JP2002518970A - 同期機械におけるロータ角度推定値誤差を最小にする方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 同期機械のロータ角度推定値における誤差を最小にする方法であって、同期機械の電流モデルに基づいて同期機械のステータフラックス（Ψ^s _sest）を決定する段階と、ステータフラックスの電圧積分と初期値（Ψ^s _su（ｎ−１））に基づいてステータフラックス（Ψ^s _su'）を決定する段階と、同期機械のロータ角度（θ_est（ｎ））を決定する段階とを含む方法である。本方法は、また決定されたステータフラックス（Ψ^s _sest，Ψ^s _su'）に基づき角度修正項（θ_k（ｎ））を決定する段階と、ロータ角度推定地（θ（ｎ））を取得する角度修正項（θ_k（ｎ））を同期機械の決定されたロータ角度（θ_est（ｎ））に加算する段階とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 （発明の背景） 本発明は同期機械においてロータ角度推定誤差を最小にする方法であって、 同期機械の電流モデルに基づいて該同期機械のステータフラックスを決定する
段階と、 ステータフラックスの電圧積分と初期値とに基づいて同期機械のステータフラ
ックスを決定する段階と、 同期機械のロータ角度を決定する段階とを含むことを特徴とする方法に関する
。

【０００２】 同期機械は一般に３層の巻線を備えたステータと磁化したロータとから構成さ
れる。ロータは典型的には永久励磁あるいは個別励磁のいずれかによって磁化さ
れる。永久励磁においては、ロータには永久磁石ブロックが設けられ、ステータ
において発生した磁界がそれ自体に向って引張られ、同時にロータを回転させる
。ロータの個別励磁とはロータの内部に電力が供給される電線のコイルがあるこ
とを意味する。このように、ロータにおける電線のコイルはロータにおける磁極
を形成し、該磁極は永久磁石から作られた極と同じ原理で作用する。同期機械の
ロータは巻線形ロータあるいは円筒形ロータでありうる。円筒形ロータ機械にお
いてはインダクタンスはステータに対して殆ど一定であり、一方巻線形機械にお
いてはロータのインダクタンスは、ロータの位置角度によってロータとステータ
との間のエアスロットが変動するため大いに変動する。

【０００３】 速度制御した同期機械においては、制御システムの機能に関して当該機械のロ
ータの位置角度ができる限り正確に既知であることが重要である。特に当該機械
のステータフラックスの直接制御に基づく制御方法においては、角度決定の精度
は制御の精度に対して可成の影響を及ぼす。通常パルス符号器あるいは絶対セン
サがロータの位置角度を決定するために使用され、それらから得られた情報はロ
ータ角度を決定するために使用しうる。

【０００４】 角度センサから得られた測定結果は決定可能な少なくとも２個の要素によって
生じる誤差を含む。誤差を生じる周知の要素のうちの第１のものは角度センサに
よって決定される不正確な初期角度である。初期角度を推定するために各種の推
定アルゴリズムが提供されてきた。しかしながら、モータの負荷がこれを許容す
るとすれば、ロータは最初は所望の方向に回転しうる。ロータは例えばある相の
コイルと同じ方向にあるように回転されることが好ましい。ロータは所望の相に
対して直流を供給することによって回転可能であり、従ってロータは所望の方向
に回転する。しかしながら、ロータを回転させることにより初期角度の決定と修
正は同期機械が使用される用途によって不可能であることが多い。

【０００５】 ロータ角度の誤差は、また断続的な制御システムにおける遅延からも生じうる
。モータの状態を計算するために使用されるロータ角度がモータのモデルを計算
する前に時間△Ｔとの関連で決定されたとすれば、これは等式△θ＝ω△ｔに従
ってロータの角度周波数の比例する付加的な誤差をもたらす。換言すれば、ロー
タが回転するにつれて決定された角度情報はそれがモータモデルを計算するため
に使用される前に古くなってしまう。このように、遅延によって生じた角度誤差
はロータの角速度と直接比例する。

【０００６】 同期機械のステータの電流によって発生するトルクの直接制御に基づくモータ
制御方法において、ステータに付与すべき電圧は、電圧積分に基づき、かつ短い
サンプリング時間に基づいて計算されたフラックス推定値Ψ^s _suに基づいて選択
される。フラックス推定値Ψ^s _suは積分定理（１）を使用して決定される。 但し、Ψ^s _suoはフラックス初期値であり、u^s _sは付与すべき電圧であり、ｉ^s _sは
決定されたステータの電流であり、Ｒ_sはステータの抵抗である。複合平面にお
いて、フラックスの推定値Ψ^s _suは該フラックスがあるヒステリシス限度内で制
御されるので振動円形軌道によって描かれる。もしもフラックスの推定値Ψ^s _su
がフラックスにおける実際のフラックスΨ^s _sと等しいとすれば、発生すべきステ
ータの電流のフェーサｉ^s _sは原点を中心とした円である。抵抗推定値の誤差電圧
のために、実際のフラックスΨ^s _sは推定値のそれと相違するトラックを追従する
。

