JP5445933B2

JP5445933B2 - 誘導電動機の制御装置

Info

Publication number: JP5445933B2
Application number: JP2009239165A
Authority: JP
Inventors: 康寛玉井; 達也山田
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2009-10-16
Filing date: 2009-10-16
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2029-10-16
Also published as: JP2011087424A

Description

本発明は、ベクトル制御により誘導電動機を駆動するための制御装置に関するものである。

誘導電動機の高性能かつ高精度な制御方法として、ベクトル制御が広く知られている。ベクトル制御は、電動機の電流を電動機の磁束と平行な成分（磁化電流成分またはＭ軸成分）及び磁束に直交する成分（トルク電流成分またはＴ軸成分）に分解して検出し、検出した電流をそれぞれの指令値に一致させるように制御する方法である。
ベクトル制御では電動機の速度情報が必要であるため、通常はパルスジェネレータ等の速度検出器により速度情報を得るようにしている。また、速度検出器を取り付けられない用途にベクトル制御を適用したいという要求も多いことから、電動機への印加電圧や印加電流から速度及び磁束を推定する手段を備えた速度センサレスベクトル制御システムが、従来から種々提案されている。

ここで、図５は、速度検出手段を有する一般的なベクトル制御システムのブロック図を示している。
同図において、速度検出手段１１はパルスジェネレータに代表される速度検出器の出力信号を処理して誘導電動機Ｍの回転速度を検出する。速度検出値は速度指令と共に速度調節器１２へ入力され、速度検出値が速度指令と一致するようなトルク指令が演算される。
速度調節器１２は、一般的に、図６に示すごとく減算手段１２１、比例演算回路１２２、積分回路１２３及び加算手段１２４からなるＰＩ調節器によって構成される。この種の速度調節器１２で用いられる制御定数には比例ゲイン、積分時定数等があり、これらの制御定数は、誘導電動機駆動用の電力変換器に付属したタッチパネル等からユーザが手入力により設定することが多い。

図５のトルク電流指令演算手段１３では、出力トルクがトルク電流に比例するという関係を利用して、トルク指令に応じたトルク電流指令を演算する。このトルク電流指令はトルク電流調整手段１４に入力され、検出したトルク電流とトルク電流指令とが一致するようなＴ軸電圧指令が演算される。

一方、磁化電流指令演算手段１５では、誘導電動機Ｍの速度指令に応じて決まる磁束指令から、磁束指令通りの磁束を発生させるために必要な磁化電流指令を演算する。この磁化電流指令は磁化電流調整手段１６に入力され、検出した磁化電流と磁化電流指令とが一致するようなＭ軸電圧指令が演算される。

すべり周波数演算手段１７では、指令通りのトルクを出力するために、トルク電流指令に比例したすべり周波数を演算する。更に、加算手段１８においてすべり周波数と速度検出値とを加算して、１次周波数指令を演算する。この１次周波数指令を用いて座標変換手段１９にて座標変換を行うことにより、三相の出力電圧指令が得られ、インバータ等の電力変換器２０により、出力電圧指令通りの三相交流電圧を出力して誘導電動機Ｍに印加する。なお、２１は電力変換器２０の出力電流を検出するための電流検出器、２２は前記出力電流を座標変換して磁化電流及びトルク電流に分解するための座標変換手段である。
上述したベクトル制御によれば、誘導電動機Ｍの磁束及びトルクを独立させて高精度に制御することができる。

ベクトル制御に関する課題の一つとして、速度検出器の故障時の対応が挙げられる。ベクトル制御により誘導電動機を駆動するには、前述した如く誘導電動機の速度情報が必要である。このため、例えばパルスジェネレータ等の速度検出器により誘導電動機の速度を直接検出している場合、速度検出器が何らかの原因で故障すると、速度検出値に異常が発生して誘導電動機を継続して運転することができなくなる。この時、速度検出異常を示すアラームを発生して電力変換器の運転を停止させると、誘導電動機はフリーラン状態となるが、用途によっては好ましい対応策ではない。

このような点に鑑み、特許文献１には、速度検出器が故障した場合でも、ベクトル制御により誘導電動機の運転を継続するための技術が開示されている。
図７は、この特許文献１に記載された従来技術を示している。以下では、先に説明した一般的なベクトル制御とは異なる点を中心として説明する。

