JP5307578B2 - 電動機制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、誘導電動機を速度センサレスでベクトル制御する電動機制御装置に関する。

インバータによる可変速電動機制御装置は、一般産業用、鉄道車両用、昇降機用、電気自動車用、民生機器用をはじめ各分野に適用されている。今後、トルク制御や速度制御の精度向上、高効率など、さらなる高性能化と信頼性の向上が期待されている。また、初期調整時における調整レス化、メンテナンスの観点から運転開始後におけるトリップレス化が要求されている。

速度センサを用いない速度センサレス制御は、信頼性が高まる点や、設置環境の制約が少ない点で有用であるが、低速回転時の性能が一次抵抗値（固定子巻線の抵抗値）の変動により劣化する場合がある。例えば、摩擦力が大きい停止状態からの起動において、誘導電動機が非常に高温である場合には、起動トルクを確保できず加速不良などの問題が生じることがある。あるいは、起動トルクを確保しようとして、一次抵抗値に対応した制御設定値を予め大きめに設定すると、誘導電動機が非常に低温となった場合に、起動停滞あるいは過電流などの問題が生じることもある。

一次抵抗値に関しては、オフライン（誘導電動機を加減速制御していない状態）で精度の高い同定すなわち推定を行う手段が、特許文献１などに記載されている。この特許文献１記載の電動機定数測定方法は、一次角周波数指令とｑ軸電圧指令をゼロにするとともにｄ軸電圧指令またはｑ軸電圧指令に交流信号を与え、一次巻線に単相交流電流を流す。そして、ｄ軸電流またはｑ軸電流の検出値をフーリエ展開し、基本波成分のフーリエ係数と交流信号の値に基づいて電動機定数を求める。この測定方法によれば、電動機制御装置を初めて設置した初期状態において、多少の時間を要すれば精度の高い一次抵抗値を同定することは可能である。

また、特許文献２には、一次抵抗の変動に対してロバストな制御装置が開示されている。この制御装置は、ｄｑ軸直交座標系に対して位相角θHVだけ遅れたｈｖ軸直交座標系を新たに定義し、基準誘起電圧と誘起電圧とのｈ軸における誤差（ｈ軸誘起電圧誤差）に基づいてインバータ周波数を補正する。位相角θHVとｄｑ軸直交座標系における一次電流の位相角とが同符号の場合、ｈ軸誘起電圧誤差には軸ずれの影響が顕著に現れるので、電動機定数、特には一次抵抗の設定誤差に対しロバストな制御系を実現できる。

特許第２９２９３４４号公報 特開２００２−２５３０００号公報

寒冷地の屋外に設置されている誘導電動機が冬季に長時間停止していると、夏季に駆動されている高温状態と比べ、巻線温度が非常に低温まで低下する。このようなモータに対して、電動機制御装置が、巻線温度が高温である場合の一次抵抗値に合わせた制御設定値を用いると、極低速域での速度推定精度を保つことができず、上述したように起動時において起動不良あるいは過電流となることがある。

これを回避するためには、モータ起動時において毎回一次抵抗値の同定処理を実行することも考えられるが、特許文献１記載の方法では一次抵抗値の同定に時間を要する。従って、起動開始から最短加速を要求された場合などには、同定に要する時間が起動の遅れとなり、起動する際に毎回同定を行うことができない。また、特許文献２記載の制御装置を採用すれば、ある程度の抵抗変動に対して制御系のロバスト化すなわち許容範囲を広げられるが、特に大きな抵抗値変動までは許容することが難しくなる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、設置場所や運転状況に応じた電動機温度にかかわらず、過電流の発生を防止しながら誘導電動機を確実に起動可能な電動機制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の電動機制御装置は、
インバータと、速度検出器を用いることなくＤ軸とＱ軸とからなるＤＱ軸直交座標系上で誘導電動機の二次磁束軸がＤ軸に一致するように誘導電動機を駆動制御するセンサレスベクトル制御手段とを備えた電動機制御装置において、
前記センサレスベクトル制御手段は、
前記誘導電動機の相電流を検出する電流検出手段と、
この電流検出手段により検出された相電流に基づいて検出Ｄ軸電流と検出Ｑ軸電流を演算するＤＱ軸電流演算手段と、
誘導電動機の電圧電流方程式またはＤ軸とＱ軸の電流偏差に基づいて指令Ｄ軸電圧と指令Ｑ軸電圧を演算するＤＱ軸電圧指令演算手段と、
前記指令Ｑ軸電流および前記検出Ｑ軸電流に基づいて、または、前記指令Ｄ軸電圧と指令Ｑ軸電圧および前記検出Ｄ軸電流と検出Ｑ軸電流の少なくとも一方に基づいて、前記誘導電動機の推定回転速度を演算する速度推定演算手段と、
前記推定回転速度にすべり周波数を加算して前記一次周波数を得る一次周波数演算手段と、
指令Ｑ軸電流または検出Ｑ軸電流が所定の基準Ｑ軸電流以上であって、且つ、前記一次周波数演算手段により演算された一次周波数が、二次磁束軸がＤ軸に一致する理想ベクトル制御状態で指令回転速度がゼロの場合に前記指令Ｑ軸電流または検出Ｑ軸電流に等しいＱ軸電流が流れるときの一次周波数よりも低く設定された基準周波数以下であると判定したときに、前記一次抵抗の設定値を低減するように調整する一次抵抗調整手段とを具備していることを特徴とする。

