JP2008148402A - Power conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、電動機を駆動するための電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device for driving an electric motor.
従来、プロセスライン等に使用する電動機を駆動する電力変換装置は、直流電圧をインバータによって交流に変換し、この交流出力で電動機を駆動し、必要な速度及びトルクを発生させる構成が採用されている。電動機には、速度センサが接続されていて、電動機の磁極位置、あるいは速度が検出される。そして上記の速度センサから得られる速度帰還信号を与えられた速度基準と比較し、その偏差を速度制御器によってPI(比例積分)制御し、この出力をトルク基準或いは電流基準として電動機のトルクを制御するように構成するのが通常であった。 2. Description of the Related Art Conventionally, a power conversion device that drives an electric motor used in a process line or the like has adopted a configuration in which a DC voltage is converted into an alternating current by an inverter, and the electric motor is driven by this alternating current output to generate necessary speed and torque. . A speed sensor is connected to the motor, and the magnetic pole position or speed of the motor is detected. The speed feedback signal obtained from the speed sensor is compared with the given speed reference, and the deviation is PI (proportional integral) controlled by the speed controller, and the motor torque is controlled using this output as the torque reference or current reference. It was normal to make it so.
しかしながら、電動機の負荷が振動的である場合、また制御特性を高速化する必要がある駆動系においては、上記の制御系では不十分な場合もある。この対策として、駆動系の慣性モーメントを用いた速度モデル演算部を制御系の中に用意し、その速度モデルと速度帰還信号との偏差をPI(比例積分)制御してトルク基準を求めると共に、速度モデルのトルク基準出力を上記トルク基準に加算補正して振動を抑制する提案が為されている(例えば特許文献1参照。)。
上記特許文献1に示された手法は、電動機の駆動系の慣性モーメント、即ち機械系及び電動機自身の慣性モーメントの和が入力条件として必要である。この慣性モーメントは通常は固定値として設定される。従って、一度設定されたら変更を行うことは少ないが、電動機あるいは駆動ロール等を交換した場合には再設定が必要となる。また、運転中の経年変化、例えば駆動ロールの表面磨耗などによって負荷の慣性モーメントが変化した場合にも本来は設定変更が必要となる。このような設定変更は煩雑であるばかりでなく、その煩雑さのため設定変更が必要な状況であるにも拘わらずこれが行われない場合があった。 The method disclosed in Patent Document 1 requires the moment of inertia of the drive system of the motor, that is, the sum of the moment of inertia of the mechanical system and the motor itself as an input condition. This moment of inertia is normally set as a fixed value. Therefore, once it is set, it is rarely changed. However, when the electric motor or the drive roll is replaced, resetting is required. Also, when the moment of inertia of the load changes due to secular change during operation, for example, surface wear of the drive roll, it is necessary to change the setting. Such a setting change is not only complicated, but there are cases where this setting is not performed despite the fact that the setting change is necessary due to the complexity.
本発明は上記事情に鑑みて為されたもので、その目的は、自動的に慣性モーメントの同定を行うことが可能な電力変換装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a power conversion device capable of automatically identifying the moment of inertia.
