JP3695805B2

JP3695805B2 - 誘導電動機の制御装置

Info

Publication number: JP3695805B2
Application number: JP26409995A
Authority: JP
Inventors: 一真大蔵; 康彦北島
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1995-10-12
Filing date: 1995-10-12
Publication date: 2005-09-14
Anticipated expiration: 2015-10-12
Also published as: JPH09117200A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘導電動機の高効率駆動制御装置に係わり、特に力行と回生を行う誘導電動機の駆動制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の誘導電動機の高効率駆動方法としては、例えば、特開平７−３１１７８号公報および特願平５−２０７４１８号に記載されているものがある。この制御方法は、定常的には回転子磁束を与えられたトルク指令値において定常損失を最小とするように制御し、過渡的には磁束応答をトルク応答に応じた最適な値とすることによって、定常損失ならびに過渡損失を軽減するように構成したものである。
【０００３】
具体的には、図７および図８示すとおりの構成である。図７はシステム全体の構成を示すブロック図、図８は図７における高効率駆動制御演算部１の詳細を示すブロック図である。
まず、図７において１は、高効率駆動制御演算部であり、例えば、電気自動車のアクセルペダル等の操作量に対応したトルク指令値Ｔｅ’と回転速度センサ５で検出した電動機回転速度Ｎ（ｒｐｍ）とを入力し、励磁電流指令値ｉΦ’、トルク電流指令値ｉＴ’および電流の位相角θを演算して出力する。また、２は座標変換部であり、電動機電源周波数で回転する座標系で演算された上記の励磁電流指令値ｉΦ’、トルク電流指令値ｉＴ’および電流の位相角θを三相交流電流指令値ｉｕ’、ｉｖ’、ｉｗ’に変換する。３は電流制御ＰＷＭインバータであり、誘導電動機４に流れる三相交流電流ｉｕ’、ｉｖ’、ｉｗ’をそれぞれの指令値に追従させる。５は誘導電動機４の回転速度を検出する回転速度センサ、６は電流制御ＰＷＭインバータ３に供給する直流電源である。
【０００４】
次に、図８において、１１は与えられたトルク指令値Ｔｅ’において誘導電動機の定常損失を最小とする回転子磁束Φｒ’を演算する定常損失最小磁束演算部、１４はトルク指令値Ｔｅ’を入力とし、所定のローパス特性を有する伝達関数に基づいて誘導電動機の目標トルクＴｍを演算する目標トルク演算部、１２は定常損失最小磁束Φｒ’と目標トルク演算部１４で用いられたローパス特性において、誘導電動機の過渡損失を最小となるローパス特性を有する伝達関数に基づいて目標磁束Φｒおよび目標磁束の一階微分ｄΦｒ／ｄｔを演算する目標磁束演算部、１３は励磁電流演算部、１５はトルク電流演算部、１６はすべり周波数演算部、１７は電動機回転数演算部、１８は積分演算部である。つまり、定常損失最小磁束演算部１１と目標磁束演算部１２と目標トルク演算部１４とを一般的なベクトル制御演算部に付加し、トルク応答性と磁束応答性とを独立に可変できる制御構成とすることにより、上記効果を達成するものである。
【０００５】
ところで、電気自動車の場合、上記トルク指令値Ｔｅ’は、アクセルペダルの操作量と前進／後退シフトスイッチとに応じて演算される。例えば、図９に示すトルク指令演算部２０はアクセルペダルの操作量αに対応したトルクを演算する係数回路２０１、係数回路２０１の出力の符号を反転する反転回路２０２、前進／後退シフトスイッチ信号Ｆ／Ｒに応じて係数回路２０１あるいは反転回路２０２の出力のいずれかをトルク指令値Ｔｅ’として出力するマルチプレクサ２０３とから構成される。ここでは、Ｆ／Ｒが０のとき前進、１のとき後退であり、マルチプレクサ２０３は、Ｆ／Ｒが０のとき係数回路２０１の出力を、１のとき反転回路２０２の出力を選択するものとしている。