【０００７】 モータの電流モデルに基づく推定値Ψ^s _sestは積分（２）に基づく推定値を安
定させるために使用される。 Ψ^s _sest＝ｆ[Ｌ₁（θ_r）,Ｌ₂（θ_r）,_・・・，Ｌ_n（θ_r）,ｉ_s，Ψ_f（θ_r）] 但し、Ｌ₁,（θ_r）,Ｌ₂（θ_r）,_・・・,Ｌ_n（θ_r）はステータの影響を与えるイ
ンダクタンスを示し、θ_rはロータの角度であり、Ψ_f（θ_r）は例えば個別ある
いは永久励磁のようなフラックスであり、ロータによって起因し、ステータの電
流によって左右される。モデルのよって発生するフラックスの推定値は相互に比
較され、その差は電圧モデルによって発生した推定値において更新される。公式
（２）から同期機械において電流モデルはステータの座標において表現されたロ
ータ角度の情報を必要とする。もしもパルスエンコーダあるいは絶対センサから
から受取られた角度情報は間違っているすれば、フラックス推定値も間違ってい
るとすれば、フラックスの推定値もまた誤差があり、その結果電圧モデルで行わ
れる更新も間違っている。前述の態様はステータフラックスの大きさの信頼しう
る推定値を提供するものの、ステータフラックスの大きさの信頼すべき推定を提
供し、トルクの精度と作動速度制御とはもしもロータの角度誤差が顕著であると
すれば著しく損なわれる。

【０００８】 （発明の簡単な説明） 本発明の目的は前述の欠点を排除し、同期機械のロータ角度を正確に推定し、
かくして同期機械の作動を安定して正確に制御可能にする方法を提供することで
ある。この目的は本発明による方法であって、 決定されたステータフラックスに基づき角度の修正項を決定する段階と、 角度の修正項を同期機械の決定されたロータ角度に加算してロータ角度推定値
を取得する段階とを含むことを特徴とする方法によって達成される。

【０００９】 本発明による方法は、修正項θｒが決定されたロータ角度に加算されるとロー
タ角度に対して正確な推定値が得られ、前記修正項が同期機械の電流と電圧モデ
ルとに基づいて決定されたステータフラックスの直軸成分の差に比例するという
概念に基づいている。

【００１０】 本発明による方法は同期機械の正確な制御性を得る上で重要なことであるが単
純な作動によって同期機械の実際のロータ位置角度の信頼しうる推定値を提供す
る。本方法はその簡素さの故に、実行が簡単で追加の測定あるいはパラメータ情
報を必要としない。

【００１１】 （発明の詳細説明） 図１によれば、電流モデル１に基づいて同期機械のステータフラックスを推定
する場合、パラメータ情報が、ステータフラックスに影響するインダクタンス、
Ｌ₁,Ｌ₂,_・・・,Ｌ_nの大きさの推定値に基づいている。静止した座標形で状況を検
察した場合、当該インダクタンスの大きさはロータの位置角度θ_rが変動するに
つれて変動する。また、パラメータ情報は、例えばステータの電流に独立し、ロ
ータによって起因するロータの個別あるいは永久的励起のようなフラックスΨ_f
に対してパラメータ情報が必要とされている。静止座標形にて見た場合、ロータ
によって起因したフラックスΨ_fもロータ位置角度として変動する。ステータフ
ラックスは、またステータの電流ｉ^s _sに依存しているので、電流の大きさを決定
する必要がある。このように、同期機械の電流モデルが前述の変数の関数である
、ステータのフラックスのフラックス推定値Ψ^s _sestを決定するために使用可能
である。

【００１２】 ステータフラックスは、また同期機械の電圧モデルに基づいて決定可能である
。電圧モデルにおいて、ステータにおいて使用されている電圧は積分され、電圧
モデルに基づいてΨ^s _su'の推定値を提供する。ステータにおいて使用されている
電圧の大きさは、電流がコイルを流れるとステータコイルにおける抵抗によって
起因する電圧損失をステータコイルに供給される電圧から差し引くことによって
得られる。電圧モデルにおいて、ステータコイルにおける抵抗の大きさとステー
タフラックスの大きさの初期値とに対してパラメータ情報が必要とされる。モー
タトルクの直接制御に基づくモータ制御方法において、モータに供給されるべき
電圧は通常電圧積分に基づき、短いサンプリング時間を基準にして計算されたフ
ラックス推定値に基づいて選択される。二種類の方法によって得られたステータ
フラックス推定値、すなわち電流モデルに基づいた推定値と電圧モデルに基づい
た推定値とはモータの位置角度を最小化し、かつステータフラックスを安定させ
るための基準として使用される。安定化は種々の方法を介して得られた推定値を
比較することによって実行され、差異があるとすれば電圧モデル推定値において
更新される。

