JP5397023B2 - 交流モータの制御装置 - Google Patents

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本発明は、交流モータの制御装置に関し、特にインダクタンス特性が不明なモータの制御可否判断や制御パラメータの自動設定を行なう制御装置に係る。

位置及び速度センサを使用しない交流モータのベクトル制御手法は、大別するとモータの数学モデルを用いた状態推定器により逆起電力を推定して位相を推定する方法と、高周波の探査信号を重畳してモータの磁気的な突極性または磁束飽和特性を利用することで位相を推定する方法がある。
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。

従来の高周波重畳による磁極位置推定器のチューニング方法では、12方向のパルス電圧印加し、このとき流れる電流の最大値Imaxと最小値Iminとの差電流ΔIaと、最大値Imaxの「電流Hレベル」と180°位相差になるパルス電圧に対する「電流Hレベル」との差電流ΔIbによりパルス電圧値を調整する技術が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
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)。

このように、従来の交流モータの制御装置は、パルス電圧又は高周波電圧といった探査電圧を重畳し、各位相で発生する電流レベルの差が所定レベル以上又は所定範囲内になるまで徐々に探査電圧を調整し、モータのインダクタンス特性などに適合した探査電圧を自動調整するのである。
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。

特開2008−54430号公報(第10頁、図3) 特開2007−124835号公報(第13頁、図3)

しかしながら、従来の交流モータの制御装置は、各位相で発生する電流レベルの差をどのように決定するのかという具体的な設定値の決定手段は開示されていない。これは、従来技術では電流レベルの差と、突極差、ひいては磁極位置の推定精度の関係が定性的にしか関係付けられておらず、一意には定まらないことに起因する。
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。

そこで、従来技術の自動調整機能を実現するためには、これらの関係を特定のモータ、及びインバータを使用する条件下で把握しておき、さらに、ユーザーの要求する位置推定精度を予測して閾値を設定しなければならない。このとき、閾値自体は、自動調整機能の設計者により経験的に設定される。
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。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、高周波重畳電圧による電流レベル差で、制御可否の判断や高周波電圧の調整を行なうのではなく、交流モータのインダクタンス特性を同定し、電流レベルの差と位置推定精度の関係を定量的に求め、さらに、ユーザーの使用する制御モード及び制御対象に応じた位置推定精度を自動的に設定して、制御可否判断や高周波電圧の自動調整を行なえるようにする。さらに、それにより、設計者の経験によらない精度の高い制御可否の判別を可能とし、また、制御可能である場合において、運転効率の悪化、運転範囲の低下、及び騒音の発生を極力抑えた位置及び速度センサレス制御に必要な制御パラメータを自動設定できる機能を有する交流モータの制御装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。

請求項1記載の発明は、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、を備えるようにするものである。

また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の交流モータの制御装において、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るようにするものである。

また、請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の交流モータの制御装置であって、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ようにするのである。

また、請求項に記載の発明は、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であって、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ようにするのである。

また、請求項に記載の発明は、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であって、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、さらに備えるようにするのである。

また、請求項6に記載の発明は、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であって、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ようにするのである。

また、請求項7に記載の発明は、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るようにするのである。

また、請求項8に記載の発明は、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であって、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のである。

また、請求項9に記載の発明は、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であって、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のである。

また、請求項10に記載の発明は、請求項8に記載の交流モータの制御装置であって、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のである。

また、請求項11に記載の発明は、請求項8に記載の交流モータの制御装置であって、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のである。

また、請求項12に記載の発明は、請求項9に記載の交流モータの制御装置であって、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のである。

本発明によると、インダクタンス特性が不明なモータに対して、一切の経験上の判断を用いずに、磁極位置推定の可否やモータの種別をすばやく判断し、位置及び速度センサレス制御に必要な制御パラメータを自動設定できる。これにより、要求される位置推定精度に対し、必要最低限な高周波電圧の重畳でモータを駆動できるので、過電流や振動を起こさず、過度な運転効率の悪化、運転範囲の低下、及び騒音を防ぐことができる。さらには、ユーザーの試行錯誤的な調整を必要とせず、迅速にモータの使用可能な環境を提供することが出来る。

