JP5011771B2 - 同期電動機駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、同期電動機の可変速運転を行う電動機駆動装置に係わり、特に速度、位置センサを用いずに同期電動機を起動、加速する電動機駆動装置に関する。

同期電動機の速度、位置センサレス制御においては、従来から出力電流、もしくは出力電圧に高調波を重畳し、磁束軸（ｄ軸）と磁束軸に垂直な軸（ｑ軸）におけるインダクタンス（Ｌｄ、Ｌｑ）の差を利用し、速度や磁極位置を検出する方法がある。従来技術として特許文献１の技術を図１０に示す。なお、図１０においては、同期電動機を永久磁石型同期電動機としたが、界磁装置を伴う、巻き線型同期電動機であっても動作は同じである。速度制御部１０３では速度指令値ωｒ^*と速度推定部１１２により演算した速度推定値ωｒ＾を用い、トルク指令値τ^*を演算する。トルク指令値τ^*は後述の高調波重畳のため、高調波成分を含んでおり、ノッチフィルタ部１０４を通し、高調波成分を除去する。電流指令演算部１０５では、トルク指令値τ^*に基づいて、トルク電流指令Ｉｔ^*、励磁電流指令Ｉｍ^*を演算する。ここで、同期電動機のベクトル制御では、図１１のように、ｄ軸、ｑ軸に対する、ｍ軸（トルク電流に垂直な軸）、ｔ軸（トルク電流に平行な軸）の位相差Δφをゼロにするように、制御する必要がある。次に、高調波電流発生部１１３では、所定の振幅、周波数の電流高調波ΔＩｍ^*を発生させる。電流高調波ΔＩｍ^*は励磁電流指令Ｉｍ^*に加算し、位相演算部１０９による位相θと、電流検出器１０７からの電流検出値を用い、電流制御部１０６で３相交流電圧指令を出力する。なお、電流制御部１０６では、ｔ軸電圧指令Ｖｔ^*、ｍ軸電圧指令Ｖｍ^*の演算を行い、位相θによる座標変換により３相交流電圧指令を演算する。電力変換器部１０１では交流電圧指令に基づいて、同期電動機１０２に電圧を印加する。また電圧検出器１０８で電圧を検出し、高調波電圧検出部１１０でｍ軸と垂直でΔＩｍと同じ周波数の高調波成分Ｖｈを抽出する。そして、高調波成分ＶｈとΔＩｍを用いて速度誤差検出部１１１で速度誤差Δω＾を演算する。従来技術は、電動機の構造または磁束の突極性を利用し、例えば、Ｌｑ＞Ｌｄという関係にある場合、速度誤差Δω＾は（数１）式のような関係になる。ωｈは高調波成分の周波数である。

Δω＾＝−（正の定数）・sin（２・Δφ）・ωｈ・（Ｌｑ−Ｌｄ） （数１）
（数１）式において、Δφ＞０の場合はΔω＾＜０となり、Δφ＜０の場合はΔω＾＞０となる。速度推定部１１２では速度誤差Δω＾を比例積分回路により速度推定値ωｒ＾として出力する。これにより、ｍ軸がｄ軸より遅れている場合（Δφ＜０）は、速度推定値ωｒ＾を速くし（Δω＾＞０）、ｍ軸がｄ軸より進んでいる場合（Δφ＞０）は、速度推定値ωｒ＾を遅くする（Δω＾＜０）ことで、速度推定を行う。なお、図１０は電流に高調波を重畳し、電圧を検出しているが、他の方法として、高調波電圧を電圧指令に重畳し、その重畳した電圧と電流検出値を用いても同様の事ができる。

特許３４８４０５８号公報（（００１１）段落から（００１９）段落の記載。）

しかし、従来技術においては、高調波重畳のため、トルクリプルが発生し、機械共振などの影響も懸念され、スムーズな起動が難しくなる。また、突極性を利用する場合、例えば、ダンパ巻き線を持つ同期電動機の場合、ダンパ巻き線の影響で突極性が小さくなり従来技術の適用が難しくなる。また電圧検出が必要な場合は、低速時における電圧検出誤差の影響を受けやすくなる。さらに、前記、高調波や電圧検出誤差による制御位相誤差により、電動機が逆転する場合もあり、機械的な制約から逆転できる角度が限られる場合には問題が生じる。さらに、速度制御系や速度推定系の設計には電動機や機械系の定数が必要になり、それらが明確に判っていないものについては適用が難しい。

