JP5321792B2 - 永久磁石形同期電動機の制御装置 - Google Patents
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Description
まず、特許文献1には、PMSMに矩形波の高周波電圧を印加して、このときに流れる高周波電流の情報からインダクタンスを測定する技術が示されている。高周波電圧を電動機の磁極位置と平行方向(d軸方向)及び直交方向(q軸方向)に印加することにより、磁極位置と平行方向のインダクタンスであるd軸インダクタンスと直交方向のインダクタンスであるq軸インダクタンスとを測定することができる。この方法は、測定方法が比較的簡単であり、印加する電圧を高周波化しやすいので、インダクタンスの測定時間を短縮できる利点がある。
更に、特許文献3に記載された従来技術では、上述した特許文献2の課題は顕在化しないと考えられるが、高周波電流の正弦波成分や余弦波成分の演算が複雑であり、制御装置が高価になる。
前記測定手段は、
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、
任意のベクトル方向に交番する高周波電圧を前記電動機に印加する手段と、
前記高周波電圧と平行方向の高周波電流であるγ軸高周波電流の振幅を検出する手段と、
前記γ軸高周波電流の振幅指令値に前記γ軸高周波電流の振幅検出値が一致するように前記高周波電圧を制御する手段と、を有するものである。
これにより、電動機のインダクタンスの概略値が不明な場合にも高周波電圧及び高周波電流をインダクタンス測定のために最適な条件に制御でき、測定精度を向上できる。
前記高周波電圧の振幅指令値に前記高周波電圧の振幅から前記γ軸高周波電流の振幅までの比例ゲインの推定値であるゲイン推定値を乗算して前記γ軸高周波電流の振幅推定値を演算する手段と、
前記γ軸高周波電流の振幅推定値と前記γ軸高周波電流の振幅検出値との偏差と、前記高周波電圧の振幅指令値と、積分ゲインと、の積を積分して前記ゲイン推定値を演算する手段と、
前記γ軸高周波電流の振幅指令値を前記ゲイン推定値により除算して前記高周波電圧の振幅指令値を演算する手段と、を備えたものである。
前記測定手段は、
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、
任意のベクトル方向に交番する高周波電圧を前記電動機に印加する手段と、
前記高周波電圧と平行方向の高周波電流であるγ軸高周波電流の振幅を検出する手段と、
前記高周波電圧のベクトル方向ごとに検出した前記γ軸高周波電流の振幅検出値から、前記高周波電圧を前記電動機の磁極位置と平行方向に印加したときの高周波電流振幅であるd軸高周波電流の振幅を検出する手段と、
前記d軸高周波電流の振幅指令値に前記d軸高周波電流の振幅検出値が一致するように前記高周波電圧を制御する手段と、を備えたものである。
本発明においては、磁極位置が不明な場合にも高周波電圧及び高周波電流を最適に制御することでインダクタンスを高精度に測定することができる。
前記高周波電圧の振幅指令値に前記高周波電圧の振幅から前記d軸高周波電流の振幅までの比例ゲインの推定値であるd軸ゲイン推定値を乗算して前記d軸高周波電流の振幅推定値を演算する手段と、
前記d軸高周波電流の振幅推定値と前記d軸高周波電流の振幅検出値との偏差と、前記高周波電圧の振幅指令値と、積分ゲインと、の積を積分して前記d軸ゲイン推定値を演算する手段と、
前記d軸高周波電流の振幅指令値を前記d軸ゲイン推定値により除算して前記高周波電圧の振幅指令値を演算する手段と、を備えたものである。
まず、本発明の実施形態におけるインダクタンスの測定原理について述べる。PMSM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軸とに従って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。しかしながら、磁極位置検出器を持たない場合にはd,q軸を直接検出できないため、d,q軸に対応して角速度ω1(=速度演算値)で回転する直交回転座標系のγ,δ軸を制御装置側に推定して制御演算を行う。
このγ,δ軸の定義を図9に示す。なお、図9において、ωrはd,q軸の回転角速度、θerrはd,q軸とγ,δ軸との角度差(位置演算誤差)である。
ここで、インダクタンスは、数式2、及び、図11に示した高周波電流振幅と高周波電圧との関係を利用して演算するが、具体的な演算については後述する。
なお、γ,δ軸の角度θ1は任意の値でよいが、本実施形態では零とする。このため、γ,δ軸の角速度ω1は零となる。
ノッチフィルタ23は、γ,δ軸電流検出値iγ,iδから、磁極位置演算のために重畳する高周波交番電圧によって流れる高周波電流を除去し、γ,δ軸基本波電流iγf,iδfを検出する。
