JP4051601B2 - 電動機の可変速制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力変換器の出力電圧と出力周波数とをほぼ比例させて制御する、いわゆるＶ／ｆ一定制御で電動機を運転するようにした可変速制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１１は、電圧と周波数とをほぼ比例させて制御する、いわゆるＶ／ｆ一定制御で電動機を運転する場合の制御ブロック図である。以下ではＶ／ｆ一定制御について説明するが、Ｖ／ｆ一定制御は広く公知であるので、簡単な説明にとどめる。また、電動機としては、誘導電動機、同期電動機などがあるが、ここでは誘導電動機を例にとり説明する。
【０００３】
誘導電動機の速度は回転磁界の速度、すなわち電力変換器の出力電圧の周波数にほぼ比例する。そのとき、磁束を一定に保つため、周波数にほぼ比例して電圧の振幅を調整する。すなわち、電圧Ｖと周波数ｆとの比がほぼ一定となるように制御する。具体的な制御方法を、図１１に沿って簡単に説明する。
【０００４】
図１１は、回転座標上でＶ／ｆ一定制御を実現した例である。周波数設定器１は、電動機１１の目標周波数となる第１の周波数指令値ｆ１を出力する。加減速演算器２は、ｆ１の変化率を制限して第２の周波数指令ｆ２を演算する。
ｆ／Ｖ変換器４は、ｆ２からγ−δ座標軸における電圧指令ｖγ、ｖδを演算する。ここで、γ−δ座標軸はｆ２で回転する回転座標軸であり、δ軸を電動機１１に印加する端子電圧ベクトルの方向、δ軸から９０°遅れた方向をγ軸と定義する。
【０００５】
ここで、電動機１１のＵ相巻線に正の電流を流した場合に発生する磁束方向をα軸とし、このα軸に対して９０°進んだ方向にとった座標軸をβ軸とする静止座標軸をα−β座標軸とすると、α−β座標軸とγ−δ座標軸との関係は図１２に示す通りとなる。なお、γ−δ座標軸の定義からｖγ＝０となり、両座標軸間の位相をθとする。
【０００６】
図１１に戻って、電圧指令演算器６は、電圧指令ｖδと、ｆ２を積分器１６により積分して求めた位相θとから三相電圧指令ｖｕ，ｖｖ，ｖｗを演算する。これらの三相電圧指令ｖｕ，ｖｖ，ｖｗをＰＷＭ演算回路７によりキャリアと比較して電力変換器９のスイッチング素子に対するゲート信号に変換し、このゲート信号を用いて電力変換器９を制御することにより、電動機１１の端子電圧を制御する。なお、８は電動機１１の駆動に必要な電力を電力変換器９に供給する三相交流電源である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
電動機が発生するトルクは、磁束ベクトルとそれに直交する電流ベクトルとの積によって表される。このため、磁束を一定とすれば、トルク応答は電流応答に依存する。機械系の時定数が電気系の時定数より十分大きければ、ステップ電圧に対するＶ／ｆ一定制御の電流応答は数式１で表され、電気時定数｛Ｌ／（Ｒ１＋Ｒ２）｝によって決まる。
【０００８】
【数１】
【０００９】
なお、数式１において、ｉ：電流、ｖ：電圧、Ｌ：漏れインダクタンス、Ｒ１：１次巻線抵抗、Ｒ２：２次巻線抵抗
である。
【００１０】
つまり、電動機固有の定数によって電動機の電流応答、換言すればトルク応答が決まってしまうため、Ｖ／ｆ一定制御では制御応答を自由に調節することができないという欠点がある。
上述のようにＶ／ｆ一定制御の場合、そのトルク応答は電動機固有の定数に依存するため、調整不可能である。従って、仮にトルク応答が機械系の共振周波数と一致すると機械共振を引き起こし、機械を破損する恐れがある。また、破損しないまでも、騒音が発生する恐れがある。
【００１１】
そこで本発明は、Ｖ／ｆ一定制御を行う場合でも電動機のトルク応答を調整可能とし、機械共振による破損や騒音発生を未然に防止するようにした電動機の可変速制御装置を提供しようとするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、電動機を電力変換器により可変速駆動する装置であって、電動機の電流の大きさを制限する電流制限手段を備えた電動機の可変速制御装置において、
前記電流制限手段は、
電動機に流れる電流を回転座標変換し、電動機に印加する端子電圧ベクトル方向の電流成分と、この成分に直交する電流成分とに分離する手段と、
前記端子電圧ベクトル方向の電流成分を入力量とした関数によって電動機の電流制限値を変化させる手段と、
を備えたものである。
【００１３】
請求項２記載の発明は、電動機を電力変換器により可変速駆動する装置であって、電動機の電流の大きさを制限する電流制限手段を備えた電動機の可変速制御装置において、
前記電流制限手段は、
電動機に流れる電流を回転座標変換し、鎖交磁束ベクトル方向の電流成分と、この成分に直交してトルクに比例する電流成分とに分離する手段と、
前記トルクに比例する電流成分を入力量とした関数によって電動機の電流制限値を変化させる手段と、
を備えたものである。
【００１４】
請求項３記載の発明は、電動機を電力変換器により可変速駆動する装置であって、電動機の電流の大きさを制限する電流制限手段を備えた電動機の可変速制御装置において、
前記電流制限手段は、
電動機の出力トルク推定値を演算するトルク推定手段と、
前記トルク推定値を入力量とした関数によって電動機の電流制限値を変化させる手段と、
を備えたものである。
【００１５】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載した電動機の可変速制御装置において、