特許文献１に係る従来技術では、図７の故障判別回路３１により速度検出器３２の状態を監視する。なお、ＩＭはインバータ４７により駆動される誘導電動機である。
速度検出器３２が正常に動作している場合は、切替回路３３により、速度検出器３２による速度検出値ω_２を選択してベクトル制御を行う。また、インバータ４７の運転中は、速度検出器３２の状態に関わらず、速度演算回路３４を動作させる。速度演算回路３４は、電圧変成器３５、電流検出器４０、三相−二相変換器４１を介してインバータ４７の出力電圧及び出力電流を検出し、これらに基づいて誘導電動機ＩＭの速度を推定演算するものであり、いわゆる速度センサレス制御における速度推定手段に相当する。

故障判別回路３１により速度検出器３２の異常を検出すると、切替回路３３は速度演算回路３４による速度推定値ω_２’を選択して出力し、ベクトル制御を行う。このように、速度演算回路３４はインバータ４７の出力電圧及び出力電流から誘導電動機ＩＭの速度を推定できるため、速度検出器３２が故障した場合でもインバータ４７のベクトル制御を継続することができる。
なお、図７において、３６は磁化電流指令演算器、３７は速度調節器、３８はすべり角速度演算器、３９は積分器、４２はベクトル回転器、４３は磁化電流調節器、４４はトルク電流調節器、４５は座標変換回路、４６はパルス発生回路である。

特開平１−１９８２９２号公報（第３頁左下欄第４行〜第４頁右上欄第１３行、第１図等）

特許文献１に記載された従来技術は、速度検出器の故障検出時に、速度推定値を用いた速度センサレス制御へ切り替えることによってインバータの継続運転を可能とするものであり、速度検出器の故障による影響を最小限に抑えることが可能である。
ここで、ベクトル制御により安定した運転を行うためには、図６に示した速度調節器内の比例ゲイン、積分時定数等の制御定数を適切に設定する必要がある。これらの制御定数には、運転前にユーザによって予め適切な値を設定しておく必要があり、制御系の無駄時間等から理論的に求めるか、あるいは、試運転を行って手動調節する等の方法により決定するのが一般的である。

さて、図７に示したように、速度検出器３２により誘導電動機ＩＭの速度を直接検出する場合と、速度演算回路３４により速度を推定する場合とでは、制御系の無駄時間等は当然異なっている。このため、速度検出器３２の故障が発生したときに、切替回路３３の動作により速度演算回路３４による速度推定値ω_２’を用いる方法に切り替えて運転を継続する場合は、同時に速度調節器３７の制御定数を切り替えるべきであるが、特許文献１には、この点について何ら言及されていない。

一般的に、速度推定値を用いる方が制御系の無駄時間が大きいため、速度調節器の比例ゲインを小さく設定することが多い。これに対し、速度調節器の比例ゲインが大き過ぎると、速度制御系が発振して安定した動作ができなくなる。
よって、特許文献１記載の従来技術では、速度検出器３２の故障により速度検出値ω_２から速度推定値ω_２’への切り替えを行った場合に、速度調節器３７の制御定数が適切でないため、速度制御系が発振し、動作が不安定になって運転を継続できなくなる恐れがある。

そこで、本発明の解決課題は、速度検出手段に故障が発生した場合に、特別な調整や設定を行うことなく自動的に速度センサレス制御へ切り替えると共に適切な制御定数を用いることにより、誘導電動機の継続的かつ安定な運転を可能にした制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、誘導電動機を駆動する電力変換器の出力電流を磁化電流とこれに直交するトルク電流とに分解する座標変換手段と、前記誘導電動機に対する磁束指令から磁化電流指令を演算する手段と、前記誘導電動機の回転速度と速度指令との偏差をゼロにするようなトルク指令を演算する速度調節手段と、前記トルク指令からトルク電流指令を演算する手段と、前記磁化電流指令と磁化電流との偏差及び前記トルク電流指令とトルク電流との偏差を何れもゼロにするような電圧指令をそれぞれ出力する電流調整手段と、を備え、前記電圧指令に従って前記電力変換器の出力電圧を制御するようにした誘導電動機の制御装置において、
前記誘導電動機の回転速度を検出する速度検出手段と、
前記誘導電動機の回転速度を推定演算する速度演算手段と、
前記速度検出手段による速度検出値と前記速度演算手段による速度推定値との何れか一方を制御方法決定信号に従って選択し、選択した値を前記誘導電動機の速度情報として前記速度調節手段に出力する選択手段と、
前記選択手段が前記速度情報として前記速度推定値を選択した場合に、予め設定されている制御定数に所定の調整定数を乗じて出力する手段と、
を備え、
前記制御方法決定信号に従って前記選択手段が選択する前記速度情報が変更された時に、前記速度調節手段が、速度制御用の制御定数を自動的に変更するものである。

