JP2004015858A - Ｐｍモータの位置センサレス制御方式 - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＭモータの位置センサレス制御のモータ定数の修正を簡単にする。
【解決手段】速度制御器からの電流指令Ｉｄｃ、Ｉｑｃと電流制御器１２ａ、１２ｂからのと電圧指令Ｖｄｃ＊、Ｖｑｃ＊から速度推定ωを演算する共に、電圧指令を三相に変換する座標変換器と三相を電流検出Ｉｄｃｄｅｔ、Ｉｑｃｄｅｔに変換する座標変換器の座標を回転させる位相推定θを演算する位置、速度推定器２０を有するＰＭモータの位置センサレス制御方式において、位置、速度推定器２０のモデル部２０ａを、それぞれ電流指令Ｉｄｃ、Ｉｑｃと巻線抵抗Ｒ１との積を出力するＲ１回路２１，２６と、ＰＭモータのｄ軸、ｑ軸のインダクタンスＬｄ、Ｌｑを電流テーブルデータとして持つＬｄ、Ｌｑテーブル２２，２７等からなる電圧モデル構成とし、ＰＭモータ定数の修正をＬｄ、Ｌｑテーブル２２，２７に基づいて行う。
【選択図】　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
ＰＭモータの位置センサレス制御方式に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回転子に永久磁石を用いたＰＭモータの制御は、ＰＭモータの回転子位置を検出又は推定しその位置情報に基づいて制御する。ＰＭモータの位置センサレス制御方式として、速度起電力推定に基づいた方式が提案されている。これは、ＰＭモータの電流モデルに基づいて計算された、推定電流とＰＭモータに流れる実電流の偏差により速度起電力を推定し、この速度起電力から磁極の位置と速度の推定を行う方式である。（参考文献：「速度起電力推定に基づくセンサレス究極形プラシレスＤＣモータ制御」電学論Ｄ１１７巻１号、平９年）
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この他にも、磁束オブザーバを用いた方式なども提案されているが、いずれにおいても、電流モデルに基づいて速度起電力の推定を行っているため、オンライン状態においてＰＭモータ定数の修正を行う場合、除算演算が必要となり、計算機への負担が大きくなる。
【０００４】
本発明は、これらの課題に鑑みてなされたものであり、ＰＭモータ定数の修正が簡単にできるＰＭモータの位置センサレス制御方式を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、速度指令と速度推定との偏差を演算し電流指令を出力する速度制御器と、この電流指令と電流検出との偏差を演算し電圧指令を出力する電流制御器と、この電圧指令を三相に変換するｄｃ‐ｑｃ→ｕｖｗ座標変換器と、インバータ出力電流を前記電流検出に変換するｕｖｗ→ｄｃ‐ｑｃ座標変換器と、前記電流指令又は電流検出と前記電圧指令又は電圧検出から前記速度推定を演算すると共に前記各座標変換器の座標を回転させる位相推定を演算する位置、速度推定器を有するＰＭモータの位置センサレス制御方式において、前記位置、速度推定器を、ＰＭモータの電圧モデルに基づいて構成したことを特徴とする。
【０００６】
請求項２の発明は、請求項１において、前記位置、速度推定器の電圧モデル部は、それぞれｄ軸、ｑ軸の電流指令が入力し電流と巻線抵抗との積を出力する第１、第２の巻線抵抗回路と、それぞれＰＭモータのｄ軸、ｑ軸のインダクタンスを電流テーブルデータとして持つｄ軸、ｑ軸のインダクタンステーブルを有し、ＰＭモータ定数の修正をｄ軸、ｑ軸のインダクタンステーブルに基づいて行うことを特徴とする。
