JP5397023B2 - 交流モータの制御装置 - Google Patents
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Description
後者の手法は、極低速領域においても適用可能であり、定常的な位置推定精度に対し、モータパラメータの設定誤差が影響しない優れた性質を持つが、制御パラメータを決定する際、制御器の応答設計値や探査信号の周波数、重畳電流値または電圧値を必要とする。また、一般的にこれら制御手法の特性評価は、推定位相と実位相との誤差(位置推定誤差)の大きさに基づいて行なわれる。
また、所定極性の磁極位置における高周波電流の最大振幅値Imaxと、反対極性の磁極位置における高周波電流の最大振幅値Imax’との差が、所定しきい値以上となり、かつ第2のしきい値以下となるように高周波電圧の振幅を調整する技術が開示されている(例えば特許文献2参照)。
また、従来の交流モータの制御装置は、高周波重畳によるセンサレス制御手法がインダクタンス差(突極差)を利用した磁極位置推定方法であり、重畳する電圧振幅及び周波数が一定の条件下なら電流レベルの差は突極差とみなすことが出来るという考え方に立脚し、電流レベルの差がある一定値以上にあるならば、突極差が所定値以上あり、より磁極位置の推定精度は増すのである。
このため、実際に、従来技術のように高周波電圧を電流レベルの差で調整するためには、電流レベルの差と位置推定誤差の関係が必要になる。この関係は、使用するモータと高周波電圧により異なり、さらに検出可能な最低の位置推定誤差は使用するインバータにも影響される。
そのため、対象とするモータやインバータが、設計者が予定していたものと特性が大きく異なる場合や、ユーザーが使用するシステムがより正確な位置推定精度を必要とする場合には、従来技術では適切な重畳電圧を自動設定することができず、制御不可と誤判定されてしまったり、過度に大きな高周波電圧が設定されてしまったり、運転効率の悪化、運転範囲の低下、及び騒音の増加を招いたりといった問題を発生させる可能性があった。
なお、d−q座標系は、回転子の磁極軸方向をd軸、d軸に90°だけ進んだ位相をq軸とした座標系である。
ノッチフィルタ105は、回転座標系電流ベクトルidqから後述する高周波電圧の周波数ωinj成分を除去し、バンドパスフィルタ106は、回転座標系電流ベクトルidqから高周波電圧の周波数ωinj成分を抽出する。
なお、磁極位置推定器107は、後述のパラメータ同定器117(厳密にはNS判別器206)から出力される推定磁極位置θ^initを推定磁極位置の初期値とする。
減算器108は、与えられた速度指令ω*と推定速度ω^の偏差(速度偏差)を演算し、速度制御器109は、速度偏差がゼロになるように、例えば比例・積分制御してトルク指令τ*を出力する。
減算器111は、電流指令ベクトルidq *と高周波数ωinj成分を除去した電流ベクトルidq_NOTの偏差(電流偏差)を演算し、電流制御器112は、電流偏差がゼロになるように、例えば比例・積分制御を用いて、d、q軸独立に制御し電圧指令ベクトルvdq *(vd *、vq *)を算出する。
これに対応するため、後述するパラメータ同定器117(厳密にはリトライ判別器208)から出力されるリトライ可否判定信号(S1)がリトライ可であれば、インダクタンスを再設定する。再設定時には、高周波発生器113は、高周波電圧の振幅vinjを、高周波数ωinj成分の電流値idq_BPFが目標電流振幅値に達するまでは徐々に大きくする。
なお、目標電流振幅値の初期値は交流モータ101の定格電流値の10%程度が設定され、その増加量は、定格電流値を元に決められる。増加量を大きく設定すると、磁極位置推定の制御可否の判定時間を短縮できるし、小さく設定すると、位置推定精度を満足する高周波電圧の振幅値vinjを最適にできる。
ベクトル制御回路115は、電圧指令ベクトルvdq *(vd *’、vq *)を3相の電圧指令ベクトルvuvw *(vu *、vv *、vw *)に変換する。インバータ回路116は、図示していないが与えられるキャリア信号を用いてPWM制御し、電圧指令ベクトルvuvw *に基づく電圧を交流モータ101に印加する。
パラメータ同定器117は、次のようにして交流モータ101のインダクタンスを同定する。
静止しているモータの回路全体のインピーダンスZは、(1)式で表されるため、高周波電圧に対するインダクタンスLは(2)式で求めることが出来る。
なお、高周波電圧の周波数ωinjは、キャリア周波数とモータを駆動する周波数のいずれにも干渉しないようにすると共に、トルクリップルや騒音の観点から、例えば、キャリア周波数が4kHz、駆動周波数が60Hz程度の場合、高周波電圧の周波数ωinjは1kHz程度とされる。
