JP2004064948A

JP2004064948A - Ｐｍモータの制御システム

Info

Publication number: JP2004064948A
Application number: JP2002222449A
Authority: JP
Inventors: Toshihisa Funahashi; 舟橋　俊久; Tomonobu Senju; 千住　智信; Naomitsu Urasaki; 浦崎　直光
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2002-07-31
Publication date: 2004-02-26

Abstract

【課題】インバータのデッドタイムならびに半導体デバイスのオン電圧降下の影響をオンラインで補償する。
【解決手段】電流制御部２を有するインバータ４でＰＭモータ５を駆動するシステムにおいて、外乱オブザーバ８はインバータのデッドタイムにより生じる電圧成分を外乱電圧として推定し、デッドタイム補償部９は外乱電圧の推定値を同期ｑ軸デッドタイム補償電圧としてデッドタイム補償時間の同定値を算出し、この同定値を用いてデッドタイム補償電圧を算出し、このデッドタイム補償電圧をインバータの指令電圧に加える。
同期ｄ−ｑ軸指令電圧から三相電圧へ座標変換を行って電圧測定値を得ること、三相電圧とＰＭモータの電流情報とから有効電力測定値を得ることを含む。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータで駆動するＰＭモータ（永久磁石同期電動機）の制御システムに係り、特にインバータのデッドタイムおよび半導体デバイスのオン電圧降下の影響をオンラインで補償してＰＭモータの端子電圧情報を求める技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高度化する生産技術に対して、インバータで駆動するＰＭモータの高性能化と高効率化が要求されており、センサレス制御、弱め磁束制御および高効率制御といった種々の制御技術を適用したドライブシステムが必要になっている。
【０００３】
このような制御を実現するためには、モータの端子電圧や電流情報が必要である。通常インバータシステムには電流センサが設けられ、電流情報は十分な精度で得ることは容易である。一方、電圧情報はその瞬時波形がパルス状であり、高調波成分を除去するために低域通過フィルタ等を必要とする。フィルタを使用することにより位相遅れが生じるため、電圧情報を遅れを少なくして十分な精度で得ることは困難である。そのため、多くの応用システムにおいては、ＰＭモータの電圧情報としてインバータの電圧指令情報を利用している（例えば、下記の文献１）。
【０００４】
文献１「Ｊ−Ｓ　Ｌｅｅ，Ｔ．Ｔ．Ｔａｋｅｓｈｉｔａ，ａｎｄ　Ｎ．Ｍａｔｓｕｉ，　“Ｓｔａｔｏｒ−ｆｌｕｘ−ｏｒｉｅｎｔｅｄ　ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｍｏｔｏｒ　ｄｒｉｖｅ　ｆｏｒ　ｏｐｔｉｍｕｍ　ｌｏｗ−ｓｐｅｅｄ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，”　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．　Ｉｎｄ．　Ａｐｐｌｉｃａｔ．，ｖｏｌ．３３，ｎｏ．５，ｐｐ．１１７０−１１７６，１９９７」
しかしながら、インバータにはデッドタイムやスイッチング素子ならびにダイオードのオン電圧降下が存在するため、指令電圧は実電圧の基本波成分と本質的に一致しない。この問題に対処するため、デッドタイムならびに半導体デバイスのオン電圧降下の影響を補償する手法が提案されている。
【０００５】
例えば、下記の文献２では、デッドタイムの影響による指令電圧と実電圧の誤差を解析し、制御周期における指令電圧と実電圧との平均誤差分をデッドタイム補償電圧として指令電圧に加えることでデッドタイムを補償している。この方法は、デッドタイム補償電圧は、電流位相に同期したパルス電圧であり、その振幅はスイッチング周期および直流リンク電圧が一定の場合、デッドタイムにより決まり、比較的容易にデッドタイムを補償することが可能である。
【０００６】
文献２「Ｓ−Ｇ　Ｊｃｏｎｇ　ａｎｄ　Ｍ−Ｈ　Ｐａｒｋ　．“Ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｅａｄ−ｔｉｍｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｉｎ　ＰＷＭ　ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ．”　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．　Ｉｎｄ．　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，ｖｏｌ．３８，ｎｏ．２，ｐｐ．１０８−１１４，１９９１」
