JP2002136198A - 電動機の制御装置 - Google Patents
電動機の制御装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】簡単な制御で高効率、高信頼の運転を可能にす
る、安価かつ高性能な永久磁石型同期電動機の制御装置
を提供する提供すること。 【解決手段】永久磁石型同期電動機２０の２相の電流Ｉ
ｕ、Ｉｖを電流検出手段１９で検出し、この電流値から
３相／２相座標変換手段１７により座標変換した電動機
の実電流値Ｉｄ、Ｉｑと、電動機モデル演算手段１８か
ら算出した電流値Ｉｍｄ、Ｉｍｑとの差Δｉｄ、Δｉｑ
を基に電動機の脱調及び不安定領域を検出する。同時
に、３相ＰＷＭインバータ１３の電圧Ｖｄｃを電圧検出
手段２１で検出し、前記電流Ｉｄ、Ｉｑに電圧Ｖｄｃの
要素を加えて現在速度・位置推定手段１５にて演算を行
い、精度の高い現在位置及び速度を算出して制御を行っ
ている。これにより、電動機の安定動作と脱調の回避が
可能となる。
る、安価かつ高性能な永久磁石型同期電動機の制御装置
を提供する提供すること。 【解決手段】永久磁石型同期電動機２０の２相の電流Ｉ
ｕ、Ｉｖを電流検出手段１９で検出し、この電流値から
３相／２相座標変換手段１７により座標変換した電動機
の実電流値Ｉｄ、Ｉｑと、電動機モデル演算手段１８か
ら算出した電流値Ｉｍｄ、Ｉｍｑとの差Δｉｄ、Δｉｑ
を基に電動機の脱調及び不安定領域を検出する。同時
に、３相ＰＷＭインバータ１３の電圧Ｖｄｃを電圧検出
手段２１で検出し、前記電流Ｉｄ、Ｉｑに電圧Ｖｄｃの
要素を加えて現在速度・位置推定手段１５にて演算を行
い、精度の高い現在位置及び速度を算出して制御を行っ
ている。これにより、電動機の安定動作と脱調の回避が
可能となる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、インバータ等の
半導体電力変換器を用いて永久磁石型同期電動機を効率
よく運転するための制御装置に係り、詳しくは、同期電
動機のセンサレスベクトル制御方式の制御装置に関する
ものである。
半導体電力変換器を用いて永久磁石型同期電動機を効率
よく運転するための制御装置に係り、詳しくは、同期電
動機のセンサレスベクトル制御方式の制御装置に関する
ものである。
【０００２】
【従来の技術】永久磁石型同期電動機やリラクタンスモ
ータのように回転子が突極性を有する同期電動機の制御
では、一般に回転子の位置（極性位置）を検出する位置
検出器が必要であり、検出した位置に同期して固定子巻
線の電流位相を制御している。ここで、回転子の位置検
出器としてはホール素子、エンコーダ、レゾルバ等が用
いられている。回転子の位置を検出可能な場合の高効率
運転は比較的容易に実現可能であり、永久磁石型同期電
動機では、回転子の永久磁石が作る磁束方向の電流すな
わちｄ軸電流をゼロにするＩｄ＝０制御が一般に採用さ
れる。永久磁石型同期電動機のように回転子に突極性が
ある電動機の場合には、ｄ軸電流はトルクに寄与しない
ため、Ｉｄ＝０制御によって固定子巻線に生じる銅損を
最小限に抑えることができるためである。
ータのように回転子が突極性を有する同期電動機の制御
では、一般に回転子の位置（極性位置）を検出する位置
検出器が必要であり、検出した位置に同期して固定子巻
線の電流位相を制御している。ここで、回転子の位置検
出器としてはホール素子、エンコーダ、レゾルバ等が用
いられている。回転子の位置を検出可能な場合の高効率
運転は比較的容易に実現可能であり、永久磁石型同期電
動機では、回転子の永久磁石が作る磁束方向の電流すな
わちｄ軸電流をゼロにするＩｄ＝０制御が一般に採用さ
れる。永久磁石型同期電動機のように回転子に突極性が
ある電動機の場合には、ｄ軸電流はトルクに寄与しない
ため、Ｉｄ＝０制御によって固定子巻線に生じる銅損を
最小限に抑えることができるためである。
【０００３】一方、前述したように磁極位置を検出して
電動機の電流位相を制御する制御方法の他に、電動機の
電圧と周波数とを単に比例させて制御するベクトル制御
