JP3891103B2 - 誘導電動機の速度制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘導電動機の速度制御方法に係り、特に電動機取り付けの速度センサが不要で低速度域から高トルクが得られる誘導電動機の速度制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ベクトル制御を用いた誘導電動機の速度制御方法においては、誘導電動機の実回転速度を速度センサにより検出し、検出された実回転速度とすべり周波数指令値の加算値に応じて電力変換器の出力周波数を制御する方法が一般的である。一方、奥山、他「速度、電圧センサレスベクトル制御における制御定数設定誤差の影響とその補償」電学論Ｄ、１１０、４４７（平２−５）は速度センサレスベクトル制御について述べている。この速度センサレスベクトル制御では、速度センサによる実回転速度の検出を行わず、実回転速度の代わりに、誘導電動機の回転速度を推定した速度推定値に基づいて電力変換器の出力周波数を制御する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記文献に記載された速度センサレスベクトル制御では、速度推定値に推定誤差が含まれるため、誘導電動機の実すべり周波数はすべり周波数指令値から変動するようになる。このとき、電動機磁束はトルク変化に応じて変動（減少）するようになり、その結果、電動機発生トルクがトルク電流に比例しなくなり、極度の場合はトルク不足が生じる。
【０００４】
速度推定値の推定誤差の原因としては、速度推定値の演算に用いる電動機定数（１次抵抗および２次抵抗）の設定誤差、並びにこれを１次原因として２次的に発生する電動機磁束の変動が挙げられる。従来はこの誤差原因を補償する十分な方法がなく、特に誘導電動機の回転速度が低い場合（以下、低速度域と呼ぶ）にトルク不足が生じていた。
【０００５】
本発明の目的は、低速度域において電動機トルクを増大させることができ、かつ急激な負荷トルクが加わった場合に発生する電動機トルクの振動を抑制することができる誘導電動機の速度制御方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する第１の発明の特徴は、速度指令値、或いは速度推定値の絶対値が設定値未満の場合は、ｑ軸電流指令値を実質的に零にし、かつ周波数指令値として、前記速度指令値と前記速度推定値との偏差が増加傾向の場合は前記偏差に基づいて前記速度指令値を増加した値を用い、前記偏差が減少傾向の場合は前記偏差に基づいて前記速度指令値を減少した値を用いることにある。
【０００７】
トルク不足が問題となる低速度域において、速度指令値に基づいて求められた周波数指令値により誘導電動機の速度を制御することにより、誘導電動機に発生するトルクを増大できる。
【０００８】
また、ｑ軸電流指令値を実質的に零にすることにより、誘導電動機の回転速度を精度良く推定することができ、回転速度と速度推定値との誤差を小さくすることができる。しかし、ｑ軸電流を実質的に零にすると、急激な負荷トルクが加わった場合に、回転速度が振動する。ここで速度指令値と速度推定値との偏差をとると、前述したように速度推定値と回転速度とは誤差が小さいため、回転速度の振動成分が得られる。その振動成分、つまり速度推定値と速度指令値との偏差が増加傾向の場合は、回転速度が減少傾向にあるので、前述の偏差に基づいて増加した速度指令値を周波数指令値とすることにより、誘導電動機の回転速度を増加することができる。また、速度推定値と速度指令値との偏差が減少傾向の場合、すなわち回転速度が増加傾向にある場合は、前記偏差に基づいて減少した速度指令値を周波数指令値とすることにより、誘導電動機の回転速度を減少することができる。このように、回転速度が振動する場合において、回転速度が減少傾向のときには回転速度を増加させ、逆に回転速度が増加傾向のときには回転速度を減少させることにより、低速度域において急激な負荷トルクが加わった場合に発生する回転速度の振動を抑制することができる。更に、回転速度の振動を抑制することによって電動機トルクの振動も抑制することができる。
【０００９】
上記目的を達成する第２の発明の特徴は、速度指令値、或いは速度推定値の絶対値が設定値未満の場合は、ｑ軸電流指令値を実質的に零にし、かつ周波数指令値として、前記速度指令値に前記速度指令値と前記速度推定値との偏差の微分値を加算して得られる値を用いることにある。
【００１０】
