JP5012813B2

JP5012813B2 - 交流電動機の制御装置

Info

Publication number: JP5012813B2
Application number: JP2008549284A
Authority: JP
Inventors: 賢洙宋; 耕三井手; 進也森本
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2006-12-13
Filing date: 2007-12-07
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2027-12-07
Also published as: WO2008072574A1; JPWO2008072574A1

Description

本発明は、速度センサを用いずに回転速度を制御する交流電動機の制御装置に関する。

従来の交流電動機の制御装置は、次の構成（ａ）〜（ｉ）を備えている（例えば、特許文献１参照）。即ち、（ａ）回転子速度指令周波数とすべり周波数から１次周波数を演算する１次周波数演算部と前記１次周波数からＶ／Ｆパターンに基づき誘起電圧指令を生成する誘起電圧指令生成部と、（ｂ）磁束を発生させる方向をｄ軸、トルクを発生させる方向をｑ軸とするｄ−ｑ軸電流に検出電流を変換する座標変換部と、（ｃ）交流電動機のパラメータと前記ｄｑ軸電流あるいはｄ−ｑ軸電流指令に基づいて前記誘起電圧指令に１次インピーダンス降下電圧を補償してｄ−ｑ軸電圧指令を生成する電圧指令補償部と、（ｄ）前記ｄ−ｑ軸電圧指令と前記１次周波数に基づき出力電圧位相を演算する位相演算部と前記ｄ−ｑ軸電圧指令と前記出力電圧位相に基づき出力電圧指令を生成する電圧指令生成部と、（ｅ）前記出力電圧指令に基づき交流電動機に電圧を供給するインバータ部と、（ｆ）前記誘起電圧指令と前記ｄ−ｑ軸電流に基づき電圧誤差推定値と磁束推定値を演算する電圧誤差・磁束推定部と、（ｇ）前記電圧誤差推定値に基づき前記ｄ−ｑ軸電圧指令を補正する電圧誤差補正部と、（ｈ）前記磁束推定値に基づき１次周波数を調整する周波数調整部と、（ｉ）前記１次周波数と前記誘起電圧指令から演算される磁束指令と前記磁束推定値に基づき前記ｄ軸電流指令を調整するｄ軸電流調整部。
図６は特許文献１の制御ブロック図を示しており、図６において、２４はｄ軸電流調整部であり、誘起電圧指令と１次周波数指令に基づき演算される磁束指令と磁束推定値のｄ軸成分との偏差をゼロとするようにｄ軸電流指令を調整する。２５は周波数調整部であり、推定される磁束推定値のｑ軸成分をゼロとなるように１次周波数を調整する。このように、従来の速度センサを用いずに回転速度を制御する交流電動機の制御装置は、周波数調整部とｄ軸電流調整部を備えており、周波数調整部では過渡状態や交流電動機負荷が急変した場合、磁束推定値のｑ軸成分が発生すると、磁束推定値のｑ軸成分をゼロにするように１次周波数を調整するのであり、ｄ軸電流調整部では磁束指令と磁束推定値のｄ軸成分との偏差が発生すると、ｄ軸電流を調整し、指令磁束を発生させるのに必要な電流を交流電動機に流すためのゲインを演算する。
特開２００１−１４５４００号公報（第６頁、図１）

