ＰＭモータの位置・速度センサレス制御装置

【課題】電流検出器や電圧検出器の増設を不要にした簡易な構成で、しかも確実な脱調検出ができる。
【解決手段】モデル電圧演算部１０は、ＰＭモータ２の電圧方程式を基にしたＰＭモータモデルを使って、ＰＭモータの速度指令の速度と電流指令のｄｑ軸電流からｄｑ軸モデル電圧ｖ_d^*，ｖ_q^*を求める。脱調判定部１１は、モデル電圧とインバータの電圧指令ｖ_d，ｖ_qの比較によりＰＭモータの脱調の有無を判定する。
または、モデル電圧を演算する際にＰＭモータの電流指令に代えてｄｑ軸電流検出値を用いる、さらにまたｑ軸成分のモデル電圧のみを使って脱調判定をする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータ装置によりＰＭモータを位置・速度センサレス制御する装置に係り、特にＰＭモータの脱調検出に関する。
【背景技術】
【０００２】
図４は、ＰＭモータの位置・速度センサレス制御装置のブロック構成図を示す。この制御装置は、電流引込み法によりＰＭモータを制御するため、ＰＭモータに強制的に一定電流を流し、その電流位相を強制的に回転させて磁極を強引に追従させる。電流を流す向きはどの方向でも良いが、図４ではｄ軸方向に流す構成としている。
【０００３】
速度指令発生部１に発生する速度指令に従ってＰＭモータ２を速度制御する。位相演算部３は速度指令を積分して基準位相を求める。電流検出器４はインバータ（電力変換器）９の出力電流値を検出し、回転座標変換部５は、位相演算部３で求めた位相を基準位相とし、電流検出器４で検出した電流を界磁電流に同期した回転座標上の値に変換する。電流指令発生部６は、インバータ９に与える回転座標上の電流指令を発生し、この電流指令に対して電流制御部７はインバータ９の出力電流を電流指令と一致させる演算を行い、演算結果として電圧指令を出力する。逆回転座標変換部８は、電圧指令値が回転座標上における値であるため、三相の交流電圧指令に変換する。この座標変換に使用する基準位相は位相演算部３より得る。
【０００４】
ここで、ＰＭモータに強制的に一定電流を流す電流引き込み法には、一定電流信号を電流指令発生部６の例えばｄ軸成分に重畳させ、そのｄ軸電流指令によって電流制御部７が電圧を出力し、この電圧成分は位相演算部３の基準位相に一致した電圧信号に回転座標変換され、この電圧によって発生する電流に追従してＰＭモータ２が回転する。
【０００５】
上記のように、ＰＭモータを位置・速度センサレスで制御する装置では、負荷トルクなどの外乱によりモータが脱調し、インバータが脱調を検出できずに、そのまま駆動し続けるという問題がある。以下にその例を示す。
【０００６】
図５は通常運転時のＰＭモータの波形を示し、速度指令に適切に追従運転していれば、速度が上昇するにつれて誘起電圧（Ｖｑ軸電圧）も上昇し、ｄｑ軸電流も正常になる。図６はＰＭモータが途中で負荷トルクにより脱調し、回転しなくなってしまった場合の波形を示し、脱調検出機能がないため脱調しているにもかかわらず、インバータの速度指令はそのまま上昇している。この脱調発生時には電流ｉ_qは過電流トリップするほど上昇することなく、その後負荷トルクが大きくて制御不能になっても電流ｉ_d，ｉ_qは過電流レベルほど大きな電流にならず、結果的に過電流保護機能が動作せずにトリップさせられないという問題がある。
【０００７】
上記のような脱調対策として、ＰＭモータの位置・速度センサレス制御における脱調検出装置、方法が提案されている（例えば、特許文献１、２、３）。
【０００８】
特許文献１では、モータ電流を検出し、その電流周期とモータに印加される電圧周期を比較し、これが不一致のときに脱調と判定する。これにより、脱調の誤検出を防止する。
【０００９】
特許文献２では、ＰＭモータの固定子巻線の電流実効値が判別レベルを越え、かつ固定子巻線に印加されている電圧と固定子巻線電流との間の力率角が９０°に近い値となった場合に脱調と判定する。これにより、高速・大電流・回生モード・停止状態のいずれの状態においても脱調を検出可能とする。
【００１０】
