(57)【要約】【課題】惰性回転している電動機のトルク制御を速度センサレスで実施する場合、トルク制御開始時の電動機の初期速度と初期二次磁束を拾い上げ制御手段と初期値推定器により推定しておく必要がある。初期値推定器での初期値推定の際に、特に残留磁束がある場合や高速回転時に、初期速度及び初期二次磁束推定値に誤差が生じる可能性がある。【解決手段】電流ベクトルと直流電流指令と直流位相角指令を元に複数の位相角の直流電流に制御でき、複数の制御結果を拾い上げ制御切替指令により切り替えて拾い上げ電圧指令を出力とする切替付拾い上げ制御部102と、実磁束ベクトルと直流位相角指令を入力し拾い上げ制御切替指令を出力する拾い上げ再設定部101とを備える。【選択図】図１
2014143891.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機に流れる電流ベクトルを検出する電流検出器と、
前記電流ベクトルと拾い上げ電圧指令を入力し実磁束ベクトルを出力する実磁束推定器と、
前記電流ベクトルと前記実磁束ベクトルと拾い上げ時間を入力し、前記電動機の初期速度と初期二次磁束を出力する初期値推定器と、
前記電流ベクトルと前記直流電流指令と前記直流位相角指令を元に複数の位相角の直流電流に制御でき、複数の制御結果を拾い上げ制御切替指令により切り替えて前記拾い上げ電圧指令を出力とする切替付拾い上げ制御部と、
前記実磁束ベクトルと前記直流位相角指令を入力し前記拾い上げ制御切替指令を出力する拾い上げ再設定部と、
を備えることを特徴とする速度センサレス電動機制御装置。
【請求項２】
前記拾い上げ再設定部において、前記直流位相角指令に直交する前記実磁束ベクトルの成分の最大値を検知した時点で、前記拾い上げ制御切替指令をオンにすることを特徴とする請求項1記載の速度センサレス電動機制御装置。
【請求項３】
前記切替付拾い上げ制御部は、
前記電流ベクトルを、前記直流電流指令と前記直流位相角指令とにより求まる第１直流電流に制御する、第１拾い上げ電圧指令を出力する第１電流制御部と、
前記電流ベクトルを、前記直流電流指令と前記直流位相角指令から180度位相反転した位相角とにより求まる第２直流電流に制御する、第２拾い上げ電圧指令を出力する第２電流制御部と、
前記第１電流制御部の出力と前記第２電流制御部の出力を前記拾い上げ制御切替指令により切り替えて前記拾い上げ電圧指令とする指令切替器と、
を備えることを特徴とする請求項1または2記載の速度センサレス電動機制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機のトルク制御に関するものであり、特に、電動機の初期速度と初期二次磁束の推定を高精度にし、電動機トルク制御を高精度にするものである。
【背景技術】
【０００２】
電動機のメンテナンス性を高めたり、電動機を小さくしても大きな出力を得られるようにしたりする観点から、速度センサが設けられていない、いわゆる速度センサレス電動機制御装置が知られている。このような速度センサレス電動機制御装置で電動機のトルクを制御する際には、一般に電動機の速度（角速度）を推定する必要がある。
【０００３】
図５は、従来の速度センサレス電動機制御装置の構成例（たとえば特許文献１、２参照）を示すブロック図である。
電流検出器５は、電動機６に流れる電流ベクトルｉを検出する。拾い上げ制御部２は、電流検出器５で検出した電流ベクトルｉと、直流電流指令Ｉ及び直流位相角指令θを入力し、電動機６に流れる電流ｉを指令（Ｉ、θ）通りの直流電流にする拾い上げ電圧指令v0を出力する。
【０００４】
実磁束推定器９は、電流ベクトルｉ、拾い上げ電圧指令v0から式（Ａ）で、電動機６の実磁束ベクトルφ２ｒを演算する。
【数１】
2014143891.tif 000003
ここで、R1は電動機６の一次抵抗、L1は一次自己インダクタンス、L2は二次自己インダクタンス、Mは相互インダクタンスである。
【０００５】
演算用タイマ１４は、拾い上げ制御開始指令ＳＴのエッジで０クリアされるタイマカウンタであり、拾い上げ時刻ｔ０を出力する。
初期値推定器７は、電流ベクトルｉと実磁束ベクトルφ２ｒと拾い上げ時刻ｔ０を入力とし、電動機６の初期速度ωｍ０と初期二次磁束φ２０を出力する。
