(57)【要約】【課題】負荷トルク及び慣性モーメントが未知な条件下でも、想定外の急加速や過回転状態が生じないように慣性モーメントを同定する。【解決手段】実施形態の永久磁石同期モータの定数同定装置は、永久磁石同期モータの回転子における永久磁石磁束方向の推定軸であるｄｃ軸に基づいて、前記モータに印加する電圧又は電流を決定して前記モータを起動する際の引き込み同期駆動を行い、その引き込み同期駆動を行っている期間内に、前記モータの磁石磁束と慣性モーメントとを同定する定数同定部を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石モータの回転子に配置されている永久磁石磁束方向の推定軸であるｄｃ軸に基づいて、前記モータに印加する電圧又は電流を決定して前記モータを起動する際の引き込み同期駆動を行い、その引き込み同期駆動を行っている期間内に、前記モータの磁石磁束φｆと慣性モーメントＪＭとを同定する定数同定部を備える永久磁石同期モータの定数同定装置。
【請求項２】
前記定数同定部は、前記ｄｃ軸と前記永久磁石磁束方向の軸であるｄ軸との軸誤差Δθｃに基づいて、前記磁石磁束φｆと前記慣性モーメントＪＭとを同定する請求項１記載の永久磁石同期モータの定数同定装置。
【請求項３】
前記定数同定部は、前記回転子の位置決めを行うと、前記モータの回転速度を上昇させて第１引き込み同期駆動を行い、
次に前記回転速度を一定値に維持する期間を設け、前記磁束同定部は、前記期間内に前記磁石磁束を同定し、
次に前記回転速度を再度上昇させて第２引き込み同期駆動を行い、前記軸誤差Δθｃが一定値以下になるか、及び／又は一定時間が経過すると前記慣性モーメントを同定する請求項２記載の永久磁石同期モータの定数同定装置。
【請求項４】
前記定数同定部は、前記ｄｃ軸と前記永久磁石磁束方向の軸であるｄ軸との軸誤差Δθｃを推定する軸誤差推定部と、
前記軸誤差Δθｃに基づいて、前記磁石磁束φｆを同定する磁束同定部と、
前記軸誤差Δθｃ及び前記磁石磁束φｆに基づいて、モータトルクＴＭを同定するモータトルク同定部と、
前記軸誤差Δθｃ及び前記磁石磁束φｆに基づいて、負荷トルクＴＬＯＡＤを同定する負荷トルク同定部と、
前記モータトルクＴＭ及び前記負荷トルクＴＬＯＡＤに基づいて、前記慣性モーメントＪＭを同定する慣性モーメント同定部とを備える請求項２又は３記載の永久磁石同期モータの定数同定装置。
【請求項５】
永久磁石モータの回転子に配置されている永久磁石磁束方向の推定軸であるｄｃ軸に基づいて、前記モータに印加する電圧又は電流を決定して前記モータを起動する際の引き込み同期駆動を行い、その引き込み同期駆動を行っている期間内に、前記モータの磁石磁束と慣性モーメントとを同定する永久磁石同期モータの定数同定方法。
【請求項６】
前記ｄｃ軸と前記永久磁石磁束方向の軸であるｄ軸との軸誤差Δθｃに基づいて、前記磁石磁束と前記慣性モーメントとを同定する請求項５記載の永久磁石同期モータの定数同定方法。
【請求項７】
前記回転子の位置決めを行う第１ステップと、
前記モータの回転速度を上昇させて第１引き込み同期駆動を行う第２ステップと、
前記回転速度を一定値に維持する期間を設け、前記期間内に前記磁石磁束を同定する第３ステップと、
前記回転速度を再度上昇させて第２引き込み同期駆動を行う第４ステップと、
前記軸誤差Δθｃが一定値以下になるか、及び／又は一定時間が経過すると前記慣性モーメントを同定する第５ステップとからなる請求項６記載の永久磁石同期モータの定数同定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、永久磁石同期モータの慣性モーメントを同定する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばモータの速度をＰＩ（Product-Integral）制御する際には、制御ゲインを定量的に決定するため、モータ及びモータに接続される負荷の慣性モーメントが必要となる。従来は、例えば特許文献１に開示されているように、モータを加速した際の速度変化幅ｄωと演算したモータトルクＴＭとから、（１）式によって慣性モーメントＪＭを同定している。負荷トルクＴＬＯＡＤは未知であることが多いため、２条件以上のテスト運転を行うことで同定している。
