JP3674638B2 - 誘導電動機の速度推定方法および誘導電動機駆動装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は誘導電動機の速度センサレス速度推定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、磁束推定オブザーバを用いた速度推定方法は、（１）式で全次元オブザーバを構成し、（２）式で示す様に速度推定値
【０００３】
【外５２】

を、磁束推定値ベクトル
【０００４】
【外５３】

と電流推定値誤差ベクトル
【０００５】
【外５４】

の外積値を用いて速度の推定を行なっていた（電学論Ｂ，ｖｏｌ．１０５，Ｐ７６３（１９８５），電学論Ｄ，ｖｏｌ．１１１，Ｎｏ．１１，Ｐ９５４〜９６０（１９９１））．
【０００６】
【数１】

【０００７】
【数２】

図６のフローチャートにより詳しく説明する。
【０００８】
Ｋ・Ｔ_S （Ｔ_S ：サンプリングタイム）秒の時点でインバータから誘導機に出力される少なくとも２相分の電圧および電流（例えば、電圧としてｕ相電圧ｖ_u ，ｖ相電圧ｖ_v 、電流としてｕ相電流ｉ_u ，ｖ相電流ｉ_v ）を検出し（ステップ２０）、これを３相／２相変換し、Ｋ・Ｔ_S 秒時のα相電圧
【０００９】
【外５５】

、β相電圧
【００１０】
【外５６】

、α相電流
【００１１】
【外５７】

、β相電流
【００１２】
【外５８】

を算出し（ステップ２１）、前回のループで算出されているＫ・Ｔ_S 秒時のα相電流推定値
【００１３】
【外５９】

β相電流推定値
【００１４】
【外６０】

，α相ロータ磁束
【００１５】
【外６１】

，β相ロータ磁束
【００１６】
【外６２】

を用いて、（３）式にしたがって、Ｋ・Ｔ_S 秒の速度推定値
【００１７】
【外６３】

を算出する（ステップ２２）、
【００１８】
【数３】

この
【００１９】
【外６４】

と、
【００２０】
【外６５】

を用いて、（１）式の全次元オブザーバの後退差分より得られる（４）式の逐次式に従い、（Ｋ＋１）Ｔ_S 秒の推定値
【００２１】
【外６６】

を算出する（ステップ２３）。
【００２２】
【数４】

【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来技術では、実際には、
【００２４】
【外６７】

の演算に必要である磁束推定値と磁束真値の外積からなる（５）式の成分が０に近いとして無視していた。
【００２５】
【数５】

図７に示す様に（５）式は磁束軸にずれがある時値をもつ項であり、（６）式の様に書き直せる。
【００２６】
【数６】

発生トルクは、ｃｏｓδに比例する（定常時）といった関係がある。したがって、負荷と発生トルクは、速度一定で動作している時、等しいので、負荷は、ｃｏｓδに比例する。一方、誤差は、（６）式よりｓｉｎ（δ′−δ）に比例するので、発生しているトルクに対する誤差の割り合いは（δ′−δ）が同じであればδが小さいほど大きくなる。すなわち、図７（ａ）に示すように、（６）式は負荷が十分大きい時は、トルクとトルク推定値に与える影響が小さいが、図７に示すように、負荷が小さく、電流軸と磁束軸との角度δが小さいとき大きな影響となり、結果として推定速度
【００２７】
【外６８】

に誤差が発生する。 （５）式には、測定できない
【００２８】
【外６９】

を含み、使用することができないといった問題がある。
【００２９】
本発明の目的は、無負荷時、低速時でも精度良く速度推定値を算出する、誘導電動機の速度推定方法および誘導電動機駆動装置を提供することにある。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
本発明の誘導電動機の速度推定方法は、
誘導電動機の一次電流を固定座標系で変換した電流値
【００３１】
【外７０】

