JP2000341983A - 埋込磁石形同期電動機の制御装置 - Google Patents

埋込磁石形同期電動機の制御装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 PWM電力変換器を用いた埋込磁石形同期電
動機の可変速制御のためのdq軸の電流分配を容易かつ
短時間に行う。 【解決手段】 IPMモータ1の検出速度信号ωmと速
度指令信号ωmcとの速度偏差に基づいて算出された電
流指令Icは、2つの直交するベクトル成分であるd軸
電流指令Idとq軸電流指令Iqとに分配される。すな
わち、d軸電流指令Idとq軸電流指令Iqとを、Id
=|Ic|・cosφとIq=Ic・sinφの式(但
し、φはd軸と電流指令Icとの間の電気角)により演
算する。これによりd軸電流指令Idとq軸電流指令I
qとを容易かつ短時間で得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、複数の永久磁石が
ロータコアに埋め込まれているロータを備え、永久磁石
の直軸であるd軸のインダクタンスLdとこの直軸と電
気角で直交する直交軸であるq軸のインダクタンスLq
との関係がLd<Lqとなる埋込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】従来の埋込磁石形同期電動機の制御装置
としては、特開平10−94285号公報に開示された
ものや、「埋込磁石構造PMモータの広範囲可変速制
御」(電気学会論文誌D、114巻6号、p668〜6
73、平成6年)に開示されたもの等がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】前者の制御装置におい
ては、dq軸電流の分配は座標変換部の位相角を調整す
ることにより達成される。従ってdq軸電流の分配に要
する演算量は少なく、また一定電流の状態で位相角を調
整することによりdq軸電流の分配を変化させることが
でき、最大トルク定数を得るための位相角の調整が容易
である。この例では、電流制御系を三相電流制御で構成
している。しかし三相電流制御は交流量を取り扱うため
に比例制御を利用するので、定常偏差が残る問題があ
る。そのため、これが原因になって、特にモータの回転
速度が高い場合や電源電圧が変動した場合に電流指令通
りに電流が流れなくなる。このため回転速度の上昇に伴
ってモータから発生するトルクが低下したり、電源電圧
の上昇に従ってトルクが増加することになる。これを抑
制して広範囲で安定した定トルク特性を得るためには、
回転速度や電源電圧の変動に応じて電流指令量を補正し
なければならない。そのためこの従来例では、最大トル
ク定数を得るための調整が複雑になってしまうという問
題が生じる。
【0004】一方、後者の制御装置においては、電流制
御系はdq軸で構成されており、直流量として取り扱え
るために比例積分制御を行うことができ、定常偏差が残
ることはない。従って電流指令に相応する電流が流れ
る。しかしながら、この従来例ではd軸及びq軸電流の
分配を非常に複雑な演算により決定しているため、それ
ぞれの電流指令の算出に長い演算時間を要し、十分に高
い制御系の応答特性を得ることができなかった。またq
軸電流指令に対してリミッタ処理を行い、その後にd軸
電流指令を算出しているので、電力変換器からの最大出
力電流を一定値に制限するためには、モータ定数を考慮
してリミット値を設定する必要がある。ところがモータ
定数、特にq軸インダクタンスは、モータに流す電流に
よって変化するため、リミット値の設定が難しかった。
またモータに流す電流を正確に制限しなければ、過電流
保護機能が働いたり、電力変換器が破損するおそれがあ
った。
【0005】本発明は上記のような課題を解消するため
になされたもので、dq軸で構成された電流制御ループ
に対し、dq軸の電流指令の分配を簡単かつ短時間に行
うことができ、所望のトルクを出力するための調整が容
易な埋込磁石形同期電動機の制御装置を提供することを
目的とする。
【0006】また本発明は、モータの定数を照合するこ
となくPWM電力変換器の出力電流制限値を設定するこ
とができる埋込磁石形同期電動機の制御装置を提供する
ことを目的とする。
【0007】本発明は、複数の永久磁石がロータコアに
