JP4692328B2 - 永久磁石同期モータの制御装置,制御方法、及びモジュール - Google Patents

永久磁石同期モータの制御装置,制御方法、及びモジュール Download PDF

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Description

本発明は、永久磁石同期モータの制御装置における抵抗同定技術に関する。
永久磁石同期モータの制御装置では、モータの電気定数を用いたベクトル制御を行い、モータの電流の大きさ,周波数,位相を制御している。しかし、電気定数の中でも抵抗値は、温度や配線により変化するため、制御装置内で設定する抵抗値と抵抗の真値に誤差を持つことで、制御性能の劣化を招く。特に、位置センサを省略した位置センサレス制御では、モータの回転子位置の推定演算にモータ定数を用いるため、抵抗値の設定値と真値に誤差を持つと回転子位置の推定精度が劣化し、制御性能を悪化させる。
そこで、抵抗の真値を同定して抵抗設定値に反映する抵抗値同定方法の一例として、特許文献1に特開2003−164188号公報(従来例1)がある。
従来例1では、モータの運転前に抵抗値を同定する方法を示している。同定の方法は、モータを回転させないように拘束電流を通流する拘束条件下で、直流電圧Eを印加する。このとき、モータを等価的なLR負荷とみなし、一定時間経過すると電流は一定値(E/R)に収束するので、直流電圧と検出した電流値から抵抗値を求めている。
他の同定方法として、特許文献2に特開2001−69783号公報(従来例2)がある。
従来例2では、モータの初期位置を推定し、推定位置にもとづいてd軸電流を一定値に制御し、電圧と検出電流から抵抗値を同定している。従来例2は、初期位置の推定方法に非特許文献1を挙げている。非特許文献1では、パルス電圧印加時の電流応答から初期位置を推定する方法が示されている。
他の同定方法には、特許文献3に特開2002−22813号公報(従来例3)がある。
従来例3では、誘導電動機のモータ定数の同定方法が示されている。同定するモータ定数は、一次抵抗値,二次抵抗値,漏れインダクタンス,相互インダクタンスである。一次抵抗の同定方法を挙げると、2点以上の計測点において、電流値が定常状態となる時点の電圧指令値と検出電流値を用いて、計測点間の傾きを一次抵抗として演算している。
特開2003−164188号公報 特開2001−69783号公報 特開2002−22813号公報
従来例1では、モータの運転前に回転子を拘束する電流を通流するインバータ動作を行い、直流電流を通流して抵抗値を同定する。直流電流は、インバータのパワー素子のオン・オフ間隔により制御している。
従来例2では、初期位置を推定した位相に対し、回転子を回転させないようにする通流して抵抗値を同定する方法が示されている。しかし、非特許文献1によれば、初期位置の推定には、事前に測定して得られた位置に対する直流成分Isが必要である。つまり、初期位置の推定開始以前に、モータの電気角一回転分の測定値から得られる直流成分Isが既知でなければならない。
従来例3は、誘導電動機の定数同定に関する方法である。従来例3で示す一次抵抗値の同定方法において、電流値のレベルを2点以上として、電流制御器の入力をゼロとした定常状態の測定値から一次抵抗値を同定する。同定は、少なくとも2点の測定値から傾きを求めれば良いが、同定精度を向上するためには複数の測定点での測定が必要となる。この方法では、抵抗値の同定は定常状態で行い、電流レベルが変わる過渡状態においては同定できない。そのため、測定点が多くなり過渡状態が増えると、抵抗同定に要する時間の増加を招く課題がある。
