JP2004096856A - 同期電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】信号発生器が必要なく、ゼロ速度からの磁極位置検出が可能な同期電動機の制御装置を提供する。
【解決手段】同期電動機を電圧形ＰＷＭインバータで駆動し、電動機のトルクおよび速度を制御する同期電動機の制御装置において、ＰＷＭキャリア信号をＵＶＷの三相においてＵＶ、ＶＷ、ＷＵのようなそれぞれの二相間で任意の位相差を持たせる手段６−３と、それによって発生する高周波電圧と高周波電流を検出電圧あるいは指令電圧と検出電流から抽出する手段１１と、抽出された高周波電圧と高周波電流を用いて磁束位置あるいは磁極位置を推定する手段１２を備えたものである。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ゼロ速度を含む極低速から磁極位置を精度良く推定し、その推定された磁極位置に基づいてトルク、および速度を制御する電動機の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の磁極推定方法としては、電学論Ｄ，１０８巻１２号，１９８８「パラメータ同定機能をもつブラシレスＤＣモータの適応電流制御法」に報告されているような電動機速度に比例する誘起電圧を電動機入力電圧と電流より演算し、速度を推定する方法が広く用いられている。また、平成８年電気学会産業応用部門全国大会Ｎｏ．１７０「センサレス方式による突極形同期モータのゼロ速トルク制御」があり、この手法は電圧指令値に交流信号を重畳し、検出電流をＦＦＴ解析して電動機回転速度と磁極位置を検出する手法である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術においては、モータの誘起電圧に基づき回転子速度・位置を推定する方法では高速度域においては十分な精度で動くが、誘起電圧情報の少ない極低速においては正確な推定ができなかったので、駆動周波数に関係しないセンシングのための交流信号をモータに注入し、電圧電流の関係からロータ位置を推定する方法がいくつか提案されている。しかし、センシング信号を注入するためには付加的な信号発生器が必要であり、制御も複雑になるという問題があった。
そこで、本発明は、ＰＷＭインバータのキャリヤ信号を、ＵＶＷの三相におけるそれぞれの二相間で任意の位相差を持たせることによって、駆動周波数以外の高周波電圧と高周波電流を発生させ、その電圧と電流の関係により磁極位置を推定することにより、信号発生器を必要とせずに制御装置を簡素化でき、更に、ゼロ速度からの制御も可能にする同期電動機の制御装置を提供することを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、同期電動機を電圧形ＰＷＭインバータで駆動し、電動機のトルクおよび速度を制御する同期電動機の制御装置において、ＰＷＭキャリア信号をＵＶＷの三相においてＵＶ、ＶＷ、ＷＵのようなそれぞれの二相間で任意の位相差を持たせる位相差保持手段と、それによって発生する高周波電圧と高周波電流を検出電圧あるいは指令電圧と検出電流から抽出する高周波抽出手段と、抽出された高周波電圧と高周波電流を用いて磁束位置あるいは磁極位置を推定する手段を備えたことを特徴としている。
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の同期電動機の制御装置において、前記位相差保持手段が、電圧型ＰＷＭインバータでＵＶ、ＶＷ、ＷＵのようなそれぞれの二相間でインバータの出力周波数以外の任意の高周波をモータ入力電圧あるいは電流に発生させることを特徴としている。
【０００５】
また、請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の同期電動機の制御装置において、前記高周波抽出手段が、モータの三相においてＵ相をα軸として、それに９０°直交する軸をβ軸とする二相の静止座標系に変換し、それぞれα軸、β軸において前記任意の高周波成分の電圧および電流を検出し、バンドパスフィルタにより前記任意の周波数成分のみを抽出することを特徴としている。
また、請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項記載の同期電動機の制御装置において、前記磁極位置を推定する磁極位置推定手段が、前記抽出された高周波電圧成分および電流成分を基に磁極位置推定器によりｃｏｓ２θ、ｓｉｎ２θを演算し三角関数テーブルを参照して磁極位置θを求めることを特徴としている。
また、請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項記載の同期電動機の制御装置において、磁極位置を推定する手段により推定された位置を用いて検出電流を磁極方向分とトルク分に分離し、それぞれフィードバックして電流制御を実施する電流制御装置を備えたことを特徴としている。
また、請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項記載の同期電動機の制御装置において、磁極位置を推定する手段により推定された位置を用いて速度を推定する速度推定装置を備えたことを特徴としている。
また、請求項７記載の発明は、請求項６記載の同期電動機の制御装置において、速度推定装置により推定された速度をフィードバックして速度制御を実施するする速度制御装置を備えたことを特徴としている。
この同期電動機の制御装置によれば、本発明は、原理的にはキャリア周波数成分の電流を用いて磁極位置を検出する方法が基本であり、その方式により電流制御器、速度推定器、速度制御器を有する制御装置を構成した例である。
先ず、その磁極位置検出の基本原理を説明する。電圧形ＰＷＭインバータで駆動される同期電動機のベクトル制御装置において、ＰＷＭキャリア信号をＵＶＷの三相においてＵＶ，ＶＷ，ＷＵのようなそれぞれの二相間で任意の位相差を持たせることによって、駆動周波数とは異なる高周波電圧と高周波電流を発生させる。すなわち、ＰＷＭのキャリアの周波数とキャリアの位相差を任意に与えることによって、発生する高周波成分の周波数帯を駆動周波数とは異なる周波数に調整することができる。たとえば、位相差を１２０度とすると、キャリア周波数と同周波の電圧と電流成分が大きく現れることとなる。この場合、高周波数電圧は次式のように表せる。
【０００６】
【数１】

