JP2006230169A - 同期機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 サンプリング周波数の低いＡＤ変換器を用いて、確実な回転位相角推定を行うことのできる同期機の制御装置を得ることを目的とする。
【解決手段】 電力変換器１と、電力変換器１によって駆動される同期機２と、同期機２を制御するためのＰＷＭ変調部３と、同期機２に導通される電流を検出する電流検出部４と、同期機２に印加される電圧を検出する電圧検出部５と、電流検出部４における検出サンプリングに同期したタイミング間の時間間隔における電流変化分を演算する電流変化分演算部６と、電流変化分演算部６と同一なタイミング間の時間間隔における電圧を積分する電圧積分演算部７と、電流変化分と電圧積分値とを１セットとして、全てのセットが含まれる時間間隔における電流変化分を演算する電流変化分演算部８と、電流変化分演算部８と同一な時間間隔における電圧を積分する電圧積分演算部９と、同期機２の回転位相角を推定する回転位相角推定部１０とを備えたことを特徴とする同期機の制御装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、同期機の制御装置に関する。

一般に、同期機の制御装置においては、同期機（電動機、発電機）の駆動制御を行うために回転子の回転位相角を検出する検出器が必要である。しかし検出器を用いた制御装置には以下に挙げるような問題点が存在する。第一に検出器の存在が同期機の容積を増大することである。これにより同期機の出力を拡大する妨げとなる。第二に検出器自体の保守点検作業が必要になることである。これにより保守点検効率が悪化する。第三に検出器からの信号線にノイズ等が重畳することにより検出値に擾乱が乗り、制御性能が悪化することである。第四に検出器はそれを駆動するための電源を必要とするものがほとんどであり、同期機駆動原とは別系統の電源を具備する必要があることである。これは電源設置空間、電力供給線、コスト等において負担増の要因となる。

上述のような問題点に鑑みて、検出器を用いずに回転位相角を推定し、推定された回転位相角により駆動制御を行う制御方式が近年開発されている。これを「センサレス制御」と称する。

このようなセンサレス制御手段を備えた同期機の制御装置として、例えば特開平８−２０５５７８号公報（特許文献１）では、ＰＷＭインバータにより同期機を駆動するシステムにおいて、ＰＷＭ制御によって生じる出力電流の変化分と、出力電圧の時間積分値の変化分とをＰＷＭのスイッチングに同期して検出し、これらの検出値を用いて同期機の電流・電圧方程式に基づいて回転位相角を検出するという技術が開示されている。

しかしこのような同期機の制御装置においては、ＰＷＭによって生じる電圧・電流の高周波成分を用いて同期機の回転位相角を推定するため、任意の検出点で電流や電圧を計測するか、ＰＷＭのスイッチング周波数に比べて高周波なサンプリング（このようなサンプリングを高速サンプリングと呼ぶこととする）で電流や電圧を計測する必要がある。従来、それらの電流や電圧はそれぞれの計測装置から得られる入力電圧をアナログ／デジタル変換器（ＡＤ変換器と称する）によりデジタル信号に変換して制御演算を行っていたが、任意な計測や高速サンプリングの計測を行うためには、特殊な回路や高価なＡＤ変換器が必要であった。
特開平８−２０５５７８号公報

本発明は上述したような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、サンプリング周波数の低いＡＤ変換器を用いて、確実な回転位相角推定を行うことのできる同期機の制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、直流電力と交流電力を相互に変換する電力変換器と、前記電力変換器によって駆動される同期機と、前記同期機を制御するための電圧指令値をＰＷＭ変調するＰＷＭ変調手段と、前記同期機に導通される電流を所定のサンプリングタイミングに検出する電流検出手段と、前記同期機に印加される電圧を検出する電圧検出手段と、前記電流検出手段における検出サンプリングに同期したタイミング間の時間間隔における電流変化分を演算する電流変化分演算手段と、前記電流変化分演算手段と同一なタイミング間の時間間隔における電圧を積分する電圧積分演算手段と、前記同一のタイミング間の時間間隔における前記電流変化分演算手段の電流変化分と前記電圧積分演算手段の電圧積分値とを１セットとして、複数の前記電流変化分と前記電圧積分値とのセットの演算時間タイミングに対して全てのセットが含まれる時間間隔における電流変化分を演算する全セットが含まれる時間間隔の電流変化分演算手段と、前記複数のセット全体が含まれる時間間隔の電流変化分演算手段と同一な時間間隔における電圧を積分する全セットが含まれる時間間隔の電圧積分演算手段と、前記複数の電流変化分と電圧積分値の各セットと、各セットに対応する時間間隔と、前記セット全体が含まれる時間間隔の電流変化分及び電圧積分値と、前記セット全体が含まれる時間間隔とを用いて前記同期機の回転位相角を推定する回転位相角推定手段とを備えた同期機の制御装置を要旨とする。

