JP2006109589A - 同期電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁極位置推定誤差が軽減できる同期電動機の制御装置を提供する。
【解決手段】 磁極位置推定器８´は従来の同期電動機の制御装置と同じく高周波インピーダンスZdmとZqmの偏差がゼロとなる磁極位置を第１の磁極推定位置theta_estとして出力する。磁極位置補正器２０はtheta_estを入力され、予め求めておいた誤差補正テーブルに従ってtheta_estに対応する誤差補正値theta_compを出力する。加算器２１は磁極位置補正器から出力された誤差補正値theta_compと磁極位置推定器から出力された第１の磁極位置推定値theta_estとを加算し、第2の磁極位置推定値theta_est2として出力する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気的突極性を持つ電動機の制御装置に関する。

同期電動機を駆動するためには、回転子の磁極位置をセンサー又はセンサレスにより検出して適切な電流制御を行なう必要があるが、コスト、信頼性の観点からセンサーを必要としないセンサレス方式による磁極位置検出が有利であるため、センサレス方式に関して数多くの研究がなされている。

特にゼロ速状態においても磁極推定可能な方法として、駆動周波数とは異なる高周波数の電流又は電圧を重畳し、回転子構造の突極性に基づいて回転子の磁極位置を推定する方法がある（例えば特許文献１参照）。このような従来の同期電動機の制御方式の一例を図４に示す。図４において、１は高周波発生器、２はPWMインバータ回路、３は同期電動機、４は電流制御器、５は座標変換器、８´は磁極位置推定ブロック（又は、オブザーバー）、９はα-β変換器、１０はｄ-ｑ変換器、１１はローパスフィルタ、１３、１４は減算器、１５は加算器である。

図４において、同期電動機の電機子電流Iu、Iwがα-β変換器９に入力されα軸電流i_alphaとβ軸電流i_betaが出力される。ｄ-ｑ変換器１０は、I_alphaとI_betaを推定磁極位置theta_estを用いてｄ-ｑ変換し、ｄ軸電流idとｑ軸電流iqを出力する。ローパスフィルタLPF１１は高周波発生器１により重畳された高周波電圧と同じ周波数成分を除去した電流id_lpfとiq_lpfを出力する。減算器１３はiq_lpfとiq指令iq_refとの偏差iq_errを出力する。減算器１４はid_lpfとid指令id_refとの偏差id_errを出力する。電流制御器４は入力されたid_errとiq_errがゼロとなるような電圧指令Vd_refとVq_refを生成して出力することにより電流制御を実行する。高周波発生器１は駆動周波数とは異なる高周波電圧Vinjを発生する。加算器１５は電圧指令Vd_refと高周波電圧Vinjとを加算しVd_ref2を出力する。座標変換器５は推定磁極位置theta_estを用いて、高周波電圧を重畳された電圧指令Vd_ref2とVq_refを２−３相座標変換しPWMインバータ回路２へ指令する。PWMインバータ回路２は座標変換器５の指令に基づいて同期電動機３の制御を行なう。

図５は図４に示す磁極位置推定ブロックのブロック図であり、減算器１２は推定磁極位置theta_estから45度（π／４ラジアン)減算した値を出力する。
ｄ-ｑ変換器７はα軸電流I_alpahとβ軸電流I_betaを減算器１２から出力された位相を用いてｄ-ｑ変換した値idmとiqmを出力する。バンドパスフィルタBPF１９はidmとiqmからは高周波発生器１により重畳された高周波電圧と同じ周波数成分を抽出し、idm_bpfとiqm_bpfを出力する。BPF19の出力idm_bpfとiqm_bpfと高周波電圧Vinjが高周波インピーダンス推定器６に入力され、高周波インピーダンス推定器６は推定磁極軸から電気角で45度進んだ点と遅れた点の2点で高周波インピーダンスZdmとZqmを推定する。磁極位置推定器８は高周波インピーダンスZdmとZqmが等しくなるような磁極位置theta_estを推定する。

磁極位置推定器８は減算器１６と乗算器１７と積分器１８から構成されている。減算器１６は高周波インピーダンスZqmからZdmを減算した値を出力する。乗算器１７は減算器１６の出力にゲイン(Kp+Ki/s)を乗算したものを出力する。ここでKpは比例ゲイン、Kiは積分ゲインである。積分器１８は乗算器１７の出力を積分し推定磁極theta_estとして出力する。

