JP6908888B2 - 同期電動機の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、位置センサや速度センサを用いずに同期電動機の磁極位置及び速度を推定して同期電動機を制御する制御装置に関し、いわゆる位置・速度センサレス制御に関するものである。

同期電動機の位置・速度センサレス制御方法として、例えば、静止座標系の誘起電圧を積分して固定子磁束を演算し、同期電動機の磁束ベクトル位相及び速度を推定する方法がある。この制御方法は、永久磁石型同期電動機やシンクロナスリラクタンスモータにも同様に適用することができる。

この種の制御方法と同等な従来技術が、例えば特許文献１に記載されている。
特許文献１では、インバータ等の電力変換部の出力電圧と電動機の巻線抵抗による電圧降下との差分（電動機の誘起電圧に相当）をローパスフィルタ処理し、その出力位相を位相調整器により遅らせて得た磁束ベクトルから位相及び速度を推定している。これにより、積分器を用いる方法に比べて磁束推定値のオフセットを低減し、磁束推定精度の向上を目指している。

また、非特許文献１における「２．制御システム」には、電力変換器の電圧指令値と前記電圧降下との差分を積分すると共に鎖交磁束初期値を加算して静止座標上の磁束ベクトルを演算し、その位相等を推定することが記載されている。

特開２０１６―３２３６４号公報（段落［０００６］，［００８２］〜［００９３］、図１，図２，図５等）

井上 征則ほか，「直接トルク制御による埋込磁石同期モータ駆動時のトルク応答特性に関する検討と応答改善法」，電気学会論文誌Ｄ，Ｖｏｌ．１２９，Ｎｏ．３，ｐ．２４３−ｐ．２５１（２００９年）

ここで、同期電動機の始動方法としては、電流の振幅を一定とし、角速度を速度指令値に制御することで回転子を電流に引き込んで運転する、いわゆる電流引き込み制御が知られている。この電流引き込み制御により同期電動機を始動し、その後、一定の速度まで加速したのちに従来の位置・速度センサレス制御に切り替えた場合、磁束演算を行う積分器の初期値が適切に設定されていないと、積分初期値の誤差による直流オフセットが推定磁束に含まれることになる。

この直流オフセットを低減するため、積分器の代わりに不完全積分器を使用したとしても、不完全積分器の初期値が適切に設定されていない場合には、不完全積分を開始してから積分遮断時定数によって決まる整定時間までの間、積分器を用いる場合と同様に、推定磁束に直流オフセットが含まれるという問題がある。

そこで、本発明の解決課題は、上述した直流オフセットを発生させずに静止座標系の磁束を正確に演算し、この磁束に基づいて磁極位置及び速度を推定可能とした同期電動機の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、回転座標系で演算した同期電動機の磁束ベクトルを静止座標系に座標変換することで、磁束演算用の積分器または不完全積分器の初期値を演算するものである。
すなわち、請求項１に係る発明は、同期電動機の磁極位置及び速度を推定して電力変換器により前記同期電動機を駆動するための制御装置において、
前記同期電動機の電流及び端子電圧の静止座標系演算値を生成する手段と、
前記同期電動機の電流及び端子電圧の回転座標系演算値を生成する手段と、
前記静止座標系演算値と前記同期電動機の巻線抵抗値とから、前記同期電動機の静止座標系誘起電圧を演算する手段と、
前記回転座標系演算値と前記巻線抵抗値とから、前記同期電動機の回転座標系磁束を演算する手段と、
前記回転座標系磁束を初期値として、前記静止座標系誘起電圧を積分して静止座標系磁束を演算する手段と、
前記静止座標系磁束と、前記同期電動機の電流の静止座標系演算値と、前記同期電動機の回転子磁極に対して直交方向のインダクタンスであるｑ軸インダクタンスとから、前記回転子磁極に対して平行方向に発生する静止座標系拡張磁束を演算する手段と、
前記静止座標系拡張磁束から、前記同期電動機の磁極位置及び速度を推定する手段と、
を備えたものである。

