JP4404193B2

JP4404193B2 - 同期電動機の制御装置

Info

Publication number: JP4404193B2
Application number: JP2003380976A
Authority: JP
Inventors: 政樹中井; 祐敦稲積
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2003-11-11
Filing date: 2003-11-11
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2023-11-11
Also published as: JP2005151610A

Description

本発明は、インバータ回路を用いて永久磁石形同期電動機を安定して速度制御するためのＶ／Ｆ一定方式による制御装置に関する。

従来、永久磁石形同期電動機に印加する電圧と周波数の比を一定に保って制御するＶ／Ｆ制御方式による駆動方法があるが、永久磁石同期電動機は誘導電動機と違って回転子に制動巻線を持たず、ダンピングファクターが０であるため、永久磁石形同期電動機のＶ／Ｆ御方式での駆動はトルクリップルや脱調を起こしやすい。そのため、特許文献１に開示の「永久磁石形同期電動機の制御装置」には、Ｖ／Ｆ制御方式での駆動において、電圧ベクトル方向の電流成分を印加電圧の周波数指令に帰還させることによりトルクリップル等の乱調を防止する手段が提案されている。
図３は特許文献１の永久磁石形同期電動機の制御装置のブロック図である。図３に示す制御装置においては、３相／２相変換手段１０８により検出電流ｉｕ、ｉｗが２相電流ｉα、ｉβに変換され、座標変換手段１０９において電流ｉｄ、ｉｑに変換される。電圧ベクトルｖ^*に平行な成分の電流ｉｑはハイパスフィルタ１１０により直流分が除去され、比例増幅器１１１により比例ゲインを乗じて周波数補正量Δｆ^*が求められる。この補正量Δｆ^*は加算手段１１２によって元の周波数指令ｆ^*から減算されて、新たな周波数指令ｆ１^*を生成してＰＷＭ制御が行われる。このように、点線ブロックで示した安定化制御手段１２１は電流フィードバックを構成して、電圧ベクトルｖ^*に平行な電流成分ｉｑの振動分だけ周波数指令ｆ^*に負帰還させるものである。更に、同期電動機の出力限界を超える重負荷が掛かったり、負荷が大きく急変するような場合には周波数に回転速度が追従しなくなり脱調する恐れがあるので、特許文献２に開示の「永久磁石形同期電動機の制御装置」では、低速運転時や重負荷時に、新たに設けられた磁極位置検出センサーの検出値を用いて電流軸の角度を補正制御するように、制御の切換えを行って脱調防止が図られている。
また、特許文献３に開示の「永久磁石型同期電動機のセンサレス速度制御方法及びその脱調検出方法」には、γ−δ軸電流・誘起電圧推定器を備えたセンサーレス制御方式において、式（１）
｜εγｅｓｔ（Ｋ＋１）｜＞Ｋθ｜εδｅｓｔ（Ｋ＋１）｜・・・（１）
を満たした時を脱調状態と判断する制御方法が示されている。

特開２０００−２３６６９４号公報（第３〜５頁、図１）特開２０００−３２４８８１号公報（第３〜５頁）特開平１１−１８４９９号公報（第３〜５頁）

しかしながら、特許文献１及び２に記載の同期電動機は印加電圧の周波数指令と同期して駆動するため、周波数指令を調整して乱調を防止する手段では速度指令と実速度がずれ、目的の速度に収束できないという問題がある。
また、特許文献３に記載の同期電動機は、センサレスベクトル制御のγ−δ軸座標系における状態方程式を離散系に展開して行われるオブザーバーによる複雑な推定演算が必要であるという問題がある。

そこで、本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、永久磁石形同期電動機のＶ／Ｆ制御において速度精度を悪化させることなく、安定した運転を可能にする同期電動機の制御装置を提供することを目的としている。

上記問題を解決するため、本発明は、インバータ回路からの交流電力により永久磁石形同期電動機を可変速制御する制御装置において、速度指令の周波数に比例した電圧指令を出力するＦＶ変換器と、前記速度指令を積分し位置指令を生成する積分器と、前記積分器から出力された位置指令値より、同期電動機に供給される少なくとも２相分のステータ電流を位置指令値より９０度進んだ電流成分に座標変換する電流座標変換器と、前記電流座標変換器から出力された電流を通過させるローパスフィルタと、前記ローパスフィルタから出力された電流に比例した電圧補正量を生成する第１の電圧補正器と、前記電流座標変換器から出力された電流を通過させるハイパスフィルタと、前記ハイパスフィルタから出力された電流に比例した電圧補正量を生成する第２の電圧補正器と、前記２つの電圧補正器から出力された電圧補正量を前記ＦＶ変換器によって変換された電圧に加える手段を備えたものである。

