(57)【要約】【課題】全次元磁束速度オブザーバの速度推定値や磁束推定値を、実際の交流電動機と一致させることができる交流電動機の速度センサレス制御方法及び装置を提供する。【解決手段】励磁電流指令演算回路５で演算された励磁電流指令と、トルク電流指令演算回路６で演算されたトルク電流指令と、座標変換回路４で座標変換された電流検出値と、速度推定値と磁束位相推定値からベクトル制御演算し出力電圧指令を出力するベクトル制御演算回路７を有し、出力電圧指令から電力変換器１をＰＷＭ駆動するための信号を作成するスイッチングパターン発生回路８と、出力電圧指令と座標変換された電流検出値から速度推定値と磁束位相推定値を推定する全次元磁束速度オブザーバ９を備えた交流電動機の制御装置において、全次元磁束速度オブザーバ９で用いる行列式の係数を、磁束指令に応じて補正する係数補正回路１０を設けた。【選択図】          図１
2004282807.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電動機へ電力を出力する電力変換器と、
任意の磁束指令に対して、前記交流電動機の磁気飽和特性から励磁電流指令を演算する励磁電流指令演算手段と、
任意のトルク指令と前記磁束指令からトルク電流指令を演算するトルク電流指令演算手段と、
前記交流電動機に流れる電流を検出する電流検出手段と、
検出した電流を固定子座標系に座標変換する座標変換手段と、
前記励磁電流指令と前記トルク電流指令と前記座標変換された電流検出値と速度推定値と磁束位相推定値からベクトル制御演算し出力電圧指令を出力するベクトル制御演算手段と、
前記出力電圧指令から前記電力変換器をＰＷＭ駆動するための信号を作成するスイッチングパターン発生手段と、
前記出力電圧指令と前記座標変換された電流検出値から前記速度推定値と磁束位相推定値を推定する全次元磁束速度オブザーバを備えた交流電動機の制御方法において、
前記全次元磁束速度オブザーバで用いる行列式の係数を、磁束指令に応じて補正することを特徴とする交流電動機のセンサレスベクトル制御方法。
【請求項２】
前記行列式の係数は、前記交流電動機の相互インダクタンスの磁気飽和特性の変化に基づいて補正することを特徴とする請求項１記載の交流電動機のセンサレスベクトル制御方法。
【請求項３】
前記全次元磁束速度オブザーバで用いる行列式の係数を、前記励磁電流指令から演算された前記磁束レベルに応じて補正することを特徴とする請求項１または２に記載の交流電動機のセンサレスベクトル制御方法。
【請求項４】
交流電動機へ電力を出力する電力変換器と、
任意の磁束指令に対して、前記交流電動機の磁気飽和特性から励磁電流指令を演算する励磁電流指令演算手段と、
任意のトルク指令と前記磁束指令からトルク電流指令を演算するトルク電流指令演算手段と、
前記交流電動機に流れる電流を検出する電流検出手段と、
検出した電流を固定子座標系に座標変換する座標変換手段と、
前記励磁電流指令と前記トルク電流指令と前記座標変換された電流検出値と速度推定値と磁束位相推定値からベクトル制御演算し出力電圧指令を出力するベクトル制御演算手段と、
前記出力電圧指令から前記電力変換器をＰＷＭ駆動するための信号を作成するスイッチングパターン発生手段と、
前記出力電圧指令と前記座標変換された電流検出値から前記速度推定値と磁束位相推定値を推定する全次元磁束速度オブザーバを備えた交流電動機の制御装置において、
前記全次元磁束速度オブザーバで用いる行列式の係数を、磁束指令に応じて補正する係数補正手段を有することを特徴とする交流電動機のセンサレスベクトル制御装置。
【請求項５】
前記係数補正手段は、前記交流電動機の相互インダクタンスの磁気飽和特性の変化に基づいて前記係数を補正するものであることを特徴とする請求項４記載の交流電動機のセンサレスベクトル制御装置。
【請求項６】
前記励磁電流指令から磁束レベルを演算する磁束モデル演算手段と、
前記磁束レベルに応じて、前記全次元磁束速度オブザーバで用いる行列式の係数を補正する係数補正手段を有することを特徴とする請求項４または５に記載の交流電動機のセンサレスベクトル制御装置。
【請求項７】
交流電動機へ電力を出力する電力変換器と、
前記交流電動機に流れる電流を検出する電流検出手段と、
検出した電流を固定子座標系に座標変換する座標変換手段と、
任意の速度指令と前記交流電動機の速度推定値が一致するようにトルク電流指令を出力する速度制御手段と、
任意の励磁電流指令、前記トルク電流指令、前記座標変換された電流検出値、速度推定値、および磁束位相推定値からベクトル制御演算し出力電圧指令を出力するベクトル制御演算手段と、
前記出力電圧指令から前記電力変換器をＰＷＭ駆動するための信号を作成するスイッチングパターン発生手段と、
前記出力電圧指令と前記座標変換された電流検出値から前記速度推定値と前記磁束位相推定値を推定する速度推定手段とを備えた交流電動機の制御方法において、
前記速度制御手段の入力となる前記任意の速度指令と前記速度推定値の偏差である速度偏差を前記速度制御手段に入力する際に、前記速度推定手段の能力以上の加速が発生しないように前記速度偏差をリミットして、前記速度制御手段に入力することを特徴とする交流電動機のセンサレスベクトル制御方法。
【請求項８】
前記速度推定手段は、全次元オブザーバと速度推定器から構成された全次元磁束速度オブザーバである請求項７記載の交流電動機のセンサレスベクトル制御方法。
【請求項９】
交流電動機へ電力を出力する電力変換器と、
