JP2010252435A

JP2010252435A - トルク制御装置

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Publication number: JP2010252435A
Application number: JP2009096454A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Akao; 義明赤尾
Original assignee: JPE Co Ltd
Current assignee: JPE Co Ltd
Priority date: 2009-04-10
Filing date: 2009-04-10
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2029-04-10
Also published as: JP5376720B2

Abstract

【課題】ウェブ巻取機に用いる三相交流誘導電動機のトルクを簡単な回路で制御する。
【解決手段】直流電源６からインバータ３で三相交流電流を生成して、三相交流誘導電動機１を駆動する。三相交流誘導電動機１の回転数を、速度検出器４で計測して回転子角速度ωmを得る。最適値に設定されたすべり周波数に対応するすべり角速度に、速度検出器４で計測した回転子角速度を加算して、駆動角速度を求める。トルク指令値に対応するトルク成分電流の二乗から固定子電流の二乗の9/8倍を引いた値を０にするような固定子電圧指令値を、ＰＩＤ制御手段で発生する。固定子電圧指令値と界磁角速度指令値に従って三相正弦波を発生する。ＰＷＭ回路で、三相正弦波をＰＷＭ変調した信号でインバータ３を制御する。すべり周波数を一定に保ちながら、電流検出器５と速度検出器４のみで目的のトルクに維持できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、トルク制御装置に関し、特に、ウェブ巻取機などに用いる三相交流誘導電動機のトルク制御装置に関する。

従来、紙などをウェブロールに巻き取る巻取機に用いる三相交流誘導電動機では、一定の張力で巻き取るために、トルクを制御している。トルクを制御する方法としては、Ｖ/ｆ制御法とベクトル制御法とすべり周波数制御法がある。Ｖ/ｆ制御法は、固定子に印加する電流の電圧と周波数の比を一定にして、回転子の回転数が変化してもトルクを一定にする方法である。ベクトル制御法は、固定子の等価磁化電流を磁化成分電流（励磁電流）とトルク成分電流（トルク電流）とに分離して、独立に制御する方法である。直接形ベクトル制御と間接形ベクトル制御がある。

すべリ周波数制御は、回転子の回転速度を検出し、インバータの出力角周波数を、回転子の回転角周波数とすべり角周波数の和で与えるようにする方式である。トルクや固定子電流に直接関係するすべり周波数を自由に制御できるので、Ｖ/ｆ制御に比べて加減速特性と過電流制限能力が向上する。また、速度フィードバックを用いて速度のクローズドループ制御を行う速度コントローラを備えているため、自動制御システムへの応用に適している。Ｖ/ｆが一定の場合は、トルクはすべり周波数に比例するので、トルク指令値に応じてすべり周波数を決めて、回転子回転数の変化に追従して固定子電圧を変化させれば、トルクを制御できる。なお、すべり周波数制御では、電動機速度をフィードバックするので、速度検出器が必要となる。また、通常１台のインバータで１台の電動機を制御する単機運転で使用する。

ヒステリシスコンパレータを用いて固定子電流を直接フィードバック制御すると、スイッチング周波数が一定ではなくなり、電流波形にリップルが生じてトルクリップルが発生するので、ＰＷＭ制御が用いられるようになった。また、磁化成分電流を一定にしてトルク成分電流を制御すると、低トルク領域において効率が悪いので、磁化成分電流とトルク成分電流の両方を制御する。以下に、トルク制御に関連する従来技術の例をいくつかあげる。

特許文献１に開示された「交流電動機制御装置」は、交流電動機の全運転領域において安定にトルク制御できるものである。図４（ａ）に示すように、電動機１次電流の大きさと、電動機１次電流の励磁成分と、電動機１次電流のトルク成分を制御する。低速運転領域では、ベクトル制御によるトルク制御を行う。高速運転領域では、すべり周波数制御によるトルク制御を行う。全運転領域にわたり良好にトルクを制御できる。