埋め込まれているロータを備え、この永久磁石の直軸で
あるd軸のインダクタンスLdとこの直軸と電気角で直
交する直交軸であるq軸のインダクタンスLqとの関係
がLd<Lqとなる埋込磁石形同期電動機をPWM電力
変換器を用いて可変速制御する埋込磁石形同期電動機の
制御装置を改良の対象とする。この埋込磁石形同期電動
機の制御装置は、PWM電力変換器にPWM制御信号を
出力するPWM回路に、d軸電流指令idとq軸電流指
令Iqとに基いて電流制御信号を出力する電流制御部
と、速度偏差に基いてd軸電流指令Id及びq軸電流指
令Iqを作成する速度制御部とを備えている。本発明で
は、速度制御部を、電動機の回転速度を検出して検出速
度を出力する速度検出手段と、速度指令と検出速度との
偏差からトルク指令を演算する速度制御器と、トルク指
令に電流指令換算係数KTIを乗算して電流指令Icを
演算する電流指令演算手段と、電流指令Icを一定値に
リミットするリミッタと、リミッタから出力された電流
指令Icに基いてd軸電流指令Id及びq軸電流指令I
qのそれぞれを、Id=|Ic|・cosφ及びIq=
Ic・sinφの式(但し、φはd軸と電流指令Icと
の間の電気角)により演算するd軸・q軸電流指令演算
手段とから構成する。
【0008】本発明に係る埋込磁石形同期電動機の制御
装置では、埋込磁石形同期電動機をPWM電力変換器に
より可変速制御し、PWM電力変換器にはPWM回路か
らPWM制御信号を入力する。PWM回路には電流制御
部から電流制御信号が入力され、電流制御部はd軸電流
指令Idとq軸電流指令Iqとに基づいて電流制御信号
を出力する。d軸電流指令Id及びq軸電流指令Iqは
速度偏差に基づいて速度制御部において作成される。
【0009】速度検出手段は電動機の回転速度を検出
し、検出速度を出力する。速度制御器は速度指令と速度
検出手段の検出した検出速度との速度偏差からトルク指
令を演算する。電流指令演算手段は速度制御器から入力
されたトルク指令に電流指令換算係数KTIを乗算して
電流指令Icを演算する。リミッタは電流指令演算手段
から入力された電流指令Icを一定値にリミットする。
d軸・q軸電流指令演算装置は、リミッタから出力され
た電流指令Icに基づいてd軸電流指令Id及びq軸電
流指令Iqをそれぞれ演算する。
【0010】逆突極性(Ld<Lq)を有する埋込磁石
形同期電動機のトルクTは以下のような式で与えられ
る。
【0011】 T=Tm+Tr =K・ψ・Iq−K・(Lq−Ld)・Id・Iq 但し、Tm:磁石トルク、Tr:リラクタンストルク、
ψ:永久磁石による鎖交磁束、K:比例定数である。
【0012】リラクタンストルクTr(下の式の右辺第
2項)を有効に利用するためには、d軸電流指令Idを
負の方向すなわち弱め磁束電流とし、磁石トルクTmと
リラクタンストルクTrとを重畳させればよいことがわ
かる。
【0013】その上で所要トルクに対してモータ電流を
最小化し、高効率を得るとともに、安定したトルク線形
化制御を実現することを可能にするために、本発明では
ベクトル制御を採用している。すなわちトルクTは磁石
トルクTmとリラクタンストルクTrとの合成であるか
ら、所要のトルクTを発生する電流指令Icを、ベクト
ル図(図2参照)に示す通り、直交するdq軸の電流指
令にそれぞれ分配するようにd軸・q軸電流指令演算手
段は演算を行う。式で表すと、 Id=|Ic|・cosφ Iq=Ic・sinφ となる。
【0014】ここでφはトルク線形性と最大トルク効
率、及びモータ定数等を考慮して、所望のトルクが得ら
れるように定めることができる。また一定電流に対し最
大のトルク定数を実現できるφを選択することができ
る。好ましくは請求項2に記載のように、d軸・q軸電
流指令演算手段は、検出速度が予め定めた低速領域にあ
るときにはトルク定数が最大になるようにφを一定と
し、検出速度が予め定めた高速領域にあるときにはモー
タ電圧がPWM電力変換器の出力電圧以下になるように
φを検出速度に応じて増大させる。このような埋込磁石
形同期電動機の制御装置によると、検出速度が予め定め
た低速領域にあるときにはトルク定数が最大になるよう
にφを一定とするので最大トルク効率運転を実現するこ
とができ、検出速度が予め定めた高速領域にあるときに
はモータ電圧がPWM電力変換器の出力以下になるよう
