JP2000324899A - 回転機械を調節する方法、および回転機械用の電源回路 - Google Patents
回転機械を調節する方法、および回転機械用の電源回路Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 レギュレータ１６からの制御電圧Ｖｒｅｆを
受け取る電圧インバータ１４によって電力供給される回
転機械１２を調節する方法を提供すること。 【解決手段】 レギュレータは、基準値と機械の電磁ト
ルクを示すサンプル信号とを受け取り、各サンプリング
の瞬間に、次のサンプリングの瞬間のトルク値を予測
し、その予測に従って制御電圧を変更する。電磁トルク
のサーボ制御は、機械およびインバータを備えたシステ
ムの離散的なモデルの事前計算を行い、制御電圧が存在
しない場合のサンプリングの瞬間に対応する状態からの
システムの自由な変動に対応する第１の項と、制御信号
の作用によるシステムの変動に対応する項との形で、２
つのサンプリングの瞬間の間の電磁トルクの変動を確定
するステップと、機械の電磁トルクがトルクの自由な変
動に対応する値からトルク基準値に向かって変化するよ
うに制御電圧を変更するステップと含む。
受け取る電圧インバータ１４によって電力供給される回
転機械１２を調節する方法を提供すること。 【解決手段】 レギュレータは、基準値と機械の電磁ト
ルクを示すサンプル信号とを受け取り、各サンプリング
の瞬間に、次のサンプリングの瞬間のトルク値を予測
し、その予測に従って制御電圧を変更する。電磁トルク
のサーボ制御は、機械およびインバータを備えたシステ
ムの離散的なモデルの事前計算を行い、制御電圧が存在
しない場合のサンプリングの瞬間に対応する状態からの
システムの自由な変動に対応する第１の項と、制御信号
の作用によるシステムの変動に対応する項との形で、２
つのサンプリングの瞬間の間の電磁トルクの変動を確定
するステップと、機械の電磁トルクがトルクの自由な変
動に対応する値からトルク基準値に向かって変化するよ
うに制御電圧を変更するステップと含む。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、回転機械を調節す
る方法、特に非同期回転機械を調節する方法に関する。
また、本発明は、そのような機械用の電源回路に関す
る。
る方法、特に非同期回転機械を調節する方法に関する。
また、本発明は、そのような機械用の電源回路に関す
る。
【０００２】より正確にいえば、本発明は、対応する基
準値に対して、機械の電磁トルク、及び機械の磁束（ロ
ータまたはステータの磁束）をサーボ制御できる調節方
法に関する。
準値に対して、機械の電磁トルク、及び機械の磁束（ロ
ータまたはステータの磁束）をサーボ制御できる調節方
法に関する。
【０００３】
【従来の技術】非同期機械の速度は、一般に、機械の電
磁トルクを調節して制御する。
磁トルクを調節して制御する。
【０００４】このために、非同期回転機械には、ステー
タ電流の測定値から得られ機械の電磁トルクを示す１つ
または複数のサンプル信号とともに、入力として電磁ト
ルク基準値を受け取るレギュレータが設けられている。
タ電流の測定値から得られ機械の電磁トルクを示す１つ
または複数のサンプル信号とともに、入力として電磁ト
ルク基準値を受け取るレギュレータが設けられている。
【０００５】トルク基準値に基づいて、機械の電磁トル
クをサーボ制御するために、レギュレータは、サンプリ
ングの各瞬間に、次のサンプリングの瞬間のトルク値の
予測を行い、その予測に従って制御電圧を変更する。
クをサーボ制御するために、レギュレータは、サンプリ
ングの各瞬間に、次のサンプリングの瞬間のトルク値の
予測を行い、その予測に従って制御電圧を変更する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】このようなレギュレー
タのダイナミック-+な性能を向上させること、特にトル
クのダイナミックレンジを拡張することが、大半の産業
用途で大きな問題の１つとなる。
タのダイナミック-+な性能を向上させること、特にトル
クのダイナミックレンジを拡張することが、大半の産業
用途で大きな問題の１つとなる。
【０００７】このようなシステムのトルクのダイナミッ
クレンジを十分に確保するには、望ましいダイナミック
レンジと比較して、インバータのチョッパ周波数を高く
する必要がある。これは、インバータのチョッパ周波数
が低いと、補償が不十分となり、性能が低下するためで
ある。特に、インバータおよびモータの効率が低下し、
したがって減衰すべき損失が増大する。
クレンジを十分に確保するには、望ましいダイナミック
レンジと比較して、インバータのチョッパ周波数を高く
する必要がある。これは、インバータのチョッパ周波数
が低いと、補償が不十分となり、性能が低下するためで
ある。特に、インバータおよびモータの効率が低下し、
したがって減衰すべき損失が増大する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この問題の解決法として
１つ考えられるのは、システムに低損失構成要素を設け
ることである。しかし、この方法は、機械用の電源回路
のコストが著しく高騰するため、受け入れられない。
１つ考えられるのは、システムに低損失構成要素を設け
ることである。しかし、この方法は、機械用の電源回路
のコストが著しく高騰するため、受け入れられない。
【０００９】本発明の目的は、上記の問題点を緩和する
ことである。
ことである。
【００１０】したがって、本発明は、トルク基準値に基
づいて回転機械の電磁トルクをサーボ制御するためにレ
ギュレータによって供給された離散的な制御電圧を入力
として受け取る電圧インバータによって電力供給される
回転機械を調節する方法であって、レギュレータが、前
