JP2012055041A - ベクトル制御装置、及び電動機制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】衝撃外乱などによる過渡的な軸偏差量Δθの増大に対しても、磁極位置を正しく推定する。
【解決手段】電動機電流の周波数とは異なる周波数の交番電圧を励磁軸電圧の成分、及びトルク軸電圧の成分に分解して重畳する交番電圧発生手段６と、交番電圧により電動機電流に発生する高周波電流の位相（arctan（ΔＩｑｃ／ΔＩｄｃ）、又はarctan（ΔＩｂｃ／ΔＩａｃ）））から重畳軸の位相を減算することにより、高周波電流と交番電圧Ｖｄｈ^＊，Ｖｑｈ^＊との位相差を演算する高周波電流位相差演算手段７と、高周波電流位相差演算手段が演算した位相差が零又となるように、重畳軸の位相方向を調整する重畳軸調整手段８と、重畳軸調整手段が方向を調整した重畳軸と励磁軸との間の軸偏差量を演算する軸偏差量演算手段９と、軸偏差量が零になるように、励磁軸の位相方向を調整する励磁軸調整手段１０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波電圧を重畳して発生する高周波電流に基づいて、電動機を制御するベクトル制御装置、及び電動機制御システムに関する。

同期モータや誘導モータ等の交流電動機（以下，「電動機」と記す。）の駆動システムは、電動機駆動装置として、インバータに代表される電力変換装置が多用される。
高性能を求められる電動機駆動用電力変換装置は、電動機の回転子位置や回転速度など、回転子の制御情報を精度よく検出する必要がある。近年の電力変換装置は、位置センサや速度検出器などを電動機に取りつけて、実際に回転角を測定することなく、電動機に発生する逆起電圧情報から、高精度な制御量推定を行う方法を使用している。しかし、逆起電圧情報から制御量推定を行う方法は、極低速付近では逆起電圧が絶対的に小さくなることから、適用が困難である。
そこで、低速での制御量推定方法として、電動機の突極性又は磁束飽和特性を利用する方法がある。
特許文献１の技術は、特に、永久磁石同期電動機の突極性を利用して、磁極位置の推定を行うものである。この技術は、電動機の励磁軸（ｄｃ軸）に交番磁界を発生させ、このｄｃ軸に対して直交する推定トルク軸（ｑｃ軸）成分の脈動電流（あるいは電圧）を検出し、これに基づいて電動機内部の磁極位置を推定演算する。この技術は、実際の磁極軸と推定磁極軸との間に誤差がある場合に、ｄｃ軸からｑｃ軸に対してインダクタンスの干渉項が存在する特徴を利用している。
この技術は、高周波電圧あるいは電流を電動機に重畳することで発生する高周波電流あるいは電圧の変動分を検出してインダクタンスを逐次計測し、制御量として二次磁束の位相を推定するものである。
特許文献２の技術は、電動機の磁気飽和特性を利用して磁極位置を推定演算するものであり、電動機に対して、ある方向へ電圧を印加したことで発生する電流の大きさに基いて、磁極位置を推定演算する。
これらの技術は、センサを用いることなく電動機の運転情報を精度良く推定することができるため、センサ及びケーブルのコストや設置の手間を削減することができる。更には、センサの組み付け誤差や環境に起因するノイズ，故障などによる電動機駆動の不適切な挙動を抑制することができる。

特許第３３１２４７２号公報 特開２００２−７８３９２号公報

特許文献１の技術は、ｄｃ軸に重畳した交番電圧によって発生した高周波電流のｑｃ軸成分に基づいてｄｃ軸とｄ軸との間の軸偏差量Δθを検出している。同期型モータでは、後記するインダクタンスの突極性により、上述の高周波電流の電圧重畳方向の直交方向成分は、軸偏差量Δθに対してｓｉｎ２Δθに比例する傾向を持つ。そのため、Δθが小さいときは、ｓｉｎΔθ＝Δθが成り立ち、ある程度の精度をもって軸偏差量Δθを推定することができる。
しかし、ブレーキや衝撃外乱による急激な（過渡的な）軸偏差量Δθの増大が発生すると、ｓｉｎΔθ＝Δθの近似が成立しなくなる。この場合、軸偏差量Δθが増大しているのにもかかわらず、高周波重畳による軸偏差量Δθの推定量は減少するように観測されるため、推定誤差が増大し、応答が設計値より小さくなったり、遂には脱調するという問題が発生する。
また、特許文献２の技術は、インダクタンスの飽和特性を利用して位相偏差（軸偏差量Δθ）を推定する方式である。しかし、高周波重畳によって得られるインダクタンスの飽和特性は非線形特性であり，突極性の場合のように正弦波などの関数でモデル化することも困難である。このため、過渡的な軸誤差は正確に推定することができず、同様の問題が発生する。