本発明も上記第１の発明と同様に、誘導電動機に発生するトルクを増大できる。また、ｑ軸電流指令値を実質的に零にすることにより、誘導電動機の回転速度を精度良く推定することができ、回転速度と速度推定値との誤差を小さくすることができる。しかし、上記第１の発明と同様に、急激な負荷トルクが加わった場合に回転速度が振動する。ここで速度指令値と速度推定値との偏差をとると、前述したように速度推定値と回転速度とは誤差が小さいため、回転速度の振動成分が得られる。その速度推定値と速度指令値との偏差（振動成分）の微分値と速度指令値を加算した値を周波数指令値とすることにより、前記偏差が増加傾向のとき、すなわち回転速度が減少傾向のときには回転速度を増加させ、逆に前記偏差が減少傾向のとき、すなわち回転速度が増加傾向のときには回転速度を減少させることができる。このように、回転速度が振動する場合において、回転速度が減少傾向のときには回転速度を増加させ、逆に回転速度が増加傾向のときには回転速度を減少させることにより、低速度域において急激な負荷トルクが加わった場合に発生する回転速度の振動を抑制することができる。また、回転速度の振動を抑制することによって電動機トルクの振動も抑制することができる。更に、微分値を用いることにより、回転速度が減少傾向のときには回転速度を増加させ、逆に回転速度が増加傾向のときには回転速度を減少させることが容易に行える。
【００１１】
上記目的を達成する第３の発明の特徴は、前記絶対値が前記設定値未満の場合は、前記ｄ軸電流指令値を増加することにある。
【００１２】
低速度域においてｑ軸電流指令値を実質的に零にしたために小さくなった一次電流を、ｄ軸電流指令値を増加することにより大きくできるので、誘導電動機に大きな一次電流を供給することができる。従って、低速度域において誘導電動機に発生するトルクを更に増大できる。
【００１３】
上記目的を達成する第４の発明の特徴は、前記絶対値が前記設定値未満の場合は、前記周波数指令値として、前記偏差に基づいて演算されたすべり周波数推定値、前記速度指令値および前記微分値の加算により得られた値を用いることにある。
【００１４】
精度良く求められた速度推定値と速度指令値との偏差に基づいてすべり周波数推定値を演算するため、すべり周波数推定値は精度良く求められる。従って、低速度域においてもすべり周波数を考慮した誘導電動機の制御が可能となり、低速度域において誘導電動機に発生するトルクを増大できる。
【００１５】
上記目的を達成する第５の発明の特徴は、前記絶対値が前記設定値未満から前記設定値に達したときは、前記ｑ軸電流指令値として前記すべり周波数推定値に基づいて得られる値を出力すると共に、前記ｄ軸電流指令値を減少することにある。
【００１６】
速度指令値或いは速度推定値の絶対値が設定値に達した場合にすべり周波数推定値に基づいてｑ軸電流指令値を求めることにより、低速度域において発生していたトルクと同等なトルクを、誘導電動機の速度が低速度域より大きくなったときにも発生させることができる。従って、誘導電動機の速度が低速度域から低速度域より大きい速度になった場合の切り替えが、円滑に行われる。
【００１７】
また、ｑ軸電流の発生に伴ってｄ軸電流指令値を減少させることにより、必要以上の電流が誘導電動機に流れることを防止でき、低速度域からの速度上昇に要する電力消費量を低減できる。
【００１８】
上記目的を達成する第６の発明の特徴は、前記ｑ軸電流指令値は、前記ｄ軸電流指令値の減少に応じて増加することにある。
【００１９】
ｄ軸電流指令値の減少に応じてｑ軸電流指令値を増加することにより、ｄ軸電流の減少に伴う磁束の減少に起因したトルクの減少を防止できる。
【００２０】
上記目的を達成する第７の発明の特徴は、前記ｑ軸電流指令値の増加は、前記絶対値が前記設定値未満の時のｄ軸電流指令値と、前記絶対値が前記設定値以上になったときのｄ軸電流指令値との比に基づいて行うことにある。
【００２１】
ｄ軸電流の減少に比例して誘導電動機における磁束は減少し、磁束の減少に比例してトルクも減少する。また、トルクはｑ軸電流にも比例する。このため、速度指令値或いは速度推定値の絶対値が設定値未満の時のｄ軸電流指令値と、速度指令値或いは速度推定値の絶対値が設定値以上になったときのｄ軸電流指令値との比に基づいてｑ軸電流指令値を増加することにより、磁束の減少によるトルクの減少を更に抑制できる。
【００２２】
上記目的を達成する第８の発明の特徴は、前記絶対値が前記設定値以上の場合は、前記ｑ軸電流指令値を、誘導電動機における過電流の発生を防止するｑ軸電流指令制限値以下に制限することにある。
【００２３】
ｑ軸電流指令値の増加を制限することにより、誘導電動機における過電流を防止することができる。
【００２４】
上記目的を達成する第９の発明の特徴は、前記周波数指令値から求められた位相を補正し、前記電力変換器は、前記周波数指令値、前記ｑ軸電流指令値、および前記ｄ軸電流指令値に基づいて得られたｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値と、前記補正された位相とに基づいて制御されることにある。
【００２５】
位相を補正することにより、トルク不足を軽減できる。具体的には、ｄ軸（制御軸）とｍ軸（磁束軸）との位相差を調節することができるため、トルク不足を軽減できる。
【００２６】
上記目的を達成する第１０の発明の特徴は、前記絶対値が前記設定値以上の場合は、前記絶対値が前記設定値となった時のｄ軸電流値と、前記すべり周波数推定値に基づいて求められたｑ軸電流指令値とに基づいて求められた補正角を用いて、前記位相の補正を行うことにある。
