JP4807132B2

JP4807132B2 - 交流電動機の速度センサレス制御装置

Info

Publication number: JP4807132B2
Application number: JP2006111953A
Authority: JP
Inventors: 陽一山本
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2006-04-14
Filing date: 2006-04-14
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2026-04-14
Also published as: JP2007288879A

Description

本発明は、速度検出用のセンサを用いることなく速度制御を行う、交流電動機の速度センサレス制御装置に関する。

従来の誘導電動機を駆動する速度センサレス制御装置は、低速度回生状態（出力周波数が０近傍）では、スリップ周波数指令を０として１次周波数が低下しないようにしている（例えば、特許文献１参照）。また、１次周波数の基準値を設定し、１次周波数がその基準値よりも下がった場合にトルク指令を補償している（例えば、特許文献２参照）。さらに、速度補正量演算部によって求められた速度補正量によって速度制御部２に入力される速度指令を補正している。（例えば、特許文献３参照）。

以下、特許文献３を例に説明するが、特許文献３の符号の一部名称を『・・・手段』から『・・・部』に変更して説明している。図３において、１０１は磁束速度推定部であり、誘導電動機（Ｍ）１１３の各相の電流検出値を入力し、それらの電流検出値と、磁束方向の軸（ｄ軸）およびトルク方向の軸（ｑ軸）の電圧指令Ｖd、Ｖqと、誘導電動機１１３のモータ定数値とに基づいて、誘導電動機１１３の速度および磁束を推定し、推定した速度を速度推定値Ｆrとして出力するとともに、推定した磁束から磁極位置θφを求めて出力する。１０２は速度制御部であり、速度偏差ΔＦrに基づいて速度制御を行い、トルク電流指令Ｉq*を計算して出力する。１０３はスリップ周波数演算部であり、トルク電流指令Ｉq*と、上位装置（不図示）から入力される磁束指令Φrefと、所定のモータ定格スリップ周波数とからスリップ周波数Ｆsを演算して出力する。

また、１０４は磁束制御部であり、磁束指令Φrefに基づいて磁束電流指令Ｉd*を演算して出力する。１０５は電圧フィードフォワード（ＦＦ）演算部であり、トルク電流指令Ｉq*と、磁束電流指令Ｉd*と、磁束指令Φrefと、速度推定値Ｆrと、スリップ周波数Ｆsとから出力周波数ωを求め、ｄ軸、ｑ軸のフィードフォワード電圧Ｖd*、Ｖq*を以下の（１）、（２）式にしたがって求めて出力する。１０６は電流制御部であり、トルク電流指令Ｉq*と、磁束電流指令Ｉd*と、トルク成分電流Ｉqと、磁束成分電流Ｉdと、フィードフォワード電圧Ｖq*、Ｖd*とに基づいて電流制御を行い、ｄ軸、ｑ軸の電圧指令Ｖdref、Ｖqrefを求めて出力する。１０７は電圧変換部であり、電圧指令Ｖdref、Ｖqrefを誘導電動機１１３の各相の電圧指令に変換して出力する。１０８は電圧出力装置であり、その各相の電圧指令に応じた電圧を誘導電動機１１３に印加する。

さらに、１０９は電流成分変換部であり、磁極位置θφに基づいて、誘導電動機（Ｍ）１１３の３相の電流検出値をトルク成分電流Ｉqと、磁束成分電流Ｉdとに変換する。１１０は速度補正量演算部であり、速度推定値Ｆrとスリップ周波数Ｆsとを座標軸とする平面における第２象限と第４象限と原点近傍とを含む領域のうち、２つの境界線によって挟まれる領域を不安定領域（図４に図示）とし、磁束速度推定部１０１によって推定された速度推定値Ｆrとスリップ周波数演算部１０３によって演算されたスリップ周波数Ｆsで決定される平面上の座標点が不安定領域内にある場合には、その座標点が不安定領域外となるように速度指令Ｆrefの補正量Ｆcmpを求めて出力する。１１１は加算器であり、出力された速度補正量Ｆcmpと速度指令Ｆrefを加算する。

Ｖq*＝ω×Φref＋Ｒ×（Ｉq*）＋ω×Ｌ×（Ｉd*）・・・（１）
Ｖd*＝Ｒ×（Ｉd*）＋ω×Ｌ×（Ｉq*）・・・（２）

図４は、制御が不安定と定義された領域の一例を示すグラフである。速度補正量演算部１０は、以下の式（３）、（４）で示される直線で囲まれる第２象限および第４象限の領域を不安定領域とし、例えば、速度指令Ｆrefが一定であって、回生負荷が印加され、スリップ周波数演算部３によって演算されたスリップ周波数ｆsが、式（４）における磁束速度推定部１によって推定された速度推定値ｆrに対応するスリップ周波数ｆs’よりも大きい場合には、式（４）におけるスリップ周波数ｆsに対応する速度推定値ｆr’を求め、以下の式（５）を演算して速度補正量Ｆcmpを求める。

