JP4932093B2

JP4932093B2 - 同期電動機の制御装置、エレベータの制御装置

Info

Publication number: JP4932093B2
Application number: JP2001183138A
Authority: JP
Inventors: 益誠柴田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-06-18
Filing date: 2001-06-18
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2021-06-18
Also published as: JP2003009599A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、回転子内部に永久磁石が埋め込まれた構造を有する埋込磁石式の同期電動機の制御装置、およびこれを利用した巻上機に連結された該埋込磁石式同期電動機をインバータで駆動してエレベータを制御するエレベータの制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
埋込磁石式同期電動機(Interior Permanent Magnet Motor)は回転子内部に永久磁石が埋め込まれた構造をしており、誘導電動機に比べ、同じ出力に対し小型に製造でき、高効率運転が可能であるため、近年エレベータシステムの駆動部に使われることがある。そして、この埋込磁石式同期電動機はインバータから供給される可変電圧・可変周波数の交流電源により駆動される。
【０００３】
埋込磁石式同期電動機は、ｄｑ座標表現におけるｄ軸自己インダクタンスＬ_dと比べ、ｑ軸自己インダクタンスＬ_qが大きい逆突極性と呼ばれる性質を持つ。逆突極性を持つ電動機は、ｄ軸の負の向きに電流を流すことでトルクを増大させることができ、例えば「ＰＭモータの弱め磁束制御を用いた広範囲可変速運転」(電気学会論文集Ｄ，１１４巻９号，１９９４年)において最小電流で最大トルクが得られる最大トルク制御が提案されている。
【０００４】
上記論文中において、最大トルク制御では式(１)、式(２)で示される関係式によりｄ軸電流指令ｉ_d＊と、ｑ軸電流指令ｉ_q＊を決定する。
【０００５】
ｉ_d＊＝Ｋ₁−√(Ｋ₁ ²＋ｉ_q＊²) ・・・(１)
【０００６】
Ｔ＊＝Ｐ_n・{φ_a＋(Ｌ_d−Ｌ_q)・ｉ_d＊}・ｉ_q＊・・・(２)
ただし、Ｔ＊はトルク指令
Ｐ_nは極対数
φ_aは√３×(永久磁石による電機子鎖交磁束数の実効値)
Ｋ₁＝φ_a／{２・(Ｌ_q−Ｌ_d)}である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記式(１)、式(２)から直接ｄ軸電流指令ｉ_d＊とｑ軸電流指令ｉ_q＊を求める場合は計算時間が多くかかるため、制御ループを高速に計算することができなくなり応答性が悪くなるという従来の問題点があった。
【０００８】
この発明は上記のような課題を解消するためになされたもので、上記式(１)、式(２)を直接解くことで厳密解を求めたり、繰り返し計算を行ったりすることなく、最大トルク制御のｄ軸電流指令ｉ_d＊とｑ軸電流指令ｉ_q＊とを、簡単な方法で求めることによって、良好な出力を得ることができる埋込磁石式の同期電動機の制御装置およびエレベータの制御装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的に鑑み、この発明は、回転子内部に永久磁石が埋め込まれた構造を有する埋込磁石式の同期電