上記目的を達成するため、本発明の電力変換装置は、直流を所望の交流に変換して電動機を駆動するインバータと、前記インバータのパワーデバイスにゲート信号を与える制御部と、前記インバータの出力電流を検出する電流検出手段と、前記電動機の速度を直接または間接的に検出する速度検出手段とから構成され、前記制御部は、外部から与えられる速度基準を入力として加減速用トルク基準と速度モデルを演算する速度モデル演算部と、前記速度モデルと前記速度検出手段から得られる速度帰還信号を入力とし、その出力である補正前トルク基準に前記加減速用トルク基準を加算してトルク基準を出力する速度制御部と、前記トルク基準と前記電流検出手段で検出された電流に基づいて前記電動機の励磁軸とトルク軸の電流を独立して制御するベクトル制御またはセンサレスベクトル制御手段と、前記速度モデル演算部で用いる前記電動機の駆動系の慣性モーメントを自動的に同定する慣性モーメント同定手段とを備えたことを特徴としている。 In order to achieve the above object, a power converter according to the present invention includes an inverter that converts a direct current into a desired alternating current to drive an electric motor, a control unit that supplies a gate signal to the power device of the inverter, and an output current of the inverter Current detecting means for detecting the speed of the motor and speed detecting means for detecting the speed of the motor directly or indirectly, and the control section receives a speed reference given from the outside as an input, and an acceleration / deceleration torque reference and a speed model The speed model calculation unit for calculating the speed, and the speed feedback signal obtained from the speed model and the speed detection means are input, and the torque reference for correction is added to the pre-correction torque reference that is the output to output the torque reference A speed control unit, and an excitation shaft current and a torque shaft current of the motor independently based on the torque reference and the current detected by the current detection means A vector control or sensorless vector control means Gosuru is characterized in that a moment of inertia identification means for automatically identifying the inertia moment of the driving system of the motor used in the velocity model calculation unit.
この発明によれば、自動的に慣性モーメントの同定を行うことが可能な電力変換装置を提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide a power converter that can automatically identify the moment of inertia.
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
以下、図1乃至図3を参照して本発明の実施例1を説明する。図1(a)は本発明の実施例1に係る電力変換装置のブロック構成図である。 Embodiment 1 of the present invention will be described below with reference to FIGS. Fig.1 (a) is a block block diagram of the power converter device which concerns on Example 1 of this invention.
インバータ1は直流電源を受け、これを所望の電圧及び周波数の交流に変換し、その出力で電動機2を駆動する。このインバータ1はパワーデバイスをブリッジ接続した主回路を備えており、各々のパワーデバイスは制御部3からのゲート信号によってオンオフ制御されている。電動機2には速度検出器4が取り付けられており、この出力は速度帰還信号として制御部3に与えられる。また、インバータ1の出力側には電流検出器5が設けられ、この出力も電流帰還信号として制御部3に与えられる。以下制御部3の内部構成について説明する。
The inverter 1 receives a DC power supply, converts it into AC having a desired voltage and frequency, and drives the
外部から与えられた速度基準は、速度モデル演算器30に与えられる。この速度モデル演算器30の出力と前述の速度帰還信号が速度制御器32の入力となる。速度制御器32においてはこれらの信号の偏差が最小となるように調節制御し、その出力をトルク基準としてベクトル制御器33に与える。ベクトル制御器33は、予め設定された磁束基準信号を用いて上記トルク基準を磁束軸電流基準とトルク軸電流基準に変換する。
The speed reference given from the outside is given to the
トルク軸電流基準は、前述の電流帰還信号を3相−2相変換器34で変換して得られたトルク帰還電流と比較され、トルク軸電流制御器35はその偏差が最小となるように調節して電流制御を行う。また同様に、磁束軸電流基準は、電流帰還信号を3相−2相変換器34で変換して得られた磁束帰還電流と比較され、磁束電流制御器36はその偏差が最小となるように調節して電流制御を行う。トルク軸電流制御器35及び磁束電流制御器36の出力は夫々トルク軸電圧基準、磁束軸電圧基準となるが、これらは3相電圧基準発生器37に入力され、ここで各相の電圧基準に変換されてPWM回路38に与えられる。PWM回路38は所定のキャリア信号で各相の電圧基準を変調してインバータ1のパワーデバイスに与えるゲート信号を出力する。