【０００７】
請求項３の発明は、請求項１において、前記位置、速度推定器の電圧モデル部は、それぞれｄ軸、ｑ軸の電流指令が入力し電流と巻線抵抗との積を出力する第１、第２の巻線抵抗回路と、ＰＭモータのｄ軸、ｑ軸の磁束を電流テーブルデータとして持つｄ軸、ｑ軸の磁束テーブルを有し、ＰＭモータ定数の修正をｄ軸、ｑ軸磁束テーブルに基づいて行うことを特徴とする。
【０００８】
請求項４の発明は、請求項２又は３において、前記ＰＭモータの巻線抵抗の温度補償は、ＰＭモータの温度センサを用いて前記第１、第２の巻線抵抗回路の巻線抵抗値を、温度のテーブルデータとして補償することを特徴とする。
【０００９】
請求項５の発明は、請求項１乃至４において、前記位置、速度推定器における位置補正演算は、前記電圧モデル部のｄ軸モデル電圧と前記ｄ軸電圧指令との誤差電圧成分を比例演算し、位置補正項の演算部分の除算演算を省略したことを特徴とする。
【００１０】
請求項６の発明は、請求項１乃至５において、前記位置、速度推定器における速度推定演算は、前記電圧モデル部のモデル電圧と前記電流制御器からの電圧指令との誤差電圧成分を演算し、その大きさから推定することを特徴とする。
【００１１】
請求項７の発明は、請求項１乃至５において、前記位置、速度推定器における速度推定演算は、前記電圧モデル部のモデル電圧と検出したインバータの出力電圧との誤差電圧成分を演算し、その大きさから推定することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の原理を図１、図２について説明する。図１に、ＰＭモータの位置センサレス制御装置の全体構成図を示す。図中、３はＰＭモータ４を駆動するインバータ（逆変換回路）、（１１〜１７，２０）はインバータ３を制御する制御回路である。速度制御アンプ１２はｄｃ‐ｑｃ軸の速度指令ω＊と速度推定ωとの偏差を演算して電流指令Ｉを出力し、電流制御アンプ１４は電流指令Ｉと電流検出Ｉｄｅｔとの偏差を演算して電圧指令Ｖを出力する。ｄｃ‐ｑｃ→ｕｖｗ座標変換回路１５はｄｃ‐ｑｃ軸電圧指令Ｖを三相電圧指令に変換し、ゲートドライブ回路１６は三相電圧指令に基づいてインバータ３のスイッチング素子（図示省略）を制御する。また、ｕｖｗ→ｄｃ‐ｑｃ座標変換回路１７は電流検出器ＣＴ１で検出したインバータ３の出力電流をｄｃ‐ｑｃ軸電流に変換して上記電流検出Ｉｄｅｔを出力する。
【００１３】
位置推定モジュール（位置、速度推定器）２０は、ＰＭモータ４の電圧モデルに基づいて構成されており、上記電流検出Ｉｄｅｔ（又は電流指令Ｉ）と電圧指令Ｖから上記速度推定ω及び座標変換回路１５、１７の座標軸を回転させるための位相推定θを推定する。位置センサレス制御のため、ＰＭモータ４の磁極位置検出用のセンサは無く、磁極位置（位相）推定θと速度推定ωは、上記位置推定モジュール２０において、行われることになる。
【００１４】
図２に、本発明の制御方式の説明に必要な解析モデルの座標軸を示す。ｄ−ｑ軸は、ＰＭモータ４の磁石に同期して回転している座標軸を表している。（１）式に、ｄ−ｑ軸から見たＰＭモータの電圧モデルとなる方程式を示す。センサレス制御時は、このｄ−ｑ軸が分からないため、コントローラ内での制御軸ｄｃ−ｑｃ軸を定義して、結果的にｄ−ｑ座標軸とｄｃ−ｑｃ座標軸が一致する様に制御されることになる。ｄ−ｑ軸とｄｃ−ｑｃ軸の関係を、図２に示す。ｄｃ−ｑｃ軸から見たＰＭモータの電圧方程式を求めると（２）式の様に展開される（詳細な式の展開については、上記参考文献、電学論Ｄ１１７巻１号、参照）。
【００１５】
【数１】

