JP2003052193A - 電動機の磁極位置検出方法および磁極位置検出装置とそれを用いた電動機制御装置 - Google Patents
電動機の磁極位置検出方法および磁極位置検出装置とそれを用いた電動機制御装置Info
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Abstract
等の高周波電流を利用して簡単、確実に磁極位置を検出
できる方法を提供する。 【解決手段】 電圧形PWMインバータでUV、VW、
WUの二相間で任意の位相差を持たせる手段6によって
インバータ7の出力周波数以外の任意の高周波をモータ
入力電圧あるいは電流に発生させ、モータのU相をα軸
とし、90度直交する軸をβ軸とする二相の静止座標系
に変換し、α軸、β軸において任意の高周波成分の電流
を検出し、更に二相の静止座標系から45度位相を移動
した座標系のα軸から45度移動したα’軸、それに9
0度直交する軸をβ’軸の二相の静止座標系に変換し、
α’軸、β’軸で任意の高周波成分の電流を検出し、4
つの軸で検出した高周波電流成分を用いて電動機の磁極
位置検出12を行う。
Description
低速から磁極位置を精度良く推定し、その推定された磁
極位置に基づいてトルク、および速度を制御する電動機
の制御装置に関するものである。
D,108巻12号,1988「パラメータ同定機能を
もつブラシレスDCモータの適応電流制御法」に報告さ
れているような電動機速度に比例する誘起電圧を電動機
入力電圧と電流より演算し、速度を推定する方法が広く
用いられている。また、平成8年電気学会産業応用部門
全国大会No.170「センサレス方式による突極形同
期モータのゼロ速トルク制御」があり、この手法は電圧
指令値に交流信号を重畳し、検出電流をFFT解析して
電動機回転速度と磁極位置を検出する手法である。しか
しながら、モータの誘起電圧に基づき回転子速度・位置
とを推定する方法では高速域においては十分な精度で動
くが、誘起電圧情報の少ない極低速においては正確な推
定ができなかった。そこで、駆動周波数に関係しないセ
ンシングのための交流信号をモータに注入し、電圧電流
の関係からロータ位置を推定する方法がいくつか提案さ
れている。しかし、センシング信号を注入するためには
特別な信号発生器が必要であり、制御が複雑になるとい
った問題がある。それらと異なる方法としては、電学論
D,118巻5号,1998「突極性に基づく位置推定
法を用いた位置センサレスIPMモータ駆動システム」
と電学論D,120巻2号,2000「Carrier
Frequency Component Meth
od for Position Sensorles
s Control of IPM Motor in
Lower Speed Range」に報告されて
いるような特別なセンシング信号を注入せずにインバー
タ出力高調波、あるいはキャリア周波数成分の電流を用
いて磁極位置を検出する方法が報告されている。前者は
PWMインバータの出力電圧高調波が発生する高周波電
流からインダクタンスを演算し、そのインダクタンスに
基づいて位置を検出することを特徴としている。後者
は、PWMインバータのキャリア信号をUVWの三相に
おけるそれぞれの二相間で120度の位相差を持たせる
ことによって、駆動周波数以外のキャリア周波数成分電
圧と電流を発生させ、キャリア周期中の電圧は一定とい
う仮定に基づき、キャリア周波数成分電流のみを用いて
位置を検出することを特徴としていた。
ータ出力高調波、あるいはキャリア周波数成分の高周波
電流を利用して磁極位置を検出する方法は、特別なセン
シング信号発生器が必要ないというメリットがあるが、
キャリア周期内で複数の電流検出を必要とするため、特
別な電流検出回路が必要であったり、電流検出のタイミ
ングと位置演算の同期が複雑であることが実用化を難し
くしていた。そこで、本発明は、キャリヤ周波数成分の
