JP5104219B2 - 永久磁石形同期電動機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機の制御装置に関し、詳しくは、回転子に突極性がある埋込磁石構造永久磁石形同期電動機の磁極位置を正確に演算し、高精度なトルク制御及び安定した運転を実現するための制御装置に関するものである。

永久磁石形同期電動機（以下、ＰＭＳＭともいう）の制御装置の低価格化や省スペース等の観点から、磁極位置検出器を用いずに磁極位置を推定して電動機を運転する、いわゆるセンサレス制御技術が実用化されている。
ところで、ＰＭＳＭは、回転子の構造によって、表面磁石構造永久磁石形同期電動機（以下、ＳＰＭＳＭともいう）と埋込磁石構造永久磁石形同期電動機（以下、ＩＰＭＳＭともいう）との２種類に大別される。これらのうち、ＩＰＭＳＭについては、回転子の突極性（回転子の磁極方向であるｄ軸と、これに直交するｑ軸とでインダクタンスが異なる性質）を利用して磁極位置を演算する技術が実用化されている。

例えば、非特許文献１及び特許文献１には、回転子の磁極方向であるｄ軸と、制御装置側で推定したｄ軸（両文献ではｄｃ軸と表記）との間に角度誤差がある場合に、推定のｄ軸とこれに直交する推定のｑ軸（両文献ではｑｃ軸と表記）との間に、前記角度誤差に依存して発生する相互インダクタンスを利用して磁極位置を演算する技術が開示されている。
具体的には、推定のｄ軸と平行なベクトルである高周波交番電圧を電動機に印加し、このときに推定のｑ軸方向に流れる高周波電流が零になるように磁極位置を演算している。これにより、零速度を含む低速時における電動機のセンサレス制御を可能にしている。

ところで、非特許文献２には、重負荷時に電動機鉄芯の磁気飽和によってｄ軸とｑ軸との間に相互インダクタンスが発生することが報告されている。この場合、非特許文献１や特許文献１に開示されている技術では、相互インダクタンスが零になるように磁極位置を演算しているため、重負荷時に磁極位置の演算誤差が発生する。
このような背景から、重負荷時における磁極位置の演算誤差を低減する技術が提案されている。

例えば、特許文献２には、推定のｄ軸方向に高周波交番電圧を印加したときに推定のｑ軸方向に流れる高周波電流の変化率が、推定の磁極位置が真値と一致するときに零になることを利用して磁極位置を演算し、更に、重負荷時に磁気飽和に起因して発生する位置演算誤差を補償値により補償している。
具体的には、ｑ軸方向に流れる高周波電流の変化率と、電流指令値から演算した磁極位置の補償値とを加算した評価関数を求め、この評価関数が零となるように比例積分制御を行って回転子の速度を演算し、その速度演算値を積分して磁極位置を演算している。
これにより、重負荷時に磁気飽和に起因して発生する位置演算誤差を補償し、磁極位置の高精度な演算を可能としている。

Takashi Aihara, Akio Toba, Takao Yanase, Akihide Mashimo, Kenji Endo, 「Sensorless Torque Control of Salient-Pole Synchronous Motor at Zero-Speed Operation」, IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 14, NO.1, JANUARY 1999 高橋 暁史，小春木 春雄，菊池 聡，井出 一正，島 和男，「磁気飽和領域における永久磁石同期機のリアクタンス評価法に関する考察」，電気学会論文誌Ｄ，Vol.126，No.12，2006，p.1722-1729 特許第３３１２４７２号公報（段落［００１４］〜［００４４］、図１，図５，図６等） 特許第３６９２０４６号公報（段落［０１０１］〜［０１１２］、図８等）

特許文献１の段落［００１０］または非特許文献１から明らかなように、推定のｄ軸方向に高周波交番電流を印加したときに推定のｑ軸方向に流れる高周波電流は、位置演算誤差の２倍周期で変化する正弦波関数である。このため、磁極位置演算を安定に実施できるのは、位置演算誤差が±４５度の範囲である。
また、特許文献２に記載されている如く、推定のｑ軸方向に流れる高周波電流の変化率に補償値を加算した評価関数が零になるように磁極位置及び速度を演算する場合、補償値が大きいほど、位置演算誤差の安定領域がどちらかに偏る。この結果、重負荷時を含む負荷急変時や加減速時の安定性が低下するという問題がある。

