JP2015033282A - 永久磁石型同期電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】センサレス制御の安定性を確保しつつ、高精度な位置推定をするために不要な高調波成分を適切に除去することのできる永久磁石型同期電動機の制御装置を提供すること。
【解決手段】電動機５を速度制御する制御装置の構成を示している。速度指令と位置・速度推定部６において推定された電動機５の回転速度とが演算器１に入力され、両者の差分が出力される。速度制御部２では、電動機５の回転速度が与えられた速度指令に追従するよう制御演算を行い電流指令を出力する。速度制御部２の具体的構成としては、例えば比例積分制御器がある。電流制御部３では、電流検出器４にて検出された電動機５へ流入する電流が電流指令に追従するよう制御演算を行い電動機５に印加する電圧を出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石型同期電動機のセンサレス制御装置において、特に制御安定性を確保しつつ永久磁石型同期電動機に起因する高調波成分の影響を軽減し高精度に回転角度推定する技術に関する。

従来、永久磁石型同期電動機の速度やトルクを制御する装置において、磁極位置検出器を用いない位置センサレス制御技術が実用化されている。位置センサレス制御では、電動機に印加される電圧、電動機に流れる電流、および電動機のインダクタンスなどのモータ定数を用い電動機の回転子の磁極位置や回転速度を推定し、これに基づいて電動機の速度やトルクを制御する。

しかしながら、永久磁石型同期電動機に起因する高調波成分の影響を受け、回転子の磁極位置や回転速度の推定精度が劣化し、電動機を高精度に制御することが困難になる。

これに対し、高調波成分を除去しモータの回転位置や回転速度の推定誤差を低減する技術として、例えば特許文献１に開示された技術が知られている。以下、特許文献１に開示されている技術について説明する。

図７は従来の同期リラクタンスモータの制御装置の構成の一部を示すブロック図である。モータ１０１に印加される固定座標系のα、β軸電圧（Ｖα、Ｖβ）、モータに流入する固定座標系α、β軸電流（ｉα、ｉβ）、および回転座標系ｄ、ｑ軸電流（ｉｄ，ｉｑ）が入力され、固定座標系α、β軸磁束（λα、λβ）および回転座標系ｄ、ｑ軸磁束（λｄ、λｑ）を推定し出力する磁束測定器である。

回転角推定部１０６は磁束測定器１０１の出力である固定座標系α、β軸磁束（λα、λβ）および回転座標系ｄ、ｑ軸磁束（λｄ、λｑ）の推定値を用いてモータの回転角度を推定する。速度推定部１０７は回転角推定部１０６の出力である推定回転郭を用いてモータの速度を推定する。これら推定されたモータの回転角度、速度を用いてモータのセンサレス制御が行われる。

磁束測定器１０１は、固定座標系α、β軸電流（ｉα、ｉβ）から６次高調波成分を除去するバンドパスフィルタ１０２、回転座標系ｄ、ｑ軸電流（ｉｄ，ｉｑ）から６次高調波成分を除去するローパスフィルタ１０４を有し、これら高調波成分が除去された電流を用いてモータの磁束を推定し出力する。

バンドパスフィルタ１０２やローパスフィルタ１０４を有する理由としては以下の通り説明される。

同期リラクタンスモータが集中巻モータの場合、構造的理由から固定座標系α、β軸電流や回転座標系ｄ、ｑ軸電流の波形に６次高調波成分が含まれるため、結果としてモータの推定回転角度が正確に推定されずリップルを含む現象が生じ、センサレス制御システムの精度と安定性が悪くなるという課題がある。これを解決するためにバンドパスフィルタ１０２やローパスフィルタ１０４により高調波成分を除去するために付加されている。

特許文献１等は同期リラクタンスモータの制御装置に関するものであるが、モータの構造的理由から電流等に高調波成分が含まれ、結果としてモータの回転位置を正確に推定できずセンサレス制御システムの精度や安定性が悪くなることは、他のモータ、例えば永久磁石型同期電動機の制御装置でも同様に考えることができる。従って、バンドパスフィルタやローパスフィルタで高調波成分を除去する構成は他のモータの制御システムにも適用可能である。

