JP2005117818A5

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Publication number: JP2005117818A5
Application number: JP2003350662A
Authority: JP
Filing date: 2003-10-09
Publication date: 2006-10-12

Description

電動機制御装置

本発明は、電動機の電圧飽和を抑制するために弱め界磁制御を利用した電動機制御装置に関する。

従来、永久磁石形同期電動機の弱め界磁制御に関しては、例えば特許文献１がある。

特開平７−１０７７７２号公報以下、図により従来技術を説明する。図４には、従来技術例の制御装置の構成を示すものである。図４において１１０は永久磁石同期電動機、１１６はバッテリ、１１４はインバータである。１１８はバッテリ電圧検出部、１２０は第１演算部、１２２は第２演算部、１２４はインバータコントローラである。第１演算部では、バッテリ電圧から電動機に印加できる最大電圧を計算する。第２演算部ではトルク指令Ｔｒｅｆと回転速度Ｎと最大印加可能電圧ＶｍａｘからＶ＝Ｖｍａｘとなるｄ軸電流指令Ｉｄ＊をもとめる。なお、Ｉｄ＊の＊は指令であることを表す。以下、同様である。図５は第２演算部の動作をフローチャートで示している。回転速度Ｎがで同期電動機のベース回転速度Ｎ B より低い場合は界磁電流Ｉ d を０に設定し、ＩｑをＴ r e fから算出する。回転速度Ｎがベース回転速度ＮＢよりも大きい場合は式を用いて飽和しないＩｄ＊をもとめるというものである。

しかしながら、特許文献１の従来例のモータ駆動制御装置では、動作時に複雑な計算式を用いてＩｄ＊をもとめるので、計算に時間がかかり、制御演算周期を長くとらなければならず、応答性能の低下をひきおこすという問題があった。
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、弱め界磁制御を迅速に処理でき応答性能がよく動作範囲の大きい電動機制御装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の本発明は、エンコーダで検出した電動機の回転角を電気角に変換する電気角計算部と、前記回転角を回転速度に変換する速度変換部と、トルク指令からｑ軸電流指令を計算するｑ軸電流指令演算部と、前記同期電動機の電流を検出する電流検出部と、前記電流をｄ−ｑ軸電流に変換する３相／２相変換部と、前記ｄ−ｑ軸電流とｄ−ｑ軸電流指令からｄ−ｑ軸電圧指令を計算する電流制御部と、前記ｄ-ｑ軸電圧指令をＵ、Ｖ、Ｗ相電圧指令に変換する２相／３相変換部と、前記Ｕ、Ｖ、Ｗ相電圧指令より電動機に電圧を印加するＰＷＭ電力変換部とを備えた電動機制御装置において、非動作時に無負荷トルクから最大トルクの範囲を自然数ｍ個に分け、それぞれのトルクにおいて回転速度ゼロから最大回転速度までの最適ｄ軸電流指令をあらかじめ計算で求めておき、前記最適ｄ軸電流指令をｎ個の直線で近似した点をメモリテーブルにｄ軸電流指令データとして保存しておき、動作時に回転速度が所定の回転速度を超えると回転速度およびq軸電流指令またはトルク指令から前記ｄ軸電流指令データをもとに内挿した値を新たなｄ軸電流指令とするd軸電流指令演算部を備えることを特徴とするものである。
請求項２記載の本発明は、請求項１記載の電動機制御装置において、前記最適ｄ軸電流指令を事前に実験またはシミュレーションによりもとめ、前記メモリテーブルに保存することを特徴とするものである。
請求項３記載の本発明は、請求項１記載の電動機制御装置において、前記電動機は同期電動機であることを特徴とするものである。
請求項４記載の本発明は、請求項２記載の電動機制御装置において、前記同期電動機は永久磁石型であることを特徴とするものである。

