JP4437483B2

JP4437483B2 - 同期機の制御装置

Info

Publication number: JP4437483B2
Application number: JP2006240895A
Authority: JP
Inventors: 信吾牧島
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2006-09-06
Filing date: 2006-09-06
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2026-09-06
Also published as: JP2008067453A

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2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。
電力変換装置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。電流成分変換器30は、永久磁石型同期電動機1の一次電流を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。dq軸電流指令生成器5は、永久磁石型同期電動機1のd軸電流指令id*とq軸電流指令iq*とを出力する。MT軸電流指令成分演算器6は、d軸電流指令id*とq軸電流指令iq*をM軸電流指令iM*とT軸電流指令iT*に変換する。M軸電流誤差演算器9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10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軸比例器31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32は、T軸電流誤差diTにゲインPMTを乗じた値を出力する。MM軸乗算器13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14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17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軸乗算器13の出力を出力する。M軸加算器18は、MT軸乗算器14の出力とスイッチ17の出力との和を出力する。M軸積分器20は、M軸加算器18の出力を時間積分する。M軸電圧指令生成器35は、MM軸比例器31の出力とMT軸比例器32の出力とM軸積分器20の出力との和をM軸電圧指令vM*として出力する。

TM軸比例器33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34は、T軸電流誤差diTにゲインPTTを乗じた値を出力する。TM軸乗算器15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16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19は、TM軸乗算器15の出力とTT軸乗算器16の出力との和を出力する。T軸積分器21は、電力変換器3の出力可能な最大電圧Vcの範囲内でT軸加算器19の出力を時間積分する。T軸電圧指令生成器36は、TM軸比例器33の出力とTT軸比例器34の出力とT軸積分器21の出力との和をT軸電圧指令vT*として出力する。

電圧指令成分変換器29は、M軸電圧指令vM*とT軸電圧指令vT*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）
特開２００３―２０９９９７公報

永久磁石同期電動機の回転子に対する一次鎖交磁束は一次電流の瞬時値により変化する。一次電流の変化により一次鎖交磁束の方向が変化した結果、M軸及びT軸の電流成分も変化する。一次電流の変化と一次鎖交磁束の変化とで構成される系が不安定系となる条件があり、一次鎖交磁束が振動し的確な電流制御が不可能となる場合がある。また、一次鎖交磁束の振動の振幅が増大すると脱調状態に陥る。一旦脱調状態に陥ると、一次鎖交磁束が不明確となり、M軸及びT軸が定まらないことから制御不能となり脱調状態からの回復が不可能となる。

この現象は、一次電流の瞬時値により変化するM軸及びT軸で電流制御を行うことに起因する。d軸及びq軸は、同期電動機の回転子運動によってのみ定まることから、d軸及びq軸での電流制御ではこのような問題は生じない。

しかし、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、出力電圧指令が出力可能な最大電圧を超えた際どちらかの軸の電流制御を優先すればい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、T軸電流を優先とした制御により出力電圧指令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）

請求項１における本発明は、同期電動機の界磁極の方向をd軸とし、該d軸と直交する方向を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、該M軸と直交する方向をT軸とする制御装置において、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dq電流成分変換器出力を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、前記同期電動機の一次電流のd軸電流指令とq軸電流指令を生成するdq軸電流指令生成器と、該dq軸電流指令生成器の出力をM軸電流指令とT軸電流指令に変換するMT軸電流指令成分演算器と、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軸電流指令から該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d軸電流指令から該d軸電流を減じたd軸電流誤差を出力するd軸電流誤差演算器と、前記q軸電流指令から前記q軸電流を減じたq軸電流誤差を出力するq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、前記スイッチの出力と該MT軸乗算器の出力の和を出力するM軸加算器と、該M軸加算器の出力を時間積分するM軸積分器と、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軸乗算器の出力と該TT軸乗算器の出力の和を出力するT軸加算器と、該T軸加算器の出力を該電力変換器の出力可能な最大電圧の範囲内で時間積分するT軸積分器と、前記M軸積分器の出力と前記T軸積分器の出力をd軸積分器電圧指令とq軸積分器電圧指令とに変換するMT軸電圧指令成分変換器と、該d軸電流誤差にゲインPddを乗じて出力するdd軸比例器と、前記q軸電流誤差にゲインPdqを乗じて出力するdq軸比例器と、前記d軸電流誤差にゲインPqdを乗じて出力するqd軸比例器と、前記q軸電流誤差にゲインPqqを乗じて出力するqq軸比例器と、該d軸積分器電圧指令とdd軸比例器出力とdq軸比例器出力の和をd軸電圧指令として出力するd軸電圧指令生成器と、該q軸積分器電圧指令とqd軸比例器出力とqq軸比例器出力の和をq軸電圧指令として出力するq軸電圧指令生成器と、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dq軸電圧指令成分変換器を具備することを特徴とし、比例制御をM軸電流及びT軸電流の制御からd軸電流及びq軸電流の制御に変更する。

請求項２における本発明は、請求項1記載において、前記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、出力可能な最大電圧を超えた場合の制御不安定を抑制することが出来、実用上極めて有用性の高いものである。

