(57)【要約】【課題】停止又は惰性回転している電動機の速度センサレストルク制御を実施する場合、一次抵抗誤差により、トルク制御開始時の初期速度及び初期二次磁束推定値に誤差を生じる。その結果、トルク制御手段１の初期値に誤差があるために、電動機６のトルク制御を高精度に行うことができず、電動機６のトルク制御が不能となることもある。【解決手段】同定用タイマ、磁束演算器、回転座標変換器、極値磁束抽出器、R1B同定器で構成される一連のブロックから得られる一次抵抗同定量を用いて、トルク制御開始時の初期速度及び初期二次磁束推定値を演算する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機に流れる電流ベクトルを検出する電流検出器と、前記電流ベクトルを入力し前記電動機に直流電流を流す拾い上げ電圧指令を出力する拾い上げ制御手段と、前記電流ベクトルと前記拾い上げ電圧指令と一次抵抗と拾い上げ制御開始指令とを入力して初期速度と初期二次磁束を出力する初期値推定器と、前記拾い上げ制御開始指令で同定時間ｔｘをカウントアップする同定用タイマと、前記電流ベクトルと前記拾い上げ電圧指令と一次抵抗ノミナル値を入力し演算磁束ベクトルを出力する磁束演算器と、時間ｔｘにおける前記演算磁束ベクトルを記憶する演算磁束メモリと、前記演算磁束メモリから任意の複数時点の演算磁束ベクトルを抽出する演算磁束抽出器と、前記任意の複数時点の演算磁束ベクトルと前記電流ベクトルを入力し前記一次抵抗を出力するＲ１Ａ同定器を持つ速度センサレス電動機制御装置において、
前記電流検出器と、前記拾い上げ制御手段と、前記初期値推定器と、前記同定用タイマと、前記磁束演算器と、前記演算磁束ベクトルを電流軸方向へ回転座標変換し回転磁束ベクトルを出力する回転座標変換器と、前記回転磁束ベクトルが極値となったときの極値磁束ベクトルと極値時間ｔｘ３を出力する極値磁束抽出器と、前記極値磁束ベクトルと前記極値時間ｔｘ３と前記電流ベクトルを入力し前記一次抵抗を出力するＲ１Ｂ同定器とから構成することを特徴とする速度センサレス電動機制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機のトルク制御に関するものであり、特に、電動機の初期速度と初期二次磁束の推定を高精度にし、電動機トルク制御を高精度にするものである。
【背景技術】
【０００２】
図４は、従来の一例を示すブロック図である。同図において、電動機６の拾い上げ制御の一例を説明する。１はトルク制御手段、２は拾い上げ制御手段、３は切替器、４は電力変換器、５は電流検出器、６は電動機、７は初期値推定器である。
電流検出器５は、電動機６に流れる電流ベクトルｉを検出する。拾い上げ制御手段２は、電流検出器５で検出した電流ベクトルｉを入力し、電動機６に流れる電流ｉを直流にする拾い上げ電圧指令ｖ０を出力する。
【０００３】
初期値推定器７は、電流ベクトルｉと拾い上げ電圧指令ｖ０と拾い上げ制御開始指令ＳＴと一次抵抗Ｒ１を入力し、初期速度ωｍ０と初期二次磁束φ２０を出力する。
【０００４】
トルク制御手段１は、トルク制御開始指令ＳＷが立つと、初期値推定器７の出力である初期速度ωｍ０と初期二次磁束φ２０を初期値として、電流ベクトルｉを基に、電動機６のトルクを制御するトルク制御電圧指令Ｖ１を出力する。
【０００５】
切替器３は、トルク制御開始指令ＳＷにより、拾い上げ電圧指令ｖ０とトルク制御電圧指令Ｖ１を切替える。すなわち、トルク制御開始指令ＳＷが立つまでは拾い上げ電圧指令ｖ０を電圧指令Ｖ＊とし、トルク制御開始指令ＳＷが立てばトルク制御電圧指令Ｖ１を電圧指令Ｖ＊として出力する。
