JP2008167566A - 永久磁石モータの高応答制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は、モータの電気時定数（抵抗値とインダクタンス値との比率）が小さなモータから、大きなモータまで、加減速運転中の軸誤差を零に抑制し、高効率運転を実現することが課題である。
また、安価な電流検出を行うシステムにいいても、共通に適用可能な「永久磁石モータの高応答制御装置」を提供することが課題である。
【解決手段】
本発明は、電流検出値の代わりに、電流指令値を用いて、軸誤差の推定演算を行う。
また、速度指令値に基づいて、軸誤差の指令値を作成し、「軸誤差の指令値」と「軸誤差の推定値」との偏差を用いて、周波数推定値を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石モータの位置センサレスベクトル制御方式に係わる。

位置センサレスベクトル制御方式の軸誤差推定の技術としては、特開２００１−251889号公報記載のように、ベクトル制御の出力である電圧指令値と電流検出値および速度指令値を用いて、軸誤差の推定演算を行い、この演算値を用いて、周波数の推定演算を行っている。また、軸誤差の指令値は基本的には「零」設定であるなどの制御方法が記述されている。

特開２００１−２５１８８９号公報

特開２００１−２５１８８９号公報公報記載の方法は、モータの電気時定数（インダクタンス値と抵抗値との比率）がある程度小さなモータ、つまり小型から中型容量のモータについては高応答，高安定な制御運転を実現することができるが、電気時定数が比較的大きなモータに適用すると、周波数推定演算の応答が制限されてしまう。

速度指令値を急激に変化させると、加減速運転中に大きな軸誤差が発生して、過大な電流が発生し、運転効率が劣化する課題があった。

本発明の目的は、モータの電気時定数が大きなモータの場合でも、加減速運転中の軸誤差を零に抑制し、高効率運転を実現できる永久磁石モータの高応答制御装置を提供することにある。

電流検出値の代わりに、電流指令値を用いて、軸誤差の推定演算を行う。

また、速度指令値に基づき、軸誤差の指令値を作成し、「軸誤差の指令値」と「軸誤差の推定値」との偏差を用いて、周波数推定値を制御することを特徴とする。

本発明は、モータの電気時定数（抵抗値とインダクタンス値との比率）が小さなモータから、大きなモータまで、加減速運転中の軸誤差を零に抑制し、高効率運転を実現することができる。

以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。

＜第１の実施例＞
図１は、本発明の一実施例である「永久磁石モータの制御装置」の構成例を示す。

永久磁石モータ１は、永久磁石の磁束によるトルク成分と電機子巻線のインダクタンスによるトルク成分を合成したモータトルクを出力する。

電力変換器２は、３相交流の電圧指令値Ｖｕ^*，Ｖｖ^*，Ｖｗ^* に比例した電圧を出力し、永久磁石モータ１の出力電圧と回転数を可変する。

直流電源２１は、電力変換器２に直流電圧を供給する。

電流検出器３は、永久磁石モータ１の３相の交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検出する。

座標変換部４は、前記３相の交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの検出値Ｉｕｃ,Ｉｖｃ,Ｉｗｃと位相推定値θｃ^*からｄ軸およびｑ軸の電流検出値Ｉｄｃ，Ｉｑｃを出力する。

軸誤差推定部５は、電圧指令値Ｖｄｃ^*，Ｖｑｃ^*，周波数推定値ω_1c,電流指令値Ｉｄ^*，Ｉｑ^* のローパスフィルタ出力値Ｉｄ^* _td，Ｉｑ^* _tdおよびモータ定数に基づいて、位相推定値θｃ^* とモータの位相値θとの偏差である軸誤差の推定演算を行い、推定値Δθｃを出力する。

周波数推定部６は、「零」である軸誤差の指令値Δθｃ^* と軸誤差の推定値Δθｃとの偏差から周波数推定値ω_1cを出力する。

位相推定部７は、周波数推定値ω_1cを積分して、座標変換部４,１３に位相推定値θｃ^*を出力する。

速度制御演算部８は、速度指令値ω_r ^*と周波数推定値ω_1cとの偏差から、ｑ軸の電流指令値Ｉｑ^*を出力する。

ｄ軸電流設定部９は、ｄ軸の電流指令値Ｉｄ^*を出力する。

ｑ軸の電流制御演算部１０は、第１のｑ軸の電流指令値Ｉｑ^* と電流検出値Ｉｑｃとの偏差から第２のｑ軸電流指令値Ｉｑ^**を出力する。

ｄ軸の電流制御演算部１１は、第１のｄ軸の電流指令値Ｉｄ^* と電流検出値Ｉｄｃとの偏差から第２のｄ軸電流指令値Ｉｄ^**を出力する。

ベクトル制御演算部１２は、永久磁石モータ１の電気定数と第２の電流指令値Ｉｄ^**，Ｉｑ^**および周波数推定値ω_1cに基づいて、ｄ軸およびｑ軸の電圧指令値Ｖｄｃ^*，
Ｖｑｃ^*を出力する。

