JP5446494B2 - 永久磁石形同期電動機の制御装置 - Google Patents
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例えば、非特許文献1には、(23)式として、電動機のq軸電圧方程式から導出した演算式から永久磁石磁束(非特許文献1中の起電力係数MIf)を演算する技術が示されている。
また、特許文献1には、電流及び速度が所定の条件を満たすときにだけ電動機の電圧方程式に基づいて永久磁石磁束(特許文献1中のφaM)を推定し、条件を満たさない場合は既に取得した永久磁石磁束の推定値を保持する技術が開示されている。この従来技術においては、永久磁石磁束の推定演算を高精度に実行可能な高速、軽負荷時に限定することにより、推定誤差が過大になるのを防止している。
更に、特許文献2には、電動機の熱抵抗及び熱容量モデル(これらをまとめて熱モデルという)を用いて電動機の温度を演算し、演算した温度を用いて永久磁石磁束を推定する技術が開示されている。
一方、特許文献2のように電動機の熱モデルに基づいて永久磁石磁束を推定する場合には、運転条件によらず推定できる利点があるが、永久磁石磁束を正確に推定するためには正確な熱モデルが必要であると共に、一部の実施形態(図2,図3等)では温度検出回路が必要になり、装置全体が複雑になる。
前記電動機の永久磁石磁束を推定し、その永久磁石磁束推定値を用いて前記電動機の電流を制御することにより前記電動機の速度及びトルクを制御するようにした永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記電動機の電圧方程式に基づいて永久磁石磁束推定値の誤差を演算する誤差演算手段と、
前記誤差を増幅する増幅手段と、
前記電動機の熱モデルに基づいて永久磁石磁束の初期設定値からの変化量を演算する変化量演算手段と、
前記変化量と永久磁石磁束補正値との偏差を磁石の熱時定数により除算する除算手段と、
前記増幅手段の出力と第1の重み係数との積、及び、前記除算手段の出力と第2の重み係数との積を加算する加算手段と、
前記加算手段の出力を積分して前記永久磁石磁束補正値を演算する積分手段と、
前記初期設定値と前記永久磁石磁束補正値とを加算して前記永久磁石磁束推定値を演算する手段と、
前記電動機の電流検出値と速度検出値とを用いて前記第1の重み係数及び第2の重み係数を制御する手段と、を備えたものである。
この発明では、電動機の電流及び速度に応じて第1の重み係数と第2の重み係数とを制御することにより、第1、第2の推定方法のスムースな切換を可能にする。
これにより、初期状態における永久磁石磁束の推定誤差を低減することができる。
前記電動機の損失、永久磁石の熱抵抗、永久磁石の温度係数、及び、基準温度における永久磁石磁束から前記変化量を演算することを特徴とする。
前記誤差演算手段は、
前記電動機の電流検出値、速度検出値、及び、前記永久磁石磁束推定値から前記電動機の端子電圧を推定する端子電圧推定手段と、前記電動機の端子電圧推定値と端子電圧指令値との偏差である端子電圧推定誤差を演算する手段と、前記端子電圧推定誤差と前記速度検出値とから前記永久磁石磁束推定値の誤差を演算する手段と、を備えたことを特徴とする。
前記誤差演算手段は、
前記電動機の電流検出値、端子電圧指令値、及び、速度検出値から回転子の永久磁石によって端子に誘導される誘起電圧を演算する誘起電圧演算手段と、
前記永久磁石磁束推定値と前記速度検出値との積から誘起電圧推定値を演算する手段と、
前記誘起電圧推定値と誘起電圧演算値との偏差である誘起電圧推定誤差を演算する手段と、
前記誘起電圧推定誤差と前記速度検出値とから前記永久磁石磁束推定値の誤差を演算する手段と、を備えたことを特徴とする。
前記速度検出値、永久磁石の温度係数、及び、基準温度における永久磁石磁束から第1の電圧変化量を演算する手段と、
前記電流検出値、電機子巻線の温度係数、及び、基準温度における電機子抵抗から第2の電圧変化量を演算する手段と、
前記第1の電圧変化量と前記第2の電圧変化量とを用いて前記第1の重み係数と前記第2の重み係数とを制御する手段と、を備えたことを特徴とする。
これにより、配線抵抗を無視することができ、永久磁石温度と電機子巻線温度とが等しい場合に、第1の電圧変化量と第2の電圧変化量とを簡単に演算することができる。
前記速度検出値、永久磁石の熱抵抗、永久磁石の温度係数、及び、基準温度における永久磁石磁束から第1の電圧変化量を演算する手段と、
前記電流検出値、電機子巻線の熱抵抗、電機子巻線の温度係数、及び、基準温度における電機子抵抗から第2の電圧変化量を演算する手段と、
