JP2014003751A - 同期電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】同期電動機の効率の最大化を目的としてその運転中に磁極位置誤差を補正可能とした制御装置を提供する。
【解決手段】位置検出手段１０２、微分手段１０４、トルク指令手段１０５、インバータ制御手段１０６等を有する同期電動機の制御装置において、同期電動機３の効率を求める効率演算手段１０８と、補正開始指令を発生するトルク指令手段１０５と、補正開始指令の発生時に、予め設定された磁極位置初期値に加算される第１補正値θ_１１を求める初期値補正演算手段１０９と、第２補正値θ_１２を磁極位置検出値θ_０に加算して補正する加算手段１１０，１０３と、を備え、第２補正値θ_１２により補正された磁極位置θ_２を用いて同期電動機３を運転した際の効率を効率演算手段１０８により逐次演算し、効率が最大になる時の第２補正値θ_１２を用いて磁極位置検出値θ_０を補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、同期電動機の運転中に磁極位置誤差を補正して効率を改善するようにした同期電動機の制御装置に関するものである。

同期電動機は、自らを直流励磁することで磁極位置０°を検出し、その後、検出した磁極位置０°を基準としてトルクを制御している。しかし、このような磁極位置検出方法によると、軸受部の静止摩擦等に起因して磁極位置検出値と真の磁極位置との間に誤差が生じる場合がある。

一方、永久磁石同期電動機の磁極位置誤差を検出し、その誤差を補正してトルク制御精度の向上を図る従来技術が、特許文献１に開示されている。
図５は、上記特許文献１に記載された磁極位置誤差補正回路の構成図である。
図５において、主回路内の１は直流電源、２はインバータ、３は同期電動機、４は速度検出器、５は磁極位置検出器、６は電圧検出器、７は電流検出器である。
また、磁極位置誤差を補正するための制御回路において、８は、直流電圧検出値と直流電流検出値とを乗算して直流入力電力Ｐ_ＤＣを演算する乗算器、９は、速度検出値Ｎとトルク指令値Ｔ^＊とを乗算して機械出力Ｐ_ｍを求める乗算器、１０は、直流入力電力Ｐ_ＤＣと機械出力Ｐ_ｍとの誤差電力ΔＰが設定値以上になったときに磁極位置誤差の発生を示す報知信号を出力するウィンドウコンパレータである。更に、１１は、同期電動機３の速度及び誤差電力ΔＰの大きさに応じて所定の極性の補正量Δθ_ｆを演算し、出力する補正量演算手段、１２は前記報知信号によりオンするスイッチ、１３は、磁極位置検出値θ_ｆと補正量Δθ_ｆとを加算して補正後の磁極位置θ_ｆ’を求める加算器である。

この従来技術では、誤差電力ΔＰが正の場合には磁極位置検出値θ_ｆを小さくし、誤差電力ΔＰが負の場合には磁極位置検出値θ_ｆを大きくするように補正が行われ、結果として誤差電力ΔＰが小さくなるように同期電動機３のトルクが制御される。これにより、同期電動機３の磁極位置誤差を補正しつつトルク制御精度を向上させている。

特開平８-３０８２９２号公報（段落[００１７]〜[００２１]、図３，図４等）

特許文献１には、補正量Δθ_ｆの設定方法として、誤差電力ΔＰの絶対値に関係なく一定値とする、誤差電力ΔＰの絶対値に比例させる、あるいは、誤差電力ΔＰの絶対値の時間積分値に比例させる、等の方法が開示されている。しかし、この従来技術は、誤差電力ΔＰに着目して磁極位置ずれの発生を検出し、磁極位置誤差を補正してトルク制御精度を向上させることを主眼としており、例えば、同期電動機の効率に着目して同期電動機の定格運転中にリアルタイムで磁極位置補正を行うための具体的手段は開示されていない。
そこで、本発明の解決課題は、同期電動機の効率の最大化を目的としてその運転中に磁極位置誤差を補正可能とした制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、電力変換装置により駆動される同期電動機の磁極位置を検出する位置検出手段と、
前記位置検出手段による磁極位置検出値から同期電動機の回転速度を求める演算手段と、
前記演算手段による回転速度検出値が回転速度指令に一致するようにトルク指令を生成するトルク指令手段と、
前記磁極位置検出値、前記回転速度検出値、前記トルク指令、及び、前記電力変換装置の出力電流に基づいて、前記電力変換装置の半導体スイッチング素子に対する駆動信号を生成する制御手段と、を有する同期電動機の制御装置において、
前記同期電動機の入力電力と出力電力とから効率を求める効率演算手段と、
前記同期電動機が特定の運転状態になったことを検出して補正開始指令を出力する手段と、
前記補正開始指令が入力され、予め設定された磁極位置初期値に加算される第１補正値を演算する初期値補正演算手段と、
前記第１補正値を増減させながら前記磁極位置初期値に加算して第２補正値を求め、この第２補正値を前記磁極位置検出値に加算して前記磁極位置検出値を補正する補正手段と、を備え、
前記補正手段により補正された磁極位置検出値を用いて前記同期電動機を運転した際の効率を前記効率演算手段により逐次演算し、前記効率が最大値になる時の前記第２補正値を用いて前記磁極位置検出値を補正するものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載した同期電動機の制御装置において、前記特定の運転状態が定格運転状態であることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載した同期電動機の制御装置において、前記トルク指令手段が前記補正開始指令を出力することを特徴とする。

