JP2015119542A

JP2015119542A - インバータ制御装置

Info

Publication number: JP2015119542A
Application number: JP2013260884A
Authority: JP
Inventors: 晴毅小川; Harutake Ogawa
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2015-06-25

Abstract

【課題】テーブル搬送駆動装置において、低速域から高速域まで安定に運転可能なインバータ制御装置を提供する。
【解決手段】テーブル搬送機用の誘導電動機３を駆動するインバータ２と、与えられた速度指令と誘導電動機３の推定速度とを比較し、Ｑ軸電流基準を得る速度制御部６と、Ｑ軸電流基準及びＤ軸電流基準とからＤ、Ｑ軸電圧基準を得る電流制御部７と、インバータ２をＰＷＭ制御するインタフェース部８と、周波数決定部９とで構成する。周波数決定部９は、Ｑ軸誘起電圧を求める誘起電圧演算器９１と、このＱ軸誘起電圧からインバータ周波数を求めるインバータ周波数演算部９２を有し、テーブル搬送機用の他の誘導電動機の速度センサから得られる代表速度が所定の閾値未満のとき、この代表速度を誘導電動機３の推定速度とし、これが所定の閾値以上のとき、インバータ基準周波数からすべり周波数を減算して誘導電動機３の推定速度とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、テーブル搬送機駆動装置に用いられるインバータ制御装置に関する。

誘導電動機をインバータ制御装置によって速度制御を行う場合、速度センサによるフィードバックを行わず、諸電気量から速度を推定して速度制御を行う所謂速度センサレス制御が普及している。例えば速度センサレスベクトル制御を行う場合、Ｄ軸及びＱ軸のインバータ出力電圧指令並びに出力電流より誘導電動機の誘起電圧を演算し、誘起電圧よりインバータ基準周波数を演算して求め、ここからすべり周波数を減算してモータ速度を算出することが行われている（例えば特許文献１参照。）。

特開２００２−２５３０００号公報（第６−８頁、図１）

特許文献１に示された速度センサレス制御においては、運転周波数が低い領域ではインバータ出力電圧が小さくなるため、誘導電動機の誘起電圧の検出が難しく、このため低速域でモータ速度の演算結果が実際のモータ速度と不一致となり、最終的に速度推定困難のまま速度ゼロで固まり加速困難となる場合があった。

一方、テーブル搬送機駆動装置の用途においては、速度センサを機械に取り付けることが物理的に制約を受けて困難であり、且つ、テーブル搬送用の複数台のロールは基本的に速度制御が必要であるため、速度センサレス制御に頼らざるを得ない状況にあった。

本発明は上記問題点に鑑みて為されたもので、テーブル搬送駆動装置において、低速域から高速域まで安定に運転可能なインバータ制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のインバータ制御装置は、直流入力を任意の周波数、電圧の交流電力に変換してテーブル搬送機用の誘導電動機を駆動するインバータと、与えられた速度指令と前記誘導電動機の推定速度とを比較し、この差分が最小となるようにＱ軸電流基準を得るようにすると共に、このＱ軸電流基準と与えられたＤ軸電流基準とから前記誘導電動機のすべり周波数を演算する基準すべり周波数演算部を有する速度制御部と、前記Ｑ軸電流基準及び与えられたＤ軸電流基準と、前記インバータの出力電流をＤ、Ｑ座標変換して得られた、Ｄ、Ｑ軸電流とを、軸毎に比較し、夫々の差分が最小となるようにＤ、Ｑ軸電圧基準を得るようにした電流制御部と、このＤ、Ｑ軸電圧基準をＤ、Ｑ座標逆変換して前記インバータの３相電圧基準を得るようにし、この出力により前記インバータをＰＷＭ制御するようにしたインタフェース部と、前記推定速度を実質的に決定する周波数決定部とを具備し、前記周波数決定部は、前記Ｑ軸電圧基準と前記誘導電動機のインピーダンスからＱ軸誘起電圧を求める誘起電圧演算器と、このＱ軸誘起電圧と前記Ｄ軸電流基準からインバータ基準周波数を求めるインバータ基準周波数演算部を有し、前記テーブル搬送機用の他の誘導電動機の速度センサから得られる代表速度が所定の閾値未満のとき、この代表速度を前記誘導電動機の推定速度とし、前記代表速度が所定の閾値以上のとき、前記インバータ基準周波数から前記すべり周波数を減算して前記誘導電動機の推定速度を得ることを特徴としている。

