JP2000312499A

JP2000312499A - 誘導電動機のベクトル制御装置

Info

Publication number: JP2000312499A
Application number: JP11119327A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Ogura; 和也小倉
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1999-04-27
Filing date: 1999-04-27
Publication date: 2000-11-07

Abstract

(57)【要約】【課題】速度センサレスベクトル制御における磁束オ
ブザーバとして、外乱電圧による入力電圧波形の歪みを
ローパスフィルタで除去すると、トルクを必要とすると
きに推定速度の追従性に劣り、ハンチング等を起こす。【解決手段】磁束オブザーバ１２は、回転座標系の
ｄ，ｑ軸電圧指令を使った磁束推定を行うことで、外乱
電圧を除去するローパスフィルタ１３による振幅低減を
防止する。ローパスフィルタ１３は、そのフィルタ時定
数をｑ軸電流指令および出力周波数に応じて変化させる
ことにより、電動機１にトルク発生を必要とするときに
はフィルタ時定数を小さくして磁束や速度推定の追従性
を高め、それ以外の場合にはフィルタ時定数を大きくし
て速度リップルを抑制して安定化制御を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、誘導電動機のベク
トル制御装置に係り、特に磁束オブザーバを使用して速
度推定を行う速度センサレスベクトル制御装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】現在、誘導電動機の可変速制御には、速
度検出器による速度フィードハックを用いたベクトル制
御が主に使用されている。しかし、使用環境の制限や速
度検出器のメンテナンス性、コストの問題等から速度検
出器を用いずにベクトル制御を行う速度センサレスベク
トル制御が注目されている。速度センサレス制御にはい
くつかの手法があるが、その中に誘導電動機のモデルと
オブザーバフィードバックを用いた磁束オブザーバを適
用した速度センサレス制御がある。

【０００３】この磁束オブザーバには、誘導機の二次磁
束を推定し、その推定磁束に基づいて誘導機を制御する
方式、また、同一次元の磁束オブザーバを適用して、誘
導機の二次抵抗の温度変動補償を追加したり、速度セン
サレス制御を実現した論文が発表されている。これらの
文献例を以下に示す。

【０００４】文献１「誘導電動機のパラメータ適応二次
磁束オブザーバの提案とその安定性久保田・松瀬；電気
学会論文誌Ｄ，111巻3号，平成3年3月」文献２「状態観測器を用いた誘導電動機のトルク制御の
特性：橋本・大野・近藤・原島；昭和63年電気学会産業
応用部門全国大会後縁論文集76」文献３「適応二次磁束オブザーバを用いた誘導電動機の
速度センサレス直接形ベクトル制御；久保田・尾崎・松
瀬・中野；電気学会論文誌Ｄ，111巻11号平成3年11月」文献４「誘導機速度センサレスベクトル制御における同
一次元適応オブザーバの収束性について；揚・金；電気
学会論文誌Ｄ，112巻11号，平成4年1月」同一次元の磁束オブザーバの式は、上記の文献１及び文
献２の論文が知られている。文献１では、連続系の式で
オブザーバを構成し、オイラー法などの数値積分を適用
している。これに対して、文献２では、厳密な離散化を
行い、離散系での演算誤差が少ない方式を発表してい
る。

【０００５】上記の文献１で採用した連続系の方程式の
概要を説明する。誘導機の固定子座標上の状態方程式
は、次式で表現される。なお、ベクトルになるｉ₁は誘
導機の一次電流、ｖ₁は一次電圧、λ₂は二次磁束であ
る。

【０００６】

【数１】

【０００７】ここで、各係数等は、以下の通りである。

【０００８】

【数２】

【０００９】上記の式において、電圧や電流、磁束成分
は、二軸成分であるが、式の表現を簡略化するために、
ベクトルで表現している。実際には次式のように、α−
βの二軸成分を意味している。

【００１０】

【数３】

【００１１】また、誘導機の定数は、次の値を表してい
る。

【００１２】Ｒ₁：一次抵抗Ｒ₂：二次抵抗Ｌ₁：一次インダクタンスＬ₂：二次インダクタンスＭ：相互インダクタンス文献１での同一次元の磁束オブザーバは、極配置を誘導
機自身の極配置のｋ倍に設定した場合の同一次元オブザ
ーバの式を示している。この磁束オブザーバは次式で構
成できる。ここで、推定変数は「∧」記号をつけて現
す。

