JP7053955B2 - 回転機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転機を制御する、回転機の制御装置に関する。

一般に回転機の電流を所望の値に制御するためには電流検出器が不可欠である。しかしながら、定格電流が大きい回転機を扱う場合、電流検出器が高価になるという問題がある。このため、電流検出器を有さない、いわゆる電流センサレスの構成が望まれる。

電流センサレスの構成において、回転機の性能を十分に引き出すためには、回転子の位置情報が必要である。従来の回転機の制御装置は、回転機に取付けられた位置検出器で検出される位置情報を用いている。

下記特許文献１には、多相巻線構造の回転機において、回転二軸座標上の電流指令に対して任意の時定数を有する応答電流を演算し、回転角速度、電流指令及び応答電流に基づいて回転二軸座標上の電圧指令を演算することにより、回転機の電流を所望の値に制御する技術が提案されている。

特許第４１６１０６４号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された構成において、低分解能の位置センサを使用した場合、速度検出精度が低下する。このため、特に、低速時の加減速駆動時においては、速度検出精度の低下の影響が大きく現れ、電流追従性が悪化し、速度応答性が低下するという課題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、低分解能な位置センサを用いる安価な構成であっても、電流追従性の悪化及び速度応答性の低下を抑制することができる回転機の制御装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、回転機の回転速度情報に基づいて回転機を制御する制御装置である。制御装置には、回転機の回転軸に作用するトルクである軸トルク及び回転機のイナーシャに基づいて推定される回転機の回転速度の推定値である推定回転速度と、回転機の回転子位置を検出する位置検出器から出力される位置検出信号に基づいて得られる回転速度の検出値である検出回転速度とが入力される。制御装置は、回転速度選択部を備える。回転速度選択部は、軸トルクがトルク閾値より大きい場合は推定回転速度を選択し、軸トルクがトルク閾値より小さい場合は検出回転速度を選択して回転速度情報として出力する。

本発明によれば、低分解能な位置センサを用いる安価な構成であっても、電流追従性の悪化及び速度応答性の低下を抑制することができるという効果を奏する。

実施の形態に係る回転機の制御装置を含む回転機の駆動システムの構成を示す図 図１に示す位置検出器がホールセンサである場合の位置検出信号の例を示す図 実施の形態における制御部の構成を示すブロック図 図３に示す回転速度及び回転子位置演算部の構成を示すブロック図 図４に示す回転速度及び回転子位置演算部で用いる軸トルクの演算処理の説明に供するブロック図 従来技術による動作波形を比較例として示す第１の図 実施の形態に係る制御装置による効果の説明に供する第１の図 従来技術による動作波形を比較例として示す第２の図 実施の形態に係る制御装置による効果の説明に供する第２の図 実施の形態に係る制御装置における第１のハードウェア構成例を示す図 実施の形態に係る制御装置における第２のハードウェア構成例を示す図

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る回転機の制御装置について詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、実施の形態に係る回転機の制御装置（以下、適宜「制御装置」と略す）１を含む回転機の駆動システム（以下、適宜「駆動システム」と略す）１００の構成を示す図である。駆動システム１００は、制御装置１と、回転機２とを含む。図１では、永久磁石を備える回転子２１と、三相巻線２ａを有する固定子２２とを有する回転機２が例示されているが、これに限定されない。固定子２２の巻線は単相巻線であってもよいし、４相以上の多相巻線であってもよい。回転機２には、回転機２における回転子２１の回転位置である回転子位置を検出する位置検出器２６が設けられている。位置検出器２６の一例は、ホールセンサである。

制御装置１は、電力変換器１０と、制御部３０とを備える。制御部３０には、上位制御系からの回転速度の指令値である回転速度指令ｗｒｍ＊と、位置検出器２６から出力される位置検出信号Ｈａｌｌ_Ｓｉｇとが入力される。電力変換器１０は、直流電力を回転機２への三相交流電力に変換して回転機２に供給する。

次に、電力変換器１０の構成及び機能について説明する。電力変換器１０は、図１に示すように、直流電源１１と、平滑コンデンサ１２と、インバータ主回路１３とを備える。直流電源１１及び平滑コンデンサ１２は、インバータ主回路１３の両端に並列に接続される。直流電源１１は、インバータ主回路１３に直流電圧を印加する。平滑コンデンサ１２は、直流電源１１がインバータ主回路１３に印加する直流電圧を平滑する。