ここで、ｕｕｈ，　ｕｖｈ，　ｕｗｈは、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の高周波電圧、Ｖは高周波電圧振幅、ωｈ　はキャリア角周波数を示している。
【０００７】
また、高周波電圧と高周波電流の関係は、次の（１）式で表される。
【数２】

ここで、ｉｕｈ，　ｉｖｈ，　ｉｗｈは、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の高周波電流、Ｌはインダクタンスを示しており、Ｌｕｕ、Ｌｖｖ、Ｌｗｗは、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の自己インダクタンス、その他は相間のインダクタンスを示している。回転子に永久磁石を使用する電動機では、電気的突極を有するので、インダクタンスは磁極位置の情報を含んでいる。
【０００８】
【数３】

ここで、Ｌｇｏはエアギャップ磁束における励磁インダクタンス、Ｌｓ　は固定子漏れインダクタンス、Ｌｇ２は大きさが角度に依存するインダクタンスを示している。
【０００９】
（１）式を固定子基準の静止座標系に変換すると、次の（２）式になる。
【数４】

ここで、Ｌ０　＝Ｌｓ　＋３Ｌｇｏ／２，Ｌ１　＝３Ｌｇ２／２である。
【００１０】
（２）式より、磁極位置情報ｓｉｎ（２θ）、ｃｏｓ（２θ）を導くと、
【数５】

となる。このように高周波電圧と高周波電流を用いて磁極位置を推定することができる。
この推定機構をキャリア周波数に同期させ、高周波電流ｉβｈ　がピークとなる点で電流をサンプルすれば、位相が９０度離れたｉαｈ　はゼロとなるので（３）式をさらに次の（４）式のように簡単に表すことができる。
【数６】

【００１１】
この（３）式、（４）式より、ｃｏｓ（２θ），ｓｉｎ（２θ）をもとめ、その値にもとづき演算器に予め準備した三角関数テーブルから、角度２θを払い出し２で除算することによって、磁極位置θ（以下θ＾）を推定することができる。
また、（３）式、（４）式の演算には電流微分値を用いているが、高速時には電流が急変するため、磁極位置θ＾が振動的になる。そこで、（２）式から電流微分値を（５）式のように求め、両辺を積分すると（６）式になる。
【数７】

