JP3824159B2 - 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、電力変換器によって永久磁石形同期電動機をはじめとする同期電動機を駆動するための制御装置に関し、詳しくは、トルク制御手段に特徴を有する制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、従来の永久磁石形同期電動機の制御ブロック図を示している。
図において、電流指令演算器１０１は、トルク指令値τ＊及び速度検出値ωに基づいて、同期電動機３００の端子電圧が電力変換器２００の最大出力電圧を越えない条件で所望のトルクが得られる直軸電流指令値ｉｄ ＊及び横軸電流指令値ｉｑ ＊を演算する。この電流指令演算器１０１の構成及び動作は、例えば、平成１３年電気学会産業応用部門全国大会ｐ．１２５７に掲載されているものとする。
なお、速度検出値ωは、同期電動機３００の回転子に取り付けられたパルスジェネレータ１０６の出力パルスから、速度検出回路１０７により検出される。
【０００３】
直軸電流調節器１０２ｄは、直軸電流指令値ｉｄ ＊と直軸電流検出値ｉｄとの偏差を増幅して直軸電圧指令値ｖｄ ＊を演算し、横軸電流調節器１０２ｑは、横軸電流指令値ｉｑ ＊と横軸電流検出値ｉｑとの偏差を増幅して横軸電圧指令値ｖｑ ＊を演算する。直軸電流検出値ｉｄ及び横軸電流検出値ｉｑは、座標変換器１０９により、同期電動機３００のＵ相電流検出値ｉｕ、Ｗ相電流検出値ｉｗ及び磁極位置検出値θから演算する。なお、磁極位置検出値θは、パルスジェネレータ１０６の出力パルスから磁極位置検出回路１０８により検出される。
【０００４】
極座標変換器１０３は、直軸電圧指令値ｖｄ ＊及び横軸電圧指令値ｖｑ ＊から電圧振幅指令値Ｖ＊及び電圧位相指令φ０を演算し、座標変換器１０４は、電圧振幅指令値Ｖ＊、電圧位相指令φ０及び磁極位置検出値θから三相電圧指令値ｖｕ ＊，ｖｖ ＊，ｖｗ ＊を演算する。これらの三相電圧指令値ｖｕ ＊，ｖｖ ＊，ｖｗ ＊をＰＷＭ回路１０５によりパルス幅変調して電力変換器２００のゲート信号を生成し、このゲート信号を用いて電力変換器２００のスイッチング素子を駆動することにより、同期電動機３００の端子電圧を制御し、同期電動機３００の電流を指令値に制御することによってそのトルクを指令値に制御している。
この制御方法は、同期電動機３００の速度零を含む低速時にも正確なトルク制御が可能であるという特徴を持つ。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
同期電動機を高効率運転したり、同期電動機と電力変換器とを含めた機器容量を低減するためには、電動機端子電圧を電力変換器の最大出力電圧まで制御できることが望ましい。
しかしながら、図６に示した従来の制御方法では、電流検出値をフィードバックして端子電圧を制御する構成としているため、電動機端子電圧を電力変換器の最大出力電圧に制御しようとすると電圧を指令値どおりに制御できなくなり、電流調節器１０２ｄ,１０２ｑが電流制御系を安定化するように電圧指令値ｖｄ ＊，ｖｑ ＊を出力したとしても実際の電動機端子電圧が指令値どおりにならず、制御系の安定性が低下するという問題がある。
【０００６】
また、同期電動機の速度に相当する固有周波数は電力変換器の出力周波数に等しく、一方、電流制御系の応答は電流のサンプリング周波数に比例する。
ディジタル制御装置を用いる場合、同期電動機の速度が高くなるほど電力変換器の出力周波数とサンプリング周波数との比が小さくなるので、同期電動機の固有周波数成分の振動を電流調節器の動作によって低減できなくなり、その結果、電流制御系の安定性が低下するため、この安定性を維持するには同期電動機の最高速度を制限せざるを得ないという問題もある。
【０００７】
上記の課題を解決する手段として、特開平１０−１４２７３号公報に記載された車両駆動用永久磁石同期電動機の制御装置が知られている。
この制御装置では、その図１に示されるように、電圧指令値を電流指令値と速度検出値及び電動機定数から演算し、電圧指令値、電流検出値及び電動機定数から演算したトルク演算値がトルク指令値に一致するようにトルク角補正値を算出し、この補正値により電圧指令値の位相を制御することでトルク制御を実現している。
【０００８】
この制御装置によれば、電圧の位相を制御してトルク制御を行うことができるので、電動機端子電圧を電力変換器の最大出力電圧に制御するときにもトルク制御が容易であり、電流制御系の安定性低下や最高速度の制約といった問題も生じない。
しかしながら、特開平１０−１４２７３号公報記載の制御装置による電圧位相の制御によるトルク制御は、電機子抵抗による電圧降下が電動機端子電圧に比べて十分小さい場合に実現可能な方法であり、電動機端子電圧が低い低速運転時には、電機子抵抗による電圧降下が無視できなくなるので、トルク制御が困難になるという別の課題がある。
【０００９】
そこで本発明は、低速運転時から高速運転時までの広い速度範囲でトルク制御を実現可能とした同期電動機の制御装置を提供しようとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明では、所望のトルクが得られる電流指令値に電流検出値が一致するように同期電動機の端子電圧を制御する第１のトルク制御手段と、電流検出値と電動機定数とから演算したトルク演算値がトルク指令値に一致するように端子電圧の位相を制御する第２のトルク制御手段とを備え、運転状態に応じて第１のトルク制御手段と第２のトルク制御手段とを切り換えるようにした。
【００１１】
第１のトルク制御手段によるトルク制御は、先に従来技術として述べたように、低速運転時にも正確なトルク制御が可能である反面、高速運転が苦手であるという短所がある。一方、第２のトルク制御手段によるトルク制御は、電動機端子電圧を電力変換器の最大出力電圧に制御するときにもトルク制御が容易であることから、高速運転時の効率向上や機器容量低減に有利であるが、電動機端子電圧が低い低速運転時は制御が困難である短所を持つ。
そこで本発明は、２つのトルク制御方法を組み合わせることにより、広い速度範囲でトルク制御を実現し、これと同時に、効率向上及び機器容量の低減を実現可能とした。
【００１２】
すなわち、請求項１記載の発明は、同期電動機に対するトルク指令値から電流指令値を生成し、この電流指令値から生成した電圧指令値に基づき電力変換器を運転して同期電動機を制御する同期電動機の制御装置において、
前記電流指令値を演算する電流指令演算手段と、
前記電流指令値、同期電動機の速度検出値及び電動機定数から第１の電圧指令値を演算する電圧指令演算手段と、
前記電流指令値に電流検出値が一致するように第１の電圧指令値に基づいて同期電動機の端子電圧を制御する第１のトルク制御手段と、
同期電動機のトルク演算値が前記トルク指令値に一致するように前記端子電圧の位相を制御する第２のトルク制御手段と、
同期電動機の運転状態に応じて第１または第２のトルク制御手段を切り換えて動作させる制御切換手段と、
を備え、
第１のトルク制御手段は、
前記電流指令値と前記電流検出値との偏差を増幅して電圧補正値を演算する電流調節手段と、第１の電圧指令値に前記電圧補正値を加算して第２の電圧指令値を演算する手段と、
第２の電圧指令値に基づいて電力変換器に対する駆動信号を生成する手段と、を有し、
第２のトルク制御手段は、
前記電流検出値及び電動機定数からトルクを演算するトルク演算手段と、
前記トルク指令値と前記トルク演算値との偏差を増幅して電圧位相補正値を演算する電圧位相調節手段と、
第１の電圧指令値の位相に前記電圧位相補正値を加算して第３の電圧指令値を演算する手段と、
第３の電圧指令値に基づいて電力変換器に対する駆動信号を生成する手段と、を有するものである。
【００１３】
請求項２に記載した発明は、第１のトルク制御手段が、
前記電流指令値と前記電流検出値との偏差を増幅して電圧補正値を演算する電流調節手段と、第１の電圧指令値に前記電圧補正値を加算して第２の電圧指令値を演算する手段と、