インバータ主回路１３は、上アームのスイッチング素子１３ａと、下アームのスイッチング素子１３ｂとが直列接続されたスイッチング素子対を３組備える。３組のスイッチング素子対は互いに並列接続されて三相のフルブリッジ回路を構成する。各スイッチング素子対において、上アームのスイッチング素子１３ａと、下アームのスイッチング素子１３ｂとの接続点は、対応する相の三相巻線２ａに接続される。

スイッチング素子１３ａ，１３ｂの例は、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＭＯＳＦＥＴ）、又は絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＩＧＢＴ）であるが、これら以外の半導体スイッチング素子を用いてもよい。スイッチング素子１３ａ，１３ｂの各両端には、図示のような逆並列ダイオードが接続される構成が一般的である。

なお、図１では、インバータ主回路１３は、三相のフルブリッジ回路を示しているが、これに限定されない。インバータ主回路１３は、回転機２の巻線構造に対応して単相もしくは多相の構成となることは言うまでもない。

次に、位置検出器２６の動作について説明する。図２は、図１に示す位置検出器２６がホールセンサである場合の位置検出信号の例を示す図である。なお、以下では、３つのホールセンサを使用して回転子位置を検出する例で説明するが、ホールセンサの数は３つ以外でもよい。

３つのホールセンサは、電気角で１２０度の位相差を設けて設置される。３つのホールセンサの検出信号をＡ相、Ｂ相及びＣ相とする。ホールセンサは、回転子２１に設けられる検出用磁石の磁束がホールセンサを鎖交する値の閾値に対する大小関係に基づき、Ｈｉｇｈ又はＬｏｗを出力する。これにより、Ａ相、Ｂ相及びＣ相による各検出信号は、図２に示されるように、Ｈｉｇｈ又はＬｏｗが１８０度ごとに現れる信号となる。また、Ａ相、Ｂ相及びＣ相による各検出信号間の位相差は、Ｈｉｇｈ又はＬｏｗのエッジが１２０度の位相差を有する信号となる。なお、回転機２が、回転子２１に永久磁石が設けられる永久磁石モータである場合、回転子２１に設けられた永久磁石の磁束をホールセンサの検出用磁石として併用することも可能である。

次に、制御部３０の構成及び機能の詳細を、図３を参照して説明する。図３は、実施の形態における制御部３０の構成を示すブロック図である。

制御部３０は、図３に示すように、電圧指令生成部４０と、座標変換部５０と、キャリア比較パルス幅変調（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＰＷＭ）部６０とを備える。また、電圧指令生成部４０は、回転速度及び回転子位置演算部４１と、電流指令演算部４２と、電圧指令演算部４３とを備える。

回転速度及び回転子位置演算部４１は、回転機２の回転軸に作用するトルクである軸トルクＴｓｈ、回転機２のイナーシャＪｓｈ及び位置検出信号Ｈａｌｌ_Ｓｉｇに基づいて、回転子２１の機械角速度ｗｒｍと、回転子位置θｅｌｅを演算する。

電流指令演算部４２は、回転速度指令ｗｒｍ＊と、回転速度及び回転子位置演算部４１で演算された回転子２１の機械角速度ｗｒｍとに基づいて、回転二軸座標上の電流指令であるｄ軸電流指令ｉｄ＊と、ｑ軸電流指令ｉｑ＊とを演算する。以下に、電流指令演算部４２をＰＩ制御器で構成した場合の具体的な算出式を示す。

まず、速度制御器の伝達関数Ｇｓ（ｓ）は、以下の（１）式で表せる。

上記（１）式において、Ｋｓｐは比例ゲイン、Ｋｓｉは積分ゲインである。比例ゲインＫｓｐ及び積分ゲインＫｓｉは、応答速度、出力軸のイナーシャ、モータ定数といったパラメータに基づいて決定することができる。なお、ゲインの計算方法については、本発明の制御装置１とは関連性が低いため、詳述はしない。

ｑ軸電流指令ｉｑ＊は、上記（１）式、及び負荷トルクＴｌｏａｄにより、以下の（２）式を満たすように演算される。

なお、ここで言う、負荷トルクＴｌｏａｄには、通電によって回転子２１に生じる電磁トルクＴｍｏｔに加え、出力軸に作用する図示しないベアリングの摩擦トルクなども含まれている。

次に、ｄ軸電流指令ｉｄ＊について説明する。但し、ｄ軸電流指令ｉｄ＊は、本発明との関連性は低いため、詳述はしない。ここでは、回転機２が表面磁石型永久磁石モータである場合の算出式を記載する。

