(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記電動機の電流、電圧及び磁束をベクトルとしてとらえ、
前記電動機の電流検出値、端子電圧相当値及び速度推定値から、回転子の磁極方向に発生する拡張磁束を推定する磁束オブザーバと、
前記磁束オブザーバにより推定した拡張磁束推定値の角度を演算する角度演算手段と、
前記拡張磁束推定値の角度を増幅して前記速度推定値を演算する速度推定手段と、
前記速度推定値を増幅して磁極位置推定値を演算する電気角演算手段と、
を備えたことを特徴とする、永久磁石形同期電動機の制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記磁束オブザーバは、
前記電動機の電流推定値に比例する電機子抵抗電圧降下を演算する手段と、
前記電流推定値を９０°回転させたベクトルと前記速度推定値との積に比例する電機子反作用電圧降下を演算する手段と、
前記拡張磁束推定値を９０°回転させたベクトルと前記速度推定値との積から拡張誘起電圧を演算する手段と、
前記端子電圧相当値から、前記電機子抵抗電圧降下、前記電機子反作用電圧降下及び前記拡張誘起電圧を減算して過渡電圧を演算する手段と、
前記過渡電圧に比例する電流微分値を演算する手段と、
前記電流推定値と前記電流検出値との偏差を増幅して電流補正値を演算する手段と、
前記電流微分値と前記電流補正値との和を増幅して前記電流推定値を演算する手段と、
前記電流推定値と前記電流検出値との偏差を増幅して前記拡張磁束推定値を演算する手段と、
を有することを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記速度指令値から速度フィードフォワード補償値を演算する手段と、
前記速度フィードフォワード補償値により前記速度推定値を補償する手段と、
を有することを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機（以下、ＰＭＳＭともいう）の制御装置に関し、詳しくは、回転子の磁極位置及び速度を電動機の電流検出値、端子電圧検出値等から高精度に演算し、これらに基づいて電流を制御することにより永久磁石形同期電動機を安定に制御するようにした制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＰＭＳＭの制御装置をコストダウンするため、磁極位置検出器を使用しないで運転する、いわゆるセンサレス制御が実用化されている。センサレス制御は、電動機の端子電圧や電流の情報から回転子の磁極位置及び速度を演算し、これらに基づいて電流制御を行うことにより、安定したトルク制御や速度制御を実現するものである。
【０００３】
例えば、特許文献１では、回転子の磁極方向に対して直交方向に発生する拡張誘起電圧を演算し、拡張誘起電圧の角度から磁極位置の演算誤差を検出し、これを利用して同期電動機の磁極位置と速度とを演算している。この従来技術は、回転子に突極性がある埋込磁石構造永久磁石形同期電動機（以下、ＩＰＭＳＭともいう）の磁極位置及び速度を正確に演算できるという特徴がある。
【０００４】
また、特許文献２及び非特許文献１では、磁束オブザーバを利用して電流及び磁束を推定し、これらを利用して同期電動機の磁極位置及び速度を演算している。これらの従来技術によれば、低速時にも高精度に磁極位置及び速度を演算できるという特徴がある。
【０００５】
このうち、特許文献２に記載された従来技術では、回転座標系における電圧方程式から導出した磁束オブザーバを利用して磁極位置及び速度を演算する。
また、非特許文献１に記載された従来技術では、回転子の磁極方向に直交する方向の電流（ｑ軸電流）との積がトルクに等しく、回転子の磁極方向（ｄ軸方向）に発生する新たな磁束（以下、拡張磁束という）を定義し、この拡張磁束の角度から磁極位置を演算している。ここで、拡張磁束は、固定座標系の電圧方程式から導出した磁束オブザーバを利用して推定する。一方、速度については、非特許文献２に記載された技術を利用し、モデル規範適応システムの理論に基づいて、電流推定誤差と拡張磁束推定値とのベクトル積を増幅して演算する。この従来技術では、回転子に突極性があるＩＰＭＳＭの磁極位置及び速度を低速時でも正確に演算できるという特徴がある。
