JPH09182499A - 同期電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】磁束演算精度を向上させ、高精度な同期電動機
のベクトル制御を行う。 【解決手段】磁束演算器８と、この演算係数をｄ軸磁束
に関与する電流，ｑ軸磁束に関与する電流に関係して変
化させるパラメータ演算器３３と、電機子鎖交磁束の各
軸成分の推定値と電機子電圧のｄ軸成分，ｑ軸成分を入
力して、磁束演算器８の演算係数を同定するパラメータ
同定器３０とを備え、高速回転域ではパラメータ同定器
３０による同定結果と同定時の電流値に基づきパラメー
タ演算器３３の関係値を修正し、パラメータ同定結果に
基づき磁束演算器８の演算係数を修正して磁束演算を行
い、また低速回転域では高速回転域で修正されたパラメ
ータ演算器３３からの出力値に基づき磁束演算器８の演
算係数を修正して磁束演算を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は同期電動機のベクト
ル制御システムにおける磁束演算器を備えた同期電動機
の制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、同期電動機のベクトル制御システ
ムに用いる磁束演算器には、電機子電流と界磁電流より
求める方法（電流モデルと呼ばれる）と、電機子電流と
電機子電圧より求める方法（電圧モデルと呼ばれる）を
用いたものの二つが知られている。

【０００３】図３は磁束演算器に電流モデルによる磁束
演算手段を用いた、従来の同期電動機ベクトル制御シス
テムの構成例である。図において１は速度指令発生器、
２は速度制御器、３は磁束指令演算器、４は界磁電流指
令演算器、５，６及び７は電流制御器、８は電流モデル
による磁束演算器、９は磁束位相演算器、１０，１１，
１２及び１３は座標変換器、１４，１５は電力変換器、
１６は界磁電流検出器、１７は電機子電流検出器、１８
は同期電動機、１９は該同期電動機１８の速度位置検出
器である。

【０００４】次に動作の概要について説明する。まず、
同期電動機１８の回転子速度は速度位置検出器１９によ
って検出され、速度は速度指令との偏差をとり速度制御
器２により速度指令に一致するように制御される。そし
て、速度制御ループの内側には図示のように電流制御ル
ープが設けられ、電流制御器５，６及び７により界磁電
流，電機子電流が制御される。同期電動機１８のベクト
ル制御では、磁極軸であるｄｑ座標から電機子反作用角
δだけ回転したＭＴ座標軸を用いる。ここで、ＭＴ軸は
φＴ＝０となるように選ぶ、即ちφｄ，φｑの合成ベク
トル方向をＭ軸とする。この時、電機子鎖交磁束ΦはＭ
軸にのみ存在するため（Φ＝φＭ）、φＭを制御するこ
とにより磁束が制御される。そして、磁束が一定の時、
トルクは電機子電流のＴ軸成分ＩＴに比例するため、Ｉ
Ｔを制御することによりトルクが制御される。また、電
機子電流のＭ軸成分ＩＭを零とすることで、磁束と電流
が直交（Φ⊥ＩＴ）し定常的に力率１に制御できる。こ
の時の座標軸の関係は図４のように示される。

【０００５】例えば、電機子電流検出器１７で検出した
３相の電動機相電流は回転子位置θを用いて座標変換器
１３により回転子座標（ｄｑ座標）に変換される。ＭＴ
座標を用いてベクトル制御を行う場合、ｄｑ軸上の磁束
φｄ，φｑに基づきＭＴ軸が決まるため、磁束φｄ，φ
ｑが必要である。しかし一般に、磁束は検出しないので
電流モデルを用いて数１，数２により磁束を推定する。
図５は図３の数１，数２に基づいて磁束を推定する磁束
演算器８の詳細を示すブロック図である。ここで、２
０，２１のＭｄ，Ｍｑは同期電動機１８のｄ軸，ｑ軸相
互インダクタンスを、２２のｌａは同期電動機１８の電
機子漏れインダクタンスを、２３，２４中のＴｄｋ，Ｔ
ｑｋ，Ｔｄｋσ，Ｔｑｋσは同期電動機１８のダンパ回
路定数を表す。

【０００６】

【数１】

【０００７】

【数２】

【０００８】次に、演算された磁束推定値を用いて、磁
束位相演算器９では座標変換に必要な三角関数値を次式
により演算する。

【０００９】

【数３】

【００１０】

【数４】

【００１１】そして、演算された三角関数値はＭＴ軸と
ｄｑ軸間の座標変換に用いられる。例えば、ｄｑ座標の
電流Ｉｄ，Ｉｑは座標変換器１１で次式によりＭＴ座標
に変換される。