【００１３】

【数４】

【００１４】また、オブザーバのフィードバックゲイン
等は、次式となる。

【００１５】

【数５】

【００１６】この同一次元磁束オブザーバを利用して、
速度センサレスを構成したものが文献３と文献４で提案
されている。このとき、速度を推定するために、次の速
度推定式を用いて適応制御を行うようにしている。

【００１７】まず、モデル電流と実電流との誤差成分を
以下のように定義する。なお、「∧」記号はモデル側の
推定値を示す。

【００１８】

【数６】

【００１９】次に、磁束と誤差電流成分とから、次のＰ
Ｉ演算により次式から速度を推定する。

【００２０】

【数７】

【００２１】以上が完全次元オブザーバとセンサレスの
方程式である。

【００２２】次に、ベクトル制御にはすべり周波数を用
いて出力周波数を計算する間接型と二次磁束から直接出
力周波数を得る直接型があり、従来は、二次磁束情報を
得ることが困難であったため間接型ベクトル制御が主流
であった。しかし、二次磁束推定を行う磁束オブザーバ
の適用により、直接型ベクトル制御も可能になってき
た。特にトルク精度が間接型に対し直接型のほうが優れ
ているため、トルク精度を問題とする分野で注目を浴び
ている。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】磁束オブザーバによっ
て二次磁束を推定する場合、入力電圧に検出電圧や電流
制御における電圧指令を使用するが、運転周波数が低速
域に入ると検出時のオフセットやパワー素子の電圧降下
による外乱電圧によって入力電圧波形が歪んでしまう。

【００２４】この入力電圧の歪みは速度推定誤差を生
じ、速度リップルや推定速度のゼロクランプ現象の原因
となる。

【００２５】磁束オブザーバに入力される電圧は、正弦
波であることが望ましい。しかしながら、上記のような
外乱電圧によって電圧波形が乱されるため出力電圧の波
形整形を行なわなくてはならない。波形整形に際してロ
ーパスフィルタを適用する場合が一般的であるが、固定
座標系における正弦波状の電圧波形にローパスフィルタ
処理を行なっても効果的でなく、いかに必要な正弦波状
の電圧波形を崩さずに外乱電圧を除去するかが重要なポ
イントとなる。

【００２６】また、周波数指令の変更や外乱トルクによ
ってモータがトルクを発生しなければならないときに
は、周波数や電圧値が急激に変動するため、外乱電圧を
除去するためにローパスフィルタ時定数を長くするとこ
れらの急変に推定速度が追従できず、モータ速度がハン
チングしてしまう場合がある。よって、ローパスフィル
タ時定数を固定とするわけにはいかない。

【００２７】本発明の目的は、上記の課題を解決した誘
導電動機のベクトル制御装置を提供することにある。

【００２８】

【課題を解決するための手段】本発明は、磁束オブザー
バには回転座標系の検出電圧またはｄ，ｑ軸電圧指令も
しくは検出電流波形を使った磁束推定を行うことで、外
乱電圧を除去するローパスフィルタによる振幅低減を防
止し、さらにローパスフィルタのフィルタ時定数をトル
ク指令等や出力周波数領域に応じて変化させることによ
り、電動機にトルク発生を必要とするときにはフィルタ
時定数を小さくして磁束や速度推定の追従性を高め、そ
れ以外の場合にはフィルタ時定数を大きくして速度リッ
プルを抑制して安定化制御を得るようにしたもので、以
下の構成を特徴とする。

【００２９】（第１の発明）誘導電動機の二次磁束を推
定して速度推定値及び出力周波数を求める磁束オブザー
バを備えた誘導電動機のベクトル制御装置において、回
転座標系での検出電圧またはトルク指令値もしくはｑ軸
電流指令値に依存するフィルタ時定数、及び前記出力周
波数に依存するフィルタ時定数を有して回転座標系での
電圧指令を得るローパスフィルタと、前記ローパスフィ
ルタの出力と前記出力周波数から固定座標系の信号に変
換して前記磁束オブザーバに電圧信号を出力する座標変
換器とを備えたことを特徴とする。

【００３０】（第２の発明）前記ローパスフィルタは、
前記出力周波数に対して前記フィルタ時定数を有して出
力周波数を得、この出力周波数を前記座標変換器に出力
することを特徴とする。

