JP7166443B2 - 交流回転機の制御装置及び交流回転機の制御方法 - Google Patents
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Description
実施の形態1に係る回転機の制御装置について図を用いて説明する。図1は実施の形態1に係る回転機の制御装置の構成を示す図である。以降はこの構成図に基づいて各構成部の動作を詳細に説明する。
回転機1は、交流回転機である同期機を指し、本実施の形態では永久磁石を用いた同期機である。なお、本実施の形態では回転機として永久磁石を用いた同期機を例にした構成で説明するが、リラクタンスモータなどの同期機であってもよい。本実施の形態と同様の構成で後述するアンバランス調整器62等を用いて高周波電流のアンバランスを補正することが可能である。
以下、制御装置10の各構成部について詳細に説明する。
座標変換器4は、電流検出手段2で検出された三相検出電流ベクトル(Iu、Iv、Iw)を後述する磁極位置演算手段6から出力される推定位置を用いて、dq軸上の電流に座標変換し、これを検出電流ベクトル(Ids、Iqs)として出力する。なお、dq軸は三相(UVW)軸の静止座標を回転機の回転子に同期して回転する直交座標に変換したもので、公知のものである。
なお、三相検出電流ベクトルは、電流を三相とも検出するほか、二相分を検出して三相電流の和がゼロであることを利用して求めてもよい。さらに、電圧印加手段3であるインバータの母線電流、インバータを構成するスイッチング素子に流れる電流及びスイッチング素子の状態等から三相検出電流ベクトルを演算して取得してもよい。
加減算器55は、電流指令ベクトル(Id*、Iq*)から検出電流ベクトル(Ids、Iqs)を減算して電流偏差を演算し、出力する。
電流制御器51は、加減算器55から入力された電流偏差が0になるように、PI制御によって基本波電圧指令ベクトル(Vdf、Vqf)を出力する。この基本波電圧指令ベクトルは同期機の回転動作の駆動指令である。
加算器54は、基本波電圧指令ベクトル(Vdf、Vqf)と高周波電圧指令ベクトル(Vdh,Vqh)とを加算した電圧指令(Vd*、Vq*)を出力する。
座標変換器53は、磁極位置演算手段6から出力された推定位置を使って、加算器54の出力である(Vd*、Vq*)をdq軸から静止座標の電圧指令ベクトル(Vu,Vv,Vw)に変換し出力する。
図3は、磁極位置演算手段6の構成を示す図である。図3において、磁極位置演算手段6は、高周波成分抽出部61、アンバランス調整器62及び磁極位置演算器63を備える。
電流検出手段2で検出された三相検出電流ベクトル(Iu、Iv、Iw)は高周波成分抽出部61に入力され、各相の高周波成分が抽出されて、各相の高周波電流ベクトル(Iuh、Ivh、Iwh)を出力する。
アンバランス調整器62は各相に対応するフィルタ621、622、623を備え、各相の高周波電流ベクトル(Iuh、Ivh、Iwh)の電流アンバランスを補正する。
磁極位置演算器63は、補正された高周波電流ベクトルを用いて磁極位置の推定位置を演算する。
まず、回転機1の回転子N極をUVW相それぞれの相の位相に合わせた状態で、d軸方向のみに交番する電圧ベクトルを印加した時の各相の高周波電流振幅は、式(3)のように表すことができる。なお、以降の式の記載において、上付きの添え字は回転子N極が各相の方向に位相を合わせた状態において測定した値を示す。
まず、回転機1の推定磁極位置θ0の算出方法について説明する。図5は、実施の形態1による回転子磁束および電圧指令ベクトルの印加方向を示す図である。図5において、回転子の磁束ベクトル方向をdm軸、その直交方向をqm軸とし、高周波交番電圧ベクトルを印加することで得られる推定磁極位置θ0が示す方向をd軸、その直交方向をq軸とし、d軸とdm軸との間にΔθの偏差があるとする。
まず、座標変換器631において、アンバランス調整器62の出力である高周波補正電流ベクトル(Iuh_flt,Ivh_flt,Iwh_flt)を磁極位置演算手段6から出力される推定位置を用いて、dq軸上の電流に座標変換し、これを高周波補正電流ベクトル(Idh_flt,Iqh_flt)として出力する。
算出された偏差Δθを積分器634で積分演算し、推定磁極位置θ0を算出する。
なお、実施の形態1に示す構成は電流制御系のみの構成としているが、速度制御系を構築する場合は推定磁極位置θ0を微分することで、推定速度ωを算出することができ、PI制御器の追加により速度制御系を構成することができる。
