JP3622547B2 - 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、同期電動機の制御装置に関わり、特に応答性を向上できる制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
同期電動機のベクトル制御では、回転磁極座標のｄｑ軸から負荷角δだけ回転した、回転磁界座標のＭＴ軸を基準座標にして、電動機電流の励磁電流成分とトルク電流成分を制御する（図２）。ここで、Ｔ軸は、磁束Φの成分が零となるように選ぶ。即ちＭ軸は磁束の方向と一致するように選ぶことで、電動機の発生トルクを、Ｔ軸上の電流ＩＴ を用いて線形に制御できるようになる。これが同期電動機のベクトル制御の原理である。
【０００３】
また、電機子電流のＭ軸成分ＩＭ を零とすることで、磁束と電流が直交し（Φ⊥Ｉ）、電動機力率を１に制御できる。この時の座標軸の関係は図２のようになる。磁束Φは、ＩＴ と界磁電流Ｉｆ の合成により、Ｉφ相当の起磁力でＭ軸上に存在するが、ＩＭ 自体は零である。
【０００４】
磁束Φは、基本的には界磁電流を制御して一定に保たれるが、負荷外乱が加わった際に、ＩＴ が変化し、その影響により磁束も変動する。磁束が変動すると、電動機の発生トルクが変動し、結果として応答が劣化する。また、負荷の大きさにより負荷角δが変化するが、磁束制御の応答が低いと、過負荷時にδが９０度を超え、脱調等の不具合が発生する。
【０００５】
この問題を解決するため、磁束制御を界磁電流のみに頼るのでなく、過渡的に電機子電流ＩＭを用いて磁束を制御する方式がある（例えば、文献１「同期電動機の高性能可変速制御」電気学会論文誌Ｄ，１０７巻２号，ｐ．ｐ．１７５−１８２）。この方式によれば、過渡時の磁束変動を抑制でき、高応答な同期機制御装置が実現できる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の磁束制御方式においては、閉ループ制御を基本としており、磁束の指令値と検出値の偏差に基づいて、界磁電流、あるいは電機子側の励磁電流（ＩＭ ）を制御している。負荷外乱が小さく、磁束変動が少ない場合には問題がないが、瞬間的に大きな値の負荷外乱が発生した場合は、磁束変動を抑え込むことが難しい。特に、界磁弱め域では、磁束の変動が大きくなり、場合によっては負荷角δが９０度を超え、系が不安定になり問題である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、同期電動機の磁束制御を行う際、トルク電流指令（あるいはトルク電流検出値）、あるいは磁束指令（あるいは磁束検出値）の少なくとも一方から、界磁電流指令、あるいは電機子側の励磁電流指令へのフィードフォワード補償を付加し、これらの補償ゲインを所定の値に設定することで実現できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１に、本発明の一実施例である同期電動機可変速システムの構成を示す。図１において、１は二次側に界磁巻線を設けた巻線形同期電動機、２は、同期電動機１に回転速度の指令ωｒｅ＊を与える速度指令発生器、３は、速度検出値ωｒｅが速度指令ωｒｅ＊ に一致するよう、トルク電流指令ＩＴ＊を演算する速度制御器、４は、トルク電流指令ＩＴ＊と電機子側励磁電流指令ＩＭ＊を、磁束位置を基準としたＭＴ座標軸の値から、磁極位置（回転子位置）を基準にしたｄｑ座標軸の値に座標変換する座標変換器、５は、同期電動機の電機子電流の検出値（ＩｄＦＢ，ＩｑＦＢ）が、座標変換器４の出力である電流指令値（Ｉｄ＊，Ｉｑ＊）に一致するよう、電圧指令Ｖｄ＊、ならびにＶｑ＊を演算する電機子電流制御器、６は、電圧指令Ｖｄ＊、ならびにＶｑ＊を、三相交流軸上の電圧指令（Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊）に変換する座標変換器、７は、電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に基づいて、同期電動機１に電力を供給する電力変換器、８は、同期電動機に流れる電機子電流を検出する電流検出器、９は同期電動機１に印加される電機子電圧を検出する電圧検出器、１０は同期電動機１の回転速度、ならびに磁極位置を検出する速度／位置検出器、１１は電機子電流、ならびに電機子電圧の検出値を、ｄｑ軸上の値に変換する座標変換器、１２は、同期電動機１の電流、ならびに電圧検出値に基づいて、同期電動機１の磁束、及び負荷角を推定演算する磁束オブザーバ、１３は、同期電動機の回転速度ωｒｅに基づいて、磁束指令Φ＊を演算する磁束指令演算器、１４は、磁束指令Φ＊、磁束オブザーバ１２において推定演算した磁束検出値Φｃ 、ならびにトルク電流指令ＩＴ＊に基づいて、界磁電流指令Ｉｆ＊を演算する磁束制御器、１５は、界磁電流Ｉｆ が、界磁電流指令Ｉｆ＊に一致するように、界磁電圧指令Ｖｆ を演算する界磁電流制御器、１６は、界磁電圧指令Ｖｆ に基づいて、界磁回路に電力を供給する界磁変換器、１７は、界磁電流を検出する電流検出器、１４１は、磁束指令Φ＊と、磁束検出値Φｃ を一致させるのに必要な起磁力電流指令Ｉφを演算する起磁力電流指令演算器 （ＡＦＲ）、１４２は、１４１の出力を界磁電流の成分に変換する界磁電流指令演算器、１４３は、磁束指令Φ＊ を界磁電流指令にＦ．Ｆ．補償（フィードフォワード補償）するための補償ゲイン、１４４はトルク電流指令ＩＴ＊を界磁電流指令にＦ．Ｆ．補償するための補償ゲインである。
【０００９】
次に、本実施例の動作の概要について説明する。まず、同期電動機１の回転速度ωｒｅは速度／位置検出器１０により検出される。速度検出値ωｒｅと、速度指令発生器２からの指令値ωｒｅ＊ との偏差が速度制御器３に加えられ、偏差に応じたトルク電流指令ＩＴ＊が演算され、これにより回転速度は速度指令に一致するように制御される。Ｍ軸の電流指令ＩＭ＊は、通常は零として与え、これによって電機子側の力率は１に保たれる。ＩＴ＊，ＩＭ＊は、座標変換器４によってｄｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊，Ｉｑ＊に変換される。電機子電流及び界磁電流は、電機子電流検出器８及び界磁電流検出器１７により検出され、電機子電流と界磁電流の各指令値に一致するように電機子電流制御器５及び界磁電流制御器１５により制御される。ＭＴ座標を用いてベクトル制御を行うためには、負荷角δ及びＭ軸上の磁束Φを検出する必要がある。このため、磁束オブザーバ１２において電機子電流と電機子電圧から同期機内部の磁束推定値Φｄ，Φｑを演算し、これを用いてδｃ 及び
Φｃ が演算される（制御器内の値ということで、δ、ならびにΦには記号「ｃ」を付けて表記する）。演算されたδｃ は座標変換器４に用いられる。また、演算された磁束Φｃ と磁束指令演算器１３からの指令値Φ＊ が磁束制御器１４に加えられ、その出力である界磁電流指令Ｉｆ＊に従い界磁電流が制御される。
【００１０】
次に、本実施例の特徴部分である磁束制御器１４について説明する。図２は、ＭＴ軸とｄｑ軸、ならびに磁束Φ，ＩＴ ，Ｉｆ の関係をベクトルで示したものである。尚、界磁電流Ｉｆ は、すべて電機子側換算の値とする。トルク電流ＩＴ が大きくなると、それに従って負荷角δも大きくなる。この時、磁束Φを一定に保つために、界磁電流Ｉｆ を制御する。磁束Φは、Ｉｆ をＭ軸に投影した成分Ｉφ（Ｉφを「起磁力電流」と定義する）によって作られるため、δが大きくなるほど（負荷が増えるほど）、Ｉｆ を大きくする必要がある。図１の実施例における起磁力電流指令演算器１４１では、磁束指令Φ＊ と、検出値Φｃ の偏差に基づいて、比例積分補償等の補償器を介して、必要な起磁力電流指令Ｉφ＊ を出力する。界磁電流指令演算器では、Ｉφ＊ に基づいて、必要な界磁電流指令を演算する。図２に示すように、起磁力電流指令Ｉφ＊ から、Ｉｆ＊への変換は、負荷角δを用いて、Ｉφ＊を１／ｃｏｓδ倍することで得られる。
【００１１】
従来の起磁力電流指令演算器は、主としてフィードバック制御を中心に磁束制御を行っていた。よって、負荷外乱等により、ＩＴ が急変した際にも、まず第一に磁束Φｃ が変化し、それを受けて起磁力電流指令演算器１４１の出力が変化し、界磁電流指令Ｉｆ＊を変化させて磁束を制御するというものであった。
【００１２】
本実施例では、ＩＴ＊、ならびにΦ＊ から、直接的にＩｆ＊を変化させるＦ．Ｆ．補償を付加する。この補償により、必要なＩｆ＊が、磁束の変動を待たずに界磁電流制御器へ加えられるため、磁束の変動を大幅に抑制することができるようになる。
【００１３】
図３を用いて、Ｆ．Ｆ．補償ゲイン１４３、ならびに１４４について説明する。同期電動機の定数を用いて、Φ，ＩＴ ，Ｉｆ の関係を図示すると、図３のようになる。図３の関係から、磁束Φを式で表すと、
Φ＝Ｍｄ・Ｉｆ・ｃｏｓδ＋Ｌｄ・Ｉｄ・ｃｏｓδ＋Ｌｑ・Ｉｑ・ｓｉｎδ （数１）
となる。ここで、Ｍｄ は、同期電動機のｄ軸の相互インダクタンス、Ｌｄ，Ｌｑは、それぞれｄ軸，ｑ軸のインダクタンスを表す。ここでＩｄ，Ｉｑは、
Ｉｄ ＝−ＩＴ ・ｓｉｎδ （数２）
Ｉｑ ＝ＩＴ ・ｃｏｓδ （数３）
であるので、数１に代入すると、
Φ＝Ｍｄ ・Ｉｆ ・ｃｏｓδ＋（Ｌｑ−Ｌｄ）・ＩＴ ・ｃｏｓδ・ｓｉｎδ （数４）
となる。よって、Ｉｆ は、
Ｉｆ ＝Φ／（Ｍｄ ・ｃｏｓδ）＋（Ｌｄ−Ｌｑ）・ＩＴ ・ｃｏｓδ・ｓｉｎδ／Ｍｄ（数５）
となる。
【００１４】
よって、図１における補償ゲインＫ１ 、ならびにＫ２ の値は、制御器内の負荷角（検出値）δｃ を用いて、
Ｋ１ ＝１／（Ｍｄ ・ｃｏｓδｃ ） （数６）
Ｋ２ ＝（Ｌｄ−Ｌｑ）・ｃｏｓδｃ ・ｓｉｎδｃ ／Ｍｄ （数７）
となる。上式より、Φ＊ ，ＩＴ＊から個別にＩｆ＊へのＦ．Ｆ．補償が可能になる。
以上、磁束指令Φ＊ 、ならびにトルク電流指令ＩＴ＊を直接界磁電流指令にフィードフォワード補償する同期電動機の制御方式について述べた。本実施例によれば、負荷外乱発生時における磁束変動を小さく抑えることができ、電動機制御の高応答が実現できる。
【００１５】
次に、本発明の第二の実施例について説明する。本実施例は補償ゲインの与え方が前の実施例と異なる。まず初めに、第一の実施例のＦ．Ｆ．補償ゲインである数６、ならびに数７のそれぞれの補償要素について、改めて検討してみる。数６は、磁束指令の変化と、δの変化を含んでいる。磁束指令Φ＊は速度に応じて変化するものであり、トルク応答指令の変化に比べると変化速度は遅い。よって、数６は、δの変化分をＦ．Ｆ．補償する要素となっている。一方、数７の補償要素は、式からもわかるように、電動機の突極成分による磁束分を補償しているに過ぎない。非突極機であれば、ＩT＊ からのＦ．Ｆ．補償は零になる。よって、第一の実施例は、主として、磁束指令のδに対する変化分をＦ．Ｆ．補償している。ここで問題なのは、演算に使用するδc は、磁束オブザーバ１２の演算により推定される量であり、演算遅れが含まれる点である。また、オブザーバの方式にもよるが、過渡時には検出誤差が含まれる場合がある。さらに、重要な点としては、ＩT が変化した場合に、それに応じてＩf も変化させないと、図２に示した起磁力電流成分が不足し、磁束変動は生じるという点である。数７の補償では、ＩT の変化に対して、突極性による成分しか反映されないため、ＩT＊に基づくＩf＊へのＦ．Ｆ．補償量は少ないものとなっている。
【００１６】
図４は、図３のベクトル図を書き直したものである。ｄ軸上での磁束の関係を表すと、
Φ・ｃｏｓδ＝Ｍｄ ・Ｉｆ ＋Ｌｄ・Ｉｄ （数８）
となり、ＩＴ を用いると、
Φ・ｃｏｓδ＝Ｍｄ ・Ｉｆ −Ｌｄ・ＩＴ ・ｓｉｎδ （数９）
となる。よって、Ｉｆ は、
Ｉｆ ＝Φ・ｃｏｓδ／Ｍｄ ＋Ｌｄ・ＩＴ ・ｓｉｎδ／Ｍｄ （数１０）
となる。上式の関係を、補償ゲインＫ１ ，Ｋ２ に与えると、
Ｋ１′ ＝ｃｏｓδｃ ／Ｍｄ （数１１）
Ｋ２′ ＝Ｌｄ・ｓｉｎδｃ ／Ｍｄ （数１２）
となる。数１１と数６を比べると、磁束指令Φ＊ のＦ．Ｆ．補償分が少なくなっていることがわかる。一方で、数１２と数７を比べると、ＩＴ＊に関するＦ．Ｆ．補償成分が大きくなっていることがわかる。ＩＴ＊は、負荷外乱や速度変化によって急峻に変化するため、磁束変動に与える影響が大きい。数１２に従ってＩｆ＊を補償することは、磁束変動を抑制する意味で効果が大きい。特に、数１２は、
δｃ が大きくなるほど、ＩＴ＊からＩｆ＊へのＦ．Ｆ．補償成分が大きくなるように作用する。このことは、負荷角が９０度に近づく程、Ｉｆ＊を増加させようとするため、系が不安定になるのを抑制する効果がより強く備わっていることを意味している。
【００１７】