前記交流電動機に流れる電流を検出する電流検出手段と、
検出した電流を固定子座標系に座標変換する座標変換手段と、
任意の速度指令と前記交流電動機の速度推定値が一致するようにトルク電流指令を出力する速度制御手段と、
任意の励磁電流指令、前記トルク電流指令、前記座標変換された電流検出値、速度推定値、および磁束位相推定値からベクトル制御演算し出力電圧指令を出力するベクトル制御演算手段と、
前記出力電圧指令から前記電力変換器をＰＷＭ駆動するための信号を作成するスイッチングパターン発生手段と、
前記出力電圧指令と前記座標変換された電流検出値から前記速度推定値と前記磁束位相推定値を推定する速度推定手段とを備えた交流電動機の制御装置において、
前記速度制御手段の入力となる前記任意の速度指令と前記速度推定値の偏差である速度偏差を前記速度制御手段に入力する際に、全次元磁束速度オブザーバの速度推定能力以上の加速が発生しないように前記速度偏差をリミットして、前記速度制御手段に入力する速度偏差リミット手段を有することを特徴とする交流電動機のセンサレスベクトル制御装置。
【請求項１０】
前記速度推定手段は、全次元オブザーバと速度推定器から構成された全次元磁束速度オブザーバである請求項９記載の交流電動機のセンサレスベクトル制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流電動機、特に誘導電動機の速度センサレスベクトル制御方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の誘導電動機の速度推定方法および誘導電動機駆動装置として、例えば特開平０８−２０５５９９号公報（特許文献１）には、全次元磁束速度オブザーバにおいて、２次鎖交磁束推定値から求めた２次鎖交磁束の絶対値で速度推定値を補正することにより、速度推定値の誤差を減少させることが提案されている。
また、特開２００２−１３６１９６号公報（特許文献２）には、二次磁束が立ち上がるまでに過大なトルク電流が流れることによるショックを抑制するために、トルク指令値を生成する指令値発生手段から電圧指令値演算回路の経路に、タイマとリミッタ設定演算手段とトルクリミッタとを挿入し、始動信号発生回路からの始動信号が有効となってからの時間をタイマで計測し、この計測値に基づいてリミッタ設定値演算手段でトルクリミッタ値を演算し、このトルクリミッタ値以下にトルク指令値を制限した値を新たなトルク指令値とすることにより、滑らかな始動を行わせる方法が提案されている。
【０００３】
また、特開平８−７０５９９号公報（特許文献３）には、同一次元オブザーバと速度適応機構からなる速度適応２次磁束オブザーバにより誘導電動機の実速度値を推定し、電動機速度推定値と電動機速度指令値との比較誤差信号によって電流制御部を制御してベクトル制御を行う誘導電動機の速度センサレスベクトル制御装置であって、速度推定値が最大速度よりも大きくなったときに、過転防止装置により１次トルク軸電流指令値を零にして加速方向のトルクを生じさせず、誘導電動機を過回転させない方法が提案されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０８−２０５５９９号公報
【特許文献２】
特開２００２−１３６１９６号公報
【特許文献３】
特開平８−７０５９９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記の特許文献１において提案された全次元磁束速度オブザーバのＡ，Ｂ，Ｇ行列（後述）の各要素は、通常速度以外では変化しない固定値として演算するようになっている。しかしながら、誘導電動機が磁気飽和し易い特性の場合、磁束指令の大きさにより相互インダクタンスが変化するので、固定値のままでは速度推定値や推定磁束位相が不正確となり、指令通りに運転ができなくなる。
また、上述の特許文献１において提案された全次元磁束速度オブザーバは、離散値化処理で磁束や速度を推定しており、オブザーバ計算を簡易化するために、オイラー１次近似を用いている。またこれらの計算時に微小時間（サンプリング時間）の間は速度が一定値であるとして、演算を行っている。しかし、小容量でイナーシャの小さい誘導電動機を負荷なしの状態で急加速した場合、微小時間（サンプリング時間）の間に速度が変化してしまう。この場合、全次元磁束速度オブザーバでの速度推定値が誘導電動機の実速度と乖離してしまうことになる。そうすると制御不安定状態となり、大きな電流が流れたり、過スリップ状態での運転となり、誘導電動機を安定に運転できなくなってしまう。特に加速時間が短い場合や速度の変化量が大きい場合に陥りやすい。一方、加速時間が短くても速度変化量が小さい場合には、このような状態にはなりにくい。
【０００６】
また、特許文献２記載の方法は、二次磁束の立ち上がりの遅い大容量の誘導電動機に対する処置を行うものであり、小容量でイナーシャの小さい誘導電動機における上記問題は解決できない。通常は特許文献２のように始動時のトルクリミット値を抑制すればよいが、そうすると速度変化量が小さい場合にも、トルクリミットが働いてしまう。
また、特許文献３記載の方法は、速度適応２次磁束オブザーバにより誘導電動機の実速度値を推定し制御するものではあるが、過速度を防止するための方法であり、小容量でイナーシャの小さい誘導電動機における上記問題は解決できない。
【０００７】
