JP2015133878A - モータ制御装置及びモータ制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】フリーラン状態の誘導モータの回転速度に、誘導モータに印加する電圧の周波数を迅速かつ容易に近づけることが可能なモータ制御装置を提供する。【解決手段】本発明のモータ制御装置は、誘導モータを流れる電流のトルク電流成分の値であるq軸電流値を含む関数で表される評価値あって、回転速度が周波数よりも所定量大きい場合と、回転速度が周波数よりも所定量小さい場合と、で正負符号が異なる評価値を算出する評価値算出部61と、評価値の正負符号に基づいて周波数を増減する評価値サーチを実行する評価値サーチ実行部63と、を備える。【選択図】図2
Description
本発明は、モータ制御装置及びモータ制御方法に関する。
従来、フリーラン状態の誘導モータをV/F制御に移行するために、V/F制御に移行する前に速度サーチを行うことが知られている(特許文献1を参照)。速度サーチでは、フリーラン状態の誘導モータの回転速度に、誘導モータに印加する電圧の周波数が近づけられる。
速度サーチの方式の1つに、モータに印加する電圧の周波数を徐々に増減して、モータを流れる電流が最小になる周波数を探索する方式がある。しかしながら、この方式では、電流が最小になる点が見つかるまで周波数を増減するため、サーチ期間が長くなるおそれがある。また、電流が最小になる周波数は予め定められる値ではないため、電流が最小になる周波数を厳密に探索することは困難である。
他にも、誘導モータがフリーラン状態になったときの残留磁束による誘起電圧に基づいて周波数を増減する方式や、フリーラン状態の誘導モータに直流電圧を印加したときの電流の振動に基づいて周波数を増減する方式もある。しかしながら、これらの方式では、サーチ期間が限られるため、誘導モータの回転速度に周波数を近づけきれず、誤差が大きくなるおそれがある。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、フリーラン状態の誘導モータの回転速度に、誘導モータに印加する電圧の周波数を迅速かつ容易に近づけることが可能なモータ制御装置及びモータ制御方法を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明のモータ制御装置は、フリーラン状態の誘導モータの回転速度に、前記誘導モータに印加する電圧の周波数を近づけるモータ制御装置であって、前記誘導モータを流れる電流のトルク電流成分の値であるq軸電流値を含む関数で表される評価値あって、前記回転速度が前記周波数よりも所定量大きい場合と、前記回転速度が前記周波数よりも所定量小さい場合と、で正負符号が異なる評価値を算出する評価値算出部と、前記評価値の正負符号に基づいて前記周波数を増減する評価値サーチを実行する評価値サーチ実行部と、を備える。
また、本発明の一態様では、前記評価値を表す関数は、前記q軸電流値と、前記誘導モータを流れる電流の励磁電流成分の値であるd軸電流値と、を含んでもよい。
また、本発明の一態様では、前記評価値を表す関数は、前記回転速度が前記周波数よりも所定量大きい場合と、前記回転速度が前記周波数よりも所定量小さい場合と、の間で線形的に変化してもよい。
また、本発明の一態様では、前記評価値に基づいて、前記回転速度に前記周波数が近づいたか否かを判定する近接判定部をさらに備えてもよい。
また、本発明の一態様では、前記誘導モータがフリーラン状態になったときの残留磁束による誘起電圧に基づいて前記周波数を増減するサーチ、又は、フリーラン状態の前記誘導モータに直流電圧を印加したときの電流の振動に基づいて前記周波数を増減するサーチを、前記評価値サーチの前に実行する前段サーチ実行部をさらに備えてもよい。
また、本発明の一態様では、前記評価値を表す関数は、前記回転速度と前記周波数との差が0の近傍で0となり、かつ線形的に変化してもよい。
