JP4771385B2 - 誘導電動機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、入力された速度指令値に従って、速度センサを備えていない誘導電動機を、当該誘導電動機の一次電流を参照しながら制御する制御装置に関する。

従来から、電動機の制御装置は、制御すべき電動機の種類等に応じて様々なタイプのものが使用されている。例えば、速度センサを備えていない誘導電動機をベクトル制御する従来の制御装置としては、特許文献１に記載の図５のものが知られている。

この制御装置１’は、入力された速度指令値ω_r ^*に従って、誘導電動機２０の一次電流Ｉ_U,V,Wを参照しながら誘導電動機２０をベクトル制御するものである。
制御装置１’において、速度制御部２は、速度指令値ω_r ^*と演算により求められた実際の回転速度ω_rとの偏差が０になるような磁化電流指令値Ｉ_d ^*及びトルク電流指令値Ｉ_q ^*を求める。電流制御部３は、この磁化電流指令値Ｉ_d ^*と一次電流Ｉ_U,V,Wから求められた実際の磁化電流Ｉ_dとの偏差が０になるようなｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*と、トルク電流指令値Ｉ_q ^*と実際のトルク電流Ｉ_qとの偏差が０になるようなｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*とを求める。

二相−三相変換部４は、一次角周波数ω₁を積分部８で時間積分して得た磁束角θ₁を参照しながら、ｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*及びｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*を三相に変換し、一次電圧指令値Ｖ_U,V,Wを出力する。そして、インバータ５は、この一次電圧指令値Ｖ_U,V,Wに基づいて誘導電動機２０を駆動する。

三相−二相変換部６は、磁束角θ₁を参照しながら、インバータ５から誘導電動機２０に向かって流れる一次電流Ｉ_U,V,W（三相）に基づいて実際の磁化電流Ｉ_d及びトルク電流Ｉ_qを求める。

また、制御装置１’は、一次角周波数ω₁、ｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*及びｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*に基づいて、実際に流れるであろうトルク電流Ｉ_q（＝トルク電流予測値Ｉ_q ^**）を求める電流予測値計算部１０’を備えている。トルク電流予測値Ｉ_q ^**は、一般的なベクトル制御のための行列式の逆行列を用いて、次式により求められる。

ここで、Ｒ₁は誘導電動機２０の一次抵抗、Ｌ_aは誘導電動機２０の一次漏れインダクタンスと二次漏れインダクタンスとの和（以下、単に「漏れインダクタンス」という）、Ｌ_Mは誘導電動機２０の相互インダクタンスであり、これらは定数として定数記憶部１１に予め格納されている。

周波数制御部７は、上記（１）式によって求められたトルク電流予測値Ｉ_q ^**と実際のトルク電流Ｉ_qとの偏差が０になるような一次角周波数ω₁を求める。そして、速度制御部２は、この一次角周波数ω₁に滑り角周波数ω_slを加味して得た実際の誘導電動機２０の回転速度ω_rと速度指令値ω_r ^*との偏差が０になるような磁化電流指令値Ｉ_d ^*及びトルク電流指令値Ｉ_q ^*を求める。

結局、この従来の制御装置１’によれば、（１）式を用いることによってベクトル制御に必要な関係を維持しながら、磁化電流Ｉ_d及びトルク電流Ｉ_qを直接フィードバックしてｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*及びｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*を求めることにより、一次角周波数ω₁を介したフィードバックを行うタイプの制御装置よりも応答性を向上させることができる。

特願２００９−１３２２７号

しかしながら、この従来の制御装置１’では、定格回転数を超える回転数で誘導電動機２０を動作させた場合に、指示通りの制御が行えない場合があった。
すなわち、制御装置１’では、誘導電動機２０を高速回転させた場合に、トルク電流予測値Ｉ_q ^**が実際のトルク電流Ｉ_qよりもかなり高めに計算され、これに応じて電流から計算される一次角周波数ω₁も高めに計算される。そして、一次角周波数ω₁と実際の誘導電動機２０の回転数ω_rとの差が大きくなり（滑り角周波数ω_slが大きくなり過ぎる）、トルクが出ないために誘導電動機２０を指示通りの回転数で動作させることができなかった。