そこで、本発明の解決課題は、重負荷時などにおいても位置演算誤差を正確に補償して高精度なトルク制御と安定なセンサレス運転を可能にした永久磁石形同期電動機の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記電動機の端子電圧及び電流をベクトルとしてとらえ、
前記電動機のトルク指令値または前記電動機の推定磁極位置に直交する方向の電流指令値から、任意の方向を持つ高周波交番電圧を演算する高周波電圧演算手段と、
前記高周波電圧演算手段により演算した高周波交番電圧を基本波電圧指令値に重畳する手段と、
前記推定磁極位置と直交する方向の高周波電流から回転子の磁極位置を演算する手段と、を備えたものである。
すなわち、請求項１に係る発明は、電圧指令値に重畳する高周波交番電圧の方向をトルク指令値または推定磁極位置に直交する方向の電流指令値によって補正することにより、推定磁極位置と直交する方向の高周波電流から磁極位置を演算する。
この発明によれば、高周波交番電圧の方向を推定磁極位置から補正した分だけ磁極位置の演算誤差を補正することができ、従来技術のように、磁極位置演算の安定性を低下させることはない。

請求項２に係る発明は、前記高周波電圧演算手段が、
前記電動機のトルク指令値または前記推定磁極位置に直交する方向の電流指令値から、前記推定磁極位置と直交する方向の高周波交番電圧の振幅を演算する手段と、
前記振幅を用いて前記推定磁極位置と直交する方向の高周波交番電圧を演算する手段と、
前記推定磁極位置と平行な方向の高周波交番電圧を演算する手段と、
を備えたものである。

また、請求項３に係る発明は、請求項２において、前記電動機のトルク指令値または前記推定磁極位置に直交する方向の電流指令値に比例ゲインを乗じて得た位置補正値を用いて、前記推定磁極位置と直交する方向及び平行な方向の高周波交番電圧の振幅を演算するものである。
更に、請求項４に係る発明は、請求項２において、前記電動機のトルク指令値または前記推定磁極位置に直交する方向の電流指令値に比例ゲインを乗じて得た振幅係数を用いて、前記推定磁極位置と直交する方向の高周波交番電圧の振幅を演算すると共に、前記推定磁極位置に平行な方向の高周波交番電圧の振幅を一定値としたものである。
前記請求項２に係る発明によれば、請求項１の発明と同様に、高周波交番電圧の方向を、トルク指令値、または、推定磁極位置と直交する方向の電流指令値に基づいて、請求項３または請求項４による簡単な演算によって制御することができ、磁極位置の演算誤差を補正することができる。

本発明によれば、ＩＰＭＳＭのように突極性を有する永久磁石形同期電動機において、電動機に印加する高周波交番電圧のベクトル方向を補正することにより、重負荷時に電動機鉄芯の磁気飽和に起因して発生する位置演算誤差を補償することができ、これによって高精度なトルク制御と安定なセンサレス運転が可能になる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。まず、図１は請求項１，２に係る本発明の第１実施形態を示すブロック図である。
周知のように、ＰＭＳＭは、回転子の磁極方向に平行なｄ軸とｄ軸から９０度進んだｑ軸とで電流制御を行うことにより、高精度な制御を実現することができる。しかしながら、電動機が磁極位置検出器を持たない場合、ｄ，ｑ軸を直接検出することができない。

このため、d，ｑ軸に対応した角速度ω_１（＝速度演算値）で回転する直交回転座標系のγ，δ軸上で制御演算を行っている。このγ，δ軸の定義を図５に示す。なお、図５において、ω_ｒはｄ，ｑ軸の回転角速度、θ_ｅｒｒはｄ，ｑ軸とγ，δ軸との角度誤差（位置演算誤差）である。
なお、γ軸方向を便宜的に推定磁極位置に平行な方向といい、δ軸方向を推定磁極位置に直交する方向というものとする。

