JP3772935B2 - 誘導電動機の制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、速度センサレスベクトル制御により誘導電動機の回転速度を制御する誘導電動機の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
誘導電動機の速度を制御する技術として、誘導電動機に供給される１次電流を、トルクに直接関与するトルク電流（トルクを発生させる電流）と励磁電流（磁束を発生させる電流）とでそれぞれ独立に制御することにより、直流電動機と同様にトルク制御可能なベクトル制御が実用化されている。
【０００３】
ベクトル制御には、速度検出器を備え、電動機の速度検出値、一次電流検出値及び一次電圧検出値に基づいてベクトル制御するものと、速度検出器を備えずに、一次電流検出値及び一次電圧検出値から演算によって推定した電動機速度を用いてベクトル制御するものとがあり、後者は速度センサレスベクトル制御と称されている。
【０００４】
図５は従来の速度センサレスベクトル制御による誘導電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。
図５に示されるように、誘導電動機の制御装置は、電力変換器１、速度制御回路２、電流検出器３、電流座標変換回路４、すべり角周波数演算回路５、１次角周波数演算回路６、励磁電流制御回路７、トルク電流制御回路８、励磁電流方向成分電圧補償回路９Ａ、トルク電流方向成分電圧補償回路９Ｂ、出力電圧指令演算回路１０、出力電圧位相角指令演算回路１１、空間座標変換回路１２、ＰＷＭ発生回路１３、速度推定回路１４を備えている。
【０００５】
電力変換器１は、３相交流電源からの交流を直流化した後、ＰＷＭ制御方式によるインバータで任意の周波数と電圧の交流に再度変換し、この１次周波数及び１次電圧を誘導電動機ＩＭに供給する。
速度制御回路２は、入力される速度指令値ωrrefに速度推定値ωr＾が一致するようにトルク電流指令値ｉqrefを演算し出力する。
【０００６】
電流検出器３は、誘導電動機ＩＭに供給される１次電流（ｕ相電流ｉu、ｗ相電流ｉw）を検出する。
電流座標変換回路４は、誘導電動機ＩＭに供給される１次電流を励磁電流帰還値ｉdfbとトルク電流帰還値ｉqfbに変換して出力する。励磁電流帰還値ｉdfb及びトルク電流帰還値ｉqfbは次式により得られる。
【０００７】
【数１】
【０００８】
ここで、θ１は誘導電動機ＩＭに供給する交流の位相角であり、１次角周波数ω1を積分することにより得られる。
すべり角周波数演算回路５は、トルク電流指令値ｉqref及び励磁電流指令値ｉdrefに基づいてすべり角周波数ωsを演算し出力する。
１次角周波数演算回路６はすべり角周波数ωsと速度推定値ωr＾を加算して１次角周波数ω1を求める。
【０００９】
励磁電流制御回路７は、励磁電流指令値ｉdrefと電流座標変換回路４からの励磁電流帰還値ｉdfbとが一致するように励磁電流方向電圧を制御する。
トルク電流制御回路８は、トルク電流指令値ｉqrefと電流座標変換回路４からのトルク電流帰還値ｉqfbとが一致するようにトルク電流方向電圧を制御する。
励磁電流方向成分電圧補償回路９Ａは、誘導電動機ＩＭの漏れインダクタンスと１次抵抗による逆起電力の励磁電流方向成分電圧Ｖdcとを励磁電流制御回路７からの出力で補正して励磁電流方向電圧指令値Ｖdrefを生成して出力する。
【００１０】
トルク電流方向成分電圧補償回路９Ｂは、誘導電動機ＩＭの磁束で発生し、誘起電圧係数による誘起電圧と１次抵抗による逆起電力のトルク電流方向成分電圧Ｖqcとをトルク電流制御回路８からの出力で補正してトルク電流方向電圧指令値Ｖqrefを生成して出力する。励磁電流方向成分電圧Ｖdc及びトルク電流方向成分電圧Ｖqcは次式により得られる。
【００１１】
Ｖdc＝Ｒ１・ｉdref−ω１・ｌ・ｉqref …（２）
【００１２】
Ｖqc＝Ｒ１・ｉqref＋ω１・Ｌ１・ｉdref …（３）
【００１３】
ここで、Ｒ１は誘導電動機ＩＭの１次抵抗値、Ｌ１は自己インダクタンス、ｌは漏れインダクタンスである。
【００１４】
出力電圧指令演算回路１０は、励磁電流方向電圧指令値Ｖdref及びトルク電流方向電圧指令値Ｖqrefに基づいて出力電圧（１次電圧）指令値Ｖ１ref を演算し出力する。
出力電圧位相角指令演算回路１１は、励磁電流方向成分電圧補償回路９Ａからの励磁電流方向電圧指令値Ｖdrefとトルク電流方向成分電圧補償回路９Ｂからのトルク電流方向電圧指令値Ｖqrefとの位相角θL を求め、かつ１次角周波数演算回路６からの１次角周波数ω1 の積分値を加算した位相角指令値θrefを出力する。位相角指令値θrefは次式により得られる。
【００１５】
Ｖ1ref＝√（Ｖdref2 ＋Ｖqref2 ）
θL ＝tan -1( Ｖqref／Ｖdref）
θref ＝θL ＋θ1 …（４）
【００１６】
空間座標変換回路１２は、出力電圧指令演算回路１０からの出力電圧指令値Ｖ１ref と出力電圧位相角指令演算回路１１からの位相角指令値θrefより出力電圧指令を生成して出力する。各相の出力電圧指令は次式より得られる。
【００１７】
Ｖuref＝Ｖ1ref・Cos （ω1t＋θL）
Ｖvref＝Ｖ1ref・Cos （ω1t＋θL −（２π／３））
Ｖwref＝Ｖ1ref・Cos （ω1t＋θL ＋（２π／３）） …（５）
【００１８】
ＰＷＭ発生回路１３は、空間座標変換回路１２から出力される各相の出力電圧指令よりＰＷＭ信号を生成する。
速度推定回路１４は、誘導電動機ＩＭの１次電圧及び１次電流より誘導電動機ＩＭの速度を推定する。誘導電動機ＩＭの速度推定値ωr＾は次式で得られる。
【００１９】