本発明のモータ制御装置は、電流指令値を入力とする電流制御部と、前記電流制御部の出力を入力とする電圧指令値作成部とを有し、前記電圧指令値作成部の出力である電圧指令値に従って永久磁石同期モータに印加する電圧を制御する永久磁石同期モータの制御装置において、前記永久磁石同期モータの回転子の位置決め時に前記電流制御部の出力と、前記電流指令値または検出電流とからモータ定数抵抗値を求める抵抗値同定手段と、前記抵抗値同定手段の出力である抵抗同定値にもとづいて前記電圧指令値作成部に用いる抵抗設定値を修正することで前記電圧指令値を修正する抵抗設定値変更手段を備えることを特徴としている。
本発明によれば、抵抗設定値を修正することで高精度な永久磁石同期モータの制御を実現できる。
以下、図を参照しながら、本発明の詳細を説明する。
図1に、実施例1のモータ制御装置の構成を示す。
永久磁石同期モータ1に流れる相電流Iu,Iv,Iwを電流検出部2で検出し、座標変換部3が磁極位置情報をもとに回転子直交座標であるdc−qc軸へ座標変換して検出電流Idc及びIqcを出力する。その検出電流Idc及びIqcと電流指令値Id* 及びIq* の偏差をとり、電流制御部4により検出電流を電流指令値に追従させる。電圧指令値作成部5は、電流制御部4の出力と速度指令切替手段により与えられる磁極位置情報及び速度情報と、電気定数群7で与えられるモータ定数の設定値Ke*,R*,Ld*
Lq* を用いて、電圧指令値を演算する。その電圧指令値にもとづき、電力変換部6は永久磁石同期モータ1に電圧を印加する。
磁極位置推定及び速度推定部8では、モータ定数の設定値と検出電流及び、電圧指令値を用いて速度推定値ω1cと磁極位置推定値θc を演算する。しかし、停止及び低速度領域の運転では、磁極位置の推定が困難となるため、起動時には速度指令切替手段13により出力を切り替える。速度指令切替手段13は、起動時に信号端子13S1をオンとして、任意に与える指令値ω1 *及びθc*を出力し、磁極位置推定が可能な速度に達したのち、信号端子13S2をオンに切り替えて推定値ω1c及びθc を出力する。加えて、電流指令切替手段12により電流指令値Id*,Iq*を切り替えている。電流指令切替手段12の信号端子は、信号端子13S1がオンで信号端子12S1をオンとし電流指令値Id*1及びIq*1を出力し、信号端子13S2がオンで信号端子12S2をオンとして電流指令値Id*2及びIq*2を出力するように切り替える。
信号端子12S1及び13S1をオンとする起動時において、速度指令値ω1 *をゼロとし、任意の位相θc *を与えてモータの磁極位置を特定の位相に引き込む位置決めを行うモードを位置決めモードとする。抵抗値同定手段10は、この位置決めモードにおいて、電流指令値と電流制御部出力により、抵抗真値Rを同定した抵抗同定値R^を求める。抵抗設定値変更手段11は、このR^にもとづき抵抗設定値R*を修正する。
抵抗値同定の原理を以下に示す。
数式1に永久磁石同期モータのモータモデル式を示す。
Figure 0004692328
式中のRは抵抗値、Ldはd軸インダクタンス、Lqはq軸インダクタンス、Keは誘起電圧定数のそれぞれ真値である。ωr は、永久磁石同期モータの実角速度であり、永久磁石同期モータの場合は速度推定値ω1cと一致する。電流Id及びIqは、モータに流れるd−q軸上の電流であり、d−q軸がdc−qc軸と一致する場合は検出電流Idc及びIqcに一致する。また、sは微分演算子である。
数式2に電圧指令値作成部5の電圧指令値演算式を示す。
Figure 0004692328
式中のR*は抵抗値、Ld*はd軸インダクタンス、Lq*はq軸インダクタンス、Ke*は誘起電圧定数の設定値であり、数式1に示した真値と区別する。さらに、Id**及び
Iq**は電流制御部4の出力である。
速度指令値ω1 *をゼロとし、磁極位置指令値θc *を任意の位相に固定する位置決めモードにおいて、Id*のみ通流してIq*をゼロとすることで、モータのd軸が位相θc *に固定され、ωr=ω1 *=0となり、Vd=Vdc*,Vq=Vqc* となる。このとき、数式1と数式2から、d軸の電流指令値と電流制御器の出力の比が抵抗真値と抵抗設定値の比となる。数式3に、その関係を示す。
