JP6537461B2 - 回転機の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、回転機の回転子位置情報を、位置センサを用いることなく得て回転機を制御する回転機の制御装置に関するものである。

同期機や誘導機といった回転機においては、回転機の回転子速度や位置を正確に把握し、適切なタイミングで巻線に電流を流して磁石の吸引および反発力で駆動力を発生させている。回転子速度や位置情報を把握するために、回転機に位置センサや速度センサを取り付けていた。

回転機に位置センサや速度センサを設ける構成の場合、回転機の回転子速度や位置情報を正確に得られる一方で、センサによるコスト増の課題、センサ情報を制御装置に伝送するための配線が必要であるという課題、また、センサ自体の故障による信頼性の低下という課題などがあった。
そこで、これらの課題を解決する構成として、回転機に印加する電圧や回転機に流れる電流から、回転機の回転子位置を推定する、いわゆる位置センサレス制御法が開発されている。

位置センサレス制御法としては、拡張誘起電圧を用いた位置センサレス制御法（非特許文献１）や、適応観測器を用いて誘起電圧や磁束情報を推定し、そこから回転子速度を得る位置センサレス制御法（特許文献１）が提案されている。

非特許文献１に示されている、拡張誘起電圧による永久磁石同期機の位置センサレス方法によれば、固定座標上における回転機に印加される電圧と回転機に流れる電流を用いて、回転機の拡張誘起電圧モデルにあてはめることにより、簡単な演算で同期機の回転子位置を求めることができる。また、固定座標上での電圧と電流の瞬時値から、回転子位置情報を得ることができるため、回転子位置の推定応答は非常に高い。

しかし、位置センサレス制御法の場合、固定座標上の電圧や電流を用いているために、回転子速度が高くなると、推定する回転子位置に推定遅れが生じるという問題があり、この推定遅れの問題の対策として、回転子速度にほぼ同期した速度で回転する回転座標上において拡張誘起電圧モデルを用いて回転子位置の推定方法が提案されている。

この拡張誘起電圧を用いた位置センサレス制御法は、回転座標上の回転機に印加される電圧と回転機に流れる電流と拡張誘起電圧モデルを用いることで、推定している回転座標軸と回転機本来の回転座標軸との位置偏差Δθを算出し、このΔθが無くなるように比例積分（積分のみでも可）することで、間接的に回転子位置を推定するものである。よって、回転子速度にほぼ同期した回転座標上で回転子位置推定を行うため、回転子速度が高くなることで生じる推定遅れの問題は解決できる。

しかしながら、比例積分により間接的に位置推定を行うため、積分にかかる時間だけ推定遅れが生じる。積分時間による推定遅れは一般的に僅かであるため、定常状態（一定速運転時）では、ほとんど影響はないが、速度の急変時などの過渡状態では、積分時間による推定遅れの影響が大きくなる。この場合、推定している回転座標が回転機本来の回転座標に収束するまでの時間が長くなったり、場合によっては収束しなくなったり、いわゆる不安定な状態になることが懸念される。そのため、比例積分のゲインを高くすることが困難となり、つまりは、回転子位置の推定応答を高くできないという課題が残る。

また、特許文献１で提案されている、適応観測器を用いて誘起電圧や磁束情報を推定し、そこから回転子速度を得る位置センサレス制御法は、回転座標上で適応オブザーバを使って回転子位置を推定するものであるが、適応オブザーバにより求めた推定回転子磁束のｑ軸成分が零になるように比例積分制御（積分同定でも可）することで、回転子位置（回転子速度）を求める制御法である。この方法も回転子速度が高くなったときの推定遅れは少ないものの、積分時間による推定遅れが生じるため、過渡状態に不安定な状態になると懸念されることから、回転子位置の推定応答を高くできないという課題は、非特許文献１と同じである。

「拡張誘起電圧モデルに基づく突極型永久磁石同期モータのセンサレス制御」２００２年電気学会Ｄ部門論文誌Ｎｏ．１２

特許第４６７２２３６号公報

非特許文献１や特許文献１のように、固定座標上で回転機の回転子位置を推定する制御法は、電圧や電流の瞬時値から回転子位置を推定できるため、回転子位置の推定応答を高くできる長所がある反面、回転子速度が高くなると推定遅れが生じる課題がある。一方、回転子速度にほぼ同期した回転座標上で回転子位置を推定する構成は、回転子速度が高くなることによって生じる推定遅れはほぼ無いが、積分同定によって位置推定するため、速度急変などの過渡状態で不安定になりやすく、その結果、推定応答を高くすることができない。つまり、回転子速度が高くなることによる推定遅れが少なく、かつ、過渡状態でも安定に動作でき、推定応答が高くできる位置センサレス制御方法を実現できていないという課題があった。

