JP2000312497A - 交流電動機の制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】交流電動機の速度センサレスベクトル制御にお
いて、１次抵抗ｒ１は電動機温度により変化するため運
転時に近い電動機定数を減速停止する毎、測定して制御
定数とする。この場合、従来は電動機が完全に停止して
から直流励磁運転を行っており、停止するまでの時間が
長くなる。又停止したかどうかの判断が困難である。 【解決手段】運転前に電動機の２次時定数と慣性モーメ
ントを測定しておき、これを基に直流励磁時間Ｔset を
計算する。次に、交流電動機を減速停止する際、速度指
令が停止周波数付近に到達した時点から、インバータに
より電動機に一定の直流電流をＴset 時間流し電動機を
短時間で停止させる。又、電動機に加える電圧と電動機
電流の比から電動機の１次抵抗を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は交流電動機を可変速
制御するインバータ装置を用いて電動機定数を自動測定
するオートチューニング機能を含んだ交流電動機の制御
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】誘導電動機を可変速制御する汎用インバ
ータ等では、低速時の高始動トルクや速度変動率低減が
要求されている。この要求に対応するため誘導電動機の
励磁分電流を一定に制御し、トルク電流に比例した滑り
周波数を与えて速度制御する速度センサを用いない速度
センサレスベクトル制御や速度センサを用いたベクトル
制御が普及している。このような制御において、電動機
定数のインピーダンス電圧降下を補償する必要がある。
そこで、インバータを用いて実際の１次抵抗や２次抵抗
等電動機定数を測定するオートチューニング処理を行
い、測定した値を基にベクトル制御を行っている。又、
電動機定数のうち、１次抵抗と２次抵抗は電動機の温度
により数十％は変化する。このため運転中常時、測定す
るのが望ましい。しかし、測定時間がかかることから従
来は、例えば特開平5−297079 号記載のように起動前や
モータ停止後測定している。又、１次抵抗と２次抵抗の
測定方法として例えば特開平6−59000号と特開平6−985
95号に記載されている。一般的にはインバータから直流
電圧を与えてモータ捲き線に直流電流を流し、直流電圧
と直流電流の比から１次抵抗ｒ１を測定している（直流
励磁による測定）。又、２次抵抗ｒ２はインバータから
単相交流電圧を与えてモータ捲き線に交流電流を流し、
有効パワーと交流電流の値から１次＋２次の合成抵抗
（ｒ１＋ｒ２）を測定する（単相交流励磁による測
定）。次に、この値（ｒ１＋ｒ２）から直流励磁により
測定したｒ１を減じてｒ２を求める。なお、これらの測
定時間は数秒位かかるのが一般的である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】速度センサレスや速度
センサ付きのベクトル制御運転時において、起動時毎測
定する場合、起動直前のモータ温度で測定するので正確
なモータ定数を測定できる。このため負荷に対する速度
変動が小さい等速度制御特性が良くなると言うメリット
がある。しかし、起動指令後短時間で測定しないと加速
が遅れるため問題となり用途が限定されると考えられ
る。一方、速度センサレスベクトル制御運転後オートチ
ューニング処理を行う場合は、次に起動するまである程
度時間的に余裕があるので色々な用途に適用できる。し
かし、従来例はモータが停止後インバータ電圧を加えて
電動機定数測定動作を開始している。汎用インバータの
場合、一般的に速度指令が停止周波数に到達したらイン
バータのゲート電圧を遮断する。しかし負荷の慣性のた
め電動機はしばらく回転する。慣性モーメントが大きい
場合は特に停止するまでに時間がかかる。また、速度セ
ンサが付いていない汎用インバータの場合、電動機が停
止したかどうかの判断が非常に難しいと言う問題があ
る。

