JP5556381B2 - 誘導電動機の制御装置及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、誘導電動機の制御装置及び制御方法に関し、特に、速度センサレスでベクトル制御される誘導電動機の制御装置及び制御方法に関するものである。

従来、誘導電動機の制御装置としては、誘導電動機に３相の駆動電流を供給するインバータ回路と、このインバータ回路に正弦波のＰＷＭ信号を供給するＰＷＭ回路とを備え、外部からの速度指令信号と磁束指令信号に基づいてＰＷＭ回路に制御信号を出力する誘導電動機の制御装置が種々提案されている。（例えば、特許文献１参照）

図８は、従来の誘導電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。図８で示す誘導電動機の制御装置１００（以下、制御装置１００）は、３相交流電源１０１及び誘導電動機（ＩＭ）１０６に接続され、誘導電動機１０６を制御する制御装置であり、ダイオード整流回路１０２、平滑回路１０３、インバータ回路１０４、ＰＷＭゲート信号生成器１０５、電流センサ１０７、３相／２相座標変換器１０８、２相／ｄｑ座標変換器１０９、磁束推定器１１０、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）１１１、速度推定器１１２、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１１３、すべり演算器１１４、積分器１１５、磁束ＰＩ制御器１１６、磁束電流ＰＩ制御器１１７、速度ＰＩ制御器１１８、トルク電流ＰＩ制御器１１９、ｄｑ／２相座標変換器１２０、２相／３相座標変換器１２１を備えている。

制御装置１００は、磁束指令値φ_ｄ ^＊と、速度指令値ω_ｍ ^＊を目標に、インバータ回路１０４を用いて誘導電動機１０６を駆動するものである。なお、インバータ回路１０４の機能は、パワースイッチング素子によって実現されるが、以下で述べる各機能は、ＣＰＵ（Central Proccesing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等で構成されたコンピュータと、ＲＯＭ，ＲＡＭ等に格納されたプログラムとによって実現される。

制御装置１００は、まず、磁束推定器１１０によって推定された磁束推定値φ_ｄ＾と磁束指令値φ_ｄ ^＊との偏差Δφ_ｄを、偏差演算部１２２によって演算し、得られた偏差Δφ_ｄは磁束ＰＩ制御器１１６に入力される。磁束ＰＩ制御器１１６は、入力された偏差Δφ_ｄに基づいて磁束電流指令値Ｉ_ｄ ^＊を生成する。次に、磁束電流指令値Ｉ_ｄ ^＊と２相／ｄｑ座標変換器１０９から出力されるｄ軸の磁束電流ｉ_ｄとの偏差ΔＩ_ｄを偏差演算部１２３によって演算し、得られた偏差ΔＩ_ｄは磁束電流ＰＩ制御器１１７に入力される。磁束電流ＰＩ制御器１１７は、入力された偏差ΔＩ_ｄに基づいてｄ軸電圧指令Ｖ_ｄ ^＊を生成する。

一方、制御装置１００は、速度推定器１１２によって推定され、ローパスフィルタ１１３を通して得られた速度推定値ω_ｍ＾’と、速度指令値ω_ｍ ^＊との偏差Δω_ｍを偏差演算部１２４によって演算し、得られた偏差Δω_ｍは速度ＰＩ制御器１１８に入力される。速度ＰＩ制御器１１８は、入力された偏差Δω_ｍに基づいてトルク電流指令値Ｉ_ｑ ^＊を生成する。次に、トルク電流指令値Ｉ_ｑ ^＊と２相／ｄｑ座標変換器１０９から出力されるｑ軸のトルク電流ｉ_ｑとの偏差ΔＩ_ｑを偏差演算部１２５によって演算し、得られた偏差ΔＩ_ｑはトルク電流ＰＩ制御器１１９に入力される。トルク電流ＰＩ制御器１１９は、入力された偏差ΔＩ_ｑに基づいてｑ軸電圧指令Ｖ_ｑ ^＊を生成する。

磁束電流ＰＩ制御器１１７から出力されるｄ軸電圧指令Ｖ_ｄ ^＊と、トルク電流ＰＩ制御器１１９から出力されるｑ軸電圧指令Ｖ_ｑ ^＊は、ｄｑ／２相座標変換器１２０に入力される。ｄｑ／２相座標変換器１２０は、ｄ軸電圧指令Ｖ_ｄ ^＊とｑ軸電圧指令Ｖ_ｑ ^＊と積分器１１５から出力される位相角θに基づいてα軸、β軸の２相電圧指令Ｖ_α ^＊、Ｖ_β ^＊を出力する。２相電圧指令Ｖ_α ^＊、Ｖ_β ^＊は、２相／３相座標変換器１２１に入力される。２相／３相座標変換器１２１は、入力された２相電圧指令Ｖ_α ^＊、Ｖ_β ^＊に基づいてＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相電圧指令Ｖ_ｕ ^＊、Ｖ_ｖ ^＊、Ｖ_ｗ ^＊を生成する。生成された３相電圧指令Ｖ_ｕ ^＊、Ｖ_ｖ ^＊、Ｖ_ｗ ^＊は、ＰＷＭ（Pulse Width Moduration）ゲート信号生成器１０５に入力される。ＰＷＭゲート信号生成器１０５は、ＰＷＭ制御によりインバータ１０４の出力電圧を３相電圧指令Ｖ_ｕ ^＊、Ｖ_ｖ ^＊、Ｖ_ｗ ^＊に従い制御する。

