JP4114942B2 - Induction motor control device - Google Patents

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JP4114942B2 JP2005349285A JP2005349285A JP4114942B2 JP 4114942 B2 JP4114942 B2 JP 4114942B2 JP 2005349285 A JP2005349285 A JP 2005349285A JP 2005349285 A JP2005349285 A JP 2005349285A JP 4114942 B2 JP4114942 B2 JP 4114942B2
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Description

本発明は、誘導電動機のベクトル制御に係り、特に、周波数が高い電圧制御不
能領域においてもベクトル制御を可能にする誘導電動機の制御装置に関する。
The present invention relates to vector control of an induction motor, and more particularly to an induction motor control device that enables vector control even in a voltage uncontrollable region having a high frequency.

鉄道車両用電気車を駆動する誘導電動機をベクトル制御する技術は、特開平5
−83976号公報に記載されている。また、鉄道車両用電気車では、一般的に
高速運転領域ではインバータのスイッチング損失を減らし、また、直流電源電圧
を最大限利用するため、PWMパルスモードが1パルスモードとなる制御を用い
ている。しかし、この電圧の大きさを制御することができない1パルスモードに
おいても、ベクトル制御を行う技術が第33回鉄道におけるサイバネティクス利
用国内シンポジウム論文集(1996年11月)p.247−250「ベクトル制
御を適用した車両駆動システム」に記載されている。
上記特開平5−83976号公報に記載のベクトル制御では、励磁電流指令値
と検出した励磁電流との偏差及びトルク電流指令値と検出したトルク電流との偏
差に基づきベクトル制御の2つの電圧指令信号を補正する2つの電流制御手段の
他にすべり周波数を補正するための第3の電流制御手段を有しており、制御構成
が複雑になるため、マイコンを用いて指令信号を演算する場合に演算時間が大き
くなってしまうという課題がある。また、上記「ベクトル制御を適用した車両駆
動システム」の文献では、1パルスモードにおいて磁束補正値演算、つまり、弱
め界磁を行うフィードバックを付加する必要がある。また、両従来技術とも1パ
ルスモードとそれ以外のモードで制御系を切り替える必要がある。
なお、上記従来技術の他に特開平2−32788号公報がある。同公報記載の
ベクトル制御の構成は、第16図を見るように、励磁電流及びトルク電流の各成
分に応じて電圧指令を演算する点、トルク電流の指令にその実際値がなるように
1次周波数を指令する電流制御系を備える点及び得られた1次周波数指令より上
記電圧指令を演算する点からなる。しかし、同公報記載のベクトル制御では、P
WMパルスモードが1パルスになり、電圧制御が不能になると、ベクトル制御が
できないという課題があり、それへの配慮の記載は一切されていない。
A technique for vector control of an induction motor for driving an electric vehicle for a railway vehicle is disclosed in JP-A-5
-83976. Further, in an electric vehicle for a railway vehicle, generally, in order to reduce the switching loss of the inverter in the high-speed operation region and to make maximum use of the DC power supply voltage, the control in which the PWM pulse mode becomes the 1-pulse mode is used. However, even in the 1-pulse mode where the voltage cannot be controlled, the vector control technology is the 33rd Cybernetics Utilization National Symposium on Railways (November 1996) p.247-250 “Vector Control”. The vehicle drive system to which is applied.
In the vector control described in JP-A-5-83976, two voltage command signals for vector control are based on the deviation between the excitation current command value and the detected excitation current and the deviation between the torque current command value and the detected torque current. In addition to the two current control means for correcting the current, there is a third current control means for correcting the slip frequency, and the control configuration becomes complicated. Therefore, the calculation is performed when the command signal is calculated using a microcomputer. There is a problem that time will become large. Further, in the document “vehicle driving system to which vector control is applied”, it is necessary to add a feedback for performing magnetic flux correction value calculation, that is, field weakening in the 1-pulse mode. In both conventional techniques, it is necessary to switch the control system between the one-pulse mode and the other modes.
In addition to the above prior art, there is JP-A-2-32788. As shown in FIG. 16, the vector control configuration described in the publication is such that the voltage command is calculated in accordance with each component of the excitation current and the torque current, and the primary value is such that the actual value is obtained in the torque current command. It consists of a point having a current control system for commanding the frequency and a point for calculating the voltage command from the obtained primary frequency command. However, in the vector control described in the publication, P
When the WM pulse mode becomes 1 pulse and voltage control becomes impossible, there is a problem that vector control cannot be performed, and no consideration is given to it.

特開平5−83976号公報JP-A-5-83976 特開平2−32788号公報JP-A-2-32788 第33回鉄道におけるサイバネティクス利用国内シンポジウム論文集(1996年11月)p.247−250Proceedings of the 33rd National Symposium on Cybernetics in Railways (November 1996) p.247-250

本発明の課題は、誘導電動機をベクトル制御するに際し、より簡単な制御構成
によって低速域からPWMインバータの直流電源電圧を最大限に利用するPWM
のパルス数が1パルスとなる高速域まで連続的に制御構成を切り替えることなく、
良好なベクトル制御を行いうる誘導電動機の制御装置を提供することにある。
An object of the present invention is to perform PWM control that makes full use of a DC power supply voltage of a PWM inverter from a low speed range with a simpler control configuration when performing vector control of an induction motor.
Without switching the control configuration continuously up to the high speed range where the number of pulses becomes 1 pulse,
An object of the present invention is to provide an induction motor control apparatus capable of performing good vector control.