【００１６】
【数２】

【００１７】
（２）式より、ｄ‐ｑ軸とｄｃ−ｑｃ軸のずれ分は、速度起電力の誤差になって現れることが分かる。これらの式より、速度起電力と誤差電圧の関係を求めてみる。Ｖｑの成分に着目し（２）−（１）式を求めると、
【００１８】
【数３】

【００１９】
ここで、△θ≒０の条件で近似（ｃｏｓ△θ≒１）し、電流制御によりＩｄ＝Ｉｄｃが成立しているとすると、
【００２０】
【数４】

【００２１】
（４）式が得られる。（４）式は、ＰＭモータのＰＭモータの電圧モデルから出力されるｑ軸モデル電圧Ｖｑと電流制御アンプの出力Ｖｑｃの差が、ＰＭモータの速度誤差になることを表している。従って、（４）式で得られるＶｑの誤差成分をＰＩ演算すればＰＭモータの速度を得ることができる。次に、ＰＭモータの電圧モデルから出力されるｄ軸モデル電圧Ｖｄの成分に着目し、（２）−（１）式を求めてみる。
【００２２】
【数５】

【００２３】
ここで、（４）式によるＰＩ演算より△θ≒０が成立し、△θ≒０（ｓｉｎ△θ≒△θ）と近似すると、
【００２４】
【数６】

【００２５】
（６）式が得られる。（６）式は、ｄ軸モデル電圧Ｖｄと電流制御アンプの出力Ｖｄｃ成分の誤差が、ｄ‐ｑ軸とｄｃ‐ｑｃ軸の位相誤差であることを表している。これらの結果より、電圧モデルに基づくＰＭモータの磁石の位置、速度推定方式は、（４）式、（６）式の関係から、まず（４）式のＰＩ演算より、ＰＭモータの速度を推定する。位相に関しては、この推定速度を積分することにより得、磁極に対する位相誤差の修正は、（６）式に基づいて推定速度を加減速することにより行うこととする。
【００２６】
次に、ＰＭモータ定数の修正方式について説明する。通常、ＰＭモータの持つ定数は、磁気飽和、温度変動等により変化する。従って、コントローラ内部で行っているＰＭモータ定数も正確とは言えず、この結果、この電圧モデルに基づいて行われる、速度、位相推定の結果も誤差を持つことになる。具体的には、位置センサレス制御が上手く行われている状態では、速度、位置の推定結果は、（１）式に向けて収束する。そこで、（１）式のＰＭモータ定数部分を、電流や温度に応じて、修正すれば良い。図１の位置推定モジュール２０は電圧モデルに基づいて構成されているため、ＰＭモータ定数の修正を行う場合、ＰＭモータ定数に相当する部分を直接修正することができる。換言すれば、簡単にＰＭモータ定数の修正が行える特長をもっている。
【００２７】
以下に本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
図３に実施例１に係る電圧モデルに基づく位置推定モジュール（位置、速度推定器）２０のブロック回路図を示す。位置推定モジュール２０は、（１）式に対応した演算を行なう電圧モデル部２０ａと、この電圧モデル部２０ａの出力（モデル電圧）と電流制御アンプ１４（１４ａ、１４ｂ）の出力（電圧指令）との偏差から、上記の説明に基づいて速度と位相の推定を行う推定部（３１〜４０）とで構成されている。
【００２８】
電圧モデル部２０ａは、電流指令Ｉｑｃ（電流制御によりＩｑｃ＝Ｉｑ）が入力し（Ｒ１＊Ｉｑ）を出力するｑ軸のＲ１（巻線抵抗）回路２１と、ｄ軸インダクタンスＬｄを電流テーブルデータとして持ち電流指令Ｉｄｃ（電流制御によりＩｄｃ＝Ｉｄ）、Ｉｑｃの入力により電圧（Ｌｄ＊Ｉｄ）を出力するＬｄテーブル２２と、Ｌｄテーブル２２の出力に速度起電力係数λｄｍを加算する加算器２３と、加算器２３の出力に測度推定ωを掛け（θＬｄ＊Ｉｄ＋θλｄｍ）を出力する乗算器２４と、ｑ軸のＲ１回路２１の出力と乗算器２４の出力を加算しｑ軸モデル電圧Ｖｑ（＝Ｒ１＊Ｉｑ＋θＬｄ＊Ｉｄ＋θλｄｍ）を出力する加算器２５と、電流指令Ｉｄｃが入力し（Ｒ１＊Ｉｄ）を出力するｄ軸のＲ１（巻線抵抗）回路２６と、ｑ軸インダクタンスＬｑを電流テーブルデータとして持ち電流指令Ｉｄｃ、Ｉｑｃの入力により電圧（Ｌｑ＊Ｉｑ）を出力するＬｄテーブル２７と、Ｌｄテーブル２７の出力に速度推定ωを掛け（θＬｑ＊Ｉｑ）を出力する乗算器２８と、ｄ軸Ｒ１回路２６の出力と乗算器２８の出力を加算しｄ軸モデル電圧Ｖｄ（＝Ｒ１＊Ｉｄ−θＬｑ＊Ｉｑ）を出力する減算器２９とにより構成されている。
【００２９】
推定部（３１〜４０）は、電圧モデル部２０ａからのｑ軸モデル電圧Ｖｑと電流制御アンプ１４ａからの電圧指令Ｖｑｃ＊の偏差を減算器３１でとり、その電圧偏差をＰＩアンプで演算して回転子速度θを得、上記ｄ軸モデル電圧Ｖｄと電流制御アンプ１４ｂからの電圧指令Ｖｄｃ＊の偏差を減算器３３でとり除算器３４でその偏差を速度偏差ωで割り割算器３４の出力をＰアンプで演算して回転子速度補正Δθを得、加算器３６で回転子速度θと回転子速度補正Δθを加算し、加算器３６の出力をローパスフィルタ３７を通して上記測度推定ωを得ると共に、加算器３６の出力を位相変換係数回路３８と積分回路４０を通して位相推定θを得るように構成されている。
【００３０】
なお、上記「θ」はすべてベクトル値であるが、ベクトル記号は省略してある。以下同様に表記する。
（実施例２）
図４に実施例２に係る電圧モデルに基づく位置推定モジュール２０のブロック回路図を示す。（１）式を変形すると、（７）、（８）式がえられる。
【００３１】
【数７】

