JP2002537754A - 電気機械の制御方法およびインバータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電気機械を、該電気機械がインバータに接続されている間に制御する方法において、前記インバータが、出力電圧を発生する位相特定スイッチング部品と、前記電気機械の固定子磁束およびトルクに基づき前記スイッチング部品におけるスイッチングの組合せを選択するように構成された最適スイッチングテーブルと、を含み、前記方法は、前記電気機械の固定子電流ベクトル（ｉ_s）を指定するステップと、前記電気機械の回転速度を決定するステップと、を含む。前記方法はさらに、決定された回転速度が事前に定められた限界よりも低い時に、前記電気機械の前記固定子電流ベクトル（ｉ_s）および固定子電流基準ベクトル（ｉｓ，ｒｅｆ）に基づいて、前記スイッチング部品におけるスイッチングの組合せを指定するステップを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 （発明の背景） 本発明は、電気機械の制御方法およびインバータに関し、電気機械はインバー
タに接続されており、インバータは、出力電圧を発生する位相特定スイッチング
部品と、電気機械の固定子磁束およびトルクに基づいて、スイッチング部品にお
けるスイッチングの組合せを選択するように構成された最適スイッチングテーブ
ルと、を含み、前記方法は、電気機械の固定子電流ベクトルおよび回転速度を決
定するステップを含む。

【０００２】 回転速度または位置角に基づく直接帰還なしに、広い速度範囲において電気機
械を信頼性をもって制御することは、機械の現在の制御システムにおいて、かな
りの問題を生じる。殊に、電気機械が同期モータである時は、全速度範囲におけ
る回転速度の制御は、多くの制御システムの基礎である固定子磁束の推定の不正
確さにより困難である。この問題は、低い回転速度において動作する時には、殊
に増大する。同期機械のような回転磁界機械は、直接トルク制御に基づく最新の
制御方法を用いて始動せしめられうるが、機械の負荷特性は、低回転速度におい
ては不十分なままに留まる。しかし、実際には、回転子の位置角に基づく帰還な
しには、ゼロ速度および低回転速度において、連続的に直接トルク制御に基づく
方法を用いることは不可能である。

【０００３】 実際の固定子磁束と、直接トルク制御に基づきドライブ内においてそれについ
て形成された推定と、の間の誤差が形成される。そのようなドライブにおいては
、固定子磁束のドリフティングは、通常機械のために作られた電流モデルを用い
ることにより補正される。しかし、電流モデルの使用は、静的（スタテイック）
トルク誤差を防止しえない。回転磁界機械は、固定子電流制御を用いることによ
り、低回転速度において信頼性をもって制御することができ、その場合、機械の
動作は、固定子電流に基づいて制御される。

【０００４】 （発明の簡単な説明） 本発明の目的は、上述の欠点を回避し、回転速度が変化する時、１つの制御方
法から別の制御方法への移行を利用することにより、広い回転速度範囲において
電気機械を信頼性をもって制御しうるようにする方法を提供することでる。この
目的は、本発明の方法により達成され、本発明の方法はまた、決定された回転速
度が事前に定められた限界より低い時に、電気機械の固定子電流ベクトルおよび
固定子電流基準ベクトルに基づいて、スイッチング部品におけるスイッチングの
組合せを決定するステップを含むことを特徴とする。

【０００５】 本発明の方法は、高回転速度における電気機械は、直接トルク制御に基づく制
御方法を利用することにより信頼性をもって制御されるが、低回転速度において
は、制御方法が固定子電流制御に基づいたものに変更されるという着想に基づい
ている。制御方法の変更は、ドライブが低速度においても安定状態に留まるとい
うかなりの利点を与える。

【０００６】 本発明はまたインバータにも関し、このインバータは、出力電圧を発生する位
相特定スイッチング部品と、指定値に基づいてスイッチング部品におけるスイッ
チングの組合せを選択するように構成配列された最適スイッチングテーブルと、
前記インバータにより制御される電気機械の回転速度を決定するように構成配置
された周波数決定素子と、を含む。本発明のインバータは、該インバータがまた
、電気機械の回転速度に依存して、スイッチング部品におけるスイッチングの組
合せの基礎として用いられる指定値を変更するように構成配置された選択素子を
含むことを特徴とする。

【０００７】 本発明のインバータは、電気機械の回転速度が与えられた限界値を超えた時に
、インバータが変調の基礎として用いられる指定変数を変更するという着想に基
づいている。 本発明のインバータを用いると、本発明の方法が提供する利点は、直接トルク
制御に基づく制御方法においても、また電流制御に基づく制御方法においても、
共に同じ変調器を用いて出力電圧を発生する簡単な構造により実現することがで
きる。

