JP2014204567A - 交流回転機の制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】この発明は、回転子と固定子の両方に突極性を持つ交流回転機であっても高周波電圧による磁極位置推定の精度を高くできるとともに、高速回転領域における運転効率を高くすることができる交流回転機の制御装置を提供することである。
【解決手段】交流回転機1の電流を電流ベクトル検出手段2で検出した電流ベクトルと該電流ベクトルから求めた検出磁束ベクトルと電圧ベクトル指令とから交流回転機1の推定速度を演算し、該推定速度から磁極推定位置を演算するとともに、交流回転機1の回転子突極性における磁極位置補正値から交流回転機1の固定子突極性における磁極位置補正値を減算した位置補正値を演算し、該位置補正値により上記磁極推定位置を補正した磁極位置を出力する磁極位置演算手段5とを備えたものである。
【選択図】図7

Description

この発明は、例えば永久磁石モータや同期リラクタンスモータなどの回転子および固定子に突極性を有する交流回転機の回転子位置を、位置センサを用いることなく得ることができる交流回転機の制御装置に関するものである。
従来、同期機や誘導機などの交流回転機の制御において、交流回転機を所望の出力や回転数で回転させるため、通常は速度センサや位置センサを用いて、回転速度や回転子磁極位置を検出して制御を行う。しかし、これらのセンサは耐故障性やメンテナンスの面で不利となるため、センサを用いることなく交流回転機の回転速度や回転子磁極位置を検出する方法が提案されている。例えば、特許文献1では高周波交番電圧を印加して、その直交方向にsin2θに比例した振幅を有する電流が発生することを利用して、高周波電流の振幅が零となるように回転子磁極位置を推定するものが提案されている。また、特許文献2では高周波電圧を用いた磁極位置推定装置で、固定子に突極性を持つ交流回転機に対しても回転子磁極位置を良好に推定できるものが提案されている。
特許第3312472号公報 特開2002−291283号公報
従来の交流回転機の制御装置においては、特許文献1の高周波交番電圧を印加する方向の直交成分の振幅が零となるように高周波交番電圧を印加する軸を調整する方法では、回転子と固定子の両方に突極性のある交流回転機については高周波電流を用いた推定磁極位置に回転子の位置に依存した誤差が生じ、制御性能を高くすることができないという課題があった。また、特許文献2の高周波電圧を印加する発振器を用いて磁極位置推定を行う方法では、高周波電圧を用いて磁極位置を検出する場合において、高速回転時には高周波の電圧や電流が発生する分、運転効率や電圧利用率および最大電流といった点で不利となるという課題があった。
この発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、回転子と固定子の両方に突極性を持つ交流回転機であっても高周波電圧による磁極位置推定の精度を高くできるとともに、高速回転領域における運転効率を高くすることができる交流回転機の制御装置を得ることを目的とする。
この発明に係る交流回転機の制御装置は、交流回転機を駆動する基本波電圧ベクトル指令と該基本波電圧ベクトル指令よりも高周波の交番電圧ベクトル指令とを加算した電圧ベクトル指令を出力する制御手段と、該制御手段から出力された電圧ベクトル指令に基づいて上記交流回転機に電圧を印加する電圧印加手段と、上記交流回転機の電流を検出して上記交流回転機の回転子に同期して回転する電流ベクトルを検出する電流ベクトル検出手段と、該電流ベクトル検出手段で検出された電流ベクトルと該電流ベクトルから求めた検出磁束ベクトルと上記電圧ベクトル指令とから上記交流回転機の推定速度を演算する推定速度演算部と、該推定速度演算部で演算された推定速度から磁極推定位置を演算するとともに、上記交流回転機の回転子突極性における磁極位置補正値から上記交流回転機の固定子
突極性における磁極位置補正値を減算した位置補正値を演算し、該位置補正値により上記磁極推定位置を補正した磁極位置を出力する磁極位置演算手段とを備えたことを特徴とするものである。