特許文献２に開示された「電気自動車のトルク制御方法」は、外乱によりトルク変動が生じても、安定で経済的な走行ができるようにした方法である。図４（ｂ）に示すように、三相誘導電動機の現在のトルクをトルク指令値に一致させるためのトルク補償量を求める。トルク補償量からトルク電流指令値を演算する。トルク電流指令値からすべり周波数を演算する。現在の回転速度に対応する定格２次磁束値を求める。定格２次磁束値とトルク電流指令値から、２次磁束指令値を演算する。電動機の推定２次磁束が２次磁束指令値に一致するように、励磁電流指令値を決定する。トルク電流指令値及び励磁電流指令値に基づいて、誘導電動機で発生するトルクを制御する。

特許文献３に開示された「誘導電動機の制御装置」は、広汎な周波数領域で安定して出力できる誘導電動機のＰＷＭインバータ制御装置である。図４（ｃ）に示すように、誘導電動機の１次電流を検出し、トルク電流と励磁電流を演算する。励磁電流の設定値と励磁電流検出手段の差を比例積分する。誘起電圧と出力周波数の関係を決定する。誘導電動機定数とトルク電流と励磁電流と１次電流と励磁電圧補償手段とＶ/ｆパターン演算手段とから、１次電圧を演算する。誘導電動機定数とトルク電流と励磁電流から、すべり周波数を演算する。１次電圧演算手段と１次周波数演算手段から、ＰＷＭパルスを演算する。インバータ制御回路の出力でＰＷＭインバータを駆動することにより、高出力トルク特性が得られる。

特許文献４に開示された「フィルム巻取装置」は、張力センサ等を用いることなく、張力を一定に制御できるものである。図４（ｄ）に示すように、インバータ回路の出力により駆動される三相誘導電動機により、巻取ロールを回転させて巻取ロールにフィルムを巻き取る。三相誘導電動機に流れる電流を検出し、トルク電流成分を抽出する。トルク電流成分と、予め設定されたトルク指令を比較する。トルク電流成分がトルク指令より大きいとき、制御回路の波形整形回路に与える周波数を下げる。トルク電流成分がトルク指令より小さいとき、周波数を上げる。周波数演算回路に与える電圧と周波数の比を、高速域では低速域より小さくする。

特許文献５に開示された「電気車制御装置」は、空転時に誘導電動機の実すべり周波数を減少させ、誘導電動機の自己再粘着特性を利用して制御するものである。図４（ｅ）に示すように、車両駆動用誘導電動機は、可変電圧可変周波数インバータによって制御される。制御対象誘導電動機の回転周波数にすべり周波数を加減算して、インバータ出力周波数を決定する。検出した電気車速度を誘導電動機の回転周波数に換算した値と、制御対象誘導電動機の回転周波数との中から、最小値選択回路で最小回転周波数を選択する。最小回転周波数と制御対象誘導電動機の回転周波数との差を、ローパスフィルタに入力する。制御対象誘導電動機の回転周波数からローパスフィルタの出力値を減算したものに、すべり周波数を加減算して、インバータ出力周波数を決定する。

特許文献６に開示された「リール駆動用電動機」は、ケーブルの引出しと巻取りを行うものである。図４（ｆ）に示すように、減速機を介してリールを駆動する。ベクトル制御を行うインバータから誘導電動機に給電する。インバータは、ＰＷＭインバータと制御装置などで構成されている。ベクトル制御におけるトルク電流指令値により、誘導電動機が出力する駆動トルク値または制動トルク値を制御する。

特許文献７に開示された「誘導電動機のベクトル制御装置」は、トルク特性が低下しないようにしたものである。図４（ｇ）に示すように、励磁電流制御手段とトルク電流制御手段の出力を一次電圧指令として、誘導電動機を制御する。すべり周波数指令演算手段に設定された定格すべり周波数指令値の大きさを変える。弱界磁領域で急加速する際の出力電圧指令の上昇を抑える。急減速時において、誘導電動機の磁束変化を急速に行う。

特開平05-083976号公報特開平06-284511号公報特開平06-351295号公報特開平08-198489号公報特開2000-166008号公報特開2003-199400号公報特開2006-121770号公報