【０００６】
トルク制御部１は、トルク制御開始指令ＳＷがオンになると、初期値推定器７の出力である初期速度ωｍ０と初期二次磁束φ２０を初期値として、電流ベクトルｉを基に、電動機６のトルクを制御するトルク制御電圧指令V1を出力する。
【０００７】
切替器３は、トルク制御開始指令ＳＷにより、拾い上げ電圧指令v0とトルク制御電圧指令V1を切替えて出力する。すなわち、トルク制御開始指令ＳＷがオンになるまでは拾い上げ電圧指令v0を電圧指令Ｖ＊とし、トルク制御開始指令ＳＷがオンになるとトルク制御電圧指令V1を電圧指令Ｖ＊として出力する。
電力変換器４は、電圧指令Ｖ＊を増幅して電動機６に電力を供給する。
【０００８】
以上の構成とすることにより、トルク制御開始指令ＳＷがオンになるまでは、拾い上げ制御部２と実磁束推定器９と演算用タイマ１４と初期値推定器７で電動機６の初期速度ωｍ０と初期二次磁束φ２０を推定する。トルク制御開始指令ＳＷがオンになると、ＳＷがオンになった時点の初期速度ωｍ０と初期二次磁束φ２０を初期値として、電動機６のトルク制御が行われる。
なお、トルク制御開始指令ＳＷをオンにするタイミングは、拾い上げ制御実施時間、初期速度ωｍ０と初期二次磁束φ２０の状態、等で決める。
【０００９】
以下、トルク制御開始指令ＳＷがオンになるまでの拾い上げ制御における初期値推定器７の動作に関して、詳細に説明する。
【００１０】
初期値推定器７では、実磁束ベクトルφ２ｒの動きから電動機６の初期速度ωｍ０を推定し、初期二次磁束φ２０を推定する。図６は、初期値推定器７の一構成例である。
【００１１】
実磁束メモリ１０は、時々刻々変化する実磁束推定ベクトルφ２ｒの、時刻０から拾い上げ時刻ｔ０の区間までを記憶する。実磁束抽出器１１は、時刻０〜ｔ０の区間から、任意の３時点t00、t01、t02の実磁束推定ベクトルφ２ｒであるφ(t00)、φ(t01)、φ(t02)を抽出する。
【００１２】
初期速度推定器１２は、一例として、式（Ｂ）〜式（Ｇ）で初期速度ωｍ０を演算する。この方法では、最初に、3つのベクトルφ(t00)、φ(t01)、φ(t02)の終点を通る円の中心Ｒを式（Ｂ）〜式（Ｅ）で求める。
【００１３】
【数２】
2014143891.tif 000004
【００１４】
【数３】
2014143891.tif 000005
【００１５】
【数４】
2014143891.tif 000006
【００１６】
【数５】
2014143891.tif 000007
ここで、（F1A、F1B）、（F2A、F2B）、（ＲＡ、ＲＢ）は、各々、ベクトルＦ１、Ｆ２、Ｒの各成分である。
次に、円の中心Ｒから見た、ベクトルφ(t00)とベクトルφ(t02)との間の角度θCを式（Ｆ）で求める。
【００１７】
【数６】
2014143891.tif 000008
ここで、記号「×」はベクトルの外積を、記号「・」はベクトルの内積をそれぞれ示す。
時刻t00からt02まで（例えば数十ミリ秒）のモータの回転速度は、ほぼ一定とみなすことができるため、最後に式（Ｇ）で初期速度ωｍ０を求めることができる。
【００１８】
【数７】
2014143891.tif 000009
【００１９】
初期磁束推定器１３は、電流ベクトルｉを使って、式（Ｈ）にて初期二次磁束φ２０を求める。
【数８】
2014143891.tif 000010
ここで、ｊは虚数単位、Ｔ２は電動機６の二次時定数で、Ｌ２／Ｒ２で得られる。Ｒ２は二次抵抗である。φxxは拾い上げ制御開始時の残留磁束である。なお、式（Ｈ）の第2項は、ベクトルＲに対する実磁束推定ベクトルφ２ｒの相対ベクトルとして求めることもできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特開2001-211689号公報
【特許文献２】特開2001-211697号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
従来技術においては、以下に示す問題点がある。
式（Ｂ）〜式（Ｇ）を使って、実磁束ベクトルφ２ｒの円軌跡の動きから電動機６の初期速度ωｍ０を推定する際、式（Ｈ）の、時刻ｔ０が変化した際の第2項部分の動きを使って初期速度ωｍ０を推定していると考えることができる。
