JP2006158000A - 同期モータの制御方法および制御装置 - Google Patents

同期モータの制御方法および制御装置 Download PDF

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Abstract


【課題】 高速回転時に高トルクを得ることができるとともに、効率化を図ることができる同期モータの制御方法を提供することである。
【解決手段】 同期モータ21に端子間電圧Vが、予め定められる最大許容電圧Vmaxに達した場合には、トルク指令値に応じてq軸電流指令値Iqcを決定するとともに、同期モータ21の回転速度ωと前記トルク指令値とに基づいて、d軸電流指令値Idcを決定する。これによって同期モータの界磁φaを等価的に弱めることができ、同期モータ21の出力トルクの低下を抑えることができる。さらにd軸電流指令値Idcは、トルク指令値と回転速度ωとに基づいて決定されるので、高いトルクを必要としない場合には、d軸電流指令値Idcを小さくすることができ、d軸電流指令値Idcの不所望な増加を防ぐことができる。これによって同期モータ21の効率化を図り、発熱を抑えるとともに力率を改善することができる。
【選択図】 図3

Description

本発明は、同期モータの制御方法および制御装置に関する。
同期モータは、回転子の回転速度が増加するにつれて、速度起電力である誘起電圧が増加する。この誘起電圧は、インバータ回路から発生するインバータ電圧と極性が反対である。したがって誘起電圧の増加に起因して、同期モータから出力可能なトルクが低下する。さらにモータ端子間電圧が瞬時電圧降下すると、出力可能なトルクがさらに低下する。
したがって高速回転時に高いトルクが必要となる場合、低速回転用同期モータとは異なる、高速回転用同期モータを採用しなければならない。高速回転用同期モータは、許容最大電流および許容最大電圧が大きく構成されており、大形化を余儀なくされるとともに、生産コストが高くなってしまう。
近年では、省スペース化およびコストダウンの要求の高まりにつれて、低速回転用同期モータを用いて、高速回転時に高いトルクを発生できるように図られつつある。また小形化および効率化の観点から、モータ使用時における発熱および力率改善を抑制することが望まれている。たとえば同期モータの速度−トルク特性を改善する同期モータの制御方法が、以下の従来技術に開示されている。
第1の従来技術では、高速回転時に所定のd軸電流が流れるようにする(特許文献1参照)。この技術では、回転速度に所定定数を乗算した値に応じてd軸電流を大きくする。第2の従来技術では、高速回転時にのみにd軸電流を流し、d軸電流を回転子の速度に応じて増加させる(特許文献2参照)。この技術では、電圧飽和が発生する速度の近傍の第1設定速度からd軸電流を流し、回転速度における一次の増加関数に従ってd軸電流を増加させ、第2設定速度に達するとd軸電流を一定値に固定する。第1および第2従来技術では、回転速度に基づいて、d軸電流を大きくすることによって、回転速度の増加によって大きくなる誘起電圧に起因する出力トルク低下を抑える。
特開平11−18498号公報 特開平9−84400号公報
上述した各従来技術では、回転速度に基づいてd軸電流を流すのみであるので、必要とするトルクが小さい場合であっても、回転速度に応じたd軸電流を流してしまう。したがって従来技術では、必要とするトルクにかかわらずに、d軸電流を流してしまい、不必要な電流が流れる可能性が大きい。このために効率化が妨げられてしまい、モータの発熱量が大きくなるとともに、力率が悪化してしまう。
したがって本発明の目的は、高速回転時に高トルクを得ることができるとともに、効率化を図ることができる同期モータの制御方法および制御装置を提供することである。
本発明は、同期モータを流れる電流をdq軸変換した値に基づいて、同期モータに流すべき電流を決定して同期モータを制御する同期モータの制御方法であって、
同期モータの端子間電圧が、予め定められる最大許容電圧に達するまでは、同期モータの出力トルクを示すトルク指令値に応じて、同期モータのq軸電流を示すq軸電流指令値を決定し、同期モータのd軸電流を示すd軸電流指令値をゼロとし、
同期モータの端子間電圧が、予め定められる最大許容電圧に達した場合には、トルク指令値に応じてq軸電流指令値を決定するとともに、同期モータの回転速度と前記トルク指令値とに基づいて、d軸電流指令値を決定することを特徴とする同期モータの制御方法である。
また本発明は、予め定められる最大許容電圧に達するときに最大トルクで回転可能な同期モータの回転速度となる規定回転速度をωm1とし、同期モータの回転速度をωとし、K1を予め定められる定数または変数とし、トルク指令値に応じて決定されるq軸電流指令値をIqcとし、d軸電流指令値をIdcとすると、
Idc=Iqc・tan[K1・(ω−ωm1)] …(1)
同期モータの端子間電圧が、予め定められる最大許容電圧Vに達した場合には、(1)式を満たすように、d軸電流指令値を決定することを特徴とする。前記規定回転速度は、モータの特性によって決定される速度であり、同期モータ毎に予め規定される。本発明として正確な規定回転速度を得ることができない場合には、規定回転速度に近い値を(1)式におけるωm1として選択するようにしてもよい。
また本発明は、前記決定したd軸電流指令値が、同期モータの界磁を弱めることが限界となる弱め界磁限度電流値を超える場合、前記弱め界磁限度電流値となるようにd軸電流指令値を決定し直すことを特徴とする。
また本発明は、前記決定した各軸電流指令値では同期モータに流れる電流が、予め定められる最大許容電流を超える場合、
同期モータに流れる電流が最大許容電流以下となるように、q軸電流指令値とd軸電流指令値とを決定し直すことを特徴とする。
また本発明は、決定した各軸電流指令値では同期モータに流れる電流が、予め定められる最大許容電流を超える場合、
トルク指令値に応じて決定したq軸電流指令値を変化させずに、同期モータに流す電流が最大許容電流以下となるようにd軸電流指令値を小さく決定し直し、