この発明によれば、テーブル搬送機駆動装置において、低速域から高速域まで安定に運転可能なインバータ制御装置を提供することが可能となる。

本発明の実施例１に係るインバータ制御装置のブロック構成図。本発明のインバータ制御装置が適用されるテーブル搬送機駆動装置の概要とその動作を説明する図。本発明の実施例２に係るインバータ制御装置のブロック構成図。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

以下に、本発明の実施例１に係るインバータ制御装置を、図１及び図２を参照して説明する。図１は本発明の実施例１に係るインバータ制御装置のブロック構成図であり、図２は本願が適用されるテーブル搬送機駆動装置の概要とその動作を説明する図である。

まず、図２（ａ）の本願が適用されるテーブル搬送機駆動装置の概要について説明する。テーブル搬送機駆動装置は、通常は板材、例えば鋼板の搬送システムであり、図示したように搬送用のロール上を板材が通って搬送される。ここではロール１、２及び３の３本のロールを図示したが、実際には多数のロールを揃速駆動して板材を滑らかに搬送する。ロール１、２及び３は夫々モータ１、２及び３によって駆動されており、モータ１、２及び３は夫々インバータ１、２及び３によって可変速駆動されている。ロールを中心として形成される搬送テーブルはロールが密接して配置されおり、電動機の反負荷側に速度センサを取り付けることが物理的に困難な場合が多い。この場合、図示したようにモータ１のみに速度センサを取り付け、インバータ１はセンサ付き速度制御を行い、他のインバータ２、３は必要に応じて代表速度であるモータ１のセンサ速度を使用するように構成するのが本願の特徴である。この場合のインバータ２、３の詳細構成を図示したのが図１に示すインバータ制御装置である。

次に、図１に従って本発明の実施例１に係るインバータ制御装置について説明する。与えられた直流を平滑コンデンサ１によって平滑し、この直流電圧をインバータ２に給電する。直流電圧を受けインバータ２はこれを任意の周波数、電圧の交流電圧に変換し、誘導電動機３を可変速駆動する。通常は平滑コンデンサ１に与える直流電圧は、商用電源の交流電圧を、コンバータによって直流電圧に変換して得るが、ここではその図示を省略している。インバータ２を構成するスイッチング素子に対して制御装置４からゲート制御パルス信号が与えられることによってインバータ２の出力が制御される。この制御のためにインバータ２の出力電流が電流検出器５によって検出され、制御装置４に与えられる。

以下、制御装置４の内部構成を説明する。制御装置４は、速度制御部６、電流制御部７、インタフェース部８、及び周波数決定部９によって構成されている。速度制御部６の速度制御器６２は、速度指令ｆｒから演算によって求めた誘導電動機３の推定速度ｆｍを減算器６１で減算し、その差分が最小となるように、Ｑ軸の電流基準Ｉｑｒを出力する。また、基準すべり周波数演算部６４は、基本的にこの電流基準Ｉｑｒを別途与えられるＤ軸の電流基準Ｉdｒによって除算することによってすべり周波数ｆｓを求める。誘導電動機３の推定速度ｆｍは、周波数決定部９によって求められたインバータ周波数ｆｏからこのすべり周波数ｆｓを減算器６３で減算することによって得ている。

電流制御部７におけるD軸電流制御器７２は、Ｄ軸の電流基準Ｉdｒからインタフェース部８のＤＱ変換器である電流座標変換器８３によって求められたＤ軸電流Iｄを減算器７１で減算し、その差分が最小となるように、Ｄ軸の電圧基準Ｖｄｒを出力する。同様に、Ｑ軸電流制御器７４は、Ｑ軸の電流基準Ｉｑｒからインタフェース部８の電流座標変換器８３によって求められたＱ軸電流Ｉｑを減算器７３で減算し、その差分が最小となるように、Ｑ軸の電圧基準Ｖｑｒを出力する。

