(57)【要約】【課題】回転子の磁極方向に発生する磁束に基づいて磁極位置を従来よりも簡単かつ正確に推定可能とした同期電動機の制御装置を提供する。【解決手段】センサレス駆動される永久磁石同期電動機や同期リラクタンス電動機等の磁極位置を推定する制御装置において、磁束推定器３１は、静止座標系の端子電圧，電流，電流微分値、ＰＭＳＭ８０の電機子抵抗及びｑ軸インダクタンスから、回転子磁極と平行方向に発生する拡張磁束によって誘導される拡張誘起電圧を演算し、かつ、この拡張誘起電圧に拡張磁束推定値を負帰還した値を積分して拡張磁束推定値を演算する手段を備える。この拡張磁束推定値に基づき、角度演算器３２、減算器３５、速度推定器３３及び積分器３４によりＰＭＳＭ８０の速度及び磁極位置を推定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期電動機の端子電圧及び電流をベクトルとしてとらえ、
前記電動機の静止座標系の端子電圧、静止座標系の電流、静止座標系の電流微分値、前記電動機の電機子抵抗、及び、前記電動機の回転子磁極に対して直交方向のインダクタンスであるｑ軸インダクタンスから、前記電動機の回転子磁極と平行方向に発生する拡張磁束によって誘導される拡張誘起電圧を演算する手段と、
前記拡張誘起電圧に拡張磁束推定値を負帰還した値を積分して前記拡張磁束推定値を演算する手段と、
前記拡張磁束推定値から前記電動機の速度及び磁極位置を推定する手段と、
を備えたことを特徴とする同期電動機の制御装置。
【請求項２】
同期電動機の端子電圧及び電流をベクトルとしてとらえ、
前記電動機の静止座標系の端子電圧、静止座標系の電流、及び、前記電動機の電機子抵抗から、前記電動機の電機子鎖交磁束によって誘導される誘起電圧を演算する手段と、
前記誘起電圧に拡張磁束推定値を負帰還した値を積分して、電機子鎖交磁束推定値を演算する手段と、
前記電機子鎖交磁束推定値、前記静止座標系の電流、及び、前記電動機の回転子磁極に対して直交方向のインダクタンスであるｑ軸インダクタンスから、前記拡張磁束推定値を演算する手段と、
前記拡張磁束推定値から前記電動機の速度及び磁極位置を推定する手段と、
を備えたことを特徴とする同期電動機の制御装置。
【請求項３】
同期電動機の端子電圧及び電流をベクトルとしてとらえ、
前記電動機の電機子鎖交磁束推定値、静止座標系の電流、及び、前記電動機の回転子磁極に対して直交方向のインダクタンスであるｑ軸インダクタンスから、第１の拡張磁束推定値を演算する手段と、
前記電動機の静止座標系の端子電圧、静止座標系の電流、及び、前記電動機の電機子抵抗から、前記電動機の電機子鎖交磁束によって誘導される誘起電圧を演算する手段と、
前記誘起電圧に前記第１の拡張磁束推定値を負帰還した値を積分して、前記電動機の電機子鎖交磁束推定値を演算する手段と、
前記電機子鎖交磁束推定値、前記静止座標系の電流、及び、前記ｑ軸インダクタンスから、第２の拡張磁束推定値を演算する手段と、
前記第２の拡張磁束推定値から前記電動機の速度及び磁極位置を推定する手段と、
を備え、
前記第１の拡張磁束推定値の演算処理、前記電機子鎖交磁束推定値の演算処理、前記第２の拡張磁束推定値の演算処理を順次実行することを特徴とする同期電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石同期電動機や同期リラクタンス電動機等の同期電動機の磁極位置を演算する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
同期電動機の制御装置をコストダウンするための技術として、磁極位置検出器なしで運転する、いわゆるセンサレス制御が実用化されている。
センサレス制御は、電動機の端子電圧及び電流の情報から回転子の速度と磁極位置とを演算し、これらに基づいて電流制御を行うことでトルク制御や速度制御を実現するものである。
