JP2010045914A - 同期モータ駆動制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】同期モータの非駆動時に、モータパラメータを自動的に算出する同期モータ駆動制御装置を提供する。
【解決手段】制御装置30は、非駆動時にモータパラメータを自動的に算出するモータパラメータ算出部31を備える。このモータパラメータ算出部31は、設定値(回転角速度ω、q軸電流Iq、d軸電流Id)を3つの条件に設定し、その際のq軸電圧Vq、d軸電圧Vdを測定する。これらの値を同期モータの一般式に代入することで、パラメータ(内部抵抗r、q軸インダクタンスLq、d軸インダクタンスLd、永久磁石の鎖交磁界φ)を算出する。
【選択図】図1

Description

本発明は、例えば、永久磁石式同期モータ(PMモータ)をインバータで駆動する同期モータ駆動制御装置に関し、前記モータの定格を自動計測する技術に関する。
一般に、同期モータを正確に制御するために、同期モータ固有のモータパラメータを用いている。このモータパラメータには、d軸インダクタンスLd、q軸インダクタンスLq、内部抵抗rおよび永久磁石の鎖交磁界φがある。これらのパラメータは、温度変化等によって変化することが知られており、これらの変化を反映するために、電流の大きさや温度によって変化するd軸インダクタンスLd、q軸インダクタンスLqを推定値によって制御する技術(特許文献1)、永久磁石の温度上昇による鎖交磁界の値を推定値によって制御する技術(特許文献2)がある。
特開平09−285198号公報 特開平10−229700号公報
ところで、前記モータパラメータは、同じモータの規格であってもモータ毎に個体誤差があったり、経時劣化等によって変化してしまったりすることがある。このため、予め決められていた推定値では正確なモータパラメータを設定することができなかった。
本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、同期モータの非駆動時に、モータパラメータを算出するモータパラメータ算出手段を備えた同期モータ駆動制御装置を提供することを目的としている。
上述の目的を達成するため、本発明が採用する同期モータ駆動制御装置の構成は、ベクトル制御のための制御信号に基づいて、永久磁石式同期モータに3相の駆動信号を出力するインバータを備えた同期モータの駆動制御装置であって、
前記同期モータの回転位置から回転角速度ωを算出する角速度算出手段と、
前記同期モータに供給される前記駆動信号の3相電流を、q軸電流Iqおよびd軸電流Idに変換する電流座標変換手段と、
前記同期モータに供給される前記駆動信号の3相電圧を、q軸電圧Vqおよびd軸電圧Vdに変換する電圧座標変換手段と、
同期モータ前記回転角速度ω、前記q軸電流Iq、および前記d軸電流Idの値について以下の条件1〜3に従って設定した際に検出されるq軸電圧Vqおよびd軸電圧Vdの検出値を、以下の数式(1)に代入することによって前記同期モータの内部抵抗r、q軸インダクタンスLq、d軸インダクタンスLd、および永久磁石の鎖交磁界φを算出するモータパラメータ算出手段と、を備えたことを特徴とする同期モータ駆動制御装置。
条件1:ω=0、Iq=0、Id=所定値
条件2:ω=所定値、Iq=所定値、Id=0
条件3:ω=所定値、Iq=所定値、Id=所定値
Figure 2010045914
上記構成により、条件1〜3に対して、数式(1)を当てはめて演算させることで、モータパラメータ算出手段が、同期モータの内部抵抗r、q軸インダクタンスLq、d軸インダクタンスLd、永久磁石の鎖交磁界φを算出する。
これにより、同期モータ駆動制御装置は、同期モータが同じ規格であっても固体毎に異なったモータパラメータの算出、或いは経時劣化等によるモータパラメータの算出が可能となり、同期モータの動作制御を正確に行うことができる。
上記構成において、前記モータパラメータ算出手段は、前記条件1〜3において、以下の数式(2)〜(5)により同期モータの内部抵抗r、q軸インダクタンスLq、d軸インダクタンスLd、永久磁石の鎖交磁界φが演算させることが好ましい。
条件1において、数式(1)のVd1=r・Id1の式から、
r=Vd1/Id1・・・(2)
但し、Id1:条件1において設定されたd軸電流の値
Vd1:条件1において検出されたd軸電圧の値
