JP4431232B2

JP4431232B2 - 非同期モータ用ベクトル制御型制御システム

Info

Publication number: JP4431232B2
Application number: JP33004399A
Authority: JP
Inventors: カルロス、カヌーダ、ド、ウイト; ホセ、ミグル、ラミレス; ディディエ、ジョルジュ
Original assignee: Schneider Electric Industries SAS
Current assignee: Schneider Electric Industries SAS
Priority date: 1999-11-19
Filing date: 1999-11-19
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2019-11-19
Also published as: JP2001157500A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は非同期モータ用の制御システム、特にベクトル制御型、いわゆるＦＯＣ (Field Oriented control) 制御型の制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１は非同期モータ１０用の従来のベクトル制御システムを概略的に示すものである。ベクトル制御装置１２は、パルス幅変調器１４を介してモータ１０を制御する。制御装置１２は、センサー１６により供給される電流Ｉとモータの回転速度ωを用いる。制御システム１２は二つの設定値、即ち要求トルクＴ及び要求磁束φを入力する。
定磁束式と呼ばれる単純な制御システムにおいては、磁束φは定格値にして、設定トルクＴを変えることにより、要求動作を得る。例えば、モータ１０の回転速度を設定速度に従わせるために、制御ループは設定トルクＴを、設定速度と実測された速度ωとの間の差異に従って決定する。
【０００３】
実際には、回転速度ωがモータの定格回転速度ω_ｎを上回る場合には、定格磁束と等しい設定磁束では不適当である。というのは、それによりパルス幅変調器１４の飽和が生じ、制御装置１２に対する非線形反応を引き起こすからである。
【０００４】
図２は、飽和現象を防ぐための、回転速度ωに応じた最大設定磁束の変化を任意のスケールにて示すものである。定格回転速度ω_ｎまでは設定磁束は定格磁束φ_ｎに等しい。定格回転速度ω_ｎ以降は、設定磁束はパルス幅変調器１４の飽和限界値に応じた減少カーブに従う。
【０００５】
古典的なベクトル制御方式の制御システムでは、制御装置１２の設定磁束入力に際しては、通常、センサー１６から供給される回転速度ωから図２のカーブを再現するような磁束減衰回路を用いる。
【０００６】
場合に応じて、図２に示す特性の磁束減衰回路を用いる図１の方式の定磁束制御システムは、通常の運転状態においてモータ１０が最適な出力を供給する。しかしながら、数多くの適用例（ポンプ、電気自動車等）において、モータはしばしば正常な状態からかけ離れた状態、特に定格を下回る条件で運転されることがある。この場合、モータの効率は極めて悪くなる。
【０００７】
図３は、例えば “Robust Torque Control Design for Induction Motors : the Minimal Energy Approach”（C. Canudas de Wit及びI. Seleme著、Automatica 第３３巻、第１号、第６３〜７９頁、１９９７年に掲載）と題された記事に載っているような、任意の負荷で、モータの最大効率を得られる解決法を示すものである。この解決法は図１のベクトル制御方式の制御システムに基づいたものである。制御装置１２は、定磁束設定値を受け取る代わりに、設定トルクＴの関数である設定磁束φを受け取る。より詳しくは、φ_ｎが定格磁束でＴ_ｎがモータの定格トルクであるとすると、β＝φ_ｎ／√Ｔ_ｎである時、設定磁束φはβ√Ｔに等しい。もちろん、場合によっては設定磁束φに図２の特性の減衰関数を適用することもあり得る。また、ここでは、ベクトル制御装置１２は設定磁束φの時間に関する導関数φ’を受け取る。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このような非常に単純なシステムは、モータ１０の負荷に関わらず、それがほぼ一定である限り、優れた結果をもたらす。ただし、設定トルクＴの変化が早すぎる場合は、システムの性能は低下し、定磁束システムより悪くなることもあり得る。
【０００９】
デジタル計算又は発見的教授法によって、常に最適制御変数を決定する方法を説明する文献がある。リアルタイムで行わねばならない計算の複雑さを考慮して、これらの解法は実際に適用するには、コストが掛かりすぎる。
【００１０】
本発明の目的は、モータの負荷及び設定の変動速度に関わりなく、非同期モータが常に最適条件下で運転できるような、極めて単純な制御システムを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明は設定トルクと設定磁束に反応する非同期モータのベクトル制御使用の制御システムを提供するものである。設定磁束は、設定トルクを１次低域フィルターに通し、そのフィルター結果の平方根を算出する演算子によって得られる。
【００１２】
本発明の一つの実施形態によれば、演算子はまた、フィルター前に、最小値と最大値の間に設定トルクの偏差を制限する。
【００１３】
本発明の他の実施形態によれば、演算子はまた、モータ回転速度の定格値までは一定であり、その定格値以上は、回転速度に応じて減少する平方根の演算結果を最大値に制限し、次に２回目の１次低域フィルターを行う。
【００１４】
本発明のさらに他の実施形態によれば、低域フィルターの伝達関数は以下の式：
ｂ／（ａ＋ｓ）
ただし、ａ＝２Ｒ _ｒＴ _ｎ／（ｎφ _ｎ ^２）
ｂ＝２Ｒ_ｒ／ｎ
で表される。ただし、ｓはラプラス演算子、Ｒ_ｒはモータ回転子の抵抗、Ｔ_ｎはモータの定格トルク、ｎはモータの極数、φ_ｎはモータの定格磁束である。
【００１５】
