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公開番号2021027790
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210222
出願番号2019152386
出願日20190805
発明の名称同期リラクタンス電動機の駆動装置
出願人有限会社シー・アンド・エス国際研究所
代理人
主分類H02P 25/092 20160101AFI20210125BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】 本発明は、dq軸間磁束干渉を有する同期リラクタンス電動機の駆動装置であって、特に、dq軸間磁束干渉の影響を排した簡単かつ合理的な駆動装置を提供する。
【解決手段】 dq同期座標系に代わってγδ磁気突極座標系の上で、指令変換器、電流制御器等の電流制御のための主要機器を構成し、dq軸間磁束干渉の影響を排除した。γδ磁気突極座標系の位相は、位置速度センサから得た回転子位相θαに対して所要の位相差θγを補正し定めた。これらにより課題を解決した。
【選択図】図4
特許請求の範囲【請求項1】
回転子の機械的構造により定められる順機械突極または逆機械突極の位相を軸位相とするd軸(基軸)と、d軸に直交するq軸(副軸)との2直交軸で構成されるdq同期座標系の上において、d軸とq軸の間で軸間磁束干渉を有する同期リラクタンス電動機のための駆動装置であって、
γ軸(基軸)とδ軸(副軸)の直交2軸からなり、かつγ軸とδ軸の間では軸間磁束干渉が消滅に準じた状態で低減する座標系をγδ磁気突極座標系と定義し、γδ磁気突極座標系の固定子基準位置から評価した位相をθαγとするとき、
γδ磁気突極座標系の位相θαγを決定する座標系位相決定手段と
γδ磁気突極座標系上で固定子電流制御の少なくとも一部を遂行する固定子電流制御手段と
を備えることを特徴とする同期リラクタンス電動機のための駆動装置。
続きを表示(約 650 文字)【請求項2】
該同期リラクタンス電動機の該dq同期座標系上におけるd軸インダクタンス、q軸インダクタンスを各々Ld、Lqとし、d軸とq軸の間の軸間磁束干渉を示す干渉インダクタンスをLcとし、さらには、γ軸を基準にしたd軸とγ軸との位相差をθγとするとき、
位相差θγが次式
を実質満足するように、該座標系位相決定手段を構成したことを特徴とする請求項1記載の同期リラクタンス電動機のための駆動装置
【請求項3】
該同期リラクタンス電動機の固定子電圧、固定子電流の少なくともいずれかの相当値を用いて、該γδ磁気突極座標系の位相θαγを推定的に決定するように該座標系位相決定手段を構成したことを特徴とする請求項1記載の同期リラクタンス電動機のための駆動装置。
【請求項4】
該同期リラクタンス電動機の該dq同期座標系上におけるd軸インダクタンス、q軸インダクタンスを各々Ld、Lqとし、d軸とq軸の間の軸間磁束干渉を示す干渉インダクタンスをLcとし、さらには、該駆動装置の手段の設計または構成に用いるγ軸インダクタンス、δ軸インダクタンスを各々Lγ、Lδとするとき、
次式
を実質満足するようにLγ、Lδを定め、定めたLγ、Lδあるいはこの処理値を用いて、該座標系位相決定手段、該γδ磁気突極座標系上の該固定子電流制御手段の少なくともいずれかの手段を設計または構成したことを特徴とする請求項1記載の同期リラクタンス電動機のための駆動装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、回転子の機械的構造により定められる順(「正」とも呼ばれる)機械突極または逆(「負」とも呼ばれる)機械突極の位相を軸位相とするd軸と、d軸に直交するq軸とで構成されるdq同期座標系の上において、d軸とq軸の間で軸間磁束干渉(以下、「dq軸間磁束干渉」と略記)を有する同期リラクタンス電動機のための駆動装置、特に、同電動機を最も簡単かつ合理的に駆動することを可能とした駆動装置に関するものである。なお、「軸間磁束干渉」は、「軸間磁気干渉」、「軸間干渉」とも呼ばれる。これら3用語は同義である。
続きを表示(約 8,100 文字)【0002】
本発明では、2次元平面を極座標的に捉え、「角度」、空間的「位置」、空間的「位相」の3用語を同義で使用する。これらの単位は「ラジアン(rad)」または「度(degree)」である。本発明における角度、空間的位置、空間的位相の正方向は、左周り(反時計周り)、右周り(時計周り)のいずれに定義してもよい。ただし、本明細書では、説明の簡明性を維持すべく、角度、空間的位置、空間的位相の正方向は左周り(反時計周り)と定義し、本発明を説明する。これにより、本発明の一般性を失うことはない。
