JP2009273255A - 永久磁石形同期電動機の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】突極性を利用して第1の磁極位置を演算する第1の磁極位置演算手段と、磁気飽和特性を利用して第1の磁極位置から第2の磁極位置を演算する第2の磁極位置演算手段と、第2の磁極位置演算の可否を判定する手段と、第2の磁極位置演算が可能なときに第1の始動手段を選択し、不可能なときに第2の始動手段を選択する選択手段とを備える。第1の始動手段は、第2の磁極位置演算値を用いて電動機を始動する手段を有し、第2の始動手段は、所定の期間、電動機の電流ベクトルの振幅を零でない任意の値に制御して、電流ベクトルに回転子を引き込む磁極位置合わせ手段と、位置合わせ実行後の電流ベクトルの位置を用いて電動機を始動する手段とを有する。
【選択図】図1
Description
ところで、PMSMは、回転子の構造により、表面磁石構造永久磁石形同期電動機(以下、SPMSMともいう)と埋込磁石構造永久磁石形同期電動機(以下、IPMSMともいう)とに大別される。これらのうち、IPMSMにおいては、回転子の突極性と磁気飽和特性とを利用して磁極位置を演算する技術が実用化されている。
具体的には、推定のd軸と平行方向のベクトルである高周波交番電圧を電動機に印加し、このときに推定のq軸方向に流れる高周波電流が零になるようにして磁極位置を演算しており、これにより、零速度を含む低速時における電動機のセンサレス制御を可能にしている。
そこで、N極方向とS極方向とで電動機鉄芯の磁気飽和特性によるインダクタンス値に違いがあることを利用して、回転子のN極とS極とを判別することが考えられる。例えば、前述した非特許文献1では、推定のd軸のプラス方向、及び、推定のd軸のマイナス方向にパルス電圧を印加したときの電流応答を比較してN極方向とS極方向とを判別し、磁極位置を補正している。
また、特許文献2の請求項4では、特許文献1や非特許文献1に示した突極性を利用した磁極位置演算を行いながら、推定のd軸のプラス方向、及び、推定のd軸のマイナス方向に直流電流を通流し、このときの高周波電流からN極方向とS極方向とを判別して磁極位置を補正している。
上記により演算した磁極位置を利用して電動機を運転することで、電動機を安定に始動することができる。
特許文献3の実施例1では、磁極位置の演算が完了後に推定のq軸(同文献ではδ軸)の電流を一定に制御し、所定時間経過後の速度が所定値を超えない場合には、N極とS極との判別に失敗したと判断する。こうして判別の失敗を検出した場合には、推定のd軸(同文献ではγ軸)の初期値を所定の値だけ補正して磁極位置演算を再度実施している。
しかしながら、この従来技術では、N極とS極との判別の失敗を検知するために、電動機を加速する必要があり、始動時に電動機が逆転する恐れや、始動時間が長くなる恐れがある。
回転子の突極性を利用して第1の磁極位置を演算する第1の磁極位置演算手段と、
電動機の磁気飽和特性を利用して第1の磁極位置から第2の磁極位置を演算する第2の磁極位置演算手段と、
第2の磁極位置演算の可否を判定する手段と、
第2の磁極位置演算が可能と判定されたときに、電動機の始動手段として第1の始動手段を選択し、第2の磁極位置演算が不可能と判定されたときに、電動機の始動手段として第2の始動手段を選択する選択手段と、を備え、
第1の始動手段は、第2の磁極位置演算値を用いて電動機を始動する手段を有し、
第2の始動手段は、電動機の電流をベクトルとしてとらえ、所定の期間、電流ベクトルの振幅を零でない任意の値に制御して、電流ベクトルに回転子を引き込む磁極位置合わせ手段と、この磁極位置合わせ手段を実行後の電流ベクトルの位置を用いて電動機を始動する手段と、を有するものである。
これにより、磁気飽和特性を利用した磁極位置演算が困難な場合でも、電動機を確実に始動することができる。
回転子の突極性を利用して第1の磁極位置を演算する第1の磁極位置演算手段と、
電動機の磁気飽和特性を利用して第1の磁極位置から第2の磁極位置を演算する第2の磁極位置演算手段と、
第2の磁極位置演算の可否を判定する手段と、
第2の磁極位置演算が可能と判定されたときに、電動機の始動手段として第1の始動手段を選択し、第2の磁極位置演算が不可能と判定されたときに、電動機の始動手段として第2の始動手段を選択する選択手段と、を備え、
