JP2022074821A

JP2022074821A - 同期電動機の制御装置

Info

Publication number: JP2022074821A
Application number: JP2020185193A
Authority: JP
Inventors: 健斗谷川; Kento Tanigawa; 達哉志津; Tatsuya Shizu
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2020-11-05
Filing date: 2020-11-05
Publication date: 2022-05-18
Anticipated expiration: 2040-11-05
Also published as: JP7489294B2

Abstract

【課題】電動機に新たな機構を付与することなく、振動の発生を抑制し、騒音を低減することができる制御装置を提供する。【解決手段】同期電動機の制御装置は、トルク指令値Ｔｑ＊および前記同期電動機の回転速度Ｎに基づいて、仮ｄ軸電流指令値ｉｄ＊とｑ軸電流指令値ｉｑ＊とを算出する電流指令値算出部９と、現在の前記回転速度Ｎが、前記同期電動機の共振を誘発する回転速度の範囲内にある場合に、永久磁石の磁気吸引力を低減させるための弱め界磁電流指令値ｉｄ′を出力する弱め界磁電流指令値算出部８と、前記弱め界磁電流指令値ｉｄ′と前記仮ｄ軸電流指令値ｉｄ＊とを加算して、ｄ軸電流指令値（ｉｄ＊＋ｉｄ′）を算出する弱め界磁電流指令値加算部１２と、を備える。【選択図】図２

Description

本明細書は、同期電動機の制御装置を開示する。

電動機が回転する場合、電動機には、振動が発生する。振動が大きい場合、騒音や故障の原因となることから、電動機は、その振動をできるだけ小さくすることが求められる。

電動機が振動する原因は様々である。例えば、ロータのアンバランスやトルクリップルが考えられる。インバータによる速度制御を行う電動機では、ステータとロータ間に発生する電磁力に起因する振動の振動数と、電動機の固有振動数と、が一致する回転速度が存在する場合があり、共振することで大きな振動、および騒音が発生する。一般に電動機が振動する場合は、図１に示すような円環振動モードで振動が発生する。このような振動を抑制する対策としてステータの外側に電動機の固有振動数を変更するための質量体をとりつけることで電動機の振動を抑制する方法が知られている（特許文献１参照）。

特開２０１６－１６０９４９号公報

ステータの外側に電動機の固有振動数を変更するための質量体をとりつける方法ではステータの外側に取り付ける質量体が必要であり、また、質量体を取り付けることができる機構が必要となる。

本明細書では、電動機に新たな機構を付与することなく、振動の発生を抑制し、騒音を低減することができる制御装置を開示する。

本明細書で開示する同期電動機の制御装置は、トルク指令値および前記同期電動機の回転速度に基づいて、仮ｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値とを算出する電流指令値算出部と、現在の前記回転速度が、前記同期電動機の共振を誘発する回転速度の範囲内にある場合に、永久磁石の磁気吸引力を低減させるための弱め界磁電流指令値を出力する弱め界磁電流指令値算出部と、前記弱め界磁電流指令値と前記仮ｄ軸電流指令値とを加算して、ｄ軸電流指令値を算出する弱め界磁電流指令値加算部と、を備えることを特徴とする。

この場合、前記弱め界磁電流指令値算出部は、前記同期電動機の磁極数をＰ、スロット数をＳ、円環振動モードの次数をｋ、固有振動数をｆ［Ｈｚ］、自然数をｎ、（Ｓ×ｎ）±ｋと磁極数Ｐの倍数が一致する値をｈとした場合、Ｎ^＊＝ｆ÷ｈ×６０を満たす回転速度Ｎ^＊を基準として、前記同期電動機の共振を誘発する回転速度の範囲を設定してもよい。

前記弱め界磁電流指令値算出部は、前記Ｎ^＊［ｍｉｎ^－１］の±１０％の回転速度の範囲を、前記同期電動機の共振を誘発する回転速度の範囲として設定してもよい。

また、前記弱め界磁電流指令値算出部において、前記Ｎ^＊が０＜Ｎ^＊≦前記同期電動機の最高回転速度の範囲となるように自然数ｎの範囲を制限してもよい。

また、前記弱め界磁電流指令値算出部は、前記永久磁石の磁束をφｍ、ｄ軸インダクタンスをＬｄ、前記仮ｄ軸電流指令値をｉｄ^＊とした場合、前記弱め界磁電流指令値ｉｄ′を、ｉｄ′＝－φｍ÷Ｌｄ－ｉｄ^＊の式に基づいて算出してもよい。

