JP4154798B2

JP4154798B2 - 交流電動機の制御方法

Info

Publication number: JP4154798B2
Application number: JP11594399A
Authority: JP
Inventors: 慶次郎酒井; 謙一恩田; 浩之富田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-04-23
Filing date: 1999-04-23
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2019-04-23
Also published as: JP2000312497A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は交流電動機を可変速制御するインバータ装置を用いて電動機定数を自動測定するオートチューニング機能を含んだ交流電動機の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
誘導電動機を可変速制御する汎用インバータ等では、低速時の高始動トルクや速度変動率低減が要求されている。この要求に対応するため誘導電動機の励磁分電流を一定に制御し、トルク電流に比例した滑り周波数を与えて速度制御する速度センサを用いない速度センサレスベクトル制御や速度センサを用いたベクトル制御が普及している。このような制御において、電動機定数のインピーダンス電圧降下を補償する必要がある。そこで、インバータを用いて実際の１次抵抗や２次抵抗等電動機定数を測定するオートチューニング処理を行い、測定した値を基にベクトル制御を行っている。又、電動機定数のうち、１次抵抗と２次抵抗は電動機の温度により数十％は変化する。このため運転中常時、測定するのが望ましい。しかし、測定時間がかかることから従来は、例えば特開平5−297079 号記載のように起動前やモータ停止後測定している。又、１次抵抗と２次抵抗の測定方法として例えば特開平6−59000号と特開平6−98595号に記載されている。一般的にはインバータから直流電圧を与えてモータ捲き線に直流電流を流し、直流電圧と直流電流の比から１次抵抗ｒ１を測定している（直流励磁による測定）。又、２次抵抗ｒ２はインバータから単相交流電圧を与えてモータ捲き線に交流電流を流し、有効パワーと交流電流の値から１次＋２次の合成抵抗（ｒ１＋ｒ２）を測定する（単相交流励磁による測定）。次に、この値（ｒ１＋ｒ２）から直流励磁により測定したｒ１を減じてｒ２を求める。なお、これらの測定時間は数秒位かかるのが一般的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
速度センサレスや速度センサ付きのベクトル制御運転時において、起動時毎測定する場合、起動直前のモータ温度で測定するので正確なモータ定数を測定できる。このため負荷に対する速度変動が小さい等速度制御特性が良くなると言うメリットがある。しかし、起動指令後短時間で測定しないと加速が遅れるため問題となり用途が限定されると考えられる。一方、速度センサレスベクトル制御運転後オートチューニング処理を行う場合は、次に起動するまである程度時間的に余裕があるので色々な用途に適用できる。しかし、従来例はモータが停止後インバータ電圧を加えて電動機定数測定動作を開始している。汎用インバータの場合、一般的に速度指令が停止周波数に到達したらインバータのゲート電圧を遮断する。しかし負荷の慣性のため電動機はしばらく回転する。慣性モーメントが大きい場合は特に停止するまでに時間がかかる。また、速度センサが付いていない汎用インバータの場合、電動機が停止したかどうかの判断が非常に難しいと言う問題がある。
【０００４】