しかし、従来の誘導電動機のベクトル制御方法では、トルク電流を制御するために種々のセンサが必要となり、回路も複雑になるという問題がある。

本発明の目的は、上記従来の問題を解決して、簡単な回路で三相交流誘導電動機のトルクを制御することである。

上記の課題を解決するために、本発明では、三相交流誘導電動機のトルク制御装置を、直流電流から三相交流電流を発生して三相交流誘導電動機に供給するインバータと、三相交流誘導電動機の固定子に流れる固定子電流を測定する電流検出器と、三相交流誘導電動機の回転子角速度を得る速度検出手段と、最適値に設定されたすべり周波数に対応するすべり角速度に回転子角速度を加算して界磁角速度指令値を求める角速度決定手段と、トルク指令値に対応するトルク成分電流の二乗から固定子電流の振幅の二乗の９／８倍を引いた値を０にするような固定子電圧指令値を発生するＰＩＤ制御手段と、固定子電圧指令値と界磁角速度指令値に従って三相正弦波を発生する正弦波発生手段と、三相正弦波をＰＷＭ変調した信号でインバータを制御するＰＷＭ回路とを具備する構成とした。速度検出手段は、三相交流誘導電動機の回転子の回転数を計測して回転子角速度を得る速度検出器であるか、固定子電流から前記三相交流誘導電動機の回転子の回転数を推測して回転子角速度を得る速度推測手段である。また、相交流誘導電動機の回転子の回転数を制御する回転数制御手段を備えることもできる。電流検出器にノイズフィルタを設けるとさらによい。

上記のように構成したことにより、簡単な回路で三相交流誘導電動機のトルクを制御できる。

本発明の実施例におけるトルク制御装置を用いるウェブ巻取機の概念図である。本発明の実施例におけるトルク制御装置の最適すべり周波数を決める原理を示す説明図である。本発明の実施例におけるトルク制御装置の機能ブロック図である。従来のトルク制御装置の概念図である。

以下、本発明のトルク制御装置を実施するための最良の形態について、図１〜図３を参照しながら詳細に説明する。

本発明の実施例は、すべり周波数を一定にしながら、トルク指示値に対応する固定子電流となるようにＰＩＤ制御により固定子電圧を変化させて、ＰＷＭ制御により三相交流誘導電動機を駆動するトルク制御装置である。

図１に、本発明の実施例におけるトルク制御装置を用いるウェブ巻取機の概念図を示す。図２に、トルク制御装置の動作原理を示す。図３に、トルク制御装置の機能ブロック図を示す。図１〜図３において、三相誘導電動機１は、ウェブ巻取機を駆動するモーターである。トルク制御回路２は、三相誘導電動機を制御する回路である。インバータ３は、６素子ブリッジ回路で直流電流を三相交流に変換する手段である。速度検出器４は、三相誘導電動機の回転子の回転速度を検出する手段である。電流検出器５は、三相誘導電動機の固定子の巻き線電流を検出する手段である。直流電源６は、商用交流電源を整流した直流電源である。

上記のように構成された本発明の実施例におけるトルク制御装置の機能と動作を説明する。最初に、図１を参照しながら、トルク制御装置の機能の概要を説明する。商用交流電源を整流して直流にし、直流電源６とする。これをインバータ３で三相交流にして、三相交流誘導電動機１に供給する。トルク制御回路２で、ウェブ巻取機に用いる三相交流誘導電動機１のトルクを制御する。三相交流の周波数は、回転数に対応する周波数にすべり周波数を加算した周波数とする。三相交流誘導電動機１の回転子回転数は、繰出機の回転数に従うことになる。三相交流の電圧は一定とし、ＰＷＭ制御により決まるパルス幅により電流が決まる。駆動電圧指令値に従ってＰＷＭ制御を行うので、駆動電圧指令値に応じたパルス幅の電流が供給される。この電流を測定して、実際の固定子電流値（実モーター電流）を得る。具体的には、２相の電流から、全電流の絶対値を求める。なお、速度検出器４を設けるかわりに、固定子電流値から周知の方法で回転子回転数を推定する速度推定手段により、回転子の回転速度を得るようにしてもよい。