【００２２】
式（Ｈ）第2項において、括弧内の絶対値が小さくなるような残留磁束φxxがあった場合、式（Ｂ）〜式（Ｇ）を使った演算は、ベクトルF1、F2の大きさが小さい分、実磁束推定器９の推定誤差の影響が大きくなり、その結果、演算精度が悪くなり、初期速度ωｍ０および初期二次磁束φ２０の推定に誤差が生じる可能性がある。
【００２３】
また、モータ使用後に時間をおく等して、残留磁束φxx＝０であった場合も、推定すべき初期速度が高い時は式（Ｈ）第2項の括弧内の絶対値が小さくなる。この場合も、式（Ｂ）〜式（Ｇ）を使った演算はベクトルF1、F2の大きさが小さい分、演算精度が悪くなり、初期速度ωｍ０および初期二次磁束φ２０の推定に誤差が生じる可能性がある。
【００２４】
以上より、特に残留磁束がある場合や初期速度が高速の場合は、初期速度ωｍ０および初期二次磁束φ２０の推定値に誤差が生じ、トルク制御部１の初期入力値に誤差があるために、電動機６のトルク制御を高精度に行うことができない可能性がある。また、電流ベクトルｉの大きさを多くすれば、式（Ｈ）第2項の括弧内の絶対値を大きくすることはできるが、その場合には、モータの挙動に影響を及ぼすおそれがある。
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、電動機の初期速度ωｍ０および初期二次磁束φ２０を高精度に推定することができる速度センサレス電動機制御装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
上記課題を解決するため、この発明の速度センサレス電動機制御装置は、電動機6に流れる電流ベクトルｉを検出する電流検出器5と、前記電流ベクトルｉと拾い上げ電圧指令v0を入力し実磁束ベクトルφ２ｒを出力する実磁束推定器9と、前記電流ベクトルｉと前記実磁束ベクトルφ２ｒと拾い上げ時間t0を入力し、前記電動機の初期速度ωｍ０と初期二次磁束φ２０を出力する初期値推定器7と、前記電流ベクトルｉと前記直流電流指令Iと前記直流位相角指令θを元に複数の位相角の直流電流に制御でき、複数の制御結果を拾い上げ制御切替指令により切り替えて前記拾い上げ電圧指令v0を出力とする切替付拾い上げ制御部102と、前記実磁束ベクトルφ２ｒと前記直流位相角指令θを入力し前記拾い上げ制御切替指令SSを出力する拾い上げ再設定部101と、を備えることを特徴とする。
【００２６】
そして、好ましくは、前記拾い上げ再設定部101において、前記直流位相角指令θに直交する前記実磁束ベクトルφ２ｒの成分の最大値を検知した時点で、前記拾い上げ制御切替指令SSをオンにする。
【００２７】
また、好ましくは、前記切替付拾い上げ制御部102は、前記電流ベクトルｉを、前記直流電流指令Iと前記直流位相角指令θとにより求まる第１直流電流に制御する、第１拾い上げ電圧指令v01を出力する第１電流制御部103と、前記電流ベクトルｉを、前記直流電流指令Iと前記直流位相角指令θから180度位相反転した位相角とにより求まる第２直流電流に制御する、第２拾い上げ電圧指令v02を出力する第２電流制御部104と、前記第１電流制御部の出力v01と前記第２電流制御部の出力v02を前記拾い上げ制御切替指令SSにより切り替えて前記拾い上げ電圧指令v0とする指令切替器106と、を備える。
【発明の効果】
【００２８】
以上の手段により、特に残留磁束がある場合や初期速度が高速の場合において、式（Ｈ）第2項の括弧内の絶対値の大きさを大きくすることができる。その結果、電動機の初期速度及び初期二次磁束を高精度に推定することができ、電動機トルクを高精度に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、本発明の速度センサレス電動機制御装置の一構成例を示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の切替付拾い上げ制御部の一構成例を示すブロック図である。
【図３】図３は、本発明の拾い上げ再設定部の一動作例を示す図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態の速度センサレス電動機制御装置を動作させた際の、電動機の実磁束ベクトルの軌跡を示す図である。