請求項２に係る発明は、請求項１において、前記速度検出手段の故障を検出する故障検出手段を備え、この手段による故障検出時に、前記選択手段が、前記速度情報として前記速度推定値を選択するものである。

本発明によれば、誘導電動機の速度情報が、例えば速度検出値から速度推定値に変更された場合でも、特別な手動調整を行うことなく適切な制御定数を速度調節手段に設定することができ、安定した運転を行うことができる。特に、速度検出器が故障した場合には、速度センサレス制御に速やかに切り替えて、速度推定値に基づくベクトル制御によって誘導電動機の運転を継続することが可能である。

本発明の実施形態の構成を示すブロック図である。図１における速度調節器の構成図である。図２における制御定数自動設定手段の参考例を示す構成図である。図２における制御定数自動設定手段の実施例を示す構成図である。一般的なベクトル制御システムのブロック図である。図５における速度調節器の構成図である。特許文献１に記載された従来技術を示すブロック図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は、請求項１，２に係る実施形態の構成を示すブロック図であり、以下では、主として図５，図７と異なる部分を中心に説明する。

図１において、速度演算手段５３は、電力変換器２０の出力電圧及び出力電流から誘導電動機Ｍの速度を推定する。この速度推定方法は特許文献１に記載された方法を始めとして種々存在するが、いかなる方法であっても良い。
速度演算手段５３から出力される速度推定値と、速度検出手段１１から出力される速度検出値とは、選択手段５４に入力されており、この選択手段５４に別途入力される制御方法決定信号に従って上記速度推定値と速度検出値との何れか一方が選択され、速度情報として速度調節器１２及び加算手段１８に出力されるようになっている。

故障検出回路５１では、誘導電動機Ｍに取り付けられたパルスジェネレータ等の速度検出器（図示せず）の検出信号を監視し、速度検出器に異常が発生した場合はその異常を示す速度検出異常信号を出力する。この速度検出異常信号は、制御方法設定信号書き換え処理部５２に送られる。
なお、図１では、速度検出器の出力信号を処理する手段を速度検出手段１１として示してあるが、速度検出器及び速度検出手段１１を含む全体を、請求項における広義の「速度検出手段」というものとする。この意味において、図１の故障検出回路５１は、点線で示す如く速度検出手段１１の出力信号（速度検出値）の異常も検出可能である。

制御方法設定信号書き換え処理部５２では、制御方法を最終的に決定する制御方法決定信号を生成し、選択手段５４及び速度調節器１２に出力する。通常は、外部から入力された制御方法手動設定信号をそのまま制御方法決定信号として出力するが、故障検出回路５１から速度検出異常信号が入力された場合のみ、制御方法手動設定信号をセンサレス制御用の制御方法決定信号へ強制的に書き換える処理を行う。ここで、制御方法手動設定信号は、どのような制御方法を用いて電力変換器２０を運転するのかを示す信号であり、電力変換器２０の運転前にユーザによって予め設定されるものである。

選択手段５４は、制御方法決定信号に応じて、誘導電動機Ｍの速度検出値または速度推定値を選択し、速度情報として速度調節器１２及び加算手段１８に出力する。
すなわち、制御方法決定信号に基づき、制御方法として速度検出器を用いない速度センサレス制御を選択した場合には、選択手段５４は速度演算手段５３により演算された速度推定値を速度情報として選択し、出力する。このため、故障検出回路５１により速度検出器の故障や速度検出値の異常が検出された場合には、制御方法決定信号に応じた選択手段５４の上記動作により、速度情報として速度推定値が選択され、出力される。
一方、速度センサレス制御を選択しなかった場合、選択手段５４は、速度検出手段１１から出力された速度検出値を速度情報として選択し、出力する。
上記の動作により、速度検出器や速度検出手段１１に故障、異常が発生した場合は、誘導電動機Ｍの速度情報が速度演算手段５３による速度推定値へ即座に切り替わるので、電力変換器２０による誘導電動機Ｍの継続的な運転が可能となる。