次に、図２を参照しながら、最適すべり周波数を決める方法を説明する。トルク成分電流と磁化成分電流が等しくなる場合が、最も効率がよいので、三相交流誘導電動機１の特性値から、トルク成分電流と磁化成分電流が等しくなる最適なすべり周波数を求め、最適すべり周波数を固定的に設定しておく。速度検出器４で検出した回転子回転数から回転子角速度ωmを求め、最適すべり周波数の角速度ωsを加算して、駆動正弦波の角速度ωとする。最適すべり周波数は、回転子回転数が変わると違ってくるが、定常運転ではほぼ一定である。ただし、起動時や停止直前では大きく変わるが、短時間であるので、効率の点であまり問題にはならない。等価界磁電流がｄ軸に対して45度であることを前提にして、現在のトルク成分電流を求める。現在のトルク成分電流が、目標のトルク成分電流になるように、ＰＩＤ制御により、駆動正弦波の振幅電圧（駆動電圧指令値）を変化させる。

次に、図３を参照しながら、トルク制御回路の動作を説明する。巻取張力を一定にする場合は、ウェブロールの径に応じたトルク指令値を与える。与えられたトルク指令値から、目標とするトルク成分電流の二乗を求める。この値がトルクの目標値に対応する値である。固定子電流の振幅値Ｉ_mは、
ｉ_w＝Ｉ_msin(ωt)
とすると、
Ｉ_m ²＝(4/3)(ｉ_u ²＋ｉ_uｉ_w＋ｉ_w ²)
となる。等価界磁電流ｉ_fは、
ｉ_f ²＝3(ｉ_u ²＋ｉ_uｉ_w＋ｉ_w ²)
となる。等価界磁電流の二乗の半分が現在のトルクに対応する値である。
ｉ_f ²/2＝(3/2)(ｉ_u ²＋ｉ_uｉ_w＋ｉ_w ²)
＝(9/8)Ｉ_m ²
トルクの目標値に対応する値からこの値を引いた値が０になるように駆動電圧（駆動電圧指令値）を変えればよい。駆動正弦波を、12kHzのキャリアを使ってＰＷＭ変調して、インバータ３のゲートをドライブする。電流検出器５と速度検出器４のみで、すべり周波数を一定に保ちながら、目的のトルクで駆動することができる。駆動正弦波の０〜50Hzの広い周波数範囲でトルクをほぼ一定に制御できる。固定子回転数は、1500rpm程度である。このトルク制御ループをマイナーループとして、外側に回転数制御ループを設ければ、回転数も制御できる。さらに、力行のみならず、回生動作においてもトルク制御できる。回転数制御と回生動作については、周知の方法で実現可能であるので、詳しい説明は省略する。

電流検出器５で検出する実モーター電流は瞬時値であり、交流的に変化する値であるが、固定子電流の振幅値は、変化の少ない直流的な値である。トルク指令値も、緩やかに変化する直流的な値である。これらの差を０にするように、ＰＩＤ制御するので、正確に応答性よく制御できる。ただ、実モーター電流の検出値にノイズが乗った場合、それに応答して制御が乱れるので、固定子電流の振幅値が想定外の変化をしないように、途中にノイズフィルタを設けておく必要がある。

最後に、三相交流誘導電動機１の固定子の巻線電流から等価界磁電流を求める方法を説明する。三相交流誘導電動機１の固定子の巻線電流をｉ_u、ｉ_v、ｉ_wとする。これらは符号付きの実数スカラー量であり、ｉ_u＋ｉ_v＋ｉ_w＝０である。巻線電流による磁束を、φ_u、φ_v、φ_wとする。これらの各直交成分の和を、φ_α、φ_βとする。
φ_α＝φ_u−(1/2)φ_v−(1/2)φ_w
φ_β＝−(√(3)/2)φ_v＋(√(3)/2)φ_w
φ_α、φ_βを発生する等価電流を、ｉ_α、ｉ_βとする。
ｉ_α＝ｉ_u−(1/2)ｉ_v−(1/2)ｉ_w
ｉ_β＝−(√(3)/2)ｉ_v＋(√(3)/2)ｉ_w

