JP3707251B2 - 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、特に電動機の磁束およびトルクを高精度制御する同期電動機制御に関する。
【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ｄ，ｑ軸から負荷角δだけ回転した、回転磁界座標のＭ，Ｔ軸を基準座標に用いて、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。
【０００３】
ここで、ＭＴ軸は磁束ΦのＴ軸成分φｔ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ことを仮定する。この時、電機子鎖交磁束ΦはＭ軸にのみ存在するためΦ＝φｍであり、φｍを制御することにより磁束の大きさが制御される。そして、磁束が一定の時、トルクは電機子電流のＴ軸成分Ｉｔに比例するため、Ｉｔを制御することによりトルクが制御される。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のように示される。
【０００４】
ベクトル制御により同期電動機を駆動した場合、負荷の大きさにより負荷角δは変化し、また同期電動機を安定に駆動できる範囲は負荷角δが−９０度＜δ＜９０度であることがわかっている。ここで、特に界磁弱め域で負荷が急変した場合、同期電動機の負荷角が過渡的に安定範囲を越えてしまい制御不能になる問題があるため、例えば特開平4−150789 号に記載されたものでは、制御演算によりδ推定値δ＾を求める際、リミッタ回路を具備し、δ＾を設定値以下に制限し、不安定（磁束およびトルク低下）を防止している。しかしながら、この方法ではδ＾がリミッタ設定値で制限された時、ベクトル制御が不完全となり、磁束変動（低下）及びトルク低下の問題がある。また、δ値を低減するように同期電動機を設計すると、電動機は大型化する問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、前述した従来方法における問題を解決し、同期電動機を安定に運転できる制御装置を得ること、また、これにより過負荷運転範囲の拡大および電動機の小型化を図ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の制御装置は、負荷角δの最大値を任意に設定し、磁束とトルク電流条件より変化するδが前記設定値を超過する場合は、磁束値とトルク電流値に基づきＭ軸上の励磁電流Ｉｍを制御することにより、負荷角δを所定値以下に抑制することで、同期電動機を安定に運転できる。また、δの最大値を任意に設定できるため、δに関する電動機設計上の制約を取り除くことができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【０００８】
図１に、本発明の一実施形態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は速度指令発生器、２は速度制御器、３は磁束指令演算器、４は界磁電流により磁束を制御する界磁指令演算器、５は電機子電流制御器、６は界磁電流制御器、７はモータ磁束及び負荷角δを検出する磁束オブザーバ、８，９はＭＴ軸とｄｑ軸間の座標変換器、１０，１１はｄｑ軸とｕｖｗ軸間の座標変換器、１２，１３は電力変換器、１４は電機子電流検出器、１５は界磁電流検出器、１６は電機子電圧検出器、１７は同期電動機、１８は該同期電動機１７の速度／位置検出器であり、１９は本発明により付加したもので、磁束値とトルク電流値に基づき励磁電流Ｉｍを制御することで負荷角δを抑制するδ抑制器である。
次に動作の概要について説明する。まず、同期電動機１７の回転速度は速度／位置検出器１８によって検出され、速度指令発生器１からの速度指令との偏差が速度制御器２に加えられ、これにより回転速度は該速度指令に一致するように制御される。そして、前記速度制御ループの内側には図１に示すように電流制御ループが設けられ、電機子電流及び界磁電流は、電機子電流検出器１４及び界磁電流検出器１５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６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。これらは磁束オブザーバ７において電機子電流と電機子電圧からモータ磁束推定値φｄ，φｑを検出し、この磁束推定値を用いて演算される。演算されたδ推定値は座標変換器８及び９に用いられる。また、磁束Φは磁束オブザーバ７により演算され、磁束指令演算器３の出力と該演算値との偏差が界磁指令演算器４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。
【０００９】
従来、図１のδ抑制器１９が無い場合においては、界磁弱め域でトルクが大きくなると、δは９０度近くまで大きくなる。この時のベクトル図を図３に示す。図３より、この状態では磁束とｄ軸（界磁電流）がほぼ直交しているため、界磁制御により磁束を十分に制御できない。このため、トルク変動により磁束が変動し易く、これによりトルク低下を生じ易い。
【００１０】
次に、本発明の特徴部であるδ抑制器１９の動作について説明する。図４に本発明を適用した際のベクトル図を示す。本発明の原理は、Ｍ軸電流Ｉｍを負に制御することによりδの増加を抑制するものである。Ｍ軸電流Ｉｍを流した時のｑ軸磁束φｑの関係式は、