【００３１】（第３の発明）前記ローパスフィルタは、
回転座標系での検出電圧またはトルク指令値もしくはｑ
軸電流指令値が所定のしきい値を超えた場合には短いフ
ィルタ時定数を、該しきい値よりも小さい場合には長い
フィルタ時定数に切り替えるフィルタ時定数制御部を備
えたことを特徴とする。

【００３２】（第４の発明）前記ローパスフィルタは、
回転座標系での検出電圧またはトルク指令値もしくはｑ
軸電流指令値の絶対値に比例したフィルタ時定数に自動
調整するフィルタ時定数制御部を備えたことを特徴とす
る。

【００３３】（第５の発明）前記ローパスフィルタは、
回転座標系での検出電圧またはトルク指令値もしくはｑ
軸電流指令値に対する比例演算及び微分演算をしたフィ
ルタ時定数に自動調整するフィルタ時定数制御部を備え
たことを特徴とする。

【００３４】（第６の発明）前記ローパスフィルタは、
回転座標系での電圧指令に対するフィルタ時定数の制御
と、出力周波数に対するフィルタ時定数の制御を、異な
るしきい値を有して個別に切り替えまたは自動調整する
するフィルタ時定数制御部を備えたことを特徴とする。

【００３５】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）図１は、本発
明の実施形態を示す速度センサレスベクトル制御装置の
ブロック図である。

【００３６】誘導電動機１をインバータ２で駆動するに
おいて、速度制御制御器３では速度指令と速度推定値と
の偏差を比例積分（ＰＩ）演算してトルク指令を得、こ
の指令をトルク−電流変換器４によってトルク電流指令
に変換する。また、磁束指令演算器５では速度推定値か
ら定トルク範囲から定出力範囲までの速度に応じた磁束
指令を得、この指令を磁束−電流変換器６によって磁束
電流指令に変換する。

【００３７】ベクトル制御部は、変換器４からのトルク
電流指令をｑ軸の電流指令とし、変換器６からの磁束指
令をｄ軸の電流指令とし、これら電流指令と誘導電動機
１のｄ，ｑ軸の電流検出値との偏差を電流電流制御器
７、８で比例積分演算してｄ，ｑ軸の電圧指令を得る。
誘導電動機１のｄ，ｑ軸の電流は電流制御器９によって
検出する。

【００３８】さらに、２相−３相変換器１０は、ｄ，ｑ
軸の電圧指令を固定座標系の３相電圧に変換し、インバ
ータ２の電圧制御信号を得る。この変換における位相
は、インバータ２の出力周波数信号から積分器１１によ
る積分動作で得る。

【００３９】ここで、本実施形態では、磁束オブザーバ
１２は、電流検出器９からの電流検出値及びｄ，ｑ軸電
圧信号から二次磁束を推定し、この推定値から速度推定
値及び出力周波数信号を得る。この推定において、ロー
パスフィルタ１３では、ｄ，ｑ軸電圧指令値に対してｑ
軸電流指令（トルク指令）に依存するフィルタ時定数制
御をし、さらに座標変換器１４では出力周波数信号を基
にした固定座標系への変換をし、この結果としてｄ，ｑ
軸電圧信号を得る。

【００４０】さらに、ローパスフィルタ１３は、出力周
波数に依存するフィルタ時定数を持たせる場合もある。

【００４１】したがって、磁束オブザーバ１２は、固定
座標系（α，β軸）の電圧ではなく、出力周波数を用い
た回転座標変換を行なった回転座標系（ｄ，ｑ軸）の電
圧波形を扱うことにより、ローパスフィルタ１３による
電圧波形の振幅低減を防止する。このとき、従来技術に
おける問題点でも説明するように、トルク急変時の電圧
変動に対応するために、ローパスフィルタのフィルタ時
定数を長くすることはできない。

【００４２】そこで、ローパスフィルタ１３の時定数を
可変にする。まず、外乱電圧の影響が大きくなるのは低
速域だけであるため、出力周波数によってローパスフィ
ルタ時定数を可変にする。これにより、特に定トルク範
囲から定出力範囲に移行する際のｄ軸電流変化にともな
う電圧変動にローパスフィルタ処理が影響を与えないよ
うにする。また、急激な電圧変動を生じる時はトルクを
発生するときであるため、トルク指令を用いたローパス
フィルタ時定数制御を行なう。これらにより、低速域に
おける速度推定リップルを抑制する。