電動機の電流検出値が電流制限値を越えないように、Ｖ／ｆ一定制御される電力変換器の周波数指令値を補正する手段を備えたものである。
【００１６】
請求項５記載の発明は、請求項１〜４の何れか１項に記載した電動機の可変速制御装置において、
電流制限値の関数が、
前記入力量の単位時間当たりの変化幅を所定値以下に制限する関数であることを特徴とする。
【００１７】
請求項６記載の発明は、請求項１〜４の何れか１項に記載した電動機の可変速制御装置において、
電流制限値の関数が、
前記入力量をローパスフィルタにより処理した出力値にオフセット量を重畳する関数であることを特徴とする。
【００１８】
請求項７記載の発明は、請求項１〜４の何れか１項に記載した電動機の可変速制御装置において、
電流制限値の関数が、
前記入力量をローパスフィルタにより処理した出力値に正負のオフセット量を重畳する関数であり、
正のオフセット量を重畳した値を電動機駆動用の電流制限値として用い、かつ、負のオフセット量を重畳した値を電動機制動用の電流制限値として用いるものである。
【００１９】
以下に、本発明の作用を説明する。
図１は、Ｖ／ｆ一定制御を行う図１１の制御ブロック図に電流制限手段（破線で示す電流制限部３０）を付加した本発明の基本構成図である。なお、図１１と同一の構成要素には同一の参照符号を付してある。
【００２０】
図１において、電流制限部３０は、電流検出器１０、３／２相変換器１２、座標変換器１３、加算器３Ｃ、比例積分調節器１５から構成されており、比例積分調節器１５の出力としての周波数指令補正値△ｆが、加算器３Ａにより加減速演算器２の出力としての第２の周波数指令値ｆ２に加算され、その加算結果ｆ３が最終的な周波数指令値としてｆ／Ｖ変換器４に入力される構成となっている。
【００２１】
まず、電流検出器１０は、電動機１１に流れるＵ相及びＷ相の電流ｉｕ，ｉｗを検出する。３／２相変換器１２は、電流検出値ｉｕ，ｉｗから、数式２に従ってα−β座標軸における電流成分ｉα，ｉβを演算する。
【００２２】
【数２】
【００２３】
座標変換器１３は、ｉα，ｉβ及び位相θから、数式３に従ってγ−δ座標軸における電流成分ｉγ，ｉδを演算する。
【００２４】
【数３】
【００２５】
加算器３Ｃは、可変値であるδ軸電流制限値ｉδｌｉｍとδ軸電流ｉδとの偏差（ｉδｌｉｍ−ｉδ）を演算する。
比例積分調節器１５は、偏差（ｉδｌｉｍ−ｉδ）が負のとき、つまりｉδがｉδｌｉｍを越えた場合は数式４に従って周波数指令補正値Δｆを演算して出力し、ｉδがｉδｌｉｍに一致するように、加算器３Ａにより第２の周波数指令値ｆ２を補正して周波数指令値ｆ３を得る。
【００２６】
【数４】
【００２７】
なお、数式４において、Ｋｐ：比例ゲイン、Ｔｉ：積分時定数
である。
【００２８】
このように、電動機に電流制限値以上の電流が流れたら、電流制限値とフィードバックした電流検出値とを用いて電流調節器を組むことで電力変換器の出力周波数すなわち出力電圧を調整し、電流検出値を電流制限値に制御するような制限動作が行われる。ここで、電流制限値ｉδｌｉｍを所望の電流応答が得られるような可変値とすれば、トルクに比例したδ軸電流の応答を調節できるため、Ｖ／ｆ一定制御でもトルク応答が調整可能となる。
【００２９】
一方、上記電流制限後の偏差（ｉδｌｉｍ−ｉδ）が正となったとき、つまり電流制限完了後の速度復帰時には、比例積分調節器１５は、数式４に従ってΔｆを負の値から零に戻し、通常運転に復帰させる。
【００３０】
なお、図１において、電流制限部３０内の電流制限値ｉδｌｉｍ（または後述するＭ−Ｔ座標系における電流制限値ｉＴｌｉｍ）を変化させるための手段は、以下の各実施形態における電流制限値演算部３１〜３４によって具体化される。
【００３１】
【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２は、本発明の第１実施形態を示す制御ブロック図であり、請求項１，４，５に記載した発明の実施形態に相当する。なお、図１と同一の構成要素には同一の参照符号を付してある。
【００３２】
電流制限値演算部３１は、座標変換器１３からのδ軸電流ｉδが入力される傾き制限器１４と、その出力が加えられる制限回路１９とから構成されており、制限回路１９の出力を電流制限値ｉδｌｉｍとして加算器３Ｃに与える。
傾き制限器１４は、ｉδの単位時間当たりの変化幅（傾き）を所定の変化幅（傾き制限値）以下に制限する。制限回路１９は、傾き制限器１４の出力を電流制限値の最大値Ｉｌｉｍ ｍａｘ以下になるように制限し、δ軸電流制限値ｉδｌｉｍとして出力する。
【００３３】
図３は、比例積分調節器１５によって周波数指令補正値Δｆが演算されるまでの動作を示す波形図であり、電動機１１に駆動の負荷が印加された場合のものである。
図３に示すように、時刻ｔ１で負荷が印加されてｉδの単位時間当たりの変化幅が傾き制限値以上となり、この状態が時刻ｔ２まで続いたとする。このｔ１〜ｔ２の期間は、ｉδの変化幅が傾き制限値によって一定に制限される。
【００３４】
上記ｔ１〜ｔ２の期間では、制限回路１９から出力される電流制限値ｉδｌｉ ｍは、図のように傾き制限値に等しい増加率で徐々に増加する。このとき、ｔ１〜ｔ２の期間中の比例積分調節器１５の入力（ｉδｌｉｍ−ｉδ）は負の値となり、その出力値Δｆは、比例積分演算によって図のように第２の周波数指令値ｆ２を下げる方向の負の値となる。
【００３５】
このように、負荷トルクに応じて電力変換器の出力周波数に垂下特性を持たせ、これによって最終的にｉδを制御することができる。このｉδはトルクに関係した電流であるため、ｉδの応答により電動機のトルク応答を調節することができる。従って、図３に参考的に記載した従来技術のトルク応答のようにトルクの急激な変化を生じることがなく、機械を破損したり騒音が発生するおそれもない。