【図５】図５は、従来の速度センサレス電動機制御装置の一構成例を示すブロック図である。
【図６】図６は、従来の初期値推定器の一構成例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
残留磁束がある場合や初期速度が高速の場合においても、式（Ｈ）第2項の括弧内の絶対値を大きくして、電動機の初期速度ωｍ０及び初期二次磁束φ２０を高精度に推定する構成を実現する。
【００３１】
図１は、本発明の一構成例を示すブロック図である。本実施形態の速度センサレス電動機制御装置は、電流検出器5と、実磁束推定器9と、初期値推定器7と、切替付拾い上げ制御部102と、拾い上げ再設定部101とを備える。なお、上述した図５、６に示す従来技術と同様の構成要素については、図５、６と同じ符号を付して説明を省略する。
切替付拾い上げ制御部102は、電動機６の電流ベクトルｉと直流電流指令Ｉと直流位相角指令θを元に、電流ベクトルｉを複数の位相角の直流電流にする制御ができ、前記複数の制御を拾い上げ制御切替指令SSにより切り替えて、拾い上げ電圧指令v0を出力する。
【００３２】
拾い上げ再設定部101は、直流位相角指令θと実磁束ベクトルφ２ｒを入力し、拾い上げ制御切替指令SSを出力する。
演算用タイマ１４に拾い上げ制御切替指令SSを新たに入力し、拾い上げ制御切替指令SSがオフ→オンとなるエッジ（タイミング）で拾い上げ時刻ｔ０を０クリアする。
【００３３】
以上の構成とすることにより、実磁束ベクトルφ２ｒの状態により、拾い上げ制御切替指令SSが作成され、拾い上げ制御切替指令SSにより拾い上げ制御の直流電流制御状態を切り替えられるようになる。
【００３４】
図3は、本発明の拾い上げ再設定部101の一動作例を示す図である。拾い上げ再設定部101は、直流位相角指令θに直交する実磁束ベクトルφ２ｒの成分の最大値を検知した時点で、拾い上げ制御切替指令SSをオンにする。
【００３５】
以上の構成とすることにより、直流位相角指令θに直交する実磁束ベクトルφ２ｒの成分の最大値を検知した時点で、拾い上げ再設定部101の出力（拾い上げ制御の直流電流制御状態）が切り替わり、これにより、拾い上げ制御部102は、電流ベクトルｉの直流電流の位相角が切り替わるように制御する。
【００３６】
図2は、本発明の切替付拾い上げ制御部102の一構成例を示すブロック図である。切替付拾い上げ制御部102は、第１電流制御部103と、第２電流制御部104と、加算器105と、指令切替器106とを備える。
第１電流制御部103は、電流ベクトルｉと直流電流指令Ｉと直流位相角指令θを入力し、電動機６に流れる電流ｉを指令通りの第１直流電流に制御する第1拾い上げ電圧指令v01を出力する。
【００３７】
加算器105は、直流位相角指令θの角度180度分を加算し、直流位相角指令θの反転位相を作成し、第２電流制御部104へ出力する。
第２電流制御部104は、電流ベクトルｉと直流電流指令Ｉと加算器105からの第１直流位相角指令θの反転位相を入力し、電動機６に流れる電流ｉを指令通りの第２直流電流にする第2拾い上げ電圧指令v02を出力する。
【００３８】
指令切替器106は、拾い上げ制御切替指令SSがオフの場合は第1拾い上げ電圧指令v01を拾い上げ電圧指令v0として出力する。拾い上げ制御切替指令SSがオンの場合は第2拾い上げ電圧指令v02を拾い上げ電圧指令v0として出力する。
【００３９】
なお、詳細な説明は省略するが、第２電流制御部104に入力される直流電流指令、位相角指令の少なくとも一方を、第１電流制御部103に入力される直流電流指令Ｉ、位相角指令θと異なるものとすれば、本発明の目的を達成することができるが、図２のように、第２電流制御部104に、直流電流指令Ｉと直流位相角指令θの反転位相を入力するように構成することで、本発明の切替付拾い上げ制御部を、より単純な構成で実現することができる。
【００４０】
以上の構成とすることにより、以下のような拾い上げ制御が実現できる。なお、説明を簡略化するために、直流位相角指令θは0とする。すなわち、第１電流制御部103は電流ベクトルｉを第１直流電流（I,0）に制御し、第２電流制御部104は電流ベクトルｉを第２直流電流（-I,0）に制御する。
