JP5455400B2

JP5455400B2 - 電動機制御装置

Info

Publication number: JP5455400B2
Application number: JP2009060361A
Authority: JP
Inventors: 赴夫石川; 亮安宅; 道夫松波; 信吾牧島; 幸司花岡; 忍保川
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2009-03-13
Filing date: 2009-03-13
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2029-03-13
Also published as: JP2010220273A

Description

本発明は電動機制御に関する発明であり、特に発生する騒音の制御に関するものである。

従来技術に基づく電動機制御装置の一例として、表面形永久磁石型同期電動機を駆動した場合について図６及び図７に示し、これらの図に基づき従来技術を説明する。

電動機１は表面形永久磁石型同期電動機であり、電動機１の回転角θを検出する回転角検出器２が設置されている。電流検出器３は電動機に流れる三相の電流ｉＵ、ｉＶ、ｉＷを検出する。電流制御装置４はトルク指令τ＊及び三相の電流ｉＵ、ｉＶ、ｉＷ及び回転角θを入力し、三相の電圧指令ＶＵ＊、ＶＶ＊、ＶＷ＊を出力する。インバータ装置５は、三相の電圧指令ＶＵ＊、ＶＶ＊、ＶＷ＊を入力し、ＶＵ＊、ＶＶ＊、ＶＷ＊と等価な電圧となる三相の電圧ＶＵ、ＶＶ、ＶＷを出力し電動機１に印加する。

電動機１を模式的に表したものが図３であり、三相の電流が流れるが、制御上では磁石磁束の方向をｄ軸、ｄ軸に直交する方向をｑ軸として、図４のように回転子と同期した座標で考える。

次に、図７に基づき電流制御装置４について説明する。電流指令変換器４１はトルク指令τ＊を入力し、トルク指令τ＊を発生する際の電流値となるｑ軸電流指令ｉｑ＊を出力する。電流座標変換器４２は、三相の電流ｉＵ、ｉＶ、ｉＷを回転子角度θに基づきｄ軸、ｑ軸上の電流であるｄ軸電流ｉｄとｑ軸電流ｉｑに変換する。ｑ軸電流制御器４３はｑ軸電流指令ｉｑ＊とｑ軸電流ｉｑの差がゼロとなるようにｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を出力する。ｄ軸電流制御器４４はｄ軸電流ｉｄがゼロとなるようにｄ軸電圧指令Ｖｄ＊を出力する。電圧指令座標変換器４５はｄ軸電圧指令Ｖｄ＊とｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を回転子角θに基づき、三相の電圧指令ＶＵ＊、ＶＶ＊、ＶＷ＊に変換する。

次に、図５に基づきインバータ装置５について説明する。なお、ここではＵ相電圧指令ＶＵ＊からＵ相電圧ＶＵへの変換について説明するが、Ｖ相及びＷ相においても同様の動作となる。Ｕ相電圧指令ＶＵ＊は図５の曲線のように正弦波状となる。しかしながら、実際に正弦波状の電圧を出力することは困難であるため、図５のように最大電圧と最小電圧をスイッチングし、その時間の比率を変化させることにより、電圧指令ＶＵ＊と等価な電圧ＶＵを出力する。

また、回転角検出器２を用いずに、三相の電圧指令ＶＵ＊、ＶＶ＊、ＶＷ＊及び三相の電流ｉＵ、ｉＶ、ｉＷを用いて電動機１の回転角θを推定しても良い（例えば特許文献１）。

特開２００２−１１２６００号公報

電動機１が駆動される際に騒音が発生する。騒音の発生源としては、電動機１の機械的構造に起因するものや、電流を流すことによる電磁力に起因するもの等がある。

機械的構造に起因するものとしては、電動機１の冷却装置や軸受け部による騒音がある。これらの騒音の周波数は電動機の回転数及び構造に依存する。

電磁力に起因する騒音は、電磁力により電動機１が振動することにより騒音となる。この騒音の周波数は、電流の周波数に依存するものとインバータ５のスイッチング周波数に依存するものがある。

電動機１の回転数や電流の周波数に依存する騒音は、回転数や負荷状態等の運転条件が決定されると変えることができない。電動機１の構造を変えることにより、騒音を変化させることができるが、機械的構造は様々な制約の下で決定されるため、騒音変化のために容易に変化できない。また、一度作った電動機１の機械的構造を変えることは難しく、特に運転中に変化させることは不可能である。

インバータ５のスイッチング周波数に依存する騒音に関しては、スイッチング周波数やスイッチング波形の変更によって、騒音を変化させることができる。しかしながら、スイッチング周波数やスイッチング波形を変えると、制御特性の変化やインバータ５のスイッチングに伴う損失の変化を招くため、容易に変えられない場合が大半である。例えばスイッチング周波数を低くすると、制御周期が長くなるため制御性能が低下する。また、電圧波形の歪が大きくなるため、電流高調波の増大や電動機１のトルク脈動の増大を招く。一方で、スイッチング周波数を高くすると、インバータ５の損失が増大するため、冷却装置の大型化等を招く。

つまり、電動機を１駆動する場合に発生する音は、設計や運転状態により決定されてしまう。特に、運転中に発生音を任意に変化させることは困難であるといえる。

請求項１の発明によれば、交流電動機を駆動する電動機制御装置において，該交流電動機のトルク発生に関与しない成分の電流に任意の周波数の高調波を重畳させることによって，任意の高さの音を前記交流電動機から発生させることを特徴とする電動機制御装置。

請求項２の発明によれば、請求項１の電動機制御装置において，重畳された高調波電流がトルク発生に関与する電流成分に影響を及ぼさない制御構成となることを特徴とする電動機制御装置。

