JP5387899B2 - 永久磁石形同期電動機の制御装置 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1や非特許文献1には、実際の回転子の磁極方向の軸(d軸)に対して直交方向に発生する拡張誘起電圧を演算し、この拡張誘起電圧の角度から磁極位置の演算誤差(前記d軸と仮想的な制御軸であるγ軸との間の角度差)を検出し、この演算誤差を利用して磁極位置及び速度を演算するセンサレス制御技術が開示されている。
そこで、電動機の運転状態に応じて電機子抵抗を正確に推定し、高精度なセンサレス制御を行うようにした従来技術が、以下のように公知となっている。
また、非特許文献2に開示されている電機子抵抗の推定技術が適用できるのは、当該文献中の25式より、速度と電流のうちの少なくとも何れかが大きい場合である。
すなわち、特許文献2や非特許文献2に開示された従来技術では、電動機の運転条件によって電機子抵抗の推定誤差が大きくなるという問題があった。
前記電機子抵抗推定手段は、
前記電動機の電圧方程式に基づいて前記等価電機子抵抗推定値の誤差を演算する手段と、
前記誤差を増幅して等価電機子抵抗補正値を演算する手段と、
前記電動機の等価電機子抵抗の初期設定値と前記等価電機子抵抗補正値とを加算して前記等価電機子抵抗推定値を演算する手段と、
前記電動機の電流検出値及び前記速度推定値に応じて、前記等価電機子抵抗補正値を演算する手段のゲインを制御する手段と、を備えたものである。
本発明によれば、等価電機子抵抗を正確に演算可能な運転条件に限って推定演算を実行することができ、等価電機子抵抗の推定誤差が過大になるのを防止することができる。
すなわち、等価電機子抵抗補正値を演算する手段は、
前記等価電機子抵抗推定値の誤差と第1の重み係数との積と、前記等価電機子抵抗補正値と第2の重み係数との積と、の偏差を求める手段と、
前記偏差を増幅及び積分して前記等価電機子抵抗補正値を演算する手段と、
前記電流検出値及び前記速度推定値に応じて前記第1の重み係数及び前記第2の重み係数を制御する手段と、を備えている。
すなわち、この等価電機子抵抗推定値の誤差を演算する手段は、
前記電流検出値、前記速度推定値及び前記等価電機子抵抗推定値から前記電動機の端子電圧を推定する手段と、前記電動機の端子電圧推定値と端子電圧指令値との偏差である端子電圧推定誤差を演算する手段と、前記端子電圧推定誤差と前記電流検出値とから前記等価電機子抵抗推定値の誤差を演算する手段と、を備えている。
すなわち、第1の重み係数及び第2の重み係数を制御する手段は、
前記速度推定値、永久磁石の温度係数、及び、基準温度における永久磁石磁束から第1の電圧変化量を演算する手段と、
前記電流検出値、電機子巻線の温度係数、及び、基準温度における電機子抵抗から第2の電圧変化量を演算する手段と、
前記第1の電圧変化量及び前記第2の電圧変化量から前記第1の重み係数及び前記第2の重み係数を制御する手段と、を備えている。
すなわち、第1の重み係数及び第2の重み係数を制御する手段は、
前記速度推定値、永久磁石の熱抵抗、永久磁石の温度係数、及び、基準温度における永久磁石磁束から第1の電圧変化量を演算する手段と、
前記電流検出値、電機子巻線の熱抵抗、電機子巻線の温度係数、及び、基準温度における電機子抵抗から第2の電圧変化量を演算する手段と、
前記第1の電圧変化量及び前記第2の電圧変化量から前記第1の重み係数及び前記第2の重み係数を制御する手段と、を備えている。
これにより、永久磁石温度と電機子巻線温度とが異なる場合にも第1の電圧変化量及び第2の電圧変化量を正確に演算することができる。
すなわち、第1の重み係数及び第2の重み係数を制御する手段は、
前記速度推定値、永久磁石の熱抵抗、永久磁石の温度係数、及び、基準温度における永久磁石磁束から第1の電圧変化量を演算する手段と、
前記電流検出値、電機子巻線の熱抵抗、電機子巻線の温度係数、基準温度における電機子抵抗、配線の熱抵抗、配線の温度係数、及び、基準温度における配線抵抗から第2の電圧変化量を演算する手段と、
前記第1の電圧変化量及び前記第2の電圧変化量から前記第1の重み係数及び前記第2の重み係数を制御する手段と、を備えている。
これにより、電動機と電力変換器との間の配線抵抗を無視できない場合にも、第1の電圧変化量及び第2の電圧変化量を正確に演算することができる。
まず、速度推定値ω1及び磁極位置推定値θ1の演算について説明する。
永久磁石形同期電動機80は、電動機の電流を回転子のd軸(回転子の磁極方向の軸)とd軸から90度進んだq軸とに分解して制御することにより、トルクや速度を高精度に制御することが可能である。しかしながら、磁極位置検出器を持たない場合、d,q軸を直接検出することができない。このため、d,q軸に対応した直交回転座標のγ,δ軸を制御装置内に想定し、このγ,δ軸上で制御演算を行っている。
図2は、これらのd,q軸及びγ,δ軸の関係を示すベクトル図である。図2において、ω1は回転子の速度推定値(γ,δ軸の回転角速度)、ωrは速度実際値(d,q軸の回転角速度)、θerrはγ,δ軸とd,q軸との角度差(磁極位置演算誤差)である。