【0003】
同期リラクタンス電動機の固定子電流により発生する磁束の名称として、「固定子磁束」、「固定子鎖交磁束」、「固定子反作用磁束」の3用語が同義で使用されている。本発明では、原則として、簡単な用語である固定子磁束を用いる。
【0004】
本発明では、固定子電圧、固定子電流等の信号に関し「相当値」なる用語を使用している。相当値は当該信号の真値、近似値、推定値、指令値等の総称である。
【0005】
同期リラクタンス電動機をして高い制御性能を発揮せしめるには、固定子電流の制御が不可欠であり、従来このための制御法としてベクトル制御法が知られている。従前のベクトル制御法は、回転子の機械的構造により定まる順機械突極の位相、あるいは逆機械突極の位相の情報が必要である。これら回転子の機械的位相は、簡単には「回転子位相」と呼ばれ、回転子に装着したエンコーダなどの位置・速度センサにより容易に検出される。
【0006】
図1を考える。回転子位相として、同図(a)は順機械突極位相を採用し、同図(b)は逆機械突極位相を採用している。両図には、同期リラクタンス電動機の駆動制御に有用な代表的な2軸直交座標系として、dq同期座標系、αβ固定座標系の2座標系を描画している。dq同期座標系は、主軸たるd軸の位相を、回転子の順機械突極の位相あるいは逆機械突極の位相に位相差なく同期した座標系を意味する。一方、αβ固定座標系は、主軸たるα軸の位相を固定子の基準位置(一般には、三相のu相巻線の中心位置)に合わせた座標系を意味する。各座標系の副軸は、基軸に対して、π/2[rad]の位相進みの位置に配置されている。回転子の順機械突極あるいは逆機械突極に位相差なく同期したdq同期座標系の速度は、回転子の電気速度ω2nと同一である。α軸を基準とした回転子位相は「θα」と表現している。従前の同期リラクタンス電動機のベクトル制御には、基本的に、α軸を基準とした回転子位相「θα」が必要とされる。なお、以下の説明では、説明の簡明性を維持すべく、すべての座標系の基軸と副軸の位相関係は、図1と同様とする。
【0007】
本発明では、基軸であるγ軸と副軸であるδ軸とからなる新たな2軸直交座標系として、γδ磁気突極座標系を定義している。γδ磁気突極座標系は、回転子の順磁気突極の位相あるいは逆磁気突極の位相を直交2軸の基軸であるγ軸の位相に選定した座標系である。図2を考える。図2は、dq同期座標系とγδ磁気突極座標系の関係を概略的に示したものである。図2(a)は、両座標系とも順突極位相を基軸位相に選定した1例を、図2(b)は、両座標系とも逆突極位相を基軸位相に選定した1例を示している。dq同期座標系に対するγδ磁気突極座標系の位相進み、位相遅れは、固定子電流によって変化することを指摘しておく。図2は、両座標系の関係を示した1例に過ぎない。本発明では、γδ磁気突極座標系への収斂を目指した2軸直交座標系も「γδ磁気突極座標系」と呼称する。
なお、γδ磁気突極座標系上では、γ軸とδ軸の間の軸間磁束干渉は、理論上は消滅する。実際的には、消滅に準じた状態で低減する。なお、γδ磁気突極座標系上における本特性は、本発明が新規に解明したものであり、本明細書の「発明の効果」の欄で、数式(具体的には後掲の(9)式)を用いて疑義のない形で解析し説明する。
【0008】
dq軸間磁束干渉を有する同期リラクタンス電動機では、dq同期座標系とγδ磁気突極座標系とは、図2の例のように、互いに異なる。しかし、dq軸間磁束干渉を有しない(すなわち理想的な)同期リラクタンス電動機では、両座標系は同一となる。本発明が対象としている電動機は、dq軸間磁束干渉を有する同期リラクタンス電動機である。
【背景技術】
【0009】
同期リラクタンス電動機は、高速回転に適する、頑健で耐環境性に優れる、廉価である、リサイクル性が高いといった特長を備える。一方、概して、強いdq軸間磁束干渉特性をもつといった欠点も有する。同期リラクタンス電動機の特性を活かした所期の性能を得るには、この駆動は、固定子電流制御を中核としたベクトル制御によることになる。従前のベクトル制御法はdq同期座標系上で電流制御を遂行するものであり、この遂行には、回転子位相が不可欠である。同期リラクタンス電動機のベクトル制御法は、位置・速度センサを用い回転子位相を検出的に得る「センサ利用ベクトル制御法」と、位置・速度センサを用いることなく回転子位相を推定的に得る「センサレスベクトル制御法」とに大別される。