座標変換部１３は、電圧指令値Ｖｄｃ^*，Ｖｄｃ^*と位相推定値θｃ^* から３相交流の電圧指令値Ｖｕ^*，Ｖｖ^*，Ｖｗ^*を出力する。

ローパスフィルタ１４は、ｄ軸およびｑ軸の電流指令値Ｉｄ^*，Ｉｑ^*を入力し、軸誤差推定部５に用いる電流指令値Ｉｄ^* _td，Ｉｑ^* _tdを出力する。

最初に、電圧と位相の基本的な制御方法について述べる。

電圧制御の基本動作は、ｄ軸およびｑ軸の電流制御演算部１０および１１において、上位から与えられる第１の電流指令値Ｉｄ^*，Ｉｑ^*と電流検出値Ｉｄｃ，Ｉｑｃを用いて、ベクトル制御演算に用いる中間的な第２の電流指令値Ｉｄ^**，Ｉｑ^**を演算する。

ベクトル制御演算部１２では、第２の電流指令値Ｉｄ^**，Ｉｑ^**と周波数推定値ω_1cおよびモータ定数の設定値を用いて、（数１）に示す電圧指令値Ｖｄｃ^*，Ｖｑｃ^*を演算し、インバータの３相の電圧指令値Ｖｕ^*，Ｖｖ^*，Ｖｖ^*を制御する。

ここに、
Ｒ ：抵抗値
Ｌｄ ：ｄ軸インダクタンス値、 Ｌｑ：ｑ軸インダクタンス値
Ｋｅ ：誘起電圧係数 ＊：設定値
一方、位相制御の基本動作については、軸誤差推定部５において、電圧指令値Ｖｄｃ^*，Ｖｑｃ^*と電流指令値Ｉｄ^*，Ｉｑ^*のローパスフィルタ出力値Ｉｄ^* _td，Ｉｑ^* _td と周波数推定値ω_1cおよびモータ定数の設定値を用いて、位相推定値θｃ^* とモータ位相値θの偏差である軸誤差値Δθ（＝θｃ^*−θ）の推定演算を（数２）により行う。

また、周波数推定部６では、軸誤差の推定値Δθｃが「零」となるように、（数３）に示す演算により、周波数推定値ω_1cを制御する。

ここに、Ｋｐ：比例ゲイン、Ｋｉ：積分ゲイン
比例ゲインＫｐ，積分ゲインＫｉは、（数４）のように設定している。

ここで、Ｎ：周波数推定部６の比例・積分ゲインの折れ点比［倍］
Ｆ_PLL ：周波数推定部６の制御応答周波数［Ｈｚ］
位相推定部７では、周波数推定値ω_1cを用いて、数（５）に示す演算で、位相推定値
θｃ^*を制御する。

以上が、従来における電圧制御と位相制御の基本動作である。

ここからは、本発明の特徴である「軸誤差推定部５に電流指令値Ｉｄ^*，Ｉｑ^*を用いた効果」について説明を行う。

最初に、従来方式である「電流検出値Ｉｄｃ，Ｉｑｃを用いた場合」の制御特性について述べる。

図２に、周波数推定部６に設定する「制御応答周波数Ｆ_PLL が低い場合の運転特性」を示す。

低速度ａ点から最高速度ｂ点まで加速Ａ区間において、軸誤差の推定値Δθｃは、
−５０deg発生し、モータ電流Ｉ₁が８Ａとなっていることがわかる。

一方、図３には、「制御応答周波数Ｆ_PLLを高くした場合の運転特性」を示す。

Ａ区間においての推定値Δθｃは、−２０degと小さくなり、その結果、モータ電流Ｉ₁が８Ａから４.５Ａ に減少している様子がわかる。

しかし、最高回転数のＢ領域において、演算値Δθｃが定常的に−５０deg 発生しており、モータ速度ω_rに脈動が発生している。

この振動が「騒音」や「過電流による運転停止」に至る問題がある。

この結果から、周波数推定部６に設定する制御応答周波数Ｆ_PLL が低い場合は、大きな軸誤差が発生して、モータ電流Ｉ₁は大きくなり、モータ効率は低下する。

一方、Ｆ_PLL が高い場合には、軸誤差は抑制される方向であるが、不安定になる場合がある。

そこで、Ｆ_PLL を高く設定した場合に発生した「推定値Δθｃ不安定の原因」について説明する。

位相推定値θｃ^*とモータの位相値θの偏差である軸誤差Δθ（＝θｃ^*−θ）が存在する場合、制御側（ｄｃ−ｑｃ）からモータ軸（ｄ−ｑ）への変換行列は、（数６）となり、

