JP5130031B2 - 永久磁石モータの位置センサレス制御装置 - Google Patents

永久磁石モータの位置センサレス制御装置 Download PDF

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Description

本発明は、永久磁石モータの位置センサレスベクトル制御システムにおいて、モータが設置される雰囲気温度やモータの負荷状態など、また、モータと電力変換器(インバータ)間との配線の延長/短縮などによる「抵抗成分の変化」に起因する「低速回転域における脱調現象」を抑制し、抵抗成分に低感度なベクトル制御を実現する制御技術に関するものである。
位置センサレスベクトル制御方式の技術としては、特開2001−251889号公報記載のように、「制御軸基準の位相推定値θc*」と「永久磁石モータの位相値θ」との誤差値(以下、軸誤差Δθ)を演算により推定を行う方式が知られている。
この方式は、ベクトル制御の出力である電圧指令値(Vdc*,Vqc*)と電流検出値(Idc,Iqc)および速度指令値(ω1c)を用いて、(数1)に従い、軸誤差の推定演算を行う方法である。
ここに、
Vdc*:d軸の電圧指令値、 Vqc*:q軸の電圧指令値
Idc :d軸の電流検出値、 Iqc :q軸の電流検出値
R :モータの巻抵抗値と、モータと電力変換器の配線抵抗値との加算値
Ld :d軸インダクタンス値、 Lq :q軸インダクタンス値
Ke :誘起電圧定数 * :設定値
さらに、この軸誤差の推定値Δθcを「ゼロ」とするように速度推定値ω1cを制御し、積分処理することで位相推定値θc*を作成している。
特開2001−251889号公報
ベクトル制御演算と軸誤差推定演算には、モータの巻線抵抗値と、電力変換器(インバータ)とモータとの配線抵抗値とを加算した抵抗値Rを設定する必要がある。
この設定値R*に、設定誤差(R−R*)が生じていると、低速回転域において、インパクト負荷外乱などが入った場合、実際の位相誤差値Δθと推定位相誤差値Δθcにズレが生じ、その結果、最適な位相を制御することができず、脱調状態(運転不能)に陥ってしまう場合があった。
本発明は、一つの特徴は、軸誤差の推定演算において、抵抗の設定値R*は用いずに、d軸の電圧指令値Vdc**を、q軸の電流検出値Iqcあるいは電流指令値Iq*とインダクタンス値Lq*および速度推定値ω1cらの3つの信号の乗算値を加算し、該演算値を、速度指令値ωr *と誘起電圧定数Ke*の乗算値で、除算することを特徴とする。
モータ定数の設定誤差があっても、脱調せずに安定な運転を実現することができる永久磁石モータの位置センサレス制御装置を提供できる。
以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。
〔第1の実施例〕
図1は、本発明の一実施例である「永久磁石モータの位置センサレス制御装置」の構成例を示す。
永久磁石モータ1は、永久磁石の磁束によるトルク成分と電機子巻線のインダクタンスによるトルク成分を合成したモータトルクを出力する。
電力変換器2は、3相交流の電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*に比例した電圧を出力し、永久磁石モータ1の出力電圧と回転数を可変する。
直流電源21は、電力変換器2に直流電圧を供給する。
電流検出器3は、永久磁石モータ1の3相の交流電流Iu,Iv,Iwを検出する。
座標変換部4は、前記3相の交流電流Iu,Iv,Iwの検出値Iuc,Ivc,Iwcと位相推定値θc*からd軸およびq軸の電流検出値Idc,Iqcを出力する。
