JP2007531478A - 電動機駆動システム用のセンサレス制御方法および装置 - Google Patents
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Abstract
拡張カルマンフィルタ(330)を使用して初期回転子位置を予測し、その後回転子位置および/または速度を様々なタイプの負荷条件下で正確に予測する方法および装置が、電動機(106)のための状態オブザーバ制御システム(600)を提供する。初期回転子位置の様々な設定から、推定回転子位置/速度を出力としてもたらすことができる、制御システムモデル(300)が生成される。制御システムモデル(300)は、EKF(拡張カルマンフィルタ)推定器(330)と、速度コントローラ(322)と、電流コントローラ(324)と、可変負荷構成要素(310)とを含む。動作中、EKF推定器(330)は、速度および電流コントローラ(322、324)とフレーム変換(326、328)からの入力によって生成された基準電圧(402、404)および基準電流(1325)に基づいて、回転子速度(327)および位置(333)を推定する。さらに、基準電圧および基準電流(402、404、1325)は、システム(600)内のフィードバック信号(418、346)として、かつ電動機負荷(602)に印加する電力を制御するための駆動信号として使用されるように、フレーム変換される。
Description
本願は、「EXTENDED KALMAN FILTER(EKF)METHOD AND APPARATUS FOR SENSORLESS CONTROL OF MONITOR DRIVE SYSTEMS(モニタ駆動システムの制御を検出するための拡張カルーマンフィルタ(BKF)方法及び装置」と題する、2003年7月10日出願の米国特許仮出願第60/485,732号の優先権を主張し、この出願の開示全体を参照によりここに援用する。
本発明は、様々な負荷に対する予測制御システムに関し、より詳細には、同期電動機発電機システムにおいて回転子速度および位置を正確に検出するための堅牢なセンサレス予測方法および装置に関する。
制御された電動機駆動システムの重要な構成要素は、電気機械式マシンである。用途に応じて、かかるマシンをその「固定子磁界」と「回転子磁界」の相互作用により発電機または電動機として使用して、制御された電動機駆動システムの分野で周知のように、機械的エネルギーを電気的エネルギーに、あるいはその逆に変換することができる。一般的に、固定子磁界および回転子磁界がどのように生成され、どのように相互作用するかに基づいて、各マシンを少なくとも4つの異なるタイプに分類することができる。これらのタイプには、永久磁石同期機(PMSM)が含まれ、三相平衡交流電圧を固定子に印加することによって、回転磁界が生成される。回転子に永久磁石を使用して、回転子磁界を確立することもできる。別のタイプには、ブラシレス直流機(BLDC)が含まれる。3つの固定子巻線すべてを励磁する代わりに固定子巻線の2つの巻線だけを同時に励磁することができ、その結果、正弦波と対照的に台形波の巻線電流になること以外は、PMSMと同様である。別のタイプには、巻線形回転子同期機(WRSM)が含まれる。PMSMと同様に、三相平衡交流電圧を固定子に印加することによって回転磁界が発生する。WRSMの場合だが、回転子の分布巻線に直流電流を通すことによって、回転子磁界を生成してもよい。この電流は、「スリップリングおよびブラシ」を介して、またはブラシレス方式によって、回転子界磁巻線に伝達することができる。別のタイプには、誘導機(IM)が含まれる。PMSMと同様に固定子を励磁することができるが、回転子磁界は、固定子と異なる周波数で固定子場から誘導されることによって確立され、したがって非同期機と呼ばれる。
上記のタイプの電動機駆動システムでは、一般的に利用される制御システムは航空宇宙および産業用途に使用され、電動機(例えば、永久磁石同期電動機PMSM)の速度および/または位置、特にPMSM回転子の速度および/または位置を測定するための閉ループ構成を含んでいる。図1は、PMSM106の回転子速度/位置を測定するための、従来技術の閉ループ制御システム100を示している。閉ループシステム100は、直流電源102と、電源102から動力を供給されるインバータ104と、パルス幅調節信号(PWMS)発生器110と、軸センサ108と、速度コントローラ116と、フレーム変換デバイス112、114とを含む。通常の動作中、システム100は速度コントローラ116を使用して、速度基準117と、センサ108(例えば、ホールセンサ)から出力された測定速度120との差から、電流基準122を生成する。この基準電流122の2つの算出成分(I* dおよびI* q)は、それぞれd軸、q軸上にあり、インバータ104からの測定三相成分(Ia、Ib、Ic)の、フレーム変換114から出力されたdq成分と比較される。このdq成分と算出成分の間で評価された誤差によって、制御変数VdおよびVqが生成され、それらがセンサ108から出力された測定回転子位置121と共にフレーム変換112に入力されて、三相電圧基準値であるdqからabcへの成分Va、Vb、Vcが生成される。これらの基準値がPWM発生器110に入力されて、インバータ104用のPWM信号を生成し、三相インバータ104から出力電圧を生成して、PMSM106を駆動する。
しかし、この技法は図1に示されているが、システムの複雑さを増し、システムの信頼性を損なう。PMSM106は、センサ108を内蔵、またはそれを回転子に機械的に取り付けておかなければならず、コントローラ116とセンサ108の間の制御(励磁)信号およびフィードバック信号(例えば、Va、Vb、Vc、Ia、Ib、Ic)用に、インターフェースおよび配線を追加しなければならない。PMSM106はまた、コントローラ116から離れたところに配置されて、システム内の不要で余分な配線の必要性を生み出す可能性もある。
