JP2010279095A - 交流電動機のセンサレス制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高速域で閉ループ速度制御及びｑ軸電流制御により高精度な速度及びトルク制御を行い、低速域でｑ軸電流ループの動作停止によりダンピングを改善し且つ一定速時や停止時の振動を抑圧することができる交流電動機のセンサレス制御装置を提供する。
【解決手段】 推定速度とＦ／Ｆ速度から速度制御器３がＦ／Ｂｑ軸電流指令を出力する。電動機の高速域では速度制御出力切替器７がＦ／Ｂ軸電流指令を出力し低速域では所定の固定値Ｃ１を出力する。ｄｑ軸電流制御器１０、９は電流制御を行い、Ｆ／Ｂｄｐ軸電圧指令を出力する。電動機の高速域ではｑ軸電流制御出力切替器１２がＦ／Ｂｑ軸電圧指令を出力し、低速域では所定の固定値Ｃ２を出力する。電圧座標変換部１４がｄｐ軸電圧指令を変換して三相電圧指令を作成する。電動機１６の電流を変換して電流座標変換部１７がｄｑ軸電流を出力し、速度推定器６がｄｐ軸電流とｄｑ軸電圧指令から推定速度を作成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、交流電動機のセンサレス制御装置及び制御方式に関するものである。

交流電動機のセンサレス制御方式では、位置または速度検出器を使用しない代わりに速度を推定する必要がある。速度推定の方法として一般に誘起電圧を利用する手法が用いられる。これは電動機の速度に比例して発生する誘起電圧を、電動機に印加している電圧及び電流を観測した結果から求めることで速度を推定する方法である。しかしながら、誘起電圧は速度に比例する為、低速域では推定精度が低下する問題がある。したがって、一般に高速域ではセンサレスの閉ループ速度制御を行う一方、低速域では同期電流制御やＶ／Ｆ一定制御などの開ループ速度制御を行い、速度に応じて両者を切替える手法が用いられる。

ここで、閉ループ速度制御とは、速度推定を行って得られる推定速度を利用して速度制御ループを組み、速度指令と推定速度との偏差が小さくなるように制御を行う手法のことである。一方、開ループ速度制御とは、速度制御ループを組まずに、開ループで速度を速度指令に追従させるように制御する手法である。

また、同期電流制御とは、電流制御を組み電流指令に追従するように電流を流すとともに、速度指令から生成した位相を利用して電流ベクトルを回転することで同期電流制御とし、その同期電流指令に追従させるように電動機を制御する手法である。通常の同期電流制御では、ｄ軸電流指令として強め励磁電流指令を設定する。電動機の磁束軸とｄ軸が一致しているとトルクは発生しないが、速度指令が変化すると座標変換用の位相が変化し、電動機の実磁束軸とｄ軸との間に位相差が発生する。この位相差によりトルクが発生することで電動機は速度指令に追従するように動作する。Ｖ／Ｆ一定制御は、電圧指令と周波数指令を明示的に与え、両者の比を一定に保ちつつ周波数指令を変更し、その周波数指令に追従するように電動機の速度を制御する手法である。

従来の同期電動機のセンサレス制御方式では、低速域でｑ軸電流指令を零または所定の値とした同期電流制御を行い、高速域では速度制御ループ出力をｑ軸電流指令とする閉ループ速度制御を行うように切り替えていた（例えば特許文献１）。

また、他の従来の類似技術として、センサレス制御に関する技術ではないが、速度閉ループ制御と速度開ループ制御を切り替える手法がある。具体的には、パルス発生器（Ｐｕｌｓｅ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ：ＰＧ）付誘導電動機制御において、パルス発生器に異常が発生して速度検出できない場合に閉ループ速度制御からＶ／Ｆ一定制御に切替える際に、電圧および位相の値が不連続にならないように、適切な初期値を設定していた（例えば特許文献２）。

特開２００７−３７２７４号公報 特開平１１−２７９９８号公報

従来の同期電動機のセンサレス制御方式では、同期電流制御時にｄｑ軸電流ループを組んでいるためダンピングが悪く、加減速後の一定速時や停止時に振動が発生するという問題点があった。この理由は次のようなものである。すなわち、ｄｑ軸電流ループを組んでいる場合の零速度指令状態では電流ベクトル固定で制御をしていることになり、何らかの外乱に起因して振動が発生すると電動機と制御装置の間で軸ずれが発生する。その結果、実トルク分の電流が流れることになるが、ｄｑ軸電流ループにより当該電流を抑制するように制御することになり、振動の減衰を妨げるからである。また、従来の類似技術では、閉ループ速度制御から単純なＶ／Ｆ一定制御に切替える際に電動機の理論的な電圧を考慮していないため、電圧や位相の値は連続にできても、これらの変化率については不連続になり、滑らかに切替えることができず切替ショックが発生するという問題点があった。さらに切替後のＶ／Ｆ一定制御時は電流ループを組んでいないため、十分なトルクが得られず脱調しやすい、または過電流になりやすい、といった問題点があった。