【０００３】
ＪＭ（ｄω／ｄｔ）＝ＴＭ−ＴＬＯＡＤ      …（１）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３７３１０６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の技術では、速度制御に用いる制御ゲインを決定するため、速度を制御しない状態でモータを運転して慣性モーメントを同定することになる。例えば、モータトルクＴＭを一定にコントロールして負荷トルクＴＬＯＡＤとの差分トルクに応じた加速を行い、その際の速度変化幅にて慣性モーメントを求める。この場合、負荷トルクも慣性モーメントも未知であれば、与えたモータトルクＴＭによってはモータが急激に加速されたり、過回転状態に陥る可能性がある。モータが接続されている機械系の構造によっては、このような運転が行われること自体が問題となる場合がある。
【０００６】
或いは、正確な慣性モーメントは判らないが速度制御のゲインは決まっている場合などは、ある程度の速度制御を行いながら慣性モーメントを同定できる場合があるが、当初に付与する速度制御ゲインをどのように決定するかという問題が残る。
更には、位置・速度センサレス構成で永久磁石同期モータを速度制御することを想定すると、モータが急加速された結果、回転速度が位置センサレス制御系の制御帯域を超えると、センサレス制御が破綻する脱調現象を引き起こしてしまう。
【０００７】
そこで、負荷トルク及び慣性モーメントが未知な条件下でも、想定外の急加速や過回転状態が生じないように慣性モーメントを同定できる永久磁石同期モータの定数同定装置及び永久磁石同期モータの定数同定方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態の永久磁石同期モータの定数同定装置は、永久磁石同期モータの回転子における永久磁石磁束方向の推定軸であるｄｃ軸に基づいて、前記モータに印加する電圧又は電流を決定して前記モータを起動する際の引き込み同期駆動を行い、その引き込み同期駆動を行っている期間内に、前記モータの磁石磁束と慣性モーメントとを同定する定数同定部を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態であり、モータ定数同定装置の構成を示す機能ブロック図
【図２】定数同定部の構成を示す機能ブロック図
【図３】モータ定数同定装置の処理内容を示すフローチャート
【図４】図３の各ステップにおける処理内容に対応する各部の動作波形を示す図
【図５】ｄｑ軸とｄｃｑｃ軸との関係を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、モータ定数同定装置の構成を示す機能ブロック図である。直流電源部１は直流電源のシンボルで示しているが、商用交流電源から直流電源を生成している場合は整流回路や平滑コンデンサ等を含んでいる。直流電源部１には、正側母線２ａ，負側母線２ｂを介してインバータ回路３が接続されている。インバータ回路３は、スイッチング素子として例えばＮチャネル型のパワーＭＯＳＦＥＴ４（Ｕ＋，Ｖ＋，Ｗ＋，Ｕ−，Ｖ−，Ｗ−）を３相ブリッジ接続して構成されており、各相の出力端子はモータ５の各相巻線にそれぞれ接続されている。
【００１１】
インバータ回路３の各相出力端子はモータ５の各相巻線との間には、電流センサ６が介挿されており、電流センサ６のセンサ信号は電流検出部７に入力されている。尚、電流センサ６は、ホールＩＣを利用した電流トランスや、インバータ回路３の下アーム側に挿入されるシャント抵抗の場合もある。電流検出部７は、入力されるセンサ信号をＡ／Ｄ変換して読み込み、必要な信号処理を行いＵ，Ｖ，Ｗ各相の電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを出力する。これらの各相電流は、３相／ｄｃｑｃ変換部８に入力される。
【００１２】