センサ制御システムの配線およびその他の不利な点を避けるには、システムの信頼性を増し、システム内の余分な配線の必要性をなくするために、センサレス電動機制御技術を使用することができる。さらに、このような技術は別個の位置センサの必要性をなくし、システムのコストも軽減する。センサレス電動機制御技術は、別個の位置センサを利用するものより柔軟性/適合性のある、電動機駆動システムの解決策である場合がある。強化した信頼性および重さの軽減(例えば、センサおよび追加の配線をなくすことによって)が非常に重要な航空機システムに、特に役立つ可能性がある。
カルマンフィルタ1900の構造を示す図19に示すように、線形システムには、システムの状態および出力を決定するために、カルマンフィルタを使用することができる。フィルタ1900では、以下の等式を使用して、システムを想定することができる。
上式で、σ、ρはシステムノイズ、測定ノイズである。それらは、定常ノイズ、ホワイトノイズ、相関性のないノイズおよびガウスノイズであり、期待値は0とする。さらに、上記ノイズの共分散行列は、以下のように定義することができる。
上式でE[ ]は、期待値を示す。
カルマンフィルタ1900のシステム方程式は、以下のようになる。
カルマンフィルタ1900のシステム方程式は、以下のようになる。
行列Kは、ノイズの共分散に基づいて設定することができる。観察の良好度を以下のように確立することができる。
J=E[eT・e]
(6)
上式で、eは以下の通りである。
J=E[eT・e]
(6)
上式で、eは以下の通りである。
上式で、Kは、Jを最小にするように選択できることが有利である。ここで、解は以下の通りである。
K=P・HT・R−1
(8)
上式で、Pは、以下のリカッチ方程式の解から計算することができる。
P・HT・R−1・H・P−A・P−P・AT−Q=0
(9)
QおよびRは、対応するノイズの確率特性に基づいて設定することができる。
K=P・HT・R−1
(8)
上式で、Pは、以下のリカッチ方程式の解から計算することができる。
P・HT・R−1・H・P−A・P−P・AT−Q=0
(9)
QおよびRは、対応するノイズの確率特性に基づいて設定することができる。
ただし、カルマンフィルタ1900は線形システムに対してのみ有効であり、本明細書において説明するように、電動機駆動システムに対して見られることがある非線形システムに、特に適した拡張カルマンフィルタ(推定器)の生成を必要とする。
図2に示す従来技術の制御システム200で例示されるように、PMSM回転子の速度および/または位置(非線形システム)を測定するために、従来のセンサレス制御システムが使用されてもよい。制御システム200は、センサ108によって測定される代わりに、速度出力203および位置出力205が速度および位置推定器109によって推定される、図1のシステム100からのと同様の構成要素を含む。図2に示すように、推定器109は、インバータ104によって生成された三相電流成分Ia、Ib、Icを入力として受け、フレーム変換112から三相電圧成分ボルト数Va、Vb、Vcを入力として受ける。推定器109は、2つの電流ループシステムを使用して、最初の推定された回転子位置を補正し、PMSMで生成された磁束鎖交数を補正し更新することができる。この磁束鎖交数は、PMSMをスタータおよび/または発電機として使用できる十分なトルクをシステム200で発生する。推定器はまた、入力電流成分から電動機ラインの電流を推定し、電流推定値と測定電流の間の誤差を計算し、この誤差計算結果を使用して特定の時間間隔の間の回転子の速度および位置を決定することもできる。その後、磁束鎖交数を補正し回転子位置を予測するために、未来の時間間隔ごとにこのプロセスを繰り返すことができる。このプロセスを、ブラシレス直流電動機(BLDCM)にもPMSMにも使用できるのは有利であるが、システムの電圧および電流がもつ磁束鎖交数の推定値および測定値の質および精度に基づく、制御システムの性能が低下する恐れがある。さらに、システムの高調波およびノイズ、温度変化および磁気飽和によるマシンパラメータばらつきから、制御システムの精度が低下する恐れもある。
他の従来技術のセンサレス方式は、状態オブザーバ技術を利用しているが、これらの方式は、電動機駆動システムパラメータの変動を受けやすく、複雑な非線形制御理論を必要とし、この理論によって、これらの他の方式は微調整し実施するのが難しくなる。かかる方式は、初速度/最初の位置の収束問題によってさらに複雑になる最初の回転子位置についての正確な情報が何もないこと、失速状態を避けるために電動機の起動時に電流パルスを印加する必要があることを含む、追加の制限も受ける。かかる方式が適切に働かないことによって、それは、動荷重に必要な速度およびトルクの全範囲にわたるその正確さおよび有効性が失われる。これが、駆動システムのセンサレス制御が普及しない主要な理由である。
したがって、電動機駆動システム用の現在のセンサレス制御システムに不利な点があるので、これらの制限を克服し、堅牢で容易に実施される電動機駆動システム用のセンサレス制御装置を提供する、状態オブザーバ制御法を提供する必要がある。
