[論文レビュー] A New Signal Injection-based Method for Estimation of Position in Interior Permanent Magnet Synchronous Motors

Bowen Yi, Slobodan N. Vukosavić+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2019

Sensorless Control of Electric Motors参考文献 27被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、平均化技術に基づく理論的枠組みを用いて、従来のLTIフィルタリングよりも精度を向上させる、内埋形永久磁石同期モーター（IPMSM）における低速および停止時におけるロータ位置推定のための新しい信号注入ベースの手法を提案する。この手法は、計算の効率性を確保するための線形作用素を用い、521 Vの直流リンク電圧および5-kHzのPWMを用いた実験において、特に200–400 Hzの注入周波数範囲で優れた性能を示している。

ABSTRACT

Several heuristic procedures to estimate the rotor position of permanent magnet synchronous motors (PMSM) via signal injection have been reported in the literature. Using averaging theory, a framework to analyse such schemes has been recently proposed. However, to the best of our knowledge, no theoretical analysis of the performance of the conventional linear time invariant filtering methods, which are widely used as standard industrial practice, has been reported in the literature. The objective of this note is to propose a new method that, on one hand, is amenable to a rigorous theoretical analysis and, on the other hand, ensures an improved accuracy in the position estimation. An additional advantage of the new method is that it relies on the use of linear operators, implementable with simple computations. The effectiveness of the proposed scheme is assessed by experiments on an interior PMSM platform driven by a 521 V DC bus with 5-kHz PWM.

研究の動機と目的

• 信号注入ベースのセンサレス制御における従来のLTIフィルタリングの理論的分析のためのフレームワークを構築すること。
• 既存のフィルタリング技術と互換性を保ちつつ、精度を向上させる新しい位置推定手法を提案すること。
• 線形作用素理論を用いて、新しい手法と古典的LTIフィルタリングとの関連を確立すること。
• 低速、負荷変動、速度逆転を含むさまざまな運転条件下で、提案手法の実験的検証を行うこと。

提案手法

• 本手法は、IPMSMにおける高周波信号注入に対するステータ電流応答をモデル化するための平均化技術を適用し、位置推定誤差の理論的分析を可能にする。
• 高周波成分とロータ位置との関係を定式化するための重要な恒等式（式7）が導出され、新しい推定器の基礎が構築される。
• 提案された推定器は線形作用素を用いた計算を採用しており、簡潔さとリアルタイム実装可能性が保証される。
• 本手法は、HPF/LPF信号処理フレームワークに統合され、従来のアプローチと結びつけられる。
• 注入周波数 $\omega_h$ に関して、理論的誤差限界が導出され、有界性と収束性が保証される。
• 521 Vの直流リンク電圧と5-kHzのPWMを用いた実験的検証が実施され、さまざまな速度、負荷、注入周波数における性能が評価された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来のLTIフィルタリングの性能を、信号注入ベースの位置推定において理論的に分析するにはどうすればよいか？
• RQ2 信号処理構造の観点から、新しい推定器と既存のLTIフィルタリング技術との関係は何か？
• RQ3 計算の簡潔さと既存手法との互換性を保ちつつ、精度を向上させる新しい推定器を設計できるか？
• RQ4 注入周波数は推定精度にどのように影響し、実装に適した最適な範囲は何か？
• RQ5 低速域における負荷変動および速度逆転条件下で、提案手法はどのように性能を示すか？

主な発見

• 提案手法は、特に低速および停止時において、従来のLTIフィルタリングよりも高い推定精度を達成している。
• 実験結果から、200–400 Hzの注入周波数範囲で最適な性能が得られ、周波数が高くなると信号対雑音比が低下することが明らかになった。
• 40 RPMで定常負荷および時間変動負荷下でも、わずかな歪みを除いて良好な性能を維持している。
• +20 RPMから-20 RPMへの速度逆転も正常に追従でき、動的条件下での頑健性が確認された。
• 理論的枠組みにより、注入周波数に関して誤差が有界であることが保証され、本手法に堅固な解析的基盤が与えられた。
• 新しい推定器と古典的LTIフィルタリングとの間の関連が形式的に確立され、HPF/LPF信号処理パラダイム内での統一が示された。