JPWO2014171009A1 - 交流回転機の制御装置 - Google Patents

Abstract

交流回転機の制御装置は、交流回転機位置情報を用いて、検出電流ベクトルを電流指令ベクトルに一致させるように電圧指令ベクトルを作成する交流回転機制御手段と、前記電圧指令ベクトルに基づき、交流回転機に電圧を印加する電圧印加手段と、前記交流回転機における２次磁束ベクトルを演算する２次磁束ベクトル演算手段と、前記電圧指令ベクトル、前記検出電流ベクトル、及び前記２次磁束ベクトルに応じて、推定回転位置、及び推定速度を求めて出力する適応観測手段とを備え、前記適応観測手段は、前記２次磁束ベクトルの使用の有無を切換ゲインで切換可能であり、前記適応観測手段は、前記切換ゲインが切換わる際に生じる推定速度の変動分を補償する補償手段を有する。

Description

本発明は、交流回転機の制御装置に関する。

交流回転機の電圧および電流を回転２軸座標（ｄ−ｑ軸）上で扱い、永久磁石同期回転機を初めとする交流回転機の発生トルクを高応答・高精度で制御する手法として、公知であるベクトル制御がある。永久磁石同期回転機をベクトル制御する場合、電圧および電流の座標変換を施す際にロータ回転位置情報を用いるため、交流回転機に位置センサを取り付ける必要がある。しかし、位置センサを取り付けることにより、コストの増加、交流回転機寸法の増大、メンテナンス性の低下等のデメリットがある。そこで、このデメリットを解消するため、制御装置内で回転位置を推定することにより、位置センサレスでベクトル制御を行う手法が開発されている。

特許文献１には、同期電動機の制御装置において、適応オブザーバが、回転二軸座標（ｄ−ｑ軸）上のｄ軸電圧指令、ｑ軸電圧指令、ｄ軸電流、及びｑ軸電流に基づいて回転子の角周波数を求めて出力し、積分器が回転子の角周波数を積分して回転子の回転位置を求めて出力することが記載されている。これにより、特許文献１によれば、適応オブザーバを回転二軸座標上で構成しているので、高い回転速度で運転する時でも適応オブザーバに入力される電圧の周波数成分を直流にでき、安価な計算機を用いる場合であっても、高い回転速度で同期電動機を制御できるとされている。

特許文献２には、交流回転機の制御装置において、適応観測手段が、増幅偏差ベクトル、電流偏差ベクトル、及び電圧指令ベクトルに基づいて、推定磁束位相、推定電流ベクトル、推定磁束ベクトル、及び推定速度を出力することが記載されている。このとき、回転位置検出手段が交流回転機の回転位置を検出し、磁束ベクトル検出手段がその検出された回転位置から磁束ベクトルを検出して検出磁束ベクトルを適応観測手段へ出力する。適応観測手段は、推定速度が小さい速度範囲では、検出磁束ベクトル及び推定磁束ベクトルの磁束偏差ベクトルに乗算する増幅ゲインに所定の大きさを持たせ、それ以外の速度範囲では、磁束偏差ベクトルに乗算する増幅ゲインを零にする。これにより、特許文献１によれば、低速の速度範囲において、確実に発生する磁束偏差ベクトルを介して推定磁束位相の演算を実行して確実に交流回転機を制御でき、高速の速度範囲において、回転位置検出手段の位置検出精度が低下しても検出磁束ベクトルを利用することなく推定磁束位相を演算するので安定して交流回転機を制御できるとされている。

国際公開第２００２／０９１５５８号 国際公開第２０１０／１０９５２８号

特許文献１は、回転２軸座標上で動作する適応観測器により永久磁石同期回転機の回転位置および速度を推定し、位置センサレス制御を実現する手法について述べられている。しかし、零速において適応観測器の推定誤差である電流偏差が発生しないため、回転位置の推定が困難になる可能性がある。また、低速域において電圧誤差もしくは定数誤差の影響により、安定性および駆動性能が低下する可能性がある。

特許文献２では、第２の回転位置検出手段、例えば交流回転機に直接取り付ける回転位置検出器もしくは永久磁石同期回転機の突極性を利用し推定された位置情報により作成した回転機２次磁束ベクトルを適応観測器に与えることにより、零速を含む低速域で安定に適応観測器を動作させる手法について述べられている。本方式は、適応観測器が単独で回転位置を推定可能な中・高速域においては、磁束偏差ベクトルに乗算する増幅ゲインを０とすることで、第２の回転位置検出手段を利用せずに適応観測器のみを動作させるよう切換えることが可能である。

特許文献２に記載の発明は、特許文献１の問題を解決できるが、速度推定器の入力に第２の回転位置検出手段により作成した回転機２次磁束ベクトルが追加されるため、増幅ゲインを０とし、適応観測器単独動作に切換える際に、速度推定器の入力から回転機２次磁束ベクトルを含む項が瞬時に消失し、推定速度の不連続性が増大する可能性がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、推定速度の不連続性を抑制できる交流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、本発明の１つの側面にかかる交流回転機の制御装置は、交流回転機位置情報を用いて、検出電流ベクトルを電流指令ベクトルに一致させるように電圧指令ベクトルを作成する交流回転機制御手段と、前記電圧指令ベクトルに基づき、交流回転機に電圧を印加する電圧印加手段と、前記交流回転機における２次磁束ベクトルを演算する２次磁束ベクトル演算手段と、前記電圧指令ベクトル、前記検出電流ベクトル、及び前記２次磁束ベクトルに応じて、推定回転位置、及び推定速度を求めて出力する適応観測手段とを備え、前記適応観測手段は、前記２次磁束ベクトルの使用の有無を切換ゲインで切換可能であり、前記適応観測手段は、前記切換ゲインが切換わる際に生じる推定速度の変動分を補償する補償手段を有することを特徴とする。