本発明の目的は、速度、位置センサレスで同期電動機を起動する際、簡単な構成で、トルクリプルがなくスムーズに起動を行い、且つ、逆転角度を低減した同期電動機駆動装置を提供することである。

本発明の同期電動機駆動装置は、出力電圧の大きさ、周波数、位相を制御し、同期電動機を駆動する電動機駆動装置において、起動時には、前記位相に所定の位相補正値を加え、該位相補正値は１回以上変更し、且つ、電流検出値に基づいて前記周波数もしくは位相を補正する。また、前記所定の位相補正値を変更する際は、電動機の正転方向に位相を増やすように、例えば９０°以下ずつ増加させる。また、前記所定の位相補正値を最初に変更する際、最初の位相補正値を設定している時間は、変更後の位相補正値を設定している時間よりも短くする。また、電動機のトルク電流指令値は、定格電流値を超えない所定値とし、前記所定の位相補正値を最初に変更する前のトルク電流指令値は、前記位相補正値を最初に変更した後のトルク電流指令値よりも小さくする。また、前記電流検出値に基づく周波数補正値または位相補正値は、電動機の回転速度の振動と同じ周波数で振動する電流検出値に基づいて演算する。

本発明によれば、同期電動機を速度、位置センサレスで起動、加速する際、簡単な構成で、トルクリプルがなく、且つ、逆転を抑制することが出来る。このため、機械系に負担をかけず、また、電動機や機械定数が不明な場合にも適用することが出来る。

以下本発明の詳細を図面を用いながら説明する。

本実施例の誘導電動機駆動装置について図１から図３を用いて、図１０の従来技術と異なる部分について説明する。なお、これらは、起動から所定速度に加速するまでの制御方法に関するものである。トルク指令値設定部１では、トルク指令値τ^*として、加速トルク＋負荷トルク相当として、例えば定格トルクの６０％程度を設定する。次に、電流指令演算部１０５で、トルク電流指令Ｉｔ^*＝所定値、励磁電流指令Ｉｍ^*＝０と設定する。別途界磁装置の界磁電流により磁束が作られるため、一般的にはＩｍ＝０に制御する。この時、同期電動機１０２の電流Ｉｄ、Ｉｑ、磁束Φｄ、Φｑ、発生トルクτｍはそれぞれ（数２）式から（数６）式に示すようになる。なお、位相差Δφは図１１で示したｄ軸とｍ軸の位相のずれであり、Ｍｄ、Ｉｆ、Ｐはそれぞれｄ軸相互インダクタンス、界磁電流、電動機の極数である。

Ｉｄ＝−sin（Δφ）・Ｉｔ^* （数２）
Ｉｑ＝cos（Δφ）・Ｉｔ^* （数３）
Φｄ＝Ｌｄ・Ｉｄ＋Ｍｄ・Ｉｆ （数４）
Φｑ＝Ｌｑ・Ｉｑ （数５）
τｍ＝３・（Ｐ／２）・（Φｄ・Ｉｑ−Φｑ・Ｉｄ） （数６）
ここで、発生トルクτｍと位相差Δφは図２に示すような関係になり、例えば図２に示すように、電動機の起動に必要なトルクを定格トルクの３０％とすると、図２のように、起動可能な位相差Δφの範囲と、不可能な範囲があり、さらに起動しても逆転する範囲が存在する。電動機を起動する際は、電動機磁束の初期位置が不明であるため、制御位相をどのように設定するかによって位相差Δφが変わり、前記のどの範囲に入るかは判らない。

