JP6404094B2 - 電動機のセンサレス制御方法およびシステム - Google Patents

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Description

本発明は、電動機のセンサレス制御方法に関し、より詳しくは、電動機の超高速領域でセンサレス制御を安定的に行うために、逆起電力観測器に鉄損を考慮したモデルを追加して損失を考慮した正確な電気角誤差を求め、超高速駆動領域でセンサレス制御を可能にした電動機のセンサレス制御方法およびシステムに関する。
当業者によく知られているように、電動式ターボチャージャに適用される電動機(motor)は、その特性上、サイズが非常に小さく、損失の影響が大きい。
そこで、既存の電動機のセンサレス制御方式を使用する場合、超高速領域で電気角の誤差が大きくなり、正確な角度によるモータ駆動の制御ができず、制御が不可能な状況が発生し得る。
例えば、一般的な永久磁石電動機の制御器を概念的に示した図1を参照すると、従来の逆起電力に基づいた永久磁石電動機のセンサレス方法は、測定した相電流と、これから推定したd、q軸電圧、電流指令値を使用して逆起電力を観測し、これから角度誤差(Δθ)を得る。
得られた角度誤差を0にするために、位相固定ループ制御器を使用する。角度誤差をなくした位相固定ループ制御器の結果により得られた推定された角速度推定値情報を電動機ベクトルの制御に使用する。
正確な角度誤差を得るために逆起電力の観測が重要であるが、これは、電動機モデルから得られる。一般的に鉄損を考慮しない電動機モデルが使用され、これは、鉄損の非常に大きい超高速電動機の制御には不適合である。従って、鉄損を考慮しないセンサレス制御は、超高速電動機の制御で大きな角度誤差を誘発する。大きな角度誤差情報によるセンサレス制御は、制御の不安定性を誘発して、約50,000rpm以上の超高速領域で制御が不可能であるという短所を有する。
この背景技術の部分に記載された事項は、発明の背景に対する理解を増進させるために作成されたものであり、この技術が属する分野における通常の知識を有する者に既に知られた従来技術でない事項を含むことができる。
特開第2012−166776号公報
そこで、本発明が解決しようとする課題は、電動機の超高速領域でセンサレス制御を安定的に行うために、逆起電力観測器に鉄損を考慮したモデルを追加して損失を考慮した正確な電気角誤差を求め、超高速駆動領域でセンサレス制御を可能にした電動機のセンサレス制御方法およびシステムを提供することにある。
本発明が解決しようとする他の課題は、電動機のセンサレス制御方法で逆起電力観測器に鉄損を考慮し、鉄損を考慮したモデルから修正された逆起電力を求めてより正確な角度誤差を求め、これを制御に活用することができる電動機のセンサレス制御方法およびシステムを提供することにある。
前記課題を解決するための本発明の実施例に係る電動機のセンサレス制御方法は、逆起電力観測器と位相固定ループ制御器を具備して行われる電動機のセンサレス制御方法において、逆起電力観測器を通じて電動機の逆起電力を推定するステップと、前記推定された逆起電力に基づいて、鉄損を考慮した角度誤差を算出するステップと、前記算出された角度誤差を補正して、補正された角度誤差を前記位相固定ループ制御器に入力し、前記位相固定ループ制御器が前記鉄損による角度誤差を減らして実際の角度を推定し、推定された角度に基づいて前記電動機を制御するようにするステップとを含むことができる。
前記鉄損を考慮した前記電動機の電圧(vγ、vδ)方程式は、下記の式によることができる。
Figure 0006404094
−d、q:正確なd、q軸
−ω:モータ電気角速度
−i:d軸電流
−i:q軸電流
−idi:d軸鉄損電流
−iqi:q軸鉄損電流
−idm:d軸磁化電流
−iqm:q軸磁化電流
−v:d軸電圧
−v:q軸電圧
−R:固定子相抵抗
−R:鉄損等価抵抗
−L:d軸インダクタンス
−L:q軸インダクタンス
−Ψ:永久磁石磁束定数
−Piron:鉄損
−P:ヒステリシス損失
−Ped:渦電流損失
−eγ:推定されたd軸拡張EMF(extended EMF)
−eδ:推定されたq軸拡張EMF(extended EMF)
