JP2008118740A - 永久磁石界磁同期電動機制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 誘起電圧定数の変化による推定精度の悪化を防ぎ、推定角速度および推定位置の応答遅れを最小とした永久磁石界磁同期電動機制御装置を提供する。
【解決手段】 δ軸電流制御部（８０２）と、γ軸電流制御部（８０３）と、ベクトル制御部（８０４）と、インバータ部（８０５）と、座標変換部（８０７）と、γ−δ軸電流・誘起電圧推定部（８０８）と、を備える永久磁石型界磁同期電動機制御装置において、前記δ軸推定誘起電圧を同期電動機の誘起電圧定数で除算した第１推定角速度と、前記γ軸推定誘起電圧と前記δ軸推定誘起電圧の乗算値を前記γ軸推定誘起電圧と前記δ軸推定誘起電圧の二乗和平方根で除算した位相誤差をゼロ制御して得られる第２推定角速度と、を用いて推定角速度を算出する角速度導出部（８０９）と、前記推定角速度を積分して前記γ―δ軸推定位置を生成する位置推定部（８１０）と、
を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、位置検出器、速度検出器を持たない永久磁石界磁同期電動機のセンサレス制御装置に関する。

特許文献１に開示された従来の同期電動機のセンサレス制御装置を図９に示す。図９において、９０１は速度制御部、９０２、９０３はγ―δ軸電流制御部、９０４はベクトル制御部、９０５はインバータ部、９０６は同期電動機、９０７は相変換器、９０８はγ−δ軸電流・誘起電圧推定部、９０９は角速度導出部、９０１はずれ角導出部、９１１はγ―δ軸位置補正部、９１２はγ―δ軸電流補正部、９１３はδ軸電流補正部である。γ−δ軸電流・誘起電圧推定部９０８は、γ―δ軸電流Ｉ_γ、Ｉ_δとγ−δ軸電圧指令Ｖ_γ、Ｖ_δに基づいてγ―δ軸推定電流とγ―δ軸推定誘起電圧を生成する。角速度導出部９０９はγ−δ軸推定誘起電圧から推定角速度を生成する。ずれ角導出部９１０はγ軸推定誘起電圧と推定角速度からｄ−ｑ軸とγ―δ軸のずれ角を導出する。γ―δ軸位置補正部９１１は、ずれ角でγ−δ軸位置を補正しで新たにγ―δ軸位置を生成する。この従来例の角速度の導出方法は、ε_γｅｓｔとε_δｅｓｔの二乗和平方根を磁束で除算すして推定角速度を導出するというものである。γ―δ軸位置の推定は、ε_γｅｓｔに任意のゲインを乗算したものを先に推定した角速度に加算し、角度誤差分を補正し、推定角速度を積分する。さらに異なる方法として非特許文献１に開示された従来例を図７に示す。、誘起電圧ε_γｅｓｔとε_δｅｓｔからｔａｎ^−１を計算して角度誤差を求め、その角度誤差がゼロとなるように比例積分制御し、制御器出力を推定角速度とする。
図６は特許文献１に開示された従来例の動作を示すブロック図である。図において、６０１は誘起電圧の振幅演算器であり、６０２はε_δｅｓｔの符号判別器であり、６０４は誘起電圧定数の逆数に関する係数であり、６０１で演算された誘起電圧の振幅値に誘起電圧定数の逆数に関する係数を乗算して角速度を推定する。６０２の符号判別の結果を６０５の乗算器で乗算して角速度の符号が決定される。また、ε_γｅｓｔに６０３のゲインを乗算したものを先に推定した角速度に６０６の加算器にて加算し、角度誤差分を補正するようにしている。推定された角速度は７の積分器にて積分して、位置を推定するのである。これに対して、図７は非特許文献１に開示された従来例の動作を示すブロック図である。図では、７０１の角度誤差推定器にて誘起電圧ε_γｅｓｔとε_δｅｓｔからｔａｎ^−１にて角度誤差を演算し、その結果を７０２の比例制御器と７０３の積分制御器による比例積分制御により角速度を推定するようにしている。
このように、従来の永久磁石界磁同期電動機のセンサレス制御装置装置は、ε_γｅｓｔとε_δｅｓｔから求まる誘起電圧振幅値、あるいは角度誤差のみに基づいて角速度と位置を推定するのである。
特許第３７９７５０８号公報（第６頁、数式５−８） 平成１４年電気学会産業応用部門大会Ｎｏ．１４８「速度起電力を利用したＩＰＭＳＭの速度・位置センサレス制御法の特性比較」２００２年８月２１日、ｐ．５７９−５８２

