JP2007267465A - Ｐｍモータの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】６ｆ成分およびコギング成分のトルクリップルを抑制する。
【解決手段】ＰＭモータ１を負荷３に結合し、ベクトル制御方式のインバータ４でＰＭモータをトルク制御する制御装置において、補償信号発生テーブル５はインバータのトルク検出値（またはトルク指令）とＰＭモータのロータ回転角に応じて６ｆ成分およびコギングトルク成分の補償データを発生し、位相補正回路６はインバータのトルク制御応答特性による補償トルクの遅れを位相補正してトルク指令に加算する。
テーブル５は、６ｆ成分とコギングトルク成分の振幅と位相の一次元テーブルとし、これらから補償信号を求めること、補償信号からＰＭモータと負荷がもつ機械共振周波数成分のみを抽出してトルクリップル補償信号とすることを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＰＭモータの制御装置に係り、特にモータの磁束分布の空間高調波に起因するトルクリップルを抑制する制御装置に関する。

一般に、ＰＭ（Permanent Magnet）モータは、その制御性能を高めるために、ベクトル制御方式のインバータで駆動されるが、モータの構造上で発生するトルクリップルとして、界磁磁束の高調波により発生する６ｆ成分（インバータなどの電源周波数の６倍の周波数）と、コギングトルクが発生する。

モータを機械負荷に接続して回転数、トルクを制御する場合、モータの回転数と機械系の剛性と慣性モーメントによっては、上記のトルクリップル周波数と機械系共振周波数（ＰＭと負荷慣性モーメントと軸剛性で決まる共振周波数）とが重なる条件で運転された場合、軸トルクに過大な振動トルクが現れ、場合によっては軸の破損につながる。

図５は、モータ定格容量２８０ｋＷ、極数４のＰＭモータの回転角に対するトルクリップルを計算した例であるが、モータの出力トルクの大きさに依存してトルクリップルは変化する。図６は、ＰＭモータに負荷を接続した２慣性モデルにおけるモータトルクに対する軸トルクの伝達特性の例であり、この場合は４００Ｈｚに機械共振が存在する。したがって、このモータ系では４００／２４Ｈｚと４００／１２Ｈｚで運転したときに軸トルク共振が起きる。

これを避けるための解決方法として、トルクリップルが機械共振周波数となる回転周波数を避けた制御方法、あるいは機械的に特性を変える方法がある。また、フィードバックにより共振抑制を行う方法がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２２３６００号公報

従来のトルクリップルが機械共振周波数となる回転周波数を避ける制御方法は、モータの可変速制御において共振周波数の回転領域を避けた制御になり、このときに大きなトルク変化が発生してしまう。

機械的に特性を変える方法は、運転モードによって負荷トルクや慣性分が変化する機械負荷には適用できない場合が多い。

フィードバックによる共振抑制方法は、共振周波数とインバータの応答周波数が近い場合、または、制御系のサンプリング時間を充分に短くできない場合に共振抑制が困難になる。

本発明の目的は、機械共振周波数を避けた制御をすることなく、また、機械共振特性およびインバータの応答周波数に影響されることなく、６ｆ成分およびコギング成分のトルクリップルを抑制できるＰＭモータの制御装置を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、インバータのトルク検出値またはトルク指令と、ＰＭモータのロータ回転角に応じて６ｆ成分およびコギングトルク成分の補償データを求め、この補償データをインバータのトルク制御応答特性による補償トルクの遅れを位相補正してインバータのトルク指令に加算、さらには補償データからＰＭモータと負荷がもつ機械共振周波数成分のみを抽出したものを位相補正してトルク指令に加算するようにしたもので、以下の構成を特徴とする。

（１）ＰＭモータを負荷に結合し、ベクトル制御方式のインバータで該ＰＭモータをトルク制御するＰＭモータの制御装置において、
ＰＭモータの磁束分布によりその出力トルクに発生する６ｆ成分（ｆはインバータの出力周波数）と、コギングトルク成分のテーブルデータをもち、このテーブルデータから前記インバータのトルク検出値またはトルク指令と、ＰＭモータのロータ回転角に応じて前記６ｆ成分およびコギングトルク成分の補償データを発生する補償信号発生テーブルと、
前記補償信号発生テーブルが発生する補償データに対して、前記インバータのトルク制御応答特性による補償トルクの遅れを位相補正したトルクリップル補償信号とし、これを前記インバータのトルク指令に加算する位相補正回路とを備えたことを特徴とする。

