(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導電動機の一次電圧検出値を入力とし、前記誘導電動機の一次電流検出値を出力とするプラントのパラメータを、前記プラントの出力が前記パラメータに対して線形となるような線形パラメトリックモデルを用いて推定する誘導電動機の制御装置において、
前記プラントの入力が与えられて第１の信号を出力する第１の１次ローパスフィルタと、
前記第１の信号が与えられて第２の信号を出力する第２の１次ローパスフィルタと、
前記プラントの出力が与えられて第３の信号を出力する第３の１次ローパスフィルタと、
前記第３の信号が与えられて第４の信号を出力する第４の１次ローパスフィルタと、
前記制御装置の誤差に対応する第５の信号を一定値に設定する手段と、
を有し、前記第１〜第４の１次ローパスフィルタのカットオフ角周波数をすべて等しくすると共に、
前記第１〜第５の信号を要素とする５次元の信号ベクトルと５次元のパラメータ推定値ベクトルとの内積から出力推定値を演算する手段と、
前記プラントの出力と前記出力推定値との偏差、及び、前記信号ベクトルから、前記パラメータ推定値ベクトルを演算する手段と、
前記パラメータ推定値ベクトルから前記誘導電動機の電気定数推定値を演算する手段と、
を備えたことを特徴とする誘導電動機の制御装置。
【請求項２】
誘導電動機の一次電圧検出値を入力とし、前記誘導電動機の一次電流検出値を出力とするプラントのパラメータを、前記プラントの出力が前記パラメータに対して線形となるような線形パラメトリックモデルを用いて推定する誘導電動機の制御装置において、
前記プラントの入力が与えられて第１の信号を出力する第１の１次ローパスフィルタと、
前記第１の信号が与えられて第２の信号を出力する第２の１次ローパスフィルタと、
前記プラントの出力が与えられて第３の信号を出力する第３の１次ローパスフィルタと、
前記第３の信号が与えられて第４の信号を出力する第４の１次ローパスフィルタと、
前記制御装置の誤差に対応する第５の信号を一定値に設定する手段と、
を有し、前記第１〜第４の１次ローパスフィルタのカットオフ角周波数をすべて等しくすると共に、
前記第１〜第５の信号を要素とする５次元の信号ベクトルと前記プラントの出力とを正規化する手段と、
前記正規化した信号ベクトルと５次元のパラメータ推定値ベクトルとの内積から、正規化した出力推定値を演算する手段と、
前記正規化した前記プラントの出力と前記正規化した出力推定値との偏差、及び、前記正規化した信号ベクトルから、前記パラメータ推定値ベクトルを演算する手段と、
前記パラメータ推定値ベクトルから前記誘導電動機の電気定数推定値を演算する手段と、
を備えたことを特徴とする誘導電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導電動機の電気定数を、回転子が停止した状態で推定する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、誘導電動機の離散値系モデルに基づき、逐次形最小２乗法により誘導電動機の一次抵抗、二次抵抗、インダクタンス等の電気定数を推定する技術が記載されている。
この従来技術では、直交回転座標（ｄ，ｑ座標）上の誘導電動機のブロック線図から離散値系モデルを導出し、インバータにより電動機に所定のｄ軸電圧ｖｄを印加すると共にｑ軸電圧ｖｑをゼロにして電動機の回転を停止させた状態とする。この時のｄ軸電圧ｖｄとｄ軸電流ｉｄとの関係を、誘導電動機の電気定数を含む複数のパラメータによって表し、これらのパラメータを逐次最小２乗法により同定して電気定数を推定するものである。
しかしながら、上記従来技術は離散値系モデルに基づいているため、連続系モデルとの相違に起因して電気定数の推定値に誤差が発生しやすいと考えられ、この推定値を連続系モデルに変換する演算も複雑である。
【０００３】
一方、非特許文献２の第２章〜第５章には、１入力１出力の線形プラントを連続系モデルとして表現した線形パラメトリックモデルを用いて、適応同定器を設計するためのパラメータを推定する方法が記載されている。この従来技術を応用すれば、電力変換器による誘導電動機の制御システムを設計するに当たり、誘導電動機の一次抵抗、二次抵抗、漏れインダクタンス、励磁インダクタンス等の電気定数を容易かつ正確に推定できると考えられる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】伊藤  茂ほか２名，「インバータを使用した誘導電動機定数の初期同定」，ＳＰＣ−９４−４８，電気学会研究会資料，ｐ.２１〜ｐ.２７，１９９４年
