JP2016127736A - モータ制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】電源環境が要因のトルクリップルを抑制すること。
【解決手段】速度指令とモータの実回転速度との偏差が入力されてトルク分電流指令を出力する速度制御器10と、中心周波数、深さパラメータ及びトルク分電流指令が入力されて補正トルク分電流指令を出力するノッチフィルタ11と、トルク分電流偏差が入力されてトルク分電圧指令を出力するトルク分電流制御器13と、励磁分電流偏差が入力されて励磁分電圧指令を出力する励磁分電流制御器21と、トルク分電圧指令、励磁分電圧指令及びモータの回転角が入力されてインバータ4の電圧指令を出力する座標変換器18と、単相コンバータ2の出力電圧が入力されてリップル周波数及びリップル振幅を出力するリップル検出器15と、リップル振幅及びリップル周波数が入力されてノッチフィルタ11の深さパラメータ及び中心周波数を出力するパラメータ演算器14とを備えるモータ制御装置とする。
【選択図】図4

Description

本発明は、コンバータ回路から出力される直流電圧を交流電圧に変換して誘導電動機であるモータに供給するインバータ回路を制御するモータ制御装置に関する。
回転するモータのトルクは変動幅を生じる。この変動幅は、トルクリップル又はトルク脈動と呼ばれる。トルクリップルは機械振動又は騒音の原因となり、制御性能の低下を招く。トルクリップルが生じる原因は、モータ、電源環境又はモータ制御装置により様々であるが、供給された交流電圧がコンバータで直流電圧に変換されて該直流電圧がインバータで交流電圧に変換されて駆動されるモータでは、トルクリップルはコンバータから出力される直流電圧の直流電圧リップルに起因し、直流電圧リップルの振幅に比例してトルクリップルの振幅が増減することが知られている。このような直流電圧リップルの周波数は、電源の種類によっても異なる。一例として、三相交流電源を用いた場合の直流電圧リップルの周波数は電源周波数の6倍であり、単相交流電源を用いた場合の直流電圧リップルの周波数は電源周波数の2倍である。また、単相交流電源を用いた場合の直流電圧リップルの振幅は三相交流電源を用いた場合の直流電圧リップルの振幅よりも大きくなる。従って、単相交流電源を用いる場合には、三相交流電源を用いる場合よりもリップル対策をさらに効果的に行うことを要する。さらには、安定した電力供給が困難な国又は地域においては、電源周波数を安定させることが困難であり、三相交流電源における各相間の電圧の不平衡又は欠相が生じ、電源環境に起因してトルクリップルが変動する。
従来、このような電源環境に起因するトルクリップルには様々な対策が講じられてきた。このような対策の一例として、特許文献1には、「インバータのCVVF動作における電流を安定化し、トルクリプルを抑制すること」を課題とし、「直流を任意の周波数の交流に変換するインバータ4と、当該インバータ4により駆動される電動機6とから主回路を構成し、d軸に直交する軸をq軸とするdq軸回転座標上でインバータ4の制御を行なうベクトル制御手段を備えて構成される電力変換装置において、d軸電流又はq軸電流の少なくとも一方の電流と、d軸電流指令値又はq軸電流指令値の少なくとも一方の指令値とに基づいて、dq軸座標系上での出力電圧を制御する」技術が開示されている。特許文献1に開示された技術では、トルク分電流指令と実トルク分電流との偏差に対して、インバータの出力周波数を中心周波数とした下記の式(1)に示すノッチフィルタを設けることでリップル成分を除去する。
Figure 2016127736
上記の式(1)において、dはノッチ深さを決定する深さパラメータであり、wはノッチ幅を決定する広さパラメータであり、ωは中心周波数である。深さパラメータdは0から1の値をとり、深さパラメータdが大きいほどノッチは深い。また、広さパラメータwの値が大きいほどノッチが広い。
