特許 6880448 同期電動機の制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6880448

(24)【登録日】2021年5月10日

(45)【発行日】2021年6月2日

(54)【発明の名称】同期電動機の制御装置

(51)【国際特許分類】

   H02P 21/18 20160101AFI20210524BHJP

   H02P 6/18 20160101ALI20210524BHJP

【ＦＩ】

   H02P21/18

   H02P6/18

【請求項の数】2

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2017-84133(P2017-84133)

(22)【出願日】2017年4月21日

(65)【公開番号】特開2018-183005(P2018-183005A)

(43)【公開日】2018年11月15日

【審査請求日】2020年3月13日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091281

【弁理士】

【氏名又は名称】森田 雄一

(72)【発明者】

【氏名】野村 尚史

(72)【発明者】

【氏名】彦根 修

【審査官】 大島 等志

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−９７２６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２７８５９４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｐ ２１／１８

Ｈ０２Ｐ ６／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

同期電動機の端子電圧及び電流をベクトルとしてとらえ、
前記同期電動機の静止座標系の端子電圧、静止座標系の電流、及び、前記同期電動機の電機子抵抗から、前記同期電動機の電機子鎖交磁束によって誘導される誘起電圧を演算する手段と、
前記誘起電圧に拡張磁束推定値を負帰還した値を積分して、電機子鎖交磁束推定値を演算する手段と、
前記電機子鎖交磁束推定値、前記静止座標系の電流、及び、前記同期電動機の回転子磁極に対して直交方向のインダクタンスであるｑ軸インダクタンスから、前記拡張磁束推定値を演算する手段と、
前記拡張磁束推定値から前記同期電動機の速度及び磁極位置を推定する手段と、
を備えたことを特徴とする同期電動機の制御装置。

【請求項2】

同期電動機の端子電圧及び電流をベクトルとしてとらえ、
前記同期電動機の電機子鎖交磁束推定値、静止座標系の電流、及び、前記同期電動機の回転子磁極に対して直交方向のインダクタンスであるｑ軸インダクタンスから、第１の拡張磁束推定値を演算する手段と、
前記同期電動機の静止座標系の端子電圧、静止座標系の電流、及び、前記同期電動機の電機子抵抗から、前記同期電動機の電機子鎖交磁束によって誘導される誘起電圧を演算する手段と、
前記誘起電圧に前記第１の拡張磁束推定値を負帰還した値を積分して、前記同期電動機の電機子鎖交磁束推定値を演算する手段と、
前記電機子鎖交磁束推定値、前記静止座標系の電流、及び、前記ｑ軸インダクタンスから、第２の拡張磁束推定値を演算する手段と、
前記第２の拡張磁束推定値から前記同期電動機の速度及び磁極位置を推定する手段と、
を備え、
前記第１の拡張磁束推定値の演算処理、前記電機子鎖交磁束推定値の演算処理、前記第２の拡張磁束推定値の演算処理を順次実行することを特徴とする同期電動機の制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、永久磁石同期電動機や同期リラクタンス電動機等の同期電動機の磁極位置を演算する技術に関するものである。

【背景技術】

【0002】

同期電動機の制御装置をコストダウンするための技術として、磁極位置検出器なしで運転する、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、電動機の端子電圧及び電流の情報から回転子の速度と磁極位置とを演算し、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。

【0003】

ここで、特許文献１には、センサレスにてベクトル制御される同期リラクタンス電動機において、回転子の磁極方向に発生する突極磁束を２次状態オブザーバにより推定し、この突極磁束推定値に基づいて速度及び磁極位置を演算する制御装置が記載されている。
上記の２次状態オブザーバによれば、回転子の磁極方向に発生する突極磁束を正確に推定することが可能であるが、複雑な演算が必要である。

【0004】

一方、電動機の電圧、電流を静止座標系でとらえ、磁束によって誘導される誘起電圧を不完全積分することにより磁束を推定する方法が知られている。

【0005】

例えば、非特許文献１には、誘導電動機において、静止座標系の一次電圧と一次電流とから二次鎖交磁束によって誘導される誘起電圧を演算し、この誘起電圧を不完全積分して二次鎖交磁束を推定する方法が開示されている（同文献の（１６）式、図２等を参照）。
また、非特許文献２には、埋込磁石同期電動機において、静止座標系の端子電圧と電流から電機子鎖交磁束によって誘導される誘起電圧を演算し、この誘起電圧を不完全積分して電機子鎖交磁束を推定する方法が開示されている（同文献の（(１)，(２)，(２１)式等を参照））。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特許第４６４４０１０号公報（［００５６］〜［００６０］、図４等）