速度推定手段31における角度差θerrの演算には、電機子抵抗推定手段41により求めた等価電機子抵抗推定値Raestを用いる。ここで、等価電機子抵抗は、電動機80の電機子抵抗と、電動機80と電力変換器70との間の配線抵抗との和によって定義する。
電気角演算器32は、速度推定手段31から出力される速度推定値ω1を積分して磁極位置推定値θ1を演算する。
これらの演算によって角度差θerrを零に収束させることができ、速度推定値ω1及び磁極位置推定値θ1を真値に収束させることができる。
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*と速度推定値ω1とから、電動機80の端子電圧が電力変換器70の最大出力電圧以下の条件で所望のトルクを出力するようなγ,δ軸電流指令値iγ *,iδ *を演算する。
γ軸電流指令値iγ *とγ軸電流検出値iγとの偏差を減算器19aにて演算し、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、δ軸電流指令値iδ *とδ軸電流検出値iδとの偏差を減算器19bにて演算し、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。
整流回路60は、三相交流電源50の三相交流電圧を整流して得た直流電圧をインバータ等の電力変換器70に供給する。
PWM回路13は、相電圧指令値vu *,vv *,vw *と入力電圧検出回路12により検出した入力電圧検出値Edcとから、電力変換器70の出力電圧を相電圧指令値vu *,vv *,vw *に制御するためのゲート信号を生成する。電力変換器70は、上記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オンオフ制御し、電動機80の端子電圧を相電圧指令値vu *,vv *,vw *に制御する。
電機子抵抗推定誤差演算器110は、γ,δ軸電流検出値iγ,iδ、δ軸電圧指令値vδ *及び速度推定値ω1から、等価電機子抵抗推定誤差演算値Raerrestを求める。
電動機のδ軸電圧方程式より、δ軸電圧推定値vδestを数式1により演算する。
このとき、等価電機子抵抗の真値Raから等価電機子抵抗推定値Raestまでの伝達関数は、数式3の関係にある。
等価電機子抵抗を正しく演算可能な運転条件が満たされている場合、例えば、速度推定値ω1やδ軸電流検出値iδの情報から電動機80の速度が低い場合やδ軸電流が大きいと判断される場合には、第1の重み係数WRaを“1”、すなわち第2の重み係数(1−WRa)を“零”に制御することにより、等価電機子抵抗推定誤差演算値Raerrestを積分制御して等価電機子抵抗補正値Racompを演算する。つまり、図3における反転増幅器111、第1の重み係数WRa(=1)、減算器112、電機子抵抗推定ゲインGRa、積分器113を用いて、等価電機子抵抗補正値Racompは数式4のように演算される。
図3における加算器115は、数式6に示すように、平均温度時の等価電機子抵抗Ra(AVE)と等価電機子抵抗補正値Racompとを加算して等価電機子抵抗推定値Raestを演算する。
図3において、第1の重み係数WRaを“零”、第2の重み係数(1−WRa)を“1”に制御すると、等価電機子抵抗推定誤差演算値Raerrestが積分器113に入力されなくなり、等価電機子抵抗補正値Racompが積分器113の入力側に負帰還されるため、等価電機子抵抗補正値Racompは零になる。この結果、等価電機子抵抗推定値Raestは、初期設定値である平均温度時の電機子抵抗Ra(AVE)に等しくなる。
まず、永久磁石磁束の温度変化に起因する第1の電圧変化量としての第1のδ軸電圧変化量、及び、等価電機子抵抗の温度変化に起因する第2の電圧変化量としての第2のδ軸電圧変化量について説明する。
第1のδ軸電圧変化量は、永久磁石磁束の変化量と速度との積に等しい。一方、第2のδ軸電圧変化量は、等価電機子抵抗の変化量とδ軸電流との積に等しい。
ここで、温度変化に起因する永久磁石磁束の無負荷時からの変化量は、数式7によって表される。
永久磁石温度と電機子巻線温度とが等しい場合、永久磁石の熱抵抗Rthmと電機子巻線の熱抵抗Rthwとは等しく、永久磁石の熱時定数Tthmと電機子巻線の熱時定数Tthwとは等しい。数式7に示した永久磁石磁束の変化量と数式8に示した等価電機子抵抗の変化量との比から、評価関数xを数式9により演算する。
評価関数xが零より小さい場合には、第1の重み係数WRaを“零”、第2の重み係数(1−WRa)を“1”とする。評価関数xが零としきい値xth1との間にある場合は、第1の重み係数WRaを評価関数xに比例させて“零”から“1”へ増加させ、第2の重み係数(1−WRa)は“1”から“零”へ減少させる。
評価関数xがしきい値xth1よりも大きい場合には、第1の重み係数WRaを“1”とし、第2の重み係数(1−WRa)を“零”とする。
すなわち、前述の数式7において、電動機の鉄損Qironを零に近似し、数式8において、電動機の損失Qmotorと配線の損失Q1との比が電機子抵抗Rwと配線抵抗Rlとの比に等しいと近似することにより、評価関数xを数式11によって演算する。
