JP5768255B2 - 永久磁石同期モータの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石同期モータの制御装置に関し、特に、モータの自己インダクタンスや電機子抵抗等のモータ定数の同定技術、及び、電流検出手段のオフセット調整技術に関するものである。

同期モータは、回転子の位置に応じて適切に電流を検出して制御することにより、制御性及び効率を向上させることができる。この場合、自己インダクタンスや電機子抵抗、磁束鎖交数のようなモータ定数が必要である。
一般に、同期モータのモータ定数には設計値が使用されるが、実際値と設計値との間には誤差がある。こうした誤差は、トルク制御精度や応答性に大きく影響する。このモータ定数は温度変化等によって変動するため、モータ駆動中にも逐次同定しながら制御に用いるモータ定数を調整することが望ましい。

また、モータの電流を検出する場合、電気的絶縁を必要とする電流センサが利用されており、その場合の検出素子としては、ギャップを有するコアを介して発生する磁界の強さを電圧に変換し、電流検出信号としてホール素子により取り出すものが一般的である。
しかし、ホール素子には、部品較差や個体差等に伴う固有のオフセットが存在し、このオフセットは、更に感度のバラツキや温度変化等の環境的な要因によって変化する特性を有している。

ここで、同期電動機のモータ定数を測定する方法としては、特許文献１に示すような方法が知られている。
この特許文献１に係る従来技術では、回転子を停止状態に設定し、ｑ軸電流指令、ｄ軸電流指令を第１のｑ軸電流指令値、第１のｄ軸電流指令値に設定し、所定の大きさのｄ軸電流ステップ指令を制御装置に与える。このステップ指令に対するｄ軸電流検出値の偏差に対応して生成されるｄ軸電圧指令値から電動機の一次抵抗による電圧降下分の電圧を減算して得られる電圧値を、予め定められた第１の積分時間にわたり積分して積分値ｖ_ｄｓｕｍを生成し、積分開始時点のｄ軸電流検出値に対する積分終了時のｄ軸電流検出値の変化量Δｉ_ｄを生成する。
同様の計算をｑ軸についても実行して積分値ｖ_ｑｓｕｍとΔｉ_ｑとを生成することにより、ｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスとの比：Ｋ＝（ｖ_ｑｓｕｍ／ｖ_ｄｓｕｍ）・（Δｉ_ｄ／Δｉ_ｑ）を算出する。そして、既知であるｄ軸インダクタンスＬ_ｄを用いて、ｑ軸インダクタンスＬ_ｑをＬ_ｑ＝ＫＬ_ｄによって算出することにより、同定を終了する。

一方、永久磁石同期モータの駆動中に、モータ定数を測定しつつ電流検出器のオフセットを調節する方法として、非特許文献１に示すような方法がある。
非特許文献１に記載された従来技術では、モータの電気的特性を模擬する電流シミュレータを構成し、このシミュレータにて用いる電気パラメータ（モータ定数としての電機子抵抗、自己インダクタンス）のノミナル値Ｒ_ｎ，Ｌ_ｎと真値Ｒ_ａ，Ｌ_ａとの誤差率α，βをそれぞれ定義する。そして、ｄ軸電流を０に制御した状態で、電流シミュレータのｄ軸推定電流ｉ_ｄ＾の値が０になるようにノミナル値Ｌ_ｎを調整し、検出器のオフセット分として現れる電流リプル分を除去したｑ軸推定電流ｉ_ｑ＾とｑ軸検出電流ｉ_{ｑｓｅｎｓｅ}との電流比から誤差率αを求め、求めた誤差率αから電機子抵抗Ｒ_ａを同定する。更に、求めた電機子抵抗値Ｒ_ａをノミナル値Ｒ_ｎとして電流シミュレータのパラメータを調節した場合の電流比から誤差率βを求め、求めた誤差率βから自己インダクタンス値Ｌ_ａを同定する。
その後、上記同定値Ｒ_ａ，Ｌ_ａを電流シミュレータの電気パラメータとして、ｄ軸電流，ｑ軸電流及びモータの電気角θ_ｒｅに基づき電流検出器のオフセット値Δｉ_ｕ＾，Δｉ_ｖ＾を算出するものである。