また、下記の文献３では、デッドタイムに加えて、スイッチング素子のターンオン／ターンオフ時間ならびにスイッチング素子およびダイオードのオン電圧降下を考慮した補償法を提案している。
【０００７】
文献３「Ｊ−Ｗ　Ｃｈｏｉ　ａｎｄ　Ｓ−Ｋ　Ｓｕｌ，“Ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｏｕｔｐｕｔ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ　ｕｓｉｎｇｎｏｖｅｌ　ｄｅａｄ　ｔｉｍｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ，”ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．　ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，ｖｏｌ．１１．ｎｏ．２．ｐｐ．２２１−２２７，１９９６」
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前記の文献２の手法は、スイッチング素子のターンオン／ターンオフ時間ならびにスイッチング素子とダイオードのオン電圧降下を考慮していないため、デッドタイム補償の精度が十分でない。
【０００９】
前記の文献３の手法は、デッドタイム補償電圧の振幅はデッドタイム補償時間により決まる。このデッドタイム補償時間は、デッドタイム、スイッチング素子のターンオン／ターンオフ時間ならびにスイッチング素子およびダイオードのオン電圧降下成分を含んだ時間であり、文献２の手法と比較して補償精度が向上している。
【００１０】
しかしながら、スイッチング素子のターンオン／ターンオフ時間ならびにスイッチング素子とダイオードのオン電圧降下を正確に測定することは困難であり、実際問題としてデッドタイム補償時間を得ることは困難となる。そこで、文献３では、全てのパラメータをデッドタイム補償時間として定義したパラメータで統合し、同定プロセスにより補償時間を同定している。
【００１１】
この同定プロセスは、通常のドライブ時と異なる電流指令が用いられるため、オンラインでのデッドタイム補償時間の同定はできない。そこで、通常のドライブでは同定プロセスで得られたデッドタイム補償時間を固定して用いている。
【００１２】
しかしながら、デッドタイム補償時間は各動作点で変化するため、種々の動作点に対して十分な精度で補償するためには各動作点において十分な精度でデッドタイムおよびデバイスのオン電圧降下の影響を補償することができない。
【００１３】
本発明の目的は、上記の課題を解決したＰＭモータの速度制御システムを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記の課題を解決するため、以下の構成を特徴とする。
【００１５】
（１）電流制御ループを有するインバータでＰＭモータを駆動するＰＭモータの制御システムにおいて、
前記インバータのデッドタイムにより生じる電圧成分を外乱電圧として推定する外乱オブザーバと、
前記外乱電圧の推定値を同期ｑ軸デッドタイム補償電圧としてデッドタイム補償時間の同定値を算出し、この同定値を用いてデッドタイム補償電圧を算出し、このデッドタイム補償電圧をインバータの指令電圧に加えるデッドタイム補償部とを備えたことを特徴とする。
【００１６】
（２）上記（１）において、同期ｄ−ｑ軸指令電圧から三相電圧へ座標変換を行って電圧測定値を得る２相／３相座標変換部を備えたことを特徴とする。
【００１７】
（３）上記（１）または（２）において、同期ｄ−ｑ軸指令電圧から座標変換した三相電圧と、電流センサから得られるＰＭモータの電流情報とから有効電力測定値を得る有効電力演算部を備えたことを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（１）デッドタイム補償方式
図２の（ａ）はａ相電流ｉａが電源から負荷方向へ流れる場合の経路を示している。ａ相電流はスイッチオン期間にスイッチング素子Ｓａ（＋）を流れ、スイッチオフ期間ならびにデッドタイム期間にダイオードＤａ（−）を流れる。すなわち、デッドタイム期間の相電圧ｖ_ＡＮは両スイッチＳａ（＋），Ｓａ（−）が共にオフの期間と等しくなる。したがって、デッドタイムの影響により、図１（ｂ）の指令電圧ｖ_ＡＮに対する実電圧はｖ_ｄｔのようになる。さらに、スイッチング素子Ｓａ（＋）のターンオン／ターンオフ時間を考慮するとｖ_ｔｎのようになる。さらにまた、スイッチング素子およびダイオードのオン電圧降下を考慮すると、ｖ_ｏｎのようになる。最終的に、指令電圧と実電圧の誤差ｅ_ＡＮ（＝ｖ_ＡＮ−ｖ_ｏｎ）は図２の（ｂ）のようになる。
【００１９】
上記のデッドタイムおよび半導体デバイスのオン電圧降下を補償するためには、前記の文献２と同様に、スイッチング周期における指令電圧と実電圧の平均誤差を指令電圧に加え、インバータへの制御信号とすればよい。これには、図２の（ｂ）のｅ_ＡＮの波形より、ａ相デッドタイム補償電圧ｖ_ｃｏｍは次式となる。
【００２０】
【数１】

