JP3683371B2 - 永久磁石形同期電動機の速度制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石形同期電動機の速度制御方法に関する。特に、速度検出器を必要としない速度制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
永久磁石形同期電動機の速度を制御する場合、従来は、磁極の位置を検出する磁極検出器、該電動機の回転速度を検出する速度検出器、さらには各相巻線に流れる電流を検出する電流検出器を必要とする。そして、速度指令と上記速度検出器からの速度フィードバック信号に基づいて速度のフィードバック制御を行なってトルク指令（電流指令）を求め、該トルク指令と上記磁極位置検出器で検出される位相に合わせて各相の電流指令を求め、該各相の電流指令と上記電流検出器から検出される各相毎の実電流値により電流ループ制御を行なって、各相の巻線に流す電流を制御して、電動機を駆動制御して、速度制御を行なっている。
【０００３】
一方、３相電流をＤＱ変換してｄ相の無効電流成分とｑ相の実行電流成分の直交する２つの直流成分に分離して電流制御を行なうＤＱ制御方式が公知である。
【０００４】
このＤＱ制御方式では、電流検出器で検出される各相の電流値と磁極位置検出器で検出される位相によって、３相電流値からｄ相、ｑ相の電流値を求めるＤＱ変換を行ない、得られたｄ相、ｑ相の電流値を電流フィードバック値とする。そして速度ループから出力されるトルク指令値をｑ相の電流指令値、ｄ相の電流指令値を「０」として、このｄ相、ｑ相の電流指令値、電流フィードバック値より、積分、比例のフィードバック制御を行なってｄ相、ｑ相の指令電圧を求め、さらに、このｄ相、ｑ相の指令電圧から、電動機を駆動する３相の各指令電圧に変換するＤＱ変換を行なって３相の指令電圧を求める。そして、該３相の指令電圧に基づいてインバータ等のアンプを駆動制御して電動機を駆動制御している（特願平７−２６１０４２号等参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように永久磁石形同期電動機の速度を制御する場合、速度フィードバック制御を行なう必要があり、そのために速度検出器を必要とする。一方、速度フィードバック制御を行なわない場合には、電流ループに対してトルク指令を出力することになり電動機の速度制御が非常に困難になる。
そこで、本発明の目的は、速度検出器を必要としない永久磁石形同期電動機の速度制御方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電流制御を有効電流のｑ相電流と無効電流のｄ相電流に分離し直流で制御するＤＱ制御方法を利用するものである。このＤＱ制御方法におけるｑ相電圧指令を指令速度に比例する電圧に負荷の大きさに比例する電圧を加算した電圧とする。又、ｄ相電圧指令を上記負荷の大きさ及び指令速度に比例する大きさの電圧とする。そして、このｑ相電圧指令、ｄ相電圧指令から永久磁石形同期電動機の各相電圧指令を求め、該各層電圧指令によって永久磁石形同期電動機を駆動制御する。これにより速度検出器及び電流検出器を使用したフィードバック制御を行うことなく指令した上記指令速度に近い速度で永久磁石形同期電動機を駆動制御することができる。
【０００７】
特に、上記ｑ相電圧指令は、電動機の逆起電力定数に上記指令速度を乗じて得られる電圧と負荷の大きさによって決まる必要とする電流値に電動機の巻線抵抗を乗じて得られる電圧の和とする。又、上記ｄ相電圧指令は、指令速度に対応する電気角速度と巻線インダクタンスの値と上記負荷の大きさによって決まる必要とする電流値を乗じて得られる電圧とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、ＤＱ変換を施して電流制御を行なうときの電流制御ブロックである。ｄ相コントローラ、ｑ相コントローラは積分項１，２（Ｋ１は積分ゲイン）と比例項３，４（Ｋ２は比例ゲイン）を備える制御系であり、電動機側は巻線抵抗ＲとインダクタンスＬとを備えている。又、各ｄ相、ｑ相は、互いに他の相からの干渉項５，６を有している。
