JP2007325427A - 誘導電動機の速度センサレスベクトル制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 誘導電動機の速度センサレスベクトル制御を行わせる。
【解決手段】 誘導電動機２の一次電流および一次電圧をγ軸成分とδ軸成分とに分離して、それぞれ独立して制御するために、励磁電流指令値演算手段２１，トルク電流指令値演算手段２２，電流制御手段２３，γ−δ／三相座標変換手段２４，積分器２５，三相／γ−δ座標変換手段２６，磁束推定手段２７，すべり周波数＆一次周波数推定手段２８などから構成し、この磁束推定手段２７とすべり周波数＆一次周波数推定手段２８とにより、例えば、誘導電動機２が回生状態から制動状態に移行するときなど、一次周波数が零周波数または零周波数近傍になっても、より正確な誘導電動機２のすべり周波数推定値および一次周波数を得るようにしている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、速度センサを用いないで誘導電動機をベクトル制御する速度センサレスベクトル制御装置に関する。

図５は、下記非特許文献１の回路構成を含むこの種の誘導電動機の速度センサレスベクトル制御装置の従来例を示す回路構成図である。

図５において、１は任意の振幅，周波数の交流電圧を発生して出力するインバータ、２はインバータ２から給電される誘導電動機、３は誘導電動機２の一次電圧を検出する電圧検出手段、４は誘導電動機２の一次電流を検出する電流検出手段、１０は速度センサを用いないで誘導電動機２をベクトル制御するための制御装置である。

この制御装置１０は、速度センサを持たない誘導電動機２をインバータ１によって可変速制御すべく、誘導電動機２の一次電流および一次電圧を励磁成分（ｄ軸成分）とトルク成分（ｑ軸成分）とに分離して、それぞれ独立して制御するために、励磁電流指令値演算手段１１，トルク電流指令値演算手段１２，電流制御手段１３，ｄ−ｑ／三相座標変換手段１４，積分器１５，三相／ｄ−ｑ座標変換手段１６，誘起電圧演算手段１７，すべり周波数＆一次周波数推定手段１８などから構成されている。

図５に示した誘導電動機の速度センサレスベクトル制御装置の動作を以下に説明する。

励磁電流指令値演算手段１１は指令される二次磁束指令値と誘導電動機２の電気定数とからｄ軸一次電流指令値ｉ_1d ^*を生成し、トルク電流指令値演算手段１２は指令されるトルク指令値と誘導電動機２の電気定数とからｑ軸一次電流指令値ｉ_1q ^*を生成し、電流制御手段１３へ入力する。

電流制御手段１３では、前記ｄ軸一次電流指令値ｉ_1d ^*，ｑ軸一次電流指令値ｉ_1q ^*それぞれと、電流検出手段４により検出された誘導電動機２の三相の一次電流を三相／ｄ−ｑ座標変換手段１６を介することで得られるｄ軸一次電流ｉ_1dとｑ軸一次電流ｉ_1qとの偏差を零にする調節演算を行い、これらの演算結果をｄ軸一次電圧指令値ｖ_1d ^*とｑ軸一次電圧指令値ｖ_1q ^*としてｄ−ｑ／三相座標変換手段１４へ出力する。

ｄ−ｑ／三相座標変換手段１４では前記ｄ軸一次電圧指令値ｖ_1d ^*，ｑ軸一次電圧指令値ｖ_1q ^*を三相の電圧指令値ｖ_u ^*，ｖ_v ^*，ｖ_w ^*それぞれに座標変換して、インバータ１へ出力する。

上述の制御動作に必要な誘導電動機２の一次周波数ω₁とすべり周波数ω_seはすべり周波数＆一次周波数推定手段１８で行われる下記数１，２式に基づいている。

上記数１，２式において、Ｅ_2qは二次磁束ｑ軸誘起電圧、Ｅ_2dは二次磁束ｄ軸誘起電圧、Φ₂ ^*は二次磁束指令値，Ｋ_E2Dp，Ｋ_E2DiはＰＩ補償演算のための係数、Ｒ₂およびＬ₂は誘導電動機２の電気定数としての二次抵抗および二次インダクタンス、ｉ_1d ^*はｄ軸一次電流指令値、ｉ_1q ^*はｑ軸一次電流指令値をそれぞれ表している。