Ｆs＝−Ｆr ・・・（３）
Ｆs＝−（（Ｋ1×Ｒ2）／（Ｒ1＋Ｒ2））×Ｆr ・・・（４）
Ｆcmp＝Ｆcmp＋ｆr’−ｆr ・・・（５）

このように、従来の誘導電動機を駆動する速度センサレス制御装置は、制御が不安定と定義された領域を演算し、その領域を避けるように速度指令を補正するのである。
特許第３２５７５６６号公報特開平１０−０３３０００号公報特開２００３−１１１４９８号公報

低速回生状態では、電動機への１次電圧指令値と実際の出力電圧との出力電圧誤差の影響が大きくなるため、誘導電動機の動作が不安定になりやすく、制御不能となる領域が原理的に存在する。この領域では、誘導電動機の動作が不安定になりやすく、制御逸脱し制御を継続することができない。
従来の誘導電動機を駆動する速度センサレス制御装置は、上記動作を避けるために、速度指令、一次周波数やトルク指令等の指令値に補正量を加えたり、あるいは低周波を避けるために振動成分を重畳させたり、急激に変化させたりするシーケン処理を行っていた。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、制御装置の構成を複雑にすることなく、低速、特に低速回生状態において制御の安定性を保つとともに、出力電圧誤差に対してもロバストで、さらには、複雑なシーケンス処理不要な交流電動機の速度センサレス制御装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、交流電動機の１次電流を検出して１次電流検出ベクトルを出力する電流検出部と、前記交流電動機への１次電圧指令ベクトルを演算する電圧指令演算部と、前記１次電流検出ベクトルと前記１次電圧指令ベクトルを用い、前記交流電動機の１次電流推定ベクトルと電動機磁束推定ベクトルを算出する磁束推定部と、前記１次電流検出ベクトルと前記１次電流推定ベクトルに基づき、前記磁束推定部に入力される１次電圧指令ベクトルに補償する電圧補償部とを備えるものである。

また、請求項２に記載の発明は、前記電圧補償部は、前記電圧補償部は、前記１次電流検出ベクトルの振幅を演算する第１の振幅演算部と、前記１次電流推定ベクトルの振幅を演算する第２の振幅演算部と、前記１次電流検出ベクトルの振幅と前記１次電流推定ベクトルの振幅の偏差を比例制御あるいは比例・積分制御して算出し、該算出した値を電圧補償量として出力する電圧補償量制御部と、前記電圧補償量と前記１次電流推定ベクトルとを乗算する乗算器と、前記乗算器が出力するベクトルを前記磁束推定部に入力される１次電圧指令ベクトルに減算して補償する減算器とを備えるものである。

請求項１、２に記載の発明によると、磁束推定部での電流推定値と電流検出値を一致するようにでき、電動機磁束や速度推定の演算が発散することがなくなるため、全領域にわたり安定性を保ち、出力電圧誤差に対してもロバストな制御を可能とすることができる。

なお、上記効果は、下記知見による。
１）低速回生時のように、制御が不安定になるときには、磁束推定部での電流推定値と電流検出値の偏差は徐々に乖離し最終的には発散してしまう。
２）出力電圧指令に基づいて電動機を駆動するに出力電流を制限するには、電圧補償値を出力電流値と電流制限値の偏差の逆位相に与えるとよい。
３）磁束推定部を実電動機としてとらえ、磁束推定部による電流推定値は電流検出値に、電流検出値は電流制限値に置き換えて、電圧補償部を構成する。
４）さらに、電流の過大防止リミット用の補償と、過小防止リミット用の補償を合わせて行うことで、出力電圧値が所定値に一致するよう電圧補償部を構成できる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の実施例を示す交流電動機の速度センサレス制御装置の構成を示すブロック図である。図１において、本速度センサレス制御装置は、磁束速度推定部１、速度制御部２、スリップ周波数演算部３、磁束制御部４、電圧フィードフォワード（ＦＦ）演算部５、電圧指令演算部６、電圧変換部７、電圧出力装置８、電流成分変換部９、減算器１２、交流電動機１３、電流検出部１４からなる。