図８のブロック図において、制御装置１００には、３相の誘導電動機１０６が接続されており、電流センサ１０７が誘導電動機１０６のＷ相の電流ｉ_ｗとＵ相の電流ｉ_ｕを検出している。なお、この電流センサ１０７は、３相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の内、２相（Ｗ相、Ｕ相）の電流ｉ_ｗ，ｉ_ｕを検出しているが、３相電流の和はゼロであるから他の１相（Ｖ相）の電流ｉ_ｖは一意に定められる。

電流センサ１０７によって検出された電流ｉ_ｗ，ｉ_ｕは、３相／２相座標変換器１０８に入力される。３相／２相座標変換器１０８は、電流ｉ_ｗ，ｉ_ｕに基づいて３相／２相座標変換を行ってα軸、β軸の２相電流ｉ_α，ｉ_βを生成し、２相／ｄｑ座標変換器１０９に出力する。２相／ｄｑ座標変換器１０９は、２相電流ｉ_α，ｉ_βと、積分器１１５から出力される位相角θに基づいてｄ軸の磁束電流ｉ_ｄとｑ軸のトルク電流ｉ_ｑを出力する。

一方、磁束推定器１１０は、ｄｑ／２相座標変換器１２０から出力される２相電圧指令Ｖ_α ^＊、Ｖ_β ^＊と、３相／２相座標変換器１０８から出力される２相電流ｉ_α，ｉ_βに基づいてα軸、β軸の磁束推定値φ_α＾、φ_β＾を生成し、それらをハイパスフィルタ１１１によりハイパスフィルタ処理を行って得られるα軸、β軸の磁束推定値φ_α＾’、φ_β＾’を速度推定器１１２に出力する。速度推定器１１２は、ハイパスフィルタ処理を行って得られるα軸、β軸の磁束推定値φ_α＾’、φ_β＾’に基づいて速度推定値ω_ｍ＾を生成し、それをローパスフィルタ１１３によりローパスフィルタ処理を行って得られる速度推定値ω_ｍ＾’を出力する。

すべり演算器１１４は、磁束ＰＩ制御器１１６から出力される磁束電流指令値Ｉ_ｄ ^＊と、速度ＰＩ制御器１１８から出力されるトルク電流指令値Ｉ_ｑ ^＊とに基づいて、誘導電動機１０６のすべり速度推定値ω_ｓを演算し、演算器１２６は、ローパスフィルタ処理を行った速度推定値ω_ｍ＾’と、すべり速度推定値ω_ｓとを入力し、ω_ｅ＝ω_ｍ＾’＋ω_ｓを演算し、電源角周波数（インバータ出力角周波数）ω_ｅを出力する。このω_ｅは、積分器１１５によって位相角θに変換され、２相／ｄｑ座標変換器１０９と、ｄｑ／２相座標変換器１２０に入力される。

上記のように、従来、誘導電動機（モータ）１０６を速度センサレスで制御する場合、磁束とトルクを個別に制御する速度センサレスベクトル制御が使用される。トルクは、誘導電動機１０６の速度をモータパラメータ及び２相電圧指令Ｖ_α ^＊、Ｖ_β ^＊と誘導電動機１０６の電流ｉ_ｗ，ｉ_ｕから得られた２相電流ｉ_α，ｉ_βを用いて推定された磁束推定値φ_α＾、φ_β＾を基に速度推定値ω_ｍ＾を演算することにより、誘導電動機１０６の速度信号（ω_ｍ＾’）をフィードバックして速度指令値ω_ｍ ^＊との偏差Δω_ｍをＰＩ（比例積分）制御することにより、トルク電流指令値Ｉ_ｑ ^＊を生成する。一方磁束は、磁束指令値φ_ｄ ^＊と磁束推定器１１０によって推定された磁束推定値φ_ｄ＾との偏差Δφ_ｄをＰＩ制御することで磁束電流指令値Ｉ_ｄ ^＊を生成する。それぞれの電流指令値Ｉ_ｑ ^＊、Ｉ_ｄ ^＊と誘導電動機１０６の電流ｉ_ｗ，ｉ_ｕを座標変換して得られた回転座標（ｑ軸、ｄ軸）上の電流ｉ_ｑ，ｉ_ｄとの偏差ΔＩ_ｑ、ΔＩ_ｄをＰＩ制御することで、電圧指令値Ｖ_ｑ ^＊、Ｖ_ｄ ^＊を生成し、最終的に３相交流の電圧指令値Ｖ_ｕ ^＊、Ｖ_ｖ ^＊、Ｖ_ｗ ^＊に変換して、ＰＷＭゲート信号を生成してインバータ回路１０４のスイッチングを制御して誘導電動機１０６を駆動する。

誘導電動機（モータ）１０６を速度センサレスでベクトル制御する場合、モータ速度（速度推定値ω_ｍ＾）を推定するために、モータ磁束（磁束推定値φ_α＾、φ_β＾）を静止座標上の電圧指令値Ｖ_α ^＊，Ｖ_β ^＊と電流検出値ｉ_α，ｉ_βから算出する。この磁束推定値φ_α＾、φ_β＾にオフセットが生じると速度推定値ω_ｍ＾に振動成分が現れて、このまま速度制御を行うとモータのトルクに脈動成分が生じ、モータが振動する。この対策としての従来のシステムでは、速度制御ゲインの低減、指令周波数ジャンプによる振動領域の回避といった手法の他、図８に示すように、磁束推定値のオフセット成分を除去するハイパスフィルタ１１１と速度推定値ω_ｍ＾の振動成分を除去するローパスフィルタ１１３を追加することでモータ振動の低減を図っていた。