第1の始動手段は、第2の磁極位置演算値を用いて電動機を始動する手段を有し、
第2の始動手段は、電動機の端子電圧をベクトルとしてとらえ、所定の期間、端子電圧ベクトルの振幅を零でない任意の値に制御して、端子電圧ベクトルに回転子を引き込む磁極位置合わせ手段と、この磁極位置合わせ手段を実行後の端子電圧ベクトルの位置を用いて電動機を始動する手段と、を有するものである。
本発明によれば、請求項1の発明における第2の始動手段の構成を簡略化することができる。
回転子の突極性を利用して第1の磁極位置を演算する第1の磁極位置演算手段と、
電動機の磁気飽和特性を利用して第1の磁極位置から第2の磁極位置を演算する第2の磁極位置演算手段と、
第2の磁極位置演算の可否を判定する手段と、
第2の磁極位置演算が可能と判定されたときに、電動機の始動手段として第1の始動手段を選択し、第2の磁極位置演算が不可能と判定されたときに、電動機の始動手段として第2の始動手段を選択する選択手段と、を備え、
第1の始動手段は、第2の磁極位置演算値を用いて電動機を始動する手段を有し、
第2の始動手段は、第1の磁極位置演算値の直交方向を第3の磁極位置演算値として求める手段と、第3の磁極位置演算値を用いて電動機を始動する手段と、を有するものである。
本発明によれば、請求項1の発明における第2の始動手段の特性を改善し、磁極位置合わせに要する時間を短縮することができる。
第2の磁極位置演算手段は、
第1の磁極位置演算値から求めた回転子永久磁石のN極方向に直流電流を通流するプラスd軸通流手段と、
第1の磁極位置演算値から求めた回転子永久磁石のS極方向に直流電流を通流するマイナスd軸通流手段と、
第1の磁極位置演算値と平行方向に交番する高周波電圧を印加する手段と、
この高周波電圧により第1の磁極位置演算値と平行方向に流れる高周波電流であるγ軸高周波電流を検出する手段と、
回転子永久磁石のN極方向に直流電流を通流しているときの前記γ軸高周波電流であるプラスd軸高周波電流と、回転子永久磁石のS極方向に直流電流を通流しているときの前記γ軸高周波電流であるマイナスd軸高周波電流と、の大小関係に応じて第1の磁極位置演算値を補正することにより第2の磁極位置演算値を求める手段と、を備え、
第2の磁極位置演算の可否を判定する手段は、
前記プラスd軸高周波電流と前記マイナスd軸高周波電流との偏差が所定値よりも大きい場合に、第2の磁極位置演算が可能と判定するものである。
第2の磁極位置演算手段は、
第1の磁極位置演算値から求めた回転子永久磁石のN極方向にパルス電圧を印加したときの電流であるプラスd軸パルス電流と、第1の磁極位置演算値から求めた回転子永久磁石のS極方向にパルス電圧を印加したときの電流であるマイナスd軸パルス電流と、の大小関係に応じて第1の磁極位置演算値を補正することにより第2の磁極位置演算値を求める手段を備え、
第2の磁極位置演算の可否を判定する手段は、
前記プラスd軸パルス電流と前記マイナスd軸パルス電流との偏差が所定値よりも大きい場合に、第2の磁極位置演算が可能と判定するものである。
本発明によれば、請求項1の発明における第2の磁極位置演算手段を簡略化することができる。
まず、PMSMは、回転子のd軸(回転子の磁極方向)とd軸から90度進んだq軸とに従って電流制御を行うことにより、高精度なトルク制御を実現可能である。しかしながら、磁極位置検出器を持たない場合にはd,q軸を直接検出できないので、d,q軸に対応して角速度ω1(=速度演算値)で回転する直交回転座標系のγ,δ軸を制御装置側に推定して制御演算を行っている。ここで、γ,δ軸の角度(=磁極位置演算値)をθ1と定義する。
上記γ,δ軸の定義を図7に示す。なお、図7において、ωrはd,q軸の回転角速度、θerrはd,q軸とγ,δ軸との角度誤差(位置演算誤差)である。なお、便宜的に、γ軸方向を推定磁極位置に平行な方向、δ軸方向を推定磁極位置に直交する方向というものとする。
まず、磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機80を駆動する主回路について説明すると、50は三相交流電源であり、整流回路60は電源50の三相交流電圧を整流して直流電圧に変換する。この直流電圧はPWMインバータからなる電力変換器70に供給され、電動機80を駆動するための所定の三相交流電圧に変換される。