特開平11−262300号公報
しかしながら、上記従来の特許文献1に開示された技術では、インバータの出力周波数をノッチフィルタの中心周波数に設定しているが、インバータの出力周波数には電源周波数以外の周波数成分も重畳する。そのため、上記従来の技術によっては電源環境が要因となるリップル周波数を精度良く求めることができず、所望のトルクリップルの抑制効果が得られない場合がある、という問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電源環境が要因となるトルクリップルを抑制可能なモータ制御装置を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のモータ制御装置は、直流電圧であるコンバータ回路の出力電圧を交流電圧に変換してモータに供給するインバータ回路の電圧指令を出力することで前記モータを制御するモータ制御装置であって、入力された速度指令と前記モータの実回転速度との偏差である速度偏差が入力されてトルク分電流指令を出力する速度制御器と、中心周波数、ノッチ深さを表す深さパラメータ及び前記トルク分電流指令が入力されて補正トルク分電流指令を出力するノッチフィルタと、前記補正トルク分電流指令と実トルク分電流との偏差であるトルク分電流偏差が入力されてトルク分電圧指令を出力するトルク分電流制御器と、入力された励磁分電流指令と実励磁分電流との偏差である励磁分電流偏差が入力されて励磁分電圧指令を出力する励磁分電流制御器と、前記トルク分電圧指令、前記励磁分電圧指令及び前記モータの回転角が入力されて前記インバータ回路の前記電圧指令を出力する座標変換器と、前記コンバータ回路の出力電圧が入力されてリップル周波数及びリップル振幅を検出して出力するリップル検出器と、前記リップル振幅及び前記リップル周波数が入力されて前記ノッチフィルタの前記深さパラメータ及び前記中心周波数を出力するパラメータ演算器とを備えることを特徴とする。
本発明によれば、電源環境が要因となるトルクリップルを抑制可能なモータ制御装置を得ることができるという効果を奏する。
実施の形態1にかかるモータ制御装置と該モータ制御装置の周辺の構成の一例を示すブロック図 実施の形態1にかかるモータ制御装置が備えるリップル検出器の構成を示すブロック図 実施の形態1にかかるモータ制御装置が備えるノッチフィルタの特性を説明する図 実施の形態1にかかるモータ制御装置の一変形例と該モータ制御装置の周辺の構成の一例を示すブロック図 実施の形態2にかかるモータ制御装置と該モータ制御装置の周辺の構成の一例を示すブロック図 実施の形態2にかかるモータ制御装置の力行又は回生運転を説明する図
以下に、本発明の実施の形態にかかるモータ制御装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。なお、以下の説明において、同様の構成には同じ符号を付するものとする。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1にかかるモータ制御装置と該モータ制御装置の周辺の構成の一例を示すブロック図である。単相交流電源1は、単相コンバータ2に交流電圧を供給する系統電源である。単相コンバータ2は、単相交流電源1から供給された交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路である。直流コンデンサ3は、単相コンバータ2によって変換された直流電圧を平滑化してインバータ4に供給する平滑コンデンサである。インバータ4は、モータ制御装置8から出力される電圧指令に従って誘導電動機6に交流電圧を供給するインバータ回路である。電流検出器5は、インバータ4と誘導電動機6との間に配され、実三相電流を検出してモータ制御装置8に出力する。回転角検出器7は、誘導電動機6の回転角を検出してモータ制御装置8に出力する。なお、電流検出器5は実電流を検出すればよく、実電流は実三相電流に限定されるものではない。