ここで、数１式に示したＥ_2d，Ｅ_2qは、直接検出することが不可能であることから、誘起電圧演算手段１７において、下記数３，４式に基づいて演算される。

上記数３，４式において、Ｌ₂，Ｍ，Ｒ₁，Ｌ₁，σは誘導電動機２の電気定数としての二次インダクタンス，励磁インダクタンス，一次抵抗，一次インタクタンス，もれ係数、ｖ_1dはｄ軸一次電圧、ｖ_1qはｑ軸一次電圧、ｉ_1dはｄ軸一次電流、ｖ_1qはｑ軸一次電流、Ｐは微分演算子をそれぞれ表している。

積分手段１５では、すべり周波数＆一次周波数推定手段１８からの一次周波数ω₁を時間積分して、ｄ−ｑ／三相座標変換手段１４，三相／ｄ−ｑ座標変換手段１６での座標変換演算のための位相角θを得ている。このとき、誘導電動機２の二次磁束ベクトルの方向が上述のｄ軸方向に一致するように、前記数１式に示したＥ_2dのＰＩ補償演算のための係数Ｋ_E2Dp，Ｋ_E2Diを調整することで、速度センサレスベクトル制御を実現している。
近藤圭一郎，他１名，「誘導電動機速度センサレスベクトル制御の鉄道車両駆動への適用検討」電気学会論文誌Ｄ，電気学会，２００５年１月，Ｖｏｌ．１２５，Ｎｏ．１，ｐ．１−８

図５に示した従来の誘導電動機の速度センサレスベクトル制御装置によると、例えば、誘導電動機２が回生状態から制動状態に移行するときには、一次周波数ω₁が零周波数を通過することになり、この零周波数近辺では二次磁束による誘起電圧が殆ど零となってしまうために、前記数１式のよる一次周波数ω₁の推定演算では誤差が大きくなり、その結果、このときには誘導電動機２の回転速度推定値（＝ω₁−ω_se）の誤差も増えてしまうという問題があった。

この発明の目的は、上記問題点を解消した誘導電動機の速度センサレスベクトル制御装置を提供することにある。

この発明では、速度センサを持たない誘導電動機をインバータによって可変速制御すべく、誘導電動機の一次電流および一次電圧を回転子鎖交磁束の方向と平行な成分（γ軸成分）と、これに直交する成分（δ軸成分）とに分離して、それぞれ独立して制御する誘導電動機の速度センサレスベクトル制御装置において、
前記γ，δ軸成分の一次電流および一次電圧と誘導電動機の一次周波数とに基づいて、誘導電動機の回転子磁束推定値とその時間変化率とを演算する磁束推定手段と、前記磁束推定手段で演算した値それぞれと前記δ軸成分の一次電流とに基づいて、誘導電動機のすべり周波数と前記一次周波数とを推定演算するすべり周波数＆一次周波数推定手段とを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、誘導電動機の誘起電圧の変化率と一次周波数の変化率とに基づいて誘導電動機のすべり周波数，一次周波数を導出していることから、例えば、誘導電動機が回生状態から制動状態に移行するときなど、一次周波数が零周波数または零周波数近傍になっても、一次周波数の変化率が零でなければ、すべり周波数および一次周波を精度よく推定することができ、好適な速度センサレスベクトル制御を行うことができる。

図１は、この発明の第１の実施例を示す誘導電動機の速度センサレスベクトル制御装置の回路構成図であり、この図において、図５に示した従来例構成と同一機能を有するものには同一符号を付している。