本発明のシステムは、電動機用の状態オブザーバ予測制御システムを提供することによって、上記の問題を克服する。このシステムは、まず、最初の回転子位置を推定するために拡張カルマンフィルタ(EKF)を使用し、次いで、速度/位置センサを使用せずに、動作中の様々な動荷重条件に対する擬似実時間の回転子位置および/または速度を正確に予測する。本明細書において説明するEKFをベースとする、統合された電動機駆動システム全体のモデルは、このシステム用のパワーエレクトロニクスおよび関連デジタル制御の回路を含み、まず、計算を実行して、デジタル信号処理および制御の実施を簡略化する。電動機駆動制御システムモデル全体は、EKF(拡張カルマンフィルタ)推定器と、速度コントローラと、電流コントローラと、直流−交流電力変換インバータモジュールと、パルス幅変調(PWM)ゲートパターン発生器と、可変の速度/トルク負荷構成要素とを含む。動作中、EKF推定器モジュールは、速度および電流コントローラによって生成され各フレーム変換から入力された基準電圧/電流に基づいて、回転子速度、回転子位置、および電流条件を推定する。やはり、得られた正確なセンサレス位置推定値は、フレーム変換された基準電流および基準電圧を実現するために使用され、システム内でフィードバック信号として、ならびにPMSM負荷に加える制御力への駆動信号として使用される。
以下の説明を添付の図面と併せて考慮することにより、本発明の他の態様が明らかになるであろう。
本発明の実施形態は、以下の説明に、添付の図面を参照してより具体的に記載されている。以下の説明および添付の図面では、同じ部品は同じ参照番号で示す。さらに、本明細書に提示する発明の概念を曖昧にしないように、周知の部品およびその関連説明は省略する。
回転子の位置情報を、同期電動機発電機の主発電機固定子巻線(固定子相巻線)による相電圧信号出力から導出するための実施形態が、「Position Sensor Emulator for a Synchronous Motor/Generator(同期機/発電機用の位置センサエミュレータ)」という名称の、2002年9月16日出願の米国特許出願第10/244,496号(「’496出願」)に開示されている。この特許の全体を参照によりここに援用する。
図12に示す1200の電動機駆動システムと共に上記で説明した図1、2の電動機駆動システム100、200は、固定子の相巻線からの信号出力から、離散時間制御されたシステム100、200、1200の回転子位置、回転子速度、および電流(オブザーバ)状態を導出するように、本発明の原理を適用してもよい電動発電機システムを示している。図12に示すように、電動発電機システム1200は、主な構成要素である、ブラシレス同期電動機発電機(BLSM)1210と、発電機制御ユニット1202と、励磁機電源1204と、起動変換機1206を含む。電動発電機システム1200はさらに、同期電動機発電機1210の発電機モードと電動機(スタータ)モードとを切り換えるために、電動機発電機切換ユニット1203、1208を含む。
同期電動機発電機1210は、三相励磁機巻線1211と、整流ブリッジ1213と、主発電機界磁巻線1215とを含む回転ユニット1212を含み、航空機のガスタービンエンジンなどに結合された回転可能な軸に取り付けられる。同期電動機発電機1210はさらに、励磁機界磁巻線1220および三相主発電機巻線1216を含む固定子構成要素を含む。固定子の励磁機界磁巻線1220と、回転子の三相励磁機巻線1211は、励磁発電機を構成し、回転子1212の界磁巻線1215と、固定子の三相巻線1216は、主発電機を構成する。
発電機モードでは、電動発電機切換ユニット1203、1208は、例えば周知の切換要素であってもよく、直流電流(「直流励磁」)を供給するために、発電機制御ユニット1202が(スイッチ1203を介して)励磁機界磁巻線1220に接続され、三相発電機巻線1216の出力A、B、Cが、(スイッチ1208を介して)ACバス1218に接続されるように配置されている。例示的な実施形態では、直流励磁がDC巻線1220に供給されると、航空機エンジンによる発電機軸(図示せず)の回転によって、電機子巻線1211内に、整流器1213によって整流され巻線1215に結合される多相電圧が発生する。この整流された電圧が、主回転子界磁巻線1215に直流場を作り出し、この直流場が、主固定子コイル1216に回転磁界を引き起こし、この回転磁界が、(バス接点スイッチの前の)調整点(POR)1208のところで調整済み電圧による出力電力を生成し、その電圧が、端子A、B、Cおよびスイッチ1208を介してACバス1218に伝達される。励磁機界磁巻線1220の中を流れる直流電流は、ACバス1218上で所望の交流電力を実現するために、様々な振幅をとることができる。発電機モードでは、システム1200には回転子の位置情報は必要ではない。
さらに、システム1200は、航空機エンジンをかけるためにスタータ/発電機1210を電動機として使用することもできる。外部電源(励磁機電源EXPS)1204が、励磁機固定子1214を使用して、発電機1210に結合されている。結合されたEXPS1204からの電力は、回転子と固定子の相対運動が速度ゼロであることはないので、トランスの効果によって、回転子1212の多相巻線1211に交流電力を誘起する。巻線1211に確立された交流電力は、主界磁巻線1215で直流電力を発生するために、整流器1213によって整流され得る。さらに、スタータ/発電機1210によって十分なトルクが生成されるような制御された交流電力を主固定子コイル1216に供給するために、起動変換機1206が使用される。このトルクは、主回転子巻線1215の磁束と、コイル1216に確立された電流(磁束)との間の相互作用によって生成される。上記制御された交流電力の周波数は、0Hz(0RPM)から、起動の最終時点で、スタータ/発電機1210に生成されるトルクに一致する所定の周波数まで増加する。供給された交流電力入力の電流位相は、所望のスタータ/発電機1210のトルクを発生させるために、回転子位置の関数として制御される。電磁力を介して回転子を効率的に動かすのに十分なトルクを作り出すには、固定子相巻線1216の転流は、回転子の位置が既知であることを必要とする。