にφを検出速度に応じて増大させるので、モータ定数を
照合することなく出力電流を制限することができる。こ
のように構成した場合のφと検出速度(回転数)Nとの
関係の一例を図3に示す。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、図を参照しつつ本発明の実
施の形態について説明する。図1は、本発明に係る埋込
磁石形同期電動機の制御装置の好ましい実施の形態の一
例を示す回路のブロック図である。なお、この制御装置
の電流制御部及び速度制御部は、例えばデジタル・シグ
ナル・プロセッサ上にソフトウエアにより構成すること
ができる。
【0016】同図において、IPMモータ1は複数の永
久磁石がロータコアに埋め込まれているロータを備え、
永久磁石の直軸であるd軸のインダクタンスLdと直軸
と電気角で直交する直交軸であるq軸のインダクタンス
Lqとの関係がLd<Lqとなる逆突極性の埋込磁石形
同期電動機である。IPMモータ1はPWM電力変換器
2を用いて可変速制御される。制御装置は、IPMモー
タ1の駆動軸の回転を検知するエンコーダ3からの信号
と速度指令ωmcとを入力として、IPMモータの回転
速度と速度指令ωmcとの速度偏差に基づいて電流制御
信号を作成し、PWM電力変換器2にPWM制御信号を
出力するPWM制御部4に電流制御信号を出力する。
【0017】この制御装置は、d軸電流指令Idとq軸
電流指令Iqとに基いて電流制御信号を出力する電流制
御部5と、速度偏差に基いてd軸電流指令Id及びq軸
電流指令Iqを作成する速度制御部6とを備えている。
【0018】電流制御部5は積分制御器51及び52
と、SIN信号とCOS信号とを発生する信号発生回路
(OSC)53と、dq座標変換器54と、三相座標変
換器55と、電流制御器56とから構成される。積分制
御器51及び52は、速度制御部6から入力されたd軸
電流指令Id及びq軸電流指令Iqと、d軸電流フィー
ドバックIdF及びq軸電流フィードバックIqFとの
それぞれの差からそれぞれの積分補償値を作成する。O
SC53は、エンコーダ3により検出されるIPMモー
タ1のロータの回転位置θmに基づいてSIN,COS
信号を作成する。dq座標変換器54は、PWM電力変
換器2の出力電流の電流フィードバックIUF,IVF
を、OSC53から入力されたSIN,COS信号に従
ってdq座標変換し、d軸電流フィードバックIdF及
びq軸電流フィードバックIqFを出力する。三相座標
変換器55は、積分制御器51,52によりそれぞれ作
成された積分補償値を含んだd軸電流指令Id’及びq
軸電流指令Iq’を、OSC53から入力されたSI
N,COS信号に従って三相座標変換し、三相電流指令
IUC,IVC及びIWCを出力する。電流制御装置5
6は、三相電流指令IUC,IVC及びIWCと電流フ
ィードバックIUF,IVFとの偏差をとり、比例演算
して電圧指令VUC,VVC,VWCを得てPWM制御
器4に出力する。以上のような電流制御部の構成及び動
作は、すでに公知であるから詳細な説明は省略する。
【0019】速度制御部6は速度検出器61と、速度制
御器62と、電流指令演算器63と、リミッタ64と、
q軸電流指令演算器65と、絶対値化器66と、d軸電
流指令演算器67とから構成される。q軸電流指令演算
器65、絶対値化器66及びd軸電流指令演算器67
は、d軸・q軸電流指令演算手段を構成する。速度検出
器61は、エンコーダ3からの信号を受け取ってIPM
モータ1の回転速度を検出して検出速度信号ωmを出力
する。速度制御器62は、速度指令信号ωmcと検出速
度信号ωmとの速度偏差からトルク指令Tcを演算す
る。電流指令演算器63は、トルク指令Tcに電流指令
換算係数KTIを乗算して電流指令Icを演算する。リ
ミッタ64は電流指令Icを一定値にリミットする。q
軸電流指令演算器65は、リミッタ64から出力された
電流指令IcをSINφ倍してq軸電流指令Iqを算出
する。d軸電流指令演算器67は、絶対値化器66によ
り絶対値化された電流指令IcをCOSφ倍してd軸電
流指令Idを算出する。すなわちd軸電流指令I及びq
軸電流指令Iqはそれぞれ、 Id=|Ic|・cosφ Iq=Ic・sinφ の式(但し、φはd軸と電流指令Icとの間の電気角)
により算出される。
【0020】この制御装置においては、IPMモータ1
