JP2008048570A - 交流モータ制御装置とその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 位置センサを用いずにゼロ速度制御または位置決め制御時に速度とトルクリプルを低減でき、安定にモータを停止させ、通常駆動時の制御応答性を維持できる交流モータ制御装置とその制御方法を提供する。
【解決手段】 指令速度と推定速度からδ軸指令電流を生成する速度制御部と、γδ軸指令電流とγδ軸電流から電圧指令を生成する電流制御部と、電圧指令を電力増幅するインバータと、モータ電流を前記推定位置で座標変換しγδ軸電流を生成する座標変換部と、電圧指令とγδ軸電流から推定位置誤差を生成する位置誤差推定部と、推定位置誤差から推定位置と推定速度を生成する位置速度推定部とを備える交流モータ制御装置において、指令速度と推定位置と推定速度からγ軸補正電流と速度制御ゲイン調整パラメータと位置速度推定ゲイン調整パラメータを生成するサーボロック調整部と、γ軸補正電流をγ軸指令電流に加算し新たなγ軸指令電流を生成する加算器と、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、位置センサを用いずに速度あるいは位置を制御する交流モータ制御装置とその制御方法に関する。

従来の位置センサを用いずに速度あるいは位置を制御する交流モータの制御装置は、位置誤差に関する誤差量をモータ電流から推定し、その推定された誤差量がゼロになるように位置速度を推定している（例えば、非特許文献１参照）。また、位置誤差をモータ電流と電圧から推定するものもある（例えば、非特許文献２参照）。図９において、７は位置誤差推定部であり、モータ電流とあるいはモータ電流と電圧から位置誤差に関する誤差量を推定する。誤差量は、モータモデルに基づいて構成される状態観測器による推定方法や回転子磁極位置と基準磁極位置との偏差に関係するインピーダンスやインダクタンス偏差に基づく推定方法により推定される。８は位置速度推定部であり、７で推定された誤差量がゼロになるように位置と速度を推定するものである。図１０において、８１は比例積分制御器あるいはフィルタなどで構成される速度推定部で、その出力は速度推定値となる。８２は積分器であり、速度推定値を積分して位置推定値を演算するものである。位置速度推定部で推定された速度ωｅｓｔと指令速度ωｒｅｆの偏差をゼロにするように速度制御部６にてトルク指令値あるいは指令電流を演算する。図９の速度制御器の外に位置推定値と位置指令値との偏差ゼロにするように速度指令値を演算する位置制御器９を付加すると図１１の位置制御装置となる。
このように、従来の位置センサを用いずに速度あるいは位置を制御する交流モータの制御装置は、速度推定値と位置推定値をフィードバックして、位置センサ付きで制御するのと同様に速度制御あるいは位置制御を実施するのである。
IEEE Transactions on Industry Applications、VOL. 39.、 No. 3、May/June ２００３、ｐ．７６１−７６７（P. ７６４、図４） 電気学会論文誌産業応用部門誌２００２年７月号掲載、「推定位置誤差情報を利用したＩＰＭＳＭの位置・速度センサレス制御」、p．７２２−７２９（ｐ．７２４、図３、ｐ．７２６、図６）