次に、本発明の第三の実施例について、図５を用いて説明する。本実施例における符号１〜１３，１５〜１７、ならびに１４１〜１４４については、図１の実施例と同じものであるので、説明を省略する。本実施例の特徴部分である磁束制御器１４Ａについて説明する。１４Ａにおいて、符号１４５は電機子側から磁束を制御するＩMAFR（電機子側励磁電流指令演算器）、１４６は、ＩMを零に制御するＩMR（ＩM補償器）である。前述したように、同期電動機の磁束は、界磁電流によって制御されるが、過渡時における磁束制御を補うため、電機子側の励磁電流ＩM を用いて磁束を制御する方式がある。その例が、図５の構成によるものである。ＩM を流すことによって、電動機の力率は悪くなるが、磁束の変動は抑制できるようになる。この時、ＩMAFRを比例ゲインのみ、あるいは不完全微分補償等を用いて、偏差（ΔΦ）が零となる定常時において、ＩMAFRの出力が零になるようにしておけば、定常的な力率の劣化は防止できる。
【００１８】
次に、本実施例の特徴部分である符号１４６のＩMRの動作について説明する。ＩMRを挿入することで、電機子側励磁電流指令ＩM＊からＩf＊へのループを作っている。このループは、ＩM＊ を速やかに零にし、電動機の力率を１にするためのものである。このループにより、ＩM＊が請け負っている磁束分（起磁力分）を、Ｉf＊に直接加えることになり、ＩM＊の起磁力分を速やかに減少させるように作用することになる。
【００１９】
ＩＭ＊は、前述のように定常的には零にできるが、ＡＦＲとＩＭＡＦＲのゲイン配分、あるいは過渡応答の条件によって、数１００ｍｓ〜数秒間残留する場合がある。それを速やかに零にするため、ＩＭＲのループを設ける。
【００２０】
以上が、第三の実施例の説明であるが、この構成の磁束制御器に対しても、図１の実施例によるＦ．Ｆ．補償を適用することができる。Ｉｆ＊は、ＩＴ＊、ならびにΦ＊ の変化に対して、瞬時に変化するため、ＩＭ＊による補償量が少なくて済み、過渡時における力率の劣化はさらに抑制される。
【００２１】
次に、本発明の第四の実施例について、図６を用いて説明する。図６は、磁束制御器を示し、図５の１４Ａの代わりにこの磁束制御器１４Ｂを用いて、同期電動機の制御装置を構成する。この磁束制御器１４Ｂの動作について説明する。
【００２２】
符号１４１〜１４６までは、図５のものと同一のものである。図６において、１４７は入力に対してcos（δc）のゲインをかけるゲイン補償器、１４８はΦ＊を１／Ｍd 倍にするゲイン補償器である。
【００２３】
図６の磁束制御器でも図５の実施例と同様に、ＩＭ＊に指令を与えて磁束の制御を行う。ただし、図５におけるＩＭＡＦＲを使用せず、ＡＦＲを用いてＩＭ＊の制御も行う。ＡＦＲは、元々Ｍ軸上の起磁力に相当する起磁力電流Ｉφを制御するものであるから、これをそのままＩＭ＊することができる。ただし、Ｉφ＊をそのままＩＭ＊とすると、ＩＭ が常に流れ続けることになり、同期電動機の力率が劣化し、同期電動機本来のメリットが損なわれる。そこで、界磁電流の検出値ＩｆＦＢ を用いて、定常的にはＩＭ＊が零になるようにしている。これは、ＩｆＦＢ を１４７のゲイン補償器（ｃｏｓ（δｃ））を介して、Ｉφと突き合わせ、その差をもってＩＭ＊とすればよい。こうすることで、ＩＭ＊は、ＩｆＦＢ がＩｆ＊に一致するまでの間のみ、それを補うために流れることになり、定常的には零に収束する。次に、１４Ｂの構成におけるΦ＊ 、ならびにＩＴ＊のＦ．Ｆ．補償について説明する。
【００２４】
Φ＊ は、Ｍ軸上で与えられるため、Ｉφへの換算は、
Ｉφ＝Φ＊／Ｍｄ （数１３）
となる。よって、１４Ｂの補償ゲイン１４８を介して、Φ＊ をＩＭ へＦ．Ｆ．補償することができる。Ｉｆ＊へのＦ．Ｆ．補償は、１４８→１４７の補償ループを介することで、図５と等価にできる（数１２のＫ１′ と同じになる）。Ｉφ＊ は、補償器１４８の出力と、ＡＦＲ１４１の出力の和になる。
【００２５】
１４Ｂの制御構成においては、Φ＊から、Ｉｆ＊、ならびにＩＭ＊の両方へＦ．Ｆ．補償されているが、ＩＴ＊のＦ．Ｆ．補償は界磁指令のみに付加されている。よって、Ｉｆ とＩφの最終値がバランスしないで収束することになる。要するに、
Ｉφ＊と、ＩｆＦＢ・ｃｏｓ（δｃ）の突き合わせ部分が零にならず、ＩＭ＊ が残留する恐れがある。そこで、図５の実施例で使用した、ＩＭＲを挿入し、ＩＭ＊を零に収束させる。この場合、ＩＭＲを積分補償を含む補償器とし、定常的なＩＭ＊の偏差を零にする。
【００２６】
次に、図７を用いて、本発明における第五の実施例について説明する。本実施例は、図６の実施例に対して、ＩＴ＊からＩＭ＊へのＦ．Ｆ．補償を付加するものである。数４を変形すると、
Ｉｆ・ｃｏｓδ＝Φ／Ｍｄ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）・ＩＴ・ｃｏｓδ・ｓｉｎδ／Ｍｄ （数１４）
となり、ここで、
Ｉφ＝Ｉｆ・ｃｏｓδ （数１５）
とおけるので、
Ｉφ＝Φ／Ｍｄ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）・ＩＴ・ｃｏｓδ・ｓｉｎδ／Ｍｄ （数１６）
となる。上式第１項は、図６と同様に、補償ゲイン１４８を介して、Ｉφへ
Ｆ．Ｆ．補償している。図７の実施例における補償ゲイン１４９を、数１６の第２項より、次式のようにする。
【００２７】
Ｋ３ ＝（Ｌｄ−Ｌｑ）・ｃｏｓ（δｃ）・ｓｉｎ（δｃ）／Ｍｄ （数１７）
上記、ＩＴ＊からＩφ＊へのＦ．Ｆ．補償を付加することによって、磁束応答はさらに改善されるようになる。また、Ｉφ＊ とＩｆＦＢ の突き合わせ部分が、定常時において原理的に零になるため、定常的なＩＭ を零にできると同時に、ＩＭ＊を速やかに零に収束させることが可能になる。ただし、Ｆ．Ｆ．補償ゲインは、電動機の電気定数を用いているため、定数ずれがあると、ＩＭ が残留する恐れがある。そこで、図６の実施例と同様に、ＩＭ＊からＩｆ＊への補償ループであるＩＭＲを付加し、定数ずれによる定常偏差を零にすることができる。
【００２８】
次に、図８を用いて、第六の実施例について説明する。図８の界磁電流指令演算器は、基本的に図６ならびに図７の実施例と同様である。図において、符号１５０以外のものは、図６ならびに図７のものと同じものである。１５０は、界磁電流検出値ＩfFB に対して、遅れ要素（一次遅れ）を付加したものである。ここで、時定数Ｔd は、同期電動機のダンパ回路の時定数と同じか、同程度の値に設定する。
【００２９】
界磁電流指令Ｉｆ＊が、界磁電流制御器に与えられると、その値に一致するようにＩｆＦＢが制御される。図６，図７に示した界磁電流指令演算器においては、