この発明の交流回転機の制御装置によれば、交流回転機を駆動する基本波電圧ベクトル指令と該基本波電圧ベクトル指令よりも高周波の交番電圧ベクトル指令とを加算した電圧ベクトル指令を出力する制御手段と、該制御手段から出力された電圧ベクトル指令に基づいて上記交流回転機に電圧を印加する電圧印加手段と、上記交流回転機の電流を検出して上記交流回転機の回転子に同期して回転する電流ベクトルを検出する電流ベクトル検出手段と、該電流ベクトル検出手段で検出された電流ベクトルと該電流ベクトルから求めた検出磁束ベクトルと上記電圧ベクトル指令とから上記交流回転機の推定速度を演算する推定速度演算部と、該推定速度演算部で演算された推定速度から磁極推定位置を演算するとともに、上記交流回転機の回転子突極性における磁極位置補正値から上記交流回転機の固定子突極性における磁極位置補正値を減算した位置補正値を演算し、該位置補正値により上記磁極推定位置を補正した磁極位置を出力する磁極位置演算手段とを備えているため、回転子と固定子の両方に突極性を持つ交流回転機であっても高周波電圧による磁極位置推定の精度を高くできる交流回転機の制御装置を得ることができる効果がある。
この発明の実施の形態1における交流回転機の回転子突極性を説明する説明図である。 この発明の実施の形態1における交流回転機の回転子突極性によるインダクタンスの周期を説明する説明図である。 この発明の実施の形態1における交流回転機の固定子突極性を説明する説明図である。 この発明の実施の形態1における交流回転機の固定子突極性によるインダクタンスの周期を説明する説明図である。 この発明の実施の形態1における交流回転機の回転子突極性および固定子突極性の両方がある場合を説明する説明図である。 この発明の実施の形態1における交流回転機の回転子突極性および固定子突極性の両方がある場合のインダクタンスを説明する説明図である。 この発明の実施の形態1における交流回転機の制御装置の概略全体構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態1における交流回転機の制御装置の制御手段の詳細構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態1における交流回転機の制御装置の磁極位置演算手段の詳細構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態1における交流回転機の制御装置の推定速度演算部の詳細構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態1における交流回転機の回転子磁束ベクトルを説明する説明図である。 この発明の実施の形態1における交流回転機の制御装置の検出磁束ベクトル演算部の詳細構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態1における交流回転機の制御装置の交番電流振幅抽出部の詳細構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態2における交流回転機の制御装置の磁極位置演算手段の詳細構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態2における交流回転機の制御装置の検出磁束ベクトル演算部の詳細構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態3における交流回転機の制御装置の検出磁束ベクトル演算部の詳細構成を示すブロック図である。
以下、この発明の実施の形態について説明するが、各図において同一、または相当部分については同一符号を付して説明する。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1における交流回転機の回転子突極性を説明する説明図、図2はこの発明の実施の形態1における交流回転機の回転子突極性によるインダクタンスの周期を説明する説明図、図3はこの発明の実施の形態1における交流回転機の固定子突極性を説明する説明図、図4はこの発明の実施の形態1における交流回転機の固定子突極性によるインダクタンスの周期を説明する説明図、図5はこの発明の実施の形態1における交流回転機の回転子突極性および固定子突極性の両方がある場合を説明する説明図、図6はこの発明の実施の形態1における交流回転機の回転子突極性および固定子突極性の両方がある場合のインダクタンスを説明する説明図、図7はこの発明の実施の形態1における交流回転機の制御装置の概略全体構成を示すブロック図、図8はこの発明の実施の形態1における交流回転機の制御装置の制御手段の詳細構成を示すブロック図、図9はこの発明の実施の形態1における交流回転機の制御装置の磁極位置演算手段の詳細構成を示すブロック図、図10はこの発明の実施の形態1における交流回転機の制御装置の推定速度演算部の詳細構成を示すブロック図、図11はこの発明の実施の形態1における交流回転機の回転子磁束ベクトルを説明する説明図、図12はこの発明の実施の形態1における交流回転機の制御装置の検出磁束ベクトル演算部の詳細構成を示すブロック図、図13はこの発明の実施の形態1における交流回転機の制御装置の交番電流振幅抽出部の詳細構成を示すブロック図である。