等価界磁電流ｉ_fは、
ｉ_f ²＝ｉ_α ²＋ｉ_β ²
＝{ｉ_u−(1/2)ｉ_v−(1/2)ｉ_w}²＋{−(√(3)/2)ｉ_v＋(√(3)/2)ｉ_w}²
＝{ｉ_u＋(1/2)(ｉ_u＋ｉ_w)−(1/2)ｉ_w}²
＋{(√(3)/2)(ｉ_u＋ｉ_w)＋(√(3)/2)ｉ_w}²
＝{ｉ_u ²＋(1/4)(ｉ_u＋ｉ_w)²＋(1/4)ｉ_w ²
＋ｉ_u(ｉ_u＋ｉ_w)−ｉ_uｉ_w−(1/2)(ｉ_u＋ｉ_w)ｉ_w}
＋{(3/4)(ｉ_u＋ｉ_w)²＋(3/4)ｉ_w ²＋(3/2)(ｉ_u＋ｉ_w)ｉ_w}
＝{ｉ_u ²＋(1/4)(ｉ_u ²＋2ｉ_uｉ_w＋ｉ_w ²)＋(1/4)ｉ_w ²
＋ｉ_u ²＋ｉ_uｉ_w−ｉ_uｉ_w−(1/2)(ｉ_uｉ_w＋ｉ_w ²)}
＋{(3/4)(ｉ_u ²＋2ｉ_uｉ_w＋ｉ_w ²)＋(3/4)ｉ_w ²＋(3/2)(ｉ_uｉ_w＋ｉ_w ²)}
＝3(ｉ_u ²＋ｉ_uｉ_w＋ｉ_w ²)

上記のように、本発明の実施例では、トルク制御装置を、すべり周波数を一定にしながら、トルク指示値に対応する固定子電流となるようにＰＩＤ制御により固定子電圧を変化させて、ＰＷＭ制御により三相交流誘導電動機を駆動する構成としたので、簡単な回路でトルク制御ができる。

本発明のトルク制御装置は、ウェブ巻取機に用いる三相交流誘導電動機のトルク制御装置として最適である。

１三相誘導電動機
２トルク制御回路
３インバータ
４速度検出器
５電流検出器
６直流電源

Claims

三相交流誘導電動機のトルク制御装置であって、直流電流から三相交流電流を発生して前記三相交流誘導電動機に供給するインバータと、前記三相交流誘導電動機の固定子に流れる固定子電流を測定する電流検出器と、前記三相交流誘導電動機の回転子角速度を得る速度検出手段と、最適値に設定されたすべり周波数に対応するすべり角速度に前記回転子角速度を加算して界磁角速度指令値を求める角速度決定手段と、トルク指令値に対応するトルク成分電流の二乗から前記固定子電流の振幅の二乗の９／８倍を引いた値を０にするような固定子電圧指令値を発生するＰＩＤ制御手段と、前記固定子電圧指令値と前記界磁角速度指令値に従って三相正弦波を発生する正弦波発生手段と、前記三相正弦波をＰＷＭ変調した信号で前記インバータを制御するＰＷＭ回路とを具備することを特徴とするトルク制御装置。
前記速度検出手段は、前記三相交流誘導電動機の回転子の回転数を計測して回転子角速度を得る速度検出器であることを特徴とする請求項１記載のトルク制御装置。
前記速度検出手段は、前記固定子電流から前記三相交流誘導電動機の回転子の回転数を推測して回転子角速度を得る速度推測手段であることを特徴とする請求項１記載のトルク制御装置。
前記三相交流誘導電動機の回転子の回転数を制御する回転数制御手段を備えることを特徴とする請求項１記載のトルク制御装置。
前記電流検出器にノイズフィルタを設けたことを特徴とする請求項１記載のトルク制御装置。