JP2009290980A - 永久磁石形同期電動機の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】永久磁石形同期電動機80の電流検出値、端子電圧指令値等から回転子磁極方向の拡張磁束を推定する磁束オブザーバ31と、拡張磁束推定値から第1の磁極位置推定誤差を演算する角度誤差演算器32と、電流検出値、端子電圧指令値等から回転子磁極方向を基準として90°進み方向の拡張誘起電圧を演算する拡張誘起電圧演算器35と、拡張誘起電圧演算値から第2の磁極位置推定誤差を演算する角度誤差演算器32と、速度指令値、速度推定値等に応じて第1または第2の磁極位置推定誤差を選択するスイッチ37と、選択した磁極位置推定誤差から速度推定値を演算する速度推定器33と、速度推定値から磁極位置推定値を演算する電気角演算器34とを備える。
【選択図】図1
Description
この従来技術によれば、回転子に突極性がある埋込磁石構造永久磁石形同期電動機(IPMSM)の速度及び磁極位置を、零速度時にも正確に演算することが可能である。
また、特許文献2に記載されたセンサレス制御は、原理的に電動機の固定子巻線に高周波電圧を印加する必要があるため、これに起因して騒音が発生するという問題がある。
この点に鑑み、非特許文献1には、零速度を含む低速時には特許文献2に記載されている回転子の突極性を利用したセンサレス制御を行い、高速時には特許文献1に記載されている拡張誘起電圧を利用したセンサレス制御を行うことで速度制御範囲を拡大する技術が開示されている。
そこで、本発明の解決課題は、複数の制御方式を併用することにより、広い速度範囲にわたって永久磁石形同期電動機を安定に運転可能とし、更に、高周波電圧の印加に起因する騒音を抑制可能とした永久磁石形同期電動機の制御装置を提供することにある。
前記電動機の電流、電圧及び磁束をベクトルとしてとらえ、
前記電動機の電流検出値、端子電圧指令値及び速度推定値から、回転子の磁極方向に発生する拡張磁束を推定する磁束オブザーバと、
前記磁束オブザーバにより得た拡張磁束推定値から第1の磁極位置推定誤差を演算する第1の角度誤差演算手段と、
前記電流検出値、前記端子電圧指令値及び前記速度推定値から、前記回転子の磁極方向を基準として90°進み方向に発生する拡張誘起電圧を演算する拡張誘起電圧演算手段と、
前記拡張誘起電圧演算手段により得た拡張誘起電圧演算値から第2の磁極位置推定誤差を演算する第2の角度誤差演算手段と、
前記電動機の速度指令値、前記速度推定値または前記拡張誘起電圧演算値の何れかに応じて、前記第1の磁極位置推定誤差または前記第2の磁極位置推定誤差を選択する選択手段と、
前記選択手段により選択した前記第1の磁極位置推定誤差または前記第2の磁極位置推定誤差を増幅して前記速度推定値を演算する速度推定手段と、
前記速度推定値を増幅して磁極位置推定値を演算する電気角演算手段と、
を備えたものである。
本発明によれば、磁極位置演算のための高周波電圧印加が不要になり、騒音を増加させずに速度制御範囲を拡大することができる。
前記電動機の電流、電圧及び磁束をベクトルとしてとらえ、
前記電動機の電流検出値、端子電圧指令値及び速度推定値から、回転子の磁極方向に発生する拡張磁束を推定する磁束オブザーバと、
前記磁束オブザーバにより得た拡張磁束推定値から第1の磁極位置推定誤差を演算する第1の角度誤差演算手段と、
推定した磁極と平行方向に交番する高周波電圧を印加する手段と、
推定した磁極と直交方向に流れ、かつ前記高周波電圧と同一周波数の高周波電流を検出する手段と、
前記高周波電流から第3の磁極位置推定誤差を演算する第3の角度誤差演算手段と、
前記電動機の速度指令値、前記速度推定値または拡張誘起電圧演算値の何れかに応じて、前記第1の磁極位置推定誤差または前記第3の磁極位置推定誤差を選択する選択手段と、
前記選択手段により選択した前記第1の磁極位置推定誤差または前記第3の磁極位置推定誤差を増幅して前記速度推定値を演算する速度推定手段と、
前記速度推定値を増幅して磁極位置推定値を演算する電気角演算手段と、
を備えたものである。
本発明によれば、零速度を含めたセンサレス制御を実現でき、かつ、高周波電圧印加に起因して騒音が発生する速度範囲を従来よりも低減することができる。
本発明によれば、磁束オブザーバの演算の実行を必要最小限にすることができ、これにより演算量を低減することができる。
本発明によれば、請求項1〜3よりも速度推定値の応答を改善することができる。
本発明によれば、選択するセンサレス制御方式に応じて速度推定手段のゲインを最適調整することができ、速度推定値の応答を速めることができる。
また、高周波電圧印加に起因する騒音をなくし、あるいは低減する効果もある。
この第1実施形態は、低速時には拡張磁束を利用したセンサレス制御により運転し、高速時には特許文献1や非特許文献1に記載されている拡張誘起電圧を利用したセンサレス制御により運転することで、永久磁石形同期電動機の速度制御範囲を拡大することを特徴としている。
