JP3727268B2 - 周波数変換器の方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、周波数変換器がモータを制御して弱め磁界領域内で部分的または完全にトルク制御を行うときの周波数変換器の方法に関する。
【０００２】
周波数変換器を用いることにより制御されるモータの回転速度をモータの通常の周波数よりかなり高くすることができる。回転速度を通常の周波数より高くするには、一般に磁化を弱める必要があり、出力周波数は、弱め磁界点より高くなる。これを機械が弱め磁界領域内にあると称する。
【０００３】
【従来の技術】
これまでの直接トルク制御に基づく方法では、弱め磁界領域内で磁束位相器を制御し、そのヘッドは、空間座標内で円を形成する。同時に、モータの極の電圧をできるだけ高く保つのにゼロ位相器の使用を避けた。最大電圧は、磁束位相器が六角形を形成する場合に得られる。六角形の各角度は、電圧ベクトルの方向に対応する。かかる形状では、円形磁束軌跡に比べて弱め磁界領域内のトルクを約２０％高くすることが理論的に可能である。しかし、従来の装置と六角形磁束では、ゼロ位相器をなくすことができなかったので、最大電圧を用いることはできなかった。
【０００４】
従来の装置では、制御は、複雑な計算に基づいている。複雑なために計算を遅い時間領域で行う必要があり、高い回転速度における制御の安定性と動力学が損なわれる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上に述べた欠点を除いて、弱め磁界領域内においてモータ・トルクの制御の信頼性を従来より高くする方法を提供することである。この目的を達成するための本発明の方法の特徴は、モータの固定子磁束ベクトルの進行方向とセクタを定義し、予測時に電圧ベクトルが変化したとき電圧ベクトルの終端で周波数変換器の出力電圧ベクトルが生成するトルク推定値を予測し、予測トルク推定値と周波数変換器の基準トルクとを比較し、この予測トルク推定値が基準トルクより小さく且つ固定子磁束ベクトルが正の進行方向に動いているとき、またはトルク推定値が基準トルクより大きく且つ固定子磁束ベクトルが負の進行方向に動いているときに電圧ベクトルを変化させるステップを含む。
【０００６】
本発明は、電圧ベクトルの変化により生じるトルクの変化を簡単な信頼性の高い方法で予測することができるという考え方に基づいている。本発明の方法では、制御の最も早い時間領域でトルクを予測することができるので、制御の動力学と安定性が得られる。本発明の方法により、弱め界磁領域内で周波数変換器の中間回路の全電圧を用いることが可能である。なぜなら、本発明の方法で実現される制御は、非ゼロ電圧ベクトルを用いるからである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明について、好ましい実施の形態により、添付の図面を参照して以下に詳細に説明する。
【０００８】
周波数変換器を定常状態の一定磁束領域内で運転するとき、磁束ベクトルは、円軌跡を描く。かかる場合は、必要なときにゼロ・ベクトルを用いることにより、簡単な方法でヒステリシス限界内でトルクを保持することができる。周波数が増加すると用いられるゼロ・ベクトルは、平均して一層少なくなり、磁束ベクトルの角度は、ゼロ・ベクトルの数に影響する。磁束ベクトルがセクタの端に近いときに最も多くのゼロ・ベクトルが用いられ、逆に磁束ベクトルがセクタの中央部にあるときに最も少ない。出力周波数が弱み磁界点まで増加すると、セクタの中央部ではゼロ・ベクトルは用いられない。この状態では、トルク制御は、トルクをヒステリシス限界内に保持することができず、トルクを制御可能に保つために弱み磁界制御は、磁束を減らさなければならない。
【０００９】
本発明の方法では、用いる固定子磁束が同時に一層小さくなるようにしてトルク制御を行う。本発明の方法では、予測時に電圧ベクトルが変化したときに発生するトルク推定値Ｔ_predを予測し、この予測トルク推定値と基準トルクとを比較し、固定子磁束ベクトルの進行方向とセクタを定義し、予測トルク推定値が基準トルクより小さく且つ固定子磁束ベクトルが正の進行方向に動いているとき、またはトルク推定値が基準トルクよりより大きく且つ固定子磁束ベクトルが負の進行方向に動いているときに電圧ベクトルを変化させる。
【００１０】
これを行うには、最も適当な時刻に、予測時に基準トルクを実現する１つの電圧ベクトルを選択する。更に、第２の電圧ベクトルをその前に選択するのでなければ、基準トルクが得られるまで、この電圧ベクトルを保持する。このとき、磁束を円形に保とうとしない。磁束は、予測時に円形から離れ、予測するとまた円形に戻る。
【００１１】
制御される機械の動作点が弱み磁界領域内またはその付近にあるとき、本発明の磁束調整を開始すべきかどうかを制御の最も早い時間領域でチェックする。図１は、周波数変換器の電圧ベクトルＵ１からＵ６と磁束円を示す。
【００１２】
本発明の好ましい実施の形態では、トルク推定値Ｔ_predの予測は、定義された固定子磁束ベクトル