パラメータ同定部214は、抵抗同定器201、インダクタンス同定器202、インダクタンス周波数解析器203、インダクタンス歪み判別器204を備えている。
抵抗同定器201は、d軸に印加した高周波電圧の振幅値vinjと電流値id_BPFとの比を用いて巻線抵抗値Rを同定する。なお、抵抗同定時は、高周波電圧の周波数ωinjは0とする。
そこで、これらを防止するため、基本成分以外の成分が所定レベル以内か否か、あるいは局所的な位相変化の有無を判別するのである。
初期磁極推定器205は、NS判別器206とdq判別器207を備えており、インダクタンス分布L(θ)において最小となった位相に対し、電流を流すことにより、初期状態での推定磁極位置θ^initを算出する制御器である。
具体的には,NS判別器206は、高周波成分の電流値idq_BPFの積算値の正負により、N極もしくはS極であるかを判定する。
dq判別器207は、直流電流と高周波電流を流した場合における周波数推定値ω^により、d軸またはq軸であるかを判定する。
リトライ判別器208は、重畳電圧判別器209、高周波電流判別器210、AND演算器211、重畳電圧上限設定器212及び高周波電流上限設定器213を備えている。
リトライ判別器208には、後述する位置推定判別器119からの磁極位置推定可否の判定結果信号(S3)が入力される。磁極位置推定の判定結果が否であると、インダクタンス同定、位置推定誤差Δθtypの算出、位置推定判別の各動作がリトライされる。
高周波電流上限設定器213は、インバータ制御装置に設定されている制御対象とする機械名から、その機械が通常に許容されるトルクリップルを求め、同定して得られたインダクタンス値の差で除算して高周波電流上限値を算出し、高周波電流判別器210へ出力する。
また、適用機械から許容されるトルクリップルを算出するようにしたが、許容されるトルクリップル量を交流モータ101の定格トルクの何%かで直接設定するようにしておいてもよい。
インダクタンスの再設定では、高周波発生器113から出力される高周波電圧の振幅vinj又は周波数ωinjが変更され、インダクタンス同定器202で説明したインダクタンス分布L(θ)の算出が再実行される。
まず、本発明での高周波重畳による磁極位置推定可否の評価指標について、図3を用いて説明する。図3は逆突極性を示すモータに高周波電圧を印加した場合のモータ電流値の関係図である。横軸は、磁極位置に対し高周波電圧を印加した位相θ[deg]であり、縦軸はその時の高周波電流振幅I[A]である。電気角位相θに対するモータ電流は、印加した高周波電圧の振幅vinj及び周波数ωinjを用いて(3)式で表すことができる。
図4に、位置推定判別器119の詳細ブロック図を示す。図4に示すように位置推定判別器119は、位置推定誤差上限設定器401と、コンパレータ402と、AND演算器403を備えている。
位置推定誤差上限設定器401は、使用される制御モードに応じた位置推定誤差上限値を出力する。例えば、速度制御モードで運転する場合は、位置推定誤差上限値は電気角5度程度、位置制御モードの場合は、電気角0.5度程度を設定すればよい。
AND演算器403は、インダクタンス歪み判定器204により算出されたインダクタンス歪み度判定の可否信号(S2)と、位置推定誤差可否信号(S4)を入力とし、ともに可の場合、磁極位置推定可否の判定結果信号(S3)を高周波重畳による磁極位置推定が可能としてを出力し、逆に、インダクタンス歪み判定と、位置推定誤差可否判定の内、いずれか一方でも否の場合、不可として出力する。
このようにして、位置推定判別器119は磁極位置推定可否を判定している。
表示器120は、位置推定判別器119が出力する磁極位置推定可否の判定結果信号(S3)の内容を表示し、ユーザーに報知する。この時、単に推定可否を表示するだけでなく、位置推定誤差演算器118により算出された位置推定誤差Δθtypを表示し、どの程度まで位置推定が可能であるのか、どの条件により推定不可に至ったか等を表示してもよい。これにより、ユーザーは制御条件を再考することが可能となる。
例えば、重畳電圧判別器209によりリトライ不可と判定された場合には、表示された位置推定可能値を許容するか、あるいは重畳電圧判別器209での重畳電圧上限値の値を大きくするため、重畳電圧上限設定器212の入力である運転速度範囲を小さくすることを許容するかの選択肢を表示する等がある。