【００１１】
【数１】
φq＝ＬqＩq＝Ｌq（sinδ×Ｉm＋cosδ×Ｉt）＝Φsinδ …（数１）
となり、この式より負荷角δは、
【００１２】
【数２】
【００１３】
で表わされ、励磁電流Ｉｍで負荷角δを操作できることがわかる。このことに着目し、安定に運転可能な負荷角δの最大値δ~ を任意に設定し、δがこれを超える領域では、前記設定値δ~ とトルク電流検出値Ｉｔ＾及び磁束検出値Φ＾より
【００１４】
【数３】
【００１５】
式で演算される励磁電流Ｉｍ＊（演算値は負側となる）を流すことでδを安定な設定値δ~ に抑制することができ、定常的な制御系の安定化が可能となる。
【００１６】
次に、本発明の他の実施形態を図５を用いて説明する。
【００１７】
図において符号１〜１９は、図１の同じ番号のものと同一である。図１とは、速度制御器内の演算処理によりｄｑ軸電流指令が直接出力されており、制御系の安定化のために磁束値とトルク電流値に基づき励磁電流Ｉｍを制御する代りに、ｄｑ軸電流指令に補正量を加える点が異なる。補正量は励磁電流Ｉｍをｄｑに座標変換することで簡単に得られ、図１と同様の効果が得られる。
【００１８】
次に、本発明の他の実施形態を図６を用いて説明する。
【００１９】
図において符号１〜１９は、図１の同じ番号のものと同一である。図１との違いは、磁束値とトルク電流値に基づき励磁電流Ｉｍを制御する代りに、負荷角δの検出値がδ設定器２０において設定された設定値δ- を超えた時に、δ設定器の出力であるδ- と磁束オブザーバ７の出力であるδ検出値δ＾との偏差に基づき、励磁電流Ｉｍを制御する点が異なるが、図１と同様のδ抑制効果が得られる。
【００２０】
次に、本発明の他の実施形態を図７を用いて説明する。
【００２１】
図において符号１〜２０は、図６の同じ番号のものと同一である。図６との違いは、速度制御器内の演算処理によりｄｑ軸電流指令が直接出力されており、δ検出値が設定値δ- を超えた時に、δ設定器の出力であるδ- と磁束オブザーバ７の出力であるδ検出値δ＾との偏差に基づき励磁電流Ｉｍを制御する代りに、ｄｑ軸電流に補正量を加える点が異なる。補正量は励磁電流Ｉｍをｄｑに座標変換することで簡単に得られ、図６と同様の効果が得られる。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、負荷角δを所定値以下に抑制することで、同期電動機を安定に運転できる。また、δの最大値を任意に制限できるため、同期電動機の過負荷範囲を拡大できる。また、δに関する電動機設計上の制限が無いため、電動機は低コストな設計を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態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（回転子座標（ｄｑ軸）と磁束座標 （ＭＴ軸）の関係を示す説明図）。
【図３】負荷時の同期電動機のベクトル図。
【図４】本発明の作用を説明するベクトル図。
【図５】本発明の他の実施形態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】本発明の他の実施形態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】本発明の他の実施形態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】
４…界磁指令演算器、１７…同期電動機、１９…δ抑制器、２０…δ設定器。
【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、特に電動機の磁束およびトルクを高精度制御する同期電動機制御に関する。
【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ｄ，ｑ軸から負荷角δだけ回転した、回転磁界座標のＭ，Ｔ軸を基準座標に用いて、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。
【０００３】
ここで、ＭＴ軸は磁束ΦのＴ軸成分φｔ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ことを仮定する。この時、電機子鎖交磁束ΦはＭ軸にのみ存在するためΦ＝φｍであり、φｍを制御することにより磁束の大きさが制御される。そして、磁束が一定の時、トルクは電機子電流のＴ軸成分Ｉｔに比例するため、Ｉｔを制御することによりトルクが制御される。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のように示される。
【０００４】