本発明によれば、例えば電動機温度が上昇している際の加速不良を防ぐために一次抵抗の設定値を高温時の抵抗値に合わせて設定した場合において、電動機温度が非常に低温となったときにも過電流を防止しつつ誘導電動機を確実に起動できる。

本発明の第１の実施形態を示す電動機制御装置のブロック構成図 一次抵抗調整器の調整部の構成を示す図 一次抵抗調整器の調整部の動作を示す図 指令回転速度が定格すべり周波数／２以上の場合における指令Ｑ軸電流と一次周波数に関する一次抵抗設定値の過大判定領域を示す図 指令回転速度が０と定格すべり周波数／２との間の場合における図４相当図 指令回転速度が０の場合における図４相当図 検出Ｄ軸電流に関する一次抵抗設定値の過大判定領域を示す図 一次抵抗が実際値の１．５倍に設定されている状態で、一次抵抗調整器の動作を停止させて起動したときのシミュレーション波形図 一次抵抗が実際値の１．５倍に設定されている状態で、一次抵抗調整器を動作させて起動したときのシミュレーション波形図 一次抵抗が実際値の３．０倍に設定されている場合の図９相当図 本発明の第２の実施形態を示す図１相当図

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について図１ないし図１０を参照しながら説明する。
図１は、誘導電動機を駆動する電動機制御装置のブロック構成図である。この電動機制御装置１は、実速度検出手段を有することなく回転速度を推定演算してベクトル制御を実行する。その主回路は、直流母線２、３間に接続されたコンデンサ４、直流母線２、３を通して直流電圧が与えられる電圧型のインバータ５、このインバータ５と三相の誘導電動機６との間に設けられた電流検出器７、８などから構成されている。インバータ５は、三相ブリッジ接続された６個のスイッチング素子例えばＩＧＢＴから構成されている。電流検出手段である電流検出器７、８は、例えばホールＣＴから構成されており、誘導電動機６のＵ相電流ｉuおよびＷ相電流ｉwを検出する。

誘導電動機６をセンサレスでベクトル制御する電動機制御部９は、高速演算可能なマイクロプロセッサを主体に構成されており、メモリに記憶された制御プログラムに従って処理を実行する。座標変換部１０（ＤＱ軸電流演算手段）は、Ｕ相の検出電流ｉuとＷ相の検出電流ｉwを入力して３相−２相変換と回転座標変換とを行い、検出Ｄ軸電流ｉsdと検出Ｑ軸電流ｉsqを得る。Ｄ軸は励磁電流軸であり、Ｑ軸はトルク電流軸である。座標変換部１１は、後述する指令Ｄ軸電圧ｖsdrefと指令Ｑ軸電圧ｖsqrefを入力として回転座標変換と２相−３相変換とを行い、出力すべきＵ相電圧ｖu、Ｖ相電圧ｖv、Ｗ相電圧ｖwを決定する。これらの電圧ｖu、ｖv、ｖwは図示しないＰＷＭ手段においてＰＷＭ信号に変換された後、図示しない駆動回路を介してインバータ５に与えられる。

速度推定部１２（速度推定演算手段）は、指令Ｑ軸電流ｉsqrefおよび検出Ｑ軸電流ｉsqに基づいて誘導電動機６の推定回転速度ωrestを演算する。加算器１３（一次周波数演算手段）は、この推定回転速度ωrestに対し演算によるすべり周波数ωslipcを加算し、一次周波数ωstatを出力する。積分器１４は、一次周波数ωstatを積分して二次磁束推定位相角θinvを得る。この位相角θinvは、座標変換部１０、１１において用いられる。

減算器１５は、指令回転速度ωrefから推定回転速度ωrestを減じて速度偏差を求め、速度制御部１６は、その速度偏差に対してＰＩ演算を行って指令Ｑ軸電流ｉsqrefを出力する。電圧演算部１７は、指令Ｄ軸電流ｉdrefまたは検出Ｄ軸電流ｉsd、指令Ｑ軸電流ｉsqrefまたは検出Ｑ軸電流ｉsq、一次周波数ωstatおよび電動機定数の設定値（後述する一次抵抗設定値Ｒsadjを含む）を用いて、定常状態且つ理想ベクトル制御状態のときの電圧電流方程式に基づいて指令Ｄ軸電圧ｖsdrefと指令Ｑ軸電圧ｖsqrefを演算する。

一次抵抗調整器１８（一次抵抗調整手段）は、指令Ｑ軸電流ｉsqrefまたは検出Ｑ軸電流ｉsqと、検出Ｄ軸電流ｉsdと、一次周波数ωstatとに基づいて、電圧演算部１７で用いられる一次抵抗設定値Ｒsadjが過大であることを判定し（判定部）、過大と判定した場合には一次抵抗設定値Ｒsadjを自動的に低減させる（調整部）。

次に、一次抵抗調整器１８の作用について説明する。
まず、二次磁束φrに同期した座標における誘導電動機６の振る舞いは、（１）式で示される電圧電流方程式で表される。Ｒsは一次巻線の抵抗（一次抵抗）、Ｒrは二次側の抵抗（二次抵抗）、Ｌsは一次側の自己インダクタンス、Ｌrは二次側の自己インダクタンス、Ｍは相互インダクタンス、ωstatは一次周波数、ωslipはすべり周波数、φrdは二次磁束のＤ軸成分、φrqは二次磁束のＱ軸成分、σは漏れ係数、ｐは微分演算子である。