【０００３】
ここで、特許文献１には、センサレスにてベクトル制御される同期リラクタンス電動機において、回転子の磁極方向に発生する突極磁束を２次状態オブザーバにより推定し、この突極磁束推定値に基づいて速度及び磁極位置を演算する制御装置が記載されている。
上記の２次状態オブザーバによれば、回転子の磁極方向に発生する突極磁束を正確に推定することが可能であるが、複雑な演算が必要である。
【０００４】
一方、電動機の電圧、電流を静止座標系でとらえ、磁束によって誘導される誘起電圧を不完全積分することにより磁束を推定する方法が知られている。
【０００５】
例えば、非特許文献１には、誘導電動機において、静止座標系の一次電圧と一次電流とから二次鎖交磁束によって誘導される誘起電圧を演算し、この誘起電圧を不完全積分して二次鎖交磁束を推定する方法が開示されている（同文献の（１６）式、図２等を参照）。
また、非特許文献２には、埋込磁石同期電動機において、静止座標系の端子電圧と電流から電機子鎖交磁束によって誘導される誘起電圧を演算し、この誘起電圧を不完全積分して電機子鎖交磁束を推定する方法が開示されている（同文献の（(１)，(２)，(２１)式等を参照））。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４６４４０１０号公報（［００５６］〜［００６０］、図４等）
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】大谷ほか，「ベクトル制御による誘導電動機の速度センサレスドライブ」，電気学会論文誌Ｄ，Ｖｏｌ．１０７，Ｎｏ．２，ｐ．１９９−ｐ．２０６（１９８７年）
【非特許文献２】井上ほか，「直接トルク制御による埋込磁石同期モータ駆動時のトルク応答性に関する検討と応答改善法」，電気学会論文誌Ｄ，Ｖｏｌ．１２９，Ｎｏ．３，ｐ．２４３−ｐ．２５１（２００９年）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した各従来技術には、永久磁石同期電動機や同期リラクタンス電動機等の同期電動機を対象として、回転子の磁極方向に発生する磁束を簡単かつ正確に推定する技術については明確に開示されていない。
そこで、本発明の解決課題は、回転子の磁極方向に発生する磁束を従来よりも簡単かつ正確に推定し、この磁束推定値に基づいて電動機の速度及び磁極位置を演算可能とした同期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】
【０００９】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、同期電動機の端子電圧及び電流をベクトルとしてとらえ、
前記電動機の静止座標系の端子電圧、静止座標系の電流、静止座標系の電流微分値、前記電動機の電機子抵抗、及び、前記電動機の回転子磁極に対して直交方向のインダクタンスであるｑ軸インダクタンスから、前記電動機の回転子磁極と平行方向に発生する拡張磁束によって誘導される拡張誘起電圧を演算する手段と、
前記拡張誘起電圧に拡張磁束推定値を負帰還した値を積分して前記拡張磁束推定値を演算する手段と、
前記拡張磁束推定値から前記電動機の速度及び磁極位置を推定する手段と、
を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、従来よりも簡単な演算により、速度及び磁極位置を推定することができる。
【００１０】
請求項２に係る発明は、同期電動機の端子電圧及び電流をベクトルとしてとらえ、
前記電動機の静止座標系の端子電圧、静止座標系の電流、及び、前記電動機の電機子抵抗から、前記電動機の電機子鎖交磁束によって誘導される誘起電圧を演算する手段と、
