JP2005510195A - 永久磁石同期電動機ドライブ用回転子角度推定 - Google Patents

Abstract

電動機用の駆動制御の回転子角度を求める方法であって、（ａ）前記電動機の回転子磁束を求めるステップと、（ｂ）上記回転子磁束に基づいて上記回転子角度を推定するステップと、（ｃ）上記電動機への無効電力入力に基づいて上記推定された回転子角度を補正するステップとを含む方法。ステップ（ａ）は、固定子の電圧および電流値の非理想積分を行うステップを含むことができる。ステップ（ｂ）は、ＰＬＬ回路を介する上記非理想積分によって生ずる位相誤差を、位相補償（Ｆ）を用いて補正するステップを含むことができる。ステップ（ｃ）は、第１無効電力入力値を、１．５^＊Ｗｅ^＊（Ｃ＿Ｌｑ^＊Ｉ^＊Ｉ）として、第２無効電力入力値を、１．５^＊（Ｖｑ^＊ｉｄ−Ｖｄ^＊ｉｑ）として計算するステップ（１）と、上記第１と第２無効電力入力値の差を求めるステップ（２）と、上記差を、ステップ（ｂ）において推定された上記回転子角度に適用するステップであって、それによって、補正した回転子角度を得る、適用するステップ（３）とを含むことができる。

Description

本発明は、電動機ドライブ用の制御に関し、具体的には、永久磁石同期電動機ドライブにおける回転子角度の推定技法に関する。

本出願は、その開示が参照により組み込まれている、２００１年１１月１２日に出願した米国仮特許出願第６０／３３７，５０６号に基づき、その優先権を主張するものである。

回転子位置情報は、一般に、正弦波電流励磁を有する永久磁石交流電動機を安定して運転するために必要である。連続した回転子位置は、過去においては、電動機軸に搭載されたエンコーダから、または、電圧および電流フィードバックに基づく推定アルゴリズムによって間接的に得られた。後者は、システムおよび運転費用が安くなるため、よく用いられている。

しかし、（測定された電圧および電流に基づく）受動回転子推定スキームは、ほとんどが、複雑で、抵抗およびインダクタンスなどの電動機パラメータの正確な知識を必要とする。しかし、これらのパラメータ、特に固定子抵抗は温度と共に大きく変わる。このため、回転子角度推定は不正確になり、制御安定性の問題、アンペア当たりのトルク能力の低下、および電動機運転効率の劣化が生ずる。

したがって、固定子抵抗または他の電動機パラメータの正確な知識を必要とせずに、アンペア当たりのトルク能力を最大にすることができる回転子角度推定スキームを提供することが望まれる。

本発明は、正弦波逆ＥＭＦを有する永久磁石交流電動機の制御のために回転子角度情報を推定する新規な方法を提供する。

回転子角度は、回転子磁束の推定値を受け取るＰＬＬ（phase-lock-loop）（位相誤差補償を有する）によって推定される。回転子磁束は、固定子の電圧（実際の電圧または指令（command）電圧）、電流、抵抗およびインダクタンスから得られる。

次に、回転子角度推定誤差（温度による固定子抵抗の変化）が、新規の角度誤差補正器を用いることによって除去される。この補正器は、無効電力消費に基づいており、抵抗変化に対して不感である。さらに、角度補正器の基準モデルには１つのインダクタンスパラメータのみが必要とされる。

図１から図５に示される本発明は、ファームウェアでインプリメントされる電動機制御アルゴリズムに関する。しかし、本発明の範囲は、当技術分野の通常レベル内にある、ハードウェア、ファームウェア、およびソフトウェアの任意の組合せでの実施態様を含む。

制御方法のブロック図は図１に示される。ｄ軸は回転子の磁気軸と整列する向きである（本明細書で用いる規則）。

以下は、図１に列挙される量の定義である。

図１の回転子角度推定は、図２に詳細に示される。入力Ｆｌｘ＿ＡおよびＦｌｘ＿Ｂは回転子磁束であり、図３に示すように、固定子の電流、電圧、抵抗、およびインダクタンスによって形成される電動機逆起電力の非理想積分によって得られる回転子磁束である。図において、Ｔｆは非理想積分の時定数を表す。

図３の磁束推定器への入力（Ｖ＿Ａ、Ｖ＿Ｂ、Ｉ＿Ａ、およびＩ＿Ｂ）は、単に、３相（ｉａ、ｉｂ、Ｖａｂ、Ｖｂｃ）から２相への変換信号である、ことに留意されたい。

回転子角度推定器（図２）は、新規な磁束位相ロックループシステムを利用する。周波数フィードフォワード回路Ｆは、磁束を得るために図３で用いられた、固定子電圧の非理想積分による位相誤差を補償する。非理想積分によって生じた位相誤差は、回路Ｆにおいて完全に補償される。

