JP3945324B2

JP3945324B2 - 交流電動機のｐｇレスベクトル制御装置

Info

Publication number: JP3945324B2
Application number: JP2002190137A
Authority: JP
Inventors: 陽一山本; 英昭井浦
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2002-06-28
Publication date: 2007-07-18
Anticipated expiration: 2022-06-28
Also published as: JP2004040842A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータが接続され、電動側だけで用いられる交流電動機又は電動側だけでなく、回生側でも用いられる交流電動機のＰＧレスベクトル制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
誘導電動機の可変速制御として応答性と精度の両方に優れた滑り周波数制御方式が知られており、特に電動機の１次電流を励磁電流とトルク電流とに分けて制御し、２次磁束とトルク電流を常に直交するように制御することで直流電動機と同等の応答性を得ることのできるベクトル制御方式が実施されている。
【０００３】
一般に電動機のベクトル制御を行うためには、速度センサを用いて電動機の回転子電気角速度（以下、単に速度と表現する。）を測定することが必要となる。しかし、コスト、信頼性等の観点からは速度センサが無い方が有利であるため、速度センサで電動機の速度を実際に測定せずに電動機の速度を推定し、この推定値を用いてベクトル制御を行うＰＧレス（速度センサレス）ベクトル制御方式が用いられている。
【０００４】
このような従来の誘導電動機のＰＧレスベクトル制御装置について、図面を用いて説明する。図８は、従来の誘導電動機のＰＧレスベクトル制御装置の構成を示す図（特許第３２５７５６６号）であり、図９は、図８内のスイッチ３０および検出回路４０の回路図である。
【０００５】
この従来のベクトル制御装置は、係数器４と、積分器５と、関数発生器６と、二相／三相変換器７と、ｄ軸成分αとｑ軸成分βに対する振幅、位相を演算するベクトル演算器８と、ベクトル回転器９と、磁束演算部１２と、速度推定部１３と、磁束指令発生部１４と、除算器１５₁、１５₂と、速度制御器１６と、磁束制御器１７と、電流制御器１８₁、１８₂、１８₃と、減算器２０₁〜２０₅と、加算器２１とからなる。
【０００６】
関数発生器６は、位相θ₁ ^*を入力としｅｘｐ（ｊθ₁ ^*）、つまり、ｃｏｓθ₁ ^*＋ｊｓｉｎθ₁ ^*を発生する。二相／三相変換器７は、磁束ベクトルの方向（以下、「ｄ軸」と称す。）とそれに直交する方向（以下、「ｑ軸」と称す。）に成分を持つベクトルを、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の互いに１２０度の位相差を持つ方向の成分に変換する。磁束演算部１２は、電圧検出器（図示せず）から得られた一次電圧ベクトル、および電流検出器（図示せず）から得られた一次電流ベクトルにより磁束およびトルク電流を検出する。
【０００７】
速度推定部１３は、磁束演算部１２で得られたトルク電流検出値Ｉτとトルク電流指令値Ｉτ^*より回転子電気角速度を推定する。
速度制御器１６は、指令発生器（図示せず）から指令された速度指令ω_r ^*と速度推定値ω_r＾の偏差を“０”にするために設けられ、ＰＩ制御を行う。磁束制御器１７は、磁束指令Ψ₂ ^*と検出された磁束Ψ₂の磁束偏差ΔΨ₂を“０”にするために設けられていて、ＰＩ制御を行う。電流制御器１８₁、１８₂、１８₃は、Ｕ、Ｖ、Ｗの各相毎に一次電流の指令値と検出値の偏差を“０”にするように設けられ、Ｐ制御を行う。
【０００８】
トルク電流指令Ｉτ^*は、速度制御器１６の出力として求められるトルク指令Ｔ^*を磁束指令発生部１４の出力として求められる磁束指令Ψ₂ ^*で除算することにより求められる。励磁電流指令ＩΨ^*は、磁束制御器１７の出力として求められる。
