JP2009290962A - 永久磁石形同期電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各種の永久磁石形同期電動機を対象として、あらゆる速度範囲において一様な磁束推定応答を得ることができる制御装置を提供する。
【解決手段】磁束オブザーバ２１を用いて永久磁石形同期電動機１の磁束推定値を演算する手段と、磁束推定値を用いて電動機１の速度を推定する速度推定器２３と、磁極位置を推定する磁極位置演算器２４とを備え、磁束オブザーバ２１は、電動機１の電流検出値、電圧指令値、磁束推定値及び速度推定値と、電流推定値と電流検出値との偏差とオブザーバゲインとの積と、から電流推定値及び磁束推定値を演算し、オブザーバゲインを、電流実際値から電流推定値までの伝達関数の特性方程式の第１の固有角周波数と、磁束実際値から磁束推定値までの伝達関数の特性方程式の第２の固有角周波数と、速度推定値とを用いて、オブザーバゲイン設定器２５により演算する。
【選択図】図３

Description

本発明は、永久磁石形同期電動機の制御装置において、回転子の磁極位置を検出するための磁極位置検出器を用いずに運転する、いわゆる位置センサレス制御技術に関するものである。

永久磁石形同期電動機（ＰＭＳＭ）の制御装置をコストダウンするために、磁極位置検出器を不要にした位置センサレス制御が実用化されている。この位置センサレス制御は、電動機の端子電圧や電機子電流の情報から回転子の磁極位置と速度とを演算し、これらに基づいて電流制御を行うことで、トルク制御や速度制御を実現するものである。

この種の位置センサレス制御技術の一つに、非特許文献１に記載されている如く、磁束オブザーバを用いて磁束推定値を演算し、この磁束推定値から磁極位置及び速度を演算する方法がある。
磁束オブザーバを用いた方法では、オブザーバゲインが磁束推定応答やオブザーバの安定性を決定するため、オブザーバゲインの設計指針を明確にする必要がある。このため、非特許文献１では、オブザーバの極が電動機固有の極のｋ倍（ｋは実数）となるようにオブザーバゲインを設定している。
このオブザーバゲイン設定方法では、電動機固有の極が、複素平面上の実数部が負値の領域（安定領域）に存在することを利用しており、これをｋ倍した極も安定領域に存在するので、制御系を安定化することができる。

電動機固有の極は、電動機の抵抗、インダクタンス、速度の関数となるので、抵抗、インダクタンスによって複素平面上における電動機固有の極の配置が異なり、また、速度に応じて電動機固有の極が複素平面上を移動する。従って、非特許文献１の方法では、制御対象である電動機や運転速度によって、磁束推定応答の特性が変化するという問題がある。

これに対し、特許文献１には、非特許文献１によるオブザーバゲイン設定方法を用いたときに、高速領域で磁束推定応答が振動的になることが指摘されている。この点に鑑み、特許文献１には、高速領域まで、応答性が高く、しかも振動が少ない磁束推定応答が得られるようなオブザーバゲインの設定方法が開示されている。

楊耕，富岡理知子，中野求，金東海，「適応オブザーバによるブラシレスＤＣモータの位置センサレス制御」，電気学会論文誌Ｄ，１１３巻５号，５７９〜５８６頁，１９９３年 特許第４０３２８４５号公報（請求項１、段落［００３５］〜［００４３］，［００１７］〜［００２０］、図１，図２等）

特許文献１に記載されたオブザーバゲイン設定方法では、速度適応同定部の積分ゲインなど、ゲインの一部に調整要素が存在するため、これを実験などによって最適調整する必要がある。また、特許文献１は表面磁石形同期電動機（ＳＰＭＳＭ）を対象としたオブザーバゲイン設定方法に関するものであり、上記設定方法を埋込磁石形同期電動機（ＩＰＭＳＭ）に適用した場合に不安定化する恐れもある。