従来の速度センサを用いずに回転速度を制御する交流電動機の制御装置は、１次周波数を調整する周波数調整部とｄ軸電流指令を調整するｄ軸電流調整部のＰＩゲインは事前に設定された数値を用いるので、電動機種類または負荷条件により安定な運転ができない問題があった。
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、ＰＩゲインの設定を自動的に演算し、電動機種類や負荷条件にもかからずに安定した運転を実現することができる交流電動機の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、本発明の代表的な構成は、次のように構成したのである。
交流電動機制御装置が、速度指令周波数とすべり周波数から１次周波数を演算する１次周波数演算部と、前記１次周波数からＶ／Ｆパターンに基づき誘起電圧指令を生成する誘起電圧指令生成部と、ｄ軸電流指令とｄ軸検出電流に基づきｄ軸電流をＰＩ制御してｄ軸電圧指令を出力するｄ軸電流制御部と、ｑ軸電流指令とｑ軸検出電流に基づきｑ軸電流をＰＩ制御してｑ軸電圧指令を出力するｑ軸電流制御部と、前記誘起電圧指令と前記ｄおよびｑ軸電流に基づき磁束推定値を演算する磁束推定部と、前記磁束推定値に基づき前記１次周波数を調整する周波数調整部と、前記１次周波数と前記誘起電圧指令から演算される磁束指令と前記磁束推定値に基づき前記ｄ軸電流指令を調整するｄ軸電流調整部と、前記ｄ軸電流調整部におけるｄ軸電流比例ゲイン（Ｋφｐｄ）およびｄ軸電流積分ゲイン（Ｋφｉｄ）を演算するｄ軸電流調整ゲイン演算部と、前記周波数調整部における周波数比例ゲイン（Ｋφｐｑ）および周波数積分ゲイン（Ｋφｉｑ）を演算する周波数ゲイン演算部と、を備え、前記ｄ軸電流調整ゲイン演算部が、ｄ軸固有角周波数（ωｃｄ）と二次回路時定数（Ｔｒ）とを乗算した値を相互インダクタンス（Ｍ）で除した値を前記ｄ軸電流比例ゲイン（Ｋφｐｄ）として算出し、前記ｄ軸電流比例ゲイン（Ｋφｐｄ）を前記二次回路時定数（Ｔｒ）で除した値を前記ｄ軸電流積分ゲイン（Ｋφｉｄ）として算出し、前記周波数ゲイン演算部が、ｑ軸固有角周波数（ωｃｑ）を相互インダクタンス（Ｍ）および無負荷電流指令値（Ｉｏ）で除した値を前記周波数比例ゲイン（Ｋφｐｑ）として算出し、前記周波数比例ゲイン（Ｋφｐｑ）を前記二次回路時定数（Ｔｒ）で除した値を前記周波数積分ゲイン（Ｋφｉｑ）として算出するものである。

また、本発明の他の代表的な構成は、次のように構成したのである。
交流電動機制御装置が、速度指令周波数とすべり周波数から１次周波数を演算する１次周波数演算部と、前記１次周波数からＶ／Ｆパターンに基づき誘起電圧指令を生成する誘起電圧指令生成部と、ｄ軸電流指令とｄ軸検出電流に基づきｄ軸電流をＰＩ制御してｄ軸電圧指令を出力するｄ軸電流制御部と、ｑ軸電流指令とｑ軸検出電流に基づきｑ軸電流をＰＩ制御してｑ軸電圧指令を出力するｑ軸電流制御部と、前記誘起電圧指令と前記ｄおよびｑ軸電流に基づき磁束推定値を演算する磁束推定部と、前記磁束推定値に基づき前記１次周波数を調整する周波数調整部と、前記１次周波数と前記誘起電圧指令から演算される磁束指令と前記磁束推定値に基づき前記ｄ軸電流指令を調整するｄ軸電流調整部と、前記ｄ軸電流調整部におけるｄ軸電流比例ゲイン（Ｋφｐｄ）およびｄ軸電流積分ゲイン（Ｋφｉｄ）を演算するｄ軸電流調整ゲイン演算部と、前記周波数調整部における周波数比例ゲイン（Ｋφｐｑ）および周波数積分ゲイン（Ｋφｉｑ）を演算する周波数ゲイン演算部と、を備え、前記ｄ軸電流調整ゲイン演算部が、前記ｄ軸電流比例ゲイン（Ｋφｐｄ）を、前記ｄ軸電流調整部における調整前後の前記ｄ軸電流指令の変化率（ｈ）で除した値を前記ｄ軸電流比例ゲイン（Ｋφｐｄ）として算出し、前記ｄ軸電流比例ゲイン（Ｋφｐｄ）を前記二次回路時定数（Ｔｒ）で除した値を前記ｄ軸電流積分ゲイン（Ｋφｉｄ）として算出し、前記周波数ゲイン演算部が、前記周波数比例ゲイン（Ｋφｐｑ）を、前記ｄ軸電流調整部における調整前後の前記ｄ軸電流指令の変化率（ｈ）で除した値を前記周波数比例ゲイン（Ｋφｐｑ）として算出し、前記周波数比例ゲイン（Ｋφｐｑ）を前記二次回路時定数（Ｔｒ）で除した値を前記周波数積分ゲイン（Ｋφｉｑ）として算出するものである。