ＩｆＦＢはＩφ＊と突き合わされ、Ｉｆ＊＝ＩｆＦＢになった時点でＩＭ＊ は零になるように構成されている。ただし、ＩＭ＊、ならびにＩｆ＊の目的は、あくまでも磁束Φを制御することである。ＩｆＦＢがＩｆ＊に一致したとしても、Φ＊が電動機内部の磁束Φに一致しているとは限らない。Ｉｆ がΦに反映されるには、ダンパ回路の時定数分だけ遅れが生じる。よって、この遅れの分を考慮して、その間はＩＭ＊を流し続ける方が、Φは速やかにΦ＊ へ収束することになる。ダンパ回路の遅れを考慮するため、ＩｆＦＢ に対してダンパ時定数相当の一次遅れを挿入することで、逆に磁束の追従性を向上することができる。ここで、Ｔｄ は、ダンパの時定数に一致すれば理想的ではあるが、現実的に、ダンパ時定数は磁束の飽和状態、δの大きさ等によって変化するため、おおよそダンパ時定数に合わせることになる。それでもこの遅れによる効果は大きい。
【００３０】
尚、これまで説明した実施例において、Ｆ．Ｆ．補償として、トルク電流指令、あるいは磁束指令など、指令値を用いたＦ．Ｆ．補償について説明してきたが、トルク電流成分の検出値、あるいは磁束検出値を用いても、同様にＦ．Ｆ．補償を行うことはできる。この場合、トルク電流、ならびに磁束の検出を高速化する必要があるが、原理的には可能である。また速度／位置検出器に替えて、電動機巻線の電流，電圧等から速度や位置を推定する速度／位置推定手段を用いてもよい。さらに磁束オブザーバで磁束を推定する替わりに、磁束センサで検出される磁束の検出値を用いてもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、負荷急変等によりトルク電流が大きく変化した場合においても、磁束変動を極力小さく抑え、トルク変動や脱調などを起こさずに同期電動機を制御することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す同期電動機可変速制御システムのブロック構成図。
【図２】同期電動機の動作を説明するベクトル図。
【図３】同期電動機の動作を説明するベクトル図。
【図４】同期電動機の動作を説明するベクトル図。
【図５】本発明の第三の実施例を示す同期電動機可変速制御システムのブロック構成図。
【図６】本発明の第四の実施例を示す同期電動機可変速制御システムのブロック構成図。
【図７】本発明の第五の実施例を示す同期電動機可変速制御システムのブロック構成図。
【図８】本発明の第六の実施例を示す同期電動機可変速制御システムのブロック構成図。
【符号の説明】
１…巻線形同期電動機、２…速度指令発生器、３…速度制御器、４…ＭＴ−ｄｑ座標変換器、５…電機子電流制御器、６…ｄｑ−三相座標変換器、７…電力変換器、８…電機子電流検出器、９…電圧検出器、１０…速度／位置検出器、１１…三相−ｄｑ座標変換器、１２…磁束オブザーバ、１３…磁束指令演算器、１４…励磁−界磁制御器、１５…界磁電流制御器、１６…界磁変換器、１７…界磁電流検出器、１４１…起磁力電流指令演算器（ＡＦＲ）１４２…界磁電流指令演算器、１４３…補償ゲインＫ１ 、１４４…補償ゲインＫ２ 。
【発明の属する技術分野】
本発明は、同期電動機の制御装置に関わり、特に応答性を向上できる制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
同期電動機のベクトル制御では、回転磁極座標のｄｑ軸から負荷角δだけ回転した、回転磁界座標のＭＴ軸を基準座標にして、電動機電流の励磁電流成分とトルク電流成分を制御する（図２）。ここで、Ｔ軸は、磁束Φの成分が零となるように選ぶ。即ちＭ軸は磁束の方向と一致するように選ぶことで、電動機の発生トルクを、Ｔ軸上の電流ＩＴ を用いて線形に制御できるようになる。これが同期電動機のベクトル制御の原理である。
【０００３】
また、電機子電流のＭ軸成分ＩＭ を零とすることで、磁束と電流が直交し（Φ⊥Ｉ）、電動機力率を１に制御できる。この時の座標軸の関係は図２のようになる。磁束Φは、ＩＴ と界磁電流Ｉｆ の合成により、Ｉφ相当の起磁力でＭ軸上に存在するが、ＩＭ 自体は零である。
【０００４】
磁束Φは、基本的には界磁電流を制御して一定に保たれるが、負荷外乱が加わった際に、ＩＴ が変化し、その影響により磁束も変動する。磁束が変動すると、電動機の発生トルクが変動し、結果として応答が劣化する。また、負荷の大きさにより負荷角δが変化するが、磁束制御の応答が低いと、過負荷時にδが９０度を超え、脱調等の不具合が発生する。
【０００５】
この問題を解決するため、磁束制御を界磁電流のみに頼るのでなく、過渡的に電機子電流ＩＭを用いて磁束を制御する方式がある（例えば、文献１「同期電動機の高性能可変速制御」電気学会論文誌Ｄ，１０７巻２号，ｐ．ｐ．１７５−１８２）。この方式によれば、過渡時の磁束変動を抑制でき、高応答な同期機制御装置が実現できる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の磁束制御方式においては、閉ループ制御を基本としており、磁束の指令値と検出値の偏差に基づいて、界磁電流、あるいは電機子側の励磁電流（ＩＭ ）を制御している。負荷外乱が小さく、磁束変動が少ない場合には問題がないが、瞬間的に大きな値の負荷外乱が発生した場合は、磁束変動を抑え込むことが難しい。特に、界磁弱め域では、磁束の変動が大きくなり、場合によっては負荷角δが９０度を超え、系が不安定になり問題である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、同期電動機の磁束制御を行う際、トルク電流指令（あるいはトルク電流検出値）、あるいは磁束指令（あるいは磁束検出値）の少なくとも一方から、界磁電流指令、あるいは電機子側の励磁電流指令へのフィードフォワード補償を付加し、これらの補償ゲインを所定の値に設定することで実現できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１に、本発明の一実施例である同期電動機可変速システムの構成を示す。