特開２０００−３１２４９９号公報

しかしながら、従来の誘導電動機の制御装置では、速度推定値ω_ｍ＾にローパスフィルタ処理を行うため、速度推定値ω_ｍ＾の振動成分を除去するには低いカットオフ周波数を設定する必要があり、モータの応答が遅くなる問題がある。また、磁束推定値φ_α＾、φ_β＾のハイパスフィルタ処理は、デジタル処理を行っており、完全に直流オフセット分だけを除去することは困難であり、低周波数でモータを制御する場合に不具合が生じるという問題がある。

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、振動の原因となっている磁束推定値の直流成分を、ハイパスフィルタを使用しない方法で除去し、常にオフセットのない正弦波状の磁束推定値を使用して速度の推定演算を行うことで、誘導電動機の振動を低減する制御方式を実現した誘導電動機の制御装置又は制御方法を提供することにある。

本発明に係る誘導電動機の制御装置又は制御方法は、上記の目的を達成するため、次のように構成される。
第１の誘導電動機の制御装置（請求項１に対応）は、速度センサレスでベクトル制御される誘導電動機の制御装置において、誘導電動機に供給される電流を静止座標上のα相電流及びβ相電流に変換する３相／２相座標変換器と、回転座標上のｄ軸成分の磁束電圧指令及びｑ軸成分のトルク電圧指令を、静止座標上のα相電圧指令及びβ相電圧指令に変換するｄｑ／２相座標変換器と、α相電流及びβ相電流と、α相電圧指令及びβ相電圧指令とを入力してα相磁束推定値及びβ相磁束推定値を算出する磁束推定器と、
α相磁束推定値及びβ相磁束推定値それぞれの正のピーク値と負のピーク値との差分によって得られた直流成分であるオフセットを前記α相磁束推定値及びβ相磁束推定値から取り除くオフセット除去処理部と、オフセット除去処理部からのオフセット除去処理後α相磁束推定値及びオフセット除去処理後β相磁束推定値を入力して誘導電動機の速度を推定する速度推定器と、を備えることを特徴とする。
第２の誘導電動機の制御装置（請求項２に対応）は、上記の構成において、好ましくは、オフセット除去処理部は、磁束推定器から入力されるα相磁束推定値の正のピーク及び負のピークと、β相磁束推定値の正のピーク及び負のピークとを検出するピーク検出部と、正のピーク及び負のピークからオフセットを算出するオフセット算出部と、算出されたオフセットを記憶するオフセット記憶部と、磁束推定器から入力されるα相磁束推定値及びβ相磁束推定値からオフセット記憶部に記憶されたオフセットを除去する演算を行い出力するオフセット除去演算部を備えたことを特徴とする。
第３の誘導電動機の制御装置（請求項３に対応）は、上記の構成において、好ましくは、オフセット除去処理部で得られたオフセットは、磁束推定器にフィードバックされ、磁束推定器は、オフセットを用いてα相磁束推定値及びβ相磁束推定値を算出することを特徴とする。
第１の誘導電動機の制御方法（請求項４に対応）は、速度センサレスでベクトル制御される誘導電動機の制御方法において、誘導電動機に供給される電流を静止座標上のα相電流及びβ相電流に変換する３相／２相座標変換ステップと、回転座標上のｄ軸成分の磁束電圧指令及びｑ軸成分のトルク電圧指令を、静止座標上のα相電圧指令及びβ相電圧指令に変換するｄｑ／２相座標変換ステップと、α相電流及びβ相電流と、α相電圧指令及びβ相電圧指令とを入力してα相磁束推定値及びβ相磁束推定値を算出する磁束推定ステップと、α相磁束推定値及びβ相磁束推定値それぞれの正のピーク値と負のピーク値との差分によって得られた直流成分であるオフセットを前記α相磁束推定値及びβ相磁束推定値から取り除くオフセット除去処理ステップと、オフセット除去処理ステップで得られたオフセット除去処理後α相磁束推定値及びオフセット除去処理後β相磁束推定値を入力して誘導電動機の速度を推定する速度推定ステップと、を備えることを特徴とする。
第２の誘導電動機の制御方法（請求項５に対応）は、上記の方法において、好ましくは、オフセット除去処理ステップは、磁束推定ステップで得られたα相磁束推定値の正のピーク及び負のピークと、β相磁束推定値の正のピーク及び負のピークとを検出するピーク検出ステップと、正のピーク及び負のピークからオフセットを算出するオフセット算出ステップと、算出されたオフセットを記憶するオフセット記憶ステップと、磁束推定ステップで得られたα相磁束推定値及びβ相磁束推定値からオフセット記憶ステップで記憶されたオフセットを除去する演算を行い出力するオフセット除去演算ステップを備えたことを特徴とする。
第３の誘導電動機の制御方法（請求項６に対応）は、上記の方法において、好ましくはオフセット除去処理ステップで得られたオフセットは、磁束推定ステップで用いられ、磁束推定ステップは、オフセットを用いてα相磁束推定値及びβ相磁束推定値を算出することを特徴とする。

