JP5223109B2 - 永久磁石形同期電動機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石形同期電動機の制御装置に関し、詳しくは、永久磁石形同期電動機の永久磁石磁束及びインダクタンスを高精度に測定するための技術に関するものである。

永久磁石形同期電動機（以下、ＰＭＳＭともいう）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軸とからなるｄ，ｑ座標上で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。ここで、ＰＭＳＭのトルクは数式１によって表される。

このため、トルクを高精度に制御するには、永久磁石磁束とインダクタンスとを正確に測定し、これに基づいて電流を制御するのが望ましい。このことから、ＰＭＳＭの電圧方程式モデルに基づいて、電流、端子電圧及び速度の情報から永久磁石磁束とインダクタンスとを測定する技術が実用化されている。

例えば、非特許文献１には、ＰＭＳＭの電流を零に制御したときの端子電圧が、永久磁石磁束によって端子に誘導される誘起電圧に等しくなることを利用して、電流を零に制御したときの端子電圧を速度で除算することにより永久磁石磁束を測定する技術が記載されている。更に、ＰＭＳＭの電圧方程式を利用して、電流、端子電圧及び速度から、ｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスとを測定する技術が記載されている。

また、特許文献１に記載された同期電動機の定数同定方法では、ｑ軸電圧方程式に基づく誘起電圧のｑ軸成分から求めた「補正量を加えない速度推定値」（特許文献１の（６）式により演算）と、ｄ，ｑ軸電圧方程式に基づく誘起電圧のベクトル和から演算した「補正量を加えた速度推定値」（特許文献１の（７）式により演算）とが一致するように、永久磁石磁束（特許文献１では誘起電圧定数ｋ_ｅ）を演算している。更に、ｄ軸電流を異なる値に制御してもｑ軸誘起電圧推定値が一定値になるように、ｄ軸インダクタンスを演算することが記載されている（なお、上記の説明は、特許文献１におけるγ，δ軸（ｄ，ｑ軸の推定軸）での説明をｄ，ｑ軸に置き換えたものである）。

特許第３７０７６５９号公報（請求項１，請求項３、段落［０００６］〜［００１４］、図１，図２等） 森本 茂雄，武田 洋次，平紗 多賀男，「ＰＭモータのｄｑ軸等価回路定数の測定法」，電気学会論文誌Ｄ，１１３巻１１号，ｐ．１３３０〜１３３１，１９９３年

まず、従来技術の第１の問題点について説明する。
非特許文献１、特許文献１に記載された方法により永久磁石磁束及びインダクタンスを測定するためには、電動機を所定の速度で運転する必要がある。このため、電動機が負荷に結合されている場合には、負荷トルクを発生させる必要があり、ｑ軸電流を必ずしも零に制御することはできない。ここで、埋込磁石構造永久磁石形同期電動機（以下、ＩＰＭＳＭという）は、回転子の突極性によりｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスとが異なるため、ｄ軸電流を積極的に制御することで、数式１の右辺第２項であるリラクタンストルクを利用してトルク／電流を増加させることが多い。このことから、負荷トルクが大きいときには、ｄ軸電流を零に制御できない場合がある。

以下、負荷運転時における非特許文献１、特許文献１に係る従来技術の問題点について説明する。
前述したように、非特許文献１では、永久磁石磁束を測定するために電流を零に制御する必要があるので、負荷運転時には永久磁石磁束を測定することができない。また、ｄ軸インダクタンスの測定には永久磁石磁束の値が必要であるため、負荷運転時にはｄ軸インダクタンスの測定が不可能である。
更に、特許文献１においては、電流が零でない条件で誘起電圧を演算するためにインダクタンスの情報が必要であるから、負荷運転時には永久磁石磁束を測定することができない。

