JP3570467B2 - 同期電動機の制御装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リラクタンストルクを利用した同期電動機、例えば突極形永久磁石同期電動機等の突極性または逆突極性を有する永久磁石同期電動機の制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図8に、従来技術の例として「埋込磁石構造PMモータの広範囲可変速制御」(電気学会論文誌D,114巻6号,p668〜p673,平成6年6月20日発行)に掲載された突極形永久磁石同期電動機の速度制御装置の構成を示す。なお、図において、10は加算器、20は速度調節器、30は直軸電流指令演算器、40は電流調節器、50はPWM変調器、60は三相交流電源、70はインバータ等の電力変換器、80は電流検出器、90は位置検出器、100は速度検出器、PMは突極形永久磁石同期電動機である。
【0003】
速度調節器20は、同期電動機PMの速度検出値ωが速度指令値ωに一致するように横軸電流指令値I を調節し、直軸電流指令値I と共に電流調節器40に加える。
ここで、突極形永久磁石同期電動機PMのトルクTは、直軸電流Iと横軸電流Iとから数式1により表わすことができる。なお、数式1において、Lは直軸インダクタンス、Lは横軸インダクタンス、φは永久磁石の鎖交磁束である。
【0004】
【数1】
T=φ+(L−L)I
【0005】
数式1の第2項はリラクタンストルクを表しており、突極または逆突極性をもつ永久磁石同期電動機では直軸電流Iを積極的に流すことにより、電動機出力を大きくすることができる。直軸電流指令値I は、トルク/電流が最大となる条件から、数式2により求める。
【0006】
【数2】
Figure 0003570467
【0007】
また、速度ωが大きくなると電動機の端子電圧が上昇するため、これを抑制する必要がある。
数式2に示したトルク/電流が最大の条件で端子電圧が電力変換器の最大電圧より大きくなるとき、端子電圧が電力変換器の最大出力電圧に等しくなるように直軸電流Iを数式3により演算する。なお、数式3において、Vmaxは電力変換器の最大出力電圧である。
【0008】
【数3】
Figure 0003570467
【0009】
前記図8において、電流調節器40は直軸・横軸電流指令値と電流検出値及び位置検出値から電圧指令を計算し、電圧指令はPWM変調器50により電力変換器70のゲート信号に変換され、電力変換器70が制御される。
この結果、同期電動機PMの電流は指令値に一致するように制御され、その速度ωを指令値ωに一致させることができる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
数式1より明らかなように、突極形永久磁石同期電動機の電流とトルクとの関係は非線形である。
図8に示した従来技術のように、直軸電流Iを運転条件により積極的に制御する場合、速度制御系の非線形性により速度調節器20の応答を速く設計できず、場合によっては速度制御が不安定になることがある。また、トルク指令から必要な電流を直接演算できないため、高精度なトルク制御が要求される用途に適用できない。
【0011】
これらの問題の対策として特開平7−308088号公報や特開平7−308089号公報では、所望のトルクと端子電圧を得る電流の振幅と位相角を補償関数を用いて演算する方法を提案している。しかし、調整が困難であり、また、種々の運転条件に対応するためには多大なメモリ容量を必要とするため高価格化の問題があると考えられる。
【0012】
そこで本発明は、所望のトルク及び鎖交磁束を得る電流指令値を発生させてトルクと鎖交磁束とを高精度に制御可能であると共に、電動機や電力変換器の利用効率を高めてシステム全体の小型化、低価格化を可能にする、リラクタンストルクを利用した同期電動機の制御装置を提供しようとするものである。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項1記載の発明は、リラクタンストルクを利用した同期電動機、例えば突極または逆突極性を有する永久磁石同期電動機のトルクまたは速度を制御する制御装置であって、トルク指令値と鎖交磁束指令値とから、トルクと鎖交磁束とを線形に制御可能な電流指令値を演算する手段を備えた制御装置において、トルク指令値が所定値より小さい場合に鎖交磁束指令値をトルク指令値に対する増加関数とし、トルク指令値が所定値より大きい場合に鎖交磁束指令値を上限値以下の一定値に制限するものである。
【0014】
請求項2記載の発明は、リラクタンストルクを利用した同期電動機、例えば突極または逆突極性を有する永久磁石同期電動機のトルクまたは速度を制御する制御装置であって、トルク指令値と鎖交磁束指令値とから、トルクと鎖交磁束とを線形に制御可能な電流指令値を演算する手段を備えた制御装置において、鎖交磁束指令値を上限値以下の範囲でトルク指令値に対する増加関数とするものである。