高周波電流などを利用しても、特別な電流検出回路が必
要なく、電流検出のタイミングと位置演算の同期を容易
に取ることができる電動機の磁極位置検出方法および磁
極位置検出装置とそれを用いた電動機制御装置を提供す
ることを目的としている。
め、請求項1に記載の発明は、電気的突極性を有する電
動機の磁極位置検出方法において、電圧形PWMインバ
ータでUV、VW、WUのようなそれぞれの二相間で任
意の位相差を持たせる手段によってインバータの出力周
波数以外の任意の高周波をモータ入力電圧あるいは電流
に発生させ、モータの三相におけるU相をα軸として、
それに90度直交する軸をβ軸とする二相の静止座標系
に変換し、それぞれα軸、β軸において前記任意の高周
波成分の電流を検出し、同様に前記二相の静止座標系か
ら45度位相を移動した座標系、すなわちα軸から45
度移動した軸をα’軸、それに90度直交する軸をβ’
軸とする二相の静止座標系に変換し、それぞれα’軸、
β’軸において前記任意の高周波成分の電流を検出し、
前記4つの軸において検出された高周波電流成分を用い
て電動機の磁極位置を検出することを特徴としている。
また、請求項2に記載の発明は、請求項1記載の電動機
の磁極位置検出方法において、前記4つの軸において検
出された高周波電流成分からピーク電流を抽出後、ロー
パスフィルタを通したものの出力を用いて電動機の磁極
位置を検出することを特徴としている。
電圧形PWMインバータで駆動する制御装置の磁極位置
検出装置において、PWMキャリア信号をUVWの三相
においてUV、VW、WUのようなそれぞれの二相間で
任意の位相差を持たせる手段と、それによって発生する
高周波電圧と高周波電流を検出電圧あるいは指令電圧と
検出電流から抽出する手段と、抽出された高周波電圧と
高周波電流を用いて磁極位置を検出する手段を備えたこ
とを特徴としている。また、請求項4に記載の発明は、
電動機を電圧形PWMインバータで駆動する制御装置の
磁極位置検出装置において、PWMキャリア信号をUV
Wの三相においてUV、VW、WUのようなそれぞれの
二相間で任意の位相差を持たせる手段と、それによって
発生する高周波電流のみを抽出する手段と、抽出された
高周波電流を用いて磁極位置を検出する手段を備えたこ
とを特徴としている。また、請求項5に記載の発明は、
請求項4に記載の電動機の磁極位置検出装置において、
前記磁極位置を検出する手段として、請求項1に記載の
磁極位置検出方法を用いたことを特徴としている。ま
た、請求項6に記載の発明は、請求項4に記載の電動機
の磁極位置検出装置において、前記磁極位置を検出する
手段として、請求項2に記載の磁極位置検出方法を用い
たことを特徴としている。
の位相差を120度とし、前記任意の高周波をインバー
タキャリア周波数としたことを特徴としている。また、
請求項8に記載の発明は、前記任意の位相差を120度
とし、前記任意の高周波をインバータキャリア周波数と
したことを特徴としている。また、請求項9に記載の発
明は、前記任意の位相差を120度とし、前記任意の高
周波をインバータキャリア周波数としたことを特徴とし
ている。また、請求項10に記載の発明は、請求項3又
は4のいずれか1項に記載の磁極位置検出装置により検
出された位置を用いて検出電流を磁極方向分とトルク分
に分離し、それぞれをフィードバックして前記磁極方向
分とトルク分の電流指令値と比較して各々の偏差がゼロ
になるように電流制御を実施する電流制御装置を備えた
ことを特徴としている。また、請求項11に記載の発明
は、請求項3又は4のいずれか1項に記載の磁極位置検
出装置により検出された位置を用いて速度を検出する速
度検出装置を備えたことを特徴としている。また、請求
項12に記載の発明は、請求項11に記載の電動機制御
装置の速度検出装置に基づいて検出された速度を、指令
速度と比較してその偏差をゼロにするように速度制御を
実施しトルク指令値あるいはトルク指令に相当する電流