を観測量、一次電圧を前記固定座標系で変換した電圧値
【００３２】
【外７１】

を入力し、電流推定値
【００３３】
【外７２】

と固定子座標系で変換した２次鎖交磁束推定値
【００３４】
【外７３】

を推定し、
前記２次鎖交磁束推定値
【００３５】
【外７４】

のそれぞれの自乗の和を１／２乗し、これに１／Ｌｍ（Ｌｍ：相互インダクタンス）を乗じることにより導出される界磁電流絶対値
【００３６】
【外７５】

を用い、速度推定値
【００３７】
【外７６】

を補正する。
【００３８】
【作用】
α相電流が
【００３９】
【外７７】

，β相電流が
【００４０】
【外７８】

で，α相ロータ磁束
【００４１】
【外７９】

，β相ロータ磁束
【００４２】
【外８０】

が発生している時、α−β座標で図５（ａ）のようなベクトル図がかける。
【００４３】
磁束ベクトルΦ方向にｄ軸、ｄ軸から空間的に９０°位相が進んだ軸をｑ軸とすると、ｄ−ｑ座標上に電流ベクトルＩ_s を投影し、図５（ｂ）の様にｄ軸電流ｉ_sd、ｑ軸電流ｉ_sqを定義することができる。
【００４４】
ｉ_mr＝（１／Ｌｍ）Φ_r （Ｌｍ：相互インダクタンス）と定義すると、ベクトル制御の原理から自明な様に、定常時においては、ｉ_mrとｉ_sdは一致する。また、過渡時においては、ｉ_mrは次の（７）式によって表わされることが知られている。
【００４５】
【数７】

したがって、ｉ_mrは時定数τ_r でｉ_sdに近付くことになる。
【００４６】
ここで、
【００４７】
【数８】

と定義すると、上記のことよりオブザーバ推定値
【００４８】
【外８１】

が真値に一致するならば、当然、
【００４９】
【外８２】

もｉ_mrに一致することになる。また、
【００５０】
【外８３】

より導出される
【００５１】
【外８４】

も真値ｉ_sdに一致することになる。
【００５２】
ｉ_mrとｉ_sdの関係式より、ｉ_mrはｉ_sd時定数τ_r のローパスフィルタを通して得られるものになるため、
【００５３】
【外８５】

を
【００５４】
【外８６】

のローパスフィルタを通して得られる値を
【００５５】
【外８７】

と定義すると、
【００５６】
【外８８】

もｉ_mrと一致することになる。
【００５７】
しかし、磁束軸に誤差が（６）式のδ′が主な要因となっている時は、
【００５８】
【数９】

ではあるが、
【００５９】
【数１０】

となる。
【００６０】
【外８９】

は、
【００６１】
【外９０】

と
【００６２】
【数１１】

を用いて算出するため、
【００６３】
【数１２】

すなわち
【００６４】
【数１３】

となる。
【００６５】
一方、
【００６６】
【外９１】

は、
【００６７】
【数１４】

で求めるため、
【００６８】
【数１５】

である。
【００６９】
結局、磁束軸に誤差がある時、
【００７０】
【数１６】

となり、それが速度推定値に影響を与え、
【００７１】
【数１７】

となる。このため、
【００７２】
【外９２】

と
【００７３】
【外９３】

の偏差とその積分値を速度推定値にフィードバックし、
【００７４】
【数１８】

となれば、磁束軸が一致し、結果として、
【００７５】
【外９４】

とω_r と一致させることができる。
【００７６】
【実施例】
次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００７７】
図１は本発明の一実施例を示す誘導電動機制御装置の構成図、図２は磁束速度全次元オブザーバ９の処理を示すフローチャートである。
【００７８】
本実施例の誘導電動機制御装置は速度フィードバックコントローラ１とフィードフォワードコントローラ２とトルク電流フィードバックコントローラ３と励磁電流フィードバックコントローラ４とベクトル制御部５とインバータ６と３相／２相変換回路７と磁束・速度全次元オブザーバ８で構成されている。
【００７９】
速度指令
【００８０】
【外９５】

と速度推定値
【００８１】
【外９６】

との偏差が速度フィードバックコントローラ１に入力され、トルク電流指令
【００８２】
【外９７】

が与えられる。一方、界磁電流指令はモータ運転条件に従い決定されており、
【００８３】
【外９８】

として与えられる。それぞれ
【００８４】
【外９９】

と
【００８５】
【外１００】

との偏差がとられ、トルク電流フィードバックコントローラ３、界磁電流フィードバック４に入力され、その出力がフィードフォワードコントローラ３から出力される値と加算され、ｑ相電圧指令
【００８６】
【外１０１】