【００２７】
誘導電動機の速度が、低速度域から低速度域以上へ上昇した場合に、トルク不足を軽減できる。具体的には、誘導電動機の速度が低速度域から低速度域以上に変化する際に、ｄ軸とｍ軸の位相差を調節することにより、トルク不足をより軽減できる。
【００２８】
上記目的を達成する第１１の発明の特徴は、前記絶対値が前記設定値未満の場合は、前記絶対値が前記設定値となった時のｄ軸電流値と、前記ｑ軸電流指令値とに基づいて求められた補正角を用いて前記位相の補正を行うことにある。
【００２９】
誘導電動機の速度が、低速度域以上から低速度域へ下降した場合に、トルク不足を軽減できる。具体的には、誘導電動機の速度が低速度域以上から低速度域へ下降する際に、ｄ軸とｍ軸の位相差を調節することにより、トルク不足をより軽減できる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。
【００３１】
図１は本発明の好適な一実施例である誘導電動機の速度制御装置を示す。本実施例の誘導電動機１は、電力変換器２より出力される３相交流電力により制御される。電流検出器２０は、電力変換器２から出力される電流ｉｕ、ｉｗを検出する。電流検出器２０で検出された電流ｉｕ、ｉｗは位相信号θ′と共に、座標変換器３に入力される。座標変換器３は入力された電流ｉｕ、ｉｗ、及び信号θ′を用いて電流ｉｕ、ｉｗの座標変換を行い、ｄ軸電流信号Ｉｄ、及びｑ軸電流信号Ｉｑを演算する。速度推定器４は信号Ｉｑ、及びｑ軸電圧指令信号Ｖｑ^**を用いて、（数１）に従い、誘導電動機１の速度推定信号ωr∧を演算する。
【００３２】
【数１】

【００３３】
ここで、Ｌσ^*は漏れインダクタンスの設定値、Ｒσ^*は抵抗設定値（１次抵抗と２次抵抗の和）、Ｔｏは速度推定器４の１次遅れ時定数である。
【００３４】
速度制御器５は、加算器２１で求められた、信号ωr∧と速度指令信号ωr^*との偏差信号、信号Ｉｄ、関数器１１３の出力信号Ｇａ２およびすべり周波数推定信号ωs^*∧を入力し、ｑ軸電流指令信号Ｉｑ^* を出力する。なお、すべり周波数推定信号ωs^*∧は、加算器２１で求められた、信号ωr∧と信号ωr^* との偏差信号に基づいてすべり周波数推定器９により求められる。
【００３５】
速度制御器５の構成を図２を用いて詳細に説明する。速度制御器５に入力された、信号ωr∧と信号ωr^* との偏差信号は、加算器５０１および積分回路５０２に入力される。積分回路５０２は、入力された偏差信号を積分して加算器５０１に出力する。加算器５０１は、入力された偏差信号とその積分信号とを加算し、その加算値を係数器５０３に出力する。係数器５０３は、入力された加算値に係数Ｋｐをかけ、信号Ｉｑ１^*として加算器５０４に出力する。なお、信号Ｉｑ１^*は信号Ｇａ２がＧａ２＝１の間は０とする。
【００３６】
一方、速度制御器５に入力された信号ωs^*∧は乗算器５０５において、設定器５０６の出力である（Ｉｄ^**・Ｔ２）が乗算され、その乗算結果は信号Ｉｑ0^*として出力される。ホールド回路５０７には、信号Ｇａ２と信号Ｉｑ0^*が入力され、入力された信号Ｇａ２がＧａ２＝１からＧａ２≠１になるときに、Ｇａ２≠１となる直前の信号Ｉｑ0^*を保持する。すなわち、低速度域以外（Ｇａ２≠１）では、Ｇａ２≠１となる直前の信号Ｉｑ0^*を出力し続ける。ホールド回路５０７から出力された信号Ｉｑ0^*は加算器５０４に入力される。
【００３７】
加算器５０４では、信号Ｉｑ1^*と信号Ｉｑ0^*とを加算し、その加算結果を除算器５０８に出力する。信号Ｉｑ1^*は前述したように信号Ｇａ２がＧａ２＝１の間は０であるため、信号Ｇａ２がＧａ２≠１となった瞬間には、加算器５０８の出力は信号Ｉｑ0^*となる。すなわち信号Ｉｑ0^*は信号Ｇａ２がＧａ２≠１である速度領域における、加算器５０４の出力の初期値である。
【００３８】
除算器５０８には、設定器５０９から出力された(Ｉｄ^**／Ｉｄ^**max）も入力され、信号Ｉｑ1^*と信号Ｉｑ0^*との加算値を(Ｉｄ^**／Ｉｄ^**max）で除算する。ここでＩｄ^**max は信号Ｇａ２がＧａ２＝１のときのｄ軸電流指令信号の値である。この除算結果は、リミット回路５１０に入力される。リミット回路５１０には信号Ｇａ２、およびｑ軸電流制限信号Ｉｑ^*maxが入力される。信号Ｉｑ^*maxは、ｑ軸電流制限信号演算器５１１において信号Ｉｄと、設定器５１３より出力される一次電流制限信号Ｉ1maxとに基づいて（数２）により演算される。
【００３９】
【数２】

【００４０】
リミット回路５１０は、入力された信号Ｇａ２がＧａ２＝１のときは設定器
５１２より入力される０を出力し、Ｇａ２≠１となったときに、除算器５０８の出力をｑ軸電流指令信号Ｉｑ^*として出力する。また、リミット回路５１０は、信号Ｉｑ^*が信号Ｉｑ^*maxを越えないように制限する。このようにして求められた信号Ｉｑ^*および信号Ｉｑ0^*が速度制御器５から出力される。
【００４１】