本発明によれば、補償手段は、切換ゲインが切換わる際に生じる推定速度の変動分を補償する。例えば、積分加算量演算器は、切換ゲインが切換わる際に生じる推定速度の変動分を補償するように補償量を演算し、その補償量を用いて加算量を生成して速度推定器へ供給する。これにより、速度推定器が、比例積分制御を行い比例積分制御の結果における積分項にその加算量を加算して推定速度を求めることができる。すなわち、切換ゲインが切換わる際に生じる推定速度の変動分を補償しながら推定速度をもとめることができるので、推定速度の不連続性を抑制できる。

図１は、実施の形態１にかかる交流回転機の制御装置の構成を示す図である。 図２は、実施の形態１における適応観測器の構成を示す図である。 図３は、実施の形態１における２次磁束ベクトルを示したベクトル図である。 図４は、実施の形態１における切換ゲインＫｗと推定速度ωｒ＾の関係を示した図である。 図５は、実施の形態１における動作を、横軸を時間として示した図である。 図６は、実施の形態２における適応観測器の構成を示す図である。 図７は、実施の形態２において減衰器を１次遅れ要素とした場合の加算量α’を示す図である。 図８は、実施の形態２において減衰器を直線減衰とした場合の加算量α’を示す図である。 図９は、実施の形態３における適応観測器の構成を示す図である。 図１０は、実施の形態３におけるＫｗｆｉｌの動作を示す図である。

以下に、本発明にかかる交流回転機の制御装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
実施の形態１にかかる交流回転機の制御装置１００について説明する。

制御装置１００は、交流回転機（例えば、永久磁石同期回転機）Ｍを可変速駆動する制御装置である。例えば、制御装置１００は、適応観測手段（例えば、適応観測手段３３）による推定回転位置および異なる第２の手段（例えば、回転位置検出手段３４）により検出された交流回転機Ｍの検出回転位置を併用し、ベクトル制御を行う機能を有する。

具体的には、制御装置１００は、図１に示す構成を有する。図１は、交流回転機の制御装置１００の全体構成を示す図である。以下の説明において、適応観測器１１が推定する回転機２次磁束ベクトルの方向をｄ軸とし、それに直交する方向をｑ軸とする。また、例えば、任意の固定２軸直交座標系としてα軸―β軸座標系を考え、例えばα軸を０［ｒａｄ］とし、位相はα軸からｄ軸までの角度とする。このとき、固定３軸直交座標系（ｕ軸−ｖ軸−ｗ軸座標系）のｕ軸とα軸とが一致していてもよい。

制御装置１００は、交流回転機制御手段３１、電圧印加手段５、電流検出手段６、回転位置検出手段３４、２次磁束ベクトル演算手段３２、及び適応観測手段３３を備える。

交流回転機制御手段３１は、交流回転機位置情報を用いて、検出電流ベクトルを電流指令ベクトルに一致させるように電圧指令ベクトルを作成する。例えば、交流回転機制御手段３１は、ｉｄ指令演算器１、速度制御器２、３相／２相変換器８、電流制御器３、及び２相／３相変換器４を有する。

ｉｄ指令演算器１は、ｉｄを常に０に制御するｉｄ＝０制御等によりｄ軸電流指令ｉｄ＊を作成する。ｉｄ指令演算器１は、作成されたｄ軸電流指令ｉｄ＊を電流制御器３へ供給する。

速度制御器２は、速度指令ω＊を外部（例えば、図示しない上位のコントローラ）から受け、推定速度ωｒ＾を適応観測手段３３から受ける。速度制御器２は、推定速度ωｒ＾を速度指令ω＊に追従させるようにｑ軸電流指令ｉｑ＊を作成する。速度制御器２は、作成されたｑ軸電流指令ｉｑ＊を電流制御器３へ供給する。

３相／２相変換器８は、検出された電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを電流検出手段６から受け、交流回転機位置情報として推定回転位置θ１を適応観測手段３３から受ける。２相／３相変換器４は、推定回転位置θ１に基づいて、ｕ軸−ｖ軸−ｗ軸座標系（固定座標系）の検出電流ベクトル（ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）をｄ軸−ｑ軸座標系（回転座標系）の検出電流ベクトル（ｉｄ，ｉｑ）に座標変換する。３相／２相変換器８は、変換された検出電流ベクトル（ｉｄ，ｉｑ）を電流制御器３及び適応観測手段３３へ供給する。

電流制御器３は、ｄ軸電流指令ｉｄ＊をｉｄ指令演算器１から受け、ｑ軸電流指令ｉｑ＊を速度制御器２から受け、ｄ軸検出電流ｉｄ及びｑ軸検出電流ｉｑを３相／２相変換器８から受ける。電流制御器３は、ｄ軸検出電流ｉｄをｄ軸電流指令ｉｄ＊に追従させるようにｄ軸電圧指令ｖｄ＊を作成するとともに、ｑ軸検出電流ｉｑをｑ軸電流指令ｉｑ＊に追従させるようにｑ軸電圧指令ｖｑ＊を作成する。

すなわち、電流制御器３は、検出電流ベクトル（ｉｄ，ｉｑ）を電流指令ベクトル（ｉｄ＊，ｉｑ＊）に一致させるように、電圧指令ベクトル（ｖｄ＊，ｖｑ＊）を作成する。電流制御器３は、作成された電圧指令ベクトル（ｖｄ＊，ｖｑ＊）を、２相／３相変換器４及び適応観測手段３３に出力する。