【０００８】 （発明の詳細な説明） 以下本発明を、添付図面を参照しつつ実施例により詳細に説明する。 図１は、最適スイッチングテーブル１と、最適スイッチングテーブルのために
必要な論理変数を形成するブロック２、３、４と、を利用する時の、インバータ
の出力電圧基準の発生を、一般的レベルにおいて示す。最適スイッチングテーブ
ルは、インバータの出力電圧がどのように発生せしめられるべきかに関する、到
来論理変数の全ての組合せのための情報を含むテーブルである。図１において、
論理変数κ、φ、τは、 対応する基準変数κ_ref、φ_ref、τ_refを個々に入力と
して受ける３つのブロック２、３、４により形成される。第１ブロック２はセク
タセレクタであり、これは、基準変数κ_refとして働くベクトル変数の位置角を
指定（define）し、出力として論理変数κを発生する。変数κの値は、従って、
１つのセクタから別のセクタへ移動する基準変数の角として変化する。図１の場
合には、セクタセレクタは、６つのセクタを含み、それに対応して、論理変数κ
は、６つの異なる値をとりうる。

【０００９】 論理変数φは、電気機械の固定子磁束の大きさに影響を与え、この変数は、磁
束の現在の大きさを増加させ、減少させ、または維持する必要性を表す３つの異
なる値をとりうる。磁束の大きさを調整する必要性を制御するブロック３は、入
力として、所望の磁束値と比較しての、現在の固定子磁束の大きさの値を表す基
準変数φ_refを受ける。それに対応して、論理変数τは、３つの異なる値をとり
うる。変数τは、電気機械が発生するトルクを増加させ、減少させ、または維持
する必要性を表す。トルクの変化を制御するブロック４は、入力として、電気機
械が発生するトルク対所望のトルクの比を表す基準変数τ_refを受ける。３つの
上述の論理変数κ、φ、τは、最適スイッチングテーブルへ送られ、このテーブ
ルは、前記変数に基づきインバータの出力電圧を発生する。

【００１０】 電気機械の直接トルク制御は、上述のテーブルの使用に基づき、一方、基準変
数は、固定子磁束ベクトルψ_s（κ_ref）と、固定子磁束基準ベクトルψ_s,refと
固定子磁束ベクトルψ_sとの絶対値の２乗の間の差（φ_ref）と、トルク基準ｔ_{e, ref} と電気機械の計算されたトルクとの間の差（τ_ref）と、である。そのような
基準変数を用いることにより、電気機械は、該機械の回転速度または位置角に関
する直接帰還データなしに、信頼性をもって動的（ダイナミック）に制御されう
る。しかし、電気機械が同期機械である時は、低回転速度における固定子磁束の
指定において問題が起こり、機械の負荷特性を不十分なままに留まらせる。

【００１１】 本発明の方法においては、スイッチング部品におけるスイッチングの組合せは
、決定された回転速度が事前に定められた限界より低い時は、電気機械の固定子
電流ベクトルｉ_sおよび固定子電流基準ベクトルｉ_s,refに基づいて指定、即ち決
定される。次に、最適スイッチングテーブルにより形成された同じ変調器が、固
定子電流に基づく制御方法におけるインバータの出力電圧基準Ｓ_A、Ｓ_B、Ｓ_Cを
発生するために用いられる。

【００１２】 電気機械の回転速度および固定子電流ベクトルは、本発明の方法により決定さ
れる。回転速度は、例えば、固定子電流ベクトルの角速度を用いて、モータ軸か
ら直接測定することなく決定されうる。本発明によれば、制御の基礎は、機械の
回転速度に応じて変更される。

【００１３】 直接固定子磁束およびトルク制御の原理に従う固定子電流制御のインプリメン
テーション（実行）は、低回転速度において、電気機械が発生する起電力の大き
さ割合が、電圧降下および中間回路の電圧に比して小さいという事実に基づいて
いる。この場合、固定子電流の変化の方向は、用いられている電圧ベクトルの方
向に対応するものと仮定できる。平滑なエアギャップを有する回転磁界機械の過
渡インダクタンスＬ’_Sは、回転子位置には無関係であるものと仮定でき、その
場合には、与えられた電圧ベクトルに対応する電圧方程式は次のようになる。

【００１４】

【数１】

【００１５】 突極形電気機械の場合は、この方程式は完全に正しいわけではないが、インバ
ータのスイッチング周波数が十分に高い時は、この方程式により指定される電流
の変化の方向は、固定子電流制御のために十分に正確であると仮定できる。その
場合、固定子電流制御は、直接固定子磁束およびトルク制御を用い、最適スイッ
チングテーブルに基づいて実行されうる。