電力変換器４は、電圧指令Ｖ＊を増幅して電動機６に電力を供給する（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
以上の構成とすることにより、トルク制御開始指令ＳＷが立つまでは、拾い上げ制御手段２と初期値推定器７で電動機６の初期速度ωｍ０と初期二次磁束φ２０を推定する。トルク制御開始指令ＳＷが立てば、ＳＷが立った時点の初期速度ωｍ０と初期二次磁束φ２０を初期値として、電動機６のトルク制御が行われる。
なお、トルク制御開始指令ＳＷを立てるタイミングは、拾い上げ制御時間、初期速度ωｍ０と初期二次磁束φ２０の状態から決める。
【０００７】
以下、トルク制御開始指令ＳＷが立つまでの拾い上げ制御に関して、詳細に説明する。
【０００８】
拾い上げ制御手段２の一構成としては、図５に示すように、直流電流指令Ｉと電流位相角θと電流ベクトルｉから電動機６に流れる電流を直流に制御する拾い上げ電圧指令ｖ０を出力する電流制御手段８で構成するものがある。
初期値推定器７では、拾い上げ電圧指令ｖ０の動きから電動機６の初期速度ωｍ０と初期二次磁束φ２０を推定する。図６は、初期値推定器７の一構成例である。９は実磁束推定器、１０は実磁束メモリ、１１は実磁束抽出器、１２は初期速度推定器、１３は初期磁束推定器、１４は演算用タイマである。
【０００９】
演算用タイマ１４は、拾い上げ制御開始指令ＳＴのエッジで０クリアされるタイマカウンタであり、拾い上げ時間ｔ０を出力する。実磁束推定器９は、電流ベクトルｉ、拾い上げ電圧指令ｖ０、一次抵抗Ｒ１から式（Ａ）で実磁束推定ベクトルφ２ｒを演算する。
【数１】
2005192304.tif 000003
ここで、Ｌ１は一次自己インダクタンス、Ｌ２は二次自己インダクタンス、Ｍは相互インダクタンスである。
【００１０】
実磁束メモリ１０は、時々刻々変化する実磁束推定ベクトルφ２ｒの０〜ｔ０区間を記憶する。実磁束抽出器１１は、０〜ｔ０区間から、任意の３時点の実磁束推定ベクトルφ２ｒの値φ（ｔ００）、φ（ｔ０１）、φ（ｔ０２）を抽出する。
【００１１】
初期速度推定器１２は、一例として、式（Ｂ）〜式（Ｇ）で初期速度ωｍ０を演算する。最初に、３点を通る円の中心Ｒを式（Ｂ）〜式（Ｅ）で求める。
【数２】
2005192304.tif 000004
ここで、（Ｆ１Ａ、Ｆ１Ｂ）、（Ｆ２Ａ、Ｆ２Ｂ）、（ＲＡ、ＲＢ）は、各々、Ｆ１、Ｆ２、Ｒの各成分である。
次に、円の中心Ｒから見たφ（ｔ００）とφ（ｔ０２）の角度θＣを式（Ｆ）で求める。
【数３】
2005192304.tif 000005
【００１２】
初期磁束推定器１３は、式（Ｈ）にて初期二次磁束φ２０を求める。
【数４】
2005192304.tif 000006
ここで、ｊは虚数単位、Ｔ２は二次時定数で、Ｌ２／Ｒ２で得られる。Ｒ２は二次抵抗である。
【００１３】
以上の拾い上げ技術においては、以下に示す問題点がある。
電動機温度の変動等により一次抵抗Ｒ１に誤差があると、実磁束演算器９の出力値である演算磁束ベクトルφ２ｒの誤差が式（Ａ）により積算されていく。結果、実磁束抽出器１１の出力であるφ（ｔｘ０）、φ（ｔｘ１）、φ（ｔｘ２）に誤差が存在する。φ（ｔｘ０）、φ（ｔｘ１）、φ（ｔｘ２）を基に式（Ｂ）〜式（Ｈ）で推定する初期速度ωｍ０および初期二次磁束φ２０に誤差が生じる。
【００１４】
以上より、一次抵抗に誤差があると初期速度ωｍ０および初期二次磁束φ２０に誤差が生じ、トルク制御手段１の初期値に誤差があるために、電動機６のトルク制御が高精度に行うことができない。
【００１５】
そこで、図４の２１〜２５を追加し、式（Ａ）の一次抵抗Ｒ１を推定できるようにする。以下、図４の２１〜２５について説明する。
図４において、２１は同定用タイマ、２２は磁束演算器、２３は演算磁束メモリ、２４は演算磁束抽出器、２５はＲ１Ａ同定器である。
