JP2021158868A - 永久磁石同期電動機における回転子磁石の温度推定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ベクトル制御に適応でき、電動機の誘起電圧検出を不要とした、永久磁石同期電動機における回転子磁石の温度推定装置を提供する。【解決手段】永久磁石同期電動機15の回転数を検出した回転数検出値ωreと回転数指令値ωre*との偏差をPI制御してq軸電流指令iq*を出力する速度制御部11と、前記q軸電流指令iq*および設定したd軸電流指令id*を入力とし、PI制御によってd軸、q軸電圧指令(vd*、vq*)を演算する電流制御部12とを有してベクトル制御系を構成し、インバータ14の出力電圧指令値v1と実際の出力電圧v1’の差分である、回転子磁石の温度変化による電圧変化量Δvと、磁石温度変化による誘起電圧ωλの変動から予め取得した温度変化係数aと、常温における磁石温度bを用いて、τ=aΔv+bを演算して磁石温度τを推定する。【選択図】 図1
Description
本発明は、インバータ駆動による永久磁石同期電動機(Permanent Magnet Synchronous Motor:PMSM)の回転子磁石温度推定に関する。
省エネ・省スペースの観点から、誘導電動機に代わり回転子に永久磁石を用いた永久磁石同期電動機が注目されている。永久磁石同期電動機は、インバータによって運転されることが多い。永久磁石同期電動機のインバータ制御手法は、ベクトル制御とv/f一定制御に大別される。
ベクトル制御によるインバータの制御装置は、例えば次のように構成される。すなわち、永久磁石同期電動機の回転数を検出した回転数検出値ωreと回転数指令値ωre *との偏差をPI制御してq軸電流指令iq *を出力する速度制御部と、前記q軸電流指令iq *および設定したd軸電流指令id *を入力とし、PI制御によってd軸、q軸電圧指令(vd *、vq *)を演算する電流制御部とによってベクトル制御系を構成し、前記電流制御部により演算されたd軸、q軸電圧指令(vd *、vq *)を三相電圧指令vu *,vv *,vw *に座標変換してインバータへ出力する。
インバータは三相電圧指令vu *,vv *,vw *に基いて、インバータ内のスイッチング素子をオン、オフ動作させることによって所望の電圧を永久磁石同期電動機へ出力する。
一般に、負荷時において固定子の巻線温度の上昇から回転子に熱が伝わることや、鎖交磁束により回転子永久磁石の温度が上昇する。また、高速回転時においては風損やベアリングの摩擦熱等によって無負荷においても永久磁石の温度上昇が懸念される。
永久磁石はある上限温度を超えると減磁するため、運転効率の低下の原因になる。しかしながら、永久磁石の温度を測定するために温度センサを用いると、省スペース化の妨げとなり、センサによっては設置環境が制限されることもある。
これまでにも、温度センサを用いずに永久磁石の温度を推定する手法が検討されている。その先行技術として、特許文献1、特許文献2がある。
特許文献1ではその推定方式がv/fについて記載したものであり、近年主流となりつつあるベクトル制御への対応については記載されていない。また、磁石温度推定を行うために、電動機の誘起電圧と回転速度(特許文献1の式(1)、(2)のEm,N)を検出する必要がある。
また、特許文献2では、回転子内部に感温磁性体を埋め込む必要があり構造が複雑となり、さらには、温度測定用に高調波電圧を重畳する必要があり、異音の発生や効率の低下が懸念される。
本発明は、上記課題を解決するものであり、その目的は、ベクトル制御に適応でき、電動機の誘起電圧検出が不要で、且つ特殊な電動機構造・信号重畳を必要としない永久磁石同期電動機における回転子磁石の温度推定装置を提供することにある。
上記課題を解決するための請求項1に記載の永久磁石同期電動機における回転子磁石の温度推定装置は、
永久磁石同期電動機に接続されたインバータを制御する制御装置であって、
前記永久磁石同期電動機の回転数を検出した回転数検出値ωreと回転数指令値ωre *との偏差に基いてq軸電流指令iq *を出力する速度制御部と、
前記速度制御部から出力されるq軸電流指令iq *および設定したd軸電流指令id *とq軸電流iqおよびd軸電流idを入力とし、d軸、q軸電圧指令(vd *、vq *)を演算する電流制御部とを有してベクトル制御系を構成し、
前記電流制御部により演算されたd軸、q軸電圧指令(vd *、vq *)によって前記インバータを運転する制御装置において、
