特開 2024-156560 同期モータの制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024156560

(43)【公開日】2024-11-06

(54)【発明の名称】同期モータの制御装置

(51)【国際特許分類】

   H02P 21/22 20160101AFI20241029BHJP

【ＦＩ】

H02P21/22

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023071135

(22)【出願日】2023-04-24

(71)【出願人】

【識別番号】000153122

【氏名又は名称】株式会社ニッキ

(74)【代理人】

【識別番号】110002354

【氏名又は名称】弁理士法人平和国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】出口 慶明

(72)【発明者】

【氏名】小黒 龍一

【テーマコード（参考）】

5H505

【Ｆターム（参考）】

5H505DD06

5H505EE41

5H505GG04

5H505HB01

5H505JJ25

5H505LL01

5H505LL22

(57)【要約】

【課題】同期モータの制御装置について、あらゆる回転領域で安定的に電流制御を行えるようにする。
【解決手段】三相電流又はモータ位置からｄ軸電流及びｑ軸電流に変換する電流変換手段１１と、ｄ軸電流及びｑ軸電流からｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値を算出する電流フィードバック制御演算手段１２と、ｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値を三相電圧指令値に変換する電圧指令値変換手段１３とを備え、三相電圧指令値に基づいて同期モータに出力しながらｄ軸電流を流すｄ軸電圧の出力ベクトルが回転子の磁界方向からずれる角度を縮小する補正係数を用いてｄ軸電圧及ｑ軸電圧の出力ベクトルの補正を行う同期モータの制御装置１において、回転速度の上昇に応じて補正係数を減少させながら電圧の出力を回転子の磁界方向に一致するｄ軸電圧及びｑ軸電圧よりも遅らせて高速回転時の電流の発振を抑制するものとした。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数のスイッチング素子からなるインバータと、同期モータの三相電流又はモータ位置から前記同期モータの回転子の磁界方向に同期するベクトルで表したｄ軸電流及びｑ軸電流に変換する電流変換手段と、前記ｄ軸電流及び前記ｑ軸電流から電流フィードバッグ制御を用いてｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値を算出する電流フィードバック制御演算手段と、前記ｄ軸電圧指令値及び前記ｑ軸電圧指令値を三相電圧指令値に変換する電圧指令値変換手段とを備え、前記三相電圧指令値に基づいて前記スイッチング素子をオン・オフ制御しながら前記同期モータに出力を行うとともに、前記磁界方向に一致した磁界を発生させるようにｄ軸電流を流すｄ軸電圧の出力ベクトルが前記磁界方向からずれる角度を縮小するために予め定めた補正係数を用いながら、前記ｄ軸電圧及びこれに直交するｑ軸電圧の出力ベクトルの補正を行う同期モータの制御装置において、
前記同期モータの回転速度の上昇に応じて前記補正係数を減少させながら、電圧の出力を前記磁界方向に一致した磁界を発生させるｄ軸電圧及びｑ軸電圧よりも遅らせる制御を実行することにより、高速回転時における電流の発振を抑制することを特徴とする同期モータの制御装置。

【請求項2】

前記補正係数の減少は、前記同期モータの電気角速度が所定のしきい値を上回ったことを検知した際に、前記補正係数に所定の負の値を加えることにより行われる、ことを特徴とする請求項１に記載の同期モータの制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、同期モータの制御装置に関し、殊に、同期モータにおける実際の磁軸位置と電圧の出力ベクトルとの間で生じるずれを補正する機能を備えた同期モータの制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

同期モータは、入力する交流電圧に同期して回転する電動機であるが、入力する交流電流により形成される回転磁界で回転子が吸引されながらその磁界に追従して回転動作を行うものであり、これに接続した制御装置による制御システムで駆動制御されるのが一般的である。

