JP2006094601A - 誘導電動機のベクトル制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】特別な装置を付加することなく、ソフトウェア上の処理の追加にて相互インダクタンスの設定値を実際値にあわせるよう補正することができる誘導電動機のベクトル制御装置を提供することを目的とする。
【解決手段】この発明に係る誘導電動機のベクトル制御装置１は、誘導電動機１５の一次電流の実測値を用いて計算したトルク演算値とトルク指令発生部で生成された誘導電動機１５に対するトルク指令値との誤差に基づいて、誘導電動機１５の相互インダクタンスの補正値を求める相互インダクタンス補正部３と、相互インダクタンスの補正値を含む誘導電動機１５の回路定数を用いて、誘導電動機１５の発生トルクがトルク指令値と一致するように誘導電動機を制御するベクトル制御部２とを備えたものである。
【選択図】図１

Description

この発明は誘導電動機のベクトル制御装置に関し、特に相互インダクタンスの初期設定値と実際値との誤差を補正するものである。

一般にベクトル制御とは、交流電動機の電流を磁界（磁束）方向および磁界と直交するトルク方向に分離することにより、磁束分電流とトルク分電流を独立して制御することができ、発生トルクを直流電動機と同様に瞬時制御することができるものである（例えば、非特許文献１参照）。

従来の誘導電動機のベクトル制御装置では、誘導電動機の回路定数を使用して誘導電動機に印加する電圧振幅、周波数、位相を演算している。この際、誘導電動機のベクトル制御装置に設定された回路定数と、実際の誘導電動機の回路定数の間に誤差が存在すると、ベクトル制御状態が維持できなくなり、システム側からのトルク指令値と実際の誘導電動機の発生トルクが一致しなくなる。また、トルク指令値の過渡変化時においては、誘導電動機の発生トルクがオーバーシュートするなど反応が振動的になり、トルク制御性能が悪化する。

ここで、誘導電動機の回路定数のうち２次抵抗設定値について、２次回路（回転子）は一般的に銅合金で作成されている。そのため、誘導電動機の運転状態や周囲温度変化に伴う温度変化によって、実際の抵抗値は変化することとなり、誘導電動機のベクトル制御装置に設定された２次抵抗設定値との間に誤差を生じ、トルク制御性能に影響を与える。このため、設定値と実際値との誤差を補正する構成が多く採用されている（例えば、特許文献１参照）。

また、誘導電動機定数の一つである相互インダクタンスについては、温度による値の変化は少ないものの、設定値と実際値の誤差は、誘導電動機の定常トルク特性に影響を与える。設定値が実際値より大きい方向に誤差を含む場合、誘導電動機の発生する発生トルクはトルク指令値より小さくなり、設定値が実際値より小さい方向に誤差を含む場合、誘導電動機の発生する発生トルクはトルク指令値より大きくなる。

例えば、電鉄車両用のベクトル制御装置では、このようにトルク誤差があると、車両の加速度、減速度が運転者の意図どおりにならないなどの問題が生じる。このようにトルク制御性能に影響を及ぼすものであるので、設定値と実際値は極力一致させておく必要がある。
そこで、誘導電動機を無負荷運転し１次電流から相互インダクタンスを実測できる場合は、実測値を設定値として設定すればよい。
しかしながら、装置組み込み用途で無負荷状態を作れない誘導電動機や車両搭載用等の大型の誘導電動機では実測も容易ではない。このため、このような場合には相互インダクタンスの設定値としては設計計算値が採用されるため、実際の相互インダクタンス値との間に誤差が存在することになる。この誤差分により、トルク出力が、トルク指令値と一致しないで誤差が発生する。
また、相互インダクタンス設定値の補正については、あまり考慮されていない。

中野孝良著「交流モータのベクトル制御」日刊工業新聞社、１９９６年３月２９日 特開平６−３８５７４号公報

従来の誘導電動機のベクトル制御装置では、相互インダクタンス設定値と実際値との間に誤差が存在する場合、誘導電動機の発生トルクがトルク指令値に一致しないという問題点があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、特別な装置を付加することなく、ソフトウェア上の処理の追加にて相互インダクタンスの設定値を実際値にあわせるよう補正することができる誘導電動機のベクトル制御装置を提供することである。