再び、図１にて速度制御装置の構成を説明する。速度制御器５から出力された信号Ｉｑ^* は、すべり演算器７、電圧演算器１６、及び加算器２２に入力される。すべり演算器７は、入力された信号Ｉｑ^*より、すべり周波数指令信号ωs^* を得る。加算器８は信号ωs^*と信号ωr∧とを加算して信号ω1^* を求め、信号ω1^*を切り替え器１１に出力する。一方、加算器１０は、信号ωr^*、信号ωs^*∧および微分信号Δωを加算し、その加算結果を信号ω1^** として切り替え器１１に出力する。なお信号Δωは、信号ωr^* と信号ωr∧の偏差を微分したもので、微分演算器２５にて演算される。切り替え器１１は、信号ωr^*も入力する。
【００４２】
切り替え器１１は、関数器１１１及び１１３、乗算器１１２及び１１４、及び加算器１１５を有する。乗算器１１２は、関数器１１１の出力信号Ｇａ１と信号ω1^*との乗算信号を出力する。乗算器１１４は、関数器１１３の出力信号Ｇａ２と信号ω1^** との乗算信号を出力する。加算器１１５は、２つの乗算信号を加算して得られた周波数指令信号ω1^***を出力する。この信号ω1^***は、位相演算器１２、及び電圧演算器１６に入力される。
【００４３】
図３は、図１に示す関数器１１１の入出力関係図である。図３に示すように、関数器１１１の関数は信号ωr^*の絶対値が設定値Ｒ（第１設定値）の絶対値以下の場合には０、設定値Ｑ（第２設定値）の絶対値より大きい場合には１を出力するように設定されている。本実施例では、設定値Ｑは速度１０％および−１０％で、設定値Ｒは５％および−５％である。図４は、図１に示す関数器１１３の入出力関係図である。図４に示すように、関数器１１３の関数は信号ωr^*の絶対値が設定値Ｒの絶対値以下の場合には１、設定値Ｑの絶対値より大きい場合には０を出力するように設定されている。また、関数器１１１に設定されている関数と、関数器１１３に設定されている関数には、信号ωr^*の絶対値が設定値Ｒの絶対値よりも大きく、かつ設定値Ｑの絶対値以下の範囲において、図３、及び図４に示すように、それぞれに相反する漸増・漸減領域が設けられている。なお、この漸増・漸減領域は切り替えによる急激な変化を抑制するために設けられている。信号Ｇａ１と信号Ｇａ２の関係は（数３）で示される。
【００４４】
【数３】

【００４５】
信号ω1^***は、（数４）で表され、信号ωr^*の絶対値が設定値Ｒの絶対値以下の領域では信号ω1^**に等しくなり、信号ωr^* の絶対値が設定値Ｑの絶対値よりも大きな領域では信号ω1^*に等しくなる。また、漸増・漸減領域では信号ω1^*と信号ω1^**の中間値をとる。
【００４６】
【数４】

【００４７】
図１において、位相演算器１２は、信号ω1^***を積分して得られる信号θを出力する。この信号θは加算器２３に入力される。
【００４８】
位相補正器１３は、信号Ｇａ２、信号Ｉｑ^*、信号Ｉｑ0^* および信号Ｉｄを入力し、補正信号δφ∧を出力する。出力された信号δφ∧は加算器２３により信号θに加算され、その加算結果は位相信号θ′として出力される。
【００４９】
位相補正器１３の構造を図５を用いて詳細に説明する。位相補正器１３に入力された信号Ｉｄと信号Ｇａ２は共にホールド回路１３１に入力される。ホールド回路１３１は信号Ｇａ２がＧａ２＝１からＧａ２≠１へと変化する直前の信号
Ｉｄを保持し、信号Ｉｄ0として出力する。信号Ｉｄ0は信号Ｉｑ0^*と共に関数器１３２に入力される。関数器１３２では（数５）に基づいて信号δφ0∧ を演算し、加算器１３５に信号δφ0∧を出力する。
【００５０】
【数５】

【００５１】
一方、ホールド回路１３３には、信号Ｉｑ^* 、信号Ｉｄおよび信号Ｇａ２が入力される。ホールド回路１３３は、信号Ｇａ２がＧａ２≠１からＧａ２＝１へと変化する直前の信号Ｉｑ^*および信号Ｉｄを保持し、それぞれ信号Ｉｑ2^* および信号Ｉｄ2 として関数器１３４に入力される。関数器１３４では（数６）に基づいて信号δφ1∧を演算し、加算器１３５に信号δφ1∧を出力する。
【００５２】
【数６】

【００５３】
加算器１３５では、信号δφ0∧から信号δφ1∧を減算し、その減算結果を補正信号δφ∧として出力する。なお、誘導電動機の始動時において、信号Ｇａ２がＧａ２＝１の間は、信号δφ0∧および信号δφ1∧が０となるため、位相補正器１３の出力信号δφ∧も０となる。また、信号Ｇａ２がＧａ２≠１のときには信号δφ1∧が０であるため、信号δφ∧は信号δφ0∧に等しくなる。
【００５４】
図１において、ｄ軸電流指令器１４は、関数器１４１、乗算器１４２、および加算器１４３を備える。関数器１４１における入力と出力の関係は関数器１１３と等しい。乗算器１４２は、ｄ軸電流付加信号ΔＩｄに信号Ｇａ３を乗算する。なお、信号ΔＩｄは正の値を有し、予め設定されている。得られた乗算信号は加算器１４３において信号Ｉｄ^* と加算され、加算器１４３は加算結果としてｄ軸電流指令信号Ｉｄ^**を出力する。すなわちｄ軸電流指令器１４は、信号ωr^*の絶対値が設定値Ｒの絶対値以下の場合に、信号Ｉｄ^* を信号ΔＩｄの大きさだけ増加した信号Ｉｄ^**を出力し、信号ωr^*の絶対値が設定値Ｑの絶対値より大きい場合に、信号Ｉｄ^*を信号Ｉｄ^**として出力する。また、信号ωr^* の絶対値が設定値Ｒの絶対値より大きく、かつ信号ωr^*の絶対値が設定値Ｑの絶対値以下の場合には、信号Ｉｄ^*を信号ΔＩｄの大きさだけ増加した値と信号Ｉｄ^*との中間値を信号Ｉｄ^**として出力する。