そこで、本発明の解決課題は、表面磁石形、埋込磁石形など各種の永久磁石形同期電動機を対象として、あらゆる速度範囲において一様な磁束推定応答を得ることができる制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機制御装置において、
前記電動機の電流、電圧、磁束をベクトルとしてとらえ、
磁束オブザーバを用いて前記電動機の磁束推定値を演算する手段と、
前記磁束推定値を用いて前記電動機の速度推定値と磁極位置推定値とを演算する手段と、を備え、
前記磁束オブザーバは、
前記電動機の電流検出値、電圧指令値、前記磁束推定値及び前記速度推定値と、電流推定値と前記電流検出値との偏差とオブザーバゲインとの積と、から前記電流推定値と前記磁束推定値とを演算し、
前記オブザーバゲインを、
電流実際値から前記電流推定値までの伝達関数の特性方程式の第１の固有角周波数と、
磁束実際値から前記磁束推定値までの伝達関数の特性方程式の第２の固有角周波数と、
前記速度推定値と、を用いて演算するものである。
本発明によれば、磁束オブザーバの極配置を永久磁石形同期電動機の抵抗、インダクタンス、速度によらず、第１及び第２の固有角周波数によって決まる定位置にできるため、表面磁石形、埋込磁石形など各種の永久磁石形同期電動機に対してあらゆる速度で一様の電流推定応答、磁束推定応答を実現でき、非特許文献１が有する課題を解決することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１におけるオブザーバゲインの演算に当たり、前記第１，第２の固有角周波数及び速度推定値に加えて、電流実際値から電流推定値までの伝達関数の特性方程式の減衰係数を用いるものである。
これにより、請求項１と同様の効果が得られると共に、電流推定系の減衰係数を決めることができるため、応答を安定化させることができる。

請求項３に係る発明は、請求項２に係る制御装置において、減衰係数が１になるようにオブザーバゲインを演算するものである。
これにより、オブザーバゲインの演算量を低減でき、かつ，安定な電流推定応答が実現できる。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載した制御装置において，第１及び第２の固有角周波数の設定方法を具体化したものであり，第１の固有角周波数を第２の固有角周波数よりも大きい値に設定する。
これにより、電流推定応答と磁束推定応答とを非干渉にでき、磁束オブザーバをより安定化することができる。

請求項５に係る発明は、請求項１〜４の何れか１項に記載した制御装置において、第１の固有角周波数の設定方法を具体化したものであり、第１の固有角周波数を演算周期の逆数、または、キャリア周波数に比例する値に設定する。
これにより、キャリア周波数または演算周期の変更に応じて、常に最適な電流推定応答を実現することができる。

請求項６に係る発明は、請求項１〜５の何れか１項に記載した制御装置において、第２の固有角周波数の設定方法を具体化したものであり、第２の固有角周波数を第１の固有角周波数に比例する値に設定する。
これにより、第１の固有角周波数の変更に応じて、常に最適な磁束推定応答を実現することができる。

請求項７に係る発明は、請求項２に記載した制御装置において、埋込磁石形同期電動機を対象としたオブザーバゲインの演算を具体化したものであり、磁束オブザーバを前記数式１により構成し、オブザーバゲインの各要素を前記数式２により演算する。
これにより、埋込磁石形同期電動機において請求項２と同様の効果を奏することができると共に、特許文献１が有する課題を解決することができる。

請求項８に係る発明は、請求項３に記載した制御装置において、
埋込磁石形同期電動機を対象としたオブザーバゲインの演算を具体化したものであり，オブザーバゲインの各要素を前記数式３により演算する。
これにより、埋込磁石形同期電動機において請求項３と同様の効果が達成される。

請求項９に係る発明は、請求項２に記載した制御装置において、表面磁石形同期電動機を対象としたオブザーバゲインの演算を具体化したものであり、磁束オブザーバを前記数式４により構成し、オブザーバゲインの各要素を前記数式５により演算する。
これにより、表面磁石形同期電動機において請求項２と同様の効果を奏することができる。

請求項１０に係る発明は、請求項３に記載した制御装置において、表面磁石形同期電動機を対象としたオブザーバゲインの演算を具体化したものであり、オブザーバゲインの各要素を前記数式６により演算する。
これにより、表面磁石形同期電動機において請求項３と同様の効果を奏することができる。

本発明によれば、磁束オブザーバの極配置を永久磁石形同期電動機の抵抗、インダクタンス、速度によらず定位置にすることができるので、表面磁石形、埋込磁石形など各種の永久磁石形同期電動機に対して、あらゆる速度範囲で一様な磁束推定応答を実現することができる。

以下、本発明の実施形態を説明する。
始めに、永久磁石形同期電動機の位置センサレス制御は、回転子の永久磁石の磁極位置（ｄ，ｑ軸）を直接検出できないため、ｄ，ｑ軸に対応する直交回転座標系（γ，δ軸）を制御装置側に推定して制御演算を行っている。これらのｄ，ｑ軸及びγ，δ軸の定義を図１に示す。
すなわち、図１に示すように、永久磁石形同期電動機の回転子のＮ極方向をｄ軸、このｄ軸から９０°進み方向をｑ軸、前記ｄ軸に対応する推定軸をγ軸、このγ軸から９０°進み方向をδ軸と定義する。
但し、図１において、
ω_ｒ：ｄ，ｑ軸の電気角速度，ω_１：γ，δ軸の電気角速度（＝速度推定値），
θ_ｅｒｒ：ｄ，ｑ軸に対するγ，δ軸の角度
とする。