動機の制御装置であって、前記埋込磁石式同期電動機を最小電流で最大トルクを発生する最大トルク制御において、ｑ軸電流指令ｉ_q＊についてｑ軸電流指令ｉ_q＊の２次式で近似し簡略化した関係式によって得られるｄ軸電流指令ｉ_d＊と、得られたｄ軸電流指令ｉ_d＊とトルク指令Ｔ＊からｑ軸電流指令ｉ_q＊と、を演算する電流指令演算手段と、前記ｄ軸電流指令ｉ_d＊およびｑ軸電流指令ｉ_q＊と、検出値から求められたｄ，ｑ軸電流からｄ，ｑ軸電圧指令ｖ_d＊、ｖ_q＊をそれぞれ求めこれらに基づき同期電動機を制御する変換・制御部と、を備え、前記電流指令演算手段において、前記ｄ軸電流指令ｉ _d ＊は１サンプル前のｑ軸電流指令ｉ _q ＊[ｚ ^-1 ]を用いて次式、
ｉ _d ＊＝−ｉ _q ＊[ｚ ^-1 ] ² ／(２・Ｋ ₁ )
ただしＫ ₁ ＝φ _a ／{２・(Ｌ _q −Ｌ _d )}
φ _a は√３×(永久磁石による電機子鎖交磁束数の実効値)
Ｌ _d はｄ軸自己インダクタンス
Ｌ _q はｑ軸自己インダクタンス
に従って決定されることを特徴とする同期電動機の制御装置にある。
また、回転子内部に永久磁石が埋め込まれた構造を有する埋込磁石式の同期電動機の制御装置であって、前記埋込磁石式同期電動機を最小電流で最大トルクを発生する最大トルク制御において、ｑ軸電流指令ｉ _q ＊についてｑ軸電流指令ｉ _q ＊の２次式で近似し簡略化した関係式によって得られるｄ軸電流指令ｉ _d ＊と、得られたｄ軸電流指令ｉ _d ＊とトルク指令Ｔ＊からｑ軸電流指令ｉ _q ＊と、を演算する電流指令演算手段と、前記ｄ軸電流指令ｉ _d ＊およびｑ軸電流指令ｉ _q ＊と、検出値から求められたｄ，ｑ軸電流からｄ，ｑ軸電圧指令ｖ _d ＊、ｖ _q ＊をそれぞれ求めこれらに基づき同期電動機を制御する変換・制御部と、を備え、前記電流指令演算手段が、１サンプル前のｑ軸電流指令ｉ _q ＊[ｚ ^-1 ]を格納するメモリと、この１サンプル前のｑ軸電流指令ｉ _q ＊[ｚ ^-1 ]から次式、
ｉ _d ＊＝−ｉ _q ＊[ｚ ^-1 ] ² ／(２・Ｋ ₁ )
ただしＫ ₁ ＝φ _a ／{２・(Ｌ _q −Ｌ _d )}
φ _a は√３×(永久磁石による電機子鎖交磁束数の実効値)
Ｌ _d はｄ軸自己インダクタンス
Ｌ _q はｑ軸自己インダクタンス
に従って前記ｄ軸電流指令ｉ _d ＊を演算するｄ軸電流指令演算部と、この演算されたｄ軸電流指令ｉ _d ＊とトルク指令Ｔ＊から次式、
ｉ _q ＊＝Ｔ＊／[Ｐ _n ・{φ _a ＋(Ｌ _d −Ｌ _q )・ｉ _d ＊}]
ただし、Ｐ _n は極対数
に従ってｑ軸電流指令ｉ _q ＊を演算するｑ軸電流指令演算部と、を含むことを特徴とする同期電動機の制御装置にある。
【００１２】
また、上記同期電動機の制御装置により埋込磁石式同期電動機を駆動制御することによりこれに接続された巻上機を回転駆動させてエレベータを駆動することを特徴とするエレベータの制御装置にある。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を実施の形態に従って説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の一実施の形態によるエレベータの制御装置の構成を示す。図１において、１は乗りかご、２は釣り合い錘、３はロープ、４は埋込磁石式同期電動機(ＩＰＭ)、５は巻上機、６はインバータ、７は回転検出器、８は速度・位置信号処理器、９は速度制御器、１０は電流指令演算部、１１はＡ／Ｄ変換器、１２は座標変換器、１３は電流制御器、１４は座標変換器、１５は電流検出装置を示す。
