JP2008011628A - 回転機制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】起動時を含むセンサレス駆動において回転異常を速やかに検出する。
【解決手段】回転異常検出部８は、起動運転時にモータパラメータと指令回転速度ωｒとモータ２の電流Ｉｄ、Ｉｑとをモータ２の電圧電流方程式に適用してモータ２の理論上の電圧Ｖｆを演算し、モータ２の実電圧が理論上の電圧Ｖｆより低い場合に回転異常と判定する。指令回転速度ωｒに替えて回転速度・角度推定部７で推定した回転速度ωestを用いることにより、位置推定運転時にもモータ２の回転異常を検出できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転子に永久磁石を備えた回転機を所謂センサレスで制御する回転機制御装置に関する。

エアコン等のコンプレッサ用モータやファン用モータ、電気自動車の駆動用モータなどでは、広範囲の可変速制御、消費電力の低減、メンテナンス性の改善等が要請されている。これに応えるため、回転子に永久磁石を備えた永久磁石モータを、ホールＩＣなど回転子位置検出用のセンサを取り付けることなく、インバータ装置を使用してベクトル制御するセンサレス駆動方式が多く採用されるようになってきている。

例えばエアコンの室外機などに使用されるファン用モータでは、モータが外力やモータ自身の原因によりロックして回転しなくなったり、脱調等により回転速度が異常に低下するといった回転異常が発生することがある。上記回転子位置検出用のセンサを用いないセンサレス駆動方式では、この回転異常を直接的に検出することができない。そこで、特許文献１では、位置推定運転時にｄ軸誘起電圧推定値をゼロに収束させることにより回転子の角周波数を検出し、その検出した角周波数と角周波数指令値との差に基づいて回転異常を判定している。
特開２００３−３１９６９８号公報

この特許文献１には、位置推定運転時における回転異常の判定手段が記載されている。しかしながら、上記モータを起動する場合、回転子の位置検出が可能となる程度に誘起電圧が大きくなるまでは、一定パターンの通電信号を用いて強制的に転流する必要がある。この強制転流では、回転位置のフィードバックがないため、負荷状態等により脱調等の回転異常が発生し易く、また回転異常に伴って異音が発生するなどの問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、強制転流を行う起動時を含むセンサレス駆動において回転異常を速やかに検出できる回転機制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の回転機制御装置は、回転子に永久磁石を備え固定子に巻線が巻回された回転機に対し転流信号に従って通電を行う電力変換装置と、起動運転時に前記電力変換装置に対し指令回転速度に応じた所定の通電パターンを有する転流信号を出力する起動制御手段と、前記起動運転時に前記回転機のパラメータと前記指令回転速度と前記回転機の巻線に流れる電流とを前記回転機の電圧電流方程式に適用して前記回転機の電圧を演算する電圧演算手段と、前記起動運転時に前記電圧演算手段により演算された電圧と前記回転機の実電圧とを比較し、前記実電圧の方が低い場合に回転異常と判定する判定手段とを備えたことを特徴とする。

また、上記目的を達成するため、請求項５記載の回転機制御装置は、回転子に永久磁石を備え固定子に巻線が巻回された回転機に対し転流信号に従って通電を行う電力変換装置と、前記回転子の回転速度と回転位置を推定する推定手段と、位置推定運転時に前記推定手段により推定された回転位置に基づいて前記電力変換装置に対し転流信号を出力する駆動制御手段と、前記位置推定運転時に前記回転機のパラメータと前記推定手段により推定された回転速度と前記回転機の巻線に流れる電流とを前記回転機の電圧電流方程式に適用して前記回転機の電圧を演算する電圧演算手段と、前記位置推定運転時に前記電圧演算手段により演算された電圧と前記回転機の実電圧とを比較し、前記実電圧の方が低い場合に回転異常と判定する判定手段とを備えたことを特徴とする。