また、非特許文献１等には、推定位置誤差情報を利用したＩＰＭＳＭの位置・速度センサレス制御に関する技術が記されている。

特開２００４−１２０９９３号公報

「推定位置誤差情報を利用したＩＰＭＳＭの位置・速度センサレス制御」電気学会論文誌Ｄ、１２２巻、Ｎｏ．７、２００２

従来の課題を解決するために、永久磁石型同期電動機の回転子の実回転位置と、永久磁石型同期電動機の制御装置内に用いる推定回転位置との位置誤差を、少なくとも永久磁石型同期電動機に印加される電圧値および流入する電流値を用いて演算し、この記位置誤差が０に収束するよう推定回転位置を補償し出力する位置推定部を有し、位置推定部内又は位置推定部と他部との接続間に配置され有効／無効の切り換え可能でかつノッチ周波数変更可能な少なくとも１つ以上のノッチフィルタを有し、このノッチフィルタは、ノッチフィルタを設定した時に前記位置推定部が制御安定となるよう設定をする。

これにより制御安定性を確保しつつ永久磁石型同期電動機に起因する高調波成分の影響を軽減し高精度に回転角度推定することができ、結果として電動機を高精度に制御可能である。

第１の発明は、永久磁石型同期電動機の回転子の実回転位置と、前記永久磁石型同期電動機の制御装置内に用いる推定回転位置との位置誤差を、少なくとも永久磁石型同期電動機に印加される電圧値及び流入する電流値を用いて演算し、前記位置誤差が零に収束するよう前記推定回転位置を補償し出力する位置推定部を有し、出力された推定回転位置を用いて駆動する永久磁石型同期電動機の制御装置において、前記位置推定部の内又は前記位置推定部と他部との接続間に配置され有効／無効の切り換え可能でかつノッチ周波数変更可能な少なくとも１つ以上のノッチフィルタを有し、さらに前記ノッチフィルタには、このノッチフィルタを設定した時に前記位置推定部が制御安定となるよう設定をする構成を有する永久磁石型同期電動機の制御装置である。

第２の発明は、第１の発明の永久磁石型同期電動機の制御装置において、前記有効／無効の切り換え可能でかつノッチ周波数変更可能な少なくとも１つ以上のノッチフィルタは、前記位置推定部の内の位置誤差演算の後段に配置する構成を含む永久磁石型同期電動機の制御装置である。

第３の発明は、第１の発明の永久磁石型同期電動機の制御装置において、前記有効／無効の切り換え可能でかつノッチ周波数変更可能な少なくとも１つ以上のノッチフィルタは、前記永久磁石型同期電動機に印加される電圧値および流入する電流値が前記位置推定部へ入力される位置に配置する構成を含む永久磁石型同期電動機の制御装置である。

第４の発明は、第１の発明の永久磁石型同期電動機の制御装置において、前記ノッチフィルタは、ノッチフィルタの設定条件を変更して前記位置推定部が制御安定となる設定条件を探索し、探索結果に基づいて設定する構成を含む永久磁石型同期電動機の制御装置である。

第５の発明は、第１の発明の永久磁石型同期電動機の制御装置において、前記ノッチフィルタは、電動機回転数や電動機に流入する電流の条件と前記位置推定部の制御安定を満足できるノッチフィルタの設定の関係を予め算出する構成を有し、駆動時の電動機回転数や電動機に流入する電流および前記関係に基づいて設定する構成を含む永久磁石型同期電動機の制御装置である。

本発明の永久磁石型同期電動機の制御装置は、ノッチフィルタの有無による安定性判断に基づいてノッチフィルタを使用するかどうか、および使用可能であれば使用可能個数がいくつかを適切に判断することができるため、センサレス制御の安定性を確保しつつ、高精度な位置推定をするために不要な高調波成分を適切に除去可能である。これにより電動機を高精度に制御可能である。