２相／３相変換器４は、電圧指令ベクトル（ｖｄ＊，ｖｑ＊）を電流制御器３から受け、交流回転機位置情報として推定回転位置θ１を適応観測手段３３から受ける。２相／３相変換器４は、推定回転位置θ１に基づいて、ｄ軸−ｑ軸座標系（回転座標系）の電圧指令ベクトル（ｖｄ＊，ｖｑ＊）をｕ軸−ｖ軸−ｗ軸座標系（固定座標系）の電圧指令ベクトル（ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊）に座標変換する。２相／３相変換器４は、変換された電圧指令ベクトル（ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊）を電圧印加手段５へ供給する。

電圧印加手段５は、電圧指令ベクトル（ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊）を２相／３相変換器４から受ける。電圧印加手段５は、電圧指令ベクトル（ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊）に基づいて、交流回転機Ｍに電圧を印加する。これに応じて、電圧印加手段５から交流回転機Ｍに電力が供給され、交流回転機Ｍが駆動される。

電流検出手段６は、交流回転機に流れる電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを検出する。電流検出手段６は、例えば複数の電流検出器（例えば、複数のカレントトランス）６ｕ〜６ｗを有し、複数の電流検出器６ｕ〜６ｗを用いて、交流回転機に流れる電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを検出する。電流検出手段６は、検出された電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを３相／２相変換器８に供給する。

回転位置検出手段３４は、交流回転機の回転位置θｒを検出する。回転位置検出手段３４は、例えば回転位置検出器（例えば、エンコーダ）９を有し、回転位置検出器９を用いて、交流回転機の回転位置θｒを検出する。回転位置検出手段３４は、検出回転位置θｒを２次磁束ベクトル演算手段３２へ供給する。

２次磁束ベクトル演算手段３２は、検出回転位置θｒ及び推定回転位置θ１に応じて、例えば検出回転位置θｒ及び推定回転位置θ１の偏差に応じて、交流回転機Ｍにおける２次磁束ベクトルを演算する。例えば、２次磁束ベクトル演算手段３２は、減算器２２及び２次磁束演算器１０を有する。

減算器２２は、検出回転位置θｒを回転位置検出手段３４から受け、推定回転位置θ１を適応観測手段３３から受ける。減算器２２は、検出回転位置θｒから推定回転位置θ１を減算して位置偏差Δθを求めて２次磁束演算器１０へ供給する。

２次磁束演算器１０は、位置偏差Δθを減算器２２から受ける。２次磁束演算器１０は、位置偏差Δθから、ｄｑ軸２次磁束ベクトルφｒＬ＾を作成する。２次磁束演算器１０は、ｄｑ軸２次磁束ベクトルφｒＬ＾を適応観測手段３３に供給する。

適応観測手段３３は、電圧指令ベクトル（ｖｄ＊，ｖｑ＊）、検出電流ベクトル（ｉｄ，ｉｑ）、及びｄｑ軸２次磁束ベクトルφｒＬ＾に応じて、推定回転位置θ１、及び推定速度ωｒ＾を求めて出力する。例えば、適応観測手段３３は、適応観測器１１及び積分器７を有する。

適応観測器１１は、電圧指令ベクトル（ｖｄ＊，ｖｑ＊）を交流回転機制御手段３１の電流制御器３から受け、検出電流ベクトル（ｉｄ，ｉｑ）を交流回転機制御手段３１の３相／２相変換器８から受け、ｄｑ軸２次磁束ベクトルφｒＬ＾を２次磁束ベクトル演算手段３２の２次磁束演算器１０から受ける。適応観測器１１は、電圧指令ベクトル（ｖｄ＊，ｖｑ＊）、検出電流ベクトル（ｉｄ，ｉｑ）、及びｄｑ軸２次磁束ベクトルφｒＬ＾から、推定速度ωｒ＾及び推定１次角周波数ω１を求める。適応観測器１１は、推定速度ωｒ＾を交流回転機制御手段３１の速度制御器２へ供給し、推定１次角周波数ω１を積分器７へ供給する。

積分器７は、１次角周波数ω１を適応観測器１１から受ける。積分器７は、推定１次角周波数ω１を積分して推定回転位置θ１を求める。積分器７は、推定回転位置θ１を、交流回転機制御手段３１の３相／２相変換器８、２相／３相変換器４、及び２次磁束ベクトル演算手段３２の減算器２２へそれぞれ供給する。

次に、適応観測器１１の内部構成について図２を用いて説明する。図２は、適応観測器１１の内部構成を示す図である。

適応観測器１１は、図２に示すように、磁束・電流推定器１２、速度推定器１３、Ｋｗ演算器１４、及び積分加算量演算器１５を有する。

磁束・電流推定器１２は、電圧指令ベクトル（ｖｄ＊，ｖｑ＊）を交流回転機制御手段３１の電流制御器３から受け、検出電流ベクトル（ｉｄ，ｉｑ）を交流回転機制御手段３１の３相／２相変換器８から受け、ｄｑ軸２次磁束ベクトルφｒＬ＾を２次磁束ベクトル演算手段３２の２次磁束演算器１０から受ける。また、磁束・電流推定器１２は、速度推定器１３から推定速度ωｒ＾を受ける。