図１において、１は二次側に界磁巻線を設けた巻線形同期電動機、２は、同期電動機１に回転速度の指令ωｒｅ＊を与える速度指令発生器、３は、速度検出値ωｒｅが速度指令ωｒｅ＊ に一致するよう、トルク電流指令ＩＴ＊を演算する速度制御器、４は、トルク電流指令ＩＴ＊と電機子側励磁電流指令ＩＭ＊を、磁束位置を基準としたＭＴ座標軸の値から、磁極位置（回転子位置）を基準にしたｄｑ座標軸の値に座標変換する座標変換器、５は、同期電動機の電機子電流の検出値（ＩｄＦＢ，ＩｑＦＢ）が、座標変換器４の出力である電流指令値（Ｉｄ＊，Ｉｑ＊）に一致するよう、電圧指令Ｖｄ＊、ならびにＶｑ＊を演算する電機子電流制御器、６は、電圧指令Ｖｄ＊、ならびにＶｑ＊を、三相交流軸上の電圧指令（Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊）に変換する座標変換器、７は、電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に基づいて、同期電動機１に電力を供給する電力変換器、８は、同期電動機に流れる電機子電流を検出する電流検出器、９は同期電動機１に印加される電機子電圧を検出する電圧検出器、１０は同期電動機１の回転速度、ならびに磁極位置を検出する速度／位置検出器、１１は電機子電流、ならびに電機子電圧の検出値を、ｄｑ軸上の値に変換する座標変換器、１２は、同期電動機１の電流、ならびに電圧検出値に基づいて、同期電動機１の磁束、及び負荷角を推定演算する磁束オブザーバ、１３は、同期電動機の回転速度ωｒｅに基づいて、磁束指令Φ＊を演算する磁束指令演算器、１４は、磁束指令Φ＊、磁束オブザーバ１２において推定演算した磁束検出値Φｃ 、ならびにトルク電流指令ＩＴ＊に基づいて、界磁電流指令Ｉｆ＊を演算する磁束制御器、１５は、界磁電流Ｉｆ が、界磁電流指令Ｉｆ＊に一致するように、界磁電圧指令Ｖｆ を演算する界磁電流制御器、１６は、界磁電圧指令Ｖｆ に基づいて、界磁回路に電力を供給する界磁変換器、１７は、界磁電流を検出する電流検出器、１４１は、磁束指令Φ＊と、磁束検出値Φｃ を一致させるのに必要な起磁力電流指令Ｉφを演算する起磁力電流指令演算器 （ＡＦＲ）、１４２は、１４１の出力を界磁電流の成分に変換する界磁電流指令演算器、１４３は、磁束指令Φ＊ を界磁電流指令にＦ．Ｆ．補償（フィードフォワード補償）するための補償ゲイン、１４４はトルク電流指令ＩＴ＊を界磁電流指令にＦ．Ｆ．補償するための補償ゲインである。
【０００９】
次に、本実施例の動作の概要について説明する。まず、同期電動機１の回転速度ωｒｅは速度／位置検出器１０により検出される。速度検出値ωｒｅと、速度指令発生器２からの指令値ωｒｅ＊ との偏差が速度制御器３に加えられ、偏差に応じたトルク電流指令ＩＴ＊が演算され、これにより回転速度は速度指令に一致するように制御される。Ｍ軸の電流指令ＩＭ＊は、通常は零として与え、これによって電機子側の力率は１に保たれる。ＩＴ＊，ＩＭ＊は、座標変換器４によってｄｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊，Ｉｑ＊に変換される。電機子電流及び界磁電流は、電機子電流検出器８及び界磁電流検出器１７により検出され、電機子電流と界磁電流の各指令値に一致するように電機子電流制御器５及び界磁電流制御器１５により制御される。ＭＴ座標を用いてベクトル制御を行うためには、負荷角δ及びＭ軸上の磁束Φを検出する必要がある。このため、磁束オブザーバ１２において電機子電流と電機子電圧から同期機内部の磁束推定値Φｄ，Φｑを演算し、これを用いてδｃ 及び
Φｃ が演算される（制御器内の値ということで、δ、ならびにΦには記号「ｃ」を付けて表記する）。演算されたδｃ は座標変換器４に用いられる。また、演算された磁束Φｃ と磁束指令演算器１３からの指令値Φ＊ が磁束制御器１４に加えられ、その出力である界磁電流指令Ｉｆ＊に従い界磁電流が制御される。
【００１０】
次に、本実施例の特徴部分である磁束制御器１４について説明する。図２は、ＭＴ軸とｄｑ軸、ならびに磁束Φ，ＩＴ ，Ｉｆ の関係をベクトルで示したものである。尚、界磁電流Ｉｆ は、すべて電機子側換算の値とする。トルク電流ＩＴ が大きくなると、それに従って負荷角δも大きくなる。この時、磁束Φを一定に保つために、界磁電流Ｉｆ を制御する。磁束Φは、Ｉｆ をＭ軸に投影した成分Ｉφ（Ｉφを「起磁力電流」と定義する）によって作られるため、δが大きくなるほど（負荷が増えるほど）、Ｉｆ を大きくする必要がある。図１の実施例における起磁力電流指令演算器１４１では、磁束指令Φ＊ と、検出値Φｃ の偏差に基づいて、比例積分補償等の補償器を介して、必要な起磁力電流指令Ｉφ＊ を出力する。界磁電流指令演算器では、Ｉφ＊ に基づいて、必要な界磁電流指令を演算する。図２に示すように、起磁力電流指令Ｉφ＊ から、Ｉｆ＊への変換は、負荷角δを用いて、Ｉφ＊を１／ｃｏｓδ倍することで得られる。
【００１１】
従来の起磁力電流指令演算器は、主としてフィードバック制御を中心に磁束制御を行っていた。よって、負荷外乱等により、ＩＴ が急変した際にも、まず第一に磁束Φｃ が変化し、それを受けて起磁力電流指令演算器１４１の出力が変化し、界磁電流指令Ｉｆ＊を変化させて磁束を制御するというものであった。
【００１２】
本実施例では、ＩＴ＊、ならびにΦ＊ から、直接的にＩｆ＊を変化させるＦ．Ｆ．補償を付加する。この補償により、必要なＩｆ＊が、磁束の変動を待たずに界磁電流制御器へ加えられるため、磁束の変動を大幅に抑制することができるようになる。
【００１３】
図３を用いて、Ｆ．Ｆ．補償ゲイン１４３、ならびに１４４について説明する。同期電動機の定数を用いて、Φ，ＩＴ ，Ｉｆ の関係を図示すると、図３のようになる。図３の関係から、磁束Φを式で表すと、
Φ＝Ｍｄ・Ｉｆ・ｃｏｓδ＋Ｌｄ・Ｉｄ・ｃｏｓδ＋Ｌｑ・Ｉｑ・ｓｉｎδ （数１）
となる。ここで、Ｍｄ は、同期電動機のｄ軸の相互インダクタンス、Ｌｄ，Ｌｑは、それぞれｄ軸，ｑ軸のインダクタンスを表す。ここでＩｄ，Ｉｑは、
Ｉｄ ＝−ＩＴ ・ｓｉｎδ （数２）
Ｉｑ ＝ＩＴ ・ｃｏｓδ （数３）
であるので、数１に代入すると、
Φ＝Ｍｄ ・Ｉｆ ・ｃｏｓδ＋（Ｌｑ−Ｌｄ）・ＩＴ ・ｃｏｓδ・ｓｉｎδ （数４）
となる。よって、Ｉｆ は、
Ｉｆ ＝Φ／（Ｍｄ ・ｃｏｓδ）＋（Ｌｄ−Ｌｑ）・ＩＴ ・ｃｏｓδ・ｓｉｎδ／Ｍｄ（数５）
となる。
【００１４】
よって、図１における補償ゲインＫ１ 、ならびにＫ２ の値は、制御器内の負荷角（検出値）δｃ を用いて、
Ｋ１ ＝１／（Ｍｄ ・ｃｏｓδｃ ） （数６）
Ｋ２ ＝（Ｌｄ−Ｌｑ）・ｃｏｓδｃ ・ｓｉｎδｃ ／Ｍｄ （数７）
となる。上式より、Φ＊ ，ＩＴ＊から個別にＩｆ＊へのＦ．Ｆ．補償が可能になる。
以上、磁束指令Φ＊ 、ならびにトルク電流指令ＩＴ＊を直接界磁電流指令にフィードフォワード補償する同期電動機の制御方式について述べた。本実施例によれば、負荷外乱発生時における磁束変動を小さく抑えることができ、電動機制御の高応答が実現できる。
【００１５】