Figure 0004692328
よって、数式3にもとづいて抵抗真値Rを同定することができ、抵抗同定値R^は数式4となる。
Figure 0004692328
抵抗値同定手段10は、数式4にもとづいて抵抗同定値R^を演算する。ここで、検出電流は電流指令値に追従するので、抵抗値同定手段10は電流指令値の代わりに検出電流を用いても良い。
抵抗設定値変更手段11は、抵抗同定値R^にもとづき、抵抗設定値R*を修正する。図2に、抵抗設定値変更方法の一例を示す。図2は、抵抗同定値の初期値を抵抗設定値として定め、時間t=t0 から抵抗値同定手段10により同定を行う。図2に示す例では、時間t=t1 に達する前に、同定値が最終値を真値として収束している。抵抗設定値変更手段11は、最終値を抵抗同定値として、初期値から最終値まで段階的に抵抗設定値を変更している。このとき、抵抗設定値変更手段11は、抵抗設定値をt=t1 で瞬時に変更しても、t=t0 で抵抗同定値の変化に合わせて抵抗設定値を変更しても良い。
電圧指令値作成部5では、抵抗設定値が修正されることで、電圧指令値を修正する。
図3に実施例2の構成を示す。
実施例1と同様に、抵抗値同定手段10により求めた抵抗同定値にもとづいて抵抗設定値を修正することで、電圧指令値作成部5が出力する電圧指令値を修正するとともに、電流制御部4の制御ゲインを修正する。本実施例では、抵抗設定値を含む電気定数群7の設定値を用いて制御ゲインを定めている。電流制御部4を比例積分制御器として制御ゲインを数式5で定める。
Figure 0004692328
数式5中のKpd、Kpqを比例ゲイン、Kid,Kiqを積分ゲインとする。ωCdとωCqは、d軸とq軸の電流制御の応答角周波数設定値である。数式5から明らかなように、比例ゲインのKpdとKpqに抵抗設定値R*が含まれる。この抵抗設定値R*を抵抗同定値R^と定めれば、制御ゲインは数式6となる。
Figure 0004692328
抵抗設定値と抵抗真値に誤差があれば、電流制御の応答角周波数として定める電流応答が得られない。そこで、数式6に示すように抵抗設定値を抵抗同定値にもとづいて定めることで、制御ゲインを修正し、設定した応答を得ることができる。制御ゲインの修正は、抵抗設定値変更手段11による抵抗設定値の修正と同時に変更しても良いし、抵抗設定値の修正とは同時性を持たせずに変更しても良い。
図4に実施例3の構成を示す。
図4において、電圧指令値作成部5は、電流指令値と電流制御部出力と速度指令切替手段により与えられる磁極位置情報及び速度情報と、電気定数群7で与えられるモータ定数設定値Ke*,R*,Ld*,Lq*を用いて、電圧指令値を演算する。
抵抗値同定手段10は、位置決めモードにおいて、電流制御部4の出力と電流指令値を入力として、抵抗同定値R^を出力する。抵抗設定値変更手段11は、抵抗同定値R^にもとづき抵抗設定値R* を修正することで、電圧指令値作成部5が出力する電圧指令値を修正する。
この構成における抵抗同定の原理を以下に示す。数式7に電圧指令値作成演算の演算式を示す。
Figure 0004692328
数式7では、電流指令値Id*及びIq*から電圧指令値を演算し、電流制御部4の出力を加算しない場合として示す。位置決めモードにおいて、ωr=ω1 *=0 であり、Vd=Vdc*,Vq=Vqc* である。このとき、抵抗設定値R*と抵抗真値Rに誤差があれば、電流指令値と検出電流に抵抗値の誤差分のずれが生じ、数式8となる。
Figure 0004692328
数式8より、電流指令値Id* と検出電流Idcを一致させるには、抵抗真値Rと抵抗設定値R*を一致させれば良い。電流制御部4において、Id*とIdcの偏差から、積分制御または比例積分制御を行えば、電流制御部4の出力は抵抗の誤差分となるので、抵抗真値Rを抵抗値同定手段10により同定することができる。抵抗設定値変更手段11により、同定した抵抗同定値R^にもとづき電圧指令値作成部5を修正することで、電圧指令値を修正する。
