(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導電動機の電圧指令値と検出電流値とに基づいて１次電流推定値および２次磁束推定値を離散近似によって推定する同一次元磁束推定オブザーバを用いてベクトル制御を行う誘導電動機の制御方法において、
前記検出電流値と前記１次電流推定値との偏差と、前記２次磁束推定値とに基づいて得られる誤差トルクから前記誘導電動機の角速度推定値を推定するステップと、
前記極配置ゲインの値を、前記角速度推定値および前記誘導電動機の定数によって定められる安定条件を示す判別式を満たす最大値に設定するステップとを有することを特徴とする誘導電動機の制御方法。
【請求項２】
前記判別式は、
【数１】
0004697372.tif 000026
である請求項１記載の誘導電動機の制御方法。
【請求項３】
誘導電動機の電圧指令値と検出電流値とに基づいて１次電流推定値および２次磁束推定値を離散近似によって推定する同一次元磁束推定オブザーバを用いてベクトル制御を行う誘導電動機の制御装置において、
前記検出電流値と前記１次電流推定値との偏差と、前記２次磁束推定値とに基づいて得られる誤差トルクから前記誘導電動機の角速度推定値を推定する速度推定機構と、
前記極配置ゲインの値を、前記角速度推定値および前記誘導電動機の定数によって定められる安定条件を示す判別式を満たす最大値に設定する極配置ゲイン調整手段とを有することを特徴とする誘導電動機の制御装置。
【請求項４】
前記判別式は、
【数２】
0004697372.tif 000027
である請求項３記載の誘導電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同一次元磁束推定オブザーバを用いてベクトル制御を行う、誘導電動機の制御方法および装置に関し、特に、離散近似によりディジタル演算器で実現される同一次元磁束推定オブザーバを用いてベクトル制御を行う、誘導電動機の制御方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
誘導電動機の可変速制御方式として、ベクトル制御方式があり、そのベクトル制御方式の一手法として、同一次元磁束推定オブザーバを適用した方式がある。この同一次元磁束オブザーバは、電圧指令値すなわち入力電圧と、電流検出値すなわち検出電流から１次電流と２次磁束値を推定するものであり、これらの推定値から電動機速度を推定してベクトル制御が行われる。
【０００３】
電流推定値
【０００４】
【数３】
0004697372.tif 000002
【０００５】
と、磁束推定値
【０００６】
【数４】
0004697372.tif 000003
【０００７】
を状態変数とし、入力電圧を
【０００８】
【数５】
0004697372.tif 000004
【０００９】
とし、誘導電動機の推定速度を
【００１０】
【数６】
0004697372.tif 000005
【００１１】
とし、検出電流を
【００１２】
【数７】
0004697372.tif 000006
【００１３】
とすると、同一次元磁束推定オブザーバの式は、以下の式（１）のように表される。なお、α、βは、誘導電動機の固定子座標系の軸であり、それぞれ誘導電動機のＵ相巻線軸と、それと直交する軸である。それらのα、βが添え字で付けられている場合には、それらがその軸の成分であることを示している。
【００１４】
【数８】
0004697372.tif 000007
【００１５】
なお、ｋは、オブザーバ極配置ゲインであり、オブザーバの極は、誘導電動機固有の極のｋ倍だけ安定な方向に配置される。図３には、オブザーバの極が、誘導電動機固有の極の１．２倍だけ安定な方向（連続系で左方向）に配置されている様子が示されている。
【００１６】
このような同一次元磁束オブザーバをディジタル演算器で実現する場合には、連続系で表現された電動機モデルを離散系で近似することになる。ディジタル演算器によって実現される、同一次元磁束推定オブザーバを用いた誘導伝導機の従来の制御方法は、「適応２次磁束オブザーバを用いた誘導電動機の速度センサレス直接形ベクトル制御」（電学論Ｄ，１、１１巻１１号、１９９１年）に報告されている。この報告にあるように、同一次元磁束推定オブザーバによる磁束推定をディジタル演算器で行う場合には、その実用上の観点からオイラー離散近似により離散化するのが一般的である。
