JP6678079B2 - 同期電動機制御装置およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、同期電動機制御装置およびその制御方法に関し、特に磁極位置センサレス同期電動機制御装置に適用して好適なものである。

同期電動機の速度やトルクを制御するためには、磁極位置を検出または推定することが必要である。検出した磁極位置に基づいて電流制御または電圧制御を行うことで、同期電動機のトルクや速度を制御できる。

従来は位置検出器を電流制御装置や電圧制御装置の他に設け、位置検出器を用いて上記磁極位置を検出していた。しかし、近年は磁極位置検出器で磁極位置を検出する方式とは異なる、磁極位置を推定して同期電動機を制御する方式、すなわち、磁極位置センサレス制御方式が提案されている。

特許文献１には、同期電動機が短絡状態のときの同期電動機電流の変化量または変化方向に基づいて同期電動機の磁極位置を推定する方法で、特別な推定信号を印加することなく高速領域まで磁極位置の推定が可能であることが記載されている。その基本原理は同期電動機の逆起電圧を利用するものである。

特開平１１−２７８１５５号公報

特許文献１の技術は、給電時の運転状態において同期電動機が短絡状態のときに、電流変化量、または変化方向に基づいて磁極位置を推定する方法であるため、同期電動機が給電停止した回転状態から、再給電して起動するときには、磁極位置を推定することができないという問題がある。

また、同期電動機の巻線をインバータによって短絡状態にすると、そのとき発生する短絡電流により同期電動機にトルクが発生する。そのため、短絡電流に基づいて磁極位置を推定する方法では、磁極位置の推定時にトルクが発生することになり、これにより制御対象が振動するという問題が発生することもある。

したがって、同期電動機が給電停止した回転状態から、再給電して起動するには、同期電動機の磁極位置を高精度に推定する必要があるため、同期電動機を短絡状態にして、短絡電流に基づいて磁極位置を推定すればよい。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、同期電動機が給電停止した回転状態から、再給電して起動するときに、磁極位置と回転速度を推定し、磁極位置と回転速度を推定するための短絡電流値を最適にする同期電動機制御装置およびその制御方法を提案しようとするものである。

かかる課題を解決するため本発明においては、三相の交流電圧を同期電動機に印加するインバータと、ゲート信号を前記インバータに出力して、当該インバータを制御するコントローラと、前記コントローラに、前記同期電動機の磁極位置と回転速度とを設定する制御部と、を備え、前記コントローラは前記ゲート信号を制御して前記同期電動機の三相を短絡状態にさせ、前記制御部は前記同期電動機に発生した短絡電流に基づいて、当該同期電動機の磁極位置および回転速度を推定する、同期電動機の制御装置であって、前記コントローラは、前記同期電動機が給電停止した回転状態のとき所定の短絡時間で当該同期電動機の前記短絡状態を実行し、前記制御部は、当該短絡状態の際前記同期電動機に発生する短絡電流を検出して、当該検出した短絡電流に基づいて前記同期電動機の回転速度を推定し、これを暫定値として前記コントローラに設定し、前記コントローラは当該暫定値に基づいて最適短絡時間を決定し、当該最適短絡時間は、前記同期電動機の短絡時間の長短に対する、当該同期電動機の回転速度の高低と短絡電流の振幅の大小との相関に基づいて、回転速度が低い範囲では短絡電流の振幅が大きくなるように長い短絡時間であり、回転速度が高い範囲では短絡電流の振幅が小さくなるように短い短絡時間であり、前記相関は測定または計算機シミュレーションにより予め求められたものであり、前記制御部は、前記最適短絡時間に基づく前記短絡電流を検出し、当該検出された短絡電流基づいて前記磁極位置と前記回転速度を推定し、前記コントローラは当該推定された磁極位置と回転速度とに基づいて、前記同期電動機が給電停止された回転状態から再給電によって起動されるように、前記ゲート信号を生成して前記インバータに出力するようにした。

本発明によれば、同期電動機が給電停止した回転状態から、再給電して起動するために、磁極位置と回転速度を推定する同期電動機制御装置およびその制御方法を実現できる。

さらに、磁極位置と回転速度を推定するための短絡時間を最適に調整することにより、磁極位置を推定するための短絡電流の値を最適にでき、かつ短絡電流により発生するトルクが所定値を超えないようにすることができる。

本実施の形態による同期電動機制御システムの全体構成図を示すブロック図である。 本実施の形態による同期電動機制御システムの短絡時間に対する回転速度と短絡電流振幅の相関の例を示すグラフである。 本実施の形態による同期電動機制御システムの短絡のタイミングを制御するゲート信号の例である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において、各図で共通する構成要素には同一の符号をそれぞれ付しており、それらの重複する構成要素についての説明を省略する。