条件2において、数式(1)のVd2=−ω2Lq・Iq2の式から、
Lq=−Vd2/(ω2・Iq2)・・・(3)
但し、Iq2:条件2において設定されたq軸電流の値
ω2 :条件2において設定された回転角速度の値
Vd2:条件2において検出されたd軸電圧の値
さらに、数式(1)のVq2=r・Iq2+ω2φの式から、
φ=(Vq2−r・Iq2)/ω…(4)
但し、Vq2:条件2において検出されたq軸電圧の値
r :数式(2)により算出された値
条件3において、数(1)のVq3=r・Iq3+ω・Ld・Id3+ωφの式から、
Ld=(Vq3−ωφ−r・Iq3)/ω・Id3…(5)
但し、Iq3:条件3において設定されたq軸電流の値
Id3:条件3において設定されたd軸電流の値
ω3 :条件3において設定された回転角速度の値
Vd3:条件3において検出されたd軸電圧の値
r :数式(2)により算出された値
φ :数式(4)により算出された値
上記構成において、前記モータパラメータ算出手段は、前記条件1〜3における演算を複数回行って、その平均値を同期モータの内部抵抗r、q軸インダクタンスLq、d軸インダクタンスLd、永久磁石の鎖交磁界φとすることが好ましい。
上記構成において、前記モータパラメータ算出手段は、同期モータ接続時、或いは定期的に実行されることが好ましい。
本発明による同期モータ駆動制御装置は、回転角速度ω、q軸電流Iq、d軸電流Id、q軸電圧Vqおよびd軸電圧Vdから前記同期モータの内部抵抗r、q軸インダクタンスLq、d軸インダクタンスLd、永久磁石の鎖交磁界φを算出するモータパラメータ算出手段を備えているから、同期モータが同じ規格であっても個々に異なったモータパラメータの算出、或いは経時劣化等によるモータパラメータの算出を行うことが可能となり、同期モータを正確に動作制御することが可能となる。
<実施形態>
図1は、本実施形態のよる同期モータ駆動制御装置を示すブロック図である。
同期モータ駆動制御装置30(以下、「制御装置30」という)は、PWM制御されるインバータ10を備える。インバータ10は、図示しない直流電源に接続され、制御信号により動作制御されて、PMモータ101に3相の駆動信号を供給する。
この制御装置30は、速度指令ωsを受けてq軸指令電流信号(Iq指令)を生成する比例積分器からなるq軸指令電流生成部11qと、速度指令ωsを受けてd軸指令電流信号(Id指令)を生成するd軸指令電流生成部(図示せず)とを備える。
このq軸指令電流生成部11qの後段には、偏差算出部12qを介して電流制御アンプ13qが接続され、Id指令は偏差算出部12dに入力され、この偏差算出部12dの後段には、電流制御アンプ13dが接続され、電流制御アンプ13q,13dは分離したq軸,d軸の制御信号を生成する。
さらに、電流制御アンプ13q,13dの後段には、制御信号を2相−3相変換する座標変換部14Aと、この座標変換部14Aからの3相制御信号を基準波によってPWM波形に変換するPWM波形生成部15と、が接続される。
電流制御アンプ13q,13dは、q軸電流,d軸電流の偏差分をそれぞれ比例積分(PI)演算する。
偏差算出部12qは、q軸指令電流信号からq軸検出電流信号を減算する。偏差算出部12dは、d軸指令電流信号からd軸検出電流信号を減算する。このq軸,d軸検出電流信号は、インバータ10からPMモータ101に供給される駆動信号の電流値を電流検出部16で検出し、この検出信号を3相−2相変換する座標変換部14Bで2相に変換することにより得られる。そして、q軸,d軸検出電流信号は、偏差算出部12q,12dに入力され、q軸,d軸指令電流信号のフィードバック信号となる。
一方、速度指令ωsの入力端には、偏差算出部17が接続され、この偏差算出部17は、速度指令ωsからフィードバック信号となる回転角速度ωを減算し、この信号をq軸指令電流生成部11qに出力する。この回転角速度ωは、PMモータ101のロータ位置を検出するロータリエンコーダ、慣性センサ、表面弾性波センサ、ジャイロセンサ、レゾルバ等からなる角度検出部20により得られた位置(角度)を、微分器21で微分することによって得られる。
この制御装置30においては、速度指令ωsに応じてIq指令,Id指令を生成した上で3相の駆動信号を生成し、この駆動信号によって同期モータを駆動制御する。
次に、本実施形態の特徴について説明する。
