JP5333716B2 - 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（ＰＭＳＭ）の制御装置において、回転子の磁極位置検出器を用いることなく運転する、いわゆる位置センサレス制御技術に関するものである。

永久磁石形同期電動機の制御装置をコストダウンするために、いわゆる位置センサレス制御が実用化されている。位置センサレス制御は、電動機の端子電圧や電機子電流の情報から回転子の磁極位置及び速度を演算し、これらに基づいて電流制御を行うことで、トルク制御や速度制御を実現するものである。

この種のセンサレス制御技術として、特許文献１では、拡張誘起電圧ベクトルの角度から磁極位置の推定誤差を検出し、これが零となるように速度を推定し、推定した速度を積分して磁極位置を演算している。
しかし、永久磁石形同期電動機の誘起電圧は回転速度に比例するので、特許文献１の従来技術では、低速時において微小な誘起電圧情報から速度及び磁極位置情報を抽出しなければならなくなり、演算精度が低下して性能が劣化するという問題がある。

上記の問題を解決するために、特許文献２には、磁束を用いた磁極位置の演算方法が提案されている。磁束は、速度に依存せず、大きさが一定であるので、低速時においても高精度な磁極位置の演算が可能である。
しかしながら、特許文献２のように、電圧方程式を利用して磁束を直接演算した場合、特許文献２の数式１１から明らかな如く速度の除算が必要となるため、極低速時においては磁束演算式の分母が零近傍の値となり、演算精度が低下するという問題がある。

一方、特許文献３に記載された従来技術では、磁束オブザーバを用いて磁束と電流とを推定し、磁束推定値と電流推定誤差とから速度を推定している。この従来技術によれば、磁束オブザーバを利用することで特許文献２のように速度の除算を用いずに磁束を演算できるので、極低速時に演算精度が低下するといった問題を解決することが可能であるが、速度推定値の演算が複雑である。

特許第３４１１８７８号公報（段落［０１３２］〜［０１４１］、図８，図９等） 特開２００６−６７６５６号公報（段落［００５５］〜［００６７］、図５，図６等） 再公表特許２００２−９１５５８号公報（第７頁第４９行〜第８頁第２１行、第１図，第２図等）

上記のように、各従来技術には一長一短があり、極低速時においても演算精度の低下を招くことなく、比較的簡単な演算によって速度及び磁極位置を推定することができる制御装置の提供が望まれている。
そこで本発明の解決課題は、電動機の速度範囲に関わらず高精度に速度及び磁極位置を推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、
前記電動機の回転子のＮ極方向をｄ軸、このｄ軸から９０°進み方向をｑ軸、前記ｄ軸に対する制御演算上の推定軸をγ軸、このγ軸から９０°進み方向をδ軸と定義し、
前記電動機の電流、電圧及び磁束を前記γ，δ軸上でベクトルとしてとらえ、
前記電動機の電流検出値、電圧指令値、磁束推定値及び速度推定値から前記電動機の電流推定値を演算し、この電流推定値と前記電流検出値との偏差を増幅して前記磁束推定値を演算する磁束オブザーバと、
前記γ，δ軸と前記磁束推定値との間の角度を演算する角度演算手段と、
この角度演算手段により求めた角度演算値を増幅して前記速度推定値を演算する速度推定手段と、
前記速度推定値を増幅して回転子の磁極位置を演算する磁極位置演算手段と、
を備えたものである。

請求項２に係る発明は、請求項１における磁束オブザーバに代えて、
前記電動機の電流検出値、電圧指令値、磁束推定値及び速度推定値から前記電動機の電機子反作用磁束推定値を演算し、この電機子反作用磁束推定値と、前記電流検出値及び電機子のインダクタンス値から演算した電機子反作用磁束検出値と、の偏差を増幅して前記磁束推定値を演算する磁束オブザーバを用いたものである。

