JP5600989B2 - 誘導電動機の制御装置及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、誘導電動機の制御装置及び制御方法に関し、特に、ベクトル制御によって制御される誘導電動機の制御装置及び制御方法に関するものである。

従来、誘導電動機の制御装置としては、誘導電動機に３相の駆動電流を供給するインバータ回路と、このインバータ回路に正弦波のＰＷＭ信号を供給するＰＷＭ回路とを備え、外部からの速度指令信号と磁束指令信号に基づいてＰＷＭ回路に制御信号を出力する誘導電動機の制御装置が種々提案されている。（例えば、特許文献１，特許文献２参照）

図７は、従来の誘導電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。図７で示す誘導電動機の制御装置１００（以下、制御装置１００）は、３相交流電源１０１及び誘導電動機（ＩＭ）１０６に接続され、誘導電動機１０６を制御する制御装置であり、ダイオード整流回路１０２、平滑回路１０３、インバータ回路１０４、ＰＷＭゲート信号生成器１０５、パルスジェネレータ（ＰＧ）センサ１０７、電流センサ１０８、３相／２相座標変換器１０９、２相／ｄｑ座標変換器１１０、磁束推定器１１１、速度推定器１１２、フィードバック速度切替器１１３、すべり演算器１１４、積分器１１５、磁束ＰＩ制御器１１６、磁束電流ＰＩ制御器１１７、速度ＰＩ制御器１１８、トルク電流ＰＩ制御器１１９、ｄｑ／２相座標変換器１２０、２相／３相座標変換器１２１を備えている。

制御装置１００は、磁束指令値φ_ｄ ^＊と、速度指令値ω_ｍ ^＊を目標に、インバータ回路１０４を用いて誘導電動機１０６を駆動するものである。なお、インバータ回路１０４の機能は、パワースイッチング素子によって実現されるが、以下で述べる各機能は、ＣＰＵ（Central Proccesing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等で構成されたコンピュータと、ＲＯＭ，ＲＡＭ等に格納されたプログラムとによって実現される。

制御装置１００は、まず、磁束指令値φ_ｄ ^＊と磁束推定器１１１によって推定された磁束推定値φ_ｄ＾との偏差Δφ_ｄを偏差演算部１２２によって演算し、得られた偏差Δφ_ｄは磁束ＰＩ制御器１１６に入力される。磁束ＰＩ制御器１１６は、入力された偏差Δφ_ｄに基づいて磁束電流指令値Ｉ_ｄ ^＊を生成する。次に、磁束電流指令値Ｉ_ｄ ^＊と２相／ｄｑ座標変換器１１０から出力されるｄ軸の磁束電流ｉ_ｄとの偏差ΔＩ_ｄを偏差演算部１２３によって演算し、得られた偏差ΔＩ_ｄは磁束電流ＰＩ制御器１１７に入力される。磁束電流ＰＩ制御器１１７は、入力された偏差ΔＩ_ｄに基づいてｄ軸電圧指令Ｖ_ｄ ^＊を生成する。

一方、制御装置１００は、速度指令値ω_ｍ ^＊と速度推定器１１２によって推定された速度推定値ω_ｍ＾または、パルスジェネレータセンサ１０７によって検出された速度ω_ｍとの偏差Δω_ｍを偏差演算部１２４によって演算し、得られた偏差Δω_ｍは速度ＰＩ制御器１１８に入力される。速度ＰＩ制御器１１８は、入力された偏差Δω_ｍに基づいてトルク電流指令値Ｉ_ｑ ^＊を生成する。次に、トルク電流指令値Ｉ_ｑ ^＊と２相／ｄｑ座標変換器１１０から出力されるｑ軸のトルク電流ｉ_ｑとの偏差ΔＩ_ｑを偏差演算部１２５によって演算し、得られた偏差ΔＩ_ｑはトルク電流ＰＩ制御器１１９に入力される。トルク電流ＰＩ制御器１１９は、入力された偏差ΔＩ_ｑに基づいてｑ軸電圧指令Ｖ_ｑ ^＊を生成する。

磁束電流ＰＩ制御器１１７から出力されるｄ軸電圧指令Ｖ_ｄ ^＊と、トルク電流ＰＩ制御器１１９から出力されるｑ軸電圧指令Ｖ_ｑ ^＊は、ｄｑ／２相座標変換器１２０に入力される。ｄｑ／２相座標変換器１２０は、ｄ軸電圧指令Ｖ_ｄ ^＊とｑ軸電圧指令Ｖ_ｑ ^＊と積分器１１５から出力される位相角θに基づいてα軸、β軸の２相電圧指令Ｖ_α ^＊、Ｖ_β ^＊を出力する。２相電圧指令Ｖ_α ^＊、Ｖ_β ^＊は、２相／３相座標変換器１２１に入力される。２相／３相座標変換器１２１は、入力された２相電圧指令Ｖ_α ^＊、Ｖ_β ^＊に基づいてＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相電圧指令Ｖ_ｕ ^＊、Ｖ_ｖ ^＊、Ｖ_ｗ ^＊を生成する。生成された３相電圧指令Ｖ_ｕ ^＊、Ｖ_ｖ ^＊、Ｖ_ｗ ^＊は、ＰＷＭ（Pulse Width Moduration）ゲート信号生成器１０５に入力される。ＰＷＭゲート信号生成器１０５は、ＰＷＭ制御によりインバータ１０４の出力電圧を３相電圧指令Ｖ_ｕ ^＊、Ｖ_ｖ ^＊、Ｖ_ｗ ^＊に従い制御する。