【０００４】そこで、本発明の目的はベクトル制御に大
きく影響する電動機の１次抵抗を汎用的に精度良く測定
し、電動機温度が変化した場合でも精度良いベクトル制
御特性が得られる交流電動機の制御方法を提供すること
にある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の第１の手段として、交流電動機を減速停止する際、速
度指令又はインバータ周波数が停止周波数付近に到達し
た時点から、インバータにより電動機捲き線に一定の直
流電流が所望の時間流れるように電圧を加え、この直流
励磁処理を行うことで電動機にブレーキトルクを発生さ
せると共に、電動機に加える電圧と電動機に流れる電流
の比から電動機の１次抵抗を測定するようにした。又、
測定した電動機定数を基にベクトル制御を行うようにし
た。

【０００６】第２の手段として電動機捲き線に一定の直
流電流を流す直流励磁時間を、ベクトル制御運転前の電
動機定数測定により、負荷の慣性モーメントＪや電動機
の２次時定数Ｔ２を測定しておき、これらの値を基に直
流励磁の時間を計算し、ＪやＴ２に応じて直流励磁の時
間を可変するようにした。

【０００７】第３の手段として電動機捲き線に一定の直
流電流を流して、電動機定数を測定中にベクトル制御起
動指令（正転又は逆転のスイッチオン操作）が入力され
た場合、電動機定数測定動作を中止し、ベクトル制御運
転に切り替え加速することにした。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図面に
基づいて説明する。図１において、交流電源１は整流回
路２と平滑コンデンサ３を介して直流電源に変換され
る。また、通常のベクトル制御運転時はインバータ入力
電圧Ｖｄｃをインバータ４によりＰＷＭ制御することで
交流電圧を作り、これにより誘導電動機５は可変速制御
される。また、１チップマイコンを用いた制御装置６の
ソフト構成として速度指令パターン発生及び起動，停止
判断手段７と速度センサレスベクトル制御手段８とオー
トチューニング処理手段９から構成されている。速度指
令パターン発生及び起，動停止判断手段７では、目標速
度指令ｆｎと停止周波数指令（始動周波数相当）ｆｓと
加減速レート設定値を基に速度指令ｆ１^* の加減速パタ
ーンを発生している。また、正転，逆転の起動指令や運
転停止指令を基にベクトル制御やモータ定数を測定する
オートチューニング運転の起動，停止指令を出力してい
る。次に、速度センサレスベクトル制御手段８は速度指
令ｆ１^* に従い加減速する。この場合、１次抵抗ｒ１な
ど各種の電動機定数と電動機電流検出器１０の出力を基
に速度制御を行う。また、速度センサレスベクトル制御
手段８では誘導電動機５の誘起電圧が一定になるように
１次側インピーダンスによる電圧降下を補償して電動機
の１次電圧指令を出力する。更に、トルクに寄与する電
流に比例した滑り周波数を与えて１次周波数を制御する
もので１次電圧ベクトルの大きさと１次周波数指令に基
づいてＰＷＭ信号（ゲート信号）を出力し、ゲート回路
１１を介してインバータ４を制御している。これによ
り、速度指令ｆ１^* に実速度がほぼ追従して制御され
る。

【０００９】次に、オートチューニング処理９では運転
前に１回のみ測定する電動機定数測定処理と運転後の減
速停止毎に測定する１次抵抗測定処理に分けられ、これ
らの処理はインバータ４を制御して誘導電動機５に直流
電圧や単相交流電圧を与えて電流検出器１０の出力値ｉ
ｕ，ｉｗなどから誘導電動機５の電機定数を求めてい
る。

【００１０】以下、本発明の主要部を図２から図５を用
いて詳細に説明する。図２に運転前のオートチューニン
グ処理のフローチャートを示す。まず、特開平6−98595
号記載の単相交流励磁法により電動機の有効パワーと電
動機電流の大きさから１次＋２次の合成抵抗（ｒ１＋ｒ
２）を求める。次に、特許公報第2580101 号記載の直流
励磁法を基本として１次抵抗ｒ１を求める。そこで、
（ｒ１＋ｒ２）測定値からｒ１測定値を減じて２次抵抗
ｒ２を求める。次に、特開平6−265607 号記載の方法に
より定常運転を行い、インバータ出力電圧と有効電流と
無効電流からモータの自己インダクタンスＬ２を求め
る。次に、特開昭61−88780号 記載の方法により加減速
運転を行い、電動機＋負荷の慣性モーメントＪを測定す
る。