請求項２に係る発明は、同期電動機の磁極位置及び速度を推定して電力変換器により前記同期電動機を駆動するための制御装置において、
前記同期電動機の電流及び端子電圧の静止座標系演算値を生成する手段と、
前記同期電動機の電流及び端子電圧の回転座標系演算値を生成する手段と、
前記静止座標系演算値と前記同期電動機の巻線抵抗値とから、前記同期電動機の静止座標系誘起電圧を演算する手段と、
前記回転座標系演算値と前記巻線抵抗値とから、前記同期電動機の回転座標系磁束を演算する手段と、
前記回転座標系磁束を初期値として、前記静止座標系誘起電圧を不完全積分して静止座標系磁束を演算する手段と、
前記静止座標系磁束と、前記同期電動機の電流の静止座標系演算値と、前記同期電動機の回転子磁極に対して直交方向のインダクタンスであるｑ軸インダクタンスとから、前記回転子磁極に対して平行方向に発生する静止座標系拡張磁束を演算する手段と、
前記静止座標系拡張磁束から、前記同期電動機の磁極位置及び速度を推定する手段と、
を備えたものである。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載した同期電動機の制御装置において、前記静止座標系拡張磁束を演算する手段は、前記静止座標系誘起電圧の不完全積分による位相誤差を補償した静止座標系磁束を演算に用いるものである。

本発明によれば、同期電動機の静止座標系磁束を演算する積分器または不完全積分器の初期値を適切に与えることで、前述した直流オフセットを発生させずに静止座標系磁束を演算することができる。このようにして演算した磁束と静止座標系電流とｑ軸インダクタンスとを用いることで、同期電動機の磁極と平行方向に発生する拡張磁束を容易に推定し、この拡張磁束に基づいて磁極位置及び速度を高精度に推定することができる。

本発明の実施形態の全体構成を示すブロック図である。 座標系の定義を示す説明図である。 制御モードの切り替えを示す説明図である。 制御モードに応じた速度選択機能の説明図である。 制御モードに応じた電流指令選択機能の説明図である。 図１における磁束初期値推定器及び拡張磁束推定器の実施例１を示すブロック図である。 図１における磁束初期値推定器及び拡張磁束推定器の実施例２を示すブロック図である。

以下、図面を参照しながら本発明に係る制御装置の実施形態を説明する。
なお、各図において、同一の構成要素については同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、本発明は、以下に述べる実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変形して実施することができる。

１．座標系の定義
まず、図２は本明細書において使用する座標系の説明図である。以下、この図２に基づいて各座標系を説明する。
ｄ−ｑ座標系は、同期電動機の実際の磁極位置と同期して回転する回転座標系であり、同期電動機の実際の速度ω_ｒで回転する。本実施形態における位置・速度センサレス制御は、このｄ−ｑ座標系を推定して表現することができる。ここでは、ｄ軸を同期電動機の磁極位置方向と定める。

γ―δ座標系は任意の回転座標系であり、その回転速度はω_γである。後述するセンサレスベクトルモードでは、このγ―δ座標系をｄ−ｑ軸座標系に追従させることで位置・速度センサレス制御を実現する。
α−β座標系は上述したｄ−ｑ座標系，γ―δ座標系とは異なり、一定の位置を示す静止座標系である。ここでは、α軸を同期電動機の固定子巻線のｕ相方向と定める。
以下では、α−β座標とｄ−ｑ座標との位相差をθ_ｒ、α−β座標とγ−δ座標との位相差をθ_γ、ｄ−ｑ座標とγ―δ座標との位相差をθ_ｅｒｒと呼称する。

２．制御モード
図３〜図５は、本実施形態で使用する二つの制御モード（引込みモード，センサレスベクトルモード）についての説明図である。以下、各制御モードについて説明する。