ωr ＾＝Ｋ・（（ｉa＾−ｉa）・φb ＾−（ｉb ＾−ｉb）・φa＾）＋Ｋ´・∫（（ｉa＾−ｉa）・φb＾−（ｉb ＾−ｉb）・φa＾）dt…（６）
【００２０】
（６）式における２次磁束推定値φa＾、φb＾及び１次電流推定値ｉa ＾、ｉb ＾は（７）式に示す行列式より得られる。
【００２１】
【数２】
【００２２】
各定数は電動機定数であり、以下に示される。
α＝−（Ｒ１／（σＬ１）−（１−σ）／τr ）
σ＝１−Ｍ2 ／（Ｌ１・Ｌ２）
τr ＝Ｌ２／Ｒ２
Ｒ１：１次抵抗
Ｒ２：２次抵抗
Ｌ１：１次自己インダクタンス
Ｌ２：２次自己インダクタンス
Ｍ：相互インダクタンス
Ｇ：オブザーバーゲイン
Ｖa 、Ｖb ：３相２相変換した誘導電動機ＩＭの１次電圧
【００２３】
【数３】
【００２４】
ｉa 、ｉb ：３相２相変換した誘導電動機ＩＭの１次電流
【００２５】
【数４】
【００２６】
上記すべり角周波数演算回路５では、トルク電流指令値ｉqrefと励磁電流指令値ｉdrefより次式の演算を行い、すべり角周波数ωsを求める。
【００２７】
ωs ＝ωso・（ｉqref／ｉdref） …（１０）
【００２８】
このような構成の誘導電動機の制御装置において、３相交流電源からの交流が電力変換器１における図示しない電力変換素子で直流化され、その後ＰＷＭ制御方式のインバータで任意の周波数と電圧の交流に再度変換されてこの１次周波数及び１次電圧が誘導電動機ＩＭに供給される。
誘導電動機ＩＭの１次電流（ｕ相電流ｉu、ｗ相電流ｉw ）が電流座標変換回路４で検出され、ここで座標変換された励磁電流帰還値ｉdfbが励磁電流制御回路７に供給され、トルク電流帰還値ｉqfbがトルク電流制御回路８に供給される。
【００２９】
速度制御回路２では、速度推定値ωr＾と外部から入力される速度指令値ωrrefとが一致するように励磁電流指令値ｉdref及びトルク電流指令値ｉqrefが演算され、その励磁電流指令値ｉdrefがすべり角周波数演算回路５、励磁電流制御回路７及び励磁電流方向成分電圧補償回路９Ａに供給される。また、トルク電流指令値ｉqrefがすべり角周波数演算回路５、トルク電流制御回路８、励磁電流方向成分電圧補償回路９Ａ及びトルク電流方向成分電圧補償回路９Ｂに供給される。
【００３０】
励磁電流制御回路７では、励磁電流指令値ｉdrefと電流座標変換回路４からの励磁電流帰還値ｉdfbとが一致するように励磁電流方向電圧の制御が行われ、トルク電流制御回路８では、トルク電流指令値ｉqrefと電流座標変換回路４からのトルク電流帰還値ｉqfbとが一致するように制御が行われる。
励磁電流方向成分電圧補償回路９Ａでは、誘導電動機ＩＭの漏れインダクタンスと１次抵抗とによる逆起電力の励磁電流方向成分の電圧を、励磁電流制御回路７からの出力で補正した励磁電流方向電圧指令値Vdrefが生成され、出力電圧指令演算回路１０及び出力電圧位相角指令演算回路１１に供給される。
【００３１】
トルク電流方向成分電圧補償回路９Ｂでは、誘導電動機ＩＭの磁束で発生し、誘導起電力係数による誘起電圧と１次抵抗による逆起電力のトルク電流方向成分の電圧を、トルク電流制御回路８からの出力で補正したトルク電流方向電圧指令値Vqrefが生成され、出力電圧指令演算回路１０及び出力電圧位相角指令演算回路１１に供給される。
【００３２】
出力電圧指令演算回路１０では、励磁電流方向電圧指令値Vdrefとトルク電流方向電圧指令値Vqrefとから出力電圧指令値V1ref が演算され、この出力電圧指令値V1ref が空間座標変換回路１２に供給される。
出力電圧位相角指令演算回路１１では、励磁電流方向電圧指令値Vdrefとトルク電流方向電圧指令値Vqrefとの位相角が演算され、さらに１次角周波数演算回路６から出力される１次角周波数ω1の積分値とを合成した位相角指令値θrefが空間座標変換回路１２に供給される。
【００３３】
空間座標変換回路１２では、出力電圧指令値V1ref と位相角指令値θrefとから出力電圧指令が生成されて電力変換器１に供給される。
【００３４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来の誘導電動機の制御装置にあっては、次のような問題点があった。
速度推定値ωr＾は演算の分解能等により真の値との間に誤差が生ずるので、これを基準にベクトル制御を行うと、誤差が原因で誘導電動機に必要なすべり角周波数ωsが与えられず、トルク制御特性及び速度制御特性の低下、場合によっては誘導電動機ＩＭを安定して駆動できないという問題点があった。
【００３５】
この問題点を解決するためにトルク電流帰還値ｉqfbの微分値を演算した結果を利用して１次角周波数ω1を補正していたが、誘導電動機ＩＭを安定して駆動できるものの、トルク制御精度及び速度制御精度の低下は解決することはできない。
【００３６】
そこで本発明は、誘導電動機のトルク制御精度及び速度制御精度の向上を図ることができる誘導電動機の制御装置を提供することを目的としている。
【００３７】
【課題を解決するための手段】