【００１１】以上の測定動作が終了した後、直流励磁時
間Ｔset を計算する。Ｔset は電動機２次時定数Ｔ２＝
Ｌ２／ｒ２と慣性モーメントＪから決めている。図４の
制御ブロック図で詳細は述べるが直流励磁の電流制御を
開始してから電動機２次時定数Ｔ２の約４倍位は電動機
に印加する電圧が定常状態にならないためＴ２による直
流励磁時間ＴsetＡ を数１で近似する。

【００１２】

【数１】ＴsetＡ ≒４×Ｔ２ 次に、停止周波数ｆｓにおける速度から電動機が停止時
間するまでの推定時間Ｔstopを数２で近似する。

【００１３】

【数２】 Ｔstop≒Ｊ×(２π×ｆｓ／ｐｔ)／(Ｔｍ０／２） ここで、Ｊは慣性モーメント、ｆｓは停止周波数、ｐｔ
は電動機の極対数、Ｔｍ０は電動機の定格トルクであ
る。（２π×ｆｓ／ｐｔ）は直流励磁開始時点の電動機
の回転角速度となる。また、Ｔｍ０／２は、直流励磁開
始時点のブレーキトルクをＴｍ０と考え、このブレーキ
トルクが速度の低下と共に減少し、電動機速度零におい
て誘導電動機のすべり周波数が零になるのでブレーキト
ルクは零となる。そこで直流励磁電流をモータの定格電
流相当流すことでＴｍ０は、モータの定格トルク相当と
考えられる。また、Ｔｍ０から電動機が停止するまで、
ほぼ直線的にブレーキトルクが減少すると考え、平均の
ブレーキトルクをＴｍ０／２とした。なお、直流励磁時
のブレーキトルクは、電動機の定格すべり周波数、２次
時定数Ｔ２、直流励磁電流などで変わるため数２で近似
している。次に、ＴsetＡ とＴstopの大きい方を直流励
磁時間Ｔset とし、上限，下限のリミッタを介して設定
している。なお、上限リミッタはインバータを構成する
パワー素子の熱的な過負荷耐量から決められ下限リミッ
タは約１秒としている。

【００１４】次に、運転後の動作フローを図３に示す。
ベクトル制御運転時に停止指令が入ると、速度指令ｆ１
^* を徐々に下げ、停止周波数ｆｓに到達するとベクトル
制御を終了し直流励磁を開始する。これにより電動機に
ブレーキをかけると共に１次抵抗ｒ１を測定し続ける。
そこで直流励磁時間がＴset を越えたらｒ１測定値をメ
モリへ記憶しｒ１測定を終了する。

【００１５】次に、直流励磁制御とｒ１測定の制御ブロ
ック図を図４に示す。Ｕ相とＷ相の電動機電流検出値ｉ
ｕ，ｉｗを直流励磁位相指令θｄを基に、数３によりｄ
ｑ変換（固定座標の電流を回転座標の電流に変換）しＩ
ｄ，Ｉｑを求めている。なお、直流励磁位相指令θｄは
ベクトル制御終了時点のベクトル制御における位相指令
である。また、ｉｕ，ｉｗは直流電流となりＩｄも直流
量となる。