まず、本実施形態において、磁極位置演算値θ_１と速度演算値ω_１とを利用して永久磁石形同期電動機の速度を指令値に制御する方法を説明する。
図１において、速度指令値ω^＊と速度演算器２５から出力される速度演算値ω_１との偏差を減算器１６により演算し、この偏差を速度調節器１７により増幅してトルク指令値τ^＊を演算する。電流指令演算器１８は、トルク指令値τ^＊に従ったトルクを出力するためのγ，δ軸電流指令値ｉ_γ ^＊，ｉ_δ ^＊を演算する。

また、電流座標変換器１４は、ｕ相電流検出器１１ｕ、ｗ相電流検出器１１ｗによってそれぞれ検出した相電流検出値ｉ_ｕ，ｉ_ｗから三相電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗを求め、これらを磁極位置演算器２６から出力される磁極位置演算値θ_１に基づいて上記三相電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗをγ，δ軸電流検出値ｉ_γ，ｉ_δに座標変換する。
ノッチフィルタ２３は、γ，δ軸電流検出値ｉ_γ，ｉ_δから、磁極位置演算のためにγ軸方向の電圧指令値に重畳される高周波交番電圧によって流れる高周波交番電流を除去し、γ，δ軸基本波電流ｉ_γｆ，ｉ_δｆを検出する。

減算器１９ａにより、γ軸電流指令値ｉ_γ ^＊とγ軸基本波電流ｉ_γｆとの偏差を求め、この偏差をγ軸電流調節器２０ａにより増幅してγ軸基本波電圧指令値ｖ_γｆ ^＊を演算する。同様にして減算器１９ｂにより、δ軸電流指令値ｉ_δ ^＊とδ軸基本波電流ｉ_δとの偏差を求め、この偏差をδ軸電流調節器２０ｂにより増幅してδ軸基本波電圧指令値ｖ_δｆ ^＊を演算する。

高周波電圧演算器２１は、後に詳述するように、速度調節器１７から出力されるトルク指令値τ^＊から、γ軸方向の高周波電圧指令値ｖ_γｈ ^＊及びこれに直交するδ軸方向の高周波電圧指令値ｖ_δｈ ^＊を演算する。
これらの高周波電圧指令値ｖ_γｈ ^＊，ｖ_δｈ ^＊は、加算器２２ａ，２２ｂにおいて基本波電圧指令値ｖ_γｆ ^＊，ｖ_δｆ ^＊にそれぞれ重畳され、γ，δ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊，ｖ_δ ^＊として出力される。
これらの電圧指令値ｖ_γ ^＊，ｖ_δ ^＊は、電圧座標変換器１５により、磁極位置演算値θ_１に基づいて相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に変換される。

一方、三相交流電源５０の交流電圧は整流回路６０により直流電圧に変換され、インバータ等の電力変換器７０に供給される。ＰＷＭ回路１３は、前記相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊、及び、入力電圧検出回路１２により検出した電力変換器７０の入力電圧Ｅ_ｄｃから、電力変換器７０の出力電圧を前記相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に制御するためのゲート信号を生成する。電力変換器７０は、ゲート信号に基づいて内部の半導体スイッチング素子を制御し、ＩＰＭＳＭ等の永久磁石形同期電動機８０の端子電圧を相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に制御する。

次に、ＩＰＭＳＭ等の回転子の突極性を利用した磁極位置及び速度の演算原理について説明する。
まず、γ軸方向に正弦波の高周波交番電圧Ｖ_ｈｓｉｎω_ｈｔを印加したときの高周波成分の状態方程式は、数式１によって表される。

このときに流れるγ，δ軸方向の高周波電流ｉ_γｈ，ｉ_δｈは、数式１の状態方程式を積分することにより、数式２によって表される。

上式より、γ軸方向に高周波交番電圧を印加すると、このときのδ軸高周波電流は、位置演算誤差θ_ｅｒｒの２倍周期で変化することが明らかである。なお、図６は、位置演算誤差θ_ｅｒｒとγ，δ軸高周波電流振幅Ｉ_γｈ，Ｉ_δｈとの関係を示している。
以上の結果から、δ軸高周波電流振幅Ｉ_δｈを入力とするＰＬＬ回路を構成すれば、磁極位置演算値を真値に収束させることができる。