上記課題を解決するために、低速域では直流電圧を可変電圧可変周波数及び高
速域では定電圧可変周波数(1パルス)の交流に変換するインバータ、該インバ
ータにより駆動される誘導電動機の一次電流における励磁電流成分指令とトルク
電流成分指令に基づき演算された前記それぞれの成分に対応する電圧成分指令に
より求まる変調率(出力電圧指令)によりインバータの出力電圧を制御する制御
装置を備えた誘導電動機の制御装置において、誘導電動機一次電流よりトルク電
流成分と励磁電流成分を検出する手段と、該検出したトルク電流成分値とその指
令値との偏差を積分要素に入力したその出力からトルク電流成分指令を補正する
手段と、前記検出した励磁電流成分値とその指令値との偏差を積分要素に入力し
たその出力から励磁電流成分指令を補正する手段と、前記補正されたトルク電流
成分指令と前記補正された励磁電流成分指令との比から誘導電動機のすべり角周
波数を演算し、それに基づいてインバータの出力周波数を制御する手段と、可変
電圧可変周波数の制御から定電圧可変周波数の制御領域へ移行した後、変調率の
大きさを所定値以上又は任意の条件でリミットする手段と、インバータの出力周
波数を制御する手段により誘導電動機のすべり角周波数を演算するに当り、変調
率の大きさが前記所定値以上又は任意の条件でリミットされている期間、励磁電
流成分指令は、該電流成分のフィードバック制御の動作を停止し、予め定められ
た所定値を保持し、すべり角周波数を前記補正されたトルク電流成分指令のみで
演算する手段を備える。
In order to solve the above-mentioned problems, an inverter that converts a DC voltage into a variable voltage variable frequency AC in a low speed range and a constant voltage variable frequency (one pulse) AC in a high speed range, and excitation in a primary current of an induction motor driven by the inverter Induction motor control device comprising a control device for controlling an output voltage of an inverter based on a modulation factor (output voltage command) obtained from a voltage component command corresponding to each of the components calculated based on a current component command and a torque current component command , The means for detecting the torque current component and the excitation current component from the primary current of the induction motor, and the torque current component command is corrected from the output of the deviation between the detected torque current component value and the command value input to the integral element. And the deviation between the detected excitation current component value and its command value from the output inputted to the integral element from the excitation current Means for correcting the component command, and means for calculating the slip angular frequency of the induction motor from the ratio of the corrected torque current component command and the corrected excitation current component command, and controlling the output frequency of the inverter based thereon After the transition from the variable voltage variable frequency control to the constant voltage variable frequency control region, the control is induced by means for limiting the magnitude of the modulation factor to a predetermined value or more or an arbitrary condition and means for controlling the output frequency of the inverter. When calculating the slip angular frequency of the electric motor, the excitation current component command stops the feedback control operation of the current component during the period when the magnitude of the modulation factor is more than the predetermined value or limited under any condition, Means is provided for holding a predetermined value and calculating a slip angular frequency only by the corrected torque current component command.

本発明によれば、誘導電動機を低速域から電圧指令(変調率)の大きさが直流
電圧で定まるインバータの出力可能な最大電圧を上回る(PWMパルスモードが
1パルス領域)高速域まで連続的に制御構成を切り替えることなく、良好なベク
トル制御を行いうることができる。
According to the present invention, the induction motor is continuously operated from the low speed range to the high speed range where the magnitude of the voltage command (modulation rate) exceeds the maximum voltage that can be output by the inverter determined by the DC voltage (PWM pulse mode is one pulse range). Good vector control can be performed without switching the control configuration.

以下、本発明を実施するための最良の形態を本発明の実施形態として図1から
図4を用いて説明する。
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described as an embodiment of the present invention with reference to FIGS.

