(57)【要約】【課題】インバータの制御方法をショックレスにて切替可能とした同期電動機のセンサレス駆動装置を提供する。【解決手段】同期電動機ＳＭの速度推定値が速度基準値を超えた時にＶ／ｆ一定制御からセンサレスベクトル制御に切り替えるための切替スイッチ１０６，１１５，１１４ａと、両方の制御時に共通するｄ軸電流指令値からｄ軸電圧指令値を生成するｄ軸電流調節器１１１と、Ｖ／ｆ一定制御時には、零であるｑ軸電流指令値からｑ軸電圧指令値を生成し、センサレスベクトル制御時には、速度の偏差からｑ軸電圧指令値を生成するｑ軸電流調節器１０７と、Ｖ／ｆ一定制御時に、速度指令値から生成した加減速演算値を出力する加減速演算手段と、センサレスベクトル制御時に、Ｖ／ｆ一定制御時に使用した加減速演算値を初期値として徐々に変化する速度推定値を生成する速度推定器１１４と、を備える。【選択図】図１
2015220944.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁極位置センサを用いずに同期電動機の磁極位置を推定して同期電動機駆動用のインバータを制御するセンサレスベクトル制御手段と、前記インバータをＶ／ｆ一定制御するＶ／ｆ一定制御手段と、を備えた同期電動機のセンサレス駆動装置であって、同期電動機の低速運転時には前記Ｖ／ｆ一定制御手段により前記インバータを制御すると共に中高速運転時には前記センサレスベクトル制御手段により前記インバータを制御するセンサレス駆動装置において、
同期電動機の速度推定値と速度基準値とを比較する速度比較手段と、
前記速度比較手段により前記速度推定値が前記速度基準値を超えたことを検出した時に、前記インバータの制御手段を前記Ｖ／ｆ一定制御手段から前記センサレスベクトル制御手段に切り替える切替手段と、
Ｖ／ｆ一定制御時及びセンサレスベクトル制御時に継続して生成されるｄ軸電流指令値に基づいてｄ軸電圧指令値を生成するｄ軸電流調節手段と、
Ｖ／ｆ一定制御時には、零に設定されたｑ軸電流指令値に基づいてｑ軸電圧指令値を生成し、センサレスベクトル制御時には、速度指令値と前記速度推定値との偏差に基づいてｑ軸電圧指令値を生成するｑ軸電流調節手段と、
Ｖ／ｆ一定制御時に、前記速度指令値から生成した加減速演算値を前記速度推定値として出力する加減速演算手段と、
センサレスベクトル制御時に、Ｖ／ｆ一定制御時に使用した加減速演算値を初期値として徐々に変化する速度推定値を生成する速度推定手段と、
を備えたことを特徴とする同期電動機のセンサレス駆動装置。
【請求項２】
請求項１に記載した同期電動機のセンサレス駆動装置において、
前記速度推定手段は比例積分制御手段を備え、
前記比例積分制御手段の比例ゲインが、一次遅れフィルタを介して０から所定値へ徐々に変化することを特徴とする同期電動機のセンサレス駆動装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載した同期電動機のセンサレス駆動装置において、
前記同期電動機の端子電圧検出値から端子電圧実効値を演算する実効値演算手段と、
前記端子電圧実効値が前記端子電圧指令値を超えないように動作する電動機電圧調節手段と、
前記電動機電圧調節手段の出力をｄ軸電流設定値に加算して前記ｄ軸電流指令値を生成する加算手段と、
を備えたことを特徴とする同期電動機のセンサレス駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転速度に応じて制御方法を変更するようにした同期電動機のセンサレス駆動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、磁極位置センサや速度センサを持たない同期電動機の回転速度を、誘起電圧に基づいて推定する技術が知られている。しかしながら、この方法によると、同期電動機の低速回転時には誘起電圧が小さいため、回転速度を正確に推定して同期電動機を駆動することが困難である。
このため、例えば特許文献１では、同期電動機の低速運転時には速度・磁極位置情報が不要なＶ／ｆ一定制御を行い、高速運転時にはいわゆるセンサレスベクトル制御に切り替えることにより、低速域から高速域まで、広範囲にわたるセンサレス制御を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−４８８８６号公報（段落［００２２］〜［００２７］、図１等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１記載の制御方法では、低速運転時のＶ／ｆ一定制御から高速運転時のセンサレスベクトル制御へ制御を切り替える時に、切替スイッチによってｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を０と所定値との間で切り替えている。