図７の構成図において、制御装置１００には、３相の誘導電動機１０６が接続されており、電流センサ１０８が誘導電動機１０６のＷ相の電流ｉ_ｗとＵ相の電流ｉ_ｕを検出している。なお、この電流センサ１０８は、３相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の内、２相（Ｗ相、Ｕ相）の電流ｉ_ｗ，ｉ_ｕを検出しているが、３相電流の和はゼロであるから他の１相（Ｖ相）の電流ｉ_ｖは一意に定められる。また、誘導電動機１０６の速度ω_ｍは、パルスジェネレータセンサ１０７で検出している。

電流センサ１０８によって検出された電流ｉ_ｗ，ｉ_ｕは、３相／２相座標変換器１０９に入力される。３相／２相座標変換器１０９は、電流ｉ_ｗ，ｉ_ｕに基づいて３相／２相座標変換を行ってα軸、β軸の２相電流ｉ_α，ｉ_βを生成し、２相／ｄｑ座標変換器１１０に出力する。２相／ｄｑ座標変換器１１０は、２相電流ｉ_α，ｉ_βと、積分器１１５から出力される位相角θに基づいてｄ軸の磁束電流ｉ_ｄとｑ軸のトルク電流ｉ_ｑを出力する。

一方、磁束推定器１１１は、ｄｑ／２相座標変換器１２０から出力される２相電圧指令Ｖ_α ^＊、Ｖ_β ^＊と、３相／２相座標変換器１０９から出力される２相電流ｉ_α，ｉ_βに基づいてα軸、β軸の磁束推定値φ_α＾、φ_β＾を生成し、それらを速度推定器１１２に出力する。速度推定器１１２は、磁束推定値φ_α＾、φ_β＾に基づいて速度推定値ω_ｍ＾を生成する。フィードバック速度切替器１１３は、フィードバックに用いる速度信号として速度推定値ω_ｍ＾を用いるか、パルスジェネレータセンサ１０７によって検出された速度ω_ｍを用いるかを選択して切り替えることができるスイッチである。

すべり演算器１１４は、磁束ＰＩ制御器１１６から出力される磁束電流指令値Ｉ_ｄ ^＊と、速度ＰＩ制御器１１８から出力されるトルク電流指令値Ｉ_ｑ ^＊とに基づいて、誘導電動機１０６のすべり速度推定値ω_ｓを演算し、演算器１２６は、速度推定値ω_ｍ＾または、速度ω_ｍと、すべり速度推定値ω_ｓとを入力し、ω_ｅ＝ω_ｍ＾＋ω_ｓまたはω_ｅ＝ω_ｍ＋ω_ｓを演算し、電源角周波数（インバータ出力角周波数）ω_ｅを出力する。このω_ｅは、積分器１１５によって位相角θに変換され、２相／ｄｑ座標変換器１１０と、ｄｑ／２相座標変換器１２０に入力される。

上記のように、従来、誘導電動機（モータ）１０６を低損失で制御する場合、磁束とトルクを個別に制御するベクトル制御が使用される。トルクは誘導電動機１０６の速度をパルスジェネレータセンサ１０７で検出するか、又はモータパラメータ及び２相電圧指令Ｖ_α ^＊、Ｖ_β ^＊と誘導電動機１０６の電流ｉ_ｗ，ｉ_ｕから得られた２相電流ｉ_α，ｉ_βを用いて推定された磁束推定値φ_α＾、φ_β＾とともに速度推定値ω_ｍ＾を演算することにより、誘導電動機１０６の速度信号（ω_ｍ＾またはω_ｍ）をフィードバックして速度指令値ω_ｍ ^＊との偏差Δω_ｍをＰＩ（比例積分）制御することにより、トルク電流指令値Ｉ_ｑ ^＊を生成する。一方磁束は、誘導電動機１０６の励磁電流から演算された基本磁束指令値φ_ｄ ^＊と磁束推定値φ_ｄ＾との偏差Δφ_ｄからＰＩ制御することで磁束電流指令値Ｉ_ｄ ^＊を生成する。それぞれの電流指令値Ｉ_ｑ ^＊、Ｉ_ｄ ^＊と誘導電動機１０６の電流ｉ_ｗ，ｉ_ｕを座標変換して得られた回転座標（ｑ軸、ｄ軸）上の電流ｉ_ｑ，ｉ_ｄとの偏差ΔＩ_ｑ、ΔＩ_ｄからＰＩ制御を行い、電圧指令値Ｖ_ｑ ^＊、Ｖ_ｄ ^＊を生成し、最終的に３相交流の電圧指令値Ｖ_ｕ ^＊、Ｖ_ｖ ^＊、Ｖ_ｗ ^＊に変換して、ＰＷＭゲート信号を生成してインバータ回路１０４のスイッチングを制御して誘導電動機１０６を駆動する。