本発明の或る実施形態によれば、システムはまた設定磁束値の時間に関する導関数に反応する。
【００１６】
本発明の或る実施形態によれば、当該最大限界値はモータの定格トルクであり、当該最小限界値は定格トルクの４％程度である。
【００１７】
これらや他の目的や、特徴、利点は、下記の実施形態ならびに図面を参照して詳述するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００１８】
【発明の実施の形態】
この処理手順の基本的な機能は、設定トルクＴに対して１次低域フィルターを通し、そのフィルター結果の平方根を設定磁束として採用することである。この操作は図４に示す１次低域フィルター４０の後に、平方根計算回路４２により具体化されている。まだここに記述されていない処理手順の他の構成要素は、システムの運転条件によっては省略しても良い。
フィルター４０の伝達関数はｂ／（ａ＋ｓ）で表されるが、ここでａとｂは定数で、ｓはラプラス演算子である。このフィルターの最適定数は次の式で示される。
【００１９】
ｂ／（ａ＋ｓ）
ここで、ａ＝２Ｒ _ｎＴ _ｎ／（ｎφ _ｎ ^２）
ｂ＝２Ｒ_ｒ／ｎ
ただし、Ｒ_ｒはモータ回転子の抵抗、Ｔ_ｎはモータの定格トルク、ｎはモータの極数、φ_ｎはモータの定格磁束である。
【００２０】
図５は、本発明によるシステムで得られる性能向上を示すものである。設定トルクＴの変動速度に応じたエネルギー消費カーブを示す。試験は、モータの定格トルクの−１００％から＋１０％まで変化させ、周波数ω_Ｔは、秒当たりのラジアンで表した設定トルクの正弦値で行われた。なお、試験に用いたモータは、０．２２ｋｇｍ^２の慣性負荷を駆動する７．５ｋＷモータである。エネルギー消費Ｅはジュール／４ｓで示す。
【００２１】
破線カーブは図１の従来型の定磁束システムを用いた場合の消費エネルギーを示す。破線カーブは図３の最適化された従来型システムを用いた場合の消費エネルギーを示す。実線カーブのグループは本発明による制御システムを用いた場合の消費エネルギーを示す。
【００２２】
定磁束システムでは、実質的に一定し、比較的高めのエネルギー消費（破線）となることが分かる。図３の最適化された従来型システムでは、定常負荷（ω_Ｔ＝０）でのエネルギー消費（破線）は最適であるが、設定トルク周波数に従って規則的に増大し、定磁束システムのエネルギー消費をすぐに上回る。
【００２３】
本発明による制御システムを用いた場合の消費エネルギーカーブ（実線）は、定常負荷（ω_Ｔ＝０）における最適値からゆっくりと増大し、高い設定トルク周波数で平坦化して、二つの従来型制御システムのエネルギー消費を明らかに下回るようになる。
【００２４】
上記定数ａ及びｂの最適値はモータ回転子の抵抗Ｒ_ｒに依存する。ここに、この抵抗値は、モータ温度によって大幅に変動する。定格値の±５０％辺りを上下することが頻繁に見られる。図５の実線グループは、モータ回転子の抵抗の変化に伴う消費エネルギー変動幅を示す。
【００２５】
モータ回転子の抵抗が定格値より大きければ速度が高い時に、モータ回転子の抵抗が定格値より小ければ速度が低い時に制御システムの性能は劣化することが分かる。しかし、全体としての性能は明らかに従来型システムに勝る。
【００２６】
この曲線グループは、また、実質的にシステム性能に影響を与えることなく比較的広い範囲から定数ａ及びｂを選択できることを示す。
【００２７】
本発明の制御システムをあらゆる使用に適用したい場合は、好ましくは図４のシステムが下記の要素をさらに含む。
【００２８】
図２を参照して説明した従来の磁束減衰回路４４は平方根演算回路４２の出力側に設けられる。この磁束減衰回路４４は、図１の従来型制御システムのセンサー１６から供給される回転速度ω情報を必要とする。
【００２９】
前にも述べたように、磁束減衰回路４４は、パルス幅変調器の飽和限界以上の速度では、平方根演算回路４２の出力信号を速度に従って低減させる。
【００３０】
ベクトル制御方式の制御装置１２に供給される磁束設定値φは、磁束減衰回路４４の出力を受け取る１次低域フィルター回路４６から来る。ベクトル制御方式の制御装置１２は、図３に示すごとく、磁束設定値φの導関数φ’を利用するように設置することができる。この導関数は、磁束減衰回路４４の出力を同じように受け取るフィルター４８から供給される。ｃは定数であり、ｓはラプラス演算子であるとした時、フィルター４６の伝達関数がｃ／（ｃ＋ｓ）で示されるなら、フィルター４８の伝達関数はｃｓ／（ｃ＋ｓ）で示される。
【００３１】
ベクトル制御方式の制御装置１２は、磁束設定値φ及びφ’は少なくとも一度計算されたものであることを必要とするので、フィルター４６及び４８を使用する。フィルター４６及び４８の通過帯域はフィルター４０の通過帯域よりも高い位置に選択され、この選択により制御装置の特徴は影響されることはない。
【００３２】
なお、設定トルクが最大値と最小値の間で変化する場合は、フィルター４０の前に、設定トルクＴの絶対値を供給する偏差制限回路５０を設ける。設定トルクの絶対値が最小値より小さい場合、偏差制限回路５０は、この最小値を供給し、設定トルクの絶対値が最大値より大きい場合、偏差制限回路５０は、この最大値を供給する。具体的には、最大値は定格トルクで、最小値は定格トルクの４％程度である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の非同期モータ用ベクトル制御方式の制御システムを示すブロック図。
【図２】常に線形の運転を得るために設定磁束に対して適用する従来の磁束減衰関数を示す線図。
【図３】任意のモータの定常負荷時に最効率を得るために、図１のシステムを用いた従来の解決法を示すブロック図。
【図４】設定トルクから特定の設定磁束を決定するための、本発明による処理システムを示すブロック図。
【図５】設定値の変動速度に伴う、図１、３、及び４のシステムの性能を比較表示する線図。
【符号の説明】
１０非同期モータ
１２ベクトル制御装置
１４パルス幅変調器
１６センサー
４０１次低域フィルター
４２平方根計算回路
４４磁束減衰回路
４６１次低域フィルター
４８フィルター
５０偏差制限回路
Ｔ設定トルク
φ 設定磁束