図３は、制御モードの切り替え方法の一例を示している。図示するようにモード切替え速度ω_ｃｎｇを設定し、速度指令値ω_ｒ ^＊がω_ｃｎｇ以下であれば引込みモード、ω_ｃｎｇを超える場合はセンサレスベクトルモードを選択する。

また、図４は、引込みモード及びセンサレスベクトルモードに応じたω_γの選択機能の説明図である。
引込みモードでは、ω_γにはω_ｒ ^＊がセットされ、実際のモータ速度ω_ｒによらずγ―δ座標はω_ｒ ^＊で回転する。一方、センサレスベクトルモードでは、ω_γにはω_ｒの推定値であるω_ｒｅｓｔがセットされ、γ―δ座標はｄ−ｑ座標に追従して回転する。
以上の速度選択機能は、後述する図１の速度選択器１４に実装される。

次に、図５は、引込みモード及びセンサレスベクトルモードに応じたγ―δ座標電流指令ｉ_γδ ^＊の選択機能の説明図である。なお、ｉ_γδ ^＊はγ軸電流指令ｉ_γ ^＊とδ軸電流指令ｉ_δ ^＊とをまとめて表した電流ベクトルであり、ｉ_γδ ^＊＝［ｉ_γ ^＊，ｉ_δ ^＊］によって表される。ｉ_{γδｐｕｌｌ} ^＊，ｉ_{γδｖｅｃｔ} ^＊も同様に電流ベクトルであり、γ，δ軸の各要素は任意に設定可能である。

引込みモードでは、ｉ_γδ ^＊には引込み電流指令であるｉ_{γδｐｕｌｌ} ^＊がセットされるが、電流値は同期電動機の始動トルクを満たす電流値以上の値に設定する必要がある。また、ｉ_{γδｐｕｌｌ} ^＊は一定値としてもよく、同期電動機やω_ｒ ^＊の状態に応じて可変としてもよい。
一方、ベクトルモードでは、ｉ_γδ ^＊にはトルク指令を出力するためのｉ_{γδｖｅｃｔ} ^＊がセットされるが、ｉ_{γδｖｅｃｔ} ^＊は、同期電動機の出力トルクがトルク指令となる範囲であれば自由に設定してよい。以上の電流指令選択機能は、図１の電流指令選択器８に実装される。

３．制御装置の全体構成及び動作
（１）引込みモード
始めに、図１に基づいて、引込みモードにおける動作を制御装置の構成と共に説明する。
引込みモードでは、速度選択器１４によりω_γには速度指令値ω_ｒ ^＊がセットされる。このため、速度制御器７の入力は０となり、出力のトルク指令τ^＊も０となる。このとき、電流指令選択器８では、トルク指令τ^＊によらずに所定のｉ_{γδｖｅｃｔ} ^＊がｉ_γδ ^＊にセットされる。
３相／２相変換器１７ｂは、ｕ相電流検出器５ｕ及びＷ相電流検出器５ｗにより検出したｕ，ｗ相電流検出値ｉ_ｕ，ｉ_ｗ、及び演算により求めたｖ相電流ｉ_ｖを、α−β座標系の電流値ｉ_α，ｉ_βに変換する。

座標回転器１６ｂは、ω_γから積分器１５により演算したθ_γに基づいて、ｉ_α，ｉ_βをγ−δ座標系の電流値ｉ_γ，ｉ_δに変換する。
γ軸電流指令値ｉ_γ ^＊とγ軸電流値ｉ_γとの偏差を減算器６ｂにて演算し、この偏差がなくなるようにγ軸電流制御器９ａがγ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊を演算する。同様に、δ軸電流指令値ｉ_δ ^＊とδ軸電流値ｉ_δとの偏差を減算器６ｃにて演算し、この偏差がなくなるようにδ軸電流制御器９ｂがδ軸電圧指令値ｖ_δ ^＊を演算する。
これらのγ−δ座標系電圧指令値ｖ_γ ^＊，ｖ_δ ^＊は、座標回転器１６ａにより、θ_γに基づいてα−β座標系の電圧指令値ｖ_α ^＊，ｖ_β ^＊に変換される。