【００１４】
まずエレベータの一般的な動作について説明すると、乗りかご１と釣り合い錘２がロープ３を介して互いに接続されており、埋込磁石式同期電動機４によりこれに接続された巻上機５を回転駆動することによりロープ３に動力を伝達しエレベータを駆動、すなわち乗りかご１を昇降させる。埋込磁石式同期電動機４は、インバータ６から供給される可変電圧・可変周波数の交流電力により駆動される。
【００１５】
次に埋込磁石式同期電動機４の制御動作について説明すると、エンコーダ等からなるの回転検出器７は埋込磁石式同期電動機４の回転を検出する。速度・位置信号処理器８は、回転検出器７からの信号により同期電動機４の速度・位置を角速度ω、角度θとして計算する。速度制御器９は、外部等からの速度指令ω＊と角速度ωとの偏差からトルク指令Ｔ＊を計算する。そして電流指令演算部１０はトルク指令Ｔ＊からｄ，ｑ軸電流指令ｉ_d＊，ｉ_q＊を後で詳述するようにして算出する。
【００１６】
電流検出装置１５はインバータ６から出力される三相交流電流を測定し、電流検出装置１５の出力はＡ／Ｄ変換器１１でディジタル信号に変換されて座標変換器１２に入力される。座標変換器１２ではディジタル信号に変換された三相交流電流の測定値を、ｄ，ｑ軸電流ｉ_d，ｉ_qに変換する。電流制御器１３では、電流指令演算部１０からのｄ，ｑ軸電流指令ｉ_d＊，ｉ_q＊と座標変換器１２からのｄ，ｑ軸電流ｉ_d，ｉ_qから、ｄ，ｑ電圧指令ｖ_d＊，ｖ_q＊を求める。そして座標変換器１４が電流制御器１３から出力されるｄ，ｑ電圧指令ｖ_d＊，ｖ_q＊を三相交流電圧指令に変換しこれをインバータ６に供給してインバータ６により埋込磁石式同期電動機４の駆動制御が行われる。
【００１７】
以下に、上記式(１)、式(２)を直接解くことで厳密解を求めたり、繰り返し計算を行ったりすることなく、最大トルク制御のｄ軸電流指令ｉ_d＊とｑ軸電流指令ｉ_q＊とを簡単な方法で求める電流指令演算部１０における演算処理について詳述する。
【００１８】
上記式(１)の関係式に対してマクローリン展開を行い、ｉ_q＊の２次式で近似を行うと式(３)を得る。
【００１９】
ｉ_d＊＝−(ｉ_q＊)²／(２・Ｋ₁) ・・・(３)
【００２０】
上記式(２)においてｄ軸電流指令ｉ_d＊を固定した場合、トルク指令Ｔ＊とｑ軸電流指令ｉ_q＊は比例関係にあり、与えられたトルク指令Ｔ＊から容易にｑ軸電流指令ｉ_q＊を求めることができる。そこで、１サンプル前のｑ軸電流指令ｉ_q＊[ｚ^-1]を用いてｄ軸電流指令ｉ_d＊を先に計算することで、トルク指令Ｔ＊からｑ軸電流指令ｉ_q＊を求める。このとき、ｄ軸電流指令ｉ_d＊は式(４)により計算される。
【００２１】
ｉ_d＊＝−ｉ_q＊[ｚ^-1]²／(２・Ｋ₁) ・・・(４)
ただしＫ₁＝φ_a／{２・(Ｌ_q−Ｌ_d)}
φ_aは√３×(永久磁石による電機子鎖交磁束数の実効値)
Ｌ_dはｄ軸自己インダクタンス
Ｌ_qはｑ軸自己インダクタンス
【００２２】
式２をｉ_q＊について解くと式(５)を得る。
【００２３】
ｉ_q＊＝Ｔ＊／[Ｐ_n・{φ_a＋(Ｌ_d−Ｌ_q)・ｉ_d＊}] ・・・(５)
ただし、Ｔ＊はトルク指令
Ｐ_nは極対数
【００２４】
式(４)、式(５)からｄ，ｑ軸電流指令ｉ_d＊，ｉ_q＊を求めることで、最大トルク制御のアルゴリズムにより求められる電流指令とほぼ等しい電流指令を簡単な方法で得ることができる。
【００２５】
かかる構成においてこの発明では、図２に示すブロック図の手順に従いｄ，ｑ軸電流指令ｉ_d＊，ｉ_q＊を求める。図２は図１の電流指令演算部１０の構成の一例を示すブロック図である。