特開２０００−３０８４００号公報 特開２００１−０３７３００号公報

しかしながら、従来の誘導電動機の制御装置では、誘導電動機が定格負荷に近い状態で運転しているときは低損失運転となるが、軽負荷状態では励磁電流が変わらないため最大トルク動作点からずれてしまい損失が増えてしまうという問題点があった。

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、軽負荷状態でも最大トルク動作点を維持することができ、損失の増大を防止することができる誘導電動機の制御装置又は制御方法を提供することにある。

本発明に係る誘導電動機の制御装置又は制御方法は、上記の目的を達成するため、次のように構成される。
第１の誘導電動機の制御装置（請求項１に対応）は、ベクトル制御される誘導電動機の制御装置において、前記誘導電動機の検出速度又は推定速度と速度指令値とからトルク指令値を生成するトルク指令値生成部と、前記トルク指令値生成部からの前記トルク指令値を入力して、ｄ軸の磁束電流及びｑ軸のトルク電流の関係は電流ベクトルの実効値により制約され、且つ前記電流ベクトルが最大トルク動作点で駆動できる前記ｑ軸に対しなす角４５度の直線Ｌ上にくるものとして、定格トルク及び定格電流から、前記トルク指令値に相当する前記電流ベクトルの実効値を演算し、演算した前記電流ベクトルの実効値に基づいて磁束指令値を生成する磁束指令値生成部を備えたことを特徴とする。
第２の誘導電動機の制御装置（請求項２に対応）は、ベクトル制御される誘導電動機の制御装置において、前記誘導電動機の検出速度又は推定速度と速度指令値とからトルク指令値を生成するトルク指令値生成部と、前記トルク指令値生成部からの前記トルク指令値を入力して、ｄ軸の磁束電流及びｑ軸のトルク電流の関係は電流ベクトルの実効値により制約され、且つ前記電流ベクトルが最大トルク動作点で駆動できる前記ｑ軸に対しなす角４５度の直線Ｌ上にくるものとして、定格トルク及び定格電流から、前記トルク指令値に相当する前記電流ベクトルの実効値を演算し、演算した前記電流ベクトルの実効値に基づいて第１の磁束指令値を生成する磁束指令値生成部と、基本磁束指令値と前記検出速度又は前記推定速度とから弱め界磁制御時の第２の磁束指令値を生成する弱め界磁磁束指令値生成部と、前記第１の磁束指令値と前記第２の磁束指令値と前記基本磁束指令値とのいずれか一つを選択する磁束指令値選択部と、前記磁束指令値選択部によって選択された前記第１の磁束指令値と前記第２の磁束指令値と前記基本磁束指令値とのいずれか一つと前記トルク指令値とに基づいてトルク電流指令値を生成するトルク電流指令値生成部と、を備えることを特徴とする。
第３の誘導電動機の制御装置（請求項３に対応）は、前記第１の磁束指令値の上限及び下限を制限するリミッタを備えることを特徴とする。
第４の誘導電動機の制御装置（請求項４に対応）は、前記基本磁束指令値は、前記誘導電動機の励磁電流に基づいて得られることを特徴とする請求項２又は３記載の誘導電動機の制御装置。請求項２又は３記載の誘導電動機の制御装置。
第５の誘導電動機の制御装置（請求項５に対応）は、前記磁束指令値生成部は、最大トルク動作点の電流指令値を生成する電流指令値演算部と、前記電流指令値演算部によって生成された前記電流指令値と相互インダクタンスとに基づいて前記第１の磁束指令値を生成する磁束指令換算部を備えることを特徴とする。
第６の誘導電動機の制御装置（請求項６に対応）は、ベクトル制御される誘導電動機の制御方法において、前記誘導電動機の検出速度又は推定速度と速度指令値とからトルク指令値を生成するトルク指令値生成ステップと、前記トルク指令値生成ステップで得られた前記トルク指令値を入力して、ｄ軸の磁束電流及びｑ軸のトルク電流の関係は電流ベクトルの実効値により制約され、且つ前記電流ベクトルが最大トルク動作点で駆動できる前記ｑ軸に対しなす角４５度の直線Ｌ上にくるものとして、定格トルク及び定格電流から、前記トルク指令値に相当する前記電流ベクトルの実効値を演算し、演算した前記電流ベクトルの実効値に基づいて最大トルク動作点で駆動させるための磁束指令値を生成する磁束指令値生成ステップを備えたことを特徴とする。
第７誘導電動機の制御装置（請求項７に対応）は、ベクトル制御される誘導電動機の制御方法において、前記誘導電動機の検出速度又は推定速度と速度指令値とからトルク指令値を生成するトルク指令値生成ステップと、前記トルク指令値生成ステップで得られた前記トルク指令値を入力して、ｄ軸の磁束電流及びｑ軸のトルク電流の関係は電流ベクトルの実効値により制約され、且つ前記電流ベクトルが最大トルク動作点で駆動できる前記ｑ軸に対しなす角４５度の直線Ｌ上にくるものとして、定格トルク及び定格電流から、前記トルク指令値に相当する前記電流ベクトルの実効値を演算し、演算した前記電流ベクトルの実効値に基づいて第１の磁束指令値を生成する磁束指令値生成ステップと、基本磁束指令値と前記検出速度又は前記推定速度とから弱め界磁制御時の第２の磁束指令値を生成する弱め界磁磁束指令値生成ステップと、前記第１の磁束指令値と前記第２の磁束指令値と前記基本磁束指令値とのいずれか一つを選択する磁束指令値選択ステップと、前記磁束指令値選択ステップによって選択された前記第１の磁束指令値と前記第２の磁束指令値と前記基本磁束指令値とのいずれか一つと前記トルク指令値とに基づいてトルク電流指令値を生成するトルク電流指令値生成ステップと、を備えることを特徴とする。
第８誘導電動機の制御装置（請求８に対応）は、前記第１の磁束指令値の上限及び下限を制限する制限ステップを備えることを特徴とする。
第９の誘導電動機の制御装置（請求項９に対応）は、前記基本磁束指令値は、前記誘導電動機の励磁電流に基づいて得られることを特徴とする。
第１０の誘導電動機の制御装置（請求項１０に対応）は、前記磁束指令値生成ステップは、最大トルク動作点の電流指令値を生成する電流指令値演算ステップと、前記電流指令値演算ステップによって生成された前記電流指令値と相互インダクタンスとに基づいて前記第１の磁束指令値を生成する磁束指令換算ステップを備えることを特徴とする。