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】大谷ほか，「ベクトル制御による誘導電動機の速度センサレスドライブ」，電気学会論文誌Ｄ，Ｖｏｌ．１０７，Ｎｏ．２，ｐ．１９９−ｐ．２０６（１９８７年）

【非特許文献2】井上ほか，「直接トルク制御による埋込磁石同期モータ駆動時のトルク応答性に関する検討と応答改善法」，電気学会論文誌Ｄ，Ｖｏｌ．１２９，Ｎｏ．３，ｐ．２４３−ｐ．２５１（２００９年）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

上述した各従来技術には、永久磁石同期電動機や同期リラクタンス電動機等の同期電動機を対象として、回転子の磁極方向に発生する磁束を簡単かつ正確に推定する技術については明確に開示されていない。
そこで、本発明の解決課題は、回転子の磁極方向に発生する磁束を従来よりも簡単かつ正確に推定し、この磁束推定値に基づいて電動機の速度及び磁極位置を演算可能とした同期電動機の制御装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、同期電動機の端子電圧及び電流をベクトルとしてとらえ、
前記同期電動機の静止座標系の端子電圧、静止座標系の電流、及び、前記同期電動機の電機子抵抗から、前記同期電動機の電機子鎖交磁束によって誘導される誘起電圧を演算する手段と、
誘起電圧に拡張磁束推定値を負帰還した値を積分して、電機子鎖交磁束推定値を演算する手段と、
前記電機子鎖交磁束推定値、前記静止座標系の電流、及び、前記同期電動機の回転子磁極に対して直交方向のインダクタンスであるｑ軸インダクタンスから、前記拡張磁束推定値を演算する手段と、
前記拡張磁束推定値から前記同期電動機の速度及び磁極位置を推定する手段と、
を備えたことを特徴とする。

【0010】

請求項２に係る発明は、同期電動機の端子電圧及び電流をベクトルとしてとらえ、
前記同期電動機の電機子鎖交磁束推定値、静止座標系の電流、及び、前記同期電動機の回転子磁極に対して直交方向のインダクタンスであるｑ軸インダクタンスから、第１の拡張磁束推定値を演算する手段と、
前記同期電動機の静止座標系の端子電圧、静止座標系の電流、及び、前記同期電動機の電機子抵抗から、前記同期電動機の電機子鎖交磁束によって誘導される誘起電圧を演算する手段と、
前記誘起電圧に前記第１の拡張磁束推定値を負帰還した値を積分して、前記同期電動機の電機子鎖交磁束推定値を演算する手段と、
前記電機子鎖交磁束推定値、前記静止座標系の電流、及び、前記ｑ軸インダクタンスから、第２の拡張磁束推定値を演算する手段と、
前記第２の拡張磁束推定値から前記同期電動機の速度及び磁極位置を推定する手段と、
を備え、
前記第１の拡張磁束推定値の演算処理、前記電機子鎖交磁束推定値の演算処理、前記第２の拡張磁束推定値の演算処理を順次実行することを特徴とする。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、従来よりも簡単な演算により、同期電動機の速度及び磁極位置を正確に推定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の実施形態に係る制御装置のブロック図である。

【図2】座標軸の定義を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る同期電動機の制御装置を示すブロック図であり、本発明を永久磁石同期電動機（以下、ＰＭＳＭという）の制御装置に適用した場合のものである。

【0015】

ＰＭＳＭは、回転子に同期した直交回転座標を構成するｄ，ｑ軸上で電流，電圧を制御することにより、高性能なトルク制御や速度制御を実現することができる。ここで、回転子の磁極（Ｎ極）方向をｄ軸と定義し、ｄ軸から９０°進み方向をｑ軸と定義する。
しかしながら、磁極位置検出器を用いずにＰＭＳＭを運転するセンサレス制御の場合、ｄ，ｑ軸の位置を直接検出することができない。そこで、制御装置では、ｄ，ｑ軸の推定軸であるγ，δ軸を内部に仮想して制御演算を行う。

【0016】

図２は、これらの座標軸の定義を説明するための図である。なお、α，β軸は直交静止座標の構成軸である。
図２において、ＰＭＳＭのｕ相巻線を基準としたγ軸の角度（位置推定値）θ_ｒｅｓｔとｕ相巻線を基準としたｄ軸の角度（磁極位置）θ_ｒとの角度差（位置推定誤差）θ_ｅｒｒを、数式１により定義する。
［数１］
θ_ｅｒｒ＝θ_ｒｅｓｔ−θ_ｒ
また、ｄ，ｑ軸の角速度をω_ｒ（回転子速度）と定義し、γ，δ軸の角速度（速度推定値）をω_ｒｅｓｔと定義する。