前記誘起電圧に拡張磁束推定値を負帰還した値を積分して、電機子鎖交磁束推定値を演算する手段と、
前記電機子鎖交磁束推定値、前記静止座標系の電流、及び、前記電動機の回転子磁極に対して直交方向のインダクタンスであるｑ軸インダクタンスから、前記拡張磁束推定値を演算する手段と、
前記拡張磁束推定値から前記電動機の速度及び磁極位置を推定する手段と、
を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、電流微分を用いずに速度及び磁極位置を推定できるため、電流検出回路のノイズの影響を低減することができる。
【００１１】
請求項３に係る発明は、同期電動機の端子電圧及び電流をベクトルとしてとらえ、
前記電動機の電機子鎖交磁束推定値、静止座標系の電流、及び、前記電動機の回転子磁極に対して直交方向のインダクタンスであるｑ軸インダクタンスから、第１の拡張磁束推定値を演算する手段と、
前記電動機の静止座標系の端子電圧、静止座標系の電流、及び、前記電動機の電機子抵抗から、前記電動機の電機子鎖交磁束によって誘導される誘起電圧を演算する手段と、
前記誘起電圧に前記第１の拡張磁束推定値を負帰還した値を積分して、前記電動機の電機子鎖交磁束推定値を演算する手段と、
前記電機子鎖交磁束推定値、前記静止座標系の電流、及び、前記ｑ軸インダクタンスから、第２の拡張磁束推定値を演算する手段と、
前記第２の拡張磁束推定値から前記電動機の速度及び磁極位置を推定する手段と、
を備え、
前記第１の拡張磁束推定値の演算処理、前記電機子鎖交磁束推定値の演算処理、前記第２の拡張磁束推定値の演算処理を順次実行することを特徴とする。
本発明によれば、演算遅れを低減し、より高精度に速度及び磁極位置を推定することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、従来よりも簡単な演算により、同期電動機の速度及び磁極位置を正確に推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係る制御装置のブロック図である。
【図２】座標軸の定義を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る同期電動機の制御装置を示すブロック図であり、本発明を永久磁石同期電動機（以下、ＰＭＳＭという）の制御装置に適用した場合のものである。
【００１５】
ＰＭＳＭは、回転子に同期した直交回転座標を構成するｄ，ｑ軸上で電流，電圧を制御することにより、高性能なトルク制御や速度制御を実現することができる。ここで、回転子の磁極（Ｎ極）方向をｄ軸と定義し、ｄ軸から９０°進み方向をｑ軸と定義する。
しかしながら、磁極位置検出器を用いずにＰＭＳＭを運転するセンサレス制御の場合、ｄ，ｑ軸の位置を直接検出することができない。そこで、制御装置では、ｄ，ｑ軸の推定軸であるγ，δ軸を内部に仮想して制御演算を行う。
【００１６】
図２は、これらの座標軸の定義を説明するための図である。なお、α，β軸は直交静止座標の構成軸である。
図２において、ＰＭＳＭのｕ相巻線を基準としたγ軸の角度（位置推定値）θｒｅｓｔとｕ相巻線を基準としたｄ軸の角度（磁極位置）θｒとの角度差（位置推定誤差）θｅｒｒを、数式１により定義する。
［数１］
θｅｒｒ＝θｒｅｓｔ−θｒ
また、ｄ，ｑ軸の角速度をωｒ（回転子速度）と定義し、γ，δ軸の角速度（速度推定値）をωｒｅｓｔと定義する。
【００１７】
次に、図１の制御ブロック図について説明する。
まず、ＰＭＳＭの速度制御、電流制御、及び、電圧制御について説明する。
図１において、速度指令値ωｒ＊と速度推定値ωｒｅｓｔとの偏差を減算器１６により演算する。速度調節器１７は、上記の偏差をゼロにするように動作してトルク指令値τ＊を演算する。
【００１８】