図5に実施例4の構成を示す。
実施例3と同様に、抵抗値同定手段10により求めた抵抗同定値にもとづいて抵抗設定値を修正することで、電圧指令値作成部5が出力する電圧指令値を修正するとともに、電流制御部4の制御ゲインを修正する。本実施例では、抵抗設定値を含む電気定数群7の設定値を用いて制御ゲインを定めている。電流制御部4を比例積分制御器として制御ゲインを数式9で定める。
Figure 0004692328
数式9中のKpd,Kpqを比例ゲイン、Kid,Kiqを積分ゲインとする。ωCdとωCqは、d軸とq軸の電流制御の応答角周波数設定値である。数式9の積分ゲインKidとKiqに抵抗設定値R*が含まれ、抵抗設定値R*が抵抗同定値R^であれば、定める制御ゲインは数式10となる。
Figure 0004692328
抵抗設定値と抵抗真値に誤差があれば、電流制御の応答角周波数として定める電流応答が得られない。そこで、数式9に示すように抵抗設定値を抵抗同定値にもとづいて定めることで、制御ゲインを修正し、設定した応答を得ることができる。制御ゲインの修正は、抵抗設定値変更手段11による抵抗設定値の修正と同時に変更しても良いし、抵抗設定値の修正とは同時性を持たせずに変更しても良い。
図6に実施例5の構成を示す。
図6において、直流電流検出部22は、電力変換部6に直流入力を与える直流電源21から直流電流Istを検出する。
相電流再現部23は、直流電流Istを入力として永久磁石同期モータ1に流れる相電流を再現した再現電流Iu^,Iv^,Iw^を出力する。
座標変換部3は、磁極位置情報をもとに再現電流Iu^,Iv^,Iw^を回転子直交座標であるdc−qc軸へ座標変換して、検出電流Idc及びIqcを出力する。
図7に実施例6の構成を示す。図7は、本発明におけるモータ制御装置100をエアコン101に適用した模式図である。
エアコン101は、室外機102と室内機103の構成となっている。室外機102と室内機103は配管104で接続され、配管内を冷媒が流れる。室外機102は、熱交換器107,圧縮機106,圧縮機用モータ105,モータ制御装置100がある構成となっており、室内機103は、熱交換器108と送風機109の構成となっている。エアコン101は、室外機102と室内機103の間を冷媒が流れ、室内機103の熱交換器
108と送風機109により冷風、または温風を室内に送る。
このような構成において、圧縮機用モータ105の巻線の抵抗値は温度によって変化し、また、室外機102は戸外に設置されるのが一般的であり、温度変化は広範囲である。エアコン101において、低温時の抵抗値に設定して高温条件で運転すれば制御性能が劣化し、逆に、高温時の抵抗値を設定すれば低温条件の制御性能が劣化する。制御性能の劣化を防ぐには、巻線の温度により抵抗値を補償する必要があるが、これには熱電対やサーミスタといった温度センサを追加しなければならない。しかし、温度センサを追加することは、コストの増加に繋がるし、センサの配線が増え、断線の恐れがあり、好ましくない。そこで、本発明の抵抗値同定手段10を用いれば、広範囲な温度条件で温度センサを用いることなく抵抗値を同定することができ、制御性能の劣化を抑止できる。
図8に実施例7の構成を示す。図8は、本発明におけるモータ制御装置200を電動オイルポンプ201に適用した模式図である。
電動オイルポンプ201は、ポンプ用モータ202,オイルポンプ203の構成となっている。オイルポンプ203は、配管204で油圧回路を形成し、リリーフバルブ205,ソレノイドバルブ206,シリンダ207,タンク208と接続されている。油は、電動オイルポンプ201が動作することで矢印で示す流路の方向に流れる。ソレノイドバルブ206を動作させることで、シリンダ207へ流入する油の流路を変え、シリンダ207を作動させる。リリーフバルブ205は、油圧が予め定めた圧力より高くなると、油をタンク208へ吐出して圧力を保つ安全弁の役割を果たす。
