JP2008017690A - 電動機の速度推定方法および速度推定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単純で、すばやく実行でき、速度センサーを必要としない、ソフトウェアでの電動機速度推定方法を提供する。
【解決手段】空転状態の電動機の回転速度ωを推定する装置および方法に関し、その方法は基準交流電圧Ｖａ、Ｖｂを発生させることによって電動機を制御する可変速駆動装置で実行される。上記方法は、直交２相座標系ｄ、ｑで、電動機の測定対象の磁束電流Ｉｄとトルク電流Ｉｑを測定する工程と、前記座標系ｄ、ｑにおいての測定された磁束電流Ｉｄとトルク電流Ｉｑおよびゼロ基準電流Ｉｄｒｅｆ、Ｉｑｒｅｆに基づいて電流調整をして、前記基準交流電圧 Ｖａ、Ｖｂを決定する工程と、固定の直交２相座標系ａ、ｂで、その成分が前記基準交流電圧 Ｖａ、Ｖｂである電圧ベクトルの回転角度を求めることによって、回転速度ωを算出する工程とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、非同期または同期の電動機の回転速度を推定する方法に関する。この方法は可変速駆動装置内にて実行され、特に空転時間の後に電動機を再制御する際に使用するためのものである。本発明はまた、係る方法を実行する電動機の回転速度を推定する装置および係る速度推定装置を備える可変速駆動装置にも関する。

可変速度で動作するために、電動機は通常、周波数変換型の可変速駆動装置によって制御される。係る可変速駆動装置は外部交流配電網から直流バス電圧を供給する整流器モジュールおよびインバータモジュールを備え、このインバータモジュールは、電動機の各相に対して、直流バス電圧から電動機にパルス幅変調（ＰＷＭすなわちＰｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）で可変電圧を供給するために、電力用半導体素子を備える。

その慣性によってある程度の時間に渡って空転し続けた後、可変速駆動装置によって電動機を再制御したい場合は、予め電動機の実際速度を知る必要がある。例えば、予期せぬ停電、可変速駆動装置の任意の停止、または可変速駆動装置の不具合が起きると、この再制御を行うことになる。速度が正確に推定されていないと、再動作する間に大きな電流が必要とされ、再動作する前に電動機が制動される恐れや、再制御の際に望ましくない速度の変動が起きる恐れがある。可変速駆動装置が速度センサーを有しない場合は、空転状態の電動機の回転速度の推定方法を実行する必要がある。

従来より、この速度推定をするには各種の解決手段がある。ハード面での解決手段としては、電圧測定回路を使用することによって、相間（例えばＵ−ＷまたはＶ−Ｗ）の二つの電圧を測定できる。電動機の回転による残留起電力があるため、各電圧は＋／−６０°の位相差を有する正弦波形であって、その周波数は電動機の電気速度に対応する。したがって、適切な処理回路によって、電動機の回転速度と方向を抽出できる。しかしながら、この解決手段の問題点は電圧測定回路を使用することにあり、可変速駆動装置の最大出力電圧から、低速度での最小電圧まで、広範囲をカバーしなければならない。この電圧回路はコスト増の原因となる。また、この回路は、ケーブルの長さや遮断によって引き起こされる擾乱を回避する必要がある。

また、ソフト面での解決手段としては、電動機に低電圧を供給して、プラス方向の最大周波数からマイナス方向の最大周波数までスキャンする方法がある。スキャンされた周波数が電動機の残留起電力の周波数と等しい時、トルク電流Ｉｑはゼロになり、それによって電動機の速度が得られる。この方法は電圧測定回路を必要としないが、スキャン工程中、電動機にゼロでない電流を流すことになり、電動機をわずかに制動させる恐れがあるという問題点がある。また、電動機の速度が遅くなるかマイナス方向になった場合、周波数のスキャンが終わるまで長時間待たねばならず、推定速度を得るまで数秒間かかるため、この方法は時間がかかり過ぎるという点から利用しにくい。

