WO2015186406A1

WO2015186406A1 - 周期外乱自動抑制装置

Info

Publication number: WO2015186406A1
Application number: PCT/JP2015/058087
Authority: WO
Inventors: 山口　崇; 裕吾只野
Original assignee: 株式会社明電舎
Priority date: 2014-06-06
Filing date: 2015-03-18
Publication date: 2015-12-10
Also published as: JPWO2015186406A1; JP6183554B2

Abstract

本発明は、電流センサ誤差補正を行いつつトルクリプル抑制を行う周期外乱自動抑制装置を提供することを目的として、電流誤差補正制御系の周期外乱オブザーバとトルクリプル抑制系の周期外乱オブザーバ、およびプラントモデル部を設け、プラントモデル部に電圧指令値を入力して仮想電流値を生成し、仮想電流値は座標変換部を介して電流誤差補正制御系の周期外乱オブザーバに入力して補償値を算出し、補償値を電流検出値に重畳して、電流センサによる電流検出値を補正するとともに、トルクリプル抑制系の周期外乱オブザーバにプラントの出力トルク及び回転角速度を入力して補償値を算出し、算出された補償値を、座標変換部を介して電流指令値に加算するよう構成した周期外乱自動抑制装置である。

Description

周期外乱自動抑制装置

　本発明は、周期外乱自動抑制装置に係わり、特に電流誤差補正を行いつつトルクリプル抑制も行う周期外乱自動抑制装置に関するものである。

　周期外乱の発生抑制制御としては、受変電設備での電力系統制御、ロボットによる位置決め制御、ダイナモメータシステムの軸トルク共振抑制、モータ筐体の振動抑制（電気自動車、エレベータなどの乗り心地に関連するもの）等が存在し、これら各製品での周期外乱を高精度に抑制することが要望されている。

　例えば、モータは原理的にトルクリプルを発生し、振動、騒音、乗り心地への悪影響、電気・機械共振等の種々の問題を引き起こす。特に、埋込磁石形のＰＭモータは、コギングトルクリプルとリラクタンストルクリプルが複合的に発生する。その対策として、トルクリプルを抑制する制御方式として周期外乱オブザーバ補償法が提案されている。

　図５は、特許文献１及び非特許文献によって公知となっている周期外乱オブザーバのｎ次トルクリプル周波数成分に関する制御ブロック図を示したものである。
１はトルクリプル補償値演算部で、正弦波／余弦波の制御指令ｒ_n（通常は０）と周期外乱オブザーバ３による推定値ｄＴ_A＾_n，　ｄＴ_B＾_nとの差分にそれぞれ正弦波／余弦波値を乗算してそれを加算することでトルクリプル補償指令Ｔ_C ^* _nを生成し制御対象２に出力される。制御対象２では、周期の外乱（以下周期外乱ｄＴ_nという）が発生することがある。例えば、制御対象がモータであればコギングトルクなどによる回転数に同期した外乱であるトルクリプルがこれに相当し、振動や騒音の要因となる。

　周期外乱オブザーバ３は周期外乱ｄＴ_nを抑制するもので、周波数成分毎に複素ベクトルで表現したシステム同定モデルを外乱オブザーバの逆システムモデルを用いることで、制御対象とする周波数の外乱を直接的に推定して補償する。
これにより比較的単純な制御構成でありながら、対象とした周波数に対しては次数に関係なく高い抑制効果が得られる。

　システム同定モデルＰ＾_nの取得に関して、制御に先立って制御対象のプラントＰ_n（＝Ｐ_An＋ｊＰ_Bn）に対して予めシステム同定を行い、１次元複素ベクトルの形で（１）式として表現する。
Ｐ＾_n＝Ｐ＾_An＋ｊＰ＾_Bn　　　　　　　　…（１）
ただし、添字のｎはｎ次成分、変数は何れもＸ_n＝Ｘ_An＋ｊＸ_Bnと表現される複素ベクトルである。