本発明の第1実施例を示す交流モータの制御装置の制御ブロック図である。 図1に示すパラメータ同定器117の詳細制御ブロック図である。 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。 位置推定判別器119の詳細制御ブロック図である。 本発明の第2実施例を示す交流モータの制御装置の制御ブロック図ある。 図5に示す位置推定・モータ種別判別器501の詳細制御ブロック図である。 本発明の第3実施例を示す交流モータの制御装置の制御ブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図1は、本発明を実施する第1実施例の交流モータの制御装置の制御ブロック図である。以下の説明では、例えば電流指令のようにd軸、q軸の2つの要素、d軸電流指令i 、q軸電流指令i を持つ信号は、電流指令ベクトルと称しidq と表記している。電流検出、電圧指令などについても同様であり、図1において太線で表示している。
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。

図1に示すように、第1実施例の交流モータの制御装置は、交流モータ101と、電流検出器102と、固定座標変換器103と、回転座標変換器104と、ノッチフィルタ105と、バンドパスフィルタ106と、磁極位置推定器107と、減算器108と、速度制御器109と、電流指令演算器110と、減算器111と、電流制御器112と、高周波発生器113と、加算器114と、ベクトル制御回路115と、インバータ回路116と、パラメータ同定器117と、位置推定誤差演算器118と、位置推定判別器119と、表示器120を備えている。

電流検出器102は、交流モータ101の相電流を検出し、相電流ベクトルiuvw(i、i、i)として出力し、固定座標変換器103は、電流検出器102で検出された相電流ベクトルiuvwを交流モータ101の固定子巻線のU相をα軸とし、α軸に対し90°だけ進んだ位相をβ軸とするα−β座標系の固定座標系電流ベクトルiαβ(iα、iβ)に変換する。

回転座標変換器104は、磁極位置推定器107より推定された位相θ^を用いて、固定座標電流ベクトルiαβをd−q座標系の回転座標系電流ベクトルidq(i、i)に変換する。
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。

磁極位置推定器107は、バンドパスフィルタ106により抽出した高周波数ωinj成分の電流ベクトルidq_BPFを入力とし、回転子の推定速度ω^及び推定位相θ^を出力する。
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。

電流指令演算器110は、トルク指令τを入力とし、電流指令ベクトルidq (i 、i )を演算して、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 (v 、v )を算出する。

高周波発生器113は、d軸電圧指令v に印加する高周波電圧を出力する。交流モータ101のインダクタンスが小さい場合は、高周波電圧の振幅vinjが小さくとも高周波数ωinj成分の電流値idq_BPFが過大となるので、高周波電圧の振幅vinjは、高周波数ωinj成分の電流値idq_BPFに依存し可変するようになっている。
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。

また、図示していないが、後述の位置推定判別器119が、磁極位置推定可否の判定結果を可と判断すると、その時点での高周波電圧の振幅vinj及び周波数ωinjがモータ駆動時の高周波電圧として用いるようになっている。
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。

加算器114は、高周波電圧とd軸電圧指令v を加算する。
ベクトル制御回路115は、電圧指令ベクトルvdq (v ’、v )を3相の電圧指令ベクトルvuvw (v 、v 、v )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。

次に、本発明の特徴部分であるパラメータ同定器117、位置推定誤差演算器118、位置推定判別器119及び表示器120について順次説明する。

まず、パラメータ同定器117について説明する。
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。

ここでVAMP:重畳電圧振幅、IAMP:高周波電流振幅、φ:力率を示す。

インダクタンス同定では高周波電圧を使用するので、交流モータ101にはトルクはほとんど発生せず、モータ位相θは停止状態にある。そこで、高周波電圧の重畳位相を徐々に回転させながら電流値を検出させ、各位相θにおけるインダクタンス値L(θ) (以下、インダクタンス分布と称す)を(2)式で同定する。
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。

次に、図2を用いてパラメータ同定器117の詳細動作を説明する。図2は図1に示すパラメータ同定器117の詳細制御ブロック図である。図2において、パラメータ同定器117は、巻線抵抗及びインダクタンスを同定し解析する、パラメータ同定部214、初期状態の磁極位置を推定する初期磁極推定器205、インダクタンス同定を再実施するか否かを判定するリトライ判別器208を備えている。

