JP5980456B1 - 制御装置および制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
さらに、運転制御する方法において、磁石温度を検知する方法は、温度センサまたは磁石温度に応じて変動する磁束を検出するセンサを別途設置して磁石温度を検知するものと、モータの運転時の電流や電圧などから磁石温度を推定するものとに大別される。
三相短絡運転時における従来の磁石温度推定手法としては、三相短絡状態における電流検出値をd軸座標およびq軸座標の値に変換し、変換されたd軸電流と所定のd軸インダクタンスとから誘起電圧定数を求め、その誘起電圧定数から磁石温度に換算する手法が知られている(例えば、特許文献1参照)。
また、温度センサ(あるいは、磁石温度に応じて変化する磁束を検出するセンサ)を設置して磁石温度を検知する場合、設置するセンサに応じたスペースを必要とし、設置場所の制約を受けるため、永久磁石式同期機であるモータまたは制御装置の小型化や軽量化が困難であるという課題があった。
特許文献4に示された三相短絡運転以外の状況で磁石温度を推定する第2の手法においては、磁石温度が巻線温度のα倍という関係を仮定することで、推定値を一意に決定しているが、αの値を正確に決定する方法については記載されていない。環境温度やモータの駆動状態によって、αの値は時々刻々と変化するのが通常であるため、予めαの値を設定した場合には推定精度の劣化が起こる。
特許文献3および特許文献4のいずれにおいても、電圧のずれが、磁石磁束や磁束変化によるものか、それとも、巻線の温度変化による巻線抵抗変化によるものかを区別しがたく、磁石磁束の推定精度が低いという課題があった。
図1は、この発明を実施するための実施の形態1に係る制御装置を備える同期機システムのハードウエア構成を示す図である。
図1において、同期機システム200は、上位のコントローラ102と、制御装置1と、永久磁石式同期機10と、回転角度検出器11とを備える。
制御装置1は、ハードウエアとして、プロセッサ100と、記憶装置101と、電圧出力器4と、電流検出器5とを備える。
図1におけるハードウエアの構成要素間におけるデータ等の入出力については、後述する。
ここで、磁石状態とは、永久磁石の磁石温度や磁石磁束を指す。また、磁石状態は、磁石磁束とほぼ等価である誘起電圧定数やトルク定数を含む。
また、電流検出器5として1個のシャント抵抗が用いられる場合において、図示していないが、電流検出器5は、位相同期回路であるPLL等によって電流位相を検出し、三相電流が概ね平衡しているという仮定に基づいて、三相電流を推定する。
なお、カレントトランスは2個でもよい。この場合、電流検出器5は、三相電流の和がゼロであることを用いて残りの1相の電流値を得る。
また、カレントトランスは1個でもよい。この場合、電流検出器5は、前述と同様に電流位相検出と三相電流が概ね平衡しているとの仮定とから、三相電流を得る。
あるいは、コスト的な観点から、カレントトランスに代えて、バスバー等に直列にシャント抵抗を接続してもよい。
PWM回路49は、三相電圧指令vu*、vv*、vw*に相当する電圧に応じてスイッチング素子42〜47をスイッチングさせる波形からなるスイッチング信号を、スイッチング素子42〜47に送る。
また、電流検出器5として、スイッチング素子45、46、47のGND54側に置いたシャント抵抗を用いる場合、必ず下アーム導通による三相短絡スイッチング信号を出力する必要がある。
また、電流検出器5として、前述のバスバー等に接続されるカレントトランス等による構成とした場合、上アーム導通と下アーム導通とのいずれであっても差し支えない。
図6は、本実施の形態に係る制御装置に用いられる磁石温度の単位変化あたりの磁石磁束の変化率の設定例を示す図である。図6の横軸は、d軸電流idを表し、図6の縦軸は、q軸電流iqを表し、図6の高さ軸は、磁石温度の単位変化あたりの磁石磁束の変化率を表している。磁石状態推定部8は、式(2)で演算した磁石磁束推定値ΦPMから、さらに下記の数式に基づいて磁石状態としての磁石温度の磁石温度推定値TPMを演算する。
スイッチ86は、三相短絡指令が有効の場合のみ磁石温度推定値TPMを出力する。
次に、検出ステップS302では、永久磁石式同期機10のd軸特性としてd軸電流id、およびq軸特性としてq軸電流iqを検出する。