発明者は、同期モータを駆動するための一般式に着目し、回転角速度ω、q軸電流Iq、d軸電流Idを設定値、q軸電圧Vqおよびd軸電圧Vdを測定値として一定回転で計測することによって、同期モータの内部抵抗r、q軸インダクタンスLq、d軸インダクタンスLd、永久磁石の鎖交磁界φのモータパラメータが算出されることを知見した。
そこで、本実施形態の制御装置(同期モータ駆動制御装置)30は、一般式を利用してモータパラメータを算出する機能(モータパラメータ算出部31)を備える。
モータパラメータ算出部31は、図2に示すように、入出力制御部32、CPU(Central Processing Unit)33、ROM(Read Only Memory)34およびRAM(Random Access Memory)35からなるマイクロコンピュータによって構成され、ROM34には、後述するプログラムと共に、数式(1)〜(5)および表1の設定値が格納される。
このモータパラメータ算出部31は、PMモータ101が非駆動状態にあるときに、同期モータを駆動するための一般式となる数式(1)を用いて、モータパラメータを算出する。
Figure 2010045914
また、PMモータ101の非駆動状態における条件1〜3における設定値(回転角速度ω、q軸電流Iq、d軸電流Id)に対し、実際に計測された測定値(q軸電圧Vqおよびd軸電圧Vd)と表1のように設定する。なお、Id1,ω2,Iq2,ω3,Iq3,Id3は予め決められた数値である。
Figure 2010045914
また、数式(1)に表1の設定値および測定値を代入することによって、
条件1において、数式(1)のVd1=r・Id1の式から、
r=Vd1/Id1・・・(2)
条件2において、数式(1)のVd2=−ω2Lq・Iq2の式から、
Lq=−Vd2/(ω2・Iq2)・・・(3)
さらに、数式(1)のVq2=r・Iq2+ω2φの式から、
φ=(Vq2−r・Iq2)/ω…(4)
但し、rは数式(2)により既知
条件3において、数(1)のVq3=r・Iq3+ω・Ld・Id3+ωφの式から、
Ld=(Vq3−ωφ−r・Iq3)/ω・Id3…(5)
但し、φは数式(4)により既知、rは数式(2)により既知
が得られる。
なお、各条件において、PMモータ101に対して印加される電流および回転数は一定となるため、微分演算子pの項は、「0」となる。
入出力制御部32には、微分器21、座標変換部14Bおよび座標変換部14Cが接続され、それぞれ回転角速度ω、q軸電流Iq、d軸電流Id、q軸電圧Vqおよびd軸電圧Vdが供給される。モータパラメータ算出部31においては、回転角速度ω、q軸電流Iqおよびd軸電流Idが設定値、q軸電圧Vqおよびd軸電圧Vdが測定値となる。
ここで、q軸電圧Vqおよびd軸電圧Vdは、図1に示すように、インバータ10からPMモータ101に供給する駆動信号の電圧値を電圧検出部18で検出し、この検出信号を3相−2相変換する座標変換部14Cでq軸,d軸の2相に変換することで得られる。
なお、検出電圧信号Vq,Vdは、電圧検出部18で実際にインバータ10からPMモータ101に供給される電圧から算出されるもとしたが、点線で示すように、電流制御アンプ13q,13dからの出力電圧を、検出電圧信号Vq,Vdとして検出するようにしてもよい。また、座標変換部14A〜14Cにおける座標変換のための基準位相信号は、角度検出部20により得られた位置が用いられる。
次に、モータパラメータ算出部31の処理動作について説明する。
図3はモータパラメータ算出部31の処理動作を示す流れ図である。
この処理は、PMモータ101の接続(設置)時、ユーザが所定スイッチを操作した際、或いは定期的に実行される。
PMモータ101の接続時に本処理を実行させるためには、PMモータ101を当該制御装置30に接続したことを検知するセンサを設けておけばよい。また、定期的にこの処理を実行させるためには、稼動時間等を計測し、この時間が所定稼動時間になったらこの処理を実行させるようにすればよい。
モータパラメータ算出部31において処理が実行されると、CPU32は、条件1の演算処理を行う。この処理では、ステップS1,3および4は、ステップS2において算出された内部抵抗rのN個の平均を求めるためのステップである。つまり、変数nがN(例えば、「3」)になるまで、ステップS2の演算を行い、Nに達したら、N回算出された内部抵抗rの平均を求めるものである。