−e’γ:鉄損を考慮した推定されたd軸拡張EMF(extended EMF)
−e’δ:鉄損を考慮した推定されたq軸拡張EMF(extended EMF)
前記逆起電力観測器の電圧(vγ、vδ)方程式は、下記の式によることができる。
Figure 0006404094
前記角度誤差(Δθ+α)は、下記の式により算出されることができる。
Figure 0006404094
前記課題を解決するための本発明の他の実施例に係る電動機のセンサレス制御システムは、永久磁石電動機をセンサレス制御するシステムにおいて、前記電動機の逆起電力を推定するための逆起電力観測器と、前記推定された逆起電力に基づいて、鉄損を考慮した角度誤差を算出する角度誤差算出器と、前記算出された角度誤差を補正するための角度誤差補償器と、前記補正された角度誤差の入力を受けて、前記鉄損による角度誤差を減らして実際の角度を推定し、推定された角度に基づいて前記電動機の角速度推定値としてセンサレス制御結果信号を出力する位相固定ループ制御器とを含むことができる。
前記逆起電力観測器は、下記の電圧(vγ、vδ)方程式を利用することができる。
Figure 0006404094
前記角度誤差(Δθ+α)算出器は、下記の式を利用して角度誤差を算出することができる。
Figure 0006404094
本発明の実施例によれば、電動機の超高速領域でセンサレス制御を安定的に行うために、逆起電力観測器に鉄損を考慮したモデルを追加して損失を考慮した正確な電気角誤差を求め、超高速駆動領域でセンサレス制御を可能にすることができる。
本発明の実施例によると、電動機のセンサレス制御方法で逆起電力観測器に鉄損を考慮し、鉄損を考慮したモデルから修正された逆起電力を求めてより正確な角度誤差を求め、これを制御に活用することで、超高速領域で電動機の性能を改善することができる。
一般的な永久磁石電動機の制御器を概念的に示した図面である。 本発明の実施例に係る永久磁石電動機のセンサレス制御システムの構成図である。 本発明の実施例に係る永久磁石電動機のセンサレス制御方法のフローチャートである。 永久磁石電動機の鉄損を考慮した時の電動機モデルと鉄損を考慮しなかった時の電動機モデルとを比較した図面である。 本発明の実施例に係る電動機電圧方程式を説明するためのグラフである。 従来技術に係る逆起電力観測器と本発明の実施例に係る逆起電力観測器の内部ロジック構成とを比較した図面である。
以下では、添付の図面を参考として本発明の実施例について本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳しく説明する。しかし、本発明は、ここで説明される実施例に限定されず、他の形態に具体化することもできる。
明細書全体において、ある部分がある構成要素を含むというとき、これは、特に反対する記載がない限り、他の構成要素を除外するのではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。
図2は、本発明の実施例に係る永久磁石電動機のセンサレス制御システムを示した図面である。
図2に示すように、本発明の実施例に係る永久磁石電動機のセンサレス制御システムは、永久磁石電動機10の逆起電力を推定するための逆起電力観測器110と、前記推定された逆起電力に基づいて、鉄損を考慮した角度誤差を算出する角度誤差算出器120と、前記算出された角度誤差を補正するための角度誤差補償器130と、前記補正された角度誤差の入力を受けて、前記鉄損による角度誤差を減らして実際の角度を推定し、推定された角度に基づいて前記電動機の角速度推定値としてセンサレス制御結果信号を出力する位相固定ループ制御器150とを含むことができる。
図2に示した各種符号の定義は、下記の表1の通りである。
[表1]
−γ,δ:推定されたd、q軸
−ω :モータ機械角速度指令値
−ω:モータ機械角速度推定値(センサレス制御結果)
−θ:モータ電気角速度推定値(センサレス制御結果)
−Δθ:電気角速度誤差
−iγ :推定されたd軸電流指令値
−iδ :推定されたq軸電流指令値
−iγ:推定されたd軸電流測定値(電流センサの測定後、3相2相変換器の結果)
−iδ:推定されたq軸電流測定値(電流センサの測定後、3相2相変換器の結果)
−vγ :推定されたd軸電圧指令値