また、特許文献は、永久磁石型同期電動機（ＰＭＳＭ−Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ）に関し、簡略化された方程式Ｗｍ＝Ｖｑｒｅｆ／Ｋｅを利用した解決手段を記載し、式中、Ｗｍは求める電動機の速度、Ｖｑｒｅｆは電動機の同期速度で回転する座標系ｄ、ｑの電圧のトルク成分、またＫｅは電動機の起電力定数を示す電動機パラメータである。この解決手段は、電動機の各タイプ別の起電力定数の知識が必要になるという問題点がある。ここでは、特に使用者が可変速駆動装置を簡単に操作できるようにするために、このような電動機パラメータの知識を不要にすることが望ましい。また、この簡略化された方程式は、座標系ｄ、ｑが電動機の正確な同期速度とまったく同じ速度で回転する場合においてのみ有効である。
特開２００４−４０８３７号公報

したがって、本発明は、単純で、すばやく実行でき、速度センサーを必要としない、しかも上記の問題点を有しない、ソフトウェアでの電動機速度推定方法を提供する。この方法は、特に運転中に電動機を再制御する際に使用する。

このため、本発明は、基準交流電圧Ｖａ、Ｖｂを発生させることによって電動機を制御する可変速駆動装置で実行する、空転状態の電動機の回転速度ωを推定する方法を記載する。前記方法は、直交２相座標系ｄ，ｑで電動機の測定対象の磁束電流Ｉｄとトルク電流Ｉｑを測定する工程、前記の測定された磁束電流Ｉｄとトルク電流Ｉｑおよびゼロ基準電流Ｉｄｒｅｆ、Ｉｑｒｅｆに基づいて電流調整をして、前記基準交流電圧Ｖａ、Ｖｂを決定する工程、固定直交２相座標系ａ、ｂで、その成分が前記基準交流電圧Ｖａ、Ｖｂである電圧ベクトルの回転角度を求めることによって、推定回転速度ωを算出する工程を含む。上記の算出工程は基準交流電圧Ｖａ、Ｖｂを入力として、回転速度ωを出力とするＰＬＬ回路を使用する。

したがって、前記方法の算出工程では、電動機のパラメータ知識は必要なく、交流電圧Ｖａ、Ｖｂについての周波数と位相差に関する情報のみを使用することで推定回転速度を算出する。

本発明はまた、係る方法を実行するために回転速度ωを推定する装置を記載する。前記装置は、直交２相座標系ｄ、ｑで、電動機の測定対象の磁束電流Ｉｄと測定対象のトルク電流Ｉｑを出力する測定手段、前記座標系ｄ、ｑで測定された磁束電流Ｉｄとトルク電流Ｉｑおよびゼロ基準電流Ｉｄｒｅｆ、Ｉｑｒｅｆに基づいて、前記基準交流電圧Ｖａ、Ｖｂを出力する決定手段、固定直交２相座標系ａ、ｂで、その成分が前記基準交流電圧Ｖａ、Ｖｂである電圧ベクトルの回転角度を求めることによって、回転速度ωを算出する算出手段から構成される。算出手段はＰＬＬ回路部を有する。

好ましくは、上記方法および装置は、非同期電動機および永久磁石型同期電動機に適用する。

一つの態様によれば、測定手段は同期電動機の推定同期速度で回転する座標系ｄ、ｑにおいての測定された磁束電流Ｉｄとトルク電流Ｉｑを出力する。電流調整器部は前記回転座標系ｄ、ｑに対して直流である信号Ｖｄｒｅｆ、Ｖｑｒｅｆを出力し、決定手段は前記直流信号を前記基準交流電圧Ｖａ、Ｖｂに変換する変換部を有する。

非同期電動機に適用する他の態様によれば、測定手段は固定座標系ｄ、ｑにおいての測定された磁束電流Ｉｄとトルク電流Ｉｑを出力する。

本発明はまた、係る電動機の回転速度を推定する装置を備える電動機制御のための可変速駆動装置にも関する。

また別の特徴と利点については、例として図面に示す実施形態を参照する詳細な説明で明らかになる。

図１、２を参照すると、周波数変換型の可変速駆動装置は、電動機Ｍ、Ｍ’の操作を監視、制御するための制御部（図略）を備える。この制御部は、空転状態の電動機の回転速度ωを推定するための装置を有する。図示例では、電動機Ｍ、Ｍ’は公知のように、制御部で制御される可変速駆動装置の電力半導体素子（図略）によって、パルス幅変調（ＰＷＭ）で電動機の三相それぞれに供給される可変電圧Ｖ₁₂₃によって操作される電動機である。

