JP3765437B2

JP3765437B2 - 工作機械主軸駆動用同期電動機の制御システム

Info

Publication number: JP3765437B2
Application number: JP34212596A
Authority: JP
Inventors: 栄治山本; 恭祐宮本; 光次郎沢村; 沢　　俊裕
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 1996-12-20
Filing date: 1996-12-20
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2016-12-20
Also published as: JPH10191700A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータ等での回転子内部に永久磁石を持つ工作機械主軸駆動用同期電動機の制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、回転子内部に永久磁石を持つ三相同期電動機の制御法としては、直交ｄ−ｑ理論に基づいた、ｄ軸電流指令とｑ軸電流指令を各々指令し、磁石によるトルク成分（以下「磁石卜ルク」という）とリラクタンスによるトルク成分（以下「リラクタンストルク」という）を併用した制御法、いわゆる弱め界磁制御法が知られている。
また回転子表面に永久磁石を持つ三相同期電動機の制御方法としては、ｄ軸電流指令を常に０にする制御方法が知られている。
【０００３】
図４は従来の三相同期電動機の制御ブロック図を示すものである。図において、１は三相交流電源、２は交流を直流に変換するコンバータ、３は平滑コンデンサ、４は直流を交流に変換するインバータ、５は永久磁石同期電動機、６は同期電動機５の回転位置を検出するエンコーダ、８は速度指令Ｎ^*と速度フィードバック信号Ｎ_fbに基づいてトルク指令Ｔ^*（ｑ軸電流指令Ｉ_q ^*）を出力する速度制御器、１０は同期電動機５の負荷電流を検出する電流検出器、１１は同期電動機５の３相のうち２相の電流に基づいてｄ軸及びｑ軸の電流を生成する３相／ｄ−ｑ変換器、１２は前記トルク指令Ｔ^*（ｑ軸電流指令Ｉ_q ^*）とｄ軸電流指令Ｉ_d ^*及びｄ軸及びｑ軸の電流に基づいてｑ軸及びｄ軸電圧Ｖ_q及びＶ_dを出力するベクトル演算器、１３はｑ軸及びｄ軸電圧Ｖ_q及びＶ_dならびに速度信号に基づいてインバータ４に与える電圧の大きさ、位相角を出力するＰＷＭ発生器である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前者の弱め界磁制御法では、磁石トルクとリラクタンストルクの間に電流を流してからトルクが発生するまでに時間差があり、互いの発生トルクが干渉してしまい、高速応答に適さないという問題があった。
また後者の方法では、定出力制御を行う場合、弱め界磁による誘起電圧の上昇を抑えることができず、定出力範囲を広くとることができないという問題があった。また、回転子内部に永久磁石を持つ三相同期電動機をｄ軸電流指令Ｉ_d ^*を常に０にして制御するとリラクタンストルクが利用できず、出力トルクが低下するという問題があった。
そこで、本発明は従来技術の欠点を解決するために、回転子内部に永久磁石を持つ三相同期電動機において、定出力範囲を広くとれる特性を損なうことなく、低速回転領域においての高速応答を満たし、かつ、出力トルクの低下を防ぐ制御方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記問題点を解決するために、本発明は、入力された三相交流電源の交流を直流に変換するコンバータと、コンバータに平滑コンデンサを介して接続された直流を交流に変換するインバータと、インバータに接続された、回転子内部に永久磁石を持つ工作機械主軸駆動用同期電動機と、工作機械主軸駆動用同期電動機の回転速度を検出するエンコーダと、エンコーダ出力から速度を演算する速度演算器と、速度指令と速度フィードバック信号に基づいてトルク指令を出力する速度制御器と、インバータの出力電流を検出する電流検出器と、電流検出器の出力をｄ軸とｑ軸の直交２軸成分に変換する３相／ｄ−ｑ変換器と、トルク指令とｄ、ｑ軸の電流指令に基づいてｑ軸及びｄ軸電圧を出力するベクトル演算器と、電圧指令と速度演算器の出力より、インバータを駆動するゲート信号を作るＰＷＭ発生器とを備え、磁石トルクとリラクタンスを併用して弱め界磁制御を行う工作機械主軸駆動用同期電動機の制御システムにおいて、速度制御器とベクトル演算器との間に、電流指令作成部と運転モード切替部とを設け、電流指令作成部がトルク指令と速度フィードバックからｄ，ｑ軸それぞれの電流指令Ｉ _d ^* 、Ｉ _q ^* を作り、運転モード切替部が上位コントローラの制御信号または速度フィードバックの値に応じて運転モード切替を行うとともに、低速域において、高速応答が要求される運転状態（モード２）において、Ｉ _q ^* ＝Ｋ１×Ｉ _q およびＩ _d ^* ＝０（ただし、Ｋ１は定数で、１≦Ｋ１≦Ｉ _max ／Ｉ _q1 であって、Ｉ _max ：インバータ最大出力電流、Ｉ _q1 ：モード１における最大ｑ軸電流）でｄ、ｑ軸電流指令を作成することを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明においては、電動機制御システムの運転モードとして設定した、広範囲な定出力範囲が要求されるモード１と、低速域において高速応答が要求されるモード２の２つのモードのいずれかを運転モード切替信号によって切り替える運転モード切替部を有し、この運転モード切替部で切り替えた運転モードに連動してｄ軸電流指令Ｉ_d ^*及びｑ軸電流指令Ｉ_q ^*を以下のように切り替え制御するものである。
モード１：
Ｉ_q ^*＝ｆ（Ｔ^*，Ｎ_fb）
Ｉ_d ^*＝ｇ（Ｔ^*，Ｎ_fb）・・・（１．１）
モード２：
Ｉ_q ^*＝Ｋ１×ｆ（Ｔ^*，Ｎ_fb）
Ｉ_d ^*＝Ｋ２・・・（１．２）
ただし、Ｉ_q ^*はｑ軸電流指令、Ｉ_d ^*はｄ軸電流指令、Ｔ^*はトルク指令、Ｎ_fbは速度フィードバック、ｆ（Ｔ^*，Ｎ_fb）はトルク指令と速度フィードバックを変数とするｑ軸電流指令演算式、ｇ（Ｔ^*，Ｎ_fb）はトルク指令と速度フィードバックを変数とするｄ軸電流指令演算式、Ｋ１，Ｋ２は以下のような範囲を取る定数、
Ｋ１の範囲：
１≦Ｋ１≦Ｉ_max／Ｉ_q1 ・・・（１．３）
ただし、Ｉ_max：インバータ最大出力電流、Ｉ_q1：モード１における最大ｑ軸電流
Ｋ２の範囲：
−√（Ｉ_max ²−Ｉ_q2 ²）≦Ｋ２≦√（Ｉ_max ²−Ｉ_q2 ²）・・・（１．４）
ただし、Ｉ_max：インバータ最大出力電流、Ｉ_q2：モード２における最大ｑ軸電流。
【０００７】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図１に基づいて説明する。
図１において、図２に示した従来の制御系の構成と同じ構成については同じ符号を付している。本発明の実施例においては、速度制御器８とベクトル演算器１２との間に、電流指令作成部９と運転モード切替部１４とを設けている。
具体的に説明すると、３相交流電源１はコンバータ２に入力され、平滑コンデンサ３からインバータ４に接続されている。インバータ４の出力は回転子内部に永久磁石を有する同期電動機５につながれ、電動機回転速度を検出するエンコーダ６が取り付けられており、エンコーダ出力は速度演算器７により、速度Ｎ_fbに変換される。速度指令Ｎ^*と速度検出部出力の速度フィードバックＮ_fbは、速度制御器８により比較されトルク指令Ｔ^*を作る。トルク指令Ｔ^*と速度フィードバックＮ_fbは、電流指令作成部９でｄ，ｑ軸それぞれの電流指令Ｉ_d ^*、Ｉ_q ^*を作る。
すなわち、ｑ軸電流指令Ｉ_q ^*は、速度指令Ｎ^*と速度フィードバックＮ_fbの偏差に速度ゲインＡＳＲを乗じ、さらに速度フィードバックゲインＮ_fbによる関数９−１を掛け合わせたものとなる。また、ｄ軸電流指令Ｉ_d ^*は上記ｑ軸電流指令Ｉ_q ^*と速度フィードバックの関数９−２を足し合わせ、符号を反転したものである。関数９−１は前記（１．１）式の関数ｆ（Ｔ^*，Ｎ_fb）を表すものであり、関数９−２は関数ｇ（Ｔ^*，Ｎ_fb）を表すものである。