軸誤差推定部5は、電圧指令値Vdc*,Vqc*,速度推定値ω1c,速度指令値ωr *,電流指令値Id*,Iq*のローパスフィルタ出力値Id* td,Iq* tdおよびモータ定数(Lq,Ke)に基づいて、位相推定値θc*とモータの位相値θとの偏差である軸誤差の推定演算を行い、推定値Δθcを出力する。
速度推定部6は、「零」である軸誤差の指令値Δθc*と軸誤差の推定値Δθcとの偏差から速度推定値ω1cを出力する。
位相推定部7は、速度推定値ω1cを積分して、座標変換部4,13に位相推定値θc*を出力する。
速度制御部8は、速度指令値ωr *と速度推定値ω1cとの偏差から、q軸の電流指令値Iq*を出力する。
d軸電流指令設定部9は、低速回転域では、「零」であるd軸の電流指令値Id*を出力する。
q軸の電流制御部10は、第1のq軸の電流指令値Iq*と電流検出値Iqcとの偏差から第2のq軸電流指令値Iq**を出力する。
d軸の電流制御部11は、第1のd軸の電流指令値Id*と電流検出値Idcとの偏差から第2のd軸電流指令値Id**を出力する。
ベクトル制御部12は、永久磁石モータ1の電気定数(R,Ld,Lq,Ke)と第2の電流指令値Id**,Iq**および速度推定値ω1cに基づいて、d軸およびq軸の電圧指令値Vdc*,Vqc*を出力する。
座標変換部13は、電圧指令値Vdc*,Vqc*と位相推定値θc*から3相交流の電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*を出力する。
ローパスフィルタ14は、q軸の電流指令値Iq*を入力し、軸誤差推定部5に用いる電流指令値Iq* tdを出力する。
最初に、電圧と位相の基本的な制御方法について述べる。
電圧制御の基本動作は、d軸およびq軸の電流制御部10および11において、上位から与えられる第1の電流指令値Id*,Iq*と電流検出値Idc,Iqcを用いて、ベクトル制御に用いる中間的な第2の電流指令値Id**,Iq**を演算する。
ベクトル制御部12では、第2の電流指令値Id**,Iq**と速度推定値ω1cおよびモータ定数の設定値を用いて、(数2)に示す電圧指令値Vdc*,Vqc*を演算し、インバータの3相の電圧指令値Vu*,Vv*,Vv*を制御する。
一方、位相制御の基本動作については、軸誤差推定部5において、電圧指令値Vdc*と電流指令値Iq*のローパスフィルタ出力値Iq* tdと速度推定値ω1c,速度指令値ωr *およびモータ定数の設定値(Lq*,Ke*)を用いて、位相推定値θc*とモータ位相値θの偏差である軸誤差値Δθ(=θc*−θ)の推定演算は、(数3)により行う。
また、速度推定部6では、軸誤差の推定値Δθcを「零」とするように、(数4)に示す演算により、速度推定値ω1cを制御する。
ここに、Kp:比例ゲイン、Ki:積分ゲイン
比例ゲインKp,積分ゲインKiは、(数4)のように設定している。
ここに、N :速度推定部6の比例・積分ゲインの折れ点比[倍]
ωPLL:速度推定部6の制御応答角周波数[rad/s]
位相推定部7では、速度推定値ω1cを用いて、(数6)に示す演算で、位相推定値θc*を制御する。
以上が、電圧制御と位相制御の基本動作である。
次に、本発明の特徴である「軸誤差推定部5」の前に、「従来の軸誤差推定方式である(数1)を用いた場合」の運転特性について述べる。
図2には、「(数1)の演算に設定するR*と実際の抵抗値Rが一致している場合の運転特性」を示す。
速度指令値ωr *を低速回転数(定格速度の2.5%)に設定し、負荷トルクτLをランプ状に、図中のa点(零)からb点(100%負荷)まで印加する。
負荷トルクτLを印加している期間(a−bの区間)において、モータ速度ωrは所定値分だけ低下するが、b点以降は、速度指令値ωr *に追従し、安定な運転を実現できている。
図中のa,b点付近において、軸誤差は、絶対値で約3〜4deg発生していることがわかる。