そこで、本発明は、衝撃外乱などによる過渡的な軸偏差量の増大に対しても、磁極位置を正しく推定することができる交流電動機駆動用のベクトル制御装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明は、励磁軸電圧（Ｖｄｃ^＊）及びこの軸に直交するトルク軸電圧（Ｖｑｃ^＊）を制御することにより、交流電動機に流れる電動機電流の励磁軸成分（Ｉｄｃ）及びこの軸に直交する電流成分（Ｉｑｃ）を目標値になるように、ベクトル制御するベクトル制御装置において、
前記電動機電流の周波数とは異なる周波数の交番電圧を前記励磁軸電圧の成分、及び前記トルク軸電圧の成分に分解して重畳する交番電圧重畳手段（６）と、前記交番電圧の基準位相を重畳軸（ｐ軸）とし、前記交番電圧により発生する高周波電流を励磁軸成分（ΔＩｄｃ）及びこの励磁軸に直交する電流成分（ΔＩｑｃ）と分解し、励磁軸から見た前記高周波電流の位相（arctan（ΔＩｑｃ／ΔＩｄｃ）、又はarctan（ΔＩｂｃ／ΔＩａｃ）））から前記重畳軸及び励磁軸の間の位相差（θｐｄｃ又はθｐ）を減算することにより、前記交番電圧により前記電動機電流に発生する高周波電流と前記交番電圧との位相差（θｉｖｈ）を演算する高周波電流位相差演算手段（７）と、前記高周波電流位相差演算手段が演算した位相差（θｉｖｈ）が零又は所定の目標値となるように、前記重畳軸の位相方向（θｐ）を調整する重畳軸調整手段（８）と、前記重畳軸調整手段が方向を調整した前記重畳軸（ｐ軸）と前記励磁軸（ｄｃ軸）との間の軸偏差量（Δθｃ）を演算する軸偏差量演算手段（９）と、前記軸偏差量（Δθｃ）が零又は所定の目標値になるように、前記励磁軸（ｄｃ軸）の位相方向を調整する励磁軸調整手段（１０）とを備えることを特徴とする。なお、（ ）内の文字・符号は例示である。

本発明によれば，衝撃外乱などによる過渡的な軸偏差量の増大に対しても、磁極位置を正しく推定することができる。このため、過渡的な位相偏差Δθを適切に検出することができ、ブレーキや衝撃外乱による急激な軸偏差増大に対しても応答の劣化や脱調などの問題を発生させることなく運転を継続することができるようになる。

本発明の第１実施形態の電動機制御システムの構成図である。 本発明の第１実施形態で使用される各座標系と記号に関する説明図である。 交番電圧発生手段のブロック構成図である。 軸誤差基準量演算手段のブロック構成図である。 重畳位相調整手段のブロック構成図である。 軸偏差量演算手段のブロック構成図である。 励磁位相調整手段のブロック構成図である。 軸誤差基準量の特性を説明するための説明図である。 比較例の電動機制御システムの構成図である。 本発明の第２実施形態の電動機制御システムの構成図である。 本発明の第２実施形態における励磁位相切替調整手段のブロック構成図である。 本発明の第２実施形態における加減速シーケンスの説明図である。 本発明の第３実施形態である電動機制御システムの構成図である。 本発明の第４実施形態を説明するための高負荷時の軸誤差基準量特性の説明図である。 本発明の第６実施形態のブロック構成図である。 本発明の第６実施形態における交番電圧発生手段のブロック構成図である。 本発明の第６実施形態における軸誤差基準量演算手段のブロック構成図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態（以下、「本実施形態」と称する）につき詳細に説明する。各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を図面を用いながら詳細に説明する。
図１は、本発明の第１実施形態の電動機制御システムの構成図であり、図２は、電動機制御において使用される座標系と記号の定義を示す図である。

図１において、電動機制御システム１００は、電力変換装置５０と、電動機１とを備え、電力変換装置５０（５０ａ）は、電動機制御装置４０（４０ａ）と、電力変換器１１と、電流検出手段２とを備える。
電流検出手段２は、電動機１に流れる三相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検出し、三相電流信号Ｉｕｃ，Ｉｖｃ，Ｉｗｃを出力する。電力変換器１１は、電動機制御装置４０が生成した三相指令電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに基づいて、直流電源Ｅの直流電力を三相交流電力に変換して、三相交流電力を電動機１に供給する。
電動機１は、三相の同期電動機であり、図示しないが、複数の永久磁石が貼付された回転子が固定子の内部を回転するように構成されている。

図２において、ａｂ軸は固定子座標系であり、ａ軸は一般的にｕ相巻線位相を基準にとられる。ｄｑ軸は回転子座標系であり、回転子と同期して回転する。ｄ軸は永久磁石同期電動機の場合、一般的に回転子に取り付けられた永久磁石の位相を基準にとられ、磁極軸ともいう。ｄｃ−ｑｃ軸（以降、ｄｑｃ軸と表記する）は、電動機制御手段がｄ軸方向と想定している座標系であり、制御軸ともいう。なお、電動機制御装置の目的の一つはｄ軸（磁極軸）とｄｃ軸（励磁軸）を一致させることにある。

図１において、電動機制御装置４０ａは、座標変換手段３と、電圧演算手段４と、座標変換手段５と、交番電圧発生手段６と、高周波電流位相差演算手段としての軸誤差基準量演算手段７と、重畳位相調整手段８と、軸偏差量演算手段９と、励磁位相調整手段１０とを備え、ｄ軸電流Ｉｄｃ及びｑ軸電流Ｉｑｃを電流指令値Ｉｄｃ^＊，Ｉｑｃ^＊に一致させるように電流制御する。なお、電動機制御装置４０ａは、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、及びプログラムから構成されている。

座標変換手段３は、三相電流信号Ｉｕｃ，Ｉｖｃ，Ｉｗｃをｄｃ−ｑｃ軸座標系に変換して、電流検出値Ｉｄｃ，Ｉｑｃを出力する。座標変換手段５は、電圧指令値Ｖｄｃ^＊，Ｖｑｃ^＊を三相電圧指令Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに変換し、電力変換器１１に出力する。一方、電圧演算手段４は、上位のシステムで演算された電流指令値Ｉｄｃ^＊，Ｉｑｃ^＊を入力し、電流検出値Ｉｄｃ，Ｉｑｃを電流指令値Ｉｄｃ^＊，Ｉｑｃ^＊に一致させるべく、電圧指令値Ｖｄｃ^＊，Ｖｑｃ^＊を演算し、演算結果を出力する。