　例えば、１～１０００Ｈｚまでのシステム同定結果を１Ｈｚ毎に複素ベクトルで表現した場合、１０００個の１次元複素ベクトルの要素からなるテーブルでシステムを表現できる。または、同定結果を数式化してシステムを表現することも可能である。何れの手法も、特定の周波数成分については簡素な１次元複素ベクトルでシステムモデルの表現は可能となる。
なお、システム同定モデルに限らず文中記載のＰ＾_n，ｒ_n，ｄＴ_n，ｄＴ＾_n，Ｔ_nもＸ_n＝Ｘ_An＋ｊＸ_Bnと表現される複素ベクトルである。

　具体的な制御手法としては、プラント出力に対してフーリエ変換を簡易化した低域通過フィルタＧ_Fを通すことで、周期外乱の抑制対象とする周波数成分を抽出する。これに上記のシステム同定モデルの逆数Ｐ＾_n ^-nで表現される逆システムを乗算し、Ｇ_Fを通した制御指令値との差分から周期外乱ｄＴ_nを推定しシステム同定モデルｄ＾_nとする。推定した周期外乱ｄＴ_nを制御指令値ｒ_nから差し引いて外乱補償値とし、周期外乱ｄＴ_nを抑制する。以上の流れが周期外乱オブザーバによる周期外乱を抑制する制御手法である。
国際公開ＷＯ２０１０／０２４１９５Ａ１複素ベクトル表現を用いた周期外乱オブザーバに基づくＰＭモータのトルクリプル抑制制御法、電気学会論文誌Ｄ、Ｖｏｌ．１３２，　Ｎｏ．１．ｐ．８４－９３（２０１２）

　インバータ駆動の装置における周期外乱の発生要因は多々あるが、電流センサのオフセットおよびゲイン誤差もその一つである。オフセット誤差は主に同期周波数の１ｆに、ゲイン誤差は主に２ｆの周期外乱を発生させる。

　トルクリプルを発生させる要因はこの電流センサ誤差以外にもモータ自身のコギングトルクなどがある。この時、“トルクリプル抑制“と”電流センサ誤差補正“の２つを同時目的とする場合を考える。

　従来のトルク検出値を入力としたトルクリプル抑制の周期外乱オブザーバ構成では、トルクリプルは抑制可能であるが電流センサ誤差を補正することは出来ない。これは図５の制御対象からの検出値をトルク検出値として制御指令値ｒ_nをトルク指令もしくは電流指令とした場合に相当する。出願人は、電流センサ誤差補正を可能とする手法についての特許出願をしているが、この場合は逆にコギングトルクなどによってあらわれるトルクリプルは残留したままになる。単純に、電流センサ誤差補正とトルクリプル抑制を並列駆動させることも考えられるが、センサ誤差要因とモータ側要因のリプルが同次元に発生している場合では、両者の干渉が発生し振動抑制および電流が制御不能に陥る。

　このため、電流センサ誤差補正を行いつつトルクリプル抑制も達成する制御方式が必要となる。

　本発明が目的とするところは、電流誤差補正を行いつつトルクリプルの抑制も行う周期外乱自動抑制装置を提供することにある。
本発明は、電流指令値と、電流センサによる電流検出値から、電流制御部によって電圧指令値を生成し、電圧指令値に基づいて制御装置を介してプラントを制御するものにおいて、
プラントモデル部を設け、プラントモデル部に前記電圧指令値を入力して仮想電流値を生成し、仮想電流値は座標変換部を介して電流誤差補正制御系の周期外乱オブザーバに入力して補償値を算出し、算出された補償値を前記電流検出値に重畳して、電流センサによる電流検出値を補正すると共に、
トルクリプル抑制系の周期外乱オブザーバを設け、この周期外乱オブザーバにプラントの出力トルク及び回転角速度を入力して補償値を算出し、算出された補償値は座標変換部を介して前記電流指令値に加算するよう構成したことを特徴としたものである。

　また、本発明は、トルクリプル抑制系の座標変換部を経て出力される補償値と前記プラントモデル部からの仮想電流値の差分を算出して前記電流誤差補正制御系の座標変換部に入力するよう構成したことを特徴としたものである。