本発明による誘導電動機の制御装置は、直流を任意の周波数と電圧の交流に変換して誘導電動機に１次周波数と１次電流として供給する電力変換器と、前記誘導電動機で磁束を発生させる励磁電流指令値ｉdref及びトルクを発生させるトルク電流指令値ｉqrefを出力する速度制御回路と、前記誘導電動機に供給される１次電流を励磁電流帰還値ｉdfbとトルク電流帰還値ｉqfbに変換して出力する電流座標変換回路と、前記励磁電流指令値ｉdrefと前記励磁電流帰還値ｉdfbとが一致するように励磁電流方向電圧を制御する励磁電流制御回路と、前記トルク電流指令値ｉqrefと前記トルク電流帰還値ｉqfbとが一致するようにトルク電流方向電圧を制御するトルク電流制御回路と、前記誘導電動機の漏れインダクタンスと１次抵抗による逆起電力の励磁電流方向成分の電圧とを前記励磁電流制御回路からの出力で補正して励磁電流方向電圧指令値Vdrefを生成し出力する励磁電流方向成分電圧補償回路と、前記誘導電動機の磁束で発生し誘起電圧係数による誘起電圧ｅと１次抵抗による逆起電力のトルク電流方向成分の電圧とを前記トルク電流制御回路からの出力で補正してトルク電流方向電圧指令値Vqrefを生成し出力するトルク電流方向成分電圧補償回路と、前記励磁電流方向電圧指令値Vdref及び前記トルク電流方向電圧指令値Vqrefに基づいて出力電圧指令値V1ref を演算する出力電圧指令演算回路と、誘導電動機の１次電圧及び１次電流より誘導電動機の２次磁束と１次電流を推定し、２次磁束推定値と１次電流の推定値及び１次電流より誘導電動機の速度を推定する速度推定回路と、トルク電流指令値ｉqrefと励磁電流指令値ｉdrefよりすべり角周波数ωsを演算するすべり角周波数演算回路と、前記すべり角周波数ωsと前記速度推定値ωr＾を加算して１次角周波数ω1を演算する１次角周波数演算回路と、前記励磁電流方向成分電圧補償回路からの励磁電流方向電圧指令値Vdrefと前記トルク電流方向成分電圧補償回路からのトルク電流方向電圧指令値Vqrefとの位相角θLを求め、かつ、前記１次角周波数演算回路からの１次角周波数ω1の積分値を加算した位相角指令値θrefを出力する出力電圧位相角指令演算回路と、前記出力電圧指令演算回路からの出力電圧指令値V1ref と前記出力電圧位相角指令演算回路からの位相角指令値θrefより出力電圧指令を生成して出力する空間座標変換回路と、前記空間座標変換回路から出力される各相の出力電圧指令よりＰＷＭ信号を生成して前記電力変換器に供給するＰＷＭ発生回路とを備えた誘導電動機の制御装置において、前記励磁電流制御回路の出力値を１次遅れ要素を介して速度推定誤差を演算し、この演算結果を前記１次角周波数演算回路からの１次角周波数ω1に加算する速度推定誤差補正回路を備えるものである。
【００３８】
前記速度推定誤差補正回路は、前記励磁電流制御回路の出力値及び前記誘導電動機の１次電流値ｉ１より速度推定誤差を演算し、この演算結果を前記１次角周波数演算回路からの１次角周波数ω1に加算するものであっても良い。
【００３９】
または、前記トルク電流制御回路の出力値を１次遅れ要素を介して速度推定誤差を演算し、この演算結果を前記１次角周波数演算回路からの１次角周波数ω1に加算するものであっても良い。
【００４０】
または、前記速度推定誤差補正回路に代えて、前記励磁電流制御回路の出力値と前記誘導電動機の１次電流値ｉ１より２次磁束位相角推定誤差を演算し、この演算結果を前記電流座標変換回路に供給される１次角周波数ω1の積分値に加算する磁束軸補正回路を備えても良い。
【００４１】
または、前記速度推定誤差補正回路の代わりに、前記速度推定回路からの出力である前記速度推定値を、前記２次磁束推定値と１次電流の内積値を２次磁束推定の振幅の平方で除算し、この値に２次抵抗値を乗算して実すべり角周波数を演算して、前記１次角周波数から実すべり周波数を減算して、速度推定値を求めるようにしても良い。すなわち、誘導電動機の方程式より実すべり角周波数ωsは、式（１１）によって求められるため、誘導電動機ＩＭの推定速度ωr ＾は式（１２）により得ることができる。
【００４２】
ωs＝Ｒ2 （φa＾・ｉb ＾＋φb＾・ｉa ＾）／√（φa＾2＋φb＾2）…（１１）
【００４３】
ωr ＾＝ω１−Ｒ２・（（φa＾・ｉb ＾＋φb＾・ｉa ＾）／√（φa＾2＋φb＾2））…（１２）
【００４４】
この場合、速度推定値は１次周波数から２次磁束推定値及び１次電流より演算した実すべり周波数を除算することにより得られる。これにより、積分器を介さずに誘導電動機の速度を演算することができるため、２次磁束推定値に位相差が生じても速度演算値には誤差が現れ難くなり、高いトルク制御精度及び速度制御精度が確保できる。
【００４５】
上記構成によれば、１次周波数指令を補正することや、電流座標変換回路に入力される位相角を補正することにより、高いトルク制御精度及び速度制御精度が確保できる。
【００４６】
または、前記速度推定誤差補正回路に代えて、前記速度推定回路の推定方式を式（１２）を用いるように変更することによっても、高いトルク制御精度及び速度制御精度を確保できる。
【００４７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の誘導電動機の制御装置の実施の形態１の構成を示すブロック図である。なお、先に説明した図５と同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【００４８】
実施の形態１の誘導電動機の制御装置は、１次遅れ要素と倍率器を有し、入力される励磁電流制御回路７の出力から速度推定誤差ωeを演算し、演算結果を１次角周波数演算回路６から出力される１次角周波数ω1に加算して１次角周波数ω1を補正する速度推定誤差補正回路２０を備えたものである。
推定誤差補正回路２０を備えることにより、演算により得られる速度推定値ωr＾と速度の真値との間の誤差が無くなり、これによりトルク制御精度及び速度制御精度が向上する。
【００４９】
図２は本発明の誘導電動機の制御装置の実施の形態２の構成を示すブロック図である。なお、先に説明した図５と同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。
実施の形態２の誘導電動機の制御装置は、入力される励磁電流制御回路７の出力値及び誘導電動機ＩＭの１次電流値ｉ１から速度推定誤差ωeを演算し、演算結果を１次角周波数演算回路６から出力される１次角周波数ω1に加算して１次角周波数ω1を補正する速度推定誤差補正回路３０を備えたものである。
【００５０】