本発明によれば、速度センサレスでベクトル制御される誘導電動機の制御装置において、誘導電動機に供給される電流を静止座標上のα相電流及びβ相電流に変換する３相／２相座標変換器と、回転座標上のｄ軸成分の磁束電圧指令及びｑ軸成分のトルク電圧指令を、静止座標上のα相電圧指令及びβ相電圧指令に変換するｄｑ／２相座標変換器と、α相電流及びβ相電流と、α相電圧指令及びβ相電圧指令とを入力してα相磁束推定値及びβ相磁束推定値を算出する磁束推定器と、α相磁束推定値及びβ相磁束推定値からオフセットを取り除くオフセット除去処理部と、オフセット除去処理部からのオフセット除去処理後α相磁束推定値及びオフセット除去処理後β相磁束推定値を入力して誘導電動機の速度を推定する速度推定器と、を備えるため、振動の原因となっている推定磁束の直流成分を、ハイパスフィルタを使用しない方法で除去し、常にオフセットのない正弦波状の推定磁束を使用して速度の推定演算を行うので、誘導電動機の振動を低減する制御方式を実現した誘導電動機の制御装置を提供することができる。
また、本発明によれば、速度センサレスでベクトル制御される誘導電動機の制御方法において、誘導電動機に供給される電流を静止座標上のα相電流及びβ相電流に変換する３相／２相座標変換ステップと、回転座標上のｄ軸成分の磁束電圧指令及びｑ軸成分のトルク電圧指令を、静止座標上のα相電圧指令及びβ相電圧指令に変換するｄｑ／２相座標変換ステップと、α相電流及びβ相電流と、α相電圧指令及びβ相電圧指令とを入力してα相磁束推定値及びβ相磁束推定値を算出する磁束推定ステップと、α相磁束推定値及びβ相磁束推定値からオフセットを取り除くオフセット除去処理ステップと、オフセット除去処理ステップで得られたオフセット除去処理後α相磁束推定値及びオフセット除去処理後β相磁束推定値を入力して誘導電動機の速度を推定する速度推定ステップと、を備えるため、振動の原因となっている推定磁束の直流成分を、ハイパスフィルタを使用しない方法で除去し、常にオフセットのない正弦波状の推定磁束を使用して速度の推定演算を行うので、誘導電動機の振動を低減する制御方式を実現した誘導電動機の制御方法を提供することができる。

本発明の本実施形態に係る誘導電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の本実施形態に係る誘導電動機の制御装置でのオフセット除去処理部のブロック図である。 本発明の本実施形態に係る誘導電動機の制御装置での磁束推定器のブロック図である。 推定磁束にオフセットがない場合の推定速度特性図である。 推定磁束にオフセットがある場合の推定速度特性図である。 推定磁束からオフセットを除去する手法の説明図である。 推定磁束からオフセットを除去する手法を説明するフローチャートである。 従来の誘導電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の本実施形態に係る誘導電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。基本のブロック構成は、図８で示した従来の制御装置１００と同一の構成要素を有しているが、振動抑制制御を行うためのハイパスフィルタ１１１が本発明の特徴であるオフセット除去処理を行うためのオフセット除去処理部１２に変更されている。そして、オフセット除去処理部１２で求めたオフセットの量を磁束推定器１１にフィードバックしている。その他、図８で示した従来の制御装置１００と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

図１で示す誘導電動機の制御装置１０（以下、制御装置１０）は、３相交流電源１０１及び誘導電動機（ＩＭ）１０６に接続され、誘導電動機１０６を制御する制御装置であり、ダイオード整流回路１０２、平滑回路１０３、インバータ回路１０４、ＰＷＭゲート信号生成器１０５、電流センサ１０７、３相／２相座標変換器１０８、２相／ｄｑ座標変換器１０９、磁束推定器１１、オフセット除去処理部１２、速度推定器１１２、ローパスフィルタ１３，すべり演算器１１４、積分器１１５、磁束ＰＩ制御器１１６、磁束電流ＰＩ制御器１１７、速度ＰＩ制御器１１８、トルク電流ＰＩ制御器１１９、ｄｑ／２相座標変換器１２０、２相／３相座標変換器１２１を備えている。

上記の構成において、３相／２相座標変換器１０８は、誘導電動機１０６に供給される電流ｉ_ｕ，ｉ_ｗ，ｉ_ｖを、αβ直交２軸の静止座標上のα相電流ｉ_α及びβ相電流ｉ_βに変換する３相／２相座標変換ステップを実行する。ｄｑ／２相座標変器１２０は、ｄｑ直交２軸の回転座標上のｄ軸成分の磁束電圧指令Ｖ_ｄ ^＊及びｑ軸成分のトルク電圧指令Ｖ_ｑ ^＊を、αβ直交２軸の静止座標上のα相電圧指令Ｖ_α ^＊及びβ相電圧指令Ｖ_β ^＊に変換するｄｑ／２相座標変換ステップを実行する。

磁束推定器１１は、α相電流ｉ_α及びβ相電流ｉ_βと、α相電圧指令Ｖ_α ^＊及びβ相電圧指令Ｖ_β ^＊とを入力してα相磁束推定値φ_α＾及びβ相磁束推定値φ_β＾を算出する磁束推定ステップを実行する。

オフセット除去処理部１２は、α相磁束推定値φ_α＾及びβ相磁束推定値φ_β＾からオフセットを取り除き、オフセット除去処理後α相磁束推定値φ_α＾’及びオフセット除去処理後β相磁束推定値φ_β＾’を出力するオフセット除去処理ステップを実行する。

速度推定器１１２は、オフセット除去処理部１２からのオフセット除去処理後α相磁束推定値φ_α＾’及びオフセット除去処理後β相磁束推定値φ_β＾’を入力して誘導電動機１０６の速度ω_ｍ＾を推定する速度推定ステップを実行する。