【００１６】

【数３】 Ｉｄ＝ｉｕ・cosθｄ−((ｉｕ＋２ｉｗ)／√３)sinθｄ Ｉｑ＝−ｉｕ・sinθｄ−((ｉｕ＋２ｉｗ)／√３)cosθ
ｄ 次に、電流制御系はｄ軸電流制御手段１３とｑ軸電流制
御手段１４から構成し、ｄ軸電流制御手段１３では直流
励磁電流指令Ｉｄ^* にＩｄ検出値が一致するように(比
例＋積分)補償し、ｄ軸電圧Ｖｄ^* を出力する。一方、
ｑ軸電流制御手段１４ではＩｑ検出値が零になるように
（比例＋積分）補償し、ｑ軸電圧Ｖｑ^* を出力する。ｄ
ｑ／ｕｖｗ変換手段１５は回転座標の電圧を固定座標の
電圧に変換するもので数４の演算を行い、三相の電圧指
令Ｖｕ^* ，Ｖｖ^* ，Ｖｗ^* を出力し、ゲート信号発生手
段１６を介してゲート信号を出力している。なお、θｄ
は一定のためインバータ周波数は零となり、Ｖｕ^* ，Ｖ
ｖ^* ，Ｖｗ^* も直流の電圧指令となる。

【００１７】

【数４】Ｖｕ^*＝Ｖｄ^*・cosθｄ−Ｖｑ^*・sinθｄ Ｖｗ^*＝−Ｖｕ／２−√３（Ｖｄ^*・sinθｄ＋Ｖｑ^*・co
sθｄ)／２ Ｖｖ^*＝−（Ｖｕ^*＋Ｖｗ^*） このような構成においてＶｑ^* は、ほぼ零となりモータ
に与える直流電圧は定常時においてはＶｄ^* 相当とな
る。しかし、Ｖｄ^* は指令値であり、これにはインバー
タを構成する正負アームのパワー素子が短絡しないよう
に設けたデッドタイムやパワー素子のオン電圧降下によ
る誤差電圧ΔＶｄを含むので（Ｖｄ^* −ΔＶｄ）がモー
タに加わる真の直流電圧となる。そこで１次抵抗演算手
段１７により数５の演算を行い、１次抵抗ｒ１を測定し
ている。なお、ΔＶｄは位相指令θｄにより多少変わる
がデッドタイムやパワー素子のオン電圧降下を基に前も
って設定している。

【００１８】

【数５】ｒ１＝(Ｖｄ^*−ΔＶｄ)／Ｉｄ 次に、数５のＶｄ^* は直流励磁を開始した時点から電動
機の２次時定数Ｔ２の１次遅れで減衰しＴ２の約４倍で
定常値に近づく。これは最初は（ｒ１＋ｒ２）による電
圧となり、定常状態においてはｒ１のみによる電圧とな
る。このため図２のＴsetＡ を計算し、Ｔ２の約４倍以
上の時間、直流励磁した後で測定する。これにより測定
精度を向上させている。更に、電動機が回転している状
態ではすべり周波数が生じているためＶｄ^* が定常状態
にならない。このためｒ１の測定誤差が生じる。そこ
で、図２の電動機停止推定時間Ｔstopを計算し、Ｔstop
以上の時間直流励磁をし、ブレーキをかけると共に電動
機停止後、１次抵抗を測定することで測定精度を向上さ
せている。

【００１９】次に、本発明における制御動作のタイムチ
ャートを図５に示す。起動スイッチオンにより速度指令
ｆ１^* は始動周波数ｆｓから加速レートに従い目標速度
ｆｎまで増加し、ｆ１^* に実速度が追従するように加速
する。また、停止スイッチがオンするとｆ１^* が減少
し、停止周波数ｆｓに到達したらゲート信号をオフする
と共に図４に示す制御ブロックによりゲート信号を生か
して直流励磁運転を行う。これによりブレーキが働き速
度は低下する。なお速度が低下するレート（時間的な速
度減少の割合）は慣性モーメントＪにより変わるが数２
により停止時間Ｔstopを推定し、直流励磁時間Ｔset を
決めている。この結果、モータが停止したと推測される
Ｔset 時間後ｒ１測定値を記憶しゲート信号をオフして
いる。これにより、ブレーキをかけて短時間で停止させ
ると共に電圧指令Ｖｄ^* が一定の定常状態で測定するの
でｒ１を精度良く測定できる。また、直流励磁時間も短
くできる。

