JP4730493B2 - 同期電動機制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、同期電動機、特に永久磁石を界磁に用いた同期電動機制御装置に関し、さらに詳細には、広い定出力範囲を必要とする同期電動機制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
特開平10−14299号公報に開示された、1:nの定出力比を必要とする同期電動機の一種である永久磁石同期電動機の制御方法では、同期電動機の最高回転速度をNtopとし、基底回転速度Nbase=Ntop/nと表し、同期電動機の回転速度Nを、(A)0<N≦Nbaseの範囲と、(B)Nbase<N≦Ntopの2つの制御範囲に分けてベクトル制御を行っている。以下にこの制御方法を具体的に説明する。
【0003】
まず、(A)の制御範囲では、所要出力を確保するのに必要な、トルク指令Tref(%)に準拠して流れるq軸電流指令Iq、トルク指令比例成分のq軸電流指令Iq1、d軸電流指令Id、トルク指令比例成分のd軸電流指令Id1の関係を、
Iq=Iq1=Iqmax×(Tref/100)[Iqmaxは、100%定格時のq軸電流指令Iq]…(1)、Id=Kd1×Iq[ただし、Kd1は比例定数]…(2)
と定めてベクトル制御を行う。
【0004】
さらに、(B)の制御範囲では、所要出力を確保するためのq軸電流指令Iq1、q軸電流指令Id1の関係に加え、同期電動機端子電圧を抑制させるためのd軸電流指令Id0を、Id0=Kd2×(N−Nbase)/(Ntop−Nbase)[ただし、Kd2は比例定数]…(3)、Id=Id0+Id1…(4)と定めて、ベクトル制御を行う。
【0005】
図5は、上述の制御方法を実行するための制御装置のブロック図である。図5に示すように、1はベクトル演算部、2はPWM発生部、3はインバータパワー部、4は永久磁石同期電動機(モータ)、5は位置検出器(PG)、6は速度演算器、7は3相d−q変換器、8はId1演算器、9はId0演算器、10は電流検出器、11は速度調整器、12はIq1変換器、14、15、17は減算器、16は加算器である。
【0006】
速度演算器6は、PG5から得られるモータ4の位置から、その回転速度、すなわち速度フィードバック信号Nを算出する。減算器14によって得られる速度指令N*と、速度フィードバック信号Nとの偏差eは、速度調整器11に入力される。速度調整器11はその速度偏差eに基づいて比例−積分(PI)制御を行ってトルク指令Trefを出力する。Iq1変換器12は、上述の式(2)を用いてトルク指令Trefをq軸電流指令Iqに変換して出力する。
【0007】
q軸電流指令Iqが、トルク指令比例成分としてId1演算器8に入力されることで、q軸電流指令Iqに比例係数Kd1を掛けたd軸電流指令Id1が生成される。減算器15は、q軸電流指令Iqと、電流検出器10によって検出されたモータ電流を3相d−q変換器7に入力することによって得られるq軸電流フィードバック信号Iqfbとの差を求めて、ベクトル演算部1に入力する。
【0008】
一方、d軸電流指令Idは、速度フィードバック信号NがId0演算器9に入力されることによって得られる速度比例成分のd軸電流指令Id0と、d軸電流指令Id1とが、加算器16で足し合わされることによって作成される。減算器17は、d軸電流指令Idからd軸電流フィードバック信号Idfbを減算してベクトル演算部1に入力する。
【0009】
ベクトル演算部1は、モータ4の電圧指令V*と位相制御角指令θ*とを出力する。PWM発生部2は、電圧指令V*と位相制御角指令θ*に基づいてPWMパルスを生成してインバータパワー部3を駆動し、モータ4の速度制御を行う。
【0010】
図6は、モータ4、すなわち同期電動機の等価回路図である。モータ4の極数をPoleとすると、モータ4の角速度ωは、以下の式(5)のように表される。
【0011】
ω=2π×Pole/120×N…(5)
