JP5361452B2 - 同期電動機のセンサレス制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、同期電動機のセンサレス制御装置に関し、特に、低速域での同期制御を行う場合のセンサレス制御装置に関するものである。

低速域での同期制御を行う場合のセンサレス制御装置は、サーボコントローラからのｄ軸電流指令に基づき同期制御を行い、ｑ軸については、サーボコントローラからの速度指令とそれから得られる位置指令とに応じた電圧指令のみを印加し、電流制御は行わないように構成される。そのため、従来では、センサレス制御装置に与えるｄ軸電流指令は、停止時においても、機械現物に見合った始動トルクが得られるような固定値（例えば、定格電流程度の値）としていた（例えば、非特許文献１参照）。

"ＩＰＭモータのセンサレス速度制御"平成１１年電気学会産業応用部門大会 Ｎｏ．１８９ ｐｐ．５１−５６

しかし、固定値のｄ軸電流指令を与える従来のセンサレス制御装置では、軽負荷時には無駄な電力消費があり、高負荷時には脱調して回転しないことが起こるという問題があった。

また、停止時に外乱負荷により回転させられてしまうのを防止するためには、位置制御を採用するか、常に無駄なｄ軸電流指令を与え続けるかをしなければならなかった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、外乱トルクに対するロバスト性の向上と省電力化とが図れる同期電動機のセンサレス制御装置を得ることを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明は、ｄ軸電流指令による電流制御によって同期制御を行い、ｑ軸については、速度指令とそれに基づく位置指令とに応じた電圧指令のみを印加して電流制御は行わないようにした同期電動機のセンサレス制御装置において、検出されたｑ軸電流の変化量の増減に応じて増減する前記ｄ軸電流指令を演算生成するｄ軸電流指令演算部を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、外乱トルクの印加による軸ずれに起因して発生するｑ軸電流の変化量を用いて、回転子を元に戻すトルクを発生するように、ｄ軸電流指令を演算生成できるので、予め高いｄ軸電流指令を与えていなくとも、脱調を回避することが可能となり、外乱トルクに対するロバスト性を高めることができ、同時に省電力化が図れるという効果を奏する。

図１は、本発明の一実施の形態による同期電動機のセンサレス制御装置の構成を示すブロック図である。 図２は、図１に示す同期電動機のモータ軸であるｄ軸、ｑ軸と制御軸であるｄ^＊軸、ｑ^＊軸とが一致している場合に、ｄ^＊軸を指令速度ωｒｅ^＊で回転させる状態を説明する図である。 図３は、図２において、指令速度ωｒｅ^＊と回転子速度ωｒｅとに位相誤差θｅｒｒがある場合の回転状態を説明する図である。 図４は、図１に示すｄ軸電流指令演算部の構成例（その１）を示すブロック図である。 図５は、図４に示す可変ゲイン部の構成と動作を説明する可変ゲイン特性の一例を示す図である。 図６は、図４、図７、図８に示すｄ軸電流指令演算部の動作を説明する図である。 図７は、図１に示すｄ軸電流指令演算部の構成例（その２）を示すブロック図である。 図８は、図１に示すｄ軸電流指令演算部の構成例（その３）を示すブロック図である。 図９は、図１に示すｄ軸電流指令演算部の構成例（その４）を示すブロック図である。 図１０は、図９、図１１、図１２に示すｄ軸電流指令演算部の動作を説明する図である。 図１１は、図１に示すｄ軸電流指令演算部の構成例（その５）を示すブロック図である。 図１２は、図１に示すｄ軸電流指令演算部の構成例（その６）を示すブロック図である。

以下に、本発明にかかる同期電動機のセンサレス制御装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態.
図１は、本発明の一実施の形態による同期電動機のセンサレス制御装置の構成を示すブロック図である。図１において、同期電動機５０は、永久磁石同期電動機である。本実施の形態では、同期電動機５０に非突極の表面磁石同期電動機を用いている。

この同期電動機５０を低速域で同期制御するセンサレス制御装置は、一般に、速度指令発生部１と、速度演算部２と、位相演算部３と、ｄ軸電流制御部４と、誘起電圧補償部５と、非干渉化制御部６と、加算器７，８と、３相２相座標変換部９と、２相３相座標変換部１０と、電力変換器１１と、電流検出器１２，１３とを備えている。

本実施の形態によるセンサレス制御装置は、上記の構成に、ｄ軸電流指令演算部１４と加算器１５とを追加したものである。なお、加算器１５は、ｄ軸電流指令演算部１４の出力回路であるが、理解を容易にするため、抜き出して示してある。

つまり、ｄ軸電流指令ｉｄ０^＊は、図示しないサーボコントローラから入力されるが、一般には、直接ｄ軸電流制御部４に入力される。それに対して、本実施の形態では、加算器１５にて、ｄ軸電流指令ｉｄ０^＊にｄ軸電流指令演算部１４が後述するようにして演算したｄ軸電流指令ｉｄ１^＊が加算されたｄ軸電流指令ｉｄａ^＊としてｄ軸電流制御部４に入力される構成となる。この場合のｄ軸電流指令ｉｄ１^＊は、調整用のｄ軸電流指令となる。