　更に本発明は、電流誤差補正制御系の周期外乱オブザーバの出力側に設けられたスイッチとメモリを有するスイッチ部と、
前記トルクリプル抑制系の周期外乱オブザーバの出力側に設けられたスイッチ部を備え、
電流誤差補正制御系による電流センサ誤差補正時に、前記トルクリプル抑制系のスイッチ部をオフにし、且つ前記電流誤差補正制御系スイッチ部のスイッチをオンにして補償値をメモリに記憶し、メモリに記憶された補償値に基づいて電流センサ誤差補正を行うと共に、
電流センサ誤差補正の終了後に前記トルクリプル抑制系のスイッチ部をオンしてトルクリプルを抑制するよう構成したことを特徴としたものである。

　また、本発明は、電流指令値と、電流センサによる電流検出値から、電流制御部によって電圧指令値を生成し、電圧指令値に基づいて制御装置を介してプラントを制御するものにおいて、
　前記生成された電圧指令値と前記プラントの回転角速度信号を電流誤差補正制御系の周期外乱オブザーバに入力して外乱推定値を算出すると共に、
　トルクリプル抑制系の周期外乱オブザーバを設け、この周期外乱オブザーバにプラントの出力トルク及び回転角速度を入力して補償指令値を算出し、算出された補償指令値と前記電流誤差補正制御系の周期外乱オブザーバによって算出された外乱推定値の差分を補償値とし、この補償値と前記電流検出値との差分を補償値として前記電流指令値に加算するよう構成したことを特徴としたものである。

本発明の第１の実施形態を示す構成図。本発明の第２の実施形態を示す構成図。本発明の第３の実施形態を示す構成図。本発明の第４の実施形態を示す構成図。周期外乱オブザーバの構成ブロック図。

　本発明では、電流センサ誤差による周期外乱の抑制と共に、トルクリプルの抑制も行うもので、以下図に基づいて説明する。なお、電流センサによる振動発生はインバータとモータの組み合わせに限らず、電流センサを用いた制御機器一般に当てはまる問題である。よって、以下で示す各実施形態では、制御装置をインバータとし、制御対象をモータの例としているが、一般的な制御機器に対して適用可能なものである。

　図１は、本発明の第１の実施形態を示す構成図を示したものである。なお、図における各記号は次の通りである。
［共通変数］
Ｔ^*：トルク指令値、ｉ_dq ^*：ｉ_d，ｉ_q指令値、ｖ_dq ^ref：ｖ_d，ｖ_q指令値、ｉ_uvw：相電流値、Ｔ：出力トルク値、θ：回転角、ω：回転角速度、ｉ_dq ^sense：電流検出ｉ_d，ｉ_q値
［電流センサ補正側変数］
ｉ_dq´：補償後ｉ_d，ｉ_q、ｉｃ_dq ^CT：ｉ_d，ｉ_q補償値、ｉ^{^} _dq：仮想ｉ_d，ｉ_q値、Ｉ_dqn：ｎ次高調波ｉ_d，ｉ_q値、ｉｃ_dqn：ｎ次ｉ_d，ｉ_q補償値、ｄＩ_dq ^* _n：ｎ次ｉ_d，ｉ_q補償指令値、ｄＩ_dqn：ｎ次ｉ_d，ｉ_q外乱推定値
［トルク補正側変数］
ｉｃ_dq ^trq：補償ｉ_d，ｉ_q値、Ｔ_n：ｎ次高調波ｉ_d，ｉ_q値、Ｔｃ_n：ｎ次ｉ_d，ｉ_q補償値、ｄＴ^* _n：ｎ次トルク補償指令値、ｄＴ_n：ｎ次トルク外乱推定値、
　図１において、１は制御装置となるインバータ、２は制御対象となるプラント（ここではＰＭモータ）、３，４は周期外乱オブザーバで、周期外乱オブザーバ３は電流誤差補正制御系となり、周期外乱オブザーバ４はトルクリプル抑制系となる。