モータ4の一次抵抗r≒0、q軸電圧をVq、d軸電圧をVdとすると、モータ4の端子電圧VMは、以下の式(6)のように表される。
【0012】
VM 2=Vq 2+Vd 2…(6)
また、モータ4の誘起電圧Eは以下の式(7)のように表される。
【0013】
E=KE×N [KEは、磁石の誘起電圧係数]…(7)
モータ4のq軸電圧Vqは、以下の式(8)のように表される。
【0014】
Vq=E−Id×Ld×ω
=N(b−aN)
[ただし、a=Ld×2π×Pole/120×Kd2/Ntop−Nbase、b=KE+Ld×2π×Pole/120(Kd2×Nbase/(Ntop−Nbase)−Kd1×Iqmax×(Tref/100))、Ldはモータ4のd軸インダクタンス]…(8)
モータ4のd軸電圧Vdは、以下の式(9)のように表される。
【0015】
Vd=−IqLqω
=−cN
[ただし、c=Lq×2π×Pole/120×Iqmax×(Tref/100))、Lqはモータ4のq軸インダクタンス]…(9)
式(6)、(8)、(9)より、モータ4の端子電圧VMは、以下の式(10)のように表される。
【0016】
VM=N×√((b−aN)2+c2)…(10)
図5は、モータ4の回転速度、すなわち速度フィードバック信号Nと、端子電圧VMと、q軸電圧Vq、d軸電圧Vdとの関係を示すグラフである。図5に示すように、q軸電圧Vqは、式(6)に示すようにN=b/2aで最大となり、d軸電圧Vdが、式(8)に示すようにN=Ntopで最大となり、端子電圧VMは、式(10)に示すように、N=b/aで最大となる。
【0017】
以上述べたように、1:nの定出力比を必要とする同期電動機の一種である永久磁石同期電動機の制御方法では、モータ4の加速中に端子電圧がN=b/aで最大となって飽和し、制御不能となって加速時間が長くなってしまうという問題があった。
【0018】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、1:nの定出力比を必要とする同期電動機の一種である永久磁石同期電動機の従来の制御方法では、モータの端子電圧が最高回転速度と基底回転速度との間で最大となるため、モータの加速中に端子電圧が飽和し、制御不能となって加速時間が長くなってしまうという問題があった。
【0019】
本発明は、端子電圧が飽和しにくくなり、安定した加速を実現することができる同期電動機制御装置を提供することを目的とする。
【0020】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために、本発明の同期電動機の制御装置では、
1:nの定出力比を必要とする同期電動機の最高回転速度をNtopとし、基底回転速度をNbase=Ntop/nと表し、同期電動機の回転速度Nを、(A)0<N≦Nbaseの範囲と、(B)Nbase<N≦Ntopの範囲との2つの制御範囲に分け、
(A)の制御範囲では、所要出力を確保するのに必要な、トルク指令Tref(%)に準拠して流れるq軸電流指令Iq、q軸電流指令Iq1、d軸電流指令Id、トルク指令比例成分のd軸電流指令Id1の関係を、I q1 変換器によりIq=Iq1=Iqmax×(Tref/100)[Iqmaxは、100%定格時のq軸電流指令Iq]と定め、I q を出力し、I d1 変換器によりId=Id1=Kd1×Iq[ただし、Kd1は比例定数]と定め、I d1 を出力し、
(B)の制御範囲では、前述のq軸電流指令Iq、Iq1、d軸電流指令Id1の関係に加え、同期電動機端子電圧VMを抑制させるためのd軸電流指令Id0を、I d0 演算器によりId0=Kd2×Kd3×(N−Nbase)/(Ntop−Nbase)[ただし、Kd2 は比例定数、Kd3は変数]と定め、I d0 =を出力し、d軸電流指令Idを、加算器によりId=Id0+Id1と定めて出力し、ベクトル制御を行う同期電動機制御装置において、
