JP4425818B2 - 誘導電動機の駆動制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、誘導電動機の駆動制御装置に係り、特に、電動機取り付けの速度セ
ンサが不要な速度センサレスベクトル制御による駆動制御に関する。
従来、電力変換器(インバータ)を用いて誘導電動機を駆動し、この誘導電動
機の速度を速度センサを用いずに推定する方法として、例えば、特許文献1に記
載されているように、誘導電動機の出力電圧および出力電流から電動機電流のq
軸電流成分(トルク電流成分)を検出し、この検出値と指令値との偏差に応じて
電動機の回転速度を推定する方式が知られている。
速度センサを用いずに誘導電動機の回転速度を推定する原理は、以下に説明す
る理論に基づいている。すなわち、速度推定値の偏差はすべり周波数の偏差とな
り、q軸電流の指令値と検出値との偏差となって現れる。つまりq軸電流の指令
値と検出値の偏差は、速度推定値と真の速度の偏差に比例する。したがって、q
軸電流の指令値と検出値の偏差に応じて速度推定値を増減するように制御すれば、
q軸電流の検出値を指令値に一致させることができると同時に、速度推定値を真
の速度に一致させることができる。このように、q軸電流制御によって速度推定
値を生成することにより、速度センサを不要としている。
特開昭62−23390号公報
このような速度センサレスベクトル制御においては、誘導電動機の速度が極低
速域の場合、出力電圧値は非常に小さな値となる。一方、ベクトル制御で使用す
る電動機定数の設定誤差ならびに電力変換器を構成する半導体素子の上下アーム
の短絡防止期間による出力電圧誤差が生じる。したがって、出力電圧の小さくな
る極低速域においては、この出力電圧誤差の影響が非常に大きくなる。
一方、上述の速度センサレスベクトル制御方式においては、出力電圧が指令値
に一致するものと仮定して速度推定を行っており、このように電圧誤差が大きく
なると、推定速度の誤差も増大し、制御不安定の原因となる。このため、速度セ
ンサレスベクトル制御方式では、ごく低速域まで安定した速度推定を行い、確実
に減速することが課題であった。
本発明の課題は、誘導電動機の速度センサレスベクトル制御方式において、ご
く低速域まで安定した速度推定を行い、確実に減速することにある。
上記課題を解決するために、d軸電流指令値とq軸電流指令値とから速度推定
値を生成する第2の速度推定手段を設け、減速動作中に速度推定値が所定値以下
になると、第2の速度推定手段に切り替えて誘導電動機の制御を行う。
本発明によれば、所定値以下の速度域では電流指令値より推定速度を求め、低
速域で精度の不確かな電流検出値を使用しないため、極低速域でも安定した推定
速度を求めることができ、この結果、出力周波数(インバータ周波数)が安定し、
安定したトルクを発生することが可能となり、安定してごく低速域まで減速する
ことが可能となる。
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。
図1は、本発明の速度センサレスベクトル制御方式による誘導電動機の駆動制
御装置の第1の実施形態を示す。
電圧ベクトル演算器1は、d軸電流指令値Id*とq軸電流指令値Iq*とイン
バータ周波数Finvと電動機定数よりd軸電圧指令Vd*とq軸電圧指令Vq*
を生成する。位相演算器2は、インバータ周波数Finvを積分して位相θを求
める。座標変換器3は、d軸電圧指令Vd*とq軸電圧指令Vq*を位相θにより
座標変換して三相交流電圧指令V1を生成する。電力変換器4は、三相交流電圧
指令V1より誘導電動機5を駆動する交流電圧を生成する。電流検出器6は、電
動機電流を検出し、三相交流電流Iu、Iv、Iwを出力する。座標変換器7は、
三相交流電流Iu、Iv、Iwを位相θにより座標変換してd軸電流とq軸電流
Iqを生成する。すべり周波数演算部8は、d軸電流指令値Id*とq軸電流指
令値Iq*と電動機定数よりすべり周波数指令Fsを求める。インバータ周波数
Finvは、推定速度Frにすべり周波数指令Fsを加算して求める。因みに、
推定速度Frを推定速度ではなく、誘導電動機5に取り付けられた速度センサの
検出値を用いてインバータを制御すれば、速度センサありのベクトル制御として
動作する。
加速度推定部9は、大きく分けてd軸電流指令値Id*とq軸電流指令値Iq*
よりフィードフォワード的に推定加速度を求める基準加速器10と、q軸電流指
