JP2011147303A

JP2011147303A - 回転機制御装置

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Publication number: JP2011147303A
Application number: JP2010007756A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Kojima; 鉄也小島; Manabu Yoshimura; 学吉村; Yoshihiko Kanehara; 義彦金原
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-01-18
Filing date: 2010-01-18
Publication date: 2011-07-28

Abstract

【課題】装置の可能な最大の能力を有効に利用して、起動時のトルクの立ち上がりを極力迅速化することができ、巻上機や昇降機などの用途でも、ずり落ちを防止するための機械ブレーキの使用時間を除去あるいは短縮することができる回転機制御装置を得ることを目的とする。
【解決手段】誘導機１の起動直後から所定の設定条件に至るまでの期間、励磁電流演算器５およびトルク電流演算器６からの励磁電流指令ｉｄ１＊およびトルク電流指令ｉｑ１＊を、許容される最大電流をＩｍａｘとしたとき、下式を満足するように修正処理を施して制御手段４に出力する電流指令切替手段７を備えた。
ｉｄ＊＝ｉｑ＊＝ｉｄｑ０＝Ｉｍａｘ／（√２）
【選択図】図１

Description

本発明は、回転機を迅速かつ円滑に起動することができる、回転機制御装置に関するものある。

各種回転機のうち広く普及している誘導機の制御方法として、すべり周波数形ベクトル制御が普及している。これは、励磁電流とトルク電流を独立に制御することでトルクを瞬時的に制御できるものである。
また、近年は、誘導機を小型・低コスト化するために、誘導機に回転速度センサを取り付けずに、速度センサレスでベクトル制御を行う手法もある。

誘導機の起動時は、磁束が立ち上がっていないためトルクを発生することができない。これの対策として、先ず、励磁電流を流して磁束を立ち上げ、その後トルク電流を流して起動する手法がある。例えば、特許文献１では、許容される上限値まで励磁電流を供給し、残りをトルク電流にする手法が示されている。また、例えば、特許文献２では、先ず、トルク電流をゼロに保持したまま第１磁束指令値で磁束を立ち上げ、次に、第２磁束指令値に設定してトルク電流のゼロ保持を解除し、最後に、第３磁束指令値に設定する手法が示されている。

一方、速度センサレスでベクトル制御を行う場合、起動時の速度ゼロ付近では速度推定が困難なため、様々な工夫がされている。例えば、特許文献３では、磁束が立ち上がってから速度推定を行う手法が示されている。また、例えば、特許文献４では、磁束指令を変化させることで誘導機のすべり周波数を制御し速度ゼロ付近を回避する手法と、速度がゼロになる場合はトルク電流指令を与える手法とが示されている。更に、例えば、特許文献５では、起動時に磁束指令を小さくすることですべり周波数を大きくして速度推定の誤差を小さくし、異常トルクの発生を小さくする手法が示されている。

特許第３７７２６７０号公報特開２００７−２１５２６０号公報特開平０８−０８４４９９号公報特許第３６８３３８２号公報特許４２３８６４６号公報

特許文献１では、励磁電流の上限値の決め方について、また、特許文献２では、第１〜３の磁束指令の決め方について、何ら示されていない。更に、これらの手法においては、磁束を立ち上げることを最優先しており、起動直後のトルクについて考慮されていない。そのため、巻上機や昇降機などの用途ではずり落ちを防止するため、磁束を立ち上げる期間は機械ブレーキを使用している。

また、速度センサレスでベクトル制御を行う場合は、特許文献３〜５のように、様々な課題があり、単に励磁電流を最大にすれば良いわけではない。起動時は、磁束を迅速に立ち上げる必要があるが、磁束を不必要に大きくすれば速度推定誤差が大きくなり異常トルクを発生する場合がある。また、速度ゼロを回避するために、磁束指令やトルク指令を制御する必要がある。