−vδ :推定されたq軸電圧指令値
−t:a、b、c相PWM on時間
−i,i:b、c相電流(3相電流中の2相のみ測定可能であればよい。つまり、測定した電流がa、b相であっても、b、c相であっても、a、c相であってもかまわない)
−e^γ:推定されたd軸拡張EMF(extended EMF)推定値(観測器の結果)
−e^δ:推定されたq軸拡張EMF(extended EMF)推定値(観測器の結果)
本発明の実施例に適用される永久磁石電動機(モータ)は、例えば、自動車の電動式ターボチャージャに適用される超高速永久磁石電動機であるが、本発明の保護範囲が必ずしもこれに限定されると理解してはならない。
本発明の実施例に係る永久磁石電動機のセンサレス制御システムは、前記逆起電力観測器110、角度誤差算出器120、角度誤差補償器130、および位相固定ループ制御器150の他に、図1に示した既存のシステムのように、弱磁束制御器11、d軸電流制御器13、ベクトル制御器15、インバータ17、速度制御器23、q軸電流制御器25、3相2相変換器21を含んでもよい。
既存のシステムに含まれるものと同一の弱磁束制御器11、d軸電流制御器13、ベクトル制御器15、インバータ17、速度制御器23、q軸電流制御器25、3相2相変換器21は、当業者に自明であるので、本明細書でこれらに対する詳細な説明は省略する。
しかし、本発明の実施例に係る永久磁石電動機10の電圧(vγ、vδ)は、下記の式による。
Figure 0006404094
−d、q:正確なd、q軸
−ω:モータ電気角速度
−i:d軸電流
−i:q軸電流
−idi:d軸鉄損電流
−iqi:q軸鉄損電流
−idm:d軸磁化電流
−iqm:q軸磁化電流
−v:d軸電圧
−v:q軸電圧
−R:固定子相抵抗
−R:鉄損等価抵抗
−L:d軸インダクタンス
−L:q軸インダクタンス
−Ψ:永久磁石磁束定数
−Piron:鉄損
−P:ヒステリシス損失
−Ped:渦電流損失
−eγ:推定されたd軸拡張EMF(extended EMF)
−eδ:推定されたq軸拡張EMF(extended EMF)
−e’γ:鉄損を考慮した推定されたd軸拡張EMF(extended EMF)
−e’δ:鉄損を考慮した推定されたq軸拡張EMF(extended EMF)
そして、前記逆起電力観測器110に入力される電圧(vγ、vδ)は、下記の式によって表現される。
Figure 0006404094
また、前記角度誤差算出器120は、下記の式を利用して角度誤差(Δθ+α)を算出することができる。
Figure 0006404094
以下、本発明の実施例に係る永久磁石電動機のセンサレス制御方法を添付の図面を参照して詳しく説明する。
図3は、本発明の実施例に係る永久磁石電動機のセンサレス制御方法を示したフローチャートである。
図3に示すように、逆起電力観測器110は、電動機10の逆起電力を推定し(S100)、角度誤差算出器120は、鉄損による角度誤差(Δθ+α)を算出する(S200)。
前記角度誤差(Δθ+α)は、従来技術に係る角度誤差(Δθ;図1)と誤差(α)があり、前記誤差(α)は、電動機10の鉄損を考慮したものである。
従って、本発明の実施例では、前記角度誤差(Δθ+α)を位相固定ループ制御器150に入力する前に、角度誤差補償器130を通じて前記誤差(α)を補正する(S300)。
前記のように誤差(α)を補正すると、電動機10の鉄損による角度誤差を減らして実際の角度を推定することができ(S400)、これに基づいて電動機10を超高速領域でセンサレス制御することができる(S500)。
図4は、永久磁石電動機の鉄損を考慮した時の電動機モデルと、鉄損を考慮しなかった時の電動機モデルとを比較した図面である。つまり、永久磁石電動機10の鉄損を考慮した電動機モデルは、本発明の実施例に係るものであり、鉄損を考慮しなかった時の電動機モデルは、従来技術に係るものである。図4に表された符号の定義は、下記の表2の通りである。
[表2]
−d、q:正確なd、q軸
−ω:モータ電気角速度
−i:d軸電流
−i:q軸電流
−idi:d軸鉄損電流
−iqi:q軸鉄損電流
−idm:d軸磁化電流
−iqm:q軸磁化電流
−v:d軸電圧
−v:q軸電圧
−R:固定子相抵抗
−R:鉄損等価抵抗
−L:d軸インダクタンス
