JP3625944B2

JP3625944B2 - 誘導電動機の駆動装置

Info

Publication number: JP3625944B2
Application number: JP03091696A
Authority: JP
Inventors: 隆司藍原; 新一石井; 英俊海田; 宏一田島
Original assignee: Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Priority date: 1996-02-19
Filing date: 1996-02-19
Publication date: 2005-03-02
Anticipated expiration: 2016-02-19
Also published as: JPH09224400A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、誘導電動機の駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電動機の磁束軸方向とこれに直交するトルク軸方向の回転座標上で、電圧または電流を制御することで電動機の磁束とトルクを制御するに当たっては、電動機に回転センサを取り付けるか（前者）、または、電動機に印加される電圧・電流から電動機内の磁束位置を推定演算するようにしている（後者：電学誌，１０８巻２号，昭６３，ｐ１４２〜１４６「センサレスベクトル制御インバータ」の項参照）。
すなわち、電動機に回転センサを取り付けられない場合や、回転センサのない安価な電動機を使用する場合には、後者のように電圧・電流から電動機内の磁束位置を推定演算する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、電圧・電流から電動機内の磁束位置を推定演算するものでは、電動機に印加する周波数のゼロ近傍において磁束位置の推定が不能になるという問題がある。これは、磁束位置推定の基本原理として電動機の誘起電圧を利用しているが、周波数ゼロ近傍では誘起電圧も殆どゼロとなり、誘起電圧を利用できなくなるからである。
したがって、この発明の課題は、電圧・電流から電動機内の磁束位置を推定演算する場合に、電動機に印加する周波数が零近傍でも磁束位置の検出を可能とすることにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決すべく、請求項１の発明では、誘導電動機を駆動する電圧または電流形の電力変換装置と、前記誘導電動機に供給する電圧または電流を磁束推定位置に平行な座標軸（ｄ軸）成分とこれに直交する座標軸（ｑ軸）成分とに分けて制御する制御手段と、前記座標軸を回転させる回転手段と、前記磁束をｄ軸成分に直交する成分を含むよう交流的に変化させる磁束制御手段と、この磁束制御手段によって変化する磁束が常にｄ軸上に存在するようにｄ−ｑ座標を追従させる追従手段、誘導電動機の誘起電圧のｄ軸成分を検出する検出手段、この検出手段からの出力の交流成分を磁束制御手段の交流位相に合わせて同期検波する検波手段、および軸ずれが零となるよう前記回転手段の出力を補正する座標軸調節手段からなりｄ軸と真の磁束位置とのずれ角度を検出する軸ずれ検出手段とを備えたことを特徴とする。
【０００５】
上記請求項１の発明においては、前記磁束制御手段を、多相のベクトル空間上で交番励磁電圧または電流を印加する電圧／電流供給手段としたときは、前記追従手段をこの電圧／電流供給手段からの交流出力に同期して座標位置を変化させ、交流的に追従させる交流追従手段とすることができ（請求項２の発明）、または、前記検波手段を、前記検出手段の出力から磁束制御手段の交流成分のみを通過させるハイパスフィルタと、その出力と磁束制御手段からの交流成分とを乗算する乗算手段とから構成することができる（請求項３の発明）。
【０００６】
また、上記請求項１の発明においては、前記誘導電動機の磁束およびトルクを制御する第２の制御手段を付加し、この第２の制御手段により前記回転手段に対しては周波数指令を与え、前記制御手段に対しては電圧または電流指令を与えることにより、電動機のトルク制御を可能にすることができる（請求項４の発明）。
【０００７】
すなわち、上記磁束制御手段により電動機磁束を交流的に、つまり、平均的な磁束の位置を変化させずに瞬時的に磁束位置を変化させれば、印加周波数が平均的にはゼロ周波数であっても瞬時的にはゼロではなくなり、電動機には誘起電圧が発生するので、これを検出することが可能となる。磁束の変化方向に、これと直交する磁束が含まれる場合は、以上のように検出される誘起電圧の振る舞い（様子）から、磁束の位置を検出することができる。
【０００８】
検出方法として色々考えられるが、その概念を図を参照して説明する。
図４は磁束軸と直角に磁束を変化させた例を示す。ここでは、同図（ａ）に示すように、ａ点を中心としてｂ，ｃ点まで磁束を円に沿って変化させている。このとき、座標軸も磁束に追従させると同図（ｂ）に示すように、磁束の変化は観測されず、速度起電力による誘起電圧が発生する。ここで、軸ずれがあったらどうなるかを、図５により説明する。
この場合、制御側は図４と同様の制御を行なうので、磁束は（ａ）に示すように、ａ点を中心としてｂ，ｃ点の間で変化する。座標軸も図４と同じように追従させるため、座標軸から見た磁束は（ｂ）のように、主としてｄ軸成分に変化が観測される。実際には、磁束を直接観測することはできず、座標軸上での磁束の変化分と速度起電力分が誘起電圧となって現れる。したがって、上記の変化は主として誘起電圧のｄ軸成分で観測できる。
【０００９】
