JP3682543B2 - 永久磁石式同期モータの制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、小型強力な永久磁石を界磁に利用した永久磁石式同期モータの制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
小型強力な永久磁石を界磁に利用した同期モータは、小型化が可能であり、また、モータを含む駆動装置が小型化でき、効率が向上するメリットがある。
モータのトルクを制御するには、モータの磁極位置に対応し、磁界方向（ｄ軸）と直角方向の電流成分（ｑ軸電流成分）を制御して行う。この技術は、中野著「サーボ技術とパワーエレクトロニクス」（共立出版１９９４年９月発行）９４〜９５頁に記されている。また、直流モータと同様の目的で、同期モータでも規定速度より速度が上昇するにしたがって、界磁弱めをするために、ｄ軸電流を制御する方法もある。この技術は、例えば特開平８−１８２３９８号公報に記載されている。
しかし、同期モータには電機子反作用がある。そのため、ある回転速度で運転していても負荷が増加するにしたがって、電圧が上昇する。この現象は上記従来の制御方法のいずれにも生ずる。特に、定格トルクよりも負荷が大きいときなどでは、電圧上昇が顕著になる。このため、定格速度付近で運転するとき、モータを制御するインバータの可出力電圧は、負荷の増加による電圧増加に対応できるように大きくしなければならない。この結果、インバータの容量を増加させたり、モータの絶縁耐圧を上げなければならない、という問題がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、上記問題点に鑑み、モータの出力電圧、電流の増加を小さくし、インバータの容量およびモータの絶縁耐圧の増加を抑制するに好適な永久磁石式同期モータの制御方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、トルク指令に応じて設定した端子電圧と電力変換器の動作から演算したモータの端子電圧に基づいてモータの磁界と同方向の電流成分であるｄ軸電流成分を求め、モータの定格速度付近の端子電圧が高くなる領域からｄ軸電流成分をモータのトルクに応じて制御し、端子電圧の上昇を抑制することによって、解決される。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面により説明する。
図１は、本発明の一実施形態による永久磁石式同期モータの制御方法を示す。図１において、５１は永久磁石式同期モータであり、その回転軸は負荷（図示せず）に接続され、さらに、位置検出器５２、速度検出器５３に接続される。位置検出器５２は、レゾルバやエンコーダなどが用いられ、同期モータ５１の電機子と永久磁石界磁の相対的位置、すなわち、回転角を検出する。速度検出器５３は、エンコーダなどが用いられ、同期モータ５１の回転速度を検出する。図示の例では、位置検出器５２、速度検出器５３を機能に分け、別記したが、実際にはレゾルバやエンコーダなど同一の機器により構成してもよい。さらに、位置検出器５２は、端子電圧などから推定して構成してもよい。