また、本実施形態では、速度調節器１２の内部構成も従来技術と異なっている。図２は、この速度調節器１２の構成を示している。
速度調節器１２では、まず、減算手段１２１において、入力された速度指令から速度情報（速度検出値または速度推定値）を減じて速度偏差を演算し、比例演算回路１２２により所定の比例ゲインを乗じる。そして、比例演算回路１２２の出力と、これを所定の積分時定数を持つ積分回路１２３により積分した信号とを加算手段１２４により加算し、その結果をトルク指令として出力する。上記の構成はいわゆるＰＩ調節器であり、従来技術として示した図６と同様である。

さて、本実施形態では、図２に示す如く制御定数自動設定手段１２５を有する点が特徴となっている。この制御定数自動設定手段１２５は、前述した制御方法決定信号に応じて、比例ゲイン及び積分時定数を自動的に切り替える処理を行う。
制御方法決定信号により、制御方法が切り替えられたことを認識した制御定数自動設定手段１２５は、速度制御用の制御定数（比例ゲイン及び積分時定数）を適切な値に自動的に切り替えるので、制御方法の切り替え後も特別な調整や設定を必要とせずに安定した運転を行うことができる。
制御方法が切り替わる場合としては、ユーザが制御方法を手動で切り替えた場合、及び、速度検出器の故障を判別して速度センサレス制御へ自動的に切り替える場合が想定されるが、この実施形態によれば何れの場合にも対応可能である。

次に、図３は、制御定数自動設定手段１２５の参考例を示している。
図３に示す制御定数自動設定手段１２５は、その内部に各２個の比例ゲイン格納部１２５ａ，１２５ｂ及び積分時定数格納部１２５ｄ，１２５ｅを備えている。ここで、比例ゲイン格納部１２５ａ及び積分時定数格納部１２５ｄには、速度検出器を用いて運転する場合に用いる速度制御用の制御定数がそれぞれ格納され、比例ゲイン格納部１２５ｂ及び積分時定数格納部１２５ｅには、速度センサレス制御によって運転する場合に用いる速度制御用の制御定数がそれぞれ格納されている。
そして、制御方法決定信号の内容に応じて選択部１２５ｃ，１２５ｆを動作させることにより、比例ゲイン格納部１２５ａ及び積分時定数格納部１２５ｄ、または、比例ゲイン格納部１２５ｂ及び積分時定数格納部１２５ｅの何れかを選択し、所定の比例ゲイン及び積分時定数を図２の比例演算回路１２２及び積分回路１２３にそれぞれ出力するようになっている。

図３によれば、各制御方法に最適な制御定数を格納部１２５ａ，１２５ｂ，１２５ｄ，１２５ｅに個別に設定することができる。このため、電力変換器２０の試運転を行い、それぞれの制御方法に最適な制御定数を格納部１２５ａ，１２５ｂ，１２５ｄ，１２５ｅに予め設定しておけば、手動で制御方法を切り替えたり、速度検出器の故障により制御方法を強制的に切り替える場合においても、安定した運転が可能となる。

次いで、図４は、制御定数自動設定手段１２５の実施例を示しており、請求項１に相当している。なお、以下では比例ゲインを自動的に設定する場合について説明するが、積分時定数についても同様の構成を適用することができる。
図４に示すように、制御定数自動設定手段１２５は単一の比例ゲイン格納部１２５ｇを有しており、この比例ゲイン格納部１２５ｇには速度検出器を用いて運転する場合に用いる速度制御用の比例ゲインを格納しておく。制御方法決定信号が速度検出器を用いた制御を選択したことを示している場合は、比例ゲイン格納部１２５ｇに格納されている比例ゲインを、選択部１２５ｉを介してそのまま比例演算回路１２２に出力する。

一方、手動によって速度センサレス制御を選択した場合や速度検出器の故障を検出した場合は、制御方法決定信号により速度センサレス制御が選択される。この場合、比例ゲイン格納部１２５ｇに格納されている比例ゲインに、乗算回路１２５ｈにより調整定数を乗じたものを最終的な比例ゲインとする。そして、この比例ゲインを、制御方法決定信号により乗算回路１２５ｈ側に切り替えられた選択部１２５ｉを介して、比例演算回路１２２へ出力する。

