JP4526528B2 - 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制御可能な同期機の制御装置において、脱調状態を即座に検知し回復することを可能とする制御装置である。

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Svが1となり超えていないとき信号Svが0となる信号Sv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軸は永久磁石同期電動機1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。一次磁束角演算器8は、d軸電流idとq軸電流iqからd軸に対する一次鎖交磁束角θφ１を出力する。MT軸電流成分変換器9は、一次鎖交磁束角θφ１に基づき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。ここで、M軸電流は永久磁石型同期電動機1の一次鎖交磁束角θφ１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6は、永久磁石型同期電動機1のM軸電流指令iM*とT電流指令iT*を出力する。M軸電流誤差演算器10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11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14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15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16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17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22は、電力変換器3の出力である信号Svが１なら0を出力し、信号Svが0ならMM軸乗算器16の出力を出力する。M軸加算器23は、MT軸乗算器17の出力とスイッチ22の出力との和を出力する。M軸積分器24は、M軸加算器23の出力を時間積分する。M軸電圧指令生成器25は、MM軸比例器14の出力とMT軸比例器15の出力とM軸積分器24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18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19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20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21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26は、TM軸乗算器20の出力とTT軸乗算器21の出力との和を出力する。T軸積分器27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26の出力を時間積分する。T軸電圧指令生成器28は、TM軸比例器18の出力とTT軸比例器19の出力とT軸積分器27の出力との和を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34は、一次鎖交磁束角θφ１に基づきM軸電圧指令vM*とT軸電圧指令vT*をd軸電圧指令vd*とq軸電圧指令vq*とに変換する。dq軸電圧指令成分変換器4はM軸電圧指令vM*とT軸電圧指令vT*を静止座標の電圧指令であるva*とvb*に変換する。（特許文献1参照）
特開２００３―２０９９９７公報

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、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）

しかし、M軸及びT軸は一次電流の瞬時値により変化する一次鎖交磁束角θφ１に基づく軸であり、一次電流の変化により一次鎖交磁束角θφ１が変化しM軸及びT軸の電流成分も変化することから、一次電流の変化と一次鎖交磁束角θφ１の変化とで構成される系が不安定系となる条件がある。不安定となる条件では一次鎖交磁束角θφ１が回転し脱調状態に陥る。脱調状態では一次鎖交磁束角θφ１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は不可能である。

また、高速運転時は永久磁石による無負荷誘起電圧が高いことから、高速運転時での起動時には瞬間的に高い電流が発生し一次鎖交磁束角θφ１が大きく変化することから、一次鎖交磁束角θφ１が回転する調状態に陥り、電流制御が不可能となり起動不能となる。

上記現象は、一次電流の瞬時値により定まる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、脱調状態に陥った状態でもd軸及びq軸での電流制御は可能であり脱調状態からの回復は可能である。

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、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、前記電圧指令が前記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該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、前記同期電動機の一次電流の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、前記d軸電流指令から前記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、該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、前記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該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、MM軸比例器とMT軸比例器とM軸積分器の和をM軸電圧指令として出力するM軸電圧指令生成器と、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、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、TM軸比例器とTT軸比例器とT軸積分器の和をT軸電圧指令として出力するT軸電圧指令生成器と、M軸電圧指令とT軸電圧指令をd軸電圧MT指令とq軸電圧MT指令とに変換するMT軸電圧指令成分変換器と、前記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Pqqを乗じて出力するqq軸比例器と、前記一次鎖交磁束角を入力し脱調信号を出力する脱調判定器と、前記脱調信号に基づき脱調状態では前記dd軸比例器の出力をd軸電圧指令として出力し、qq軸比例器の出力をq軸電圧指令として出力し、また未脱調状態ではd軸電圧MT指令を該d軸電圧指令として出力し、q軸電圧MT指令を該q軸電圧指令として出力する選択器と、前記d軸電圧指令と前記q軸電圧指令とを前記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。

本発明の請求項２によれば、請求項1記載の同期機の制御装置において、前記脱調判定器は前記一次鎖交磁束角がd軸に対し±180度を超えると脱調と判定し、脱調判定状態では前記一次鎖交磁束角の時間変化が基準値以下となったら脱調状態から回復と判定することを特徴とする。

本発明の請求項３によれば、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。

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が可能であるM軸およびT軸での電流制御において、脱調状態を即座に検知し復帰することが可能となり、実用上極めて有用性の高いものである。