指令値を出力する速度制御装置を備えたことを特徴とし
ている。また、請求項13に記載の発明は、請求項3又
は4のいずれか1項に記載の磁極位置検出装置に基づい
て検出された磁極位置を指令位置と比較してその偏差を
ゼロにするように位置制御を実施し、速度指令値を出力
する位置制御装置を備えたことを特徴としている。ま
た、請求項14に記載の発明は、請求項9に記載の磁極
位置検出装置および請求項10に記載の電流制御装置を
有するトルク制御装置を備えたことを特徴としている。
また、請求15に記載の発明は、請求項9に記載の磁極
位置検出装置、請求項10に記載の電流制御装置、請求
項11に記載の速度検出装置および請求項12に記載の
速度制御装置を有する速度制御装置を備えたことを特徴
としている。また、請求16に記載の発明は、請求項9
に記載の磁極位置検出装置、請求項10に記載の電流制
御装置、請求項11に記載の速度検出装置、請求項12
に記載の速度制御装置および請求項13に記載の位置制
御装置を有する位置制御装置を備えたことを特徴として
いる。
流を用いて磁極位置を検出する方法が基本であり、その
磁極位置検出の基本原理を説明する。電圧形PWMイン
バータで駆動される同期電動機のベクトル制御装置にお
いて、PWMキャリア信号をUVWの三相においてU
V,VW,WUのようなそれぞれの二相間で任意の位相
差を持たせることによって、駆動周波数とは異なる高周
波電圧と高周波電流を発生させる。すなわち、PWMの
キャリアの周波数とキャリアの位相差を任意に与えるこ
とによって、発生する高周波成分の周波数帯を駆動周波
数とは異なる周波数に調整することができる。たとえ
ば、位相差を120度とすると、キャリア周波数と同周
波の電圧と電流成分が大きく現れることとなる。この場
合、高周波数電圧は次式のように表せる。
相の高周波電圧、Vは高周波電圧振幅、ωh はキャリア
角周波数を示している。また、高周波電圧と高周波電流
の関係は、次の(1)式で表される。
相の高周波電流、Lはインダクタンスを示しており、L
uu、Lvv、Lwwは、それぞれU相、V相、W相の自己イ
ンダクタンス、その他は相間のインダクタンスを示して
いる。回転子に永久磁石を使用する電動機では、電気的
突極を有する(d軸インダクタンスとq軸インダクタン
スが異なることを意味する)ので、インダクタンスは磁
極位置の情報を含んでいる。
タンス、Ls は固定子漏れインダクタンス、Lg2は大き
さが角度に依存するインダクタンスを示している。
すると、次の(2)式になる。
ある。(2)式より、磁極位置情報sin(2θ)、c
os(2θ)を導くと、
極位置を推定することができる。この推定機構をキャリ
ア周波数に同期させ、高周波電流iβh がピークとなる
点で電流をサンプルすれば、位相が90度離れたiαh
はほぼゼロとなるので(3)式をさらに次の(4)式の
ように簡単に表すことができる。
(2θ)を求め、その値にもとづき演算器に予め準備し
た三角関数テーブルから、角度2θを払い出し2で除算
することによって、磁極位置θ(以下)を検出すること
ができる。 また、(3)式、(4)式の演算には電流
微分値を用いているが、高速時には電流が急変するた
め、磁極位置が振動的になる。そこで、(2)式から電
流微分値を(5)式のように求め、両辺を積分すると
(6)式になる。
(2θ)を導くと、
ている場合は、電圧積分値は次式のように固定値として
扱うこととなる。通常の制御電圧源のインバータであれ
ばキャリア周期中は固定値である。
ので、この時点で(7)式からcos(2θ)を計算す
ると、
h =0となるので、この時点で(7)式からcos(2
θ)を計算すると、
uαh =uβh となるので、この時点で(7)式からs
in(2θ)を計算すると、
は、uαh =−uβh となるので、この時点で(7)式
からsin(2θ)を計算すると、
がら、この磁極位置検出方法実現のためには、正確にu
αh =0の時点やuαh =uβh の時点での高周波電流