本発明の一実施形態を図1を用いて説明する。同図において、直流電源11か
ら供給される直流は、フィルタコンデンサ13によって平滑され、電力変換器で
あるパルス幅変調(以下、PWMと称する)インバータ1に与えられる。
PWMインバータ1は、電源となる直流電圧を3相の交流電圧に変換してその
交流電圧を誘導電動機2に供給する。電気車ではこの誘導電動機2を駆動源とし
て走行する。
電流指令発生器3は、励磁電流指令値Id*及びトルク電流指令値Iq*を発生す
る。
電流制御器4は、トルク電流指令値Iq**及び後述する座標変換器5の出力で
あるトルク電流検出値Iqの偏差に基づき補正されたトルク電流指令値Iq**を生
成し、その指令値Iq**は電圧指令演算器6及びすべり角周波数演算器7に入力
される。
すべり角周波数演算器7は、励磁電流指令値Id*及び補正されたトルク電流指
令値Iq**よりすべり角周波数指令値ωs*を出力する。
電圧指令演算器6は、励磁電流指令値Id*、補正されたトルク電流指令値Iq*
*、及び後述する1次角周波数指令値ω1*に基づき誘導電動機2に供給される回
転磁界座標系の2つの電圧成分の指令であるVd*,Vq*を演算し極座標変換器
8に出力する。
極座標変換器8は、Vd*,Vq*で表される電圧ベクトルを電圧ベクトルの大
きさV0及び位相δに変換する。
一方、速度検出器16によって検出された誘導電動機速度ωrは、加算器17
ですべり角周波数演算器7の出力であるすべり角周波数指令値ωs*と加算され、
1次角周波数指令値ω1*を生成する。この1次角周波数指令値ω1*は積分器1
8,電圧指令演算器6に与えられる。
積分器18は、1次角周波数指令値ω1*を積分して座標基準信号θを演算す
る。
座標変換器5は、PWMインバータ1の出力電流を検出する電流検出器15u,
15v,15wにより検出されたインバータ出力電流iu,iv,iwを入力し
て座標基準信号θに基づいて回転磁界座標系の励磁電流成分Id、トルク電流成
分Iqに変換し、Iqは電流制御器4に出力される。
加算器19は、積分器18の出力である座標基準信号θと極座標変換器8の出
力である電圧ベクトルの位相δを加算してθ’を出力する。
変調率演算器10は、電力変換器の電源となる直流電圧VFCを検出する電圧
検出器14からの信号に基づいて電力変換器が出力しうる最大電圧を越えないよ
うに極座標変換器8の出力である電圧ベクトルの大きさV0を制限し変調率Vc
を出力する。
PWM信号演算器9では、変調率演算器10の出力Vc及び加算器19の出力
θ’よりオン,オフパルスSu,Sv,Swを発生し、PWMインバータ1に与
える。
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the figure, the direct current supplied from the direct current power source 11 is smoothed by a filter capacitor 13 and applied to a pulse width modulation (hereinafter referred to as PWM) inverter 1 which is a power converter.
The PWM inverter 1 converts a DC voltage serving as a power source into a three-phase AC voltage and supplies the AC voltage to the induction motor 2. The electric vehicle travels using this induction motor 2 as a drive source.
The current command generator 3 generates an excitation current command value Id * and a torque current command value Iq *.
The current controller 4 generates a torque current command value Iq ** which is corrected based on a deviation between the torque current command value Iq ** and a torque current detection value Iq which is an output of the coordinate converter 5 which will be described later. Iq ** is input to the voltage command calculator 6 and the slip angular frequency calculator 7.
The slip angular frequency calculator 7 outputs a slip angular frequency command value ωs * from the excitation current command value Id * and the corrected torque current command value Iq **.
The voltage command calculator 6 includes an excitation current command value Id * and a corrected torque current command value Iq *.
* And Vd * and Vq *, which are commands of two voltage components of the rotating magnetic field coordinate system supplied to the induction motor 2 based on a primary angular frequency command value ω1 *, which will be described later, are calculated and output to the polar coordinate converter 8. .
The polar coordinate converter 8 converts the voltage vector represented by Vd * and Vq * into the magnitude V0 and the phase δ of the voltage vector.
On the other hand, the induction motor speed ωr detected by the speed detector 16 is added to the adder 17.
Therefore, it is added to the slip angular frequency command value ωs * which is the output of the slip angular frequency calculator 7,
A primary angular frequency command value ω1 * is generated. This primary angular frequency command value ω1 * is the integrator 1
8 is given to the voltage command calculator 6.
The integrator 18 integrates the primary angular frequency command value ω1 * to calculate the coordinate reference signal θ.
The coordinate converter 5 includes current detectors 15u that detect the output current of the PWM inverter 1.
The inverter output currents iu, iv, iw detected by 15v, 15w are inputted and converted into the excitation current component Id and torque current component Iq of the rotating magnetic field coordinate system based on the coordinate reference signal θ, and Iq is the current controller 4. Is output.
The adder 19 adds the coordinate reference signal θ output from the integrator 18 and the voltage vector phase δ output from the polar coordinate converter 8 to output θ ′.
The modulation factor calculator 10 outputs the output of the polar coordinate converter 8 so as not to exceed the maximum voltage that the power converter can output based on a signal from the voltage detector 14 that detects the DC voltage VFC serving as the power source of the power converter. The voltage vector magnitude V0 is limited and the modulation factor Vc
Is output.
In the PWM signal calculator 9, on / off pulses Su, Sv, Sw are generated from the output Vc of the modulation factor calculator 10 and the output θ ′ of the adder 19 and supplied to the PWM inverter 1.

次に、上記各部の詳細を説明する。
座標変換器5では、例えば座標基準信号θ及びインバータ出力電流iu,iv,
iwから(1)式により励磁電流成分Id、トルク電流成分Iqを演算する。
Next, the details of each of the above parts will be described.
In the coordinate converter 5, for example, the coordinate reference signal θ and the inverter output currents iu, iv,
The excitation current component Id and the torque current component Iq are calculated from iw by the equation (1).

Figure 0004114942
Figure 0004114942

電流制御器4としては例えば比例,積分制御を用いる。(2)式はその一例で
ある。これによりトルク電流指令値Iq*とトルク電流検出値Iqの偏差に基づい
て補正されたトルク電流指令値Iq**が出力される。
For example, proportional or integral control is used as the current controller 4. Equation (2) is an example. As a result, the torque current command value Iq ** corrected based on the deviation between the torque current command value Iq * and the torque current detection value Iq is output.

Figure 0004114942
ここに、K1,K2はそれぞれ比例係数,積分係数、sはラプラス演算子であ
る。
(3)式は、電圧指令演算器6の一例である。
Figure 0004114942
Here, K1 and K2 are a proportional coefficient and an integral coefficient, respectively, and s is a Laplace operator.
Equation (3) is an example of the voltage command calculator 6.