特開２００１−３５２８００号公報（段落［００４４］〜［００５６］、図１，図２等）

佐沢，川后，植中，大石，「電流シミュレータを用いた永久磁石モータの電流検出誤差とパラメータ変動の推定手法」，電気学会産業応用部門論文誌Ｄ、１３０巻８号，１０００頁〜１００７頁，２０１０年８月

特許文献１に開示されている従来技術では、既知であるｄ軸インダクタンスを用い、かつ、回転子を停止状態に設定したうえで交流のｑ軸電流指令を電流コントローラに入力しているため、モータ定数の同定を通常の駆動中に行う、いわゆるオンライン同定が困難であり、また、電流検出器のオフセットが同定値に影響したりトルクリプルを発生させる等の問題がある。
これに対し、非特許文献１に開示されている従来技術によれば、ｄ−ｑ軸にて電流一定の区間を設ければ、電機子抵抗Ｒ_ａ及び自己インダクタンスＬの同定、並びに電流検出器のオフセット調整をオンラインにて行うことが可能であるが、モータ定数の一つである磁束鎖交数φを同定できないという問題がある。

そこで、本発明は、モータを駆動しつつｄ軸，ｑ軸に関する各種のモータ定数を迅速に同定し、同時に電流検出手段のオフセット成分を同定してこれを調整可能とした永久磁石同期モータの制御装置を提供することを解決課題とする。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、永久磁石同期モータの電流指令と検出電流との偏差に応じた電圧指令を演算する電流制御手段と、前記電圧指令に従って生成した交流電圧を前記モータに供給する電力変換器と、前記検出電流としての相電流をｄ−ｑ回転座標上のｄ軸電流及びｑ軸電流に変換する電流検出手段と、を備えた永久磁石同期モータの制御装置において、
前記モータの回転速度及びｄ−ｑ回転座標上のｄ軸，ｑ軸電圧を入力として前記モータの状態方程式からｄ軸，ｑ軸推定電流を演算する電流シミュレータと、
前記モータのｄ軸検出電流が零となるように前記モータを一定速度に制御した状態で、前記ｄ軸，ｑ軸推定電流及びｄ軸，ｑ軸検出電流を用い、前記モータと前記電流シミュレータとの磁束鎖交数の誤差のｄ軸成分とｑ軸成分との偏差が零となるように前記電流シミュレータの自己インダクタンスノミナル値を調整して前記モータの自己インダクタンスを同定する機能、
前記モータのｄ軸検出電流を所定値に制御した状態で、前記ｄ軸，ｑ軸推定電流及びｄ軸，ｑ軸検出電流を用い、前記モータと前記電流シミュレータとの磁束鎖交数の誤差のｄ軸成分とｑ軸成分との偏差が零となるように前記電流シミュレータの電機子抵抗ノミナル値を調整して前記モータの電機子抵抗を同定する機能、
前記ｄ軸，ｑ軸推定電流及びｄ軸，ｑ軸検出電流を用いて前記モータの磁束鎖交数を同定する機能、及び、前記ｄ軸推定電流とｄ軸検出電流との偏差並びに前記ｑ軸推定電流とｑ軸検出電流との偏差から、前記電流検出手段のオフセット値を同定する機能、を有する同定手段と、を備えたものである。

