JP2025067011A - 同期モータの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】同期モータの制御装置について、巻線インダクタンスを正確に推定して電流フィードバック制御のゲイン調整を自動的且つ高精度に実施可能とする。
【解決手段】インバータ１４と、同期モータ２の三相電流をｄ軸電流及びｑ軸電流に変換する電流変換手段１１と、ｄ軸電流及びｑ軸電流からｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値を算出する電流フィードバック制御演算手段１２と、ｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値を三相電圧指令値に変換する電圧指令値変換手段１３とを備え、三相電圧指令値に基づいて同期モータ２に出力を行う制御装置１Ａにおいて、電流フィードバック制御で用いる巻線インダクタンスを、一定の回転状態にある同期モータ２を測定対象としながら、三相電流と、三相電圧と、同期モータ２の回転数とを測定パラメータとして演算することにより推定して、電流フィードバック制御におけるゲイン調整を行うものとした。
【選択図】図１

Description

本発明は、同期モータの制御装置に関し、殊に、同期モータの電流フィードバック制御に必要なパラメータである巻線インダクタンスを自動的に推定する機能を備えた同期モータの制御装置に関する。

同期モータは、交流電源の周波数によって定まる同期速度で回転する電動機であり、入力する交流電流により形成される回転磁界で回転子が吸引されながらその磁界に追従して回転動作を行うものであるが、これに接続した制御装置による制御システムで駆動制御されるのが一般的である。

図３は、このような同期モータ２の制御システムを機能ブロック図で示している。このシステムでは、同期モータ２の駆動制御を実行する制御装置１Ｂ内において、電流センサから検出又は推定した同期モータの三相電流（ｉ_U，ｉ_V，ｉ_W）を用い、或いは推定したモータ位置に同期した軸で表すことで、電流変換手段１１によりｄ軸電流（ｉ_d），ｑ軸電流（ｉ_q）に変換される。

そのｄ軸電流（ｉ_d）、ｑ軸電流（ｉ_q）が、入力されたｄ軸電流指令値（ｉ_dref）、ｑ軸電流指令値（ｉ_qref）に各々一致するように、電流フィードバック制御演算手段１２が電流フィードバック制御によりｄ軸電圧指令値（Ｖ_dref）、ｑ軸電圧指令値（Ｖ_qref）を演算する。この電圧を、電圧指令値変換手段１３が同期モータの三相電圧指令値（Ｖ_Uref，Ｖ_Vref，Ｖ_Wref）に変換して、インバータのスイッチング素子をオン・オフ制御することで、三相電圧指令値を同期モータ２に出力する方式となっている。

このような従来の同期モータ２の制御システムにおいて、電流フィードバック制御に必要なパラメータである巻線インダクタンスを測定する一般的な手法について、図２を用いながら説明する。この手法においては、ＬＣＲメータ３等を使用して静止状態における巻線インダクタンス値の測定を行うものであり、同期モータ２におけるＵ－Ｖ相間、Ｖ－Ｗ相間、Ｗ－Ｕ相間を測定し、各測定値の平均を求め、これを１／２倍した値をモータ一相分の巻線インダクタンスとしている。

また、上述した制御システムにおける電流フィードバック制御は、以下の数式で表されるが、記述の通り巻線インダクタンスの値により、比例フィードバックゲインが決定されるようになっている。

しかし、このようなＬＣＲメータ３等を用いた巻線インダクタンスの測定方法は、同期モータ２が静止状態における測定であることから、電流特性に依存する巻線インダクタンス値を正確に測定できずに誤差が大きくなりやすいため、上述した電流フィードバック制御において高精度な制御を実行することが困難である。また、制御対象である同期モータ２の仕様変更に対し、その都度パラメータの測定及び調整作業を実施する必要も生じてしまう。

これに対し、国際公開第２００９／１４４９５７号（特許文献１）の請求項１６には、一対の隣り合う固定子の巻線インダクタンス値を、それぞれの固定子巻線に対応する３相インバータから通電される３相交流電流の電流変化率から算出する手法が提案されており、また、国際公開第２０１１／０２４９３５号（特許文献２）の請求項８には、ｄ軸電流及びｑ軸電流と巻線インダクタンスとの関係を示すマップを記憶した記憶部を備えて、電流指令値算出部で算出された電流指令値と記憶部のマップとから巻線インダクタンス値を算出する手法が提案されている。