【００５５】
電圧演算器１６は、信号Ｉｄ^**、速度制御器５から出力された信号Ｉｑ^* 、及び信号ω1^***に基づいて、信号Ｖｄ^*、及び信号Ｖｑ^*を出力する。これらの信号は（数７）の演算によって得られる。
【００５６】
【数７】

【００５７】
ここで、Ｒ１^*は１次抵抗設定値、Ｌσ^*はインダクタンスの設定値、Ｍ^*は相互インダクタンス設定値、Ｌ2^*は２次側インダクタンス設定値、φ2d^* はｄ軸２次磁束設定値である。
【００５８】
電圧演算器１６から出力された信号Ｖｄ^*およびＶｑ^*は演算誤差を含んでいる。そのため、加算器１７および１８において、ｄ軸電流制御器１５、及びｑ軸電流制御器６で演算されたｄ軸電圧補正信号Δｄおよびｑ軸電圧補正信号Δｑを加算することにより、信号Ｖｄ^*およびＶｑ^*の演算誤差を補正し、ｄ軸電圧指令信号Ｖｄ^**およびｑ軸電圧指令信号Ｖｑ^**を出力する。なお、信号Δｄは、加算器２４から出力された、信号Ｉｄ^**と信号Ｉｄとの偏差信号に応じて、ｄ軸電流制御器１５で求められる。また、信号Δｑは、加算器２２から出力された、信号
Ｉｑ^*と信号Ｉｑとの偏差信号に応じて、ｑ軸電流制御器６で求められる。
【００５９】
座標変換器１９は、信号θ′を用いて信号Ｖｄ^**、及び信号Ｖｑ^**の座標変換を行い、３相の出力電圧指令信号ｖ１^*を出力する。電力変換器２は、信号ｖ１^*に比例した電圧を出力し、誘導電動機１を制御する。
【００６０】
次に、本実施例の特徴的な構成である速度制御器５、ｄ軸電流指令器１４、切り換え器１１、位相補正器１３および微分演算器２５のもたらす効果について詳細に説明する。
【００６１】
速度制御器５は、前述したように低速度域ではｑ軸電流指令信号Ｉｑ^* として０を出力するためｑ軸電流は０に制御され、速度推定信号ωr∧ は、推定誤差の原因である抵抗値の設定誤差の影響を受けなくなる。すなわち、（数１）に示すように、速度推定信号ωr∧ の演算において抵抗値はｑ軸電流値と乗算されるため、ｑ軸電流を０に制御することによって、抵抗値の設定誤差の影響を受けなくなる。従って、低速度域においても速度推定信号ωr∧が精度良く演算される。
【００６２】
また、速度制御器５において、信号Ｇａ２がＧａ２≠１となった瞬間には信号Ｉｑ^*として信号Ｉｑ0^*が出力される。すなわち、信号Ｉｑ0^* はＧａ２≠１となる領域における信号Ｉｑ^*の初期値となる。この信号Ｉｑ0^* は、低速度域におけるすべり周波数推定信号ωs^*∧に基づいて求められるため、低速度域におけるトルクと同等のトルクをＧａ２≠１となったときにも発生させることができる。よって、低速度域と、低速度域よりも誘導電動機の速度が大きい領域との切り替えが、円滑に行われる。
【００６３】
加えて、速度制御器５では、低速度域におけるｄ軸電流指令信号（Ｉｄ^**max)と、低速度域よりも誘導電動機の速度が大きい領域におけるｄ軸電流指令信号
（Ｉｄ^**）との比に基づいてｑ軸電流指令信号Ｉｑ^*を増加している。この信号Ｉｑ^*の増加は、信号Ｉｄ^**の減少に応じて発生する磁束の減少に起因するトルクの減少を、ｑ軸電流を増加することにより抑制するのもである。
【００６４】
更に速度制御器５では、信号Ｉｑ^*の増加を一次電流制限値に基づいて制限しているため、誘導電動機における過電流が防止される。
【００６５】
以上説明したように、低速度域において信号Ｉｑ^* を０にすることにより、速度推定信号ωr∧の推定誤差の問題は解消されるが、ｑ軸電流指令信号Ｉｑ^*を０とすると、誘導電動機に流れる一次電流が減少してしまう。そこで本実施例では、ｄ軸電流指令器１４において信号Ｉｄ^*に信号ΔＩｄを加えることにより、ｄ軸電流指令信号Ｉｄ^**を増加し、ｑ軸電流指令信号Ｉｑ^*が０になることによる一次電流の減少を防止している。すなわち、ｑ軸電流指令信号Ｉｑ^*が減少した分を、ｄ軸電流指令信号Ｉｄ^**を強めることにより補っている。このように、一次電流の不足を防止でき、一次電流の不足が原因となって発生するトルク不足を防止できる。
【００６６】
切り換え器１１では、低速度域において速度指令信号ωr^*、すべり周波数推定信号ωs^*∧および微分信号Δωの加算値を、周波数指令信号ω1^***として用いている。このことにより、誘導電動機の回転速度は速度指令信号ωr^*に従って制御される。このように低速度域においても、すべり周波数を考慮した速度制御を行うため、誘導電動機を速度指令信号ωr^*により指令した回転速度で制御することができる。
【００６７】