　１１は変換部で、トルク指令値Ｔ^*をｄ，ｑ軸の電流指令値ｉ_dq ^*（ｉ_d，ｉ_q）に変換する。変換された電流指令値ｉ_dq ^*は加減算部においてｉ_dq´と減算、またはｉｃ_dq ^trqと加算演算が行われて電流制御部１２に入力される。電流制御部１２は、ｉ_dq ^*とｉ_dq´との差分、またはｉ_dq ^*とｉｃ_dq ^trqとの加算値に基づいて電圧指令値ｖ_dq ^refを算出する。１３は変換部で、ｄ，ｑ軸の２相電圧を３相に変換してインバータ１に出力すると共に、電流センサ１４により検出された３相電流を２相に変換し、ｉ_d，ｉ_qの電流検出値ｉ_dq ^senseとして減算部に出力されてｉ_d，ｉ_qの補償値ｉｃ_dq ^CTとの差分ｉ_dq´が算出される。

　１５は回転位置センサで、エンコーダ波形ａｂｚからのロータ回転角度θと回転角速度ωを検出して変換部１３に出力すると共に、係数ｎ倍して座標変換部１７及びトルクリプル抑制系の変換部２１と座標変換部２２にそれぞれ出力される。
また、角速度ωは係数ｎ倍した後、周期外乱オブザーバ３と４に入力される。
１６はプラントモデル部（ここではモータモデル部）で電流制御部１２の出力であるｖ_dq ^ref指令を入力してモータの回路方程式により仮想電流値ｉ＾_dqを算出し、後述のトルク補償値ｉｃ_dq ^trqとの差分を振動抑制対象として座標変換部１７を介して周期外乱オブザーバ３に出力する。これにより、電流センサ誤差補正を行いなから、同時にトルクリプルの抑制を達成する。
なお、周期外乱オブザーバ３，４におけるＧ_Fはローパスフィルタである。

　電流センサに誤差が生じている場合、電流制御部１２の応答範囲内においては検出したｉ_dq ^sense上の振動を電流制御部１２が抑制する。振動分はｖ_dq ^ref指令に重畳され、これにより出力電流が振動することで周期外乱となって現れる。このためインバータ内部においてｉ_dq ^senseに振動は観測されない。しかし、ｖ_dq ^ref指令をモータモデル部１６の回路方程式を通すことで振動状態の仮想電流値ｉ＾_dqの観測が可能となる。モータモデル部１６における回路方程式は、対象がＰＭモータである場合は（２）式を用いる。

ここで、Ｒ：電気子抵抗、Ｌ_d：ｄ軸インダクタンス、Ｌ_q：ｑ軸インダクタンス、Φ：磁束鎖交数である。

　モータモデル部１６における回路方程式に用いるパラメータ精度については、高精度なものは必要ではなく周期外乱オブザーバ３のロバスト性範囲内であれば良い。このため設計値などを適用し、周期外乱オブザーバ３の内部のシステムモデルもこれに従い予め計算可能であり、実測などによる正確な取得は必ずしも必要ではない。

　次に仮想電流値ｉ＾_dqの対象周波数成分抽出のために座標変換部１７では（３）式の高調波ｄｑ変換を行う。

　電流ｉ_d，ｉ_qが常に直交することを利用し、周期外乱オブザーバ３で抑制対象とする複素数形式の周波数成分にはｉ_dn，ｉ_qnをそれぞれ実部、虚部に設定し、
ｉ_dqn＝ｉ_dn＋ｊｉ_qnとして扱う。ここからは通常の周期外乱オブザーバ３の制御則に従い補償値を算出する。
最後に座標変換部１７では、補償値を（４）式の座標系逆変換によりｄｑ座標系に変換する。

