JP5130980B2

JP5130980B2 - Ｐｍモータのインダクタンス計測方法

Info

Publication number: JP5130980B2
Application number: JP2008074799A
Authority: JP
Inventors: 康弘山本
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2008-03-24
Filing date: 2008-03-24
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2028-03-24
Also published as: JP2009232573A

Description

本発明はＰＭモータのインダクタンス計測方法に関するものである。

永久磁石形同期電動機（ＰＭモータ）をインバータによって制御する場合、ＰＭモータのモータ定数を把握する必要がある。ＰＭモータの制御には、電流制御を適用するものが多く、この電流制御は、通常の運転時での適用だけでなく、モータ定数を把握するためにインバータなどの制御装置自身で計測するオートチューニングを実行する際にも電流制御が使用されることが多い。
電流制御ゲインを調整する方法には、大別すると２つの方法がある。その一つは、実際に電流応答を計測してゲインを調整・収束する方法と、他の一つは、モータのインダクタンス値から計算で求める方法である。

モータ定数を計測する方法としては、誘導機のオートチューニング技術として公知となっており、例えば、特許文献１が知られている。
一方、ＰＭモータに適用する例としては、特許文献２や特許文献３が公知となっている。
特許第３０５２３１５号特許第３５６６５７８号特許第３８１９１８４号

特許文献２は、直流電流を流して巻線抵抗を、交流電流を流してインダクタンスを求めるもので、電流制御ゲインの初期値の設定については記載されていない。特許文献３は、パルス状の電圧を加えて電流を計測するものであるが、加える電圧値の初期値設定ができないため、小さな電圧振幅から徐々に電流振幅が大きくなるように制御する必要がある。そこで、特許文献１で記載されているような、一次抵抗の計測方法を応用して、簡単にｄ軸インダクタンスの推定ができれば、電流制御ゲインの計算が可能となる。

電流応答を計測して、電流制御ゲインを調整・収束する方法では、初期値のゲインをどのように設定するかが問題となる。ＰＭモータの場合、種々の構造が存在するため、誘導機のように％インダクタンスがほぼ一定にはならない。つまり、ＰＭモータの設計によりモータ定数は幅広くその値が変化するため、初期値のゲインを仮設定することが難しい。
ここで、ＰＭモータのインダクタンスに対して初期設定の電流制御ゲインが高すぎると、制御系が発振する現象を呈するため、十分に小さい電流制御ゲインを初期値として設定する必要がある。しかし、このようにすると、収束を利用したゲイン調整法の場合では、初期値と収束値の差が大きいため、計測の繰返し回数が多くなる問題を有する。

本発明が目的とするところは、モータ運転時の電流制御ゲインをモータインダクタンス値から計算する時、ｄ軸インダクタンスを簡易的に計測できるＰＭモータのインダクタンス計測方法を提供することにある。

本発明は、永久磁石を界磁源とし、且つ制動巻線を有しないモータを駆動するシステムにおいて、
前記モータのモータ定数を計測するために、大小２レベルの直流電流を電流制御部に流した時の各電圧指令をそれぞれ記憶し、前記２レベル間の直流電流値の差分で２レベルの直流電流を流した時の電圧値の差分を除算してモータ巻線抵抗を算出すると共に、前記２レベルの直流電流うち、大きい方の電流レベルに基づく電圧値から小さい方の電流レベルに基づく電圧値へ急変し、その時の電流変化が2レベルの電流ステップ幅の所定値に達するときの時間を計測し、この時間と前記巻線抵抗の計測値を乗算してｄ軸インダクタンスを算出することを特徴としたものである。

以上のとおり、本発明によれば、直流電流を流して巻線抵抗を測定した後に、インダクタンスの計算機能を設けたことにより、簡易的にｄ軸インダクタンスを計測することができる。また、このｄ軸インダクタンスにより電流制御ゲインの初期設定を行うことができる。さらに、他の精密なインダクタンスの計測の初期値設定や計測値に異常がないか否かのチェックにも本発明は適用でき、モータ定数のチューニングが簡単にできるものである。

本発明は、特許文献１で示す一次抵抗の計測手法を用い、この手法に簡易なインダクタンス計測機能を付加したものである。図３は誘導機の等価回路を示したもので、特許文献１ではｒ１，ｒ２’，Ｌσ，Ｍ’の4個のパラメータを計測している。ただし、ｒ１：一次抵抗、ｒ２’：Ｔ−Ｉ形等価回路の二次抵抗、Ｌσ：Ｔ−Ｉ形等価回路の一次漏れインダクタンス、Ｍ’：Ｔ−Ｉ形等価回路の励磁インダクタンスである。4個のパラメータの中で、一次抵抗ｒ１の計測は図４で示すように行われる。すなわち、２レベルの直流電流Ｉdc1とＩdc2を流したときの電圧Ｖdc1とＶdc2を計測して次式により一次抵抗ｒ１を求める。
ｒ１＝（Ｖdc2−Ｖdc1）／（Ｉdc2−Ｉdc1）
ここで、２レベルの電流の差分を使用することは、インバータによるモータ駆動ではデットタイムなどに起因する電圧誤差成分や主回路素子の電圧降下成分Ｖceなどが含まれるため、この電圧誤差の影響を排除するためである。