パラメータ同定部214について説明する。
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。

インダクタンス同定器202は、高周波電圧の振幅vinj及び周波数ωinj、さらに高周波成分の電流値idq_BPFを入力とし、上記(2)式により各位相におけるインダクタンス分布L(θ)を算出する。

インダクタンス周波数解析器203は、インダクタンス同定器202により算出したインダクタンス分布L(θ)を入力とし、高速フーリエ変換などの周波数解析により、電気角θに対する各次数のインダクタンス成分Lnfを抽出する。

インダクタンス歪み判別器204は、インダクタンス周波数解析器203により抽出されたインダクタンス成分Lnfを入力とし、基本成分L1f(電気角θの2倍周期成分)とより高次のインダクタンス成分を比較し、インダクタンス分布L(θ)の歪み具合を判別し、インダクタンス歪み度判定の可否信号(S2)を、後述の位置推定判別器119(厳密にはAND演算器403)へ出力する。

補足説明すると、一般に、高周波重畳による磁極位置推定方法では、制御対象とするモータのインダクタンス分布L(θ)を電気角1周期につき2周期の正弦波状分布と仮定している。インダクタンスに基本波L1f以外のひずみ成分が含まれ、局所的な増加・減少がある場合、磁極位置推定器107の動作が不安定となり、トルクリップルや騒音増加の原因の一因となる。また、本来d軸(磁極位置)を推定すべきであるのに、局所的な増加・減少の位相に落ち込んでしまい、定常的な位相誤差が発生してしまうことがある。
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。

このようにして、パラメータ同定部214は、巻線抵抗及びインダクタンスを同定し、インダクタンス歪み度を判定している。

次に、初期磁極推定器205について説明する。
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。

このようにして、初期磁極推定器205は推定磁極位置θ^initを算出し、磁極位置推定器107に対して出力する。さらに、推定磁極位置θ^initを用いて、インダクタンス分布L(θ)から、dq軸インダクタンスLdqを決定し、これを出力している。

次に、リトライ判別器208について説明する。
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。

重畳電圧判別器209は、高周波電圧の振幅vinjを入力とし、振幅vinjが重畳電圧上限値を超えていなければリトライ可とし、超えていればリトライ不可とする。なお、重畳電圧上限値は、後述の重畳電圧上限設定器212により設定される。

高周波電流判別器210は、高周波数ωinj成分の電流値idq_BPFを入力とし、電流値idq_BPFが高周波電流上限値を超えていなければリトライ可とし、超えていればリトライ不可とする。なお、高周波電流上限値は、後述の高周波電流上限設定器213により設定される。

重畳電圧上限設定器212は、インバータ制御装置に設定されている運転速度範囲から、逆起電力を算出し、インバータが出力可能な最大電圧から逆起電力を減算して重畳電圧上限値を算出し、重畳電圧判別器209へ出力する。
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。

制御対象とする機械の設定は、実際に適用する機械名を選択させるようにしてもよいし、トルクリップルの許容量により例えば、半導体装置、ロボットシステム、風水力機械装置といった具合にグループ分けし、どの機械に該当するかを選択させるようにしておいてもよい。
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。

AND演算器211は、重畳電圧判別器209と、高周波電流判別器210との判定結果を入力し、ともにリトライ可であるときのみリトライ判定器208の判定結果であるリトライ可否判定信号(S1)をリトライ可として高周波発生器113へ出力し、インダクタンスを再設定するようになっている。
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。

AND演算器211の出力がリトライ不可である場合は、後述の表示器120に表示すると共に、図示していないがインバータ回路116から電圧が出力されないようにゲートブロックし、所望の条件以外での運転をしないようにする。

このようにして、パラメータ同定部214は、リトライを自動で行いながら初期磁極推定可能となる高周波電圧(振幅vinj、周波数ωinj)を決定し、そのときのインダクタンスを同定している。

次に、位置推定誤差演算器118の詳細動作を説明する。
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。

位相誤差がΔθだけ発生したとすると、位相45°及び−45°でのモータ電流値は、45°−Δθ及び−45°−Δθでのモータ電流I1、I2となる。モータ電流I1、I2は(4)式で表され、その差I1−I2は(5)式となる。

ここで、Δθがほぼ0と仮定すると、さらに(6)式に変形できる。

ところで、電流検出可能な最小の電流値、つまり、電流分解能は(7)式で求まるので、これをΔIとして(6)式に代入すれば、Δθは検出可能な最小の位相誤差を意味することになる。