Claims

設定トルク（Ｔ）及び設定磁束（φ）に反応する非同期モータ用ベクトル制御型制御システムにおいて、
前記設定磁束が、前記設定トルクに基づいて、第１の１次低域フィルター（４０）を通したフィルター結果の平方根（４２）を算出する演算子により供給され、
前記平方根（４２）の演算結果を、モータ回転速度の定格値（ω_ｎ）までは一定とし、その定格値以上では回転速度に応じて減少させる、減衰回路（４４）を通し、次に第２の１次低域フィルター（４６）を通し、
前記第２の１次低域フィルター（４６）の通過帯域が、前記第１の１次低域フィルター（４０）の通過帯域よりも高い位置に選択されることを特徴とする非同期モータ用ベクトル制御型制御システム。
前記設定磁束は、前記第１の１次低域フィルター（４０）を通す前に、更に最小値と最大値の間に偏差制限を行う偏差制限回路（５０）を通されることを特徴とする請求項１に記載の制御システム。
前記第１の１次低域フィルター（４０）の伝達関数は、ｓをラプラス演算子、Ｒ_ｒをモータ回転子の抵抗、Ｔ_ｎをモータの定格トルク、ｎをモータの極数、φ_ｎをモータの定格磁束として、
ｂ／（ａ＋ｓ）
ただし、ａ＝２Ｒ_ｒＴ_ｎ／（ｎφ_ｎ ^２）
ｂ＝２Ｒ_ｒ／ｎ
で表されることを特徴とする請求項１に記載の制御システム。
前記制御システムは、設定磁束値の時間に対する導関数に反応することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の制御システム。
前記偏差制限回路（５０）における前記最大値はモータの定格トルクであり、前記最小値は定格トルクの４％程度であることを特徴とする請求項２に記載の制御システム。