JP4583016B2 - 永久磁石同期電動機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、位置センサの付いていない永久磁石型同期電動機の制御装置に関するものである。

従来の技術を図２に示し、図２に基づいて従来の技術を説明する。
電力変換器１は、入力の電圧指令ｖｃに基づいた電圧を永久磁石同期電動機４に印加する。ベクトル制御器６’は、トルク制御器６１とｄ軸推定器６７’と速度推定器６３で構成されており、入力したトルク指令Ｔｃ通りのトルクを永久磁石同期電動機４が出力するような電圧指令ｖｃを出力する。電流検出器２と電圧検出器３は、それぞれ永久磁石同期電動機４の電流と電圧を検出して出力する。速度調整器１０は、速度推定器６３で推定された速度が周波数指令ｆｃ相当となるようなトルク指令Ｔｃを出力する。

ｄ軸推定器６７’は、低速位置誤差演算器６５と高速位置誤差演算器６２と切替積分器６４で構成されｄ軸位置θを推定して出力する。高速位置誤差演算器６２は、検出した電流ｉと電圧ｖより（１）式の演算で位置誤差ΔθＨを求めて出力する。低速位置誤差演算器６５は、（２）式の演算で位置誤差ΔθＬを求めて出力する。切替積分器６４は、速度推定器６３出力の推定速度ωを入力して、ωが所定値ω０よりも小さい場合はΔθＬを積分器の入力とし、ωが所定値ω０以上の場合はΔθＨを積分器の入力として、その積分器の出力をｄ軸位置θとして出力する。速度推定器６３は、ｄ軸位置θを時間微分して推定速度ωとして出力する。トルク制御器６１は、ｄ軸位置θと電流ｉを用いて入力したトルク指令Ｔｃ通りのトルクを永久磁石同期電動機４が出力するような電圧指令ｖｃを出力する。

ここで、Ｌｄ、Ｌｑ、Ｒ、φは永久磁石同期電動機の電気的定数であり、それぞれｄ軸方向のインダクタンス、ｑ軸方向のインダクタンス、巻き線抵抗、永久磁石磁束である。またｖγ、ｖδ、ｉγ、ｉδは検出された電圧や電流ベクトルの各成分であり、それぞれ電圧のγ軸成分、電圧のδ軸成分、電流のγ軸成分、電流のδ軸成分である。ここでγ−δ軸は直交軸であり、γ軸は推定されたｄ軸位置θと一致する。ｐは時間微分演算子である。（例えば、特許文献１参照。）。

前述のように低速域では低速位置誤差演算器６５を使用し、高速域では高速位置誤差演算器６２を使用する理由を以下で説明する。
高速位置誤差演算器６２で使用する（１）式の分母の第２項は定常的には直流量であるδ軸電流ｉδの時間微分の積で表されているので定常的には０となり、第１項と第３項は速度ωに比例するので低速度域では非常に小さな値となる。よって低速度域では（１）式の分母が小さくなり正確な位置誤差を演算することが困難となる。よって低速度域では、分母が小さくならない（２）式を用いる低速位置誤差演算器６５が使用される。しかしながら（２）式の分母の第１項を０としないために、γ軸電流ｉγが随時変化している必要があり、γ軸電流に高周波の電流を重畳させる必要がある。この高周波重畳により永久磁石同期電動機の高周波損失が増えたり、騒音が大きくなる問題が発生するので、低速位置誤差演算器６５は低速度でのみしか使用しない。
特開２００２−１１２６００

上述したように従来技術において、低速度域では低速位置誤差演算器６５によって位置誤差が演算されてｄ軸が推定される。しかしながら、表面磁石同期電動機や固定子と回転子間のギャップが広い電動機においては突極性が無くなりＬｑ−Ｌｄが非常に小さくなって、低速位置誤差演算器６５で使用する（２）式の分母が非常に小さくなるので、正確な位置誤差演算が困難となる。従ってＬｑとＬｄの差が非常に小さい永久磁石同期電動機の場合は、低速での位置誤差演算ができないためｄ軸推定ができず、速度推定器６３での速度推定も間違ったものとなり、停止状態からの加速ができなくなる。

上記問題点を解決するために本発明では、位置および速度センサの付いていない永久磁石同期電動機に電力を供給する電力変換器の制御装置であって、前記永久磁石同期電動機の回転子の永久磁石の磁束の方向であるｄ軸位置を推定するｄ軸推定器と、前記ｄ軸位置を用いて前記永久磁石同期電動機の出力トルクを制御するトルク制御器とからなるベクトル制御器を具備する永久磁石同期電動機の制御装置において、所定の大きさで所定の周波数の交流電流を前記永久磁石同期電動機に流して前記永久磁石同期電動機を回転させるオープン制御器と、前記永久磁石同期電動機の回転速度に応じて前記オープン制御器出力と前記ベクトル制御器出力とを切り替えて前記電力変換器に出力する切替器とを具備する。