ここで、電流指令値Ｉｄｃ^＊は、通常ゼロであるが、弱め界磁や起動時には、ゼロに設定しないことがある。例えば、起動時には、ｄ軸の電流検出値Ｉｄｃを徐々に増加することにより、回転子を所定の回転位置に固定させて、同期運転を行ってから、センサレス制御に移行することがある。

以上が電動機制御における電流制御の基本的な流れである。上記の説明ではｄｃ軸がｄ軸に一致していることを前提としている。このため、電流制御と並行して、ｄｃ軸をｄ軸に一致（同期）させる制御が必要である。ｄｃ軸とｄ軸との同期のためには、ｄｃ軸とｄ軸の間の軸偏差量を取得する必要があり、以下、高周波重畳方式によって、位置センサを使うことなく軸偏差量を求める方法について述べる。
ｄｑ座標系において、電動機の電圧Ｖｄ，Ｖｑ，電流Ｉｄ，Ｉｑ，磁束φｄ，φｑは、（数１）で表わされる。

また、磁気飽和等の非線形現象を無視すれば、磁束φｄ，φｑと電流Ｉｄ，Ｉｑとの関係は（数２）のように表される。インダクタンスＬｄ，Ｌｑは、ｄ軸方向，ｑ軸方向の２相換算値であり、前記の突極性は、両者の値が異なっていることを表す。

（数１）及びこれ以降の数式において、ｓは微分演算子を示し、ωは回転子の回転速度を示し、ｒは一次抵抗値を示す。ここでは、高周波領域を考慮するため、抵抗による電圧降下を十分無視できるとし、更に回転速度ωも十分低速と仮定すると、（数３）が得られる。

（数３）の演算子Δは、高周波重畳による変分を表す。（数２）も高周波重畳による変分のみを考慮すれば、（数４）のように表現することができる。

（数３），（数４）から、高周波電圧を与えた場合に発生する高周波電流を（数５）のように導くことができる。

図２のｐｚ軸は高周波重畳座標系であり、ｐ軸方向に例えば矩形波交番電圧を重畳するとする。（数５）を座標変換してｐｚ軸上の関係（数６）が得られる。

添え字ｐ，ｚはｐｚ座標に変換された値であることを示す。また、θｐｄはｄ軸から見たｐ軸の位相を示している。記号中のＲ（・）は（数７）で表わされる回転行列を示す。

（数６）において、交番電圧を重畳するのはｐ軸のみなので、Δｖｚ＝０とすると、（数８）が得られる。

（数８）から、電動機１に突極性がある場合（Ｌｄ≠Ｌｑ）であって、ｐ軸とｄ軸とが一致（同期）しているとき（θｐｄ＝０）、高周波電流はｐ軸上にあり、同期が外れると、高周波電流はｐ軸からずれるという性質があることが分かる。
したがって、重畳している交番電圧の位相と、発生する高周波電流の位相との差を観測することにより、ｐ軸とｄ軸との間の軸誤差情報を推定することができる。
また、重畳している交番電圧の位相と、これにより発生する高周波電流の位相とが一致するように制御すれば、ｐ軸とｄ軸とが一致することが判る。

従来の技術では、重畳位相であるｐ軸はｄｃ軸に一致するか、ｄｃ軸から所定量ずれた位相に一致させており、いずれにせよｄｑｃ軸とｐｚ軸とは同期していた。これに対して、本実施形態は、ｐ軸がｄｑｃ軸と独立して制御されることを特徴とする。
以下、本実施形態で最も特徴的である重畳位相調整手段８と、それに伴う励磁位相調整手段１０とについて説明する。

図３は、交番電圧発生手段６の構成図であり、図４は、軸誤差基準量演算手段７の構成図である。図３において、交番電圧発生手段６（図１）は、乗算器６ａ、ベクトル演算器６ｃ、及び座標変換手段６ｂを備え、乗算器６ａが振幅±１の矩形波電圧と振幅値Ｖｐとを乗算し、乗算結果である、ｐ軸方向の矩形波電圧と値０とでベクトル演算器６ｃが列ベクトルを生成し、座標変換手段６ｂがθｐｄｃを用いて数７の座標変換を行い、交番電圧信号Ｖｄｈ^＊，Ｖｑｈ^＊を生成する。なお、振幅±１の矩形波電圧は、正負の符号を示しているので、Ｓｉｇｎ（Ｖｐ）として出力される。座標変換に用いる位相θｐｄｃは、ｄｃ軸から見たｐ軸位相角である。矩形波電圧は平均値がゼロであり、電動機の電流制御の応答設計より高周波であるため、電流制御系に影響を与えることはない。そして、図１の加算器１２が、交番電圧信号Ｖｄｈ^＊，Ｖｑｈ^＊と前述の電圧指令Ｖｄｃ^＊，Ｖｑｃ^＊とを加算する。

図４において、軸誤差基準量演算手段７は、減算器７ｂ、７ｄと、１／Ｚの位相器７ａ，７ｃと、交番電圧符号補正手段７ｅと、高周波電圧電流位相差演算手段４２と応答調整ゲイン４３とを備え、電流検出値Ｉｄｃ，Ｉｑｃから高周波重畳により発生した高周波電流を抽出し、軸誤差基準量Ｘθｐｄを出力する。ここで、位相器７ａ，７ｃは、サンプリング時間Ｔだけ時間的にずらす、Ｚ＝ｅ^ｓＴの機能ブロックである。電流検出手段２による電流検出と、軸誤差基準量演算手段７の演算周期と、高周波交番電圧の周期を同期させることで、発生する高周波電流のピーク値を適切に検出することができる。

減算器７ｂ，７ｄと位相器７ａ，７ｃとは、電流検出値Ｉｄｃ，Ｉｑｃの一回差分をとり、高周波交番電圧によって発生する高周波電流成分ΔＩｄｃ，ΔＩｑｃを抽出する。交番電圧符号補正手段７ｅは、Ｓｉｇｎ（Ｖｐ）信号を用いて、交番電圧の正負を補償する。高周波電圧電流位相差演算手段４２は、（数９）の演算を行う。