【0010】
センサ利用ベクトル制御法を基準とする場合、センサレスベクトル制御法における最重要技術課題は回転子位相推定である。回転子位相推定法は、駆動用の電圧・電流を利用する方法「駆動用電圧電流利用法」と位相探査用の高周波電圧を印加する方法「高周波電圧印加法」とに大別される。同期リラクタンス電動機のセンサレスベクトル制御において高い回転子位相推定性能を得るには、一般に、同期リラクタンス電動機の欠点であるdq軸間磁束干渉特性への考慮が必要である。本認識に立ち、例えば非特許文献1は、「dq軸間磁束干渉が高周波電圧印加法による位相推定性能に与える影響」を排除した回転子位相推定法を検討・提示している。同文献における推定対象回転子位相は、回転子の機械的位相である。より具体的には、回転子の機械的構造により定められた順機械突極あるいは逆機械突極の位相である。
【0011】
dq軸間磁束干渉を有する同期リラクタンス電動機のための従前のベクトル制御法は、dq同期座標系上で電流制御系を構成するものであり、以下の問題・課題を抱えていた(後掲の(3)式、(4)式を参照)。
(a) 高い電流制御性能を得るには、dq軸間磁束干渉を考慮した特別の制御器を採用する必要がある。標準的なPI形電流制御器を利用する場合、dq軸間磁束干渉の影響により、電流制御性能の低下を招いた。
(b) トルク指令値に応じた、かつ効率駆動をもたらす電流指令値の決定には、dq軸間磁束干渉を考慮した特別な指令変換器を用意する必要がある。特別な指令変換器の構成は、単純な解析的最適解が利用できるdq軸間磁束干渉がない場合に比較し、各段に煩雑となる。
(c) 回転子位相推定において、精度よく機械的な回転子位相(d軸位相)を推定するには、dq軸間磁束干渉を考慮した位相推定器を新たに用意する必要がある。これを無視する場合、dq軸間磁束干渉の強さに応じた位相推定誤差が発生する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0012】
C.Li,G.Wang,G.Zhang,and D.Xu:“Eliminating Position Error Caused by Cross−Coupling Effect in Saliency−Based Sensorless Control of SynRMs”,2018 21st International Conference on Electrical Machines and Systems(ICEMS),pp.1600−1605(2018)
新中新二:「詳解・同期モータのベクトル制御技術」、ISBN 978−4−501−11820−4、東京電機大学出版局(2019)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0013】
本発明は上記背景の下になされたものであり、その目的は、dq軸間磁束干渉を有する同期リラクタンス電動機の駆動おける上記の問題・課題を解決した駆動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0014】
上記目的を達成するために、請求項1の発明は、回転子の機械的構造により定められる順機械突極または逆機械突極の位相を軸位相とするd軸(基軸)と、d軸に直交するq軸(副軸)との2直交軸で構成されるdq同期座標系の上において、d軸とq軸の間で軸間磁束干渉を有する同期リラクタンス電動機のための駆動装置であって、γ軸(基軸)とδ軸(副軸)の直交2軸からなり、かつγ軸とδ軸の間では軸間磁束干渉が消滅に準じた状態で低減する座標系をγδ磁気突極座標系と定義し、γδ磁気突極座標系の固定子基準位置から評価した位相をθαγとするとき、γδ磁気突極座標系の位相θαγを決定する座標系位相決定手段とγδ磁気突極座標系上で固定子電流制御の少なくとも一部を遂行する固定子電流制御手段とを備えることを特徴とする。
【0015】
請求項2の発明は、請求項1記載の駆動装置であって、該同期リラクタンス電動機の該dq同期座標系上におけるd軸インダクタンス、q軸インダクタンスを各々Ld、Lqとし、d軸とq軸の間の軸間磁束干渉を示す干渉インダクタンスをLcとし、さらには、γ軸を基準にしたd軸とγ軸との位相差をθγとするとき、位相差θγが次式
を実質満足するように、該座標系位相決定手段を構成したことを特徴とする。