【0003】

図３は、このような同期モータの制御システムを機能ブロック図で示している。このシステムでは、電流センサから検出又は推定したモータの三相電流（ｉ_U，ｉ_V，ｉ_W）を用い、検出又は推定したモータ位置情報から、同期モータの回転子の磁界方向に同期する軸（ベクトル）で表したｄ軸電流（ｉ_d），ｑ軸電流（ｉ_q）に変換される。このｄ軸電流、ｑ軸電流が、各々ｄ軸電流指令値（ｉ_dref）、ｑ軸電流指令値（ｉ_qref）に一致するように、電流フィードバック制御を用いてｄ軸電圧指令値（Ｖ_dref）、ｑ軸電圧指令値（Ｖ_qref）を演算する。この電圧を同期モータの三相電圧指令値（Ｖ_Uref，Ｖ_Vref，Ｖ_Wref）に変換して、インバータのスイッチング素子をオン・オフ制御することで、その三相電圧指令値を同期モータに出力する方式となっている。

【0004】

図４は、このような同期モータの制御システムにおいて、電気角で見た同期モータの三相電圧と、ｄ軸電圧及びｑ軸電圧をベクトル図で示している。この三相電圧は、同期モータの固定子において相互に１２０°間隔で固定された軸であり、ｄ軸とｑ軸は回転子の位置に追従する軸である。この回転子には永久磁石が設けられており、この磁石の磁界と同じ向きの磁界を発生させる電流をｄ軸電流、これに対し直交方向の磁界を発生させる電流をｑ軸電流と呼び、このｄ軸電流を流す方向の電圧をｄ軸電圧、ｑ軸電流を流す方向の電圧をｑ軸電圧と呼ぶものとする。

【0005】

しかし、上述のように求められたｄ軸電圧指令、ｑ軸電圧指令を出力する方向は、検出又は推定した位置を用いて演算されるため、同期モータが高回転で作動している間は、図５に示すように、実際の固定子の磁界方向に一致した磁界を発生させるｄ軸電圧（Ｖ_dreal）、ｑ軸電圧（Ｖ_qreal）との間にずれが生じてしまう。例えば、現在の位置とサンプリング時間Ｔｓ秒後の次回の位置では、モータ電気角速度ωΦを用いてωΦＴｓだけずれることになる。そのため、Ｔｓ秒間の平均的なずれを小さくするために、現在位置から０．５ωΦＴｓだけ進めた位置に電圧を出力する方式が広く採用されている。尚、ここでは補正係数α_V＝０．５として、ωΦＴｓに乗じて電圧出力軸を補正している。

【0006】

しかしながら、このような従来の同期モータの制御システムにおいて、通常運転時は実際のｄ軸電圧及びｑ軸電圧との間のずれが小さくなるようにｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値を出力することが可能であるものの、高回転領域では電流が発振傾向になりやすいため、所望する回転速度以上に上げることが困難になるという問題がある。

【0007】

一方、特開２００９－１８３０２２号公報（特許文献１）には、同期モータに与えられた基準の磁極指令位置と磁極検出位置とを突き合わせて比例積分制御を含む位置／速度制御を行い、回転子の正負の移動方向に応じた磁極位置誤差推定値をモータの電気角位置に加算して制御上の磁極位置を更新することで、同期モータの誤差トルクを減少させる方向に制御を行う方式が提案されている。ところが、同期モータの慣性が大きく変化する場合には、位置／速度制御ゲインを最適に調整するゲイン調整時間が長くなるため、位置／速度制御ゲインの帯域を広く設定せざるを得ず、動作が不安定になってしまうという難点を有している。

【0008】

これに対し、特開２０２２－０２０９０５号公報（特許文献２）において、同期モータの電機子巻線に所定の引込電流を流して回転子又の磁極を引き込んだ時の回転子の移動量に基づいて同期モータの実際の磁極位置を推定する制御装置において、その移動量に所定の可変ゲインを演算して求めた制御角位置を用いるとともに、引込電流をフィードバックするための座標変換を行って、同期モータの通常運転時における前記移動量に加算するべき電機角位相オフセットを演算する方式が提案されている。

【0009】

ところが、この方式では同期モータの制御装置における制御手順が複雑でその処理負担が過大になりやすいことに加え、上述したような同期モータの高回転領域において生じる電流の発振傾向を抑制することが困難である。そのため、簡易な方式で総ての回転領域において安定した制御を行える同期モータの制御システムの開発が望まれていた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特開２００９－１８３０２２号公報

【特許文献2】特開２０２２－０２０９０５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

本発明は、上記のような問題を解決しようとするものであり、同期モータの制御装置について、あらゆる回転領域で安定的に電流制御を行えるようにすることを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

