JP2008086138A - 同期電動機制御装置とその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ｄ軸電流指令を速度に依存した制限値で制限するとともに、制限値を導出する式を簡略化し、最適なｄ軸電流指令を作る同期電動機制御装置とその制御方法を提供する。
【解決手段】 同期電動機に交流電圧を印加する電力変換部（３）と、回転速度を検出する速度検出部（１５）と、電力変換器より供給される同期電動機の３相電流を検出する電流検出部（２）と、３相電流をｄ−ｑ軸電流に変換する３相／２相座標変換部（４）と、ｄ軸電流指令とｄ軸電流からｄ軸電圧指令を生成するｄ軸電流制御部（７）と、ｑ軸電流指令とｑ軸電流からｑ軸電圧指令を生成するｑ軸電流制御部（６）と、ｄｑ軸電圧指令を３相電圧指令に変換する２相／３相座標変換部（５）と、ｄ軸電流指令を演算するｄ軸電流指令演算部（９）とを備えた同期電動機制御装置において、ｄ軸電流指令をモータ速度に応じて制限するｄ軸電流指令制限部（１１）を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、同期電動機を駆動する同期電動機制御装置とその制御方法に関する。

従来の同期電動機制御装置を図を用いて説明する。図２において、１は同期電動機、２は電流検出器、３は電力変換部、４は３相／２相変換部、５は２相／３相変換部、６はｑ軸電流制御部、７はｄ軸電流制御部、９はｄ軸電流指令演算部、１０はｑ軸電流制限部、１２は最大ｄ軸電流演算部、１３は電圧飽和検出器、１４は飽和積分器、１５は速度検出部である。電流検出部２によって検出されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは、３相−２相変換部４により、ｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑに変換される。ここで、Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの和は０になるので、Ｉｕ、Ｉｖの電流を検出し、Ｉｗは、式（１）から求めることもできる。

電力変換部３は電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を受けて実際の電圧を発生する。２相−３相変換部５は同期機の界磁であるｄ軸電圧指令Ｖｄ＊とトルクを発生するｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を、３相電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に変換する。ｑ軸電流制御部６はｑ軸電流指令Ｉｑ＊とフィードバック電流Ｉｑの差が０になるように例えばＰＩ制御を行う。ｄ軸電流制御部７はｑ軸電流制御部と同様に例えばＰＩ制御をｄ軸電流について行う。ｑ軸電流制限部１０はｄ軸電流の増加により、ｑ軸電流の最大値が減少していくので、ｑ軸電流指令Ｉｑ＊をｑ軸電流の最大値に制限する。ｄ軸電流指令演算部９はｑ軸電流指令や電圧飽和積分器１４からの入力を基にｄ軸電流指令を計算する。最大ｄ軸電流演算部１２はモータ回転速度ωや電力変換装置の最大電圧Ｖｍａｘからｄ軸電流の最大値を計算する。電圧飽和検出器１３は電力変換部３の最大電圧Ｖｍａｘと電力変換部３で検出した実電圧との比較を行い、電圧飽和を起こしているかどうかの判断を行う。飽和積分器１４は電圧飽和検出器１３が電圧飽和を検出したときに負の固定値の積分を行い、負のｄ軸電流指令を作成する。
次に、永久磁石を使用した同期電動機の電圧飽和について説明する。永久磁石を使用した同期電動機は、回転速度に比例した誘起電圧が、同期電動機のｑ軸に発生するので、誘起電圧を打ち消すだけの電圧がｑ軸に必要になる。つまり、高回転速度では、同期電動機のトルクの最大値が減少することになり、この領域を電圧飽和領域と言う。
本発明でも利用しているが、この電圧飽和領域でトルクの減少を抑える方法として、適当な負のｄ軸電流を流して電圧飽和を押さえる公知技術がある。以下に原理を説明する。永久磁石を使用した同期電動機の電圧電流方程式とトルクは、式（２）、式（３）で与えられる。