この発明は、前記の課題を解決するためになされたものであり、回転機の速度が急変する時などの過渡状態における安定性を向上し、回転子位置の推定応答を高めることを目的とする。

この発明に係る回転機の制御装置は、回転機に流れる回転機電流を検出する電流検出手段、目標電流値に前記回転機電流が追従するように電圧指令を生成し出力する電流制御手段、電圧指令に応じて前記回転機に電圧を印加する電圧印加手段、回転機電流と電圧指令に応じて回転機に流れる電流と回転子速度と回転子位置をそれぞれ推定電流、推定回転速度、推定回転子位置として演算し出力する状態観測手段、前記状態観測手段とは異なる演算で回転機の回転子位置を演算して検出回転子位置として出力する回転子位置検出手段、および推定回転子位置と検出回転子位置との偏差である位置偏差を出力する位置偏差演算手段を備え、前記状態観測手段は、前記回転機電流と前記推定電流と前記位置偏差の高周波成分に応じて前記推定回転速度を演算することを特徴とするものである。

この発明は、推定回転子位置と検出回転子位置との偏差である位置偏差の高周波成分を用いることで、回転機の速度急変時などの過渡状態における安定性を向上できるため、その結果、回転子位置の推定応答を高めることができる。

この発明の実施の形態１の回転機の制御装置の構成を示す構成図である。 この発明の実施の形態１の動作を説明するための説明図である。 この発明の実施の形態１の動作を説明するための説明図である。 この発明の実施の形態１の動作を説明するための説明図である。 この発明の実施の形態１の構成を説明するためのブロック図である。 この発明の実施の形態１の構成を説明するためのブロック図である。 この発明の実施の形態２の動作を説明するための説明図である。

実施の形態１
図１は、この実施の形態１における構成図である。図１において回転機１は、この実施の形態では３相巻線を有する永久磁石同期機を例に挙げて説明するが、他の種類の回転機であっても同様の原理で構成することが可能である。回転機の制御装置１０は、電流検出手段２、制御手段３、電圧印加手段４、回転子位置検出手段５、位置偏差演算手段６、及び状態観測手段７を備える。電流検出手段２は、回転機１に流れる回転機電流を検出する。なお、この実施の形態では３相すべての電流を検出しているが、回転機１に流れる電流が３相平衡であることを利用して、３相のうち任意の２相のみ検出し、残りの１相は計算により求める公知の方法を用いてもよい。

制御手段３は、制御手段３の外部から入力される速度指令ω＊に回転機１の制御特性である回転子速度が追従するように、３相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を演算して出力するものであり、例えば、図２のような構成がある。なお、この実施の形態では制御手段の外部から速度指令ω＊が入力されるようにしているが、回転機１の制御特性である位置、トルクを追従させる位置指令やトルク指令などの指令であってもよい。

以下、外部から速度指令ω＊が入力される場合の動作について説明をする。図２では、加減算器３１にて速度指令ω＊と推定回転速度推定値ωｒ＾の偏差である速度偏差を演算し、速度制御器３２で速度偏差が無くなるように比例積分制御をして目標電流値ｉｄ＊、ｉｑ＊を演算し出力する。

電流回転座標変換器３３は、電流検出手段２の出力である回転機電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを、推定回転子位置θ＾を用いて、推定回転速度ωｒ＾と同期して回転する回転座標ｄ−ｑ軸上の電流ｉｄ、ｉｑに変換する。
加減算器３４では、目標電流値ｉｄ＊、ｉｑ＊と回転座標上の電流ｉｄ、ｉｑのそれぞれの偏差である電流偏差を演算し出力する。電流制御器３５では、電流偏差が無くなるように比例積分制御をして回転座標上の電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を演算し出力する。座標変換器Ｂ３６では、推定回転子位置θ＾を用いてＶｄ＊、Ｖｑ＊を固定座標上の３相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に変換し出力する。

なお、この発明の制御手段３では、図２のように比例積分制御を用いて、速度指令ω＊に推定回転速度ωｒ＾が追従するような３相電圧指令を演算し出力する構成をしているが、速度指令ω＊に推定回転速度ωｒ＾が追従するような３相電圧指令を出力する構成であれば図２に示したとは別の方法でもよい。