一方、図3には、「数(1)の演算に設定するR*と実際の抵抗値Rに設定ズレが存在する場合(R/R*=0.5)の運転特性」を示す。
図中のc点付近において発生している軸誤差Δθは約5度発生しており、図2の場合の約2倍発生している。約40%の負荷トルク値から、軸誤差Δθは振動しており、d点において、脱調している様子がわかる。
つまり、速度推定部6に設定するR*と実際の抵抗値Rに設定ズレが存在する場合、脱調現象に陥ってしまう場合がある。
次に、この「脱調現象の原因」について説明する。
(数1)に示す従来の軸誤差推定の演算式に、(数2)の電圧指令値(Vd**,Vq**)を代入すると、
ここで、モータ定数(R,Ld,Lq,Ke)と、ベクトル制御部12と軸誤差推定部5に設定する制御定数(R*,Ld*,Lq*,Ke*)を用いて、q軸の電流制御部10の出力値Iq**とd軸の電流制御演算部11の出力Id**を表すと、(数8)を得る。
(数8)を、(数7)に代入し、
(数9)において、Δθの変化分が少ないと仮定した場合、cosΔθ≒1,sinΔθ≒Δθと近似することができる。
ここで、d軸電流指令値Id*=0に設定し、電流制御を行い、q軸インダクタンスLqを既知(Lq*=Lq)とした場合、(数10)を得ることができる。
(数10)において、分母項の抵抗値Rに着目すると、
R=R*の場合は、Δθc=Δθとなるが、
R≠R*の場合には、推定値Δθcに、抵抗の設定誤差成分[(R−R*)・Iqc]が含れていることがわかる。
モータ速度ωrが所定値の場合、軸誤差Δθは定常的に零であるが、ωrの変化時などの過渡時には、Δθが発生する。
q軸の電流検出値Iqcが「正」の場合に、Δθが発生すると、
R>R*の場合:
(数10)の分母値は大きくなり、推定値Δθcは、Δθより小さく演算される。
つまり、軸誤差Δθが発生しても、制御系では、Δθcの変化幅が小さいと認識するため(θc*の変化は少なく、θとの誤差は大きくなる)、脱調し易い状態となってしまう。
R<R*の場合:
(数10)の分母値は小さくなり、推定値Δθcは、Δθより大きく演算される。
抵抗の設定誤差成分[(R−R*)・Iqc]は「負」の極性となり、誘起電圧成分[ω1c・Ke]を相殺してしまうため、分母値は減少方向となる。分母値が「ゼロ」になった時点で脱調状態となってしまう。
つまり、低速回転域においては、抵抗の設定誤差(R−R*)が存在すると、脱調し易い状態に陥ってしまう問題があった。
ここからは、本発明の特徴となる。
軸誤差推定部5についての構成について説明を行う。図4を用いて、軸誤差推定部5を説明する。
軸誤差推定部5において、分子演算部51では、d軸の電圧指令値Vdc*を、周波数推定値ω1cおよびq軸電流指令値のローパスフィルタ出力とモータ定数であるq軸インダクタンス値Lqの設定値Lq*の3つの信号の乗算結果を加算する。
分母演算部52では、速度指令値ωr *とモータ定数である誘起電圧定数Ke*の2つの信号を乗算する。
この分子演算値と分母演算値との除算演算を行い、軸誤差推定値Δθcを出力する。また、軸誤差Δθの変化が大きく出るような場合には、この除算演算の代わりに、(数11)に示す逆正接演算を行うと、高精度にΔθを推定することもできる。
本発明では、(数10)の分母値に着目し、抵抗の設定誤差(R−R*)に対して、低感度化を図るため、分母値の演算には、ωr *・Ke*の乗算値を用いるようにしている。
つまり、軸誤差推定部5において、推定値Δθcの演算には、前述の(数3)あるいは(数11)を用いる。
ここで、本発明の特徴である、(数3)を用いた軸誤差推定の効果を示す。
図5は、R>R*の場合(R/R*=2)の特性、図6はR>R*(R/R*=0.5)の特性である。
図5,図6共に、抵抗の設定誤差(R−R*)に対して低感度化されており、R≠R*の場合でも、安定に運転動作している様子がわかる。
