JP2005151640A - 高周波電圧重畳電動機制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気的突極性を有する電動機の磁極位置情報を位置センサーを用いないで得る手法として高周波電圧重畳方法があるが、それに起因する騒音とトルクリップルを低減する。
【解決手段】電圧波形のパターンを複数用意しておき、時間の経過とともに前記パターンをランダムに選択したものを高周波電圧としたり、電動機の固定子巻き線に鎖交する磁束ベクトルと平行した方向に前記高周波電圧を重畳したり、トルク指令の時間微分の絶対値に応じて高周波電圧の振幅を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気的突極性を有する電動機の制御装置に関するものである。

回転子に電気的突極性を有する電動機を制御する場合、電動機の磁極位置の情報を必要とするため従来は電動機の回転子に位置センサを装着して、該位置センサの出力で磁極位置の情報としていた。しかしながら信頼性向上、配線の簡易化、モータ容積縮小、コスト低減等の要求により、位置センサ以外の手段で磁極位置情報を得る手法が開発されている。
それは例えば図５に示されるような構成で実現されている。以下図５に基づいて説明する。電力変換器１は入力した電圧指令ｖα、ｖβに対応した電圧を電動機４に印加する。電流検出器２と電圧検出器３は、それぞれ電動機の入力電流と電圧を検出する。電流回転座標変換器５と電圧回転座標変換器６は、それぞれ電動機の入力電流と電圧を推定磁極位置θに基づいて回転座標変換し推定磁極位置に平行なγ成分であるｉγやｖγと直交するδ成分であるｉδやｖδに分けて出力する。

磁極位置推定器７は、例えば式（１）の演算で実際の磁極位置と推定磁極位置θとの位相誤差ΔθＬを求めて、ΔθＬが０になるようにθを修正する調整器を具備することで推定磁極位置θを求めて出力する。ここでωは電動機４の回転子の電気角回転角周波数であり、Ｌｄは電動機４の磁極方向のインダクタンスであり、Ｌｑは電動機４の磁極と直交する方向のインダクタンスであり、Ｒは電動機４の固定子巻き線抵抗値であり、φは電動機４の回転子に永久磁石が付いている場合のその磁束であり、ｐは時間微分演算子である。電流指令生成器１０は、トルク指令Ｔｃに基づいて電流指令ｉγｃとｉδｃを出力する。電流制御器９は、電流指令ｉγｃやｉδｃにフィードバック値であるｉγやｉδが追従するような電圧指令ｖ’γｃやｖ’δｃを出力する。ｖ’γｃは、高周波電圧生成器３０の出力の高周波電圧ｖγｈと加算器１１で加算され新たな電圧指令ｖγｃとなる。ｖ’δｃはそのまま電圧指令ｖδｃとなる。電圧逆回転座標変換器８は、推定磁極位置θに基づいてｖγｃとｖδｃを静止座標のｖα、ｖβに変換して出力する。

加算器１１によって高周波電圧ｖγｈを加算する理由を以下に示す。式（１）によって位置誤差を求める際に、ｉγが一定でその時間微分が０でかつω＝０の場合は、式（１）の分母が０となり演算が不能となってしまう。そこで高周波電圧ｖγｈを加算器１１で重畳することでｉγを随時変化させてその時間微分が０とならないようにしている。（例えば、特許文献１参照。）。

なお、高周波電圧を加算器１１で重畳することにより、電動機４には高周波成分の電流が流れるため磁歪により電磁音による騒音が発生する。また電動機４の出力トルクＴは、推定磁極位置θが実際の磁極位置と一致しているとすると
Ｔ＝Ψｄ・ｉδ＋Ψｑ・ｉγ・・・・・・・・・・・（２）
と表されるので、高周波電圧重畳によりｉγに高周波成分が含まれることになり、その結果式（２）からも明らかなように電動機出力トルクＴにもリップルが発生することになる。ここでΨｄとΨｑは、それぞれ電動機４の一次鎖交磁束ベクトルの磁極位置に平行な成分と直交する成分である。
特開２００２−１１２６００号公報