本発明により、弱め界磁制御を迅速に処理でき応答性能がよく動作範囲の大きい電動機制御装置を提供することができる。

本発明を図に基づいて説明する。

図１は本発明の構成を示したもので、１は永久磁石形同期電動機、２はエンコーダ、３は電流制御部、４はPWM電力変換装置、５は電流検出器、６は電気角計算部、７は３相／２相変換器、８は２相／３相変換器、９は速度変換部、１０はｑ軸電流指令演算部、１１はｄ軸電流指令演算部である。つぎに動作について説明する。
図１において、ｑ軸電流指令演算部１０はトルク指令Ｔ＊を入力し、モータ定数などで除算しｑ軸電流指令Ｉｑ＊を出力する。ｑ軸電流指令Ｉｑ＊は電流制御部３の入力となる。電流制御部３はｑ軸電流指令Ｉｑ＊とｄ軸電流指令部の出力Ｉｄ＊を入力とし、それぞれｑ軸電流Ｉｑ、ｄ軸電流Ｉｄと偏差をとり、ＰＩＤ演算をして補償を加えｑ軸電圧指令Ｖｑ＊、ｄ軸電流指令Ｖｑ＊を２相／３相変換器８に出力する。２相／３相変換器８はｄーｑ軸電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を入力とし、電気角計算部６の出力である電気角θｅを使用して３相の電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を生成しＰＷＭ電力変換装置４に出力する。ＰＷＭ電力変換装置４は３相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を入力として電力増幅された電圧を永久磁石形電動機１に印加する。永久磁石形同期電動機に電圧を印加されると３相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗが回転速度やモータ定数に応じて流れる。３相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが流れると電動機は回転トルクを発生し、負荷トルク、慣性モーメント、時間に応じて回転する。エンコーダ２は永久磁石形同期電動機に機械的に結合されており、電動機の回転角θを検出する。エンコーダの出力θは電気角計算部６と速度変換部９の入力になる。電気角計算部６はθに永久磁石形同期電動機の極対数を乗じて電気角θｅを出力し、２相／３相変換器の入力となる。速度変換部はθを入力とし、時間差分をとって速度ωに変換する。３相／２相変換部７は、モータ電気角θ_ｅを使用して、３相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを２相電流Ｉｄ，Ｉｑに変換する。ｄ軸電流指令演算部１１は、トルク指令とモータ速度ωからｄ軸電流指令Ｉｄ^＊を図２のグラフで表したメモリテーブルから周囲の４点を選択して、対応する４個のＩｄ＊を読み出し、読み出した値から内挿により指令すべきＩｄ＊をもとめる。図２のグラフはメモリテーブルの内容をビジュアルに表現したもので横軸が回転速度、縦軸がｄ軸指令電流値である。回転速度は零速度から最大回転速度までをｎ等分しそれぞれの回転速度を０、Ｎ１、Ｎ２、・・・、Ｎｉ、Ｎｉ＋１、・・・、Ｎｎとして与える。またトルク指令は無負荷から最大トルク指令までをｍ等分してそれぞれのトルク指令値を０、Ｔ１、Ｔ２、・・・・、Ｔｊ、Ｔｊ＋１、・・・、Ｔｍとして与える。動作時に回転速度Ｎとトルク指令Ｔ＊が与えられると図２の（Ｎ、Ｔ）の座標を囲む４点をメモリテーブルから読み出す。その４点は回転速度・トルク・ｄ軸電流指令をそれぞれ、（Ｎｉ、Ｔｊ、Ｉｉｊ）、（Ｎｉ＋１、Ｔｊ、Ｉｉ＋１、ｊ）、（Ｎｉ、Ｔｊ＋１、Ｉｉ、ｊ＋１）、（Ｎｉ＋１、ｊ＋１、Ｉｉ＋１、ｊ＋１）として表され、さらに、実際の回転速度、トルク指令（Ｎ，Ｔ）から式（１）を使用して内挿し、最適なｄ軸電流指令を求めることができる。

最適ｄ軸電流指令の近似曲線は実運転前に事前に実験やシミュレーションにより求めることができる。図３は（ａ）でまず実験やシミュレーションにより回転速度、トルク特性をもとめておき、次に（ｂ）でトルクをパラメータとして横軸に回転速度、縦軸に最適ｄ軸電流をとるように読み替えたものである。各回転速度とトルクに対する最適なｄ軸電流指令は近似的にグラフより読み取りメモリテーブルに保存する。