第２の電圧指令値に基づいて電力変換器に対する駆動信号を生成する手段と、を有し、
第２のトルク制御手段が、
前記電流検出値及び電動機定数からトルクを演算するトルク演算手段と、
前記トルク指令値と前記トルク演算値との偏差を増幅して電圧位相補正値を演算する電圧位相調節手段と、
第１の電圧指令値に前記電圧補正値（第１のトルク制御手段の動作時における電圧補正値であって、後述するメモリに記憶された値）を加算して第２の電圧指令値を演算する手段と、
第２の電圧指令値の位相に前記電圧位相補正値を加算して第３の電圧指令値を演算する手段と、
第３の電圧指令値に基づいて電力変換器に対する駆動信号を生成する手段と、を有し、
前記制御切換手段が、
第２のトルク制御手段の動作開始時に第１のトルク制御手段の動作時における前記電圧補正値をメモリに記憶する機能と、第２のトルク制御手段の動作時における前記電圧補正値を前記メモリに記憶された値に制御する機能と、第１のトルク制御手段の動作を開始する前に、前記電流調節手段の出力を前記メモリに記憶された値にプリセットする機能と、を有するを有するものである。
【００１４】
請求項３に記載した発明は、第１のトルク制御手段が、
前記電流指令値と前記電流検出値との偏差を増幅して電圧補正値を演算する電流調節手段と、第１の電圧指令値に前記電圧補正値を加算して第２の電圧指令値を演算する手段と、
第２の電圧指令値の位相に電圧位相補正値（第２のトルク制御手段の動作時における電圧位相補正値を時間と共に徐々に減少させて最終的に零にするような電圧位相補正値）を加算して第３の電圧指令値を演算する手段と、
第３の電圧指令値に基づいて電力変換器に対する駆動信号を生成する手段と、を有し、
第２のトルク制御手段が、
前記電流検出値及び電動機定数からトルクを演算するトルク演算手段と、
前記トルク指令値と前記トルク演算値との偏差を増幅して前記電圧位相補正値を演算する電圧位相調節手段と、
第２の電圧指令値の位相に前記電圧位相補正値を加算して第３の電圧指令値を演算する手段と、
第３の電圧指令値に基づいて電力変換器に対する駆動信号を生成する手段と、を有し、
前記制御切換手段が、
第１のトルク制御手段の動作開始後に、前記電圧位相補正値を第２のトルク制御手段の動作時における値から時間と共に徐々に減少させて零にする機能と、を有するものである。
【００１５】
請求項４に記載した発明は、第１のトルク制御手段が、
前記電流指令値と前記電流検出値との偏差を増幅して電圧補正値を演算する電流調節手段と、第１の電圧指令値に前記電圧補正値を加算して第２の電圧指令値を演算する手段と、
第２の電圧指令値の位相に電圧位相補正値（第２のトルク制御手段の動作時における電圧位相補正値を時間と共に徐々に減少させて最終的に零にするような電圧位相補正値）を加算して第３の電圧指令値を演算する手段と、
第３の電圧指令値に基づいて電力変換器に対する駆動信号を生成する手段と、を有し、
第２のトルク制御手段が、
前記電流検出値及び電動機定数からトルクを演算するトルク演算手段と、
前記トルク指令値と前記トルク演算値との偏差を増幅して前記電圧位相補正値を演算する電圧位相調節手段と、
第１の電圧指令値に前記電圧補正値（第１のトルク制御手段の動作時における電圧補正値であって、後述するメモリに記憶された値）を加算して第２の電圧指令値を演算する手段と、
第２の電圧指令値の位相に前記電圧位相補正値を加算して第３の電圧指令値を演算する手段と、
第３の電圧指令値に基づいて電力変換器に対する駆動信号を生成する手段と、を有し、
前記制御切換手段が、
第２のトルク制御手段の動作開始時に第１のトルク制御手段の動作時における前記電圧補正値をメモリに記憶する機能と、第２のトルク制御手段の動作時における前記電圧補正値を前記メモリに記憶された値に制御する機能と、第１のトルク制御手段の動作を開始する前に、前記電流調節手段の出力を前記メモリに記憶された値にプリセットする機能と、
第１のトルク制御手段の動作開始後に、前記電圧位相補正値を第２のトルク制御手段の動作時における値から時間と共に徐々に減少させて零にする機能と、を有するものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態を示す制御ブロック図である。
図１において、１０１はトルク指令値τ＊から所望のトルクが得られるような直軸電流指令値ｉｄ ＊及び横軸電流指令値ｉｑ ＊を演算する電流指令演算器、１１０は、前記各指令値ｉｄ ＊，ｉｑ ＊と速度検出回路１０７からの速度検出値ωと電動機定数（電機子抵抗、直軸・横軸インダクタンス、永久磁石鎖交磁束）とから、第１の直軸電圧指令値ｖｄ１ ＊及び第１の横軸電圧指令値ｖｑ１ ＊を数式１、数式２に従って演算する電圧指令演算器である。
【００１７】
［数１］
ｖｄ１ ＊＝Ｒａｉｄ ＊−ωＬｑｉｑ ＊
【００１８】
［数２］
ｖｑ１ ＊＝Ｒａｉｑ ＊＋ωＬｄｉｄ ＊＋ωΨｍ
【００１９】
数式１，数式２において、Ｒａ：電機子抵抗、Ｌｄ：直軸インダクタンス、Ｌｑ：横軸インダクタンス、Ψｍ：永久磁石鎖交磁束である。
【００２０】
１０２ｄは直軸電圧補正値ｖｄａｃｒを演算する直軸電流調節器、１０２ｑは横軸電圧補正値ｖｑａｃｒを演算する横軸電流調節器、１０３は、第１の直軸電圧指令値ｖｄ１ ＊及び第１の横軸電圧指令値ｖｑ１ ＊に前記電圧補正値ｖｄａｃｒ，ｖｑａｃｒをそれぞれ加算して得た第２の直軸電圧指令値ｖｄ２ ＊及び第２の横軸電圧指令値ｖｑ２ ＊が入力され、極座標変換により電圧振幅指令値Ｖ＊及び電圧位相指令φ０を出力する極座標変換器である。
ここで、電圧補正値ｖｄａｃｒ，ｖｑａｃｒは、後述する如く制御切換信号が“１”の時には何れも零（各調節器１０２ｄ，１０２ｑが演算停止）となるので、その場合には、極座標変換器１０３に第１の直軸電圧指令値ｖｄ１ ＊及び第１の横軸電圧指令値ｖｑ１ ＊がそのまま入力されると考えることができる。
【００２１】
１０４は、電圧振幅指令値Ｖ＊と、電圧位相指令φ０に電圧位相補正値φｖｐｈを加算して得た電圧位相指令φとを、磁極位置検出値θに基づき座標変換して三相電圧指令値ｖｕ ＊，ｖｖ ＊，ｖｗ ＊を出力する座標変換器、１０５は三相電圧指令値ｖｕ ＊，ｖｖ ＊，ｖｗ ＊をキャリアと比較してゲート信号を生成するＰＷＭ回路、２００はインバータ等の電力変換器、３００は制御対象である永久磁石同期電動機、１０６は同期電動機３００の回転子に取り付けられたパルスジェネレータ、１０７は速度検出回路、１０８は磁極位置検出回路、１０９は、Ｕ相電流検出値ｉｕ、Ｗ相電流検出値ｉｗ及び磁極位置検出値θから直軸電流検出値ｉｄ及び横軸電流検出値ｉｑを演算する座標変換器である。
上記電圧位相補正値φｖｐｈは、後述する如く制御切換信号が“０”の時には零（電圧位相調節器１１２が演算停止）となるので、その場合には、極座標変換器１０３からの電圧位相指令φ０がそのまま座標変換器１０４に入力されると考えることができる。
【００２２】
次に、１１１は、第１のトルク制御手段の動作と第２のトルク制御手段の動作とを切り換えるための制御切換信号を、電圧振幅指令値Ｖ＊の大きさに応じて出力する制御切換器である。
ここで、第１のトルク制御手段は、所望のトルクが得られる電流指令値に電流検出値が一致するように同期電動機３００の端子電圧を制御する機能を持ち、第２のトルク制御手段は、同期電動機３００のトルク演算値がトルク指令値に一致するように端子電圧の位相を制御する機能を持つ。
【００２３】
上記制御切換信号は、論理が“０”の時に第１のトルク制御手段を動作させ、論理が“１”の時に第２のトルク制御手段を動作させるものとする。具体的には、制御切換器１１１は電圧振幅指令値Ｖ＊が所定の大きさ以下である時に制御切換信号“０”を出力して第１のトルク制御手段を動作させ、電圧振幅指令値Ｖ＊が所定の大きさを越えた時に制御切換信号“１”を出力して第２のトルク制御手段を動作させる。
【００２４】
制御切換信号は、前記直軸電流調節器１０２ｄ、横軸電流調節器１０２ｑ及び電圧位相調節器１１２に加えられている。ここで、電圧位相調節器１１２は、トルク指令値τ＊とトルク演算値τｃａｌとの偏差を増幅して電圧位相補正値φｖ ｐｈを出力する。なお、制御切換信号が“０”の場合、電圧位相調節器１１２の出力は零となるように構成されている。