【００３２】
実施例２は、実施例１（図３）のＬｄテーブル２２と減算器２３の部分を、ｄ軸磁束φｄを電流テーブルデータとして持ち電流指令Ｉｄｃ、Ｉｑｃの入力により磁束φｄを出力するｑ軸磁束テーブル２２ａに替えると共に、Ｌｑテーブル２２部分を、ｑ軸磁束φｑを電流テーブルデータとして持ち電流指令指令Ｉｄｃ、Ｉｑｃの入力により磁束φｑを出力するｑ軸磁束テーブル２７ａに替えたものである。なお、図４中、図３と同一部分には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００３３】
実施例２によれば、ｑ軸のＲ１回路２１の出力は（Ｒ１＊Ｉｑ）、ｄ軸磁束テーブル２２ａの出力はφｄ、乗算器２４の出力はθφｄとなり、加算器２５からモデル電圧Ｖｑ（＝Ｒ１＊Ｉｑ＋θφｄ）が得られる。また、ｄ軸のＲ１回路２６の出力は（Ｒ１＊Ｉｄ）、ｑ軸磁束テーブル２２ａの出力はφｑ、乗算器２４の出力はθφｑとなり、減算器２９からモデル電圧Ｖｄ（＝Ｒ１＊Ｉｄ−θφｑ）が得られる。
（実施例３）
ＰＭモータの温度補償は、図３（又は図４）の電圧モデル部２０ａのＲ１回路２１、２６の巻線抵抗Ｒ１値を、ＰＭモータ４の温度センサを用いて温度のテーブルデータとして補償する。（図示省略）。
（実施例４）
ＰＭモータの磁石磁束の温度補償は、図４の電圧モデル部２０ａのｄ軸、ｑ軸磁束テーブル２２ａ，２７ａを、ＰＭモータの温度センサを用いて磁束テーブルデータとして補償する。（図示省略）。
（実施例５）
上記（６）式の位相誤差情報は、ｄｃ軸に現れる誤差電圧で割った形となるが、ＣＰＵ負荷を減らすため、図５の点線Ａ部分の除算器３４（図３、図４）を省略する。なお、図５中、図３と同一部分には同一符号を付して重複する説明を省略する。
（実施例６）
速度の推定は、（２）式より、ｄｃ軸、ｑｃ軸の両軸に現れる誤差成分をＰＩ演算しても可能であるため、図６に示すように、ｑ軸、ｄ軸電圧偏差を検出する減算器３１、３３に自乗平均（√（Ｘ^２＋Ｙ^２））回路４１を接続し、ＰＩアンプ３２を自乗平均回路４１に接続する。なお、図６中、図３と同一部分には同一符号を付して重複する説明を省略する。
（実施例７）
上記図３（又は図４など）の減算器３１、３４でモデル電圧Ｖｑ、Ｖｄと比較する電流制御アンプ１２ａ、１２ｂからの電圧指令Ｖｄｃ＊、Ｖｑｃ＊の代わりにインバータの出力電圧を検出したものを使う。（図示省略）。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は、位置、速度推定器が、電圧モデルをベースにして構成されているため、ＰＭモータ定数の修正が簡単に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＰＭモータの位置センサレス制御の全体構成図。
【図２】ＰＭモータの解析モデル説明図。
【図３】実施例１に係る位置推定モジュールのブロック回路図。
【図４】実施例２に係る位置推定モジュールのブロック回路図。
【図５】実施例５に係る位置推定モジュールのブロック回路図。
【図６】実施例６に係る位置推定モジュールのブロック回路図。
【符号の説明】３…インバータ４…ＰＭモータ２０…位置推定モジュール（位置、速度推定器）２０ａ…電圧モデル部２１、２６…入力する電流とＰＭモータの巻線抵抗Ｒ１の積を出力するＲ１回路２２…Ｌｄテーブル、（ＰＭモータのｄ軸インダクタンステーブル）２７…Ｌｑテーブル、（ＰＭモータのｑ軸インダクタンステーブル）Ｖｑ…ｑ軸モデル電圧Ｖｄ…ｄ軸モデル電圧θ…回転子速度（ベクトル値）θ…位相推定（値）Δθ…回転子速度補正（値）ω…速度推定（値）

