JP4543720B2

JP4543720B2 - 速度センサレスベクトル制御装置

Info

Publication number: JP4543720B2
Application number: JP2004089601A
Authority: JP
Inventors: 勉山本; 政則谷本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-03-25
Filing date: 2004-03-25
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2024-03-25
Also published as: JP2005278327A

Description

この発明は、誘導電動機を制御する速度センサレスベクトル制御装置に関し、特にトルク制御が必要となる張力制御システムに最適な速度センサレスベクトル制御装置に関する。

張力制御システムのインバータ化においては、従来は誘導電動機の速度を検出するための速度検出器を使用したベクトル制御を適用していたため、
（１）誘導電動機の容積が大きくなる、
（２）速度検出器と制御装置間を配線しなければならない、
といった問題点があった。
一方、速度検出器を用いずに回転速度を演算する誘導電動機の速度センサレスベクトル制御が提案されている。誘導電動機の速度センサレスベクトル制御は、電動機電流を検出して回転直交座標変換を行い、演算により電動機速度を推定し、速度センサを用いずに電動機の速度制御を行うものである。しかし、速度センサレスベクトル制御では、モータ回転数が零に近付くと推定速度の誤差が大きくなるので、制御不能の状態や不安定になってしまうという問題点があり、従来は極低速域あるいは低速域での運転を行わない用途に適用されていた。

特許文献１には、監視回路が演算にて算出された速度推定値より予め設定された推定速度の下限値以下になったことを検出すると、切替器が動作して、関数発生器からの速度推定出力がベクトル演算を行うために供給されるように構成した速度センサレスベクトル制御装置が記載されている。
また、特許文献２には、速度指令が誘導電動機の零速度近辺にあるときに速度制御系からのトルク電流指令に代えて一定値のトルク電流指令を発生する関数発生器と切替スイッチを設けるとともに、推定速度に代えて速度指令を回転速度検出値とする切替スイッチとを備えた速度センサレスベクトル制御装置が記載されている。

特開平７−１４３７９８号公報（図１）特開２００２−１４２４９９号公報（図１）

特許文献１に記載の速度センサレスベクトル制御装置は、極低速域あるいは低速域での制御の安定化を図ってモータの回転を円滑にした速度センサレスベクトル制御装置を提供することを目的としたもので、速度の推定が不可能となるような極低速域あるいは低速域において、推定速度の代わりに、関数発生器にて生成される推定速度値を用いるので、出力周波数が安定し、電動機の回転も円滑になるという効果がある。
また、特許文献２に記載の速度センサレスベクトル制御装置は、速度指令が零速度近辺にあるときはトルク電流指令を加速に必要十分なトルク出力が得られる一定値とし、速度検出値は速度指令そのものとするようにしたことにより、産業車両荷上げポンプの零速度付近での制御遅れを少なくできるという効果がある。

しかしながら、上述の従来の速度センサレスベクトル制御は、速度指令に電動機の回転が追従している場合において、零速度付近において速度検出値として、関数発生器にて生成される推定速度値または速度指令そのものとするものであって、張力制御システムのようにブレーキ等で電動機の回転を制御する用途においては、必ずしも速度指令と電動機の回転とが一致していないため、使用できないという問題点があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、トルク制御が必要となる張力制御システムに適用できる速度センサレスベクトル制御装置を得ることを目的とするものである。
また、機械ブレーキによるゼロ速度状態においてトルクを発生させておき、起動させる昇降機用途に適用できる速度センサレスベクトル制御装置を得ることを目的とするものである。