同期モータの端子間電圧のうちのq軸成分を示すq軸調整電圧指令値を、q軸電流指令値から決定されるq軸電圧指令値から、回転速度に応じて設定される補償電圧値を減算して決定することを特徴とする。
また本発明は、q軸電流指令値をIqcとし、同期モータに流れるd軸電流をIdとし、同期モータの回転速度をωとし、K2およびK3を予め定められる定数または変数とし、前記補償電圧をVqeとすると、
Vqe=K2・ω・Iqc+K3・ω・Id …(2)
(2)式を満たすように、前記補償電圧を決定することを特徴とする。
また本発明は、同期モータを流れる電流をdq軸変換した値に基づいて、同期モータに流すべき電流を決定して同期モータを制御する同期モータの制御装置であって、
同期モータの回転速度を取得する速度取得手段と、
所望とする回転速度となるように、同期モータに流すべき電流を示す各軸電流指令値を決定する演算手段とを有し、
速度取得手段によって取得した回転速度が、同期モータの端子間電圧が予め定められる最大許容電圧に達するときに最大トルクで回転可能な同期モータの回転速度となる規定回転速度以下であれば、同期モータの出力トルクを示すトルク指令値に応じて、同期モータのq軸電流を示すq軸電流指令値を決定し、同期モータのd軸電流を示すd軸電流指令値をゼロとし、
速度取得手段によって取得した回転速度が、前記規定回転速度を超えた場合には、トルク指令に応じてq軸電流指令値を決定するとともに、同期モータの回転速度と前記トルク指令値とに基づいて、d軸電流指令値を決定することを特徴とする同期モータの制御装置である。
請求項1記載の本発明によれば、同期モータは、回転速度が高くなるにつれて回転に抗する力となる誘起電圧が大きくなる。したがって回転速度が高くなるにつれて必要なトルクを得るために同期モータに与える電圧が大きくなる。
同期モータの端子間電圧が最大許容電圧に達するまでは、トルク指令値に応じてq軸電流指令値を決定する。同期モータの端子間電圧が最大許容電圧に達した場合には、トルク指令値に応じてq軸電流指令値を決定するとともに、同期モータの回転速度とトルク指令値とに基づいて、同期モータに流すd軸電流指令値を決定する。このように決定したd軸電流指令値を同期モータに流すことによって、同期モータの界磁を等価的に弱めることができ、端子間電圧を増加させることなく、同期モータの出力トルクの低下を抑えることができる。これによって端子間電圧が最大許容電圧を超えることを防ぎ、高速回転時に出力可能なトルクを大きくすることができる。また最大回転速度を高くすることができる。
またd軸電流指令値は、トルク指令値と回転速度とに基づいて決定される。これによって高速回転時においても高いトルクを必要としない場合には、d軸電流指令値を小さくすることができ、d軸電流指令値の不所望な増加を防ぐことができる。これによって効率化を図ることができ、同期モータの発熱を抑えるとともに力率を改善することができる。
請求項2記載の本発明によれば、(1)式を満たすようにd軸電流指令値を決定することによって、回転速度が低い場合にはd軸電流指令値を小さくすることができ、回転速度が高い場合にはd軸電流指令値を大きくすることができる。このように回転速度が低いときと高いときとで、d軸電流指令値の変化率を異ならせることができ、界磁を弱めるのに効果的にd軸電流を流すことができる。またトルク指令値に応じてq軸電流指令値を決定することによって、必要なトルクが低い場合には、d軸電流指令値も小さくすることができ、不所望にd軸電流指令値が流れることを防ぐことができ、効率化を図ることができる。なお、規定回転速度は、予め定められる最大許容電圧に達するときに最大トルクで回転可能な同期モータの回転速度の近傍の速度であってもよい。なお、前記規定回転速度は、モータの特性によって決定される速度であり、同期モータ毎に予め規定される。本発明として正確な規定回転速度を得ることができない場合には、規定回転速度に近い値を(1)式におけるωm1として選択するようにしてもよい。
請求項3記載の本発明によれば、同期モータの回転速度とトルク指令値とに基づいて、決定したd軸電流指令値が、弱め界磁限度電流を超える場合、d軸電流指令値を弱め界磁限度電流となるようにする。これによって弱め界磁限度電流を超えてd軸電流指令値が流れることを防いで、同期モータの界磁を弱めるのに効果的な電流を流すことができる。したがって弱め界磁限度電流を超えるような、不要なd軸電流がモータに流れることを防ぎ、これによって同期モータの発熱をさらに抑えることができる。
請求項4記載の本発明によれば、同期モータに流す電流が最大許容電流を超えないように、q軸電流指令値およびd軸電流指令値とを決定する。これによってモータに流れる電流が最大許容電流を超えて、モータが絶縁破壊をおこして焼損するおそれを防ぐことができる。たとえばトルク指令に応じて決定したq軸電流指令値と、同期モータの回転速度と前記トルク指令値とに基づいて決定したd軸電流指令値との成分比を保った状態で、それらの電流指令値が小さくなるようにして各軸電流指令値を決定することで、モータの制御を容易にすることができ、意図した制御を行うことができる。
請求項5記載の本発明によれば、q軸電圧指令値を回転速度に応じて変化させることによって、トルク指令値から各軸電流指令値を求めるためのパラメータ、たとえば誘起電圧、温度によって変化するモータの抵抗およびリアクタンスなどのパラメータが正確でなくても、同期モータの端子間電圧を許容最大電圧以下にすることができる。また同期モータを流れる電流が許容電流を超えることを等価的に防ぐことができる。またq軸電圧指令値を、回転速度に応じて変化させることによって、回転速度に応じて変化する誘起電圧の補償を行うことができ、同期モータに与えられる電圧および電流が、許容最大電圧および許容最大電流を超えることを防ぐことができる。