【００１６】 本発明の実施例によれば、スイッチング部品におけるスイッチングの組合せの
指定は、固定子電流基準ベクトルｉ_s,refと、指定された固定子電流ベクトルｉ_s と、の絶対値の２乗の間の差を計算して、基準振幅φ_refを得るステップを含む
。この差｜ｉ_s,ref｜²−｜ｉ_s｜²は、固定子電流を増加させる必要性を表す。固
定子電流の大きさを調整するブロック３は、クローズ（clause）ｓｉｇｎ｜ｉ_{s, ref} ² −ｉ_s ²｜を実行し、この場合このブロックの出力は、計算された差の（正負
）符号を含む論理変数φである。ブロック３は、もし必要ならばヒステリシスを
含み、それにより論理変数の値は、基準振幅がゼロに近い時は、より一定のまま
に留まる。

【００１７】 本発明の実施例によれば、固定子電流基準ベクトルｉ_s,refと、指定された固
定子電流ベクトルｉ_sと、の間のベクトル積が計算され、基準τ_refが得られる。
前記ベクトル積ｉ_s,ref×ｉ_sは、固定子電流基準ベクトルと、固定子電流ベクト
ルと、の間の角度差を表す。ベクトル積として得られた基準τ_refはブロック４
へ送られ、ブロック４は、クローズｓｉｇｎ｜ｉ_s,ref×ｉ_s｜を実行し、すなわ
ち、出力としてベクトル積の符号、すなわち論理変数τを発生する。ブロック４
の出力は、さらに最適スイッチングテーブル１に接続されている。固定子電流の
大きさを調整するブロック３と同様に、ブロック４もまた、もし必要ならばヒス
テリシスを含む。

【００１８】 本発明の方法の、スイッチング部品におけるスイッチングの組合せ、すなわち
出力電圧ベクトル、の指定は、スイッチング部品におけるスイッチングの組合せ
を、基準振幅φ_refの符号と、基準τ_refの符号と、固定子電流ベクトルｉ_sの位
置角とに基づいて指定するステップを含む。固定子電流ベクトルの位置角は、セ
クタセレクタブロック２において指定され、このブロックは、回転する電流ベク
トルの位置角をチェックする。位置角が変化する時、電流ベクトルは１つのセク
タから別のセクタへ移動する。前記セクタ選択ブロックは出力として論理変数κ
を発生し、この変数は、図１の例の場合には、６つの異なる値をとりうる。変数
κの値は電流ベクトルの方向を表示し、最適スイッチングテーブル１を用いるこ
とにより、電気機械を所望されるように制御するために、３つの論理変数の全て
に基づいて、必要な出力電圧ベクトルが選択されうる。

【００１９】 本発明の方法は、本発明のインバータを利用することにより最も簡単に実行す
ることができ、本発明のインバータは、出力電圧を発生する位相特定スイッチン
グ部品と、指定値に基づいてスイッチング部品におけるスイッチングの組合せを
選択するように構成配列された最適スイッチングテーブルと、前記インバータに
より制御される電気機械の回転速度を決定するように配置された周波数指定素子
と、を含む。本発明のインバータはまた、電気機械の回転速度に依存して、スイ
ッチング部品におけるスイッチングの組合せの基礎として用いられる指定値を変
更するように配置された選択素子を含む。図１の例においては、選択素子５は３
つの切換えスイッチを含み、インバータが用いる指定値は、それらのスイッチに
より変更される。この変更は、電気機械の周波数に依存して行われる。

【００２０】 本発明の実施例によれば、インバータは、電気機械の固定子電流ベクトルｉ_s
を決定するように配置された電流指定素子と、電気機械の固定子磁束ベクトルψ _s を指定するように配置された磁束指定素子と、電気機械のトルクｔ_eを指定する
ように配置されたトルク指定素子と、を含む。さらに、実施例によれば、スイッ
チング部品におけるスイッチングの組合せの基礎として用いられる指定値は、固
定子磁束ベクトルψ_sの位置角と、固定子磁束基準ベクトルψ_s,refと固定子磁束
ベクトルψ_sとの絶対値の２乗の間の差と、電気機械の基準トルクｔ_e,refとトル
クｔ_eとの間の差）と、を含むか、あるいは代わりに、固定子電流ベクトルｉ_sの
位置角と、固定子電流基準ベクトルｉ_s,refと固定子電流ベクトルｉ_sとの絶対値
の２乗の間の差と、固定子電流基準ベクトルｉ_s,refと固定子電流ベクトルｉ_sと
のベクトル積と、を含む。このようにして周波数変換器は、それが用いる指定値
を、電気機械の回転速度に依存して、上述の指定値から選択する。