ただし、Ｉｄ，Ｉｑは同期電動機のｄ，ｑ軸電流、Ｖｄ、Ｖｑは同期電動機のｄ、ｑ軸電圧、ωは電気角速度、Ｒは電気子抵抗、Ｌｄ、Ｌｑはｄ、ｑ軸インダクタンス、ｐはｄ／ｄｔ、Ｋは誘起電圧定数、Ｋｔはトルク定数、Ｐは極対数である。
ここで、同期電動機は非突極構造であるとし、定常状態で考えるとすると、同期電動機のｑ軸電圧Ｖｑは、

となる。この式（４）より、同期電動機のｑ軸電圧Ｖｑは回転速度に応じて誘起電圧が高くなるが、負のｄ軸電流−Ｉｄを流すと、誘起電圧の増加量を抑える方向に働く。
電圧飽和領域に入ると電圧飽和検出器１３が電圧飽和を検出し、飽和積分器１４で負の一定値を積分し、この飽和積分器１４の値をｄ軸電流指令Ｉｄ＊とすることで、ｄ軸電流が増加し誘起電圧の増加量を抑える方向に働く。誘起電圧の増加量が押さえられ電圧飽和領域でなくなると、今度は正の一定値を飽和積分器１４に積分していくことでｄ軸電流を減少させていく。そして、また電圧飽和領域に入ると、負の一定値を飽和積分器１４に積分していく。この繰り返しで、ｄ軸電流指令を調整することができる。
しかし、電圧飽和領域でない場合、正の一定値を積分していくのでｄ軸電流指令に余分な正の値がたまることになる。このため、電圧飽和領域でない場合、ｄ軸電流指令演算部９で最適なｄ軸電流を計算する方法がとられている。計算式としてはいろいろなものがあるが、厳密に解く場合には複雑な式を解かなければならないため、ＣＰＵに負担がかかり、処理時間も長くなる問題がある。近似式で解く場合には、今度は誤差が大きくなる問題がおこる。
従来技術では、負のｄ軸電流を流すためのｄ軸電流指令をモータ回転速度や電力変換装置の最大電圧、ｑ軸電流指令を基に複雑な計算をして導出してきた。
例えば、特許文献１においては、

を用いて最適なｄ軸電流指令の最大値を計算している。
特許文献２の第４実施形態，第５実施形態においても、ｄ軸，ｑ軸電流指令、または、ｄ軸，ｑ軸電圧指令を、計算値やＲＯＭに記憶した電流指令，電圧指令補正マップで補正値を決定している。
複雑な計算をしないで、また、余分なＲＯＭを必要とせず、ｄ軸電流指令を作る方法として、特許文献３に開示された方法は、電圧指令Ｖｄ＊とＶｑ＊に着目し、

で求めたモータ端子電圧Ｖ１＊が、モータ端子電圧最大値Ｖｍａｘを超えないように、ｄ軸電流指令を、例えばＰＩ制御などで制御している。
このように、従来の同期電動機のｄ軸電流制御方法では、モータ回転速度や電力変換装置の最大電圧値やｑ軸電流指令などからｄ軸電流指令を複雑な計算で導出したり、複雑な計算過程を省くために、モータの端子電圧指令を監視し、基準電圧以下にするように、例えばＰＩ制御をしていた。
特開２００３−２０９９９６ 特開平１０−１３６６９９ 特開２００６−０２０４１１