速度推定部１２は、指令Ｑ軸電流ｉsqrefと検出Ｑ軸電流ｉsqとが一致するように推定回転速度ωrestを演算する。（２）式は推定演算の一例を示すもので、Ｋpi、Ｋiiはそれぞれ比例ゲイン、積分ゲインである。

すべり周波数ωslipcは、検出Ｑ軸電流ｉsqを用いて（３）式から演算することができる。検出Ｑ軸電流ｉsqに替えて指令Ｑ軸電流ｉsqrefを用いてもよい。Ｔrは二次時定数、Ｋslipはすべり補償の度合いを調整するゲインである。

一次周波数ωstatは、加算器１３において、（４）式に示すように推定回転速度ωrestとすべり周波数ωslipcを加算して得られる。

指令Ｑ軸電流ｉsqrefは、減算器１５と速度制御部１６において、（５）式に示すように速度偏差をＰＩ演算して得ている。Ｋps、Ｋisはそれぞれ比例ゲイン、積分ゲインである。

誘導電動機６に与える指令Ｄ軸電圧ｖsdrefと指令Ｑ軸電圧ｖsqrefは、電圧演算部１７において、定常状態且つ理想ベクトル制御状態のときの電圧電流方程式に基づいて演算される。この電圧電流方程式は、（１）式においてφrq＝０、ｐ＝０とすることで（６）式のようになる。

（６）式の１行目と２行目を書き直すと（７）式のようになる。

ここで、（６）式の３行目から（８）式、（９）式が得られる。

（７）式に（９）式を適用すると（１０）式が得られる。

（１０）式を上述した漏れ係数σを用いて書き直すと、（１１）式で示す電圧電流方程式が得られる。

つまり、電圧演算部１７は、理想的にベクトル制御が行われている定常状態においては、（１０）式で示すＤ軸電圧ｖsdとＱ軸電圧ｖsqを指令電圧ｖsdref、ｖsqrefとして誘導電動機６に印加していることになる。
一次抵抗設定値Ｒsadjの影響が増大するのは極低速域である。停止状態からの起動直後や停止前の極低速域では、一次周波数ωstatはほぼゼロとなるので、（１１）式で示される回路は、（１２）式のように一次抵抗Ｒsのみの回路として考えても差し支えない。

このような起動直後の低速時において、電動機制御部９に設定されている一次抵抗設定値Ｒsadjが実際の誘導電動機６の一次抵抗値より大きい場合、誘導電動機６に印加されるＤ軸電圧ｖsdとＱ軸電圧ｖsqは本来印加すべき適正値より高くなり、誘導電動機６に流れるＤ軸電流ｉsdとＱ軸電流ｉsqも適正値より増大する。この増大したＱ軸電流ｉsqを用いて（２）式に従った速度推定が行われると、（ｉsqref−ｉsq）の項がマイナスの値となり、推定回転速度ωrestが本来の推定値よりも小さい方向にずれて推定される。これは、図８において起動後に一旦増加し始めた推定回転速度ωrestが減少に転じている様子に表れている。

この図８は、一次抵抗設定値Ｒsadjが実際の一次抵抗Ｒsの１．５倍の値に設定されている場合であって、一次抵抗調整器１８の動作を停止させて起動したときのシミュレーション波形である。（ａ）には指令回転速度ωref、推定回転速度ωrest、実際の回転速度（実速度）ωr、一次周波数ωstat（全て電気角）が示され、（ｂ）には相電流Ｉu、Ｉv、Ｉw、一次電流の実効値Ｉrms、一次電流のリミット値ＩLMTが示され、（ｃ）には指令Ｄ軸電流ｉdref、検出Ｄ軸電流ｉsd、指令Ｑ軸電流ｉsqref、検出Ｑ軸電流ｉsqが示され、（ｄ）には発生トルクが示され、（ｅ）には二次磁束のＤ軸成分φrd、二次磁束のＱ軸成分φrqが示されている。図８ではすべり補償をゼロとしたので、推定回転速度ωrestと一次周波数ωstatとは等しくなっている。

推定回転速度ωrestが減少すると、（１１）式においてＱ軸電圧ｖsqに含まれる一次周波数ωstatが乗算された項が減少するので、指令Ｑ軸電圧ｖsqrefはやや下がる。しかしながら、極低速域においては指令Ｑ軸電圧ｖsqrefに対する上記乗算項の影響は非常に小さく、流れる電流値は一次抵抗設定値Ｒsadjの影響が支配的であるため、推定回転速度ωrestが減少しても検出Ｑ軸電流ｉsqはさほど抑制されない。このため、一次抵抗設定値Ｒsadjが大き過ぎる場合には、図８（ａ）に示されるように推定回転速度ωrest（一次周波数ωstat）がマイナス値にまで移行してしまう。

また、推定回転速度ωrestが減少すると（５）式で示される速度制御部１６は、図８（ｃ）に示されるように、より大きな指令Ｑ軸電流ｉsqrefを出力するようになり、トルク電流の増加を引き起こす。指令Ｑ軸電流ｉsqrefが制限値にまで達すると、（２）式においてｉsqrefが制限値にクランプされるため、推定回転速度ωrestは一層減少する結果となる。最終的に、指令Ｑ軸電流ｉsqrefを制限値に保つように電圧指令値を下げる必要があるため、マイナスの周波数が動作点となってしまうことになる。これが、起動時における加速停滞時の動作である。