本発明においては、ｄ軸電流を零に制御した状態で電流シミュレータの出力であるｄ軸，ｑ軸推定電流とｄ軸，ｑ軸検出電流とから磁束鎖交数の誤差を求めて同期モータの自己インダクタンスを同定する。また、電流シミュレータの自己インダクダンスを同定した値にし、ｄ軸電流を任意の値に制御した状態でｄ軸，ｑ軸推定電流とｄ軸，ｑ軸検出電流とから磁束鎖交数の誤差を求めて電機子抵抗を同定する。そして、電流シミュレータの自己インダクタンス及び電機子抵抗を同定した値にして、磁束鎖交数の誤差を求めることにより磁束鎖交数を同定する。これにより、同期モータを駆動しながらすべてのモータ定数を同定することができる。
更に、本発明によれば、ｄ軸，ｑ軸推定電流及びｄ軸，ｑ軸検出電流からオフセット成分を推定し、電流検出手段のオフセット値を求めることも可能である。
すなわち、本発明によれば、同期モータの各種のモータ定数や電流検出手段のオフセット値を適切に調整することができ、同期モータのトルク脈動を抑えて高精度かつ高応答な電流制御系を実現することが可能になる。

本発明の実施形態の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態の動作を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本実施形態の構成を示すブロック図である。図１において、この実施形態に係る永久磁石同期モータ１の制御装置は、電力変換器２、電流検出手段３、２軸電流変換手段４、エンコーダ等の速度検出手段５、回転数制御手段６、ｄ軸電流制御手段７、ｑ軸電流制御手段８、及び、加減算手段１１，１２ｄ，１２ｑ，１３ｕ，１３ｖを備えると共に、電流シミュレータ９及び同定手段１０を備えている。

ここで、電力変換器２は、ｄ軸電圧指令ｖ_ｄ ^ｒｅｆ及びｑ軸電圧指令ｖ_ｑ ^ｒｅｆに基づいて３相交流電圧を出力するＰＷＭインバータ等によって構成されており、ＩＧＢＴ等のパワー半導体スイッチング素子を用いた３相スイッチング回路を備えている。
上記電力変換器２以外の各手段は、例えば、ＤＳＰやマイクロコンピュータの制御アプリケーションによって実現される。なお、ＤＳＰまたはマイクロコンピュータは、電流検出用のコアや、メモリ、Ａ／Ｄ変換回路、通信ポート等の周辺装置を含んでいてもよい。勿論、電力変換器２以外の各手段の一部を、論理回路によって構成してもよい。
制御対象である永久磁石同期モータ１としては、特に、表面磁石同期モータ（ＳＰＭ）を想定している。このＳＰＭは、埋込磁石同期モータ（ＩＰＭＳＭ）に比べて低トルクではあるが、低トルクリプルという利点を有するため、高精度かつ高性能な位置決め用途のサーボモータに広く用いられているものである。

次に、図１に基づいて、同期モータ１の駆動時における動作の概要を説明する。
外部から与えられる目標回転速度ω_ｒｍ ^ｒｅｆと速度検出手段５により検出したモータ１の回転速度ω_ｒｍとの偏差を加減算手段１１により求め、この偏差に基づき、速度制御手段６がｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^ｒｅｆを生成する。
電流検出手段３では、ｕ相及びｖ相の電流検出器によって得られた相電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖ及びこれらから算出したｗ相電流ｉ_ｗを、２軸電流変換手段４によりｄ−ｑ座標上の検出電流ｉ_ｄ ^{ｓｅｎｓｅ}，ｉ_ｑ ^{ｓｅｎｓｅ}に変換する。なお、図１では、電流検出器にオフセット値Δｉ_ｕ，Δｉ_ｖが存在することを考慮し、加減算手段１３ｕ，１３ｖにより相電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖにオフセット値Δｉ_ｕ，Δｉ_ｖをそれぞれ加算した値を２軸電流変換手段４に入力するように表示してある。

２軸電流変換手段４から出力される検出電流ｉ_ｄ ^{ｓｅｎｓｅ}，ｉ_ｑ ^{ｓｅｎｓｅ}と、任意に設定したｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^ｒｅｆ及び速度制御手段６から出力されたｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^ｒｅｆとの偏差を加減算手段１２ｄ，１２ｑによりそれぞれ求め、これらの偏差に基づき、ｄ軸電流制御手段７及びｑ軸電流制御手段８がｄ軸電圧指令ｖ_ｄ ^ｒｅｆ、ｑ軸電圧指令ｖ_ｑ ^ｒｅｆをそれぞれ生成する。
ｄ軸電圧指令ｖ_ｄ ^ｒｅｆ及びｑ軸電圧指令ｖ_ｑ ^ｒｅｆは電力変換器２に入力されており、この電力変換器２により生成された３相交流電圧が同期モータ１に供給される。
上述した一連の動作により、同期モータ１は、実際の回転速度ω_ｒｍが目標回転速度ω_ｒｍ ^ｒｅｆに追従するように制御される。なお、２軸電流変換手段４や、電力変換器２におけるｄ−ｑ軸電圧成分から３相電圧への逆変換手段（図示せず）等の構成及び動作は、周知技術であるため説明を省略する。

