JP2001258298A - 速度センサレスベクトル制御装置 - Google Patents
速度センサレスベクトル制御装置Info
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Abstract
域でも安定な速度推定演算を可能にして電動機を支障な
く運転できるようにした速度センサレスベクトル制御装
置を提供する。 【解決手段】 交流電動機の電流及び電圧を用いて交流
電動機の磁束、電流及び速度をそれぞれ推定演算し、そ
の推定速度と磁束指令及びトルク電流指令を用いて交流
電動機をベクトル制御する制御装置に関する。推定電流
偏差と推定磁束との外積に、磁化電流の実際値と推定値
との偏差、トルク電流装置の大きさ、一次周波数指令値
の符号相当値及びゲインをすべて乗じた項を加えて速度
を推定演算する。
Description
ないで誘導電動機等の交流電動機をベクトル制御する速
度センサレスベクトル制御装置に関する。
として知られているベクトル制御では、電動機の速度情
報が必要であり、通常はパルスジェネレータ(PG)等
によって速度情報を得ている。しかし、速度センサ設置
環境の制約や配線の簡略化、コスト低減等の要請から、
従来の速度センサ付きベクトル制御ほどの高性能は必要
としなくても、トルク制御が可能であって広い運転範囲
で最大トルクが得られる可変速ドライブシステムとして
の速度センサレスベクトル制御の実現が望まれている。
ーバを用いた従来の速度センサレスベクトル制御装置の
機能ブロック図であり、インバータ101、電流検出手
段103、電流調節手段104,105、座標変換手段
106,109、3相−2相変換手段107,108、
電流・磁束推定手段110、速度推定手段301を組み
合わせて、誘導電動機等の交流電動機102の速度セン
サレスベクトル制御を行っている。ここで、電流・磁束
推定手段110、速度推定手段301等が速度適応二次
磁束オブザーバを構成する。
を経た電動機102の一次電流118は、推定磁束(ベ
クトル)122を回転座標の基準として座標変換手段1
09によりd−q軸回転座標成分に変換され、トルク電
流(iq)117、磁化電流(id)116となる。電流
調節手段104,105は、トルク電流(iq)11
7、磁化電流(id)116がトルク電流指令(iq *)
113、磁化電流指令(1d *)115にそれぞれ一致す
るように制御を行う。ここで、磁化電流指令115は、
磁束指令(Φ*)114が入力される磁化電流指令演算
手段112によって計算される。
4,105の出力を静止座標系に変換して一次電圧指令
119を生成し、三相電圧形インバータ等のインバータ
101に与える。インバータ101は、一次電圧指令1
19に基づいて直流−交流変換を行い、三相各相の電圧
(一次電圧120)を電動機102に供給する。また、
一次電圧120と電流検出手段103により検出された
一次電流118とは、それぞれ3相−2相変換手段10
7,108により2相成分に変換され、一次電圧120
の2相成分は電流・磁束推定手段110に、一次電流1
18の2相成分は電流・磁束推定手段110、速度推定
手段301及び座標変換手段109にそれぞれ入力され
る。
速度推定手段301の動作を中心として、従来の速度セ
ンサレスベクトル制御における速度推定作用について述
べる。まず、速度センサレスベクトル制御の原理は、例
えば、 文献1:電気学会電力電気応用研究会資料IEA-91-11, 1
991, pp.41-48「誘導電動機の速度適応二次磁束オブザ
ーバとその特性」, 文献2:IEEE Transaction on Industry Application,
Vol.30, No.5, Sept/Oct 1994, pp.1219〜1224 "Speed
Sensorless Field Oriented Control of Induction Mot