本発明によれば、同期電動機の運転中に逐次演算した効率が最大になるような補正値を用いて磁極位置検出値を補正することにより、同期電動機を運転しながら効率を改善することができる。

本発明の実施形態を示すブロック図である。 本発明の実施形態の動作を示す特性図である。 本発明の実施形態の動作を示す特性図である。 本発明の実施形態の動作を示す特性図である。 特許文献１に記載された従来技術の構成図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、この実施形態に係る制御装置を主回路と共に示したブロック図である。図１に示す主回路において、図５と同様に、１は直流電源、２はインバータ、３は同期電動機、５はレゾルバ等の磁極位置検出器、６は電圧検出器、７は電流検出器、２０は同期電動機３によって駆動される負荷である。また、この実施形態では、インバータ２の出力電流Ｉを検出する電流検出器８が設けられている。

制御装置１００においては、まず、電圧検出値Ｖ_ｉｎと電流検出値Ｉ_ｉｎとが乗算手段１０１により乗算され、入力電力Ｐ_ｉｎが算出される。
また、磁極位置検出器５の出力が位置検出手段１０２に入力されており、磁極位置θ_０が検出される。この磁極位置検出値θ_０は、加算手段１０３において後述する第２補正値θ_１２と加算され、補正後の磁極位置検出値θ_２として微分手段１０４に入力されている。この微分手段１０４では、磁極位置検出値θ_２を微分することにより速度検出値ωが演算される。

１０５は運転指令が入力されるトルク指令手段であり、このトルク指令手段１０５により、前記速度検出値ωが回転速度指令ω^＊に一致するようにトルク指令Ｔ^＊が演算される。
トルク指令Ｔ^＊、インバータ２の出力電流検出値Ｉ、磁極位置検出値θ_２及び速度検出値ωはインバータ制御手段１０６に入力されており、これらに基づいてインバータ２の半導体スイッチング素子に対する駆動信号（ゲート信号）が生成される。
トルク指令Ｔ^＊と速度検出値ωとは乗算手段１０７により乗算され、同期電動機３の出力電力Ｐ_ｏｕｔが演算される。この出力電力Ｐ_ｏｕｔは前記入力電力Ｐ_ｉｎと共に効率演算手段１０８に入力され、Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎの演算によって同期電動機３の効率ηが演算される。

磁極位置補正を行う場合には、トルク指令手段１０５が、運転指令、回転速度指令ω^＊、回転速度検出値ω及びトルク指令Ｔ^＊に基づいて同期電動機３が特定の運転状態になったことを検出し、補正開始指令を出力する。ここで、特定の運転状態とは、例えば、同期電動機３の定格運転状態である。

初期値補正演算手段１０９は、上記補正開始指令が入力されると、磁極位置の初期値θ_１を補正するための第１補正値θ_１１を演算する。この第１補正値θ_１１は、特定の微小量Δθを単位として初期値θ_１に加算され、第２補正値θ_１２を正方向または負方向に変化させるものである。
すなわち、第１補正値θ_１１は加算手段１１０により初期値θ_１と加算され、その加算結果である第２補正値θ_１２が加算手段１０３に入力される。前述したように、第２補正値θ_１２は加算手段１０３にて磁極位置検出値θ_０と加算されることにより、磁極位置検出値θ_０がθ_２に補正されることになる。