図1に示すモータ制御装置8は、速度指令と実回転速度が入力されて速度偏差を出力する減算器9と、速度制御ゲイン及び前記速度偏差が入力されてトルク分電流指令を出力する速度制御器10と、中心周波数、深さパラメータ及び前記トルク分電流指令が入力されて補正トルク分電流指令を出力するノッチフィルタ11と、前記補正トルク分電流指令と実トルク分電流が入力されてトルク分電流偏差を出力する減算器12と、前記トルク分電流偏差が入力されてトルク分電圧指令を出力するトルク分電流制御器13と、前記中心周波数、前記深さパラメータ及び励磁分電流指令が入力されて補正励磁分電流指令を出力するノッチフィルタ19と、前記補正励磁分電流指令及び実励磁分電流が入力されて励磁分電流偏差を出力する減算器20と、前記励磁分電流偏差が入力されて励磁分電圧指令を出力する励磁分電流制御器21と、単相コンバータ2の出力電圧である直流電圧が入力されてリップル周波数及びリップル振幅を出力するリップル検出器15と、前記リップル周波数及び前記リップル振幅が入力されて前記速度制御ゲイン、前記深さパラメータ及び前記中心周波数を出力するパラメータ演算器14と、電流検出器5にて検出された実三相電流及び回転角検出器7にて検出された回転角が入力されて実トルク分電流及び実励磁分電流を出力する実電流座標変換器である座標変換器16と、前記回転角が入力されて実回転速度を出力する微分器17と、前記回転角、前記トルク分電圧指令及び前記励磁分電圧指令が入力されてインバータ4への三相電圧指令を出力する電圧指令座標変換器である座標変換器18とを備える。なお、前記速度制御ゲイン及び前記深さパラメータは、リップル振幅により決定され、中心周波数はリップル周波数により決定される。また、座標変換器18はインバータ4の電圧指令を出力すればよく、電圧指令は三相電圧指令に限定されるものではない。
なお、パラメータ演算器14が出力した速度制御ゲインは速度制御器10に反映され、中心周波数及び深さパラメータはノッチフィルタ11,19に反映される。また、単相コンバータ2の出力電圧である直流電圧の検出は、リップル検出器15が行わずに別途設けられた電圧検出器が行う構成としてもよく、この場合にはリップル検出器15は該電圧検出器が検出した単相コンバータ2の出力電圧である直流電圧を用いてリップル周波数及びリップル振幅を出力する構成であってもよい。また、ノッチフィルタ11とノッチフィルタ19を区別する際には、ノッチフィルタ11を第1のノッチフィルタと呼び、ノッチフィルタ19を第2のノッチフィルタと呼ぶこととする。
図2は、モータ制御装置8が備えるリップル検出器15の構成を示すブロック図である。これは、図1における点線の矩形領域に相当する。図2に示すリップル検出器15は、
入力された直流電圧の低周波成分を除去して出力するハイパスフィルタ22と、低周波成分が除去された直流電圧が入力されてリップル周波数を出力する周波数検出器23と、前記低周波成分が除去された直流電圧が入力されてリップル振幅を出力する振幅検出器24とを備える。ここで、ハイパスフィルタ22のカットオフ周波数は、電源環境が要因となるリップル周波数の約10倍に設定する。
周波数検出器23が出力するリップル周波数はパラメータ演算器14に入力され、中心周波数はリップル周波数により決定される。このようにリップル周波数により中心周波数を設定すると、電源環境が要因となるトルクリップルの周波数が変動した場合であってもトルクリップルを抑制することができる。また、振幅検出器24が出力するリップル振幅はパラメータ演算器14に入力され、ノッチフィルタ11,19のノッチ深さを表す深さパラメータはリップル振幅により決定される。このようにリップル振幅により深さパラメータを設定すると、軽負荷又は低速域で誘導電動機6を駆動する際にノッチフィルタ11,19のノッチを浅くすることが可能であり、速度制御器10の速度制御ゲインを大きくすると、軽負荷又は低速域で誘導電動機6を駆動する際、すなわちトルクリップルの振幅が小さい状態における速度制御系の応答性を向上させることができる。