、ｄ相電圧指令
【００８７】
【外１０２】

が磁束位置と共にベクトル制御部５に入力される。ベクトル制御部５からインバータ６を介して誘導電動機９に一次電圧ｖ_u ，ｖ_v ，ｖ_w が印加され、各相に電流ｉ_u ，ｉ_v ，ｉ_w が流れる。
【００８８】
３相／２相変換器７は誘導電動機の１次電流、１次電圧をそれぞれ３相／２相変換する。
【００８９】
磁束・速度全次元オブザーバ８は図２に示す処理を行なう。誘導電動機印加の２相電圧、２相電流を入力し（ステップ１０）、これらを固定子座標（α−β座標）で変換してＫ・Ｔ_S （Ｋ＝０，１，２，３，…，Ｔ_S はサンプリングタイム）秒時の電流値
【００９０】
【外１０３】

、電圧値
【００９１】
【外１０４】

を出力する（ステップ１１）。次に、前回導出した推定値
【００９２】
【外１０５】

を用い、（９），（１０）式により
【００９３】
【外１０６】

を算出する（ステップ１２）。
【００９４】
【数１９】

【００９５】
【数２０】

次に、（１１）式に従い、
【００９６】
【外１０７】

を算出する（ステップ１３）。
【００９７】
【数２１】

次に、（Ｋ＋１）Ｔ_S 秒時の
【００９８】
【外１０８】

を（４）式で算出する（ステップ１４）。ここで、
【００９９】
【外１０９】

は（１２）式で算出する。
【０１００】
【数２２】

最後に、
【０１０１】
【外１１０】

、磁束位置を出力する（ステップ１５）。
【０１０２】
図３（ａ），（ｂ），（ｃ）は本実施例による推定速度のシミュレーションの結果を示す図である。ω_r が真値、
【０１０３】
【外１１１】

が推定値である。ω_r が２００（ｒｐｍ），１００（ｒｐｍ），１０（ｒｐｍ）の場合についてそれぞれ示されており、図４の従来結果と比べて本実施例の方が誤差が少ないことがわかる。
【０１０４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、２次鎖交磁束推定値から求めた２次鎖交磁束の絶対値を速度推定値を補正することにより、速度推定値の誤差を減少させることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例の誘導電動機制御装置の構成図である。
【図２】 図１中の磁束・速度全次元オブザーバ８の処理のフローチャートである。
【図３】 図１の実施例を用いたとき速度推定値のシミュレーション波形を示す図である。
【図４】 従来技術による速度推定値のシミュレーションは波形を示す図である。
【図５】 本発明の原理を説明するための図である。
【図６】 従来の誘導電動機の速度推定方法を示すフローチャートである。
【図７】 電流、磁束ベクトルと推定トルクの誤差の関係を示す図である。
【符号の説明】
１ 誘導電動機
２ 速度フィードバックコントローラ
３ フィードフォワードコントローラ
４ トルク電流フィードバックコントローラ
５ 界磁電流フィードバックコントローラ
６ ベクトル制御部
７ インバータ
８ ３相／２相変換器
９ 磁束・速度全次元オブザーバ
１０〜１５ ステップ

Claims (5)

1. 誘導電動機の一次電流を固定座標系で変換した電流値
   【外１】
   

   

   を観測量として、また一次電圧を前記固定座標系で変換した電圧値
   【外２】
   

   

   を用い、電流推定値
   【外３】
   

   

   と固定子座標系で変換した２次鎖交磁束推定値
   【外４】
   

   

   を推定し、
   前記２次鎖交磁束推定値
   【外５】
   

   

   のそれぞれの自乗の和を１／２乗し、これに１／Ｌｍ（Ｌｍ：相互インダクタンス）を乗じることにより導出される界磁電流絶対値
   【外６】
   

   

   を用い、速度推定値
   【外７】
   

   

   を補正する、誘導電動機の速度推定方法。
2. 電流推定値
   【外８】
   

   

   と２次鎖交磁束推定値
   【外９】
   

   

   より導出されるｄ軸電流推定値
   【外１０】
   

   

   を時定数
   【外１１】
   

   