推定誤差補正回路３０を備えることにおり、図１に示した誘導電動機の制御装置と同様に、トルク制御精度及び速度制御精度の向上が図れる。
【００５１】
図３は本発明の誘導電動機の制御装置の実施の形態３の構成を示すブロック図である。なお、先に説明した図５と同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。
実施の形態３の誘導電動機の制御装置は、入力されるトルク電流制御回路８の出力値及び速度推定回路１４の速度推定値ωr＾から速度推定誤差ωeを演算し、演算結果を１次角周波数演算回路６においてすべり角周波数演算回路５のすべり角周波数ωｓに加算して１次角周波数ω1を得る速度推定誤差補正回路４０を備えたものである。
【００５２】
推定誤差補正回路４０を備えることにより、図１乃び図２に示した誘導電動機の制御装置と同様に、トルク制御精度及び速度制御精度の向上が図れる。
【００５３】
図４は本発明の誘導電動機の制御装置の実施の形態４の構成を示すブロック図である。なお、先に説明した図５と同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。
実施の形態４の誘導電動機の制御装置は、入力される励磁電流制御回路７の出力値及び誘導電動機ＩＭの１次電流値ｉ１から２次磁束推定位相角誤差θeを演算し、演算結果を電流座標変換回路４に供給される１次角周波数ω1の積分値θ１に加算して１次角周波数ω1の積分値θ１を補正して補正値θ１’を得る磁束軸補正回路５０を備えたものである。
【００５４】
磁束軸補正回路５０を備えることにより、図１乃至図３に示した誘導電動機の制御装置と同様に、トルク制御精度及び速度制御精度の向上が図れる。
【００５５】
さらに、本発明の誘導電動機の制御装置の実施の形態５は、先の図５に示した誘導電動機の制御装置と同一構成のブロック図において、速度推定回路１４での速度推定方式を式（６）より式（１２）に変更したものである。このように速度推定方式を変更することにより、図１乃至図４に示した誘導電動機の制御装置と同様にトルク制御精度及び速度制御精度の向上が図れる。
【００５６】
【発明の効果】
本発明によれば、励磁電流制御回路の出力値又はトルク電流制御回路の出力値により１次周波数指令を補正する、あるいは電流座標変換回路に入力する位相角を補正する、或いは速度推定方式を変更することにより、速度推定値により生ずる演算分解能等と速度の真値との間の誤差を無くすことができ、これにより高いトルク制御精度及び速度制御精度を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る誘導電動機の制御装置の実施の形態１の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明に係る誘導電動機の制御装置の実施の形態２の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明に係る誘導電動機の制御装置の実施の形態３の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明に係る誘導電動機の制御装置の実施の形態４の構成を示すブロック図である。
【図５】従来の誘導電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 電力変換器
２ 速度制御回路
３ 電流検出器
４ 電流座標変換回路
５ すべり角周波数演算回路
６ １次角周波数演算回路
７ 励磁電流制御回路
８ トルク電流制御回路
９Ａ 励磁電流方向成分電圧補償回路
９Ｂ トルク電流方向成分電圧補償回路
１０ 出力電圧指令演算回路
１１ 出力電圧位相角指令演算回路
１２ 空間座標変換回路
１３ ＰＷＭ発生回路
１４ 速度推定回路
２０、３０、４０ 速度推定誤差補正回路
５０ 磁束軸補正回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、速度センサレスベクトル制御により誘導電動機の回転速度を制御する誘導電動機の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
誘導電動機の速度を制御する技術として、誘導電動機に供給される１次電流を、トルクに直接関与するトルク電流（トルクを発生させる電流）と励磁電流（磁束を発生させる電流）とでそれぞれ独立に制御することにより、直流電動機と同様にトルク制御可能なベクトル制御が実用化されている。
【０００３】
ベクトル制御には、速度検出器を備え、電動機の速度検出値、一次電流検出値及び一次電圧検出値に基づいてベクトル制御するものと、速度検出器を備えずに、一次電流検出値及び一次電圧検出値から演算によって推定した電動機速度を用いてベクトル制御するものとがあり、後者は速度センサレスベクトル制御と称されている。
【０００４】
図５は従来の速度センサレスベクトル制御による誘導電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。
図５に示されるように、誘導電動機の制御装置は、電力変換器１、速度制御回路２、電流検出器３、電流座標変換回路４、すべり角周波数演算回路５、１次角周波数演算回路６、励磁電流制御回路７、トルク電流制御回路８、励磁電流方向成分電圧補償回路９Ａ、トルク電流方向成分電圧補償回路９Ｂ、出力電圧指令演算回路１０、出力電圧位相角指令演算回路１１、空間座標変換回路１２、ＰＷＭ発生回路１３、速度推定回路１４を備えている。
【０００５】
電力変換器１は、３相交流電源からの交流を直流化した後、ＰＷＭ制御方式によるインバータで任意の周波数と電圧の交流に再度変換し、この１次周波数及び１次電圧を誘導電動機ＩＭに供給する。