請求項１にかかる本発明では、位置および速度センサの付いていない永久磁石同期電動機に電力を供給する電力変換器の制御装置であって、前記永久磁石同期電動機の回転子の永久磁石の磁束の方向であるｄ軸位置を推定するｄ軸推定器と、前記ｄ軸位置を用いて前記永久磁石同期電動機の出力トルクを制御するトルク制御器とからなるベクトル制御器を具備する永久磁石同期電動機の制御装置において、所定の大きさで所定の周波数の交流電流を前記永久磁石同期電動機に流して前記永久磁石同期電動機を回転させるオープン制御器と、前記永久磁石同期電動機の回転速度に応じて前記オープン制御器出力と前記ベクトル制御器出力とを切り替えて前記電力変換器に出力する切替器と、前記永久磁石同期電動機の電流と電圧より前記永久磁石同期電動機の回転子の永久磁石の磁束ベクトルを演算する磁束演算器と、前記切替器によって前記オープン制御器出力から前記ベクトル制御器出力に切り替える際に、前記磁束演算器出力の磁束ベクトルの位相を求めて前記ｄ軸推定器の初期値とするｄ軸初期値設定器とを具備することを特徴とする。

本発明により、表面磁石同期電動機や固定子と回転子間のギャップが広い電動機のように突極性が小さい永久磁石同期電動機でも、停止からの加速が可能となり、通常運転する中高速域では、安定で高応答な速度制御が得られるようになる。

所定の回転数で永久磁石同期電動機を回転させるようにしたオープン制御器と、該電動機の永久磁石の磁束方向であるｄ軸位置を推定するｄ軸推定器と、これをもとに該電動機の出力トルクを制御するベクトル制御器と、回転速度に応じてオープン制御器出力とベクトル制御器出力とを切り替える切替器を有し、切り替えるに当って、前記永久磁石の磁束ベクトルを演算する磁束演算器出力より磁束ベクトル位相を求め、これを前記ｄ軸推定器の初期値として用いることで、突極性のない永久磁石動機電動機を速度、位置センサーを付属させることなく停止から加速を可能とし、高速では安定で高応答な運転が実現可能となる。

図１に本発明の実施例を示し、図１に基づいて本発明の詳細な説明をする。
電力変換器１は、入力の電圧指令ｖｃに基づいた電圧を永久磁石同期電動機４に印加する。電流検出器２と電圧検出器３は、それぞれ永久磁石同期電動機４の電流と電圧を検出して出力する。なお電圧検出器３は、電圧検出値の代わりに電力変換器１に入力される電圧指令ｖｃを出力してもよい。ベクトル制御器６は、トルク制御器６１とｄ軸推定器６７と速度推定器６３で構成されており、入力したトルク指令Ｔｃ通りのトルクを永久磁石同期電動機４が出力するような電圧指令を出力する。またｄ軸推定器６７は、高速位置誤差演算器６２と積分器６６で構成される。トルク制御器６１と高速位置誤差演算器６２と速度推定器６３は、従来技術と同じであるため説明を省略する。積分器６６は、高速位置誤差演算器６２出力の位置誤差を積分してｄ軸位置θとして出力する。

オープン制御器５は、電流の大きさ指令Ｉｃと周波数指令ｆｃを入力し、永久磁石同期電動機４の電流の大きさと周波数がそれぞれの指令通りになるような電圧指令を出力する。切替器７は、スイッチ７１、７２と速度判別器７３で構成される。速度判別器７３はスイッチ７２で選択された速度情報を入力して、それが所定値よりも大きいかどうかを判別し、大きい場合はｂという出力となり小さい場合はａという出力となる。スイッチ７１は、速度判別器７３出力がａの時にオープン制御器５の出力を選択し、速度判別器７３出力がｂの時にベクトル制御器６の出力を選択して電力変換器１へ出力する。スイッチ７２は、速度判別器７３出力がａの時に周波数指令ｆｃを選択し、速度判別器７３出力がｂの時に速度推定器６３の出力を選択する。速度調整器１０は、スイッチ７２で選択された速度が周波数指令ｆｃ相当となるようなトルク指令Ｔｃを出力する。

