JP5291184B2 - 交流回転機の制御装置 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1に記載の発明は、ベクトルコントローラ基本部で必要とする回転d−q座標系の位相を磁極位置検出器を用いることなく適切に生成するために、低周波領域用の位相を生成する低周波領域位相生成器と高周波領域用の位相を生成する高周波領域位相生成器とを用意する。そして、これら2種の位相を周波数的に加重平均して合成する位相合成器を備え、合成された最終位相を回転d−q座標系の位相とするようにしている。
これらの発明により、交流回転機を低速域から高速域までスムーズに駆動することが可能になるとされている。
前記適応観測手段は、前記電圧指令ベクトルに加えて電流偏差ベクトルと増幅偏差ベクトルとに基づき前記推定磁束位相に加えて推定電流ベクトルと推定磁束ベクトルとを出力し、
更に、前記推定電流ベクトルと前記検出電流ベクトルとの偏差である前記電流偏差ベクトルおよび前記推定磁束ベクトルと前記検出磁束ベクトルとの偏差である磁束偏差ベクトルを演算して前記増幅偏差ベクトルとして出力する偏差ベクトル演算手段を備えたものである。
前記適応観測手段は、前記電圧指令ベクトルに加えて増幅偏差ベクトルに基づき前記推定磁束位相に加えて推定磁束ベクトルを出力し、
更に、前記推定磁束ベクトルと前記検出磁束ベクトルとの偏差である磁束偏差ベクトルを演算して前記増幅偏差ベクトルとして出力する偏差ベクトル演算手段を備えたものである。
図1は、本実施の形態1における全体構成図を示す図である。図において、電圧印加手段1は、電圧指令ベクトルVsrefに基づいて交流回転機2に電圧を印加する。本実施の形態1では交流回転機2として同期機を例に挙げて説明するが、誘導機であっても同様の原理で構成することが可能である。
電流ベクトル検出手段3は、交流回転機2の電流ベクトルを検出し検出電流ベクトルIsとして出力する。交流回転機制御手段4は、電流ベクトル検出手段3から得た検出電流ベクトルIsが電流指令ベクトルIsrefに一致するように電圧指令ベクトルVsrefを電圧印加手段1に出力する。回転位置検出手段5は、交流回転機2の回転位置を検出して磁束ベクトル検出手段6へ出力し、磁束ベクトル検出手段6は該回転位置に基づいて磁束ベクトルを検出し検出磁束ベクトルPhiとして出力する。
即ち、交流回転機制御手段4は、電流指令ベクトルIsrefに検出電流ベクトルIsが一致するように電圧指令ベクトルVsrefを出力する上で必要となる推定磁束位相θ0を精度良く入手できることがその制御性能上重要となる。
従って、適応観測手段7の第一義の役割は、この推定磁束位相θ0を精度良く生成することである。適応観測手段7においては、交流回転機2の回転速度が該適応観測手段7の推定速度wr0であったとして、電圧指令ベクトルVsrefを交流回転機2に印加したときに発生する電流ベクトルと磁束ベクトルとを、それぞれ推定電流ベクトルIsest、推定磁束ベクトルPhestとして出力する。そして、推定磁束位相θ0は推定磁束ベクトルPhestの位相であるから、適応観測手段7が出力する推定磁束ベクトルPhestを交流回転機2の磁束ベクトルPhに一致させることが制御性能向上に寄与する。
そこで、この磁束偏差ベクトルΔPhiの特徴について、図2を用いて更に詳しく説明する。
このように、推定磁束ベクトルPhestと検出磁束ベクトルPhiとに位相差が発生すると、磁束偏差ベクトルΔPhiが発生したり、推定磁束ベクトルPhestと検出磁束ベクトルPhiとの外積演算によって得られる値が発生したりする。
このように推定磁束ベクトルPhestと検出磁束ベクトルPhiとの位相差が大きいほど、推定磁束ベクトルPhestと検出磁束ベクトルPhiとの外積演算によって得られる値も大きいとは限らないので、この外積演算によって得られる値は推定磁束ベクトルPhestと検出磁束ベクトルPhiとの位相差の大小を正確に反映するとは言い難い。