が良く知られている。図４はベクトル制御の制御ブロッ
ク図を示している。図において、周波数設定手段１によ
り所望する永久磁石型同期電動機７（以下、単に「電動
機７」という。）の周波数を設定し、加減速演算手段２
により周波数をランプ関数状に変化させる。周波数
（ｆ）／電圧（Ｖ）変換手段３では、周波数にほぼ比例
した電圧が記憶あるいは計算によって求められ、周波数
司令ｆ´に応じた電圧指令Ｖ´が出力される。
電動機の電流位相を制御する制御方法の他に、電動機の
電圧と周波数とを単に比例させて制御するベクトル制御
が良く知られている。図４はベクトル制御の制御ブロッ
ク図を示している。図において、周波数設定手段１によ
り所望する永久磁石型同期電動機７（以下、単に「電動
機７」という。）の周波数を設定し、加減速演算手段２
により周波数をランプ関数状に変化させる。周波数
（ｆ）／電圧（Ｖ）変換手段３では、周波数にほぼ比例
した電圧が記憶あるいは計算によって求められ、周波数
司令ｆ´に応じた電圧指令Ｖ´が出力される。
【０００４】積算手段４は、加減速演算手段２から出力
される周波数指令ｆ´と後述する補正量Δｆ´との和で
あるｆ１´を積分し、電動機７の固定子巻線に印加する
電圧の位相θを演算する。ＰＷＭ制御手段５は、電圧指
令ν´の大きさ及び位相θに基づいてパルス幅変調を行
い、駆動パルスを生成してインバータ６のスイッチング
素子をオン、オフ制御する。インバータ６からはパルス
幅制御された三相の交流電圧が出力され、この電圧は永
久磁石型同期電動機７の固定子巻線に印加されて回転磁
界を発生させる。
される周波数指令ｆ´と後述する補正量Δｆ´との和で
あるｆ１´を積分し、電動機７の固定子巻線に印加する
電圧の位相θを演算する。ＰＷＭ制御手段５は、電圧指
令ν´の大きさ及び位相θに基づいてパルス幅変調を行
い、駆動パルスを生成してインバータ６のスイッチング
素子をオン、オフ制御する。インバータ６からはパルス
幅制御された三相の交流電圧が出力され、この電圧は永
久磁石型同期電動機７の固定子巻線に印加されて回転磁
界を発生させる。
【０００５】ここで、一般にベクトル制御では、定常的
にトルクが振動したり、負荷が急変した場合には脱調し
て運転不能になる等の点で、安定性に問題がある。そこ
で、電動機７の入力電流を検出し、安定化制御手段３１
により３相／２相変換、座標変換、フィルタ処理、比例
増幅処理、偏差演算処理等を行って印加電圧ベクトルに
対し直交または平行な電流成分を検出し、これを補正量
Δｆ´として電圧の周波数指令ｆ´に帰還することによ
り、制御の安定性を高めている。
にトルクが振動したり、負荷が急変した場合には脱調し
て運転不能になる等の点で、安定性に問題がある。そこ
で、電動機７の入力電流を検出し、安定化制御手段３１
により３相／２相変換、座標変換、フィルタ処理、比例
増幅処理、偏差演算処理等を行って印加電圧ベクトルに
対し直交または平行な電流成分を検出し、これを補正量
Δｆ´として電圧の周波数指令ｆ´に帰還することによ
り、制御の安定性を高めている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、回転子
の位置検出器を備えた制御装置は、Ｉｄ＝０制御によっ
て高効率運転を比較的容易に実現できる反面、装置の小
型化に難点があり、また、検出器の信号を伝える複数本
の配線や受信回路が必要であるため、信頼性、作業性、
価格等の面で問題を抱えている。一方、図４に示した従
来のベクトル制御は、位置検出器が不要であり、且つ制
御が簡単であるので、制御装置の低価格化が可能である
が、回転子の位置が不明であるため、Ｉｄ＝０制御を採
用することができず、高効率運転が難しかった。
の位置検出器を備えた制御装置は、Ｉｄ＝０制御によっ
て高効率運転を比較的容易に実現できる反面、装置の小
型化に難点があり、また、検出器の信号を伝える複数本
の配線や受信回路が必要であるため、信頼性、作業性、
価格等の面で問題を抱えている。一方、図４に示した従
来のベクトル制御は、位置検出器が不要であり、且つ制
