JP2009005513A - 永久磁石形同期電動機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転子の磁極位置を検出するための位置検出器を持た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り、詳しくは、低速運転時における効率を向上させる技術に関するものである。

永久磁石形同期電動機の制御装置のコストを低下させるため、回転子の磁極位置を検出する位置検出器を使用しないで運転する、いわゆるセンサレス制御が実用化されている。センサレス制御は、電動機の端子電圧や電機子電流の情報から回転子の磁極位置及び速度を演算し、これらに基づいて電流制御を行うことでトルク制御や速度制御を実現するものである。センサレス制御の一例は、例えば、非特許文献１に記載されている。
しかしながら、非特許文献１に記載されたセンサレス制御は、低速運転時に電機子抵抗の電圧降下や電力変換器の出力電圧誤差等を生じるため、安定性の面で課題がある。

このため、電機子抵抗の値に依存することなく高精度に永久磁石形同期電動機をセンサレスにて駆動する駆動システムが、特許文献３に開示されている。
この特許文献３に係る駆動システムは、同期電動機に対する電圧指令値及び電流検出値から演算した無効電力実際値と、インバータの出力角周波数指令値及び電流検出値から演算した無効電力推定値と、の偏差をゼロにするようにインバータの出力角周波数を調整することにより、同期電動機の軸誤差を少なくし、電機子抵抗の温度変化の影響を受けずに同期電動機を高精度にセンサレス駆動するものである。
しかし、この駆動システムでは、零速度時に無効電力が常に零になるため、無効電力から磁極位置の情報を検出することができず、極低速時の安定性に問題がある。

そこで、特許文献１に記載されているように、低速運転時には電機子電流の振幅を一定にしながら電機子電流の周波数を周波数指令値に一致させて回転磁界を発生させ、同期引き込み運転を行う技術が適用されることがある。このような運転方式を「電流引き込み制御」と呼ぶ。
ところで、電流引き込み制御は、原理的に零速度まで安定運転が可能である半面、負荷の大きさに応じて電機子電流の大きさを制御するのが困難である。このため、安定性を考慮して、アプリケーションにより規定される最大トルクに基づいて電機子電流の大きさを決める必要があり、軽負荷時には電機子電流が大きくなって効率が低下したり、電動機を駆動するインバータの容量が大きくなったりする問題がある。

このような背景から、近年では、電流引き込み制御時の電機子電流の大きさを負荷に応じて制御する技術が開発されている。
例えば、非特許文献２には、永久磁石形同期電動機の端子電圧と電機子電流とから無効電力と有効電力とを演算し、両者の比が目標値になるように電機子電流の大きさを最適に制御する制御方法が記載されている。

また、特許文献２には、回転子永久磁石のＮ極の位置（ｄ軸）と電機子電流ベクトルとの角度差が負荷の増加関数になる点に着目し、端子電圧と電機子電流とが入力される永久磁石形同期電動機の電圧方程式のモデルから前記角度差を演算し、電機子電流指令値を前記角度差の増加関数として演算する制御装置が記載されている。

田中康司，三木一郎，「拡張誘起電圧を用いた埋込磁石同期電動機の位置センサレス制御」，電気学会論文誌Ｄ，Vol.125，No.9，p.833−p.838（２００５年） 新中新二，「永久磁石同期モータのセンサレス起動・駆動のための電流比形ベクトル制御法−ミール法に立脚した有効無効電流のフィードバック制御−」，電気学会論文誌Ｄ，Vol.126，No.3，p.225−p.236（２００６年） 特開２００１−１９００９３号公報（段落［０００７］、図７等） 特開２００１−１３６７７５号公報（段落［００３８］〜［００６３］等） 特開２００６−１９７７１２号公報（段落［００１０］〜［００２０］、図１等）

ところで、非特許文献２における有効電力や特許文献２における角度差の演算には、永久磁石形同期電動機の電機子抵抗の値を正確に求めることが要求される。しかし、電機子抵抗は電機子巻線の温度により変化するため、非特許文献２や特許文献２に記載された従来技術では、電動機端子電圧に対して電機子抵抗による電圧降下の影響が大きくなる低速時に制御性能が低下する恐れがある。