また、１１３は直軸電流検出値ｉｄ、横軸電流検出値ｉｑ及び電動機定数から数式３によりトルク演算値τｃａｌを求めるトルク演算器である。数式３において、ＰＦ：極対数である。
【００２５】
［数３］
τｃａｌ＝ＰＦ｛Ψｍｉｄ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）ｉｄｉｑ｝
【００２６】
前述のように電圧振幅指令値Ｖ＊の大きさに応じて第１，第２のトルク制御手段を切り換える結果、電動機端子電圧が低い低速運転時は、このときのトルク制御に適した第１のトルク制御手段によりトルク制御が実行され、電動機端子電圧が高い高速運転時や電動機端子電圧を電力変換器２００の最大出力電圧に制御する場合は、第２のトルク制御制御手段によりトルク制御が実行される。これにより、広い速度範囲にわたって正確で安定したトルク制御を実現することができる。
【００２７】
以下、第１，第２のトルク制御手段の動作を個別に説明する。
最初に、第１のトルク制御手段の動作を説明する。いま、同期電動機３００が低速運転されており、極座標変換器１０３から出力される電圧振幅指令値Ｖ＊が所定の大きさ以下であって、制御切換器１１１からは制御切換信号“０”が出力されている。
【００２８】
直軸電流調節器１０２ｄは、直軸電流指令値ｉｄ ＊と直軸電流検出値ｉｄとの偏差を増幅して直軸電圧補正値ｖｄａｃｒを演算し、横軸電流調節器１０２ｑは、横軸電流指令値ｉｑ ＊と横軸電流検出値ｉｑとの偏差を増幅して横軸電圧補正値ｖｑａｃｒを演算する。その結果、第１の直軸電圧指令値ｖｄ１ ＊と直軸電圧補正値ｖｄａｃｒとの和が第２の直軸電圧指令値ｖｄ２ ＊として算出され、第１の横軸電圧指令値ｖｑ１ ＊と横軸電圧補正値ｖｑａｃｒとの和が第２の横軸電圧指令値ｖｑ２ ＊として算出される。
これらの第２の直軸電圧指令値ｖｄ２ ＊及び横軸電圧指令値ｖｑ２ ＊は極座標変換器１０３に入力され、電圧振幅指令値Ｖ＊及び電圧位相指令φ０が演算される。
【００２９】
いま、制御切換信号は“０”であるため、電圧位相調節器１１２の出力である電圧位相補正値φｖｐｈは零となっており、電圧位相調節器１１２の影響を受けることなく、電圧指令位相φとしては電圧位相指令φ０がそのまま座標変換器１０４に入力される。
座標変換器１０４は、電圧振幅指令値Ｖ＊、電圧指令位相φ及び磁極位置検出値θから三相電圧指令値ｖｕ ＊，ｖｖ ＊，ｖｗ ＊を演算する。
【００３０】
ＰＷＭ回路１０５及び電力変換器２００の動作は先に説明した図６の従来技術と同じであるため、説明を省略する。
上述した第１のトルク制御手段により、電流指令値に電流検出値が一致するように端子電圧を制御することで、低速運転時に同期電動機３００のトルクを指令値に制御することができる。
【００３１】
次に、第２のトルク制御手段の動作を説明する。この状態は電動機端子電圧が高い高速運転時や電動機端子電圧を電力変換器２００の最大出力電圧に制御する場合であり、極座標変換器１０３から出力されている電圧振幅指令値Ｖ＊が所定の大きさを越えているため、制御切換器１１１からは制御切換信号“１”が出力されている。
【００３２】
このとき、直軸電流調節器１０２ｄの出力である直軸電圧補正値ｖｄａｃｒと横軸電流調節器１０２ｑの出力である横軸電圧補正値ｖｑａｃｒとは、何れも零となっている。この結果、ｖｄ２ ＊，ｖｑ２ ＊はそれぞれｖｄ１ ＊，ｖｑ１ ＊に等しくなるので、ｖｄ２ ＊とｖｑ２ ＊とから極座標変換器１０３により演算されるＶ＊とφ０は、電流指令値ｉｄ ＊，ｉｑ ＊、速度検出値ω及び電動機定数を使ってオープンループで演算した値となる。
【００３３】
一方、トルク演算器１１３は、前述した数式３によりトルク演算値τｃａｌを求める。また、電圧位相調節器１１２は、トルク指令値τ＊とトルク演算値τｃａｌとの偏差を増幅して電圧位相補正値φｖｐｈを演算する。
そして、電圧位相指令φ０と電圧位相補正値φｖｐｈとを加算して電圧指令位相φを演算し、座標変換器１０４では、Ｖ＊，φ及び磁極位置検出値θから三相電圧指令値ｖｕ ＊，ｖｖ ＊，ｖｗ ＊を演算する。
ここで、上記Ｖ＊及びφは、請求項１における第３の電圧指令値を構成するものである。
以上の制御を行うことにより、高速運転時等においては、電圧位相が適切な値に制御されてトルクを指令値に制御することができる。
【００３４】
次に、図２は本発明の第２実施形態を示す制御ブロック図である。
この実施形態は、図１の機能に、第１のトルク制御手段と第２のトルク制御手段との間で制御を切り換えるときの電圧振幅指令値Ｖ＊の変化をなくして切換ショックを低減する機能を加えたものである。
図１と同一の構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略し、以下では図１と異なる部分を中心に説明する。
【００３５】
すなわち、直軸電流調節器１０２ｄから出力される直軸電圧補正値ｖｄａｃｒは、スイッチＳＷ２ｂｄを介して、または、スイッチＳＷ１ｄ、第１のメモリ１１４ｄ及びスイッチＳＷ２ａｄを介して、第１の直軸電圧指令値ｖｄ１ ＊に加算されるように構成されている。また、第１のメモリ１１４ｄの出力はスイッチＳＷ３ｄを介して直軸電流調節器１０２ｄにプリセットされるようになっている。同様にして、横軸電流調節器１０２ｑから出力される横軸電圧補正値ｖｑａｃｒは、スイッチＳＷ２ｂｑを介して、または、スイッチＳＷ１ｑ、第２のメモリ１１４ｑ及びスイッチＳＷ２ａｑを介して、第１の横軸電圧指令値ｖｑ１ ＊に加算されるように構成されている。また、第２のメモリ１１４ｑの出力はスイッチＳＷ３ｑを介して横軸電流調節器１０２ｑにプリセットされるようになっている。
【００３６】
更に、制御切換器１１１から出力される制御切換信号は、互いに連動するスイッチＳＷ２ｂｄ，ＳＷ２ａｄ，ＳＷ２ｂｑ，ＳＷ２ａｑに加えられている。なお、スイッチＳＷ２ｂｄ，ＳＷ２ｂｑはいわゆるｂ接点動作し、スイッチＳＷ２ａｄ，ＳＷ２ａｑはいわゆるａ接点動作する。
また、制御切換信号はその立上がりを検出する立上がり検出手段１１５、立下がりを検出する立下がり検出手段１１６及び電圧位相調節器１１２に入力されている。そして、立上がり検出手段１１５の出力信号は互いに連動するスイッチＳＷ１ｄ，ＳＷ１ｑに加えられ、立下がり検出手段１１６の出力信号は互いに連動するスイッチＳＷ３ｄ，ＳＷ３ｑに加えられている。
【００３７】
この実施形態の動作を説明すると、まず、同期電動機３００が低速運転され、前記同様に制御切換器１１１からは制御切換信号“０”が出力されているとする。また、本実施形態でも、制御切換信号が“０”で第１のトルク制御手段を動作させ、“１”で第２のトルク制御手段を動作させるものとする。
【００３８】
制御切換信号“０”によってスイッチＳＷ２ｂｄ，ＳＷ２ｂｑを「閉」、スイッチＳＷ２ａｄ，ＳＷ２ａｑを「開」とすることにより、直軸電流調節器１０２ｄにより演算された電圧指令補正値ｖｄａｃｒと、横軸電流調節器１０２ｑにより演算された電圧指令補正値ｖｑａｃｒとが、第１の直軸電圧指令値ｖｄ１ ＊、第１の横軸電圧指令値ｖｑ１ ＊にそれぞれ加算される。
【００３９】
電圧振幅指令値Ｖ＊が所定の大きさを越えた場合、制御切換信号が“０”から“１”に変化して第１のトルク制御手段による動作から第２のトルク制御手段による動作に切り換わる。
すなわち、“０”から“１”に変化する制御切換信号の立上がりを立上がり検出手段１１５が検出し、その出力信号によってスイッチＳＷ１ｄ，ＳＷ１ｑを「閉」とし、第１のトルク制御手段が動作中の直軸電圧補正値ｖｄａｃｒ及び横軸電圧補正値ｖｑａｃｒをそれぞれ第１のメモリ１１４ｄと第２のメモリ１１４ｑに記憶する。
【００４０】
第２のトルク制御手段による制御時には、制御切換信号“１”によってスイッチＳＷ２ｂｄ，ＳＷ２ｂｑを「開」、スイッチＳＷ２ａｄ，ＳＷ２ａｑを「閉」とし、直軸電圧補正値ｖｄａｃｒ及び横軸電圧補正値ｖｑａｃｒをメモリ１１４ｄ，１１４ｑに記憶した値に制御する。