制御装置１０では、オフセット除去処理部１２で得られたオフセットφ_{αｏｆｆｓｅｔ}＾，φ_{βｏｆｆｓｅｔ}＾は、磁束推定器１１にフィードバックされ、磁束推定器１１は、オフセットφ_{αｏｆｆｓｅｔ}＾，φ_{βｏｆｆｓｅｔ}＾を用いてα相磁束推定値φ_α＾とβ相磁束推定値φ_β＾を算出する。

従来の誘導電動機の制御装置１００は、図８に示すように磁束推定器１１０の後段にハイパスフィルタ１１１を設けており、磁束推定器１１０で生じるオフセットは、ハイパスフィルタ１１１によって取り除かれる。一方、本実施形態では、上記のように磁束推定器１１で生じるオフセットは、オフセット除去処理部１２によって取り除かれる。また、オフセット除去処理部１２で得られたオフセットは、磁束推定器１１にフィードバックされ、オフセットは、磁束推定器１１でも取り除かれる。

図２は、オフセット除去処理部１２のブロック構成図である。オフセット除去処理部１２は、オフセット除去処理ステップを実行する、ピーク検出部２０とオフセット算出部２１とオフセット記憶部２２とオフセット除去演算部２３を備えている。ピーク検出部２０は、磁束推定器１１から入力される時間変化する磁束推定値φ_α＾、φ_β＾のピークとそれらピークの次の逆符号のピークを検出するというピーク検出ステップを行い、それらそれぞれのピーク値と次の逆符号のピーク値をオフセット算出部２１に出力する。オフセット算出部２１は、ピーク検出部２０から出力されたそれぞれのピーク値と次の逆符号のピーク値からそれぞれのオフセット量φ_{αｏｆｆｓｅｔ}，φ_{βｏｆｆｓｅｔ}を算出するというオフセット算出ステップを行い、オフセット記憶部２２に出力する。オフセット記憶部２２は、オフセット算出部２１から出力されたそれぞれのオフセット量φ_{αｏｆｆｓｅｔ}，φ_{βｏｆｆｓｅｔ}を次のオフセット量が入力されるまで記憶するというオフセット記憶ステップを行い、オフセット除去演算部２３に出力する。次のオフセット量が入力されたならば、記憶するオフセット量を更新する。オフセット除去演算部２３は、磁束推定器１１から入力される磁束推定値φ_α＾、φ_β＾から、オフセット記憶部２２から入力されるオフセット量φ_{αｏｆｆｓｅｔ}，φ_{βｏｆｆｓｅｔ}をそれぞれ除去する演算を行うというオフセット除去演算ステップを行い、演算後の磁束推定値φ_α＾’、φ_β＾’を速度推定器１１２に出力する。また、オフセット記憶部２２は、記憶するオフセットの量φ_{αｏｆｆｓｅｔ}，φ_{βｏｆｆｓｅｔ}を磁束推定器１１にフィードバックさせて出力する。

図３は、磁束推定器１１のブロック構成図である。磁束推定器１１は、後述の式（７）、（８）及び式（７）の添字αをｄに置き換えた式によって演算して磁束推定計算値φ_α０＾、φ_β０＾を求める磁束推定計算部３０と、オフセット除去処理部１２のオフセット記憶部２２からフィードバックされたオフセット量φ_{αｏｆｆｓｅｔ}，φ_{βｏｆｆｓｅｔ}を用いて、磁束推定計算値φ_α０＾、φ_β０＾からオフセット量φ_{αｏｆｆｓｅｔ}，φ_{βｏｆｆｓｅｔ}をそれぞれ減算して磁束推定値φ_α＾、φ_β＾を出力するオフセット減算部３１を備えている。なお、ここでは、（７）、（８）式の左辺のφ_α＾、φ_β＾をφ_α０＾、φ_β０＾と置き換えた。

次に、制御装置１０を図１〜図３の構成とすることで速度センサレスベクトル制御でのモータの振動が抑制できる理由を以下に図６を参照して説明する。

回転磁界の位相θと静止座標上で表された二次磁束φ_αとφ_βとの関係は、（１）式で表される。

θ＝ｔａｎ^−１（φ_β／φ_α）・・・（１）

電源角周波数ωｅは、（１）式を時間微分することによって得られる（２）式で演算される。

ωｅ＝ｄθ／ｄｔ＝（（ｄφ_β／ｄｔ）・φ_α−（ｄφ_α／ｄｔ）・φ_β）／（φ_α ^２＋φ_β ^２）・・・・・・・・（２）

また、すべりωｓは、（３）式で演算することができる。

ωｓ＝Ｒｒ・（Ｌｍ／Ｌｒ）・（φ_αｉ_β−φ_βｉ_α）／（φ_α ^２＋φ_β ^２）
・・・・・（３）

そして、モータ角速度（電気角換算）ωｍｅは（４）式で演算される。

ωｍｅ＝ωｅ−ωｓ・・・・・（４）

このとき、静止座標上の磁束は、直接測定できないため、静止座標上の電圧と電流から（５）式と（６）式により演算する。

φ_α＝∫（Ｖ_α−Ｒ_ｓｉ_α）ｄｔ−ｌ_ｓｉ_α・・・・・・・（５）
φ_β＝∫（Ｖ_β−Ｒ_ｓｉ_β）ｄｔ−ｌ_ｓｉ_β・・・・・・・（６）

（１）式〜（６）式の変数は以下の値を示す。
Ｖ_α：α相電圧、Ｖ_β：β相電圧、ｉ_α：α相電流、ｉ_β：β相電流、φ_α：α相磁束、φ_β：β相磁束、Ｒｓ：一次抵抗、Ｒｒ：二次抵抗、ｌｓ：一次漏れインダクタンス、Ｌ_ｍ：相互インダクタンス、Ｌ_ｒ：二次インダクタンス

