JP5784720B2 - 回転機の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、回転機の磁極位置センサの磁極位置を補正して、回転機を円滑に駆動する回転機の制御装置に関するものである。

回転機の制御方式としてベクトル制御が普及している。ベクトル制御では、回転機の磁極位置を位置センサで検出し、検出した磁極位置で回転機電流を回転座標ｄ−ｑ軸上に座標変換して電流制御を行う。しかし、位置センサの取り付け位置を調整していない場合、また初期位置や絶対位置が不明なインクリメンタル型の位置センサを用いる場合、さらにはベルト等を介して位置センサを回転機に取り付けている場合などは、位置センサの磁極位置に誤差が発生する。

例えば図７（Ａ）、（Ｂ）は、回転機１の回転軸に連結されたプーリ７１の回転を位置センサ１４で検出する構成を示している。本構成では位置センサ１４が回転機１の軸に直結されておらず、図７（Ａ）はプーリ７１の回転を摩擦によりプーリ７２に伝達し、プーリ７２の回転量を位置センサ１４で検出する構成となっている。また、図７（Ｂ）はプーリ７１の回転をベルト７３によってプーリ７２に伝達し、プーリ７２の回転量を位置センサ１４で検出する構成となっている。いずれの場合もプーリ７１と７２間の回転の伝達は摩擦を介して行われるため、図７（Ａ）の場合はプーリ７１、７２間には微小なすべりが発生し、図７（Ｂ）の場合はそれぞれプーリ７１、７２とベルト７３の間に微小なすべりが発生する。そして、前記すべりが蓄積することで位置センサ１４によって検出された磁極位置に誤差を生じる。

検出した磁極位置に誤差が存在する場合、ベクトル制御が正しい回転座標ｄ−ｑ軸上で行われず、トルク不足や効率の低下、さらには脱調が発生する問題がある。

この問題に対して、例えば特許第３７８９８９５号公報（特許文献1）に開示された技術では、回転機の運転中に磁極位置を補正する期間を設けて、回転機電流をゼロに制御した時の誘起電圧から真の磁極位置を求め、位置センサの磁極位置を補正している。

また、特表２００６−５１９５７８号公報（特許文献２）に開示された技術では、検出した磁極位置に外乱信号を加えた場合の、トルクあるいは位置、速度、電流の変動成分から、磁極位置を補正している。

特許第３７８９８９５号公報 特表２００６−５１９５７８号公報

前記特許文献１に開示された技術では、回転機の運転中に回転機電流をゼロにする期間を設ける必要があり、この間はトルクを発生できない。また、誘起電圧を利用して磁極位置を求めているが、回転機の回転数が低い場合は誘起電圧が小さいため、磁極位置を精度良く求めることは難しい。また、回転機が停止している場合は誘起電圧がゼロとなり、磁極位置を求めることができない。

また、前記特許文献２に開示された技術では、検出した磁極位置に外乱信号を加えるので、トルク・速度に振動成分を生じてしまう。また、振動成分を検出して磁極位置を補正するため、振動成分は検出・補正に十分な大きさが必要となる。

そこで、この発明の目的は、位置センサで検出した磁極位置に誤差が存在する場合に、回転機電流から推定した推定磁極位置を用いて磁極位置を補正し、回転機を円滑に駆動する回転機の制御装置を提供することにある。

この発明に係る回転機の制御装置は、電圧指令に基づいて回転機に電圧を印加する電圧印加手段と、前記回転機に流れる回転機電流を検出する電流検出手段と、前記回転機の磁極位置を検出する位置検出手段と、前記回転機電流と前記磁極位置に基づいて前記電圧指令を出力する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、位置推定用電圧を電圧指令に加えた場合の、前記回転機電流に含まれる位置推定用電圧の周波数成分から前記回転機の推定磁極位置を推定して、前記位置検出手段により検出した前記磁極位置を補正する回転機の制御装置であって、
前記制御手段は、前記推定磁極位置に対して真の前記磁極位置が対応づけられている関係を用いて前記推定磁極位置を補正する推定位置補正器を備え、
前記推定磁極位置に対して前記真の磁極位置が対応づけられている関係は、前記真の磁極位置と前記推定磁極位置との差分である推定誤差が、前記推定磁極位置の６倍の周波数で変動する関係で表されるものである。