このとき、軸誤差Δθは、図5,図6共に、絶対値で約5deg発生している。
(R−R*)が存在する場合でも、軸誤差Δθの大きさは変わらないことがわかる。
ここで、モータ速度ωrと軸誤差Δθの関係について説明する。
モータ速度ωrから速度推定値ω1cまでの一巡伝達関数Gω_est(S)は、数(12)で示すことができる。
さらに、速度推定値ω1cとモータ速度ωrとの誤差の積分値が軸誤差となることから、モータ速度ωrから軸誤差推定値Δθcまでの伝達関数GPLL(S)は、(数5)も用いると、(数13)となる。
ここに、Nは、速度推定部6の比例・積分ゲインの折れ点比[倍]で、通常は5倍程度であり、(数13)の「N」に「5」を代入すると、(数14)を得る。
ここで、速度推定演算の制御応答は、10rad/sから1000rad/s程度であり、この数値を(数14)のωPLLに何ケースか代入し、軸誤差Δθと波形が略一致すれば、(数3)あるいは(数11)の演算方式を用いているものと証明することができる。
尚、本実施例では、軸誤差推定部5に、ローパスフィルタ14の出力信号を用いているが、速度制御部8の制御ゲインが低く、それらの出力信号であるIq*の動きが緩慢であれば、Iq* tdの代わりに、Iq*を直接用いて、Δθcの推定演算を行って良い。また、Iq* tdの代わりに電流検出値Iqを用いても良い。
さらに、本実施例では、軸誤差推定部5の分母項の演算に、速度指令値ωr *を用いているが、速度指令値ωr *が急変するような場合には、ωr *に速度制御部8の制御ゲイン相当のローパスフィルタを通し、この信号を用いて、Δθcの推定演算を行っても良い。そして、速度指令値ωr *の変わりに速度推定値ω1cを用いても良い。
〔第2の実施例〕
第1の実施例では、軸誤差推定部5の分母項に着目し、抵抗の設定誤差(R−R*)に対して、低感度化するため、分母の演算には、ωr *.Ke*の乗算値を用いるようにしたが、本実施例は、軸誤差推定演算の分子項のみで制御する方式である。
図7に、この実施例を示す。図において、1〜4,6〜14,21は、図1のものと同一物である。軸誤差情報推定部5aについての構成について説明を行う。
図8を用いて、軸誤差情報推定部5aを説明する。
軸誤差情報推定部5aでは、d軸の電圧指令値Vdc*を、周波数推定値ω1cおよびq軸電流指令値のローパスフィルタ出力Iq* tdとモータ定数であるq軸インダクタンス値Lqの設定値Lq*の3つの信号の乗算結果と加算する。
この演算を行い、軸誤差推定値Δθcを出力する。軸誤情報推定部5aは、(数15)を用いて、軸誤差Δθを含む電圧値Δed*を演算し、出力する。
(数15)において、cosΔθ≒1,sinΔθ≒Δθの近似を行い、q軸インダクタンスLqを既知(Lq*=Lq)とした場合、(数16)を得ることができる。
この場合も、単純な構成で、抵抗の設定誤差(R−R*)に対して、低感度化を図ることができ、R≠R*の場合でも、安定に動作することができる。
これまでは、第1,2の実施例において、第1の電流指令値Id*,Iq*と電流検出値Idc,Iqcから、第2の電流指令値Id**,Iq**を作成して、この電流指令値を用いてベクトル制御演算を行ったが、
1)第1の電流指令値Id*,Iq*に電流検出値Idc,Iqcから、電圧補正値ΔVd*,ΔVq*を作成して、この電圧補正値と、第1の電流指令値Id*,Iq*,速度推定値ω1c,永久磁石モータ1の電気定数(R*,Ld*,Lq*,Ke*)を用いて、(数17)に従い電圧指令値Vdc*,Vqc*を演算するベクトル制御演算方式や、
2)第1のd軸の電流指令Id*(=0)およびq軸の電流検出値Iqcの一次遅れ信号Iqctdおよび速度指令値ωr *、永久磁石モータ1の電気定数(R*,Ld*,Lq*,Ke*)を用いて、(数18)に従い電圧指令値Vdc*,Vqc*を演算する制御演算方式にも適用することはできる。
