JP2008079489A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石同期電動機の永久磁石のＮＳ判別を短時間で行うことができるモータ制御装置を提供する。
【解決手段】本発明のモータ制御装置は、ｄ軸電流指令に対して、正負対称に交互に切り替わる一定波形のｄ軸直流バイアス電流を重畳し、このバイアス重畳後のｄ軸電流指令をｄｑ軸電流制御部１３に入力してｄｑ軸電圧指令を求め、ｄ軸直流バイアス電流の正負切替タイミングにおけるｄ軸印加電圧とｄ軸電流変化率とを算定し、算定したｄ軸印加電圧とｄ軸電流変化率との関係から永久磁石のＮ極Ｓ極の方向を判別する。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石同期電動機の回転をセンサレス制御するモータ制御装置に関する。

従来、永久磁石同期電動機の制御方式は、高精度で安定なトルク制御を実現するために回転子位置センサをモータ軸端に取り付け、その位置情報をもとに電流制御を行うのが一般的であった。ところが近年、この回転子位置センサなしに、電圧電流の電気的な情報を用いて同等の高精度安定なトルク制御を行ういわゆるセンサレス制御が盛んに研究されている。

このセンサレス制御を行うモータ制御装置では、永久磁石同期電動機が高速に回転しているときには回転子内の永久磁石に起因して発生する誘起電圧をもとに回転子位置を推定する。しかしながら、このモータ制御装置では、ゼロ速度や誘起電圧の低い極低速では誘起電圧情報に基づく位置推定は原理的にできない。

そこで、特許第３４０１１５５号公報（特許文献１）に開示されている同期電動機制御装置及び電気車の技術では、回転子磁気突極性を利用して回転子位置を推定するようにしている。図５は、この従来のモータ制御装置の機能構成を示しており、電流制御部１０３ａとｄｑ変換部１０５ａと３相変換部１０６ａと磁極位置推定部１０８ａと、電流検出器１０４と、インバータ１０７を含み構成されている。

この従来のモータ制御装置では、電流制御部１０３ａと３相変換部１０６ａと電力変換器１０７とを介して、停止している同期電動機１０１の回転座標ｄ軸方向に交流電流指令ｉｄ１^＊に対応した電力を印加し、該交流電流指令ｉｄ１^＊によって発生し電流検出器１０４とｄｑ変換部１０５ａとを介して帰還検出した回転座標ｑ軸方向の電流ｉｑ’の振幅値と、別途求めて与える同期電動機１０１の磁極位置推定値θ∧とを用いて収斂演算を実行し、収斂した磁極位置推定値θ∧を同期電動機１０１の磁極位置の真値として推定する。

ところが、このような従来のモータ制御装置では、高周波電圧又は高周波電流を印加し、その応答としての高周波電流から回転子位置を推定することにより、磁石と水平方向（ｄ軸）か垂直方向（ｑ軸）かの判別を行うことができるが、同じｄ軸でも、永久磁石のＮ極の向きかＳ極の向きかは判別できない。

これに対して、特許文献１においては、ｄ軸にバイアス成分を有する交流電圧指令を印加してこれによって流れる電動機電流の交流振幅の大きさからＮＳ判別を行うことが記載されている。しかしながら、実際にこの方法を実験で確認してみると、磁気飽和によって発生するわずかな交流振幅の違いを精度よく判別するために比較的長い時間の間の平均振幅を算出することが必要となり、ＮＳ判別を完了するまでの時間が長くかかってしまう。電気自動車や鉄道車両用途など、制御開始してからＮＳ判別まで含めて磁極位置推定を完了するまでの時間を極力短くすることが要求される（アクセルを踏んでから実際に加速し始めるまでのタイムラグを極力短くしたい）用途においては、要求仕様を満足できない場合がある問題点があった。
特許第３４０１１５５号公報