この発明によれば、位置センサで検出した磁極位置に誤差が存在する場合に、磁極位置の補正のためにトルクを発生できない期間を設けたり、回転機にトルクや速度の振動を生じさせることなく、回転機電流から推定した推定磁極位置を用いて磁極位置を補正し、回転機を円滑に駆動することができる。

この発明の実施の形態１に係る回転機の制御装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１に係る回転機の制御装置に用いられるセンサ位置補正器の一例を示す構成図である。 この発明の実施の形態１に係る回転機の制御装置に用いられるセンサ位置補正器の他の例を示す構成図である。 この発明の実施の形態２に係る回転機の制御装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態２に係る回転機の制御装置における推定磁極位置と真の磁極位置との関係の一例を示す図である。 この発明の実施の形態３に係る回転機の制御装置の構成を示すブロック図である。 回転機の回転軸に連結されたプーリの回転を位置センサで検出する構成を示す図である。

以下、この発明に係る回転機の制御装置の好適な実施の形態について図面を参照して説明する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る回転機の制御装置の構成を示すブロック図である。ここでは回転機は埋め込み磁石型の同期機とする。図１において、回転機１には電流検出手段２を介して、電圧印加手段３が接続されている。制御手段４は、電圧印加手段３に電圧指令を出力する。

電流検出手段２は、回転機電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを検出する。図１では電流を三相とも検出しているが、２相分を検出して三相電流の和がゼロであることを利用して三相電流を求めてもよいし、インバータ母線電流やスイッチング素子に流れる電流とスイッチング素子の状態から三相電流を演算してもよい。また、電圧印加手段３は、制御手段４からの電圧指令ｖｕ３＊、ｖｖ３＊、ｖｗ３＊に基づいて、三角波比較ＰＷＭインバータなどの電力変換装置により回転機１に電圧を供給する。

次に、制御手段４について説明する。三相・二相変換器５は、回転機電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを静止二軸座標上の電流値ｉα、ｉβに変換する。第１の座標変換器６は、静止二軸上の電流値ｉα、ｉβを補正後の磁極位置θｓ２に同期した回転座標上の電流値ｉｄ、ｉｑに変換する。速度制御器７は、速度指令ω＊に基づいて、Ｄ軸電流指令ｉｄ＊、Ｑ軸電流指令ｉｑ＊を出力する。電流制御器８は、Ｄ軸電流指令ｉｄ＊とＤ軸電流ｉｄの差分、Ｑ軸電流指令ｉｑ＊とＱ軸電流ｉｑの差分を、それぞれ例えば比例積分制御して、Ｄ軸電圧指令ｖｄ＊、Ｑ軸電圧指令ｖｑ＊を演算する。

第２の座標変換器９は、回転座標上の電圧指令ｖｄ＊、ｖｑ＊を静止二軸上の電圧指令ｖα＊、ｖβ＊に変換する。二相・三相変換器１０は、静止二軸上の電圧指令ｖα＊、ｖβ＊を三相電圧指令値ｖｕ１＊、ｖｖ１＊、ｖｗ１＊に変換する。