次に、本発明の第二の実施例について説明する。本実施例は補償ゲインの与え方が前の実施例と異なる。まず初めに、第一の実施例のＦ．Ｆ．補償ゲインである数６、ならびに数７のそれぞれの補償要素について、改めて検討してみる。数６は、磁束指令の変化と、δの変化を含んでいる。磁束指令Φ＊は速度に応じて変化するものであり、トルク応答指令の変化に比べると変化速度は遅い。よって、数６は、δの変化分をＦ．Ｆ．補償する要素となっている。一方、数７の補償要素は、式からもわかるように、電動機の突極成分による磁束分を補償しているに過ぎない。非突極機であれば、ＩT＊ からのＦ．Ｆ．補償は零になる。よって、第一の実施例は、主として、磁束指令のδに対する変化分をＦ．Ｆ．補償している。ここで問題なのは、演算に使用するδc は、磁束オブザーバ１２の演算により推定される量であり、演算遅れが含まれる点である。また、オブザーバの方式にもよるが、過渡時には検出誤差が含まれる場合がある。さらに、重要な点としては、ＩT が変化した場合に、それに応じてＩf も変化させないと、図２に示した起磁力電流成分が不足し、磁束変動は生じるという点である。数７の補償では、ＩT の変化に対して、突極性による成分しか反映されないため、ＩT＊に基づくＩf＊へのＦ．Ｆ．補償量は少ないものとなっている。
【００１６】
図４は、図３のベクトル図を書き直したものである。ｄ軸上での磁束の関係を表すと、
Φ・ｃｏｓδ＝Ｍｄ ・Ｉｆ ＋Ｌｄ・Ｉｄ （数８）
となり、ＩＴ を用いると、
Φ・ｃｏｓδ＝Ｍｄ ・Ｉｆ −Ｌｄ・ＩＴ ・ｓｉｎδ （数９）
となる。よって、Ｉｆ は、
Ｉｆ ＝Φ・ｃｏｓδ／Ｍｄ ＋Ｌｄ・ＩＴ ・ｓｉｎδ／Ｍｄ （数１０）
となる。上式の関係を、補償ゲインＫ１ ，Ｋ２ に与えると、
Ｋ１′ ＝ｃｏｓδｃ ／Ｍｄ （数１１）
Ｋ２′ ＝Ｌｄ・ｓｉｎδｃ ／Ｍｄ （数１２）
となる。数１１と数６を比べると、磁束指令Φ＊ のＦ．Ｆ．補償分が少なくなっていることがわかる。一方で、数１２と数７を比べると、ＩＴ＊に関するＦ．Ｆ．補償成分が大きくなっていることがわかる。ＩＴ＊は、負荷外乱や速度変化によって急峻に変化するため、磁束変動に与える影響が大きい。数１２に従ってＩｆ＊を補償することは、磁束変動を抑制する意味で効果が大きい。特に、数１２は、
δｃ が大きくなるほど、ＩＴ＊からＩｆ＊へのＦ．Ｆ．補償成分が大きくなるように作用する。このことは、負荷角が９０度に近づく程、Ｉｆ＊を増加させようとするため、系が不安定になるのを抑制する効果がより強く備わっていることを意味している。
【００１７】
次に、本発明の第三の実施例について、図５を用いて説明する。本実施例における符号１〜１３，１５〜１７、ならびに１４１〜１４４については、図１の実施例と同じものであるので、説明を省略する。本実施例の特徴部分である磁束制御器１４Ａについて説明する。１４Ａにおいて、符号１４５は電機子側から磁束を制御するＩMAFR（電機子側励磁電流指令演算器）、１４６は、ＩMを零に制御するＩMR（ＩM補償器）である。前述したように、同期電動機の磁束は、界磁電流によって制御されるが、過渡時における磁束制御を補うため、電機子側の励磁電流ＩM を用いて磁束を制御する方式がある。その例が、図５の構成によるものである。ＩM を流すことによって、電動機の力率は悪くなるが、磁束の変動は抑制できるようになる。この時、ＩMAFRを比例ゲインのみ、あるいは不完全微分補償等を用いて、偏差（ΔΦ）が零となる定常時において、ＩMAFRの出力が零になるようにしておけば、定常的な力率の劣化は防止できる。
【００１８】
次に、本実施例の特徴部分である符号１４６のＩMRの動作について説明する。ＩMRを挿入することで、電機子側励磁電流指令ＩM＊からＩf＊へのループを作っている。このループは、ＩM＊ を速やかに零にし、電動機の力率を１にするためのものである。このループにより、ＩM＊が請け負っている磁束分（起磁力分）を、Ｉf＊に直接加えることになり、ＩM＊の起磁力分を速やかに減少させるように作用することになる。
【００１９】
ＩＭ＊は、前述のように定常的には零にできるが、ＡＦＲとＩＭＡＦＲのゲイン配分、あるいは過渡応答の条件によって、数１００ｍｓ〜数秒間残留する場合がある。それを速やかに零にするため、ＩＭＲのループを設ける。
【００２０】
以上が、第三の実施例の説明であるが、この構成の磁束制御器に対しても、図１の実施例によるＦ．Ｆ．補償を適用することができる。Ｉｆ＊は、ＩＴ＊、ならびにΦ＊ の変化に対して、瞬時に変化するため、ＩＭ＊による補償量が少なくて済み、過渡時における力率の劣化はさらに抑制される。
【００２１】
次に、本発明の第四の実施例について、図６を用いて説明する。図６は、磁束制御器を示し、図５の１４Ａの代わりにこの磁束制御器１４Ｂを用いて、同期電動機の制御装置を構成する。この磁束制御器１４Ｂの動作について説明する。
【００２２】
符号１４１〜１４６までは、図５のものと同一のものである。図６において、１４７は入力に対してcos（δc）のゲインをかけるゲイン補償器、１４８はΦ＊を１／Ｍd 倍にするゲイン補償器である。
【００２３】
図６の磁束制御器でも図５の実施例と同様に、ＩＭ＊に指令を与えて磁束の制御を行う。ただし、図５におけるＩＭＡＦＲを使用せず、ＡＦＲを用いてＩＭ＊の制御も行う。ＡＦＲは、元々Ｍ軸上の起磁力に相当する起磁力電流Ｉφを制御するものであるから、これをそのままＩＭ＊することができる。ただし、Ｉφ＊をそのままＩＭ＊とすると、ＩＭ が常に流れ続けることになり、同期電動機の力率が劣化し、同期電動機本来のメリットが損なわれる。そこで、界磁電流の検出値ＩｆＦＢ を用いて、定常的にはＩＭ＊が零になるようにしている。これは、ＩｆＦＢ を１４７のゲイン補償器（ｃｏｓ（δｃ））を介して、Ｉφと突き合わせ、その差をもってＩＭ＊とすればよい。こうすることで、ＩＭ＊は、ＩｆＦＢ がＩｆ＊に一致するまでの間のみ、それを補うために流れることになり、定常的には零に収束する。次に、１４Ｂの構成におけるΦ＊ 、ならびにＩＴ＊のＦ．Ｆ．補償について説明する。
【００２４】
Φ＊ は、Ｍ軸上で与えられるため、Ｉφへの換算は、
Ｉφ＝Φ＊／Ｍｄ （数１３）
となる。よって、１４Ｂの補償ゲイン１４８を介して、Φ＊ をＩＭ へＦ．Ｆ．補償することができる。Ｉｆ＊へのＦ．Ｆ．補償は、１４８→１４７の補償ループを介することで、図５と等価にできる（数１２のＫ１′ と同じになる）。Ｉφ＊ は、補償器１４８の出力と、ＡＦＲ１４１の出力の和になる。
【００２５】
１４Ｂの制御構成においては、Φ＊から、Ｉｆ＊、ならびにＩＭ＊の両方へＦ．Ｆ．補償されているが、ＩＴ＊のＦ．Ｆ．補償は界磁指令のみに付加されている。よって、Ｉｆ とＩφの最終値がバランスしないで収束することになる。要するに、