磁束・電流推定器１２は、電圧指令ベクトル（ｖｄ＊，ｖｑ＊）、検出電流ベクトル（ｉｄ，ｉｑ）、ｄｑ軸２次磁束ベクトルφｒＬ＾、及び推定速度ωｒ＾から、推定１次磁束ベクトルφｓ＾、推定２次磁束ベクトルφｒ＾及び推定１次電流ベクトルｉｓ＾を演算する。そして、磁束・電流推定器１２は、検出１次電流ベクトルｉｓ＝（ｉｄ，ｉｑ）と推定１次電流ベクトルｉｓ＾との電流偏差ｅｓを演算する。磁束・電流推定器１２は、電流偏差ｅｓを速度推定器１３へ供給するとともに、推定２次磁束ベクトルφｒ＾を速度推定器１３及び積分加算量演算器１５へ供給する。

速度推定器（比例積分制御器）１３は、電流偏差ｅｓ及び推定２次磁束ベクトルφｒ＾を磁束・電流推定器１２から受け、ｄｑ軸２次磁束ベクトルφｒＬ＾を２次磁束ベクトル演算手段３２の２次磁束演算器１０から受ける。また、速度推定器１３は、加算量αを積分加算量演算器１５から受け、切換ゲインＫｗをＫｗ演算器１４から受ける。

速度推定器１３は、電流偏差ｅｓ、推定２次磁束ベクトルφｒ＾、ｄｑ軸２次磁束ベクトルφｒＬ＾、及び切換ゲインＫｗから比例積分制御を行い、比例積分制御の結果における積分項に加算量αを加算して、推定速度ωｒ＾を求める。速度推定器１３は、推定速度ωｒ＾を、磁束・電流推定器１２及びＫｗ演算器１４に供給するとともに、交流回転機制御手段３１の速度制御器２に出力する。

Ｋｗ演算器１４は、推定速度ωｒ＾を速度推定器１３から受ける。Ｋｗ演算器１４は、推定速度ωｒ＾に基づき、切換ゲインＫｗを作成する。例えば、Ｋｗ演算器１４は、推定速度ωｒ＾に基づき、切換ゲインＫｗを２値的に切り換える。

例えば、Ｋｗ演算器１４は、推定速度ωｒ＾が閾値ωｋ２を超えて大きくなったら、切換ゲインＫｗを第１の値から第２の値に切り換える。第１の値は、０より大きい値であって、例えば、１である。第２の値は、第１の値より０に近い値であって、例えば、０である。例えば、Ｋｗ演算器１４は、推定速度ωｒ＾が閾値ωｋ１を超えて小さくなったら、切換ゲインＫｗを第２の値から第１の値に切り換える。

なお、上り方向の閾値ωｋ２と下り方向の閾値ωｋ１とは、例えば、互いにことなる値であってもよい。例えば、図４に示すように、閾値ωｋ２は、閾値ωｋ１より大きな値であってもよい。

Ｋｗ演算器１４は、切換ゲインＫｗを積分加算量演算器１５及び速度推定器１３へ供給する。

積分加算量演算器１５は、推定２次磁束ベクトルφｒ＾を磁束・電流推定器１２から受け、切換ゲインＫｗをＫｗ演算器１４から受け、ｄｑ軸２次磁束ベクトルφｒＬ＾を２次磁束ベクトル演算手段３２の２次磁束演算器１０から受ける。積分加算量演算器１５は、切換ゲインＫｗの変化に応じて、速度推定器（比例積分制御器）１３の積分項に加算する加算量αを演算する。積分加算量演算器１５は、加算量αを速度推定器１３へ供給する。

以下に、本発明の動作について説明する。ただし、ｉｄ指令演算器１、速度制御器２、電流制御器３、２相／３相変換器４、電圧印加手段５、電流検出手段６、交流回転機Ｍ、３相／２相変換器８、回転位置検出器９は、本発明の本質ではないため、動作の詳細説明を省略する。

２次磁束演算器１０は、図３に示すように、回転位置検出器９により取得された検出回転位置θｒと適応観測器１１で推定された推定回転位置θ１との偏差である位置偏差Δθから、下記の数式２，３に示す演算を行い、下記の数式１に示すｄｑ軸２次磁束ベクトルφｒＬ＾を作成する。

例えば、任意の固定２軸直交座標系としてα軸―β軸座標系を考えると、数式２に示すｄ軸２次磁束φｄｒＬ＾、数式３に示すｑ軸２次磁束φｑｒＬ＾、数式１に示すｄｑ軸２次磁束ベクトルφｒＬ＾は、ぞれぞれ、図３に示すように表される。

なお、数式２，３において、φｆは予め制御装置１００に設定された誘起電圧定数である。また、適応観測手段３３による推定回転位置θ１と回転位置検出手段３４による検出回転位置θｒとがあれば位置偏差Δθおよび２次磁束ベクトルを求めることができるため、θｒを得る手段は本発明の本質ではない。検出回転位置θｒを得る他の手段として、例えば交流回転機Ｍが永久磁石同期回転機である場合に交流回転機Ｍの突極性を利用した位置推定手段がある。すなわち、回転位置検出手段３４は、回転位置検出器９に代えて交流回転機Ｍの突極性を利用した位置推定手段を有していてもよい。また、その突極性を利用する場合、位置偏差Δθを直接求める方式とすることも可能であるが、その場合にも本発明は適用可能である。