【００４１】
また、電圧振幅指令値Ｖ＊が所定の大きさ以下になって第２のトルク制御手段による動作から第１のトルク制御手段による動作に切り換わるときには、“１”から“０”に変化する制御切換信号の立下がりを立下がり検出手段１１６が検出し、その出力信号によりスイッチＳＷ３ｄ，ＳＷ３ｑを「閉」とする。
これにより、直軸電流調節器１０２ｄの出力と横軸電流調節器１０２ｑの出力とをそれぞれメモリ１１４ｄ，１１４ｑに記憶した値にプリセットしてから、スイッチＳＷ２ｂｄ，ＳＷ２ｂｑを「閉」、スイッチＳＷ２ａｄ，ＳＷ２ａｑを「開」とし、直軸電流調節器１０２ｄと横軸電流調節器１０２ｑとを使って直軸電圧補正値ｖｄａｃｒ及び横軸電圧補正値ｖｑａｃｒを演算する。
【００４２】
以上のような切換時の演算処理を行うことにより、第１及び第２のトルク制御手段によるトルク制御の切換前後で電圧振幅指令値を同じ値にすることができるので、切換ショックが発生しなくなる。
【００４３】
次いで、図３は本発明の第３実施形態を示す制御ブロック図である。
この実施形態は、図１の機能に、第１のトルク制御手段と第２のトルク制御手段との間で制御を切り換えるときの電圧位相指令φの変化を滑らかにして切換ショックを低減する機能を加えたものである。
【００４４】
すなわち図３の実施形態では、電圧位相調節器１１２の出力側に電圧位相つなぎ制御器１１７を追加し、制御切換信号をこの電圧位相つなぎ制御器１１７にも入力している。その他の構成は図１と同様である。なお、電圧位相つなぎ制御器１１７の入力信号（電圧位相調節器１１２の出力である電圧位相補正値）をφｖｐｈ０とする。
【００４５】
図５は電圧位相つなぎ制御器１１７の入出力波形を示しており、これを使って動作を説明する。
図５に示すように、制御切換信号が時刻ｔ１で“１”から“０”に切り換わって第１のトルク制御手段による制御が開始されると、電圧位相調節器１１２から出力される電圧位相補正値φｖｐｈ０を零にするが、電圧位相つなぎ制御器１１７から出力される電圧位相補正値φｖｐｈは、第２のトルク制御手段による制御を実行中のφｖｐｈ０の値から、時間経過と共に緩やかに減少させて最終的に零にする。
このように動作する電圧位相つなぎ制御器１１７を設けることにより、電圧位相の変化を緩やかにすることができ、トルク制御手段を切り換えるときのショックを低減することができる。
【００４６】
図４は、本発明の第４実施形態を示す制御ブロック図である。
この実施形態は、第１実施形態に第２，第３実施形態におけるトルク制御手段切り換え時のショック低減機能を追加したもので、制御ブロックの構成上は図２の構成に図３の電圧位相つなぎ制御器１１７を付加したものに相当する。
動作としては第１〜第３実施形態により説明した動作と同じであるため、説明を省略する。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、第１，第２のトルク制御手段を備え、同期電動機の運転状態に応じて所定のトルク制御手段を選択して動作させるようにしたため、同期電動機の広い速度範囲にわたって適切なトルク制御を実現し、これと同時に効率の向上や機器容量の低減を可能にするものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の制御ブロック図である。
【図２】本発明の第２実施形態の制御ブロック図である。
【図３】本発明の第３実施形態の制御ブロック図である。
【図４】本発明の第４実施形態の制御ブロック図である。
【図５】電圧位相つなぎ制御器の動作を示すタイミングチャートである。
【図６】従来技術の制御ブロック図である。
【符号の説明】
１０１ 電流指令演算器
１０２ｄ 直軸電流調節器
１０２ｑ 横軸電流調節器
１０３ 極座標変換器
１０４，１０９ 座標変換器
１０５ ＰＷＭ回路
１０６ パルスジェネレータ
１０７ 速度検出回路
１０８ 磁極位置検出回路
１１０ 電圧指令演算器
１１１ 切換制御器
１１２ 電圧位相調節器
１１３ トルク演算器
１１４ｄ，１１４ｑ メモリ
１１５ 立上がり検出手段
１１６ 立下がり検出手段
１１７ 電圧位相つなぎ制御器
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力変換器によって永久磁石形同期電動機をはじめとする同期電動機を駆動するための制御装置に関し、詳しくは、トルク制御手段に特徴を有する制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、従来の永久磁石形同期電動機の制御ブロック図を示している。
図において、電流指令演算器１０１は、トルク指令値τ＊及び速度検出値ωに基づいて、同期電動機３００の端子電圧が電力変換器２００の最大出力電圧を越えない条件で所望のトルクが得られる直軸電流指令値ｉｄ ＊及び横軸電流指令値ｉｑ ＊を演算する。この電流指令演算器１０１の構成及び動作は、例えば、平成１３年電気学会産業応用部門全国大会ｐ．１２５７に掲載されているものとする。
なお、速度検出値ωは、同期電動機３００の回転子に取り付けられたパルスジェネレータ１０６の出力パルスから、速度検出回路１０７により検出される。
【０００３】
直軸電流調節器１０２ｄは、直軸電流指令値ｉｄ ＊と直軸電流検出値ｉｄとの偏差を増幅して直軸電圧指令値ｖｄ ＊を演算し、横軸電流調節器１０２ｑは、横軸電流指令値ｉｑ ＊と横軸電流検出値ｉｑとの偏差を増幅して横軸電圧指令値ｖｑ ＊を演算する。直軸電流検出値ｉｄ及び横軸電流検出値ｉｑは、座標変換器１０９により、同期電動機３００のＵ相電流検出値ｉｕ、Ｗ相電流検出値ｉｗ及び磁極位置検出値θから演算する。なお、磁極位置検出値θは、パルスジェネレータ１０６の出力パルスから磁極位置検出回路１０８により検出される。
【０００４】
極座標変換器１０３は、直軸電圧指令値ｖｄ ＊及び横軸電圧指令値ｖｑ ＊から電圧振幅指令値Ｖ＊及び電圧位相指令φ０を演算し、座標変換器１０４は、電圧振幅指令値Ｖ＊、電圧位相指令φ０及び磁極位置検出値θから三相電圧指令値ｖｕ ＊，ｖｖ ＊，ｖｗ ＊を演算する。これらの三相電圧指令値ｖｕ ＊，ｖｖ ＊，ｖｗ ＊をＰＷＭ回路１０５によりパルス幅変調して電力変換器２００のゲート信号を生成し、このゲート信号を用いて電力変換器２００のスイッチング素子を駆動することにより、同期電動機３００の端子電圧を制御し、同期電動機３００の電流を指令値に制御することによってそのトルクを指令値に制御している。
この制御方法は、同期電動機３００の速度零を含む低速時にも正確なトルク制御が可能であるという特徴を持つ。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
同期電動機を高効率運転したり、同期電動機と電力変換器とを含めた機器容量を低減するためには、電動機端子電圧を電力変換器の最大出力電圧まで制御できることが望ましい。
しかしながら、図６に示した従来の制御方法では、電流検出値をフィードバックして端子電圧を制御する構成としているため、電動機端子電圧を電力変換器の最大出力電圧に制御しようとすると電圧を指令値どおりに制御できなくなり、電流調節器１０２ｄ,１０２ｑが電流制御系を安定化するように電圧指令値ｖｄ ＊，ｖｑ ＊を出力したとしても実際の電動機端子電圧が指令値どおりにならず、制御系の安定性が低下するという問題がある。
【０００６】
また、同期電動機の速度に相当する固有周波数は電力変換器の出力周波数に等しく、一方、電流制御系の応答は電流のサンプリング周波数に比例する。
ディジタル制御装置を用いる場合、同期電動機の速度が高くなるほど電力変換器の出力周波数とサンプリング周波数との比が小さくなるので、同期電動機の固有周波数成分の振動を電流調節器の動作によって低減できなくなり、その結果、電流制御系の安定性が低下するため、この安定性を維持するには同期電動機の最高速度を制限せざるを得ないという問題もある。
【０００７】
上記の課題を解決する手段として、特開平１０−１４２７３号公報に記載された車両駆動用永久磁石同期電動機の制御装置が知られている。