そこで、本発明の目的はベクトル制御に大きく影響する電動機の１次抵抗を汎用的に精度良く測定し、電動機温度が変化した場合でも精度良いベクトル制御特性が得られる交流電動機の制御方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための第１の手段として、交流電動機を減速停止する際、速度指令又はインバータ周波数が停止周波数付近に到達した時点から、インバータにより電動機捲き線に一定の直流電流が所望の時間流れるように電圧を加え、この直流励磁処理を行うことで電動機にブレーキトルクを発生させると共に、電動機に加える電圧と電動機に流れる電流の比から電動機の１次抵抗を測定するようにした。又、測定した電動機定数を基にベクトル制御を行うようにした。
【０００６】
第２の手段として電動機捲き線に一定の直流電流を流す直流励磁時間を、ベクトル制御運転前の電動機定数測定により、負荷の慣性モーメントＪや電動機の２次時定数Ｔ２を測定しておき、これらの値を基に直流励磁の時間を計算し、ＪやＴ２に応じて直流励磁の時間を可変するようにした。
【０００７】
第３の手段として電動機捲き線に一定の直流電流を流して、電動機定数を測定中にベクトル制御起動指令（正転又は逆転のスイッチオン操作）が入力された場合、電動機定数測定動作を中止し、ベクトル制御運転に切り替え加速することにした。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。図１において、交流電源１は整流回路２と平滑コンデンサ３を介して直流電源に変換される。また、通常のベクトル制御運転時はインバータ入力電圧Ｖｄｃをインバータ４によりＰＷＭ制御することで交流電圧を作り、これにより誘導電動機５は可変速制御される。また、１チップマイコンを用いた制御装置６のソフト構成として速度指令パターン発生及び起動，停止判断手段７と速度センサレスベクトル制御手段８とオートチューニング処理手段９から構成されている。速度指令パターン発生及び起，動停止判断手段７では、目標速度指令ｆｎと停止周波数指令（始動周波数相当）ｆｓと加減速レート設定値を基に速度指令ｆ１^*の加減速パターンを発生している。また、正転，逆転の起動指令や運転停止指令を基にベクトル制御やモータ定数を測定するオートチューニング運転の起動，停止指令を出力している。次に、速度センサレスベクトル制御手段８は速度指令ｆ１^*に従い加減速する。この場合、１次抵抗ｒ１など各種の電動機定数と電動機電流検出器１０の出力を基に速度制御を行う。また、速度センサレスベクトル制御手段８では誘導電動機５の誘起電圧が一定になるように１次側インピーダンスによる電圧降下を補償して電動機の１次電圧指令を出力する。更に、トルクに寄与する電流に比例した滑り周波数を与えて１次周波数を制御するもので１次電圧ベクトルの大きさと１次周波数指令に基づいてＰＷＭ信号（ゲート信号）を出力し、ゲート回路１１を介してインバータ４を制御している。これにより、速度指令ｆ１^*に実速度がほぼ追従して制御される。
【０００９】
次に、オートチューニング処理９では運転前に１回のみ測定する電動機定数測定処理と運転後の減速停止毎に測定する１次抵抗測定処理に分けられ、これらの処理はインバータ４を制御して誘導電動機５に直流電圧や単相交流電圧を与えて電流検出器１０の出力値ｉｕ，ｉｗなどから誘導電動機５の電機定数を求めている。
【００１０】
以下、本発明の主要部を図２から図５を用いて詳細に説明する。図２に運転前のオートチューニング処理のフローチャートを示す。まず、特開平6−98595号記載の単相交流励磁法により電動機の有効パワーと電動機電流の大きさから１次＋２次の合成抵抗（ｒ１＋ｒ２）を求める。次に、特許公報第2580101 号記載の直流励磁法を基本として１次抵抗ｒ１を求める。そこで、（ｒ１＋ｒ２）測定値からｒ１測定値を減じて２次抵抗ｒ２を求める。次に、特開平6−265607 号記載の方法により定常運転を行い、インバータ出力電圧と有効電流と無効電流からモータの自己インダクタンスＬ２を求める。次に、特開昭61−88780号記載の方法により加減速運転を行い、電動機＋負荷の慣性モーメントＪを測定する。
【００１１】
以上の測定動作が終了した後、直流励磁時間Ｔset を計算する。Ｔset は電動機２次時定数Ｔ２＝Ｌ２／ｒ２と慣性モーメントＪから決めている。図４の制御ブロック図で詳細は述べるが直流励磁の電流制御を開始してから電動機２次時定数Ｔ２の約４倍位は電動機に印加する電圧が定常状態にならないためＴ２による直流励磁時間ＴsetＡを数１で近似する。