The torque shaft current reference is compared with the torque feedback current obtained by converting the current feedback signal by the three-phase to two-phase converter 34, and the torque shaft
また、電動機2が誘導電動機の場合、トルク軸電流基準と磁束基準からすべり演算器39によって電動機2のすべり周波数を演算し、この演算結果と速度帰還信号とを加算してインバータ出力周波数を求め、これを積分器40で積分してインバータ1の出力位相基準を求めている。この出力位相基準は前述の3相−2相変換器34及び3相電圧基準発生器37の変換位相基準となる。尚、電動機2が同期電動機の場合は電動機2のすべり周波数はゼロとなるので上記のすべり周波数演算は省略できる。
When the
速度モデル演算器30の内部定数として駆動系の慣性モーメントJを用いるが、この慣性モーメントJを同定するためにJ同定器32が設けられている。
The inertia moment J of the drive system is used as an internal constant of the speed
速度モデル演算器30、速度制御器31及びJ同定器32の詳細構成を図1(b)に示す。速度基準は速度モデル演算器30のPI制御器301に加算入力として与えられ、その出力は電動機2の駆動系の慣性モーメントJの逆数が記憶された記憶回路305の記憶値に乗算され、更に積分回路303を介してPI制御器301の入力に負帰還される。この積分回路303の出力が速度モデル信号であり、この速度モデル信号と速度基準とを選択的に切り換えるための切換器306を介して出力される。そしてPI制御器301の出力が加減速トルク基準となり、この加減速トルク基準をオフするように構成された切換器306を介して出力される。
A detailed configuration of the
尚、上記構成において切換器306を速度モデル演算器30の内部に設けているが、これをJ同定器32の内部に設ける構成としても良い。
In the above configuration, the
速度制御部31の内部において、上記の速度モデル信号から速度帰還信号が減算され、この偏差が最小となるようにPI制御器311でPI制御する。そしてこのPI制御器311の出力である補正前トルク基準に前述の加減速トルク基準が加算され、結果としてベクトル制御器33の入力となるトルク基準が得られる。
Inside the
PI制御器311の出力はPI制御器301の出力から減算されてPI制御器304に与えられる。そしてPI制御器304はこの出力を乗算器302の乗算数として与えることが可能であると共に、この出力が記憶回路305に慣性モーメントJの逆数として記憶可能な構成となっている。尚、この構成において速度モデル演算器30の内部に設けられたPI制御器304は、J同定器32の内部に設ける構成としても良い。
The output of the
以上の構成における作用効果について図2及び図3を参照して以下に説明する。 The effects of the above configuration will be described below with reference to FIGS.
図2は、慣性モーメントJを同定するための手順の一例を示すフローチャートである。まず、ステップST1において、J同定器32は切換器306を測定側に選択する。こうすると、前述したとおり速度制御器31への速度に関する入力は速度基準そのものとなり、加減速トルク基準の補正信号は切り離される。更に、PI制御器304の出力が乗算器302の乗算数となる。
FIG. 2 is a flowchart showing an example of a procedure for identifying the moment of inertia J. First, in step ST1, the
上記状態で、速度基準をランプ状に変化させ、例えば所定の加速レートで所定時間運転を行う(ST2)。このとき、加速レートと加速運転時間を適切に選定すれば、速度モデル演算器側の閉ループ制御系において、PI制御器304の出力は、その入力であるPI制御器301の出力である加減速トルク基準とPI制御器311の出力の偏差が最小となるように調節される。乗算器302に与える乗算数が駆動系の慣性モーメントJの逆数となったとき、上記偏差は最小化されることになるので、このときのPI制御器304の出力を慣性モーメントJの逆数として記憶回路305において記憶する(ST3)。
In the above state, the speed reference is changed to a ramp shape, and operation is performed for a predetermined time at a predetermined acceleration rate (ST2). At this time, if the acceleration rate and the acceleration operation time are appropriately selected, in the closed loop control system on the speed model computing unit side, the output of the
以上で慣性モーメントの同定は終了する。次に切換器306を実運転側に選択する(ST4)。この状態で速度基準をランプ状に変化させ、例えば所定レートで減速させる。そしてそのときの速度制御器31から与えられる速度偏差が所定値以内であることを確認する(ST5)。このステップST5においては、乗算器302に与えられる乗算数は記憶回路305に記憶された値となっている。従ってこの記憶された値が確かに駆動系の慣性モーメントJの逆数となっていれば、実運転の加減速時に加減速トルクの補償が行われている状況となる。この加減速トルクの補償が適切に行われていれば、上記の速度偏差は常に所定値以内となるので、慣性モーメントJの同定が適切に行えたことになる。
This completes the identification of the moment of inertia. Next, the
図3は、慣性モーメントJを同定するための手順の他の一例を示すフローチャートである。 FIG. 3 is a flowchart showing another example of the procedure for identifying the moment of inertia J.