そこで、本発明は、複数のスイッチング素子からなるインバータと、同期モータの三相電流又はモータ位置から同期モータの回転子の磁界方向に同期するベクトルで表したｄ軸電流及びｑ軸電流に変換する電流変換手段と、そのｄ軸電流及びｑ軸電流から電流フィードバッグ制御を用いてｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値を算出する電流フィードバック制御演算手段と、そのｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値を三相電圧指令値に変換する電圧指令値変換手段とを備え、前記三相電圧指令値に基づいてスイッチング素子をオン・オフ制御しながら同期モータに出力を行うとともに、回転子の磁界方向に一致した磁界を発生させるようにｄ軸電流を流すｄ軸電圧の出力ベクトルが前記磁界方向からずれる角度を縮小するために予め定めた補正係数を用いながら、前記ｄ軸電圧及びこれに直交するｑ軸電圧の出力ベクトルの補正を行う同期モータの制御装置において、同期モータの回転速度の上昇に応じて前記補正係数を減少させながら、電圧の出力を回転子の磁界方向に一致した磁界を発生させるｄ軸電圧及びｑ軸電圧よりも遅らせる制御を実行することにより、高速回転時における電流の発振を抑制することを特徴とするものとした。

【0013】

このように、回転子の磁界方向からずれる角度を縮小するための所定の補正係数を同期モータの回転速度の上昇に応じて減少させながら、出力する電圧の位相を回転子の磁界方向に一致した磁界を発生させるｄ軸電圧及びｑ軸電圧よりも遅らせる制御方法を制御装置が実行する、という比較的簡易な方式を用いることで、高速運転時における電流の発振を抑制しながら、あらゆる回転領域において安定した電流制御が実行可能なものとなる。

【0014】

また、この同期モータの制御装置において、その補正係数の減少は、同期モータの電気角速度が所定のしきい値を上回ったことを検知した際に、補正係数に所定の負の値を加えることにより行われるものとした場合は、制御装置の負担を過大にすることなく、さらに安定した制御を実行可能なものとなる。

【発明の効果】

【0015】

回転子の磁界方向とのずれを縮小する補正係数を同期モータの回転速度の上昇に応じて減少させながら、その電圧の出力を回転子の磁界方向に一致した磁界を発生させるｄ軸電圧及びｑ軸電圧よりも遅らせる方式を採用した本発明によると、あらゆる回転領域において安定した電流制御を行えるものとした。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明における実施の形態である同期モータの制御装置による制御システムの概要を示す機能ブロック図。

【図2】図１の制御システムにおける演算手順を示すフローチャート。

【図3】従来の同期モータの制御装置による制御システムの概要を示す機能ブロック図。

【図4】図３の制御システムにおける電気角で見た同期モータの三相電圧とｄ軸電圧及びｑ軸電圧のベクトル図。

【図5】図３の制御システムにおけるｄ軸電圧及びｑ軸電圧のベクトルのずれとその補正を示すベクトル図。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための形態を説明する。

【0018】

図１は、本実施の形態である同期モータの制御装置１による制御システムの処理内容を機能的に示した機能ブロック図である。この制御装置１は、複数のスイッチング素子からなる図示しないインバータと、検出又は推定した同期モータの三相電流もしくはモータ位置情報から、同期モータの回転子の磁界方向に同期するベクトルで表したｄ軸電流及びｑ軸電流に変換する電流変換手段１１と、そのｄ軸電流及びｑ軸電流から電流フィードバッグ制御を用いてｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値を算出する電流フィードバック制御演算手段１２と、それによるｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値を三相電圧指令値に変換する電圧指令値変換手段１３とを備えている。

【0019】

このようにして求めた三相電圧指令値に基づいて、スイッチング素子をオン・オフ制御しながら図示しない同期モータに対し出力を行うとともに、その同期モータの回転子による磁界の向きに一致した磁界を発生させるようにｄ軸電流を流すｄ軸電圧の出力ベクトルが、検出又は推定した回転子の磁界方向からずれる角度を縮小するために予め定めた補正係数を用いながら、ｄ軸電圧及びこれに直交するｑ軸電圧の出力ベクトルの補正を行うようになっており、以上の構成部分については従来例と共通している。

