JP3508971B2 - 誘導電動機のトルク制御装置 - Google Patents

誘導電動機のトルク制御装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、インバータにより
誘導電動機のトルクを制御する装置に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】図2は従来の誘導電動機のトルク制御装
置の一例を示すブロック図であり、図2において、電流
検出器4は、誘導電動機3の一次の電流ベクトルiを検
出する。また速度検出器5は前記誘導電動機3の回転子
の速度を検出する。電流検出器4、速度検出器5より、
検出された電流ベクトルiと回転速度ωmを入力して演
算手段6でトルクの大きさTと磁束ベクトル大きさφと
その位相角θを演算する。トルクTとその指令値T*と
の誤差をトルク誤差演算手段71で演算し、トルク誤差
増幅手段81で増幅されてトルク分電圧指令VTとな
る。演算手段6の出力の磁束ベクトルの大きさφとその
指令値φ*との誤差を磁束誤差演算手段72で求め、磁
束誤差増幅手段82で増幅されて磁束分電圧Vφとな
る。
【0003】トルク分電圧指令VT、磁束分電圧Vφは
座標変換手段9において、電圧指令ベクトルV*は、 V* =(Vφ+jVT)exp(jθ)───(1) の演算式で表せる回転座標変換をする。ここで、jは−
1の平方根で虚数部を表す。また式(1)で演算されて
座標変換手段9からの出力は電圧指令ベクトルV*であ
り、これが電圧制御インバータ2に入力される。ここで
は電圧指令ベクトルV* に応じた三相の電圧を誘導電
動機3に印加して、直流電源1から電力を誘導電動機3
に供給する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】前述した従来方式にお
いて、トルク誤差増幅手段81と磁束誤差増幅手段82
は一般的に比例積分増幅器で構成され、トルク誤差が無
くてもトルク誤差増幅器81の出力トルク分電圧指令V
Tは誘導電動機3の回転速度にほぼ比例した値となる。
また磁束誤差が無い場合、磁束誤差増幅器82の出力磁
束分電圧Vφは誘導電動機3の一次抵抗の電圧降下程度
の値となる。ここで一次抵抗の電圧降下程度の値はわず
かであり無視すると、式(1)から電圧指令ベクトルV
*の大きさは誘導電動機3の回転速度にほぼ比例する出
力トルク分電圧指令VTに等しいことが解る。
【0005】ただし、誘導電動機3の運転領域を高速側
に広げようとすると、インバータ2は直流電源1の電圧
により出力電圧の最大値が制限されるため、高速域で指
令通りの電圧が誘導電動機3に印加できない。この領域
では磁束誤差がないものとして成立させた従来の制御方
法では磁束の大きさφは指令値φ*に追従できるが、ト
ルクの大きさTが制御ができなくなる。
【0006】以下にその理由を述べる。まずインバータ
2が指令値通りの電圧を出力できる場合の出力トルク分
電圧指令VTと出力磁束分電圧Vφの大きさについて述
べる。インバータ2の出力電圧ベクトルVと磁束ベクト
ルψの関係は式(2)で表され、 V=dψ/dt──────(2) となる。ただし、誘導電動機3の一次抵抗の電圧降下は
考慮していない。ここで、ψ=φexp(jθ)とする
と式(2)は式(3)で表され、 V=d(φexp(jθ))/dt+jωφexp(jθ)───(3) となる。
【0007】ここで、ω=dθ/dtである。前述した
従来方式において電圧制御インバータ2が忠実に指令値
通りの電圧ベクトルVを誘導電動機に印加するならば、
式(1)の電圧指令ベクトルV*は式(3)の出力電圧
ベクトルVと等しくなるので、実部と虚数部でまとめる
と、式(4),(5)で表され、 Vφ=dφ/dt─────(4) VT=ωφ────────(5) となる。磁束の回転角速度ωは、ほぼ誘導電動機の回転
速度ωmに等しいので式(5)より出力トルク分電圧指
令VTが概略速度に比例し、式(4)より出力磁束分電
圧Vφは磁束の変化率に等しいためほとんど値を持たな
いことが解る。したがって、電圧指令ベクトルV*の大
きさを決定付けるのは速度に比例するトルク分電圧指令
VTであることが解る。
【0008】次にインバータ2が指令値通りの電圧を出
力できる理由とできない理由を述べる。インバータ2の
出力可能な瞬時の電圧ベクトルはゼロベクトルを含んだ
7種類の電圧ベクトルからなり、正六角形の中心が大き
さゼロのゼロベクトルで、6つの頂点が残り6 種類の電
圧ベクトルで構成されており、電圧指令ベクトル(V
*)に近いゼロベクトル(Vo)を含んだ3種類の電圧
