JP4274646B2 - 永久磁石形同期電動機の制御装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石形同期電動機における高精度トルク制御に関するもので、特にそのために必要な前記電動機の電気的定数を自動的に計測、設定する技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
永久磁石形同期電動機の電気的定数である鉄損コンダクタンスを求める場合には、交流電流を永久磁石形同期電動機に流し、入力電流と入力電圧及び入力電力の各値を計測して求めるが、計測作業が煩雑になるため、永久磁石形同期電動機をトルク制御する際においても、積極的に前記鉄損コンダクタンスを考慮することはなかった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
永久磁石形同期電動機を高精度に制御するためには、前記電動機の正確な電気的定数の把握が不可欠であるが、それらの値を得るためには多大な作業と各種計測器等を必要とした。
本発明は上述した点に鑑みて創案されたもので、その目的とするところは、永久磁石形同期電動機の鉄損コンダクタンスを自動的に計測し、設定する機能を提供することで上記計測上の問題点を解決し、さらに電動機の鉄損コンダクタンスを制御に用いることで、永久磁石形同期電動機における高精度のトルク制御を可能にするものである。
【0004】
[課題を解決するための手段]上記問題点を解決するために、トルク指令入力を持つトルク制御手段出力と電流制御手段の第一出力である制御信号とを切り替えるスイッチと、このスイッチ出力を指令入力とし前記電動機に電力を供給する電力変換器を有し、前記電動機に印加される電圧・電流及び電力の各値を出力とする入力量計測手段を設け、前記電流制御手段の第二出力であるトリガ信号により前記入力量計測手段出力と設定記憶手段の第一出力である前記電動機の巻線抵抗とを鉄損コンダクタンス演算手段に入力し、この鉄損コンダクタンス演算手段出力を前記設定記憶手段入力し、前記入力量計測手段出力及び前記設定記憶手段の第一出力である前記電動機の巻線抵抗とを入力とする磁束演算手段を有し、この出力及び前記設定記憶手段の第二出力である前記電動機の鉄損コンダクタンスとを入力とする鉄損分トルク演算手段を有し、この出力とトルク指令を入力とした鉄損補正手段出力を前記トルク制御手段へ接続して構成する。
【0005】
【発明の実施の形態】
図1に本発明の実施例を示し、この図に基づいて説明する。
スイッチ5は、通常運転時には、電力変換器2への指令入力として、トルク制御手段3出力を選択し、永久磁石形同期電動機1の鉄損コンダクタンスg0を設定記憶手段8へ設定記憶させたい場合には、電力変換器2への指令入力として、電流制御手段4出力を選択する。
【0006】
電流制御手段4の第一出力は、所定の周波数frで大きさの異なる3相交流電流が流れる二つの信号を出力する。これら二つの信号により、前記電動機1は周波数frに相当する速度において、二つの異なる電流モードで運転する。この二つのモード時、電流制御手段4の第二出力は鉄損コンダクタンス演算手段7にそれぞれトリガ信号を出力し、入力量計測手段6出力の永久磁石形同期電動機1の入力電力P1、P2と入力電流I1、I2と入力電圧V1、V2とをそれぞれ鉄損コンダクタンス演算手段7に取り込む。
【0007】
鉄損コンダクタンス演算手段7は、前記入力電力P1、P2と入力電流I1、I2と入力電圧V1、V2と永久磁石形同期電動機1の巻線抵抗Rとを入力し、永久磁石形同期電動機1の鉄損コンダクタンスg0を演算出力する。設定記憶手段8は、鉄損コンダクタンスg0を入力して設定記憶し、巻線抵抗Rと鉄損コンダクタンスg0を出力する。
【0008】
磁束演算手段9は、入力電流iと入力電圧vと巻線抵抗Rとを入力して、永久磁石形同期電動機1の一次鎖交磁束ベクトルφを演算出力する。鉄損分トルク演算手段10は、磁束演算手段9出力である一次鎖交磁束ベクトルφの大きさの2乗値と設定記憶手段8出力である鉄損コンダクタンスg0との積に比例する量Tgを演算出力する。鉄損補正手段11は、トルク指令Tcと前記鉄損分トルク演算手段10出力Tgとを入力し、トルク指令TcにTgを加算して、新たなトルク指令Trを出力する。
