(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導電動機の磁束位置の推定値に基づき電動機電流または電圧を磁束成分（ｄ軸成分）とトルク成分（ｑ軸成分）とに分離し、それぞれを独立に制御することによって直流機相当の応答を得る電動機のベクトル制御装置において、
前記電動機の制御基準軸（γ軸）の電圧指令値に高周波信号を重畳する高周波発生器と、
前記電動機の入力電流を、前記磁束位置の推定値から４５度ずれたところに位置するｄｍ−ｑｍ軸に変換する座標変換器と、
前記高周波信号の周波数成分と同じ成分を前記座標変換器からの出力電流から抽出する高周波成分抽出器と、
前記抽出された電流と前記高周波信号からｄｍ成分及びｑｍ成分の高周波インピーダンスを推定する高周波インピーダンス推定器と、
前記高周波インピーダンスのｄｍ成分とｑｍ成分のインピーダンス偏差をゼロとし、γ軸とｄ軸が一致するように制御軸の角度を調整する磁束位置調整器と、を備えたことを特徴とする誘導電動機のベクトル制御装置。
【請求項２】
誘導電動機の磁束位置の推定値に基づき電動機電流または電圧を磁束成分（ｄ軸成分）とトルク成分（ｑ軸成分）とに分離し、それぞれを独立に制御することによって直流機相当の応答を得る電動機のベクトル制御装置において、
前記電動機の制御基準軸（γ軸）の電圧指令値に高周波信号を重畳する高周波発生器と、
前記電動機の入力電流を、前記磁束位置の推定値から４５度ずれたところに位置するｄｍ−ｑｍ軸に変換する座標変換器と、
前記高周波信号の周波数成分と同じ成分を前記座標変換器からの出力電流から抽出する高周波成分抽出器と、
前記抽出された電流と前記高周波信号からｄｍ成分及びｑｍ成分の高周波インピーダンスを推定する高周波インピーダンス推定器と、
前記高周波インピーダンスのｄｍ成分とｑｍ成分のインピーダンス偏差をゼロとし、γ軸とｄ軸が一致するように制御軸の角度を調整する磁束位置調整器と、を備えたことを特徴とする誘導電動機のベクトル制御装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の誘導電動機のベクトル制御装置において、前記磁束位置調整器の出力結果を用いて速度を推定し、その速度推定値をフィードバックして速度指令値に一致するように制御を行うことを特徴とする誘導電動機のベクトル制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，極低速から磁束位置を精度良く推定する誘導電動機のベクトル制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来，速度センサを用いずに磁束位置を推定する方法として特開平１１−２７９９９号公報に開示されたものがある。本例によれば、誘導電動機の電気回路方程式に基づき誘起電圧を推定し、その誘起電圧推定値と磁束指令値あるいは、磁束推定値より二次磁束の回転角速度を得ることができる。
また、IEEE Transactions on Industry Applications pp.45-51 に発表された「Sensorless Field - Orientation Control of an Induction Machine by High Frequency Signal Injection 」によると誘導電動機の電圧、あるいは電流の d軸指令値に高周波信号を重畳し、その時に生じる d軸と q軸インピーダンスに偏差が生じることを利用し、電圧に高周波信号を重畳した場合は電流から、電流に高周波を重畳した場合は電圧から同じ高周波成分を抽出し、抽出した信号より磁束位置を推定することができると記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来例の誘起電圧に基づくものは、極低速では誘起電圧を演算するための電圧値が小さくなり、電動機一次抵抗等電動機パラメータを含む項の占める割合が大きく、したがってパラメータ誤差の影響が大きくなるため精度の良い磁束位置推定は難しくなるという問題があった。
また、高周波信号を重畳してインピーダンス偏差を利用する方法は電動機パラメータに対して不感ではあるが、直接インピーダンスを求めるものではなく、電流値あるいは電圧値のｄ軸成分とｑ軸成分を比較して求めるために極低速時や無負荷運転時にその値自身が小さくなり磁束位置推定精度がノイズの影響や検出誤差の影響を受けやすいといった問題があった。