前記第1の電圧変化量と前記第2の電圧変化量とを用いて前記第1の重み係数と前記第2の重み係数とを制御する手段と、を備えたことを特徴とする。
これにより、配線抵抗を無視できるが永久磁石温度と電機子巻線温度とが異なる場合に、第1の電圧変化量と第2の電圧変化量とを簡単に演算することができる。
前記速度検出値、永久磁石の熱抵抗、永久磁石の温度係数、及び、基準温度における永久磁石磁束から第1の電圧変化量を演算する手段と、
前記電流検出値、電機子巻線の熱抵抗、電機子巻線の温度係数、基準温度における電機子抵抗、配線の熱抵抗、配線の温度係数、及び、基準温度における配線抵抗から第2の電圧変化量を演算する手段と、
前記第1の電圧変化量と前記第2の電圧変化量とを用いて前記第1の重み係数と前記第2の重み係数とを制御する手段と、を備えたことを特徴とする。
これにより、配線抵抗が無視できない場合にも第1の電圧変化量と第2の電圧変化量とを演算することができる。
前記永久磁石の熱抵抗を、前記電動機の損失と永久磁石の温度上昇値とから演算することを特徴とする。
これにより、永久磁石の熱抵抗を簡単に設定することができる。
これにより、電機子巻線の熱抵抗を簡単に設定することができる。
これにより、配線の熱抵抗を簡単に設定することができる。
なお、本発明は、磁極位置検出回路や速度検出回路を使わないで運転する、いわゆるセンサレスベクトル制御を行う場合にも適用可能である。
まず、図1に基づき、本発明の各実施形態に共通する制御装置の構成を、永久磁石形同期電動機を駆動する主回路の構成と共に説明する。この制御装置は、永久磁石形同期電動機の速度及びトルクを所定値に制御するためのものである。
電流指令演算器18は、トルク指令値τ*及び速度検出値ω1と、本実施形態の主要部である永久磁石磁束推定手段30により推定した永久磁石磁束推定値Ψmestとから、電動機80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、トルクを所望の値とするためのd,q軸電流指令値id *,iq *を演算する。
電流座標変換器14は、u相電流検出器11u及び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iu,iwを、磁極位置検出値θ1に基づいて二軸量のd,q軸電流検出値id,iqに座標変換する。
これらのd,q軸電圧指令値vd *,vq *は、電圧座標変換器15により、磁極位置検出値θ1に基づいて相電圧指令値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 *と、入力電圧検出回路12により検出した電力変換器70の入力電圧Edcとから、電力変換器70の出力電圧を上記相電圧指令値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はこのゲート信号に基づいて内部のIGBT等の半導体スイッチング素子をオンオフ制御し、電動機80の端子電圧を相電圧指令値vu *,vv *,vw *に制御する。
本実施形態では、永久磁石磁束推定手段30を以下のように構成することにより、電動機80の速度を指令値通りに制御し、温度変化等によって永久磁石磁束が変化した場合にも電動機80のトルクを正確に制御可能とした。
まず、図2は、本発明の第1実施形態における永久磁石磁束推定手段30のブロック図であり、このブロック図は請求項1に係る発明に対応している。
この実施形態は、永久磁石同期電動機の電圧方程式に基づいて永久磁石磁束を推定する第1の永久磁石磁束推定方法(以下では、第1の推定方法という)と、永久磁石同期電動機の熱モデルに基づいて永久磁石磁束を推定する第2の永久磁石磁束推定方法(第2の推定方法という)とを併用する点に特徴がある。
一方、第2の推定方法は、特許文献2等によれば、電動機の速度や負荷等の運転条件によらず永久磁石磁束を推定可能であるが、高精度化のためには電動機の正確な熱モデルや周囲温度の情報が必要である。
そこで、本実施形態では、電動機の運転条件に応じてこれら第1,第2の推定方法を使い分けることで、高精度に永久磁石磁束を推定するようにした。
始めに、永久磁石磁束推定値の初期設定値を無負荷時(永久磁石温度が周囲温度Taに等しいとき)の永久磁石磁束Ψm(Ta)とする。無負荷時の永久磁石磁束Ψm(Ta)は、図2における無負荷永久磁石磁束演算器123が、所定の基準温度Ta0時の永久磁石磁束Ψm(Ta0)及び周囲温度Taから、数式1により演算する。
永久磁石磁束推定値Ψmestは、数式1により演算した無負荷時の永久磁石磁束Ψm(Ta)と、後述する積分器121により演算した永久磁石磁束補正値Ψmcompとを、加算器122により加算して求める。