電流指令演算器１８は、トルク指令値τ＊及び速度推定値ωｒｅｓｔから、所望のトルクを発生するためのｄ軸電流指令値ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値ｉｑ＊を演算し、これらのｄ軸電流指令値ｉｄ＊、ｑ軸電流指令値ｉｑ＊をそれぞれγ軸電流指令値ｉγ＊、δ軸電流指令値ｉδ＊として制御に用いる。
【００１９】
一方、ｕ相電流検出器１１ｕ、ｗ相電流検出器１１ｗを用いてＰＭＳＭ８０の入力側から得た相電流検出値ｉｕ，ｉｗを３相／２相変換器２５に入力し、これらの相電流検出値ｉｕ，ｉｗ、及び、演算により得たｉｖをα，β軸の電流ｉα，ｉβに座標変換する。α，β軸は、前述したごとく直交静止座標の構成軸であり、ＰＭＳＭ８０のｕ相巻線方向をα軸と定義し、α軸から９０°進み方向をβ軸と定義する。
【００２０】
座標変換器１４は、α，β軸電流検出値ｉα，ｉβを、位置推定値θｒｅｓｔを用いてγ，δ軸電流検出値ｉγ，ｉδに座標変換する。
減算器１９ａはγ軸電流指令値ｉγ＊とγ軸電流検出値ｉγとの偏差を求め、γ軸電流調節器２０ａは上記偏差をゼロにするように動作してγ軸電圧指令値ｖγ＊を演算する。また、減算器１９ｂはδ軸電流指令値ｉδ＊とδ軸電流検出値ｉδとの偏差を求め、δ軸電流調節器２０ｂは上記偏差をゼロにするように動作してδ軸電圧指令値ｖδ＊を演算する。
【００２１】
座標変換器１５は、γ，δ軸電圧指令値ｖγ＊，ｖδ＊を、位置推定値θｒｅｓｔを用いてα，β軸電圧指令値ｖα＊，ｖβ＊に座標変換する。２相／３相変換器２６は、α，β軸電圧指令値ｖα＊，ｖβ＊を相電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊に座標変換する。
【００２２】
整流回路６０は、三相交流電源５０の交流電圧を整流して得た直流電圧をインバータ等の電力変換器７０に供給する。
ＰＷＭ回路１３は、相電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊から、電力変換器７０の出力電圧を前記相電圧指令値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、ゲート信号に基づいて内部のＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子を制御することにより、ＰＭＳＭ８０の端子電圧を相電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊に制御する。
以上に述べた制御により、ＰＭＳＭ８０の速度を速度指令値ωｒ＊に従って制御することができる。
【００２３】
次に、ＰＭＳＭ８０の速度及び磁極位置の推定について説明する。
ＰＭＳＭのｄ，ｑ軸電圧方程式は、電機子鎖交磁束に着目すると数式２となる。
【数２】
2018183005.tif 000003
【００２４】
数式２の電圧方程式は、ｄ軸方向に発生する磁束（回転子磁極と平行方向に発生する磁束）である拡張磁束を用いて、数式３のように表現することができる。
【数３】
2018183005.tif 000004
【００２５】
ｄ，ｑ軸電機子鎖交磁束とｄ，ｑ軸拡張磁束との間には、数式４の関係がある。
［数４］
Ψｄｑ＝Ψｅｘｄｑ＋Ｌｑｉｄｑ
【００２６】
一方、ＰＭＳＭのα，β軸電圧方程式は、電機子鎖交磁束に着目すると数式５となる。
【数５】
2018183005.tif 000005
【００２７】
数式５の右辺第２項は、電機子鎖交磁束の微分項であり、電機子鎖交磁束によって誘導される誘起電圧である。
ここで、α，β軸電機子鎖交磁束とｄ，ｑ軸電機子鎖交磁束、α，β軸拡張磁束とｄ，ｑ軸拡張磁束、α，β軸電流とｄ，ｑ軸電流との間には、それぞれ数式６の関係が成り立つ。
【数６】
2018183005.tif 000006
【００２８】