請求項３に係る発明は、請求項１における速度推定手段に代えて、前記磁束推定値のδ軸成分を増幅して前記速度推定値を演算する速度推定手段を用いたものである。
また、請求項４に係る発明は、請求項２における速度推定手段に代えて、前記磁束推定値のδ軸成分を増幅して前記速度推定値を演算する速度推定手段を用いたものである。

請求項１に係る発明によれば、磁束オブザーバを用いて、まず電流推定値を演算し、この電流推定値と電流検出値との偏差を増幅して磁束推定値を演算するため、速度の除算を用いずに磁束を演算することができる。また、速度推定手段では、γ，δ軸と磁束推定値との間の角度を角度誤差とみなし、この角度誤差を増幅して速度推定値を演算する。これにより、電動機の極低速時においても正確に磁束推定値を演算可能であり、前述した特許文献２の課題を解決して速度及び磁極位置を高精度に演算することができる。
請求項２に係る発明は、電流と電機子反作用磁束とが比例関係にあることを利用したものであり、請求項１に係る発明と同様の効果を得ることができる。
請求項３に係る発明は、角度誤差が小さい場合には磁束推定値の角度と磁束推定値のδ軸成分とが比例関係にあると近似できることを利用したものであり、請求項１と同様の効果が得られると共に、演算量を低減できるという効果もある。
請求項４に係る発明は、請求項２と同様に電流と電機子反作用磁束とが比例関係にあることを利用したものであり、請求項３と同様の効果を得ることができる。

以下、図１に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、永久磁石形同期電動機は、回転子のｄ軸（回転子の磁極方向）と、このｄ軸から９０°進んだｑ軸とに従って電流制御を行うことにより、高精度なトルク制御を実現可能である。しかしながら、磁極位置検出器を持たない場合にはｄ，ｑ軸を直接検出できないので、ｄ，ｑ軸に対応して電気角速度ω_１で回転する直交回転座標系のγ，δ軸を制御装置側に推定して制御演算を行っている。

上記ｄ，ｑ軸及びγ，δ軸の定義を図１に示す。永久磁石形同期電動機の回転子のＮ極方向をｄ軸、このｄ軸から９０°進み方向をｑ軸、前記ｄ軸に対する推定軸をγ軸、このγ軸から９０°進み方向をδ軸と定義する。
ただし、図１において、
ω_ｒ：ｄ，ｑ軸の電気角速度，ω_１：γ，δ軸の電気角速度（＝速度推定値），θ_ｅｒｒ：ｄ，ｑ軸に対するγ，δ軸の角度（角度誤差または磁極位置推定誤差）
とする。

図２は、本発明の請求項１〜４に共通する制御装置の実施形態を示すブロック図である。
まず、磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機１を駆動する主回路について説明すると、４は三相交流電源であり、整流回路３は電源４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２に供給され、電動機１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、磁極位置演算値θ_１と速度推定値ω_１とを用いて永久磁石形同期電動機１の速度制御を行う方法を、制御装置の構成と共に説明する。
速度指令値ω^＊と速度推定値ω_１との偏差を減算器１４により演算し、この偏差を速度調節器１３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１２は、トルク指令値τ^＊から所望のトルクを出力するγ，δ軸電流指令値ｉ_γ ^＊，ｉ_δ ^＊を演算する。

ｕ相電流検出器５ｕ、ｗ相電流検出器５ｗによりそれぞれ検出した相電流検出値ｉ_ｕ，ｉ_ｗは、後述する磁極位置演算値θ_１を用いて電流座標変換器６によりγ，δ軸電流検出値ｉ_γ，ｉ_δに座標変換する。
γ軸電流指令値ｉ_γ ^＊とγ軸電流検出値ｉ_γとの偏差を減算器１１ａにより演算し、この偏差をγ軸電流調節器１０ａにより増幅してγ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊を演算する。同様に、δ軸電流指令値ｉ_δ ^＊とδ軸電流検出値ｉ_δとの偏差を減算器１１ｂにより演算し、この偏差をδ軸電流調節器１０ｂにより増幅してδ軸電圧指令値ｖ_δ ^＊を演算する。これらのγ，δ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊，ｖ_δ ^＊は、電圧座標変換器９により、磁極位置演算値θ_１を用いて相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に変換される。