このため、制御切り替え時に電動機電流が急変してトルクにショックが発生し、負荷に悪影響を与えるおそれがあった。
【０００５】
そこで、本発明の解決課題は、制御方法をショックレスにて切替可能とした同期電動機のセンサレス駆動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、磁極位置センサを用いずに同期電動機の磁極位置を推定して同期電動機駆動用のインバータを制御するセンサレスベクトル制御手段と、前記インバータをＶ／ｆ一定制御するＶ／ｆ一定制御手段と、を備えた同期電動機のセンサレス駆動装置であって、同期電動機の低速運転時には前記Ｖ／ｆ一定制御手段により前記インバータを制御すると共に中高速運転時には前記センサレスベクトル制御手段により前記インバータを制御するセンサレス駆動装置において、
同期電動機の速度推定値と速度基準値とを比較する速度比較手段と、
前記速度比較手段により前記速度推定値が前記速度基準値を超えたことを検出した時に、前記インバータの制御手段を前記Ｖ／ｆ一定制御手段から前記センサレスベクトル制御手段に切り替える切替手段と、
Ｖ／ｆ一定制御時及びセンサレスベクトル制御時に継続して生成されるｄ軸電流指令値に基づいてｄ軸電圧指令値を生成するｄ軸電流調節手段と、
Ｖ／ｆ一定制御時には、零に設定されたｑ軸電流指令値に基づいてｑ軸電圧指令値を生成し、かつ、センサレスベクトル制御時には、速度指令値と前記速度推定値との偏差に基づいてｑ軸電圧指令値を生成するｑ軸電流調節手段と、
Ｖ／ｆ一定制御時に、前記速度指令値から生成した加減速演算値を前記速度推定値として出力する加減速演算手段と、
センサレスベクトル制御時に、Ｖ／ｆ一定制御時に使用した加減速演算値を初期値として徐々に変化する速度推定値を生成する速度推定手段と、を備えたものである。
【０００７】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載した同期電動機のセンサレス駆動装置において、前記速度推定手段は比例積分制御手段を備え、前記比例積分制御手段の比例ゲインが、一次遅れフィルタを介して０から所定値へ徐々に変化することを特徴とする。
【０００８】
請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載した同期電動機のセンサレス駆動装置において、前記同期電動機の端子電圧検出値から端子電圧実効値を演算する実効値演算手段と、前記端子電圧実効値が前記端子電圧指令値を超えないように動作する電動機電圧調節手段と、前記電動機電圧調節手段の出力をｄ軸電流設定値に加算して前記ｄ軸電流指令値を生成する加算手段と、を備えたものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、同期電動機の制御方法を切り替える際のショックを解消し、低速域から中高速域までの広範囲にわたり、同期電動機を安定的に駆動することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係るセンサレス駆動装置の構成を示すブロック図である。
【図２】同期電動機のｄ軸電流及びｑ軸電圧のベクトル図（図２（ａ））、同じく磁束φ及びｑ軸電圧のベクトル図（図２（ｂ））である。
【図３】図１における速度推定器のブロック図である。
【図４】図３における制御器入力の各要素を示すベクトル図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。図１は、この実施形態の全体的な構成を示すブロック図である。
まず、主回路において、三相の交流電力系統に接続されたコンバータ１の直流側には、直流中間コンデンサ２を介してインバータ３が接続され、その交流出力側に同期電動機ＳＭが接続されている。
【００１２】
インバータ３を制御する制御装置の構成は、以下の通りである。
すなわち、インバータ３の交流出力側には電流センサ１０１及び電圧センサ１０２が接続され、各センサ１０１，１０２による電流検出値、電圧検出値が座標変換器１０３に入力されている。座標変換器１０３は、角度指令値θを用いて入力信号を座標変換し、ｑ軸電流検出値Ｉｑ，ｄ軸電流検出値Ｉｄ，ｑ軸電圧検出値Ｖｑ，ｄ軸電圧検出値Ｖｄを出力する。
また、電圧センサ１０２による電圧検出値は実効値演算器１０４に入力されており、この実効値演算器１０４により同期電動機ＳＭの端子電圧実効値Ｖ１が演算される。
【００１３】
更に、同期電動機ＳＭの速度指令値ｎ＊と速度推定値ｎとの偏差が速度調節器１０５に入力され、その出力が第１の切替スイッチ１０６の一端に入力されていると共に、切替スイッチ１０６の他端には、ｑ軸電流設定値Ｉｑ１＊（＝０）が入力されている。
第１の切替スイッチ１０６は、後述する速度比較器１１６の出力信号ＳによってＶ／ｆ一定制御が選択された時（Ｓ＝０の時）にはｑ軸電流設定値Ｉｑ１＊側に接続され、センサレスベクトル制御が選択された時（Ｓ＝１の時）には速度調節器１０５側に接続されるものであり、この切替スイッチ１０６の出力がｑ軸電流指令値Ｉｑ＊となる。
ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊とｑ軸電流検出値Ｉｑとの偏差は、比例積分調節器からなるｑ軸電流調節器１０７に入力され、上記偏差を零にするような動作によってｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊が生成される。
【００１４】
同期電動機ＳＭの端子電圧指令値Ｖ１＊と端子電圧実効値Ｖ１との偏差は、電動機電圧調節器１０９に入力されており、電動機電圧調節器１０９は前記偏差が零になるように動作する。電動機電圧調節器１０９の出力は、制限器１１０により負の値に制限された後、予め設定されたｄ軸電流設定値Ｉｄ１＊と加算され、後述するように正の値を有するｄ軸電流指令値Ｉｄ＊が生成される。なお、電動機電圧調節器１０９の動作により、端子電圧実効値Ｖ１は端子電圧指令値Ｖ１＊以上にならないように制御される。
また、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊とｄ軸電流検出値Ｉｄとの偏差は、比例積分調節器からなるｄ軸電流調節器１１１に入力され、前記偏差を零にするような動作により、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊が生成される。
【００１５】
前記ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊及びｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊は座標変換器１０８に入力され、角度指令値θを用いた座標変換により三相電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊が演算される。これらの電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊はＰＷＭ発生器１１２に入力され、キャリアとの比較により、インバータ３の半導体スイッチング素子をオンオフ制御するためのＰＷＭ信号（駆動信号）が生成される。
【００１６】
一方、速度指令値ｎ＊は加減速演算器１１３に入力され、加減速演算値ｎｈｌｒ＊として出力される。この加減速演算値ｎｈｌｒ＊は、速度推定器１１４から出力される速度推定値ｎ’と共に第２の切替スイッチ１１５に入力されている。切替スイッチ１１５は、速度比較器１１６の出力信号Ｓにより、Ｖ／ｆ一定制御が選択された時（Ｓ＝０の時）には加減速演算値ｎｈｌｒ＊側に接続され、センサレスベクトル制御が選択された時（Ｓ＝１の時）には速度推定値ω側に接続されるものであり、この切替スイッチ１１５の出力が最終的な速度推定値ｎとなる。
【００１７】
速度推定値ｎは速度比較器１１６により速度基準値ｎｒｅｆと比較され、速度比較器１１６の出力信号Ｓは、ｎ≦ｎｒｅｆのときにＳ＝０、ｎ＞ｎｒｅｆのときにＳ＝１となる。また、速度推定値ｎを積分器１１７にて積分することにより角度指令値θが演算され、この角度指令値θは座標変換器１０３，１０８に入力される。
【００１８】
ここで、図３は速度推定器１１４の構成を示すブロック図である。
図３において、１１４ａは第３の切替スイッチであり、この切替スイッチ１１４ａは、速度比較器１１６の出力信号ＳによってＶ／ｆ一定制御が選択された時（Ｓ＝０の時）には“０”側に接続され、センサレスベクトル制御が選択された時（Ｓ＝１の時）には“Ｋｐ”側に接続されるように動作する。ここで、Ｋｐは比例ゲインである。
切替スイッチ１１４ａの出力（比例ゲイン）は一次遅れフィルタ１１４ｂを介して比例積分制御器１１４ｃに入力され、比例積分制御器１１４ｃには、積分ゲインＫｉと、速度推定値の初期値としての加減速演算値ｎｈｌｒ＊も入力されている。
【００１９】
更に、比例積分制御器１１４ｃには、同期電動機ＳＭの電圧モデル式（数式１）を変形した数式２が入力されている。
［数式１］
Ｖｄ＝Ｒ×Ｉｄ−ω×Ｌｑ×Ｉｑ
［数式２］
Ｒ×Ｉｄ−ω×Ｌｑ×Ｉｑ−Ｖｄ
数式１，２において、Ｒは同期電動機ＳＭの電機子巻線抵抗、ωは角速度、Ｌｑはｑ軸インダクタンスであり、数式１における各要素のベクトル図は、図４に示す通りである。
【００２０】
上記のように構成された速度推定器１１４は、センサレスベクトル制御時（Ｓ＝１の時）に、比例積分制御器１１４ｃが、０からＫｐへ徐々に変化する比例ゲインと積分ゲインＫｉとを用いて制御器入力（Ｒ×Ｉｄ−ω×Ｌｑ×Ｉｑ−Ｖｄ）を０にするように比例積分演算を行うことにより、Ｖ／ｆ一定制御時（Ｓ＝０の時）に使用していたｎｈｌｒ＊を初期値とする速度推定値ωを演算する。
【００２１】
次に、この実施形態の動作を説明する。