高周波重畳による磁極位置推定方法を用いてモータパラメータが不明のモータを制御した場合に、経験上の電流値ではなく、位置推定誤差により直接制御可否の判断が可能となるため、明快な調整が可能となる。これにより、要求される位置推定精度に対し、必要最低限な重畳電圧を設定できるため不必要に運転効率・運転範囲、騒音が悪化することを防止できる。
なお、位置推定・モータ種別判別器501は、第1実施例での位置推定判別器119の機能に、モータの種別判定を加え、種別判定信号(S8)も出力するようにしたものである。
コンパレータ602は、突極比演算器601により算出された突極比とSPM判定用突極比を比較し、対象モータがSPMモータであるのかIPMモータであるのを判定する。
算出された突極比がSPM判定用突極比より小さい場合、モータがSPMモータであるとしてIPM/SPM判定結果信号(S6)を出力し、逆に、算出された突極比がSPM判定用突極比より大きい場合、モータがIPMモータであるとしてIPM/SPM判定結果信号(S6)を出力する。ここで、SPM判定用突極比は1.1程度を設定する。
d軸インダクタンスLdがq軸インダクタンスLqより小さい場合、逆突極であるとして正突極/逆突極判定結果信号(S7)を出力し、逆に、d軸インダクタンスLdがq軸インダクタンスLqより大きい場合、正突極であるとして正突極/逆突極判定結果信号(S7)を出力する。
モータ種別判定器604は、IPM/SPM判定結果信号(S6)、及び正突極/逆突極判定結果信号(S7)を入力として、モータ種別を判定する。
一般的に、SPMモータの突極性はほとんど無いとされることが多いが、固定子(ステータ)側の構造に依存し突極性が発生することがある。また、この場合、IPMモータと異なり正突極を示す場合もある。この突極性はモータ電流に増加により減少する。
このことから、位置推定誤差可否判定において可とされた場合においても、負荷条件により磁極位置の推定精度が低下することが起こり得る。つまり、SPMモータに対し高周波重畳による磁極位置推定方法を用いた場合、無負荷またはそれに準ずる軽負荷条件下では駆動可能であるが、重負荷条件下では脱調することが考えられるので、モータ種別判定によりSPMモータと判定された場合には、高周波重畳による磁極位置推定が不可能と判定するようにしてもよい。
負荷状態により磁極位置の推定精度が低下すると考えられる種別のモータを判別可能となるため、負荷条件によらず安定した運転が可能なモータのみを選択して調整することが可能となる。
ゲイン設定器701は、位置推定誤差可否判定において可とされた場合に、パラメータ同定値、及び実施例1での高周波電圧の振幅値vinj及び周波数ωinjに基づき、所望の制御器応答となるように磁極位置推定器107の制御ゲインを設定する。
磁極位置推定器107の伝達関数Gθ(s)は、実位相θ、推定位相θ^、位相誤差から電流誤差への換算係数Ye、比例ゲインKp、積分ゲインKi、磁極位置推定器の制御応答ωn、ラプラス演算子sとすると(8)式で表され、比例ゲインKp、積分ゲインKiは(9)式で表される。
ここで、磁極位置推定器107の制御応答ωnは、電流制御器112の制御器応答と、速度制御器109の制御器応答に対し、干渉しない周波数を設定することが望ましい。例えば、電流制御器112の制御器応答が100Hz、速度制御器109の制御器応答が5Hz程度である場合、磁極位置推定器107の制御応答ωnは20Hz程度になるように、比例ゲインKp及び積分ゲインKiを決定するとよい。なお、制御応答ωnは、ゲイン設定器701に設定するようにしてもよい。
モータの所望の運転が可能である場合、過電流や振動を起こさず、また利用するモータ特性を検出するために過不足することのない重畳電圧を生成し、同時にモータを駆動するための必要なパラメータを自動で設定できるため、ユーザーに試行錯誤的な調整をしてもらうことなく、迅速にモータの使用可能な環境を提供できる。
なお、第3実施例の説明での位置推定判別器119を位置推定・モータ種別判別器501に置き換えて構成してもよい。
102 電流検出器
103 固定座標変換器
104 回転座標変換器
105 ノッチフィルタ
106 バンドパスフィルタ
107 磁極位置推定器
108、111 減算器
109 速度制御器
110 電流指令演算器
112 電流制御器
113 高周波発生器
114 加算器
115 ベクトル制御回路
116 インバータ回路
117 パラメータ同定器
118 位置推定誤差演算器
119 位置推定判別器
120 表示器
201 抵抗同定器
202 インダクタンス同定器
203 インダクタンス周波数解析器
204 インダクタンス歪み判別器
205 初期磁極推定器
206 NS判別器
207 dq判別器
208 リトライ判別器
209 重畳電圧判別器
210 高周波電流判別器