令値Iq*とq軸電流検出値Iqの偏差よりq軸電流制御を行うq軸電流制御器
11からなる。基準加速器10は、d軸電流指令値Id*とq軸電流指令値Iq*
の積より電動機トルクを求め、加速度α1を生成する。q軸電流制御器11は、
q軸電流指令値Iq*とq軸電流検出値Iqの偏差に応じた加速度α2を出力す
る。
比較演算器13は、推定速度Frを常時監視し、推定速度Frが速度下限値F
rminより大きい場合には“真”と判断し、推定速度Frが速度下限値Frm
in以下の場合には“偽”と判断する。電流制御器11の切替信号は、比較演算
器13の出力と力行/回生切替信号P/Bの論理和で生成され、力行動作中(加
速中)もしくは推定速度Frが速度下限値Frminよりも大きい場合には、切
替信号は“真”となり、スイッチ14は推定加速度αとして電流制御器11の出
力α2を選択する。回生動作中(減速中)かつ推定速度Frが速度下限値Frm
in以下になると切替信号は“偽”となり、スイッチ14は推定加速度αとして
基準加速器10の出力α1を選択する。
推定速度Frは、推定加速度αを速度推定部12により積分して得る。ここで、
スイッチ14が推定加速度αとして基準加速器10の出力α1を選択するとき、
速度推定部12は、切り替える直前の速度推定値を初期値として加速度α1を積
分することにより、推定速度Frを求める。
本実施形態において、回生動作中(減速中)の極低速域では基準加速器10の
出力する推定加速度α1に基づいて速度推定値Frを求める。次第に低速となる
につれて出力電圧の誤差が増大するが、極低速域においてはd軸電流指令値Id
*とq軸電流指令値Iq*を用いて推定速度Frを演算し、精度の不確かなq軸電
流検出値Iqを使用しないため、推定速度Frおよびインバータ周波数Finv
を安定化することができる。この結果、安定したモータトルクを発生することが
でき、誘導電動機の速度を安定して減速することが可能になる。
また、本実施形態においては、電流指令値および電流検出値より推定加速度α
1、α2を求め、これらを積分して推定速度Frを演算するという構成になって
いるため、2つの推定加速度α1、α2の切り替え時に誤差が生じていても、推
定速度Frは連続した値を取ることができる。
図2は、本発明の第2の実施形態であり、加速度推定部9において、基準加速
器10を常時動作させるようにしたものである。力行動作中(加速中)もしくは
推定速度Frが速度下限値Frminよりも大きい場合には、切替信号は“真”
となり、スイッチ14は電流制御器11の出力を接続し、基準加速器10の出力
α1と電流制御器11の出力α2の加算結果が推定加速度αとなる。回生動作中
(減速中)かつ推定速度Frが速度下限値Frmin以下になると、切替信号は
“偽”となり、スイッチ14は電流制御器11の出力を切り離し、基準加速器1
0の出力α1がそのまま推定加速度αとなる。
本実施形態において、力行動作中(加速中)もしくは推定速度Frが速度下限
値Frminよりも大きい場合は、基準加速器10が主体的に動作し、基準加速
器10の出力である推定加速度α1を積分して得られる推定速度Frと真の速度
の偏差によって生じるq軸電流検出値Iqとq軸電流指令値Iq*の偏差に基づ
いて電流制御器11は動作する。このため、電流制御器11の動作は図1の構成
よりも小さくなり、低速域でのq軸電流検出値Iqの誤差の影響を少なくするこ
とができる。このため、推定速度の下限値Frminを図1の構成よりも下げる
ことができる。
図3は、本発明の第3の実施形態であり、力行動作中(加速中)もしくは推定
速度Frが速度下限値Frminよりも大きい場合には、切替信号は“真”とな
り、スイッチ14は電流制御器11の出力を速度演算器12の方へ接続し、基準
加速器10の出力α1と電流制御器11の出力α2の加算結果が推定加速度αと
なる。回生動作中(減速中)かつ推定速度Frが速度下限値Frmin以下にな
ると、切替信号は“偽”となり、スイッチ14は電流制御器11の出力α2を電
圧ベクトル演算器1に接続し、q軸電流指令値Iq*とq軸電流検出値Iqの偏
差に基づいてd軸とq軸の電圧ベクトル指令値Vd*、Vq*を補正する。
本実施形態において、回生動作中(減速中)の極低速域では基準加速器10の
出力する推定加速度α1に基づいて速度推定値Frを求めるため、推定速度Fr
およびインバータ周波数Finvを安定化することができる。
また、図2の構成と比較して、電流制御器11の出力α2を用いて電圧ベクト
ル指令値Vd*、Vq*の補正を行うことにより、発生するトルクの精度を高める