磁束・電流推定器１２は、例えば数式４、数式５、数式８、数式９により、電圧指令ベクトル（ｖｄ＊，ｖｑ＊）、検出電流ベクトル（ｉｄ，ｉｑ）、ｄｑ軸２次磁束ベクトルφｒＬ＾、及び推定速度ωｒ＾から、推定１次磁束ベクトルφｓ＾、推定２次磁束ベクトルφｒ＾及び推定１次電流ベクトルｉｓ＾を演算する。そして、磁束・電流推定器１２は、例えば数式６により、検出１次電流ベクトルｉｓ＝（ｉｄ，ｉｑ）と推定１次電流ベクトルｉｓ＾との電流偏差ｅｓを演算する。このとき、磁束・電流推定器１２は、例えば数式７により、推定２次磁束ベクトルφｒ＾とｄｑ軸２次磁束ベクトルφｒＬ＾との磁束偏差ｅｒをさらに演算してもよい。

ここで、φｓ＾は推定１次磁束ベクトル、φｒ＾は推定２次磁束ベクトル、ｖｓは１次電圧ベクトル、ｉｓ＾は推定１次電流ベクトル、ｉｓは検出１次電流ベクトル、Ｒは１次抵抗、Ｌは１次巻線インダクタンス、ｈ１、ｈ２、ｈ３、ｈ４は適応観測器ゲインである。

速度推定器３は、数式１０に示すＰＩ制御（比例積分制御）を行い、比例積分制御の結果における積分項（数式１０における１／ｓに関連した項）に数式１１に示す加算量αを加算して、推定速度ωｒ＾を求める。

ここで、ＫａｐはＰＩ制御器比例ゲイン、ωａｐｉはＰＩ制御器折れ点角周波数、ｓはラプラス演算子、Ｋｗは切換ゲインであり、ωｒ＾’は、加算量αが加算される前の推定速度である。

Ｋｗ演算器１４は、推定速度ωｒ＾に基づき、切換ゲインＫｗを作成する。図４に、切換ゲインＫｗと推定速度ωｒ＾との関係を示す。閾値ωｋ１は、推定速度ωｒ＾が小さくなっていく際の下り方向において切換を行う速度である。閾値ωｋ２は、推定速度ωｒ＾が大きくなっていく際の上り方向において切換を行う速度である。図４に示すように、閾値ωｋ１及び閾値ωｋ２の間にヒステリシス特性を持たせることで、推定速度ωｒ＾の振動成分により切換ゲインＫｗが高速に変化を繰り返さないようにすることができ、切換ゲインＫｗの切り換え動作を安定化できる。

積分加算量演算器１５は、切換ゲインＫｗの値を参照し、加速度推定器のＰＩ制御器積分項に加算する加算量αを演算する。数式１１に加算量αに用いるべき補償量Δωｒの演算式を示す。補償量Δωｒは、数式１１において、切換ゲインＫｗが切換わった際に変化する量に対応している。すなわち、積分加算量演算器１５は、切換ゲインＫｗが切換わる際に生じる推定速度ωｒ＾’の変動分を補償するように補償量Δωｒを演算し、補償量Δωｒを用いて加算量αを生成して速度推定器１３へ供給する。これにより、速度推定器１３は、比例積分制御を行い、比例積分制御の結果における積分項に加算量αを加算して、推定速度ωｒ＾を求める。

例えば、速度推定器１３は、比例積分制御器１３ａ、加算器１３ｂ、整定器１３ｃを有する。比例積分制御器１３ａは、例えば数式１０に示すような比例積分制御を行って推定速度ωｒ＾’を演算して加算器１３ｂへ供給する。整定器１３ｃは、積分加算量演算器１５から受けた加算量αを例えば比例積分制御器１３ａに設定された応答性で整定させながら、整定された加算量αを加算器１３ｂへ供給する。加算器１３ｂは、推定速度ωｒ＾’に加算量αを加算して推定速度ωｒ＾を求める。

例えば、積分加算量演算器１５は、切換ゲインＫｗが第１の値（例えば、１）から第２の値（例えば、０）に切換わることを認識した場合、補償量Δωｒが加速度推定器１３のＰＩ制御器の積分項に加算されるように、加算量α＝＋Δωｒとする（図５参照）。例えば、積分加算量演算器１５は、逆に、切換ゲインＫｗが第２の値（例えば、０）から第１の値（例えば、１）に切換わることを認識した場合、補償量Δωｒが加速度推定器１３のＰＩ制御器の積分項から減算されるように、加算量α＝−Δωｒとする（図５参照）。

図５は、本実施の形態の加減速時における主要変数の動作を、横軸を時間として記したものである。各区間に対し、動作の説明のためＴＰ１〜ＴＰ５の番号を付した。ＴＰ１は停止から加速し、切換ゲインＫｗが第１の値（例えば、１）から第２の値（例えば、０）に切換わるまでの区間である。ＴＰ２は、切換ゲインＫｗが第２の値（例えば、０）に切換わってから加速終了するまでの区間である。ＴＰ３は加速終了から減速開始までの区間である。ＴＰ４は、減速開始からＫｗが第２の値（例えば、０）から第１の値（例えば、１）に切換わるまでの区間である。ＴＰ５は切換ゲインＫｗが第１の値（例えば、１）に切換わってから停止するまでの区間である。

例えば、切換ゲインＫｗが第１の値（例えば、１）から第２の値（例えば、０）に切換わる加速時の動作は次のようになる。区間ＴＰ１から区間ＴＰ２に移行する際、積分項に数式１１で示す補償量Δωｒに応じた加算量α＝＋Δωｒを加算する。これにより、図５に示すように、推定速度ωｒ＾の連続性を保持できる。積分項は、区間ＴＰ２以降において、速度推定のＰＩ制御器に設定された応答性で整定する。例えば、加速度推定器１３では、積分項に、数式１１で示す補償量Δωｒに応じた加算量αとして、＋Δωｒから徐々に（例えばＰＩ制御器に設定された応答性で）０に近づいていく値を加算する。