位相補正器１３では、補正信号δφ∧が演算され、位相信号θに加算される。低速度域において、前述したようにｑ軸電流指令信号Ｉｑ^*を０にする場合は、トルクを出すために、図６（ａ）に示されるようにｄ軸（制御軸）とｍ軸（磁束軸）とに位相差を持たせて制御する。しかしながら、ベクトル制御では、ｄ軸とｍ軸との位相差を０に制御しなければｑ軸電流指令信号Ｉｑ^* に応じたトルクを得ることができない。そのため、低速度域におけるｑ軸電流指令信号Ｉｑ^* を０に制御する制御手法（以下、ｑ軸電流指令零制御と呼ぶ）からベクトル制御へと制御手法を変える場合、ｄ軸とｍ軸との位相差が０となるように、ｄ軸の位相を進める必要がある。従って本実施例では、前述のようにｑ軸電流指令零制御からベクトル制御へと制御手法が切り替わる際に、位相信号θ′に補正角δφ∧（＝δφ0∧)を加算することにより、図６(ｂ)に示すように、ｄ軸とｍ軸との位相差が０となるようにｄ軸を進めている。なお、関数器１３２で演算されるδφ0∧は図６（ａ）中のδφ0の推定値である。
【００６８】
一方、ベクトル制御からｑ軸電流指令零制御へと制御手法が切り替わる際には、ｍ軸とｄ軸の位相が一致しているため（図６（ｃ）参照）、ｄ軸の位相を図６（ｄ）に示すように遅らせる必要がある。そこで本発明では、補正信号δφ∧の値を（δφ0∧−δφ1∧）とし、ｄ軸の位相を遅らせている。このように制御手法に応じてｄ軸とｍ軸との位相差を調節しているため、トルク不足の発生を防止することができる。
【００６９】
微分演算器２５は、速度指令信号ωr^* と速度推定信号ωr∧の偏差を微分して微分信号Δωを求める。その微分信号Δω、速度指令信号ωr^*およびすべり周波数推定信号ωs^*∧の加算値がω1^** として切り替え器１１に入力される。この微分信号Δωにより、急激な負荷トルクが加わった場合に発生する電動機トルクの振動を抑制することができる。以下、その作用について説明する。
【００７０】
まず、急激な負荷トルクが加わった場合に電動機のトルクが振動する原理を図７を用いて説明する。図７は、ａ点において急激な負荷トルクτL が加わった場合の速度指令信号ωr^*、回転速度ωr、速度推定信号ωr∧、電動機トルクτmzおよびｑ軸磁束φ２ｑを示す。
【００７１】
図にも示されるように、急激な負荷トルクτLが加わると、回転速度ωrは、しばらくの間振動する。なお、速度推定信号ωr∧は回転速度ωrの推定値であるので、回転速度ωrと同様に振動する。また、回転速度ωrが振動することにより、電動機に発生する実すべり周波数ωs（図示しない）も振動する。
【００７２】
更に、ｑ軸磁束φ２ｑは（数８）で示されるため、実すべり周波数ωsの振動の影響を受けて図に示すように振動する。なお（数８）において、φ２ｄはｄ軸磁束、Ｔ２は２次時定数である。
【００７３】
【数８】

【００７４】
また、電動機のトルクτmは（数９）で示される。
【００７５】
【数９】

【００７６】
ここで、Ｐは電動機の極数、Ｍは相互インダクタンス、Ｌ2 は２次側インダクタンスである。前述したように、低速度域ではｑ軸電流信号Ｉｑは０に制御されるため、低速度域における電動機トルクτmzは（数１０）で示される。
【００７７】
【数１０】

【００７８】
すなわち、低速度域における電動機トルクτmzは、ｑ軸磁束φ２ｑとｄ軸電流Ｉｄの積により発生する。従って電動機トルクτmzも、ｑ軸磁束φ２ｑの振動の影響により、ｑ軸磁束φ２ｑと同期した成分で振動する。
【００７９】
図８は、ｂ点において急激な負荷トルクτL が加わった場合の、本実施例における速度指令信号ωr^*、回転速度ωr、速度推定信号ωr∧、電動機トルクτmzおよびｑ軸磁束φ２ｑを示す。本実施例では、低速度域において、微分信号Δω、速度指令信号ωr^*およびすべり周波数推定信号ωs^*∧の加算値を周波数指令信号ω1^***とするため、微分信号Δωの増減により信号ω1^***も増減する。すなわち、速度指令信号ωr^*と速度推定信号ωr∧ の偏差が増加傾向にあるとき（回転速度ωrが減少傾向のとき）、微分信号Δωは正の値となるため信号ω1^*** が増加し、それに伴い回転速度ωr も増加する。逆に、速度指令信号ωr^*と速度推定信号ωr∧の偏差が減少傾向にあるとき（回転速度ωrが増加傾向のとき）、微分信号Δωは負の値となるため信号ω1^***が減少し、それに伴い回転速度ωr も減少する。このように、微分信号Δωにより信号ω1^***を調整することにより、回転速度ωrの振動を抑制することができる。また、回転速度ωrの振動を抑制することによって、図にも示すように、実すべり周波数ωsおよびｑ軸磁束φ２ｑ の振動を抑制でき、その結果、電動機トルクτmｚの振動を抑制することができる。
【００８０】
本発明の他の実施例である誘導電動機の速度制御装置を図９を用いて以下に説明する。本実施例は速度推定器を用いずに、ｑ軸電流制御器から速度推定信号を得る速度センサレスベクトル制御を適用した誘導電動機の速度制御装置である。本実施例の構成について、主に図１の実施例の構成と異なる箇所を説明する。
【００８１】
