JP2000262100A - 永久磁石形同期電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 永久磁石形同期電動機のトルク零制御を行う
場合に、電流センサのオフセットやノイズの影響を受け
ずに安定した電流制御を可能にする。 【解決手段】 出力電圧の大きさ、周波数及び位相を制
御可能なインバータ９を介して給電される永久磁石形同
期電動機１１の制御装置であって、電動機１１の一次電
流を永久磁石による磁束軸に平行なｄ軸電流とこれに直
交するｑ軸電流とに分解し、これらのｄ軸電流及びｑ軸
電流を独立して制御することにより電動機１１のトルク
及び速度を制御する制御装置に関する。前記ｑ軸電流が
零付近にあるときにその大きさに応じたｄ軸電流指令値
を演算するｄ軸電流指令値演算器１６を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、出力電圧の大き
さ、周波数及び位相を制御可能なインバータ等の半導体
電力変換器を用いて電動機のトルク制御、速度制御を行
う永久磁石形同期電動機の制御装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】図３は、この種の永久磁石形同期電動機
の制御装置の従来技術を示している。図において、交流
電源８から供給される交流電力はＰＷＭ制御されるイン
バータ９により所定の電圧、周波数の交流電力に変換さ
れ、永久磁石形同期電動機１１を所望のトルクで運転す
る。１２は電動機１１によって駆動される負荷であり、
１３は電動機１１の回転速度及び回転子の磁極位置を検
出するパルスエンコーダである。

【０００３】上記同期電動機１１の制御装置において、
速度設定器１は、電動機１１の速度設定値ω_r ^#を速度指
令演算回路２に送り、速度指令演算回路２では、予め設
定された加速度に従い変化して最終的には入力された速
度設定値ω_r ^#に一致するような速度指令値ω_r ^*を生成し
て出力する。速度調節器３には、この速度指令値ω_r ^*と
速度検出演算器１５により演算された速度検出値ω_rと
の偏差が入力されており、調節動作によって前記偏差を
零にするようなｑ軸電流指令値ｉ_q ^*を出力する。ここ
で、永久磁石形同期電動機１１の回転子永久磁石による
磁束軸と平行な軸をｄ軸、磁束軸に直交する軸をｑ軸と
いう。

【０００４】位置検出演算器１４では、パルスエンコー
ダ１３の出力信号に基づき、例えば電動機１１のＵ相巻
線と磁極位置とのなす角度θを演算する。座標変換器７
は、電流センサ１０によって検出した電動機１１の一次
電流ｉ_U，ｉ_Wを前記角度θに基づき数式１，数式２によ
って座標変換することにより、電動機１１の一次電流を
ｑ軸電流検出値ｉ_q及びｄ軸電流検出値ｉ_dに分解する。
なお、数式１及び数式２において、ｉ_Vはｉ_U，ｉ_Wから
求められる。

【０００５】

【数１】ｉ_d＝cosθ×ｉ_U＋cos(θ−１２０°)×ｉ_V＋c
os(θ＋１２０°)×ｉ_W

【０００６】

【数２】ｉ_q＝sinθ×ｉ_U＋sin(θ−１２０°)×ｉ_V＋s
in(θ＋１２０°)×ｉ_W

【０００７】ｑ軸電流調節器４にはｑ軸電流指令値ｉ_q ^*
とｑ軸電流検出値ｉ_qとの偏差が入力されており、この
偏差を零にするようなｑ軸電圧指令値ｖ_q ^*を生成して出
力する。同様に、ｄ軸電流調節器５にはｄ軸電流指令値
ｉ_d ^*とｄ軸電流検出値ｉ_dとの偏差が入力されており、
この偏差を零にするようなｄ軸電圧指令値ｖ_d ^*を生成し
て出力する。なお、図３では、電動機１１のトルク発生
に寄与しないｄ軸電流（無効電流）を零として一次巻線
の銅損を最小限にするべく、ｄ軸電流指令値ｉ_d ^*が零に
設定されている。