本発明によれば、トルク指令値生成部からのトルク指令値を入力して定格トルクと定格電流とに基づいて最大トルク動作点で駆動させるための磁束指令値を生成する磁束指令値生成部を備えるため、モータが要求するトルク指令から最大トルク動作となる磁束指令をリアルタイムで演算して複雑なゲイン調整を行わずに軽負荷時の効率を改善することができる。また、磁束指令値選択部によって、第１の磁束指令値と第２の磁束指令値と基本磁束指令値とのいずれか一つを選択するようにしたため、磁束指令を可変しても制御が不安定にならないようにすることができる。それにより、軽負荷状態でも最大トルク動作点を維持することができ、損失の増大を防止することができる誘導電動機の制御装置又は制御方法を提供することができる。

本発明の本実施形態に係る誘導電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の本実施形態に係る誘導電動機の制御装置での低損失制御部のブロック図である。 誘導電動機の最大トルク動作点を示す図である。 磁束指令値のリミット範囲を示す図である。 弱め界磁制御中の磁束指令値を示す図である。 速度領域による磁束指令値可変範囲を示す図である。 従来の誘導電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の本実施形態に係る誘導電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。基本のブロック構成は、図７で示した従来の制御装置１００と同一の構成要素を有しているが、本発明の特徴である低損失制御を行うためのブロックが図７の構成に追加され変更されている。それゆえ、図７で示した従来の制御装置１００と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

図１で示す誘導電動機の制御装置１０（以下、制御装置１０）は、３相交流電源１０１及び誘導電動機（ＩＭ）１０６に接続され、誘導電動機１０６を制御する制御装置であり、ダイオード整流回路１０２、平滑回路１０３、インバータ回路１０４、ＰＷＭゲート信号生成器１０５、パルスジェネレータ（ＰＧ）センサ１０７、電流センサ１０８、３相／２相座標変換器１０９、２相／ｄｑ座標変換器１１０、磁束推定器１１１、速度推定器１１２、フィードバック速度切替器１１３、すべり演算器１１４、積分器１１５、磁束ＰＩ制御器１１６、磁束電流ＰＩ制御器１１７、トルク電流ＰＩ制御器１１９、ｄｑ／２相座標変換器１２０、２相／３相座標変換器１２１を備えている。

また、本発明を特徴づける構成として、トルク指令値生成部１１と、磁束指令値生成部１２とトルク電流指令値生成部１３を備えた低損失制御器１４と、リミッタ１５と、磁束指令選択器１６と、弱め界磁磁束指令値演算器１７と、磁束指令選択器制御部１８を備えている。磁束指令選択器１６と磁束指令選択器制御部１８とで磁束指令値選択部を構成している。

従来の誘導電動機のベクトル制御は、図７に示すように速度制御のＰＩ制御器１１８と磁束制御のＰＩ制御器１１６は独立しており、磁束ＰＩ制御器１１６，速度ＰＩ制御器１１８の出力は磁束成分（ｄ軸）、トルク成分（ｑ軸）の電流指令値ｉ_ｄ ^＊，ｉ_ｑ ^＊となる。本発明では、第１の磁束指令値φ_ｄ１ ^＊をトルク指令値生成部１１と低損失制御器１４の磁束指令値生成部１２から演算するようにした。

制御装置１０は、速度指令値ω_ｍ ^＊を目標に、インバータ回路１０４を用いて誘導電動機１０６を駆動するものである。なお、インバータ回路１０４の機能は、パワースイッチング素子によって実現されるが、以下で述べる各機能は、ＣＰＵ（Central Proccesing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等で構成されたコンピュータと、ＲＯＭ，ＲＡＭ等に格納されたプログラムとによって実現される。

制御装置１０は、速度指令値ω_ｍ ^＊と速度推定器１１２によって推定された速度推定値ω_ｍ＾または、パルスジェネレータセンサ１０７によって検出された速度ω_ｍ（検出速度）との偏差Δω_ｍを偏差演算部１９によって演算し、得られた偏差Δω_ｍはトルク指令値生成部１１に入力される。トルク指令値生成部１１は、入力された偏差Δω_ｍに基づいてトルク指令値Ｔ_ｍ ^＊を生成する（トルク指令値生成ステップ）。トルク指令値生成部１１によって生成されたトルク指令値Ｔ_ｍ ^＊は、低損失制御器１４に入力される。