【００１６】
同定用タイマ２１は、拾い上げ制御開始指令ＳＴのエッジで０クリアされるタイマカウンタであり、同定時間ｔｘを出力する。磁束演算器２２は、電流ベクトルｉ、拾い上げ電圧指令v0、一次抵抗ノミナル値Ｒ１Ｃから式（Ｉ）で演算磁束ベクトルφ２ｓを演算する。
【数５】
2005192304.tif 000007
【００１７】
演算磁束メモリ２３は、時々刻々変化する演算磁束ベクトルφ２ｓの０〜ｔｘ区間を記憶する。演算磁束抽出器２４は、０〜ｔｘ区間から、等間隔の３時点の演算磁束ベクトルφ２ｓの値φｓ（ｔｘ０）、φｓ（ｔｘ１）、φｓ（ｔｘ２）を抽出する。特に、ｔｘ２を同定時間ｔｘとして、
ｔｘ０＝ｔｘ１−ｔｘ０＝ｔｘ−ｔｘ１                       式（J）
と置く。
【００１８】
Ｒ１Ａ同定器２５は、φｓ（ｔｘ０）、φｓ（ｔｘ１）、φｓ（ｔｘ２）と同定時間ｔｘと電流ベクトルｉと一次抵抗ノミナル値Ｒ１Ｃを入力し、一次抵抗Ｒ１を出力する。以下、Ｒ１Ａ同定器２５について述べる。
【００１９】
式（Ｉ）において、一次抵抗ノミナル値Ｒ１Ｃが誤差ΔＲだけ真値Ｒ１からずれていたとする。
Ｒ１＝Ｒ１Ｃ＋ΔＲ                                       式（Ｋ）
式（Ｉ）のＲ１Ｃに式（Ｋ）を代入すると、電流ベクトルｉは一定なので、式（Ｉ）は、式（Ａ）を用いて、式（Ｌ）で表される。
φ２ｓ＝φ２ｒ＋ΔＲ・ｉ・ｔ                                   式（Ｌ）
ここで、ｔはφ２ｓの演算時間である。また、Ｌ２≒Ｍとした。
【００２０】
そこで、式（Ｍ）〜式（Ｏ）でＥ０を計算する。
【数６】
2005192304.tif 000008
ここで、Ｅ０ＡとＥ０ＢはＥ０をΔＲについてまとめた場合の係数である。
【００２１】
φ２ｒは円を描くので、原点とＦＳ１とＦＳ２は同一円上にある。さらに、原点とＦＳ１とＦＳ２は等間隔でサンプルしたものであるので、Ｅ０は０になる。ここで、一次抵抗誤差ΔＲはＥ０＝０を満たす式（Ｐ）で求めることができるが、式（Ｐ）の分母は０になることがあり、この時、一次抵抗Ｒ１が不定になる。そこで、式（Ｐ）からの直接演算ではなく、積分を用いて一次抵抗Ｒ１を同定する。
ΔＲ＝−E0A/E0B                            式（Ｐ）
【００２２】
積分同定方法を式（Ｑ）〜式（Ｓ）で表す。
【数７】
2005192304.tif 000009
ここで、ＧＲ１Ａは同定ゲイン、Ｂ０は前回演算時のΔＲ値である。なお、ｔ＝０でＢ０＝０とする。
以下、式（Ｋ）で一次抵抗Ｒ１を得ることができる。
【００２３】
Ｒ１同定機能２１〜２５を新たに追加したことにより、一次抵抗Ｒ１の変動を同定することができ、実磁束推定器９で推定する実磁束推定ベクトルφ２ｒを高精度に求めることができる。その結果、電動機６の初期速度ωｍ０及び初期二次磁束φ２０を高精度に推定することができ、電動機トルクを高精度に制御することができる。
【特許文献１】特開２００１−２１１６９７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
従来技術においては、以下に示す問題点がある。
式(P)において、一次抵抗誤差ΔＲを求めることが発明の主点であったが、
・式(P)の分母であるE0Bが０となる場合がある、
・起動時に残留磁束が存在したり電動機速度が高いとき、あるいは、φｓ(tx0)と
φｓ(tx2)間の相対ベクトルが電流ベクトルｉにほぼ平行の場合、E0A及びE0Bの大きさが小さくなる、ことから、演算精度が著しく悪化することがある。このとき、初期速度ωｍ０および初期二次磁束φ２０に誤差が生じ、トルク制御手段１の初期値に誤差があるために、電動機６のトルク制御を高精度に行うことができない。