ここで、ｄ軸およびｑ軸の電圧値Ｖｄ，Ｖｑは、（数７）で示すことができる。

（数７）より、ｄ軸の電圧値Ｖｄには、ｑ軸の電圧指令値Ｖｑｃ^* の情報が入っていることがわかる。

この電圧値Ｖｄの変動により、ｄ軸電流Ｉｄ⇒ｑ軸電圧Ｖｑ⇒ｑ軸電流Ｉｑが変動する。軸誤差推定部５では、この電流検出値Ｉｄｃ，Ｉｑｃを用いた演算を行っているため、軸誤差の推定値Δθｃに関係する一巡の不安定ループが発生してしまう。

ここで、「軸誤差の指令値Δθｃ^* 」から「軸誤差の推定値Δθｃ」までの、一巡伝達関数ＧΔθ（ｓ）を求めると、

ここに、ω_r：モータ速度の平均値
（数８）において、モータ速度ω_r を最高回転数として、図２，図３の特性で設定した制御応答周波数Ｆ_PLLを、（数８）に代入した周波数特性を図４に示す。

図２に設定した特性を実線で、図３に設定した特性を破線で示す。

図４の特性を見ると、位相特性がｃ点の−１８０［deg］のとき、
図２に設定した特性（波線）は、０［ｄＢ］（＝１）以下で「安定」、
図３に設定した特性（実線）は、０［ｄＢ］（＝１）以上で「不安定」
であることがわかる。

つまり、電流検出値Ｉｄｃ，Ｉｑｃを用いて周波数推定を行うと、Ｆ_PLL を高くした場合に、軸誤差の推定値Δθｃは不安定となってしまう。

そこで、軸誤差の推定値Δθｃの安定化図るため、電流指令値を用いて、周波数推定を行う。

ここでは、電流検出値Ｉｄｃ，Ｉｑｃの代わりに、電流指令値Ｉｄ^*，Ｉｑ^*を用いて、
（数９）に示す一次遅れ信号Ｉｄ^* _td，Ｉｑ^* _tdを演算により求めている。

ここに、Ｔａｃｒ：電流制御応答の遅れ時間
軸誤差推定部５では、推定値Δθｃの演算を、前述の（数３）のように行う。

ローパスフィルタ１５の出力信号Ｉｄ^* _td，Ｉｑ^* _tdを用いて、軸誤差推定を行った場合の特性を図５に示す（図３に用いたＦ_PLLと同じ値を設定）。

電流検出値Ｉｄｃ，Ｉｑｃを用いると不安定であったが、ローパスフィルタ１５の出力信号Ｉｄ^* _td，Ｉｑ^* _tdを用いた場合は、Ｂ領域においても、安定に動作している様子がわかる。

尚、本実施例では、軸誤差推定部５に、ローパスフィルタ１４の出力信号を用いているが、速度制御演算部８やｄ軸電流指令発生部９の制御ゲインが低く、それらの出力信号であるＩｄ^*，Ｉｑ^*の動きが緩慢であれば、Ｉｄ^* _td，Ｉｑ^* _tdの代わりに、Ｉｄ^*，Ｉｑ^*を直接用いて、Δθｃの推定演算を行って良い。

＜第２の実施例＞
第１の実施例では、軸誤差の指令値Δθｃ^* は零設定で、電流指令値のローパスフィルタ出力値Ｉｄ^* _td，Ｉｑ^* _tdを用いて軸誤差推定を行い、加減速中における軸誤差を低減させる方式であったが、本実施例では、速度指令値ω_r ^*から軸誤差の指令値Δθｃ^* を作成して、更なる軸誤差の低減を行う方式である。