電圧印加手段４は、半導体スイッチにより構成され、制御手段３の出力である３相電圧指令に応じて、回転機１に３相電圧を印加する。
回転子位置検出手段５は、後述する状態観測手段７とは異なるパラメータを使用して、回転機１の回転子位置を演算し、検出回転子位置θｄｅｃとして出力するものである。すなわち、回転子位置検出手段５は、回転機１に印加する電圧または電圧指令と回転機電流などの瞬時値から回転子位置を演算し、状態観測手段７が推定する推定回転子位置θ＾の影響を受けずに回転子位置を演算するようにする。

この実施の形態では、これらの条件を満たすために、α―βと呼ばれる静止直交座標に、３相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を変換したα―β軸電圧指令Ｖα＊、Ｖβ＊と、回転機電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗをα―β軸上に変換したα―β軸電流ｉα、ｉβを、回転機１の数式モデルにあてはめて回転子位置を計算する構成とする。
（１）式はα―β軸上での回転機１の電圧方程式である。

なお、Ｖα＊、Ｖβ＊とｉα、ｉβはそれぞれ、次に示す（２）式および（３）式で求めることができる。

（１）式のＥα、Ｅβは、回転機１が回転することで発生する誘起電圧を表している。この誘起電圧は、（１）式を変形して（４）式のように求めることができる。

回転子位置検出手段５は、（４）式で電流と電圧指令の瞬時値から求めた誘起電圧Ｅα、Ｅβを使って、（５）式のように検出回転子位置θｄｅｃを演算して出力するものである。

位置偏差演算手段６は、回転子位置検出手段５の出力である検出回転子位置θｄｅｃと、後述する状態観測手段７の出力である推定回転子位置θ＾とを用いて、（６）式のように位置偏差Δθを演算し出力する。

状態観測手段７は、この実施の形態では図３のように構成される。電流回転座標変換器３３は、図２の電流回転座標変換器３３と同様に、電流検出手段２の出力である回転機電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを、推定回転子位置θ＾を用いて、推定回転速度ωｒ＾と同期して回転する回転座標ｄ−ｑ軸上の回転機電流ｉｄ、ｉｑに変換する。

電圧回転座標変換器７０１は、３相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を推定回転子位置θ＾を用いて、推定回転速度ωｒ＾と同期して回転する回転座標ｄ−ｑ軸上の電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊に変換する。
なお、電圧回転座標変換器７０１を用いずに、電流制御器３５の出力である回転座標上の電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を用いてもよい。

加減算器７０２は、後述する推定電流演算器の出力である回転座標ｄ−ｑ座標上の推定電流ｉｄ＾、ｉｑ＾からｄ−ｑ軸上の回転機電流ｉｄ、ｉｑをそれぞれ減算した電流偏差ｅｉｄ、ｅｉｑを出力する。回転機行列演算器７０５は（７）式の行列で構成されており、また、増幅器７０６は（８）式の行列で構成されている。

なお、（７）式中の回転子角速度は不明であるため、後述する速度同定器７１０の出力である推定回転速度ωｒ＾で代用する。

加減算器７０３、積分器７０４、回転機行列演算器７０５、増幅器７０６において、（９）式の演算を実現し、回転機の固定子推定磁束φｄｓ＾、φｑｓ＾と回転子推定磁束φｄｒ＾、φｑｒ＾を出力するものである。

なお、（９）式は、いわゆるオブザーバと言われるものであり、特許文献１にも記載されている公知技術である。

推定電流演算器７０７は、（１０）式の計算を実施して、ｄ−ｑ軸上の推定電流ｉｄ＾、ｉｑ＾を出力する。

高周波成分抽出器７０８は、位置偏差演算手段６の出力である位置偏差Δθの低周波成分を除去し高周波成分を抽出したΔθＨを出力するものであり、推定回転子位置θ＾と回転機１の回転子位置との位置誤差に相当するものである。この高周波成分抽出器７０８は、位置偏差Δθの高周波成分を抽出するが、その理由は以下に示す。検出位置θｄｅｃは、固定座標であるα―β軸上の瞬時値を使って求めた回転機１の回転子位置であるため、検出の応答が速い半面、回転子速度が高くなると、推定遅れによる位置誤差が生じる。この推定遅れによる位置誤差は、回転子速度に応じて大きくなり、オフセットとして生じる。