請求項6記載の本発明によれば、補償電圧を(2)式によって決定する。補償電圧を、q軸指令電流値に比例させて決定することによって、q軸電流指令値を回転速度に応じて減少させなくても、モータの端子間電圧が許容最大電圧を超えることを防ぐことができる。また補償電圧を、d軸電流に比例させて決定することによって、d軸電流が増加しないことに起因する、弱め界磁の効果の減少を考慮することができ、モータの端子間電圧が許容最大電圧を超えることを防ぐことができる。このようにq軸電圧指令を減少させることによって、モータの端子間電圧が許容最大電圧以下となるようにすることができ、等価的にモータに流れる電流が許容最大電流以下となるようにすることができる。
請求項7記載の本発明によれば、演算手段は、速度取得手段によって取得された回転速度に基づいて、各軸電流指令値を決定する。モータの回転速度が規定回転速度以下であれば、トルク指令値に応じてq軸電流指令値を決定し、d軸電流指令値をゼロとする。また、回転速度が規定回転速度を超えていると、トルク指令値に応じてq軸電流指令値を決定するとともに、同期モータの回転速度とトルク指令値とに基づいて、d軸電流指令値を決定する。d軸電流指令値を流すことによって、同期モータの界磁を弱めることができ、同期モータの出力トルクの低下を抑えることができる。すなわち同期モータを高速回転させる場合においても、出力可能なトルクを可能な限り大きくすることができる。
またd軸電流指令値は、トルク指令値に基づいて決定される。これによってモータを高速回転させる場合のうちで高いトルクを必要としない場合には、d軸電流指令値を小さくすることができ、d軸電流指令値の不所望な増加を防ぐことができる。これによって効率化を図ることができ、同期モータの発熱を抑えるとともに力率を改善することができる。なお、規定回転速度は、モータの特性によって決定される速度であり、同期モータ毎に予め規定される。本発明として正確な規定回転速度を得ることができない場合には、規定回転速度に近い値を規定回転速度として選択するようにしてもよい。
図1は、本発明の実施の第1形態である同期モータ制御システム20を示すブロック図である。同期モータ制御システム20は、同期モータ21と、PWMインバータ回路22と、直流電源23と、制御装置24とを含む。同期モータ21は、3相同期モータであり、たとえば円筒形ブラシレスDCモータが用いられる。
インバータ回路22は、直流電源23から与えられる直流電力を、3相の交流電力に変換して同期モータ21に与え、交流電流を同期モータ21の各相にそれぞれ流すための複数のスイッチング素子が設けられる。インバータ回路22は、3つの出力端子29を有し、それらが接続経路27を介して、同期モータ21の各相に連結される3つの端子26にそれぞれ接続される。
制御装置24は、ゲート信号を各スイッチング素子に与えることによって、インバータ回路22から120度づつ位相がずれた正弦波形の交流電流をそれぞれの接続経路27に流すことができる。同期モータ21は、接続経路27を介して各相に交流電流が流れることによって、その回転子が回転する。制御装置24は、インバータ回路22に与えるゲート信号を調整することで同期モータ21の回転子の回転速度および出力トルクを調整することができる。
同期モータ制御システム20は、3つの接続経路27のうち2つの接続経路27を流れる電流を検出する電流検出手段28を有する。電流検出手段28は、検出した電流を制御装置24に与える。また同期モータ21は、回転子の回転角度位置を検出する位置検出手段25を有する。位置検出手段25は、検出した角度位置を制御装置24に与える。
図2は、制御装置24における制御ループの概略を示すブロック線図である。制御装置24は、位置検出手段25から位置検出値が与えられる。また制御装置24は、電流検出手段28から電流検出値が与えられる。制御装置24は、予め記憶するプログラムを実行することによって、以下の制御ループを実現することができる。また電気回路などのハードウェア構成によって以下の制御ループを実現してもよい。
制御装置24は、予め定められる位置指令値から位置検出値を減じて位置偏差を求め、その位置偏差に対して、位置制御部30で位置ゲインを乗じて位置ループ制御を行い、速度指令値を演算する。制御装置24は、位置検出値を微分して速度検出値を演算する。そして制御装置24は、位置制御部30で求めた速度指令値から速度検出値を減じて速度偏差を演算する。
次に制御装置24は、演算した速度偏差に対して、速度制御部31で、比例・積分制御などの速度ループ制御を行い、トルク指令値を演算する。トルク指令値は、所望のトルクを出力するに必要な電流値に換算されている。制御装置24は、トルク指令値と速度検出値とに基づいて、電流指令値作成部32で電流指令値を演算する。
次に制御装置24は、電流指令値から電流検出値を減じて、電流制御部33で電流ループ制御を行い、各相の電圧指令値を求める。この電圧指令値をインバータ回路22に適したゲート信号に変換して、インバータ回路22に与え、インバータ回路22を用いて同期モータ21を制御する。
本実施の形態では、同期モータ21の各相に流れる3つの電流を三相/直交変換、いわゆるdq軸変換する。そしてモータに流れる電流のうちで、トルク成分となるq軸電流、励磁成分となるd軸電流の2相の直流座標系に変換してから制御量を決定し、決定した制御量を直交/三相変換、いわゆる逆dq軸変換して、三相成分の電圧指令値にする。この三相の各電圧指令に基づいて、同期モータを制御する。
図3は、電流指令値作成部32と電流制御部33との詳細を示すブロック線図である。制御装置24は、同期モータ21に設定される3つの相、いわゆるu相、v相、w相に流れる各電流のうち2つが電流検出値Iu,Ivとして与えられる。制御装置24は、dq軸変換部34によって、与えられる電流検出値Iu,Ivと電気角とに基づいて、同期モータ21のトルク成分電流値であるq軸電流検出値Iqと、励磁成分電流値であるd軸電流検出値Idとに変換する。
また電流指令値作成部32が、トルク指令値と速度検出値とに基づいて、モータ21に与えるべき電流のうちのトルク成分電流値となるq軸電流指令値Iqcと、励磁成分電流値となるd軸電流指令値Idcとを決定する。そして制御装置24は、各軸電流指令値Iqc,Idcから、各軸電流検出値Iq,Idを減じて、電流偏差Iqe,Ideをそれぞれ演算する。