ＰＷＭ回路８は、相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊と、電圧検出器７により検出した直流電圧検出値Ｅ_ｄｃとからゲート信号を生成する。電力変換器２は、前記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１の端子電圧を相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に制御すると共に、電動機１の回転速度を速度指令値ω^＊に制御する。

上記構成において、磁極位置演算値θ_１及び速度推定値ω_１は、γ，δ軸電流検出値ｉ_γ，ｉ_δ及びγ，δ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊，ｖ_δ ^＊が入力された位置・速度推定器２０によって演算されるものであり、以下では、この位置・速度推定器２０による磁極位置演算値θ_１及び速度推定値ω_１の演算方法について説明する。

まず、図３は、図２における位置・速度推定器２０の第１実施形態（図３では符号２０Ａとする）を示すブロック図であり、磁束オブザーバ２１、角度演算手段としての角度誤差演算器２２、速度推定器２３及び磁極位置演算器２４から構成されている。
この位置・速度推定器２０Ａを用いて磁極位置演算値θ_１及び速度推定値ω_１を演算する二つの方法（第１，第２実施例とする）について、以下に説明する。

まず、請求項１に相当する第１実施例について説明する。
表面磁石構造の永久磁石形同期電動機（ＳＰＭＳＭ）の場合、γ，δ軸における状態方程式は数式１によって表される。

数式１における電気角速度ω_ｒは直接検出できないため、これを速度推定値ω_１に置き換える。また、γ，δ軸電圧ｖ_γ，ｖ_δは、電圧指令値と実際の出力電圧とが一致しているものと仮定して、γ，δ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊，ｖ_δ ^＊を用いる。
γ，δ軸の電流推定誤差とオブザーバゲイン行列とを用いて、γ，δ軸電流推定値ｉ_γｅｓｔ，ｉ_δｅｓｔ及びγ，δ軸磁束推定値Ψ_γｅｓｔ，Ψ_δｅｓｔを演算するための磁束オブザーバを、数式２によって構成する。

実際の磁束オブザーバの演算は、始めに数式２の右辺を演算し、この結果を積分してγ，δ軸電流推定値ｉ_γｅｓｔ，ｉ_δｅｓｔ及びγ，δ軸磁束推定値Ψ_γｅｓｔ，Ψ_δｅｓｔを求める。

図３に示した磁束オブザーバ２１では、数式２を用いて、まずγ，δ軸電流推定値ｉ_γｅｓｔ，ｉ_δｅｓｔを演算し、次にγ，δ軸電流推定値ｉ_γｅｓｔ，ｉ_δｅｓｔとγ，δ軸電流検出値ｉ_γ，ｉ_δとの偏差をそれぞれ増幅してγ，δ軸磁束推定値Ψ_γｅｓｔ，Ψ_δｅｓｔを求めることにより、前述した特許文献２のような速度の除算を用いることなく、高精度に推定磁束を演算することができる。

また、永久磁石形同期電動機１の磁束は、回転子のＮ極（ｄ軸）方向に発生する。このため、磁束オブザーバ２１によって推定した磁束ベクトルΨ_ｅｓｔの角度δ_ｅｓｔを図１における角度誤差θ_ｅｒｒと見なすことができる。この関係を図４に示す。

図３の角度誤差演算器２２では、図４におけるγ，δ軸と推定磁束ベクトルΨ_ｅｓｔとの間の角度δ_ｅｓｔを、数式３により演算する。

速度推定器２３は、ＰＩ調節器を用いて数式３の角度δ_ｅｓｔを増幅し、速度推定値ω_１を演算する。具体的には、数式４の演算を行う。

更に、磁極位置演算器２４では、速度推定値ω_１を増幅して磁極位置演算値θ_１を求める。具体的には、数式５により速度推定値ω_１を積分して磁極位置演算値θ_１を求めるものである。