まず、以下の（３）式により、制限電圧Ｖｏｍが演算される。

上記（３）式において、Ｖｒａｔｉｏは電圧利用率であり、Ｖｄｃは母線電圧の検出値であり、Ｒｓは回転機２における電気的パラメータである相抵抗であり、ＩｐｈＬＩＭは相電流制限値である。

そして、ｄ軸電流指令ｉｄ＊は、制限電圧Ｖｏｍ、電気角速度ｗｒｅ、相電流制限値ＩｐｈＬＩＭ及び回転機２の電気的パラメータに基づいて、以下の（４）～（６）式で演算される。

（ｉ）ｗｒｍ＜ｗｒｍＷ１の場合

（ii）ｗｒｍ＜ｗｒｍＷ２の場合

（iii）ｗｒｍ＞ｗｒｍＷ２の場合

なお、上記（４）～（６）式を切り替える際の閾値となる回転子２１の機械角速度ｗｒｍＷ１，ｗｒｍＷ２は、以下の（７）、（８）式で与えられる。

次に、電圧指令演算部４３の機能について説明する。電圧指令演算部４３は、電流指令演算部４２で算出された回転二軸座標上の電流指令ｉｄ＊，ｉｑ＊，回転機２の定数である相巻線抵抗Ｒｓ、ｑ軸インダクタンスＬｑ、ｄ軸インダクタンスＬｄ、及び鎖交磁束φｍａｇに基づいて、回転二軸座標上の電圧指令ｖｄ＊，ｖｑ＊を演算する。具体的には、以下の流れで実施する。

まず、電流の過渡特性を考慮して、回転二軸座標上の電流指令ｉｄ＊，ｉｑ＊に対して、回転二軸座標上の実際に通電される電流ｉｄ，ｉｑを、以下の（９）式で推定する。

上記（９）式において、電流ｉｄ，ｉｑは、回転二軸座標上の電流指令ｉｄ＊，ｉｑ＊に対する任意の時定数Ｔｃの応答電流である。言い替えると、電流指令ｉｄ＊，ｉｑ＊を時定数Ｔｃの逆数１／Ｔｃ［ｒａｄ／ｓ］で追従させた電流の推定値であり、「推定電流」と呼ぶ。

そして、以下の（１０）式を用いて、回転二軸座標上の電圧指令ｖｄ＊，ｖｑ＊を演算する。

上記（１０）式に示されるように、回転二軸座標上の電圧指令ｖｄ＊，ｖｑ＊は、回転速度及び回転子位置演算部４１にて算出される機械角速度（機械角周波数）ｗｒｍに回転子の極対数Ｐｍを乗算して得られる回転子２１の電気角速度（電気角周波数）ｗｒｅ、推定電流ｉｄ，ｉｑ、回転機定数である相巻線抵抗Ｒｓ、ｑ軸インダクタンスＬｑ、ｄ軸インダクタンスＬｄ、及び鎖交磁束φｍａｇに基づいて演算される。

ここで、制御部３０のプロセッサに安価で演算能力が低いマイコンなどを使用することを想定する。この場合、制御部３０における制御周期が長くなるので、演算開始時と演算終了時との間で回転速度の差が大きくなる。そして、指令電流を回転機２に通電させるために必要な回転機２への印加電圧と、指令電圧として算出される電圧指令とが乖離し、電流追従性が顕著に悪化することがある。このような場合には、上記（１０）式の電気角周速度ｗｒｅを補正することが有効である。具体的な補正式の例は、以下の通りである。

第１の例は、角加速度を一定とし、以下の（１１）式で補正する。

上記（１１）式において、ｗｒｅＯｌｄは、１制御周期前の電気角速度である。

また、第２の例として、軸トルクに基づいて、以下の（１２）式のように補正することも有効である。

上記（１２）式において、Ｔｓａｍｐは、制御部３０のプロセッサにおける演算周期である。

次に、座標変換部５０の機能について説明する。座標変換部５０は、電圧指令生成部４０にて生成される回転二軸座標上の電圧指令ｖｄ＊，ｖｑ＊を、回転速度及び回転子位置演算部４１で演算される回転子位置の電気角θｅｌｅに基づいて、以下の（１３）式で三相電圧指令ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊に変換する。

次に、キャリア比較ＰＷＭ部６０の機能について説明する。なお、以下の説明において、キャリア比較ＰＷＭ部６０で用いるキャリアは三角波とするが、三角波以外のキャリアを用いてもよいことは言うまでもない。