いま、速度指令装置６１から速度指令ω*が出力されると、速度検出器５３の出力信号ωとの偏差Δωが速度制御装置６２に入力される。速度制御装置６２は、この偏差Δωに応じて働き、その出力信号は同期モータ５１のトルク指令信号Ｔ*になる。速度制御装置６２の出力信号Ｔ*は、ｑ軸電流指令装置６３に入力され、ｑ軸電流指令装置６３ではトルク指令信号Ｔ*に応じたｑ軸電流指令Ｉｑ*が演算される。ｑ軸電流指令Ｉｑ*は、同期モータ５１の電機子電流ベクトルの磁界方向と直交する成分の指令であり、電流制御装置６５に入力される。一方、ｄ軸電流指令装置６４は、後述するような方法により、ｄ軸電流指令Iｄ*を演算する。ｄ軸電流指令Iｄ*は、同期モータ５１の電機子電流ベクトルの磁界と同方向成分の指令であり、その指令信号の主たる目的は、同期モータ５１のトルクだけでなく、出力電圧の増加を抑制制御するための指令信号を出すことにある。ｄ軸電流指令信号Iｄ*も電流制御装置６５に入力される。電流制御装置６５は、位置検出器５２からの信号をもとに、実際の電流が指令通りに流れるように制御し、その出力はインバータ６６に出力電圧指令信号として入力される。インバータ６６では、電流制御装置６５からの電圧指令信号により、ＰＷＭ制御が実行され、インバータ６６の出力電圧、出力周波数が制御される。インバータ６６によるＰＷＭ制御は、電圧指令信号の瞬時値と三角波状の搬送波信号との比較または周知の空間ベクトル形のＰＷＭ制御により実行される。インバータ６６のパワー素子はＰＷＭ信号に基づいて制御される。このようにして、同期モータ５１に流れる電流が制御され、トルクと端子電圧が制御される。
【０００６】
図２は、図１の制御の原理を示す電流、電圧のベクトル図である。図２において、

である。図２より、同期モータの出力Ｐは、
【数１】

となる。すなわち、トルクＴは、
【数２】

と表わされる。ここで、
ω：モータ軸の回転角速度、ω＝ω１／（ｐ／２）
ω１：電気的回転角周波数
ｐ：モータの極数
Φ：磁束
Ｌｄ，Ｌｑ：ｄ、ｑ軸のインダクタンス
であり、
【数３】
Ｅ０＝ｋω１Φ （数３）
ｋ：定数
【数４】
ｘｄ＝ω１Ｉｄ、 ｘｑ＝ω１Ｉｑ （数４）
である。
このとき、同期モータ５１が円筒機の場合、Ｌｄ＝Ｌｑ＝Ｌであるから、トルクＴは、
【数５】
Ｔ∝ΦＩｑ （数５）
のように表わされる。この結果、トルクＴは、電流のｑ軸成分Ｉｑのみに比例する。したがって、トルクを制御するには、電流のｑ軸成分Ｉｑだけを制御すればよいことが分かる。
次に、同期モータ５１の端子電圧Ｅｔは、図２のベクトルから、
【数６】

である。（数６）から、モータが一定速度で回転しているとき、端子電圧Ｅｔは、ｄ軸電流成分を零としても、ｑ軸電流成分により変化する。すなわち、トルクを増加するために、電流成分Ｉｑを増加させると、端子電圧Ｅｔは増加することが分かる。
このとき、（数６）からｄ軸電流成分Ｉｄを負に制御すると、電圧のｄ軸成分の大きさが小さくなるので、ベクトル和としての端子電圧は抑制できることも分かる。
【０００７】
図３は、上記の原理を応用したｑ軸電流指令装置６３、ｄ軸電流指令装置６４の構成例を示す。図示の構成はモータが円筒機の場合であり、ｑ軸電流指令装置６３１は速度制御装置６２からのトルク指令Ｔ*を（数５）の原理でｑ軸電流指令Ｉｑ*に変換する。ｄ軸電流指令装置６４１は、速度制御装置６２からのトルク指令Ｔ*により、ｑ軸電流指令Ｉｑ*が定まるので、（数６）に基づいて端子電圧Ｅｔが所定の値以下になるように、ｄ軸電流指令Ｉｄ*を演算する。
ここで、端子電圧Ｅｔは所定値以下になればよいことから、（数６）から分かるように、定格速度以下で回転していて、Ｉｄ＝０でも端子電圧Ｅｔが所定値より高くならないとき、Ｉｄ＝０のままでよいのは云うまでもない。また、図３では、ｄ軸電流指令装置６４１の入力はｑ軸電流指令装置６３１からとしているが、速度制御装置６２からトルク指令Ｔ*を直接受け、前記演算を行ってもよい。なお、ここで、端子電圧Ｅｔは一定値でも、後述する図５（ａ）のように、負荷トルクに応じて変化させてもよい。
このように、ｄ軸電流指令を制御すると、端子電圧Ｅｔの大きさがある範囲に収まるので、モータの絶縁耐圧や、インバータの出力電圧の可制御範囲を小さくすることができる。特に、モータが最高回転付近でインバータの出力電圧に余裕がないとき、効果的であり、インバータの出力容量を低減することができる。