この発明に係る交流電動機のセンサレス制御装置は、交流電動機の電流と交流電動機に印加される電圧とに基づいて前記交流電動機の速度を推定する速度推定手段と、
推定速度と速度指令とに基づき速度制御を行いｑ軸電流指令を出力する速度制御手段と、
速度情報と電動機定数を用いてフィードフォワード電圧指令を生成する電圧フィードフォワード制御手段と、
回転同期座標上でｄ軸電流指令及びｑ軸電流指令に基づき電流制御を行いフィードバック電圧指令を生成するｄ軸電流制御手段およびｑ軸電流制御手段と、
フィードフォワード電圧指令とフィードバック電圧指令とから交流電動機に印加される電圧を生成する電圧変換手段と、
を備え、速度制御手段、およびｑ軸電流制御手段またはｄ軸電流制御手段のいずれかを、低速域において動作停止するものである。

この発明によれば、高速域で閉ループ速度制御及びｑ軸電流制御を行うことにより高速かつ高精度な速度制御及びトルク制御を行うことができ、また低速域でｑ軸電流ループを動作停止することによりダンピングを改善し、かつ一定速時や停止時の振動を抑圧することができるという効果を奏する。さらに、Ｖ／Ｆ一定制御と異なり電圧フィードフォワード制御器によって必要な電圧をまかなうので、制御切替時のショックや段付きを防止して滑らかな加減速動作を実現できるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１におけるセンサレス制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１における速度制御器３の構成例を示す構成図である。 本発明の実施の形態１における速度制御切替器７の構成と動作の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１におけるセンサレス制御装置と従来技術との速度応答波形の相違を説明するための図である。 本発明の実施の形態２におけるセンサレス制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態３におけるセンサレス制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態４におけるセンサレス制御装置の構成を示すブロック図である。

１ 制御装置
２ 電流フィードフォワード制御器
３ 速度制御器
４ 位相演算部
５ ｑ軸電流指令演算器
６ 速度推定器
７ 速度制御出力切替器
８ 電圧フィードフォワード制御器
９ ｑ軸電流制御器
１０ ｄ軸電流制御器
１１ ｄ軸電圧指令演算器
１２ ｑ軸電流制御出力切替器
１３ ｑ軸電圧指令演算器
１４ 電圧座標変換部
１５ 電力変換器
１６ 電動機
１７ 電流座標変換部
２１ ＰＩ制御器
２２ 切換器
３１ 乗算器
３２ 加算器
３３ 乗算器
５１ フィードバック速度切替器
５２ フィードバックｑ軸電流切替器
６１ ｄ軸電流制御出力切替器
７１ 電流電圧フィードフォワード制御器

以下この発明を、その実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
実施の形態１．
図１は本実施の形態１における制御装置１の構成を示すブロック図である。

電流フィードフォワード制御手段である電流フィードフォワード（以下、Ｆ／Ｆ）制御器２は、制御装置１の外部から速度指令が入力されると、制御対象が追従可能な速度であるＦ／Ｆ速度を速度制御手段である速度制御器３及び位相演算手段である位相演算部４へ出力すると同時に、当該Ｆ／Ｆ速度で制御対象が動作するときに必要なＦ／Ｆｑ軸電流Ｉｑａをｑ軸電流指令演算手段であるｑ軸電流指令演算器５へ出力する。Ｆ／Ｆ速度ｗａおよびＦ／Ｆｑ軸電流Ｉｑａは式１で計算される。

式１において、ｗｒ^＊：速度指令、Ｋｔ:トルク定数、Ｊｔ:トータル機械慣性、ｗｆ：フィルタゲイン、ｓ：微分演算子である。式１より、フィルタゲインｗｆが十分大きい場合は、「Ｆ／Ｆ速度＝速度指令」と、また「Ｆ／Ｆｑ軸電流∝速度指令の微分」と見なすことができる。

速度制御器３は、Ｆ／Ｆ速度と、速度推定手段である速度推定器６の出力であるフィードバック（以下、Ｆ／Ｂ）速度（本願での推定速度）を入力として速度制御を行い、Ｆ／Ｂｑ軸電流指令を速度制御出力切替手段である速度制御出力切替器７へ出力するとともに速度情報であるＦ／Ｆ電圧演算用速度を電圧フィードフォワード制御手段である電圧Ｆ／Ｆ制御器８へ出力する。速度制御器３は一般にＰＩ制御器２１及び切換器２２を用いて図２に示すように構成される。すなわち、Ｆ／Ｆ電圧演算用速度は、Ｆ／Ｆ速度とＦ／Ｂ速度を適宜切り替えて生成される。