【００２１】 本発明の実施例によれば、インバータはさらに、電気機械の周波数に応じて、
用いられるべき基準固定子磁束を選択するように配置された選択素子６を含む。
電流制御においては、すなわち、電気機械の低回転速度における動作の時には、
基準固定子磁束の大きさは、直接トルク制御において用いられる値とは異なるよ
うにセットされうる。図１において、選択素子６により選択された基準固定子磁
束は、ランピング（ramping）若しくは傾斜ブロック７へ送られ、このランピン
グブロックにより、変更に際しての、１つの基準変数から別の基準変数への制御
された滑らかな移行が保証されうる。

【００２２】 当業者にとっては、本発明の基本的な考え方が、多くの異なる方法により実行
されうることは明らかである。従って、本発明および本発明の実施例は、上述の
例へ制限されるものではなく、特許請求の範囲内において変化しうるものである
。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明によるインバータの出力電圧基準の発生の全体図を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ， ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，Ｃ Ｒ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ， ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，Ｋ Ｚ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ， ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，Ｓ Ｋ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インバータに接続されている電気機械を制御する方法におい
   て、前記インバータは、出力電圧を発生する位相特定スイッチング部品と、前記
   電気機械の固定子磁束およびトルクに基づき前記スイッチング部品におけるスイ
   ッチングの組合せを選択するように構成された最適スイッチングテーブルと、を
   含み、前記方法が、 前記電気機械の固定子電流ベクトル（ｉ_s）を決定するステップと、 前記電気機械の回転速度を決定するステップと、 を含み、前記方法がさらに、 決定された回転速度が事前に定められた限界よりも低い時に、前記電気機械の
   前記固定子電流ベクトル（ｉ_s）および固定子電流基準ベクトル（ｉ_s,ref）に基
   づいて、前記スイッチング部品におけるスイッチングの組合せを決定するステッ
   プ、 を含むことを特徴とする、前記方法。
2. 【請求項２】 前記インバータの前記スイッチング部品における前記スイッ
   チングの組合せを決定する前記ステップが、 前記固定子電流基準ベクトル（ｉ_s,ref）と、前記決定された固定子電流ベク
   トル（ｉ_s）と、の絶対値の２乗の差を計算して基準振幅（φ_ref）を得るステッ
   プと、 前記固定子電流基準ベクトル（ｉ_s,ref）と、前記決定された固定子電流ベク
   トル（ｉ_s）と、の間のベクトル積を計算して基準（τ_ref）を得るステップと、 前記基準振幅（φ_ref）及び前記基準（τ_ref）の符号と、前記固定子電流ベク
   トル（ｉ_s）の位置角とに基づいて、前記スイッチング部品における前記スイッ
   チングの組合せを決定するステップと、 を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 インバータが、出力電圧を発生する位相特定スイッチング部
   品と、指定値に基づいてスイッチング部品におけるスイッチングの組合せを選択
   するように構成された最適スイッチングテーブルと、前記インバータにより制御
   される電気機械の回転速度を決定するように構成された周波数決定素子と、を含
   むインバータであって、 前記電気機械の前記回転速度に依存して、前記スイッチング部品における前記
   スイッチングの組合せの基礎として用いられる指定値を変更するように配置され
   た選択素子（５）、 を更に含むことを特徴とする、インバータ。
4. 【請求項４】 前記電気機械の固定子電流ベクトル（ｉ_s）を決定するよう
   に配置された電流決定素子と、前記電気機械の固定子磁束ベクトル（ψ_s）を決
   定するように配置された磁束決定素子と、前記電気機械のトルク（ｔ_e）を決定
   するように配置されたトルク決定素子と、を含み、前記スイッチング部品におけ
   る前記スイッチングの組合せの基礎として用いられる前記指定値が、 前記固定子磁束ベクトル（ψ_s）の位置角と、固定子磁束基準ベクトルψ_s,ref と固定子磁束ベクトルψ_sとの絶対値の２乗の間の差と、前記電気機械の基準ト
   ルク（ｔ_e,ref）と前記トルク（ｔ_e）との間の差と、を含むか、あるいは代わり
   に、 前記固定子電流ベクトル（ｉ_s）の位置角と、固定子電流基準ベクトル（ｉ_{s,r ef} ）と前記固定子電流ベクトル（ｉ_s）との絶対値の２乗の間の差と、前記固定
   子電流基準ベクトル（ｉ_s,ref）と前記固定子電流ベクトル（ｉ_s）とのベクトル
   積と、を含むことを特徴とする、請求項３に記載のインバータ。
5. 【請求項５】 前記インバータがさらに、前記電気機械の周波数に応じて、
   用いられる基準固定子磁束を選択するように配置された選択素子（６）を含むこ
   とを特徴とする、請求項３または請求項４に記載のインバータ。