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、ＮＳ判別を極力短時間で行うことができるモータ制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、直流電力を交流電力に変換してモータ電力とし、磁気突極性を有する永久磁石同期電動機に給電するインバータを制御することで前記永久磁石同期電動機を制御するモータ制御装置において、前記インバータから永久磁石同期電動機へのモータ電流を検出する交流電流検出器と、前記交流電流検出器の検出した交流電流検出値をｄｑ軸変換してｄ軸電流検出値、ｑ軸電流検出値を出力する３相・ｄｑ軸変換部と、ｄ軸電流指令入力、ｑ軸電流指令入力に対して前記ｄ軸電流検出値、ｑ軸電流検出値が追従するようなｄ軸電圧指令、ｑ軸電圧指令を算出するｄｑ軸電流制御部と、前記ｄ軸電圧指令、ｑ軸電圧指令を３相交流電圧指令に変換して前記インバータに制御信号として与えるｄｑ軸・３相変換部と、前記ｄ軸電圧指令に補助的な交流交番電圧を重畳する磁極位置推定用交流交番電圧発生部と、前記ｑ軸電流検出値と前記補助的な交流交番電圧とから前記永久磁石同期電動機の磁極位置を推定する磁極位置推定部と、前記磁極位置推定部で推定した磁極位置の方向を前記ｄ軸とし、前記ｄ軸電流指令に対して、正負対称に交互に切り替わる一定波形のｄ軸直流バイアス電流を加算し、このバイアス加算後のｄ軸電流指令を前記ｄｑ軸電流制御部に入力させるｄ軸電流直流バイアス発生部と、前記ｄ軸直流バイアス電流の正負切替タイミングにおけるｄ軸印加電圧とｄ軸電流変化率とを算定し、算定したｄ軸印加電圧とｄ軸電流変化率との関係から前記永久磁石同期電動機の永久磁石のＮ極Ｓ極の方向を判別し、ＮＳ判別信号を出力するＮＳ判別部とを有することを特徴とするものである。

本発明のモータ制御装置によれば、ｄ軸電流指令に対して、正負対称に交互に切り替わる一定波形のｄ軸直流バイアス電流を重畳し、このバイアス重畳後のｄ軸電流指令をｄｑ軸電流制御部に入力してｄｑ軸電圧指令を求め、ｄ軸直流バイアス電流の正負切替タイミングにおけるｄ軸印加電圧とｄ軸電流変化率とを算定し、算定したｄ軸印加電圧とｄ軸電流変化率との関係から永久磁石のＮ極Ｓ極の方向を判別するので、最速で正負１サイクルのバイアス電流の重畳期間だけでＮＳ判定ができ、ＮＳ判別を短時間で行うことができる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。図１は、本発明の１つの実施の形態のモータ制御装置の制御ブロック図を示している。本実施の形態のモータ制御装置は、インバータ制御部１、このインバータ制御部１にてゲート制御され、直流電源２ａを所定の周波数、電圧の交流に変換するインバータ２、このインバータ２の交流出力にて回転駆動される永久磁石同期電動機３から構成される。

そしてインバータ制御部１は、減算器１１，１２、ｄ軸電流制御部１３、ｑ軸電流制御部１４、ｄｑ・３相変換部１５、３相・ｄｑ軸変換部１６、モータ電流を検出する交流電流検出器１７を備えている。さらにインバータ制御部１は、本発明の特徴として、磁極位置推定用交流交番電圧発生部２１、加算器２２、磁極位置推定部２３、ｄ軸電流正負直流バイアス発生部２４、加算器２５、そしてＮＳ判別部２６を備えている。

上記構成のモータ制御装置は、次のように動作する。加算器２５では、ｄ軸電流指令入力に対して、後述する処理によりｄ軸電流正負直流バイアス発生部２４からのｄ軸電流正負直流バイアスｉ_ｂｙｓを加算し、加算後の電流指令をｄ軸電流指令ｉｄ^＊＊として出力する。

交流電流検出器１７はインバータ２から永久磁石同期電動機３に供給されるモータ電流を検出して３相・ｄｑ変換部１６に出力し、この３相・ｄｑ変換部１６は３相交流電流検出値をｄ軸電流検出値ｉｄ’、ｑ軸電流検出値ｉｑ’に変換してそれぞれ減算器１１、１２に帰還値として出力する。減算器１１では加算器２５からの補正後のｄ軸電流指令ｉｄ^＊＊に対してｄ軸電流検出値ｉｄ’を減算し、電流差分をｄ軸電流制御部１３に出力する。減算器１２ではｑ軸電流指令ｉｑ^＊からｑ軸電流検出値ｉｑ’を減算し、電流差分をｑ軸電流制御部１４に出力する。