211 AND演算器
212 重畳電圧上限設定器
213 高周波電流上限設定器
214 パラメータ同定部
401 位置推定誤差上限設定器
402 コンパレータ
403 AND演算器
501 位置推定・モータ種別判別器
601 突極比演算器
602、603 コンパレータ
604 モータ種別判別器
701 ゲイン設定器
Claims (12)
- 指令電圧を出力して交流モータを駆動するインバータ回路と、
前記交流モータの磁極位置を推定する磁極位置推定器と、
前記交流モータに流れるモータ電流を検出する電流検出器と、
高周波電圧を前記指令電圧に重畳した際の前記モータ電流と、前記高周波電圧の振幅及び周波数とに基づき、インダクタンス分布を求め、当該インダクタンス分布とモータ回転子の速度情報とを基にdq軸インダクタンスを同定するパラメータ同定器と、
前記dq軸インダクタンスと前記高周波電圧の振幅及び周波数と前記電流検出器の分解能とに基づき前記交流モータの位置推定誤差を算出する位置推定誤差演算器と、
前記位置推定誤差が位置推定誤差上限値よりも小さく、かつ、前記インダクタンス分布の歪みが所定値内であるか否かに基づき前記磁極位置の推定可否を判別する位置推定判別器と、を備えたことを特徴とする交流モータの制御装置。 - 請求項1に記載の交流モータの制御装置において、
前記位置推定判別器に代えて、前記位置推定誤差が前記位置推定誤差上限値よりも小さく、前記インダクタンス分布の歪みが所定値内であるか否かに基づき前記磁極位置の推定可否を判別し、さらに、前記dq軸インダクタンスと判定用突極比との比較結果に基づき前記交流モータの種類を判別する位置推定・モータ種別判別器を備えたことを特徴とする交流モータの制御装置。 - 前記磁極位置の推定可否は、速度制御モードおよび位置制御モードのうち選択された制御モードに応じた前記位置推定誤差上限値により判別されることを特徴とする請求項1又は2に記載の交流モータの制御装置。
- 前記磁極位置が推定不可と判定された場合は、前記交流モータを駆動しないことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の交流モータの制御装置。
- 前記位置推定判別器又は前記位置推定・モータ種別判別器の判定結果を表示する表示器を、さらに備えることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の交流モータの制御装置。
- 前記パラメータ同定器は、前記位置推定判別器の結果が不可と判定された場合に前記高周波電圧の振幅値を増加させ前記dq軸インダクタンスを再同定するリトライ機能を有することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の交流モータの制御装置。
- 指令電圧を出力して交流モータを駆動するインバータ回路と、
前記交流モータの磁極位置を推定する磁極位置推定器と、
前記交流モータに流れるモータ電流を検出する電流検出器と、
高周波電圧を前記指令電圧に重畳した際の前記モータ電流と、前記高周波電圧の振幅及び周波数とに基づき、インダクタンス分布を求め、当該インダクタンス分布とモータ回転子の速度情報とを基にdq軸インダクタンスを同定するパラメータ同定器と、
前記dq軸インダクタンスと前記高周波電圧の振幅及び周波数、与えられた応答周波数設定値とに基づき前記磁極位置推定器の制御ゲインを設定するゲイン設定器と、を備えたことを特徴とする交流モータの制御装置。 - 前記パラメータ同定器は、前記dq軸インダクタンスを同定する際のモータ電流の振幅が第1の許容所定値より大きいと前記交流モータを運転不可とすることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の交流モータの制御装置。
- 前記パラメータ同定器は、前記高周波電圧の振幅が第2の許容所定値より大きいと前記交流モータを運転不可とすることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の交流モータの制御装置。
- 前記第1の許容所定値は、前記交流モータの制御対象とする機械に応じて決定されることを特徴とする請求項8に記載の交流モータの制御装置。
- 前記第1の許容所定値は、設定された許容トルクリップル量により決定されることを特徴とする請求項8に記載の交流モータの制御装置。
- 前記第2の許容所定値は、前記交流モータの運転速度範囲に応じて決定されることを特徴とする請求項9に記載の交流モータの制御装置。
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