JP4557605B2 - 同期機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、同期機の制御装置において、特に同期機の効率を高くする技術に関するものである。

同期機の高効率制御は、各種の方法が提案されている。同期機を高い効率で運転するためには、同一出力状態で同期機の銅損や鉄損からなる損失を最小にすることが望ましい。そこで、トルク指令や速度に対して損失を最小つまり最大効率とする電流の大きさや位相を数式化あるいはテーブル化することによって最大効率運転を実現できると考えられている。具体的には、トルク指令及び回転速度をパラメータとし、適切な電流振幅指令及び電流位相指令を求める方法が開示されている（例えば特許文献1参照。）。
また、同一電流振幅で最大トルクが得られる電流位相を求め、前記最大トルクと前記電流振幅の関係と前記最大トルクと前記電流位相との関係をそれぞれ最大トルクをパラメータとする一次関数もしくは二次関数で近似しておき、運転時には最大トルクの代わりにトルク指令を前記近似関数に入力して電流振幅と電流位相を求め、その後直交するｄ軸とｑ軸の電流指令成分を得ている。（例えば、特許文献２参照。）。

特開平７−３０８０８８号公報 特開２００２−３６００００公報

前記特開平７−３０８０８８号公報は、電流の大きさと位相をトルク指令値や速度に応じた関数を数式で表し計算で得ているが、具体的な数式が開示されていない。さらに前記特開平７−３０８０８８号公報には、関数のパターンをメモリ上に記憶させ、トルク指令や速度に応じて値を読み出してくる方法も開示されているが、メモリに記憶させるデータ量が多くなるという欠点がある。

前記特開２００２−３６００００公報においては、電流を最小とする近似関数を用いているので銅損を最小とすることはできるが鉄損は逆に増えることがあり、必ずしも損失最小とはならず最大効率運転は実現できない。またあくまでも近似関数なので近似誤差により必ずしも銅損最小運転とは限らない。同時に近似関数であるために、近似誤差によりトルク指令通りの出力トルクが得られない。

本発明の目的は、適切な電流指令を生成して、同期機の損失を最小とし同期機の出力トルクがトルク指令通りとなる同期機の制御装置を提供することである。

そこで本発明は、同期機の回転子上で磁気抵抗が最大の方向をｄ軸とし、前記ｄ軸と直交する方向をｑ軸として、前記同期機の入力電流を前記ｄ軸とｑ軸の成分に分けてそれぞれの指令値であるｄ軸電流指令とｑ軸電流指令に基づいて制御する同期機の制御装置において、前記ｄ軸電流指令をトルク指令値の絶対値の一次関数で求めるｄ軸電流指令演算器と、前記ｄ軸電流指令演算器出力であるｄ軸電流指令と前記トルク指令から前記ｑ軸電流指令を求めるｑ軸電流指令演算器とを具備することを特徴とする。

また前記同期機の回転速度の絶対値を入力して前記一次関数の切片を求めて出力する高効率切片演算器と、前記トルク指令の絶対値を低域通過フィルタに通したものと前記ｑ軸電流指令を低域通過フィルタに通したものと前記回転速度の絶対値とを入力して前記同期機の損失が最小となるような前記ｄ軸電流指令を得るための前記一次関数の傾きを求める高効率傾き演算器とを具備することを特徴とする。

また前記各種演算器を複数の処理ループを持つマイコンによって実現する際に、前記ｄ軸電流指令演算器と前記ｑ軸電流指令演算器の処理は短い周期の処理ループで実行し、前記高効率切片演算器と前記高効率傾き演算器の処理を比較的長い周期の処理ループで実行することを特徴とする請求項１及び２記載の同期機の制御装置。

本発明により、トルク指令に応じた適切なｄ軸電流指令とｑ軸電流指令を求めることができ、トルク指令通りの出力トルクが得られるようになる。請求項１に係る発明により、定常状態で損失最小となるｄ軸電流指令を得ることができるようになるため、最大効率運転が実現できる。請求項２に係る発明により、処理速度が比較的遅いマイコンを使用しても、トルク応答を遅くすることなくトルク指令通りの出力トルクが得られ定常状態で最大効率運転ができる。

