JP6536479B2 - 回転機の制御装置 - Google Patents
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Description
例えば特許文献1に開示された同期機の位置センサレス制御装置では、マスターインバータ及びスレーブインバータでそれぞれ推定位相角を演算した後、それらを平均した推定位相角に基づいて推定速度を演算する。
また、多相交流電動機の制御において、ロータマグネットの着磁不均一性やロータ及びステータの形状等に起因して、或いは、外乱により相電流の基本波成分に高調波成分が重畳することが知られている。高調波成分は、脈動により、位置推定精度を低下させる要因となる。しかし、特許文献1には、このような高調波成分の低減について何ら言及されていない。
特定の前記巻線組への通電を制御する一群の構成要素の単位を「系統」と定義すると、高調波成分相殺部は、各系統の電圧及び電流の少なくとも一方について、基本波成分に重畳した高調波成分を推定回転座標系での相殺処理により低減する。
誘起電圧推定部は、相殺処理により算出された電圧値又は電流値を含む各系統に共通の情報に基づいて誘起電圧を推定する。
磁極位置推定部は、誘起電圧推定部が推定した誘起電圧に基づいて、回転機のロータ(85)の磁極位置を推定する。
また、特許文献1の従来技術では、二つのインバータでそれぞれ拡張誘起電圧及び推定位相角を演算するのに対し、本発明の誘起電圧推定部は、各系統に共通の情報に基づいて一通りの誘起電圧を推定する。そして、磁極位置推定部は、誘起電圧推定部が推定した一通りの誘起電圧に基づいて磁極位置を推定する。
したがって、本発明では、位置推定演算の演算量を低減しつつ、高調波成分を適切に低減することができる。
以下の実施形態の説明では、特許請求の範囲における「回転機」を「モータ」と記し、「回転機の制御装置」を「モータ制御装置」と記す。また、第1〜第4実施形態を包括して「本実施形態」という。
各系統の構成要素である電力変換器、電流センサ等は、2桁又は3桁符号の末尾数字を系統の番号とする。例えば第1系統の構成要素は符号末尾を「1」、第2系統の構成要素は符号末尾を「2」、第N系統の構成要素は符号末尾を「9」とする。
第1実施形態による3相2系統のモータ制御装置について、図1〜図6を参照して説明する。図1に示すように、モータ制御装置101は、2系統の3相巻線組を有するモータ802に2台の電力変換器61、62から交流電力を供給するシステムに適用される。
モータ802は、例えば永久磁石式同期型の3相交流モータである。モータ802には、ロータの磁極位置を検出する回転角センサは設けられていない。
図2(b)に示すように、永久磁石同期型のモータ802は、周方向に磁極86が配置されたロータ85が、ステータ84の径内側に回転可能に支持されている。図2(b)には、ロータ85にN極及びS極が2対(すなわち計4極)設けられた例を示す。
ステータ84に巻回される巻線について、例えば「U1」は第1系統のU相巻線を意味し、「V2」は第2系統のV相巻線を意味する。第1系統と第2系統との同相巻線は、ステータ84の周方向に交互に配置されている。
また、2相固定座標系のαβ軸は、α軸α1、α2がU相軸U1、U2と一致するように定義される。
図1には、電力変換器61、62の入力側電力経路の図示を省略する。直流電源と電力変換器61、62との間にはDCDCコンバータ等が設けられてもよい。
また、3相上下アームの6個のスイッチング素子を含む3相交流インバータの構成も周知技術であるため図示を省略する。
或いは、電圧加算器352及び電流加算器452に、それぞれ除算器362、462を組み合わせたセットを「高調波成分相殺部」とみなし、推定回転座標系で2系統の電圧及び電流の平均値を算出することで相殺処理を実行すると解釈してもよい。
電流加算器452は、2系統のγδ軸電流検出値iγδ1、iγδ2の合計を算出する。除算器462は、その合計を2で除した平均値iγδを誘起電圧推定部57に出力する。
磁極位置推定部58は、拡張誘起電圧eγδに基づいて、軸ずれΔθの関数「−sin△θ、cos△θ」を算出し、さらに、軸ずれΔθを0に収束させるPI制御演算等により、磁極位置θγを推定する。また、一般には、磁極位置θγの推定と同時に電気角速度ωを推定する。すなわち、「磁極位置推定部」は、正確には「磁極位置及び速度推定部」として機能する。
記号は、以下の通りである。また、各記号の添え字「1」、「2」は、第1系統及び第2系統の値であることを示す。
R :抵抗
Ld、Lq:d軸、q軸自己インダクタンス
Md、Mq:d軸、q軸相互インダクタンス
ω :電気角速度
Mf :界磁回路のインダクタンス
if :界磁電流
また、推定部56は、モータ802のパラメータである抵抗R、各インダクタンスL、Mを固定値として記憶してもよい。