また、本発明のモータ制御装置は、フリーラン状態の誘導モータの回転速度に、前記誘導モータに印加する電圧の周波数を近づけるモータ制御装置であって、前記誘導モータがフリーラン状態になったときの残留磁束による誘起電圧に基づいて前記周波数を増減するサーチ、又は、フリーラン状態の前記誘導モータに直流電圧を印加したときの電流の振動に基づいて前記周波数を増減するサーチを実行する前段サーチ実行部と、前記サーチの実行後に、前記誘導モータを流れる電流のトルク電流成分の値であるq軸電流値に基づいて前記周波数を増減するサーチを実行する後段サーチ実行部と、を備える。
また、本発明のモータ制御装置は、フリーラン状態の誘導モータの回転速度に、前記誘導モータに印加する電圧の周波数を近づけるモータ制御装置であって、前記誘導モータに供給される電力のトルク電力成分の値であるq軸電力値を含む関数で表される評価値あって、前記回転速度が前記周波数よりも所定量大きい場合と、前記回転速度が前記周波数よりも所定量小さい場合と、で正負符号が異なる評価値を算出する評価値算出部と、前記評価値の正負符号に基づいて前記周波数を増減する評価値サーチを実行する評価値サーチ実行部と、を備える。
また、本発明のモータ制御方法は、フリーラン状態の誘導モータの回転速度に、前記誘導モータに印加する電圧の周波数を近づけるモータ制御方法であって、前記誘導モータを流れる電流のトルク電流成分の値であるq軸電流値を含む関数で表される評価値あって、前記回転速度が前記周波数よりも所定量大きい場合と、前記回転速度が前記周波数よりも所定量小さい場合と、で正負符号が異なる評価値を算出し、前記評価値の正負符号に基づいて前記周波数を増減する評価値サーチを実行する。
本発明によると、評価値の正負符号に基づいて周波数を増減するので、フリーラン状態の誘導モータの回転速度に周波数を迅速かつ容易に近づけることが可能である。
本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図1は、モータ制御システム100の例を示すブロック図である。モータ制御システム100は、誘導モータ2と、インバータ3と、交流電源4と、コンバータ5と、モータ制御装置10と、を備えている。
インバータ3は、三相ブリッジ回路を含んでおり、モータ制御装置10により生成される制御信号に基づいて、コンバータ5から供給される直流電力を交流電力に変換し、変換された交流電力を誘導モータ2に出力する。
コンバータ5は、整流回路51とコンデンサ52とを含んでおり、交流電源4から供給される交流電力を直流電力に変換し、変換された直流電力をインバータ3に出力する。
モータ制御装置10は、例えばマイクロプロセッサを含み、メモリに記憶されたプログラムに従って情報処理を実行することにより、誘導モータ2の回転を制御するための制御信号を生成し、インバータ3に出力する。
図2は、モータ制御装置10の例を示すブロック図である。モータ制御装置10に含まれる各ブロックは、マイクロプロセッサがメモリに記憶されたプログラムに従って情報処理を実行することによって実現される。
モータ制御装置10は、スイッチSW1が一方にあるときに通常運転を実行し、スイッチSW1が他方にあるとき速度サーチを実行する。通常運転では、誘導モータ2に印加される印加電圧Vとその周波数Fとの比が一定に保たれるV/F制御が実行される。
速度サーチは、誘導モータ2をフリーラン状態からV/F制御状態に移行させるために実行されるモードである。フリーラン状態とは、電力供給を遮断された誘導モータ2が惰性で回転している状態を指す。
モータ制御装置10は、V/F変換部11と、ゲイン部12と、電圧指令部13と、電圧位相部14と、積分部15と、加算部16と、PWM制御部17と、を備えている。これらは、特に通常運転を実現するブロックである。また、モータ制御装置10は、αβ変換部21と、dq変換部22と、を備えている。
また、モータ制御装置10は、前段サーチ実行部31と、回転方向設定部33と、を備えている。これらは、速度サーチの一部である前段サーチを実現するブロックである。