次に、図１における磁極位置演算及び速度演算について説明する。
バンドパスフィルタ２４は、γ，δ軸電流検出値ｉ_γ，ｉ_δから高周波交番電圧と同じ周波数の高周波電流の振幅Ｉ_γｈ，Ｉ_δｈをそれぞれ演算する。これらのＩ_γｈ，Ｉ_δｈは、フーリエ級数展開によって演算する。
速度演算器２５は、δ軸高周波電流振幅Ｉ_δｈを比例積分演算して速度演算値ω_１を求める。磁極位置演算器２６は、速度演算値ω_１を積分して磁極位置演算値θ_１を求める。
これらの演算によってδ軸高周波電流振幅Ｉ_δｈを零に収束させるＰＬＬ回路が構成され、磁極位置θ_１を演算することができる。

図２は、図１における高周波電圧演算器２１の第１実施例を示すブロック図であり、請求項３に係る発明に相当している。
図２において、図１の速度調節器１７から出力されたトルク指令値τ^＊は比例ゲイン１２１により増幅され、位置補正値θ_ｃｏｍｐが演算される。高周波電圧振幅演算器１２２は、位置補正値θ_ｃｏｍｐと高周波電圧振幅指令値Ｖ_ｈ ^＊とを用いて、γ，δ軸高周波電圧振幅指令値Ｖ_γｈ ^＊，Ｖ_δｈ ^＊を数式３により演算する。

乗算器１１２ａ，１１２ｂは、発振器１１１から出力される正弦波信号ｓｉｎω_ｈｔと前記振幅指令値Ｖ_γｈ ^＊，Ｖ_δｈ ^＊とをそれぞれ乗算して高周波電圧指令値ｖ_γｈ ^＊，ｖ_δｈ ^＊を演算する。

上記の演算により、無負荷時（τ^＊＝０）にはγ軸高周波電圧指令値ｖ_γｈ ^＊のみを発生させて基本波電圧指令値ｖ_γｆ ^＊に重畳し（高周波交番電圧のベクトル方向をγ軸に一致させ）、トルク指令値τ^＊の増加と共に位置補正値θ_ｃｏｍｐを増加させることで、基本波電圧指令値に重畳する高周波交番電圧のベクトル方向を、基準となるγ軸から変化させて補正することができる。
従って、トルク指令値τ^＊に応じてベクトル方向が補正された高周波交番電圧に起因するδ軸高周波電流振幅Ｉ_δｈに基づいて速度演算値ω_１及び磁極位置演算値θ_１を求めることができ、例えば重負荷時のように電動機鉄芯の磁気飽和に起因して発生する位置演算誤差を補償することができる。

次に、図３は、図１における高周波電圧演算器２１の第２実施例を示すブロック図であり、請求項４に係る発明に相当している。
この実施例では、γ軸高周波電圧振幅指令値Ｖ_γｈ ^＊を一定値Ｖ_ｈ ^＊に設定する。
一方、δ軸高周波電圧振幅指令値Ｖ_δｈ ^＊は、トルク指令値τ^＊に比例して制御する。具体的には、トルク指令値τ^＊を比例ゲイン１３１により増幅してδ軸高周波電圧振幅係数Ｋ_ｖδｈを求め、乗算器１３２により、δ軸高周波電圧振幅係数Ｋ_ｖδｈと高周波電圧振幅指令値Ｖ_ｈ ^＊とを乗算してδ軸高周波電圧振幅指令値Ｖ_δｈ ^＊を演算する。