この制御装置では、その図１に示されるように、電圧指令値を電流指令値と速度検出値及び電動機定数から演算し、電圧指令値、電流検出値及び電動機定数から演算したトルク演算値がトルク指令値に一致するようにトルク角補正値を算出し、この補正値により電圧指令値の位相を制御することでトルク制御を実現している。
【０００８】
この制御装置によれば、電圧の位相を制御してトルク制御を行うことができるので、電動機端子電圧を電力変換器の最大出力電圧に制御するときにもトルク制御が容易であり、電流制御系の安定性低下や最高速度の制約といった問題も生じない。
しかしながら、特開平１０−１４２７３号公報記載の制御装置による電圧位相の制御によるトルク制御は、電機子抵抗による電圧降下が電動機端子電圧に比べて十分小さい場合に実現可能な方法であり、電動機端子電圧が低い低速運転時には、電機子抵抗による電圧降下が無視できなくなるので、トルク制御が困難になるという別の課題がある。
【０００９】
そこで本発明は、低速運転時から高速運転時までの広い速度範囲でトルク制御を実現可能とした同期電動機の制御装置を提供しようとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明では、所望のトルクが得られる電流指令値に電流検出値が一致するように同期電動機の端子電圧を制御する第１のトルク制御手段と、電流検出値と電動機定数とから演算したトルク演算値がトルク指令値に一致するように端子電圧の位相を制御する第２のトルク制御手段とを備え、運転状態に応じて第１のトルク制御手段と第２のトルク制御手段とを切り換えるようにした。
【００１１】
第１のトルク制御手段によるトルク制御は、先に従来技術として述べたように、低速運転時にも正確なトルク制御が可能である反面、高速運転が苦手であるという短所がある。一方、第２のトルク制御手段によるトルク制御は、電動機端子電圧を電力変換器の最大出力電圧に制御するときにもトルク制御が容易であることから、高速運転時の効率向上や機器容量低減に有利であるが、電動機端子電圧が低い低速運転時は制御が困難である短所を持つ。
そこで本発明は、２つのトルク制御方法を組み合わせることにより、広い速度範囲でトルク制御を実現し、これと同時に、効率向上及び機器容量の低減を実現可能とした。
【００１２】
すなわち、請求項１記載の発明は、同期電動機に対するトルク指令値から電流指令値を生成し、この電流指令値から生成した電圧指令値に基づき電力変換器を運転して同期電動機を制御する同期電動機の制御装置において、
前記電流指令値を演算する電流指令演算手段と、
前記電流指令値、同期電動機の速度検出値及び電動機定数から第１の電圧指令値を演算する電圧指令演算手段と、
前記電流指令値に電流検出値が一致するように第１の電圧指令値に基づいて同期電動機の端子電圧を制御する第１のトルク制御手段と、
同期電動機のトルク演算値が前記トルク指令値に一致するように前記端子電圧の位相を制御する第２のトルク制御手段と、
同期電動機の運転状態に応じて第１または第２のトルク制御手段を切り換えて動作させる制御切換手段と、
を備え、
第１のトルク制御手段は、
前記電流指令値と前記電流検出値との偏差を増幅して電圧補正値を演算する電流調節手段と、第１の電圧指令値に前記電圧補正値を加算して第２の電圧指令値を演算する手段と、
第２の電圧指令値に基づいて電力変換器に対する駆動信号を生成する手段と、を有し、
第２のトルク制御手段は、
前記電流検出値及び電動機定数からトルクを演算するトルク演算手段と、
前記トルク指令値と前記トルク演算値との偏差を増幅して電圧位相補正値を演算する電圧位相調節手段と、
第１の電圧指令値の位相に前記電圧位相補正値を加算して第３の電圧指令値を演算する手段と、
第３の電圧指令値に基づいて電力変換器に対する駆動信号を生成する手段と、を有するものである。
【００１３】
請求項２に記載した発明は、第１のトルク制御手段が、
前記電流指令値と前記電流検出値との偏差を増幅して電圧補正値を演算する電流調節手段と、第１の電圧指令値に前記電圧補正値を加算して第２の電圧指令値を演算する手段と、
第２の電圧指令値に基づいて電力変換器に対する駆動信号を生成する手段と、を有し、
第２のトルク制御手段が、
前記電流検出値及び電動機定数からトルクを演算するトルク演算手段と、
前記トルク指令値と前記トルク演算値との偏差を増幅して電圧位相補正値を演算する電圧位相調節手段と、
第１の電圧指令値に前記電圧補正値（第１のトルク制御手段の動作時における電圧補正値であって、後述するメモリに記憶された値）を加算して第２の電圧指令値を演算する手段と、
第２の電圧指令値の位相に前記電圧位相補正値を加算して第３の電圧指令値を演算する手段と、
第３の電圧指令値に基づいて電力変換器に対する駆動信号を生成する手段と、を有し、
前記制御切換手段が、
第２のトルク制御手段の動作開始時に第１のトルク制御手段の動作時における前記電圧補正値をメモリに記憶する機能と、第２のトルク制御手段の動作時における前記電圧補正値を前記メモリに記憶された値に制御する機能と、第１のトルク制御手段の動作を開始する前に、前記電流調節手段の出力を前記メモリに記憶された値にプリセットする機能と、を有するを有するものである。
【００１４】
請求項３に記載した発明は、第１のトルク制御手段が、
前記電流指令値と前記電流検出値との偏差を増幅して電圧補正値を演算する電流調節手段と、第１の電圧指令値に前記電圧補正値を加算して第２の電圧指令値を演算する手段と、
第２の電圧指令値の位相に電圧位相補正値（第２のトルク制御手段の動作時における電圧位相補正値を時間と共に徐々に減少させて最終的に零にするような電圧位相補正値）を加算して第３の電圧指令値を演算する手段と、
第３の電圧指令値に基づいて電力変換器に対する駆動信号を生成する手段と、を有し、
第２のトルク制御手段が、
前記電流検出値及び電動機定数からトルクを演算するトルク演算手段と、
前記トルク指令値と前記トルク演算値との偏差を増幅して前記電圧位相補正値を演算する電圧位相調節手段と、
第２の電圧指令値の位相に前記電圧位相補正値を加算して第３の電圧指令値を演算する手段と、
第３の電圧指令値に基づいて電力変換器に対する駆動信号を生成する手段と、を有し、
前記制御切換手段が、
第１のトルク制御手段の動作開始後に、前記電圧位相補正値を第２のトルク制御手段の動作時における値から時間と共に徐々に減少させて零にする機能と、を有するものである。
【００１５】
請求項４に記載した発明は、第１のトルク制御手段が、
前記電流指令値と前記電流検出値との偏差を増幅して電圧補正値を演算する電流調節手段と、第１の電圧指令値に前記電圧補正値を加算して第２の電圧指令値を演算する手段と、
第２の電圧指令値の位相に電圧位相補正値（第２のトルク制御手段の動作時における電圧位相補正値を時間と共に徐々に減少させて最終的に零にするような電圧位相補正値）を加算して第３の電圧指令値を演算する手段と、
第３の電圧指令値に基づいて電力変換器に対する駆動信号を生成する手段と、を有し、
第２のトルク制御手段が、
前記電流検出値及び電動機定数からトルクを演算するトルク演算手段と、
前記トルク指令値と前記トルク演算値との偏差を増幅して前記電圧位相補正値を演算する電圧位相調節手段と、
第１の電圧指令値に前記電圧補正値（第１のトルク制御手段の動作時における電圧補正値であって、後述するメモリに記憶された値）を加算して第２の電圧指令値を演算する手段と、
第２の電圧指令値の位相に前記電圧位相補正値を加算して第３の電圧指令値を演算する手段と、
第３の電圧指令値に基づいて電力変換器に対する駆動信号を生成する手段と、を有し、
前記制御切換手段が、
第２のトルク制御手段の動作開始時に第１のトルク制御手段の動作時における前記電圧補正値をメモリに記憶する機能と、第２のトルク制御手段の動作時における前記電圧補正値を前記メモリに記憶された値に制御する機能と、第１のトルク制御手段の動作を開始する前に、前記電流調節手段の出力を前記メモリに記憶された値にプリセットする機能と、