従来の磁束推定器１１０では、α相電圧指令Ｖ_α ^＊、β相電圧指令Ｖ_β ^＊、α相電流ｉ_α、β相電流ｉ_βから（５）式と（６）式を用いて、α相、β相の磁束推定値φ_α＾、φ_β＾を（７）式、（８）式に従って演算していた。

φ_α＾＝∫（Ｖ_α ^＊−Ｒ_ｓｉ_α）ｄｔ−ｌ_ｓｉ_α・・・・・・・（７）
φ_β＾＝∫（Ｖ_β ^＊−Ｒ_ｓｉ_β）ｄｔ−ｌ_ｓｉ_β・・・・・・・（８）

ここで、（７）式と（８）式は、積分演算となるため、α相電圧指令Ｖ_α ^＊、β相電圧指令Ｖ_β ^＊とα相電流ｉ_α、β相電流ｉ_βにオフセットが生じた場合、そのオフセット量も同時に積算して、出力であるα相、β相磁束推定値φ_α＾、φ_β＾にもオフセットが現れてしまう。電圧は、α相、β相電圧指令値Ｖ_α ^＊、Ｖ_β ^＊を使用することからオフセット量は、ほぼゼロであるが、電流は、検出値ｉ_α、ｉ_βを使用するため、電流センサ１０７のオフセットがわずかでも残っていると、ある程度時間が経過したときにα相、β相の磁束推定値φ_α＾、φ_β＾に大きなオフセット量が現れてしまう。

上記のようにオフセット量を含んだα相、β相磁束推定値φ_α＾、φ_β＾を用いると、電源角周波数ωｅの推定値ωｅ＾は、回転磁界の位相θの推定値をθ＾とすると、（２）式を用いて（９）式から演算される。

ωｅ＾＝ｄθ＾／ｄｔ＝（（ｄφ_β＾／ｄｔ）・φ_α＾−（ｄφ_α＾／ｄｔ）・φ_β＾）／（φ_α＾^２＋φ_β＾^２）・・・・・・・・（９）

また、すべりωｓの推定値ωｓ＾は、（３）式を用いて（１０）式から演算される。

ωｓ＾＝Ｒｒ・（Ｌｍ／Ｌｒ）・（φ_α＾ｉ_β−φ_β＾ｉα）／（φ_α＾^２＋φ_β＾^２）
・・・・・（１０）

そして、モータ角速度（電気角換算）ωｍｅの推定値ωｍｅ＾は（４）式を用いて（１１）式から演算される。

ωｍｅ＾＝ωｅ＾−ωｓ＾・・・・・（１１）

図４は、磁束推定値φ_α＾、φ_β＾にオフセットがない場合の（９）式と（１１）式から計算された電源角周波数ωｅの推定値ωｅ＾とモータ角速度（電気角換算）ωｍｅの推定値ωｍｅ＾と推定速度ωｍｒと回転数Ｎｍの時間変化を示す図である。図４から磁束推定値にオフセットがない場合は、電源角周波数ωｅの推定値ωｅ＾とモータ角速度（電気角換算）ωｍｅの推定値ωｍｅ＾と推定速度ωｍｒと回転数Ｎｍの時間変化に振動は見られない。

図５は、磁束推定値φ_α＾、φ_β＾にオフセットが生じた場合の（９）式と（１１）式から計算された電源角周波数ωｅの推定値ωｅ＾とモータ角速度（電気角換算）ωｍｅの推定値ωｍｅ＾と推定速度ωｍｒと回転数Ｎｍの時間変化を示す図である。図５から磁束推定値にオフセットが生じた場合は、電源角周波数ωｅの推定値ωｅ＾とモータ角速度（電気角換算）ωｍｅの推定値ωｍｅ＾と推定速度ωｍｒと回転数Ｎｍの時間変化に振動成分が現れる。

そのため、推定速度ωｍｒに振動成分が含まれた状態で速度制御を行うと、実際に存在しない速度の振動に対して補償しようと制御系が動作してトルク脈動が発生し、かえってモータを振動させてしまう結果となる。

そこで、本実施形態での制御装置１０におけるオフセット除去処理部１２では、ピーク検出部２０とオフセット算出部２１を設け、図６に示すように磁束推定値φ_α＾、φ_β＾のオフセットを磁束推定器１１から出力される磁束推定値φ_α＾、φ_β＾の正と負のピーク値から求める方法を採用した。ここでは、例として、磁束推定値φ_α＾、φ_β＾をφで代表して示している。磁束推定値φの正弦波形に図６（ａ）で示すようなオフセットが生じた場合、正弦波形を位相９０度ごとに区間ｎ〜ｎ＋３に分け、そのときの正のピーク値（絶対値）φ_ｍａｘｎ，φ_{ｍａｘｎ＋１}，φ_{ｍａｘｎ＋２}と負のピーク値（絶対値）φ_ｍｉｎｎ，φ_{ｍｉｎｎ＋１}を求めておく。そして、オフセット量φ_{ｏｆｆｓｅｔｎ}，φ_{ｏｆｆｓｅｔｎ＋１}，φ_{ｏｆｆｓｅｔｎ＋２}，φ_{ｏｆｆｓｅｔｎ＋３}は、区間ごとに以下の（１２）〜（１５）式に示す正のピーク値（絶対値）から負のピーク値（絶対値）を引いた差の１／２の値で求めることができる。