ｄ軸電流制御部１３、ｑ軸電流制御部１４はｄ軸電圧指令ｖｄ^＊、ｑ軸電圧指令ｖｑ^＊を求めてｄｑ・３相変換部１５に与える。ｄｑ・３相変換部１５は、ｄ軸電圧指令ｖｄ^＊、ｑ軸電圧指令ｖｑ^＊に基づいてインバータ２に３相電圧指令Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊を出力する。インバータ２は、ｄｑ・３相変換部１５の電圧指令Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊にてＰＷＭ動作し、永久磁石同期電動機３に所定電圧、周波数の３相交流電力を供給する。

こうして、本実施の形態のモータ制御装置では、マスコン等からのノッチ指令に対応するｄ軸電流指令ｉｄ^＊、ｑ軸電流指令ｉｑ^＊にモータ電流ｉｄ’，ｉｑ’が追従するように制御し、永久磁石同期電動機３を回転駆動制御する。

このモータ制御において、車両の停止状態から前進駆動あるいは後進駆動するために永久磁石のＮＳ極位置を判別する必要がある。そのために、本実施の形態のモータ制御装置は、短時間の内にＮＳ磁極位置を判別すべく、次の制御を行う。磁極位置推定用交流交番電圧発生部２１は、例えば５００Ｈｚの交流交番電圧を発生し、加算器２２においてｄ軸電圧ｖｄ^＊に重畳する。磁極位置推定部２３は、磁極位置推定用交流交番電圧発生部２１からの交流交番電圧と、推定ｑ軸方向のｑ軸電流検出値ｉｑ’とを入力とし、交流交番電圧に対して９０度位相遅れで、交流交番電圧と同一周波数である５００Ｈｚのｑ軸電流検出値成分をフーリエ級数展開などの方法を用いて算出し、その成分振幅がゼロとなるように磁極位置推定値θ∧を補正演算する。

ｄ軸電流正負直流バイアス発生部２４は、図２又は図３に示すｄ軸電流波形のように一定の電流変化率で上昇・下降するｄ軸電流バイアスｉ_ｂｙｓを発生し、加算器２５にてｄ軸電流指令ｉｄ^＊に重畳し、ｄ軸電流指令ｉｄ^＊＊とする。ｄ軸電流制御部１３、ｑ軸電流制御部１４は、ｄｑ各軸の電流検出値ｉｄ’，ｉｑ’がｄｑ各軸の電流指令値ｉｄ^＊＊，ｉｑ^＊に追従するように比例積分制御などの一般的なフィードバック制御の手法に則って電流制御演算を行い、ｄｑ各軸の電圧指令ｖｄ^＊，ｖｑ^＊を得、出力する。

ＮＳ判別部２６は、ｄ軸電流制御部１３の出力であるｄ軸電圧ｖｄ^＊と、ｄ軸電流正負直流バイアス発生部２４の発生するｄ軸電流正負直流バイアス電流ｉ_ｂｙｓとを入力として、図２又は図３に示すように、正に増加させているときのｄ軸電圧ｖｄ^＊の大きさＳｄ^＋と負に減少させているときのｄ軸電圧ｖｄ^＊の大きさＳｄ⁻とを比較し、前者が小さい（Ｓｄ^＋＜Ｓｄ⁻）ときには図２に示すようにＮＳ判別中のｄ軸正側がＮ極、後者が小さい（Ｓｄ^＋＞Ｓｄ⁻）ときには図３に示すようにＮＳ判別中のｄ軸正側がＳ極と判別し、ＮＳ極性を含めた真のｄｑ軸を決定してその後のトルク制御を開始する。

これは、図４のグラフに示すように、永久磁石同期電動機３におけるｄ軸電流とｄ軸インダクタンスの関係から、ｄ軸の方向にＮ極が揃うと磁気飽和によってｄ軸電流の増加によってもｄ軸インダクタンスは低下する特性を反映させた判別原理に基づいている。

尚、図２、図３のように一定時間正側又は負側にバイアス電流を保つのは、この安定状態において磁極位置推定を正確に実施し、ｄｑ軸のずれがない状態でＮＳ判別ができるようにするのが目的であり、電気自動車、電車などのように必ずしも完全に回転していない状態でのみ起動するとは限らない用途においては不可欠な動作である。