このように観測される誘起電圧は交流変化するが、真の磁束位置とｄ軸との軸ずれ角δの極性によって、図６のように位相が異なる。つまり、δが「＋」のときは、ｑ軸方向の磁束変化（座標の変化）と同位相でｄ軸磁束が変化する。しかし、δが「−」のときは逆位相で変化するので、この位相情報を有効に活用すべく、同期検波を利用する。この同期検波より、交流から直流に変換された信号は軸ずれ角δに対応するため、これがゼロになるように軸ずれ調節手段によって座標を回転させることで、軸ずれをなくしつつ間接的に磁束位置の検出が可能となる。磁束位置が検出できれば、電動機の磁束およびトルクを制御する手段を設けることにより、如何なる条件下でも電動機トルクの制御が可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の実施の形態を示すブロック図である。同図において、１は商用電源、２は電力変換装置、３は誘導電動機（ＩＭ）、４は第１制御手段、５は回転手段、６は第２制御手段（磁束制御手段）、７は軸ずれ検出手段、７１はｄ軸誘起電圧検出手段、７２は座標追従手段、７３は同期検波手段、７４は調節器、８はベクトル制御手段である。
【００１１】
すなわち、電力変換装置２は商用電源１から電力を供給され、電圧・電流・周波数を変換し、誘導電動機３との間で電力の授受を行なう。第１制御手段４は、ｄ−ｑ座標軸を基準とする電動機の電圧または電流を制御すべく、電力変換装置２を制御する。回転手段５はｄ−ｑ座標を回転させるため、周波数信号等を出力する。
【００１２】
第２制御手段６は第１制御手段４に対し、交流の電圧または電流指令を与えることにより、電動機磁束を変化させる。
図２に第２制御手段による電動機磁束の変化態様例を示す。すなわち、３相のＵ，Ｖ，Ｗの各相を１２０度間隔で配置した空間にｄ−ｑ座標が与えられるが、このｄ−ｑ座標上で図２に矢印で示す如き交番ベクトルとなるよう電圧または電流指令を与える。電圧または電流指令の時間的な変化を、符号Ａで示す。したがって、図１の第２制御手段６は具体的には、このような交番励磁電圧または電流を印加する電圧／電流供給手段とすることができる。このとき、磁束の変化のさせ方は交流であれば良く、周波数，波形，繰り返し／非繰り返し波形を問わないものである。
【００１３】
軸ずれ検出手段７は、上述のような磁束変化によって発生する電動機誘起電圧の変化の態様から、ｄ軸と真の磁束位置とのずれ角度を検出するものであれば如何なるものでも良いが、ここでは、ｄ軸誘起電圧検出手段７１，座標追従手段７２，同期検波手段７３および調節器７４から構成する。すなわち、座標追従手段７２は、第２制御手段６による磁束変化に同期して、座標を追従させる。また、検出手段７１は誘導電動機３のｄ軸誘起電圧ｅｄを検出し、同期検波手段７３は誘起電圧ｅｄを同期検波し、調節器７４は軸ずれがゼロとなるような座標位置補正信号を出力する。なお、座標追従手段７２は具体的には、アンプまたはゲイン要素等から構成されるが、第２制御手段６を図２でも説明したような電圧または電流供給手段としたときは、その出力に追従させることのできる交流追従手段とする。
【００１４】
同期検波手段の具体例を図３に示す。
すなわち、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）７３１と乗算器７３２から構成し、ハイパスフィルタ７３１によりｄ軸誘起電圧ｅｄの直流分を除去して高周波数成分のみ取り出し、乗算器７３２にて第２制御手段６からの出力と乗算することで、同期検波するようにしている。この同期検波により交流から直流に変換された信号は、軸ずれ角δに対応するため、調節手段７４によりこれがゼロとなるよう座標を回転させる。その結果、軸ずれを無くして磁束の位置検出が可能となる。
【００１５】
ベクトル制御手段８は磁束およびトルク制御手段を備え、例えば回転手段５に対しては周波数指令を、また、第１制御手段４に対しては電圧または電流指令を与える。ベクトル制御手段８は付加的に設けられるもので、回転手段５に対する周波数指令や第１制御手段４に対する電圧または電流指令は別途与えるようにしても良い。これにより、如何なる条件下でも電動機のトルク制御を行なうことができる。
【００１６】
以上では、磁束をｑ軸方向だけに変化させているが、ｄ軸方向の変化成分があっても良い。この場合、図４〜６に示すベクトル図に、ｄ軸方向の変化分が加算されることになる。ｄ軸成分がなく、ｅｄに交流分が現れない状態は、ちょうど軸ずれがゼロの状態となる。ｄ軸成分がありｅｄに交流分が現れない状態は、どちらかに軸ずれした状態となる。つまり、あたかも同期検波出力にオフセットが現れたかのようになるだけで、本質的な相違はないものである。
【００１７】
【発明の効果】
この発明によれば、磁束を交流的に変化させるとともにその座標も回転させるようにしたので、誘導電動機に与えられる周波数がたとえゼロＨｚであっても磁束位置を検出できるようになり、これにより誘導電動機の磁束・トルクの制御が可能になるという利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態を示すブロック図である。
【図２】第２制御手段による電動機磁束の変化態様例の説明図である。
【図３】同期検波手段の具体例を示す概要図である。
【図４】磁束ベクトルと座標軸との関係説明図である（軸ずれなしの場合）。
【図５】磁束ベクトルと座標軸との関係説明図である（軸ずれありの場合）。
【図６】軸ずれ角とｄ軸誘起電圧との関係説明図である。
【符号の説明】
１…商用電源、２…電力変換装置、３…誘導電動機、４…第１制御手段、５…回転手段、６…第２制御手段（磁束制御手段）、７…軸ずれ検出手段、８…ベクトル制御手段、７１…ｄ軸誘起電圧検出手段、７２…座標追従手段、７３…同期検波手段、７４…調節器、７３１…ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）、７３２…乗算手段。