【0015】
請求項3記載の発明は、請求項1または2記載の同期電動機の制御装置において、電動機速度に反比例させて鎖交磁束指令値の前記上限値を変化させるものである。
【0016】
本発明によれば、同期電動機のトルクと電流との関係を線形化し、かつ、端子電圧を任意に制御することができる。トルクと電流との関係を線形化することにより、速度制御や位置制御の特性を向上でき、従来不可能であった高精度なトルク制御が可能になる。また、トルクと同時に端子電圧を制御できることから、定出力運転可能な速度範囲を拡大でき、電力変換器の容量低減が可能になる。
更に、磁気飽和や電力変換器の最大出力電圧を考慮して磁束指令値を与えるため、電動機や電力変換器の利用効率を高めることができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図1は、この実施形態の基本的な全体構成図であり、図8と同一の構成要素には同一符号を付してある。
図1において、電流指令演算器200は、速度調節器20から出力されるトルク指令値Tと突極または逆突極性を有する永久磁石同期電動機PMの速度ωとに基づき、所望のトルクを発生しかつ端子電圧が電力変換器70の最大出力電圧Vmax以下となるような直軸電流指令値I と横軸電流指令値I とを計算して出力する。
【0018】
図2は本実施形態の主要部であり、図1の電流指令演算器200を詳細に示した図である。
図2の磁束指令演算器201は、トルク指令値Tと同期電動機PMの速度ωとから鎖交磁束指令値φを計算する。なお、後述する図4の例では、鎖交磁束指令値φをトルク指令値Tのみから求めている。
同期電動機PMの端子電圧Vは、電機子巻線の抵抗分が無視できる場合、鎖交磁束φと速度ωとの積から求められる。従って、鎖交磁束指令値φは、φ≦Vmax/ωとする必要がある。前述のように、Vmaxは電力変換器70の最大出力電圧である。
【0019】
トルク電流指令値I は電流ベクトルの磁束と直交する成分であり、除算器202によりトルク指令値Tを鎖交磁束指令値φにより除算して求められる。
一方、磁化電流指令値I は電流ベクトルの磁束方向成分であり、磁化電流指令調節器206から出力される。
これらのトルク電流指令値I 、磁化電流指令値I 及び鎖交磁束指令値φは座標変換器204に入力される。
【0020】
ここで、図3に、d−q座標軸とM−T座標軸(磁界軸上にとったフィールドオリエンテーション座標)との関係を示す。図3の関係から、図2の座標変換器204は磁化電流指令値I ,トルク電流指令値I 及び鎖交磁束指令値φから直軸電流指令値I ,横軸電流指令値I を数式4に基づいて計算し、図1の電流調節器40及び図2の磁束演算器207に出力する。
【0021】
【数4】
Figure 0003570467
【0022】
磁束演算器207は、座標変換器204から出力される直軸電流指令値I ,横軸電流指令値I から、数式5により鎖交磁束φを演算する。
【0023】
【数5】
Figure 0003570467
【0024】
鎖交磁束指令値φと鎖交磁束演算値φとの偏差が加算器205により求められ、磁化電流指令調節器206は、鎖交磁束演算値φが鎖交磁束指令値φに一致するように磁化電流指令値I を調節する。この磁化電流指令調節器206には、I(積分)調節器、PI(比例・積分)調節器、あるいはPID(比例・積分・微分)調節器などを用いる。これにより、鎖交磁束演算値φと鎖交磁束指令値φとの定常偏差がなくなり、高精度な磁束制御が実現されることになる。
【0025】
図4は前記磁束指令演算器201の第1実施形態を示すブロック図であり、ここでは符号を201Aとしてある。なお、この実施形態の磁束指令演算器201Aでは、前述のように図2に示されている速度ωは鎖交磁束指令値φの導出に使用されない。
その動作としては、トルク指令値Tが絶対値に変換された後、メモリ208に入力され、この絶対値に対応する鎖交磁束指令値φが出力される。以下、トルク指令値Tの関数である鎖交磁束指令値φにつき説明する。
【0026】
前述した数式2から、トルク/電流を最大化するI,Iの関係が求まる。
,Iの関係が求まると、前記数式1からIとトルクTとの関係が求まり、更に、前記数式5からIと鎖交磁束φとの関係が求まる。これにより、トルク/電流を最大化するトルクTと鎖交磁束φとの関係を求めることができる。
【0027】
図5はトルク指令値Tの絶対値|T|と鎖交磁束指令値φとの関係を示す第1実施例であり、破線で示した関係はトルクの増加に伴って鎖交磁束が増加する特徴を持つ。しかるに、電動機を構成する鉄心には磁気飽和があるため、所定値以上に磁束を増加させることはできない。磁気飽和を無視して界磁磁束指令値を増加させると、例えばトルクが所望の値に制御されず、制御性能を低下させる。この点に鑑み、この第1実施例では磁気飽和に達する以前に実線で示す如く鎖交磁束指令値φを一定値φに抑えることにより、磁気飽和及び制御性能の低下を未然に防ぐようにしている。