電流座標変換器14は、電力変換器70の出力側のu相電流検出器11u、w相電流検出器11wによりそれぞれ検出した相電流検出値iu,iwを、磁極位置演算値θ1に基づいて前記γ,δ軸上の電流検出値iγ,iδに座標変換する。
ノッチフィルタ23は、γ,δ軸電流検出値iγ,iδから、磁極位置演算のために重畳する高周波交番電圧によって流れる高周波電流を除去し、γ,δ軸基本波電流iγf,iδfを検出する。
加算器22により、γ軸電流調節器20aから出力されたγ軸基本波電圧指令値vγf *に前記高周波交番電圧指令値vγh *を重畳してγ軸電圧指令値vγ *を求める。一方、δ軸電圧指令値vδ *については、δ軸電流調節器20bから出力される基本波電圧指令値vδf *に制御する。
γ,δ軸電圧指令値vγ *,vδ *は電圧座標変換器15に入力され、磁極位置演算値θ1に基づいて三相の相電圧指令値vu *,vv *,vw *に変換される。
PMSMが停止している場合において、γ軸に平行な方向に矩形波の高周波交番電圧を印加したときの高周波成分の状態方程式は、電機子抵抗を無視できる場合、数式1のようになる。
以上の結果から、δ軸高周波電流振幅Iδhを入力とするPLL回路を構成し、δ軸高周波電流振幅Iδhを零に制御することで、角度誤差θerrを零、または180度として磁極位置演算値θ1を真値に収束させることができる。
バンドパスフィルタ24は、γ,δ軸電流検出値iγ,iδから高周波交番電圧vγhと同じ周波数のγ,δ軸高周波電流振幅Iγh,Iδhを演算する。速度演算器25では、δ軸高周波電流振幅Iδhに基づき比例積分演算を行って速度演算値ω1を求める。また、 電気角演算器26は、速度演算値ω1を積分して磁極位置演算値θ1を求める。
これらの演算によってδ軸高周波電流振幅Iδhを零に収束させるPLL回路が構成されるため、磁極位置θ1を演算することができる。
なお、上記のように回転子の突極性を利用して求めた磁極位置θ1を、便宜的に第1の磁極位置というものとする。
図1は、この第1実施例を示す制御ブロック図であり、請求項1,請求項4に係る発明に相当する。
既に説明したように、回転子の突極性を利用して求めた磁極位置演算値は、180[deg]の誤差を持つことがある。そこで、この第1実施例は、図6の制御ブロック図により、突極性を利用して求めた第1の磁極位置演算値を、前述の特許文献2に記載された技術により磁気飽和特性を利用して誤差補正することにより、第2の磁極位置演算値を求めるようにしたものである。そして、第2の磁極位置演算が可能であるか否かを判断し、可能である場合は第2の磁極位置演算値を使って電動機80を運転し、第2の磁極位置演算が不可能である場合には、これを使わずに運転するようにした。
図1において、電流指令値発生器31は、γ軸電流指令値iγ *を正の一定値(+IdNS *)に、続いて、負の一定値(−IdNS *)に設定することで、第1の磁極位置演算値θ1に基づいてγ軸電流iγを正負に制御する。
一方、電流を回転子永久磁石のS極方向であるマイナスd軸方向に流した場合、回転子永久磁石の磁束と電流によって発生する磁束とが相殺されるため、電動機の鎖交磁束が減少する。この結果、d軸インダクタンスが増加する。
これらのことから、電流指令値発生器31によりγ軸電流iγを正に制御した時、及び、負に制御した時のγ軸インダクタンスを比較すれば、真のd軸を検出することができる。なお、γ軸インダクタンスは、電動機に高周波交番電圧を印加したときに流れる高周波電流の大きさ、または、パルス電圧を印加したときの電流の大きさから検出可能である。
また、サンプルホールド回路34bの出力である速度初期値ω10は、速度演算値ω1を保持する。
始動方法選択器35は、γ軸高周波電流IγhP,IγhMの偏差を所定値と比較し、その結果に基づいて第1または第2の始動方法を選択すると共に、この結果を始動方法選択信号としてサンプルホールド回路34cに記憶する。
更に、回転子の突極性を利用して求めた第1の磁極位置演算値θ1を記憶するサンプルホールド回路34dの出力をθ101とする。
具体的には、電流の振幅を零でない一定値に制御することで、電流ベクトルに回転子を引き込んで電流ベクトルに磁極位置を一致させる(以下、電流ベクトルに磁極位置を一致させる処理を「磁極位置合わせ」と呼ぶ。)。次に、電流ベクトルの速度を速度指令値に制御することで回転子を電流ベクトルに引き込んで電動機を運転する(以下、この制御方法を「電流引き込み制御」と呼ぶ)。
