JP2000324878A - 電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低速領域であっても、また電動機のトルク制
御、速度制御、位置制御に影響を与えることなく、さら
には温度変化等の影響を受けることなく、電動機の回転
子位置を精度良く推定することができ、これにより常に
安定かつ適正な電動機駆動を可能とする電動機の制御装
置を提供する。 【解決手段】 電動機１０に加えられる特定高調波を検
出し、この特定高調波から高調波瞬時無効電力を計算
し、この高調波瞬時無効電力から上記特定高調波の２倍
の周波数を有する交流成分を抽出するとともに、上記特
定高調波の２倍の周波数を有する基準信号を生成し、こ
の基準信号の位相と上記抽出した交流成分の位相との差
を検出し、この位相差に応じて電動機の回転子位置を推
定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電動機の駆動に
必要な回転子位置を求める電動機の制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電動機たとえば永久磁石形同期電
動機を回転子位置センサなしで駆動する場合、速度起電
力方式では、固定子の電機子巻線の各相に対する１２０
゜通電の無通電期間中に電機子巻線に誘起する電圧の零
クロス点を回転子位置（回転子磁極位置）として検出
し、その検出に同期をとることで１２０゜通電のための
駆動信号を生成している。

【０００３】また、正弦波・駆動方式では、基本的にＶ
／Ｆ（電圧／周波数）一定制御において、トルク分電流
に相当するｑ軸電流値をモータ電流から検出・演算し、
これを一定にコントロールするように速度フィードバッ
クを行っている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の各駆動方式は、
瞬時トルクを制御するものではなく、トルク応答性が悪
かったり、低速領域での駆動が不安定になったり、１次
巻線抵抗による低速域のトルク減少の補償制御が温度変
化の影響を受けてしまう等の不具合があった。

【０００５】この発明は上記の事情を考慮したもので、
その目的とするところは、低速領域であっても、また電
動機のトルク制御、速度制御、位置制御に影響を与える
ことなく、さらには温度変化等の影響を受けることな
く、電動機の回転子位置を精度良く推定することがで
き、これにより常に安定かつ適正な電動機駆動を可能と
する電動機の制御装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明の電動機の制御
装置は、電動機に加えられる特定高調波を検出する検出
手段と、この検出手段で検出された特定高調波から高調
波瞬時無効電力を計算する計算手段と、この計算手段で
計算された高調波瞬時無効電力から上記特定高調波の２
倍の周波数を有する交流成分を抽出する抽出手段と、上
記特定高調波の２倍の周波数を有する基準信号を生成す
る生成手段と、この生成手段で生成された基準信号の位
相と上記抽出手段で抽出された交流成分の位相との差を
検出する位相差検出手段と、この位相差検出手段で検出
された位相差に応じて上記電動機の回転子位置を推定す
る推定手段と、を備える。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、この発明の一実施例につい
て図面を参照して説明する。

【０００８】図１に示すように、ｄ軸電機子巻線電流の
指令値ｉ_ｄ’が加算部１を介してＰＩ制御部２に供給さ
れる。ＰＩ制御部２は、指令値ｉ_ｄ’に基づき、ｄ軸電
機子巻線電圧の指令値ｖ_ｄ’を発する。この指令値
ｖ_ｄ’が回転座標変換部３に供給される。

【０００９】回転子角速度の指令値ω_ｍ’が加算部４を
介してＰＩ制御部５に供給される。ＰＩ制御部５は、指
令値ω_ｍ’に基づき、ｑ軸電機子巻線電流の指令値
ｉ_ｑ’を発する。この指令値ｉ_ｑ’はＰＩ制御部７に供
給され、そのＰＩ制御部７からｑ軸電機子巻線電圧の指
令値ｖ_ｑ’が発せられる。この指令値ｖ_ｑ’が回転座標
変換部３に供給される。

【００１０】回転座標変換部３は、指令値ｖ_ｄ’，
ｖ_ｑ’をα軸電機子巻線電圧の指令値ｖ _α’およびβ軸
電機子巻線電圧の指令値ｖ_β’に変換する。この指令値
ｖ_α’，ｖ_β’が二相／三相変換部８に供給されること
により、二相／三相変換部８から永久磁石形同期電動機
（ＰＭＳＭ）１０に対する駆動用の相電圧ｖ_ａ，ｖ_ｂ，
ｖ _ｃが出力される。