２相／３相変換器１７ａは、電圧指令値ｖ_α ^＊，ｖ_β ^＊を相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に変換する。ＰＷＭ回路１８はパルス幅変調制御を行い、相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊から、インバータ等の電力変換器２の出力電圧を相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に制御するためのゲート信号を生成する。

整流回路３は、三相交流電源４の三相交流電圧を整流して直流電圧に変換し、この直流電圧を電力変換器２に供給する。電力変換器２は、ゲート信号に基づいて内部の半導体スイッチング素子を制御することにより、同期電動機１の端子電圧を相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に制御する。

（２）センサレスベクトルモード
次に、センサレスベクトルモードの動作を説明する。
センサレスベクトルモードでは、速度選択器１４により、ω_γに速度推定器１３からの推定速度ω_ｒｅｓｔがセットされる。減算器６ａはω_ｒ ^＊とω_γとの偏差を演算し、この偏差をなくすように速度制御器７がトルク指令値τ^＊を演算する。
電流指令選択器８は、トルク指令値τ^＊から、同期電動機１が所望のトルクを出力するためのγ，δ軸電流指令値ｉ_γ ^＊，ｉ_δ ^＊を選択する。これ以降の同期電動機１の端子電圧制御までの動作は、前述した引込みモードと同様である。

次に、センサレスベクトルモードにおける位置・速度推定動作について説明する。図１の拡張磁束推定器１１にはｖ_α ^＊，ｖ_β ^＊，ｉ_α，ｉ_βが入力され、α−β座標系の拡張磁束Ψ_ｅｘα，Ψ_ｅｘβが出力される。
位相演算器１２は、Ψ_ｅｘα，Ψ_ｅｘβから同期電動機１の磁極位置θ_ｒの推定値であるθ_ｒｅｓｔを演算し、減算器６ｄはθ_ｒｅｓｔとθ_γとの偏差θ_ｅｒｒを演算する。

速度推定器１３は、θ_ｅｒｒを零にするための推定速度ω_ｒｅｓｔを演算し、速度選択器１４に入力する。速度選択器１４は、ω_γにω_ｒｅｓｔをセットし、積分器１５はω_γを積分してθ_γを演算する。このθ_γは、減算器６ｄ及び座標回転器１６ｂと、後述する磁束初期値推定器１０に入力される。

４．拡張磁束推定動作
次いで、図１，図６，図７を用いて、引込みモードからセンサレスベクトルモードへの切替え時におけるα−β座標系の拡張磁束推定動作を説明する。なお、図６は図１における磁束初期値推定器１０及び拡張磁束推定器１１の実施例１を示し、図７は同じく実施例２を示している。

引込みモードでは、図１の磁束初期値推定器１０が動作する。
この磁束初期値推定器１０は、ｖ_γ ^＊，ｖ_δ ^＊，ｉ_γ，ｉ_δ，ω_ｒ ^＊，θ_γより、α−β座標系磁束の初期値であるΨ_α０，Ψ_β０を演算し、これらのΨ_α０，Ψ_β０は拡張磁束推定器１１に入力される。ただし、引込みモードでは拡張磁束推定器１１の内部の積分器は動作せず、積分器の初期値のみがプリセットされる。

制御モードがセンサレスベクトルモードに切り替わると、磁束初期値推定器１０の動作は停止し、上述したように積分器の初期値がプリセットされた拡張磁束推定器１１が動作してα−β座標系の拡張磁束Ψ_ｅｘα，Ψ_ｅｘβの演算が開始される。