記基準値と、機械の電磁トルクを示す少なくとも１つの
サンプル信号とを入力として受け取り、サンプリングの
各瞬間に、次のサンプリングの瞬間のトルク値を予測
し、その予測に従って制御電圧を変更し、電磁トルクの
サーボ制御が、 − 機械およびインバータを備えたシステムの離散的な
モデルの事前計算を行い、制御電圧が存在しない場合の
サンプリングの瞬間に対応する状態からのシステムの自
由な変動に対応する第１の項と、制御信号の作用による
システムの変動に対応する項との形で、２つのサンプリ
ングの瞬間の間の電磁トルクの変動を確定するステップ
と、 − 機械の電磁トルクがトルクの自由な変動に対応する
値からトルク基準値に向かって変化するように、制御電
圧を変更するステップとを含む方法を提供する。
づいて回転機械の電磁トルクをサーボ制御するためにレ
ギュレータによって供給された離散的な制御電圧を入力
として受け取る電圧インバータによって電力供給される
回転機械を調節する方法であって、レギュレータが、前
記基準値と、機械の電磁トルクを示す少なくとも１つの
サンプル信号とを入力として受け取り、サンプリングの
各瞬間に、次のサンプリングの瞬間のトルク値を予測
し、その予測に従って制御電圧を変更し、電磁トルクの
サーボ制御が、 − 機械およびインバータを備えたシステムの離散的な
モデルの事前計算を行い、制御電圧が存在しない場合の
サンプリングの瞬間に対応する状態からのシステムの自
由な変動に対応する第１の項と、制御信号の作用による
システムの変動に対応する項との形で、２つのサンプリ
ングの瞬間の間の電磁トルクの変動を確定するステップ
と、 − 機械の電磁トルクがトルクの自由な変動に対応する
値からトルク基準値に向かって変化するように、制御電
圧を変更するステップとを含む方法を提供する。
【００１１】したがって、ダイナミックな性能の向上
は、改良型レギュレータの使用に起因するものであり、
改良型レギュレータは、高性能な電気構成要素を設ける
よりもコストがかからない。
は、改良型レギュレータの使用に起因するものであり、
改良型レギュレータは、高性能な電気構成要素を設ける
よりもコストがかからない。
【００１２】本発明の調節方法は、個々に分かれた形、
あるいは技術的に実現可能な組み合わせの形で、以下の
特性うちの１つまたは複数を含む。
あるいは技術的に実現可能な組み合わせの形で、以下の
特性うちの１つまたは複数を含む。
【００１３】− 基準値に基づいてトルクをサーボ制御
する際、磁束が、磁束の自由な変動に対応する値から磁
束基準値に変化するように、制御電圧に作用することに
よって、レギュレータに対する入力として受け取った磁
束基準値に基づいて機械の磁束をサーボ制御すること。
する際、磁束が、磁束の自由な変動に対応する値から磁
束基準値に変化するように、制御電圧に作用することに
よって、レギュレータに対する入力として受け取った磁
束基準値に基づいて機械の磁束をサーボ制御すること。
【００１４】− 次のサンプリングの瞬間においてトル
ク基準値および磁束基準値が得られるように、サンプリ
ングの各瞬間において制御電圧を変更すること。
ク基準値および磁束基準値が得られるように、サンプリ
ングの各瞬間において制御電圧を変更すること。
【００１５】− ＸおよびＹが、それぞれ機械の状態ベ
クトルおよび出力ベクトルを表し、［Ａ（ω）］が、機
械の速度ωに応じて変化する機械の状態行列を表し、
［Ｂ］が、システムの入力行列を表し、ｈが、システム
の出力関数を表し、Ｖｒｅｆが、制御電圧を表すものと
して、システムをモデル化するステップが、次のシステ
ムの状態方程式
クトルおよび出力ベクトルを表し、［Ａ（ω）］が、機
械の速度ωに応じて変化する機械の状態行列を表し、
［Ｂ］が、システムの入力行列を表し、ｈが、システム
の出力関数を表し、Ｖｒｅｆが、制御電圧を表すものと
して、システムをモデル化するステップが、次のシステ
ムの状態方程式
【００１６】
【数６】 を離散的にするステップと、ａ、ｂ、ｃ、およびｄが、
システムの離散入力行列の係数を表し、
システムの離散入力行列の係数を表し、
【００１７】
【数７】 が、サンプリング期間中のステータ電流ベクトルの予測
された自由な変動を示し、
された自由な変動を示し、
【００１８】
【数８】 が、サンプリング期間中の機械の磁束ベクトルの予測さ
れた自由な変動を示し、
れた自由な変動を示し、
【００１９】
【数９】 が、制御電圧の係数の２乗を示すものとして、
【００２０】
【数１０】 で定義される、システムの離散的なモデルに基づいて、
サンプリング期間中の自由な変動と次のサンプリングの
瞬間との間で得られるべき、トルク変動および磁束変動
を表す特性ΔＣおよびΔφを生成するステップとを含
み、レギュレータが、トルク変動ΔＣおよび磁束変動Δ
φを得るために、インバータの入力に印加すべき制御電
圧の値を決定するように実施されること。
サンプリング期間中の自由な変動と次のサンプリングの
瞬間との間で得られるべき、トルク変動および磁束変動
を表す特性ΔＣおよびΔφを生成するステップとを含
み、レギュレータが、トルク変動ΔＣおよび磁束変動Δ
φを得るために、インバータの入力に印加すべき制御電
圧の値を決定するように実施されること。
【００２１】− インバータの入力に印加される制御電
圧が、トルク変動および磁束変動を表す前記特性を定義
する式を満足する基準電圧から選択された電力を最小限
に抑えることに対応する電圧により構成されること。
圧が、トルク変動および磁束変動を表す前記特性を定義
する式を満足する基準電圧から選択された電力を最小限
に抑えることに対応する電圧により構成されること。
【００２２】また、本発明は、電源電圧によって電力供
給される電圧インバータを備えた回転機械用の電源回路
を提供し、レギュレータが、電磁トルク基準値と機械の
電磁トルクを表す少なくとも１つのサンプル信号とを受