処理速度が遅いマイコン使用で、トルク応答を遅くすることなく、トルク指令通りの出力トルクが得られ、定常状態で最大効率の運転が実現した。

図１は、本発明の１実施例のブロック図である。同期機２の回転子上で磁気抵抗が最大の方向をｄ軸とし、前記ｄ軸と直交する方向をｑ軸と定義して、図１に基づいて説明する。絶対値演算器５は、トルク指令Ｔｒｅｆを入力してその絶対値を求めて出力する。ｄ軸電流指令演算器６はトルク指令の絶対値｜Ｔｒｅｆ｜を入力して
Ｉｄｒｅｆ＝ａ・｜Ｔｒｅｆ｜＋ｂ （１）
の一次関数でｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆを求めて出力する。ここで、ａは一次関数の傾きであり、ｂは一次関数の切片である。ｑ軸電流指令演算器７は、トルク指令Ｔｒｅｆとｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆを入力して
Ｉｑｒｅｆ＝Ｔｒｅｆ／｛φ−（Ｌｑ−Ｌｄ）・Ｉｄｒｅｆ｝ （２）
の演算でｑ軸電流指令Ｉｑｒｅｆを求めて出力する。ここでφは、同期機２が永久磁石同期電動機の場合の永久磁石による磁束鎖交数であり、Ｌｑは同期機２のｑ軸のインダクタンスであり、Ｌｄは同期機２のｄ軸のインダクタンスであり、前記ｄ−ｑ軸の定義によりＬｑ＞Ｌｄである。

位置センサ４は、同期機２の回転子の位置のｄ軸位置θを検出する。回転座標変換器１０は、θに従って電流検出器３で検出された同期機２の入力電流をｄ軸成分であるＩｄとｑ軸成分であるＩｑに分けて出力する。ｄ軸電流制御器８は、ｄ軸電流Ｉｄがｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆとｄ軸鉄損分電流Ｉｄｍとの和に追従するような電圧指令を出力する。ｑ軸電流制御器９は、ｑ軸電流Ｉｑがｑ軸電流指令Ｉｑｒｅｆとｑ軸鉄損分電流Ｉｑｍとの和に追従するような電圧指令を出力する。ここでｄ軸鉄損分電流Ｉｄｍとｑ軸鉄損分電流Ｉｑｍは、等価鉄損コンダクタンスに流れる各軸の電流であり、上述のように各軸の電流指令に加算することで鉄損によるトルク誤差を補正できる。回転座標逆変換１１は、ｄ軸電流制御器８出力とｑ軸電流制御器９出力の電圧指令を入力し、θに基づいて静止座標に変換して出力する。電力変換器１は、回転座標逆変換１１出力の電圧指令通りの電圧を同期機２に印加する。

一般に同期機２の出力トルクＴは、
Ｔ＝｛φ−（Ｌｑ−Ｌｄ）・（Ｉｄ−Ｉｄｍ）｝・（Ｉｑ−Ｉｑｍ） （３）
で表されるので、ｄ軸電流制御器８とｑ軸電流制御器９により、Ｉｄ，ＩｑがそれぞれＩｄｒｅｆ＋Ｉｄｍ、Ｉｑｒｅｆ＋Ｉｑｍと一致するように制御されるので、上記の構成で同期機２はトルク指令Ｔｒｅｆ通りのトルクを出力することができることになる。従ってｑ軸電流指令演算器７においてＩｄｒｅｆの代わりに（Ｉｄ−Ｉｄｍ）を用いてもよい。

高効率切片演算器１４は、同期機２の回転速度の絶対値｜ω｜を入力してｄ軸電流指令演算器６の一次関数の切片ｂを
ｂ＝−φ・Ｃ／Ａ （４）
で求めて出力する。ここで、Ａ、Ｃは（５）（６）式で、Ｇは（７）式で定義される。またＲは同期機２の固定子巻き線抵抗、ωｒは同期機２の定格回転時の入力電流の角周波数であり、ｇ０ｒは同期機２の定格回転時の等価鉄損コンダクタンスである。

高効率傾き演算器１５は、トルク指令の絶対値｜Ｔｒｅｆ｜を低域通過フィルタ１３に通したものＴｌｐｆとｑ軸電流指令Ｉｑｒｅｆを低域通過フィルタ１２に通したものＩｑｌｐｆと回転速度の絶対値｜ω｜と切片ｂを入力してｄ軸電流指令演算器６の一次関数の傾きａを（８）式で求めて出力する。ここでＢ、Ｄは（９）（１０）式で定義される。なお（８）式の演算ができないトルク指令が０の時は、ａ＝０とする。

