JP4153619B2 - 電動機の制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、電動機の駆動に必要な回転子位置を求める電動機の制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、電動機たとえば永久磁石形同期電動機を回転子位置センサなしで駆動する場合、速度起電力方式では、固定子の電機子巻線の各相に対する120゜通電の無通電期間中に電機子巻線に誘起する電圧の零クロス点を回転子位置(回転子磁極位置)として検出し、その検出に同期をとることで120゜通電のための駆動信号を生成している。
【0003】
また、正弦波・駆動方式では、基本的にV/F(電圧/周波数)一定制御において、トルク分電流に相当するq軸電流値をモータ電流から検出・演算し、これを一定にコントロールするように速度フィードバックを行っている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記の各駆動方式は、瞬時トルクを制御するものではなく、トルク応答性が悪かったり、低速領域での駆動が不安定になったり、1次巻線抵抗による低速域のトルク減少の補償制御が温度変化の影響を受けてしまう等の不具合があった。
【0005】
この発明は上記の事情を考慮したもので、その目的とするところは、低速領域であっても、また電動機のトルク制御、速度制御、位置制御に影響を与えることなく、さらには温度変化等の影響を受けることなく、電動機の回転子位置を精度良く推定することができ、これにより常に安定かつ適正な電動機駆動を可能とする電動機の制御装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この発明の電動機の制御装置は、電動機に加えられる特定高調波を検出する検出手段と、この検出手段で検出された特定高調波から高調波瞬時無効電力を計算する計算手段と、この計算手段で計算された高調波瞬時無効電力から上記特定高調波の2倍の周波数を有する交流成分を抽出する抽出手段と、上記特定高調波の2倍の周波数を有する基準信号を生成する生成手段と、この生成手段で生成された基準信号の位相と上記抽出手段で抽出された交流成分の位相との差を検出する位相差検出手段と、この位相差検出手段で検出された位相差に応じて上記電動機の回転子位置を推定する推定手段と、を備える。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施例について図面を参照して説明する。
【0008】
図1に示すように、d軸電機子巻線電流の指令値id’が加算部1を介してPI制御部2に供給される。PI制御部2は、指令値id’に基づき、d軸電機子巻線電圧の指令値vd’を発する。この指令値vd’が回転座標変換部3に供給される。
【0009】
回転子角速度の指令値ωm’が加算部4を介してPI制御部5に供給される。PI制御部5は、指令値ωm’に基づき、q軸電機子巻線電流の指令値iq’を発する。この指令値iq’はPI制御部7に供給され、そのPI制御部7からq軸電機子巻線電圧の指令値vq’が発せられる。この指令値vq’が回転座標変換部3に供給される。
【0010】
回転座標変換部3は、指令値vd’,vq’をα軸電機子巻線電圧の指令値vα’およびβ軸電機子巻線電圧の指令値vβ’に変換する。この指令値vα’,vβ’が二相/三相変換部8に供給されることにより、二相/三相変換部8から永久磁石形同期電動機(PMSM)10に対する駆動用の相電圧va,vb,vcが出力される。
【0011】
また、電動機10の各相に流れる電流ia,ib,icが三相/二相変換部11に取込まれ、その三相/二相変換部11から実際のα軸電機子巻線電流iαおよびβ軸電機子巻線電流iβが得られる。このα軸電機子巻線電流iαおよびβ軸電機子巻線電流iβは回転座標変換部3に供給され、そこで実際のd軸電機子巻線電流idおよびq軸電機子巻線電流iqに変換される。このうちidは上記加算部1にフィードバック供給され、iqは上記加算部6にフィードバック供給される。
【0012】
このような電動機制御系において、d軸電機子巻線電圧の指令値vd’、q軸電機子巻線電圧の指令値vq’、d軸電機子巻線電流id、q軸電機子巻線電流iqが、検出部21に供給される。
【0013】
検出部21は、vd’,vq’およびid,iqがそれぞれ入力される4個のバンドパスフイルタ(BPF)で構成される。これらバンドパスフイルタは、例えば500Hzの中心周波数を持ち、電動機10に加わる特定高調波として二相正弦波に相当する500Hzの高調波(d軸高調波電圧vdh、q軸高調波電圧vqh、d軸高調波電流idh、q軸高調波電流iqh)を検出する。
【0014】