本発明は、全次元磁束速度オブザーバの速度推定値や磁束推定値を、実際の交流電動機と一致させることができる交流電動機の速度センサレスベクトル制御方法及び装置を提供することを第１の目的とする。
また、本発明は、速度偏差が大きい場合に制御が不安定になることなく、急加速させることができる交流電動機の速度センサレスベクトル制御方法及び装置を提供することを第２の目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的を達成するため、請求項１記載の発明は、交流電動機へ電力を出力する電力変換器と、任意の磁束指令に対して、前記交流電動機の磁気飽和特性から励磁電流指令を演算する励磁電流指令演算手段と、任意のトルク指令と前記磁束指令からトルク電流指令を演算するトルク電流指令演算手段と、前記交流電動機に流れる電流を検出する電流検出手段と、検出した電流を固定子座標系に座標変換する座標変換手段と、前記励磁電流指令と前記トルク電流指令と前記座標変換された電流検出値と速度推定値と磁束位相推定値からベクトル制御演算し出力電圧指令を出力するベクトル制御演算手段と、前記出力電圧指令から前記電力変換器をＰＷＭ駆動するための信号を作成するスイッチングパターン発生手段と、前記出力電圧指令と前記座標変換された電流検出値から前記速度推定値と磁束位相推定値を推定する全次元磁束速度オブザーバを備えた交流電動機の制御方法において、前記全次元磁束速度オブザーバで用いる行列式の係数を、磁束指令に応じて補正することを特徴とする。
請求項１記載の発明においては、全次元磁束速度オブザーバの速度推定値や磁束推定値と実際の交流電動機の速度や磁束を一致させることができるので、磁気飽和し易い交流電動機においても、速度を精度良く推定することができる。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の交流電動機のセンサレスベクトル制御方法において、前記行列式の係数は、前記交流電動機の相互インダクタンスの磁気飽和特性の変化に基づいて補正することを特徴とする。
請求項２記載の発明においては、前記行列式の係数のそれぞれを演算すると膨大な演算量となることを、交流電動機の相互インダクタンスの磁気飽和を特性を考慮して演算実施することで、近似演算が可能となり、速度を精度良く推定することができる。
請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載の交流電動機のセンサレスベクトル制御方法において、前記全次元磁束速度オブザーバで用いる行列式の係数を、前記励磁電流指令から演算された前記磁束レベルに応じて補正することを特徴とする。
請求項３記載の発明においては、励磁電流指令から磁束モデル演算により磁束レベルを演算するので、磁束指令が急変しても、実際の磁束によく追従できる。
【００１０】
請求項４記載の発明は、交流電動機へ電力を出力する電力変換器と、任意の磁束指令に対して、前記交流電動機の磁気飽和特性から励磁電流指令を演算する励磁電流指令演算手段と、任意のトルク指令と前記磁束指令からトルク電流指令を演算するトルク電流指令演算手段と、前記交流電動機に流れる電流を検出する電流検出手段と、検出した電流を固定子座標系に座標変換する座標変換手段と、前記励磁電流指令と前記トルク電流指令と前記座標変換された電流検出値と速度推定値と磁束位相推定値からベクトル制御演算し出力電圧指令を出力するベクトル制御演算手段と、前記出力電圧指令から前記電力変換器をＰＷＭ駆動するための信号を作成するスイッチングパターン発生手段と、前記出力電圧指令と前記座標変換された電流検出値から前記速度推定値と磁束位相推定値を推定する全次元磁束速度オブザーバを備えた交流電動機の制御装置において、前記全次元磁束速度オブザーバで用いる行列式の係数を、磁束指令に応じて補正する係数補正手段を有することを特徴とする。
請求項４記載の発明においては、全次元磁束速度オブザーバの速度推定値や磁束推定値と実際の交流電動機の速度や磁束を一致させることができるので、磁気飽和し易い交流電動機においても、速度を精度良く推定することができる
【００１１】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の交流電動機のセンサレスベクトル制御装置において、前記係数補正手段は、前記交流電動機の相互インダクタンスの磁気飽和特性の変化に基づいて前記係数を補正するものであることを特徴とする。
請求項５記載の発明においては、前記行列式の係数のそれぞれを演算すると膨大な演算量となることを、交流電動機の相互インダクタンスの磁気飽和を特性を考慮して演算実施することで、近似演算が可能となり、速度を精度良く推定することができる。
請求項６記載の発明は、請求項４または５に記載の交流電動機のセンサレスベクトル制御装置において、前記励磁電流指令から磁束レベルを演算する磁束モデル演算手段と、前記磁束レベルに応じて、前記全次元磁束速度オブザーバで用いる行列式の係数を補正する係数補正手段を有することを特徴とする。
請求項６記載の発明においては、励磁電流指令から磁束モデル演算により磁束レベルを演算するので、磁束指令が急変しても、実際の磁束によく追従できる。
【００１２】