インバータパワー部を駆動する際に入力されるRUN信号と、電流検出器によって検出される電流と、速度演算器から出力される速度フィードバック信号とを入力し、前記RUN信号がアクティブの場合、前記電流検出器によって検出される電流からトルクを演算して、そのトルクの変動に基づいて前記同期電動機が加速中であるか否かを判定し、前記同期電動機が加速中であると判定した場合、前記変数K d3 を前記速度フィードバック信号が示す回転速度Nに比例した値にして、前記I d0 演算器に設定する加速判定器を有する。
【0021】
本発明の同期電動機制御装置では、同期電動機の加速中においては、Kd3を1以上の変数として、同期電動機の回転角度Nに比例して増減させる。こうすることによって、同期電動機の端子電圧を抑制するd軸電流指令を同期電動機の回転速度の2乗に比例させ、d軸電流指令を大きくする。そのため、本発明の同期電動機制御装置では、加速中に同期電動機の端子電圧が飽和しにくくなり、安定した加速を実現することができる。
【0022】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の一実施形態の同期電動機制御装置について図面を参照して詳細に説明する。図1は、本実施形態の同期電動機制御装置の構成を示すブロック図である。図1に示すように、この制御装置は、Id0 演算器9の代わりにId0 演算器19を備え、加速判定器13を新たに備えている点が、図5に示す同期電動機制御装置と異なっている。
【0023】
Id0 演算器19は、前述の(A)の制御範囲では、Id0を0とし、(B)の制御範囲では、以下の式(11)によってId0を算出して出力する。
【0024】
Id0=Kd2×Kd3×(N−Nbase)/(Ntop−Nbase)[ただし、Kd2は比例定数、Kd3は、モータ4加速中は1以上の変数であり、それ以外のときは、比例定数]…(11)
加速判定器13は、インバータパワー部3を駆動する際に入力されるRUN信号と、電流検出器10によって検出される電流と、速度演算器6から出力される速度フィードバック信号Nとを入力する。加速判定器13は、RUN信号がアクティブであって、電流検出器10によって検出される電流からトルクを演算して、そのトルクの変動に基づいてモータ4が加速中であるか否かを判定する。モータ4が加速中であると判定した場合、加速判定器13は、速度フィードバック信号Nを入力し、Kd3を決定してId0演算器19に設定する。Kd3は、モータ4加速中には、速度フィードバック信号Nに比例した値となる。
【0025】
本実施形態の同期電動機制御装置についてまとめる。本実施形態の同期電動機制御装置では、従来の同期電動機制御装置と同様に、同期電動機の最高回転速度をNtopとし、基底回転速度をNbase=Ntop/nと表し、同期電動機の回転速度Nを、(A)0<N≦Nbaseの範囲と、(B)Nbase<N≦Ntopの2つの制御範囲に分けてベクトル制御を行う。
【0026】
まず、(A)の制御範囲では、所要出力を確保するのに必要な、トルク指令Tref(%)に準拠して流れるq軸電流指令Iq、トルク指令比例成分のq軸電流指令Iq1、d軸電流指令Id、トルク指令比例成分のd軸電流指令Id1の関係を、前述の式(2)のように定めてベクトル制御を行う。
【0027】
さらに、(B)の制御範囲では、前述のq軸電流指令Iq1、d軸電流指令Id1の関係に加え、同期電動機端子電圧VMを抑制させるためのd軸電流指令Id0を、上述の式(11)と、Id=Id0+Id1…(12)のように定めて、ベクトル制御を行う。
【0028】
モータ4のq軸電圧Vqは、以下の式(13)のように表される。
【0029】
Vq=E−Id×Ld×ω
=N(b’−a’N)
[ただし、a’=Ld×2π×Pole/120×Kd2×Kd3/Ntop−Nbase、b’=KE+Ld×2π×Pole/120(Kd2×Nbase/(Ntop−Nbase)−Kd1×Iqmax×(Tref/100))、Ldはモータ4のd軸インダクタンス]…(13)
モータ4のd軸電圧Vdは、上述の式(9)のように表される。
【0030】