この発明は、以上のような、従来の課題を解決するためになされたもので、装置の可能な最大の能力を有効に利用して、起動時のトルクの立ち上がりを極力迅速化することができる。

この発明に係る回転機制御装置は、磁束指令とトルク指令とに基づき回転機を制御するものであって、
回転機の磁束を推定する手段、磁束指令と磁束推定値とに基づき励磁電流指令を演算する励磁電流演算器、トルク指令と磁束推定値とに基づきトルク電流指令を演算するトルク電流演算器、励磁電流指令とトルク電流指令とに基づき電圧指令を演算する制御手段、および電圧指令に基づき回転機に電圧を印加する電圧印加手段を備えた回転機制御装置において、
回転機の電流として許容される最大値を最大電流としたとき、
励磁電流演算器およびトルク電流演算器と制御手段との間に挿入され、回転機の起動後、制御手段に入力される励磁電流指令およびトルク電流指令が下式を満足するよう励磁電流演算器およびトルク電流演算器からの励磁電流指令およびトルク電流指令に所定の修正処理を施して制御手段に出力する電流指令修正手段を備えたものである。
最大電流＝√（（励磁電流指令）^２＋（トルク電流指令）^２）

この発明に係る回転機制御装置においては、以上のように、所定の電流指令修正手段を備え、回転機の起動後、励磁電流演算器およびトルク電流演算器からの励磁電流指令およびトルク電流指令を、両電流指令の合成値が回転機の電流として許容される最大電流となるように修正するようにしたので、許容される最大電流を有効に利用して起動時のトルクの立ち上がりを極力迅速化することができる。

本発明の実施の形態１による回転機制御装置の構成を示す図である。本願発明と比較するため、従来の手法による起動時の動作を示す波形図である。本発明の実施の形態１による起動時の動作を示す波形図である。本発明の実施の形態２による回転機制御装置の構成を示す図である。本発明の実施の形態２による起動時の動作を示す波形図である。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１の構成を図１に示す。ここでは、二次磁束指令φｄｒ＊とトルク指令τｍ＊が与えられ、これらの指令に基づき回転機としての誘導機１を制御する。
励磁電流演算器５は、誘導機１の二次磁束指令φｄｒ＊と後述する速度推定手段９から出力される二次磁束推定値φｄｒ０とに基づいて、例えば、ＰＩ制御により励磁電流指令ｉｄ１＊を出力する。
トルク電流演算器６は、トルク指令τｍ＊と二次磁束推定値φｄｒ０に基づいて、トルク電流指令ｉｑ１＊を出力する。
電流指令切替手段７は、この発明の要部である電流指令修正手段の一具体例で、詳しくは後述するが、励磁電流演算器５およびトルク電流演算器６と後述する制御手段４との間に挿入され、励磁電流演算器５からの励磁電流指令ｉｄ１＊とトルク電流演算器６からのトルク電流指令ｉｑ１＊に所定の修正処理を施した結果である、励磁電流指令ｉｄ＊とトルク電流指令ｉｑ＊を制御手段４に出力する。

次に、制御手段４の各部について説明する。すべり周波数演算器８は、二次磁束推定値φｄｒ０とトルク電流指令ｉｑ＊とからすべり周波数ωｓ＊を、次式に基づいて出力する。

ωｓ＊＝Ｍ・Ｒｒ・ｉｑ＊／（Ｌｒ・φｄｒ０）・・・（１）
但し、Ｒｒ：二次抵抗値、Ｍ：相互インダクタンス値、Ｌｒ：二次インタクダンス値

速度推定手段９は、誘導機電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗと電圧指令ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊とに基づいて、誘導機１の推定速度ωｒ０と二次磁束推定値φｄｒ０とを出力する。ωｒ０とφｄｒ０の演算は、ここでは、例えば、特許文献４に基づくとする。
積分器１０は、すべり周波数ωｓ＊と推定速度ωｒ０との和であるω１＊を積分して、磁束指令位相θ＊を出力する。