次に、ｄ軸及びｑ軸電流を推定する電流シミュレータ９について説明する。
同期モータ１のｄ−ｑ座標軸上の状態方程式に基づいて、電流シミュレータ９は数式１の演算を実行することで実現される。数式１において、ｉ_ｄ＾及びｉ_ｑ＾はｄ軸推定電流及びｑ軸推定電流、ｖ_ｄ及びｖ_ｑはｄ軸電圧及びｑ軸電圧、Ｒ_ｎはモータ１の電機子抵抗のノミナル値、Ｌ_ｎは自己インダクタンスのノミナル値、φ_ｆｎは磁束鎖交数のノミナル値、ω_ｒｅは同期モータ１の電気角周波数である。
数式１から明らかなように、電流シミュレータ９は、ｖ_ｄ，ｖ_ｑ及びω_ｒｅを入力とし、更に各ノミナル値Ｒ_ｎ，Ｌ_ｎ，φ_ｆｎを用いてｄ軸推定電流ｉ_ｄ＾及びｑ軸推定電流ｉ_ｑ＾を出力する。なお、図１では、数式１のｖ_ｄ，ｖ_ｑとして電圧指令ｖ_ｄ ^ｒｅｆ，ｖ_ｑ ^ｒｅｆを用いており、また、数式１のω_ｒｅは図１における実回転速度ω_ｒｍに相当する。

次いで、同定手段１０について説明する。
同定手段１０には、電流シミュレータ９の出力であるｄ軸推定電流ｉ_ｄ＾、ｑ軸推定電流ｉ_ｑ＾、及び検出電流ｉ_ｄ ^{ｓｅｎｓｅ}，ｉ_ｑ ^{ｓｅｎｓｅ}が入力されており、同定手段１０はこれらの入力を用いてモータ定数であるＲ_ａ，Ｌ_ａ，φ_ｆを同定すると共に、電流検出手段３の電流検出値に含まれるオフセット値Δｉ_ｕ，Δｉ_ｖを同定する。

ここで、同定手段１０における同期モータ１のパラメータ同定の理論的な理由について、まず、電流検出手段３のオフセットと電流シミュレータ９との関係について説明する。
電流検出手段３による電流検出値にオフセットが加わった場合、電流制御系がオフセットによる電流リプルを抑制するように制御するため、電圧指令ｖ_ｄ ^ｒｅｆ，ｖ_ｑ ^ｒｅｆにはオフセットの影響が含まれる。従って、電流制御系を考慮した電流シミュレータ９は、数式２のようになる。この数式２において、ｉ_ｄ＾’，ｉ_ｑ＾’は電流制御系を考慮したｄ軸，ｑ軸推定電流、Ｒ_ａは電機子抵抗値、Ｌ_ａは自己インダクタンス値、Δｉ_ｄ，Δｉ_ｑはｄ軸，ｑ軸推定電流と実際のｄ軸，ｑ軸検出電流ｉ_ｄ，ｉ_ｑとの偏差（Δｉ_ｄ＝ｉ_ｄ＾’−ｉ_ｄ、Δｉ_ｑ＝ｉ_ｑ＾’−ｉ_ｑ）である。なお、ｄ軸，ｑ軸電流ｉ_ｄ，ｉ_ｑは、前述したｉ_ｄ ^{ｓｅｎｓｅ}，ｉ_ｑ ^{ｓｅｎｓｅ}に相当する。