次に、磁束初期値推定器１０及び拡張磁束推定器１１に関する実施例を説明する。
＜実施例１＞
図６は、請求項１に記載された制御装置の主要部に相当する磁束初期値推定器１０ａ及び拡張磁束推定器１１ａのブロック図である。
始めに、磁束初期値推定器１０ａについて説明する。γδ座標磁束演算器１９ａは、ｉ_γ，ｉ_δ，ｖ_γ ^＊，ｖ_δ ^＊，ω_ｒ ^＊を用いて、数式１によりγ−δ座標系の磁束Ψ_γ，Ψ_δを演算する。

座標回転器１６ｃは、符号反転器２０ａによりθ_γの符号を反転した位相に基づいてΨ_γ，Ψ_δのベクトルを回転し、Ψ_α０，Ψ_β０を演算する。Ψ_α０，Ψ_β０は拡張磁束推定器１１ａの初期値付積分器２２に出力され、積分初期値をプリセットする。以上の動作は、前述したように引込みモードの時に実行される。

次に、拡張磁束推定器１１ａについて説明する。
αβ座標誘起電圧演算器２１ａは、ｉ_α，ｉ_β，ｖ_α ^＊，ｖ_β ^＊を用いて、数式２によりα−β座標系の誘起電圧Ｅ_α，Ｅ_βを演算する。
［数２］
Ｅ_α＝ｖ_α ^＊−ｉ_αＲ_ａ
Ｅ_β＝ｖ_β ^＊−ｉ_βＲ_ａ
初期値付積分器２２は、前述の座標回転器１６ｃから入力されたΨ_α０，Ψ_β０を初期値としてＥ_α，Ｅ_βを積分演算し、α−β座標系の磁束Ψ_α，Ψ_βを出力する。

拡張磁束演算器２３ａは、Ψ_α，Ψ_β，ｉ_α，ｉ_βを用いて、数式３によりα−β座標系の拡張磁束Ψ_ｅｘα，Ψ_ｅｘβを演算する。以上の動作は、前述したようにセンサレスベクトルモードのときに実行される。
［数３］
Ψ_ｅｘα＝Ψ_α−ｉ_αＬ_ｑ
Ψ_ｅｘβ＝Ψ_β−ｉ_βＬ_ｑ
Ｌ_ｑ：電動機磁極に対して直交する方向のq軸インダクタンス
以上により、拡張磁束推定器１１ａは、積分初期値の誤差による直流オフセットを発生させることなく、α−β座標系の拡張磁束Ψ_ｅｘα，Ψ_ｅｘβを演算して速度及び磁極位置の推定に用いることができる。

＜実施例２＞
図７は、磁束推定に不完全積分器を用いた場合の磁束初期値推定器１０ｂ及び拡張磁束推定器１１ｂのブロック図であり、請求項２に記載された制御装置の主要部に相当する。なお、図中のθ_ｃｍｐは、不完全積分器による位相誤差を補償するための位相補償量であり、任意の値である。

図７の磁束初期値推定器１０ｂにおいて、１９ｂはγδ座標磁束演算器、１６ｄは座標回転器、２０ｂは符号反転器、２４は加算器である。
磁束初期値推定器１０ｂでは、座標回転器１６ｄに入力される位相を、加算器２４によって演算された（θ_γ＋θ_ｃｍｐ）の反転値としており、この点が図６の磁束初期値推定器１０ａと異なっている。それ以外の構成は、図６と同様である。

拡張磁束推定器１１ｂでは、図６の拡張磁束推定器１１ａにおける初期値付積分器２２を初期値付不完全積分器２５に変更し、位相誤差補償前のα−β座標系の磁束Ψ_α１，Ψ_β１を演算するようになっている。また、座標回転器１６ｅは、位相補償量θ_ｃｍｐを用いてΨ_α１，Ψ_β１のベクトルを回転してΨ_α，Ψ_βに変換し、これらのΨ_α，Ψ_βが拡張磁束演算器２３ｂに入力される。以降の動作は、実施例１と同様である。