【０００８】座標変換器６は、ｑ軸電圧指令値ｖ_q ^*、ｄ
軸電圧指令値ｖ_d ^*及び前記角度θに基づいて数式３〜数
式５により座標変換を行い、３相電圧指令値ｖ_U ^*，
ｖ_V ^*，ｖ _W ^*を生成する。

【０００９】

【数３】ｖ_U ^*＝cosθ×ｖ_d ^*＋sinθ×ｖ_q ^*

【００１０】

【数４】ｖ_V ^*＝cos(θ−１２０°)×ｖ_d ^*＋sin(θ−１
２０°)×ｖ_q ^*

【００１１】

【数５】ｖ_W ^*＝cos(θ＋１２０°)×ｖ_d ^*＋sin(θ＋１
２０°)×ｖ_q ^*

【００１２】これらの３相電圧指令値ｖ_U ^*，ｖ_V ^*，ｖ_W ^*
はインバータ９に加えられ、交流電源８から入力された
交流電力が所定の電圧及び周波数を有する交流電力に変
換されて電動機１１に供給されることになる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】次に、図４は、上述し
た構成の永久磁石形同期電動機の制御システム全体をカ
ウンタウェイト付きの昇降装置に適用した場合の構成図
である。図４において、永久磁石形同期電動機１１は減
速機２０を介して負荷１２としての巻上機２１を駆動す
る。この巻上機２１には、カウンタウェイト２３と荷重
２２とが繋がっており、電動機１１により巻上機２１を
駆動することで荷重２２の上昇、下降運転を行ってい
る。なお、１３は前記同様にパルスエンコーダ、３０は
インバータ９を含む制御装置全体を示している。

【００１４】図４の構成において、減速機２０及び巻上
機２１の効率を何れも１．０と考えると、荷重２２を一
定速度で昇降運転する場合の、永久磁石形同期電動機１
１の出力トルクτ〔Ｎ・ｍ〕（＝〔ｍ²・ｋｇ・ｓｅｃ
^-2〕）は、数式６によって表される。

【００１５】

【数６】τ＝（ｍ１−ｍ２）×（Ｖ・ｇ／２πｎ）

【００１６】上記数式６において、 ｍ１：荷重２２の質量〔ｋｇ〕， ｍ２：カウンタウェイト２３の質量〔ｋｇ〕， Ｖ：荷重２２の昇降速度〔ｍ／ｍｉｎ〕， ｇ：重力加速度（＝９．８〔ｍ／ｓｅｃ²〕）， ｎ：永久磁石形同期電動機１１の回転速度〔ｒｐｍ〕 である。

【００１７】数式６から、荷重２２とカウンタウェイト
２３の質量とが同一である場合（ｍ１＝ｍ２）に、永久
磁石形同期電動機１１の出力トルクτが零になることが
わかる。実際には、巻上機２１及び減速機２０の効率は
１．０未満であることから、機械効率や電動機１１のロ
スも含めたうえで出力トルクが零になる荷重質量が決ま
る。一方、永久磁石形同期電動機１１の出力トルクτは
数式７によって表されることが知られている。

【００１８】

【数７】τ＝Ｐ×φ×ｉ_q

【００１９】ここで、Ｐは電動機の極対数、φは永久磁
石形同期電動機１１の内部磁束（電機子巻線鎖交磁束
数）、ｉ_qはｑ軸電流である。内部磁束φは永久磁石に
よって決まる一定値であるため、電動機１１の出力トル
クτはｑ軸電流ｉ_qに比例する。このため、トルク零制
御を行うためには、ｑ軸電流ｉ_qを零に制御しなければ
ならない。すなわち、ｉ_d ^*＝０であるため、電動機の一
次電流を零に制御しなければならない。ここで、電動機
の一次電流を零に制御する場合には、ノイズ等の影響に
よって電流極性の切り替わる周期が非常に早くなるの
で、電流制御系の応答が十分に早くないと電流歪みが大
きくなるという問題があり、これに対処するために電流
制御系の応答が十分に早い制御装置を構成することは、
装置自体の大幅なコストアップを招く。