【数８】

（６）式より、磁極位置情報ｓｉｎ（２θ）、ｃｏｓ（２θ）を導くと、
【数９】

となる。
キャリア周期と電圧サンプリング周期が同期している場合は、電圧積分値は次式のように固定値として扱うこととなる。
【数１０】

このように、ＰＷＭのキャリア周波数とキャリアの位相差を任意に与えることによって発生する高周波成分の周波数帯を、駆動周波数とは異なる周波数に調整し、高周波電圧と高周波電流の関係から磁極位置を推定することができる。この場合、外部からは一切交流信号を重畳する必要がない。また、磁極位置は駆動周波数に関係しない周波数帯で推定されるので、ゼロ速度状態でもその推定が可能である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照し説明する。
図１は発明の実施の形態に係る同期電動機の制御装置の制御ブロック図を示している。
図２は図１に示すＰＷＭ制御器のブロック図である。
図１において、速度制御器１は、速度指令値と速度推定値を比較して偏差がゼロとなるようにｑ軸電流（トルク電流）指令ｉｓｑｅｆ　を決定する。ｑ軸電流制御器２は、ｉｑＲｅｆと回転子と同期して回転する座標系に変換された電流のうちトルクに比例する電流ｉｑ　とを比較し、偏差がゼロとなるように電圧指令Ｖｑ　を決定する。
ｑ軸電流制御器４は、ｉｄＲｅｆと回転子と同期して回転する座標系に変換された電流のうち磁極方向に関する電流ｉｄ　とを比較し、偏差がゼロとなるように電圧指令Ｖｄ　を決定する。非干渉制御器３は、ｄ軸、ｑ軸間で干渉し合う速度起動力を計算し、電流制御器への影響を打ち消すように制御するものである。電圧振幅および位相演算器５は、電圧指令値Ｖｄ　、Ｖｑ　を入力とし、指令電圧ベクトルの振幅および位相を演算するものである。ＰＷＭ制御器６は、電圧振幅および位相演算器５で演算された指令電圧ベクトルの振幅および位相を入力とし、インバータスイッチング信号を発生するものである。
【００１３】
図２は図１の任意の高周波を発生するＰＷＭ制御器６を示している。
三相電圧指令演算器６−１はベクトル制御装置で計算される電圧指令ベクトルの振幅と位相角を入力とし、三相の電圧指令値を計算する。一方、駆動周波数とは異なる高周波を発生させるため、キャリア信号発生器６−４で発生する任意の周波数を持つキャリア信号を、フェーズシフタ６−３においてＵ相基準でＶ相の位相を角度Δθ、Ｗ相を２Δθずらし、それらをコンパレータ６−２で電圧指令値と比較し、スイッチング信号を発生する。そして、７のインバータ主回路に入力する。また、この任意高周波電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗは、検出電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗと静止座標系変換器９へ入力される。
【００１４】
磁極位置推定は、まず、静止座標変換器９で検出電圧あるいは指令電圧と検出電流を（２）式のように３相から２相の交流信号に変換して、バンドバスフィルタ１１で指定された任意の周波数のみ抽出する。
磁極位置検出器１２では、（３）式、（４）式、（７）式の演算を行ってｃｏｓ２θ、ｓｉｎ２θを算出して、三角関数テーブル（ルックアップ・テーブル）１３より磁極位置θを推定する。得られたθより速度推定器１４により速度ωを推定して速度制御器１を制御する。
【００１５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ＰＷＭインバータのキャリア周波数とキャリアの位相差を任意に与えることによって駆動周波数とは異なる任意の周波数で磁極位置推定を実現したので、ゼロ速度状態でも正確な磁極位置の推定が可能となるとい効果がある。
更に、外部から一切交流信号を重畳する必要がないため、新たな信号発生器を準備する必要が無く、同期電動機の制御装置を簡略化できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る同期電動機の制御装置のブロック図である。
【図２】図１に示すＰＷＭ制御器のブロック図である。
【符号の説明】
１　速度制御器
２　ｑ軸電流制御器
３　非干渉制御器
４　ｄ軸電流制御器
５　電圧振幅および位相演算器
６　ＰＷＭ制御器
７　インバータ主回路
８　電動機
９　静止座標変換器
１０　回転座標変換器
１１　バンドバスフィルタ
１２　磁極位置推定器
１３　三角関数テーブル
１４　速度推定器

Claims (7)

1. 同期電動機を電圧形ＰＷＭインバータで駆動し、電動機のトルクおよび速度を制御する同期電動機の制御装置において、
   ＰＷＭキャリア信号をＵＶＷの三相においてＵＶ、ＶＷ、ＷＵのようなそれぞれの二相間で任意の位相差を持たせる位相差保持手段と、それによって発生する高周波電圧と高周波電流を検出電圧あるいは指令電圧と検出電流から抽出する高周波抽出手段と、抽出された高周波電圧と高周波電流を用いて磁束位置あるいは磁極位置を推定する位置推定手段を備えたことを特徴とする同期電動機の制御装置。
2. 前記位相差保持手段は、電圧型ＰＷＭインバータでＵＶ、ＶＷ、ＷＵのようなそれぞれの二相間でインバータの出力周波数以外の任意の高周波をモータ入力電圧あるいは電流に発生させることを特徴とする請求項１記載の同期電動機の制御装置。
3. 前記周波抽出手段は、モータの三相においてＵ相をα軸として、それに９０°直交する軸をβ軸とする二相の静止座標系に変換し、それぞれα軸、β軸において前記任意の高周波成分の電圧および電流を検出し、バンドパスフィルタにより前記任意の周波数成分のみを抽出することを特徴とする請求項１又は２記載の同期電動機の制御装置。
4. 前記磁極位置を推定する位置推定手段は、前記抽出された高周波電圧成分および電流成分を基に磁極位置推定器によりｃｏｓ２θ、ｓｉｎ２θを演算し三角関数テーブルを参照して磁極位置θを求めることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の同期電動機の制御装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項記載の同期電動機の制御装置において、磁極位置を推定する手段により推定された位置を用いて検出電流を磁極方向分とトルク分に分離し、それぞれフィードバックして電流制御を実施する電流制御装置を備えたことを特徴とする同期電動機の制御装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項記載の同期電動機の制御装置において、磁極位置を推定する手段により推定された位置を用いて速度を推定する速度推定装置を備えたことを特徴とする同期電動機の制御装置。
7. 請求項６に記載の同期電動機の制御装置において、速度推定装置により推定された速度をフィードバックして速度制御を実施する速度制御装置を備えたことを特徴とする同期電動機の制御装置。

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