速度制御回路２は、入力される速度指令値ωrrefに速度推定値ωr＾が一致するようにトルク電流指令値ｉqrefを演算し出力する。
【０００６】
電流検出器３は、誘導電動機ＩＭに供給される１次電流（ｕ相電流ｉu、ｗ相電流ｉw）を検出する。
電流座標変換回路４は、誘導電動機ＩＭに供給される１次電流を励磁電流帰還値ｉdfbとトルク電流帰還値ｉqfbに変換して出力する。励磁電流帰還値ｉdfb及びトルク電流帰還値ｉqfbは次式により得られる。
【０００７】
【数１】
ここで、θ１は誘導電動機ＩＭに供給する交流の位相角であり、１次角周波数ω1を積分することにより得られる。
すべり角周波数演算回路５は、トルク電流指令値ｉqref及び励磁電流指令値ｉdrefに基づいてすべり角周波数ωsを演算し出力する。
１次角周波数演算回路６はすべり角周波数ωsと速度推定値ωr＾を加算して１次角周波数ω1を求める。
【０００９】
励磁電流制御回路７は、励磁電流指令値ｉdrefと電流座標変換回路４からの励磁電流帰還値ｉdfbとが一致するように励磁電流方向電圧を制御する。
トルク電流制御回路８は、トルク電流指令値ｉqrefと電流座標変換回路４からのトルク電流帰還値ｉqfbとが一致するようにトルク電流方向電圧を制御する。
励磁電流方向成分電圧補償回路９Ａは、誘導電動機ＩＭの漏れインダクタンスと１次抵抗による逆起電力の励磁電流方向成分電圧Ｖdcとを励磁電流制御回路７からの出力で補正して励磁電流方向電圧指令値Ｖdrefを生成して出力する。
【００１０】
トルク電流方向成分電圧補償回路９Ｂは、誘導電動機ＩＭの磁束で発生し、誘起電圧係数による誘起電圧と１次抵抗による逆起電力のトルク電流方向成分電圧Ｖqcとをトルク電流制御回路８からの出力で補正してトルク電流方向電圧指令値Ｖqrefを生成して出力する。励磁電流方向成分電圧Ｖdc及びトルク電流方向成分電圧Ｖqcは次式により得られる。
【００１１】
Ｖdc＝Ｒ１・ｉdref−ω１・ｌ・ｉqref …（２）
【００１２】
Ｖqc＝Ｒ１・ｉqref＋ω１・Ｌ１・ｉdref …（３）
【００１３】
ここで、Ｒ１は誘導電動機ＩＭの１次抵抗値、Ｌ１は自己インダクタンス、ｌは漏れインダクタンスである。
【００１４】
出力電圧指令演算回路１０は、励磁電流方向電圧指令値Ｖdref及びトルク電流方向電圧指令値Ｖqrefに基づいて出力電圧（１次電圧）指令値Ｖ１ref を演算し出力する。
出力電圧位相角指令演算回路１１は、励磁電流方向成分電圧補償回路９Ａからの励磁電流方向電圧指令値Ｖdrefとトルク電流方向成分電圧補償回路９Ｂからのトルク電流方向電圧指令値Ｖqrefとの位相角θL を求め、かつ１次角周波数演算回路６からの１次角周波数ω1 の積分値を加算した位相角指令値θrefを出力する。位相角指令値θrefは次式により得られる。
【００１５】
Ｖ1ref＝√（Ｖdref2 ＋Ｖqref2 ）
θL ＝tan -1( Ｖqref／Ｖdref）
θref ＝θL ＋θ1 …（４）
【００１６】
空間座標変換回路１２は、出力電圧指令演算回路１０からの出力電圧指令値Ｖ１ref と出力電圧位相角指令演算回路１１からの位相角指令値θrefより出力電圧指令を生成して出力する。各相の出力電圧指令は次式より得られる。
【００１７】
Ｖuref＝Ｖ1ref・Cos （ω1t＋θL）
Ｖvref＝Ｖ1ref・Cos （ω1t＋θL −（２π／３））
Ｖwref＝Ｖ1ref・Cos （ω1t＋θL ＋（２π／３）） …（５）
【００１８】
ＰＷＭ発生回路１３は、空間座標変換回路１２から出力される各相の出力電圧指令よりＰＷＭ信号を生成する。
速度推定回路１４は、誘導電動機ＩＭの１次電圧及び１次電流より誘導電動機ＩＭの速度を推定する。誘導電動機ＩＭの速度推定値ωr＾は次式で得られる。
【００１９】
ωr ＾＝Ｋ・（（ｉa＾−ｉa）・φb ＾−（ｉb ＾−ｉb）・φa＾）＋Ｋ´・∫（（ｉa＾−ｉa）・φb＾−（ｉb ＾−ｉb）・φa＾）dt…（６）
【００２０】
（６）式における２次磁束推定値φa＾、φb＾及び１次電流推定値ｉa ＾、ｉb ＾は（７）式に示す行列式より得られる。
【００２１】
【数２】
各定数は電動機定数であり、以下に示される。
α＝−（Ｒ１／（σＬ１）−（１−σ）／τr ）
σ＝１−Ｍ2 ／（Ｌ１・Ｌ２）
τr ＝Ｌ２／Ｒ２
Ｒ１：１次抵抗
Ｒ２：２次抵抗
Ｌ１：１次自己インダクタンス
Ｌ２：２次自己インダクタンス
Ｍ：相互インダクタンス
Ｇ：オブザーバーゲイン
Ｖa 、Ｖb ：３相２相変換した誘導電動機ＩＭの１次電圧
【００２３】
【数３】
ｉa 、ｉb ：３相２相変換した誘導電動機ＩＭの１次電流
【００２５】
【数４】
上記すべり角周波数演算回路５では、トルク電流指令値ｉqrefと励磁電流指令値ｉdrefより次式の演算を行い、すべり角周波数ωsを求める。
【００２７】
ωs ＝ωso・（ｉqref／ｉdref） …（１０）
【００２８】
このような構成の誘導電動機の制御装置において、３相交流電源からの交流が電力変換器１における図示しない電力変換素子で直流化され、その後ＰＷＭ制御方式のインバータで任意の周波数と電圧の交流に再度変換されてこの１次周波数及び１次電圧が誘導電動機ＩＭに供給される。
誘導電動機ＩＭの１次電流（ｕ相電流ｉu、ｗ相電流ｉw ）が電流座標変換回路４で検出され、ここで座標変換された励磁電流帰還値ｉdfbが励磁電流制御回路７に供給され、トルク電流帰還値ｉqfbがトルク電流制御回路８に供給される。
【００２９】
速度制御回路２では、速度推定値ωr＾と外部から入力される速度指令値ωrrefとが一致するように励磁電流指令値ｉdref及びトルク電流指令値ｉqrefが演算され、その励磁電流指令値ｉdrefがすべり角周波数演算回路５、励磁電流制御回路７及び励磁電流方向成分電圧補償回路９Ａに供給される。また、トルク電流指令値ｉqrefがすべり角周波数演算回路５、トルク電流制御回路８、励磁電流方向成分電圧補償回路９Ａ及びトルク電流方向成分電圧補償回路９Ｂに供給される。
