JP3797508B2

JP3797508B2 - 永久磁石型同期電動機のセンサレス速度制御方法及びその脱調検出方法

Info

Publication number: JP3797508B2
Application number: JP16774197A
Authority: JP
Inventors: 祐敦稲積; 礼明末吉; 龍一小黒
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 1997-06-24
Filing date: 1997-06-24
Publication date: 2006-07-19
Anticipated expiration: 2017-06-24
Also published as: JPH1118499A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石を回転子とする永久磁石形同期電動機のセンサレス速度制御方法及びその脱調検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
永久磁石を回転子とするブラシレスＤＣモータを同期電動機として運転する場合、回転子の絶対値を得て、正確な電流制御を行う必要がある。回転子の絶対値を得るためには、エンコーダやレゾルバなどの回転し位置検出器を用いることが一般的であるが、配線や構造の複雑さ、価格や使用環境などについて問題があるため、回転し位置検出器を用いないで回転子の磁極位置を求めるセンサレスベクトル制御方法が提案されている。
【０００３】
従来の同期電動機のセンサレスベクトル制御としては、特開平８−３０８２８６号公報に記載された方法があるが、これは、回転子の磁極上に設定したγ−δ軸座標系に変換されたステータ電流ｉγ、ｉδと、前回推定された電流推定値ｉγ_estとｉδ_estとの差とγ−δ軸座標系に変換された電圧指令Ｖγ、Ｖδを入力とし、γ−δ軸座標系における電流ｉγ_est、ｉδ_estと誘起電圧εγ_est、εδ_estおよび、回転子の速度ω_rmestを推定するものである。
【０００４】
また、前記の方法により、推定された、γ軸誘起電圧推定値εγ_estと回転子の角速度推定値ω_rmestより、回転子の永久磁石上に設定したｄ−ｑ座標と前記γ−δ座標とのずれ角θを推定し、回転子位置を修正する。
【０００５】
上記の方法で推定した角速度、磁軸位置情報を用いてべクトル制御を行う。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが従来の技術では、同期電動機が低速速度で回転するのに従って、同期電動機誘起電圧が低下するため、磁軸の推定精度が劣化することにより、低速域でベクトル制御を実施すると、磁軸を見失い、制御不能に陥る欠点があった。
【０００７】
さらに、上述した従来の方法では、γ−δ軸とｄ−ｑ軸のずれ角θ_eが大きくなって制御不能となった場合に、同期電動機が脱調し、同期電動機やこれに連結する機械系の破損をまねく恐れがある。
【０００８】
そこで本発明は、低速度域でも磁軸を指定でき、良好に速度制御可能な制御方法を提供することを第１の課題とする。
【０００９】
また、本発明は、γ−δ軸に発生する誘起電圧εγ、εδを精度よく推定し、この誘起電圧推定値εγ_estとεδ_estを比較し脱調状態を検出することを第２の課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記第１の課題を解決するため、本発明は、速度指令と電動機速度との偏差信号からδ軸電流指令を出力するδ軸速度コントローラ、δ軸電流指令及びγ軸電流指令からδ軸電圧指令及びγ軸電圧指令をそれぞれ演算するδ軸電流コントローラ及びγ軸電流コントローラ、前記δ軸電圧指令及びγ軸電圧指令に基づいて電圧指令絶対値及び電圧指令位相を出力するベクトル制御回路、前記電圧指令絶対値及び電圧指令位相に基づいて同期電動機に駆動電流を供給するインバータ回路を備え、前記電動機速度を前記同期電動機の２相の電流に基づいて演算する永久磁石形同期電動機のセンサレス速度制御方法において、前記同期電動機の固定子のＵ相をα軸、α軸から電気角９０゜正回転方向にβ軸とするα−β空間座標系を設定し、前記α−β空間座標系に、同期電動機の真の磁軸をｄ軸、ｄ軸から９０゜進んだ軸をｑ軸とし、同期電動機回転速度ω_rmで回転する座標ｄ−ｑ軸と、同期電動機の指定磁軸をγ軸、γ軸から９０゜進んだ軸をδ軸とし、同期電動機回転指令速度ω_rm ^*で回転するγ−δ軸とを設定し、γ軸方向の電流指令ｉγ^*を正とすることにより、ｄ軸をγ軸に拘束するためのトルクを発生させ、δ軸方向電流指令iδ^*を、速度指令と、同期電動機誘起電圧外乱としたδ軸電流方程式より作成した外乱オブザーバから導出した速度推定値ω_rm ^*との偏差をゲイン倍するフィードバック制御より導出するものである。