ここで、サーボコントローラからのｄ軸電流指令ｉｄ０^＊は、一般には、前記したように定格電流程度等の固定値であるが、本実施の形態で言うｄ軸電流指令ｉｄ０^＊は、一般に用いる固体値よりも低い値でよい。具体的には、サーボコントローラから停止指令が出力されている停止時の保持トルクとして必要なごく小さな値でよい。このような低値の設定は、手動で行える。

但し、本発明では、理論的には、ｄ軸電流指令演算部１４は、ｄ軸電流制御部４が行う電流制御に必要なｄ軸電流指令を決定できるので、サーボコントローラからのｄ軸電流指令ｉｄ０^＊は、ゼロでよい。したがって、本発明の原理的構成は、図１において加算器１５が無く、ｄ軸電流指令演算部１４が出力する前記調整用のｄ軸電流指令ｉｄ１^＊が調整用ではない本発明によるｄ軸電流指令ｉｄａ^＊としてｄ軸電流制御部４に入力される構成となる。

しかし、サーボコントローラからのｄ軸電流指令ｉｄ０^＊をゼロにした場合、実際の適用では、弱い外乱トルクの印加により３相２相変換部９からのｑ軸電流ｉｑａに変化成分が現れても、変化量が小さいので、その弱い外乱トルクによる変化成分がｄ軸電流指令演算部１４内のフィルタで除去されてしまうことが考えられる。そうすると、外乱トルクの印加が検出不可能となり、その弱い外乱トルクで同期電動機５０の回転子磁石が回転させられてしまうことが起こる。そのような事態を回避するには、従来と同様に予め或る大きさのｄ軸電流指令の供給が必要となる。そこで、本実施の形態では、図１に示すように、加算器１５を設け、前記した内容のｄ軸電流指令ｉｄ０^＊をサーボコントローラから入力するようにしてある。

まず、一般的な構成での各部の動作について簡単に説明する。ｄ軸電流制御部４では、サーボコントローラからのｄ軸電流指令ｉｄ０^＊と３相２相座標変換部９からの検出されたｄ軸電流ｉｄａとに基づいて同期電動機５０のｄ軸に印加するｄ軸電圧ｖｄ^＊を生成する。このｄ軸電圧ｖｄ^＊は、加算器８にて、非干渉化制御部６が出力するｄ軸干渉電圧ｖｄｏ^＊が加算されてｄ軸電圧ｖｄａ^＊となり、２相３相座標変換部１０に入力される。

また、速度指令発生部１は、サーボコントローラからの速度指令ωｒに従い、同期電動機５０の回転速度を指定する速度指令ωｒ^＊を発生する。速度演算部２は、速度指令発生部１が発生した機械的速度である速度指令ωｒ^＊に、対極数Ｐ／２（Ｐは全極数）を乗算して電気角で表される電気的な速度指令ωｒｅ^＊を演算する。この速度指令ωｒｅ^＊は、位相演算部３と誘起電圧補償部５と非干渉化制御部６とに入力される。

位相演算部３は、速度指令ωｒｅ^＊を積分してモータ軸（ｄｑ）上の位相θｒｅ^＊を演算する。この位相θｒｅ^＊は、位置指令として３相２相座標変換部９と２相３相座標変換部１０とに入力される。

誘起電圧補償部５は、同期電動機５０が速度指令ωｒｅ^＊で回転するときに発生する誘起電圧ｖｑ^＊を算出する。この誘起電圧ｖｑ^＊は、速度指令ωｒｅ^＊に対するｑ軸電圧を補償する電圧であり、加算器７にて、非干渉化制御部６が出力するｑ軸干渉電圧ｖｑｏ^＊が加算されてｑ軸電圧ｖｑａ^＊となり、２相３相座標変換部１０に入力される。ここで、誘起電圧ｖｑ^＊は、同期電動機５０が非突極の表面磁石電動機である場合、磁束密度Φａを用いて、次の式（１）で表される。
ｖｑ^＊＝ωｒｅ^＊×Φａ …（１）

２相３相座標変換部１０は、ｄ軸とそれに直交するｑ軸との制御２相の電圧（ｄ軸電圧ｖｄａ^＊、ｑ軸電圧ｖｑａ^＊）を、位置指令である位相θｒｅ^＊に基づき同期電動機５０に印加する３相（ＵＶＷ）の電圧指令（ｖｕａ^＊、ｖｖａ^＊、ｖｗａ^＊）に変換する。電力変換器１１は、いわゆるインバータであって、２相３相座標変換部１０からの３相電圧指令（ｖｕａ^＊、ｖｖａ^＊、ｖｗａ^＊）に基づき生成したパルス幅変調された駆動パルス信号によりスイッチング素子をオン・オフ動作させ、速度指令ωｒｅ^＊に対応した周波数の３相交流電圧を生成し、同期電動機５０に供給する。図示例では、電流検出器１２，１３にてこのときのＵ相とＶ相の駆動電流ｉｕａ、ｉｖａが検出され、３相２相座標変換部９に入力される。

３相２相座標変換部９は、電流検出器１２，１３から入力される２相の駆動電流（ｉｕａ、ｉｖａ）から、残り１相（今の例では、Ｗ相の駆動電流ｉｗａ）を算出して３相の駆動電流を生成し、それを、位置指令である位相θｒｅ^＊に基づきｄ軸とｑ軸の制御２相の電流（ｄ軸電流ｉｄａ、ｑ軸電流ｉｑａ）に変換する。変換されたｄ軸電流ｉｄａ、ｑ軸電流ｉｑａは、非干渉化制御部６に入力され、また、変換されたｄ軸電流ｉｄａは、ｄ軸電流制御部４に入力される。ｄ軸電流制御部４については前述した。