従来の永久磁石界磁同期電動機のセンサレス制御装置装置では、誘起電圧振幅に基づく推定角速度および推定位置は、誘起電圧定数を推定演算に用いるため、誘起電圧定数が変化して設定値と一致しない場合、推定精度が悪化する問題がある。また、角度誤差に基づく推定角速度および推定位置は、例えば比例積分要素を含む制御器を用いて推定するため、ε_γｅｓｔとε_δｅｓｔの推定処理時間に角速度と位置速度の推定処理時間が加わるため推定応答が遅れるという問題があった。また、従来例に紹介した誘起電圧振幅に基づく角速度および位置推定に加え、ε_γｅｓｔに任意のゲインを乗算して角度誤差を補正する方法は、誘起電圧振幅値に基づく推定と角度誤差に基づく推定の利点の併用効果を期待したものであるが、ε_γｅｓｔ自体が誘起電圧定数の変化に影響を受けるため最適な手法となっていない。
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、誘起電圧定数の変化による推定精度の悪化を防ぎ、推定角速度および推定位置の応答遅れを最小とした永久磁石界磁同期電動機制御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、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、δ軸電流指令とδ軸推定電流に基づいてδ軸電圧指令を生成するδ軸電流制御部と、γ軸電流指令とγ軸推定電流に基づいてγ軸電圧指令を生成するγ軸電流制御部と、前記δ軸電圧指令と前記γ軸電圧指令より電圧振幅指令と電圧位相指令を生成するベクトル制御部と、前記電圧振幅指令と前記電圧位相指令より永久磁石界磁同期電動機に３相電流を供給するインバータ部と、前記３相電流をγ−δ軸電流に変換する座標変換部と、前記γ−δ軸電流と前記γ軸電圧指令とδ軸電圧指令とγ―δ軸推定位置よりγ―δ推定電流とγ―δ推定誘起電圧を推定するγ−δ軸電流・誘起電圧推定部と、を備える永久磁石界磁同期電動機制御装置において、前記δ軸推定誘起電圧を同期電動機の誘起電圧定数で除算した第１推定角速度と、前記γ軸推定誘起電圧と前記δ軸推定誘起電圧の乗算値を前記γ軸推定誘起電圧と前記δ軸推定誘起電圧の二乗和平方根で除算した位相誤差をゼロ制御して得られる第２推定角速度と、を用いて推定角速度を算出する角速度導出部と、前記推定角速度を積分して前記γ―δ軸推定位置を生成する位置推定部と、を備えることを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の永久磁石界磁同期電動機制御装置において、前記位置推定部は、前記推定角速度を積分して第１推定位置を生成する積分部と、前記位相誤差から第２推定位置を生成する角度誤差調整部と、第１推定位置と第２推定位置を加算して推定位置を生成する加算部と、を備えることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項２記載の永久磁石界磁同期電動機制御装置において、前記位置推定部は、前記第２推定位置を所定のカットオフ周波数のローパスフィルタを通して新たな第２推定位置を生成することを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項３記載の永久磁石界磁同期電動機制御装置において、前記位置推定部は、第２推定位置を積分して新たな第２推定位置を生成することを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、請求項１記載の永久磁石界磁同期電動機制御装置において、速度指令と前記推定角速度から前記δ軸電流指令を生成する速度制御部を備えることを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明は、請求項１記載の永久磁石界磁同期電動機制御装置において、位置指令と前記推定位置から速度指令を生成し、前記速度指令と前記推定角速度から前記δ軸電流指令を生成する速度制御部と、を備えることを特徴とするものである。