【非特許文献２】鈴木  隆，「アダプティブコントロール」，現代制御シリーズ７，ｐ.１８〜ｐ.１２２，２００１年８月，コロナ社発行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献１、非特許文献２に記載された従来技術では、例えば誘導電動機の電圧，電流検出回路の誤差や、インバータの出力電圧の制御誤差などの制御装置の誤差について、考慮または言及されていない。このため、電気定数の推定誤差が大きくなったり、推定動作が不安定になる場合がある。
また、非特許文献２に記載された従来技術は、変数の変動範囲が大きいため、固定小数点演算での実現が困難であり、浮動小数点演算が必須である。このため、演算処理装置の負荷が大きく、制御装置のコストが高くなりやすい。
【０００６】
そこで、本発明の解決課題は、誘導電動機の電気定数を安定して高精度に推定することができ、演算負荷を少なくして低コストにて実現可能とした誘導電動機の制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、誘導電動機の一次電圧検出値を入力とし、前記誘導電動機の一次電流検出値を出力とするプラントのパラメータを、前記プラントの出力が前記パラメータに対して線形となるような線形パラメトリックモデルを用いて推定する誘導電動機の制御装置において、
前記プラントの入力が与えられて第１の信号を出力する第１の１次ローパスフィルタと、
前記第１の信号が与えられて第２の信号を出力する第２の１次ローパスフィルタと、
前記プラントの出力が与えられて第３の信号を出力する第３の１次ローパスフィルタと、
前記第３の信号が与えられて第４の信号を出力する第４の１次ローパスフィルタと、
前記制御装置の誤差に対応する第５の信号を一定値に設定する手段と、
を有し、前記第１〜第４の１次ローパスフィルタのカットオフ角周波数をすべて等しくすると共に、
前記第１〜第５の信号を要素とする５次元の信号ベクトルと５次元のパラメータ推定値ベクトルとの内積から出力推定値を演算する手段と、
前記プラントの出力と前記出力推定値との偏差、及び、前記信号ベクトルから、前記パラメータ推定値ベクトルを演算する手段と、
前記パラメータ推定値ベクトルから前記誘導電動機の電気定数推定値を演算する手段と、
を備えたものである。
【０００８】
請求項２に係る発明は、誘導電動機の一次電圧検出値を入力とし、前記誘導電動機の一次電流検出値を出力とするプラントのパラメータを、前記プラントの出力が前記パラメータに対して線形となるような線形パラメトリックモデルを用いて推定する誘導電動機の制御装置において、
前記プラントの入力が与えられて第１の信号を出力する第１の１次ローパスフィルタと、
前記第１の信号が与えられて第２の信号を出力する第２の１次ローパスフィルタと、
前記プラントの出力が与えられて第３の信号を出力する第３の１次ローパスフィルタと、
前記第３の信号が与えられて第４の信号を出力する第４の１次ローパスフィルタと、
前記制御装置の誤差に対応する第５の信号を一定値に設定する手段と、
を有し、前記第１〜第４の１次ローパスフィルタのカットオフ角周波数をすべて等しくすると共に、
前記第１〜第５の信号を要素とする５次元の信号ベクトルと前記プラントの出力とを正規化する手段と、
前記正規化した信号ベクトルと５次元のパラメータ推定値ベクトルとの内積から、正規化した出力推定値を演算する手段と、
前記正規化した前記プラントの出力と前記正規化した出力推定値との偏差、及び、前記正規化した信号ベクトルから、前記パラメータ推定値ベクトルを演算する手段と、
前記パラメータ推定値ベクトルから前記誘導電動機の電気定数推定値を演算する手段と、
を備えたものである。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に係る発明によれば、制御装置の誤差を考慮した後述の数式１２に基づいてパラメータを推定することにより、誘導電動機の電気定数を従来よりも安定かつ高精度に推定することができる。
また、請求項２に係る発明によれば、出力及び信号ベクトルを正規化し、後述の数式１７に基づいてパラメータを推定することにより、電気定数推定のために誘導電動機に印加する電圧や電流の条件に関わらず、電気定数推定の応答を一定にすることができる。