まず、キャリア比較ＰＷＭ部６０は、座標変換部５０にて生成された三相電圧指令ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊を母線電圧の検出値の１／２の値（Ｖｄｃ／２）で正規化する。そして、振幅が±１である三角波と、正規化された三相電圧指令との比較に基づいて、三角波比較ＰＷＭでスイッチング信号を生成する。電圧指令が三角波よりも大きい場合は、各相で上アームのスイッチング素子１３ａをオン、下アームのスイッチング素子１３ｂをオフし、小さい場合は上アームのスイッチング素子１３ａをオフ、下アームのスイッチング素子１３ｂをオンするスイッチング信号を生成する。なお、上アームのスイッチング素子１３ａと下アームのスイッチング素子１３ｂが同時オンすることを防止するためのデッドタイムが設けられることは言うまでもない。

図３に示されるように、キャリア比較ＰＷＭ部６０からは、各相上下アームのスイッチング素子１３ａ，１３ｂをＰＷＭ制御するためのスイッチング信号ＳＷ_ＵＰ，ＳＷ_ＵＮ，ＳＷ_ＶＰ，ＳＷ_ＶＮ，ＳＷ_ＷＰ，ＳＷ_ＷＮが出力される。スイッチング信号ＳＷ_ＵＰは、Ｕ相上アームのスイッチング素子１３ａをＰＷＭ制御するためのスイッチング信号であり、スイッチング信号ＳＷ_ＵＮは、Ｕ相下アームのスイッチング素子１３ｂをＰＷＭ制御するためのスイッチング信号である。スイッチング信号ＳＷ_ＶＰは、Ｖ相上アームのスイッチング素子１３ａをＰＷＭ制御するためのスイッチング信号であり、スイッチング信号ＳＷ_ＶＮは、Ｖ相下アームのスイッチング素子１３ｂをＰＷＭ制御するためのスイッチング信号である。スイッチング信号ＳＷ_ＷＰは、Ｗ相上アームのスイッチング素子１３ａをＰＷＭ制御するためのスイッチング信号であり、スイッチング信号ＳＷ_ＷＮは、Ｗ相下アームのスイッチング素子１３ｂをＰＷＭ制御するためのスイッチング信号である。

キャリア比較ＰＷＭ部６０から出力されるスイッチング信号ＳＷ_ＵＰ，ＳＷ_ＵＮ，ＳＷ_ＶＰ，ＳＷ_ＶＮ，ＳＷ_ＷＰ，ＳＷ_ＷＮによってスイッチング素子１３ａ，１３ｂがＰＷＭ制御され、回転機２の三相巻線２ａに印加される電圧が制御される。これにより、回転機２の軸トルクに寄与する通電電流の制御が可能となる。また、回転機２の軸トルクを制御することにより、回転子２１の回転速度を指令通りに制御することが可能となる。

次に、回転速度及び回転子位置演算部４１の構成及び機能の詳細を、図４を参照して説明する。図４は、図３に示す回転速度及び回転子位置演算部４１の構成を示すブロック図である。

回転速度及び回転子位置演算部４１は、図４に示すように、回転速度推定部４５と、回転速度演算部４６と、回転子位置判定部４７と、回転速度選択部４８とを備える。

回転速度推定部４５は、回転機２の軸トルクＴｓｈと、回転機２のイナーシャＪｓｈとを用い、以下の（１４）式に基づいて、回転機２の角速度の推定値である推定回転速度ｗｒｍＥＳＴを演算する。

ここで、軸トルクＴｓｈの演算については、以下に示す数式、及び図５を参照して説明する。図５は、図４に示す回転速度及び回転子位置演算部４１で用いる軸トルクＴｓｈの演算処理の説明に供するブロック図である。

軸トルクＴｓｈは、以下の（１５）式で示すように、電磁トルクＴｍｏｔと、負荷トルクＴｌｏａｄの和で算出される。図５には、加算器７２で実現する例が示されている。

回転機２が表面磁石型永久磁石モータである場合、電磁トルクＴｍｏｔは、回転機２の電気的パラメータである永久磁石の鎖交磁束φｍａｇと、回転子の極対数Ｐｍとに基づいて、以下の（１６）式で算出することができる。図５には、増幅器７４で実現する例が示されている。

なお、本実施の形態では、特に表面磁石型永久磁石モータの例を挙げるが、埋め込み磁石型永久磁石モータ、誘導電動機などのモータでもよく、それぞれの電磁トルクを表す式に基づいて算出することができる。

