JP4596200B2

JP4596200B2 - 永久磁石形同期電動機の制御装置

Info

Publication number: JP4596200B2
Application number: JP2000358810A
Authority: JP
Inventors: 高裕山崎; 博大沢; 尚史野村; 信夫糸魚川
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2000-11-27
Filing date: 2000-11-27
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2020-11-27
Also published as: JP2002165483A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転子に突極性を有する永久磁石形同期電動機の制御装置に関し、特に回転子の磁極位置（以下、回転子位置という）を検出するための位置検出センサを使用しない永久磁石形同期電動機の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
永久磁石形同期電動機の高性能制御には、回転子の位置情報が必要である。
一般に位置検出センサにはエンコーダやレゾルバなどが用いられているが、低コスト化を目的として、電動機の電圧や電流の情報から電気的に回転子位置を推定演算するセンサレス制御が提案されている。その一手法として、特開平７−２４５９８１号公報に記載された磁極位置検出装置が知られている。
この公知技術は、突極性を有する永久磁石形同期電動機に高周波電圧を印加し、その結果として流れる突極性に起因した高周波電流から速度を推定し、この速度推定値を積分して回転子位置を推定するものである。
【０００３】
ここで、今後の理解をしやすくするため、用語の説明をする。
まず、直軸とは永久磁石の磁極方向にとった座標軸であり、直軸電流とは直軸方向の電流成分である。電圧に関しても同じように定義し、直軸電圧とは直軸方向の電圧成分である。また、直軸と直交方向に横軸を定義し、横軸方向の電流、電圧をそれぞれ横軸電流、横軸電圧と呼ぶ。
但し、制御装置では推定した直軸の電圧、電流の情報しか得られないが、以下では簡単のため、例えば推定した直軸電流も単に直軸電流と呼ぶことにする。
【０００４】
図３に、従来の制御ブロック図を示す。図３において、直軸電圧指令ｖ_ｄ ^＊＊、横軸電圧指令ｖ_ｑ ^＊は電流指令ｉ_ｄ ^＊、ｉ_ｑ ^＊と基本波電流検出値ｉ_ｄ１、ｉ_ｑ１との偏差をそれぞれ電流調節器３，４により演算し増幅して作成される。次いで、加算器５により、基本周波数とは異なる周波数を持つ方形波の高周波電圧（以下、方形波電圧という）ｖ_ｈを直軸電圧指令ｖ_ｄ ^＊＊に加算して直軸電圧指令ｖ_ｄ ^＊を作成する。
座標変換器１は、前記直軸電圧指令ｖ_ｄ ^＊と横軸電圧指令ｖ_ｑ ^＊と積分器１０の出力である位置推定値θとから、三相電圧指令ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊を演算する。これらの電圧指令ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊をＰＷＭ回路６により電力変換器（インバータ）３０の制御信号に変換し、永久磁石形同期電動機（ＰＭモータ）４０の端子電圧を制御する。なお、２０は三相交流電源である。
【０００５】
座標変換器２は、位置推定値θと電機子電流ｉ_ｕ，ｉ_ｗとから、直軸電流ｉ_ｄ、横軸電流ｉ_ｑを演算する。高周波分離フィルタ７は、ｉ_ｄ，ｉ_ｑから基本波電圧と同じ周波数成分の直軸基本波電流ｉ_ｄ１及び横軸基本波電流ｉ_ｑ１を分離・抽出し、更に、ｉ_ｑから方形波電圧と同じ周波数成分の横軸高周波電流ｉ_ｑｈを分離・抽出する。
同期整流器８は、ｉ_ｑｈをｖ_ｈの極性によって同期整流し、横軸高周波電流ｉ_ｑｈｓを演算する。速度推定器９は、ｉ_ｑｈｓの値から速度推定値を演算し、積分器１０は速度推定値を積分して位置推定値θを演算する。
【０００６】
ここで、上記従来技術においては原理的に電気角１８０°の位置推定誤差を持つことがあり、これを補正するために、磁極（Ｎ，Ｓ極）を判別して位置推定値を補正する演算が必要となる。この種の磁極判別法としては、
・電気学会論文誌Ｄ「産業応用部門誌」1990年11月 Vol.110 pp.1193〜1200
・電気学会論文誌Ｄ「産業応用部門誌」1996年7月 Vol.116 pp736〜742
・IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS,