このような構成において、温度によって、ポンプ用モータ202の巻線抵抗値と、油の粘性が大きく変化する。氷点下となる低温では、粘性が大きいため、ポンプ用モータ202の負荷トルクが増大する。逆に、高温では、粘性が小さいため負荷トルクが減少する。つまり、温度変化に起因する負荷トルクの変化が大きく、さらに、モータ制御装置200の抵抗設定値がポンプ用モータ202の抵抗真値とずれて制御性能が劣化すると、油圧を一定に保つことができない課題がある。そこで、本発明の抵抗値同定手段10を用い抵抗値を同定することで、制御性能の劣化を防ぎ、油圧を一定に保つことができる。
図9に実施例8の構成を示す。図9は、本発明におけるモータ制御装置300を洗濯機301に適用した模式図である。
洗濯機301は、水受け槽307の中に、洗濯槽306と攪拌翼(パルセータ)305がある構成となっており、洗濯槽306と攪拌翼305を駆動用モータ303で駆動する。洗濯槽306と攪拌翼305のどちらを駆動するかは、洗濯工程中にクラッチ部304によって切り替える。なお、クラッチ部304は減速機構が有る構成と無い構成のいずれでもよい。モータ制御装置300と駆動用モータ303は、モータ配線302で接続する。
洗濯機の洗濯工程は、大きく「洗い」「すすぎ」「脱水」「乾燥」に分けられる。各洗濯工程の工程内において、負荷トルクや慣性モーメントは大幅に変化し、洗濯物の量や布質によっても変化するという特徴がある。このように、洗濯工程の中で大幅に変化する負荷トルクに対し、モータ制御装置300の抵抗設定値が駆動用モータ303の抵抗真値のずれにより制御性能が劣化し、所望のトルクを得ることができず各洗濯工程の要求を満足できない課題がある。そこで、本発明の抵抗値同定手段10を用い、抵抗値を同定することで、各洗濯工程の要求を満足することができる。
図10を用いて本発明をモジュールに適用した実施例9について説明する。本実施例は、第1実施例の実施形態を示すものである。
ここで、座標変換部3,電流制御部4,電圧指令値作成部5,磁極位置及び速度推定部8,抵抗値同定手段10,抵抗設定値変更手段11,電流指令切替手段12,速度指令切替手段13は、1チップマイコンを用いて構成している。
また、前記1チップマイコンと電力変換部6は、同一基板上で構成される1モジュール内に納められている形態となっている。ここでいうモジュールとは「規格化された構成単位」という意味であり、分離可能なハードウェア/ソフトウェアの部品から構成されているものである。尚、製造上、同一基板上で構成されていることが好ましいが、同一基板に限定はされない。これより、同一筐体に内蔵された複数の回路基板上に構成されても良い。他の実施例においても同様の形態構成をとることができる。
実施例1の抵抗値同定手法を備えるモータ制御装置の構成図。 抵抗設定値の変更方法の一例。 実施例2の抵抗値同定手法を備えるモータ制御装置の構成図。 実施例3の抵抗値同定手法を備えるモータ制御装置の構成図。 実施例4の抵抗値同定手法を備えるモータ制御装置の構成図。 直流入力電流から相電流を再現するモータ制御装置の構成図。 本発明を適用したエアコンの模式図の一例。 本発明を適用した電動オイルポンプの模式図の一例。 本発明を適用した洗濯機の模式図の一例。 本発明をモジュールに適用した場合の一例。
符号の説明
1…永久磁石同期モータ、2…電流検出部、3…座標変換部、4…電流制御部、5…電圧指令値作成部、6…電力変換部、7…電気定数群、8…磁極位置及び速度推定部、10…抵抗値同定手段、11…抵抗設定値変更手段、12…電流指令切替手段、13…速度指令切替手段、21…直流電源、22…直流電流検出部、23…相電流再現部、100…モータ制御装置、101…エアコン、102…室外機、103…室内機、104,204…配管、105…圧縮機用モータ、106…圧縮機、107,108…熱交換器、109…送風機、200…モータ制御装置、201…電動オイルポンプ、202…ポンプ用モータ、203…オイルポンプ、205…リリーフバルブ、206…ソレノイドバルブ、207…シリンダ、208…タンク、300…モータ制御装置、301…洗濯機、302…モータ配線、303…駆動用モータ、304…クラッチ部、305…攪拌翼、306…洗濯槽、307…水受け槽。