また、前記第２の目的を達成するため、請求項７記載の発明は、交流電動機へ電力を出力する電力変換器と、前記交流電動機に流れる電流を検出する電流検出手段と、検出した電流を固定子座標系に座標変換する座標変換手段と、任意の速度指令と前記交流電動機の速度推定値が一致するようにトルク電流指令を出力する速度制御手段と、任意の励磁電流指令、前記トルク電流指令、前記座標変換された電流検出値、速度推定値、および磁束位相推定値からベクトル制御演算し出力電圧指令を出力するベクトル制御演算手段と、前記出力電圧指令から前記電力変換器をＰＷＭ駆動するための信号を作成するスイッチングパターン発生手段と、前記出力電圧指令と前記座標変換された電流検出値から前記速度推定値と前記磁束位相推定値を推定する速度推定手段とを備えた交流電動機の制御方法において、前記速度制御手段の入力となる前記任意の速度指令と前記速度推定値の偏差である速度偏差を前記速度制御手段に入力する際に、前記速度推定手段の能力以上の加速が発生しないように前記速度偏差をリミットして、前記速度制御手段に入力することを特徴とする。
請求項７記載の発明においては、交流電動機の最短で加速できる時間と速度推定手段が最短で加速できる時間から、速度制御手段に入力する速度偏差値を制限することにより、交流電動機を急加減速しても安定に速度制御することができる。
請求項８記載の発明は、請求項７記載の交流電動機のセンサレスベクトル制御方法において、前記速度推定手段は、全次元オブザーバと速度推定器から構成された全次元磁束速度オブザーバであることを特徴とする。
請求項８記載の発明においては、全次元磁束速度オブザーバで速度を推定し、任意の速度指令にその速度推定値を一致させるようにすることができる。
【００１３】
請求項９記載の発明は、交流電動機へ電力を出力する電力変換器と、前記交流電動機に流れる電流を検出する電流検出手段と、検出した電流を固定子座標系に座標変換する座標変換手段と、任意の速度指令と前記交流電動機の速度推定値が一致するようにトルク電流指令を出力する速度制御手段と、任意の励磁電流指令、前記トルク電流指令、前記座標変換された電流検出値、速度推定値、および磁束位相推定値からベクトル制御演算し出力電圧指令を出力するベクトル制御演算手段と、前記出力電圧指令から前記電力変換器をＰＷＭ駆動するための信号を作成するスイッチングパターン発生手段と、前記出力電圧指令と前記座標変換された電流検出値から前記速度推定値と前記磁束位相推定値を推定する速度推定手段とを備えた交流電動機の制御装置において、前記速度制御手段の入力となる前記任意の速度指令と前記速度推定値の偏差である速度偏差を前記速度制御手段に入力する際に、全次元磁束速度オブザーバの速度推定能力以上の加速が発生しないように前記速度偏差をリミットして、前記速度制御手段に入力する速度偏差リミット手段を有することを特徴とする。
請求項９記載の発明においては、交流電動機の最短で加速できる時間と速度推定手段が最短で加速できる時間から、速度制御手段に入力する速度偏差値を速度制御手段に入力する速度偏差リミット手段で制限することにより、交流電動機を急加減速しても安定に速度制御することができる。
請求項１０記載の発明は、請求項９記載の交流電動機のセンサレスベクトル制御装置において、前記速度推定手段は、全次元オブザーバと速度推定器から構成された全次元磁束速度オブザーバであることを特徴とする。
請求項１０記載の発明においては、全次元磁束速度オブザーバで速度を推定し、任意の速度指令にその速度推定値を一致させるようにすることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
＜第１実施形態＞
図１は本発明における交流電動機のセンサレスベクトル制御装置の第１実施形態の構成を示すブロック図、図２は励磁電流指令演算回路の構成を示すブロック図、図３はトルク電流指令演算回路の構成を示すブロック図である。
本実施形態における交流電動機のセンサレスベクトル制御装置は、三相交流をパワー素子により直流電圧に変換し、その直流電圧をＰＷＭ制御方式により任意の周波数と電圧の交流に変換し出力する電力変換器１と、電力変換器１から出力される交流により駆動される交流電動機の一種である誘導電動機２と、誘導電動機に流れる電流を検出するための電流検出回路３と、電流検出回路で検出した電流を固定子座標系で３相２相変換した１次電流検出値ｉｓα、ｉｓβを出力する座標変換回路４と、図２のように任意の磁束指令Φｒｅｆを入力し鉄心飽和係数演算回路１１から出力される磁気飽和係数ｋΦと磁束指令１００％時の無負荷電流ｉｍ０の積から励磁電流指令ｉｄｒｅｆを演算する励磁電流指令演算回路５と、図３のように任意のトルク指令Ｔｒｅｆを任意の磁束指令Φｒｅｆで除算し、トルク電流換算係数ｋｉｔとの積からトルク電流指令ｉｑｒｅｆを演算するトルク電流指令演算回路６と、前記励磁電流指令ｉｄｒｅｆと前記トルク電流指令ｉｑｒｅｆと前記１次電流検出値ｉｓα、ｉｓβと後述する全次元磁束速度オブザーバ９から出力される速度推定値ωｒｈａｔと磁束位相推定値θｈａｔからベクトル制御演算して、出力電圧指令Ｖｓα、Ｖｓβを出力するベクトル制御演算回路７と、前記出力電圧指令Ｖｓα、Ｖｓβから前記電力変換器１を駆動するための信号を作成するスイッチングパターン発生回路８と、前記出力電圧指令Ｖｓα、Ｖｓβと前記１次電流検出値ｉｓα、ｉｓβを入力とし、誘導電動機の電圧電流方程式を全次元オブザーバの逐次形式で解くことにより、１次電流推定値ｉｓαｈａｔ、ｉｓβｈａｔと磁束推定値Φｒαｈａｔ、Φｒβｈａｔを推定し、前記１次電流検出値ｉｓα、ｉｓβと前記１次電流推定値ｉｓαｈａｔ、ｉｓβｈａｔと前記磁束推定値Φｒαｈａｔ、Φｒβｈａｔとから速度推定値ωｒｈａｔと磁束位相推定値θｈａｔを推定する全次元磁束速度オブザーバ９と、任意の磁束指令Φｒｅｆに応じて、前記全次元磁束速度オブザーバ９のＡ，Ｂ，Ｇ行列の各要素の中で磁気飽和特性により変化する係数を補正し出力する係数補正回路１０を備えている。