【００２１】
上記のデッドタイムに加え、スイッチング素子のターンオン／ターンオフ時間および半導体デバイスのオン電圧降下を考慮すると、デッドタイム補償時間Ｔ_Ｃは次式で定義される。
【００２２】
【数２】

【００２３】
ここで、オン電圧降下Ｖ_ｄＰは次式で表現できる。
【００２４】
【数３】

【００２５】
図３はオシロスコープを用いて測定したスイッチング素子およびダイオードのオン電圧である。インバータにおいてはダイオードのオン電圧ｖ_Ｄがスイッチング素子（ここではＩＧＢＴを用いている）のオン電圧ｖ_Ｓに対し大きいことがわかる。また、ＰＭモータをインバータの負荷とした場合のＰＭモータに対する負荷トルク増加すなわちインバータの負荷電流の増加にともない双方のオン電圧が増加していることがわかる。
【００２６】
上記の（３）式より、ｖ_Ｓおよびｖ_Ｄの増加時には電圧降下Ｖ_ｄＰが大きくなると考えられる。また、ｖ_Ｄ＞ｖ_Ｓであるから、スイッチオン期間が短い（低電圧）ほど電圧降下Ｖ_ｄＰが大きくなると考えられる。
【００２７】
このように、半導体デバイスのオン電圧は動作点により変化するため、デッドタイム補償時間も動作点に応じて変化する。本実施形態では、種々の動作点に対し十分な精度でデッドタイムならびにオン電圧降下を補償するため、デッドタイム補償時間をオンラインで同定する。
【００２８】
（２）デッドタイム補償時間のオンライン同定
前記の（１）式より、同期ｑ軸デッドタイム補償電圧ｖ_ｃｏｍがデッドタイム補償時間Ｔ_Ｃに対して比例関係であることに着目し、この関係を利用してデッドタイム補償時間のオンライン同定を得る。
【００２９】
図４（ａ）はデッドタイム補償時間をＴ_Ｃ＝３．０μｓとした場合のａ相デッドタイム補償電圧ｖ_ａｃｏｍを示している。また、図４（ｂ）に静止ｄ軸へ座標変換した補償電圧ｖ_ｄｃｏｍおよび同期ｑ軸へ座標変換した補償電圧ｖ_ｑｃｏｍを示している。ここで、同期ｑ軸補償電圧ｖ_ｑｃｏｍは脈動しているがほぼ直流成分であり、静止ｄ軸補償電圧ｖ_ｄｃｏｍの振幅に一致している。静止ｄ軸補償電圧の振幅Ｖ_ｐｋは次式で表現でき、直流リンク電圧Ｖ_ｄｃおよびスイッチング周期Ｔ_Ｓが一定であるため、デッドタイム補償時間Ｔ_Ｃに比例する。
【００３０】
【数４】