区間ｎ：φ_{ｏｆｆｓｅｔｎ}＝（φ_ｍａｘｎ−φ_{ｍｉｎｎ−１}）／２ （１２）
区間ｎ＋１：φ_{ｏｆｆｓｅｔｎ＋１}＝（φ_ｍａｘｎ−φ_ｍｉｎｎ）／２ （１３）
区間ｎ＋２：φ_{ｏｆｆｓｅｔｎ＋２}＝（φ_{ｍａｘｎ＋１}−φ_ｍｉｎｎ）／２ （１４）
区間ｎ＋３：φ_{ｏｆｆｓｅｔｎ＋３}＝（φ_{ｍａｘｎ＋２}−φ_{ｍｉｎｎ＋１}）／２ （１５）

具体的には、図２と図６と図７のフローチャートによって示されるように、ピーク検出部２０では、φが増加しているときには、フラグをゼロとし、φが減少しているときにはフラグを１とし、フラグがゼロから１に変化する瞬間のφを正のピーク値として検出する（ステップＳ１１）。また、フラグが１からゼロに変化する瞬間のφを負のピーク値として検出する（ステップＳ１２）。オフセット算出部２１では、ピーク検出部２０から出力される連続したピーク値（絶対値）φ_ｍａｘｎと逆符号のピーク値（絶対値）φ_{ｍｉｎｎ−１}に基づいて（１６）式に従ってオフセット量φ_{ｏｆｆｓｅｔｎ}を算出する（ステップＳ１３）。ここでｎは整数を示す。

φ_{ｏｆｆｓｅｔｎ}＝（φ_ｍａｘｎ−φ_{ｍｉｎｎ−１}）／２ （１６）

オフセット記憶部２２は、オフセット算出部２１で算出されたオフセット量φ_{ｏｆｆｓｅｔｎ}を記憶し（ステップＳ１４）、オフセット除去演算部２３に出力する。ステップＳ１５では、次のピークを検出したか否か判断する。もし、ステップＳ１５で次のピークを検出しなければ、オフセット除去演算部２３では、磁束推定器１１から出力される磁束推定値φ＾から（１７）式のようにオフセット量φ_{ｏｆｆｓｅｔｎ}を減算してオフセット除去処理後磁束推定値φ＾’を出力する（ステップＳ１６）。

φ＾’＝φ＾−φ_{ｏｆｆｓｅｔｎ} （１７）

そして、ステップＳ１７では、オフセット量φ_{ｏｆｆｓｅｔｎ}を磁束推定器１１にフィードバックする。ステップＳ１８では、駆動停止されるか否か判断し、駆動が停止されなければ、ステップＳ１５を実行する。駆動が停止されれば、エンドとなる。

図６（ｂ）は、オフセット除去演算部２３から出力される磁束推定値の時間変化である。

もし、ステップＳ１５において、ピーク検出部２０で次のピーク検出されたならば、そのピーク値がオフセット算出部２１に入力され、次のオフセットが算出され、オフセット記憶部２２に出力される。それにより、オフセット記憶部２２は、次のオフセットに更新して記憶し、オフセット除去演算部２３に出力する。

この方式の場合、オフセットは正弦波の位相９０度分遅れて検出することになるが、低周波数の正弦波形でも関係なくオフセットを検出ができるメリットがある。また、この処理により検出したオフセットを図２に示すように磁束推定器１１にフィードバックし、（７）式、（８）式の磁束推定計算値φ_α０＾、φ_β０＾の積算処理を行い、その値からオフセット減算部３１でオフセット量φ_{αｏｆｆｓｅｔ}，φ_{βｏｆｆｓｅｔ}を減算することで磁束推定器１１の出力段階でオフセットが減少し、磁束推定器１１でのオフセットの取り残しをオフセット除去処理部１２で解消することが可能となる。これにより、オフセットの除去は、オフセット除去演算部２３だけでなく、オフセット減算部３１においても行われるという二重の構造で行われるため、よりいっそうのオフセット除去の効果をもたらすことができる。その結果、推定速度に含まれる振動成分が減少して、今まで振動していた周波数帯や速度制御ゲインを大きくしてもモータ振動を減少させることが可能となる。

この方式は、磁束推定値のオフセットを除去するだけなので、推定速度のアルゴリズムに関係なく、どのような速度センサレスドライブでもモータ振動低減効果を得ることができる。また、図２のオフセット除去処理部１２の処理は単純に周期波形からオフセットを取り除きたい場合の手法として用いることも可能であるため、極低周波数（例えば、０．２５Ｈｚ）のハイパスフィルタ処理（またはオフセット除去処理）としても応用可能である。

以上説明したように、二次磁束の推定演算で生じた直流成分のオフセットを周波数に関係なく除去可能な手法と、さらに、磁束推定値の積算演算にてオフセット量の減算処理を組み合わせることで、モータの振動を抑制することが可能となる。