最後に、磁石状態推定ステップS303では、検出ステップS302で検出されたd軸特性であるd軸電流idおよびq軸特性であるq軸電流iqに基づいて、式(1)、または式(2)を用いて、永久磁石の磁石状態としての磁石磁束の磁石磁束推定値ΦPMを推定する。また、検出ステップS302で検出されたd軸電流idおよびq軸電流iqに基づいて、式(3)、図6、または図7を用いて、永久磁石の磁石状態としての磁石温度の磁石温度推定値TPMを推定する。
すなわち、三相短絡運転時には、d軸電流idおよび予め設定されたd軸インダクタンスLdであるd軸特性、並びにq軸電流iqおよび予め設定されたq軸インダクタンスLqであるq軸特性に基づいて、永久磁石式同期機10の永久磁石の磁石状態を推定する。
d軸電流のみで推定した場合は、中程度の回転速度で磁石状態の十分な推定精度が得られないため、このような運転状態において磁石状態を推定できないという欠点があった。このため、中程度の回転速度では永久磁石が過熱しないような放熱設計とする必要があり、例えば永久磁石式同期機の体格が大きくなるという欠点があった。
すなわち、三相短絡運転時には、d軸電流idおよびd軸磁束Φdであるd軸特性、並びにq軸電流iqおよびq軸磁束Φqであるq軸特性に基づいて、永久磁石式同期機10の永久磁石の磁石状態を推定する。
また、式(2)のように磁石磁束を陽に用いることによって、d軸インダクタンスLdおよびq軸インダクタンスLqの磁気飽和による変化を考慮することができるため、大きな電流が流れる場合であっても、磁石磁束を精度よく推定することが可能となる。
また、流す電流の大きさが同一であっても、磁石温度により永久磁石式同期機10のトルクや発電量が変動する。このトルクや発電量の変動を磁石温度推定値TPMで補正することが可能となる。
この構成が必要となるのは、磁石温度の単位変化あたりの磁石磁束の変化率kが一定でなく、補正する必要が生じた場合である。
また、磁石温度および磁石磁束が、d軸電流idおよびq軸電流iqに対して非線形となる場合も温度推定マップ85によって考慮することができるため、磁石温度推定値TPMの精度が向上する。
図9は、この発明を実施するための実施の形態2に係る制御装置における三相短絡電流軌跡の例を示す図である。図9の横軸は、d軸電流idを表し、図9の縦軸は、q軸電流iqを表している。本実施の形態に係る制御装置1は、以下に述べる点で実施の形態1と異なる。本実施の形態における磁石状態推定部8は、uvw/dq変換器6から得られたd軸電流id、q軸電流iqおよび予め設定された三相短絡電流軌跡に基づいて、磁石状態を演算する。
巻線抵抗が上昇した状態での三相短絡電流軌跡71は、巻線抵抗が小さい状態での三相短絡電流軌跡71と重なる。さらに詳述すると、巻線抵抗が上昇した状態での三相短絡電流軌跡71のうち、より高回転速度で回転した場合における点が、巻線抵抗が小さい状態での三相短絡電流軌跡71のうち、より低回転速度で回転した場合における点と重なる。具体的には、巻線抵抗をR、回転子の回転速度をωとすると、三相短絡電流軌跡71のうち、R÷ωが等しい点同士が重なる。
図10において、三相短絡電流軌跡71および73の両方が重なることから、巻線抵抗が変化しても、三相短絡電流軌跡71の形状が変化しないことの傍証となっている。
図11は、本実施の形態に係る制御装置における三相短絡電流軌跡の近似曲線のパラメータの例を示す図である。
測定された三相短絡電流軌跡の形状を曲線近似するため、曲線近似された近似曲線のパラメータを設定する。具体的には、例えば、パラメータp1〜p5、q1〜q4、m、sの11個の定数値を設定して、三相短絡電流軌跡の形状を下記の有理関数によって曲線近似する。
図12は、本実施の形態に係る制御装置において三相短絡電流軌跡を用いて、dq軸電流値に基づいて磁石磁束推定値を得るための説明図である。図12の横軸は、d軸電流idを表し、図12の縦軸は、q軸電流iqを表している。図12において、三相短絡運転時のd軸電流idおよびq軸電流iqをプロットした点をAとする。この時、原点OからAに向けて半直線OAを引き、半直線OAが予め設定された三相短絡電流軌跡74と交わる点をBとする。このとき、三相短絡運転時の磁石磁束推定値ΦPMと三相短絡電流軌跡74を取得した時の磁石磁束ΦPM,Bとの比は、OAとOBとの長さの比に等しい。よって、三相短絡運転時の磁石磁束推定値ΦPMは、三相短絡電流軌跡74を取得した時のBに対応する磁石磁束の値、すなわち三相短絡電流軌跡74に対応する磁石磁束基準値ΦPM,Bを、OBの長さで除してOAの長さを乗じることで求まる。