【００１３】 本発明の方法によって決定されたステータフラックスは測定されたロータ角度
推定値に加算される角度修正項を決定するために使用される。本発明の好適実施
例によれば、決定されたステータフラックスの推定値の双方は角度修正項が決定
されると推定されたロータの座標に変換される。図１に示す電流モデルブロック
１は座標を変換する要素を含み、電流モデルブロックの出力は推定されたロータ
の座標で表現されたステータフラックス推定値Ψ^r' _sestである。ステータの座標
として表現され、電圧モデル２からの出力でにおいて得られるステータフラック
ス推定値Ψ^s _su'は座標変換器４を使用して推定されたロータ座標に変換される。
フラックス推定値を推定されたロータ座標に変換しうるようにするために、ロー
タの位置角度を知る必要がある。ロータに装着された角度センサからの測定結果
として得られたロータ角度θ_rと本発明の方法によって決定された角度修正項θ_K すなわち角度修正項の初期値との総和は位置角度として使用される。

【００１４】 本発明の双方の方法によって決定されたステータフラックスの推定値はベクト
ル変数である。本方法によれば、電圧モデルに基づいて決定されたステータフラ
ックス推定値Ψ^s _su'は電流モデルに基づいて決定されたステータフラックスΨ^r' _sest から差し引かれる。図１によれば、フラックスの差異は加算器３によって提
供される。電流モデルに基づく推定値は加算器の正の入力に接続され、電圧モデ
ルに基づく推定値は負の入力に接続される。加算器３の出力、すなわち前記推定
値の差異の結果として得られたステータフラックスの変数の差△Ψ^r' _sは変換器
６と座標変換器５の入力側に接続されている。

【００１５】 加算器３から得られた変数の差△Ψ^r' _sは、また実際の成分および仮想成分か
らなるベクトル変数である。変換器６は変数の差△Ψ^r' _sからの仮想部分を除去
し、そのため差異信号の実際の部分△Ψ_sdが残され、これは推定されたロータ座
標系における電流および電圧モデルのフラックス推定値の直軸成分の差に対応す
る。

【００１６】 変換器６の出力側が掛け算器８の入力側に接続される。掛け算器８は一定係数
ｋによって掛け算することによって変数の差の実際部分△Ψ_sdを調整し、従って
掛け算器の出力は増倍した変数の差を提供しうる。掛け算器８の出力側において
得られた増倍した変数の差は加算器９によって角度修正項の以前の値θ_k（ｎ−
１）に加算され角度修正項のための新しい値θ_k（ｎ）を得る。角度修正項は該
修正項を角度決定の測定要素から得られたロータ角度θ_estに加算することによ
ってロータ角度位置決定に使用される。ロータ位置角度θ_nに対してこのように
して得られた修正された推定値は正確であって、同期機械のより安定した制御を
可能にする。

【００１７】 本発明の好適実施例において、修正されたステータフラックスΨ^s _suは加算器
７によって電圧モデルに基づくステータフラックスΨ^s _su'にテータ座標に変換さ
れるステータフラックスの変数差△Ψ^s _sを加算することによって決定される。ス
テータフラックスの変数の差は座標変換器５によってステータ座標に変換される
。測定情報と角度修正項において得られたロータ角度の総和は変換に使用される
。加算器７から得られた修正されたステータフラックスΨ^s _suは図２に示すよう
に同期機械を制御するために使用される。

【００１８】 本発明の方法は同期機械が作動しているとき前述の仕方で使用可能で、その場
合角度修正項は連続して決定される。本発明の好適実施例によれば、本方法は、
また同期機械が実際に使用される前に必要な角度修正を識別するために使用しう
る。その場合、同期機械の一つ以上の角速度は本発明による角度修正項を決定す
るために使用される。この後は同期機械のその他の全ての角速度に関連した修正
項は決定された修正項に基づいて決定可能である。その他の速度に関連した決定
済みの修正項は同期機械がある角速度で回転するにつれて測定された位置角度に
該修正項を加算しうるように記憶される。このように、ロータ位置角度は安定し
、かつ簡単な方法で決定可能にされる。位置角度における誤差はその誤差が発生
する原理のため角速度に対して直線的であるため本方法によって決定された一つ
以上の修正項に基づいて全ての速度に関連した修正項の決定が可能にされる。こ
のように、全ての可能な角速度に関連して修正項は決定された修正項を補間する
ことによって得られる。