非干渉化制御部６は、干渉項である速度指令ωｒｅ^＊と、検出されたｄ軸電流ｉｄａおよびｑ軸電流ｉｑａとを用いて、干渉に対してｄ軸電圧、ｑ軸電圧を補償するｄ軸干渉電圧ｖｄｏ^＊、ｑ軸干渉電圧ｖｑｏ^＊を演算生成する。生成されたｄ軸干渉電圧ｖｄｏ^＊は加算器８に入力され、ｑ軸干渉電圧ｖｑｏ^＊は加算器７に入力されることは前述した。ここで、ｄ軸干渉電圧ｖｄｏ^＊、ｑ軸干渉電圧ｖｑｏ^＊は、同期電動機５０が非突極の表面磁石電動機である場合、次の式（２）（３）で表される。なお、式（２）（３）において、Ｌａはｄ軸、ｑ軸のインダクタンス成分である。
ｖｄｏ＊＝−ωｒｅ^＊・Ｌａ・ｉｑａ …（２）
ｖｑｏ＊＝ωｒｅ^＊・Ｌａ・ｉｑａ …（３）

以上のように、低速域での同期制御を行う場合のセンサレス制御装置は、サーボコントローラからのｄ軸電流指令ｉｄ０^＊に基づき同期制御を行い、ｑ軸については、サーボコントローラからの速度指令ωｒから生成された速度指令ωｒｅ^＊と、それから得られる位置指令である位相θｒｅ^＊とに応じた電圧指令（ｖｑａ^＊）のみを印加し、電流制御は行わないように構成されている。

さて、図２は、図１に示す同期電動機のモータ軸であるｄ軸、ｑ軸と制御軸であるｄ^＊軸、ｑ^＊軸とが一致している場合に、ｄ^＊軸を速度指令ωｒｅ^＊に従って回転させる状態を説明する図である。図３は、図２において、速度指令ωｒｅ^＊と回転子速度ωｒｅとに位相誤差θｅｒｒがある場合の回転状態を説明する図である。

図２に示すように、制御軸のｄ^＊軸を速度指令ωｒｅ^＊に従って回転させることで、回転子磁石２１を速度指令ωｒｅ^＊の方向へ回転させるときに、摩擦などの外乱トルクにより制御軸のｄ^＊軸とモータ軸のｄ軸とにずれが生じた場合は、図３に示すように、速度指令ωｒｅ^＊と回転子速度ωｒｅとに位相誤差θｅｒｒが生ずる。

上記のように、ｑ軸電流制御は行わず、誘起電圧補償部５が電気角の速度指令ωｒｅ^＊に応じて算出したｑ軸電圧ｖｑ^＊と、非干渉化制御部６が検出ｑ軸電流ｉｑａを用いて算出したｑ軸干渉電圧ｖｑｏ^＊とを加算器７にて加算したｑ軸電圧ｖｑａ^＊を２相３相座標変換部９に与えて同期電動機５０に印加する場合、モータ軸のｑ軸への実際の印加電圧ｖｑａ^＊と理論値として求まる印加電圧ｖｑａとに上記位相誤差θｅｒｒに応じた電圧誤差が発生し、３相２相座標変換部９から出力されるｑ軸電流ｉｑａにその電圧誤差に応じた大きさの変化成分が現れる。

以下、非突極の表面磁石電動機の場合を例に挙げて具体的に説明する。非突極の表面磁石電動機の場合、ｄ軸電圧ｖｄａとｑ軸電圧ｖｑａとの関係は、次の式（４）に示す電圧方程式で表される。なお、式（４）において、Ｒａは巻線抵抗、ｐは微分記号である。

上記式（４）から、印加するｑ軸電圧ｖｑａ^＊と理論値として求まる印加電圧ｖｑａとは、次の式（５）（６）として表される。そして、ｑ軸に発生する電圧誤差ｖｑｅは、式（５）（６）から、式（７）として表される。
ｖｑａ^＊＝ωｒｅ^＊・Ｌａ・ｉｄａ＋（Ｒａ＋ｐＬａ）ｉｑａ＋ωｒｅ^＊・Φａ…（５）
ｖｑａ＝ωｒｅ・Ｌａ・ｉｄａ・ｃｏｓθｅｒｒ
＋（Ｒａ＋ｐＬａ）ｉｑａ・ｃｏｓθｅｒｒ＋ωｒｅ・Φａ・ｃｏｓθｅｒｒ …（６）
ｖｑｅ＝ｖｑａ^＊−ｖｑａ
＝（ωｒｅ^＊−ωｒｅ・ｃｏｓθｅｒｒ）（Ｌａ・ｉｄａ＋Φａ） …（７）