【００１５】
この実施形態において、全次元磁束速度オブザーバ９は誘導電動機の電圧電流方程式から導出した全次元オブザーバと速度推定器から構成される。全次元オブザーバは、
【数１】
2004282807.tif 000003
2004282807.tif 000004
但し、
ａｒ１１＝−Ｒｓ／（σＬｓ）−（１−σ）／（στｒ）
ａｒ１２＝−（１／ρ）・１／τｒ
ａｉ１２＝１／ρ
ａｒ２１＝Ｌｍ／τｒ
ａｒ２２＝−１／τｒ
ａｉ２２＝１
ｂ１１＝１／σＬｓ
ｇ１＝（Ｌ−１）（１／σ）（Ｒｓ／Ｌｓ＋１／τｒ）
ｇ２＝−（Ｌ−１）
ｇ３＝Ｌ（Ｌ−１）（ＬｒＲｓ／Ｌｍ）−（Ｌ−１）（ＬｓＲｒ／Ｌｍ）
ｇ４＝−（Ｌ−１）ρ
σ＝１−Ｌｍ２／（Ｌｓ・Ｌｒ）
τｒ＝Ｌｒ／Ｒｒ
ρ＝−（σ・Ｌｓ・Ｌｒ）／Ｌｍ
Ｒｓ：１次抵抗、Ｒｒ：２次抵抗、Ｌｍ：相互インダクタンス
Ｌｓ：１次自己インダクタンス、Ｌｒ：２次自己インダクタンス
ωｒｈａｔ：速度推定値、Ｌ：オブザーバゲイン
ｉｓα：１次電流検出値α軸成分、ｉｓβ：１次電流検出値β軸成分
Ｖｓα：１次電圧α軸成分、Ｖｓβ：１次電圧β軸成分
ｉｓαｈａｔ：１次電流推定値α軸成分、ｉｓβｈａｔ：１次電流推定値β軸成分
Φｒαｈａｔ：磁束推定値α軸成分、Φｒβｈａｔ：磁束推定値β軸成分
の構成とする。
【００１６】
１次電流検出値ｉｓα、ｉｓβと１次電流推定値ｉｓαｈａｔ、ｉｓβｈａｔと磁束推定値Φｒαｈａｔ、Φｒβｈａｔとから、速度推定値ωｒｈａｔを
2004282807.tif 000005
で推定できる。実際には、ソフトウェア上で実現するため、離散化処理し、ｋＴｓ（Ｔｓ：サンプリング時間）時の速度推定値ωｒｈａｔ（ｋ）は１次電流検出値ｉｓα（ｋ）、ｉｓβ（ｋ）と１次電流推定値ｉｓαｈａｔ（ｋ）、ｉｓβｈａｔ（ｋ）と磁束推定値Φｒαｈａｔ（ｋ）、Φｒβｈａｔ（ｋ）とから（２）式を離散化した
【数２】
2004282807.tif 000006
で推定できる。
【００１７】
同様に（１）式の全次元磁束オブザーバの後退差分より得られる
【数３】
2004282807.tif 000007
2004282807.tif 000008
の逐次式に従い、（ｋ＋１）Ｔｓ時の１次電流推定値ｉｓαｈａｔ（ｋ＋１）、ｉｓβｈａｔ（ｋ＋１）と磁束推定値Φｒαｈａｔ（ｋ＋１）、Φｒβｈａｔ（ｋ＋１）を推定する。また、磁束の位相推定値θｈａｔ（ｋ＋１）は
θｈａｔ（ｋ＋１）＝ｔａｎ−１（Φｒβｈａｔ（ｋ＋１）／Φｒαｈａｔ（ｋ＋１））          ・・・（５）
で推定される。
【００１８】
この全次元オブザーバにおいて、Ａ、Ｂ、Ｇ行列をそれぞれ
【数４】
2004282807.tif 000009
と定義する。ここで、ａｒ１１、ａｒ１２、ａｉ１２、ａｒ２１、ａｒ２２、ａｉ２２、ｂ１１、ｇ１、ｇ２、ｇ３、ｇ４は（１）式のところで定義したように誘導電動機の１次抵抗Ｒｓ、２次抵抗Ｒｒ、相互インダクタンスＬｍ、１次自己インダクタンスＬｓ、２次自己インダクタンスＬｒにより演算される。通常これらの係数は一定値であるとして、イニシャル処理時に計算しておき、全次元オブザーバ演算時には固定値として演算する。
通常はこの全次元磁束速度オブザーバ９を用いることで、誘導電動機の速度を精度良く推定することができる。しかしながら、誘導電動機が磁気飽和し易い場合には、全次元磁束速度オブザーバ９の速度推定値や磁束推定値がモータの実際値と一致しなくなり、不安定となったり、場合によっては始動できなくなるという問題が発生する。
【００１９】
誘導電動機の磁気飽和特性は予め磁気飽和係数演算回路で定義してある。ここでは、磁束指令１００％時を１．０とし、７０％磁束指令時の磁気飽和係数ｋΦ１及び１３０％磁束指令時の磁気飽和係数ｋΦ２により、直線近似で磁気飽和特性を表している。磁気飽和しにくい誘導電動機の場合には、ｋΦ１＝０．７、ｋΦ２＝１．３となる。しかし、磁気飽和し易い誘導電動機の場合には、ｋΦ１＜０．７、ｋΦ２＞１．３となり、磁気飽和し易いほどｋΦ１は小さく、ｋΦ２は大きくなる。ここで、磁束指令Φｒｅｆと磁気飽和係数ｋΦの比ｋｍ
ｋｍ＝Φｒｅｆ／ｋΦ                                              ・・・（９）
が１に近ければ、磁気飽和しにくく、１から小さくなるにつれて、磁気飽和し易い。磁束指令Φｒｅｆと磁気飽和係数ｋΦの比ｋｍは相互インダクタンスＬｍの磁気飽和特性を示している。
【００２０】
本実施形態では、この相互インダクタンスＬｍの磁気飽和特性を考慮して、全次元磁束速度オブザーバ９の演算を実施することを目的とする。
任意の磁束指令Φｒｅｆに対して、相互インダクタンスＬｍは
Ｌｍ＝Ｌｍ０ｋｍ                                              ・・・（１０）
但し、Ｌｍ０は磁束指令Φｒｅｆ＝１００％時の相互インダクタンス
で計算される。これをａｒ１１、ａｒ１２、ａｉ１２、ａｒ２１、ａｒ２２、ａｉ２２、ｂ１１、ｇ１、ｇ２、ｇ３、ｇ４に代入し、演算すると膨大な演算量となる。そこで、磁束指令Φｒｅｆ＝１００％時の相互インダクタンスＬｍ０から磁束指令Φｒｅｆ＝１００％時のａｒ１１０、ａｒ１２０、ａｉ１２０、ａｒ２１０、ａｒ２２０、ａｉ２２０、ｂ１１０、ｇ１０、ｇ２０、ｇ３０、ｇ４０を予め計算しておき、磁束指令Φｒｅｆが与えられた時に