具体的には、電動機80の高速、軽負荷時において第1の推定方法を実行する場合は、WΨmを“1”に設定して(1−WΨm)を“0”に制御し、また、低速、重負荷時において第2の推定方法を実行する場合は、WΨmを“0”に設定して(1−WΨm)を“1”に制御する。
また、第1の推定方法から第2の推定方法へ移行する場合は、WΨmを“1”から“0”に減少させると共に、(1−WΨm)を、WΨmとの和が“1”になるように増加させる。更に、第2の推定方法から第1の推定方法へ移行する場合は、WΨmを“0”から“1”に増加させると共に、(1−WΨm)を、WΨmとの和が“1”になるように減少させる。
図2における永久磁石磁束推定誤差演算器110は、d,q軸電流検出値id,iq、q軸電圧指令値vq *及び速度検出値ω1から、永久磁石磁束推定誤差演算値Ψmerrestを求める。
ここで、請求項5に係る発明に基づく永久磁石磁束推定誤差演算器110を詳細に説明する。まず、永久磁石形同期電動機のq軸電圧方程式より、q軸電圧推定値vqestを数式2により演算する。
まず、図2における電動機損失演算器101は、電動機80の銅損Qw、鉄損Qironをそれぞれ数式6、数式7により演算する。
なお、数式9の演算は請求項4に係る発明に対応している。
数式10によって演算した永久磁石磁束補正値Ψmcompは、永久磁石の温度上昇による永久磁石磁束の無負荷時からの変化量を、過渡現象を考慮して演算した結果に等しい。このため、永久磁石磁束推定値Ψmestは、永久磁石の温度上昇による変化が補正された正確な値として演算されることになり、この永久磁石磁束推定値Ψmestが、図1の電流指令演算器18によるd,q軸電流指令値id *,iq *の演算に用いられることになる。
この実施形態は、図2に示した第1実施形態において、永久磁石磁束推定値Ψmestの初期設定値を、平均温度時における永久磁石磁束Ψm(AVE)に置き換えたものである。これにより、初期状態における永久磁石磁束推定値Ψmestの最大誤差を低減可能としている。
まず、第1の推定方法及び第2の推定方法に共通する部分について説明する。
永久磁石磁束平均変化量演算器130は、永久磁石磁束の無負荷時からの平均変化量ΔΨmAVEを数式11により演算する。
永久磁石磁束推定値Ψmestは、平均温度時における永久磁石磁束Ψm(AVE)と永久磁石磁束補正値Ψmcompとを加算器122により加算して求める。
図3において、減算器131は、永久磁石磁束の無負荷時からの変化量ΔΨmから永久磁石磁束の無負荷時からの平均変化量ΔΨmAVEを減算して、永久磁石磁束の平均温度時からの変化量ΔΨm2を演算する。
すなわち、この実施形態では、永久磁石磁束Ψmと速度ω1との積に等しい誘起電圧の推定誤差から、永久磁石磁束推定誤差演算値Ψmerrestを求める。
まず、永久磁石同期電動機のq軸電圧方程式より、誘起電圧演算値ecalcを数式13により求める。
第1のq軸電圧変化量は、永久磁石磁束の変化量と速度との積に等しい。一方、第2のq軸電圧変化量は、等価電機子抵抗の変化量とq軸電流との積に等しい。
ここで、永久磁石磁束Ψmの無負荷時からの温度変化による変化量は、数式16によって表される。
永久磁石温度と電機子巻線温度とが等しい場合、永久磁石の熱抵抗Rthmと電機子巻線の熱抵抗Rthwとが等しく、磁石の熱時定数Tthmと電機子巻線の熱時定数Tthwとが等しくなる。前述の数式16に示した永久磁石磁束Ψmの変化量と数式17に示した等価電機子抵抗Raの変化量との比から、評価関数xを数式8によって演算する。
評価関数xが、正のしきい値xth1よりも小さい場合には、第1の重み係数112を“0”、第2の重み係数105を“1”とし、熱モデルに基づいた第2の推定方法を実行する。評価関数xがしきい値xth1としきい値xth2(なお、xth1<xth2とする)との間にある場合は、第1の重み係数112を評価関数xに比例して“0”から“1”へ増加させ、第2の重み係数105は“1”から“0”へ減少させる。評価関数xがしきい値xth2よりも大きい場合には、第1の重み係数112を“1”、第2の重み係数105を“0”とし、電圧方程式に基づいた第1の推定方法を実行する。
この第5実施形態は、第4実施形態を磁石温度と電機子巻線温度とが異なる場合にも適用できるように評価関数xの演算方法を改良したものであり、請求項8に係る発明に対応する。
永久磁石の熱抵抗Rthmと電機子巻線の熱抵抗Rthwとが異なることを考慮し、評価関数xを数式19により演算する。
この実施形態において、第1の重み係数112及び第2の重み係数105の演算は、第4実施形態と同様にすればよい。