ここで、ｑ軸に着目すると、速度指令（ωｒｅ^＊）−回転子速度（ωｒｅ）×ｃｏｓθｅｒｒ＝０の場合は、電圧誤差（ｖｑｅ）は発生せず、ｑ軸電流（ｉｑａ）は検出されないが、速度指令（ωｒｅ^＊）−回転子速度（ωｒｅ）×ｃｏｓθｅｒｒ≠０の場合は、電圧誤差（ｖｑｅ）は、ｖｑｅ≠０となり、ｑ軸電流（ｉｑａ）が検出される。そして、停止時は、ωｒｅ^＊＝０の場合であり、外乱トルクにより回転子磁石２１が回転させられて電圧誤差（ｖｑｅ）が発生した場合には、同様にｑ軸電流（ｉｑａ）が検出される。

従来では、３相２相座標変換部９が変換出力するｑ軸電流ｉｑａの変化を監視してｄ軸電流制御にフィードバックする手段がなかったので、外乱トルクにより回転子磁石２１が回転させられても、それを検出して修正することができなかった。

そこで、本実施の形態では、図１に示すように、上記の手段として、加算器１５を含むｄ軸電流指令演算部１４を設けてある。ｄ軸電流指令演算部１４は、従来干渉化制御にのみ使用していた３相２相座標変換部９が変換出力する検出ｑ軸電流ｉｑａを取り込み、そのｑ軸電流ｉｑａの変化量を監視し、サーボコントローラからのｄ軸電流指令ｉｄｏ^＊を増減調整するｄ軸電流指令ｉｄ１^＊を演算し、加算器１５からｄ軸電流指令ｉｄｏ^＊を自動的に増減調整したｄ軸電流指令ｉｄａ^＊がｄ軸電流制御部４へ出力されるように構成される。これによって、ｄ軸電流制御部４は、外乱トルクに対するロバスト性を高めた適切なｄ軸電圧ｖｄ^＊を生成できるようになる。

ｄ軸電流指令演算部１４は、例えば、図４、図７〜図９、図１１、図１２に示すように種々の態様で構成することができる。以下、図番の順に、加算器１５を含むｄ軸電流指令演算部１４の構成と動作について説明する。

（ｄ軸電流指令演算部１４の構成例（その１））
図４は、図１に示すｄ軸電流指令演算部の構成例（その１）を示すブロック図である。図１に示すｄ軸電流指令演算部１４は、図４に示すように、検出されたｑ軸電流ｉｑａが入力されるバンドパスフィルタ３１と、バンドパスフィルタ３１の出力を入力とする絶対値回路（ＡＢＳ）３２と、絶対値回路３２の出力を入力とする時定数可変フィルタ３３と、時定数可変フィルタ３３の出力を入力とする出力ゲイン乗算器３４とで構成することができる。出力ゲイン乗算器３４の出力は、加算器１５の一方の入力端に入力される。加算器１５の他方の入力端には、サーボコントローラからのｄ軸電流指令１ｄ０^＊が入力される。

バンドパスフィルタ３１は、検出されたｑ軸電流ｉｑａが並列に入力される互いに時定数が異なる２つのローパスフィルタ３５，３６と、２つのローパスフィルタ３５，３６の各出力が入力される加減算器３７とで構成され、加減算器３７から絶対値回路３２に、ｑ軸電流ｉｑａに含まれるノイズ成分や定常偏差成分が除去され、正負に変化する変化成分のみとなったｑ軸電流ｉｑａが出力される。

絶対値回路３２は、バンドパスフィルタ３１から入力する正負に変化するｑ軸電流ｉｑａの変化成分を絶対値化して極性を正極側に揃えた絶対値化ｑ軸電流ｉｑｂを生成し、それを時定数可変フィルタ３３に出力する。

時定数可変フィルタ３３は、加減算器３９と、可変ゲイン部４０と、乗算器４１と、積分器４２とを備えている。加減算器３９は、絶対値回路３２からの絶対値化ｑ軸電流ｉｑｂから、積分器４２の現在の積分値である当該時定数可変フィルタ３３の状態量ｉｑｆを減算して偏差ｉｑｅを求め、それを可変ゲイン部４０と乗算器４１の一方の入力端とに出力する。乗算器４１の他方の入力端には可変ゲイン部４０の出力Ｇｏｕｔが入力される。乗算器４１の出力は積分器４２に入力される。

可変ゲイン部４０は、入力される偏差ｉｑｅの大きさに応じて出力Ｇｏｕｔのゲインを可変にする回路である。図５は、図４に示す可変ゲイン部の構成と動作を説明する可変ゲイン特性の一例を示す図である。可変ゲイン部４０は、例えば、図５に示すように、偏差ｉｑｅが大きい場合は、大きな値のゲインで出力Ｇｏｕｔを出力し、偏差ｉｑｅが小さい場合は、小さい値のゲインで出力Ｇｏｕｔを出力する。

図５に示す可変ゲイン部４０での偏差ｉｑｅと出力Ｇｏｕｔとの関係は、次の式（８）（９）で表される。但し、図５において、Ｇ０は、偏差閾値ｉｑ０時のゲイン値、例えば１［ｒａｄ／ｓｅｃ］である。また、Ｇ１は、偏差閾値ｉｑ１時のゲイン値、例えば４０００［ｒａｄ／ｓｅｃ］である。
ｉｑｅ＜ｉｑ０の場合 Ｇｏｕｔ＝Ｇ０ …（８）
ｉｑｅ≧ｉｑ０の場合 Ｇｏｕｔ＝｛（Ｇ１−Ｇ０）／（ｉｑｅ１−ｉｑｅ０）｝
×（ｉｑｅ−ｉｑｅ０）＋Ｇ０ …（９）