すなわち、図１に示した制御装置２０には、速度センサを持たない誘導電動機２をインバータ１によって可変速制御すべく、誘導電動機２の一次電流および一次電圧をγ軸成分とδ軸成分とに分離して、それぞれ独立して制御するために、励磁電流指令値演算手段２１，トルク電流指令値演算手段２２，電流制御手段２３，γ−δ／三相座標変換手段２４，積分器２５，三相／γ−δ座標変換手段２６，磁束推定手段２７，すべり周波数＆一次周波数推定手段２８などから構成されている。

ここで、誘導電動機２の回転子鎖交磁束の方向と平行な成分をγ軸成分とし、これに直交する成分をδ軸成分としているが、このγ−δ軸と先述のｄ−ｑ軸とを誘導電動機２のベクトル制御では一致させることが行われていることから、図１に示した励磁電流指令値演算手段２１，トルク電流指令値演算手段２２，電流制御手段２３，γ−δ／三相座標変換手段２４，積分器２５，三相／γ−δ座標変換手段２６それぞれは、図５に示した励磁電流指令値演算手段１１，トルク電流指令値演算手段１２，電流制御手段１３，ｄ−ｑ／三相座標変換手段１４，積分器１５，三相／ｄ−ｑ座標変換手段１６それぞれと同様な動作を行うので、その説明を省略する。

図２は、図１に示した磁束推定手段２７の詳細回路構成図であり、この磁束推定手段２７は誘起電圧推定手段２７ａと、微分器２７ｂ，２７ｃ，２７ｅ，２７ｇと、誘起電圧変化率２７ｄと、磁束推定値演算手段２７ｆとから形成されている。

誘起電圧推定手段２７ａでは下記数５式に基づいて誘起電圧ベクトルｅ_sを導出し、誘起電圧変化率演算手段２７ｄでは下記数６式に基づいて誘起電圧変化率ベクトルｅ_sドットを導出している。なお、下記数６式では磁束の二階微分値は無視している。

上記数５，６式において、ｖγ_sはγ軸一次電圧、ｖδ_sはδ軸一次電圧、ｉγ_sはγ軸一次電流、ｖδ_sはδ軸一次電流、ω₁は一次周波数、Ｒ_s，Ｌ_s，σは誘導電動機２の電気定数としての一次抵抗，一次インタクタンス，もれ係数をそれぞれ表している。

磁束推定値演算手段２７ｆでは前記数５，６式から得られたそれぞれの値と、誘導電動機２の二次インダクタンスＬ_r，励磁インダクタンスＭとから、下記数７式に基づいて誘導電動機２の回転子磁束推定値λ_rを導出する。ここで、λ_rは［λγ_r λδ_r］^Tで表されるベクトル値を示し、また、微分器２７ｇでは前記回転子磁束推定値λ_rの変化率を求めている。

すべり周波数＆一次周波数推定手段２８では上記数７式で得られた誘導電動機２の回転子磁束推定値λ_rとこの回転子磁束推定値λ_rの変化率と現在の一次周波数ω₁と、誘導電動機２の二次抵抗Ｒ_r，二次インダクタンスＬ_r，励磁インダクタンスＭとに基づいて、下記数８〜１１式の演算を行い、誘導電動機２のすべり周波数推定値ω_se#および一次周波数ω₁ ^*を導出し、このω₁ ^*を新たな一次周波数ω₁として出力している。

すなわち、図１に示した誘導電動機の速度センサレスベクトル制御装置では、誘導電動機２の誘起電圧の変化率と一次周波数の変化率とに基づいて二次磁束推定値を求めていることから、例えば、誘導電動機２が回生状態から制動状態に移行するときなど、一次周波数が零周波数または零周波数近傍になっても、一次周波数の変化率が零でなければ、二次磁束推定値が導出でき、この二次磁束推定値に基づいて、誘導電動機２のすべり周波数推定値ω_se#および一次周波数ω₁を得るようにしている。

図３は、この発明の第２の実施例を示す誘導電動機の速度センサレスベクトル制御装置の回路構成図であり、この図において、図１に示した実施例構成と同一機能を有するものには同一符号を付している。