また、負荷トルクＴｌｏａｄは、回転機２の回転数情報ｗｒｍの関数を用いた演算処理、又はテーブルを参照することで与えられる。図５には、テーブル７６を参照することで、負荷トルクＴｌｏａｄを求める例が示されている。

次に、回転速度演算部４６の機能について説明する。回転速度演算部４６は、位置検出信号Ｈａｌｌ_Ｓｉｇに基づいて、回転機２の角速度を演算する。回転速度演算部４６によって演算された角速度を「検出回転速度」と呼び、「ｗｒｍＨａｌｌ」で表す。位置検出信号Ｈａｌｌ_Ｓｉｇが、前述した図２に示されるホールセンサ信号である場合、以下の処理手順で検出回転速度ｗｒｍＨａｌｌを演算することができる。

ホールセンサ信号は、図２に示されるように、電気角６０度毎に３つのセンサのうちの１つのセンサにおいて、ＨｉｇｈとＬｏｗとが切り替わる。ＨｉｇｈからＬｏｗ、又はＬｏｗからＨｉｇｈに切り替わる毎にエッジを検出し、タイマなどで検出時刻を記録する。１つ前にエッジを検出した時刻から、次のエッジが検出されるまでの時刻ｔＨａｌｌを演算する。そして、検出回転速度ｗｒｍＨａｌｌを以下の（１７）式で演算する。

次に、回転速度選択部４８の機能について説明する。回転速度選択部４８は、推定回転速度ｗｒｍＥＳＴ及び検出回転速度ｗｒｍＨａｌｌのうちの１つを、推定回転速度ｗｒｍＥＳＴ、検出回転速度ｗｒｍＨａｌｌ及び軸トルクＴｓｈに基づいて選択する。

具体的に、回転機２の軸トルクＴｓｈが閾値トルクＴｔｈよりも大きく、且つ、処理時刻における回転機２の機械角速度ｗｒｍが閾値角速度ｗｒｍｔｈよりも小さい場合には、以下の（１８）式に示されるように、推定回転速度ｗｒｍＥＳＴを選択し、選択した推定回転速度ｗｒｍＥＳＴを回転速度情報ｗｒｍとして電流指令演算部４２に出力する。

一方、回転機２の軸トルクＴｓｈが閾値トルクＴｔｈ以下であり、又は、処理時刻における回転機２の機械角速度ｗｒｍが閾値角速度ｗｒｍｔｈ以上である場合には、以下の（１９）式に示されるように、検出回転速度ｗｒｍＨａｌｌを選択し、選択した検出回転速度ｗｒｍＨａｌｌを回転速度情報ｗｒｍとして電流指令演算部４２に出力する。

なお、電流指令演算部４２に出力される回転速度情報ｗｒｍが検出回転速度ｗｒｍＨａｌｌから推定回転速度ｗｒｍＥＳＴに切り替わる際には、推定回転速度ｗｒｍＥＳＴを、検出回転速度ｗｒｍＨａｌｌで初期化することが好ましい。これにより、検出回転速度ｗｒｍＨａｌｌから推定回転速度ｗｒｍＥＳＴに切り替わる際に、回転速度情報ｗｒｍの値が大きく変動するのを抑制することができる。

また、上記の選択処理では、回転機２の軸トルクＴｓｈと閾値トルクＴｔｈとが等しい場合、又は処理時刻における回転機２の機械角速度ｗｒｍと閾値角速度ｗｒｍｔｈとが等しい場合を、上記（１９）式に従う処理としているが、これに限定されない。回転機２の軸トルクＴｓｈと閾値トルクＴｔｈとが等しい場合、及び回転機２の現在の機械角速度ｗｒｍと閾値角速度ｗｒｍｔｈとが等しい場合を、上記（１８）式に従う処理としてもよい。

また、上記の選択処理では、閾値角速度ｗｒｍｔｈと比較する回転速度を機械角速度ｗｒｍとしているが、これに限定されない。閾値角速度ｗｒｍｔｈと比較する回転速度が、電気角に換算された電気角速度ｗｒｅであってもよい。