本発明によれば、一般的な同期機の制御装置に装備されている電流検出部、電圧検出部、サンプリング周波数の低いＡＤ変換器、演算処理装置を用いて、確実な位相角推定を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。

（第１の実施の形態）図１は本発明の第１の実施の形態の同期機の制御装置を示すブロック図である。本実施の形態の同期機の制御装置は、電力変換器１と、同期機２と、ＰＷＭ変調部３と、電流検出部４と、電圧検出部５と、電流変化分演算部６と、電圧積分演算部７と、全セットが含まれる時間間隔の電流変化分演算部８と、全セットが含まれる時間間隔の電圧積分演算部９と、回転位相角推定部１０とから構成されている。

電力変換器１は、当該電力変換器１を駆動するためのゲート指令をＰＷＭ変調部３から受け、電力変換器１に内蔵されているスイッチング素子をスイッチングすることによって交流／直流電力を相互に変換する。図１では直流電力と３相交流電力を変換する構成を示している。

同期機２は、３相交流電力の供給を受け、各励磁相に導通された電流によってトルクを発生して回転する。通常同期機の制御では、その回転角度を計測し、回転角度に同期して励磁電流を変化させるため、回転角度の検出器が必要であった。例えば回転子に永久磁石を用いた永久磁石同期機の制御では基準角度からの永久磁石の磁束方向（Ｎ極の方向）を回転位相角として検出し、その方向によって電圧を印加し電流を導通させる。

ＰＷＭ変調部３は、同期機２を制御するための３相電圧指令を受け、例えばＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）変調により電力変換器１の各相スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦするためのゲート指令を生成し出力する。

電流検出部４は、電力変換器１と同期機２との間の電力線に設置され、その電力線に導通される電流を計測する。一般的に同期機２に導通される３相交流は３相のうち２相の電流を検出すれば３相全ての電流値を求めることができるため、図１では代表としてそのような構成を示している。

電圧検出部５は、電力変換器１と同期機２との間の電力線の角相間に設置され、電力線の角相間の電圧を計測する。図１では、電流検出部４と同様の理由で２線間電圧（Ｕ−Ｖ間電圧，Ｗ−Ｕ間電圧）を計測する構成を示している。また一般的に３相電圧は電力変換器１に接続される直流電圧と、電力変換器１に入力されるゲート指令とから演算により求めることも可能である。さらに、もし直流電圧が頻繁に変動することがない場合は、ゲート指令のみから演算により求めることも可能である。その場合、図１に示すように２線間に電圧検出のための配線を施す必要がなく、装置を簡易化することができる。

電流変化分演算部６は、電流検出部４から入力される電流値を記録し、ある任意のタイミング間における電流値の変化分を演算する。通常、電流検出部４から入力されるのは電流値に比例した電圧値であり、これをアナログ／デジタル変換器（以下、ＡＤ変換器と略称する）を用いてデジタル値に変換し、電流値として使用する。このとき、ＡＤ変換器は離散的な処理しかできないため、電流検出サンプリング点が存在する。

図２は本実施の形態の電流の変化とその検出サンプリングの概念を示す図である。図２では検出サンプリングが点で示されている。電流変化分演算部６は図２の黒点で示されているように、任意の時間間隔における電流変化分Δｉを数１式のように演算し出力する。