こうして得られた電流指令Ｉｑ*、Ｉｄ*は、電流指令装置６５に入力される。
【０００８】
なお、具体的な構成例として、ｑ軸電流指令装置６３１はゲインでよい。また、ｄ軸電流指令装置６４１は端子電圧を定め、（数６）から得られるＩｄを演算してもよく、予め演算してパターンとして持っていてもよい。また、簡易的には単たるゲインとしてもよい。さらに、ｄ軸電流指令装置６４１は、あるトルク以上から指令を出すように働かせてもよい。一例として、略定格トルクまでは零に保ち、定格以上の過負荷のときに負の指令を出力するようにすると、電圧、電流の最大値を適正な値にすることができ、インバータの容量低減に特に効果がある。
また、上記説明では、モータを円筒機の例で説明したが、突極機でも同様であり、（数２）、（数６）の関係からｑ軸、ｄ軸の電流指令を演算、パターンまたは簡易的な方法により指令することができる。
【０００９】
図４は、電流制御装置６５の具体的構成例を示す。本例の基本構成は周知であり、例えば、電気学会論文誌Ｄ、１１７巻、５号（１９９７年７月）、５３９頁、図５に記載されている。図４の構成は、図２のベクトル図からｄ、ｑ軸の電圧成分を演算し、さらに、ｄ、ｑ軸の電流の指令と実際値との偏差に応じて働くＡＣＲ−ｄ、ｑを備える。また、図４の構成は、電機子抵抗Ｒａをさらに考慮する。
図４の演算の構成を簡単に説明する。（数６）から分かるように、ｑ軸の電圧指令Ｅｑ*は、
【数７】

となる。（数７）でｑ軸の電圧指令Ｅｑ*を求めるに当って、ＡＣＲ−ｑの出力を加算するのは、モータのパラメータΦ、Ｌｄ、Ｒａの設定値と実際値の誤差により、ｑ軸の電圧指令Ｅｑ*が所定値と相違するのを防止するためである。ｑ軸の電流指令Ｉｑ*とその実際値Ｉｑの偏差をとって補正を行うと、精度のよい電流制御ができる。
一方、ｄ軸の電圧指令Ｅｄ*は、
【数８】
Ｅｄ*＝−ω１ＬｑＩｑ*＋ＲａＩｄ*＋（ＡＣＲ−ｄ出力） （数８）
となる。（数８）でＡＣＲ−ｄの出力を加算するのは、（数７）の場合と同様である。
Ｉｄ／Ｉｑ演算６５１は、位置検出器５２からの界磁磁極位置（電気的回転角）に応じた正弦または余弦信号を基準に、三相の瞬時電流検出値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ（電流検出器は図示せず）から電流の成分Ｉｄ、Ｉｑを検出する。電流制御装置６５の出力は、ｄ、ｑ軸の電圧指令信号Ｅｄ*、Ｅｑ*である。インバータ６６のＰＷＭ制御を実行する際、正弦波の瞬時値電圧指令信号が必要なときは、演算６５１の逆演算を行えばよい。この演算は周知なので省略する。
【００１０】
図５は、このような制御の有無による特性を示す。（ａ）は本発明の制御を行ったときの特性例、（ｂ）は本発明の制御を行わず、ｄ軸分の電流は零とし、ｑ軸分の電流制御のみをトルクに応じて行う従来の制御の特性例を示す。
（ａ）の例は、ｄ軸電流指令Ｉｄをトルク指令Ｔ*のａまで零のままとし、トルク指令Ｔ*のａからトルクに比例して負の指令を増加させる。ｑ軸電流Ｉｑは（数５）から分かるようにトルクに比例させる。ｄ軸電流をこのように制御すると、ｄ、ｑ軸電流成分のベクトル和である電機子電流Ｉは、Ｉｑよりやや増加するものの、端子電圧Ｅｔは無負荷時からほとんど増加しない。このため、インバータ出力電圧の可変範囲を必要最低限度の適切なものにすることができる。この結果、インバータの容量の増加を抑えることができる。
一方、（ｂ）の例のように、ｄ軸分を零にすると、端子電圧Ｅｔは速度の増加とともに増大する。この結果、インバータの出力電圧は大きなものが必要になり、その結果、インバータの容量が増大する。