この図3に示す例の場合も、J同定器32は切換器306を測定側に選択し(ST1)、速度基準をランプ状に変化させる(ST2)。この状態で速度偏差が所定値以下となったかどうかチェックする(ST2A)。このステップST2Aにおいては、速度偏差が所定値以下となるまで加速または減速運転を行う。そして速度偏差が所定値以下となったとき、PI制御器304の出力を慣性モーメントJの逆数として記憶する(ST3)。そしてここで慣性モーメントの同定を完了し、切換器306を運転側に選択して実運転に備える(ST6)。
Also in the example shown in FIG. 3, the
この図3に示した同定法によれば、図2に示したステップST5の確認手順の省略が可能となる。 According to the identification method shown in FIG. 3, the confirmation procedure in step ST5 shown in FIG. 2 can be omitted.
以上の本発明の実施例1については、図1に示したように電動機2には速度検出器4が取り付けられ、この速度検出器4の速度帰還信号によって所謂ベクトル制御を行う例を説明したが、速度検出器4が無い場合においても演算によって速度を推定することが可能であり、この場合、所謂センサレスベクトル制御を行うことができるのは明らかである。
In the first embodiment of the present invention described above, the
また、この実施例1において、慣性モーメント同定用の測定を行ったあと、この慣性モーメントの逆数を記憶回路に保存し、その保存たれた値を実運転時に使用する構成としたが、用途によっては、この記憶回路を省略し、常に上記同定用の測定回路であるPI制御器の出力を慣性モーメントの逆数として使用することも可能である。 In Example 1, after the measurement for identifying the moment of inertia was performed, the reciprocal of the moment of inertia was stored in the memory circuit, and the stored value was used during actual operation. It is also possible to omit this memory circuit and always use the output of the PI controller which is the measuring circuit for identification as the reciprocal of the moment of inertia.
更に、速度モデル演算器は、加減速時に慣性モーメントによる加減速トルクが支配的となるような通常の例の場合の構成を示したが、用途によっては負荷の機械損などが無視できない場合もあるので、この場合には補償要素を加えた構成とする。また、そのような場合には、加速時に得られる慣性モーメントと減速時に得られる慣性モーメントの平均値を用いて駆動系の慣性モーメントを同定することも可能である。 In addition, the speed model calculator has a configuration in the normal case where the acceleration / deceleration torque due to the moment of inertia is dominant during acceleration / deceleration. However, depending on the application, the mechanical loss of the load may not be negligible. Therefore, in this case, a configuration in which a compensation element is added is adopted. In such a case, it is also possible to identify the inertial moment of the drive system using the average value of the inertial moment obtained during acceleration and the inertial moment obtained during deceleration.