を可変速制御するPWM電力変換器2にPWM制御器4
からPWM制御信号が入力される。PWM制御器4には
電流制御部5から電圧指令VUC,VVC,VWCが入
力され、これらはd軸電流指令Idとq軸電流指令Iq
とに基づいて作成される。そしてd軸電流指令Id及び
q軸電流指令Iqは速度制御部6において作成される。
【0021】まず速度検出器61がエンコーダ3からの
エンコーダ値によりIPMモータ1の回転速度を検出
し、検出速度信号ωmを出力する。速度指令信号ωmc
と検出速度信号ωmとの速度偏差は速度制御器62によ
り演算を施され、トルク指令Tcが算出される。トルク
指令Tcには、電流指令演算器63により電流指令換算
係数KTIが乗算されて電流指令Icが得られる。さら
にリミッタ64により電流指令演算手段から出力された
電流指令Icは一定値にリミットされる。
【0022】次に電流指令Icはq軸電流指令演算器6
5、絶対値化器66及びd軸電流指令演算部からなるd
軸・q軸電流指令演算装置においてd軸電流指令Id及
びq軸電流指令Idに分配される。すなわち電流指令I
cは図2の電流ベクトル図に示すようにq軸成分とd軸
成分とに分配される。このとき使用されるSINφ及び
COSφの数値は、電流制御部5のOSC53において
dq座標変換に用いられるSINテーブルから読み出さ
れる。本実施の形態においては従来の制御装置内に記憶
されているSINテーブルを参照してd軸・q軸電流指
令演算を行うようにしたので、特別にメモリを増やす必
要がない。またSINテーブルを参照することにより演
算量が少なく、演算時間も短くて済む。
【0023】φの値は所望のトルクを最大トルク効率で
得られるように調整される。例えば低速時のトルク定数
の調整は、電流指令Icを定格電流とし、この状態でφ
を変化させ、最大のトルクが発生した角度をφの最適値
とすることにより容易に実行される。このようにある一
定電流の元でd軸・q軸電流指令を分配すればよいた
め、トルク定数の調整が非常に容易である。
【0024】好ましくは、IPMモータ1の速度が予め
定めた低速領域にあるときにはトルク定数が最大になる
ようにφを一定とし、速度が予め定めた高速領域にある
ときにはモータ電圧がPWM電力変換器2の出力電圧以
下になるようにφを速度に応じて増大させる。IPMモ
ータ1の速度はエンコーダ3により検出される。このよ
うな構成においては、検出速度が予め定めた低速領域に
あるときにはトルク定数が最大になるようにφを一定と
するので最大トルク効率運転を実現でき、検出速度が予
め定めた高速領域にあるときにはモータ電圧がPWM電
力変換器の出力以下になるようにφを検出速度に応じて
増大させるので、モータ定数を照合することなく出力電
流を制限することができる。このように構成した場合の
φと検出速度(回転数)Nとの関係を図3に示す。
【0025】速度制御部6において得られたd軸電流指
令Id及びq軸電流指令Iqは、電流制御部5に入力さ
れ、積分制御器51,52からの積分補償量がをそれぞ
れ加算され、三相座標変換器55により三相の電流指令
IUC,IVC,IWCに座標変換され、さらに電流制
御器56により電圧指令VUC,VVC,VWCが作成
されてPWM制御器4に入力される。PWM制御器4か
らのPWM制御信号を受けて、PWM電力変換器2はI
PMモータ1を駆動する。
【0026】図4は本発明に係る埋込磁石形同期電動機
の制御装置の他の実施の形態の回路のブロック図であ
る。図4に示したブロックのうち、図1に示したものと
同様のブロックには、同じ符号を付して説明を省略す
る。
【0027】図4においては、電流制御部7が使用され
ており、このうちOSC73及びdq座標変換器74は
それぞれ図1の電流制御部5に含まれるOSC53及び
dq座標変換器54と同じものである。
【0028】電流制御部7のd軸電流制御器71及びq
軸電流制御器72は、速度制御部6からそれぞれ出力さ
れるd軸電流指令Id及びq軸電流指令Iqと、dq座
標変換器74からそれぞれ出力されるd軸電流フィード
バックIdF及びq軸電流フィードバックIqFとの各
偏差を、それぞれ電圧に変換してd軸電圧指令Vd及び
q軸電圧指令Vqをそれぞれ出力する。三相座標変換器
75はd軸電圧指令Vd及びq軸電圧指令Vqを座標変