ベクトル(Vo、Va、Vb)とそれぞれの出力時間
(To、Ta、Tb)との積のベクトル和が電圧指令ベ
クトル(V*)と前記出力時間の総和(Ts)との積に
等しくなるように3種類の電圧ベクトル(Vo、Va、
Vb)を順次それぞれの出力時間(To、Ta、Tb)
出力することにより電圧指令ベクトルV*に等しい電圧
ベクトルVを出力することができる。つまり次に示す式
(6)の条件を満足する必要がある。 V*・Ts=Vo・To+Va・Ta+Vb・Tb───(6)
【0009】ところが、電圧指令ベクトルV*がこの正
六角形の大きさより大きいと指令値に等しい電圧ベクト
ルVは出力できない。しかも電圧指令ベクトルV*の大
きさを決定付けているのはトルク分電圧指令VTであ
り、トルクの大きさTと指令値T*の誤差によりトルク
誤差増幅手段81の出力トルク分電圧指令VTが増加す
ると、式(1)より電圧指令ベクトルV*はますます大
きくなる傾向にあり、実際に誘導電動機に印加される電
圧ベクトルVとの差も増加し、トルクTが指令値に追従
できない状態になる。
【0010】磁束の大きさφと指令値φ*との誤差によ
り磁束分電圧Vφが増幅した場合、式(1)より磁束分
電圧Vφはトルク分電圧指令VTに対して直角のベクト
ルであり、VφはVTに対して十分に小さいため、V*
の大きさ方向の増加はほとんど無く、V*の位相角方向
の変化として現れる。たとえV*が前記正六角形の大き
さより大きいくインバータが指令値に等しい大きさの電
圧ベクトルを出力できない場合でも位相方向の変化には
対応できるため、磁束の大きさφは指令値φ*に追従す
る。
【0011】このように、従来では電圧指令ベクトルV
*の大きさがインバータの入力直流電圧により制限され
る最大の電圧ベクトルVの大きさより大きい場合にトル
クの制御ができないという問題があった。本発明は上述
した点に鑑みて創案されたもので、その目的とするとこ
ろは、これらの欠点を解決する誘導電動機のトルク制御
装置を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】つまり、その目的を達成
するための手段は、電圧指令と電圧制御インバータの入
力電源の電圧から前記電圧制御インバータが指令値と等
価の電圧を出力可能か否かを判断する判別手段と、この
判別手段の出力と前記誘導電動機の回転方向または一次
角速度の回転方向とを入力し前記判別手段により出力不
可能と判断された場合には前記誘導電動機または一次角
速度の回転方向の電圧ベクトルを選択し前記電圧制御イ
ンバータの電圧指令として出力する電圧ベクトル選択手
段と、磁束誤差増幅手段が比例積分増幅器である場合
に、前記判別手段により出力不可能と判別された場合に
は磁束誤差増幅手段の積分器の出力を更新させない磁束
誤差積分値固定手段とを設けることによって構成されて
いる。
【0013】前記判別手段により電圧指令ベクトルV*
が正六角形の外側にあると判断した場合には、インバー
タは電圧指令ベクトルV*と等価の電圧を出力できな
い。そこで、電圧ベクトル選択手段により、回転方向の
電圧ベクトルV**正6角形の頂点の1つ)を選択し、
電圧指令ベクトルV*に置き換えると、磁束誤差積分値
固定手段により磁束の大きさφは指令値φ*に追従せず
に小さくなり、トルクの大きさTは指令値T*にほぼ追
従することができる。従ってトルクの制御ができる。以
下に理由を述べる。
【0014】いま電圧指令ベクトルV*がインバータが
出力できる電圧範囲(正六角形)の外側にある場合、電
圧ベクトル選択手段により磁束ベクトルの回転方向の電
圧ベクトルを選択することにより磁束の大きさφを指令
値φ*より小さくすることができる。
【0015】つまり、トルク分電圧指令VTが式(5)
(4)で示されるように磁束分電圧指令に対して十分に
大きい場合はV*に対して回転方向の電圧ベクトルV*
は式(1)で示されるVφに対してマイナス方向に存在
し、V*を出力することにより強制的にマイナスのVφ
を出力したことになる。すると式(4)より磁束の大き
さφは指令値φ*によらずに小さくなることが解る。磁
束の大きさφが小さくなると、式(5)よりVTも小さ
くなることが解る。
【0016】また、磁束の大きさφが指令値φ*より小
さくなると磁束誤差増幅手段によりVφはプラス方向に
増加するが、磁束誤差積分値固定手段によりVφの誤差
積分による増加を防ぎ、Vφは単に磁束の大きさφと指
令値φ*との誤差に比例した値と固定された積分値との
和になる。
【0017】以上の働きによりV*がインバータの出力
できる電圧範囲を超えると、電圧指令ベクトルV*に対
して、回転方向の電圧ベクトルV**を誘導電動機に印