３相／ｄｃｑｃ変換部８では、入力される各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗがｄｃ軸電流Ｉｄｃ，ｑｃ軸電流Ｉｑｃに変換される。ｄｃ軸, ｑｃ軸とは、図５に示すように、演算により推定した永久磁石磁束の方向に一致する軸がｄｃ軸であり、ｄｃ軸に直交する軸がｑｃ軸である。ｄｃ軸と真の磁石磁束方向に一致しているｄ軸との間には、位置誤差Δθがある。
【００１３】
各軸電流Ｉｄｃ，Ｉｑｃは、定数同定部９及び電流制御部１０に入力される。定数同定部９には電流制御部１０よりｄｃ軸電圧Ｖｄｃ，ｑｃ軸電圧Ｖｑｃが入力されており、定数同定部９は、入力される各演算パラメータから電機子鎖交磁φｆ，慣性モーメントＪＭを同定する。また、その同定を行う過程において、ｄｃ軸電流指令Ｉｄｃ＿Ｒｅｆ，ｑｃ軸電流指令Ｉｑｃ＿Ｒｅｆ及びモータ５の回転速度指令値ωＲｅｆを決定する。電流指令Ｉｄｃ＿Ｒｅｆ，Ｉｑｃ＿Ｒｅｆは電流制御部１０に入力される。また、速度指令値ωＲｅｆは、積分器１１により積分されて位置指令θＲｅｆに変換され、その位置指令θＲｅｆは、３相／ｄｃｑｃ変換部８及びｄｃｑｃ／３相変換部１２に入力される。
【００１４】
電流制御部１０は、各軸電流Ｉｄｃ，Ｉｑｃが各軸電流指令Ｉｄｃ＿Ｒｅｆ，Ｉｑｃ＿Ｒｅｆに追従するようにｄｃ軸電圧Ｖｄｃ，ｑｃ軸電圧Ｖｑｃを演算し、定数同定部９及びｄｃｑｃ／３相変換部１２に出力する。ｄｃｑｃ／３相変換部１２は、２軸電圧Ｖｄｃ，Ｖｑｃを３相電圧指令Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに変換し、デューティ生成部１３に出力する。電圧検出部１５は、直流電源１の電圧ＶＤＣを検出してデューティ生成部１３に出力する。デューティ生成部１３は、３相電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを直流電圧ＶＤＣで除して各相ＰＷＭ信号を生成するためのデューティＤｕ，Ｄｖ，Ｄｗを決定し、ＰＷＭ生成部１４に入力する。
【００１５】
ＰＷＭ生成部１４には例えば三角波状のＰＷＭキャリアが入力されており、ＰＷＭ生成部１４は、キャリアと各相デューティＤｕ，Ｄｖ，Ｄｗとのレベルを比較して３相ＰＷＭ信号Ｕ＋，Ｖ＋，Ｗ＋を生成する。また、３相ＰＷＭ信号を反転させた下アーム側の信号Ｕ−，Ｖ−，Ｗ−も生成されて、必要に応じてデッドタイムが付加された後、それらがインバータ回路３に出力される。尚、以上において、構成７〜１４の機能は、ＣＰＵを含むマイクロコンピュータのハードウェア及びソフトウェアにより実現される機能である。
【００１６】
次に、本実施形態の定数同定部９における電機子鎖交磁束φｆ及び慣性モーメントＪＭの同定原理並びにそのシーケンスを、図２から図５を参照して説明する。尚、前提として、電流指令値の通りにモータ電流を制御することは可能であるとする。これは一般に、モータの停止時において、固定子巻線の抵抗やインダクタンスの同定に基づく電流制御のゲイン調整が可能だからである。
【００１７】
図３は、電機子鎖交磁束φｆ及び慣性モーメントＪＭを同定する処理内容を示すフローチャートである。また図２は、上記処理内容対応する定数同定部９の各処理ブロックを示す図である。先ず、ｄｃ軸電流をある値，例えばＩｄｃ１とし、ｑｃ軸電流は０Ａとするように電流を制御して回転子の「位置決め動作」を行う（Ｓ１）。また、回転速度指令ωＲｅｆはゼロとする。これに伴い、回転速度指令の積分である回転角度指令θＲｅｆも０degとなる。このとき、回転子の初期の磁極位置θが０ｄｅｇ以外であれば、通電した電流によって０degの位置に磁極位置θが引き寄せられる。
【００１８】
ここで、回転角度指令θｃ（＝θＲｅｆ）と磁極位置θが与えられたときの磁極位置誤差Δθは、（２）式となる。
Δθ＝θ−θｃ      …（２）
ｄｃ軸電流指令Ｉｄｃ＿Ｒｅｆ，と磁極位置誤差Δθから、モータ５が発生するトルクＴＭは（３）式で与えられる。・
ＴＭ＝ＰφｆＩｄｃ＿ＲｅｆｓｉｎΔθ…（３）
但し、Ｐはモータ極対数である。
【００１９】