ここで、ステップS2における条件1の演算では、CPU32は、ROM34から条件1の設定値、即ち回転角速度:0、q軸電流:0、d軸電流:Id1を読み出し、座標変換部14Bからの出力となるq軸電流の値が「0」、d軸電流の値が「Id1」となり、微分器21からの出力となる回転角速度の値が「0」となるように、Iq指令,Id指令を調整する。そして、この状態におけるq軸電圧Vq1,d軸電圧Vd1を計測値としてRAM35に記憶する。
その後、CPU32は、ROM34から数式(2)を読み出し、
r=Vd1/Id1・・・(2)
この数式(2)に設定値および測定値を代入して、内部抵抗rを演算する。そして、この内部抵抗rはステップS1〜4の間繰り返されて、平均値した内部抵抗rがRAM35に記憶される。
同様に、ステップS21における条件2の演算処理においても、CPU32は、ROM34から条件2の設定値、即ち回転角速度:ω2、q軸電流:Iq2、d軸電流:0を読み出し、座標変換部14Bからの出力となるq軸電流の値が「Iq2」、d軸電流の値が「0」となり、微分器21からの出力となる回転角速度の値が「ω2」となるように、Iq指令,Id指令を調整する。そして、この状態におけるq軸電圧Vq2,d軸電圧Vd2を計測値としてRAM35に記憶する。
その後、CPU32は、ROM34から数式(3)を読み出し、
Lq=−Vd2/(ω2・Iq2)・・・(3)
この数式(3)に設定値および測定値を代入して、インダクタンスLqを演算する。そして、このインダクタンスLqを平均した値をRAM35に記憶する。
一方、CPU32は、ROM34から数式(4)を読み出し、
φ=(Vq2−r・Iq2)/ω…(4)
この数式(4)のrにRAM35に記憶された内部抵抗rを代入して、鎖交磁界φを演算する。この鎖交磁界φにおいても平均した値をRAM35に記憶する。
さらに、ステップS30における条件3の演算処理においても、CPU32は、ROM34から条件3の設定値、即ち回転角速度:ω3、q軸電流:Iq3、d軸電流:Id3を読み出し、座標変換部14Bからの出力となるq軸電流の値が「Iq3」、d軸電流の値が「Id3」となり、微分器21からの出力となる回転角速度の値が「ω3」となるように、Iq指令,Id指令を調整する。そして、この状態におけるq軸電圧Vq3,d軸電圧Vd3を計測値としてRAM35に記憶する。
その後、CPU32は、ROM34から数式(5)を読み出し、
Ld=(Vq3−ωφ−r・Iq3)/ω・Id3…(5)
この数式(5)に設定値および測定値を代入して、インダクタンスLdを演算する。そして、このインダクタンスLdを平均した値をRAM35に記憶する。
このように、本実施形態による制御装置30では、PMモータ101が非駆動状態にあるとき(つまり、PMモータ101の接続(設置)時、ユーザが所定スイッチを操作した際、或いは定期的)に、PMモータ101のモータパラメータ(内部抵抗r、q軸インダクタンスLq、d軸インダクタンスLd、永久磁石の鎖交磁界φ)を自動的に算出する。定期的に実行される方法としては、制御装置30にタイマー機構を持たせ、所定の駆動時間に達したらモータパラメータの算出を行わせるようにすればよい。
これにより、ユーザや作業者が、PMモータ101をマニュアル的に操作する拘束試験等を行ってモータパラメータを算出する作業を割愛することができ、作業者による測定誤差をなくすだけでなく、測定に費やされる労力や時間をなくすことができる。
さらに、製造時に予め決められたPMモータ101のモータパラメータが、製造誤差等によって実際の値と異なったモータパラメータを有する場合であっても、PMモータ101の接続時にモータパラメータを算出することで、モータパラメータの値を正確に算出することが可能となる。この結果、先行技術のように、推定値を用いて駆動制御を行う場合に比べて、制御装置30は、PMモータ101を精度良く駆動させることができる。
また、モータパラメータ算出部31を定期的に実行させることにより、PMモータ101が経時劣化によってモータパラメータが変化した場合でも、モータパラメータを算出することが可能となる。
なお、前記実施形態では、同期モータにPMモータを用いた場合を例示したが、本発明はこれに限らず、永久磁石をロータ内に埋め込む埋込磁石同期モータ(IPMモータ)であってもよい。
本発明の実施形態による同期モータ駆動制御装置を示すブロック図である。 モータパラメータ算出部の構成を示す図である。 パラメータ算出処理を示す流れ図である。