まず、同期電動機ＳＭの低速運転時には、従来技術と同様にＶ／ｆ一定制御を行う。同期電動機ＳＭの低速運転時にはｎ≦ｎｒｅｆの関係にあり、速度比較器１１６の出力信号Ｓは０となっている。従って、第１，第２の切替スイッチ１０６，１１５は図１に示すようにＳ＝０の側にあるため、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊としてＩｑ１＊＝０が選択され、速度推定値ｎとして加減速演算値ｎｈｌｒ＊が選択されている。
【００２２】
このとき、ｑ軸電流調節器１０７は、Ｉｑ＊（＝Ｉｑ１＊＝０）とＩｑとの偏差を入力としてｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を生成する。
また、電動機電圧調節器１０９から制限器１１０を経た出力とｄ軸電流設定値Ｉｄ１＊とを加算することによりｄ軸電流指令値Ｉｄ＊が生成されるが、ｄ軸電流設定値Ｉｄ１＊は、図２（ａ）に示すようにｄ軸電流Ｉｄ（ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊）が正の値になるように予め設定されている。これにより、ｄ軸電流Ｉｄが同期電動機ＳＭのインピーダンス（誘導性リアクタンスＸ）を流れた時に発生する電圧（Ｘ×Ｉｄ）は、図２（ａ）に示すごとくベクトル図のｑ軸上に正極性で発生する。
【００２３】
一方、同期電動機ＳＭの回転時に発生する誘起電圧ｅｍｆも、図２（ｂ）のように、磁束φに直交するｑ軸上の正極性の電圧Ｖｑとなり、図２（ａ）の電圧（Ｘ×Ｉｄ）とベクトルの向きが一致する。すなわち、インバータ３の出力電圧と同期電動機ＳＭの誘起電圧との位相がほぼ一致するため、Ｖ／ｆ一定制御からセンサレスベクトル制御に切り替えた時の磁極位置（速度）の誤差が少なくなり、制御方法をショックレスにて切り替えることを容易にしている。
【００２４】
次に、Ｖ／ｆ一定制御からセンサレスベクトル制御に切り替える場合の動作を説明する。
第１，第２の切替スイッチ１０６，１１５が図１に示す状態にあって、速度推定値ｎ（加減速演算値ｎｈｌｒ＊）が速度基準値ｎｒｅｆより大きくなると、速度比較器１１６の出力信号Ｓ＝１となる。これにより、第１，第２の切替スイッチ１０６，１１５、及び、速度推定器１１４内の第３の切替スイッチ１１４ａが、すべてＳ＝１側に切り替わる。
【００２５】
Ｖ／ｆ一定制御時に動作していなかった速度推定器１１４では、前述したように、Ｖ／ｆ一定制御時に使用していた加減速演算値ｎｈｌｒ＊を初期値として、０から徐々に変化する比例ゲインＫｐと積分ゲインＫｉとを用いた比例積分制御により、速度推定値ωが演算される。この動作は、Ｖ／ｆ一定制御では本来的に存在する磁極位置誤差がセンサレスベクトル制御ではなくなって回転軸の移動を伴うので、比例積分制御器１１４ｃの比例ゲインを０から徐々に変化させることで回転軸の移動を緩やかにし、制御方法の切り替え時におけるトルクをショックレスにするためである。
【００２６】
こうして得られた速度推定値ω（速度推定値ｎ）を積分器１１７に入力して角度指令値θを演算する共に、速度指令値ｎ＊と速度推定値ｎとの偏差が入力される速度調節器１０５の動作により、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊が演算される。
一方、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊はＶ／ｆ一定制御時と同様に生成され、これらのｑ軸電流指令値Ｉｑ＊及びｄ軸電流指令値Ｉｄ＊に基づいて、最終的な電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊がそれぞれ演算されることになる。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明に係るセンサレス駆動装置は、空調機や搬送機械等、各種の産業用途に使用される同期電動機を広範囲の速度領域で駆動する場合に利用することができる。
【符号の説明】
【００２８】
１：コンバータ
２：直流中間コンデンサ
３：インバータ
１０１：電流センサ
１０２：電圧センサ
１０３，１０８：座標変換器
１０４：実効値演算器
１０５：速度調節器
１０６：第１の切替スイッチ
１０７：ｑ軸電流調節器
１０９：電動機電圧調節器
１１０：制限器
１１１：ｄ軸電流調節器
１１２：ＰＷＭ発生器
１１３：加減速演算器
１１４：速度推定器
１１４ａ：第３の切替スイッチ
１１４ｂ：一次遅れフィルタ
１１４ｃ：比例積分制御器
１１５：第２の切替スイッチ
１１６：速度比較器
１１７：積分器
ＳＭ：同期電動機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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