JP4706716B2 - Induction motor control method - Google Patents
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Description
本発明は、インバータ制御の誘導電動機を速度センサレスベクトル制御で駆動制御する制御方法に関する。 The present invention relates to a control method for driving and controlling an inverter-controlled induction motor by speed sensorless vector control.
誘導電動機の速度センサレスベクトル制御を実現する方法として、例えば下記特許文献1に記載されているように、トルク電流の検出値が指令値に一致するように電流制御を行うことにより、電動機の回転速度を推定する方法がある。 As a method for realizing speed sensorless vector control of an induction motor, for example, as described in Patent Document 1 below, by performing current control so that a detected value of torque current matches a command value, the rotational speed of the motor There is a way to estimate
前記従来技術による制御方法では、電動機の誘起電圧に相当する量を演算して速度推定に利用しているため、誘起電圧が小さくなる低速域では電圧制御誤差の影響で速度推定精度が劣化し、制御が不安定になる。 In the control method according to the prior art, since the amount corresponding to the induced voltage of the motor is calculated and used for speed estimation, the speed estimation accuracy deteriorates due to the influence of the voltage control error in the low speed range where the induced voltage becomes small, Control becomes unstable.
本発明の目的は、低速域でも安定に誘導電動機を運転できる制御方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a control method capable of operating an induction motor stably even in a low speed range.
本発明の誘導電動機の制御方法は、低速域では、トルク電流の検出値から速度を推定する第1の速度推定手段の出力をマスクし、励磁電流指令とトルク電流指令から速度を推定する第2の速度推定手段により速度を推定する。 In the control method for the induction motor according to the present invention, in the low speed range, the output of the first speed estimating means for estimating the speed from the detected value of the torque current is masked, and the second is used for estimating the speed from the excitation current command and the torque current command. The speed is estimated by the speed estimation means.
さらに、電流指令切り換え手段により第1の励磁電流指令id *と第1のトルク電流指令iq *を第2の励磁電流指令id2 *と第2のトルク電流指令iq2 *に切り換え、安定な動作点で運転する。 Further, the first excitation current command i d * and the first torque current command i q * are switched to the second excitation current command i d2 * and the second torque current command i q2 * by the current command switching means, and stable. Drive at the correct operating point.
本発明によれば、後退起動を含む低速域でも安定に誘導電動機を運転できる。 According to the present invention, the induction motor can be stably operated even in a low speed range including reverse activation.
以下、本発明の実施例を図面を用いて詳しく説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(実施例1)
本実施例の誘導電動機の制御システムを図1に示す。本発明の誘導電動機の制御システムは、インバータ制御器1と、インバータ制御器1から送られる三相電圧指令vu *,vv *,vw *に従い、可変電圧,可変周波数の交流電圧に変換して誘導電動機4を駆動するインバータ2と、誘導電動機4と、インバータ2から誘導電動機4に流れる電流を検出する電流検出器3とからなる。
Example 1
The control system for the induction motor of this embodiment is shown in FIG. The control system for an induction motor according to the present invention converts an inverter controller 1 into an AC voltage having a variable voltage and a variable frequency in accordance with three-phase voltage commands v u * , v v * , v w * sent from the inverter controller 1. The