【００２５】
また、式(Q)〜式(S)にて、ΔＲを積分同定する手段においても、ΔＲが収束する前に、同定時間txが
ｔｘ＞２π／ωｍｒ                                              式(T)
となってしまうと、ΔＲが真値に収束しても、式(F)によるθCに２ｎπ分の誤差が載る可能性がある。そこで、式(T)が成立する前に積分同定演算を止めたり、同定ゲインGR1Aを高くすると、ΔＲが真値に収束しなかったり、発散する可能性がある。すると、初期速度ωｍ０および初期二次磁束φ２０に誤差が生じる。ここで、ωｍｒは電動機６の実速度、ｎは０以外の任意の整数である。
【００２６】
初期速度ωｍ０および初期二次磁束φ２０に誤差が生じると、トルク制御手段１の初期値に誤差があるために、電動機６のトルク制御を高精度に行うことができない。初期速度ωｍ０および初期二次磁束φ２０の誤差が大きくなると、電動機６のトルク制御が不能となることもある。
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものである。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
前述の問題点を解決するために以下の構成とする。
（１）電動機６に流れる電流ベクトルｉを検知する電流検出器５
（２）電流ベクトルｉを入力し電動機６に直流電流を流す拾い上げ電圧指令ｖ０を出力する拾い上げ制御手段２
（３）電流ベクトルｉと拾い上げ電圧指令ｖ０と一次抵抗Ｒ１と拾い上げ制御開始指令ＳＴとを入力して初期速度ωｍ０と初期二次磁束φ２０を出力する初期値推定器７
（４）拾い上げ制御開始指令ＳＴで同定時間ｔｘをカウントアップする同定用タイマ21
（５）電流ベクトルｉと拾い上げ電圧指令ｖ０と一次抵抗ノミナル値Ｒ１Ｃを入力し演算磁束ベクトルφ２ｓを出力する磁束演算器22
（６）演算磁束ベクトルφ２ｓを電流軸方向θへ回転座標変換し回転磁束ベクトルφ２ｔを出力する回転座標変換器32
（７）回転磁束ベクトルφ２ｔが極値となったときの極値磁束ベクトルφｔ１と極値時間ｔｘ３を出力する極値磁束抽出器30
（８）極値磁束ベクトルφｔ１と極値時間ｔｘ３と電流ベクトルｉを入力し一次抵抗Ｒ１を出力するＲ１Ｂ同定器31
【００２８】
以上の構成により、一次抵抗変動ΔＲを高精度に同定することができ、その結果、電動機６の初期速度ωｍ０及び初期二次磁束φ２０を高精度に推定することができ、電動機トルクを高精度に制御することができる。
【発明の効果】
【００２９】
一次抵抗変動ΔＲを高精度に同定することができ、その結果、電動機６の初期速度ωｍ０及び初期二次磁束φ２０を高精度に推定することができ、電動機トルクを高精度に制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
一次抵抗変動ΔＲを高精度に同定することにより、電動機トルクを高精度に制御する。
【実施例１】
【００３１】
図1は、本発明の一実施例を示すブロック図であり、32は回転座標変換器、30は極値磁束抽出器、31はＲ１Ｂ同定器である。
【００３２】
回転座標変換器32は、演算磁束ベクトルφ２ｓと電流位相角θを入力し、式(U)と式(V)にて回転磁束ベクトルφ２ｔを演算する。
Ｆ２ｔＡ＝Ｆ２ｓＡ・cosθ＋Ｆ２ｓＢ・sinθ                      式(U)
Ｆ２ｔＢ＝−Ｆ２ｓＡ・sinθ＋Ｆ２ｓＢ・cosθ                    式(V)
ここで、（Ｆ２ｓＡ、Ｆ２ｓＢ）、（Ｆ２ｔＡ、Ｆ２ｔＢ）は、各々、φ２ｓ及びφ２ｔの各成分である。φ２ｓに式(L)を適用すると、