【００１７】
式（１）をオイラー法により離散化すると、式（２）のようになる。
【００１８】
【数９】
0004697372.tif 000008
【００１９】
なお、式（２）は、以下の式（３）のようにまとめることができる。
【００２０】
【数１０】
0004697372.tif 000009
【００２１】
しかしながら、「一次電圧補償オブザーバを有する誘導電動機の速度センサレスベクトル制御」（電学論Ｄ，１、１６巻８号、１９９６年）や、「A flux observer for induction machines based on a time-variant discrete model」（IEEE Transaction on Industry Applications,Vol.29,No.2,1993）や、「磁束オブザーバの離散化の一手法」（電気学会研究資料ＳＰＣ−９８−３，ＩＩＳ−９８−３，１９９８年）には、オイラー近似によるオブザーバでは、高速域において、磁束の推定値が振動して不安定になることが報告されている。磁束推定値が振動すると、それに合わせて誘導電動機の速度、トルクも振動してしまう。
【００２２】
この問題を解決するため、オブザーバをオイラー離散近似でなく、もっと厳密に高次に離散化することも考えられるが、これでは、定数演算が複雑になって、演算量が増加してしまい、さらに、速度や１次抵抗を同時に推定し逐次に値を変更しながら演算する場合もあり、それを困難にすることから実用上問題となる。
【００２３】
図４は、速度推定機構を有する同一次元磁束推定オブザーバを備えた従来の誘導電動機の制御装置の構成を示すブロック線図である。図４に示すように、この制御装置は、誘導電動機（ＩＭ）４を制御するための制御装置であり、ＩＭ４のベクトル制御を行うベクトル制御器１と、電圧指令をｄ−ｑ軸からα−β軸に変換する座標変換器２と、ＩＭ４をＰＷＭ駆動するＰＷＭインバータ３と、ＩＭ４の３相電流をα−β軸に変換する３相−２相変換器５と、磁束オブザーバ６などから構成されている。磁束オブザーバ６は、上述の式（３）の演算を行う。さらに、磁束オブザーバ６は、ＩＭ４の速度によるモデル誤差を修正するための速度推定機構７を備えている。速度推定機構７は、α軸の１次電流の推定値
【００２４】
【数１１】
0004697372.tif 000010
【００２５】
と、α軸の検出電流値
【００２６】
【数１２】
0004697372.tif 000011
【００２７】
との偏差にβ軸の２次磁束の推定値
【００２８】
【数１３】
0004697372.tif 000012
【００２９】
を乗算した値と、β軸の１次電流の推定値
【００３０】
【数１４】
0004697372.tif 000013
【００３１】
と、β軸の検出電流値
【００３２】
【数１５】
0004697372.tif 000014
【００３３】
との偏差にα軸の２次磁束の推定値
【００３４】
【数１６】
0004697372.tif 000015
【００３５】
を乗算した値との差分である誤差トルクに基づいて比例−積分（Ｐ−Ｉ）制御を行って、ＩＭ４の推定角速度
【００３６】
【数１７】
0004697372.tif 000016
【００３７】
を演算して出力する。
【００３８】
磁束オブザーバ６は、速度推定機構７から出力されたＩＭ４の推定角速度
【００３９】
【数１８】
0004697372.tif 000017
【００４０】
に基づいて、誘導電動機の数式モデルの定数を修正する。
【００４１】
しかし、前述のとおり、図４に示す制御装置では、磁束の推定値が振動する場合がある。これは、オブザーバの極配置が、連続系と同様に、誘導電動機自身の極のｋ倍に配置されると、実際には、不安定な領域に配置されてしまう場合があるためである。つまり、オイラー離散近似による離散化を行うと、図５に示すように、誘導電動機の固有の極によっては、高速時に安定範囲である単位円からはみ出してしまう。
【００４２】
