JP2012023862A

JP2012023862A - 交流回転機の制御装置

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Publication number: JP2012023862A
Application number: JP2010159819A
Authority: JP
Inventors: Masato Ito; 正人伊藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-07-14
Filing date: 2010-07-14
Publication date: 2012-02-02
Anticipated expiration: 2030-07-14
Also published as: JP5533381B2

Abstract

【課題】位置制御応答を高く保つことが出来るとともに、低速域から高速域までスムーズに交流回転機を駆動する交流回転機の制御装置を得る。
【解決手段】電圧指令に基づいて交流回転機１に電圧を印加する電圧印加手段３と、交流回転機１に流れる検出電流ベクトルを検出する電流検出手段２と、検出電流ベクトルから交流回転機１のインダクタンスに依存する信号を抽出して交流回転機１の回転子の検出位置を演算する位置検出手段４と、電圧指令と検出電流ベクトルと検出位置とに基づいて交流回転機１の回転子の推定位置および交流回転機１の推定速度を演算する推定手段５と、検出位置と外部から与えられる位置指令との偏差に基づいて速度指令を演算し、速度指令と推定速度との偏差に基づいて電圧指令ベクトルを生成するとともに、電圧指令ベクトルを推定位置に基づいて電圧指令に変換する制御手段６とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、誘導機や同期機といった交流回転機の制御装置に関する。

従来の交流回転機の制御装置においては、交流回転機に位置センサを取り付けることなく駆動する方法として、適応観測部を利用して交流回転機の誘起電圧を利用して交流回転機の回転子位置を推定する方法や、交流回転機のインダクタンスの位置依存性を利用して交流回転機の回転子位置を推定する方法などある。前者の方法で用いる誘起電圧の大きさは交流回転機の回転速度に比例するため、低速域（低回転域）では誘起電圧が小さくなり誘起電圧の検出または回転子位置の推定精度が悪化する。そのため、交流回転機の回転子位置を推定することが困難になる。一方、後者のインダクタンスの位置依存性を利用した方法は、交流回転機の回転子位置を推定するための位置推定用信号を交流回転機に注入しなければならないが、回転子位置の推定精度は交流回転機の速度に依存しないため、低速域でも良好に回転子位置を推定することが出来る。

全速度域で交流回転機を制御する場合、低速域ではインダクタンスの位置依存性を利用して求めた回転子推定位置に基づいて交流回転機を駆動するとともに、高速域（高回転域）では誘起電圧を利用したセンサレス制御によって交流回転機を駆動すれば安価でかつ広範囲で駆動可能な装置を提供することが可能である。この場合、低速域から高速域までスムーズに駆動することがポイントとなる。そこで、交流回転機の零速から高速域までを連続的に制御するためのセンサレス制御方法において、交流回転機の回転子角度を用いて演算される第１の磁束ベクトルと、回転子角度を用いずに演算される第２の磁束ベクトルとの外積演算によって得られる位置誤差Δθが零となるように、位置・速度推定器により、機械数式モデルにより推定した速度推定値ωｅｓｔと位置推定値θｅｓｔとを用いて位置制御および速度制御を行っている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−１５８０４６号公報（第６−７頁、第１、４図）

特許文献１に記載の発明は、第１の磁束ベクトルと第２の磁束ベクトルとの外積演算によって得られる位置誤差Δθが零となるように、位置・速度推定器により速度推定値ωｅｓｔと位置推定値θｅｓｔとを用いて交流回転機を駆動する。交流回転機の位置制御を行う場合は、位置指令値θｒｅｆと位置推定値θｅｓｔとを用いたフィードバック制御することになるが、位置推定値θｅｓｔは位置誤差Δθが零になるように調整することにより間接的に求めるものであるため、位置誤差Δθが零に収束するまでの時間が位置推定の時間遅れとなる。このため、フィードバックする位置推定値θｅｓｔに推定遅れが発生するので、位置制御応答を十分に高くすることが困難であるという問題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、位置制御応答を高く保つことが出来るとともに、低速域から高速域までスムーズに交流回転機を駆動する交流回転機の制御装置を得るものである。

この発明に係る交流回転機の制御装置は、電圧指令に基づいて交流回転機に電圧を印加する電圧印加手段と、交流回転機に流れる検出電流ベクトルを検出する電流検出手段と、検出電流ベクトルから交流回転機のインダクタンスに依存する信号を抽出して交流回転機の回転子の検出位置を演算する位置検出手段と、電圧指令と検出電流ベクトルと検出位置とに基づいて交流回転機の回転子の推定位置および交流回転機の推定速度を演算する推定手段と、検出位置と外部から与えられる位置指令との偏差に基づいて速度指令を演算し、速度指令と推定速度との偏差に基づいて電圧指令ベクトルを生成するとともに、電圧指令ベクトルを推定位置に基づいて電圧指令に変換する制御手段とを備えるものである。

また、この発明に係る交流回転機の制御装置は、電圧指令に基づいて交流回転機に電圧を印加する電圧印加手段と、交流回転機に流れる検出電流ベクトルを検出する電流検出手段と、検出電流ベクトルから交流回転機のインダクタンスに依存する信号を抽出して交流回転機の回転子の検出位置を演算する位置検出手段と、電圧指令と検出電流ベクトルと検出位置とに基づいて交流回転機の回転子の推定位置および交流回転機の推定速度を演算する推定手段と、推定速度に基づいて検出位置または推定位置のいずれかを選択して選択位置とし、選択位置と外部から与えられる位置指令との偏差に基づいて速度指令を演算し、速度指令と推定速度との偏差に基づいて電圧指令ベクトルを生成するとともに、電圧指令ベクトルを推定位置に基づいて電圧指令に変換する制御手段とを備えるものである。