速度制御出力切替器７はＦ／Ｂｑ軸電流指令を所定の固定値Ｃ１と切り替え、修正Ｆ／Ｂｑ軸電流指令を生成し、ｑ軸電流指令演算器５へ出力する。ｑ軸電流指令演算器５は、修正Ｆ／Ｂｑ軸電流指令とＦ／Ｆｑ軸電流Ｉｑａとを加算してｑ軸電流指令を生成し、電圧Ｆ／Ｆ制御器８及びｑ軸電流制御手段であるｑ軸電流制御器９へ出力する。

ｄ軸電流制御手段であるｄ軸電流制御器１０は、通常はＣＰＵの内部において固定値あるいは速度の関数として設定されるｄ軸電流指令と実ｄ軸電流を入力として電流制御を行い、Ｆ／Ｂｄ軸電圧指令をｄ軸電圧指令演算手段であるｄ軸電圧指令演算器１１へ出力する。ｑ軸電流制御器９は、ｑ軸電流指令と実ｑ軸電流を入力として電流制御を行い、Ｆ／Ｂｑ軸電圧指令をｑ軸電流制御出力切替手段であるｑ軸電流制御出力切替器１２へ出力する。すなわち、ｄ軸電流制御器１０およびｑ軸電流制御器９は、回転同期座標上でｄ軸電流指令及びｑ軸電流指令に基づき電流制御を行う。ここで電流制御器は一般にＰＩ制御器で構成される。また、ｑ軸電流制御出力切替器１２はＦ／Ｂｑ軸電圧指令を所定の固定値Ｃ２と切り替え、修正Ｆ／Ｂｑ軸電圧指令を生成し、ｑ軸電圧指令演算手段であるｑ軸電圧指令演算器１３へ出力する。

電圧Ｆ／Ｆ制御器８は、Ｆ／Ｆ電圧演算用速度、ｄ軸電流指令、及びｑ軸電流指令を入力とし、Ｆ／Ｆｄｑ軸電圧指令ｖｄｆｆ、ｖｑｆｆを出力する。Ｆ／Ｆｄｑ軸電圧指令ｖｄｆｆ、ｖｑｆｆは例えば電動機定数を用いて式２で計算される。

式２においてＲｄおよびＲｑはそれぞれｄｑ軸電機子巻線抵抗、ＬｄおよびＬｑはそれぞれｄｑ軸電機子巻線インダクタンス、ｉｄ^＊およびｉｑ^＊はそれぞれｄｑ軸電流指令、φは界磁磁束密度である。ｗは電気角周波数であり、Ｆ／Ｆ電圧演算用速度を電気角換算して求める。なお電気角周波数として、位相演算部４で位相演算に用いる周波数を利用してもよい。

ｄ軸電圧指令演算器１１は、Ｆ／Ｂｄ軸電圧指令とＦ／Ｆｄ軸電圧指令ｖｄｆｆとを加算し、最終的なｄ軸電圧指令を生成して電圧座標変換手段である電圧座標変換部１４へ出力するとともに速度推定器６へ出力する（図示せず）。一方、ｑ軸電圧指令演算器１３は、修正Ｆ／Ｂｑ軸電圧指令とＦ／Ｆｑ軸電圧指令ｖｑｆｆとを加算し、最終的なｑ軸電圧指令を生成して電圧座標変換部１４へ出力するとともに速度推定器６へ出力する（図示せず）。電圧座標変換部１４は最終的なｄｑ軸電圧指令と位相とを入力として座標変換処理を行い、三相電圧指令を電力変換器１５へ出力する。電力変換器１５は三相電圧指令に従って電動機１６に電圧を印加する。電流座標変換手段である電流座標変換部１７は、図示しない三相電流検出器により検出された電動機１６に流れる三相電流の検出値と位相を入力として座標変換処理を行い、実ｄｑ軸電流をｄ軸電流制御器１０、ｑ軸電流制御器９及び速度推定器６へ出力する（図示せず）。速度推定器６は実ｄｑ軸電流及び最終的なｄｑ軸電圧指令を入力として、Ｆ／Ｂ速度および位相演算用の推定周波数を出力する。位相演算部４はＦ／Ｆ速度と推定周波数とから座標変換用の位相を演算する。

なお、図１に構成を示す制御装置１はソフトウエアにより構築され、具体的には、中央処理装置（ＣＰＵ）やＡＳＩＣなどのカスタムＬＳＩ、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ）等で構成される。また、図１において、ｄ軸電圧指令演算器１１、ｑ軸電圧指令演算器１３及び電圧座標変換部１４は電圧変換手段を構成する。

次に制御装置１の動作を説明する。本実施の形態１における制御では、高速域（例えば電動機の高速動作時）と低速域とで制御方式を切り替える。低速域と高速域の区分の具体的な一例として、例えば低速域は電動機１６の回転数が所定のしきい値以下の場合を指し、所定のしきい値以上の回転数の場合を高速域とする。所定のしきい値は通常、数ｒｐｍ〜数１０ｒｐｍの場合が多いが、具体的には本発明を適用するシステムにより異なってもよい。