この発明に係る誘導電動機のベクトル制御装置は、誘導電動機の一次電流の実測値を用いて計算したトルク演算値とトルク指令発生部で生成された誘導電動機に対するトルク指令値との誤差に基づいて、誘導電動機の相互インダクタンスの補正値を求める相互インダクタンス補正部と、相互インダクタンスの補正値を含む誘導電動機の回路定数を用いて、誘導電動機の発生トルクがトルク指令値と一致するように誘導電動機を制御するベクトル制御部とを備えたものである。

この誘導電動機のベクトル制御装置によれば、相互インダクタンス補正部の出力結果により、相互インダクタンス初期設定値を補正し、新しい相互インダクタンス設定値を求めることにより、誘導電動機の実際の発生トルクを、トルク指令値に一致させることができる。

実施の形態１．
以下、図面を参照しながら、この発明の実施の形態１に係る誘導電動機のベクトル制御装置について詳細に説明する。
なお、本発明は２次抵抗値の補正と同時に行う必要があるが、２次抵抗値の補正は公知のものとして説明および図示は省略し、ここでは、相互インダクタンスの補正のみについて説明する。
図１はこの発明の実施の形態１に係る誘導電動機のベクトル制御装置を周辺機器構成とともに示すブロック図である。なお、この発明に係る相互インダクタンス補正部は、一般的なベクトル制御系に適用できる。ここでは、一般的なベクトル制御系の例として、電鉄車両用ベクトル制御装置を示す。
図２はこの発明の実施の形態１に係るベクトル制御装置が制御する、誘導電動機の等価回路（Ｔ型、１相分）を示す回路図である。

図１および図２において、誘導電動機のベクトル制御装置（以下「ベクトル制御装置」と略称する）１は、誘導電動機１５をベクトル制御するベクトル制御部２と、誘導電動機１５の回路定数を用いて、誘導電動機１５の相互インダクタンスの補正値を求める相互インダクタンス補正部３とを備えている。また、ベクトル制御部２は２次磁束指令発生部４と、ｑ軸電流指令発生部５と、ｄ軸電流指令発生部６と、すべり角周波数指令発生部７と、電圧フィードフォワード演算部８と、ｑ軸電流制御器９と、積分器１０と、ｄｑ軸・三相座標変換部１１と、三相・ｄｑ軸座標変換部１２とを備えている。

ベクトル制御部２には、誘導電動機１５の回路定数に基づいた設定値として、相互インダクタンスの初期設定値Ｍ０＊と、１次もれインダクタンス設定値ｌ１＊と、２次もれインダクタンス設定値ｌ２＊と、１次抵抗設定値Ｒ１＊と、２次抵抗設定値Ｒ２＊が与えられる。

また、ベクトル制御装置１の上位システムであるトルク指令発生部１３より、トルク指令値Ｔｍ＊がベクトル制御部２および相互インダクタンス補正部３に入力される。
そして、ベクトル制御部２から出力された三相の出力電力指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊がＰＷＭインバータ１４に入力されて、ＰＷＭインバータ１４からの出力が誘導電動機１５に入力される。

運転台に設置される、電車の加速、減速を設定する主幹制御器の設定値（図示せず）は、トルク指令発生部１３へ入力され、発生したトルク指令値Ｔｍ＊がベクトル制御装置１に入力される。２次磁束指令発生部４では、トルク指令発生部１３より入力されたトルク指令値Ｔｍ＊と、ＰＷＭインバータ１４の出力角周波数ω（後述する）と、直流電源１８からＰＷＭインバータ１４に入力される電圧値とから演算された、誘導電動機１５に与える２次磁束指令Φ２＊が出力される。ｄ軸電流指令発生部６、ｑ軸電流指令発生部５では、トルク指令値Ｔｍ＊と２次磁束指令Φ２＊から、次式（１）および（２）にてｄ軸（励磁分）電流指令Ｉ１ｄ＊、ｑ軸（トルク分）電流指令Ｉ１ｑ＊を演算する。

Ｉ１ｄ＊＝Φ２＊／Ｍ＊＋Ｌ２＊／（Ｍ＊Φ２）＊×ｓΦ２＊・・・（１）
Ｉ１ｑ＊＝Ｔｍ＊／Φ２＊／ＰＰ×Ｌ２＊／Ｍ＊・・・（２）
ただし、式（１）および式（２）において、Ｍ＊（後述する）は相互インダクタンスの初期設定値Ｍ０＊を補正して得られた補正値、Ｌ２＊＝Ｍ＊＋ｌ２＊、ｓは微分演算子、ＰＰは誘導電動機１５の極対数を示す。