回転機が回転している場合には、巻線のリアクタンスが大きくなるので、回転機の指令回転速度が高くなるに従って回転機の電圧も高くなる。これに対し、回転機が停止または指令回転速度よりも低下していると、巻線のリアクタンスが小さくなり、回転機の指令回転速度が高くなっても回転機の電圧は低いままとなる。このため、起動を伴うセンサレス駆動において、電圧電流方程式に基づいて演算された電圧と回転機の実電圧とを比較することにより、回転異常の発生を速やかに判定することができる。

本発明の回転機制御装置によれば、強制的な転流を行う起動時を含むセンサレス駆動において回転異常を速やかに検出できる。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、位置推定運転時におけるモータ制御装置の構成を機能ブロックにより表したものである。モータ制御装置１の制御対象であるモータ２（回転機）は、回転子２ｒに永久磁石２ｍを備え、固定子２ｓに電機子巻線２ａ、２ｂ、２ｃが巻回されてなる三相永久磁石同期モータ（ＰＭモータ）である。回転子２ｒの位置を直接検出するセンサは取り付けられておらず、モータ制御装置１は、所謂センサレスベクトル制御によりモータ２を駆動制御するようになっている。

モータ制御装置１は、制御部３、インバータ４および電流検出器５ａ、５ｂ、５ｃから構成されている。インバータ４（電力変換装置に相当）は、スイッチング素子例えばＩＧＢＴ４ap、４an、…を３相ブリッジの回路形態に接続してなる周知の電圧形インバータであって、その出力端子とモータ２の端子との間にはホールＣＴ、シャント抵抗などから構成される上記電流検出器５ａ、５ｂ、５ｃが設けられている。

制御部３は、ＣＰＵコアやメモリ等の基本構成の他、Ａ／Ｄ変換器、タイマ、入出力ポート、通信インターフェースなどの周辺回路を備えたプロセッサにより構成されており、フラッシュメモリなどの不揮発性メモリに記憶された制御プログラムを実行することによりモータ２を制御するようになっている。制御部３は、モータ２の磁束軸方向をｄ軸とし、これに直交するトルク軸方向をｑ軸とし、これらｄｑ座標系で電圧および電流を制御することによりベクトル制御を実行する。

制御部３は、電流制御部６、回転速度・角度推定部７および回転異常検出部８としての機能を実現するようになっている。回転速度・角度推定部７は、回転子２ｒの回転速度ωと磁極位置（回転子角度θ）とを推定するもので推定手段に相当する。電流制御部６は、起動運転時においてはインバータ４に対し指令回転速度に応じた所定の通電パターンを有する強制的な転流信号を出力する起動制御手段として動作し、位置推定運転時においては推定した回転子位置に基づいて巻線２ａ、２ｂ、２ｃに流す電流の位相と大きさを制御する駆動制御手段として動作する。回転異常検出部８は、起動運転時および位置推定運転時において、回転子２ｒがロックしたことまたは回転速度が異常に低下したことを検出するための手段である。

電流制御部６において、３相−２相変換部９は、電流検出器５ａ、５ｂ、５ｃにより検出された三相の電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃをこれと等価な二相の電流Ｉα、Ｉβに変換する。また、回転座標変換部１０は、このαβ座標系の電流Ｉα、Ｉβをｄｑ座標系の電流Ｉｄ、Ｉｑに変換する。この回転座標変換の演算に際しては、後述する回転速度・角度推定部７により推定された回転子角度θestが用いられる。

制御部３には指令回転速度ωｒが入力されている。減算器１１は、指令回転速度ωｒから回転速度・角度推定部７で推定された回転速度ωestを減算して速度偏差Δωを求め、ＰＩ演算部１２は、速度偏差Δωに対するＰＩ演算を実行して指令ｑ軸電流Ｉqrを生成する。指令ｄ軸電流Ｉdrは一定値としている。

減算器１３は、指令ｄ軸電流Ｉdrから検出されたｄ軸電流Ｉｄを減算してｄ軸電流偏差ΔＩｄを求め、ＰＩ演算部１４は、そのｄ軸電流偏差ΔＩｄに対するＰＩ演算を実行して指令ｄ軸電圧Ｖｄを生成する。同様に、減算器１５は、指令ｑ軸電流Ｉqrから検出されたｑ軸電流Ｉｑを減算してｑ軸電流偏差ΔＩｑを求め、ＰＩ演算部１６は、そのｑ軸電流偏差ΔＩｑに対するＰＩ演算を実行して指令ｑ軸電圧Ｖｑを生成する。