【０００６】
【特許文献１】特許第３４１１８７８号公報（段落［０１３２］〜［０１４１］、図８，図９等）
【特許文献２】再公表特許２００２−９１５５８号公報（第７頁第４９行〜第８頁第２１行、第１図，第２図等）
【非特許文献１】八田  英明，長谷川  勝，松井  景樹，「ＩＰＭＳＭセンサレス制御のための固定子座標上適応磁束オブザーバ」，平成１７年電気学会全国大会論文集，第４分冊，ｐ．２４４−２４５，２００５年
【非特許文献２】楊  耕，富岡  理知子，中野  求，金  東海，「適応オブザーバによるブラシレスＤＣモータの位置センサレス制御」，電気学会論文誌Ｄ，１１３巻５号，ｐ．５７９−５８６，１９９３年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１において利用している拡張誘起電圧の振幅は、回転子の速度に比例する。このため、低速時には拡張誘起電圧を正確に演算できなくなり、演算精度が低下しやすい。
これに対し、特許文献２に示される磁束オブザーバは、磁極位置の演算誤差が零近傍である場合の状態方程式に基づいて構成している。このため、磁極位置の演算誤差が大きくなった場合に演算精度が低下する問題があり、この問題は、特に回転子に突極性のあるＩＰＭＳＭを運転する場合に顕在化する。
【０００８】
また、非特許文献２に示される磁束オブザーバは、回転子に突極性のあるＩＰＭＳＭを安定に運転することが可能であるが、制御演算を固定座標系で行うため、推定の対象である電流と拡張磁束とが交流量であることに起因して電動機の最高速度が制限される。
以上をまとめると、各従来技術にはそれぞれ一長一短があり、ＩＰＭＳＭ等の永久磁石形同期電動機を広い速度範囲で安定に運転することができないという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明の解決課題は、磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機において、広い速度範囲にわたり磁極位置及び速度を高精度に演算して永久磁石形同期電動機の安定的な運転を可能にした制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記電動機の電流、電圧及び磁束をベクトルとしてとらえ、
前記電動機の電流検出値、端子電圧相当値及び速度推定値から、回転子の磁極方向に発生する拡張磁束を推定する磁束オブザーバと、
前記磁束オブザーバにより推定した拡張磁束推定値の角度を演算する角度演算手段と、
前記拡張磁束推定値の角度を増幅して前記速度推定値を演算する速度推定手段と、
前記速度推定値を増幅して磁極位置推定値を演算する電気角演算手段と、を備えたものである。
【００１１】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記磁束オブザーバは、
前記電動機の電流推定値に比例する電機子抵抗電圧降下を演算する手段と、
前記電流推定値を９０°回転させたベクトルと前記速度推定値との積に比例する電機子反作用電圧降下を演算する手段と、
前記拡張磁束推定値を９０°回転させたベクトルと前記速度推定値との積から拡張誘起電圧を演算する手段と、
前記端子電圧相当値から、前記電機子抵抗電圧降下、前記電機子反作用電圧降下及び前記拡張誘起電圧を減算して過渡電圧を演算する手段と、
前記過渡電圧に比例する電流微分値を演算する手段と、
前記電流推定値と前記電流検出値との偏差を増幅して電流補正値を演算する手段と、
前記電流微分値と前記電流補正値との和を増幅して前記電流推定値を演算する手段と、
前記電流推定値と前記電流検出値との偏差を増幅して前記拡張磁束推定値を演算する手段と、を有するものである。
【００１２】