尚、本実施例でも、軸誤差推定部5に、ローパスフィルタ14の出力信号を用いているが、速度制御部8の制御ゲインが低く、それらの出力信号であるIq*の動きが緩慢であれば、Iq* tdの代わりに、Iq*を直接用いて、Δθcの推定演算を行って良い。また、Iq* tdの代わりに電流検出値Iqを用いても良い。そして、速度指令値ωr *の変わりに速度推定値ω1cを用いても良い。
また、第1,2の実施例では、高価な電流検出器3で検出した3相の交流電流Iu〜Iwを検出する方式であったが、電力変換器2の過電流検出用に取り付けているワンシャント抵抗に流れる直流電流から、3相のモータ電流Iu^,Iv^,Iw^を再現し、この再現電流値を用いる「低コストなシステム」にも対応することができる。
以上のように、本発明は、モータの巻線抵抗値と、インバータ(電力変換器)とモータとの配線抵抗値とを加算した抵抗値Rと、制御系(ベクトル演算,軸誤差推定)に設定するR*との間に、設定誤差(R−R*)が生じている場合でも、低速回転域においても、脱調せずに安定な運転を実現することができる。
また、安価な電流検出を行うシステムについても、共通に適用可能な「永久磁石モータの位置センサレス制御装置」を提供できる。
本発明の一実施例を示す永久磁石モータの位置センサレス制御装置の構成図。 従来の軸誤差推定演算を用いた場合における、実際の抵抗値Rと制御系の設定値R*とに設定ズレが存在する場合の運転特性(R/R*=1)。 実際の抵抗値Rと制御系の設定値R*とに設定ズレが存在する場合の運転特性(R/R*=0.5)。 本発明の特徴である軸誤差推定演算の構成図。 本発明の軸誤差推定演算を用いた場合における、実際の抵抗値Rと制御系の設定値R*とに設定ズレが存在する場合の運転特性(R/R*=2)。 本発明の軸誤差推定演算を用いた場合における、実際の抵抗値Rと制御系の設定値R*とに設定ズレが存在する場合の運転特性(R/R*=0.5)。 本発明の他の実施例を示す永久磁石モータの位置センサレス制御装置の構成図。 本発明の特徴である軸誤差情報推定演算の構成図。
符号の説明
1 永久磁石モータ
2 電力変換器
3 電流検出器
4,13 座標変換部
5 軸誤差推定部
6 速度推定部
7 位相推定部
8 速度制御部
9 d軸電流指令設定部
10 q軸電流制御部
11 d軸電流制御部
12 ベクトル制御部
14 ローパスフィルタ
Id* 第1のd軸電流指令値
Id** 第2のd軸電流指令値
Iq* 第1のq軸電流指令値
Iq** 第2のq軸電流指令値
Vdc* d軸の電圧指令値
Vqc* q軸の電圧指令値
Idc d軸の電流検出値
Iqc q軸の電流検出値
θc モータの位相値
θc* 位相推定値
Δθ 軸誤差
Δθc 軸誤差の推定値
Δed* 軸誤差Δθを含む電圧値
ωr モータ速度
ω1c 速度推定値

Claims (12)

  1. 永久磁石モータを駆動する電力変換器の出力周波数と出力電圧を制御するベクトル制御演算手段と、永久磁石モータの速度推定値を積分して求めた位相推定値と永久磁石モータの位相値との偏差である軸誤差の情報を含む軸誤差情報を推定する軸誤差情報推定演算手段と、軸誤差情報の推定値を、軸誤差情報の推定値の指令値に一致するように制御する速度推定演算手段とを有する永久磁石モータの位置センサレス制御装置において、
    前記軸誤差情報推定演算手段では、
    ベクトル制御のd軸の電圧指令値Vdc*と、q軸の電流指令値Iq*のローパスフィルタ出力値Iq*tdと速度推定値ω1cと、速度指令値ωr*と、モータ定数の設定値(Lq*,Ke*)を用いて、位相推定値θc*とモータ位相値θの偏差である軸誤差値Δθ(=θc*−θ)を(数3)により演算する
    永久磁石モータの位置センサレス制御装置