図3は、交流回転機制御手段4の内部構成を示す図である。図において、座標変換器20は、電流ベクトル検出手段3内の3相/2相変換器10が出力するa−b軸座標上の2相交流電流を、適応観測手段7が出力する推定磁束位相θ0に同期して回転する回転二軸座標へ、座標変換を行う。ここでは、推定磁束位相θ0に同期して回転する回転二軸座標をd−q軸と定義する。即ち、座標変換器20は、a−b軸上の検出電流ベクトルのa軸成分ias及び検出電流ベクトルのb軸成分ibsを、適応観測手段7が出力する推定磁束位相θ0に基づいて、d−q軸上の検出電流ベクトルのd軸成分ids及び検出電流ベクトルのq軸成分iqsとして出力する。
増幅器23は、減算器21から得た電流指令ベクトルのd軸成分idsrefと検出電流ベクトルのd軸成分idsとの偏差を比例積分演算によって増幅し、その値を電圧指令ベクトルのd軸成分vdsrefとして出力し、増幅器24は、減算器22から得た電流指令ベクトルのq軸成分iqsrefと検出電流ベクトルのq軸成分iqsとの偏差を比例積分演算によって増幅し、その値を電圧指令ベクトルのq軸成分vqsrefとして出力する。
図4は、磁束ベクトル検出手段6の内部構成を示す図である。図において、余弦演算器30は、回転位置検出手段5から得た回転角度θに応じた余弦演算を行いcosθを出力し、ゲイン演算器31は、余弦演算器30が出力したcosθを予め設定した値に比例させた値を検出磁束ベクトルのa軸成分phiaとして出力する。なお、ゲイン演算器31の比例係数は、回転子磁束振幅φfで与える。
正弦演算器32は、回転位置検出手段5から得た回転角度θに応じた正弦演算を行いsinθを出力し、ゲイン演算器33は、正弦演算器32が出力したsinθを予め設定した値に比例させた値を検出磁束ベクトルのb軸成分phibとして出力する。ゲイン演算器33の比例係数もゲイン演算器31と同様に回転子磁束振幅φfで与える。
従って、一般に応答特性が十分でない回転位置検出手段5の出力から検出磁束ベクトルPhiを求めるようにしても、その応答性不良に起因する高回転域での駆動特性の低下を防止することができる。
なお、以上で例示した増幅ゲイン121、125、126は勿論、その他の増幅ゲインの特性の設定根拠については、本願発明では、特に重要でないので、細部の説明は省略することとする。
なお、h33とh44の値は、推定速度wr0に応じて、ステップ的に変化させても良いが、より滑らかに動作させるためには、図10に記載のように直線的に変化させると良い。
この構成にあっても、適応観測手段7は、少なくとも、推定磁束ベクトルと検出磁束ベクトルとの偏差が小さくなるように推定磁束位相を演算することでは変わりがないので、速度零を含む低速域から高速域までスムーズに駆動するとともに、たとえ、推定位相に初期値誤差があっても速やかに誤差収束させて所望の特性が得られるという効果を期待しうる。
先の実施の形態1における交流回転機の制御装置では、磁束ベクトル検出手段6は回転位置検出手段5が検出した回転位置に基づいて検出磁束ベクトルPhiを出力していたが、交流回転機2に突極性として知られるインダクタンスの回転位置依存性が存在する場合、磁束ベクトル検出手段6aにより、電流ベクトル検出手段3aから得た高周波電流ベクトルIshに基づいて検出磁束ベクトルPhiを出力するようにしても良い。
電流ベクトル検出手段3aは、電流成分分配器60を具備し、交流回転機2の検出電流ベクトルIsと高周波電流ベクトルIshとを検出する。交流回転機制御手段4aは、適応観測手段7から得た推定磁束位相θ0に基づいて、電流ベクトル検出手段3aから得た電流ベクトルが電流指令ベクトルIsrefに一致させながら、高周波電流ベクトルIshも発生するような電圧指令ベクトルVsrefを電圧印加手段1に出力する。磁束ベクトル検出手段6aは、高周波電流ベクトルIshに基づいて検出磁束ベクトルPhiを出力する。