請求項１に記載の発明によると、誘起電圧定数の変化による推定精度の悪化を防止することができ、角速度の推定応答を速くした永久磁石界磁同期電動機制御装置を提供できる。
請求項２に記載の発明によると、誘起電圧定数の変化による推定精度の悪化を防止することができ、角速度および位置の推定応答を速くした永久磁石界磁同期電動機制御装置を提供できる。
請求項３に記載の発明によると、誘起電圧定数の変化による推定精度の悪化を防止することができ、角速度の推定応答を速くすることができ、位置の推定応答を調整しながら速くした永久磁石界磁同期電動機制御装置を提供できる。
請求項４に記載の発明によると、誘起電圧定数の変化による推定精度の悪化を防止することができ、角速度の推定応答を速くすることができ、さらに位置の推定応答も角度誤差調整にともなうリプル成分を除去しながら、速くした永久磁石界磁同期電動機制御装置を提供できる。
請求項５に記載の発明によると、誘起電圧定数の変化による推定精度の悪化を防止することができ、角速度の推定応答を速くすることができる速度制御型の永久磁石界磁同期電動機制御装置を提供できる。
請求項６に記載の発明によると、誘起電圧定数の変化による推定精度の悪化を防止することができ、角速度の推定応答を速くすることができる位置制御型の永久磁石界磁同期電動機制御装置を提供できる。

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８は本発明の永久磁石界磁同期電動機制御装置の構成を示すブロック図である。図８は速度制御型の例で、８０１は速度制御部、８０２はδ軸電流制御部、８０３はγ軸電流制御部、８０４はベクトル制御部、８０５はインバータ、８０６は永久磁石界磁同期電動機、８０７は座標変換器、８０８はγ−δ軸電流・誘起電圧推定部、８０９は角速度導出部、８１０は位置推定部である。速度制御部８０１は速度指令と推定角速度からδ軸電流指令を生成する。δ軸電流制御部８０２はδ軸電流指令とδ軸推定電流からδ軸電圧指令を生成し、γ軸電流制御部８０３はγ軸電流指令とγ軸推定電流からγ軸電圧指令を生成する。ベクトル制御部８０４はγ軸電圧指令とδ軸電圧指令と推定位置から電圧振幅指令と電圧位相指令を生成する。インバータ８０５は電圧振幅指令と電圧位相指令と推定位置から３相電圧指令を生成し、さらにＰＷＭ信号に変換し、電力変換を行って永久磁石界磁同期電動機を駆動する。相変換器８０７は３相電流と推定位置からγ軸電流とδ軸推流を生成する。γ−δ軸電流・誘起電圧推定部９０８は、γ―δ軸電流Ｉ_γ、Ｉ_δとγ−δ軸電圧指令Ｖ_γ、Ｖ_δに基づいてγ―δ軸推定電流とγ―δ軸推定誘起電圧を生成する。角速度導出部９０９はγ−δ軸推定誘起電圧から推定角速度を生成する。位置指令と推定位置から速度指令を生成する位置制御部を追加すれば位置制御型になる。
図１は、本発明の永久磁石界磁同期電動機の制御装置の角速度と位置を推定する制御ブロック図である。図において、ε_δｅｓｔを４の誘起電圧定数の逆数と乗算し、その結果を第１推定角速度としている。また、角度誤差推定器１は、ε_γｅｓｔとε_δｅｓｔの乗算値をε_γｅｓｔの２乗値にε_δｅｓｔの２乗値を加算した値の平方根で除算し、その結果を比例制御器２と積分制御器３による比例積分制御により第２推定角速度を生成する。第１推定角速度と第２推定角速度を加算器６で加算し、推定角速度とする。推定位置は推定角速度を積分して生成する。
本発明が従来技術と異なる部分は、ε_δｅｓｔを誘起電圧定数の逆数と乗算して第１推定角速度を生成し、ｔａｎ^−１演算を用いずにε_γｅｓｔとε_δｅｓｔから演算した角度誤差をゼロに制御して第２推定角速度を生成し、第１推定角速度と第２推定角速度を加算して角速度を生成することである。つぎに本発明の導出過程を説明する。導出において、式（１）の永久磁石界磁電動機のモデル式を用いた。

ここで、Ｒｓは１次抵抗、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、ωは回転子角速度、φ_ｍａｇは誘起電圧定数、θ_ｅｒｒはγ−δ座標軸と実際の磁極軸（ｄ−ｑ座標軸）との角度誤差である。図５に座標軸の定義を示す。
右辺第３項は誘起電圧に関する項であり、誘起電圧を式（２）のように定義する。

式（１）、式（２）より電流と誘起電圧を推定する電流・誘起電圧推定器は、式（３）のように構成することができる。

ここで、Ｋは推定器のフィードバックゲイン行列であり、添字の「ｅｓｔ」は推定値を示している。電流・誘起電圧推定器は実装するにあたり、離散値系に展開し、式（４）の形で実装する。