Ｆ２ｔＡ＝Ｆ２ｒｔＡ＋ΔＲ・Ｉ・ｔ                              式(W)
Ｆ２ｔＢ＝Ｆ２ｒｔＢ                                            式(X)
となる。ここで、（Ｆ２ｒｔＡ、Ｆ２ｒｔＢ）は、実磁束推定ベクトルφ２ｒをθ方向へ回転座標変換したときの各成分である。回転座標変換器32を通すことにより、一次抵抗誤差ΔＲの影響がＦ２ｔＡのみとなり、Ｆ２ｔＢには一次抵抗誤差ΔＲの影響が無くなる。
【００３３】
極値磁束抽出器30は、図２、図３に示すように、Ｆ２ｔＢの最大、最小地点のφ２ｔ値である極値磁束ベクトルφｔ１と、Ｆ２ｔＢの最大、最小地点の時間ｔｘ３を抽出する。図２、図３の（Ｆ２Ａ１、Ｆ２Ｂ１）は、φｔ１の各成分である。
【００３４】
Ｒ１Ｂ同定器31は、極値磁束抽出器30で抽出したｔｘ３、及びφｔ１＝（Ｆ２Ａ１、Ｆ２Ｂ１）より、
ΔＲ＝Ｆ２Ａ１／Ｉ／ｔｘ３                                      式(Y)
Ｒ１＝Ｒ１Ｃ＋ΔＲ                                              式(Z)
にて、Ｒ１を同定する。
【００３５】
式(Y)により、一次抵抗誤差ΔＲが求められる理由を以下に示す。
式(W)、式(X)内の（Ｆ２ｒｔＡ、Ｆ２ｒｔＢ）は、90度位相差を持つ正弦波となるので、Ｆ２ｒｔＢが最大、または最小であれば、必ずＦ２ｒｔＡ＝０となる。よって、ｔ＝ｔｘ３においては、式(W)は
Ｆ２Ａ１＝ΔＲ・Ｉ・ｔｘ３                                      式(AA)
となる。式(AA)より、式(Y)が導出される。
【００３６】
Ｉもｔｘ３も、０ではないので、式(Y)による演算精度の悪化は起こらない。また、直流電流指令Ｉをよほど小さくしない限り、式(Y)の分母及び分子が小さくなることは無い。
本発明によれば、電動機速度の半周期でＲ１同定が可能なので、式(T)が成立することは無い。
【００３７】
ただし、起動時に残留磁束があり、式（I）において残留磁束の見積もりができない場合、φ２ｓに載った直流分の影響により、Ｆ２Ａ１に直流分が載るため、式(Y)では精度の良い演算とならない。これを解消するために、異なる時点の極値磁束ベクトル値を用いる。すなわち、Ｆ２ｔＢが最大となったときの時間ｔｘ３１及び極値磁束ベクトル（Ｆ２Ａ１１、Ｆ２Ｂ１１）、Ｆ２ｔＢが最小となったときの時間ｔｘ３２及び極値磁束ベクトル（Ｆ２Ａ１２、Ｆ２Ｂ１２）より、
ΔＲ＝（Ｆ２Ａ１１−Ｆ２Ａ１２）／Ｉ／（ｔｘ３１−ｔｘ３２）    式(AB)
として、一次抵抗誤差ΔＲを求める。2点間の差により、Ｆ２Ａ１に載る直流分の影響を消すことができる。
なお、ｔｘ３１とｔｘ３２の選び方において、2点ともＦ２ｔＢの最大時点2点ともＦ２ｔＢの最小時点としても、式(AB)が成り立つことは自明である。
【００３８】
式(AB)によると、Ｒ１同定に電動機速度の1周期が必要であるが、例えば、
ｔ００＝ｔｘ３１                                                式(AC)
ｔ０２＝ｔｘ３２                                                式(AD)
として、式(AB)によるＲ１同定値を用いれば、初期速度ωｍ０の推定誤差は生じない。なお、ｔｘ３１＜ｔｘ３２とし、ｔｘ３２はｔｘ３１の直後の極値時間とする。
【００３９】
以上の構成とすることにより、一次抵抗変動ΔＲを高精度に同定することができ、その結果、電動機６の初期速度ωｍ０及び初期二次磁束φ２０を高精度に推定することができ、電動機トルクを高精度に制御することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