高周波電圧指令ベクトル発生器56は、U相、V相、W相のそれぞれに対して、振幅A、角周波数ωx、位相差が2π/3[rad]の高周波三相電圧指令ベクトルVsrefを出力する。加算器57は、座標変換器25が出力する電圧指令ベクトルのU相成分に高周波電圧指令ベクトル発生器56が出力する電圧指令ベクトルのU相成分を加算し、その結果を電圧印加手段1に与える電圧指令ベクトルのU相成分として出力する。同様に、加算器58は、座標変換器25が出力する電圧指令ベクトルのV相成分に高周波電圧指令ベクトル発生器56が出力する電圧指令ベクトルのV相成分を加算し、その結果を電圧印加手段1に与える電圧指令ベクトルのV相成分として出力する。同様に、加算器59は、座標変換器25が出力する電圧指令ベクトルのW相成分に高周波電圧指令ベクトル発生器56が出力する電圧指令ベクトルのW相成分を加算し、その結果を電圧印加手段1に与える電圧指令ベクトルのW相成分として出力する。
バンドストップフィルタ62は、高周波電圧指令ベクトル発生器56が出力する高周波三相電圧指令ベクトルの角周波数ωx[rad/s]と同じ角周波数成分だけを遮断するフィルタによって、3相/2相変換器61が出力する電流ベクトルのa軸成分から角周波数ωx[rad/s]成分だけを遮断した結果を、検出電流ベクトルのa軸成分iasとして出力する。減算器63は、3相/2相変換器61が出力する電流ベクトルのa軸成分から、バンドストップフィルタ62が出力する検出電流ベクトルのa軸成分iasを減算することで、電流ベクトルのa軸成分から角周波数ωx[rad/s]成分だけを抽出し、高周波電流ベクトルのa軸成分iashとして出力する。
実施の形態1と同様に、ゲイン行列51において、推定速度wr0の絶対値が大きい場合は、h13,h14,h23,h24,h33,h34,h43,h44の値が零になるようにすれば、高回転域でゲイン行列51の出力は零とすることができる。このようにすれば、高回転域で高周波電圧指令ベクトル発生器56が出力する高周波三相電圧指令ベクトルの振幅Aを零にしても、適応観測手段7は検出磁束ベクトルPhiを利用することなく推定磁束位相θ0を演算することになり、高回転域でも安定に交流回転機2を駆動することができる効果を得る。
先の実施の形態2では、適応観測手段7は、直交静止二軸座標(a−b軸)上で構成したが、適応観測手段7を推定磁束位相θ0に同期して回転する回転二軸座標(d−q軸)上で構成しても良い。勿論、この回転二軸座標(d−q軸)上で構成する方式は、先の実施の形態1に適用することもできる。
以下では、回転二軸座標(d−q軸)上が回転する角周波数をw、d−q軸上の推定電流ベクトルのd軸成分をids0、d−q軸上の推定電流ベクトルのq軸成分をiqs0、d−q軸上の推定電機子反作用ベクトルのd軸成分をpds0、d−q軸上の推定電機子反作用ベクトルのq軸成分をpqs0、d−q軸上の推定磁束ベクトルのd軸成分をpdr0、d−q軸上の推定磁束ベクトルのq軸成分をpqr0、交流回転機2のd軸インダクタンスをLd、q軸インダクタンスをLqと定義する。
除算器99は、回転二軸座標上の増幅偏差ベクトルE0の第4成分f4を推定磁束ベクトルのd軸成分pdr0で除算し、その結果を出力する。減算器100は、速度推定器98の出力wr0から除算器99の出力を減算し、角周波数wとして出力する。積分器101は、該角周波数wを積分し、その結果を推定磁束位相θ0として出力する。