次に、抵抗による推定誤差が、図４と関連して以下に述べられる回転子角度補正器システムによって補償される。

図１の回転子角度補正器回路は図４に詳細に示される。推定した回転子角度（図１）が実際の回転子角度と一致する時、電動機への無効電力（Ｑ）入力に対する基準値は、
１．５^＊Ｗｅ^＊（Ｃ＿Ｌｑ^＊Ｉ^＊Ｉ＋Ｆｌｘ＿Ｍ^＊ｉｄ＋（Ｃ＿Ｌｄ−Ｃ＿Ｌｑ）^＊ｉｄ^＊ｉｄ）
に等しい。

しかし、永久磁石面実装（ＰＭＳＭ）電動機の場合、空隙の磁気抵抗は、ｄ軸およびｑ軸において同じであることに留意されたい。このため、ｉｄ＝０およびＬｄ＝Ｌｑである。したがって、基準無効電力に対する先の式は、
１．５^＊Ｗｅ^＊（Ｃ＿Ｌｑ^＊Ｉ^＊Ｉ）
に帰着させることができる。

電圧および電流のみで表される、実際の電動機無効電力（Ｑ）は次に、
Ｑ＝１．５^＊（Ｖｑ^＊ｉｄ−Ｖｄ^＊ｉｑ）
で計算される。

先の式において、
Ｃ＿Ｌｄ：ｄ軸インダクタンス
Ｃ＿Ｌｑ：ｑ軸インダクタンス
Ｉ：固定子電流の大きさ
Ｆｌｘ＿Ｍ：回転子磁石の等価磁束漏れ
Ｑ：端子無効電力
Ｗｅ（ｏｍｅｇａ ｅ）：固定子基本周波数
Ｃ＿Ｌｄ＝Ｃ＿Ｌｑであるため、回転子角度補正は、１つのインダクタンスパラメータ（ＬｑまたはＬｄ）のみについて行うことができる。この場合、Ｌｑが用いられる。もちろん、当業者にとって当然のことであるが、本発明は、ＬｄがＬｑに等しくない内部永久磁石電動機などの、他のタイプの電動機と共に用いることができる。

仮に、推定された回転子角度が実際の角度と一致する場合には、以下の関係、すなわち、
（Ｖｑ^＊ｉｄ−Ｖｄ^＊ｉｑ）−Ｗｅ^＊Ｃ＿Ｌｑ^＊Ｉ^＊Ｉ＝０
を満たすことになる。

次に、Ｑと（Ｗｅ^＊Ｃ＿Ｌｑ^＊Ｉ^＊Ｉ）の間の無効電力誤差（図５の垂直軸）を用いて、任意の回転子角度誤差（図５の水平軸）をゼロにすることができ、これにより、磁束推定器において用いる抵抗パラメータの誤差が存在しても（図３）、アンペア当たりのトルクを最大に維持することができる。

以上、本発明を本発明の特定の実施形態に関して述べたが、多くの他の変形および変更および他の使用は、当業者にとって当然のことである。したがって、本発明は、本明細書内の特定の開示によって限定されるものではない。

本発明の実施形態を含むＰＭＳＭ制御システムを示すブロック図である。 図１の回転子角度推定器を示すより詳細なブロック図である。 図２の図と関連する回転子磁束推定器の回路図である。 図１の回転子角度補正器を示すより詳細な図である。 電動機定格電力に単位分けされることによる（per unitized to the motorrated power）、無効電力誤差対回転子角度誤差の関係を示すグラフである。

Claims (22)