この発明に係る張力制御システム用の速度センサレスベクトル制御装置は、速度指令値と速度推定値との偏差を基に、トルク電流指令値を演算する速度制御器と、このトルク電流指令値とトルク電流値との偏差を基に、ｑ軸電圧を演算するｑ軸電流制御器と、速度推定値を基に生成した磁束指令値と磁束推定値との偏差を基に、励磁電流指令値を演算する磁束制御器と、この励磁電流指令値と励磁電流値との偏差を基に、ｄ軸電圧を演算するｄ軸電流制御器と、前記ｑ軸電流制御器で演算したｑ軸電圧および前記ｄ軸電流制御器で演算したｄ軸電圧を、３相電圧に変換する座標変換器と、この３相電圧を基に作成されたパルス幅変調信号に基づき、直流電力を可変周波数、可変電圧の交流電力に変換するインバータと、前記インバータから出力される３相の出力電流値を、２相のトルク電流値および励磁電流値に変換する座標変換器と、この座標変換器から出力されたトルク電流値、励磁電流値と、前記ｑ軸電流制御器から出力されたｑ軸電圧および前記ｄ軸電流制御器から出力されたｄ軸電圧とを基に、磁束推定値、速度推定値およびすべり推定値を演算する推定器と、を有する誘導電動機を制御する速度センサレスベクトル制御装置において、前記誘導電動機の機械ブレーキ動作信号を入力する入力部を有し、機械ブレーキ動作信号が入力されていない場合は、前記推定器１５で演算された速度推定値を出力し、機械ブレーキ動作信号を入力された場合には、速度推定値として０を出力する切替装置を備えるものである。

この発明の張力制御システム用の速度センサレスベクトル制御装置は、外部より機械ブレーキ動作信号が入力された場合に、速度推定値を０として出力するようにしたので、速度が零における制御性能が安定するとともに、ゼロ速度状態においてもトルクを発生することができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る速度センサレスベクトル制御装置の回路構成を示す図である。図１において、減算器１で速度指令値ω＊と速度推定値ω＾との偏差を算出し、速度制御器２でこの偏差を基に、比例積分（ＰＩ）演算によりトルク電流指令値Ｉ１ｑ＊を演算する。また、減算器３でトルク電流指令値Ｉ１ｑ＊とトルク電流値Ｉ１ｑ＾の偏差を算出し、ｑ軸電流制御器４でこの偏差を基に、比例積分（ＰＩ）演算によりｑ軸電圧Ｖ１ｑ＊を演算する。
また、変換器５で速度推定値ω＾を基に磁束指令値Φ＊を生成し、減算器６で磁束指令値Φ＊と磁束推定値Φ＾との偏差を算出する。また、磁束制御器７で、磁束指令値Φ＊と磁束推定値Φ＾との偏差を基に、比例積分（ＰＩ）演算により励磁電流指令値Ｉ１ｄ＊を演算する。また、減算器８で、励磁電流指令値Ｉ１ｄ＊と励磁電流値Ｉ１ｄ＾の偏差を算出し、ｄ軸電流制御器９でこの偏差を基に、比例積分（ＰＩ）演算によりｄ軸電圧Ｖ１ｄ＊を演算する。
また、ｑ軸電流制御器４で演算したｑ軸電圧Ｖ１ｑ＊およびｄ軸電流制御器９で演算したｄ軸電圧Ｖ１ｄ＊を座標変換器１０で、３相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに変換する。この３相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを基にパルス幅変調器１１でパルス幅変調信号に変換し、インバータ１２でパルス幅変調信号に基づき、直流電力を可変周波数、可変電圧の交流電力に変換し、誘導電動機１３を可変速制御する。

また、座標変換器１４は、後述の積分器１７から出力される位相θを使用して、検出した３相の出力電流値Ｉｕ＾，Ｉｖ＾，Ｉｗ＾を、２相のトルク電流値Ｉ１ｑ＾および励磁電流値Ｉ１ｄ＾に変換する。
また、磁束／速度／すべり推定器１５はオブザーバで構成され、ｑ軸電流制御器４から出力されたｑ軸電圧Ｖ１ｑ＊、ｄ軸電流制御器９から出力されたｄ軸電圧Ｖ１ｄ＊および座標変換器１４から出力されたトルク電流値Ｉ１ｑ＾、励磁電流値Ｉ１ｄ＾を基に、磁束推定値Φ＾、速度推定値ω＾およびすべり推定値ωｓ１＾を演算する。

また、加算器１６で速度推定値ω＾とすべり推定値ωｓ１＾とを加算し、積分器１７でこの加算値を積分して位相θを演算する。

また、切替装置１８は、誘導電動機１３のゼロ速度を検出できる情報源からゼロ速度信号を入力する入力部を備え、ゼロ速度信号が入力されていない場合は、磁束／速度／すべり推定器１５で演算された速度推定値ω＾を出力し、ゼロ速度信号が入力した場合には、速度推定値として０を出力する。

