JP4670162B2 - 同期電動機の制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は同期電動機の制御装置に関し、詳しくは、エンコーダやレゾルバなどの磁極位置検出器によって電動機の磁極位置を検出しないで同期電動機等の速度やトルクを制御する、いわゆる位置センサレス同期電動機の制御装置において、電動機のインダクタンスを自動測定する技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
永久磁石同期電動機の速度やトルクを高性能に制御するには、一般には電動機の磁極位置を検出する位置検出器を電動機に取り付ける必要がある。しかるに、上記位置検出器は一般に高価であり、また、電動機の構造や設置環境の点から位置検出器を取り付けられない場合がある。
この問題を解決するため、磁極位置を電動機の電圧や電流などから電気的に演算で求める方法、いわゆるセンサレス制御が研究されている。センサレス制御の方法としては、例えば、同期電動機の電機子巻線のインダクタンスが回転子の磁極位置によって相対的に変化することに基づき、インダクタンスを演算により求めて磁極位置を推定する方法や、電動機の電圧方程式から誘起電圧を求めて磁極位置を推定する方法があり、何れもインダクタンスの情報が必要である。
【0003】
一方、同期電動機の電動機定数のうちインダクタンスを自動測定する方法として、例えば、特開2000−50700号公報に記載された従来技術が知られている。
上記公報に記載された方法は、回転子の直軸方向に交流電流を通流したときの直軸交流電圧から直軸インダクタンスを演算し、横軸方向に交流電流を通流したときの横軸交流電圧から横軸インダクタンスを演算するものであり、回転子に突極性がある埋込磁石形永久磁石同期電動機(IPMモータ)やリラクタンスモータのインダクタンス測定に適している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
特開2000−50700号公報によるインダクタンス測定方法をセンサレス制御時のように位置検出器を持たない場合に適用すると、インダクタンス測定前にセンサレス制御による磁極位置の演算を行う必要があったり、もしくは、任意方向に直流電流を流して磁極位置が前記任意方向に一致するまで回転子を回転させて固定するといった、同期引き込みによる磁極位置合わせを行うことが必要である。
インダクタンスが不明の状態でセンサレス制御を行う場合、安定性に問題があり、制御系が不安定化する恐れがある。また、同期引き込みを行う場合には、回転子が逆転することがあるので、用途によっては適用できない場合もある。
そこで本発明は、センサレス制御に支障なく適用してインダクタンスを測定することができる同期電動機の制御装置を提供しようとするものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、同期電動機の電機子電流及び端子電圧をベクトルとしてとらえ、制御装置内部に任意の角周波数ωcで回転する回転座標軸dc−qc軸を定義する。
【0006】
まず、図2に座標軸の定義を示す。
同期電動機のu相巻線方向をα軸と定義し、これと直交する方向をβ軸と定義する。また、dc軸のα軸からの角度(dc軸位置)をθcと定義する。回転子の直軸方向をd軸、これと直交する方向をq軸と定義し、d軸のα軸からの角度をθとする。更に、dc軸とd軸との角度差をΔθとする。
【0007】
制御装置によりdc軸方向に交流電圧を印加して、このときのdc軸電流を検出する。このdc軸電流を前記交流電圧により同期整流することにより、交流電圧と同じ周波数の交流電流の振幅idhを検出する。
【0008】
図3に、Δθとdc軸方向のインダクタンス及びdc軸電流の関係を示す。
図3に示すように、dc軸インダクタンスはΔθの2倍周期で変化する関数であり、最小値が直軸インダクタンスLd、最大値が横軸インダクタンスLqとなる。
一方、dc軸電流idcは振幅idhがΔθの2倍周期で変化する交流電流となり、idhの最大値idhmaxと最小値idhminから直軸インダクタンスLd及び横軸インダクタンスLqをそれぞれ計算することができる。
【0009】
idhはΔθの2倍周期で変化する関数であることから、Δθが電気角で180°以上動いた期間、すなわち、回転子が静止している状態でdc軸を電気角で180°以上動かした期間内でdc軸電流の最大値idhmax及び最小値idhminを検出し、これらの値とdc軸電圧の周期及び振幅を用いて、後述する数式1,数式2により直軸インダクタンスLd及び横軸インダクタンスLqを演算する。
【0010】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の実施形態を示す制御ブロック図である。