すなわち、前述した数式16、数式17において、電動機の鉄損Qironを零に近似し、電動機の損失Qmotorと配線の損失Qlとの比が電機子抵抗と配線抵抗との比に等しいと近似することで、評価関数xを数式20により演算する。
この実施形態においても、第1の重み係数112及び第2の重み係数105の演算は、第4実施形態と同様にすればよい。
この第7実施形態は、上述した各実施形態において、永久磁石の熱抵抗Rthmに、予め入手した永久磁石の温度上昇から計算した値を設定することを特徴としており、請求項10に係る発明に対応している。
すなわち、定格運転時の電動機損失QmotorNと永久磁石の温度上昇値ΔTmNとから、永久磁石の熱抵抗Rthmを数式21により演算する。ここで、定格運転時の電動機損失QmotorNは、数式22により演算すればよい。
この第8実施形態は、上述した各実施形態において、電機子巻線の熱抵抗Rthwに、予め入手した電機子巻線の温度上昇から計算した値を設定することを特徴としており、請求項11に係る発明に対応している。
すなわち、定格運転時の電動機損失QmotorNと電機子巻線の温度上昇値ΔTwNとから、電機子巻線の熱抵抗Rthwを数式23により演算する。なお、定格運転時の電動機損失QmotorNは数式22により演算すればよい。
この第9実施形態は、上述した各実施形態において、配線の熱抵抗Rthlに、予め入手した配線の温度上昇から計算した値を設定することを特徴とし、本発明の請求項12に対応している。
定格運転時の電線損失QlNと電線の温度上昇値ΔTlNとから、電線の熱抵抗Rthlを数式24により演算する。なお、定格運転時の電線損失QlNは、数式25により演算すればよい。
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:加算器
17:速度調節器
18:電流指令演算器
19a,19b:減算器
20a:d軸電流調節器
20b:q軸電流調節器
30:永久磁石磁束推定手段
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
90:磁極位置検出器
91:速度検出器
101:電動機損失演算器
102:永久磁石磁束変化量演算器
103,131:減算器
104:除算手段
105:第2の重み係数
110:永久磁石磁束推定誤差演算器
111:永久磁石磁束推定ゲイン
112:第1の重み係数
120:加算器
121:積分器
122,132:加算器
123:無負荷永久磁石磁束演算器
130:永久磁石磁束平均変化量演算器
Claims (12)
- 電力変換器により永久磁石形同期電動機を運転するための制御装置であって、
前記電動機の永久磁石磁束を推定し、その永久磁石磁束推定値を用いて前記電動機の電流を制御することにより前記電動機の速度及びトルクを制御するようにした永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記電動機の電圧方程式に基づいて永久磁石磁束推定値の誤差を演算する誤差演算手段と、
前記誤差を増幅する増幅手段と、
前記電動機の熱モデルに基づいて永久磁石磁束の初期設定値からの変化量を演算する変化量演算手段と、
前記変化量と永久磁石磁束補正値との偏差を磁石の熱時定数により除算する除算手段と、
前記増幅手段の出力と第1の重み係数との積、及び、前記除算手段の出力と第2の重み係数との積を加算する加算手段と、
前記加算手段の出力を積分して前記永久磁石磁束補正値を演算する積分手段と、
前記初期設定値と前記永久磁石磁束補正値とを加算して前記永久磁石磁束推定値を演算する手段と、
前記電動機の電流検出値と速度検出値とを用いて前記第1の重み係数及び第2の重み係数を制御する手段と、
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、
前記永久磁石磁束の初期設定値が、無負荷時における永久磁石磁束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、
前記永久磁石磁束の初期設定値が、平均温度時における永久磁石磁束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1〜3のいずれか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、
前記変化量演算手段は、