  2. 請求項1において、
    軸誤差情報推定演算手段は
    ベクトル制御演算の出力であるd軸の電圧指令値を、
    q軸の電流検出値あるいは電流指令値と、インダクタンス値および速度推定値あるいは速度指令値らの3つの信号の乗算値と加算することにより、前記軸誤差情報を推定することを特徴とする永久磁石モータの位置センサレス制御装置。
  3. 永久磁石モータを駆動する電力変換器の出力周波数と出力電圧を制御するベクトル制御演算手段と、永久磁石モータの速度推定値を積分して求めた位相推定値と永久磁石モータの位相値との偏差である軸誤差を推定する軸誤差推定演算手段と、軸誤差推定値を、軸誤差の指令値に一致するように制御する速度推定演算手段とを有する永久磁石モータの位置センサレス制御装置において、
    軸誤差推定演算手段では、
    ベクトル制御のd軸の電圧指令値Vdc*と、q軸の電流指令値Iq*のローパスフィルタ出力値Iq*tdと速度推定値ω1cと、速度指令値ωr*と、モータ定数の設定値(Lq*,Ke*)を用いて、位相推定値θc*とモータ位相値θの偏差である軸誤差値Δθ(=θc−θ)を(数3)により演算する
    永久磁石モータの位置センサレス制御装置
  4. 請求項3において、
    軸誤差推定演算手段は
    ベクトル制御演算の出力であるd軸の電圧指令値を、q軸の電流検出値あるいは電流指令値とインダクタンス値および速度推定値あるいは速度指令値らの3つの信号の乗算値と加算し、該演算値を、速度指令値と誘起電圧係数の乗算値で、除算することを特徴とする永久磁石モータの位置センサレス制御装置。
  5. 請求項3において、
    軸誤差推定演算手段は
    ベクトル制御演算の出力であるd軸の電圧指令値を、q軸の電流検出値あるいは電流指令値とインダクタンス値および速度推定値あるいは速度指令値らの3つの信号の乗算値と加算し、該演算値を、速度指令値と誘起電圧定数の乗算値で、除算して、該演算値を逆正接演算することを特徴とする永久磁石モータの位置センサレス制御装置。
  6. 請求項1において、
    前記軸誤差情報推定演算手段に用いるq軸の電流指令値は、
    上位から与えられたq軸の電流指令値のローパスフィルタ出力値であることを特徴とする永久磁石モータの位置センサレス制御装置。
  7. 請求項3において、
    軸誤差推定演算手段に用いるq軸の電流指令値は、
    上位から与えられたq軸の電流指令値のローパスフィルタ出力値であることを特徴とする永久磁石モータの位置センサレス制御装置。
  8. 請求項1において、
    前記軸誤差情報推定演算手段に用いる速度指令値は、上位から与えられた速度指令値のローパスフィルタ出力値であることを特徴とする永久磁石モータの位置センサレス制御装置。
  9. 請求項3において、
    軸誤差推定演算手段に用いる速度指令値は、上位から与えられた速度指令値のローパスフィルタ出力値であることを特徴とする永久磁石モータの位置センサレス制御装置。
  10. 請求項8において、
    速度指令値のローパスフィルタ出力値の作成は、
    速度制御に制御ゲインに基づいた一次遅れ信号であることを特徴とする永久磁石モータの位置センサレス制御装置。
  11. 請求項9において、
    軸誤差推定演算手段に用いる速度指令値は、上位から与えられた速度指令値のローパスフィルタ出力値であることを特徴とする永久磁石モータの位置センサレス制御装置。
  12. 請求項1において、
    定格回転数の5%以下の低回転数域において、磁束軸であるd軸の電流指令値はゼロであることを特徴とする永久磁石モータの位置センサレス制御装置。
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