図２は、本発明の実施形態を示すブロック図である。
まず、永久磁石形同期電動機１を駆動する主回路について説明すると、４は三相交流電源であり、整流回路３は電源４の三相交流電圧を整流して直流電圧に変換する。この直流電圧はＰＷＭインバータからなる電力変換器２に供給され、電動機１を駆動するための所定の三相交流電圧に変換される。

次に、図２において、電動機１の磁極位置推定値θ_１及び速度推定値ω_１を用いて速度制御を行う方法を、制御装置の構成と共に説明する。
速度指令値ω^＊と速度推定値ω_１との偏差を減算器１４により演算し、この偏差を速度調節器１３により増幅してトルク指令値τ^＊を演算する。電流指令演算器１２は、トルク指令値τ^＊から所望のトルクを出力するγ，δ軸電流指令値ｉ_γ ^＊，ｉ_δ ^＊を演算する。
ｕ相電流検出器５ｕ，ｗ相電流検出器５ｗによってそれぞれ検出した相電流検出値ｉ_ｕ，ｉ_ｗは、磁極位置推定値θ_１を用いて電流座標変換器６によりγ，δ軸電流検出値ｉ_γ，ｉ_δに座標変換する。

γ軸電流指令値ｉ_γ ^＊とγ軸電流検出値ｉ_γとの偏差を減算器１１ａにて演算し、この偏差をγ軸電流調節器１０ａにより増幅してγ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊を演算する。同様に、δ軸電流指令値ｉ_δ ^＊とδ軸電流検出値ｉ_δとの偏差を減算器１１ｂにて演算し、この偏差をδ軸電流調節器１０ｂにより増幅してδ軸電圧指令値ｖ_δ ^＊を演算する。
γ，δ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊，ｖ_δ ^＊は、電圧座標変換器９によって相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に変換される。
ＰＷＭ回路８は、相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊と電圧検出器７により検出した入力電圧検出値Ｅ_ｄｃとからゲート信号を生成する。電力変換器２は、ゲート信号に基づいて内部の半導体スイッチング素子を制御することで、永久磁石形同期電動機１の端子電圧を相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に制御し、電動機１の回転速度を速度指令値ω^＊に制御する。

図３は、図２において磁極位置推定値θ_１及び速度推定値ω_１を演算する位置・速度推定器２０のブロック図である。
図３において、オブザーバゲイン設定器２５は、速度推定値ω_１に応じてオブザーバゲインｇ_１，ｇ_２，ｇ_３，ｇ_４を演算し、磁束オブザーバ２１は、γ，δ軸電流検出値ｉ_γ，ｉ_δと、γ，δ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊，ｖ_δ ^＊と、速度推定値ω_１と、オブザーバゲインｇ_１，ｇ_２，ｇ_３，ｇ_４とから、γ，δ軸磁束推定値Ψ_γｅｓｔ，Ψ_δｅｓｔを演算する。
角度誤差演算器２２は、γ軸からみたγ，δ軸磁束推定値の角度δ_ｅｓｔを演算し、速度推定器２３は、角度δ_ｅｓｔを増幅して速度推定値ω_１を演算する。磁極位置演算器２４は、速度推定値ω_１を積分することにより、磁極位置推定値θ_１を演算する。

次に、磁束オブザーバ２１におけるγ，δ軸磁束推定値Ψ_γｅｓｔ，Ψ_δｅｓｔの具体的な演算方法を説明する。
永久磁石形同期電動機１のγ，δ軸の状態方程式から、γ，δ軸電流推定値及びγ，δ軸磁束推定値を演算する磁束オブザーバを、数式７（請求項７における数式１）により構成する。

なお、実際の磁束オブザーバの演算は、まず、数式７の右辺を演算し、この結果を積分してγ，δ軸電流推定値ｉ_γｅｓｔ，ｉ_δｅｓｔ及びγ，δ軸磁束推定値Ψ_γｅｓｔ，Ψ_δｅｓｔを求める。