前記電動機の損失、永久磁石の熱抵抗、永久磁石の温度係数、及び、基準温度における永久磁石磁束から前記変化量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のいずれか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、
前記誤差演算手段は、
前記電動機の電流検出値、速度検出値、及び、前記永久磁石磁束推定値から前記電動機の端子電圧を推定する端子電圧推定手段と、
前記電動機の端子電圧推定値と端子電圧指令値との偏差である端子電圧推定誤差を演算する手段と、
前記端子電圧推定誤差と前記速度検出値とから前記永久磁石磁束推定値の誤差を演算する手段と、
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1〜4のいずれか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、
前記誤差演算手段は、
前記電動機の電流検出値、端子電圧指令値、及び、速度検出値から回転子の永久磁石によって端子に誘導される誘起電圧を演算する誘起電圧演算手段と、
前記永久磁石磁束推定値と前記速度検出値との積から誘起電圧推定値を演算する手段と、
前記誘起電圧推定値と誘起電圧演算値との偏差である誘起電圧推定誤差を演算する手段と、
前記誘起電圧推定誤差と前記速度検出値とから前記永久磁石磁束推定値の誤差を演算する手段と、
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1〜6のいずれか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、
前記速度検出値、永久磁石の温度係数、及び、基準温度における永久磁石磁束から第1の電圧変化量を演算する手段と、
前記電流検出値、電機子巻線の温度係数、及び、基準温度における電機子抵抗から第2の電圧変化量を演算する手段と、
前記第1の電圧変化量と前記第2の電圧変化量とを用いて前記第1の重み係数と前記第2の重み係数とを制御する手段と、
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1〜6のいずれか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、
前記速度検出値、永久磁石の熱抵抗、永久磁石の温度係数、及び、基準温度における永久磁石磁束から第1の電圧変化量を演算する手段と、
前記電流検出値、電機子巻線の熱抵抗、電機子巻線の温度係数、及び、基準温度における電機子抵抗から第2の電圧変化量を演算する手段と、
前記第1の電圧変化量と前記第2の電圧変化量とを用いて前記第1の重み係数と前記第2の重み係数とを制御する手段と、
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1〜6のいずれか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、
前記速度検出値、永久磁石の熱抵抗、永久磁石の温度係数、及び、基準温度における永久磁石磁束から第1の電圧変化量を演算する手段と、
前記電流検出値、電機子巻線の熱抵抗、電機子巻線の温度係数、基準温度における電機子抵抗、配線の熱抵抗、配線の温度係数、及び、基準温度における配線抵抗から第2の電圧変化量を演算する手段と、
前記第1の電圧変化量と前記第2の電圧変化量とを用いて前記第1の重み係数と前記第2の重み係数とを制御する手段と、
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4,8または9に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記永久磁石の熱抵抗を、前記電動機の損失と永久磁石の温度上昇値とから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8または9に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記電機子巻線の熱抵抗を、前記電動機の損失と電機子巻線の温度上昇値とから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9に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記配線の熱抵抗を、配線の損失と配線の温度上昇値とから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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