【００１１】また、電動機１０の各相に流れる電流
ｉ_ａ，ｉ_ｂ，ｉ_ｃが三相／二相変換部１１に取込まれ、
その三相／二相変換部１１から実際のα軸電機子巻線電
流ｉ_αおよびβ軸電機子巻線電流ｉ_βが得られる。この
α軸電機子巻線電流ｉ_αおよびβ軸電機子巻線電流ｉ_β
は回転座標変換部３に供給され、そこで実際のｄ軸電機
子巻線電流ｉ_ｄおよびｑ軸電機子巻線電流ｉ_ｑに変換さ
れる。このうちｉ_ｄは上記加算部１にフィードバック供
給され、ｉ_ｑは上記加算部６にフィードバック供給され
る。

【００１２】このような電動機制御系において、ｄ軸電
機子巻線電圧の指令値ｖ_ｄ’、ｑ軸電機子巻線電圧の指
令値ｖ_ｑ’、ｄ軸電機子巻線電流ｉ_ｄ、ｑ軸電機子巻線
電流ｉ_ｑが、検出部２１に供給される。

【００１３】検出部２１は、ｖ_ｄ’，ｖ_ｑ’および
ｉ_ｄ，ｉ_ｑがそれぞれ入力される４個のバンドパスフイ
ルタ（ＢＰＦ）で構成される。これらバンドパスフイル
タは、例えば５００Ｈｚの中心周波数を持ち、電動機１
０に加わる特定高調波として二相正弦波に相当する５０
０Ｈｚの高調波（ｄ軸高調波電圧ｖ_ｄｈ、ｑ軸高調波電
圧ｖ_ｑｈ、ｄ軸高調波電流ｉ_ｄｈ、ｑ軸高調波電流ｉ_ｑ
ｈ）を検出する。

【００１４】実験の場合、ｄ軸電機子巻線電流の指令値
ｉ_ｄ’およびｑ軸電機子巻線電流の指令値ｉ_ｑ’に対
し、５００Ｈｚの微小振幅ｈを有する二相正弦波を重
畳することにより、５００Ｈｚの特定高調波を作為的か
つ容易に電動機１０に注入することができる。なお、作
為的な注入を行わずに、電力変換器が本来的に出力する
高調波（例えばＰＷＭに起因する高調波など）を検出対
象としてもよい。

【００１５】検出部２１で検出されるｄ軸高調波電流ｉ
_ｄｈおよびｑ軸高調波電流ｉ_ｑｈは、回転子位置推定値
θ_ｍ＾の回転子座標（ｄ＾−ｑ＾座標）上において、次
の数１式で表わされ、微小振幅Ｉ_ｈと角周波数ω_ｈを有
する。

【００１６】

【数１】

【００１７】これに対して、検出部２１で検出されるｄ
軸高調波電圧ｖ_ｄｈおよびｑ軸高調波電圧ｖ_ｑｈは、次
の数２式で表わされる。

【００１８】

【数２】

【００１９】なお、Ｒａは電機子巻線抵抗、ω_ｍは回転
子角速度真値、ω_ｍ＾は回転子角速度推定値、Ｌ_ｄはｄ
軸インダクタンス、Ｌ_ｑはｑ軸インダクタンス、θ_ｍは
回転子位置真値、θ_ｍ＾は回転子位置推定値である。

【００２０】このようにして検出される特定高調波は、
計算部２２に供給される。計算部２２は、高調波（ｄ軸
高調波電圧ｖ_ｄｈ、ｑ軸高調波電圧ｖ_ｑｈ、ｄ軸高調波
電流ｉ_ｄｈ、ｑ軸高調波電流ｉ_ｑｈ）から高調波瞬時無
効電力Ｑ_ｈを次の数３式により計算する。

【００２１】

【数３】

【００２２】この高調波瞬時無効電力Ｑ_ｈは、抽出部２
３に供給される。抽出部２３は、高調波瞬時無効電力Ｑ
_ｈから、上記特定高調波の２倍の周波数を有する交流成
分を抽出する。