したがって、本発明の目的は，極低速から磁束位置を精度良く推定できる誘導電動機のベクトル制御装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、誘導電動機の磁束位置の推定値に基づき電動機電流または電圧を磁束成分（ｄ軸成分）とトルク成分（ｑ軸成分）とに分離し、それぞれを独立に制御することによって直流機相当の応答を得る電動機のベクトル制御装置において、前記電動機の制御基準軸（γ軸）の電圧指令値に高周波信号を重畳する高周波発生器と、前記電動機の入力電流を、前記磁束位置の推定値から４５度ずれたところに位置するｄｍ−ｑｍ軸に変換する座標変換器と、前記高周波信号の周波数成分と同じ成分を前記座標変換器からの出力電流から抽出する高周波成分抽出器と、
前記抽出された電流と前記高周波信号からｄｍ成分及びｑｍ成分の高周波インピーダンスを推定する高周波インピーダンス推定器と、前記高周波インピーダンスのｄｍ成分とｑｍ成分のインピーダンス偏差をゼロとし、γ軸とｄ軸が一致するように制御軸の角度を調整する磁束位置調整器と、を備えたことを特徴としている。
また、請求項２記載の発明は、誘導電動機の磁束位置の推定値に基づき電動機電流または電圧を磁束成分（ｄ軸成分）とトルク成分（ｑ軸成分）とに分離し、それぞれを独立に制御することによって直流機相当の応答を得る電動機のベクトル制御装置において、前記電動機の制御基準軸（γ軸）の電圧指令値に高周波信号を重畳する高周波発生器と、
前記電動機の入力電流を、前記磁束位置の推定値から４５度ずれたところに位置するｄｍ−ｑｍ軸に変換する座標変換器と、前記高周波信号の周波数成分と同じ成分を前記座標変換器からの出力電流から抽出する高周波成分抽出器と、前記抽出された電流と前記高周波信号からｄｍ成分及びｑｍ成分の高周波インピーダンスを推定する高周波インピーダンス推定器と、前記高周波インピーダンスのｄｍ成分とｑｍ成分のインピーダンス偏差をゼロとし、γ軸とｄ軸が一致するように制御軸の角度を調整する磁束位置調整器と、を備えたことを特徴としている。
さらに、請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の誘導電動機のベクトル制御装置において、前記磁束位置調整器の出力結果を用いて速度を推定し、その速度推定値をフィードバックして速度指令値に一致するように制御を行うことを特徴としている。
以上の誘導電動機のベクトル制御装置によれば、誘導電動機のベクトル制御は、一定に保たれた励磁電流（ｄ軸電流）と必要なトルクに応じたトルク電流（ｑ軸電流）との位相差を電気角９０度に保つことにより直流機相当あるいはそれ以上の効率および応答性を得ることを目的とした制御である。このｄ軸電流あるいはｄ軸電圧に数百Ｈｚの高調波信号を重畳した場合、高調波電流、電圧の関係から求められる高周波インピーダンスの軌跡は、図４のような楕円を描くことがわかっている。このときのｄ, ｑ軸における高周波等価回路は図５ａ、ｂのようになり、回路方程式は式（１）に示すような式となる。
【０００５】
【数１】
0004419220.tif 000002
【０００６】
この現象は、図５（ａ）、（ｂ）と式（１）に示すように、高周波による表皮効果の影響で二次抵抗分が通常周波数における値よりも非常に大きくなるため、（高周波ｄ軸インピーダンス＞高周波ｑ軸インピーダンス）、のようにｄ軸とｑ軸でインピーダンス偏差が生じることによるものである。
本発明は原理的には、この現象を利用して磁束位置推定を行うものであり、先ず、図６のｄｍ、ｑｍ軸説明図に示すように、制御軸γと実際の二次磁束軸 d軸の間には軸ずれ角θｅｒｒが存在する。そこで，制御軸γにおける電流あるいは電圧指令値に高周波を重畳する。そして、制御軸γを挟んで４５度ずれたところのインピーダンス観測軸である  ｄｍ、ｑｍ軸における高周波インピーダンスを推定すると、制御軸と実際の二次磁束軸が一致しているならば、（高周波ｄｍ軸インピーダンス＝高周波ｑｍ軸インピーダンス）、となるはずである。従って、観測軸上のｄｍ軸、ｑｍ軸インピーダンスが一致するように制御軸を調整すれば、最終的に真値に収束することになる。これによって、軸ずれ角θｅｒｒは補正されることになる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照し説明する。