次に、従来技術の第２の問題点について説明する。
非特許文献１によるｑ軸インダクタンスの測定は、ｑ軸電流を零でない値に制御する必要があるため、ｑ軸インダクタンスの測定時にトルクが発生し、電動機が急加減速する恐れがある。
ところで、ｑ軸インダクタンスは、例えば特開２０００−５０７００号公報に示されているように、回転子が静止している状態でｑ軸方向に交番する交流電流を通流したときの電流と端子電圧との関係から測定することができる。しかしながら、上記交流電流としては一般に高周波の電流を通流するため、表皮効果の影響により、正確に測定できないことがある。

そこで、本発明の解決課題は、上述した種々の問題点を解消し、負荷条件によらずに永久磁石磁束及びインダクタンスを高精度に測定可能とした永久磁石形同期電動機の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、永久磁石形同期電動機の電流検出値、端子電圧検出値及び速度検出値から前記電動機の永久磁石磁束及びインダクタンスを測定する電気定数測定手段を備えた永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記電気定数測定手段は、
前記電動機の端子電圧及び電流をベクトルとしてとらえ、
前記電動機の電流検出値、端子電圧検出値及び速度検出値から磁束を推定する手段と、
前記電動機の回転子の磁極方向をｄ軸、これに直交する方向をｑ軸とした時に、ｄ軸電流を複数の値に制御する手段と、
複数の値に制御した前記ｄ軸電流と、これらのｄ軸電流にそれぞれ対応する前記磁束の推定値との関係を一次関数により近似し、この一次関数の傾きから前記電動機のｄ軸インダクタンスを測定し、前記一次関数の切片から前記電動機の永久磁石磁束を測定する手段と、を備えたものである。
これにより、負荷条件によらず、永久磁石形同期電動機の永久磁石磁束及びｄ軸インダクタンスを正確に測定することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載した制御装置において、前記回転子が停止している状態で前記電動機に交流電流を通流したとき、または、交流電圧を印加したときの電流検出値と端子電圧検出値との関係から、前記電動機のｄ軸インダクタンス及びｑ軸インダクタンスを測定する第２のインダクタンス測定手段と、
この第２のインダクタンス測定手段により測定したｄ軸インダクタンス及びｑ軸インダクタンスと、前記電気定数測定手段により測定したｄ軸インダクタンスとから、前記電動機のｑ軸インダクタンスを測定する手段と、を備えたものである。
これにより、表皮効果の影響を受けずにｑ軸インダクタンスを正確に測定することができる。

本発明によれば、負荷条件によらずに、ＰＭＳＭの永久磁石磁束及びインダクタンスを高精度に測定することができ、トルク制御性能を向上させることができる。

以下、図に沿って本発明の第１実施形態を説明する。図１は、この実施形態に係る制御装置を示すブロック図である。
まず、ＰＭＳＭの速度を指令値に制御する方法を、制御装置の構成と共に説明する。

前述したように、ＰＭＳＭはｄ，ｑ座標上で電流制御を行うことにより高精度な制御を実現可能であるため、以下に述べる速度制御もｄ，ｑ座標上で行うものとする。
図１において、入力電圧検出回路１２は、インバータ等からなる電力変換器７０の入力電圧Ｅ_ｄｃを検出する。また、磁極位置検出器９０は、ＰＭＳＭ８０の磁極位置θ_１を検出し、速度検出値９１は、ＰＭＳＭ８０の速度ω_１を検出する。

速度指令値ω^＊と速度検出値ω_１との偏差を減算器１６にて演算し、この偏差を速度調節器１７により増幅してトルク指令値τ^＊を演算する。
電流指令演算部１８は、トルク指令値τ^＊と速度検出値ω_１とから、ＰＭＳＭ８０の端子電圧が電力変換器７０の最大出力電圧以下になる条件でトルク／電流が最大になり、かつ、所望のトルクを出力するｄ，ｑ軸電流指令値ｉ_ｄ０ ^＊，ｉ_ｑ０ ^＊を演算する。

次に、上記ｄ軸電流指令値ｉ_ｄ０ ^＊と電気定数測定用電流指令発生器３１の出力であるｉ_ｄｍ ^＊とを加算器３２により加算して、ｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊を演算する。ここで、ｉ_ｄｍ ^＊は二つの異なる値に制御する。
一方、ｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊には、電流指令演算部１８から出力された前記ｑ軸電流指令値ｉ_ｑ０ ^＊を設定する。

