JP5281339B2 - 同期電動機の駆動システム、及びこれに用いる制御装置 - Google Patents
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Description
特許文献1は、永久磁石同期電動機(以下、「PM(Permanent Magnetic)モータ」という)の突極性を利用して、磁極位置の推定を行うものである。PMモータの推定磁極軸(dc軸)に交番磁界を発生させ、このdc軸に対して直交する推定トルク軸(qc軸)成分の脈動電流(あるいは電圧)を検出し、これに基づいて、PMモータ内部の磁極位置を推定演算する。この技術は、実際の磁極軸と推定磁極軸との間に誤差がある場合に、dc軸からqc軸に対してインダクタンスの干渉項が存在する特徴を利用している。
特許文献2は、PMモータの磁気飽和特性を利用して磁極位置を推定演算するものであり、PMモータに対して、ある方向へ電圧を印加したことで発生する電流の大きさに基いて、磁極位置を推定演算する。
特許文献2の技術は、高周波電圧をPMモータの固定子コイルに印加し、この印加電圧により一次電流に重畳された高周波電流の波形が磁気飽和により歪む現象を利用するものである。この技術は、PMモータの構造による制約は受けないが、一次電流によっても磁気飽和による歪みの影響が変化するため、一次電流が増大したときに磁極位置の推定が困難になる問題がある。
本発明の一実施形態である電動機駆動システムの構成を説明する。
図1の電動機駆動システム200は、電動機1(ACM)と、電力変換器2と、電流検出器3と、制御装置100とを備え、制御装置100は負荷トルク指令値τ*を目標値とするように電動機1をdqベクトル制御している。
電動機1は、三相の磁石式同期電動機(PMモータ)であり、永久磁石を備えた回転子が固定子内部を回転するように構成されている。固定子はコアに複数のスロットが設けられており、このスロットに固定子コイル(一次巻線)が巻回されている。この固定子コイルに三相電力を供給することにより電流磁束Φiが発生し、永久磁石は磁石磁束Φmを発生する。電流検出器3は、ホール素子等を用いて、電動機1に流れる三相電流(電動機電流)Iu,Iv,Iwを検出する。
ベクトル制御器10は、第二のdc軸電流指令値Id**、及び第二のqc軸電流指令値Iq**、並びに電気角速度推定値ω1cを基に、電動機1に与えるdc軸電圧指令値Vd0*、及びqc軸電圧指令値Vq0*を演算する。
高周波電圧指令生成器13は、位相指令値γ*を入力し、電動機1へ印加するdc軸高周波電圧指令Vdh*、及びqc軸高周波電圧指令Vqh*を出力する。
dq逆変換器11は、第二のdc軸電圧指令値Vd*、及び第二のqc軸電圧指令値Vq*を用いて、電動機1の三相電圧指令値Vuvw*へ変換する。パルス幅変調器12は、三相電圧指令値Vuvw*と三角波信号とを比較することにより、PWMパルス幅変調し、電力変換器2を制御する制御信号を生成する。温度推定器15は、電動機1の温度を推定する。高周波電流振幅判定器16は、高周波電流の振幅が適正範囲にあるか否かを判定し、判定信号Sigを出力する。
電流制御器9は、差分器901,903と、PI制御器902,904とを備え、PI制御器902,904は、PI制御を行うACR(Automatic Current Regulator)である。差分器901は、dc軸上で、Id*とIdcとの差を演算し、PI制御器902は、差分器901の出力を比例積分演算(PI演算)する。差分器903は、qc軸上で、Iq*とIqcとの差を演算し、PI制御器904は、差分器903の出力を比例積分演算する。
本実施形態では、高周波電圧指令生成器13により生成された高周波電圧を、電動機1の固定子コイルに印加(重畳)し、発生する高周波電流成分に基いて位置推定を行う。
図4(a)は、PMモータの回転子内部の模式図である。PMモータの内部のd軸方向(dc軸方向)には、永久磁石による磁石磁束Φm が存在する。図4(b)は、このときの鉄心の磁気飽和特性を表した模式図である。図4(c)は、磁気飽和時にd軸方向の高周波電圧を固定子コイルに印加したときに流れる高周波電流波形である。図4(d)は、磁気飽和時にq軸方向の高周波電圧を固定子コイルに印加したときに流れる高周波電流波形である。
したがって、高周波電圧を印加する位相をdc軸の正負方向とすると、軸誤差Δθの絶対値が小さいほど、巻線インダクタンスの変化により、高周波電流はdc軸正方向の波高値が大きくなる非対称性を利用することで、磁極位置を推定することができる。
そこで、本実施形態では、高周波電圧を印加しない状態での鎖交磁束Φ1の大きさを、負荷状態によらず図5(b)のように磁気飽和点Φ10以上に保持するように、一次電流(電動機電流)を電動機1に与える。