この時間間隔を決める始点と終点は電流検出部４から入力される電流値をサンプルするタイミングと同期する。これによって、電流変化分を簡単な差分演算により直接演算することができる。さらに、始点と終点は電流値サンプリングと同期しているサンプリング点から任意に選択することができる。図２では一定の法則に縛られず、任意にサンプリング点が選択されている構成を示している。これにより、例えばノイズやＰＷＭスイッチングの影響等で異常な電流値が検出されることが想定される場合においても、検出された電流値を評価しながら、正常な値が検出できたサンプリングのみを選択することが可能となり、以下に述べる位相角推定演算を正確に実施することができる。また、サンプリング点を任意に選択できることにより、高速サンプリングやトリガに即応したサンプリング等、高性能なＡＤ変換器を要求せず、安価なＡＤ変換器を用いることができ、装置のコストダウンを実現することができる。

電圧積分演算部７は、電圧検出部５から入力される電圧値を記録し、ある任意のタイミング間における電圧値の積分を演算する。電圧値の検出も、図２に示すように電流検出と同様に検出サンプリングが存在する。図２では電流検出と同じサンプリングで検出する構成を示している。ただし、電圧検出部５で説明したように、ゲート指令を用いて電圧を演算する場合、ゲート指令の演算サンプリングで電圧を演算することが可能なため、一般的に電流検出サンプリングより高速なサンプリングで電圧値を検出することができる。なぜなら、ＰＷＭによるゲート指令演算はマイクロコンピュータ（以下、マイコンと略称する）のような演算処理装置で演算されることが多く、マイコンのＰＷＭ演算サンプリングは数十〜数百［ｎｓｅｃ］と非常に高速だからである。これに対して、電流検出等に用いられるＡＤ変換器のサンプリングは数〜数十［μｓｅｃ］が一般的であり、マイコンの演算サンプリングに対しては低速といえる。例えば、マイコンのＰＷＭ演算サンプリングが１００［ｎｓｅｃ］、ＡＤ変換器のサンプリングが５［μｓｅｃ］であるとすると、２回の電流検出サンプリングの間に電圧検出は約５０回サンプリングすることができる。このような構成の場合、電圧検出サンプリングを電流検出サンプリングに同期させて検出することは容易に可能となる。他にも、電流検出用のＡＤ変換器と電圧検出用のＡＤ変換器をそれぞれ設置し、これらのＡＤ変換器の変換タイミングを同期させることは可能であるため、電圧検出サンプリングを電流検出サンプリングに同期させることは実用上なんら問題がない。

電圧積分演算部７は、電流変化分演算部６において選択された始点と終点の電流検出サンプリングと同一な時間間隔での電圧値を数２式のように積分演算し出力する。

全セットが含まれる時間間隔の電流変化分演算部８は、電流変化分演算部６で演算した電流変化分と、これと同一の時間間隔で演算した電圧積分値とを１セットとして、任意に選んだ複数のセットに対して、全てのセットを含むような時間間隔における電流変化分を演算する。

全セットが含まれる時間間隔の電圧積分演算部９は、全セットが含まれる時間間隔の電流変化分演算部８と同じ時間間隔における電圧積分を演算する。

電流変化分演算部６及び電圧積分値演算部７によって演算された各演算結果は、回転位相角推定部１０に入力される。また全セットが含まれる時間間隔の電流変化分演算部８及び電圧積分演算部９によって演算された各演算結果も、回転位相角推定部１０に入力される。回転位相角推定部１０は、電流変化分演算部６及び電圧積分演算部７、全セットを含む時間間隔の電流変化分演算部８及び電圧積分演算部９から入力される値を基にして、同期機の回転位相角を推定する。

以下、この回転位相角の推定演算方法について説明する。はじめに、同期機２の回転位相角が推定できる原理を説明する。同期機２の電圧方程式は、ベクトル制御座標系（同期機の回転と同期して回転する座標系）において、数３式のように表される。

図３はベクトル制御座標系の概念を説明する図である。数３式を図３における静止座標系Σαβで表現すると数４式のようになる。

数４式中に含まれているＬ_１１〜Ｌ_２２は、回転位相角θの関数となっているため、Ｌ_１１〜Ｌ_２２を演算できれば回転位相角θを推定することが可能となる。

以上の原理を用いて、数４式においてＬ_１１〜Ｌ_２２は電流微分項の係数となっているため、電流・電圧の高周波成分に着目すると、以下の数５式のような関係を導くことができる。