特開平１１−２７５８９９号公報には、高速回転領域でも、安定に磁束推定を行うことを目的とする制御装置が開示されている。この制御装置は、誘導機の状態を現す連続系の演算式を離散化系に変換し、誘導機の角速度を用いて２次側を回転子の速度進み分の回転座標に変換することで１次電流推定値と２次磁束推定値および２次磁束角度推定値を求める同一次元磁束推定オブザーバを備えている。さらに、この制御装置は、このオブザーバから得られる１次電流推定値と、１次電流検出値との差と、２次磁束推定値との積で誤差トルクを求め、この誤差トルクを比例積分（ＰＩ）制御演算して角速度の推定値を得る速度推定機構を備えている。この制御装置では、オブザーバの離散近似誤差に着目し、回転座標を導入することによって近似誤差を低減しているため、高速回転領域でも、安定に磁束推定ができ、安定したベクトル制御を実現できると同公報に述べられている。
【００４３】
しかし、同公報記載の制御装置では、やはり回転座標系を導入するなどするため、２次側を高次に離散近似するのと等価で演算量が増加してしまうという問題がある。さらに、同公報に記載された制御装置を用いても、オブザーバの極が不安定領域に配置されていれば、結局高速域における磁束推定の不安定現象を完全に解消することはできない。
【００４４】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、オイラー法によって離散近似された同一次元磁束推定オブザーバを用いて誘導電動機のベクトル制御を行う従来の制御方法では、オブザーバの極が、連続系と同様に、誘導電動機自身の極の定数倍に配置され、高速域において、安定範囲である単位円からはみ出してしまう場合があるため、磁束の推定値が振動して不安定になり、誘導電動機の速度、トルクも振動してしまうという問題があった。
【００４５】
本発明は、離散近似された同一次元磁束推定オブザーバを用いた場合に、高速域においても安定したベクトル制御を行うことができる誘導電動機の制御方法および装置を提供することを目的とする。
【００４６】
【課題を解決するための手段】
本出願人らは、上記課題を解決するために、高速域における速度、トルク振動を防ぐには、オブザーバの極が、不安定領域に入る最悪の場合を仮定して、安定領域の単位円の中に収まるように、オブザーバの極を調整する必要があることを見出した。
【００４７】
まず、上述の式（２）の極配置をｚ＝−ｘ±ｊｙ、−γ±ｊδの共役の極に配置すると、式（２）より、式（４）が導かれる。
【００４８】
【数１９】
0004697372.tif 000018
【００４９】
ここで、ｘ＋γは実軸の極の和であり、ｙ＋δは虚軸の極の和である。
図６に示すように、虚軸の２つの極は、１つは０付近に収束し、１つは速度に比例して増加する。一方、実軸の２つの極は、高速域においては、ほぼ０．９５から１の間に入っている。そこで、実軸の２極を各々演算すると非常に複雑となるが、それら２極の和は電動機速度に関係なく一定であるため、平均値を用いて式（５）に示すような評価条件を定義することができる。
【００５０】
【数２０】
0004697372.tif 000019
【００５１】
式（５）より、ｋの上限値を式（６）のように導くことができる。
【００５２】
【数２１】
0004697372.tif 000020
【００５３】
よって、式（６）を満たすようにｋを調整すれば、オブザーバの極を常に安定な範囲に配置することができる。
【００５４】
したがって、本発明は、誘導電動機の電圧指令値と検出電流値とに基づいて１次電流推定値および２次磁束推定値を離散近似によって推定する同一次元磁束推定オブザーバを用いてベクトル制御を行う誘導電動機の制御方法において、
前記検出電流値と前記１次電流推定値との偏差と、前記２次磁束推定値とに基づいて得られる誤差トルクから前記誘導電動機の角速度推定値を推定するステップと、
前記極配置ゲインの値を、前記角速度推定値および前記誘導電動機の定数によって定められる安定条件を示す判別式を満たす最大値に設定するステップとを有することを特徴とする。
【００５５】
本発明の誘導電動機の制御方法では、誘導電動機の角速度に依存する安定条件を満たす最大値に極配置ゲインの値を調整することによって、同一次元磁束推定オブザーバの極を常に安定領域に配置することができる。そのため、本発明の誘導電動機の制御方法では、オイラー法によって離散近似された同一次元磁束推定オブザーバを用いた場合に、高速域においても推定磁束を振動させずに安定した制御を行うことができる。
【００５６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の一実施形態の誘導電動機の制御方法および装置を図面を参照して詳細に説明する。