と回転子磁束ベクトル

に基づいて行われ、固定子および回転子の磁束ベクトルの推定値は、実現する可能性のある電圧ベクトルにより作られる。
【００１３】
回転子磁束ベクトル

は、固定子磁束と電流の関数として簡単化された形で次のように定義される。

ただし、δＬ_sは、制御されるモータに関する定数項である。
【００１４】
固定子磁束と電流のクロス乗積として一般に計算されるトルクは、固定子磁束と回転子磁束を用いて計算することもできる。すなわち、

このように固定子磁束と回転子磁束の挙動を予測することにより、調整が終わったときのトルクの予測値を得ることができる。固定子磁束の大きさをモータから測定することができないことは明らかであるが、モータのモデルを用いることにより周波数変換器で推定することができる。
【００１５】
調整の実行と本発明の方法の動作について、図３を参照して以下に説明する。この図は、定義された固定子磁束ベクトル

と回転子磁束ベクトル

を示す。この図は、電圧ベクトルＵ３を示し、これを選択すると固定子磁束は、所望の方向に動く。対称性のために、調整の開始点とその終了点は、セクタのエッジ・ラインＯＡに対して同じ角度を形成する。したがって、予測固定子磁束

は、定義された固定子磁束の鏡像であり、その方向は、セクタのエッジ・ラインＯＡに付随する新しい座標の組を定義することにより、また必要な磁束ベクトルに座標変換を行うことにより簡単に計算することができる。
【００１６】
座標変換は、セクタのエッジ・ラインに平行な単位ベクトル

を定義することにより行うことができる。その位置は、固定子座標系

で定義される。固定子磁束ベクトルは、同じ座標系

で定義される。ただし、ｆｌｘは、磁束のｘ方向成分、ｆｌｙは、ｙ方向成分である。
【００１７】
これにより、固定子磁束の座標をエッジ・ライン座標系で次のように計算することができる。

【００１８】
予測固定子磁束ベクトルを計算するため、定義された固定子磁束ベクトルを２＊ａｔａｎ（ａｙ／ａｘ）の角度だけ回転しなければならない。しかし、三角関数を用いて、単に固定子磁束ベクトルにベクトルａｘ＋ｊ＊ａｙを２回掛けることにより予測固定子磁束ベクトルを計算することができる。予測固定子磁束ベクトルは、成分形式内の補助変数ｆｘとｆｙを用いて

で表すことができる。

【００１９】
予測回転子磁束ベクトル

を計算するには、調整を行うのに必要な時間Δｔをまず定義しなければならない。すなわち、予測のときに選択した電圧ベクトルを有効に保つ時間である。調整中は、周波数変換器の中間回路の電圧Ｕ_cが一定であると仮定すると、この場合の固定子磁束変化の量ΔΨ_sは、

である。次にΔΨ_sは、図３のエッジ・ライン座標系で

と定義される。これらの式からΔΨ_sを消去すると、時間Δｔは、

【００２０】
調整中は、回転子の慣性質量のために回転子磁束の角速度は、あまり大きく変化しない。したがって、調整中に回転子磁束は、角度ψ＝Δｔω_s だけ回転する。ただし、ω_sは、調整中の周波数変換器の平均出力周波数である。したがって調整中の回転子磁束の回転角度は、

である。調整中は、回転子磁束の大きさが変わらないと仮定すると、予測回転子磁束ベクトルは、元の回転子磁束を角度ψだけ回転することにより得られる。すなわち、

【００２１】
このようにして、回転子および固定子の予測磁束ベクトルが簡単に、しかも十分な精度で得られ、予測トルクは、これを用いて式（２）により計算される。すなわち、