−L:q軸インダクタンス
−Ψ:永久磁石磁束定数
−Piron:鉄損
−P:ヒステリシス損失
−Ped:渦電流損失
本発明の実施例に係る永久磁石電動機10の鉄損に対する影響を判断するためには、既存の電動機における影響を検討する必要がある。
図4は、鉄損を考慮しなかった電動機のd軸、q軸モデルと、鉄損を考慮した電動機のd軸、q軸モデルを示したものである。
図4から分かるように、鉄損は、抵抗Rで等価化され、電動機インダクタと並列で連結されている。これにより、電動機モデルが変わって鉄損を考慮しなかったモデル基盤のセンサレス制御方法では、正確な角度を測定することができない。
Figure 0006404094
鉄損(Piron)は、ヒステリシス損失(P)と渦電流損失(Ped)に分けられる。ヒステリシス損失は、電動機に印加する電流の周波数に比例し、渦電流損失は、周波数の自乗に比例する。超高速電動機の場合、印加する電流の周波数が一般的な高速電動機の2倍以上になるため、鉄損は4倍以上となる。従って、超高速電動機を制御するためには、本発明の実施例のように、鉄損を必ず考慮しなければならない。
図5は、正確な軸と歪んだ軸でそれぞれ電動機の電圧方程式を説明するために示したグラフである。
従来技術に係る正確な軸で、電動機の電圧方程式は、下記の式(a)の通りであり、鉄損を考慮した本発明の実施例に係る電圧方程式は、下記の式(b)の通りである。
Figure 0006404094
Figure 0006404094
−eγ:推定されたd軸拡張EMF(extended EMF)
−eδ:推定されたq軸拡張EMF(extended EMF)
−e’γ:鉄損を考慮した推定されたd軸拡張EMF(extended EMF)
−e’δ:鉄損を考慮した推定されたq軸拡張EMF(extended EMF)
電動機10の鉄損を考慮すると、電動機の電圧方程式も上記のように変わる。
実際電動機10のd、q軸は分からないため、推定されたd、q軸であるγ,δ軸を使用しなければならず、誘導された電圧方程式、つまり、歪んだ軸における電動機電圧方程式は、下記の式(c)、(d)の通りである。下記の式(c)は、鉄損を考慮しなかった従来技術に係る電動機電圧方程式であり、下記の式(d)は、鉄損を考慮した本発明の実施例に係る電動機電圧方程式である。
Figure 0006404094
Figure 0006404094
図6は、電動機の鉄損を考慮しなかった従来技術に係る逆起電力観測器110Aの内部ロジックと、電動機の鉄損を考慮した本発明の実施例に係る逆起電力観測器110の内部ロジックをそれぞれ示した図面である。
電動機10の鉄損を考慮すると、逆起電力観測器の逆起電力式(式(e)、(f))が異なるため、逆起電力観測器の内部ロジックも修正が必要である。式(e)は、従来技術に係る逆起電力式であり、式(f)は、本発明の実施例に係る式である。
従来技術に係る逆起電力観測器110Aを使用すると、逆起電力の観測がきちんと行われず、角度誤差を誘発し得る。
Figure 0006404094
Figure 0006404094
図2を参照すると、逆起電力観測器110が逆起電力を正確に推定して角度誤差を算出しても、鉄損を考慮すると、下記の式(h)のようにαほどの角度誤差がさらに生じる。式(g)は、鉄損を考慮しなかった従来技術に係る角度誤差式である。従来技術に係る角度誤差式では鉄損を考慮しなかったため、追加誤差(α)がないことが分かる。
本発明の実施例では、この追加誤差(α)をシミュレーションと実験を通じて求めた後、角度誤差補償器130を通じて補正することができる。
Figure 0006404094
Figure 0006404094
そこで、本発明の実施例によると、電動機の超高速領域でセンサレス制御を安定的に行うために、逆起電力観測器に鉄損を考慮したモデルを追加して損失を考慮した正確な電気角誤差を求め、超高速駆動領域でセンサレス制御を可能にすることができる。つまり、本発明の実施例によると、電動機のセンサレス制御方法で逆起電力観測器に鉄損を考慮し、鉄損を考慮したモデルから修正された逆起電力を求めてより正確な角度誤差を求め、これを制御に活用することで、超高速領域で電動機の性能を改善することができる。
本発明の実施例によると、具体的に下記のような利点を得ることができる。