位置推定用電圧発生器１１、位置推定器１２は、例えば国際公開第２００９／０４０９６５号パンフレットに開示されているようにして、回転機１の磁極位置を推定する。ここで、国際公開第２００９／０４０９６５号パンフレットの開示内容の概要を説明すると、位置推定用電圧発生器１１は、回転機１の磁極位置を推定するために、三相電圧指令値ｖｕ１＊、ｖｖ１＊、ｖｗ１＊とは周波数が異なる位置推定用電圧指令ｖｕ２＊、ｖｖ２＊、ｖｗ２＊を出力する。そして、ｖｕ１＊、ｖｖ１＊、ｖｗ１＊に、ｖｕ２＊、ｖｖ２＊、ｖｗ２＊を加えたものが新たな電圧指令ｖｕ３＊、ｖｖ３＊、ｖｗ３＊となり、電圧印加手段３から回転機１へ出力される。この時、回転機電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗには、位置推定用電圧指令ｖｕ２＊、ｖｖ２＊、ｖｗ２＊と同一の周波数成分が含まれている。

位置推定器１２は、回転機電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗに含まれる位置推定用電圧指令ｖｕ２＊、ｖｖ２＊、ｖｗ２＊の周波数成分の振幅が回転機１の位置に応じて余弦関数的に変化することを利用して回転機１の磁極位置を推定し、推定磁極位置θｅ１を出力する。

回転機１には位置センサ１４が設置されており、回転機１の回転位置を検出する。また、前記回転位置から換算した磁極位置をθｓ１とする。なお、位置センサ１４が絶対位置の検出ができないインクリメンタル型の位置センサを用いている場合は、位置推定器１２によって推定された推定磁極位置θｅ１を適切なタイミング、例えば回転機１の始動時に初期磁極位置としてプリセットし、前記初期磁極位置からの回転位置を位置センサ１４で検出することで磁極位置の検出を行う。

センサ位置補正器１３は、図２のようにして、推定磁極位置θｅ１を用いて位置センサ１４で検出したセンサ磁極位置θｓ１を補正して、補正後のセンサ磁極位置θｓ２を出力する。図２において、位置補正制御器１０１は、推定磁極位置θｅ１とセンサ磁極位置θｓ１の差分から、例えば比例積分制御によって、補正後のセンサ磁極位置θｓ２を出力する。

以上のように実施の形態１に係る回転機の制御装置によれば、位置センサ１４で検出した磁極位置に誤差が存在する場合も、回転機電流から推定した推定磁極位置を用いて磁極位置を補正し、回転機１を円滑に駆動することができる。従って、図７（Ａ）、（Ｂ）に示すように回転機１の回転軸に位置センサ１４が直結されず、プーリ７１の回転を摩擦によりプーリ７２に伝達し、プーリ７２の回転量を位置センサ１４で検出する場合（またはプーリ７１の回転をベルト７３によってプーリ７２に伝達し、プーリ７２の回転量を位置センサ１４で検出する場合）に、プーリ７１、７２間（またはプーリ７１、７２とベルト７３の間）に微小なすべりが発生しても、位置センサ１４によって検出された磁極位置を補正することができ、回転機１を円滑に駆動することできる。

従って、絶対位置が検出できないインクリメンタル形の位置センサを用いる場合も、推定磁極位置を用いて磁極位置を補正し、回転機１を円滑に駆動することができる。特に、起動時に補正を行うことで、インクリメンタル形の位置センサを用いる場合も、回転機１を円滑に起動できる。また、すべりや経年劣化によってインクリメンタル形の位置センサの磁極位置にすべりが発生するような場合でも、推定磁極位置を用いて磁極位置を補正し、回転機１を円滑に駆動することができる。

また、前記説明ではセンサ位置補正器１３は、常に、推定磁極位置θｅ１を用いて位置センサ１４で検出したセンサ磁極位置θｓ１を補正して、補正後のセンサ磁極位置θｓ２を出力するとして説明したが、回転機１の起動時にだけ、または定期的か断続的に補正を行っても良いし、センサ磁極位置θｓ１を推定磁極位置θｅ１にリセットして補正後のセンサ磁極位置θｓ２にする構成としても良い。