また、三相短絡電流軌跡に対応する磁石磁束基準値ΦPM,Bは、予め設定された値に限らず、実施の形態1における式(1)または式(2)によって算出された磁石磁束推定値ΦPMであってもよい。
したがって、1つの三相短絡電流軌跡に対応する磁石温度基準値に基づいて、磁石温度推定値TPMを推定できる。
図13は、本実施の形態に係る制御装置における三相短絡電流軌跡を用いて、d軸電流およびq軸電流に基づいて磁石温度推定値を得るための説明図である。図13の横軸は、d軸電流idを表し、図13の縦軸は、q軸電流iqを表している。図13において、三相短絡運転時のd軸電流idおよびq軸電流iqをプロットした点をAとする。この時、原点OからAに向けて半直線OAを引き、半直線OAが予め設定された高温側の三相短絡電流軌跡76と交わる点をBとし、予め設定された低温側の三相短絡電流軌跡75と交わる点をCとする。このとき、線分ABの長さと線分ACの長さとの比が、三相短絡運転時の磁石温度推定値TPM,Aから低温側の三相短絡電流軌跡75を取得した時の磁石温度TPM,Cを引いた差と、高温側の三相短絡電流軌跡76を取得した時の磁石温度TPM,Bから三相短絡運転時の磁石温度推定値TPM,Aを引いた差との比に対応する。ただし、点Aが点Bより原点Oに近い場合は、線分ABの長さを負とし、点Aが点Cより原点Oから遠い場合は、線分ACの長さを負とする。上述の内容を用いて点Aの磁石温度推定値TPM,Aを計算するには、例えば下記の数式を計算すればよい。
また、三相短絡電流軌跡75、76に対応する磁石温度基準値TPM,B、TPM,Cは、予め設定された値に限らず、実施の形態1における式(3)または図7によって算出された磁石温度推定値TPMであってもよい。
一方、2つの三相短絡電流軌跡75,76を用いて磁石温度推定値TPM,Aを推定する場合には、2つの三相短絡電流軌跡75,76が、d軸電流idおよびq軸電流iqと、磁石磁束との関係の非線形性、すなわち磁束飽和の影響を含んだ軌跡であるため、磁束飽和の影響を考慮して磁石温度推定値TPM,Aを推定できる。
したがって、1つの三相短絡電流軌跡を用いて磁石温度推定値TPM,Aを推定する場合よりも、2つの三相短絡電流軌跡を用いた場合において、磁石温度推定値TPM,Aの推定精度が向上する。
例えば、3つの磁石温度基準値TPM,B、TPM,C、TPM,Dが予め設定されており、三相短絡運転時のd軸電流idおよびq軸電流iqをプロットした点をAとした場合を想定する。点Aが点Bおよび点Cとの間にある場合、すなわち点Aのd軸電流idおよびq軸電流iqが、点Bのd軸電流idおよびq軸電流iqと、点Cのd軸電流idおよびq軸電流iqとの間にある場合には、2つの磁石温度基準値TPM,B、TPM,Cを用いて磁石温度推定値TPM,Aを式(6)によって推定する。
また、点Aが点Cおよび点Dとの間にある場合、すなわち点Aのd軸電流idおよびq軸電流iqが、点Cのd軸電流idおよびq軸電流iqと、点Dのd軸電流idおよびq軸電流iqとの間にある場合には、2つの磁石温度基準値TPM,C、TPM,Dを用いて磁石温度推定値TPM,Aを式(6)によって推定する(式(6)の添字BがCに、添字CがDに置き換えられる)。
さらに、2つの三相短絡電流軌跡の場合よりも磁石温度推定値TPM,Aの推定精度が向上する。推定精度が向上する理由としては、磁石磁束(および磁石磁束によって決まる三相短絡電流軌跡)と磁石温度との間の関係の非線形性が補正されるためである。
磁石状態推定部8は、Newton−Raphson法による繰り返し計算によって演算を行う。具体的には、磁石状態推定部8は、下記の数式による演算を繰り返す。
また、Xの初期値は、下記の数式で決定される。
なお、三相短絡電流軌跡71〜76を、実測に限らず、解析で求めても良い。
すなわち、三相短絡運転時には、d軸電流idであるd軸特性、およびq軸電流iqであるq軸特性に基づいて、永久磁石式同期機10の永久磁石の磁石状態を推定する。
さらに、三相短絡電流軌跡の事前測定という比較的簡易な事前準備にもかかわらず、磁束変化の非線形性を考慮して磁石状態として磁石磁束を推定することができるため、実施の形態1よりも高精度に磁石磁束を推定することが可能となる。