図8は実施の形態1において、各相の高周波電流のアンバランス補正により各相の電流のアンバランスを約5%低減した場合の結果であるが、図7と比して位置決めの誤差が2から0.2[deg]と約90%も低減したことがわかる。
図9に示すように、回転機システムは、回転機1、回転機1の制御装置10、及び制御装置10に指令を与える上位のコントローラ13を備えており、回転機1を駆動する。制御装置10は、ハードウェア構成として、プロセッサ11、記憶装置12、電流検出手段2、及び電圧印加手段3を備える。
記憶装置12は、図示していないが、ランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを備える。不揮発性の補助記憶装置の代わりにハードディスク等の補助記憶装置を備えても良い。
プロセッサ11に、記憶装置12の補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプログラムが入力され、プロセッサ11は、記憶装置12から入力されたプログラムを実行する。また、プロセッサ11は、演算結果等のデータを記憶装置12の揮発性記憶装置に出力するか、あるいは揮発性記憶装置を介して補助記憶装置に出力してデータを保存する。
なお、制御手段5、座標変換器4、磁極位置演算手段6は、システムLSI等の処理回路により実現しても良い。
上記実施の形態1では、磁極位置演算手段6で高周波電流に対してゲインを付与する(フィルタを設ける)ことで直接的に電流アンバランスの補正を行う方法について示した。本実施の形態2では検出電流に対して補正を行うのではなく制御手段5において重畳する高周波電圧指令ベクトルに対して補正フィルタを付与することにより高周波電流ベクトル(Iuh,Ivh,Iwh)のアンバランスの補正を行う方法について説明する。実施の形態1の図1に示した回転機の制御装置の構成図において、制御手段5を図10で示す構成とする。それ以外の構成は実施の形態と同様であり、説明を省略する。
アンバランス調整器56に入力された高周波電圧指令ベクトル(Vuh*,Vvh*,Vwh*)はアンバランス補正が行われ、高周波補正電圧指令ベクトル(Vuh_flt*,Vvh_flt*,Vwh_flt*)に変換される。
電流制御器51は、加減算器55から入力された電流偏差が0になるようにPI制御によって基本波電圧指令ベクトル(Vdf、Vqf)を出力する。
座標変換器53は、磁極位置演算手段6から出力された推定位置を使って電流制御器51の出力である基本波電圧指令ベクトル(Vdf、Vqf)をdq軸から静止座標の基本波電圧指令ベクトル(Vuf,Vvf,Vwf)に変換し出力する。
UVW各相のインダクタンス値の間に生じるアンバランスによって高周波電流ベクトル(Iuh,Ivh,Iwh)の各相間には差異(アンバランス)が生じる。アンバランス調整器56のフィルタ561、562、563は、この高周波電流ベクトル(Iuh,Ivh,Iwh)にアンバランスが生じないように、電圧印加手段3に出力される電圧指令ベクトルに対し、高周波電圧指令ベクトル(Vuh*,Vvh*,Vwh*)の補正を行う役割を備える。
なお、ここでは高周波電圧指令生成器52が生成する高周波電圧指令ベクトルの角速度が十分に大きくR≪sLが成立する場合について考える。この場合、固定子巻線抵抗分については無視することができるが、影響を考慮して、実施の形態1と同様に固定子巻き線相抵抗分を含めたフィルタを構成しても良い。
まず、回転機1の回転子N極をUVW相それぞれの相に位相を合わせた状態で高周波交番電圧を印加した時の各相の高周波電圧振幅は次の式(13)のように表すことができる。
実施の形態3では実施の形態1と実施の形態2におけるアンバランス調整器内のフィルタ係数の取得シーケンスについて説明する。
図11は、実施の形態1の構成、すなわち磁極位置演算手段6のアンバランス調整器62のフィルタ621、622、623に係数を設定する場合の取得シーケンスを示すフローチャートである。
まずステップ801において、制御手段5により回転機1の第一磁極位置である位相に直流電流を印加し、回転子のN極を第一磁極位置に回動させる。回動動作が終了した後、制御手段5により回転機1に高周波交番電圧あるいは高周波回転電圧を印加し、電流検出手段2により高周波電流の振幅が測定される。
また、事前に決定している第一磁極位置から順番に高周波電流振幅の測定を行っているが、図11の取得シーケンスが動作する時点の回転機回転子位置を測定し、一番近い測定点の相から開始してもよい。たとえばシーケンスを開始したときの初期回転子位置がV相に近い場合はV相から測定を開始するなど、現在の回転子位置から一番近い測定点から取得シーケンスを開始しても良い。