よって、回転子速度が高いときは、推定回転子位置θ＾が正しく回転機１の回転子位置θｒｅを推定していても、検出回転子位置θｄｅｃに誤差があるため、Δθ≠０となる。そこで、高周波成分抽出器７０８により、検出回転子位置θｄｅｃのオフセット成分を除去することで、回転子速度が高いときで、推定回転子位置θ＾が正しく回転機１の回転子位置θｒｅを推定しているときは、高周波成分抽出器７０８の出力ΔθＨ＝０とすることができる。

また、状態観測手段７が出力する推定回転子位置θ＾は、速度が急変する過渡状態以外の定常状態では、非常に精度良く回転子位置θｒｅを推定することができる。
よって、定常状態では、推定回転子位置θ＾と回転機１の回転子位置との位置誤差は、ほぼゼロであるため、Δθの低周波成分を除去する意味合いもある。一方で、推定回転子位置は、後述する速度同定器７１０にて、比例積分制御を用いて推定回転速度ωｒ＾を演算し、さらに推定回転速度ωｒ＾を積分することで、推定回転子位置θ＾を求めている。

そのため、比例積分動作による推定遅れがあることから、過渡状態では推定遅れに起因して過渡的な位置誤差が生じる。その反面、検出位置θｄｅｃは、電圧指令と電流の瞬時値を使って回転機１の回転子位置を検出するため、応答が速く、過渡時でも回転機１の回転子位置を精度良く検出することができる。

つまり、過渡状態においては、位置偏差Δθは推定回転子位置θ＾と回転機１の回転子位置θｒｅとの偏差とほぼ等価であり、この位置偏差Δθは過渡的に、すなわち、周波数の高い成分として発生する。よって、高周波成分抽出器７０８を用いることで、このときの位置偏差を抽出することができる。

高周波成分抽出器７０８の具体的な構成としては、低周波成分をカットするハイパスフィルタや、特定周波数成分を抽出するバンドパスフィルタなどを用いる。
なお、ハイパスフィルタのカットオフ周波数、およびバンドパスフィルタの通過帯域の周波数は、低域側のカットオフ周波数を、例えば５０ｒａｄ／ｓ以下程度に設定すること、または、後述する速度同定器７１０の１／５から１／１０以下に設定することが望ましい。また、バンドパスフィルタの高域側のカットオフ周波数は、速度同定器７１０の速度推定応答の５倍から１０倍程度に設定することが望ましい。

二次磁束誤差演算器７０９は、高周波成分抽出器の出力であるΔθＨを用いて二次磁束誤差ΔΦｄｒ、ΔΦｑｒを求める。この実施の形態では、回転機１は、永久磁石同期機であるので、回転子磁束ベクトルは、回転機１の本来のｄ軸方向を向き、その大きさはφｆである。また、ΔθＨ＝０のとき、回転機１の回転子位置θｒｅ＝検出位置θｄｅｃとなる。

そこで、二次磁束誤差演算器７０９は、前述の関係を利用して、図４および（１１）式のように、回転子磁束ベクトルを、推定回転子位置θ＾によるｄ−ｑ軸に射影した成分ΔφｄｒとΔφｑｒを二次磁束誤差として演算し出力する。すなわち、二次磁束誤差Δφｄｒ、Δφｑｒは、推定回転子位置θ＾によるｄ−ｑ座標から見た、正しい回転子磁束ベクトルを表していることになる。

速度同定器７１０では、推定磁束φｄｒ＾、φｑｒ＾と電流誤差ｅｉｄ、ｅｉｑと二次磁束誤差Δφｄｒ、Δφｑｒを用いて、推定回転速度ωｒ＾を演算し出力する。
（１２）式は、特許文献１のような、公知技術により推定回転速度ωｒ＾を求めた場合の演算式であり、（１２）式のように、比例ゲインＫｐと積分ゲインＫｉを用いた比例積分制御により、間接的に推定回転速度ωｒ＾を求める構成である。

また、通常、回転子磁束ベクトルの方向は、ｄ軸と一致させるので、φｑｒ＾＝０となり、（１２）式は、（１３）式となり、推定回転速度ωｒ＾はｅｉｑ／φｄｒ＾がゼロになるように比例積分制御して間接的に演算されることが分かる。

（１２）式または（１３）式で推定回転速度ωｒ＾を求める場合、前述しているように、速度が急変するような過渡状態では、比例積分制御による推定遅れにより、推定回転子位置θ＾に誤差が生じる。