さらに、三相短絡電流軌跡の事前測定という比較的簡易な事前準備にもかかわらず、磁束変化の非線形性を考慮して磁石状態としての磁石温度を推定することができるため、実施の形態1よりも高精度に磁石温度を推定することが可能となる。
また、流す電流の大きさが同一であっても、磁石温度により永久磁石式同期機10のトルクや発電量が変動する。このトルクや発電量の変動を磁石温度推定値TPM,Aで補正することが可能となる。
Claims (9)
- 永久磁石を有する永久磁石式同期機の三相端子を短絡させる相短絡部を備え、
前記相短絡部によって前記三相端子を短絡させて前記永久磁石式同期機を運転する三相短絡運転時には、前記三相短絡運転時に前記永久磁石式同期機に流れるd軸電流、前記三相短絡運転時に前記永久磁石式同期機に流れるq軸電流、および前記永久磁石式同期機の磁気特性に基づいて、前記永久磁石の磁石状態を推定する制御装置。 - 前記永久磁石式同期機の磁気特性は、前記永久磁石式同期機のインダクタンスに対応した磁気特性である請求項1に記載の制御装置。
- 永久磁石を有する永久磁石式同期機の三相端子を短絡させる相短絡部を備え、
前記相短絡部によって前記三相端子を短絡させて前記永久磁石式同期機を運転する三相短絡運転時には、
前記三相短絡運転時に前記永久磁石式同期機に流れる前記d軸電流、予め設定されたd軸インダクタンス、前記三相短絡運転時に前記永久磁石式同期機に流れる前記q軸電流、および予め設定されたq軸インダクタンスに基づいて、前記永久磁石の磁石状態として磁石磁束の磁石磁束推定値を算出する制御装置。 - 永久磁石を有する永久磁石式同期機の三相端子を短絡させる相短絡部を備え、
前記相短絡部によって前記三相端子を短絡させて前記永久磁石式同期機を運転する三相短絡運転時には、
前記三相短絡運転時に前記永久磁石式同期機に流れる前記d軸電流、d軸磁束、前記三相短絡運転時に前記永久磁石式同期機に流れる前記q軸電流、およびq軸磁束に基づいて、前記永久磁石の磁石状態として磁石磁束の磁石磁束推定値を算出する制御装置。 - 前記三相短絡運転時には、予め設定された基準磁石温度、前記基準磁石温度において予め設定された基準磁石磁束、および磁石温度の単位変化あたりにおいて予め設定された前記磁石磁束の変化率を用いて、前記磁石磁束推定値に基づいて、さらに前記磁石状態として前記磁石温度の磁石温度推定値を算出する請求項3または請求項4に記載の制御装置。
- 前記三相短絡運転時には、予め設定された温度推定マップを用いて、前記d軸電流、前記q軸電流および前記磁石磁束推定値に基づいて、さらに前記磁石状態として磁石温度の磁石温度推定値を算出する請求項3または請求項4に記載の制御装置。
- 永久磁石を有する永久磁石式同期機の三相端子を短絡させる相短絡部を備え、
前記相短絡部によって前記三相端子を短絡させて前記永久磁石式同期機を運転する三相短絡運転時には、
前記永久磁石式同期機の三相端子を短絡させ前記永久磁石式同期機の回転速度を変化させた時のd軸電流およびq軸電流の軌跡であって予め設定された三相短絡電流軌跡を用いて、前記三相短絡運転時の前記d軸電流および前記q軸電流、並びに前記三相短絡電流軌跡に対応する磁石磁束基準値に基づいて、前記永久磁石の磁石状態として磁石磁束の磁石磁束推定値を算出する制御装置。 - 永久磁石を有する永久磁石式同期機の三相端子を短絡させる相短絡部を備え、
前記相短絡部によって前記三相端子を短絡させて前記永久磁石式同期機を運転する三相短絡運転時には、
前記永久磁石式同期機の三相端子を短絡させ前記永久磁石式同期機の回転速度を変化させた時のd軸電流およびq軸電流の軌跡であって予め設定された三相短絡電流軌跡を用いて、前記三相短絡運転時の前記d軸電流および前記q軸電流、並びに前記三相短絡電流軌跡に対応する磁石温度基準値に基づいて、前記永久磁石の磁石状態として磁石温度の磁石温度推定値を算出する制御装置。 - 永久磁石を有する永久磁石式同期機の運転中において前記永久磁石式同期機の三相端子を短絡させる三相短絡ステップと、
前記三相短絡ステップで前記三相端子が短絡された場合に、前記永久磁石式同期機のd軸電流およびq軸電流を検出する検出ステップと、
前記検出ステップで検出された前記d軸電流および前記q軸電流、並びに前記永久磁石式同期機の磁気特性に基づいて、前記永久磁石の磁石状態を推定する磁石状態推定ステップと、をプロセッサが実行する制御方法。
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