以上の構成により、低域通過フィルタ１２や１３の入力と出力が一致する定常状態では、同期機２が銅損と鉄損からなる損失を最小つまり最大効率で運転できることを以下に説明する。まず、鉄損コンダクタンスが周波数に反比例すると仮定すると、各軸の鉄損分電流は（１１）（１２）式で表される。但し、回転方向が逆となると符号も逆になる。すると鉄損は（１３）式で表される。また銅損は（１４）式で表されるので、（１３）式と（１４）式の和をＩｄｒｅｆで偏微分して（１５）式のように０と置くことで損失を最小とする条件を導き出すことができる。ここで（２）式とＩｄ＝Ｉｄｒｅｆ＋Ｉｄｍ、Ｉｑ＝Ｉｑｒｅｆ＋Ｉｑｍを考慮している。そして（１５）式を解くと（１６）式が得られる。

つまり、ＩｄｒｅｆとＩｑｒｅｆの関係を（１６）式とすれば、最小損失つまり最大効率での運転が可能となるわけである。定常状態では｜Ｔｒｅｆ｜＝Ｔｌｐｆ、Ｉｑｒｅｆ＝Ｉｑｌｐｆが成り立つので、ｄ軸電流指令演算器６では（８）式に｜Ｔｒｅｆ｜を乗じて（４）式のｂを加算してＩｄｒｅｆを求めるわけであるから、その計算は（１６）式と同じになり、結果としてｄ軸電流指令演算器６により最大効率となるｄ軸電流指令が得られることになる。

図１の５〜１５を複数の処理ループを持つマイコンで実現するならば、５〜１１を短い周期の処理ループで実行することで速いトルク応答を確保し、１２〜１５をそれよりも長い周期の処理ループで実行することで複雑な計算を要する１４や１５の単位時間当たりの処理回数を減らすことができるため、処理速度の速い高価なマイコンを使用しなくても、速いトルク応答と定常状態での最大効率運転が両立可能となる。

なお（５）（６）（１０）式の｜ω｜＋Ｒ・Ｇは｜ω｜と近似しても差し支えない。また、図１では位置センサを用いているが、その代わりに同期機２の入力電流や電圧から推定された位置を用いてもよい。

本発明により、処理速度の遅い安価なマイコンで高精度なトルク制御と速いトルク応答と定常状態での鉄損を考慮した最大効率運転が両立できることから、産業上の利用の可能性は大いにある。

本発明の実施例を示した説明図である。

符号の説明

１ 電力変換器
２ 同期機
３ 電流検出器
４ 位置センサ
５ 絶対値演算器
６ ｄ軸電流指令演算器
７ ｑ軸電流指令演算器
８ ｄ軸電流制御器
９ ｑ軸電流制御器
１０ 回転座標変換
１１ 回転座標逆変換
１２、１３ 低域通過フィルタ
１４ 高効率切片演算器
１５ 高効率傾き演算器

Claims (2)

1. 同期機の回転子上で磁気抵抗が最大の方向をｄ軸とし、前記ｄ軸と直交する方向をｑ軸として、前記同期機の入力電流を前記ｄ軸とｑ軸の成分に分けてそれぞれの指令値であるｄ軸電流指令とｑ軸電流指令に基づいて制御し、前記ｄ軸電流指令をトルク指令値の絶対値の一次関数で求めるｄ軸電流指令演算器と、前記ｄ軸電流指令と前記トルク指令から前記ｑ軸電流指令を求めるｑ軸電流指令演算器とを具備する同期機の制御装置において、前記同期機の回転速度の絶対値を入力して前記一次関数の切片を求めて出力する高効率切片演算器と、前記トルク指令の絶対値を低域通過フィルタに通したものと前記ｑ軸電流指令を低域通過フィルタに通したものと前記回転速度の絶対値とを入力して前記同期機の損失が最小となるような前記ｄ軸電流指令を得るための前記一次関数の傾きを求める高効率傾き演算器と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記載の制御装置を複数の処理ループを持つマイコンによって実現する際に、前記ｄ軸電流指令演算器と前記ｑ軸電流指令演算器の処理は短い周期の処理ループで実行し、前記高効率切片演算器と前記高効率傾き演算器の処理を比較的長い周期の処理ループで実行することを特徴とする請求項１記載の同期機の制御装置。

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