インバータ制御器1は、励磁電流指令id *と、トルク電流指令iq *と、電流検出器3で検出した三相電流検出値iu,iv,iwとを入力して、三相電圧指令vu *,vv *,vw *をインバータ2へ出力する。
The inverter controller 1 inputs the excitation current command i d * , the torque current command i q *, and the three-phase current detection values i u , i v , i w detected by the current detector 3 to input the three-phase The voltage commands v u * , v v * , v w * are output to the
このインバータ制御器1の詳細な構成を以下説明する。増磁制御器103は、第1の励磁電流指令id *と第1のトルク電流指令iq *を入力し、後述するアルゴリズムに従って、第2の励磁電流指令id2 *と第2のトルク電流指令iq2 *とに変換する。
The detailed configuration of the inverter controller 1 will be described below. The
電流変換器102は、三相電流検出値iu,iv,iwと、位相指令θ*とを入力し、三相電流検出値iu,iv,iwを励磁電流idとトルク電流iqとに変換して出力する。
The
電流制御器105a,105bは、励磁電流指令id *と励磁電流id、トルク電流指令iq *とトルク電流iqとがそれぞれ一致するよう、電圧補償値Δvd0 *と、電圧補償値Δvq0 *とを生成し、出力する。
The
出力ゲイン112a,112bは、電流制御器105a,105bが出力する電圧補償値Δvd0 *,Δvq0 *と推定速度の関数であるG1(ωr^)とを入力し、電圧補償値Δvd0 *,Δvq0 *に推定速度の関数であるG1(ωr^)を乗じた、電圧補償値Δvd *,Δvq *を生成し、出力する。
The output gains 112a and 112b receive the voltage compensation values Δv d0 * and Δv q0 * output from the
速度推定器113は、電流制御器111と、出力ゲイン112cと、基準加速器107と、加算器116と、積分器110とを備えている。
The
電流制御器111は、トルク電流指令iq2 *とトルク電流iqとの偏差を入力し、この偏差を基にした推定加速度α10を生成し、出力する。 The current controller 111 receives a deviation between the torque current command i q2 * and the torque current i q, and generates and outputs an estimated acceleration α 10 based on the deviation.
出力ゲイン112cは、推定加速度α10を入力し、G2(ωr^)を乗じ、推定加速度α1を生成し、出力する。 Output gain 112c inputs the estimated acceleration alpha 10, multiplied by G 2 (ω r ^), and generates an estimated acceleration alpha 1, and outputs.
基準加速器107は、励磁電流指令id2 *とトルク電流指令iq2 *とを入力し、励磁電流指令id2 *とトルク電流指令iq2 *との積に基づいて推定加速度α2を生成し、出力する。
The
加算器116によりα1と推定加速度α2とを加算し、加算した値を積分器110に入力し、積分器110で積分し、推定速度ωr^を生成し、出力する。
The
すべり演算器108は、電流指令id2 *と、電流指令iq2 *とから(数1)式に基づいてすべり周波数指令ωs *を演算し、出力する。
The
ただし、R2はモータの二次抵抗、L2はモータの二次側自己インダクタンスである。 Where R 2 is the secondary resistance of the motor, and L 2 is the secondary self-inductance of the motor.
加算器114でモータ速度ωr^とすべり周波数指令ωs *を加算して、インバータ周波数指令ω1 *を生成する。インバータ周波数指令ω1 *を積分器109で積分し、位相指令θ*を生成する。
電圧指令演算器104は、励磁電流指令id2 *と、トルク電流指令iq2 *と、インバータ周波数指令ω1 *とから、(数2)式と(数3)式とに基づいて電圧指令vd0 *,vq0 *を演算し、出力する。
The
ただし、R1はモータの一次抵抗、Mはモータの相互インダクタンス、lσはモータの一次換算漏れインダクタンスである。 Where R 1 is the primary resistance of the motor, M is the mutual inductance of the motor, and l σ is the primary equivalent leakage inductance of the motor.
さらに、電圧指令演算器104が出力した電圧指令vd0 *,vq0 *と、出力ゲイン112a,112bが出力する電圧補償値Δvd *,Δvq *とを、加算器115a,115bで、それぞれ加算し、電圧指令vd *,vq *を生成し出力する。電圧指令変換器106は入力した電圧指令vd *,vq *を、位相指令θ*に基づいて、三相電圧指令vu *,vv *,vw *に変換する。
Further, the voltage commands v d0 * and v q0 * output from the
次に、本実施例のインバータ制御器1の動作の一例を、図4に示すタイムチャートを用いて説明する。図4は、誘導電動機4が低速で逆転している状態から起動し、零速度を通過して正転方向に加速する場合の運転波形を示す。 Next, an example of operation | movement of the inverter controller 1 of a present Example is demonstrated using the time chart shown in FIG. FIG. 4 shows an operation waveform when the induction motor 4 is started from a state where the induction motor 4 is reversing at a low speed, passes through zero speed and accelerates in the forward direction.