【0017】

次に、図１の制御ブロック図について説明する。
まず、ＰＭＳＭの速度制御、電流制御、及び、電圧制御について説明する。
図１において、速度指令値ω_ｒ^＊と速度推定値ω_ｒｅｓｔとの偏差を減算器１６により演算する。速度調節器１７は、上記の偏差をゼロにするように動作してトルク指令値τ^＊を演算する。

【0018】

電流指令演算器１８は、トルク指令値τ^＊及び速度推定値ω_ｒｅｓｔから、所望のトルクを発生するためのｄ軸電流指令値ｉ_ｄ^＊及びｑ軸電流指令値ｉ_ｑ^＊を演算し、これらのｄ軸電流指令値ｉ_ｄ^＊、ｑ軸電流指令値ｉ_ｑ^＊をそれぞれγ軸電流指令値ｉ_γ^＊、δ軸電流指令値ｉ_δ^＊として制御に用いる。

【0019】

一方、ｕ相電流検出器１１ｕ、ｗ相電流検出器１１ｗを用いてＰＭＳＭ８０の入力側から得た相電流検出値ｉ_ｕ，ｉ_ｗを３相／２相変換器２５に入力し、これらの相電流検出値ｉ_ｕ，ｉ_ｗ、及び、演算により得たｉ_ｖをα，β軸の電流ｉ_α，ｉ_βに座標変換する。α，β軸は、前述したごとく直交静止座標の構成軸であり、ＰＭＳＭ８０のｕ相巻線方向をα軸と定義し、α軸から９０°進み方向をβ軸と定義する。

【0020】

座標変換器１４は、α，β軸電流検出値ｉ_α，ｉ_βを、位置推定値θ_ｒｅｓｔを用いてγ，δ軸電流検出値ｉ_γ，ｉ_δに座標変換する。
減算器１９ａはγ軸電流指令値ｉ_γ^＊とγ軸電流検出値ｉ_γとの偏差を求め、γ軸電流調節器２０ａは上記偏差をゼロにするように動作してγ軸電圧指令値ｖ_γ^＊を演算する。また、減算器１９ｂはδ軸電流指令値ｉ_δ^＊とδ軸電流検出値ｉ_δとの偏差を求め、δ軸電流調節器２０ｂは上記偏差をゼロにするように動作してδ軸電圧指令値ｖ_δ^＊を演算する。

【0021】

座標変換器１５は、γ，δ軸電圧指令値ｖ_γ^＊，ｖ_δ^＊を、位置推定値θ_ｒｅｓｔを用いてα，β軸電圧指令値ｖ_α^＊，ｖ_β^＊に座標変換する。２相／３相変換器２６は、α，β軸電圧指令値ｖ_α^＊，ｖ_β^＊を相電圧指令値ｖ_ｕ^＊，ｖ_ｖ^＊，ｖ_ｗ^＊に座標変換する。

【0022】

整流回路６０は、三相交流電源５０の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ｖ_ｕ^＊，ｖ_ｖ^＊，ｖ_ｗ^＊から、電力変換器７０の出力電圧を前記相電圧指令値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ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子を制御することにより、ＰＭＳＭ８０の端子電圧を相電圧指令値ｖ_ｕ^＊，ｖ_ｖ^＊，ｖ_ｗ^＊に制御する。
以上に述べた制御により、ＰＭＳＭ８０の速度を速度指令値ω_ｒ^＊に従って制御することができる。

【0023】

次に、ＰＭＳＭ８０の速度及び磁極位置の推定について説明する。
ＰＭＳＭのｄ，ｑ軸電圧方程式は、電機子鎖交磁束に着目すると数式２となる。

【数2】

【0024】

数式２の電圧方程式は、ｄ軸方向に発生する磁束（回転子磁極と平行方向に発生する磁束）である拡張磁束を用いて、数式３のように表現することができる。

【数3】

【0025】

ｄ，ｑ軸電機子鎖交磁束とｄ，ｑ軸拡張磁束との間には、数式４の関係がある。
［数４］
Ψ_ｄｑ＝Ψ_ｅｘｄｑ＋Ｌ_ｑｉ_ｄｑ

【0026】

一方、ＰＭＳＭのα，β軸電圧方程式は、電機子鎖交磁束に着目すると数式５となる。

【数5】

【0027】

数式５の右辺第２項は、電機子鎖交磁束の微分項であり、電機子鎖交磁束によって誘導される誘起電圧である。
ここで、α，β軸電機子鎖交磁束とｄ，ｑ軸電機子鎖交磁束、α，β軸拡張磁束とｄ，ｑ軸拡張磁束、α，β軸電流とｄ，ｑ軸電流との間には、それぞれ数式６の関係が成り立つ。

