JP2003219698A

JP2003219698A - 同期機の制御装置

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Publication number: JP2003219698A
Application number: JP2002014403A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Osawa; 博大沢; Hisafumi Nomura; 尚史野村; Takahiro Yamazaki; 高裕山嵜; Nobuo Itoigawa; 信夫糸魚川
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2002-01-23
Filing date: 2002-01-23
Publication date: 2003-07-31
Anticipated expiration: 2022-01-23
Also published as: JP3786018B2

Abstract

(57)【要約】【課題】低速から高速まで安定して十分なトルクが得
られ、かつ安価に提供可能な同期機の制御装置を提供す
る。【解決手段】同期機の回転速度または電力変換器の出
力周波数に応じて速度モードを判別し、低速モードまた
は高速モードの何れかを選択するための切換器４７、ス
イッチＳＷ１，ＳＷ２等と、低速モードが選択された場
合に、少なくとも同期機の回転子の位置情報を用いて同
期機の電流を制御するための座標変換器２４、ブロック
Ａ等のベクトル制御手段と、高速モードが選択された場
合に、同期機の回転子の位置情報を用いずに同期機の速
度指令に基づいて同期機の電圧及び周波数をほぼ比例さ
せて制御するブロックＢ等のＶ／ｆ制御手段と、を備え
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、同期電動機また
は同期発電機の速度やトルクをインバータ等の半導体電
力変換器を用いて制御する制御装置に関し、特に低速回
転から高速回転まで良好な制御特性が得られる安価な制
御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】同期電動機または同期発電機は、界磁に
界磁巻線を有する同期機、界磁に永久磁石を有する永久
磁石同期機、界磁に界磁巻線や永久磁石を持たずに突極
性だけを有するリラクタンスモータに分類することがで
きる。何れの同期機の制御も基本的な原理は同様である
ので、ここでは永久磁石同期電動機を例に挙げて従来の
制御方法を説明する。

【０００３】同期機の制御方法として、次の３種類の方
法が知られている。第１の方法は、回転子軸に位置セン
サを取付け、位置センサから得られる回転子の位置情報
に基づき同期機の電流を制御する。特に、同期電動機の
電流波形が方形波状の場合は、当該同期電動機をブラシ
レスＤＣモータと呼ぶ。また、同期機の電流波形を正弦
波状に制御する場合は、当該制御方法をベクトル制御と
呼ぶことが多い。何れにしても、回転子の位置情報を用
いることが特徴であり、一般産業用途やサーボドライブ
等に最も広く適用されている。

【０００４】図７は、上記ベクトル制御による制御ブロ
ック図であり、これを第１の従来技術とする。以下、図
７を参照しながら制御方法を説明する。同期機１００の
回転子軸にはレゾルバやエンコーダ等の位置センサ２１
が取り付けられており、回転子の位置と回転速度を演算
する位置・速度演算器２２により、回転子の位置θと回
転速度ωが検出される。電流検出器２３によって同期機
１００の２相の電流ｉ_ｕ，ｉ_ｗを検出し、これらの電流
から位置信号θを用いて界磁のＮ極方向の起磁力を作る
電流成分であるｄ軸電流ｉ_ｄと、これに直交する方向の
起磁力を作る電流成分であるｑ軸電流ｉ_ｑを座標変換器
２４により演算する。この際の演算式を数式１に示す。

【０００５】

【数１】

【０００６】次に、第１の速度指令ω_１ ^＊の変化率を加
減速演算器２５により制限して第２の速度指令ω_２ ^＊を
演算する。加算器２６はω_２ ^＊と回転速度ωとの偏差を
演算し、速度調節器２７は前記偏差を増幅してトルク指
令τ^＊を演算する。電流指令演算器２８は、τ^＊とωか
らｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊とｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊を演算す
る。加算器２９，３０は、ｉ_ｄ ^＊とｉ_ｄとの偏差、ｉ_ｑ
^＊とｉ_ｑとの偏差をそれぞれ求め、電流調節器３１はこ
れらの偏差を増幅してｄ軸電圧指令ｖ_ｄ ^＊とｑ軸電圧指
令ｖ_ｑ ^＊を計算する。座標変換器３２は、ｖ_ｄ ^＊，ｖ_ｑ
^＊及び回転子位置θから３相電圧指令ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，
ｖ_ｗ ^＊を次式の如く演算する。

【０００７】

【数２】

【０００８】上記の３相電圧指令をＰＷＭ回路３３によ
り搬送波と比較して電力変換器３００の半導体スイッチ
ング素子に対するゲート信号に変換し、３相交流電源２
００に接続された電力変換器３００を制御することによ
り、同期機１００の端子電圧を制御する。この結果、同
期機１００の回転速度ωを第１の速度指令ω_１ ^＊に一致
させるように制御することができる。