け取り、各サンプリングの瞬間に次のサンプリングの瞬
間の電磁トルクの値を予測し、その予測に従って制御電
圧を変更することにより、トルク基準値に基づいた機械
の電磁トルクのサーボ制御に適した制御電圧をインバー
タに供給し、レギュレータが、２つのサンプリングの瞬
間の間で、制御電圧が存在しない場合のシステムの自由
な変動に対応する項と制御信号の作用によるシステムの
変動に対応する項との形で、機械およびインバータによ
って構成されメモリに格納されたシステムの離散的なモ
デルと、トルクの自由な変動に対応する値からトルク基
準値に磁気トルクを変化させるように構成された制御電
圧を生成する手段をさらに含む回路と含む。
給される電圧インバータを備えた回転機械用の電源回路
を提供し、レギュレータが、電磁トルク基準値と機械の
電磁トルクを表す少なくとも１つのサンプル信号とを受
け取り、各サンプリングの瞬間に次のサンプリングの瞬
間の電磁トルクの値を予測し、その予測に従って制御電
圧を変更することにより、トルク基準値に基づいた機械
の電磁トルクのサーボ制御に適した制御電圧をインバー
タに供給し、レギュレータが、２つのサンプリングの瞬
間の間で、制御電圧が存在しない場合のシステムの自由
な変動に対応する項と制御信号の作用によるシステムの
変動に対応する項との形で、機械およびインバータによ
って構成されメモリに格納されたシステムの離散的なモ
デルと、トルクの自由な変動に対応する値からトルク基
準値に磁気トルクを変化させるように構成された制御電
圧を生成する手段をさらに含む回路と含む。
【００２３】レギュレータが、磁束基準値および機械の
磁束値を表すサンプル信号を入力として受け取り、磁束
の自由な変動に対応する値から磁束基準値に機械の磁束
を変化させるように構成された制御電圧を生成する手段
を含むので好都合である。
磁束値を表すサンプル信号を入力として受け取り、磁束
の自由な変動に対応する値から磁束基準値に機械の磁束
を変化させるように構成された制御電圧を生成する手段
を含むので好都合である。
【００２４】制御電圧を生成する手段が、次のサンプリ
ングの瞬間に、前記トルク基準値および磁束値が得られ
るように、各サンプリングの瞬間に制御電圧を生成する
ように構成されていることが好ましい。
ングの瞬間に、前記トルク基準値および磁束値が得られ
るように、各サンプリングの瞬間に制御電圧を生成する
ように構成されていることが好ましい。
【００２５】その他の特性および利点は、添付の図面を
参照して、あくまで例として挙げる以下の説明を読めば
明らかとなる。
参照して、あくまで例として挙げる以下の説明を読めば
明らかとなる。
【００２６】
【発明の実施の形態】図１は、回転機械１２用の電源回
路１０を示す図である。
路１０を示す図である。
【００２７】図１において、回転機械１２は、例えば、
電気機関車、ロボット、あるいは工作機械の牽引モータ
で構成される３相モータとして示されている。
電気機関車、ロボット、あるいは工作機械の牽引モータ
で構成される３相モータとして示されている。
【００２８】従来の方法では、電源回路１０は、モータ
１２に交流電圧を供給する電圧インバータ１４を備え、
該電圧インバータ１４は、例えば約１５００〜３０００
Ｖの電圧の鉄道用直流電源に接続されている。
１２に交流電圧を供給する電圧インバータ１４を備え、
該電圧インバータ１４は、例えば約１５００〜３０００
Ｖの電圧の鉄道用直流電源に接続されている。
【００２９】回転機械１２は、連続的でかつ線形なシス
テムと考えることができるが、インバータ１４は、離散
的でかつ非線形なシステムを構成することがわかる。
テムと考えることができるが、インバータ１４は、離散
的でかつ非線形なシステムを構成することがわかる。
【００３０】インバータ１４は、レギュレータ１６によ
って制御される。レギュレータ１６は、インバータ１４
に制御電圧Ｖｒｅｆを供給する。この制御電圧は、目標
とする電磁トルク値および磁束値にそれぞれ対応する電
磁トルクＣ＊の基準値および磁束
って制御される。レギュレータ１６は、インバータ１４
に制御電圧Ｖｒｅｆを供給する。この制御電圧は、目標
とする電磁トルク値および磁束値にそれぞれ対応する電
磁トルクＣ＊の基準値および磁束
【００３１】
【数１１】 の基準値に合わせて、機械１２の電磁トルクおよび、場
合により、磁束をサーボ制御するように生成される。
合により、磁束をサーボ制御するように生成される。
【００３２】図１からわかるように、レギュレータ１６
は、ステータ電流ベクトル、磁束ベクトル、および機械
１２のロータの角速度に、それぞれ対応する１つまたは
複数のサンプル信号
は、ステータ電流ベクトル、磁束ベクトル、および機械
１２のロータの角速度に、それぞれ対応する１つまたは
複数のサンプル信号
【００３３】
【数１２】 も入力として受け取る。機械の電磁トルクを表すこれら
の信号は、連続的に測定された信号ＩＳ１（ｔ）、Ｉ
Ｓ２（ｔ）、ω（ｔ）に基づき、オブザーバ１８により
生成される。信号ＩＳ１（ｔ）、ＩＳ２（ｔ）は、ステ
ータ位相電流に対応し、信号ω（ｔ）は、機械１２に取
り付けた適当なセンサによって供給されたロータの角速
度を測定する信号に対応する。
の信号は、連続的に測定された信号ＩＳ１（ｔ）、Ｉ
Ｓ２（ｔ）、ω（ｔ）に基づき、オブザーバ１８により
生成される。信号ＩＳ１（ｔ）、ＩＳ２（ｔ）は、ステ
ータ位相電流に対応し、信号ω（ｔ）は、機械１２に取
り付けた適当なセンサによって供給されたロータの角速
度を測定する信号に対応する。
【００３４】従来の方法では、入力として受け取った基
準値Ｃ＊および
準値Ｃ＊および
【００３５】
【数１３】 に従って回転機械１２の電磁トルクおよび磁束をサーボ
制御するために、レギュレータ１６は、メモリに格納さ
れたソフトウエア手段を利用して、サンプリングの各瞬