この発明は、検出電流ベクトルから交流回転機のインダクタンスに依存する信号を抽出して交流回転機の回転子の検出位置を演算する位置検出手段と、電圧指令と検出電流ベクトルと検出位置とに基づいて交流回転機の回転子の推定位置および交流回転機の推定速度を演算する推定手段と、検出位置と外部から与えられる位置指令との偏差に基づいて速度指令を演算し、速度指令と推定速度との偏差に基づいて電圧指令ベクトルを生成するとともに、電圧指令ベクトルを推定位置に基づいて電圧指令に変換する制御手段とを備えるので、位置制御応答を高く保つことが出来るとともに、低速域から高速域までスムーズに交流回転機を駆動することが出来る。

本発明の実施の形態１における交流回転機の制御装置の構成を示す構成図である。本発明の実施の形態１における交流回転機の制御装置の別の構成を示す構成図である。本発明の実施の形態１における位置検出手段の構成を示す構成図である。本発明の実施の形態１における回転子位置に対する信号ｉｕｈ、ｉｖｈ、ｉｗｈの変化を示した図である。本発明の実施の形態１における回転子位置に対する位置推定信号ｄＩｕ、ｄＩｖ、ｄＩｗの変化を示した図である。本発明の実施の形態１における回転子位置の区間毎の大小判別をまとめた図である。本発明の実施の形態１における推定手段の構成を示す構成図である。本発明の実施の形態１におけるα−β軸と回転子との関係の模式図である。本発明の実施の形態１における検出磁束ベクトル演算部の構成を示す構成図である。本発明の実施の形態１における適応観測部の構成を示す構成図である。本発明の実施の形態１における偏差増幅部の構成を示す構成図である。本発明の実施の形態１における検出磁束ベクトルと推定磁束ベクトルと磁束偏差ベクトルとの関係を示した図である。本発明の実施の形態２における交流回転機の制御装置の構成を示す構成図である。本発明の実施の形態２における回転子の速度と選択位置との関係を示す図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における、交流回転機の制御装置の構成を示す構成図である。本実施の形態において、交流回転機１は突極性を有する同期機である。図１において、交流回転機１は、電圧指令に基づいて交流回転機１に電圧を印加する電圧印加手段３に接続されている。また、交流回転機１の制御装置は、電圧印加手段３と交流回転機１との間を流れる検出電流ベクトルｉｕ、ｉｗを検出する電流検出手段２と、電流検出手段２によって検出した検出電流ベクトルｉｕ、ｉｗから交流回転機１のインダクタンスに依存する信号を抽出して、抽出した信号から交流回転機１の回転子位置を検出し、検出位置θｄｅｔとして演算・出力する位置検出手段４と、電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗと検出電流ベクトルｉｕ、ｉｗと検出位置θｄｅｔとに基づいて交流回転機１の回転子の推定位置θｅｓｔおよび交流回転機１の推定速度ωｒ０を演算する推定手段５と、電圧印加手段３に電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを出力する制御手段６とを備えている。

電流検出手段２は、交流回転機１の三相電流のうち少なくとも二相分の電流を検出する。本実施の形態における電流検出手段２は、交流回転機１と電圧印加手段３とを接続する電力線からＵ相検出電流ベクトルｉｕとＷ相検出電流ベクトルｉｗを検出する。なお、電流検出手段２は、Ｕ相検出電流ベクトルｉｕおよびＷ相検出電流ベクトルｉｗを検出する以外に、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のうち任意の２相の検出電流ベクトルを検出し、残りの１相は検出電流ベクトルが三相平衡であることを利用して演算によって求める方法を用いてもよい。また、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相すべての検出電流ベクトルを検出してもよい。あるいは、電流検出手段２として、電圧印加手段３の入力である直流母線電流を検出し、その直流母線電流に基づいて検出電流ベクトルを演算してもよい。

電圧印加手段３は、例えばＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）インバータなどの電力変換器であり、制御手段６の出力である電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに基づいて交流回転機１に電圧を印加する。なお、後述のように電圧指令に位置検出信号を重畳する場合は、その位置検出信号を含んだ電圧指令Ｖｕ＿ｒｅｆ、Ｖｖ＿ｒｅｆ、Ｖｗ＿ｒｅｆが電圧印加手段３に入力される。

位置検出手段４は、交流回転機１のインダクタンスが回転子位置によって変化する性質を利用して、検出電流ベクトルｉｕ、ｉｗから交流回転機１のインダクタンスに依存する信号を抽出して回転子の検出位置θｄｅｔを演算・出力する。ここで、図２は、交流回転機の制御装置の別の構成を示す構成図である。交流回転機１のインダクタンスに依存する信号を抽出しやすくするために、例えば図２に示す構成のように、電圧指令の基本波周波数とは異なる周波数成分を有する位置検出信号を電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに重畳し、位置検出手段４において位置検出信号と同一周波数成分の信号を検出電流ベクトルｉｕ、ｉｗから抽出し、抽出した信号から交流回転機１のインダクタンスに依存する信号を抽出して交流回転機１の回転子位置を検出する方法がある。回転子位置を検出する方法としては、図２に示す以外の構成のものであっても良い。以下、本実施の形態では、図２に示す交流回転機の制御装置のように、電圧指令に位置検出信号を重畳する場合について説明する。

なお、位置検出信号は電圧指令の周波数よりも十分高いことが望ましい。その理由は、位置検出信号を印加しても交流回転機１が動きにくく、交流回転機１のインピーダンスは、抵抗ＲとインダクタンスＬとから成っており、交流回転機１に印加する位置検出信号の周波数が高くなると交流回転機１のインピーダンスはインダクタンスが支配的になるため、交流回転機１に流れる電流からインダクタンスに依存する信号を抽出することが容易になるからである。