符号の説明
10…インバータ、11q…q軸指令電流生成部、11d…d軸指令電流生成部、12q,12d,17…偏差算出部、13q,13d…比例積分器、14,14A,14B,14C…座標変換部、15…PWM波形生成部、16…電流検出部、18…電圧検出部、20…角度検出部、21…比例積分器(比例積分演算手段)、30…同期モータ駆動制御装置(制御装置)、31…定数可変比例積分部、32…微分器、33…除算器(定数可変手段)、34…リミッタテーブル(定数可変手段)、35P,35I…乗算器(定数可変手段)、101…PMモータ。

Claims (4)

  1. ベクトル制御のための制御信号に基づいて、永久磁石式同期モータに3相の駆動信号を出力するインバータを備えた同期モータの駆動制御装置であって、
    前記同期モータの回転位置から回転角速度ωを算出する角速度算出手段と、
    前記同期モータに供給される前記駆動信号の3相電流を、q軸電流Iqおよびd軸電流Idに変換する電流座標変換手段と、
    前記同期モータに供給される前記駆動信号の3相電圧を、q軸電圧Vqおよびd軸電圧Vdに変換する電圧座標変換手段と、
    同期モータ前記回転角速度ω、前記q軸電流Iq、および前記d軸電流Idの値について以下の条件1〜3に従って設定した際に検出されるq軸電圧Vqおよびd軸電圧Vdの検出値を、以下の数式(1)に代入することによって前記同期モータの内部抵抗r、q軸インダクタンスLq、d軸インダクタンスLd、および永久磁石の鎖交磁界φを算出するモータパラメータ算出手段と、を備えた
    ことを特徴とする同期モータ駆動制御装置。
    条件1:ω=0、Iq=0、Id=所定値
    条件2:ω=所定値、Iq=所定値、Id=0
    条件3:ω=所定値、Iq=所定値、Id=所定値
    Figure 2010045914
  2. 請求項1記載の同期モータ駆動制御装置において、
    前記モータパラメータ算出手段は、前記条件1〜3において、以下の数式(2)〜(5)により同期モータの内部抵抗r、q軸インダクタンスLq、d軸インダクタンスLd、永久磁石の鎖交磁界φが演算させる
    ことを特徴とする同期モータ駆動制御装置。
    条件1において、数式(1)のVd1=r・Id1の式から、
    r=Vd1/Id1・・・(2)
    但し、Id1:条件1において設定されたd軸電流の値
    Vd1:条件1において検出されたd軸電圧の値
    条件2において、数式(1)のVd2=−ω2Lq・Iq2の式から、
    Lq=−Vd2/(ω2・Iq2)・・・(3)
    但し、Iq2:条件2において設定されたq軸電流の値
    ω2 :条件2において設定された回転角速度の値
    Vd2:条件2において検出されたd軸電圧の値
    さらに、数式(1)のVq2=r・Iq2+ω2φの式から、
    φ=(Vq2−r・Iq2)/ω…(4)
    但し、Vq2:条件2において検出されたq軸電圧の値
    r :数式(2)により算出された値
    条件3において、数(1)のVq3=r・Iq3+ω・Ld・Id3+ωφの式から、
    Ld=(Vq3−ωφ−r・Iq3)/ω・Id3…(5)
    但し、Iq3:条件3において設定されたq軸電流の値
    Id3:条件3において設定されたd軸電流の値
    ω3 :条件3において設定された回転角速度の値
    Vd3:条件3において検出されたd軸電圧の値
    r :数式(2)により算出された値
    φ :数式(4)により算出された値
  3. 請求項1または2記載の同期モータ駆動制御装置において、
    前記モータパラメータ算出手段は、前記条件1〜3における演算を複数回行って、その平均値を同期モータの内部抵抗r、q軸インダクタンスLq、d軸インダクタンスLd、永久磁石の鎖交磁界φとする
    ことを特徴とする同期モータ駆動制御装置。
  4. 請求項1乃至3のいずれか1に記載の同期モータ駆動制御装置において、
    前記モータパラメータ算出手段は、同期モータ接続時、ユーザの所定スイッチ操作時或いは定期的に実行される
    ことを特徴とする同期モータ駆動制御装置。
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