次に、この発明の実施の形態１に係る速度センサレスベクトル制御装置の動作について説明する。
速度センサレスベクトル制御装置は、通常運転時は速度指令値ω＊と、検出した３相の出力電流値を基に推定した速度推定値ω＾とにより速度制御を行う。
しかし、機械ブレーキ（図示せず）により誘導電動機１３を停止している場合には、切替装置１８にはゼロ速度信号が入力され、切替装置１８は速度推定値ω＾を０として出力するので、速度センサレスベクトル制御装置は、速度指令値ω＊と、速度推定値ω＾＝０とにより速度制御を行う。

上記のように、この発明の実施の形態１に係る速度センサレスベクトル制御装置は、外部よりゼロ速度信号が入力された場合に、速度推定値ω＾を０として出力するようにしたので、速度が零における制御性能が安定するとともに、ゼロ速度状態においてもトルクを発生することができるので、機械ブレーキが解除されてからの速度の立上りが安定するという効果がある。

また、この発明の実施の形態１に係る速度センサレスベクトル制御装置は、機械ブレーキによるゼロ速度状態においてトルクを発生させておくことができるので、始動時（ブレーキ解除時）に高トルクで起動することができ、昇降機用途に適用できる。

ゼロ速度信号としては、機械ブレーキ動作させるブレーキＯＮ信号を使用してもよく、また機械ブレーキがＯＮしている状態を示す機械ブレーキＯＮ信号を使用してもよい。

この発明の速度センサレスベクトル制御装置は、ゼロ速度状態においてトルクを発生することができるので、トルク制御が必要となる張力制御システム、および昇降機用途にも適用できる。

この発明の実施の形態１に係る速度センサレスベクトル制御装置の回路構成を示す図である。

符号の説明

１減算器、２速度制御器、３減算器、４ｑ軸電流制御器、５ｑ軸電流制御器、６減算器、７磁束制御器、８減算器、９ｄ軸電流制御器、１０座標変換器、１１パルス幅変調器、１２インバータ、１３誘導電動機、１４座標変換器、１５推定器、１６加算器、１７積分器、１８切替装置、 ω＊速度指令値、 ω＾速度推定値、 ωｓ１＾すべり推定値、Ｉ１ｑ＊トルク電流指令値、Ｉ１ｄ＊励磁電流指令値、Ｉ１ｑ＾トルク電流値、Ｉ１ｄ＾励磁電流値、Ｉｕ＾，Ｉｖ＾，Ｉｗ＾３相の出力電流値、Ｖ１ｑ＊ｑ軸電圧、Ｖ１ｄ＊ｄ軸電圧、Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ３相電圧、 Φ＊磁束指令値、 Φ＾磁束推定値、 θ 位相。

Claims

速度指令値と速度推定値との偏差を基に、トルク電流指令値を演算する速度制御器と、このトルク電流指令値とトルク電流値との偏差を基に、ｑ軸電圧を演算するｑ軸電流制御器と、速度推定値を基に生成した磁束指令値と磁束推定値との偏差を基に、励磁電流指令値を演算する磁束制御器と、この励磁電流指令値と励磁電流値との偏差を基に、ｄ軸電圧を演算するｄ軸電流制御器と、前記ｑ軸電流制御器で演算したｑ軸電圧および前記ｄ軸電流制御器で演算したｄ軸電圧を、３相電圧に変換する座標変換器と、この３相電圧を基に作成されたパルス幅変調信号に基づき、直流電力を可変周波数、可変電圧の交流電力に変換するインバータと、前記インバータから出力される３相の出力電流値を、２相のトルク電流値および励磁電流値に変換する座標変換器と、この座標変換器から出力されたトルク電流値、励磁電流値と、前記ｑ軸電流制御器から出力されたｑ軸電圧および前記ｄ軸電流制御器から出力されたｄ軸電圧とを基に、磁束推定値、速度推定値およびすべり推定値を演算する推定器と、を有する誘導電動機を制御する速度センサレスベクトル制御装置において、
前記誘導電動機の機械ブレーキ動作信号を入力する入力部を有し、前記機械ブレーキ動作信号が入力されていない場合は、前記推定器で演算された速度推定値を出力し、前記機械ブレーキ動作信号を入力された場合には、速度推定値として０を出力する切替装置を備えたことを特徴とする張力制御システム用の速度センサレスベクトル制御装置。