JP4386911B2 - 同期機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電圧指令が出力可能な最大電圧を超えた場合でも安定したトルク制御を行うことが可能となる同期機の制御装置に関するものである。

図３に、一例として従来の技術による永久磁石型同期電動機の制御装置のブロック図を示し、以下にこの図に基づいて従来の技術を説明する。
電力変換器３は、静止座標系での電圧指令va*とvb*とを入力し、電圧指令va*とvb*とを成分とする電圧指令ベクトルの大きさが出力可能な最大電圧Vcを超えていなければ電圧指令通りの電圧を永久磁石型同期電動機1に印加し、電圧指令ベクトルの大きさが出力可能な最大値Vcを超えていれば電圧指令ベクトルと同じ位相で出力可能な最大電圧Vcの大きさの電圧を永久磁石型同期電動機1に印加し、電圧ベクトルの大きさが所定値Vxを超えているとき信号Sが1となり超えていないとき信号Sが0となる信号Sと、出力可能な最大電圧Vcを出力する。ここでVc>Vxとする。

電流検出器２は、永久磁石型同期電動機1の一次電流を検出する。dq軸電流成分変換器４は、電流検出器２の出力をd軸電流idとq軸電流iqに変換する。ここで、d軸は永久磁石型同期電動機の界磁極方向の軸であり、q軸はd軸に直行する軸である。一次磁束角演算５は、d軸電流idとq軸電流iqから次式により一次鎖交磁束角θφ１を出力する。

ここで、L_dは永久磁石型同期電動機のd軸インダクタンス、L_qは永久磁石型同期電動機のq軸インダクタンス、φ２は永久磁石型同期電動機の二次磁束の大きさである

MT軸電流成分変換器６はd軸電流idとq軸電流iqを一次鎖交磁束角θφ１に基づきM軸電流iMとT軸電流iTに変換する。ここで、M軸電流は永久磁石型同期電動機１の一次鎖交磁束の方向と一致する軸であり、T軸はM軸と直交する軸である。MT軸電流指令生成器７は、永久磁石型同期電動機1のM軸電流指令iM*とT軸電流指令iT*とを出力する。M軸電流誤差演算器８は、M軸電流指令iM*からM軸電流iMを減じたM軸電流誤差diMを出力する。T軸電流誤差演算器９は、T軸電流指令iT*からT軸電流iTを減じたT軸電流誤差diTを出力する。

MM軸乗算器１０は、M軸電流誤差diMにゲインCMMを乗じた値を出力する。MT軸乗算器１１は、T軸電流誤差diTにゲインCMTを乗じた値を出力する。スイッチ１２は、電力変換器３の出力である信号Sが１なら0を出力し、信号Sが0ならMM軸乗算１０の出力を出力する。M軸加算器１３は、MT軸乗算器１１の出力とスイッチ１２の出力の和を出力する。M軸積分器３５は、M軸加算器１３の出力を時間積分し、M軸積分器出力viMを出力する。

TM軸乗算器１４は、M軸電流誤差diMにゲインCMTを乗じた値を出力する。TT軸乗算器１５は、T軸電流誤差diTにゲインCTTを乗じた値を出力する。T軸加算器１６は、TM軸乗算器１４の出力とTT軸乗算器１５の出力との和を出力する。T軸積分器３６は、T軸加算器１６の出力を時間積分しT軸積分器出力viTを出力する。リミッタ２１は、T軸積分器出力viTが電力変換器３の出力可能な最大電圧Vcを下回る場合はT軸積分器出力viTを出力し、T軸積分器出力viTが電力変換器３の出力可能な最大電圧Vcを超過した際は電力変換器３の出力可能な最大電圧Vcを出力する。

MM軸比例器２２は、M軸電流誤差diMにゲインPMMを乗じた値を出力する。MT軸比例器２３は、T軸電流誤差diTにゲインPMTを乗じた値を出力する。M軸比例成分加算器２４は、MM軸比例器２２の出力とMT軸比例器２３の出力の和を出力する。TM軸比例器２５は、M軸電流誤差diMにゲインPTMを乗じた値を出力する。TT軸比例器２６は、T軸電流誤差diTにゲインPTTを乗じた値を出力する。T軸比例成分加算器は、TM軸比例器２５の出力とTT軸比例器２６の出力の和を出力する。

