(57)【要約】      （修正有）【課題】  高周波を印加せずに、ゼロ周波数領域でも安定に動作するセンサレスの交流電動機制御装置とその制御方法を提供する。【解決手段】ｄｑ軸指令電圧を３相指令電圧に変換するベクトル変換器３０３と、３相指令電圧に基づいて電動機を駆動するＰＷＭインバータ３０２と、３相実際電流を生成する電流検出器３３０と、３相実際電流をｄｑ軸実際電流に変換するベクトル変換器３０４と、推定磁束と推定磁束位置と推定電流を生成する磁束演算器３１０と、速度推定器３２０とを備えるセンサレスの交流電動機制御装置において、磁束演算器は第１磁束演算器と、第２磁束演算器を備え、第１磁束演算器は、一つの演算時刻と次の演算時刻の間に仮想の中間演算時刻を設けて第１磁束演算を実施し、第２磁束演算器は、第１磁束演算器の演算結果を用いて第２磁束演算を実施するようにした。【選択図】図３
2008271702.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
指令磁束から推定磁束を減じた磁束偏差と指令速度から推定速度を減じた速度偏差とに基づいてｄｑ軸指令電流を生成する磁束・速度制御器と、前記ｄｑ軸指令電流とｄｑ軸実際電流との電流偏差からｄｑ軸指令電圧を生成する電流制御器と、前記ｄｑ軸指令電圧を推定磁束位置によって３相指令電圧に変換するベクトル変換器と、前記３相指令電圧をＰＷＭ信号に変換し電力増幅して電動機を駆動するＰＷＭインバータと、前記電動機の３相電流または２相電流を検出し３相実際電流を生成する電流検出器と、前記推定磁束位置によって３相実際電流をｄｑ軸実際電流に変換するベクトル変換器と、前記３相実際電流と前記３相指令電圧と前記推定速度に基づいて推定磁束と前記推定磁束位置と推定電流を生成する磁束演算器と、前記推定磁束と前記推定電流と前記３相実際電流に基づいて前記推定速度を生成する速度推定器と、を備え、位置および速度センサを用いずに交流電動機を制御する交流電動機制御装置において、
前記磁束演算器は第１磁束演算器と、第２磁束演算器を備え、前記第１磁束演算器は、一つの演算時刻Ｔｎと次の演算時刻Ｔｎ＋１の間に、仮想の中間演算時刻Ｔｎ＋０．５を設け、ＴｎからＴｎ＋０．５の間に第１の磁束演算を実施し、前記第２磁束演算器は、前記第１磁束演算器の演算結果を用いて、Ｔｎ＋０．５からＴｎ＋１の間に第２の磁束演算を実施することを特徴とする交流電動機制御装置。
【請求項２】
前記磁束演算器は、Ｔｎ時点あるいはそれ以前に検出された電動機電流と電動機電圧に基づいて磁束演算を実施することを特徴とする請求項１記載の交流電動機制御装置。
【請求項３】
前記磁束演算器は、Ｔｎ時点あるいはそれ以前に検出された電動機電流とＴｎ時点あるいはそれ以前に設定された電動機電圧指令値に基づいて磁束演算を実施することを特徴とする請求項１記載の交流電動機の制御装置。
【請求項４】
前記磁束演算器に用いる速度は、前記第1の磁束演算器に用いる速度と前記第２の磁束演算器に用いる速度に任意の変化量を加算あるいは減算することを特徴とする請求項１記載の交流電動機の制御装置。
【請求項５】
制御時間ごとに、指令磁束から推定磁束を減じた磁束偏差と、指令速度から推定速度を減じた速度偏差と、に基づいてｄｑ軸指令電流を生成するステップと、ｄｑ軸指令電流とｄｑ軸実際電流の電流偏差からｄｑ軸指令電圧を生成するステップと、ｄｑ軸指令電圧を推定磁束位置によって３相指令電圧に変換するステップと、３相電流または２相電流を検出し３相実際電流を生成するステップと、推定磁束位置によって３相実際電流をｄｑ軸実際電流に変換するステップと、３相実際電流と３相指令電圧と推定速度に基づいて推定磁束と推定磁束位置と推定電流を生成するステップと、推定磁束と推定電流と３相実際電流に基づいて推定速度を生成するステップと、を備えた交流電動機制御方法において、
演算時刻Ｔｎと次の演算時刻Ｔｎ＋１の間に、仮想の中間演算時刻Ｔｎ＋０．５を設け、ＴｎからＴｎ＋０．５の間に第１の磁束演算を実施し第１推定磁束を生成するステップと、
前記第１推定磁束を用いて、Ｔｎ＋０．５からＴｎ＋１の間に第２の磁束演算を実施し推定磁束も生成するステップと、
を備えたことを特徴とする交流電動機制御装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置センサ、速度センサを持たない交流電動機制御装置とその制御方法に関する。  
