JP2017099070A - 永久磁石形同期電動機の制御装置 - Google Patents
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しかしながら、非特許文献1に記載されているセンサレスベクトル制御では、低速時の安定性に問題がある。このため、低速域においては、例えば特開2001−190093号公報に記載されているように、電流の振幅を一定として電流の角速度を速度指令値に制御し、永久磁石形同期電動機の回転子を電流に引き込んで運転する技術が適用されることがある。このような運転方式を、以下では「電流引込制御」という。
このような観点から、例えば特許第5277724号公報に記載された制御装置では、電流引込制御からセンサレスベクトル制御への切り替え時に、電動機の電流、端子電圧、電流指令値の角速度から拡張誘起電圧を演算し、拡張誘起電圧の角度から磁極位置推定誤差を演算して磁極位置推定値を初期化すると共に、電流指令値の角速度を用いて速度推定値を初期化し、前記磁極位置推定誤差を用いて、電動機の端子電圧や電流が急変しないようにこれらの指令値を初期化し、電動機の電流、拡張誘起電圧及び電流指令値の角速度から演算したトルクを用いてトルク指令値を初期化することにより、ショックレスの切り替えを可能にしている。
一方、非特許文献1によるセンサレスベクトル制御を安定的に行うためには、この文献に(5)式として記載された下記の拡張誘起電圧Eexが十分大きい必要がある。
Eex=(Ld−Lq)(ωid−piq)+ωKE
この演算式において、Ldはd軸インダクタンス、Lqはq軸インダクタンス、ωは回転子角速度、idはd軸電流、iqはq軸電流、pは微分演算子、KEは誘起電圧定数である。
埋込磁石構造の同期電動機では、d軸インダクタンスLdよりもq軸インダクタンスLqの方が大きいため、上記の式によれば、d軸電流idが正方向に大きい場合には拡張誘起電圧Eexが小さくなり、結果としてセンサレスベクトル制御の安定性が低下する。
そこで、本発明の解決課題は、d軸電流が大きい場合であってもセンサレスベクトル制御を安定的に実現可能と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。
前記電動機の電流、端子電圧をベクトルとしてとらえ、
前記電動機の磁極位置推定誤差を演算する位置推定誤差演算手段と、前記磁極位置推定誤差から前記電動機の速度を推定する速度推定手段と、速度推定値を積分して前記磁極位置を推定する積分手段と、を有し、
前記位置推定誤差演算手段は、
前記電動機の電流、端子電圧相当値、及び速度推定値を用いて第1の拡張誘起電圧を演算する拡張誘起電圧演算手段と、前記回転子の磁極と平行方向の電流であるd軸電流、前記速度推定値、及び前記第1の拡張誘起電圧を用いて第2の拡張誘起電圧を演算する拡張誘起電圧補償手段と、前記第2の拡張誘起電圧を用いて前記磁極位置推定誤差を演算する角度差演算手段と、を備え、
前記拡張誘起電圧補償手段は、
前記d軸電流が第1の閾値以下のときに、前記第1の拡張誘起電圧演算値に等しくなるように前記第2の拡張誘起電圧値を演算し、前記d軸電流が前記第1の閾値より大きい第2の閾値以上のときに、前記電動機の誘起電圧に等しくなるように前記第2の拡張誘起電圧を演算するものである。
これにより、d軸電流が大きい場合にも、センサレスベクトル制御を安定的に実現することができる。
永久磁石形同期電動機(以下、PMSMともいう)は、回転子に同期した直交回転座標を構成するd,q軸上で制御を行うことで、高性能なトルク制御や速度制御を実現することができる。ここで、d,q軸については、回転子のN極に平行な方向をd軸と定義し、このd軸から90°進み方向をq軸と定義する。しかしながら、磁極位置検出器を用いないでPMSMを運転するセンサレス制御の場合、d,q軸の位置を直接検出することができないので、制御装置はd,q軸の推定軸であるγ,δ軸を内部に仮想し、電流,電圧の制御演算をγ,δ軸上で行っている。
また、PMSMのu相巻線を基準としたγ軸の角度(磁極位置推定値)θ1とu相巻線を基準としたd軸の角度(磁極位置)θrとの角度差(位置推定誤差)θerrを、数式1により定義する。
まず、PMSM80の速度制御、電流制御、及び電圧制御に関する部分について説明する。
図1において、減算器16は速度指令値ωr *と速度推定値ω1との偏差を求め、速度調節器17は、上記偏差がゼロになるようにトルク指令値τ*を演算する。電流指令演算器18は、トルク指令値τ*に基づいて所望のトルクを発生するd軸電流指令値id *及びq軸電流指令値iq *を演算し、これらの指令値はそれぞれγ軸電流指令値iγ *,δ軸電流指令値iδ *として制御に用いられる。
減算器19aによりγ軸電流指令値iγ *とγ軸電流検出値iγとの偏差を求め、この偏差がゼロになるようにγ軸電流調節器20aがγ軸電圧指令値vγ *を生成する。また、減算器19bによりδ軸電流指令値iδ *とδ軸電流検出値iδとの偏差を求め、この偏差がゼロになるようにδ軸電流調節器20bがδ軸電圧指令値vδ *を生成する。
電力変換器70は、PWM回路13から出力されたゲート信号に基づいて半導体スイッチング素子を制御し、PMSM80の端子電圧を相電圧指令値vu *,vv *,vw *に制御する。
