JP4867067B2

JP4867067B2 - 永久磁石形同期電動機の制御装置

Info

Publication number: JP4867067B2
Application number: JP2000368156A
Authority: JP
Inventors: 高裕山崎; 博大沢; 尚史野村; 信夫糸魚川
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2000-12-04
Filing date: 2000-12-04
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2020-12-04
Also published as: JP2002171798A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転子に突極性を有する永久磁石形同期電動機（ＰＭモータ）の制御装置に関し、特に回転子の磁極位置（以下、回転子位置という）を検出するための位置検出センサを使用しない永久磁石形同期電動機の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
永久磁石形同期電動機の高性能制御には、回転子の位置情報が必要である。
一般に位置検出センサとして、エンコーダやレゾルバなどが用いられているが、低コスト化を目的として、電動機の電圧や電流の情報から電気的に回転子位置を推定演算するセンサレス制御が提案されている。その一手法として、特開平７−２４５９８１号公報に記載された磁極位置検出装置が知られている。この公知技術に記載された回転子位置の検出手法は、突極性を有する永久磁石形同期電動機に高周波電圧を印加し、その結果として流れる突極性に起因した高周波電流から回転子位置を推定演算するものである。
【０００３】
しかしながら、特開平７−２４５９８１号公報による回転子位置の推定演算方法は、原理的に１８０°の位置推定誤差を持つことがあり、これを補正するための演算（以下、この演算を「磁極判別」と呼ぶ。）が必要となる。この磁極判別法としては、
・電気学会論文誌Ｄ「産業応用部門誌」1990年11月 Vol.110 pp.1193〜1200
・電気学会論文誌Ｄ「産業応用部門誌」1996年7月 Vol.116 pp736〜742
・IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL.32, NO.5, SEPTEMBER/OCTOBER 1996
等が提案されている。
【０００４】
上記磁極判別方法は何れも電動機鉄心の磁気飽和特性を利用したものであり、回転子位置推定値を使用し、直軸電流を正極性および負極性に制御したときの電流の変化率の違いを使って磁極判別を行う。ここで、今後の理解を容易にするために、用語を説明する。
まず、直軸とは回転子永久磁石の磁極方向にとった座標軸であり、直軸電流とは直軸方向の電流成分である。言い換えるならば、正の直軸電流は永久磁石による磁束を強めるように作用し、負の直軸電流とは永久磁石による磁束を弱めるように作用する電流成分である。電圧に関しても同じように定義し、直軸電圧とは直軸方向の電圧成分である。また、直軸と直交方向に横軸を定義し、横軸方向の電流、電圧をそれぞれ横軸電流、横軸電圧と呼ぶ。
【０００５】
図４に、永久磁石形同期電動機のセンサレス制御装置の磁極判別法の従来技術を示す。
図４において、電動機（ＰＭモータ）４０の電圧指令は座標変換器１に入力される。ここで、直軸電圧指令ｖ_d ^*には通常、方形波状の高周波電圧（基本波電圧成分と異なる周波数の高周波電圧であり、以下では、この電圧を方形波電圧という）が重畳され、横軸電圧指令ｖ_q ^*としては零が与えられる。
【０００６】
座標変換器１は、積分器８から出力される位置推定値θと前記電圧指令ｖ_ｄ ^＊，ｖ_ｑ ^＊とに基づいて三相電圧指令ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊を演算する。これらの電圧指令ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊をＰＷＭ回路３により電力変換器（インバータ）３０のスイッチング素子に対するゲート信号に変換して、電動機４０の端子電圧を制御する。なお、２０は三相交流電源である。
【０００７】
座標変換器２は、電力変換器３０の出力側から検出した電機子電流ｉ_ｕ，ｉ_ｗと位置推定値θとから、直軸電流ｉ_ｄ、横軸電流ｉ_ｑを演算する。高周波分離フィルタ４は、ｉ_ｑから方形波電圧と同じ周波数成分の横軸高周波電流ｉ_ｑｈを分離・抽出する。
【０００８】