制御装置24は、電流制御部33で、各軸の電流偏差Iqe,Ideに対応する電流を発生させるために必要な各軸電圧指令値Vq,Vdをそれぞれ演算する。制御装置24は、各軸電圧指令値Vq,Vdと、電気角とに基づいて、逆dq軸変換部35によって、同期モータ21の3つの相にそれぞれ与えるべき三相電圧指令値Vu,Vv,Vwに変換し、変換した各相電圧指令値Vu,Vv,Vwを発生させるゲート信号をインバータ回路22に与える。インバータ回路22は、制御装置24から与えられたゲート信号に従って、スイッチング素子をオンオフすることによって、同期モータ21の各相に必要な電流を流すことができる。
dq軸変換に関して、q軸電流検出値Iqおよびd軸電流検出値Idは、以下の式によって表わされる。
Id=A・Iu+B・Iv
Iq=C・Iu+D・Iv
ここで、A=(2/3)・{cosθe−cos(θe−240°)}
B=(2/3)・{cos(θe−120°)−cos(θe−240°)}
C=(2/3)・{sinθe−sin(θe−240°)}
D=(2/3)・{sin(θe−120°)−sin(θe−240°)}
であり、Idはd軸電流検出値を示し、Iqはq軸電流検出値を示す。またIuは、電流検出手段28から与えられる2つのうち1つの電流検出値を示し、Ivは、電流検出手段28から与えられる2つのうち他の1つの電流検出値を示す。またcosは、三角関数の余弦を示し、sinは、三角関数の正弦を示す。またθeは、dq軸座標系における電気角を表わす。
逆dq軸変換に関して、三相電圧指令値Vu,Vv,Vwは、以下の式によって表わされる。
Vu=Vd・cosθe+Vq・sinθe
Vv=Vd・cos(θe−120°)+Vq・sin(θe−120°)
Vw=−Vu−Vv
ここで、Vuは、三相電圧指令値のうちの第1の電圧指令値である。Vvは、三相電圧指令値のうちの第2の電圧指令値である。Vwは、三相電圧指令値のうちの第3の電圧指令値である。また、Vdはd軸電圧指令値であり、Vqはq軸電圧指令値である。
図4は、回転速度の変化に関して、同期モータ21に与えられる端子間電圧Vと、同期モータ21が出力可能な最大トルクTとを示すグラフである。また図5は、同期モータ21の端子間電圧Vを説明するための回路図である。
同期モータ21の回転子の回転速度ωは、端子間電圧Vの増加に比例して、ゼロの状態から増加する。回転速度ωは、以下の式によって表わされる。たとえばモータの回転速度は、電気角速度で表わされる。
ω=(V−Iq・r)/(L2・φa) …(3)
ここで、ωは回転速度であり、Vは端子間電圧であり、rはモータの電機子巻線抵抗であり、Iqはq軸検出電流であり、L2は予め定められる定数であり、φaは界磁による磁束であって、誘起電圧定数またはトルク定数と称される場合もある。
端子間電圧Vがモータの最大許容電圧Vmaxに達したときに、最大トルクTmaxで回転可能な速度を規定回転速度ωm1とする。この規定回転速度ωm1は、モータの特性によって決定される速度であり、同期モータ毎に予め規定される。規定回転速度ωm1以上に回転速度を大きくさせようとした場合、端子間電圧Vがモータの最大許容電圧Vmaxに達しているので、それ以上、端子間電圧Vを増加することができない。
端子間電圧Vは、電機子電圧Veと誘起電圧Eとの和によって表わされる。誘起電圧Eは、速度起電圧であって、モータの回転速度ωの増加にともなって増加する。また端子間電圧Vが一定である場合、誘起電圧Eが増加すると、電機子電圧Veが降下する。端子間電圧V、電機子電圧Veおよび誘起電圧Eは、以下の式によって表わされる。
V=Ve+E …(4)
Ve=Iq・r …(5)
E=L2・φa・ω …(6)
ここで、Vは端子間電圧であり、Veは電機子電圧であり、Eは誘起電圧であり、L2は、予め定められる定数である。その他の記号は、上述と同様である。
規定回転速度ωm1よりも回転速度ωを大きくさせた場合、回転速度ωにともなって誘起電圧Eがさらに増加するが、端子間電圧Vを最大端子間電圧Vmaxよりも大きくすることができないので、誘起電圧Eの増加に対応して電機子電圧Veが減少する。電機子電圧Veの減少とともに、トルク成分電流であるq軸電流Iqが減少する。モータの出力トルクTは以下の式によって表わされる。
T=L1・φa・Iq …(7)
ここで、Tは出力トルクであり、L1は、予め定められる定数である。その他の記号は、上述と同様である。したがって出力トルクは、q軸電流Iqの減少とともに減少する。すなわち、図4に示すように、モータの回転速度ωが規定回転速度ωm1を超えると、出力可能な最大トルクが減少する。
規定回転速度ωm1を超えてから、さらにモータの回転速度を上昇させるために、励磁成分電流であるd軸電流Idを流す。これによって等価的に界磁φaを小さくすることができる。このように界磁φaを小さくすることで、(6)式に示すように、回転速度ωを増加したときの誘起電圧Eの上昇が抑制され、(4)式に示すように、電機子電圧Veの減少が抑制される。これによって(5)式に示すように、q軸電流Iqの減少を抑えて、(7)式に示すように、出力トルクの減少を防いで、回転速度ωを上げることができる。
d軸電流Idを流すことによって界磁φaを等価的に小さくしても、(7)式に示すように、トルクTは減少する。しかしd軸電流Idを流さない場合に比べて、同じ回転速度ωでも大きいトルクTを発生することができ、かつ回転速度ωの最大値を大きくすることができる。なお、d軸電流Idによる界磁φaの弱め効果は限度があり、d軸電流Idが予め定める弱め界磁限度電流Idmaxとなった場合に、最も大きい効果を得ることができる。言い換えると、d軸電流Idが弱め界磁限度電流Idmaxを超えたとしても、弱め界磁限度電流Idmaxを超える効果を得ることができない。
本実施の形態では、規定回転速度ωm1以上であっても、出力可能な最大トルクTを可能な限り大きくするために、d軸電流Idを流してモータの界磁φaを弱める。具体的には、同期モータ21の端子間電圧Vが、予め定められる最大許容電圧Vmaxに達するまで、言い換えると回転速度ωが規定回転速度ωm1に達するまでは、所望の回転速度とするために必要とするトルクを示すトルク指令値に応じて、同期モータに流すq軸電流のq軸電流指令値Iqcを決定し、同期モータに流すd軸電流のd軸電流指令値Idcをゼロとする。
