転位置検出装置の出力に加算するオフセットを制御する手順を実施することを特徴とする請求項3に記載の電動機の回転位置検出装置の原点オフセット量算出方法。
- 前記成分の電流値又は電圧指令値が前記所定範囲に収まらなかった時、再度位相補正量の算出処理を行うことを特徴とする請求項4または5に記載の電動機の回転位置検出装置の原点オフセット量算出方法。
- 前記再度行う原点オフセット量の算出が、あらかじめ定めた所定回数以上となったとき、
警報または警報信号を発する警報手順を含むことを特徴とする請求項6に記載の電動機の回転位置検出装置の原点オフセット量算出方法。 - 前記各成分の電流指令値を強制的にゼロとする手順により開始される前記原点オフセット量算出方法は、外部から指令される位相補正指令信号にもとづいて開始されることを特徴とするとする請求項1〜3のいずれか一項に記載の電動機の回転位置検出装置の原点オフセット量算出方法。
- 3相同期電動機の3相電流を検出する電流検出器、
前記3相同期電動機の回転位置を検出する回転位置検出装置、
前記3相電流を前記回転位置にもとづき磁束成分と前記磁束成分に直交する直交成分とに座標変換する3相2相変換器、
外部から与えられた電流指令値を前記磁束成分の電流指令値と、前記直交成分の電流指令値とに分離する電流指令発生器、
前記電流指令発生器の前記各成分の指令値に、前記各成分の電流値が、一致するように前記各成分の電圧指令値を演算する電流制御演算器、
前記各成分の電圧指令値を3相電圧指令値に座標変換する2相3相変換器、
前記2相3相変換器の出力にもとづき前記3相同期電動機に加える電圧を出力するインバータ、
前記制御状態に於いて、前記制御座標系各成分の電流指令値を強制的にゼロとするゼロ入力回路、
前記電流指令値がゼロとなったとき、前記磁束成分電圧指令値とゼロとの偏差に予め定めた比例積分ゲインを掛けることにより前記磁束成分電圧指令値がゼロとなるように前記回転位置検出装置の出力に加算するオフセットを制御する比例積分位相補正量演算器、
前記磁束成分電圧指令値がゼロとなったときの前記回転子基準位置と前記回転位置検出装置の原点との位相補正量を求め、これを原点オフセット量として記憶する記憶回路、
前記回転位置検出装置の出力に前記原点オフセット量を加算する補正回路を備えたことを特徴とする電動機制御装置。 - 直流駆動電源電圧から電機子電圧指令値を演算し、この電機子電圧を得るための総磁束指令値を出力する総磁束指令値演算器、
前記総磁束指令値と前記磁束成分に直交する成分(δ)の電流指令値とにもとづいて負荷角ηaを演算する負荷角演算器、
前記総磁束指令値と前記負荷角とにもとづいて前記3相同期電動機の界磁巻線電流を制御する界磁電流指令演算器を備えたことを特徴とする請求項9に記載の電動機制御装置。
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