更に、請求項１，２に係る発明によれば、第１〜第４の信号の変動を所定範囲内に収めて固定小数点演算による実現を可能とし、演算処理装置の負荷を少なくしてコストを低減することができる。 
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施例における電気定数推定部のブロック図である。
【図３】本発明の第２実施例及び第３実施例における電気定数推定部のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。図１は、この実施形態に係る誘導電動機の制御装置を示すブロック図である。
図１において、誘導電動機８０の端子電圧及び電流は、直交回転座標（ｄ，ｑ座標）上で制御される。ここで、ｄ，ｑ軸の回転角速度は零とする。
【００１３】
発振器１８は、矩形波のｄ軸一次電流指令値ｉ１ｄ＊を出力する。
また、ｕ相電流検出器１１ｕ、ｗ相電流検出器１１ｗによりそれぞれ検出した相電流検出値ｉｕ，ｉｗは座標変換部１４に入力され、電気角θ１（零に設定）を用いてｄ，ｑ軸一次電流検出値ｉ１ｄｄｅｔ，ｉ１ｑｄｅｔにそれぞれ座標変換される。
【００１４】
ｄ軸一次電流指令値ｉ１ｄ＊とｄ軸一次電流検出値ｉ１ｄｄｅｔとの偏差が減算器１９により求められ、この偏差を電流調節器２０により増幅してｄ軸一次電圧指令値ｖ１ｄ＊が演算される。一方、ｑ軸一次電圧指令値ｖ１ｑ＊は零に設定される。
ｄ，ｑ軸一次電圧指令値ｖ１ｄ＊，ｖ１ｑ＊は、座標変換器１５により、電気角θ１を用いて相電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊に変換される。
【００１５】
三相交流電源５０の交流電圧は整流回路６０により整流されて直流電圧に変換され、この直流電圧はインバータ等の電力変換器７０に供給される。
ＰＷＭ回路１３は、入力電圧検出回路１２により検出した入力電圧検出値Ｅｄｃと、前記座標変換器１５から出力された相電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊とに基づき、電力変換器７０の出力電圧を相電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊に制御するためのゲート信号を生成する。電力変換器７０は、ゲート信号に従って内部の半導体スイッチング素子を制御することで、誘導電動機８０の端子電圧を相電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊に制御する。
【００１６】
一方、電気定数推定部４０は、ｄ軸一次電圧検出値ｖ１ｄｄｅｔとｄ軸一次電流検出値ｉ１ｄｄｅｔとをそれぞれプラントの入力ｕ、プラントの出力ｙとし、これらの情報に基づいて誘導電動機８０の電気定数として一次抵抗推定値Ｒ１ｅｓｔ、二次抵抗推定値Ｒ２ｅｓｔ、漏れインダクタンス推定値Ｌσｅｓｔ、励磁インダクタンス推定値Ｌｍｅｓｔを演算する。
図１では、ｄ軸一次電圧検出値ｖ１ｄｄｅｔとして、電流調節器２０から出力されるｄ軸一次電圧指令値ｖ１ｄ＊を設定しているが、電圧検出回路（図示せず）により三相電圧検出値を求め、電気角θ１を用いてｄ軸一次電圧検出値ｖ１ｄｄｅｔを演算し、これを電気定数推定部４０に入力してもよい。
【００１７】
次に、本実施形態における電気定数の推定原理について説明する。
まず、一般のプラントのパラメータ推定について説明する。対象とするプラントは１入力１出力の線形システムであり、数式１により記述されるものとする。なお、数式１によるプラント表現は、非特許文献２のｐ．１２３にも記載されている。
数式１において、次数ｎ及び相対次数ｄは既知である正の整数であり、係数ａｉ，ｂｉは未知の定数（ただし、ｂｄ＞０）である。
【数１】
0005854257.tif 000002
【００１８】
パラメータを推定するパラメータ適応則を利用するためには、プラントの線形パラメトリックモデルが必要である。なお、線形パラメトリックモデルとは、適応システムの設計に当たって、プラントの出力がパラメータに対して線形となるような形で表現された数学モデルをいう。
【００１９】
ここで、非特許文献２の第３章「プラントのモデル表現」のｐ.５６〜ｐ.６８に記載された、線形パラメトリックモデルを導出する方法の概要を説明する。
前述の数式１により表現されるプラントを線形パラメトリックモデルにて表現すると、数式２に示すように、伝達関数Ｗ（ｓ）と、時間関数であるパラメータベクトルΘ及び信号ベクトルの内積と、の積になる。
