JP2016195522A - 永久磁石形同期電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子の振動や電動機回転時の誘起電圧に起因して流れる電流を抑制し、安定的な制御が可能な制御装置を提供する。【解決手段】零でない一定値のγ軸電流指令値とγ軸電流検出値との偏差が零になるように調節動作してγ軸電圧指令値を演算するγ軸電流調節器２０ａと、δ軸電流検出値の大きさに応じて所定値に制限されたδ軸電圧補償値を出力するδ軸電流制限部２１と、前記δ軸電圧補償値をδ軸電圧指令値とし、このδ軸電圧指令値とγ軸電圧指令値とから端子電圧指令値を生成する座標変換器１５と、前記端子電圧指令値に従ってゲート信号を生成するＰＷＭ回路１３と、前記ゲート信号によりスイッチング素子をオン・オフさせて永久磁石形同期電動機８０を駆動する電力変換器７０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、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関し、詳しくは、永久磁石形同期電動機を、零速度を含む低速時にも安定して制御するための制御装置に関するものである。

永久磁石形同期電動機の制御装置をコストダウンするため、回転子の磁極位置を検出するための磁極位置検出器を使用しないで運転する、いわゆるセンサレス制御が実用化されている。センサレス制御は、電動機の端子電圧や電流の情報から回転子の磁極位置と速度とを演算し、これらに基づいて電流制御を行うことでトルク制御や速度制御を実現するものである。

センサレス制御の一例としては、例えば、非特許文献１に、永久磁石を回転子内部に埋め込んだ構造の埋込磁石同期電動機（ＩＰＭＳＭ）において、拡張誘起電圧を用いた電動機モデルによる推定電流と実電流との差が、推定拡張誘起電圧誤差に比例するという特性を利用して磁極位置を推定する技術が開示されている。
しかしながら、この種のセンサレス制御は、基本的には電動機の誘起電圧を利用するものであるため、電動機の低速運転時に磁極位置を安定的に推定できないという問題がある。

これに対し、特許文献１には、低速運転時に永久磁石形同期電動機の電流の振幅を一定にすると共に電流の角周波数を指令値に制御して回転磁界を発生させることで、電動機の回転子を電流に引き込んで運転する、いわゆる電流引き込み制御を行う制御装置が記載されている。

一方、特許文献２には、上述の電流引き込み制御は、そのままでは速度制御系が振動的であり、負荷急変時には脱調を起こして運転不能になる等、安定性に課題があることが指摘されている。そこで、特許文献２では、上記課題の解決手段として、電動機の端子電圧指令値ベクトルのうち電流指令値ベクトルと平行な方向の電圧成分を利用して生成した周波数補正量により、周波数指令値を補正する安定化制御方法が提案されている。
しかしながら、この制御方法によると、周波数指令値が正の場合と負の場合とで比例増幅器のゲインの極性を逆にしていることからも明らかなように、原理的に、零速度には適用することができない。

零速度時も含めて速度制御系の安定性を改善する技術としては、非特許文献２に示される技術がある。すなわち、この非特許文献２には、零速度を含む始動・停止時の予備励磁期間として、電流指令値と直交方向の電圧指令値（同文献中のｖ_γ）を零に制御すると、電流指令値と直交方向に回転子の振動を抑制する電流（同文献中のｉ_γ）が流れ、速度制御系が安定化することが記載されている。
しかし、非特許文献２では、電流指令値と直交方向の電流を積極的に制御していないため、電動機が回転している場合には、電動機の誘起電圧によって過大な電流が流れる恐れがある。

上述した非特許文献２の問題を解決するものとして、特許文献３に記載された技術がある。この特許文献３に係る制御装置において、零速度を含む低速時には、回転子が振動したときに振動抑制作用を果たす固有角周波数成分の電流が抑制されないように、電流調節手段のゲイン特性を通常時よりも低減することにより、制御系を安定化させている。
しかしながら、この従来技術においても、回転子の振動が著しく大きい場合には大きな振動電流が流れることがあり、制御装置が破損する恐れがある。

特開２０００-２８７４９４号公報（段落［００１２］〜［００１５］、図１等） 特開２００１−１９００９３号公報（段落［０００８］、図５等） 特許第５１０４２１７号公報（段落［００２９］〜［００３２］、図１等）