Figure 0004114942
ここに、r1は誘導電動機2の1次抵抗、Lsσは漏れインダクタンス、L1
は1次インダクタンスを示す。
(4)式は、すべり角周波数演算器7の一例である。
Figure 0004114942
Here, r1 is the primary resistance of the induction motor 2, Lsσ is the leakage inductance, L1
Indicates primary inductance.
Equation (4) is an example of the slip angular frequency calculator 7.

Figure 0004114942
ここに、r2は誘導電動機2の2次抵抗、Mは相互インダクタンスである。
極座標変換器8は、(5),(6)式で表される。
Figure 0004114942
Here, r2 is the secondary resistance of the induction motor 2, and M is the mutual inductance.
The polar coordinate converter 8 is expressed by equations (5) and (6).

Figure 0004114942
Figure 0004114942

Figure 0004114942
Figure 0004114942

図2は、変調率演算器10の一例を示す。除算器201により極座標変換器8
の出力V0はフィルタコンデンサ電圧VFCで除算し、その出力は係数器202
を経て変調率Vc’として正規化され、その値はリミッタ203に入力される。
リミッタ203は入力された変調率Vc’に対し出力する変調率(電圧指令)V
cが所定の値を超えないようにするものである。
図2の構成を演算式で表すと(7)式のようになる。
FIG. 2 shows an example of the modulation factor calculator 10. Polar coordinate converter 8 by divider 201
Output V0 is divided by the filter capacitor voltage VFC, and its output is the coefficient unit 202
And normalized as the modulation factor Vc ′, and the value is input to the limiter 203.
The limiter 203 outputs a modulation rate (voltage command) V to the input modulation rate Vc ′.
This prevents c from exceeding a predetermined value.
The configuration of FIG. 2 is expressed by an equation (7).

Figure 0004114942
ここで、変調率VcはPWMインバータの出力電圧が最大となる1パルスモー
ドのときの電圧が1となるようにスケール変換している。min( )は最小値を
取る関数で、計算した結果が1を越えた場合にはVcを1にリミットする。(7)
式よりV0の最大値V0maxは(8)式のように書ける。
Figure 0004114942
Here, the modulation factor Vc is scale-converted so that the voltage in the 1-pulse mode in which the output voltage of the PWM inverter is maximum is 1. min () is a function that takes the minimum value, and when the calculated result exceeds 1, Vc is limited to 1. (7)
From the equation, the maximum value V0max of V0 can be written as equation (8).

Figure 0004114942
Figure 0004114942

以上説明した図1及び(1)〜(7)式による制御構成により、低速域からP
WMインバータ1の直流電圧を最大限に利用するPWMのパルスモードが1パル
スとなる高速域まで良好な制御ができる。
From the low-speed range, the control configuration according to FIG. 1 and the equations (1) to (7) described above is used.
Good control can be performed up to a high speed range in which the pulse mode of PWM using the DC voltage of the WM inverter 1 to the maximum is 1 pulse.

以下に、上記構成における動作について説明する。
まず、電圧指令値が電源の直流電圧で決まる電力変換器の出力可能な最大電圧
より小さい低速域の場合を説明する。
極座標変換器の出力VOは、変調率演算器10で制限する電圧V0maxより
小さいので、Vc<1となる。このときPWMインバータ1が出力する電圧に誤
差がなく、誘導電動機2のパラメータが電圧指令演算器6、すべり角周波数演算
器7で用いたパラメータと一致している理想的な条件のもとでは、PWMインバ
ータ1は電圧指令値どおりの電圧を出力する。その結果、電流指令発生器3の出
力Id*,Iq*と座標変換器の出力Id,Iqは完全に一致し、ベクトル制御が行わ
れる。実際には、PWMインバータ1の出力電圧誤差や誘導電動機2のパラメー
タの変動などによりId*,Iq*とId,Iqの間に不一致が生じるが、その場合に
は電流制御器4によりIq*にIqが一致するように制御される。例えば誘導電動
機の2次抵抗r2がすべり角周波数演算器7の演算で使われているr2よりも大
きくなった場合を考えると、すべり角周波数演算器7が出力するすべり角周波数
指令値ωs*は本来出すべき値より小さくなるため、誘導電動機電流が小さくなり、
Iq*とIqが不一致となる。このとき電流制御器4はこの不一致をなくすように
働き出力Iq**を大きくする。その結果、すべり角周波数指令値ωs*が大きくな
り、パラメータが変動したことによる誤差を補正するため、若干のパラメータ誤
差があっても、電流制御器4の働きにより安定にベクトル制御を行うことができ
る。
The operation in the above configuration will be described below.
First, the case where the voltage command value is in a low speed range smaller than the maximum voltage that can be output from the power converter determined by the DC voltage of the power supply will be described.
Since the output VO of the polar coordinate converter is smaller than the voltage V0max limited by the modulation factor calculator 10, Vc <1. At this time, there is no error in the voltage output from the PWM inverter 1, and under ideal conditions in which the parameters of the induction motor 2 match the parameters used in the voltage command calculator 6 and the slip angular frequency calculator 7, The PWM inverter 1 outputs a voltage according to the voltage command value. As a result, the outputs Id * and Iq * of the current command generator 3 completely match the outputs Id and Iq of the coordinate converter, and vector control is performed. Actually, there is a discrepancy between Id *, Iq * and Id, Iq due to the output voltage error of the PWM inverter 1 or the fluctuation of the parameters of the induction motor 2, but in that case, the current controller 4 sets the Iq * to Iq *. It is controlled so that Iq matches. For example, considering the case where the secondary resistance r2 of the induction motor is larger than r2 used in the calculation of the slip angular frequency calculator 7, the slip angular frequency command value ωs * output from the slip angular frequency calculator 7 is Since it is smaller than the value that should be originally output, the induction motor current is reduced,
Iq * and Iq do not match. At this time, the current controller 4 works to eliminate this discrepancy and increases the output Iq **. As a result, the slip angular frequency command value ωs * becomes large and the error due to the parameter variation is corrected. Therefore, even if there is a slight parameter error, the current controller 4 can stably perform the vector control. it can.