従来の位置センサを用いずに速度あるいは位置を制御する交流モータの制御装置は、
位置速度推定部がいわゆるフェーズロックループとなっていて、その応答性は全体の制御の応答性を左右するものである。したがって、位置誤差推定部で推定される誤差量にリプル等が存在する場合は、位置速度推定部の制御ゲインを下げて、位置および速度制御部の制御ゲインも連動して下げなければトルクリプルや速度リプルを発生させ不安定になることになる。制御ゲインを下げる結果、制御系全体の制御応答を下げてしまうという問題があった。特に位置誤差推定部で推定される誤差量のリプルが大きくなるのは、速度がゼロ近辺の状態であり、その理由はモータを駆動する電圧が低下するため、誤差を推定するために用いるモータ電圧のＳ/Ｎ比の低下やモータ電流のリプルがインバータのデットタイムの影響で増加するためである。すなわち、ゼロ速度時や位置決め制御時などモータを停止させる状態の安定性を考慮すると、それですべての運転状態の制御応答が決定されてしまうという問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、位置センサを用いずにゼロ速度制御または位置決め制御時に速度とトルクのリプルを低減でき、安定にモータを停止させるとともに、通常制御時の制御応答性を維持することができる交流モータ制御装置とその制御方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、指令速度と推定速度からδ軸指令電流を生成する速度制御部と、γδ軸指令電流とγδ軸電流から電圧指令を生成する電流制御部と、電圧指令を推定位置で座標変換しＰＷＭ変調して電力増幅するインバータと、モータ電流を前記推定位置で座標変換し前記γδ軸電流を生成する座標変換部と、前記電圧指令と前記γδ軸電流から推定位置誤差を生成する位置誤差推定部と、前記推定位置誤差から前記推定位置と前記推定速度を生成する位置速度推定部と、を備える交流モータ制御装置において、前記指令速度と前記推定位置と前記推定速度からγ軸補正電流と速度制御ゲイン調整パラメータと位置速度推定ゲイン調整パラメータを生成するサーボロック調整部と、前記γ軸補正電流をγ軸指令電流に加算し新たなγ軸指令電流を生成する加算器と、を備えることを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の交流モータ制御装置において、指令位置と推定位置から速度指令を生成する位置制御部を備え、前記サーボロック調整部は、前記指令位置と前記指令速度と前記推定位置と前記推定速度から位置制御ゲイン調整パラメータを生成することを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１記載の交流モータ制御装置において、前記γ軸補正電流は、強め界磁電流であることを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項１記載の交流モータ制御装置において、前記サーボロック調整部は、前記指令速度と前記推定位置と前記推定速度からモータ停止状態を判断する停止状態判断部と、停止状態と判断したときにトリガを生成するトリガ生成部と、前記トリガにより前記γ軸補正電流と位置速度推定ゲイン調整パラメータと速度制御ゲイン調整パラメータを変更するパラメータ変更部と、前記パラメータを所定の時間で緩やかに切替えるソフト切替部とを備えることを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、請求項１記載の交流モータ制御装置において、前記停止状態判断部は、前記指令速度が零で前記推定速度の絶対値が所定値以下で前記推定位置の変化量の絶対値が所定値以下であるときに停止状態と判断することを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明は、指令速度と推定速度からδ軸指令電流を生成する速度制御部と、γδ軸指令電流とγδ軸電流から電圧指令を生成する電流制御部と、電圧指令を推定位置で座標変換しＰＷＭ変調して電力増幅するインバータと、モータ電流を前記推定位置で座標変換し前記γδ軸電流を生成する座標変換部と、前記電圧指令と前記γδ軸電流から推定位置誤差を生成する位置誤差推定部と、前記推定位置誤差から前記推定位置と前記推定速度を生成する位置速度推定部と、を備える交流モータ制御装置の制御方法において、前記指令速度が零で前記推定速度の絶対値が所定値以下で前記推定位置の変化量の絶対値が所定値以下であるときに停止状態と判断するステップと、停止状態と判断したときはγ軸補正電流と速度制御ゲイン調整パラメータと位置速度推定ゲイン調整パラメータを第１所定値に設定するステップと、停止状態でないと判断したときはγ軸補正電流と速度制御ゲイン調整パラメータと位置速度推定ゲイン調整パラメータを第２所定値に設定するステップと、前記パラメータを所定の時間をかけて緩やかに切替えるステップと、を備えることを特徴とするものである。