【００１２】
【数１】
ＴsetＡ ≒４×Ｔ２
次に、停止周波数ｆｓにおける速度から電動機が停止時間するまでの推定時間Ｔstopを数２で近似する。
【００１３】
【数２】
Ｔstop≒Ｊ×(２π×ｆｓ／ｐｔ)／(Ｔｍ０／２）
ここで、Ｊは慣性モーメント、ｆｓは停止周波数、ｐｔは電動機の極対数、
Ｔｍ０は電動機の定格トルクである。（２π×ｆｓ／ｐｔ）は直流励磁開始時点の電動機の回転角速度となる。また、Ｔｍ０／２は、直流励磁開始時点のブレーキトルクをＴｍ０と考え、このブレーキトルクが速度の低下と共に減少し、電動機速度零において誘導電動機のすべり周波数が零になるのでブレーキトルクは零となる。そこで直流励磁電流をモータの定格電流相当流すことでＴｍ０は、モータの定格トルク相当と考えられる。また、Ｔｍ０から電動機が停止するまで、ほぼ直線的にブレーキトルクが減少すると考え、平均のブレーキトルクをＴｍ０／２とした。なお、直流励磁時のブレーキトルクは、電動機の定格すべり周波数、２次時定数Ｔ２、直流励磁電流などで変わるため数２で近似している。次に、
ＴsetＡとＴstopの大きい方を直流励磁時間Ｔset とし、上限，下限のリミッタを介して設定している。なお、上限リミッタはインバータを構成するパワー素子の熱的な過負荷耐量から決められ下限リミッタは約１秒としている。
【００１４】
次に、運転後の動作フローを図３に示す。ベクトル制御運転時に停止指令が入ると、速度指令ｆ１^*を徐々に下げ、停止周波数ｆｓに到達するとベクトル制御を終了し直流励磁を開始する。これにより電動機にブレーキをかけると共に１次抵抗ｒ１を測定し続ける。そこで直流励磁時間がＴset を越えたらｒ１測定値をメモリへ記憶しｒ１測定を終了する。
【００１５】
次に、直流励磁制御とｒ１測定の制御ブロック図を図４に示す。Ｕ相とＷ相の電動機電流検出値ｉｕ，ｉｗを直流励磁位相指令θｄを基に、数３によりｄｑ変換（固定座標の電流を回転座標の電流に変換）しＩｄ，Ｉｑを求めている。なお、直流励磁位相指令θｄはベクトル制御終了時点のベクトル制御における位相指令である。また、ｉｕ，ｉｗは直流電流となりＩｄも直流量となる。
【００１６】
【数３】
Ｉｄ＝ｉｕ・cosθｄ−((ｉｕ＋２ｉｗ)／√３)sinθｄ
Ｉｑ＝−ｉｕ・sinθｄ−((ｉｕ＋２ｉｗ)／√３)cosθｄ
次に、電流制御系はｄ軸電流制御手段１３とｑ軸電流制御手段１４から構成し、ｄ軸電流制御手段１３では直流励磁電流指令Ｉｄ^*にＩｄ検出値が一致するように(比例＋積分)補償し、ｄ軸電圧Ｖｄ^*を出力する。一方、ｑ軸電流制御手段１４ではＩｑ検出値が零になるように（比例＋積分）補償し、ｑ軸電圧Ｖｑ^*を出力する。ｄｑ／ｕｖｗ変換手段１５は回転座標の電圧を固定座標の電圧に変換するもので数４の演算を行い、三相の電圧指令Ｖｕ^*，Ｖｖ^*，Ｖｗ^*を出力し、ゲート信号発生手段１６を介してゲート信号を出力している。なお、θｄは一定のためインバータ周波数は零となり、Ｖｕ^*，Ｖｖ^*，Ｖｗ^*も直流の電圧指令となる。
【００１７】
【数４】
Ｖｕ^*＝Ｖｄ^*・cosθｄ−Ｖｑ^*・sinθｄ
Ｖｗ^*＝−Ｖｕ／２−√３（Ｖｄ^*・sinθｄ＋Ｖｑ^*・cosθｄ)／２
Ｖｖ^*＝−（Ｖｕ^*＋Ｖｗ^*）
このような構成においてＶｑ^*は、ほぼ零となりモータに与える直流電圧は定常時においてはＶｄ^*相当となる。しかし、Ｖｄ^*は指令値であり、これにはインバータを構成する正負アームのパワー素子が短絡しないように設けたデッドタイムやパワー素子のオン電圧降下による誤差電圧ΔＶｄを含むので（Ｖｄ^*−ΔＶｄ）がモータに加わる真の直流電圧となる。そこで１次抵抗演算手段１７により数５の演算を行い、１次抵抗ｒ１を測定している。なお、ΔＶｄは位相指令θｄにより多少変わるがデッドタイムやパワー素子のオン電圧降下を基に前もって設定している。
【００１８】
【数５】
ｒ１＝(Ｖｄ^*−ΔＶｄ)／Ｉｄ