電流座標変換器１４は、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ｉ_ｕ，ｉ_ｗを、磁極位置検出値θ_１に基づいてｄ，ｑ軸電流検出値ｉ_ｄ，ｉ_ｑにそれぞれ座標変換する。
ｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊とｄ軸電流検出値ｉ_ｄとの偏差を減算器１９ａにて演算し、この偏差をｄ軸電流調節器２０ａにより増幅してｄ軸電圧指令値ｖ_ｄ ^＊を演算する。一方、ｑ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊とｑ軸電流検出値ｉ_ｑとの偏差を減算器１９ｂにて演算し、この偏差をｑ軸電流調節器２０ｂにより増幅してｑ軸電圧指令値ｖ_ｑ ^＊を演算する。
これらのｄ，ｑ軸電圧指令値ｖ_ｄ ^＊，ｖ_ｑ ^＊は、電圧座標変換器１５によって磁極位置検出値θ_１に基づき相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に変換される。

整流回路６０は、三相交流電源５０の三相交流電圧を整流して直流電圧に変換し、この直流電圧を電力変換器７０に供給する。
ＰＷＭ回路１３は、相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊、及び、入力電圧検出回路１２が検出した電力変換器７０の入力電圧Ｅ_ｄｃとから、電力変換器７０の出力電圧を前記相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に制御するためのゲート信号を生成する。電力変換器７０はゲート信号に基づいて内部の半導体スイッチング素子を制御することで、ＰＭＳＭ８０の端子電圧を相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に制御する。
以上の演算処理により、ＰＭＳＭ８０の速度を指令値に制御することができる。

次に、ＰＭＳＭ８０の永久磁石磁束及びインダクタンスを測定するための電気定数測定手段３０の詳細について説明する。図２は、この電気定数測定手段３０のブロック図を示している。
図２において、ｄ軸磁束推定器１００は、ＰＭＳＭのｑ軸電圧方程式に基づいて、ｄ軸磁束を推定する。ＰＭＳＭのｄ，ｑ軸電圧方程式は数式２に示す通りである。

また、ｄ軸磁束Ψ_ｄは数式３によって表される。

数式２，数式３より、ｄ軸磁束推定器１００は、ｄ軸磁束推定値Ψ_ｄｅｓｔを数式４により演算する。

次に、パラメータ推定器１０１は、数式３に示したように、ｄ軸磁束Ψ_ｄがｄ軸電流ｉ_ｄの一次関数であることを利用し、ｄ軸電流ｉ_ｄを二つの異なる値に制御したときのｄ軸磁束推定値Ψ_ｄｅｓｔから永久磁石磁束とｄ軸インダクタンスとを演算する。なお、ｄ軸電流ｉ_ｄを異なる二つの値に制御する動作は、図１における電気定数測定用電流指令発生器３１が、ｉ_ｄｍ ^＊を二つの異なる値に制御することにより実現される。

図３は、パラメータ推定器１０１の動作原理を示すものである。すなわち、図３において、ｄ軸電流をＩ_ｄ１，Ｉ_ｄ２に制御したときのｄ軸磁束推定値がそれぞれΨ_ｄ１，Ψ_ｄ２であるとき、ｄ軸インダクタンスは、二つの動作点を結ぶ一次関数の傾きに等しい。このことから、ｄ軸インダクタンスＬ_ｄｅｓｔを数式５により演算する。

一方、永久磁石磁束は一次関数の切片に等しいことから、数式６により演算する。

以上の演算処理により、負荷運転時にも永久磁石磁束とｄ軸インダクタンスとを正確に測定することができる。

次に、本発明の第２実施形態を説明する。この実施形態は、回転子が静止している状態で、交番電流を通流したとき、または、交流電圧を印加したときの電流検出値と端子電圧との関係から、第２のｄ軸インダクタンスＬ_{ｄｈｅｓｔ}及び第２のｑ軸インダクタンスＬ_{ｑｈｅｓｔ}を測定し、これらの測定値と第１実施形態により測定した第１のｄ軸インダクタンスＬ_ｄｅｓｔとを用いてｑ軸インダクタンスを求めるものである。