第１のトルク制御手段の動作開始後に、前記電圧位相補正値を第２のトルク制御手段の動作時における値から時間と共に徐々に減少させて零にする機能と、を有するものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態を示す制御ブロック図である。
図１において、１０１はトルク指令値τ＊から所望のトルクが得られるような直軸電流指令値ｉｄ ＊及び横軸電流指令値ｉｑ ＊を演算する電流指令演算器、１１０は、前記各指令値ｉｄ ＊，ｉｑ ＊と速度検出回路１０７からの速度検出値ωと電動機定数（電機子抵抗、直軸・横軸インダクタンス、永久磁石鎖交磁束）とから、第１の直軸電圧指令値ｖｄ１ ＊及び第１の横軸電圧指令値ｖｑ１ ＊を数式１、数式２に従って演算する電圧指令演算器である。
【００１７】
［数１］
ｖｄ１ ＊＝Ｒａｉｄ ＊−ωＬｑｉｑ ＊
【００１８】
［数２］
ｖｑ１ ＊＝Ｒａｉｑ ＊＋ωＬｄｉｄ ＊＋ωΨｍ
【００１９】
数式１，数式２において、Ｒａ：電機子抵抗、Ｌｄ：直軸インダクタンス、Ｌｑ：横軸インダクタンス、Ψｍ：永久磁石鎖交磁束である。
【００２０】
１０２ｄは直軸電圧補正値ｖｄａｃｒを演算する直軸電流調節器、１０２ｑは横軸電圧補正値ｖｑａｃｒを演算する横軸電流調節器、１０３は、第１の直軸電圧指令値ｖｄ１ ＊及び第１の横軸電圧指令値ｖｑ１ ＊に前記電圧補正値ｖｄａｃｒ，ｖｑａｃｒをそれぞれ加算して得た第２の直軸電圧指令値ｖｄ２ ＊及び第２の横軸電圧指令値ｖｑ２ ＊が入力され、極座標変換により電圧振幅指令値Ｖ＊及び電圧位相指令φ０を出力する極座標変換器である。
ここで、電圧補正値ｖｄａｃｒ，ｖｑａｃｒは、後述する如く制御切換信号が“１”の時には何れも零（各調節器１０２ｄ，１０２ｑが演算停止）となるので、その場合には、極座標変換器１０３に第１の直軸電圧指令値ｖｄ１ ＊及び第１の横軸電圧指令値ｖｑ１ ＊がそのまま入力されると考えることができる。
【００２１】
１０４は、電圧振幅指令値Ｖ＊と、電圧位相指令φ０に電圧位相補正値φｖｐｈを加算して得た電圧位相指令φとを、磁極位置検出値θに基づき座標変換して三相電圧指令値ｖｕ ＊，ｖｖ ＊，ｖｗ ＊を出力する座標変換器、１０５は三相電圧指令値ｖｕ ＊，ｖｖ ＊，ｖｗ ＊をキャリアと比較してゲート信号を生成するＰＷＭ回路、２００はインバータ等の電力変換器、３００は制御対象である永久磁石同期電動機、１０６は同期電動機３００の回転子に取り付けられたパルスジェネレータ、１０７は速度検出回路、１０８は磁極位置検出回路、１０９は、Ｕ相電流検出値ｉｕ、Ｗ相電流検出値ｉｗ及び磁極位置検出値θから直軸電流検出値ｉｄ及び横軸電流検出値ｉｑを演算する座標変換器である。
上記電圧位相補正値φｖｐｈは、後述する如く制御切換信号が“０”の時には零（電圧位相調節器１１２が演算停止）となるので、その場合には、極座標変換器１０３からの電圧位相指令φ０がそのまま座標変換器１０４に入力されると考えることができる。
【００２２】
次に、１１１は、第１のトルク制御手段の動作と第２のトルク制御手段の動作とを切り換えるための制御切換信号を、電圧振幅指令値Ｖ＊の大きさに応じて出力する制御切換器である。
ここで、第１のトルク制御手段は、所望のトルクが得られる電流指令値に電流検出値が一致するように同期電動機３００の端子電圧を制御する機能を持ち、第２のトルク制御手段は、同期電動機３００のトルク演算値がトルク指令値に一致するように端子電圧の位相を制御する機能を持つ。
【００２３】
上記制御切換信号は、論理が“０”の時に第１のトルク制御手段を動作させ、論理が“１”の時に第２のトルク制御手段を動作させるものとする。具体的には、制御切換器１１１は電圧振幅指令値Ｖ＊が所定の大きさ以下である時に制御切換信号“０”を出力して第１のトルク制御手段を動作させ、電圧振幅指令値Ｖ＊が所定の大きさを越えた時に制御切換信号“１”を出力して第２のトルク制御手段を動作させる。
【００２４】
制御切換信号は、前記直軸電流調節器１０２ｄ、横軸電流調節器１０２ｑ及び電圧位相調節器１１２に加えられている。ここで、電圧位相調節器１１２は、トルク指令値τ＊とトルク演算値τｃａｌとの偏差を増幅して電圧位相補正値φｖ ｐｈを出力する。なお、制御切換信号が“０”の場合、電圧位相調節器１１２の出力は零となるように構成されている。
また、１１３は直軸電流検出値ｉｄ、横軸電流検出値ｉｑ及び電動機定数から数式３によりトルク演算値τｃａｌを求めるトルク演算器である。数式３において、ＰＦ：極対数である。
【００２５】
［数３］
τｃａｌ＝ＰＦ｛Ψｍｉｄ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）ｉｄｉｑ｝
【００２６】
前述のように電圧振幅指令値Ｖ＊の大きさに応じて第１，第２のトルク制御手段を切り換える結果、電動機端子電圧が低い低速運転時は、このときのトルク制御に適した第１のトルク制御手段によりトルク制御が実行され、電動機端子電圧が高い高速運転時や電動機端子電圧を電力変換器２００の最大出力電圧に制御する場合は、第２のトルク制御制御手段によりトルク制御が実行される。これにより、広い速度範囲にわたって正確で安定したトルク制御を実現することができる。
【００２７】
以下、第１，第２のトルク制御手段の動作を個別に説明する。
最初に、第１のトルク制御手段の動作を説明する。いま、同期電動機３００が低速運転されており、極座標変換器１０３から出力される電圧振幅指令値Ｖ＊が所定の大きさ以下であって、制御切換器１１１からは制御切換信号“０”が出力されている。
【００２８】
直軸電流調節器１０２ｄは、直軸電流指令値ｉｄ ＊と直軸電流検出値ｉｄとの偏差を増幅して直軸電圧補正値ｖｄａｃｒを演算し、横軸電流調節器１０２ｑは、横軸電流指令値ｉｑ ＊と横軸電流検出値ｉｑとの偏差を増幅して横軸電圧補正値ｖｑａｃｒを演算する。その結果、第１の直軸電圧指令値ｖｄ１ ＊と直軸電圧補正値ｖｄａｃｒとの和が第２の直軸電圧指令値ｖｄ２ ＊として算出され、第１の横軸電圧指令値ｖｑ１ ＊と横軸電圧補正値ｖｑａｃｒとの和が第２の横軸電圧指令値ｖｑ２ ＊として算出される。
これらの第２の直軸電圧指令値ｖｄ２ ＊及び横軸電圧指令値ｖｑ２ ＊は極座標変換器１０３に入力され、電圧振幅指令値Ｖ＊及び電圧位相指令φ０が演算される。
【００２９】
いま、制御切換信号は“０”であるため、電圧位相調節器１１２の出力である電圧位相補正値φｖｐｈは零となっており、電圧位相調節器１１２の影響を受けることなく、電圧指令位相φとしては電圧位相指令φ０がそのまま座標変換器１０４に入力される。
座標変換器１０４は、電圧振幅指令値Ｖ＊、電圧指令位相φ及び磁極位置検出値θから三相電圧指令値ｖｕ ＊，ｖｖ ＊，ｖｗ ＊を演算する。
【００３０】
ＰＷＭ回路１０５及び電力変換器２００の動作は先に説明した図６の従来技術と同じであるため、説明を省略する。
上述した第１のトルク制御手段により、電流指令値に電流検出値が一致するように端子電圧を制御することで、低速運転時に同期電動機３００のトルクを指令値に制御することができる。
【００３１】
次に、第２のトルク制御手段の動作を説明する。この状態は電動機端子電圧が高い高速運転時や電動機端子電圧を電力変換器２００の最大出力電圧に制御する場合であり、極座標変換器１０３から出力されている電圧振幅指令値Ｖ＊が所定の大きさを越えているため、制御切換器１１１からは制御切換信号“１”が出力されている。
【００３２】
このとき、直軸電流調節器１０２ｄの出力である直軸電圧補正値ｖｄａｃｒと横軸電流調節器１０２ｑの出力である横軸電圧補正値ｖｑａｃｒとは、何れも零となっている。この結果、ｖｄ２ ＊，ｖｑ２ ＊はそれぞれｖｄ１ ＊，ｖｑ１ ＊に等しくなるので、ｖｄ２ ＊とｖｑ２ ＊とから極座標変換器１０３により演算されるＶ＊とφ０は、電流指令値ｉｄ ＊，ｉｑ ＊、速度検出値ω及び電動機定数を使ってオープンループで演算した値となる。
【００３３】
一方、トルク演算器１１３は、前述した数式３によりトルク演算値τｃａｌを求める。また、電圧位相調節器１１２は、トルク指令値τ＊とトルク演算値τｃａｌとの偏差を増幅して電圧位相補正値φｖｐｈを演算する。