　これにより得られるｎ次の高調波電流補償値ｉｃ_dqnはベクトルの加算部１８で加算されて補償値ｉｃ_dq ^CTとなり、このｉｃ_dq ^CTを電流検出値ｉ_dq ^senseに逆極性に重畳して補償値ｉ_dq´とし、更にｉ_dq ^*との差分を得て電流制御部１２に入力する。
したがって、周期外乱オブザーバ３は電流誤差補正制御系となり、電流センサ誤差による周期外乱を低減することで電流検出値を直接補償することが可能となる。

　次に、トルクリプル抑制系について説明する。
ＰＭモータ２の出力トルク値Ｔは変換部２１に入力される。変換部２１には、回転位置センサ１５により検出されたロータ回転角度θが係数ｎ倍されて入力されており、トルク値Ｔはこのθに対応してａｂの２相信号に変換され、周期外乱オブザーバ４に入力される。

　周期外乱オブザーバ４には係数ｎ倍された角速度ωも入力されて図５と同様な演算が行われて補償値Ｔｃ_nを算出し、座標変換部２２に出力される。座標変換部２２で、ｄ，ｑ軸の座標に変換された補償値ｉｃ_dq ^trqは電流指令値ｉ_dq ^*に加算されて電流制御部１２に入力されると共に、補償値ｉｃ_dq ^trqはモータモデル部１６の出力ｉ^{^} _dqと逆極性に重畳されて座標変換部１７に入力される。

　したがって、この実施形態によれば、電流センサ誤差による周期外乱の補正が可能となると共に、トルクリプルの抑制も可能となるものである。

　図２は第２の実施形態を示すブロック構成図で、図１で示す第１の実施形態と異なる部分は、スイッチ部１９，２３を設けたことである。
図１で示す第１の実施形態の場合、モータモデル部１６に誤差があると補償値の干渉誤差となる。その場合でも電流誤差補正とトルクリプル抑制を達成することはできるが、補償値ｉｃ_dqnに現れて電流センサ誤差補正値とセンサ誤差の真値にずれが生じる。このため一旦取得した補償値ｉｃ_dqnから電流センサ誤差を推定し、フィードフォワードで電流センサ誤差補正を行うことで補正誤差が生じる。

　そこで、図２ではモータモデル部１６の出力ｉ^{^} _dqからトルクリプル抑制系の補償値ｉｃ_dq ^trqを差引くのを止めてスイッチ部１９，２３によって制御系の動作を切り替える手法を採ったものである。なお、スイッチ部１９には、スイッチ１９ａとメモリ１９ｂを備えている。

　抑制制御の手順は以下とする。
（１）スイッチ部１９のスイッチ１９ａをオンにし、スイッチ部２３をオフ状態にして電流誤差補正制御系のみを動作させて電流センサ誤差補正を行い、メモリ１９ｂに補償値ｉｃ_dq ^CTを記憶させる。
（２）電流センサ誤差補正が十分に完了した時点でスイッチ１９ａをメモリ側の端子に切替え、以下の補償値ｉｃ_dq ^CTは、メモリ１９ｂに記憶された補償値を用いて電流センサ誤差補正を行う。この時点ではトルクリプルはまだ十分に抑制されない。
（３）次に、電流センサ誤差補正が十分完了した時点でスイッチ部２３をオン状態にし、残留しているトルクリプルの抑制制御を行う。

　これにより、制御応答が犠牲になるため、可変速運転中などでは適用不可であるが、固定動作点ではモータモデル部１６の精度に関係なく、電流センサ誤差補正ｉｃ_dqn値を精度よく取得することが可能となる。

　図３は第３の実施形態を示すブロック構成図で、図１で示す第１の実施形態と異なる部分は、トルクリプル抑制系の補償値ｉｃ_dq ^trqとモータモデル部１６の出力ｉ^{^} _dqとの差演算がないことである。

　実施形態１，２では、同次数の抑制を想定して電流誤差補正制御系とトルクリプル抑制系との干渉を防ぐことを目的として構成されているが、異次数の同時抑制であれば両者の干渉を考慮する必要が無い。このため図３に示す単純な結合で同時抑制を達成することができる。