したがって、トルク指令演算部２０はアクセルペダルの操作量に応じて、シフトスイッチが前進のとき正のトルク指令値Ｔｅ’を、後退のとき負のトルク指令値Ｔｅ’をそれぞれ出力することになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来、電動フォークリフトの走行用電動機には直流電動機が用いられてきたが、ブラシ等のメンテナンスが不要になることや電動機の効率が向上するという点で、誘導電動機が採用されるようになってきている。フォークリフトでは、例えば、前進力行中にシフトスイッチを後退側に入れて、回生制動で減速し、そのまま後退力行に移行するという電気自動車では通常されない操作を頻繁に行う。上記のような従来の誘導電動機の高効率駆動制御方法を用いて、このような操作を行った場合の動作を図１０に示す。電動機の出力トルクはＴｅである。
【０００７】
この例では、フォークリフトが停止した状態かつシフトスイッチＦ／Ｒを前進位置の状態で、アクセルペダルの操作量αを０からα１まで操作する。それに伴い、トルク指令値Ｔｅ’は０からＴ１まで上昇する。目標トルクＴｍは、トルク指令値Ｔｅ’に対して所定のローパス特性を有して０からＴ１まで立ち上がる。また、トルク指令値Ｔｅ’の値Ｔ１に対する定常損失最小磁束Φｒ’の値はΦ１であり、目標磁束Φｒは、過渡損失を最小とするローパス特性を有して０からΦ１まで立ち上がる。そのとき、電動機の三相交流電流はｉｕのように制御され、電動機の出力トルクＴｅも目標トルクＴｍ通りに制御されて、電動機回転速度Ｎは加速して行くことがわかる。
【０００８】
次に、時刻ｔ１において、アクセルペダルの操作量はα１のままで、シフトスイッチＦ／Ｒを後退位置に切り換える。すると、トルク指令値Ｔｅ’は−Ｔ１となり、目標トルクＴｍは、所定のローパス特性を有してＴ１から−Ｔ１まで立ち下がる。また、トルク指令値Ｔｅ’の値Ｔ１と−Ｔ１で絶対値が変わらないので、定常損失最小磁束Φｒ’の値はΦ１のままであり、したがって、目標磁束ΦｒもΦ１のままである。電動機の三相交流電流はｉｕのように制御され、電動機の出力トルクＴｅも目標トルク通りに制御されて、電動機回転速度Ｎは減速していく。ここで、回転速度Ｎが正の領域は回生制御を行い、負の領域は力行を行っている。
【０００９】
上記のように、目標トルクＴｍは、トルク指令値Ｔｅ’に対してローパス特性を有する伝達関数の出力であるため、シフトスイッチＦ／Ｒを切り換えるトルク指令値Ｔｅ’の極性が反転する際、目標トルクＴｍの極性がすぐには反転しない。そのため、車両が前進中に操作者が減速しようとしてシフトスイッチを切り換えても、しばらくは加速することになる。したがって、操作者の意図と異なる車両の動きを招き、また、応答性に対する不満を与えるという問題が生じる。
【００１０】
また、上記問題は、フォークリフトのシフトスイッチ切り換え時のみに起こることではなく、一般の誘導電動機の駆動モードが力行から回生あるいは回生から力行へ移行する際に、つまりトルク指令値の極性が反転するときに起きるものである。
【００１１】
本発明は、上記のごとき従来の問題を解決するためになされたものであり、定常ならびに過渡の損失を最小としつつ、力行から回生および回生から力行への移行を速やかに行う誘導電動機の制御装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明においては、トルク指令値と誘導電動機の回転速度に応じて電流指令値を算出し、その電流指令値に対応した多相交流電流で誘導電動機を駆動する誘導電動機の制御装置において、与えられたトルク指令値において誘導電動機の定常損失を最小とする回転子磁束を演算する定常損失最小磁束演算部と、上記定常損失最小磁束を入力し、ローパス特性を有する伝達関数に基づいて目標磁束および目標磁束の一階微分値を演算する目標磁束演算部と、上記トルク指令値を入力し、入力した該トルク指令値から所定のローパス特性を有する伝達関数に基づいて誘導電動機の目標トルクを演算して出力し、かつトルク指令値の極性が反転する際には、入力した上記トルク指令値の値を目標トルクとして出力する目標トルク演算部と、上記誘導電動機の回路常数に基づき、上記目標磁束と上記目標磁束の一階微分値と上記目標トルクと上記誘導電動機の回転速度とに応じて上記電流指令値を演算するベクトル制御演算部と、上記誘導電動機に流れる電流を上記電流指令値に追従させる電動機駆動部と、を備え、上記誘導電動機の出力トルクを上記目標トルクに対応した値とするように制御するようにした。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を発明の実施の形態に基づいて説明する。