本発明は上記事情を鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、誘導電動機を指示通りに高速回転制御することができる制御装置を提供することにある。

本願発明者は、鋭意検討を重ねた結果、誘導電動機を高速回転させると漏れインダクタンスが増加すると仮定し、漏れインダクタンスを適宜補正してその増加分をキャンセルすれば高速回転中においても誘導電動機を指示通りに制御できることを見い出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明に係る制御装置は、入力された速度指令値ω_r ^*に従って、速度センサを備えていない誘導電動機を、当該誘導電動機の一次電流を参照しながら制御するものであって、トルク電流指令値Ｉ_q ^*と前記一次電流から求めた実際のトルク電流Ｉ_qとの偏差、及び磁化電流指令値Ｉ_d ^*と前記一次電流から求めた実際の磁化電流Ｉ_dとの偏差が０になるようなｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*及びｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*を求める電流制御部と、漏れインダクタンスＬ_aを含む当該誘導電動機の定数を参照しながら、少なくとも前記ｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*及び前記ｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*に基づいてトルク電流予測値Ｉ_q ^**を求める電流予測値計算部と、前記トルク電流予測値Ｉ_q ^**と前記実際のトルク電流Ｉ_qとの偏差が０になるような一次角周波数ω₁を求める周波数制御部と、前記一次角周波数ω₁に滑り角周波数を加味して求めた当該誘導電動機の回転速度ω_rと前記速度指令値ω_r ^*との偏差が０になるように、少なくとも前記トルク電流指令値Ｉ_q ^*を決定する速度制御部とを備え、前記電流予測値計算部において参照される前記漏れインダクタンスＬ_aは、前記一次角周波数ω₁に応じて補正された後のものであることを特徴とする。

具体的には、前記トルク電流予測値Ｉ_q ^**は、

（ただし、Ｒ₁、Ｌ_Mはそれぞれ当該誘導電動機の一次抵抗、相互インダクタンス）
の計算式によって求められ、前記補正は、前記一次角周波数ω₁に応じて前記漏れインダクタンスＬ_aを増加させるものであることが好ましい。

また、前記補正は、前記一次角周波数ω₁が当該誘導電動機の定格回転数を上回った場合にのみ行われるのが好ましい。

また、前記補正は、

（ただし、Ｌ_a'は補正後の漏れインダクタンス、ω_thは所定の閾値、Ａは補正の程度を調整するための任意の定数（０＜Ａ））
または、

（ただし、Ｌ_a'は補正後の漏れインダクタンス、ω_thは所定の閾値、Ａは補正の程度を調整するための任意の定数（１＜Ａ））
のいずれかの計算式によって行われることが好ましい。

本発明によれば、誘導電動機を指示通りに高速回転制御することができる制御装置を提供することができる。

本発明に係る制御装置のブロック図である。 実施例１に係る制御装置で補正された後の漏れインダクタンスのグラフである。 実施例２に係る制御装置で補正された後の漏れインダクタンスのグラフである。 変形例に係る制御装置で補正された後の漏れインダクタンスのグラフである。 従来の制御装置のブロック図である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る誘導電動機の制御装置の好ましい実施形態について説明する。なお、図１において、図５と同一の符号を付したブロックについては従来技術で説明したものと同様なので、ここでは説明を省略する。

図１に、実施例１に係る制御装置１のブロック図を示す。制御装置１は、入力された速度指令値ω_r ^*に従って、誘導電動機２０の一次電流Ｉ_U,V,Wを参照しながら誘導電動機２０をベクトル制御するものである。

この制御装置１において、電流予測値計算部１０は次式によりトルク電流予測値Ｉ_q ^**を求める。

ここで、Ｒ₁は誘導電動機２０の一次抵抗、Ｌ_aは誘導電動機２０の漏れインダクタンス、Ｌ_Mは誘導電動機２０の相互インダクタンスであり、これらは定数として定数記憶部１１に予め格納されている。