（１）本実施の形態による同期電動機制御装置の構成
図１は本発明の実施の形態の磁極位置センサレス同期電動機制御装置などの同期電動機制御装置１の構成図である。制御装置はインバータ２、電流センサ３、電流検出部４、座標変換部５、磁極位置推定部６、回転速度推定部７およびコントローラ８で構成される。

インバータ２は、コントローラ８のゲート信号に基づき制御され、三相の交流電圧が永久磁石同期電動機（Permanent Magnet Synchronous Motor）等の同期電動機１０に印加される。

電流センサ３からＵ相電流ｉ_ｕ、Ｖ相電流ｉ_ｖの値を示す信号が電流検出部４に送られ、この電流検出部４において検出される。検出された電流値はそれぞれ座標変換部５でｄ−ｑ軸座標系のｄ軸電流ｉ_ｄ、ｑ軸電流ｉ_ｑに変換される。

この実施の形態では、電流検出部４で検出する電流はＵ相とＶ相の二つの相電流ｉ_ｕ、ｉ_ｖであるが、Ｗ相電流ｉ_ｗはｉ_ｕ、ｉ_ｖから求めることができるので、Ｗ相電流ｉ_ｗの検出を省略している。当然、三相電流をすべて検出するものでもよい。

ｄ軸は磁極位置（磁束）の方向、ｑ軸は電気的にｄ軸に直交する方向を示しており、ｄ−ｑ軸座標系を構成する。磁石を有する回転子が回転すると、ｄ−ｑ軸座標系も回転するので、静止座標系（α−β軸座標系）からの位相をθとする。本実施の形態では磁極の位相θ（以下、磁極位置θと呼ぶ）を電流から推定する。

コントローラ８では、ｄ軸電流指令値ｉ_ｄｒｅｆとｄ軸電流ｉ_ｄとのｄ軸電流偏差およびｑ軸電流指令値ｉ_ｑｒｅｆとｑ軸電流ｉ_ｑとのｑ軸電流偏差を演算し、それぞれの電流偏差に対して電流制御演算によってｄ軸電圧指令値とｑ軸電圧指令値とを得る。これらのｄ軸電圧指令値とｑ軸電圧指令値とから、磁極位置θを使用して、静止座標系の三相電圧指令値を演算し、この演算結果を基にゲート信号をインバータ２に出力する。

（２）磁極位置および回転速度推定機能
特許文献１の方法は、同期電動機１０が給電運転中の短絡状態において電流を検出し磁極位置θを推定するためのものである。これに対し、本実施の形態では、制御装置は同期電動機１０が給電停止した回転状態のときに、磁極位置θを推定する。つまり、本実施の形態では、同期電動機１０のすべての相をインバータ２によって短絡状態にして、同期電動機１０に発生する短絡電流を検出し、短絡電流に基づいて磁極位置θおよび回転速度ωを推定する。

この磁極位置θおよび回転速度ωの推定に際して、本実施の形態では制御装置は同期電動機１０が給電停止した回転状態のとき、同期電動機１０のすべての相をインバータ２によって短絡状態にするためのインバータ２へのゲート信号をコントローラ８により制御する。コントローラ８からのゲート信号は、インバータ２の主回路の＋側または−側全てのスイッチング素子を短絡時間Ｔ_ｓの間ＯＮさせて、同期電動機１０のすべての相を短絡させる。

これらの制御により、同期電動機１０が給電停止した回転状態のとき、同期電動機１０のすべての相をインバータ２によって短絡状態にする。磁極位置推定部６は、このことで、同期電動機１０に発生する短絡電流を検出し、短絡電流に基づいて磁極位置θおよび回転速度ωを推定することができる。

本実施の形態では、磁極位置θおよび回転速度ωを推定する前に予めインバータ２へのゲート信号を制御し、短絡時間Ｔ_ｓの間は同期電動機１０を三相短絡状態とする。式(１)に示すように短絡時間Ｔ_ｓから短絡電流振幅｜Ｉ｜を求めることができる。ここで、同期電動機１０に発生する短絡電流が、磁極位置推定部６が磁極位置θを推定するのに最適な、式（１）の短絡電流振幅｜Ｉ｜になるように、短絡時間Ｔ_ｓを調整する。なお磁極位置推定部６は、回転速度推定部７で演算される角速度推定値である回転速度ωに基づいて、磁極位置θを推定する。ここで、短絡時間は数ｍｓ程度であり、例えば０．５ｍｓ前後から１ｍｓ前後の幅で調整すればよい。なお、ｉ_ｄ及びｉ_ｑの値は短絡時間Ｔ_ｓによって決まり、短絡時間Ｔ_ｓが長いほど値が大きくなる。