本発明の実施例における制御装置の構成を示すブロック図 本発明の実施例における電流制御部の構成を示すブロック図 センサレス推定制御の技術を説明するためのオブザーバの制御ブロック図 センサレス推定制御をフィードバック系とみなす等価回路図 本発明の実施例における位置・速度推定部の構成を示すブロック図 本発明の実施例におけるノッチフィルタを付加したセンサレス推定制御をフィードバック系とみなす等価回路図 本発明の実施例におけるノッチフィルタ使用個数を判断するフローチャート 従来の制御装置の構成の一部を示すブロック図

本発明は、永久磁石型同期電動機の回転子の実回転位置と、永久磁石型同期電動機の制御装置内に用いる推定回転位置との位置誤差を、少なくとも永久磁石型同期電動機に印加される電圧値および流入する電流値を用いて演算し、この記位置誤差が０に収束するよう推定回転位置を補償し出力する位置推定部を有し、位置推定部内又は位置推定部と他部との接続間に配置され有効／無効の切り換え可能でかつノッチ周波数変更可能な少なくとも１つ以上のノッチフィルタを有する。

そして、このノッチフィルタは、ノッチフィルタを設定した時に前記位置推定部が制御安定となるよう設定をする。

これにより制御安定性を確保しつつ永久磁石型同期電動機に起因する高調波成分の影響を軽減し高精度に回転角度推定することができ、結果として電動機を高精度に制御することができる。

以下、本発明について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施例によって本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施例における制御装置の構成を示すブロック図である。図１は電動機５を速度制御する制御装置の構成を示している。速度指令と位置・速度推定部６において推定された電動機５の回転速度とが演算器１に入力され、両者の差分が出力される。

速度制御部２では、電動機５の回転速度が与えられた速度指令に追従するよう制御演算を行い電流指令を出力する。速度制御部２の具体的構成としては、例えば比例積分制御器がある。電流制御部３では、電流検出器４にて検出された電動機５へ流入する電流が電流指令に追従するよう制御演算を行い電動機５に印加する電圧を出力する。

また、電流制御部３は、制御演算で得られる電流と電圧の情報を位置・速度推定部６へ出力する。位置・速度推定部６は電流制御部３から入力される電流と電圧の情報を用いて電動機５の回転位置や回転速度を推定し出力する。

図２は電流制御部３の構成を示すブロック図である。電流検出器４で検出された３相検出電流（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）は第２の座標変換器３３に入力され回転座標系ｄ、ｑ軸電流（ｉｄ、ｉｑ）に変換される。第２の座標変換器は（１）式に示す静止座標系から回転座標系への変換演算を行う。

ここでθは位置・速度推定部６から入力された推定回転位置の電気角換算値である。ＰＩ制御器３１は、第２の座標変換器３３で演算された電流値が入力された電流指令に追従するよう比例積分演算し回転座標系ｄ、ｑ軸電圧指令（ｖｄ、ｖｑ）を出力する。この電圧指令は第１の座標変換器３２に入力され３相出力電圧に変換される。第１の座標変換器は（２）式に示す回転座標系から静止座標系への変換演算を行う。

次に位置・速度推定部６について説明する。位置・速度を推定する技術はいろいろ知られているが、例えば、上述の非特許文献１に記された技術がある。

ここで非特許文献１に記載されているセンサレス制御について説明する。拡張誘起電圧を用いた回転座標系ｄ、ｑ軸の永久磁石型同期電動機の電圧方程式は（３）式、（３）式の内のＥｘは（４）式で表される。