ここで、d,q軸の角度(磁極位置)をθrとし、γ,δ軸の角度(磁極位置推定値)をθ1とすると、磁極位置推定誤差θerrは数式1によって表され、後述する如く磁極位置推定誤差θerrが零になるように制御することで速度及び磁極位置を演算することができる。
速度指令値ω*と速度推定値ω1との偏差を減算器16により演算し、この偏差を速度調節器17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18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iγ *,iδ *を演算する。
電流座標変換器14は、u相電流検出器11u、w相電流検出器11wによってそれぞれ検出した相電流検出値iu,iwを、磁極位置推定値θ1を用いてγ,δ軸電流検出値iγ,iδに座標変換する。
これらのγ,δ軸電圧指令値vγ *,vδ *は、電圧座標変換器15によって相電圧指令値vu *,vv *,vw *に変換される。
制御装置には、電動機80の運転速度に応じて磁極位置推定誤差を切り換える選択手段としてのスイッチ37が設けられており、このスイッチ37は、低速時には入力を「S1」とし、第1の角度誤差演算器32により拡張磁束から演算した第1の磁極位置推定誤差θerrest1を選択して磁極位置推定誤差θerrestとして出力する。一方、高速時にはスイッチ37の入力を「S2」とし、第2の角度誤差演算器36により拡張誘起電圧から演算した第2の磁極位置推定誤差θerrest2を選択して磁極位置推定誤差θerrestとして出力する。
速度推定器33は、例えばPI調節器によって構成されており、磁極位置推定誤差θerrestを増幅して速度推定値ω1を演算する。具体的には、数式2に示す通りである。
以上の演算処理により、磁極位置推定誤差θerrを零に制御するPLL回路が構成され、速度及び磁極位置を正確に演算することができる。
磁束オブザーバ31は、γ,δ軸電圧指令値vγ *,vδ *と、γ,δ軸電流検出値iγ,iδ及び速度推定値ω1とから、拡張磁束推定値Ψexγest,Ψexδestを演算する。
以下、この磁束オブザーバ31の構成、作用について説明する。
まず、拡張磁束の振幅Ψexを数式3により定義する。
すなわち、図1における第1の角度誤差演算器32は、拡張磁束推定値Ψexγest,Ψexδestから第1の磁極位置推定誤差θerrest1を数式10により演算する。
図1の拡張誘起電圧演算器35は、γ,δ軸電圧指令値vγ *,vδ *と、γ,δ軸電流検出値iγ,iδ及び速度推定値ω1とから、拡張誘起電圧を数式11により演算する。
すなわち、図1における第2の角度誤差演算器36は、拡張誘起電圧演算値Eexγ,Eexδから第2の磁極位置推定誤差θerrest2を数式12により演算する。
本実施形態は、零速度を含む低速時には特許文献2や非特許文献1に開示された回転子の突極性を利用したセンサレス制御により運転し、高速時には前述した拡張磁束を利用するセンサレス制御により運転することで、速度制御範囲を拡大することを特徴としている。
図2のブロック図の一部は図1と同じであるため、図2において図1と異なるγ,δ軸電圧指令値及び磁極位置推定誤差の演算方法を中心に説明する。
ノッチフィルタ23は、γ,δ軸電流検出値iγ,iδから、磁極位置演算のために重畳される交番高周波電圧によって流れる高周波電流を除去し、γ,δ軸基本波電流iγf,iδfを検出する。
γ軸電流指令値iγ *とγ軸基本波電流iγfとの偏差を減算器19aにより演算し、この偏差をγ軸電流調節器20aによって増幅した出力と前記γ軸高周波電圧指令値vγh *とを加算器22により加算してγ軸電圧指令値vγ *を演算する。一方、δ軸電流指令値iδ *とδ軸基本波電流iδfとの偏差を減算器19bにより演算し、この偏差をδ軸電流調節器20bにより増幅してδ軸電圧指令値vδ *を演算する。
スイッチ39は、低速時には入力を「S3」とし、回転子の突極性を利用して演算した第3の磁極位置推定誤差θerrest3を選択すると共に、高速時には入力を「S1」とし、拡張磁束から演算した第1の磁極位置推定誤差θerrest1を選択する。スイッチ39を切り換えるための低速時と高速時との判別には、速度指令値ω*、速度推定値ω1、または拡張誘起電圧のベクトル和を利用する。
速度推定器33は、第1実施形態と同様に、磁極位置推定誤差θerrestを増幅して速度推定値ω1を演算し、電気角演算器34は、速度推定値ω1を積分して磁極位置推定値θ1を演算する。
図2におけるバンドパスフィルタ24は、γ,δ軸電流検出値iγ,iδから交番高周波電圧と同一周波数で、かつ、交番高周波電圧から90°遅れたγ,δ軸高周波電流Iγh,Iδhを演算する。
ここで、δ軸高周波電流Iδhと磁極位置推定誤差θerrとの間には、数式13の関係がある。
なお、本実施形態ではγ軸高周波電圧指令値vγh *を正弦波としたが、これを矩形波としても良い。
この第3実施形態では、第1実施形態においてスイッチ37の入力を「S2」から「S1」に切換えるとき、または、第2実施形態においてスイッチ39の入力を「S3」から「S1」に切換えるときに、磁束オブザーバ31の出力である電流推定値iγest,iδest及び拡張磁束推定値Ψexγest,Ψexδestを初期化する手段を備えたものである。