M軸電圧指令生成器２８は、M軸積分器出力viMとM軸比例成分加算器２４の出力の和をM軸電圧指令vM*として出力する。T軸電圧指令生成器２９は、リミッタ２１の出力と、T軸比例成分加算器２７の出力の和をT軸電圧指令vT*として出力する。MT軸電圧指令成分変換器３０は、M軸電圧指令vM*とT軸電圧指令vT*とを一次鎖交磁束角θφ１に基づきd軸電圧指令vd*とq軸電圧指令vq*に変換する。dq軸電圧指令成分変換器３１は、d軸電圧指令vd*とq軸電圧指令vq*とを静止座標系の電圧指令であるva*とvb*とに変換する。（特許文献１参照）

電圧指令ベクトルの大きさが電力変換器３の出力可能な最大電圧Vcを超えると、iM及びiTを独立に制御することは不可能となる。電圧指令ベクトルの大きさが出力可能な最大電圧Vcを超えた場合は、既にスイッチSは1となっているのでM軸積分器３５はT軸電流iTのみを制御することとなる。一方T軸積分器３６の出力は、リミッタ２１により最大電圧Vcで制限されていることから、最大電圧出力状態においては、T軸電流iT及びM軸電流iMともに制御されない。その結果、電圧指令ベクトルの大きさが出力可能な最大電圧Vcを超えた場合は、T軸電流優先制御となり、iT、iM共に制御不能となる不安定状態を回避することができる。

同期電動機の制御装置で一般的に用いられている、d軸及びq軸での電流制御では、電圧指令ベクトルが、d軸またはq軸のどちらか一方の近辺にいつも存在するとは限らないので、出力電圧指令ベクトルの大きさが出力可能な最大電圧を超えた際どちらの軸の電流制御を優先すれば良いかを決めるのは非常に困難であり望ましくない。一方M軸及びT軸での電流制御では、電圧ベクトルがT軸の近辺に存在していることから、上述のようにT軸電流を優先とした制御により出力電圧指令ベクトルの大きさが出力可能な最大電圧を超えた際の制御が実現できる。（特許文献１参照）
特開２００３―２０９９９７公報

M軸積分器３５及びT軸積分器３６は運転開始後の各軸誤差成分を積分し出力する。しかし、永久磁石型同期電動機１の回転子から見た一次鎖交磁束角θφ１は、式(1)より電流の瞬時値により変化する。すなわち、指令の変動や外乱等により一次鎖交磁束角θφ１が変動し、M軸及びT軸がd軸及びq軸から見て変化する。M軸及びT軸がd軸及びq軸から見て変化すると、永久磁石型同期電動機１の回転子に対して、M軸積分器３５及びT軸積分器３６の出力成分が、運転開始後から積分した誤差成分に対して一次鎖交磁束角θφ１の変動分だけ位相がずれた出力となり、不適切な制御成分が発生する。この不適切な制御成分により、制御応答性が悪化するのみでなく、最悪の場合不適切な制御成分によって生じる電流の変化と一次鎖交磁束角度θφ１との変化の間で不安定系を構成し制御不能状態に陥る。