次に、オブザーバゲインｇ_１〜ｇ_４の演算方法に関する第１実施例を説明する。この第１実施例は、請求項１，２，４，７に相当する。
電流推定応答が磁束推定応答に比べて十分速いとき、電流実際値から電流推定値までの伝達関数において、磁束推定値は一定値とみなすことができ、電流推定応答と磁束推定応答とを独立に設計することができる。そこで、第１実施例では、電流推定応答が磁束推定応答に比べて十分速いと仮定する。
上記仮定の下で、数式７より、電流実際値から電流推定値までの伝達関数の特性方程式を求めると数式８となる。

数式８が、数式９における第１の固有角周波数ω_ｎ１、減衰係数ζを用いた２次式となるように、オブザーバゲインｇ_１，ｇ_２を設定する。

数式８と数式９との係数比較により、オブザーバゲインｇ_１，ｇ_２を数式１０により演算する。

次に、磁束推定演算に着目する。
まず、数式７から、電流推定誤差と磁束推定誤差との関係を求めると、数式１１となる。

一方、磁束推定値と電流推定誤差との関係は、数式１２となる。

数式１１、数式１２から、磁束の実際値Ψ_γδから推定値Ψ_{γδｅｓｔ}までのブロック図は図４となる。
ここで、図４の開ループ伝達行列を求めると、数式１３となる。

数式１３の右辺の行列における干渉項（第１行２列目、第２行１列目）がゼロとなるように、ｇ_３を数式１４のように設定する。

このとき、磁束の実際値Ψ_γδから推定値Ψ_{γδｅｓｔ}までの伝達行列は、第２の固有角周波数ω_ｎ２を用いて数式１５となる。

従って、オブザーバゲインｇ_４を数式１６により演算する。

数式１４の関係から、微分項を無視し、オブザーバゲインｇ_３を数式１７により演算する。

但し、電流推定応答が磁束推定応答に比べて十分速いという仮定を満足するように、数式１８に示す如く、第１の固有角周波数ω_ｎ１を第２の固有角周波数ω_ｎ２よりも大きい値に設定する。

以上から、磁束オブザーバのオブザーバゲインｇ_１〜ｇ_４を、第１の固有角周波数ω_ｎ１、減衰係数ζ、第２の固有角周波数ω_ｎ２を用いて、数式１０，数式１７，数式１６により演算することができる。これにより、磁束オブザーバの極配置を永久磁石形同期電動機１の抵抗、インダクタンス、速度によらず定位置にできるので、各種の永久磁石形同期電動機に対し、あらゆる速度で一様の電流推定応答、磁束推定応答を実現することができる。

次に、第２実施例は、第１実施例における減衰係数が１になるようにオブザーバゲインを演算するものであり、請求項３，４，８に相当する。
具体的には、オブザーバゲインｇ_１〜ｇ_４を、数式１９（請求項８における数式３）により演算する。

第３実施例は、表面磁石形同期電動機を対象としたオブザーバゲインの演算方法を具体化したものであり、請求項４，９に相当する。
磁束オブザーバは、数式７のｄ軸インダクタンスＬ_ｄとｑ軸インダクタンスＬ_ｑとをインダクタンスＬ_ａによって置き換えた数式２０（請求項９における数式４）により構成する。

また、数式２０により構成した磁束オブザーバについて、第１実施例と同様の手順でオブザーバゲインを導出し、オブザーバゲインｇ_１〜ｇ_４を数式２１（請求項９における数式５）により演算する。

第４実施例は、第３実施例における減衰係数ζが１になるようにオブザーバゲインを演算するものであり、請求項３，１０に相当する。
具体的には、オブザーバゲインｇ_１〜ｇ_４を数式２２（請求項１０における数式６）により演算する。

第５実施例は請求項５に相当するものであり、第１〜第４実施例における第１の固有角周波数ω_ｎ１を、演算周期の逆数に比例する値に設定する。これにより、演算周期を変更しても、それに合わせて第１の固有角周波数を最適値に設定することができる。また、一般的に、演算周期とキャリア周期とは比例関係にあるので、第１の固有角周波数ω_ｎ１をキャリア周波数に比例する値に設定しても、上記と同様の効果を得ることができる。

第６実施例は請求項６に相当するものであり、第１〜第４実施例における第２の固有角周波数ω_ｎ２を、第１の固有角周波数ω_ｎ１に比例する値に設定する。これにより、第１の固有角周波数ω_ｎ１を変更しても、それに合わせて第２の固有角周波数ω_ｎ２を最適値に設定することが可能である。