磁束速度推定部１は、交流電動機１３の各相の電流検出値を入力し、それらの電流検出値Iｕ、Iｖと、磁束方向の軸（ｄ軸）およびトルク方向の軸（ｑ軸）の電圧指令Ｖd、Ｖqと、交流電動機１３のモータ定数値とに基づいて、交流電動機１３の速度および磁束を推定し、推定した速度を速度推定値Ｆrとして出力するとともに、推定した磁束から磁極位置θφを求めて出力する。速度制御部２は、速度偏差ΔＦrに基づいて速度制御を行い、トルク電流指令Ｉq*を計算して出力する。スリップ周波数演算部３は、トルク電流指令Ｉq*と、上位装置（不図示）から入力される磁束指令Φrefと、所定のモータ定格スリップ周波数とからスリップ周波数Ｆsを演算して出力する。

また、磁束制御部４は、磁束指令Φrefに基づいて磁束電流指令Ｉd*を演算して出力し、電圧フィードフォワード（ＦＦ）演算部５は、トルク電流指令Ｉq*と、磁束電流指令Ｉd*と、磁束指令Φrefと、速度推定値Ｆrと、スリップ周波数Ｆsとから出力周波数ωを求め、ｄ軸、ｑ軸のフィードフォワード電圧Ｖd*、Ｖq*を上記（１）、（２）式にしたがって求めて出力する。

さらに、電圧指令演算部６は、トルク電流指令Ｉq*と、磁束電流指令Ｉd*と、トルク成分電流Ｉqと、磁束成分電流Ｉdと、フィードフォワード電圧Ｖq*、Ｖd*とに基づいて電流制御を行い、ｄ軸、ｑ軸の電圧指令Ｖdref、Ｖqrefを求めて出力する。電圧変換部７は、電圧指令Ｖdref、Ｖqrefを交流電動機１３の各相の電圧指令に変換して出力する。電圧出力装置８は、その各相の電圧指令に応じた電圧を交流電動機１３に印加する。電流成分変換部９は、磁極位置θφに基づいて、交流電動機１３の３相の電流検出値をトルク成分電流Ｉqと、磁束成分電流Ｉdとに変換する。

図２は、本発明の実施例を示す速度センサレス制御装置の磁束速度推定部１の構成を示すブロック図であり、ベクトル量のデータの流れは⇒で示している。図２において、磁束速度推定部１は、電圧補償部１０、磁束推定部２１、速度推定部２２、２相／３相変換部２７、３相／２相変換部２８、正接演算器３１からなり、そのうち、電圧補償部１０は、振幅演算部２３，２４、電圧補償量制御部２５、乗算器２６、減算器２９，３０からなる。

まず、電圧補償部１０の動作について説明後、磁束速度推定部１について説明する。
電圧補償部１０では、後述する３相／２相変換部２８の出力Iα、Iβと、後述する磁束推定部２１の出力Ｉα＾、Ｉβ＾の振幅値を（Ｉα^２＋Ｉβ^２）^1/2、（Ｉα＾^２＋Ｉβ＾^２）^1/2）をそれぞれ振幅演算部２３，２４で求めた後、減算器２９でこの偏差を求める。電圧補償量制御部２５は、この偏差が０になるように比例制御、あるいは比例・積分制御し、その結果を出力する。この出力値を磁束推定部２１の出力Ｉα＾、Ｉβ＾と乗算器２６を用いて乗算し、電圧補償量ΔVα*、ΔVβ*を演算する。乗算器２６出力である電圧補償量ΔVα*、ΔVβ*は、後述する２相／３相変換部２７の出力の電圧指令Vα*、Vβ*から減算器３０を用いて減算され、電圧指令Vα*、Vβ*に対して電圧補償を行い、Vα*’、Vβ*’を求める。

磁束推定部２１は、前記Vα*’、Vβ*’と前記Iα、Iβを用いて電動機磁束φα、φβと１次電流Ｉα＾、Ｉβ＾を推定し、速度推定部２２は、電動機磁束値φα、φβと１次電流推定値Ｉα＾、Ｉβ＾と１次電流検出値Ｉα、Ｉβを用いて速度を推定する。振幅演算部２３、２４は、それぞれ１次電流検出値Ｉα、Ｉβと１次電流推定値Ｉα＾、Ｉβ＾の振幅を演算する。
なお、２相／３相変換部２７は、電圧指令Vdref、Vqrefを磁束位相θφを用いて、Vα*、Vβ*に、３相／２相変換部２８は、１次電流検出値Iu、Ivを磁束位相θφを用いて、Iα、Iβに変換する。また、正接演算器３１は、電動機磁束φα、φβを用いてｔａｎ^-1（φβ／φα）により磁束位相θφを演算する。
以上の動作により、磁束推定部２１への電圧指令の補償値ΔVα*、ΔVβ*は求められ、その演算式は、例えば（６）、（７）式のように与えられる。