低損失制御器１４は、後に詳述するように、入力されたトルク指令値Ｔ_ｍ ^＊に基づいて磁束指令値生成部１２によって最大トルク動作点となる磁束指令値φ_ｄ１０ ^＊を生成し、リミッタ１５に出力する（磁束指令値生成ステップ）。また、低損失制御器１４は、トルク電流指令値生成部１３によって、トルク指令値Ｔ_ｍ ^＊と磁束指令選択器１６によって選択された磁束指令値φ_ｄ ^＊とに基づいてトルク電流指令値Ｉ_ｑ ^＊を出力する（トルク電流指令値生成ステップ）。

リミッタ１５は、磁束指令値φ_ｄ１０ ^＊に上限及び下限リミットを設け、第１の磁束指令値φ_ｄ１ ^＊を出力する（制限ステップ）。上限に関しては、定格負荷状態での最大効率点が従来のベクトル制御とほぼ同じであることから、（１）式に示す励磁電流Ｉ_０により求められた基本磁束指令値φ_ｄ０ ^＊でリミットする。

φ_ｄ０ ^＊＝（３／２）×Ｌ_ｍ×Ｉ_０・・・・・・・（１）
φ_ｄ０ ^＊：基本磁束指令値、Ｌ_ｍ：相互インダクタンス、Ｉ_０：励磁電流

また、下限については、誘導電動機の特性、特に、相互インダクタンスＬ_ｍの大きさにより決定すればよく、例えば、概ね基本磁束指令値φ_ｄ０ ^＊の２５％でリミットする。

弱め界磁磁束指令値演算器１７は、誘導電動機１０６の定格回転数を超える運転領域では弱め界磁制御を行うため、（２）式により第２の磁束指令値φ_ｄ２ ^＊を演算して出力する（弱め界磁磁束指令値生成ステップ）。

φ_ｄ２ ^＊＝（Ｎ_ｂａｓｅ／Ｎ_ｒｅｆ）×φ_ｄ０ ^＊・・・・・・・（２）
φ_ｄ２ ^＊：第２の磁束指令値、Ｎ_ｂａｓｅ：定格回転数、Ｎ_ｒｅｆ：回転数指令値、φ_ｄ０ ^＊：基本磁束指令値

磁束指令選択器１６は、第１の磁束指令値φ_ｄ１ ^＊と第２の磁束指令値φ_ｄ２ ^＊と基本磁束指令値φ_ｄ０ ^＊とのいずれか一つを選択する（磁束指令値選択ステップ）。その選択の制御は、磁束指令選択器制御部１８によって行われる。

磁束指令選択器制御部１８は、速度指令値ω_ｍ ^＊と速度推定器１１２によって推定された速度推定値ω_ｍ＾または、パルスジェネレータセンサ１０７によって検出された速度ω_ｍとに基づいて、誘導電動機１０６が加減速中か否か判断する。誘導電動機１０６の加減速中は、トルクが変動しやすく、制御が不安定になりやすいので、基本磁束指令値φ_ｄ０ ^＊で制御を行うように磁束指令選択器１６を端子１６ａに接続する。なお、定常状態と加減速状態は速度指令値ω_ｍ ^＊と、速度ω_ｍまたは速度推定値ω_ｍ＾との差が一定範囲内にあるか否かで判別する。

また、磁束指令選択器制御部１８は、誘導電動機１０６が定格回転数を超える運転領域であるか否かを判断する。誘導電動機１０６が定格回転数を超える運転領域である場合は、定出力制御となるので、（２）式により第２の磁束指令値φ_ｄ２ ^＊を演算して制御する弱め界磁制御を行うようにするため、磁束指令選択器１６を端子１６ｂに接続する。

さらに、磁束指令選択器制御部１８は、速度指令値ω_ｍ ^＊と速度推定器１１２によって推定された速度推定値ω_ｍ＾または、パルスジェネレータセンサ１０７によって検出された速度ω_ｍとに基づいて、最低回転数しきい値以下であるか否か判断する。低速領域でも磁束指令値φ_ｄ ^＊が小さい場合、特に、速度センサレス制御を行う場合に、制御が不安定になりやすいことから、基本磁束指令値φ_ｄ０ ^＊に切り替えることで低速領域から高速領域まで安定した制御を行うことができる。なお、低速側の最低回転数しきい値は、誘導電動機ごとに異なる値を設定するとよい。