【０００９】次に、第２の従来技術は、電動機の電圧や
電流から回転子の位置を推定して位置センサを不要とす
る方法であり、センサレスベクトル制御と呼ばれてい
る。この方法は最近盛んに研究され、徐々に実用化され
つつある（例えば、特開平７−２４５９８１号「電動機
の磁極位置検出装置」、特開２０００−２３４９８「Ｉ
ＰＭモータ制御方法及び制御装置」、電気学会論文誌Ｄ
１１７巻１号Ｐ９８〜１０４（平成９年）等を参照）。

【００１０】図８は、上記の電気学会論文誌Ｄに掲載さ
れたセンサレスベクトル制御の制御ブロック図である。
図において、電流推定器３４は、ｄ軸電圧指令ｖ_ｄ ^＊，
ｑ軸電圧指令ｖ_ｑ ^＊，ｄ軸電流検出値ｉ_ｄｃ，ｑ軸電流
検出値ｉ_ｑｃ，誘起電圧推定値ｅ_ｑＭ、及び、速度推定
器３８による速度推定値ω_Ｍの高周波成分（リプル成
分）をローパスフィルタ３９により除去して得た第２の
速度推定値ω_Ｍ２を使って、ｄ軸電流推定値ｉ_ｄＭとｑ
軸電流推定値ｉ_ｑＭを数式３により計算する。図におい
て、３５，３６はｄ軸電流、ｑ軸電流の各推定値と検出
値との偏差を求めるための加算器、３７はｑ軸電流の推
定値と検出値との偏差から同期機１００の誘起電圧を推
定演算する誘起電圧推定器である。

【００１１】

【数３】

【００１２】なお、座標変換器２４から出力されるｉ
_ｄｃとｉ_ｑｃは位置センサの信号を使って直接検出した
ｄ軸電流とｑ軸電流ではないため添字ｃを付け、ｉ_ｄＭ
とｉ_ｑ _Ｍは電流推定器３４により推定したｄ軸電流とｑ
軸電流であるため添字Ｍを付けている。

【００１３】上記数式３において、Ｌ_ｄ：ｄ軸インダク
タンス、Ｌ_ｑ：ｑ軸インダクタンス、Ｒ：電機子抵抗、
ｔ：時間であり、添字（ｔ）は時間の関数であることを
表す。位置推定値θ_Ｍと誘起電圧推定値ｅ_ｑＭとの間に
誤差がある場合、電流推定値ｉ_ｄＭと電流検出値ｉ_ｄｃ
との偏差、同ｉ_ｑＭとｉ_ｑｃとの偏差は次式の関係にあ
る。

【００１４】

【数４】

【００１５】ここで、ｅ_ｑ：同期機の誘起電圧、θ：回
転子位置である。数式４から、ｄ軸電流の偏差は回転子
の位置推定誤差に比例し、ｑ軸電流の偏差は誘起電圧の
偏差に比例する。そこで、誘起電圧推定器３７と速度推
定器３８では、数式５，数式６により誘起電圧推定値と
速度推定値を演算する。

【００１６】

【数５】

【００１７】

【数６】

【００１８】なお、数式５において、Ｔ_Ｉｅｑ：積分時
定数であり、数式６における関数ｓｇｎは、数式７に示
すとおりである。また、数式６において、ψ_ｍ：無負荷
鎖交磁束、Ｋθ：比例ゲインである。

【００１９】

【数７】

【００２０】図８において、位置推定値θ_Ｍは速度推定
値ω_Ｍを速度積分器４０により積分して求める。速度制
御演算には、前述した如く第１の速度推定値ω_Ｍの高周
波成分をローパスフィルタ３９により除去した第２の速
度推定値ω_Ｍ２を用いている。ω_Ｍ２を図７のωに対応
させれば、その他の部分は図７の従来技術と同じである
ため、以下の説明を省略する。なお、図８において、破
線で囲んだブロックＡ’と一点鎖線で囲んだブロック
Ａ”は、後の説明の便宜上付けたものである。