すべり角周波数指令発生部７では、ｄ軸電流指令Ｉ１ｄ＊、ｑ軸電流指令Ｉ１ｑ＊と誘導電動機１５の回路定数から、次式（３）より、誘導電動機１５に与えるすべり角周波数指令ωｓ＊を演算する。

ωｓ＊＝Ｉ１ｑ＊／Ｉ１ｄ＊×Ｒ２＊／Ｌ２＊・・・（３）

この式（３）より算出したすべり角周波数指令ωｓ＊に、誘導電動機１５の軸端に取り付けた、速度センサ１６の出力である電動機回転角周波数ωｒを加えたＰＷＭインバータ１４の出力角周波数ω（ω＝ωｒ＋ωｓ＊）を積分器１０で積分したものを座標変換の位相角θとしてｄｑ軸・三相座標変換部１１および三相・ｄｑ軸座標変換部１２に入力する。

電圧フィードフォワード演算部８では、ｄ軸電流指令Ｉ１ｄ＊、ｑ軸電流指令Ｉ１ｑ＊と誘導電動機１５の回路定数から次式（４）および（５）にて誘導電動機１５に与える電圧Ｅ１ｄ＊、Ｅ１ｑ＊を演算する。

Ｅ１ｄ＊＝（ｓＬ１＊×σ＋Ｒ１＊）×Ｉ１ｄ＊−ω×Ｌ１＊×σ×Ｉ１ｑ＊＋Ｍ＊／Ｌ２＊×ｓΦ２＊・・・（４）
Ｅ１ｑ＊＝（ｓＬ１＊×σ＋Ｒ１＊）×Ｉ１ｑ＊＋ω×Ｌ１＊×σ×Ｉ１ｄ＊＋ω×Ｍ＊／Ｌ２＊×Φ２＊・・・（５）
ただし、式（４）および式（５）において、σはσ＝１−Ｍ＊／Ｌ１＊／Ｌ２＊で定義される漏れ係数である。また、Ｌ１＊＝Ｍ＊＋ｌ１＊である。

ｑ軸電流制御器９では次式（６）のとおり、ｑ軸電流指令Ｉ１ｑ＊とｑ軸電流検出値Ｉ１ｑの偏差をとり、偏差を比例積分制御器にて増幅してｑ軸電流誤差ΔＩ１ｑとして出力する。

ΔＩ１ｑ＝（Ｋ１＋Ｋ２／ｓ）×（Ｉ１ｑ＊−Ｉ１ｑ）・・・（６）
ただし、式（６）において、Ｋ１は比例ゲイン、Ｋ２は積分ゲインを示す。

ここで、ｑ軸電流検出値Ｉ１ｑは、ＰＷＭインバータ１４の出力を、電流センサ１７で検出した検出電流ＩＵ、ＩＶ、ＩＷを次式（７）で表現される座標変換部にてｄｑ軸上電流に変換した値である。

次式（８）および（９）のとおり、ｄ軸については電圧フィードフォワード演算部８の出力を、ｑ軸については電圧フィードフォワード演算部８の出力にｑ軸電流誤差ΔＩ１ｑを加算した値をｄｑ軸の出力電力指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊として出力する。

Ｖｄ＊＝Ｅ１ｄ＊・・・（８）
Ｖｑ＊＝Ｅ１ｑ＊＋ΔＩ１ｑ・・・（９）

図３はこの発明の実施の形態１に係るベクトル制御装置の相互インダクタンス補正部３の構成を示す図である。相互インダクタンスの初期設定値と実際値との誤差は、相互インダクタンスを含む式（１）から式（５）の誤差となり、発生トルクの誤差となって現れるため、トルク演算値ＴＢＴとトルク指令値Ｔｍ＊との誤差を用いて、相互インダクタンスの補正をおこなう。