図３は、本発明の実施の形態１における、位置検出手段の内部構成を示す構成図である。図３において、位置検出手段４は、加減算器４０を用いて検出電流ベクトルｉｕ、ｉｗから検出電流ベクトルｉｖを演算し、バンドパスフィルタ４１を用いて検出電流ベクトルｉｕ、ｉｖ、ｉｗから位置検出信号と同一周波数成分の信号ｉｕｈ、ｉｖｈ、ｉｗｈを抽出する。抽出した信号ｉｕｈ、ｉｖｈ、ｉｗｈは、交流回転機１のインダクタンスが回転子位置によって変化する。図４は、交流回転機の回転子位置に対する信号ｉｕｈ、ｉｖｈ、ｉｗｈの変化を示した図である。図４に示すように交流回転機１の回転子位置に応じて、信号ｉｕｈ、ｉｖｈ、ｉｗｈの振幅がそれぞれ変化する。交流回転機１のインダクタンス情報が含まれている信号ｉｕｈ、ｉｖｈ、ｉｗｈの振幅を求めるために、フーリエ変換器４２を用いて信号ｉｕｈ、ｉｖｈ、ｉｗｈのフーリエ変換処理を行い、その後オフセット処理器４３を用いてオフセット処理を施すことで、交流回転機１の回転子位置によって変化する３相交流の位置推定信号ｄＩｕ、ｄＩｖ、ｄＩｗを得ることが出来る。

そして、回転子位置検出器４４を用いてｄＩｕ、ｄＩｖ、ｄＩｗから検出位置θｄｅｔを演算する。図５は、交流回転機の回転子位置に対する位置推定信号ｄＩｕ、ｄＩｖ、ｄＩｗの変化を示した図である。また、図６は、図５から得られた位置推定信号ｄＩｕ、ｄＩｖ、ｄＩｗに基づいて回転子位置の区間毎に大小判別を行った結果をまとめたものである。図５に示すように、位置推定信号ｄＩｕ、ｄＩｖ、ｄＩｗを逆余弦演算、逆正弦演算することによって時間遅れなく直接回転子位置を検出することが出来る。また、逆余弦演算、逆正弦演算を軽減する方法として、図６に示すように、位置推定信号ｄＩｕ、ｄＩｖ、ｄＩｗの大小判別を行うことによって３０度間隔に大別し、大別した３０度内において、図５の位置推定信号ｄＩｕ、ｄＩｖ、ｄＩｗの太線部分のみ逆正弦演算することによって時間遅れなく直接回転子位置を検出方法もある。また、図５の太線部分を直線近似して逆余弦演算を行わずに直接回転子位置を検出する方法でもよい。なお、位置検出手段４は上記のような方法に限らず、交流回転機１のインダクタンスに依存する成分を抽出して交流回転機１の回転子位置を検出するものであればどのようなものでもよい。

図７は、本発明の実施の形態１における、推定手段の内部構成を示す構成図である。推定手段５は、交流回転機１が回転することで発生する誘起電圧を利用して、回転子位置を推定するものの一種である。誘起電圧を利用した回転子位置の推定方法は、前述したように、低速域で誘起電圧が小さくなることから、推定精度が悪化するという問題点がある。しかしながら、本実施の形態による推定手段５は、その問題点を解決するために、位置検出手段４で求めた検出位置θｄｅｔを利用して検出磁束ベクトルφαｒ、φβｒを演算し、演算した検出磁束ベクトルφαｒ、φβｒと後述する適応観測部５２が出力する推定磁束ベクトルφαｒ０、φβｒ０との偏差である磁束偏差ベクトルｅφα、ｅφβを用いることによって、低速でも回転子位置の推定精度を悪化させないようにし、停止から高速まですべての速度域において、常に交流回転機１の推定位置θｅｓｔを演算するものである。以下、その詳細について説明する。

図７において、３相／２相変換器５０は、３相電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを２相電圧指令Ｖαｓ、Ｖβｓに変換する。３相／２相変換器５１は、検出電流ベクトルｉｕ、ｉｗを２相検出電流ベクトルｉαｓ、ｉβｓに変換する。なお、３相／２相変換器５０、５１が扱う座標は、直交静止二軸座標として知られているものであり、この直交静止二軸座標をα−β軸と定義することとする。

次に、検出磁束ベクトル演算部５３について説明する。検出磁束ベクトル演算部５３は、位置検出手段４の出力である検出位置θｄｅｔに基づいて、交流回転機１の検出磁束ベクトル（回転子磁束ベクトル）のα軸成分φαｒとβ軸成分φβｒとを検出するものである。図８は、ある瞬間のα−β軸と回転子との関係の模式的に表した図であり、丸点線部分が回転子、長方形点線が回転子内部に埋め込まれた永久磁石を表している。なお、検出磁束ベクトルの大きさφｆは、予め測定した既知の値とする。また、検出磁束ベクトルの大きさφｆとα軸とのなす角が、検出位置θｄｅｔであるので、φｆとθｄｅｔとを用いて余弦演算および正弦演算を行うことによって検出磁束ベクトルのα軸成分φαｒ、β軸成分φβｒを検出することが出来る。これを実現するのが検出磁束ベクトル演算部５３である。図９は、本発明の実施の形態１における、検出磁束ベクトル演算部の内部構成を示す構成図である。