【００２１】残る第３の従来技術は、電動機の電圧と周
波数をほぼ比例して制御するＶ／ｆ制御であり、位置セ
ンサが不要で、かつ簡単な制御で可変速駆動を実現でき
る特徴がある。図９は、同期電動機等のＶ／ｆ制御の制
御ブロック図であり、以下にその制御方法を説明する。
ω_１ ^＊は電力変換器３００の出力周波数指令である。た
だし、出力周波数は定常状態では同期機１００の速度と
一致するので、以下の説明では便宜上、周波数指令を速
度指令と呼ぶことにする。このω_１ ^＊を第１の速度指令
として、その変化率を加減速演算器２５により制限して
第２の速度指令ω_２ ^＊を演算する。また、加算器４３に
より速度指令ω_２ ^＊から速度補償値Δωを減算して第３
の速度指令ω_３ ^＊を演算する。

【００２２】ｆ／Ｖ変換器４４は速度指令ω_３ ^＊にほぼ
比例した信号Ｖ^＊を出力し、これを同期機１００の端子
電圧指令Ｖ^＊とする。一方、速度指令ω_３ ^＊を積分器４
５により積分して電圧指令の位相θ_Ｖを得る。座標変換
器４６は、数式８に従って３相の電圧指令を演算する。

【００２３】

【数８】

【００２４】一方、電流検出器２３により同期機１００
の２相の電流ｉ_ｕ，ｉ_ｗを検出し、これらの電流と前記
θ_Ｖから同期機１００の電圧ベクトルと同方向の電流成
分、すなわち有効電流ｉ_ｅを座標変換器２４により演算
する。電流制限器４２はｉ_ｅが所定の値を超えないよう
に前述の速度補償量Δωを演算し、重負荷時にはΔωを
大きくして速度指令ω_３ ^＊を低下させ、同期機１００や
電力変換器３００を過負荷から保護している。また、３
相電圧指令ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊をＰＷＭ回路３３に
より電力変換器３００の半導体スイッチング素子に対す
るゲート信号に変換して電力変換器３００を制御するこ
とにより、同期機１００の端子電圧を制御する。この結
果、同期機１００の回転速度を第１の速度指令ω_１ ^＊に
一致させるように制御することができる。

【００２５】

【発明が解決しようとする課題】第１の従来技術のよう
に、位置センサから得られる回転子位置情報に基づき同
期機の電流を制御する方法は、通常の回転速度では高性
能な制御が可能である。しかしながら、回転速度が毎分
数万回転に至るような高速回転では、所望する仕様の位
置センサが市販されていなかったり、位置センサが非常
に高価だったりする。

【００２６】また、第２の従来技術のように位置センサ
が不要なセンサレスベクトル制御を適用したとしても、
マイクロプロセッサを用いた制御装置では回転速度の上
昇に応じて演算周期も高速化する必要があるので、高価
なプロセッサ及び周辺部品が必要になり、制御装置のコ
ストが非常に高くなる。

【００２７】更に、第３の従来技術として説明したＶ／
ｆ制御は、簡単な演算で同期機を制御でき、かつ高速な
演算も必要でないため制御装置を安価に提供することが
できる。しかるに、Ｖ／ｆ制御の場合は回転子の位置が
分からないので低速時に安定性が悪くなり、かつ大きな
始動トルクを発生できないという問題がある。

【００２８】そこで本発明は、上述した各従来技術が持
つ問題点を解消し、低速から高速まで安定して十分なト
ルクが得られ、かつ安価に提供可能な同期機の制御装置
を提供しようとするものである。

【００２９】

【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、電力変換器を用いて同期機
の速度またはトルクを制御する制御装置において、同期
機の回転速度または電力変換器の出力周波数に応じて速
度モードを判別し、低速モードまたは高速モードの何れ
かを選択する手段と、同期機の回転速度または電力変換
器の出力周波数が低く、低速モードが選択された場合
に、少なくとも同期機の回転子の位置情報を用いて同期
機の電流を制御するベクトル制御手段と、同期機の回転
速度または電力変換器の出力周波数が高く、高速モード
が選択された場合に、同期機の回転子の位置情報を用い
ずに同期機の速度指令に基づいて同期機の電圧及び周波
数をほぼ比例させて制御するＶ／ｆ制御手段と、を備え
たものである。

【００３０】請求項２記載の発明は、電力変換器を用い
て同期機の速度またはトルクを制御する制御装置におい
て、同期機の回転速度または電力変換器の出力周波数に
応じて速度モードを判別し、低速モードまたは高速モー
ドの何れかを選択する手段と、同期機の回転速度または
電力変換器の出力周波数が低く、低速モードが選択され
た場合に、同期機の回転子の位置を直接検出せずに同期
機の電圧または電流から回転子の位置を推定演算して同
期機の電流を制御するセンサレスベクトル制御手段と、
同期機の回転速度または電力変換器の出力周波数が高
く、高速モードが選択された場合に、同期機の回転子の
位置情報を用いずに同期機の速度指令に基づいて同期機
の電圧及び周波数をほぼ比例させて制御するＶ／ｆ制御
手段と、を備えたものである。