図において20はインバータ等の電力変換器、30は埋込磁石形永久磁石同期電動機(IPMモータ)、1は矩形波状の高周波交流電圧を出力する発振器、2はdc軸電圧指令値vd *及びqc軸電圧指令値vq *を三相の電圧指令値vu *,vv *,vw *に変換する座標変換器、3は電圧指令値vu *,vv *,vw *をキャリア波形と比較して電力変換器20の各相のスイッチング素子に対するPWM信号(ゲート信号)を生成するPWM変調器、4は電動機30の電機子に流れるu相電流iu,w相電流iwを検出する電流検出器、5はこれらの電流を図5に示したdc−qc直交座標軸上のdc軸電流idcに変換する座標変換器、6はdc軸の角周波数設定値ωcを積分してdc軸位置θcを演算する積分器、7はdc軸電流idcの振幅idhを検出する高周波検出フィルタ、8はidhの最大値を検出する最大値検出器、9はidhの最小値を検出する最小値検出器、10はdc軸電圧指令値vd *とidhの最大値idhmaxとから直軸インダクタンスLdを演算する直軸インダクタンス演算器、11はdc軸電圧指令値vd *とidhの最小値idhminとから横軸インダクタンスLqを演算する横軸インダクタンス演算器である。
【0011】
以下、本実施形態の動作を説明する。
まず、積分器6はdc軸の角周波数設定値ωcを積分してdc軸位置θcを演算し、このdc軸位置θcは座標変換器2,5に入力される。
また、発振器1は矩形波状の交流信号を出力する。座標変換器2には、発振器1の出力信号がdc軸電圧指令値vd *として入力されており、qc軸電圧指令値vq *には零が設定されている。
【0012】
座標変換器2は、vd *,vq *をdc軸位置θcにより三相電圧指令値vu *,vv *,vw *に変換する。PWM変調器3は、vu *,vv *,vw *から電力変換器20に対するゲート信号を演算し、これにより電動機30の端子電圧を所望の値に制御する。
【0013】
電流検出器4は、電動機30のu相電流iu及びw相電流iwを検出し、座標変換器5は、これらのiu,iw及びdc軸位置θcからdc軸電流idcを演算する。
高周波検出フィルタ7はidcをvd *により同期整流して、vd *と同じ周波数成分の交流電流idhを検出する。図3に示したように、idhの最大値idhmax及び最小値idhminはdc軸位置θcを電気角で180°以上動かした期間内に必ず存在するので、最大値検出器8及び最小値検出器9は、この180°の期間内でidhの最大値idhmax、最小値idhminをそれぞれ検出する。
【0014】
直軸インダクタンス演算器10は、上記最大値idhmax及び後述するTvh,Vhを用いて数式1により直軸インダクタンスLdを演算し、横軸インダクタンス演算器11は上記最小値idhmin及びTvh,Vhを用いて数式2により横軸インダクタンスLqを演算する。
【0015】
【数1】
Ld=(1/idhmax)×(Tvh/2)×(Vh/2)
【0016】
【数2】
Lq=(1/idhmin)×(Tvh/2)×(Vh/2)
【0017】
なお、数式1,2において、
Tvh:発振器1の出力電圧(dc軸電圧指令値vd *)の周期
Vh:vd *の振幅(0−peak)
idhmax:idhの最大値(0−peak)
idhmin:idhの最小値(0−peak)
である。
【0018】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、センサレス制御時のように回転子の磁極位置が分からなくても、回転子に突極性のある埋込磁石構造の永久同期電動機やリラクタンスモータの直軸インダクタンス及び横軸インダクタンスを自動的に測定することができる。これにより、制御装置の調整を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態を示す制御ブロック図である。
【図2】座標軸の定義を説明する図である。
【図3】dc軸位置とdcインダクタンス及びdc軸電流の関係を示す図である。
【符号の説明】
1 発振器
2,5 座標変換器
3 PWM変調器
4 電流検出器
6 積分器
7 高周波検出フィルタ
8 最大値検出器
9 最小値検出器
10 直軸インダクタンス演算器
11 横軸インダクタンス演算器
20 電力変換器
30 埋込磁石形永久磁石同期電動機(IPMモータ)
Claims (1)
- 同期電動機の電機子電流及び端子電圧をベクトルとしてとらえ、
同期電動機に対する電圧指令値として任意の周波数で回転する回転座標軸(以下、dc軸という)に平行な方向の交流電圧を印加する手段と、
前記dc軸に平行な方向のdc軸電流を検出する手段と、
前記dc軸電流から前記交流電圧と同じ周波数の交流電流を検出する手段と、
前記dc軸が電気角で180°以上回転した期間における前記交流電流の最大値及び最小値を検出する手段と、
前記交流電圧の振幅及び周期と前記交流電流の最大値とを用いて直軸インダクタンスを演算する手段と、
前記交流電圧の振幅及び周期と前記交流電流の最小値とを用いて横軸インダクタンスを演算する手段と、
を備えたことを特徴とする同期電動機の制御装置。
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