高周波電圧指令値ｖ_γｈ ^＊，ｖ_δｈ ^＊は、高周波電圧振幅指令値Ｖ_γｈ ^＊（＝Ｖ_ｈ ^＊），Ｖ_δｈ ^＊と発振器１１１から出力される正弦波信号ｓｉｎω_ｈｔとを乗算器１１２ａ，１１２ｂによりそれぞれ乗算して演算する。
この第２実施例によれば、高周波電圧演算器２１の演算内容を図２の第１実施例よりも簡略化することができる。

次いで、図４は、請求項１，２に係る本発明の第２実施形態を示すブロック図である。
この実施形態は、図２または図３の各実施例における高周波電圧演算器２１の入力を、トルク指令値τ^＊からδ軸電流指令値ｉ_δ ^＊に置き換えたものである。高周波電圧演算器２１の内部演算は、図２または図３のブロック図におけるトルク指令値τ^＊をδ軸電流指令値ｉ_δ ^＊に置き換えればよい。
この実施形態の動作は図２または図３の実施例と同等であるので、重複を避けるために詳細な説明は省略する。

なお、以上の説明は、磁極位置演算のためにγ，δ軸電圧指令値に重畳する高周波交番電圧の波形を正弦波とした場合のものであるが、本発明は、高周波交番電圧の波形を矩形波とした場合にも同様に適用可能である。

本発明の第１実施形態を示すブロック図である。 図１における高周波電圧演算器の第１実施例を示すブロック図である。 図１における高周波電圧演算器の第２実施例を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態を示すブロック図である。 γ，δ軸の定義を示す図である。 γ軸方向に高周波交番電圧を印加したときの、位置演算誤差と高周波電流振幅との関係を示す図である。

符号の説明

１１ｕ ｕ相電流検出回路
１１ｗ ｗ相電流検出回路
１２ 入力電圧検出回路
１３ ＰＷＭ回路
１４ 電流座標変換器
１５ 電圧座標変換器
１６ 減算器
１７ 速度調節器
１８ 電流指令演算器
１９ａ，１９ｂ 減算器
２０ａ γ軸電流調節器
２０ｂ δ軸電流調節器
２１ 高周波電圧演算器
２２ａ，２２ｂ 加算器
２３ ノッチフィルタ
２４ バンドパスフィルタ
２５ 速度演算器
２６ 磁極位置演算器
５０ 三相交流電源
６０ 整流回路
７０ 電力変換器
８０ 永久磁石形同期電動機
１１１ 発振器
１１２ａ，１１２ｂ，１３２ 乗算器
１２１，１３１ 比例ゲイン
１２２ 高周波電圧振幅演算器

Claims (4)

1. 磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機の制御装置において、
   前記電動機の端子電圧及び電流をベクトルとしてとらえ、
   前記電動機のトルク指令値または前記電動機の推定磁極位置に直交する方向の電流指令値から、任意の方向を持つ高周波交番電圧を演算する高周波電圧演算手段と、
   前記高周波電圧演算手段により演算した高周波交番電圧を基本波電圧指令値に重畳する手段と、
   前記推定磁極位置と直交する方向の高周波電流から回転子の磁極位置を演算する手段と、
   を備えたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
2. 請求項１に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
   前記高周波電圧演算手段は、
   前記電動機のトルク指令値または前記推定磁極位置に直交する方向の電流指令値から、前記推定磁極位置と直交する方向の高周波交番電圧の振幅を演算する手段と、
   前記振幅を用いて前記推定磁極位置と直交する方向の高周波交番電圧を演算する手段と、
   前記推定磁極位置と平行な方向の高周波交番電圧を演算する手段と、
   を備えたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
3. 請求項２に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
   前記電動機のトルク指令値または前記推定磁極位置に直交する方向の電流指令値に比例ゲインを乗じて得た位置補正値を用いて、前記推定磁極位置と直交する方向及び平行な方向の高周波交番電圧の振幅を演算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。
4. 請求項２に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
   前記電動機のトルク指令値または前記推定磁極位置に直交する方向の電流指令値に比例ゲインを乗じて得た振幅係数を用いて、前記推定磁極位置と直交する方向の高周波交番電圧の振幅を演算すると共に、前記推定磁極位置に平行な方向の高周波交番電圧の振幅を一定値としたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
   
   
   

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