最初に交流回転機の回転子が持つ電気的な突極性を利用して磁極位置を推定する方法について説明する。ここではその原理について、交流回転機を回転子と固定子に分けてその磁気的な特性を考察し、その後両者を組み合わせた際の磁気的な特性を説明する。
まず、交流回転機の回転子に注目する。図1に永久磁石埋め込み型の交流回転機の回転子の模式図を示す。ここでは簡単のため一極対の磁石配置としている。図1中のθ方向に磁束を発生させる場合のインダクタンス変化を考えると、θが通過する磁路は鉄心を通過する場合とN,Sの磁極を通過する場合でインダクタンスに差異が生じる。鉄心部分は外部から磁束を発生させやすいため、図1中のq軸方向は磁気抵抗が低くなりインダクタン
スが大きくなる。一方、磁極部分は外部から磁束を発生させにくいため、図1中のd軸の
方向は磁気抵抗が高くインダクタンスが小さくなる。そのため、電気角一周のインダクタンスは図2のように電気角の2倍の周期で変化する。なお、図2においてθは磁極位置であるdm軸からの偏角を示している。
次に、交流回転機の固定子に注目する。図3に交流回転機の固定子の模式図を示す。図3中のθ方向に磁束を発生させる場合のインダクタンス変化を考えると、図3中に点線で示したθ軸を通過する磁路は、固定子のティース部分と巻線が巻着される空隙部分とが電気角一周で交互に現れる。空隙部分は磁石と同様に磁束を発生させにくいことから、回転子と同様にθの位置によってインダクタンスが変化する。固定子内で図3中のθ方向に磁束を発生させる場合のインダクタンス変化は、図3のU相をθ=0°とすると図4で表すことができ、固定子側にもインダクタンス変化が起こり、その変化の周期は電気角の6倍であることがわかる。
次に、図5に示すような交流回転機全体のインダクタンスについて考える。交流回転機全体では固定子および回転子のインダクタンスを合成したものがθの磁路におけるインダクタンスとみなすことができる。図5は、回転子の磁極の位置がU相に対してθ1進んだ
位置にある状態である。このとき、回転子インダクタンスと固定子インダクタンスおよび2つのインダクタンスの合成インダクタンスの分布を図6に示す。なお、図6の横軸は磁路θの位置、縦軸は基準インダクタンスを1としたときのインダクタンスの変動を示し、回転子はU相からθ1離れた位置に静止している場合のインダクタンスを示している。図中の鎖線で示す固定子インダクタンスはU相に対して60°周期で変動する。点線で示す回転子インダクタンスはθ1に対して180°周期で変動し、磁極位置がθ1であるから、インダクタンスの最小値はθ1の位置になっている。一方、実線で示した2つのインダクタンスの合成インダクタンスに注目すると、インダクタンスの最小値は、回転子インダクタンスの最小の位置θ1からずれがあることが見て取れる。また、固定子インダクタンスはU相に対して固定であることから、θ1の位置が変動することによって、合成インダクタンスも変化し、それに伴って合成インダクタンスの最小値の位置も変化することがわかる。従って、インダクタンスの突極性を利用して磁極位置を推定する方法において、回転子の突極性のみを考慮した磁極位置推定では、固定子に突極性のある交流回転機において正しく磁極位置を推定できなくなる。
図7は本発明における交流回転機の制御装置の概略構成を示しており、交流回転機1は同期電動機であって、ここでは、永久磁石を用いた同期電動機である。本実施の形態では、同期電動機を例に挙げて説明するが、他種類の交流回転機であっても同様の原理で構成することが可能である。交流回転機1には、交流回転機1の電流ベクトルを検出する電流ベクトル検出手段2と、電圧を印加するインバータ等の電力変換器が相当する電圧印加手段4が接続されている。電流ベクトル検出手段2は、交流回転機1の三相電流iu,iv,iwの電流を検出し、座標変換器によって後述する補正推定位置θcompを用いて、交流回転機1の回転子に同期して回転する直交座標として公知であるd−q軸上の電流に座標変換し、これを検出電流ベクトル(ids,iqs)として出力する。三相電流を検出するには、電流を三相とも検出するほか、2相分を検出して三相電流の和がゼロであることを利用して三相電流を求めてもよいし、インバータ母線電流やスイッチング素子に流れる電流とスイッチング素子の状態から三相電流を演算してもよい。