（数９）の演算により、重畳交番電圧と高周波電流との位相差θｉｖｈを得ることができる。応答調整ゲイン４３は、位相差θｉｖｈに適当な応答調整ゲインをかけ、軸誤差基準量Ｘθｐｄとして出力する。なお、通常Ｌｄ＜Ｌｑの場合、θｐｄｃとθｉｖｈは符号が反転しており、正のθｐｄｃに対して負のθｉｖｈが得られる。よって応答調整ゲイン４３を負の値にしてθｐｄｃとＸθｐｄの符号を合わせる。

図５は、重畳位相調整手段８のブロック構成図である。
重畳位相調整手段８は、目標値生成器８ａと、加算器８ｂと、ＰＩ制御器８ｃと、積分器８ｄ、反転器８ｅとを備え、軸誤差基準量Ｘθｐｄを目標値Ｘθｐｄ０と一致させるべくｐ軸位相を操作する。本実施形態では、重畳位相調整手段８は、この機能をＰＩ制御により実装した。目標値Ｘθｐｄ０は通常ゼロでよい。加算器８ｂは、軸誤差基準量演算手段７（図４）が出力したＸθｐｄの値と、目標値生成器８ａが出力した目標値Ｘθｐｄ０との偏差を演算する。図２の軸誤差基準量の定義から、加算器８ｂが出力した偏差が正のときは重畳位相は負に動く必要があるため、反転器８ｅで偏差を反転させる。ＰＩ制御器８ｃは、反転器８ｅが出力した偏差に（Ｋ_ｐ＋Ｋ_Ｉ／ｓ）を乗算する。積分器８ｄは、ＰＩ制御器８ｃが演算した演算結果を積分し、Ｐ軸位相θ_Ｐを出力する。

以上で説明した交番電圧発生手段６から軸誤差基準量演算手段７、重畳位相調整手段８は、ｐ軸位相への電圧重畳と検出した高周波電圧電流位相差θｉｖｈの関係だけで構成される独立した制御系となっており、ｄｃ軸とｄ軸との同期制御系や、ｄｃ軸位相上で計算される電流制御系とは独立して構成されている点に注目されたい。

次に、ｄｃ軸をｄ軸に一致させる励磁位相調整手段１０の動作について述べる。（数８）で考察したように、重畳位相調整手段８のゲインを上げて、独立した重畳軸制御系を十分高応答に設定すれば、励磁位相調整手段１０からみて、ｄ軸とｐ軸とは常に一致していると考えることができる。よって、ｄｃ軸からみたｐ軸位相θｐｄｃは、常にｄ軸とｄｃ軸との位相差を表わしていることになる。

図６は、軸偏差量演算手段９のブロック構成図である。
軸偏差量演算手段９は、この原理に基づいて、ｄ軸とｄｃ軸との位相差である軸偏差量Δθｃを計算する。軸偏差量演算手段９は、減算器９ａと、反転器９ｂと、低域通過フィルタ（ＬＰＦ）９ｃとを備え、減算器９ａがｐ軸位相θｐからｄｃ軸位相θｄｃを減じ、θｐｄｃの信号を出力する。また、反転器９ｂは、θｐｄｃの信号を反転し、低域通過フィルタ９ｃを介して、Δθｃの信号を出力する。すなわち、単純にΔθｃ＝−θｐｄｃとなっている。

図７は、励磁位相調整手段１０のブロック構成図である。
励磁位相調整手段１０は、目標値生成器１０ａと、減算器１０ｂと、ＰＩ制御器１０ｃと反転器１０ｄとを備え、軸偏差量Δθｃを目標値Δθｃ０に一致させるべく、出力周波数ω_１を出力する。この出力周波数ω_１が積分器（図１）により積分されることにより、励磁位相調整手段１０は、ｄｃ軸位相θｄｃを操作する。減算器１０ｂは、目標値生成器１０ａが生成した目標値Δθｃ０から軸偏差量Δθｃを減算し、反転器１０ｄが励磁位相調整手段の動作方向を考慮して減算器１０ｂ出力の偏差を反転させる。ＰＩ制御器１０ｃは、反転器１０ｅの出力を比例積分演算する。目標値Δθｃ０は通常ゼロでよい。

次に、本実施形態の効果について述べる。
図８は、本実施形態で定義した軸誤差基準量Ｘθｐｄとｐｄ間の軸誤差θｐｄとの関係を示している。インダクタンスの突極性を利用する高周波重畳方式では、軸誤差θｐｄの情報は（数６）に示すように、ｓｉｎθｐｄ，ｃｏｓθｐｄのように三角関数で表現される。そのため、図８のように軸誤差基準量Ｘθｐｄは正弦波状の特性を有する。そのため、θｐｄが大きくなるとｐｄ間軸誤差の正しい検出ができなくなる。

例えば、図８の点Ａ、及び点Ｂは、軸誤差θｐｄが大きく異なるにもかかわらず、軸誤差基準量Ｘθｐｄは一致している。このことは、ｐｄ間軸誤差が点Ｂ相当の値を持つにもかかわらず、高周波重畳方式では点Ａ相当の軸誤差しかないものと判断してしまうことになる。