図１では、電動機Ｍは好ましくは永久磁石の同期電動機であって、図２では、電動機Ｍ’は好ましくは非同期電動機である。

例えば、可変速駆動装置の電源カットオフ、可変速駆動装置の任意の制御停止、または可変速駆動装置の何らかの不具合のため、可変速駆動装置の制御部が電動機を制御しなくなることがある。その場合、ある程度の時間に渡って、電動機はその慣性により空転し続ける。この空転中に可変速駆動装置が再び電動機を制御する場合は、制御部は予め電動機速度推定装置によって電動機の実際速度を推定する必要がある。

本発明に記載する推定装置は、電動機の磁束電流Ｉｄとトルク電流Ｉｑの測定手段１７を備える。従来の如く、これらの電流Ｉｄ、Ｉｑは、電動機の三相のうち少なくとも二相で流れる電流Ｉ₁₂₃の測定に基づき、２相直交座標系ｄ、ｑで算出される。

同期電動機Ｍの場合は、座標系ｄ、ｑは電動機Ｍの同期速度で回転する。したがって、測定手段１７の入力として、電動機の推定回転角θ_Eを表す信号１８も必要とする。推定速度は急速に（およそ数ｍｓｅｃ）実際の同期速度に収束するため、電流Ｉｄ、Ｉｑは実質的に直流信号である。

非同期電動機Ｍ’の場合は、座標系ｄ、ｑは回転せずに固定している。したがって、信号１８はゼロとされるので、得られる電流Ｉｄ、Ｉｑは＋／−９０°の位相差を有する交流信号となる。

速度推定装置はさらに決定手段１０を備え、電動機Ｍ、Ｍ′にかかる交流基準電圧Ｖａ、Ｖｂを供給する。この交流基準電圧Ｖａ、Ｖｂは固定の２相直交座標系ａ，ｂで計算される。決定手段１０は電流調整モジュール１１を備える。電流調整モジュール１１（またはＩＤＣモジュール：Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ、直流注入）は、測定手段１７が出力した測定された磁束電流Ｉｄとトルク電流Ｉｑを入力とする。電流調整モジュール１１はまた、座標系ｄ、ｑの二つの成分によるゼロの基準電流、すなわちゼロの基準電流Ｉｄｒｅｆおよびゼロの基準電流Ｉｑｒｅｆを入力とする。出力として、電流調整モジュール１１は、座標系ｄ、ｑの基準信号Ｖｄｒｅｆ、Ｖｑｒｅｆを発生させる。

したがって、電動機の速度を推定するには、可変速駆動装置が空転状態でゼロ電流の注入・調整を行い、電動機を再制御する前に、電動機の運転を妨げることなく、ソフトウェアによって電動機の速度を迅速かつ簡単に推定する。

同期電動機Ｍの場合は、電動機Ｍは速度と比例する起電力を常に有する。ゼロ電流の注入を固定角にて行うと、空転状態の電動機は制動される。このため、基準電流Ｉｄｒｅｆ、基準電流Ｉｑｒｅｆは、電動機の同期速度で回転する座標系ｄ、ｑにおいてゼロになる。座標系ｄ、ｑは回転するので、信号Ｖｄｒｅｆ、Ｖｑｒｅｆは、この座標系において直流信号である。決定手段１０は変換モジュール１２を備え、回転座標系ｄ、ｑでの信号Ｖｄｒｅｆ、Ｖｑｒｅｆを固定座標系ａ、ｂでの交流基準電圧Ｖａ、Ｖｂに変換する。変換モジュール１２はまた、この変換を行うために電動機の推定回転角θ_Eの情報を入力とする。

非同期電動機Ｍ’の場合は、座標系ｄ、ｑは回転しないので、この固定座標系ｄ、ｑでは基準電流Ｉｄｒｅｆ、Ｉｑｒｅｆはゼロで、このため信号Ｖｄｒｅｆ、Ｖｑｒｅｆは交流信号である。そうして変換モジュール１２にゼロの回転角を入力するので、調整器部１１からの交流信号Ｖｄｒｅｆ、Ｖｑｒｅｆはそのまま電動機にかかる交流基準電圧Ｖａ、Ｖｂになる。

したがって、決定手段１０から出力した交流基準電圧Ｖａ、Ｖｂは、互いに＋／−９０°の位相差を有する平均値がゼロである正弦信号である。電圧Ｖａ、Ｖｂ間の位相差は電動機の回転方向を示し、電圧Ｖａ、Ｖｂの周波数は電動機の速度を示す。次に、コンバータ部１５によって三相座標系での三相電圧Ｖ₁₂₃に従来の方法で変換され、その後この電圧Ｖ₁₂₃は可変速駆動装置のインバータモジュールの電力半導体素子によって電動機の各位相に供給される。