VOL.32,NO.5,SEPTEMBER/OCTOBER 1996
等が提案されている。
【０００７】
上記磁極判別方法は、何れも電動機鉄心の磁気飽和特性を利用したものであり、回転子位置推定値を使用し、直軸電流を正極性および負極性に制御したときの電流の変化率の違いを使って磁極を判別する。なお、その詳細な内容は本発明の要旨ではないため、詳述を省略する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図３の高周波分離フィルタ７により分離・抽出した横軸高周波電流ｉ_ｑｈを方形波電圧ｖ_ｈの極性によって同期整流した横軸高周波電流ｉ_ｑｈｓは、位置推定値と実際の回転子位置との偏差（＝位置推定値−回転子位置、以下、「位置偏差」と略記する）を横軸のパラメータとした場合、図２に示すような正弦波となる。
図２において正弦波に沿って表した矢印は、位置推定値が収束する方向である。位置偏差が０°近傍では、ｉ_ｑｈｓは位置偏差に比例する。この場合、速度推定器９によりｉ_ｑｈｓを増幅して速度推定値を求め、積分器１０により速度推定値を積分して位置推定値を求め、横軸高周波電流ｉ_ｑｈｓが零になるようにＰＬＬ（Phase Locked Loop）動作させることにより、位置推定値を実際の回転子位置に一致させることができる。
【０００９】
しかし、位置偏差が大きくなるとｉ_ｑｈｓと位置偏差とが比例しなくなり、速度・位置推定演算の収束が遅くなる。特に、電動機の始動時において位置偏差が±９０°の場合、ｉ_ｑｈｓは零になってｉ_ｑｈｓから位置偏差の情報を検出できなくなるため、速度・位置推定演算ができなくなり、位置偏差が±９０°のまま保持される結果、制御系が不安定になり、円滑な始動が行えないという問題が生じていた。そこで本発明は、位置偏差が±９０°である不安定点を回避して円滑な始動を行えるようにした永久磁石形同期電動機の制御装置を提供しようとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明においては、電動機の運転開始直後、言い換えれば位置推定演算を開始する前に、電動機に高周波電圧を印加して電機子に流れる高周波電流（前記高周波電圧に対してベクトル的に直交する電流）を検出し、この高周波電流の極性に応じて位置推定値の初期値を決定するようにしたものである。
【００１１】
すなわち、請求項１記載の発明は、回転子に突極性を有する永久磁石形同期電動機の制御装置であって、基本波周波数と異なる周波数の高周波電圧を印加する手段と、電機子電流から前記高周波電圧と同じ周波数の横軸高周波電流を抽出する手段と、前記横軸高周波電流を用いて回転子位置を推定する手段とを備えた制御装置において、
運転開始直後に前記横軸高周波電流の極性を判別する判別手段と、この判別手段により判別した前記横軸高周波電流の極性に応じて回転子位置推定値の前回値に正または負のオフセット値を加え、その加算結果を回転子位置推定値の初期値として決定する手段と、を備えたものである。
【００１２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の永久磁石形同期電動機の制御装置において、
回転子位置を推定する手段及び前記横軸高周波電流の極性を判別する判別手段の入力側に、オン・オフが互いに逆動作であるスイッチ手段をそれぞれ設け、これらのスイッチ手段を介して前記横軸高周波電流を各手段に入力するものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、本発明の原理を説明すると、同期整流した後の横軸高周波電流ｉ_ｑｈｓの極性により、以下の数式１に従い位置推定値の前回値に正または負のオフセット値を加算することにより、位置推定値の初期値を決定する。
［数式１］
（ａ）ｉ_ｑｈｓ≧０ならば、θ＝θ（前回値）＋４５°
（ｂ）ｉ_ｑｈｓ＜０ならば、θ＝θ（前回値）−４５°
【００１５】
これにより、図２の下段に示した位置偏差（処理後）のように、初期の真の位置偏差に関わらず位置偏差を−１８０°〜−１３５°，−４５°〜＋４５°，＋１３５°〜＋１８０°のいずれかの領域に移すことができ、位置偏差が±９０°の不安定点を回避することができる。さらに、横軸高周波電流ｉ_ｑｈｓの極性が判明すれば直ちに位置推定値θの初期値が求まるので、演算時間の短縮も可能となる。
【００１６】
図１は本発明の実施形態の構成を示す制御ブロック図である。図３と同一の構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略し、以下では異なる点を中心に説明する。
図１において、同期整流器８から出力される横軸高周波電流ｉ_ｑｈｓはスイッチＡを介して電流極性判別器１１に入力され、この電流極性判別器１１からは積分器１０に対して位置推定値のプリセット信号が出力される。