御が簡単であるので、制御装置の低価格化が可能である
が、回転子の位置が不明であるため、Ｉｄ＝０制御を採
用することができず、高効率運転が難しかった。
【０００７】また、センサレスベクトル制御では、位置
検出器を搭載していないため、速度・位置情報を所定の
演算により推定を行っていたため、入力電源電圧の変動
によるインバータ部の電圧Ｖｄｃの変動や、電動機の回
転数によるＶｄｃの電圧降下により、正確な速度と位置
の推定が困難になり、大きなＶｄｃの変化で電動機が脱
調する可能性が大きかった。
検出器を搭載していないため、速度・位置情報を所定の
演算により推定を行っていたため、入力電源電圧の変動
によるインバータ部の電圧Ｖｄｃの変動や、電動機の回
転数によるＶｄｃの電圧降下により、正確な速度と位置
の推定が困難になり、大きなＶｄｃの変化で電動機が脱
調する可能性が大きかった。
【０００８】このため、本発明では、上述した課題を解
決し、簡単な制御で高効率、高信頼の運転を可能にす
る、安価かつ高性能な永久磁石型同期電動機の制御装置
を提供するものである。
決し、簡単な制御で高効率、高信頼の運転を可能にす
る、安価かつ高性能な永久磁石型同期電動機の制御装置
を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、請求項１に記載の発明は、突極型回転子の永久磁石
型同期電動機に電力を供給する電力変換器と、前記電動
機の巻線に印加する電圧とその周波数とをほぼ比例させ
て制御するインバータ部を備える電動機の制御装置にお
いて、前記入力電源の電圧変動による前記インバータ部
の電源電圧の変動及び／又は前記電動機の回転数による
電圧の降下を検出する手段を備えることである。
に、請求項１に記載の発明は、突極型回転子の永久磁石
型同期電動機に電力を供給する電力変換器と、前記電動
機の巻線に印加する電圧とその周波数とをほぼ比例させ
て制御するインバータ部を備える電動機の制御装置にお
いて、前記入力電源の電圧変動による前記インバータ部
の電源電圧の変動及び／又は前記電動機の回転数による
電圧の降下を検出する手段を備えることである。
【００１０】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の前記インバータ部の電源電圧の変動及び／又は前記電
動機の回転数による電圧の降下を検出する手段による検
出値に基づいた電動機の回転速度と位置の推定を行う推
定手段を備えた制御装置は、電動機を安定動作させると
共に、脱調の回避を行うことである。
の前記インバータ部の電源電圧の変動及び／又は前記電
動機の回転数による電圧の降下を検出する手段による検
出値に基づいた電動機の回転速度と位置の推定を行う推
定手段を備えた制御装置は、電動機を安定動作させると
共に、脱調の回避を行うことである。
【００１１】請求項１及び２に記載の発明によれば、本
発明の制御装置は、正確な電動機のローターの速度及び
位置を推定することができる。
発明の制御装置は、正確な電動機のローターの速度及び
位置を推定することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
面に基づき説明する。図１及び図２は、本発明の基本原
理を説明するためのベクトル線図である。
面に基づき説明する。図１及び図２は、本発明の基本原
理を説明するためのベクトル線図である。
【００１３】永久磁石型同期電動機における回転子の永
久磁石が作る磁束ベクトルΨｍをｄ軸上に取った直交座
標をｄ−ｑ軸とし、電動機の固定子巻線に印加する電圧
ベクトルν´をＰ軸上に取った直交座標をＰ−Ｑ軸とす
る。また、両座標軸は負荷角δを保ち、反時計方向に角
周波数ωで回転しているとする。このときの電流ベクト
ルをｉとすると、この電流は、Ｐ−Ｑ軸上で観測した際
のＰ軸電流（有効電力成分）ｉｐ及びＱ軸電流（無効電
力成分）ｉρとｄ−ｑ軸上で観測した際のｄ軸電流ｉｄ
及びｑ軸電流ｉｑとの直交２軸成分に夫々分けられる。
まず、電圧ν´と電流ｉρとは直交関係にあるので、イ