以上のように、本実施形態によれば、モータ端子電圧Ｅｔが負荷（トルク）の増加によらず上昇しないので、インバータ容量を低減することができ、また、モータの絶縁耐圧も増加させない。このため、小型かつ経済的な制御システムを提供することが可能になる。
なお、上記の例では、トルク指令ａからｄ軸電流指令を負に与えているが、トルク零から指令を与えてもよい。また、ｄ軸電流指令量は同期モータ５１のモータ定数によって変わることは云うまでもない。
【００１１】
図６は、図３に示した構成例とは別のｑ軸電流指令装置６３、ｄ軸電流指令装置６４の構成例を示す。図６において図３と同一番号は同一対象物を示す。
図６の構成例は、ｄ軸電流指令を回転速度に応じて変える例であり、ｄ軸電流指令装置６４２の詳細構成例を示す。モータの端子電圧Ｅｔは回転速度によって変わるので、ｄ軸電流指令をさらに回転速度に応じて変える。ｄ軸電流指令装置６４２は、トルク指令Ｔ*に応じた信号を出すパターン装置６４２１、回転速度に応じた信号を出すパターン装置６４２２、パターン装置６４２１と６４２２の積をとる掛算装置６４２３から構成する。掛算装置６４２３の出力はｄ軸電流指令信号Ｉｄ*となる。
パターン装置６４２１の出力は、トルク指令が小さいときは零であり、ある値を越すと、徐々に出力の絶対値が大きくなる。パターン装置６４２２の出力は、速度が小さいときは零であり、ある値を越すと、徐々に出力の絶対値が大きくなる。このようにすると、ｄ軸電流指令信号Ｉｄ*は、単にトルク指令Ｔ*に応じた信号になるだけなく、速度にも応じた値になる。すなわち、速度が低いときはｄ軸電流指令信号Ｉｄ*は零であり、ある速度以上からトルクに応じて徐々にｄ軸電流指令信号Ｉｄ*を出す。こうすると、ｄ軸電流指令信号Ｉｄ*が出されるのは定格速度に近く、さらに負荷が大きいときだけになる。このため、速度が低いときは、電流値が小さいので、インバータの電流容量も下げることができる。
【００１２】
図７は、本発明の他の実施形態を示す。図７において図１と同一番号は同一対象物を示す。本実施形態は、端子電圧を検出し、その端子電圧指令にしたがってｄ軸電流指令信号Ｉｄ*を出す点に特徴がある。
端子電圧指令装置６７は、トルク指令Ｔ*に応じて端子電圧を設定する。端子電圧の設定は、例えば図５（ａ）のように決める。電圧検出器６８は、インバータ６６の出力電圧すなわち同期モータ５１の端子電圧を検出する。ｄ軸電流指令装置６４２は端子電圧指令装置６７と電圧検出器６８の出力信号に応じて働く。ｄ軸電流指令装置６４２の出力はｄ軸電流指令信号Ｉｄ*となる。ｄ軸電流指令装置６４２は、端子電圧指令装置６７からの端子電圧指令信号と、電圧検出器６８からの端子電圧検出信号との偏差をとり、ｄ軸電流指令信号Ｉｄ*を出すようにフィードバック系を構成する。
このようにすると、実際の端子電圧は精度よく指令値に追従する。そのため、端子電圧は所定値を越えることがないので、インバータ６６の可出力電圧範囲の余裕を小さくすることができ、さらに、インバータの出力容量を低減することができる。
なお、本実施形態では、同期モータ５１の端子電圧を電圧検出器６８により検出して求めたが、インバータ６６の動作から出力電圧を演算できるので、実際値を検出せずに、端子電圧を求めることができる。また、ｄ軸電流指令Ｉｄ*はフィードバック系を構成して演算したが、端子電圧指令に基づいて直接演算してもよい。さらに、端子電圧が所定値を越えようとするときのみ、ｄ軸電流指令を出力すればよく、これ以外では零のままでよい。
【００１３】
以上説明した本発明の実施形態は、すべて電流のｄ、ｑ軸成分を指令するように構成したが、図２のベクトル図から分かるように、電流の大きさと位相を指令し、制御するようにしても構成することができる。