田中康司，三木一郎，「拡張誘起電圧を用いた埋込磁石同期電動機の位置センサレス制御」，電気学会論文誌Ｄ，Ｖｏｌ．１２５，Ｎｏ．９，ｐｐ．８３３−８３８（２００５年） 河地光男，山村直紀，常広譲，「位置センサレス・永久磁石同期電動機の低速領域における動作特性の改善法」，電気学会論文誌Ｄ，Ｖｏｌ．１２１，Ｎｏ．１，ｐｐ．７−１３（２００１年）

前述したように、各従来技術には一長一短があり、零速度を含む運転領域において、電動機に過大な電流を流すことなく安定して制御可能な制御装置の実現が望まれていた。
そこで、本発明の解決課題は、回転子の振動や電動機回転時の誘起電圧に起因して流れる電流を抑制し、安定な制御を可能に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。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、永久磁石形同期電動機の端子電圧及び電流をベクトルとしてとらえ、電流指令値ベクトルの速度を速度指令値に制御し、電力変換器により前記電動機の端子電圧を制御することによって電流指令値ベクトルの振幅を電流指令値に制御する永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記制御装置内に、前記速度指令値にて回転するγ−δ軸直交回転座標系を定義し、
前記電流指令値ベクトルのγ軸成分であるγ軸電流指令値を零でない一定値に設定する手段と、
前記γ軸電流指令値とγ軸電流検出値との偏差が零になるようにγ軸電圧指令値を演算するγ軸電流調節手段と、
δ軸電流上限値とδ軸電流検出値との偏差を増幅して第1のδ軸電圧補償値を演算する手段と、
前記第1のδ軸電圧補償値の上限値を制限して第２のδ軸電圧補償値を演算する手段と、
δ軸電流下限値とδ軸電流検出値との偏差を増幅して第３のδ軸電圧補償値を演算する手段と、
前記第３のδ軸電圧補償値の下限値を制限して第４のδ軸電圧補償値を演算する手段と、
前記第２のδ軸電圧補償値と前記第４のδ軸電圧補償値とからδ軸電圧指令値を演算する手段と、
前記γ軸電圧指令値と前記δ軸電圧指令値とから端子電圧指令値を生成する手段と、
前記端子電圧指令値に従って前記電力変換器を制御する手段と、を備えたものである。
これにより、回転子振動に起因する振動電流が大きい場合にも、電動機の電流を制限値以下に抑制することができる。

請求項２に係る発明は、永久磁石形同期電動機の端子電圧及び電流をベクトルとしてとらえ、電流指令値ベクトルの速度を速度指令値に制御し、電力変換器により前記電動機の端子電圧を制御することによって電流指令値ベクトルの振幅を電流指令値に制御する永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記制御装置内に、前記速度指令値にて回転するγ−δ軸直交回転座標系を定義し、
前記電流指令値ベクトルのγ軸成分であるγ軸電流指令値を零でない一定値に設定する手段と、
前記電流指令値ベクトルのδ軸成分であるδ軸電流指令値を零に設定する手段と、
前記γ軸電流指令値とγ軸電流検出値との偏差が零になるようにγ軸電圧指令値を演算するγ軸電流調節手段と、
前記δ軸電流指令値とδ軸電流検出値との偏差が零になるように第１のδ軸電圧指令値を演算するδ軸電流調節手段と、
δ軸電流上限値とδ軸電流検出値との偏差を増幅して第1のδ軸電圧補償値を演算する手段と、
前記第1のδ軸電圧補償値の上限値を制限して第２のδ軸電圧補償値を演算する手段と、
δ軸電流下限値とδ軸電流検出値との偏差を増幅して第３のδ軸電圧補償値を演算する手段と、
前記第３のδ軸電圧補償値の下限値を制限して第４のδ軸電圧補償値を演算する手段と、
前記第２のδ軸電圧補償値と前記第４のδ軸電圧補償値とから第５のδ軸電圧補償値を演算する手段と、
前記第５のδ軸電圧補償値と前記第１のδ軸電圧指令値とから第２のδ軸電圧指令値を演算し、前記第２のδ軸電圧指令値と前記γ軸電圧指令値とから端子電圧指令値を生成する手段と、
前記端子電圧指令値に従って前記電力変換器を制御する手段と、を備えたものである。
これにより、回転子振動に起因する振動電流が大きい場合にも電流を制限値以下に抑制することが可能であると共に、回転子が回転している場合に電動機の誘起電圧に起因して流れる電流も抑制することができる。