次に、この実施形態の動作を、図２〜図４を参照しつつ更に説明する。
トルク指令手段１０５が同期電動機３の定格運転状態を検出すると、補正開始指令が初期値補正演算手段１０９に入力される。初期値補正演算手段１０９では、図２に示すように、第１補正値θ_１１をゼロとし、その時の効率ηをη_０として記憶しておく。この状態では、図１における加算手段１１０の出力、つまり第２補正値θ_１２は初期値θ_１に等しい。

次いで、初期値補正演算手段１０９は、微小量Δθを単位として第１補正値θ_１１を逐次増加させ、加算手段１１０の出力である第２補正値θ_１２を正方向（図２の矢印（１）方向）に変化させる。そして、加算手段１０３により第２補正値θ_１２を磁極位置検出値θ_０に加算して補正した磁極位置検出値θ_２を用いて運転を継続し、その都度、効率ηをピークホールドする動作により、第１補正値θ_１１（言い換えれば第２補正値θ_１２）を増加させていく過程で効率ηの最大値を記憶する。
この動作は、前回のΔθ加算時よりも効率ηが改善される（大きくなる）限り続行し、第２補正値θ_１２及び効率ηをその都度、記憶しておく。

また、第１補正値θ_１１を増加させていく過程で前回のΔθ加算時よりも効率ηが悪化したら（小さくなったら）、Δθを単位として第１補正値θ_１１を逐次減少させ、加算手段１１０の出力である第２補正値θ_１２を負方向（図３の矢印（２）方向）に変化させる。
この状態で、前記同様に第２補正値θ_１２を磁極位置検出値θ_０に加算して得た磁極位置検出値θ_２を用いて運転を継続し、その都度、効率ηをピークホールドする動作により、第２補正値θ_１２を減少させていく過程で第２補正値θ_１２及び効率ηを記憶する。

上記の動作を繰り返すことにより、図４に示すように効率η_ｍａｘが最大値になる時の第１補正値θ_１１ひいては第２補正値θ_１２が求められ、この第２補正値θ_１２を磁極位置検出値θ_０に加算して補正した磁極位置検出値θ_２を用いて運転を継続することにより、同期電動機３の運転中に、磁極位置を適正値に補正しつつ効率を改善することができる。

１：直流電源
２：インバータ
３：同期電動機
５：磁極位置検出器
６：電圧検出器
７，８：電流検出器
２０：負荷
１００：制御装置
１０１，１０７：乗算手段
１０２：位置検出手段
１０３，１１０：加算手段
１０４：微分手段
１０５：トルク指令手段
１０６：インバータ制御手段
１０８：効率演算手段
１０９：初期値補正演算手段

Claims (3)

1. 電力変換装置により駆動される同期電動機の磁極位置を検出する位置検出手段と、
   前記位置検出手段による磁極位置検出値から同期電動機の回転速度を求める演算手段と、
   前記演算手段による回転速度検出値が回転速度指令に一致するようにトルク指令を生成するトルク指令手段と、
   前記磁極位置検出値、前記回転速度検出値、前記トルク指令、及び、前記電力変換装置の出力電流に基づいて、前記電力変換装置の半導体スイッチング素子に対する駆動信号を生成する制御手段と、を有する同期電動機の制御装置において、
   前記同期電動機の入力電力と出力電力とから効率を求める効率演算手段と、
   前記同期電動機が特定の運転状態になったことを検出して補正開始指令を出力する手段と、
   前記補正開始指令が入力され、予め設定された磁極位置初期値に加算される第１補正値を演算する初期値補正演算手段と、
   前記第１補正値を増減させながら前記磁極位置初期値に加算して第２補正値を求め、この第２補正値を前記磁極位置検出値に加算して前記磁極位置検出値を補正する補正手段と、
   を備え、
   前記補正手段により補正された磁極位置検出値を用いて前記同期電動機を運転した際の効率を前記効率演算手段により逐次演算し、前記効率が最大値になる時の前記第２補正値を用いて前記磁極位置検出値を補正することを特徴とする同期電動機の制御装置。
2. 請求項１に記載した同期電動機の制御装置において、
   前記特定の運転状態が定格運転状態であることを特徴とする同期電動機の制御装置。
3. 請求項１または２に記載した同期電動機の制御装置において、
   前記トルク指令手段が前記補正開始指令を出力することを特徴とする同期電動機の制御装置。

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