つぎに、誘導電動機に出力する電圧が電力変換器の出力可能な最大電圧以上と
なる(PWMのパルスモードが1パルスになる)高速域の場合について説明する。
誘導電動機のパラメータ誤差のない理想的な条件のもとでも、極座標変換器8
が出力する電圧ベクトル指令値の大きさV0は、PWMインバータ1から出力さ
れうる最大電圧V0maxより大きくなり、電圧指令値と出力電圧に不一致が生
じる。その結果として電流指令発生器3の出力Id*,Iq*と座標変換器5の出力
Id,Iqは不一致となる。
この条件における課題を解決するために付加したものが変調率演算器9である。
同演算器9は、図2に示すように、演算された電圧指令Vc’が出力されうる
最大電圧V0maxより大きくなると、その値でリミットし、そのリミットした
値をインバータの変調率(出力電圧指令)Vcとして出力する。
これまでのベクトル制御ではVc’とV0maxとの差分に相当する量をフィ
ードバックする必要があった。例えば上述した「ベクトル制御を適用した車両駆
動システム」の文献では、電流指令発生器3の出力である励磁電流指令値Id*を
減らすよう調整している。(なお、本発明の動作を説明する上で、このようにI
d*が調整されてベクトル制御が行われているとしたときの励磁電流指令値をId
**とする。)
Next, the case where the voltage output to the induction motor is equal to or higher than the maximum voltage that can be output by the power converter (the PWM pulse mode is 1 pulse) will be described.
Even under ideal conditions without induction motor parameter error, the polar coordinate converter 8
Is larger than the maximum voltage V0max that can be output from the PWM inverter 1, resulting in a mismatch between the voltage command value and the output voltage. As a result, the output Id *, Iq * of the current command generator 3 and the output of the coordinate converter 5
Id and Iq are inconsistent.
A modulation factor calculator 9 is added to solve the problem in this condition.
As shown in FIG. 2, when the calculated voltage command Vc ′ becomes larger than the maximum voltage V0max that can be output, the arithmetic unit 9 limits the value with the value, and the limited value is the modulation factor (output voltage command) of the inverter. ) Output as Vc.
In the conventional vector control, it is necessary to feed back an amount corresponding to the difference between Vc ′ and V0max. For example, in the above-mentioned document “Vehicle Drive System Applying Vector Control”, adjustment is made to reduce the excitation current command value Id *, which is the output of the current command generator 3. (Note that in describing the operation of the present invention,
The excitation current command value when the d * is adjusted and the vector control is performed is the Id
**. )

しかし、本実施形態では、上記のようなフィードバックを行うことを必要とせ
ず、ベクトル制御を行うという点に大きな特徴を有している。そのことについて
以下制御原理について詳細に説明する。
図1の電流制御器4は、上記したように低速域においてはパラメータ変動によ
る補償が主たる働きであったが、高速域ではさらに同制御器は上述した電圧の不
一致によるIq*とIqの誤差を一致させるように動作するのである。
例えば、Vc’がV0maxより大きくなると、その差に応じて電流制御器4
の出力Iq**はIq*より増加する。その結果、制御の平衡状態においては、電流
制御器4の出力Iq**と電流指令発生器3の出力Id*の比であるIq**/Id*は本
来ベクトル制御が行われているときの比であるIq/Idに等しくなる。このとき
すべり角周波数演算器7の出力であるすべり角周波数指令値ωs*は、(4)式
より明らかなように、ベクトル制御が行われている場合と等しくなり、ωs*よ
り加算器17、積分器18で演算される座標基準信号θも等しい。同様に制御が
平衡状態になるまでの時間内に誘導電動機2の速度ωrが変化しないとみなせる
ように電流制御器4の応答時間をきめることで、電圧指令演算器6の出力Vd*,
Vq*の比Vq*/Vd*も(3)式より変化しない。
したがって、(6)式より極座標変換器8の出力δも本来ベクトル制御が行わ
れているときと等しくなる。その結果、加算器19で演算されるθ’も等しいこ
とから誘導電動機2には通常のベクトル制御が行われた場合と全く同じ電圧が印
加され、座標変換器5は理想的には出力Id,Iqとして通常のベクトル制御が行
われたときの値に等しいId*及びIq*を出力する。電流制御器4は、積分要素を
含んでいるので、入力Iq*とIqが等しくなっても、Iq**はIq*より大きい値で
平衡状態となる。
つまり、極座標変換器8の出力V0がPWMインバータ1から出力される電圧
の最大値V0maxより大きい場合でも、本実施形態によれば電流制御器4の働
きにより、電流指令発生器3を調整しなくても自動的に励磁電流指令値を下げた
ベクトル制御が行われた場合と全く等価になる。別の言い方をすると、PWMイ
ンバータの出力電圧が出力しうる最大電圧に固定されると、自動的に弱め界磁制
御が行われる。また、この制御は、電源の直流電圧が変動した場合にも上述した
制御系の働きにより自動的にその影響が補正され、定常状態では常にトルク電流
Iqがトルク電流指令値Iq*に一致するように制御される。
However, this embodiment has a significant feature in that vector control is performed without the need for feedback as described above. The control principle will be described in detail below.
As described above, the current controller 4 in FIG. 1 is mainly compensated by parameter fluctuations in the low speed range. However, in the high speed range, the controller further reduces the error between Iq * and Iq due to the voltage mismatch described above. It works to match.
For example, when Vc ′ becomes larger than V0max, the current controller 4 is changed according to the difference.
Output Iq ** increases from Iq *. As a result, in an equilibrium state of control, Iq ** / Id *, which is the ratio of the output Iq ** of the current controller 4 and the output Id * of the current command generator 3, is essentially that when vector control is performed. It becomes equal to the ratio Iq / Id. At this time, the slip angular frequency command value ωs *, which is the output of the slip angular frequency calculator 7, is equal to that when the vector control is performed, as is apparent from the equation (4). The coordinate reference signal θ calculated by the integrator 18 is also equal. Similarly, by determining the response time of the current controller 4 so that the speed ωr of the induction motor 2 does not change within the time until the control reaches an equilibrium state, the output Vd *,
The ratio Vq * / Vd * of Vq * does not change from equation (3).
Therefore, from the equation (6), the output δ of the polar coordinate converter 8 is also equal to that when the vector control is originally performed. As a result, since θ ′ calculated by the adder 19 is also equal, the same voltage is applied to the induction motor 2 as when normal vector control is performed, and the coordinate converter 5 ideally outputs the output Id, As Iq, Id * and Iq * equal to the values when normal vector control is performed are output. Since the current controller 4 includes an integral element, even if the inputs Iq * and Iq are equal, Iq ** is in an equilibrium state with a value larger than Iq *.
That is, even when the output V0 of the polar coordinate converter 8 is larger than the maximum value V0max of the voltage output from the PWM inverter 1, according to this embodiment, the current command generator 3 is not adjusted by the action of the current controller 4. However, this is completely equivalent to the case where the vector control with the excitation current command value automatically lowered is performed. In other words, field-weakening control is automatically performed when the output voltage of the PWM inverter is fixed to the maximum output voltage. In addition, this control is automatically corrected by the above-mentioned control system even when the DC voltage of the power supply fluctuates.
Control is performed so that Iq matches the torque current command value Iq *.