前記d軸、q軸電圧指令(vd *、vq *)と回転数指令値ωre *と永久磁石同期電動機の固定子鎖交磁束λに基いて、回転子磁石の磁石温度τを推定する磁石温度推定部を備えたことを特徴とする。
永久磁石同期電動機に接続されたインバータを制御する制御装置であって、
前記永久磁石同期電動機の回転数を検出した回転数検出値ωreと回転数指令値ωre *との偏差に基いてq軸電流指令iq *を出力する速度制御部と、
前記速度制御部から出力されるq軸電流指令iq *および設定したd軸電流指令id *とq軸電流iqおよびd軸電流idを入力とし、d軸、q軸電圧指令(vd *、vq *)を演算する電流制御部とを有してベクトル制御系を構成し、
前記電流制御部により演算されたd軸、q軸電圧指令(vd *、vq *)によって前記インバータを運転する制御装置において、
前記d軸、q軸電圧指令(vd *、vq *)と回転数指令値ωre *と永久磁石同期電動機の固定子鎖交磁束λに基いて、回転子磁石の磁石温度τを推定する磁石温度推定部を備えたことを特徴とする。
請求項2に記載の永久磁石同期電動機における回転子磁石の温度推定装置は、請求項1において、
前記磁石温度推定部は、
ベクトル制御における回転子座標系上の電圧方程式を次の(1)式で定義し、
前記磁石温度推定部は、
ベクトル制御における回転子座標系上の電圧方程式を次の(1)式で定義し、
(ただし、vdはd軸電圧指令、vqはq軸電圧指令、idはd軸電流、iqはq軸電流、R1は巻線抵抗(定数)、Ldはd軸インダクタンス(定数)、Lqはq軸インダクタンス(定数)、ωは回転速度、λは固定子鎖交磁束(定数))
無負荷運転時のインバータの出力電圧指令値v1を次の(2)式で定義し、
無負荷運転時のインバータの出力電圧指令値v1を次の(2)式で定義し、
前記電流制御部により演算されたd軸電圧指令vd *、q軸電圧指令vq *とインバータの実際の出力電圧のd軸成分vd、q軸成分vqが等しいとみなし、インバータの実際の出力電圧v1’を次の(3)式で求め、
前記(2)式のv1と前記(3)式のv1’から次の(4)式を演算して、磁石温度変化による電圧変化量Δvを求め(ただし前記(2)式のωは前記回転数指令値ωre *を用いる)、
Δv=v1−v1’…(4)
磁石温度変化による誘起電圧ωλの変動から予め取得した温度変化係数a、常温における磁石温度b、前記(4)式で演算された電圧変化量Δvを用いて次の(5)式
τ=aΔv+b…(5)
を演算して磁石温度τを求めることを特徴とする。
Δv=v1−v1’…(4)
磁石温度変化による誘起電圧ωλの変動から予め取得した温度変化係数a、常温における磁石温度b、前記(4)式で演算された電圧変化量Δvを用いて次の(5)式
τ=aΔv+b…(5)
を演算して磁石温度τを求めることを特徴とする。
請求項3に記載の永久磁石同期電動機における回転子磁石の温度推定装置は、請求項1において、
前記磁石温度推定部は、
ベクトル制御における回転子座標系上の電圧方程式を次の(1)式で定義し、
前記磁石温度推定部は、
ベクトル制御における回転子座標系上の電圧方程式を次の(1)式で定義し、
(ただし、vdはd軸電圧指令、vqはq軸電圧指令、idはd軸電流、iqはq軸電流、R1は巻線抵抗(定数)、Ldはd軸インダクタンス(定数)、Lqはq軸インダクタンス(定数)、ωは回転速度、λは固定子鎖交磁束(定数))
前記(1)式から、任意の負荷条件による運転時のインバータの出力電圧指令値v1を次の(6)式、(7)式により導出し、
前記(1)式から、任意の負荷条件による運転時のインバータの出力電圧指令値v1を次の(6)式、(7)式により導出し、
前記電流制御部により演算されたd軸電圧指令vd *、q軸電圧指令vq *とインバータの実際の出力電圧のd軸成分vd、q軸成分vqが等しいとみなし、インバータの実際の出力電圧v1’を次の(8)式で求め、
前記(7)式のv1と前記(8)式のv1’から次の(9)式を演算して、磁石温度変化による電圧変化量Δvを求め、
Δv=v1−v1’…(9)
(ただしv1を導出する(6)式、(7)式におけるωは、前記回転数指令値ωre *を用い、(6)式のiqは、前記インバータの出力電流を検出した三相電流iu,iv,iwに対して下記(10)式による座標変換を施して求める)
Δv=v1−v1’…(9)