制御手段3は、図8の詳細構成図のように、加減算器31により、外部から与えられる電流ベクトル指令(id_ref,iq_ref)から検出電流ベクトル(ids,iq
s)をそれぞれ減算する。電流制御器32では、加減算器31の出力である電流指令ベク
トルと検出電流ベクトルの偏差が無くなるように、比例積分制御して基本波電圧ベクトル指令(vdf,vqf)を出力する。高周波電圧発生器33は、d軸およびq軸上の高周波交番電圧ベクトル指令(vdh,vqh)を出力する。なお、本実施の形態では、vqh=0としてd軸方向のみに印加する交番電圧とする。加減算器34では、基本波電圧ベクトル指令と高周波交番電圧ベクトル指令を加算した(vd,vq)を出力し、座標変換器35では補正推定位置θcompを使って加減算器34の出力である(vd,vq)をd−q軸から静止座標の電圧ベクトル指令(vu,vv,vw)に変換し出力する。電圧印加手段4は、制御手段3から出力される電圧ベクトル指令に基づいて、交流回転機1に電圧を印加する。
磁極位置演算手段5は、図9の詳細構成図のように、制御手段3の出力である3相交流の電圧ベクトル指令を直交回転座標であるd−q軸の電圧指令ベクトル(vds,vqs)に変換する座標変換器51と、検出電流ベクトルから検出磁束ベクトルを演算する検出磁束ベクトル演算部52と、電圧ベクトル指令(vds,vqs)と検出電流ベクトル(ids,iqs)とから交流回転機1の推定速度ωr0を演算する推定速度演算部53と、推定速度を積分して磁極推定位置θ0を出力する積分器54と、磁極推定位置から磁極位置補正値を出力する位置補正値生成器55と、磁極推定位置から磁極位置補正値△θiを減算して補正推定位置θcompを出力する加減算器56とを備えている。なお、(vds,vqs)は加減算器34の出力と同値であるから、(vds、vqs)=(vd、
vq)として座標変換器51を省略することもできる。
推定速度演算部53による速度推定について説明する。推定速度演算部53は、電圧ベクトル指令および検出電流ベクトルと交流回転機1の定数を用いて交流回転機1の内部の状態を推定し、推定速度ωr0を求めるものである。まず、速度推定の原理について式を用いて説明する。交流回転機1の電機子抵抗をR、d軸方向の電機子インダクタンスをLd、q軸方向の電機子インダクタンスをLq、推定速度をωr0、電源角周波数をωとし、行列A、B、C1、C2、Hをそれぞれ(1)式から(5)式で定義する。なお、Aはモータ定数を表す行列、Bは電圧の行列、C1は推定磁束ベクトルから推定電流を演算する行列、C2は推定磁束ベクトルから磁束ベクトル成分を抽出する行列、Hはフィードバックゲイン行列であり、h11〜h44はフィードバックゲインである。
また、d−q軸上の推定電機子反作用ベクトルのd軸成分をφds0、q軸成分をφqs0、d−q軸上の電圧指令ベクトルのd軸成分をvds、q軸成分をvqsと定義すると、(6)式のように推定電機子反作用ベクトルφds0,φqs0と推定磁束ベクトルφdr0,φqr0を得ることができる。
ここで、e1,e2は検出電流ベクトルと後述する推定電流ベクトル(ids0,iqs0)との偏差、e3,e4は推定磁束ベクトル(φdr0,φqr0)と後述する検出磁束ベクトル演算部52の出力する検出磁束ベクトル(φdr,φqr)との偏差を指す。よってe1,e2およびe3,e4は(7)式および(8)式で定義される。
フィードバックゲイン行列H内のフィードバックゲインh11〜h44は任意に設定可能である。例えば特許4672236号公報の図9に記載されているように、推定速度ωr0によってh11,h12,h13,h14,h21,h22,h23,h24のフィードバックゲインの値を設定することで、推定速度ωr0を精度良く推定演算することができる。同様にh31,h32,h33,h34,h41,h42,h43,h44のフィードバックゲインの値についても、推定速度ωr0によってフィードバックゲインの値を設定することができる。
ラプラス演算子(微分演算子)をs、比例ゲインをkp、積分ゲインをkiと定義し、
(1)式の行列Aの内部パラメータである推定速度ωr0は、電流偏差(e1,e2)と推定磁束ベクトル(φdr0,φqr0)を用いて(9)式で与えることができる。また、推定電流ベクトル(ids0,iqs0)は(10)式によって求めることができる。同様に、推定磁束ベクトル(φdr0,φqr0)は(11)式によって求めることができる。