そのため、第1実施形態のモータ制御装置101は、巻線温度Tm、相電流iUVW等、モータ802の運転状態に応じて、モータ802のパラメータ値を変更するパラメータ変更部55を備える。パラメータ変更部55は、図5(a)、(b)のような特性マップを記憶してもよいし、数式によりパラメータ値を算出してもよい。
推定部56は、パラメータ変更部55が随時変更したパラメータ値を用いて、拡張誘起電圧eγ、eδや軸ずれΔθの推定演算を行う。これにより、モータ802の運転状態に応じて、磁気飽和や温度変化等に依らず位置推定精度を確保することができる。
また、例えば巻線温度Tmの変化の時定数は、制御演算周期に比べて極めて長い。したがって、パラメータ変更部55は、抵抗Rの値を変更する周期を制御周期の数百〜数千回に一回、又は数秒に一回というように設定し、演算量を低減してもよい。
磁極位置推定部58が演算した基準磁極位置θγは、各系統の2相3相変換部171、172、及び、3相2相変換部181、182に通知される。
固定座標系αβ軸における第1系統α軸電流iα1、β軸電流iβ1、第2系統α軸電流iα2、β軸電流iβ2は、5次、7次高調波成分が重畳する場合、数式7で表される。
しかし、上述の通り、固定座標系で2系統の値を加算しても高調波成分はキャンセルされないため、推定電気角に脈動が生じる。また、固定座標系の基本波成分は交流量であるため、回転数が高くなるにつれてマイコン処理での離散化誤差が顕著になる。その結果、推定電気角の誤差が大きくなる。
そこで本実施形態では、各系統の電圧値又は電流値を推定回転座標系で加算し系統数で除すことにより平均値を求める。そして、各系統の平均値を用いて誘起電圧eγδを演算し、磁極位置を推定することを特徴とする。
1周期が電気角60°に相当する6次成分について、位相が電気角30°ずれた2系統のγ軸電流iγ1、iγ2は、ちょうど山と谷とが反転した逆位相となる。そのため、逆位相のγ軸電流iγ1、iγ2を加算すると、6次高調波成分が互いにキャンセルされる。
なお、現実には各系統の巻線等の部品誤差や組付誤差等により、各系統のγ軸電流0次成分の値、又はγ軸電流6次成分の振幅に微小な誤差が存在し得る。その場合でも、2系統の値を加算することにより、6次高調波成分は、ほぼキャンセルされると考えられる。
本実施形態では、基本波成分が直流量となる推定回転座標系の電圧、電流値を利用することで、離散化誤差をなくし、高回転時にも高精度な位置推定が可能となる。
また、各系統の電圧及び電流の平均値v* γδ、iγδを利用して基準磁極位置θγを推定することで、系統毎に電圧及び電流から磁極位置を推定する構成に比べ、高調波成分をキャンセルすることができる。したがって、磁極位置θγの脈動成分を低減し、位置推定精度を向上させることができる。
したがって、本実施形態では、位置推定演算の演算量を低減しつつ、高調波成分を適切に低減することができる。
第2実施形態による3相2系統のモータ制御装置について図7を参照して説明する。
図7のモータ制御装置102には、図1のモータ制御装置101の構成に加え、電流フィードバック制御の構成として、電流減算器14及び電流制御器15がさらに規定されている。除算器462で算出されたγδ軸電流の平均値iγδは、誘起電圧推定部57に取得されるとともに、2系統共通のγδ軸電流指令値i* γδに対してフィードバックされ、電流減算器14で差分が算出される。
また、γδ軸電圧指令値v* γδは、誘起電圧推定部57に直接取得される。すなわち、第2実施形態では、「高調波成分相殺部」としての電圧加算器は設けられない。このように、高調波成分相殺部は、各系統の電圧又は電流の少なくとも一方について相殺処理を実行するように設けられればよい。
これと対比される比較例の構成では、各系統のγδ軸電流iγδ1、iγδ2が各系統の電流指令値に対して直接フィードバックされる。この場合、各系統の電流に重畳した高調波成分の影響により、電流制御器15で演算される出力電圧に脈動が生じるおそれがある。また、系統毎にフィードバック演算するため、演算量が増加する。
第3実施形態による3相3系統のモータ制御装置について、第1実施形態の図1、図3、図6にそれぞれ対応する図8、図9、図10を参照して説明する。
図8に示すように、モータ制御装置103は、3系統の3相巻線組を有するモータ803に3台の電力変換器61、62、63から交流電力を供給するシステムに適用される。
図9に、第1系統巻線81を実線、第2系統巻線82を破線、第3系統巻線83を細かい破線で表し、3相3系統のモータ803の巻線の配置を模式的に示す。3相3系統のモータ803の各相巻線は、第1系統と第2系統との間、及び、第2系統と第3系統との間の位相が電気角20(すなわち、60/3)°ずれている。