そこで、本発明の解決課題は、低速時においても永久磁石形同期電動機を安定して高効率に運転可能とした制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１記載の永久磁石形同期電動機の制御装置は、永久磁石形同期電動機の電機子電流の大きさを電流指令値に一致させ、かつ、電機子電流の周波数を周波数指令値に一致させるように、電力変換器により前記電動機の端子電圧を制御するための制御装置において、
前記電流指令値を生成する電流指令演算手段は、
前記電動機の端子電圧と電機子電流とから無効電力を演算する無効電力演算手段と、前記電動機の電機子電流と周波数指令値とから無効電力指令値を演算する無効電力指令演算手段と、前記無効電力指令値と無効電力演算値との偏差を増幅した信号を用いて前記電流指令値を生成する手段と、を備えたものである。

請求項２記載の永久磁石形同期電動機の制御装置は、前記電流指令演算手段の構成が請求項１とは異なっている。
すなわち、本発明の電流指令演算手段は、前記電動機の端子電圧と電機子電流とから電機子電流と直交する電圧成分である無効電圧を演算する無効電圧演算手段と、前記電動機の電機子電流と周波数指令値とから無効電圧指令値を演算する無効電圧指令演算手段と、前記無効電圧指令値と無効電圧演算値との偏差を増幅した信号を用いて前記電流指令値を生成する手段と、を備えたものである。

請求項３記載の永久磁石形同期電動機の制御装置は、前記電流指令演算手段の構成が請求項１，２とは異なっている。
すなわち、本発明の電流指令演算手段は、前記電動機の端子電圧、電機子電流、及び、周波数指令値から電機子電流と平行成分の磁束である無効磁束を演算する無効磁束演算手段と、
前記電動機の電機子電流から無効磁束指令値を演算する無効磁束指令演算手段と、
前記無効磁束指令値と無効磁束演算値との偏差を増幅した信号を用いて前記電流指令値を生成する手段と、を備えたものである。

本発明によれば、無効電力偏差、無効電圧偏差または無効磁束偏差を用いて、原理的に電機子抵抗の影響を受けずに電流指令値を演算することができると共に、軽負荷時の電流増加を防いで効率の低下を防止することができる。
また、低速時にも制御性能が低下しにくく、永久磁石形同期電動機を安定して駆動することが可能である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１はこの実施形態に係る制御装置を主回路と共に示したブロック図である。図１の主回路において、５０は三相交流電源、６０は三相交流電圧を直流電圧に変換する整流回路、７０は直流電圧を所定の大きさ及び周波数の交流電圧に変換するインバータ等の電力変換器、８０は電力変換器７０の出力電圧が供給される永久磁石形同期電動機である。
なお、電動機８０は磁極位置検出器を備えていない。

始めに、電動機８０の電機子電流の大きさを電流指令値に一致させ、かつ、電機子電流の周波数を周波数指令値に一致させるように電力変換器７０を制御する方法について説明する。
まず、制御演算は、角周波数ω_１で回転する直交座標（γ−δ軸）上で行う。図５は、このγ−δ軸及びｄ−ｑ軸の定義を示す図であり、θ_ｅｒｒはγ−δ軸とｄ−ｑ軸との角度差である。電動機８０の永久磁石回転子による磁束軸と平行な軸をｄ軸、このｄ軸に直交する軸をｑ軸とする。なお、ｄ−ｑ軸すなわち回転子は角周波数ω_ｒで回転するものとする。

電流指令演算器１８は、周波数指令値ω^＊（＝ω_１）、γ軸，δ軸電流検出値ｉ_γ，ｉ_δ、及び、γ軸，δ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊，ｖ_δ ^＊から、γ軸，δ軸電流指令値ｉ_γ ^＊，ｉ_δ ^＊を演算する。電流指令演算器１８による演算の詳細については、後述する。