次に、回転子位置判定部４７の機能について説明する。回転子位置判定部４７は、図２に示される３つのホールセンサ信号のＨｉｇｈからＬｏｗ、又はＬｏｗからＨｉｇｈに切り替わるエッジを検出した後、Ｈｉｇｈ又はＬｏｗの状態に応じて、回転子２１気角θｅｌｅを判定する。例えば、Ｕ相巻線に鎖交する磁石磁束が最大となる条件を電気角０度とすることができる。なお、細部は割愛するが、回転子２１の電気角θｅｌｅは、演算周期Ｔｓａｍｐに対して、回転子２１の機械角速度ｗｒｍが一定であることを前提とし、以下の（２０）式を用いて補間してもよい。

次に、実施の形態に係る制御装置１による効果について図６から図９を参照して説明する。図６は、従来技術による動作波形を比較例として示す第１の図である。図７は、実施の形態に係る制御装置１による効果の説明に供する第１の図である。図８は、従来技術による動作波形を比較例として示す第２の図である。図９は、実施の形態に係る制御装置１による効果の説明に供する第２の図である。図６から図９において、横軸は時間を示している。なお、図６から図８の横軸の１目盛りは「秒」であるのに対し、図９の横軸の１目盛りは「ミリ秒」である。また、図６及び図７では、上段部から順に、回転速度、ｑ軸電流及びｄ軸電流の波形を示している。また、図８及び図９では、上段部から順に、回転速度及びｑ軸電流の波形を示している。

図６には、低速且つ高加速駆動時において、ホールセンサによる検出回転速度のみを用いたときの各種の動作波形が示されている。即ち、図６には、図４に示す回転速度推定部４５及び回転速度選択部４８を有さず、回転速度演算部４６から出力される検出回転速度ｗｒｍＨａｌｌを回転速度情報ｗｒｍとして用いたときの各種の動作波形が示されている。また、図７には、低速且つ高加速駆動時において、回転速度選択部４８によって選択された回転数情報ｗｒｍを用いたときの各種の動作波形が示されている。

図６及び図７の上段部において、破線Ｋ１は回転速度指令ｗｒｍ＊を示し、実線Ｋ２は電気角速度ｗｒｅを示している。また、図６の上段部において、一点鎖線Ｋ３は回転速度の検出値、即ちホールセンサによる検出回転速度ｗｒｍＨａｌｌを示している。また、図７の上段部において、一点鎖線Ｋ４は回転速度選択部４８によって選択された回転数情報ｗｒｍを示している。

また、図６及び図７の中段部において、実線Ｋ５はｑ軸電流を示し、破線Ｋ６はｑ軸電流指令ｉｑ＊を示し、一点鎖線Ｋ７はｑ軸電流の推定値、即ち推定電流ｉｑを示している。また、図６及び図７の下段部において、実線Ｋ８はｄ軸電流を示し、破線Ｋ９はｄ軸電流指令ｉｄ＊を示している。

従来技術の場合、図６のＡ１部に示されるように、回転速度の演算精度が低下していることが分かる。また、図６のＡ２部に示されるように、加速時にｑ軸電流が追従しない現象が見られる。これらの現象は、回転機２の始動時において、従来技術では、検出回転速度と実回転速度との間の誤差が大きくなり、出力する電圧ベクトルにも誤差が生じることが原因である。これにより、主にトルクに寄与するｑ軸電流が指令に追従せず、ｄ軸電流の増加を招いている。

これに対し、実施の形態の場合、図７のＡ３部に示されるように、回転速度選択部４８によって選択された回転数情報ｗｒｍは電気角速度ｗｒｅに追従しており、回転速度の演算精度が改善されていることが分かる。また、図７のＡ４部及び下段部の動作波形に示されるように、低速且つ高加速駆動時において、ｑ軸電流及びｄ軸電流共に指令に対する追従性が改善されていることが分かる。即ち、低速且つ高加速駆動時においては、軸トルク及び軸イナーシャに基づいた推定回転速度を選択することにより、回転速度の演算精度が改善され、且つ、指令に対する追従性が改善されることが分かる。

なお、図６及び図７では、低速且つ高加速駆動時の動作について説明したが、低速且つ高減速駆動時においても同様な効果が得られることは言うまでもない。

また、図８には、低速且つ一定回転時において、推定回転速度ｗｒｍＥＳＴを選択するときの各種の動作波形が示されている。また、図９には、低速且つ一定回転時においては、推定回転速度ｗｒｍＥＳＴを選択せずに、検出回転速度ｗｒｍＨａｌｌを選択した場合の各種の動作波形が示されている。