間に、次のサンプリングの瞬間の電磁トルクおよびロー
タ磁束値を予測し、その予測に従って制御電圧Ｖｒｅｆ
を変更して、基準値により設定されるトルクおよび磁束
を得る。
制御するために、レギュレータ１６は、メモリに格納さ
れたソフトウエア手段を利用して、サンプリングの各瞬
間に、次のサンプリングの瞬間の電磁トルクおよびロー
タ磁束値を予測し、その予測に従って制御電圧Ｖｒｅｆ
を変更して、基準値により設定されるトルクおよび磁束
を得る。
【００３６】レギュレータ１６は、「スポットオンレス
ポンス（ｓｐｏｔ−ｏｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅ）」型のレ
ギュレータ、すなわち次のサンプリングの瞬間に基準電
圧を達成するように制御電圧Ｖｒｅｆを変更するレギュ
レータで構成されていることが好ましいことがわかる。
ポンス（ｓｐｏｔ−ｏｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅ）」型のレ
ギュレータ、すなわち次のサンプリングの瞬間に基準電
圧を達成するように制御電圧Ｖｒｅｆを変更するレギュ
レータで構成されていることが好ましいことがわかる。
【００３７】このために、レギュレータ１６は、２つの
サンプリングの瞬間の間でシステムがどのように変化す
るかを計算する目的で、回転機械１２およびインバータ
１４によって構成されるシステムの離散的なモデルを格
納するメモリを備えた第１のステップ２０と、インバー
タ１４に入力する制御電圧Ｖｒｅｆを計算する第２のス
テップ２２であって、第１のステップで予測したシステ
ムの変動および第２のステップに入力した基準信号Ｃ＊
および
サンプリングの瞬間の間でシステムがどのように変化す
るかを計算する目的で、回転機械１２およびインバータ
１４によって構成されるシステムの離散的なモデルを格
納するメモリを備えた第１のステップ２０と、インバー
タ１４に入力する制御電圧Ｖｒｅｆを計算する第２のス
テップ２２であって、第１のステップで予測したシステ
ムの変動および第２のステップに入力した基準信号Ｃ＊
および
【００３８】
【数１４】 としてこの計算を行う第２のステップ２２とを備えてい
る。
る。
【００３９】以下、回転機械１２およびインバータ１４
によって構成されるシステムの離散的なモデルを計算す
る方法について先ず説明し、その後で、制御電圧Ｖ
ｒｅｆの計算方法について述べる。
によって構成されるシステムの離散的なモデルを計算す
る方法について先ず説明し、その後で、制御電圧Ｖ
ｒｅｆの計算方法について述べる。
【００４０】上に述べたように、回転機械１２は、時間
で定義される連続的な代数微分システムによって構成さ
れ、これに対して電圧インバータ１４は、非線形なシス
テムによって構成される。
で定義される連続的な代数微分システムによって構成さ
れ、これに対して電圧インバータ１４は、非線形なシス
テムによって構成される。
【００４１】インバータおよび機械によって構成される
システムは、以下の状態方程式によって定義することが
できる。
システムは、以下の状態方程式によって定義することが
できる。
【００４２】
【数１５】 上式中、Ｘおよび
【００４３】
【数１６】 は、それぞれ機械の状態ベクトルおよび状態ベクトルの
微分係数を示し、これらのベクトルは、ステータに対し
て固定された２つの次元αおよびβを備えた基準の構成
で表わされる、機械のステータ電流の測定成分と機械の
磁束成分とで定義される。Ｘは、以下のようになり、機
械の磁気状態は、ロータの磁束によって表わせる。
微分係数を示し、これらのベクトルは、ステータに対し
て固定された２つの次元αおよびβを備えた基準の構成
で表わされる、機械のステータ電流の測定成分と機械の
磁束成分とで定義される。Ｘは、以下のようになり、機
械の磁気状態は、ロータの磁束によって表わせる。
【００４４】
【数１７】 ［Ａ］は、機械の状態行列を表し、この行列は、機械の
速度ωに応じて変化し、以下のようになる。
速度ωに応じて変化し、以下のようになる。
【００４５】
【数１８】 ［Ｂ］は、システムの入力行列を表し、以下のようにな
る。
る。
【００４６】
【数１９】 Ｖｒｅｆは、ステータに対して一定で固定された基準α
およびβの二次元構成で表わされ、以下の成分を備え
る。
およびβの二次元構成で表わされ、以下の成分を備え
る。
【００４７】
【数２０】 ｈは、システムの出力関数を表し、ここで
【００４８】
【数２１】 である。
【００４９】Ｒｓはステータの抵抗、Ｒｒはロータの抵
抗、Ｌｍは相互インダクタンス、Ｌｓはステータのイン
ダクタンス、Ｌｒはロータのインダクタンスである。
抗、Ｌｍは相互インダクタンス、Ｌｓはステータのイン
ダクタンス、Ｌｒはロータのインダクタンスである。
【００５０】同様に、出力ベクトルＹは、ロータ磁束お
よび電磁トルクを成分として有し、上記の式（２）を適
用する場合、以下のように定義される。
よび電磁トルクを成分として有し、上記の式（２）を適
用する場合、以下のように定義される。
【００５１】
【数２２】 上式中、ｐは、極の対の数である。
【００５２】上記において、制御電圧Ｖｒｅｆは、２つ
のサンプリング期間の間で一定であると考えられること
がわかる。このような状態で、レギュレータ１６の第１
段２０は、以下の式の基づいて上記の状態方程式を離散
的にすることができる。
のサンプリング期間の間で一定であると考えられること
がわかる。このような状態で、レギュレータ１６の第１
段２０は、以下の式の基づいて上記の状態方程式を離散
的にすることができる。
【００５３】
【数２３】 上式中、Ｘｋ＋１は、瞬間（ｋ＋１）Ｔにおける離散状
態ベクトル、ＸｋおよびＶｒｅｆは、瞬間ｋＴにおける
それぞれシステムの状態ベクトルと制御電圧、Ｉは、恒
等行列、［Ｆ（ωｋ）］は、離散状態行列、［Ｇ］は、