図3aは、電動機システム1200に使用できる、本発明の実施形態によるセンサレス電動機制御システム300のモデルを示している。システムモデル300は、制御ブロック302と、正弦波パルス幅インバータ(SPWM)306と、負荷310と、PMSM電動機モデル308とを含む。図3bは、制御ブロック302のサブシステムを示し、このシステムは、速度コントローラ322と、電流コントローラ324と、電圧フレーム変換326と、電流フレーム変換328と、推定器330(拡張カルマンフィルタEKF)とを含んでいる。
システム1200などの電動機駆動システムでは、電圧および電流などの電動機の末端変数は、時間的に変化する。電動機システム1200のより好適な制御では、EKF330をより好適に利用してシステムの回転子位置、回転子速度、およびオブザーバ状態を推定するために、電動機の電気的変数およびパラメータ(例えば、電圧および電流)の標準フレーム変換(例えば、abc−to−dq)を使用して時変システムを時間不変システムに変換する。1つのベクトルを、固定子(abc)フレームでは3要素によって、静止(αβ)フレームでは2要素によって、任意のフレーム(dq)では2要素によって示すことができる。制御システム300では、数学的な複雑さを単純化し、有用な制御成分(Vabc、Iabc)を得るために、図3bに示すフレーム変換326、328を使用して固定子(abc)フレームの変数を2軸の静止または任意のフレームに変換する。その後、制御成分(Vabc、Iabc)は、PMSM電動機モデル308を駆動するために元の固定子系の3つの位相変数に変換される。図10a、10b、10cは、異なる基準フレーム(αβ、abc、dq)におけるベクトルを示し、ベクトルa、b、cは、等しい大きさを有し、互いに角度120°隔たっている。図11は、任意の(dq)フレームにおけるモデルPMSM308のベクトル図を示している。図11に示す図内のベクトルの計算、dq基準フレームに含まれるモデルPMSM308の等式、変換等式は周知であり、Qiuの「Extended Kalman Filter Application in Permanent Magnet Synchronous Motor Sensorless Control(永久磁石システム同期機センサレス制御における拡張カルーマンフィルター適用)」(Thesis Publication、Ryerson大学、2003年8月)に開示されている。これを参照によりここに援用する。
動作中、システムモデル300は、SPWM306および電動機モデル308に対して有用な駆動信号を生成するために、推定器330を使用してPMSMモデル308の回転子位置、回転子速度、およびオブザーバ(電流)状態を推定する。図12、13に示すように、三相電圧出力信号Va、Vb、Vcが固定子構成1220、1216から生成され、次いで、測定回転子速度1312(ω)出力および位置(シータすなわちθ)1314出力を生成するために、信号1301、1302、1303として入力されて、PMSMモデル308を使用して固定子系(3要素で示される)から任意のフレーム(dq)へフレーム変換され得る。これらの回転子速度および位置の測定値1312、1314は、後で、推定器330によって導出された推定値327、333と比較され得る。電圧変換ブロック1304、1306が、三相電圧入力1301、1302、1303(Va、Vb、Vc)をVdおよびVq(dq基準フレームの電圧)に変換する。さらに、変換ブロック1308、1309、1310、1311が、Id、Iqを算定するために、任意のフレームにおける電流(dq−Id、Iq)を計算する。次いで、変換ブロック1316、1318、1320が、任意のフレームの電流を三相電流出力(Ia、Ib、Ic)1325に変換する。やはり、関数ブロック1322、1324、1326、1328、1330、および1332が、回転子位置(θe)1314を算定する。さらに、システムに有用な制御出力を生成し、システム1200にとって起動過渡状態をモニタする助けとなるように、初期回転子位置304(図3aに示す)を事前設定し、入力することができる(例えば、45度−π/4)。具体的には、図13に示されている関数ブロックが、以下の関数を算定する。ブロック1304は2/3・(Va・cos(θ)+Vb・cos(θ−2/3・π)+Vc・cos(θ+2/3・π))、ブロック1306は−2/3・(Va・sin(θ)+Vb・sin(θ−2/3・π)+Vc・sin(θ+2/3・π))、ブロック1308はVd/L+We・Iq−Id・Rs/L、ブロック1310はVq/L−We・Id−We・LMD/L−Iq・Rs/L、ブロック1316はId・cos(θ)−Iq・sin(θ)、ブロック1318はId・cos(θ−2/3・π)−Iq・sin(θ−2/3・π)、ブロック1320はId・cos(θ+2/3・π)−Iq・sin(θ+2/3・π)、ブロック1322は1.5・LMD・NPである。これらの関数ブロックでは、Lはインダクタンス(d軸およびq軸インダクタンスと等価)、Weは固定子電気的回転速度、Rsは固定子の抵抗、LMD(λr−ラムダ)はPMSMモデル308の回転子磁束鎖交数、Npは極対の数である。やはり、出力Te1313も以下のように算出され得る。
Te=3/2・Np・λr・Iq
(10)
図14、15は、図3bの速度コントローラブロック322および電流コントローラブロック324の詳細を示す。速度コントローラ322は、速度誤差1403を生成するために比較される、推定器(EKF)330からの速度フィードバック327と、有利には信号発生器313(図3aに図示)によって生成されてもよい速度基準信号321とを入力として受ける。速度誤差は、比例積分(PI)1406に入力されて、変換された電流基準Idq出力1412を生成するためにd変換ブロック1408にも、q変換ブロック1410にも供給される、電流基準Is出力1405を生成することができる。ブロック1408、1410によって算定される関数は、当技術分野で周知であり、モリモト他の「Current Phase Control Methods for Permanent Magnet Synchronous Motors(永久磁石同期制御用の電流位相制御方法)」(IEEE Transactions on Power Electronics、Vol.5、No.2、1990年4月)に開示されている。これを参照によりここに援用する。