高周波電圧演算器21aは、振幅が後述の高周波電圧振幅指令値Vγh *に等しく、周期がThである矩形波のγ軸高周波交番電圧指令値vγh *を演算する。
これらのγ,δ軸基本波電圧指令値vγ *,vδ *は、電圧座標変換器15によって角度θ1に基づき相電圧指令値vu *,vv *,vw *に変換される。
PWM回路13は、前記相電圧指令値vu *,vv *,vw *、及び、入力電圧検出器12により検出した電力変換器70の入力電圧Edcから、電力変換器70の出力電圧を前記相電圧指令値vu *,vv *,vw *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、上記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直流−交流変換を行い、永久磁石形同期電動機80の端子電圧を相電圧指令値vu *,vv *,vw *に制御する。
高周波電流調節器31aは、γ軸高周波電流振幅検出値Iγhがγ軸高周波電流振幅指令値Iγh *に一致するように高周波電圧振幅指令値Vγh *を制御し、この高周波電圧振幅指令値Vγh *を前記高周波電圧演算器21aとインダクタンス演算器32aとに入力する。
なお、高周波電流調節器31aの詳細については後述する。
γ軸高周波電流振幅指令値Iγh *とγ軸高周波電流振幅検出値Iγhとの偏差を減算器101により演算し、この偏差を積分調節器102により増幅して高周波電圧振幅指令値Vγh *を演算する。ここで、γ軸高周波電流振幅検出値Iγhはγ軸高周波電圧振幅指令値Vγh *に比例して制御することができる。図2に示すように、高周波電流調節器311によって高周波電流のフィードバック制御系が構成されるので、γ軸高周波電流振幅検出値Iγhを指令値Iγh *に制御することが可能である。
図2に示した高周波電流調節器311を高応答化するためには、積分調節器102の最適調整が必要であり、これを実現するためには、インダクタンス値が必要になる。このため、インダクタンスの概略値が未知である場合には応答性を高めることができず、測定時間が長くなる課題がある。
そこで、この第2実施形態では、図1における高周波電流調節器31aとして、適応制御を応用した高周波電流調節器312を用いることで、インダクタンス値が未知の場合にも高応答化できるようにしたものである。
また、乗算器202により、γ軸高周波電圧振幅指令値Vγh *にゲイン推定値Θest1を乗算してγ軸高周波電流振幅推定値Iγhestを演算する。
減算器203は、γ軸高周波電流振幅推定値Iγhestとγ軸高周波電流振幅Iγhとの偏差εを演算する。
ゲイン推定器204は、偏差εを増幅してゲイン推定値Θest1を演算する。具体的には数式4の演算を行う。
SPMSMの場合、図3において、PMSM80のゲインΘ1は、数式2におけるd軸インダクタンスLdとq軸インダクタンスLqとが等しい場合の関係式より、数式5によって表される。
本実施形態は、IPMSM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ためのものである。図4の一部の構成要素は図1と同じであるため、以下では異なる箇所を中心に説明する。
図4において、γ,δ軸の角度θ1には、別途演算した磁極位置演算値θ10を設定する。これにより、γ,δ軸とd,q軸とはほぼ一致する。
高周波電圧演算器21aは、振幅が高周波電圧振幅指令値Vγh *であり、周期がThである矩形波のγ軸高周波交番電圧指令値vγh *を演算する。γ軸電圧指令値vγ *は、加算器22aにより、γ軸基本波電圧指令値vγf *にγ軸高周波交番電圧指令値vγh *を重畳して求める。
一方、高周波電圧演算器21bは、δ軸高周波電圧指令値vδh *を零に制御する。δ軸電圧指令値vδ *は、加算器22bにより、δ軸基本波電圧指令値vδf *にδ軸高周波電圧指令値vδh *を重畳して求める。
これらの処理により、高周波交番電圧が、回転子の磁極方向であるd軸と平行方向に印加される。
インダクタンス演算器32aは、数式2において、角度差θerrが零の場合の関係式より、d軸インダクタンス演算値Ldcalcを求める。具体的な演算式は、数式3と同じである。
γ,δ軸の角度θ1には、d軸インダクタンス測定時と同様に磁極位置演算値θ10を設定する。
高周波電圧演算器21aは、高周波電圧指令値vγh *を零に制御する。一方、高周波電圧演算器21bは、振幅が高周波電圧振幅指令値Vδh *であり、周期がThである矩形波のδ軸高周波交番電圧指令値vδh *を演算する。
これらの処理により、高周波交番電圧が、回転子の磁極から90[deg]進み方向であるq軸と平行方向に印加される。
インダクタンス演算器32bは、数式2において、角度差θerrが90[deg]の場合のδ軸の関係式より、q軸インダクタンス演算値Lqcalcを求める。具体的な演算式は、数式7の通りである。
