JP2010172080A - 交流電動機の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】任意に設定した時間周期内で指令電圧ベクトルを時間平均的に出力する電圧制御装置を備えた交流電動機の制御装置において、任意の時間周期毎に電動機印加電圧の振幅と位相とを操作する矩形波電圧発生器と、時間周期のN分の1(N≧1)の周期に同期させて電動機電流を検出する電流検出器と、電動機電流を2相電流に座標変換する座標変換器と該2相電流から振幅が周期的に変化する波形の2相電流を得てその包絡線を抽出する包絡線抽出器と包絡線に基づき磁極位置を演算する磁極位置を演算する磁極位置演算器と前記磁極位置推定値に基づき速度を演算する速度演算器とを備える。
【選択図】図1
Description
一般に、後者の方法においては、高周波テスト信号を電動機に印加し、それにより発生する電圧あるいは電流の検出値を用いて磁極位置を推定する。この方法では、テスト信号の周波数帯域で生じる騒音発生問題、テスト信号の周波数帯域の電流あるいは電圧を抽出するフィルタ等の利用による位置及び速度推定応答性の劣化という問題がある。
それらの課題を解決するため、搬送波に同期したPWM信号により電動機に印加する電圧を制御する制御装置を備え、該搬送波に同期して電動機の電流を検出することにより、電動機の回転子位置を推定する手法が提案されている。この手法は、高周波テスト信号として印加される印加電圧を搬送波の半周期毎に変化させ、そのとき発生する電動機電流を検出し、半周期毎の電流差分ベクトルを求め、次に、2回の電流差分ベクトルの差とそれに対応する2回の印加電圧ベクトルの差を演算し、その位相差がゼロとなるように印加電圧を制御するものである。位相差がゼロになれば電圧差ベクトルの位相が磁極位置の方向となるので、磁極位置センサレス制御が可能になる(例えば、特許文献1参照)。印加電圧の変化を搬送波の半周期毎に行わせることにより、PWM信号の位相だけを移動することになるので、騒音を発生することがなく、搬送波周期という短い時間で印加電圧と電流差分の関係を検出でき、高応答性が実現できるという特徴がある。また、速度に応じて、電圧印加の間隔を調整し、低速時のさらなる騒音低下を実現することも提案されている(例えば、特許文献2参照)。
図22は誘起電圧が低い場合、すなわち、低速に対応する場合の磁極位置検出部2112を説明する図である。図22のブロック図は、電流差分演算部2214、電流差分差ベクトル位相演算部2215、磁極位置推定部2216、検出用電圧発生部2217から構成されている。検出用電圧発生部2217は搬送波の半周期毎に検出用電圧指令値ベクトル位相を該ベクトル位相と同位相と該位相+πとの交互に設定し、電圧を印加するものである。電流差分演算部2214では搬送波に同期する時刻t(2n)のときの電流iu(2n)、iv(2n)と時刻t(2n+1)のときの電流iu(2n+1)、iv(2n+1)から、時刻t(2n)からt(2n+1)までの電流差分値Δiu(2n) 、Δiv(2n)をそれぞれ演算する。この結果から静止座標系における電流差分ベクトルΔia(2n)を求める。同様にt(2n+2)のときの電流iu(2n+2)、iv(2n+2)と電流iu(2n+1)、iv(2n+1)から、時刻t(2n+1)からt(2n+2)までの電流差分値Δiu(2n+1)、Δiv(2n+1)をそれぞれ演算し、静止座標系における電流差分ベクトルΔib(2n+1)を求める。このΔib(2n+1)とΔia(2n)との差が電流差分差ベクトルΔΔi(2n)であり、その位相θip(2n)を電流差分差ベクトル位相演算部615で演算している。磁極位置推定部2216では、位相θip(2n)に検出用電圧指令値のベクトル位相を近づけるように制御している。