Te=3/2・Np・λr・Iq
(10)
図14、15は、図3bの速度コントローラブロック322および電流コントローラブロック324の詳細を示す。速度コントローラ322は、速度誤差1403を生成するために比較される、推定器(EKF)330からの速度フィードバック327と、有利には信号発生器313(図3aに図示)によって生成されてもよい速度基準信号321とを入力として受ける。速度誤差は、比例積分(PI)1406に入力されて、変換された電流基準Idq出力1412を生成するためにd変換ブロック1408にも、q変換ブロック1410にも供給される、電流基準Is出力1405を生成することができる。ブロック1408、1410によって算定される関数は、当技術分野で周知であり、モリモト他の「Current Phase Control Methods for Permanent Magnet Synchronous Motors(永久磁石同期制御用の電流位相制御方法)」(IEEE Transactions on Power Electronics、Vol.5、No.2、1990年4月)に開示されている。これを参照によりここに援用する。
図15に示すように、Idq基準出力1412、電流Iq(Idは0に設定)、および推定器330から出力された回転子速度(ωe)327が、電流コントローラ324に入力される。電流コントローラ324は、PIブロック1506、1508を使用して、これらの入力から任意の(dq)系の電圧出力Vd、Vqを生成する。
図4、5は、電圧のフレーム変換ブロック326、電流のフレーム変換ブロック328の詳細を示す。図4に示すように、電圧変換器326が、dqフレームの入力電圧をabcフレームおよびαβフレームに変換する。電流コントローラ324からの入力電圧(Vd、Vq)402、404が、制御ブロック302からの(推定器330によって生成された)推定回転子位置(θ)333を使用して、関数ブロック406、408、410、422、424を使用するブロック326によって、任意のフレームおよび静止フレームの出力電圧(Va、Vb、Vc、およびVαβ)412、414、416、および418に変換される。Vαβ418は、EKF330にシステム300の制御フィードバックとして使用される。具体的には、関数ブロック406、408、410は、以下の関数を算定することができる。ブロック408はVq・sin(θ)+Vd・cos(θ)、ブロック408は−Vq・sin(θ−2/3・π)+Vd・cos(θ−2/3・π)、ブロック410は−Vq・sin(θ+2/3・π)+Vd・cos(θ+2/3・π)、ここでθ=シータおよびπ=パイである。
同様に、図5に示すように、電流変換器328が、推定回転子位置入力333(EKF330によって推定された)および関数ブロック502、504、506、508を使用して、固定子フレームの三相入力電流(Ia、Ib、Ic)1325を、システムモデル300内の制御フィードバックとして使用するための2つの出力電流(Idq、Iαβ)344、346に変換する。具体的には、関数ブロック502、504、506、および508は、以下の関数を算定することができる。ブロック502は2/3・(Ia・cos(θ)+Ib・cos(θ−2/3・π)+Ic・cos(θ+2/3・π))、ブロック504は−2/3・(Ia・sin(θ)+Ib・sin(θ−2/3・π)+Ic・sin(θ+2/3・π))、ブロック506はIa、ブロック508はsqrt(3)/3・(Ib−Ic)である。
推定器330は、フレーム変換技法および電動機モデリング技法から導出され、推定器330の方程式は以下の式を含む。
上式で、
dωr/dt=0 (13)
さらに、行列形式では、方程式(11)、(12)、(13)は以下のようになる。
dωr/dt=0 (13)
さらに、行列形式では、方程式(11)、(12)、(13)は以下のようになる。
上式で、
かつ、
であり、さらに方程式(14)および(15)は次式で与えられる。
上式(16)および(17)の別個の近似式が、次式で与えられる。
xk=(I+A・T)・xk−1+B・T・uk−1
(18)
yk=H・xk
(19)
上式で、
Iは単位行列であり、
Tはサンプリング時間間隔である。
xk=(I+A・T)・xk−1+B・T・uk−1
(18)
yk=H・xk
(19)
上式で、
Iは単位行列であり、
Tはサンプリング時間間隔である。
プロセスおよび測定ノイズを考慮すると、方程式(18)および(19)は次式で与えられる。
xk=f(xk−1,uk−1,σk−1)
(20)
yk=h(xk,ρk)
(21)
上式で、
f(xk−1,uk−1,σk−1)=(I+ A・T)xk−1+B・T・uk−1+σk−1
(22)
h(xk,ρk)=H・xk+ρk
(23)
である。
xk=f(xk−1,uk−1,σk−1)
(20)
yk=h(xk,ρk)
(21)
上式で、
f(xk−1,uk−1,σk−1)=(I+ A・T)xk−1+B・T・uk−1+σk−1
(22)
h(xk,ρk)=H・xk+ρk
(23)
である。
前式から、電動機308(例えば、PMSM)の状態xを、各サンプリング時間間隔中に、以下の2つのステップを経て、推定器330で推定することができる。ここで、これらのステップは、次式を含む。
1)時間更新ステップ
1)時間更新ステップ
2)測定更新ステップ
上式で、
である。
行列形式では、方程式(25)および(26)のCおよびDは、以下のようになる。