また、図８（ｃ）を参照すると、一次抵抗設定値Ｒsadjが大きい場合に増加するのはＱ軸電流ｉsqだけでなく、起動直後のＤ軸電流ｉsdについても指令Ｄ軸電流ｉsdrefよりも大きくなることが確認できる。そして、推定回転速度ωrestがマイナスの動作点になった後は、Ｄ軸電流ｉsdもマイナス値になる場合もあることが伺われる。

以上の考察をまとめると、一次抵抗設定値Ｒsadjが過大である場合における動作点は、理想的な場合と比較して以下に示すような差異を生じると言える。
［周波数に関する事象］
Ｑ軸電流ｉsq（トルク電流）が増加しているにもかかわらず、推定回転速度ωrestが減少する。その結果、一次周波数ωstatも減少する。

［Ｑ軸電流に関する事象］
推定回転速度ωrestの減少に伴い、指令Ｑ軸電流ｉsqrefおよびＱ軸電流ｉsqが増加し最終的に制限値に達するまで増加する。

［Ｄ軸電流に関する事象］
起動直後は、Ｄ軸電流ｉsdが指令Ｄ軸電流ｉsdrefよりも増加する。一次周波数ωstatがマイナスの動作点に収束した後においては、Ｄ軸電流ｉsdがマイナス値になる可能性もある。

本実施形態においては、これらの事象を一次抵抗調整器１８の判定部で検知して一次抵抗設定値Ｒsadjが過大であることを判断し、調整部で一次抵抗設定値Ｒsadjを自動的に調整する。

まず、推定回転速度ωrest（一次周波数ωstat）の異常を検知して一次抵抗設定値Ｒsadjを調整する方法について述べる。電動機制御部９は、必要とされるトルクを出力するため、（３）式で示されるようにＱ軸電流ｉsqに応じたすべり周波数ωslipcを推定回転速度ωrestに加算して一次周波数ωstatを得る。起動時において大きな起動トルク（力行負荷）が必要であれば、一次周波数ωstatは、その起動トルクに応じたすべり周波数ωslipcだけ増加する。

しかし、一次抵抗設定値Ｒsadjが過大な値に設定されているために、上述した事象により推定回転速度ωrestが本来の値よりも小さくなると、それに伴い一次周波数ωstatも減少する。図４は、指令回転速度ωrefが定格すべり周波数ωslipnの１／２以上の場合における一次抵抗設定値Ｒsadjの過大判定領域Ｓ１を斜線で示している。図中に示す動作線Ｈ１は、力行時の理想的なベクトル制御状態において、指令回転速度ωrefが定格すべり周波数ωslipnの１／２に等しい場合の指令Ｑ軸電流ｉsqrefと一次周波数ωstatとの関係を示している。動作線Ｈ２は、指令回転速度ωrefがゼロの場合における同様の指令Ｑ軸電流ｉsqrefと一次周波数ωstatとの関係を示している。Ａ点は、指令回転速度ωrefが定格すべり周波数ωslipnの１／２に等しい場合の定格負荷時（定格Ｑ軸電流ｉqn）における理想的な動作点を示している。

一次抵抗設定値Ｒsadjが過大な場合、推定回転速度ωrestが減少するため、一次周波数ωstatは理想の動作点Ａの一次周波数よりも低下する（例えば動作点Ｂ）。しかし、一次抵抗設定値Ｒsadjが実際の一次抵抗Ｒsに等しい場合でも、指令回転速度ωrefが正方向であって力行方向（負荷増大方向）に負荷変動が生じたときには、（２）式において検出Ｑ軸電流ｉsqが増加するため、推定回転速度ωrestが一時的に減少する。このとき、（３）式によるすべり周波数ωslipcの演算結果が一次周波数ωstatに現れるまでの間は、一次周波数ωstatが一時的に低下する可能性がある。

このような負荷変動時の推定回転速度ωrestの減少を考慮すると、一次周波数ωstatに基づいて一次抵抗設定値Ｒsadjの設定誤差を正しく判断するためには、一次周波数ωstatが、負荷変動があっても決して取り得ない状態つまり理想状態から乖離した状態にまで低下した状態に限って一次抵抗設定値Ｒsadjの過大判定を行う必要がある。

そこで、指令回転速度ωrefがωslipn／２以上の場合には、図４に斜線で示したように、指令Ｑ軸電流ｉsqrefが定格Ｑ軸電流ｉqn（基準Ｑ軸電流に相当）以上であって、且つ、一次周波数ωstatが、二次磁束軸がＤ軸に一致する理想ベクトル制御状態の下で指令回転速度ωrefがゼロの場合における一次周波数ωstatの１／２（基準周波数に相当）以下であることを条件として、一次抵抗設定値Ｒsadjが過大であると判定する。この過大判定領域Ｓ１を用いると、一次抵抗設定値Ｒsadjに設定誤差がない理想ベクトル制御状態の下での動作線Ｈ１と過大判定領域Ｓ１との間のマージンが少なくとも定格すべり周波数ωslipnだけ確保され、負荷変動に起因する誤判定を防止できる。

図５は、指令回転速度ωrefが０とωslipn／２との間の場合における一次抵抗設定値Ｒsadjの過大判定領域Ｓ１を示している。動作線Ｈ３は、当該指令回転速度ωrefに対する指令Ｑ軸電流ｉsqrefと一次周波数ωstatとの関係を示している。図６は、指令回転速度ωrefが０の場合における一次抵抗設定値Ｒsadjの過大判定領域Ｓ１を示している。少なくとも定格すべり周波数ωslipnだけのマージンを確保するため、指令回転速度ωrefがωslipn／２よりも低下すると、図４に示す過大判定領域Ｓ１に比べ（ωslipn／２−ωref）だけ一次周波数ωstatの判定基準（基準周波数）を下げている。