このように、従来の装置は磁極推定を行い、同期電動機の制御を行なうのである。
特開2000-102300号公報

しかしながら、上記の従来の装置構成により実際に磁極位置推定を行なってみると、真の磁極位置に対して周期的な誤差が存在するという問題があることを本願発明者は知見した（図２を参照）。また、推定速度は磁極位相を微分して得られるためこのような推定誤差リップルがあると、推定速度にもリップルとして現れるという問題がある。
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、磁極推定誤差を軽減することができる装置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、インバータ回路からの交流電力により電気的突極性を有する永久磁石形同期電動機を可変速制御する制御装置において、同期電動機に供給される少なくとも2相分のステータ電流をα-β座標変換するα-β変換器と、α-β変換器から出力されたα軸電流とβ軸電流をｄ-ｑ変換するｄ-ｑ変換器と、ｄ-ｑ変換器から出力されたｄ軸電流とｑ軸電流のそれぞれの電流指令値との偏差をゼロにするように電流制御を実施する電流制御器と、電流制御器から出力されたｄ軸電圧指令に高周波電圧を重畳する高周波発生器と、前記高周波発生器により高周波電圧を重畳されたｄ軸電圧指令とｑ軸電圧指令とを２−３相変換する座標変換器と、座標変換器からの出力指令に基づいて同期電動機の制御を行なうPWMインバータ回路と、前記α-β変換器から出力されたα軸電流とβ軸電流を推定磁極軸から電気角４５度の位置に座標変換する座標変換器と、前記高周波発生器により重畳した周波数と同じ周波数成分を前記座標変換器の出力電流から抽出する高周波抽出器と、前記高周波抽出器により抽出された電流と前記高周波電圧に基づいて前記推定磁極軸から電気角４５度進んだ点と遅れた点の２点でそれぞれ高周波インピーダンスを測定し、二点間でのインピーダンス偏差を推定する高周波インピーダンス推定器と、前記二つの高周波インピーダンス間の偏差がゼロとなるような磁極位置を第１の磁極位置として推定する磁極位置推定器と、を備えた同期電動機の制御装置において、
前記磁極位置推定器から出力された第１の推定磁極位置に対応する推定誤差を補正する磁極位置補正器と、前記磁極位置推定器から出力された推定磁極位置と前記磁極位置補正器から出力された誤差補正値とを加算して第２の磁極位置として出力する加算器と、を備え、 磁極位置補正器は予め求められた誤差補正テーブルに従って磁極位置推定値に対応する位相推定誤差補正値を出力する手段を備えたことを特徴としている。

以下図３を説明しながら本発明の原理について説明する。
図３は回転子磁極位値と推定誤差との関係を表している。横軸は実測磁極位値、縦軸は推定磁極位値と実測した磁極位相との推定誤差である。実はこの推定誤差は電気角度に３６０度毎に周期性を有しており、再現性も在るという特徴を持っている。従って、予め実位相と推定位相との偏差を求めておきテーブル化しておき、このテーブル化された補正値を推定位相に加えることで推定磁極位値と真の磁極位置との誤差を低減することが出来るのである。

本発明によれば、推定磁極位置と真の磁極位置との誤差を低減することができる。

以下、本発明の実施の形態について図１を参照して説明する。

図１は、本発明の同期電動機の制御装置のブロック線図である。図１において、１は高周波発生器、２はPWMインバータ回路、３は同期電動機、４は電流制御器、５は座標変換器、８´は磁極位置推定ブロック、９はα-β変換器、１０はｄ-ｑ変換器、１１はローパスフィルタ、１３、１４は減算器、１５は加算器、２０は磁極位置補正器、２１は加算器である。
なお、図１において従来の技術である図４、５中の同一名称には同一の符号を付け、重複する説明は省略する。

本発明は、従来の同期電動機の制御装置に対して、予め求めておいたテーブルに従って推定磁極位相に対応する補正値を出力する磁極位置補正器２０と、推定磁極位置と補正値とを加算し第２の推定磁極位相として出力する加算器２１とを新たに設けたものである。

図１の磁極位置推定ブロック８´は、図５に示した従来の同期電動機の場合と同じ回路を使用し、高周波インピーダンスZdmとZqmの偏差がゼロとなる磁極位置を第１の磁極推定位置theta_estとして出力するもので、制御軸ｄ軸を挟んで４５度ずれた所のインピーダンス観測軸であるｄｍ、ｑｍ軸における高周波インピーダンスを推定すると、制御軸と実際の磁束軸が一致していれば、Ｚｄｍ＝Ｚｑｍ、となるはずである。従って、ＺｄｍとＺｑｍが一致するように制御軸を調整すれば、軸ずれ角は補正できる。