【数6】

【0028】

数式４、数式６より、Ｃ（θ_ｒ）^−１ Ψ_αβ＝Ｃ（θ_ｒ）^−１（Ψ_ｅｘαβ＋Ｌ_ｑｉ_αβ）であるから、α，β軸電機子鎖交磁束とα，β軸拡張磁束との関係は数式７のようになる。
［数７］
Ψ_αβ＝Ψ_ｅｘαβ＋Ｌ_ｑｉ_αβ

【0029】

数式７より、ｐΨ_αβ＝ｐΨ_ｅｘαβ＋ｐＬ_ｑｉ_αβであり、この関係を数式５に代入することにより、ＰＭＳＭのα，β軸電圧方程式は、拡張磁束を用いて数式８のようになる。
［数８］
ｖ_αβ＝Ｒ_ａｉ_αβ＋ｐＬ_ｑｉ_αβ＋ｐΨ_ｅｘαβ

【0030】

数式８の右辺第３項は、拡張磁束の微分項であり、拡張磁束によって誘導される誘起電圧に相当する。この誘起電圧を拡張誘起電圧と定義する。
先に説明したように、拡張磁束はｄ軸方向に発生する磁束である。このため、α，β軸拡張磁束の角度から、磁極位置を推定することができる。

【0031】

図１における磁束推定器３１は、α，β軸電圧指令値ｖ_α^＊，ｖ_β^＊及びα，β軸電流検出値ｉ_α，ｉ_βに基づいて、α，β軸拡張磁束を推定する。
この磁束推定器３１によるα，β軸拡張磁束推定値の演算方法の一例を以下に説明する。

【0032】

磁束推定器３１は、拡張誘起電圧ｅ_ｅｘαβを不完全積分することによってα，β軸拡張磁束を推定する。
まず、磁束推定器３１は、数式９によりα，β軸拡張磁束推定値Ψ_{ｅｘαβｅｓｔ}を演算する。

【数9】

【0033】

数式９のただし書きにおけるｖ_αβは、数式５のただし書きに示したようにｖ_α，ｖ_βの行列式からなり、これらのｖ_α，ｖ_βには、それぞれ、α，β軸電圧指令値ｖ_α^＊，ｖ_β^＊を用いる。すなわち、磁束推定器３１は、座標変換器１５から出力されるα，β軸電圧指令値ｖ_α^＊，ｖ_β^＊と、３相／２相変換器２５から出力されるα，β軸電流検出値ｉ_α，ｉ_βとを用いて、数式９によりα，β軸拡張磁束推定値Ψ_{ｅｘαβｅｓｔ}を演算する。

【0034】

なお、α，β軸拡張磁束を推定するには、α，β軸電圧指令値ｖ_α^＊，ｖ_β^＊の代わりに、図示されていない電圧検出回路を用いてＰＭＳＭ８０の相電圧または線間電圧を測定し、これらの値をα，β軸に座標変換して得たα，β軸電圧を用いても良い。

【0035】

図１の角度演算器３２は、α，β軸拡張磁束推定値Ψ_{ｅｘαβｅｓｔ}の角度、及び、不完全積分に伴う位置推定誤差補償値θ_{ｒｅｓｔｃｏｍｐ}から、数式１０により位置推定値θ_{ｒｅｓｔ０}を演算する。

【数10】

【0036】

速度推定器３３は、減算器３５により求めた位置推定値θ_{ｒｅｓｔ０}と積分器３４から出力される位置推定値θ_ｒｅｓｔとの偏差を比例・積分演算し、速度推定値ω_ｒｅｓｔを求める。具体的には、数式１１の演算を行う。

【数11】

【0037】

積分器３４は、速度推定値ω_ｒｅｓｔを積分して位置推定値θ_ｒｅｓｔを演算し、前記座標変換器１４，１５及び減算器３５に出力する。
減算器３５、速度推定器３３、積分器３４の演算により、位置推定値θ_ｒｅｓｔがα，β軸拡張磁束推定値Ψ_{ｅｘαβｅｓｔ}の角度から演算した位置推定値θ_{ｒｅｓｔ０}に一致するように速度推定値ω_ｒｅｓｔが演算される。また、この演算により、位置推定値θ_{ｒｅｓｔ０}に含まれるリプル成分を除去することができる。
なお、減算器３５、速度推定器３３、積分器３４による演算の代わりに、位置推定値θ_{ｒｅｓｔ０}を微分して速度推定値ω_ｒｅｓｔを求めると共に、位置推定値θ_{ｒｅｓｔ０}をそのまま位置推定値θ_ｒｅｓｔとして用いてもよい。