ここで、パラメータ演算器14において行う中心周波数、深さパラメータ及び速度制御ゲインの調整方法の一例は下記の式(2)にて表される。
Figure 2016127736
上記の式(2)において、ωは中心周波数であり、ωdcはリップル周波数であり、dは深さパラメータであり、αは深さパラメータ調整項であり、Adcはリップル振幅であり、dは深さパラメータ初期値であり、kは速度制御Pゲインであり、αは速度制御Pゲイン調整項であり、kは速度制御Pゲイン初期値であり、kは速度制御Iゲインであり、βは速度制御Iゲイン調整項である。なお、これらはすべて正の値である。
上記の式(2)に示されるように、中心周波数ωはリップル周波数ωdcと等しくなるように決定される。深さパラメータdは、定数である深さパラメータ調整項αとリップル振幅Adcとの積と、定数である深さパラメータ初期値dとの和であり、リップル振幅Adcが増大するにつれて大きくなるように決定される。速度制御Pゲインkは、定数である速度制御Pゲイン初期値kから、定数である速度制御Pゲイン調整項αとリップル振幅Adcとの積を引いた差分とし、速度制御Pゲインkは、リップル振幅Adcが増大するにつれて小さくなるように決定される。速度制御Iゲインkは、速度制御Pゲインkと、定数である速度制御Iゲイン調整項βの逆数との積である。なお、これらのパラメータはすべて正の値である。
図3は、ノッチフィルタの特性を説明する図である。図3(A)には、深さパラメータd=0.5,0.75,1.0とした場合に除去されるリップル成分の大きさが示されている。横軸は周波数である。図3(A)に示されるように、深さパラメータdを大きくするとノッチフィルタにおいて除去されるリップル成分は大きくなる。図3(B)には、深さパラメータd=0.5,0.75,1.0とした場合の指令に対する実値の位相の遅れが示されている。横軸は周波数である。図3(B)に示されるように、深さパラメータdを大きくすると位相の遅れが大きくなる。図3(A),(B)に示すように、ノッチフィルタにおいて深さパラメータdを大きくするとリップルの抑制効果を大きくすることが可能であるが、応答性が低下し、また、位相の遅れが大きくなり、速度制御ゲインを高く設定することが困難になる。
上記の式(2)においては、リップル振幅Adcが大きくなるほど速度制御Pゲインk及び速度制御Iゲインkが小さくなり、リップル振幅Adcが小さくなるほど速度制御Pゲインk及び速度制御Iゲインkが大きくなる。従って、軽負荷又は低速域で誘導電動機6が駆動されてリップル振幅Adcが小さい状態においては、深さパラメータdは小さく、速度制御ゲインは大きくなる。このようにして、リップル振幅に応じたリップルの抑制を可能としつつ、応答性の低下及び位相の遅れを抑制し、速度制御ゲインを高く設定することが可能となる。
以上説明したように本実施の形態1によると、コンバータの出力電圧から直接リップル周波数及びリップル振幅が検出され、リップル周波数と等しくなるように中心周波数が設定され、リップル振幅の増大に従ってノッチ深さが大きくなるように設定されたノッチフィルタが設けられ、そのノッチフィルタに励磁分電流指令が入力されて補正励磁分電流指令が出力され、トルク分電流指令が入力されて補正トルク分電流指令が出力される。このようにして、電源環境に応じてトルクリップルの抑制の度合いを調整することができる。
また、リップル振幅が増大すると速度制御器の速度制御ゲインを小さくし、リップル振幅が減少すると速度制御器の速度制御ゲインを大きくするように調整するので、速度制御系の応答性の低下を抑制することができる。このようにして、応答性の低下を抑制しつつ電源環境が要因となるトルクリップルを抑制することができる。
実施の形態2.