図4は本発明の実施例2に係る電力変換装置の速度モデル演算器、速度制御器及びJ同定器の詳細構成図である。この実施例2の各部について、図1(b)の実施例1に係る電力変換装置の速度モデル演算器、速度制御器及びJ同定器の詳細構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例2が実施例1と異なる点は、速度モデル演算器30AのPI制御器304の加算入力を速度モデル信号とし、減算入力を速度帰還信号とした点である。
FIG. 4 is a detailed configuration diagram of a speed model calculator, a speed controller, and a J identifier of the power conversion device according to the second embodiment of the present invention. About each part of this Example 2, the same part as each part of the detailed block diagram of the speed model calculator, speed controller, and J identifier of the power converter according to Example 1 of FIG. The description is omitted. The second embodiment differs from the first embodiment in that the addition input of the
この実施例2に示したように、トルク基準ベースではなく、速度モデル演算器30Aの速度モデル出力が速度帰還と一致するように動作させて慣性モーメントJを同定することが可能であることは明らかである。また、この実施例2の速度偏差ベースの慣性モーメントの同定手法においても、実施例1の図2及び図3で示した同定手法を使用することが可能であることも明らかである。
As shown in the second embodiment, it is obvious that the moment of inertia J can be identified by operating so that the speed model output of the speed
1 インバータ
2 電動機
3 制御部
4 速度センサ
5 電流検出器
30、30A 速度モデル演算器
31 速度制御器
32 J同定器
33 ベクトル演算器
34 3相−2相電流変換器
35 トルク電流制御器
36 磁束電流制御器
37 3相電圧基準変換器
38 PWM制御回路
39 すべり演算器
40 積分器
301 PI制御器
302 乗算器
303 積分器
304、304A PI制御器
306 切換器
311 PI制御器
1
30, 30A
301
Claims (7)
前記インバータのパワーデバイスにゲート信号を与える制御部と、
前記インバータの出力電流を検出する電流検出手段と、
前記電動機の速度を直接または間接的に検出する速度検出手段と
から構成され、
前記制御部は、
外部から与えられる速度基準を入力として加減速用トルク基準と速度モデルを演算する速度モデル演算部と、
前記速度モデルと前記速度検出手段から得られる速度帰還信号を入力とし、その出力である補正前トルク基準に前記加減速用トルク基準を加算してトルク基準を出力する速度制御部と、
前記トルク基準と前記電流検出手段で検出された電流に基づいて前記電動機の励磁軸とトルク軸の電流を独立して制御するベクトル制御またはセンサレスベクトル制御手段と、
前記速度モデル演算部で用いる前記電動機の駆動系の慣性モーメントを自動的に同定する慣性モーメント同定手段と
を備えたことを特徴とする電力変換装置。 An inverter that drives a motor by converting direct current to desired alternating current;
A control unit for providing a gate signal to the power device of the inverter;
Current detection means for detecting an output current of the inverter;
A speed detecting means for directly or indirectly detecting the speed of the electric motor;
The controller is
A speed model calculation unit that calculates a speed reference and a speed reference for acceleration / deceleration using a speed reference given from the outside,
A speed control unit that receives a speed feedback signal obtained from the speed model and the speed detection means, and adds the acceleration / deceleration torque reference to an uncorrected torque reference that is an output thereof, and outputs a torque reference;
Vector control or sensorless vector control means for independently controlling the current of the excitation shaft and the torque shaft of the electric motor based on the torque reference and the current detected by the current detection means;
An electric power conversion apparatus comprising: an inertia moment identifying means for automatically identifying an inertia moment of a drive system of the electric motor used in the speed model calculation unit.
前記速度基準と前記速度モデルの偏差を入力とし、これを最小化するようにその出力である前記加減速用トルク基準を調節する第1のPI制御器と、
前記第1のPI制御器の出力に前記電動機の駆動系の慣性モーメントの逆数を乗算する乗算器と、この乗算器の出力を積分して前記速度モデルを得る積分器と
を具備したことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 The speed model calculation unit includes:
A first PI controller that takes a deviation between the speed reference and the speed model as an input and adjusts the acceleration / deceleration torque reference that is an output so as to minimize the deviation;
A multiplier for multiplying the output of the first PI controller by the reciprocal of the moment of inertia of the drive system of the motor; and an integrator for integrating the output of the multiplier to obtain the speed model. The power conversion device according to claim 1.
前記慣性モーメントの測定時に、前記速度制御部への前記速度モデルの入力を前記速度基準に切換え、且つ前記加減速用トルク基準の加算補正をオフする切換手段と
前記補正前トルク基準と前記前記加減速用トルク基準の偏差を入力とする第2のPI制御器と
を有し、
前記切換手段を測定側に選択し、且つ前記慣性モーメントの逆数を前記第2のPI制御器の出力に置き換えて所定時間前記電動機を加速または減速運転し、このときの前記第2のPI制御器の出力を新しい慣性モーメントの逆数をして記憶するようにしたことを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置。 The inertia moment identification means includes
At the time of measuring the moment of inertia, switching means for switching the input of the speed model to the speed control unit to the speed reference and turning off the addition correction of the acceleration / deceleration torque reference, the pre-correction torque reference, and the acceleration A second PI controller that receives the deviation of the deceleration torque reference,
The switching means is selected as the measurement side, and the reciprocal of the moment of inertia is replaced with the output of the second PI controller, and the motor is accelerated or decelerated for a predetermined time. At this time, the second PI controller The power converter according to claim 2, wherein the output is stored as a reciprocal of a new moment of inertia.