【００４３】（第２の実施形態）本実施形態のブロック
図を図２に示す。同図が図１と異なる部分は、座標変換
器１４への出力周波数信号をローパスフィルタ１３を通
して入力する点にある。

【００４４】外乱電圧による速度リップルは、ｄ，ｑ軸
電圧信号（電圧ベクトル）を座標変換器１４が回転座標
変換するときにも影響を与えるため、電圧ベクトルを回
転座標変換する際の出力周波数の変動も抑制する必要が
ある。

【００４５】したがって、本実施形態は、出力周波数自
体にもローパスフィルタ処理を行なうことで速度推定値
の安定化を図る。

【００４６】（第３の実施形態）図３は、本実施形態の
要部ブロックを示し、図２におけるローパスフィルタ１
３のフィルタ時定数制御部分である。

【００４７】ローパスフィルタ本体１３Ａは、ｄ，ｑ軸
電圧指令および出力周波数信号に対してフィルタ時定数
Ｔｆが設定されてフィルタ動作する。このときのフィル
タ時定数Ｔｆをフィルタ時定数制御部１３Ｂ及び１３Ｃ
で切り替える。

【００４８】フィルタ時定数制御部１３Ｂは、ｑ軸電流
指令（トルク電流指令）があらかじめ設定するトルクし
きい値よりも低い場合にはフィルタ時定数Ｔｆを大きく
（長く）する時定数制御値を発生し、トルクしきい値を
越えたときにはフィルタ時定数Ｔｆを小さく（短く）す
る時定数制御値を発生する。

【００４９】フィルタ時定数制御部１３Ｃは、第２の実
施形態と同様に、出力周波数によってローパスフィルタ
時定数を可変にするための係数値を発生する。乗算器１
３Ｄは、フィルタ時定数制御部１３Ｂからのフィルタ時
定数をフィルタ時定数制御部１３Ｃからの係数を乗じて
ローパスフィルタ本体１３Ａの各フィルタ時定数を切り
替える。

【００５０】したがって、本実施形態によれば、低速領
域における速度推定リップルを抑制することができる。

【００５１】（第４の実施形態）本実施形態は、図４に
示すように、図３のフィルタ時定数制御部１３Ｂに代え
たフィルタ時定数制御部１３Ｅを設け、このフィルタ時
定数制御部１３Ｅはトルク指令の絶対値とトルクしきい
値の偏差に比例したリミッタ付きの比例（Ｐ）制御によ
ってローパスフィルタ時定数Ｔｆを自動調整するように
したものである。

【００５２】このように、ローパスフィルタ時定数の制
御として、トルク指令に比例したローパスフィルタ時定
数を用いることで、軸ずれ等による電流ベクトルのずれ
によっても、ローパスフィルタ時定数が極端に変化しな
いようにする。

【００５３】（第５の実施形態）本実施形態は、図５に
示すように、図４のＰ制御になるフィルタ時定数制御部
１３Ｅに代えたフィルタ時定数制御部１３Ｆを設け、こ
のフィルタ時定数制御部１３ＦはＰＤ（比例・微分）制
御にすることによって、Ｄ制御によって電動機速度が変
化を始める段階では、フィルタ時定数を極端に短くする
ことができるようにしたものである。

【００５４】本実施形態では、ローパスフィルタ時定数
制御としてＰＤ制御を用いることで、トルク発生時にロ
ーパスフィルタ時定数が長くなったままであるのを防止
し、速やかな電圧変動が行なえるようにする。

【００５５】（第６の実施形態）本実施形態は、図６に
示すように、上記の第３〜第５実施形態において、電圧
振幅と位相角に対するローパスフィルタに別々の時定数
を設定できるようにしたものである。

【００５６】本実施形態において、フィルタ時定数制御
部１３Ｆは、図５の場合と同様に、ＰＤ制御により電圧
振幅に対するフィルタ時定数を制御する。これに加え
て、フィルタ時定数制御部１３Ｇと乗算器１３Ｈは、異
なるトルクしきい値についてＰＤ制御で出力周波数のフ
ィルタ時定数を制御する。

【００５７】振幅と位相を同じ時定数のローパスフィル
タ処理を行なう必要はなく、速度リップルを生じる主要
因の要素に対してのみ重点的にローパスフィルタ処理を
行なえば良い。そのため、本実施形態では、振幅と位相
に対し別々にローパスフィルタ処理が行なえるようにす
る。