本発明の請求項１によれば、同期電動機の界磁極の方向をd軸とし、それと直交する方向をq軸とし、該同期電動機の一次鎖交磁束の方向をM軸とし、それと直交する方向をT軸とし、前記同期電動機の静止座標系での電圧指令を入力し、該電圧指令が出力可能な最大電圧よりも小さければ前記電圧指令通りの電圧を前記同期電動機に印加し、前記電圧指令が該出力可能な最大電圧よりも大きければ前記電圧指令と同じ位相で前記出力可能な最大電圧の大きさの電圧を前記同期電動機に印加する電力変換器と、前記同期電動機の一次電流を検出する電流検出器と、該電流検出器の出力をd軸電流とq軸電流とに変換するdq軸電流成分変換器と、該d軸電流と該q軸電流から一次鎖交磁束角を算出する一次磁束角演算器と、前記d軸電流と前記q軸電流を該一次鎖交磁束角に基づきM軸電流とT軸電流とに変換するMT軸電流成分変換器と、前記同期電動機の該一次電流のM軸電流指令とT軸電流指令を生成するMT軸電流指令生成器と、該M軸電流指令から該M軸電流を減じたM軸電流誤差を出力するM軸電流誤差演算器と、該T軸電流指令から前記T軸電流を減じたT軸電流誤差を出力するT軸電流誤差演算器と、該M軸電流誤差にゲインCMMを乗じて出力するMM軸乗算器と、該T軸電流誤差にゲインCMTを乗じて出力するMT軸乗算器と、前記電圧指令の大きさが所定値を超えていなければ該MM軸乗算器の出力を出力し、前記電圧指令の大きさが前記所定値以上であれば前記MM軸乗算器の出力を出力しないスイッチと、該スイッチの出力と前記MT軸乗算器の出力の和を出力するM軸加算器と、前記M軸電流誤差にゲインCTMを乗じて出力するTM軸乗算器と、前記T軸電流誤差にゲインCTTを乗じて出力するTT軸乗算器と、該TM軸乗算器出力と該TT軸乗算器の出力の和を出力するT軸加算器と、該M軸加算器の出力と該T軸加算器の出力からM軸積分器出力とT軸積分器出力を生成する積分器と、該T軸積分器出力を該電力変換器の出力可能な範囲内で制限するリミッタと、前記M軸電流誤差にゲインPMMを乗じて出力するMM軸比例器と、前記T軸電流誤差にゲインPMTを乗じて出力するMT軸比例器と、該MM軸比例器の出力と該MT軸比例器の出力の和を出力するM軸比例成分加算器と、前記M軸電流誤差にゲインPTMを乗じて出力するTM軸比例器と、前記T軸電流誤差にゲインPTTを乗じて出力するTT軸比例器と、該TM軸比例器の出力と該TT軸比例器の出力の和を出力するT軸比例成分加算器と、該M軸積分器出力とM軸比例成分加算器の出力との和をM軸電圧指令として出力するM軸電圧指令生成器と、該リミッタの出力と該T軸比例成分加算器の出力との和をT軸電圧指令として出力するT軸電圧指令生成器と、該M軸電圧指令と該T軸電圧指令をd軸電圧指令とq軸電圧指令とに変換するMT軸電圧指令成分変換器と、該d軸電圧指令と該q軸電圧指令とを該静止座標系での電圧指令に変換して前記電力変換器に出力する該dq軸電圧指令成分変換器を具備する同期機の制御装置において、該前記積分器は前記M軸加算器出力と前記T軸加算器出力を前記一次鎖交磁束角に基づきd軸誤差成分とq軸誤差成分に変換する誤差成分変換器と、該d軸誤差成分を積分するd軸積分器と、該q軸誤差成分を積分するq軸積分器と、該d軸積分器の出力と該q軸積分器出力を前記一次鎖交磁束角に基づき前記M軸積分器出力と前記T軸積分器出力に座標変換する積分成分変換器から構成されることを特徴とする。
そして、M軸及びT軸上での積分制御をd軸及びq軸上の積分制御に変更すること特徴とする。

本発明の請求項２によれば、前記記載の請求項1の発明において、MT軸電流指令生成器について、T軸電流指令はトルク指令を一次鎖交磁束の大きさで除算することにより生成されることを特徴とする。

本発明の請求項３によれば、前記記載の請求項1の発明において、同期電動機の代わりに同期発電機を適用することを特徴とする。

本発明によれば、一次鎖交磁束角θφ１が変動した場合も不適切な制御指令が発生しないため、制御応答性の悪化や制御不安定が生じず、出力可能な最大電圧を超えた場合でも安定な制御が可能となる。またトルク制御が可能となるため、実用上極めて有用性の高いものである。