ベクトル制御により同期電動機を駆動した場合、負荷の大きさにより負荷角δは変化し、また同期電動機を安定に駆動できる範囲は負荷角δが−９０度＜δ＜９０度であることがわかっている。ここで、特に界磁弱め域で負荷が急変した場合、同期電動機の負荷角が過渡的に安定範囲を越えてしまい制御不能になる問題があるため、例えば特開平4−150789 号に記載されたものでは、制御演算によりδ推定値δ＾を求める際、リミッタ回路を具備し、δ＾を設定値以下に制限し、不安定（磁束およびトルク低下）を防止している。しかしながら、この方法ではδ＾がリミッタ設定値で制限された時、ベクトル制御が不完全となり、磁束変動（低下）及びトルク低下の問題がある。また、δ値を低減するように同期電動機を設計すると、電動機は大型化する問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、前述した従来方法における問題を解決し、同期電動機を安定に運転できる制御装置を得ること、また、これにより過負荷運転範囲の拡大および電動機の小型化を図ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の制御装置は、負荷角δの最大値を任意に設定し、磁束とトルク電流条件より変化するδが前記設定値を超過する場合は、磁束値とトルク電流値に基づきＭ軸上の励磁電流Ｉｍを制御することにより、負荷角δを所定値以下に抑制することで、同期電動機を安定に運転できる。また、δの最大値を任意に設定できるため、δに関する電動機設計上の制約を取り除くことができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【０００８】
図１に、本発明の一実施形態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は速度指令発生器、２は速度制御器、３は磁束指令演算器、４は界磁電流により磁束を制御する界磁指令演算器、５は電機子電流制御器、６は界磁電流制御器、７はモータ磁束及び負荷角δを検出する磁束オブザーバ、８，９はＭＴ軸とｄｑ軸間の座標変換器、１０，１１はｄｑ軸とｕｖｗ軸間の座標変換器、１２，１３は電力変換器、１４は電機子電流検出器、１５は界磁電流検出器、１６は電機子電圧検出器、１７は同期電動機、１８は該同期電動機１７の速度／位置検出器であり、１９は本発明により付加したもので、磁束値とトルク電流値に基づき励磁電流Ｉｍを制御することで負荷角δを抑制するδ抑制器である。
次に動作の概要について説明する。まず、同期電動機１７の回転速度は速度／位置検出器１８によって検出され、速度指令発生器１からの速度指令との偏差が速度制御器２に加えられ、これにより回転速度は該速度指令に一致するように制御される。そして、前記速度制御ループの内側には図１に示すように電流制御ループが設けられ、電機子電流及び界磁電流は、電機子電流検出器１４及び界磁電流検出器１５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６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。これらは磁束オブザーバ７において電機子電流と電機子電圧からモータ磁束推定値φｄ，φｑを検出し、この磁束推定値を用いて演算される。演算されたδ推定値は座標変換器８及び９に用いられる。また、磁束Φは磁束オブザーバ７により演算され、磁束指令演算器３の出力と該演算値との偏差が界磁指令演算器４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。
【０００９】
従来、図１のδ抑制器１９が無い場合においては、界磁弱め域でトルクが大きくなると、δは９０度近くまで大きくなる。この時のベクトル図を図３に示す。図３より、この状態では磁束とｄ軸（界磁電流）がほぼ直交しているため、界磁制御により磁束を十分に制御できない。このため、トルク変動により磁束が変動し易く、これによりトルク低下を生じ易い。
【００１０】
次に、本発明の特徴部であるδ抑制器１９の動作について説明する。図４に本発明を適用した際のベクトル図を示す。本発明の原理は、Ｍ軸電流Ｉｍを負に制御することによりδの増加を抑制するものである。Ｍ軸電流Ｉｍを流した時のｑ軸磁束φｑの関係式は、
【００１１】
【数１】
φq＝ＬqＩq＝Ｌq（sinδ×Ｉm＋cosδ×Ｉt）＝Φsinδ …（数１）
となり、この式より負荷角δは、
【００１２】
【数２】
で表わされ、励磁電流Ｉｍで負荷角δを操作できることがわかる。このことに着目し、安定に運転可能な負荷角δの最大値δ~ を任意に設定し、δがこれを超える領域では、前記設定値δ~ とトルク電流検出値Ｉｔ＾及び磁束検出値Φ＾より
【００１４】
【数３】
式で演算される励磁電流Ｉｍ＊（演算値は負側となる）を流すことでδを安定な設定値δ~ に抑制することができ、定常的な制御系の安定化が可能となる。
【００１６】
次に、本発明の他の実施形態を図５を用いて説明する。
【００１７】
図において符号１〜１９は、図１の同じ番号のものと同一である。図１とは、速度制御器内の演算処理によりｄｑ軸電流指令が直接出力されており、制御系の安定化のために磁束値とトルク電流値に基づき励磁電流Ｉｍを制御する代りに、ｄｑ軸電流指令に補正量を加える点が異なる。補正量は励磁電流Ｉｍをｄｑに座標変換することで簡単に得られ、図１と同様の効果が得られる。
【００１８】
次に、本発明の他の実施形態を図６を用いて説明する。
【００１９】
図において符号１〜１９は、図１の同じ番号のものと同一である。図１との違いは、磁束値とトルク電流値に基づき励磁電流Ｉｍを制御する代りに、負荷角δの検出値がδ設定器２０において設定された設定値δ- を超えた時に、δ設定器の出力であるδ- と磁束オブザーバ７の出力であるδ検出値δ＾との偏差に基づき、励磁電流Ｉｍを制御する点が異なるが、図１と同様のδ抑制効果が得られる。
【００２０】
次に、本発明の他の実施形態を図７を用いて説明する。
