JP4774796B2 - 永久磁石形同期電動機の駆動装置 - Google Patents

Description

この発明は、永久磁石形同期電動機の駆動装置、特に電動機の回転子位置や相電流の検出器を持たない永久磁石形同期電動機の駆動装置に関する。

電動機の回転子位置や相電流の検出器を持たない永久磁石形同期電動機の制御方式として、インバータ母線上に設けた直流電流検出器のみの検出値に基づき、同期電動機に印加する電圧と周波数とを調整して電動機を制御する方式が、例えば非特許文献１に開示されている。この方式は、構成が簡素で制御が簡単であるという特徴がある。

図３は上記非特許文献１に示す方式を示すブロック図である。
同図において、１１は３相インバータ、１２は永久磁石形同期電動機、１３は周波数指令器、１４は周波数／電圧（ｆ／ｖ）変換器、１５はパルス幅変調器、１７は電流検出器、１８はローパスフィルタ、１９は有効電流演算器、２０は高域周波数成分を通過させるハイパスフィルタ、２１は比例演算器、２２は加減算器、２３は積分器を示す。

周波数指令器１３には同期電動機１２の同期速度（周波数指令ｆ＊）が設定され、ｆ／ｖ変換器１４は周波数指令ｆ＊に応じた電圧指令ｖ＊を出力する。積分器２３は周波数指令ｆ＊を積分し、同期電動機１２の固定子巻線に印加する電圧の位相θを演算する。パルス幅変調器１５は電圧指令ｖ＊および位相θに基づきパルス幅変調（ＰＷＭ）をして駆動パルスを生成し、３相インバータ１１のスイッチング素子をオン，オフ制御する。
３相インバータ１１からはパルス幅制御された３相の交流電圧が出力され、この電圧は同期電動機１２の巻線に印加されて回転磁界を発生させる。

電流検出器１７は、インバータの入力直流電流（母線電流ともいう）を検出する。インバータ母線電流はパルス幅変調器１５のスイッチングによりパルス状の電流となるため、電流検出器１７から得られるインバータ母線電流検出信号Ｉｄｃ０から、ローパスフィルタ１８によって高周波帯域成分を除去し、インバータ母線電流平均値Ｉｄｃを求める。
次に、有効電流演算器１９は、インバータ母線電流平均値Ｉｄｃから有効電流ｉδを求める。その求め方は、以下のとおりである。

インバータ出力電力Ｗｉｎｖは、インバータ直流電圧をＥｄｃとすると、次の（１）式のように示される。
Ｗｉｎｖ＝Ｅｄｃ・Ｉｄｃ …（１）
また、同期電動機に入力される電力Ｗｍｏｔは、次の（２）式で表わされる。
Ｗｍｏｔ＝３・Ｉｒｍｓ・（ｖ＊／√２）・ｃｏｓφ …（２）
Ｉｒｍｓ：１相当りの電動機相電流の実効値
ｖ＊ ：インバータに与える電圧振幅の指令値

また、φは力率角で、次の（３）式で与えられる。
ｃｏｓφ＝ｉδ／Ｉｒｍｓ …（３）
インバータ出力電力Ｗｉｎｖと、同期電動機に入力される電力Ｗｍｏｔとは等しいから、
上記（１），（２）式より、
ｉδ＝√２・Ｉｄｃ・Ｅｄｃ／（３・ｖ＊） …（４）
となり、インバータ母線電流平均値Ｉｄｃから有効電流ｉδが求められる。

上記有効電流ｉδは定常状態では直流量となるが、定常状態からの同期速度のずれが生じるとｉδに減衰のない振動が発生し、系が不安定になる。そこで、ｉδの変動分Δｉδを、ハイパスフィルタ２０によりｉδから直流分を除去して求め、比例演算器２１でΔｉδに所定のゲインを乗じることで周波数補正量Δｆ＊を求め、先の周波数指令ｆ＊に負帰還する。これによりｉδの変動を減少させ、系の状態を定常状態に近づけ、制御系を安定させるようにしている。