例えば、切換ゲインＫｗが第２の値（例えば、０）から第１の値（例えば、１）に切換わる減速時の動作は次のようになる。区間ＴＰ４から区間ＴＰ５に移行する際、積分項に数式１１で示す補償量Δωｒに応じた加算量α＝−Δωｒを加算する。これにより、図５に示すように、推定速度ωｒ＾の連続性を保持できる。積分項は、区間ＴＰ５以降において、速度推定のＰＩ制御器に設定された応答性で整定する。例えば、加速度推定器１３では、積分項に、数式１１で示す補償量Δωｒに応じた加算量αとして、−Δωｒから徐々に（例えば、ＰＩ制御器に設定された応答性で）０に近づいていく値を加算する。

このような作用により、切換ゲインＫｗ切換時の速度推定の不連続を抑制でき、滑らかな加減速を実現することができる。

ここで、仮に、適応観測手段３３が積分加算量演算器１５を有しない場合を考える。この場合、例えば、適応観測手段３３において速度制御器１３が推定速度ωｒ＾’を演算すると、切換ゲインＫｗが第１の値（例えば、１）から第２の値（例えば、０）に切換わる加速時に、例えば数式１０に示すように、ｄｑ軸２次磁束ベクトルφｒＬ＾を含む項が瞬時に消失し、図５に一点鎖線で示すように、区間ＴＰ１から区間ＴＰ２にかけて推定速度ωｒ＾’の不連続性が増大する可能性がある。あるいは、例えば、適応観測手段３３において速度制御器１３が推定速度ωｒ＾’を演算すると、切換ゲインＫｗが第２の値（例えば、０）から第１の値（例えば、１）に切換わる加速時に、例えば数式１０に示すように、消失していたｄｑ軸２次磁束ベクトルφｒＬ＾を含む項が瞬時に出現し、図５に一点鎖線で示すように、区間ＴＰ４から区間ＴＰ５にかけて推定速度ωｒ＾’の不連続性が増大する可能性がある。

それに対して、実施の形態１では、交流回転機Ｍの制御装置１００において、適応観測手段３３が積分加算量演算器１５を有する。積分加算量演算器１５及び速度推定器１３は、切換ゲインが切換わる際に生じる推定速度の変動分を補償する。例えば、積分加算量演算器１５は、切換ゲインＫｗが切換わる際に生じる推定速度ωｒ＾’の変動分を補償するように補償量Δωｒを演算し、補償量Δωｒを用いて加算量αを生成して速度推定器１３へ供給する。これにより、速度推定器１３が、比例積分制御を行い比例積分制御の結果における積分項に加算量αを加算して推定速度ωｒ＾を求めることができるので、推定速度ωｒ＾の不連続性を抑制できる。したがって、切換ゲインＫｗの切換え時の速度推定の不連続を解消でき、滑らかな加減速を実現することができる。

また、実施の形態１では、交流回転機Ｍの制御装置１００において、適応観測手段３３が、検出電流ベクトルｉｓ＝（ｉｄ，ｉｑ）及び推定電流ベクトルｉｓ＾の偏差ベクトルｅｓを無くすように速度推定器（比例積分制御器）１３で比例積分制御して速度を推定する。このとき、積分加算量演算器１５は、切換ゲインＫｗが切換わる際に生じる推定速度ωｒ＾’の変動分を補償するように補償量Δωｒを演算し、補償量Δωｒを用いて加算量αを生成して速度推定器１３へ供給する。速度推定器１３は、比例積分制御器１３ａの積分項に推定速度の変動分を加算し、比例積分制御器１３ａに設定された応答性で整定させる。これにより、切換ゲインＫｗの切換え時における推定速度ωｒ＾の連続性を向上できる。

実施の形態２．
次に、実施の形態２にかかる交流回転機Ｍの制御装置２００について説明する。以下では、実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。

実施の形態１では、積分加算量演算器１５により演算した加算量αを比例積分制御器１３ａに設定された応答性で整定させているが、実施の形態２では、加算量α自体に任意の減衰特性を持たせる。

具体的には、制御装置２００の適応観測手段２３３は、適応観測器１１（図２参照）に代えて、図６に示すような適応観測器２１１を有する。適応観測器２１１は、速度推定器１３（図２参照）に代えて速度推定器２１３を有し、加算器２１８及び減衰器２１９をさらに有する。図６は、適応観測器２１１の内部構成を示す図である。

速度推定器２１３は、例えば、加算器１３ｂ及び整定器１３ｃを有しない。例えば、速度推定器２１３の比例積分制御器１３ａは、比例積分制御を行い、求めた推定速度ωｒ＾’を加算器２１８に供給する。

減衰器２１９は、積分加算量演算器１５によって得られた加算量αに任意の減衰特性を与え、減衰された加算量α’を加算器２１８に出力する。

加算器２１８は、推定速度ωｒ＾’と減衰された加算量α’とを加算して、推定速度ωｒ＾を作成する。加算器２１８は、推定速度ωｒ＾を、磁束・電流推定器１２及びＫｗ演算器１４に供給するとともに、交流回転機制御手段３１の速度制御器２に出力する。

例えば、減衰器２１９を数式１２で示す１次遅れ要素とした場合の動作について説明する。図７に、横軸を時間にとった場合の加算量α’の動作を示す。切換時刻Ｔｋにおいて減衰器２１９に加算量αが与えられ、その後は、減衰器２１９が加算量αを数式１２に示す特性で減衰させる。減衰器２１９で減衰された加算量α’は、速度推定器２１３の出力（すなわち、推定速度ωｒ＾’）に加算され、推定速度ωｒ＾が作成される。