そして同期モータ21の端子間電圧Vが、予め定められる最大許容電圧Vmaxに達して、モータの回転速度ωが前記規定回転速度ωm1を超える速度指令値が与えられた場合には、トルク指令に応じて同期モータに流すq軸電流のq軸電流指令値Iqcを決定するとともに、回転速度ωと前記トルク指令値とに基づいて、同期モータ21に流すd軸電流のd軸電流指令値Idcを決定する。なお、規定回転速度ωm1は、厳密に求める必要がなく、規定回転速度ωm1近傍の速度ωm1’を、模擬的に規定回転速度ωm1として用いてもよい。以下、規定回転速度ωm1は、規定回転速度ωm1近傍の値を含むものとして説明する。
以下に、本発明の実施の第1形態の詳細について説明する。図3に示すように、電流指令値作成部32が、q軸電流指令値Iqcおよびd軸電流指令値Idcを決定する。図6〜図10は、電流指令値作成部32によって決定される各軸電流指令値Iqc,Idcを示すグラフである。
電流指令値作成部32は、基本的には、トルク指令値をq軸電流指令値Iqcとして決定する。また電流指令値作成部32は、基本的には、トルク指令値と回転速度ωとに基づいて、予め定められる演算式によってd軸電流指令値Idcを決定する。本実施の形態では、前記演算式は、次式によって与えられる。
Idc1=Iqc1・tanθa …(8)
θa=K1・(ω−ωm1) …(9)
ここで、Iqc1はトルク指令値そのままの値となる第1q軸電流指令値Iqc1であり、Idc1はトルク指令値と回転速度とに基づいて決定される第1d軸電流指令値Idc1である。tanは三角関数の正接を表わし、K1は予め定められる定数または変数であり、ωは速度検出値であり、ωm1は、前記規定回転速度ωm1である。なお、規定回転速度ωm1は、上述したように、正確な規定回転速度ωm1近傍の値ωm1’であってもよい。またθaは、回転速度ωに関する速度変数となる。ただし、K1>0で、ω<ωm1である場合には、θa=0が与えられる。表1にモータの一例を示す。
Figure 2006158000
たとえば同期モータ21が表1に示す特性を有する場合、(9)式におけるK1は、7.5×10−3となる。またωm1は、電気角として規定すると157.08[rad/s]に設定される。またωm1を回転子の速度から規定すると約1500rpmに設定される。
図6は、回転速度ωが規定回転速度ωm1以下である場合を示す。図6に示すように、回転速度ωが規定回転速度ωm1以下である場合には、トルク指令値と同じ値となる第1q軸電流指令値Iqc1がq軸電流指令値Iqcとなる。また本実施の形態では、モータの回転方向、トルクの向きにかかわらずに、d軸電流指令値Idcを常時ゼロ以上に制御する。またd軸電流指令値Idcはゼロとなる。
図7は、回転速度ωが規定回転速度ωm1を超える場合を示す。図7に示すように、回転速度ωが規定回転速度ωm1を超えた場合には、トルク指令値と同じ値となる第1q軸電流指令値Iqc1がq軸電流指令値Iqcとなる。また(8)式によって演算される第1d軸電流指令値Idc1が、d軸電流指令値Idcとなる。
図8は、第1d軸電流指令値Idc1が弱め界磁限度電流Idmaxを超える場合を示す。図8に示すように、(8)式によって演算される第1d軸電流指令値Idc1が弱め界磁限度電流Idmaxを超える場合、電流指令値作成部32は、弱め界磁限度電流Idmaxをd軸電流指令値Idcとして決定する。たとえばモータが表1に示す特性を有する場合、Idmaxは、56アンペアに設定される。
図9および図10は、第1q軸電流指令値Iqc1と第1d軸電流指令値Idc1とに基づいて同期モータ21に電流を流すと、モータ21に流れる電流|I|が許容最大電流値|Imax|を超える場合を示す。第1q軸電流指令値Iqc1と、第1d軸電流指令値Idc1とを同期モータ21に流すと、同期モータに流れる電流|I|が、予め定められる最大許容電流|Imax|を超える場合、すなわち次式を満たす場合、
|Imax|<((Idc1)+(Iqc1)0.5 …(10)
同期モータに流す電流が最大許容電流以下となるように、第2q軸電流指令値Iqc2とd軸電流指令値Idc2とを決定する。具体的には、次式を満たすように、第2q軸電流指令値Iqc2と第2d軸電流指令値Idc2を求め、それらを各軸電流指令値Iqc,Idcとして決定しなおす。
|Imax|=((Idc2)+(Iqc2)0.5 …(11)
Idc2=Iqc2・tanθa …(12)
したがってトルク指令値に基づいて第1q軸電流指令値Iqc1を求め、回転速度ωに応じてd軸電流指令値Idcを、弱め界磁限度電流Idmaxとした場合であっても、(10)式を満たさない場合には、(11)(12)式を満たす第2各軸電流指令値Idc2,Iqc2を、各軸電流指令値Idc,Iqcとして決定する(図9参照)。同様に、トルク指令値に基づいて第1q軸電流指令値Idc1を求め、(8)式に基づいて第1d軸電流指令値Idc1を求めた場合であっても、(10)式を満たさない場合には、(11)(12)式を満たす第2各軸電流指令値Idc2,Iqc2を、各軸電流指令値Idc,Iqcとして決定する(図10参照)。このように本実施形態では、(1)q軸電流指令値Iqcは、基本的にはトルク指令をそのまま用いる。(2)d軸電流指令値Idcを、q軸電流指令値Iqcと回転速度ωの増加にともなって増加させる(3)モータに流れる電流|I|がモータの最大許容電流|Imax|よりも小さくなるようにする。
以上のように本実施の第1形態では、モータ21の端子間電圧Vが最大許容電圧Vmaxに達するまで、言い換えると規定回転速度ωm1に達するまでは、トルク指令値に応じてq軸電流指令値Iqcを決定する。このときd軸電流指令値Idcをゼロとすることで、効率化を図ることができ、モータの発熱を抑えるとともに力率を改善することができる。また、最大許容電圧Vmaxに達するまでは、端子間電圧Vを増加させることによって、誘起電圧Eの増加にかかわらず所望とする出力トルクを得ることができる。