従来の同期電動機の制御装置は、ｄ軸電流指令を複雑な計算で導出するので計算負荷が増大するという問題があった。また、複雑な計算を省くために、ＲＯＭにあらかじめ計算された補正量を記憶する方法もあるが、大きなＲＯＭ容量が必要となる。モータの端子電圧指令を監視し、基準電圧以下にするように、例えばＰＩ制御するようにした場合には、それらの問題は解決できるが、電圧飽和領域でモータ電圧端子が基準電圧以下にならない場合が発生するので、ｄ軸電流指令が飽和し、最終的に電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊制御ができなくなる問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ｄ軸電流指令を速度に依存した制限値で制限するとともに、制限値を導出する式を簡略化し、最適なｄ軸電流指令を作る同期電動機制御装置とその制御方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、永久磁石を使用した同期電動機に交流電圧を印加する電力変換部と、前記同期電動機の回転速度を検出する速度検出部と、前記電力変換器より供給される前記同期電動機の３相電流を検出する電流検出部と、前記３相電流をｄｑ軸電流に変換する３相／２相座標変換部と、ｄ軸電流指令とｄ軸電流からｄ軸電圧指令を生成するｄ軸電流制御部と、ｑ軸電流指令とｑ軸電流からｑ軸電圧指令を生成するｑ軸電流制御部と、前記ｄｑ軸電圧指令を３相電圧指令に変換する２相／３相座標変換部と、ｄ軸電流指令を演算するｄ軸電流指令演算部と、を備えた同期電動機制御装置において、前記ｄ軸電流指令をモータ速度に応じて制限するｄ軸電流指令制限部、を備えたことを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の同期電動機制御装置において、前記ｄ軸電流指令制限部は、モータ回路方程式を用いて制限することを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項２記載の同期電動機制御装置において、前記モータ回路方程式は、式（７）であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、永久磁石を使用した同期電動機に交流電圧を印加する電力変換部と、前記同期電動機の回転速度を検出する速度検出部と、前記電力変換器より供給される前記同期電動機の３相電流を検出する電流検出部と、前記３相電流をｄ−ｑ軸電流に変換する３相／２相座標変換部と、ｄ軸電流指令とｄ軸電流からｄ軸電圧指令を生成するｄ軸電流制御部と、ｑ軸電流指令とｑ軸電流からｑ軸電圧指令を生成するｑ軸電流制御部と、前記ｄｑ軸電圧指令を３相電圧指令に変換する２相／３相座標変換部と、ｄ軸電流指令を演算するｄ軸電流指令演算部と、を備えた同期電動機制御装置の制御方法において、イニシャル時に式（７）のｄ軸電流制限第２項と第３項を計算するステップと、通常運転時に式（７）のｄ軸電流制限第１項を計算するステップと、第１項と第２項と第３項を加算するステップと、を備えることを特徴とするものである。

請求項１に記載の発明によると、最適なｄ軸電流指令を作り、電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊の飽和を防止した同期電動機制御装置を提供することができる。
請求項２乃至４に記載の発明によると、計算負荷を軽減し、最適なｄ軸電流指令を簡単に作る同期電動機制御装置および制御方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の同期電動機制御装置の構成を示す図である。図において、１は同期電動機、２は電流検出部、３は電力変換部、４は３相／２相変換部、５は２相／３相変換部、６はｑ軸電流制御部、７はｄ軸電流制御部、８はリミット処理部、９はｄ軸電流指令演算部、１５は速度検出部である。電流検出部２によって検出されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは、３相−２相変換部４により、ｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑに変換される。電力変換部３は電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を受けて実際の電圧を発生する。２相−３相変換部５は同期機の界磁であるｄ軸電圧指令Ｖｄ＊とトルクを発生するｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を、３相電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に変換する。ｑ軸電流制御部６はｑ軸電流指令Ｉｑ＊とフィードバック電流Ｉｑの差が０になるように例えばＰＩ制御を行っている。ｄ軸電流制御部７はｑ軸電流制御部と同様に例えばＰＩ制御をｄ軸電流について行っている。リミット処理部８はｑ軸電流指令Ｉｑ＊をｄ軸電流指令により制限する。ｄ軸電流指令演算部９はｑ軸電圧指令Ｖｑ＊と電力変換部の電圧最大値の二乗からｄ軸電圧指令の二乗を引いたものの平方根√（Ｖｍａｘ^２−Ｖｄ＊^２）の差分によりｄ軸電流指令の例えばＰＩ制御を行っている。