電気角演算器１２は、周波数指令値ω_１を積分して電気角指令値θ_１を演算する。
電動機８０の入力側のｕ相電流検出器１１ｕ及びｗ相電流検出器１１ｗによってそれぞれ検出した相電流検出値ｉ_ｕ，ｉ_ｗは、電流座標変換器１４により、電気角指令値θ_１を用いてγ軸，δ軸電流検出値ｉ_γ，ｉ_δにそれぞれ座標変換される。

電流指令演算器１８から出力されたγ軸電流指令値ｉ_γ ^＊とγ軸電流検出値ｉ_γとの偏差が減算器１９ａにより演算され、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ｖ_γ ^＊を演算する。一方、δ軸電流指令値ｉ_δ ^＊とδ軸電流検出値ｉ_δとの偏差が減算器１９ｂにより演算され、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ｖ_δ ^＊が演算される。
これらのγ軸，δ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊，ｖ_δ ^＊は、電圧座標変換器１５により、電気角指令値θ_１を用いて相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に変換される。

ＰＷＭ回路１３は、電力変換器７０の出力電圧を前記相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊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し、電動機８０の端子電圧を相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に制御する。

次に、前記電流指令演算器１８の詳細な構成及び動作を説明する。
まず、δ軸電流ｉ_δを零に制御した場合、無効電力Ｑは数式１によって表される。すなわち、無効電力Ｑは、角度差θ_ｅｒｒ及びγ軸電流ｉ_γの関数である。

表面磁石構造の永久磁石形同期電動機の場合、角度差θ_ｅｒｒを９０〔deg〕に制御すればγ軸電流を最小化することができる。一方、埋込磁石構造の永久磁石形同期電動機の場合には、角度差θ_ｅｒｒを９０〜１３５〔deg〕の所定の動作点に制御すれば、γ軸電流を最小化することができる。

このため、永久磁石形同期電動機の構造に応じて、無効電力Ｑを、γ軸電流が最小となる角度差θ_ｅｒｒの値を数式１に代入して求めた値に制御すれば、γ軸電流は最小になり、電機子抵抗による影響を低減することができる。ただし、実際には、安定性を考慮して、無効電力Ｑが前述した電流最小条件時の値よりもやや大きい値になるようにγ軸電流を制御するのがよい。
なお、数式１には電機子抵抗の値が含まれていない。すなわち、本実施形態によれば電機子抵抗の影響を受けることがなく、低速時においても性能が低下するおそれはない。

図２は、図１における電流指令演算器１８の第１実施例を示すブロック図である。なお、図２では、電流指令演算器を符号１８１にて示している。
図２において、無効電力指令演算器１０１は、数式２により無効電力指令値Ｑ^＊を演算する。

この数式２は、ｉ_δを零とすれば前記数式１に相当しており、数式２における無効電力指令演算係数Ｋ_Ｑ１，Ｋ_Ｑ２は、Ｋ_Ｑ１＝ψ_ｍｃｏｓθ_ｅｒｒ，Ｋ_Ｑ２＝Ｌ_ｑ＋（Ｌ_ｄ−Ｌ_ｑ）ｃｏｓ^２θ_ｅｒｒである。
一方、無効電力演算器１０２は、数式３により無効電力Ｑを演算する。

無効電力指令値Ｑ^＊と無効電力演算値Ｑとの偏差が減算器１０３により演算され、この偏差は積分調節器１０４により増幅される。また、もとの電流指令値Ｉ_ａ０ ^＊と積分調節器１０４の出力とが加算器１０５により加算され、その結果がγ軸電流指令値ｉ_γ ^＊として図１の減算器１９ａに与えられる。なお、δ軸電流指令値ｉ_δ ^＊は零に制御される。

これにより、電流指令演算器１８１では、電動機８０の電機子電流と周波数指令値とから演算した無効電力指令値Ｑ^＊に無効電力Ｑが一致するようにγ軸電流指令値ｉ_γ ^＊が演算されることになり、原理的に電機子抵抗の影響を受けない無効電力に基づく制御が実行される。