数式４、数式６より、Ｃ（θｒ）−１ Ψαβ＝Ｃ（θｒ）−１（Ψｅｘαβ＋Ｌｑｉαβ）であるから、α，β軸電機子鎖交磁束とα，β軸拡張磁束との関係は数式７のようになる。
［数７］
Ψαβ＝Ψｅｘαβ＋Ｌｑｉαβ
【００２９】
数式７より、ｐΨαβ＝ｐΨｅｘαβ＋ｐＬｑｉαβであり、この関係を数式５に代入することにより、ＰＭＳＭのα，β軸電圧方程式は、拡張磁束を用いて数式８のようになる。
［数８］
ｖαβ＝Ｒａｉαβ＋ｐＬｑｉαβ＋ｐΨｅｘαβ
【００３０】
数式８の右辺第３項は、拡張磁束の微分項であり、拡張磁束によって誘導される誘起電圧に相当する。この誘起電圧を拡張誘起電圧と定義する。
先に説明したように、拡張磁束はｄ軸方向に発生する磁束である。このため、α，β軸拡張磁束の角度から、磁極位置を推定することができる。
【００３１】
図１における磁束推定器３１は、α，β軸電圧指令値ｖα＊，ｖβ＊及びα，β軸電流検出値ｉα，ｉβに基づいて、α，β軸拡張磁束を推定する。
この磁束推定器３１によるα，β軸拡張磁束推定値の演算内容を、本発明の第１実施例として以下に説明する。
【００３２】
（第１実施例）
磁束推定器３１は、拡張誘起電圧ｅｅｘαβを不完全積分することによってα，β軸拡張磁束を推定する。
まず、磁束推定器３１は、数式９によりα，β軸拡張磁束推定値Ψｅｘαβｅｓｔを演算する。
【数９】
2018183005.tif 000007
【００３３】
数式９のただし書きにおけるｖαβは、数式５のただし書きに示したようにｖα，ｖβの行列式からなり、これらのｖα，ｖβには、それぞれ、α，β軸電圧指令値ｖα＊，ｖβ＊を用いる。すなわち、磁束推定器３１は、座標変換器１５から出力されるα，β軸電圧指令値ｖα＊，ｖβ＊と、３相／２相変換器２５から出力されるα，β軸電流検出値ｉα，ｉβとを用いて、数式９によりα，β軸拡張磁束推定値Ψｅｘαβｅｓｔを演算する。
【００３４】
なお、α，β軸拡張磁束を推定するには、α，β軸電圧指令値ｖα＊，ｖβ＊の代わりに、図示されていない電圧検出回路を用いてＰＭＳＭ８０の相電圧または線間電圧を測定し、これらの値をα，β軸に座標変換して得たα，β軸電圧を用いても良い。
【００３５】
図１の角度演算器３２は、α，β軸拡張磁束推定値Ψｅｘαβｅｓｔの角度、及び、不完全積分に伴う位置推定誤差補償値θｒｅｓｔｃｏｍｐから、数式１０により位置推定値θｒｅｓｔ０を演算する。
【数１０】
2018183005.tif 000008
【００３６】
速度推定器３３は、減算器３５により求めた位置推定値θｒｅｓｔ０と積分器３４から出力される位置推定値θｒｅｓｔとの偏差を比例・積分演算し、速度推定値ωｒｅｓｔを求める。具体的には、数式１１の演算を行う。
【数１１】
2018183005.tif 000009
【００３７】
積分器３４は、速度推定値ωｒｅｓｔを積分して位置推定値θｒｅｓｔを演算し、前記座標変換器１４，１５及び減算器３５に出力する。
減算器３５、速度推定器３３、積分器３４の演算により、位置推定値θｒｅｓｔがα，β軸拡張磁束推定値Ψｅｘαβｅｓｔの角度から演算した位置推定値θｒｅｓｔ０に一致するように速度推定値ωｒｅｓｔが演算される。また、この演算により、位置推定値θｒｅｓｔ０に含まれるリプル成分を除去することができる。
なお、減算器３５、速度推定器３３、積分器３４による演算の代わりに、位置推定値θｒｅｓｔ０を微分して速度推定値ωｒｅｓｔを求めると共に、位置推定値θｒｅｓｔ０をそのまま位置推定値θｒｅｓｔとして用いてもよい。
【００３８】
（第２実施例）
次に、磁束推定器３１によるα，β軸拡張磁束推定値の演算方法の第２実施例につき説明する。
磁束推定器３１は、α，β軸電機子鎖交磁束推定値を数式１２により演算する。
【数１２】
2018183005.tif 000010
【００３９】