or with Rotor Resistance Adaptation", 文献3:「交流モータのベクトル制御」(1996年日刊工
業新聞社発行,pp91-110「第5章 誘導モータの速度セ
ンサレスベクトル制御」) 等に紹介されている。
リズムに基づき、後述する図4の構成によって速度が推
定される。まず、制御対象となる電動機として誘導電動
機を例にとると、状態方程式は一般的に数式1のように
表される。なお、行列の肩に文字Tを付して、転置行列
を示す。
ンス及び相互インダクタンス, τr=Lr/Rr:二次時定数, σ=1−Lm 2/(LsLr):漏れ係数, ωr:回転子角速度 である。
電圧vsと、出力としての一次電流is及び二次磁束φr
との関係を示すもので、一次電圧vsが与えられれば、
一次電流is及び二次磁束φrを計算することができる。
ここで、制御対象の実測可能な出力とシミュレータによ
る推定出力値との偏差がなくなるように上記偏差をシミ
ュレータに入力するように構成したモデルは、同一次元
オブザーバと呼ばれている。このオブザーバの原理に従
って、図3の電流・磁束推定手段110では、一次電流
の推定値is^(図3における推定電流121)及び二
次磁束の推定値φr^(同じく推定磁束122)を数式
2によって計算する。なお、以下では、推定値を表す場
合に”^”を付すこととする。
行列) である。また、行列A^は、数式1の行列Aにおける角
速度ωrを推定速度ωr^に置き換えたものである。
と、シミュレータ(数式モデル)の出力(一次電流推定
値)と実際の一次電流との間に偏差が生じる。そこで、
この電流偏差(is−is^)の関数で角速度ωrを推定
し、適応させながら二次磁束φrを推定するのが速度適
応二次磁束形オブザーバである。この速度適応二次磁束
形オブザーバは、数式2で示されるオブザーバに未知パ
ラメータとしての角速度の適応推定機構を加えることで
後述の数式3のように構成され、図3における速度推定
手段301が推定電流121、一次電流118及び推定
磁束122から推定速度123を求めることにより具体
化される。
体例を示す図4のごとく、速度推定手段301は、加減
算手段203により求めた電流偏差(is−is^)と推
定磁束(φr^)122との外積を外積手段202によ
り求め、その出力をPI調節手段201に与えて推定速
度(ωr^)123を求める。つまり、以下の数式3に
従って推定速度ωr^を計算する。数式3における符号
「×」は外積を示す。
分ゲイン, isα,isα^,isβ,isβ^:一次電流is、推定
電流is^の静止座標系における直交2軸成分, φrα^,φrβ^:推定磁束φr^の静止座標系におけ
る直交2軸成分 である。
3に示されていない速度目標値ωr *との偏差の演算に使
用され、その偏差が速度調節手段に入力されてトルク電
流指令113が生成されることになる。
速度推定方法によると、電動機に印加される電圧、電流
の周波数が極めて低い場合(極端な例で言えば、周波数
ゼロの直流の場合)、電動機の誘導リアクタンスが理論
上、ゼロに近くなってインダクタンス分にかかる電圧が
電流に関わらずゼロに近くなる。このため、一次電圧か
ら二次磁束を演算することができず、推定磁束及び推定
速度の演算も不可能になる。言い換えれば、推定磁束と
その実際値との偏差、及び、推定速度とその実際値との
偏差がゼロにならず収束しないことになる。
印加電圧周波数が極めて低い低速領域では速度の推定を
安定して行うことが困難であるため、速度センサレスベ
クトル制御による電動機運転が不可能であるという問題
があった。つまり、インバータを用いたセンサレスベク
トル制御装置の出力周波数の下限値に限界があるので、
このような低速領域における電動機の速度制御範囲を更
に拡大したいという要求があった。
電圧周波数が極めて低い低速領域でも安定な速度推定演
算を可能にして電動機を支障なく運転できるようにした
速度センサレスベクトル制御装置を提供することにあ
る。
め、請求項1の発明では、速度センサを持たない交流電