【００３１】
補償電圧ｖ_ｑｃｏｍ≒振幅Ｖ_ｐｋより、推定デッドタイム補償時間Ｔ_ｃｅは次式より同定できる。
【００３２】
【数５】

【００３３】
ただし、同期ｑ軸デッドタイム補償電圧ｖ_ｑｃｏｍは未知であるため推定する必要がある。この推定は、ＰＭモータドライブの電流制御ループにおいて、デッドタイムの影響により生じる電圧成分を外乱電圧とみなし、外乱オブザーバで推定する。推定される外乱電圧とデッドタイム補償電圧は平均値レベルでは等価であると考えられるため、同期ｑ軸外乱電圧を同期ｑ軸デッドタイム補償電圧とする。
【００３４】
（３）実施形態１
図１に本実施形態によるＰＭモータの速度制御システムの構成を示す。同図の破線ブロックを除く部分は、電流制御マイナーループを有するＰＭモータのベクトル制御による速度制御システムであり、速度制御部１では速度指令ω_ｒ＊と検出速度ω_ｒの比較によりｑ軸電流指令（トルク電流指令）ｉ_ｑ＊を得、電流制御部２では電流指令ｉ_ｑ＊とｄ軸電流指令（励磁電流指令）ｉ_ｄ＊とそれぞれの検出電流ｉ_ｄ，ｉ_ｑの比較により電圧指令ｖ_ｑ＊，ｖ_ｄ＊を得、これら電圧指令を座標変換部３によってＰＷＭインバータ４の３相電圧指令ｖ_ａｂｃに変換し、インバータ４でＰＭモータ５を駆動する。
【００３５】
ロータリーエンコーダ６はＰＭモータ５のロータ位相角度θｒを検出し、これを座標変換部３による電流検出の座標変換に必要な位相角度とし、微分器７はθ_ｒを微分することで検出速度ω_ｒを得る。
【００３６】
破線ブロックの要素のうち、外乱オブザーバ８は、電流制御ループにおいて、デッドタイムの影響により生じる電圧成分を外乱電圧とみなし、同期ｑ軸デッドタイム補償電圧を推定する。この外乱オブザーバ８はＰＭモータの電圧方程式を基に等価演算を行う構成にされる。
【００３７】
同期座標におけるＰＭモータの電圧方程式は次式となる。
【００３８】
【数６】

【００３９】
式中、非干渉化電圧は次式で与えられる。
【００４０】
【数７】

【００４１】
ここで、図１のシステムにはインバータ４が含まれており、インバータのデッドタイム等の影響により、電圧と電流の関係式は（６）式を満足しない。したがって、電流制御部２により決定される指令電圧ｖ_ｑ＊，ｖ_ｄ＊と電流ｉ_ｑ，ｉ_ｄの関係式は次式のように表現できる。
【００４２】
【数８】

【００４３】
このうち、外乱オブザーバ８は、同期ｑ軸成分の外乱電圧ｖ_ｑＤＴを推定する。この同期ｑ軸の外乱オブザーバ８は次式に従った演算要素で構成できる。
【００４４】
【数９】