また、端子間電圧Vが最大許容電圧Vmaxに達して、回転速度ωが規定回転速度ωm1を超えた場合、トルク指令値に応じてq軸電流指令値Iqcを決定する。また、回転速度ωとトルク指令値とに基づいて、d軸電流指令値Idcを決定する。このように決定したd軸電流指令値Idcに基づいて電流をモータ21に流すことによって、同期モータ21の界磁φaを等価的に弱めることができ、同期モータの出力トルクの低下を抑えることができる。すなわち同期モータ21を高速回転させる場合に出力可能な最大トルクを大きくすることができる。またモータの最大回転速度を高くすることができる。
また本実施の形態では、d軸電流指令値Idcは、基本的には、(8)式に示すようにトルク指令値に基づいて決定される。これによって高速回転させても、高いトルクを必要としない場合には、d軸電流指令値Idcを小さくすることができ、d軸電流指令値Idcの不所望な増加を防ぐことができる。これによって効率化を図り、同期モータ21の発熱を抑えるとともに力率を改善することができる。
また本実施の形態では、(8)式に示すように回転速度ωに基づいてd軸電流指令値Idcを決定する。これによって図6に示すように回転速度ωが低い場合には、d軸電流指令値Idcをほぼゼロにすることができ、図7に示すように回転速度ωが高い場合には、d軸電流指令値Idcを大きくすることができる。また(8)式に三角関数である正接関数tanを用いることによって、回転速度が低いときと高いときとでd軸電流指令値Idcの変化率を異ならせることができ、界磁φaを弱めるのに効果的にd軸電流を流すことができる。また(8)式のように、d軸電流指令値Idcを決定することによって、回転速度ωに見合った最大トルクを発生させる場合に、モータに予め定められる許容最大電流|Imax|に可能な限り近づくように、q軸電流指令値Iqcとd軸電流指令値Idcとを設定することができ、発生可能なトルクを大きくすることができる。
さらに、図8に示すように、トルク指令値と回転速度ωとに基づいて決定した第1d軸電流指令値Idc1が、弱め界磁限度電流Idmaxを超える場合、d軸電流指令値Idcを弱め界磁限度電流Idmaxとして決定する。これによって弱め界磁限度電流Idmaxを超えるd軸電流が流れることがなく、同期モータ21に発生する界磁φaを弱めるのに効果的となるように電流を流すことができる。これによって弱め界磁限度電流を超えるような不要なd軸電流がモータに流れることを防ぐことができ、効率化を図ることができる。
また本実施の形態によれば、モータ21に流す電流が最大許容電流Imaxを超えないように、(11)式および(12)式に基づいて、q軸電流指令値Iqcおよびd軸電流指令値Idcを決定する。これによってモータ21が絶縁破壊をおこして焼損することを防ぐことができる。本実施の形態では、トルク指令値に応じて決定した第1q軸電流指令値Iqc1と、回転速度ωと前記トルク指令値とに基づいて決定した第1d軸電流指令値Idc1との成分比を保った状態で、モータ21に流れる電流が最大許容電流Imax以下となるように,各軸電流指令値Idc,Iqcを決定することで、モータ21の制御を容易にすることができ、意図した制御を行うことができる。
図11は、本発明の実施の第2形態における電流指令値作成部132と電流制御部133との詳細を示すブロック線図である。第2形態の同期モータ制御システムは、第1形態の同期モータ制御システム20と類似した構成を示し、電流指令値作成部132の動作が異なるほか、新たにq軸電圧指令Vqを調整する電圧調整部136が設けられる。これらのほかの構成については、第1形態の同期モータ制御システム20と同様であるので説明を省略する。
電流指令値作成部132は、与えられるトルク指令値を第1q軸電流指令値Iqc1として決定する。また電流指令値作成部132は、基本的には、トルク指令値と回転速度とに基づいてd軸電流指令値Idcを決定する。本実施の形態では、基本的には、d軸電流指令値Idcは、(8)式によって求められる第1各軸電流指令値Iqc1,Idc1を、各軸電流指令値Iqc,Idcとして決定する。
また、同期モータ21の界磁φaを弱めることが可能な最大電流となる弱め界磁限度電流を、d軸電流Idが超える場合、それ以上界磁φaを弱める効果がない。したがって(8)式によって求められた第1d軸電流指令値Idc1が、弱め界磁限度電流Idmaxを超えた場合には、電流指令値作成部132は、図8に示すように、弱め界磁限度電流Idmaxをd軸電流指令値Idcとして決定する。
またトルク指令値に応じて決定した第1q軸電流指令値Iqc1と、回転速度ωとトルク指令値とに基づいて決定した第1d軸電流指令値Idc1とを同期モータに流すと、同期モータ21に流れる電流の絶対値|I|が、予め定められる最大許容電流|Imax|を超える場合、すなわち上述した(10)式を満たす場合、同期モータ21に流す電流|I|が最大許容電流|Imax|以下となるように、q軸電流指令値Iqcとd軸電流指令値Idcとを決定する。具体的には、次式を満たす第3d軸電流指令値Idc3を、d軸電流指令値Idcとして決定し直す。
|Imax|=((Idc3)+(Iqc1)0.5 …(13)
すなわち、q軸電流指令値Iqcは、トルク指令値に基づいて決定した値をそのまま用い、(13)式を満たす第3d軸電流指令値Idc3をd軸電流指令値Idcとして用いる。
制御装置24は、電流指令値作成部132が決定した各軸電流指令値Iqc,Idcから、各軸電流検出値Iq,Idを減した各電流偏差Iqe,Ideを、電流制御部133に与え、各軸電圧指令値Vq,Vdを求める。また電圧調整部136は、回転速度に応じて変化する補償電圧Vqeを決定する。制御装置24は、電流制御部133によって決定されたq軸電圧指令値Vqから前記補償電圧値Vqeを減じたq軸電圧調整指令値Vq’を逆dq軸変換部135に与える。すなわち逆変換に関する式について、Vqの代わりにVq'を代入する。
電圧調整部136は、d電流検出値Idと、q軸電流指令値Iqcと、回転速度ωに基づいて、補償電圧値Vqeを決定する。本実施の形態では、補償電圧値Vqeは、次式に基づいて決定される。