本明細書で開示の技術を用いることにより、共振を誘発する回転速度での振動を抑制でき、騒音を低減することができる。

円環振動モードを示す図である。同期電動機の制御装置の一例を示すブロック図である。

一般に電動機が振動する場合、円環振動モードで振動が発生する。円環振動モードとは、円環の物体が径方向に変形する際のモードであり、図１に示すようにｋ＝０が膨張収縮、ｋ＝１が並進、ｋ＝２が楕円、ｋ＝３が三角形、ｋ＝４が四角形となる。

電動機のスロット数をＳとした場合、自然数をｎとすると、ステータが円環振動モードによって変形する振動数Ｔは次式（１）で計算できる。
Ｔ＝（Ｓ×ｎ）±ｋ（１）

電動機の磁極数をＰとすると、ステータは、モータ一回転に対して磁極数Ｐの振動数で磁気吸引力を受けるため、円環振動モードによって変形する振動数Ｔと磁極数Ｐの公倍数となる振動数で円環振動が発生する。この円環振動が発生する振動数と電動機の持つ固有振動数が一致する回転速度で電動機が回転した場合、共振が誘発され、振動が発生する。

図２は、同期電動機の制御装置の一例を示すブロック図である。図中の電動機１は、同期電動機であり、インバータ２によって可変電圧、可変周波数の３相交流電圧を印加して駆動している。なお、インバータ２は、直流電源３を入力として３相電圧指令値ｅｕ^＊，ｅｖ^＊，ｅｗ^＊に応じて、電動機１に印加する電圧を制御している。電動機１に流れる３相電流は、電流検出器４によって検出されており、この検出値ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを入力として３相２相変換器５は、演算を行って２相信号ｉｄ，ｉｑを出力する。上記ｉｄは、ステータ巻線に流れる交流電流のうち磁極位置に同期した磁束を発生させる成分を表す直流量であり、「ｄ軸電流検出値」と称する。また、ｉｑは、磁極位置と９０度の位相差をもった磁束を発生させる成分を表す直流量であり、「ｑ軸電流検出値」と称する。これらｄ軸電流検出値ｉｄおよびｑ軸電流検出値ｉｑは、ｄｑ軸電圧指令値算出部６に入力される。電流指令値演算部９は、上流側から入力されるトルク指令値Ｔｑ^＊と、電動機１の回転速度Ｎとに基づいて、仮ｄ軸電流指令値ｉｄ^＊と、ｑ軸電流指令値ｉｑ^＊と、を算出する。弱め界磁電流指令値加算部１２は、この仮ｄ軸電流指令値ｉｄ^＊と弱め界磁電流指令値ｉｄ′を加算し、ｄ軸電流指令値（ｉｄ^＊＋ｉｄ′）を算出するが、これについては、後述する。ｄｑ軸電圧指令値算出部６は、ｄ軸電流検出値ｉｄとｄ軸電流指令値（ｉｄ^＊＋ｉｄ′）との偏差に基づいてｄ軸電圧指令値ｅｄ^＊を、ｑ軸電流検出値とｑ軸電流指令値ｉｑ^＊との偏差に応じてｑ軸電圧指令値ｅｑ^＊を、それぞれ演算している。さらに、ｄ軸電圧指令値ｅｄ^＊およびｑ軸電圧指令値ｅｑ^＊は、２相３相変換器７によって３相交流電圧指令値ｅｕ^＊，ｅｖ^＊，ｅｗ^＊に変換される。このようにステータに通電される３相交流電流をｄ軸電流、ｑ軸電流のそれぞれに分配してフィードバック制御することによって、電動機１の発生トルクは、ｄ軸電流指令値（ｉｄ^＊＋ｉｄ′）とｑ軸電流指令値ｉｑ^＊とによって任意に制御することが可能となる。

次に、電動機１が振動の発生する回転速度で回転しているとき、弱め界磁を発生させる制御について説明する。電動機１の回転速度をＮ［ｍｉｎ^－１］、電動機１の共振を誘発する回転速度をＮ^＊［ｍｉｎ^－１］とする。Ｎ＝Ｎ^＊のときのみ、弱め界磁電流指令値ｉｄ′を発生させ、ｄｑ軸電流指令値算出部６で算出した仮ｄ軸電流指令値ｉｄ^＊に足し合せる。ここで、Ｎ^＊［ｍｉｎ^－１］は、電動機個体ごとに振動センサを取り付け、振動が発生する回転速度を計測してＮ^＊［ｍｉｎ^－１］とする。

電動機１に振動センサを取り付けることができない場合は、以下のようにＮ^＊［ｍｉｎ^－１］を算出する。電動機１の磁極数をＰ、スロット数をＳ、円環振動モードの次数をｋ、固有振動数をｆ［Ｈｚ］、自然数をｎ、（Ｓ×ｎ）±ｋと磁極数Ｐの倍数が一致する値をｈとすると、Ｎ^＊［ｍｉｎ^－１］の計算式は次式となる。
Ｎ^＊＝ｆ÷ｈ×６０（２）