図９は、比較例の電動機制御システムの構成図である。この構成図は、従来技術を第１実施形態の各手段を用いて記載している。
電動機制御システム１００ｂは、電動機制御システム１００ａ（図１）に対して、重畳位相調整手段８、及び軸偏差量演算手段９が無く、軸誤差基準量演算手段７の出力信号ＸθｐｄがΔθｃとして直接励磁位相調整手段１０に入力されている。
また、電動機制御システム１００ｂは、交番電圧発生手段６に入力される信号θｐｄｃはゼロであり、そのゼロの値が軸誤差基準量演算手段７に入力される。
従来、多くの場合高周波電圧は、ｄｃ軸に重畳されていた（θｐｄｃ＝０）。この場合、ｐ軸とｄｃ軸は一致するため、θｐｄ＝Δθｃとなり、軸誤差基準量演算手段の出力Ｘθｐｄは直接励磁位相調整手段１０に入力されることになる。

この場合、励磁位相調整手段１０の応答に対して過大な（急激に変化する）負荷が印加され、ｄ軸とｄｃ軸との軸偏差量Δθ（＝θｐｄ）が増大した場合、前述の軸誤差基準量の正弦波特性により実際値より軸偏差量が小さく見積もられてしまい、応答特性の劣化をもたらし、さらには脱調に至る可能性がある。対策としては、励磁位相調整手段１０の応答を上げる方法があるが、ｄｃ軸とｄ軸との同期制御は電流制御と関連するため、自由に応答を設計できない場合がある。

一方、本実施形態では、ｐ軸とｄ軸との同期制御は電流制御やｄｃ軸とｄ軸との同期制御とは独立して構成される。そのため、応答を自由に設定することができ、過大な負荷に対して十分に、ｐ軸とｄ軸とを一致させることができる。このとき、励磁位相調整手段１０は、過渡的な軸誤差の増大に対してもｐ軸位相を介して正しい軸偏差量を推定することができるため、軸誤差基準量Ｘθｐｄの正弦波特性の影響を受けることなく、電動機制御を持続することができる。

以上のように、本実施形態では、ｐ軸とｄ軸との同期制御と、ｄｃ軸とｄ軸との同期制御とを２段構成にし、ｐ軸をｄｃ軸と独立して調整する。これにより、電動機の突極性を利用する高周波電圧重畳方式において、原理的問題となる軸誤差基準量の正弦波特性からくる軸偏差量推定誤差の問題を解決することができ、急激に変化する負荷の印加や急加減速に対しても脱調することなく電動機制御を持続することが可能になる。
なお、本実施形態では、励磁位相調整手段１０としてＰＩ制御を実装したが、オブザーバによる実装を行うこともできる。

（第２実施形態）
図１０は、本発明の第２実施形態の電動機制御システムの構成図である。
本実施形態の電動機制御システム１００ｃは、図１の構成に対し、電動機１の誘起電圧に基いて軸偏差量Δθ（＝θｐｄ）を推定する第２の軸偏差量演算手段１０１が追加されており、励磁位相調整手段１０が軸偏差量として軸偏差量演算手段９と第２の軸偏差量演算手段１０１との何れかを選択する切り替え機能を付与した励磁位相切替調整手段１０２に変更されている。切替後の軸偏差量をΔθｈとしたので、軸偏差量演算手段９の出力信号の記号をΔθｈに変更している。第２の軸偏差量演算手段１０１は，電動機の特性パラメータを用いて（数１０）で軸偏差量Δθｅｍｆを推定する。

（数１０）において、ω_１は出力周波数であり、θｄｃの微分値である。第２の軸偏差量演算手段１０１は、高周波電圧の重畳を必要としないが、誘起電圧が小さくなる極低速の運転条件では、軸偏差量の満足な推定ができなくなる。一方、第１実施形態の制御方法は、停止時から低速でも適用できるが、高周波電圧重畳による高周波電流によって、騒音が発生する可能性があり、また、ハードウェアの電流限界によりトルクが制限される可能性がある。このため、本実施形態では、極低速で第１実施形態の制御方法を用い、誘起電圧が十分大きくなる回転速度で第２の軸偏差量演算手段に切り替えるようにしている。

図１１は、励磁位相切替調整手段１０２のブロック構成図である。切替テーパゲイン１１１により、軸偏差量演算手段９の出力Δθｈと第２の軸偏差量演算手段１０１の出力Δθｅｍｆとを切り替える。

次に、図１２を用いて、加減速時の制御方式切替シーケンスを説明する。
加速時、出力周波数ω_１が所定の閾値Ｔｈ２以上となった時点ｔ１で、切替テーパゲイン１１１のゲインＧの値を１に任意の時間で推移させる。ゲインＧの値が１に到達する時点ｔ２で、軸偏差量は完全にΔθｅｍｆに切り替わるので、高周波電圧振幅をゼロに推移させ、高周波電圧重畳を終了させる。

減速時には、出力周波数ω_１が閾値Ｔｈ２以下になった時点ｔ３で、高周波電圧重畳を再開する。さらに減速して出力周波数ω_１がＴｈ１以下になった時点ｔ４で、切替テーパゲイン１１１のゲインＧの値を１から０まで推移させる。
ｐ軸とｄ軸との同期制御はその他の電動機制御系と独立しているため、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間に、ｐ軸とｄ軸とを一致させる同期制御が達成され、スムーズな軸偏差量の切り替えが実現される。なお、高周波電圧振幅がゼロになっている間、θｐの値はθｄｃの値を反映させておく。これにより、高周波電圧重畳が再開されたときのθｐの初期値がθｄｃとなり、ｐ軸とｄ軸との一致が迅速に行われる。
以上説明したように、本実施形態では、ｐ軸とｄ軸とを一致させる同期制御をその他の制御系と独立して構成することで、軸偏差量切り替えに際して発生する軸偏差量の切替ショックを防ぎ、スムーズな切り替えと運転の持続とを実現することができる。

