JP5332301B2 - 永久磁石形同期電動機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石形同期電動機の制御装置に関し、詳しくは、永久磁石形同期電動機の永久磁石磁束を高精度に測定するための技術に関するものである。

永久磁石形同期電動機（以下、ＰＭＳＭ）のトルクは、回転子の永久磁石によって発生する磁束の大きさにほぼ比例する。このため、トルクを高精度に制御するためには、永久磁石の磁束を正確に測定し、これに基づいて電流を制御するのがよい。このことから、ＰＭＳＭの電圧方程式のモデルに基づいて、電流、端子電圧及び速度の情報から永久磁石磁束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の（２３）式には、ＰＭＳＭのｑ軸電圧方程式から導出した演算式により、永久磁石磁束（非特許文献１中の記号：ＭＩ_ｆ）を演算する技術が示されている。
また、特許文献１の第４の実施の形態では、その図５に示された磁束推定器によって永久磁石磁束（特許文献１中の記号：Λ^＊＊）を推定する。すなわち、電流、速度、電機子抵抗、インダクタンス、永久磁石磁束推定値からｑ軸電圧を演算し、ｑ軸電圧指令値とｑ軸電圧演算値との偏差を増幅して永久磁石磁束を推定している。
また、非特許文献２には、ＰＭＳＭの電圧方程式モデルをもとに永久磁石磁束を逐次形最小二乗アルゴリズムにより演算する技術が示されている。

特許第３４６７９６１号公報（段落［００４９］〜［００６３］、図５等） 大橋 敬典，執行 正謙，松井 信行，「パラメータ同定機能を持つブラシレスＤＣモータの適応電流制御法」，電学論Ｄ，１０８巻１２号，１９８８年，ｐ．１０９１〜１０９８ 森本 茂雄，神名 玲秀，真田 雅之，武田 洋次，「パラメータ同定機能を持つ永久磁石同期モータの位置・速度センサレス制御システム」，電学論Ｄ，１２６巻６号，２００６年，ｐ．７４８〜７５５

非特許文献１の（２３）式には、速度による割算が含まれている。このため、低速時や速度検出値にリプルが含まれる場合には、演算誤差が大きくなりやすい。
また、非特許文献１に記載された技術は、ｑ軸電圧指令値とｑ軸電圧演算値との偏差と、永久磁石磁束の推定誤差との関係が速度の極性によって反転するので、電動機の逆転時にはそのまま適用することができない。更に、このことから、速度検出値にリプルが含まれる場合には、低速時に永久磁石磁束の推定系が不安定化する恐れがある。
これに対し、非特許文献２に記載された技術によれば、上述した非特許文献１や特許文献１の課題を解決できるが、演算処理が複雑であり、制御装置がコストアップする等の問題がある。

そこで、本発明の解決課題は、比較的簡単な演算によって電動機の速度条件に関わらず永久磁石磁束を高精度に測定可能と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記載の発明は、永久磁石形同期電動機の電流検出値、端子電圧検出値及び速度検出値から、前記電動機の回転子の永久磁石により発生する磁束を測定する永久磁石磁束測定手段を備えた永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記永久磁石磁束測定手段は、
電動機の端子電圧及び電流をベクトルとしてとらえ、
前記電流検出値、前記磁束の方向に直交する方向のｑ軸電圧指令値、及び前記速度検出値から、前記永久磁石によって電動機の端子に誘導される誘起電圧を演算する手段と、
前記速度検出値と永久磁石磁束推定値との積から誘起電圧推定値を演算する手段と、
前記誘起電圧推定値と前記誘起電圧の演算値との偏差である誘起電圧推定誤差を演算する手段と、
前記速度検出値の絶対値の増加関数であり、かつ、正の値である正規化信号を演算する手段と、
前記速度検出値を前記正規化信号により除算して第２の速度検出値を演算する手段と、
前記誘起電圧推定誤差を前記正規化信号により除算して第２の誘起電圧推定誤差を演算する手段と、
前記第２の速度検出値と前記第２の誘起電圧推定誤差との積を増幅して前記永久磁石磁束推定値を演算する手段と、を備えたものである。