離散入力行列、ｈは、離散出力関数を表す。
態ベクトル、ＸｋおよびＶｒｅｆは、瞬間ｋＴにおける
それぞれシステムの状態ベクトルと制御電圧、Ｉは、恒
等行列、［Ｆ（ωｋ）］は、離散状態行列、［Ｇ］は、
離散入力行列、ｈは、離散出力関数を表す。
【００５４】システムを離散的にする上式（３）および
（４）では、上記のように、インバータが、あるサンプ
リング期間中に一定した平均電圧を供給する場合、イン
バータの離散性も考慮に入れていることがわかる。
（４）では、上記のように、インバータが、あるサンプ
リング期間中に一定した平均電圧を供給する場合、イン
バータの離散性も考慮に入れていることがわかる。
【００５５】インバータは、あるサンプリング期間中に
平均値が一定した電圧を供給するが、インバータのチョ
ッパ周波数は、サンプリング周波数よりも高いのが普通
である。したがって、インバータによって供給された電
圧により、回転機械１２のトルクおよび磁束は調節可能
となるが、一定した平均値を維持しながら、各サンプリ
ング期間中にインバータによって供給された電圧の周波
数および期間に作用し、例えば、サンプリング期間中の
高調波成分の要件を満足することができるようにするこ
とが可能である。
平均値が一定した電圧を供給するが、インバータのチョ
ッパ周波数は、サンプリング周波数よりも高いのが普通
である。したがって、インバータによって供給された電
圧により、回転機械１２のトルクおよび磁束は調節可能
となるが、一定した平均値を維持しながら、各サンプリ
ング期間中にインバータによって供給された電圧の周波
数および期間に作用し、例えば、サンプリング期間中の
高調波成分の要件を満足することができるようにするこ
とが可能である。
【００５６】状態ベクトルＸの成分は、ステータに対し
て固定された二次元の基準の構成で表した、機械の予測
ステータ電流ベクトルおよび予測ロータ磁束ベクトルで
あり、構成は、以下の式で表わされる。
て固定された二次元の基準の構成で表した、機械の予測
ステータ電流ベクトルおよび予測ロータ磁束ベクトルで
あり、構成は、以下の式で表わされる。
【００５７】
【数２４】 したがって、レギュレータ１６の第１段２０が予測した
状態ベクトルは、瞬間（ｋ＋１）Ｔにおける、予測ステ
ータ電流ベクトル
状態ベクトルは、瞬間（ｋ＋１）Ｔにおける、予測ステ
ータ電流ベクトル
【００５８】
【数２５】 の値および予測ロータ磁束ベクトル
【００５９】
【数２６】 の値を含む成分を有し、状態ベクトルの第１項は、イン
バータ１４に印加される制御電圧Ｖｒｅｆだけによって
決まり、第２項は、開始の瞬間ｋＴによってのみ決ま
り、制御電圧が印加されない場合に２つのサンプリング
の瞬間の間で自由に変化するシステムに対応する。
バータ１４に印加される制御電圧Ｖｒｅｆだけによって
決まり、第２項は、開始の瞬間ｋＴによってのみ決ま
り、制御電圧が印加されない場合に２つのサンプリング
の瞬間の間で自由に変化するシステムに対応する。
【００６０】このような条件で、予測ステータ電流およ
びロータ磁束は、以下の形に表すことができる。
びロータ磁束は、以下の形に表すことができる。
【００６１】
【数２７】 上式中、
【００６２】
【数２８】 は、それぞれ２つのサンプリング期間の間で、瞬間ｋＴ
から始まる、ステータ電流の自由な変動およびロータ磁
束の自由な変動を表す。
から始まる、ステータ電流の自由な変動およびロータ磁
束の自由な変動を表す。
【００６３】容易に理解できるが、回転機械の速度が一
定であり、このパラメータがゆっくりと変化すると仮定
すれば、上記の式により、インバータ１４を制御する制
御電圧Ｖｒｅｆおよび瞬間ｋＴにおけるシステムの状態
に基づいて、瞬間（ｋ＋１）Ｔにおけるシステムの状態
を予測することが可能となる。
定であり、このパラメータがゆっくりと変化すると仮定
すれば、上記の式により、インバータ１４を制御する制
御電圧Ｖｒｅｆおよび瞬間ｋＴにおけるシステムの状態
に基づいて、瞬間（ｋ＋１）Ｔにおけるシステムの状態
を予測することが可能となる。
【００６４】しかし、瞬間（ｋ＋１）Ｔにおけるステー
タ電流およびロータ磁束の値を定義するこの式では、電
磁トルクおよびロータ磁束を直接設定基準値にサーボ制
御することはできない。
タ電流およびロータ磁束の値を定義するこの式では、電
磁トルクおよびロータ磁束を直接設定基準値にサーボ制
御することはできない。
【００６５】しかし、上記の関係によれば、以下の式を
使い、第１の段２０で、次のサンプリングの瞬間の電磁
トルクの値に対応する予測トルク値Ｃｋ＋１を計算する
ことが可能となる。
使い、第１の段２０で、次のサンプリングの瞬間の電磁
トルクの値に対応する予測トルク値Ｃｋ＋１を計算する
ことが可能となる。
【００６６】
【数２９】 上式中、Ｋは、機械１２のパラメータのみによって決ま
る項を表す。
る項を表す。
【００６７】同様に、予測ロータ磁束の係数は、以下の
式を満足する。
式を満足する。
【００６８】
【数３０】 上式（８）および（９）の電流および磁束の予測値を置
き替えることにより、以下の式が得られる。
き替えることにより、以下の式が得られる。
【００６９】
【数３１】 また、同様に、予測ロータ磁束の値は、以下の式を満足
する。
する。
【００７０】
【数３２】 レギュレータ１６の第１段２０に格納されている、回転
機械１２および電圧インバータ１４で構成されるシステ
ムのモデルを基本として、レギュレータは、サンプリン
グの各瞬間において、次のサンプリングの瞬間（ｋ＋
１）Ｔにおける回転機械１２の電磁トルクおよびロータ
磁束を予測する、各サンプリングの瞬間ｋＴにおける位
置にあることがわかる。
機械１２および電圧インバータ１４で構成されるシステ
ムのモデルを基本として、レギュレータは、サンプリン
グの各瞬間において、次のサンプリングの瞬間（ｋ＋