（第３実施形態）
前記各実施形態では、電動機として、同期電動機を用いていたが、誘導電動機を用いることができる。
図１３は、本発明の第３実施形態である電動機制御システムの構成図である。
電動機制御システム１００ｄは、電動機１の代わりに誘導電動機１３１を用い、すべり補正手段１３２、及び加算器１４が追加されている点が、第１実施形態、及び第２実施形態と相違する。

誘導電動機１３１の場合、回転子形状による突極性は存在しないが、一次側の誘導電流により励磁される二次磁束による磁気飽和現象により、等価的にインピーダンスの突極性が現れるため、第１実施形態の方法を適用することができる。すなわち、誘導電動機の回転子（図示せず）は磁石を持たないため、重畳位相調整手段８（図５）は、ｐ軸に追従させるｄ軸が二次磁束の位相に相当させるようにすればよい。
図１３における励磁軸たるｄｃ軸をｄ軸とするのが誘導電動機制御の慣例だが、第１実施形態、及び第２実施形態との関連から以降、励磁軸をｄｃ軸と呼び、二次磁束位相をｄ軸と呼ぶものとする。

すべり補償手段１３２は、誘導電動機１３１の二次時定数Ｔ２を用いて、（数１１）のようにすべり補償値ωｓ^＊を計算する。

加算器１４は、励磁位相調整手段１０の出力（（重畳軸の）位相変動速度）ω_１に前述のすべり補償値ωｓ^＊を加算し、出力周波数ω_１ ^＊＊を出力する。誘導電動機１３１の発生トルクτ_Ｍは（数１２）で表わされる。

第１実施形態と同様に、励磁位相調整手段１０はｄ軸とｄｃ軸とを同期させる。その結果、二次磁束のｑｃ軸成分φｑｃがゼロとなり、（数１２）より、Ｉｑｃにより発生トルクを制御できるようになる。
また、すべり補償を実行しているため、励磁位相調整手段１０の出力ω_１は、定常状態において回転子の速度推定値となる。
以上説明したように、本実施形態の電動機制御システム１００ｄによれば、誘導電動機１３１の磁気飽和に起因する突極性を利用する高周波電圧重畳方式において原理的問題となる軸誤差基準量の正弦波特性からくる軸偏差量推定誤差の問題を解決することができる。このため、本実施形態の電動機制御システム１００ｄは、急激な負荷印加や急加減速に対しても脱調することなく電動機制御を持続することが可能である。

（第４実施形態）
前記各実施形態では、電動機１又は電動機１３１のインダクタンスＬｄ，Ｌｑは線形であると仮定していた。しかし、電動機形状あるいは高負荷領域で電流量が増加した場合、磁気飽和などの非線形現象が発生する。その結果、図８の軸誤差基準量特性は電流動作点によって変化する。

図１４は、高負荷時の軸誤差基準量特性の例を表す。正弦波状の特性が変化し、Ｘθｐｄ＝０がθｐｄ＝θｐｈｉの点で交差しており、原点で交差していない点に注目されたい。このような場合、第１実施形態、及び第２実施形態の方法では、重畳位相調整手段８はＸθｐｄ＝０となるようｐ軸を制御するため、定常状態でのｐ軸はｄ軸からθｐｈｉだけずれた位相方向に収束してしまう。

このような状況においても、第１実施形態及び第２実施形態に簡単な修正を行うだけで対応することができる。対策としては２通りの方法が考えられる。
一つ目の方法は、図１４のθｐｄ＝０の点Ｂを動作点に設定する方法である。具体的には図５に示す重畳位相調整手段８内の軸誤差基準量の指令値Ｘθｐｄ０を点Ｂに相当する適切な値に設定すればよい。その結果、重畳位相調整手段８はＸθｐｄ０が点Ｂに相当する値になるようにθｐを調整し、結果的にθｐｄがゼロになり、ｐ軸とｄ軸とは一致する。
二つ目の方法は、図１４の点Ａを動作点として設定する方法である。具体的には、上述の指令値Ｘθｐｄ０は０のままにし、励磁位相調整手段１０の指令値Δθｃ０を点Ａによるずれ相当の値−θｐｈｉに設定する。重畳位相調整手段８は、ｐ軸をｄ軸から位相θｐｈｉだけ進んだ方向にｐ軸を同期させる。

逆にいえば、この二つ目の方法は、ｐ軸からθｐｈｉだけ位相を遅らせた方向にｄ軸があるため、軸偏差量Δθｃ＝−θｐｈｉとなるよう補正をすることで、ｄｃ軸とｄ軸とを一致させることが可能になる。
これらの補正で用いるΔθｃ０，Ｘθｐｄ０の値は、例えば、電流検出値、又は電流指令値を入力とするテーブルによって実装する。簡易的には入力にゲインをかけて実装すればよい。
以上のように本実施形態によれば、電動機の非線形特性によりインダクタンスの突極性が変化する高負荷条件においても、問題なく電動機制御を持続することが可能になる。

(第５実施形態)
Δθｃ０，Ｘθｐｄ０の両方の値を適切に設定することで、図１４中の任意の点を動作点に設定できる。これにより、動作点での高周波電圧位相方向を設定することができるため、例えば、高周波電流によるトルク振動（トルクリプル）が発生しないようなΔθｃ０，Ｘθｐｄ０の組み合わせを選ぶことができる。
以上のように、本実施形態のようにΔθｃ０，Ｘθｐｄ０を設定を適切に選ぶことで平衡時の高調波重畳位相を操作することができ、高周波電圧重畳によるトルクリプルを抑制することができ、騒音や振動を最小化することができる。