上式で、脚注kおよびk−1は省略される。
上記の数学的導出から、推定器330は、図17に示すように生成される。図18のプロセスフロー図に従って、増分期間k(例えば、kは0または1から始まる)ごとに、推定器(EKFフィルタ)330が、入力として電圧変換器326から出力された静止フレーム418の電圧(Vαβ)と、電流変換器328から出力された静止系346の電流(Iαβ)を受けて、回転子位置(Est_θ)333、回転子速度(Est_ω)327、およびオブザーバ(電流)状態(Est_Ia、Est_Iβ)329、331の出力推定値を、上記の式を使用して生成することが有利である。推定器330はさらに、方程式(25)、(26)から導出されたノイズ共分散行列でもよいブロック行列1702、1704と、時間更新ステップ用のメモリスタックでもよいブロック行列1706、1708とを含む。
ステップ1802での時間更新ステップ中、入力418(Vαβ)および関数ブロック1710、1712、1714、1716、1718、1720、1722、1724が、式(24)を算定するために使用される。やはりステップ1802での時間更新ステップ中、関数ブロック1720、1722、1726、1728、1730、1732が、式(25)を算定するために使用される。その後、ステップ1804での測定更新ステップで、関数ブロック1732からの出力1734(P−)と、関数ブロック1724、1736、1716、1738、1740、1742、1744、1762が、式(26)を算定するために使用される。さらに、ステップ1804中、関数ブロック1718からの出力1746(X−)と、関数ブロック1744からの出力1748(K)と、入力346と、関数ブロック1736、1750、1752、1754、1756、1762とが、出力1766(write_X)を生み出す式(27)を算定するために使用される。やはりステップ1804中、関数ブロック1732からの出力1734(P−)と、関数ブロック1744からの出力1748(K)と、関数ブロック1736、1758、1760とが、出力1768(write_P)を生成する式(28)を算定するために使用される。計算の誤りを防止するために、推定器330の出力を現在のステップの関数ブロック1706にスタックし、その後の回のステップの関数ブロック1722を経てその出力を放出することによって、現在の回のステップの計算を、次の回のステップまで遅延させることができることが有利である。さらに、これらの出力推定値を、PMSMモデル308および電流変換器328によって出力された、測定パラメータ値と比較することができる。具体的には、行列計算機関数ブロック1720の出力1721、1723、1725を、C(1721)を計算するには(I+A・T)・X、C(1723)を計算するにはC・X、C’(1725)を計算するにはCT・Xの関数を使用して計算することができる。
PMSMモデル308が、実際のPMSMの連続運転をシミュレートして、後続の期間の、回転子位置、回転子速度、および電流(オブザーバ)状態の推定値を生成するために制御フィードバック信号として使用する回転子速度1312、回転子位置1314、および三相電流出力1325を出力するので、図18に示す推定プロセスがモデルシステム300の後続の期間(k=k+1)に継続することが有利である。このプロセスは、その後の測定間隔に継続されて、出力制御ベクトル(フィードバック信号Vαβ)418および測定ベクトル(フィードバック信号Iαβ)346の推定値を更新する。
上記の式は、特にPMSM電動機モデルのために導出されるが、本明細書において、推定器330を使用して説明したセンサレス方式は、PMSM、BLDCM、巻線形回転子同期電動機(WRSM)、および誘導電動機(IM)を含む、複数の異なる電動機モデルに同様に用いることができる。さらに、WRSMおよびPMSMに用いられるEKFを使用するセンサレス制御の複数の実施形態が本明細書において説明される。センサレス制御のためのEKF法がIM、BLDCM、および他の機械を含む、複数の他のタイプの機械まで拡張されることが、当分野の技術者に理解されよう。
回転子速度1312の2乗に比例する負荷トルク、回転子速度1312に比例する負荷トルク、および一定の負荷トルクを含む、3つの異なるタイプの負荷ブロック310が、システムモデル300に使用されることが有利である。モデルシステム300が、正弦波パルス幅変調電源(SPWMインバータ)306を使用して、システムの実際の運転中に、各測定値サンプリング間隔中にシステムの制御ベクトルを更新する連続電動機運転をシミュレートすることも有利である。SPWM306は、直流電圧をパルス幅変調された波形に変換することによって、三相インバータの出力をシミュレートする。最初に、パルス発生器301が、制御ブロック302をトリガするための有効化パルスを生成して、PMSMモデル308を駆動するための有用な三相電圧出力(Va、Vb、Vc)を電圧変換器326から生成する。三相電圧出力(Va、Vb、Vc)は、SPWM306に受けられ、PMSMモデル308を駆動するための三相PWM信号Va―pwm、Vb―pwm、Vc―pwmを生成するために、CW(搬送波)発生器によって生成された搬送波電圧の生成物(三角形の搬送波形)と、三相インバータのゲート信号を生成する直流電圧の2/3と比較される。