【０００９】
図９において、検出回路４０は、乗算器４１と、絶対値回路４２と、比較器４３₁、４３₂と、アンド回路４４で構成され、誘導電動機（図示せず）が回生状態、かつ磁束角速度指令ωφ^*が基準値以下のときにハイレベルの信号を出力し、スイッチ３０の端子３０₃を端子３０₂（接地電位）に接続し、それ以外のときは端子３０₃を端子３０₁に接続させる。
【００１０】
図８において、スイッチ３０は、検出回路４０のオン／オフ動作により、速度推定値ω_r＾と滑り角速度指令ω_s ^*を加算しないようにして、低速度での回生状態時、滑り角速度指令ω_s ^*が磁束角速度指令ωφ^*に含まれないようにする。つまり本来よりも絶対値の大きな磁束角速度指令ωφ^*を与えると、誘導電動機の回転速度を上げることになるので、磁束角速度ωφの絶対値が下がらなくなり、安定性の向上したＰＧレスシステムでのベクトル制御が行われる。
【００１１】
図１０に示す他の従来の誘導電動機のＰＧレスベクトル制御装置は、スイッチ３０を係数器４の出力側と速度制御器１６の入力側の間に設け、誘導電動機が回生状態かつ磁束角度指令ωφ^*が基準値以下のときに、検出回路４０によりスイッチ３０を切換えて、端子３０₃を端子３０₁と接続し、減算器２０₆で角速度指令ω_r ^*から滑り角速度指令ω_s ^*を差し引いたものを新たに角速度指令ω_r ^*としたものである。すなわち、角速度指令ω_r ^*の絶対値を滑り角速度指令ω_s ^*の絶対値分大きく与えると、誘導電動機の回転速度を上げることになるので、磁束角速度ωφの絶対値が下がらなくなり、安定性の向上したＰＧレスシステムでのベクトル制御が行われる。
【００１２】
以上のように、従来技術では、滑り周波数補償分の周波数を補償しないようにしたり、滑り周波数補償分を速度指令に上乗せすることで、誘導電動機の回転速度を上げ、安定性の向上したＰＧレスシステムでのベクトル制御を実現している。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の誘導電動機のＰＧレスベクトル制御装置では、下記のような問題点があった。
（１）滑り周波数が存在する誘導電動機で、回生時に滑り周波数分を補償しないところまでに限定した制御装置になっているので、滑り周波数が非常に小さい例えば、大容量の誘導電動機では、効果が不十分である。
（２）電動側でのみ動作する用途、例えば巻取り機用途で使用する場合、起動開始時に電動機速度０の状態が長くなったり、機械的な反動で回生状態になったりして制御逸脱状態になるような場合には効果が期待できない。
【００１４】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、第１には滑り周波数が非常に小さい誘導電動機でも、低速、回生時の運転を安定にし、第２には電動状態でのみ動作する用途で、電動機の速度が０になったり、機械的な反動で回生状態になっても運転を安定にする交流電動機のＰＧレスベクトル制御装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、インバータが接続され、電動側だけでなく、回生側でも用いられる交流電動機のＰＧレスベクトル制御装置において、
前記交流電動機が低速度で、かつ速度指令値とトルク電流指令値の符号が互いに異なることを検出する検出手段と、
前記交流電動機が低速度で、かつ速度指令値あるいはトルク電流指令値と速度推定値との符号が互いに異なる場合、速度指令値を指示された速度指令値より所定値だけ絶対値の大きな値にする速度指令変更手段とを有することをを特徴とする。
【００１６】
本発明によれば、上記のような構成になっていることにより、低速かつ回生時に速度指令を自動的に大きくすることによって、運転周波数を上げるようにしているので、滑り周波数の非常に小さな誘導電動機でも、低速、回生時の運転を安定にすることができ、安定性の向上したＰＧレスシステムでのベクトル制御を実現することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２２】