【００３６】
本実施形態において、電動機１１の電流及びトルクの応答は、傾き制限器１４の傾き制限値並びに制限回路１９の電流制限値の最大値Ｉｌｉｍｍａｘを調節することにより調整可能である。また、正負の傾き制限値をそれぞれ設定すれば、駆動負荷だけでなく制動負荷に対する電動機の電流、トルク応答も調整可能になる。
【００３７】
次に、本発明の第２実施形態を図４に沿って説明する。この実施形態は、請求項１，４，６に記載した発明の実施形態に相当する。
この実施形態の電流制限値演算部３２は、δ軸電流ｉδが入力されるローパスフィルタ１７と、その出力ｉδｌｐｆをオフセット量Ｉｏｆｆｓｅｔ１と加算する加算器３Ｄとから構成されており、加算器３Ｄによる加算結果ｉδｌｉｍ１が電流制限値として加算器３Ｃに入力されている。
前記ローパスフィルタ１７は、ｉδを次の数式５に従ってフィルタ処理し、ｉδｌｐｆを出力する。
【００３８】
【数５】
【００３９】
なお、数式５において、ｋ：ローパスフィルタのゲイン、Ｔ：ローパスフィルタの時定数
である。
【００４０】
図５は、この実施形態において、比例積分調節器１５により周波数指令補正値Δｆ１が演算されるまでの動作を示す波形図である。この場合も、電動機１１に駆動の負荷が印加された状態を想定している。
負荷が印加された後、時刻ｔ１でｉδが電流制限値ｉδｌｉｍ１を越え、時刻ｔ２までその状態が続いたとする。なお、ｉδｌｉｍ１はオフセット量Ｉｏｆｆｓｅｔ１を有している。この場合、ｔ１〜ｔ２の期間では、偏差（ｉδｌｉｍ１−ｉδ）は負の値あるいは零となる。このとき、比例積分調節器１５の出力値Δｆ１は偏差（ｉδｌｉｍ１−ｉδ）を比例積分演算して、図のように第２の周波数指令値ｆ２を下げる方向の負の値となる。
【００４１】
本実施形態において、電流及びトルクの応答はローパスフィルタ１７のゲインｋ、時定数Ｔ及びオフセット量Ｉｏｆｆｓｅｔ１から決定される。所望の応答時定数をＴ０とすれば、数式６、数式７に従って上記ゲインｋ及び時定数Ｔを調整すればよい。ただし、これらの数式において、Ｉｌｉｍｍａｘは電流制限値の最大値である。
【００４２】
【数６】
【００４３】
【数７】
【００４４】
この実施形態においても、従来技術のようにトルクの急激な変化を生じることがなく、機械を破損したり騒音が発生するおそれもない。
【００４５】
次いで、本発明の第３実施形態を説明する。この実施形態は、請求項１，４，７に記載した発明の実施形態に相当する。
前述した第２実施形態では、第１実施形態のように傾き制限値を設定する場合と比べて、制動負荷に対する電流、トルク応答を調整することがができない。
この点に着目し、本実施形態では、δ軸電流制限値及び比例積分調節器をそれぞれ２つ設けることにより、制動時の負荷に対してもトルク応答の調整を可能にしている。
【００４６】
図６は本実施形態の制御ブロック図であり、電流制限値演算部３３では、図４に示した電流制限値演算部３２内の構成に加えて、ローパスフィルタ１７の出力ｉδｌｐｆ及びオフセット量Ｉｏｆｆｓｅｔ２が図示の符号で加えられる加算器３Ｆを備えている。そして、この加算器３Ｆから出力されるｉδｌｉｍ２が電流制限値として加算器３Ｅに入力され、ｉδｌｉｍ２とｉδとの偏差が比例積分調節器１５Ｂに入力されている。
また、比例積分調節器１５Ｂから出力される周波数指令補正値Δｆ２が加算器３Ｇにより比例積分調節器１５Ａからの周波数指令補正値Δｆ１と加算され、その加算結果が最終的な周波数指令補正値Δｆとして加算器３Ａにより第２の周波数指令値ｆ２に加算されるようになっている。
【００４７】
ここで、ローパスフィルタ１７、加算器３Ｄ，３Ｃ、比例積分調節器１５Ａは図４の第２実施形態と同様に電動機１１に駆動の負荷が印加されたときに機能する。一方、加算器３Ｆ，３Ｅ、比例積分調節器１５Ｂは電動機１１に制動の負荷が印加されたときに機能するものである。
【００４８】
以下、第２実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
図７は、比例積分調節器１５Ｂにより周波数指令補正値Δｆ２が演算されるまでの動作を示す波形図であり、電動機１１に制動の負荷が印加されたときのものである。
【００４９】
図７の時刻ｔ１でｉδがｉδｌｉｍ２を負方向に越え、時刻ｔ２までその状態が続くとする。この場合、ｔ１〜ｔ２の期間では偏差（ｉδｌｉｍ２−ｉδ）は正の値あるいは零となる。このとき、比例積分調節器１５Ｂの出力Δｆ２は偏差（ｉδｌｉｍ２−ｉδ）を比例積分演算して、図のように第２の周波数指令値ｆ２を上げる方向の正の値となる。
この結果、制動負荷に対しても電流、トルクの応答を制御することができる。また、これらの応答は、第２実施形態と同様にローパスフィルタ１７のゲインｋ、時定数Ｔ及びオフセット量Ｉｏｆｆｓｅｔ２を調節することにより、調整可能である。
【００５０】
次に、本発明の第４実施形態を説明する。この実施形態は、請求項２，４，５に記載した発明の実施形態に相当する。
図８は、この実施形態の制御ブロック図である。上述した第１〜第３実施形態ではγ−δ座標軸によって制御系を構成していたが、本実施形態ではＭ−Ｔ座標系によって構成する。
【００５１】
Ｍ−Ｔ座標軸は、図９に示すように第２の周波数指令値ｆ２で回転する回転座標軸であり、Ｍ軸を鎖交磁束ベクトルの方向、Ｍ軸から９０°進んだ方向をＴ軸と定義する。
図８において、ｆ／Ｖ変換器４は、補正後の第２の周波数指令値ｆ２（すなわちｆ３）に従って電動機１１の真のＭ−Ｔ軸と制御装置の制御軸とが一致するように電圧指令演算を行い、電圧指令のＭ軸成分ｖＭ及びＴ軸成分ｖＴを出力する。