安定性の確保:超高速領域(50,000rpm以上の駆動領域)で電動機の駆動時に高速作動により大きくなる損失および電気角誤差によって不安定または駆動不可能な領域を正確な角度推定で安定したベクトル制御が可能である。
効率の増大:損失抵抗を通じて逆起電力の効率的な使用を通じて電動機に供給される電気的な負担を減少させることができる。これを通じた超高速電動機システム全体の効率を高めることができる。
運転領域の拡大:正確な角度計算を通じたセンサレス制御で100,000rpm以上の超高速領域までも駆動領域を拡大させることができる。(従来技術では50,000rpm以上の駆動が難しい)
性能の改善:角度情報に基づいてd軸、q軸電流/電圧制御の効率性を高めて、同一駆動領域における性能の改善(モータトルクおよび出力)が可能である。
これまで本発明の実施例をターボチャージャー用永久磁石電動機と関連して説明したが、本発明の実施例は、マイクロタービン発電機用超高速モータ、遠心圧縮機用超高速モータ、およびポンプ用超高速モータなどにも適用可能であることはもちろんである。
以上で本発明の実施例について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されるものではなく、以下の請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の様々な変形および改良形態も本発明の権利範囲に属する。
10:電動機
110:逆起電力観測器
120:角度誤差算出器
130:角度誤差補償器
150:位相固定ループ制御器

Claims (6)

  1. 逆起電力観測器と位相固定ループ制御器を具備して行われる電動機のセンサレス制御方法において、
    逆起電力観測器を通じて電動機の逆起電力を推定するステップと、
    前記推定された逆起電力に基づいて、鉄損を考慮した角度誤差を算出するステップと、
    前記算出された角度誤差を補正して、補正された角度誤差を前記位相固定ループ制御器に入力し、前記位相固定ループ制御器が前記鉄損による角度誤差を減らして実際の角度を推定し、推定された角度に基づいて前記電動機を制御するようにするステップと、
    を含み、
    前記鉄損を考慮した前記電動機の電圧(v γ 、v δ )方程式は、下記の式によることを特徴とする電動機のセンサレス制御方法。
    Figure 0006404094
    −d、q:正確なd、q軸
    −ω :モータ電気角速度
    −i :d軸電流
    −i :q軸電流
    −i di :d軸鉄損電流
    −i qi :q軸鉄損電流
    −i dm :d軸磁化電流
    −i qm :q軸磁化電流
    −v :d軸電圧
    −v :q軸電圧
    −R :固定子相抵抗
    −R :鉄損等価抵抗
    −L :d軸インダクタンス
    −L :q軸インダクタンス
    −Ψ :永久磁石磁束定数
    −P iron :鉄損
    −P :ヒステリシス損失
    −P ed :渦電流損失
    −e γ :推定されたd軸拡張EMF(extended EMF)
    −e δ :推定されたq軸拡張EMF(extended EMF)
    −e’ γ :鉄損を考慮した推定されたd軸拡張EMF(extended EMF)
    −e’ δ :鉄損を考慮した推定されたq軸拡張EMF(extended EMF)
  2. 逆起電力観測器と位相固定ループ制御器を具備して行われる電動機のセンサレス制御方法において、
    逆起電力観測器を通じて電動機の逆起電力を推定するステップと、
    前記推定された逆起電力に基づいて、鉄損を考慮した角度誤差を算出するステップと、
    前記算出された角度誤差を補正して、補正された角度誤差を前記位相固定ループ制御器に入力し、前記位相固定ループ制御器が前記鉄損による角度誤差を減らして実際の角度を推定し、推定された角度に基づいて前記電動機を制御するようにするステップと、
    を含み、
    前記逆起電力観測器の電圧(vγ、vδ)方程式は、下記の式によることを特徴とする電動機のセンサレス制御方法。
    Figure 0006404094