【００１４】
次に、図８は、本発明をエレベータに応用した実施形態を示す。図８において図１と同一番号は同一対象物を示す。同期モータ５１の軸端にシーブ２を接続し、シーブ２に巻付けられたロープ４を介して乗りかご１とカウンタウエイト３を接続する。同期モータ５１すなわちシーブ２の回転にしたがって、乗りかご１は昇降する。
図１の実施形態による制御方法は、図８に示すエレベータのような定トルク負荷特性をもつ駆動系に適用すると、効果があり、特に、過負荷が要求されるような駆動系に適用すると、さらに効果が大きい。
なお、このような駆動系に、図１の実施形態だけでなく、図７の実施形態を含む前記のすべての形態が適用できるのは云うまでもない。また、演算は、全ての実施形態においてマイクロコンピュータを用いて実施してよいことも云うまでもない。
【００１５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、モータのトルクに応じてｄ軸電流を制御することによって、また、モータの電機子電流の大きさと位相を制御することによって、モータ端子電圧の大きさの増加を抑制するので、モータの出力電圧、電流の増加を小さくすることができ、この結果、インバータ容量およびモータの絶縁耐圧の増加を抑制することが可能になる。このため、制御システム全体を小型かつ経済的に構築することができる。
また、モータの端子電圧を検出または演算し、その端子電圧指令に基づいてｄ軸電流指令信号を求めることにより、実際の端子電圧は精度よく端子電圧指令値に追従するので、モータの端子電圧は所定値を越えることがなく、インバータの可出力電圧範囲の余裕を小さくすることができ、さらに、インバータの出力容量を低減することができる。
また、本発明による制御方法は、エレベータのような定トルク負荷特性をもつ駆動系に適用すると、効果があり、特に、過負荷が要求されるような駆動系に適用すると、さらに効果が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による永久磁石式同期モータの制御方法を示す図
【図２】図１の制御原理を説明するためのベクトル図
【図３】図１のｑ軸電流指令装置、ｄ軸電流指令装置の構成例
【図４】図１の電流制御装置の具体的構成例
【図５】本発明による特性例を示す図
【図６】図１のｑ軸電流指令装置、ｄ軸電流指令装置の別の構成例
【図７】本発明の他の実施形態
【図８】本発明の応用例
【符号の説明】
５１…同期モータ、５２…位置検出器、５２…速度検出器、６３、６３１…ｑ軸電流指令装置、６４、６４１、６４２…ｄ軸電流指令装置、６４２１…トルク指令に応じた信号を出すパターン装置、６４２２…回転速度に応じた信号を出すパターン装置、６４２３…掛算装置、６５…電流制御装置、６６…インバータ、６７…端子電圧指令装置、６８…電圧検出器

Claims (2)

1. 可変電圧、可変周波数の電力変換器によって駆動される永久磁石式同期モータの制御方法であって、トルク指令に応じて設定した端子電圧と前記電力変換器の動作から演算したモータの端子電圧に基づいて前記モータの磁界と同方向の電流成分であるｄ軸電流成分を求め、前記モータの定格速度付近の端子電圧が高くなる領域から前記ｄ軸電流成分を前記モータのトルクに応じて制御し、前記端子電圧の上昇を抑制することを特徴とする永久磁石式同期モータの制御方法。
2. 請求項１の永久磁石式同期モータの制御方法であって、定トルク負荷特性をもつ駆動系に適用することを特徴とする永久磁石式同期モータの制御方法。

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