極座標変換器５は、図９における振幅Ｖ及び位相φを数式８、数式９により演算する。このように、本実施形態では前述した各実施形態と異なり、制御系をＭ−Ｔ軸に合わせているので、トルク応答を高精度に制御することができる。
【００５２】
【数８】
【００５３】
【数９】
【００５４】
この実施形態における電流制限値は、電流制限値演算部３１において、トルク成分であるＴ軸電流ｉＴを傾き制限器１４と制限回路１９により処理した出力値ｉＴｌｉｍとする。傾き制限器１４は、ｉＴの単位時間当たりの変化幅（傾き）を所定の変化幅以下に制限する。制限回路１９は、傾き制限器１４の出力が電流制限値の最大値Ｉｌｉｍｍａｘ以下となるように制限し、Ｔ軸電流制限値ｉＴｌｉｍを出力する。
周波数指令補正値Δｆが演算されるまでの動作は、第１実施形態と電流制限値の演算方法が異なるが、その他は同様であるため説明を省略する。
また、上述したように制御系をＭ−Ｔ座標系で構成する着想を、第２実施形態または第３実施形態における電流制限値演算部に適用することも可能である。
【００５５】
次に、本発明の第５実施形態を説明する。この実施形態は、請求項３，４，５に記載した発明の実施形態に相当する。
図１０は本実施形態の制御ブロック図であり、以下では主として図８と異なる部分を説明する。
【００５６】
図１０の電流制限値演算部３４において、座標変換器１３から出力されたＴ軸電流ｉＴ及びＭ軸電流ｉＭはトルク推定器１８に入力されると共に、このトルク推定器１８には、ｆ／Ｖ変換器４の出力である電圧指令値ｖＭ，ｖＴも入力されている。
トルク推定器１８はこれらの入力を用いてトルク推定値Ｔｅｓｔを演算し、このトルク推定値Ｔｅｓｔは傾き制限器１４、制限回路１９を経ることでＴ軸電流制限値ｉＴｌｉｍとして出力される。
【００５７】
比例積分調節器１５により周波数指令補正値Δｆが演算されるまでの動作は、第１実施形態と電流制限値の演算方法が異なるが、その他は同様であるため説明を省略する。
また、上述したように制御系をＭ−Ｔ座標系で構成し、電動機のトルク推定値に基づいて電流を制限する着想を、第２実施形態または第３実施形態における電流制限値演算部に適用することも可能である。
本実施形態によれば、電動機１１のトルクを推定することにより、第１〜第５の実施形態に比べて一層高精度にトルク応答を制御することができる。
【００５８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、Ｖ／ｆ一定制御でもトルク応答を調整することができ、機械共振による負荷の破損や騒音問題を解決することが可能である。
また、ハードウェアの制約から演算周期を速くできず、比例積分調節器の比例ゲインを適切に設定できない場合に、電流がオーバーシュートして電力変換器の過電流保護機能が働くことがあるが、本発明ではδ軸電流またはＴ軸電流の調節系を動作させることによって電流が過大になるのを未然に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態を示す制御ブロック図である。
【図３】第１実施形態において、周波数指令補正値が演算されるまでの動作を示す波形図である。
【図４】本発明の第２実施形態を示す制御ブロック図である。
【図５】第２実施形態において、周波数指令補正値が演算されるまでの動作を示す波形図である。
【図６】本発明の第３実施形態を示す制御ブロック図である。
【図７】第３実施形態において、周波数指令補正値が演算されるまでの動作を示す波形図である。
【図８】本発明の第４実施形態を示す制御ブロック図である。
【図９】α−β座標軸及びＭ−Ｔ座標軸の説明図である。
【図１０】本発明の第５実施形態を示す制御ブロック図である。
【図１１】ｆ／Ｖ一定制御の従来技術を示す制御ブロック図である。
【図１２】α−β座標軸及びγ−δ座標軸の説明図である。
【符号の説明】
１ 周波数設定器
２ 加減速演算器
３Ａ〜３Ｇ 加算器
４ ｆ／Ｖ変換器
５ 極座標変換器
６ 電圧指令演算器
７ ＰＷＭ演算回路
８ 三相交流電源
９ 電力変換器
１０ 電流検出器
１１ 電動機
１２ ３／２相変換器
１３ 座標変換器
１４ 傾き制限器
１５ 比例積分調節器
１６ 積分器
１７ ローパスフィルタ
１８ トルク推定器
１９ 制限回路
３０ 電流制限部
３１〜３４ 電流制限値演算部
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力変換器の出力電圧と出力周波数とをほぼ比例させて制御する、いわゆるＶ／ｆ一定制御で電動機を運転するようにした可変速制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１１は、電圧と周波数とをほぼ比例させて制御する、いわゆるＶ／ｆ一定制御で電動機を運転する場合の制御ブロック図である。以下ではＶ／ｆ一定制御について説明するが、Ｖ／ｆ一定制御は広く公知であるので、簡単な説明にとどめる。また、電動機としては、誘導電動機、同期電動機などがあるが、ここでは誘導電動機を例にとり説明する。
【０００３】
誘導電動機の速度は回転磁界の速度、すなわち電力変換器の出力電圧の周波数にほぼ比例する。そのとき、磁束を一定に保つため、周波数にほぼ比例して電圧の振幅を調整する。すなわち、電圧Ｖと周波数ｆとの比がほぼ一定となるように制御する。具体的な制御方法を、図１１に沿って簡単に説明する。
【０００４】
図１１は、回転座標上でＶ／ｆ一定制御を実現した例である。周波数設定器１は、電動機１１の目標周波数となる第１の周波数指令値ｆ１を出力する。加減速演算器２は、ｆ１の変化率を制限して第２の周波数指令ｆ２を演算する。
