JP3566578B2 - 定数測定設定機能付きpmモータ制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は,永久磁石型同期電動機を駆動するインバータ装置に係わり,電動機の電気的定数を自動的に計測し設定するPMモータ制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
永久磁石型同期電動機(以下PMモータ)を高性能に制御するには,PMモータの電気的定数の正確な把握が必要である。しかし,それらの定数は,PMモータには記載されておらず,何らかの方法で計測し,PMモータ制御装置に設定しなければならない。例えば巻線抵抗Rを計測する場合は,直流電源を用意してPMモータに直流電圧を印加して電流計や電圧計で電流と電圧を計測して,巻線抵抗を計算してPMモータ制御装置に手動で設定しなければならない。
また位置センサ付きのPMモータの場合は,永久磁石の方向と位置センサの出力との関係が分からないと,位置センサの情報を使ってのPMモータの制御ができない。上記関係を得るために,例えば無負荷状態のPMモータのV相とW相を短絡してU相からV,W相に直流電流を流す。すると永久磁石の方向がU相の方向と一致するように回転子が回転して停止するので,この時の位置センサの値を読み取ることで永久磁石の方向と位置センサとの関係が判明する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術でも述べたように,PMモータを高性能に制御するためにはPMモータの正確な電気的定数が必要であるが,それらの値を得るためには多大な手間と時間と各種電源及び計測器が必要となる。本発明は,PMモータ制御装置に前記電気的定数を自動的に計測し設定する機能を設けることで,上記問題点を解決するものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために,前記永久磁石型同期電動機に直流電流を流してその時の入力電圧と入力電流から前記永久磁石型同期電動機の巻線抵抗Rを求める直流試験手段と,前記永久磁石型同期電動機の停止した任意の方向のa軸に直流成分を含む交流電流を流すと同時に前記a軸に対して垂直方向のb軸に前記交流電流と位相が90度異なる交流電流を流して,前記a軸の入力電流と入力電圧を検出して前記永久磁石型同期電動機の永久磁石の方向のインダクタンスLdを求め,同様に前記b軸の入力電流と入力電圧を検出して前記永久磁石型同期電動機の永久磁石に対して垂直の方向のインダクタンスLqを求める交流試験手段と,前記永久磁石型同期電動機の任意のa軸に所定の大きさの直流電流を流し前記a軸と直交するb軸の電流は0として,前記a軸とb軸から成る座標を回転させ,該回転の周波数を0から徐々に所定の値frまで増加させて前記永久磁石型同期電動機を所定の回転速度まで上昇させた状態で,前記a軸の入力電流Iaと入力電圧Vaおよび前記b軸の入力電流Ibと入力電圧Vbを検出して,前記直流試験手段の出力の巻線抵抗Rと前記交流試験手段の出力のインダクタンスLdおよびLqを用いて,
【数2】
により前記永久磁石型同期電動機の永久磁石の磁束φを求める回転試験手段と,前記直流試験手段の出力の巻線抵抗Rと前記交流試験手段の出力のインダクタンスLdおよびLqと前記回転試験手段の出力の磁束φとを入力して前記PMモータ制御装置内のメモリに記憶する設定記憶手段とを具備する。
【0005】
また前記交流試験手段を,前記永久磁石型同期電動機の停止した任意の方向のa軸に直流成分を含む交流電流を流すと同時に前記a軸に対して垂直方向のb軸に前記交流電流と位相が90度異なる交流電流を流して,前記a軸の入力電流と入力電圧を基本波でフーリエ変換することで基本波の位相差とそれぞれの大きさを検出して前記永久磁石型同期電動機の永久磁石の方向のインダクタンスLdを求め,同様に前記b軸の入力電流と入力電圧の基本波の位相差とそれぞれの大きさを検出して前記永久磁石型同期電動機の永久磁石に対して垂直の方向のインダクタンスLqを求める交流試験手段とする。
【0007】
請求項3では,前記永久磁石型同期電動機の回転子の位置検出手段と,前記直流試験手段の実行時または前記交流試験手段の実行時に前記位置検出手段の出力をメモリに記憶する設定記憶手段とを具備する。
【0008】
【発明の実施の形態】
図1に本発明の実施例を示し,この図に基づいて説明する。