更に、数式１２のα，β軸電機子鎖交磁束推定値を用いて、数式１３によりα，β軸拡張磁束推定値を演算する。
［数１３］
Ψｅｘαβｅｓｔ＝Ψαβｅｓｔ−Ｌｑｉαβ
【００４０】
次いで、これらの数式１２，数式１３を用いたα，β軸拡張磁束推定値の演算が、第１実施例の数式９によるα，β軸拡張磁束推定値の演算と同等であることについて説明する。
まず、数式９は数式１４のように変形することができる。
【数１４】
2018183005.tif 000011
【００４１】
ここで、α，β軸誘起電圧を数式１５により定義する。
【数１５】
2018183005.tif 000012
数式１５を用いて数式１４を変形すると、数式１６，１７となる。
【数１６】
2018183005.tif 000013
【数１７】
2018183005.tif 000014
【００４２】
次に、α，β軸電機子鎖交磁束推定値を数式１８により定義する。
この数式１８を用いて数式１７を変形することにより、前述した数式１２のα，β軸電機子鎖交磁束推定値を導出することができる。
【数１８】
2018183005.tif 000015
【００４３】
また、数式１８の定義により、数式１２のα，β軸電機子鎖交磁束推定値を用いて数式１３のα，β軸拡張磁束推定値を導出することができる。
数式１３によるα，β軸拡張磁束推定値の演算は電流微分項を含まないため、電流検出回路のノイズの影響を低減することができる。
【００４４】
（第３実施例）
次に、磁束推定器３１によるα，β軸拡張磁束推定値の演算方法の第３実施例につき説明する。
第２実施例によるα，β軸拡張磁束推定値Ψｅｘαβｅｓｔの演算には、数式１２のα，β軸電機子鎖交磁束推定値の演算にα，β軸拡張磁束推定値が必要である。数式１２の演算をソフトウェアで実現する場合には、一般に、α，β軸拡張磁束推定値として前回演算した値を用いるため、α，β軸電機子鎖交磁束推定値に遅れが発生する。
そこで、本実施例では、α，β軸電機子鎖交磁束推定値の演算を行う直前にも、α，β軸拡張磁束推定値を演算し、その結果を用いてα，β軸電機子鎖交磁束推定値を演算することにより演算遅れの解消を可能にした。
【００４５】
磁束推定器３１は、まず、α，β軸拡張磁束推定値を数式１９により演算する。
【数１９】
2018183005.tif 000016
【００４６】
次に、数式１９で求めたα，β軸拡張磁束推定値を用いて、α，β軸電機子鎖交磁束推定値を数式２０により演算する。
【数２０】
2018183005.tif 000017
次いで、α，β軸拡張磁束推定値を前述した数式１３により演算する。
【００４７】
すなわち、本実施例では、数式１９によるα，β軸拡張磁束推定値（第１の拡張磁束推定値）の演算処理、数式２０によるα，β軸電機子鎖交磁束推定値の演算処理、数式１３によるα，β軸拡張磁束推定値（第２の拡張磁束推定値）の演算処理を、順次実行するものである。
【００４８】
なお、上述した各実施例では、本発明をＰＭＳＭの制御装置に適用した場合について説明したが、本発明は、同期リラクタンス電動機にも適用可能である。この場合、具体的には、ｄ軸をインダクタンスが最大になる方向と定義し、各演算式における永久磁石磁束Ψｍの値を零にすればよい。
【符号の説明】
【００４９】
１１ｕ：ｕ相電流検出回路
１１ｗ：ｗ相電流検出回路
１３：ＰＷＭ回路
１４，１５：座標変換器
１６，１９ａ，１９ｂ，３５：減算器
１７：速度調節器
１８：電流指令演算器
２０ａ：γ軸電流調節器
２０ｂ：δ軸電流調節器
２５：３相／２相変換器
２６：２相／３相変換器
３１：磁束推定器
３２：角度演算器
３３：速度推定器
３４：積分器
５０：三相交流電源
６０：整流回路
７０：電力変換器
８０：永久磁石同期電動機（ＰＭＳＭ）
【図１】
2018183005.tif 000018
【図２】
2018183005.tif 000019