まず高速域の動作について説明する。高速域では速度制御出力切替器７およびｑ軸電流制御出力切替器１２は、速度制御ループ及びｑ軸電流ループを繋いだ状態となる。ここで、速度制御出力切替器７およびｑ軸電流制御出力切替器１２の具体的な構成と切り替え時の動作の一例を、図を用いて説明する。なおｑ軸電流制御出力切替器１２の構成は速度制御出力切替器７と同様の構成であるため、ここでは速度制御出力切替器７を用いて説明する。図３（ａ）は速度制御出力切替器７の構成を示す図である。速度制御出力切替器７の入力であるＦ／Ｂｑ軸電流指令は、乗算器３１においてゲインＫ１が乗算され、加算器３２に入力される。一方、固定値Ｃ１は通常、ＣＰＵやＡＳＩＣの内部の図示しない記憶装置（ＲＯＭやＲＡＭ）等にパラメータとして記憶されている。固定値Ｃ１は乗算器３３においてゲインＫ２が乗算され、加算器３２に入力されて乗算器３１の出力と加算される。加算器３２の出力は、修正Ｆ／Ｂｑ軸電流指令として速度制御出力切替器７から出力される。

図３（ａ）のゲインＫ１およびＫ２は、それぞれ０≦Ｋ１≦１、０≦Ｋ２≦１であり、Ｋ１＋Ｋ２＝１が成立する。そして図３（ｂ）に示すように、Ｋ１およびＫ２は速度に応じて大きさが変化する。すなわち、速度がＶ２より高い領域ではＫ２＝０かつＫ１＝１である一方、Ｖ１より低い領域ではＫ２＝１かつＫ１＝０となる。さらに速度Ｖ１からＶ２の間の切替え領域では、ゲインＫ１およびＫ２は、それぞれ図３（ｂ）に示すように直線状に変化する。低速域と高速域を切替えるしきい値Ｔｈは、図３（ｂ）でＫ１＝Ｋ２となるような速度である。

すなわち高速域では、ゲインＫ１＝１かつＫ２＝０となるため、速度制御出力切替器７は速度制御器３の出力であるＦ／Ｂｑ軸電流指令を選択するよう切り替えられており、ｑ軸電流制御出力切替器１２はＦ／Ｂｑ軸電圧指令を選択するように切り替えられる。このような接続により、速度推定器６の出力であるＦ／Ｂ速度を用いたセンサレス閉ループ速度制御が行われる。また位相演算部４は推定周波数を用いて位相を演算し、演算した位相を用いて電圧座標変換部１４が電圧の座標を変換し、また電流座標変換部１７が電流の座標を変換することでベクトル制御を成立させる。従って、速度指令とＦ／Ｂ速度との間に外乱等により偏差が発生した場合には、速度制御閉ループが動作することにより、偏差が抑制されるように制御される。またｑ軸電流指令とＦ／Ｂｑ軸電流との間に外乱などによって偏差が発生した場合には、ｑ軸電流制御の閉ループが働くことによってｑ軸電流偏差が抑制されるように制御される。

一方、高速域で速度指令が変化して加減速される場合は、電流Ｆ／Ｆ制御器２において必要なトルクを計算し、Ｆ／Ｆｑ軸電流Ｉｑａがｑ軸電流指令演算器５へ供給される。また電圧Ｆ／Ｆ制御器８が必要なｄｑ軸電圧指令ｖｄｆｆおよびｖｑｆｆをｄ軸電圧指令演算器１１およびｑ軸電圧指令演算器１３へ供給する。従って外乱がなければ、全てＦ／Ｆ成分で電動機１６を動作させることになる。

次に低速域での動作について説明する。低速域ではゲインＫ１＝０かつＫ２＝１となるため、速度制御出力切替器７およびｑ軸電流制御出力切替器１２は、速度制御ループ及びｑ軸電流ループを切り放した状態となる。すなわち、速度制御出力切替器７は固定値Ｃ１を選択するよう切り替えられており、ｑ軸電流制御出力切替器１２も固定値Ｃ２を選択するように切り替えられる。このような接続により、ｄ軸電流ループのみを閉ループとし、速度制御ループ及びｑ軸電流制御ループを用いない制御が行われる。

速度制御出力切替器７の出力は、固定値Ｃ１として例えば零を出力する。これにより、ｑ軸電流指令演算器５の出力はＦ／Ｆｑ軸電流と等価となり、電圧Ｆ／Ｆ制御器８はＦ／Ｆｑ軸電流により制御されることとなる。一方、ｑ軸電流制御出力切替器１２の出力は、固定値Ｃ２として例えば極めて低速な領域で一定速を維持する場合や、停止時に必要な電圧を事前に測定しておき、その測定値を固定値Ｃ２として予め記憶装置に設定する。これにより、極めて低速域における一定速時や停止時に必要な電圧を与えることができる。また位相演算部４は、推定周波数からＦ／Ｆ速度に切り替え、Ｆ／Ｆ速度に基づいて位相を演算する。この場合ｑ軸電流ループを使用していないので、軸ずれが発生した場合でも軸ずれを抑える制御はなされず、振動は収束する。