回転座標変換部１７は、これらｄ軸電圧Ｖｄとｑ軸電圧Ｖｑに対し回転子角度θestを用いて回転座標変換を行い、αβ座標系の電圧Ｖα、Ｖβを出力する。ＰＷＭ形成器１８は、この電圧Ｖα、Ｖβに基づいてＰＷＭ変調された転流信号を生成する。インバータ４を構成するＩＧＢＴ４ap、４an、…は、図示しないドライブ回路を通して与えられる上記転流信号に従ってスイッチング動作を行う。これにより、モータ２の巻線２ａ、２ｂ、２ｃに電圧Ｖα、Ｖβに応じた電圧が印加され、モータ２が回転駆動される。

回転速度・角度推定部７は、ｄｑ座標系でのモータモデルを用いて回転速度ωestと回転子角度θestを求める。ｄ軸誘起電圧推定部１９は、回転子２ｒが回転することにより巻線２ａ、２ｂ、２ｃに生ずる誘起電圧のｄ軸成分推定値Ｅｄを、次の（１）式により計算する。
Ｅｄ＝Ｖｄ−（Ｒ＋ｐＬｄ）・Ｉｄ＋ωest・Ｌq・Ｉｑ …（１）
ここで、Ｒはモータ２の１相分の巻線抵抗、Ｌｄ、Ｌｑはモータ２の１相分のｄ軸、ｑ軸インダクタンス、ωestは回転子２ｒの回転速度の推定値、ｐは微分演算子である。また、電流Ｉｄ、Ｉｑには検出された電流値を用い、ｄ軸電圧Ｖｄにはインバータ４の応答性が良いことから検出値の代わりに指令値を用いている。

ＰＩ演算部２０は、（１）式で求めた誘起電圧のｄ軸成分推定値Ｅｄに対するＰＩ演算を実行して回転速度誤差ωerrを出力し、減算器２１は、（２）式で示すように指令回転速度ωｒから回転速度誤差ωerrを減算して回転速度ωestを求める。
ωest＝ωｒ−ωerr …（２）
この推定方法によれば、誘起電圧のｄ軸成分推定値Ｅｄはゼロに収束する。積分器２２は、回転速度ωestを積分して回転子角度θestを出力する。

図２は、起動運転時における回転異常検出部８の構成を示している。回転異常検出部８は、電圧演算部２３（電圧演算手段に相当）と判定部２４（判定手段に相当）とから構成されている。電圧演算部２３は、起動運転時にあってはモータ２のパラメータと指令回転速度ωｒと検出した電流Ｉｄ、Ｉｑとをモータ２の電圧電流方程式に適用してモータ２の理論上の電圧Ｖｆを演算し、位置推定運転時にあっては指令回転速度ωｒに替えて推定した回転速度ωestを用いて電圧Ｖｆを演算する。判定部２４は、モータ２が正常に回転しているとして求めた理論上の電圧Ｖｆと、モータ２の実電圧（本実施形態では指令電圧Ｖで代用）とを比較し、指令電圧Ｖの方が低い場合に回転異常と判定して判定信号ＳａをＨレベルにする。

モータ２の起動運転時における電圧電流方程式は、次の（３）式のようになる。

ここで、Ｖｄはｄ軸電圧、Ｖｑはｑ軸電圧、Ｒはモータ２の１相分の巻線抵抗、Ｌｄ、Ｌｑはモータ２の１相分のｄ軸、ｑ軸インダクタンス、Ｉｄはｄ軸電流、Ｉｑはｑ軸電流、Ｋｅは誘起電圧定数、ωは回転速度である。