Ｉφ＊と、ＩｆＦＢ・ｃｏｓ（δｃ）の突き合わせ部分が零にならず、ＩＭ＊ が残留する恐れがある。そこで、図５の実施例で使用した、ＩＭＲを挿入し、ＩＭ＊を零に収束させる。この場合、ＩＭＲを積分補償を含む補償器とし、定常的なＩＭ＊の偏差を零にする。
【００２６】
次に、図７を用いて、本発明における第五の実施例について説明する。本実施例は、図６の実施例に対して、ＩＴ＊からＩＭ＊へのＦ．Ｆ．補償を付加するものである。数４を変形すると、
Ｉｆ・ｃｏｓδ＝Φ／Ｍｄ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）・ＩＴ・ｃｏｓδ・ｓｉｎδ／Ｍｄ （数１４）
となり、ここで、
Ｉφ＝Ｉｆ・ｃｏｓδ （数１５）
とおけるので、
Ｉφ＝Φ／Ｍｄ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）・ＩＴ・ｃｏｓδ・ｓｉｎδ／Ｍｄ （数１６）
となる。上式第１項は、図６と同様に、補償ゲイン１４８を介して、Ｉφへ
Ｆ．Ｆ．補償している。図７の実施例における補償ゲイン１４９を、数１６の第２項より、次式のようにする。
【００２７】
Ｋ３ ＝（Ｌｄ−Ｌｑ）・ｃｏｓ（δｃ）・ｓｉｎ（δｃ）／Ｍｄ （数１７）
上記、ＩＴ＊からＩφ＊へのＦ．Ｆ．補償を付加することによって、磁束応答はさらに改善されるようになる。また、Ｉφ＊ とＩｆＦＢ の突き合わせ部分が、定常時において原理的に零になるため、定常的なＩＭ を零にできると同時に、ＩＭ＊を速やかに零に収束させることが可能になる。ただし、Ｆ．Ｆ．補償ゲインは、電動機の電気定数を用いているため、定数ずれがあると、ＩＭ が残留する恐れがある。そこで、図６の実施例と同様に、ＩＭ＊からＩｆ＊への補償ループであるＩＭＲを付加し、定数ずれによる定常偏差を零にすることができる。
【００２８】
次に、図８を用いて、第六の実施例について説明する。図８の界磁電流指令演算器は、基本的に図６ならびに図７の実施例と同様である。図において、符号１５０以外のものは、図６ならびに図７のものと同じものである。１５０は、界磁電流検出値ＩfFB に対して、遅れ要素（一次遅れ）を付加したものである。ここで、時定数Ｔd は、同期電動機のダンパ回路の時定数と同じか、同程度の値に設定する。
【００２９】
界磁電流指令Ｉｆ＊が、界磁電流制御器に与えられると、その値に一致するようにＩｆＦＢが制御される。図６，図７に示した界磁電流指令演算器においては、
ＩｆＦＢはＩφ＊と突き合わされ、Ｉｆ＊＝ＩｆＦＢになった時点でＩＭ＊ は零になるように構成されている。ただし、ＩＭ＊、ならびにＩｆ＊の目的は、あくまでも磁束Φを制御することである。ＩｆＦＢがＩｆ＊に一致したとしても、Φ＊が電動機内部の磁束Φに一致しているとは限らない。Ｉｆ がΦに反映されるには、ダンパ回路の時定数分だけ遅れが生じる。よって、この遅れの分を考慮して、その間はＩＭ＊を流し続ける方が、Φは速やかにΦ＊ へ収束することになる。ダンパ回路の遅れを考慮するため、ＩｆＦＢ に対してダンパ時定数相当の一次遅れを挿入することで、逆に磁束の追従性を向上することができる。ここで、Ｔｄ は、ダンパの時定数に一致すれば理想的ではあるが、現実的に、ダンパ時定数は磁束の飽和状態、δの大きさ等によって変化するため、おおよそダンパ時定数に合わせることになる。それでもこの遅れによる効果は大きい。
【００３０】
尚、これまで説明した実施例において、Ｆ．Ｆ．補償として、トルク電流指令、あるいは磁束指令など、指令値を用いたＦ．Ｆ．補償について説明してきたが、トルク電流成分の検出値、あるいは磁束検出値を用いても、同様にＦ．Ｆ．補償を行うことはできる。この場合、トルク電流、ならびに磁束の検出を高速化する必要があるが、原理的には可能である。また速度／位置検出器に替えて、電動機巻線の電流，電圧等から速度や位置を推定する速度／位置推定手段を用いてもよい。さらに磁束オブザーバで磁束を推定する替わりに、磁束センサで検出される磁束の検出値を用いてもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、負荷急変等によりトルク電流が大きく変化した場合においても、磁束変動を極力小さく抑え、トルク変動や脱調などを起こさずに同期電動機を制御することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す同期電動機可変速制御システムのブロック構成図。
【図２】同期電動機の動作を説明するベクトル図。
【図３】同期電動機の動作を説明するベクトル図。
【図４】同期電動機の動作を説明するベクトル図。
【図５】本発明の第三の実施例を示す同期電動機可変速制御システムのブロック構成図。
【図６】本発明の第四の実施例を示す同期電動機可変速制御システムのブロック構成図。
【図７】本発明の第五の実施例を示す同期電動機可変速制御システムのブロック構成図。
【図８】本発明の第六の実施例を示す同期電動機可変速制御システムのブロック構成図。
【符号の説明】
１…巻線形同期電動機、２…速度指令発生器、３…速度制御器、４…ＭＴ−ｄｑ座標変換器、５…電機子電流制御器、６…ｄｑ−三相座標変換器、７…電力変換器、８…電機子電流検出器、９…電圧検出器、１０…速度／位置検出器、１１…三相−ｄｑ座標変換器、１２…磁束オブザーバ、１３…磁束指令演算器、１４…励磁−界磁制御器、１５…界磁電流制御器、１６…界磁変換器、１７…界磁電流検出器、１４１…起磁力電流指令演算器（ＡＦＲ）１４２…界磁電流指令演算器、１４３…補償ゲインＫ１ 、１４４…補償ゲインＫ２ 。
Claims (8)
- 同期電動機と、
該同期電動機の回転磁極位置を検出あるいは推定する手段と、
前記同期電動機の磁束を検出あるいは推定する手段を備え、
前記磁極位置ならびに磁束の検出値あるいは推定値に基づいて、前記同期電動機の電機子電流をトルク電流成分と励磁電流成分とに座標変換し、前記電機子電流を制御する電機子電流制御器と、
前記トルク電流成分に対して指令を与える手段と、
前記同期電動機の磁束に対して、磁束指令を与える手段と、
前記磁束指令値と前記磁束検出値に基づいて、界磁電流指令を演算する界磁電流指令演算器と、
前記界磁電流指令に対して、前記同期電動機の界磁電流が一致するように、該界磁電流を制御する界磁電流制御器、
を備えた同期電動機の制御装置において、