図2において、γ軸電流指令値iγ *を零でない一定値Iγ *に設定することで、γ軸電流iγの振幅をIγ *に制御する。一方、δ軸電流指令値iδ *を零に設定し、δ軸電流iδを零に制御する。
磁極位置合わせを行うため、運転開始から所定の時間は、切替器40を切り替えることにより、速度指令値ω1として、図1のサンプルホールド回路34bの出力である速度初期値ω10を設定する。電気角演算器26は、電気角の初期値を零として、速度指令値ω1を積分することにより電気角θ1を演算する。これらの処理により、電流ベクトルの速度が回転子速度にほぼ等しく制御され、回転子が回転している状態でも、磁極位置合わせを速やかに実施することができる。
これらの処理により、電流ベクトルの速度がω10からω*まで所定の変化率で増加し、回転子が電流ベクトルに引き込まれて加速されるので、電動機80の速度を速度指令値ω*に制御することができる。
図3は、第2実施例において、第2の始動方法を実現するための制御ブロック図であり、以下では、図2と異なる部分を中心に説明する。
これにより、端子電圧ベクトルの速度を速度指令値ω1に制御でき、端子電圧ベクトルによって発生する電流ベクトルに電動機80の回転子が引き込まれるので、第1実施例と同様に電動機80を始動することができる。
まず、図1において、回転子の突極性を利用した第1の磁極位置演算により求めた磁極位置演算値θ1をサンプルホールド回路34dに記憶し、その出力をθ101とする。
本実施例によれば、電気角θ1と磁極位置θrとの角度誤差θerrを90[deg]以下にできるため、磁極位置合わせに要する時間を短縮することができる。
図5は、第4実施例において第2の磁極位置演算値θ10を求めるための制御ブロック図であり、図1と同一の箇所には同一の符号を付してある。
NS判別器32は、γ軸に正極性のパルス電圧及び負極性のパルス電圧を印加したときのγ軸電流iγ(それぞれをプラスd軸パルス電流IγP,マイナスd軸パルス電流IγMというものとする)の大小関係から、第1の磁極位置演算値θ1の補正値θNSを数式4により演算する。
γ軸電流IγP,IγMの偏差が所定値よりも大きい場合には、第2の磁極位置演算値θ10が正確に演算できると判定する。この場合には、第2の磁極位置演算値θ10と速度演算値ω1とを初期値として電動機80を運転する運転方法を第1の始動方法として選択する。
一方、γ軸電流IγP,IγMの偏差が所定の値よりも小さく、第2の磁極位置演算値θ10が正確に演算できないと判定した場合は、第2の磁極位置演算値θ10を使用しない運転方法を第2の始動方法として選択する。
ここで、第2の始動方法には、前述した第1実施例、第2実施例または第3実施例に示した方法を適応することができる。
11w w相電流検出器
12 電圧検出器
13 PWM回路
14 電流座標変換器
15 電圧座標変換器
19a,19b 減算器
20a γ軸電流調節器
20b δ軸電流調節器
21 高周波電圧演算器
22 加算器
23 ノッチフィルタ
24 バンドパスフィルタ
25 速度演算器
26 電気角演算器
31 電流指令値発生器
32 NS判別器
33 加算器
34a〜34d サンプルホールド回路
35 始動方法選択器
36 加算器
37 パルス電圧発生器
40 切替器
41 変化率制限器
42 f/v変換器
50 三相交流電源
60 整流回路
70 電力変換器
80 永久磁石形同期電動機(PMSM)
Claims (5)
- 磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機の制御装置において、
回転子の突極性を利用して第1の磁極位置を演算する第1の磁極位置演算手段と、
電動機の磁気飽和特性を利用して第1の磁極位置から第2の磁極位置を演算する第2の磁極位置演算手段と、
第2の磁極位置演算の可否を判定する手段と、
第2の磁極位置演算が可能と判定されたときに、電動機の始動手段として第1の始動手段を選択し、第2の磁極位置演算が不可能と判定されたときに、電動機の始動手段として第2の始動手段を選択する選択手段と、を備え、
第1の始動手段は、第2の磁極位置演算値を用いて電動機を始動する手段を有し、