また、（１２）式や（１３）式に利用されている推定磁束と電流偏差はすべて、推定回転子位置θ＾により座標変換されたものであるため、誤差が生じたθ＾により座標変換したこれらの値にも、θ＾の誤差に起因した誤差が含まれることになり、更には、それらを比例積分制御することによりωｒ＾を演算し、このωｒ＾を使って、また推定回転子位置θ＾を演算するというループが形成されるため、速度推定および位置推定系が不安定になり易くなる。

その結果、比例ゲインｋｐおよび積分ゲインｋｉを大きな値にすることが出来ず、すなわち、推定回転速度ωｒ＾の推定応答を上げることが困難であった。
そこで、速度同定器７１０では、（１４）式のように、二次磁束誤差演算器７０９の出力である二次磁束誤差Δφｄｒ、Δφｑｒを用いる。

また、通常は回転子磁束ベクトルの方向は、ｄ軸と一致させるので、φｑｒ＾＝０となるため、（１４）式は、（１５）式となる。なお、（１４）式、（１５）式中のｋｆｄ、ｋｆｑは、任意設定できる比例係数である。

図４において説明したとおり、二次磁束誤差Δφｄｒ、Δφｑｒは、推定回転子位置θ＾によるｄ−ｑ座標から見た、正しい回転子磁束ベクトルを表しているので、これを用いることで、推定遅れによる誤差を含んだθ＾を用いて座標変換することで生じる推定磁束と電流偏差に含まれる誤差を補正することできる。よって、過渡状態でも、従来よりも安定性を向上することが可能となり、その結果、比例ゲインｋｐおよび積分ゲインｋｉを大きな値にすることができ、推定回転速度ωｒ＾、および推定回転子位置θ＾の推定応答を高めることが可能となる。

積分器７１１は、速度同定器７１０の出力である推定回転速度ωｒ＾を積分することで、推定回転子位置θ＾を演算し出力するものである。
以上のように、この実施の形態にかかる回転機の制御装置は、状態観測手段７の出力である推定回転子位置θ＾から回転子位置検出手段５の出力である検出位置θｄｅｃを減算した位置偏差Δθを位置偏差演算手段６で演算し出力し、状態観測手段７は、高周波成分抽出器７０８でハイパスフィルタやバンドパスフィルタなどを用いて、位置偏差Δθの低周波成分をカットしたΔθＨを演算し出力し、二次磁束誤差演算器７０９でΔθＨと回転子磁束の大きさφｆを用いて、二次磁束誤差Δφｄｒ、Δφｑｒを演算し出力し、速度同定器７１０は、二次磁束誤差Δφｄｒ、Δφｑｒと推定磁束、電流偏差を用いて比例積分制御を行って推定回転子速度ωｒ＾を求める構成とすることで、回転機１の速度が急変するような過渡状態においても、速度同定器の安定性を向上できるため、速度同定器７１０の比例ゲインおよび積分ゲインを大きくすることが可能となり、推定回転速度ωｒ＾の推定応答、および推定回転子位置θ＾の推定応答を高めることができる。

ここで、実施の形態１の回転機の制御装置１０の構成要素である電流検出手段２、制御手段３、電圧印加手段４、回転子位置検出手段５、位置偏差演算手段６、及び状態観測手段７の各機能は、処理回路により実現される。処理回路は、図５に示す処理回路２００のような専用のハードウェアであっても、図６に示す記憶装置１０１に格納されるプログラムを実行するプロセッサ１００（ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ），中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＤＳＰともいう）であってもよい。

図５に示すように、処理回路が専用のハードウェアである場合、処理回路は、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、またはこれらを組み合わせたものが該当する。電流検出手段２、制御手段３、電圧印加手段４、回転子位置検出手段５、位置偏差演算手段６、及び状態観測手段７の各機能それぞれを処理回路で実現してもよいし、各機能をまとめて処理回路で実現してもよい。

また、図６に示すように、処理回路がプロセッサ１００の場合、電流検出手段２、制御手段３、電圧印加手段４、回転子位置検出手段５、位置偏差演算手段６、及び状態観測手段７の各機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアやファームウェアはプログラムとして記述され、記憶装置１０１に格納される。処理回路は、記憶装置１０１に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、各機能を実現する。

すなわち、電流検出手段２、制御手段３、電圧印加手段４、回転子位置検出手段５、位置偏差演算手段６、及び状態観測手段７の各ステップが結果的に実行されることになるプログラムを格納するための記憶装置１０１を備える。また、これらのプログラムは、電流検出手段２、制御手段３、電圧印加手段４、回転子位置検出手段５、位置偏差演算手段６、及び状態観測手段７の手順や方法をコンピュータに実行させるものであるとも言える。
また、記憶装置１０１とは、例えば、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ等の不揮発性または揮発性の半導体メモリや、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ＤＶＤ等が該当する。