【００３０】
励磁電流制御回路７では、励磁電流指令値ｉdrefと電流座標変換回路４からの励磁電流帰還値ｉdfbとが一致するように励磁電流方向電圧の制御が行われ、トルク電流制御回路８では、トルク電流指令値ｉqrefと電流座標変換回路４からのトルク電流帰還値ｉqfbとが一致するように制御が行われる。
励磁電流方向成分電圧補償回路９Ａでは、誘導電動機ＩＭの漏れインダクタンスと１次抵抗とによる逆起電力の励磁電流方向成分の電圧を、励磁電流制御回路７からの出力で補正した励磁電流方向電圧指令値Vdrefが生成され、出力電圧指令演算回路１０及び出力電圧位相角指令演算回路１１に供給される。
【００３１】
トルク電流方向成分電圧補償回路９Ｂでは、誘導電動機ＩＭの磁束で発生し、誘導起電力係数による誘起電圧と１次抵抗による逆起電力のトルク電流方向成分の電圧を、トルク電流制御回路８からの出力で補正したトルク電流方向電圧指令値Vqrefが生成され、出力電圧指令演算回路１０及び出力電圧位相角指令演算回路１１に供給される。
【００３２】
出力電圧指令演算回路１０では、励磁電流方向電圧指令値Vdrefとトルク電流方向電圧指令値Vqrefとから出力電圧指令値V1ref が演算され、この出力電圧指令値V1ref が空間座標変換回路１２に供給される。
出力電圧位相角指令演算回路１１では、励磁電流方向電圧指令値Vdrefとトルク電流方向電圧指令値Vqrefとの位相角が演算され、さらに１次角周波数演算回路６から出力される１次角周波数ω1の積分値とを合成した位相角指令値θrefが空間座標変換回路１２に供給される。
【００３３】
空間座標変換回路１２では、出力電圧指令値V1ref と位相角指令値θrefとから出力電圧指令が生成されて電力変換器１に供給される。
【００３４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来の誘導電動機の制御装置にあっては、次のような問題点があった。
速度推定値ωr＾は演算の分解能等により真の値との間に誤差が生ずるので、これを基準にベクトル制御を行うと、誤差が原因で誘導電動機に必要なすべり角周波数ωsが与えられず、トルク制御特性及び速度制御特性の低下、場合によっては誘導電動機ＩＭを安定して駆動できないという問題点があった。
【００３５】
この問題点を解決するためにトルク電流帰還値ｉqfbの微分値を演算した結果を利用して１次角周波数ω1を補正していたが、誘導電動機ＩＭを安定して駆動できるものの、トルク制御精度及び速度制御精度の低下は解決することはできない。
【００３６】
そこで本発明は、誘導電動機のトルク制御精度及び速度制御精度の向上を図ることができる誘導電動機の制御装置を提供することを目的としている。
【００３７】
【課題を解決するための手段】
本発明による誘導電動機の制御装置は、直流を任意の周波数と電圧の交流に変換して誘導電動機に１次周波数と１次電流として供給する電力変換器と、前記誘導電動機で磁束を発生させる励磁電流指令値ｉdref及びトルクを発生させるトルク電流指令値ｉqrefを出力する速度制御回路と、前記誘導電動機に供給される１次電流を励磁電流帰還値ｉdfbとトルク電流帰還値ｉqfbに変換して出力する電流座標変換回路と、前記励磁電流指令値ｉdrefと前記励磁電流帰還値ｉdfbとが一致するように励磁電流方向電圧を制御する励磁電流制御回路と、前記トルク電流指令値ｉqrefと前記トルク電流帰還値ｉqfbとが一致するようにトルク電流方向電圧を制御するトルク電流制御回路と、前記誘導電動機の漏れインダクタンスと１次抵抗による逆起電力の励磁電流方向成分の電圧とを前記励磁電流制御回路からの出力で補正して励磁電流方向電圧指令値Vdrefを生成し出力する励磁電流方向成分電圧補償回路と、前記誘導電動機の磁束で発生し誘起電圧係数による誘起電圧ｅと１次抵抗による逆起電力のトルク電流方向成分の電圧とを前記トルク電流制御回路からの出力で補正してトルク電流方向電圧指令値Vqrefを生成し出力するトルク電流方向成分電圧補償回路と、前記励磁電流方向電圧指令値Vdref及び前記トルク電流方向電圧指令値Vqrefに基づいて出力電圧指令値V1ref を演算する出力電圧指令演算回路と、誘導電動機の１次電圧及び１次電流より誘導電動機の２次磁束と１次電流を推定し、２次磁束推定値と１次電流の推定値及び１次電流より誘導電動機の速度を推定する速度推定回路と、トルク電流指令値ｉqrefと励磁電流指令値ｉdrefよりすべり角周波数ωsを演算するすべり角周波数演算回路と、前記すべり角周波数ωsと前記速度推定値ωr＾を加算して１次角周波数ω1を演算する１次角周波数演算回路と、前記励磁電流方向成分電圧補償回路からの励磁電流方向電圧指令値Vdrefと前記トルク電流方向成分電圧補償回路からのトルク電流方向電圧指令値Vqrefとの位相角θLを求め、かつ、前記１次角周波数演算回路からの１次角周波数ω1の積分値を加算した位相角指令値θrefを出力する出力電圧位相角指令演算回路と、前記出力電圧指令演算回路からの出力電圧指令値V1ref と前記出力電圧位相角指令演算回路からの位相角指令値θrefより出力電圧指令を生成して出力する空間座標変換回路と、前記空間座標変換回路から出力される各相の出力電圧指令よりＰＷＭ信号を生成して前記電力変換器に供給するＰＷＭ発生回路とを備えた誘導電動機の制御装置において、前記励磁電流制御回路の出力値を１次遅れ要素を介して速度推定誤差を演算し、この演算結果を前記１次角周波数演算回路からの１次角周波数ω1に加算する速度推定誤差補正回路を備えるものである。
【００３８】