そして、磁束指令選択器制御部１８は、上記の場合以外は、磁束指令選択器１６を端子１６ｃに接続し、第１の磁束指令値φ_ｄ１ ^＊を出力する。

制御装置１０は、上記のように磁束指令選択器１６によって選択された磁束指令値φ_ｄ ^＊と磁束推定器１１１によって推定された磁束推定値φ_ｄ＾との偏差Δφ_ｄを偏差演算部１２２によって演算し、得られた偏差Δφ_ｄは磁束ＰＩ制御器１１６に入力される。磁束ＰＩ制御器１１６は、入力された偏差Δφ_ｄに基づいて磁束電流指令値Ｉ_ｄ ^＊を生成する。次に、磁束電流指令値Ｉ_ｄ ^＊と２相／ｄｑ座標変換器１１０から出力されるｄ軸の磁束電流ｉ_ｄとの偏差ΔＩ_ｄを偏差演算部１２３によって演算し、得られた偏差ΔＩ_ｄは磁束電流ＰＩ制御器１１７に入力される。磁束電流ＰＩ制御器１１７は、入力された偏差ΔＩ_ｄに基づいてｄ軸電圧指令Ｖ_ｄ ^＊を生成する。

一方、制御装置１０は、低損失制御器１４から出力されるトルク電流指令値Ｉ_ｑ ^＊と２相／ｄｑ座標変換器１１０から出力されるｑ軸のトルク電流ｉ_ｑとの偏差ΔＩ_ｑを偏差演算部１２５によって演算し、得られた偏差ΔＩ_ｑはトルク電流ＰＩ制御器１１９に入力される。トルク電流ＰＩ制御器１１９は、入力された偏差ΔＩ_ｑに基づいてｑ軸電圧指令Ｖ_ｑ ^＊を生成する。

磁束電流ＰＩ制御器１１７から出力されるｄ軸電圧指令Ｖ_ｄ ^＊と、トルク電流ＰＩ制御器１１９から出力されるｑ軸電圧指令Ｖ_ｑ ^＊は、ｄｑ／２相座標変換器１２０に入力される。ｄｑ／２相座標変換器１２０は、ｄ軸電圧指令Ｖ_ｄ ^＊とｑ軸電圧指令Ｖ_ｑ ^＊と積分器１１５から出力される位相角θに基づいてｄ軸電圧指令Ｖ_ｄ ^＊とｑ軸電圧指令Ｖ_ｑ ^＊を座標変換し、α軸、β軸の２相電圧指令Ｖ_α ^＊、Ｖ_β ^＊を出力する。２相電圧指令Ｖ_α ^＊、Ｖ_β ^＊は、２相／３相座標変換器１２１に入力される。２相／３相座標変換器１２１は、入力された２相電圧指令Ｖ_α ^＊、Ｖ_β ^＊に基づいて２相／３相座標変換を行い、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相電圧指令Ｖ_ｕ ^＊、Ｖ_ｖ ^＊、Ｖ_ｗ ^＊を生成する。生成された３相電圧指令Ｖ_ｕ ^＊、Ｖ_ｖ ^＊、Ｖ_ｗ ^＊は、ＰＷＭ（Pulse Width Moduration）ゲート信号生成器１０５に入力される。ＰＷＭゲート信号生成器１０５は、ＰＷＭ制御によりインバータ１０４の出力電圧を３相電圧指令Ｖ_ｕ ^＊、Ｖ_ｖ ^＊、Ｖ_ｗ ^＊に従い制御する。

図２は、低損失制御器１４のブロック構成図である。低損失制御器１４は、磁束指令値生成部１２とトルク電流指令値生成部１３を備えている。磁束指令値生成部１２は、フィルタ２０とリミッタ２１と電流指令演算部２２と（３／２）Ｌ_ｍ演算部２３を備えている。トルク電流指令値生成部１３は、（１／Ｋ_Ｔ（φ_ｄ ^＊））・Ｔ_ｍ ^＊演算部２４を備えている。磁束指令値生成部１２は、トルク指令値生成部１１の出力であるトルク指令値Ｔ_ｍ ^＊をフィルタ２０でフィルタ処理を行った後、リミッタ２１によってトルク指令値が小さい場合は、所定の値、例えば１０％でリミットをかけ、電流指令演算部２２で最大トルク動作点の電流指令値を求め（電流指令値演算ステップ）、さらに、（３／２）Ｌ_ｍ演算部（磁束指令換算ゲインブロック）２３で相互インダクタンスを乗じて磁束指令値φ_ｄ１０ ^＊を出力する（磁束指令換算ステップ）。一方、トルク電流指令値生成部１３は、トルク指令値Ｔ_ｍ ^＊と磁束指令選択器１６によって選択された磁束指令値φ_ｄ ^＊に基づいて、（１／Ｋ_Ｔ（φ_ｄ ^＊））・Ｔ_ｍ ^＊演算部（逆トルク係数ブロック）２４で逆トルク係数１／Ｋ_Ｔを乗じて換算を行い、トルク電流指令値Ｉ_ｑ ^＊を出力する（トルク電流指令値生成ステップ）。

次に、低損失制御器１４を図２の構成とすることで低損失運転となる理由を以下に図３を参照して説明する。

ベクトル制御時のトルク、磁束、一次電流の関係は、それぞれ（３）式と（４）式で示される。

Ｔ_ｍ＝（ｐＬ_ｍ／Ｌ_ｒ）ｉ_ｑφ_ｄ＝Ｋ_Ｔｉ_ｑφ_ｄ・・・（３）
φ_ｄ＝（Ｌ_ｍ／（１＋τ_ｒｓ））ｉ_ｄ・・・・・・・・（４）

（３）式と（４）の変数は以下の値を示す。
Ｔ_ｍ：トルク、φ_ｄ：磁束、ｉ_ｄ：磁束電流、ｉ_ｑ：トルク電流、Ｌ_ｍ：相互インダクタンス、Ｌ_ｒ：二次インダクタンス、τ_ｒ：二次時定数、ｐ：モータ極対数、Ｋ_Ｔ：トルク係数、ｓ：ラプラス演算子（微分演算子）