本発明は、上記した直流電流を利用してＰＭモータの一次抵抗計測に応用するものであるが、ＰＭモータに適用するためにはＰＭモータ固有の機能，具体的には、磁極の引き込み機能が必要となる。
ＰＭモータでは、出力軸に外部からトルクが加わってない状態で、電機子に直流電流を流すと、永久磁石による界磁磁束と電機子電流によりトルクが発生し、電流軸と磁極軸（ｄ軸）が一致する位相に出力軸が回転し、直流電流の位相に出力軸が固定される。その際、制動巻線（ダンパ巻線）がない場合には、位相が振動しながら収束するため、位相が安定するまで時間を要する。また、位相が変動する時には速度起電力が発生するため、電圧の外乱となる。
そこで、この振動が十分に抑制されてから計測を行う。

図１は、上記の点を考慮してなされた本発明の計測方法を実現するための実施例を示す構成図で、ＰＭモータのモータ定数の計測に必要とする機能部分のみを示したものである。したがって、通常のＰＭモータの駆動装置が有する各機能は省略している。１はＰＭモータ、２はＰＭモータ１を駆動すめための交流電力を出力する逆変換回路、３は電流検出部で、検出した電流は直流電流検出Ｉとして測定用シーケンス部４に入力される。５は電流制御部で、この電流制御部５には減算部６において算出された直流電流指令Ｉ^*と直流電流検出Ｉとの偏差分が入力され、その差分に応じた電圧制御信号を出力し、切換スイッチＳＷを介して逆変換回路２の制御回路に入力されてゲート信号を生成する。切換スイッチＳＷは、電流制御端子ＡＣＲと電圧制御端子Ｖを有している。

７は第１の電圧記憶部で、後述する図２の予め定められたサンプリング時刻tcにおける電流制御部５の出力電圧Ｖ₁を記憶する。記憶された電圧Ｖ₁は切換スイッチＳＷの電圧制御端子Ｖと測定用シーケンス部４に出力される。８は電圧Ｖ₂を記憶する第２の電圧記憶部で、図２の予め定められたサンプリング時刻teにおける電流制御部５の出力電圧Ｖ₂を記憶し、測定用シーケンス部４に出力される。測定用シーケンス部４は、サンプリング信号を出力する時計手段と、計測された各信号に基づいて抵抗Ｒ₁とｄ軸インダクタンスＬdを演算する手段、及び切換スイッチＳＷに対する切換え信号出力手段などを備えている。

図２は計測動作のタイミングチャートを示したものである。
計測に当たっては、先ず電流制御ゲインを低い値に設定する。ここでは、電流の応答性や電流の制御精度は必要ないため、ゆっくりと、ある程度の精度が実現すればよい。電流制御ゲインを大幅に低く設定し、電流制御の応答時間、及び機械的な振動制御を考慮して、電流制御の収束時間を長くしておく。この条件において、切換スイッチＳＷを電流制御端子ＡＣＲ側に切換え電流制御を有効にする。計測用シーケンス部４では、予め第１電流レベルＩ₁ ^*と第２電流レベルＩ₂ ^*とが設定されている。第１電流レベルＩ₁ ^*は、例えば、モータ電流の５０％程度に設定され、第２電流レベルＩ₂ ^*は、モータ電流１００％程度に設定されている。

時刻ｔa〜ｔbで、計測用シーケンス部４からの電流指令Ｉ^*を０から第１電流レベルＩ₁ ^*まで、前述したように時間Ｔ₁を要してゆっくりと増加させる。このとき、電流指令Ｉ^*が急変すると、軸振動が大きくなるため好ましくない。そこで、時刻ｔb〜ｔcまではＰＭモータの軸振動が十分に抑制される時間を想定して長めの時間を設定している。この時間Ｔ₂は第１電流レベルＩ₁ ^*の電流指令を継続して出力する。時間Ｔ₂でＰＭモータの磁極軸が直流電流の発生軸に一致した点で拘束されるようになる。また、この時間Ｔ₂時において電流検出部３を介して検出された検出電流Ｉ₁は計測用シーケンス部４内に取り込んで記憶すると共に、時刻ｔcになると、計測用シーケンス部４は電圧記憶部７に対してサンプリング信号を出力する。このサンプリング信号に基づき電圧記憶部７は、その時点での電流制御部５の出力電圧Ｖ₁を記憶し、且つ記憶電圧Ｖ₁を切換スイッチＳＷの電圧制御端子Ｖと計測用シーケンス部４に出力する。