前記界磁指令演算器で、界磁電流指令値を演算する際、前記磁束指令あるいは磁束検出値と、前記トルク電流指令あるいはトルク電流検出値の少なくとも一方とを入力し、前記磁束指令あるいは磁束検出値の少なくとも一方に第１の所定のゲインを乗算し、前記トルク電流指令あるいはトルク電流検出値の少なくとも一方に第２の所定のゲインを乗算して、界磁電流指令にフィードフォワード補償を付加することを特徴とした同期電動機の制御装置。 - 請求項１において、前記磁束指令あるいは磁束検出値から、界磁電流指令へのフィードフォワード補償として、下記Ｋ1 で表されるゲインを用い、前記トルク電流指令あるいはトルク電流検出値から、界磁電流指令へのフィードフォワード補償としては、下記Ｋ2 で表されるゲインを用いることを特徴とした同期電動機の制御装置。
Ｋ1＝１／（Ｍd・cosδ）
Ｋ2＝（Ｌd−Ｌq）・cosδ・sinδ／Ｍd
ここで、Ｍd ：同期電動機のｄ軸相互インダクタンス
Ｌd ：同期電動機のｄ軸インダクタンス
Ｌq ：同期電動機のｑ軸インダクタンス
δ ：同期電動機の負荷角検出値、あるいは推定値 - 請求項１において、前記磁束指令あるいは磁束検出値から、界磁電流指令へのフィードフォワード補償として、下記Ｋ1′ で表されるゲインを用い、前記トルク電流指令あるいはトルク電流検出値から、界磁電流指令へのフィードフォワード補償としては、下記Ｋ2′ で表されるゲインを用いることを特徴とした同期電動機の制御装置。
Ｋ1′＝cosδ／Ｍd
Ｋ2′＝Ｌd・sinδ／Ｍd
ここで、Ｍd ：同期電動機のｄ軸相互インダクタンス
Ｌd ：同期電動機のｄ軸インダクタンス
Ｌq ：同期電動機のｑ軸インダクタンス
δ ：同期電動機の負荷角検出値、あるいは推定値 - 同期電動機と、
該同期電動機の回転磁極位置を検出、あるいは推定する手段と、
前記同期電動機の磁束を検出あるいは推定する手段を備え、
前記磁極位置、ならびに磁束位置の検出値あるいは推定値に基づいて、前記同期電動機の電機子電流をトルク電流成分と励磁電流成分とに座標変換し、前記電機子電流を制御する電機子電流制御器と、
前記トルク電流成分に対して指令を与える手段と、
前記同期電動機の磁束に対して、磁束指令を与える手段と、
前記磁束指令値が、前記磁束検出値あるいは推定値に一致するように、起磁力に相当する起磁力電流指令を演算する起磁力電流指令演算器と、
前記起磁力電流指令に基づいて、界磁電流指令を演算する界磁電流指令演算器と、
前記界磁電流指令に対して、前記同期電動機の界磁電流が一致するように、該界磁電流を制御する界磁電流制御器と、
前記磁束指令と前記磁束検出値の偏差を用いて、あるいは前記起磁力電流指令演算器の出力を用いて、直接電機子側の励磁電流に対する指令を演算する電機子側励磁電流指令演算器を備えた同期電動機の制御装置において、
該同期電動機の制御装置が、前記電機子側励磁電流指令演算器の出力を、補償器を介して前記界磁電流指令に加算する制御ループを持ち、
前記界磁指令演算器で、界磁電流指令値を演算する際、前記磁束指令あるいは磁束検出値と、前記トルク電流指令あるいはトルク電流検出値の少なくとも一方とを入力し、前記トルク電流指令あるいはトルク電流検出値の少なくとも一方に所定のゲインを乗算して、界磁電流指令にフィードフォワード補償を付加することを特徴とした同期電動機の制御装置。 - 請求項４において、
前記界磁電流検出値に対して下記Ｋ0 に示すゲインを乗じ、この値を、前記起磁力電流制御器の出力から差し引いた偏差をもって、直接的に電機子側の励磁電流の指令とする制御ループを含み、さらに前記電機子側励磁電流指令を、補償器を介して前記界磁電流指令に加算する制御ループを持つことを特徴とした同期電動機の制御装置。
Ｋ0 ＝cosδ
ここで、δ：同期電動機の負荷角検出値あるいは推定値 - 請求項４あるいは請求項５のいずれかにおいて、
前記電機子側励磁電流指令を演算する際、前記磁束指令あるいは検出値からのフィードフォワード補償要素と、前記トルク電流指令あるいは検出値からのフィードフォワード補償要素の少なくとも一方を、各々個別に前記起磁力電流制御器の出力に加算し、その値と、前記界磁電流検出値をＫ0 倍した値との偏差をもって、前記電機子側励磁電流指令とする制御ループを構成することを特徴とした同期電動機の制御装置。 - 請求項６において、
前記磁束指令あるいは検出値から、前記電機子側励磁電流指令へのフィードフォワード補償として、下記Ｋ1″ に示すゲインを用い、前記トルク電流指令あるいは検出値から、前記電機子側励磁電流指令へのフィードフォワード補償としては、下記Ｋ2″ に示すゲインを用いることを特徴とした同期電動機の制御装置。
Ｋ1″＝１／Ｍd
Ｋ2″＝（Ｌd−Ｌq）・cosδ・sinδ／Ｍd
ここで、Ｍd ：同期電動機のｄ軸相互インダクタンス
Ｌd ：同期電動機のｄ軸インダクタンス
Ｌq ：同期電動機のｑ軸インダクタンス
δ ：同期電動機の負荷角検出値、あるいは推定値 - 同期電動機と、
該同期電動機の回転磁極位置を検出、あるいは推定する手段と、
前記同期電動機の磁束を検出あるいは推定する手段を備え、
前記磁極位置、ならびに磁束位置の検出値に基づいて、前記同期電動機の電機子電流をトルク電流成分と励磁電流成分とに座標変換し、前記電機子電流を制御する電機子電流制御器と、
前記トルク電流成分に対して指令を与える手段と、
前記同期電動機の磁束に対して、磁束指令を与える手段と、
前記磁束指令値が、前記磁束検出値あるいは推定値に一致するように、起磁力に相当する起磁力電流指令を演算する起磁力電流指令演算器と、
前記起磁力電流指令に基づいて、界磁電流指令を演算する界磁電流指令演算器と、
前記界磁電流指令に対して、前記同期電動機の界磁電流が一致するように、該界磁電流を制御する界磁電流制御器と、
前記界磁電流の検出値に対して下記に示すＫ0 を乗じ、その値を前記起磁力電流制御器の出力から差し引いた偏差をもって、直接的に電機子側の励磁電流を補償する電機子側励磁電流指令とする制御ループを持つ同期電動機の制御装置において、
前記電機子側励磁電流指令を演算する際、前記界磁電流の検出値に前記同期電動機のダンパ時定数に相当する遅れ要素を付加し、
前記界磁指令演算器で、界磁電流指令値を演算する際、前記磁束指令あるいは磁束検出値と、前記トルク電流指令あるいはトルク電流検出値の少なくとも一方とを入力し、前記トルク電流指令あるいはトルク電流検出値の少なくとも一方に所定のゲインを乗算して、界磁電流指令にフィードフォワード補償を付加することを特徴とした同期電動機の制御装置。
Ｋ0＝cosδ
ここで、δ：同期電動機の負荷角検出値あるいは推定値
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