このように、位置センサ及び速度センサを用いずに交流電動機のトルク制御、速度制御、位置制御を実現する従来の交流電動機の制御装置は、搬送波の半周期毎に印加電圧を変化させ、そのとき発生する電動機電流を検出し、搬送波の半周期毎に電流差分ベクトルを求め、次に、2回の電流差分ベクトルの差とそれに対応する2回の印加電圧ベクトルの差を演算し、その位相差がゼロとなるように印加電圧を制御することで磁極を推定するものである。
第一に、搬送波の半周期毎に変化させる磁極位置検出用の印加電圧に対して、発生する高周波電流の変化分のみが磁極位置を推定する元信号であるのに、電動機駆動用の印加電圧に対して発生する電流の変化分も同じ周波数にあらわれるため、その2つの変化分を分離することは物理的に不可能である。したがって、負荷あるいは速度増加に伴い駆動用の印加電圧が増加すると、これが磁極位置推定に対する外乱要素となり、推定誤差が増加するという問題がある。
さらに、電流差分差ベクトルの演算には、少なくとも3サンプル時間(2n、2n+1、2n+2)が必要であり、搬送波の1周期分だけ磁極位置推定が遅れることとなる。これら要素により制御応答も遅くなる。
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、磁極位置を遅れ時間なく高い精度で推定し、位置及び速度センサを用いずに電動機の高い応答性を有するトルク制御、速度制御、位置制御を実現することができる交流電動機の制御装置を提供することを目的とする。
すなわち、請求項1記載の発明では、任意に設定した時間周期内で指令電圧ベクトルを時間平均的に出力する電圧制御器を備えた交流電動機の制御装置において、
前記時間周期毎に正方向と負方向に交互に変化する矩形波電圧指令によって、電動機印加電圧の振幅と位相とを操作する矩形波電圧発生器と、
前記時間周期のN分の1(N≧1)の周期に同期させて電動機電流を検出する電流検出器と、
前記電動機電流の検出値を静止座標系の2相電流に座標変換する座標変換器と、
前記2相電流を入力とし、該2相電流から振幅が周期的に変化する波形の2相電流を得てその振幅の頂点を結ぶ包絡線を抽出する包絡線抽出器と、
前記包絡線抽出器の出力である前記2相電流の前記包絡線に含まれる磁極位置を求める演算により磁極位置推定値を出力する磁極位置演算器と、
前記磁極位置推定値に基づき速度を演算する速度演算器と、
を備えるようにした。
本発明は、空間電圧ベクトル変調法に基づき、任意に設定した時間周期内で指令電圧ベクトルを時間平均的に出力する電圧制御器を備えた交流電動機の制御装置に好適に適用されるものである。なぜなら、任意に設定した時間周期の中心時刻に対し、前後半周期の電圧出力パターンが完全に対称となるため、磁極位置演算および速度演算に用いる電流成分以外のノイズ成分を最も低減できるからである。このような制御装置において、矩形波電圧発生器からの矩形波電圧指令によって、電動機印加電圧の振幅と位相とを操作すると、電動機電流の検出値を座標変換して静止座標系の2相電流にしたとき、この2相電流の周期的に変化する振幅の頂点を結ぶ包絡線の情報が磁極位置情報を含むものとなる。本発明は、この知見に基づいて得られたもので、上記構成により、磁極位置を遅れ時間なく高い精度で推定し、位置及び速度センサを用いずに電動機の高い応答性を有するトルク制御、速度制御、位置制御を実現することができる交流電動機の制御装置を得ることができる。
請求項2記載の発明では、前記包絡線抽出器を、前記矩形波電圧指令に基づく電流成分を通過させる帯域通過フィルタ器と、
前記矩形波電圧指令の符号と前記帯域通過フィルタ器の出力である2相電流とを乗算する乗算器と、
前記乗算器の出力値を微分する微分器とで構成するようにしたのである。
請求項3記載の発明では、前記包絡線抽出器を、前記矩形波電圧指令に基づく電流成分を通過させる帯域通過フィルタ器と、
前記矩形波電圧指令の符号と前記帯域通過フィルタ器の出力である2相電流とを乗算する乗算器と、擬似微分器とで構成するようにしたのである。
請求項4記載の発明では、前記磁極位置演算器を前記2相電流の包絡線から逆正接演算によって磁極位置を演算するようにしたのである。