【0020】

そして、本実施の形態である同期モータの制御装置１においては、上述した電圧指令値変換手段１３が同期モータの回転速度の上昇に応じて、ずれを縮小するために予め定めた補正係数を減少させながら、その電圧の出力を、回転子の磁界方向に一致した磁界を発生させるｄ軸電圧及びｑ軸電圧よりも遅らせる制御を実行することにより、高速回転時における電流の発振を抑制する制御方法を採用しており、この点が本発明における最大の特徴部分となっている。

【0021】

即ち、本実施の形態の制御装置１による制御システムの従来例に対する変更点は、モータ電気角速度のずれωΦＴｓに乗じる補正係数α_Vの決定方法にあり、従来例において０．５の固定とするのが通常であった補正係数α_Vについて、回転速度の上昇に応じて減少させる処理を行うようにした点にある。

【0022】

図２は、本実施の形態における補正係数α_Vを決定する手順をフローチャートで示している。α_Vaveの演算は、現在のモータ電機角速度ωΦが、所定のしきい値ωΦ_Hを上回ったことを検知した際に、図のような負の値が入る式による処理を行うものとしており、算出したα_Vaveに対し従来の制御システムと同様の０．５を足したものを、補正係数α_Vとして設定するようになっている。

【0023】

斯かる制御手順を実行することを特徴としている本実施の形態の同期モータの制御装置１によると、同期モータの高速回転時において電流の発振を抑制することが可能となり、従来の制御システムよりも高い回転速度を実現することが可能なものとなる。以下に、その理由について説明する。

【0024】

次の数式１，２は、同期モータのｄ軸、ｑ軸における電流電圧方程式である。ここでは、Ｒをモータ１相分抵抗値［Ω］、Ｌをモータ１相分インダクタンス値［Ｈ］、ωΦをモータ電機角速度［ｒａｄ／ｓ］、Φ_mをモータ誘起電圧定数［Ｖ／（ｒａｄ／ｓ）］として方程式を記載している。数式１は同期モータの一般的な電流電圧方程式であり、数式２は数式１を変形したものである。ここで、ｄ軸電流、ｑ軸電流に起因する電圧は、各々実際のｄ軸電圧、ｑ軸電圧であるため、Ｖ_dref、Ｖ_qrefではなく、Ｖ_dreal、Ｖ_qrealを用いている。

【数1】

【数2】

【0025】

次に、電流フィードバック制御における安定論展開を数式３乃至数式７を用いながら説明する。電流フィードバックの比例制御では、ｄ軸電流指令値からｄ軸電流を引いた偏差と、ｑ軸電流指令値からｑ軸電流を引いた偏差が各々小さくなるように、電流フィードバックゲインＫ_Aを掛けて制御している。ただし、指令値が一定であれば安定性に影響はないため、数式３にはｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値は含んでいない。

【数3】

【0026】

この数式３を図５の式３－２に代入すると、次の数式４を導くことができる。

【数4】

【0027】

これを上述した数式２に代入すると、次の数式５のようなｄ軸電流、ｑ軸電流の微分方程式が得られる。

【数5】

【0028】

この数式の安定性を求めるため、数式５における下線部をＡとおき、固有多項式を求めると、次の数式６を導くことができる。

【数6】

【0029】

安定論の観点から議論すれば、補正係数α_Vを負の値に設定して０次の項を小さくすることにより、減衰係数が大きくなるため電流の発振を抑えられることが分かる。さらに、発振する直前の、正常に制御可能な同期モータの電機角速度［ｒａｄ／ｓ］をしきい値ωΦ_Hとして、ωΦ≧ωΦ_Hを満たすとき、次の数式７により補正係数α_Vを設定すれば、０次の項の値が増加しなくなるため、高回転であっても同期モータを安定的に制御することができる。

【数7】

【0030】

以上、述べたように、本発明により同期モータの制御装置について、あらゆる回転領域で安定した電流制御を行えるようになった。

【符号の説明】

【0031】

１ 制御装置、１１ 電流変換手段、１２ 電流フィードバック制御演算手段、１３ 電圧指令値変換手段

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】