１）Ｔにおける回転機械１２の電磁トルクおよびロータ
磁束を予測する、各サンプリングの瞬間ｋＴにおける位
置にあることがわかる。
【００７１】これらの予測値Ｃｋ＋１と
【００７２】
【数３３】 は、制御電圧Ｖｒｅｆがない場合の瞬間ｋＴにおける電
磁トルク値およびロータ磁束値から自由に変化するシス
テムに対応する第１項Ｃｋ＋１ ０および
磁トルク値およびロータ磁束値から自由に変化するシス
テムに対応する第１項Ｃｋ＋１ ０および
【００７３】
【数３４】 をそれぞれ含み、電圧インバータ１４に印加される制御
電圧Ｖｒｅｆによって決まる、それぞれ対応する第２項
を含む。
電圧Ｖｒｅｆによって決まる、それぞれ対応する第２項
を含む。
【００７４】回転機械１２およびインバータ１４の特性
が正確にわかっている場合、自由な変動Ｃｋ＋１ ０と
が正確にわかっている場合、自由な変動Ｃｋ＋１ ０と
【００７５】
【数３５】 は、比較的正確に決定できることがわかる。
【００７６】このような条件では、対応する基準値に基
づいて電磁トルクおよび磁束をサーボ制御するために
は、電磁トルクの自由な変動および磁束の自由な変動に
対応する値から、目標とする基準値に電磁トルクおよび
ロータ磁束を変化させるように、モータ１２の作動特性
を変更できる制御電圧Ｖｒｅｆを生成するだけで十分で
ある。
づいて電磁トルクおよび磁束をサーボ制御するために
は、電磁トルクの自由な変動および磁束の自由な変動に
対応する値から、目標とする基準値に電磁トルクおよび
ロータ磁束を変化させるように、モータ１２の作動特性
を変更できる制御電圧Ｖｒｅｆを生成するだけで十分で
ある。
【００７７】すなわち、上記の式（１０）および（１
１）を満足する制御電圧Ｖｒｅｆを決定すれば十分であ
る。
１）を満足する制御電圧Ｖｒｅｆを決定すれば十分であ
る。
【００７８】具体的には、以下の式を満足する制御電圧
Ｖｒｅｆを決定すれば十分である。
Ｖｒｅｆを決定すれば十分である。
【００７９】
【数３６】 あるいは基準α、βの二次元構成で展開した形式で、
【００８０】
【数３７】 図１からわかるように、これらの計算を行うために、レ
ギュレータ１６の第２の計算ステップ２２では、離散形
式の入力行列Ｇ（ωｋ）の成分と合わせて、機械のステ
ータ電流の自由な変動の値とロータ磁束の自由な変動の
値の両方を第１の段２０から受け取る。
ギュレータ１６の第２の計算ステップ２２では、離散形
式の入力行列Ｇ（ωｋ）の成分と合わせて、機械のステ
ータ電流の自由な変動の値とロータ磁束の自由な変動の
値の両方を第１の段２０から受け取る。
【００８１】容易に理解できるように、
【００８２】
【数３８】 とすると、以下の式が得られる。
【００８３】
【数３９】 とし、上記の式（１５）を利用すると、以下の式が得ら
れる。
れる。
【００８４】
【数４０】 したがって、図２からわかるように、式（１４）および
（１５）のシステムの解を構成する正確な離散制御電圧
Ｖｒｅｆは、上記の式（１６）、（１７）に対応する２
つの円、すなわち中心が
（１５）のシステムの解を構成する正確な離散制御電圧
Ｖｒｅｆは、上記の式（１６）、（１７）に対応する２
つの円、すなわち中心が
【００８５】
【数４１】 で、半径が
【００８６】
【数４２】 の円Ｃ１と、中心が
【００８７】
【数４３】 で、半径が
【００８８】
【数４４】 の円Ｃ２との交点で構成される。
【００８９】円Ｃ１およびＣ２の中心Ｍ１およびＭ２
は、それぞれ自由な変動の軌線
は、それぞれ自由な変動の軌線
【００９０】
【数４５】 に沿って移動することがわかる。
【００９１】円Ｃ１およびＣ２が、２つの異なる点
【００９２】
【数４６】 で交わると、第２の計算ステップ２２で、電力を最小限
に抑えることに対応する基準電圧
に抑えることに対応する基準電圧
【００９３】
【数４７】 が選択される。
【００９４】離散入力行列［Ｇ］の係数ｃおよびｄは、
角速度ωおよびサンプリング期間Ｔの３乗以上によって
決まることがわかる。したがって、角速度ωが小さい場
合、および一般にサンプリング期間Ｔが短い場合、この
係数は無視できる。このような条件で、上記の式（１
４）は以下のようになる。
角速度ωおよびサンプリング期間Ｔの３乗以上によって
決まることがわかる。したがって、角速度ωが小さい場
合、および一般にサンプリング期間Ｔが短い場合、この
係数は無視できる。このような条件で、上記の式（１
４）は以下のようになる。
【００９５】
【数４８】 したがって、このような条件では、インバータ１４の入
力に印加される制御電圧Ｖｒｅｆは、上記の式（１７）
に対応する円Ｃ２と、式（１８）に対応する直線との交
点で構成される。
力に印加される制御電圧Ｖｒｅｆは、上記の式（１７）
に対応する円Ｃ２と、式（１８）に対応する直線との交
点で構成される。
【００９６】別の概算では、離散入力行列［Ｇ］の係数
ｂが、サンプリング期間の２乗以上によって決まる場
合、ｂ２の項は無視できる。
ｂが、サンプリング期間の２乗以上によって決まる場
合、ｂ２の項は無視できる。
【００９７】したがって、前に行った近似（すなわちｃ
およびｄが０に等しい）を保存すると、式（１５）は以
下のようになる。
およびｄが０に等しい）を保存すると、式（１５）は以
下のようになる。
【００９８】
【数４９】 この場合、これらの近似を利用すると、図３からわかる
ように、上記の式（１８）、（１９）を満足する制御電
圧は、２本の直線Ｄ１およびＤ２の交点に対応し、この
交点は、ステータに対して固定された基準の構成で、基
準電圧の成分Ｖ ｒｅｆαおよびＶｒｅｆβに応じて２つ
のサンプリング期間の間に希望の電磁トルクおよびロー
タ磁束を印加するために印加される制御電圧を与える。
ように、上記の式（１８）、（１９）を満足する制御電
圧は、２本の直線Ｄ１およびＤ２の交点に対応し、この