2004282807.tif 000010
となるように近似変更することにより、全次元磁束速度オブザーバ９の速度推定値や磁束推定値と実際の誘導電動機の速度や磁束を一致させることができるので、磁気飽和し易い誘導電動機においても、速度を精度良く推定することができる誘導電動機のセンサレスベクトル制御方法及び制御装置が得られる。
【００２１】
＜第２実施形態＞
以下、本発明の第２実施形態について、図面を参照して説明する。図４は、第２実施形態における交流電動機のセンサレスベクトル制御装置の構成を示すブロック図である。
本実施形態の特徴は、励磁電流指令演算回路５の出力である励磁電流指令ｉｄｒｅｆを用いて磁束レベルΦｌｖｌを演算する磁束モデル演算回路１２を設け、係数補正回路１０に与えるようにしたことである。その他の構成は図１に示した第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。
上述した第１実施形態では、任意の磁束指令Φｒｅｆに対して、磁束指令Φｒｅｆと磁気飽和係数ｋΦの比ｋｍを（８）式で演算することで、（１１）式により前記全次元磁束速度オブザーバ９のＡ，Ｂ，Ｇ行列の各要素の中で磁気飽和特性により変化する係数を補正していたが、この第２実施形態では、誘導電動機の磁束は二次回路時定数でしか変化できないため、磁束指令Φｒｅｆが急変しても、実際の磁束は追従できないことを考慮したものである。
【００２２】
前記磁束モデル演算回路１２から出力される前記磁束レベルΦｌｖｌと磁気飽和係数ｋΦの比ｋｍ
ｋｍ＝Φｌｖｌ／ｋΦ                                          ・・・（１２）
を演算し、磁束レベルΦｌｖｌ＝１００％時のａｒ１１０、ａｒ１２０、ａｉ１２０、ａｒ２１０、ａｒ２２０、ａｉ２２０、ｂ１１０、ｇ１０、ｇ２０、ｇ３０、ｇ４０を予め計算しておき、磁束レベルΦｌｖｌが与えられた時に
2004282807.tif 000011
となるように近似変更することにより、全次元磁束速度オブザーバ９の速度推定値や磁束推定値と実際の誘導電動機の速度や磁束を一致させることができるので、磁気飽和し易い誘導電動機においても、速度を精度良く推定することができる誘導電動機のセンサレスベクトル制御方法及び制御装置が得られる。
【００２３】
なお、上述した第１実施形態および第２実施形態では、全次元磁束速度オブザーバで１次電流推定値と磁束推定値を推定したが、電圧電流方程式を変形して、１次電流推定値と磁束を作るための電流である二次界磁電流推定値を演算するような形にしても同様な効果がある。
また、前記実施形態では、全次元磁束速度オブザーバの入力を出力電圧指令としているが、電圧検出器を用いた電圧検出値を代用しても同様の効果がある。
さらに、前記実施形態では、速度センサレスの制御装置について提案したが、速度センサの付きの制御装置において、磁束制御するために全次元磁束速度オブザーバを用いた場合でも同様の効果がある。また、速度推定方法を特開平０８−２０５５９９号公報で提案された方法にした場合でも同様の効果がある。また、本実施形態では、鉄心飽和係数演算回路の磁気飽和特性を任意の３点で近似したが、多点近似したり、磁気飽和特性を任意の関数で与えたり、磁気飽和特性をテーブル化しておき、そのテーブルを用いたりした方が効果が大となる。
【００２４】
＜第３実施形態＞
図５は本第３実施形態に係る交流電動機のセンサレスベクトル制御装置の構成を示すブロック図である。
本実施形態における交流電動機のセンサレスベクトル制御装置は、三相交流をパワー素子により直流電圧に変換し、その直流電圧をＰＷＭ制御方式により任意の周波数と電圧の交流に変換し出力する電力変換器１と、電力変換器１から出力される交流により駆動される交流電動機の一種である誘導電動機２と、誘導電動機に流れる電流を検出するための電流検出回路３と、電流検出回路で検出した電流を固定子座標系で３相２相変換した１次電流検出値ｉｓα、ｉｓβを出力する座標変換回路４と、任意の速度指令と誘導電動機の速度推定値の偏差にリミットをかける速度偏差リミット回路２１と、前記速度偏差を零すなわち任意の速度指令と誘導電動機の速度推定値が一致するようにトルク電流指令を出力する速度制御回路２２と前記励磁電流指令ｉｄｒｅｆと前記トルク電流指令ｉｑｒｅｆと前記１次電流検出値ｉｓα、ｉｓβと後述する全次元磁束速度オブザーバ９から出力される速度推定値ωｒｈａｔと磁束位相推定値θｈａｔからベクトル制御演算して、出力電圧指令Ｖｓα、Ｖｓβを出力するベクトル制御演算回路７と、前記出力電圧指令Ｖｓα、Ｖｓβから前記電力変換器１を駆動するための信号を作成するスイッチングパターン発生回路８と、前記出力電圧指令Ｖｓα、Ｖｓβと前記１次電流検出値ｉｓα、ｉｓβを入力とし、誘導電動機の電圧電流方程式を全次元オブザーバの逐次形式で解くことにより、１次電流推定値ｉｓαｈａｔ、ｉｓβｈａｔと磁束推定値Φｒαｈａｔ、Φｒβｈａｔを推定し、前記１次電流検出値ｉｓα、ｉｓβと前記１次電流推定値ｉｓαｈａｔ、ｉｓβｈａｔと前記磁束推定値Φｒαｈａｔ、Φｒβｈａｔとから速度推定値ωｒｈａｔと磁束位相推定値θｈａｔを推定する全次元磁束速度オブザーバ９を備えている。
【００２５】
この実施形態において、全次元磁束速度オブザーバ９は誘導電動機の電圧電流方程式から導出した全次元オブザーバと速度推定器から構成される。全次元オブザーバは、
【数５】