ここで、ｖｄ、ｖｑは回転座標系ｄ、ｑ軸電圧、ｉｄ、ｉｑは回転座標系ｄ、ｑ軸電流、Ｒは電動機の電機子抵抗、Ｌｄ、Ｌｑは回転座標系ｄ、ｑ軸インダクタンス、Ｅｘは拡張誘起電圧、ψは永久磁石による電機子鎖交磁束、ωは電動機の回転速度の電気角換算値、ｐは微分演算子である。ここで回転座標系ｄ、ｑ軸に対しθｅｒｒの遅れがある回転座標系γ、δ座標系を定義すると、電圧方程式は（５）式、（５）式の内のεγ、εδは（６）式で表される。

ここでｖγ、ｖδは回転座標系γ、δ軸電圧、ｉγ、ｉδは回転座標系γ、δ軸電流、εγ、εδはθｅｒｒによって生じる拡張誘起電圧誤差、ω＾は電動機の推定回転速度の電気角換算値である。（５）式を変形すると（７）式が得られる。

ここで図３に示す一般的な外乱オブザーバを用いて拡張誘起電圧誤差εγ＾、εδ＾を推定できる。ここでｇ／（ｓ＋ｇ）は最小次元オブザーバにするためフィルタである。
（７）式の第２項は第１項に比べ十分小さく無視すると位置誤差θｅｒｒは（８）式で計算できる。

この位置誤差θｅｒｒが０になるよう補償することで回転速度、回転位置を推定することができる。これは等価的に図４のように表すことができ、推定位置を実位置に追従させるフィードバック系と見なせる。図４の点線で囲った部分がオブザーバを用いた位置誤差θｅｒｒの算出に相当する。図４において補償器としては例えば比例積分制御器がある。

（３）式や（５）式は電圧方程式の基本波成分について成り立つ式であり、モータ構造に起因して電流や電圧に高調波成分が含まれると位置推定誤差を生じる。一般的に高調波成分は回転速度の電気周波数換算値の６ｎ倍となる（ｎは整数値）。そこで推定された回転数に応じて高調波成分の周波数を求め、その周波数成分を除去するノッチフィルタを位置・速度推定部内に付加する。

図５に位置・速度推定部６の制御ブロック図を示す。６１は位置誤差推定器で電流・電圧およびモインダクタンス等のモータ定数を用いて（数８）に示した位置誤差θｅｒｒを推定する。推定された位置誤差θｅｒｒは第１のノッチフィルタ６３１から第ｎのノッチフィルタ６３ｎにより高調波成分が除去され、位置・速度推定演算器６２に入力される。位置・速度推定演算器６２は図４に示した補償器および積分器である。

図４にノッチフィルタを付加した等価的な制御ブロック図を図６に示す。図６においてノッチフィルタ群は第１のノッチフィルタから第ｎのノッチフィルタまでの中で設定されるノッチフィルタが直列に接続されているものを示す。図６もフィードバック系の構成となっているため、安定性の確保が重要となる。そこで図７に示すフローチャートに従ってノッチフィルタの使用可否および使用個数を決定する。

まず、推定回転数が変化したかを判断する（Ｓ１）。変化してなければ何もせず終了する、変化していればｎ＝１とする（Ｓ２）。次に第１のノッチフィルタで除去する中心周波数であるノッチ周波数を回転速度の電気周波数換算値の６ｎ（ｎ＝１）倍に設定する（Ｓ３）。

そして図６に示す制御系に第１のノッチフィルタを付加し、安定な制御系かどうかを判定する（Ｓ４）。図６の各要素は伝達関数表現が可能であるので図６のフィードバック系の伝達関数表現が可能である。

従って安定性判別は公知の安定判別法、例えばラウス・フィルヴィッツの判別法などを用いることで安定な制御系かどうかを判定することができる。もし安定と判断されれば第１のノッチフィルタを設定し、ｎ＝２とする（Ｓ５）。

そしてＳ３に戻り同様のノッチ周波数設設定（Ｓ３）と、追加付加した時の安定性判断（Ｓ４）を行う。Ｓ４で不安定と判断されるまで繰り返すことでノッチフィルタの使用可否および使用個数が自動的に決められる。