（第６実施形態）
前記各実施形態の電動機制御装置４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄは、高周波交番電圧をｄｑｃ軸上で電圧指令に加算し、また、ｄｑｃ軸上の検出電流Ｉｄｃ、Ｉｑｃに基づいて軸誤差基準量を計算してきた。この場合、電動機制御装置４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄは、交番電圧、及び高周波電流を、重畳位相調整手段８にとって本来無関係であるｄｑｃ軸に一旦座標変換する処理をキャンセルするために交番電圧発生手段６、及び軸誤差基準量演算手段７にはθｄｃに由来するθｐｄｃが入力する必要があった。これは数式上はｄｑｃ軸から独立している重畳位相調整手段にとって、不要な計算を行っていることになり、サンプル遅れや演算誤差の影響が外乱として作用する可能性がある。本実施形態では、交番電圧をａｂ軸上で加算することで、重畳位相調整手段の独立性を向上させる。

図１５は、本実施形態の電動機制御システムの全体構成図である。以下、図面を用いて第１実施形態との違いを説明する。
電動機制御システム１００ｄは、座標変換手段５の代わりに、２相３相変換手段１３及び座標変換手段１６を備え、座標変換手段３の代わりに、３相２相変換手段１４、及び座標変換手段１５を備え、交番電圧発生手段６の代わりに、交番電圧発生手段１５１を備え、軸誤差基準量演算手段７の代わりに、軸誤差基準量演算手段１５２を備えている。

交番電圧発生手段１５１は、重畳位相θｐに応じた交番電圧を生成する。このとき、高周波電圧電流位相差演算手段４２ｂ（図１６）は、ｐｚ座標からａｂ座標へと座標変換する。加算器１２（図１５）は、交番電圧発生手段１５１の出力信号Ｖａｈ^＊，Ｖｂｈ^＊と、ａｂ軸からみた電圧指令Ｖａｃ^＊，Ｖｂｃ^＊とを加算する。
３相２相変換手段１４は、ａｂ軸からみた高周波電流信号Ｉａｃ，Ｉｂｃを軸誤差基準量演算手段１５２に入力する。

図１７は、軸誤差基準量演算手段１５２のブロック構成図である。
軸誤差基準量演算手段１５２は、位相器１５２ａ，１５２ｃ、及び加算器１５２ｂ，１５２ｄが高周波電流信号Ｉａｃ，Ｉｂｃの１回差分を演算し、この演算結果から交番電圧符号補正手段４１を介して高周波電流成分ΔＩａｃ，ΔＩｂｃを計算し、次に、高周波電圧電流位相差演算手段４２ｂが（数９）の代わりに（数１３）の計算を行う。

このように構成することにより、交番電圧及び高周波電流はｄｑｃ軸に交番電圧発生手段１５１と軸誤差基準量演算手段１５２とに、θｄｃに由来する信号が入力されなくなる。その結果、ｄｑｃ軸の動作がサンプル遅れや演算誤差によって重畳位相調整手段８に影響することがなくなり、安定した電動機制御を実現できる。

１ 電動機（交流電動機、同期電動機）
２ 電流検出手段
３ 座標変換手段（ｕｖｗ座標系からｄｑｃ座標系）
４ 電圧演算手段
５ 座標変換手段（ｄｑｃ座標系からｕｖｗ座標系）
６ 交番電圧発生手段
７ 軸誤差基準量演算手段（高周波電流位相差演算手段）
７ｅ 交番電圧符号補正手段
８ 重畳位相調整手段
９ 軸偏差量演算手段
１０ 励磁位相調整手段
１１ 電力変換器
１３ ２相３相変換手段（ａｂ座標系からｕｖｗ座標系）
１４ ２相３相変換手段（ｕｖｗ座標系からａｂ座標系）
１５ 座標変換手段（ａｂ座標系からｄｑｃ座標系）
１６ 座標変換手段（ｄｑｃ座標系からａｂ座標系）
４０，４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ 電動機制御装置（ベクトル制御装置）
４２ 高周波電圧電流位相差演算手段
４３ 応答調整ゲイン
５０，５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ 電力変換装置
１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ 電動機制御システム
１０１ 第２の軸偏差量演算手段
１０２ 励磁位相切替調整手段
１１１ 切替テーパゲイン
１３１ 誘導電動機
１３２ すべり補償手段
１５１ 交番電圧発生手段
１５２ 軸誤差基準量演算手段（高周波電流位相差演算手段）
Ｅ 直流電源

Claims (14)