【０００８】
関数９−１、９−２の一例について述べる。
トルク指令をＴ^*、電動機基底回転速度をＮ_BASE、速度演算器７で演算された電動機回転速度（速度フィードバック）をＮ_fb、またその絶対値をａｂｓ｛Ｎ_fb｝とすると、関数９−１は次式で表され、図２のようになる。
０≦ａｂｓ｛Ｎ_fb｝≦Ｎ_BASEのとき、ゲイン＝Ｔ^*
ａｂｓ｛Ｎ_fb｝≧のとき、ゲイン＝｛Ｎ_BASE／Ｎ_fb｝×Ｔ^*
また、関数９−２は次式で表され、図３のようになる。
０≦ａｂｓ｛Ｎ_fb｝≦Ｎ_BASEのとき、ゲイン＝０
ａｂｓ｛Ｎ_fb｝≧のとき、ゲイン＝｛（Ｎ_fb−Ｎ_BASE）／Ｎ_BASE｝×ｊ
ｊの範囲は、Ｉ_max：インバータ最大出力電流、Ｉ_q：ｑ軸電流指令、Ｉ_d：ｄ軸電流指令としたとき、Ｉ_max≧√（Ｉ_q ²＋Ｉ_d ²）となるように選ぶ。
なお、図１において９−３、９−４はリミッタである。
【０００９】
インバータ出力電流を検出する電流検出器１０の出力は３相／ｄ−ｑ変換器１１により直交２軸成分に変換され、ｄ、ｑ軸それぞれの電流指令と、ベクトル演算器１２により比較され、ｄ、ｑ軸それぞれの電圧指令Ｖ_d、Ｖ_qを作り、ＰＷＭ発生器１３に入る。ＰＷＭ発生器１３では、電圧指令Ｖ_d、Ｖ_qと速度演算器７の出力より、インバータを駆動するゲート信号を作る。電流指令作成部９で作られたｄ、ｑ軸それぞれの電流指令は、切替信号により、表１に説明するようにｄ，ｑ軸それぞれの電流指令を切り替える。工作機械の場合ではＮＣなどの上位コントローラの制御信号を取り込むことによって切替信号を与えることもできるし、また単独運転の場合は速度指令は速度フィードバックの値に応じて切替信号を与えることもできる。
【００１０】
【表１】

モード１：
Ｉ_q ^*＝ｆ（Ｔ^*，Ｎ_fb）
Ｉ_d ^*＝ｇ（Ｔ^*，Ｎ_fb）・・・（２．１）
ただし、Ｉ_q ^*：ｑ軸電流指令、Ｉ_d ^*：ｄ軸電流指令、Ｔ^*：トルク指令、Ｎ_fb：速度フィードバック、ｆ（Ｔ^*，Ｎ_fb）はトルク指令と速度フィードバックを変数とするｑ軸電流指令演算、ｇ（Ｔ^*，Ｎ_fb）はトルク指令と速度フィードバックを変数とするｄ軸電流指令演算である。
回転子内部に永久磁石を有する同期電動機５は、電流をｄ−ｑ理論の直軸成分Ｉ_qと横軸成分Ｉ_dに振り分け、ｄ軸電流を負（マイナス）となるように流すことにより弱め界磁制御が行え、電動機の端子電圧（誘起電圧）を抑えることができ、広範囲の定出力運転が可能となる。
【００１１】
低速域において、高速応答が要求される運転状態（モード２）では、（２．２）式のようにｄ、ｑ軸電流指令を作成する。
・モード２：
Ｉ_q ^*＝Ｋ１×ｆ（Ｔ^*，Ｎ_fb）
Ｉ_d ^*＝０・・・（２．２）
ただし、Ｉ_q ^*：ｑ軸電流指令、Ｉ_d ^*：ｄ軸電流指令、Ｔ^*：トルク指令、Ｎ_fb：速度フィードバック、ｆ（Ｔ^*，Ｎ_fb）はトルク指令と速度フィードバックを変数とするｑ軸電流指令演算、Ｋ１は（２．３）式の範囲をもつ定数である。
１≦Ｋ１≦Ｉ_max／Ｉ_q1 ・・・（２．３）
ただし、Ｉ_max：インバータ最大出力電流、Ｉ_q1：モード１における最大ｑ軸電流である。
ｄ軸電流指令を０とすることは、弱め界磁による広範な定出力を確保することをさまたげるが、電動機の誘起電圧の十分低い低速回転域においては、有効に利用できる。
ｄ軸電流を０とすることで、リラクタンストルクは発生せず、磁石トルクのみ制御するので高速応答が可能となる。
【００１２】
また、回転子内部に永久磁石を有する同期電動機の発生トルクは（２．４）式のようにあらわせる。
Ｔ＝Ｐ_n×Φ_a×Ｉ_q＋Ｐ_n×（Ｌ_d−Ｌ_q）×Ｉ_q×Ｉ_d ・・・（２．４）
ただし、Ｔ：同期電動機発生トルク、Ｐ_n：同期電動機のポール極対数、Φ_a：永久磁石による電機子鎖磁束、Ｌ_d：ｄ軸インダクタンス、Ｌ_q：ｑ軸インダクタンス、Ｉ_d：ｄ軸電流、Ｉ_q：ｑ軸電流である。
（２．２）式においてｄ軸電流を０とすることは、（２．４）式の右辺第２項が０となり、電動機出力トルクが低下してしまう。低速回転領域での出力トルクの低下を防ぐために、（２．２）式における定数Ｋ１を以下のように設定する。