【００３１】請求項３記載の発明は、請求項１または請
求項２に記載した同期機の制御装置において、低速モー
ドから高速モードに切り換わる際に、同期機の電圧が急
変しないように、同期機に対する端子電圧指令及びその
位相指令を同一に保つ補償手段を備えたものである。

【００３２】請求項４記載の発明は、請求項１，２また
は３に記載した同期機の制御装置において、高速モード
から低速モードに切り換わる際に、同期機の電圧及び電
流が急変しないように、電圧指令及び電流指令を補償す
る補償手段を備えたものである。

【００３３】

【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。まず、図１は本発明の第１実施形態であ
り、請求項１記載の発明に相当する。なお、以下の各実
施形態において、図７〜図９に示した従来技術と機能上
共通する構成要素には、同一の番号を付してある。

【００３４】同期機１００には位置センサ２１が取り付
けられており、回転子の位置と回転速度を演算する位置
・速度演算器２２により回転子の位置θと回転速度ωが
演算される。切換器４７は回転速度ωから同期機１００
の速度モードが低速モードであるか高速モードであるか
を判別し、それに応じて速度モード信号ＣＨＧを出力す
る。始動直後では、速度モード信号ＣＨＧは低速モード
を示す信号となる。

【００３５】切換器４７は回転速度ωを常時監視してお
り、ωが所定の値を超えた場合に速度モード信号ＣＨＧ
を低速モードから高速モードに切り換える。高速モード
になったら切換器４７は速度指令ω_３ ^＊を監視し、ω_３
^＊が所定の値より小さくなった場合に速度モード信号Ｃ
ＨＧを高速モードから低速モードに切り換える。

【００３６】破線で囲んだブロックＡ，Ｃは低速モード
の場合だけ演算処理を行い、高速モードの場合は演算を
停止する。逆に破線で囲んだブロックＢは高速モードの
場合だけ演算処理を行い、低速モードの場合は演算を停
止する。また、低速モードでは速度モード信号ＣＨＧに
よりスイッチＳＷ１，ＳＷ２のａ接点を開いてｂ接点を
閉じ（図示の状態）、高速モードでは逆にａ接点を閉じ
てｂ接点を開く。

【００３７】低速モードの動作を更に詳しく説明する。
第１の速度指令ω_１ ^＊の変化率を加減速演算器２５によ
り制限して第２の速度指令ω_２ ^＊を演算する。このと
き、ブロックＢは動作を停止しているため電流制限器４
２の出力はゼロに保持されており、加算器４３を介した
ω_３ ^＊とω_２ ^＊は同一の値である。加算器２６はω_３ ^＊
と回転速度ωとの偏差を演算し、速度調節器２７はこの
偏差を増幅してトルク指令τ^＊を演算する。電流指令演
算器２８は、τ^＊とωからｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊とｑ軸電
流指令ｉ_ｑ ^＊を演算する。

【００３８】加算器２９，３０は、それぞれｉ_ｄ ^＊とｉ
_ｄとの偏差、ｉ_ｑ ^＊とｉ_ｑとの偏差を求め、電流調節器
３１はこれらの偏差を増幅してｄ軸電圧指令ｖ_ｄ ^＊とｑ
軸電圧指令ｖ_ｑ ^＊を計算する。座標変換器４８は、ｖ_ｄ
^＊，ｖ_ｑ ^＊から端子電圧指令Ｖ_Ｌ ^＊と角度φを次式の如
く演算する。

【００３９】

【数９】

【００４０】角度φと回転子位置θとは加算器４９によ
り加算され、電圧指令の位相θ_Ｖが演算される。座標変
換器４６は、前述の数式８により３相電圧指令ｖ_ｕ ^＊，
ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊を演算する。３相電圧を演算する方法は
図７の従来技術と異なるが、ｖ_ｄ ^＊，ｖ_ｑ ^＊から
ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊を計算した結果は図７の場合と
同じとなる。その他の部分は図７と同じである。これに
より、低速モードでは図７と同じベクトル制御となる。