ベクトル変換器１１は、次式により、電流指令の振幅ｉ１＊および磁束軸との位相差θ１１＊を出力する。

ｉ１＊＝√（ｉｄ＊^２＋ｉｑ＊^２）・・・（２）
θ１１＊＝ｔａｎ^−１（ｉｑ＊／ｉｄ＊）・・・（３）

三相電流指令演算器１２は、振幅がｉ１＊、位相がθ＊とθ１１＊との和であるθ１＊の、三相電流指令ｉｕ＊、ｉｖ＊、ｉｗ＊を出力する。
電流制御器１３は、電流検出手段２で検出される誘導機電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗが三相電流指令ｉｕ＊、ｉｖ＊、ｉｗ＊に一致するように、電圧指令ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊を出力し、電圧印加手段３は、電圧指令ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊に基づいて、三角波比較ＰＷＭインバータなどの電力変換装置により、誘導機１に電圧を供給する。
なお、三相電流の検出は、図１では電流を三相とも検出しているが、２相分を検出して三相電流の和がゼロであることを利用して三相電流を求めてもよいし、インバータ母線電流やスイッチング素子に流れる電流とスイッチング素子の状態から三相電流を再生してもよい。

次に、電流指令切替手段７の動作について説明する。
この実施の形態１は、装置に許容される最大電流を有効に活かすとともに、誘導機１の起動直後、最大のトルクを発揮できるようにしたものである。
先ず、起動直後のトルクを最大にする電流指令について説明する。トルクは二次磁束とトルク電流との積である。二次磁束φｄｒと励磁電流ｉｄとの関係を次式に示す。

φｄｒ＝Ｍ・ｉｄ／（１＋Ｌｒ・ｓ／Ｒｒ）・・・（４）

トルクτｍは、トルク電流をｉｑとして次式で演算される。

τｍ＝Ｐｍ・Ｍ・φｄｒ・ｉｑ／Ｌｒ・・・（５）
但し、Ｐｍ：極対数

起動から微小時間ΔＴ経過後の二次磁束φｄｒは、式（４）をオイラー展開（テイラー展開の１次までとるもの）すれば次式となる。但し、φｄｒの初期値はゼロとする。

φｄｒ＝Ｍ・Ｒｒ・ｉｄ・ΔＴ／Ｌｒ・・・（６）

誘導機１や電圧印加手段３が流すことのできる電流には制限がある。これを最大電流Ｉｍａｘとすると、この最大電流を有効に活かすときの、励磁電流ｉｄ、トルク電流ｉｑ、最大電流Ｉｍａｘの関係は次式となる。

Ｉｍａｘ＝√（ｉｄ^２＋ｉｑ^２）・・・（７）

式（６）と（７）を式（５）へ代入すると、次式となる。

τｍ＝Ｐｍ・（Ｍ／Ｌｒ）^２・Ｒｒ・ｉｄ・√（Ｉｍａｘ^２−ｉｄ^２）・ΔＴ（８）

式（８）をｉｄで偏微分して

∂τｍ／∂ｉｄ＝０・・・（９）

を解けば、次式が得られる。

ｉｄ＝ｉｑ＝ｉｄｑ０＝Ｉｍａｘ／（√２）・・・（１０）

これが、起動直後の時点で最大トルクとなる励磁電流とトルク電流である。
従って、以上を根拠にして、電流指令切替手段７は、励磁電流指令ｉｄ＊とトルク電流指令ｉｑ＊として、誘導機１の起動時には、励磁電流演算器５およびトルク電流演算器６からの励磁電流指令ｉｄ１＊およびトルク電流指令ｉｑ１＊の値に拘わらず、それぞれｉｄｑ０を出力し、それ以降、励磁電流演算器５およびトルク電流演算器６からの元の励磁電流指令ｉｄ１＊およびトルク電流指令ｉｑ１＊の値に切り替えて出力する。
このｉｄｑ０は、式（１０）に示したように、起動直後のトルクを最大にできる電流指令である。
切替えのタイミングは、電流指令ｉｄ＊またはｉｑ＊や推定速度ｗｒ０や二次磁束推定値φｄｒ０、また、起動からの経過時間に閾値を設ける方法などが考えられる。