を検出する必要があり、実用的には難しい技術であっ
た。そこで、本発明は以下のように改良を加えること
で、この課題を解決する。
示すものである。図1(a)に示すように、モータの三
相においてU相をα軸とし、それに90度直交する軸を
β軸とする二相の静止座標系とし、α軸から45度移動
した軸をα’軸、それに90度直交する軸をβ’軸とす
る二相の静止座標系とすると、それぞれの軸におけるイ
ンダクタンスは以下の(11)〜(14)式のように表
される。
軸をゼロ度とする位相の変数である。この状態は、磁極
位置がα軸に一致していることを示している図1
(b)。ここで、磁極位置がα軸からΔθだけ位相が進
んだとすると図1(c)、
位置情報のみを抽出し、
(8)〜(10)式においてθ=Δθとして、それぞれ
(15)〜(18)式に代入すると、
=45°,iβ´h=(iαh−iβh)|θ=135°,uα´
h=(uαh+uβh)|θ=45°,uβ´h=(uαh+u
βh)|θ=135°,である。キャリヤ周期中の電圧を固
定値として扱えば、各インダクタンスは各座標に変換さ
れたキャリヤ周波数成分電流のみで計算することができ
ることになる。すなわち、
る。従って、(21)式は、
く、ピーク値のみを取り出し平均化することで、従来実
用化が困難であつた課題を解決することができる。
て、図面を参照し説明する。図1は本発明の実施の形態
に係る電動機の磁極位置検出方法の原理説明図である。
図2は図1に示す電動機の磁極位置検出装置の制御ブロ
ック図である。図3は図2に示すPWM制御器のブロッ
ク図である。図4は図2に示す磁極位置検出器の構成図
である。
値と速度推定値を比較して偏差がゼロとなるようにq軸
電流(トルク電流)指令iqRef を決定する。q軸電流
制御器2は、iqRefと回転子と同期して回転する座標系
10(d−q座標変換器)に変換された電流のうちトル
クに比例する電流iq とを比較し、偏差がゼロとなるよ
うに電圧指令Vq を決定する。d軸電流制御器4は、i
dRefと回転子と同期して回転する座標系に変換された電
流のう ち磁極方向に関する電流id とを比較し、偏差
がゼロとなるように電圧指令Vd を決定する。非干渉制
御器3は、d軸、q軸間で干渉し合う速度起電力を計算
し、電流制御器への影響を打ち消すように制御するもの
である。電圧振幅および位相演算器5は、電圧指令値V
d 、Vq を入力とし、指令電圧ベクトルの振幅および位
相を演算するものである。PWM制御器6は、電圧振幅
および位相演算器5で演算された指令電圧ベクトルの振
幅および位相を入力とし、インバータスイッチング信号
を発生する。7はスイッチング信号によりACモータ8
を3相駆動するインバータ主回路である。(以上は、通
常のACモータのベクトル制御の部分である)。図2
中、本発明の磁極位置検出装置の構成部分は、PWM制
御器6のキャリヤ信号を基に磁極位置検出用の高周波を
発生して出力する回路と、3相高周波電流を静止座標変
換器9(α−β座標変換器)により変換した後、回転座
標系(d−q)10に変換する部分、3相高周波電流を
BPF11を介して、磁極位置検出器12によりθを推
定して磁極位置検出を行って制御基準とし、速度演算器
13により速度推定を行っている部分である。
するPWM制御器6の詳細図を示している。三相電圧指
令演算器6−1は通常のベクトル制御装置で計算される
電圧指令ベクトルの振幅と位相角を入力とし、三相の電
圧指令値を計算する。一方、駆動周波数とは異なる高周
波を発生させるため、キャリア信号発生器6−4で発生
する任意の周波数を持つキャリア信号を、フェーズシフ
タ6−3においてU相基準でV相の位相を角度Δθ、W
相を2Δθずらし、それらをコンバレータ6−2で電圧
指令値と比較し、スイッチング信号を発生する。そし
て、7のインバータ主回路に入力する。(この高周波に
より磁極位置検出を行う)。図4において、図4は図2
に示した磁極位置検出器12の詳細を示す構成図であ