前記速度推定誤差補正回路は、前記励磁電流制御回路の出力値及び前記誘導電動機の１次電流値ｉ１より速度推定誤差を演算し、この演算結果を前記１次角周波数演算回路からの１次角周波数ω1に加算するものであっても良い。
【００３９】
または、前記トルク電流制御回路の出力値を１次遅れ要素を介して速度推定誤差を演算し、この演算結果を前記１次角周波数演算回路からの１次角周波数ω1に加算するものであっても良い。
【００４０】
または、前記速度推定誤差補正回路に代えて、前記励磁電流制御回路の出力値と前記誘導電動機の１次電流値ｉ１より２次磁束位相角推定誤差を演算し、この演算結果を前記電流座標変換回路に供給される１次角周波数ω1の積分値に加算する磁束軸補正回路を備えても良い。
【００４１】
または、前記速度推定誤差補正回路の代わりに、前記速度推定回路からの出力である前記速度推定値を、前記２次磁束推定値と１次電流の内積値を２次磁束推定の振幅の平方で除算し、この値に２次抵抗値を乗算して実すべり角周波数を演算して、前記１次角周波数から実すべり周波数を減算して、速度推定値を求めるようにしても良い。すなわち、誘導電動機の方程式より実すべり角周波数ωsは、式（１１）によって求められるため、誘導電動機ＩＭの推定速度ωr ＾は式（１２）により得ることができる。
【００４２】
ωs＝Ｒ2 （φa＾・ｉb ＾＋φb＾・ｉa ＾）／√（φa＾2＋φb＾2）…（１１）
【００４３】
ωr ＾＝ω１−Ｒ２・（（φa＾・ｉb ＾＋φb＾・ｉa ＾）／√（φa＾2＋φb＾2））…（１２）
【００４４】
この場合、速度推定値は１次周波数から２次磁束推定値及び１次電流より演算した実すべり周波数を除算することにより得られる。これにより、積分器を介さずに誘導電動機の速度を演算することができるため、２次磁束推定値に位相差が生じても速度演算値には誤差が現れ難くなり、高いトルク制御精度及び速度制御精度が確保できる。
【００４５】
上記構成によれば、１次周波数指令を補正することや、電流座標変換回路に入力される位相角を補正することにより、高いトルク制御精度及び速度制御精度が確保できる。
【００４６】
または、前記速度推定誤差補正回路に代えて、前記速度推定回路の推定方式を式（１２）を用いるように変更することによっても、高いトルク制御精度及び速度制御精度を確保できる。
【００４７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の誘導電動機の制御装置の実施の形態１の構成を示すブロック図である。なお、先に説明した図５と同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【００４８】
実施の形態１の誘導電動機の制御装置は、１次遅れ要素と倍率器を有し、入力される励磁電流制御回路７の出力から速度推定誤差ωeを演算し、演算結果を１次角周波数演算回路６から出力される１次角周波数ω1に加算して１次角周波数ω1を補正する速度推定誤差補正回路２０を備えたものである。
推定誤差補正回路２０を備えることにより、演算により得られる速度推定値ωr＾と速度の真値との間の誤差が無くなり、これによりトルク制御精度及び速度制御精度が向上する。
【００４９】
図２は本発明の誘導電動機の制御装置の実施の形態２の構成を示すブロック図である。なお、先に説明した図５と同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。
実施の形態２の誘導電動機の制御装置は、入力される励磁電流制御回路７の出力値及び誘導電動機ＩＭの１次電流値ｉ１から速度推定誤差ωeを演算し、演算結果を１次角周波数演算回路６から出力される１次角周波数ω1に加算して１次角周波数ω1を補正する速度推定誤差補正回路３０を備えたものである。
【００５０】
推定誤差補正回路３０を備えることにおり、図１に示した誘導電動機の制御装置と同様に、トルク制御精度及び速度制御精度の向上が図れる。
【００５１】
図３は本発明の誘導電動機の制御装置の実施の形態３の構成を示すブロック図である。なお、先に説明した図５と同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。
実施の形態３の誘導電動機の制御装置は、入力されるトルク電流制御回路８の出力値及び速度推定回路１４の速度推定値ωr＾から速度推定誤差ωeを演算し、演算結果を１次角周波数演算回路６においてすべり角周波数演算回路５のすべり角周波数ωｓに加算して１次角周波数ω1を得る速度推定誤差補正回路４０を備えたものである。
【００５２】
推定誤差補正回路４０を備えることにより、図１乃び図２に示した誘導電動機の制御装置と同様に、トルク制御精度及び速度制御精度の向上が図れる。
【００５３】
図４は本発明の誘導電動機の制御装置の実施の形態４の構成を示すブロック図である。なお、先に説明した図５と同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。
実施の形態４の誘導電動機の制御装置は、入力される励磁電流制御回路７の出力値及び誘導電動機ＩＭの１次電流値ｉ１から２次磁束推定位相角誤差θeを演算し、演算結果を電流座標変換回路４に供給される１次角周波数ω1の積分値θ１に加算して１次角周波数ω1の積分値θ１を補正して補正値θ１’を得る磁束軸補正回路５０を備えたものである。
【００５４】
磁束軸補正回路５０を備えることにより、図１乃至図３に示した誘導電動機の制御装置と同様に、トルク制御精度及び速度制御精度の向上が図れる。
【００５５】
さらに、本発明の誘導電動機の制御装置の実施の形態５は、先の図５に示した誘導電動機の制御装置と同一構成のブロック図において、速度推定回路１４での速度推定方式を式（６）より式（１２）に変更したものである。このように速度推定方式を変更することにより、図１乃至図４に示した誘導電動機の制御装置と同様にトルク制御精度及び速度制御精度の向上が図れる。