【０００９】
ｄ相コントローラへのｄ相電流指令Ｉｄを「０」とし、ｑ相コントローラへのｑ相電流指令Ｉｑをトルク指令（電流指令）Ｉとして制御する。この電流制御ブロック図から分かるように、電動機が一定回転になった定常状態では、電流の変化はないので、電動機のインダクタンス分Ｌによる電圧降下は無視できるから、ｑ相コントローラから出力されるｑ相電圧指令Ｖｑは、電動機の電気角速度ωｅに比例する逆起電力Ｅ＝ωｅ・Φ（Φは界磁束であり一定）と電流Ｉｑ（＝Ｉ）に電動機巻線抵抗Ｒを乗じた値を加算した値となる。
【００１０】
すなわち、永久磁石形同期電動機がある一定速度ｖで制御対象の負荷を駆動しているときの流れる電流がＩであったとき、ｑ相コントローラから出力されているｑ相電圧指令Ｖｑは次の第１式で表される。
【００１１】
Ｖｑ＝Ｋｅ・ｖ＋Ｒ・Ｉ …（１）
なお、Ｋｅは逆起電力定数、Ｒは電動機の巻線抵抗である。
【００１２】
又、ｄ相電圧指令Ｖｄは、干渉項５による分であり次の第２式となる。
Ｖｄ＝ωｅ・Ｌ・Ｉ …（２）
そこで、制御対象毎（負荷値毎）に指令速度ｖで回転させたときに発生する負荷トルクに対応する電流値Ｉを予め測定しておき、図２に示すように、指令速度ｖと該指令速度ｖに対応する電流値Ｉより上記第１式の演算を行なってｑ相電圧指令とし（ブロック１１）、又、指令速度ｖより求められる電気角速度ωｅ、巻線インダクタンスＬ及び電流値Ｉより、上記第２式の演算を行なってｄ相電圧指令Ｖｄとし（ブロック１０）、このｑ相、ｄ相の各電圧指令Ｖｑ、Ｖｄと、電動機巻線と磁石の位置関係（位相）を検出する磁極検出器１５からの信号θによって、ＤＱ変換を行なって（ブロック１２）、３相Ｒ，Ｓ，Ｔの各相電圧指令を求め、該各Ｒ，Ｓ，Ｔ相電圧指令でアンプ１３を駆動制御して電動機１４を駆動すれば、電動機１４は指令速度ｖで回転することを意味する。その結果、永久磁石形同期電動機１４を速度検出器なしで、かつ速度フィードバック制御を行なわずに速度を指令速度で制御することができることを意味する。
【００１３】
図３は、本発明を実施する一実施形態のブロック図である。符号２０は、本発明の方法で速度制御される永久磁石形同期電動機４によって駆動制御される機械等の制御対象を制御する制御装置、２１は上記永久磁石形同期電動機１４を本発明の方法により制御するモータ制御装置であり、プロセッサ（ＣＰＵ）、ＲＯＭ、ＲＡＭ等のメモリ、入出力回路等で構成されている。１３は直流電圧を可変電圧、可変周波数の交流に変換するインバータ等で構成されるアンプである。該アンプ１３によって、永久磁石形同期電動機１４を駆動制御する。又、１５は電動機巻線と磁石の位置関係の位相θを検出する磁極検出器であり、検出された位相θはモータ制御装置２１にフィードバックされている。
【００１４】
電動機１４で駆動される制御対象の負荷の大きさ毎（必要とする負荷トルクの大きさ毎）に、指令速度ｖに対する必要電流値Ｉが予め測定され、制御装置１に設定記憶されている。そこで、負荷値と指令速度をプログラムもしくは手動で設定し、駆動指令を入力すると制御装置１は入力された指令速度ｖと負荷値より、対応する設定指令電流値Ｉを読み出し、該読み出した必要電流値Ｉと指令速度ｖをモータ制御装置２１に出力する。
【００１５】
モータ制御装置２１のプロセッサは駆動指令が入力されると、図４にフローチャートで示す処理を実行する。