以上のように、(1)式〜(11)式を用いれば、電圧指令ベクトルと検出電流ベクトルに基づいて、推定速度と推定電流ベクトルと推定磁束ベクトルを算出することができる。なお、交流回転機1が高速で回転している場合、推定速度ωr0と推定位置θ0を推定磁束ベクトルと検出磁束ベクトルの偏差を用いることなく良好に推定できる。このため、推定速度の絶対値が所定の値よりも大きい場合は、フィードバックゲインh31,h32,h33,h34,h41,h42,h43,h44の値を零として、推定速度の演算に寄与しないようにする。このとき、検出磁束ベクトルは演算する必要がなく、高周波電圧ベクトル(vdh,vqh)を零としてもよいため、高周波電圧による余分な電圧を印加することなく、高周波電流も発生しないため、高周波電圧および高周波電流による損失もなくすことができる。このように高速回転領域においては交番電圧ベクトル指令の値を零とすることで、高速回転領域における運転効率を高くすることができる。
これを踏まえ、推定速度演算部53の動作についてその詳細構成図である図10について説明する。行列演算器531は、電圧指令ベクトル(vds,vqs)に行列Bを乗算した結果を出力する。加減算器532は、推定電流ベクトル(ids0,iqs0)から検出電流ベクトル(ids,iqs)を減算し、電流偏差ベクトル(e1,e2)を出力する。同様に加減算器533は、推定磁束ベクトル(ids0,iqs0)から回転子磁束ベクトル(Φr,0)を減算し、磁束偏差ベクトル(e3,e4)を出力する。行列演算器534は、入力(e1,e2)と(e3,e4)をあわせたベクトル(e1,e2,e3,e4)に行列Hを乗算した結果を出力する。行列演算器535は、電機子反作用ベクトルの推定値および磁束ベクトルの推定値(φds0,φqs0,φdr0,φqr0)に行列Aを乗算した結果を出力する。加減算器536は、行列演算器531の出力と行列演算器534の出力と行列演算器535の出力とを加減算したベクトルを出力する。積分器537は、加減算器536が出力するベクトルを各要素毎に積分し、ベクトル(φds0,φqs0,φdr0,φqr0)として出力する。以上が(1)式,(2)式,(5)式に相当する部分である。なお、(1)式,(2)式,(5)式の左辺は積分器537の入力部分に相当する。
行列演算器538は、行列C1をベクトル(φds0,φqs0,φdr0,φqr0)に乗算することで、推定電流ベクトル(φds0,φqs0)を出力する。この部分は(10)式に相当する。行列演算器539は、行列C2をベクトル(φds0,φqs0,φdr0,φqr0)を乗算することで、推定磁束ベクトル(φdr0,φqr0)を出力する。この部分は(11)式に相当する。速度推定器5310は、(9)式を用いて推定速度ωr0を出力する。以上が推定速度演算部53の動作である。
次に検出磁束ベクトル演算部52の動作について述べる。検出磁束ベクトルの演算方法について図11にもとづき説明する。回転子の磁束ベクトル方向をdm軸、その直交方向をqm軸とし、高周波交番電圧ベクトルを印加することで得られる推定磁極位置θ0が示す方向をd軸、その直交方向をq軸とし、d軸とdm軸との間に△θの偏差があるとする。なお、推定速度演算部53の動作によって、d軸は定常的にはdm軸と一致するように動作するので、図11は瞬時的に△θの偏差が生じた場合の図である。検出磁束ベクトル(φdr,φqr)は、推定磁極位置θ0が示すd軸、q軸に対する磁束ベクトルを指し、回転子の磁束をΦrとしたとき(12)式となる。
次に、△θの検出方法について述べる。高周波電圧を印加することで得られる高周波電流から回転子磁束ベクトルの方向と制御軸方向との偏差である△θを演算する。まず高周波電圧を用いて△θを検出する方法について述べる。なお、ここでは回転子にのみ突極性を有することを想定している。高周波電圧ベクトル発生器が高周波電圧ベクトルvdh,vqhを出力するときに、交流回転機1に流れる高周波電流ベクトルの数式について説明する。交流回転機1のd軸,q軸に高周波電圧ベクトルvdh,vqhをそれぞれ印加するときの交流回転機1の数式は(13)式のように表現することが出来る。
高周波電圧を用いて磁極位置を検出する場合、高速回転域では高周波の電圧や電流が発生する分、運転効率や電圧利用率および最大電流といった点で不利であるため、零速や低速で使用するほうがよく、高速回転域では公知の適応観測器などを利用した磁極位置検出手段を用いるのがよい。そこで、ここでは零速〜低速において高周波電圧を用いることとし、回転速度ωr≒0とおくと(13)式より(14)式を得ることができる。