続いて、検出Ｄ軸電流ｉsdの異常を検知して一次抵抗設定値Ｒsadjを調整する方法について述べる。図７は、一次抵抗設定値Ｒsadjの過大判定領域Ｓ２を示している。既に説明したように、一次抵抗設定値Ｒsadjが過大な場合、検出Ｄ軸電流ｉsdが起動直後に指令Ｄ軸電流ｉsdrefよりも大きく増加し、その後マイナス値になる可能性がある。そこで、Ｄ軸電流ｉsdが通常取り得ない上限値すなわち指令Ｄ軸電流ｉsdrefよりも高く設定された基準Ｄ軸電流ｉdlimを設け、検出Ｄ軸電流ｉsdがマイナス値になったこと、または、検出Ｄ軸電流ｉsdが基準Ｄ軸電流ｉdlim以上となったことを条件として、一次抵抗設定値Ｒsadjが過大であると判定する。

以上説明した一次周波数ωstatと指令Ｑ軸電流ｉsqrefとに基づく過大判定条件と、検出Ｄ軸電流ｉsdに基づく過大判定条件とは、何れか一方だけを使用してもよいし、両方をＯＲ条件として使用してもよい。本実施形態では、後述するように両方をＯＲ条件として使用している。

次に、一次抵抗調整器１８の判定部が一次抵抗設定値Ｒsadjを過大と判定した場合に、その調整部が一次抵抗設定値Ｒsadjを自動的に適正値にまで減少させる動作について説明する。一次抵抗設定値Ｒsadjが実際の一次抵抗Ｒsに比べ大きな設定となっている状態で起動したとき、一次抵抗設定値Ｒsadjを減少させる割合が小さ過ぎると誘導電動機６の起動停滞を避けられない。逆に、一次抵抗設定値Ｒsadjを減少させる割合が大き過ぎると、一次抵抗設定値Ｒsadjは短時間で小さな値となり、実際の一次抵抗Ｒsよりも小さな値になって起動トルクを得られなくなる。このように一次抵抗設定値Ｒsadjを低減し過ぎてしまう可能性があるので、過大判定条件の成立中に低減した一次抵抗設定値Ｒsadjを、過大判定条件の不成立中に再度大きくする構成とすることで、低減し過ぎることを防止している。

図２は、一次抵抗調整器１８のうち調整部の構成を示している。判定結果１は、一次周波数ωstatと指令Ｑ軸電流ｉsqrefとに基づく一次抵抗設定値Ｒsadjの過大判定結果であり、判定結果２は、検出Ｄ軸電流ｉsdに基づく過大判定結果である。何れも０のときは適正（条件不成立）で、１のときは過大（条件成立）である。両判定結果はＮＯＲ１９に入力され、総合的なステータスである判定信号Ｑが得られる。判定信号Ｑが０のときは過大（条件成立）であり、１のときは適正（条件不成立）である。

判定信号Ｑが０（抵抗値過大）のときは、加算器２０で判定信号Ｑに−１が加算された後、乗算器２１で１／Ｔ１が乗算され、加算器２２を介して積分器２３に入力される。一方、判定信号Ｑが１（抵抗値適正）のときは、乗算器２４で１／Ｔ２が乗算され、加算器２２を介して積分器２３に入力される。Ｔ１、Ｔ２は第１、第２の時定数であって、Ｔ１＜Ｔ２となるように設定されている。積分器２３の出力は、内部に記憶されている一次抵抗記憶値Ｒssetに対する調整用の係数Rsfactor（０から１の範囲内）であって、その初期値は１に設定されている。係数Rsfactorはリミッタ２５を介して乗算器２６に与えられ、そこで一次抵抗記憶値Ｒssetと乗算されて一次抵抗設定値Ｒsadjが得られる。

図３は、一次抵抗調整器１８の調整部の動作を示している。判定信号Ｑが１（抵抗値適正）から０（抵抗値過大）になると、起動不良に陥る前に一次抵抗設定値Ｒsadjを素早く低減することが求められるので、比較的小さい時定数Ｔ１を用いて短時間のうちに係数Rsfactorひいては一次抵抗設定値Ｒsadjを低減させる。

一方、判定信号Ｑが０（抵抗値過大）から１（抵抗値適正）になると、比較的大きい時定数Ｔ２を用いて係数Rsfactorひいては一次抵抗設定値Ｒsadjを徐々に増大して復帰させる。復帰させる場合、素早く復帰させると再び一次抵抗設定値Ｒsadjが過大の条件となり、再度一次抵抗設定値Ｒsadjを低減させなければならなくなる。そうするとトルク振動が発生する虞があるので、復帰させる際の時定数Ｔ２（復帰時定数）は、低減させる際の時定数Ｔ１（低減時定数）よりも大きく設定している。

また、トルク振動を防止するため、復帰させる場合には、リミッタ２５において、前回の極大値と極小値の間の値を上限値として復帰させる。すなわち、判定信号Ｑが０となっていた直前の期間ｎにおける係数Rsfactorの最大値をｍａｘn、最小値をｍｉｎnとした場合、（１３）式で示す値Rsfactorlimnを上限値として設定する。Ｋは０から１の範囲内の値であって、ここでは一例としてＫ＝２／３に設定されている。