特許文献３では、直流ブラシレスモータの駆動制御装置において、整流回路とスイッチング回路（インバータ）との間の接続ライン（直流ライン）にシャント抵抗を挿接し、そのシャント抵抗に流れる通常とは逆方向の電流が設定値を越えたときに脱調と判定する。これにより、回路素子を保護可能にする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００１−２５２８２号公報
【特許文献２】特開平９−２９４３９０号公報
【特許文献３】特開平７−８７７８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来の脱調検出方式では、モータ電流や電圧を検出し、これらの実効値と基準設定値の大小比較や電流と電圧の位相比較などを行って脱調の有無を判定している。
【００１３】
このため、脱調検出には、モータ駆動装置に電流や電圧の検出手段を増設する必要があり、これら検出器は演算回路等に比べて高価で大型になり、装置のコストアップにもなっている。
【００１４】
本発明の目的は、電流検出器や電圧検出器の増設を不要にした簡易な構成で、しかも確実な脱調検出ができるＰＭモータの位置・速度センサレス制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、前記の課題を解決するため、ＰＭモータの電圧方程式を基にしたＰＭモータモデルを使って、ＰＭモータの速度指令の速度と電流指令の電流からｄｑ軸モデル電圧ｖ_d^*，ｖ_q^*を求め、このモデル電圧とインバータの電圧指令ｖ_d，ｖ_qの比較によりＰＭモータの脱調の有無を判定すること、またはモデル電圧を演算する際にＰＭモータの電流指令に代えてｄｑ軸電流検出値を用いること、さらにまたｑ軸成分のモデル電圧のみを使って脱調判定をすることとしたもので、以下の構成を特徴とする。
【００１６】
（１）位相演算部はＰＭモータの速度指令から基準位相を求め、回転座標変換部はＰＭモータの検出電流を前記基準位相から界磁電流に同期した回転座標上のｄｑ軸電流に変換し、電流制御部はｄｑ軸電流指令ｉ_d^*，ｉ_q^*と前記ｄｑ軸電流からＰＭモータの電圧指令ｖ_d^*，ｖ_q^*を求め、逆回転座標変換部は前記電圧指令ｖ_d^*，ｖ_q^*と前記基準位相からＰＭモータに印加する三相の交流電圧指令に変換するＰＭモータの位置・速度センサレス制御装置において、
ＰＭモータの電圧方程式を基にしたＰＭモータモデルを使って、前記速度指令の速度と前記電流指令の電流からｄｑ軸モデル電圧ｖ_d^*，ｖ_q^*を求めるモデル電圧演算部と、
前記モデル電圧と前記電圧指令ｖ_d，ｖ_qの比較によりＰＭモータの脱調の有無を判定する脱調判定部とを備えたことを特徴とする。
【００１７】
（２）位相演算部はＰＭモータの速度指令から基準位相を求め、回転座標変換部はＰＭモータの検出電流を前記基準位相から界磁電流に同期した回転座標上のｄｑ軸電流に変換し、電流制御部はｄｑ軸電流指令ｉ_d^*，ｉ_q^*と前記ｄｑ軸電流からＰＭモータの電圧指令ｖ_d^*，ｖ_q^*を求め、逆回転座標変換部は前記電圧指令ｖ_d^*，ｖ_q^*と前記基準位相からＰＭモータに印加する三相の交流電圧指令に変換するＰＭモータの位置・速度センサレス制御装置において、
ＰＭモータの電圧方程式を基にしたＰＭモータモデルを使って、前記速度指令の速度とＰＭモータのｄｑ軸検出電流からｄｑ軸モデル電圧ｖ_d^*，ｖ_q^*を求めるモデル電圧演算部と、前記モデル電圧と前記電圧指令ｖ_d，ｖ_qの比較によりＰＭモータの脱調の有無を判定する脱調判定部とを備えたことを特徴とする。
【００１８】
（３）位相演算部はＰＭモータの速度指令から基準位相を求め、回転座標変換部はＰＭモータの検出電流を前記基準位相から界磁電流に同期した回転座標上のｄｑ軸電流に変換し、電流制御部はｄｑ軸電流指令ｉ_d^*，ｉ_q^*と前記ｄｑ軸電流からＰＭモータの電圧指令ｖ_d^*，ｖ_q^*を求め、逆回転座標変換部は前記電圧指令ｖ_d^*，ｖ_q^*と前記基準位相からＰＭモータに印加する三相の交流電圧指令に変換するＰＭモータの位置・速度センサレス制御装置において、
ＰＭモータの電圧方程式を基にしたＰＭモータモデルを使って、前記速度指令の速度と前記電流指令の電流からｑ軸モデル電圧ｖ_q^*を求めるモデル電圧演算部と、