同期モータの電気パラメータに対する電流シミュレータ９の電機子抵抗の変動率をγ_ａ、自己インダクタンスの変動率をγ_Ｌ、磁束鎖交数の誤差をΔφとして数式３のようにおくと、ｄ軸推定電流ｉ_ｄ＾’及びｑ軸推定電流ｉ_ｑ’は数式４となる。この数式４によれば、電流検出手段３のオフセットによる影響、つまり、Δｉ_ｄ，Δｉ_ｑを含む項は、ｄ軸推定電流ｉ_ｄ＾’及びｑ軸推定電流ｉ_ｑ’のいずれについても、第２項、第３項のみにしか現れていない。

通常、電流検出手段のオフセットは直流成分が支配的であり、ｄ−ｑ軸上のΔｉ_ｄ及びΔｉ_ｑには交流成分として現れる。従って、ｄ軸推定電流ｉ_ｄ＾’及びｑ軸推定電流ｉ_ｑ’のいずれについても、直流成分には数式４の第１項のみが現れるため、同期モータ１の電気パラメータの同定に当たっては、直流成分を用いることにより、電流検出手段のオフセットに対して互いに不感な同定方法を実現することができる。

次に、モータの電気パラメータ同定の理論的な理由について説明する。
電気パラメータのうち、磁束鎖交数φ_ｆａのみが変動（すなわち、Ｒ_ａ＝Ｒ_ｎ、Ｌ_ａ＝Ｌ_ｎ）していると、ｄ軸推定電流ｉ_ｄ＾及びｑ軸推定電流ｉ_ｑ＾は数式５によって表すことができ、これを磁束鎖交数の誤差Δφについてｄ軸側のΔφをΔφ_ｄ、ｑ軸側のΔφをΔφ_ｑとして解くと、数式６のように表すことができる。

本来、Δφ_ｄとΔφ_ｑとは一致している必要があるため、数式７に表す両者の偏差Δφ_ｄｉｆｆが零となるように、Ｒ_ｎ及びＬ_ｎを調整すればよいことになる。

Ｒ_ｎ及びＬ_ｎの調整に関しては、数式７を同期モータの電気パラメータを用いて展開すると数式８のようになり、数式８におけるΔｉ_ｄを零とすると、γ_Ｌが１となるようにすればΔφ_ｄｉｆｆが零となる。

従って、同定手段１０における電気パラメータの同定に関する動作としては、ｉ_ｄを零に制御した状態で、電流シミュレータ９内の自己インダクタンスのノミナル値Ｌ_ｎを変動させ、数式７のΔφ_ｄｉｆｆが零になるＬ_ｎの値を探すことによって自己インダクタンスを同定する。そして、電流シミュレータの自己インダクタンスＬ_ｎを同定した値にし、ｉ_ｄを任意の値に制御して電機子抵抗のノミナル値Ｒ_ｎを変動させ、数式７のΔφ_ｄｉｆｆが零になるＲ_ｎの値を探すことで電機子抵抗を同定する。最後に、電流シミュレータの電機子抵抗Ｒ_ｎ及び自己インダクタンスＬ_ｎを同定した値にし、数式６により磁束鎖交数の誤差分であるΔφ_ｄ，Δφ_ｑを求め、磁束鎖交数φ_ｆａを同定する。

以上説明した同期モータの電気パラメータの同定に関する全体的な動作について、図２のフローチャートを用いて説明する。
まず、ｑ軸電流ｉ_ｑを一定に保つため、同期モータ１の回転速度を一定値に制御する（ステップＳ１）。次に、ステップＳ２では、ｄ軸電流ｉ_ｄを零に制御した状態で（Ｓ２ａ）、数式６〜８に示した如く偏差Δφ_ｄｉｆｆが零となるように、自己インダクタンスのノミナル値Ｌ_ｎを調整する（Ｓ２ｂ〜Ｓ２ｅ）。そして、ステップＳ３では、調整した値を電流シミュレータの自己インダクタンスノミナル値とし、ｄ軸電流ｉ_ｄを任意の値に制御した状態で（Ｓ３ａ）、偏差Δφ_ｄｉｆｆが零となるように、電機子抵抗のノミナル値Ｒ_ｎを調整する（Ｓ３ｂ〜Ｓ３ｅ）。ステップＳ４では、上記のようにして自己インダクタンス及び電機子抵抗を同定した後、数式６によりΔφを同定して磁束鎖交数φ_ｆｎを調整する。