【００２１】
図において符号１〜２０は、図６の同じ番号のものと同一である。図６との違いは、速度制御器内の演算処理によりｄｑ軸電流指令が直接出力されており、δ検出値が設定値δ- を超えた時に、δ設定器の出力であるδ- と磁束オブザーバ７の出力であるδ検出値δ＾との偏差に基づき励磁電流Ｉｍを制御する代りに、ｄｑ軸電流に補正量を加える点が異なる。補正量は励磁電流Ｉｍをｄｑに座標変換することで簡単に得られ、図６と同様の効果が得られる。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、負荷角δを所定値以下に抑制することで、同期電動機を安定に運転できる。また、δの最大値を任意に制限できるため、同期電動機の過負荷範囲を拡大できる。また、δに関する電動機設計上の制限が無いため、電動機は低コストな設計を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態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（回転子座標（ｄｑ軸）と磁束座標 （ＭＴ軸）の関係を示す説明図）。
【図３】負荷時の同期電動機のベクトル図。
【図４】本発明の作用を説明するベクトル図。
【図５】本発明の他の実施形態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】本発明の他の実施形態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】本発明の他の実施形態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】
４…界磁指令演算器、１７…同期電動機、１９…δ抑制器、２０…δ設定器。
Claims (5)
- 同期電動機の電流を座標変換によりトルク電流成分と励磁電流成分とに変換して制御する、同期電動機の制御装置において、
負荷角δが所定値以下となるように、磁束値とトルク電流値により演算される値に応じて、電機子電流のＭ軸成分を制御することを特徴とする同期電動機の制御装置。 - 同期電動機の電流を座標変換により回転磁極座標軸（ｄ，ｑ軸）のｄ軸電流成分とｑ軸電流成分とに変換して制御する、同期電動機の制御装置において、
負荷角δが所定値以下となるように、磁束値とトルク電流値により演算される値に応じて、ｄ軸電流指令とｑ軸電流指令とに、電機子電流のＭ軸成分を回転磁極座標軸のｄ軸成分とｑ軸成分とに座標変換して求めた補正量を加えて制御することを特徴とする同期電動機の制御装置。 - 請求項１あるいは請求項２の何れかに記載の同期電動機の制御装置において、前記磁束値が電機子電流と電機子電圧とを用いて演算した値であることを特徴とする同期電動機の制御装置。
- 同期電動機の電流を座標変換によりトルク電流成分と励磁電流成分とに変換して制御する、同期電動機の制御装置において、
負荷角δが所定値以下となるように、該設定値とδ検出値の偏差に応じて電機子電流のＭ軸成分を制御することを特徴とする同期電動機の制御装置。 - 同期電動機の電流を座標変換により回転磁極座標軸（ｄ，ｑ軸）のｄ軸電流成分とｑ軸電流成分とに変換して制御する、同期電動機の制御装置において、
負荷角δが所定値以下となるように、該設定値とδ検出値の偏差に応じて、ｄ軸電流指令とｑ軸電流指令とに、電機子電流のＭ軸成分を回転磁極座標軸のｄ軸成分とｑ軸成分とに座標変換して求めた補正量を加えて制御することを特徴とする同期電動機の制御装置。
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| JP21512798A JP3707251B2 (ja) | 1998-07-30 | 1998-07-30 | 同期電動機の制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21512798A JP3707251B2 (ja) | 1998-07-30 | 1998-07-30 | 同期電動機の制御装置 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000050697A JP2000050697A (ja) | 2000-02-18 |
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Family
ID=16667181
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21512798A Expired - Fee Related JP3707251B2 (ja) | 1998-07-30 | 1998-07-30 | 同期電動機の制御装置 |
Country Status (1)
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1998
- 1998-07-30 JP JP21512798A patent/JP3707251B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JP2000050697A (ja) | 2000-02-18 |
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