推定速度がωr1以下の低速域(期間T0)では、図1の出力ゲイン112cのG2を0に設定する。この結果、電流制御器111が出力する推定加速度α10を基にして出力ゲイン112cが生成する推定加速度α1が0になり、基準加速器107により生成する推定加速度α2のみに基づいて電動機速度を推定する。これにより、低速域では電圧制御誤差の影響を受けることなく、電動機速度を推定できる。
In the low speed range (period T 0 ) where the estimated speed is equal to or less than ω r1 , G 2 of the output gain 112c in FIG. As a result, the estimated acceleration α 1 generated by the output gain 112 c based on the estimated acceleration α 10 output from the current controller 111 becomes 0, and the motor speed is determined based only on the estimated acceleration α 2 generated by the
また本実施例では図4に示すように、推定速度がωr1以下の低速域(期間T0)では、図1の出力ゲイン112a,112bのG1を1に設定し、電流制御器105a,105bが出力する電圧補償値Δvd0 *,Δvq0 *と、出力ゲイン112a,112bが出力する電圧補償値Δvd *,Δvq *とを一致させる。これにより、推定速度がωr1以下の低速域(期間T0)では、励磁電流およびトルク電流がそれぞれの指令値に一致するように制御される。なお、増磁制御器103は、推定速度がωr1以下の低速域(期間T0)では、励磁電流指令をid2 *に、トルク電流指令をiq2 *に設定する。
In this embodiment, as shown in FIG. 4, in the low speed range (period T 0 ) where the estimated speed is ω r1 or less, G 1 of the output gains 112a and 112b in FIG. The voltage compensation values Δv d0 * and Δv q0 * output from the
一方、推定速度がωr1以上の高速域では誘起電圧が大きくなるため、励磁電流idを低減して誘導電動機内部の磁束を小さくし、誘起電圧を下げることが望ましい。そこで、推定速度がωr1に達した時点で、後述の図2の動作点Aへの切り換えを開始する。切り換え期間T1の間に、図1の増磁制御器103は、励磁電流指令をid2 *からid *へ、トルク電流指令をiq2 *からiq *へ、それぞれ図4に示すようなランプ状に切り換える。
On the other hand, since the induced voltage increases in a high speed region where the estimated speed is equal to or higher than ω r1, it is desirable to reduce the exciting current id to reduce the magnetic flux inside the induction motor and to reduce the induced voltage. Therefore, when the estimated speed reaches ω r1 , switching to an operating point A in FIG. 2 described later is started. During the switching period T 1 , the
また、切り換え期間T1の間に、図1の出力ゲイン112a,112bのG1を図4に示すように1から0へランプ状に切り換え、電流制御器105a,105bが出力する電圧補償値Δvd0 *,Δvq0 *をマスクする。さらに、切り換え期間T1の間に、出力ゲイン112cのG2を図4に示すように0から1へランプ状に切り換え、電流制御器111の出力する推定加速度α10に基づいた速度推定を行う。
Further, during the switching period T 1 , G 1 of the output gains 112a and 112b in FIG. 1 is switched in a ramp shape from 1 to 0 as shown in FIG. 4, and the voltage compensation value Δv output from the
期間T2では、速度センサレスベクトル制御で運転を継続する。これにより、高速域でも良好な制御が可能になる。 In the period T 2, continue to operate at a speed sensorless vector control. This makes it possible to perform good control even in a high speed range.
前記説明では、予め設定した切り換え期間T1内に、電流指令とゲインとを時間の関数として切り換えているが、前記推定速度ωr1より大きな切り換え終了速度ωr2を別に設定し、推定速度がωr1からωr2の間に、電流指令とゲインとを速度の関数として同様に切り換えても良い。 In the above description, the current command and the gain are switched as a function of time within the preset switching period T 1. However, the switching end speed ω r2 larger than the estimated speed ω r1 is set separately, and the estimated speed is ω Between r1 and ωr2 , the current command and gain may be similarly switched as a function of speed.