【００１１】
また、前記第２の課題を解決するため、第２の発明は、速度指令と電動機速度との偏差信号からδ軸電流指令を出力するδ軸速度コントローラ、δ軸電流指令及びγ軸電流指令からδ軸電圧指令及びγ軸電圧指令をそれぞれ演算するδ軸電流コントローラ及びγ軸電流コントローラ、前記δ軸電圧指令及びγ軸電圧指令に基づいて電圧指令絶対値及び電圧指令位相を出力するベクトル制御回路、前記電圧指令絶対値及び電圧指令位相に基づいて同期電動機に駆動電流を供給するインバータ回路、前記電動機速度を前記同期電動機の２相の電流に基づいて演算する速度演算手段を備え、回転子の真の磁軸をｄ軸とするｄ−ｑ座標軸に、回転子上に想定したγ−δ軸が一致するように制御する永久磁石形同期電動機の脱調検出方法において、時間ｋ・Ｔ_s時（但し、ｋ＝０，１，２，３，…，Ｔ_sはサンプリングタイム）に同期電動機に供給される少なくとも２相分のステータ電流を検出し、同ステータ電流をγ−δ座標系に変換することにより、γ軸電流ｉγ（ｋ）及びδ軸電流ｉδ（ｋ）を導出し、これらのγ軸電流ｉγ（ｋ）及びδ軸電流δ（ｋ）と前回の制御ループで推定されたγ軸電流ｉγ_est（ｋ）及びδ軸電流ｉδ_est（ｋ）との差ｉγ（ｋ）−ｉγ_est（ｋ）及びｉδ（ｋ）−ｉδ_est（ｋ）を補正量、γ−δ軸座標系に変換された電圧指令値Ｖγ^*（ｋ）とＶδ^*（ｋ）を入力とし、同期電動機の回転子が回転することにより発生するγ軸の誘起電圧εγ（ｋ）とδ軸の誘起電圧εδ（k）を、回転子が回転していない時の電流応答に対する外乱として状態推定器を構成し、時間（ｋ＋１）・Ｔ_s秒のγ−δ軸座標系における電流ｉγ_est（ｋ＋１）及びｉδ_est（ｋ＋１）並びに誘起電圧εγ_est（ｋ＋１）及びεδ_est（ｋ＋１）を推定し、この推定された誘起電圧εγ_est（ｋ＋１）及びεδ_est（ｋ＋１）から脱調を検出するものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
センサレス速度制御方法においては、任意の指定軸γ軸に正方向の直流電流ｉγが流れたとき、真の磁軸ｄ軸とγ軸より負荷角θ_eだけ遅れた位相との間に位相差が存在するとすると、磁軸にiγｓｉｎθ_eに比例したγ軸方向へ向かうトルクが発生する。このため真の磁軸は負荷トルクが０であれば、常に指定磁軸γ軸に向かうようなトルクを受けるが、通常制動巻線を持たない同期機は、ダンピングファクターがほぼ０のため、ｄ軸はγ軸周りで単振動を起こす。請求項１に係る発明では、速度推定値フィードバックより導出した電流指令値をδ軸電流とすることによってｄ軸の過渡振動を抑制している。一方、γ軸電流方程式より導出した外乱推定値εγ_estは、同期電動機の誘起電圧をεとするとεｓｉｎθ_eを推定する。このため、負荷角が小さいときは、εγ_estは負荷角に比例した値となる。本発明ではこの外乱推定値εγ_estを比例積分した補正電流指令ｉδθ^*をδ電流指令に加算するため、εγが０すなわちγ軸とｄ軸が一致するまで補正電流が流れることになる。このため、結果としてγ軸と磁軸ｄ軸が一致し、γ軸は指令速度で回転しているため、真磁軸ｄ軸も指令速度で回転することになる。
【００１３】
請求項２に係る発明においては、時間ｋ・Ｔ_s時（但し、ｋ＝０，１，２，３，…，Ｔ_sはサンプリングタイム）に永久磁石形同期電動機に供給される少なくとも２相分のステータ電流を検出し、回転子上に設定したγ−δ座標系に変換することにより、γ軸電流ｉγ（ｋ）及びδ軸電流ｉδ（ｋ）を導出し、前回導出したγ軸電流推定値ｉγ_est（ｋ）及びδ軸電流推定値ｉδ_est（ｋ）と、電圧Ｖγ（ｋ）、Ｖδ（ｋ）を用い、永久磁石形同期電動機のγ−δ軸座標系における状態方程式
【数１】