【００２３】高調波瞬時無効電力Ｑ_ｈは、直流成分と、
特定高調波の２倍の周波数（＝１０００Ｈｚ）を有する
交流成分とからなっており、その交流成分の位相Ｑ_ｈａ
ｃは次式のように表わされる。 Ｑ_ｈａｃ＝２・（ω_ｈｔ＋θ_ｍ−θ_ｍ＾） すなわち，交流成分の位相は回転子位置真値θ_ｍと回転
子位置推定値θ_ｍ＾の誤差の２倍に依存し、仮に回転子
位置推定値θ_ｍ＾が真値θ_ｍに一致すれば、位相ずれは
なくなる。そこで、抽出部２３としてバンドパスフィル
タ（ＢＰＦ）を設け、その中心周波数を１０００Ｈｚに
することによって交流成分だけを抽出するようにしてい
る。

【００２４】２４は基準信号生成部で、検出部２１で検
出された特定高調波（ｄ軸高調波電流ｉ_ｄｈ）の２倍の
周波数を有する基準信号を生成する。この基準信号の位
相は（２・ω_ｈｔ）で表わされる。つまり、交流成分の
位相と基準信号の位相との差は、回転子位置推定誤差
（θ _ｍ−θ_ｍ＾）の２倍に相当することになる。

【００２５】基準信号生成部２４で生成された基準信号
は位相差検出部２５に供給される。この位相差検出部２
５には、抽出部２３で抽出された交流成分も供給され
る。

【００２６】位相差検出部２５は、基準信号の位相と交
流成分の位相との差を検出するもので、たとえば２個の
コンパレータおよび排他的論理和素子により構成され
る。交流成分は回転子位置推定誤差を位相情報として含
んでおり、その交流成分が一方のコンパレータで方形波
Ａに変換される。基準信号については、他方のコンパレ
ータで方形波Ｂに変換される。この方形波Ａと方形波Ｂ
が排他的論理和素子にて位相比較され、同相であれば無
出力、位相差があればそれに相当するパルス幅の矩形波
信号が出力される。この出力が推定部２６に供給され
る。

【００２７】推定部２６は、位相差検出部２５で検出さ
れた位相差に応じて電動機１０の回転子位置を推定する
もので、位相差を比例積分素子（ＰＩ；または積分素
子）に入力してその比例積分素子から回転子位置推定値
θ_ｍ＾を得るとともに、位相差を低域フィルタ（ＬＰ
Ｆ）に入力してその低域フィルタから回転子角速度推定
値ω_ｍ＾を得る。

【００２８】すなわち、回転子位置推定値θ_ｍ＾が回転
子位置真値θ_ｍと一致していなければ、方形波Ａの位相
と方形波Ｂの位相とに差が生じ、位相差検出部２５から
矩形波信号が出力される。そして、この矩形波信号に応
じた回転子位置推定値θ_ｍ＾が出力される。この回転子
位置推定値θ_ｍ＾は、方形波Ａと方形波Ｂとの位相差が
零となる方向に修正され、回転子位置真値θ_ｍへと収束
していく。

【００２９】推定値θ_ｍ＾が真値θ_ｍに収束すると（一
致すると）、方形波Ａと方形波Ｂの位相差がなくなる。
このとき、位相差検出部２５から矩形波信号が出力され
なくなり、よって比例積分素子の動作が中断し、推定値
θ_ｍ＾（＝真値θ_ｍ）が保持される。推定値θ_ｍ＾が真
値θ_ｍから外れると、再び、位相差が零になるまで、推
定値θ_ｍ＾が修正される。

【００３０】電動磯１０が連続的に回転していて、真値
θ_ｍが連続的に変化する場合でも、方形波Ａと方形波Ｂ
の位相差を零にするように推定値θ_ｍ＾が連続的に修正
され、ごくわずかな推定誤差を持ちつつも真値θ_ｍに追
従する。

【００３１】図２に、速度ステップ応答として、回転子
角速度（＝回転速度）の指令値ω_ｍ’および真値ω_ｍを
示しており、零速度も含めて速度制御が良好に行われて
いることが分かる。