【００１４】
（実施の形態）
以下、この発明を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施の実施の形態１を示す図であり、電動フォークリフトの走行用電動機システム全体の構成を示すブロック図は従来技術で説明した図７と同じであり、また図７のトルク指令値Ｔｅ’を出力する指令演算部は図９と同じであるのでここでは省略する。図１は図７における高効率駆動制御演算部１の詳細を示すブロック図である。
【００１５】
３０はトルク指令値Ｔｅ’の極性の変化を検出し、極性変化タイミング信号Ｃｐを出力する極性変化検出部、３１は伝達関数の入力としてトルク指令値Ｔｅ’をリセット信号として極性変化タイミング信号Ｃｐを、リセット時の出力初期値として０をそれぞれ入力とし、トルク指令値Ｔｅ’に対して、所定のローパス特性を有する伝達関数に基づいて誘導電動機の目標トルクＴｍを演算し、また、極性タイミング信号Ｃｐが入力された際にこの伝達関数をリセットし、出力である目標トルクＴｍを０とする目標トルク演算部である。その他、従来技術で説明した図８と同じ番号のブロックは、機能が同じなのでここでの説明は省略する。
【００１６】
次に作用を説明するが、本実施の形態１の特徴とする部分ついての図２に示す波形図に沿って詳細に説明する。
図２に示す波形図は、従来技術の説明と同じくフォークリフトが停止した状態かつシフトスイッチＦ／Ｒを前進位置の状態で、アクセルペダルの操作量αを０からα１まで操作した後、時刻ｔ１において、アクセルペダルの操作量αをα１のまま、シフトスイッチＦ／Ｒを後退位置に切り換えた場合のものである。
【００１７】
時刻ｔ１までは従来技術と同じであるが、シフトスイッチＦ／Ｒを後退位置に切り換えると、図９のトルク指令演算部２０の出力であるトルク指令値Ｔｅ’はＴ１から−Ｔ１に変化する。すると、トルク指令値Ｔｅ’の極性が変化するので、極性変化タイミング信号Ｃｐが極性変化検出部３０から出力される。したがって、目標トルク演算部３１の伝達関数の出力は０にリセットされ、伝達関数の入力であるトルク指令値Ｔｅ’の値は−Ｔ１であるので、目標トルクＴｍの値は０となり、それ以降、所定のローパス特性を有して０から−Ｔ１まで立ち下がる。また、トルク指令値Ｔｅ’の値がＴ１と−Ｔ１で絶対値が変わらないので、定常損失最小磁束Φｒ’の値はΦ１のままであり、したがって、目標磁束ΦｒもΦ１のままである。電動機の三相交流電動はｉｕのように制御され、電動機の出力トルクＴｅも目標トルク通りに制御されて、電動機回転速度Ｎは減速していく。ここで、回転速度Ｎが正の領域は回生制御を行い、負の領域は力行を行っている。このように、本実施の形態１では定常時および過渡時における回転子磁束の制御は従来技術と同じであり、つまり定常損失も過渡損失も最小となる。しかも、トルク指令値の極性が変化する際に、速やかに力行動作から回生動作に移行している。図１０と図２において、時刻ｔ１から回転速度Ｎが０となる時間は、明らかに本実施の形態１が短い。
なお、実施の形態１では、電動フォークリフトの前進走行中のシフトスイッチ切り換え時を例に挙げて説明したが、一般の誘導電動機が力行動作から回生動作、あるいは回生動作から力行動作に移行する際に、本発明の効果は得られる。
【００１８】
図３は、本発明の実施の形態２を示す図であり、実施の形態１の図１における目標トルク演算部３１を目標トルク演算部３２に変更したものである。目標トルク演算部３２は伝達関数の入力としてトルク指令値Ｔｅ’をリセット信号として極性変化タイミング信号Ｃｐを、リセット時の出力初期値としてトルク指令値Ｔｅ’をそれぞれ入力とし、トルク指令値Ｔｅ’に対して所定のローパス特性を有する伝達関数に基づいて誘導電動機の目標トルクＴｍを演算し、また、極性タイミング信号Ｃｐが入力された際にこの伝達関数をリセットし、出力である目標トルクＴｍをその時点のトルク指令値Ｔｅ’の値とするものである。