【0038】

（第１実施例）
次に、磁束推定器３１によるα，β軸拡張磁束推定値の演算方法の第１実施例につき説明する。
磁束推定器３１は、α，β軸電機子鎖交磁束推定値を数式１２により演算する。

【数12】

【0039】

更に、数式１２のα，β軸電機子鎖交磁束推定値を用いて、数式１３によりα，β軸拡張磁束推定値を演算する。
［数１３］
Ψ_{ｅｘαβｅｓｔ}＝Ψ_{αβｅｓｔ}−Ｌ_ｑｉ_αβ

【0040】

次いで、これらの数式１２，数式１３を用いたα，β軸拡張磁束推定値の演算が、前述した数式９によるα，β軸拡張磁束推定値の演算と同等であることについて説明する。
まず、数式９は数式１４のように変形することができる。

【数14】

【0041】

ここで、α，β軸誘起電圧を数式１５により定義する。

【数15】

数式１５を用いて数式１４を変形すると、数式１６，１７となる。

【数16】

【数17】

【0042】

次に、α，β軸電機子鎖交磁束推定値を数式１８により定義する。
この数式１８を用いて数式１７を変形することにより、前述した数式１２のα，β軸電機子鎖交磁束推定値を導出することができる。

【数18】

【0043】

また、数式１８の定義により、数式１２のα，β軸電機子鎖交磁束推定値を用いて数式１３のα，β軸拡張磁束推定値を導出することができる。
数式１３によるα，β軸拡張磁束推定値の演算は電流微分項を含まないため、電流検出回路のノイズの影響を低減することができる。

【0044】

（第２実施例）
次に、磁束推定器３１によるα，β軸拡張磁束推定値の演算方法の第２実施例につき説明する。
第１実施例によるα，β軸拡張磁束推定値Ψ_{ｅｘαβｅｓｔ}の演算には、数式１２のα，β軸電機子鎖交磁束推定値の演算にα，β軸拡張磁束推定値が必要である。数式１２の演算をソフトウェアで実現する場合には、一般に、α，β軸拡張磁束推定値として前回演算した値を用いるため、α，β軸電機子鎖交磁束推定値に遅れが発生する。
そこで、本実施例では、α，β軸電機子鎖交磁束推定値の演算を行う直前にも、α，β軸拡張磁束推定値を演算し、その結果を用いてα，β軸電機子鎖交磁束推定値を演算することにより演算遅れの解消を可能にした。

【0045】

磁束推定器３１は、まず、α，β軸拡張磁束推定値を数式１９により演算する。

【数19】

【0046】

次に、数式１９で求めたα，β軸拡張磁束推定値を用いて、α，β軸電機子鎖交磁束推定値を数式２０により演算する。

【数20】

次いで、α，β軸拡張磁束推定値を前述した数式１３により演算する。

【0047】

すなわち、本実施例では、数式１９によるα，β軸拡張磁束推定値（第１の拡張磁束推定値）の演算処理、数式２０によるα，β軸電機子鎖交磁束推定値の演算処理、数式１３によるα，β軸拡張磁束推定値（第２の拡張磁束推定値）の演算処理を、順次実行するものである。

【0048】

なお、上述した各実施例では、本発明をＰＭＳＭの制御装置に適用した場合について説明したが、本発明は、同期リラクタンス電動機にも適用可能である。この場合、具体的には、ｄ軸をインダクタンスが最大になる方向と定義し、各演算式における永久磁石磁束Ψ_ｍの値を零にすればよい。

【符号の説明】

【0049】

１１ｕ：ｕ相電流検出回路
１１ｗ：ｗ相電流検出回路
１３：ＰＷＭ回路
１４，１５：座標変換器
１６，１９ａ，１９ｂ，３５：減算器
１７：速度調節器
１８：電流指令演算器
２０ａ：γ軸電流調節器
２０ｂ：δ軸電流調節器
２５：３相／２相変換器
２６：２相／３相変換器
３１：磁束推定器
３２：角度演算器
３３：速度推定器
３４：積分器
５０：三相交流電源
６０：整流回路
７０：電力変換器
８０：永久磁石同期電動機（ＰＭＳＭ）

【図1】

【図2】