次に、短絡時間Ｔ_ｓの調整について図２を参照して詳細に説明する。

図２の直線２１は短絡時間をＴ_ｓ１とした場合の、回転速度ωと短絡電流振幅｜Ｉ｜との関係を示す。同様に直線２２は短絡時間をＴ_ｓ２とした場合の、回転速度ωと短絡電流振幅｜Ｉ｜との関係を示す。同様に直線２３は短絡時間をＴ_ｓ３とした場合の、回転速度ωと短絡電流振幅｜Ｉ｜との関係を示す。図２に示す短絡時間の関係はＴ_ｓ１＜Ｔ_ｓ２＜Ｔ_ｓ３である。

同期電動機１０の回転速度ωおよび短絡時間に対する短絡電流振幅｜Ｉ｜の関係は、図２の例に示すように、回転速度ωが等しければ、短絡電流振幅｜Ｉ｜は短絡時間Ｔ_ｓが長ければ大きく、短ければ小さくなる。予め測定または計算機シミュレーションにより図２のような関係を求めておけば、磁極位置θおよび回転速度ωの推定に最適な短絡時間Ｔ_ｓを得ることができる。

短絡時間Ｔ_ｓの最適な調整は、図２の関係から、回転速度ωが低い範囲では、短絡時間を長くすることによって、短絡電流振幅｜Ｉ｜が大きくできるので電流の検出精度が向上する。また電流検出精度が十分得られる回転速度ωが高い範囲では、短絡時間を短くすることにより、短絡電流振幅｜Ｉ｜を小さく設定できるので発生するトルクを所定の値よりも小さくすることができる。この所定の値とは、例えばこのトルクの値で鉄道車両にトルクショックが生じない程度の値である。

次に、磁極位置θおよび回転速度ωを推定する前に予め行う１回目の短絡と、磁極位置θおよび回転速度ωを推定するための２回目以降の短絡との関係について説明する。

図３は、同期電動機１０が給電停止した回転状態のとき、同期電動機１０のすべての相をインバータ２によって短絡状態にするために、コントローラ８から出力されるインバータ２へのゲート信号の例である。短絡は、１回目は時刻ｔ_１に短絡時間Ｔ_１で、２回目は時刻ｔ_２に短絡時間Ｔ_ｓで、３回目は時刻ｔ_３に短絡時間Ｔ_ｓで、４回目は時刻ｔ_４に短絡時間Ｔ_ｓで行う。

磁極位置θおよび回転速度ωを推定する前に、予め１回目の短絡を短絡時間Ｔ_１で行い、最適な短絡時間Ｔ_ｓの決定に用いる暫定回転速度ω₀を得る。暫定回転速度ω₀は低精度であるが、最適な短絡時間Ｔ_ｓを決定に用いることが可能な程度の精度を有しており、暫定回転速度ω₀に基づき図２に示した関係から短絡時間Ｔ_ｓを求めることができる。この短絡時間Ｔ_ｓを磁極位置θおよび回転速度ωを推定するための、２回目以降の短絡に対して適用すれば短絡電流が適正になるため、磁極位置θおよび回転速度ωが高精度に推定することができ、かつ発生するトルクは所定の値以下にすることができる。

なお、各回の短絡の間隔Ｔ_ｗ１、Ｔ_ｗ２、・・・は、短絡電流が零に減衰するまで待つ必要がなく、それぞれ任意の時間間隔に設定できるので、短時間で磁極位置θおよび回転速度ωを推定することが可能である。

この実施の形態では、短絡時間Ｔ_ｓから短絡電流振幅｜Ｉ｜を求めているが、短絡電流振幅｜Ｉ｜から短絡時間Ｔ_ｓを求めてもよい。つまり、図２のように回転速度ωと短絡電流振幅｜Ｉ｜とは一対一の関係があることを利用して、短絡電流振幅｜Ｉ｜に基づいて、短絡時間Ｔ_ｓを調整してもよい。

次に、磁極位置推定部６の磁極位置θの推定方法について説明する。この基本原理については、特許文献１に詳細が記載されている。

磁極位置θの推定方法は、同期電動機１０が給電停止した回転状態のとき、三相短絡状態での短絡電流を検出し、電動機電流の変化量または変化方向に基づいて、磁極位置θを推定する。