なお、本実施形態では、磁束推定値のオフセットの除去を、オフセット除去処理部１２のオフセット除去演算部２３と磁束推定器１１のオフセット減算部３１の両方で行うようにしたが、それに限らず、磁束推定値のオフセットの除去を、オフセット除去処理部１２のオフセット除去演算部２３においてだけ行うようにしたり、または、磁束推定器１１のオフセット減算部３１においてだけ行うようにすることもできる。

以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）等については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

本発明に係る誘導電動機の制御装置及び制御方法は、誘導電動機の駆動を制御する装置及び方法として利用される。

１０ 誘導電動機の制御装置
１１ 磁束推定器
１２ オフセット除去処理部
１３ ローパスフィルタ
２０ ピーク検出部
２１ オフセット算出部
２２ オフセット記憶部
２３ オフセット除去演算部
１０１ ３相交流電源
１０２ ダイオード整流回路
１０３ 平滑回路
１０４ インバータ回路
１０５ ＰＷＭゲート信号生成器
１０６ 誘導電動機
１０７ 電流センサ
１０８ ３相／２相座標変換器
１０９ ２相／ｄｑ座標変換器
１１２ 速度推定器
１１４ すべり演算器
１１５ 積分器
１１６ 磁束ＰＩ制御器
１１７ 磁束電流ＰＩ制御器
１１８ 速度ＰＩ制御器
１１９ トルク電流ＰＩ制御器
１２０ ｄｑ／２相座標変換器
１２１ ２相／３相座標変換器

Claims (6)

1. 速度センサレスでベクトル制御される誘導電動機の制御装置において、
   前記誘導電動機に供給される電流を静止座標上のα相電流及びβ相電流に変換する３相／２相座標変換器と、
   回転座標上のｄ軸成分の磁束電圧指令及びｑ軸成分のトルク電圧指令を、前記静止座標上のα相電圧指令及びβ相電圧指令に変換するｄｑ／２相座標変換器と、
   前記α相電流及びβ相電流と、前記α相電圧指令及びβ相電圧指令とを入力してα相磁束推定値及びβ相磁束推定値を算出する磁束推定器と、
   前記α相磁束推定値及びβ相磁束推定値それぞれの正のピーク値と負のピーク値との差分によって得られた直流成分であるオフセットを前記α相磁束推定値及びβ相磁束推定値から取り除くオフセット除去処理部と、
   前記オフセット除去処理部からのオフセット除去処理後α相磁束推定値及びオフセット除去処理後β相磁束推定値を入力して前記誘導電動機の速度を推定する速度推定器と、
   を備えることを特徴とする誘導電動機の制御装置。
2. 前記オフセット除去処理部は、前記磁束推定器から入力される前記α相磁束推定値の正のピーク及び負のピークと、前記β相磁束推定値の正のピーク及び負のピークとを検出するピーク検出部と、前記正のピーク及び負のピークからオフセットを算出するオフセット算出部と、算出されたオフセットを記憶するオフセット記憶部と、前記磁束推定器から入力される前記α相磁束推定値及び前記β相磁束推定値から前記オフセット記憶部に記憶された前記オフセットを除去する演算を行い出力するオフセット除去演算部を備えたことを特徴とする請求項１記載の誘導電動機の制御装置。
3. 前記オフセット除去処理部で得られたオフセットは、前記磁束推定器にフィードバックされ、前記磁束推定器は、前記オフセットを用いてα相磁束推定値及びβ相磁束推定値を算出することを特徴とする請求項１または２記載の誘導電動機の制御装置。
4. 速度センサレスでベクトル制御される誘導電動機の制御方法において、
   前記誘導電動機に供給される電流を静止座標上のα相電流及びβ相電流に変換する３相／２相座標変換ステップと、
   回転座標上のｄ軸成分の磁束電圧指令及びｑ軸成分のトルク電圧指令を、前記静止座標上のα相電圧指令及びβ相電圧指令に変換するｄｑ／２相座標変換ステップと、
   前記α相電流及びβ相電流と、前記α相電圧指令及びβ相電圧指令とを入力してα相磁束推定値及びβ相磁束推定値を算出する磁束推定ステップと、
   前記α相磁束推定値及びβ相磁束推定値それぞれの正のピーク値と負のピーク値との差分によって得られた直流成分であるオフセットを前記α相磁束推定値及びβ相磁束推定値から取り除くオフセット除去処理ステップと、
   前記オフセット除去処理ステップで得られたオフセット除去処理後α相磁束推定値及びオフセット除去処理後β相磁束推定値を入力して前記誘導電動機の速度を推定する速度推定ステップと、
   を備えることを特徴とする誘導電動機の制御方法。
5. 前記オフセット除去処理ステップは、前記磁束推定ステップで得られた前記α相磁束推定値の正のピーク及び負のピークと、前記β相磁束推定値の正のピーク及び負のピークとを検出するピーク検出ステップと、前記正のピーク及び負のピークからオフセットを算出するオフセット算出ステップと、算出されたオフセットを記憶するオフセット記憶ステップと、前記磁束推定ステップで得られた前記α相磁束推定値及び前記β相磁束推定値から前記オフセット記憶ステップで記憶された前記オフセットを除去する演算を行い出力するオフセット除去演算ステップを備えたことを特徴とする請求項４記載の誘導電動機の制御方法。
6. 前記オフセット除去処理ステップで得られたオフセットは、前記磁束推定ステップで用いられ、前記磁束推定ステップは、前記オフセットを用いてα相磁束推定値及びβ相磁束推定値を算出することを特徴とする請求項４または５記載の誘導電動機の制御方法。
   

Images