【数２】
0005854257.tif 000003
【００２０】
数式２以降の数式において、Ｔは転置を示す。
ここで、数式２における伝達関数Ｗ（ｓ）は、強正実となるように選ぶ。また、信号ベクトルζは、数式３の関係を満足する限り、任意に定義してよい。
【数３】
0005854257.tif 000004
【００２１】
特に、多項式ＤＩ（ｓ），ＦＩ（ｓ）を数式４のように指定する場合、信号ζｉ（ｉ＝１〜２ｎ）は、数式５のように簡単に定義することができる。なお、数式４以降において、λｐは正の実数である。
【数４】
0005854257.tif 000005
【数５】
0005854257.tif 000006
【００２２】
次に、線形パラメトリックモデルのパラメータベクトルΘを推定するパラメータ適応則について説明する。
パラメータ適応則には、様々なものが考案されているが、ここでは、谷萩  隆嗣による「カルマンフィルタと適応信号処理」（ディジタル信号処理ライブラリー５，２００５年１２月，コロナ社）の第２章「最小２乗法によるパラメータ推定」に記載されている、オンライン推定に適した再帰形最小２乗法（逐次形最小２乗法ともいう）を応用する。
【００２３】
パラメータベクトルΘの推定値Θｅｓｔは、数式６により演算する。
【数６】
0005854257.tif 000007
【００２４】
次に、上述した再帰形最小２乗法を応用した誘導電動機の電気定数推定方法を説明する。
まず、始めに、誘導電動機の線形パラメトリックモデルを導出する。
誘導電動機のＴ−１型等価回路の電圧方程式より、回転子が停止した状態におけるｄ軸一次電圧ｖ１ｄとｄ軸一次電流ｉ１ｄとの関係は、数式７によって表すことができる。
【数７】
0005854257.tif 000008
【００２５】
数式７によれば、誘導電動機は２次系であり、次数ｎ＝２、相対次数ｄ＝１である。また、数式１に示したプラントの一般式において、ｄ軸一次電圧ｖ１ｄは入力ｕに相当し、ｄ軸一次電流ｉ１ｄは出力ｙに相当する。
【００２６】
数式１，数式７より、誘導電動機は数式８のようにモデル化することができる。
【数８】
0005854257.tif 000009
【００２７】
数式２において、Ｗ（ｓ）＝１に設計すると、次数ｎ＝２より、線形パラメトリックモデルは数式９となる。
【数９】
0005854257.tif 000010
【００２８】
多項式ＤＩ（ｓ），ＦＩ（ｓ）は、数式４においてｎ＝ｒ＝２とし、数式１０のように指定する。
【数１０】
0005854257.tif 000011
【００２９】
このとき、信号ベクトルζは、数式５においてｎ＝ｒ＝２とし、数式１１のように定義する。
【数１１】
0005854257.tif 000012
パラメータ推定値ベクトルΘｅｓｔは、数式１１により演算した信号ベクトルζと出力ｙとを用いて、前述した数式６により演算することができる。
【００３０】
ところで、実際の制御装置においては、検出回路の誤差やインバータ出力電圧の制御誤差を始めとする制御装置の誤差があるので、ｄ軸一次電圧検出値ｖ１ｄｄｅｔとｄ軸一次電流検出値ｉ１ｄｄｅｔとは誤差を持つ。このため、これらの値をそれぞれプラントの入力ｕ、出力ｙとしてパラメータ推定値ベクトルΘｅｓｔを演算すると、パラメータ推定値ベクトルΘｅｓｔに推定誤差が発生したり不安定になることがある。
【００３１】
そこで、この実施形態では、制御装置の誤差を考慮した数式１２に示す線形パラメトリックモデルに基づいてパラメータ推定を行う。すなわち、５次元の信号ベクトルζと５次元のパラメータ推定値ベクトルΘｅｓｔとの内積から、出力ｙを推定するモデルを用いる。
【数１２】
0005854257.tif 000013
上式において、信号ζ１〜ζ５は、数式１３のように定義する。
【数１３】
0005854257.tif 000014
【００３２】
数式１２において、パラメータΘ５は、制御装置の誤差に相当する。このため、数式１２に示した線形パラメトリックモデルに基づいてパラメータを推定すれば、誘導電動機の電気定数と制御装置の誤差とを同時に推定することができ、パラメータΘ１〜Θ４の推定誤差を低減して安定したパラメータ推定を行うことが可能になる。
【００３３】
誘導電動機の電気定数は、パラメータ推定値ベクトルΘｅｓｔから推定する。
まず、数式８における係数ａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２の推定値ａ１ｅｓｔ，ａ２ｅｓｔ，ｂ１ｅｓｔ，ｂ２ｅｓｔを、パラメータΘ１〜Θ４の推定値Θ１ｅｓｔ〜Θ４ｅｓｔ及びλｐを用いて数式１４により計算する。