【００２６】
ｄ軸電流指令ｉ_d＊は、メモリ１０ａ等に貯えられた１サンプル前のｑ軸電流指令ｉ_q＊[ｚ^-1]からｄ軸電流指令演算部１０ｂにより上記式(４)に従って計算される。そしてｑ軸電流指令ｉ_q＊はｄ軸電流指令ｉ_d＊、トルク指令Ｔ＊からｑ軸電流指令演算部１０ｃにより上記式(５)に従って計算される。
【００２７】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、回転子内部に永久磁石が埋め込まれた構造を有する埋込磁石式の同期電動機の制御装置であって、前記埋込磁石式同期電動機を最小電流で最大トルクを発生する最大トルク制御において、ｑ軸電流指令ｉ_q＊についてマクローリン展開を行いｑ軸電流指令ｉ_q＊の２次式で近似し簡略化した関係式によって得られるｄ軸電流指令ｉ_d＊と、得られたｄ軸電流指令ｉ_d＊とトルク指令Ｔ＊からｑ軸電流指令ｉ_q＊と、を演算する電流指令演算手段と、前記ｄ軸電流指令ｉ_d＊およびｑ軸電流指令ｉ_q＊と、検出値から求められたｄ，ｑ軸電流からｄ，ｑ軸電圧指令ｖ_d＊、ｖ_q＊をそれぞれ求めこれらに基づき同期電動機を制御する変換・制御部と、を備えたことを特徴とする同期電動機の制御装置としたので、最小電流で最大トルクを発生するようなｄ，ｑ軸電流指令を、高速な処理が可能な演算装置を用いることなく簡単に求めることができ、これにより処理が低速な演算装置を用いても制御ループの演算周期を短くすることができ、安定性の高い制御特性を得ることができる。
【００２８】
また、前記電流指令演算手段において、前記ｄ軸電流指令ｉ_d＊は１サンプル前のｑ軸電流指令ｉ_q＊[ｚ^-1]を用いて次式、
ｉ_d＊＝−ｉ_q＊[ｚ^-1]²／(２・Ｋ₁)
ただしＫ₁＝φ_a／{２・(Ｌ_q−Ｌ_d)}
φ_aは√３×(永久磁石による電機子鎖交磁束数の実効値)
Ｌ_dはｄ軸自己インダクタンス
Ｌ_qはｑ軸自己インダクタンス
に従って決定されるようにしたので、最大トルク制御のアルゴリズムにより求められる電流指令とほぼ等しい電流指令を簡単な方法で得ることができる。
【００２９】
また、前記電流指令演算手段が、
１サンプル前のｑ軸電流指令ｉ_q＊[ｚ^-1]を格納するメモリと、
この１サンプル前のｑ軸電流指令ｉ_q＊[ｚ^-1]から次式、
ｉ_d＊＝−ｉ_q＊[ｚ^-1]²／(２・Ｋ₁)
ただしＫ₁＝φ_a／{２・(Ｌ_q−Ｌ_d)}
φ_aは√３×(永久磁石による電機子鎖交磁束数の実効値)
Ｌ_dはｄ軸自己インダクタンス
Ｌ_qはｑ軸自己インダクタンス
に従って前記ｄ軸電流指令ｉ_d＊を演算するｄ軸電流指令演算部と、
この演算されたｄ軸電流指令ｉ_d＊とトルク指令Ｔ＊から次式、
ｉ_q＊＝Ｔ＊／[Ｐ_n・{φ_a＋(Ｌ_d−Ｌ_q)・ｉ_d＊}]
ただし、Ｐ_nは極対数
に従ってｑ軸電流指令ｉ_q＊を演算するｑ軸電流指令演算部と、
を含むようにしたので、前記電流指令演算手段を簡単な構成で実施できる。
【００３０】
また、上記同期電動機の制御装置により埋込磁石式同期電動機を駆動制御することによりこれに接続された巻上機を回転駆動させてエレベータを駆動するエレベータの制御装置としたので、最小電流で最大トルクを発生するようなｄ，ｑ軸電流指令を、高速な処理が可能な演算装置を用いることなく簡単に求めることができ、これにより処理が低速な演算装置を用いても制御ループの演算周期を短くすることができ、安定性の高いエレベータの制御装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態によるエレベータの制御装置の構成を示す図である。