本発明によれば、永久磁石形同期電動機を電流引き込み制御によって運転する場合の安定性を向上し、かつ、電動機に流れる電流が過大になるのを防止することができる。

本発明の第１実施形態を示すブロック図である。 γ−δ軸直交回転座標系及びｄ−ｑ軸直交回転座標系の定義を示す図である。 本発明の各実施形態におけるδ軸電流制限部の構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態を示すブロック図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明の第１実施形態を示すブロック図である。この第１実施形態及び後述する第２実施形態における制御演算は、電気角速度ω_１で回転する仮想的なγ−δ軸直交回転座標系を制御装置内に定義し、このγ−δ軸直交回転座標系に従って永久磁石形同期電動機の電流、電圧を制御する。

前後するが、図２は、γ−δ軸の定義を説明するためのものである。図２において、回転子磁極のＮ極方向をｄ軸、このｄ軸から９０°進み方向をｑ軸と定義してｄ−ｑ軸直交回転座標系を形成し、このｄ−ｑ軸直交回転座標系とγ−δ軸直交回転座標系との角度誤差をθ_ｅｒｒとする。なお、ω_ｒは回転子の回転角速度である。

第１実施形態を示す図１において、速度指令値ω^＊として設定された電気角速度ω_１は電気角演算器１２により積分され、電気角θ_１が演算される。
一方、γ軸電流指令値ｉ_γ ^＊は一定の正の電流指令値Ｉ_γ ^＊に設定される。
電力変換器７０と永久磁石形同期電動機（ＰＭＳＭ）８０との間に設けられたｕ相電流検出器１１ｕ、ｗ相電流検出器１１ｗにより相電流ｉ_ｕ，ｉ_ｗが検出され、これらの相電流ｉ_ｕ，ｉ_ｗは、座標変換器１４により、電気角θ_１を用いてγ，δ軸電流検出値ｉ_γ，ｉ_δに座標変換される。

γ軸電流指令値ｉ_γ ^＊（＝Ｉ_γ ^＊）とγ軸電流検出値ｉ_γとの偏差が減算器１９ａにより求められ、γ軸電流調節器２０ａは、上記偏差が零になるように調節動作してγ軸電圧指令値ｖ_γＡＣＲを演算する。このｖ_γＡＣＲは、γ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊として座標変換器１５に入力される。
また、δ軸電流制限部２１は、δ軸電流検出値ｉ_δを所定値（後述するｉ_δｌｉｍ）により制限してδ軸電圧補償値ｖ_{δｃｏｍｐ}を演算し、このｖ_{δｃｏｍｐ}はδ軸電圧指令値ｖ_δ ^＊として座標変換器１５に入力される。

座標変換器１５は、γ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊及びδ軸電圧指令値ｖ_δ ^＊を電気角θ_１に基づき座標変換して相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊を演算し、ＰＷＭ回路１３に出力する。ＰＷＭ回路１３は、電力変換器７０の出力電圧を前記の相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に制御するためのゲート信号を生成する。

整流回路６０は、三相交流電源５０の交流電圧を整流して直流電圧に変換し、電力変換器７０に供給する。
電力変換器７０は、ＰＷＭ回路１３からのゲート信号に基づいて内部の半導体スイッチング素子を制御することにより直流電圧を三相交流電圧に変換し、永久磁石形同期電動機８０の端子電圧を相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に制御する。

上記のように構成された制御装置は、電力変換器７０により、電動機８０の電流ベクトルの速度を速度指令値ω^＊に制御すると共に、γ軸電流及びδ軸電流に基づいて電動機８０の端子電圧を制御することにより、電流ベクトルの振幅を電流指令値Ｉ_γ ^＊に制御するものである。

次に、図１におけるδ軸電流制限部２１の詳細について説明する。図３は、δ軸電流制限部２１の構成を示すブロック図である。
図３において、ｉ_δｌｉｍはδ軸電流検出値ｉ_δを制限するδ軸電流制限値であり、正の値に設定する。このδ軸電流制限値ｉ_δｌｉｍは、そのままδ軸電流プラス側制限値ｉ_{δｌｉｍｐ}となる。一方、δ軸電流制限値ｉ_δｌｉｍにゲイン３１（「−１」）を乗じることにより、極性を反転させたδ軸電流マイナス側制限値ｉ_{δｌｉｍｎ}を生成する。