図３本発明のｄ軸電流指令演算部の構成を示す図である。図３において、１１はｄ軸電流指令制限部、１６はＰＩ制御部である。非突極構造の同期電動機のトルクはｑ軸電流Ｉｑに比例する。そのため、ｑ軸電流指令Ｉｑ＊を大きくしていくと、トルクもｑ軸電流指令に比例して大きくなる。ところが、高回転速度領域では同期電動機の特徴である誘起電圧が大きくなってしまい、ｑ軸電流を流すためのｑ軸電圧の最大値が制限されてしまう（電圧飽和領域）。ｄ軸電流Ｉｄを流すと、誘起電圧の増加分を押さえることができるが、本発明では、簡単な方法で最適なｄ軸電流指令を作るためにｑ軸電圧指令Ｖｑ＊に着目した。ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊と電力変換部の電圧最大値の二乗からｄ軸電圧指令の二乗を引いたものの平方根√（Ｖｍａｘ^２−Ｖｄ＊^２）との比較を行い、その差分によりｄ軸電流指令をＰＩ制御部１６でＰＩ制御することにより、電圧飽和領域でｑ軸電圧指令Ｖｑ＊が大きくなり、電力変換装置の最大電圧Ｖｍａｘを越えてしまった時に、ｄ軸電流指令演算部９の入力に負の値が入力され、負のｄ軸電流指令が作られ、負のｄ軸電流指令により負のｄ軸電流が同期電動機に流すことで誘起電圧の増加分を押さえる事ができ、ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊が電力変換装置の電圧最大値の二乗からｄ軸電圧指令の二乗を引いたもの平方根√（Ｖｍａｘ^２−Ｖｄ＊^２）と等しくなるように、ｄ軸電流を調整する事ができる。ここで、ｄ軸電流指令演算部９の入力の最大値は０で制限しておく必要がある。電圧飽和でないときには、常に正の値がｄ軸電流指令演算部９に入力されている。この正の値は、電圧飽和の判断には利用できるが、実際のｄ軸電流指令値には必要ない値である。そのため、ｄ軸電流指令演算部９の入力の最大値は０で制限しておく。
次に、図１のｑ軸電流指令のリミット処理部８について説明する。同期電動機のｑ軸最大電流は、式（８）によって制限される。

ただし、Ｉｍａｘは同期電動機の最大電流である。電圧飽和の状態の中でも、より高回転速度、高トルクの境域では大きなｄ軸電流Ｉｄが必要となるため、最適なｄ軸電流指令Ｉｄ＊を作るためにはｑ軸電流Ｉｑを減少させてｄ軸電流Ｉｄを増やす必要がある。このため、ｄ軸電流指令Ｉｄ＊とｑ軸電流指令Ｉｑ＊をリミット処理部に入力し、上記式によりｑ軸電流指令Ｉｑ＊にリミットを掛けることによって、最適なｑ軸電流指令Ｉｑ’＊を作ることができる。
電圧飽和領域では、ｄ軸電流を流してもモータ端子電圧が基準電圧以下にならない場合が存在するので、電圧飽和領域での特性方程式（９）を解いた、

式（９）〜式（１１）で、ｄ軸電流指令Ｉｄ＊を制限すれば、電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊は飽和することなく、最適なｄ軸電流Ｉｄ＊で制御が可能となる。
ただし、このままだと計算が複雑であり、計算負荷が大きいので、電圧飽和領域はωが十分大きいものとして、特性方程式を

と近似し、これを解いた、

式（１３）で、ｄ軸電流指令を制限すれば良い。式（１３）の項２，項３は既知のモータパラメータのみで計算できるので、イニシャル時に計算することにより、リアルタイムで行う計算負荷を大幅に軽減できる。