具体的には、図５に示すように、ｄ−ｑ変換器７によりｄ軸を挟む４５度ずれた観測軸電流ｉｄｍ、ｉｑｍを求め、ＢＰＦ１９を通して重畳高周波成分のみを抽出してｉｄｍ−ｂｐｆ、ｉｑｍ−ｂｐｆを抽出する。次に、高周波インピーダンス推定器６により、ｄｍ軸の電圧振幅｜ｖｉｎｊ｜を高周波電流の振幅で除算して｜Ｚｄｍ｜、同様にｑｍ軸のインピーダンス｜Ｚｑｍ｜を推定する。推定したインピーダンスを磁極位置推定器８により、比較して、ＺｄｍがＺｑｍより小さい時は制御軸の位相を進ませるように、ＰＩ調整器１７により調整を行い、出力を積分器１８により積分して位相角ｔｈｅｔｅ＿ｅｓｔを求める。

このように求めたｔｈｅｔｅ＿ｅｓｔには周期的（例えば、図３のように３６０度周期）誤差やリップルを含むことが今回発見されたので、実用上、これを取り除く作業が必要になる。
図１のように、磁極位置補正器２０はtheta_estを入力して、予め求めておいた誤差補正テーブルに従ってtheta_estに対応する誤差補正値theta_compを出力する。加算器２１は磁極位置補正器から出力された誤差補正値theta_compと磁極位置推定器８から出力された第１の磁極位置推定値theta_estとを加算し、第2の磁極位置推定値theta_est2として出力する。
誤差補正テーブルについては、図２のように推定磁極位置と実測磁極位置には偏差（誤差）が生じ、その誤差値は図３に示すように、磁極位相毎に０〜４度の間の各値をとる。 これを誤差補正テーブルに作成して保持し、補正を行う。

このように磁極位相推定誤差を軽減することが出来、誤差を補正された第２の磁極位置推定値を用いて制御をおこなえば、より高性能の制御を行なう事が出来る。

本発明を適用することによって位相推定精度を向上することができるので、センサレスでのインバータ制御装置という用途にも適用できる。

本発明の実施例を示す同期電動機の制御装置のブロック図である。 図１に示す同期電動機の制御装置の磁極位置推定誤差の説明図である。 図１に示す磁極位置補正器の誤差補正テーブルの説明図である。 従来の同期電動機の制御装置のブロック図である。 図４に示す磁極位置推定ブロックのブロック図である。

符号の説明

１ 高周波発生器
２ PWMインバータ回路
３ 同期電動機
４ 電流制御器
５ 座標変換器
６ 高周波インピーダンス推定器
８ 磁極位置推定器
９ α-β変換器
１０ ｄ-ｑ変換器
１１ ローパスフィルタ（LPF）
１２、１３、１４、１６ 減算器
１５、２１ 加算器
１７ 乗算器
１８ 積分器
１９ バンドパスフィルタ（BPF）
２０ 磁極位置補正器

Claims (1)

1. インバータ回路からの交流電力により電気的突極性を有する永久磁石形同期電動機を可変速制御する制御装置において、同期電動機に供給される少なくとも２相分のステータ電流をα-β座標変換するα-β変換器と、α-β変換器から出力されたα軸電流とβ軸電流をｄ-ｑ変換するｄ-ｑ変換器と、ｄ-ｑ変換器から出力されたｄ軸電流とｑ軸電流のそれぞれの電流指令値との偏差をゼロにするように電流制御を実施する電流制御器と、電流制御器から出力されたｄ軸電圧指令に高周波電圧を重畳する高周波発生器と、前記高周波発生器により高周波電圧を重畳されたｄ軸電圧指令とｑ軸電圧指令とを２−３相変換する座標変換器と、座標変換器からの出力指令に基づいて同期電動機の制御を行なうＰＷＭインバータ回路と、前記α-β変換器から出力されたα軸電流とβ軸電流を推定磁極軸から電気角４５度の位置にｄ-ｑ変換するｄ-ｑ変換器と、前記高周波発生器により重畳した周波数と同じ周波数成分をｄ-ｑ変換器の出力電流から抽出する高周波抽出器と、前記高周波抽出器により抽出された電流と前記高周波電圧に基づいて推定磁極軸から電気角４５度進んだ点と遅れた点の２点でそれぞれ高周波インピーダンスを測定し、二点間でのインピーダンス偏差を推定する高周波インピーダンス推定器と、前記二つの高周波インピーダンス間の偏差がゼロとなるような磁極位置を第１の磁極位置として推定する磁極位置推定器と、を備えた同期電動機の制御装置において、
   前記磁極位置推定器から出力された第１の推定磁極位置に対応する推定誤差を補正する磁極位置補正器と、前記磁極位置推定器から出力された第１の推定磁極位置と前記磁極位置補正器から出力された誤差補正値とを加算して第２の磁極位置として出力する加算器と、
   を備え、
   磁極位置補正器は予め求められた誤差補正テーブルに従って磁極位置推定値に対応する推定誤差補正値を出力する
   ことを特徴とする同期電動機の制御装置。

Images