電流予測値計算部１０は、これらの定数のうち、一次抵抗Ｒ₁と相互インダクタンスＬ_Mについては定数記憶部１１に格納されているものをそのまま用いるが、漏れインダクタンスＬ_aについては、定数補正部１２で補正した後のものを用いて（２）式の計算を行う。

具体的には、実施例１に係る制御装置１において、電流予測値計算部１０は、まず一次角周波数ω₁の絶対値｜ω₁｜が所定の閾値ω_thを超えているか否かを判定し、超えていないと判定した場合は、定数記憶部１１に格納されている漏れインダクタンスＬ_aをそのまま用いて、つまり補正することなく（２）式の計算を行う。一方、｜ω₁｜が閾値ω_thを超えていると判定した場合は、次式により漏れインダクタンスＬ_aの補正を行う。

ここで、Ｌ_a ^'は補正後の漏れインダクタンス、Ａは補正の程度を調整するための任意の定数（０＜Ａ）である。

図２は、（２）式の計算に用いられる漏れインダクタンスＬ_a（Ｌ_a ^'）のグラフである。一次角周波数ω₁の絶対値｜ω₁｜が閾値ω_thを超えていない場合は、前記の通り、定数記憶部１１に格納されている漏れインダクタンスＬ_aがそのまま用いられる。本実施例では、閾値ω_thが誘導電動機２０の定格回転数ω_mよりも高く設定されているので、誘導電動機２０を定格回転数ω_m以下で制御する場合は、補正は行われない。

一方、一次角周波数ω₁の絶対値｜ω₁｜が閾値ω_thを超えると、補正により漏れインダクタンスＬ_a'は一次関数的に増加し、補正によって増加した後の漏れインダクタンスＬ_a'が（２）式の計算に用いられる。例えば、Ａ＝１、ω₁＝１．５×ω_thとすると、漏れインダクタンスＬ_a'はＬ_aの１．５倍となり、（２）式のＬ_aには“１．５×Ｌ_a”が代入される。そして、トルク電流予測値Ｉ_q ^**は、当該補正を行わなかった場合の約１／１．５倍となる。

続いて、実施例２に係る制御装置について説明する。本実施例に係る制御装置と実施例１に係る制御装置１とは、漏れインダクタンスＬ_aを補正するための計算式が異なっており、本実施例では次式により補正が行われる。

ここで、Ａは補正の程度を調整するための任意の定数（１＜Ａ）である。

図３は、（２）式の計算に用いられる漏れインダクタンスＬ_a（Ｌ_a ^'）のグラフである。実施例１と同様に、一次角周波数ω₁の絶対値｜ω₁｜が閾値ω_thを超えていない場合は、定数記憶部１１に格納されている漏れインダクタンスＬ_aがそのまま用いられる。

一方、一次角周波数ω₁の絶対値｜ω₁｜が閾値ω_thを超えると、補正により漏れインダクタンスＬ_a'は指数関数的に増加し、補正によって増加した後の漏れインダクタンスＬ_a'が（２）式の計算に用いられる。図３に示すように、本実施例では、閾値ω_thが定格回転数ω_mに等しく設定されているので、誘導電動機２０の回転数が定格回転数ω_mを超えると補正が行われる。例えば、Ａ＝２、ω₁＝１．５×ω_thとすると、漏れインダクタンスＬ_a'はＬ_aの１．２５倍となり、（２）式のＬ_aには“１．２５×Ｌ_a”が代入される。そして、トルク電流予測値Ｉ_q ^**は、当該補正を行わなかった場合の約１／１．２５倍となる。

以上のように、本発明に係る制御装置１では、誘導電動機２０を高速回転させた場合に、（２）式中の漏れインダクタンスＬ_aを増加させる補正が行われる。そして、これにより、当該補正が行われなかった場合に比べてトルク電流予測値Ｉ_q ^**が低めに計算されるので、トルク不足になることなく、誘導電動機２０を指示通りの回転数で動作させることができる。