本実施例は図１の実施例の速度推定信号に相当する、速度推定相当信号ωr∧をｑ軸電流指令信号Ｉｑ^*とｑ軸電流信号Ｉｑとの偏差信号に基づいてｑ軸電流制御器６′から得ている。得られた速度推定相当信号ωr∧ は、加算器８′においてすべり周波数指令信号ωs^*と加算され、ω1^*として出力される。また信号
ωr∧は加算器２１に入力され、加算器２１では信号ωr∧と信号ωr^*との偏差が求められる。なお、図１の実施例ではｑ軸電流制御器６の出力を信号Ｖｑ^* の補正に用いていたが、本実施例は前述した構成の違いにより、信号Ｖｑ^* を補正する必要がなくなった。また、前述したように本実施例では、信号ωr∧ がｑ軸電流制御器６′から得られるため、図１に示される速度推定器４を備えていない。
【００８２】
本実施例においても、速度制御器５、切り替え器１１、位相補正器１３、ｄ軸電流指令器１４および微分演算器２５が図１の実施例と同様に動作するため、図１の実施例と同じ作用効果を生じる。
【００８３】
本発明の他の実施例である誘導電動機の速度制御装置を図１０を用いて以下に説明する。本実施例は、速度推定器を用いずに、ｑ軸電流制御器の出力とすべり周波数指令信号との偏差を速度推定信号とする速度センサレスベクトル制御を適用したものである。本実施例の構成について、主に図１の実施例の構成と異なる箇所を説明する。
【００８４】
本実施例では、ｑ軸電流制御器６″の出力である信号ω1^*とすべり演算器７の出力であるすべり周波数指令信号ωs^*との偏差信号を加算器８″で演算し、加算器８″の出力を速度推定相当信号ωr∧とする。信号ωr∧は加算器２１に入力され、加算器２１では信号ωr∧と速度指令信号ωr^* との偏差が求められる。なお、図１の実施例ではｑ軸電流制御器６の出力を信号Ｖｑ^* の補正に用いていたが、本実施例は前述した構成の違いにより、信号Ｖｑ^* を補正する必要がなくなった。また、前述したように本実施例では、信号ωr∧ が加算器８″において信号ω1^*とすべり演算器７の出力であるすべり周波数指令信号ωs^*との偏差信号として求められるため、図１に示される速度推定器４を備えていない。
【００８５】
本実施例においても、速度制御器５、切り替え器１１、位相補正器１３、ｄ軸電流指令器１４および微分演算器２５が図１の実施例と同様に動作するため、図１の実施例と同じ作用効果を生じる。
【００８６】
本実施例は、図９の実施例と同様に、速度推定器を用いなくても図１の実施例と同じ作用効果を生じる。
【００８７】
以上説明した各実施例では信号ωr^*の絶対値と設定値の絶対値との大小関係により関数器１１１、１１３、及び１４２の出力を制御している。しかし、どの実施例においても信号ωr∧ の絶対値と設定値の絶対値との大小関係により、関数器１１１、１１３、及び１４２の出力を制御することで、ほぼ同じような効果を得ることができる。
【００８８】
【発明の効果】
本発明によれば、トルク不足が問題となる低速度域において、誘導電動機に発生するトルクを増大でき、かつ急激な負荷トルクが加わった場合に発生する電動機トルクの振動を抑制することができる。
【００８９】
また本発明によれば、誘導電動機の速度が低速度域から低速度域より大きい速度になった場合の切り替えが、円滑に行われる。
【００９０】
更に本発明によれば、誘導電動機における過電流を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な一実施例である誘導電動機の速度制御装置の構成図である。
【図２】図１に示す速度制御器５の構成図である。
【図３】図１に示す関数器１１１の入出力関係図である。
【図４】図１に示す関数器１１３の入出力関係図である。
【図５】図１に示す位相補正器１３の構成図である。
【図６】図１の実施例における磁束、一次電流、ｄ軸電流およびｑ軸電流をベクトル表示した図であり、（ａ）および（ｄ）は低速度域における磁束および一次電流をベクトル表示した図、（ｂ）および（ｃ）は誘導電動機の速度が低速度域以上になったときの磁束および各電流をベクトル表示した図である。
【図７】低速度域において、ｑ軸電流を０としたときに急激な負荷トルクτL が加わった場合の、速度指令信号ωr^*、回転速度ωr、速度推定信号ωr∧、電動機トルクτmzおよびｑ軸磁束φ２ｑを示す図である。
【図８】低速度域において急激な負荷トルクτL が加わった場合の、本発明における速度指令信号ωr^*、回転速度ωr、速度推定信号ωr∧、電動機トルクτmzおよびｑ軸磁束φ２ｑを示す図である。
【図９】本発明の他の実施例である誘導電動機の速度制御装置の構成図である。
【図１０】本発明の他の実施例である誘導電動機の速度制御装置の構成図である。
【符号の説明】
１…誘導電動機、２…電力変換器、３…座標変換器、４…速度推定器、５…速度制御器、６…ｑ軸電流制御器、７…すべり演算器、９…すべり周波数推定器、１１…切り替え器、１２…位相演算器、１３…位相補正器、１４…ｄ軸電流指令器、１５…ｄ軸電流制御器、１６…電圧演算器、１９…座標変換器、２５…微分演算器。

Claims (9)