但し、εγ＝−ｓｉｎθ_e（ω_rm／Ｌｑ）ψ_mag
εδ＝ｃｏｓθ_e（ω_m／Ｌｑ）ψ_mag
Ｒ_s：ステータ側抵抗、Ｌ_q：ｑ軸インダクタンス、
Ｌ_d：ｄ軸インダクタンス、θ_e：γ−δ軸とｄ−ｑ軸とのずれ角、
ω_rm：回転子角速度、ψ_mag：永久磁石が発生する磁束
より、εγとεδの時間変化が十分小さいとして構成した。
【００１４】
状態推定器である
【数２】

但し、「＾」は推定値を表し、添字の「est」と同じ意味である。
【００１５】
を離散値系に展開した
【数３】

によって、時間（ｋ＋１）Ｔ_s秒時の電流推定値ｉγ_est（ｋ＋１）、ｉδ_est（ｋ＋１）、誘起電圧推定値εγ_est（ｋ＋１）、εδ_est（ｋ＋１）を求め、γ−δ軸とｄ−ｑ軸のずれ角θ_eの許容範囲を決める係数Ｋθを用いて、
【数４】

を満たした時を脱調状態とする。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
【００１７】
図１は、本発明の磁極位置、速度推定方法の一実施例が適用された同期電動機の制御システムを示すブロック図、図２はその実施例における処理を示すフローチャートである。
【００１８】
図１の制御システムブロック図について説明する。図中、１は速度コントローラ、２はδ軸電流コントローラ、３はγ軸電流コントローラ、４はべクトル制御回路、５はインバータ回路、６は同期電動機、７は相変換器、８はγ−δ軸電流・誘起電圧推定器、９は角速度導出器、１０はずれ角導出器、１１はγ−δ軸位置補正器、１２はγ軸・δ軸電流補正器、１３はδ軸電流指令補正器である。
【００１９】
角速度指令ω_rm ^*と角速度推定値ω_rmestが速度コントローラ１に入力され、速度コントローラは、δ軸電流指令ｉδ^*を出力する。また、εγ_estがδ軸電流指令補正器１３に入力され、δ軸補正電流指令ｉδθ^*を出力する。δ軸電流コントローラ２はｉδ^*とｉδθ^*とδ軸電流推定値ｉδ_est2とを入力し、δ軸電圧指令Ｖδ^*を出力する。一方、γ軸電流指令ｉγ^*とγ軸電流推定値ｉγ_est2が、制御回路４に入力され、電圧値絶対値（Ｖδ²＋Ｖγ²）^1/2とγ軸からの電圧出力方向の位相ｔａｎ^-1（Ｖδ／Ｖγ）がインバータ回路５に入力され点弧が実施される。
【００２０】
一方、γ−δ軸電流・誘起電圧推定器８は、同期電動機６のステータ電流ｉ_uとｉ_vを相変換器７を介して得られるγ軸電流ｉγ、δ軸電流ｉδと、γ−δ軸の位置と、電圧指令Ｖδ^*、Ｖγ^*を入力し、（１）式の演算を実施し、γ−δ軸電流推定値ｉγ_est、ｉδ_estと、γ−δ軸誘起電圧εδ_estを出力する。εδ_estが角速度導出器９に入力され、（２）、（３）式を実行することにより、角速度推定値ω_rmestが導出される。また、速度指令値ω_rm ^*がγ−δ軸位置補正器１１に入力され、（４）式で、γ−δ軸の位置補正が実行される。
【００２１】
【数５】

