JP2016032328A - 誘導電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】誘導電動機の温度上昇に伴って二次抵抗値が増加しても、回生時のベクトル制御を良好に、かつ、簡易に行うことが可能な誘導電動機の制御装置を提供する。【解決手段】本発明の一実施形態に係る誘導電動機の制御装置１０は、ベクトル制御によりインバータを介して誘導電動機を駆動する誘導電動機の制御装置であって、誘導電動機に適合したすべり利得設定値Ｇｓとトルク電流指令値ＩＴとからすべり周波数ｆｓｓを演算するすべり周波数演算部１３と、すべり周波数演算部１３によって演算されたすべり周波数ｆｓｓを、励磁電流指令値ＩＭと現在の励磁電流値ＩＭＡとの差分ＩＭ−ＩＭＡに応じて補正することによって、補正すべり周波数ｆｓを求めるすべり周波数補正部１５とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、誘導電動機のベクトル制御を行う誘導電動機の制御装置に関するものである。

特許文献１〜４には、モータ定数（誘導電動機の等価回路）を用いて励磁電流指令値、トルク電流指令値、及び、すべり周波数を求め、これらの励磁電流指令値、トルク電流指令値、及び、すべり周波数を用いて誘導電動機のベクトル制御を行う誘導電動機の制御装置が開示されている。

誘導電動機では、力行時の温度変化に伴い、二次抵抗値（ロータ抵抗値）が変化する。具体的には、誘導電動機の温度上昇に伴い、二次抵抗値が大きくなる。この点に関し、特許文献１〜４には、誘導電動機の温度変化に伴って二次抵抗値が変化する場合に、すべり周波数を調整することが開示されている。

特公平３−４４５１０号公報 特開平７−１２３７６４号公報 特開平１０−２４３６９８号公報 特開平１０−３２３０９６号公報

ところで、特許文献１〜４に開示のベクトル制御手法よりも簡易なベクトル制御手法を利用して誘導電動機を制御することが行われている。この簡易なベクトル制御手法は、モータ定数を用いる代わりに、誘導電動機の目標回転数（目標速度）及び現在の回転数から直接、励磁電流指令値、トルク電流指令値、及び、すべり周波数を求める手法である。

具体的には、予め誘導電動機をインバータにより駆動して簡易な実験を実施し、誘導電動機の効率が最適となるように、励磁電流指令値を算出するための励磁電流設定値、及び、すべり周波数を算出するためのすべり利得設定値を設定する（モータ適合）。そして、通常の誘導電動機の制御時において、これら予め設定された励磁電流設定値及びすべり利得設定値を用いて、励磁電流指令値及びすべり周波数を演算する。

なお、トルク電流指令値は、誘導電動機の目標回転数と現在の回転数などから求められ、すべり周波数は、トルク電流指令値とすべり利得設定値などから求められる。

ところで、本願発明者らは、誘導電動機の温度上昇に伴う二次抵抗値の増加によって、力行時よりも回生時に問題が生じるという知見を得ている。具体的には、力行時に誘導電動機のロータが高回転の状態、すなわち、誘導電動機の温度が上昇し、二次抵抗値が大きい状態で回生が行われると、励磁電流及びトルク電流の指令値と励磁電流及びトルク電流の実際の値とが大きく異なってしまい（制御はずれが発生し）、ベクトル制御ができなくなってしまう。これは、力行時には、バッテリ容量により励磁電流及びトルク電流が制限されるが、回生時には、励磁電流及びトルク電流を制限する要因がなく、ロータの回転数に応じて励磁電流及びトルク電流が大きくなってしまうことが原因であると推察される。

この点に関し、複数のすべり周波数、すなわち複数のすべり利得設定値をマップとして予め設定し、誘導電動機の温度上昇に伴う二次抵抗値の増加に伴い、すべり周波数を選択的に調整することが考えられる。

しかしながら、複数のすべり利得設定値を予め設定するためには、上記モータ適合として多くの時間が必要となり、また、複数のすべり利得設定値を記憶するために大容量のメモリが必要となる。これらの点に関し、複数のすべり利得設定値の数を減らすと、すべり周波数の調整範囲が狭くなってしまう。

そこで、本発明は、誘導電動機の温度上昇に伴って二次抵抗値が増加しても、回生時のベクトル制御を良好に、かつ、簡易に行うことが可能な誘導電動機の制御装置を提供することを目的とする。