（３）式が示すように、磁極位置誤差Δθが存在する場合、モータ５はトルクＴＭを生じ、誤差ΔθがゼロになるとトルクＴＭもゼロになる。すなわち、初期の磁極位置θがθＲｅｆと不一致であれば、両者が一致するまでトルクＴＭを生じることになり、磁極位置θが回転角度指令θＲｅｆに位置決めされる。
【００２０】
以上のようにして位置決め動作が完了すると、次に強制同期駆動（１）を実行する（Ｓ２）。強制同期駆動（１）は、第１引き込み同期駆動に相当する。強制同期駆動では、位置決め動作と同様の制御をしながら回転角度指令θＲｅｆを動かしてモータ５を加速する。回転角度指令θＲｅｆは、（４）式のように回転速度指令ωＲｅｆの積分で与えられる。尚、（４）式中の「ｓ」は微分演算子である。
θＲｅｆ＝ωＲｅｆ／ｓ        …（４）
【００２１】
この動作原理は位置決めと同様であるが、ここで負荷トルクＴＬｏａｄがある場合、モータの運動方程式は（１）式であるが、トルクＴＭを（３）式で表し、回転速度指令ωＲｅｆと回転速度ωが略一致しているとすると、モータの運動方程式は（５）式で表すことができる。
ＪＭ（ｄωＲｅｆ／ｄｔ）＝ＰφｆＩｄｃ＿ＲｅｆｓｉｎΔθ−ＴＬＯＡＤ    …（５）
（５）式において、負荷トルクＴＬＯＡＤ又は速度変化ｄωＲｅｆがある場合には、磁極位置誤差Δθが存在しなければ、トルクＴＭを発生させてモータ５を回転させることができない。
【００２２】
この状態で、回転速度指令ωＲｅｆがωＲｅｆ１に達すると（Ｓ３；ＹＥＳ）、モータ５を等速運転するように制御して電機子鎖交磁束φｆを同定する（Ｓ４）。ここで磁極位置誤差Δθの推定値Δθｃは、ｄｃｑｃ軸の電圧・電流を用いて（６）式で求めることができる。
【数１】
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尚、図２に示す位置誤差推定部２１は、推定値Δθｃを求める処理ブロックである。
【００２３】
また、回転速度指令ωＲｅｆで回転している場合の定常状態のｄｑ軸の電圧方程式は（７）式であり、ｑ軸側には電機子鎖交磁束φｆがあるため、（７）式を用いて磁束φｆを同定できる。
Ｖｄ＝ＲＩｄ−ωＬｑＩｑ
Ｖｑ＝ＲＩｑ＋ωＬｄＩｄ＋ωφｆ    …（７）
（７）式はｄｑ軸で表されているが、実際に検出できるのはｄｃｑｃ軸の電圧・電流である。（７）式のｑ軸側の磁束φｆを、ｄｃｑｃ軸の電圧・電流及び磁極位置誤差推定値Δθｃで表すと（８）式となる。この（８）式を用いて磁束φｆを同定する。
【数２】
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図２に示す磁束同定部２２は、磁束φｆを同定する処理ブロックである。
【００２４】
また、ステップＳ４の等速度運転中に、現在の負荷トルクＴＬＯＡＤを同定する。（５）式において、等速度であるから速度変化ｄωＲｅｆをゼロとすれば、（８）式で同定した磁束φｆを用いて、負荷トルクＴＬＯＡＤは（９）式で同定できる。
ＴＬＯＡＤ＝ＰφｆＩｄｃ＿ＲｅｆｓｉｎΔθｃ    …（９）
図２に示す負荷トルク同定部２４は、負荷トルクＴＬＯＡＤを同定する処理ブロックである。
【００２５】
次に、モータ５を再度加速して強制同期駆動（２）を実行する（Ｓ５）。強制同期駆動（２）は、第２引き込み同期駆動に相当する。このときの加速度はステップＳ２の場合よりも高めに設定し、速度指令ωＲｅｆをωＲｅｆ１からωＲｅｆ２まで変化させて加速する。この加速中に慣性モーメントＪＭを同定する（Ｓ７）。再び（５）式を用いて変形すると（１０）式となる。ここで、ｄｔは速度指令ωＲｅｆ１からωＲｅｆ２までの加速時間であり、ｄωＲｅｆは（ωＲｅｆ２−ωＲｅｆ１）で求められる。負荷トルクＴＬＯＡＤはステップＳ３にて同定した値を用いる。
【数３】
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【００２６】