図９において、余弦演算器５３０は、位置検出手段４から得た検出位置θｄｅｔに応じた余弦演算を行い、ｃｏｓ（θｄｅｔ）を出力する。ゲイン５３１は、余弦演算器５３０が出力したｃｏｓ（θｄｅｔ）を予め設定した値に比例させ、検出磁束ベクトルのα軸成分φαｒとして出力する。なお、ゲイン５３１の比例係数は、検出磁束ベクトルの大きさφｆで与える。正弦演算器５３２は、位置検出手段４から得た回転角度θｄｅｔに応じた正弦演算を行い、ｓｉｎ（θｄｅｔ）を出力する。ゲイン５３３は、正弦演算器５３２が出力したｓｉｎ（θｄｅｔ）を予め設定した値に比例させ、検出磁束ベクトルのβ軸成分φβｒとして出力する。なお、ゲイン５３１と同様に、ゲイン５３３の比例係数も検出磁束ベクトルの大きさφｆで与える。

適応観測部（適応オブザーバ）５２は、後述する増幅偏差ベクトルｅ１、ｅ２、ｅ３、ｅ４と電流偏差ベクトルｅα、ｅβと２相電圧指令Ｖαｓ、Ｖβｓとに基づいて推定電流ベクトルｉαｓ０、ｉβｓ０と推定磁束ベクトルφαｒ０、φβｒ０と推定位置θｅｓｔと推定速度ωｒ０とを出力する。加減算器５４は、推定電流ベクトルｉαｓ０、ｉβｓ０から２相検出電流ベクトルｉαｓ、ｉβｓを減算し、推定電流ベクトルｉαｓ０、ｉβｓ０と２相検出電流ベクトルｉαｓ、ｉβｓとの偏差である電流偏差ベクトルｅα、ｅβを出力する。加減算器５５は、推定磁束ベクトルφαｒ０、φβｒ０から検出磁束ベクトルφαｒ、φβｒを減算し、推定磁束ベクトルφαｒ０、φβｒ０と検出磁束ベクトルφαｒ、φβｒとの偏差である磁束偏差ベクトルｅφα、ｅφβを出力する。偏差増幅部５６は、推定速度ωｒ０に応じて電流偏差ベクトルｅα、ｅβと磁束偏差ベクトルｅφα,ｅφβとを増幅した増幅偏差ベクトルｅ１、ｅ２、ｅ３、ｅ４を適応観測部５２へ出力する。

図１０は、本発明の実施の形態１における、適応観測部の内部構成を示す構成図である。図１０について説明する前に、適応観測部の動作について説明する。交流回転機１の電機子抵抗をＲ、α軸上の電機子インダクタンスをＬα、β軸上の電機子インダクタンスをＬβ、推定速度をωｒ０とし、行列Α、Β、Ｃ１、Ｃ２を（１）式のように定義する。

また、α−β軸上の推定電流ベクトルのα軸成分をｉαｓ０、α−β軸上の推定電流ベクトルのβ軸成分をｉβｓ０、α−β軸上の推定電機子反作用ベクトルのα軸成分をφαｓ０、α−β軸上の推定電機子反作用ベクトルのβ軸成分をφβｓ０、α−β軸上の推定磁束ベクトルのα軸成分をφαｒ０、α−β軸上の推定磁束ベクトルのβ軸成分をφβｒ０、２相電圧指令のα軸成分をＶαｓ、２相電圧指令のβ軸成分をＶβｓと定義する。また、増幅偏差ベクトルを（ｅ１、ｅ２、ｅ３、ｅ４）^Ｔと定義する。記号Ｔは転置行列であることを意味する。２相電圧指令Ｖαｓ、Ｖβｓと増幅偏差ベクトル（ｅ１、ｅ２、ｅ３、ｅ４）^Ｔが与えられれば、（２）式によって推定電機子反作用ベクトルφαｓ０、φβｓ０、推定磁束ベクトルφαｒ０、φβｒ０を得ることが出来る。

また、α−β軸上の電流偏差ベクトルのα軸成分をｅα、α−β軸上の電流偏差ベクトルのβ軸成分をｅβ、ｓをラプラス演算子（微分演算子）、Ｋｐを比例ゲイン、Ｋｉを積分ゲインと定義し、（２）式の行列Ａの内部パラメータである推定速度ωｒ０を（３）式によって与える。

また、推定電機子反作用ベクトルφαｓ０、φβｓ０、推定磁束ベクトルφαｒ０、φβｒ０を与えれば、（４）式によって推定電流ベクトルｉαｓ０、ｉβｓ０を得ることが出来る。

同様に、推定電機子反作用ベクトルφαｓ０、φβｓ０、推定磁束ベクトルφαｒ０、φβｒ０を与えれば、（５）式によって推定磁束ベクトルφαｒ０、φβｒ０を得ることが出来る。

また、ｓｇｎを正数に対して１、負数に対して−１を出力する符号関数であると定義すると、推定位置θｅｓｔは（６）式によって得ることが出来る。

このように、（１）〜（６）式を用いれば、２相電圧指令Ｖαｓ、Ｖβｓと増幅偏差ベクトルｅ１、ｅ２、ｅ３、ｅ４と電流偏差ベクトルｅα、ｅβとに基づいて推定速度ωｒ０と推定電流ベクトルｉαｓ０、ｉβｓ０と推定磁束ベクトルφαｒ０、φβｒ０と推定位置θｅｓｔとを算出することが出来る。適応観測部５２における演算の流れを、図１０を用いて説明する。