さらに、シミュレーションを実行し検討を重ねた結果、復帰させる際の時定数Ｔ２（復帰時定数）と低減させる際の時定数Ｔ１（低減時定数）について、以下のような好ましい設定基準が得られた。

［設定基準１］
第１の時定数Ｔ１（低減時定数）は、小さい方が起動不良を避けるのには適しているが、一次漏れ時定数σ・Ｌs／Ｒsより大きくした方が最適値よりも下げ過ぎることを抑制できる。

［設定基準２］
第２の時定数Ｔ２（復帰時定数）は、二次時定数Ｌ2／Ｒ2より長くすることで振動も少なくスムーズに起動できる。

図９、図１０は、それぞれ起動時における一次抵抗設定値Ｒsadjが実際の一次抵抗Ｒsの１．５倍、３．０倍の値に設定されている場合であって、一次抵抗調整器１８を動作させて起動したときのシミュレーション波形である。（ａ）から（ｅ）は図８と同様の項目を示しており、（ｆ）は係数Rsfactorを示している。図９では、起動後に判定結果１（一次周波数ωstatと指令Ｑ軸電流ｉsqrefとに基づく判定）が１となって係数Rsfactorの低減と復帰を１回実行した結果、安定した係数Rsfactorが得られており、過大な電流が流れることなく且つトルク振動を抑えて起動不能に陥ることなく起動できている。初期誤差のより大きい図１０では、起動後に判定結果２（検出Ｄ軸電流ｉsdに基づく判定）が１となって係数Rsfactorの低減と復帰を１回実行した後、判定結果１が１となって係数Rsfactorの低減と復帰を更に２回繰り返した結果、安定した係数Rsfactorが得られている。図９に比べると起動直後の電流変動が大きくなり、トルク振動もやや大きくなるが、起動不能に陥ることなく起動できている。

以上説明したように、本実施形態の電動機制御装置１によれば、速度偏差に基づいて指令Ｑ軸電流ｉsqrefを演算し、その指令Ｑ軸電流ｉsqrefと検出Ｑ軸電流ｉsqとが一致するように推定回転速度ωrestを推定するとともに、定常状態且つ理想ベクトル制御状態のときの電圧電流方程式に基づいて指令Ｄ軸電圧ｖsdrefと指令Ｑ軸電圧ｖsqrefを演算する。本システムでは、電圧演算部１７でＤ軸、Ｑ軸の電流偏差を演算しておらず直接的な電流制御ループが存在しないように見えるが、速度推定部１２を備えることで実質的に電流制御が行われている。

このセンサレスベクトル制御システムにおいて、指令電圧ｖsdref、ｖsqrefの演算に用いる一次抵抗設定値Ｒsadjを誘導電動機６の一次抵抗Ｒsに近付けるように自動調整する一次抵抗調整器１８を備えたので、起動停滞および過電流を防止してスムーズに起動することができる。また、徐々に減速して停止させる時にも、低速域において一次抵抗設定値Ｒsadjの設定誤差の影響を受けるが、その場合でも過電流の発生を防止し、確実に停止させることができる。

具体的には、指令回転速度ωrefがωslipn／２以上の場合には、指令Ｑ軸電流ｉsqrefが定格Ｑ軸電流ｉqn（基準Ｑ軸電流）以上であって、且つ、一次周波数ωstatが、理想ベクトル制御状態の下で指令回転速度ωrefがゼロの場合における指令Ｑ軸電流ｉsqrefに対応した一次周波数ωstatの１／２（基準周波数）以下であることを条件として、一次抵抗設定値Ｒsadjが過大であると判定する。指令回転速度ωrefがωslipn／２よりも低いときには、さらに（ωslipn／２−ωref）だけ一次周波数ωstatの基準周波数を下げて判定する。

このように指令Ｑ軸電流ｉsqrefと指令回転速度ωrefとに基づいて一次抵抗設定値Ｒsadjの過大判定を行うことにより、誤判定を極力防止することができる。また、上記した基準Ｑ軸電流と基準周波数を用いると、一次抵抗設定値Ｒsadjに設定誤差がない理想ベクトル制御状態の下での動作線と過大判定領域Ｓ１との間に少なくとも定格すべり周波数ωslipnだけのマージンが確保される。従って、指令回転速度ωrefが正方向で力行方向に負荷変動が生じたとき（このとき推定回転速度ωrestが一時的に減少し一次周波数ωstatが一時的に低下する可能性がある）でも、誤判定を防止できる。

さらに、Ｄ軸電流ｉsdが通常取り得ない上限値よりも高い基準Ｄ軸電流ｉdlimを設定し、検出Ｄ軸電流ｉsdがマイナス値になった場合、または、検出Ｄ軸電流ｉsdが基準Ｄ軸電流ｉdlim以上となった場合に、一次抵抗設定値Ｒsadjが過大であると判定することができる。そして、上述した２種類の過大判定条件を並列的に用いることにより、より確実な判定が可能となる。

一次抵抗調整器１８は、一次抵抗設定値Ｒsadjが過大であると判定すると、比較的小さく設定された第１の時定数Ｔ１に従って、誘導電動機６の起動停滞が発生する前に一次抵抗設定値Ｒsadjを実際の一次抵抗Ｒsに近付けることができる。また、過大判定状態から脱すると、一旦低減した一次抵抗設定値Ｒsadjを再び増大させるので（復帰動作）、低減し過ぎることを防止できる。