ここで、磁束電流ｉ_ｄ及びトルク電流ｉ_ｑの関係は、電流ベクトルの実効値Ｉにより（５）式で制約されるとすると、（３）式と（４）式を（５）式に代入してトルクは（６）式に変形される。（ただし定常状態中でラプラス演算子ｓ＝０とする）

Ｉ＝（ｉ_ｄ ^２＋ｉ_ｑ ^２）^１／２・・・・・（５）
Ｔ_ｍ＝Ｋ_ＴＬ_ｍｉ_ｑｉ_ｄ
＝Ｋ_ＴＬ_ｍｉ_ｄ（Ｉ^２−ｉ_ｄ ^２）^１／２・・・・・（６）

従って、（６）式で示すようにトルクＴ_ｍは、磁束電流ｉ_ｄの関数となる。（５）式は、図３に示すｑ軸、ｄ軸を座標とするグラフにおいて、半径Ｉの電流制限円Ｃ_１で示される。また、（６）式は、トルク一定曲線Ｔで示される。電流制限円Ｃ_１と接するトルク一定曲線Ｔが最大トルク曲線Ｔ_ｍａｘとなり、電流制限円Ｃ_１と最大トルク曲線Ｔ_ｍａｘとの接点Ａが最大トルク動作点となる。

そこで、（６）式を磁束電流ｉ_ｄで微分して０となる磁束電流ｉ_ｄを求めることで磁束電流ｉ_ｄに対するトルクの最大点が計算できる。この結果、磁束電流ｉ_ｄが（８）式の条件を満たすときにトルクは最大の値をとる。

ｄＴ_ｍ／ｄｉ_ｄ＝Ｋ_ＴＬ_ｍ（（Ｉ^２−ｉ_ｄ ^２）^１／２−ｉ_ｄ ^２／（Ｉ^２−ｉ_ｄ ^２）^１／２）＝０
・・・・（７）
ｉ_ｄ＝Ｉ／２^１／２・・・・・・（８）

（８）式が意味することは、電流ベクトルの実効値であるＩの１／２^１／２、すなわち、図３に示すｑ軸に対しなす角４５度の直線Ｌ上に電流ベクトルがくれば最大トルク動作点で駆動できることになる。

そこで、最大トルク動作点で駆動するためトルク指令値生成部１１の出力であるトルク指令値Ｔ_ｍ ^＊に対し、定格トルクＴ_ｍｎ及び定格電流Ｉ_ｎから、トルク指令値Ｔ_ｍ ^＊に相当する電流ベクトルの大きさＩを（９）式により演算する。（図２の電流指令演算部２２の演算）

Ｉ＝（Ｔ_ｍ ^＊／Ｔ_ｍｎ）（Ｉ_ｎ／２^１／２）・・・・・（９）

さらに、磁束指令値φ_ｄ ^＊を演算するため、（１０）式で変換した結果を磁束指令値φ_ｄ１０ ^＊とする。（図２の磁束指令換算ゲインブロック２３の演算）

φ_ｄ１０ ^＊＝（３／２）Ｌ_ｍ・Ｉ・・・・・（１０）

また、トルク電流指令値ｉ_ｑ ^＊は、（１１）式に示すようにトルク指令値Ｔ_ｍ ^＊にトルク係数Ｋ_ｒの逆数を乗ずることで求める。（図２の逆トルク係数ブロック２４の演算）

ｉ_ｑ ^＊＝（１／Ｋ_ｒ）・Ｔ_ｍ ^＊・・・・・・（１１）
ここで、Ｋ_ｒ＝Ｋ_Ｔφ_ｄ ^＊

次に、制御装置１０において行った制御安定性の向上の対策を説明する。本来ベクトル制御では磁束指令を一定に保った状態で制御を行うのが基本であり、磁束指令を変化させた場合、そのまま適用したのでは制御が不安定になってしまう。そこで、本実施形態では、制御が不安定にならないように以下に説明する対策を合わせて実施する。

まず、対策１としてトルク指令値Ｔ_ｍ ^＊のフィルタ処理について説明する。本来磁束が一定値となることで制御が安定するため、トルク指令値Ｔ_ｍ ^＊が頻繁に変化してしまうと磁束指令値φ_ｄ ^＊も変動して不安定になってしまう。また、磁束指令値φ_ｄ ^＊は、早い応答で変化させる必要もないため、磁束指令値φ_ｄ ^＊を演算するためのトルク指令値Ｔ_ｍ ^＊に図２のフィルタ２０で示したフィルタ処理を行う。さらに、無負荷時でトルク指令が１０％程度の値でふらついて制御が不安定になる場合もあるのでトルク指令が小さい場合には例えば１０％でリミットをかけることでさらに制御が安定化する。この対策１は、低損失制御器１４のリミッタ２１によって実現される。