Vqe=K2・ω・Iqc+K3・ω・Id …(14)
ここで、Vqeは補償電圧値であり、K2およびK3は予め定められる定数または変数であり、Iqcはトルク指令値によって決定されるq軸電流指令値であり、Idはd軸電流検出値であり、ωは回転速度である。
図12は、第2実施形態の各軸電流指令値Iqc,Idcと、各軸電圧指令値Vq,Vdと、補償電圧値Vqeを示すグラフである。上述したようにq軸電流指令値Iqcは、トルク指令値に等しく決定し、回転速度ωにかかわらずに決定する。またd軸電流指令値は、基本的には(8)式に基づいて決定し、その場合に、同期モータに流す電流|I|が最大許容電流|Imax|となると、(13)式に基づいて、決定しなおす。
このままでは、モータ21の端子間電圧Vが許容最大電圧Vmaxを超えるおそれがあるので、本実施の形態では、q軸電圧指令値Vqから電圧調整部136によって与えられる補償電圧Vqeを減じたq軸電圧調整指令値Vq’を逆dq軸変換部135に与える。これによってモータ21の端子間電圧Vが許容最大電圧Vmaxを超えることを防ぐことができる。またモータに与えるq軸電圧を低下させることによって、モータに流れるq軸電流を等価的に小さくすることができ、モータに流れる電流が最大許容電流|Imax|を超えることを防ぐことができる。
本実施の形態では、補償電圧Vqeは、速度に比例して増加する誘起電圧Eの補償としての役割を有する。したがって回転速度ωに比例して増加させることによって、モータ21の端子間電圧Vが最大許容電圧Vmaxを超えることをより確実に防ぐことができる。
また上述した補償電圧値Vqeを求める(14)式のうち、q軸電流指令値Iqcに応じて変化する項(K2・ω・Iqc)を設けることで、q軸電流指令値Iqcに応じてモータに与える電圧を減らすことができる。したがって第1実施形態のように回転速度ωに応じてq軸電流指令値Iqcを減少させなくても、q軸調整電圧指令値Vq’においてIq・rを減らす補償を与えることができる。これによってモータ21の端子間電圧Vが最大許容電圧Vmaxを超える原因の1つを解消することができる。なお、rはモータの電機子巻線抵抗を示す。
また上述した補償電圧値Vqeを求める(14)式のうち、d軸検出電流値Idに応じて変化する項(K3・ω・Id)を設けることで、d軸電流検出値Idに応じてモータに与える電圧を減らすことができる。したがって第1実施形態よりもd軸検出電流Idが小さくて、弱め界磁の効果が少なくても、q軸調整電圧指令値Vq’においてId・Xdを増やす補償を与えることができる。これによってモータ21の端子間電圧Vが最大許容電圧Vmaxを超える原因の他の1つを解消することができる。なお、Xdはモータのd軸成分リアクタンスを示す。
図13は、比較例の各軸電流指令値Iqc,Idcと、各軸電圧指令値Vq,Vdと、補償電圧値Vqeを示すグラフである。図13では、補償電圧Vqeを設定しない場合について示す。補償電圧Vqeを設定しない場合には、q軸電流指令値Iqcが回転速度ωに応じて減少しないので、d軸電流指令値Idcが小さい値となる。これによって弱め界磁の効果が小さく、誘起電圧Eを弱める力が小さくなる。そして誘起電圧Eが増加した分だけ、q軸電圧Vqが増加し、結果として端子間電圧Vが増加し、モータ21の端子間電圧Vが最大許容電圧Vmaxを超える原因となる。
これに対して、上述したように本実施形態では、図12に示すようにq軸電圧指令値Vqから補償電圧Vqeを減じたq軸調整指令値Vq’を逆dq軸変換部135に与えることによって、モータ21の端子間電圧Vが最大許容電圧Vmaxを超えることを防ぐことができる。このように本実施形態では、(1)q軸電流指令値Iqcは、トルク指令をそのまま用いる。(2)d軸電流指令値Idcを、q軸電流指令値Iqcと回転速度ωの増加にともなって増加させる(3)モータに流れる電流|I|がモータの最大許容電流|Imax|よりも小さくなるようにする。(4)q軸電圧指令値Vqから補償電圧値Vqeを減じたq軸調整指令値Vp’を逆dq軸変換部135に与え、補償電圧値Vqeを、d軸電流検出値Id、q軸電流指令値Iqcおよび回転速度の増加にともなって増加させる。
以上のように第2実施形態に従えば、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。第1実施形態では、回転速度毎に最大トルクを得るためには、誘起電圧E、モータのリアクタンスXd,Xq、抵抗Rなどを正確に把握する必要がある。それらの各パラメータ値E,Xd,Xq,Rは、温度、回転速度などによって変化し、正確に求めることが困難な場合がある。つまりある回転速度ωにおける上記θaの値を正確に決定することが困難である。
これに対して第2実施形態では、(8)式に基づいて決定した各軸電流指令値が最大許容電流値Imaxを超えた場合であっても、上記θaの値にかかわらずに、q軸電流指令値はそのままで、d軸電流指令値を決定しなおす。これによって上述したパラメータ値が少々正確でなくとも、モータ21の端子間電圧Vおよびモータ21に流れる電流Iが許容値を超えることなく、高速回転時であっても可能な限り高トルクを得ることができる。
上述した各実施形態の制御装置24は、本発明の例示に過ぎず発明の範囲内において構成を変更することができる。たとえば本実施の形態では、回転子の回転速度を検出する速度検出手段として、エンコーダやレゾルバを用いることができるがこれに限定されない。たとえば回転子の回転速度を検出するオブザーバを用いて速度検出手段を実現してもよい。オブザーバは、同期モータ21を流れる電流に基づいて、回転速度を演算することができる。また、制御装置24に設けられる位置制御部30、速度制御部31、電流制御部33は、周知の技術を用いて実現することができる。
また本実施の形態では、基本的に回転速度ωとトルク指令値とに基づいて、(8)式に示すようにd軸電流指令値Idcを決定したが、d軸電流指令値は、回転速度ωとトルク指令値とに基づく演算式によって求めればよく、(8)式に示す演算式以外の演算式、たとえばIdc=α・Iqc(ω−ωm1)によって求めてもよい。なお、αは予め定められる定数または変数である。