しかしながら、前述の特許文献１，２で提案された手法によっても、駆動中の同期モータにおける巻線インダクタンス値を、これに接続された制御装置が正確に測定することはできないことから、同期モータの仕様変更があった場合等を含め、その電流フィードバック制御を制御装置が自動的且つ高精度に実行することは困難であると言わざるを得ない。

国際公開第２００９／１４４９５７号 国際公開第２０１１／０２４９３５号

本発明は、上記のような問題を解決しようとするものであり、同期モータの制御装置について、同期モータの巻線インダクタンスを正確に推定可能として、電流フィードバック制御におけるゲイン調整を、自動的且つ高精度に行えるようにすることを課題とする。

そこで、本発明は、複数のスイッチング素子からなるインバータと、検出又は推定した同期モータの三相電流をｄ軸電流及びｑ軸電流に変換する電流変換手段と、前記ｄ軸電流及び前記ｑ軸電流から電流フィードバック制御を用いてｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値を算出する電流フィードバック制御演算手段と、前記ｄ軸電圧指令値及び前記ｑ軸電圧指令値を三相電圧指令値に変換する電圧指令値変換手段とを備え、前記三相電圧指令値に基づいてスイッチング素子をオン・オフ制御しながら同期モータに出力を行う同期モータの制御装置において、電流フィードバック制御で用いる巻線インダクタンスを、一定の回転状態にある同期モータを測定対象として求めるものとして、三相電流と、三相電圧と、前記同期モータの回転数とを測定パラメータとして演算することにより、巻線インダクタンスを推定しながら電流フィードバック制御におけるゲイン調整を自動的に行う、ことを特徴とする。

このように、一定回転状態の同期モータを測定対象として、三相電流と、三相電圧と、モータ回転数とを測定パラメータとして演算することで、巻線インダクタンスを推定しながら電流フィードバック制御におけるゲイン調整を自動的に実行する方式を採用したことにより、接続した制御装置が作動中の同期モータの巻線インダクタンスをオンラインで推定可能として、電流フィードバック制御におけるゲイン調整を自動的且つ高精度に行えるようにしたものである。

本発明において、前記三相電流は直交座標表示に換算してｄ軸電流及びｑ軸電流とされ、前記三相電圧は直交座標表示に換算してｄ軸電圧及びｑ軸電圧とされ、前記同期モータの回転数は機械角速度に換算されて、各々前述した演算に用いられることを特徴とした場合は、制御装置における巻線インダクタンスの推定が簡易且つ的確に行えるものとなる。

本発明において、前記巻線インダクタンスは、以下の数式（１）～数式（６）を使用しながら、数式（３）に数式（２）を代入した数式（４）を変形して数式（５）とし、

ここで、
・ｉ_d及びｉ_qはｄ軸電流及びｑ軸電流であり、
・ｖ_d及びｖ_qはｄ軸電圧及びｑ軸電圧であり、
・Ｎ_γはモータ回転数であって数式（１）により機械角速度ω_γに換算され、
・Ｒはモータ１相分抵抗値であり、
・Ｌはモータ１相分インダクタンス値であり、
・Φ_mは磁石磁束であって数式（６）により導出され、
・Ｐはモータ極数であり、
数式（５）に測定時の機械角速度（ω_γ）、ｑ軸電流（ｉ_q）、ｄ軸電流（ｉ_d）、ｑ軸電圧（ｖ_q）、ｄ軸電圧（ｖ_d）、磁石磁束（Φ_m）を代入することにより、モータ１相分インダクタンス（Ｌ）として推定される、ことを特徴としたものとした場合は、上述した制御装置における巻線インダクタンスの推定とゲイン調整が、確実に行えるものとなる。

一定回転状態の同期モータを測定対象とし、三相電流，三相電圧，同期モータの回転数を測定パラメータとして演算しながら制御装置がオンラインで巻線インダクタンスの推定を行う方式とした本発明によると、同期モータの巻線インダクタンスを正確に推定可能として、電流フィードバック制御におけるゲイン調整を自動的且つ高精度に行えるものとした。

