JPH0349589A - 離散時間型ａｃモータ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の要約 ｄｑ変換モデルに基づいて回転子角度，角速度を推定す
る状態推定オブザーバを備えた離散時間ＡＣモータ制御
装置において．上記モデルに巻線インダクタンスの回転
子角度による変化に関する記述を含ませるようにした。

これにより１巻線インダクタンスの回転子角度による変
化が大きいモータでも高精度な制御ができる。

発明の背景 技術分野 この発明はＡＣモータの離散時間型制御装置に関する。

従来技術とその問題点 Ｐ　Ｍ　（Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ）型ＡＣ
モータの制御装置において，位置決め制御を行なう場合
，回転子角度をフィードバックさせるために回転子角度
を検知する必要がある。このために従来技術においては
，エンコーダやレゾルバ等のセンサが使用されていた。

また，ＡＣモータにおいては回転子回転角度に応じて巻
線各相に流す電流位相を変化させる必要があり，従来は
回転子の磁極位置を検知するためにボールセンサ等のセ
ンサが使用されていた。

しかしながら．これらのセンサは一般に高温下では使用
できず，さらに振動，衝撃に弱い。したがって，このよ
うなセンサを使用する従来の制御装置においてはそのよ
うな環境下で使用することができないという問題点があ
る。

一方，ＰＭ型ＡＣモータのｄｑ変換モデルと線形オプザ
ーバ理論を応用することにより，上記ＡＣモータの巻線
電流，電圧から回転子角度，角速度を推定する状態推定
オプザーバが下記の文献に提案されている。この文献に
はまたｄｑ変換モデルに基づく長所についても記載され
ている。

Ｌａｗｒｅｎｃｅ　Ａ．Ｊｏｎｅｓ，　Ｊｅｌ’ｌ’ｒ
ｅｙ　Ｈ．Ｌａｎｇ　　”ＡＳＴＡＴＥ　ＯＢＳＥＲＶ
ＥＲ　ＦＯＩ？　ＴＨＥ　ＰＥｌ？ＭＡＮＥＮＴ−ＭＡ
ＧＮＥＴＳＹＮＣＨＲＯＮＯＵＳ　ＭＯＴＯＲ　’　Ｉ
ＥＣＯＮ　１９８７　Ｃｏｎ（’ｅｒｅｎｃｅ，Ｃａ＋
ｇｂｒｉｄｇｅ．ＭＡ．Ｎｏｖｅｍｂｅｒ　２−８．１
９８７．一般にＰＭ形ＡＣモータでは巻線インダクタン
スが回転子角度により変化するという特性がある。巻線
インダクタンスＬａｂ（　ａ，ｂ相間のインダクタンス
）の回転子角度による変化の様子が第２図に示されてい
る。これは６極（Ｎ，Ｓ極がそれぞれ３極ずつ）のＡＣ
モータのものである。

従来の状態推定オブザーバでは，ＡＣモータのモデルに
おいて巻線インダクタンスを一定値としているため，推
定される回転子角度．角速度および巻線電流に，モデル
誤差による推定誤差が生じるという問題がある。

発明の概要 この発明は巻線インダクタンスの回転子角度による変化
にかかわらず高精度の推定が可能な制御装置を提供する
ものである。

この発明による離散時間型ＡＣモータ制御装置は，ＡＣ
モータの巻線電圧と巻線電流とを入力とし１上記ＡＣモ
ータにおける巻線インダクタンスの回転子角度による変
化の記述を含む上記ＡＣモータのモデルを用いて，上記
ＡＣモータの回転子角度および角速度を推定する状態推
定オブザーバ手段を備えていることを特徴とする。

この発明によれば，巻線インダクタンスの回転子角度に
よる変化を記述するＰＭ形ＡＣモータのモデルに基づい
て推定を行なう状態推定オブザーバを備えているので，
巻線インダクタンスの回転子角度による変化が大きいモ
ータでも，高精度な制御ができる。

実施例の説明 第１図はこの発明の実施例を示している。

制御対象であるＰＭ型ＡＣモータ３０は三相モータであ
り，各相をａ，ｂ，ｃで表わす。すなわち，各相の電流
をそれぞれｉ，ｉ，，ｉ　　で，ａ　　　　　　　　　
　　　　　Ｃ ａ　　　ｂ”ｃでそれぞれ表わ 各層の電圧をｖ　　，ｖ す。

離散時間型ＡＣモータ制御装置１０は状態推定オプザー
バ１１，オブザーバ●ゲイン切換え装置１２．電流コン
トローラ１３，速度．位置コントローラ１４，電流セン
サ１５，　ｔｅ，ローパス・フィルタ１７，サンプルホ
ールド回路１８，　１９，　Ｐ　Ｗ　Ｍ　（　Ｐｕｌｓ
ｅＷｉｄｔｈ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）回路２０，イン
バータ２１，原点検出スイッチ２２等を含んでいる。こ
れらの構成要素のうちのいくつか．たとえばオブザーバ
１１，ゲイン切換装置１２，　コントローラ１３．　１
４等はプログラムされたコンピュータによって実現され
る。