本実施形態は、図4に示した第4実施形態に、インダクタンス測定中に回転子が外力により回転しないようにするための静止トルクを発生させる機能を追加したものである。図4の第4実施形態では、γ軸電流指令値iγ *を零に設定していたが、図5の第5実施形態では、γ軸電流指令値iγ *を正の一定値Iγ *として磁極位置方向に直流電流を通流させることにより、γ軸電流が一定に制御され、電流ベクトルに回転子が引き込まれて静止トルクが発生するので、回転子が外力により回転するのを防ぐことができる。
図4に示した第4実施形態によるインダクタンスの測定は、磁極位置の情報が必要であるが、磁極位置が不明である場合のインダクタンス測定技術は、例えば、特開2002−272195号公報に記載されている。
この従来技術は、γ軸に高周波交番電圧を印加しながらγ,δ軸を回転させることで、高周波交番電圧を複数のベクトル方向に印加し、このときのγ軸高周波電流振幅検出値Iγhが、図11に示すようにd軸方向(θerr=0)のときに最大となり、q軸方向(θerr=90[deg])のときに最小になることに着目したものである。
電気角演算器26は、速度演算値ω1を積分して磁極位置演算値θ1を求めるものであり、γ,δ軸速度を一定値ω1=ωLθに制御し、γ,δ軸の角度θ1を一定速度で回転させる。
フーリエ級数演算器33は、γ軸高周波電流振幅検出値Iγh及びγ,δ軸の角度θ1から、まず、γ軸高周波電流振幅検出値Iγhの角度θ1に依存しない直流成分Iγha0と、γ軸高周波電流振幅検出値Iγhの電気角180度周期で脈動する成分Iγhc2とを、数式8,数式9により演算する。
インダクタンス演算器32cは、d軸インダクタンス及びq軸インダクタンスを、それぞれ、数式12,数式13により演算する。
図7において、d軸高周波電流振幅指令値Idh *とd軸高周波電流振幅検出値Idhとの偏差を減算器301により演算し、この偏差を積分調節器302により増幅してγ軸高周波電圧振幅指令値Vγh *を演算する。ここで、d軸高周波電流振幅検出値Idhは、γ軸高周波電圧振幅指令値Vγh *に比例して制御することができる。図7に示すように、高周波電流調節器313により高周波電流のフィードバック制御系が構成されるので、d軸高周波電流振幅検出値Idhを指令値Idh *に制御することが可能である。
この第7実施形態は、図6の高周波電流調節器31cとして適応制御を応用することで、インダクタンス値が未知の場合にも高応答性が得られるようにしたものである。
減算器403は、d軸高周波電流振幅推定値Idhestとd軸高周波電流振幅検出値Idhとの偏差εを演算し、ゲイン推定器404は、前述した数式4により、偏差εを増幅してゲイン推定値Θest1を演算する。
以上の演算処理の結果、ゲイン推定値Θest1は偏差εを零にするために真値に収束し、高周波電流調節器314は、d軸高周波電流振幅検出値Idhを指令値Idh *に制御するためのγ軸高周波電圧振幅指令値Vγh *を出力できるようになる。
図8において、PMSM80のゲインΘ1は、数式14で表される。
60 整流回路
70 電力変換器
80 永久磁石形同期電動機
11u u相電流検出器
11w w相電流検出器
12 入力電圧検出器
13 PWM回路
14 電流座標変換器
15 電圧座標変換器
19a,19b 減算器
20a γ軸電流調節器
20b δ軸電流調節器
21a,21b 高周波電圧演算器
22a,22b 加算器
23 ノッチフィルタ
24 バンドパスフィルタ
26 電気角演算器
31a,31b,31c,311,312,313,314 高周波電流調節器
32a,32b,32c インダクタンス演算器
33 フーリエ級数演算器
101,203,301,403 減算器
102,302 積分調節器
201,401 除算器
202,402 乗算器
204,404 ゲイン推定器
Claims (11)
- 矩形波の高周波交番電圧を永久磁石形同期電動機に印加したときに前記電動機に流れる高周波電流から前記電動機のインダクタンスを測定する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、
任意のベクトル方向に交番する高周波電圧を前記電動機に印加する手段と、
前記高周波電圧と平行方向の高周波電流であるγ軸高周波電流の振幅を検出する手段と、
前記γ軸高周波電流の振幅指令値に前記γ軸高周波電流の振幅検出値が一致するように前記高周波電圧を制御する手段と、
を有することを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。 - 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、
前記高周波電圧を制御する手段は、