起動時の励磁電流・トルク電流・トルクの波形を、図２と図３に示す。図２、図３において、横軸は経過時間、縦軸は励磁電流、トルク電流、トルクの大きさであり、励磁電流を○、トルク電流を△、トルクを□でそれぞれプロットしている。図２は、従来の場合の例で、起動時に、先ず、励磁電流だけ流しており、この間はトルクを出力できない。図３は、本実施の形態１の場合で、励磁電流とトルク電流を等しく、ｉｄｑ０＝Ｉｍａｘ／（√２）とすることで起動直後から最大トルクを発生できている。

以上のように、本発明の実施の形態１によれば、最大電流を有効利用し、かつ、誘導機１の起動直後のトルクを最大化することができるので、トルクの立ち上がりを迅速化し、昇降機などで、ずり落ち防止のために必要な機械ブレーキ時間を除去あるいは短縮できる。また、トルクの立ち上がりの迅速化により、起動／停止を繰り返す搬送ラインにおける作業時間の短縮が可能となる。

実施の形態２．
実施の形態１では、起動時とそれ以降で励磁電流指令とトルク電流指令を切り替えるとしたが、その切り替えによるトルクの変動が発生する。また、速度センサレスのベクトル制御に適用する場合は、例えば、特許文献３〜５で示したような、速度ゼロ付近の安定化制御と干渉しないように組み合わせる必要がある。
本発明の実施の形態２はこれを解決するものである。その構成を図４に示す。実施の形態１と異なるのは、電流指令修正手段として、電流指令切替手段７に替わって電流指令制限手段１４を採用した点のみであり、以下、この電流指令制限手段１４について説明する。

励磁電流指令については、起動直後における励磁電流演算器５からの励磁電流指令ｉｄ１＊が、トルクを最大化できる励磁電流指令ｉｄｑ０以下のときは修正せず、即ち、ｉｄ１＊そのままを、励磁電流指令ｉｄｑ０を越えるときは、ｉｄｑ０に制限修正する。
トルク電流指令については、誘導機１や電圧印加手段３が流すことのできる最大電流Ｉｍａｘを有効利用するように制限する。つまり、式（７）より、トルク電流指令ｉｑ＊を次式の値に制限修正する。

ｉｑ＊＝√（Ｉｍａｘ^２−ｉｄ＊^２）・・・（１１）

本実施の形態２による、起動時の波形を図５に示す。ここでは、起動直後における励磁電流演算器５およびトルク電流演算器６からのｉｄ１＊およびｉｑ１＊が大きい場合を示しており、これら電流指令ｉｄ１＊およびｉｑ１＊が、電流指令制限手段１４により、ｉｄ＊＝ｉｑ＊＝ｉｄｑ０に等しく制限され、最大トルクを出力している。

磁束が指令値付近に到達して励磁電流演算器５の出力する励磁電流指令ｉｄ１＊がｉｄｑ０よりも小さくなると、トルク電流は式（１１）により最大電流Ｉｍａｘを有効利用してトルクを出力している。

以上のように、本発明の実施の形態２によれば、励磁電流指令とトルク電流指令を制限する場合は、励磁電流指令ｉｄ＊＝トルク電流指令ｉｑ＊＝ｉｄｑ０になり起動直後のトルクを最大化できる。また、起動時とそれ以降で電流指令を階段状に切り替えることなく、円滑な制御が得られ、最大電流を有効利用してトルク電流指令に配分することができる。
また、励磁電流指令を制限しない場合は、速度センサレスのベクトル制御において速度ゼロ付近で磁束指令やトルク指令を変動させるような制御を行う場合も、これらの制御と極力干渉することなく本発明を組み合わせることができる。