1. 速度制御手段において速度推定値と速度指令値の偏差からｑ軸電流指令値を得、前記速度推定値に基づいて得られた周波数指令値，前記ｑ軸電流指令値、及びｄ軸電流指令値に基づいて電力変換器を制御し、前記電力変換器により誘導電動機を制御する誘導電動機の速度制御方法において、
   前記速度指令値、或いは前記速度推定値の絶対値が設定値未満の場合は、前記ｑ軸電流指令値を実質的に零にすると共に、前記ｄ軸電流指令値を増加させ、かつ前記周波数指令値として、前記速度指令値と前記速度推定値との偏差が増加傾向の場合は前記偏差に基づいて前記速度指令値を増加した値を用い、前記偏差が減少傾向の場合は前記偏差に基づいて前記速度指令値を減少した値を用い、
   前記絶対値が前記設定値未満から前記設定値に達した場合は、
   前記ｑ軸電流指令値として前記すべり周波数推定値に基づいて得られる値を出力すると共に、前記ｄ軸電流指令値を減少することを特徴とする誘導電動機の速度制御方法。
2. 速度制御手段において速度推定値と速度指令値の偏差からｑ軸電流指令値を得、前記ｑ軸電流指令値と、電力変換器から出力される電流を座標変換して得られるｑ軸電流値との偏差に基づいて周波数指令値を求め、前記周波数指令値と、前記ｑ軸電流指令値から求められたすべり周波数指令値とに基づいて前記速度推定値を求め、前記周波数指令値，前記ｑ軸電流指令値、及びｄ軸電流指令値に基づいて前記電力変換器を制御し、前記電力変換器により誘導電動機を制御する誘導電動機の速度制御方法において、
   前記速度指令値、或いは前記速度推定値の絶対値が設定値未満の場合は、前記ｑ軸電流指令値を実質的に零にすると共に、前記ｄ軸電流指令値を増加させ、かつ前記周波数指令値として、前記速度指令値と前記速度推定値との偏差が増加傾向の場合は前記偏差に基づいて前記速度指令値を増加した値を用い、前記偏差が減少傾向の場合は前記偏差に基づいて前記速度指令値を減少した値を用い、
   前記絶対値が前記設定値未満から前記設定値に達した場合は、
   前記ｑ軸電流指令値として前記すべり周波数推定値に基づいて得られる値を出力すると共に、前記ｄ軸電流指令値を減少することを特徴とする誘導電動機の速度制御方法。
3. 速度制御手段において速度推定値と速度指令値の偏差からｑ軸電流指令値を得、前記速度推定値に基づいて得られた周波数指令値，前記ｑ軸電流指令値、及びｄ軸電流指令値に基づいて電力変換器を制御し、前記電力変換器により誘導電動機を制御する誘導電動機の速度制御方法において、
   前記速度指令値、或いは前記速度推定値の絶対値が設定値未満の場合は、前記ｑ軸電流指令値を実質的に零にすると共に、前記ｄ軸電流指令値を増加させ、かつ前記周波数指令値として、前記速度指令値に前記速度指令値と前記速度推定値との偏差の微分値を加算して得られる値を用い、
   前記絶対値が前記設定値未満から前記設定値に達した場合は、
   前記ｑ軸電流指令値として前記すべり周波数推定値に基づいて得られる値を出力すると共に、前記ｄ軸電流指令値を減少することを特徴とする誘導電動機の速度制御方法。
4. 前記ｑ軸電流指令値は、前記ｄ軸電流指令値の減少に応じて増加することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の誘導電動機の速度制御方法。
5. 前記ｑ軸電流指令値の増加は、前記絶対値が前記設定値未満の時のｄ軸電流指令値と、前記絶対値が前記設定値以上になったときのｄ軸電流指令値との比に基づいて行うことを特徴とする請求項４記載の誘導電動機の速度制御方法。
6. 前記絶対値が前記設定値以上の場合は、前記ｑ軸電流指令値を、誘導電動機における過電流の発生を防止するｑ軸電流指令制限値以下に制限することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の誘導電動機の速度制御方法。
7. 前記周波数指令値から求められた位相を補正し、前記電力変換器は、前記周波 数指令値、前記ｑ軸電流指令値、および前記ｄ軸電流指令値に基づいて得られたｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値と、前記補正された位相とに基づいて制御されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の誘導電動機速度制御方法。
8. 前記絶対値が前記設定値以上の場合は、前記絶対値が前記設定値となった時のｄ軸電流値と、前記すべり周波数推定値に基づいて求められたｑ軸電流指令値とに基づいて求められた補正角を用いて、前記位相の補正を行うことを特徴とする請求項７記載の誘導電動機の速度制御方法。
9. 前記絶対値が前記設定値未満の場合は、前記絶対値が前記設定値となった時のｄ軸電流値と、前記ｑ軸電流指令値とに基づいて求められた補正角を用いて前記位相の補正を行うことを特徴とする請求項７記載の誘導電動機の速度制御方法。

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