【００４５】
デッドタイム補償部９は、外乱電圧推定値ｖ_ｑＤＴを同期ｑ軸デッドタイム補償電圧とみなし、（５）式よりデッドタイム補償時間の同定値Ｔ_Ｃｅを算出し、この同定値を用いて、（１）式よりデッドタイム補償電圧ｖ_ｑｃｏｍ．ｖ_ｄｃｏｍを算出し、これを指令電圧ｖ_ｑ＊，ｖ_ｄ＊に加えることで、オンライン同定によるデッドタイム補償を得る。
【００４６】
（ａ）実施形態１のシミュレーション結果
図５は、デッドタイム補償時間をＴｃ＝３．０μｓと設定した場合の同定値Ｔｃｅの推定結果である。低出力時には設定値よりも大きく同定され、高出力になるに従い同定値が小さくなる傾向がある。この同定誤差の原因は、外乱電圧がデッドタイム補償電圧と厳密に一致しないためであると考えられる。しかしながら、最大同定誤差が１０％程度であり、概ね良好に同定できているといえる。
【００４７】
図６は、低出力時におけるデッドタイム補償結果を示している。図６（ａ）はａ相デッドタイム補償電圧であり、低出力時はデッドタイム補償時間が設定値よりも大きく同定されているため、補償電圧の振幅が実際値よりも若千大きくなっている。図６（ｂ）はａ相指令電圧であり、デッドタイムを補償していない場合の結果ならびにデッドタイムがない理想インバータを用いた場合の結果を示している。提案するデッドタイム補償法を適用した場合の指令電圧は理想インバータの指令電圧とほぼ一致していることから、デッドタイムの影響が補償できていることが確認できる。一方、デッドタイムを補償していない場合の指令電圧は振幅が大きくなっている。
【００４８】
図７は、高出力時におけるデッドタイム補償結果を示している。高出力時にはデッドタイム補償時間が設定値よりも小さく同定されていたため、デッドタイム補償電圧は設定値よりも小さくなっている。図７（ｂ）よりデッドタイムを補償した場合の指令電圧が理想インバータの指令電圧とほぼ一致していることから、デッドタイムの影響が補償できていることが確認できる。
【００４９】
（ｂ）実施形態１の実験結果
図８は、デッドタイム補償時間の同定結果である。回転速度の低下に伴いデッドタイム補償時間は増加している。これは低速領域では低電圧であり、前記の（３）式で示したように半導体デバイスのオン電圧降下が増加するためであると考えられる。
【００５０】
また、デッドタイム補償時間は出力トルクの増加すなわち負荷電流の増加に対しても増加傾向にある。これは図３で示したようにスイッチング素子およびダイオードのオン電圧が実際に増加しているためであると考えられる。
【００５１】
なお、２５００ｒｐｍにおいては出力トルクの増加にも関わらずデッドタイム補償時間が減少している。これは図５で示した同定誤差の特性から実際値よりも小さく同定されていることが要因の１つに挙げられる。
【００５２】
図９および図１０は、低出力時および高出力時のデッドタイム補償結果を示している。図９（ａ）および図１０（ａ）より、動作点の違いによりデッドタイム補イ賞電圧の振幅が適応的に変化していることがわかる。図９（ｂ）および図１０（ｂ）に指令電圧を示すように、デッドタイムを補償した場合の指令電圧が理想インバータの指令電圧とほぼ一致していることから、デッドタイムの影響を補償できていることが確認できる。
【００５３】
（４）実施形態２
図１１に本実施形態のブロック図を示す。同図が図１と異なる部分は、指令電圧から電圧実効値を算出するための２相／３相変換部１０を設けた点にある。変換部１０は、同期ｄ−ｑ軸指令電圧ｖ_ｑ＊，ｖ_ｄ＊から３相電圧への座標変換を行い、変換された電圧ｖ_{ａｂｃｃａｌ}は瞬時値レベルまたは実効値レベルでの実電圧との比較に利用する。
【００５４】
図１２は電圧実効値ｖ_ｒｍｓの算出値と実測値との比較である。図１２（ａ）より、デッドタイムを補償しない場合は回転速度に関わらず実測値に比較して算出値が約５Ｖ大きくなっている。
【００５５】
したがって、低電圧となる低速領域ほどデッドタイムおよび半導体デバイスのオン電圧降下の影響が大きいことが確認できる。一方、図１２（ｂ）よりデッドタイム補償法により種々の動作点で算出値は実測値にほぼ一致している。