請求項１乃至３に記載の発明によると、位置センサを用いずに安定にモータを停止させる交流モータ制御装置を提供できる。
また、請求項４に記載の発明によると、ゼロ速度制御状態と通常制御状態とを自動的に検出し、状態に応じて制御ゲインを調整するため、ゼロ速度制御時に速度とトルクリプルを低減でき、安定にモータを停止させるとともに、通常制御時の制御応答性を維持す交流モータ制御装置を提供できる。
また、請求項３に記載の発明によると、位置センサを用いずに位置決め制御時に速度とトルクリップルを低減でき、安定にモータを停止させる交流モータ制御装置を提供できる。
また、請求項４および５に記載の発明によると、位置決め制御状態と通常制御状態とを自動的に検出し、状態に応じて制御ゲインを調整するため、ゼロ速度制御時に速度とトルクリプルを低減でき、安定にモータを停止させるとともに、通常制御時の制御応答性を維持する交流モータ制御装置を提供できる。
また、請求項６に記載の発明によると、位置センサを用いずに安定にモータを停止させる交流モータ制御装置の制御方法が提供できる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の交流モータ制御装置の第１の実施例を示す制御ブロック図である。図１において、１はモータ、２は電流検出器、３はインバータ、４は座標変換部、５は電流制御部、６０は速度制御部、７は位置誤差推定部、８０は位置速度推定部、１０はサーボロック調整部、５０、５２、６１は加算器である。位置誤差推定部７は、モータ電流とあるいはモータ電流と電圧から位置誤差を推定する。誤差量は、モータモデルに基づいて構成される状態観測器による推定方法や回転子磁極位置と基準磁極位置との偏差に関係するインピーダンスやインダクタンス偏差に基づく推定方法により推定される。位置速度推定部８０は、位置誤差推定部７で推定された誤差量がゼロになるように位置と速度を推定する。位置速度推定部７で推定された速度ωｅｓｔと指令速度ωｒｅｆの偏差をゼロにするように速度制御部６にてトルク指令値あるいは指令電流を演算する。サーボロック調整部１０は、推定位置θｅｓｔと推定速度ωｅｓｔと指令速度ωｒｅｆからモータが停止する状態にあることを判別し、モータ磁極方向に指令電流ΔＩγ、位置速度推定部８０の推定ゲイン調整パラメータＷθ、 速度制御ゲイン調整パラメータＷvを生成する。本発明が従来技術と異なる部分は、サーボロック調整部１０を備えた部分である。

次に本発明の動作について説明する。図２に示すように、モータ停止検出部１０１にて、式（１）の判別条件に基づき、零速度制御状態（モード１）か通常制御状態（モード２）かを判別する。

ここで、a、bは制御状態を判断する閾値である。モード１の場合、トリガ信号生成部１０２によりパラメータ変更部１０３に指令パラメータを変更するようトリガをかける。パラメータ変更部１０３は予め設定していたΔＩγ、Ｗθ、Ｗvの指令値を出力する。ソフト切替部１０４は、ΔＩγ、Ｗθ、Ｗvの指令値に達する時間を調整し、急激な制御ゲイン調整によるショックを防止するものである。モード１からモード２に移る際、同様にトリガ信号生成部１０２によりパラメータ変更部１０３に変更を止めるようトリガをかける。図３は、動作タイムチャート変更を示すものである。ΔＩγは加算器５０にてモータの界磁成分指令電流値に加算され、磁束を強める方向に電流を指令する。モータ停止状態では直流電流がモータに流れる。図４に示すようにこの状態では回転子は磁束位置に拘束されることとなる。ΔＩγの大きさはモータ定格電流より低く設定されるが、停止状態の負荷条件により設定値の大きさを考慮する。また、永久磁石モータの場合、強め界磁をすると磁石の減磁することがあるので予め磁石特性を考慮して設定する。回転子の拘束により、後述の制御ゲイン調整による制御部の耐負荷性低下を補うことできる。ΔＩγが指令変更値に達した後にＷθ、Ｗvは、変更値へと増加する。本実施例ではＷθ、Ｗvの指令値が０．８とし、それぞれの制御部の応答性を２０％低下させる例を示す。図１０で示した従来の位置速度推定部に対して、図５のゲイン調整部８３を付加することにより、モード１とモード２のゲイン調整を自動で実施されることになり、モード１では制御応答が２０％低下し、速度およびトルク制御ループのカットオフ周波数も２０％低下するため、速度やトルクのリップル等の影響をその分除去することができる。速度制御部６０もゲイン調整部８３と同様なゲイン調整部を付加しており、ゲイン調整が自動で実施されることになる。モード２に移行する場合は、ΔＩγを維持した状態でＷθ、Ｗvの方を先に下げることにより、ゲイン調整時の回転子変動を防止することができる。