【００５８】なお、以上までの各実施形態では、ｑ軸電
流指令によってローパスフィルタの時定数を制御する場
合を示すが、このｑ軸電流指令に代えて、回転座標系で
の検出電圧やトルク指令値を使用して同等の作用効果を
得ることができる。

【００５９】

【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、磁束オ
ブザーバには回転座標系の検出電圧またはｄ，ｑ軸電圧
指令もしくは検出電流波形を使った磁束推定を行うこと
で、外乱電圧を除去するローパスフィルタによる振幅低
減を防止することができる。

【００６０】しかもローパスフィルタのフィルタ時定数
をトルク指令等や出力周波数領域に応じて変化させるこ
とにより、電動機にトルク発生を必要とするときにはフ
ィルタ時定数を小さくして磁束や速度推定の追従性を高
め、それ以外の場合にはフィルタ時定数を大きくして速
度リップルを抑制して安定化制御を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態を示すブロック図。

【図２】本発明の第２の実施形態を示すブロック図。

【図３】本発明の第３の実施形態を示す要部ブロック
図。

【図４】本発明の第４の実施形態を示す要部ブロック
図。

【図５】本発明の第５の実施形態を示す要部ブロック
図。

【図６】本発明の第６の実施形態を示す要部ブロック
図。

【符号の説明】

１…誘導電動機２…インバータ９…電流検出器１２…磁束オブザーバ１３…ローパスフィルタ１４…座標変換器１３Ａ…ローパスフィルタ本体１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｅ、１３Ｆ、１３Ｇ…フィルタ時
定数制御部１３Ｄ、１３Ｈ…乗算器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5H550 BB10 DD03 GG03 GG05 HA07 HB08 JJ04 JJ11 JJ22 JJ23 JJ24 JJ26 LL14 LL22 LL23 LL29 5H576 BB09 BB10 DD02 DD04 EE01 EE18 EE19 GG02 GG04 HA02 HB01 JJ04 JJ06 JJ22 JJ23 JJ24 JJ26 JJ28 LL14 LL22 LL24 LL34

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】誘導電動機の二次磁束を推定して速度推
定値及び出力周波数を求める磁束オブザーバを備えた誘
導電動機のベクトル制御装置において、回転座標系での検出電圧またはトルク指令値もしくはｑ
軸電流指令値に依存するフィルタ時定数、及び前記出力
周波数に依存するフィルタ時定数を有して回転座標系で
の電圧指令を得るローパスフィルタと、前記ローパスフィルタの出力と前記出力周波数から固定
座標系の信号に変換して前記磁束オブザーバに電圧信号
を出力する座標変換器とを備えたことを特徴とする誘導
電動機のベクトル制御装置。
【請求項２】前記ローパスフィルタは、前記出力周波
数に対して前記フィルタ時定数を有して出力周波数を
得、この出力周波数を前記座標変換器に出力することを
特徴とする請求項１に記載の誘導電動機のベクトル制御
装置。
【請求項３】前記ローパスフィルタは、回転座標系で
の検出電圧またはトルク指令値もしくはｑ軸電流指令値
が所定のしきい値を超えた場合には短いフィルタ時定数
を、該しきい値よりも小さい場合には長いフィルタ時定
数に切り替えるフィルタ時定数制御部を備えたことを特
徴とする請求項１または２に記載の誘導電動機のベクト
ル制御装置。
【請求項４】前記ローパスフィルタは、回転座標系で
の検出電圧またはトルク指令値もしくはｑ軸電流指令値
の絶対値に比例したフィルタ時定数に自動調整するフィ
ルタ時定数制御部を備えたことを特徴とする請求項１ま
たは２に記載の誘導電動機のベクトル制御装置。
【請求項５】前記ローパスフィルタは、回転座標系で
の検出電圧またはトルク指令値もしくはｑ軸電流指令値
に対する比例演算及び微分演算をしたフィルタ時定数に
自動調整するフィルタ時定数制御部を備えたことを特徴
とする請求項１または２に記載の誘導電動機のベクトル
制御装置。
【請求項６】前記ローパスフィルタは、回転座標系で
の電圧指令に対するフィルタ時定数の制御と、出力周波
数に対するフィルタ時定数の制御を、異なるしきい値を
有して個別に切り替えまたは自動調整するするフィルタ
時定数制御部を備えたことを特徴とする請求項２に記載
の誘導電動機のベクトル制御装置。