ｆ／Ｖ変換器４は、ｆ２からγ−δ座標軸における電圧指令ｖγ、ｖδを演算する。ここで、γ−δ座標軸はｆ２で回転する回転座標軸であり、δ軸を電動機１１に印加する端子電圧ベクトルの方向、δ軸から９０°遅れた方向をγ軸と定義する。
【０００５】
ここで、電動機１１のＵ相巻線に正の電流を流した場合に発生する磁束方向をα軸とし、このα軸に対して９０°進んだ方向にとった座標軸をβ軸とする静止座標軸をα−β座標軸とすると、α−β座標軸とγ−δ座標軸との関係は図１２に示す通りとなる。なお、γ−δ座標軸の定義からｖγ＝０となり、両座標軸間の位相をθとする。
【０００６】
図１１に戻って、電圧指令演算器６は、電圧指令ｖδと、ｆ２を積分器１６により積分して求めた位相θとから三相電圧指令ｖｕ，ｖｖ，ｖｗを演算する。これらの三相電圧指令ｖｕ，ｖｖ，ｖｗをＰＷＭ演算回路７によりキャリアと比較して電力変換器９のスイッチング素子に対するゲート信号に変換し、このゲート信号を用いて電力変換器９を制御することにより、電動機１１の端子電圧を制御する。なお、８は電動機１１の駆動に必要な電力を電力変換器９に供給する三相交流電源である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
電動機が発生するトルクは、磁束ベクトルとそれに直交する電流ベクトルとの積によって表される。このため、磁束を一定とすれば、トルク応答は電流応答に依存する。機械系の時定数が電気系の時定数より十分大きければ、ステップ電圧に対するＶ／ｆ一定制御の電流応答は数式１で表され、電気時定数｛Ｌ／（Ｒ１＋Ｒ２）｝によって決まる。
【０００８】
【数１】
なお、数式１において、ｉ：電流、ｖ：電圧、Ｌ：漏れインダクタンス、Ｒ１：１次巻線抵抗、Ｒ２：２次巻線抵抗
である。
【００１０】
つまり、電動機固有の定数によって電動機の電流応答、換言すればトルク応答が決まってしまうため、Ｖ／ｆ一定制御では制御応答を自由に調節することができないという欠点がある。
上述のようにＶ／ｆ一定制御の場合、そのトルク応答は電動機固有の定数に依存するため、調整不可能である。従って、仮にトルク応答が機械系の共振周波数と一致すると機械共振を引き起こし、機械を破損する恐れがある。また、破損しないまでも、騒音が発生する恐れがある。
【００１１】
そこで本発明は、Ｖ／ｆ一定制御を行う場合でも電動機のトルク応答を調整可能とし、機械共振による破損や騒音発生を未然に防止するようにした電動機の可変速制御装置を提供しようとするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、電動機を電力変換器により可変速駆動する装置であって、電動機の電流の大きさを制限する電流制限手段を備えた電動機の可変速制御装置において、
前記電流制限手段は、
電動機に流れる電流を回転座標変換し、電動機に印加する端子電圧ベクトル方向の電流成分と、この成分に直交する電流成分とに分離する手段と、
前記端子電圧ベクトル方向の電流成分を入力量とした関数によって電動機の電流制限値を変化させる手段と、
を備えたものである。
【００１３】
請求項２記載の発明は、電動機を電力変換器により可変速駆動する装置であって、電動機の電流の大きさを制限する電流制限手段を備えた電動機の可変速制御装置において、
前記電流制限手段は、
電動機に流れる電流を回転座標変換し、鎖交磁束ベクトル方向の電流成分と、この成分に直交してトルクに比例する電流成分とに分離する手段と、
前記トルクに比例する電流成分を入力量とした関数によって電動機の電流制限値を変化させる手段と、
を備えたものである。
【００１４】
請求項３記載の発明は、電動機を電力変換器により可変速駆動する装置であって、電動機の電流の大きさを制限する電流制限手段を備えた電動機の可変速制御装置において、
前記電流制限手段は、
電動機の出力トルク推定値を演算するトルク推定手段と、
前記トルク推定値を入力量とした関数によって電動機の電流制限値を変化させる手段と、
を備えたものである。
【００１５】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載した電動機の可変速制御装置において、
電動機の電流検出値が電流制限値を越えないように、Ｖ／ｆ一定制御される電力変換器の周波数指令値を補正する手段を備えたものである。
【００１６】
請求項５記載の発明は、請求項１〜４の何れか１項に記載した電動機の可変速制御装置において、
電流制限値の関数が、
前記入力量の単位時間当たりの変化幅を所定値以下に制限する関数であることを特徴とする。
【００１７】
請求項６記載の発明は、請求項１〜４の何れか１項に記載した電動機の可変速制御装置において、
電流制限値の関数が、
前記入力量をローパスフィルタにより処理した出力値にオフセット量を重畳する関数であることを特徴とする。
【００１８】
請求項７記載の発明は、請求項１〜４の何れか１項に記載した電動機の可変速制御装置において、
電流制限値の関数が、
前記入力量をローパスフィルタにより処理した出力値に正負のオフセット量を重畳する関数であり、
正のオフセット量を重畳した値を電動機駆動用の電流制限値として用い、かつ、負のオフセット量を重畳した値を電動機制動用の電流制限値として用いるものである。
【００１９】
以下に、本発明の作用を説明する。
図１は、Ｖ／ｆ一定制御を行う図１１の制御ブロック図に電流制限手段（破線で示す電流制限部３０）を付加した本発明の基本構成図である。なお、図１１と同一の構成要素には同一の参照符号を付してある。
【００２０】