数式１２において、τは時定数、ｓはラプラス演算子である。

あるいは、例えば、減衰器２１９を直線減衰特性とした場合の動作について説明する。図８に、減衰器２１９を直線減衰特性とした場合の減衰された加算量α’の動作を示す。切換時刻Ｔｋにおいて減衰器２１９に加算量αが与えられ、その後は、減衰器２１９が加算量αを任意の減衰時間βで直線的に０まで減衰させる。減衰器２１９で減衰された加算量α’は、速度推定器２１３の出力（すなわち、推定速度ωｒ＾’）に加算され、推定速度ωｒ＾が作成される。

このような作用により、切換ゲインＫｗの切換時の速度推定の不連続を解消でき、滑らかな加減速を実現することができる。

以上のように、実施の形態２では、交流回転機Ｍの制御装置２００において、適応観測手段２３３が、入力された信号を任意の特性で減衰させる減衰器２１９を有する。減衰器２１９は、加算量αを任意の減衰特性で減衰させて加算器２１８に供給する。加算器２１８は、速度推定器２１３で演算された推定速度ωｒ＾’に、減衰器２１９で減衰された加算量α’を加算して、推定速度ωｒ＾を求める。これにより、推定速度ωｒ＾の不連続性をさらに抑制できる。

また、実施の形態２では、適応観測手段２３３において、減衰器２１９が、例えば、１次遅れ特性を有する。これにより、速度推定器２１３で演算された推定速度ωｒ＾’に１次遅れ特性で減衰された加算量α’を加算して、推定速度ωｒ＾を求めることができる。したがって、推定速度ωｒ＾の不連続性が１次遅れ特性に対応したものである場合に、推定速度ωｒ＾の不連続性を効果的に抑制できる。

また、実施の形態２では、適応観測手段２３３において、減衰器２１９が、例えば、直線減衰特性を有する。これにより、速度推定器２１３で演算された推定速度ωｒ＾’に減衰器２１９で直線減衰特性で減衰された加算量α’を加算して、推定速度ωｒ＾を求めることができる。したがって、減衰器２１９を簡易に構成できる。

実施の形態３．
次に、実施の形態３にかかる交流回転機Ｍの制御装置３００について説明する。以下では、実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。

実施の形態１では、積分加算量演算器１５により演算した加算量αを、速度推定器１３の比例積分制御器１３ａの積分項に加算することで推定速度ωｒ＾の連続性の確保を図っているが、実施の形態３では、切換ゲインＫｗ自体に連続性を付与する。

具体的には、制御装置３００の適応観測手段３３３は、適応観測器１１（図２参照）に代えて、図９に示すような適応観測器３１１を有する。適応観測器３１１は、速度推定器１３（図２参照）に代えて速度推定器３１３を有し、積分加算量演算器１５を有さず、連続特性付与器３２０をさらに有する。図９は、適応観測器３１１の内部構成を示す図である。

連続特性付与器３２０は、入力される切換ゲインＫｗを時間的に連続に変化させる連続特性を付与するものであり、その出力を、連続特性が付与された切換ゲインＫｗｆｉｌとする。連続特性付与器３２０により切換ゲインＫｗに付与される連続特性は、切換ゲインＫｗに時間的な連続性を与える特性であればなんでも良い。例として、数式１２及び図７に示す１次遅れ特性や、図８に示すような切換ゲインＫｗｆｉｌの切換時点から時間に比例し直線的に変化する特性がある。

また、速度推定器３１３は、例えば、加算器１３ｂ及び整定器１３ｃを有しない。例えば、速度推定器３１３の比例積分制御器３１３ａは、例えば数式１３に示す比例積分制御を行い、推定速度ωｒ＾を求める。数式１３は、切換ゲインＫｗを切換ゲインＫｗｆｉｌに変更している点が数式１０と異なる。

図１０に連続特性付与器３２０の特性を１次遅れ特性とした場合の主要変数の動作を示す。切換ゲインＫｗの値がステップ状に変化する切り換え点において、連続特性が付与された切換ゲインＫｗｆｉｌは、１次遅れ特性で連続的に変化する。これにより、数式１３におけるｄｑ軸２次磁束ベクトルφｒＬ＾を含む項を連続的に変化させることができる。

このような作用により、ｄｑ軸２次磁束ベクトルφｒＬ＾分の推定速度を連続的に変化させることができるため、切換ゲインＫｗの切換時の速度推定の不連続を解消でき、滑らかな加減速を実現することができる。

以上のように、実施の形態３では、交流回転機Ｍの制御装置３００において、適応観測手段３３３が、入力された信号に時間的連続特性を付与する連続特性付与器３２０を有する。連続特性付与器３２０は、切換ゲインＫｗに時間的な連続特性を付与して、連続特性が付与された切換ゲインＫｗｆｉｌを速度推定器３１３へ供給する。これにより、速度推定器３１３の比例積分制御器３１３ａは、連続特性が付与された切換ゲインＫｗｆｉｌを用いて比例積分制御を行い、推定速度ωｒ＾を求めることができる。この結果、推定速度ωｒ＾の不連続性を抑制できる。

また、実施の形態３では、交流回転機Ｍの制御装置３００において、適応観測手段３３３の連続特性付与器３２０の特性が、例えば、１次遅れ特性である。これにより、１次遅れ特性の連続特性が付与された切換ゲインＫｗｆｉｌを用いて比例積分制御を行い、推定速度ωｒ＾を求めることができる。したがって、推定速度ωｒ＾の不連続性が１次遅れ特性に対応したものである場合に、推定速度ωｒ＾の不連続性を効果的に抑制できる。