動機の一次電流、一次電圧及び推定速度から推定電流及
び推定磁束を演算する電流・磁束演算手段と、推定磁束
ベクトルを回転座標の基準として一次電流をトルク電流
及び磁化電流に変換する座標変換手段と、トルク電流及
び磁化電流がそれぞれの指令に一致するように調節動作
する電流調節手段と、推定磁束ベクトルを回転座標の基
準として電流調節手段の出力信号を座標変換することに
より一次電圧指令を生成する座標変換手段と、一次電圧
指令に従って運転される交流電動機駆動用のインバータ
と、推定電流、推定磁束、一次電流、トルク電流、磁化
電流及び一次周波数指令値が入力されて電動機の速度を
推定演算する速度推定手段とを備え、上記速度推定手段
は、一次電流と推定電流との偏差である推定電流偏差と
推定磁束との外積に、磁化電流の実際値と推定値との偏
差である磁化電流偏差、トルク電流相当値の大きさ、一
次周波数指令値の符号相当値、及びゲインをすべて乗じ
た項を加えて速度を推定演算するものである。なお、前
記トルク電流相当値としては、請求項2または3に記載
するように、トルク電流推定値またはトルク電流実際値
を用いることができる。
態を説明する。図1は本発明の実施形態を示す制御ブロ
ック図である。図3との相違点は速度推定手段111の
構成にあり、この速度推定手段111には、新たに一次
周波数指令値(ω1 *)401と磁化電流(id)116
及びトルク電流(iq)117が入力されている。な
お、その他の構成は図3と同様であるため、重複を避け
るために同一の参照符号を付して説明を省略する。
示している。図4と比較しながらその構成を説明する
と、図4に比べ、加減算手段205,305、乗算手段
306,309、ゲイン要素304、絶対値演算手段3
07、符号演算手段308及び座標変換手段310を付
加して構成されている。すなわち本実施形態では、図4
に示した外積手段202における電流偏差(i s−i
s^)と推定磁束φr^との外積演算、及び、その出力に
対するPI演算手段201におけるPI演算の他に、以
下の演算処理が付加されている。
0は、推定磁束(φr^)122に基づく座標変換を行
い、推定電流(is^)121を磁化電流推定値(i
d^)302及びトルク電流推定値(iq^)303に分
離して出力する。そして、実際の磁化電流(id)11
6と磁化電流推定値(id^)302との偏差(id−i
d^)を加減算手段305により求め、この偏差に対し
て、絶対値演算手段307により求めたトルク電流推定
値(iq^)303またはトルク電流実際値(iq)11
7の絶対値を乗算手段306にて乗算する。なお、図2
では図1と整合させるために、速度推定手段111内の
絶対値演算手段307にトルク電流実際値(iq)11
7が入力されているが、絶対値演算手段307では、ト
ルク電流推定値(iq^)303とトルク電流実際値
(iq)117との何れか一方を用いてその絶対値を演
算すれば足りる。
次周波数指令値(ω1 *)401の符号相当値sgn
(ω1 *)と、乗算手段306の出力とを乗算手段309
により乗算し、その出力をゲイン要素304によりkω
倍して加減算手段205により外積手段202の出力に
加える。そして、加減算手段205の出力をPI調節手
段201に入力して推定速度(ωr^)123を求める
ものである。つまり、この実施形態では、磁化電流偏差
(id−id^)をトルクの大きさに相当する値に応じて
増幅した後、その出力信号の符号を電動機の回転方向に
応じて調整し、更にゲインkωを乗じて得た補正信号を
加減算手段205により外積手段202の出力信号に加
えてPI調節手段201に入力するようにした。
と推定速度(ωr^)123とが一致している場合は、
電動機102の実際の磁束ベクトルの方向と推定磁束ベ
クトルの方向とが一致し、磁化電流推定値(id^)3
02と実際の磁化電流(id)116とが一致する。そ
の結果、加減算手段305の出力はゼロであり、ゲイン
要素304の出力もゼロになるので、図2の構成は実質