なお、本発明は上記構成に限定されるものではなく、下記のような構成も含まれる。
例えば、漏れインダクタンスＬ_a'は一次角周波数ω₁に応じて増加すればよく、補正のための計算式は上記（３）（４）式に限定されない。また、漏れインダクタンスＬ_a'は、一次角周波数ω₁が変わる度に計算するほか、一次角周波数ω₁と漏れインダクタンスＬ_a'との対応関係を表すテーブルを参照することによって求めてもよい。

さらに、上記各実施例では、一次角周波数ω₁の絶対値｜ω₁｜が定格回転数ω_mを超えた場合に補正が行われるよう閾値ω_thを設定したが、これに限定されるものではない。例えば、図４に示すように、｜ω₁｜が第１の閾値ω_th1（＜ω_m）と第２の閾値ω_th2（＞ω_m）との間にある場合は、漏れインダクタンスＬ_a'を緩やかに増加させる第１の補正が行われ、｜ω₁｜が第２の閾値ω_th2を超えると漏れインダクタンスＬ_a'を急激に増加させる第２の補正が行われるようにしてもよい。

１ 制御装置
２ 速度制御部
３ 電流制御部
４ 二相−三相変換部
５ インバータ
６ 三相−二相変換部
７ 周波数制御部
８ 積分部
９ 滑り角周波数計算部
１０ 電流予測値計算部
１１ 定数記憶部
１２ 定数補正部
２０ 誘導電動機

Claims (4)

1. 入力された速度指令値ω_r ^*に従って、速度センサを備えていない誘導電動機を、当該誘導電動機の一次電流を参照しながら制御する制御装置であって、
   トルク電流指令値Ｉ_q ^*と前記一次電流から求めた実際のトルク電流Ｉ_qとの偏差、及び磁化電流指令値Ｉ_d ^*と前記一次電流から求めた実際の磁化電流Ｉ_dとの偏差が０になるようなｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*及びｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*を求める電流制御部と、
   漏れインダクタンスＬ_aを含む当該誘導電動機の定数を参照しながら、少なくとも前記ｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*及び前記ｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*に基づいてトルク電流予測値Ｉ_q ^**を求める電流予測値計算部と、
   前記トルク電流予測値Ｉ_q ^**と前記実際のトルク電流Ｉ_qとの偏差が０になるような一次角周波数ω₁を求める周波数制御部と、
   前記一次角周波数ω₁に滑り角周波数を加味して求めた当該誘導電動機の回転速度ω_rと前記速度指令値ω_r ^*との偏差が０になるように、少なくとも前記トルク電流指令値Ｉ_q ^*を決定する速度制御部と、
   を備え、前記電流予測値計算部において参照される前記漏れインダクタンスＬ_aは、前記一次角周波数ω₁に応じて補正された後のものであることを特徴とする制御装置。
2. 前記トルク電流予測値Ｉ_q ^**は、
   

   

   （ただし、Ｒ₁、Ｌ_Mはそれぞれ当該誘導電動機の一次抵抗、相互インダクタンス）
   の計算式によって求められ、
   前記補正は、前記一次角周波数ω₁に応じて前記漏れインダクタンスＬ_aを増加させるものであることを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
3. 前記補正は、前記一次角周波数ω₁が所定の閾値を上回った場合にのみ行われることを特徴とする請求項２に記載の制御装置。
4. 前記補正が、
   

   

   （ただし、Ｌ_a'は補正後の漏れインダクタンス、ω_thは所定の閾値、Ａは補正の程度を調整するための任意の定数（０＜Ａ））
   または、
   

   

   （ただし、Ｌ_a'は補正後の漏れインダクタンス、ω_thは所定の閾値、Ａは補正の程度を調整するための任意の定数（１＜Ａ））
   のいずれかの計算式によって行われることを特徴とする請求項３に記載の制御装置。

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