【背景技術】
【０００２】
交流電動機のセンサレス制御は、位置センサ、速度センサを持たずに高性能なトルクおよび速度制御を実現できるので、センサ不要のコストメリットや信頼性向上から産業用途に普及している。交流電動機のセンサレス制御には、ゼロ速および低速回生時に電動機駆動周波数がゼロ周波数領域となると速度推定演算が不安定になる問題がある。これは誘起電圧などの速度に関する情報がなくなり、演算に使用する電圧の誤差や電動機定数の誤差の影響を受けやすくなるためである。これを解決するものとして駆動周波数と異なる高周波信号を電動機に印加するもの（特許文献１）と高周波信号を印加せずに制御系の安定化をはかるもの（非特許文献１）が報告されている。高周波信号を印加するものは回転子位置によって生じるインピーダンス偏差を利用して電動機磁束の位置を推定するものである。また、高周波信号を印加せずに制御系の安定化をはかるものはマルチレート磁束推定器を用いてゼロ周波数領域における速度推定演算の安定化を実現するものである。非特許文献１に開示されたマルチレート磁束推定器の構成を図４に示す。また図４を数式で表すと（１）式となる。
【０００３】
【数１】
2008271702.tif 000003
式で用いる推定速度の演算は（２）式でなされる。
【０００４】
【数２】
2008271702.tif 000004
（１）式は一つの演算時刻Ｔｎから次の演算時刻Ｔｎ＋１の間に実行されるが、図４の４０９が示すマルチレート入力、すなわち（１）式第２行第１項にある推定速度に与える変化量Δを演算周期Ｔｓ内で別の演算周期で正負に切り替えるようにする。この操作により、速度項の行列が拡大され、結果、速度推定系の不安定零点（制御的に不安定となる周波数零のときに生じる零点）が移動し、（２）式の推定速度演算の安定性が確保されることとなる。
【特許文献１】特開２００３−２８８３８１
【非特許文献１】平成１６年電気学会産業応用部門大会Ｎｏ．１−１２５「マルチレート適応オブザーバを用いた零周波数運転時における誘導電動機速度センサレスベクトル制御系の安定化手法」２００４年９月１６日、ｐ．I−５５５−５５８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の交流電動機のセンサレス制御装置では、電動機の構造によっては実現不能であることや、実装するのが困難であるという課題があった。また、特許文献１では、高周波を印加しても電動機の構造によっては、回転子に依存したインピーダンス変化があらわれない場合がある。さらに、特許文献２では、単一の演算周期内で外部から変化量の符号を切り替えなければならず、速度センサレス制御が実装される通常の演算プロセッサで実装するのは困難である。
【０００６】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、高周波を印加せずに、ゼロ周波数領域においても安定な速度推定演算を実現するセンサレスの交流電動機制御装置とその制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、指令磁束から推定磁束を減じた磁束偏差と指令速度から推定速度を減じた速度偏差とに基づいてｄｑ軸指令電流を生成する磁束・速度制御器と、前記ｄｑ軸指令電流とｄｑ軸実際電流との電流偏差からｄｑ軸指令電圧を生成する電流制御器と、前記ｄｑ軸指令電圧を推定磁束位置によって３相指令電圧に変換するベクトル変換器と、前記３相指令電圧をＰＷＭ信号に変換し電力増幅して電動機を駆動するＰＷＭインバータと、前記電動機の３相電流または２相電流を検出し３相実際電流を生成する電流検出器と、前記推定磁束位置によって３相実際電流をｄｑ軸実際電流に変換するベクトル変換器と、前記３相実際電流と前記３相指令電圧と前記推定速度に基づいて推定磁束と前記推定磁束位置と推定電流を生成する磁束演算器と、前記推定磁束と前記推定電流と前記３相実際電流に基づいて前記推定速度を生成する速度推定器と、を備え、位置および速度センサを用いずに交流電動機を制御する交流電動機制御装置において、前記磁束演算器は第１磁束演算器と、第２磁束演算器を備え、前記第１磁束演算器は、一つの演算時刻Ｔｎと次の演算時刻Ｔｎ＋１の間に、仮想の中間演算時刻Ｔｎ＋０．５を設け、ＴｎからＴｎ＋０．５の間に第１の磁束演算を実施し、前記第２磁束演算器は、前記第１磁束演算器の演算結果を用いて、Ｔｎ＋０．