式(6)、(9)、(13)より、モータ4の端子電圧VMは、以下の式(14)のようになる。
【0031】
VM=N×√((b'−a'N)2+c2)…(14)
図2は、本実施形態の同期電動機制御装置を用いた場合のモータ4の加速時における、モータ4の回転速度Nと、d軸電圧Vd、q軸電圧Vq、端子電圧VMの変動の様子を示すグラフである。図2に示すように、q軸電圧Vqは、式(13)に示すようにN=b'/2a'で最大となり、d軸電圧Vdは、式(9)に示すようにN=Ntopで最大となり、端子電圧VMは、式(14)に示すように、N=b'/a'で最大となる。前述のように、本実施形態の同期電動機制御装置では、モータ4の加速中においては、Kd3を(Kd3は1以上の変数)モータ4の回転角度Nに比例して増減させる。
【0032】
本実施形態の同期電動機制御装置では、従来の同期電動機制御装置に比べ、モータ4のどの回転速度Nにおいてもd軸電圧Vdの値は同じであるが、q軸電圧Vqが最大となるモータ4の回転速度b'/2a'は、b/2aよりも小さくなるとともに、端子電圧VMが最大値となるモータ4の回転速度b'/a'もb/aよりも小さくなる。したがって、本実施形態の同期電動機制御装置では、端子電圧VMの最大値は、従来の同期電動機制御装置での端子電圧VMの最大値よりも小さくなる。
【0033】
図3は、本実施形態の同期電動機制御装置を用いた場合の、モータ4加速時におけるモータ4の出力P、回転速度N、d軸電流指令Id0、Id1、q軸電流指令Iq、端子電圧VMの様子を示すグラフである。図3に示すように、本実施形態の同期電動機制御装置におけるモータ4加速中のd軸電流指令Id0は、従来の同期電動機制御装置におけるd軸電流指令Id0よりも大きい値となっており、その増加は、回転速度Nの2乗に比例したものとなる。このd軸電流指令Id0は、モータ4の端子電圧VMを抑制する成分、すなわち弱め界磁量である。そのため、図3に示すように、モータ4の端子電圧VMは、従来の同期電動機制御装置のモータ4の端子電圧VMよりも小さくなる。そのため、本実施形態の同期電動機制御装置では、加速中におけるモータ4の端子電圧VMを飽和させにくくして、安定した加速を実現することができる。
【0034】
さらに、比例定数Kd1、Kd2を負数(−)にし、制御対象となるモータ4を、直軸(d軸)インダクタンスLdが、横軸(q軸)インダクタンスLqよりも小さいLq>Ldとなる突極性を有する永久磁石同期電動機とすることができる。図4は、その一例を示すものである。同図のように、d軸上には永久磁石が存在し、ステータ側からの電機子反作用による磁束は通りにくく、従ってd軸方向インダクタンスLdは小さい。逆に、これと直交する方向のq軸方向は、電機子反作用磁束が鉄心コア(ロータコア)があるため通りやすく、q軸方向インダクタンスLqは大きくなり、Lq>Ldの関係の突極形となっている。(これに対してLq=Ldは円筒形という)。そして、直交するd−q座標軸上で、磁石磁束ベクトル方向をプラス(+)方向に取った場合、この磁石磁束を弱める方向、つまりマイナス(−)方向にId電流(−Id)を流すようにする。このために、比例定数Kd1、Kd2を負数(−)にして制御すると、電流ベクトルは、モータ4の誘起電圧ベクトルに対し進み位相となり、モータ4の誘起電圧が弱められ(抑制され)、さらに突極性によりリラクタンストルクが磁石トルクに重畳されるので、モータの定出力範囲を広くとることができる。また、図4の磁石が挿入されていない場合がリラクタンス形同期電動機となり、この場合は、図4中のd軸、q軸が入れ替わる(d軸→q軸に変更、q軸→d軸に変更)。そして、比例定数Kd1、Kd2を正数(+)にして、+Idを流すように制御する。このため、電流ベクトルは、d軸磁束ベクトルに対し、遅れ位相となり、リラクタンストルクが発生する。加えて、本発明の制御式を用いることで、これも広範囲の定出力特性が得られる。