この制御装置１０で用いられるパラメータ（物理ｆｆｉ
）のうち測定値にはその符号の上に■を付けて，推定値
にはその符号の上に＾を付けてそれぞれ表わす。また，
ベクトルは符号の下に　を付けて表わされる。

後に示すようにモータ３０のパラメータ（電流１，ｌｂ
等）は２相固定子の直交座標系に変換され，この変換後
のパラメータは下添字α．βを用いて，たとえばｉ　，
ｉβのように，表現されα る。さらにパラメータは推定処理のために，推定された
回転子角度θを用いてｄ　ｑ　（ｄｉｒｅｃｔｑｕａｄ
ｒａｔｕｒｅ　）変換される。ｄｑ変換後のパラメータ
は下添字ｄ．ｑを用いて，たとえばｌａ．ｉ　のように
，表現される。

ｑ 上述のようにＡＣモータではインダクタンスが回転子角
度に応じて変化する。高精度の制御の為にはオブザーバ
｛１において正確なモデリングが必要であり，インダク
タンスの変化を含めたモデルを作成することが重要であ
る。インダクタンス変化を含むＰＭ形ＡＣモータのモデ
ルは１固定子での２相直交座標系において次の第（１）
式〜第（４）式によって表わされる。

（以下余白） ｄω／ｄｔ− −ｆ丁７丁（ＮＫ／Ｈ） ［ｓｉｎ（Ｎ　θ）　　−　ｃｏｓ　（Ｎ　θ）コ　ｉ
−　（Ｂ／Ｈ）ω一（Ｃ／Ｈ）（ω／ ）−　（１／Ｈ） ・・・（３） ｄθ／ｄｔ−ω ・・・（４〉 ここで． Ｌ：自己インダクタンス Ｍ：相互インダクタンス Ｐ：インダクタンスの変化量 Ｒ：抵抗 Ｋ：トルク定数 （　は１相当りであることを示す） λ：磁束 Ｂ；粘性摩擦 Ｃ：クーロン摩擦 Ｈ：イナーシャ τ：負荷 ω：角速度 ｖ：−（ｖ，ｖ）”・・・電圧 一　　　　　　　α　　　　β θ：角度 ．Ｔ，ｉの転置ベクトル ！ Ｎ：極対数 である。

状態推定オプザーバｉ１は， 上記モデルを， 回転 子と同期して回転する２軸直交座標系に変換した（ｄｑ
変換）モデルと，ＡＣモータの巻線への印加電圧Ｖおよ
び検出した巻線電流ｉとを用いて，次の第（５）式〜第
（７）式により，ＡＣモータの巻線電流ｉ，回転子角速
度ωおよび回転子角度θを推定する。

−　（Ｃ／Ｈ）（ω／１ω ）−　（１／Ｈ） τ十Ｇ（ｉ−ｉ） ω一一 ・・・（６） ただし ＬｄミＬ十Ｍ＋（３／２）Ｐ Ｌ　高Ｌ＋Ｍ−　（３／２）Ｐ ｑ Ｒ斎Ｒ Ｋ高ｆ丁７ΣＫ Ｐミ（３／２）Ｐ 第（６）式において右辺第３項はインダクタンスの変化
によるトルクの変化を補償するものである。

また，インダクタンスＬは，上述のように角度θの関数
であるが，ｄｑ変換されると定数になることにも注目す
べきである。

第（５）式から第（７）式を離散化して表現すると次の
ようになる。

・・・（９） ただし．Δｔ　：サンプル時間 下添字ｋはサンプル時点（時刻）ｋにおける値であるこ
とを表わし，下添字（ｋ＋１）は時刻ｋからサンプル時
間Δｔが経過した時点における値であることを示してい
る。

電流センサ１５，　１Ｂにより検出されたモータ巻線電
流１　　＊　　ｌｂは，雑音除去用のローバス・フィａ ルタ１７を通ってサンプルホールド回路１８に入力し，
時刻ｋにおいてサンプルホールドされ，それぞれｉ　　
，ｉ　　として状態推定オブザーバａ．ｋ　　　ｂ．ｋ １１に与えられる。状態推定オブザーバー１は，時刻（
ｋ−１）に推定された回転子角度θ，を用いてこれらの
電流ｉ　　，ｉ　　をｄｑ変換し，ａ．ｋ　　　ｂ．ｋ ｙ　　　　　　　　ｙ １ｄ．ｋ’　　ｌ　　　を得る。状態推定オプザーバ１
ｌにｑ・ｋ はまた，後述するように電流コントローラｌ３により算
出された巻線印加電圧のｄｑ変換値ｖｄ，ｋ’，θ　　
が状態推定オブザーバ１１においてωｋ＋ｌ　　　ｋ＋
１ 推定される。したがって，角度，角速度センサを用いず
に回転子角度，角速度を得ることができる。