減算器３２ａは、δ軸電流プラス側制限値ｉ_{δｌｉｍｐ}とδ軸電流検出値ｉ_δとの偏差を演算し、この偏差は、比例ゲイン３３ａにより増幅される。この比例ゲイン３３ａによる増幅結果は、上限値を零以下に制限する出力制限器３４ａによりδ軸電圧プラス側補償値ｖ_{δｃｏｍｐｐ}となる。
また、減算器３２ｂは、δ軸電流マイナス側制限値ｉ_{δｌｉｍｎ}とδ軸電流検出値ｉ_δとの偏差を演算し、この偏差は、比例ゲイン３３ｂにより増幅される。この比例ゲイン３３ｂによる増幅結果は、下限値を零以上に制限する出力制限器３４ｂによりδ軸電圧マイナス側補償値ｖ_{δｃｏｍｐｎ}となる。
なお、上記比例ゲイン３３ａ，３３ｂは、何れもＫ_{Ｐδｌｉｍ}に設定されている。

δ軸電圧プラス側補償値ｖ_{δｃｏｍｐｐ}とδ軸電圧マイナス側補償値ｖ_{δｃｏｍｐｎ}とは加算器３５により加算され、その加算結果が、δ軸電圧補償値ｖ_{δｃｏｍｐ}（δ軸電圧指令値ｖ_δ ^＊）として図１の座標変換器１５に入力される。
なお、上記構成において、δ軸電流プラス側制限値ｉ_{δｌｉｍｐ}は特許請求の範囲におけるδ軸電流上限値に、δ軸電流マイナス側制限値ｉ_{δｌｉｍｎ}はδ軸電流下限値に、比例ゲイン３３ａの出力は第１のδ軸電圧補償値に、出力制限器３４ａの出力は第２のδ軸電圧補償値に、比例ゲイン３３ｂの出力は第３のδ軸電圧補償値に、出力制限器３４ｂの出力は第４のδ軸電圧補償値に、それぞれ相当している。

すなわち、δ軸電流制限部２１では、δ軸電流検出値ｉ_δがδ軸電流プラス側制限値ｉ_{δｌｉｍｐ}以上になった場合には、δ軸電圧補償値ｖ_{δｃｏｍｐ}が減少する方向に変化し、その結果として、δ軸電流検出値ｉ_δがδ軸電流プラス側制限値ｉ_{δｌｉｍｐ}以下になるようにδ軸電圧指令値ｖ_δ ^＊が制御される。
一方、δ軸電流検出値ｉ_δがδ軸電流マイナス側制限値ｉ_{δｌｉｍｎ}以下になった場合には、δ軸電圧補償値ｖ_{δｃｏｍｐ}が増加する方向に変化し、その結果として、δ軸電流検出値ｉ_δがδ軸電流マイナス側制限値ｉ_{δｌｉｍｎ}以上になるようにδ軸電圧指令値ｖ_δ ^＊が制御される。

以上のような制御により、低速時において、電動機８０に流れる電流の振幅を一定とし、電流の電気角速度ω_１を速度指令値ω^＊に制御する電流引き込み制御によって電動機８０を運転することができる。また、特許文献３と同様に、δ軸には回転子振動を抑制する電流ｉ_δが流れるため、制御系は安定であり、電流ｉ_δが過大になるのを防ぐこともできる。

次に、図４は本発明の第２実施形態の構成を示すブロック図である。
この第２実施形態は、図１の第１実施形態にδ軸電流を零にしてδ軸電圧指令値ｖ_δ ^＊を演算する機能を付加したものである。なお、本実施形態の説明は、第１実施形態と異なるδ軸電圧指令値ｖ_δ ^＊の演算部分を中心に行い、第１実施形態と同じ部分については説明を省略する。

図４に示すように、δ軸電流指令値ｉ_δ ^＊は零に設定される。減算器１９ｂはδ軸電流指令値ｉ_δ ^＊とδ軸電流検出値ｉ_δとの偏差を求め、δ軸電流調節器２０ｂは、上記偏差が零になるように調節動作してδ軸電圧指令値ｖ_δＡＣＲを生成する。
また、加算器２２により、δ軸電流制限部２１が演算したδ軸電圧補償値ｖ_{δｃｏｍｐ}とδ軸電圧指令値ｖ_δＡＣＲとを加算してδ軸電圧指令値ｖ_δ ^＊を演算する。
なお、この実施形態において、δ軸電流調節器２０ｂから出力されるｖ_δＡＣＲは特許請求の範囲における第１のδ軸電圧指令値に、δ軸電流制限部２１から出力されるｖ_{δｃｏｍｐ}は第５のδ軸電圧補償値に、加算器２２から出力されるｖ_δ ^＊は第２のδ軸電圧指令値に、それぞれ相当する。