また、センサ位置補正器１３は、例えば図３のように、速度を補正するような構成としてもよい。図３では、センサ磁極位置θｓ１からセンサ速度ωｓ１を演算し、推定磁極位置θｅ１から推定速度ωｅ１を演算する。そして、センサ速度ωｓ１を、推定速度ωｅ１を用いて補正ゲイン１１３を乗じて補正して、補正後のセンサ速度ωｓ２とし、これを積分して補正後のセンサ位置θｓ２を得る。積分して求めた補正後のセンサ位置θｓ２の初期値は、起動時にだけ、または定期的か断続的に推定位置θｅ１にリセットすればよい。補正ゲイン１１３の更新は、常時行ってもよいし、定期的でも断続的でもよい。また、積分して求めた補正後のセンサ位置θｓ２を推定位置θｅ１にリセットする代わりに、推定位置θｅ１に追従制御するような構成にしてもよい。

なお、センサ位置補正器１３の構成は、ここで述べた構成にとどまらず、位置、速度、加速度などを様々に組み合わせたものが考えられる。またそれぞれの構成における補正の演算または更新は、常時行ってもよいし、定期的でも断続的でもよいことは言うまでもない。

実施の形態２．
次に、実施の形態２に係る回転機の制御装置について説明する。回転機のトルクリップルを抑制する制御を行う場合などは、精度よく磁極位置を検出する必要がある。しかし、実施の形態１では、回転機電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗに含まれる位置推定用電圧指令ｖｕ２＊、ｖｖ２＊、ｖｗ２＊の周波数成分の振幅が回転機１の位置に応じて余弦関数的に変化することを利用して回転機１の磁極位置を推定するが、実際には余弦関数とはならないことによって誤差を生じ、正確に磁極位置を補正できない場合がある。実施の形態２に係る回転機の制御装置はこれを解決するものである。

図４は、実施の形態２に係る回転機の制御装置の構成を示すブロック図である。実施の形態１と異なるところは、推定位置補正器２１を備えることであり、その他の構成については実施の形態１と同様であるので、同一符号を付すことにより、その説明を省略する。

図４において、推定位置補正器２１は、位置推定器１２によって推定された推定磁極位置θｅ１が真の磁極位置となるような補正を行い、補正後の推定磁極位置θｅ２を出力する。この補正は、推定磁極位置θｅ１に対して真の磁極位置θｅ２が対応づけられている図５に示されるような関係を用いて行う。

図５の関係は解析的に求めてもよいし、測定により求めてもよい。また、磁極位置補正器２１は図５の関係をテーブル化したものを用いて推定磁極位置θｅ１の補正を行ってもよいし、数式化したものを用いて補正を行ってもよい。例えば数式化して補正する場合は、以下のような場合が考えられる。真の磁極位置θｅ２と推定位置θｅ１との差分である推定誤差θｅｒｒが、推定位置θｅ１の６倍の周波数で変動するような次式で表されるとする。
θｅｒｒ＝θｅ２−θｅ１＝Ａｓｉｎ（６θｅ１＋α）・・・（１）
Ａ：推定誤差の６倍の周波数成分の振幅、α：推定誤差の６倍の周波数成分の位相

このとき、磁極位置補正器２１では次式のように、推定磁極位置θｅ１を補正して真の磁極位置θｅ２を求めることができる。
θｅ２＝θｅ１＋θｅｒｒ・・・（２）

以上のように実施の形態２に係る回転機の制御装置によれば、実施の形態１の効果に加えて、精度よくセンサ磁極位置を補正でき、トルクリップル抑制制御などを良好に実施できる。

従って、絶対位置が検出できないインクリメンタル形の位置センサを用いる場合も、特に、起動時に精度良く磁極位置を補正でき、トルクリップル抑制制御などを良好に実施できる。

実施の形態３．
次に、実施の形態３に係る回転機の制御装置について説明する。実施の形態３は、位置推定用電圧指令を回転機に印加せずに、電圧指令と回転機電流から、回転機の磁極位置を推定し、位置センサの磁極位置を補正するものである。