【００５７】
図１は、本実施形態の誘導電動機の制御装置の構成を示すブロック線図である。図１に示すように、本実施形態の誘導電動機の制御装置は、極配置ゲイン調整器１０を新たに備えている点が、図４に示す従来の制御装置と異なる。
【００５８】
極配置ゲイン調整器１０は、速度推定機構７から出力された推定角速度
【００５９】
【数２２】
0004697372.tif 000021
【００６０】
を入力する。本実施形態の誘導電動機の制御装置では、上述の式（６）に示す安定条件式に基づいてオブザーバの極が安定であるか否かを判別し、式（６）を満たす最大値を極配置ゲインｋの値として設定する。極配置ゲイン調整器１０の出力ｋは、オブザーバゲイン行列１１に入力され、以下の式（７）の演算を実施する。
【００６１】
【数２３】
0004697372.tif 000022
【００６２】
オブザーバゲイン行列１１は、電流誤差ベクトル
【００６３】
【数２４】
0004697372.tif 000023
【００６４】
とベクトル乗算され、ベクトル加算器１２に加算される。ベクトル加算器で行う加算は、（２）式の右辺の３つの項を加算することに相当する。
【００６５】
なお、本実施形態の誘導電動機の制御装置では、極配置ゲインｋの値が１．０以下の場合は、電動機自身の極より不安定側に配置されるので、極配置ゲインｋの下限値は１．０に設定されている。したがって、極配置ゲインＫと推定角速度
【００６６】
【数２５】
0004697372.tif 000024
【００６７】
との関係は図２に示すようになる。
【００６８】
なお、本実施形態の誘導電動機の制御装置では、処理時間の観点から、上述の極配置ゲインｋの安定判別、すなわち式（６）の演算は、オフラインで行われれることが望ましいため、予め推定角速度
【００６９】
【数２６】
0004697372.tif 000025
【００７０】
の値に対応する極配置ゲインｋの最大値との関係を示すテーブルを極配置ゲイン調整器１０に記憶しておき、極配置ゲイン調整器１０は、そのテーブルを参照して極配置ゲインｋを求めるようにしてもよい。
【００７１】
また、本実施形態の誘導電動機の制御装置では、速度センサレスの制御装置としたが、本発明は、速度センサレス、センサ付きに関係なく、磁束オブザーバ６の高速域での安定な磁束推定を可能とする。
【００７２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の誘導電動機の制御装置および方法では、誘導電動機の角速度に依存する安定条件を満たす最大値に極配置ゲインの値を調整することによって、同一次元磁束推定オブザーバの極を常に安定領域に配置することができる。そのため、本発明の誘導電動機の制御装置および方法では、オイラー法によって離散近似された同一次元磁束オブザーバを用いた場合に、高速域においても推定磁束を振動させずに安定したベクトル制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の誘導電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態の誘導電動機における極配置ゲインと推定角速度との関係を示すグラフである。
【図３】連続系における同一次元磁束推定オブザーバの極配置を示すグラフである。
【図４】従来の誘導電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図５】離散値系における同一次元磁束推定オブザーバの極配置を示すグラフである。
【図６】離散値系における同一次元磁束推定オブザーバの極の軌跡を示すグラフである。
【符号の説明】
１    ベクトル制御器
２    座標変換器
３    ＰＷＭインバータ
４    誘導電動機（ＩＭ）
５    ３相−２相変換器
６    磁束オブザーバ
７    速度推定機構
１０    極配置ゲイン調整器
１１    オブザーバゲイン行列
１２    ベクトル加算器
【図１】
0004697372.tif 000028
【図２】
0004697372.tif 000029
【図３】
0004697372.tif 000030
【図４】
0004697372.tif 000031
【図５】
0004697372.tif 000032
【図６】
0004697372.tif 000033