実験の場合、d軸電機子巻線電流の指令値id’およびq軸電機子巻線電流の指令値iq’に対し、500Hzの微小振幅▲1▼hを有する二相正弦波を重畳することにより、500Hzの特定高調波を作為的かつ容易に電動機10に注入することができる。なお、作為的な注入を行わずに、電力変換器が本来的に出力する高調波(例えばPWMに起因する高調波など)を検出対象としてもよい。
【0015】
検出部21で検出されるd軸高調波電流idhおよびq軸高調波電流iqhは、回転子位置推定値θm^の回転子座標(d^−q^座標)上において、次の数1式で表わされ、微小振幅Ihと角周波数ωhを有する。
【0016】
【数1】
【0017】
これに対して、検出部21で検出されるd軸高調波電圧vdhおよびq軸高調波電圧vqhは、次の数2式で表わされる。
【0018】
【数2】
【0019】
なお、Raは電機子巻線抵抗、ωmは回転子角速度真値、ωm^は回転子角速度推定値、Ldはd軸インダクタンス、Lqはq軸インダクタンス、θmは回転子位置真値、θm^は回転子位置推定値である。
【0020】
このようにして検出される特定高調波は、計算部22に供給される。計算部22は、高調波(d軸高調波電圧vdh、q軸高調波電圧vqh、d軸高調波電流idh、q軸高調波電流iqh)から高調波瞬時無効電力Qhを次の数3式により計算する。
【0021】
【数3】
【0022】
この高調波瞬時無効電力Qhは、抽出部23に供給される。抽出部23は、高調波瞬時無効電力Qhから、上記特定高調波の2倍の周波数を有する交流成分を抽出する。
【0023】
高調波瞬時無効電力Qhは、直流成分と、特定高調波の2倍の周波数(=1000Hz)を有する交流成分とからなっており、その交流成分の位相Qhacは次式のように表わされる。
Qhac=2・(ωht+θm−θm^)
すなわち,交流成分の位相は回転子位置真値θmと回転子位置推定値θm^の誤差の2倍に依存し、仮に回転子位置推定値θm^が真値θmに一致すれば、位相ずれはなくなる。そこで、抽出部23としてバンドパスフィルタ(BPF)を設け、その中心周波数を1000Hzにすることによって交流成分だけを抽出するようにしている。
【0024】
24は基準信号生成部で、検出部21で検出された特定高調波(d軸高調波電流idh)の2倍の周波数を有する基準信号を生成する。この基準信号の位相は(2・ωht)で表わされる。
つまり、交流成分の位相と基準信号の位相との差は、回転子位置推定誤差(θm−θm^)の2倍に相当することになる。
【0025】
基準信号生成部24で生成された基準信号は位相差検出部25に供給される。この位相差検出部25には、抽出部23で抽出された交流成分も供給される。
【0026】
位相差検出部25は、基準信号の位相と交流成分の位相との差を検出するもので、たとえば2個のコンパレータおよび排他的論理和素子により構成される。交流成分は回転子位置推定誤差を位相情報として含んでおり、その交流成分が一方のコンパレータで方形波Aに変換される。基準信号については、他方のコンパレータで方形波Bに変換される。この方形波Aと方形波Bが排他的論理和素子にて位相比較され、同相であれば無出力、位相差があればそれに相当するパルス幅の矩形波信号が出力される。この出力が推定部26に供給される。
【0027】
推定部26は、位相差検出部25で検出された位相差に応じて電動機10の回転子位置を推定するもので、位相差を比例積分素子(PI;または積分素子)に入力してその比例積分素子から回転子位置推定値θm^を得るとともに、位相差を低域フィルタ(LPF)に入力してその低域フィルタから回転子角速度推定値ωm^を得る。
【0028】
すなわち、回転子位置推定値θm^が回転子位置真値θmと一致していなければ、方形波Aの位相と方形波Bの位相とに差が生じ、位相差検出部25から矩形波信号が出力される。そして、この矩形波信号に応じた回転子位置推定値θm^が出力される。この回転子位置推定値θm^は、方形波Aと方形波Bとの位相差が零となる方向に修正され、回転子位置真値θmへと収束していく。
【0029】
推定値θm^が真値θmに収束すると(一致すると)、方形波Aと方形波Bの位相差がなくなる。このとき、位相差検出部25から矩形波信号が出力されなくなり、よって比例積分素子の動作が中断し、推定値θm^(=真値θm)が保持される。
推定値θm^が真値θmから外れると、再び、位相差が零になるまで、推定値θm^が修正される。
【0030】
電動磯10が連続的に回転していて、真値θmが連続的に変化する場合でも、方形波Aと方形波Bの位相差を零にするように推定値θm^が連続的に修正され、ごくわずかな推定誤差を持ちつつも真値θmに追従する。
【0031】
図2に、速度ステップ応答として、回転子角速度(=回転速度)の指令値ωm’および真値ωmを示しており、零速度も含めて速度制御が良好に行われていることが分かる。
【0032】
図3に、推定値θm^と真値θmとの関係を示している。図面上は分かり易いように両者を少しずらして描いているが、実際はほぼ重なり合う状態にあり、θmの変化に対してθm^が良好に追従する。