【００５６】
（５）実施形態３
図１３に本実施形態のブロック図を示す。同図が図１１と異なる部分は、指令電圧と、電流センサから得られる電流情報とから有効電力Ｐ_ｃａｌを算出する有効電力演算部１１を設けた点にある。
【００５７】
図１４は有効電力の算出値と実測値との比較である。図１４（ａ）に示すようにデッドタイム補償なしでは算出値が実測値に一致していないのに対し、図１４（ｂ）に示すように提案するデッドタイム補償法により種々の動作点で算出値が実測にほぼ一致している。これらの結果より、電圧情報が振幅だけでなく位相も正確に得られていることがわかる。
【００５８】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、以下の効果がある。
【００５９】
（１）インバータのデッドタイムならびに半導体デバイスのオン電圧降下の影響をオンラインで補償することができるため、種々の動作点に対して十分な精度での補償が可能となる。
【００６０】
（２）多くの動作点でデッドタイム補償時間をあらかじめ同定しておく必要がない。
【００６１】
（３）同定プロセスは特殊な信号等の注入が不要であるため、種々の動作点において十分な精度でのデッドタイム補償が容易に実現できる。
【００６２】
（４）指令電圧を座標変換した三相電圧を電圧測定値とした電圧検出器などに利用できる。
【００６３】
（５）指令電圧を座標変換した三相電圧と、電流センサから得られる電流情報とから有効電力を算出し、有効電力測定値とした電力検出器などに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１を示すデッドタイム補償機構を有するＰＭモータの速度制御システム。
【図２】インバータのａ相電圧における指令値と実際値の関係図。
【図３】スイッチング素子およびダイオードのオン電圧の測定値。
【図４】各座標軸におけるデッドタイム補償電圧。
【図５】デッドタイム補償時間の同定結果。
【図６】低出力領域におけるデッドタイム補償結果（シミュレーション結果）。
【図７】高出力領域におけるデッドタイム補償結果（シミュレーション結果）。
【図８】デッドタイム補償時間の同定結果（実験結果）。
【図９】低出力領域におけるデッドタイム補償結果（実験結果）。
【図１０】高出力領域におけるデッドタイム補償結果（実験結果）。
【図１１】本発明の実施形態２を示すデッドタイム補償機構を有するＰＭモータの速度制御システム。
【図１２】電圧実効値の算出値と実測値との比較結果。
【図１３】本発明の実施形態３を示すデッドタイム補償機構を有するＰＭモータの速度制御システム。
【図１４】有効電力の算出値と実測値との比較結果（実験結果）。
【符号の説明】
１…速度制御部
２…電流制御部
３…座標変換部
４…ＰＷＭインバータ
５…ＰＭモータ
６…ロータリエンコーダ
７…微分器
８…オブザーバ
９…デッドタイム補償演算部
１０…２相／３相変換部
１１…有効電力演算部

Claims

電流制御ループを有するインバータでＰＭモータを駆動するＰＭモータの制御システムにおいて、
前記インバータのデッドタイムにより生じる電圧成分を外乱電圧として推定する外乱オブザーバと、
前記外乱電圧の推定値を同期ｑ軸デッドタイム補償電圧としてデッドタイム補償時間の同定値を算出し、この同定値を用いてデッドタイム補償電圧を算出し、このデッドタイム補償電圧をインバータの指令電圧に加えるデッドタイム補償部とを備えたことを特徴とするＰＭモータの制御システム。
請求項１において、同期ｄ−ｑ軸指令電圧から三相電圧へ座標変換を行って電圧測定値を得る２相／３相座標変換部を備えたことを特徴とするＰＭモータの制御システム。
請求項１または２において、同期ｄ−ｑ軸指令電圧から座標変換した三相電圧と、電流センサから得られるＰＭモータの電流情報とから有効電力測定値を得る有効電力演算部を備えたことを特徴とするＰＭモータの制御システム。