交点は、ステータに対して固定された基準の構成で、基
準電圧の成分Ｖ ｒｅｆαおよびＶｒｅｆβに応じて２つ
のサンプリング期間の間に希望の電磁トルクおよびロー
タ磁束を印加するために印加される制御電圧を与える。
【００９９】図３において、点線は正確な解、すなわ
ち、２つの円Ｃ’１およびＣ’２の交点を表す。Ｃ’２
は、３つの項ｂ２、ｃ、およびｄを無視しないで得られ
るＤ２に対応する。
ち、２つの円Ｃ’１およびＣ’２の交点を表す。Ｃ’２
は、３つの項ｂ２、ｃ、およびｄを無視しないで得られ
るＤ２に対応する。
【０１００】制御電圧Ｖｒｅｆを計算するために行った
近似では、低速度範囲で制御電圧が、ほとんど変動しな
いことがわかる。
近似では、低速度範囲で制御電圧が、ほとんど変動しな
いことがわかる。
【０１０１】別の近似では、サンプリング期間の４乗以
上によって決まる項（ａｄ＋ｂｃ）および（ｂ２＋
ｄ２）だけを無視する。
上によって決まる項（ａｄ＋ｂｃ）および（ｂ２＋
ｄ２）だけを無視する。
【０１０２】このような近似は、高速では有効である。
【０１０３】このような状況で、式（１５）は、以下の
ようになる。
ようになる。
【０１０４】
【数５０】 式（１８）および式（２０）を満足する制御電圧も、２
本の直線の交点に対応する。
本の直線の交点に対応する。
【０１０５】当然ながら、メモリに格納した機械１２お
よびインバータ１４の離散的なモデルを有するレギュレ
ータを利用した上記の本発明によれば、適切な計算アル
ゴリズムにより、２つのサンプリング期間の間にトルク
および磁束の自由な変動に加える必要があるトルク値お
よび磁束値をまず計算し、続いて、設定された基準値を
得るために、インバータを制御する制御電圧Ｖｒｅｆを
生成することが可能になる。
よびインバータ１４の離散的なモデルを有するレギュレ
ータを利用した上記の本発明によれば、適切な計算アル
ゴリズムにより、２つのサンプリング期間の間にトルク
および磁束の自由な変動に加える必要があるトルク値お
よび磁束値をまず計算し、続いて、設定された基準値を
得るために、インバータを制御する制御電圧Ｖｒｅｆを
生成することが可能になる。
【０１０６】図１からわかるように、実際には、第１の
段が、コンパレータ２４および２６の反転端子にそれぞ
れの自由な変動の値を供給し、該自由な変動の値が、対
応する基準値から減算される。第２の段は、これらのコ
ンパレータからの出力に応答して、制御電圧Ｖｒｅｆを
生成する。
段が、コンパレータ２４および２６の反転端子にそれぞ
れの自由な変動の値を供給し、該自由な変動の値が、対
応する基準値から減算される。第２の段は、これらのコ
ンパレータからの出力に応答して、制御電圧Ｖｒｅｆを
生成する。
【図１】本発明による回転機械用の電源回路の構成を示
すブロック線図である。
すブロック線図である。
【図２】制御電圧の決定方法を示すグラフである。
【図３】低速で有効な近似により制御電圧の決定を可能
とするグラフである。
とするグラフである。
１０ 電源回路 １２ 回転機械 １４ インバータ １６ レギュレータ １８ オブザ―バ ２４、２６ コンパレータ Ｖｒｅｆ 制御電圧
Claims (8)
- 【請求項１】 トルク基準値に基づいて回転機械の電磁
トルクをサーボ制御するために、レギュレータにより供
給される離散的な制御電圧を入力として受け取る電圧イ
ンバータによって電力供給される回転機械を調節する方
法であって、 前記レギュレータが、前記トルク基準値と前記回転機械
の電磁トルクを示す少なくとも１つのサンプル信号とを
入力として受け取り、各サンプリングの瞬間に、次のサ
ンプリングの瞬間のトルク値を予測し、その結果に従っ
て、前記制御電圧を変更し、 電磁トルクのサーボ制御が、 回転機械および電圧インバータを備えたシステムの離散
的なモデルの事前計算を行い、制御電圧が存在しない場
合のサンプリングの瞬間に対応する状態からのシステム
の自由な変動に対応する第１の項と、制御信号の作用に
よるシステムの変動に対応する項との形で、２つのサン
プリングの瞬間の間の電磁トルクの変動を確定するステ
ップと、 回転機械の電磁トルクが、電磁トルクの自由な変動に対
応する値からトルク基準値に向かって変化するように、
制御電圧を変更するステップと含む方法。 - 【請求項２】 トルク基準値に基づいて電磁トルクをサ
ーボ制御する間、磁束の自由な変動に対応する値から磁
束基準値に磁束を変化させるように制御電圧に作用する
ことによって、レギュレータへの入力として受け取られ
た磁束基準値に基づいて回転機械の磁束をサーボ制御す
る請求項１に記載の方法。 - 【請求項３】 次のサンプリングの瞬間においてトルク
基準値および磁束基準値が達成されるように、各サンプ
リングの瞬間で制御電圧を変更する請求項２に記載の方
法。 - 【請求項４】 システムをモデル化するステップが、 ＸおよびＹが、それぞれ回転機械の状態ベクトルおよび
出力ベクトルを表し、［Ａ（ω）］が、回転機械の速度
ωに応じて変化する回転機械の状態行列を表し、［Ｂ］
が、システムの入力行列を表し、ｈが、システムの出力
関数を表し、Ｖ ｒｅｆが、制御電圧を表すものとして、
次のシステムの状態方程式 【数１】 を離散的にするステップと、ａ、ｂ、ｃ、およびｄが、
システムの離散入力行列の係数を表し、 【数２】 が、サンプリング期間中のステータ電流ベクトルの予測
された自由な変動を示し、 【数３】 が、サンプリング期間中の回転機械の磁束ベクトルの予
測された自由な変動を示し、 【数４】 が、制御電圧の係数の２乗を示すものとして、 【数５】 で定義されるシステムの離散的なモデルに基づいて、サ
ンプリング期間中の自由な変動と次のサンプリングの瞬
間との間で達成されるべきトルク変動および磁束変動を
表す特性ΔＣおよびΔφを生成するステップとを含み、 レギュレータが、トルク変動ΔＣおよび磁束変動Δφを