請求項３記載の発明は、速度推定値の応答を速くするためのものであり、請求項１または請求項２に係る制御装置において、速度指令値から速度フィードフォワード補償値を演算する手段と、速度フィードフォワード補償値により速度推定値を補償する手段と、を有するものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機の制御装置において、磁束オブザーバにより推定した拡張磁束に基づいて、広い速度範囲で磁極位置及び速度を高精度に演算することができる。特に、本発明では、回転座標系における制御演算が可能であるため、制御対象である電動機の最高速度を高くすることができる。
また、本発明は、磁極位置演算誤差（推定誤差）が大きい場合にも拡張磁束を正確に演算可能であり、回転子に突極性を有するＩＰＭＳＭの安定した運転に効果的である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、ＰＭＳＭは、回転子のｄ軸（回転子の磁極方向）とｄ軸から９０度進んだｑ軸とに従って電流制御を行うことにより、高精度なトルク制御を実現可能である。しかしながら、磁極位置検出器を持たない場合にはｄ，ｑ軸を直接検出できないので、ｄ，ｑ軸に対応して速度推定値ω１で回転する直交回転座標系のγ，δ軸を制御装置側に推定して制御演算を行っている。ここで、ｄ，ｑ軸の角度（磁極位置）をθｒ、γ，δ軸の角度（磁極位置推定値）をθ１と定義する。
上記γ，δ軸の定義を図２に示す。図２において、ωｒはｄ，ｑ軸の回転角速度、θｅｒｒはｄ，ｑ軸とγ，δ軸との角度差（磁極位置推定誤差）である。
【００１５】
図１は請求項１に相当する本発明の第１実施形態の制御ブロック図であり、上述したようにγ，δ軸上の電流、電圧を用いて、電力変換器７０により永久磁石形同期電動機８０を駆動するための構成を示している。
まず、磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機８０を駆動する主回路について説明すると、５０は三相交流電源であり、整流回路６０は電源５０の三相交流電圧を整流して直流電圧に変換する。この直流電圧はＰＷＭインバータからなる電力変換器７０に供給され、電動機８０を駆動するための所定の三相交流電圧に変換される。
【００１６】
次に、磁極位置推定値θ１と速度推定値ω１とを用いて永久磁石形同期電動機８０を速度制御する方法を、制御装置の構成と共に説明する。
速度指令値ω＊と速度推定値ω１との偏差を減算器１６により演算し、この偏差を速度調節器１７により増幅してトルク指令値τ＊を演算する。電流指令演算器１８は、トルク指令値τ＊から所望のトルクを出力するγ，δ軸電流指令値ｉγ＊，ｉδ＊を演算する。
電流座標変換器１４は、ｕ相電流検出器１１ｕ、ｗ相電流検出器１１ｗによってそれぞれ検出した相電流検出値ｉｕ，ｉｗを、磁極位置推定値θ１を用いてγ，δ軸電流検出値ｉγ，ｉδに座標変換する。
【００１７】
減算器１９ａによりγ軸電流指令値ｉγ＊とγ軸電流検出値ｉγとの偏差を演算し、この偏差をγ軸電流調節器２０ａにより増幅してγ軸電圧指令値ｖγ＊を演算する。一方、減算器１９ｂによりδ軸電流指令値ｉδ＊とδ軸電流検出値ｉδとの偏差を演算し、この偏差をδ軸電流調節器２０ｂにより増幅してδ軸電圧指令値ｖδ＊を演算する。
これらのγ，δ軸電圧指令値ｖγ＊，ｖδ＊は、電圧座標変換器１５によって相電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊に変換される。
【００１８】
ＰＷＭ回路１３は、相電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊と電圧検出器１２により検出した直流電圧検出値Ｅｄｃとからゲート信号を生成する。電力変換器７０は、ゲート信号に基づいて内部の半導体スイッチング素子を制御することで、永久磁石形同期電動機８０の端子電圧を前記相電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊に制御する。
【００１９】
次に、拡張磁束を利用した速度と磁極位置との演算原理について説明する。
まず、拡張磁束の振幅Ψｅｘを数式１により定義する。
【００２０】
【数１】
0005332305.tif 000002