(ただしv1を導出する(6)式、(7)式におけるωは、前記回転数指令値ωre *を用い、(6)式のiqは、前記インバータの出力電流を検出した三相電流iu,iv,iwに対して下記(10)式による座標変換を施して求める)
(ただし(10)式のθは、回転子の磁極位置を検出して得た位相θreを用いる)
磁石温度変化による誘起電圧ωλの変動から予め取得した温度変化係数a、常温における磁石温度b、前記(9)式で演算された電圧変化量Δvを用いて、次の(5)式
τ=aΔv+b…(5)
を演算して磁石温度τを求めることを特徴とする。
磁石温度変化による誘起電圧ωλの変動から予め取得した温度変化係数a、常温における磁石温度b、前記(9)式で演算された電圧変化量Δvを用いて、次の(5)式
τ=aΔv+b…(5)
を演算して磁石温度τを求めることを特徴とする。
(1)請求項1〜3に記載の発明によれば、ベクトル制御において、回転子磁石の温度推定が可能となる。また、温度推定用の誘起電圧検出器は不要であるため、装置を小型化できる。また、回転子内部に感温磁性体を埋め込む必要がなく構造が簡易となる。さらに、温度測定用に高調波電圧を重畳する必要がないため、異音の発生や効率の低下の虞がない。
(2)請求項2に記載の発明によれば、無負荷運転時の回転子磁石の温度推定が可能となる。
(3)請求項3に記載の発明によれば、任意の負荷条件による運転時の回転子磁石の温度推定が可能となる。
(2)請求項2に記載の発明によれば、無負荷運転時の回転子磁石の温度推定が可能となる。
(3)請求項3に記載の発明によれば、任意の負荷条件による運転時の回転子磁石の温度推定が可能となる。
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。
本実施例1では、無負荷運転時のベクトル制御における回転子磁石の温度推定装置を提供するものであり、公証値または事前測定により得られる電動機モデルから電圧指令を生成するベクトル制御部(ベクトル制御系)と、電動機設計・事前測定による磁石温度の特性から温度変化を推定する磁石温度推定部とを備えて、例えば図1のように構成した。
図1において、11は、永久磁石同期電動機15の回転数を、永久磁石同期電動機15の回転子の回転角度を検出する回転角検出器16および位置速度検出部17によって検出した回転数検出値ωreと、設定した回転数指令値ωre *との偏差をPI制御してq軸電流指令iq *を出力する速度制御部である。
12は、前記速度制御部11から出力されるq軸電流指令iq *および設定したd軸電流指令id *(=0)と座標変換器13が出力するq軸電流iqおよびd軸電流idを入力とし、q軸電流指令iq *とq軸電流iqとの偏差とd軸電流指令id *とd軸電流idとの偏差をPI制御することによってd軸、q軸電圧指令(vd *、vq *)を演算する電流制御部である。
13は、位置速度検出部17により検出された回転子検出位相θreによって、電流制御部12で演算されたd軸電圧指令vd *、q軸電圧指令vq *を座標変換して三相電圧指令vu *,vv *,vw *をインバータ14に出力する第1の座標変換機能と、インバータ14の出力電流を変流器18で検出した三相電流iu,iv,iwを座標変換してd軸電流idとq軸電流iqを電流制御部12に出力する第2の座標変換機能を備える座標変換器である。なお第2の座標変換機能は、後述の(10)式のθに回転子検出位相θreを代入することで実施される。
インバータ14は三相電圧指令vu *,vv *,vw *に基いてインバータ内の図示省略のスイッチング素子をオン、オフ動作させて、所望の電圧を永久磁石同期電動機15に出力する。
16は、永久磁石同期電動機15の回転子の回転角度を検出する回転角検出器であり、17は、回転角検出器16で検出された回転角度に基いて、回転子検出位相θreと回転数検出値ωreを検出する位置速度検出部である。
18は、インバータ14の出力電流を検出する変流器であり、変流器18で検出された三相電流iu,iv,iwは座標変換器13に入力される。
前記速度制御部11、電流制御部12、座標変換器13、位置速度検出部17によってベクトル制御系を構成している。
21は、電流制御部12で演算されたd軸電圧指令vd *、q軸電圧指令vq *と、回転数指令値ωre *と、永久磁石同期電動機15の固定子鎖交磁束λとに基いて、回転子磁石の磁石温度τを推定する磁石温度推定部である。
次に上記のように構成された装置の動作を説明する。
一般に、ベクトル制御における回転子座標系上の電圧方程式は下記(1)式の通りに表される。