インバータの出力できる最大電流は（２．５）式であらわせる。
Ｉ_max≧√（Ｉ_q ²＋Ｉ_d ²）・・・（２．５）
ただし、Ｉ_max：インバータ最大出力電流、Ｉ_q：ｑ軸電流、Ｉ_d：ｄ軸電流である。
モード２ではｄ軸電流指令は０であるので（２．５）式は（２．６）のように表せる。
Ｉ_max≧Ｉ_q ・・・（２．６）
すなわち、モード２では、モード１よりも大きなｑ軸電流を流すことができる。したがって、定数Ｋ１の範囲は以下のようになる。
１≦Ｋ１≦Ｉ_max／Ｉ_q1 ・・・（２．７）
ただし、Ｉ_max：インバータ最大出力電流、Ｉ_q1：モード１における最大ｑ軸電流である。
定数Ｋ１の範囲を１より大きくした場合、（２．４）式の右辺第１項のＩ_qが増加するので、出力トルクは増す。
なお、上記実施例ではＩ_d ^*＝０とした例を示したが、一般的にはＩ_d ^*＝Ｋ２という固定値とすることができる。ここで、Ｋ２の範囲は次式で表される。
−√（Ｉ_max ²−Ｉ_q2 ²）≦Ｋ２≦√（Ｉ_max ²−Ｉ_q2 ²）
ただし、Ｉ_max：インバータ最大出力電流、Ｉ_q2：モード２における最大ｑ軸電流
【００１３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、運転モード切替信号が与えられたとき、ｑ軸電流指令Ｉ_q ^*とｄ軸電流指令Ｉ_d ^*をそれぞれ切り替えることにより、低速回転領域においての出力トルクを低下させることなしに高速応答が可能となり、しかも広範な定出力特性をあわせ持つ制御が可能となり、回転子内部に永久磁石を持つ三相同期電動機を有効に使用、特に低速回転時に高速応答が要求される工作機主軸制御に適用したときに有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す制御ブロック図である。
【図２】本発明における関数の例を示す説明図である。
【図３】本発明における関数の例を示す説明図である。
【図４】従来例を示す制御ブロック図である。
【符号の説明】
１三相交流電源、２コンバータ、３平滑コンデンサ、４インバータ、５永久磁石同期電動機、６エンコーダ、７速度演算器、８速度制御器、９電流指令作成部、１０電流検出器、１１３相／ｄ−ｑ変換器、１２ベクトル演算器、１３ＰＷＭ発生器、１４運転モード切替部

Claims

入力された三相交流電源の交流を直流に変換するコンバータと、
コンバータに平滑コンデンサを介して接続された直流を交流に変換するインバータと、
インバータに接続された、回転子内部に永久磁石を持つ工作機械主軸駆動用同期電動機と、
前記工作機械主軸駆動用同期電動機の回転速度を検出するエンコーダと、
エンコーダ出力から速度を演算する速度演算器と、
速度指令と速度フィードバック信号に基づいてトルク指令を出力する速度制御器と、
インバータの出力電流を検出する電流検出器と、
電流検出器の出力をｄ軸とｑ軸の直交２軸成分に変換する３相／ｄ−ｑ変換器と、
トルク指令とｄ、ｑ軸の電流指令に基づいてｑ軸及びｄ軸電圧を出力するベクトル演算器と、
電圧指令と速度演算器の出力より、インバータを駆動するゲート信号を作るＰＷＭ発生器とを備え、磁石トルクとリラクタンスを併用して弱め界磁制御を行う工作機械主軸駆動用同期電動機の制御システムにおいて、
速度制御器とベクトル演算器との間に、電流指令作成部と運転モード切替部とを設け、電流指令作成部がトルク指令と速度フィードバックからｄ，ｑ軸それぞれの電流指令Ｉ _d ^* 、Ｉ _q ^* を作り、
運転モード切替部が上位コントローラの制御信号または速度フィードバックの値に応じて運転モード切替を行うとともに、低速域において、高速応答が要求される運転状態（モード２）において、Ｉ _q ^* ＝Ｋ１×Ｉ _q およびＩ _d ^* ＝０（ただし、Ｋ１は定数で、１≦Ｋ１≦Ｉ _max ／Ｉ _q1 であって、Ｉ _max ：インバータ最大出力電流、Ｉ _q1 ：モード１における最大ｑ軸電流）でｄ、ｑ軸電流指令を作成することを特徴とする工作機械主軸駆動用同期電動機の制御システム。