【００２０】次に直流励磁中、起動指令が入った場合の
タイムチャートを図６に示す。この場合は、起動を優先
させるため直流励磁運転を中止し、前に測定したｒ１測
定値を基にベクトル制御を行い加速させている。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、減速停止する毎に、負
荷の慣性モーメントと電動機の２次時定数を考慮した時
間，停止周波数付近から直流励磁処理を行う。これによ
り電動機を早めに停止させるのと併用して、電動機に加
える電圧指令と電動機電流から１次抵抗ｒ１を精度良く
測定できると言う効果がある。この結果、色々な慣性負
荷をもつ用途に対応して最適な時間で測定できるため汎
用性があると言う効果もある。また、この測定値を用い
てベクトル制御するので精度良いベクトル制御が得られ
ると言う効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す制御ブロック図。

【図２】本発明の運転前のオートチューニング処理を示
すフローチャート図。

【図３】本発明の運転後の制御を示すフローチャート
図。

【図４】直流励磁制御と１次抵抗測定の制御ブロック
図。

【図５】本発明の運転動作を示すタイムチャート図。

【図６】本発明の直流励磁中、起動指令が入った場合の
タイムチャート図。

【符号の説明】

１…交流電源、２…整流回路、３…平滑コンデンサ、４
…インバータ、５…誘導電動機、６…制御装置、７…速
度指令パターン発生及び起動，停止判断手段、８…速度
センサレスベクトル制御手段、９…オートチューニング
処理手段、１０…電流検出器、１１…ゲート回路、１２
…ｄｑ変換手段、１３…ｄ軸電流制御手段、１４…ｑ軸
電流制御手段、１５…ｄｑ／ｕｖｗ変換手段、１６…ゲ
ート信号発生手段、１７…１次抵抗演算手段。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 富田 浩之 千葉県習志野市東習志野七丁目１番１号 株式会社日立製作所産業機器事業部内 Ｆターム(参考） 2G016 BA03 BB01 BB02 BC00 BC05 BD06 BD07 BD13 5H530 AA05 CC30 CD21 CD32 CD34 CD38 CE12 CF08 CF13 DD03 EE07 5H576 BB10 CC05 DD04 EE01 EE09 EE10 EE11 FF02 FF04 FF05 GG04 HB02 JJ03 JJ17 JJ24 KK08 LL14 LL15 LL22 LL24 LL29 LL40 LL60

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電圧形インバータにより直流電圧を交流又
   は直流に変換して交流電動機へ供給し、電動機電流検出
   値等から前記交流電動機定数を測定するオートチューニ
   ング運転手段と、この測定値を基に前記電圧形インバー
   タを制御して、交流電動機をベクトル制御するベクトル
   制御運転手段から成る交流電動機の制御装置において、
   交流電動機を減速停止する際、速度指令又はインバータ
   出力周波数が停止周波数付近に到達した時点から前記イ
   ンバータにより電動機に一定の直流電流が所望の時間流
   れるように電圧を加え、前記電動機に加える電圧と前記
   電動機に流れる電流の比から電動機の１次抵抗を測定す
   ることを特徴とした交流電動機の制御方法。
2. 【請求項２】請求項第１項記載の電動機に一定の直流電
   流を流す直流励磁時間を負荷の慣性モーメントや電動機
   の２次時定数により可変することを特徴とした交流電動
   機の制御方法。
3. 【請求項３】請求項第１項記載の電動機に一定の直流電
   流を流して、電動機定数を測定中、ベクトル制御起動指
   令（正転又は逆転のスイッチオン操作）が入力された場
   合、電動機定数測定動作を中止し、ベクトル制御運転に
   切り替え加速することを特徴とした交流電動機の制御方
   法。