異なる時間における電流及び電圧の高周波成分を集合すると、数５式は以下のように行列表現できる。

数６式を以下の数７〜９式のように変形することにより、Ｌ_１１〜Ｌ_２２で構成されるインダクタンス行列の近似解を演算することができる。

ここで、上付きＴは転置行列、上付きＬＭは左側擬似逆行列である。

電流及び電圧の高周波成分の集合は、電流変化分演算部６及び電圧積分演算部７により演算された、同一の時間間隔での電流変化分と電圧積分値のセットの集合（下付き数字及びｋに対応）と、これら複数のセットの全集合を含む時間間隔における電流変化分及び電圧積分値とから演算することができる。演算方法を数１０式、数１１式に示す。

以上により求められたインダクタンス行列より、同期機の回転位相角は数１２式のように求めることができる。

数１２式では回転位相角は２倍角として求められているので、２逓倍ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）を適用することにより、容易にθそのものを演算することができる。ここで、２倍角から求めた推定位相角θは基準角度が実位相角の０°もしくは１８０°のどちらかになってしまう。これは、例えば、ＮＳ判別を実施することによって０°か１８０°のどちらに一致しているのか判別することができ、それに基づいて推定位相角と実位相角を完全に一致させることが可能となる。

本実施の形態によれば、一般的な同期機の制御装置に装備されている電流検出部４、電圧検出部５、ＡＤ変換器、演算処理装置によって確実な位相角推定を実現することができ、特別な回路構成や特別な高速ＡＤ変換器を必要としない。

（第２の実施の形態）本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態における電流変化分及び電圧積分値のセットを演算する際の時間間隔を決める始点と終点を、両者とも変換器から１つの空間電圧ベクトルが出力されている時間内の電流検出サンプリングと一致するよう選択するようにした構成を特徴とする。

図４は本実施の形態の電流の変化とその検出サンプリングの概念を示す図である。１つの空間電圧ベクトルの出力時間が短く、その時間中に電流検出が２回以上行われない場合（電流検出サンプリングが１回の場合）、その電流検出サンプリングは選択しない。また、１つの空間電圧ベクトルの出力時間中に３回以上の電流検出サンプリングが行われる場合、どのサンプリングを選択してもよい。

本実施の形態によれば、同期機２の電流変化のうち単位時間に対する変化が最も大きい変化分を演算することが可能となり、回転位相角の推定精度を向上できる。

（第３の実施の形態）図５は本発明の第３の実施の形態の同期機の制御装置のブロック図である。尚、図１と同一の構成要素には同一の符号を用いている。本実施の形態では、ＰＷＭ変調部３に入力される電圧指令を演算する際、ＰＷＭ変調後に出力される１つの空間電圧ベクトルの出力時間が最小でもその時間内に２回以上の電流検出サンプリングが行われるように電圧指令を調整する電圧指令調整部１１を付加した構成である。調整方法としては、電圧指令にある所定の高周波成分を重畳するという方法である。

本実施の形態によれば、ＰＷＭ変調部２に入力される電圧指令が低い場合などにおいて、空間電圧ベクトルの出力時間内に電流検出サンプリングが２回未満となることがなく、全ての出力空間電圧ベクトルにおいて電流変化分や電圧積分値を演算することが可能となる。第２の実施の形態では、空間電圧ベクトル出力時間中に電流検出サンプリングが１回の場合、そのサンプリングは選択されないため、サンプリングの無駄が生じてしまう。本実施の形態では、全てのサンプリングを無駄にすることなく演算に用いることが可能となり、推定精度をいっそう向上できる。

（第４の実施の形態）本発明の第４の実施の形態は、電流変化分と電圧積分値を演算する時間間隔を決める始点及び終点に該当する２つの時間タイミングｉｔｓ１，ｉｔｅ１は、図２に示す電流検出サンプリングのうち、演算時間間隔中に電力変換器１から複数の空間電圧ベクトルが出力されるような時間間隔となるよう選び、かつ電流サンプリングタイミングに同期するよう選んだ構成としたことを特徴とし、ものである。図２では、Δｉ_２がこのような演算を行っている。