図６は第２実施例の構成を示す図である。実施例１に対し、位置制御部９０を付加し位置制御装置を構成している。図６において、位置誤差推定部７は、モータ電流とあるいはモータ電流と電圧から位置誤差に関する誤差量を推定する。誤差量は、モータモデルに基づいて構成される状態観測器による推定方法や回転子磁極位置と基準磁極位置との偏差に関係するインピーダンスやインダクタンス偏差に基づく推定方法により推定される。８０は位置速度推定部であり、７で推定された誤差量がゼロになるように位置と速度を推定するものである。位置速度推定部で推定された推定速度ωｅｓｔと指令速度ωｒｅｆの偏差をゼロにするように速度制御部６にてトルク指令値あるいは指令電流を演算する。サーボロック調整部１１は、推定位置θｅｓｔと指令位置θｒｅｆと推定速度ωｅｓｔと指令速度ωｒｅｆからモータが位置決め制御状態にあることを判別し、モータ磁極方向に直流電流を流すγ軸補正電流ΔＩγ、位置速度推定部８０の制御ゲインを調整するパラメータＷθ、 速度制御部の制御ゲイン調整パラメータＷv、位置制御ゲイン調整パラメータＷpを生成する。本発明が従来技術と異なる部分は、サーボロック調整部１１を備えた部分である。
次に動作について説明する。図７に示すように、モータ停止検出部１１１にて、式（２）の判別条件に基づき、位置決め制御状態（モード１）か通常制御状態（モード２）かを判別する。

ここで、a、b、cは制御状態を判断する閾値である。モード１の場合、トリガ信号生成部１１２によりパラメータ変更部１１３に指令を出すようトリガをかける。パラメータ変更部１１３は予め設定していたΔＩγ、Ｗθ、Ｗv、Ｗpのパラメータに変更する。補償ソフト切替部１１４は、ΔＩγ、Ｗθ、Ｗv、Ｗpの変更値に達する時間を調整し、急激な制御ゲイン調整によるショックを防止する。モード１からモード２に移る際、同様にトリガ信号発生部１１２により指令発生部１１３に指令を止めるようトリガをかける。図８は、動作タイムチャートを示すものである。ΔＩγ、Ｗθ、Ｗv、Ｗpの調整方法は実施例１と同様である。

このように、ゼロ速度制御状態（あるいは位置決め制御状態）と通常制御状態とを自動的に検出し、状態に応じて制御ゲインを調整する構成をしているので、ゼロ速度制御時に速度とトルクリプルを低減でき、安定にモータを停止させるとともに、通常制御時の制御応答性を維持することができる。
図１２は、本は罪の交流モータ制御装置の制御方法を示すフローチャートである。図１２において、ステップＳＴ１で指令速度が零であればステップＳＴ２に零でなければステップＳＴ５に移動する。ステップＳＴ２では推定位置の制御時間あたりの変化量が所定値ａ以下であるかどうか判断する。ａ以下であらばステップＳＴ３へ、ａ以上であればステップＳＴ５に移動する。ステップＳＴ３では推定速度が所定値ｂ以下かどうか判断する。ｂ以下であればステップＳＴ４へ、以上であればステップＳＴ５に移動する。ステップＳＴ４ではパラメータを第１所定値に変更し、ステップＳＴ５では第２所定値に変更する。ステップＳＴ６では、パラメータを所定の時間かけれ緩やかに変更する。

サーボロック調整部において、位置速度推定部の調整ゲインＷθをゼロにすることによって、位置センサ付きにおいてもゼロ速度制御あるいは位置決め制御時に速度とトルクリップルを低減でき、安定にモータを停止させることができるので、位置センサの分解能の低い、あるいは位置検出値にノイズが含まれる場合にも適用できる。

本発明の第１実施例を示す交流モータの制御装置の制御ブロック図 本発明のサーボロック調整部の制御ブロック図 本発明のサーボロック調整部の動作を示すチャート図 ΔＩγをモータに流したときの回転子拘束状態を説明する図 本発明のゲイン調整付き位置速度推定部の制御ブロック図 第２実施例を示す交流モータの制御装置の制御ブロック図 本発明のサーボロック調整部の制御ブロック図 本発明のサーボロック調整部の動作を示すチャート図 従来の交流モータの制御装置の制御ブロック図（速度制御） 従来の位置速度推定部の制御ブロック図 従来の交流モータの制御装置の制御ブロック図（位置制御） 本発明の交流モータの制御装置の制御方法を示すフローチャート