加し、磁束の積分器の働きを停止させることにより、V
φの増加を防ぎながら磁束の大きさφを指令値φ*に追
従させずにVTを下げ、V*とV**の誤差を発散させ
ないことにより、トルクTを指令値T*に追従させるこ
とを可能にしている。以下、本発明の一実施例を図面に
基づいて詳述する。
【0018】
【発明の実施の形態】図1は本発明の一実施例を示すブ
ロック図であり、図中、図2の従来技術を示すブロック
図と同一な部分は説明を省略し異なる部分(図1の点線
内)のみ説明する。図1において、判別手段11は検出
器10より検出された直流電源1の電圧Vdcと、座標
変換手段9から出力される電圧指令ベクトルV*とを入
力し、式(6)を満足する出力時間Ta、Tbの和が総
和Tsより大きいときはA=1、小さいときはA=0を出
力する。電圧ベクトル選択手段12は判別手段11の出
力Aと、電圧指令ベクトルV*と、検出器5の回転速度
ωmを入力してA=0ならV**=V* を、A=1な
らωmの極性に応じて式(6)の電圧ベクトルVa、V
bのうち回転方向の電圧ベクトルを選び、V**=V
a、またはV**=Vbを出力し、インバータ2に入力
する。
【0019】また、磁束誤差積分値固定手段13は判別
手段11の出力Aを入力し、A=1の場合に磁束誤差増
幅手段821の積分器の値を更新させない。
【0020】
【発明の効果】以上説明したように、従来は電圧指令ベ
クトルV*の大きさがインバータの入力直流電圧により
制限される最大の電圧ベクトルVの大きさより大きい場
合はトルクの制御ができなかったことが、本発明によ
り、電圧指令ベクトルV*の大きさがインバータの入力
直流電圧により制限される最大の電圧ベクトルVの大き
さより大きい場合でもトルクの制御ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は本発明の一実施例を示すブロック図であ
る。
【図2】図2は従来技術の一例を示すブロック図であ
る。
【符号の説明】
1 直流電源 2 電圧制御インバータ 3 誘導電動機 4 電流検出器 5 速度検出器 6 演算手段 71 トルク誤差演算手段 72 磁束誤差演算手段 81 トルク誤差増幅手段 82 磁束誤差増幅手段 821 磁束誤差増幅手段 9 座標変換手段 10 電圧検出器 11 判別手段 12 電圧ベクトル選択手段 13 磁束誤差積分値固定手段

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 三相誘導電動機の磁束ベクトルとトルク
    を演算する演算手段と、該演算手段の出力の磁束ベクト
    ルとトルクの大きさとこれら磁束ベクトル及びトルクの
    指令値とを比較するトルク誤差演算手段および磁束誤差
    演算手段と、これらの誤差演算手段の出力を増幅するト
    ルク誤差増幅手段および磁束誤差増幅手段と、これらの
    誤差増幅手段の出力を前記演算手段の出力の磁束ベクト
    ルの位相角で回転座標変換する座標変換手段と、該座標
    変換手段の出力を電圧指令として入力して電圧波形に変
    換する電圧ベクトル選択手段を経て三相の電圧を前記誘
    導電動機に印加する電圧制御インバータとで構成される
    誘導電動機のトルク制御装置において、前記電圧指令と
    電圧制御インバータの入力電源の電圧から前記電圧制御
    インバータが指令通りの電圧を出力できないことを判断
    する判別手段と、該判別手段の出力と前記誘導電動機の
    回転方向または一次角速度の回転方向とを入力し、電圧
    が制限状態にあることを示す前記判別手段の出力に応じ
    て前記誘導電動機または一次角速度の回転方向の電圧ベ
    クトルを選択し、前記電圧制御インバータの電圧指令と
    して出力するように為した電圧ベクトル選択手段とを設
    けたことを特徴とする誘導電動機のトルク制御装置。
  2. 【請求項2】 前記磁束誤差増幅手段が比例積分増幅器
    である場合に、前記判別手段により出力不可能と判別さ
    れた場合には磁束誤差増幅手段の積分器の出力を更新さ
    せない磁束誤差積分値固定手段を設けた請求項1記載の
    誘導電動機のトルク制御装置。
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JP4905936B2 (ja) * 2006-08-09 2012-03-28 東洋電機製造株式会社 誘導機制御装置
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