【００２０】一方において、電流センサ１０にはオフセ
ットやノイズ等の不安定要素が存在するため、電動機の
一次電流を完全に零とすることはできない。このためｉ
_d ^*＝０の場合はｑ軸電流ｉ_qを完全に零とすることがで
きず、トルク零制御を安定して行うことができないとい
う問題があった。そこで本発明は、巻き上げ機等に適用
される永久磁石形同期電動機の制御装置において、電動
機の一次電流が零でない場合でもｑ軸電流を零とし、ト
ルク零制御を安定して実現可能とした永久磁石形同期電
動機の制御装置を提供しようとするものである。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１記載の発明は、出力電圧の大きさ、周波数
及び位相を制御可能なインバータ等の半導体電力変換器
を介して給電される永久磁石形同期電動機の制御装置で
あって、前記電動機の一次電流を永久磁石による磁束軸
に平行なｄ軸電流とこれに直交するｑ軸電流とに分解
し、これらのｄ軸電流及びｑ軸電流を独立して制御する
ことにより前記電動機のトルク及び速度を制御する制御
装置において、前記ｑ軸電流の大きさに応じてｄ軸電流
指令値を演算する手段を備えたものである。

【００２２】請求項２記載の発明は、請求項１記載の永
久磁石形同期電動機の制御装置において、前記電動機の
速度指令値と速度検出値との偏差が零になるように調節
動作する速度調節器と、この速度調節器の出力であるｑ
軸電流指令値の大きさが零付近であるときにその大きさ
に応じてｄ軸電流指令値を演算するｄ軸電流指令値演算
器と、ｄ軸、ｑ軸の各電流指令値と各電流検出値との偏
差が零になるように調節動作するｄ軸電流調節器、ｑ軸
電流調節器とを備えたものである。

【００２３】なお、請求項３或いは請求項４に記載する
ように、ｑ軸電流の大きさに応じて演算されるｄ軸電流
指令値の大きさは、例えば永久磁石形同期電動機の定格
電流やインバータ等の半導体電力変換器の定格電流を基
準として設定される。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、図に沿って本発明の実施形
態を説明する。図１は、請求項１に記載した発明の実施
形態を示す制御ブロック図であり、図３と同一の構成要
素には同一の参照符号を付してある。以下では、図３と
異なる部分を中心に説明する。すなわち、図１の実施形
態では、速度調節器３から出力されるｑ軸電流指令値ｉ
_q ^*がｄ軸電流指令値演算器１６に入力されており、この
演算器１６によりｉ_q ^*の大きさに応じて演算されたｄ軸
電流指令値ｉ_d ^*が、ｄ軸電流調節器５の入力側において
ｄ軸電流検出値ｉ_dとの偏差算出に用いられている。そ
の他の構成は図３と同一である。

【００２５】この実施形態では、ｄ軸電流指令値演算器
１６が図２に示すような関数演算を実行する。図２にお
いて、±ｉ₁，±ｉ₂，ｉ_kは例えば電動機１１の定格電
流を基準として（その数％程度の値に）予め設定された
定数であり、ｄ軸電流指令値演算器１６は、ｑ軸電流指
令値ｉ_q ^*が−ｉ₂〜＋ｉ₂のように零付近で比較的小さ
く、電動機１１の発生トルクが小さい領域では、ｄ軸電
流ｉ_dを最大でｉ_kまで流すようにｄ軸電流指令値ｉ_d ^*を
生成する。