また、電流検出手段２、制御手段３、電圧印加手段４、回転子位置検出手段５、位置偏差演算手段６、及び状態観測手段７の各機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現してもよい。例えば、電流検出手段２については、専用のハードウェアとしての処理回路でその機能を実現し、制御手段３、電圧印加手段４、回転子位置検出手段５、位置偏差演算手段６、及び状態観測手段７については処理回路が記憶装置１０１に格納されたプログラムを読み出して実行することによってその機能を実現することが可能である。

このように、処理回路は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせによって、上述の各機能を実現することができる。

実施の形態２
図７は、この実施の形態による状態観測手段の構成図である。状態観測手段以外は図１と同様の構成であるため説明は省略する。
図７において、電流回転座標変換器３３、電圧回転座標変換器７０１は、実施の形態１と同様に、推定回転子位置θ＾を用いて、推定回転速度ωｒ＾と同期して回転する回転座標γ−δ軸上の回転機電流ｉγ、ｉδと、電圧指令Ｖγ＊、Ｖδ＊に変換するものである。

なお、この実施の形態では、説明の都合上、実施の形態１において使用していた添字「ｄ」、「ｑ」を、添字「γ」、「δ」として使用するが、推定回転子位置θ＾で座標変換した電流、電圧であるという本質的意味合いは同じである。高周波成分抽出器７０８は実施の形態１と同様に位置偏差Δθから低周波成分をカットしたΔθＨを演算し出力するものである。

以下に、誘起電圧演算器７１２の動作についての説明を記す。
（１６）式は、推定回転子速度ωｒ＾に同期し、推定回転子位置θ＾上での回転座標γ―δ軸上の永久磁石同期機の電圧方程式である。（１６）式中のΔθｒｅは、回転機１の本来の回転子位置θｒｅと推定回転子位置θ＾との位置偏差を表す。

（１６）式のＥγ、Ｅδは回転機１が回転することで発生する誘起電圧を表している。

この誘起電圧は（１６）式を変形して（１７）式のように求めることができる。

（１７）式により、誘起電圧ＥγとＥδを求めることが可能であるので、Δθｒｅは（１８）式の演算により求めることができる。

誘起電圧演算器７１２は、（１７）式と（１８）式の演算を行ってΔθｒｅを出力するものである。

次に、位置同定器７１３について説明する。従来は（１９）式のように、Δθｒｅがゼロとなるように、比例積分制御をして推定回転子位置θ＾を求めていた。

この場合、実施の形態１で述べたように、速度が急変するような過渡状態では、比例積分制御による推定遅れにより、推定回転子位置θ＾に誤差が生じる。また、（１７）式に利用されている電圧指令と電流はすべて、推定回転子位置θ＾により座標変換されたものであるため、誤差が生じたθ＾により座標変換したこれらの値にも、θ＾の誤差に起因した誤差が含まれることになり、つまり、Δθｒｅにもこの誤差成分が含まれることになり、さらに、これらの誤差を含んだΔθｒｅを比例積分制御することにより推定回転子位置θ＾を演算するというループが形成されるため、位置推定系が不安定になりやすくなる。その結果、比例ゲインｋｐおよび積分ゲインｋｉを大きな値にすることが出来ず、すなわち、推定回転子位置θ＾の推定応答を上げることが困難であった。

そこで、位置同定器７１３では（２０）式のように、高周波成分抽出器７０８の出力であるΔθＨを用いる。なお、（２０）式中のｋｔは任意に設定できる比例係数である。

実施の形態１で述べたように、高周波成分抽出器７０８の出力であるΔθＨは、速度が急変するような過渡時において、推定回転子位置θ＾と検出位置θｄｅｃ≒回転子位置θｒｅとの偏差を出力するものである。

よって、（２０）式のようにΔθＨを用いることで、過渡状態に生じる比例積分制御による推定遅れに起因してΔθｒｅに含まれる誤差を抑制することが可能となり、その結果、比例ゲインｋｐおよび積分ゲインｋｉを大きな値にすることができ、および推定回転子位置θ＾の推定応答を高めることが可能となる。
微分器７１４は、位置同定器７１３の出力である推定回転子位置θ＾を微分することで、推定回転速度ωｒ＾を演算し出力するものである。