但し、アンバランス調整器56のフィルタ561、562、563の係数を取得するシーケンスにおいて、制御手段5は図2に示す制御構成を用いる。この時、高周波電圧指令生成器52は加減算器と制御器を備え、加減算器は高周波電流振幅指令ベクトル(|Idh*|,0)から検出した高周波電流ベクトル(Idh,0)に基づき算出された高周波電流振幅ベクトル(|Idh|,0)を減算して振幅偏差を演算し、出力する。制御器は、加減算器から入力された振幅偏差が0になるように制御して高周波電圧振幅Vhを演算し、高周波電圧ベクトル(Vdh,0)を出力する。なお、高周波電流振幅指令は任意の値で設定すればよく、たとえば回転機定格電流の5%などに予め定めておけばよい。
図12は、制御手段5のアンバランス調整器56の各フィルタの係数の取得シーケンスを示すフローチャートである。
まずステップ901において、制御手段5により回転機1の第一磁極位置である位相に直流電流を印加し、回転子のN極を第一磁極位置に回動させる。回動動作が終了した後、制御手段5は高周波電流振幅が高周波電流振幅指令と一致するような高周波電圧振幅を生成し、第一磁極位置の高周波電圧振幅を取得する。また、高周波電圧振幅については、式(12)を用いてq軸成分Iqh_fltから振幅|Iqh_flt|を抽出する場合と同様に計算すればよい。
また、事前に決定している第一磁極位置から順番に高周波電流振幅の取得を行っているが、図12の取得シーケンスが動作する時点の回転機回転子位置を測定し、一番近い測定点の相から開始してもよい。たとえばシーケンスを開始したときの初期回転子位置がW相に近い場合はW相から取得を開始するなど、現在の回転子位置から一番近い測定点から取得シーケンスを開始しても良い。
回転機1の回転子のN極はU相に位相を合わせて、直流電圧指令を与え、この時、回転機に流れる電流を測定することで次の式(17)を用いて算出する。
回転機1の回転子のN極はU相に位相を合わせて、R≪sLが成り立つ高周波電圧を印加する。この時における高周波電流振幅を取得し、上述した式(3)より導出される次の式(18)を用いて回転子N極をU相に合わせた時のインダクタンスを算出する。
上記の実施の形態1から3においては、各フィルタに設定される値である補正ゲインはある基準となる相の高周波電流振幅あるいは高周波電圧振幅をもとに算出し、フィルタを構成することにより、高周波電流の相間アンバランスの補正を行う。しかし、基準となる相の高周波電流または高周波電圧振幅の検出精度に依存することになり、相間アンバランスを十分に取り除けない可能性がある。
そこで、この実施の形態4においては、基準となる相の計算方法において各相の高周波電流振幅または高周波電圧振幅の平均値を使うことにより、補正による一層の精度向上を目指す。
上記の実施の形態において、各フィルタのフィルタ係数を取得するには3箇所の磁極位置に対する高周波電流振幅あるいは高周波電圧振幅を計測する必要があり、測定時間を要する。本実施の形態5においては、磁極位置に対する測定箇所を1箇所にし、測定を容易にしたものである。
ここでは、回転機の回転子N極をU相の位相に合わせた場合に、回転機検出電流のU相電流を基準としてフィルタを構成する例について説明する。なお、基準となる相はUVWのいずれの相であってもよい。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
Claims (9)
- 回転機を駆動する基本波電圧指令を生成するとともに、前記回転機の回転子の磁極位置を推定するための高周波電圧指令を生成し、前記基本波電圧指令及び前記高周波電圧指令を用いて電圧指令を演算する制御手段と、
前記電圧指令に基づいて前記回転機に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記回転機の各相の電流を検出する電流検出手段と、
前記検出された回転機の電流から各相の高周波電流を抽出し、前記磁極位置の推定位置を演算する磁極位置演算手段と、
前記各相間の高周波電流のアンバランスを調整するアンバランス調整器と、を備え、
前記磁極位置演算手段は、前記アンバランスの調整された高周波電流を用いて前記回転機の回転子の磁極の推定位置を演算する交流回転機の制御装置。 - 前記アンバランス調整器は、前記各相の高周波電流に前記回転機の各相の回転機定数に基づくゲインを付与することにより、各相間の高周波電流のアンバランスを調整する請求項1に記載の交流回転機の制御装置。