インタフェース部８におけるＤＱ逆変換器である電圧座標変換器８１は、上述したＤ軸の電圧基準Ｖｄｒ及びＱ軸の電圧基準Ｖｑｒを３相の電圧指令Ｖｒに変換し、ＰＷＭ制御器８２に与える。ＰＷＭ制御器８７ではインバータ２の各アームのスイッチング素子に与えるゲート制御パルスＧｐが生成される。

誘導電動機３の任意の２相、例えばＵ相電流とＷ相電流を電流検出器５で検出し、インタフェース部８における電流座標変換器８３に与える。電流座標変換器８３は、Ｖ相電流を演算によって求めると共に、周波数決定部９で得られた出力周波数基準ｆoを積分器８４で積分して得られる位相信号φに基づいて、これら３相の電流をＱ軸電流ＩｑとＤ軸電流Ｉｄに変換する。またこの位相信号φは前述の電圧座標変換器８１にも与えられ変換の基準位相となる。

以下、周波数決定部９の内部構成について説明する。誘起電圧演算器９１にはＱ軸電流Ｉｑ、Ｄ軸電流Ｉｄ、またＤ軸の電圧基準Ｖｄｒ、Ｑ軸の電圧基準Ｖｑｒが与えられる。そして、通常は、Ｑ軸電圧基準Ｖｑｒと誘導電動機３のインピーダンスからＱ軸誘起電圧Ｅｑを演算し、これをインバータ基準周波数演算部９２に与える。インバータ基準周波数演算部９２にはＤ軸電流基準Ｉｄｒが与えられているので、この両者の値から演算によって出力周波数基準ｆo1を求める。

この出力周波数基準ｆo1を選択切替器９３が選択しているときは、これがそのままインバータ周波数ｆoとなる。

一方、周波数決定部９には図２（ａ）で示したモータ１の速度センサからの代表速度ｆｄが与えられており、この代表速度ｆｄとすべり周波数ｆｓを加算器９４で加算して代表周波数基準ｆo2を得て選択切替器９３に与える。選択切替器９３が代表周波数基準ｆo2を選択しているときは、これがインバータ周波数ｆｏとなる。代表速度ｆｄは絶対値検出器９５を介して切替条件判定器９６に与えられる。そして切替条件判定器９６は代表速度ｆｄの絶対値が所定の閾値未満であれば、選択切替器９３低速度信号を与える。そして選択切替器９３はこの低速度信号が与えられたとき代表周波数基準ｆo2を選択し、この低速度信号がない場合、すなわち代表速度ｆｄの絶対値が所定の閾値以上の場合には出力周波数基準ｆo1を選択する。

このような図１の構成を有するインバータ制御装置の作用効果について図２（ｂ）を参照して説明する。図２（ｂ）には、代表速度の速度センサを有するモータ１及び本願のインバータ制御装置によって駆動されるモータ２、３の運転パターンが示してある。図２（ａ）に示したように、各インバータには同一の速度指令が与えられ、スタート時には一斉に材料を通す速度Ｎ１まで加速される。この加速途上の速度Ｎｔを上述の閾値に設定しておけば、速度Ｎｔまでは全てのインバータのフィードバック速度は前述の代表速度ｆdで運転されることになる。そして速度Ｎｔとなったとき、図１における選択切替器９３が作動してインバータ１及び２は所謂センサレス速度制御に切り替わることとなる。そして、この状態で全てのモータは材料を通す速度Ｎ１まで加速され、速度Ｎ１において材料がロール上を通過する。材料が各ロールを通過するとき、各ロール（各モータ）には急峻な負荷が加わるため、図示したように速度の落ち込みが発生する。この速度の落ち込み量をΔＮとしたとき、
Ｎ１−ΔＮ＞Ｎｔ・・・（１）
となるようにしておけば、材料がロール１を通過する時、選択切替器９３が作動してインバータ１及び２がセンサレス速度制御から再び代表速度ｆdによる制御に切り替わることがないので安定した運転を行うことができる。

図３は本発明の実施例２に係るインバータ制御装置のブロック構成である。この実施例２の各部については、図１の実施例１に係るインバータ制御装置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、誘起電圧演算器９１の出力にＤ軸誘起電圧Ｅｄを設け、これを軸安定化補正器９７に与えこの軸安定化補正器９７の出力を減算器９８でインバータ基準周波数演算部の出力から減算して出力周波数基準ｆo1を求める構成とした点である。