【００４１】
まずは、拾い上げ制御切替指令SSがオフの状態から拾い上げ制御を開始する。この時点の時刻を０とする。第1拾い上げ電圧指令v01が拾い上げ電圧指令v0として出力されるので、電流ベクトルｉは第１直流電流（I,0）に制御される。拾い上げ制御を開始し、拾い上げ制御切替指令SSがオンになるまでの、電動機６の実磁束ベクトルφ２ｒの軌跡は、図４に示す円弧Ｃ１で示される。
【００４２】
拾い上げ再設定部101は、直流位相角指令θに直交する実磁束ベクトルφ２ｒの成分の最大値を検知した時点で、拾い上げ制御切替指令SSをオンにする。今回、θ＝０としたので、実磁束ベクトルφ２ｒの虚軸（Ｂ軸）成分が最大である時刻t1、すなわちφ２ｒの軌跡が図４のＢ軸の正側と交差した時点で、拾い上げ制御切替指令SSはオンになる。
【００４３】
以降、第2拾い上げ電圧指令v02が拾い上げ電圧指令v0として出力されるので、電流ベクトルｉは第２直流電流（-I,0）に制御される。拾い上げ制御切替指令SSがオンになった後の、実磁束ベクトルφ２ｒの軌跡は、図４に示す円弧Ｃ２で示される。この円弧Ｃ２の軌跡においては、φ(t1)が式（Ｈ）に示す残留磁束φxxとなるため、円弧Ｃ１の半径をｒとすると、円弧Ｃ２の半径は、ｒ＋φ(t1)となる。従って、上述したように拾い上げ電圧指令を切り替えることで、実磁束ベクトルφ２ｒが描く円弧の半径、すなわち式（Ｈ）第2項の括弧内の絶対値を大きくすることができる。
【００４４】
なお、ここで示す実施形態では、実磁束ベクトルφ２ｒの虚軸成分の最大値を検知した時点で、拾い上げ制御切替指令SSをオンにしている。これにより、切り替え後の円弧Ｃ２の半径をより一層大きくすることができる。ただし、他の時点で拾い上げ制御切替指令SSをオンにしても、切り替え後の円弧の半径を大きくすることができる。
【００４５】
円弧Ｃ２から、任意の３時点の実磁束推定ベクトルφ２ｒの値φ(t00)、φ(t01)、φ(t02)を抽出し、式（Ｂ）〜（Ｈ）を用いることで、電動機６の初期速度ωｍ０および初期二次磁束φ２０を求めることができる。上述したように、円弧Ｃ２の半径が大きくなっているために、ベクトルF1、F2の大きさも大きくなり、初期速度ωｍ０および初期二次磁束φ２０の推定精度が高まる。
【００４６】
なお、ベクトルF1、F2の大きさを大きくする観点から、図４のように、t00をφ２ｒの軌跡がＢ軸の正側と交差する時刻（t1）とし、t01をφ２ｒの実軸成分が最小となる時刻とし、t02をφ２ｒの軌跡がＢ軸の負側と交差する時刻とすることが好ましい。
【００４７】
以上のような拾い上げ制御を実現することにより、制御切替指令SSがオンの時の式（Ｈ）第2項の括弧内の絶対値を、制御切替指令SSがオフの時の式（Ｈ）第2項の括弧内の絶対値より大きくすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明により、特に残留磁束がある場合や初期速度が高速の場合において、式（Ｈ）第2項の括弧内の絶対値の大きさを大きくすることができる。その結果、電動機の初期速度及び初期二次磁束を高精度に推定することができ、電動機トルクを高精度に制御することができる。
また、直流電流指令Ｉの大きさを少なくしても、高精度な電動機の初期速度及び初期二次磁束の推定を期待できる。
【符号の説明】
【００４９】
１      トルク制御部
２      拾い上げ制御部
３      切替器
４      電力変換器
５      電流検出器
６      電動機
７      初期値推定器
９      実磁束推定器
１０    実磁束メモリ
１１    実磁束抽出器
１２    初期速度推定器
１３    初期磁束推定器
１４    演算用タイマ
１０１  拾い上げ再設定部
１０２  切替付拾い上げ制御部
１０３  第１電流制御部
１０４  第２電流制御部
１０５  加算器
１０６  指令切替器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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