【００２１】
拡張磁束Ψｅｘγδの方向を回転子の磁極方向（ｄ軸方向）に定義すると、γ，δ軸拡張磁束Ψｅｘγ，Ψｅｘδと角度差θｅｒｒとの間には数式２の関係がある。
【００２２】
【数２】
0005332305.tif 000003
【００２３】
数式１，数式２より、永久磁石形同期電動機８０のγ，δ軸電圧方程式は、拡張磁束を用いて数式３のように導出できる。
【００２４】
【数３】
0005332305.tif 000004
【００２５】
数式３において、右辺第１項は電機子抵抗による電圧降下、右辺第２項は電流微分値と平行でｄ軸インダクタンスに比例する過渡電圧、右辺第３項は電機子反作用による電圧降下である。行列Ｊは９０度の回転座標変換であることから、電機子反作用による電圧降下は、電流を９０度進ませたベクトル、ｑ軸インダクタンス、及び、γ，δ軸の角速度ω１の積に等しい。また、数式３の右辺第４項は拡張誘起電圧であり、拡張磁束を９０度進ませたベクトルとｄ，ｑ軸の角速度ωｒとの積に等しい。
【００２６】
図３は、数式３のγ，δ軸電圧方程式の関係を表すベクトル図である。なお、図３のベクトル図は、電流微分値が零であり、速度推定値ω１が速度実際値ωｒに一致している場合について示している。
拡張磁束Ψｅｘγδはｄ軸方向に発生することから、図３より、γ，δ軸で観測した拡張磁束Ψｅｘγδの角度δΨｅｘから角度差θｅｒｒを検出することができる。ここで、拡張磁束Ψｅｘγδは、後述するようにγ，δ軸電圧指令値ｖγ＊，ｖδ＊、γ，δ軸電流検出値ｉγ，ｉδ及び速度推定値ω１から、図３のベクトル関係を利用して演算可能である。
【００２７】
次に、γ，δ軸拡張磁束を推定するための磁束オブザーバについて説明する。この磁束オブザーバの構成及び作用は、請求項２に係る発明に相当するものである。
前記数式３より、拡張磁束を含むγ，δ軸電流ｉγ，ｉδの状態方程式は数式４、数式５となる。
【００２８】
【数４】
0005332305.tif 000005
【００２９】
【数５】
0005332305.tif 000006
【００３０】
数式４、数式５において、ｄ，ｑ軸電流微分値ｐｉｄ，ｐｉｑを零に近似すると共に、速度推定値ω１が速度実際値ωｒに一致していると近似し、更に、γ，δ軸端子電圧ｖγ，ｖδがそれぞれγ，δ軸電圧指令値ｖγ＊，ｖδ＊に制御できていると近似することにより、磁束オブザーバを数式６、数式７により構成する。
【００３１】
【数６】
0005332305.tif 000007
【００３２】
【数７】
0005332305.tif 000008
【００３３】
数式３の関係式より、数式６の右辺１行目は、物理的にγ，δ軸電流微分値に相当し、このうち、括弧内の演算結果は過渡電圧に相当する。すなわち、数式６の右辺１行目は、具体的には、γ，δ軸電圧指令値（ここでは、γ，δ軸電圧検出値に等しい）から電機子抵抗電圧降下、電機子反作用電圧降下及び拡張誘起電圧を減算して過渡電圧を求め、求めた過渡電圧にｄ軸インダクタンスＬｄの逆数を乗算してγ，δ軸電流微分値を演算している。
また、数式６の右辺２行目は、電流推定値ｉγδｅｓｔと電流検出値ｉγδとの偏差を増幅して演算される電流補正値に相当しており、数式６の右辺１行目のγ，δ軸電流微分値と前記電流補正値との加算結果に基づいて電流推定値ｉγδｅｓｔが演算されると共に、数式７により、電流推定値ｉγδｅｓｔと電流検出値ｉγδとの偏差を増幅することで拡張磁束推定値Ψｅｘγδｅｓｔが演算されることを示している。
【００３４】
前述した特許文献２に係る従来技術も、磁束オブザーバを用いて回転子磁束を推定し、この磁束に基づいて速度を推定している。しかし、本実施形態と特許文献２に係る従来技術との大きな相違点は、本実施形態では、数式６に示したように、電機子反作用電圧降下を、電流推定値ｉγδｅｓｔを９０度進ませたベクトル、ｑ軸インダクタンスＬｄ及び速度推定値ω１の積から演算する点、並びに、γ，δ軸電流微分値を、過渡電圧演算値とｄ軸インダクタンスＬｄの逆数との積から演算する点である。