次に、図1の増磁制御器103が出力する励磁電流指令id2 *と、トルク電流指令iq2 *との設定方法を、図2と図3とを用いて説明する。図2は、一次電流の大きさとが一定の場合の誘導電動機のすべり周波数と発生トルクとの関係を示す。
Next, a method for setting the excitation current command i d2 * and the torque current command i q2 * output from the
はじめに、図4の期間T2のベクトル制御で用いられる、図2の動作点Aでの動作を説明する。動作点Aでは、励磁電流指令id2 *=id *,トルク電流指令iq2 *=iq *,すべりωs0である。仮に速度推定誤差が発生し、推定速度が実速度を上回ったとすると、推定速度と実速度との差の分、すべりが大きくなり、発生トルクは減少する。この結果、誘導電動機が、必要なトルクを発生できなくなり、実速度の加速度が推定速度の加速度より小さくなり、速度推定誤差が増加する。推定速度が実速度を下回った場合も同様である。このように、動作点Aでは安定した誘導電動機の運転ができない。 First, the operation at the operating point A in FIG. 2 used in the vector control in the period T 2 in FIG. 4 will be described. At the operating point A, the excitation current command i d2 * = i d * , the torque current command i q2 * = i q * , and the slip ω s0 . If a speed estimation error occurs and the estimated speed exceeds the actual speed, the slip increases due to the difference between the estimated speed and the actual speed, and the generated torque decreases. As a result, the induction motor cannot generate the required torque, the actual speed acceleration becomes smaller than the estimated speed acceleration, and the speed estimation error increases. The same applies when the estimated speed falls below the actual speed. Thus, at the operating point A, a stable induction motor cannot be operated.
次に、動作点Aと同一のトルクを発生できる図2の動作点Bでの動作を説明する。図2の動作点Bでは、励磁電流指令id2 *=iq *,トルク電流指令iq2 *=id *,すべりωs1であるとする。動作点Bでは、すべりが増加するとトルクも増加するため、速度推定誤差が発生した場合に速度推定誤差を低減する方向にトルクが変化する。このように、動作点Bでは安定して電動機の加速ができる。 Next, the operation at the operation point B in FIG. 2 where the same torque as the operation point A can be generated will be described. At the operating point B in FIG. 2, it is assumed that the excitation current command i d2 * = i q * , the torque current command i q2 * = i d * , and the slip ω s1 . At the operating point B, as the slip increases, the torque also increases. Therefore, when a speed estimation error occurs, the torque changes in a direction to reduce the speed estimation error. Thus, the motor can be stably accelerated at the operating point B.
すなわち、図2で、すべり変化に対するトルク変化のグラフの傾きが正であるような、トルク変化のグラフの極大値である動作点Cよりすべりの大きさが小さい範囲では安定であり、逆にグラフの傾きが負である、動作点Cよりすべりが大きい範囲では不安定になることがわかる。 That is, in FIG. 2, when the slope of the torque change graph with respect to the slip change is positive, it is stable in a range where the slip is smaller than the operating point C which is the maximum value of the torque change graph, and conversely, It can be seen that in the range where the slope of is negative and the slip is larger than the operating point C, it becomes unstable.
次に動作点A及び動作点Bと電流ベクトルの関係について図3を用いて説明する。図3は、図2の動作点A及び動作点Bでの電流ベクトルを示し、電流ベクトルの大きさは等しい。図3に示す長方形O−id−A−IqおよびO−id2−B−iq2の面積は、各動作点A,Bで発生するトルクに比例する。図2で説明したように、動作点Aと動作点Bとではトルクが等しい。なお、図3の説明では、磁束飽和の影響は無視している。 Next, the relationship between the operating point A and the operating point B and the current vector will be described with reference to FIG. FIG. 3 shows current vectors at the operating point A and the operating point B in FIG. 2, and the current vectors have the same magnitude. Area of the rectangle O-i d -A-I q and O-i d2 -B-i q2 shown in FIG. 3 is proportional to the operating point A, the torque generated by the B. As described in FIG. 2, the operating point A and the operating point B have the same torque. In the description of FIG. 3, the influence of magnetic flux saturation is ignored.