指令追従のための積分制御をM軸電流およびT軸電流で行い、安定化のための比例制御をd軸電流及びq軸電流で行う。

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。

dq軸電流成分変換器7は、永久磁石型同期電動機1の一次電流をd軸電流idとq軸電流iqに変換する。ここで、d軸電流は永久磁石型同期電動機の界磁極方向と一致する軸であり、q軸はd軸と直交する軸である。MT軸電流成分変換器8はd軸電流idとq軸電流iqをM軸電流iMとT軸電流iTに変換する。

d軸電流誤差演算器11は、d軸電流指令id*からd軸電流idを減じたd軸電流誤差didを出力する。q軸電流誤差演算器12は、q軸電流指令iq*からq軸電流iqを減じたq軸電流誤差diqを出力する。

MT軸電圧指令成分変換器22は、M軸積分器20の出力とT軸積分器21の出力を入力とし、d軸積分器電圧指令vdi*とq軸積分器電圧指令vqi*に変換する。

dd軸比例器23は、d軸電流誤差didにゲインPddを乗じた値を出力する。dq軸比例器24は、q軸電流誤差diqにゲインPdqを乗じた値を出力する。qd軸比例器25は、d軸電流誤差didにゲインPqdを乗じた値を出力する。qq軸比例器26は、q軸電流誤差diqにゲインPqqを乗じた値を出力する。

d軸電圧指令生成器27は、d軸積分器電圧指令vdi*とdd軸比例器23の出力と、dq軸比例器24の出力の和をd軸電圧指令vd*として出力する。q軸電圧指令生成器28は、q軸積分器電圧指令vqi*とqd軸比例器25の出力と、qq軸比例器26の出力の和をq軸電圧指令vq*として出力する。

dq軸電圧指令成分変換器4は、d軸電圧指令vd*とq軸電圧指令vq*を静止座標系の電圧指令であるva*とvb*とに変換する。

d軸及びq軸の電流制御は比例制御のみであることから、安定化にのみ寄与し指令への追従はしない。よって、M軸電流指令iM*及びT軸電流指令iT*に追従する制御となり、従来の技術と同様に電圧指令ベクトルが電力変換器の最大電圧Vcを超えた場合でも制御可能となる。また、d軸及びq軸は同期電動機の回転子運動によってのみ定まる軸であることから、従来の技術で発生した不安定現象が生じず、如何なる条件においても安定した制御が可能となる。

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パルス制御での安定した制御が実現可能となり、車両用、産業用に幅広く利用が可能である。

本発明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軸電圧指令成分変換器
5 dq軸電流指令生成器
6 MT軸電流指令成分演算器
7 dq軸電流成分変換器
8 MT軸電流成分変換器
9 M軸電流誤差演算器
10 T軸電流誤差演算器
11 d軸電流誤差演算器
12 q軸電流誤差演算器
13 MM軸乗算器
14 MT軸乗算器
15 TM軸乗算器
16 TT軸乗算器
17 スイッチ
18 M軸加算器
19 T軸加算器
20 M軸積分器
21 T軸積分器
22 MT軸電圧指令成分変換器
23 dd軸比例器
24 dq軸比例器
25 qd軸比例器
26 qq軸比例器
27 d軸電圧指令生成器
28 q軸電圧指令生成器
29 電圧指令成分変換器
30 電流成分変換器
31 MM軸比例器
32 MT軸比例器
33 TM軸比例器
34 TT軸比例器
35 M軸電圧指令生成器
36 T軸電圧指令生成器

Claims

同期電動機の界磁極の方向をd軸とし、該d軸と直交する方向を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、該M軸と直交する方向をT軸とする制御装置において、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dq電流成分変換器出力を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、前記同期電動機の一次電流のd軸電流指令とq軸電流指令を生成するdq軸電流指令生成器と、該dq軸電流指令生成器の出力をM軸電流指令とT軸電流指令に変換するMT軸電流指令成分演算器と、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軸電流指令から該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d軸電流指令から該d軸電流を減じたd軸電流誤差を出力するd軸電流誤差演算器と、前記q軸電流指令から前記q軸電流を減じたq軸電流誤差を出力するq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、前記スイッチの出力と該MT軸乗算器の出力の和を出力するM軸加算器と、該M軸加算器の出力を時間積分するM軸積分器と、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軸乗算器の出力と該TT軸乗算器の出力の和を出力するT軸加算器と、該T軸加算器の出力を該電力変換器の出力可能な最大電圧の範囲内で時間積分するT軸積分器と、前記M軸積分器の出力と前記T軸積分器の出力をd軸積分器電圧指令とq軸積分器電圧指令とに変換するMT軸電圧指令成分変換器と、該d軸電流誤差にゲインPddを乗じて出力するdd軸比例器と、前記q軸電流誤差にゲインPdqを乗じて出力するdq軸比例器と、前記d軸電流誤差にゲインPqdを乗じて出力するqd軸比例器と、前記q軸電流誤差にゲインPqqを乗じて出力するqq軸比例器と、該d軸積分器電圧指令とdd軸比例器出力とdq軸比例器出力の和をd軸電圧指令として出力するd軸電圧指令生成器と、該q軸積分器電圧指令とqd軸比例器出力とqq軸比例器出力の和をq軸電圧指令として出力するq軸電圧指令生成器と、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dq軸電圧指令成分変換器を具備することを特徴とする同期機の制御装置。
前記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した請求項1記載の同期機の制御装置。