JP2009201284A - Ｐｍモータの可変速駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波電流重畳やパルス状の短絡電流を流すことなく、既存の可変速駆動装置に少しの機能追加で、高速空転状態からの拾い上げ起動ができる。
【解決手段】空転状態のモータに前記可変速駆動装置を接続して起動するモータ拾い上げ時に、電流制御部１Ａ，１Ｂの電流指令ｉ_d ^*，ｉ_q ^*を０にし、かつゲイン切り替え回路１１，１２，１３が電流制御系のゲインを通常時の制御よりも大きくする。演算回路１４は検出電流のゼロクロス間の時間からＰＭモータ１の回転速度を求め、ゼロクロスの位置と回転速度からＰＭモータの位置（位相）を求める。求めた位相θを座標変換部２，７の初期位相として拾い上げ起動を開始し、その後に通常制御に戻す。
ゲイン切り替え回路は、モータ拾い上げ時のｄ軸側のゲインをｑ軸側よりも大きくする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＰＭ（永久磁石）モータの可変速駆動装置に係り、特にオブザーバによりモータの回転子位相を推定する位相推定手段を備えた装置において、モータの高速空転状態からの拾い上げ起動に関する。

ＰＭモータの制御には、モータの回転子がもつ磁気突極性を利用して、オブザーバで回転子位相（磁極位相）を推定し、この回転子位相を基にモータ速度や位置を制御する可変速駆動装置の位置センサレス制御方法がある。

図４は、ＰＭモータの位置センサレスベクトル制御装置のブロック図であり、磁極位置推定によって速度またはトルク制御を行う。

同図の制御系は、速度制御演算手段またはトルク制御演算手段によりｄ，ｑ２軸のトルク電流指令ｉ_q ^*と界磁電流指令ｉ_d ^*が与えられる。トルク電流指令ｉ_q ^*及び界磁電流指令ｉ_d ^*と、それらの電流検出値ｉ_q，ｉ_dとの偏差を比例積分（ＰＩ）演算してｄ軸，ｑ軸の電圧指令Ｖ_d，Ｖ_qを得る電流制御部１Ａ，１Ｂと、これら電圧指令を座標変換部２により回転→固定座標変換して２相の電圧指令Ｖα，Ｖβを得、さらに２相／３相変換部３により３相の電圧指令Ｖ_u，Ｖ_v，Ｖ_wに変換し、これら電圧指令を基に逆変換回路４によるＰＭモータ５の電機子電流を制御する。

３相／２相変換部６は、ＰＭモータ５の各相検出電流ｉ_u，ｉ_v，ｉ_wを２相の電流ｉα，ｉβに変換し、これら電流を座標変換部７によって固定→回転座標変換で検出電流ｉ_d，ｉ_qを得、これらを電流制御部１Ａ，１Ｂへのフィードバック電流とする。

座標変換部２、７はＰＭモータの磁極位相θを基準として座標変換し、この磁極位相θをＰＭモータから直接に検出するのに代えて、位相推定部８が磁極位置を推定する。この推定演算には、電圧指令Ｖα，Ｖβと電流検出信号ｉα，ｉβおよび角速度ω（モータ回転速度）を、モータモデルをもつオブザーバ８Ａの電圧−電流方程式に代入した演算（図中のＲはモータモデルの内部抵抗、Ｌはインダクタンス）により推定磁束λα、λβとして求め、これらから逆正接演算部８Ｂにより推定位相θｅを得る。微分演算部８Ｃは推定磁束θｅの微分によって推定角速度ω_eを角速度ωとして得る。

ところで、インバータ（逆変換回路）によりモータを駆動する装置（可変速駆動装置）において、インバータの電源に瞬時停電などが発生してインバータを一旦停止させ、復電後に空転状態のモータにインバータを接続し、モータを現在速度から設定速度まで加速していくという、モータ拾い上げ方法がある。

このモータ拾い上げに際し、インバータの出力が零電圧でモータに接続すると、空転中のＰＭモータは端子に速度起電力が発生するため、ＰＭモータ端子の短絡状態と同じ状態となり、空転速度が高い場合には過大な電流が発生する。