また、トルクが最大となる図2上の動作点Cは、図3に示すように、励磁電流idとトルク電流iqとが等しいことを表す一点鎖線と、電流一定を表す円弧との交差点である。 Further, as shown in FIG. 3, the operating point C in FIG. 2 at which the torque is maximum is an intersection of a one-dot chain line indicating that the excitation current i d and the torque current i q are equal to an arc indicating a constant current. It is.
以上説明したように、図1の増磁制御器103が出力する励磁電流指令id2 *をトルク電流指令iq2 *よりも大きくなるように、すなわち図3で斜線を施した領域に励磁電流指令id2 *とトルク電流指令iq2 *とが入るように、選べば、誘導電動機を安定に制御できる。
As described above, the excitation current command i d2 * output from the magnetizing
さらに、増磁制御器103が出力する励磁電流指令id2 *が、増磁制御器103に入力するトルク電流指令iq *と等しく、増磁制御器103が出力するトルク電流指令iq2 *が、増磁制御器103に入力する励磁電流指令id *と等しくなるように選べば、誘導電動機の発生トルクを、励磁電流指令id *とトルク電流指令iq *とに対応するトルクに、等しくすることが可能になり、安定に制御できるだけでなく、過渡的な速度推定誤差の発生も抑制できる。
Further, the excitation current command i d2 * output from the
また、増磁制御器103が出力する励磁電流指令id2 *とトルク電流指令iq2 *との積が、増磁制御器103に入力する励磁電流指令id *とトルク電流指令iq *との積に等しくなるように選んでも、誘導電動機の発生トルクを、励磁電流指令id *とトルク電流指令iq *とに対応するトルクに、等しくできる。この場合、励磁電流指令id2 *とトルク電流指令iq2 *との組み合わせを適当に選ぶことで、誘導電動機の発生トルクを変化せずにモータ電流の大きさを低減できる。
Further, the product of the excitation current command i d2 * and torque current command i q2 * output from the magnetizing
(実施例2)
本実施例の電気車両を図5に示す。図5において、インバータ制御器1,インバータ2,電流検出器3,誘導電動機4は図1に示す実施例1と同一の構成であり、電気車両に搭載されている。
(Example 2)
An electric vehicle of the present embodiment is shown in FIG. In FIG. 5, an inverter controller 1, an
本実施例では、架線201および軌道207から、それぞれ集電器202および車輪206を介して受電した直流電圧を、受電フィルタ203を経由してインバータ2に入力する。受電フィルタ203はフィルタリアクトル203aとフィルタコンデンサ203bとを備えている。
In the present embodiment, a DC voltage received from the
主幹制御器211は、運転士のノッチ操作をノッチ指令α*に変換して出力する。ノッチ指令α*を電流指令生成器214に入力し、電流指令生成器214が、励磁電流指令id *と、トルク電流指令iq *とを生成し出力する。インバータ制御器1に励磁電流指令id *と、トルク電流指令iq *とを入力し、インバータ制御器1は実施例1と同様に三相電圧指令vuvw *をインバータ2に出力する。誘導電動機4は、インバータ2から供給された交流電圧によりトルクを発生し、図示していないギアを介して車輪206を駆動する。なお、図5では誘導電動機4が1台の場合を示すが、1台のインバータ2の出力に2〜4台の複数台の誘導電動機4を並列に接続し、インバータ2の出力電流の検出値をインバータ制御器1に入力して実施例1と同様に制御しても良い。
The
本実施例によれば、後退起動を含む低速域でも安定に運転できる電気車両駆動システムが構成できる。 According to the present embodiment, it is possible to configure an electric vehicle drive system that can be stably operated even in a low speed range including reverse activation.
1…インバータ制御器、2…インバータ、3…電流検出器、4…誘導電動機、103…増磁制御器、104…電圧指令演算器、113…速度推定器。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Inverter controller, 2 ... Inverter, 3 ... Current detector, 4 ... Induction motor, 103 ... Magnetization controller, 104 ... Voltage command calculator, 113 ... Speed estimator.