指令値生成器8は、トルク指令τ* を入力とし、高周波電圧を印加しない状態での鎖交磁束Φ1の大きさが磁気飽和点Φ10以上となる電流指令Id*、Iq*と、この電流指令により発生するd軸とφ軸との相差角γと、(1)式とに基いて高周波電圧の位相指令値γ*を出力する。指令値生成器8の入出力の関係は、例えば、制御対象となる電動機1の特性を電磁界解析で求めて与えればよい。指令値生成器8の電流指令に基き電流制御器9が電流制御を行うことで、鎖交磁束Φ1の大きさを保持する。つまり、指令値生成器8は平均電流制御手段として機能するので、制御装置100は、電流制御器9が電動機電流の平均値を制御している。なお、高周波電圧を印加しない状態での鎖交磁束Φ1の大きさは、磁気飽和点Φ10以上であれば任意でよく、また電動機1の負荷状態に応じて変化させてもよい。
また、図11(a)はPWM三角波キャリアを示し、図11(b)は高周波電圧指令Vh*を示し、図11(c)は検出電流Izcを示し、図11(d)は一階差分値ΔIzchを示し、図11(e)は電流極性信号Spzを示し、図11(f)はSpz×|Izch|を示し、図11(g)はΔθcを示している。
但し、|Vh0*|は、キャリア周波数fcの基準値fc0の高周波電圧指令Vh*の振幅であり、|Vh*|は、キャリア周波数fcに対する高周波電圧指令Vh*の振幅である。すなわち、制御装置100は、高周波電圧の振幅に基づいて、電動機電流の平均値の大きさを制御している。
この場合、キャリア周波数fcの変化による高周波電流の波高値の増減を相殺できるので、(3)式の比例係数k1を一定と扱うことができる。
したがって、永久磁石の温度が高くなるほど、高周波電圧を印加して発生する高周波電流の振幅は減少する。また、磁石温度の上昇は、制御対象となる電動機1の体格にも依存するが、時定数は秒ないし分単位であり、制御装置の磁極位置推定や電流制御の応答に比較すれば、時定数は充分長い。
指令値生成器8と高周波電圧指令生成器13とを組み合わせることで、過大電流停止や脱調を発生させることなく、電動機1を駆動することができる。
次に、第2実施形態について説明する。本実施形態は、軸誤差推定器5の構成、及び軸誤差推定方法が異なる。前記したように、高周波電圧を印加して発生する高周波電流の波高値は、高周波電圧を印加する位相がφ軸正方向に近いほど大きくなり、φ軸負方向に近いほど波高値は小さくなる。高周波電圧を印加する位相がz軸方向に近い場合と比較して、φ軸に近い方が振幅の平均値が大きいときは、巻線インダクタンスはφ軸方向よりz軸方向の方が大きい。すなわち、電動機1が突極性を持つと見做すことができる。
なお、軸誤差推定器5は、図9の構成と図15の構成との何れを用いてもよく、また併用しても構わない。
図17は、第3実施形態に於ける電動機駆動システムの全体構成図である。
電動機駆動システム210の制御装置110は、図1に対し、電動機1の誘起電圧に基いて軸誤差を推定する第二軸誤差推定器18、と検出電流Idqcから基本波成分を演算するための移動平均処理器17、と軸誤差の推定値として軸誤差推定器5と第二軸誤差推定器18の出力の何れかを選択する切替器19とが追加されている。第二軸誤差演算器18は、PMモータの定数(R,Lq)を用いて,(6)式で軸誤差を推定する。
したがって、電動機1の速度に応じて、停止から低速時には軸誤差演算器5に切り替え、定格速度の概ね10%以上では第二軸誤差推定演算器18に切り替える形で併用する方が、出力トルクを限界まで活用するには有利である。
第3実施形態までは、PMモータを運転している間の磁極位置の推定ならびに制御方法について述べた。しかし、PMモータを始動する場合は、初期の磁極位置として、dc軸位置θdcの初期値を与える必要がある。本実施形態では、初期の磁極位置を推定する手法を説明する。同期電動機の駆動システムの構成は、図1と図17との何れでもよい。初期の磁極位置を推定する際は、指令値生成器8、高周波電圧指令生成器13、及び軸誤差推定器5の動作を変更する必要がある。以下、各構成要素の動作を、図19により説明する。
なお、本実施形態の手法で初期の磁極位置を推定する場合は、制御対象の電動機1は,回転子が機械的に固定されていることが望ましい。また、各期間でのVh*の周期数は,四周期に限定されず必要に応じて決めればよい。
なお、電動機1がPMモータであるとして各実施形態を説明したが、磁石磁束Φmをゼロとすれば,シンクロナスリラクタンスモータについても適用できることは自明である。
2 電力変換器
3 電流検出器(電流検出手段)
4 dq変換器
5、5a、5b 軸誤差推定器(磁極位置推定手段)
6 速度推定器
7 積分器
8 指令値生成器(平均電流制御手段)
9 電流制御器
10 ベクトル制御器
11 dq逆変換器
12 パルス幅変調器
13 高周波電圧指令生成器(高周波信号生成手段)