本発明によれば、比較的簡単な演算により、電動機の速度条件によることなく永久磁石磁束を高精度に測定することができる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態を示すブロック図である。この実施形態は、ＰＭＳＭを所定の速度で運転し、このときの電流、端子電圧及び速度から永久磁石磁束を測定するためのものである。

始めに主回路について説明すると、５０は三相交流電源であり、整流回路６０は電源５０の三相交流電圧を整流して直流電圧に変換する。この直流電圧はＰＷＭインバータからなる電力変換器７０に供給され、後述するＰＷＭ回路１３からのゲート信号により内部の半導体スイッチング素子を制御することで、永久磁石形同期電動機８０を駆動するための所定の三相交流電圧に変換される。

次に、ＰＭＳＭの速度を指令値に制御する方法について説明する。
ＰＭＳＭは、回転子のｄ軸（回転子の磁極方向）とｄ軸から９０度進んだｑ軸で電流制御を行うことで、高精度な制御を実現できることが知られている。そこで、ＰＭＳＭの制御は、ｄ，ｑ軸上の諸量を用いて行う。

図１において、電圧検出器１２は、電力変換器７０の直流入力電圧Ｅ_ｄｃを検出する。磁極位置検出器９０は、電動機８０の磁極位置θ_１を検出し、速度検出器９１は、電動機８０の速度ω_１を検出する。
速度指令値ω^＊と速度検出値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。
電流指令演算部１８は、トルク指令値τ^＊と速度検出値ω_１とから、端子電圧が電力変換器７０の最大出力電圧以下になる条件でトルク／電流が最大になり、かつ、所望のトルクを出力するｄ，ｑ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊，ｉ_ｑ ^＊を演算する。

電流座標変換器１４は、ｕ相電流検出器１１ｕ及び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を、磁極位置検出値θ_１に基づいてｄ，ｑ軸電流検出値ｉ_ｄ，ｉ_ｑに座標変換する。
電流指令値ｉ_ｄ ^＊と電流検出値ｉ_ｄとの偏差を減算器１９ａにより演算し、この偏差をｄ軸電流調節器２０ａにより増幅してｄ軸電圧指令値ｖ_ｄ ^＊を演算する。一方、電流指令値ｉ_ｑ ^＊と電流検出値ｉ_ｑとの偏差を減算器１９ｂにより演算し、この偏差をｑ軸電流調節器２０ｂにより増幅してｑ軸電圧指令値ｖ_ｑ ^＊を演算する。
ｄ，ｑ軸電圧指令値ｖ_ｄ ^＊，ｖ_ｑ ^＊は電圧座標変換器１５によって磁極位置検出値θ_１に基づき相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に変換される。

ＰＷＭ回路１３は、相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊、及び、電圧検出器１２により検出した入力電圧Ｅ_ｄｃからゲート信号を生成する。電力変換器７０はこの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することで、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。
以上の演算処理により、ＰＭＳＭの速度ω_１を指令値ω^＊に制御することができる。

次に、図１における永久磁石磁束測定手段３０の詳細について説明する。図２は、永久磁石磁束測定手段３０の構成を示すブロック図である。
図２において、誘起電圧演算器１００は、ＰＭＳＭのｑ軸電圧方程式に基づいて、誘起電圧を演算する。ＰＭＳＭのｄ，ｑ軸電圧方程式は数式１によって表される。

数式１の右辺第２項が、永久磁石磁束によって端子に誘導される誘起電圧であり、誘起電圧は、永久磁石磁束Ψ_ｍと速度ω_１との積に等しい。従って、図２の誘起電圧演算器１００は、数式１におけるｑ軸電圧方程式より、誘起電圧演算値ｅ_ｃａｌｃを数式２によって求める。

乗算器１０１は、速度検出値ω_１と永久磁石磁束推定値Ψ_ｍｅｓｔとの積から誘起電圧推定値ｅ_ｅｓｔを演算する。減算器１０２は、誘起電圧推定値ｅ_ｅｓｔと誘起電圧演算値ｅ_ｃａｌｃとの偏差である誘起電圧推定誤差εを演算する。
パラメータ推定器１０３は、誘起電圧推定誤差εと速度検出値ω_１とから永久磁石磁束推定値Ψ_ｍｅｓｔを演算する。まず、正規化信号Ｎを、速度検出値ω_１の絶対値の増加関数であり、かつ、正の値になるように演算する。具体的には、数式３により演算する。