さらに、計測用シーケンス部４は、時刻ｔc〜ｔdにおいて時間Ｔ₃を要しながら電流指令Ｉ^*を第２電流レベルＩ₂ ^*までゆっくり増加させ、その後、時刻ｔd〜ｔeまでの時間Ｔ₄では第２電流レベルＩ₂ ^*を維持すると共に、その時間帯で検出された電流Ｉ₂を入力して記憶する。また、計測用シーケンス部４は、時刻ｔeになると電圧記憶部８に対してサンプリング信号を出力し、電圧記憶部７はその時点の出力電圧Ｖ₂を記憶して計測用シーケンス部４に出力する。以上により、巻線抵抗Ｒ₁に必要な計測が完了する。

次に、計測用シーケンス部４はｄ軸インダクタンス計測のためのシーケンス動作を実行する。
時刻ｔeで、電流制御モード状態にあった切換スイッチＳＷを電圧制御端子Ｖ側に切換えて電圧出力モードとし、出力電圧をＶ₂からＶ₁へステップ状に変化させ、この電圧変化時の電流ステップ応答を計測する。すなわち、時刻ｔe〜ｔfでは出力電流を観測しながら（１）式のＩｆの電流レベルと検出電流が交差する時刻ｔfを検出する。これは、指数関数の時定数と一致するレベルを採用したもので、指数関数の時定数が計測できる条件は、
Ｉf＝Ｉ₂−６３％＊（Ｉ₂−Ｉ₁） …… （１）
時刻ｔgで、時刻ｔe〜ｔfの電流条件が発生した後で、計測のための運転を停止し、（２）、（３）式に基づいてＰＭモータの巻線抵抗Ｒ₁とｄ軸インダクタンスＬdを計測する。
Ｒ₁＝（Ｖ₂−Ｖ₁）／（Ｉ₂−Ｉ₁） …… （２）
Ｌd＝Ｒ₁ ^*（ｔf−ｔe） …… （３）
（２）式、（３）式により概略の一次抵抗とｄ軸インダクタンスが求まれば、従来から知られているように、モータを一次モデルに近似することで、電流制御として適当な目標応答を設定すれば電流制御ゲインが計算できる。
ここで、（３）式の計算原理は次のように考える。
電圧Ｖ₂及び電流Ｉ₂を初期値としたときに電圧を変更すると、電流はＬd／Ｒ₁時定数の指数関数の波形状に変化し、最終的には電流Ｉ₁で収束する。そこで、この時定数Ｌd／Ｒ₁を電流変化の６３％までの時間として計測しておき、（２）式で巻線抵抗Ｒ₁を計算した後に、（３）式を利用してｄ軸インダクタンスＬdを求めることができる。なお、ここでは交差時刻ｔfを電流変化の６３％としているが、これに限らないことは勿論である。

以上のように本発明は、直流電流を流して巻線抵抗を測定した後に、インダクタンスを計算する機能を設けたことにより、簡易的にｄ軸インダクタンスを計測することができる。また、このｄ軸インダクタンスにより電流制御ゲインの初期設定を行うことができ、収束法による電流制御ゲインの調整時間が大幅に短縮できる。さらに、他の精密なインダクタンスの計測の初期値設定や計測値に以上がないか否かのチェックにも本発明は適用でき、モータ定数のチューニングが簡単にできるようにするものである。

本発明の実施形態を示す計測システムの構成図。計測動作のタイミングチャート。単相拘束時の等価回路図。電圧電流特性図。

符号の説明

１… ＰＭモータ
２… 逆変換回路
３… 電流検出部
４… 測定用シーケンス部
５… 電流制御部
６… 減算部
７… 第１の記憶部
８… 第２の記憶部

Claims

永久磁石を界磁源とし、且つ制動巻線を有しないモータを駆動するシステムにおいて、
前記モータのモータ定数を計測するために、大小２レベルの直流電流を電流制御部に流した時の各電圧指令をそれぞれ記憶し、前記２レベル間の直流電流値の差分で２レベルの直流電流を流した時の電圧値の差分を除算してモータ巻線抵抗を算出すると共に、前記２レベルの直流電流うち、大きい方の電流レベルに基づく電圧値から小さい方の電流レベルに基づく電圧値へ急変し、その時の電流変化が2レベルの電流ステップ幅の所定値に達するときの時間を計測し、この時間と前記巻線抵抗の計測値を乗算してｄ軸インダクタンスを算出することを特徴としたＰＭモータのインダクタンス計測方法。