請求項5記載の発明では、前記速度演算器を第1の磁極位置演算値と第2の磁極位置演算値との偏差がゼロとなるように速度を演算するようにしたのである。
請求項6記載の発明では、前記第2の磁極位置演算値を、前記速度演算値を積分演算して求まるようにしたのである。
請求項7記載の発明では、任意に設定した時間周期内で指令電圧ベクトルを時間平均的に出力する電圧制御器を備えた交流電動機の制御装置において、
前記時間周期毎に正方向と負方向の交互に変化する矩形波電圧指令によって、電動機印加電圧の振幅と位相とを操作する矩形波電圧発生器と、
前記時間周期のN分の1(N≧1)の周期に同期させて電動機電流を検出する電流検出器と、
前記電動機電流の検出値を静止座標系の2相電流に座標変換する第1の座標変換器と、
少なくとも前記2相電流における前記矩形波電圧に基づく電流を制御磁極位置から45度遅れたところに位置する回転座標系の2相電流に座標変換する第2の座標変換器と、
前記回転座標系の2相電流から前記矩形波電圧に基づく電流成分を抽出し、その振幅の頂点を結ぶ包絡線を2つのスカラー電流として抽出する包絡線抽出器と、
前記包絡線抽出器の出力である2つのスカラー電流に基づき磁極位置を推定し交流電動機の速度を演算する磁極及び速度演算器と、を備えるようにしたのである。
請求項8記載の発明では、前記包絡線抽出器を、前記矩形波電圧に基づく電流成分を通過させる帯域通過フィルタ器と、
前記矩形波電圧指令の符号と前記回転座標系の2相電流とを乗算する乗算器と、
前記乗算器の出力値を微分する微分器とで構成するようにしたのである。
請求項9記載の発明では、前記包絡線抽出器を、前記回転座標系の2相電流から前記矩形波電圧に基づく高周波電流成分を通過させる帯域通過フィルタ器と、
前記矩形波電圧指令の符号と前前記帯域通過フィルタ器の出力である2相電流とを乗算する乗算器と、
前記乗算器の出力値から前記時間周期の2分の1の周波数波分を除去する擬似微分器とで構成するようにしたのである。
請求項10記載の発明では、
前記包絡抽出器を、前記回転座標系の2相電流から前記時間周期の周波数成分を通過する帯域通過フィルタ器と、
前記矩形波電圧指令の符号と前記帯域通過フィルタ器の出力である2相電流とを乗算する乗算器とで構成するようにしたのである。
請求項11記載の発明では、
前記包絡線抽出器を、前記回転座標系の2相電流から前記時間周期の周波数成分を通過する帯域通過フィルタ器と、前記矩形波電圧指令の符号と前記帯域通過フィルタ器の出力である2相電流とを乗算する乗算器と、
前記乗算器の出力値からオフセット量を抽出する低周波域通過フィルタとで構成するようにしたのである。
請求項12記載の発明では、前記速度演算器において、速度演算値は前記2つのスカラー電流の偏差がゼロとなるように速度を演算することを特徴としたのである。
請求項13記載の発明では、前記位置演算器を、前記速度演算値を積分演算して求まるようにしたのである。
請求項14記載の発明では、任意に設定した時間周期内で指令電圧ベクトルを時間平均的に出力する電圧制御器を備えた交流電動機の制御装置において、
前記時間周期毎に正方向と負方向の交互に変化する矩形波電圧指令によって、電動機印加電圧の振幅と位相とを操作する矩形波電圧発生器と、
前記時間周期のN分の1(N≧1)の周期に同期させて電動機電流を検出する電流検出器と、
前記電動機電流の検出値を静止座標系の2相電流に座標変換する座標変換器と、
前記静止座標系の2相電流における前記矩形波電圧に基づく電流と前記矩形波電圧指令とに基づき磁極位置を推定する磁極位置演算器と、
前記磁極位置推定値に基づき交流電動機の速度を演算する速度演算器とを備えるようにしたのである。
また、請求項7、14に記載の発明によると、電動機のインダクタンス特性にひずみがある場合においても、高精度な磁極位置推定を実現できる。