ここで、図４における調整定数の決定方法について説明する。
速度調節器１２は、比例演算回路１２２における比例ゲインを大きくするほど応答が速くなる反面、安定性が低下して発振することがある。よって、比例ゲインには上限値が存在する。この上限値は制御系の無駄時間（遅れ時間）によって決まるが、速度検出器により速度を検出するよりも、電力変換器２０の出力電圧及び出力電流から速度を推定する方が無駄時間は大きくなるため、センサレス制御の方が、設定可能な比例ゲインの上限値は小さくなる。従って、調整定数としては、１以下の値に設定しておけば安定した動作が可能になる。

図４に示した実施例を適用する利点としては、制御定数自動設定手段１２５の構成を簡略化できると共に、制御定数設定のための調整作業も簡略化できる点が挙げられる。
図３では、速度検出器を用いる場合及び速度センサレス制御を用いる場合のそれぞれについて、比例演算回路１２２や積分回路１２３用の制御定数を試運転等により調整する必要がある。しかし、図４の実施例によれば、速度検出器を用いる場合の制御定数のみを調整するだけでよく、調整定数を１以下に設定しておけば、試運転等を行って調整しなくても、センサレス制御へ切り替えた時の安定した動作が可能となる。
よって、センサレス制御へ切り替えた場合の安定動作を特に重視し、かつ、調整を簡略化したい場合、図４の方が有効となる。逆に、制御定数の厳密な調整を行い、センサレス制御へ切り替えた後もより良い制御特性を実現したい場合には、図３の方が有効であると言える。

１１：速度検出手段
１２：速度調節器
１２１：減算手段
１２２：比例演算回路
１２３：積分回路
１２４：加算手段
１２５：制御定数自動設定手段
１２５ａ，１２５ｂ，１２５ｇ：比例ゲイン格納部
１２５ｃ，１２５ｆ，１２５ｉ：選択部
１２５ｄ，１２５ｅ：積分時定数格納部
１２５ｈ：乗算回路
１３：トルク電流指令演算手段
１４：トルク電流調節手段
１５：磁化電流指令演算手段
１６：磁化電流調整手段
１７：すべり周波数演算手段
１８：加算手段
１９，２２：座標変換手段
２０：電力変換器
２１：電流検出器
５１：故障検出回路
５２：制御方法決定信号書き換え処理部
５３：速度演算手段
５４：選択手段

Claims

誘導電動機を駆動する電力変換器の出力電流を磁化電流とこれに直交するトルク電流とに分解する座標変換手段と、前記誘導電動機に対する磁束指令から磁化電流指令を演算する手段と、前記誘導電動機の回転速度と速度指令との偏差をゼロにするようなトルク指令を演算する速度調節手段と、前記トルク指令からトルク電流指令を演算する手段と、前記磁化電流指令と磁化電流との偏差及び前記トルク電流指令とトルク電流との偏差を何れもゼロにするような電圧指令をそれぞれ出力する電流調整手段と、を備え、前記電圧指令に従って前記電力変換器の出力電圧を制御するようにした誘導電動機の制御装置において、
前記誘導電動機の回転速度を検出する速度検出手段と、
前記誘導電動機の回転速度を推定演算する速度演算手段と、
前記速度検出手段による速度検出値と前記速度演算手段による速度推定値との何れか一方を制御方法決定信号に従って選択し、選択した値を前記誘導電動機の速度情報として前記速度調節手段に出力する選択手段と、
前記選択手段が前記速度情報として前記速度推定値を選択した場合に、予め設定されている制御定数に所定の調整定数を乗じて出力する手段と、
を備え、
前記制御方法決定信号に従って前記選択手段が選択する前記速度情報が変更された時に、前記速度調節手段が、速度制御用の制御定数を自動的に変更することを特徴とする誘導電動機の制御装置。
請求項１に記載した誘導電動機の制御装置において、
前記速度検出手段の故障を検出する故障検出手段を備え、この手段による故障検出時に、前記選択手段が、前記速度情報として前記速度推定値を選択することを特徴とする誘導電動機の制御装置。