【数６】

【数７】

【数８】

次に、制動動作を、図２のフローチャートにより説明する。ｋ・Ｔ_s秒の時点で同期機に供給される少なくとも２相分の電流、例えばｉ_u（ｋ）、ｉ_v（ｋ）を検出し（ステップＳ１）、前回ループで補正されたγ−δ軸座標系に変換し、ｉγ（ｋ）、ｉδ（ｋ）を導出する（ステップＳ２）。γ−δ座標系に変換された電圧指令Ｖγ^*（ｋ）、Ｖδ^*（ｋ）を入力し（ステップＳ３）、式（５）により、（ｋ＋１）・Ｔ_s秒時の推定値ｉγ_est（ｋ＋１）、ｉδ_est（ｋ＋１）、εγ_est（ｋ＋１）、εδ_est（ｋ＋１）を導出する（ステップＳ４）。推定されたεδ_est（ｋ＋１）の符号より、角速度の符号判断を行い（ステップＳ５）、この符号と、εγ_est（ｋ＋１）とεδ_est（ｋ＋１）の２乗和よりω_rmest（ｋ＋１）を導出する（ステップＳ６）。（８）式によってγ軸の位置を補正する。（ステップＳ７）。
【００２２】
図３は、本発明の脱調検出方法の一実施例が適用された同期電動機の制御システムを示すブロック図、図４は脱調検出のデジタル制御動作を示すフローチャートである。
【００２３】
図３の制御システムブロック図について説明する。図中１４は脱調検出器、１５は保護動作検出回路である。図１に示す実施例と同じ構成については同じ符号を用いて説明を省略する。
【００２４】
角速度指令ω_rm ^*と角速度推定値ω_rmestが、速度コントローラ１に入力され、速度コントローラ１は、δ軸電流指令ｉδ^*を出力する。δ軸電流コントローラ２はｉδ^*とδ軸電流推定値ｉδ_est２とを入力し、δ軸電圧指令Ｖδ^*を出力する。一方、γ軸電流指令ｉγ^*とγ軸電流推定値ｉγ_est２が、γ軸電流コントローラ３に入力され、γ軸電流コントローラ３はγ軸電圧指令Ｖγ^*を出力する。電圧指令Ｖδ^*とＶγ^*とγ−δ軸位置補正器１１から出力されるγ−δ軸位置がベクトル制御回路４に入力され、電圧値絶対値（Ｖδ²＋Ｖγ²）^1/2とγ軸からの電圧出力方向の位相ｔａｎ^-1（Ｖδ／Ｖγ）がインバータ回路５に入力され点弧が実施される。
【００２５】
一方、γ−δ軸電流・誘起電圧推定器８は、同期電動機６のステータ電流ｉ_uとｉ_vを相変換器７を介して得られるγ軸電流ｉγ、δ軸電流ｉδと、γ−δ軸の位置と、電圧指令Ｖδ^*、Ｖγ^*を入力し、（３）式の演算を実施し、γ−δ軸電流推定値ｉγ_est、ｉδ_estと、γ−δ軸誘起電圧εγ_estとεδ_estを出力する。このεγ_estとεδ_estが脱調検出器１４に入力され、（４）式を実行することにより、脱調を検出する。脱調を検出したとき、保護動作検出回路１５に異常検出を報告する。
【００２６】
次に、制御動作を図４のフローチャートにより説明する。ｋ・Ｔ_s秒の時点で同期機に供給される少なくとも２相分の電流、例えばｉ_u（ｋ）、ｉ_v（ｋ）を検出し（ステップＳ１１）、前回ループで補正されたγ−δ軸座標系に変換し、ｉγ（ｋ）、ｉδ（ｋ）を導出する（ステップＳ１２）。γ−δ座標系に変換された電圧指令Ｖγ^*（ｋ）、Ｖδ^*（ｋ）を入力し（ステップＳ１３）、式（７）により、（ｋ＋１）・Ｔ_s秒時の推定値ｉγ_est（ｋ＋１）、ｉδ_est（ｋ＋１）、εγ_est（ｋ＋１）、εδ_est（ｋ＋１）を導出する（ステップＳ１４）。推定されたεγ_est（ｋ＋１）とεδ_est（ｋ＋１）が式（８）を満たすかどうかを判定し（ステップＳ１５）、満たされれば脱調検出を保護動作検出回路に報告する（ステップＳ１６）。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明のセンサレス速度制御方法によれば、γ軸と磁軸ｄ軸が一致し、γ軸は指令速度で回転しているため、真磁軸ｄ軸も指令速度で回転することになるため、低速度域でも良好な速度制御が可能である。
【００２８】
また、本発明の脱調検出方法によれば、回転子上に、推定速度ω_rmestで回転するように設定したγ−δ軸に発生するθｅを関数とするγ軸誘起電圧、δ軸誘起電圧を推定する状態推定器を構成しているため、逐次２つの推定値を比較することにより同期電動機の脱調を検出し、同期電動機やこれに連結する機械系の破損を未然に防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の同期電動機の制御システムを表すブロック図である。
【図２】離散値系に置ける本発明のフローチャートてある。
【図３】本発明の一実施例の同期電動機の制御システムを表すブロック線図である。
【図４】離散値系における本発明のフローチャートである。
【符号の説明】
１速度コントローラ、２ δ軸電流コントローラ、３ γ軸電流コントローラ、４べクトル制御回路、５インバータ回路、６同期電動機、７相変換器、８ γ−δ軸電流・誘起電圧推定器、９角速度導出器、１０ずれ角導出器、１１ γ−δ軸位置補正器、１２ γ軸・δ軸電流補正器、１３ δ軸電流指令補正器、１４脱調検出器、１５保護動作検出回路