換して電圧指令VUC,VVC及びVWCを算出し、P
WM制御器4に出力する。
【0029】その他の構成及び作用は、図1に示したも
のと同一である。
【0030】
【発明の効果】以上のように本発明に係る埋込磁石形同
期電動機の制御装置によれば、dq軸の電流分配を複雑
な演算を要することなく短時間で実行できる。また一定
電流の元でd軸電流とq軸電流との割合を調整すること
で、容易に所定のトルクを発生させることができる利点
がある。またトルク定数を可能な限り最大にしつつPW
M電力変換器の出力電流をモータ定数に関係なく制限で
きるので、最大トルク効率運転を実現するとともに過電
流保護が働いたりPWM電力変換器を破損したりする不
具合を防止することができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る埋込磁石形同期電動機の制御装置
の一つの実施の形態の構成を示す回路のブロック図であ
る。
【図2】本発明における電流指令のdq軸電流への分配
の原理を示す電流ベクトル図である。
【図3】図1の実施の形態における一定電流の下でのφ
とモータ回転速度との関係を示す図である。
【図4】本発明に係る埋込磁石形同期電動機の制御装置
の他の実施の形態の構成を示す回路のブロック図であ
る。
【符号の説明】
1 IPMモータ 2 PWM電力変換器 3 エンコーダ 4 PWM制御器 5 電流制御部 51,52 積分制御器 53 OSC 54 dq座標変換器 55 三相座標変換器 56 電流制御器 6 速度制御部 61 速度検出器 62 速度制御器 63 電流指令演算器 64 リミッタ 65 q軸電流指令演算器 66 絶対値化器 67 d軸電流指令演算器
フロントページの続き Fターム(参考) 5H560 BB04 BB12 BB17 DA07 DC12 EB01 GG03 TT15 XA02 XA04 XA12 XA13 5H576 BB02 BB06 DD02 DD07 EE01 EE11 EE19 GG02 GG04 HB01 JJ03 JJ11 JJ17 JJ20 JJ22 JJ24 JJ28 KK06 LL07 LL22 LL41

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数の永久磁石がロータコアに埋め込ま
    れているロータを備え、前記永久磁石の直軸であるd軸
    のインダクタンスLdと前記直軸と電気角で直交する直
    交軸であるq軸のインダクタンスLqとの関係がLd<
    Lqとなる埋込磁石形同期電動機をPWM電力変換器を
    用いて可変速制御する埋込磁石形同期電動機の制御装置
    であって、 前記PWM電力変換器にPWM制御信号を出力するPW
    M回路に、d軸電流指令Idとq軸電流指令Iqとに基
    いて電流制御信号を出力する電流制御部と、 速度偏差に基いて前記d軸電流指令Id及び前記q軸電
    流指令Iqを作成する速度制御部とを備え、 前記速度制御部は、 前記電動機の回転速度を検出して検出速度を出力する速
    度検出手段と、 速度指令と前記検出速度との偏差からトルク指令を演算
    する速度制御器と、 前記トルク指令に電流指令換算係数KTIを乗算して電
    流指令Icを演算する電流指令演算手段と、 前記電流指令Icを一定値にリミットするリミッタと、 前記リミッタから出力された前記電流指令Icに基いて
    前記d軸電流指令Id及び前記q軸電流指令Iqのそれ
    ぞれを、 Id=|Ic|・cosφ Iq=Ic・sinφ の式(但し、φはd軸と電流指令Icとの間の電気角)
    により演算するd軸・q軸電流指令演算手段とから構成
    されることを特徴とする埋込磁石形同期電動機の制御装
    置。
  2. 【請求項2】 前記d軸・q軸電流指令演算手段は、前
    記検出速度が予め定めた低速領域にあるときにはトルク
    定数が最大になるように前記φを一定とし、前記検出速
    度が予め定めた高速領域にあるときにはモータ電圧が前
    記PWM電力変換器の出力電圧以下になるように前記φ
    を前記検出速度に応じて増大させることを特徴とする埋
    込磁石形同期電動機の制御装置。
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