この実施形態は、図1のブロック図における速度推定値の演算方法を改良することにより速度推定値の応答を改善したものである。以下では、図3において図1と異なる速度推定値の演算方法を中心に説明する。
速度推定器33はPI調節器によって構成されており、磁極位置推定誤差θerrestを増幅して速度補正値ω1compを演算する。具体的には、数式16により速度補正値ω1compを求める。
なお、詳細な説明は省略するが、本実施形態による速度推定値の演算方法は、図2に示した第2実施形態にも適用可能である。
60 整流回路
70 電力変換器
80 永久磁石形同期電動機
11u u相電流検出器
11w w相電流検出器
12 電圧検出器
13 PWM回路
14 電流座標変換器
15 電圧座標変換器
16 減算器
17 速度調節器
18 電流指令演算器
19a,19b 減算器
20a γ軸電流調節器
20b δ軸電流調節器
21 高周波電圧演算器
22 加算器
23 ノッチフィルタ
24 バンドパスフィルタ
31 磁束オブザーバ
32,36,38 角度誤差演算器
33 速度推定器
34 電気角演算器
35 拡張誘起電圧演算器
37,39 スイッチ
41 速度フィードフォワード補償器
42 加算器
Claims (5)
- 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、電圧及び磁束をベクトルとしてとらえ、
前記電動機の電流検出値、端子電圧指令値及び速度推定値から、回転子の磁極方向に発生する拡張磁束を推定する磁束オブザーバと、
前記磁束オブザーバにより得た拡張磁束推定値から第1の磁極位置推定誤差を演算する第1の角度誤差演算手段と、
前記電流検出値、前記端子電圧指令値及び前記速度推定値から、前記回転子の磁極方向を基準として90°進み方向に発生する拡張誘起電圧を演算する拡張誘起電圧演算手段と、
前記拡張誘起電圧演算手段により得た拡張誘起電圧演算値から第2の磁極位置推定誤差を演算する第2の角度誤差演算手段と、
前記電動機の速度指令値、前記速度推定値または前記拡張誘起電圧演算値の何れかに応じて、前記第1の磁極位置推定誤差または前記第2の磁極位置推定誤差を選択する選択手段と、
前記選択手段により選択した前記第1の磁極位置推定誤差または前記第2の磁極位置推定誤差を増幅して前記速度推定値を演算する速度推定手段と、
前記速度推定値を増幅して磁極位置推定値を演算する電気角演算手段と、
を備えたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。 - 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、電圧及び磁束をベクトルとしてとらえ、
前記電動機の電流検出値、端子電圧指令値及び速度推定値から、回転子の磁極方向に発生する拡張磁束を推定する磁束オブザーバと、
前記磁束オブザーバにより得た拡張磁束推定値から第1の磁極位置推定誤差を演算する第1の角度誤差演算手段と、
推定した磁極と平行方向に交番する高周波電圧を印加する手段と、
推定した磁極と直交方向に流れ、かつ前記高周波電圧と同一周波数の高周波電流を検出する手段と、
前記高周波電流から第3の磁極位置推定誤差を演算する第3の角度誤差演算手段と、
前記電動機の速度指令値、前記速度推定値または拡張誘起電圧演算値の何れかに応じて、前記第1の磁極位置推定誤差または前記第3の磁極位置推定誤差を選択する選択手段と、
前記選択手段により選択した前記第1の磁極位置推定誤差または前記第3の磁極位置推定誤差を増幅して前記速度推定値を演算する速度推定手段と、
前記速度推定値を増幅して磁極位置推定値を演算する電気角演算手段と、
を備えたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。 - 請求項1または請求項2に記載した制御装置において、
前記選択手段により前記第1の磁極位置推定誤差を選択するときに、前記速度推定値及び前記拡張誘起電圧演算値を用いて前記拡張磁束推定値を初期化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。 - 請求項1〜3の何れか1項に記載した制御装置において、
前記速度指令値から速度フィードフォワード補償値を演算する手段と、
前記速度フィードフォワード補償値を用いて前記速度推定値を演算する手段と、
を備えたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。 - 請求項1〜4の何れか1項に記載した制御装置において、
前記選択手段による磁極位置推定誤差の選択結果に応じて前記速度推定手段のゲインを切換え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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