【００４１】次に、高速モードの動作を説明する。高速
モードではブロックＡ，Ｃが動作を停止しており、座標
変換器４８から出力される角度φは９０度に保持され
る。また、加算器４９には積分器４５から出力される位
相がスイッチＳＷ１を介して入力されている。従って、
座標変換器４６に入力される電圧指令の位相θ_Ｖは図９
の従来技術に対して９０度の位相差を持つが、これは座
標変換器２４の出力のｉ _ｑを有効電流ｉ_ｅにするためで
ある。一方、ｆ／Ｖ変換器４４の出力Ｖ_Ｈ ^＊はスイッチ
ＳＷ２を介して座標変換器４６に入力され、端子電圧指
令Ｖ^＊となる。その他の部分は図９と同じである。これ
により、高速モードでは図９と同じＶ／ｆ制御となる。

【００４２】上記のように本実施形態では、低速モード
では回転子位置θに基づいて同期機１００の電流を制御
するので安定した大きな始動トルクが得られ、高速時に
は回転子位置θを用いることなく、ブロックＢを介して
同期機１００の電圧と周波数を制御するので、位置セン
サ２１の電気的仕様により高速時に正しい位置情報が得
られなくても同期機１００を高性能に制御することがで
きる。

【００４３】次に、図２は本発明の第２実施形態であ
り、請求項２記載の発明に相当する。図２において、ブ
ロックＡ１は図８のブロックＡ’において電流調節器３
１の後段に図１の座標変換器４８を付加したものと同一
の構成であり、このブロックＡ１は速度推定値ω_Ｍ２と
位置推定値θ_Ｍを演算する。また、図２のブロックＢは
図１におけるブロックＢと同一の構成である。

【００４４】図２において、位置推定値θ_Ｍとブロック
Ｂ内の積分器４５の出力との何れか一方が、速度モード
信号ＣＨＧにより切り換えられるスイッチＳＷ１により
選択されて加算器４９に入力される。また、ブロックＡ
１からの角度φが加算器４９に入力され、その加算結果
が電圧指令の位相θ_Ｖとして座標変換器４６に入力され
ている。スイッチＳＷ２は、前記同様にブロックＡ１か
らのＶ_Ｌ ^＊とブロックＢからのＶ_Ｈ ^＊との何れか一方を
速度モード信号ＣＨＧにより選択し、端子電圧指令Ｖ^＊
として座標変換器４６に出力する。

【００４５】本実施形態では同期機１００に位置センサ
がなく、低速時にはセンサレスベクトル制御を行い、ブ
ロックＡ１により回転速度と回転子位置を推定演算して
速度推定値ω_Ｍ２と位置推定値θ_Ｍを出力する。切換え
器４７は、第１実施形態と同様にして速度推定値ω_Ｍ２
及び速度指令ω_３ ^＊とから低速モードか高速モードかを
判別し、判別したモードに応じて速度モード信号ＣＨＧ
を出力する。

【００４６】ブロックＡ１は低速モードの場合だけ演算
処理を行い、高速モードの場合は演算を停止する。逆
に、ブロックＢは高速モードの場合だけ演算処理を行
い、低速モードの場合は演算を停止する。低速モードで
は、スイッチＳＷ１，ＳＷ２のａ接点を開いてｂ接点を
閉じる。これにより、前記数式９により演算された端子
電圧指令Ｖ_Ｌ ^＊が座標変換器４６に入力されると共に、
同じく数式９により演算された角度φと位置推定値θ_Ｍ
とが加算器４９により加算され、その加算結果が電圧指
令の位相θ_Ｖとして座標変換器４６に入力されて３相電
圧指令ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊が演算される。高速モー
ドでは、逆にａ接点を閉じてｂ接点を開く。このときの
動作は第１実施形態と同一であるため、説明を省略す
る。

【００４７】本実施形態によれば、低速時には同期機１
００の回転子位置を直接検出することなく、ブロックＡ
１によって同期機１００の電圧や電流から回転子位置を
推定演算するので、位置センサが不要になる。また、位
置推定のために高速な演算処理が必要になる高速時に
は、回転子の位置情報を用いることなくブロックＢによ
って同期機１００の電圧と周波数を制御するので、高速
の演算処理が不必要になり、安価な制御装置でも同期機
１００を高性能に制御することができる。

【００４８】図３は本発明の第３実施形態であり、請求
項３記載の発明に相当する。この実施形態では、第１及
び第２実施形態のブロックＢにおいて電圧補償器５０、
加算器５２及び位相補償器５１を付加することにより、
ブロックＢ’が構成されている。ここでは、代表例とし
て第２実施形態のブロックＢをブロックＢ’に置き換え
たものを図３に示し、本実施形態を説明する。なお、第
１実施形態のブロックＢをブロックＢ’に置き換えても
良い。