【0035】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の同期電動機制御装置では、同期電動機の加速中においては、Kd3を1以上の変数とし、前記回転角度Nに比例して増減させる。こうすることによって、同期電動機の端子電圧を抑制するd軸電流指令を同期電動機の回転速度の2乗に比例させ、d軸電流指令を大きくする。そのため、本発明の同期電動機制御装置では、加速中に同期電動機の端子電圧が飽和しにくくなり、安定した加速を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態の同期電動機制御装置の構成を示すブロック図である。
【図2】本発明の一実施形態の同期電動機制御装置を実行した場合のモータの加速時における、モータの回転速度と、d軸電圧、q軸電圧、端子電圧の変動の様子を示すグラフである。
【図3】本発明の一実施形態の同期電動機制御装置を用いた場合の、モータ加速時における、モータの出力、回転速度、d軸電流指令、q軸電流指令、端子電圧の様子を示すグラフである。
【図4】永久磁石同期電動機の構造を示す図である。
【図5】従来の同期電動機制御装置のブロック図である。
【図6】同期電動機の等価回路図である。
【図7】従来の同期電動機制御装置における、モータの回転速度と、端子電圧と、q軸電圧、d軸電圧との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1 ベクトル演算部
2 PWM発生部
3 インバータパワー部
4 同期電動機(モータ)
5 位置検出器(PG)
6 速度演算器
7 3相d−q変換器
8 Id1変換器
9、19 Id0 演算器
10 電流検出器
11 速度調整器
12 Iq1変換器
13 加速判定器
14、15、17 減算器
16 加算器
Claims (2)
- 1:nの定出力比を必要とする同期電動機の最高回転速度をNtopとし、基底回転速度をNbase=Ntop/nと表し、同期電動機の回転速度Nを、(A)0<N≦Nbaseの範囲と、(B)Nbase<N≦Ntopの範囲との2つの制御範囲に分け、
(A)の制御範囲では、所要出力を確保するのに必要な、トルク指令Tref(%)に準拠して流れるq軸電流指令Iq、q軸電流指令Iq1、d軸電流指令Id、トルク指令比例成分のd軸電流指令Id1の関係を、I q1 変換器によりIq=Iq1=Iqmax×(Tref/100)[Iqmaxは、100%定格時のq軸電流指令Iq]と定め、I q を出力し、I d1 変換器によりId=Id1=Kd1×Iq[ただし、Kd1は比例定数]と定め、I d1 を出力し、
(B)の制御範囲では、前述のq軸電流指令Iq、Iq1、d軸電流指令Id1の関係に加え、同期電動機端子電圧VMを抑制させるためのd軸電流指令Id0を、I d0 演算器によりId0=Kd2×Kd3×(N−Nbase)/(Ntop−Nbase)[ただし、Kd2 は比例定数、Kd3は変数]と定め、I d0 =を出力し、d軸電流指令Idを、加算器によりId=Id0+Id1と定めて出力し、ベクトル制御を行う同期電動機制御装置において、
インバータパワー部を駆動する際に入力されるRUN信号と、電流検出器によって検出される電流と、速度演算器から出力される速度フィードバック信号とを入力し、前記RUN信号がアクティブの場合、前記電流検出器によって検出される電流からトルクを演算して、そのトルクの変動に基づいて前記同期電動機が加速中であるか否かを判定し、前記同期電動機が加速中であると判定した場合、前記変数K d3 を前記速度フィードバック信号が示す回転速度Nに比例した値にして、前記I d0 演算器に設定する加速判定器を有することを特徴とする同期電動機制御装置。 - 前記比例定数Kd1、Kd2 が負数(−)であり、制御対象となる前記同期電動機が、直軸(d軸)インダクタンスLdが、横軸(q軸)インダクタンスLqよりも小さいLq>Ldとなる突極性を有する永久磁石同期電動機である、請求項1記載の同期電動機制御装置。
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