Claims

誘導電動機を駆動する電圧または電流形の電力変換装置と、前記誘導電動機に供給する電圧または電流を磁束推定位置に平行な座標軸（ｄ軸）成分とこれに直交する座標軸（ｑ軸）成分とに分けて制御する制御手段と、前記座標軸を回転させる回転手段と、前記磁束をｄ軸成分に直交する成分を含むよう交流的に変化させる磁束制御手段と、この磁束制御手段によって変化する磁束が常にｄ軸上に存在するようにｄ−ｑ座標を追従させる追従手段、誘導電動機の誘起電圧のｄ軸成分を検出する検出手段、この検出手段からの出力の交流成分を磁束制御手段の交流位相に合わせて同期検波する検波手段、および軸ずれが零となるよう前記回転手段の出力を補正する座標軸調節手段からなりｄ軸と真の磁束位置とのずれ角度を検出する軸ずれ検出手段とを備えた誘導電動機の駆動装置。
前記磁束制御手段を、多相のベクトル空間上で交番励磁電圧または電流を印加する電圧／電流供給手段としたときは、前記追従手段をこの電圧／電流供給手段からの交流出力に同期して座標位置を変化させ、交流的に追従させる交流追従手段とすることを特徴とする請求項１に記載の誘導電動機の駆動装置。
前記検波手段を、前記検出手段の出力から磁束制御手段の交流成分のみを通過させるハイパスフィルタと、その出力と磁束制御手段からの交流成分とを乗算する乗算手段とから構成することを特徴とする請求項１に記載の誘導電動機の駆動装置。
前記誘導電動機の磁束およびトルクを制御する第２の制御手段を付加し、この第２の制御手段により前記回転手段に対しては周波数指令を与え、前記制御手段に対しては電圧または電流指令を与えることにより、電動機のトルク制御を可能にしたことを特徴とする請求項１に記載の誘導電動機の駆動装置。