図４は本発明の同期電動機制御装置の制御方法を示すフローチャートである。ステップＳＴ１でイニシャル時に式（１３）のｄ軸電流制限第２項と第３項を計算し、ステップＳＴ２で通常運転時に式（１３）のｄ軸電流制限第１項を計算し、ステップＳＴ３で第１項と第２項と第３項を加算する。
以上のように、本発明では、同期電動機の電圧飽和時におけるｄ軸電流制御方法が、ｑ軸電圧指令と電力変換部の電圧最大値の二乗からｄ軸電圧指令の二乗を引いたもの平方根との比較を行い、その差分によりｄ軸電流指令を例えばＰＩ制御し、速度に依存したｄ軸電流指令制限するとしたので、簡単な方法かつ簡単な機器構成で最適なｄ軸電流指令を作ることができる。

本発明の同期電動機制御装置の構成を示す図 従来の同期電動機制御装置の構成を示す図 本発明のｄ軸電流指令演算部の構成を示す図 本発明の同期電動機制御装置の制御方法を示すフローチャート

符号の説明

１ 同期電動機
２ 同期電動機の電流検出部
３ 電力変換部
４ ３相／２相変換部
５ ２相／３相変換部
６ ｑ軸電流制御部
７ ｄ軸電流制御部
８ リミット処理部
９ ｄ軸電流指令演算部
１０ ｑ軸電流制限部
１１ ｄ軸電流指令制限部
１２ 最大ｄ軸電流演算部
１３ 電圧飽和検出器
１４ 飽和積分器
１５ 速度検出部
１６ ＰＩ制御部

Claims (4)

1. 永久磁石を使用した同期電動機に交流電圧を印加する電力変換部と、前記同期電動機の回転速度を検出する速度検出部と、前記電力変換器より供給される前記同期電動機の３相電流を検出する電流検出部と、前記３相電流をｄ−ｑ軸電流に変換する３相／２相座標変換部と、ｄ軸電流指令とｄ軸電流からｄ軸電圧指令を生成するｄ軸電流制御部と、ｑ軸電流指令とｑ軸電流からｑ軸電圧指令を生成するｑ軸電流制御部と、前記ｄｑ軸電圧指令を３相電圧指令に変換する２相／３相座標変換部と、ｄ軸電流指令を演算するｄ軸電流指令演算部と、を備えた同期電動機制御装置において、
   前記ｄ軸電流指令演算部は、前記ｄ軸電流指令をモータ速度に応じて制限するｄ軸電流指令制限部、
   を備えたことを特徴とする同期電動機制御装置。
2. 前記ｄ軸電流指令制限部は、モータ回路方程式を用いて制限することを特徴とする請求項１記載の同期電動機制御装置。
3. 前記モータ回路方程式は、式（１）であることを特徴とする請求項２記載の同期電動機制御装置。
   
   
4. 永久磁石を使用した同期電動機に交流電圧を印加する電力変換部と、前記同期電動機の回転速度を検出する速度検出部と、前記電力変換器より供給される前記同期電動機の３相電流を検出する電流検出部と、前記３相電流をｄ−ｑ軸電流に変換する３相／２相座標変換部と、ｄ軸電流指令とｄ軸電流からｄ軸電圧指令を生成するｄ軸電流制御部と、ｑ軸電流指令とｑ軸電流からｑ軸電圧指令を生成するｑ軸電流制御部と、前記ｄｑ軸電圧指令を３相電圧指令に変換する２相／３相座標変換部と、ｄ軸電流指令を演算するｄ軸電流指令演算部と、を備えた同期電動機制御装置の制御方法において、
   イニシャル時に式（１）のｄ軸電流制限第２項と第３項を計算するステップと、
   通常運転時に式（１）のｄ軸電流制限第１項を計算するステップと、
   第１項と第２項と第３項を加算するステップと、
   を備えることを特徴とする同期電動機制御装置の制御方法。