【００５６】
【発明の効果】
本発明によれば、励磁電流制御回路の出力値又はトルク電流制御回路の出力値により１次周波数指令を補正する、あるいは電流座標変換回路に入力する位相角を補正する、或いは速度推定方式を変更することにより、速度推定値により生ずる演算分解能等と速度の真値との間の誤差を無くすことができ、これにより高いトルク制御精度及び速度制御精度を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る誘導電動機の制御装置の実施の形態１の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明に係る誘導電動機の制御装置の実施の形態２の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明に係る誘導電動機の制御装置の実施の形態３の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明に係る誘導電動機の制御装置の実施の形態４の構成を示すブロック図である。
【図５】従来の誘導電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 電力変換器
２ 速度制御回路
３ 電流検出器
４ 電流座標変換回路
５ すべり角周波数演算回路
６ １次角周波数演算回路
７ 励磁電流制御回路
８ トルク電流制御回路
９Ａ 励磁電流方向成分電圧補償回路
９Ｂ トルク電流方向成分電圧補償回路
１０ 出力電圧指令演算回路
１１ 出力電圧位相角指令演算回路
１２ 空間座標変換回路
１３ ＰＷＭ発生回路
１４ 速度推定回路
２０、３０、４０ 速度推定誤差補正回路
５０ 磁束軸補正回路
Claims (5)
- 直流を任意の周波数と電圧の交流に変換して誘導電動機に１次周波数と１次電流として供給する電力変換器と、
前記誘導電動機で磁束を発生させる励磁電流指令値及びトルクを発生させるトルク電流指令値を出力する速度制御回路と、
前記誘導電動機に供給される１次電流を励磁電流帰還値とトルク電流帰還値に変換して出力する電流座標変換回路と、
前記励磁電流指令値と前記励磁電流帰還値とが一致するように励磁電流方向電圧を制御する励磁電流制御回路と、
前記トルク電流指令値と前記トルク電流帰還値とが一致するようにトルク電流方向電圧を制御するトルク電流制御回路と、
前記誘導電動機の漏れインダクタンスと１次抵抗による逆起電力の励磁電流方向成分の電圧とを前記励磁電流制御回路からの出力で補正して励磁電流方向電圧指令値を生成し出力する励磁電流方向成分電圧補償回路と、
前記誘導電動機の磁束で発生し誘起電圧係数による誘起電圧と１次抵抗による逆起電力のトルク電流方向成分の電圧とを前記トルク電流制御回路からの出力で補正してトルク電流方向電圧指令値を生成し出力するトルク電流方向成分電圧補償回路と、
前記励磁電流方向電圧指令値及び前記トルク電流方向電圧指令値に基づいて出力電圧指令値を演算する出力電圧指令演算回路と、
誘導電動機の１次電圧及び１次電流より誘導電動機の２次磁束と１次電流を推定し、２次磁束推定値と１次電流の推定値及び１次電流より誘導電動機の速度を推定する速度推定回路と、
トルク電流指令値と励磁電流指令値よりすべり角周波数を演算するすべり角周波数演算回路と、
前記すべり角周波数と前記速度推定値を加算して１次角周波数を演算する１次角周波数演算回路と、
前記励磁電流方向成分電圧補償回路からの励磁電流方向電圧指令値と前記トルク電流方向成分電圧補償回路からのトルク電流方向電圧指令値との位相角を求め、かつ、前記１次角周波数演算回路からの１次角周波数の積分値を加算した位相角指令値を出力する出力電圧位相角指令演算回路と、
前記出力電圧指令演算回路からの出力電圧指令値と前記出力電圧位相角指令演算回路からの位相角指令値より出力電圧指令を生成して出力する空間座標変換回路と、
前記空間座標変換回路から出力される各相の出力電圧指令よりＰＷＭ信号を生成して前記電力変換器に供給するＰＷＭ発生回路とを備えた誘導電動機の制御装置において、
前記励磁電流制御回路の出力値を１次遅れ要素を介して速度推定誤差を演算し、この演算結果を前記１次角周波数演算回路からの１次角周波数に加算する速度推定誤差補正回路を具備したことを特徴とする誘導電動機の制御装置。 - 前記速度推定誤差補正回路は、前記励磁電流制御回路の出力値及び前記誘導電動機の１次電流値より速度推定誤差を演算し、この演算結果を前記１次角周波数演算回路からの１次角周波数に加算することを特徴とする請求項１記載の誘導電動機の制御装置。
- 前記速度推定誤差補正回路は、前記トルク電流制御回路の出力値を１次遅れ要素を介して速度推定誤差を演算し、この演算結果を前記１次角周波数演算回路からの１次角周波数に加算することを特徴とする請求項１記載の誘導電動機の制御装置。
- 前記速度推定誤差補正回路に代えて、前記励磁電流制御回路の出力値と前記誘導電動機の１次電流値より２次磁束位相角推定誤差を演算し、この演算結果を前記電流座標変換回路に供給される１次角周波数の積分値に加算する磁束軸補正回路を具備したことを特徴とする請求項１記載の誘導電動機の制御装置。
- 前記速度推定誤差補正回路の代わりに、前記速度推定回路からの出力である前記速度推定値を、前記２次磁束推定値と１次電流の内積値を２次磁束推定の振幅の平方で除算し、この値に２次抵抗値を乗算して実すべり角周波数を演算して、前記１次角周波数から実すべり角周波数を減算して、速度推定値を求めることを特徴とする請求項１記載の誘導電動機の制御装置。
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