相互インダクタンス補正部３には、誘導電動機１５の回路定数に基づいた設定値として、相互インダクタンスの初期設定値Ｍ０＊と、１次抵抗設定値Ｒ１＊が与えられる。
また、相互インダクタンス補正部３には、ベクトル制御部２に設定された誘導電動機１５の回路定数から求めたｄｑ軸の出力電力指令Ｖｑ＊、Ｖｄ＊と、同じくベクトル制御部２に設定された誘導電動機１５の回路定数から求めたすべり角周波数指令ωｓ＊に、誘導電動機１５から検出した電動機回転角周波数ωｒを加えたＰＷＭインバータ１４の出力角周波数ωと、誘導電動機１５に備えられた電流センサ１７で検出した検出電流ＩＵ、ＩＶ、ＩＷを変換して得られたｄｑ軸上電流Ｉ１ｑ、Ｉ１ｄと、トルク指令発生部１３よりベクトル制御部２に入力されるトルク指令値Ｔｍ＊とが入力される。

相互インダクタンス補正部３では、次式（１０）にてトルク演算値ＴＢＴを演算する。トルク演算値ＴＢＴの算出について、式（１０）は相互インダクタンスを式中に含まないよう変形されており、相互インダクタンスの初期設定値Ｍ０＊、実際値Ｍに差異があった場合でも、それに影響を受けることなく式（１０）でトルク演算値ＴＢＴを計算できる。

ＴＢＴ＝（Ｖｑ＊−Ｉ１ｑ×Ｒ１＊）／ω×Ｉ１ｑ＋（Ｖｄ＊−Ｉ１ｄ×Ｒ１＊）／ω×Ｉ１ｄ・・・（１０）

ここで、トルク演算値ＴＢＴとトルク指令値Ｔｍ＊の誤差を比例積分制御器（ＰＩ）１９に通し、次式（１１）により演算する。続いて、演算結果をΔＴｍを相互インダクタンスの初期設定値Ｍ０＊と足し合わせることにより、相互インダクタンスの補正値Ｍ＊が得られ、補正値Ｍ＊はベクトル制御部２に入力される。

ΔＴｍ＝（Ｋ３＋Ｋ４／ｓ）×（ＴＢＴ−Ｔｍ＊）・・・（１１）
ただし、式（１１）において、Ｋ３は比例ゲイン、Ｋ４は積分ゲインを示す。

相互インダクタンスの補正値Ｍ＊の補正則は、トルク演算値ＴＢＴ＞トルク指令値Ｔｍ＊のとき、相互インダクタンスの初期設定値Ｍ０＊より大きくなるように補正して補正値Ｍ＊を得て、逆にトルク演算値ＴＢＴ＜トルク指令値Ｔｍ＊のとき、相互インダクタンスの初期設定値Ｍ０＊より小さくなるように補正して補正値Ｍ＊を得るものである。

なお、トルク演算値ＴＢＴは、トルクの微少な変動や外乱を演算結果に含まないように、フィルタ２０で平均化処理したものを使用する。

また、式（４）および式（５）に示されるように、誘導電動機１５の回転速度が低速の場合には、ωが含まれる項が小さくなるので、相対的に（ｓＬ１＊×σ＋Ｒ１＊）の項が大きくなる。ここで、誘導電動機１５の一次抵抗は、上述の二次抵抗と同様に運転状態に伴う温度変化によって変化する。このため、式（４）および式（５）で計算したＥ１ｄとＥ１ｑを用いて式（１０）で演算するトルク演算値ＴＢＴにおいて、一次抵抗設定値Ｒ１＊と実際値の間の誤差により、式（１０）では正確なトルクが計算できなくなる。このことは、特に誘導電動機１５の回転速度が低い場合に顕著になる。

このため、誘導電動機１５の回転速度がある程度の速度に上昇し、１次抵抗設定値Ｒ１＊と実際値の誤差が無視できる領域にてこの発明の相互インダクタンスの初期設定値Ｍ０＊を補正して、補正値Ｍ＊を求めるのが好ましい。