図８及び図９の上段部において、実線Ｋ１１は実際の回転速度を示し、一点鎖線Ｋ１２は回転速度指令ｗｒｍ＊を示し、破線Ｋ１３は回転速度の検出値、即ちホールセンサによる検出回転速度ｗｒｍＨａｌｌを示し、破線Ｋ１４は、回転速度の推定値、即ち推定回転速度ｗｒｍＥＳＴを示している。また、図８及び図９の下段部において、実線Ｋ１５はｑ軸電流を示し、破線Ｋ１６はｑ軸電流指令ｉｑ＊を示している。

推定回転速度ｗｒｍＥＳＴを選択する制御を行った場合に、図８の上段部には、回転速度の脈動が大きくなる動作波形が示され、図８の下段部には、ｑ軸電流がｑ軸電流指令ｉｑ＊から乖離する動作波形が示されている。速度脈動が大きくなり、ｑ軸電流がｑ軸電流指令ｉｑ＊から乖離する理由は、負荷トルクが変動する用途又は駆動システムでは、軸トルクを正確に推定することは困難であり、低速且つ一定回転時において、推定回転速度ｗｒｍＥＳＴは、検出回転速度ｗｒｍＨａｌｌよりも精度が低いと考えられるためである。

これに対し、図９に示す実施の形態の動作波形のように、加速度が小さい条件においては、検出回転速度ｗｒｍＨａｌｌに基づいて回転速度を制御するようにすれば、回転速度の脈動が抑えられ、ｑ軸電流がｑ軸電流指令ｉｑ＊から乖離するのを抑制することができる。

上記で説明した内容を整理すると、以下のように要約することができる。まず、実施の形態に係る回転機の制御装置の構成によれば、回転機を駆動する回転機の駆動システムにおいて、低速且つ高加減速駆動時においては、軸トルク及び回転機のイナーシャに基づく推定回転速度を選択し、低速且つ低加減速駆動時においては、検出回転速度を選択する。これにより、回転速度指令から電圧指令を生成する際に使用する機械角速度と実角速度との誤差を低減でき、指令に対してより正確な電圧指令を与えることができる。

従って、指令通りのｑ軸電流を通電することができ、低速且つ低加減速駆動時の実角速度をより正確に検出できるので、低速且つ高加減速駆動時の電流追従性が改善される。これにより、低分解能な位置センサを用いる安価な構成であっても、電流追従性の悪化及び速度応答性の低下を抑制することができる。また、不要なｄ軸電流を低減することができるので、通電による銅損の低減が可能となる。

以上説明したように、実施の形態に係る回転機の制御装置は、軸トルクがトルク閾値より大きい場合は推定回転速度を選択し、軸トルクがトルク閾値より小さい場合は検出回転速度を選択して回転速度情報として出力する。これにより、低分解能な位置センサを用いる安価な構成であっても、電流追従性の悪化及び速度応答性の低下を抑制することができる。また、トルクに寄与しない電流を低減できるので、回転機における銅損を低減することができる。

なお、上記の選択処理において、軸トルクの情報に加え、処理時刻における回転速度情報に基づいて推定回転速度及び検出回転速度のうちの何れかを選択するようにしてもよい。これにより、低速且つ加減速駆動時の速度応答の高応答化と、低速且つ一定回転時の速度安定性との両立を図ることができる。

また、回転機に印加する電圧を決める電圧指令は、電流指令に対する任意の時定数の応答電流、回転機の回転子位置、回転速度及び回転機の電気的定数に基づいて演算するようにしてもよい。これにより、実速度と演算に使用する速度との誤差が通電電流により顕著に表れる電流センサレス制御の構成においても、低速且つ加減速駆動時の速度応答の高応答化と、低速且つ一定回転時の速度安定性との両立を図ることができる。

また、電圧指令は、次の電圧指令更新時刻における回転速度情報に基づいて算出するようにしてもよい。これにより、次演算周期までの回転速度をより正確に推定して電圧指令を生成できるので、電流追従性の改善を図ることができる。

次に、実施の形態に係る制御装置１の機能を実現するためのハードウェアについて説明する。まず、実施の形態に係る制御装置１の機能は、処理回路を用いて実現することができる。ここで言う制御装置１の機能とは、電圧指令生成部４０、座標変換部５０及びキャリア比較ＰＷＭ部６０の機能である。

図１０は、実施の形態に係る制御装置１における第１のハードウェア構成例を示す図である。図１０には、専用処理回路１０１のような専用のハードウェアにより上記の処理回路を実現する例が示される。図１０に示すように専用のハードウェアを利用する場合、専用処理回路１０１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（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、又はこれらを組み合わせたものが該当する。上記の各機能のそれぞれを、処理回路で実現してもよいし、まとめて処理回路で実現してもよい。