図3は、図1の制御系の動作を誘導電動機の静止状態からインバータ出力電圧
が最大値に達し、電圧一定となる領域に至るまでをシミュレーションしたもので
ある。
同図(a)は、時間tに対する誘導電動機の速度ωrを示したもので、誘導電
動機が時間とともに加速していることを表している。同図(b)は、極座標変換
器8の出力V0をスケール変換して変調率Vcと同じスケールにしたVc’及び
変調率演算器10の出力Vcの時間変化を示している。18秒付近でVc’がリ
ミッタ203に引っかかり、それ以降Vcが1(PWMインバータの出力可能最
大電圧)に固定されている。同図(c)は、座標変換器5の出力Id,Iq及び
電流指令発生器3の出力Id*、電流制御器4の出力Iq**の時間変化を示してい
る。ここで電流指令発生器3からの出力Id*,Iq*は常に一定としている。電圧
がリミットされるまではIdとId*及びIqとIq**は一致しているが、電圧が一
定となった時点以降ではIq**は電流制御器4の働きにより誘導電動機の速度が
大きくなるにつれて大きくなることがわかる。一方、電圧一定時点以降のIdは
Id*に対して徐々に小さくなっている。つまり、弱め界磁制御が行われている。
なお、図示していないが、Iq*は電流制御器4の働きによりIqに一致した値
で一定値を指令しており、Id*の指令値も一定として与えている。
同図(d)は、誘導電動機のトルクの時間変化を示しており、電圧リミットの
時点まではトルク電流指令値Iq*、励磁電流指令値Id*が一定であるので、トル
クも一定となる。電圧リミット時点以降では、指令値が一定としても誘導電動機
に与えられる電圧がリミットされているため、弱め界磁が行われている分だけ自
動的にトルクが低下している。
このように、上述した制御原理の基づく制御動作がシミュレーション上でも確
認され、低速から高速域まで連続してベクトル制御が実現できていることがわか
る。
FIG. 3 shows a simulation of the operation of the control system of FIG. 1 from the stationary state of the induction motor until the inverter output voltage reaches a maximum value and reaches a constant voltage range.
FIG. 4A shows the speed ωr of the induction motor with respect to time t, and shows that the induction motor is accelerating with time. FIG. 4B shows the time change of Vc ′ obtained by converting the output V0 of the polar coordinate converter 8 to the same scale as the modulation factor Vc and the output Vc of the modulation factor calculator 10. In the vicinity of 18 seconds, Vc ′ is caught by the limiter 203, and thereafter Vc is fixed to 1 (maximum output voltage of the PWM inverter). FIG. 4C shows temporal changes of the outputs Id and Iq of the coordinate converter 5, the output Id * of the current command generator 3, and the output Iq ** of the current controller 4. Here, the outputs Id * and Iq * from the current command generator 3 are always constant. Until the voltage is limited, Id and Id * and Iq and Iq ** match, but after the voltage becomes constant, Iq ** increases the speed of the induction motor due to the action of the current controller 4. It turns out that it becomes large as it becomes. On the other hand, Id after a certain voltage is
It is gradually smaller than Id *. That is, field weakening control is performed.
Although not shown, Iq * commands a constant value with a value that matches Iq by the action of the current controller 4, and the command value of Id * is also given as a constant.
FIG. 4D shows the change over time in the torque of the induction motor. Since the torque current command value Iq * and the excitation current command value Id * are constant until the voltage limit, the torque is also constant. After the voltage limit, the voltage applied to the induction motor is limited even if the command value is constant, so that the torque is automatically reduced by the amount of field weakening.
As described above, the control operation based on the above-described control principle is also confirmed in the simulation, and it can be seen that the vector control can be realized continuously from the low speed to the high speed range.