解決しようとする問題点は、第１に高周波電圧重畳によって発生する騒音が大きいことである。第２には高周波電圧重畳によって電動機の出力トルクにリップルが発生することである。
上記問題点を解決するために、高調波電圧の振幅を小さくすることが考えられるが、そうすると式（１）での位置誤差演算の誤差が大きくなり、電動機の急加減速時や負荷急変時のような過渡状態で位置推定が追いつかなくなり、最悪の場合脱調してしまう危険性がある。

本発明は、電圧波形のパターンを複数用意しておき、時間の経過とともに前記パターンをランダムに選択したものを高周波電圧とすることを特徴とする。

また、電動機の固定子巻き線に鎖交する磁束ベクトルと平行した方向に高周波電圧を重畳することを特徴とする。

また、トルク指令の時間微分の絶対値を求めるトルク指令微分演算器と、該トルク指令微分演算器の出力に応じて高周波電圧の振幅を調整する高周波電圧振幅調整器とを具備することを特徴とする。

各種電圧波形パターンをランダムに切り換えることで、電動機電流の高周波の周波数成分が一定とはならないため、それによって発生する騒音の周波数成分も一定とはならず、ホワイトノイズ的な騒音となり、人に対して騒音が低くなる錯覚をもたらす効果がある。
また、電動機の固定子巻き線に鎖交する磁束ベクトルつまり一次鎖交磁束ベクトルと平行方向に高周波電圧を重畳することで、電流にも一次鎖交磁束ベクトルと平行方向にリップルが発生することになり、電動機出力トルクに高周波電圧重畳に起因するリップルが存在しなくなる。一般に電動機のトルクＴは
Ｔ＝Ψ・Ｉ・ｓｉｎξ・・・・・・・・・・・・・・・・（３）
で表される。ここで、ΨとＩは、それぞれ一次鎖交磁束ベクトルと電流ベクトルの大きさであり、ξは一次鎖交磁束ベクトルと電流ベクトルとの位相差である。一次鎖交磁束ベクトルと平行方向に高周波電圧を重畳することで、電流のリップル成分は一次鎖交磁束ベクトルと同じ方向に存在するので、リップル成分の位相差ξは０となり、トルクリップル成分は０となる。
トルク指令の時間微分の絶対値を求めるトルク指令微分演算器と、該トルク指令微分演算器の出力に応じて高周波電圧の振幅を調整する高周波電圧振幅調整器とを具備することで、トルク指令が大きく変化したときである過渡状態時のみ高周波電圧の振幅を大きくすることができ、定常状態では高周波電圧の振幅を小さくできる。従って、定常状態では電流の高周波成分も小さくなり、騒音やトルクリップルが低減される。過渡状態では、高周波電圧の振幅が大きくなって、式（１）の演算がより正確にできるようになり、電動機の急加減速時や負荷急変時に位置推定を誤る可能性を低くできる。

騒音低減とトルクリップル低減の目的を、磁極位置推定の精度を低減せずに実現した。

図２は、本発明請求項１に基づく装置の１実施例のブロック図であって、１〜１１は、図５と同様であり、図５の高周波電圧生成器３０の代わりにパターン記憶器２１とランダム選択信号発生器１５と選択器１９が新たに追加されている。

パターン記憶器２１は、パターン１（２１１）〜パターンＮ（２１Ｎ）までのＮ個の電圧波形パターンを記憶しておく。例えばパターン１（２１１）は、図６のパターン１の波形を記憶しており、パターン２（２１２）は図６のパターン２の波形を、パターンＮ（２１Ｎ）は図６のパターンＮの波形を記憶しているものとする。ランダム選択信号発生器１５は、１〜Ｎまでの数字をランダムに発生する。選択器１９は、現在選択しているパターンを全部出力し終わった時点でランダム選択信号発生器１５の出力に示されたパターンを選択して出力する。選択器１９の出力が高周波電圧ｖγｈとなり、加算器１１によってγ軸電圧指令ｖ’γｃに加算される。