ベクトル制御が正常に動作していれば、Ｄ軸誘起電圧Ｅｄはゼロであるので、実施例１の構成で十分であるが、負荷変動等によってベクトル制御の制御軸にズレが生じたときには、Ｄ軸誘起電圧Ｅｄが発生する。このＤ軸誘起電圧ＥｄをＤ軸電圧基準Ｖｄｒと誘導電動機３のインピーダンスから求め、これを入力として軸安定化補正器９７によって例えばＰＩ制御を行い、インバータ基準周波数演算部の出力から減算補正して出力周波数基準ｆo1を得るようにフィードバック制御する。このようにすれば、Ｄ軸誘起電圧Ｅｄがゼロになる、すなわちベクトル制御の軸が正常となるように出力周波数基準ｆo1が補正され、ベクトル制御の動作が正常となる。

以上本発明のいくつかの実施例を説明したが、これらの実施例は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施例やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。例えば、図２において、代表速度を得るモータ１は搬送材料が最初に通過するロール１を駆動する位置としたが、この位置に限らずどの位置にあっても良い。また、閾値Ｎ１は固定値として説明したが、速度上昇時の閾値をＮ１としたとき、速度下降時の閾値Ｎ２をＮ２＜Ｎ１と設定してヒステリシス特性を持たせるようにしても良い。

１平滑コンデンサ
２インバータ
３誘導電動機
４制御装置
５電流検出器
６速度制御部
７電流制御部
８インタフェース部
９周波数決定部
６１減算器
６２速度制御部
６３加算器
６４基準すべり演算部
７１減算器
７２Ｄ軸電流制御器
７３減算器
７４Ｑ軸電流制御器
８１電圧座標変換器
８２ＰＷＭ制御器
８３電流座標変換器
８４積分器
９１誘起電圧演算器
９２インバータ周波数演算部
９３選択切替器
９４加算器
９５絶対値検出器
９６切替条件判定器
９７軸安定化補正器
９８減算器

Claims

直流入力を任意の周波数、電圧の交流電力に変換してテーブル搬送機用の誘導電動機を駆動するインバータと、
与えられた速度指令と前記誘導電動機の推定速度とを比較し、この差分が最小となるようにＱ軸電流基準を得るようにすると共に、このＱ軸電流基準と与えられたＤ軸電流基準とから前記誘導電動機のすべり周波数を演算する基準すべり周波数演算部を有する速度制御部と、
前記Ｑ軸電流基準及び与えられたＤ軸電流基準と、前記インバータの出力電流をＤ、Ｑ座標変換して得られた、Ｄ、Ｑ軸電流とを、軸毎に比較し、夫々の差分が最小となるように
Ｄ、Ｑ軸電圧基準を得るようにした電流制御部と、
このＤ、Ｑ軸電圧基準をＤ、Ｑ座標逆変換して前記インバータの３相電圧基準を得るようにし、この出力により前記インバータをＰＷＭ制御するようにしたインタフェース部と、
前記推定速度を実質的に決定する周波数決定部と
を具備し、
前記周波数決定部は、
前記Ｑ軸電圧基準と前記誘導電動機のインピーダンスからＱ軸誘起電圧を求める誘起電圧演算器と、
このＱ軸誘起電圧と前記Ｄ軸電流基準からインバータ基準周波数を求めるインバータ基準周波数演算部を有し、
前記テーブル搬送機用の他の誘導電動機の速度センサから得られる代表速度が所定の閾値未満のとき、この代表速度を前記誘導電動機の推定速度とし、
前記代表速度が所定の閾値以上のとき、前記インバータ基準周波数から前記すべり周波数を減算して前記誘導電動機の推定速度を得ることを特徴とするインバータ制御装置。
前記誘起電圧演算器は、前記Ｄ軸電圧基準と前記誘導電動機のインピーダンスから演算したＤ軸誘起電圧を軸安定化補正手段に与え、
前記軸安定化補正手段は、前記Ｄ軸電圧基準がゼロとなるように前記インバータ基準周波数を補正制御するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のインバータ制御装置。
前記テーブル搬送機の材料を通す速度をＮ１、材料が通過した瞬間の速度の落ち込みをΔＮ、前記閾値をＮｔとしたとき、Ｎ１−ΔＮ＞Ｎｔを満たすようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のインバータ制御装置。