磁束演算器８は、永久磁石同期電動機４の回転子の永久磁石の磁束ベクトルΨを例えば（３）、（４）、（５）、（６）式で演算する。ここで、静止した直交するα−β座標軸を想定し、ｖα、ｉα、Ψ１α、Ψαはそれぞれ電圧ｖ、電流ｉ、一次鎖交磁束Ψ１、磁束ベクトルΨのα軸成分であり、ｖβ、ｉβ、Ψ１β、Ψβはそれぞれ電圧ｖ、電流ｉ、一次鎖交磁束Ψ１、磁束ベクトルΨのβ軸成分である。またＬは、近似的にＬｄとＬｑの平均値とする。本来（３）、（４）式は、完全時間積分であるべきだが、低周波数での積分ドリフトを避けるために一次遅れでの近似積分としており、Ｋは比較的大きな定数であり、Ｓはラプラス演算子を意味している。

ｄ軸初期値設定器９は、速度判別器７３出力がａからｂに切り替わる際に、磁束演算器８出力の磁束ベクトルΨの位相を例えば（７）式で求めて出力する。積分器６６は、速度判別器７３出力がａからｂに切り替わる際に、積分器の値をｄ軸初期値設定器９の出力θｉに置き換える。

以下は、図１の構成で前述の問題点を解決できる理由を説明する。
低速度域においては、切替器７によりオープン制御器５の出力が電力変換器１に入力される。従って、永久磁石同期電動機４の電流は、大きさがＩｃとなりその周波数がｆｃとなるので、永久磁石同期電動機４はｆｃ相当の回転速度となる。但し、トルク制御をしているわけではないので、定常的にはｆｃ相当の回転速度とすることができるが、過渡的には不安定となるため速度制御応答を早くすることは困難である。しかしながら、従来技術の低速位置誤差演算器６５を用いていないので、Ｌｑ−Ｌｄが非常に小さな電動機の場合でも運転することが可能となる。

上述したようにＬｑ−Ｌｄが非常に小さな電動機の場合でも、オープン制御器５により停止からの加速が可能となり、速度が所定値を越えると、切替器７によりベクトル制御器６の出力が電力変換器１へ出力される。この状態は従来技術と同じとなり、速度調整器１０を用いて安定で高応答な速度制御ができるようになる。しかし、切替器７でベクトル制御器６が選択されている時のみベクトル制御器６の高速位置誤差演算器６２や積分器６６を動作させているので、ベクトル制御器６に切り替わった直後の積分器６６の出力は必ずしも実際のｄ軸位置に近い値となっているとは限らない。従ってオープン制御器５からベクトル制御器６へ切り替わった直後は正確なトルク制御ができなくなり、不安定となってしまう恐れがある。その問題点を解決するために、磁束演算器８とｄ軸初期値設定器９により、オープン制御器５からベクトル制御器６へ切り替わり時点で、積分器６６の初期値を設定している。

小形・高効率・高応答制御に特長を有する、永久磁石形同期電動機のベクトル制御において、突極性の小さい場合でも速度・位置センサレスベクトル制御が可能となる。

図１は、本発明の実施例を表したブロック図である。 図２は、永久磁石同期電動機の制御装置における従来技術の一例を表したブロック図である。

符号の説明

１・・・電力変換器
２・・・電流検出器
３・・・電圧検出器または電圧推定器
４・・・永久磁石同期電動機
５・・・オープン制御器
６、６’・・・ベクトル制御器
６１・・・トルク制御器
６２・・・高速位置誤差演算器
６３・・・速度推定器
６４・・・切替積分器
６５・・・低速位置誤差演算器
６６・・・積分器
６７、６７’・・・ｄ軸推定器
７・・・切替器
７１、７２・・・スイッチ
７３・・・速度判別器
８・・・磁束演算器
９・・・ｄ軸初期値設定器
１０・・・速度調整器

Claims (1)

1. 位置および速度センサの付いていない永久磁石同期電動機に電力を供給する電力変換器の制御装置であって、前記永久磁石同期電動機の回転子の永久磁石の磁束の方向であるｄ軸位置を推定するｄ軸推定器と、前記ｄ軸位置を用いて前記永久磁石同期電動機の出力トルクを制御するトルク制御器とからなるベクトル制御器を具備する永久磁石同期電動機の制御装置において、所定の大きさで所定の周波数の交流電流を前記永久磁石同期電動機に流して前記永久磁石同期電動機を回転させるオープン制御器と、前記永久磁石同期電動機の回転速度に応じて前記オープン制御器出力と前記ベクトル制御器出力とを切り替えて前記電力変換器に出力する切替器と、前記永久磁石同期電動機の電流と電圧より前記永久磁石同期電動機の回転子の永久磁石の磁束ベクトルを演算する磁束演算器と、前記切替器によって前記オープン制御器出力から前記ベクトル制御器出力に切り替える際に、前記磁束演算器出力の磁束ベクトルの位相を求めて前記ｄ軸推定器の初期値とするｄ軸初期値設定器とを具備することを特徴とする永久磁石同期電動機の制御装置。