また、横軸高周波電流ｉ_ｑｈｓはスイッチＢを介して速度推定器９に入力可能となっており、スイッチＡ，Ｂはオン・オフが互いに逆動作（一方がオンのとき他方がオフ）となっている。
【００１７】
上記構成において、電動機の運転開始直後にスイッチＡをオンし、スイッチＢをオフする。電流極性判別器１１では、同期整流した後の横軸高周波電流ｉ_ｑｈｓの極性により、前記数式１に従って位置推定値θの初期値を決定する。
【００１８】
例えば、初期の位置偏差が０°〜＋９０°であって不安定点である＋９０°を含む場合、図２によれば横軸高周波電流ｉ_ｑｈｓの極性は負であるため、数式１（ｂ）に示したオフセット値（−４５°）を加算する演算により位置偏差は−４５°〜＋４５°となり、動作点を安定点へ移すことができる。同様にして、初期の位置偏差が−９０°〜０°であって不安定点である−９０°を含む場合には、図２によれば横軸高周波電流ｉ_ｑｈｓの極性は正であるため、数式１（ａ）に示したオフセット値４５°を加算する演算により位置偏差は−４５°〜＋４５°となり、この場合にも動作点を安定点へ移すことができる。
【００１９】
このようにして、初期の位置偏差に関わらず、位置偏差は図２の下段の位置偏差（処理後）で示す−１８０°〜−１３５°、−４５°〜＋４５°、＋１３５°〜＋１８０°のいずれかの領域に移すことができる。
そして、位置推定値の初期値を決定後、スイッチＡを開き、スイッチＢを閉じて速度・位置推定演算を開始する。なお、速度・位置推定演算は従来技術と同様にして行われる。
【００２０】
本実施形態によれば、位置偏差が±９０°の不安定点を回避することができ、回転子の初期位置に依存せずにスムーズで安定した始動が可能となる。
また、数式１（ａ），（ｂ）の演算式を電流極性判別器１１または積分器１０に記憶させておけば、横軸高周波電流ｉ_ｑｈｓの極性に応じて直ちに位置推定値の初期値を決定することができ、演算に要する時間は極めて短くて済む。
【００２１】
なお、電力変換器による交流電動機の制御方法として、回転子位置を推定せずに電機子電圧とその周波数とをほぼ比例させて可変速運転するＶ／ｆ制御もよく知られている。この場合、電動機が停止している状態から起動する際に、回転子位置によっては、望んだ回転方向とは逆に回転して始動特性が悪くなる場合がある。
本発明の原理はこのようなＶ／ｆ制御にも拡張して適用可能であり、本発明によって回転子の初期位置を概略推定し、これに基づいて起動時の電機子電圧の位相を決定すれば始動特性を改善することができる。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、回転子に突極性を有する永久磁石形同期電動機を位置検出センサを用いずに運転する制御装置において、電機子電流から検出した高周波電流の極性に応じて回転子位置推定値の初期値を決定するようにしたので、ごく短時間での演算により、位置偏差の不安定点を回避して円滑かつ安全な始動を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の実施例の制御ブロック図である。
【図２】位置偏差と同期整流後の横軸高周波電流との関係を示す図である。
【図３】従来技術を示す制御ブロック図である。
【符号の説明】
１，２座標変換器
３直軸電流調節器
４横軸電流調節器
５加算器
６ＰＷＭ回路
７高周波分離フィルタ
８同期整流器
９速度推定器
１０積分器
１１電流極性判別器
２０三相交流電源
３０電力変換器
４０永久磁石形同期電動機（ＰＭモータ）
Ａ，Ｂスイッチ

Claims

回転子に突極性を有する永久磁石形同期電動機の制御装置であって、基本波周波数と異なる周波数の高周波電圧を印加する手段と、電機子電流から前記高周波電圧と同じ周波数の横軸高周波電流を抽出する手段と、前記横軸高周波電流を用いて回転子位置を推定する手段とを備えた制御装置において、
運転開始直後に前記横軸高周波電流の極性を判別する判別手段と、
この判別手段により判別した前記横軸高周波電流の極性に応じて回転子位置推定値の前回値に正または負のオフセット値を加え、その加算結果を回転子位置推定値の初期値として決定する手段と、
を備えたことを特徴とする制御装置。
請求項１記載の永久磁石形同期電動機の制御装置において、
回転子位置を推定する手段及び前記横軸高周波電流の極性を判別する判別手段の入力側に、オン・オフが互いに逆動作であるスイッチ手段をそれぞれ設け、これらのスイッチ手段を介して前記横軸高周波電流を各手段に入力することを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。