なお、従来技術で磁束角速度指令ωφ^*、滑り角速度指令ω_s ^*、角速度指令ω_r ^*と称していたものを、以下、それぞれ一次周波数指令ω₁ ^*、滑り周波数指令値ω_s ^*、速度指令値ω_r ^*と称すことにする。また、以下説明する符号は、従来技術に付加されているものと異なる。
【００２３】
（第１の実施形態）
先ず、本発明の第１の実施形態の交流電動機のＰＧレスベクトル制御装置について説明する。
【００２４】
図１は、本発明の第１の実施形態の交流電動機のＰＧレスベクトル制御装置の構成を示すブロック図である。図１において、電圧形ＰＷＭインバータ１は直流電源３６から加えられる直流電圧をＰＷＭ制御方式により任意の周波数と電圧の交流に変換する。電圧形ＰＷＭインバータ１の各相Ｕ、Ｖ、Ｗの交流出力端に交流電動機２が接続されている。交流電動機２の各相に流れる電流は電流検出器２４₁〜２４₃により検出される。
【００２５】
ベクトル制御装置３には、交流電動機２の一次電流を検出して座標変換を行ないトルク電流帰還値Ｉ_qおよび励磁電流帰還値Ｉ_dを送出するｄ−ｑ変換器２５が設けられている。さらに、指令発生器３４から入力された速度指令値ω_r ^*と速度推定器２８からの速度推定値ω_r＾が一致するように設けられた速度制御器（ＡＳＲ）３１の出力値をトルク電流指令値Ｉ_q ^*とし、このトルク電流指令値Ｉ_q ^*とｄ−ｑ変換器２５が出力するトルク電流帰還値Ｉ_qとが一致するように制御するためのトルク電流制御回路（ＡＣＲｑ）２７₁、磁束制御器２３からの励磁電流指令値Ｉ_d ^*とｄ−ｑ変換器２５からの励磁電流帰還値Ｉ_d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（ＡＣＲｄ）２７₂が設けられている。
【００２６】
また、交流電動機２で発生した誘起電圧、一次抵抗ｒ₁や漏れインダクタンスｌによる逆起電力の電圧を補償する回路は省略している。電圧指令演算器２６では、トルク電流制御回路２７₁と、励磁電流制御回路２７₂の出力と、各逆起電力の電圧補償値との和を、積分器３２の出力の位相θで座標変換し、Ｕ、Ｖ、Ｗ各相毎の電圧指令を演算し、電圧指令
【００２７】
【外１】

として電圧形ＰＷＭインバータ１に出力している。
【００２８】
また、滑り周波数指令演算器３５は、磁束指令発生器２９から出力された磁束指令値φ^*と、速度制御器３１から出力されたトルク電流指令値Ｉ_q ^*と設定された二次抵抗ｒ₂（図示せず）とから滑り周波数指令値ω_s ^*を算出している。滑り周波数指令演算器３５により算出された滑り周波数指令値ω_s ^*は、加算器３３₁において速度推定器２８からの速度推定値ω_r＾と加算され、一次周波数指令値ω₁ ^*として積分器３２に入力される。積分器３２では、一次周波数指令値ω₁ ^*を積分することにより位相θを算出して出力している。
【００２９】
速度推定器２８は、上述した電圧指令
【００３０】
【外２】

、一次電流
【００３１】
【外３】

を基に交流電動機２の磁束φ、速度ω_rの推定演算を行っている。
【００３２】
速度指令制御回路３７は、図２に示すように、速度指令上昇判別器５０と、スイッチ５１と、積分器５５と、リミッタ５２と、係数器５３と、乗算器５４とから構成されている。
【００３３】
速度指令上昇判別器５０は、トルク電流指令値Ｉ_q ^*、速度指令値ω_r ^*の積の極性から電動状態か回生状態かを判別し、また、一次周波数指令値ω₁ ^*の大きさを第１および第２の所定値と比較し、スイッチ５１の端子ｘの接続をａ、ｂ、ｃのいずれかに切り替える。具体的には、回生状態（Ｉ_q ^*×ω_r ^*＜０）、かつ、第１の所定値＜ω₁ ^*＜第２の所定値のときは端子ａと接続することで、積分器５５は入力値を０とし、回生状態（Ｉ_q ^*×ω_r ^*＜０）、かつ、ω₁ ^*≦第１の所定値のときは端子ｂと接続することで、積分器５５は入力値を＋１とし、上記以外では、端子ｃと接続することで、積分器５５は入力値を−１として積分した後、リミッタ５２に出力する。
【００３４】