本発明は永久磁石形同期電動機を性能を犠牲にせず、通常制御では電源電圧により制限される回転速度、トルクの動作範囲を拡大しようとしたものである。さらに、小形化や低価格化のために制御装置に用いられるパワーデバイスの電流容量を下げる部として電動機の巻線回数を多くして定格電流を下げる設計が採用されるが、この場合は、逆誘起電圧とリアクタンス電圧降下が大きくなり、その影響で回転速度とトルクの動作範囲が小さくなってしまう。この場合も本発明は動作範囲の仕様を保証する意味でも効果がある。また、本発明は電源電圧は一定としているが電圧が変動する場合も同様の考え方ができる。さらに本発明は永久磁石形同期電動機の例で述べたが、永久磁石形ではない同期電動機や誘導電動機の制御に対しても有効である。

本発明の実施例を示す永久磁石形同期電動制御装置本発明の第１の実施例の演算を解説するためのグラフ本発明の最適ｄ軸電流を実験やシミュレーションにより求める説明図従来技術の制御装置の構成図従来技術のｄ軸電流の計算フローチャート

符号の説明

θ エンコーダによる永久磁石形同期電動機の回転角
θ_e永久磁石形同期電動機の電気角
ω 永久磁石形同期電動機の回転速度
Ｔ^＊トルク指令
Ｉｄ^＊ｄ軸電流指令
Ｉｑ^＊ｑ軸電流指令
Ｉｄｄ軸電流
Ｉｑｑ軸電流
Ｖｄ^＊ｄ軸電圧指令
Ｖｑ^＊ｑ軸電圧指令
Ｖｕ^＊Ｕ相電圧指令
Ｖｖ^＊Ｖ相電圧指令
Ｖｗ^＊Ｗ相電圧指令
ＶｕＵ相印加電圧
ＶｖＶ相印加電圧
ＶｗＷ相印加電圧
１永久磁石形同期電動機
２エンコーダ
３電流制御部
４ＰＷＭ電力変換装置
５電流検出部
６電気角計算部
７３相／２相変換部
８２相／３相変換部
９速度変換部
１０ｑ軸電流指令演算部
１１ｄ軸電流指令演算部

Claims

エンコーダで検出した電動機の回転角を電気角に変換する電気角計算部と、前記回転角を回転速度に変換する速度変換部と、トルク指令からｑ軸電流指令を計算するｑ軸電流指令演算部と、前記同期電動機の電流を検出する電流検出部と、前記電流をｄ−ｑ軸電流に変換する３相／２相変換部と、前記ｄ−ｑ軸電流とｄ−ｑ軸電流指令からｄ−ｑ軸電圧指令を計算する電流制御部と、前記ｄ-ｑ軸電圧指令をＵ、Ｖ、Ｗ相電圧指令に変換する２相／３相変換部と、前記Ｕ、Ｖ、Ｗ相電圧指令より電動機に電圧を印加するＰＷＭ電力変換部とを備えた電動機制御装置において、
非動作時に無負荷トルクから最大トルクの範囲を自然数ｍ個に分け、それぞれのトルクにおいて回転速度ゼロから最大回転速度までの最適ｄ軸電流指令をあらかじめ計算で求めておき、前記最適ｄ軸電流指令をｎ個の直線で近似した点をメモリテーブルにｄ軸電流指令データとして保存しておき、動作時に回転速度が所定の回転速度を超えると回転速度およびq軸電流指令またはトルク指令から前記ｄ軸電流指令データをもとに内挿した値を新たなｄ軸電流指令とするd軸電流指令演算部を備えることを特徴とする電動機制御装置。
前記最適ｄ軸電流指令を事前に実験またはシミュレーションによりもとめ、前記メモリテーブルに保存することを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
前記電動機は同期電動機であることを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
前記同期電動機は永久磁石型であることを特徴とする請求項３記載の電動機制御装置。