【００１９】 図２に示す本発明の概略図示によれば、角度誤差は最小にされ、フラックスは
ブロック１３において計算される。図２は角度誤差の最小化がモータ制御装置野
の凝りの部分に関連する態様を示す。図に示す方法はモータトルクの直接制御に
基づく制御方法を使用している。角度誤差最小化ブロック１３に使用された電圧
、ステータ電流の大きさ、角度センサからの測定情報に関する情報をその入力側
で受取る。同期機械のインダクタンスの大きさもパラメータ情報に含まれている
。角度誤差最小化ブロックの出力は本発明による最小化方法を使用して修正され
たステータフラックスである。

【００２０】 モータシャフトに作用しているトルクＴ_eは測定されたステータ電流およびブ
ロック１３からの出力において得られたステータフラックスに基づくトルク計算
ブロック１４において計算される。モータによって発生したトルクＴ_eとフラッ
クスΨ^s _su（ｎ）の双方は変数の差を得るために対応する基準値Ｔ_erefとΨ_sref
に対して比較される。制御ブロック１５において、フラックスとトルクとはステ
ータフラックスとトルクとを保持するために制御される。所定の状況に対して適
した電圧指令がステータフラックスとトルクの所望の値が達成されるようにモー
タのステータコイルに接続されたインバータ１１のスイッチを制御するために制
御ブロックの出力に基づいて最適スイッチングテーブルから選択される。

【００２１】 当該技術分野の専門家には技術が進展するにつれて、本発明の概念は数種の方
法によって実行可能なことが明らかである。このように、本発明とその実施例と
は前述の例に限定されるのではなく、特許請求の範囲内において変更が可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の方法のブロック線図である。

【図２】 本発明の方法が同期機械の駆動装置の作動に関連する態様を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ， ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，Ｇ Ｅ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ， ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ， ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，Ｚ Ａ，ＺＷ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 同期機械におけるロータ角度推定値誤差を最小にする方法に
   おいて、 前記同期機械の電流モデルに基づいて該同期機械のスタータフラックス（Ψ^s _{s est} ）を決定する段階と、 ステータのフラックスの電圧の積分と初期値（Ψ^s _su（ｎ−１））に基づいて
   ステータのフラックス（Ψ^s _su'）を決定する段階と、 同期機械のロータ角度（θ_est（ｎ））を決定する段階とを含む方法であって
   、 決定されたステータフラックス（Ψ^s _sest'Ψ^s _su'）に基づいて角度修正項（θ _K （ｎ））を決定する段階と、 決定した同期機械のロータ角度（θ_est（ｎ））に角度修正項（θ_K（ｎ））を
   加算してロータ角度推定値（θ（ｎ））を取得する段階を含むことを特徴とする
   同期機械のロータ角度推定値誤差を最小にする方法。
2. 【請求項２】 角度修正項を決定する段階がまた、 座標の変換において決定されたロータ角度（θ_est（ｎ））と角度修正項（θ_K （ｎ−１））の初期値との和を使用して 決定されたステータフラックスの双方
   を推定されたロータの座標に変換する段階と、 電圧モデルに基づいており、ロータの座標に変換されたステータフラックス（
   Ψ^r' _su'）を電流モデルに基づいており推定されたロータ座標に変換されたステ
   ータフラックス（Ψ^r' _sest）から差し引いてステータフラックスの変数の差（△
   Ψ^r' _s）を取得する段階と、 ステータフラックスの変動値の差（△Ψ^r' _s）から実際の部分（△Ψ_sd）を取
   り出す段階と、 ステータフラックスの実際の部分（△Ψ_sd）を掛け算して増倍係数（ｋ）で掛
   け算した変数の差を取得する段階と、 増幅された変数の差を角度修正項の初期値（θ_K（ｎ−１））に加算して更新
   された角度修正項（θ_K（ｎ））を取得する段階を含むことを特徴とする請求項
   １に記載の方法。
3. 【請求項３】 ステータ座標に変換されたステータフラックスの変数差（△
   Ψ^s _s）を積分されたステータフラックス（Ψ^S _su'）に加算することによって修正
   されたステータフラックス（Ψ^s _su（ｎ））を決定し、それによって修正された
   ステータフラックス（Ψ^s _su（ｎ））がステータフラックスの電圧積分を決定す
   るステータフラックスの次の初期値として使用される段階を更に含むことを特徴
   とする請求項１または２に記載の方法。
4. 【請求項４】 モータの一つ以上の角速度に基づいて角度修正項（θ_k）を
   決定する段階と、 モータの一つ以上の角速度を使用して決定された修正項（θ_k）に基づいてそ
   の他の角速度に関連する角度修正項を形成し、かつ記憶する段階と、 同期機械の作動の間角速度によって左右される角度修正項を選択する段階と、 決定されたロータ角度に選択された角度修正項を加算してロータ角度の推定値
   を取得する段階とを含むことを特徴とする請求項１、２、または３のいずれか１
   項に記載の方法。