次に、低速域で速度指令が変化して加減速される場合は、式１及び式２にて計算されるＦ／Ｆｄｑ軸電圧指令ｖｄｆｆおよびｖｑｆｆが印加されることにより、外乱を無視すれば全てＦ／Ｆ成分にて電動機１６を動作させることになる。なお、式２の電圧方程式は過渡電圧も考慮しているので、電動機１６にかかる電圧を正確に模擬することができる。

以上述べたように、本実施の形態１では、高速域で閉ループ速度制御及びｑ軸電流制御を行うことにより高速かつ高精度な速度制御及びトルク制御を行うことができる。また低速域でｑ軸電流ループを動作停止することによりダンピングを改善し、かつ一定速時や停止時の振動を抑圧することができる。さらに、Ｖ／Ｆ一定制御と異なり電圧フィードフォワード制御器によって必要な電圧をまかなうので、制御切替時のショックや段付きを防止して滑らかな加減速動作を実現できる。

なお、低速域と高速域の制御切替は、速度指令やＦ／Ｆ速度などの速度または周波数に基づいて行われる。切替がスムーズになるよう、図３に示す例のようにゲイン比率を速度に応じて連続的に変更するなど徐々に切り替えてもよい。速度制御ループ及びｑ軸電流ループの切替はＦ／Ｆ速度あるいはＦ／Ｆｑ軸電流の大きさに基づいて判断を行う。すなわちＦ／Ｆ速度またはＦ／Ｆｑ軸電流が大きくなると高速域の制御に切替える。Ｆ／Ｆ速度またはＦ／Ｆｑ軸電流が十分小さいときに切り替えるようにすれば、切替ショックを抑制することができる。また減速してｑ軸電流ループの制御を停止する際に、切替前のｑ軸電流指令の値またはそれより十分大きな値を切替後のｄ軸電流指令として用いることができる。これにより、切替後にトルク不足で脱調する可能性を低減することができる。

またセンサレス制御時には電動機を停止させる際に直流制動が用いられるケースも多い。直流制動は一定の直流電流を流すことによりモータを停止させる手法である。本実施の形態において、切替え後のｄ軸電流指令に直流制動用の電流値を設定してやることで、減速して速度指令が０になった状態で直流制動状態となるため、スムーズに直流制動に入ることができる。

図４に本実施の形態１による発明の効果を説明する速度応答波形を示す。（ａ）は特許文献１に示される従来技術１の、（ｂ）は特許文献２に示される従来技術２の、また（ｃ）は本実施の形態１における本発明の、それぞれ減速停止時の速度指令と実速度を示す波形である。

図４（ａ）に示す従来技術１では、低速域でｄｑ軸同期電流制御を行い、ｄｑ軸電流ループにより制御を行うためダンピングが悪く、わずかな外乱や誤差に起因して停止時に振動が発生する。また図４（ｂ）に示す従来技術２では、低速域で電流ループをオフにするためダンピングは悪化せず振動は発生しないものの、必要な電流及び電圧を理論的に用いた制御ではなく電流及び電圧の変化率が不連続となるため、切替時の実速度に段差が生じるという問題がある。これらに対して、本実施の形態１の発明では、図４（ｃ）に示すように停止時の振動及び切替時の実速度の段差のいずれも発生せず、滑らかな減速停止動作が実現できる。

なお、本実施の形態１では、速度指令を制御装置１の外部から入力されるものとして説明したが、これは必ずしも必要ではない。たとえばＣＰＵの内部で速度指令を作成してもよい。また速度指令は電流Ｆ／Ｆ制御器２において制御対象が追従可能な速度であるＦ／Ｆ速度となって速度制御器３に入力されたが、これは必ずしも必要ではない。例えば制御装置１に入力される前に、フィルタ等を用いて速度指令を制御対象が追従可能な速度とすれば、速度制御器３に直接入力することができる。

また本実施の形態１では、電圧Ｆ／Ｆ制御器８が使用する速度情報として、速度制御器３が出力するＦ／Ｆ電圧演算用速度を用いる構成で説明したが、これは必ずしも必要ではない。すなわち速度情報は電動機１６の速度を示す情報であればどのようなものでもよく、例えばＦ／Ｆ速度でもよく、速度指令でもよい。さらに本実施の形態１では、電圧Ｆ／Ｆ制御器８が出力するＦ／Ｆｄｑ軸電圧指令ｖｄｆｆ、ｖｑｆｆの演算式として式２を用いるものとして説明したが、これは必ずしも必要ではない。たとえば電流変化が十分小さい場合はＬｄ・ｓ・ｉｄ^＊およびＬｑ・ｓ・ｉｑ^＊の項を無視した構成としても良い。またＦ／Ｆｄ軸電圧指令によるｄ軸電流制御には急峻な応答が求められないケースも多いため、このような場合にはＦ／Ｆｑ軸電圧指令ｖｑｆｆのみを演算し、ｖｄｆｆは演算しない構成としてもよい。さらに微分項についてはハイパスフィルタを用いる等による代替演算を行っても良い。