ンバータが出力する無効電力Ｑｉは、数式１に示すよう
に両者の積から求めることができる。
久磁石が作る磁束ベクトルΨｍをｄ軸上に取った直交座
標をｄ−ｑ軸とし、電動機の固定子巻線に印加する電圧
ベクトルν´をＰ軸上に取った直交座標をＰ−Ｑ軸とす
る。また、両座標軸は負荷角δを保ち、反時計方向に角
周波数ωで回転しているとする。このときの電流ベクト
ルをｉとすると、この電流は、Ｐ−Ｑ軸上で観測した際
のＰ軸電流（有効電力成分）ｉｐ及びＱ軸電流（無効電
力成分）ｉρとｄ−ｑ軸上で観測した際のｄ軸電流ｉｄ
及びｑ軸電流ｉｑとの直交２軸成分に夫々分けられる。
まず、電圧ν´と電流ｉρとは直交関係にあるので、イ
ンバータが出力する無効電力Ｑｉは、数式１に示すよう
に両者の積から求めることができる。
【００１４】
【数１】 次に、電動機側から見た場合の無効電力について、図２
を参照しながら説明する。永久磁石が作る磁束の回転に
よって発生する無負荷誘起電圧ｅｍは、その大きさがω
ψｍで表されてｑ軸上に存在する（ψｍは、ベクトルΨ
ｍの大きさを示す）。電圧ｅｍとこれに直交する電流ｉ
ｄとの積、すなわちωψｍｉｄは、無効電力になる。ま
た、電流ｉ（大きさＩ）によるリアクタンス降下ｅＬの
大きさは、固定子巻線のインダクタンスＬを用いてωＬ
Ｉとなる。ｅＬとｉとは直交関係にあるので、両者の
積、すなわちωＬＩ2は無効電力となる。従って、電動
機側から見た無効電力Ｑｍは、数式２に示すように両無
効電力の和として表される。
を参照しながら説明する。永久磁石が作る磁束の回転に
よって発生する無負荷誘起電圧ｅｍは、その大きさがω
ψｍで表されてｑ軸上に存在する（ψｍは、ベクトルΨ
ｍの大きさを示す）。電圧ｅｍとこれに直交する電流ｉ
ｄとの積、すなわちωψｍｉｄは、無効電力になる。ま
た、電流ｉ（大きさＩ）によるリアクタンス降下ｅＬの
大きさは、固定子巻線のインダクタンスＬを用いてωＬ
Ｉとなる。ｅＬとｉとは直交関係にあるので、両者の
積、すなわちωＬＩ2は無効電力となる。従って、電動
機側から見た無効電力Ｑｍは、数式２に示すように両無
効電力の和として表される。
【００１５】
【数２】 数式１及び数式２により求められる無効電力は、見方が
異なるだけで値は等しいことから、数式３の関係が成立
する。
異なるだけで値は等しいことから、数式３の関係が成立
する。
【００１６】
【数３】 数式３を、ｉｄのみに比例する項について解くと、数式
４になる。
４になる。
【００１７】
【数４】 ψｍは、永久磁石が作る磁束であり、電動機に対して一
義的に決まる。このため、数式４の右辺をゼロに近づけ
るように電圧を調整すれば、Ｉｄ＝０制御が可能にな
る。また、前述の数式３は次の数式５のように変形する
ことができる。
義的に決まる。このため、数式４の右辺をゼロに近づけ
るように電圧を調整すれば、Ｉｄ＝０制御が可能にな
る。また、前述の数式３は次の数式５のように変形する
ことができる。
【００１８】
【数５】 従って、数式５の右辺をゼロに近づけるように電圧を調
整すれば、ｉｄに比例した無効電力つまりωψｍｉｄを
ゼロにすることができる。
整すれば、ｉｄに比例した無効電力つまりωψｍｉｄを
ゼロにすることができる。
【００１９】このように、回転子の位置検出器を持たな
い装置では本来なら知ることができないｄ軸電流ｉｄを
演算により求め、トルク発生に寄与しないｉｄをゼロに
するように電動機の印加電圧を制御するものである。
い装置では本来なら知ることができないｄ軸電流ｉｄを
演算により求め、トルク発生に寄与しないｉｄをゼロに
するように電動機の印加電圧を制御するものである。
【００２０】図３は、本発明の実施形態を説明する制御
ブロック図であり、速度制御手段１０、電流制御手段１
１、３相／２相座標変換手段１２及び１７、３相ＰＷＭ
インバータ１３、進み位相制御手段１４、現在速度・位
置推定手段１５、脱調検出手段１６、電動機モデル演算
手段１８、電流検出手段１９、永久磁石型同期電動機２
０、及び電圧検出手段２１とから構成される。
ブロック図であり、速度制御手段１０、電流制御手段１