【００１２】

【数５】

【００１３】界磁電流及び座標変換された電機子電流の
Ｍ軸成分，Ｔ軸成分は各々指令値との偏差をとり、電流
制御器５，６及び７を用いて制御される。電動機力率を
１に制御する場合、ＩＭ*＝０、ＩＴ*は速度制御器２の
出力、Ｉｆ* は界磁電流指令演算器４より出力される。
電流制御器６，７の出力は座標変換器１０で座標変換器
１１の逆変換を行い、ｄｑ座標の電圧指令Ｖｄ*，Ｖｑ*
を得る。電機子側の電圧指令Ｖｄ*，Ｖｑ*は座標変換器
１２で座標変換器１３の逆変換を行い３相交流電圧指令
Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ* となり電力変換器１５に入力さ
れ、電力変換器１５は同期電動機１８の電機子に電圧指
令に比例した電圧を印加する。界磁電圧指令は電力変換
器１４に入力され、電力変換器１４は同期電動機１８の
界磁に電圧を印加する。

【００１４】以上のように、同期電動機ベクトル制御装
置では、磁束演算器による電動機磁束推定値に基づいて
座標変換を行う。前述した電流モデル法では、演算係数
に電動機定数（相互インダクタンスなど）を用いて演算
を行うため、定数の設定ずれや鉄心飽和による実電動機
定数の変動が磁束演算誤差の原因となる。そして、磁束
演算誤差により、制御軸のずれが生じ、トルク制御精度
の劣化や電動機力率の低下を生じる問題がある。一方、
電圧モデル法では、検出した電動機電圧を積分して磁束
を演算することから、電動機定数の変動の影響は受け難
いが、低速回転域では電圧が小さくなるため演算精度が
低下する問題がある。

【００１５】上記の問題を解決するものとして、例え
ば、特開昭55−136890号，特開平4−101691号公報に記
載されたものがある。これは、電動機が回転状態即ち誘
起電圧が発生している場合には電圧モデルの出力値に従
って、電流モデルにおける磁束演算器の出力または入力
側に補正量を加えることにより、磁束の演算精度を向上
させるものである。しかし、誘起電圧が０または小さい
低速回転域では補正量は小さくなり、従来と同様に一定
の電動機定数を用いて演算することから、前述の問題が
残る。

【００１６】また、電流モデルに鉄心飽和を考慮した非
線形関数を組み込む方式（平成元年電気学会全国大会
Ｓ．８−３記載）があるが、設計値により設定するた
め、実運転時の飽和現象を全ての動作点で正確に模擬す
ることが困難であるという問題がある。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、前述
した従来方法における問題を解決し、特に低速回転域で
の磁束演算精度を向上させ、負荷時における電動機磁束
の指令値からの変動，トルク制御精度の劣化や電動機力
率の低下を防止することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】請求項記載の発明に係わ
る制御装置は、磁極方向をｄ軸とし、そのｄ軸と電気磁
気的に直交する方向をｑ軸とした座標系を設定し、ベク
トル制御を行うための磁束演算器を備えた同期電動機の
制御装置で、前記同期電動機の電機子電流のｄ軸成分，
ｑ軸成分と界磁電流から電機子鎖交磁束のｄ軸成分，ｑ
軸成分の推定値を算出する磁束演算器を備え、この演算
係数を、ｄ軸磁束に関与する電流（前記電機子電流のｄ
軸成分と界磁電流の和に相当）、ｑ軸磁束に関与する電
流（前記電機子電流のｑ軸成分に相当）に関係して変化
させるパラメータ演算器を備え、さらに少なくとも前記
電機子鎖交磁束の各軸成分の推定値と電機子電圧のｄ軸
成分，ｑ軸成分を入力して、前記磁束演算器の演算係数
を同定するパラメータ同定器とを設け、高速回転域では
パラメータ同定器による同定結果および同定時の電流値
に応じてパラメータ演算器の関係値を修正すると同時
に、パラメータ同定結果に基づき磁束演算器の演算係数
を修正して磁束を演算し、また低速回転域では前記パラ
メータ演算器からの出力値に基づき磁束演算器の演算係
数を修正して磁束を演算するものである。