2004282807.tif 000012
2004282807.tif 000013
但し、
ａｒ１１＝−Ｒｓ／（σＬｓ）−（１−σ）／（στｒ）
ａｒ１２＝−（１／ρ）・１／τｒ
ａｉ１２＝１／ρ
ａｒ２１＝Ｌｍ／τｒ
ａｒ２２＝−１／τｒ
ａｉ２２＝１
ｂ１１＝１／σＬｓ
ｇ１＝（Ｌ−１）（１／σ）（Ｒｓ／Ｌｓ＋１／τｒ）
ｇ２＝−（Ｌ−１）
ｇ３＝Ｌ（Ｌ−１）（ＬｒＲｓ／Ｌｍ）−  （Ｌ−１）（ＬｓＲｒ／Ｌｍ）
ｇ４＝−（Ｌ−１）ρ
σ＝１−Ｌｍ２／（Ｌｓ・Ｌｒ）
τｒ＝Ｌｒ／Ｒｒ
ρ＝−（σ・Ｌｓ・Ｌｒ）／  Ｌｍ
Ｒｓ：１次抵抗、Ｒｒ：２次抵抗、Ｌｍ：相互インダクタンス
Ｌｓ：１次自己インダクタンス、Ｌｒ：２次自己インダクタンス
ωｒｈａｔ：速度推定値、Ｌ：オブザーバゲイン
ｉｓα：１次電流検出値α軸成分、ｉｓβ：１次電流検出値β軸成分
Ｖｓα：１次電圧α軸成分、Ｖｓβ：１次電圧β軸成分
ｉｓαｈａｔ：１次電流推定値α軸成分、ｉｓβｈａｔ：１次電流推定値β軸成分
Φｒαｈａｔ：磁束推定値α軸成分、Φｒβｈａｔ：磁束推定値β軸成分
の構成とする。
【００２６】
１次電流検出値ｉｓα、ｉｓβと１次電流推定値ｉｓαｈａｔ、ｉｓβｈａｔと磁束推定値Φｒαｈａｔ、Φｒβｈａｔとから速度推定値ωｒｈａｔを
2004282807.tif 000014
で推定できる。
実際には、ソフトウェア上で実現するため、離散化処理し、ｋＴｓ（Ｔｓ：サンプリング時間）時の速度推定値ωｒｈａｔ（ｋ）は１次電流検出値ｉｓα（ｋ）、ｉｓβ（ｋ）と１次電流推定値ｉｓαｈａｔ（ｋ）、ｉｓβｈａｔ（ｋ）と磁束推定値Φｒαｈａｔ（ｋ）、Φｒβｈａｔ（ｋ）とから（１５）式を離散化した
【数６】
2004282807.tif 000015
で推定できる。
【００２７】
同様に（１４）式の全次元磁束オブザーバの後退差分より得られる
【数７】
2004282807.tif 000016
2004282807.tif 000017
の逐次式に従い、（ｋ＋１）Ｔｓ時の１次電流推定値ｉｓαｈａｔ（ｋ＋１）、ｉｓβｈａｔ（ｋ＋１）と磁束推定値Φｒαｈａｔ（ｋ＋１）、Φｒβｈａｔ（ｋ＋１）を推定する。また、磁束の位相推定値θｈａｔ（ｋ＋１）は
θｈａｔ（ｋ＋１）＝ｔａｎ−１（Φｒβｈａｔ（ｋ＋１）／Φｒαｈａｔ（ｋ＋１））        ・・・（１８）
で推定される。
【００２８】
次に本実施形態の特徴について説明する。本制御装置は任意の速度指令に誘導電動機２の速度が一致するようにするために、上述の全次元磁束速度オブザーバ９で速度を推定し、任意の速度指令にその速度推定値を一致させている。通常はこの方法で問題とならないが、小容量でイナーシャの小さい誘導電動機２を負荷なしの状態で急加速した場合、微小時間（サンプリング時間）の間に速度が変化するので、全次元磁束速度オブザーバ９での速度推定値が誘導電動機２の実速度と乖離してしまう。すると制御不安定状態となり、大きな電流が流れたり、過スリップ状態での運転となり、誘導電動機２を安定に運転できなくなってしまう問題が発生する。通常はサンプリング時間を短くすることや速度推定方式を改善する方法が取られるが、いろいろな制約のため、この方法が実現できない場合を想定する。この現象は特に加速時間が短い場合や速度の変化量が大きい場合に陥りやすく、加速時間が短くても速度変化量が小さい場合には、このような状態にはなりにくい。そこで、予め全次元磁束速度オブザーバ９が最短で加速できる時間を測定しておく。
【００２９】
次に、誘導電動機２の単体のイナーシャと出力可能な最高トルクから最短で加速できる時間を計算する。そして、誘導電動機２の最短で加速できる時間と先に求めた全次元磁束速度オブザーバが最短で加速できる時間を比較し、誘導電動機２の最短で加速できる時間が長い場合には、速度偏差リミット回路２１のリミット値を最大値と設定しておく。誘導電動機２の最短で加速できる時間が短い場合には、先に求めた全次元磁束速度オブザーバ９が最短で加速できる時間から誘導電動機２の最短で加速できる時間を減じ、この値を誘導電動機２の最短で加速できる時間で除した値を速度偏差リミット回路２１のリミット値の最大値に乗じた値を速度偏差リミット回路２１のリミット値に設定する。このようにすることで、全次元磁束速度オブザーバが最短で加速できる時間より短い時間での加速を防止するだけでなく、速度偏差が小さい場合には加速能力を最大限に使うことができる。
このように誘導電動機２の最短で加速できる時間と全次元磁束速度オブザーバ９が最短で加速できる時間から、速度制御回路２２に入力する速度偏差値を速度偏差リミット回路２１で制限することにより、誘導電動機２を急加減速しても安定に速度制御することができる交流電動機のセンサレスベクトル制御方法及び制御装置が得られる。
【００３０】
＜第４実施形態＞
図６は本実施形態における交流電動機のセンサレスベクトル制御装置の構成を示すブロック図である。