図において、速度指令値ωr*と速度推定値ωr^が比較器107に入力され、該比較器107はその偏差を出力する。ベクトル制御器108は、この速度指令値と速度推定値との偏差及び磁束指令値を入力とし、負荷状態によらず速度推定値が指令値に一致するように電動機電流の磁束成分とトルク成分とを定めて速度及び電流を制御するための電圧指令値を回転座標系における2相電圧指令値vsd*、vsq*として出力する。このベクトル制御器108の出力は、電動機101に所望の電圧を印加する電圧制御器110に入力され、電圧制御器110は、空間電圧ベクトル変調法に基づき、任意に設定した時間周期内で指令電圧ベクトルを時間平均的に電動機101に印加する。
図15(a)(b)は、空間電圧ベクトル変調法を説明するための図であって、この図15では、任意に設定した時間周期が2Tsで表されている。図15(a)には、空間電圧ベクトル変調における基本ベクトルV1〜V7が示されており、この図に示される例では、電圧指令ベクトルvs*が実現可能な2つの隣接する電圧ベクトルV1とV2を用いて時間平均的に形成される。ここで、V1(100)は3相インバータのU相側の上端の半導体スイッチをONにし、下端側をOFFとし、V相とW相側は上端をOFFにし、下端をONとしている状態を示している。一方、V2はU相とV相側の上端をONにし、下端側をOFFとし、W相側は上端をOFFで下端をONとしている。2Ts期間における各相のスイッチング状態は図15(b)に示すようになる。このときON時間t1とt2は次式により計算される。
包絡線抽出器104の出力は、磁極位置演算器105に入力される。磁極位置演算器105は、isαh、isβhの包絡線である2相の電流値Icos、Isinから次式(7)により逆正接演算を用いて磁極位置を演算する。
符号判別器201の出力はゲイン乗算器204に入力され、該ゲイン乗算器204は符号判別器の出力にゲインを乗算し、その結果を電流信号isαh、isβhに乗算する。この結果、電流isαh、isβhは正側に全波整流され、その振幅をGh倍増幅することとなる。これは、無負荷時など電流Ihの振幅が低い場合のSN比を高めるため、電流Ihの周期に合わせて、電流Ihの三角波の頂点を結ぶ包絡線の振幅を増幅するためのものである。
微分器207、208は、全波整流した電流信号isαh、isβhを微分演算し、その包絡線である2相の電流値Icos、Isinを出力する。三角波の微分値は矩形波となるため、この微分により、三角波のピーク値を結ぶ包絡線を抽出することができる。図3は、図2の包絡線抽出器において微分器207、208を擬似微分器307、308に置き換えたものである。図2に示す構成の包絡線抽出器を用いる場合には、矩形波電圧を印加する時間と電流検出タイミングが図18のようになっていれば、微分器によって包絡線を抽出できるが、タイミングにずれが起こると、包絡線はパルス状のノイズ成分を含むこととなる。図3に示す包絡線抽出器は、微分特性と低域フィルタの両特性を持つ擬似微分器を使用するので、微分とノイズ成分の除去を同時に達成できるという利点がある。
第2の磁極位置は、速度演算値を積分して求める。この第2の磁極位置を最終的な磁極位置として制御に用いる。第2の実施例の構成によれば、速度演算に微分を不要としたため、微分演算で発生するノイズを低減でき、また、第1の磁極位置を第2の磁極位置に追従させるように比例積分制御及び前向き補償を付加して制御するため、磁極位置の推定遅れを改善することができる。
図9は、さらに別の形態の包絡線抽出器を示すものであり、この例による包絡線抽出器は、帯域通過フィルタ器902の低域通過域をfhより十分に低くすることにより、図7の微分器707,708あるいは図8の擬似微分器807,808を省略するようにしている。図10は、フィルタの調整自由度をあげるため低域フィルタ1007、1008を付加した包絡線抽出器の構成を示す。
図6の実施例では、包絡線抽出器604の出力であるidmh、iqmhの振幅値Idm、Iqmを磁極位置及び速度演算器605に入力し磁極位置及び速度を演算する。磁極位置及び速度演算器605は図11あるいは図12のように構成することができる。図11はIdmとIqmとで逆正接演算器1101で位相を演算し、その演算結果から減算器1102にて45°を減ずると制御磁極位置と実際の磁極位置との誤差角Δθを求めることができる。この誤差角Δθをゼロとするように式(12)で速度を演算する。