【００１９】
次に作用を図４に示す波形図に沿って説明する。
図４に示す波形図は、実施の形態１の説明と同じくフォークリフトが停止した状態かつシフトスイッチＦ／Ｒを前進位置の状態で、アクセルペダルの操作量αを０からをα１ままで操作した後、時刻ｔ１において、アクセルペダルの操作量αをα１のままで、シフトスイッチＦ／Ｒを後退位置に切り換えた場合のものである。時刻ｔ１までは実施の形態１と同じであるが、シフトスイッチＦ／Ｒを後退位置に切り換えると、図９のトルク指令演算部２０の出力であるトルク指令値Ｔｅ’はＴ１から−Ｔ１に変化する。すると、トルク指令値Ｔｅ’の極性が変化するので、極性変化タイミング信号Ｃｐが極性変化検出部３０から出力される。したがって、目標トルク演算部３２の伝達関数の出力はその時点のトルク指令値Ｔｅ’の値−Ｔ１にリセットされ、伝達関数の入力であるトルク指令値Ｔｅ’の値は−Ｔ１であるので、目標トルクＴｍの値は−Ｔ１となり、それ以降、−Ｔ１のままである。また、トルク指令値Ｔｅ’の値がＴ１と−Ｔ１で絶対値が変わらないので、定常損失最小磁束Φｒ’の値はΦ１のままであり、したがって、目標磁束ΦｒもΦ１のままである。電動機の三相交流電動はｉｕのように制御され、電動機の出力トルクＴｅも目標トルク通りに制御されて、電動機回転速度Ｎは減速していく。ここで、回転速度Ｎが正の領域は回生制御を行い、負の領域は力行を行っている。
【００２０】
このように、実施の形態２では定常時および過渡時における回転子磁束の制御は従来技術と同じであり、つまり定常損失も過渡損失も最小となる。しかも、トルク指令値の極性が変化する際に、速やかに力行動作から回生動作に移行し、かつトルク指令値Ｔｅ’に対して電動機の出力トルクＴｅが速やかに追従している。図２と図４において、時刻ｔ１から回転速度Ｎが０となる時間は、明らかに本実施例が短い。
なお、実施の形態２では、電動フォークリフトの前進走行中のシフトスイッチ切り換え時を例に挙げて説明したが、誘導電動機が力行動作から回生動作、あるいは回生動作から力行動作に移行する際に、本発明の効果は得られる。
【００２１】
図５は、本発明の実施の形態３を示す図であり、実施の形態１の図１における目標トルク演算部３１を目標トルク演算部３３と出力初期設定部３４に変更したものである。出力初期設定部３４はトルク指令値Ｔｅ’を入力とし、所定の演算によって出力初期値Ｔｒｅｓを演算するもので、目標トルク演算部３３は伝達関数の入力としてトルク指令値Ｔｅ’を、リセット信号として極性変化タイミング信号Ｃｐを、リセット時の出力初期値として出力初期値Ｔｒｅｓをそれぞれ入力し、トルク指令値Ｔｅ’に対して所定のローパス特性を有する伝達関数に基づいて誘導電動機の目標トルクＴｍを演算し、また、極性タイミング信号Ｃｐが入力された際にこの伝達関数をリセットし、出力である目標トルクＴｍをその時点の出力初期値Ｔｒｅｓの値とするものである。
【００２２】
次に作用を図６に示す波形図に沿って説明する。
図６に示す波形図は、実施の形態１と同じくフォークリフトが停止した状態かつシフトスイッチＦ／Ｒを前進位置の状態で、アクセルペダルの操作量αを０からをα１ままで操作した後、時刻ｔ１において、アクセルペダルの操作量αをα１のままで、シフトスイッチＦ／Ｒを後退位置に切り換えた場合のものである。時刻ｔ１までは従来技術と同じであるが、シフトスイッチＦ／Ｒを後退位置に切り換えると、図９のトルク指令演算部２０の出力であるトルク指令値Ｔｅ’はＴ１から−Ｔ１に変化する。すると、トルク指令値Ｔｅ’の極性が変化するので、極性変化タイミング信号Ｃｐが極性変化検出部３０から出力される。したがって、目標トルク演算部３３の伝達関数の出力はその時点の出力初期値Ｔｒｅｓの値にリセットされる。いま、出力初期設定部３４の演算内容を式１のようにすると、この時点での出力初期値Ｔｒｅｓの値は−Ｔ１／２となるので、目標トルクＴｍの値は−Ｔ１／２となり、伝達関数の入力であるトルク指令値Ｔｅ’の値は−Ｔ１であるので、それ以降、所定ローパス特性を有して−Ｔ１／２から−Ｔ１まで立ち下がる。また、トルク指令値Ｔｅ’の値がＴ１と−Ｔ１で絶対値が変わらないので、定常損失最小磁束Φｒ’の値はΦ１のままであり、したがって、目標磁束ΦｒもΦ１のままである。電動機の三相交流電動はｉｕのように制御され、電動機の出力トルクＴｅも目標トルク通りに制御されて、電動機回転速度Ｎは減速していく。ここで、回転速度Ｎが正の領域は回生制御を行い、負の領域は力行を行っている。