ゲイン行列演算器８０は、行列Ｂにベクトル（Ｖαｓ、Ｖβｓ）^Ｔを乗算した結果を出力する。加減算器８１は、図１０に図示した符号に沿って、ゲイン行列演算器８０の出力と、ゲイン行列演算器８２の出力と、増幅偏差ベクトル（ｅ１、ｅ２、ｅ３、ｅ４）^Ｔとを加減算したベクトルを出力する。積分器８３は、加減算器８１が出力するベクトルを各要素毎に積分し、ベクトル（φαｓ０、φβｓ０、φαｒ０、φβｒ０）^Ｔとして出力する。ゲイン行列演算器８２は、推定速度ωｒ０に基づいて（１）式に記した行列Ａを得るとともに、この行列Ａにベクトル（φαｓ０、φβｓ０、φαｒ０、φβｒ０）^Ｔを乗算した結果を出力する。この一連の演算によって、積分器８３の入力が（１）式の右辺に相当するようになっている。また、（１）式の左辺はベクトル（φαｓ０、φβｓ０、φαｒ０、φβｒ０）^Ｔの微分であり、積分器８３の入力でもあるから、積分器８３の出力はベクトル（φαｓ０、φβｓ０、φαｒ０、φβｒ０）^Ｔとなる。

ゲイン行列演算器８４は、（４）式の行列演算を行い推定電流ベクトル（ｉαｓ０、ｉβｓ０）^Ｔを出力する。ゲイン行列演算器８５は、（５）式の行列演算を行い推定磁束ベクトル（φαｒ０、φβｒ０）^Ｔを出力する。位置推定器８６は、入力される推定磁束ベクトル（φαｒ０、φβｒ０）^Ｔに基づいて（６）式の演算を行い、推定位置θｅｓｔを出力する。速度推定器８７は、入力される推定磁束ベクトル（φαｒ０、φβｒ０）^Ｔと電流偏差ベクトル（ｅα、ｅβ）^Ｔとに基づいて（３）式の演算を行い、推定速度ωｒ０を出力する。

図１１は、本発明の実施の形態１における、偏差増幅部の内部構成を示す構成図である。前述のとおり、磁束偏差ベクトルｅφα、ｅφβは、検出磁束ベクトルφαｒ、φβｒと推定磁束ベクトルφαｒ０、φβｒ０との偏差である。図１１において、ゲイン行列演算器５６０は、電流偏差ベクトル（ｅα、ｅβ）^Ｔに行列Ｈｃを乗算した結果を出力する。ゲイン行列演算器５６１は、磁束偏差ベクトル（ｅφα、ｅφβ）^Ｔに行列Ｈｆを乗算した結果を出力する。ここで、Ｈｃ、Ｈｆは（７）式で定義するゲイン行列であり、（７）式中のｈ１１〜ｈ４４は増幅ゲインである。

ゲイン行列演算器５６０内部の増幅ゲインｈ１１、ｈ１２、ｈ２１、ｈ２２、ｈ３１、ｈ３２、ｈ４１、ｈ４２の値は、例えば再公表特許ＷＯ２００２／０９１５５８の第９図に記載されているように推定回転速度によって各増幅ゲインの値を変更するようにする。同様に、ゲイン行列演算器５６１内部の増幅ゲインｈ１３、ｈ１４、ｈ２３、ｈ２４、ｈ３３、ｈ３４、ｈ４３、ｈ４４の値も推定回転速度によって各増幅ゲインの値を変更するようにする。加算器５６２は、ゲイン行列演算器５６０の出力ベクトルとゲイン行列演算器５６１の出力ベクトルとを加算し、増幅偏差ベクトル（ｅ１、ｅ２、ｅ３、ｅ４）^Ｔを出力する。特に、ゲイン行列演算器５６１において、推定速度ωｒ０の絶対値が大きい場合は、ｈ１３、ｈ１４、ｈ２３、ｈ２４、ｈ３３、ｈ３４、ｈ４３、ｈ４４の値が零になるようにすれば、高速域でゲイン行列演算器５６１の出力を零とすることが出来る。

このように低速域では、ゲイン行列演算器５６１の出力ベクトルを出力し、高速域ではゲイン行列演算器５６１の出力を零とすることによって、低速域では、位置検出手段４が出力する検出位置θｄｅｔを用いた検出磁束ベクトルφαｒ、φβｒを利用することになり、誘起電圧が小さくなることで、推定磁束ベクトルの精度が悪化しても交流回転機１の回転子の推定位置θｅｓｔおよび推定速度ωｒ０の精度悪化を防ぐことが出来る。また、高速域では位置検出手段４の検出位置θｄｅｔの位置検出精度が低下しても、適応観測部５２が検出磁束ベクトルφαｒ、φβｒを利用することなく推定位置θｅｓｔを演算することになり、高速域でも安定に交流回転機１を駆動することが出来る。

ここで、低速域における磁束偏差ベクトルの特長について説明する。図１２は、検出磁束ベクトルと推定磁束ベクトルと磁束偏差ベクトルとの関係を示した図である。ここでは、交流回転機１の速度が低速である（低速域）と仮定する。すなわち、低速であるために推定磁束ベクトルの精度が悪い状態であり、検出位置θｄｅｔに基づいて演算する検出磁束ベクトルは交流回転機１の磁束ベクトルを正しく検出している状態であるとする。図１２に示すように、推定磁束ベクトルの精度が悪化し、検出磁束ベクトルとの間に偏差が生じたとする。推定磁束ベクトル（図中の一点鎖線）から検出磁束ベクトル（図中の二重線）を減算した磁束偏差ベクトルは、図中の破線のようになり、推定磁束ベクトルと検出磁束ベクトルとの間に位相差が発生すると、磁束偏差ベクトルが発生する。この磁束偏差ベクトルのα軸成分ｅφαとβ軸成分ｅφβとを用いて、偏差増幅部５６では行列Ｈｆを乗算した結果を適応観測部５２へ出力することによって、適応観測部５２が推定する推定磁束ベクトルに誤差が生じても、誤差を収束するようにしている。