  3. 逆起電力観測器と位相固定ループ制御器を具備して行われる電動機のセンサレス制御方法において、
    逆起電力観測器を通じて電動機の逆起電力を推定するステップと、
    前記推定された逆起電力に基づいて、鉄損を考慮した角度誤差を算出するステップと、
    前記算出された角度誤差を補正して、補正された角度誤差を前記位相固定ループ制御器に入力し、前記位相固定ループ制御器が前記鉄損による角度誤差を減らして実際の角度を推定し、推定された角度に基づいて前記電動機を制御するようにするステップと、
    を含み、
    前記角度誤差(Δθ+α)は、下記の式により算出されることを特徴とする電動機のセンサレス制御方法。
    Figure 0006404094
  4. 永久磁石電動機をセンサレス制御するシステムにおいて、
    前記電動機の逆起電力を推定するための逆起電力観測器と、
    前記推定された逆起電力に基づいて、鉄損を考慮した角度誤差を算出する角度誤差算出器と、
    前記算出された角度誤差を補正するための角度誤差補償器と、
    前記補正された角度誤差の入力を受けて、前記鉄損による角度誤差を減らして実際の角度を推定し、推定された角度に基づいて前記電動機の角速度推定値としてセンサレス制御結果信号を出力する位相固定ループ制御器と、
    を含み、
    前記電動機の鉄損を考慮した電圧(v γ 、v δ )方程式は、下記の式の通りであることを特徴とする電動機のセンサレス制御システム。
    Figure 0006404094
    −d、q:正確なd、q軸
    −ω :モータ電気角速度
    −i :d軸電流
    −i :q軸電流
    −i di :d軸鉄損電流
    −i qi :q軸鉄損電流
    −i dm :d軸磁化電流
    −i qm :q軸磁化電流
    −v :d軸電圧
    −v :q軸電圧
    −R :固定子相抵抗
    −R :鉄損等価抵抗
    −L :d軸インダクタンス
    −L :q軸インダクタンス
    −Ψ :永久磁石磁束定数
    −P iron :鉄損
    −P :ヒステリシス損失
    −P ed :渦電流損失
    −e γ :推定されたd軸拡張EMF(extended EMF)
    −e δ :推定されたq軸拡張EMF(extended EMF)
    −e’ γ :鉄損を考慮した推定されたd軸拡張EMF(extended EMF)
    −e’ δ :鉄損を考慮した推定されたq軸拡張EMF(extended EMF)
  5. 永久磁石電動機をセンサレス制御するシステムにおいて、
    前記電動機の逆起電力を推定するための逆起電力観測器と、
    前記推定された逆起電力に基づいて、鉄損を考慮した角度誤差を算出する角度誤差算出器と、
    前記算出された角度誤差を補正するための角度誤差補償器と、
    前記補正された角度誤差の入力を受けて、前記鉄損による角度誤差を減らして実際の角度を推定し、推定された角度に基づいて前記電動機の角速度推定値としてセンサレス制御結果信号を出力する位相固定ループ制御器と、
    を含み、
    前記逆起電力観測器は、下記の電圧(vγ、vδ)方程式を利用することを特徴とする電動機のセンサレス制御システム。
    Figure 0006404094
  6. 永久磁石電動機をセンサレス制御するシステムにおいて、
    前記電動機の逆起電力を推定するための逆起電力観測器と、
    前記推定された逆起電力に基づいて、鉄損を考慮した角度誤差を算出する角度誤差算出器と、
    前記算出された角度誤差を補正するための角度誤差補償器と、
    前記補正された角度誤差の入力を受けて、前記鉄損による角度誤差を減らして実際の角度を推定し、推定された角度に基づいて前記電動機の角速度推定値としてセンサレス制御結果信号を出力する位相固定ループ制御器と、
    を含み、
    前記角度誤差(Δθ+α)算出器は、下記の式を利用することを特徴とする電動機のセンサレス制御システム。
    Figure 0006404094
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