次に、数５のＶｄ^*は直流励磁を開始した時点から電動機の２次時定数Ｔ２の１次遅れで減衰しＴ２の約４倍で定常値に近づく。これは最初は（ｒ１＋ｒ２）による電圧となり、定常状態においてはｒ１のみによる電圧となる。このため図２のＴsetＡを計算し、Ｔ２の約４倍以上の時間、直流励磁した後で測定する。これにより測定精度を向上させている。更に、電動機が回転している状態ではすべり周波数が生じているためＶｄ^*が定常状態にならない。このためｒ１の測定誤差が生じる。そこで、図２の電動機停止推定時間Ｔstopを計算し、Ｔstop以上の時間直流励磁をし、ブレーキをかけると共に電動機停止後、１次抵抗を測定することで測定精度を向上させている。
【００１９】
次に、本発明における制御動作のタイムチャートを図５に示す。起動スイッチオンにより速度指令ｆ１^*は始動周波数ｆｓから加速レートに従い目標速度ｆｎまで増加し、ｆ１^*に実速度が追従するように加速する。また、停止スイッチがオンするとｆ１^*が減少し、停止周波数ｆｓに到達したらゲート信号をオフすると共に図４に示す制御ブロックによりゲート信号を生かして直流励磁運転を行う。これによりブレーキが働き速度は低下する。なお速度が低下するレート（時間的な速度減少の割合）は慣性モーメントＪにより変わるが数２により停止時間Ｔstopを推定し、直流励磁時間Ｔset を決めている。この結果、モータが停止したと推測されるＴset 時間後ｒ１測定値を記憶しゲート信号をオフしている。これにより、ブレーキをかけて短時間で停止させると共に電圧指令Ｖｄ^*が一定の定常状態で測定するのでｒ１を精度良く測定できる。また、直流励磁時間も短くできる。
【００２０】
次に直流励磁中、起動指令が入った場合のタイムチャートを図６に示す。この場合は、起動を優先させるため直流励磁運転を中止し、前に測定したｒ１測定値を基にベクトル制御を行い加速させている。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、減速停止する毎に、負荷の慣性モーメントと電動機の２次時定数を考慮した時間，停止周波数付近から直流励磁処理を行う。これにより電動機を早めに停止させるのと併用して、電動機に加える電圧指令と電動機電流から１次抵抗ｒ１を精度良く測定できると言う効果がある。この結果、色々な慣性負荷をもつ用途に対応して最適な時間で測定できるため汎用性があると言う効果もある。また、この測定値を用いてベクトル制御するので精度良いベクトル制御が得られると言う効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す制御ブロック図。
【図２】本発明の運転前のオートチューニング処理を示すフローチャート図。
【図３】本発明の運転後の制御を示すフローチャート図。
【図４】直流励磁制御と１次抵抗測定の制御ブロック図。
【図５】本発明の運転動作を示すタイムチャート図。
【図６】本発明の直流励磁中、起動指令が入った場合のタイムチャート図。
【符号の説明】
１…交流電源、２…整流回路、３…平滑コンデンサ、４…インバータ、５…誘導電動機、６…制御装置、７…速度指令パターン発生及び起動，停止判断手段、８…速度センサレスベクトル制御手段、９…オートチューニング処理手段、１０…電流検出器、１１…ゲート回路、１２…ｄｑ変換手段、１３…ｄ軸電流制御手段、１４…ｑ軸電流制御手段、１５…ｄｑ／ｕｖｗ変換手段、１６…ゲート信号発生手段、１７…１次抵抗演算手段。

Claims

電圧形インバータにより直流電圧を交流又は直流に変換して交流電動機へ供給し、電動機電流検出値から前記交流電動機定数を測定するオートチューニング運転手段と、
この測定値を基に前記電圧形インバータを制御して、交流電動機をベクトル制御するベクトル制御運転手段から成る交流電動機の制御装置において、
交流電動機を減速停止する際、速度指令又はインバータ出力周波数が停止周波数付近に到達した時点からインバータにより電動機に一定の直流電流を流して１次抵抗を測定中、ベクトル制御起動指令（正転又は逆転のスイッチオン操作）が入力された場合、電動機定数測定動作を中止し、ベクトル制御運転に切り替え加速することを特徴とした交流電動機の制御装置。