また、実施例4では電力量を用いることにより、包絡線抽出器を省略することができ、磁極位置を遅れ時間なく高い精度で推定し、位置及び速度センサを用いずに電動機の高い応答性を有するトルク制御、速度制御、位置制御を実現することができる。
102 402 602 1302 1905 電流検出器
103 403 603 611 1311 1908 1910 1911 1937 座標変換器
104 404 604 包絡線抽出器
105 1912 磁極位置演算器
106 1913 速度演算器
107 407 502 607 612 1102 1201 1312 減算器
108 408 608 1308 ベクトル制御器
109 409 609 1309 矩形波発生器
110 410 610 1310 電圧制御器
201 301 701 801 901 1001 符号判別器
202 203 302 303 702 703 802 803 902 903 1002 1003 1402 1403 帯域通過フィルタ
204 304 503 504 505 704 904 1004 1103 1104 1105 1202 1203 1204 1404 1405 1406 ゲイン乗算器
205 206 305 306 705 706 805 806 905 906 1005 1006 乗算器
207 208 707 708 微分器
307 308 807 808 擬似微分器
1007 1008 低域フィルタ器
405 605 1305 磁極位置及び速度演算器
501 1101 逆正接演算器
506 1106 1205 1407 加算器
507 1107 1206 1408 積分器
1401 磁極位置誤差演算器
2102 バッテリー部
2103 インバータ部
2104 コントローラ
2106 電流指令値発生部
2107 電流制御部
2214 電流差分演算部
2215 電流差分差ベクトル位相演算部
2216 磁極位置推定部
2217 検出用電圧発生部
Claims (14)
- 任意に設定した時間周期内で指令電圧ベクトルを時間平均的に出力する電圧制御器を備えた交流電動機の制御装置において、
前記時間周期毎に正方向と負方向に交互に変化する矩形波電圧指令によって、電動機印加電圧の振幅と位相とを操作する矩形波電圧発生器と、
前記時間周期のN分の1(N≧1)の周期に同期させて電動機電流を検出する電流検出器と、
前記電動機電流の検出値を静止座標系の2相電流に座標変換する座標変換器と、
前記2相電流を入力とし、該2相電流から振幅が周期的に変化する波形の2相電流を得てその振幅の頂点を結ぶ包絡線を抽出する包絡線抽出器と、
前記包絡線抽出器の出力である前記2相電流の前記包絡線に含まれる磁極位置情報を求める演算により磁極位置推定値を出力する磁極位置演算器と、
前記磁極位置推定値に基づき交流電動機の速度を演算する速度演算器と
を備えることを特徴とする交流電動機の制御装置。 - 前記包絡線抽出器は、
前記2相電流から前記矩形波電圧指令に基づく電流成分を通過させる帯域通過フィルタ器と、
前記矩形波電圧指令の符号と前記帯域通過フィルタ器の出力である2相電流とを乗算する乗算器と、
前記乗算器の出力値を微分する微分器と
で構成されていることを特徴とする請求項1記載の交流電動機の制御装置。 - 前記包絡線抽出器は、
前記2相電流から前記矩形波電圧指令に基づく電流成分を通過させる帯域通過フィルタ器と、
前記矩形波電圧指令の符号と前記帯域通過フィルタ出力の2相電流とを乗算する乗算器と、
擬似微分器と
で構成されていることを特徴とする請求項1記載の交流電動機の制御装置。 - 前記磁極位置演算器は前記2相電流の包絡線から逆正接演算によって磁極位置を演算することを特徴とする請求項1記載の交流電動機の制御装置。