　図４は第４の実施形態を示すブロック構成図で、図１で示す第１の実施形態と異なる部分は、モータモデル部１６と座標変換部２２を省いたものである。すなわち、周期外乱オブザーバ４の出力Ｔｃ_nを補償指令値ｄＩ_dq ^* _nとして周期外乱オブザーバ３に入力し、周期外乱オブザーバ３で算出された外乱推定値ｄＩ_dqnとの差分が得られる。この差分が補償値Ｉｃ_dqnとして座標変換部１７に入力される。

　また、モータモデル部１６を省くことで、周期外乱オブザーバ３には予めモータモデル部１６に用いていた回路方程式によるパラメータ変更機能を持たせる。例えば、周期外乱オブザーバ３におけるシステム同定モデルＰ＾_nの取得時に、周波数毎にテーブルなどによるモデルを可変する機能をもたせている。

　この実施形態では、全体の制御基本構成は図１と同様としながら電流センサ誤差補正側の振動抑制対象をｖ_dq ^ref指令とし、センサ誤差由来で電圧指令値ｖ_dq ^refに発生しているリプルを抑制しながらモータ由来のトルクリプルも抑制して補償指令としてセンサ誤差補正に入力している。これによって、モータ由来とセンサ誤差由来の同次数に発生するリプルを互いに非干渉で抑制することが可能となる。

　したがって、この実施形態によれば、トルクリプルも抑制しながら電流検出値を正確に補正することができる。

Claims

　電流指令値と、電流センサによる電流検出値から、電流制御部によって電圧指令値を生成し、電圧指令値に基づいて制御装置を介してプラントを制御するものにおいて、
　プラントモデル部を設け、プラントモデル部に前記電圧指令値を入力して仮想電流値を生成し、仮想電流値は座標変換部を介して電流誤差補正制御系の周期外乱オブザーバに入力して補償値を算出し、算出された補償値を前記電流検出値に重畳して、電流センサによる電流検出値を補正すると共に、
　トルクリプル抑制系の周期外乱オブザーバを設け、この周期外乱オブザーバにプラントの出力トルク及び回転角速度を入力して補償値を算出し、算出された補償値は座標変換部を介して前記電流指令値に加算するよう構成したことを特徴とした周期外乱自動抑制装置。
　前記トルクリプル抑制系の座標変換部を経て出力される補償値と前記プラントモデル部からの仮想電流値の差分を算出して前記電流誤差補正制御系の座標変換部に入力するよう構成したことを特徴とした請求項１に記載の周期外乱自動抑制装置。
　前記電流誤差補正制御系の周期外乱オブザーバの出力側に設けられたスイッチとメモリを有するスイッチ部と、
　前記トルクリプル抑制系の周期外乱オブザーバの出力側に設けられたスイッチ部を備え、
　電流誤差補正制御系による電流センサ誤差補正時に、前記トルクリプル抑制系のスイッチ部をオフにし、且つ前記電流誤差補正制御系スイッチ部のスイッチをオンにして補償値をメモリに記憶し、メモリに記憶された補償値に基づいて電流センサ誤差補正を行うと共に、
　電流センサ誤差補正の終了後に前記トルクリプル抑制系のスイッチ部をオンしてトルクリプルを抑制するよう構成したことを特徴とした請求項１に記載の周期外乱自動抑制装置。
　電流指令値と、電流センサによる電流検出値から、電流制御部によって電圧指令値を生成し、電圧指令値に基づいて制御装置を介してプラントを制御するものにおいて、
　前記生成された電圧指令値と前記プラントの回転角速度を電流誤差補正制御系の周期外乱オブザーバに入力して外乱推定値を算出すると共に、
　トルクリプル抑制系の周期外乱オブザーバを設け、この周期外乱オブザーバにプラントの出力トルク及び回転角速度を入力して補償指令値を算出し、算出された補償指令値と前記電流誤差補正制御系の周期外乱オブザーバによって算出された外乱推定値の差分を補償値とし、この補償値と前記電流検出値との差分を前記電流指令値に加算するよう構成したことを特徴とした周期外乱自動抑制装置。