【００２６】ここで、ｄ軸電流ｉ_dは、電動機１１の内
部磁束φに平行な無効電流成分である。つまり、本実施
形態は、ｑ軸電流が小さく電動機の発生トルクが小さい
領域では、積極的にｄ軸に無効電流を流すこととした。
これにより、例えば電流センサ１０による検出電流
ｉ_U，ｉ_Wにノイズが含まれており、その影響がｄ軸電流
検出値ｉ_dにも現れていると仮定すると、従来のように
ｄ軸電流指令値ｉ_d ^*を固定的に零とする場合に比べて、
ｑ軸電流指令値ｉ_q ^*の大きさに応じた若干のｄ軸電流ｉ
_dを流すようにすることにより、上記ノイズの影響が少
なくなり、電流制御の安定性を向上させることができ
る。

【００２７】なお、本発明はその原理上、永久磁石回転
子の突極性、非突極性を問わずに各種の永久磁石形同期
電動機に適用することができる。

【００２８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、永久磁石
形同期電動機の一次電流を分解して得たｑ軸電流が零付
近である領域において、ｑ軸電流の大きさに応じてｄ軸
電流を意図的に流すことにより、電流センサのオフセッ
トやノイズの影響をなくして同期電動機の安定した電流
制御を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態を示す制御ブロック図であ
る。

【図２】図１におけるｄ軸電流指令値演算器の作用を説
明する図である。

【図３】従来技術を示す制御ブロック図である。

【図４】図３の制御システムをカウンタウェイト付きの
昇降装置に適用した場合の構成図である。

【符号の説明】

１ 速度設定器 ２ 速度指令演算回路 ３ 速度調節器 ４ ｑ軸電流調節器 ５ ｄ軸電流調節器 ６，７ 座標変換器 ８ 交流電源 ９ インバータ １０ 電流センサ １１ 永久磁石形同期電動機 １２ 負荷 １３ パルスエンコーダ １４ 位置検出演算器 １５ 速度検出演算器 １６ ｄ軸電流指令値演算器

フロントページの続き (72)発明者 市中 良和 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (72)発明者 丸山 和夫 大阪府茨木市庄一丁目28番10号 フジテッ ク株式会社内 Ｆターム(参考） 5H560 AA10 BB12 DA07 DB07 DC12 EB01 EC01 GG01 RR10 SS07 TT05 XA02 XA04 XA12 XA13 5H576 AA07 BB06 BB10 CC05 DD02 DD07 EE01 EE11 EE18 GG02 GG04 KK02 LL07 LL22 LL41 PP01

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 出力電圧の大きさ、周波数及び位相を制
   御可能な半導体電力変換器を介して給電される永久磁石
   形同期電動機の制御装置であって、前記電動機の一次電
   流を永久磁石による磁束軸に平行なｄ軸電流とこれに直
   交するｑ軸電流とに分解し、これらのｄ軸電流及びｑ軸
   電流を独立して制御することにより前記電動機のトルク
   及び速度を制御する制御装置において、 前記ｑ軸電流の大きさに応じてｄ軸電流指令値を演算す
   る手段を備えたことを特徴とする永久磁石形同期電動機
   の制御装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の永久磁石形同期電動機の
   制御装置において、 前記電動機の速度指令値と速度検出値との偏差が零にな
   るように調節動作する速度調節器と、 この速度調節器の出力であるｑ軸電流指令値の大きさが
   零付近であるときにその大きさに応じてｄ軸電流指令値
   を演算するｄ軸電流指令値演算器と、 ｄ軸、ｑ軸の各電流指令値と各電流検出値との偏差が零
   になるように調節動作するｄ軸電流調節器、ｑ軸電流調
   節器と、 を備えたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御
   装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の永久磁石形同期
   電動機の制御装置において、 ｑ軸電流の大きさに応じて演算されるｄ軸電流指令値の
   大きさを、前記電動機の定格電流を基準として設定する
   ことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
4. 【請求項４】 請求項１または２記載の永久磁石形同期
   電動機の制御装置において、 ｑ軸電流の大きさに応じて演算されるｄ軸電流指令値の
   大きさを、前記半導体電力変換器の定格電流を基準とし
   て設定することを特徴とする永久磁石形同期電動機の制
   御装置。