一次抵抗設定値Ｒsadjの増大時には、第１の時定数Ｔ１よりも大きく設定された第２の時定数Ｔ２に従うので、一次抵抗設定値Ｒsadjひいてはトルクが振動的になることを防止できる。また、増大時には、前回の過大判定期間における最小値と最大値との間に上限値を設け、その上限値を超えないように制限するので、復帰動作による一次抵抗設定値Ｒsadjの収束の遅れを極力低減することができる。

電動機制御装置１によれば、温度が高い状態となる運転中のトルク不足を避けるため、運転中の温度に合わせて一次抵抗設定値Ｒsadjを予め高く設定しておいても、冬季など一次抵抗Ｒsが極端に低下した状況で過電流を抑えつつ誘導電動機６を確実に起動することができる。すなわち、電動機設置場所における通年の温度変化範囲および運転時に変化しうる温度範囲において、スムーズな起動および減速停止を行える。

一次抵抗調整器１８は、一次抵抗設定値Ｒsadjを常時調整するのではなく、過大判定条件が成立した時およびその後に条件不成立となった復帰時に限り調整する。従って、殆どの場合には、一旦起動して電動機温度が上昇した後は、減速停止時を除いて調整動作が行われることはなく、負荷変動などにより一次抵抗設定値Ｒsadjが不必要に調整されることがない。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について図１１を参照しながら説明する。
図１１は、電動機制御装置のブロック構成図であって、図１と同一部分には同一符号を付している。この電動機制御装置２７の電動機制御部２８もセンサレスベクトル制御を実行するが、速度推定部２９は、例えば特許文献２に記載されたもののように、指令Ｄ軸電圧ｖsdref、指令Ｑ軸電圧ｖsqref、検出Ｄ軸電流ｉsd、検出Ｑ軸電流ｉsqを用いて推定回転速度ωrestを演算する。電圧制御部３０は、Ｄ軸電流偏差、Ｑ軸電流偏差をそれぞれＰＩ演算して指令Ｄ軸電圧ｖsdref、指令Ｑ軸電圧ｖsqrefを出力する。

速度推定部２９は、指令Ｄ軸電圧ｖsdref、指令Ｑ軸電圧ｖsqrefからそれぞれ一次抵抗設定値Ｒsadjと一次側に換算した漏れインダクタンス設定値とによるインピーダンス降下分を減算することによりＤ軸誘起電圧Ｅｄ、Ｑ軸誘起電圧Ｅｑを推定演算し、これに基づいて推定回転速度ωrestを演算する。このため、極低速域においては、一次抵抗設定値Ｒsadjが支配的となって誘起電圧Ｅｄ、Ｅｑの推定値が変化し、一次抵抗設定値Ｒsadjが過大に設定された場合には、誘起電圧Ｅｄ、Ｅｑひいては推定回転速度ωrestを正しく演算できなくなる。

例えば、特許文献２記載の電動機制御装置では、軸ずれ誤差を最小化できる新たなｈｖ軸直交座標系を定義することで一次抵抗設定値Ｒsadjに誤差がある場合でも、安定性を向上できることが示されているが、その方式にも限界があることがその考察から伺われる。本実施形態によれば、第１の実施形態で説明した一次抵抗調整器１８を備え、速度推定部２９で用いる一次抵抗設定値Ｒsadjを自動調整するので、制御系の安定性をさらに向上させ、電動機パラメータ特には一次抵抗Ｒsの設定誤差に対するロバスト性を高めることができる。

（その他の実施形態）
なお、本発明は上記し且つ図面に示す各実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように変形または拡張が可能である。
速度推定演算手段は、指令Ｄ軸電圧ｖsdrefと指令Ｑ軸電圧ｖsqrefとに基づいて推定回転速度ωrestを演算する構成であってもよい。または、検出Ｄ軸電流ｉsdと検出Ｑ軸電流ｉsqとに基づいて推定回転速度ωrestを演算する構成であってもよい。

（１１）式および（１２）式において、検出Ｄ軸電流ｉsdに替えて指令Ｄ軸電流ｉsdrefを用いてもよく、検出Ｑ軸電流ｉsqに替えて指令Ｑ軸電流ｉsqrefを用いてもよい。
図４ないし図６に示すように力行正転時の過大判定領域Ｓ１を設定したが、判定に用いる基準周波数は、理想ベクトル制御状態で指令回転速度ωrefがゼロの場合に指令Ｑ軸電流ｉsqrefまたは検出Ｑ軸電流ｉsqに等しいＱ軸電流が流れるときの一次周波数（動作線Ｈ２）よりも低く設定されていればよい。この場合、指令回転速度ωrefが低いほど、或いは誤判定を避けるためのマージンに応じて、基準周波数を下げることが好ましい。

基準Ｑ軸電流は、定格Ｑ軸電流ｉqnより小さく設定してよく、定格Ｑ軸電流ｉqnより大きく設定してもよい。
復帰させる際の第２の時定数Ｔ２（復帰時定数）は、低減させる際の第１の時定数Ｔ１（低減時定数）よりも大きく設定したが、トルク振動が発生する虞が小さい場合には、必ずしもＴ１＜Ｔ２である必要はなく、Ｔ１＝Ｔ２またはＴ１＞Ｔ２であってもよい。

図面中、１、２７は電動機制御装置、５はインバータ、６は誘導電動機、７、８は電流検出器（電流検出手段）、９、２８は電動機制御部（センサレスベクトル制御手段）、１０は座標変換部（ＤＱ軸電流演算手段）、１２、２９は速度推定部（速度推定演算手段）、１３は加算器（一次周波数演算手段）、１７、３０は電圧演算部（ＤＱ軸電圧指令演算手段）、１８は一次抵抗調整器（一次抵抗調整手段）である。