なお、二つのスイッチＡと三つのスイッチＢとが連動スイッチとして設けられており、直軸電圧指令ｖ_ｄ ^＊にはスイッチＡまたはスイッチＢにより選択された電圧が重畳される。また、メモリ５には直軸電流ｉ_ｄがスイッチＢにより入力され、積分器８には、横軸高周波電流ｉ_ｑｈが入力される速度推定器７の出力がスイッチＡにより、零がスイッチＢにより入力されるようになっている。
【０００９】
運転開始時は、始めに突極性を利用した位置推定を行う。図示するようにスイッチＡが全て閉じており、スイッチＢが全て開いている。スイッチＡが閉じているので、直軸電圧指令ｖ_ｄ ^＊は、図示するような正負に値が繰り返す方形波電圧となる。
速度推定器７は、高周波分離フィルタ４により分離された横軸高周波電流ｉ_ｑｈの値から速度推定値を演算し、積分器８は、速度推定値を積分して位置推定値θを演算する。
この結果、位置推定値θは、真値または１８０°の誤差をもった値に収束する。
【００１０】
次に、磁極判別について説明する。この場合には図示の状態とは逆で、スイッチＡは全て開き、スイッチＢは全て閉じている。直軸電圧指令ｖ_ｄ ^＊としては、方形波電圧の代わりに、磁極判別用試験信号として間欠的に正極性及び負極性となるパルス電圧が与えられており、直軸電流ｉ_ｄを零から正へ、または零から負へ制御する。
このとき、方形波電圧の重畳は停止されていて横軸高周波電流ｉ_ｑｈを使った速度・位置推定演算ができないので、積分器８には零を入力することによりその動作を停止して位置推定値θを固定する。
正極性及び負極性のパルス電圧を印加したときの直軸電流ｉ_ｄの変化率△ｉ_ｄｐ，△ｉ_ｄｍは、それぞれメモリ５に記憶される。
【００１１】
磁極判別器６は、△ｉ_ｄｐ，△ｉ_ｄｍの値を比較して、積分器８の出力を次の数式１によりプリセットし、位置推定値の演算誤差を補正する。すなわち、速度推定器７の出力を積分した値を第１の位置推定値とすれば、この第１の位置推定値を数式１によりプリセットして補正した第２の位置推定値θを生成し、出力する。
【００１２】
［数式１］
(ａ) △ｉ_ｄｐ＜△ｉ_ｄｍのとき → θ＝θ（前回値）＋１８０°
(ｂ) △ｉ_ｄｐ＞△ｉ_ｄｍのとき → θ＝θ（前回値）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の制御では、磁極判別の際には位置推定演算を停止する必要がある。このため、回転子が回転している場合は回転子位置が不明であり、パルス電圧を正確に直軸の正方向および負方向に出力できずに磁極判別を誤る恐れがある。また、磁極判別を行なっている間は基本波電流を制御できないため、回転子の回転に伴う誘起電圧により電機子に過大な電流が流れる恐れがある。
そこで本発明は、位置推定演算を磁極判別と同時に実行可能とし、更に磁極判別時にも基本波電流の制御を行えるようにして過電流の発生を防止するようにした永久磁石形同期電動機の制御装置を提供しようとするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、基本波電圧に周波数の異なる高周波電圧、例えば方形波電圧を重畳し、電機子に流れる高周波電流を使って位置推定値を演算する。そして、磁極判別用試験信号としてのパルス電圧を高周波電圧に重畳するか、直軸電流または横軸電流の極性を制御し、位置推定を行ないながら、高周波電圧に同期したタイミングで磁極判別用試験信号成分を検出電流から抽出し、このときの電流の変化率や振幅に基づいて磁極判別を行い、位置推定値を補正する。なお、前記パルス電圧のパルス幅は、磁気飽和領域に到達するぐらい十分な長さとし、高周波電圧に同期させる。
位置推定のための信号は、重畳した高周波電圧の周波数成分をフィルタによって検出電流から抽出することで直接検出可能である。また、磁極判別用の試験信号は、前記高周波電圧に対して一定の位相差をもって同期したパルス電圧等を重畳させることで、容易かつ直接に、しかも位置推定のための信号の検出と同時に検出することができる。
【００１５】
すなわち、請求項１記載の発明は、回転子に突極性を有する永久磁石形同期電動機を電力変換器により駆動するための制御装置であって、位置検出センサを用いずに速度推定値から回転子位置を推定し、この位置推定値を用いて電動機に対する電圧指令を直軸電圧指令及び横軸電圧指令に分離して制御するようにした永久磁石形同期電動機の制御装置において、
直軸基本波電圧指令に高周波電圧を重畳して直軸電圧指令を生成する手段と、
電動機の電機子電流を直軸電流及び横軸電流に分解し、前記横軸電流から前記高周波電圧と同じ周波数の高周波電流を抽出する手段と、
直軸電流の平均値を零に制御して前記直軸基本波電圧指令を生成する手段と、
前記横軸電流の平均値を零に制御して横軸電圧指令を生成する手段と、