更に右辺第2項は高周波電流の微分であり、高周波電流の微分は高周波電圧の角周波数ωh倍されるため、右辺第2項≫右辺第1項となり、右辺第1項は無視することができ、その結果(15)式を得ることができる。
ここで、高周波電圧ベクトルを(16)式のように与えるとすると、高周波電流ベクトル(idh,iqh)は(15)式に(16)式を代入し、両辺を積分することで(17)式のようになる。
ここで、(17)式の高周波電流の振幅成分を利用すれば、△θを電流振幅の関数で表すことができる。ここでは、高周波電流の直交成分iqhの振幅|iqh|を用いると、(17)式から(18)式を得ることができる。また、(18)式を△θの式に直すと、(19)式となる。
なお、高周波電圧の角周波数ωhと高周波電圧振幅Vhは高周波電圧ベクトル発生器33で任意に設定出来るものであるため既知、Lおよびlは(12)式のようにLd,Lqより求めることが出来るものであり、Ld,Lqは事前に測定することで把握できるためLおよびlも既知である。回転子磁束方向dm軸と推定磁極位置d軸との偏差△θは、(19)式で表される。推定速度演算は、定常的には△θがゼロに近づくように動作するため、2△θ≒0であるからsin2△θ≒2△θとしてよい。よって、(19)式から(20)式が得られる。
よって、(19)式または(20)式から、|iqh|を用いることで検出磁束ベクトルを演算することができる。以上の説明を踏まえて、検出磁束ベクトル演算部52の動作について、図12を用いて説明する。図12は検出磁束ベクトル演算部52の詳細構成図である。まず、交番電流振幅抽出器521において、検出電流ベクトルからq軸の高周波電流振幅である|iqh|を抽出する。交番電流振幅|iqh|の抽出方法について図13を用いて説明する。交番電流振幅抽出部521は、図13に示すようにフィルタ5211を用いて、検出電流ベクトルから高周波電流ベクトルを抽出する。フィルタ5211は、検出電流ベクトルから高周波電圧ベクトルと同一周波数成分を抽出出来るものならどのようなものを用いてもよい。例えば、狭帯域のバンドストップフィルタとして公知であるノッチフィルタを利用して、高周波電流ベクトルを抽出する。図13のフィルタ5211では、(21)式の高周波電圧ベクトルの角周波数ωhを除去するノッチフィルタを検出電流ベクトルに施して、検出電流ベクトルから角周波数ωh成分を除去する。加減算器5212では検出電流ベクトルからフィルタ5211の出力を減算することで、検出電流ベクトルから角周波数ωh成分の高周波電流ベクトルを演算する。なお、(21)式のsはラプラス演算子、qxはノッチの深さである。
振幅演算器5213は(22)式を用いて、入力される高周波電流ベクトルのq軸成分iqhから振幅|iqh|を演算する。(22)式中のTはiqhの周期である。
以上が|iqh|の抽出方法である。磁極偏差演算器522は、(19)または(20)式のいずれかを用いて、偏差△θを演算する。前述の通り、(19)または(20)式において|iqh|以外の定数は既知であるから、|iqh|の入力を元に△θを演算することができる。検出磁束ベクトル演算器523は、偏差△θを元に(12)式によって、検出磁束ベクトル(φdr,φqr)を演算する。ここで、Φrは事前に測定することが可能であり既知である。以上が、検出磁束ベクトル演算部52の動作である。
次に、位置補正値生成部55について説明する。推定速度演算部53の出力する推定速度を積分器54で積分することによって得られる磁極推定位置と、得られた磁極推定位置
から位置補正値生成部55で磁極位置補正値を生成し、磁極推定位置から磁極位置補正値を減算した補正推定位置を用いることで、交流回転機1の正しい回転子位置を推定とすることを特徴としている。推定速度演算部53の動作により、推定速度は実速度と一致するように動作するため、磁極推定位置θ0は、回転子磁束の方向dm軸と一致するように動作する。すなわち、(19)式および(20)式にて示した△θが零となるように動作する。しかし、以上説明した検出磁束ベクトル演算部52は、回転子の突極性のみを考慮した構成であるから、固定子の突極性を考慮すると磁極位置補正値が発生する。図6を用いて説明すると、(13)式は図6中の回転子インダクタンス(点線)を想定しており、△θ=0となる点は、インダクタンスが最小となる位置である。一方、固定子インダクタンスを合成した合成インダクタンス(実線)においては△θ=0となる最小インダクタンスの位置はθ1からずれる。このずれ角度を△θiとおく。固定子の突極性を考慮する場合、積分器54から出力される磁極推定位置θ0は、θ1から△θiずれた位置を指している。