本実施の形態によれば、例えば電流検出サンプリングが低速で、その周期が複数の空間電圧ベクトルが出力される時間以上となってしまう場合や、ある電流検出サンプリングによる電流検出値が異常値となっていて採用でなかった場合等にも、推定精度の劣化や演算不能に陥ることなく、正常に推定を実施することが可能となる。

（第５の実施の形態）本発明の第５の実施の形態は、電流変化分の時間間隔をＰＷＭ変調部３における搬送波の半周期の時間と最も近くなるように選ぶ構成としたことを特徴とするものである。

一般的に、マイコンによる同期機制御は、ＰＷＭ変調部３における搬送波の半周期毎に電圧指令値を出力して変調する場合が多い。これは、搬送波の半周期毎に電圧指令値が変化することを意味しており、この電圧指令値によって駆動される同期機２の電流には、搬送波の半周期ごとに電流変化が現れる。本実施の形態では、電流変化分演算の時間間隔が搬送波半周期に最も近くなるように電流検出サンプリングを選択する構成としたものであり、電流変化を検出することができる。

尚、本実施の形態は、電流変化分演算の時間間隔が搬送波の半周期となるように選ぶものであり、時間間隔の始点／終点は任意に選択することが可能である。例えば、始点／終点を搬送波の上下ピークと一致するよう選択する、又は空間電圧ベクトルのゼロ電圧ベクトルが出力開始された点を始点、次のゼロ電圧ベクトルが出力開始された点を終点として選択するといった選択方法が可能である。また搬送波半周期でなく、マイコンによる同期機制御から搬送波の１周期毎に電圧指令値が出力される場合は、電流変化分演算時間間隔がこの周期となるように設定することも可能である。

本実施の形態によれば、搬送波半周期毎の電圧指令変化による電流変化分を演算することが可能となり、回転位相角の推定精度を向上できる。

（第６の実施の形態）図６は本発明の第６の実施の形態の同期機の制御装置のブロック図である。尚、図１、図３と同一の構成要素には同一の符号を用いている。本実施の形態では、第１の実施の形態の同期機の制御装置の構成に、搬送波と同期した高周波電圧を重畳する高周波電圧重畳部１２を付加した構成である。

第５の実施の形態において、電圧指令が搬送波の半周期毎に変化することによって生じる電流変化分を演算する構成について説明したが、電圧指令の変化が小さい場合、それによって生じる電流変化も小さくなる。電流変化が小さい場合は回転位相角推定部１０によって推定される電流高周波成分が精度良く検出できない場合があり得る。そこで、本実施の形態は、電圧指令の変化を大きくするよう、搬送波と同期した高周波電圧を重畳する。一般的に搬送波周波数は同期機の運転周波数より十分に高いことから、高周波の重畳によって同期機制御には影響をおよぼすことはない。

本実施の形態によれば、高周波重畳によって半周期毎の電圧指令の変化を大きすることができ、搬送波半周期ごとの電圧指令変化による電流変化分を精度良く演算することが可能となり、回転位相角の推定精度の向上を実現できる。

（第７の実施の形態）第１〜第６の実施の形態において、電流変化分及び電圧積分の演算は、電流検出部４における検出サンプリングに同期する構成とした。しかし、同期するサンプリングは電圧検出部５における検出サンプリングとしたほうが良い場合もあり、本実施の形態ではそのような構成としたことを特徴とする。

電圧検出部５における検出サンプリングに同期させたほうが良い場合とは、例えば電圧検出サンプリングが電流検出サンプリングより低速な場合である。この場合、前者を後者に同期させることが困難となるため、同一な時間間隔の電流変化分及び電圧積分の演算ができなくなる。本実施の形態では、電流変化分と電圧積分の演算を行う時間間隔を、電圧検出サンプリングに同期した時間タイミングで設定する構成としたものである。

本実施の形態によれば、電圧検出サンプリングが電流検出サンプリングより低速な場合等において、推定精度の劣化や推定不能などの状態に陥ることなく、正常な推定演算を実施することが可能となる。