すなわち、図３に示した制御装置３０が図１に示した制御装置２０と異なる点は、磁束推定手段２７に代えて磁束推定手段３１を備えていることである。

図４は、図３に示した磁束推定手段３１の詳細回路構成図であり、この磁束推定手段３１は、先述の磁束推定手段２７での誘起電圧推定手段２７ａ、微分器２７ｂ，２７ｃ，２７ｅ、誘起電圧変化率２７ｄの他に、磁束変化率推定値演算手段３１ａと積分器３１ｂとから形成されている。

磁束変化率推定値演算手段３１ａでは前記数５，６式から得られたそれぞれの値と、誘導電動機２の二次インダクタンスＬ_r，励磁インダクタンスＭとから、下記数１２式に基づいて誘導電動機２の回転子磁束推定値λ_rの変化率を導出し、また、積分器３１ｂでは前記回転子磁束推定値λ_rを求めている。

すべり周波数＆一次周波数推定手段２８では上記数１２式で得られた誘導電動機２の回転子磁束推定値λ_rとこの回転子磁束推定値λ_rの変化率と現在の一次周波数ω₁と、誘導電動機２の二次抵抗Ｒ_r，二次インダクタンスＬ_r，励磁インダクタンスＭとに基づいて、前記数８〜１１式の演算を行い、誘導電動機２のすべり周波数推定値ω_se#および一次周波数ω₁ ^*を導出し、このω₁ ^*を新たな一次周波数ω₁として出力している。

すなわち、図３に示した誘導電動機の速度センサレスベクトル制御装置においても、例えば、誘導電動機２が回生状態から制動状態に移行するとき、すなわち、一次周波数が零クロス点を通過するときなどに、一次周波数が零周波数または零周波数近傍になっても、一次周波数の変化率が零でなければ、二次磁束推定値が導出でき、この二次磁束推定値に基づいて、誘導電動機２のすべり周波数推定値ω_se#および一次周波数ω₁を得るようにしている。

この発明の第１の実施例を示す誘導電動機の速度センサレスベクトル制御装置の回路構成図 図１の部分詳細回路構成図 この発明の第２の実施例を示す誘導電動機の速度センサレスベクトル制御装置の回路構成図 図３の部分詳細回路構成図 従来例を示す誘導電動機の速度センサレスベクトル制御装置の回路構成図

符号の説明

１…インバータ、２…誘導電動機、３…電圧検出手段、４…電流検出手段、１０…制御装置、１１…励磁電流指令値演算手段、１２…トルク電流指令値演算手段、１３…電流制御手段、１４…ｄ−ｑ／三相座標変換手段、１５…積分器、１６…三相／ｄ−ｑ座標変換手段、１７…誘起電圧演算手段、１８…すべり周波数＆一次周波数推定手段、２０，３０…制御装置、２１…励磁電流指令値演算手段、２２…トルク電流指令値演算手段、２３…電流制御手段、２４…γ−δ／三相座標変換手段、２５…積分器、２６…三相／γ−δ座標変換手段、２７，３１…磁束推定手段、２８…すべり周波数＆一次周波数推定手段。

Claims (1)

1. 速度センサを持たない誘導電動機をインバータによって可変速制御すべく、誘導電動機の一次電流および一次電圧を回転子鎖交磁束の方向と平行な成分（γ軸成分）と、これに直交する成分（δ軸成分）とに分離して、それぞれ独立して制御する速度センサレスベクトル制御装置において、
   前記γ，δ軸成分の一次電流および一次電圧と誘導電動機の一次周波数とに基づいて、誘導電動機の回転子磁束推定値とその時間変化率とを演算する磁束推定手段と、
   前記磁束推定手段で演算した値それぞれと前記δ軸成分の一次電流とに基づいて、誘導電動機のすべり周波数と前記一次周波数とを推定演算するすべり周波数＆一次周波数推定手段とを備えたことを特徴とする誘導電動機の速度センサレスベクトル制御装置。

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