つまり、速度指令上昇判別器５０は、速度指令値ω_r ^*とトルク電流指令値Ｉ_q ^*の符号が互いに異なる場合、交流電動機２は回生状態であると判定し、さらに一次周波数指令値ω₁ ^*が第１の所定値以下の場合には交流電動機２が低速度であると判定する。そして、速度指令上昇判別器５０は、交流電動機２が低速度で、かつ回生状態であると判定した場合、スイッチ５１を制御して、端子ｘを端子ｂに接続するようにする。
【００３５】
リミッタ５２は、０から１で値を制限したときは、積分器５５の値を制限値に書きかえる。リミッタ５２の出力値を係数器５３でＫ（所定値）倍後、トルク電流指令値Ｉ_q ^*と乗算器５４で積をとり、加算器３３₂で速度指令値ω_r ^*に加算する。
【００３６】
以上の動作により、回生状態で一次周波数指令値ω₁ ^*が第１の所定値より小さい場合は、速度指令値ω_r ^*の最終値は、
ω_r ^*＝ω_r ^*＋Ｋ（所定値）×Ｉ_q ^*
となり、積分器５５、リミッタ５２の動作により、速度指令値を連続的に切り替えることができる。
【００３７】
このように、速度指令上昇判別器５０は、交流電動機２が低速度で、かつ回生状態であることを検出するための検出手段として機能する。そして、スイッチ５１、積分器５５、リミッタ５２、係数器５３、乗算器５４、加算器３３₂は、交流電動機２が低速度で、かつ回生状態の場合、速度制御器３１に入力される速度指令値ω_r ^*を、指令発生器３４により指示された速度指令値ω_r ^*より所定値だけ絶対値の大きな値にする速度指令変更手段として機能する。
【００３８】
本実施形態のベクトル制御装置３によれば、上記で説明したような処理が行われることにより、低速でかつ回生時に自動的に速度指令値ω_r ^*を大きくして運転周波数を上昇させることができる。従って、図３のトルク−速度特性に示されるような制御が不安定になりやすい領域での運転を避けることができ、安定した運転が可能となる。
【００３９】
本実施形態の交流電動機のＰＧレスベクトル制御装置３は、滑り周波数指令値ω_s ^*を用いずに速度制御器３１に入力される速度指令値ω_r ^*の値を大きくしているため、滑り周波数の非常に小さな大容量の誘導電動機に対しても、安定した速度で運転を行うことができるものである。
【００４０】
従って、本実施形態の交流電動機のＰＧレスベクトル制御装置３によれば、滑り周波数の非常に小さな誘導電動機に対しても、低速でかつ回生時の運転を安定にすることができ、安定性の向上したＰＧレスベクトル制御を実現することができる。
【００４１】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態の交流電動機のＰＧレスベクトル制御装置について説明する。図４は、本発明第２の実施形態の交流電動機のＰＧレスベクトル制御装置６３の構成を示すブロック図である。
【００４２】
図４に示した本実施形態の交流電動機のＰＧレスベクトル制御装置６３が、図１に示した第１の実施形態の交流電動機のＰＧレスベクトル制御装置３と異なるのは、速度指令制御回路３７と加算器３３₂を取り除き、速度推定制御回路３８とスイッチ３９を付加したことである。図４において、図１中と同じ符号のものの動作は全く同一なので説明は省略する。
【００４３】
速度推定制御回路３８は、図５に示すフローチャートの動作で切り替え信号を出力し、スイッチ３９を切り替えて速度推定値ω_r＾を０にすることと、速度推定器２８の初期化を行なう。速度推定方式により初期化方法は異なるが、速度推定器２８は内部に積分器を有するため、初期化とは、例えば、この積分器のリセットを指す。
【００４４】
図５は、速度推定制御回路３８の動作（速度指令値が正の場合）を説明するためのフローチャートである。
【００４５】
先ず、速度指令値ω_r ^*の極性の判定を行い（ステップ１０１）、速度指令値ω_r ^*の極性が正の場合、速度推定値ω_r＾の極性の判定を行う（ステップ１０２）。そして、ステップ１０２において、速度推定値ω_r＾が０であれば速度推定器２８の初期化を行う（ステップ１０３）。
【００４６】