前記モデル電圧とｑ軸の前記電圧指令ｖ_qの比較によりＰＭモータの脱調の有無を判定する脱調判定部とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
以上のとおり、本発明によれば、ＰＭモータの電圧方程式を基にしたＰＭモータモデルを使って、ＰＭモータのｄｑ軸モデル電圧ｖ_d^*，ｖ_q^*などを求め、これらのモデル電圧とインバータの電圧指令ｖ_d，ｖ_qなどと比較することによりＰＭモータの脱調の有無を判定するため、電流検出器や電圧検出器の増設を不要にした簡易な構成で、しかも確実な脱調検出ができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施形態１のＰＭモータの位置・速度センサレス制御装置のブロック図。
【図２】実施形態２のＰＭモータの位置・速度センサレス制御装置のブロック図。
【図３】実施形態３のＰＭモータの位置・速度センサレス制御装置のブロック図。
【図４】従来のＰＭモータの位置・速度センサレス制御装置のブロック図。
【図５】通常運転時のＰＭモータの各部波形図。
【図６】脱調時のＰＭモータの各部波形図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
（実施形態１）
図１は、本実施形態を示すＰＭモータの位置・速度センサレス制御装置のブロック図である。同図が図４と異なる部分は、脱調検出手段として、モデル電圧演算部１０と脱調判定部１１を追加した点にある。
【００２２】
モデル電圧演算部１０は、ＰＭモータの電圧方程式を基にした演算機能を有して、速度指令発生部１が発生する速度指令と、電流指令発生部６が発生する電流指令値を用いて、ＰＭモータに現れるｄｑ軸のモデル電圧の導出を行う。脱調判定部１１は、モデル電圧演算部１０で求めたｄｑ軸モデル電圧と、電流制御部７から出力される電圧指令の比較を行い、この比較で脱調の有無を判定する。
【００２３】
ＰＭモータの回転座標上であらわした電圧方程式は次のように表される。
【００２４】
【数１】

【００２５】
ここで、ｖ_d^*、ｖ_q^*：ｄｑ軸モデル電圧、ｉ_d、ｉ_q：ｄｑ軸電流、Ｒ_a：巻線抵抗、Ｌ_d：ｄ軸インダクタンス、Ｌ_q：ｑ軸インダクタンス、ω：回転角速度（電気角）、Ψ_a：永久磁石による磁束、ｐ：微分演算子
（１）式より、巻線抵抗Ｒ_a、ｄ軸インダクタンスＬ_d、ｑ軸インダクタンスＬ_qは既知の値であり、モデル電圧演算部１０は、上記の（１）式のｄｑ軸電流ｉ_d、ｉ_qに電流指令発生部６が発生する電流指令値ｉ_d^*、ｉ_q^*を用い、ωには速度指令発生部１が発生する速度指令値を用い、これらを用いてｄｑ軸電圧ｖ_d^*、ｖ_q^*を求める。
【００２６】
モデル電圧演算部１０によって導出された電圧ｖ_d^*、ｖ_q^*と、電流制御部７によって出力された電圧ｖ_d、ｖ_qを比較し、この二つの電圧の一方または両方の差が大きければ脱調していると判定し、異常と判定してインバータ装置を停止させる。
【００２７】
なお、脱調が起きるとインバータ出力電流が、電流指令値から大きくずれるが、この時にインバータの過電流検出機能で過電流が検出されない場合でも、本実施形態の方式では、脱調を検出しインバータを止めることが可能である。
【００２８】
（実施形態２）
図２は、本実施形態を示すＰＭモータの位置・速度センサレス制御装置のブロック図である。同図が図１と異なる部分は、モデル電圧演算部１１に代えてモデル電圧演算部１２とした点にある。
【００２９】
モデル電圧演算部１２は、上記の（１）式のｄｑ軸電流ｉ_d、ｉ_qに回転座標変換部５が検出する電流検出値ｉ_d、ｉ_qを用い、ωには速度指令発生部１が発生する速度指令値を用い、これらを用いてｄｑ軸電圧ｖ_d^*、ｖ_q^*を求める。脱調しているかどうかの判別は実施形態１と同じに脱調判定部１１で判定する。
【００３０】
実施形態１の場合、上記の（１）式のｄｑ軸電流ｉ_d、ｉ_qに電流指令発生部６が発生する電流指令値ｉ_d^*、ｉ_q^*を用いており、これは実測値でない。これらｄｑ軸電流は、過渡状態では実際の電圧とモデル電圧の間の誤差が大きくなり、実施形態１の手法では演算するモデル電圧の誤差が大きくなる場合がある。