さらに、モータ制御装置10は、評価値算出部61と、評価値サーチ実行部63と、サーチ完了判断部65と、を備えている。これらは、速度サーチの一部である評価値サーチを実現するブロックである。
V/F変換部11は、上位システムからの周波数指令ω*をV/F変換することでq軸電圧基礎値を生成し、ゲイン部12に出力する。
ゲイン部12は、V/F変換部11からのq軸電圧基礎値にゲインaを乗算することでq軸電圧指令Vq *を算出し、電圧指令部13及び電圧位相部14に出力する。
電圧指令部13は、ゲイン部12からのq軸電圧指令Vq *と、上位システムからのd軸電圧指令Vd *(=0)とに基づいて電圧指令V*を算出し、PWM制御部17に出力する。
電圧位相部14は、ゲイン部12からのq軸電圧指令Vq *と、d軸電圧指令Vd *(=0)とに基づいて電圧位相補正値を算出し、加算部16に出力する。
積分部15は、周波数指令ω*を積分することで電圧位相基礎値を算出し、加算部16に出力する。
加算部16は、電圧位相部14からの電圧位相補正値と、積分部15からの電圧位相基礎値とを加算することで電圧位相θ*を算出し、PWM制御部17及びdq変換部22に出力する。
PWM制御部17は、電圧指令部13からの電圧指令V*と、加算部16からの電圧位相θ*とに基づいて、PWM制御により誘導モータ2の回転を制御するための制御信号を算出し、インバータ3に出力する。
αβ変換部21は、インバータ3から誘導モータ2に供給される3相交流電力の電流検出値をα−β変換することで、固定座標系α−βの電流検出値を算出し、dq変換部22に出力する。
dq変換部22は、αβ変換部21からの固定座標系α−βの電流検出値を、加算部16からの電圧位相θ*を利用してd−q変換することで、回転座標系d−qのq軸電流値Iq及びd軸電流値Idを算出し、評価値算出部61及びサーチ完了判断部65に出力する。q軸電流値Iqはトルク電流成分であり、d軸電流値Idは励磁電流成分である。
モータ制御装置10は、スイッチSW2が一方にあるときに前段サーチを実行し、スイッチSW2が他方にあるときに評価値サーチを実行する。速度サーチでは、まず前段サーチが実行され、次に評価値サーチが実行される。
前段サーチ実行部31は、前段サーチを実行するブロックである。前段サーチとして、例えば、誘導モータ2がフリーラン状態になったときの残留磁束による誘起電圧に基づいて周波数を増減する方式や、フリーラン状態の誘導モータ2に直流電圧を印加したときの電流の振動に基づいて周波数を増減する方式を適用できる。これらの方式は公知技術であるので、詳細な説明を省略する。
また、前段サーチ実行部31は、前段サーチの実行により判明した誘導モータ2の回転方向を表す情報を、回転方向設定部33に出力する。
回転方向設定部33は、前段サーチ実行部31からの誘導モータ2の回転方向を表す情報を、評価値サーチ実行部63からの周波数指令ωsear *に付加する。
評価値算出部61は、dq変換部22からのq軸電流値Iq及びd軸電流値Idに基づいて評価値Jを算出し、評価値サーチ実行部63に出力する。評価値Jの算出の詳細については後述する。
評価値サーチ実行部63は、評価値算出部61からの評価値Jに基づいて周波数指令ωsear *を算出し、V/F変換部11及び電圧位相部14に出力する。評価値サーチ実行部63の詳細については後述する。
サーチ完了判断部65は、dq変換部22からのq軸電流値Iq及びd軸電流値Idに基づいて評価値サーチを完了するか否かを判定する。例えば、サーチ完了判断部65は、q軸電流値Iqが閾値を下回ったときに評価値サーチを完了する。
なお、サーチ完了判断部65は、評価値算出部61が算出する評価値Jに基づいて評価値サーチを完了するか否かを判定してもよい(近接判定部としての機能)。
図3Aは、評価値Jの関数の例を示すグラフである。図3Bは、図3Aの要部を拡大したグラフである。要部は、図3Aの中央で破線の枠に囲まれた部分である。