速度センサレスにおいても、電動機の運転開始時の惰行速度を速やかに、かつ高精度に推定することができる。
例えば、速度センサレス車両制御において、惰行走行状態からの再加速、惰行走行状態からのブレーキが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１は、本発明の一実施例を示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の極値磁束抽出器の一演算例を示す図である。
【図３】図３は、本発明の極値磁束抽出器の一演算例を示す図である。
【図４】図４は、一従来例を示すブロック図である。
【図５】図５は、一従来例の拾い上げ制御手段の一構成例を示すブロック図である。
【図６】図６は、一従来例の初期値推定器の一構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４２】
１      トルク制御手段
２      拾い上げ制御手段
３      切替器
４      電力変換器
５      電流検出器
６      電動機
７      初期値推定器
８      電流制御手段
９      実磁束推定器
１０    実磁束メモリ
１１    実磁束抽出器
１２    初期速度推定器
１３    初期磁束推定器
１４    演算用タイマ
２１    同定用タイマ
２２    磁束演算器
２３    演算磁束メモリ
２４    演算磁束抽出器
２５    Ｒ１Ａ同定器
３０    極値磁束抽出器
３１    Ｒ１Ｂ同定器
３２    回転座標変換器
v0・・・拾い上げ電圧指令
V1・・・トルク制御電圧指令
Ｖ＊・・・電圧指令
ｉ・・・電流ベクトル
ωｍｒ・・・実速度
ＳＷ・・・トルク制御開始指令
ＳＴ・・・拾い上げ制御開始指令
Ｒ１・・・一次抵抗
ωｍ０・・・初期速度
φ２０・・・初期二次磁束
Ｉ・・・直流電流指令
θ・・・電流指令位相角
ｔ０・・・拾い上げ時間
φ（ｔ０）・・・ｔ０時点の実磁束推定ベクトル
ｔ００、ｔ０１、ｔ０２・・・０以上ｔ０以下の任意の値
φ（ｔ００）・・・ｔ００時点の実磁束推定ベクトル
φ（ｔ０１）・・・ｔ０１時点の実磁束推定ベクトル
φ（ｔ０２）・・・ｔ０２時点の実磁束推定ベクトル
φ２ｒ・・・実磁束推定ベクトル
t00、t01、t02・・・拾い上げ時間内の任意の値
ｔｘ・・・同定時間
φ２s・・・演算磁束ベクトル
Ｒ１Ｃ・・・一次抵抗ノミナル値
ΔＲ・・・一次抵抗誤差
φs(tx)・・・tx時点の演算磁束ベクトル
tx0、tx1、tx2・・・0以上tx以下の任意の値
φs(tx0)・・・tx0時点の演算磁束ベクトル
φs(tx1)・・・tx1時点の演算磁束ベクトル
φs(tx2)・・・tx2時点の演算磁束ベクトル
φ２ｔ・・・回転磁束ベクトル
φｔ１・・・極値磁束ベクトル
tx3・・・極値時間
Ｆ２Ａ１・・・tx3時点のφｔ１のθ方向成分
Ｆ２Ｂ１・・・tx3時点のφｔ１のθ方向直交成分
tx31・・・極値時間１
Ｆ２Ａ１１・・・tx31時点のφｔ１のθ方向成分
Ｆ２Ｂ１１・・・tx31時点のφｔ１のθ方向直交成分
tx32・・・極値時間２
Ｆ２Ａ１２・・・tx32時点のφｔ１のθ方向成分
Ｆ２Ｂ１２・・・tx32時点のφｔ１のθ方向直交成分
【図１】
2005192304.tif 000010
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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