【0033】
以上のように、特定高調波に着目して回転子位置を推定することにより、零速度を含む低速領域においても精度良く回転子位置を推定することができる。
基本波ではなく特定高調波に着目しているため、交流電動機のトルク制御、速度制御、位置制御に影響を与えることなく、回転子位置を推定することができる。
【0034】
高調波瞬時無効電力を計算する際に高調波電圧と高調波電流の外積計算を利用するため、計算上、巻線抵抗に関する項が一切現われない。すなわち、巻線抵抗に依存することなく高調波瞬時無効電力を計算することができ、よって温度等により巻線抵抗値が変動しても、その影響を一切受けずにロバストな回転子位置推定を行うことができる。
【0035】
表皮効果による巻線抵抗への影響が懸念されるが、上述の通り、高調波瞬時無効電力に基づいているため、表皮効果の影響を一切受けずに回転子位置を推定することができる。
【0036】
高調波瞬時無効電力で特定高調波の2倍の周波数成分を有する交流成分の位相情報と、特定高調波の2倍の周波数を有する基準信号の位相情報には、巻線抵抗やインダクタンスなどの電動機パラメータが一切含まれない。したがって,それらの位相差に基づいて回転子位置推定を行う本実施例は、本質的に電動機パラメータの変動に対してロバストであり、どのような状況下(例えば温度変動や磁気飽和)においても正確に回転子位置を推定することができる。
したがって、常に安定かつ適正な電動機の駆動が可能となる。
【0037】
なお、上記実施例では、電動機として永久磁石形電動機を例に説明したが、突極性があれば、巻線形同期電送機やリアクタンス電動機にも同様に実施可能である。
その他、この発明は上記実施例に限定されるものではなく、要旨を変えない範囲で種々変形実施可能である。
【0038】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、電動機に加えられる特定高調波を検出し、この特定高調波から高調波瞬時無効電力を計算し、この高調波瞬時無効電力から上記特定高調波の2倍の周波数を有する交流成分を抽出するとともに、上記特定高調波の2倍の周波数を有する基準信号を生成し、この基準信号の位相と上記抽出した交流成分の位相との差を検出し、この位相差に応じて電動機の回転子位置を推定する構成としたので、低速領域であっても、また電動機のトルク制御、速度制御、位置制御に影響を与えることなく、さらには温度変化等の影響を受けることなく、電動機の回転子位置を精度良く推定することができ、これにより常に安定かつ適正な電動機駆動を可能とする電動機の制御装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】一実施例の構成を示すブロック図。
【図2】同実施例における回転子角速度の指令値ωm’と真値ωmの関係を示す図。
【図3】同実施例における回転子位置の推定値θm^と真値θmとの関係を示す図。
【符号の説明】
10…永久磁石形同期電動機
21…検出部
22…計算部
23…抽出部
24…基準信号生成部
25…位相差検出部
26…推定部
Claims (1)
- 電動機に加わる特定高調波を検出する検出手段と、
この検出手段で検出された特定高調波から高調波瞬時無効電力を計算する計算手段と、
この計算手段で計算された高調波瞬時無効電力から前記特定高調波の2倍の周波数を有する交流成分を抽出する抽出手段と、
前記特定高調波の2倍の周波数を有する基準信号を生成する生成手段と、
この生成手段で生成された基準信号の位相と前記抽出手段で抽出された交流成分の位相との差を検出する位相差検出手段と、
この位相差検出手段で検出された位相差に応じて前記電動機の回転子位置を推定する推定手段と、
を具備したことを特徴とする電動機の制御装置。
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JP13406199A JP4153619B2 (ja) | 1999-05-14 | 1999-05-14 | 電動機の制御装置 |
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JP13406199A JP4153619B2 (ja) | 1999-05-14 | 1999-05-14 | 電動機の制御装置 |
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JP13406199A Expired - Lifetime JP4153619B2 (ja) | 1999-05-14 | 1999-05-14 | 電動機の制御装置 |
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-
1999
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