即ち、適応観測手段7bは、回転二軸座標上の推定電流ベクトルと回転二軸座標上の検出電流ベクトルとの偏差および回転二軸座標上の推定磁束ベクトルと回転二軸座標上の検出磁束ベクトルとの偏差が小さくなるように、回転二軸座標上の電流偏差ベクトルと回転二軸座標上の増幅偏差ベクトルとに基づいて推定磁束位相を演算する。そして、交流回転機制御手段4bは、この推定磁束位相に基づいて電圧指令ベクトルを演算し、電圧印加手段1は、該電圧指令ベクトルに基づいて交流回転機2に電圧を印加するような構成にしたので、先の実施の形態1で既述したと同様に、偏差増幅手段9bのゲイン行列50、51を適切に設定することにより、交流回転機制御手段4bが具備する高周波電圧指令ベクトル発生器56が出力する電圧指令ベクトルの振幅を高回転域では零にすることが可能となる。その結果、高回転域で基本波以外の電圧や電流を発生させることなく駆動ができるので、高回転域における運転効率、電圧利用率、最大電流抑制の点で有利に駆動できる効果を得る。
先の各実施の形態例では、電流指令ベクトルIsrefを交流回転機制御手段4、4bに直接与えるように構成していたが、適応観測手段7、7bが出力する推定速度wr0に基づいて、角速度指令wrrefに一致するように電流指令ベクトルIsrefを演算する速度制御手段110を具備するように構成しても良い。
速度制御手段110は、角速度指令wrrefを入力とし、適応観測手段7bから得た推定速度wr0を該角速度指令wrrefに一致させるような回転二軸座標(d−q軸)上の電流指令ベクトルIsrefを交流回転機制御手段4bへ出力する。図20は、速度制御手段110の内部構成を示す図であり、減算器111は、角速度指令wrrefから推定速度wr0を減算し、速度偏差を出力する。偏差増幅器112は、減算器111から得た速度偏差を比例積分によって増幅し、その値をトルク指令として出力する。d軸電流指令演算器113は公知の手法によって効率良く交流回転機2を駆動するための回転二軸座標(d−q軸)上の電流ベクトル指令のd軸成分を該トルク指令に応じて出力する。同様に、q軸電流指令演算器114は公知の手法によって効率良く交流回転機2を駆動するための回転二軸座標(d−q軸)上の電流ベクトル指令のq軸成分を該トルク指令に応じて出力する。
先の実施の形態1では、適応観測手段7は、増幅偏差ベクトルE0と電流偏差ベクトルΔIsと電圧指令ベクトルVsrefとに基づいて推定磁束位相θ0と推定電流ベクトルIsestと推定磁束ベクトルPhestと推定速度wr0とを出力するように構成していたが、後述するように、増幅偏差ベクトルE0と検出電流ベクトルIsと電圧指令ベクトルVsrefとに基づいて推定磁束位相θ0と推定磁束ベクトルPhestとを出力するように構成しても良い。
また、実施の形態1では、偏差ベクトル演算手段8は、推定電流ベクトルIsestと検出電流ベクトルIsとに基づいて電流偏差ベクトルΔIsを出力するとともに、推定磁束ベクトルPhestと検出磁束ベクトルPhiとに基づいて磁束偏差ベクトルΔPhiを出力するように構成していたが、推定磁束ベクトルPhestと検出磁束ベクトルPhiとに基づいて磁束偏差ベクトルΔPhiを出力するように構成してもよい。
勿論、実施の形態1の図1等で説明したように、適応観測手段は推定速度wr0を出力するものとし、偏差増幅手段はその推定速度wr0を取り込んで増幅ゲインを設定するものとしてもよく、この場合は、実施の形態1で詳述した通り、更なる効果を奏するものである。
偏差ベクトル演算手段8cは、適応観測手段7cから得た推定磁束ベクトルPhestと磁束ベクトル検出手段6から得た検出磁束ベクトルPhiとの差を演算し、磁束偏差ベクトルΔPhiとして出力する。偏差増幅手段9cは、該磁束偏差ベクトルΔPhiを増幅し、増幅偏差ベクトルE0として適応観測手段7cへ出力する。
上記(11)式と(2)式とを比較すると、行列A2が行列Aに相当している点と、検出電流ベクトルに行列Hcを乗算した結果を加算している点と、磁束偏差ベクトルが増幅偏差ベクトルに相当している点とが(11)式と(2)式との差異であることが分かる。
Claims (7)