【００３１】
そこで、本実施形態２では、ｄｑ軸モデル電圧を計算で求める際に使用するｄｑ軸電流を指令値ではなく実際に測定した電流値ｉ_d、ｉ_qを使用して求める。こうすることにより過渡状態におけるモデル電圧の精度を改善することが可能である。
【００３２】
（実施形態３）
実施形態１、２ではｄｑ軸電圧の両方を導出して比較を行っているが、モータの回転に関するのは誘起電圧の部分だけである。また、誘起電圧は永久磁石の磁束により発生する電圧が他の項の電圧より十分大きいため、ｑ軸電圧のみの導出と比較で脱調の検出が十分可能となる。
【００３３】
そこで、本実施形態では、ｑ軸電圧のみの導出と比較で脱調の検出を行うもので、図３に本実施形態におけるＰＭモータの位置・速度センサレス制御装置のブロック図を示す。同図が図２と異なる部分は、ｑ軸のモデル電圧ｖ_q^*についてのみ脱調判定を行う点にある。
【００３４】
モデル電圧演算部１３は（１）式のｑ軸電圧ｖ_q^*だけ求め、脱調判定部１４はｑ軸電圧ｖ_q^*と電圧制御部７が求めるｑ軸電圧ｖ_qの大小比較で脱調しているかどうかの判断を行う。
【符号の説明】
【００３５】
１速度指令発生部
２ＰＭモータ
３位相演算部
４電流検出器
５回転座標変換部
６電流指令発生部
７電流制御部
８逆回転座標変換部
９電力変換器
１０、１２、１３モデル電圧演算部
１１、１４脱調判定部

【特許請求の範囲】
【請求項１】
位相演算部はＰＭモータの速度指令から基準位相を求め、回転座標変換部はＰＭモータの検出電流を前記基準位相から界磁電流に同期した回転座標上のｄｑ軸電流に変換し、電流制御部はｄｑ軸電流指令ｉ_d^*，ｉ_q^*と前記ｄｑ軸電流からＰＭモータの電圧指令ｖ_d^*，ｖ_q^*を求め、逆回転座標変換部は前記電圧指令ｖ_d^*，ｖ_q^*と前記基準位相からＰＭモータに印加する三相の交流電圧指令に変換するＰＭモータの位置・速度センサレス制御装置において、
ＰＭモータの電圧方程式を基にしたＰＭモータモデルを使って、前記速度指令の速度と前記電流指令の電流からｄｑ軸モデル電圧ｖ_d^*，ｖ_q^*を求めるモデル電圧演算部と、
前記モデル電圧と前記電圧指令ｖ_d，ｖ_qの比較によりＰＭモータの脱調の有無を判定する脱調判定部とを備えたことを特徴とするＰＭモータの位置・速度センサレス制御装置。
【請求項２】
位相演算部はＰＭモータの速度指令から基準位相を求め、回転座標変換部はＰＭモータの検出電流を前記基準位相から界磁電流に同期した回転座標上のｄｑ軸電流に変換し、電流制御部はｄｑ軸電流指令ｉ_d^*，ｉ_q^*と前記ｄｑ軸電流からＰＭモータの電圧指令ｖ_d^*，ｖ_q^*を求め、逆回転座標変換部は前記電圧指令ｖ_d^*，ｖ_q^*と前記基準位相からＰＭモータに印加する三相の交流電圧指令に変換するＰＭモータの位置・速度センサレス制御装置において、
ＰＭモータの電圧方程式を基にしたＰＭモータモデルを使って、前記速度指令の速度とＰＭモータのｄｑ軸検出電流からｄｑ軸モデル電圧ｖ_d^*，ｖ_q^*を求めるモデル電圧演算部と、前記モデル電圧と前記電圧指令ｖ_d，ｖ_qの比較によりＰＭモータの脱調の有無を判定する脱調判定部とを備えたことを特徴とするＰＭモータの位置・速度センサレス制御装置。
【請求項３】
位相演算部はＰＭモータの速度指令から基準位相を求め、回転座標変換部はＰＭモータの検出電流を前記基準位相から界磁電流に同期した回転座標上のｄｑ軸電流に変換し、電流制御部はｄｑ軸電流指令ｉ_d^*，ｉ_q^*と前記ｄｑ軸電流からＰＭモータの電圧指令ｖ_d^*，ｖ_q^*を求め、逆回転座標変換部は前記電圧指令ｖ_d^*，ｖ_q^*と前記基準位相からＰＭモータに印加する三相の交流電圧指令に変換するＰＭモータの位置・速度センサレス制御装置において、
ＰＭモータの電圧方程式を基にしたＰＭモータモデルを使って、前記速度指令の速度と前記電流指令の電流からｑ軸モデル電圧ｖ_q^*を求めるモデル電圧演算部と、
前記モデル電圧とｑ軸の前記電圧指令ｖ_qの比較によりＰＭモータの脱調の有無を判定する脱調判定部とを備えたことを特徴とするＰＭモータの位置・速度センサレス制御装置。

【図１】