また、モータ２の実電圧（線間電圧に相当する電圧）として代用する指令電圧Ｖは、次の（４）式のようになる。

次に、モータ２の回転異常の検出について図３も参照しながら説明する。
電流制御部６は、停止状態にあるモータ２に対し起動運転を実行し、回転速度・角度推定部７が回転速度ωestと回転子角度θestを正しく推定可能となる回転速度までモータ２を加速する。この起動運転においては、指令ｄ軸電流をＩdrst（一定値）とし、指令ｑ軸電流Ｉqrをゼロとした上で、指令回転速度ωｒに従って回転子角度θを増加させる強制転流を行う。このとき、回転子２ｒの磁極位置についてオープンループ制御となるため、負荷状態等により脱調等の回転異常が発生し易くなる。

回転異常検出部８は、起動運転時に（３）式に示す電圧電流方程式においてｄ軸電流Ｉｄに指令ｄ軸電流Ｉdrstを代入し、ｑ軸電流Ｉｑにゼロを代入し、回転速度ωに指令回転速度ωｒを代入することにより、モータ２の理論上のｄ軸電圧Ｖｄとｑ軸電圧Ｖｑを演算する。そして、電圧電流方程式に基づくモータ２の理論上の電圧Ｖｆ（線間電圧に相当する電圧）を（５）式のように演算する。なお、（３）式においてｄ軸電流Ｉｄの微分項とｑ軸電流Ｉｑの微分項はゼロとしてある。

図３は、起動運転時における実際の測定波形を示している。（ａ）は正常に加速している場合の波形であり、（ｂ）は脱調の発生により加速されない場合の波形である。各図には、モータ２の指令電圧Ｖ、理論上の電圧Ｖｆ、判定部２４が出力する判定信号Ｓａ、起動運転から位置推定運転への切替信号Ｓｂが示されている。判定信号Ｓａは、正常回転のときにＬレベルとなり、異常回転のときにＨレベルとなる。切替信号Ｓｂは、起動運転時にＬレベル、位置推定運転時にＨレベルとなる。試験のため（ｂ）において判定信号ＳａがＨレベルになっても起動運転を継続しているが、実際には所定時間以上連続して判定信号ＳａがＨレベルになると回転異常により運転を停止する。

判定部２４は、（４）式で示すモータ２の指令電圧Ｖ（実電圧に相当）と（５）式で示す理論上の電圧Ｖｆとを比較する。モータ２が回転している場合には、巻線２ａ、２ｂ、２ｃのリアクタンスが大きくなるので、モータ２の指令回転速度ωｒが高くなるに従ってモータ２の電圧も高くなる。図３（ａ）では、指令電圧Ｖは理論上の電圧Ｖｆと同様に指令回転速度ωｒの上昇に伴って増加しており、起動運転期間において指令電圧Ｖが理論上の電圧Ｖｆよりも常に高くなる。その結果、判定信号Ｓａは常にＬレベルとなる。

これに対し、モータ２が脱調により停止または指令回転速度ωｒよりも低下すると、巻線２ａ、２ｂ、２ｃのリアクタンスが小さくなり、モータ２の指令回転速度ωｒが高くなってもモータ２の電圧は低いままとなる。図３（ｂ）では、指令電圧Ｖはほぼ一定のままであり、起動運転の途中で指令電圧Ｖが理論上の電圧Ｖｆよりも低くなる。その結果、判定信号ＳａがＬレベルからＨレベルに変化する。

このように、判定部２４は、起動運転時にモータ２の指令電圧Ｖ（実電圧に相当）と理論上の電圧Ｖｆとを比較することにより、回転異常の発生を速やかに検出することができる。この回転異常は、位置推定運転時においても同様にして検出できる。すなわち、負荷が一定の場合には、近似的に（３）式に示す電圧電流方程式が成立するので、ｄ軸電流Ｉｄに指令ｄ軸電流Ｉdrを代入し、ｑ軸電流Ｉｑに指令ｑ軸電流Ｉqrを代入し、回転速度ωに回転速度・角度推定部７で推定した回転速度ωestを代入することにより、モータ２の理論上のｄ軸電圧Ｖｄとｑ軸電圧Ｖｑを演算する。そして、電圧電流方程式に基づくモータ２の理論上の電圧Ｖｆ（線間電圧に相当する電圧）を（６）式のように演算する。判定部２４は、位置推定運転時に指令電圧Ｖが理論上の電圧Ｖｆよりも低くなると、回転異常と判定して判定信号ＳａをＨレベルにする。