- 交流回転機の電流ベクトルを検出して検出電流ベクトルとして出力する電流ベクトル検出手段、推定磁束位相を参照して前記検出電流ベクトルが電流指令ベクトルに一致するよう電圧指令ベクトルを出力する交流回転機制御手段、前記電圧指令ベクトルに基づき前記交流回転機に電圧を印加する電圧印加手段、前記電圧指令ベクトルに基づき前記推定磁束位相を出力する適応観測手段、および磁束ベクトルを検出して検出磁束ベクトルとして出力する磁束ベクトル検出手段を備え、
前記適応観測手段は、前記電圧指令ベクトルに加えて電流偏差ベクトルと増幅偏差ベクトルとに基づき前記推定磁束位相に加えて推定電流ベクトルと推定磁束ベクトルとを出力し、
更に、前記推定電流ベクトルと前記検出電流ベクトルとの偏差である前記電流偏差ベクトルおよび前記推定磁束ベクトルと前記検出磁束ベクトルとの偏差である磁束偏差ベクトルを演算して前記増幅偏差ベクトルとして出力する偏差ベクトル演算手段を備えたことを特徴とする交流回転機の制御装置。 - 交流回転機の電流ベクトルを検出して検出電流ベクトルとして出力する電流ベクトル検出手段、推定磁束位相を参照して前記検出電流ベクトルが電流指令ベクトルに一致するよう電圧指令ベクトルを出力する交流回転機制御手段、前記電圧指令ベクトルに基づき前記交流回転機に電圧を印加する電圧印加手段、前記電圧指令ベクトルに基づき前記推定磁束位相を出力する適応観測手段、および磁束ベクトルを検出して検出磁束ベクトルとして出力する磁束ベクトル検出手段を備え、
前記適応観測手段は、前記電圧指令ベクトルに加えて増幅偏差ベクトルに基づき前記推定磁束位相に加えて推定磁束ベクトルを出力し、
更に、前記推定磁束ベクトルと前記検出磁束ベクトルとの偏差である磁束偏差ベクトルを演算して前記増幅偏差ベクトルとして出力する偏差ベクトル演算手段を備えたことを特徴とする交流回転機の制御装置。 - 前記適応観測手段は、更に推定速度を出力するものとし、
前記偏差ベクトル演算手段と前記適応観測手段との間に挿入され、前記偏差ベクトル演算手段の出力を前記推定速度をパラメータとする所定のゲインで増幅して前記増幅偏差ベクトルとして前記適応観測手段に出力する偏差増幅手段を備え、
前記偏差増幅手段において前記磁束偏差ベクトルを増幅する前記ゲインを、前記推定速度が低いときの値に対して前記推定速度が高いときの値が小さくなるよう設定したことを特徴とする請求項1または2に記載の交流回転機の制御装置。 - 前記磁束ベクトル検出手段は、前記交流回転機の回転位置を検出する回転位置検出手段の出力である回転位置に基づき前記検出磁束ベクトルを出力することを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の交流回転機の制御装置。
- 前記交流回転機を駆動するための基本周波数より高い周波数の高周波電圧を前記交流回転機に重畳する電圧重畳手段を備え、
前記磁束ベクトル検出手段は、前記電流ベクトル検出手段により抽出される前記高周波電圧に起因する高周波電流ベクトルに基づき前記検出磁束ベクトルを出力することを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の交流回転機の制御装置。 - 前記電圧重畳手段において重畳する前記高周波電圧の振幅を、前記交流回転機の回転数が低いときの値に対して前記回転数が高いときの値が小さくなるよう設定したことを特徴とする請求項5記載の交流回転機の制御装置。
- 前記適応観測手段からの前記推定速度が角速度指令に一致するように前記電流指令ベクトルを作成して前記交流回転機制御手段に出力する速度制御手段を備えたことを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載の交流回転機の制御装置。
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