ここで、vd:dq座標軸上のd軸電圧指令、vq:dq座標軸上のq軸電圧指令、id:dq座標軸上のd軸電流、iq:dq座標軸上のq軸電流、R1:巻線抵抗(定数)、Ld:d軸インダクタンス、Lq:q軸インダクタンス(定数)、ω:回転速度、λ:固定子鎖交磁束(定数)
理想的な無負荷運転においては、出力電流は0であるためiq=0,id=0となる。
理想的な無負荷運転においては、出力電流は0であるためiq=0,id=0となる。
したがって、無負荷時における電圧方程式は下記(2)式となり、インバータの出力電圧指令値v1は誘起電圧ωλと一致する。
ここで、回転子磁石の温度上昇により、誘起電圧が低下した場合、上記の出力電圧指令値v1と誘起電圧ωλが一致しない。
ベクトル制御では、図1に示すようなフィードバック系が構成されており、電流制御部12にはid *=0の電流指令が与えられているため、電流制御部12におけるPI制御により(1)式のd軸電圧指令vd,q軸電圧指令vqが補正される。
ここで、補正された電圧指令vd *,vq *と実際の出力電圧のdq軸成分vd,vqは等しいとみなす。この場合次の(3)式により実際の出力電圧v1’が得られる。
無負荷における理想的な出力電圧指令はv1であるため、次の(4)式に示すように、v1と電流制御系により生成したv1 *との差分が磁石温度変化による電圧変化量Δvとなる。
Δv=v1−v1’…(4)
尚、(4)式のΔvは、(2)式のv1中のωへ図1に示す回転数指令ωre *を代入して算出する。
尚、(4)式のΔvは、(2)式のv1中のωへ図1に示す回転数指令ωre *を代入して算出する。
一般に、回転子磁石の温度変化(τ[℃])と誘起電圧の変化(Δv[v])の関係は図2に示すように線形であることが知られており、下記(5)式で表すことができる。
τ=aΔv+b…(5)
ここでτ:磁石温度、a:温度変化係数、b:常温[例として20℃]における磁石温度
なお、本明細書での常温とは、永久磁石同期電動機を設置する環境での通常時の周囲温度のことである。
ここでτ:磁石温度、a:温度変化係数、b:常温[例として20℃]における磁石温度
なお、本明細書での常温とは、永久磁石同期電動機を設置する環境での通常時の周囲温度のことである。
モータ設計や事前測定から得られる磁石温度変化による誘起電圧の変動から、(5)式のaおよびbを取得できる。
以上のように、磁石温度推定部21が、(2)式で定義される出力電圧指令値v1と(3)式を演算して求めた実際の出力電圧v1’から(4)式を演算して磁石温度変化による電圧変化量Δvを求め、前記電圧変化量Δvと、磁石温度変化による誘起電圧ωλの変動から予め取得した温度変化係数aと、常温における磁石温度bとを用いて(5)式を演算することにより、回転子磁石の磁石温度τを推定する。
実施例1によれば、ベクトル制御において、回転子磁石の温度推定が可能となる。また、温度推定用の誘起電圧検出器は不要であるため、装置を小型化できる。また、回転子内部に感温磁性体を埋め込む必要がなく構造が簡易となる。さらに、温度測定用に高調波電圧を重畳する必要がないため、異音の発生や効率の低下の虞がない。
本実施例2では、任意の負荷条件での運転時の、ベクトル制御における回転子磁石の温度推定装置を図3のように構成した。
図3において、図1と同一部分は同一符号をもって示している。図3において図1と異なる点は、磁石温度推定部21に代えて、電流制御部12で演算されたd軸電圧指令vd *、q軸電圧指令vq *と、回転数指令値ωre *と、永久磁石同期電動機15の巻線抵抗R1、d軸インダクタンスLd、q軸インダクタンスLq、固定子鎖交磁束λとに基いて、回転子磁石の磁石温度τを推定する磁石温度推定部22を設けたことと、変流器18の三相検出電流iu,iv,iwを座標変換するために磁石温度推定部22に入力したことにあり、その他の部分は図1と同一に構成した。尚、図3では、前記Ld,LqをL1と表記している。
次に上記のように構成された装置の動作を説明する。永久磁石同期電動機においては、d軸電流id=0で最大効率が得られることが知られており、任意の負荷条件における電流指令は理想的にはq軸電流iq=I1、d軸電流id=0で制御される。
したがって、前記(1)式より、ある負荷(任意の負荷)における回転座標系上の電圧方程式から次の(6)式、(7)式を導出する。
v1は、ある負荷における回転子磁石の温度上昇がない理想状態での出力電圧の指令値である。