次に、図３は電流指令演算器の第２実施例を示すブロック図である。なお、図３では、電流指令演算器を符号１８２にて示している。
δ軸電流を零に制御した場合、端子電圧成分のうち、電機子電流と直交する成分として定義される無効電圧ｖ_Ｑは、数式４によって表される。

数式４に示した無効電圧ｖ_Ｑの関係式は、数式１に示した無効電力Ｑの関係式と比例関係にある。このため、第１実施例と同様に、無効電圧ｖ_Ｑを、γ軸電流が最小となる角度差θ_ｅｒｒの値を数式４に代入して求めた値に制御すれば、γ軸電流の最小化が可能になる。この場合も、安定性を考慮して、無効電圧ｖ_Ｑが前述した電流最小条件時の値よりもやや大きい値になるようにγ軸電流を制御するのがよい。

図３において、無効電圧指令演算器２０１は、数式５により無効電圧指令値ｖ_Ｑ ^＊を演算する。

この数式５は、ｉ_δを零とすれば前記数式４に相当しており、数式５における無効電圧指令演算係数Ｋ_ｖＱ１，Ｋ_ｖＱ２は、Ｋ_ｖＱ１＝ψ_ｍｃｏｓθ_ｅｒｒ，Ｋ_ｖＱ２＝Ｌ_ｑ＋（Ｌ_ｄ−Ｌ_ｑ）ｃｏｓ^２θ_ｅｒｒである。
一方、無効電圧演算器２０２は、無効電圧ｖ_Ｑを数式６により演算する。

無効電圧指令値ｖ_Ｑ ^＊と無効電圧演算値ｖ_Ｑとの偏差が減算器２０３により演算され、この偏差は積分調節器２０４により増幅される。また、電流指令値Ｉ_ａ０ ^＊と積分調節器２０４の出力とが加算器２０５により加算され、その結果がγ軸電流指令値ｉ_γ ^＊として図１の減算器１９ａに与えられる。なお、δ軸電流指令値ｉ_δ ^＊は零に制御される。

これにより、図１の電流指令演算器１８２では、電動機８０の電機子電流と周波数指令値とから演算した無効電圧指令値ｖ_Ｑ ^＊に無効電圧ｖ_Ｑが一致するようにγ軸電流指令値ｉ_γ ^＊が演算されることになり、第１実施例と同様に、原理的に電機子抵抗の影響を受けない制御が実行される。

次いで、図４は電流指令演算器の第３実施例を示すブロック図である。なお、図４においては、電流指令演算器を符号１８３にて示している。
δ軸電流を零に制御した場合、鎖交磁束の成分のうち、電機子電流と平行な成分として定義される無効磁束ψ_Ｑは、数式７によって表される。

数式７に示した無効磁束ψ_Ｑの関係式は、数式１に示した無効電力Ｑの関係式と比例関係にある。このため、第１実施例と同様に、無効磁束ψ_Ｑを、γ軸電流が最小となる角度差θ_ｅｒｒの値を数式７に代入して求めた値に制御すれば、γ軸電流の最小化が可能になる。この場合も、安定性を考慮して、無効磁束ψ_Ｑが前述した電流最小条件時の値よりもやや大きい値になるようにγ軸電流を制御するのがよい。

図４において、無効磁束指令演算器３０１は、数式８により無効磁束指令値ψ_Ｑ ^＊を演算する。

この数式８は、ｉ_δを零とすれば前記数式７に相当しており、数式８における無効磁束指令演算係数Ｋ_ψＱ１，Ｋ_ψＱ２は、Ｋ_ψＱ１＝ψ_ｍｃｏｓθ_ｅｒｒ，Ｋ_ψＱ２＝Ｌ_ｑ＋（Ｌ_ｄ−Ｌ_ｑ）ｃｏｓ^２θ_ｅｒｒである。
無効磁束演算器３０２は、無効磁束ψ_Ｑを数式９により演算する。

