(57)【要約】【課題】磁極位置演算誤差の影響を受けることなく、永久磁石同期機の磁石磁束を推定する。【解決手段】電力変換装置によりモータに可変電圧可変周波数の電圧を与え、モータ電流を検出し、モータ電流を推定するオブザーバとを備え、検出したモータ電流検出値を用いて、モータの回転速度および磁極位置を推定する永久磁石同期機の位置センサレス制御方法において、モータ電流検出値と、オブザーバにて推定される電流推定値との偏差から得られる磁極位置誤差及び磁石磁束誤差から、電流検出値と電流推定値の偏差までの伝達関数行列の逆行列に基づいて磁石磁束推定を行う【選択図】図１
2011010486.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換装置によりモータに可変電圧可変周波数の電圧を与え、
モータ電流を検出し、
モータ電流を推定するオブザーバとを備え、
検出したモータ電流検出値を用いて、モータの回転速度および磁極位置を推定する永久磁石同期機の位置センサレス制御方法において、
モータ電流検出値と、オブザーバにて推定される電流推定値との偏差から得られる磁極位置誤差及び磁石磁束誤差から、電流検出値と電流推定値の偏差までの伝達関数行列の逆行列に基づいて磁石磁束推定を行うことを特徴とする永久磁石同期機の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石同期機の位置センサレス制御時の磁石磁束オンラインチューニングに関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石同期機位置センサレス制御において、温度変化により変動する磁石磁束の設定誤差によりトルク制御精度が悪化する。そのため、磁石磁束のオンラインチューニング技術が提案されている。温度センサを用いない、永久磁石同期機位置センサレス制御時の磁石磁束オンラインチューニングの技術として、特許文献１に記載の技術がある。
【０００３】
特許文献１に記載の技術を用いて構成した位置センサレス制御磁石磁束オンラインチューニングシステムのシステム構成を図２に示す。
このシステムは、永久磁石同期機（以下PMSM）１と、 負荷２と、電流検出手段３と、 電力変換装置４と、回転二相／三相座標変換手段５と、三相／回転二相座標変換手段６と、電流制御手段７と、電流指令値演算手段８と、速度PID 調節器９と、速度推定器１０と、モータ軸推定器１１と、逆起電圧定数同定器１２と、積分手段１３と、ローパスフィルタ１４と、を備える。
三相／回転二相座標変換手段６は、電流検出手段３が出力する三相の電流値ｉua，ｉva，ｉwaをα，β軸の固定二相変換した後、積分手段１３が出力している角度の回転座標変換を行い、二軸の量であるγ，δ軸電流ｉγa，ｉδaに変換する。
なお、磁石の磁極に平行な方向と推定している軸をγ軸, それに直交する方向をδ軸としている。
また、回転二相／三相座標変換手段５では、積分手段１３が出力している角度θ#を用いて、γ，δ軸電圧指令値ｖγa*，ｖδa*を逆回転変換し、固定二相の値に変換した後、二相三相変換を行って三相電圧指令値ｖua*，ｖva*，ｖwa*を出力する。この電圧指令値ｖua*，ｖva*，ｖwa*は電力変換装置４に入力される。電力変換装置4 は電圧指令値ｖua*，ｖva*，ｖwa*に基づいて、可変周波数・可変電圧の電圧電流をモータに供給する電源装置である。
速度PID 調節器９は、速度指令値(電気角)ω*と速度推定器１０が出力するモータの推定速度(電気角)ω#の推定値の偏差がゼロになるよう、偏差にPID 演算を行った値をトルク指令値Ｔe*として出力する。
電流指令値演算手段８は、速度PID 調節器９から受けたトルク指令値に基づき、γ，δ軸電流指令値ｉγa*，ｉδa*を作成する。
電流制御手段７は、電流指令値演算手段８から受けたγ，δ軸電流指令値ｉγa*，ｉδa*と、三相／回転二相座標変換手段６から受けたγ，δ軸電流ｉγa，ｉδaがそれぞれ一致するようにγ，δ軸電圧指令値ｖγa*，ｖδa*を制御する。
速度推定器１０では、速度指令値(電気角) ω*とδ 軸電流ｉδaとから速度を推定し推定速度(電気角) ω#を得る。回転二相／三相座標変換手段５および三相／回転二相座標変換手段６にて使用する座標変換角度θ#は，推定速度(電気角) ω#を積分手段１３により積分することによって得る。
【０００４】
推定座標であるγδ座標の回転角速度はω# (電気角)、γ軸はu相軸からθ#(電気角)の位相角上にあり、磁石の磁極に平行な軸（d軸）よりΔθ (電気角)だけ遅れているものとする。γδ座標でのPMSMの電圧方程式は（数１）のように表される。