このように、推定手段５は、適応観測部５２が推定電流ベクトルｉαｓ０、ｉβｓ０と２相検出電流ベクトルｉαｓ、ｉβｓとの偏差、および推定磁束ベクトルφαｒ０、φβｒ０と検出磁束ベクトルφαｒ、φβｒとの偏差が小さくなるように動作させることによって、交流回転機１の回転速度の高低に関わらず適応観測部５２が推定した推定磁束ベクトルφαｒ０、φβｒ０に基づいた推定位置θｅｓｔによって交流回転機１を制御することが可能であり、低速領域でも速度制御応答などの応答性を高く保つことが出来る。さらに、初期値誤差があった場合の誤差収束性を向上させることが出来、推定手段５が出力する推定位置θｅｓｔと推定速度ωｒ０とを精度よく求めることが出来る。また、検出位置θｄｅｔに基づいて検出磁束ベクトルφαｒ、φβｒを検出するようにしたので、適応観測部５２が出力する推定磁束ベクトルφαｒ０、φβｒ０の推定精度が低下して検出磁束ベクトルφαｒ、φβｒと推定磁束ベクトルφαｒ０、φβｒ０とに偏差が発生する場合であっても、その結果発生する増幅偏差ベクトルｅ１、ｅ２、ｅ３、ｅ４に基づいて適応観測部５２は推定磁束ベクトルφαｒ０、φβｒ０を演算する。このため、適応観測部５２が出力する推定磁束ベクトルφαｒ０、φβｒ０の推定精度低下を防ぐことが可能となり、安定に交流回転機１を駆動することが出来る。

次に、制御手段６の動作について説明する。位置制御器６０は、位置検出手段４の出力である検出位置θｄｅｔと外部から与えられる位置指令θｒｅｆとの偏差が無くなるように比例制御などを行うことによって速度指令ωｒｅｆを出力する。速度制御器６１は、速度指令ωｒｅｆと推定手段５が出力する推定速度ωｒ０との偏差が無くなるように比例積分制御などを行うことによって電流指令を出力する。本実施の形態では、公知のｉｄ＝０制御を採用するので、速度制御器６１の出力は、直交回転座標として知られているｄ−ｑ軸のｑ軸電流指令ｉｑ＿ｒｅｆとなり、ｄ軸電流指令ｉｄ＿ｒｅｆが０で与えられる。

電流制御器６２は、ｄ軸電流指令ｉｄ＿ｒｅｆと座標変換器Ｂ６４の出力であるｄ軸電流ｉｄとの偏差、およびｑ軸電流指令ｉｑ＿ｒｅｆと座標変換器Ｂ６４の出力であるｑ軸電流ｉｑとの偏差がそれぞれ無くなるように比例積分制御することによって、ｄ軸電圧指令ベクトルＶｄ＿ｒｅｆとｑ軸電圧指令ベクトルＶｑ＿ｒｅｆとを出力する。座標変換器Ａ６３は、推定手段５が出力する推定位置θｅｓｔに基づいてｄ−ｑ軸の電圧指令であるＶｄ＿ｒｅｆとＶｑ＿ｒｅｆとを３相電圧指令に座標変換する。座標変換器Ｂ６４は、推定手段５が出力する推定位置θｅｓｔに基づいて電流検出手段２の出力である検出電流ベクトルｉｕ、ｉｗをｄ−ｑ軸上のｄ軸電流ｉｄとｑ軸電流ｉｑとに変換する。このように、制御手段６は、検出位置θｄｅｔと外部から与えられる位置指令θｒｅｆとの偏差に基づいて速度指令ωｒｅｆを演算し、速度指令ωｒｅｆと推定速度ωｒ０との偏差に基づいて電圧指令ベクトルＶｄ＿ｒｅｆ、Ｖｑ＿ｒｅｆを生成し、電圧指令ベクトルＶｄ＿ｒｅｆ、Ｖｑ＿ｒｅｆを推定位置θｅｓｔに基づいて電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換する。

制御手段６は、図２に示すように、制御手段６が位置検出信号発生器６５を有する場合、位置検出信号発生器６５が出力する位置検出信号と座標変換器Ａ６３の出力である電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗとを加算したＶｕ＿ｒｅｆ、Ｖｖ＿ｒｅｆ、Ｖｗ＿ｒｅｆを電圧指令として電圧印加手段３へ出力する。また、制御手段６は、図１に示すように、位置検出信号発生器６５を有さない場合、座標変換器Ａ６３の出力である電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを電圧指令として電圧印加手段３へ出力する。

交流回転機１を、目標位置である位置指令θｒｅｆに位置制御する場合、通常、位置制御器６０へフィードバックする位置情報と座標変換器Ａ６３と座標変換器Ｂ６４へフィードバックする位置情報とは同一のものを使用する。例えば、交流回転機１に位置センサを取り付けた位置センサ付制御の場合、位置制御器６０と座標変換器Ａ６３と座標変換器Ｂ６４とへフィードバックする位置情報は、位置センサにより得た同一の位置情報をフィードバックする。本実施の形態では、交流回転機１に位置センサを取り付けず、位置センサレスで位置制御を行うものであるが、位置指令θｒｅｆに交流回転機１の回転子を追従させる応答性を向上することと、低速域から高速域までスムーズに駆動することを同時に実現することを目的としている。このため、位置制御器６０へは位置検出手段４の出力である検出位置θｄｅｔをフィードバックし、座標変換器Ａ６３、座標変換器Ｂ６４へは推定手段５が出力する推定位置θｅｓｔをフィードバックするようにし、位置制御器６０と座標変換器Ａ６３、座標変換器Ｂ６４へフィードバックする位置情報を異なるようにしている。