また、特許文献２に係る従来技術は、磁極位置演算誤差が零近傍であることを条件としているが、数式６、数式７に示した本実施形態の磁束オブザーバでは、拡張磁束の導出過程において磁極位置推定誤差θｅｒｒに関する近似を行っていないので、磁極位置推定誤差θｅｒｒが大きい場合にも拡張磁束を正確に演算できる等の特徴がある。
【００３５】
次に、上記の磁束オブザーバを用いた速度推定値ω１及び磁極位置推定値θ１の演算について、図１のブロック図を参照しつつ説明する。
図１において、磁束オブザーバ３１は、数式６、数式７に示した磁束オブザーバによりγ，δ軸拡張磁束推定値Ψｅｘγｅｓｔ，Ψｅｘδｅｓｔを演算する。角度演算器３２は、γ，δ軸拡張磁束推定値Ψｅｘγｅｓｔ，Ψｅｘδｅｓｔの角度δΨｅｘｅｓｔを数式８により演算する。
【００３６】
【数８】
0005332305.tif 000009
【００３７】
速度推定器３３は、拡張磁束推定値の角度δΨｅｘｅｓｔを増幅して速度推定値ω１を演算する。なお、速度推定器３３はＰＩ調節器により構成されており、数式９により速度推定値ω１を求める。
【００３８】
【数９】
0005332305.tif 000010
【００３９】
電気角演算器３４は、速度推定値ω１を増幅して磁極位置推定値θ１を演算する。なお、電気角演算器３４は積分器からなり、数式１０により磁極位置推定値θ１を求める。
【００４０】
【数１０】
0005332305.tif 000011
【００４１】
図３に示したように、γ，δ軸から観測した拡張磁束の角度δΨｅｘによって位置推定誤差θｅｒｒを検出できるため、数式７、数式８によって位置推定誤差θｅｒｒを零に制御するＰＬＬ回路を構成することにより、速度推定値ω１及び磁極位置推定値θ１を正確に演算することができる。
【００４２】
次に、請求項３に相当する本発明の第２実施形態を図４のブロック図に基づいて説明する。
この実施形態は、速度推定値の応答を改善したものであり、図４のブロック図は、図１における速度推定値ω１の演算方法を改良したものに相当する。以下では、図４における図１との相違点を中心に説明する。
【００４３】
速度フィードフォワード補償器４１は、速度指令値ω＊の一次遅れフィルタ出力から速度フィードフォワード補償値ω１ＦＦを演算する。
速度推定器３３は、拡張磁束推定値の角度δΨｅｘｅｓｔを増幅して速度補正値ω１ｃｏｍｐを演算する。ここで、速度推定器３３はＰＩ調節器から構成されており、速度補正値ω１ｃｏｍｐを数式１１により演算する。
【００４４】
【数１１】
0005332305.tif 000012
【００４５】
加算器４２は、速度フィードフォワード補償値ω１ＦＦと速度補正値ω１ｃｏｍｐとを加算して速度推定値ω１を演算し、この速度推定値ω１が磁極位置推定値θ１の演算に用いられる。
本実施形態によれば、速度フィードフォワード補償を行うことで速度推定値ω１の応答を速くし、過渡特性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の第１実施形態を示すブロック図である。
【図２】ｄ，ｑ軸及びγ，δ軸の定義を示す図である。
【図３】永久磁石形同期電動機の電流、端子電圧、拡張磁束の関係を示すベクトル図である。
【図４】本発明の第２実施形態を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４７】
１１ｕ  ｕ相電流検出器
１１ｗ  ｗ相電流検出器
１２  電圧検出器
１３  ＰＷＭ回路
１４  電流座標変換器
１５  電圧座標変換器
１６  減算器
１７  速度調節器
１８  電流指令演算器
１９ａ  減算器
１９ｂ  減算器
２０ａ  γ軸電流調節器
２０ｂ  δ軸電流調節器
３１  磁束オブザーバ
３２  角度演算器
３３  速度推定器
３４  電気角演算器
４１  速度フィードフォワード補償器
４２  加算器
５０  三相交流電源
６０  整流回路
７０  電力変換器
８０  永久磁石形同期電動機
【図１】
0005332305.tif 000013
【図２】
0005332305.tif 000014
【図３】
0005332305.tif 000015
【図４】
0005332305.tif 000016