【０００５】
【数１】
2011010486.tif 000003
ここで、
【０００６】
【数２】
2011010486.tif 000004
【０００７】
【数３】
2011010486.tif 000005
Ｒa:電機子巻線抵抗，Ｌd，Ｌq: d,q軸インダクタンス，φf:磁石磁束，
ｖγa，ｖδa:γ,δ軸電圧，ｉγa，ｉδa:γ,δ軸電流，ω:回転角速度(  電気角) ，
Ｐ:微分演算子
（数１）において、
【０００８】
【数４】
2011010486.tif 000006
とすると、PMSMの電圧方程式は（数５）のように表される。
【０００９】
【数５】
2011010486.tif 000007
モータ軸推定器１１では、（数５）よりモータの軸誤差を（数６）で推定する。
【００１０】
【数６】
2011010486.tif 000008
逆起電圧定数同定器１２では、（数６）で求めた（Δθ）#を用いて磁石磁束を（数７）で推定する。
【００１１】
【数７】
2011010486.tif 000009
ここで、
【００１２】
【数８】
2011010486.tif 000010
なお、電圧検出器を使用し、（数６）及び（数７）中でγ,δ軸電圧指令値に変えてγ,δ軸電圧検出値を用い、推定精度の向上を図ることも可能である。
（数７）で求めたφ#をローパスフィルタ１４へ入力し、その出力φf#を電流制御手段７ と、電流指令値演算手段８に入力する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００４−７９２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、この特許文献１に記載の永久磁石同期機位置センサレス制御時の磁石磁束オンラインチューニング技術では、加減速時等磁極位置演算誤差（Δθー（Δθ）#）が０でない場合に、磁石磁束推定誤差が生じるという問題がある。
そのため、磁石磁束推定誤差によりトルク制御精度が悪化する。
【００１５】
そこで、本発明は、磁極位置演算誤差の影響を受けることなく、永久磁石同期機の磁石磁束を推定することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明では、電力変換装置によりモータに可変電圧可変周波数の電圧を与え、モータ電流を検出し、モータ電流を推定するオブザーバとを備え、検出したモータ電流検出値を用いて、モータの回転速度および磁極位置を推定する永久磁石同期機の位置センサレス制御方法において、
モータ電流検出値と、オブザーバにて推定される電流推定値との偏差から得られる磁極位置誤差及び磁石磁束誤差から、電流検出値と電流推定値の偏差までの伝達関数行列の逆行列を用いて磁石磁束推定を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の磁石磁束推定器では, 磁極位置演算誤差と独立に磁石磁束を推定することができる。従って磁極位置演算誤差がある場合でも磁石磁束を高精度に推定することができ、これにより高精度なトルク制御が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明による実施形態を示す構成図である。
【図２】従来技術を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に、この発明の第１の実施例を示す。
この図において、図２に示した従来例構成と同一機能を有するものには同一符号を付して、ここではその説明を省略する。
図１と図２に示した従来例と異なる点は、速度推定器１０と、モータ軸推定器１１と、 逆起電圧定数同定器１２と、積分手段１３と、ローパスフィルタ１４とに代え、電流オブザーバ２１と、磁石磁束推定器２２と、磁極位置・回転速度推定器２３とを用いていることである。
【００２０】
γ,δ軸電流を推定する電流オブザーバ21 は、（数９）のものを用いる。
【００２１】
【数９】
2011010486.tif 000011
なお、#付きの電流及びパラメータは推定値を表す。推定値を採用するパラメータはθ#，ω#，φf#である。また、ｇ11，ｇ12，ｇ21，ｇ22はオブザーバゲインである。なお、電圧検出器を使用し、（数９）中でγ,δ軸電圧指令値に変えてγ,δ軸電圧検出値を用い、推定精度の向上を図ることも可能である。
また、オブザーバゲインは（数１０）のように設定する。
【００２２】
【数１０】
2011010486.tif 000012
ここで，ｇa，ｇb，ｇc，ｇdはオブザーバゲインの極を決める制御変数である。