【００４９】図３に示す第３実施形態では、ブロックＡ
１による低速モードでの電圧指令Ｖ _Ｌ ^＊と高速モードで
の電圧指令Ｖ_Ｈ１ ^＊との偏差Ｖ_Ｌ ^＊−Ｖ_Ｈ１ ^＊をΔＶ^＊
とし、このΔＶ^＊を電圧補償器５０に設定する。そし
て、ΔＶ^＊とＶ_Ｈ１ ^＊とを加算器５２により加算して電
圧指令Ｖ_Ｈ２ ^＊を求め、このＶ_Ｈ２ ^＊を高速モードに切
り換えた直後の電圧指令とする。その結果、低速モード
から高速モードに切り換えた直後はＶ_Ｌ ^＊とＶ_Ｈ２ ^＊と
が同一値になるので、切換え前後の電圧指令Ｖ^＊は同一
値となる。また、電圧補償器５０の出力ΔＶ^＊は、時間
の経過に伴ってゼロに収束するようにする。これによ
り、端子電圧指令Ｖ^＊は、低速モードから高速モードに
切り換えた後に時間が経過するにつれてＶ_Ｈ１ ^＊と等し
くなる。

【００５０】一方、位相補償器５１は、低速モードから
高速モードに切り換える直前にブロックＡ１からの角度
φを読み込み、φから９０度を減じた値を積分器４５に
プリセットする。高速モードではφを９０度にセットす
るので、低速モードから高速モードに切り換えた前後で
θ_Ｖは同一値となる。

【００５１】このように、本実施形態によれば、低速時
の制御から高速時の制御に切り換える際に、同期機１０
０の電圧が急変しないように端子電圧指令Ｖ^＊及びその
位相θ_Ｖを補償する機能を有するため、制御モードを切
り換えた時に電流やトルクが急変せず、同期機１００を
高性能に制御することができる。

【００５２】図４は本発明の第４実施形態であり、請求
項４記載の発明に相当する。図４において、ブロックＡ
２は図１のブロックＡに図８のブロックＡ”を付加した
ものに相当する。また、この実施形態では、速度指令ω
_３ ^＊と座標変換器２４の出力ｉ_ｒ，ｉ_ｅと高速モードの
電圧指令Ｖ_Ｈ ^＊とに基づいて負荷角δを演算する負荷角
演算器５３と、ｉ_ｒ，ｉ_ｅ，Ｖ_Ｈ ^＊，δを用いて座標変
換を行う座標変換器５４とが付加されている。なお、負
荷角演算器５３及び座標変換器５４は第１，第２実施形
態の何れに付加することも可能であるが、ここでは、代
表例として第２実施形態に上記負荷角演算器５３等を付
加したものを図４に示し、本実施形態を説明する。

【００５３】負荷角演算器５３は、高速モードから低速
モードに切り換える際に、同期機１００の負荷角δを演
算する。始めに、図５を用いて負荷角について説明す
る。図５は同期機の電圧、電流及び磁束の関係を示すベ
クトル図である。同期機の端子電圧ベクトルｖから抵抗
電圧降下Ｒｉを差し引くと誘起電圧ベクトルｅとなる。
ここで、ｉは電機子電流ベクトルである。また、誘起電
圧ベクトルｅに対し、直交する方向に鎖交磁束ベクトル
Ψが生じている。なお、ここで、負荷角δはｑ軸とｅと
の交角であると（ＩＥＥＥ電気・電子用語辞典に）定義
されている。ｑ軸とｅとの交角＝ｄ軸とΨとの交角であ
るから、図５では、負荷角δをｄ軸とΨとの交角として
記している。

【００５４】図６は、負荷角演算器５３と座標変換器５
４の詳細な制御ブロック図を示している。負荷角演算器
５３内の誘起電圧演算器５３１では、数式１０に従って
図５に示す誘起電圧成分ｅ_ｅ，ｅ_ｒを演算する。なお、
有効電流ｉ_ｅ及び無効電流ｉ _ｒは図４の座標変換器２４
から入力される。

【００５５】

【数１０】

【００５６】ここで、ｅ_ｅ：電圧ベクトル方向の誘起電
圧成分、ｅ_ｒ：電圧ベクトルと直交方向の誘起電圧成分、ｉ_ｅ：電圧ベクトル方向の電流成分（有効電流）、ｉ_ｒ：電圧ベクトルと直交方向の電流成分（無効電流）である。図６におけるトルク演算器５３２は、次式を用
いて同期機のトルクτ_１を演算する。