図４は、この発明の実施の形態１に係るベクトル制御装置において、トルク指令値Ｔｍ＊に対する発生トルクＴｍの応答シミュレーションを行った波形例である。ここで、発生トルクＴｍは、誘導電動機の回路定数、端子電圧、電流を使用して演算したもので、シミュレーションモデル中の誘導電動機が発生しているトルクのことである。
相互インダクタンスの初期設定値Ｍ０＊は、実際値Ｍの０．５倍としている。時間１．５ｓにおいて、トルク指令値Ｔｍ＊は０［Ｎ・ｍ］から１０００［Ｎ・ｍ］へステップ変化させている。
これは、誘導電動機１５のトルクを、ゼロの状態から定格の１００％までステップ状に立ち上げることに相当する。
図４（ａ）がこの発明の実施の形態１に係るベクトル制御装置１を用いた場合の応答波形である。図４（ｂ）が従来方式の応答波形である。時間４ｓ〜５ｓ付近の定常状態におけるトルク指令値Ｔｍ＊の誤差は、この発明の実施の形態１によれば、図４（ａ）のように小さくなっている。

このように、この発明の実施の形態１に係るベクトル制御装置１においては、トルク指令値Ｔｍ＊と発生トルクＴｍとの誤差に基づいて補正値Ｍ＊を生成することにより、トルク指令値と実際の誘導電動機１５の発生トルクを一致させることができ、精度の良い制御をすることができる。

上記説明では、この発明の用途として電鉄車両のベクトル制御装置の場合を例に説明したが、その他の産業応用用途のベクトル制御装置にも利用できる。また、図１では制御電圧源形ベクトル制御装置の形態としているが、制御電流源形のベクトル制御装置でも同様に適用できる。図１では速度センサ１６を用いて誘導電動機１５の速度を検出しているが、速度を演算推定するなどして検出する速度センサレスベクトル制御装置にも適用できる。

この発明の実施の形態１に係るベクトル制御装置の一例を周辺機器構成とともに示すブロック図である。 この発明の実施の形態１に係るベクトル制御装置が制御する、誘導電動機の等価回路を示す回路図である。 この発明の実施の形態１に係るベクトル制御装置の相互インダクタンス補正部の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るベクトル制御装置において、トルク指令値Ｔｍ＊に対する発生トルクＴｍの応答シミュレーションを行った波形例である。

符号の説明

１ 誘導電動機のベクトル制御装置、２ ベクトル制御部、３ 相互インダクタンス補正部、１３ トルク指令発生部、１５ 誘導電動機、Ｍ０＊ （相互インダクタンスの）初期設定値、Ｍ （相互インダクタンスの）実際値、Ｍ＊ （相互インダクタンスの）補正値、ｌ１＊ １次もれインダクタンス設定値、ｌ２＊ ２次もれインダクタンス設定値、Ｒ１＊ １次抵抗設定値、Ｒ２ ２次抵抗設定値、Ｖｑ＊、Ｖｄ＊ （ｄｑ軸の）出力電力指令、ωｓ＊ すべり角周波数指令、ωｒ 電動機回転角周波数、ω 出力角周波数、Ｉ１ｑ、Ｉ１ｄ ｄｑ軸上電流、Ｔｍ＊ トルク指令値。

Claims (3)

1. 誘導電動機の一次電流の実測値を用いて計算したトルク演算値とトルク指令発生部で生成された前記誘導電動機に対するトルク指令値との誤差に基づいて、前記誘導電動機の相互インダクタンスの補正値を求める相互インダクタンス補正部と、
   前記相互インダクタンスの補正値を含む前記誘導電動機の回路定数を用いて、前記誘導電動機の発生トルクが前記トルク指令値と一致するように前記誘導電動機を制御するベクトル制御部と
   を備えたことを特徴とする誘導電動機のベクトル制御装置。
2. 前記ベクトル制御部に設定される前記回路定数は、１次抵抗設定値を含み、
   前記ベクトル制御部は、前記回路定数から電圧指令値およびすべり角周波数指令値を求め、
   前記相互インダクタンス補正部は、前記電圧指令値と、前記すべり角周波数指令値に前記誘導電動機の電動機回転角周波数の実測値を加えたインバータの出力角周波数と、前記１次抵抗設定値と、前記一次電流の実測値と、前記トルク指令値とを用いて演算した補正値に基づいて、前記相互インダクタンスの初期設定値を補正することにより、前記相互インダクタンスの補正値を生成すること
   を特徴とする請求項１に記載の誘導電動機のベクトル制御装置。
3. 前記回路定数は、２次抵抗設定値を含み、
   ２次抵抗設定値を補正する２次抵抗補正部を更に備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の誘導電動機のベクトル制御装置。

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