一次鎖交磁束角θφ１が±180度を超えた際脱調とみなしd軸電流及びq軸電流の制御に切り替える。脱調を検知した状態では、一次鎖交磁束角θφ１の時間変化が基準値以下となったら元の構成に戻す。

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*を生成する。
d軸電流誤差演算器12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13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。

dd軸比例器30は、d軸電流誤差didにゲインPddを乗じた値を出力する。qq軸比例器31は、q軸電流誤差diqにゲインPqqを乗じた値を出力する。

MT軸電圧MT指令成分変換器29は、一次鎖交磁束角θφ１に基づきM軸電圧指令vM*とT軸電圧指令vT*とをd軸電圧MT指令vd*_MTとq軸電圧MT指令vq*_MTとに変換する。

脱調判定器32は一次鎖交磁束角θφ１を入力し脱調信号Sfを出力する。脱調信号Sfが0の状態で一次鎖交磁束角θφ１が±180度を超えた場合脱調とみなし脱調信号Sfを1として出力する。脱調信号Sfが1の状態で一次鎖交磁束角θφ１の時間変化が基準値以下となった場合脱調から回復とみなし脱調信号Sfを0として出力する。

選択器33は、脱調信号Sfが0の時はd軸電圧MT指令Vd_MTをd軸電圧指令vd*として出力し、q軸電圧MT指令Vq_MTをq軸電圧指令vq*として出力する。脱調信号Sfが1の時は、dd軸比例器30の出力をd軸電圧指令vdとして出力し*、qq軸比例器31の出力をq軸電圧指令vq*として出力する。

脱調状態では、目標追従を優先するM軸およびT軸での電流制御から、目標追従は不可能であるが安定系であるd軸及びq軸での電流制御に切り替える。d軸及びq軸での電流制御は安定系であることから僅かな時間で脱調状態から回復可能であり、速やかに目標追従可能なM軸及びT軸での目標追従に復帰できる。

高速運転での起動時では、本発明における脱調信号Sfを0とした状態で起動することにより、速やかに安定した起動が可能となる。

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パルス制御での運転時に脱調状態からの回復が可能となり、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軸電流指令生成器
7 dq軸電流成分変換器
8 一次磁束角演算器
9 MT軸電流成分変換器
10 M軸電流誤差演算器
11 T軸電流誤差演算器
12 d軸電流誤差演算器
13 q軸電流誤差演算器
14 MM軸比例器
15 MT軸比例器
16 MM軸乗算器
17 MT軸乗算器
18 TM軸比例器
19 TT軸比例器
20 TM軸乗算器
21 TT軸乗算器
22 スイッチ
23 M軸加算器
24 M軸積分器
25 M軸電圧指令生成器
26 T軸加算器
27 T軸積分器
28 T軸電圧指令生成器
29 MT軸電圧MT指令成分変換器
30 dd軸比例器
31 qq軸比例器
32 脱調判定器
33 選択器
34 MT軸電圧指令成分変換器

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、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、前記電圧指令が前記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該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、前記同期電動機の一次電流の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、前記d軸電流指令から前記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、該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、前記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該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、MM軸比例器とMT軸比例器とM軸積分器の和をM軸電圧指令として出力するM軸電圧指令生成器と、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、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、TM軸比例器とTT軸比例器とT軸積分器の和をT軸電圧指令として出力するT軸電圧指令生成器と、M軸電圧指令とT軸電圧指令をd軸電圧MT指令とq軸電圧MT指令とに変換するMT軸電圧指令成分変換器と、前記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Pqqを乗じて出力するqq軸比例器と、前記一次鎖交磁束角を入力し脱調信号を出力する脱調判定器と、前記脱調信号に基づき脱調状態では前記dd軸比例器の出力をd軸電圧指令として出力し、qq軸比例器の出力をq軸電圧指令として出力し、また未脱調状態ではd軸電圧MT指令を該d軸電圧指令として出力し、q軸電圧MT指令を該q軸電圧指令として出力する選択器と、前記d軸電圧指令と前記q軸電圧指令とを前記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。
2. 請求項1記載の同期機の制御装置において、前記脱調判定器は前記一次鎖交磁束角がd軸に対し±180度を超えると脱調と判定し、脱調判定状態では前記一次鎖交磁束角の時間変化が基準値以下となったら脱調状態から回復と判定することを特徴とする同期機の制御装置。
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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