第２のｄ軸インダクタンスＬ_{ｄｈｅｓｔ}及び第２のｑ軸インダクタンスＬ_{ｑｈｅｓｔ}は、表皮効果によってそれぞれ誤差を持つことがあるが、両インダクタンスの比（Ｌ_{ｑｈｅｓｔ}／Ｌ_{ｄｈｅｓｔ}）は正確に測定可能である。一方、第１のｄ軸インダクタンスＬ_ｄｅｓｔは、表皮効果の影響を受けずに数式５によって正確に測定することができる。これらのことから、第２実施形態によれば、数式７により、ｑ軸インダクタンスＬ_ｑｅｓｔを表皮効果の影響を受けないで正確に測定可能である。

なお、上述した各実施形態は、図１のように磁極位置検出器９０及び速度検出器９１を用いて速度制御を行う場合について説明したが、本発明に係る制御装置は、これらの磁極位置検出器や速度検出器を用いずに、ＰＭＳＭ８０の電流及び端子電圧の情報から間接的に磁極位置と速度とを演算して速度制御を行う、いわゆるセンサレス制御を行う場合にも同様に適用可能である。
また、各実施形態では、ｄ軸磁束推定値Ψ_ｄｅｓｔをＰＭＳＭ８０のｑ軸電圧方程式から直接演算しているが、磁極オブザーバによって演算しても良い。

本発明の第１実施形態を示すブロック図である。 図１における電気定数測定手段のブロック図である。 図２におけるパラメータ推定器の動作原理を示す図である。

符号の説明

１１ｕ ｕ相電流検出器
１１ｗ ｗ相電流検出器
１２ 入力電圧検出回路
１３ ＰＷＭ回路
１４ 電流座標変換器
１５ 電圧座標変換器
１６ 減算器
１７ 速度調節器
１８ 電流指令演算部
１９ａ，１９ｂ 減算器
２０ａ ｄ軸電流調節器
２０ｂ ｑ軸電流調節器
３０ 電気定数測定手段
３１ 電気定数測定用電流指令発生器
３２ 加算器
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）
９０ 磁極位置検出器
９１ 速度検出器
１００ ｄ軸磁束推定器
１０１ パラメータ推定器

Claims (2)

1. 永久磁石形同期電動機の電流検出値、端子電圧検出値及び速度検出値から前記電動機の永久磁石磁束及びインダクタンスを測定する電気定数測定手段を備えた永久磁石形同期電動機の制御装置において、
   前記電気定数測定手段は、
   前記電動機の端子電圧及び電流をベクトルとしてとらえ、
   前記電動機の電流検出値、端子電圧検出値及び速度検出値から磁束を推定する手段と、
   前記電動機の回転子の磁極方向をｄ軸、これに直交する方向をｑ軸とした時に、ｄ軸電流を複数の値に制御する手段と、
   複数の値に制御した前記ｄ軸電流と、これらのｄ軸電流にそれぞれ対応する前記磁束の推定値との関係を一次関数により近似し、この一次関数の傾きから前記電動機のｄ軸インダクタンスを測定し、前記一次関数の切片から前記電動機の永久磁石磁束を測定する手段と、
   を備えたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
2. 請求項１に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
   前記回転子が停止している状態で前記電動機に交流電流を通流したとき、または、交流電圧を印加したときの電流検出値と端子電圧検出値との関係から、前記電動機のｄ軸インダクタンス及びｑ軸インダクタンスを測定する第２のインダクタンス測定手段と、
   この第２のインダクタンス測定手段により測定したｄ軸インダクタンス及びｑ軸インダクタンスと、前記電気定数測定手段により測定したｄ軸インダクタンスとから、前記電動機のｑ軸インダクタンスを測定する手段と、
   を備えたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
   

Images