以上の演算により求めた磁極位置演算値θ_１は、図２における電流座標変換器６及び電圧座標変換器９に送られ、電流、電圧の座標変換に用いられる。

次に、位置・速度推定器２０Ａを用いて磁極位置演算値θ_１及び速度推定値ω_１を演算する第２実施例を説明する。この第２実施例は請求項２に相当するものである。
第２実施例は、図３の磁束オブザーバ２１において、数式２における電流推定値、電流検出値をそれぞれ電機子反作用磁束推定値、電機子反作用磁束検出値に置き換え、数式６を用いて磁束推定値Ψ_γｅｓｔ，Ψ_δｅｓｔを演算するものであり、以後は第１実施例と同様である。
なお、数式６におけるγ，δ軸電機子反作用磁束検出値Ψ_ｓγ，Ψ_ｓδは、γ，δ軸電流検出値ｉ_γ，ｉ_δ及び電機子インダクタンスＬ_ａを用いて、数式７により演算する。

次いで、図５は、図２における位置・速度推定器２０の第２実施形態（図５では符号２０Ｂとする）を示すブロック図であり、磁束オブザーバ２１、速度推定器２５及び磁極位置演算器２４から構成されている。
この位置・速度推定器２０Ｂを用いて磁極位置演算値θ_１及び速度推定値ω_１を演算する二つの方法（第３，第４実施例とする）について、以下に説明する。

まず、請求項３に相当する第３の実施例を説明する。
第３実施例は、速度推定値の演算を簡略化したものであり、図５における速度推定器２５の演算内容が第１，第２実施例と異なっている。なお、磁束オブザーバ２１は数式２を用いてδ軸磁束推定値Ψ_δｅｓｔを演算し、磁極位置演算器２４は数式５を用いて磁極位置演算値θ_１を求める。

前述した図４より、磁束推定値のδ軸成分Ψ_δｅｓｔと数式３の角度δ_ｅｓｔとの間には、数式８の関係がある。

角度誤差が小さい場合、ｓｉｎδ_ｅｓｔ≒δ_ｅｓｔの近似を用いると、数式８は数式９となる。

数式９より、角度誤差が小さい場合においては、磁束推定値のδ軸成分Ψ_δｅｓｔは、γ，δ軸と磁束推定値との間の角度δ_ｅｓｔに対して比例関係になるので、磁束推定値のδ軸成分Ψ_δｅｓｔを増幅しても、数式４を用いて推定速度ω_１を演算する第１の実施例と同様の効果を奏することができ、しかも、数式３の演算を不要にして演算量を少なくすることができる。

すなわち、図５における速度推定器２５では、ＰＩ調節器を用いて、磁束推定値のδ軸成分Ψ_δｅｓｔを増幅することにより、速度推定値ω_１を数式１０によって演算する。

また、位置・速度推定器２０Ｂを用いて磁極位置演算値θ_１及び速度推定値ω_１を演算する第４実施例は、上述した第３実施例における磁束オブザーバ２１の演算内容を、第２実施例と同様に数式６に置き換えることにより、数式２における電流推定値、電流検出値をそれぞれ電機子反作用磁束推定値、電機子反作用磁束検出値に置き換えてδ軸磁束推定値Ψ_δｅｓｔを演算するものである。この第４実施例は、請求項４に係る発明に相当する。
この第４実施例においても、第３実施例と同様に速度推定器２５の演算量を少なくすることができる。

ｄ，ｑ軸及びγ，δ軸の定義を示す図である。 本発明の実施形態を示すブロック図である。 位置・速度推定器の第１実施形態を示すブロック図である。 推定磁束のベクトル図である。 位置・速度推定器の第２実施形態を示すブロック図である。

符号の説明

１：永久磁石形同期電動機
２：電力変換器
３：整流回路
４：三相交流電源
５ｕ：ｕ相電流検出器
５ｗ：ｗ相電流検出器
６：電流座標変換器
７：電圧検出回路
８：ＰＷＭ回路
９：電圧座標変換器
１０ａ：γ軸電流調節器
１０ｂ：δ軸電流調節器
１１ａ，１１ｂ：減算器
１２：電流指令演算器
１３：速度調節器
１４：減算器
２０，２０Ａ，２０Ｂ：位置・速度推定器
２１：磁束オブザーバ
２２：角度誤差演算器
２３，２５：速度推定器
２４：磁極位置演算器