1. 電動機の駆動制御において回転子角度を求める方法であって、
   （ａ）前記電動機の回転子磁束を求めるステップと、
   （ｂ）前記回転子磁束に基づいて前記回転子角度を推定するステップと、
   （ｃ）前記電動機への無効電力入力に基づいて前記推定された回転子角度を補正するステップと
   を備えたことを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、ステップ（ａ）は、固定子の電圧および電流値の非理想（non-ideal）積分を行うステップを含むことを特徴とする方法。
3. 請求項２に記載の方法において、ステップ（ｂ）は、ＰＬＬ回路を介する前記非理想積分に起因する位相誤差を、位相補償（Ｆ）を用いて補正するステップを含むことを特徴とする方法。
4. 請求項１に記載の方法において、ステップ（ｃ）は、
   第１無効電力入力値を、１．５^＊Ｗｅ^＊（Ｃ＿Ｌｑ^＊Ｉ^＊Ｉ）として計算し、第２無効電力入力値を、１．５^＊（Ｖｑ^＊ｉｄ−Ｖｄ^＊ｉｑ）として計算するステップと、
   前記第１と第２無効電力入力値の差を求めるステップと、
   ステップ（ｂ）で推定された前記回転子角度に前記差を適用して、補正された回転子角度を得るステップと
   を含むことを特徴とする方法。
5. 電動機の駆動制御において回転子角度を求める方法であって、
   （ａ）前記電動機の回転子磁束を求めるステップと、
   （ｂ）前記回転子磁束に基づいて前記回転子角度を推定するステップと
   を備え、
   ステップ（ａ）は、固定子の電圧および電流値の非理想積分を行うステップを含む
   ことを特徴とする方法。
6. 請求項５に記載の方法において、ステップ（ｂ）は、ＰＬＬ回路を介する前記非理想積分によって生ずる位相誤差を、位相補償（Ｆ）を用いて補正するステップを含むことを特徴とする方法。
7. 電動機の駆動制御において回転子角度を求める方法であって、
   回転子角度を推定するステップと、
   前記電動機への無効電力入力に基づいて前記推定された回転子角度を補正するステップと
   を備えたことを特徴とする方法。
8. 請求項７に記載の方法において、前記補正するステップは、
   第１無効電力入力値を、Ｗｅ^＊（Ｃ＿Ｌｑ^＊Ｉ^＊Ｉ）として計算し、第２無効電力入力値を、（Ｖｑ^＊ｉｄ−Ｖｄ^＊ｉｑ）として計算するステップと、
   前記第１と第２無効電力入力値の差を求めるステップと、
   前記推定された回転子角度に前記差を適用し、これにより、補正された回転子角度を得るステップと
   を含むことを特徴とする方法。
9. 電動機用の駆動制御の回転子角度を求めるシステムであって、
   ａ）前記電動機の回転子磁束を求める第１回路と、
   ｂ）前記回転子磁束に基づいて前記回転子角度を推定する第２回路と、
   ｃ）前記電動機への無効電力入力に基づいて前記推定された回転子角度を補正する第３回路と
   を備えたことを特徴とするシステム。
10. 請求項９に記載のシステムにおいて、前記第１回路は、回転子の電圧および電流値の非理想積分を行うことを特徴とするシステム。
11. 請求項１０に記載のシステムにおいて、前記第２回路は、ＰＬＬ回路を介する前記非理想積分によって生ずる位相誤差を、位相補償（Ｆ）を用いて補正することを特徴とするシステム。
12. 請求項９に記載のシステムにおいて、前記第３回路は、
    第１無効電力入力値を、１．５^＊Ｗｅ^＊（Ｃ＿Ｌｑ^＊Ｉ^＊Ｉ）として計算し、第２無効電力入力値を、１．５^＊（Ｖｑ^＊ｉｄ−Ｖｄ^＊ｉｑ）として計算し、
    前記第１と第２無効電力入力値の差を求め、
    前記第２回路からの前記推定された回転子角度に前記差を適用し、補正された回転子角度を得る
    ことを特徴とするシステム。
13. 電動機の駆動制御において回転子角度を求めるシステムであって、
    ａ）前記電動機の回転子磁束を求める第１回路と、
    ｂ）前記回転子磁束に基づいて前記回転子角度を推定する第２回路と
    を備え、
    前記第１回路は、固定子の電圧および電流値の非理想積分を行う
    ことを特徴とするシステム。
14. 請求項１３に記載のシステムにおいて、前記第２回路は、ＰＬＬ回路を介する前記非理想積分によって生ずる位相誤差を、位相補償（Ｆ）を用いて補正することを特徴とするシステム。
15. 電動機用の駆動制御の回転子角度を求めるシステムであって、
    回転子角度を推定する回路と、
    前記電動機への無効電力入力に基づいて前記推定された回転子角度を補正する回路と
    を備えたことを特徴とするシステム。
16. 請求項１５に記載のシステムにおいて、前記補正回路は、
    第１無効電力入力値を、Ｗｅ^＊（Ｃ＿Ｌｑ^＊Ｉ^＊Ｉ）として計算し、第２無効電力入力値を、（Ｖｑ^＊ｉｄ−Ｖｄ^＊ｉｑ）として計算し、
    前記第１と第２無効電力入力値の差を求め、
    前記差を、前記推定された回転子角度に適用して、補正された回転子角度を得る
    ことを特徴とするシステム。
17. 請求項９または１３のいずれかに記載のシステムにおいて、前記システムは、前記回転子磁束を測定するため、前記電動機の端子に接続されることを特徴とするシステム。
18. 請求項１７に記載のシステムにおいて、前記電動機は永久磁石面実装電動機であることを特徴とするシステム。
19. 請求項９または１５のいずれかに記載のシステムにおいて、前記システムは、前記無効電力入力を測定するための、前記電動機の端子に接続されることを特徴とするシステム。
20. 請求項１９に記載のシステムにおいて、前記電動機は、永久磁石面実装電動機であることを特徴とするシステム。
21. 請求項１３に記載のシステムにおいて、システムは、前記固定子の電圧および電流値を測定するための前記電動機の端子に接続されることを特徴とするシステム。
22. 請求項２１に記載のシステムにおいて、前記電動機は、永久磁石面実装電動機であることを特徴とするシステム。

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