弱め界磁電流指令値算出部８に上記式（２）で計算した回転速度をあらかじめ設定しておき、回転速度Ｎが、Ｎ^＊と一致したとき弱め界磁電流指令値ｉｄ′を指令し、弱め界磁電流指令値加算部１２で仮ｄ軸電流指令値ｉｄ^＊に足し合せる。

ここで、ｑ軸電圧をｖｑ、巻線抵抗をｒ、ｄ軸インダクタンスをＬｄ、ロータの角速度をω、永久磁石の磁束をφｍとすると、ｑ軸電圧は次式となる。
ｖｑ＝ｒ×ｉｑ＋ω×Ｌｄ×（ｉｄ^＊＋ｉｄ′）＋ω×φｍ（３）

よって、弱め界磁電流指令値ｉｄ′は、次式とする。
ｉｄ′＝－φｍ÷Ｌｄ－ｉｄ^＊（４）

Ｎ^＊［ｍｉｎ^－１］の算出に使用する自然数ｎは０＜Ｎ^＊≦前記同期電動機の最高回転速度の範囲となるように自然数ｎの範囲を制限する。

また、一般に、電動機は、個体差があり、固有振動数も個体ごとでばらつきがある。そのため、弱め界磁電流指令値算出部８の計算式で算出したＮ^＊［ｍｉｎ^－１］は±１０％の範囲を取ることが望ましい。一方で、回転速度Ｎが、振動が発生する回転速度Ｎ^＊から十分に乖離しており、現在の回転速度Ｎでは振動が発生しないと判断された場合、弱め界磁電流指令値算出部８は、弱め界磁電流指令値ｉｄ′を出力しない、あるいは、ｉｄ′＝０として出力する。したがって、この場合には、仮ｄ軸電流指令値ｉｄ^＊が、正式なｄ軸電流指令値ｉｄ^＊となる。

上記のように算出したｄ軸電流およびｑ軸電流を電動機に印加することで共振の発生を抑え、振動を低減することができる。

１電動機、２インバータ、３直流電源、４電流検出器、５３相２相変換器、６ｄｑ軸電圧指令値算出部、７２相３相変換器、８弱め界磁電流指令値算出部、９電流指令値算出部、１０微分器、１１エンコーダ、１２弱め界磁電流指令値加算部。

Claims

同期電動機の制御装置であって、
トルク指令値および前記同期電動機の回転速度に基づいて、仮ｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値とを算出する電流指令値算出部と、
現在の前記回転速度が、前記同期電動機の共振を誘発する回転速度の範囲内にある場合に、永久磁石の磁気吸引力を低減させるための弱め界磁電流指令値を出力する弱め界磁電流指令値算出部と、
前記弱め界磁電流指令値と前記仮ｄ軸電流指令値とを加算して、ｄ軸電流指令値を算出する弱め界磁電流指令値加算部と、
を備えることを特徴とする同期電動機の制御装置。
請求項１に記載の同期電動機の制御装置であって、
前記弱め界磁電流指令値算出部は、前記同期電動機の磁極数をＰ、スロット数をＳ、円環振動モードの次数をｋ、固有振動数をｆ［Ｈｚ］、自然数をｎ、（Ｓ×ｎ）±ｋと磁極数Ｐの倍数が一致する値をｈとした場合、Ｎ^＊＝ｆ÷ｈ×６０を満たす回転速度Ｎ^＊を基準として、前記同期電動機の共振を誘発する回転速度の範囲を設定する、ことを特徴とする同期電動機の制御装置。
請求項２に記載の同期電動機の制御装置であって、
前記弱め界磁電流指令値算出部は、前記Ｎ^＊［ｍｉｎ^－１］の±１０％の回転速度の範囲を、前記同期電動機の共振を誘発する回転速度の範囲として設定する、ことを特徴とする同期電動機の制御装置。
請求項２または３に記載の同期電動機の制御装置であって、
前記弱め界磁電流指令値算出部において、前記Ｎ^＊が０＜Ｎ^＊≦前記同期電動機の最高回転速度の範囲となるように自然数ｎの範囲を制限する、ことを特徴とする同期電動機の制御装置。
請求項１から４のいずれか１項に記載の同期電動機の制御装置であって、
前記弱め界磁電流指令値算出部は、前記永久磁石の磁束をφｍ、ｄ軸インダクタンスをＬｄ、前記仮ｄ軸電流指令値をｉｄ^＊とした場合、前記弱め界磁電流指令値ｉｄ′を、ｉｄ′＝－φｍ÷Ｌｄ－ｉｄ^＊の式に基づいて算出することを特徴とする同期電動機の制御装置。