本明細書において説明したセンサレス電動機駆動制御システムは、図6に示すシステム600に従って実施できることが有利である。ここで、図1、2と同様の要素は同じものとみなす。センサレス電動機駆動制御システム600は、直流電源102と、インバータ104と、電動機106と、発電機107と、負荷602と、ハードウェアインターフェース604と、コントローラ606と、プロセッサ608とを含むことができる。任意選択で、システム600は、サージ発生時に直流電源−インバータ回路接続内に抵抗負荷を動的に切り換えることによって、インバータ104からのサージ電圧からの保護回路として機能するための動的ブレーク回路610を含んでもよい。電動機106が減速または逆回転するように命令されるのに応答して、回転子の運動エネルギーが電気的エネルギーに変換され、直流電源に帰還されると、電圧サージが生じる恐れがある。システム600はまた、電動機106の回転子位置および速度を、特に試験解析のために検出(測定)するためのセンサ601を含むこともできる。
動作中、直流電源102は、直流電力をインバータ104に提供し、そのインバータが、電動機106(例えば、PMSM)を駆動するために、直流電力を周波数および振幅が可変の三相電圧に変換する。発電機107(例えば、BLDCG)は、電動機106のための機械的負荷として機能して、生成した電力を三相抵抗負荷602に提供する。コントローラ606は、ハードウェアインターフェース604を介してインバータ104に相互接続され、プロセッサ(例えば、コンピュータ)608から入力された命令を実行する。コントローラ606は、システム600の回転子位置と、回転子速度と、電流(オブザーバ)状態を推定し、前述のように三相電力を電動機106に供給するためのインバータ104に有用な駆動信号を提供するために、SPWM306および制御ブロック302を含む、モデルシステム300からの関連制御ブロックを含み、制御ブロック302は、速度基準発生器301と、速度コントローラ322と、電流コントローラ324と、電圧/電流変換器326、328と、推定器(EKF)330とを含む。さらに、コントローラ606は、システム600の機能を行うために実行されるべき命令を含んでいる機械可読媒体として実施できることが有利である。
図7、8、9a、9bは、図6で実施されているセンサレス電動機制御システム600の性能評価結果を示す。図7は、システム600に使用され発電機301からもたらされた速度基準702(ωref)を、コントローラ606によって生成された推定回転子速度704(ωest)およびセンサ601によって測定された回転子速度706(ωmsd)と比較し、図8は、測定された回転子速度706と推定された回転子速度の間の速度誤差(ωmsd−ωest)を示している。速度基準702は、制御システム600の定常状態性能をよりよく評価するために、ステップダウン波形に事前設定できることが有利である。図8に示すように、回転子速度が変更されている過渡期間で、誤差がより大きくなる可能性がある。
図9a、9bは、関連試験期間中、センサ601によって測定された回転子位置902(θmsd)と、コントローラ606によって推定された推定回転子位置904(θest)と、回転子位置誤差905(θmsd−θest)と、電動機106から出力された固定子の相電流906とを比較するシステム600の性能評価結果を示す。図9a、9bは、5000rpm、1000rpmの回転子速度の結果を示し、平均定常状態の位置誤差がそれぞれ、5000rpmでも1000rpmでも減少して、システム600の正確な位置推定を示している。
システム600は、特に、システムの起動過渡性能(停止状態からの)を試験するために複数の事前設定された初期回転子位置を使用して操作できることが有利である。これらの事前設定された位置は、0、30、60、90、120、150、180、210、240、270、300、330度を含むことができる。図16a、16b、16cは、事前設定された初期回転子位置がそれぞれ0度、90度、180度のときの、測定された回転子速度1602(ωmsd)を推定回転子速度1604(ωest)と比較することによって、システム600の起動過渡性能を示す。速度基準1606(ωref)は、停止状態からの所定の時間(例えば、1.0秒)に電動機を起動するために、ステップコマンドを与えることができる。これらの図に示すように、推定回転子速度1604は、様々な初期起動位置に対して、測定回転子速度1602に急速に収束する。この、様々な起動位置に対する急速な収束によって、システム600の複雑さを増す電流パルス印加および逸脱の補正の必要がなくなることが有利である。
三相負荷602がシステム600に対して示されているが、本明細書において説明したセンサレスEKF方式を提供するために、複数の異なる負荷条件を使用できることに留意されたい。制御された電動機駆動システム600の、複数の動作負荷条件下における停止状態から最高速度までの適正な動作へと通じる、定常状態の/動的な正確な回転子位置および速度情報を提供するために、本発明の諸実施形態に従って、図6に示すように、EKFセンサレス方式を実施することができる。
本発明は、巻線形回転子同期電動機(WRSM)、ブラシレス直流電動機(BLDC)、永久磁石同期電動機(PMSM)、および誘導電動機(IM)を含む様々なセンサレス電動機制御に対して、堅牢で自在な制御方法を含む複数の利点を提供する。他の利点は、定格トルク負荷の有無を問わず停止状態から最高定格速度までを含む様々な電動機システム動作条件に対する、改良された定常状態性能および動的性能を含む。他の利点は、最初の起動、全トルクでの停止状態、速度逆転、および停電に対する、適正な制御システム動作を含む。ここで述べたセンサレスモデルはまた、機械/システムパラメータの変動に反応せず、電力品質(PQ)を最適化し、かつ電磁妨害(EMI)を最小限に抑える高度な制御戦略/ゲートパターン(SPWMおよびSVM)と両立することもできる。さらに、本明細書に述べた方法は、より低いサンプリングレートおよび切換周波数を実現し、その結果DSPスループットが低減しかつ熱管理の要件が軽減され、システム内で測定を行うときには最適なノイズのフィルタリングをもたらすことができる。