前記高周波電流から回転子の速度推定値を演算し、この速度推定値を積分して第１の位置推定値を演算する手段と、
前記速度推定値及び第１の位置推定値の演算を行いながら、前記直軸電流の平均値を零に制御する機能を停止するとともに正極性及び負極性を有するパルス電圧を前記高周波電圧に重畳し、かつ、正極性のパルス電圧を重畳したときと負極性のパルス電圧を重畳したときの前記直軸電流の変化率により、第１の位置推定値を補正して第２の位置推定値を演算する手段と、を備えたものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１の制御ブロック図は本発明の第１実施形態を示すものである。
図４と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、以下では異なる点を中心に説明すると、本実施形態では、方形波電圧とパルス電圧との加算結果を直軸電圧指令ｖ_d ^*として出力する加算器９が付加され、また、すべてのスイッチＡと図４の積分器８の入力側に設けられていたスイッチＢとが除去されている。
この実施形態におけるスイッチＢは、加算器９の一方の入力端にパルス電圧を入力可能であり、同時に、メモリ５に直軸電流ｉ_dを入力可能となっている。
【００１７】
次に、この実施形態の動作を説明する。
始めにスイッチＢを開き、方形波電圧を直軸電圧指令ｖ_ｄ ^＊として座標変換器１に入力して回転子位置の推定演算を行う。この時、従来技術と同様に、速度推定器７は高周波分離フィルタ４から抽出・分離される横軸高周波電流ｉ_ｑｈ（方形波電圧の周波数成分を持つ）から速度推定値を演算し、積分器８は速度推定値を積分して第１の位置推定値θを演算する。
【００１８】
しかる後にスイッチＢを閉じ、方形波電圧とパルス電圧とを加算器９により加算して直軸電圧指令ｖ_ｄ ^＊を生成し、この指令ｖ_ｄ ^＊を座標変換器１に入力する。ここで、パルス電圧のパルス幅は、磁気飽和領域に到達させることを考慮して、方形波電圧の整数倍の周期とし、かつ方形波電圧に同期させる。
【００１９】
また、位置推定を行ないながら、方形波電圧に同期したタイミングで磁極判別用試験信号成分を直軸電流ｉ_ｄから抽出し、直軸電流ｉ_ｄの変化率△ｉ_ｄｐ，△ｉ_ｄｍをメモリ５に記憶させて前記数式１に従い磁極判別を行なう。磁極判別器６では、例えば、数式１（ａ）が成立した場合には第１の位置推定値に１８０度を加算する信号を積分器８にプリセットすることにより、第１の位置推定値の演算誤差を補正し、第２の位置推定値θを生成して出力する。
【００２０】
上記のように構成することにより、パルス電圧を方形波電圧に重畳して回転子位置を推定しながら磁極判別を同時かつ正確に行うことができる。
【００２１】
図２の制御ブロック図は本発明の第２実施形態を示すものである。
この実施形態では、図１の構成に対して、更に直軸電流の平均値を零に制御して直軸基本波電圧指令ｖ_ｄ ^＊＊を出力する手段としての直軸電流調節器１１と、横軸電流の平均値を零に制御して横軸電圧指令ｖ_ｑ ^＊を出力する手段としての横軸電流調節器１２と、加算器１０とが付加されており、位置推定及び磁極判別を行ないながら基本波電流の制御も行なうようになっている。
【００２２】
直軸電流調節器１１には、高周波分離フィルタ４から出力される直軸基本波電流ｉ_ｄｂと直軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊（＝０）とが入力され、その出力が直軸基本波電圧指令ｖ_ｄ ^＊＊として加算器１０の一方の入力端に加えられている。加算器１０の他方の入力端には加算器９の出力が加えられており、加算器１０の出力が最終的な直軸電圧指令ｖ_ｄ ^＊として座標変換器１に入力される。また、横軸電流調節器１２には、高周波分離フィルタ４から出力される横軸基本波電流ｉ_ｑｂと横軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊（＝０）とが入力され、その出力が横軸電圧指令ｖ_ｑ ^＊として座標変換器１に入力されている。
【００２３】
この実施形態の動作を説明すると、回転子の位置推定時には、スイッチＢを開いて加算器９に方形波電圧のみを印加する。
高周波分離フィルタ４は、ｉ_ｄ，ｉ_ｑから方形波電圧の周波数成分を除いた直軸基本波電流ｉ_ｄｂと横軸基本波電流ｉ_ｑｂと、方形波電圧と同じ周波数成分の横軸高周波電流ｉ_ｑｈとを分離・抽出する。
直軸電流調節器１１は、ｉ_ｄ ^＊（＝０）とｉ_ｄｂとの偏差を増幅して直軸基本波電圧指令ｖ_ｄ ^＊＊を演算し、加算器１０によりｖ_ｄ ^＊＊に方形波電圧を重畳して最終的な直軸電圧指令ｖ_ｄ ^＊とする。また、横軸電流調節器１２は、ｉ_ｑ ^＊（＝０）とｉ_ｑｂとの偏差を増幅して横軸電圧指令ｖ_ｑ ^＊を演算する。これらの調節器１１，１２の動作により、直軸電流の平均値及び横軸電流の平均値は零に制御される。