Claims (7)

1. 速度指令と速度推定との偏差を演算し電流指令を出力する速度制御器と、この電流指令と電流検出との偏差を演算し電圧指令を出力する電流制御器と、この電圧指令を三相に変換するｄｃ‐ｑｃ→ｕｖｗ座標変換器と、インバータ出力電流を前記電流検出に変換するｕｖｗ→ｄｃ‐ｑｃ座標変換器と、前記電流指令又は電流検出と前記電圧指令又は電圧検出から前記速度推定を演算すると共に前記各座標変換器の座標を回転させる位相推定を演算する位置、速度推定器を有するＰＭモータの位置センサレス制御方式において、
   前記位置、速度推定器を、ＰＭモータの電圧モデルに基づいて構成したことを特徴とするＰＭモータの位置センサレス制御方式。
2. 前記位置、速度推定器の電圧モデル部は、それぞれｄ軸、ｑ軸の電流指令が入力し電流と巻線抵抗との積を出力する第１、第２の巻線抵抗回路と、それぞれＰＭモータのｄ軸、ｑ軸のインダクタンスを電流テーブルデータとして持つｄ軸、ｑ軸のインダクタンステーブルを有し、ＰＭモータ定数の修正をｄ軸、ｑ軸のインダクタンステーブルに基づいて行うことを特徴とする請求項１に記載のＰＭモータの位置センサレス制御方式。
3. 前記位置、速度推定器の電圧モデル部は、それぞれｄ軸、ｑ軸の電流指令が入力し電流と巻線抵抗との積を出力する第１、第２の巻線抵抗回路と、ＰＭモータのｄ軸、ｑ軸の磁束を電流テーブルデータとして持つｄ軸、ｑ軸の磁束テーブルを有し、ＰＭモータ定数の修正をｄ軸、ｑ軸磁束テーブルに基づいて行うことを特徴とする請求項１に記載のＰＭモータの位置センサレス制御方式。
4. 前記ＰＭモータの巻線抵抗の温度補償は、ＰＭモータの温度センサを用いて前記第１、第２の巻線抵抗回路の巻線抵抗値を、温度のテーブルデータとして補償することを特徴とする請求項２又は３に記載のＰＭモータの位置センサレス制御方式。
5. 前記位置、速度推定器における位置補正演算は、前記電圧モデル部のｄ軸モデル電圧と前記ｄ軸電圧指令との誤差電圧成分を比例演算し、位置補正項の演算部分の除算演算を省略したことを特徴とする請求項１乃至４に記載のＰＭモータの位置センサレス制御方式。
6. 前記位置、速度推定器における速度推定演算は、前記電圧モデル部のモデル電圧と前記電流制御器からの電圧指令との誤差電圧成分を演算し、その大きさから推定することを特徴とする請求項１乃至５に記載のＰＭモータの位置センサレス制御方式。
7. 前記位置、速度推定器における速度推定演算は、前記電圧モデル部のモデル電圧と検出したインバータの出力電圧との誤差電圧成分を演算し、その大きさから推定することを特徴とする請求項１乃至５に記載のＰＭモータの位置センサレス制御方式。

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