Claims (8)

1. インバータと、速度検出器を用いることなくＤ軸とＱ軸とからなるＤＱ軸直交座標系上で誘導電動機の二次磁束軸がＤ軸に一致するように誘導電動機を駆動制御するセンサレスベクトル制御手段とを備えた電動機制御装置において、
   前記センサレスベクトル制御手段は、
   前記誘導電動機の相電流を検出する電流検出手段と、
   この電流検出手段により検出された相電流に基づいて検出Ｄ軸電流と検出Ｑ軸電流を演算するＤＱ軸電流演算手段と、
   誘導電動機の電圧電流方程式またはＤ軸とＱ軸の電流偏差に基づいて指令Ｄ軸電圧と指令Ｑ軸電圧を演算するＤＱ軸電圧指令演算手段と、
   前記指令Ｑ軸電流および前記検出Ｑ軸電流に基づいて、または、前記指令Ｄ軸電圧と指令Ｑ軸電圧および前記検出Ｄ軸電流と検出Ｑ軸電流の少なくとも一方に基づいて、前記誘導電動機の推定回転速度を演算する速度推定演算手段と、
   前記推定回転速度にすべり周波数を加算して前記一次周波数を得る一次周波数演算手段と、
   指令Ｑ軸電流または検出Ｑ軸電流が所定の基準Ｑ軸電流以上であって、且つ、前記一次周波数演算手段により演算された一次周波数が、二次磁束軸がＤ軸に一致する理想ベクトル制御状態で指令回転速度がゼロの場合に前記指令Ｑ軸電流または検出Ｑ軸電流に等しいＱ軸電流が流れるときの一次周波数よりも低く設定された基準周波数以下であると判定したときに、前記一次抵抗の設定値を低減するように調整する一次抵抗調整手段とを具備していることを特徴とする電動機制御装置。
2. 前記一次抵抗調整手段において、前記基準Ｑ軸電流は定格Ｑ軸電流に等しい値に設定されていることを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
3. 前記一次抵抗調整手段は、指令回転速度が定格すべり周波数の１／２以上の場合には、前記理想ベクトル制御状態で回転速度がゼロの場合に前記指令Ｑ軸電流または検出Ｑ軸電流に等しいＱ軸電流が流れるときの一次周波数の１／２を前記基準周波数とし、指令回転速度が定格すべり周波数の１／２未満の場合には、さらに（定格すべり周波数／２−指令回転速度）だけ低い一次周波数を前記基準周波数とすることを特徴とする請求項１または２記載の電動機制御装置。
4. 前記一次抵抗調整手段は、検出Ｄ軸電流が負であると判定したときまたは検出Ｄ軸電流が指令Ｄ軸電流よりも高く設定された基準Ｄ軸電流以上であると判定したときにも、前記一次抵抗の設定値を低減するように調整することを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の電動機制御装置。
5. インバータと、速度検出器を用いることなくＤ軸とＱ軸とからなるＤＱ軸直交座標系上で誘導電動機の二次磁束軸がＤ軸に一致するように誘導電動機を駆動制御するセンサレスベクトル制御手段とを備えた電動機制御装置において、
   前記センサレスベクトル制御手段は、
   前記誘導電動機の相電流を検出する電流検出手段と、
   この電流検出手段により検出された相電流に基づいて検出Ｄ軸電流と検出Ｑ軸電流を演算するＤＱ軸電流演算手段と、
   誘導電動機の電圧電流方程式またはＤ軸とＱ軸の電流偏差に基づいて指令Ｄ軸電圧と指令Ｑ軸電圧を演算するＤＱ軸電圧指令演算手段と、
   前記指令Ｑ軸電流および前記検出Ｑ軸電流に基づいて、または、前記指令Ｄ軸電圧と指令Ｑ軸電圧および前記検出Ｄ軸電流と検出Ｑ軸電流の少なくとも一方に基づいて、前記誘導電動機の推定回転速度を演算する速度推定演算手段と、
   前記推定回転速度にすべり周波数を加算して前記一次周波数を得る一次周波数演算手段と、
   検出Ｄ軸電流が負であると判定したとき、または検出Ｄ軸電流が指令Ｄ軸電流よりも高く設定された基準Ｄ軸電流以上であると判定したときに、前記一次抵抗の設定値を低減するように調整する一次抵抗調整手段とを具備していることを特徴とする電動機制御装置。
6. 前記一次抵抗調整手段は、前記一次抵抗の設定値を低減するための判定条件が成立したときには、第１の時定数に従って前記一次抵抗の設定値を低減し、前記判定条件が不成立となったときには、前記第１の時定数よりも大きい第２の時定数に従って前記一次抵抗の設定値を増加させることを特徴とする請求項１ないし５の何れかに記載の電動機制御装置。
7. 前記一次抵抗調整手段は、前記判定条件が不成立となったとき、その直前の前記判定条件の成立期間における前記一次抵抗設定値の最小値と最大値の中間の値を上限値とし、増加させる前記一次抵抗の設定値が前記上限値を超えないように制限することを特徴とする請求項６記載の電動機制御装置。
8. 前記第１の時定数は、前記誘導電動機の一次漏れ時定数よりも大きく設定され、前記第２の時定数は、前記誘導電動機の二次時定数より大きく設定されていることを特徴とする請求項６または７記載の電動機制御装置。

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