本発明の誘導電動機の制御装置は、ベクトル制御によりインバータを介して誘導電動機を駆動する誘導電動機の制御装置であって、誘導電動機に適合したすべり利得設定値とトルク電流指令値とからすべり周波数を演算するすべり周波数演算部と、すべり周波数演算部によって演算されたすべり周波数を、励磁電流指令値と現在の励磁電流値との差分に応じて補正することによって、補正すべり周波数を求めるすべり周波数補正部とを備える。

この誘導電動機の制御装置によれば、すべり周波数補正部によって、励磁電流指令値と現在の励磁電流値との差分に応じてすべり周波数を補正するので、誘導電動機の温度上昇に伴って二次抵抗値が増加しても、回生時に、励磁電流及びトルク電流の指令値と励磁電流及びトルク電流の実際の値とが大きく異なること（制御はずれ）を抑制でき、ベクトル制御を良好に行うことができる。また、複数のすべり利得設定値を予め設定する必要がないので、ベクトル制御を簡易に行うことができる。また、ロバストにベクトル制御が可能となる。

また、この誘導電動機の制御装置によれば、複数のすべり利得設定値を予め設定記憶する必要がないので、モータ適合時間を増やすことがなく、また、メモリ容量を増やすことがない。また、現在の励磁電流値を用いて補正を行うため、複数のすべり利得設定値を用いてすべり周波数を選択的に調整する場合と比較して、すべり周波数の調整範囲を狭めることがない。

上記したすべり周波数演算部は、すべり利得設定値Ｇｓとトルク指令値Ｉ_Ｔとに基づく下式を用いてすべり周波数ｆｓｓを求め、
ｆｓｓ＝（Ｇｓ×Ｉ_Ｔ）／２π
上記したすべり周波数補正部は、すべり周波数ｆｓｓ、励磁電流指令値Ｉ_Ｍと現在の励磁電流値Ｉ_Ａとの差分Ｉ_Ｍ−Ｉ_Ａ、及び、任意の係数Ｋ_Ｐに基づく下式を用いて補正すべり周波数ｆｓを求めてもよい。
ｆｓ＝ｆｓｓ−Ｋ_Ｐ×（Ｉ_Ｍ−Ｉ_Ａ）／２π

また、上記した誘導電動機の制御装置は、誘導電動機のモータ電流を検出する電流センサと、電流センサによって検出されたモータ電流値を、ｕ軸／ｖ軸／ｗ軸の静止座標からｄ軸／ｑ軸の回転座標へ変換することによって、現在の励磁電流値を求める電流変換部と、を更に備える形態であってもよい。

また、上記したすべり利得演算部は、誘導電動機に適合したすべり利得設定値を予め記憶していてもよい。

本発明によれば、誘導電動機の温度上昇に伴って二次抵抗値が増加しても、回生時のベクトル制御を良好に、かつ、簡易に行うことができる。

本発明の一実施形態に係るモータ駆動系の構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る誘導電動機の制御装置の構成を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

図１は、本発明の一実施形態に係るモータ駆動系の構成を示す図である。このモータ駆動系１は、電気自動車やバッテリフォークリフト等における走行用や荷役用に用いられるものであり、バッテリ２と、インバータ３と、モータ（誘導電動機）４と、回転センサ（速度検出手段）５と、電流センサ６ｕ，６ｖ，６ｗと、制御装置１０とを備える。

インバータ３は、６個のスイッチング素子によって構成された３相インバータであり、バッテリ２の直流電力を３相交流電力に変換し、この３相交流電力をモータ４へ供給する。モータ４は、３相誘導モータである。回転センサ５は、モータ４の回転数（回転速度）Ｎ_Ａを検知して制御装置１０へ送信する。電流センサ６ｕ，６ｖ，６ｗそれぞれは、各相のモータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検知して制御装置１０へ送信する。

制御装置１０は、ベクトル制御によりインバータを介してモータ４を駆動制御するものであり、目標回転数Ｎ_Ｔと現在の回転数（回転速度）Ｎ_Ａとに基づいて、励磁電流指令、トルク電流指令、及び、１次周波数を生成する。そして、制御装置１０は、これらの励磁電流指令、トルク電流指令、１次周波数、及び、各相のモータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗから、インバータ３における各相用スイッチング素子を駆動するための制御電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを生成する。

図２は、本発明の一実施形態に係る誘導電動機の制御装置の構成を示す図である。この制御装置１０は、励磁電流演算部１１と、トルク電流指令演算部１２と、すべり周波数演算部１３と、電流変換部１４と、すべり周波数補正部１５と、モータ速度演算部１６と、１次周波数演算部１７と、制御電圧生成部１８とを備えている。