【0009】
トルク制御手段3は、前記トルク指令Trを入力とし、永久磁石形同期電動機1の出力トルクがトルク指令Trに追従する信号を出力する。電力変換器2は、スイッチ5を介して前記トルク制御手段3出力を入力し、永久磁石形同期電動機1に電力を供給する。
【0010】
ここで、本発明によって、前述の問題点を解決できる根拠について説明する。まず第一に、鉄損コンダクタンスg0が測定可能となる根拠について説明する。異なる2つの大きさの3相交流電流を流したときの入力電力P1とP2の関係式は、次式で表される。
【0011】
【数1】
Figure 0004274646
【0012】
ここで、Pc1とPc2は銅損、Pm1とPm2は機械損、Pi1とPi2は鉄損である。
【0013】
銅損は、永久磁石形同期電動機1の巻線抵抗をRとすると、
【0014】
【数2】
Figure 0004274646
【0015】
で表される。また、機械損は永久磁石形同期電動機1の回転速度が同じであることから、
【0016】
【数3】
Figure 0004274646
の関係となる。
【0017】
鉄損は、永久磁石形同期電動機1の鉄損コンダクタンスg0を用いると、
【0018】
【数4】
Figure 0004274646
【0019】
で表される。よって、(1)式から(2)式を引いて、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)式を用いて鉄損コンダクタンスg0を求めると、
【0020】
【数5】
Figure 0004274646
となる。
【0021】
以上説明したように、永久磁石形同期電動機1に所定の周波数frで異なる2つの大きさの3相交流電流を流し、巻線抵抗Rと入力電力P1、P2と入力電流I1、I2と入力電圧V1、V2とから、鉄損コンダクタンスg0を演算することができる。
【0022】
第二に、前述の鉄損補正手段11出力である新たなトルク指令Trに基づいた、永久磁石形同期電動機1の出力トルク制御について説明する。
図2に永久磁石形同期電動機1の等価回路ブロックを示し、永久磁石形同期電動機の等価回路の一部12は、巻線抵抗Rと永久磁石形同期電動機1の各回転角周波数ωでの鉄損コンダクタンスg0′を除く前記永久磁石形同期電動機1の等価回路成分を表わす。
一般に、永久磁石形同期電動機1の出力トルクTは、次式で表される。
【0023】
【数6】
Figure 0004274646
【0024】
ここで、式中の、i1は永久磁石形同期電動機1の入力電流ベクトル、i0は鉄損コンダクタンスg0′に流れる電流ベクトル、i1′は入力電流ベクトルi1から鉄損コンダクタンスg0′に流れる電流ベクトルi0を減じた電流ベクトル、×はベクトル積をそれぞれ表わす。
(9)式より、電流ベクトルi1′を制御することにより永久磁石形同期電動機1のトルクを制御できることがわかる。
しかしながら、電流ベクトルi1を検出することはできるが、電流ベクトルi0とi1′は直接検出することができないため、このままではトルク指令Tc通りの出力トルクTが得られない。
【0025】
従って、(9)式中の最右辺第2項の鉄損コンダクタンスg0′分に相当するトルクを計算により求める。
簡単のため、永久磁石形同期電動機1の鉄損は回転周波数に比例すると仮定すれば、永久磁石形同期電動機1の各回転角周波数ωでの鉄損コンダクタンスg0′は、
【0026】
【数7】
Figure 0004274646
【0027】
と表せる。ここで、ωrは鉄損コンダクタンスg0を測定したときの回転角周波数であり、次式で表される。
【0028】
【数8】
Figure 0004274646
【0029】
よって、鉄損コンダクタンスg0′に流れる電流ベクトルi0は、
【0030】
【数9】
Figure 0004274646
【0031】
と表せる。一方、一次鎖交磁束ベクトルφは、
【0032】
【数10】
Figure 0004274646
【0033】