磁極位置推定部６において、推定すべき磁極位置θは静止座標α軸と回転座標ｄ軸との間の位相θであり、式（２）で表すことができる。

ここで、θ_αは三相短絡状態のモータ電流微分ベクトルｐｉ_ｓのα軸に対する位相であり、θ_ｄは電動機電流微分ベクトルｐｉ_ｓのｄ軸に対する位相である。

上記三相短絡状態での電動機電流の変化量または変化方向を検出するために、この三相短絡状態でタイミングを制御する信号を発生する。この信号に同期して電流値または電流値の微分を求める。すなわちコントローラ８でゲート信号を発生し、その信号は同期電動機１０の三相短絡状態を表す信号とし、この信号をトリガとして電動機電流の変化量を検出する。

まず、電流検出部４において、同期電動機１０の短絡状態前の電動機電流ｉ_ｕ０とｉ_ｖ０を取り込み、次に同期電動機１０の短絡状態の信号に同期して短絡状態の電動機電流ｉ_ｕとｉ_ｖを取り込む。短絡前と短絡状態との差分すなわち電流変化量を短絡時間Ｔ_ｓで割ることによって電動機電流ｉ_ｕとｉ_ｖの微分値ｐｉ_ｕ、ｐｉ_ｖは、式（３）および式（４）で演算することができる。

三相短絡状態の電流微分値ｐｉ_ｕ、ｐｉ_ｖから、α軸電流微分値ｐｉ_α、β軸電流微分値ｐｉ_βを求めることができる。

さらに、Ｕ相軸がα軸と一致している場合には、短絡状態の電動機電流の微分値ｐｉ_ｕ、ｐｉ_ｖを用いて、式（５）および式（６）に従いα−β軸の電流微分値ｐｉ_αとｐｉ_βを演算する。ここでは、中性点が非接地とし、三相の電流の和が０とする。

上記位相θ_αについては、式（７）に基づき位相θ_αを演算する。

なお、ここではｐｉ_α、ｐｉ_βを求めるのに、ｐｉ_ｕ、ｐｉ_ｖの二相分を用いているが、ｐｉ_ｕ、ｐｉ_ｖ、ｐｉ_ｗの三相電流の微分値を用いても演算可能である。さらに、三相短絡時の電流微分値を演算するために、三相短絡期間での電流変化量を演算し、電流変化量を短絡時間で割ることにより求められる電流変化率を用いているが、微分回路の構成が可能な場合には電流変化率の代わりに微分回路の電流微分値を用いても実現可能である。

以上のようにして、三相短絡状態の同期電動機１０の電流微分ベクトルｐｉ_ｓのα軸に対する位相θ_αは求められる。次に電動機微分ベクトルｐｉ_ｓのｄ軸に対する位相θ_ｄは以下のようにして求める。まず、回転座標ｄ−ｑ軸での同期電動機１０の電圧の基本式は式（８）および式（９）で表すことができる。

ここで、Ｖ_ｄ、Ｖ_ｑはｄ−ｑ軸電圧、Ｌ_ｄ、Ｌ_ｑはｄ−ｑ軸のインダクタンス、Ｒは巻線抵抗、回転速度ωは電動機角速度、Φは界磁主磁束、ｐはｄ／ｄｔである。上記基本式において、三相短絡時はｄ−ｑ軸での印加電圧は０となるので、三相短絡状態での基本式は以下のようになる。

静止座標α−β軸における電流微分ベクトルは、式（１２）および式（１３）で表される回転座標ｄ−ｑ軸の電流微分ベクトルとｄ−ｑ軸が電動機角速度である回転速度ωで回転することにより発生する電流微分ベクトルの和で表される。よって、α−β軸で見たｄ−ｑ軸の電流微分値は以下のようになる。

従って、電動機電流微分ベクトルｐｉ_ｓのｄ軸に対する位相θ_ｄは式（１４）で表される。

よって、上記式（２）、式（７）および式（１４）により磁極位置θを求めることができる。ここで、式（１４）に含まれる回転速度ωは位相推定値の変化量により求められる角速度の推定値を用いることになる。また、角速度が十分大きく、Ｒ成分を無視できる領域であれば回転速度ωの影響はなくなる。

この磁極位置θの推定方法は、短絡電流が最適であるから１回の短絡により磁極位置θを推定できることが見込まれるが、２、３回の短絡により磁極位置θの推定値が一致していることで推定が収束したと判定して、推定のための短絡を終了する。