今 推定された値ｉｄ．ｋ＋１　　　ｑ．ｋ＋１は電流コン
ト，１ ローラｌ３に与えられる。また推定された値ωｋ＋１，
θ　　は電流コントローラｌ３およびその上位のコｋ＋
１ ントローラ（速度，位置コントローラ）１４に与えられ
る。

電流コントローラ１３は，推定値θ　　により，ｋ＋１ 回転子磁極位置に応じた電流を与えるように巻線電圧に
加える位相を決めることができる。したがって，磁極検
出センサが不要となる。

電流コントローラ１３はまた上位コントローラ１４から
与えられた電流指令値ｉ　　　．ｉ　　　とｄ．ｋ＋ｌ
　　　ｑ．ｋ＋１ 状態推定オブザーバにより推定された値’　ｄ．ｋ＋１
　’↑ １ｑ，ｋ＋１とを比較し，所定の制御アルゴリズムに従
い，たとえばこれらの偏差が零に近づくように，モータ
巻線への印加電圧のｄｑ変換値うにθ　　に従ってモー
タ巻線への印加電圧ｋ＋１ ■ａ．ｋ＋ｌ　”　ｂ．ｋ＋１　　　ｃ，ｋ＋１を算出
する・０れ，Ｖ らの印加電圧値は，サンプルホールド回路１９を経てＰ
ＷＭ回路２０によりパルス幅に変換され，インバータ（
スイッチ回路）　２１を通してモータ巻線へ印加される
。

電流コントローラｌ３の上位コントローラが図示のよう
に，速度．位置コントローラｌ４である場合，状態推定
オブザーバ１１によって推定された値るので，速度や位
置の制御において，角度，角速度センサが不要となる。

もっとも，状態推定オブザーバ１ｌにより推定される回
転子角度は電気角であるため，この値θ　　をそのまま
用いて位置制御を行なうことはｋ＋１ できない。しかしながら，電流制御に必要な回転子角度
は電気角であり，かつ状態推定オブザーバ１１の動作に
おける収束はモータ時定数に対し十分速くすることがで
きる。したがって．モータ始動時に電流コントローラに
よりモータを回転させることが可能で．その原点角度位
置を原点検出スイッチ２２により検出することができる
。このスイッチ２２の原点検出信号はコントローラ１３
．　１４に与えられる。この原点検出信号と状態オブザ
ーバにより推定される値θ　　とにより，機械角度がｋ
＋１ 算出される。このように，モータ始動時に上記のキヤリ
プレーションを行なうことにより，角度センサを用いず
に位置制御が可能となる。

推定された角速度ωｋがゲイン切換え装置ｌ２に与えら
れている。この切換え装置１２は状態推定Ｉ）Ｄ’　　
ＤＱ’　　。ＱＤ”　。ＱＱ’オブザーバ１１のゲイン
ＧＧ Ｇ　　　，Ｇ　　　をモータの回転子角速度ωに応じω
Ｄ　　ωＱ て切換えるものである。これらのゲインは（５）〜（７
〉式の線形化誤差方程式から予め算出することができる
。切換え装置ｌ２には角速度ωｋの所定範囲ごとに上記
ゲインの値を定めたテーブルが設けられおり，入力する
ωｋに応じてこのテーブルから最適なゲインを読出して
次のサンプリング時点のゲインＧ　　としてオブザーバ
１１に与える。

ｋ＋１

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はこの発明の実施例を示し．第１図
は離散時間型ＡＣモータ制御装置の概念構成を示す機能
ブロック図，第２図はインダクタンスの回転子角度によ
る変化を示すグラフである。 ｌＯ・・・離散時間型ＡＣモータ制御装置，１１・・・
状態推定オブザーバ ｌ２・・・オブザーバ・ゲイン切換え装置，ｌ３・・・
電流コントローラ， ｌ４・・・上位コントローラ （速度，位置コントローラ）， １５， ｌ６・・・電流センサ， ｌ８ｌ １９・・・サンプル ホールド回路， ３０・・・ＡＣモータ。 以 上

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　ＡＣモータの巻線電圧と巻線電流とを入力とし、上記
   ＡＣモータにおける巻線インダクタンスの回転子角度に
   よる変化の記述を含む上記ＡＣモータのモデルを用いて
   、上記ＡＣモータの回転子角度および角速度を推定する
   状態推定オブザーバ手段を備えた離散時間型ＡＣモータ
   制御装置。