本発明における実施の形態である同期モータの制御装置による巻線インダクタンスの推定及びゲインの自動調整時における処理状況を示す機能ブロック図。 従来例による同期モータの巻線インダクタンスの推定方法の概要を示す説明図。 従来の同期モータの制御装置における制御システムの概要を示す機能ブロック図。 本発明における各数式の導出過程を示す図。

以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための形態を説明する。尚、本発明において、オンラインとは、制御装置に接続された同期モータが駆動中の状態を指すものとする。

図１は、本実施の形態の制御装置１Ａが実行する同期モータ２の制御内容における特徴部分である、巻線インダクタンスの推定時及びゲインの自動調整時の処理内容を示す機能ブロック図であるが、この制御装置１Ａにおける基本的な構成と基本的な機能については、図３に示した従来の制御装置１Ｂと共通したものとなっている。

図１及び図３を参照しながら、本実施の形態の制御装置１Ａの基本的な構成を説明すると、複数のスイッチング素子からなるインバータ１４と記憶手段及びＣＰＵ等を有したコンピュータ１０を備え、このコンピュータ１０により機能的に構成される手段として、検出又は推定した同期モータ２の三相電流をｄ軸電流及びｑ軸電流に変換する電流変換手段１１と、前記ｄ軸電流及び前記ｑ軸電流から電流フィードバック制御を用いてｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値を算出する電流フィードバック制御演算手段１２と、前記ｄ軸電圧指令値及び前記ｑ軸電圧指令値を三相電圧指令値に変換する電圧指令値変換手段１３とを備えており、変換された前記三相電圧指令値に基づいて、インバータ１４のスイッチング素子をオン・オフ制御しながら同期モータ２に出力を行うものであり、以上の構成部分については従来例の制御装置１Ｂと共通している。

そして、本実施の形態においては、前述した電流フィードバック制御において用いる巻線インダクタンスを、一定の回転状態にある同期モータ２を測定対象として求めるものとして、三相電流と、三相電圧と、同期モータの回転数とを測定パラメータとして演算することでその巻線インダクタンスを推定しながら、その電流フィードバック制御におけるゲイン調整を、制御装置１Ａが実行するようになっている点を特徴としている。

即ち、同期モータ２の電流フィードバック制御に必要なパラメータである巻線インダクタンスを、一定回転時の電流値及び電圧値の外積を用いながらオンラインによる推定を可能として、電流フィードバック制御におけるゲイン調整を制御装置１Ａが自動的且つ高精度に行えるようにしたものである。

その処理内容について、図１を用いながら詳細に説明すると、図２に示したように、従来は静止状態の同期モータ２に対し巻線インダクタンスの測定を行っていたものを、本実施の形態の制御装置１Ａでは、インバータ１４の駆動制御により一定の回転状態にある同期モータ２を測定対象としている。

測定パラメータは、巻線インダクタンスではなく、三相電流（ｉ_U，ｉ_V，ｉ_W）、三相電圧（Ｖ_U，Ｖ_V，Ｖ_W）、同期モータの回転数（Ｎ_γ）である。尚、同期モータの回転数（Ｎ_γ）は、次の数式（１）により機械角速度（ω_γ）に変換している。

これらの測定パラメータを、制御装置１Ａ内のコンピュータ１０で演算することで巻線インダクタンスの推定及び電流フィードバック制御におけるゲイン調整を自動的に実施することが可能なものとなる。即ち、図１に示したように、コンピュータ１０により機能的に構成された巻線インダクタンス推定手段１０ａが、巻線インダクタンスの推定を自動的に行い、同様に構成された制御ゲイン自動調整手段１０ｂが、ゲイン調整を自動的に行うものとしている。

次に、上述した巻線インダクタンスの測定手法の原理について、同期モータ２における電圧方程式及び外積の式を用いながら説明する。

同期モータ２のｄ軸、ｑ軸における電圧方程式及び外積は、次の数式（２），数式（３）で表される。ここでは、モータ１相分抵抗（Ｒ）、モータ１相分インダクタンス（Ｌ）、機械角速度（ω_γ）、磁石磁束（Φ_m）を用いて方程式を記述している。