これを抑制するためには、空転中のＰＭモータの速度誘起起電力と同一振幅で同一位相の電圧をインバータから出力する必要があるが、モータの回転子位置をオブザーバで推定する図４のような位置センサレス制御装置では、検出電流Ｉ_u，Ｉ_v，Ｉ_wがモータの誘起起電力の影響を受けるため回転子位置を推定できず、結果的にモータの回転子位置や速度に合わせた電圧振幅や位相をインバータ出力として制御することができない。

ＰＭモータの位置センサレス検出を行う方法として、モータの電流指令ｉ_d ^*，ｉ_q ^*に高周波電流を重畳させたときのフィードバック電流ｉα，ｉβからモータの回転子位置を求めるものがある。この回転子位置推定方法をモータの空転状態からの起動に利用する場合、回転子位置推定手段の制御ゲインが低いと、電流制御が不安定となり、望まざるトルクを発生し、最悪の場合には過電流保護動作により、再起動できなくなる。そこで、この起動法における回転子位置推定手段による回転子位置推定の制御ゲインを上げて応答を速めることで過電流を回避する起動法もある（例えば、特許文献１参照）。

他の起動法として、インバータの出力を短時間だけ短絡状態に設定し、そのときＰＭモータから発生するパルス状の短絡電流がその誘起起電力の位相とちょうど逆の位相で発生する原理を利用し、この短絡電流発生は時間間隔をあけて２回実行し、その時間差と位相差より速度を推定、さらには位置（位相）を推定する起動法がある。

この起動法は、２回の短絡電流発生間隔が回転子の回転が電気角で１８０°以内になることが必要となるため、これらの制約を無くした速度・位置（位相）の推定方法として、短絡電流発生を３回以上とし、これらの発生電流の時間差と位相差を求め、さらにその差分をとって速度および位相を求める方法もある（例えば、特許文献２参照）。
特開２００５−８０４５８号公報 特開２００４−２１５４６６号公報

上記の特許文献１の起動法は、電流指令に高周波電流を重畳させたときの電流ｉα，ｉβから回転子位置推定手段がモータの回転子位置推定を行い、起動時の制御ゲインを上げて応答を速めることで過電流を回避する。しかし、高周波電流重畳制御は、オブザーバ制御に比べて騒音（高周波による磁気騒音の発生）や効率が非常に悪くなる（高周波はトルクに寄与しない無効電力分となる）。また、高周波電流重畳回路と演算アルゴリズムを組み込むことは、システムを複雑にすると共に、演算を行なうＣＰＵの負荷を上げることになり、特に高速回転領域では演算処理速度で問題になる場合がある。

特許文献２のように、パルス状の短絡電流からモータの回転子位置推定を行うオブザーバを適用した起動法は、パルス状の短絡電流から位置を推定した拾い上げを行う機能を持たせるため、そのアルゴリズムを大幅に変更する必要があり、拾い上げ起動の機能を追加するためには装置の大幅な改良が必要となってしまう問題がある。

本発明の目的は、高周波電流重畳やパルス状の短絡電流を流すことなく、既存の位置センサレス制御装置に少しの機能追加で、高速空転状態からの拾い上げ起動ができるＰＭモータの可変速駆動装置を提供することにある。

本発明は、モータの誘起電圧が高い高速空転状態においても前記の課題を解決した拾い上げができるように、モータ拾い上げ時に電流制御系のゲインを大きくして電流制御系の応答性を高めることにより、モータの誘起電圧より発生するモータ電流の絶対値（波高値）を抑制し、このときのモータ電流がもつゼロクロスからモータの速度と位置（位相θ）を演算によって求め、このモータの速度と位相に合わせた逆変換回路の出力を得るものであり、以下の構成を特徴とする。