となる。ここで、v0は永久磁石形同期電動機1の入力電圧ベクトルv1から巻線抵抗Rの電圧降下分を除いた電圧ベクトルであり、定常状態では、一次鎖交磁束ベクトルφは(13)式より、次式となる。
【0034】
【数11】
Figure 0004274646
ここで、jは虚数単位である。
【0035】
(14)式から、電圧ベクトルv0を求めると、
【0036】
【数12】
Figure 0004274646
【0037】
となる。よって、(10)式と(12)式と(15)式とを(9)式に代入すると、
【0038】
【数13】
Figure 0004274646
【0039】
となり、(16)式最右辺第2項の鉄損コンダクタンスg0′分トルクの大きさは、永久磁石形同期電動機1の一次鎖交磁束の大きさ|φ|の2乗値と鉄損コンダクタンスg0の積に比例した値となることがわかる。
また、永久磁石形同期電動機1の出力トルクは電流ベクトルi1によって制御しているため、鉄損コンダクタンスg0′分のトルクをTgとしてトルク指令Tcに加えて補正し新たなトルク指令Trとすればよい。
【0040】
ここで、磁束演算手段9によって、永久磁石形同期電動機1の一次鎖交磁束ベクトルφが演算できる根拠について説明する。図2の永久磁石形同期電動機の等価回路から、(13)式の一次鎖交磁束ベクトルφは、
【0041】
【数14】
Figure 0004274646
【0042】
と表される。よって、入力電流iの電流ベクトルi1と入力電圧vの電圧ベクトルv1と巻線抵抗Rとから、一次鎖交磁束ベクトルφを演算することができる。
【0043】
以上説明したように、永久磁石形同期電動機1の一次鎖交磁束ベクトルの大きさ|φ|の2乗値と鉄損コンダクタンスg0との積に比例した量を、トルク指令Tcに加えた新たなトルク指令Trに基づいて永久磁石形同期電動機1の出力トルクTを制御することができる。
【0044】
【発明の効果】
本発明により、永久磁石形同期電動機を高精度な制御が可能となり、さらにそのために必要な永久磁石形同期電動機の電気的定数を高精度で自動設定できることから多大な作業や各種計測器等が不要となり大いに有用である。
なお、本願において、入力量計測手段として、理解を容易とするために、センサ等から直接計測されるよう記述したが、制御信号を加工して構成しても本願の主旨を損なわないことはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を表すブロック線図である。
【図2】永久磁石形同期電動機の等価回路である。
【符号の説明】
1 永久磁石形同期電動機
2 電力変換器
3 トルク制御手段
4 電流制御手段
5 スイッチ
6 入力量計測手段
鉄損コンダクタンス演算手段
8 設定記憶手段
9 磁束演算手段
10 鉄損分トルク演算手段
11 鉄損補正手段
12 永久磁石形同期電動機の等価回路の一部

Claims (2)

  1. 永久磁石形同期電動機の制御装置において、トルク指令入力を持つトルク制御手段出力と電流制御手段の第一出力である制御信号とを切り替えるスイッチと、このスイッチ出力を指令入力とし前記電動機に電力を供給する電力変換器を有し、前記電動機に印加される電圧・電流及び電力の各値を出力とする入力量計測手段を設け、前記電流制御手段の第二出力であるトリガ信号により前記入力量計測手段出力と設定記憶手段の第一出力である前記電動機の巻線抵抗とを鉄損コンダクタンス演算手段に入力し、この鉄損コンダクタンス演算手段出力を前記設定記憶手段入力として接続したことを特徴とする前記永久磁石形同期電動機の制御装置。
  2. 前記入力量計測手段出力及び前記設定記憶手段の第一出力である前記電動機の巻線抵抗とを入力とする磁束演算手段を有し、この出力及び前記設定記憶手段の第二出力である前記電動機の鉄損コンダクタンスとを入力とする鉄損分トルク演算手段を有し、この出力とトルク指令を入力とする鉄損補正手段出力を新たなトルク指令入力として、前記トルク制御手段へ接続したことを特徴とする請求項1記載の永久磁石形同期電動機の制御装置。
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