すなわち、この第1実施例は請求項1記載の発明の実施例に相当するもので、トルク指令値Tが所定値より小さい場合には鎖交磁束指令値φをトルク指令値Tに対して増加関数とし、トルク指令値Tが所定値より大きくなると鎖交磁束指令値φを上限値以下の一定値に保つものである。
【0028】
また、図6はトルク指令値Tの絶対値|T|と鎖交磁束指令値φとの関係を線形状にした第2実施例であり、トルク指令値Tの増加に伴って鎖交磁束指令値φも増加させている。
なお、鎖交磁束指令値φの最大値は磁気飽和から決まるため、その上限値を図5と同様の一定値φに制限している。
この第2実施例は請求項2記載の発明の実施例に相当しており、鎖交磁束指令値φを上限値以下の範囲でトルク指令値Tに対して増加関数としたものである。
【0029】
図7は、磁束指令演算器201の第2実施形態を示すブロック図であり、ここでは符号を201Bとしてある。この実施形態では、トルク指令値Tの絶対値|T|に応じてメモリ208から出力される補助的な鎖交磁束指令値φ**が制限器209に入力される。
制限器209では、下記の数式6に示されるように、速度ωに反比例させて鎖交磁束指令値φの上限値φlim(前述のφに相当)を変化させる。数式6におけるφmaxは、図5、図6に示した磁気飽和による磁束の上限値とする。また、数式6のωは基底速度である。
この実施例が、請求項3に記載した発明の実施例に相当する。
【0030】
【数6】
Figure 0003570467
【0031】
この実施例によれば、電動機が基底速度ωを超えて高速回転する場合に鎖交磁束指令値φの上限値を減少させ、鎖交磁束φと速度ωとの積に比例する電動機端子電圧を一定に制御して電力変換器の容量を低減することができる。
【0032】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、リラクタンストルクを利用した同期電動機、例えば突極性または逆突極性を有する永久磁石同期電動機の制御装置において、所望のトルクと鎖交磁束を発生し、かつ端子電圧が電力変換器の最大出力電圧以下となるような電流指令値を演算して出力することにより、トルク、鎖交磁束及び端子電圧を高精度に制御することができる。
また、トルク/電流の向上と共に磁気飽和や電力変換器の最大出力電圧を考慮して界磁磁束指令値を与えるので、電動機や電力変換器の利用率が向上し、駆動システムを小型化、低価格化することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態の全体構成を示すブロック図である。
【図2】本発明の実施形態の主要部を示すブロック図である。
【図3】本発明におけるd−q座標軸とM−T座標軸との関係を示すベクトル図である。
【図4】図2における磁束指令演算器の第1実施形態を示すブロック図である。
【図5】トルク指令値の絶対値と界磁磁束指令値との関係を示す第1実施例の説明図である。
【図6】トルク指令値の絶対値と界磁磁束指令値との関係を示す第2実施例の説明図である。
【図7】図2における磁束指令演算器の第2実施形態を示すブロック図である。
【図8】従来技術の全体構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
PM 永久磁石同期電動機
10 加算器
20 速度調節器
40 電流調節器
50 PWM変調器
60 三相交流電源
70 電力変換器
80 電流検出器
90 位置検出器
100 速度検出器
200 電流指令演算器
201,201A,201B 磁束指令演算器
202 除算器
204 座標変換器
205 加算器
206 磁化電流指令調節器
207 磁束演算器
208 メモリ
209 制限器

Claims (3)

  1. リラクタンストルクを利用した同期電動機のトルクまたは速度を制御する制御装置であって、トルク指令値と鎖交磁束指令値とから、トルクと鎖交磁束とを線形に制御可能な電流指令値を演算する手段を備えた制御装置において、
    トルク指令値が所定値より小さい場合に鎖交磁束指令値をトルク指令値に対する増加関数とし、トルク指令値が所定値より大きい場合に鎖交磁束指令値を上限値以下の一定値に制限することを特徴とする同期電動機の制御装置。
  2. リラクタンストルクを利用した同期電動機のトルクまたは速度を制御する制御装置であって、トルク指令値と鎖交磁束指令値とから、トルクと鎖交磁束とを線形に制御可能な電流指令値を演算する手段を備えた制御装置において、
    鎖交磁束指令値を上限値以下の範囲でトルク指令値に対する増加関数とすることを特徴とする同期電動機の制御装置。
  3. 請求項1または2記載の同期電動機の制御装置において、
    電動機速度に反比例させて鎖交磁束指令値の前記上限値を変化させることを特徴とする同期電動機の制御装置。
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