M軸加算器１３及びT軸加算器１６の出力をd軸、q軸に変換し、d軸及びq軸上の積分器にて積分制御を行った後、M軸及びT軸に変換しT軸上でリミッタを作用させる。

図１は、請求項１を表す本発明の一実施例を示すブロック図であり、この図に基づいて説明するが、従来の技術と同一部分は説明を省略する。

誤差成分変換器１７は、M軸加算器１３の出力とT軸加算器１６の出力を一次鎖交磁束角θφ１に基づきd軸誤差成分didとq軸誤差成分diqに変換する。d軸積分器１８は、d軸誤差成分didを時間積分する。q軸積分器１９は、q軸誤差成分diqを時間積分する。積分成分変換器２０は、d軸積分器１８の出力とq軸積分器１９の出力を、一次鎖交磁束角θφ１に基づきM軸積分器出力viMとT軸積分器出力viTに変換する。

積分制御をd軸及びq軸における積分制御とすることにより、M軸及びT軸が変動しても不適切な電圧成分が生じず、制御性能悪化や制御不安定が生じない。一方、電流誤差入力時のスイッチ１２はM軸誤差を入力しないように作用し、また積分器出力に対するリミッタ２１はT軸に対して作用することから、積分制御がd軸及びq軸であっても従来技術同様に電圧指令ベクトルの大きさが出力可能な最大電圧Vcを超えた場合、T軸電流優先制御が可能となりiMとiTが共に制御不能となる不安定状態を回避することが可能となる。

図２は、請求項２を表す本発明の一実施例を示すブロック図であり、この図に基づいて説明するが、実施例１と同一部分は説明を省略する。

一次磁束値演算器３２は、d軸電流idとq軸電流iqより一次鎖交磁束角θφ１を式(1) 、一次鎖交磁束の大きさ|φ１|を下式により演算する。

M軸電流指令生成器３３はM軸電流iM*を生成する。T軸電流指令演算器３４は、トルク指令T*を一次鎖交磁束の大きさ|φ１|で除算した値を、T軸電流指令iT*として出力する。

T軸電流iTと一次鎖交磁束の大きさ|φ１|とトルクT*の間には以下の関係が成立する。

上式より、一次鎖交磁束の大きさ|φ１|が得られれば、T軸電流iTの制御のみでトルク制御が可能であることを意味する。実施例１より、電圧指令ベクトルの大きさが出力可能な最大電圧を超えた場合でもT軸電流iTの制御が可能であることから、M軸電流の状態に関わらず如何なる状態であってもトルク制御が実現可能である。

本発明の一例として永久磁石型同期電動機について説明したが、この制御装置は永久磁石のないシンクロナスリラクタンスモータ等の同期電動機にも有効に適用できることは明らかである。

同期電動機を同期発電機としても同様である。

電力変換器３にPWMインバータを用いた場合、本発明により電圧が矩形波となる１パルス運転での安定した制御が実現可能となる。1パルス運転を用いることにより、PWMインバータの損失を大幅に低減可能であり、熱負担の低減、消費電力低減となることから、車両用、産業用に幅広く利用が可能である。

請求項１の一実施例を表したブロック図である。 請求項２の一実施例を表したブロック図である。 従来の技術による永久磁石型同期電動機の制御装置のブロック図である。

符号の説明

1 永久磁石型同期電動機
2 電流検出器
3 電力変換器
4 dq軸電流成分変換器
5 一次磁束角演算器
6 MT軸電流成分変換器
7 MT軸電流指令生成器
8 M軸電流誤差演算器
9 T軸電流誤差演算器
10 MM軸乗算器
11 MT軸乗算器
12 スイッチ
13 M軸加算器
14 TM軸乗算器
15 TT軸乗算器
16 T加算器
17 誤差成分変換器
18 d軸積分器
19 q軸積分器
20 積分成分変換器
21 リミッタ
22 MM軸比例器
23 MT軸比例器
24 M軸比例成分加算器
25 TM軸比例器
26 TT軸比例器
27 T軸比例成分加算器
28 M軸電圧指令生成器
29 T軸電圧指令生成器
30 MT軸電圧指令成分変換器
31 dq軸電圧指令成分変換器
32 一次磁束演算器
33 M軸電流指令生成器
34 T軸電流指令演算器
35 M軸積分器
36 T軸積分器

Claims (3)