図６に、この実施例を示す。

図において、１〜１４，２１は、図１のものと同一物である。

軸誤差指令演算部１５は、速度指令ω_r ^*を用いて、軸誤差の指令値Δθｃ^* を出力する。

本発明の特徴となる「軸誤差指令演算部１５」についての原理説明を行う。

最初に、軸誤差指令演算部１５を設けない場合（Δθｃ^* ＝０）の、加減速区間に発生する軸誤差Δθ（＝推定値Δθｃ）の大きさについて説明する。

周波数推定部６では、（数３）に示すように、軸誤差の推定値Δθｃを用いて、周波数推定値ω_1cの推定演算を行う。

一方、モータ速度の変化分Δω_r と、モータトルクと負荷トルクとの差分トルクΔτの関係は、（数１０）となる。

ここに、Ｐｍ：モータの極対数［極］、Ｊモータ＋機械の合成イナーシャ値［Kgm²］
ここで、（数３）＝（数１０）と置いて、数（４）を代入し、推定値Δθｃについて整理すると、（数１１）を得る。

推定値Δθｃの大きさが、周波数推定部６の比例・積分ゲインの折れ点比Ｎと制御応答周波数Ｆ_PLL に関係していることがわかる。

ここで、ω_r ^*＝ω_rと置いて、（数１０）を微分すると、（数１２）を得る。

そこで、（数１２）を（数１１）に代入し、推定値Δθｃをキャンセルする(打ち消す)ような、（数１３）に示す「軸誤差の指令値Δθｃ^*」を作成する。

この指令値Δθｃ^* に、推定値Δθｃが一致するように周波数の推定制御を行うようにする。

「軸誤差の指令値Δθｃ^*」を導入した場合の特性を図７に示す（図３に用いたＦ_PLLを設定）。

Ａ区間で演算された破線で示す「軸誤差の指令値Δθｃ^* 」は、図５のΔθｃをキャンセルするように、「正」極性で２０［deg］の大きさであることがわかる。

このとき、推定値Δθｃ（実際の軸誤差Δθも同じ大きさである）は、Ａ区間においても「零」となり、モータ電流Ｉ₁ は４Ａまで減少しているおり、高効率な運転を実現できている様子がわかる。

尚、本実施例では、軸誤差の指令値Δθｃ^*を（数１３）により算出しているが、（数１４）に示すような近似的な演算を行っても、軸誤差の低減を実現することができる。

ここまでは、第１，２の実施例において、第１の電流指令値Ｉｄ^*，Ｉｑ^*と電流検出値Ｉｄｃ，Ｉｑｃから、第２の電流指令値Ｉｄ^**，Ｉｑ^**を作成して、この電流指令値を用いてベクトル制御演算を行ったが、
１）第１の電流指令値Ｉｄ^*，Ｉｑ^*に電流検出値Ｉｄｃ，Ｉｑｃから、
電圧補正値ΔＶｄ^*，ΔＶｑ^*を作成して、この電圧補正値と、第１の電流指令値Ｉｄ^*，Ｉｑ^*，周波数推定値ω_1c，永久磁石モータ１の電気定数を用いて、
（数１５）に従い電圧指令値Ｖｄｃ^*，Ｖｑｃ^*を演算するベクトル制御演算方式や、
２）第１のｄ軸の電流指令Ｉｄ^* （＝０）およびｑ軸の電流検出値Ｉｑｃの一次遅れ信号Ｉｑｃｔｄおよび速度指令値ω_r ^*、モータ１の電気定数を用いて、（数１６）に従い電圧指令値Ｖｄｃ^*，Ｖｑｃ^*を演算する制御演算方式にも適用することはできる。

また、第１，２の実施例では、高価な電流検出器３で検出した３相の交流電流Ｉｕ〜
Ｉｗを検出する方式であったが、電力変換器２の過電流検出用に取り付けているワンシャント抵抗に流れる直流電流から、３相のモータ電流Ｉｕ＾，Ｉｖ＾，Ｉｗ＾を再現し、この再現電流値を用いる「低コストなシステム」にも対応することができる。

以上のように、本発明は、モータの電気時定数（抵抗値とインダクタンス値との比率）が小さなモータから、大きなモータまで、加減速運転中の軸誤差を零に抑制し、高効率運転を実現することができる。

また、安価な電流検出を行うシステムにいいても、共通に適用可能な「永久磁石モータの高応答制御装置」を提供できる。

本発明の一実施例を示す永久磁石モータの高応答制御装置の構成図。 周波数推定部６に設定する制御応答周波数Ｆ_PLLが低い場合の運転特性。 周波数推定部６に設定する制御応答周波数Ｆ_PLLが高いい場合の運転特性。 軸誤差の指令値Δθｃ^*から軸誤差の推定値Δθｃまでの周波数特性。 本発明の一実施例を用いた場合の運転特性。 本発明の他の実施例を示す永久磁石モータの高応答制御装置の構成図。 本発明の一実施例を用いた場合の運転特性。