式（４）で時間（ｋ＋１）Ｔｓ秒時の電流推定値Ｉ_γｅｓｔ（ｋ＋１）、Ｉ_δｅｓｔ（ｋ＋１）、誘起電圧推定値ε_γｅｓｔ（ｋ＋１）とε_δｅｓｔ（ｋ＋１）を求め、その結果を用いて角速度と位置を推定している。図１は説明を容易にするために連続系で表しているが実装時には離散値系へ展開している。図１において、誘起電圧振幅値に基づく、第１の角速度推定値ω_１（ｋ＋１）は、式（５）で推定する。

電流・誘起電圧推定器は１サンプル先である（ｋ＋１）Ｔｓ秒時の値を推定するため、ここでの遅れ時間はない。しかしながら、誘起電圧定数φ_ｍａｇが設定値より変化した場合、推定精度は悪化することになる。そこで、推定精度が悪化した場合の補正手段として、角度誤差に基づく第２の角速度推定値ω_２（ｋ＋１）が必要となる。まず角度誤差θ_ｅｒｒ（ｋ＋１）を式（６）で推定する。

式（６）の演算では、式（２）のωφ_ｍａｇの値が分母分子でキャンセルされるため、誘起電圧定数の影響がないことがわかる。また、デジタル演算において多くの演算ステップを有するｔａｎ^−１の計算が不要のため、制御演算量を削減できる。従来例に引用した非特許文献１では演算に使用しているε_γｅｓｔとε_δｅｓｔが純粋な誘起電圧ではなく、拡張誘起電圧あり、その振幅にｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスの偏差で生じる固定子磁束の変化分を含んでいる。固定子電流が変化する場合、拡張誘起電圧の振幅も変化するため瞬時に振幅変化を除去し、角度誤差を求めることができるｔａｎ^−１の計算を必要としたのである。
つぎに（６）でえられた角度誤差推定値をゼロにするように比例積分制御を実施し、その制御出力を第２の角速度推定値としている。

ここでは、比例積分制御（ＰＩ制御）を実施したが、微分項を加えたＰＩＤ制御やその他ＩＰ制御なども有効である。
式（５）、式（７）で推定された第１推定角速度と第２推定角速度とを加算して推定角速度を求める。

また、推定角速度を積分して、推定位置を生成する。

このように本発明によると、第１推定角速度は応答遅れなく生成され、誘起電圧定数の変化による角度誤差を第２推定角速度により補正することにより、従来の課題を解決できる。

図２は第２実施例の構成を示す図である。第１の実施例に加え１の角度誤差推定器でえられる推定角度誤差に基づいて２０８の角度誤差調整器においてγ軸とｄ軸との角度誤差調整値を決め、その結果を用いて２０９の加算器にて式（９）でえられる位置推定値を調整する。角度誤差調整器を例えばＫ３を１に設定した場合、すなわち１００％に設定した場合、第２推定角速度の角度誤差を補正する機能が低下するが、そのかわり位置推定応答は速くなる。したがって、Ｋ３の調整は、負荷が急変した場合などでシステムをすばやく安定化したい場合などに値を１に近づけ、負荷が安定している場合は値を０に近づけるなどの調整を実施する。これにより角速度推定応答と独立して、位置推定応答を調整することができるようになる。

図３は第３実施例の構成を示す図である。これは第２の実施例をより実用化するために３０８の角度誤差調整器に３１０のローパスフィルタを付加したものである。３０８の角度誤差調整器で補正される角度誤差は遅れがないため、ときには補正値が過大でγ軸がｄ軸より進んでしまうことがある。γ軸がｄ軸を追い越した場合、制御は不安定となり電動機が脱調する危険もあるため、調整応答を調整するためにローパスフィルタを付加したのである。

図４は第４実施例の構成を示す図である。第３実施例に、角度誤差調整にともなうリプル成分を除去するために４１２の微分器、４１１の積分器を付加したものである。式（１０）のように角度誤差推定器１でえられる推定角度誤差を微分する。

微分結果Δθ_ｅｒｒは、誤差角度があっても一定の場合ゼロとなる。したがって、γ軸とｄ軸がある一定の角度誤差で制御が安定している場合は不用意に調整しないようにする。微分結果にもとづき、角度誤差調整器４０８で調整量を決め、ローパスフィルタ４１０を通す。ローパスフィルタ４１０は角度誤差が激しく急変した場合に調整量を制限する役目がある。ローパスフィルタ４１０の出力を積分することによって角度誤差調整値の次元をもとの角度へもどしている。