次に、本実施形態でのベクトル制御を違った観点から実証する。図4は、電圧
一定領域(第3図の25秒付近)におけるトルク応答シミュレーションの一例を
示す。
同図では、トルク指令値Trefの変化に対する誘導電動機のトルクTの応答に
若干の過渡的振動が発生しているが、それを除けばTrefに対してTが速やかに
応答しており、このことから本実施形態によりベクトル制御が可能なことが分か
る。なお、上記で発生している過渡的振動は電流制御器4の制御定数を制御対象
となる誘導電動機の定数に合わせた最適値で設定することで低減することができ
る。
Next, vector control in this embodiment will be demonstrated from a different point of view. FIG. 4 shows an example of a torque response simulation in a constant voltage region (around 25 seconds in FIG. 3).
In the figure, a slight transient vibration is generated in the response of the torque T of the induction motor to the change of the torque command value Tref. Except for this, T responds quickly to Tref. Thus, it can be seen that vector control is possible according to this embodiment. In addition, the transient vibration which generate | occur | produces above can be reduced by setting the control constant of the current controller 4 with the optimal value according to the constant of the induction motor used as a control object.

以上、本実施形態によれば、トルク電流を制御する1つの電流制御器と変調率
演算器だけで、低速域から電圧指令の大きさが直流電圧で定まるインバータの出
力可能な最大電圧を上回る(PWMパルスモードが1パルス領域)高速域に至る
まで連続的に制御構成を変えることなく、誘導電動機をベクトル制御可能となり、
特に電圧パルスが1パルスの高速域においてもトルク応答を早くすることができ
る。
また、図2で示されるように、変調率Vcには、直流電源電圧VFCの変動に
伴う補正が自動的に行われるので、直流電源電圧変動の影響を受けることなく指
令値通りのインバータの出力を制御できる。
さらに、上記実施形態では、電圧リミッタの制限値を電力変換器の出力可能な
最大電圧とした場合について述べたが、電圧リミッタの制限値は弱め界磁制御を
始めたい任意の電圧にセットしてもよく、その任意の点から弱め界磁制御が実行
される。したがって、このセット値を変更するだけで弱め界磁制御ができるので、
従来のような励磁電流指令Id*の弱め界磁パターンを特別に用意する必要が無く
なり、制御構成の簡単化が図れる。
As described above, according to the present embodiment, only one current controller that controls torque current and a modulation factor calculator exceed the maximum voltage that can be output from the inverter in which the magnitude of the voltage command is determined by the DC voltage from the low speed range ( It is possible to vector control the induction motor without changing the control configuration continuously until the PWM pulse mode reaches 1 pulse area).
In particular, the torque response can be accelerated even in a high-speed region where the voltage pulse is one pulse.
Further, as shown in FIG. 2, the modulation rate Vc is automatically corrected in accordance with the fluctuation of the DC power supply voltage VFC, so that the output of the inverter according to the command value is not affected by the fluctuation of the DC power supply voltage. Can be controlled.
Further, in the above-described embodiment, the case where the limit value of the voltage limiter is set to the maximum voltage that can be output from the power converter has been described. The field weakening control is executed from the arbitrary point. Therefore, the field weakening control can be performed simply by changing this set value.
There is no need to specially prepare a field weakening pattern of the excitation current command Id * as in the prior art, and the control configuration can be simplified.

なお、本実施形態では、電流制御器をトルク電流においてのみ設けたが、電圧
指令値が電源の直流電圧で決まる電力変換器の出力可能な最大電圧より小さい低
速域においては、励磁電流とトルク電流の両方に電流制御器を設けても構わない。
ただし、極座標演算器8の出力V0が出力可能最大電圧V0maxより大きく
なった場合には、励磁電流の電流制御器が動作しないように制御を切り替える必
要がある。なぜならこの場合には、図3からもわかるように、電流指令発生器3
の出力である励磁電流指令値Id*と座標変換器5の出力である励磁電流検出値I
dは一致するとは限らないので、Id*とIdの偏差に基づいて定常偏差を0にす
る積分要素を持った電流制御器を入れると、本実施形態の制御は成り立たなくな
るからである。
In this embodiment, the current controller is provided only for the torque current. However, in the low speed range where the voltage command value is smaller than the maximum voltage that can be output by the power converter determined by the DC voltage of the power source, the excitation current and the torque current Both may be provided with current controllers.
However, when the output V0 of the polar coordinate calculator 8 becomes larger than the maximum output possible voltage V0max, it is necessary to switch the control so that the current controller for the excitation current does not operate. In this case, as can be seen from FIG. 3, the current command generator 3
Excitation current command value Id * which is the output of the current and the excitation current detection value I which is the output of the coordinate converter 5
This is because d does not always match, and therefore, if a current controller having an integral element that makes the steady deviation zero based on the deviation between Id * and Id is inserted, the control of this embodiment does not hold.