ここで用いる磁極位置誤差の推定値Δθｃは、ステップＳ５の加速運転を行っている間に（６）式を用いて算出する。尚、加速開始直後の推定値Δθｃは変動量が大きいため、加速の開始後に一定時間が経過した後、或は推定値Δθｃが一定値以下となった場合（S６；ＹＥＳ）、又はその両方の条件を満たした後の値を用いる。更には、加速期間中における推定値Δθｃの平均値を用いても良い。また、モータトルク同定部２３及び慣性モーメント同定部２５は、モータトルクＴＭ及び慣性モーメントＪＭを同定する処理ブロックである。
【００２７】
以上の処理により慣性モーメントＪＭを同定できる。このように、強制同期駆動，引き込み同期駆動を用い、その際の磁極位置誤差の推定値Δθｃを用いて同定を行うことで、モータ５の速度制御の調整を行う前の段階であり位置センサレス制御を採用した構成であっても、モータ５の速度及び加速度を管理しながらの同定が可能になる。
【００２８】
図４に、図３の各ステップにおける処理内容に対応する各部の動作波形を示す。ステップＳ１で位置決め動作を行った後、ステップＳ２の強制同期駆動（１）で回転速度ωが上昇している。この間、ｄｃ軸電流Ｉｄｃは指令値Ｉｄｃ１＝３Ａを流している。ｑｃ軸電流は指令値０Ａである。負荷トルクＴＬＯＡＤは０．５Ｎｍを与えている。このため、このトルクＴＬＯＡＤを出力できるだけ、磁極位置誤差Δθが発生している。
【００２９】
磁極位置誤差の推定値Δθｃは算出値でありややノイズ成分が重畳しているが、ほぼ同程度に推定できている。これを用いてステップＳ４で電機子鎖交磁束φｆを推定する。ステップＳ５の加速期間，強制同期駆動（２）では、加速トルクによって磁極位置誤差Δθが更に増加している。これにより発生するトルクを推定することで、慣性モーメントＪＭをステップＳ７で同定する。
【００３０】
以上のように本実施形態によれば、定数同定部９は、永久磁石モータ５の回転子に配置されている永久磁石磁束方向の推定軸であるｄｃ軸に基づいて、モータ５に印加する電圧又は電流を決定してモータ５を起動する際の引き込み同期駆動を行い、その引き込み同期駆動を行っている期間内に、モータ５の磁石磁束φｆと慣性モーメントＪＭとを同定する。具体的には、ｄｃ軸と永久磁石磁束方向の軸であるｄ軸との軸誤差Δθｃに基づいて、(８)式及び（１０）式により磁石磁束φｆと慣性モーメントＪＭとを同定する。
【００３１】
より具体的には、定数同定部９は、ステップＳ１回転子の位置決めを行うと、モータ５の回転速度を上昇させて強制同期駆動（１）を行い、次に回転速度を一定値に維持する期間を設け、前記期間内にステップＳ４で磁石磁束φｆを同定する。次に回転速度を再度上昇させて強制同期駆動（２）を行い、磁極位置誤差の推定値Δθｃが一定値以下になるか、及び／又は一定時間が経過すると慣性モーメントＪＭを同定する。
【００３２】
また、定数同定部９は、ｄｃ軸と永久磁石磁束方向の軸であるｄ軸との軸誤差Δθｃを軸誤差推定部２１により推定すると、磁束同定部２２が軸誤差Δθｃに基づいて磁石磁束φｆを同定する。そして、軸誤差Δθｃ及び磁石磁束φｆに基づいて、モータトルク同定部２３及び負荷トルク同定部２４により、モータトルクＴＭ及び負荷トルクＴＬＯＡＤを同定すると、慣性モーメント同定部２４がモータトルクＴＭ及び負荷トルクＴＬＯＡＤに基づいて慣性モーメントＪＭを同定する。
【００３３】
これにより、位置・速度センサレス構成で永久磁石同期モータ５を速度制御するシステムにおいて、負荷トルクＴＬＯＡＤ，慣性モーメントＪＭが未知な条件下でもモータ５の加速度及び速度を制御しつつ同定を行うので、同定の過程において想定外の急加速、過回転が発生することを回避できる。
【００３４】
（その他の実施形態）
定数同定装置は、モータの通常の運転を制御する制御装置と共通に構成しても良い。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３５】
図面中、５は永久磁石同期モータ、９は定数同定部、２１は磁束同定部、２２は負荷トルク同定部、２３は位置誤差推定部、２４はモータトルク同定部、２５は慣性モーメント同定部を示す。
【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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