そこで、位相補正部２では、位相補正値Δθとして、例えば、位相補正値Δθ＝−１８０°→−９０°→０°と変化させる。位相補正値Δθは位相θに加えられ、電流制御部１０６や座標変換部４での座標変換に用いる。これにより、仮に最初は起動不可能範囲の位相差Δφ＝９０°±２０°、２７０°±２０°に入っていた場合でも、９０°位相をずらすことによって、起動可能範囲に入り、電動機の回転子が起動する。なお、位相補正値Δθは正転方向に増やしていくことで、回転子は正方向に回転しやすい。

図３にトルク電流指令Ｉｔ^*、速度指令値ωｒ^*、位相補正値Δθの関係を示す。トルク電流指令Ｉｔ^*は所定値を与える。なお、図３では最初はゼロから所定値まで上げているが、最初から所定値でも良い。位相補正値Δθは９０°ずつ、位置合わせ１、２、３の範囲で増やす。本実施例は２回位相補正値Δθを変更しているが、１回以上であればよく、１回よりも２回以上の方が起動しやすい。速度指令値ωｒ^*は所定値、例えばゼロから増加させる。速度指令値ωｒ^*は最初から増加させても良い。この時、速度指令値ωｒ^*の所定値をゼロとした場合、回転子の磁極位置（ｄ軸）は電流軸（ｔ軸）と平行（位相差Δφ＝９０°または２７０°）になるように動き、発生トルクτｍ＝０にしようとする。これにより、ｄ軸は位相差Δφ＝２７０°に向かって回転し、最初はそこを中心に振動する。この時に逆転するケースが生じる。

そこで、周波数補正値演算部３では、電動機の回転速度の振動を電流検出値から検出し、周波数補正値Δωを演算し、出力周波数を補正することで、回転の振動を抑制し、逆転を低減する。周波数補正値演算部３は例えば、比例回路とし、ＩｍＦＢを入力とする。これは起動時は位相差Δφ＝２７０°により、図１１でｑ軸がｍ軸と揃っているため、回転子の振動成分の影響を受けてＩｑが振動した場合、ＩｍＦＢにその振動成分が強く現れるためである。よってＩｍＦＢを用いて、周波数を制御し、回転速度の振動を抑制し、逆転を低減する。さらに所定の時間が経ったら、速度指令値ωｒ^*を増加させ、加速する。この際も、位相差Δφの影響により回転速度が振動する場合は、回転速度の振動周波数と同じ振動成分を持つ電流検出値を用い、周波数補正値Δωを演算し、周波数を制御する。この場合、図１のＩｍＦＢを用いずともＩｔＦＢを用いてもよく、周波数補正値演算部３は比例または比例積分または不完全微分回路により構成する。これにより、起動時と同様に、加速時も回転速度の振動を抑制することが出来る。また、速度指令値ωｒ^*と周波数補正値Δωの和を位相演算部１０９で積分することで制御位相である位相θを演算する。これにより速度推定値を用いないため、電圧、電流検出誤差などによる速度推定誤差の影響を受けない。

以上のように、本実施例では、速度、位置センサレスでの同期電動機の起動において、起動できる位相を設定し、同時に逆転を低減する。これにより、簡単な設定で、スムーズな起動、加速を行うと共に、機械系にも負担をかけない。

本実施例について、実施例１と異なる部分について説明する。本実施例では、位相補正値Δθを９０°以下の、例えば９０°または４５°または３０°または１０°等ずつ変える。これにより回転がよりスムーズになる。

本実施例について、図４を用いて、実施例１、実施例２と異なる部分について説明する。図４では、実施例１の図３に対し、位相補正値Δθを最初の設定値にしている時間ｔ１を、それ以降に位相補正値Δθを変更する時間ｔ２−ｔ１、ｔ３−ｔ２よりも短くする。これは図１１において、ｔ軸（電流軸）がｄ軸（磁極軸）と１８０°ずれた所から始まった場合、起動不可能であり、且つ、ｔ軸電流により減磁するため、位相補正値Δθが変わってｔ軸（ｍ軸）が動いた時に、減磁により起動できない場合があるためである。なお、ｔ１以内で起動できるものは、位相補正値Δφ＝０に近づき、次に位相補正値Δθが９０°動いた際も起動可能な範囲にあるため、最初の位相補正値Δθでの減磁を防げばよい。本実施例では最初の位相補正値Δθの設定時間を短くすることで、減磁を抑制し、起動しやすくする。