また式２のｄｑ軸電流指令やＦ／Ｆ速度を利用する部分は、高速域では電流ループや速度ループが働いているので、ｄｑ軸実電流やＦ／Ｂ速度を用いて演算してもよく、低速域に切り替える際にＦ／Ｆ速度を用いるように切り替えても良い。

また本実施の形態１では、速度制御出力切替器７及びｑ軸電流制御出力切替器１２は、それぞれ速度制御器３及びｑ軸電流制御器９の後段に設けるものとして説明したが、これは必ずしも必要ではない。すなわち、本実施の形態１では、速度制御器３及びｑ軸電流制御器９の出力を、それぞれ固定値と切替える機能があればどのようなものでもよく、例えば切替える機能を速度制御器３及びｑ軸電流制御器９の内部に備えれば、必ずしも速度制御出力切替器７及びｑ軸電流制御出力切替器１２は必要ではない。

また本実施の形態１では、電圧座標変換部１４の入力である電圧が速度推定器６に入力されるものとして説明したが、これは必ずしも必要ではない。すなわち、電圧座標変換部１４の変換が等価的であれば、電圧制御変換部１４の出力でもよいし、さらに電力変換器１５の出力でもよい。同様に、速度推定器６に入力される電流も電流座標変換部１７の出力に限らない。例えば、電動機の電流であれば、電流座標変換部１７の入力でもよい。

実施の形態２．
実施の形態１では、速度制御器３およびq軸電流制御器９の出力を、それぞれ速度制御出力切替器７およびｑ軸電流制御出力切替器１２で切替える場合を例にとり説明したが、必ずしもこれらの出力を切替える必要はない。たとえば、速度制御器３およびｑ軸電流制御器９の入力を切替える構成としても良い。本実施の形態２では、速度制御器３およびｑ軸電流制御器９の入力を切替える場合を例にとり説明する。

図５は本実施の形態２における制御装置１の構成を示すブロック図である。図５において、図１と同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。本実施の形態２では、実施の形態１において速度制御出力切替器７およびｑ軸電流制御出力切替器１２を備えない代わりに、速度制御器３およびｑ軸電流制御器９の入力に、それぞれＦ／Ｂ速度切替器５１およびＦ／Ｂｑ軸電流切替器５２が設けられる。Ｆ／Ｂ速度切替器５１は、Ｆ／Ｆ速度とＦ／Ｂ速度とを入力とし、これらを切り替えて修正Ｆ／Ｂ速度を出力する。またＦ／Ｂｑ軸電流切替器５２は、実ｑ軸電流とｑ軸電流指令とを入力とし、これらを切替えて修正Ｆ／Ｂｑ軸電流を出力する。そして、図１の速度制御器３の入力であるＦ／Ｂ速度の代わりに修正Ｆ／Ｂ速度が入力され、同様に図１のｑ軸電流制御器９の入力であるＦ／Ｂｑ軸電流の代わりに、修正Ｆ／Ｂｑ軸電流が入力される。また、速度制御器３およびｑ軸電流制御器９は、積分器のホールド値をクリアする処理が追加される。

次に制御装置１の動作を説明する。まず、高速域での動作は実施の形態１と同様であり、Ｆ／Ｂ速度切替器５１はＦ／Ｂ速度を出力し、Ｆ／Ｂｑ軸電流切替器５２は実ｑ軸電流を出力する。すなわち、速度制御ループ及びｑ軸電流ループを繋いだ状態とし、速度推定器６によるＦ／Ｂ速度を用いたセンサレス閉ループ速度制御が行われる。

次に、低速域では、Ｆ／Ｂ速度切替器５１はＦ／Ｆ速度を出力し、Ｆ／Ｂｑ軸電流切替器５２はｑ軸電流指令を出力するように切り替えられる。すると速度制御ループ及びｑ軸電流ループの制御入力の偏差が０となり、速度制御ループ及びｑ軸電流ループが切り離された状態となる。すなわち、ｄ軸電流ループのみを閉ループとし、速度制御ループ及びｑ軸電流制御ループを開いた開ループ速度制御が行われる。

本実施の形態２でも、たとえば高速域と低速域とのＦ／Ｂ速度切替器５１およびＦ／Ｂｑ軸電流切替器５２の切替は、実施の形態１と同様にゲイン比率を速度に応じて連続的に変更するなど徐々に切り替えを行う。このとき、速度制御器３およびｑ軸電流制御器９の積分器のホールド値のクリアも、所定の時定数を持って緩やかに変更する。その結果、高速域において摩擦などの外乱トルクを速度制御器３で、また外乱電圧をｑ軸電流制御器９で、それぞれ補償していたものが、減速時に制御を切替えた後にも、内部の積分器が有効であるので、引き続き補償することができるとともに、徐々にクリアされることで、切替ショックが生じない効果を得ることができる。