1. 励磁軸電圧及びこの軸に直交するトルク軸電圧を制御することにより、交流電動機に流れる電動機電流の励磁軸成分及びこの軸に直交する電流成分を目標値になるように、ベクトル制御するベクトル制御装置において、
   前記電動機電流の周波数とは異なる周波数の交番電圧を前記励磁軸電圧の成分、及び前記トルク軸電圧の成分に分解して重畳する交番電圧重畳手段と、
   前記交番電圧の基準位相を重畳軸とし、
   前記交番電圧により前記電動機電流に発生する高周波電流の位相から前記重畳軸の位相を減算することにより、前記高周波電流と前記交番電圧との位相差を演算する高周波電流位相差演算手段と、
   前記高周波電流位相差演算手段が演算した位相差が零又は所定の目標値となるように、前記重畳軸の位相方向を調整する重畳軸調整手段と、
   前記重畳軸調整手段が方向を調整した前記重畳軸と前記励磁軸との間の軸偏差量を演算する軸偏差量演算手段と、
   前記軸偏差量が零又は所定の目標値になるように、前記励磁軸の位相方向を調整する励磁軸調整手段と
   を備えることを特徴とするベクトル制御装置。
2. 請求項１に記載のベクトル制御装置において、
   前記交流電動機は、突極性を有する同期電動機であり、
   前記重畳軸調整手段は、前記磁極軸と前記重畳軸とを略一致させ、
   前記軸偏差量演算手段が演算した前記軸偏差量は、前記磁極軸と前記励磁軸との間の位相差を表している
   ことを特徴とするベクトル制御装置。
3. 請求項１に記載のベクトル制御装置において、
   前記交流電動機は、誘導電動機であり、
   前記目標値に基づいて、すべり周波数指令値を計算するすべり周波数指令演算手段と、
   前記重畳軸の位相変動速度に前記すべり周波数指令値を加算する加算器と、
   前記加算器の出力周波数を積分する積分器とをさらに備え、
   前記励磁軸調整手段が調整する前記励磁軸の位相方向は、前記積分器が出力する位相信号により定められることを特徴とするベクトル制御装置。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載のベクトル制御装置において、
   前記交流電動機は、その回転子の回転速度、回転子位置、及び励磁磁束位置の何れかの物理量を検出する制御量検出手段が取りつけられていないことを特徴とするベクトル制御装置。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載のベクトル制御装置において、
   前記交番電圧は、矩形波電圧及び正弦波電圧の何れか一方であることを特徴とするベクトル制御装置。
6. 請求項１に記載のベクトル制御装置において、
   前記励磁軸電圧、前記トルク軸電圧、前記電動機電流の励磁軸成分、及びこの軸に直交する成分、並びに前記目標値に基づいて、電動機の前記磁極軸と前記励磁軸との位相変分を演算する高速域軸偏差量演算手段と、
   前記重畳軸の位相変動速度が設定値よりも高速になったときには、前記励磁軸調整手段の入力を、前記軸偏差量演算手段が演算した軸偏差量から前記高速域軸偏差量演算手段が演算した高速域軸偏差量に切り替える軸偏差量切替手段とをさらに備え、
   前記交番電圧重畳手段は、前記高速になったときには、前記交番電圧の重畳を停止することを特徴とするベクトル制御装置。
7. 請求項１に記載のベクトル制御装置において、
   前記交流電動機の逆起電圧から電動機の前記磁極軸と前記励磁軸との位相変分を計算する高速域軸偏差量演算手段と、
   前記重畳軸の位相変動速度が設定値よりも高速になったときには、前記励磁軸調整手段の入力を前記軸偏差演算手段が演算した軸偏差量から前記高速域軸偏差量演算手段が演算した高速域軸偏差量に切り替える軸偏差量切替手段とをさらに備え、
   前記交番電圧重畳手段は、前記高速になったときには、前記交番電圧の重畳を停止することを特徴とするベクトル制御装置。
8. 請求項６又は請求項７に記載のベクトル制御装置において、
   前記軸偏差量切替手段は、
   前記重畳軸の位相変動速度が前記設定値よりも遅い設定速度より低速に減速したときに、前記交番電圧重畳手段が電圧重畳を開始し、
   前記重畳軸調整手段が前記重畳軸を前記交流電動機の回転子磁束に追従させる応答速度から決まる追従期間を経過した後に、前記励磁軸調整手段の入力を、前記高速域軸偏差量演算手段の出力から前記軸偏差推定量演算手段の出力に切り替えることを特徴とするベクトル制御装置。
9. 請求項１又は請求項２に記載のベクトル制御装置において、
   前記重畳軸調整手段が重畳軸を電動機回転子磁束に追従する応答速度は、前記励磁軸調整手段の応答速度より速いことを特徴とするベクトル制御装置。
10. 請求項１又は請求項２に記載のベクトル制御装置において、
    前記重畳軸調整手段は、前記高周波電流位相差演算手段が演算した位相差の目標値を、前記重畳軸と前記磁極軸とが略一致するように設定することを特徴とするベクトル制御装置。
11. 請求項１又は請求項２に記載のベクトル制御装置において、
    励磁位相調整手段は、
    前記軸偏差量の目標値を、高周波電流によって発生する高周波電流の軌道が前記重畳軸と略一致する場合の励磁軸から見た重畳軸位相に設定することを特徴とするベクトル制御装置。
12. 請求項１又は請求項２に記載のベクトル制御装置において、
    前記高周波電流位相差演算手段が演算する位相差の目標値と前記軸偏差量の目標値とを、定常状態での電圧重畳方向が前記交番電圧の重畳によるトルクリプルを抑制する位相方向になるように設定することを特徴とするベクトル制御装置。
13. 請求項１又は請求項２に記載のベクトル制御装置において、
    前記軸誤差基準量は、前記重畳軸と前記交番電圧の重畳によって発生する高周波電流の軌道の位相との差分にゲインを乗算したものであることを特徴とするベクトル制御装置。
14. 交流電動機と、
    前記交流電動機を駆動する電力変換器と、
    励磁軸電圧及びこの軸に直交するトルク軸電圧を制御することにより、前記交流電動機に流れる電動機電流の励磁軸成分及びこの軸に直交する電流成分が目標値になるように、前記交流電動機をベクトル制御する電動機制御装置とを備えた電動機制御システムにおいて、
    前記電動機電流の周波数とは異なる周波数の交番電圧を前記励磁軸電圧の成分、及び前記トルク軸電圧の成分に分解して重畳する交番電圧重畳手段と、
    前記交番電圧の基準位相を重畳軸とし、
    前記交番電圧により前記電動機電流に発生する高周波電流の位相から前記重畳軸の位相を減算することにより、前記高周波電流と前記交番電圧との位相差を演算する高周波電流位相差演算手段と、
    前記高周波電流位相差演算手段が演算した位相差が零又は所定の目標値となるように、前記重畳軸の位相方向を調整する重畳軸調整手段と、
    前記重畳軸調整手段が方向を調整した前記重畳軸と前記励磁軸との間の軸偏差量を演算する軸偏差量演算手段と、
    前記軸偏差量が零又は所定の目標値になるように、前記励磁軸の位相方向を調整する励磁軸調整手段と
    を備えることを特徴とする電動機制御システム。

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