スイッチング信号選択器10は,通常運転においてPMモータ制御器1の出力のスイッチング信号を選択して電力変換器2に出力する。操作人がPMモータ5の電気的定数を設定記憶手段12へ記憶させたい場合,PMモータ制御装置は通常運転でない自動計測運転へ手動で切り換えられる。するとスイッチング信号選択器10は,自動的に直流試験手段7と交流試験手段8と回転試験手段9の出力のスイッチング信号を順番に切り換えて電力変換器2へ出力する。
【0009】
スイッチング信号選択器10が直流試験手段7の出力のスイッチング信号を選択してる時,直流試験手段7の出力のスイッチング信号によって電力変換器2がPMモータ5に出力する印加電圧を制御し,PMモータ5の入力電流が直流となるようにする。また直流試験手段7は,PMモータ5の入力電流を検出する入力電流検出器3とPMモータ5の入力電圧を検出する入力電圧検出器4との出力を入力して,PMモータ5の巻線抵抗Rを求めて設定記憶手段12へ出力する。
【0010】
スイッチング信号選択器10が交流試験手段8の出力のスイッチング信号を選択してる時,交流試験手段8の出力のスイッチング信号によって電力変換器2がPMモータ5に出力する印加電圧を制御し,例えばPMモータのU相と同じ方向をa軸とした場合,a軸に直流成分を含む交流電流を流す。同時にa軸に対して垂直方向のb軸に前記交流電流と位相が90度異なる交流電流を流す。また交流試験手段8は,入力電流検出器3と入力電圧検出器4との出力の入力電流と入力電圧を入力して,それらをそれぞれa軸成分とb軸成分に分けて,a軸成分の入力電流と入力電圧を基本波でフーリエ変換して,a軸成分の入力電流の基本波の大きさIa0と,a軸成分の入力電圧の基本波の大きさVa0と,a軸成分の入力電流と入力電圧との基本波の位相差θaを求め,a軸方向のインダクタンスLaを
La=Va0・sin(θa)/(Ia0・2・π・f0) ▲1▼
で求める。ここでf0は,前記交流電流の周波数である。同様にb軸方向のインダクタンスLbを
Lb=Vb0・sin(θb)/(Ib0・2・π・f0) ▲2▼
で求める。ここでVb0は,b軸成分の入力電圧の基本波の大きさであり,Ib0はb軸成分の入力電流の基本波の大きさであり,θbはb軸成分の入力電流と入力電圧との基本波の位相差である。
【0011】
前述したようにa軸には直流成分の電流が含まれているために,PMモータ5の回転子には永久磁石が付いているので,a軸と前記永久磁石の方向が異なっているとトルクを発生して,a軸と前記永久磁石の方向が一致するように前記回転子が回転する。よってa軸と前記永久磁石の方向は一致するので,前記Laは永久磁石の方向のインダクタンスLdであり,前記Lbは永久磁石に対して垂直の方向のインダクタンスLqとなので,交流試験手段8はLaをLdとしてLbをLqとして出力する。
【0012】
スイッチング信号選択器10が交流試験手段8の出力のスイッチング信号を選択してる時,スイッチ11は位置検出手段6の出力を設定記憶手段12へ出力し,設定記憶手段12は位置検出手段6の出力を記憶する。
【0013】
スイッチング信号選択器10が回転試験手段9の出力のスイッチング信号を選択してる時,回転試験手段9の出力のスイッチング信号によって電力変換器2がPMモータ5に出力する印加電圧を制御し,PMモータ5の任意のa軸に所定の大きさの直流電流を流し,前記a軸と直交するb軸の電流は0とする。前記a軸とb軸から成る座標を回転させ,該回転の周波数を0から徐々に所定の値frまで増加させることで,静止座標から見たPMモータ5の入力電流を回転させることができるので,PMモータ5をfrに相当する速度で回転させることができる。また回転試験手段9は,その回転状態での,入力電流検出器3と入力電圧検出器4との出力の入力電流と入力電圧を入力して,それらをそれぞれ回転しているa軸成分とb軸成分に分けて,前記a軸の入力電流Iaと入力電圧Vaおよび前記b軸の入力電流Ibと入力電圧Vbを得る。これらIa,Va,Ib,Vbは直流量となる。またIb=0のはずである。
【0014】
ところで,PMモータの特性方程式は,
Vd=(R+Ld・p)・id−ω・Lq・iq ▲3▼
Vq=ω・Ld・id+(R+Lq・p)・iq+ω・φ ▲4▼
T=φ・iq+(Ld−Lq)・id・iq ▲5▼
で表される。ここで,Vdは永久磁石の方向の入力電圧成分であり,Vqはそれと直交する入力電圧成分である。同様にidは永久磁石の方向の入力電流成分であり,iqはそれと直交する入力電流成分である。ωは永久磁石の回転角周波数であり,φは永久磁石の磁束であり,Tは出力トルクであり,pは時間での微分演算子を意味する。
【0015】
回転試験手段9において,PMモータ5が無負荷の状態であれば,トルクT=0なので▲5▼式よりiq=0となる。するとid=Iaとなる。ω=2・π・frなので▲4▼式をφで解いた