励磁電流演算部１１は、現在のモータ回転数Ｎ_Ａから励磁電流指令値Ｉ_Ｍを演算する。また、トルク電流指令演算部１２は、モータ回転数指令値Ｎ_Ｔと現在のモータ回転数Ｎ_Ａとからトルク電流指令値Ｉ_Ｔを演算する。

すべり周波数演算部１３は、例えばメモリなどの記憶部を有しており、すべり利得設定値Ｇｓを記憶している。すべり利得設定値は、
Ｇｓ＝Ｒ_２／（Ｌ_２×Ｉ_Ｍ）
Ｒ_２：二次抵抗値（ロータ抵抗値）
Ｌ_２：二次インダクタンス（ロータインダクタンス）
として表されるすべり利得の設定値である。すべり利得設定値Ｇｓは、予め、モータをインバータ駆動する簡易な実験を実施し、モータ電流が最小となるように演算・設定される（モータ適合）。なお、すべり周波数演算部１３は、記憶しているすべり利得設定値Ｇｓに現在のモータ温度に対応する係数を乗算することによって、温度補正したすべり利得Ｇｓを演算してもよい。

また、すべり周波数演算部１３は、例えば乗算器を有しており、下式のように、トルク電流指令値Ｉ_Ｔにすべり利得Ｇｓを乗算することによって、すべり角速度ωｓｓ、すなわちすべり周波数ｆｓｓを演算する。
ωｓｓ＝Ｇｓ×Ｉ_Ｔ
ｆｓｓ＝ωｓｓ／２π＝（Ｇｓ×Ｉ_Ｔ）／２π

電流変換部１４は、電流センサ６ｕ，６ｖ，６ｗによって検出されたモータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを、ｕ軸／ｖ軸／ｗ軸の静止座標からｄ軸／ｑ軸の回転座標へ変換することによって、現在の励磁電流値Ｉ_ＭＡを求める。

すべり周波数補正部１５は、励磁電流指令値Ｉ_Ｍと現在の励磁電流値Ｉ_ＭＡとの差分（Ｉ_Ｍ−Ｉ_ＭＡ）に応じて、すべり周波数演算部１３によって求められたすべり角速度ωｓｓ、すなわちすべり周波数ｆｓｓを補正する。具体的には、すべり周波数補正部１５は、例えば乗算器及び減算器を有しており、下式のように、励磁電流指令値Ｉ_Ｍと現在の励磁電流値Ｉ_ＭＡとの差分（Ｉ_Ｍ−Ｉ_ＭＡ）に任意の係数Ｋ_Ｐを乗算した値を、すべり角速度ωｓｓ、すなわちすべり周波数ｆｓｓから減算することによって、補正すべり角速度ωｓ、すなわち補正すべり周波数ｆｓを求める。
ωｓ＝ωｓｓ−Ｋ_Ｐ×（Ｉ_Ｍ−Ｉ_ＭＡ）
ｆｓ＝ωｓ／２π＝（ωｓｓ−Ｋ_Ｐ×（Ｉ_Ｍ−Ｉ_ＭＡ））／２π＝ｆｓｓ−Ｋ_Ｐ×（Ｉ_Ｍ−Ｉ_ＭＡ）／２π

なお、すべり周波数補正部１５は、モータ４の力行時と回生時との両方においてすべり周波数の補正を行ってもよい。あるいは、すべり周波数補正部１５は、モータ４の力行時にはすべり周波数の補正を行わず、モータ４の回生時のみにすべり周波数の補正を行うようにしてもよい。この場合、すべり周波数補正部１５は、例えば、通常、係数Ｋ_Ｐを０に設定し、上位装置からの回生指令を受けたときに係数Ｋ_Ｐを正の値に設定すればよい。

また、すべり周波数補正部１５は、モータ４の回生時であっても、モータ４の温度上昇に伴う二次抵抗の増加が小さいモータ４の低回転時にはすべり周波数の補正を行わず、モータ４の回転数が所定の回転数以上、例えば、モータ４の温度上昇に伴う二次抵抗の増加が比較的に大きくなる基底回転数以上の時のみにすべり周波数の補正を行うようにしてもよい。この場合、すべり周波数補正部１５は、例えば、通常、係数Ｋ_Ｐを０に設定し、上位装置からの回生指令を受け、かつ、現在の回転数Ｎ_Ａが所定の回転数以上になったときに係数Ｋ_Ｐを正の値に設定すればよい。