符号の説明

１ 永久磁石モータ
２ 電力変換器
３ 電流検出器
４，１３ 座標変換部
５ 軸誤差推定部
６ 周波数推定部
７ 位相推定部
８ 速度制御演算部
９ ｄ軸電流指令設定部
１０ ｑ軸電流制御演算部
１１ ｄ軸電流制御制御部
１２ ベクトル制御演算部
１４ ローパスフィルタ
１５ 軸誤差指令演算部
Ｉｄ^* 第１のｄ軸電流指令値
Ｉｄ^** 第２のｄ軸電流指令値
Ｉｑ^* 第１のｑ軸電流指令値
Ｉｑ^** 第２のｑ軸電流指令値
Ｖｄｃ^* ｄ軸の電圧指令値
Ｖｑｃ^* ｑ軸の電圧指令値
Ｉｄｃ ｄ軸の電流検出値
Ｉｑｃ ｑ軸の電流検出値
θｃ^* 位相推定値
θｃ モータの位相値
Δθ 軸誤差
Δθｃ 軸誤差の推定値
Δθｃ^* 軸誤差の指令値、
ω_r モータ速度
ω_1c 周波数推定値

Claims (6)

1. 永久磁石モータを駆動する電力変換器の出力周波数と出力電圧を制御する電流制御機能を持つベクトル制御演算と、
   周波数推定値を積分して求めた位相推定値と永久磁石モータの位相値との偏差である軸誤差を推定する軸誤差推定演算および、
   該軸誤差の推定値が、軸誤差の指令値に一致するように、周波数を制御する周波数推定演算を行う制御装置において、
   軸誤差推定演算では、
   ベクトル制御の電圧指令値および電流指令値と、
   モータ定数および周波数推定値あるい速度指令値を用いて、
   軸誤差の推定演算を行うことを特徴とする
   永久磁石モータの制御装置。
2. 永久磁石モータを駆動する電力変換器の出力周波数と出力電圧を制御する電流制御機能を持つベクトル制御演算と、
   周波数推定値を積分して求めた位相推定値と永久磁石モータの位相値との偏差である軸誤差を推定する軸誤差推定演算および、
   該軸誤差の推定値が、軸誤差の指令値に一致るように、周波数を制御する周波数推定演算を行う制御装置において、
   軸誤差推定演算では、
   ベクトル制御の電圧指令値および電流指令値のローパスフィルタ出力値と、
   モータ定数および周波数推定値あるいは速度指令値を用いて、
   軸誤差の推定演算を行うことを特徴とする
   永久磁石モータの制御装置。
3. 請求項２の制御装置において、
   電流指令値のローパスフィルタ出力値の作成は、
   電流制御に設定する制御応答周波数あるいは制御ゲインに基づいた一次遅れ信号であることを特徴とする
   永久磁石モータの制御装置。
4. 永久磁石モータを駆動する電力変換器の出力周波数と出力電圧を制御する、
   電流制御機能を持つベクトル制御演算と、
   周波数推定値を積分して求めた位相推定値と永久磁石モータの位相値との偏差である軸誤差を推定する軸誤差推定演算および、
   該軸誤差の推定値が軸誤差の指令値に一致るように、周波数を制御する周波数推定演算を行う制御装置において、
   軸誤差の指令値の作成は、
   速度指令値に基づくことを特徴とする
   永久磁石モータの制御装置。
5. 永久磁石モータを駆動する電力変換器の出力周波数と出力電圧を制御する、
   電流制御機能を持つベクトル制御演算と、
   周波数推定値を積分して求めた位相推定値と永久磁石モータの位相値との偏差である軸誤差を推定する軸誤差推定演算および、
   該軸誤差の推定値が軸誤差の指令値に一致るように、周波数を制御する周波数推定演算を行う制御装置において、
   軸誤差の指令値の作成は、
   速度指令値の微分演算を行い、
   該演算値のローパスフィルタ出力値に基づくことを特徴とする
   永久磁石モータの制御装置。
6. 軸誤差指令値のローパスフィルタ出力値のクレーム
   請求項５の制御装置において、
   速度指令値の微分演算値のローパスフィルタ出力値の作成は、周波数推定に設定する制御応答周波数あるいは制御ゲインに基づいた一次遅れ信号であることを特徴とする
   永久磁石モータの制御装置。

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