【００３２】図３に、推定値θ_ｍ＾と真値θ_ｍとの関係
を示している。図面上は分かり易いように両者を少しず
らして描いているが、実際はほぼ重なり合う状態にあ
り、θ _ｍの変化に対してθ_ｍ＾が良好に追従する。

【００３３】以上のように、特定高調波に着目して回転
子位置を推定することにより、零速度を含む低速領域に
おいても精度良く回転子位置を推定することができる。
基本波ではなく特定高調波に着目しているため、交流電
動機のトルク制御、速度制御、位置制御に影響を与える
ことなく、回転子位置を推定することができる。

【００３４】高調波瞬時無効電力を計算する際に高調波
電圧と高調波電流の外積計算を利用するため、計算上、
巻線抵抗に関する項が一切現われない。すなわち、巻線
抵抗に依存することなく高調波瞬時無効電力を計算する
ことができ、よって温度等により巻線抵抗値が変動して
も、その影響を一切受けずにロバストな回転子位置推定
を行うことができる。

【００３５】表皮効果による巻線抵抗への影響が懸念さ
れるが、上述の通り、高調波瞬時無効電力に基づいてい
るため、表皮効果の影響を一切受けずに回転子位置を推
定することができる。

【００３６】高調波瞬時無効電力で特定高調波の２倍の
周波数成分を有する交流成分の位相情報と、特定高調波
の２倍の周波数を有する基準信号の位相情報には、巻線
抵抗やインダクタンスなどの電動機パラメータが一切含
まれない。したがって，それらの位相差に基づいて回転
子位置推定を行う本実施例は、本質的に電動機パラメー
タの変動に対してロバストであり、どのような状況下
（例えば温度変動や磁気飽和）においても正確に回転子
位置を推定することができる。したがって、常に安定か
つ適正な電動機の駆動が可能となる。

【００３７】なお、上記実施例では、電動機として永久
磁石形電動機を例に説明したが、突極性があれば、巻線
形同期電送機やリアクタンス電動機にも同様に実施可能
である。その他、この発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、要旨を変えない範囲で種々変形実施可能で
ある。

【００３８】

【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば、電
動機に加えられる特定高調波を検出し、この特定高調波
から高調波瞬時無効電力を計算し、この高調波瞬時無効
電力から上記特定高調波の２倍の周波数を有する交流成
分を抽出するとともに、上記特定高調波の２倍の周波数
を有する基準信号を生成し、この基準信号の位相と上記
抽出した交流成分の位相との差を検出し、この位相差に
応じて電動機の回転子位置を推定する構成としたので、
低速領域であっても、また電動機のトルク制御、速度制
御、位置制御に影響を与えることなく、さらには温度変
化等の影響を受けることなく、電動機の回転子位置を精
度良く推定することができ、これにより常に安定かつ適
正な電動機駆動を可能とする電動機の制御装置を提供で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施例の構成を示すブロック図。

【図２】同実施例における回転子角速度の指令値ω_ｍ’
と真値ω_ｍの関係を示す図。

【図３】同実施例における回転子位置の推定値θ_ｍ＾と
真値θ_ｍとの関係を示す図。

【符号の説明】

１０…永久磁石形同期電動機 ２１…検出部 ２２…計算部 ２３…抽出部 ２４…基準信号生成部 ２５…位相差検出部 ２６…推定部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H560 BB04 BB12 DC12 EB01 GG04 JJ15 TT08 XA02 XA06 XA13

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電動機に加わる特定高調波を検出する検
   出手段と、 この検出手段で検出された特定高調波から高調波瞬時無
   効電力を計算する計算手段と、 この計算手段で計算された高調波瞬時無効電力から前記
   特定高調波の２倍の周波数を有する交流成分を抽出する
   抽出手段と、 前記特定高調波の２倍の周波数を有する基準信号を生成
   する生成手段と、 この生成手段で生成された基準信号の位相と前記抽出手
   段で抽出された交流成分の位相との差を検出する位相差
   検出手段と、 この位相差検出手段で検出された位相差に応じて前記電
   動機の回転子位置を推定する推定手段と、 を具備したことを特徴とする電動機の制御装置。