５からＴｎ＋１の間に第２の磁束演算を実施することを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の交流電動機の制御装置において、前記磁束演算器は、Ｔｎ時点あるいはそれ以前に検出された電動機電流と電動機電圧に基づいて磁束演算を実施することを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１記載の交流電動機の制御装置において、前記磁束演算器は、Ｔｎ時点あるいはそれ以前に検出された電動機電流とＴｎ時点あるいはそれ以前に設定された電動機電圧指令値に基づいて磁束演算を実施することを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項１記載の交流電動機の制御装置において、前記磁束演算器に用いる速度は、前記第1の磁束演算器に用いる速度と前記第２の磁束演算器に用いる速度に任意の変化量を加算あるいは減算することを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、制御時間ごとに、指令磁束から推定磁束を減じた磁束偏差と、指令速度から推定速度を減じた速度偏差と、に基づいてｄｑ軸指令電流を生成するステップと、ｄｑ軸指令電流とｄｑ軸実際電流の電流偏差からｄｑ軸指令電圧を生成するステップと、ｄｑ軸指令電圧を推定磁束位置によって３相指令電圧に変換するステップと、３相電流または２相電流を検出し３相実際電流を生成するステップと、推定磁束位置によって３相実際電流をｄｑ軸実際電流に変換するステップと、３相実際電流と３相指令電圧と推定速度に基づいて推定磁束と推定磁束位置と推定電流を生成するステップと、推定磁束と推定電流と３相実際電流に基づいて推定速度を生成するステップと、を備えた交流電動機制御方法において、演算時刻Ｔｎと次の演算時刻Ｔｎ＋１の間に、仮想の中間演算時刻Ｔｎ＋０．５を設け、ＴｎからＴｎ＋０．５の間に第１の磁束演算を実施し第１推定磁束を生成するステップと、前記第１推定磁束を用いて、Ｔｎ＋０．５からＴｎ＋１の間に第２の磁束演算を実施し推定磁束も生成するステップと、を備えたことを特徴とする交流電動機制御装置の制御方法。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１乃至４に記載の発明によると、高周波を印加せずに、ゼロ周波数領域においても安定な速度推定演算を実現するセンサレスの交流電動機制御装置を提供することができる。
請求項５に記載の発明によると、高周波を印加せずに、ゼロ周波数領域においても安定な速度推定演算を実現するセンサレスの交流電動機制御方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【００１０】
図３は本発明の交流電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。３０１は電動機、３０２は電動機を駆動する電圧を出力するＰＷＭインバータ、３３０は電流検出器、３０３、３０４はベクトル変換器、３０５は電流制御器、３０７は磁束・速度制御器、３１０は磁束推定器、３２０は速度推定器である。磁束・速度制御器３０７は、指令磁束から推定磁束を減じた磁束偏差と、指令速度から推定速度を減じた速度偏差と、に基づいてｄｑ軸指令電流を生成する。電流制御器３０５はｄｑ軸指令電流とｄｑ軸実際電流の電流偏差からｄｑ軸指令電圧を生成する。ベクトル変換器３０３はｄｑ軸指令電圧を推定磁束位置θｅ＾によって３相指令電圧に変換する。ＰＷＭインバータ３０２は３相指令電圧をＰＷＭ信号に変換し電力増幅して電動機３０１を駆動する。電流検出器３３０は３相電流または２相電流を検出し３相実際電流を生成する。ベクトル変換器３０４は推定磁束位置θｅ＾によって３相実際電流をｄｑ軸実際電流に変換する。磁束演算器３１０は３相実際電流と３相指令電圧と推定速度に基づいて推定磁束と推定電気角と推定電流を生成する。速度推定器３２０は推定磁束と推定電流と３相実際電流に基づいて推定速度を生成する。