この時定数可変フィルタ３３では、加減算器３９が出力する偏差ｉｑｅと可変ゲイン部４０の出力Ｇｏｕｔとが乗算器４１にて乗算されて積分器４２に入力され、状態量ｉｑｆに積算されるので、可変ゲイン部４０の上記した動作により、状態量ｉｑｆに積算される値は可変となり、状態量ｉｑｆが増加する場合と減少する場合とで時定数が異なることになる。

出力ゲイン乗算器３４は、このように偏差ｉｑｅに応じて異なる時定数で増減変化する状態量ｉｑｆに出力ゲインＫｑを乗算してｄ軸電流指令ｉｄ１^＊を生成する。加算器１５は、出力ゲイン乗算器３４が生成したｄ軸電流指令ｉｄ１^＊とサーボコントローラからのｄ軸電流指令ｉｄ０^＊とを加算してｄ軸電流制御部４へのｄ軸電流指令ｉｄａ^＊とする。

次に、図６を参照して図４に示すｄ軸電流指令演算部の動作について説明する。なお、図６は、図４、図７、図８に示すｄ軸電流指令演算部の動作を説明する波形図である。図６では、外乱トルクと、検出されたｑ軸電流ｉｑａと、絶対値化ｑ軸電流ｉｑｂと、演算生成したｄ軸電流指令ｉｄ１^＊との関係が示されている。

図６において、外乱トルクが印加されると、図３に示すように、回転子磁石２１がｄ^＊軸から離れる方向に回転させられて誘起電圧が変化し、電圧誤差が発生し、３相２相変換部９から大きく変化するｑ軸電流ｉｑａが図４に示すｄ軸電流指令演算部１４に入力される。

ｄ軸電流指令演算部１４では、このようなｑ軸電流ｉｑａの大きな変化成分がバンドパスフィルタ３１にて抽出される。図示例では、最初に検出されたｑ軸電流ｉｑａは、正極性であるので、絶対値回路３２からそのまま絶対値化ｑ軸電流ｉｑｂとして時定数可変フィルタ３３へ出力される。

時定数可変フィルタ３３では、入力される絶対値化ｑ軸電流ｉｑｂの上昇変化に応答してｄ軸電流指令ｉｄ１^＊を小さな時定数で急峻に上昇させる。このように上昇変化するｄ軸電流指令ｉｄ１^＊が加算器１５にてサーボコントローラからのｄ軸電流指令ｉｄ０^＊と加算されてｄ軸電流制御部４に入力され、対応するｄ軸電圧ｖｄ^＊が生成され、同期電動機５０に印加される。

このｄ軸電流指令ｉｄ１^＊により回転子磁石２１をｄ^＊軸方向へ戻すトルクが発生し、ｄ軸電流指令ｉｄ１^＊が或る大きさまで上昇すると、回転子磁石２１をｄ^＊軸方向へ戻すトルクが外乱トルクに打ち勝って、回転子速度はｄ^＊軸方向に変化する。ｄ^＊軸に対する回転子速度の変化が小さくなるにつれて電圧誤差が解消されていき、ｑ軸電流ｉｑａ、絶対値化ｑ軸電流ｉｑｂが小さくなるので、時定数可変フィルタ３３では、絶対値化ｑ軸電流ｉｑｂの下降変化に応答してｄ軸電流指令ｉｄ１^＊を大きな時定数で下降させる。このように下降変化するｄ軸電流指令ｉｄ１^＊がサーボコントローラからのｑ軸電流指令ｉｑ０^＊に加算される。

その過程で外乱トルクが消滅すると、ｄ軸電流指令ｉｄ１^＊により発生しているｄ^＊軸方向へ戻すトルクによって回転子速度は、ｄ^＊軸方向へと変化するので、再度、誘起電圧の変化が起こり、２つ目のｑ軸電流ｉｑａが発生する。この場合の誘起電圧の極性は、外乱トルクの印加時とは逆向きであるので、発生する２つ目のｑ軸電流ｉｑａは、今の例では負極性である。この負極性のｑ軸電流ｉｑａが、絶対値回路３２にて、正極性の絶対値化ｑ軸電流ｉｑｂとなり、時定数可変フィルタ３３に入力される。

時定数可変フィルタ３３では、上記と同様に、ｄ軸電流指令ｉｄ１^＊を小さい時定数で急峻に上昇させる。そして、ｄ^＊軸に対する回転子速度の変化が無くなり、２つ目のｑ軸電流ｉｑａが小さくなり、絶対値化ｑ軸電流ｉｑｂが下降すると、時定数可変フィルタ３３では、再びｄ軸電流指令ｉｄ１^＊を大きな時定数で緩やかに下降させ、０にする。

このように、図４に示すｄ軸電流指令演算部１４では、サーボコントローラからのｄ軸電流指令ｉｄ０^＊を外乱トルクに応じて増減調整するｄ軸電流指令ｉｄ１^＊を自動的に決定し、実行することができるので、外乱トルクによる軸ずれを解消することができ、外乱に対するロバスト性を高めることができる。