以上のように、この実施の形態にかかる回転機の制御装置は、状態観測手段７の出力である推定回転子位置θ＾から回転子位置検出手段５の出力である検出位置θｄｅｃを減算した位置偏差Δθを位置偏差演算手段６で演算して演算結果を出力し、状態観測手段７は、誘起電圧演算器７１２において、推定回転子位置θ＾によりγ−δ軸上に座標変換した電圧指令Ｖγ＊、Ｖδ＊と、γ−δ軸上の回転機電流ｉγ、ｉδと回転機１の電圧方程式を用いて、回転機１の回転子位置θｒｅと推定回転子位置θ＾との偏差であるΔθｒｅを演算して演算結果を出力し、高周波成分抽出器７０８は、位置偏差Δθの低周波成分をカットしたΔθＨを演算し演算結果を出力する。

位置同定器７１３は、高周波成分抽出器７０８の出力であるΔθＨと誘起電圧演算器７１２の出力であるΔθｒｅを用いて比例積分制御を行って推定回転子位置θ＾を求める構成とすることで、回転機１の速度が急変するように過渡状態においても、位置同定器７１３の安定性を向上できるため、位置同定器７１３の比例ゲインおよび積分ゲインを大きくすることが可能となり、推定回転子位置θ＾の推定応答を高めることができる。

実施の形態３
この実施の形態では、図７の誘起電圧演算器７１２の演算について、実施の形態２とは異なる方法について記す。なお、誘起電圧演算器７１２以外は、実施の形態２と同様の構成であるため、それらの説明は省略する。

実施の形態２では、（１７）式を用いて誘起電圧ＥγとＥδを求めているが、演算に用いるＬγ、Ｌδ、Ｌγδには、２Δθｒｅが含まれる。しかしながらΔθｒｅは、未知であるため、１演算周期前の値を代用して計算することになる。すると、１演算周期前の値を使うがゆえに、演算誤差が生じる可能性がある。
そこで、この実施の形態では、非特許文献１に記載されている、永久磁石同期機のγ−δ軸上での拡張誘起電圧モデルを用いる。これを用いると、誘起電圧ＥγとＥδは（２１）で求めることができ、２Δθｒｅを使わずに誘起電圧Ｅγ、Ｅδを計算することができる。

なお、（２１）式中の はΔθｒｅの時間微分を表すが、これは微小変化であると仮定して無視してもよい。また はｉδの時間微分を表す。

（２１）式により誘起電圧Ｅγ、Ｅδを演算した後は、実施の形態２と同様に（１８）式を用いてΔθｒｅを演算すればよい。

以上のように、この実施の形態による誘起電圧演算器７１２は、誘起電圧の演算にγ―δ軸上の拡張誘起電圧モデルを用いることで、より正確に誘起電圧を演算することが可能となり、その結果、状態観測手段７が出力する推定回転子位置θ＾の精度を向上することが可能となる。
なお、実施の形態１〜実施の形態３に示したように、状態観測手段７が出力する推定回転子位置θ＾または推定回転速度ωｒ＾は比例積分制御などを用いて間接的に求める方法であれば、実施の形態１〜実施の形態３に記した以外の方法でも構わない。

実施の形態４
この実施の形態４では、回転子位置検出手段５の演算について、実施の形態１から実施の形態３とは異なる方法により検出回転子位置θｄｅｃを求める方法を説明する。その他の構成については、各実施の形態のものと同様であるので、説明は省略する。

実施の形態１において説明しているように、回転子位置検出手段５は（４）式にてα―β軸上の誘起電圧Ｅα、Ｅβを求めている。しかしながら（４）式のＬα、Ｌβ、Ｌαβには２θｒｅが含まれる。θｒｅは未知の値であるため、１演算周期前のθｒｅを代用して計算することになる。すると、１演算周期前のθｒｅを使っているために、演算誤差が生じる可能性がある。

そこで、この実施の形態４においては、非特許文献１に記載されている永久磁石同期機のα―β軸上での拡張誘起電圧モデルを用いる。このモデルを用いるとＥα、Ｅβは（２２）式で求めることができ、２θｒｅを使わずに演算することができる。

（２２）式より誘起電圧Ｅα、Ｅβを演算した後は、（５）式と同様に検出回転子位置θｄｅｃを演算すればよい。

以上のように、この実施の形態による回転子位置検出手段５は、誘起電圧の演算にα―β軸上の拡張誘起電圧モデルを用いることで、より正確に誘起電圧を演算することが可能となり、回転子位置検出手段５が出力する検出回転子位置θｄｅｃの精度させることができる。その結果、速度が急変するような過渡状態において、状態観測手段７が出力する推定回転子位置θ＾および推定回転速度ωｒ＾をより正確に補正することが可能となり、推定回転子位置θ＾および推定回転速度ωｒ＾の精度を向上することができる。