前記γ軸高周波電流の振幅指令値と前記γ軸高周波電流の振幅検出値との偏差と、所定の積分ゲインと、の積を積分して前記高周波電圧の振幅指令値を演算する手段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。 - 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、
前記高周波電圧を制御する手段は、
前記高周波電圧の振幅指令値に前記高周波電圧の振幅から前記γ軸高周波電流の振幅までの比例ゲインの推定値であるゲイン推定値を乗算して前記γ軸高周波電流の振幅推定値を演算する手段と、
前記γ軸高周波電流の振幅推定値と前記γ軸高周波電流の振幅検出値との偏差と、前記高周波電圧の振幅指令値と、積分ゲインと、の積を積分して前記ゲイン推定値を演算する手段と、
前記γ軸高周波電流の振幅指令値を前記ゲイン推定値により除算して前記高周波電圧の振幅指令値を演算する手段と、
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。 - 請求項3に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記ゲイン推定値から前記インダクタンスを演算することを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。 - 請求項1〜4の何れか1項に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記高周波電圧を印加するベクトル方向が一方向であることを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。 - 請求項1〜4の何れか1項に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記高周波電圧を印加するベクトル方向が二方向であることを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。 - 請求項1〜6の何れか1項に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記電動機の磁極位置方向に直流電流を通流することを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。 - 高周波交番電圧を永久磁石形同期電動機に印加したときに前記電動機に流れる高周波電流から前記電動機のインダクタンスを測定する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、
任意のベクトル方向に交番する高周波電圧を前記電動機に印加する手段と、
前記高周波電圧と平行方向の高周波電流であるγ軸高周波電流の振幅を検出する手段と、
前記高周波電圧のベクトル方向ごとに検出した前記γ軸高周波電流の振幅検出値から、前記高周波電圧を前記電動機の磁極位置と平行方向に印加したときの高周波電流振幅であるd軸高周波電流の振幅を検出する手段と、
前記d軸高周波電流の振幅指令値に前記d軸高周波電流の振幅検出値が一致するように前記高周波電圧を制御する手段と、
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。 - 請求項8に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記高周波電圧を制御する手段は、
前記d軸高周波電流の振幅指令値と前記d軸高周波電流の振幅検出値との偏差と、所定の積分ゲインと、の積を積分して前記高周波電圧の振幅指令値を演算する手段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。 - 請求項8に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記高周波電圧を制御する手段は、
前記高周波電圧の振幅指令値に前記高周波電圧の振幅から前記d軸高周波電流の振幅までの比例ゲインの推定値であるd軸ゲイン推定値を乗算して前記d軸高周波電流の振幅推定値を演算する手段と、
前記d軸高周波電流の振幅推定値と前記d軸高周波電流の振幅検出値との偏差と、前記高周波電圧の振幅指令値と、積分ゲインと、の積を積分して前記d軸ゲイン推定値を演算する手段と、
前記d軸高周波電流の振幅指令値を前記d軸ゲイン推定値により除算して前記高周波電圧の振幅指令値を演算する手段と、
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。 - 請求項10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d軸ゲイン推定値から前記インダクタンスを演算することを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
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