図１において、電流制限部３０は、電流検出器１０、３／２相変換器１２、座標変換器１３、加算器３Ｃ、比例積分調節器１５から構成されており、比例積分調節器１５の出力としての周波数指令補正値△ｆが、加算器３Ａにより加減速演算器２の出力としての第２の周波数指令値ｆ２に加算され、その加算結果ｆ３が最終的な周波数指令値としてｆ／Ｖ変換器４に入力される構成となっている。
【００２１】
まず、電流検出器１０は、電動機１１に流れるＵ相及びＷ相の電流ｉｕ，ｉｗを検出する。３／２相変換器１２は、電流検出値ｉｕ，ｉｗから、数式２に従ってα−β座標軸における電流成分ｉα，ｉβを演算する。
【００２２】
【数２】
座標変換器１３は、ｉα，ｉβ及び位相θから、数式３に従ってγ−δ座標軸における電流成分ｉγ，ｉδを演算する。
【００２４】
【数３】
加算器３Ｃは、可変値であるδ軸電流制限値ｉδｌｉｍとδ軸電流ｉδとの偏差（ｉδｌｉｍ−ｉδ）を演算する。
比例積分調節器１５は、偏差（ｉδｌｉｍ−ｉδ）が負のとき、つまりｉδがｉδｌｉｍを越えた場合は数式４に従って周波数指令補正値Δｆを演算して出力し、ｉδがｉδｌｉｍに一致するように、加算器３Ａにより第２の周波数指令値ｆ２を補正して周波数指令値ｆ３を得る。
【００２６】
【数４】
なお、数式４において、Ｋｐ：比例ゲイン、Ｔｉ：積分時定数
である。
【００２８】
このように、電動機に電流制限値以上の電流が流れたら、電流制限値とフィードバックした電流検出値とを用いて電流調節器を組むことで電力変換器の出力周波数すなわち出力電圧を調整し、電流検出値を電流制限値に制御するような制限動作が行われる。ここで、電流制限値ｉδｌｉｍを所望の電流応答が得られるような可変値とすれば、トルクに比例したδ軸電流の応答を調節できるため、Ｖ／ｆ一定制御でもトルク応答が調整可能となる。
【００２９】
一方、上記電流制限後の偏差（ｉδｌｉｍ−ｉδ）が正となったとき、つまり電流制限完了後の速度復帰時には、比例積分調節器１５は、数式４に従ってΔｆを負の値から零に戻し、通常運転に復帰させる。
【００３０】
なお、図１において、電流制限部３０内の電流制限値ｉδｌｉｍ（または後述するＭ−Ｔ座標系における電流制限値ｉＴｌｉｍ）を変化させるための手段は、以下の各実施形態における電流制限値演算部３１〜３４によって具体化される。
【００３１】
【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２は、本発明の第１実施形態を示す制御ブロック図であり、請求項１，４，５に記載した発明の実施形態に相当する。なお、図１と同一の構成要素には同一の参照符号を付してある。
【００３２】
電流制限値演算部３１は、座標変換器１３からのδ軸電流ｉδが入力される傾き制限器１４と、その出力が加えられる制限回路１９とから構成されており、制限回路１９の出力を電流制限値ｉδｌｉｍとして加算器３Ｃに与える。
傾き制限器１４は、ｉδの単位時間当たりの変化幅（傾き）を所定の変化幅（傾き制限値）以下に制限する。制限回路１９は、傾き制限器１４の出力を電流制限値の最大値Ｉｌｉｍ ｍａｘ以下になるように制限し、δ軸電流制限値ｉδｌｉｍとして出力する。
【００３３】
図３は、比例積分調節器１５によって周波数指令補正値Δｆが演算されるまでの動作を示す波形図であり、電動機１１に駆動の負荷が印加された場合のものである。
図３に示すように、時刻ｔ１で負荷が印加されてｉδの単位時間当たりの変化幅が傾き制限値以上となり、この状態が時刻ｔ２まで続いたとする。このｔ１〜ｔ２の期間は、ｉδの変化幅が傾き制限値によって一定に制限される。
【００３４】
上記ｔ１〜ｔ２の期間では、制限回路１９から出力される電流制限値ｉδｌｉ ｍは、図のように傾き制限値に等しい増加率で徐々に増加する。このとき、ｔ１〜ｔ２の期間中の比例積分調節器１５の入力（ｉδｌｉｍ−ｉδ）は負の値となり、その出力値Δｆは、比例積分演算によって図のように第２の周波数指令値ｆ２を下げる方向の負の値となる。
【００３５】
このように、負荷トルクに応じて電力変換器の出力周波数に垂下特性を持たせ、これによって最終的にｉδを制御することができる。このｉδはトルクに関係した電流であるため、ｉδの応答により電動機のトルク応答を調節することができる。従って、図３に参考的に記載した従来技術のトルク応答のようにトルクの急激な変化を生じることがなく、機械を破損したり騒音が発生するおそれもない。
【００３６】
本実施形態において、電動機１１の電流及びトルクの応答は、傾き制限器１４の傾き制限値並びに制限回路１９の電流制限値の最大値Ｉｌｉｍｍａｘを調節することにより調整可能である。また、正負の傾き制限値をそれぞれ設定すれば、駆動負荷だけでなく制動負荷に対する電動機の電流、トルク応答も調整可能になる。
【００３７】
次に、本発明の第２実施形態を図４に沿って説明する。この実施形態は、請求項１，４，６に記載した発明の実施形態に相当する。
この実施形態の電流制限値演算部３２は、δ軸電流ｉδが入力されるローパスフィルタ１７と、その出力ｉδｌｐｆをオフセット量Ｉｏｆｆｓｅｔ１と加算する加算器３Ｄとから構成されており、加算器３Ｄによる加算結果ｉδｌｉｍ１が電流制限値として加算器３Ｃに入力されている。
前記ローパスフィルタ１７は、ｉδを次の数式５に従ってフィルタ処理し、ｉδｌｐｆを出力する。
【００３８】
【数５】
なお、数式５において、ｋ：ローパスフィルタのゲイン、Ｔ：ローパスフィルタの時定数
である。
【００４０】
図５は、この実施形態において、比例積分調節器１５により周波数指令補正値Δｆ１が演算されるまでの動作を示す波形図である。この場合も、電動機１１に駆動の負荷が印加された状態を想定している。