本発明の代表的な構成によると、交流電動機パラメータの設定誤差が大きくても制御不能とならず、電動機パラメータのチューニングをしなくても、速度センサを用いずに速度制御を実現することができる。
また、本発明の他の代表的な構成によると、制御ゲインが自動に設定され、電動機種類と負荷条件にかかわらずに安定した電動機の運転ができる。

本発明の第１の実施の形態を示す交流電動機の制御装置の構成図本発明のｄ軸電流調整ゲイン演算部の構成図本発明の周波数ゲイン演算部の構成図本発明の第２の実施におけるｄ軸電流調整ゲイン演算部の構成図本発明の第２の実施における周波数ゲイン演算部の構成図従来の交流電動機の制御装置の構成図ｄ軸電流調整部の制御ブロック図周波数調整部の制御ブロック図

符号の説明

１交流電動機
２座標変換部
３電流検出部
４インバータ部
５電圧指令生成部
６誘起電圧指令生成部
７電圧誤差・磁束推定部
８１周波数演算部
９１、９２電圧指令補償部
１０位相演算部
１１１、１１２電流制御部
１２トルク電流指令生成部
１３トルクリミット
１４ローバスフィルタ
１５、２０４除算器
１６、１７、２１、２２、２０１、３０１減算器
１８、２０加算器
２３電圧誤差補正部
２４ｄ軸電流調整部
２４１、４４１ｄ軸電流調整ゲイン演算部
２５周波数調整部
２５１、４５１周波数ゲイン演算部
２０２、３０２補正器
２０３、３０３加算器
７０１ｄ軸電流調整部の制御ブロック
８０１周波数調整部の制御ブロック

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、本発明の交流電動機の制御装置の第１の実施例を示す制御ブロック図である。
図１は、図６の従来の制御装置にｄ軸電流調整ゲイン演算部２４１と周波数ゲイン演算部２５１を備えている。図１において、１は交流電動機、２は座標変換部、３は電流検出部、４はインバータ部、５は電圧指令生成部、６は誘起電圧指令生成部、７は電圧誤差・磁束推定部、８は１次周波数演算部、９１，９２は電圧指令補償部、１０は位相演算部、１１１，１１２はそれぞれｑ軸電流制御部、ｄ軸電流制御部、１２はトルク電流指令生成部、１３はトルクリミッタ、１４はローバスフィルタ、１５は除算器、１６，１７，２１，２２は減算器、２３は電圧誤差補正部、２４はｄ軸電流調整部、２４１はｄ軸電流調整ゲイン演算部、２５は周波数調整部、２５１は周波数ゲイン演算部である。
次に、ｄ軸電流制御ゲイン演算部の導出について説明する。
周波数調整部２５により、ｑ軸磁束がゼロに制御されるときｄ軸電流とｄ軸磁束の関係は次式となる。

Ｔ_ｒ：ニ次回路時定数
Φｄ：ｄ軸磁束
Ｍ：相互インダクタンス
式（９）より、ｄ軸電流からｄ軸磁束までの伝達関数は次式で表される。

電圧誤差・磁束演算部７は、ｄ軸磁束を、式（１０）に基づき推定する。ｄ軸電流調整部２４はｄ軸磁束推定値とｄ軸磁束指令値の偏差がゼロとなるようにｄ軸電流指令値を調整する。ｄ軸電流調整部２４を制御ブロック図で表すと、図７の７０１のようになる。図７の７０１に基づき閉ループの伝達関数を式（１１）と式（１２）で求める。ハット記号（＾）は推定値であることを示す記号である（以下同じ）。