ｄ，ｑ軸及びγ，δ軸の定義を示す図である。 本発明の実施形態を示すブロック図である。 図２における位置・速度推定器のブロック図である。 磁束実際値から磁束推定値までのブロック図である。

符号の説明

１：永久磁石形同期電動機
２：電力変換器
３：整流回路
４：三相交流電源
５ｕ：ｕ相電流検出器
５ｗ：ｗ相電流検出器
６：電流座標変換器
７：電圧検出器
８：ＰＷＭ回路
９：電圧座標変換器
１０ａ：γ軸電流調節器
１０ｂ：δ軸電流調節器
１１ａ，１１ｂ：減算器
１２：電流指令演算器
１３：速度調節器
１４：減算器
２０：位置・速度推定器
２１：磁束オブザーバ
２２：角度誤差演算器
２３：速度推定器
２４：磁極位置演算器
２５：オブザーバゲイン設定器

Claims (10)

1. 磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機の制御装置において、
   前記電動機の電流、電圧、磁束をベクトルとしてとらえ、
   磁束オブザーバを用いて前記電動機の磁束推定値を演算する手段と、
   前記磁束推定値を用いて前記電動機の速度推定値と磁極位置推定値とを演算する手段と、を備え、
   前記磁束オブザーバは、
   前記電動機の電流検出値、電圧指令値、前記磁束推定値及び前記速度推定値と、電流推定値と前記電流検出値との偏差とオブザーバゲインとの積と、から前記電流推定値と前記磁束推定値とを演算し、
   前記オブザーバゲインを、
   電流実際値から前記電流推定値までの伝達関数の特性方程式の第１の固有角周波数と、
   磁束実際値から前記磁束推定値までの伝達関数の特性方程式の第２の固有角周波数と、
   前記速度推定値と、
   を用いて演算することを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
2. 磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機の制御装置において、
   前記電動機の電流、電圧、磁束をベクトルとしてとらえ、
   磁束オブザーバを用いて前記電動機の磁束推定値を演算する手段と、
   前記磁束推定値を用いて前記電動機の速度推定値と磁極位置推定値とを演算する手段と、を備え、
   前記磁束オブザーバは、
   前記電動機の電流検出値、電圧指令値、前記磁束推定値及び前記速度推定値と、電流推定値と前記電流検出値との偏差とオブザーバゲインとの積と、から前記電流推定値と前記磁束推定値とを演算し、
   前記オブザーバゲインを、
   電流実際値から前記電流推定値までの伝達関数の特性方程式の第１の固有角周波数と、
   磁束実際値から前記磁束推定値までの伝達関数の特性方程式の第２の固有角周波数と、
   前記速度推定値と、
   前記電流実際値から前記電流推定値までの伝達関数の特性方程式の減衰係数と、
   を用いて演算することを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
3. 請求項２に記載した制御装置において、
   前記減衰係数が１になるように前記オブザーバゲインを演算することを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載した制御装置において、
   前記第１の固有角周波数を前記第２の固有角周波数よりも大きい値に設定することを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載した制御装置において、
   前記第１の固有角周波数を、演算周期の逆数、または、キャリア周波数に比例する値に設定することを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載した制御装置において、
   前記第２の固有角周波数を前記第１の固有角周波数に比例する値に設定することを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
7. 請求項２に記載した制御装置において、
   前記電動機の回転子のＮ極方向をｄ軸、このｄ軸から９０°進み方向をｑ軸、前記ｄ軸に対応する推定軸をγ軸、このγ軸から９０°進み方向をδ軸と定義し、
   前記電動機の電流、電圧、磁束を前記γ，δ軸上でベクトルとしてとらえ，
   前記磁束オブザーバを数式１により構成し、
   前記オブザーバゲインの各要素を数式２により演算することを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
   

   

   
8. 請求項３に記載した制御装置において、
   前記オブザーバゲインの各要素を数式３により演算することを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
   

   
9. 請求項２に記載した制御装置において、
   前記電動機の回転子のＮ極方向をｄ軸、このｄ軸から９０°進み方向をｑ軸、前記ｄ軸に対応する推定軸をγ軸、このγ軸から９０°進み方向をδ軸と定義し、
   前記電動機の電流、電圧、磁束を前記γ，δ軸上でベクトルとしてとらえ，
   前記磁束オブザーバを数式４により構成し，
   前記オブザーバゲインの各要素を数式５により演算することを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
   

   

   
10. 請求項３に記載した制御装置において、
    前記オブザーバゲインの各要素を数式６により演算することを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
    

    

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