【００５７】

【数１１】

【００５８】磁束演算器５３３は、次式を用いて鎖交磁
束ベクトルΨの大きさを演算する。

【００５９】

【数１２】

【００６０】トルク演算器５３６は、次式を用いて第２
のトルクτ_２を演算する。

【００６１】

【数１３】

【００６２】ここで、ψ_ｍ：無負荷鎖交磁束、Ｌ_ｄ：同期機のｄ軸インダクタンス、Ｌ_ｑ：同期機のｑ軸インダクタンス、である。

【００６３】第１のトルク演算値τ_１と第２のトルク演
算値τ_２との偏差を加算器５３４により求め、負荷角調
節器５３５は前記偏差を増幅してその出力をδとする。
τ_１とτ_２との偏差がゼロになったとき、δは負荷角に
一致する。負荷角調節器５３５は例えばＰＩ調節器やＰ
ＩＤ調節器等の各種調節器により構成されており、第１
のトルク演算値τ_１は一種のトルク指令値として意味を
持つ。つまり、負荷角調節器５３５は、第２のトルク演
算値τ_２がトルク指令値τ _１に一致するように演算を行
い、負荷角δを出力する。なお、上記負荷角調節器につ
いては、本出願人による特開平１０−２４３６９９号公
報の図８，図１１等、同じく特開平１１−２９９２９７
号公報の図１，図４，図６等に記載されている。

【００６４】以上の演算により、負荷角δを演算するこ
とができる。なお、図示されていないが、端子電圧の大
きさとτ_１からパターン化された関数を用いて負荷角δ
を直接演算してもよい。図５に示した鎖交磁束ベクトル
Ψと端子電圧ベクトルｖとの交角φ_ｖは、次式で求ま
る。

【００６５】

【数１４】

【００６６】また、鎖交磁束ベクトルΨと電機子電流ベ
クトルｉとの交角φ_ｉは、次式で求まる。

【００６７】

【数１５】

【００６８】図６における角度演算器５４１は数式１
４，１５の演算を行い、φ_ｖとφ_ｉを出力する。加算器
５４２，５４３はこれらのφ_ｖ，φ_ｉにそれぞれ負荷角
δを加算し、その加算結果を用いて座標変換器５，６に
より端子電圧指令Ｖ_Ｈ ^＊とｉ_ｅ，ｉ_ｒを座標変換する
と、ｄ−ｑ軸の電圧指令ｖ_ｄ ^＊＊，ｖ_ｑ ^＊＊とｄ−ｑ軸
の電流指令ｉ_ｄ ^＊＊，ｉ_ｑ ^＊＊が求まる。高速モードか
ら低速モードに切り換える直前に、電圧指令ｖ_ｄ ^＊＊，
ｖ_ｑ ^＊＊により電流調節器３１の出力をプリセットし、
電流指令ｉ_ｄ ^＊＊，ｉ_ｑ ^＊＊により電流指令演算器２８
の出力をプリセットする。また、第１のトルク演算値τ
_１により速度調節器２７の出力をプリセットする。

【００６９】このことにより、高速モードから低速モー
ドに切り換えた際に、同期機１００の電圧や電流の変化
がなくなる。なお、電流指令演算器２８の出力は、高速
モードから低速モードに切り換えた直後はｉ_ｄ ^＊＊，ｉ
_ｑ ^＊＊になるが、時間の経過と共に電流指令演算器２８
で演算した値に徐々に変化するようにする。図示されて
いないが、高速モードから低速モードに切り換える直前
に、図４のブロックＡ”内のω_Ｍ２はω_３ ^＊の値にプリ
セットし、θ_Ｍは積分器４５の出力値にプリセットす
る。

【００７０】なお、第３実施形態と第４実施形態を併用
すれば、低速モードから高速モードへの切り換えと、高
速モードから低速モードへの切り換えの両者に対して切
り換え時の電圧や電流の急変がなくなることは自明なの
で、説明は省略する。

【００７１】

【発明の効果】以上のように、請求項１記載の発明によ
れば、低速時には回転子の位置情報に基づいて同期機の
電流を制御するため安定した大きな始動トルクが得ら
れ、高速時には回転子の位置情報を用いることなく同期
機の電圧と周波数を制御するので、位置センサの電気的
仕様により高速時に正しい位置情報が得られなくても同
期機を高性能に制御することができる。

【００７２】請求項２記載の発明によれば、請求項１の
発明の効果に加えて、低速時には同期機の回転子の位置
を直接検出することなく、同期機の電圧や電流から回転
子の位置を推定演算するため位置センサが不要となり、
位置推定のために高速な演算処理が必要になる高速時に
は回転子の位置情報を用いることなく同期機の電圧と周
波数を制御するので高速の演算処理が不必要になり、安
価な制御装置でも同期機を高性能に制御することができ
る。