負荷が印加された後、時刻ｔ１でｉδが電流制限値ｉδｌｉｍ１を越え、時刻ｔ２までその状態が続いたとする。なお、ｉδｌｉｍ１はオフセット量Ｉｏｆｆｓｅｔ１を有している。この場合、ｔ１〜ｔ２の期間では、偏差（ｉδｌｉｍ１−ｉδ）は負の値あるいは零となる。このとき、比例積分調節器１５の出力値Δｆ１は偏差（ｉδｌｉｍ１−ｉδ）を比例積分演算して、図のように第２の周波数指令値ｆ２を下げる方向の負の値となる。
【００４１】
本実施形態において、電流及びトルクの応答はローパスフィルタ１７のゲインｋ、時定数Ｔ及びオフセット量Ｉｏｆｆｓｅｔ１から決定される。所望の応答時定数をＴ０とすれば、数式６、数式７に従って上記ゲインｋ及び時定数Ｔを調整すればよい。ただし、これらの数式において、Ｉｌｉｍｍａｘは電流制限値の最大値である。
【００４２】
【数６】
【数７】
この実施形態においても、従来技術のようにトルクの急激な変化を生じることがなく、機械を破損したり騒音が発生するおそれもない。
【００４５】
次いで、本発明の第３実施形態を説明する。この実施形態は、請求項１，４，７に記載した発明の実施形態に相当する。
前述した第２実施形態では、第１実施形態のように傾き制限値を設定する場合と比べて、制動負荷に対する電流、トルク応答を調整することがができない。
この点に着目し、本実施形態では、δ軸電流制限値及び比例積分調節器をそれぞれ２つ設けることにより、制動時の負荷に対してもトルク応答の調整を可能にしている。
【００４６】
図６は本実施形態の制御ブロック図であり、電流制限値演算部３３では、図４に示した電流制限値演算部３２内の構成に加えて、ローパスフィルタ１７の出力ｉδｌｐｆ及びオフセット量Ｉｏｆｆｓｅｔ２が図示の符号で加えられる加算器３Ｆを備えている。そして、この加算器３Ｆから出力されるｉδｌｉｍ２が電流制限値として加算器３Ｅに入力され、ｉδｌｉｍ２とｉδとの偏差が比例積分調節器１５Ｂに入力されている。
また、比例積分調節器１５Ｂから出力される周波数指令補正値Δｆ２が加算器３Ｇにより比例積分調節器１５Ａからの周波数指令補正値Δｆ１と加算され、その加算結果が最終的な周波数指令補正値Δｆとして加算器３Ａにより第２の周波数指令値ｆ２に加算されるようになっている。
【００４７】
ここで、ローパスフィルタ１７、加算器３Ｄ，３Ｃ、比例積分調節器１５Ａは図４の第２実施形態と同様に電動機１１に駆動の負荷が印加されたときに機能する。一方、加算器３Ｆ，３Ｅ、比例積分調節器１５Ｂは電動機１１に制動の負荷が印加されたときに機能するものである。
【００４８】
以下、第２実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
図７は、比例積分調節器１５Ｂにより周波数指令補正値Δｆ２が演算されるまでの動作を示す波形図であり、電動機１１に制動の負荷が印加されたときのものである。
【００４９】
図７の時刻ｔ１でｉδがｉδｌｉｍ２を負方向に越え、時刻ｔ２までその状態が続くとする。この場合、ｔ１〜ｔ２の期間では偏差（ｉδｌｉｍ２−ｉδ）は正の値あるいは零となる。このとき、比例積分調節器１５Ｂの出力Δｆ２は偏差（ｉδｌｉｍ２−ｉδ）を比例積分演算して、図のように第２の周波数指令値ｆ２を上げる方向の正の値となる。
この結果、制動負荷に対しても電流、トルクの応答を制御することができる。また、これらの応答は、第２実施形態と同様にローパスフィルタ１７のゲインｋ、時定数Ｔ及びオフセット量Ｉｏｆｆｓｅｔ２を調節することにより、調整可能である。
【００５０】
次に、本発明の第４実施形態を説明する。この実施形態は、請求項２，４，５に記載した発明の実施形態に相当する。
図８は、この実施形態の制御ブロック図である。上述した第１〜第３実施形態ではγ−δ座標軸によって制御系を構成していたが、本実施形態ではＭ−Ｔ座標系によって構成する。
【００５１】
Ｍ−Ｔ座標軸は、図９に示すように第２の周波数指令値ｆ２で回転する回転座標軸であり、Ｍ軸を鎖交磁束ベクトルの方向、Ｍ軸から９０°進んだ方向をＴ軸と定義する。
図８において、ｆ／Ｖ変換器４は、補正後の第２の周波数指令値ｆ２（すなわちｆ３）に従って電動機１１の真のＭ−Ｔ軸と制御装置の制御軸とが一致するように電圧指令演算を行い、電圧指令のＭ軸成分ｖＭ及びＴ軸成分ｖＴを出力する。
極座標変換器５は、図９における振幅Ｖ及び位相φを数式８、数式９により演算する。このように、本実施形態では前述した各実施形態と異なり、制御系をＭ−Ｔ軸に合わせているので、トルク応答を高精度に制御することができる。
【００５２】
【数８】
【数９】
この実施形態における電流制限値は、電流制限値演算部３１において、トルク成分であるＴ軸電流ｉＴを傾き制限器１４と制限回路１９により処理した出力値ｉＴｌｉｍとする。傾き制限器１４は、ｉＴの単位時間当たりの変化幅（傾き）を所定の変化幅以下に制限する。制限回路１９は、傾き制限器１４の出力が電流制限値の最大値Ｉｌｉｍｍａｘ以下となるように制限し、Ｔ軸電流制限値ｉＴｌｉｍを出力する。
周波数指令補正値Δｆが演算されるまでの動作は、第１実施形態と電流制限値の演算方法が異なるが、その他は同様であるため説明を省略する。
また、上述したように制御系をＭ−Ｔ座標系で構成する着想を、第２実施形態または第３実施形態における電流制限値演算部に適用することも可能である。
【００５５】
次に、本発明の第５実施形態を説明する。この実施形態は、請求項３，４，５に記載した発明の実施形態に相当する。
図１０は本実施形態の制御ブロック図であり、以下では主として図８と異なる部分を説明する。
【００５６】