速度推定値ω_r＾が負でかつ前回の速度推定値ω_r＾が正あるいは０の場合（ステップ１０４）、今回の速度推定値ω_r＾の極性が変化したものと判定し、速度推定値ω_r＾を０に上書きし、速度推定器２８の初期化を行う（ステップ１０５）。ステップ１０２において速度推定値ω_r＾が正であると判定された場合、ステップ１０４において前回の速度推定値ω_r＾が負であると判定された場合等のその他の条件では処理を行わない。
【００４７】
なお、ステップ１０１において速度指令値ω_r ^*の極性が負であると判定された場合、速度指令値ω_r ^*の極性が正の時の処理において、極性判別の正と負を入れ替えた処理を行えばよいので、その詳細は省略する（ステップ１０６）。
【００４８】
本実施形態の交流電動機のＰＧレスベクトル制御装置では、速度推定制御回路３８が、交流電動機２の速度指令値ω_r ^*と速度推定値ω_r＾の符号が互いに異なる場合、交流電動機２の速度推定値ω_r＾をゼロに上書きするとともに交流電動機２の速度推定器２８を初期化する速度推定制御手段として機能する。
【００４９】
以上説明したような動作が行われることにより、本実施形態の交流電動機のＰＧレスベクトル制御装置６３によれば、図６に示すように、速度推定値ω_r＾の符号が変化して回生状態になる条件を見つけて速度推定値ω_r＾を０とするとともに速度推定器２８を初期化することができる。そのため、実際の速度が０に戻ってきた際に正常な運転を継続することができるようになるので、交流電動機２の速度が０になったり、機械的な反動で回生状態になっても運転を安定にすることができ、安定性の向上したＰＧレスシステムでのベクトル制御を実現することができる。
【００５０】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態の交流電動機のＰＧレスベクトル制御装置について説明する。
【００５１】
本発明の第３の実施形態が第２の実施形態と異なるところは、速度推定制御回路３８において、電動状態か回生状態かの判断を、第２の実施形態では、速度指令値ω_r ^*と速度推定値ω_r＾の極性で判断していたのを、トルク電流指令値Ｉ_q ^*と速度推定値ω_r＾との極性により判断するようにしたところのみである。その他はすべて全く同様であるので説明を省略する。
【００５２】
図７は、本実施形態における速度推定制御回路３８の動作（トルク電流指令値Ｉ_q ^*が正の場合）を説明するためのフローチャートである。
【００５３】
先ず、トルク電流指令値Ｉ_q ^*の極性の判定を行い（ステップ２０１）、トルク電流指令値Ｉ_q ^*の極性が正の場合、速度推定値ω_r＾の極性の判定を行う（ステップ２０２）。そして、ステップ２０２において、速度推定値ω_r＾が０であれば速度推定器２８の初期化を行う（ステップ２０３）。
【００５４】
速度推定値ω_r＾が負でかつ前回の速度推定値ω_r＾が正あるいは０の場合（ステップ２０４）、今回速度推定値ω_r＾の極性が変化したものと判定し、速度推定値ω_r＾を０に上書きし、速度推定器２８の初期化を行う（ステップ２０５）。ステップ２０２において速度推定値ω_r＾が正であると判定された場合、ステップ２０４において前回の速度推定値ω_r＾が負であると判定された場合等のその他の条件では処理を行わない。
【００５５】
なお、ステップ２０１においてトルク電流指令値Ｉ_q ^*の極性が負であると判定された場合、トルク電流指令値Ｉ_q ^*の極性が正の時の処理において、極性判別の正と負を入れ替えた処理を行えばよいので、その詳細は省略する（ステップ２０６）。
【００５６】
以上の動作で図６に示す、速度推定値ω_r＾の符号が変化して回生になる条件を見つけることができる。
【００５７】
また、本実施形態ではトルク指令値を用いずに、トルク電流指令値Ｉ_q ^*を用いた構成にしているが、トルクはトルク電流と磁束の積で、磁束は常に正であるので、電動か回生かの判定では、トルク電流指令値Ｉ_q ^*を用いて構成しても何ら問題はない。
【００５８】