ΔVα*＝Ｋ・〔（Ｉα^２＋Ｉβ^２）^1/2−（Ｉα＾^２＋Ｉβ＾^２）^1/2〕×Ｉα＾
・・・（６）
ΔVβ*＝Ｋ・〔（Ｉα^２＋Ｉβ^２）^1/2−（Ｉα＾^２＋Ｉβ＾^２）^1/2〕×Ｉβ＾
・・・（７）
なお、Ｋは電圧補償量制御部２５を比例制御で構成した際の比例ゲインである。

このようにして、磁束推定部２１による１次電流推定ベクトルと１次電流検出ベクトルの振幅差を、１次電流推定ベクトルに乗算し、該乗算結果のベクトルを、磁束推定部２１に入力される１次電圧指令ベクトルに減算して補償し、電流推定値と電流検出値が一致するように動作させる。
この結果、低速回生時でも磁束推定部２１での１次電流推定ベクトルと１次電流検出ベクトルはほぼ一致するようにでき、電動機磁束や速度を発散せずに安定して推定できるようになる。

上記では、電圧補償量制御部２５を比例制御した場合で示したが比例・積分制御等の他の制御方式で実現してもよい。
また、磁束推定部２１の入力値である1次電圧指令ベクトルへの補償を、１次電流推定ベクトルと１次電流検出ベクトルの振幅差を、１次電流推定ベクトルに乗算し、該乗算結果のベクトルを減算して補償するように与えることができれば、上記構成と同一でなくても同様に適用できることは言うまでもない。
なお、実施例では交流電動機として誘導電動機を用いて説明したが、他の交流電動機にも適用可能である。

このように、磁束推定部２１の入力値である1次電圧指令ベクトルへの補償を、１次電流推定ベクトルと１次電流検出ベクトルの振幅差を、１次電流推定ベクトルに乗算し、該乗算結果のベクトルを減算して補償する構成をしているので、磁束推定部２１で推定される１次電流推定ベクトルと１次電流検出ベクトルを一致させることができる。
これにより、低速回生域の制御不安定な動作領域が大幅に小さくなり、全領域にわたる制御を可能とすることができる。したがって、垂直方向に動作する機械、例えばクレーン用途の巻下回生動作で、本来の速度指令以上で運転させたり、トルクリップルを生じさせることなく適用できるようになる。

本発明の実施例を示す交流電動機の速度センサレス制御装置の構成を示すブロック図磁束速度推定部１の構成を示すブロック図従来の誘導電動機の速度センサレス制御装置の構成を示すブロック図従来の誘導電動機の速度センサレス制御装置において定義された不安定領域を示すグラフ

符号の説明

１磁束速度推定部
２速度制御部
３スリップ周波数演算部
４磁束制御部
５電圧フィードフォワード（ＦＦ）演算部
６電圧指令演算部
７電圧変換部
８電圧出力装置
９電流成分変換部
１０電圧補償部
１２減算器
１３交流電動機
１４電流検出部
２１磁束推定部
２２速度推定部
２３，２４振幅演算部
２５電圧補償量制御部
２６乗算器
２７２相／３相変換部
２８３相／２相変換部
２９，３０減算器
３１正接演算器
１０１磁束速度推定部
１０２速度制御部
１０３スリップ周波数演算部
１０４磁束制御部
１０５電圧フィードフォワード（ＦＦ）演算部
１０６電流制御部
１０７電圧変換部
１０８電圧出力装置
１０９電流成分変換部
１１０速度補正量演算部
１１１加算器
１１２減算器
１１３誘導電動機

Claims

交流電動機の１次電流を検出して１次電流検出ベクトルを出力する電流検出部と、
前記交流電動機への１次電圧指令ベクトルを演算する電圧指令演算部と、
前記１次電流検出ベクトルと前記１次電圧指令ベクトルを用い、前記交流電動機の１次電流推定ベクトルと電動機磁束推定ベクトルを算出する磁束推定部と、
前記１次電流検出ベクトルと前記１次電流推定ベクトルに基づき、前記磁束推定部に入力される１次電圧指令ベクトルに補償する電圧補償部と、を備えることを特徴とする交流電動機の速度センサレス制御装置。
前記電圧補償部は、
前記１次電流検出ベクトルの振幅を演算する第１の振幅演算部と、
前記１次電流推定ベクトルの振幅を演算する第２の振幅演算部と、
前記１次電流検出ベクトルの振幅と前記１次電流推定ベクトルの振幅の偏差を比例制御あるいは比例・積分制御して算出し、該算出した値を電圧補償量として出力する電圧補償量制御部と、
前記電圧補償量と前記１次電流推定ベクトルとを乗算する乗算器と、
前記乗算器が出力するベクトルを前記磁束推定部に入力される１次電圧指令ベクトルに減算して補償する減算器と、を備えることを特徴とする、請求項１記載の交流電動機の速度センサレス制御装置。