【数1】
により永久磁石の磁束φを求めて出力する。
【0016】
もしPMモータが無負荷状態とは限らないならば,
id=Ia・cos(θ)−Ib・sin(θ) ▲6▼
iq=Ia・sin(θ)+Ib・cos(θ) ▲7▼
と表すことができる。ここでθは,永久磁石の方向と回転試験手段9におけるa軸との位相差である。▲6▼,▲7▼式を▲3▼,▲4▼式に代入して,θを削除してφで解くと
【数2】
が得られ,この式で永久磁石の磁束φを求める事もできる。この式の方が負荷状態に関係なく磁束φを求めることができる。なおIb=0のはずなので,Ibが係る項を削除した式を用いてもよい。
【0017】
設定記憶手段12は,直流試験手段7出力の巻線抵抗Rと交流試験手段8出力のインダクタンスLdおよびLqと回転試験手段9出力の磁束φとスイッチ11出力の位置P0を入力して記憶する。
【0018】
通常運転の場合,PMモータ制御器は,設定記憶手段12の出力の巻線抵抗RとインダクタンスLdおよびLqと磁束φと位置P0と位置検出手段6の出力の回転位置Pを用いて,PMモータ5が所望の動作をするようなスイッチング信号を出力して,電力変換器2を介してPMモータ5に印加する電圧を制御する。ここで回転位置Pと位置P0からPMモータ5の永久磁石の方向を得て,制御に用いている。
【0019】
【発明の効果】
本発明により,PMモータを高性能に制御するために必要なPMモータの電気的定数の正確な設定が,操作人がPMモータ制御装置を自動計測運転へ切り換えるだけで自動的に行えることになり,従来の技術での電気的定数の設定のための
多大な手間と時間と各種電源及び計測器が不必要となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を表す定数測定設定機能付きPMモータ制御装置のブロック線図である。
【符号の説明】
1・・PMモータ制御器
2・・電力変換器
3・・入力電流検出器
4・・入力電圧検出器
5・・PMモータ
6・・位置検出手段
7・・直流試験手段
8・・交流試験手段
9・・回転試験手段
10・・スイッチング信号選択器
11・・スイッチ
12・・設定記憶手段
Claims (3)
- 永久磁石型同期電動機の入力電流を該永久磁石型同期電動機の永久磁石に平行な方向と垂直な方向に分けて制御するPMモータ制御装置において,前記永久磁石型同期電動機に直流電流を流してその時の入力電圧と入力電流から前記永久磁石型同期電動機の巻線抵抗Rを求める直流試験手段と,前記永久磁石型同期電動機の停止した任意の方向のa軸に直流成分を含む交流電流を流すと同時に前記a軸に対して垂直方向のb軸に前記交流電流と位相が90度異なる交流電流を流して,前記a軸の入力電流と入力電圧を検出して前記永久磁石型同期電動機の永久磁石の方向のインダクタンスLdを求め,同様に前記b軸の入力電流と入力電圧を検出して前記永久磁石型同期電動機の永久磁石に対して垂直の方向のインダクタンスLqを求める交流試験手段と,前記永久磁石型同期電動機の任意のa軸に所定の大きさの直流電流を流し前記a軸と直交するb軸の電流は0として,前記a軸とb軸から成る座標を回転させ,該回転の周波数を0から徐々に所定の値frまで増加させて前記永久磁石型同期電動機を所定の回転速度まで上昇させた状態で,前記a軸の入力電流Iaと入力電圧Vaおよび前記b軸の入力電流Ibと入力電圧Vbを検出して,前記直流試験手段の出力の巻線抵抗Rと前記交流試験手段の出力のインダクタンスLdおよびLqを用いて,
- 前記永久磁石型同期電動機の停止した任意の方向のa軸に直流成分を含む交流電流を流すと同時に前記a軸に対して垂直方向のb軸に前記交流電流と位相が90度異なる交流電流を流して,前記a軸の入力電流と入力電圧を基本波でフーリエ変換することで基本波の位相差とそれぞれの大きさを検出して前記永久磁石型同期電動機の永久磁石の方向のインダクタンスLdを求め,同様に前記b軸の入力電流と入力電圧の基本波の位相差とそれぞれの大きさを検出して前記永久磁石型同期電動機の永久磁石に対して垂直の方向のインダクタンスLqを求める交流試験手段を具備することを特徴とする請求項1記載の定数測定設定機能付きPMモータ制御装置。
- 前記永久磁石型同期電動機の回転子の位置を検出する位置検出手段と,前記直流試験手段の実行時または前記交流試験手段の実行時に前記位置検出手段の出力をメモリに記憶する設定記憶手段とを具備することを特徴とする請求項1記載の定数測定設定機能付きPMモータ制御装置。
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