このようにして本実施の形態のモータ制御装置では、ｄ軸電流指令ｉｄ^＊に対して、正負対称に交互に切り替わる一定波形のｄ軸直流バイアス電流ｉ_ｂｙｓを重畳し、このバイアス重畳後のｄ軸電流指令ｉｄ^＊＊をｄ軸電流制御部１３に入力してｄ軸電圧指令Ｖｄ^＊を求め、ｄ軸直流バイアス電流の正負切替タイミングにおけるｄ軸印加電圧とｄ軸電流変化率とを算定し、算定したｄ軸印加電圧とｄ軸電流変化率との関係から永久磁石のＮ極Ｓ極の方向を判別するので、最速で正負１サイクルのバイアス電流の重畳期間だけでＮＳ判定ができ、ＮＳ判別を短時間で行うことができる。

本発明の１つの実施の形態のモータ制御装置の制御ブロック図。 上記実施の形態においてＮ極が正側にあった場合の電圧波形応答図。 上記実施の形態においてＳ極が正側にあった場合の電圧波形応答図。 永久磁石同期電動機におけるｄ軸電流に対するｄ軸インダクタンスの変化特性を示すグラフ。 従来例のモータ制御装置の制御ブロック図。

符号の説明

１ インバータ制御部
２ インバータ
３ 永久磁石同期電動機
１１，１２ 減算器
１３ ｄ軸電流制御部
１４ ｑ軸電流制御部
１５ ｄｑ・３相変換部
１６ ３相・ｄｑ変換部
１７ モータ電流検出器
２１ 磁極位置推定用交流交番電圧発生部
２２ 加算器
２３ 磁極位置推定部
２４ ｄ軸電流正負直流バイアス発生部
２５ 加算器
２６ ＮＳ判別部

Claims (3)

1. 直流電力を交流電力に変換してモータ電力とし、磁気突極性を有する永久磁石同期電動機に給電するインバータを制御することで前記永久磁石同期電動機を制御するモータ制御装置において、
   前記インバータから永久磁石同期電動機へのモータ電流を検出する交流電流検出器と、
   前記交流電流検出器の検出した交流電流検出値をｄｑ軸変換してｄ軸電流検出値、ｑ軸電流検出値を出力する３相・ｄｑ軸変換部と、
   ｄ軸電流指令入力、ｑ軸電流指令入力に対して前記ｄ軸電流検出値、ｑ軸電流検出値が追従するようなｄ軸電圧指令、ｑ軸電圧指令を算出するｄｑ軸電流制御部と、
   前記ｄ軸電圧指令、ｑ軸電圧指令を３相交流電圧指令に変換して前記インバータに制御信号として与えるｄｑ軸・３相変換部と、
   前記ｄ軸電圧指令に補助的な交流交番電圧を重畳する磁極位置推定用交流交番電圧発生部と、
   前記ｑ軸電流検出値と前記補助的な交流交番電圧とから前記永久磁石同期電動機の磁極位置を推定する磁極位置推定部と、
   前記磁極位置推定部で推定した磁極位置の方向を前記ｄ軸とし、前記ｄ軸電流指令に対して、正負対称に交互に切り替わる一定波形のｄ軸直流バイアス電流を加算し、このバイアス加算後のｄ軸電流指令を前記ｄｑ軸電流制御部に入力させるｄ軸電流直流バイアス発生部と、
   前記ｄ軸直流バイアス電流の正負切替タイミングにおけるｄ軸印加電圧とｄ軸電流変化率とを算定し、算定したｄ軸印加電圧とｄ軸電流変化率との関係から前記永久磁石同期電動機の永久磁石のＮ極Ｓ極の方向を判別し、ＮＳ判別信号を出力するＮＳ判別部とを有することを特徴とするモータ制御装置。
2. 請求項１に記載のモータ制御装置において、
   前記ｄ軸直流バイアス電流の正負切替の間に、前記補助的な交流交番電圧の一周期以上の時間、当該ｄ軸直流バイアス電流を一定に保つ期間を設けることを特徴とするモータ制御装置。
3. 請求項１に記載のモータ制御装置において、
   前記ｄ軸直流バイアス電流の正負切替時の変化率は一定であり、
   前記ＮＳ判別部は、前記ｄ軸直流バイアス電流が負から正に切り替わる時のｄ軸電圧と正から負に切り替わる時のｄ軸電圧との絶対値の大小比較により前記磁石のＮ極Ｓ極の方向を判別することを特徴とするモータ制御装置。

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