（２）ＰＭモータを負荷に結合し、ベクトル制御方式のインバータで該ＰＭモータをトルク制御するＰＭモータの制御装置であって、
前記インバータのトルク検出値またはトルク指令に対する、ＰＭモータの磁束分布によりその出力トルクに発生する６ｆ成分（ｆはインバータの出力周波数）と、コギングトルク成分の振幅と位相のデータをもつ一次元テーブルと、
前記一次元テーブルのデータから、ＰＭモータのロータ回転角に応じて前記６ｆ成分およびコギングトルク成分の補償演算を行う補償信号演算分と、
前記補償信号演算部が発生する補償データに対して、前記インバータのトルク制御応答特性による補償トルクの遅れを位相補正したトルクリップル補償信号とし、これを前記インバータのトルク指令に加算する位相補正回路とを備えたことを特徴とする。

（３）前記補償信号から前記ＰＭモータと負荷がもつ機械共振周波数成分のみを抽出してトルクリップル補償信号とするバンドパスフィルタを備えたことを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、インバータのトルク検出値またはトルク指令と、ＰＭモータのロータ回転角に応じて６ｆ成分およびコギングトルク成分の補償データを求め、この補償データをインバータのトルク制御応答特性による補償トルクの遅れを位相補正してインバータのトルク指令に加算、さらには補償データからＰＭモータと負荷がもつ機械共振周波数成分のみを抽出したものを位相補正してトルク指令に加算するようにしたため、機械共振周波数を避けた制御をすることなく、また、機械共振特性およびインバータの応答周波数に影響されることなく、６ｆ成分およびコギング成分のトルクリップルを抑制できる。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態を示すトルクリップル補償制御の回路図である。同図は、ＰＭモータ１が結合軸２によって負荷３に結合され、ベクトル制御方式にされたインバータ４によってＰＭモータ１をトルク制御する場合を示し、トルク制御回路４Ａは、トルク指令に応じたインバータ本体（図示省略）の出力電流制御でＰＭモータ１に所期のトルク出力を得る。

このベクトル制御されるインバータでＰＭモータ１を駆動するトルク制御系において、トルクリップル補償制御には、モータ回転角と電流の大きさからトルクリップルを補償する補償信号を出力し、トルク指令に加えることでモータの発生するトルクリップルを打ち消す。補償信号発生テーブル５は、トルクリップルがロータ回転角θとトルク電流Ｉから決まることから、これらからトルクリップルを補償する補償データを予め求めてテーブルデータ化してもち、位相補正回路６はテーブル５から読み出された補償データを位相補正した補償信号を得、これをトルク指令の加算信号とする。なお、補償信号発生テーブル５は、前記の図５の波形図に含まれる６ｆ、コギングのリップル成分として求めることができる。

これら補償信号発生テーブル５と位相補正回路６により、トルクリップル補償ができる理由を以下に説明する。

モータのトルクリップル（６ｆ、コギング）は界磁のリップルによると考えられ、トルク電流にリップル補償トルク電流を加えた関係式は以下のようになる。

ここで、

として、ΔＴ＋Ｔ_C＝０とするためには、補償トルクＴ_Cおよび補償トルク電流ｉ_Cを以下のものとすればよい。

そこで、補償信号発生テーブル５は、ロータ回転角θとトルク電流Ｉから、上記の関係式を基にして予め求めた以下の補償信号Ｔｃｒをテーブルデータとして発生する。位相補正回路６はインバータのトルク制御応答特性による補償トルクの遅れを補正する伝達特性をもち、位相進み動作を行う。

以下の表１は補償信号発生テーブルの例であり、回転角とトルクから補償信号を発生する。この表中、トルク（％）はトルク電流Ｉ₀に対する補償トルク電流ｉ_cの割合を示す。

本実施形態によれば、共振周波数を避けた制御をすることなく、また、機械共振特性およびインバータの応答周波数に影響されることなく、６ｆ成分およびコギング成分のトルクリップルを抑制することができる。また、補償信号の発生には、テーブルの参照で済み、演算が簡単になる。

（実施形態２）
図２は、本実施形態を示すトルクリップル補償制御の回路図である。同図が図１と異なる部分は、トルク制御回路４Ａから得るトルク電流に代えて、トルク指令を補償信号発生テーブル５に取り込む点にある。

本実施形態では、実施形態１と同様に、トルクリップルを減少させ、機械共振による大トルクの発生を抑えることができる。これに加えて、トルク電流を検出する必要がなく、構成が簡単になる。