【００２３】
Ｔｒｅｓ＝Ｔｅ’×０．５ …（式１）
このように、実施の形態３では、定常および過渡時における回転子磁束の制御は実施の形態１と同じであり、つまり定常損失も過渡損失も最小となる。しかも、トルク指令値の極性が変化する際に、速やかに力行動作から回生動作に移行しできる。また、移行する際の目標トルクをトルク指令値の関数とする事により、システムスイッチの切り換え時のトルク応答を設定することができる。
【００２４】
なお、実施の形態３では、出力初期設定部３４の関数を固定としていたが、実施の形態１においては、関数を例えば式２のごとくしたものであると考えられ、また、第２の実施例においては、関数を例えば式３のごとくしたものであると考えられる。
【００２５】
Ｔｒｅｓ＝Ｔｅ’×０ …（式２）
Ｔｒｅｓ＝Ｔｅ’×１ …（式３）
すなわち、関数を可変とすることでシフトスイッチの切り換え時のトルク応答を可変にすることができる。例えば、フォークリフトの積載量によって可変することにより、操作者が体感する変速ショックを自動で調整することができる。
【００２６】
以上説明したように本発明においては、トルク指令値の極性が反転する際に、目標トルクをトルク指令値の値とするようにしたので、力行から回生あるいは回生から力行への移行を速やかに行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における高効率駆動制御演算部を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態１における動作を示す波形図である。
【図３】本発明の実施の形態２における高効率駆動制御演算部を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施の形態２における動作を示す波形図である。
【図５】本発明の実施の形態３における高効率駆動制御演算部を示すブロック図である。
【図６】本発明の実施の形態３における動作を示す波形図である。
【図７】従来例におけるシステム全体を示すブロック図である。
【図８】従来例における高効率駆動制御演算部を示すブロック図である。
【図９】従来例におけるトルク指令演算部を示すブロック図である。
【図１０】従来例における動作を示す波形図である。
【符号の説明】
１１定常損失最小磁束演算部
１２目標磁束演算部
１３励磁電流演算部
１５トルク電流演算部
１６すべり周波数演算部
１７モータ回転数演算部
１８積分演算部
３０極性変化検出部
３１目標トルク演算部
３２目標トルク演算部
３３目標トルク演算部
３４出力初期値設定部

Claims

トルク指令値と誘導電動機の回転速度に応じて電流指令値を算出し、その電流指令値に対応した多相交流電流で誘導電動機を駆動する誘導電動機の制御装置において、
与えられたトルク指令値において誘導電動機の定常損失を最小とする回転子磁束を演算する定常損失最小磁束演算部と、
上記定常損失最小磁束を入力し、ローパス特性を有する伝達関数に基づいて目標磁束および目標磁束の一階微分値を演算する目標磁束演算部と、
上記トルク指令値を入力し、入力した該トルク指令値から所定のローパス特性を有する伝達関数に基づいて誘導電動機の目標トルクを演算して出力し、かつトルク指令値の極性が反転する際には、入力した上記トルク指令値の値を目標トルクとして出力する目標トルク演算部と、
上記誘導電動機の回路常数に基づき、上記目標磁束と上記目標磁束の一階微分値と上記目標トルクと上記誘導電動機の回転速度とに応じて上記電流指令値を演算するベクトル制御演算部と、
上記誘導電動機に流れる電流を上記電流指令値に追従させる電動機駆動部と、を備え、
上記誘導電動機の出力トルクを上記目標トルクに対応した値とするように制御する誘導電動機の制御装置。