図１は本発明の実施の形態に係る誘導電動機のベクトル制御装置の制御ブロック線図である。
図２は図１に示す高周波インピーダンス推定器のブロック図である。
図３は図１に示す磁束位置調整器のブロック図である。
図４は図１に示す誘導電動機のｄ、ｑ軸における高周波インピーダンス軌跡の説明図である。
図５は図４に示すｄ、ｑ軸における高周波等価回路を示す図である。
図６は図１に示す誘導電動機のインピーダンス観測軸ｄｍ、ｑｍ軸を示す図である
図１において、高周波発生器４は、任意の高周波数ｆinj の成分である電圧指令値を発生する。高周波発生器４の出力と電流制御器５の出力である電圧指令値のγ成分（磁束成分）とを加算し、その結果と電圧指令値のδ成分（トルク成分）とを２相３相変換器３において３相の電圧指令値に変換しＰＷＭ電圧形インバータ装置２に指令する。
電流検出器１２で検出された電動機１の電流は、ｄ−ｑ変換器７で推定磁束位置を用いて制御軸に座標変換し、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）６において重畳した周波数ｆinj と同じ周波数成分を除去してフィードバックし各々の指令値との偏差をとり、電流制御器５で電流制御を実施する。一方、ｄ−ｑ変換器８では、検出電流を図６に示すような推定磁束位置から４５度ずれたところに位置するインピーダンス観測軸ｄｍ−ｑｍに変換し、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）９において周波数ｆｉｎｊの成分を抽出し、抽出された高周波電流成分と高周波電圧指令値を高周波インピーダンス推定器１０に入力する。高周波インピーダンス推定器１０において、高周波ｄｍ軸インピーダンスと高周波ｑｍ軸インピーダンス、とを推定し、磁束位置調整器１１にてｄｍ軸、ｑｍ軸インピーダンス双方の偏差がなくなるように磁束位置推定値を調整する。
なお、電圧指令値でなく、γ電流指令値に高周波を重畳して電圧を検出し、同様に高周波インピーダンスを推定しても同様な効果を得ることができる。
【０００８】
つぎに動作として、電流検出により推定する例について説明する。
図２は、本発明の高周波インピーダンス推定器１０を示すものであり、先ず、抽出手順として、ＢＰＦ９の高周波電流成分の出力（インピーダンス観測軸  ｄｍ  成分）に、ｓｉｎ  ωｈｔ（但し、ωｈ＝２πｆｉｎｊ、重畳周波数）を乗算器２０で乗算し、ローパスフィルタＬＰＦ  ２２により高周波成分をカットすることにより、高周波電流ｓｉｎ  ωｈｔの振幅成分 iｄｍA のみを抽出する。同様にして、ＢＰＦ９の高周波電流成分の出力に、ｃｏｓ  ωｈｔを乗算器２１により乗算して、ローパスフィルタＬＰＦ  ２３により高周波成分をカットすることで、高周波電流成分ｃｏｓ  ωｈｔの振幅成分ｉｄｍＢのみを抽出する。
具体的な演算としては、先ず、ＢＰＦ９からの高周波電流ｄｍ成分の出力を、次の（２）式のように展開して、
【０００９】
【数２】
0004419220.tif 000003
【００１０】
重畳周波数成分のみを抽出する手順として、（２）式にｓｉｎ  ωｈｔを次の（３）式のように乗算する処理を乗算器２０により行う。
【００１１】
【数３】
0004419220.tif 000004
これを、ローパスフィルタＬＰＦ  ２２に通して高周波成分をカットすれば、
【００１２】
【数４】
0004419220.tif 000005
として振幅成分のみを抽出できる。
同様にして、（２）式にｃｏｓ  ωｈｔ、を乗算器２１を用いて乗算し、ＬＰＦ  ２３を通せば、
【００１３】
【数５】
0004419220.tif 000006
と（５）式のように振幅成分のみｚ抽出できる。
この作業によって高周波ノイズ等も除去することができ、極低速時での推定精度も上がる。
次に、抽出した振幅成分ｉｄｍＡとｉｑｍＢを演算器２４へ入力し、（６）式のように、２乗和を求め、その平方根の結果を２倍して、
【００１４】
【数６】
0004419220.tif 000007
と重畳周波数成分の振幅成分ｉｄｍを推定できる。
このｉｄｍを用いて、高周波ｄｍ軸インピーダンスを推定するには、次（７）式に示すように、
【００１５】
【数７】
0004419220.tif 000008
として、ｄｍ軸電圧の振幅を、先のｄｍ軸高周波電流の振幅ｉｄｍにより除算器２５で除算することによって推定することができる。