本発明は、誘導電動機を低速域から電圧指令(変調率)の大きさが直流電圧で
定まるインバータの出力可能な最大電圧を上回る(PWMパルスモードが1パル
ス領域)高速域まで連続的に制御構成を切り替えることなく、良好なベクトル制
御を行うことができるので、トルク応答特性が要求される鉄道の電気車の制御へ
の利用はもちろんのこと、道路を走行する電気自動車への利用に適している。
The present invention continuously controls the induction motor from a low speed range to a high speed range where the magnitude of the voltage command (modulation factor) exceeds the maximum voltage that can be output by the inverter determined by the DC voltage (PWM pulse mode is 1 pulse range). This makes it possible to perform good vector control without switching the motor, so it is suitable for use in electric vehicles traveling on roads as well as in railway electric vehicles that require torque response characteristics. .

本発明の一実施形態を示す誘導電動機の制御装置のブロック図The block diagram of the control apparatus of the induction motor which shows one Embodiment of this invention 図1における変調率演算器の詳細構成図Detailed configuration diagram of the modulation factor calculator in FIG. 本発明の制御のシミュレーション例Simulation example of control of the present invention 本発明の制御のトルク応答シミュレーション例Example of torque response simulation of control of the present invention

符号の説明Explanation of symbols

1…パルス幅変調インバータ、2…誘導電動機、3…電流指令発生器、4…電流
制御器、5…座標変換器、6…電圧指令演算器、7…すべり角周波数演算器、8
…極座標変換器、9…PWM信号演算器、10…変調率演算器、11…直流電源、
13…フィルタコンデンサ、14…電圧検出器、15…電流検出器、16…速度
検出器、17…加算器、18…積分器、19…加算器

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Pulse width modulation inverter, 2 ... Induction motor, 3 ... Current command generator, 4 ... Current controller, 5 ... Coordinate converter, 6 ... Voltage command calculator, 7 ... Slip angular frequency calculator, 8
... Polar coordinate converter, 9 ... PWM signal calculator, 10 ... Modulation factor calculator, 11 ... DC power supply,
DESCRIPTION OF SYMBOLS 13 ... Filter capacitor, 14 ... Voltage detector, 15 ... Current detector, 16 ... Speed detector, 17 ... Adder, 18 ... Integrator, 19 ... Adder

Claims (1)

低速域では直流電圧を可変電圧可変周波数及び高速域では定電圧可変周波数
(1パルス)の交流に変換するインバータ、該インバータにより駆動される誘導
電動機の一次電流における励磁電流成分指令とトルク電流成分指令に基づき演算
された前記それぞれの成分に対応する電圧成分指令により求まる変調率(出力電
圧指令)により前記インバータの出力電圧を制御する制御装置を備えた誘導電動
機の制御装置において、
前記誘導電動機一次電流よりトルク電流成分と励磁電流成分を検出する手段と、
該検出したトルク電流成分値とその指令値との偏差を積分要素に入力したその出
力から前記トルク電流成分指令を補正する手段と、前記検出した励磁電流成分値
とその指令値との偏差を積分要素に入力したその出力から前記励磁電流成分指令
を補正する手段と、前記補正されたトルク電流成分指令と前記補正された励磁電
流成分指令との比から前記誘導電動機のすべり角周波数を演算し、それに基づい
て前記インバータの出力周波数を制御する手段と、前記可変電圧可変周波数の制
御から前記定電圧可変周波数の制御領域へ移行した後、前記変調率の大きさを所
定値以上又は任意の条件でリミットする手段と、前記インバータの出力周波数を
制御する手段により前記誘導電動機のすべり角周波数を演算するに当り、前記変
調率の大きさが前記所定値以上又は任意の条件でリミットされている期間、前記
励磁電流成分指令は、該電流成分のフィードバック制御の動作を停止し、予め定
められた所定値を保持し、前記すべり角周波数を前記補正されたトルク電流成分
指令のみで演算する手段を備えたことを特徴とする誘導電動機の制御装置。

Inverter for converting DC voltage into AC of variable voltage variable frequency and constant voltage variable frequency (1 pulse) in high speed range in low speed range, excitation current component command and torque current component command in primary current of induction motor driven by the inverter In the induction motor control device comprising a control device for controlling the output voltage of the inverter by a modulation factor (output voltage command) obtained by a voltage component command corresponding to each of the components calculated based on
Means for detecting a torque current component and an excitation current component from the induction motor primary current;
Means for correcting the torque current component command from the output obtained by inputting the deviation between the detected torque current component value and the command value to an integration element, and integrating the deviation between the detected excitation current component value and the command value A means for correcting the excitation current component command from its output input to the element, and calculating a slip angular frequency of the induction motor from a ratio of the corrected torque current component command and the corrected excitation current component command; Based on this, the means for controlling the output frequency of the inverter, and after shifting from the control of the variable voltage variable frequency to the control region of the constant voltage variable frequency, the magnitude of the modulation factor is greater than a predetermined value or under an arbitrary condition In calculating the slip angular frequency of the induction motor by means for limiting and means for controlling the output frequency of the inverter, the magnitude of the modulation factor is The excitation current component command stops the feedback control operation of the current component, holds a predetermined value in advance, and the slip angular frequency is corrected as long as the excitation current component command is longer than a fixed value or limited by an arbitrary condition. A control device for an induction motor comprising means for calculating only with a torque current component command.

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