そして、電圧位相指令φ０と電圧位相補正値φｖｐｈとを加算して電圧指令位相φを演算し、座標変換器１０４では、Ｖ＊，φ及び磁極位置検出値θから三相電圧指令値ｖｕ ＊，ｖｖ ＊，ｖｗ ＊を演算する。
ここで、上記Ｖ＊及びφは、請求項１における第３の電圧指令値を構成するものである。
以上の制御を行うことにより、高速運転時等においては、電圧位相が適切な値に制御されてトルクを指令値に制御することができる。
【００３４】
次に、図２は本発明の第２実施形態を示す制御ブロック図である。
この実施形態は、図１の機能に、第１のトルク制御手段と第２のトルク制御手段との間で制御を切り換えるときの電圧振幅指令値Ｖ＊の変化をなくして切換ショックを低減する機能を加えたものである。
図１と同一の構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略し、以下では図１と異なる部分を中心に説明する。
【００３５】
すなわち、直軸電流調節器１０２ｄから出力される直軸電圧補正値ｖｄａｃｒは、スイッチＳＷ２ｂｄを介して、または、スイッチＳＷ１ｄ、第１のメモリ１１４ｄ及びスイッチＳＷ２ａｄを介して、第１の直軸電圧指令値ｖｄ１ ＊に加算されるように構成されている。また、第１のメモリ１１４ｄの出力はスイッチＳＷ３ｄを介して直軸電流調節器１０２ｄにプリセットされるようになっている。同様にして、横軸電流調節器１０２ｑから出力される横軸電圧補正値ｖｑａｃｒは、スイッチＳＷ２ｂｑを介して、または、スイッチＳＷ１ｑ、第２のメモリ１１４ｑ及びスイッチＳＷ２ａｑを介して、第１の横軸電圧指令値ｖｑ１ ＊に加算されるように構成されている。また、第２のメモリ１１４ｑの出力はスイッチＳＷ３ｑを介して横軸電流調節器１０２ｑにプリセットされるようになっている。
【００３６】
更に、制御切換器１１１から出力される制御切換信号は、互いに連動するスイッチＳＷ２ｂｄ，ＳＷ２ａｄ，ＳＷ２ｂｑ，ＳＷ２ａｑに加えられている。なお、スイッチＳＷ２ｂｄ，ＳＷ２ｂｑはいわゆるｂ接点動作し、スイッチＳＷ２ａｄ，ＳＷ２ａｑはいわゆるａ接点動作する。
また、制御切換信号はその立上がりを検出する立上がり検出手段１１５、立下がりを検出する立下がり検出手段１１６及び電圧位相調節器１１２に入力されている。そして、立上がり検出手段１１５の出力信号は互いに連動するスイッチＳＷ１ｄ，ＳＷ１ｑに加えられ、立下がり検出手段１１６の出力信号は互いに連動するスイッチＳＷ３ｄ，ＳＷ３ｑに加えられている。
【００３７】
この実施形態の動作を説明すると、まず、同期電動機３００が低速運転され、前記同様に制御切換器１１１からは制御切換信号“０”が出力されているとする。また、本実施形態でも、制御切換信号が“０”で第１のトルク制御手段を動作させ、“１”で第２のトルク制御手段を動作させるものとする。
【００３８】
制御切換信号“０”によってスイッチＳＷ２ｂｄ，ＳＷ２ｂｑを「閉」、スイッチＳＷ２ａｄ，ＳＷ２ａｑを「開」とすることにより、直軸電流調節器１０２ｄにより演算された電圧指令補正値ｖｄａｃｒと、横軸電流調節器１０２ｑにより演算された電圧指令補正値ｖｑａｃｒとが、第１の直軸電圧指令値ｖｄ１ ＊、第１の横軸電圧指令値ｖｑ１ ＊にそれぞれ加算される。
【００３９】
電圧振幅指令値Ｖ＊が所定の大きさを越えた場合、制御切換信号が“０”から“１”に変化して第１のトルク制御手段による動作から第２のトルク制御手段による動作に切り換わる。
すなわち、“０”から“１”に変化する制御切換信号の立上がりを立上がり検出手段１１５が検出し、その出力信号によってスイッチＳＷ１ｄ，ＳＷ１ｑを「閉」とし、第１のトルク制御手段が動作中の直軸電圧補正値ｖｄａｃｒ及び横軸電圧補正値ｖｑａｃｒをそれぞれ第１のメモリ１１４ｄと第２のメモリ１１４ｑに記憶する。
【００４０】
第２のトルク制御手段による制御時には、制御切換信号“１”によってスイッチＳＷ２ｂｄ，ＳＷ２ｂｑを「開」、スイッチＳＷ２ａｄ，ＳＷ２ａｑを「閉」とし、直軸電圧補正値ｖｄａｃｒ及び横軸電圧補正値ｖｑａｃｒをメモリ１１４ｄ，１１４ｑに記憶した値に制御する。
【００４１】
また、電圧振幅指令値Ｖ＊が所定の大きさ以下になって第２のトルク制御手段による動作から第１のトルク制御手段による動作に切り換わるときには、“１”から“０”に変化する制御切換信号の立下がりを立下がり検出手段１１６が検出し、その出力信号によりスイッチＳＷ３ｄ，ＳＷ３ｑを「閉」とする。
これにより、直軸電流調節器１０２ｄの出力と横軸電流調節器１０２ｑの出力とをそれぞれメモリ１１４ｄ，１１４ｑに記憶した値にプリセットしてから、スイッチＳＷ２ｂｄ，ＳＷ２ｂｑを「閉」、スイッチＳＷ２ａｄ，ＳＷ２ａｑを「開」とし、直軸電流調節器１０２ｄと横軸電流調節器１０２ｑとを使って直軸電圧補正値ｖｄａｃｒ及び横軸電圧補正値ｖｑａｃｒを演算する。
【００４２】
以上のような切換時の演算処理を行うことにより、第１及び第２のトルク制御手段によるトルク制御の切換前後で電圧振幅指令値を同じ値にすることができるので、切換ショックが発生しなくなる。
【００４３】
次いで、図３は本発明の第３実施形態を示す制御ブロック図である。
この実施形態は、図１の機能に、第１のトルク制御手段と第２のトルク制御手段との間で制御を切り換えるときの電圧位相指令φの変化を滑らかにして切換ショックを低減する機能を加えたものである。
【００４４】
すなわち図３の実施形態では、電圧位相調節器１１２の出力側に電圧位相つなぎ制御器１１７を追加し、制御切換信号をこの電圧位相つなぎ制御器１１７にも入力している。その他の構成は図１と同様である。なお、電圧位相つなぎ制御器１１７の入力信号（電圧位相調節器１１２の出力である電圧位相補正値）をφｖｐｈ０とする。
【００４５】
図５は電圧位相つなぎ制御器１１７の入出力波形を示しており、これを使って動作を説明する。
図５に示すように、制御切換信号が時刻ｔ１で“１”から“０”に切り換わって第１のトルク制御手段による制御が開始されると、電圧位相調節器１１２から出力される電圧位相補正値φｖｐｈ０を零にするが、電圧位相つなぎ制御器１１７から出力される電圧位相補正値φｖｐｈは、第２のトルク制御手段による制御を実行中のφｖｐｈ０の値から、時間経過と共に緩やかに減少させて最終的に零にする。
このように動作する電圧位相つなぎ制御器１１７を設けることにより、電圧位相の変化を緩やかにすることができ、トルク制御手段を切り換えるときのショックを低減することができる。
【００４６】
図４は、本発明の第４実施形態を示す制御ブロック図である。
この実施形態は、第１実施形態に第２，第３実施形態におけるトルク制御手段切り換え時のショック低減機能を追加したもので、制御ブロックの構成上は図２の構成に図３の電圧位相つなぎ制御器１１７を付加したものに相当する。
動作としては第１〜第３実施形態により説明した動作と同じであるため、説明を省略する。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、第１，第２のトルク制御手段を備え、同期電動機の運転状態に応じて所定のトルク制御手段を選択して動作させるようにしたため、同期電動機の広い速度範囲にわたって適切なトルク制御を実現し、これと同時に効率の向上や機器容量の低減を可能にするものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の制御ブロック図である。
【図２】本発明の第２実施形態の制御ブロック図である。
【図３】本発明の第３実施形態の制御ブロック図である。
【図４】本発明の第４実施形態の制御ブロック図である。
【図５】電圧位相つなぎ制御器の動作を示すタイミングチャートである。
【図６】従来技術の制御ブロック図である。
【符号の説明】
１０１ 電流指令演算器
１０２ｄ 直軸電流調節器
１０２ｑ 横軸電流調節器
１０３ 極座標変換器
１０４，１０９ 座標変換器
１０５ ＰＷＭ回路
１０６ パルスジェネレータ
１０７ 速度検出回路