本実施例について、図５を用いて、実施例１から実施例３と異なる部分について説明する。図５においては、位相補正値Δθを最初に設定している期間（位置合わせ１）でのトルク電流指令Ｉｔ^*を、位相補正値Δθを変更した期間（位置合わせ２、位置合わせ３）でのトルク電流指令Ｉｔ^*よりも小さくする。例えば位置合わせ１は定格電流の４０％、それ以降は６０％と、共に過電流とならない程度に設定する。最初のトルク電流指令Ｉｔ^*を小さくすることで、実施例３と同様に、最初に減磁をしないようにするためであり、実施例３と同様、起動しやすくする。

本実施例について、図６を用いて、実施例１から実施例４と異なる部分について説明する。図６においては、位相補正値Δθが変更されるタイミングで、一旦トルク電流指令Ｉｔ^*をゼロにし、その後元に戻す。これは位相補正値Δθにより、位相が変わることによる電流の過渡的な増加を抑えることが出来、位相補正値Δθ変更時の過電流を防止する。

本実施例について、図７を用いて、実施例１から実施例５と異なる部分について説明する。図７では、図１に対し、周波数補正値演算部３で求めた周波数補正値Δωを積分部５で積分し、位相に直し、位相θを補正する。これは実施例１と等価であり、実施例１と同様の効果を得ることが出来る。

本実施例について、図８を用いて、実施例１から実施例６と異なる部分について説明する。図８では、図１に対し、位相補正値設定部２の代わりに、電流指令切換部１１を設ける。電流指令切換部１１では、実施例１のように、位相θを初期値から９０°増加させたい場合は、例えば、（数７）式、（数８）式のようにトルク電流指令Ｉｔ^*、励磁電流指令Ｉｍ^*からＩｔ^**、Ｉｍ^**を演算する。

Ｉｔ^**＝sin（９０°）・Ｉｍ^*＋cos（９０°）・Ｉｔ^* （数７）
Ｉｍ^**＝cos（９０°）・Ｉｍ^*−sin（９０°）・Ｉｔ^* （数８）
励磁電流指令Ｉｍ^*＝０の場合は、Ｉｔ^**＝０、Ｉｍ^**＝−Ｉｔ^*となる。また、次に、実施例１のように、位相θを初期値から１８０°増加させたい場合は、電流指令切換部１１において、（数７）式、（数８）式の９０°を１８０°としてＩｔ^**、Ｉｍ^**を演算すればよい。これによって、位相θを実際に変えることなく、ｔ軸、ｍ軸を所定の角度だけ回転させることと等価となり、実施例１と同様の効果を得ることが出来る。

本実施例について、図９を用いて、実施例１から実施例７と異なる部分について説明する。図９では、図１に対し、起動可否検出部１２１を設置し、電流検出値を用いて起動及び加速がうまく行えたかを識別する。例えば、電流検出値が所定の電流以上に流れた場合、起動・加速失敗とみなす。また、図９では省略しているが、本実施例では、電流検出値以外に、電圧検出値もしくは電圧指令値を用いてもよい。起動・加速失敗と検出された場合は、再起動を行うため、速度指令再設定部１２４で、速度指令値を初期値に戻す。また、位相補正値再設定部１２２で、位相補正値（値や位相を変更する回数を含む）を起動失敗した場合と異なる値に再設定する。また、電流指令再設定部１２３において、電流指令値（値や変更する回数を含む）を起動失敗した場合と異なる値に再設定する。値の変更は、位相補正値と電流指令値の少なくとも一つ以上で行えばよい。例えば、位相補正値は前回よりも小さな値にすることで、実施例２同様に、回転がよりスムーズになる。また電流指令値は前回よりも大きくすればよりトルクが大きくなり、起動・加速がしやすい。