符号の説明

１ モータ
２ 電流検出部
３ インバータ
４ 座標変換部
５ 電流制御部
６、６０ 速度制御部
７ 位置誤差推定部
８、８０ 位置速度推定部
８１ 速度推定部
８２ 積分器
８３ 制御ゲイン調整部
９、９０ 位置制御部
１０、１１ サーボロック調整部
５０、５１、５２、６１、９１ 減算部
１０１、１１１ モータ停止検出部
１０２、１１２ トリガ信号発生部
１０３、１１３ 指令発生部
１０４、１１４ 遅れ時間調整部

Claims (6)

1. 指令速度と推定速度からδ軸指令電流を生成する速度制御部と、γδ軸指令電流とγδ軸電流から電圧指令を生成する電流制御部と、電圧指令を推定位置で座標変換しＰＷＭ変調して電力増幅するインバータと、モータ電流を前記推定位置で座標変換し前記γδ軸電流を生成する座標変換部と、前記電圧指令と前記γδ軸電流から推定位置誤差を生成する位置誤差推定部と、前記推定位置誤差から前記推定位置と前記推定速度を生成する位置速度推定部と、を備える交流モータ制御装置において、
   前記指令速度と前記推定位置と前記推定速度からγ軸補正電流と速度制御ゲイン調整パラメータと位置速度推定ゲイン調整パラメータを生成するサーボロック調整部と、
   前記γ軸補正電流をγ軸指令電流に加算し新たなγ軸指令電流を生成する加算器と、
   を備えることを特徴とする交流モータ制御装置。
2. 指令位置と推定位置から速度指令を生成する位置制御部を備え、
   前記サーボロック調整部は、前記指令位置と前記指令速度と前記推定位置と前記推定速度から位置制御ゲイン調整パラメータを生成することを特徴とする請求項１記載の交流モータ制御装置。
3. 前記γ軸補正電流は、強め界磁電流であることを特徴とする請求項１記載の交流モータ制御装置。
4. 前記サーボロック調整部は、前記指令速度と前記推定位置と前記推定速度からモータ停止状態を判断する停止状態判断部と、停止状態と判断したときにトリガを生成するトリガ生成部と、前記トリガにより前記γ軸補正電流と位置速度推定ゲイン調整パラメータと速度制御ゲイン調整パラメータを変更するパラメータ変更部と、前記パラメータを所定の時間で緩やかに切替えるソフト切替部とを備えることを特徴とする請求項１記載の交流モータ制御装置。
5. 前記停止状態判断部は、前記指令速度が零で前記推定速度の絶対値が所定値以下で前記推定位置の変化量の絶対値が所定値以下であるときに停止状態と判断することを特徴とする請求項１記載の交流モータ制御装置。
6. 指令速度と推定速度からδ軸指令電流を生成する速度制御部と、γδ軸指令電流とγδ軸電流から電圧指令を生成する電流制御部と、電圧指令を推定位置で座標変換しＰＷＭ変調して電力増幅するインバータと、モータ電流を前記推定位置で座標変換し前記γδ軸電流を生成する座標変換部と、前記電圧指令と前記γδ軸電流から推定位置誤差を生成する位置誤差推定部と、前記推定位置誤差から前記推定位置と前記推定速度を生成する位置速度推定部と、を備える交流モータ制御装置の制御方法において、
   前記指令速度が零で前記推定速度の絶対値が所定値以下で前記推定位置の変化量の絶対値が所定値以下であるときに停止状態と判断するステップと、
   停止状態と判断したときはγ軸補正電流と速度制御ゲイン調整パラメータと位置速度推定ゲイン調整パラメータを第１所定値に設定するステップと、
   停止状態でないと判断したときはγ軸補正電流と速度制御ゲイン調整パラメータと位置速度推定ゲイン調整パラメータを第２所定値に設定するステップと、
   前記パラメータを所定の時間をかけて緩やかに切替えるステップと、
   を備えることを特徴とする交流モータ制御装置の制御方法。