的に従来技術の図4と同様になる。
波数がゼロに近いような低速領域において、電動機10
2の実際の速度と推定速度123とが一致しない場合
は、電動機102の磁束ベクトルと推定磁束ベクトルと
の方向がずれて、磁化電流推定値302と実際値116
との間に磁束ベクトルのずれ角に応じた偏差を生じるこ
とになる。そこで、速度推定手段111では、磁化電流
偏差(id−id^)に対してトルクの大きさ及び電動機
の回転方向を考慮した補正信号を生成し、この補正信号
を推定電流偏差と推定磁束との外積に加算した信号に基
づいて推定速度(ωr^)123を演算するようにした
ものである。
1は、前記数式3に代わる次の数式4に従って推定速度
123を計算し、磁化電流推定値302が実際値116
に対して発散しないように帰還制御を行うことにより、
推定速度123を実際速度に一致させることができる。
なお、数式4は、図2における絶対値演算手段307が
トルク電流実際値の絶対値|iq|を選択してこれと磁
化電流偏差(is−is^)とを乗算している例である
が、前述のように、トルク電流実際値の絶対値|iq|
の代わりにトルク電流推定値の絶対値|iq^|を用い
ても良い。
1項:(is−is^)×φr^は回転座標系の信号でも
全く等価であるから、数式4は次の数式5のように変形
される。この数式5は、数式4と全く等価である。この
数式5においても、トルク電流実際値の絶対値|iq|
の代わりにトルク電流推定値の絶対値|iq^|を用い
ても良い。
の印加電圧周波数が極めて低い場合であっても、トルク
の大きさ及び一次周波数指令値の符号に応じて磁化電流
実際値と推定値との偏差をなくす方向に推定速度123
を補正する。そして、電流・磁束推定手段110では補
正された推定速度123を用いて磁束を推定するように
したので電動機の磁束ベクトルを所望の状態に収束させ
ることができ、推定速度を実際速度に一致させることが
可能になる。なお、本発明の原理は、上記実施形態にお
ける誘導電動機ばかりでなく同期電動機に対しても適用
可能である。
電動機の印加電圧周波数が極めて低い場合でも交流電動
機の磁束及び速度を安定に推定演算できるので、低速に
おける電動機速度制御範囲を従来よりも拡大することが
できる。
る。
である。
である。
3)
Claims (3)
- 【請求項1】 速度センサを持たない交流電動機の一次
電流、一次電圧及び推定速度から一次電流推定値(以
下、推定電流という)及び二次磁束推定値(以下、推定
磁束という)を演算する電流・磁束演算手段と、 推定磁束ベクトルを回転座標の基準として一次電流をト
ルク電流及び磁化電流に変換する座標変換手段と、 トルク電流及び磁化電流がそれぞれの指令に一致するよ
うに調節動作する電流調節手段と、 推定磁束ベクトルを回転座標の基準として電流調節手段
の出力信号を座標変換することにより一次電圧指令を生
成する座標変換手段と、 一次電圧指令に従って運転される交流電動機駆動用のイ
ンバータと、 推定電流、推定磁束、一次電流、トルク電流、磁化電流
及び一次周波数指令値が入力されて電動機の速度を推定
演算する速度推定手段とを備え、 上記速度推定手段は、 一次電流と推定電流との偏差である推定電流偏差と推定
磁束との外積に、磁化電流の実際値と推定値との偏差で
ある磁化電流偏差、トルク電流相当値の大きさ、一次周
波数指令値の符号相当値、及びゲインをすべて乗じた項
を加えて速度を推定演算することを特徴とする、速度セ
ンサレスベクトル制御装置。 - 【請求項2】 請求項1記載の速度センサレスベクトル
制御装置において、 前記トルク電流相当値が、トルク電流推定値であること
を特徴とする速度センサレスベクトル制御装置。 - 【請求項3】 請求項1記載の速度センサレスベクトル
制御装置において、 前記トルク電流相当値が、トルク電流実際値であること
を特徴とする速度センサレスベクトル制御装置。
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