１０８ 磁極位置検出回路
１１０ 電圧指令演算器
１１１ 切換制御器
１１２ 電圧位相調節器
１１３ トルク演算器
１１４ｄ，１１４ｑ メモリ
１１５ 立上がり検出手段
１１６ 立下がり検出手段
１１７ 電圧位相つなぎ制御器
Claims (4)
- 同期電動機に対するトルク指令値から電流指令値を生成し、この電流指令値から生成した電圧指令値に基づき電力変換器を運転して同期電動機を制御する同期電動機の制御装置において、
前記電流指令値を演算する電流指令演算手段と、
前記電流指令値、同期電動機の速度検出値及び電動機定数から第１の電圧指令値を演算する電圧指令演算手段と、
前記電流指令値に電流検出値が一致するように第１の電圧指令値に基づいて同期電動機の端子電圧を制御する第１のトルク制御手段と、
同期電動機のトルク演算値が前記トルク指令値に一致するように前記端子電圧の位相を制御する第２のトルク制御手段と、
同期電動機の運転状態に応じて第１または第２のトルク制御手段を切り換えて動作させる制御切換手段と、
を備え、
第１のトルク制御手段は、
前記電流指令値と前記電流検出値との偏差を増幅して電圧補正値を演算する電流調節手段と、第１の電圧指令値に前記電圧補正値を加算して第２の電圧指令値を演算する手段と、
第２の電圧指令値に基づいて電力変換器に対する駆動信号を生成する手段と、を有し、
第２のトルク制御手段は、
前記電流検出値及び電動機定数からトルクを演算するトルク演算手段と、
前記トルク指令値と前記トルク演算値との偏差を増幅して電圧位相補正値を演算する電圧位相調節手段と、
第１の電圧指令値の位相に前記電圧位相補正値を加算して第３の電圧指令値を演算する手段と、
第３の電圧指令値に基づいて電力変換器に対する駆動信号を生成する手段と、を有することを特徴とする同期電動機の制御装置。 - 同期電動機に対するトルク指令値から電流指令値を生成し、この電流指令値から生成した電圧指令値に基づき電力変換器を運転して同期電動機を制御する同期電動機の制御装置において、
前記電流指令値を演算する電流指令演算手段と、
前記電流指令値、同期電動機の速度検出値及び電動機定数から第１の電圧指令値を演算する電圧指令演算手段と、
前記電流指令値に電流検出値が一致するように第１の電圧指令値に基づいて同期電動機の端子電圧を制御する第１のトルク制御手段と、
同期電動機のトルク演算値が前記トルク指令値に一致するように前記端子電圧の位相を制御する第２のトルク制御手段と、
同期電動機の運転状態に応じて第１または第２のトルク制御手段を切り換えて動作させる制御切換手段と、
を備え、
第１のトルク制御手段は、
前記電流指令値と前記電流検出値との偏差を増幅して電圧補正値を演算する電流調節手段と、第１の電圧指令値に前記電圧補正値を加算して第２の電圧指令値を演算する手段と、
第２の電圧指令値に基づいて電力変換器に対する駆動信号を生成する手段と、を有し、
第２のトルク制御手段は、
前記電流検出値及び電動機定数からトルクを演算するトルク演算手段と、
前記トルク指令値と前記トルク演算値との偏差を増幅して電圧位相補正値を演算する電圧位相調節手段と、
第１の電圧指令値に前記電圧補正値を加算して第２の電圧指令値を演算する手段と、
第２の電圧指令値の位相に前記電圧位相補正値を加算して第３の電圧指令値を演算する手段と、
第３の電圧指令値に基づいて電力変換器に対する駆動信号を生成する手段と、を有し、
前記制御切換手段は、
第２のトルク制御手段の動作開始時に第１のトルク制御手段の動作時における前記電圧補正値をメモリに記憶する機能と、第２のトルク制御手段の動作時における前記電圧補正値を前記メモリに記憶された値に制御する機能と、第１のトルク制御手段の動作を開始する前に、前記電流調節手段の出力を前記メモリに記憶された値にプリセットする機能と、
を有することを特徴とする同期電動機の制御装置。 - 同期電動機に対するトルク指令値から電流指令値を生成し、この電流指令値から生成した電圧指令値に基づき電力変換器を運転して同期電動機を制御する同期電動機の制御装置において、
前記電流指令値を演算する電流指令演算手段と、
前記電流指令値、同期電動機の速度検出値及び電動機定数から第１の電圧指令値を演算する電圧指令演算手段と、
前記電流指令値に電流検出値が一致するように第１の電圧指令値に基づいて同期電動機の端子電圧を制御する第１のトルク制御手段と、
同期電動機のトルク演算値が前記トルク指令値に一致するように前記端子電圧の位相を制御する第２のトルク制御手段と、
同期電動機の運転状態に応じて第１または第２のトルク制御手段を切り換えて動作させる制御切換手段と、
を備え、
第１のトルク制御手段は、
前記電流指令値と前記電流検出値との偏差を増幅して電圧補正値を演算する電流調節手段と、
第１の電圧指令値に前記電圧補正値を加算して第２の電圧指令値を演算する手段と、
第２の電圧指令値の位相に電圧位相補正値を加算して第３の電圧指令値を演算する手段と、
第３の電圧指令値に基づいて電力変換器に対する駆動信号を生成する手段と、を有し、
第２のトルク制御手段は、
前記電流検出値及び電動機定数からトルクを演算するトルク演算手段と、
前記トルク指令値と前記トルク演算値との偏差を増幅して前記電圧位相補正値を演算する電圧位相調節手段と、
第２の電圧指令値の位相に前記電圧位相補正値を加算して第３の電圧指令値を演算する手段と、
第３の電圧指令値に基づいて電力変換器に対する駆動信号を生成する手段と、を有し、
前記制御切換手段は、
第１のトルク制御手段の動作開始後に、前記電圧位相補正値を第２のトルク制御手段の動作時における値から時間と共に徐々に減少させて零にする機能と、
を有することを特徴とする同期電動機の制御装置。 - 同期電動機に対するトルク指令値から電流指令値を生成し、この電流指令値から生成した電圧指令値に基づき電力変換器を運転して同期電動機を制御する同期電動機の制御装置において、
前記電流指令値を演算する電流指令演算手段と、
前記電流指令値、同期電動機の速度検出値及び電動機定数から第１の電圧指令値を演算する電圧指令演算手段と、
前記電流指令値に電流検出値が一致するように第１の電圧指令値に基づいて同期電動機の端子電圧を制御する第１のトルク制御手段と、
同期電動機のトルク演算値が前記トルク指令値に一致するように前記端子電圧の位相を制御する第２のトルク制御手段と、
同期電動機の運転状態に応じて第１または第２のトルク制御手段を切り換えて動作させる制御切換手段と、
を備え、
第１のトルク制御手段は、
前記電流指令値と前記電流検出値との偏差を増幅して電圧補正値を演算する電流調節手段と、
第１の電圧指令値に前記電圧補正値を加算して第２の電圧指令値を演算する手段と、
第２の電圧指令値の位相に電圧位相補正値を加算して第３の電圧指令値を演算する手段と、
第３の電圧指令値に基づいて電力変換器に対する駆動信号を生成する手段と、を有し、
第２のトルク制御手段は、
前記電流検出値及び電動機定数からトルクを演算するトルク演算手段と、
前記トルク指令値と前記トルク演算値との偏差を増幅して前記電圧位相補正値を演算する電圧位相調節手段と、
第１の電圧指令値に前記電圧補正値を加算して第２の電圧指令値を演算する手段と、
第２の電圧指令値の位相に前記電圧位相補正値を加算して第３の電圧指令値を演算する手段と、
第３の電圧指令値に基づいて電力変換器に対する駆動信号を生成する手段と、を有し、
前記制御切換手段は、
第２のトルク制御手段の動作開始時に第１のトルク制御手段の動作時における前記電圧補正値をメモリに記憶する機能と、第２のトルク制御手段の動作時における前記電圧補正値を前記メモリに記憶された値に制御する機能と、第１のトルク制御手段の動作を開始する前に、前記電流調節手段の出力を前記メモリに記憶された値にプリセットする機能と、
第１のトルク制御手段の動作開始後に、前記電圧位相補正値を第２のトルク制御手段の動作時における値から時間と共に徐々に減少させて零にする機能と、
を有することを特徴とする同期電動機の制御装置。
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