【００１９】ｄ軸磁束及びｑ軸磁束は、それぞれｄ軸電
流と界磁電流の和及びｑ軸電流に応じて発生する。しか
し、この関係は線形ではなく鉄心飽和により非線形な特
性となる。即ち、磁束に関与するインダクタンスが固定
値でなく変化することとなる。請求項記載の発明におけ
る制御装置では、高速回転域でパラメータ同定器によ
り、この変化するインダクタンスを同定し、この同定結
果に基づき磁束演算器の演算係数を修正することによ
り、電動機定数のずれに起因する磁束演算の誤差が補正
され、電機子鎖交磁束のｄ軸成分，ｑ軸成分の精度が向
上する。また、同時に同定結果と同定時の電流値に基づ
き、パラメータ演算器に内在する、インダクタンス値対
電流値の関係を修正し、鉄心飽和によるインダクタンス
変化の関係を実運転で設定する。そして、低速回転域で
は実運転時のｄ軸電流，ｑ軸電流及び界磁電流に基づき
パラメータ演算器より電動機定数を索引し、これを磁束
演算器の演算係数に用いることにより、電動機定数のず
れに起因する磁束演算の誤差が補正され、電機子鎖交磁
束のｄ軸成分，ｑ軸成分の精度が向上する。従って、請
求項記載の発明における制御装置では、全ての回転域で
鉄心飽和による電動機定数の変動の影響を補償すること
ができ、磁束演算を高精度に行うことができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、この発明の一実施例を図を
用いて説明する。図１はこの発明を用いた同期電動機可
変速システムの構成例である。図１で、図３に示す従来
方式と異なる点は、磁束演算器の演算係数を、ｄ軸磁束
に関与する電流，ｑ軸磁束に関与する電流に関係して変
化させるパラメータ演算器３３、並びに電機子鎖交磁束
のｄ軸成分，ｑ軸成分の推定値，電機子電圧検出器３１
で検出した３相の電動機電圧を回転子位置θを用いて座
標変換器３２にて回転子座標（ｄｑ座標）に変換した電
機子電圧のｄ軸成分，ｑ軸成分，電機子電流のｄ軸成
分，ｑ軸成分，回転子回転速度およびｄ軸磁束に関与す
る電流，ｑ軸磁束に関与する電流を入力して、磁束演算
器の演算係数を同定するパラメータ同定器３０、並びに
速度により同定機構を切り離すための絶対値回路３４，
コンパレータ３５，切替器３６とを有している点であ
る。

【００２１】次に動作について説明する。従来の制御系
の動作については従来の技術にて説明済みなのでここで
は本発明に関する磁束演算部分のみ説明する。先ず、絶
対値回路３４により速度の絶対値をとり、そしてコンパ
レータ３５で設定速度と比較を行い、絶対値が設定速度
より大きい場合、即ち高速回転域では切替器３６をオン
にし、パラメータ同定器３０より出力される同定された
パラメータと同定時のｄ軸磁束に関与する電流，ｑ軸磁
束に関与する電流を用いてパラメータ演算器３３の関係
値を修正する。そして同時に同定されたパラメータに基
づき磁束演算器８中の演算係数を修正して磁束演算を行
う。また、速度の絶対値が設定速度より小さい場合、即
ち低速回転域では切替器３６をオフにし、パラメータ同
定器３０を切り離す。そして、高速回転域で修正された
パラメータ演算器３３を用いて、ｄ軸磁束に関与する電
流，ｑ軸磁束に関与する電流に基づいて演算されたパラ
メータに基づき磁束演算器８中の演算係数を修正して磁
束演算を行う。

【００２２】次に本発明におけるパラメータ同定器３
０，パラメータ演算器３３の構成と動作について詳細に
説明する。図２はこの発明の一実施例として、パラメー
タ同定器における同定パラメータを相互インダクタンス
Ｍｄ，Ｍｑとし、パラメータ演算器にパラメータテーブ
ルを用いた場合の同期電動機の磁束演算に関する部分の
詳細を示すブロック図である。図で、８は電流モデルに
よる磁束演算器、３０はパラメータ同定器、３３はパラ
メータ演算器、３６は切替器、４０は同期電動機１８の
電機子抵抗ｒａ、４１は微分器、４２は乗算器、４３は
積分器、４４は適応ゲインである。

【００２３】パラメータ同定器の動作は、先ず電機子電
流のｄ軸，ｑ軸成分と界磁電流に基づいて磁束演算器８
で演算された電機子鎖交磁束のｄ軸，ｑ軸成分の推定値
と回転子回転速度を用い、電機子電圧のｄ軸，ｑ軸成分
の推定値を次式にて演算する。