図１は本発明の磁束推定器を説明するものである。また、図２は本発明の原理を説明するものである。従来の交流電動機のセンサレス制御におけるマルチレート磁束推定器は磁束演算に少なくとも二つの演算周期を必要としていたのに対し、本発明は単一演算周期内に仮想の中間演算時点を設けることにより、擬似的なマルチレート磁束推定器を構築し、単一周期でもゼロ周波数領域においても安定な速度推定演算を実現できる。図２におけるｎは演算時点であり、単一演算周期であるためｎ、ｎ＋１、ｎ＋２・・・のように表されるものである。ここで、ｎとｎ＋１の間に仮想の中間演算時点をおくと式（３）、（４）式のような離散化の形態をとることができる。
【００１１】
【数３】
2008271702.tif 000005
【００１２】
【数４】
2008271702.tif 000006
【００１３】
この離散化は離散値を直線近似補間し、離散誤差を低減する効果もある。この離散化により一つの演算周期Ｔｓの中にもう一つの演算周期０．５Ｔｓを設定できることになる。この仮想的につくられた演算周期０．５Ｔｓごとに演算中に用いる推定速度に異なる変化量、ここでは−Δと＋Δを与え、疑似マルチレート磁束推定器を構築すると式（５）、（６）となる。
【００１４】
【数５】
2008271702.tif 000007
【００１５】
【数６】
2008271702.tif 000008
（５）（６）式で用いる推定速度の演算は（２）式と同様になされる。
【００１６】
【数７】
2008271702.tif 000009
ここでの推定速度演算は積分型を示しているが比例要素を加えた比例積分型でもよい。
さらに、推定磁束位置は（６）式の推定磁束を用いて（８）式で演算される。
【００１７】
【数８】
2008271702.tif 000010
これらをブロック図で表したものが図１である。
（６）式における電圧ｖｓは理想的には時刻Ｔｎ＋０．５時点の値でなければならないが、実にはその値をえることができないため、時刻Ｔｎ時点の値で近似することとなる。（８）式でえられた磁束位置から時刻Ｔｎ＋０．５時点までの位相を進めた、あらたな電圧値ｖｓ’を用いてもよい。
【００１８】
【数９】
2008271702.tif 000011
このように本発明によると、複数の演算周期を持たずに単一の演算周期内でマルチレート磁束演算器を構築でき、ゼロ周波数領域での安定な速度推定演算を実現できる。
【００１９】
図５は本発明の交流電動機制御方法を示すフローチャートである。ステップＳＴ１で指令磁束から推定磁束を減じた磁束偏差と、指令速度から推定速度を減じた速度偏差と、に基づいてｄｑ軸指令電流を生成し、ステップＳＴ２でｄｑ軸指令電流とｄｑ軸実際電流の電流偏差からｄｑ軸指令電圧を生成し、ステップＳＴ３でｄｑ軸指令電圧を推定磁束位置によって３相指令電圧に変換し、ステップＳＴ４で３相電流または２相電流を検出し３相実際電流を生成し、ステップＳＴ５で推定磁束位置によって３相実際電流をｄｑ軸実際電流に変換し、ステップＳＴ６で３相実際電流と３相指令電圧と推定速度に基づいて推定磁束と推定磁束位置と推定電流を生成し、ステップＳＴ７で推定磁束と推定電流と３相実際電流に基づいて推定速度を生成し、ステップＳＴ８で演算時刻Ｔｎと次の演算時刻Ｔｎ＋１の間に、仮想の中間演算時刻Ｔｎ＋０．５を設け、ＴｎからＴｎ＋０．５の間に第１の磁束演算を実施し第１推定磁束を生成し、ステップＳＴ９で第１推定磁束を用いて、Ｔｎ＋０．５からＴｎ＋１の間に第２の磁束演算を実施し推定磁束を生成する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施例を示す制御ブロック図
【図２】本発明の原理を示す説明図
【図３】本発明の交流電動機制御装置の構成を示すブロック図
【図４】従来の磁束推定器を示すブロック図
【図５】本発明の方法を示すブローチャート
【符号の説明】
【００２１】
１０１、３０１、４０１  交流電動機
１０２  第１磁束演算器
１０３  第２磁束演算器
１０４  出力フィードバックゲイン
１０５、３２０  速度推定器
１０６  疑似マルチサンプル入力信号生成部
１０７  システム行列
１０８、３０６、３０９  差分器
３０２  ＰＷＭインバータ
３０３、３０４  ベクトル変換器
３０５  電流制御器
３０７  磁束・速度制御器
３１０  磁束演算器
３３０  電流検出器
【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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