上記で説明した第２および第３の実施形態において、電動側のみで使用される機械では、速度指令値ω_r ^*の符号と逆極性に回転した状態では負荷は継続してかからないので、上記のタイミングで速度推定値ω_r＾を０で上書きしたり、速度推定器２８を初期化しても問題とならない。
【００５９】
上記のようにして、制御が不安定になる速度０の状態や、機械の反動で低速・回生モードになる場合にも速度推定器２８が異常状態になることを防止でき、電動機速度が速度指令値ω_r ^*と同じ符号になると、正常な速度を推定できるので、安定した運転が継続できる。
【００６０】
なお、速度推定器２８としては、磁束オブザーバ等の手法が知られているが、本発明は速度推定の手法に関係なく実施することができる。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、滑り周波数の非常に小さな誘導電動機でも、低速、回生時に速度指令を自動で大きくすることによって運転周波数を上げることができ、低速、回生時の運転を安定にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の交流電動機のＰＧレスベクトル制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１中の速度指令制御回路３７の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施形態１を適用したトルク−速度特性例を示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態の交流電動機のＰＧレスベクトル制御装置の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第２実施形態の交流電動機のＰＧレスベクトル制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第２実施形態の交流電動機のＰＧレスベクトル制御装置の動作を説明するための図である。
【図７】本発明の第３実施形態の交流電動機のＰＧレスベクトル制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図８】従来の誘導電動機のＰＧレスベクトル制御装置の構成を説明するためのブロック図である。
【図９】図８中のスイッチ３０および検出回路４０の回路図である。
【図１０】従来の他の誘導電動機のＰＧレスベクトル制御装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１電圧形ＰＷＭインバータ
２交流電動機
３ベクトル制御装置
４係数器
５積分器
６関数発生器
７二相／三相変換器
８ベクトル演算器
９ベクトル回転器
１２磁束演算部
１３速度推定部
１４磁束指令発生部
１５₁、１５₂ 除算器
１６速度制御器
１７磁束制御器
１８₁、１８₂、１８₃ 電流制御器
２０₁〜２０₆ 減算器
２１加算器
２３磁束制御器
２４₁〜２４₃ 電流検出器
２５ｄ−ｑ変換器
２６電圧指令演算器
２７₁、２７₂ 電流制御器
２８速度推定器
２９磁束指令発生器
３０スイッチ
３０₁、３０₂、３０₃ 端子
３１速度制御器
３２積分器
３３₁、３３₂ 加算器
３４指令発生器
３５滑り周波数指令演算器
３６直流電源
３７速度指令制御回路
３８速度推定制御回路
３９スイッチ
４０検出回路
４１乗算器
４２絶対値回路
４３₁、４３₂ 比較器
４４アンド回路
５０速度指令上昇判別器
５１スイッチ
５２リミッタ
５３係数器
５４乗算器
５５積分器
６３ベクトル制御装置
１０１〜１０６ステップ
２０１〜２０６ステップ

Claims

インバータが接続され、電動側だけでなく、回生側でも用いられる交流電動機のＰＧレスベクトル制御装置において、
前記交流電動機が低速度で、かつ速度指令値とトルク電流指令値の符号が互いに異なることを検出する検出手段と、
前記交流電動機が低速度で、かつ速度指令値とトルク電流指令値の符号が互いに異なる場合、速度指令値を指示された速度指令値より所定値だけ絶対値の大きな値にする速度指令変更手段とを
有することを特徴とする、交流電動機のＰＧレスベクトル制御装置。