このように、電流分解能ΔIは、交流モータ101を駆動するインバータ回路116により異なるが、用いるインバータ回路116が決まってしまえば、電流分解能ΔIは決定されるので、位置推定誤差Δθtypが所望する位置精度を満たしうるかの判断は可能である。

位置推定誤差演算器118は、電流分解能ΔIと、dq軸インダクタンス値Ldqと、高周波電圧の振幅vinj及び周波数ωinjとを入力とし、上記(6)及び(7)式の演算を行い、磁極位置推定の評価指標である位置推定誤差Δθtypを算出している。

次に、位置推定判別器119の詳細動作を説明する。
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。

コンパレータ402は、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と位置推定誤差上限値を比較し、位置推定誤差Δθtypが位置推定誤差上限値よりも小さい場合、位置推定誤差可否信号(S4)を可判定として出力し、逆に、位置推定誤差Δθtypが位置推定誤差上限値よりも大きい場合、位置推定誤差可否信号(S4)を否判定として出力する。
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。

次に、表示器120の表示内容について説明する。
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。

本発明の第1実施例にかかる交流モータの制御装置はこのように構成されているので、以下のような作用効果を奏する。
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。

次に、本発明の第2実施例について説明する。図5は、本発明を実施する第2実施例の交流モータの制御装置の制御ブロック図である。なお、本実施形態は、位置推定判別器119を位置推定・モータ種別判別器501に置き換えた部分を除いて第1実施例と同様に構成されており、第1実施例と同様の箇所については説明を省略し、同符号を用いる。
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。

次に、図6を用いて位置推定・モータ種別判別器501の詳細動作を説明する。図6に示すように位置推定・モータ種別判別器501は、突極比演算器601と、コンパレータ602、603と、モータ種別判別器604を備えている。なお、第1実施例での位置推定判別器119の機能と同一機能(図4に対応する部分)については、同一動作であるのでその説明を省略する。

突極比演算器601は、初期磁極推定器205により決定されたdq軸インダクタンスLdqの比を演算し、突極比を算出する。
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。

コンパレータ603は、dq軸インダクタンスLdqを比較し、突極比の正逆を判定する。
d軸インダクタンスLがq軸インダクタンスL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Lがq軸インダクタンスL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。

IPMモータの場合でも突極性が電流に依存し減少することがあるが、その減少の傾きは、IPMモータにくらべSPMモータでは大きく、定格電流を流した場合において磁極位置を検出可能な突極性を示すSPMモータはごく稀である。
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。

本発明の第2実施例にかかる交流モータの制御装置はこのように構成されているので、以下のような作用効果を奏する。
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。

次に、本発明の第3実施例について説明する。図7は、本発明を実施する第3実施例の交流モータの制御装置の制御ブロック図である。なお、本実施形態は、ゲイン設定器701を加えた部分を除いて第1実施例と同様に構成されており、第1実施例と同様の箇所については説明を省略し、同符号を用いる。

次に、ゲイン設定器701の詳細動作について説明する。
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。

まず、PI制御器にて構成される磁極位置推定器107について伝達関数を導出し、そのゲイン設定方法について示す。
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K、積分ゲインK、磁極位置推定器の制御応答ω、ラプラス演算子sとすると(8)式で表され、比例ゲインK、積分ゲインKは(9)式で表される。

電流誤差が最大となるときの制御2軸の電流値Idqmは(10)式で表現でき、これらの位相差は90°であるので、電流誤差を位相差で除算することにより換算ゲインYeは(11)式で表される。

ゲイン設定器701は、(9)式に(11)式及び(10)式を代入することにより、磁極位置推定器107の比例ゲインK及び積分ゲインKを算出する。
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K及び積分ゲインK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。

本発明の第3実施例にかかる交流モータの制御装置は、前述した実施例1の高周波重畳による磁極位置推定の可否の判断する機能に加え、さらに、適用可能な場合には、モータの特性に応じ、重畳する高周波電圧の振幅、及び磁極位置推定器107の制御ゲインを自動的に設定する機能を有する構成となっているので、以下のような作用効果を奏する。
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。

101 交流モータ
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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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。
  11. 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。
  12. 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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