以上の動作により、磁束推定に不完全積分器を使用した場合でも、不完全積分初期値の誤差による直流オフセットを発生させることなく、α−β座標系の拡張磁束Ψ_ｅｘα，Ψ_ｅｘβを演算して速度及び磁極位置の推定に用いることができる。

１ 同期電動機
２ 電力変換器
３ 整流回路
４ 三相交流電源
５ｕ ｕ相電流検出器
５ｗ ｗ相電流検出器
６ａ〜６ｄ 減算器
７ 速度制御器
８ 電流指令選択器
９ａ γ軸電流制御器
９ｂ δ軸電流制御器
１０，１０ａ，１０ｂ 磁束初期値推定器
１１，１１ａ，１１ｂ 拡張磁束推定器
１２ 位相演算器
１３ 速度推定器
１４ 速度選択器
１５ 積分器
１６ａ，１６ｂ，１６c，１６ｄ，１６ｅ 座標回転器
１７ａ ２相／３相変換器
１７ｂ ３相／２相変換器
１８ ＰＷＭ回路
１９ａ，１９ｂ γδ座標磁束演算器
２０ａ，２０ｂ 符号反転器
２１ａ，２１ｂ αβ座標誘起電圧演算器
２２ 初期値付積分器
２３ａ，２３ｂ 拡張磁束演算器
２４ 加算器
２５ 初期値付不完全積分器

Claims (3)

1. 同期電動機の磁極位置及び速度を推定して電力変換器により前記同期電動機を駆動するための制御装置において、
   前記同期電動機の電流及び端子電圧の静止座標系演算値を生成する手段と、
   前記同期電動機の電流及び端子電圧の回転座標系演算値を生成する手段と、
   前記静止座標系演算値と前記同期電動機の巻線抵抗値とから、前記同期電動機の静止座標系誘起電圧を演算する手段と、
   前記回転座標系演算値と前記巻線抵抗値とから、前記同期電動機の回転座標系磁束を演算する手段と、
   前記回転座標系磁束を初期値として、前記静止座標系誘起電圧を積分して静止座標系磁束を演算する手段と、
   前記静止座標系磁束と、前記同期電動機の電流の静止座標系演算値と、前記同期電動機の回転子磁極に対して直交方向のインダクタンスであるｑ軸インダクタンスとから、前記回転子磁極に対して平行方向に発生する静止座標系拡張磁束を演算する手段と、
   前記静止座標系拡張磁束から、前記同期電動機の磁極位置及び速度を推定する手段と、
   を備えたことを特徴とする同期電動機の制御装置。
2. 同期電動機の磁極位置及び速度を推定して電力変換器により前記同期電動機を駆動するための制御装置において、
   前記同期電動機の電流及び端子電圧の静止座標系演算値を生成する手段と、
   前記同期電動機の電流及び端子電圧の回転座標系演算値を生成する手段と、
   前記静止座標系演算値と前記同期電動機の巻線抵抗値とから、前記同期電動機の静止座標系誘起電圧を演算する手段と、
   前記回転座標系変換値と前記巻線抵抗値とから、前記同期電動機の回転座標系磁束を演算する手段と、
   前記回転座標系磁束を初期値として、前記静止座標系誘起電圧を不完全積分して静止座標系磁束を演算する手段と、
   前記静止座標系磁束と、前記同期電動機の電流の静止座標系演算値と、前記同期電動機の回転子磁極に対して直交方向のインダクタンスであるｑ軸インダクタンスとから、前記回転子磁極に対して平行方向に発生する静止座標系拡張磁束を演算する手段と、
   前記静止座標系拡張磁束から、前記同期電動機の磁極位置及び速度を推定する手段と、
   を備えたことを特徴とする同期電動機の制御装置。
3. 請求項２に記載した同期電動機の制御装置において、
   前記静止座標系拡張磁束を演算する手段は、前記静止座標系誘起電圧の不完全積分による位相誤差を補償した静止座標系磁束を演算に用いることを特徴とする同期電動機の制御装置。

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