１、３相／２相座標変換手段１２及び１７、３相ＰＷＭ
インバータ１３、進み位相制御手段１４、現在速度・位
置推定手段１５、脱調検出手段１６、電動機モデル演算
手段１８、電流検出手段１９、永久磁石型同期電動機２
０、及び電圧検出手段２１とから構成される。
【００２１】この制御装置の動作としては、永久磁石型
同期電動機２０の２相の電流Ｉｕ、Ｉｖを電流検出手段
１９で検出し、この電流値から２相／３相座標変換手段
１７により座標変換した電動機の実電流値Ｉｄ、Ｉｑ
と、電動機モデル演算手段１８から算出した電流値Ｉｍ
ｄ、Ｉｍｑとの差Δｉｄ、Δｉｑを基に電動機の脱調及
び不安定領域を検出する。同時に、３相ＰＷＭインバー
タ１３の電圧Ｖｄｃを電圧検出手段２１で検出し、前記
電流Ｉｄ、Ｉｑに電圧Ｖｄｃの要素を加えて現在速度・
位置推定手段１５にて演算を行い、精度の高い現在位置
及び速度を算出して制御を行っている。これにより、電
動機の安定動作と脱調の回避が可能となる。
同期電動機２０の２相の電流Ｉｕ、Ｉｖを電流検出手段
１９で検出し、この電流値から２相／３相座標変換手段
１７により座標変換した電動機の実電流値Ｉｄ、Ｉｑ
と、電動機モデル演算手段１８から算出した電流値Ｉｍ
ｄ、Ｉｍｑとの差Δｉｄ、Δｉｑを基に電動機の脱調及
び不安定領域を検出する。同時に、３相ＰＷＭインバー
タ１３の電圧Ｖｄｃを電圧検出手段２１で検出し、前記
電流Ｉｄ、Ｉｑに電圧Ｖｄｃの要素を加えて現在速度・
位置推定手段１５にて演算を行い、精度の高い現在位置
及び速度を算出して制御を行っている。これにより、電
動機の安定動作と脱調の回避が可能となる。
【００２２】ここで、ｄ軸電流誤差Δｉｄが、所定の範
囲の値ａ＜Δｉｄ＜ｂであれば、安定動作状態と判断
し、前記所定範囲外であれば不安定と判断する。
囲の値ａ＜Δｉｄ＜ｂであれば、安定動作状態と判断
し、前記所定範囲外であれば不安定と判断する。
【００２３】また、Δｉｄ≦ａの時は、位相を遅らせる
ように制御し、ｂ≦Δｉｄの時は、位相を進めるように
制御する。
ように制御し、ｂ≦Δｉｄの時は、位相を進めるように
制御する。
【００２４】更に、永久磁石型同期電動機２０のロータ
ー（図示せず）の現在位置θを修正する時も、上述した
制御と同様の判定を行う。
ー（図示せず）の現在位置θを修正する時も、上述した
制御と同様の判定を行う。
【００２５】以上、本発明を上述した実施の形態に基づ
いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではな
い。
いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではな
い。
【００２６】
【発明の効果】以上に説明したように、請求項１及び２
に記載の発明によれば、本発明の制御装置は、電動機の
ローターの速度及び位置を高精度に推定することができ
るため、電動機の安定動作と脱調の回避が可能となる。
に記載の発明によれば、本発明の制御装置は、電動機の
ローターの速度及び位置を高精度に推定することができ
るため、電動機の安定動作と脱調の回避が可能となる。
【図１】本発明に係るベクトル制御の基本原理を説明す
るためのベクトル線図である。
るためのベクトル線図である。
【図２】本発明に係るベクトル制御の基本原理を説明す
るためのベクトル線図である。
るためのベクトル線図である。
【図３】本発明の実施形態を示す永久磁石型同期電動機
の制御ブロック図である。
の制御ブロック図である。
【図４】従来の永久磁石型同期電動機の制御装置を示す
制御ブロック図である。
制御ブロック図である。
１２、１７ 座標変換手段 １５ 速度・位置推定手段 １６ 脱調検出手段 １８ 電動機モデル演算手段 １９ 電流検出手段 ２０ 永久磁石型同期電動機
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中山 義紀 栃木県足利市大月町１番地 三洋電機空調 株式会社内 Ｆターム(参考） 5H560 BB04 BB12 DA12 DB12 DC13 EB01 JJ01 RR10 XA03 XA04 XA13 5H576 BB02 BB06 DD02 DD07 EE01 EE11 HB01 JJ04 LL22 LL24 LL41 LL56 MM10