図６は、実施の形態３に係る回転機の制御装置の構成を示すブロック図である。実施の形態１と異なるところは、位置推定用電圧発生器１１と位置推定器１２とを備えず、位置推定器３１を備えることである。またここでは、回転機１は同期機とする。なお、その他の構成については実施の形態１と同様であるので、同一符号を付すことにより、その説明を省略する。

図６において、位置推定器３１は、国際公開第２００２／０９１５５８号パンフレットに開示されているようにして、回転機１の磁極位置を推定する。国際公開第２００９／０４０９６５号パンフレットの開示内容の概要を説明すると、回転座標上の電圧指令ｖｄ＊、ｖｑ＊と回転座標上の電流値ｉｄ、ｉｑとモータモデルおよび定数と推定した回転機１の推定速度・磁極位置とから、回転機１の推定電流と推定磁束と推定速度・磁極位置を演算する。そして、推定電流と回転座標上の電流値ｉｄ、ｉｑの誤差である推定電流誤差がゼロに収束するように、推定電流誤差と推定磁束とから、推定速度・磁極位置を演算し、推定磁極位置θｅ１を出力する。

以上のように実施の形態３に係る回転機の制御装置によれば、新たに位置推定のための電圧を回転機に印加することなく、位置センサで検出した磁極位置に誤差が存在する場合も、回転機電流から推定した推定磁極位置を用いて磁極位置を補正し、回転機を円滑に駆動することができる。

従って、絶対位置が検出できないインクリメンタル形の位置センサを用いる場合も、推定磁極位置を用いて磁極位置を補正し、回転機１を円滑に駆動することができる。また、すべりや経年劣化によってインクリメンタル形の位置センサの磁極位置にすべりが発生するような場合でも、推定磁極位置を用いて磁極位置を補正し、回転機１を円滑に駆動することができる。

また、ここでは同期機の場合について説明したが、誘導機の場合も特許３６８３３８２号などの開示技術で電圧指令と回転機電流から位置推定して、位置センサの磁極位置を補正できる。

また、以上の説明では、位置推定の手法として、位置推定用電圧を回転機１に印加した時に回転機電流に含まれる位置推定用電圧と同一の周波数成分から位置推定する手法と、電圧指令と回転機電流とモータモデルおよび定数とから推定する手法とを説明したが、これらを組み合わせた方式、例えば国際公開第２０１０／１０９５２８号パンフレットに開示されているような方式でも、この発明が実施できることは言うまでもない。

Claims (4)

1. 電圧指令に基づいて回転機に電圧を印加する電圧印加手段と、
   前記回転機に流れる回転機電流を検出する電流検出手段と、
   前記回転機の磁極位置を検出する位置検出手段と、
   前記回転機電流と前記磁極位置に基づいて前記電圧指令を出力する制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、位置推定用電圧を電圧指令に加えた場合の、前記回転機電流に含まれる位置推定用電圧の周波数成分から前記回転機の推定磁極位置を推定して、前記位置検出手段により検出した前記磁極位置を補正する回転機の制御装置であって、
   前記制御手段は、前記推定磁極位置に対して真の前記磁極位置が対応づけられている関係を用いて前記推定磁極位置を補正する推定位置補正器を備え、
   前記推定磁極位置に対して前記真の磁極位置が対応づけられている関係は、前記真の磁極位置と前記推定磁極位置との差分である推定誤差が、前記推定磁極位置の６倍の周波数で変動する関係で表されることを特徴とする回転機の制御装置。
2. 前記推定磁極位置の６倍の周波数で変動する関係は、前記推定磁極位置の６倍の周波数で変動する関数であることを特徴とする請求項１に記載の回転機の制御装置。
3. 前記位置検出手段はインクリメンタル形であることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転機の制御装置。
4. 前記回転機の起動時に前記磁極位置の補正を行うことを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の回転機の制御装置。

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