次に、速度検出値ω_１、誘起電圧推定誤差εを、それぞれ正規化信号Ｎにより除算して、正規化した速度検出値（便宜的に第２の速度検出値という）ω_１Ｎ、正規化した誘起電圧推定誤差（便宜的に第２の誘起電圧推定誤差という）ε_Ｎを数式４により演算する。

これらの正規化した速度検出値ω_１Ｎと正規化した誘起電圧推定誤差ε_Ｎとの積を積分し、永久磁石磁束推定値Ψ_ｍｅｓｔを演算する。具体的には、数式５に示す通りである。

ここで、正規化した速度検出値ω_１Ｎと正規化した誘起電圧推定誤差ε_Ｎとの積は、正規化係数ρよりも速度検出値ω_１が十分大きい場合、速度検出値ω_１の大きさや極性によらず、永久磁石磁束の推定誤差にほぼ等しくなる。このため、所定の速度以上では、速度検出値ω_１の条件によらず、永久磁石磁束推定値Ψ_ｍｅｓｔの応答を一定にすることができる。
一方、正規化係数ρよりも速度検出値ω_１が小さい場合には、正規化した速度検出値ω_１Ｎと正規化した誘起電圧推定誤差ε_Ｎとの積は、速度検出値ω_１の絶対値と永久磁石磁束の推定誤差との積にほぼ比例する。このため、誘起電圧が小さく、外乱の影響を受けやすい低速ほど、永久磁石磁束推定値Ψ_ｍｅｓｔの応答を遅くすることができる。

なお、上記実施形態では、磁極位置検出器９０と速度検出器９１とを用いて電動機８０の速度制御を行う場合について示したが、本発明は、磁極位置検出器や速度検出器を用いずに、電流と端子電圧の情報から間接的に磁極位置と速度とを演算して速度制御を行う、いわゆるセンサレス制御を行う場合にも同様に適用可能である。

本発明の実施形態を示すブロック図である。 図１における永久磁石磁束測定手段のブロック図である。

符号の説明

１１ｕ ｕ相電流検出器
１１ｗ ｗ相電流検出器
１２ 電圧検出器
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 電流指令演算部
１９ａ 減算器
１９ｂ 減算器
２０ａ ｄ軸電流調節器
２０ｂ ｑ軸電流調節器
３０ 永久磁石磁束測定手段
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（ＰＭＳＭ）
９０ 磁極位置検出器
９１ 速度検出器
１００ 誘起電圧演算器
１０１ 乗算器
１０２ 減算器
１０３ パラメータ推定器

Claims (1)

1. 永久磁石形同期電動機の電流検出値、端子電圧検出値及び速度検出値から、前記電動機の回転子の永久磁石により発生する磁束を測定する永久磁石磁束測定手段を備えた永久磁石形同期電動機の制御装置において、
   前記永久磁石磁束測定手段は、
   電動機の端子電圧及び電流をベクトルとしてとらえ、
   前記電流検出値、前記磁束の方向に直交する方向のｑ軸電圧指令値、及び前記速度検出値から、前記永久磁石によって電動機の端子に誘導される誘起電圧を演算する手段と、
   前記速度検出値と永久磁石磁束推定値との積から誘起電圧推定値を演算する手段と、
   前記誘起電圧推定値と前記誘起電圧の演算値との偏差である誘起電圧推定誤差を演算する手段と、
   前記速度検出値の絶対値の増加関数であり、かつ、正の値である正規化信号を演算する手段と、
   前記速度検出値を前記正規化信号により除算して第２の速度検出値を演算する手段と、
   前記誘起電圧推定誤差を前記正規化信号により除算して第２の誘起電圧推定誤差を演算する手段と、
   前記第２の速度検出値と前記第２の誘起電圧推定誤差との積を増幅して前記永久磁石磁束推定値を演算する手段と、
   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。

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