【００２４】
速度推定器７は高周波分離フィルタ４から出力される横軸高周波電流ｉ_ｑｈから速度推定値を演算し、積分器８は速度推定値を積分して第１の位置推定値θを演算する。
【００２５】
磁極判別を行なう際にはスイッチＢを閉じ、加算器９，１０の動作により、直軸基本波電圧指令ｖ_ｄ ^＊＊に対して、方形波電圧と、更に磁極判別用試験信号としての正極性及び負極性のパルス電圧を重畳して、直軸電圧指令ｖ_ｄ ^＊を生成する。
パルス電圧を印加する時間は、直軸電流調節器１１が追従できないくらいに十分短くする。パルス電圧が正極性に与えられたときと負極性に与えられたときのｉ_ｄの変化率△ｉ_ｄｐ，△ｉ_ｄｍをそれぞれメモリ５に記憶し、前記数式１により磁極判別器６をプリセットして第１実施形態と同様の方法により第１の位置推定値を補正し、第２の位置推定値θを生成する。
【００２６】
上記の構成により、電動機４０が回転しているときにも磁極判別を正確に行い、誘起電圧による過電流を防止して電動機を保護することができる。
【００２７】
次に、図３の制御ブロック図は本発明の第３実施形態を示すものである。
この実施形態は、図２の実施形態において直軸電流調節器１１と加算器１０との間にスイッチＣが付加されていることを特徴とする。このスイッチＣの動作としては、スイッチＢが閉じていて磁極判別用試験信号としてのパルス電圧が正または負の値であれば「開」、それ以外では「閉」となるものである。
【００２８】
以下、本実施形態の動作を説明する。回転子位置の推定動作は第１、第２実施形態と同様である。
磁極判別に当たっては、スイッチＢを閉じた状態で、パルス電圧が正あるいは負の値のときにスイッチＣが開くことにより、直軸電流の制御は行なわれず、正または負のパルス電圧によって大きな直軸電流が流れる。これによって、十分に磁気飽和するような直軸電流ｉ_ｄを流すことができ、メモリ５及び磁極判別器６を介して高精度に磁極判別を行うことができる。なお、本実施形態では大きな直軸電流ｉ_ｄを流すために、パルス電圧が正または負である期間をモータやインバータが許容される範囲で長くするのが望ましい。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、位置推定演算を磁極判別と同時に実行することができ、更に磁極判別時にも基本波電流の制御を行えるようにして過電流の発生を防止することができる。また、回転子が回っている場合でも、回転子位置の演算を正確に行うことができるので、速やかな始動が可能となる等の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す制御ブロック図である。
【図２】本発明の第２実施形態を示す制御ブロック図である。
【図３】本発明の第３実施形態を示す制御ブロック図である。
【図４】従来技術を示す制御ブロック図である。
【符号の説明】
１，２座標変換器
３ＰＷＭ回路
４高周波分離フィルタ
５メモリ
６磁極判別器
７速度推定器
８積分器
９，１０加算器
１１直軸電流調節器
１２横軸電流調節器
１３加速度検出器
２０三相交流電源
３０電力変換器
４０永久磁石形同期電動機（ＰＭモータ）
Ａ，Ｂ，Ｃスイッチ

Claims

回転子に突極性を有する永久磁石形同期電動機を電力変換器により駆動するための制御装置であって、位置検出センサを用いずに速度推定値から回転子位置を推定し、この位置推定値を用いて電動機に対する電圧指令を直軸電圧指令及び横軸電圧指令に分離して制御するようにした永久磁石形同期電動機の制御装置において、
直軸基本波電圧指令に高周波電圧を重畳して直軸電圧指令を生成する手段と、
電動機の電機子電流を直軸電流及び横軸電流に分解し、前記横軸電流から前記高周波電圧と同じ周波数の高周波電流を抽出する手段と、
直軸電流の平均値を零に制御して前記直軸基本波電圧指令を生成する手段と、
前記横軸電流の平均値を零に制御して横軸電圧指令を生成する手段と、
前記高周波電流から回転子の速度推定値を演算し、この速度推定値を積分して第１の位置推定値を演算する手段と、
前記速度推定値及び第１の位置推定値の演算を行いながら、前記直軸電流の平均値を零に制御する機能を停止するとともに正極性及び負極性を有するパルス電圧を前記高周波電圧に重畳し、かつ、正極性のパルス電圧を重畳したときと負極性のパルス電圧を重畳したときの前記直軸電流の変化率により、第１の位置推定値を補正して第２の位置推定値を演算する手段と、
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。