【図２】図１の電流指令演算部の構成の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１乗りかご、２カウンタウェイト、３ロープ、４埋込磁石式同期電動機、５巻上機、６インバータ、７回転検出器、８速度・位置信号処理器、９速度制御器、１０電流指令演算部、１０ａメモリ、１０ｂｄ軸電流指令演算部、１０ｃｑ軸電流指令演算部、１１Ａ／Ｄ変換器、１２座標変換器、１３電流制御器、１４座標変換器、１５電流検出装置。

Claims

回転子内部に永久磁石が埋め込まれた構造を有する埋込磁石式の同期電動機の制御装置であって、
前記埋込磁石式同期電動機を最小電流で最大トルクを発生する最大トルク制御において、ｑ軸電流指令ｉ_q＊についてｑ軸電流指令ｉ_q＊の２次式で近似し簡略化した関係式によって得られるｄ軸電流指令ｉ_d＊と、得られたｄ軸電流指令ｉ_d＊とトルク指令Ｔ＊からｑ軸電流指令ｉ_q＊と、を演算する電流指令演算手段と、
前記ｄ軸電流指令ｉ_d＊およびｑ軸電流指令ｉ_q＊と、検出値から求められたｄ，ｑ軸電流からｄ，ｑ軸電圧指令ｖ_d＊、ｖ_q＊をそれぞれ求めこれらに基づき同期電動機を制御する変換・制御部と、
を備え、
前記電流指令演算手段において、前記ｄ軸電流指令ｉ _d ＊は１サンプル前のｑ軸電流指令ｉ _q ＊[ｚ ^-1 ]を用いて次式、
ｉ _d ＊＝−ｉ _q ＊[ｚ ^-1 ] ² ／(２・Ｋ ₁ )
ただしＫ ₁ ＝φ _a ／{２・(Ｌ _q −Ｌ _d )}
φ _a は√３×(永久磁石による電機子鎖交磁束数の実効値)
Ｌ _d はｄ軸自己インダクタンス
Ｌ _q はｑ軸自己インダクタンス
に従って決定される
ことを特徴とする同期電動機の制御装置。
回転子内部に永久磁石が埋め込まれた構造を有する埋込磁石式の同期電動機の制御装置であって、
前記埋込磁石式同期電動機を最小電流で最大トルクを発生する最大トルク制御において、ｑ軸電流指令ｉ _q ＊についてｑ軸電流指令ｉ _q ＊の２次式で近似し簡略化した関係式によって得られるｄ軸電流指令ｉ _d ＊と、得られたｄ軸電流指令ｉ _d ＊とトルク指令Ｔ＊からｑ軸電流指令ｉ _q ＊と、を演算する電流指令演算手段と、
前記ｄ軸電流指令ｉ _d ＊およびｑ軸電流指令ｉ _q ＊と、検出値から求められたｄ，ｑ軸電流からｄ，ｑ軸電圧指令ｖ _d ＊、ｖ _q ＊をそれぞれ求めこれらに基づき同期電動機を制御する変換・制御部と、
を備え、
前記電流指令演算手段が、
１サンプル前のｑ軸電流指令ｉ _q ＊[ｚ ^-1 ]を格納するメモリと、
この１サンプル前のｑ軸電流指令ｉ _q ＊[ｚ ^-1 ]から次式、
ｉ _d ＊＝−ｉ _q ＊[ｚ ^-1 ] ² ／(２・Ｋ ₁ )
ただしＫ ₁ ＝φ _a ／{２・(Ｌ _q −Ｌ _d )}
φ _a は√３×(永久磁石による電機子鎖交磁束数の実効値)
Ｌ _d はｄ軸自己インダクタンス
Ｌ _q はｑ軸自己インダクタンス
に従って前記ｄ軸電流指令ｉ _d ＊を演算するｄ軸電流指令演算部と、
この演算されたｄ軸電流指令ｉ _d ＊とトルク指令Ｔ＊から次式、
ｉ _q ＊＝Ｔ＊／[Ｐ _n ・{φ _a ＋(Ｌ _d −Ｌ _q )・ｉ _d ＊}]
ただし、Ｐ _n は極対数
に従ってｑ軸電流指令ｉ _q ＊を演算するｑ軸電流指令演算部と、
を含む
ことを特徴とする同期電動機の制御装置。
前記請求項１または２に記載の同期電動機の制御装置により埋込磁石式同期電動機を駆動制御することによりこれに接続された巻上機を回転駆動させてエレベータを駆動することを特徴とするエレベータの制御装置。