14,502,508,1502,1504 加算器
15 温度推定器
16 高周波電流振幅判定器
17 移動平均処理器
18 第二軸誤差推定器
19 切替器
21 磁極位置推定手段
100,110 制御装置
200,210 電動機駆動システム
500 座標変換器
501、507 遅延器
503 絶対値演算器
504、509 電流極性演算器
505 電流変化量演算器(高周波電流抽出手段)
506、511 軸誤差演算器
510 乗算器
901、903 差分器
902、904 PI制御器
1301 高周波電圧指令発生器
1302 座標変換器
1501、1503 遅延器
1505 高周波電流振幅演算器
1506 低域通過フィルタ
1507 温度推定演算器
1605 高周波電流振幅演算器
1606 上下限値判定器
Claims (7)
- 非突極型同期電動機と、この非突極型同期電動機に交流電力を供給する電力変換器と、この電力変換器にPWM制御信号を送信して前記非突極型同期電動機の回転を目標値にdqベクトル制御する制御装置と、前記非突極型同期電動機に流れる電動機電流を電動機検出電流として検出する電流検出手段とを備えた同期電動機の駆動システムにおいて、
前記制御装置は、
dc軸に位相を一致させた高周波信号を生成する高周波信号生成手段と、
前記目標値、及び前記電動機検出電流の値に基づいて、ベクトル演算された電圧指令値と前記高周波信号の電圧値とを加算した加算電圧値にパルス幅が比例する前記PWM制御信号を生成する制御信号生成手段と、
前記電動機検出電流から高周波電流を抽出する高周波電流抽出手段と、
前記高周波電流抽出手段で抽出した高周波抽出電流を用いて、前記非突極型同期電動機の磁極位置を、前記dc軸を基準に推定する磁極位置推定手段とを備え、
前記電動機検出電流は、qc軸電流とdc軸電流とに分解され、
前記dc軸電流は、前記目標値に基づいてベクトル演算された前記qc軸電流の指令値に基づいて、前記非突極型同期電動機の磁束が磁気飽和する値に設定されていることを特徴とする同期電動機の駆動システム。 - 前記磁気飽和する値は、前記非突極型同期電動機に使用されるコアの磁気特性で決まる値であることを特徴とする請求項1に記載の同期電動機の駆動システム。
- 前記磁極位置推定手段は、前記高周波電流抽出手段で抽出した高周波抽出電流を、前記非突極型同期電動機の固定子巻線に鎖交する磁束の方向であるφ軸の成分と、このφ軸に直交する軸であるz軸の成分とに分離し、少なくとも何れか一方の成分に基いて、磁極位置を推定することを特徴とする請求項1に記載の同期電動機の駆動システム。
- 前記非突極型同期電動機は、永久磁石型同期電動機であり、
前記制御装置は、前記検出した電動機検出電流に基いて、前記非突極型同期電動機が備える永久磁石の温度を推定する温度推定手段をさらに備え、
前記温度推定手段が推定した前記永久磁石の温度に基いて、前記dc軸電流を調整することを特徴とする請求項1に記載の同期電動機の駆動システム。 - 前記制御装置は、前記電動機検出電流の高周波成分の大きさに基いて、前記高周波信号の振幅の大きさを調整することを特徴とする請求項1に記載の同期電動機の駆動システム。
- 前記高周波信号生成手段は、
前記同期電動機を停止状態から始動する前に、前記電動機電流が平均値の大きさを一定にしながら少なくとも4つの位相に順番に流れるようにすると共に、前記電動機電流を流す位相に揃えた位相で前記高周波信号を印加し、
前記磁極位置推定手段は、前記高周波抽出電流を用いることにより前記非突極型同期電動機の磁極位置を推定することを特徴とする請求項1に記載の同期電動機の駆動システム。 - 非突極型同期電動機に交流電力を供給する電力変換器にPWM制御信号を送信して前記非突極型同期電動機の回転を目標値にdqベクトル制御する同期電動機の制御装置であって、
前記制御装置は、
dc軸に位相を一致させた高周波信号を生成する高周波信号生成手段と、
前記目標値、及び前記非突極型同期電動機に流れる電動機電流の値に基づいて、ベクトル演算された電圧指令値と前記高周波信号の電圧値とを加算した加算電圧値にパルス幅が比例する前記PWM制御信号を生成する制御信号生成手段と、
前記電動機電流の値から高周波電流を抽出する高周波電流抽出手段と、
前記高周波電流抽出手段で抽出した高周波抽出電流を用いて、前記非突極型同期電動機の磁極位置を、前記dc軸を基準に推定する磁極位置推定手段とを備え、
前記電動機電流の値は、qc軸電流とdc軸電流とに分解され、
前記dc軸電流は、前記目標値に基づいてベクトル演算された前記qc軸電流の指令値に基づいて、前記非突極型同期電動機の磁束が磁気飽和する値に設定されていることを特徴とする同期電動機の制御装置。
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