そうして速度推定装置は、電動機の回転速度ωの算出手段１３を有する。本発明によれば、算出手段１３は可変速駆動装置の制御部に内蔵され、その入力は交流基準電圧Ｖａ、Ｖｂのみになり、電動機の性能に関するパラメータのような他の情報を使用する必要がない。算出手段は、基準電圧Ｖａ、Ｖｂが交流電圧であるということを利用して、その成分が当該電圧Ｖａ、Ｖｂである電圧Ｖ₁₂₃の回転角θを求める。

図３に詳細に示す好ましい実施形態によれば、算出手段１３はＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ、フェーズロックドループ）回路を使用する。その値が小さい場合、電動機の回転角の推定値θ_Eと電圧Ｖ₁₂₃のベクトル角の値θとの誤差は下記のように表される。
ｓｉｎ（θ−θ_E）＝（Ｖａ×ｃｏｓθ_E−Ｖｂ×ｓｉｎθ_E）／Ｖ_MOD

式中、Ｖ_MODはＶ₁₂₃のモジュラス値（Ｖ_MOD＝ＳＱＲ（Ｖａ２＋Ｖｂ２））であって、Ｖ₁₂₃は電動機にかかる三相電圧のベクトルであり、図４に示すように、その成分は固定座標系ａ、ｂにおいてそれぞれＶａ、Ｖｂである。したがって、ＰＬＬ回路はθ_E値とθ値の誤差を少なくするためのものである。この誤差がゼロに近づくと、得られたθ_E値は電動機の推定回転角度に一致する。

このため、ＰＬＬ回路は（θ−θ_E）を計算してから、ＰＩ（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｉｎｔｅｇｒａｌ、比例積分）制御器で増幅する。次に、このＰＩ制御器の出力はフィルタされてその出力を推定回転速度ωとし、さらに積分ユニット（１／ｓで示す）に入力されて、その出力を推定回転角度θ_Eとする。同期電動機Ｍに適応した装置の場合、回転角度θ_Eは測定手段１７にも、変換モジュール１２にも送信される。

したがって、電動機の速度がいかなる値であっても、本発明は主に信号ωのフィルタ処理によって決定された実質的に一定の時間で、電動機の回転速度を即座に推定できる。

他に考えられる実施形態によれば、算出手段１３は、下記式を使用して電動機の回転角度の推定値θ_Eを直接求めることもできる。

次に、推定回転速度ωを算出値θ_Eの微分によって求める。しかしながら、この実施形態は、特にＶｄｒｅｆ，ＶｑｒｅｆおよびＶａ，Ｖｂの信号雑音を受けやすいため、前記の実施形態に比較してロバストではない。

このように、本発明に記載される空転状態の電動機の回転速度ωを推定する方法は、測定手段１７によって電動機の磁束電流Ｉｄとトルク電流Ｉｑを測定する工程を含む。前記方法はさらに、測定された磁束電流Ｉｄとトルク電流Ｉｑおよびゼロ基準電流Ｉｄｒｅｆ、Ｉｑｒｅｆに基づいてゼロ電流調整を決定手段１０で行うことによる、交流基準電圧Ｖａ、Ｖｂの決定工程を有する。最後に、前記方法は、その成分が固定の２相直交座標系ａ、ｂでの前記交流基準電圧Ｖａ、Ｖｂである電圧ベクトルＶ₁₂₃の回転角度θを算出手段１３によって求めることによる、推定回転速度ωの決定工程を有する。

非同期電動機Ｍ’の場合は、ゼロ電流注入の際、電動機に支障をきたさないよう、この速度推定の工程を開始する前に、電動機が磁束消去されるまで待機することが好ましい。このため、前記方法は、測定工程以前に実行される電動機磁束消去待機工程を有していてもよい。空転工程では、非同期電動機での磁束は、電動機の回転子定数に応じて（４ｋＷの電動機では、約１００ｍｓｅｃ程度）、急激に減少する。本実施形態では、電動機の回転速度推定の実行決定時点と測定工程の開始時点の間で、所定の値を計時するだけでこの待機工程が実行される。