また本実施の形態では、同期モータの許容電流および許容電流を用いたが、インバータ回路などの他のハードウェアによって規定される許容値に基づいて、各軸電流指令値Idc,Iqcおよび各軸電圧指令値Vq,Vdを設定してもよい。
本発明の第1実施形態である同期モータ制御システム20を示すブロック図である。 制御装置24における制御ループの概略を示すブロック線図である。 電流指令値作成部32と電流制御部33との詳細を示すブロック線図である。 回転速度ωの変化に関して、同期モータ21に与えられる端子間電圧Vと、出力可能な最大トルクTとを示すグラフである。 同期モータ21の端子間電圧Vを説明するための回路図である。 電流指令値作成部32によって決定される各軸電流指令値Iqc,Idcを示すグラフである。 電流指令値作成部32によって決定される各軸電流指令値Iqc,Idcを示すグラフである。 電流指令値作成部32によって決定される各軸電流指令値Iqc,Idcを示すグラフである。 電流指令値作成部32によって決定される各軸電流指令値Iqc,Idcを示すグラフである。 電流指令値作成部32によって決定される各軸電流指令値Iqc,Idcを示すグラフである。 本発明の実施の第2形態における電流指令値作成部132と電流制御部133との詳細を示すブロック線図である。 第2実施形態の各軸電流指令値Iqc,Idcと、各軸電圧指令値Vq,Vdと、補償電圧値Vqeを示すグラフである。 比較例の各軸電流指令値Iqc,Idcと、各軸電圧指令値Vq,Vdと、補償電圧値Vqeを示すグラフである。
符号の説明
20 同期モータ制御システム
21 同期モータ
22 インバータ回路
23 直流電源
24 制御装置
30 位置制御部
31 速度制御部
32 電流指令値作成部
33 電流制御部

Claims (7)

  1. 同期モータを流れる電流をdq軸変換した値に基づいて、同期モータに流すべき電流を決定して同期モータを制御する同期モータの制御方法であって、
    同期モータの端子間電圧が、予め定められる最大許容電圧に達するまでは、同期モータの出力トルクを示すトルク指令値に応じて、同期モータのq軸電流を示すq軸電流指令値を決定し、同期モータのd軸電流を示すd軸電流指令値をゼロとし、
    同期モータの端子間電圧が、予め定められる最大許容電圧に達した場合には、トルク指令値に応じてq軸電流指令値を決定するとともに、同期モータの回転速度と前記トルク指令値とに基づいて、d軸電流指令値を決定することを特徴とする同期モータの制御方法。
  2. 予め定められる最大許容電圧に達するときに最大トルクで回転可能な同期モータの回転速度となる規定回転速度をωm1とし、同期モータの回転速度をωとし、K1を予め定められる定数または変数とし、トルク指令値に応じて決定されるq軸電流指令値をIqcとし、d軸電流指令値をIdcとすると、
    Idc=Iqc・tan[K1・(ω−ωm1)] …(1)
    同期モータの端子間電圧が、予め定められる最大許容電圧Vに達した場合には、(1)式を満たすように、d軸電流指令値を決定することを特徴とする請求項1記載の同期モータの制御方法。
  3. 前記決定したd軸電流指令値が、同期モータの界磁を弱めることが限界となる弱め界磁限度電流値を超える場合、前記弱め界磁限度電流値となるようにd軸電流指令値を決定し直すことを特徴とする請求項1または2記載の同期モータの制御方法。
  4. 前記決定した各軸電流指令値では同期モータに流れる電流が、予め定められる最大許容電流を超える場合、
    同期モータに流れる電流が最大許容電流以下となるように、q軸電流指令値とd軸電流指令値とを決定し直すことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の同期モータの制御方法。
  5. 決定した各軸電流指令値では同期モータに流れる電流が、予め定められる最大許容電流を超える場合、
    トルク指令値に応じて決定したq軸電流指令値を変化させずに、同期モータに流す電流が最大許容電流以下となるようにd軸電流指令値を小さく決定し直し、
    同期モータの端子間電圧のうちのq軸成分を示すq軸調整電圧指令値を、q軸電流指令値から決定されるq軸電圧指令値から、回転速度に応じて設定される補償電圧値を減算して決定することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の同期モータの制御方法。
  6. q軸電流指令値をIqcとし、同期モータに流れるd軸電流をIdとし、同期モータの回転速度をωとし、K2およびK3を予め定められる定数または変数とし、前記補償電圧をVqeとすると、
    Vqe=K2・ω・Iqc+K3・ω・Id …(2)
    (2)式を満たすように、前記補償電圧を決定することを特徴とする請求項5記載の同期モータの制御方法。
  7. 同期モータを流れる電流をdq軸変換した値に基づいて、同期モータに流すべき電流を決定して同期モータを制御する同期モータの制御装置であって、
    同期モータの回転速度を取得する速度取得手段と、
    所望とする回転速度となるように、同期モータに流すべき電流を示す各軸電流指令値を決定する演算手段とを有し、
    速度取得手段によって取得した回転速度が、同期モータの端子間電圧が予め定められる最大許容電圧に達するときに最大トルクで回転可能な同期モータの回転速度となる規定回転速度以下であれば、同期モータの出力トルクを示すトルク指令値に応じて、同期モータのq軸電流を示すq軸電流指令値を決定し、同期モータのd軸電流を示すd軸電流指令値をゼロとし、
    速度取得手段によって取得した回転速度が、前記規定回転速度を超えた場合には、トルク指令に応じてq軸電流指令値を決定するとともに、同期モータの回転速度と前記トルク指令値とに基づいて、d軸電流指令値を決定することを特徴とする同期モータの制御装置。
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