得るために、電圧インバータの入力に印加すべき制御電
圧の値を決定するように実施される請求項３に記載の方
法。 - 【請求項５】 電圧インバータの入力に印加される制御
電圧が、トルク変動および磁束変動を表す特性を定義す
る式を満足する基準電圧から選択された電力を最小限に
抑えることに対応する電圧により構成される請求項４に
記載の方法。 - 【請求項６】 電源電圧によって電力供給される電圧イ
ンバータを備えた回転機械用の電源回路であって、 レギュレータが、電磁トルク基準値と、回転機械の電磁
トルクを表す少なくとも１つのサンプル信号を受け取
り、各サンプリングの瞬間に、次のサンプリングの瞬間
の電磁トルクの値を予測し、その結果に従って制御電圧
を変更することにより、トルク基準値に基づいた回転機
械の電磁トルクのサーボ制御に適した制御電圧を電圧イ
ンバータに供給し、 レギュレータが、２つのサンプリングの瞬間の間で、制
御電圧が存在しない場合のシステムの自由な変動に対応
する項と、制御信号の作用によるシステムの変動に対応
する項との形で、回転機械および電圧インバータによっ
て構成されるシステムの離散的なモデルをメモリに格納
された形で含み、トルクの自由な変動に対応する値から
トルク基準値に電磁トルクを変化させるように構成され
た制御電圧を生成する手段をさらに含む電源回路。 - 【請求項７】 レギュレータが、磁束基準値および回転
機械の磁束値を表すサンプル信号を入力として受け取
り、磁束の自由な変動に対応する値から磁束基準値に回
転機械の磁束を変化させるように構成された制御電圧を
生成する手段を含む請求項６に記載の電源回路。 - 【請求項８】 制御電圧を生成する手段が、次のサンプ
リングの瞬間に、前記トルク基準値および前記磁束基準
値を得るためにに、各サンプリングの瞬間に制御電圧を
生成するように構成されている請求項７に記載の電源回
路。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9904602 | 1999-04-13 | ||
| FR9904602A FR2792471B1 (fr) | 1999-04-13 | 1999-04-13 | Procede de regulation d'une machine tournante et dispositif d'alimentation d'une telle machine |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000110216A Pending JP2000324899A (ja) | 1999-04-13 | 2000-04-12 | 回転機械を調節する方法、および回転機械用の電源回路 |
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| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6313603B1 (ja) |
| EP (1) | EP1045514B1 (ja) |
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| KR (1) | KR100752473B1 (ja) |
| AT (1) | ATE393493T1 (ja) |
| CA (1) | CA2304390C (ja) |
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| DK (1) | DK1045514T3 (ja) |
| ES (1) | ES2304932T3 (ja) |
| FR (1) | FR2792471B1 (ja) |
| PT (1) | PT1045514E (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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| KR102288216B1 (ko) * | 2018-12-10 | 2021-08-09 | 아주대학교산학협력단 | 토크 예측 제어를 통한 pmsm 구동 제어 장치 및 방법 |
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| US4724373A (en) * | 1986-02-20 | 1988-02-09 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Method and apparatus for flux and torque sensing in electrical machines |
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| JPH09224399A (ja) * | 1996-02-15 | 1997-08-26 | Nippon Soken Inc | 誘導モータの制御装置 |
-
1999
- 1999-04-13 FR FR9904602A patent/FR2792471B1/fr not_active Expired - Fee Related
-
2000
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- 2000-03-30 DE DE60038648T patent/DE60038648T2/de not_active Expired - Lifetime
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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