なお、本実施の形態２では、励磁電流指令はｉｄｑ０に、トルク電流指令は最大電流Ｉｍａｘを有効利用するように制限したが、誘導機１の種類や用途によっては、トルク電流指令はｉｄｑ０に、励磁電流指令は最大電流Ｉｍａｘを有効利用するように制限してもよいことは言うまでもない。

また、本明細書においては、回転機を誘導機として説明したが、例えば、シンクロナスリラクタンスモータ（ＳｙｎＲＭ）でも同様に適用することができる。ＳｙｎＲＭのトルクτは次式で与えられ、ｄ軸電流＝ｑ軸電流のとき最大トルクとなる。

τ＝ｐ・（Ｌｄ−Ｌｑ）・ｉｄ・ｉｑ・・・（１２）
但し、ｐ：極対数、Ｌｄ：ｄ軸インダクタンス、Ｌｑ：ｑ軸インダクタンス、ｉｄ：ｄ軸電流、ｉｑ：ｑ軸電流

また、本明細書においては、回転機の速度を電圧印加手段３への電圧指令と回転機電流とから推定するとして説明したが、回転機の速度を検出するセンサを用いてもよいし、電圧指令だけあるいは回転機電流だけから推定してもよい。
更に、本明細書においては、電流制御は三相座標上で行うとして説明したが、磁束指令の位相θ＊に同期した回転座標上や静止二軸座標上で行ってもよい。

１誘導機、２電流検出手段、３電圧印加手段、４制御手段、
５励磁電流演算器、６トルク電流演算器、７電流指令切替手段、
８すべり周波数演算器、９速度推定手段、１０積分器、１１ベクトル変換器、
１２三相電流指令演算器、１３電流制御器、１４電流指令制限手段。

Claims

磁束指令とトルク指令とに基づき回転機を制御するものであって、
前記回転機の磁束を推定する手段、前記磁束指令と前記磁束推定値とに基づき励磁電流指令を演算する励磁電流演算器、前記トルク指令と前記磁束推定値とに基づきトルク電流指令を演算するトルク電流演算器、前記励磁電流指令と前記トルク電流指令とに基づき電圧指令を演算する制御手段、および前記電圧指令に基づき前記回転機に電圧を印加する電圧印加手段を備えた回転機制御装置において、
前記回転機の電流として許容される最大値を最大電流としたとき、
前記励磁電流演算器および前記トルク電流演算器と前記制御手段との間に挿入され、前記回転機の起動後、前記制御手段に入力される励磁電流指令およびトルク電流指令が下式を満足するよう前記励磁電流演算器および前記トルク電流演算器からの前記励磁電流指令および前記トルク電流指令に所定の修正処理を施して前記制御手段に出力する電流指令修正手段を備えたことを特徴とする回転機制御装置。
最大電流＝√（（励磁電流指令）^２＋（トルク電流指令）^２）
前記電流指令修正手段は、前記回転機の起動直後から所定の設定条件に至るまでの期間、前記励磁電流演算器および前記トルク電流演算器からの前記励磁電流指令および前記トルク電流指令を、下式を満足するように修正処理を施して前記制御手段に出力することを特徴とする請求項１記載の回転機制御装置。
励磁電流指令＝トルク電流指令＝（最大電流）／（√２）
前記電流指令修正手段は、前記回転機の起動直後における前記励磁電流演算器からの前記励磁電流指令が制限値＝前記最大電流／（√２）を越えるときは当該制限値に、また、前記回転機の起動直後における前記トルク電流演算器からの前記トルク電流指令が前記制限値を越えるときは当該制限値に、それぞれ修正処理を施して前記制御手段に出力することを特徴とする請求項１記載の回転機制御装置。
前記回転機は、誘導機であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の回転機制御装置。
前記回転機は、リラクタンス同期機であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の回転機制御装置。