Claims

速度指令と電動機速度との偏差信号からδ軸電流指令を出力するδ軸速度コントローラ、δ軸電流指令及びγ軸電流指令からδ軸電圧指令及びγ軸電圧指令をそれぞれ演算するδ軸電流コントローラ及びγ軸電流コントローラ、前記δ軸電圧指令及びγ軸電圧指令に基づいて電圧指令絶対値及び電圧指令位相を出力するベクトル制御回路、前記電圧指令絶対値及び電圧指令位相に基づいて同期電動機に駆動電流を供給するインバータ回路を備え、前記電動機速度を前記同期電動機の２相の電流に基づいて演算する永久磁石形同期電動機のセンサレス速度制御方法において、
前記同期電動機の固定子のＵ相をα軸、α軸から電気角９０゜正回転方向にβ軸とするα−β空間座標系を設定し、
前記α−β空間座標系に、同期電動機の真の磁軸をｄ軸、ｄ軸から９０゜進んだ軸をｑ軸とし、同期電動機回転速度ω_rmで回転する座標ｄ−ｑ軸と、同期電動機の指定磁軸をγ軸、γ軸から９０゜進んだ軸をδ軸とし、同期電動機回転指令速度ω_rm ^*で回転するγ−δ軸とを設定し、
γ軸方向の電流指令ｉγ^*を正とすることにより、ｄ軸をγ軸に拘束するためのトルクを発生させ、
δ軸方向電流指令iδ^*を、速度指令と、同期電動機誘起電圧外乱としたδ軸電流方程式より作成した外乱オブザーバから導出した速度推定値ω_rm ^*との偏差をゲイン倍するフィードバック制御より導出する永久磁石型同期電動機のセンサレス速度制御方法。
速度指令と電動機速度との偏差信号からδ軸電流指令を出力するδ軸速度コントローラ、δ軸電流指令及びγ軸電流指令からδ軸電圧指令及びγ軸電圧指令をそれぞれ演算するδ軸電流コントローラ及びγ軸電流コントローラ、前記δ軸電圧指令及びγ軸電圧指令に基づいて電圧指令絶対値及び電圧指令位相を出力するベクトル制御回路、前記電圧指令絶対値及び電圧指令位相に基づいて同期電動機に駆動電流を供給するインバータ回路、前記電動機速度を前記同期電動機の２相の電流に基づいて演算する速度演算手段を備え、回転子の真の磁軸をｄ軸とするｄ−ｑ座標軸に、回転子上に想定したγ−δ軸が一致するように制御する永久磁石形同期電動機の脱調検出方法において、
時間ｋ・Ｔｓ時（但し、ｋ＝０，１，２，３，…，Ｔ_sはサンプリングタイム）に同期電動機に供給される少なくとも２相分のステータ電流を検出し、同ステータ電流をγ−δ座標系に変換することにより、γ軸電流ｉγ（ｋ）及びδ軸電流ｉδ（ｋ）を導出し、これらのγ軸電流ｉγ（ｋ）及びδ軸電流δ（ｋ）と前回の制御ループで推定されたγ軸電流ｉγ_est（ｋ）及びδ軸電流ｉδ_est（ｋ）との差ｉγ（ｋ）−ｉγ_est（ｋ）及びｉδ（ｋ）−ｉδ_est（ｋ）を補正量、γ−δ軸座標系に変換された電圧指令値Ｖγ^*（ｋ）とＶδ^*（ｋ）を入力とし、同期電動機の回転子が回転することにより発生するγ軸の誘起電圧εγ（ｋ）とδ軸の誘起電圧εδ（k）を、回転子が回転していない時の電流応答に対する外乱として状態推定器を構成し、時間（ｋ＋１）・Ｔ_s秒のγ−δ軸座標系における電流ｉγ_est（ｋ＋１）及びｉδ_est（ｋ＋１）並びに誘起電圧εγ_est（ｋ＋１）及びεδ_est（ｋ＋１）を推定し、この推定された誘起電圧εγ_est（ｋ＋１）及びεδ_est（ｋ＋１）から脱調を検出することを特徴とする永久磁石形同期電動機の脱調検出方法。