図１０の電流制限値演算部３４において、座標変換器１３から出力されたＴ軸電流ｉＴ及びＭ軸電流ｉＭはトルク推定器１８に入力されると共に、このトルク推定器１８には、ｆ／Ｖ変換器４の出力である電圧指令値ｖＭ，ｖＴも入力されている。
トルク推定器１８はこれらの入力を用いてトルク推定値Ｔｅｓｔを演算し、このトルク推定値Ｔｅｓｔは傾き制限器１４、制限回路１９を経ることでＴ軸電流制限値ｉＴｌｉｍとして出力される。
【００５７】
比例積分調節器１５により周波数指令補正値Δｆが演算されるまでの動作は、第１実施形態と電流制限値の演算方法が異なるが、その他は同様であるため説明を省略する。
また、上述したように制御系をＭ−Ｔ座標系で構成し、電動機のトルク推定値に基づいて電流を制限する着想を、第２実施形態または第３実施形態における電流制限値演算部に適用することも可能である。
本実施形態によれば、電動機１１のトルクを推定することにより、第１〜第５の実施形態に比べて一層高精度にトルク応答を制御することができる。
【００５８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、Ｖ／ｆ一定制御でもトルク応答を調整することができ、機械共振による負荷の破損や騒音問題を解決することが可能である。
また、ハードウェアの制約から演算周期を速くできず、比例積分調節器の比例ゲインを適切に設定できない場合に、電流がオーバーシュートして電力変換器の過電流保護機能が働くことがあるが、本発明ではδ軸電流またはＴ軸電流の調節系を動作させることによって電流が過大になるのを未然に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態を示す制御ブロック図である。
【図３】第１実施形態において、周波数指令補正値が演算されるまでの動作を示す波形図である。
【図４】本発明の第２実施形態を示す制御ブロック図である。
【図５】第２実施形態において、周波数指令補正値が演算されるまでの動作を示す波形図である。
【図６】本発明の第３実施形態を示す制御ブロック図である。
【図７】第３実施形態において、周波数指令補正値が演算されるまでの動作を示す波形図である。
【図８】本発明の第４実施形態を示す制御ブロック図である。
【図９】α−β座標軸及びＭ−Ｔ座標軸の説明図である。
【図１０】本発明の第５実施形態を示す制御ブロック図である。
【図１１】ｆ／Ｖ一定制御の従来技術を示す制御ブロック図である。
【図１２】α−β座標軸及びγ−δ座標軸の説明図である。
【符号の説明】
１ 周波数設定器
２ 加減速演算器
３Ａ〜３Ｇ 加算器
４ ｆ／Ｖ変換器
５ 極座標変換器
６ 電圧指令演算器
７ ＰＷＭ演算回路
８ 三相交流電源
９ 電力変換器
１０ 電流検出器
１１ 電動機
１２ ３／２相変換器
１３ 座標変換器
１４ 傾き制限器
１５ 比例積分調節器
１６ 積分器
１７ ローパスフィルタ
１８ トルク推定器
１９ 制限回路
３０ 電流制限部
３１〜３４ 電流制限値演算部
Claims (7)
- 電動機を電力変換器により可変速駆動する装置であって、電動機の電流の大きさを制限する電流制限手段を備えた電動機の可変速制御装置において、
前記電流制限手段は、
電動機に流れる電流を回転座標変換し、電動機に印加する端子電圧ベクトル方向の電流成分と、この成分に直交する電流成分とに分離する手段と、
前記端子電圧ベクトル方向の電流成分を入力量とした関数によって電動機の電流制限値を変化させる手段と、
を備えたことを特徴とする電動機の可変速制御装置。 - 電動機を電力変換器により可変速駆動する装置であって、電動機の電流の大きさを制限する電流制限手段を備えた電動機の可変速制御装置において、
前記電流制限手段は、
電動機に流れる電流を回転座標変換し、鎖交磁束ベクトル方向の電流成分と、この成分に直交してトルクに比例する電流成分とに分離する手段と、
前記トルクに比例する電流成分を入力量とした関数によって電動機の電流制限値を変化させる手段と、
を備えたことを特徴とする電動機の可変速制御装置。 - 電動機を電力変換器により可変速駆動する装置であって、電動機の電流の大きさを制限する電流制限手段を備えた電動機の可変速制御装置において、
前記電流制限手段は、
電動機の出力トルク推定値を演算するトルク推定手段と、
前記トルク推定値を入力量とした関数によって電動機の電流制限値を変化させる手段と、
を備えたことを特徴とする電動機の可変速制御装置。 - 請求項１〜３の何れか１項に記載した電動機の可変速制御装置において、
電動機の電流検出値が電流制限値を越えないように、Ｖ／ｆ一定制御される電力変換器の周波数指令値を補正する手段を備えたことを特徴とする電動機の可変速制御装置。 - 請求項１〜４の何れか１項に記載した電動機の可変速制御装置において、
電流制限値の関数が、
前記入力量の単位時間当たりの変化幅を所定値以下に制限する関数であることを特徴とする電動機の可変速制御装置。 - 請求項１〜４の何れか１項に記載した電動機の可変速制御装置において、
電流制限値の関数が、
前記入力量をローパスフィルタにより処理した出力値にオフセット量を重畳する関数であることを特徴とする電動機の可変速制御装置。 - 請求項１〜４の何れか１項に記載した電動機の可変速制御装置において、
電流制限値の関数が、
前記入力量をローパスフィルタにより処理した出力値に正負のオフセット量を重畳する関数であり、
正のオフセット量を重畳した値を電動機駆動用の電流制限値として用い、かつ、負のオフセット量を重畳した値を電動機制動用の電流制限値として用いることを特徴とした電動機の可変速制御装置。
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