り、図2に示すBPF11からの3相高周波電流を、座
標変換器14でα軸、β軸、α´軸、β´軸に変換し
て、電流のピーク値を取り出し、絶対値演算器15とロ
ーパスフィルタ16によって平均化処理を行い、磁極位
置演算器17によりθを推定する。
に示すように、キャリヤ信号発生器6−4で発生するキ
ャリヤ信号を、フェーズシフタ6−3によりU相基準で
V相の位相を角度△θ、W相を2△θずらして(1)式
に示すような磁極位置検出用の高周波uuh、uvh、
uwh、を出力する。磁極位置推定は、先ず、静止座標
変換器9で検出電圧あるいは指令電圧と検出電流をバン
ドバスフィルタ11で指定された任意の周波数のみ抽出
する。図4に示す磁極位置検出器12では、バンドバス
フィルタ11から出力される3相高周波電流iを座標変
換器14によってα軸、β軸、α’軸、β’軸に変換す
る。次に座標変換器14の出力(iαh、iβh、iα´
h、iβ´h)からそれぞれのピーク値を平均化する処理
を絶対値演算器15で実施する。ローパスフィルタ16
では絶対値演算器15の出力をより滑らかにする効果が
あるが、絶対値処理でのピーク値のサンプル数が多い場
合は省略してもよい。ローパスフィルタ16からの出
力、|iαh|αv、|iβh|αv、|iα´h|αv、|
iβ´h|αvは、前記(26)式〜(29)式のように
各軸のインダクタンスに比例するものであり、次の磁極
位置演算器17では(30)式の演算を実施して得られ
るΔθから磁極位置を計算して出力する。したがって、
インダクタンスを計算することなく電流値のみで容易に
磁極位置を検出することが可能である。また、平均化処
理の付加によって電流のサンプルタイミングがずれたと
しても、その影響による誤差はほとんど無くなることが
確認できている。このようにして、磁極位置を検出でき
たら、速度演算器13により速度推定値ωを推定してω
refとの偏差を速度制御器1により調整し、q軸電流
分iqrefを出力する。q軸電流制御器2では、3相
高周波電流を静止座標変換器9でα−β軸変換し、d−
q軸変換器10によりd軸基準に変換して高周波電流に
同期したベクトル制御による電流iqと、iqrefを
比較した電圧指令Vqを出力し、θ値の調整を行って、
検出磁極位置に基づく電動機制御が実施できる。
4つの座標軸上のインダクタンスを各座標に変換された
キャリア周波数成分電流のみで計算することができ、各
演算をキャリア周波数成分電流の瞬時値ではなく、ピー
ク値のみを取り出した平均値で演算することによって、
電流検出のタイミングと位置演算の同期が複雑で、従来
実用化が困難であった課題を容易に解決することができ
る効果がある。
明図である。
ロック図である。
る。
Claims (14)
- 【請求項1】 電気的突極性を有する電動機の磁極位置
検出方法において、 電圧形PWMインバータでUV、VW、WUのようなそ
れぞれの二相間で任意の位相差を持たせる手段によって
インバータの出力周波数以外の任意の高周波をモータ入
力電圧あるいは電流に発生させ、モータの三相における
U相をα軸として、それに90度直交する軸をβ軸とす
る二相の静止座標系に変換し、それぞれα軸、β軸にお
いて前記任意の高周波成分の電流を検出し、同様に前記
二相の静止座標系から45度位相を移動した座標系、す
なわちα軸から45度移動した軸をα’軸、それに90
度直交する軸をβ’軸とする二相の静止座標系に変換
し、それぞれα’軸、β’軸において前記任意の高周波
成分の電流を検出し、前記4つの軸において検出された
高周波電流成分を用いて電動機の磁極位置を検出するこ
とを特徴とする電動機の磁極位置検出方法。 - 【請求項2】 前記4つの軸において検出された高周波
電流成分からピーク電流を抽出後、ローパスフィルタを
通したものの出力を用いて電動機の磁極位置を検出する
ことを特徴とする請求項1記載の電動機の磁極位置検出
方法。 - 【請求項3】 電動機を電圧形PWMインバータで駆動