このように実施例１では誘起電圧定数の変化による推定精度の悪化を防止することができ、角速度の推定応答を速くすることができる。また、実施例２では、誘起電圧定数の変化による推定精度の悪化を防止することができ、角速度および位置の推定応答を速くすることができる。また、実施例３では、角速度の推定応答と位置の推定応答を調整しながら速くすることができる。また、実施例４では、角速度の推定応答を速くすることができ、さらに位置の推定応答も角度誤差調整にともなうリプル成分を除去しながら、速くすることができる。

本発明の第１実施例を示す制御ブロック図 本発明の第２実施例を示す制御ブロック図 本発明の第３実施例を示す制御ブロック図 本発明の第４実施例を示す制御ブロック図 座標軸の定義を示す説明図 従来の誘起電圧振幅値にもとづく角速度および位置推定の制御ブロック図 従来の角度誤差にもとづく角速度および位置推定の制御ブロック図 本発明の永久磁石界磁同期電動機制御装置の構成を示すブロック図 従来の永久磁石界磁同期電動機制御装置の構成を示すブロック図

符号の説明

１ 角度誤差推定器
２ 比例制御器
３ 積分制御器
４ 誘起電圧定数の逆数
５、６、３０９、４０９ 加算器
７、４１１ 積分器
２０８、３０８、４０８ 角度誤差調整器
４１２ 微分器
３１０、４１０ ローパスフィルタ
８０１ 速度制御部
８０２ δ軸電流制御部
８０３ γ軸電流制御部
８０４ ベクトル制御部
８０５ インバータ
８０６ 永久磁石界磁同期電動機
８０７ 座標変換器
８０８ γ−δ軸電流・誘起電圧推定部
８０９ 角速度導出部
８１０ 位置推定部

Claims (6)

1. δ軸電流指令とδ軸推定電流に基づいてδ軸電圧指令を生成するδ軸電流制御部と、γ軸電流指令とγ軸推定電流に基づいてγ軸電圧指令を生成するγ軸電流制御部と、前記δ軸電圧指令と前記γ軸電圧指令より電圧振幅指令と電圧位相指令を生成するベクトル制御部と、前記電圧振幅指令と前記電圧位相指令より永久磁石界磁同期電動機に３相電流を供給するインバータ部と、前記３相電流をγ−δ軸電流に変換する座標変換部と、前記γ−δ軸電流と前記γ軸電圧指令とδ軸電圧指令とγ―δ軸推定位置よりγ―δ推定電流とγ―δ推定誘起電圧を推定するγ−δ軸電流・誘起電圧推定部と、を備える永久磁石界磁同期電動機制御装置において、
   前記δ軸推定誘起電圧を同期電動機の誘起電圧定数で除算した第１推定角速度と、前記γ軸推定誘起電圧と前記δ軸推定誘起電圧の乗算値を前記γ軸推定誘起電圧と前記δ軸推定誘起電圧の二乗和平方根で除算した位相誤差をゼロ制御して得られる第２推定角速度と、を用いて推定角速度を算出する角速度導出部と、
   前記推定角速度を積分して前記γ―δ軸推定位置を生成する位置推定部と、
   を備えることを特徴とする永久磁石界磁同期電動機制御装置。
2. 前記位置推定部は、前記推定角速度を積分して第１推定位置を生成する積分部と、前記位相誤差から第２推定位置を生成する角度誤差調整部と、第１推定位置と第２推定位置を加算して推定位置を生成する加算部と、を備えることを特徴とする請求項１記載の永久磁石界磁同期電動機制御装置。
3. 前記位置推定部は、前記第２推定位置を所定のカットオフ周波数のローパスフィルタを通して新たな第２推定位置を生成することを特徴とする請求項２記載の永久磁石界磁同期電動機制御装置。
4. 前記位置推定部は、第２推定位置を積分して新たな第２推定位置を生成することを特徴とする請求項３記載の永久磁石界磁同期電動機制御装置。
5. 速度指令と前記推定角速度から前記δ軸電流指令を生成する速度制御部を備えることを特徴とする請求項１記載の永久磁石界磁同期電動機制御装置。
6. 位置指令と前記推定位置から速度指令を生成し、前記速度指令と前記推定角速度から前記δ軸電流指令を生成する速度制御部と、を備えることを特徴とする請求項１記載の永久磁石界磁同期電動機制御装置。