ここで、回転子磁石の温度上昇により誘起電圧が低下すると(すなわち(6)式のvqが低下すると)、実施例1と同様にしてq軸電流iq=I1、d軸電流id=0となるようフィードバック系が動作し、(1)式の電圧指令vd,vqが補正される。
ここで、補正された電圧指令vd *,vq *と実際の出力電圧のdq成分vd,vqは等しいとみなす。この場合、次の(8)式により実際の出力電圧v1’が得られる。
回転子磁石の温度上昇がない理想状態での出力電圧指令はv1であるため、次の(9)式に示すように、v1と(8)式で得られたv1’との差分が磁石温度変化による電圧変化量Δvとなる。
Δv=v1−v1’…(9)
この電圧変化量Δvを用いて実施例1と同様に(5)式を演算することにより、回転子磁石の温度τを求めることができる。
この電圧変化量Δvを用いて実施例1と同様に(5)式を演算することにより、回転子磁石の温度τを求めることができる。
尚、前記(9)式のv1は、(7)式によって算出する。(7)式のvd,vqは(6)式によって算出する。(6)式のωには、実施例1と同様に回転数指令値ωre *を代入する。(6)式のiqは変流器18で検出した三相電流iu,iv,iwに対して次の(10)式による座標変換を施すことにより算出する。
(10)式は座標変換の式であり、位相θには図3の位置速度検出部17が出力する位相θreを代入する。
尚、図3では、(10)式の電流座標の変換は磁石温度推定部22内で行うように構成している。
本実施例2によれば実施例1と同様の効果が得られ、任意の負荷条件による運転時の回転子磁石の温度推定が可能となる。
11…速度制御部
12…電流制御部
13…座標変換器
14…インバータ
15…永久磁石同期電動機
16…回転角検出器
17…位置速度検出部
18…変流器
21、22…磁石温度推定部
12…電流制御部
13…座標変換器
14…インバータ
15…永久磁石同期電動機
16…回転角検出器
17…位置速度検出部
18…変流器
21、22…磁石温度推定部
Claims (3)
- 永久磁石同期電動機に接続されたインバータを制御する制御装置であって、
前記永久磁石同期電動機の回転数を検出した回転数検出値ωreと回転数指令値ωre *との偏差に基いてq軸電流指令iq *を出力する速度制御部と、
前記速度制御部から出力されるq軸電流指令iq *および設定したd軸電流指令id *とq軸電流iqおよびd軸電流idを入力とし、d軸、q軸電圧指令(vd *、vq *)を演算する電流制御部とを有してベクトル制御系を構成し、
前記電流制御部により演算されたd軸、q軸電圧指令(vd *、vq *)によって前記インバータを運転する制御装置において、
前記d軸、q軸電圧指令(vd *、vq *)と回転数指令値ωre *と永久磁石同期電動機の固定子鎖交磁束λに基いて、回転子磁石の磁石温度τを推定する磁石温度推定部を備えたことを特徴とする永久磁石同期電動機における回転子磁石の温度推定装置。 - 前記磁石温度推定部は、
ベクトル制御における回転子座標系上の電圧方程式を次の(1)式で定義し、
無負荷運転時のインバータの出力電圧指令値v1を次の(2)式で定義し、
Δv=v1−v1’…(4)
磁石温度変化による誘起電圧ωλの変動から予め取得した温度変化係数a、常温における磁石温度b、前記(4)式で演算された電圧変化量Δvを用いて次の(5)式
τ=aΔv+b…(5)
を演算して磁石温度τを求めることを特徴とする請求項1に記載の永久磁石同期電動機における回転子磁石の温度推定装置。 - 前記磁石温度推定部は、
ベクトル制御における回転子座標系上の電圧方程式を次の(1)式で定義し、
前記(1)式から、任意の負荷条件による運転時のインバータの出力電圧指令値v1を次の(6)式、(7)式により導出し、
Δv=v1−v1’…(9)
(ただしv1を導出する(6)式、(7)式におけるωは、前記回転数指令値ωre *を用い、(6)式のiqは、前記インバータの出力電流を検出した三相電流iu,iv,iwに対して下記(10)式による座標変換を施して求める)
磁石温度変化による誘起電圧ωλの変動から予め取得した温度変化係数a、常温における磁石温度b、前記(9)式で演算された電圧変化量Δvを用いて、次の(5)式
τ=aΔv+b…(5)
を演算して磁石温度τを求めることを特徴とする請求項1に記載の永久磁石同期電動機における回転子磁石の温度推定装置。
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