する制御装置の磁極位置検出装置において、 PWMキャリア信号をUVWの三相においてUV、V
W、WUのようなそれぞれの二相間で任意の位相差を持
たせる手段と、それによって発生する高周波電圧と高周
波電流を検出電圧あるいは指令電圧と検出電流から抽出
する手段と、抽出された高周波電圧と高周波電流を用い
て磁極位置を検出する手段を備えたことを特徴とする電
動機の磁極位置検出装置。 - 【請求項4】 電動機を電圧形PWMインバータで駆動
する制御装置の磁極位置検出装置において、 PWMキャリア信号をUVWの三相においてUV、V
W、WUのようなそれぞれの二相間で任意の位相差を持
たせる手段と、それによって発生する高周波電流のみを
抽出する手段と、抽出された高周波電流を用いて磁極位
置を検出する手段を備えたことを特徴とする電動機の磁
極位置検出装置。 - 【請求項5】 請求項4に記載の電動機の磁極位置検出
装置において、 前記磁極位置を検出する手段として、請求項1に記載の
磁極位置検出方法を用いたことを特徴とする電動機の磁
極位置検出装置。 - 【請求項6】 請求項4に記載の電動機の磁極位置検出
装置において、 前記磁極位置を検出する手段として、請求項2に記載の
磁極位置検出方法を用いたことを特徴とする磁極位置検
出装置。 - 【請求項7】 前記任意の位相差を120度とし、前記
任意の高周波をインバータキャリア周波数としたことを
特徴とする請求項1に記載の電動機の磁極位置検出方
法。 - 【請求項8】 前記任意の位相差を120度とし、前記
任意の高周波をインバータキャリア周波数としたことを
特徴とする請求項2に記載の電動機の磁極位置検出方
法。 - 【請求項9】 前記任意の位相差を120度とし、前記
任意の高周波をインバータキャリア周波数としたことを
特徴とする請求項3又は4のいずれか1項に記載の電動
機の磁極位置検出装置。 - 【請求項10】 請求項3又は4のいずれか1項に記載
の磁極位置検出装置により検出された位置を用いて検出
電流を磁極方向分とトルク分に分離し、それぞれをフィ
ードバックして前記磁極方向分とトルク分の電流指令値
と比較して各々の偏差がゼロになるように電流制御を実
施する電流制御装置を備えたことを特徴とする電動機制
御装置。 - 【請求項11】 請求項3又は4のいずれか1項に記載
の磁極位置検出装置により検出された位置を用いて速度
を検出する速度検出装置を備えたことを特徴とする電動
機制御装置。 - 【請求項12】 請求項11に記載の電動機制御装置の
速度検出装置に基づいて検出された速度を、指令速度と
比較してその偏差をゼロにするように速度制御を実施し
トルク指令値あるいはトルク指令に相当する電流指令値
を出力する速度制御装置を備えたことを特徴とする電動
機制御装置。 - 【請求項13】 請求項3又は4のいずれか1項に記載
の磁極位置検出装置に基づいて検出された磁極位置を指
令位置と比較してその偏差をゼロにするように位置制御
を実施し、速度指令値を出力する位置制御装置を備えた
ことを特徴とする電動機制御装置。 - 【請求項14】 請求項9に記載の磁極位置検出装置お
よび請求項10に記載の電流制御装置を有するトルク制
御装置を備えたことを特徴とする電動機制御装置。 【請求15】 請求項9に記載の磁極位置検出装置、請
求項10に記載の電流制御装置、請求項11に記載の速
度検出装置および請求項12に記載の速度制御装置を有
する速度制御装置を備えたことを特徴とする電動機制御
装置。 【請求16】 請求項9に記載の磁極位置検出装置、請
求項10に記載の電流制御装置、請求項11に記載の速
度検出装置、請求項12に記載の速度制御装置および請
求項13に記載の位置制御装置を有する位置制御装置を
備えたことを特徴とする電動機制御装置。
Priority Applications (6)
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