Claims (5)
第1の励磁電流指令と第1のトルク電流指令を入力し、第2の励磁電流指令と第2のトルク電流指令を出力する第1の制御ステップと、
前記第2の励磁電流指令と前記第2のトルク電流指令を入力し、第1の速度推定値を出力する第2の制御ステップと、
前記誘導電動機に流れる電流値と前記第2のトルク電流指令を入力し、第2の速度推定値を出力する第3の制御ステップと、を備え、
前記誘導電動機の速度が小さい領域では、前記第2の励磁電流指令の大きさを前記第2のトルク電流指令の大きさ以上となるよう制御され、かつ前記第1の速度推定値に基づき前記可変電圧可変周波数が制御され、
前記誘導電動機の速度が大きい領域では、前記第1の励磁電流指令と前記第2の励磁電流指令が一致するよう制御され、かつ前記第1のトルク電流指令と前記第2のトルク電流指令が一致するよう制御され、かつ前記第2の速度推定値に基づき前記可変電圧可変周波数が制御され、
前記第2の励磁電流指令と前記第2のトルク電流指令の積の大きさは、前記第1の励磁電流指令と前記第1のトルク電流指令との積の大きさ以上に制御され、
前記誘導電動機の速度が小さい領域と前記誘導電動機の速度が大きい領域との間に、第2の励磁電流指令を前記第1の励磁電流指令に、及び第2のトルク電流指令を前記第1のトルク電流指令に切り換える切り換え期間を有することを特徴とする誘導電動機の制御方法。 In a control method for controlling an induction motor with an alternating voltage having a variable voltage and a variable frequency calculated based on an input first excitation current command and a first torque current command,
A first control step of inputting a first excitation current command and a first torque current command, and outputting a second excitation current command and a second torque current command;
A second control step of inputting the second excitation current command and the second torque current command and outputting a first speed estimated value;
A third control step for inputting a current value flowing through the induction motor and the second torque current command and outputting a second estimated speed value;
In a region where the speed of the induction motor is low, the magnitude of the second excitation current command is controlled to be equal to or greater than the magnitude of the second torque current command, and the variable is based on the first speed estimation value. Voltage variable frequency is controlled,
In a region where the speed of the induction motor is high, control is performed so that the first excitation current command and the second excitation current command match, and the first torque current command and the second torque current command match. And the variable voltage variable frequency is controlled based on the second speed estimation value,
The magnitude of the product of the second excitation current command and the second torque current command is controlled to be greater than the magnitude of the product of the first excitation current command and the first torque current command,
Between the region where the speed of the induction motor is low and the region where the speed of the induction motor is high, a second excitation current command is set as the first excitation current command, and a second torque current command is set as the first torque current command. An induction motor control method comprising a switching period for switching to a torque current command.
前記切り換え期間において、前記第1の速度推定値と前記第2の速度推定値に基づいて生成された推定速度が、予め定めた第1の推定値(ωr1)に達した時点が切り換え開始点であることを特徴とする誘導電動機の制御方法。 In the control method of the induction motor according to claim 1,
When the estimated speed generated based on the first speed estimated value and the second speed estimated value reaches a predetermined first estimated value (ω r1 ) in the switching period, the switching start point A method for controlling an induction motor, characterized in that:
前記切り換え期間において、前記推定速度が、前記第1の推定値より大きい予め定めた第2の推定値(ωr2)に達した時点が切り換え終了点であることを特徴とする誘導電動機の制御方法。 In the control method of the induction motor according to claim 2,
A control method for an induction motor, characterized in that, in the switching period, a point in time when the estimated speed reaches a predetermined second estimated value (ω r2 ) greater than the first estimated value is a switching end point. .
前記切り換え期間では、電流指令を時間の関数または速度の関数として切り換えることを特徴とする誘導電動機の制御方法。 In the control method of the induction motor according to claim 1,
In the switching period, the current command is switched as a function of time or a function of speed.
前記誘導電動機により車輪を駆動することを特徴とする電気車両。 The method for controlling an induction motor according to claim 1 is provided,
An electric vehicle wherein wheels are driven by the induction motor.
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