また、この推定は２、３回で収束することが見込まれるため、収束の判定を磁極位置θの比較結果ではなく、短絡回数で例えば２回の短絡で推定を終了するようにしてもよい。以上が、同期電動機１０が三相短絡状態の電動機電流の変化量、または、変化方向に基づいて同期電動機１０の磁極位置θを推定する方法である。

次に、回転速度推定部７での同期電動機１０の回転速度ωの推定方法について説明する。回転速度ωは、式（１０）および式（１１）から逆に求めることができる。つまり、
の一方または両方の式を用いて、回転速度推定部７において同期電動機１０の回転速度ωを推定する。

なお、式（１５）および式（１６）において、抵抗Ｒを無視する簡易式を用いてもよい。以上が、電流センサだけを用いて同期電動機１０の磁極位置θおよび回転速度ωを推定する実施の形態である。

（３）本実施の形態の効果
以上のように本実施の形態の同期電動機制御装置１では、短絡時間Ｔ_ｓから短絡電流振幅｜Ｉ｜を求め、短絡時の電動機電流の変化量または変化方向に基づいて、磁極位置θおよび回転速度ωを推定する。この際に、短絡電流振幅｜Ｉ｜と回転速度ωの関係が短絡時間Ｔ_ｓを決めることで１対１になることを利用する。

従って、本同期電動機制御装置１によれば、同期電動機が給電停止した回転状態から、再給電して起動するために、磁極位置θと回転速度ωを推定する同期電動機制御装置およびその制御方法を実現できる。

（４）他の実施の形態
なお上述の実施の形態においては、同期電動機１０を制御する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えばリラクタンス電動機を制御する場合でも突極性を利用して本発明を適用することができる。

また上述の本実施の形態においては、説明を簡単にするために同期電動機１０の回転子がサンプリング期間中に回転することによる影響を省略したが、本発明はこれに限らず、当該回転子がサンプリング期間中に回転することによる影響を考慮して磁極位置θを演算するようにしても、本実施の形態を適用できる。

１……同期電動機制御装置、２……インバータ、３……電流センサ、４……電流検出部、５……座標変換部、６……磁極位置推定部、７……回転速度推定部、８……コントローラ、１０……同期電動機。

Claims (4)

1. 三相の交流電圧を同期電動機に印加するインバータと、
   ゲート信号を前記インバータに出力して、当該インバータを制御するコントローラと、
   前記コントローラに、前記同期電動機の磁極位置と回転速度とを設定する制御部と、
   を備え、
   前記コントローラは前記ゲート信号を制御して前記同期電動機の三相を短絡状態にさせ、
   前記制御部は前記同期電動機に発生した短絡電流に基づいて、当該同期電動機の磁極位置および回転速度を推定する、
   同期電動機の制御装置であって、
   前記コントローラは、前記同期電動機が給電停止した回転状態のとき所定の短絡時間で当該同期電動機の前記短絡状態を実行し、
   前記制御部は、当該短絡状態の際前記同期電動機に発生する短絡電流を検出して、当該検出した短絡電流に基づいて前記同期電動機の回転速度を推定し、これを暫定値として前記コントローラに設定し、
   前記コントローラは当該暫定値に基づいて最適短絡時間を決定し、
   当該最適短絡時間は、前記同期電動機の短絡時間の長短に対する、当該同期電動機の回転速度の高低と短絡電流の振幅の大小との相関に基づいて、回転速度が低い範囲では短絡電流の振幅が大きくなるように長い短絡時間であり、回転速度が高い範囲では短絡電流の振幅が小さくなるように短い短絡時間であり、前記相関は測定または計算機シミュレーションにより予め求められたものであり、
   前記制御部は、前記最適短絡時間に基づく前記短絡電流を検出し、当該検出された短絡電流基づいて前記磁極位置と前記回転速度を推定し、
   前記コントローラは当該推定された磁極位置と回転速度とに基づいて、前記同期電動機が給電停止された回転状態から再給電によって起動されるように、前記ゲート信号を生成して前記インバータに出力する、
   同期電動機制御装置。
2. 前記コントローラは前記インバータに前記最適時間による前記同期電動機の短絡を任意の時間間隔で１回以上発生させ、
   前記制御部は検出された短絡電流の電流変化量、または、変化方向に基づいて前記同期電動機の磁極位置を推定する、
   請求項１に記載の同期電動機制御装置。
3. 前記コントローラは、前記短絡電流の振幅が所定値を超えないように前記短絡状態の時間を前記調整する、
   請求項２に記載の同期電動機制御装置。
4. 前記コントローラは、前記所定値を鉄道車両にトルクショックが生じない大きさに設定する、
   請求項３に記載の同期電動機制御装置。