また、実施の形態３では、交流回転機Ｍの制御装置３００において、適応観測手段３３３の連続特性付与器３２０の特性が、例えば、直線特性である。これにより、連続特性付与器３２０で直線特性の連続特性が付与された切換ゲインＫｗｆｉｌを用いて比例積分制御を行い、推定速度ωｒ＾を求めることができる。したがって、連続特性付与器３２０を簡易に構成できる。

以上のように、本発明にかかる交流回転機の制御装置は、交流回転機の制御に有用である。

５ 電圧印加手段、３１ 交流回転機制御手段、３２ ２次磁束ベクトル演算手段、３３，２３３，３３３ 適応観測手段、１００，２００，３００ 制御装置、Ｍ 交流回転機。

特許文献１には、同期電動機の制御装置において、適応オブザーバが、回転２軸座標（ｄ−ｑ軸）上のｄ軸電圧指令、ｑ軸電圧指令、ｄ軸電流、及びｑ軸電流に基づいて回転子の角周波数を求めて出力し、積分器が回転子の角周波数を積分して回転子の回転位置を求めて出力することが記載されている。これにより、特許文献１によれば、適応オブザーバを回転２軸座標上で構成しているので、高い回転速度で運転する時でも適応オブザーバに入力される電圧の周波数成分を直流にでき、安価な計算機を用いる場合であっても、高い回転速度で同期電動機を制御できるとされている。

積分器７は、推定１次角周波数ω１を適応観測器１１から受ける。積分器７は、推定１次角周波数ω１を積分して推定回転位置θ１を求める。積分器７は、推定回転位置θ１を、交流回転機制御手段３１の３相／２相変換器８、２相／３相変換器４、及び２次磁束ベクトル演算手段３２の減算器２２へそれぞれ供給する。

速度推定器１３は、数式１０に示すＰＩ制御（比例積分制御）を行い、比例積分制御の結果における積分項（数式１０における１／ｓに関連した項）に数式１１に示す加算量αを加算して、推定速度ωｒ＾を求める。

ここで、仮に、適応観測手段３３が積分加算量演算器１５を有しない場合を考える。この場合、例えば、適応観測手段３３において速度推定器１３が推定速度ωｒ＾’を演算すると、切換ゲインＫｗが第１の値（例えば、１）から第２の値（例えば、０）に切換わる加速時に、例えば数式１０に示すように、ｄｑ軸２次磁束ベクトルφｒＬ＾を含む項が瞬時に消失し、図５に一点鎖線で示すように、区間ＴＰ１から区間ＴＰ２にかけて推定速度ωｒ＾’の不連続性が増大する可能性がある。あるいは、例えば、適応観測手段３３において速度推定器１３が推定速度ωｒ＾’を演算すると、切換ゲインＫｗが第２の値（例えば、０）から第１の値（例えば、１）に切換わる加速時に、例えば数式１０に示すように、消失していたｄｑ軸２次磁束ベクトルφｒＬ＾を含む項が瞬時に出現し、図５に一点鎖線で示すように、区間ＴＰ４から区間ＴＰ５にかけて推定速度ωｒ＾’の不連続性が増大する可能性がある。

Claims (8)

1. 交流回転機位置情報を用いて、検出電流ベクトルを電流指令ベクトルに一致させるように電圧指令ベクトルを作成する交流回転機制御手段と、
   前記電圧指令ベクトルに基づき、交流回転機に電圧を印加する電圧印加手段と、
   前記交流回転機における２次磁束ベクトルを演算する２次磁束ベクトル演算手段と、
   前記電圧指令ベクトル、前記検出電流ベクトル、及び前記２次磁束ベクトルに応じて、推定回転位置、及び推定速度を求めて出力する適応観測手段と、
   を備え、
   前記適応観測手段は、前記２次磁束ベクトルの使用の有無を切換ゲインで切換可能であり、
   前記適応観測手段は、前記切換ゲインが切換わる際に生じる推定速度の変動分を補償する補償手段を有する
   ことを特徴とする交流回転機の制御装置。
2. 前記適応観測手段は、
   前記検出電流ベクトル及び推定電流ベクトルの偏差ベクトルを無くすように比例積分制御器で比例積分制御して速度を推定し、
   前記補償手段は、前記比例積分制御器の積分項に前記推定速度の変動分に対応する加算量を加算する際に、前記加算量を前記比例積分制御器に設定された応答性で整定させる整定手段を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の交流回転機の制御装置。
3. 前記適応観測手段は、入力された信号を任意の特性で減衰させる減衰器を有し、
   前記補償手段は、前記推定速度の変動分に対応する加算量が前記減衰器により減衰された加算量を推定速度に加算する加算手段を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の交流回転機の制御装置。
4. 前記減衰器は、１次遅れ特性を有する
   ことを特徴とする請求項３に記載の交流回転機の制御装置。
5. 前記減衰器は、直線減衰特性を有する
   ことを特徴とする請求項３に記載の交流回転機の制御装置。
6. 前記適応観測手段は、入力された信号に時間的連続特性を付与する連続特性付与器を有し、
   前記補償手段は、前記切換ゲインに前記連続特性付与器により時間的連続特性を付与する
   ことを特徴とする請求項１に記載の交流回転機の制御装置。
7. 前記連続特性付与器の特性は、１次遅れ特性である
   ことを特徴とする請求項６に記載の交流回転機の制御装置。
8. 前記連続特性付与器の特性は、直線特性である
   ことを特徴とする請求項６に記載の交流回転機の制御装置。

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