以下、本発明の特徴の詳細について述べる。なお、本実施の形態では、目標位置である位置指令θｒｅｆに交流回転機１を追従させて停止する位置制御について考えることとする。位置指令θｒｅｆに交流回転機１の回転子位置を追従させる応答性を向上するためには、位置制御器６０にフィードバックする位置情報は検出遅れまたは推定遅れが小さいものが良い。前述したように、推定手段５は、推定電流ベクトルと検出電流ベクトルと間の誤差である電流偏差ベクトルと、検出磁束ベクトルと推定磁束ベクトルとの間の誤差である磁束偏差ベクトルとを収束させるようにし、その結果に基づいて推定位置θｅｓｔを出力するものである。このため、これらの偏差ベクトルを収束させる時間だけ推定位置θｅｓｔも推定遅れが生じることになる。したがって、位置制御器６０にフィードバックする位置情報に推定位置θｅｓｔを利用した場合、推定位置θｅｓｔに推定遅れがあるため、位置制御器６０の位置制御応答を十分に上げることが出来ない。

一方、位置検出手段４が出力する検出位置θｄｅｔは、位置検出信号と同一周波数成分の信号を検出電流ベクトルｉｕ、ｉｗから抽出し、抽出した信号から交流回転機１のインダクタンス情報を抽出し、抽出したインダクタンス情報が交流回転機１の回転子位置に依存して変化する性質を利用して回転子位置を直接検出するため、検出位置θｄｅｔの検出遅れは少ない。したがって、位置制御器６０へフィードバックする位置情報に位置検出手段４が出力する検出位置θｄｅｔを用いることによって、位置制御器６０の位置制御応答を向上させることが出来る。

そして、座標変換器Ａ６３と座標変換器Ｂ６４とに用いる位置情報は、低速域から高速域まで交流回転機１をスムーズに駆動させるためには、低速域から高速域まで精度良く連続的に変化する位置情報が望ましい。位置検出手段４が出力する検出位置θｄｅｔは、交流回転機１の速度が高くなると検出位置θｄｅｔに誤差が生じるため、座標変換器Ａ６３と座標変換器Ｂ６４とに用いる位置情報として相応しくない。一方、推定手段５が出力する推定位置θｅｓｔは、低速域から高速域まで精度良く連続的に変化するため、座標変換器Ａ６３と座標変換器Ｂ６４とに用いる位置情報として望ましい。

以上のように、本実施の形態に係る交流回転機１の制御装置は、位置制御器６０へフィードバックする位置情報に位置検出手段４が出力する検出遅れの少ない検出位置θｄｅｔに基づいて電圧指令ベクトルＶｄ＿ｒｅｆ、Ｖｑ＿ｒｅｆを生成することによって、位置指令θｒｅｆに交流回転機１の回転子を追従させる応答性を向上することができる。さらに、座標変換器Ａ６３、座標変換器Ｂ６４へフィードバックする位置情報に推定手段５が出力する推定位置θｅｓｔに基づいて電圧指令ベクトルＶｄ＿ｒｅｆ、Ｖｑ＿ｒｅｆを電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換することによって、交流回転機１の回転子を低速域から高速域までスムーズに位置センサレス駆動することができる。

実施の形態２．
図１３は、本発明の実施の形態２における、交流回転機の制御装置の構成を示す構成図である。図１３に示した交流回転機の制御装置は、制御手段１６の中に位置選択器６６が追加された点で図２に示した交流回転機の制御装置と異なる。その他の構成は図２と同様であるため、ここでは位置選択器６６に関係する部分についてのみ説明する。

実施の形態１では、位置制御器６０にフィードバックする位置情報を位置検出手段４の検出位置θｄｅｔを利用しているので、停止時には精度良く位置指令θｒｅｆに追従させて停止させることが出来る。しかしながら、実施の形態１で述べたように検出位置θｄｅｔは高速域で誤差が生じるので、実施の形態１で説明したような構成で、回転子の位置の軌跡の制御を行うと、高速域で位置指令θｒｅｆに交流回転機１の回転子を追従させる際の精度が悪化する場合がある。これに対して、本実施の形態は、位置選択器６６を追加し、交流回転機１の位置制御において、交流回転機１の回転子の停止位置のみでなく、交流回転機１が駆動しているときの回転子の位置の軌跡も制御する場合に適用できるものである。

図１３において、位置選択器６６は、推定手段５が出力する推定速度ωｒ０に基づいて、低速域では位置検出手段４が出力する検出位置θｄｅｔを、高速域では推定手段５が出力する推定位置θｅｓｔを選択し、選択位置θｓｌｃとして出力する。制御手段６における、その後の動作については実施の形態１と同じである。図１４に、回転子の速度と選択位置との関係を示す。例えば、図１４（ａ）に示すように、位置選択器６６は、検出位置θｄｅｔと推定位置θｅｓｔとを切換える切換速度ωｃｈ０を予め内部に設定しておき、推定速度ωｒ０が切換速度ωｃｈ０未満であれば検出位置θｄｅｔを選択し、推定速度ωｒ０が切換速度ωｃｈ０以上であれば推定位置θｅｓｔを選択位置θｓｌｃとして出力する。

また、図１４（ｂ）に示すように、検出位置θｄｅｔと推定位置θｅｓｔとを切換える速度を第１切換速度ωｃｈ１と第２切換速度ωｃｈ２の２つ用意しておき、推定速度ωｒ０が第１切換速度ωｃｈ１未満であれば検出位置θｄｅｔを選択し、推定速度ωｒ０が第２切換速度ωｃｈ２以上であれば推定位置θｅｓｔを選択し、推定速度ωｒ０が第１切換速度ωｃｈ１以上第２切換速度ωｃｈ２未満であれば検出位置θｄｅｔと推定位置θｅｓｔとを推定速度ωｒ０に応じて加重平均した値を選択位置θｓｌｃとして位置選択器６６から出力するようにしてもよい。なお、切換速度ωｃｈ０、ωｃｈ１、ωｃｈ２は、検出位置θｄｅｔの誤差が少ない速度に設定することが望ましい。なお、位置選択器６６が出力する選択位置θｓｌｃを推定速度ωｒ０に応じて選択する場合について説明したが、選択位置θｓｌｃを速度指令ωｒｅｆに応じて選択するようにしても良い。