なお、本実施の形態２では、速度制御や電流制御の停止は、Ｆ／Ｂ速度切替器５１およびＦ／Ｂｑ軸電流切替器５２を切替えるものとして説明したが、これは必ずしも必要ではない。例えば速度制御および電流制御の制御ゲインを０ないし十分小さな値に変更してもよい。制御ゲインを十分小さくすれば、制御器の出力はほぼ零となるので、実施の形態１および上で述べたのとほぼ同様の動作を実現することができる。なお、ＰＩ制御を適用する場合には、比例ゲインを十分小さくすると同時に積分ゲインも下げることが望ましい。

また、本実施の形態２では、低速域でｑ軸電流制御を停止する一方、ｄ軸電流制御を動作させる構成としているが、これは必ずしも必要ではない。例えば、低速域でｄ軸電流制御を停止し、ｑ軸電流制御を動作させる構成としてもよい。このような場合であっても、停止時のダンピング特性を向上させる効果を得ることができる。かつ、外乱トルク分をｑ軸電流制御ループが受け持つことにより、大きな外乱電圧の存在時にはショックが出にくいという効果を得ることができる。

また、本実施の形態２では、Ｆ／Ｂ速度切替器５１の出力を速度制御器３に入力し、速度制御器３がＦ／Ｆ速度と修正Ｆ／Ｂ速度を適宜切替えてＦ／Ｆ電圧演算用速度を生成するものとして説明したが、これは必ずしも必要ではない。たとえば、修正Ｆ／Ｂ速度を、そのままＦ／Ｆ電圧演算用速度として電圧Ｆ／Ｆ制御器８へ入力してもよい。この場合、速度制御器７における切替が不要となり、制御が簡単になるという効果を得ることができる。

実施の形態３．
実施の形態１では、低速域ではｄ軸電流制御ループのみが閉ループとなる場合を例にとり説明したが、必ずしもｄ軸電流制御ループを閉ループとする必要はない。たとえば、ｑ軸電流制御ループと同様に、ｄ軸電流制御ループを切り離した状態としてもよい。本実施の形態３では、低速域でｄ軸電流制御ループを切り放した場合を例にとり説明する。

図６は本実施の形態３における制御装置１の構成を示すブロック図である。図６において、図１と同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。図６では、図１に対してｄ軸電流制御出力切替器６１が追加されており、その他の部分は実施の形態１と同様の構成である。ｄ軸電流制御出力切替器６１は、ｄ軸電流制御出力であるＦ／Ｂｄ軸電圧指令を所定の値と切り替え、修正Ｆ／Ｂｄ軸電圧指令を生成し、ｄ軸電圧指令演算部１１へ出力する。

本実施の形態３においても、実施の形態１と同様に高速域と低速域とで制御を切り替える。高速域の制御は実施の形態１と同様であるため説明を省略する。次に低速域においては、本実施の形態では、ｄ軸電流制御も切り離す。すなわち、ｄ軸電流制御出力切替器６１の出力を所定の固定値に切り替えて出力する。その結果、電動機１６は主として電圧Ｆ／Ｆ制御器８の出力であるＦ／Ｆｄｑ軸電圧ｖｄｆｆおよびｖｑｆｆによって駆動されることとなる。このように、本実施の形態３ではｑ軸電流ループのみならずｄ軸電流ループも停止されるので、実施の形態１と同様に低速域ではＦ／Ｆ電圧で駆動されることとなり、ダンピングが良く、かつ切替時にショックが発生しないという効果を得ることができる。また、本実施の形態３では、低速域では電流検出値を一切利用しない構成にすることが可能であるため、電流検出に異常がある場合でも制御することができるという効果を得ることができる。

実施の形態４．
実施の形態１〜３では、電流Ｆ／Ｆ制御器２および電圧Ｆ／Ｆ制御器８を備える場合を例にとり説明したが、必ずしもこのような構成に限るものではない。たとえば、電流電圧Ｆ／Ｆ制御器を備える構成としてもよい。本実施の形態４では、電流電圧Ｆ／Ｆ制御器を備える場合を例にとり説明する。

図７は本実施の形態４における制御装置１の構成を示すブロック図である。図７において、図１と同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。図７では、図１に対して電流電圧Ｆ／Ｆ制御器７１が追加されており、その他の部分は実施の形態１と同様の構成である。電流電圧Ｆ／Ｆ制御器７１は、速度指令を入力として、Ｆ／Ｆ速度ｗａ、Ｆ／Ｆｑ軸電流指令Ｉｑａ、ｄ軸電流指令、およびＦ／Ｆｄｑ軸電圧指令ｖｄｆｆおよびｖｑｆｆを出力する。ｗａ、Ｉｑａ、ｖｄｆｆ、ｖｑｆｆは、例えば式３で計算される。