ここで、ω_ｃｄは任意の固有角周波数であり、次式の関係となる。

また、Ｋ_ｐは、制御システムの応答性を調整するもので次式の関係となる。

Ｋ_αがゼロ、あるいはＫ_α＝１−ω_ｃｄＴ_ｒのときは安定な１次遅れ系であり、その固有角周波数はそれぞれω_ｃｄ、１／Ｔ_ｒである。また、Ｋ_α＝１のときに設定しているＭが真値に一致していれば、ｄ軸電流調整部２４はｄ軸磁束指令値にＫ_α／Ｍを乗算し、ｄ軸電流指令値ｉ_ｄｒｅｆを生成するものが主として機能することになる。Ｍが真値と異なる場合は比例積分制御部が機能することになる。その比例積分制御の制御ゲインＫ_ｐｄ、Ｋ_φｉｄは固有角周波数のみを設定して、モータ定数により自動演算されるのである。

式（１５）、式（１６）に基づくゲイン演算は図２のｄ軸電流調整ゲイン演算部２４１で実施される。
つぎに周波数ゲイン演算部２５１ついて説明する。電圧誤差・磁束演算部７は、ｑ軸磁束の演算を式（１７）に基づいて実行する。

ω＾_ｓｔ：すべり角周波数推定値
Ｍ：相互インダクタンス
φ＾_ｑ：ｑ軸磁束推定値
ｉ＾_ｑ：ｑ軸電流推定値
これに対し、制御においてｑ軸磁束はゼロとして扱うため、すべり角周波数の指令値とｑ軸電流の関係は次式（１８）となる。

式（１７）から式（１８）を差し引くと、式（１９）になる。

電圧誤差・磁束演算部７で、ｉ_ｑ＝ｉ＾_ｑとなるように磁束を推定しているので、式（１９）は式（２０）になる。

式（２０）を用いて、ｑ軸磁束をゼロとなるように制御し、すべり角周波数指令値をすべり角周波数推定値で差分して一次周波数を調整する周波数調整部２５を制御ブロック図で表すと、図８の８０１になる。図８の８０１に基づき一巡伝達関数を求めると式（２１）になる。

Ｋ_φｉｑ＝Ｋ_φｐｑ／Ｔ_ｒと置くと、式（２１）は式（２２）になる。

式（２２）に基づき図８の８０１の閉ループの伝達関数を求めると式（２３）になる。

したがって、閉ループの伝達関数は安定な一次遅れ系とすることができる。
ここで、ω_ｃｑは任意の固有角周波数であり、式（２４）になる。

このように式（２４）のφ＾_ｄを制御初期状態で設定される無負荷電流Ｉ０と相互インダクタンスの積に置き換えると制御ゲインＫ_φｐｑ、Ｋ_φｉｑは固有角周波数のみを設定して、モータ定数により自動演算される。

式（２５）、式（２６）に基づくゲイン演算は図３の周波数ゲイン演算部２５１で実施される。

つぎに第２の実施例について説明する。図２の除算器２０４はｄ軸電流指令値調整前と調整後の変化率を求めるもので、その結果をｈとしている。ｈは相互インダクタンスＭの設定値と真値との比率と一致しており、ｈ＝１のときは設定値と真値が一致し、ｈが１より小さい場合はＭの設定値が真値にくらべて小さく、ｈが１より大きい場合はＭの設定値が真値にくらべて大きいことになる。実施例２では、このｈを利用して、実施例１で説明したｄ軸電流調整部と周波数調整部の制御ゲインに用いているＭを自動補正するようにしたのである。図４に実施例２におけるｄ軸電流調整ゲイン演算部の構成図を示す。ｈを用いてｄ軸電流調整ゲイン演算部４４１にて次式（２７）、式（２８）のように補正する。