Claims (2)
- 【請求項１】突極型回転子の永久磁石型同期電動機に電
力を供給する電力変換器と、前記電動機の巻線に印加す
る電圧とその周波数とをほぼ比例させて制御するインバ
ータ部を備える電動機の制御装置において、前記入力電
源の電圧変動による前記インバータ部の電源電圧の変動
及び／又は前記電動機の回転数による電圧の降下を検出
する手段を備えることを特徴とする電動機の制御装置。 - 【請求項２】請求項１に記載の前記インバータ部の電源
電圧の変動及び／又は前記電動機の回転数による電圧の
降下を検出する手段による検出値に基づいた電動機の回
転速度と位置の推定を行う推定手段を備えた制御装置
は、電動機を安定動作させると共に、脱調の回避を行う
ことを特徴とする電動機の制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000319726A JP2002136198A (ja) | 2000-10-19 | 2000-10-19 | 電動機の制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000319726A JP2002136198A (ja) | 2000-10-19 | 2000-10-19 | 電動機の制御装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002136198A true JP2002136198A (ja) | 2002-05-10 |
Family
ID=18798136
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000319726A Pending JP2002136198A (ja) | 2000-10-19 | 2000-10-19 | 電動機の制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002136198A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2390767A (en) * | 2002-07-11 | 2004-01-14 | Visteon Global Tech Inc | Vector control system for permanent magnet synchronous motor |
| JP2004202092A (ja) * | 2002-12-26 | 2004-07-22 | Toshiba Corp | Ｘ線コンピュータ断層撮影装置 |
| WO2017187533A1 (ja) * | 2016-04-26 | 2017-11-02 | 三菱電機株式会社 | モータ駆動装置、電気掃除機及びハンドドライヤー |
| JP2020074662A (ja) * | 2016-04-26 | 2020-05-14 | 三菱電機株式会社 | モータ駆動装置、電気掃除機及びハンドドライヤー |
-
2000
- 2000-10-19 JP JP2000319726A patent/JP2002136198A/ja active Pending
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| GB2390767B (en) * | 2002-07-11 | 2004-06-02 | Visteon Global Tech Inc | Vector control system for permanent magnet synchronous machines using an open-loop parameter observer |
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