（１）ＰＭモータの電流指令と検出電流のフィードバック制御に基づいて逆変換回路の出力電圧を制御する電流制御系と、ＰＭモータのα軸、β軸の電圧指令と、α軸、β軸の検出電流からオブザーバにより回転子の位相を推定する位相推定手段とを備えたＰＭモータの可変速駆動装置において、
空転状態のモータを起動するモータ拾い上げ時に、前記電流制御系の電流指令を０にし、かつ電流制御系のゲインを通常時の制御よりも大きくする拾い上げゲイン回路と、
前記検出電流のゼロクロス間の時間からＰＭモータの回転速度を求め、ゼロクロスの位置と回転速度からＰＭモータの位置（位相）を求める演算手段と、
を備えたことを特徴とする。

（２）前記拾い上げゲイン回路は、
通常時のゲインに対してモータ拾い上げ時のゲインを係数で設定するゲイン設定器と、
モータ拾い上げ時に前記ゲイン設定器で設定するゲインを電流制御系のｄ軸，ｑ軸の電圧指令Ｖｄ，Ｖｑに掛ける乗算器と、
によって電流制御系のモータ拾い上げ時のゲインを通常時の制御よりも大きくするゲイン切り替え回路を備えたことを特徴とする。

（３）前記ゲイン切り替え回路は、モータ拾い上げ時のｄ軸側のゲインをｑ軸側よりも大きくした構成を特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、モータ拾い上げ時に電流制御系のゲインを大きくして電流制御系の応答性を高めることにより、モータの誘起電圧より発生するモータ電流の絶対値（波高値）を抑制し、このときのモータ電流がもつゼロクロスからモータの速度と位置（位相θ）を演算によって求め、このモータの速度と位相に合わせた逆変換回路の出力を得るため、高周波電流重畳やパルス状の短絡電流を流すことなく、既存の可変速駆動装置に少しの機能追加で、高速空転状態からの拾い上げ起動ができる。

図１は、本発明の実施形態を示すＰＭモータの可変速駆動装置の全体構成図である。同図が図４と異なる部分は、拾い上げゲイン回路として、モータ拾い上げ時に電流制御部１Ａ，１Ｂによる電圧指令Ｖ_d，Ｖ_qのＰＩ演算結果に係数（拾い上げゲイン）を掛けるゲイン設定器１１と係数器１２，１３からなるゲイン切り替え回路を設ける。また、検出電流ｉα、ｉβのゼロクロス間の時間からＰＭモータの回転速度を求め、ゼロクロスの位置と回転速度からＰＭモータの位置（位相）を求める演算回路１４を設ける。このモータ拾い上げ時は、可変速駆動装置が回生モードとなり、この回生エネルギーを吸収する図示しないバッテリまたはキャパシタなどの蓄電装置もしくは発電制動用抵抗器が必要となる。

ゲイン切り替え回路の追加により、モータ拾い上げ時に電流制御系のゲインを大きくすることで電流制御系の応答性を高め、この高い応答性の電流制御でモータの誘起電圧より発生するモータ電流の絶対値（波高値）を抑制する。このときのモータ電流がもつゼロクロスから、演算回路１４がモータの速度と位置（位相θ）を演算によって求め、この位相θを座標変換部２，７に初期設定する。この設定により、可変速駆動装置ではモータの速度と位相に合わせた逆変換回路４の出力を得て拾い上げ起動を行い、その後に通常制御に戻す。

図１の構成において、通常時は、オブザーバ８Ａ等で構成される位相推定部８による磁極位相θを推定し、この推定値を基に位置センサレス制御を行う。モータ拾い上げ制御時には、電流指令Ｉ_d ^*、Ｉ_q ^*は共に０とし、位相θの情報もわからないので０とする。このときに、検出される電流Ｉ_dはモータの誘起電圧と同期しているため、検出される電流Ｉ_dのゼロクロス間の時間を測定することによりＰＭモータの回転速度を求める。また、電流Ｉ_dのゼロクロスの位置（ポイント）と回転速度を用いることでＰＭモータの位置（位相）を求める。