本発明の第１の実施の形態の同期機の制御装置のブロック図。 本発明の第１の実施の形態の電流の変化とその検出サンプリングの概念を示す図。 本発明の第１の実施の形態のベクトル制御座標系の概念を説明する図。 本発明の第２の実施の形態の電流の変化とその検出サンプリングの概念を示す図。 本発明の第３の実施の形態の同期機の制御装置のブロック図。 本発明の第６の実施の形態の同期機の制御装置のブロック図。

符号の説明

１ 電力変換器
２ 同期機
３ ＰＷＭ変調部
４ 電流検出部
５ 電圧検出部
６ 電流変化分演算部
７ 電圧積分演算部
８ 全セットが含まれる時間間隔の電流変化分演算部
９ 全セットが含まれる時間間隔の電圧積分演算部
１０ 回転位相角推定部
１１ 電圧指令調整部
１２ 高周波電圧重畳部

Claims (7)

1. 直流電力と交流電力を相互に変換する電力変換器と、
   前記電力変換器によって駆動される同期機と、
   前記同期機を制御するための電圧指令値をＰＷＭ変調するＰＷＭ変調手段と、
   前記同期機に導通される電流を所定のサンプリングタイミングに検出する電流検出手段と、
   前記同期機に印加される電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記電流検出手段における検出サンプリングに同期したタイミング間の時間間隔における電流変化分を演算する電流変化分演算手段と、
   前記電流変化分演算手段と同一なタイミング間の時間間隔における電圧を積分する電圧積分演算手段と、
   前記同一のタイミング間の時間間隔における前記電流変化分演算手段の電流変化分と前記電圧積分演算手段の電圧積分値とを１セットとして、複数の前記電流変化分と前記電圧積分値とのセットの演算時間タイミングに対して全てのセットが含まれる時間間隔における電流変化分を演算する全セットが含まれる時間間隔の電流変化分演算手段と、
   前記複数のセット全体が含まれる時間間隔の電流変化分演算手段と同一な時間間隔における電圧を積分する全セットが含まれる時間間隔の電圧積分演算手段と、
   前記複数の電流変化分と電圧積分値の各セットと、各セットに対応する時間間隔と、前記セット全体が含まれる時間間隔の電流変化分及び電圧積分値と、前記セット全体が含まれる時間間隔とを用いて前記同期機の回転位相角を推定する回転位相角推定手段とを備えた同期機の制御装置。
2. 前記電流変化分と前記電圧積分値を演算する時間間隔を決める始点及び終点に該当する２つの時間タイミングは、両者とも、前記電力変換器から１つの空間電圧ベクトルが出力されている間に生じる電流サンプリングタイミングに同期させることを特徴とする請求項１に記載の同期機の制御装置。
3. 前記ＰＷＭ変調手段の変調後に出力される空間電圧ベクトルの最短出力時間内に、前記電流検出手段における検出サンプリングが少なくとも２回以上含まれるよう電圧指令を調整する電圧指令調整手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の同期機の制御装置。
4. 前記電流変化分と前記電圧積分値を演算する時間間隔を決める始点及び終点に該当する２つの時間タイミングは、当該時間間隔中に前記電力変換器から複数の空間電圧ベクトルが出力されるような時間間隔となるよう選び、かつ電流サンプリングタイミングに同期させることを特徴とする請求項１に記載の同期機の制御装置。
5. 前記電流変化分と前記電圧積分値を演算する時間間隔を決める始点及び終点に該当する２つの時間タイミングは、当該時間間隔が前記ＰＷＭ変調手段における搬送波の半周期の時間と最も近くなるように選ばれた電流サンプリングタイミングに同期させることを特徴とする請求項１又は４に記載の同期機の制御装置。
6. 前記ＰＷＭ変調手段における搬送波と同期した高周波電圧を重畳する高周波電圧重畳手段とを備えたことを特徴とする請求項１、４、５のいずれかに記載の同期機の制御装置。
7. 前記電圧積分値演算手段における時間間隔を決めるタイミングは前記電圧検出手段におけるサンプリングタイミングに同期し、
   前記電流変化分演算手段における演算は前記電圧積分値演算手段と同一なタイミング間の時間間隔における電流変化分を演算することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の同期機の制御装置。
   
   

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