また、図５に実施例２における周波数調整ゲイン演算部の構成図を示す。ｈを用いてｄ軸電流調整ゲイン演算部４５１にて式（２９）のように補正する。

このように実施例１と実施例２によるとｄ軸電流調整ゲインと周波数調整ゲインを自動的に設定でき、実施例２では相互インダクタンスの設定値が真値からずれていても自動的に補正するようになっている。

本発明を交流電動機の運転に適用することによって、自動的にｄ軸電流と周波数を調整することができるので、電動機定数の初期設定が異なる場合や運転中に電動機定数が変化する場合にも安定した運転を行うことができる。

Claims

速度指令周波数とすべり周波数から１次周波数を演算する１次周波数演算部と、
前記１次周波数からＶ／Ｆパターンに基づき誘起電圧指令を生成する誘起電圧指令生成部と、
ｄ軸電流指令とｄ軸検出電流に基づきｄ軸電流をＰＩ制御してｄ軸電圧指令を出力するｄ軸電流制御部と、
ｑ軸電流指令とｑ軸検出電流に基づきｑ軸電流をＰＩ制御してｑ軸電圧指令を出力するｑ軸電流制御部と、
前記誘起電圧指令と前記ｄおよびｑ軸電流に基づき磁束推定値を演算する磁束推定部と、
前記磁束推定値に基づき前記１次周波数を調整する周波数調整部と、
前記１次周波数と前記誘起電圧指令から演算される磁束指令と前記磁束推定値に基づき前記ｄ軸電流指令を調整するｄ軸電流調整部と、
前記ｄ軸電流調整部におけるｄ軸電流比例ゲイン（Ｋφｐｄ）およびｄ軸電流積分ゲイン（Ｋφｉｄ）を演算するｄ軸電流調整ゲイン演算部と、
前記周波数調整部における周波数比例ゲイン（Ｋφｐｑ）および周波数積分ゲイン（Ｋφｉｑ）を演算する周波数ゲイン演算部と、を備え、
前記ｄ軸電流調整ゲイン演算部が、ｄ軸固有角周波数（ωｃｄ）と二次回路時定数（Ｔｒ）とを乗算した値を相互インダクタンス（Ｍ）で除した値を前記ｄ軸電流比例ゲイン（Ｋφｐｄ）として算出し、前記ｄ軸電流比例ゲイン（Ｋφｐｄ）を前記二次回路時定数（Ｔｒ）で除した値を前記ｄ軸電流積分ゲイン（Ｋφｉｄ）として算出し、
前記周波数ゲイン演算部が、ｑ軸固有角周波数（ωｃｑ）を相互インダクタンス（Ｍ）および無負荷電流指令値（Ｉｏ）で除した値を前記周波数比例ゲイン（Ｋφｐｑ）として算出し、前記周波数比例ゲイン（Ｋφｐｑ）を前記二次回路時定数（Ｔｒ）で除した値を前記周波数積分ゲイン（Ｋφｉｑ）として算出することを特徴とする交流電動機制御装置。
前記ｄ軸電流調整ゲイン演算部が、前記ｄ軸電流比例ゲイン（Ｋφｐｄ）を、前記ｄ軸電流調整部における調整前後の前記ｄ軸電流指令の変化率（ｈ）で除した値を前記ｄ軸電流比例ゲイン（Ｋφｐｄ）として算出し、前記ｄ軸電流比例ゲイン（Ｋφｐｄ）を前記二次回路時定数（Ｔｒ）で除した値を前記ｄ軸電流積分ゲイン（Ｋφｉｄ）として算出し、
前記周波数ゲイン演算部が、前記周波数比例ゲイン（Ｋφｐｑ）を、前記ｄ軸電流調整部における調整前後の前記ｄ軸電流指令の変化率（ｈ）で除した値を前記周波数比例ゲイン（Ｋφｐｑ）として算出し、前記周波数比例ゲイン（Ｋφｐｑ）を前記二次回路時定数（Ｔｒ）で除した値を前記周波数積分ゲイン（Ｋφｉｑ）として算出することを特徴とする請求項１記載の交流電動機制御装置。