実施例１の同期電動機駆動装置の構成図である。 実施例１に関わる、位相差Δφと発生トルクの関係を示す図である。 実施例１に関わる、Ｉｔ^*、ωｒ^*、Δθの関係を示す図である。 実施例３に関わる、Ｉｔ^*、ωｒ^*、Δθの関係を示す図である。 実施例４に関わる、Ｉｔ^*、ωｒ^*、Δθの関係を示す図である。 実施例５に関わる、Ｉｔ^*、ωｒ^*、Δθの関係を示す図である。 実施例６に関わる、同期電動機駆動装置の構成図である。 実施例７に関わる、同期電動機駆動装置の構成図である。 実施例８に関わる、同期電動機駆動装置の構成図である。 従来技術の誘導電動機駆動装置の構成図である。 従来技術の基準軸を示す図である。

符号の説明

１…トルク指令値設定部、２…位相補正値設定部、３…周波数補正値演算部、４…座標変換部、５…積分部、１１…電流指令切換部、１０１…電力変換器部、１０２…同期電動機、１０３…速度制御部、１０４…ノッチフィルタ部、１０５…電流指令演算部、１０６…電流制御部、１０７…電流検出器、１０８…電圧検出器、１０９…位相演算部、１１０…高調波電圧検出部、１１１…速度誤差検出部、１１２…速度推定部、１１３…高調波電流発生部、１２１…起動可否検出部、１２２…位相補正値再設定部、１２３…電流指令再設定部、１２４…速度指令再設定部。

Claims (5)

1. トルク電流に垂直な軸の電流指令である励磁電流指令値、及びトルク電流に平行な軸の電流指令であるトルク電流指令値を用いて直流電圧指令値を生成し、周波数指令から定まる位相指令値に基づいて、該直流電圧指令値を座標変換することにより３相交流電圧指令値を求め、該３相交流電圧指令値により、出力電圧の、大きさと、周波数と、位相とを制御し、同期電動機を駆動する電動機駆動装置において、
   前記同期電動機の起動時に、前記周波数指令をゼロとし、前記位相指令値を第１の位相指令値とし、
   その後、前記周波数指令をゼロとし、前記第１の位相指令値に前記電動機の正転方向である０度より大きく９０度以下の所定の第１の位相補正値を加えることにより第２の位相指令値とし、
   その後、前記周波数指令をゼロとし、前記第２の補正後の位相指令値に前記電動機の正転方向である０度より大きく９０度以下の所定の位相補正値を加えることにより第３の位相指令値とし、
   その後、出力電流の検出値に基づいて前記周波数の補正値を演算し、前記出力電圧の周波数を補正することを特徴とする電動機駆動装置。
2. 請求項１において、
   前記所定の位相補正値を最初に変更する際、最初の位相補正値を設定している時間は、変更後の位相補正値を設定している時間よりも短いことを特徴とする電動機駆動装置。
3. 請求項１において、
   前記同期電動機のトルク電流指令値が、前記同期電動機の定格電流値を超えない所定値とすることを特徴とする電動機駆動装置。
4. 請求項３において、
   前記所定の位相補正値を最初に変更する前のトルク電流指令値は、前記所定の位相補正値を変更した後のトルク電流指令値よりも小さくすることを特徴とする電動機駆動装置。
5. トルク電流に垂直な軸の電流指令である励磁電流指令値、及びトルク電流に平行な軸の電流指令であるトルク電流指令値を用いて直流電圧指令値を生成し、周波数指令から定まる位相指令値に基づいて、該直流電圧指令値を座標変換することにより３相交流電圧指令値を求め、該３相交流電圧指令値により、出力電圧の、大きさと、周波数と、位相とを制御し、同期電動機を駆動する電動機駆動装置において、
   前記同期電動機の起動時に、前記周波数指令をゼロとし、前記位相指令値を第１の位相指令値とし、
   その後、前記周波数指令をゼロとし、前記第１の位相指令値に前記電動機の正転方向である０度より大きく９０度以下の所定の第１の位相補正値を加えることにより第２の位相指令値とし、
   その後、前記周波数指令をゼロとし、前記第２の補正後の位相指令値に前記電動機の正転方向である０度より大きく９０度以下の所定の位相補正値を加えることにより第３の位相指令値とし、
   その後、前記周波数指令を徐々に増加することを特徴とする電動機駆動装置。

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