前記慣性モーメントの測定時に、前記速度制御部への前記速度モデルの入力を前記速度基準に切換え、且つ前記加減速用トルク基準の加算補正をオフする切換手段と
前記速度モデルと前記速度帰還信号の偏差を入力とする第3のPI制御器と
を有し、
前記切換手段を測定側に選択し、且つ前記慣性モーメントの逆数を前記第3のPI制御器の出力に置き換えて所定時間前記電動機を加速または減速運転し、このときの前記第3のPI制御器の出力を新しい慣性モーメントの逆数をして記憶するようにしたことを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置。 The inertia moment identification means includes
When the moment of inertia is measured, the input of the speed model to the speed control unit is switched to the speed reference, and switching means for turning off the addition correction of the acceleration / deceleration torque reference, the speed model, and the speed feedback signal A third PI controller with the deviation as input,
The switching means is selected as the measurement side, and the reciprocal of the moment of inertia is replaced with the output of the third PI controller, and the motor is accelerated or decelerated for a predetermined time. At this time, the third PI controller The power converter according to claim 2, wherein the output is stored as a reciprocal of a new moment of inertia.
前記慣性モーメントの測定時に、前記速度制御部への前記速度モデルの入力を前記速度基準に切換え、且つ前記加減速用トルク基準の加算補正をオフする切換手段と
前記補正前トルク基準と前記前記加減速用トルク基準の偏差を入力とする第2のPI制御器と
を有し、
前記切換手段を測定側に選択し、且つ前記慣性モーメントの逆数を前記第2のPI制御器の出力に置き換えて前記電動機を加速または減速運転し、前記速度基準と前記速度帰還信号との偏差が所定値以下となったときの前記第2のPI制御器の出力を、新しい慣性モーメントの逆数として記憶するようにしたことを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置。 The inertia moment identification means includes
At the time of measuring the moment of inertia, switching means for switching the input of the speed model to the speed control unit to the speed reference and turning off the addition correction of the acceleration / deceleration torque reference, the pre-correction torque reference, and the acceleration A second PI controller that receives the deviation of the deceleration torque reference,
The switching means is selected as the measurement side, and the reciprocal of the moment of inertia is replaced with the output of the second PI controller to accelerate or decelerate the motor, and the deviation between the speed reference and the speed feedback signal is 3. The power conversion apparatus according to claim 2, wherein an output of the second PI controller when it becomes a predetermined value or less is stored as a reciprocal of a new moment of inertia.
前記慣性モーメントの測定時に、前記速度制御部への前記速度モデルの入力を前記速度基準に切換え、且つ前記加減速用トルク基準の加算補正をオフする切換手段と
前記速度モデルと前記速度帰還信号の偏差を入力とする第3のPI制御器と
を有し、
前記切換手段を測定側に選択し、且つ前記慣性モーメントの逆数を前記第3のPI制御器の出力に置き換えて前記電動機を加速または減速運転し、前記速度基準と前記速度帰還信号との偏差が所定値以下となったときの前記第3のPI制御器の出力を、新しい慣性モーメントの逆数として記憶するようにしたことを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置。 The inertia moment identification means includes
When the moment of inertia is measured, the input of the speed model to the speed control unit is switched to the speed reference, and switching means for turning off the addition correction of the acceleration / deceleration torque reference, the speed model, and the speed feedback signal A third PI controller with the deviation as input,
The switching means is selected as the measurement side, and the reciprocal of the moment of inertia is replaced with the output of the third PI controller to accelerate or decelerate the motor, and the deviation between the speed reference and the speed feedback signal is 3. The power conversion apparatus according to claim 2, wherein an output of the third PI controller when it becomes a predetermined value or less is stored as a reciprocal of a new moment of inertia.
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