式３においてＰｍは極対数である。なお、ｄ軸電流指令ｉｄ^＊は、固定値あるいは速度指令に応じて適宜、強め励磁・弱め励磁を行えばよい。

本実施の形態４では、電流および電圧が完全にＦ／Ｆ成分のみで演算されるので、より制御が安定になるという効果を得ることができる。またＦ／Ｆ電流および電圧を指令成分だけに基づき計算することができるため、微分演算によりノイズ分を助長させるなどのおそれがないという効果を得ることもできる。

なお、本実施の形態４では、外乱が無ければＦ／Ｆｄｑ軸電圧のみで駆動できるので、Ｆ／Ｆｑ軸電流指令を適用しない構成とすることもでき、構成を簡単化することができる。この場合、電流電圧Ｆ／Ｆ制御器７１は、電圧Ｆ／Ｆ制御器として動作する。

上述した本発明の実施の形態においては、速度制御モードを用いて説明をしているが、例えば、外側のループに位置制御や圧力制御などのような他の制御ループを組む場合であっても、本発明を利用できることは言うまでもない。また、本発明はセンサレス制御において低速域と高速域とで制御を切り替えるものとして説明したが、センサ付制御において異常が発生した際に、実施の形態で説明した低速域側での制御に切り替えるような手段としても利用することができる。

また、本発明の技術は、モータのｄｑ軸インダクタンス差を利用した速度推定を用いずに実施できるため、非突極型のモータにも適用することができる。さらに実施の形態は永久磁石型同期電動機を例にとり説明したが、電動機は永久磁石型同期電動機に限るものではない。例えばリラクタンスモータや誘導電動機など、ベクトル制御を用いて制御できる交流電動機であれば、それぞれの電動機に対応した回路方程式を利用することにより、本発明の技術を適用することができる。

この発明は工作機械などの分野において、交流電動機のセンサレス制御を行う機器に利用できる。

Claims (8)

1. 交流電動機の電流と交流電動機に印加される電圧とに基づいて前記交流電動機の速度を推定する速度推定手段と、
   推定速度と速度指令とに基づき速度制御を行いｑ軸電流指令を出力する速度制御手段と、
   速度情報と電動機定数を用いてフィードフォワード電圧指令を生成する電圧フィードフォワード制御手段と、
   回転同期座標上でｄ軸電流指令及びｑ軸電流指令に基づき電流制御を行いフィードバック電圧指令を生成するｄ軸電流制御手段およびｑ軸電流制御手段と、
   フィードフォワード電圧指令とフィードバック電圧指令とから交流電動機に印加される電圧を生成する電圧変換手段と、
   を備えた交流電動機のセンサレス制御装置において、
   速度制御手段、およびｑ軸電流制御手段またはｄ軸電流制御手段のいずれかを、低速域において動作停止することを特徴とする交流電動機のセンサレス制御装置。
2. 前記センサレス制御装置は、ｑ軸電流制御手段及びｄ軸電流制御手段を、低速域において動作停止することを特徴とする、請求項１に記載のセンサレス制御装置。
3. 前記電圧フィードフォワード制御手段は、電流指令またはフィードフォワード電流を用いてフィードフォワード電圧を演算することを特徴とする、請求項１または２に記載のセンサレス制御装置。
4. 前記センサレス制御装置は、さらに速度指令と機械慣性とに基づきフィードフォワードｑ軸電流を演算する電流フィードフォワード制御手段を備え、
   前記速度制御手段の出力にフィードフォワードｑ軸電流を加えてｑ軸電流指令とすることを特徴とする、請求項１または２に記載のセンサレス制御装置。
5. 前記電流フィードフォワード制御手段は、さらに速度指令に基づきフィードフォワード速度を演算し、
   前記速度制御手段は、推定速度とフィードフォワード速度とに基づき速度制御を行うことを特徴とする、請求項４に記載のセンサレス制御装置。
6. 前記センサレス制御装置は、さらに、
   前記速度制御手段の出力と、
   前記ｄ軸電流制御手段または前記ｑ軸電流制御手段のいずれか一方または両方の出力と、を
   低速域において、それぞれ所定の固定値に切替えることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれかに記載のセンサレス制御装置。
7. 前記センサレス制御装置は、さらに、
   前記速度制御手段の入力と、
   前記ｄ軸電流制御手段または前記ｑ軸電流制御手段のいずれか一方または両方の入力と、を
   低速域において、零または極小値とすることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれかに記載のセンサレス制御装置。
8. 前記センサレス制御装置は、さらに、
   前記速度制御手段の制御ゲインと、
   前記ｄ軸電流制御手段または前記ｑ軸電流制御手段のいずれか一方または両方の制御ゲインと、を
   低速域において、零または極小値とすることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれかに記載のセンサレス制御装置。

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