これら回転速度と位置の演算回路１４およびゲイン設定器１１と係数器１２，１３は、専用のディジタル演算手段として追加する構成、または制御装置がコンピュータ構成とされる場合にはソフトウェア構成として追加することができる。いずれの場合にも、少しの演算と制御機能の追加で済み、大幅な装置変更やアルゴリズム追加が不要になる。

上記のゲイン設定器１１によるゲイン設定は、通常時の制御でゲインを大きくすると振動するため、拾い上げ時と通常時でゲインを使い分けなくてはならない。通常時のゲインはここでは１とし、拾い上げ時のゲインを１よりも大きくする。

図２は、ゲイン切り替え回路の具体例を示す。ゲインを切り替えの判断部１５は、位置センサレス制御装置が通常制御モードか拾い上げ制御モードかによって判断し、切り替えスイッチ１６を通常ゲインと拾い上げゲインの一方に切り替える。

この図では、Ｖ_dとＶ_qに掛けるゲインは同じとする構成で示すが、実際はＶ_d側に掛けるゲインを大きくするほうが効果的である。また、実際に掛けるゲインは通常時を１とすると、約２〜８倍程度でよい。あまり大きすぎるとオーバーフロー等の問題が生じるので注意しなければならない。

このように、ゲインを使い分けることによって拾い上げを容易に行なうことができる。図３はゲインを切り替えたときの電流波形のイメージを示し、実線がゲインを操作しない場合の波形を示し、破線が拾い上げゲインを掛けた場合の波形を示すもので、通常時と拾い上げ時の電流の周波数は変わらず、ゲイン切り替えで電流波高値のみが変化する。なお、モータ空転時の誘起電圧による回生エネルギーは、図示しないバッテリまたはキャパシタなどの蓄電装置への充電もしくは発電制動用抵抗器での消費のどちらでもよい。

本発明の実施形態を示すＰＭモータの可変速駆動装置の全体構成図。 ゲイン切り替え回路の具体例。 ゲイン切り替え時の電流波形イメージ。 ＰＭモータの可変速駆動装置の構成例。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ 電流制御部
２ 座標変換部
３ ２相／３相変換部
４ 逆変換回路
５ ＰＭモータ
６ ３相／２相変換部
７ 座標変換部
８ 位相推定部
８Ａ オブザーバ
８Ｂ 逆正接演算部
８Ｃ 微分演算部
１１ ゲイン設定器
１２、１3 乗算器
1４ 演算回路
１５ ゲイン判断部
１６ 切り替えスイッチ

Claims (3)

1. ＰＭモータの電流指令と検出電流のフィードバック制御に基づいて逆変換回路の出力電圧を制御する電流制御系と、ＰＭモータのα軸、β軸の電圧指令と、α軸、β軸の検出電流からオブザーバにより回転子の位相を推定する位相推定手段とを備えたＰＭモータの可変速駆動装置において、
   空転状態のモータを起動するモータ拾い上げ時に、前記電流制御系の電流指令を０にし、かつ電流制御系のゲインを通常時の制御よりも大きくする拾い上げゲイン回路と、
   前記検出電流のゼロクロス間の時間からＰＭモータの回転速度を求め、ゼロクロスの位置と回転速度からＰＭモータの位置（位相）を求める演算手段と、
   を備えたことを特徴とするＰＭモータの可変速駆動装置。
2. 前記拾い上げゲイン回路は、
   通常時のゲインに対してモータ拾い上げ時のゲインを係数で設定するゲイン設定器と、
   モータ拾い上げ時に前記ゲイン設定器で設定するゲインを電流制御系のｄ軸，ｑ軸の電圧指令Ｖｄ，Ｖｑに掛ける乗算器と、
   によって電流制御系のモータ拾い上げ時のゲインを通常時の制御よりも大きくするゲイン切り替え回路を備えたことを特徴とする請求項１に記載のＰＭモータの可変速駆動装置。
3. 前記ゲイン切り替え回路は、モータ拾い上げ時のｄ軸側のゲインをｑ軸側よりも大きくした構成を特徴とする請求項２に記載のＰＭモータの可変速駆動装置。

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