そして、従来では、外乱トルクによる軸ずれを防止するため、図６に示す例で言えば、ｄ軸電流指令ｉｄ１^＊のピーク値を固定的に常時供給していた。それに対して、本実施の形態では、図６に示すように、外乱トルクが印加されていない場合は、ｄ軸電流指令ｉｄ１^＊はゼロであり、外乱トルクが印加されている場合でもｄ軸電流指令ｉｄ１^＊は大きな値に固定されず増減するので、従来よりも消費電力の低減が図れる。

一方、図６による動作説明から、本発明では、従来必要であったｄ軸電流指令ｉｄ０^＊を原理的に不要にすることができることも理解できる。

（ｄ軸電流指令演算部１４の構成例（その２））
図７は、図１に示すｄ軸電流指令演算部の構成例（その２）を示すブロック図である。図７では、図４に示した構成において、バンドパスフィルタ３１に代えて、ローパスフィルタ４３が設けられている。

すなわち、図７に示すｄ軸電流指令演算部１４では、ローパスフィルタ４３にて、検出されたｑ軸電流ｉｑａからノイズ成分を除外してｑ軸電流ｉｑａの変化成分を抽出し、それを絶対値回路３２にて絶対値化して絶対値化ｑ軸電流ｉｑｂとする。以降は図４にて説明したように、時定数可変フィルタ３３にて、絶対値化ｑ軸電流ｉｑｂと状態量ｉｑｆとの偏差ｉｑｅに応じて状態量ｉｑｆを異なる時定数で増減変化するように生成し、出力ゲイン乗算器３４にてその状態量ｉｑｆに出力ゲインＫｑを乗算したｄ軸電流指令ｉｄ１^＊を生成し、加算器１５にてｄ軸電流指令ｉｄ１^＊とサーボコントローラからのｄ軸電流指令ｉｄ０^＊とを加算してｄ軸電流制御部４で用いるｄ軸電流指令ｉｄ０^＊を出力する。

この構成によっても外乱時に、図６にて説明したのと同様の動作が行われ、サーボコントローラからのｄ軸電流指令ｉｄ０^＊を自動的に増減調整して、軸ずれを解消することができ、ロバスト性が向上する。また、同様に、省電力化が図れる。

（ｄ軸電流指令演算部１４の構成例（その３））
図８は、図１に示すｄ軸電流指令演算部の構成例（その３）を示すブロック図である。図８では、図４に示した構成おいて、バンドパスフィルタ３１が削除されている。

すなわち、図８に示すｄ軸電流指令演算部１４では、検出されたｑ軸電流ｉｑａは、直接絶対値回路３２に入力され、絶対値化ｑ軸電流ｉｑｂとなる。以降の時定数可変フィルタ３３と出力ゲイン乗算器３４と加算器１５では、図４にて説明した動作が行われる。この構成によっても外乱時に、図６にて説明したのと同様の動作が行われ、サーボコントローラからのｄ軸電流指令ｉｄ０^＊を自動的に増減調整して軸ずれを解消することができ、ロバスト性が向上する。また、同様に、省電力化が図れる。

（ｄ軸電流指令演算部１４の構成例（その４））
図９は、図１に示すｄ軸電流指令演算部の構成例（その４）を示すブロック図である。図９では、図４に示した構成おいて、時定数可変フィルタ３３に代えて、時定数固定フィルタ４５が設けられている。時定数固定フィルタ４５は、図４に示す時定数可変フィルタ３３において、可変ゲイン部４０と乗算器４１に代えて、加減算器３９と積分器４２との間に積分ゲイン乗算器４６が設けられている。

すなわち、図９に示すｄ軸電流指令演算部１４では、バンドパスフィルタ３１にて、検出されたｑ軸電流ｉｑａからノイズ成分、定常偏差を除外してｑ軸電流ｉｑａの変化成分を抽出し、それを絶対値回路３２にて絶対値化して絶対値化ｑ軸電流ｉｑｂとする。時定数固定フィルタ４５では、加減算器３９にて、絶対値化ｑ軸電流ｉｑｂと状態量ｉｑｆとの偏差ｉｑｅが求められ、その偏差ｉｑｅに積分ゲイン乗算器４６にて積分ゲインＫｉが乗算された偏差が積分器４２に入力されて状態量ｉｑｆに積算されることで、偏差ｉｑｅに応じて同じ時定数で増減変化する状態量ｉｑｆが生成される。そして、出力ゲイン乗算器３４にてその状態量ｉｑｆに出力ゲインＫｑを乗算したｄ軸電流指令ｉｄ１^＊が生成され、加算器１５にてｄ軸電流指令ｉｄ１^＊とサーボコントローラからのｄ軸電流指令ｉｄ０^＊とが加算されてｄ軸電流制御部４で用いるｄ軸電流指令ｉｄ０^＊が出力される。

次に、図１０を参照して、動作について説明する。なお、図１０は、図９、図１１、図１２に示すｄ軸電流指令演算部の動作を説明する波形図である。図１０では、図６と同様に、外乱トルクと、検出されたｑ軸電流ｉｑａと、絶対値化ｑ軸電流ｉｑｂと、演算生成したｄ軸電流指令ｉｄ１^＊との関係が示されている。