【００２４】

【数６】

【００２５】

【数７】

【００２６】そして、この電機子電圧のｄ軸，ｑ軸成分
の推定値と３１，３２を用いて検出した電機子電圧のｄ
軸，ｑ軸成分との偏差をとる。そして、この偏差に状態
量であるｄ軸磁束に関与する電流Ｉａ，ｑ軸磁束に関与
する電流Ｉｂと回転子回転速度及び適応ゲインを乗算し
た信号を積分することにより電動機のＭｄ，Ｍｑが同定
される。そして、高速回転域では切替器３６がオンとな
り、パラメータ同定器３０より出力される同定パラメー
タＭｄ，Ｍｑと同定時のｄ軸磁束に関与する電流Ｉａ，
ｑ軸磁束に関与する電流Ｉｂを用いてパラメータ演算器
３３のテーブルデータを修正する。そして同時にパラメ
ータ同定器３０より出力される同定パラメータＭｄ，Ｍ
ｑに基づき磁束演算器８中のパラメータＭｄ２０，Ｍｑ
２１を修正して磁束を演算する。また、低速回転域では
切替器３６がオフとなり、パラメータ同定器３０を切り
離すと同時に、同定器内の誤差電圧信号に零を入力し同
定器の積分を停止させる。そして、高速回転域で修正さ
れたパラメータ演算器３３のテーブルデータを用いて、
ｄ軸磁束に関与する電流Ｉａ，ｑ軸磁束に関与する電流
Ｉｂより演算されたパラメータＭｄ，Ｍｑに基づき磁束
演算器８中のパラメータＭｄ２０，Ｍｑ２１を修正して
磁束を演算する。尚、図２のパラメータ演算器３３のパ
ラメータテーブルをここでは１次元で表現しているが、
各パラメータがＩａ，Ｉｂにより変化する２次元のパラ
メータテーブルとしてもよい。

【００２７】次に、同定パラメータをＭｄ，Ｍｑとした
場合の、同定アルゴリズムの導出の一例について説明す
る。簡単化のためダンパ定数のずれはないものと仮定
し、次式で表される新たな状態量を定義する。

【００２８】

【数８】

【００２９】

【数９】

【００３０】この時、未知プラントである電動機の電圧
式は次式となる。

【００３１】

【数１０】

【００３２】

【数１１】

【００３３】上記表現に対し、未知パラメータベクトル
を可変パラメータベクトルで置き換えた同定モデルは次
式となる。

【００３４】

【数１２】

【００３５】

【数１３】

【００３６】数１０ないし数１３より誤差方程式は次式
となる。

【００３７】

【数１４】

【００３８】

【数１５】

【００３９】可調整パラメータは、ｔ→∞でε→０が補
償されるように調整される。そのための適応則としては
次式の形のものがよく用いられる。Γｐ＝０とした場合
は積分則、Γｐ＞０の場合は積分＋比例則と呼ばれる。

【００４０】

【数１６】

【００４１】ここで、抵抗及び漏れインダクタンスのず
れは小さく一致していると仮定すると、数１４，数１５
の誤差方程式は次式となる。

【００４２】

【数１７】

【００４３】

【数１８】

【００４４】また、数１６の適応則で積分形のパラメー
タ調整則を採用すると次式となる。

【００４５】

【数１９】

【００４６】

【数２０】

【００４７】Ｍｄ，Ｍｑ共２通りの調整アルゴリズムが
存在するが、状態量が微分値である点や同定誤差への影
響の度合いを考慮して、速度起電力分を状態量として扱
っているものを採用すると次式となる。

【００４８】

【数２１】

【００４９】

【数２２】

【００５０】以上、同定アルゴリズムの導出について説
明した。偏差である誤差電圧（これを同定誤差と呼ぶ）
は、定数ずれに起因する磁束演算誤差に対応しており、
従ってこの同定誤差が０となるように同定機構により電
流モデルによる磁束演算器中で使用している電動機定数
を同定し、同定結果に基づき磁束演算器８の演算係数を
修正することにより、定常的に電圧の偏差が零になり、
その時、磁束の偏差が零となって、電流モデルが算出す
る磁束が実際の磁束と一致する。

【００５１】尚、ここではＭｄ，Ｍｑのみを同定するア
ルゴリズムを示したが、他のパラメータを同定すること
も同様な手法により可能である。

【００５２】尚、ここでは同定結果に基づき、磁束演算
器中の演算係数のみを修正しているが、例えば界磁電流
指令演算器等の他の制御器中の係数を修正することも可
能である。