次に、同定手段１０における電流検出手段３のオフセット同定について説明する。
先に同定した同期モータ１の電気パラメータをもって電流シミュレータ９のノミナル値とし、数式９に示すような電流シミュレータの出力、すなわち、ｄ軸推定電流ｉ_ｄ＾’、ｑ軸推定電流ｉ_ｑ’とｄ軸検出電流ｉ_ｄ、ｑ軸検出電流ｉ_ｑとの偏差Δｉ_ｄ＾，Δｉ_ｑ＾がｄ−ｑ軸のオフセット成分となることから、数式１０により、これらの２軸電流を３相交流に変換してオフセット値Δｉ_ｕ＾，Δｉ_ｖ＾を求める。これらのオフセット値は、図１の電流検出手段３に示したように、相電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖの補正に用いられることになる。

本発明に係る永久磁石同期モータの制御装置は、同定のために特殊な操作を行わなくても、通常の運転中にｄ軸電流及びｑ軸電流を所定値に制御する期間を与えるのみで、同期モータの全ての電気パラメータを同定し、更に電流検出手段のオフセットも調整することができる。従って、本発明はサーボシステム等の産業用の永久磁石同期モータを駆動する場合に利用可能である。

１：永久磁石同期モータ
２：電力変換器（ＰＷＭインバータ）
３：電流検出手段
４：２軸電流変換手段
５：速度検出手段（エンコーダ）
６：速度制御手段
７：ｄ軸電流制御手段
８：ｑ軸電流制御手段
９：電流シミュレータ
１０：同定手段
１１，１２ｄ，１２ｑ，１３ｕ，１３ｖ：加減算手段

Claims (1)

1. 永久磁石同期モータの電流指令と検出電流との偏差に応じた電圧指令を演算する電流制御手段と、前記電圧指令に従って生成した交流電圧を前記モータに供給する電力変換器と、前記検出電流としての相電流をｄ−ｑ回転座標上のｄ軸電流及びｑ軸電流に変換する電流検出手段と、を備えた永久磁石同期モータの制御装置において、
   前記モータの回転速度及びｄ−ｑ回転座標上のｄ軸，ｑ軸電圧を入力として前記モータの状態方程式からｄ軸，ｑ軸推定電流を演算する電流シミュレータと、
   前記モータのｄ軸検出電流が零となるように前記モータを一定速度に制御した状態で、前記ｄ軸，ｑ軸推定電流及びｄ軸，ｑ軸検出電流を用い、前記モータと前記電流シミュレータとの磁束鎖交数の誤差のｄ軸成分とｑ軸成分との偏差が零となるように前記電流シミュレータの自己インダクタンスノミナル値を調整して前記モータの自己インダクタンスを同定する機能、
   前記モータのｄ軸検出電流を所定値に制御した状態で、前記ｄ軸，ｑ軸推定電流及びｄ軸，ｑ軸検出電流を用い、前記モータと前記電流シミュレータとの磁束鎖交数の誤差のｄ軸成分とｑ軸成分との偏差が零となるように前記電流シミュレータの電機子抵抗ノミナル値を調整して前記モータの電機子抵抗を同定する機能、
   前記ｄ軸，ｑ軸推定電流及びｄ軸，ｑ軸検出電流を用いて前記モータの磁束鎖交数を同定する機能、及び、前記ｄ軸推定電流とｄ軸検出電流との偏差並びに前記ｑ軸推定電流とｑ軸検出電流との偏差から、前記電流検出手段のオフセット値を同定する機能、を有する同定手段と、
   を備えたことを特徴とする永久磁石同期モータの制御装置。

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