11w w相電流検出回路
12 入力電圧検出回路
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 速度推定手段
32 電気角演算器
41 電機子抵抗推定手段
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
110 電機子抵抗推定誤差演算器
111 反転増幅器
112 減算器
113 積分器
114 平均温度電機子抵抗演算器
115 加算器
Claims (6)
- 電力変換器により駆動される永久磁石形同期電動機の制御装置であって、前記電動機の等価電機子抵抗を推定する電機子抵抗推定手段と、等価電機子抵抗推定値を用いて速度推定値を演算する速度推定手段と、前記速度推定値から磁極位置推定値を演算する電気角演算手段と、を備えた制御装置において、
前記電機子抵抗推定手段は、
前記電動機の電圧方程式に基づいて前記等価電機子抵抗推定値の誤差を演算する手段と、
前記誤差を増幅して等価電機子抵抗補正値を演算する手段と、
前記電動機の等価電機子抵抗の初期設定値と前記等価電機子抵抗補正値とを加算して前記等価電機子抵抗推定値を演算する手段と、
前記電動機の電流検出値及び前記速度推定値に応じて、前記等価電機子抵抗補正値を演算する手段のゲインを制御する手段と、
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。 - 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、
前記等価電機子抵抗補正値を演算する手段は、
前記等価電機子抵抗推定値の誤差と第1の重み係数との積と、前記等価電機子抵抗補正値と第2の重み係数との積と、の偏差を求める手段と、
前記偏差を増幅及び積分して前記等価電機子抵抗補正値を演算する手段と、
前記電流検出値及び前記速度推定値に応じて前記第1の重み係数及び前記第2の重み係数を制御する手段と、
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。 - 請求項1または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、
前記等価電機子抵抗推定値の誤差を演算する手段は、
前記電流検出値、前記速度推定値及び前記等価電機子抵抗推定値から前記電動機の端子電圧を推定する手段と、
前記電動機の端子電圧推定値と端子電圧指令値との偏差である端子電圧推定誤差を演算する手段と、
前記端子電圧推定誤差と前記電流検出値とから前記等価電機子抵抗推定値の誤差を演算する手段と、
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。 - 請求項2または3に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記第1の重み係数及び前記第2の重み係数を制御する手段は、
前記速度推定値、永久磁石の温度係数、及び、基準温度における永久磁石磁束から第1の電圧変化量を演算する手段と、
前記電流検出値、電機子巻線の温度係数、及び、基準温度における電機子抵抗から第2の電圧変化量を演算する手段と、
前記第1の電圧変化量及び前記第2の電圧変化量から前記第1の重み係数及び前記第2の重み係数を制御する手段と、
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。 - 請求項2または3に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
第1の重み係数及び第2の重み係数を制御する手段は、
前記速度推定値、永久磁石の熱抵抗、永久磁石の温度係数、及び、基準温度における永久磁石磁束から第1の電圧変化量を演算する手段と、
前記電流検出値、電機子巻線の熱抵抗、電機子巻線の温度係数、及び、基準温度における電機子抵抗から第2の電圧変化量を演算する手段と、
前記第1の電圧変化量及び前記第2の電圧変化量から前記第1の重み係数及び前記第2の重み係数を制御する手段と、
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。 - 請求項2または3に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
第1の重み係数及び第2の重み係数を制御する手段は、
前記速度推定値、永久磁石の熱抵抗、永久磁石の温度係数、及び、基準温度における永久磁石磁束から第1の電圧変化量を演算する手段と、
前記電流検出値、電機子巻線の熱抵抗、電機子巻線の温度係数、基準温度における電機子抵抗、配線の熱抵抗、配線の温度係数、及び、基準温度における配線抵抗から第2の電圧変化量を演算する手段と、
前記第1の電圧変化量及び前記第2の電圧変化量から前記第1の重み係数及び前記第2の重み係数を制御する手段と、
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。
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