電流オブザーバ21 の特性方程式は（数１１）のようになるため、
【００２３】
【数１１】
2011010486.tif 000013
オブザーバゲイン中の制御変数ｇa，ｇb，ｇc，ｇdは（数１１）が安定条件を満たすように設定すればよい。なお、右下付き添字0は平衡点を表す。
次に、磁石磁束推定器２２の動作を説明する。磁石磁束推定器２２ は（数１２）を演算する。
【００２４】
【数１２】
2011010486.tif 000014
ここで、Ｋφ，ｘ1，ｘ0は推定器ゲインであり、
【００２５】
【数１３】
2011010486.tif 000015
である。
（数１）を変形すると、（数１４）が得られる。
【００２６】
【数１４】
2011010486.tif 000016
（数９）、（数１０）、（数１４）より、
ｃｏｓΔθ＝ｃｏｓ２Δθ＝１、ｓｉｎΔθ＝Δθ、ｓｉｎ２Δθ＝２Δθ
とそれぞれ近似し、平衡点近傍で線形化すると次の線形化誤差状態方程式（数１５）が得られる。ここで，Δω＝ｓΔθと置いて整理している。また，磁極位置，回転速度，磁石磁束以外のパラメータの誤差は無視している。また、ｖγa*−ｖγa＝０，ｖδa*ーｖδa＝０としている。なお，sはラプラス演算子である。
【００２７】
【数１５】
2011010486.tif 000017
ここで、
【００２８】
【数１６】
2011010486.tif 000018
（数１５）より、uを入力，ｅiaを出力とする線形化誤差伝達関数行列Ｐ0（ｓ）は次式（数１７）となる。
【００２９】
【数１７】
2011010486.tif 000019
このとき、（数１２）及び（数１７）より、
【００３０】
【数１８】
2011010486.tif 000020
ここで、
【００３１】
【数１９】
2011010486.tif 000021
が得られる。（数１２）の推定器において、線形化誤差伝達関数行列の逆行列の分子を用いているため、（数１８）右辺の1行2列行列の1行1列目が0となっている。従って、φf#は磁極位置演算誤差Δθの影響を受けずに推定することができる。推定器ゲインＫφ，ｘ1，ｘ0は，（数１８）より磁石磁束推定系の応答に応じて設定する。
磁極位置・回転速度推定器２３ は、例えば以下の推定器を用いる。
磁極位置，回転速度の推定器を次式（数２０）、（数２１）とする。
【００３２】
【数２０】
2011010486.tif 000022
【００３３】
【数２１】
2011010486.tif 000023
ここで、Ｋθ1，Ｋθ2は推定器ゲインである。
オブザーバゲイン中の制御変数ｇb，ｇcを、
【００３４】
【数２２】
2011010486.tif 000024
のように選ぶことで、θ#とΔθ，Δφfの関係は，（数１２）及び（数２０）より、（数２３）となる。
【００３５】
【数２３】
2011010486.tif 000025
ここで、ＰD0＝ｓ2＋（ｇa0＋ｇb0）ｓ＋（ｇa0ｇb0ーｇc0ｇd0）となる。（数２３）より、磁極位置の推定は、磁石磁束誤差の影響を受けるが、磁石磁束推定が磁極位置誤差、回転速度誤差に独立に行えるため、磁石磁束推定が収束している状態では、磁石磁束誤差の影響を無視することができる。
また、このときω#とΔω，Δφfの関係は，（数１２）、（数２１）より（数２４）のようになる。
【００３６】
【数２４】
2011010486.tif 000026
（数２４）より、回転速度の推定は，磁石磁束誤差の影響を受けるが、磁石磁束推定が磁極位置誤差、回転速度誤差に独立に行えるため、磁石磁束推定が収束している状態では、磁石磁束誤差の影響を無視することができる。
推定器ゲインＫθ1，Ｋθ2は，（数２３）、（数２４）より磁極位置・回転速度推定系の応答に応じて設定する。
なお、磁極位置及び回転速度の推定は、他の方式を用いてもよい。
また、この位置センサレス制御時の磁石磁束オンラインチューニング技術は、Ｌd≠Ｌqの埋め込み磁石形永久磁石同期機及びＬd＝Ｌqの表面磁石形永久磁石同期機の双方に適用可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１…直流電源、２…電力変換装置、３…正側給電回路、４…負側給電回路、５…基準電圧設定回路、６…電圧比較回路、７…間欠信号発振回路、８…Ｅ／Ｏ変換回路、９…光ケーブル、１０…Ｏ／Ｅ変換回路、１１…制御回路、ＧＲ１…第１の抵抗素子群、ＧＲ２…第２の抵抗素子群、ＧＲ３…第３の抵抗素子群、Ｒ１Ｐ，Ｒ２Ｐ，Ｒ１Ｎ，Ｒ２Ｎ…分圧抵抗、Ｇ１Ｇ，Ｒ２Ｇ…接地抵抗
【図１】
2011010486.tif 000027
【図２】
2011010486.tif 000028