図３は、本発明請求項２に基づく装置の１実施例のブロック図であって、１〜１１は、図５と同様であり、図５と異なる部分のみ以下で説明する。

一次鎖交磁束位相演算器１３は、
Ψγ＝Ｌｄ・ｉγ＋φ
Ψδ＝Ｌｑ・ｉδ
の演算で一次鎖交磁束ベクトルのγ−δの各成分を求め、
θｐ＝ａｔａｎ（Ψγ／Ψδ）
で一次鎖交磁束ベクトルのγ軸からの位相差θｐを求めて出力する。分配器１４は、高周波電圧生成器３０の出力である高周波電圧値ｖｈから各軸に重畳される高周波電圧を
ｖγｈ＝ｖｈ・ｃｏｓ（θｐ）
ｖδｈ＝ｖｈ・ｓｉｎ（θｐ）
により求めて出力する。ｖγｈとｖδｈは、それぞれ加算器１１と１２によって電圧指令ｖ’γｃとｖ’δｃに加算されて、新たな電圧指令ｖγｃとｖδｃが得られる。この構成によって、高周波電圧が一次鎖交磁束ベクトルと平行な方向に重畳されることになる。

図４は、本発明請求項３に基づく装置の１実施例のブロック図であって、１〜１１は、図５と同様であり、図５と異なる部分のみ以下で説明する。

トルク指令微分演算器１７は、トルク指令Ｔｃを時間微分してその絶対値Ｔｄを出力する。高周波電圧振幅調整器１８は、Ｔｄに応じて高周波電圧生成器３０の出力の振幅を調整する。例えば、２種類の大きさの振幅を用意しておき、Ｔｄが所定値より大きい場合は大きい方の振幅とし、Ｔｄが前記所定値以下の場合は小さい方の振幅とする。過渡状態ではＴｄは大きくなり、定常状態ではＴｄは小さくなると想像されるので、過渡状態では高周波電圧の振幅が大きくなり、定常状態では振幅が小さくなる。

図１は、本発明請求項１から３の全てを含んだ装置の１実施例のブロック図である。全ての部分が図２から図５において説明されているので、説明を省略する。

電動機に位置センサを取り付ける必要がないため、信頼性向上、配線の簡易化、モータ容積縮小、コスト低減等の効果が期待され、新たに発生した騒音やトルクリップルの増大が本発明により抑制されるので、産業上の利用の可能性は大いにある。

請求項１から３の全ての実施例を示した説明図である。（実施例４） 請求項１の実施例を示した説明図である。（実施例１） 請求項２の実施例を示した説明図である。（実施例２） 請求項３の実施例を示した説明図である。（実施例３） 従来技術の高周波電圧重畳電動機制御装置の説明図である。 重畳電圧波形パターン例である。

符号の説明

１ 電力変換器
２ 電流検出器
３ 電圧検出器
４ 電動機
５ 電流回転座標変換器
６ 電圧回転座標変換器
７ 磁極位置推定器
８ 電圧逆回転座標変換器
９ 電流制御器
１０ 電流指令生成器
１１ 加算器
１２ 加算器
１３ 一次鎖交磁束位相演算器
１４ 分配器
１５ ランダム選択信号発生器
１７ トルク指令微分演算器
１８ 高周波電圧振幅調整器
１９ 選択器
２１ パターン記憶器
２１１〜２１Ｎ パターン１〜パターンＮ
３０ 高周波電圧生成器

Claims (3)

1. 回転子に電気的突極性を有する電動機に高周波電圧を重畳した電圧を印加することで該電動機の磁極位置を推定する磁極位置推定手段を具備する高周波電圧重畳電動機制御装置において、電圧波形のパターンを複数用意しておき、時間の経過とともに前記パターンをランダムに選択したものを前記高周波電圧とすることを特徴とする高周波電圧重畳電動機制御装置。
2. 回転子に電気的突極性を有する電動機に高周波電圧を重畳した電圧を印加することで該電動機の磁極位置を推定する磁極位置推定手段を具備する高周波電圧重畳電動機制御装置において、前記電動機の固定子巻き線に鎖交する磁束ベクトルと平行した方向に前記高周波電圧を重畳することを特徴とする高周波電圧重畳電動機制御装置。
3. 回転子に電気的突極性を有する電動機に高周波電圧を重畳した電圧を印加することで該電動機の磁極位置を推定する磁極位置推定手段を具備し、該電動機の出力トルクをトルク指令に追従させるようにした高周波電圧重畳電動機制御装置において、前記トルク指令の時間微分の絶対値を求めるトルク指令微分演算器と、該トルク指令微分演算器の出力に応じて前記高周波電圧の振幅を調整する高周波電圧振幅調整器とを具備することを特徴とする高周波電圧重畳電動機制御装置。

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