グラフの縦軸は評価値Jを表し、グラフの横軸は速度誤差を表す。速度誤差は、誘導モータ2の回転速度と印加電圧の周波数との差分である。グラフ中、実線は評価値Jの関数を表し、一点鎖線はq軸電流値Iqを表し、二点鎖線はd軸電流値Idを表す。
下記数式1は、評価値Jの関数の例である。Kは、重み係数を表す(0≦K≦1)。グラフ中の評価値Jの関数は、K=0.5の場合の例である。
評価値Jの関数は、q軸電流値Iqと、d軸電流値Idと、を含んでいる。なお、評価値Jの関数は、d軸電流値Idを含まなくてもよい(例えば上記数式1は、K=1の場合にq軸電流値Iqの関数となる)。
また、評価値Jの関数は、速度誤差が正の所定値の場合と負の所定値の場合とで評価値Jの正負符号が異なる関数である。例えば、図3Bに示される速度誤差の範囲の一端(例えば5Hz)と他端(例えば−5Hz)とで、評価値Jの正負符号が異なっている。特には、速度誤差が0の前後で評価値Jの正負符号が反転することが好ましい。
また、評価値Jの関数は、速度誤差の正の所定値と負の所定値との間で評価値Jが線形的に変化する関数である。例えば、図3Bに示される速度範囲のうち0を含む一部(例えば−2Hz〜2Hz)で、評価値Jが線形的に変化している。具体的には、評価値Jの関数は、速度誤差が0の近傍で0となり、かつ線形的に変化することが好ましい。
こうした評価値Jの関数では、速度誤差が0の近傍で評価値Jの正負符号が反転するので、誘導モータ2の回転速度に印加電圧の周波数を近づけることが容易である。例えば、評価値Jの正負符号が一方のときに周波数を増加し、他方のときに周波数を減少するといった制御が可能である。
ところで、K=1の場合、評価値Jの関数はIqになり、速度誤差が0よりも回生側、すなわち回転速度が周波数よりも大きい側(図中の右側)で0となる。この場合、評価値Jが0となるように周波数を制御すると、周波数は実際の回転速度よりも回生側に収束する。
また、K=0の場合、評価値Jの関数の関数はId−Iqとなり、速度誤差が0よりも電動側、すなわち回転速度が周波数よりも小さい側(図中の左側)で0となる。この場合、評価値Jが0となるように周波数を制御すると、周波数は実際の回転速度よりも電動側に収束する。
なお、評価値Jの関数は、q軸電流値Iqとd軸電流値Idに代えて、q軸電力値Pqとd軸電力値Pdを含んでもよい。すなわち、電流値Iと電圧値Vを乗算すると電力値Pが得られることから、上記数式1におけるq軸電流値Iqとd軸電流値Idを、q軸電力値Pqとd軸電力値Pdに置き換えても、同様の関係が成り立つ。
図4は、評価値サーチ実行部63の例を示すブロック図である。評価値サーチ実行部63は、第1の評価値サーチ部7と、第2の評価値サーチ部8と、第3の評価値サーチ部9と、を備えており、スイッチSW3により出力が切り替えられる。
このうち、第1の評価値サーチ部7と第2の評価値サーチ部8は、評価値Jの正負符号に基づいて周波数を増減し、評価値Jを0の近傍に収束させるブロックである。
第1の評価値サーチ部7は、減算部71と、符号判別部73と、乗算部75と、積分部77と、を備えており、ヒステリシス制御を実行する。
減算部71は、評価値Jが入力されると、正負符号を反転させた−Jを算出し、符号判別部73に出力する。
符号判別部73は、減算部71からの−Jが正の場合には正の所定値を乗算部75に出力し、負の場合には負の所定値を乗算部75に出力する。
乗算部75は、符号判別部73からの正または負の所定値に調整量bを乗じた積を算出し、積分部77に出力する。
積分部77は、乗算部75からの積を積分した値を、周波数指令ωsear *として出力する。
サーチ開始周波数は、上述の前段サーチ実行部31による前段サーチの終了時点の周波数である。
第1の評価値サーチ部7によると、周波数指令ωsear *を算出する負荷を軽減しつつ、周波数指令ωsear *を誘導モータ2の回転速度に迅速に近づけることが可能である。