従って、固定子の突極性によって起こる磁極推定位置のずれ量△θiを磁極推定位置θ0から減算することにより、正しい磁極位置θ1を演算する。ずれ量△θiは、前述の通り、固定子のインダクタンス分布に対して、回転子のインダクタンス分布が回転子磁極位置によって移動するため、合成インダクタンスは回転子の位置によって異なる。ただし、回転子のインダクタンス分布および固定子のインダクタンス分布は、交流回転機1によって一意であるから、回転子および固定子のインダクタンス分布がわかれば、その合成インダクタンスのずれ量△θiは、回転子の位置によって一意に定めることができる。よって、ずれ量△θiは、電磁界解析などの解析手段によってインダクタンス分布を求めることもできるし、または、実機からインダクタンス分布を測定して求めることもできる。測定した磁極位置補正値は、磁極位置に対する関数△θi=f(θ0)として持つこともできるし、△θiをθ0に関するテーブルとして持つこともできる。
以上のようにして求めたずれ量△θiを磁極位置補正値として用いて、位置補正値生成部55は、積分器54の出力する推定位置θ0を元に磁極位置補正値△θiを生成する。磁極位置補正値△θiは、加減算器56で積分器54の出力θ0から減算され、正しい磁極位置を示す補正磁極位置θcompが出力される。これによって、二重突極性をもつ交流回転機1であっても正しい磁極位置を出力することができる。
以上のように構成することにより、推定速度演算部53の出力である推定速度を積分した磁極推定位置に対して、磁極推定位置から演算する磁極位置補正値を減算することによって、正しい磁極位置を推定することができる。また、高速回転時に高周波電圧ベクトルを零とすることで、高速回転時の損失をなくすことができるため、高速回転領域における運転効率を高くすることができる。
実施の形態2.
図14はこの発明の実施の形態2における交流回転機の制御装置の磁極位置演算手段の詳細構成を示すブロック図、図15はこの発明の実施の形態2における交流回転機の制御装置の検出磁束ベクトル演算部の詳細構成を示すブロック図である。上記実施の形態1では、推定速度を積分して得られた推定磁極位置から補正量である△θiを減算し、正しい磁極位置を出力する方法を示した。しかし、推定速度に対しては、補正を与えることができていないため、例えば制御手段3において推定速度を用いた速度制御を構成する際に、速度制御の性能が悪くなる。そこで本実施の形態では、推定速度演算部53の入力である検出磁束ベクトルを求める検出磁束ベクトル演算部52に対して位置補正を行うことにより、速度推定の演算精度を向上させる。上記実施の形態1において、検出磁束ベクトル演算部52は、高周波電流振幅|iqh|から求めた△θを用いて検出磁束ベクトルを演算していた。この△θは、回転子の突極性のみを考慮した(13)式で与えられることから、固定子の突極性を考慮すると△θに対して補正量△θiを与えることで、検出磁束ベク
トルを正しく演算することができ、推定速度演算部53が正しい推定速度を演算することができる。そこで、本実施の形態では図14に示すように、検出磁束ベクトル演算部52に磁極位置補正値を入力し、検出磁束ベクトルを補正することで、推定速度演算部53が正しい速度を推定できるようにする。検出磁束ベクトル演算部52は、検出電流ベクトルと磁極位置補正値から検出磁束ベクトルを演算する。
以下実施の形態1と同様の部分の説明は省略し、検出磁束ベクトル演算部52の動作について図15にもとづき説明する。交番電流振幅抽出部521と磁極偏差演算器522は実施の形態1と同様である。前述の通り、この磁極偏差は、回転子のインダクタンス突極性のみを考慮したときのものである。そこで、固定子インダクタンスの突極性を考慮したときの磁極位置補正値△θiを、加減算器524で磁極偏差演算器522の出力△θから減算することにより、固定子インダクタンスの突極性を考慮した補正磁極偏差を検出磁束ベクトル演算器523に入力する。これによって、検出磁束ベクトル演算器523が正しい磁束ベクトルを検出することができ、推定速度演算部53の出力する推定速度およびそれを積分して得られる推定位置も正しい値を得ることができる。
以上のように、実施の形態2の構成により、磁極推定位置から演算する磁極位置補正値を用いて検出磁束ベクトルを補正することによって、正しい推定速度を推定することができ、速度制御などの制御方式においても制御性能を向上することができる。
実施の形態3.