電流加算器453は、3系統のγδ軸電流検出値iγδ1、iγδ2、iγδ3の合計を算出する。除算器463は、その合計を3で除した平均値を誘起電圧推定部57に出力する。
パラメータ変更部55によるパラメータの設定や推定部56での推定演算に関する事項は第1実施形態と同様である。
このとき、第1系統の2相3相変換部171、3相2相変換部181には、基準磁極位置θγが入力される。第2系統の2相3相変換部172、3相2相変換部182には、角度加算器272、282により、基準磁極位置θγに電気角20°が加算された位置が入力される。第3系統の2相3相変換部173、3相2相変換部183には、角度加算器273、283により、基準磁極位置θγに電気角40°が加算された位置が入力される。
モータ制御装置103は、3系統のγδ軸電圧指令値v* γδ1、v* γδ2、v* γδ3の平均値v* γδ、及び、γδ軸電流検出値iγδ1、iγδ2、iγδ3の平均値iγδを用いて、拡張誘起電圧eγδ及び基準磁極位置θγを推定する。これにより、推定演算における6次高調波成分の影響を排除し、位置推定精度を向上させることができる。
第4実施形態による3相N系統のモータ制御装置について、第1実施形態の図1、第3実施形態の図8に対応する図11を参照して説明する。図11には、第1系統、第2系統及び第N系統が明示されている他、第2系統と第N系統との間の一つ以上の系統の図示が省略されている。すなわち、この例でのNは、4以上の整数である。
電流加算器459は、N系統のγδ軸電流検出値iγδ1、iγδ2、・・・、iγδNの合計を算出する。除算器469は、その合計をNで除した平均値を誘起電圧推定部57に出力する。
パラメータ変更部55によるパラメータの設定や推定部56での推定演算に関する事項は上記実施形態と同様である。
このように、本実施形態は、4系統以上のモータ制御装置に一般化可能である。
(a)上記では、3相回転機において主に推定回転座標系の6次成分をキャンセルする相殺処理について説明した。しかし、相殺処理の対象となる高調波成分は6次成分に限らない。例えば図6から類推されるように、2系統のモータ制御装置101、102では、6次以外に18次、30次等の成分を低減可能である。また、図10から類推されるように、3系統のモータ制御装置103では、6次以外に12次、24次等の成分を低減可能である。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
352、353、359・・・電圧加算器(高調波成分相殺部)、
452、453、459・・・電流加算器(高調波成分相殺部)、
57・・・誘起電圧推定部、
58・・・磁極位置推定部、
61、62、63、69・・・電力変換器、
802、803、809・・・モータ(回転機)。
Claims (5)
- 3相以上の多相巻線組をステータ(84)に複数有する回転機(802、803、809)に対し、前記複数の巻線組への通電を位置センサレス制御で制御する回転機の制御装置であって、
入力された電力を交流電力に変換し、前記回転機に供給する複数の電力変換器(61、62、63、69)と、
特定の前記巻線組への通電を制御する一群の構成要素の単位を系統と定義すると、各系統の電圧又は電流の少なくとも一方について、基本波成分に重畳した高調波成分を推定回転座標系での相殺処理により低減する高調波成分相殺部(352、452、353、453、359、459)と、
前記相殺処理により算出された電圧値又は電流値を含む各系統に共通の情報に基づいて誘起電圧を推定する誘起電圧推定部(57)と、
前記誘起電圧推定部が推定した誘起電圧に基づいて、前記回転機のロータ(85)の磁極位置を推定する磁極位置推定部(58)と、
を備える回転機の制御装置。 - 前記高調波成分相殺部は、
前記相殺処理として各系統の推定回転座標系の電圧指令値を加算する電圧加算器(352、353、359)、又は、前記相殺処理として各系統の推定回転座標系の電流検出値を加算する電流加算器(452、453、459)の少なくとも一方を含む請求項1に記載の回転機の制御装置。 - 前記誘起電圧推定部及び前記磁極位置推定部は、
前記回転機の回転数、並びに、前記回転機のパラメータとして、抵抗、自己インダクタンス及び相互インダクタンスを用いて推定演算を行う請求項1または2に記載の回転機の制御装置。 - 前記回転機の運転状態に応じて、前記回転機のパラメータの値を変更するパラメータ変更部(55)をさらに備える請求項3に記載の回転機の制御装置。
- 前記高調波成分相殺部により相殺処理された電流を用いて電流フィードバック制御を行う請求項1〜4のいずれか一項に記載の回転機の制御装置。
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