第2の評価値サーチ部8は、減算部81と、PI制御部83と、を備えており、PI制御モードを実行する。
減算部81は、評価値Jが入力されると、正負符号を反転させた−Jを算出し、PI制御部83に出力する。
PI制御部83は、PI制御により減算部81からの−Jが0に収束するように周波数指令ωsear *を算出し、出力する。
第2の評価値サーチ部8によると、周波数指令ωsear *を誘導モータ2の回転速度に正確に近づけることが可能である。
第3の評価値サーチ部9は、周波数指令ωsear *をサーチ開始周波数から所定のレートで変化させる。
そして、第3の評価値サーチ部9は、評価値Jが0の近傍に収束した時点でサーチを終了する。
第3の評価値サーチ部9によると、周波数指令ωsear *を誘導モータ2の回転速度に正確に近づけることが可能である。
評価値サーチ実行部63は、これら評価値サーチ部7〜9を択一的に利用することによって、評価値Jを0の近傍に収束させる。例えば、まず第1の評価値サーチ部7によるヒステリシス制御を実行し、次に第2の評価値サーチ部8によるPI制御モードを実行してもよい。これによると、周波数指令ωsear *を誘導モータ2の回転速度に迅速かつ正確に近づけることが可能である。
図5は、速度サーチの例を示すタイムチャートである。同図は、瞬時停電後に速度サーチを経て通常運転に移行する一連の流れを示している。
瞬時停電が発生すると、インバータ3の出力が停止し、誘導モータ2はフリーラン状態になって、回転速度が徐々に低下していく。
電力供給が再開すると、モータ制御装置10は、誘導モータ2の回転速度に印加電圧の周波数を近づける速度サーチを開始する。速度サーチでは、まず前段サーチが実行され、次に評価値サーチが実行される。
モータ制御装置10は、前段サーチを実行する。前段サーチの終了時点の周波数が、評価値サーチのサーチ開始周波数となる。また、モータ制御装置10は、誘導モータ2の回転方向を判別する。誘導モータ2の回転方向は、前段サーチの終了時点で判別される。
モータ制御装置10は、評価値サーチにおいて、評価値Jの正負符号に基づいて周波数を増減し、評価値Jを0の近傍に収束させる。これにより、回転速度に周波数が徐々に近づく。評価値サーチの詳細は、上述の通りである。評価値サーチは、評価値Jが0の近傍に収束したときに終了する。
評価値サーチの後、モータ制御装置10は、周波数を固定しつつ、ゲインa(図2を参照)を調整することで、印加電圧を復帰させる。その後、モータ制御装置10は、通常運転に移行する。
図6は、速度サーチの例を示すタイムチャートである。上記図5と重複する部分は、詳細な説明を省略する。
同図は、フリーラン状態の誘導モータ2の回転速度が負の値になる場合(すなわち、回転方向が反転する場合)を示している。モータ制御装置10は、前段サーチにおいて、負の値になった回転速度に周波数を近づけ、評価値サーチにおいて、回転速度に周波数をさらに近づける。なお、上述したように、評価値サーチにより推定される周波数には、前段サーチで判明した回転方向が付加されるので(図2を参照)、正しい回転方向で周波数を推定することが可能である。
図7は、速度サーチの例を示すタイムチャートである。上記図5及び図6と重複する部分は、詳細な説明を省略する。
同図は、前段サーチを実行せずに、速度サーチの始めから評価値サーチを実行する場合を示している。本例では、誘導モータ2の回転方向とサーチ開始周波数とが予め設定されており、これらに基づいて評価値サーチが実行される。例えば、誘導モータ2の回転方向が正で、サーチ開始周波数が最大の周波数である場合、モータ制御装置10は、最大の周波数から0に向けて周波数の減少を開始し、最終的に評価値Jを0の近傍に収束させる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が当業者にとって可能であるのはもちろんである。