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、
   前記電動機の回転子のＮ極方向をｄ軸、このｄ軸から９０°進み方向をｑ軸、前記ｄ軸に対する制御演算上の推定軸をγ軸、このγ軸から９０°進み方向をδ軸と定義し、
   前記電動機の電流、電圧及び磁束を前記γ，δ軸上でベクトルとしてとらえ、
   前記電動機の電流検出値、電圧指令値、磁束推定値及び速度推定値から前記電動機の電流推定値を演算し、この電流推定値と前記電流検出値との偏差を増幅して前記磁束推定値を演算する磁束オブザーバと、
   前記γ，δ軸と前記磁束推定値との間の角度を演算する角度演算手段と、
   この角度演算手段により求めた角度演算値を増幅して前記速度推定値を演算する速度推定手段と、
   前記速度推定値を増幅して回転子の磁極位置を演算する磁極位置演算手段と、
   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. 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、
   前記電動機の回転子のＮ極方向をｄ軸、このｄ軸から９０°進み方向をｑ軸、前記ｄ軸に対する制御演算上の推定軸をγ軸、このγ軸から９０°進み方向をδ軸と定義し、
   前記電動機の電流、電圧及び磁束を前記γ，δ軸上でベクトルとしてとらえ、
   前記電動機の電流検出値、電圧指令値、磁束推定値及び速度推定値から前記電動機の電機子反作用磁束推定値を演算し、この電機子反作用磁束推定値と、前記電流検出値及び電機子のインダクタンス値から演算した電機子反作用磁束検出値と、の偏差を増幅して前記磁束推定値を演算する磁束オブザーバと、
   前記γ，δ軸と前記磁束推定値との間の角度を演算する角度演算手段と、
   この角度演算手段により求めた角度演算値を増幅して前記速度推定値を演算する速度推定手段と、
   前記速度推定値を増幅して回転子の磁極位置を演算する磁極位置演算手段と、
   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. 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、
   前記電動機の回転子のＮ極方向をｄ軸、このｄ軸から９０°進み方向をｑ軸、前記ｄ軸に対する制御演算上の推定軸をγ軸、このγ軸から９０°進み方向をδ軸と定義し、
   前記電動機の電流、電圧及び磁束を前記γ，δ軸上でベクトルとしてとらえ、
   前記電動機の電流検出値、電圧指令値、磁束推定値及び速度推定値から前記電動機の電流推定値を演算し、この電流推定値と前記電流検出値との偏差を増幅して前記磁束推定値を演算する磁束オブザーバと、
   前記磁束推定値のδ軸成分を増幅して前記速度推定値を演算する速度推定手段と、
   前記速度推定値を増幅して回転子の磁極位置を演算する磁極位置演算手段と、
   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。
4. 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、
   前記電動機の回転子のＮ極方向をｄ軸、このｄ軸から９０°進み方向をｑ軸、前記ｄ軸に対する制御演算上の推定軸をγ軸、このγ軸から９０°進み方向をδ軸と定義し、
   前記電動機の電流、電圧及び磁束を前記γ，δ軸上でベクトルとしてとらえ、
   前記電動機の電流検出値、電圧指令値、磁束推定値及び速度推定値から前記電動機の電機子反作用磁束推定値を演算し、この電機子反作用磁束推定値と、前記電流検出値及び電機子のインダクタンス値から演算した電機子反作用磁束検出値と、の偏差を増幅して前記磁束推定値を演算する磁束オブザーバと、
   前記磁束推定値のδ軸成分を増幅して前記速度推定値を演算する速度推定手段と、
   前記速度推定値を増幅して回転子の磁極位置を演算する磁極位置演算手段と、
   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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