   のローパスフィルタを通して得られる界磁電流推定値
   【外１２】
   

   

   と界磁電流絶対値
   【外１３】
   

   

   の偏差で速度推定値
   【外１４】
   

   

   を補正する、請求項１記載の速度推定方法。
3. 誘導電機駆動装置において、
   誘導電動機の一次電流を固定座標系で変換した電流値
   【外１５】
   

   

   を観測量として、また一次電圧を前記固定座標系で変換した電圧値
   【外１６】
   

   

   を用い、電流推定値
   【外１７】
   

   

   と固定子座標系で変換した２次鎖交磁束推定値
   【外１８】
   

   

   を推定し、
   前記２次鎖交磁束推定値
   【外１９】
   

   

   のそれぞれの自乗の和を１／２乗し、これに１／Ｌｍ（Ｌｍ：相互インダクタンス）を乗じることにより導出される界磁電流絶対値
   【外２０】
   

   

   を用い、速度推定値
   【外２１】
   

   

   を補正する磁束速度全次元オブザーバを有することを特徴とする誘導電動機駆動装置。
4. 前記磁束速度全次元オブザーバは、電流推定値
   【外２２】
   

   

   と２次鎖交磁束推定値
   【外２３】
   

   

   より導出されるｄ軸電流推定値
   【外２４】
   

   

   を時定数
   【外２５】
   

   

   のローパスフィルタを通して得られる界磁電流推定値
   【外２６】
   

   

   と界磁電流絶対値
   【外２７】
   

   

   の偏差で速度推定値
   【外２８】
   

   

   を補正する、請求項３記載の誘導電動機駆動装置。
5. 速度指令値
   【外２９】
   

   

   と速度推定値
   【外３０】
   

   

   との偏差を入力し、トルク電流指令を出力する速度フィードバックコントローラと、
   速度指令値
   【外３１】
   

   

   と界磁電流指令
   【外３２】
   

   

   と前記速度フィードバックコントローラの出力を入力するフィードフォワードコントローラと、
   前記速度フィードバックコントローラの出力とｑ軸電流推定値
   【外３３】
   

   

   の偏差を入力するトルク電流フィードバックコントローラと、
   界磁電流指令
   【外３４】
   

   

   とｄ軸電流推定値
   【外３５】
   

   

   の偏差を入力する界磁電流フィードバックコントローラと、
   前記フィードフォワードコントローラの出力と前記トルク電流フィードバックコントローラの出力の加算値であるｑ相電圧指令
   【外３６】
   

   

   と、前記フィードフォワードコントローラの出力と前記励磁電流フィードバックコントローラの出力の加算値であるｄ相電圧指令
   【外３７】
   

   

   と磁束位置を入力し、インバータを介して誘導電動機に三相の一次電圧ｖ_u ，ｖ_v ，ｖ_w を印加するベクトル制御部と、
   前記一次電圧ｖ_u ，ｖ_v ，ｖ_w と前誘導電動機に流れる三相の一次電流ｉ_u ，ｉ_v ，ｉ_w を入力し、α軸一次電圧
   【外３８】
   

   

   とβ軸一次電圧
   【外３９】
   

   

   とα軸一次電流
   【外４０】
   

   

   とβ軸一次電流
   【外４１】
   

   

   を出力する３相／２相変換器と、
   前記３相／２相変換器から出力された
   【外４２】
   

   

   と前回導出した一次電流のα軸、β軸成分推定値
   【外４３】
   

   

   と二次磁束のα軸、β軸成分推定値
   【外４４】
   

   

   を用いて
   【外４５】
   

   

   を
   【外４６】
   

   

   の時定数のローパスフィルタを通して得られる
   【外４７】
   

   

   と界磁電流絶対値
   【外４８】
   

   

   を算出し、次に
   速度推定値
   【外４９】
   

   

   を計算し、これを請求項１記載の方法により補正し、
   （Ｋ＋１）Ｔ_s （Ｋ＝０，１，２，・・・，Ｔ_s はサンプリングタイム）秒時の
   【外５０】
   

   

   を算出し、
   【外５１】
   

   

   と磁束位置を出力する磁束速度全次元オブザーバを有する誘導電動機駆動装置。

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