図１０において、外乱トルクが印加されると、図３に示すように回転子磁石２１がｄ^＊軸から離れる方向に回転させられて誘起電圧が変化し、電圧誤差が発生し、３相２相変換器６から大きく変化するｑ軸電流ｉｑａが図９に示すｄ軸電流指令演算部１４に入力される。

ｄ軸電流指令演算部１４では、このようなｑ軸電流ｉｑａの大きな変化成分がバンドパスフィルタ３１にて抽出される。図示例では、検出されたｑ軸電流ｉｑａは、正極性であるので、絶対値回路３２からそのまま絶対値化ｑ軸電流ｉｑｂとして時定数可変フィルタ３３へ出力される。

時定数可変フィルタ３３では、絶対値化ｑ軸電流ｉｑｂの上昇変化に応答してｄ軸電流指令ｉｄ１^＊を上昇させる。このように上昇変化するｄ軸電流指令ｉｄ１^＊が加算器１５にてサーボコントローラからのｄ軸電流指令ｉｄ０^＊と加算されてｄ軸電流制御部４に入力され、対応するｄ軸電圧ｖｄ^＊が生成され、同期電動機５０に印加される。

このｄ軸電流指令ｉｄ１^＊により回転子磁石２１をｄ^＊軸方向へ戻すトルクが発生し、ｄ軸電流指令ｉｄ１^＊が或る大きさまで上昇すると、回転子磁石２１をｄ^＊軸方向へ戻すトルクが外乱トルクに打ち勝って、回転子速度はｄ^＊軸方向に変化する。ｄ^＊軸に対する回転子速度の変化が小さくなるにつれて電圧誤差が解消されていき、ｑ軸電流ｉｑａ、絶対値化ｑ軸電流ｉｑｂが小さくなるので、時定数固定フィルタ４５では、絶対値化ｑ軸電流ｉｑｂの下降変化に応答してｄ軸電流指令ｉｄ１^＊を上昇時と同じ大きさの時定数で下降させる。このように下降変化するｄ軸電流指令ｉｄ１^＊がサーボコントローラからのｄ軸電流指令ｉｄ０^＊に加算される。

外乱トルクの印加中にｄ軸電流指令ｉｄ１^＊が下降すると、再度、誘起電圧の変化が起こり、ｑ軸電流ｉｑａが発生する。この場合の誘起電圧の極性は、外乱トルクの印加時とは逆向きであるので、発生するｑ軸電流ｉｑａは、今の例では負極性である。この負極性のｑ軸電流ｉｑａが、絶対値回路３２にて、正極性の絶対値化ｑ軸電流ｉｑｂとなり、時定数固定フィルタ４５に入力される。

時定数固定フィルタ４５では、上記と同様に、ｄ軸電流指令ｉｄ１^＊を前回と同じ大きさの時定数で上昇させる。以上の動作が外乱トルクの消滅まで繰り返される。そして、外乱トルクの消滅した後、ｄ^＊軸に対する回転子速度の変化が無くなると、時定数固定フィルタ４５では、再びｄ軸電流指令ｉｄ１^＊を上昇時と同じ大きさの時定数で下降させ、０にする。

このように、図９に示す軸電流指令演算部１４では、サーボコントローラからのｄ軸電流指令ｉｄ０^＊を外乱トルクに応じて増減調整するｄ軸電流指令ｉｄ１^＊を自動的に決定し、実行することができるので、外乱トルクによる軸ずれを解消することができ、外乱トルクに対するロバスト性を高めることができる。また、同様に、省電力化が図れる。

（ｄ軸電流指令演算部１４の構成例（その５））
図１１は、図１に示すｄ軸電流指令演算部の構成例（その５）を示すブロック図である。図１１では、図９に示した構成において、バンドパスフィルタ３１に代えて、ローパスフィルタ４３が設けられている。

すなわち、図１１に示すｄ軸電流指令演算部１４では、ローパスフィルタ４３にて、検出されたｑ軸電流ｉｑａからノイズ成分を除外してｑ軸電流ｉｑａの変化成分を抽出し、それを絶対値回路３２にて絶対値化して絶対値化ｑ軸電流ｉｑｂとする。以降は図９にて説明したように、時定数固定フィルタ４５にて、絶対値化ｑ軸電流ｉｑｂと状態量ｉｑｆとの偏差ｉｑｅに応じて状態量ｉｑｆを同じ時定数で変化するように生成され、出力ゲイン乗算器３４にてその状態量ｉｑｆに出力ゲインＫｑを乗算したｄ軸電流指令ｉｄ１^＊が生成し、加算器１５にてｄ軸電流指令ｉｄ１^＊とサーボコントローラからのｄ軸電流指令ｉｄ０^＊とが加算されてｄ軸電流制御部４で用いるｄ軸電流指令ｉｄａ^＊が出力される。

この構成によっても外乱時に、図６にて説明したのと同様の動作が行われ、サーボコントローラからのｄ軸電流指令ｉｄ０^＊を自動的に増減調整して、軸ずれを解消することができ、外乱トルクに対するロバスト性が向上する。また、同様に、省電力化が図れる。

（ｄ軸電流指令演算部１４の構成例（その６））
図１２は、図１に示すｄ軸電流指令演算部の構成例（その６）を示すブロック図である。図１２では、図９に示した構成おいて、バンドパスフィルタ３１が削除されている。