無効磁束指令値ψ_Ｑ ^＊と無効磁束演算値ψ_Ｑとの偏差が減算器３０３により演算され、この偏差は積分調節器３０４により増幅される。もとの電流指令値Ｉ_ａ０ ^＊と積分調節器３０４の出力とが加算器３０５により加算され、その結果がγ軸電流指令値ｉ_γ ^＊として図１の減算器１９ａに与えられる。なお、δ軸電流指令値ｉ_δ ^＊は零に制御される。

本実施例において、図１の電流指令演算器１８２では、電動機８０の電機子電流から演算した無効磁束指令値ψ_Ｑ ^＊に無効磁束ψ_Ｑが一致するようにγ軸電流指令値ｉ_γ ^＊が演算されることになり、第１，第２実施例と同様に、原理的に電機子抵抗の影響を受けない制御が実行される。

本発明の実施形態を示すブロック図である。 電流指令演算器の第１実施例を示すブロック図である。 電流指令演算器の第２実施例を示すブロック図である。 電流指令演算器の第３実施例を示すブロック図である。 ｄ−ｑ軸及びγ−δ軸の定義を示す図である。

符号の説明

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
１１ｕ ｕ相電流検出回路
１１ｗ ｗ相電流検出回路
１２ 電気角演算器
１３ ＰＷＭ回路
１４ 電流座標変換器
１５ 電圧座標変換器
１８，１８１，１８２，１８３ 電流指令演算器
１９ａ，１９ｂ 減算器
２０ａ γ軸電流調節器
２０ｂ δ軸電流調節器
１０１ 無効電力指令演算器
１０２ 無効電力演算器
１０３，２０３，３０３ 減算器
１０４，２０４，３０４ 積分調節器
１０５，２０５，３０５ 加算器
２０１ 無効電圧指令演算器
２０２ 無効電圧演算器
３０１ 無効磁束指令演算器
３０２ 無効磁束演算器

Claims (3)

1. 永久磁石形同期電動機の電機子電流の大きさを電流指令値に一致させ、かつ、電機子電流の周波数を周波数指令値に一致させるように、電力変換器により前記電動機の端子電圧を制御するための制御装置において、
   前記電流指令値を生成する電流指令演算手段は、
   前記電動機の端子電圧と電機子電流とから無効電力を演算する無効電力演算手段と、
   前記電動機の電機子電流と周波数指令値とから無効電力指令値を演算する無効電力指令演算手段と、
   前記無効電力指令値と無効電力演算値との偏差を増幅した信号を用いて前記電流指令値を生成する手段と、
   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。
2. 永久磁石形同期電動機の電機子電流の大きさを電流指令値に一致させ、かつ、電機子電流の周波数を周波数指令値に一致させるように、電力変換器により前記電動機の端子電圧を制御するための制御装置において、
   前記電流指令値を生成する電流指令演算手段は、
   前記電動機の端子電圧と電機子電流とから電機子電流と直交する電圧成分である無効電圧を演算する無効電圧演算手段と、
   前記電動機の電機子電流と周波数指令値とから無効電圧指令値を演算する無効電圧指令演算手段と、
   前記無効電圧指令値と無効電圧演算値との偏差を増幅した信号を用いて前記電流指令値を生成する手段と、
   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。
3. 永久磁石形同期電動機の電機子電流の大きさを電流指令値に一致させ、かつ、電機子電流の周波数を周波数指令値に一致させるように、電力変換器により前記電動機の端子電圧を制御するための制御装置において、
   前記電流指令値を生成する電流指令演算手段は、
   前記電動機の端子電圧、電機子電流、及び、周波数指令値から電機子電流と平行成分の磁束である無効磁束を演算する無効磁束演算手段と、
   前記電動機の電機子電流から無効磁束指令値を演算する無効磁束指令演算手段と、
   前記無効磁束指令値と無効磁束演算値との偏差を増幅した信号を用いて前記電流指令値を生成する手段と、
   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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