1. 同期電動機の界磁極の方向をd軸とし、それと直交する方向をq軸とし、該同期電動機の一次鎖交磁束の方向をM軸とし、それと直交する方向をT軸とし、前記同期電動機の静止座標系での電圧指令を入力し、該電圧指令が出力可能な最大電圧よりも小さければ前記電圧指令通りの電圧を前記同期電動機に印加し、前記電圧指令が該出力可能な最大電圧よりも大きければ前記電圧指令と同じ位相で前記出力可能な最大電圧の大きさの電圧を前記同期電動機に印加する電力変換器と、前記同期電動機の一次電流を検出する電流検出器と、該電流検出器の出力をd軸電流とq軸電流とに変換するdq軸電流成分変換器と、該d軸電流と該q軸電流から一次鎖交磁束角を算出する一次磁束角演算器と、前記d軸電流と前記q軸電流を該一次鎖交磁束角に基づきM軸電流とT軸電流とに変換するMT軸電流成分変換器と、前記同期電動機の該一次電流のM軸電流指令とT軸電流指令を生成するMT軸電流指令生成器と、該M軸電流指令から該M軸電流を減じたM軸電流誤差を出力するM軸電流誤差演算器と、該T軸電流指令から前記T軸電流を減じたT軸電流誤差を出力するT軸電流誤差演算器と、該M軸電流誤差にゲインCMMを乗じて出力するMM軸乗算器と、該T軸電流誤差にゲインCMTを乗じて出力するMT軸乗算器と、前記電圧指令の大きさが所定値を超えていなければ該MM軸乗算器の出力を出力し、前記電圧指令の大きさが前記所定値以上であれば前記MM軸乗算器の出力を出力しないスイッチと、該スイッチの出力と前記MT軸乗算器の出力の和を出力するM軸加算器と、前記M軸電流誤差にゲインCTMを乗じて出力するTM軸乗算器と、前記T軸電流誤差にゲインCTTを乗じて出力するTT軸乗算器と、該TM軸乗算器出力と該TT軸乗算器の出力の和を出力するT軸加算器と、該M軸加算器の出力と該T軸加算器の出力からM軸積分器出力とT軸積分器出力を生成する積分器と、該T軸積分器出力を該電力変換器の出力可能な範囲内で制限するリミッタと、前記M軸電流誤差にゲインPMMを乗じて出力するMM軸比例器と、前記T軸電流誤差にゲインPMTを乗じて出力するMT軸比例器と、該MM軸比例器の出力と該MT軸比例器の出力の和を出力するM軸比例成分加算器と、前記M軸電流誤差にゲインPTMを乗じて出力するTM軸比例器と、前記T軸電流誤差にゲインPTTを乗じて出力するTT軸比例器と、該TM軸比例器の出力と該TT軸比例器の出力の和を出力するT軸比例成分加算器と、該M軸積分器出力とM軸比例成分加算器の出力との和をM軸電圧指令として出力するM軸電圧指令生成器と、該リミッタの出力と該T軸比例成分加算器の出力との和をT軸電圧指令として出力するT軸電圧指令生成器と、該M軸電圧指令と該T軸電圧指令をd軸電圧指令とq軸電圧指令とに変換するMT軸電圧指令成分変換器と、該d軸電圧指令と該q軸電圧指令とを該静止座標系での電圧指令に変換して前記電力変換器に出力する該dq軸電圧指令成分変換器を具備する同期機の制御装置において、該前記積分器は前記M軸加算器出力と前記T軸加算器出力を前記一次鎖交磁束角に基づきd軸誤差成分とq軸誤差成分に変換する誤差成分変換器と、該d軸誤差成分を積分するd軸積分器と、該q軸誤差成分を積分するq軸積分器と、該d軸積分器の出力と該q軸積分器出力を前記一次鎖交磁束角に基づき前記M軸積分器出力と前記T軸積分器出力に座標変換する積分成分変換器から構成されることを特徴とする同期機の制御装置。
2. 請求項1記載の前記MT軸電流指令生成器において、T軸電流指令はトルク指令を一次鎖交磁束の大きさで除算することにより生成されることを特徴とする同期器の制御装置。
3. 請求項1記載の同期機の制御装置において、同期電動機の代わりに同期発電機を適用することを特徴とする同期機の制御装置。
   

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