図5は、本発明の実施の形態2にかかるモータ制御装置と該モータ制御装置の周辺の構成の一例を示すブロック図である。図5に示すモータ制御装置8bは、力行回生判定器25を有し、パラメータ演算器14に代えてパラメータ演算器14aが設けられている点のみが図1に示すモータ制御装置8と異なり、その他の構成は実施の形態1の図1に示すモータ制御装置8と同じである。
力行回生判定器25には、微分器17が出力した実回転速度及び座標変換器16が出力した実トルク分電流が入力されて、力行であるか回生であるかの判定を行い、判定結果である力行回生運転信号をパラメータ演算器14aに出力する。
パラメータ演算器14aには、リップル周波数、リップル振幅及び力行回生運転信号が入力され、速度制御ゲイン、中心周波数及び深さパラメータを出力する。パラメータ演算器14aが出力した速度制御ゲインは速度制御器10に反映され、中心周波数及び深さパラメータはノッチフィルタ11,19に反映される。
なお、ここで、力行とは、誘導電動機6であるモータが機械を回している状態をいい、回生とは、誘導電動機6であるモータが機械に回されて発電している状態をいう。電力は力行で正の値となり、回生で負の値となる。力行回生判定器25は、一例として、符号関数を用いた下記の式(3)により実回転速度及び実トルク分電流から電力を算出して力行であるか回生であるかの判定を行い、力行回生運転信号を出力する。ここで、Kはモータ定数であり、iはトルク分電流検出値であり、ωfbは実回転速度である。
Figure 2016127736
図6は、トルク分電流検出値i及び実回転速度ωfbに対する力行回生運転信号の値Sprを示す図である。トルク分電流検出値iと実回転速度ωfbとの積が正である場合、すなわち、トルク分電流検出値iと実回転速度ωfbが同符号である場合には力行回生運転信号の値Spr=1であるため、誘導電動機6は力行である。トルク分電流検出値iと実回転速度ωfbとの積が負である場合、すなわち、トルク分電流検出値iと実回転速度ωfbが異符号である場合には力行回生運転信号の値Spr=−1であるため誘導電動機6は回生である。
力行では誘導電動機6が電源から電力を供給されている状態なので電源に依存したトルクリップルが発生するが、回生では誘導電動機6が電源に電力を供給するので電源依存のトルクリップルは発生しない。そのため、回生時にはノッチフィルタの動作が不要である。そこで、回生時のパラメータ演算器14aは、力行回生運転信号の値Spr=−1が入力されると、ノッチフィルタを停止した状態にし、速度制御ゲインを大きくする。このような構成とすることで、トルクリップル不発生時にはノッチフィルタを動作させず、速度制御系の応答性を向上させることができる。また、力行時のパラメータ演算器14aは、リップル振幅を用いて速度制御器の速度制御ゲインを調整する。このような構成とすることで、負荷及び運転速度に関わらず、速度制御系の応答性を向上させることができる。従って、力行回生運転信号の値により回生であるか力行であるかを判定し、回生時にはノッチフィルタを動作させず、力行時にはリップル振幅を用いて速度制御器の速度制御ゲインを調整することで、効果的に速度制御系の応答性を向上させることができる。
以上説明したように、本実施の形態2によると、誘導電動機の回生時にはノッチフィルタを停止して速度制御ゲインを大きくすることが可能であり、回生運転時の速度制御系の応答性を向上させることができる。
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。すなわち、実施の形態3の構成に実施の形態2の力行回生判定器25が設けられていてもよい。
1 単相交流電源、2 単相コンバータ、3 直流コンデンサ、4 インバータ、5 電流検出器、6 誘導電動機、7 回転角検出器、8,8a,8b モータ制御装置、9 減算器、10 速度制御器、11,19 ノッチフィルタ、12,20 減算器、13 トルク分電流制御器、14 パラメータ演算器、15 リップル検出器、16,18 座標変換器、17 微分器、21 励磁分電流制御器、22 ハイパスフィルタ、23 周波数検出器、24 振幅検出器、25 力行回生判定器。

Claims (6)