【００７３】請求項３記載の発明によれば、請求項１ま
たは２の発明の効果に加えて、低速時の制御から高速時
の制御に切り換える際に、同期機の電圧が急変しないよ
うに電圧指令を補償する機能を有するので、制御モード
を切り換える際に電流やトルクが急変せず、同期機を高
性能に制御することができる。

【００７４】請求項４記載の発明によれば、請求項１ま
たは２の発明の効果に加えて、高速時の制御から低速時
の制御に切り換える際に、同期機の電圧や電流が急変し
ないように電圧指令や電流指令を補償する機能を有する
ので、制御モードを切り換える際に電流やトルクが急変
せず、同期機を高性能に制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態を示す制御ブロック図で
ある。

【図２】本発明の第２実施形態を示す制御ブロック図で
ある。

【図３】本発明の第３実施形態を示す制御ブロック図で
ある。

【図４】本発明の第４実施形態を示す制御ブロック図で
ある。

【図５】同期機の電圧、電流及び磁束の関係を示すベク
トル図である。

【図６】図４における主要部の構成図である。

【図７】第１の従来技術を示す制御ブロック図である。

【図８】第２の従来技術を示す制御ブロック図である。

【図９】第３の従来技術を示す制御ブロック図である。

【符号の説明】

２１位置センサ２２位置・速度演算器２３電流検出器２４，４６，４８，５４座標変換器２５加減速演算器２６，２９，３０，４３，４９，５２加算器２７速度調節器２８電流指令演算器３１電流調節器３３ＰＷＭ回路４２電流制限器４４ｆ／Ｖ変換器４５積分器４７切換器５０電圧補償器５１位相補償器５３負荷角演算器５３１誘起電圧演算器５３２，５３６トルク演算器５３３磁束演算器５３４，５４２，５４３加算器５３５負荷角調節器５４１角度演算器５４４，５４５座標変換器１００同期機２００３相交流電源３００電力変換器ＳＷ１，ＳＷ２スイッチ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山嵜高裕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)発明者糸魚川信夫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Ｆターム(参考） 5H560 BB12 DA00 DB20 DC12 EB01 GG01 RR05 SS06 XA02 XA04 XA12 XA13 5H576 CC01 DD05 EE01 EE04 EE19 FF08 GG03 GG04 GG07 HB01 KK01 LL01 LL22 LL30 LL41

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電力変換器を用いて同期機の速度またはト
ルクを制御する制御装置において、同期機の回転速度または電力変換器の出力周波数に応じ
て速度モードを判別し、低速モードまたは高速モードの
何れかを選択する手段と、同期機の回転速度または電力変換器の出力周波数が低
く、低速モードが選択された場合に、少なくとも同期機
の回転子の位置情報を用いて同期機の電流を制御するベ
クトル制御手段と、同期機の回転速度または電力変換器の出力周波数が高
く、高速モードが選択された場合に、同期機の回転子の
位置情報を用いずに同期機の速度指令に基づいて同期機
の電圧及び周波数をほぼ比例させて制御するＶ／ｆ制御
手段と、を備えたことを特徴とする同期機の制御装置。
【請求項２】電力変換器を用いて同期機の速度またはト
ルクを制御する制御装置において、同期機の回転速度または電力変換器の出力周波数に応じ
て速度モードを判別し、低速モードまたは高速モードの
何れかを選択する手段と、同期機の回転速度または電力変換器の出力周波数が低
く、低速モードが選択された場合に、同期機の回転子の
位置を直接検出せずに同期機の電圧または電流から回転
子の位置を推定演算して同期機の電流を制御するセンサ
レスベクトル制御手段と、同期機の回転速度または電力変換器の出力周波数が高
く、高速モードが選択された場合に、同期機の回転子の
位置情報を用いずに同期機の速度指令に基づいて同期機
の電圧及び周波数をほぼ比例させて制御するＶ／ｆ制御
手段と、を備えたことを特徴とする同期機の制御装置。
【請求項３】請求項１または請求項２に記載した同期機
の制御装置において、低速モードから高速モードに切り換わる際に、同期機の
電圧が急変しないように、同期機に対する端子電圧指令
及びその位相指令を同一に保つ補償手段を備えたことを
特徴とする同期機の制御装置。
【請求項４】請求項１，２または３に記載した同期機の
制御装置において、高速モードから低速モードに切り換わる際に、同期機の
電圧及び電流が急変しないように、電圧指令及び電流指
令を補償する補償手段を備えたことを特徴とする同期機
の制御装置。