【0016】
請求項3の発明は、請求項1記載の駆動装置であって、該同期リラクタンス電動機の固定子電圧、固定子電流の少なくともいずれかの相当値を用いて、該γδ磁気突極座標系の位相θαγを推定的に決定するように該座標系位相決定手段を構成したことを特徴とする。
【0017】
請求項4の発明は、請求項1記載の駆動装置であって、該同期リラクタンス電動機の該dq同期座標系上におけるd軸インダクタンス、q軸インダクタンスを各々Ld、Lqとし、d軸とq軸の間の軸間磁束干渉を示す干渉インダクタンスをLcとし、さらには、該駆動装置の手段の設計または構成に用いるγ軸インダクタンス、δ軸インダクタンスを各々Lγ、Lδとするとき、次式
を実質満足するようにLγ、Lδを定め、定めたLγ、Lδあるいはこの処理値を用いて、該座標系位相決定手段、該γδ磁気突極座標系上の該固定子電流制御手段の少なくともいずれかの手段を設計または構成したことを特徴とする。
【0018】
なお、(2b)式に定義したインダクタンスはLi、Lmは、各々同相インダクタンス、鏡相インダクタンスと呼ばれる。また、(2c)式の関数sgnは、同式の定義より明白なように、符号関数(シグナム関数)を意味する。
【発明の効果】
【0019】
請求項1の発明の効果を説明する。dq軸間磁束干渉を有する同期リラクタンス電動機の数学モデルは、次の(3)式(回路方程式)、(4)式(トルク発生式)で記述される。
【0020】
(3)式に用いた2×2行列Dは、D因子と呼ばれ、以下のように定義されている。
また、(3)、(5)式における記号「s」は微分演算子を意味する。2×1ベクトルv1、i1、φ1は、各々固定子電圧、固定子電流、固定子磁束である。τは発生トルクであり、ω2nは回転子の電気速度である。また、Np、R1は各々極対数、巻線抵抗である。同相インダクタンスLi、鏡相インダクタンスLmの定義は、(2b)式のとおりである。なお、鏡相インダクタンスLmの極性は、(2b)式の定義より自明のように、回転子位相を順機械突極位相とする場合には正、逆機械突極位相とする場合には負となる。(3d)式に用いられたLcが、dq軸間磁束干渉を表現した干渉インダクタンスである。干渉インダクタンスLcは、必ずしも一定ではなく、一般的には、その極性および大きさは固定子電流に応じて変化する。
【0021】
当業者には、(3)式(回路方程式)、(4)式(トルク発生式)より容易に理解されるように、dq軸間磁束干渉を有する同期リラクタンス電動機を、dq同期座標系上の電流制御を中心としたベクトル制御系により駆動制御する場合には、「背景技術」の欄で説明した問題・課題(a)〜(c)を抱えることになる。
【0022】
ここで、干渉インダクタンスLcと鏡相インダクタンスLm(この定義は(2b)式を参照)との相対比の逆正接値θcを以下のように定義する。
さらには、位相差θγを次式のように選定する。
この上で、次の2×2行列であるベクトル回転器Rを次式のように定義する。
【0023】
ベクトル回転器Rを(3a)式の両辺に作用させると、新たな回路方程式を次のように得る。
また、(4)式に(9c)式の関係を利用すると、新たなトルク発生式として、γ軸電流、δ軸電流を用いた次式を得る。
【0024】
回路方程式を構成する(9d)式は、「γδ磁気突極座標系上では、dq軸間磁束干渉を有する同期リラクタンス電動機といえども、γ軸とδ軸の間では軸間磁束干渉を発生しない」ことを示している。また、(9)式の回路方程式、(10)式のトルク発生式は、「γδ磁気突極座標系上のdq軸間磁束干渉を有する同期リラクタンス電動機の回路方程式、トルク発生式は、dq軸間磁束干渉を有しない(換言するならば、理想的な)同期リラクタンス電動機のdq同期座標系上での回路方程式、トルク発生式と、各々、形式的に同一である」ことを示している。より具体的には、「両数学モデルにおいては、次の固定子インダクタスの形式置換が成立している」ことを示している。
なお、同相インダクタンスLiは、(11b)式の第1行に示しているように不変である。すなわち、同相インダクタンスに関しては、次の関係が成立している。
【0025】
請求項1の発明に従えば、軸間磁束干渉が発生しないγδ磁気突極座標系上で固定子電流制御を遂行できるようになる。このとき、γδ磁気突極座標系上では、「dq軸間磁束干渉を有する同期リラクタンス電動機といえども、dq軸間磁束干渉を有しない(換言するならば、理想的な)同期リラクタンス電動機と同様に扱える」と言う特性が確保できる。本事実は、請求項1の発明に従えば、「dq軸間磁束干渉を有する同期リラクタンス電動機に対しても、dq軸間磁束干渉を有しない(換言するならば、理想的な)同期リラクタンス電動機に対する場合と同様な電流制御、効率駆動、座標系位相の推定が可能となり、ひいては、背景技術欄で指摘した問題・課題を直ちに解決できる」と言う効果を得ることができるようになる。