なお、負荷変動がある場合には、（３）式に示す電圧電流方程式に替えて（７）式に示す電圧電流方程式を用いればよい。

さて、この回転異常検出方法ではモータパラメータを用いて理論上の電圧Ｖｆを演算するので、パラメータに誤差が存在すると誤判定が生ずることが懸念される。そこで、起動運転時におけるパラメータの誤差の影響についてモンテカルロ法を用いたシミュレーションによる検証を行っている。その結果、推定した回転子角度θestと実際の回転子角度とのずれ、電流・電圧の検出誤差、誘起電圧（誘起電圧定数Ｋｅ）の誤差、巻線インダクタンスＬｄ、Ｌｑの誤差、巻線抵抗Ｒの誤差などが実システムでのばらつき程度存在しても、脱調による回転異常をほぼ確実に検出可能であることを確認した。

また、モータ２をより確実に起動するため、起動運転に先立って所定相の巻線に対し直流通電を行う位置決め運転を実行する場合がある。この場合には、位置決め運転時におけるｄ軸電圧Ｖｄとｄ軸電流Ｉｄとを測定し、これら測定値に基づいて巻線抵抗Ｒを求め、その抵抗値をモータパラメータとして用いるとよい。これにより、巻線温度の変動よる電圧Ｖｆの演算誤差を低減することができる。上述のシミュレーションによる検証でも、巻線抵抗Ｒの誤差が減少すると、脱調による回転異常をより確実に検出可能であることを確認できた。

以上説明したように、本実施形態のモータ制御装置１は、起動運転時にモータパラメータと指令回転速度ωｒとモータ２の電流Ｉｄ、Ｉｑとをモータ２の電圧電流方程式に適用してモータ２が正常に回転している場合の理論上の電圧Ｖｆを演算し、モータ２の実電圧が理論上の電圧Ｖｆより低い場合に回転異常と判定する回転異常検出部８を備えている。回転異常検出部８は、指令回転速度ωｒに替えて回転速度・角度推定部７で推定した回転速度ωestを用いることにより、位置推定運転時にもモータ２の回転異常を検出することができる。従って、起動運転時を含むセンサレス駆動において、負荷の急変等によるロックや脱調による回転数低下などの発生を速やかに検出できる。

起動不良を早い段階で検出してモータ２への通電を中止できるので、起動運転時における無駄な電力を抑制でき、異音の発生を防止できる。また、モータパラメータに多少の誤差が存在しても回転異常をほぼ確実に検出することができるので、使用者はモータパラメータを設定した後で、起動不良検出のための調整が不要となる。

モータ２に印加される電圧は指令電圧に対して優れた追従性を有しているので、回転異常検出部８は、理論上の電圧Ｖｆと比較する電圧として実電圧に代えて指令電圧Ｖを用いることができる。これにより電圧検出器が不要となる。

回転異常検出部８は、モータ２の巻線２ａ、２ｂ、２ｃに流れる電流として指令電流Ｉdr、Ｉdrst、Ｉqrを用いて理論上の電圧Ｖｆを演算しているので、振動が発生しにくく系が安定する。また、起動運転時には、指令ｄ軸電流をＩdrst（一定値）とし、指令ｑ軸電流Ｉqrをゼロとしているので、モータ２の電圧電流方程式における電流に関する微分項を省略できる。その結果、プロセッサの処理負担が軽減される。

なお、本発明は上記し且つ図面に示す実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように変形または拡張が可能である。
理論上の電圧Ｖｆの演算に際し、巻線２ａ、２ｂ、２ｃに流れる電流として検出した電流Ｉｄ、Ｉｑと指令電流Ｉdr、Ｉdrst、Ｉqrの何れを用いてもよい。
回転速度ωestと回転子角度θestの推定方法は、誘起電圧のｄ軸成分推定値Ｅｄをゼロに収束させる回転速度・角度推定部７による推定方法に限られない。
電圧検出器を設け、回転異常検出部８は、理論上の電圧Ｖｆと検出した実電圧とを比較して回転異常を判定してもよい。