【数１４】
0005854257.tif 000015
【００３４】
次に、数式１５により、係数の推定値ａ１ｅｓｔ，ａ２ｅｓｔ，ｂ１ｅｓｔ，ｂ２ｅｓｔを用いて電気定数推定値を演算する。
【数１５】
0005854257.tif 000016
【００３５】
ここで、図２は、本発明の第１実施例における電気定数推定部４０のブロック図である。
図２において、信号演算器１０１は、数式１３により、入力ｕと出力ｙとから信号ベクトルζ（ζ１〜ζ４）を演算する。なお、前述したごとく、ζ５は一定値とする。適応同定器１０２は、数式６により、出力ｙと信号ベクトルζとからパラメータ推定値Θ１ｅｓｔ〜Θ５ｅｓｔを演算する。
係数演算器１０３は、数式１４により、パラメータ推定値Θ１ｅｓｔ〜Θ４ｅｓｔ及びλｐから係数推定値ａ１ｅｓｔ，ａ２ｅｓｔ，ｂ１ｅｓｔ，ｂ２ｅｓｔを演算する。電気定数演算器１０４は、数式１５により、係数推定値ａ１ｅｓｔ，ａ２ｅｓｔ，ｂ１ｅｓｔ，ｂ２ｅｓｔから誘導電動機の電気定数推定値Ｒ１ｅｓｔ，Ｒ２ｅｓｔ，Ｌσｅｓｔ，Ｌｍｅｓｔを演算する。
【００３６】
次に、図３は、本発明の第２実施例及び第３の実施例における電気定数推定部４０のブロック図である。
この第２実施例では、図２における信号演算器１０１と適応同定器１０２との間に正規化演算器１０５を追加したものであり、適応同定器１０２における数式６に基づいたパラメータ適応則を、正規化した信号ベクトルζＮと正規化した出力ｙＮとを用いて実施するようにした。これにより、電気定数推定のために通流するｄ軸一次電流の大きさに関わらず、電気定数推定の応答を一定にすることができる。
【００３７】
図３において、正規化演算器１０５は、出力ｙ及び信号ベクトルζを数式１６により正規化する。
【数１６】
0005854257.tif 000017
なお、上式は正規化の一例であり、他の正規化の演算式を用いてもよい。
【００３８】
適応同定器１０２は、数式６における信号ベクトルζ、出力ｙを、正規化した信号ベクトルζＮ、出力ｙＮにそれぞれ置き換えて、パラメータ推定値ベクトルΘｅｓｔを数式１７により演算する。
【数１７】
0005854257.tif 000018
【００３９】
この第３実施例は、第２実施例における信号ベクトルζの変動が所定範囲内になるように設計することで、信号ベクトルζを固定小数点演算により実現できるように改良したものである。
信号ベクトルζは数式３の関係を満たす限り、任意に定義してよい。そこで、信号ζ１〜ζ５を例えば数式１８により定義する。
【数１８】
0005854257.tif 000019
【００４０】
数式１８によれば、信号ζ１は入力ｕの１次のローパスフィルタ出力、信号ζ２は信号ζ１の１次ローパスフィルタ出力、信号ζ３は出力ｙの１次のローパスフィルタ出力、信号ζ４は信号ζ３の１次のローパスフィルタ出力である。
このため、信号ζ１，ζ２の変動を入力ｕの変動範囲内に収め、信号ζ３，ζ４の変動を出力ｙの変動範囲内に収めることができる。すなわち、変数の変動範囲が少なくなるので固定小数点演算が可能になり、演算処理装置の負荷の軽減に寄与することができる。
【００４１】
信号ベクトルζの定義を、数式１３から数式１８のように改良したことに対応して、係数推定値ａ１ｅｓｔ，ａ２ｅｓｔ，ｂ１ｅｓｔ，ｂ２ｅｓｔを数式１９により演算する。
【数１９】
0005854257.tif 000020
【００４２】
以上をまとめると、この第３実施例は、第２実施例における信号演算器１０１の演算を数式１８に置き換えると共に、係数演算器１０３の演算を数式１９に置き換えることで実現可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１１ｕ  ｕ相電流検出回路
１１ｗ  ｗ相電流検出回路
１２  入力電圧検出回路
１３  ＰＷＭ回路
１４  座標変換器
１５  座標変換器
１８  発振器
１９  減算器
２０  電流調節器
４０  電気定数推定部
５０  三相交流電源
６０  整流回路
７０  電力変換器
８０  誘導電動機
１０１  信号演算器
１０２  適応同定器
１０３  係数演算器
１０４  電気定数演算器
１０５  正規化演算器
【図１】
0005854257.tif 000021
【図２】
0005854257.tif 000022
【図３】
0005854257.tif 000023