なお、この実施の形態４や実施の形態１に示したように、回転子位置検出手段５が出力する検出回転子位置θｄｅｃは、電圧指令や電流などの瞬時値のみから求めることができる、つまり、応答が速く求められる方法であれば、実施の形態１およびこの実施の形態に示した以外の方法でも構わない。

また、この発明は、その発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素を適宜、変更または省略することが可能である。

１ 回転機、２ 電流検出手段、３ 制御手段、４ 電圧印加手段、
５ 回転子位置検出手段、６ 位置偏差演算手段、７ 状態観測手段、
３１、３４、７０２、７０３ 加減算器、３２ 速度制御器、
３３ 電流回転座標変換器、３５ 電流制御器、３６ 座標変換器、
７０１ 電圧回転座標変換器、７０４、７１１ 積分器、７０５ 回転機行列演算器、
７０６ 増幅器、７０７ 推定電流演算器、７０８ 高周波成分抽出器、
７０９ 二次磁束誤差演算器、７１０ 速度同定器、 ７１２ 誘起電圧演算器、
７１３ 位置同定器、７１４ 微分器

Claims (6)

1. 回転機に流れる回転機電流を検出する電流検出手段、目標電流値に前記回転機電流が追従するように電圧指令を生成し出力する電流制御手段、前記電圧指令に応じて前記回転機に電圧を印加する電圧印加手段、前記回転機電流と前記電圧指令に応じて前記回転機に流れる電流と回転子速度と回転子位置をそれぞれ推定電流、推定回転速度、推定回転子位置として演算し出力する状態観測手段、前記状態観測手段とは異なる演算で前記回転機の回転子位置を演算して検出回転子位置として出力する回転子位置検出手段、および前記推定回転子位置と前記検出回転子位置との偏差である位置偏差を出力する位置偏差演算手段を備え、前記状態観測手段は、前記回転機電流と前記推定電流と前記位置偏差の高周波成分に応じて前記推定回転速度を演算し出力することを特徴とする回転機の制御装置。
2. 前記回転子位置検出手段は、前記回転機が回転することで生じる誘起電圧に応じて前記検出回転子位置を演算し出力することを特徴とする請求項１に記載の回転機の制御装置。
3. 前記回転子位置検出手段は、前記回転機電流を静止直交座標であるα―β軸の電流変換したα―β軸電流と、前記電圧指令を静止直交座標であるα―β軸の電圧指令に変換したα―β軸電圧指令に応じて、前記検出回転子位置を演算することを特徴とする請求項１または２記載の回転機の制御装置。
4. 前記状態観測手段は、前記位置偏差に低周波分をカットして前記位置偏差の高周波成分を演算することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の回転機の制御装置。
5. 前記状態観測手段は、前記回転機電流を前記推定回転速度に同期して回転する座標であるｄ−ｑ軸の電流であるｄ−ｑ軸回転機電流に変換する電流回転座標変換器と、前記電圧指令を前記推定回転速度に同期して回転する座標であるｄ−ｑ軸の電圧であるｄ−ｑ軸電圧指令に変換する電圧回転座標変換器とを有し、前記ｄ−ｑ軸回転機電流と前記ｄ−ｑ軸電圧指令に応じて、ｄ−ｑ軸の電流推定値であるｄ−ｑ軸推定電流と前記推定回転速度と前記推定回転子位置とを演算し出力することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の回転機の制御装置。
6. 前記状態観測手段は、前記回転機電流を前記推定回転速度に同期して回転する座標であるｄ−ｑ軸の電流であるｄ−ｑ軸回転機電流に変換する電流回転座標変換器と、前記電圧指令を前記推定回転速度に同期して回転する座標であるｄ−ｑ軸の電圧であるｄ−ｑ軸電圧指令に変換する電圧回転座標変換器と、前記ｄ−ｑ軸回転機電流と前記ｄ−ｑ軸電圧指令と前記回転機が回転することで発生する誘起電圧に応じて、前記回転機の回転子位置と前記推定回転子位置の位置誤差を演算する誘起電圧演算器を有し、前記位置誤差がゼロになるようにすることで前記推定回転子位置と前記推定回転速度を演算し出力することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の回転機の制御装置。

Images