図１１は、実施の形態に係る制御装置１における第２のハードウェア構成例を示す図である。図１１には、プロセッサ１０２及び記憶装置１０３により上記の処理回路を実現する例が示される。図１１に示すようにプロセッサ１０２及び記憶装置１０３を利用する場合、上記の各機能のそれぞれは、ソフトウェア、ファームウェア又はこれらの組合せにより実現される。ソフトウェア又はファームウェアはプログラムとして記述され、記憶装置１０３に記憶される。プロセッサ１０２は記憶装置１０３に記憶されたプログラムを読み出して実行する。またこれらのプログラムは、上記の各機能のそれぞれが実行する手順及び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。記憶装置１０３は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリー、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、又はＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）といった半導体メモリが該当する。半導体メモリは不揮発性メモリでもよいし揮発性メモリでもよい。また記憶装置１０３は、半導体メモリ以外にも、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク又はＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）が該当する。

また、上記の各機能のそれぞれは、一部をハードウェアで実現し、一部をソフトウェア又はファームウェアで実現してもよい。

なお、本稿に記載した内容は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能である。また、本稿では、例示的な実施の形態が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、又は様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本稿に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。

１ 回転機の制御装置、２ 回転機、２ａ 三相巻線、１０ 電力変換器、１１ 直流電源、１２ 平滑コンデンサ、１３ インバータ主回路、１３ａ，１３ｂ スイッチング素子、２１ 回転子、２２ 固定子、２６ 位置検出器、３０ 制御部、４０ 電圧指令生成部、４１ 回転速度及び回転子位置演算部、４２ 電流指令演算部、４３ 電圧指令演算部、４５ 回転速度推定部、４６ 回転速度演算部、４７ 回転子位置判定部、４８ 回転速度選択部、５０ 座標変換部、６０ キャリア比較ＰＷＭ部、７２ 加算器、７４ 増幅器、７６ テーブル、１００ 回転機の駆動システム、１０１ 専用処理回路、１０２ プロセッサ、１０３ 記憶装置。

Claims (7)

1. 回転機の回転速度情報に基づいて前記回転機を制御する制御装置であって、
   前記回転機の回転軸に作用するトルクである軸トルク及び前記回転機のイナーシャに基づいて推定される前記回転機の回転速度の推定値である推定回転速度と、前記回転機の回転子位置を検出する位置検出器から出力される位置検出信号に基づいて得られる前記回転速度の検出値である検出回転速度とが入力され、
   前記軸トルクがトルク閾値より大きい場合は前記推定回転速度を選択し、前記軸トルクが前記トルク閾値より小さい場合は前記検出回転速度を選択して前記回転速度情報として出力する回転速度選択部を備える
   ことを特徴とする回転機の制御装置。
2. 前記回転速度選択部は、前記軸トルクに加え、処理時刻における前記回転速度情報に基づいて、前記推定回転速度及び前記検出回転速度のうちの何れかを選択する
   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. 前記回転速度選択部は、前記回転速度情報が回転速度閾値よりも小さく、且つ、前記軸トルクが前記トルク閾値よりも大きい場合には前記推定回転速度を選択し、前記回転速度情報が回転速度閾値よりも大きい場合、又は、前記軸トルクが前記トルク閾値よりも小さい場合には前記検出回転速度を選択する
   ことを特徴とする請求項２に記載の回転機の制御装置。
4. 前記回転機には、電圧指令に基づいて生成される電圧が印加され、
   前記電圧指令は、電流指令に対する任意の時定数の応答電流、前記回転機の回転子位置、回転速度及び前記回転機の電気的定数に基づいて演算される
   ことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の回転機の制御装置。
5. 前記電圧指令は、次の電圧指令更新時刻における前記回転速度情報に基づいて算出される
   ことを特徴とする請求項４に記載の回転機の制御装置。
6. 前記軸トルクは、前記回転機の出力トルク推定値及び負荷トルク推定値に基づいて演算され、
   前記出力トルク推定値は、前記回転機に通流する通電電流及び前記回転機の電気的パラメータに基づいて推定される
   ことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の回転機の制御装置。
7. 前記負荷トルク推定値は、前記回転速度情報に基づくテーブル又は前記回転速度情報の関数に基づいて推定される
   ことを特徴とする請求項６に記載の回転機の制御装置。

Images