本実施形態における交流電動機のセンサレスベクトル制御装置は、三相交流をパワー素子により直流電圧に変換し、その直流電圧をＰＷＭ制御方式により任意の周波数と電圧の交流に変換し出力する電力変換器１と、電力変換器１から出力される交流により駆動される交流電動機の一種である誘導電動機２と、誘導電動機２に流れる電流を検出するための電流検出回路３と、電流検出回路で検出した電流を固定子座標系で３相２相変換した１次電流検出値ｉｓα、ｉｓβを出力する座標変換回路４と、任意の速度指令と誘導電動機２の速度推定値の偏差にリミットをかける速度偏差リミット回路２１と、前記速度偏差を零すなわち任意の速度指令と誘導電動機２の速度推定値が一致するようにトルク電流指令を出力する速度制御回路２２と前記励磁電流指令ｉｄｒｅｆと前記トルク電流指令ｉｑｒｅｆと前記１次電流検出値ｉｓα、ｉｓβと後述する速度推定器２３から出力される速度推定値ωｒｈａｔからベクトル制御演算して、出力電圧指令Ｖｓα、Ｖｓβを出力するベクトル制御演算回路７と、前記出力電圧指令Ｖｓα、Ｖｓβから前記電力変換器１を駆動するための信号を作成するスイッチングパターン発生回路８と、前記出力電圧指令Ｖｓα、Ｖｓβと前記１次電流検出値ｉｓα、ｉｓβを入力とし、誘導電動機２の速度推定値ωｒｈａｔを推定する速度推定器２３を備えている。
【００３１】
次に本実施形態の特徴について説明する。本制御装置は任意の速度指令に誘導電動機２の速度が一致するようにするために、速度推定器２３で速度を推定し、任意の速度指令にその速度推定値を一致させている。通常はこの方法で問題とならないが、小容量でイナーシャの小さい誘導電動機２を負荷なしの状態で急加速した場合、速度推定値が誘導電動機２の実速度と乖離してしまう。すると制御不安定状態となり、大きな電流が流れたり、脱調状態での運転となり、誘導電動機２を安定に運転できなくなってしまう問題が発生する。この現象は特に加速時間が短い場合や速度の変化量が大きい場合に陥りやすく、加速時間が短くても速度変化量が小さい場合には、このような状態にはなりにくい。
【００３２】
そこで、予め速度推定器が最短で加速できる時間を測定しておく。次に、誘導電動機２の単体のイナーシャと出力可能な最高トルクから最短で加速できる時間を計算する。そして、誘導電動機２の最短で加速できる時間と先に求めた速度推定器が最短で加速できる時間を比較し、誘導電動機２の最短で加速できる時間が長い場合には、速度偏差リミット回路２１のリミット値を最大値と設定しておく。誘導電動機２の最短で加速できる時間が短い場合には、先に求めた速度推定器が最短で加速できる時間から誘導電動機２の最短で加速できる時間を減じ、この値を誘導電動機２の最短で加速できる時間で除した値を速度偏差リミット回路２１のリミット値の最大値に乗じた値を速度偏差リミット回路２１のリミット値に設定する。
【００３３】
このようにすることで、速度推定器が最短で加速できる時間より短い時間での加速を防止するだけでなく、速度偏差が小さい場合には加速能力を最大限に使うことができる。
このように誘導電動機２の最短で加速できる時間と速度推定器が最短で加速できる時間から、速度制御回路２２に入力する速度偏差値を速度偏差リミット回路２１で制限することにより、誘導電動機２を急加減速しても安定に速度制御することができる交流電動機のセンサレスベクトル制御方法及び制御装置が得られる。
なお、上述した実施形態において、交流電動機として誘導電動機を用いた例について説明したが、永久磁石を内部に持つ同期電動機やその他のベクトル制御を実現できる交流電動機であれば、どのような交流電動機であっても同様の効果が得られる。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、本発明の第１の交流電動機のセンサレスベクトル制御方法及び制御装置によれば、全次元磁束速度オブザーバの速度推定値や磁束推定値と実際の交流電動機の速度や磁束を一致させることができるので、磁気飽和し易い交流電動機においても、速度を精度良く推定することができる、速度精度やトルク精度を向上することができるという効果がある。
また、本発明の第２の交流電動機のセンサレスベクトル制御方法及び制御装置によれば、交流電動機の最短で加速できる時間と速度推定手段が最短で加速できる時間から、速度制御手段に入力する速度偏差値を制限することにより、交流電動機を急加減速しても安定に速度制御することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における第１実施形態に係る交流電動機のセンサレスベクトル制御装置の構成を表すブロック図である。
【図２】第１実施形態における励磁電流指令演算回路のブロック図である。
【図３】第１実施形態におけるトルク電流指令演算回路のブロック図である。
【図４】本発明における第２実施形態に係る交流電動機のセンサレスベクトル制御装置の構成を表すブロック図である。
【図５】本発明における第３実施形態に係る交流電動機のセンサレスベクトル制御装置の構成を表すブロック図である。
【図６】本発明における第４実施形態に係る交流電動機のセンサレスベクトル制御装置の構成を表すブロック図である。
【符号の説明】
１  電力変換器
２  誘導電動機
３  電流検出回路
４  座標変換回路
５  励磁電流指令演算回路
６  トルク電流指令演算回路
７  ベクトル制御演算回路
８  スイッチングパターン発生回路
９  全次元磁束速度オブザーバ
１０  係数補正回路
１１  磁気飽和係数演算回路
１２  磁束モデル演算回路
２１  速度偏差リミット回路
２２  速度制御回路
２３  速度推定器
【図１】
2004282807.tif 000018
【図２】
2004282807.tif 000019
【図３】
2004282807.tif 000020
【図４】
2004282807.tif 000021
【図５】
2004282807.tif 000022
【図６】
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