本発明の一実施形態を示す位置推定運転時におけるインバータ装置の電気的なブロック構成図 起動運転時における回転異常検出部のブロック構成図 起動運転時における実際の測定波形であって、（ａ）は正常に加速している場合の波形図、（ｂ）は脱調の発生により加速されない場合の波形図

符号の説明

図面中、１はモータ制御装置（回転機制御装置）、２はモータ（回転機）、２ａ、２ｂ、２ｃは巻線、２ｒは回転子、２ｍは永久磁石、２ｓは固定子、４はインバータ（電力変換装置）、６は電流制御部（起動制御手段、駆動制御手段）、７は回転速度・角度推定部（推定手段）、２３は電圧演算部（電圧演算手段）、２４は判定部（判定手段）である。

Claims (8)

1. 回転子に永久磁石を備え固定子に巻線が巻回された回転機に対し転流信号に従って通電を行う電力変換装置と、
   起動運転時に前記電力変換装置に対し指令回転速度に応じた所定の通電パターンを有する転流信号を出力する起動制御手段と、
   前記起動運転時に前記回転機のパラメータと前記指令回転速度と前記回転機の巻線に流れる電流とを前記回転機の電圧電流方程式に適用して前記回転機の電圧を演算する電圧演算手段と、
   前記起動運転時に前記電圧演算手段により演算された電圧と前記回転機の実電圧とを比較し、前記実電圧の方が低い場合に回転異常と判定する判定手段とを備えたことを特徴とする回転機制御装置。
2. 前記電圧演算手段は、前記回転機の巻線に流れる電流として指令電流を用いて前記回転機の電圧を演算することを特徴とする請求項１記載の回転機制御装置。
3. 前記起動制御手段は、前記起動運転に先立って前記回転機の所定相の巻線に対し通電を行う位置決め運転を実行し、
   前記電圧演算手段は、前記位置決め運転時に前記巻線の抵抗値を求め、その抵抗値を前記回転機のパラメータとして用いて前記回転機の電圧を演算することを特徴とする請求項１または２記載の回転機制御装置。
4. 前記判定手段は、前記回転機の実電圧として前記回転機の指令電圧を用いることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の回転機制御装置。
5. 回転子に永久磁石を備え固定子に巻線が巻回された回転機に対し転流信号に従って通電を行う電力変換装置と、
   前記回転子の回転速度と回転位置を推定する推定手段と、
   位置推定運転時に前記推定手段により推定された回転位置に基づいて前記電力変換装置に対し転流信号を出力する駆動制御手段と、
   前記位置推定運転時に前記回転機のパラメータと前記推定手段により推定された回転速度と前記回転機の巻線に流れる電流とを前記回転機の電圧電流方程式に適用して前記回転機の電圧を演算する電圧演算手段と、
   前記位置推定運転時に前記電圧演算手段により演算された電圧と前記回転機の実電圧とを比較し、前記実電圧の方が低い場合に回転異常と判定する判定手段とを備えたことを特徴とする回転機制御装置。
6. 前記電圧演算手段は、前記回転機の巻線に流れる電流として指令電流を用いて前記回転機の電圧を演算することを特徴とする請求項５記載の回転機制御装置。
7. 前記駆動制御手段は、前記回転機の起動運転に先立って所定相の巻線に対し通電を行う位置決め運転を実行し、
   前記電圧演算手段は、前記位置決め運転時に前記巻線の抵抗値を求め、その抵抗値を前記回転機のパラメータとして用いて前記回転機の電圧を演算することを特徴とする請求項５または６記載の回転機制御装置。
8. 前記判定手段は、前記回転機の実電圧として前記回転機の指令電圧を用いることを特徴とする請求項５ないし７の何れかに記載の回転機制御装置。

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