（実施形態３）
前記までの実施形態１，２では、補償信号発生テーブルにトルクリップルの波形を用いているが、このテーブルは、計算値と一致すれば容易に作成できるが、実際には容易ではないことが多い。その場合、試験によってテーブルを作成する必要があり、装置毎にテーブル作成のための試験を必要とする。

本実施形態では、図３に示すように、トルクに対する６ｆ成分補償用テーブル５Ａとコギング成分補償用テーブル５Ｂを用い、そのトルク検出値またはトルク指令とロータ回転角から補償信号演算部５Ｃで補償信号Ｔｃｒを演算する。

この補償信号Ｔｃｒは、以下の演算で求められ、テーブル５Ａには振幅Ａ_6fと位相φ_6fのデータを、テーブル５Ｂには振幅Ａ_cogと位相φ_cogのデータをもつ一次元テーブルとなって、データ数も少なくなり、テーブルの作成を容易にする。

（実施形態４）
モータをＰＷＭインバータで駆動する場合、インバータの発生する高調波電流を原因とするトルクリップルが原因で、機械共振周波数が発生する場合がある。また、トルクリップルは全領域ではなく、機械共振周波数のトルクリップルを減少させれば良い場合が多い。

そこで、本実施形態は、補償信号として機械共振に関係した周波数のみを発生することで、リップルの抑制を効果的にし、また、調整も容易にするものである。

図４は、本実施形態を適用した回路図を示し、図２の構成において、補償信号発生テーブル５の出力段にバンドパスフィルタ７を設け、このバンドパスフィルタ７において機械共振周波数成分のみを抽出し、これを補償信号とする。

なお、本実施形態は実施形態１、３の構成適用して同等の作用効果を得ることができる。

本発明の実施形態１を示すトルクリップル補償制御の回路図。 本発明の実施形態２を示すトルクリップル補償制御の回路図。 本発明の実施形態３を示すトルクリップル補償制御の回路図。 本発明の実施形態４を示すトルクリップル補償制御の回路図。 ＰＭモータの回転角に対するトルクリップル（計算値）。 ＰＭモータに負荷を接続した２慣性モデルにおける伝達特性の例。

符号の説明

１ ＰＭモータ
２ 結合軸
３ 負荷
４ インバータ
４Ａ トルク制御部
５ 補償信号発生テーブル
５Ａ ６ｆ成分補償用テーブル
５Ｂ コギング成分補償用テーブル
５Ｃ 補償信号演算部
６ 位相補正回路
７ バンドパスフィルタ

Claims (3)

1. ＰＭモータを負荷に結合し、ベクトル制御方式のインバータで該ＰＭモータをトルク制御するＰＭモータの制御装置において、
   ＰＭモータの磁束分布によりその出力トルクに発生する６ｆ成分（ｆはインバータの出力周波数）と、コギングトルク成分のテーブルデータをもち、このテーブルデータから前記インバータのトルク検出値またはトルク指令と、ＰＭモータのロータ回転角に応じて前記６ｆ成分およびコギングトルク成分の補償データを発生する補償信号発生テーブルと、
   前記補償信号発生テーブルが発生する補償データに対して、前記インバータのトルク制御応答特性による補償トルクの遅れを位相補正したトルクリップル補償信号とし、これを前記インバータのトルク指令に加算する位相補正回路とを備えたことを特徴とするＰＭモータの制御装置。
2. ＰＭモータを負荷に結合し、ベクトル制御方式のインバータで該ＰＭモータをトルク制御するＰＭモータの制御装置であって、
   前記インバータのトルク検出値またはトルク指令に対する、ＰＭモータの磁束分布によりその出力トルクに発生する６ｆ成分（ｆはインバータの出力周波数）と、コギングトルク成分の振幅と位相のデータをもつ一次元テーブルと、
   前記一次元テーブルのデータから、ＰＭモータのロータ回転角に応じて前記６ｆ成分およびコギングトルク成分の補償演算を行う補償信号演算分と、
   前記補償信号演算部が発生する補償データに対して、前記インバータのトルク制御応答特性による補償トルクの遅れを位相補正したトルクリップル補償信号とし、これを前記インバータのトルク指令に加算する位相補正回路とを備えたことを特徴とするＰＭモータの制御装置。
3. 前記補償信号から前記ＰＭモータと負荷がもつ機械共振周波数成分のみを抽出してトルクリップル補償信号とするバンドパスフィルタを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のＰＭモータの制御装置。
   

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