同様にして、インピーダンス観測軸であるｑｍ軸での高周波ｑｍ軸インピーダンスも推定できる。
【００１６】
図３は、磁束位置調整器１１を説明する図であり、ｑｍ軸インピーダンスがｄｍ軸インピーダンスより大きいときは、制御軸の位相を遅らせる方向に制御軸回転角速度を調整し、ｑｍ軸インピーダンスがｄｍ軸インピーダンスより小さいときは制御軸の位相を進ませる方向に調整するものである。この調整は図６からも明らかなように、ｄ−ｑ軸の軌跡ａと、ｄｍ−ｑｍ軸の軌跡ｂが、重なり一致するように調整すれば軸ずれが解消されることを意味している。
【００１７】
図３のように制御軸位相角は、ＰＩ調整器４０の出力を積分器４１で積分することによって得られる。また、速度制御に用いる速度推定値は次式（８）のようにＰＩ調整器出力から滑り角周波数推定値を差し引いて求めることができる。
【数８】
0004419220.tif 000009
【００１８】
このように、本発明は、高周波インピーダンスを重畳高周波の振幅成分のみを抽出し、高周波電圧と電流の関係から求めるようにして、電動機パラメータは用いないので、パラメータ誤差の影響を受けることがない。
また、注入する高周波信号は、電動機一次周波数とは独立であり、インピーダンスは電動機運転周波数に関係なく観測できる。従って極低速域においても磁束位置を精度よく推定することができる。
【００１９】
本実施の形態は、請求項１に記載したように、電動機の制御基準軸（γ軸）の電圧指令値に高周波信号を重畳し、そのときの電動機の入力電流を、γ軸を挟んで電気角４５度の位置に変換し、重畳した周波数成分と同じ成分をその電流から抽出して得られた電流と前記高周波信号から高周波インピーダンスを推定し、その推定値に基づいて高周波インピーダンス偏差をゼロとし、γ軸とｄ軸が一致するように制御軸の角度を調整する磁束位置調整器を備えた誘導電動機のベクトル制御装置について記述したものであるが、請求項２に記載したように、電動機の制御基準軸（γ軸）の電流指令値に高周波信号を重畳し、そのときの電動機の入力電圧を、γ軸を挟んで電気角４５度の位置に変換し、重畳した周波数成分と同じ成分をその電圧から抽出して得られた電圧と前記高周波信号から高周波インピーダンスを推定し、その推定値に基づいて高周波インピーダンス偏差をゼロとし、γ軸とｄ軸が一致するように制御軸の角度を調整する磁束位置調整器を備えた誘導電動機のベクトル制御装置を構成することができる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば，従来困難とされていた極低速における磁束位置推定を精度よく行うことができるため、極低速においても十分なトルク制御が可能な誘導電動機のベクトル制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る誘導電動機のベクトル制御装置の制御ブロック線図である。
【図２】図１に示す高周波インピーダンス推定器のブロック図である。
【図３】図１に示す磁束位置調整器のブロック図である。
【図４】図１に示す誘導電動機のｄ、ｑ軸における高調波インピーダンスの軌跡の説明図である。
【図５】図４に示すｄ、ｑ軸における高周波等価回路を示す図である。
【図６】図１に示す誘導電動機のインピーダンス観測軸ｄｍ、ｑｍ軸を示す図である。
【符号の説明】
１  誘導電動機
２  ＰＷＭ電圧形インバータ装置
３  ２相３相変換器
４  高周波発生器
５  電流制御器
６、２２、２３、２８、２９  ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
７  ｄ−ｑ変換器（制御軸への座標変換器）
８  ｄ−ｑ変換器 (インピーダンス観測軸への座標変換器)
９  バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）
１０  高周波インピーダンス推定器
１１  磁束位置調整器
１２  電流検出器
２０、２１、２６、２７  乗算器
２４、３０  演算器
２５、３１  除算器
４０  ＰＩ調整器
４１  積分器
【図１】
0004419220.tif 000010
【図２】
0004419220.tif 000011
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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