図７に示すフローチャートを定期的に回す事で、常にセンサレス制御の安定性を確保しつつ、高精度な位置推定をするために不要な高調波成分を適切に除去できる。これにより電動機を高精度に制御することができる。

なお、本実施例では推定された位置誤差θｅｒｒをノッチフィルタに通して高調波を除去するとしたが、入力される回転座標系の電流・電圧をノッチフィルタに通す構成や、電流・電圧を用いて演算された中間変数をノッチフィルタに通す構成としてもよい。同様の効果が得られることはいうまでもない。

また、本実施例では非特許文献１のセンサレス技術を用いた例に本発明を適用して説明したが、他のセンサレス技術に適用してもよい。

また、図７に示すフローチャートに従ってノッチフィルタの使用可否および使用個数を決める例を示したが、予め回転数や電動機電流等の条件と制御安定性を確保できるノッチフィルタの個数の関係を求めてテーブル化しておき、回転数や電動機電流等の駆動条件に応じてノッチフィルタの個数を得て、ノッチ周波数設定・付加をするとしてもよい。

以上のように、永久磁石型同期電動機の制御装置は、駆動時にノッチフィルタの有無による安定性判断に基づいてノッチフィルタを使用するかどうか、および使用可能であれば使用可能個数がいくつかを適切に判断することができるため、センサレス制御の安定性を確保しつつ、高精度な位置推定をするために不要な高調波成分を適切に除去できる。

これにより電動機を高精度に制御することができる。従って、モータ定数を用いて制御を行う永久磁石型同期電動機を位置センサレスにて駆動する、例えばコンプレッサ等の用途にも適用できる。

１ 演算器
２ 速度制御部
３ 電流制御部
４ 電流検出器
５ 電動機
６ 位置・速度推定部

Claims (5)

1. 永久磁石型同期電動機の回転子の実回転位置と、前記永久磁石型同期電動機の制御装置内に用いる推定回転位置との位置誤差を、少なくとも永久磁石型同期電動機に印加される電圧値及び流入する電流値を用いて演算し、前記位置誤差が零に収束するよう前記推定回転位置を補償し出力する位置推定部を有し、出力された推定回転位置を用いて駆動する永久磁石型同期電動機の制御装置において、前記位置推定部の内又は前記位置推定部と他部との接続間に配置され有効又は無効の切り換え可能でかつノッチ周波数変更可能な少なくとも１つ以上のノッチフィルタを有し、さらに前記ノッチフィルタには、このノッチフィルタを設定した時に前記位置推定部が制御安定となるよう設定をする構成を有する永久磁石型同期電動機の制御装置。
2. 請求項１記載の永久磁石型同期電動機の制御装置において、前記有効又は無効の切り換え可能でかつノッチ周波数変更可能な少なくとも１つ以上のノッチフィルタは、前記位置推定部の内の位置誤差演算の後段に配置する構成を含む永久磁石型同期電動機の制御装置。
3. 請求項１記載の永久磁石型同期電動機の制御装置において、前記有効／無効の切り換え可能でかつノッチ周波数変更可能な少なくとも１つ以上のノッチフィルタは、前記永久磁石型同期電動機に印加される電圧値および流入する電流値が前記位置推定部へ入力される位置に配置する構成を含む永久磁石型同期電動機の制御装置。
4. 請求項１記載の永久磁石型同期電動機の制御装置において、前記ノッチフィルタは、ノッチフィルタの設定条件を変更して前記位置推定部が制御安定となる設定条件を探索し、探索結果に基づいて設定する構成を含む永久磁石型同期電動機の制御装置。
5. 請求項１記載の永久磁石型同期電動機の制御装置において、前記ノッチフィルタは、電動機回転数や電動機に流入する電流の条件と前記位置推定部の制御安定を満足できるノッチフィルタの設定の関係を予め算出する構成を有し、駆動時の電動機回転数や電動機に流入する電流および前記関係に基づいて設定する構成を含む永久磁石型同期電動機の制御装置。

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