第2の始動手段は、電動機の電流をベクトルとしてとらえ、所定の期間、電流ベクトルの振幅を零でない任意の値に制御して、電流ベクトルに回転子を引き込む磁極位置合わせ手段と、この磁極位置合わせ手段を実行後の電流ベクトルの位置を用いて電動機を始動する手段と、を有することを特徴とする、永久磁石形同期電動機の制御装置。 - 磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機の制御装置において、
回転子の突極性を利用して第1の磁極位置を演算する第1の磁極位置演算手段と、
電動機の磁気飽和特性を利用して第1の磁極位置から第2の磁極位置を演算する第2の磁極位置演算手段と、
第2の磁極位置演算の可否を判定する手段と、
第2の磁極位置演算が可能と判定されたときに、電動機の始動手段として第1の始動手段を選択し、第2の磁極位置演算が不可能と判定されたときに、電動機の始動手段として第2の始動手段を選択する選択手段と、を備え、
第1の始動手段は、第2の磁極位置演算値を用いて電動機を始動する手段を有し、
第2の始動手段は、電動機の端子電圧をベクトルとしてとらえ、所定の期間、端子電圧ベクトルの振幅を零でない任意の値に制御して、端子電圧ベクトルに回転子を引き込む磁極位置合わせ手段と、この磁極位置合わせ手段を実行後の端子電圧ベクトルの位置を用いて電動機を始動する手段と、を有することを特徴とする、永久磁石形同期電動機の制御装置。 - 磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機の制御装置において、
回転子の突極性を利用して第1の磁極位置を演算する第1の磁極位置演算手段と、
電動機の磁気飽和特性を利用して第1の磁極位置から第2の磁極位置を演算する第2の磁極位置演算手段と、
第2の磁極位置演算の可否を判定する手段と、
第2の磁極位置演算が可能と判定されたときに、電動機の始動手段として第1の始動手段を選択し、第2の磁極位置演算が不可能と判定されたときに、電動機の始動手段として第2の始動手段を選択する選択手段と、を備え、
第1の始動手段は、第2の磁極位置演算値を用いて電動機を始動する手段を有し、
第2の始動手段は、第1の磁極位置演算値の直交方向を第3の磁極位置演算値として求める手段と、第3の磁極位置演算値を用いて電動機を始動する手段と、を有することを特徴とする、永久磁石形同期電動機の制御装置。 - 請求項1〜3の何れか1項に記載した制御装置において、
第2の磁極位置演算手段は、
第1の磁極位置演算値から求めた回転子永久磁石のN極方向に直流電流を通流するプラスd軸通流手段と、
第1の磁極位置演算値から求めた回転子永久磁石のS極方向に直流電流を通流するマイナスd軸通流手段と、
第1の磁極位置演算値と平行方向に交番する高周波電圧を印加する手段と、
この高周波電圧により第1の磁極位置演算値と平行方向に流れる高周波電流であるγ軸高周波電流を検出する手段と、
回転子永久磁石のN極方向に直流電流を通流しているときの前記γ軸高周波電流であるプラスd軸高周波電流と、回転子永久磁石のS極方向に直流電流を通流しているときの前記γ軸高周波電流であるマイナスd軸高周波電流と、の大小関係に応じて第1の磁極位置演算値を補正することにより第2の磁極位置演算値を求める手段と、を備え、
第2の磁極位置演算の可否を判定する手段は、
前記プラスd軸高周波電流と前記マイナスd軸高周波電流との偏差が所定値よりも大きい場合に、第2の磁極位置演算が可能と判定することを特徴とする、永久磁石形同期電動機の制御装置。 - 請求項1〜3の何れか1項に記載した制御装置において、
第2の磁極位置演算手段は、
第1の磁極位置演算値から求めた回転子永久磁石のN極方向にパルス電圧を印加したときの電流であるプラスd軸パルス電流と、第1の磁極位置演算値から求めた回転子永久磁石のS極方向にパルス電圧を印加したときの電流であるマイナスd軸パルス電流と、の大小関係に応じて第1の磁極位置演算値を補正することにより第2の磁極位置演算値を求める手段を備え、
第2の磁極位置演算の可否を判定する手段は、
前記プラスd軸パルス電流と前記マイナスd軸パルス電流との偏差が所定値よりも大きい場合に、第2の磁極位置演算が可能と判定することを特徴とする、永久磁石形同期電動機の制御装置。
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