すなわち、図１２に示すｄ軸電流指令演算部１４では、検出されたｑ軸電流ｉｑａは、直接絶対値回路３２に入力され、絶対値化ｑ軸電流ｉｑｂとなる。以降の時定数固定フィルタ４５と出力ゲイン乗算器３４と加算器１５では、図９にて説明した動作が行われる。この構成によっても外乱時に、図１０にて説明したのと同様の動作が行われ、サーボコントローラからのｄ軸電流指令ｉｄ０^＊を自動的に増減調整して、軸ずれを解消することができ、外乱トルクに対するロバスト性が向上する。また、同様に、省電力化が図れる。

以上のように、本実施の形態によれば、外乱トルクが印加されたときに生ずる軸ずれに起因して発生するｑ軸電流の変化量を用いて、ｄ軸電流指令ｉｄ０^＊を自動的に増減調整するｄ軸電流指令ｉｄ１^＊を決定できるｄ軸電流指令演算部を設けたので、予め高いｄ軸電流指令ｉｄ０^＊を与えていなくても脱調を回避することが可能となり、外乱に対するロバスト性を高めることができ、また、省電力化が可能になる。

また、停止時においてもｄ軸電流指令ｉｄ０^＊を与え続ける必要がなくなり、トルクが必要なときにのみ自動的に必要なｄ軸電流を流すことが可能になるので、電力消費を低く抑えて、発熱の少ない制御が可能となる。

加えて、ｄ軸電流指令演算部では、決定するｄ軸電流指令ｉｄ１^＊を、増加時と減少時とで異なる時定数で変化するように生成できる時定数可変フィルタを用いる場合、急峻な外乱負荷に対するｄ軸電流指令ｉｄ１^＊の作成が可能となる。

以上のように、本発明にかかる同期電動機のセンサレス制御装置は、外乱トルクに対するロバスト性の向上と省電力化とが図れるセンサレス制御装置として有用であり、特に、低速域でのセンサレス制御装置に適している。

１ 速度指令発生部
２ 速度演算部
３ 位相演算部
４ ｄ軸電流制御部
５ 誘起電圧補償部
６ 非干渉化制御部
７，８ 加算器
９ ３相２相座標変換部
１０ ２相３相座標変換部
１１ 電力変換器
１２，１３ 電流検出器
１４ ｄ軸電流指令演算部
１５ 加算器
２１ 回転子磁石
３１ バンドパスフィルタ
３２ 絶対値回路
３３ 時定数可変フィルタ
３４ 出力ゲイン乗算器
３５，３６ ローパスフィルタ
３７，３９ 加減算器
４０ 可変ゲイン部
４１ 乗算器
４２ 積分器
４３ ローパスフィルタ
４５ 時定数固定フィルタ
４６ 積分ゲイン乗算器
５０ 同期電動機

Claims (5)

1. ｄ軸電流指令による電流制御によって同期制御を行い、ｑ軸については、速度指令とそれに基づく位置指令とに応じた電圧指令のみを印加して電流制御は行わないようにした同期電動機のセンサレス制御装置において、
   検出されたｑ軸電流の変化量の増減に応じて増減する前記ｄ軸電流指令を演算生成するｄ軸電流指令演算部、
   を備え、
   前記ｄ軸電流指令演算部は、ｑ軸電流の絶対値の上昇変化に応答して調整用のｄ軸電流指令を上昇させ、ｑ軸電流の絶対値の下降変化に応答して前記調整用のｄ軸電流指令を下降させる
   ことを特徴とする同期電動機のセンサレス制御装置。
2. ｄ軸電流指令による電流制御によって同期制御を行い、ｑ軸については、速度指令とそれに基づく位置指令とに応じた電圧指令のみを印加して電流制御は行わないようにした同期電動機のセンサレス制御装置において、
   検出されたｑ軸電流の変化量に基づき前記ｄ軸電流指令を増減調整する調整用のｄ軸電流指令を演算生成するｄ軸電流指令演算部、
   を備え、
   前記ｄ軸電流指令演算部は、ｑ軸電流の絶対値の上昇変化に応答して前記調整用のｄ軸電流指令を上昇させ、ｑ軸電流の絶対値の下降変化に応答して前記調整用のｄ軸電流指令を下降させる
   ことを特徴とする同期電動機のセンサレス制御装置。
3. 前記ｄ軸電流指令演算部は、
   前記検出されたｑ軸電流の変化方向極性を一方の極性に揃える絶対値回路と、
   前記絶対値回路が出力する一方の極性で変化する電流信号をその増加変化率と減少変化率とに応じて所定の時定数をもって増加し減少する電流信号へ変換するフィルタと、
   前記フィルタが出力する電流信号に出力ゲインを乗算して前記ｄ軸電流指令または前記調整用のｄ軸電流指令を出力する出力ゲイン乗算器と、
   を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の同期電動機のセンサレス制御装置。
4. 前記フィルタは、前記所定の時定数として、前記増加変化率と前記減少変化率とのそれぞれに対して、互いに異なる時定数を与える、または、同一の時定数を与えるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の同期電動機のセンサレス制御装置。
5. 前記絶対値回路の入力段に、バンドパスフィルタまたはローパスフィルタが設けられていることを特徴とする請求項３または４に記載の同期電動機のセンサレス制御装置。

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