【００２２】
将来の時刻のトルク推定値を上のようにして予測したとき、本発明では、この推定値と基準トルクとを比較する。比較の結果、磁束が正方向に回転するときに予測トルクが基準トルクより小さい場合、または磁束が負方向に回転するときに予測トルクが基準トルクより大きい場合は、予測を行うときに用いた電圧ベクトルを用いて直ぐ調整を行わなければならない。この電圧ベクトルを用いるのが基準トルクを得る最も早い最適の方法である。
【００２３】
図４は、本発明の方法の動作の流れ図である。この流れ図は、例えば、制御の最も早い時間領域で実現される。この方法を開始すると、ステップ４０で目的の時刻に固定子磁束ベクトルが存在するセクタＳを定義する。次のステップ４１で、このセクタが前の実行時間中と同じかどうかチェックする。セクタが変わっている場合は、ステップ４２で変数Ｓｐｒｅｖに現在のセクタＳの値を与える。同時に状態変数Ｆの値を更新して０にして、ルーチンは、流れ図の終わりに進む。状態変数Ｆの値が１のときは、磁束調整が開始されている（セクタは、まだ変わっていない）。これをステップ４３でチェックする。磁束調整が開始されているときは、ルーチンは、流れ図の終わりに進む。セクタが変わらず（Ｓ＝Ｓｐｒｅｖ）且つ調整が終わりになると（Ｆ＝０）、ステップ４４で目的の時刻の予測をそのトルクについて計算する。予測の計算は前に説明にしたように、式（３）から（１０）で行う。
【００２４】
新しい基準電圧を作る必要があるかどうかは、定義されたトルク予測と基準トルクと固定子磁束回転方向に基づいてステップ４５で定義する。この定義は、単に予測と基準との差を計算し、この差に固定子の角速度を掛けるものである。この積が０より小さい場合はステップ４６で電圧ベクトルを変え、そうでない場合は、ルーチンは、流れ図の終わりに進む。電圧ベクトルを変えるときは、ステップ４７で状態変数Ｆに１を与えて、調整を実行中であるがセクタの変化点には、まだ達していないことを次の回に示す。
【００２５】
図２は、本発明の方法を用いて磁束がセクタを通るときに実際のトルクが共振する様子を示す。しかし、この制御法は、安定である。なぜなら、何らかの理由で調整後に実際のトルクが予測トルクより小さい場合は、次の調整を少し早く開始して固定子磁束を減らすので、実際のトルクと基準トルクのとの差は、それ以上広がらない。これは、この制御法が最適調整時刻を絶えず計算するという本発明の特徴に基づいている。装置は、トルク予測による恒久的なトルク誤差を有するとしても、トルク制御により基準トルクに正確に追従することができる。トルク制御における可能な恒久的な誤差は、いずれにしても、例えば、積分器を用いて補償しなければならない。
【００２６】
図１に示すように、部分的弱み磁界では各調整の間に固定子磁束が基準磁束で定義される磁束円に追従する点がいくつかある。これが起こるのは、次の調整を開始する前に固定子磁束が基準値に到達するときである。完全な弱み磁界で動作するとき、固定子磁束は、電圧ベクトルに平行な点だけで基準磁束の円に接触し、磁束は、六角形なる。同じ制御原理が完全な弱み磁界でも部分的な弱み磁界でも働く。なぜなら調整を行った後では、予測トルクは基準値に等しいからである。実際のトルクが基準値より低くなろうとする場合は、予測トルクにも同じことが起こり、この場合は、本発明の制御装置は、より大きな調整を自動的に選択する。
【００２７】
当業者に明らかなように、技術が進歩しても本発明の基本的な考え方を多くの異なる方法で実現することができる。したがって、本発明とその実施の形態は、上に説明した例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内で変えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】周波数変換器の電圧ベクトルと磁束円。
【図２】時間領域内の基準トルクと実際のトルク。
【図３】ベクトル図で示すトルク・ベクトルの予測。
【図４】本発明の方法の流れ図。
【符号の説明】

Ｔ_pred トルク推定値
Ｔ_ref 基準トルク

Claims (2)

1. 周波数変換器がモータを制御し弱み磁界領域内で部分的または完全にトルク制御を行うときの周波数変換器の方法であって、
   モータの固定子磁束ベクトル
   

   

   の進行方向とセクタを定義し、
   予測時に電圧ベクトルが変化したとき前記電圧ベクトルの終端で前記周波数変換器の出力電圧ベクトルが生成するトルク推定値（Ｔ_pred）を予測し、
   前記予測トルク推定値（Ｔ_pred）と前記周波数変換器の基準トルク（Ｔ_ref)とを比較し、
   前記予測トルク推定値（Ｔ_pred）が前記基準トルク（Ｔ_ref)より小さく且つ前記固定子磁束ベクトル
   

   

   が正の進行方向に動いているとき、または前記トルク推定値（Ｔ_pred）が前記基準トルク（Ｔ_ref)より大きく且つ前記固定子磁束ベクトル
   

   

   が負の進行方向に動いているときに前記電圧ベクトルを変化させる
   ステップを含む周波数変換器の方法。
2. 前記トルク推定値（Ｔ_pred）の前記予測は、
   前記周波数変換器が制御するモータの固定子磁束ベクトル
   

   

   と回転子磁束ベクトル
   

   

   を定義し、
   前記電圧ベクトル変化が生成する固定子および回転子の磁束ベクトル推定値
   

   

   を予測し、
   前記固定子および回転子の磁束ベクトル推定値に基づいて前記トルク推定値（Ｔ_pred）を計算する、
   ステップを含む請求項１記載の周波数変換器の方法。

Images