以上の制御により、PMSM80の速度を速度指令値ωr *に制御することができる。
ここで、数式2は、図示されていない電圧検出回路を用いてPMSM80の相電圧または線間電圧を測定し、これらの測定値と、磁極位置推定値θ1から演算したγ軸電圧vγ,δ軸電圧vδとを使用して演算しても良い。また、γ軸電流iγ,δ軸電流iδの代わりにγ軸電流指令値iγ *,δ軸電流指令値iδ *を用いても良いし、速度推定値ω1の代わりに速度指令値ωr *を用いても良い。
なお、重み係数KEexEmfの演算は、d軸電流指令値id *の代わりにγ軸電流iγを用いて行っても良い。
なお、数式3の演算は、γ軸電流iγの代わりにd軸電流指令値id *を用いて行っても良い。
角度差演算器32は、第2の拡張誘起電圧演算値eexω1γ,eexω1δから、数式4により位置推定誤差演算値θerrestを求める。
これらの演算により、位置推定誤差θerrが零になるように速度推定値ω1及び磁極位置推定値θ1が演算され、これらの値を真値に収束させることができる。
なお、上記構成において、拡張誘起電圧演算器31、重み係数演算器41、拡張誘起電圧補償器42、及び角度差演算器32は、請求項における位置推定誤差演算手段を構成している。
このため、位置推定誤差演算値θerrestは、重み係数KEexEmfが零であるときに拡張誘起電圧演算値eexγest,eexδestの角度に等しくなり、重み係数KEexEmfが1であるときに誘起電圧演算値emfγest,emfδestの角度に等しくなる。この結果、重み係数KEexEmfの値により、速度・位置推定系の応答性が異なったものとなる。
なお、数式6の演算は、d,q軸電流指令値id *,iq *の代わりにγ,δ軸電流iδ,iγを用いて行っても良い。
PMSM80のγ,δ軸における電圧方程式は、位置推定誤差θerrが小さい場合、誘起電圧Emfを用いて数式7のように近似することができる。
数式7,数式8より、γ,δ軸誘起電圧演算値emfγest,emfδestと位置推定誤差θerrとの間には、数式10の関係がある。
11w:w相電流検出器
13:PWM回路
14,15:座標変換器
16,19a,19b:減算器
17:速度調節器
18:電流指令演算器
20a:γ軸電流調節器
20b:δ軸電流調節器
31:拡張誘起電圧演算器
32:角度差演算器
33:速度推定器
34:積分器
41:重み係数演算器
42:拡張誘起電圧補償器
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(PMSM)
Claims (3)
- 磁極位置検出器を用いずに演算により永久磁石形同期電動機の回転子の速度及び磁極位置を推定し、これらの推定値に基づいて前記電動機の電機子電流を制御することにより前記電動機のトルク及び速度を制御する制御装置において、
前記電動機の電流、端子電圧をベクトルとしてとらえ、
前記電動機の磁極位置推定誤差を演算する位置推定誤差演算手段と、前記磁極位置推定誤差から前記電動機の速度を推定する速度推定手段と、速度推定値を積分して前記磁極位置を推定する積分手段と、を有し、
前記位置推定誤差演算手段は、
前記電動機の電流、端子電圧相当値、及び速度推定値を用いて第1の拡張誘起電圧を演算する拡張誘起電圧演算手段と、前記回転子の磁極と平行方向の電流であるd軸電流、前記速度推定値、及び前記第1の拡張誘起電圧を用いて第2の拡張誘起電圧を演算する拡張誘起電圧補償手段と、前記第2の拡張誘起電圧を用いて前記磁極位置推定誤差を演算する角度差演算手段と、を備え、
前記拡張誘起電圧補償手段は、
前記d軸電流が第1の閾値以下のときに、前記第1の拡張誘起電圧演算値に等しくなるように前記第2の拡張誘起電圧値を演算し、前記d軸電流が前記第1の閾値より大きい第2の閾値以上のときに、前記電動機の誘起電圧に等しくなるように前記第2の拡張誘起電圧を演算することを特徴とする、永久磁石形同期電動機の制御装置。 - 請求項1に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記位置推定誤差演算手段は、
前記d軸電流が前記第1の閾値以下のときに零となり、前記d軸電流が第2の閾値以上のときに1となる重み係数を演算する手段を備えると共に、前記重み係数、前記速度推定値、前記d軸電流、及び前記第1の拡張誘起電圧演算値を用いて、前記第2の拡張誘起電圧演算値を演算することを特徴とする、永久磁石形同期電動機の制御装置。 - 請求項2に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記速度推定手段は比例調節器を備え、前記比例調節器における比例ゲインの上限値を前記重み係数の関数とし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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CN108880357A (zh) * | 2018-07-30 | 2018-11-23 | 福建工程学院 | 永磁同步电机的自适应非光滑电流跟踪控制方法 |
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