モータ１相分インダクタンス（Ｌ）の導出は、外積の式である数式（３）に、ＶｄＶｑの電圧方程式である数式（２）を代入して次の数式（４）とする。

そして、モータ１相分インダクタンス（Ｌ）を左辺に移行させるように変形して次の数式（５）とする。

この数式（５）に、測定時の機械角速度（ω_γ）、ｑ軸電流（ｉ_q）、ｄ軸電流（ｉ_d）、ｑ軸電圧（ｖ_q）、ｄ軸電圧（ｖ_d）、磁石磁束（Φ_m）を代入することで、モータ１相分インダクタンス（Ｌ）を推定することができる。

以上の数式（１）から数式（５）の導出過程を図４に示した。

尚、ｑ軸電流（ｉ_q）、ｄ軸電流（ｉ_d）は、三相電流（ｉ_U，ｉ_V，ｉ_W）を直交座標表示に換算したものであり、ｑ軸電圧（ｖ_q）、ｄ軸電圧（ｖ_d）は、三相電圧（Ｖ_U，Ｖ_V，Ｖ_W）を直交座標表示に変換したものである。また、磁石磁束（Φ_m）は、次の数式（６）から、同期モータ２の無負荷駆動時における機械角速度（ω_γ）及びｑ軸電圧（ｖ_q）により推定できる。

このようにして、同期モータ２駆動時の周波数及び電流特性を考慮した巻線インダクタンスの推定がオンラインで可能となって、電流フィードバック制御における制御性の向上に大きく寄与するものとなる。また、同期モータ２の仕様変更によっても影響されることなく、最適な制御ゲイン調整を行えるものとしている。

以上、述べたように、本発明により同期モータの制御装置について、同期モータの巻線インダクタンスを正確に推定可能として、電流フィードバック制御におけるゲイン調整を自動的且つ高精度に行えるようになった。

１Ａ 制御装置、２ 同期モータ、１０ コンピュータ、１０ａ 巻線インダクタンス推定手段、１０ｂ 制御ゲイン自動調整手段、１１ 電流変換手段、１２ 電流フィードバック制御演算手段、１３ 電圧指令値変換手段、１４ インバータ

Claims (3)

1. 複数のスイッチング素子からなるインバータと、検出又は推定した同期モータの三相電流をｄ軸電流及びｑ軸電流に変換する電流変換手段と、前記ｄ軸電流及びｑ軸電流から電流フィードバック制御を用いてｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値を算出する電流フィードバック制御演算手段と、前記ｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値を三相電圧指令値に変換する電圧指令値変換手段とを備え、前記三相電圧指令値に基づいて前記スイッチング素子をオン・オフ制御しながら前記同期モータに出力を行う同期モータの制御装置において、
   前記電流フィードバック制御で用いる巻線インダクタンスを、一定の回転状態にある前記同期モータを測定対象として求めるものとして、三相電流と、三相電圧と、前記同期モータの回転数とを測定パラメータとして演算することにより前記巻線インダクタンスを推定しながら、前記電流フィードバック制御におけるゲイン調整を自動的に行う、ことを特徴とする同期モータの制御装置。
2. 前記三相電流は直交座標表示に換算してｄ軸電流及びｑ軸電流とされ、
   前記三相電圧は直交座標表示に換算してｄ軸電圧及びｑ軸電圧とされ、
   前記同期モータの回転数は機械角速度に換算されて、各々前記演算に用いられる、ことを特徴とする請求項１に記載の同期モータの制御装置。
3. 前記巻線インダクタンスは、以下の数式（１）～数式（６）
   を使用しながら、数式（３）に数式（２）を代入した数式（４）を変形して数式（５）とし、
   ここで、
   ・ｉ_d及びｉ_qは前記ｄ軸電流及びｑ軸電流であり、
   ・ｖ_d及びｖ_qはｄ軸電圧及びｑ軸電圧であり、
   ・Ｎγはモータ回転数であって数式（１）により機械角速度ωγに換算され、
   ・Ｒはモータ１相分抵抗値であり、
   ・Ｌはモータ１相分インダクタンス値であり、
   ・Φ_mは磁石磁束であって数式（６）により導出され、
   ・Ｐはモータ極数であり、
   前記数式（５）に測定時の機械角速度（ω_γ）、ｑ軸電流（ｉ_q）、ｄ軸電流（ｉ_d）、ｑ軸電圧（ｖ_q）、ｄ軸電圧（ｖ_d）、磁石磁束（Φ_m）を代入することにより、モータ１相分インダクタンス（Ｌ）として推定される、ことを特徴とする請求項２に記載の同期モータの制御装置。