ことができる。これにより、誘導電動機の速度を安定して減速することが可能に
なる。
本発明は、所定値以下の速度域では電流指令値より推定速度を求め、低速域で
精度の不確かな電流検出値を使用しないため、極低速域でも安定した推定速度を
求めることができ、この結果、出力周波数(インバータ周波数)が安定し、安定
したトルクを発生することが可能となり、安定してごく低速域まで減速すること
が可能となることから、誘導電動機の駆動制御に有用である。
本発明の第1の実施形態による誘導電動機の駆動制御装置 本発明の第2の実施形態 本発明の第3の実施形態
符号の説明
1…電圧ベクトル演算器、2…位相演算器、3…座標変換器(二相→三相変換)、
4…電力変換器、5…誘導電動機、6…交流電流検出器、7…座標変換器(三相
→二相変換)、8…すべり周波数演算器、9…加速度推定部、10…基準加速器、
11…電流制御器、12…速度推定部、13…比較器、14…切替スイッチ

Claims (5)

  1. 誘導電動機に交流電力を供給し、該誘導電動機を駆動する電力変換器と、
    前記電力変換器から前記誘導電動機へ供給される交流電流を検出する電流検出手段と、
    前記電流検出手段で検出された交流電流を回転磁界座標系の磁束軸(d軸)成分の電流(以下、d軸電流)とd軸と直行する成分(以下、q軸電流)に変換する変換手段と、
    前記q軸電流およびq軸電流指令値から第1の加速度演算値を生成する第1の加速度演算値生成手段と、
    d軸電流指令値およびq軸電流指令値から第2の加速度演算値を生成する第2の加速度演算値生成手段と、
    前記第1の加速度演算値生成手段の出力に設けた切替スイッチと
    前記第2の加速度演算値または前記第1の加速度演算値および前記第2の加速度演算値から速度推定値を生成する速度推定と、
    前記速度推定値が所定値以下の場合に切替信号を出力する比較手段とを備え、
    前記速度推定は、前記第2の加速度演算値生成手段から第の速度推定手段を、前記第1の加速度演算値生成手段および前記第2の加速度演算値生成手段とから第の速度推定手段を構成し、
    前記速度推定値が所定値以下の場合に、前記誘導電動機の制御に用いる速度推定値を前記第1の速度推定手段の推定値から前記第2の速度推定手段の推定値へ切り替える
    ことを特徴とする誘導電動機の駆動制御装置。
  2. 請求項1に記載の誘導電動機の駆動制御装置において、
    前記切替スイッチは、前記第1の速度推定手段の速度推定値生成に用いられる前記第1の加速度演算値を速度推定値の演算から切り離すことで、前記第1の速度推定手段の推定値と第2の速度推定手段の推定値を切り替える
    ことを特徴とする誘導電動機の駆動制御装置。
  3. 請求項1に記載の誘導電動機の駆動制御装置において、
    前記d軸電流指令値および前記q軸電流指令値から電圧ベクトル指令値を生成する電圧ベクトル演算手段と、前記d軸電流指令値と軸電流指令値とからすべり周波数を演算するすべり周波数演算手段を備え、
    前記電圧ベクトル演算手段は、減速動作中であって前記速度推定値が所定値以下の場合に、前記第2の速度推定手段からの速度推定値と前記すべり周波数演算手段からのすべり周波数の和からなるインバータ周波数を用いて前記電圧ベクトル指令値を補正する
    ことを特徴とする誘導電動機の駆動制御装置。
  4. 請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の誘導電動機の駆動制御装置において、
    前記第1の加速度演算値は、前記q軸電流とq軸電流指令値との偏差から生成される加速度推定値であり、
    前記第2の加速度演算値は、前記d軸電流指令値とq軸電流指令値の積から生成される加速度推定値である
    ことを特徴とする誘導電動機の駆動制御装置。
  5. 請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の誘導電動機の駆動制御装置において、
    前記第1の速度推定手段は、前記第1の加速度演算値と前記第2の加速度演算値の加算値を積分して速度推定値を生成する手段であり、
    前記第2の速度推定手段は、前記第2の加速度演算値を積分して速度推定値を生成する手段である
    ことを特徴とする誘導電動機の駆動制御手段。
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