本発明は主として、特定の実施形態を使用して本明細書に述べたが、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく改変および変更を加えることができることが、当分野の技術者には理解されよう。したがって、本明細書に開示した方法は、本明細書で特に示し説明したものに限定されるのではなく、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ定義される。
図9bは、図6のセンサレス電動機制御システムの性能評価結果を示す追加の図である。
本発明の実施形態による固定子(abc)基準フレーム、静止(αβ)基準フレーム、および任意の(dq)基準フレームのベクトルの図である。
本発明の実施形態による固定子(abc)基準フレーム、静止(αβ)基準フレーム、および任意の(dq)基準フレームのベクトルの図である。
本発明の実施形態による固定子(abc)基準フレーム、静止(αβ)基準フレーム、および任意の(dq)基準フレームのベクトルの図である。
本発明の実施形態による任意の(dq)系の電動機のベクトルの図である。
図3の制御システムを本発明の実施形態に従って適用できる電動機システムの図である。
本発明の実施形態によるセンサレス電動機制御システムに使用される同期電動機システムのモデル図である。
本発明の実施形態によるセンサレス電動機制御システムの速度コントローラの図である。
本発明の実施形態によるセンサレス電動機制御システムの電流コントローラの図である。
図6のセンサレス電動機制御システムの起動性能評価結果を示す図である。
6図6のセンサレス電動機制御システムの起動性能評価結果を示す図である。
図6のセンサレス電動機制御システムの起動性能評価結果を示す図である。
本発明の実施形態によるセンサレス電動機制御システムの推定器の図である。
本発明の実施形態によるセンサレス電動機制御システムの推定器のフロープロセス図である。
本発明の実施形態によるセンサレス電動機制御システムの推定器の例示的構造の図である。
Claims (18)
- 可変の事前設定された初期回転子位置を使用して、電動機の回転子位置および速度の推定値を生成するための推定器と、
前記推定値を受けて電流駆動制御信号を生成するための第1のコントローラと、
前記推定値を受けて電圧駆動制御信号を生成するための第2のコントローラとを備え、
前記第1および第2のコントローラが、前記電動機へ出力される電力を制御するために、前記駆動制御信号を電源に伝達する、
電動機駆動システムの速度および位置センサレス制御のための装置。 - 電流入力基準信号および電圧入力基準信号を前記コントローラから受け、前記推定値を生成するために電流基準出力信号および電圧基準出力信号を前記推定器へ伝達するためのフレーム変換器をさらに備える、請求項1に記載の装置。
- 前記推定器は、拡張カルマンフィルタである、請求項1に記載の装置。
- 前記電源は、パルス幅変調信号発生器である、請求項1に記載の装置。
- 前記電源はインバータであり、前記位置推定値および速度推定値を使用して、入力電流信号および入力電圧信号の実時間フレーム変換を生成して前記電流駆動信号および電圧駆動信号を生成して、調節された電力を電動機駆動負荷に供給するために前記インバータ用パルス幅変調ゲートパターン信号を生成する、請求項4に記載の装置。
- 前記電動機は、永久磁石同期電動機、巻線形回転子同期電動機、誘導電動機、ブラシレス直流電動機のうちのいずれかである、請求項1に記載の装置。
- 前記第1および第2のコントローラは、単一のコントローラに結合されている、請求項1に記載の装置。
- 前記推定器は、測定された回転子位置の値との差が所定の閾値未満の回転子位置の値を推定する、請求項1に記載の装置。
- 事前設定された初期回転子位置を使用して、電動機の回転子位置および速度の推定値を生成するステップと、
前記推定値を受けて、電流駆動制御信号および電圧駆動信号を生成するステップと、
前記電動機へ出力された電力を制御するために、前記駆動制御信号を電源に伝達するステップとを含む、電動機駆動システムを制御する方法。 - 電流入力基準信号および電圧入力基準信号を受けるステップと、前記推定値を生成するために前記電流入力基準信号および電圧入力基準信号をフレーム変換して、電流基準出力信号および電圧基準出力信号を伝達するステップとをさらに含む、請求項9に記載の方法。
- 前記推定するステップは、拡張カルマンフィルタを使用する、請求項9に記載の方法。
- 前記伝達するステップは、パルス幅変調信号発生器を前記電源として使用する、請求項9に記載の方法。
- 前記生成するステップは、永久磁石同期電動機、巻線形回転子同期電動機、誘導電動機、およびブラシレス直流電動機のいずれかの電動機を使用する、請求項9に記載の方法。
- 事前設定された初期回転子位置を使用して、電動機の回転子位置および速度の推定値を生成する命令と、
前記推定値を受けて、電流駆動制御信号および電圧駆動信号を生成する命令と、
前記電動機へ出力された電力を制御するために、電源に前記駆動制御信号を伝達する命令とを含む、複数の実行可能な命令を記憶している機械可読媒体。 - 電流入力基準信号および電圧入力基準信号を受ける命令と、
前記推定値を生成するために、前記電流入力基準信号および電圧入力基準信号をフレーム変換して電流基準出力信号および電圧基準出力信号を伝達する命令をさらに含む、請求項14に記載の媒体。 - 前記推定する命令は、拡張カルマンフィルタを使用する、請求項14に記載の媒体。
- 前記伝達する命令は、前記電源としてパルス幅変調信号発生器を使用する、請求項14に記載の媒体。
- 前記生成する命令は、永久磁石同期電動機、巻線形回転子同期電動機、誘導電動機、およびブラシレス直流電動機のいずれかの電動機を使用する、請求項14に記載の媒体。
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