Claims (9)

  1. 電流指令値を入力とする電流制御部と、前記電流制御部の出力を入力とする電圧指令値作成部とを有し、前記電圧指令値作成部の出力である電圧指令値に従って永久磁石同期モータに印加する電圧を制御する永久磁石同期モータの制御装置において、
    前記永久磁石同期モータの回転子の位置決め時に前記電流制御部の出力と、前記電流指令値または検出電流とからモータ定数抵抗値を求める抵抗値同定手段と、
    前記抵抗値同定手段の出力である抵抗同定値にもとづいて前記電圧指令値作成部に用いる抵抗設定値を修正することで前記電圧指令値を修正する抵抗設定値変更手段とを備えることを特徴とする永久磁石同期モータの制御装置。
  2. 請求項1において、
    前記抵抗値同定手段は、前記電圧指令値作成部に用いる抵抗設定値と前記永久磁石同期モータの抵抗真値との誤差分を、前記電流制御部の出力と、電流指令値または検出電流とから求め、抵抗真値を同定することを特徴とする永久磁石同期モータの制御装置。
  3. 請求項1または2において、
    前記抵抗設定値変更手段は、更に、電流制御部の制御ゲインを修正することを特徴とする永久磁石同期モータの制御装置。
  4. 請求項1ないし3のいずれかにおいて、
    前記検出電流は、前記電力変換部の直流入力の母線電流を検出し、前記永久磁石同期モータの相電流を再現した電流であることを特徴とする永久磁石のモータ制御装置。
  5. 請求項1ないし4のいずれかに記載の永久磁石同期モータの制御装置を使用し、前記モータ制御装置を圧縮機の回転駆動源とする構成を特徴とするエアコン。
  6. 請求項1ないし4のいずれかに記載の永久磁石同期モータの制御装置を使用し、前記モータ制御装置をポンプの回転駆動源とする構成を特徴とする電動オイルポンプ。
  7. 請求項1ないし4のいずれかに記載の永久磁石同期モータの制御装置を使用し、前記モータ制御装置を回転駆動源とする構成を特徴とする洗濯機。
  8. 電流指令値を入力とする電流制御ステップと、電流制御ステップの出力を入力とする電圧指令値作成ステップとを有し、前記電圧指令値作成ステップの出力である電圧指令値に従って永久磁石同期モータに印加する電圧を制御する永久磁石同期モータ制御方法において、
    前記永久磁石同期モータの回転子の位置決め時に電流制御部の出力と、電流指令値または検出電流とからモータ定数抵抗値を求める抵抗値同定ステップと、
    前記抵抗値同定手段の出力である抵抗同定値にもとづいて前記電圧指令値作成部に用いる抵抗設定値を修正することで前記電圧指令値を修正する抵抗設定値変更ステップとを備えることを特徴とする永久磁石同期モータの制御方法。
  9. 電流指令値を入力とする電流制御部と、前記電流制御部の出力を入力とする電圧指令値作成部と、前記電圧指令値作成部の出力である電圧指令値に従って永久磁石同期モータに電圧を印加する電力変換部とを有するモジュールにおいて、
    前記永久磁石同期モータの位置決め時に、前記電流制御部の出力と、前記電流指令値または検出電流とからモータ定数抵抗値を求める抵抗値同定手段と、
    前記抵抗値同定手段の出力である抵抗同定値にもとづいて前記電圧指令値作成部に用いる抵抗設定値を修正することで前記電圧指令値を修正する抵抗設定値変更手段とを備えることを特徴とするモジュール。
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