このタイミング値は、全ての非同期電動機を磁束消去するのに十分な値か、好ましくは、電動機の定格電力に応じて待機時間を最適化するために、初期の磁束と電動機の回転子定数を考慮して設定できる。

言うまでもなく、本発明の範囲から逸脱することなく、他の変形や変更または均等手段の使用を想定することができる。

同期電動機Ｍに適用した本発明の第一実施形態のブロック図。 非同期電動機Ｍ’に適用した本発明の第一実施形態のブロック図。 本発明の装置の算出手段の詳細を示す図。 固定座標系ａ、ｂにおいての電圧ベクトルＶ₁₂₃を説明する図。

符号の説明

１０ 決定手段
１２ 変換モジュール
１３ 算出手段
１７ 測定手段
１８ 信号

Claims (10)

1. 空転状態の電動機Ｍ、Ｍ′の回転速度ωを推定する方法であって、前記方法は、交流基準電圧Ｖａ、Ｖｂを発生させることによって電動機を制御する可変速駆動装置において実行され、
   ２相直交座標系ｄ、ｑで、電動機の磁束電流Ｉｄとトルク電流Ｉｑを測定する工程と、
   測定された磁束電流Ｉｄとトルク電流Ｉｑおよびゼロ基準電流Ｉｄｒｅｆ、Ｉｑｒｅｆに基づいて電流調整をすることにより前記交流基準電圧Ｖａ、Ｖｂを決定する工程と、
   交流基準電圧Ｖａ、Ｖｂを入力とし、回転速度ωを出力とするＰＬＬ回路を使用して、その成分が固定の２相直交座標系ａ、ｂにおいての前記交流基準電圧Ｖａ、Ｖｂである電圧ベクトルの回転角度を求めることによって、推定回転速度ωを算出する工程と、
   を含むことを特徴とする速度推定方法。
2. 前記方法は、測定工程以前に実行される電動機の磁束消去を待機する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の速度推定方法。
3. 前記待機する工程は、初期の磁束と電動機の回転子定数に依存する所定の値の遅延時間にあることを特徴とする請求項２に記載の速度推定方法。
4. 前記方法は、電動機Ｍ、Ｍ′を再制御する際に行われることを特徴とする請求項１に記載の速度推定方法。
5. 空転状態の電動機Ｍ、Ｍ′の回転速度ωを推定する装置であって、前記装置は交流基準電圧Ｖａ、Ｖｂを発生させることによって電動機を制御する可変速駆動装置に内蔵され、
   ２相直交座標系ｄ、ｑにおける、電動機の測定対象の磁束電流Ｉｄとトルク電流Ｉｑの測定手段１７と、
   電流調整モジュール１１を有し、前記座標系ｄ、ｑにおいての測定された磁束電流Ｉｄとトルク電流Ｉｑおよびゼロ基準電流Ｉｄｒｅｆ、Ｉｑｒｅｆに基づき、前記交流基準電圧Ｖａ、Ｖｂを出力する決定手段１０と、
   交流基準電圧Ｖａ、Ｖｂを入力として、回転速度ωを出力とするＰＬＬ回路を有し、その成分が固定の２相直交座標系ａ、ｂにおいての前記交流基準電圧Ｖａ、Ｖｂである電圧ベクトルの回転角度を求めることによって、回転速度ωを算出する算出手段１３と、
   を含むことを特徴とする速度推定装置。
6. 前記測定手段１７は電動機Ｍの同期速度で回転する座標系ｄ、ｑにおいての測定された磁束電流Ｉｄとトルク電流Ｉｑを出力することを特徴とする請求項５に記載の速度推定装置。
7. 電流調整モジュール１１は回転座標系ｄ、ｑに対して直流信号Ｖｄｒｅｆ、Ｖｑｒｅｆを出力し、決定手段１０は前記直流信号を前記交流基準電圧Ｖａ、Ｖｂに変換する変換モジュール１２を有することを特徴とする請求項６に記載の速度推定装置。
8. 測定手段１７は固定座標系ｄ、ｑにおいての測定された磁束電流Ｉｄとトルク電流Ｉｑを出力することを特徴とする請求項５に記載の速度推定装置。
9. 前記装置は、電動機Ｍ、Ｍ′を再制御する際に使用されることを特徴とする請求項５に記載の速度推定装置。
10. 請求項５乃至９のいずれかに記載の速度推定装置を備えることを特徴とする電動機Ｍ、Ｍ′を制御するための可変速駆動装置。

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