図16はこの発明の実施の形態3における交流回転機の制御装置の検出磁束ベクトル演算部の詳細構成を示すブロック図である。上記実施の形態2では、検出磁束ベクトル演算部52に補正量△θiを入力し、正しい検出磁束ベクトルを演算する方式を示したが、磁極位置補正値を用いて高周波電流振幅を変更することで正しい検出磁束ベクトルを演算することもできる。図6において、合成インダクタンス(実線)が回転子インダクタンス(点線)に対して位相が△θiだけずれた、ほぼ正弦波の波形をとるとすると、(18)式は(23)式で与えることができる。なお、推定速度演算部53の動作により△θが零に収束するため、定常的には高周波電流振幅は(24)式になる。すなわち、固定子インダクタンスの突極性を考慮すると、|iqh|が(24)式の右辺に近づけば、△θが零に近づく。
ここで、(23)式を展開すると(25)式となる。△θは零に近づくように動作するので、sin2△θ≒2△θ、cos2△θ≒1とすると、(26)式で△θを与えることができる。よって(26)式より、△θiと|iqh|を用いて△θを求めることができる。
本実施の形態では、検出磁束ベクトル演算部52を図16に示す構成とすれば、磁極偏差演算器522は、高周波電流振幅|iqh|と磁極位置補正値を用いて(26)式から磁極偏差△θを求めることができる。
また、(26)式で三角関数を用いることなく△θを求めることもできる。まず、(24)式の右辺を高周波電流振幅指令値|iqh_ref|として(27)式で定義する。(25)式を、|iqh_ref|を用いて表すと(28)式にできる。(28)式のcos2△θiは、(27)式から三角関数の性質により(29)式で|iqh_ref|で求めることができる。よって△θは(30)式で表すことができる。
このとき、位置補正値生成部55が出力する磁極位置補正値として、高周波電圧振幅指令値|iqh_ref|を出力する構成とすれば、磁極偏差演算器522は、|iqh|と|iqh_ref|を用いて、(30)式から△θを求めることができる。|iqh_ref|の測定には、電磁界解析などの解析手段や実機を用いて、磁極位置に対して高周波電圧を印加した時の|iqh|、すなわち(24)式に相当する値を回転子の位置に応じて測定すればよい。これにより、磁極偏差演算器522によって演算される磁極偏差△θは固定子インダクタンスの突極性を考慮した値を取ることができ、検出磁束ベクトルが正しい磁束ベクトルを検出することができる。検出磁束ベクトルを入力とする推定速度演算部53の出力する推定速度およびそれを積分して得られる推定位置も正しい磁極位置とすることができる。
以上のように、実施の形態3の構成により、推定位置から高周波電圧振幅指令値を演算し、これを用いて検出磁束ベクトルを補正することによって、正しい推定速度を推定することができ、速度制御などの制御方式においても制御性能を向上することができる。
なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
1 交流回転機、2 電流ベクトル検出手段、3 制御手段、4 電圧印加手段、5 磁極位置演算手段、31 加減算器、32 電流制御器、33 高周波電圧発生器、34 加減算器、35 座標変換器、51 座標変換器、52 検出磁束ベクトル演算部、53
推定速度演算部、54 積分器、55 位置補正値生成部、56 加減算器。

Claims (4)

  1. 交流回転機を駆動する基本波電圧ベクトル指令と該基本波電圧ベクトル指令よりも高周波の交番電圧ベクトル指令とを加算した電圧ベクトル指令を出力する制御手段と、該制御手段から出力された電圧ベクトル指令に基づいて上記交流回転機に電圧を印加する電圧印加手段と、上記交流回転機の電流を検出して上記交流回転機の回転子に同期して回転する電流ベクトルを検出する電流ベクトル検出手段と、該電流ベクトル検出手段で検出された電流ベクトルと該電流ベクトルから求めた検出磁束ベクトルと上記電圧ベクトル指令とから上記交流回転機の推定速度を演算する推定速度演算部と、該推定速度演算部で演算された推定速度から磁極推定位置を演算するとともに、上記交流回転機の回転子突極性における磁極位置補正値から上記交流回転機の固定子突極性における磁極位置補正値を減算した位置補正値を演算し、該位置補正値により上記磁極推定位置を補正した磁極位置を出力する磁極位置演算手段とを備えたことを特徴とする交流回転機の制御装置。
  2. 上記推定速度演算部は上記検出磁束ベクトルを上記交流回転機の固定子突極性における磁極位置補正値で補正したことを特徴とする請求項1に記載の交流回転機の制御装置。
  3. 上記推定速度演算部は上記交流回転機の固定子突極性における磁極位置補正値によって高周波電流振幅値を変更することを特徴とする請求項1に記載の交流回転機の制御装置。
  4. 上記推定速度演算部で得られた推定速度が所定の回転数を超えた場合には上記交番電圧ベクトル指令の値を零とすることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の交流回転機の制御装置。
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