そして、位置制御器６０は、位置選択器６６の出力である選択位置θｓｌｃと位置指令θｒｅｆとの偏差が無くなるように比例制御などをすることによって速度指令ωｒｅｆを速度制御器６１へ出力する。このように、低速域では検出位置θｄｅｔを位置制御器６０へフィードバックすることによって、位置指令θｒｅｆに交流回転機１の回転子位置を追従させて停止する応答性高く保つことができる。一方、高速域では推定位置θｅｓｔを位置制御器６０へフィードバックすることによって、応答性はやや低下するものの、高速域で回転子を位置指令θｒｅｆへ追従させる精度の悪化を防ぐことが出来る。

以上のように、本実施の形態に係る交流回転機１の制御装置は、位置選択器６６を設けて、位置制御器６０へフィードバックする位置情報として推定速度ωｒ０に応じて検出位置θｄｅｔまたは推定位置θｅｓｔを選択するので、交流回転機１の回転子の停止位置のみでなく、交流回転機１が駆動しているときの回転子の位置の軌跡も制御する場合でも、高速域で回転子を位置指令θｒｅｆへ追従させる精度の悪化を防ぐことが出来る。

１交流回転機、２電流検出手段、３電圧印加手段、４位置検出手段、
５推定手段、６，１６制御手段、４０，５４，５５，８１加減算器、
４１バンドパスフィルタ、４２フーリエ変換器、４３オフセット処理器、
４４回転子位置検出器、５０，５１３相／２相変換器、５２適応観測部、
５３検出磁束ベクトル演算部、５６偏差増幅部、６０位置制御器、
６１速度制御器、６２電流制御器、６３座標変換器Ａ、６４座標変換器Ｂ、
６５位置検出信号発生器、６６位置選択器、
８０，８２，８４，８５，５６０，５６１ゲイン行列演算器、８３積分器、
８６位置推定器、８７速度推定器、５３０余弦演算器、５３１，５３３ゲイン、
５３２正弦演算器、５６２加算器。

Claims

電圧指令に基づいて交流回転機に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記交流回転機に流れる検出電流ベクトルを検出する電流検出手段と、
前記検出電流ベクトルから前記交流回転機のインダクタンスに依存する信号を抽出して前記交流回転機の回転子の検出位置を演算する位置検出手段と、
前記電圧指令と前記検出電流ベクトルと前記検出位置とに基づいて前記交流回転機の回転子の推定位置および前記交流回転機の推定速度を演算する推定手段と、
前記検出位置と外部から与えられる位置指令との偏差に基づいて速度指令を演算し、前記速度指令と前記推定速度との偏差に基づいて電圧指令ベクトルを生成するとともに、前記電圧指令ベクトルを前記推定位置に基づいて前記電圧指令に変換する制御手段とを備えることを特徴とする交流回転機の制御装置。
電圧指令に基づいて交流回転機に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記交流回転機に流れる検出電流ベクトルを検出する電流検出手段と、
前記検出電流ベクトルから前記交流回転機のインダクタンスに依存する信号を抽出して前記交流回転機の回転子の検出位置を演算する位置検出手段と、
前記電圧指令と前記検出電流ベクトルと前記検出位置とに基づいて前記交流回転機の回転子の推定位置および前記交流回転機の推定速度を演算する推定手段と、
前記推定速度に基づいて前記検出位置または前記推定位置のいずれかを選択して選択位置とし、前記選択位置と外部から与えられる位置指令との偏差に基づいて速度指令を演算し、前記速度指令と前記推定速度との偏差に基づいて電圧指令ベクトルを生成するとともに、前記電圧指令ベクトルを前記推定位置に基づいて前記電圧指令に変換する制御手段とを備えることを特徴とする交流回転機の制御装置。
前記制御手段は、前記電圧指令の基本波周波数と異なる周波数成分を有する位置検出信号を前記電圧指令に重畳して前記電圧印加手段に出力し、
前記位置検出手段は、前記電流検出手段が出力する前記検出電流ベクトルから前記位置検出信号と同一周波数成分の信号を抽出し、前記同一周波数成分の信号から前記交流回転機のインダクタンスに依存する信号を抽出して前記交流回転機の回転子の検出位置を演算することを特徴とする請求項１または２に記載の交流回転機の制御装置。
前記推定手段は、前記交流回転機の検出磁束ベクトルを出力する検出磁束ベクトル演算部と、
前記交流回転機の推定電流ベクトルと推定磁束ベクトルと前記推定位置と前記推定速度を出力する適応観測部と、
前記推定速度に基づいて前記検出電流ベクトルと前記推定電流ベクトルとの偏差である電流偏差ベクトルおよび前記検出磁束ベクトルと前記推定磁束ベクトルとの偏差である磁束偏差ベクトルを増幅して増幅偏差ベクトルとして出力する偏差増幅部とを有し、
前記適応観測部は、前記増幅偏差ベクトルと前記電圧指令ベクトルに基づいて前記推定電流ベクトルと前記推定磁束ベクトルとを出力することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の交流回転機の制御装置。
前記検出磁束ベクトル演算部は、前記検出位置に基づいて前記検出磁束ベクトルを検出することを特徴とする請求項４に記載の交流回転機の制御装置。