【００５３】尚、あらかじめパラメータ演算器の作成を
設計値または前述の構成でオフラインで行い、その後オ
ンラインで修正を行ってもよい。

【００５４】また、実施例ではパラメータ演算器にテー
ブルを用いたが、電流とパラメータ間の関係を表す関数
や電流を入力してパラメータを出力するニューラルネッ
トワークを用いてパラメータ演算を行ってもよい。

【００５５】

【発明の効果】本発明によれば、高速回転域ではパラメ
ータ同定器により電動機定数を同定し、同定結果に基づ
き磁束演算器の演算係数を変更すると同時にパラメータ
演算器を修正し、低速回転域では高速回転域で修正され
たパラメータ演算器により磁束を演算することにより、
全ての回転域で定数ずれが補正され、このため電機子鎖
交磁束のｄ軸成分，ｑ軸成分の精度が向上し、高精度な
ベクトル制御方式による可変速制御が行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による同期電動機可変速制御
システムのブロック図。

【図２】本発明の一実施例による同期電動機磁束オブザ
ーバのブロック図。

【図３】従来の同期電動機可変速制御システムのブロッ
ク図。

【図４】回転子座標（ｄｑ軸）と磁束座標（ＭＴ軸）の
関係を示す説明図。

【図５】電流モデルによる磁束演算器のブロック図。

【符号の説明】

８…電流モデルによる磁束演算器、９…磁束位相演算
器、１８…同期電動機、３０…パラメータ同定器、３３
…パラメータ演算器。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】磁極方向をｄ軸とし、そのｄ軸と電気磁気
   的に直交する方向をｑ軸とした座標系を設定し、ベクト
   ル制御を行うための磁束演算器を備えた同期電動機の制
   御装置において、前記同期電動機の電機子電流のｄ軸成
   分，ｑ軸成分と界磁電流から電機子鎖交磁束のｄ軸成
   分，ｑ軸成分の推定値を算出する磁束演算器の演算係数
   を、ｄ軸磁束に関与する電流，ｑ軸磁束に関与する電流
   に関係して変化させるパラメータ演算器を備え、さらに
   少なくとも前記電機子鎖交磁束の各軸成分の推定値と電
   機子電圧のｄ軸成分，ｑ軸成分を入力して、前記磁束演
   算器の演算係数を同定するパラメータ同定器を備え、高
   速回転域では前記パラメータ同定器による同定結果およ
   び同定時の電流値に応じて前記パラメータ演算器の関係
   値を修正すると同時に、パラメータ同定結果に基づき前
   記磁束演算器の演算係数を修正して磁束を演算し、また
   低速回転域では前記パラメータ演算器からの出力値に基
   づき前記磁束演算器の演算係数を修正して磁束を演算す
   ることを特徴とする同期電動機の制御装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載の前記パラメータ演算器に
   はパラメータテーブルを用い、高速回転域では前記パラ
   メータ同定器による同定結果および同定時の電流値に応
   じて前記パラメータテーブルを修正すると同時に、パラ
   メータ同定結果に基づき前記磁束演算器の演算係数を修
   正して磁束を演算し、また低速回転域では前記パラメー
   タテーブルからの出力値に基づき前記磁束演算器の演算
   係数を修正して磁束を演算する同期電動機の制御装置。
3. 【請求項３】請求項１に記載の前記パラメータ演算器に
   は、電流値とパラメータとの関係を表す関数を用い、高
   速回転域では前記パラメータ同定器による同定結果およ
   び同定時の電流値に応じて前記関数の係数値を修正する
   と同時に、パラメータ同定結果に基づき前記磁束演算器
   の演算係数を修正して磁束を演算し、また低速回転域で
   は前記関数の出力値に基づき前記磁束演算器の演算係数
   を修正して磁束を演算する同期電動機の制御装置。
4. 【請求項４】請求項１に記載の前記パラメータ演算器に
   は、電流値を入力しパラメータを出力とするニューラル
   ネットワークを用い、高速回転域では前記パラメータ同
   定器による同定結果を教師信号とし、前記ニューラルネ
   ットワークを学習すると同時に、パラメータ同定結果に
   基づき前記磁束演算器の演算係数を修正して磁束を演算
   し、また低速回転域では前記ニューラルネットワークの
   出力値に基づき前記磁束演算器の演算係数を修正して磁
   束を演算する同期電動機の制御装置。