  1. 直流電圧であるコンバータ回路の出力電圧を交流電圧に変換してモータに供給するインバータ回路の電圧指令を出力することで前記モータを制御するモータ制御装置であって、
    入力された速度指令と前記モータの実回転速度との偏差である速度偏差が入力されてトルク分電流指令を出力する速度制御器と、
    中心周波数、ノッチ深さを表す深さパラメータ及び前記トルク分電流指令が入力されて補正トルク分電流指令を出力するノッチフィルタと、
    前記補正トルク分電流指令と実トルク分電流との偏差であるトルク分電流偏差が入力されてトルク分電圧指令を出力するトルク分電流制御器と、
    入力された励磁分電流指令と実励磁分電流との偏差である励磁分電流偏差が入力されて励磁分電圧指令を出力する励磁分電流制御器と、
    前記トルク分電圧指令、前記励磁分電圧指令及び前記モータの回転角が入力されて前記インバータ回路の前記電圧指令を出力する座標変換器と、
    前記コンバータ回路の出力電圧が入力されてリップル周波数及びリップル振幅を検出して出力するリップル検出器と、
    前記リップル振幅及び前記リップル周波数が入力されて前記ノッチフィルタの前記深さパラメータ及び前記中心周波数を出力するパラメータ演算器とを備えることを特徴とするモータ制御装置。
  2. 直流電圧であるコンバータ回路の出力電圧を交流電圧に変換してモータに供給するインバータ回路の電圧指令を出力することで前記モータを制御するモータ制御装置であって、
    入力された速度指令と前記モータの実回転速度との偏差である速度偏差が入力されてトルク分電流指令を出力する速度制御器と、
    中心周波数、ノッチ深さを表す深さパラメータ及び前記トルク分電流指令が入力されて補正トルク分電流指令を出力する第1のノッチフィルタと、
    前記補正トルク分電流指令と実トルク分電流との偏差であるトルク分電流偏差が入力されてトルク分電圧指令を出力するトルク分電流制御器と、
    入力された励磁分電流指令、前記中心周波数及び前記深さパラメータが入力されて補正励磁分電流指令を出力する第2のノッチフィルタと、
    前記補正励磁分電流指令と実励磁分電流との偏差である励磁分電流偏差が入力されて励磁分電圧指令を出力する励磁分電流制御器と、
    前記トルク分電圧指令、前記励磁分電圧指令及び前記モータの回転角が入力されて前記インバータ回路の前記電圧指令を出力する座標変換器と、
    前記コンバータ回路の出力電圧が入力されてリップル周波数及びリップル振幅を検出して出力するリップル検出器と、
    前記リップル振幅及び前記リップル周波数が入力されて前記第1及び第2のノッチフィルタの前記深さパラメータ及び前記中心周波数を出力するパラメータ演算器とを備えることを特徴とするモータ制御装置。
  3. 前記モータの前記実回転速度及び前記実トルク分電流が入力されて前記モータが力行であるか回生であるかを判定し、判定結果を示す力行回生運転信号を出力する力行回生判定器を備え、
    前記パラメータ演算器には前記力行回生運転信号が入力され、
    前記パラメータ演算器は、前記力行回生運転信号を用いて前記ノッチフィルタの前記深さパラメータを調整して出力することを特徴とする請求項1に記載のモータ制御装置。
  4. 前記モータの前記実回転速度及び前記実トルク分電流が入力されて前記モータが力行であるか回生であるかを判定して判定結果を示す力行回生運転信号を出力する力行回生判定器を備え、
    前記パラメータ演算器には前記力行回生運転信号が入力され、
    前記パラメータ演算器は、前記力行回生運転信号を用いて前記第1及び第2のノッチフィルタの前記深さパラメータを調整して出力することを特徴とする請求項2に記載のモータ制御装置。
  5. 前記パラメータ演算器は、前記速度制御器の速度制御ゲインを調整して出力することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のモータ制御装置。
  6. 前記パラメータ演算器は、前記力行回生運転信号を用いて前記速度制御器の速度制御ゲインを調整して出力することを特徴とする請求項3又は請求項4に記載のモータ制御装置。
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