電動機の構造や運転条件やスイッチング周波数を変えることなく、任意の周波数の音を発生することが可能となる。

本発明の請求項１の発明の電流制御器の構成図の一例である。本発明の請求項２の発明の電流制御器の構成図の一例である。表面形永久磁石型同期電動機の構成の模式図である。表面形永久磁石型同期電動機の構成の模式図である。インバータ装置の動作を説明する図である。従来例による電動機制御装置構成の一例である。従来例による電流制御装置のブロック図の一例である。

以下に図面を参照して、本発明にかかる電動機制御装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。

図１を用いて請求項１の発明の実施例について説明するが、従来の技術と同一部分は省略する。

ｄ軸電流指令生成器４６は、発生音周波数指令ｆｓ＊を入力し、その周波数振動成分を持つｄ軸電流指令ｉｄ＊を出力する。ｄ軸電流制御器４４は、ｄ軸電流指令ｉｄ＊とｄ軸電流ｉｄの差がゼロとなるようにｄ軸電圧出力Ｖｄ＊を出力する。

この構成により、ｄ軸電流ｉｄに発生音周波数指令の振動が重畳される。

図４を用いてｄ軸およびｑ軸電流が与える影響について考える。ｑ軸電流ｉｑが流れると、電動機１の回転子を構成している永久磁石の一方の極が吸引されもう一方が反発されるため、電動機１の回転子が回転するようにトルクが発生する。一方で、ｄ軸電流ｉｄが流れると、向かい合う永久磁石の極が吸引もしくは反発する電磁力が発生するが、磁石の極とｄ軸は同一方向であるため回転トルクにはならない。すなわちｄ軸電流ｉｄによりトルクは発生しないが、電動機１の回転子と固定子が吸引もしくは反発するような電磁力が発生する。

そのため、ｄ軸電流ｉｄに発生音周波数指令ｆｓ＊の振動が重畳された場合、発生音周波数指令ｆｓ＊の周波数で電動機１の回転子と固定子の間の電磁力が変化し電動機１自体が振動するため、発生音周波数指令ｆｓ＊に対応した音を電動機１から発生することが可能となる。

このときに発生音周波数指令ｆｓ＊は、運転条件や電動機１の構造の制約を受けず、自由に選定可能である。また、運転中であっても自由に変えることが可能である。

図２を用いて請求項２の発明について説明するが、実施例１と同一部分は省略する。

微分器４７は回転角θを微分することにより回転角速度ωを出力する。ｄ軸非干渉補償器４８は、ｑ軸電流ｉｑを入力し回転角速度ωと電動機コイルのインダクタンスＬを掛けた値を出力する。ｑ軸非干渉補償器４９は、ｄ軸電流ｉｄを入力し回転子角速度ωと電動機コイルのインダクタンスＬを掛けた値と回転子角速度ωと永久磁石による磁束鎖交数φを掛けた値の和を出力する。

ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊は、ｑ軸電流制御器４３の出力にｑ軸非干渉補償器４９の出力を加えたものとする。ｄ軸電圧指令Ｖｄ＊はｄ軸電流制御器４４の出力からｄ軸非干渉補償器４８を引いたものとする。

表面形永久磁石型同期電動機の電圧と電流の関係は、〔数１〕の関係となることが知られている。

〔数１〕
Ｖｄ＝（Ｒ＋ｐ・Ｌ）ｉｄ−ω・Ｌ・ｉｑ ……（第１式）
Ｖｑ＝ω・Ｌ・ｉｄ＋（Ｒ＋ｐ・Ｌ）ｉｑ＋ωφ ……（第２式）

ここで、Ｒは電動機１のコイルの抵抗値、Ｌは電動機１のインダクタンス値、ｐは微分演算子、φは電動機１の永久磁石による磁束鎖交数である。

〔００３０〕の第２式に注目すると、Ｖｑとｉｑの関係の間にｄ軸電流ｉｄによる影響が働くことがわかる。すなわち、ｄ軸電流ｉｄに高調波が流れると、ｑ軸電流ｉｑの電流制御に影響を及ぼすため、ｑ軸電流ｉｑに高調波が流れる場合がある。ｑ軸電流ｉｑに高調波が流れると、トルク振動となるため望ましくない。

そこで、〔００３０〕の第１式右辺第２項による影響をｄ軸非干渉補償器４８にて打ち消し、第２式右辺第１項をｑ軸非干渉補償器４９により打ち消すことにより、ｄ軸電流ｉｄの高調波がｑ軸電流ｉｑへの干渉を防ぐことが可能となり、トルク振動等発生せずに所望の制御特性が得られた状態で、発生音も任意の音に制御可能となる。

本発明により、運転条件や電動機の構造、スイッチング周波数を変化させずに電動機から発生する音を自由に制御可能となる。また、本方式は既存の電動機制御装置に対しても適用可能であるため、極めて有効である。

１電動機
２回転角検出器
３電流検出器
４電流制御装置
４１電流指令変換器
４２電流座標変換器
４３ｑ軸電流制御器
４４ｄ軸電流制御器
４５電圧指令座標変換器
４６ｄ軸電流指令生成器
４７微分器
４８ｄ軸非干渉補償器
４９ｑ軸非干渉補償器
５インバータ装置

Claims

交流電動機を駆動する電動機制御装置において，該交流電動機のトルク発生に関与しない成分の電流に任意の周波数の高調波を重畳させることによって，任意の高さの音を前記交流電動機から発生させることを特徴とする電動機制御装置。
請求項１の電動機制御装置において，重畳された高調波電流がトルク発生に関与する電流成分に影響を及ぼさない制御構成となることを特徴とする電動機制御装置。