2 誘導モータ、3 インバータ、4 交流電源、5 コンバータ、10 モータ制御装置、11 V/F変換部、12 ゲイン乗算部、13 電圧指令部、14 電圧位相部、15 積分部、16 加算部、17 PWM制御部、21 αβ変換部、22 dq変換部、31 前段サーチ実行部、33 回転方向設定部、51 整流回路、52 コンデンサ、61 評価値算出部、63 評価値サーチ実行部、65 サーチ完了判断部、7 評価値サーチ部、71 減算部、73 符号判別部、75 乗算部、77 積分部、8 評価値サーチ部、81 減算部、83 PI制御部、9 評価値サーチ部、100 モータ制御システム。
Claims (9)
- フリーラン状態の誘導モータの回転速度に、前記誘導モータに印加する電圧の周波数を近づけるモータ制御装置であって、
前記誘導モータを流れる電流のトルク電流成分の値であるq軸電流値を含む関数で表される評価値あって、前記回転速度が前記周波数よりも所定量大きい場合と、前記回転速度が前記周波数よりも所定量小さい場合と、で正負符号が異なる評価値を算出する評価値算出部と、
前記評価値の正負符号に基づいて前記周波数を増減する評価値サーチを実行する評価値サーチ実行部と、
を備えるモータ制御装置。 - 前記評価値を表す関数は、前記q軸電流値と、前記誘導モータを流れる電流の励磁電流成分の値であるd軸電流値と、を含む、
請求項1に記載のモータ制御装置。 - 前記評価値を表す関数は、前記回転速度が前記周波数よりも所定量大きい場合と、前記回転速度が前記周波数よりも所定量小さい場合と、の間で線形的に変化する、
請求項1に記載のモータ制御装置。 - 前記評価値に基づいて、前記回転速度に前記周波数が近づいたか否かを判定する近接判定部をさらに備える、
請求項1に記載のモータ制御装置。 - 前記誘導モータがフリーラン状態になったときの残留磁束による誘起電圧に基づいて前記周波数を増減するサーチ、又は、フリーラン状態の前記誘導モータに直流電圧を印加したときの電流の振動に基づいて前記周波数を増減するサーチを、前記評価値サーチの前に実行する前段サーチ実行部をさらに備える、
請求項1に記載のモータ制御装置。 - 前記評価値を表す関数は、前記回転速度と前記周波数との差が0の近傍で0となり、かつ線形的に変化する、
請求項1に記載のモータ制御装置。 - フリーラン状態の誘導モータの回転速度に、前記誘導モータに印加する電圧の周波数を近づけるモータ制御装置であって、
前記誘導モータがフリーラン状態になったときの残留磁束による誘起電圧に基づいて前記周波数を増減するサーチ、又は、フリーラン状態の前記誘導モータに直流電圧を印加したときの電流の振動に基づいて前記周波数を増減するサーチを実行する前段サーチ実行部と、
前記サーチの実行後に、前記誘導モータを流れる電流のトルク電流成分の値であるq軸電流値に基づいて前記周波数を増減するサーチを実行する後段サーチ実行部と、
を備えるモータ制御装置。 - フリーラン状態の誘導モータの回転速度に、前記誘導モータに印加する電圧の周波数を近づけるモータ制御装置であって、
前記誘導モータに供給される電力のトルク電力成分の値であるq軸電力値を含む関数で表される評価値あって、前記回転速度が前記周波数よりも所定量大きい場合と、前記回転速度が前記周波数よりも所定量小さい場合と、で正負符号が異なる評価値を算出する評価値算出部と、
前記評価値の正負符号に基づいて前記周波数を増減する評価値サーチを実行する評価値サーチ実行部と、
を備えるモータ制御装置。 - フリーラン状態の誘導モータの回転速度に、前記誘導モータに印加する電圧の周波数を近づけるモータ制御方法であって、
前記誘導モータを流れる電流のトルク電流成分の値であるq軸電流値を含む関数で表される評価値あって、前記回転速度が前記周波数よりも所定量大きい場合と、前記回転速度が前記周波数よりも所定量小さい場合と、で正負符号が異なる評価値を算出し、
前記評価値の正負符号に基づいて前記周波数を増減する評価値サーチを実行する、
モータ制御方法。
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