この同期電動機の制御装置によれば、図１のベクトル図を参照しながら本発明の原理について説明すると、永久磁石形同期電動機における回転子の磁極方向をｄ軸とし、更にｄ軸から９０度進んだ軸をｑ軸とした直交座標をｄ−ｑ軸とする。また、本発明方式では位置検出器といった磁極位置を測定する手段を要しておらず、回転子の磁極位置、つまりｄ−ｑ軸の検出は不可能なので、位相指令θ#ｒｅｆ上の軸をγ軸とし、更にγ軸から９０度進んだ軸をδ軸とした直交座標系γ-δ軸を設定し、制御はγ-δ軸上で行なう。
Ｖ／Ｆ制御で駆動を開始すると、インバータ回路から電圧が供給され、永久磁石形同期電動機の固定子に電機子電流Ｉが発生する。その時の磁束の大きさをΦとし、電機子電流の大きさをＩとし、γ-δ軸上の電流ベクトル位相をθｉとし、制御軸γ軸と磁極位置ｄ軸との位相差をθｅとすると、同期電動機にはΦ＊I＊sin（θe+θi）のトルクが発生し、同期電動機は回転する。ここで位相差θｅが微小であると仮定すると
Φ＊I＊sin（θe+θi）＝Φ＊Iδ
となり、磁束の大きさΦは同期電動機によって一定であるため、同期電動機のトルクはδ軸電流に比例している。つまり、トルクリップルやトルク変動はδ軸電流により判別が可能である。本発明は上記の事を利用し、Ｖ／Ｆ制御駆動において、δ軸電流に応じて同期電動機に印加する電圧を調整することにより、電動機の動作を安定させることができる。

本発明によれば、制御軸のδ軸成分の電流によって同期電動機の印加電圧を補正することにより、Ｖ／Ｆ制御時において速度精度を悪化させることなく、安定した運転ができる同期電動機の制御装置を提供することを目的とする。

以下、本発明の具体的実施例を図に基づいて説明する。
図１は本発明の同期電動機の制御装置のブロック線図である。
図１において、速度指令ω＿ｒｅｆがＦＶ変換器１に入力され、ＦＶ変換器１は電圧指令Ｅ＿ｒｅｆを出力する。また、速度指令ω＿ｒｅｆは積分器４に入力され、位置指令θ＿ｒｅｆを出力する。
一方、同期電動機の電機子電流Ｉｕ、Ｉｗは電流座標変換器５に入力され位置指令θ＿ｒｅｆから９０度進んだ軸に座標変換して得られるδ軸電流Iδを出力する。
そこでδ軸電流Iδをローパスフィルタ８に通すことにより、ＬＰＦ＿ｏｕｔが出力される。ＬＰＦ＿ｏｕｔを入力として、電圧補正器６は比例制御を行い、電圧補正量ΔＶ１を出力する。また、Iδをハイパスフィルタ９に通すことにより、ＨＰＦ＿ｏｕｔが出力される。
ＨＰＦ＿ｏｕｔを入力として、電圧補正器７は比例制御を行い、電圧補正量ΔＶ１を出力する。
この電圧補正量ΔＶ１とΔＶ２とを前記電圧指令Ε＿ｒｅｆに加え補正後の電圧指令Ｖ＿ｒｅｆと位置指令θ＿ｒｅｆをインバータ回路２に入力し、点弧が実施される。

このように、ＬＰＦ８によってδ軸電流Ｉδの定常状態時を示す直流分がフィードバックされ、ＨＰＦ９によってはδ軸電流Ｉδの直流分を除去して不安定状態時の振動分をフィードバックして電圧補正を行っているので、低速度時から高速時まで幅広い速度範囲で、安定で脱調を防止できる制御が可能になる。

本発明に係る同期電動機の制御装置の構成図である。図１に示す制御装置の制御軸の説明図である。従来の永久磁石形同期電動機の制御装置のブロック図である。

符号の説明

１ＦＶ変換器
２インバータ回路
３同期電動機
４積分器
５電流座標変換器
６電圧補正器
７電圧補正器
８ローパスフィルタ
９ハイパスフィルタ

Claims

インバータ回路からの交流電力により永久磁石形同期電動機を可変速制御する制御装置において、速度指令の周波数に比例した電圧指令を出力するＦＶ変換器と、前記速度指令を積分し位置指令を生成する積分器と、前記積分器から出力された位置指令値より、同期電動機に供給される少なくとも２相分のステータ電流を位置指令値より９０度進んだ電流成分に座標変換する電流座標変換器と、前記電流座標変換器から出力された電流を通過させるローパスフィルタと、前記ローパスフィルタから出力された電流に比例した電圧補正量を生成する第１の電圧補正器と、前記電流座標変換器から出力された電流を通過させるハイパスフィルタと、前記ハイパスフィルタから出力された電流に比例した電圧補正量を生成する第２の電圧補正器と、前記２つの電圧補正器から出力された電圧補正量を前記ＦＶ変換器によって変換された電圧に加える手段を備えたことを特徴とする同期電動機の制御装置。