- 前記速度演算器は前記磁極位置演算値を第1の位置演算値とし、第2の磁極位置演算値を演算するにおいて、第1の磁極位置演算値と第2の磁極位置演算値との偏差がゼロとなるように速度を演算することを特徴とする請求項1記載の交流電動機の制御装置。
- 前記第2の磁極位置演算値は前記速度演算値を積分演算して求まることを特徴とする請求項5記載の交流電動機の制御装置。
- 任意に設定した時間周期内で指令電圧ベクトルを時間平均的に出力する電圧制御器を備えた交流電動機の制御装置において、
前記時間周期毎に正方向と負方向の交互に変化する矩形波電圧指令によって、電動機印加電圧の振幅と位相とを操作する矩形波電圧発生器と、
前記時間周期のN分の1(N≧1)の周期に同期させて電動機電流を検出する電流検出器と、
前記電動機電流の検出値を静止座標系の2相電流に座標変換する第1の座標変換器と、
少なくとも前記2相電流における前記矩形波電圧に基づく電流を制御磁極位置から45度遅れた位相の回転座標系における2相電流に座標変換する第2の座標変換器と、
前記回転座標系の2相電流から前記矩形波電圧に基づく電流成分を抽出し、その振幅の頂点を結ぶ包絡線を2つのスカラー電流として抽出する包絡線抽出器と、
前記包絡線抽出器の出力である2つのスカラー電流に基づき磁極位置を推定し交流電動機の速度を演算する磁極位置及び速度演算器と
を備えることを特徴とする交流電動機の制御装置。 - 前記包絡線抽出器は、前記回転座標系の2相電流から前記矩形波電圧に基づく電流成分を通過させる帯域通過フィルタ器と、
前記矩形波電圧指令の符号と前記帯域通過フィルタ器の出力である2相電流とを乗算する乗算器と、
前記乗算器の出力値を微分する微分器とで構成されていることを特徴とする請求項7記載の交流電動機の制御装置。 - 前記包絡線抽出器は、前記回転座標系の2相電流から前記矩形波電圧に基づく電流成分を通過させる帯域通過フィルタ器と、
前記矩形波電圧指令の符号と前記帯域通過フィルタ器の出力である2相電流とを乗算する乗算器と、
前記乗算器の出力値から前記時間周期の2分の1の周波数波分を除去する擬似微分器とで構成されていることを特徴とする請求項7記載の交流電動機の制御装置。 - 前記包絡抽出器は、前記回転座標系の2相電流から前記時間周期の周波数成分を通過する帯域通過フィルタ器と、
前記矩形波電圧指令の符号と前記帯域通過フィルタ器の出力である2相電流とを乗算する乗算器とで構成されていることを特徴とする請求項7記載の交流電動機の制御装置。 - 前記包絡線抽出器は、前記回転座標系の2相電流から前記時間周期の周波数成分を通過する帯域通過フィルタ器と、
前記矩形波電圧指令の符号と前記帯域通過フィルタ器の出力である2相電流とを乗算する乗算器と、
前記乗算器の出力値からオフセット量を抽出する低周波域通過フィルタとで構成されていることを特徴とする請求項7記載の交流電動機の制御装置。 - 前記磁極位置及び速度演算器において、前記速度演算値は前記2つのスカラー電流の偏差がゼロとなるように速度を演算することを特徴とする請求項7記載の交流電動機の制御装置。
- 前記磁極位置及び速度演算器において、前記磁極位置は速度を積分演算して求まることを特徴とする請求項7記載の交流電動機の制御装置。
- 任意に設定した時間周期内で指令電圧ベクトルを時間平均的に出力する電圧制御器を備えた交流電動機の制御装置において、
前記時間周期毎に正方向と負方向の交互に変化する矩形波電圧指令によって、電動機印加電圧の振幅と位相とを操作する矩形波電圧発生器と、
前記時間周期のN分の1(N≧1)の周期に同期させて電動機電流を検出する電流検出器と、
前記電動機電流の検出値を静止座標系の2相電流に座標変換する座標変換器と、
前記静止座標系の2相電流における前記矩形波電圧に基づく電流と前記矩形波電圧指令とに基づき磁極位置を推定する磁極位置演算器と、
前記磁極位置推定値に基づき交流電動機の速度を演算する速度演算器とを備えることを特徴とする交流電動機の制御装置。
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