本実施形態では、δ軸電流調節器２０ｂのゲイン特性を低減することにより、回転子が振動したときに振動抑制作用を果たす電流が抑制されないようにする。これにより、第１実施形態の特性に加えて、電動機８０が回転しているときに誘起電圧によって流れる電流を零に制御することができ、前述した非特許文献２における問題を解消することができる。

１１ｕ：ｕ相電流検出器
１１ｗ：ｗ相電流検出器
１２：電気角演算器
１３：ＰＷＭ回路
１４，１５：座標変換器
１９ａ，１９ｂ：減算器
２０ａ：γ軸電流調節器
２０ｂ：δ軸電流調節器
２１：δ軸電流制限部
２２：加算器
３１：ゲイン
３２ａ，３２ｂ：減算器
３３ａ，３３ｂ：比例ゲイン
３４ａ，３４ｂ：出力制限器
３５：加算器
５０：三相交流電源
６０：整流回路
７０：電力変換器
８０：永久磁石形同期電動機

Claims (2)

1. 永久磁石形同期電動機の端子電圧及び電流をベクトルとしてとらえ、
   電流指令値ベクトルの速度を速度指令値に制御し、電力変換器により前記電動機の端子電圧を制御することによって電流指令値ベクトルの振幅を電流指令値に制御する永久磁石形同期電動機の制御装置において、
   前記制御装置内に、前記速度指令値にて回転するγ−δ軸直交回転座標系を定義し、
   前記電流指令値ベクトルのγ軸成分であるγ軸電流指令値を零でない一定値に設定する手段と、
   前記γ軸電流指令値とγ軸電流検出値との偏差が零になるようにγ軸電圧指令値を演算するγ軸電流調節手段と、
   δ軸電流上限値とδ軸電流検出値との偏差を増幅して第1のδ軸電圧補償値を演算する手段と、
   前記第1のδ軸電圧補償値の上限値を制限して第２のδ軸電圧補償値を演算する手段と、
   δ軸電流下限値とδ軸電流検出値との偏差を増幅して第３のδ軸電圧補償値を演算する手段と、
   前記第３のδ軸電圧補償値の下限値を制限して第４のδ軸電圧補償値を演算する手段と、
   前記第２のδ軸電圧補償値と前記第４のδ軸電圧補償値とからδ軸電圧指令値を演算する手段と、
   前記γ軸電圧指令値と前記δ軸電圧指令値とから端子電圧指令値を生成する手段と、
   前記端子電圧指令値に従って前記電力変換器を制御する手段と、
   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。
2. 永久磁石形同期電動機の端子電圧及び電流をベクトルとしてとらえ、
   電流指令値ベクトルの速度を速度指令値に制御し、電力変換器により前記電動機の端子電圧を制御することによって電流指令値ベクトルの振幅を電流指令値に制御する永久磁石形同期電動機の制御装置において、
   前記制御装置内に、前記速度指令値にて回転するγ−δ軸直交回転座標系を定義し、
   前記電流指令値ベクトルのγ軸成分であるγ軸電流指令値を零でない一定値に設定する手段と、
   前記電流指令値ベクトルのδ軸成分であるδ軸電流指令値を零に設定する手段と、
   前記γ軸電流指令値とγ軸電流検出値との偏差が零になるようにγ軸電圧指令値を演算するγ軸電流調節手段と、
   前記δ軸電流指令値とδ軸電流検出値との偏差が零になるように第１のδ軸電圧指令値を演算するδ軸電流調節手段と、
   δ軸電流上限値とδ軸電流検出値との偏差を増幅して第1のδ軸電圧補償値を演算する手段と、
   前記第1のδ軸電圧補償値の上限値を制限して第２のδ軸電圧補償値を演算する手段と、
   δ軸電流下限値とδ軸電流検出値との偏差を増幅して第３のδ軸電圧補償値を演算する手段と、
   前記第３のδ軸電圧補償値の下限値を制限して第４のδ軸電圧補償値を演算する手段と、
   前記第２のδ軸電圧補償値と前記第４のδ軸電圧補償値とから第５のδ軸電圧補償値を演算する手段と、
   前記第５のδ軸電圧補償値と前記第１のδ軸電圧指令値とから第２のδ軸電圧指令値を演算し、前記第２のδ軸電圧指令値と前記γ軸電圧指令値とから端子電圧指令値を生成する手段と、
   前記端子電圧指令値に従って前記電力変換器を制御する手段と、
   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。

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