まず、制御装置２０から出力された指令速度ｖと必要電流値Ｉを読み取り（ステップＳ１、Ｓ２）、第１式の演算を行なってｑ相電圧指令Ｖｑを求める（ステップＳ３）。すなわち、読み取った指令速度ｖに逆起電力定数Ｋｅを乗じた値に、読み取った必要電流値Ｉに巻線抵抗Ｒを乗じた値を加算してｑ相電圧指令Ｖｑを求める。
【００１６】
又、第２式の演算、すなわち、指令速度ｖから該指令速度ｖに対応する電気角速度ωｅを求め、該電気角速度ωｅに巻線インダクタンスＬ及び読み取った必要電流値Ｉを乗じてｄ相電圧指令Ｖｄを求める（ステップＳ４）。なお、電動機の速度と電気角速度は比例関係にあり、巻線インダクタンスＬは一定値であるから、このｄ相電圧指令Ｖｄは、指令速度ｖと必要電流値Ｉと所定の比例定数を乗じて求めればよい。
【００１７】
そして、磁極検出器１５からフィードバックされてくる磁極位相θを読み取り（ステップＳ５）、この磁極位相θと、ステップＳ３，Ｓ４で求めたｑ相電圧指令Ｖｑ、ｄ相電圧指令Ｖｄより、第３式の演算をおこなってＤＱ変換を行ない、Ｒ，Ｓ，Ｔ相の電圧指令Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔを求め、アンプ１３に出力する（ステップＳ６，Ｓ７）。
【００１８】
【数１】

アンプ１３のインバータでは電圧指令Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔに基づいてＰＷＭ制御を行ない永久磁石形同期電動機１４を指令速度ｖで駆動することになる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明は、速度検出器を必要とせず、さらに電流検出器も必要とせず、単にロータと巻線の位置関係を示す信号（位相）を出力する磁極検出器のみで、目標とする指令速度にほぼ近い速度で永久磁石形同期電動機を駆動制御することができる。本発明は高い精度の速度制御を行なうことは難しいが、所定トルクを出力し、ほぼ指令目標速度で回転すればよいような制御対象に対する電動機の速度制御には適し、低コストの速度制御方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、ＤＱ変換を施して電流制御を行なうときの電流制御ブロックである。
【図２】図２は、本発明の一実施形態における速度制御方法のブロック図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態を実施する電動機制御系のブロック図である。
【図４】図４は、同実施形態におけるモータ制御装置のプロセッサが実行する速度制御処理のフローチャートである。
【符号の説明】
１ 制御装置
２ モータ制御装置
３ アンプ
４ 永久磁石形同期電動機
５ 磁極検出器

Claims (2)

1. 交流である実電流を有効電流のｑ相電流と無効電流のｄ相電流に分離し直流で制御するＤＱ制御方法におけるｑ相電圧指令を指令速度に比例する電圧と負荷の大きさに比例する電圧の和電圧とし、ｄ相電圧指令を上記負荷の大きさ及び指令速度に比例する大きさの電圧とし、このｑ相電圧指令、ｄ相電圧指令から永久磁石形同期電動機の各相電圧指令を求め、該各相電圧指令によって永久磁石形同期電動機を駆動制御することにより、速度検出器及び電流検出器を使用したフィードバック制御を行うことなく上記指令速度に近い速度及び負荷で駆動する永久磁石形同期電動機の速度制御方法。
2. 上記ｑ相電圧指令は、電動機の逆起電力定数に上記指令速度を乗じて得られる電圧と負荷の大きさによって決まる必要とする電流値に電動機の巻線抵抗を乗じて得られる電圧の和であり、上記ｄ相電圧指令は、指令速度に対応する電気角速度と巻線インダクタンスの値と上記負荷の大きさによって決まる必要とする電流値を乗じて得られる電圧である請求項１記載の永久磁石形同期電動機の速度制御方法。

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