ところで、電動機の制御では、印加電圧の位相と、電動機回転子位置の位相とのずれが過大になると電動機の制御ができなくなる、いわゆる脱調状態に陥ることがある。このとき、電動機回転子位置の検出器、または電気角の検出器を有するシステムでは、この脱調状態を容易に検出することができる。しかし、上記のような母線電流のみを検出する方式では、印加電圧の位相と、電動機回転子位置の位相とのずれを小さくし、安定な駆動はできるものの、位相のずれそのものを検出することはできない。つまり、突発的な負荷の印加など、想定外の外乱による脱調の対策は施されていない。

なお、直流電流から脱調を検出するものとしては、例えば特許文献１〜５に示すものがある。
２００４年電気学会産業応用部門全国大会予稿集，ｐｐ．Ｉ−３３５〜３３６「インバータ直流電流の検出によるＰＭＳＭの安定化Ｖ／ｆ制御方式」 特開平０３−２５３２９４号公報 特開平０７−０８７７８２号公報 特開平１１−０７５３８９号公報 特開２００４−０６４９０２号公報 特開２００４−１６６４３６号公報

しかしながら、特許文献１〜５に示す脱調検出はいずれも複雑であるだけでなく、電動機の安定な制御については特に考慮されていない。
したがって、この発明の課題は、電動機の安定な制御を図るとともに、簡単な構成で脱調への対応を可能にすることにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、永久磁石形同期電動機と、この電動機を駆動するインバータと、このインバータに与えられる直流入力電流を検出する電流検出手段と、その検出された電流の特定周波数成分を選択して抽出する抽出手段と、その抽出値が所定基準値を超えたときに前記電動機を脱調と判断する判定手段とを設けたことを特徴とする。

上記、請求項１の発明においては、前記抽出手段は、ローパスフィルタであることができ（請求項２の発明）、または前記抽出手段は、ローパスフィルタおよびハイパスフィルタであることができ（請求項３の発明）、もしくは前記抽出手段は、バンドパスフィルタであることができる（請求項４の発明）。また、これら請求項１〜４の発明では、前記電動機の脱調を判断する基準値を、電動機の速度または加速度の少なくとも一方に基づく値とすることができる（請求項５の発明）。

この発明によれば、母線電流のみを検出し、印加電圧の位相と電動機回転子位置の位相とのずれを小さくして、安定な駆動が可能なシステムに、インバータ母線電流の特定の周波数成分を選択して抽出する抽出手段と、その抽出した値に基づき脱調を判断する判定手段とを付加することで、特別な検出器を追加することなく確実に脱調を検出し、電動機を停止させるなどの安全のための手段を講じることができる利点がもたらされる。

図１はこの発明の実施の形態を示す構成図である。
これは、図３に示すものに対しフィルタ３０および脱調検出手段３２を付加した点が特徴である。すなわち、図３のような制御方式で脱調が生じた直後は、インバータ１１の出力電圧は脱調前とほぼ同じ周波数に維持される。一方、脱調により電動機は負荷を所定速度で駆動するのに必要なトルクを維持できなくなるため、回転速度が低下する。したがって、インバータ１１の出力電圧と電動機の誘起電圧が非同期となり、異なる周波数の電圧が電動機のインピーダンスを介して接続されるため、これが擾乱となって電動機の相電流が乱れ、インバータ１１の母線電流に振動成分となって現れる。

図２に上記母線電流の波形例を示す。図２（ｂ），（ｃ）は図２（ａ）を部分的に拡大したものである。つまり、パルス幅変調器のスイッチングによる高周波帯域成分を除去した母線電流の波形Ｉｄｃ’は、図２（ａ）の下側（上側は速度）に示すようになり、図２（ｂ）の非脱調時と、図２（ｃ）の脱調時とでは電流波形Ｉｄｃ’が明らかに異なっている。そこで、この発明では以下のようにする。