【0026】
つづいて、請求項2の発明の効果を説明する。請求項2の発明に従えば、γ軸を基準にしたd軸とγ軸との位相差をθγとするとき、(1)式を実質満足するように位相差θγを定めることになる。請求項2の発明に用いた(1)式は、(6)式、(7)式を集約したものと同一である。本事実より明らかなように、請求項2の発明に従えば、「dq同期座標系のd軸位相θαが位置・速度センサなどにより正確に把握できる場合には、γδ磁気突極座標系の位相θαγを直ちに決定でき、γδ磁気突極座標系を直ちに構成できるようになる」と言う効果が得られる。ひいては、「請求項1の発明の効果を高めることができる」と言う効果も得られる。なお、上記の位相関係は、次式により記述される(図2参照)。
【0027】
つづいて、請求項3の発明の効果を説明する。ベクトル制御法は、センサ利用ベクトル制御法とセンサレスベクトル制御法に大別される。請求項1の発明より、「γδ磁気突極座標系上のdq軸間磁束干渉を有する同期リラクタンス電動機は、dq同期座標系上のdq軸間磁束干渉を有しない(換言するならば、理想的な)同期リラクタンス電動機と同様に扱える」との特性が得られた。請求項3の発明は、請求項1の発明により得られたこの特性を利用して、dq軸間磁束干渉を有する同期リラクタンス電動機をセンサレス駆動するものである。すなわち、請求項3の発明によれば、「dq軸間磁束干渉を有する同期リラクタンス電動機に対し、dq軸間磁束干渉を有しない同期リラクタンス電動機と同様な性能を保証するセンサレス駆動が可能となる」という効果が得られる。ひいては、「請求項1の発明の効果を高めることができる」と言う効果も得られる。
【0028】
つづいて、請求項4の発明の効果を説明する。請求項1の発明より、「γδ磁気突極座標系上のdq軸間磁束干渉を有する同期リラクタンス電動機は、dq同期座標系上のdq軸間磁束干渉を有しない(換言するならば、理想的な)同期リラクタンス電動機と同様に扱える」との特性が得られた。請求項4の発明は、請求項1の発明により得られたこの特性を利用して、dq軸間磁束干渉を有する同期リラクタンス電動機のための座標系位相決定手段、γδ磁気突極座標系上の固定子電流制御手段を設計・実現しようとするものである。請求項4の発明での「手段の設計または構成に用いるγ軸インダクタンス、δ軸インダクタンス((2a)式参照)」は、解析式である(9e)式が示すように、「γδ磁気突極座標系上の軸間磁束干渉を排したときの実際のγ軸インダクタンス、δ軸インダクタンス」と同一である。この結果、請求項4の発明に従うならば、「dq軸間磁束千渉を有しない(換言するならば、理想的な)同期リラクタンス電動機のために開発された従前の座標系位相決定手段の設計・実現法、同じく従前の固定子電流制御手段の設計・実現法が、直ちに利用できようになる」と言う効果が得られるようになる。ひいては、「請求項1の発明の効果を高めることができる」と言う効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【0029】
αβ固定座標系とdq同期座標系(順機械突極位相基準、逆機械突極位相基準)の1関係例を示す図
αβ固定座標系とdq同期座標系(順機械突極位相基準、逆機械突極位相基準)とγδ磁気突極座標系(順磁気突極位相基準、逆磁気突極位相基準)の1関係例を示す図
1実施例にかかわる電動機駆動システムの基本構成を示すブロック図
1実施例における位相決定器の基本構成を示すブロック図
1実施例にかかわる電動機駆動システムの基本構成を示すブロック図
1実施例における位相決定器の基本構成を示すブロック図
1実施例にかかわる電動機駆動システムの基本構成を示すブロック図
1実施例における位相決定器の基本構成を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【0030】
以下、図面を用いて、本発明の好適な態様を具体的に説明する。
【実施例】
(【0031】以降は省略されています)

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