モータ速度演算部１６は、例えば乗算器を有しており、現在のモータ回転数Ｎ_Ａに極数又は極対数Ｐを乗算することによってモータ速度ｆｍを演算する。そして、１次周波数演算部１７が、モータ速度ｆｍに補正すべり周波数ｆｓを加算することにより１次周波数ｆ１を演算する。

制御電圧生成部１８は、励磁電流指令Ｉ_Ｍ、トルク電流指令Ｉ_Ｔ、１次周波数ｆ１、及び、各相のモータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗから、インバータ３における各相のスイッチング素子を駆動するための制御電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを生成する。

このように、本実施形態のモータ４の制御装置１０によれば、すべり周波数補正部１５によって、励磁電流指令値Ｉ_Ｍと現在の励磁電流値Ｉ_ＭＡとの差分（Ｉ_Ｍ−Ｉ_ＭＡ）に応じてすべり周波数ｆｓｓを補正して補正すべり周波数ｆｓを求めるので、モータ４の温度上昇に伴って二次抵抗値が増加しても、回生時に、励磁電流及びトルク電流の指令値Ｉ_Ｍ，Ｉ_Ｔと励磁電流及びトルク電流の実際の値Ｉ_ＭＡ，Ｉ_ＴＡとが大きく異なること（制御はずれ）を抑制でき、ベクトル制御を良好に行うことができる。また、複数のすべり利得設定値を予め設定する必要がないので、ベクトル制御を簡易に行うことができる。また、ロバストにベクトル制御が可能となる。
また、本実施形態のモータ４の制御装置によれば、複数のすべり利得設定値を予め設定記憶する必要がないので、モータ適合時間を増やすことがなく、また、メモリ容量を増やすことがない。また、現在の励磁電流値Ｉ_ＭＡを用いて補正を行うため、複数のすべり利得設定値を用いてすべり周波数を選択的に調整する場合と比較して、すべり周波数の調整範囲を狭めることがない。

なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。

１…モータ駆動系、２…バッテリ、３…インバータ、４…モータ（誘導電動機）、５…回転センサ（速度検出手段）、６ｕ，６ｖ，６ｗ…電流センサ、１０…誘導電動機の制御装置、１１…励磁電流演算部、１２…トルク電流指令演算部、１３…すべり周波数演算部、１４…電流変換部、１５…すべり周波数補正部、１６…モータ速度演算部、１７…１次周波数演算部、１８…制御電圧生成部。

Claims (4)

1. ベクトル制御によりインバータを介して誘導電動機を駆動する誘導電動機の制御装置であって、
   前記誘導電動機に適合したすべり利得設定値と、トルク電流指令値とから、すべり周波数を演算するすべり周波数演算部と、
   前記すべり周波数演算部によって演算された前記すべり周波数を、励磁電流指令値と現在の励磁電流値との差分に応じて補正することによって、補正すべり周波数を求めるすべり周波数補正部と、
   を備える、
   誘導電動機の制御装置。
2. 前記すべり周波数演算部は、前記すべり利得設定値Ｇｓと前記トルク電流指令値Ｉ_Ｔとに基づく下式を用いて前記すべり周波数ｆｓｓを演算し、
   ｆｓｓ＝（Ｇｓ×Ｉ_Ｔ）／２π
   前記すべり周波数補正部は、前記すべり周波数ｆｓｓ、前記励磁電流指令値Ｉ_Ｍと前記現在の励磁電流値Ｉ_ＭＡとの差分Ｉ_Ｍ−Ｉ_ＭＡ、及び、任意の係数Ｋ_Ｐに基づく下式を用いて前記補正すべり周波数ｆｓを求める、
   ｆｓ＝ｆｓｓ−Ｋ_Ｐ×（Ｉ_Ｍ−Ｉ_ＭＡ）／２π
   請求項１に記載の誘導電動機の制御装置。
3. 前記誘導電動機のモータ電流を検出する電流センサと、
   前記電流センサによって検出されたモータ電流値を、ｕ軸／ｖ軸／ｗ軸の静止座標からｄ軸／ｑ軸の回転座標へ変換することによって、前記現在の励磁電流値を求める電流変換部と、
   を更に備える、請求項１又は２に記載の誘導電動機の制御装置。
4. 前記すべり周波数演算部は、前記誘導電動機に適合した前記すべり利得設定値を予め記憶する、
   請求項１〜３の何れか１項に記載の誘導電動機の制御装置。

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