- 前記アンバランス調整器は、前記高周波電圧指令のうち少なくとも2相の高周波電圧指令に対し、前記各相の回転機定数に基づくゲインを付与し、各相間の高周波電流のアンバランスを調整する請求項1に記載の交流回転機の制御装置。
- 前記ゲインは比例定数であることを特徴とする請求項2または3に記載の交流回転機の制御装置。
- 請求項1または2に記載の交流回転機の制御装置を用いた交流回転機の制御方法であって、
前記回転機の回転子を第一磁極位置に回動し、前記高周波電圧指令に基づく高周波電圧を印加することで前記電流検出手段により前記第一磁極位置における高周波電流振幅を取得する第一ステップ、
前記第一ステップにおいて取得した第一磁極位置での高周波電流振幅に基づいて、第二及び第三磁極位置の高周波電流振幅を算出し、前記各相の回転機定数に基づくゲインを算出するステップ、
前記算出された各相の回転機定数に基づくゲインを付与し前記回転機の各相間の高周波電流のアンバランスを調整するステップ、
及び前記調整された高周波電流を用いて前記回転機の回転子の磁極の推定位置を演算し、
前記磁極の推定位置に基づいて回転機を駆動させるステップを備える交流回転機の制御方法。 - 請求項1または2に記載の交流回転機の制御装置を用いた交流回転機の制御方法であって、
前記回転機の回転子を第一磁極位置に回動し、前記高周波電圧指令に基づく高周波電圧を印加することで前記電流検出手段により前記第一磁極位置における高周波電流振幅を取得する第一ステップ、
前記回転機の回転子を第二磁極位置に回動し、前記高周波電圧指令に基づく高周波電圧を印加することで前記電流検出手段により前記第二磁極位置における高周波電流振幅を取得する第二ステップ、
前記回転機の回転子を第三磁極位置に回動し、前記高周波電圧指令に基づく高周波電圧を印加することで前記電流検出手段により前記第三磁極位置における高周波電流振幅を取得する第三ステップ、
前記第一ステップ、前記第二ステップ及び前記第三ステップにおいて取得した各磁極位置での高周波電流振幅に基づいて、前記各相の回転機定数に基づくゲインを算出するステップ、
前記算出された各相の回転機定数に基づくゲインを付与し前記回転機の各相間の高周波電流のアンバランスを調整するステップ、
及び前記調整された高周波電流を用いて前記回転機の回転子の磁極の推定位置を演算し、
前記磁極の推定位置に基づいて回転機を駆動させるステップを備える交流回転機の制御方法。 - 請求項1または3に記載の交流回転機の制御装置を用いた交流回転機の制御方法であって、
前記回転機の回転子を第一磁極位置に回動し、予め定められた高周波電流振幅指令と前記高周波電流の振幅とが一致するように、前記高周波電圧指令の振幅を調整し、前記第一磁極位置における高周波電圧振幅を取得する第一ステップ、
前記回転機の回転子を第二磁極位置に回動し、前記高周波電流振幅指令と前記高周波電流の振幅とが一致するように、前記高周波電圧指令の振幅を調整し、前記第二磁極位置における高周波電圧振幅を取得する第二ステップ、
前記回転機の回転子を第三磁極位置に回動し、前記高周波電流振幅指令と前記高周波電流の振幅とが一致するように、前記高周波電圧指令の振幅を調整し、前記第三磁極位置における高周波電圧振幅を取得する第三ステップ、
前記第一ステップ、前記第二ステップ及び前記第三ステップにおいて取得した各磁極位置での高周波電圧振幅に基づいて、前記各相の回転機定数に基づくゲインを算出するステップ、
前記算出された各相の回転機定数に基づくゲインを付与し前記回転機の各相間の高周波電流のアンバランスを調整するステップ、
及び前記調整された高周波電流を用いて前記回転機の回転子の磁極の推定位置を演算し、前記磁極の推定位置に基づいて回転機を駆動させるステップを備える交流回転機の制御方法。 - 前記回転機の各相間の高周波電流のアンバランスを調整するステップにおいて、前記第一ステップ、前記第二ステップ及び前記第三ステップにおいて取得した各相の高周波電流振幅の平均値に基づいて算出されるゲインを付与することにより、各相間の高周波電流のアンバランスを調整する請求項6に記載の交流回転機の制御方法。
- 前記回転機の各相間の高周波電流のアンバランスを調整するステップにおいて、前記第一ステップ、前記第二ステップ及び前記第三ステップにおいて取得した各相の高周波電圧振幅の平均値に基づいて算出されるゲインを付与することにより、各相間の高周波電流のアンバランスを調整する請求項7に記載の交流回転機の制御方法。
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