電流検出器１７で検出した母線電流Ｉｄｃ0を、フィルタ３０でフィルタ処理する。このフィルタ処理では、少なくともパルス幅変調器のスイッチングによる高周波帯域成分を除くものとする。そして、このフィルタ３０の出力Ｉｆが所定のスレッショルド値（基準値）を超えるか否かを判定し、超えた場合は脱調と判断することができる。なお、図１では駆動制御用としてローパスフィルタ１８を有しているため、これを脱調検出用として兼用するようにしても良い。なお、脱調検出のためのスレッショルド値については、例えば予め測定しておいた脱調時の母線電流Ｉｄｃ’に基づき決定することができる。

次のようにすることもできる。
すなわち、フィルタ３０を母線電流の振動成分を抽出するバンドパスフィルタとするか、またはローパスフィルタおよびハイパスフィルタで構成することで、母線電流の振動成分を抽出するものである。この場合も、ローパスフィルタ１８を脱調検出用として兼用できるのは、勿論である。そして、このフィルタ３０の出力Ｉｆが所定のスレッショルド値（基準値）を超えるか否かを判定し、超えた場合に脱調と判断することができる。

上記振動成分については、積分値を用いても良い。つまり、振動成分の積分値が所定のスレッショルド値を超えたことで判定することにより、母線電流の振動が或る時間継続した場合に脱調と判断するため、突発的なノイズ等の影響を受けることなく、確実に電動機の脱調を検出することができる。
また、脱調時における母線電流の振動の現われ方は、電動機の動作条件によって異なるものと考えられる。例えば、電動機の速度が高い場合には電動機の誘起電圧が大きいため、脱調後に現われる母線電流の振動成分は大きくなる。また、加減速時には出力電圧と電動機の誘起電圧の位相がずれやすくなるため、定常速度運転時に比べて振動的になる。したがって、速度や加速度の条件によって脱調判定に用いるスレッショルド値を変更することにより、誤検出や検出漏れを防ぐことができる。

なお、図１は、抵抗，コンデンサ，オペアンプ，スイッチング素子などのディスクリート素子を用いて構成できるだけでなく、マイクロコンピュータなどの演算処理装置のソフトウエアで実現することも可能である。
以上のようにして脱調を検出した場合は、例えば上位の制御器に電圧の印加の停止を指令して、インバータおよび電動機を安全に停止させることができ、装置の破損を防ぐことができる。

この発明の実施の形態を示す構成図 図１における母線電流を説明する波形図 従来例を示す構成図

符号の説明

１０…直流母線、１１…インバータ、１２…永久磁石形同期電動機、１３…周波数指令器、１４…ｆ／ｖ変換器、１５…パルス幅変調器、１７…交流電流検出器、１８…ローパスフィルタ、１９…有効電流演算器、２０…ハイパスフィルタ、２１…比例演算器、２２…加減算器、２３…積分器、３０…フィルタ、３２…脱調検出手段。

Claims (5)

1. 永久磁石形同期電動機と、この電動機を駆動するインバータと、このインバータに与えられる直流入力電流を検出する電流検出手段と、その検出された電流の特定周波数成分を選択して抽出する抽出手段と、その抽出値が所定基準値を超えたときに前記電動機を脱調と判断する判定手段とを設けたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の駆動装置。
2. 前記抽出手段は、ローパスフィルタであることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石形同期電動機の駆動装置。
3. 前記抽出手段は、ローパスフィルタおよびハイパスフィルタであることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石形同期電動機の駆動装置。
4. 前記抽出手段は、バンドパスフィルタであることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石形同期電動機の駆動装置。
5. 前記電動機の脱調を判断する基準値を、電動機の速度または加速度の少なくとも一方に基づく値とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の永久磁石形同期電動機の駆動装置。
   
   

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