次に、対策２として磁束指令値φ_ｄ ^＊の上限及び下限リミットを次のように設定する。磁束指令値を可変する場合、図４に示すように磁束指令値に上限及び下限リミットを設ける。上限に関しては、定格負荷状態での最大効率点が従来のベクトル制御とほぼ同じであることから、（１）式に示す励磁電流により求められた基本磁束指令値φ_ｄ０ ^＊でリミットする。また、下限については、誘導電動機の特性、特に、相互インダクタンスＬ_ｍの大きさにより決定すればよく、例えば、概ね基本磁束指令値φ_ｄ０ ^＊の２５％でリミットする。この対策２は、制御装置１０のリミッタ１５によって実現される。

さらに、対策３として誘導電動機の加減速中の磁束指令値φｄ＊を次のように設定する。モータの加減速中は、トルクが変動しやすく、制御が不安定になりやすいので、加減速中の磁束指令値φ_ｄ ^＊は可変せず、（１）式に示す基本磁束指令値φ_ｄ０ ^＊で制御を行う。なお、定常状態と加減速状態は指令周波数に対し、インバータ出力周波数が一定範囲内であるかどうかで判別している。この対策３は、制御装置１０の磁束指令選択器１６による磁束指令値の切り替え（端子１６ａへの切替）によって実現される。

また、対策４として弱め界磁制御による磁束指令値φ_ｄ ^＊を次のように設定する。誘導電動機の定格回転数を超える運転領域では定出力制御となるため、（２）式により磁束指令値φ_ｄ ^＊を演算して制御する弱め界磁制御を行う。このとき、磁束指令値φ_ｄ ^＊は、図５のような特性となるが、低損失制御で磁束指令値φ_ｄ ^＊をさらに可変してしまうと、弱め界磁制御領域での制御が不安定になることから、弱め界磁制御時は、基本磁束指令値φ_ｄ０ ^＊、定格回転数Ｎ_ｂａｓｅ及び回転数指令値Ｎ_ｒｅｆを用いて（２）式で演算された磁束指令値に切り替える。これは、図２の磁束指令選択器１６を端子１６ｂに切り替えることによって弱め界磁磁束指令値演算器１７からの出力に切り替えることによって行う。

一方、低速領域でも磁束指令値φ_ｄ ^＊が小さい場合、特に、速度センサレス制御を行う場合に、制御が不安定になりやすいことから、図６に示すように基本磁束指令値φ_ｄ０ ^＊に切り替えることで低速領域から高速領域まで安定した制御を行うことができる。なお、低速側の最低回転数しきい値は、誘導電動機ごとに異なる値を設定する。この対策４は、制御装置１０の磁束指令選択器１６による磁束指令値の切り替え（端子１６ａへの切替）によって実現される。

以上説明したように、誘導電動機の要求するトルク指令値Ｔ_ｍ ^＊から磁束指令値φ_ｄ ^＊を求めることでどのような負荷状態でも最大トルク動作点で制御することが可能である。また、トルク指令値Ｔ_ｍ ^＊が決まれば、磁束指令値φ_ｄ ^＊が一意に決まるため、煩わしいゲイン調整が不要となる。一方、磁束指令値φｄ＊が変動することで生じる制御の不安定については、トルク指令値Ｔ_ｍ ^＊のフィルタ処理、磁束指令値φ_ｄ ^＊のリミッタ処理、磁束指令値φ_ｄ ^＊の切り替えシーケンスなどの機能により対策を行い、安定した制御を実現している。

なお、本実施形態では、フィードバック速度切替器１１３を設け、フィードバックに用いる速度信号として速度推定値ω_ｍ＾を用いるか、パルスジェネレータセンサ１０７によって検出された速度ω_ｍを用いるかを選択して切り替えることができるようにしているが、フィードバック速度切替器１１３を設けず、フィードバックに用いる速度信号として速度推定値ω_ｍ＾を用いるようにしている制御装置、または、フィードバックに用いる速度信号としてパルスジェネレータセンサ１０７によって検出された速度ω_ｍを用いるようにしている制御装置のいずれにおいても本発明を適用することができる。

以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）等については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

本発明に係る誘導電動機の制御装置及び制御方法は、誘導電動機の駆動を制御する装置及び方法として利用される。

１０ 誘導電動機の制御装置
１１ トルク指令値生成部
１２ 磁束指令値生成部
１３ トルク電流指令値生成部
１４ 低損失制御器
１５ リミッタ
１６ 磁束指令選択器
１７ 弱め界磁磁束指令値演算器
１８ 磁束指令選択器制御部
１０１ ３相交流電源
１０２ ダイオード整流回路
１０３ 平滑回路
１０４ インバータ回路
１０５ ＰＷＭゲート信号生成器
１０６ 誘導電動機
１０７ パルスジェネレータ（ＰＧ）センサ
１０８ 電流センサ
１０９ ３相／２相座標変換器
１００ 誘導電動機の制御装置
１１０ ２相／ｄｑ座標変換器
１１１ 磁束推定器
１１２ 速度推定器
１１３ フィードバック速度切替器
１１４ すべり演算器
１１５ 積分器
１１６ 磁束ＰＩ制御器
１１７ 磁束電流ＰＩ制御器
１１８ 速度ＰＩ制御器
１１９ トルク電流ＰＩ制御器
１２０ ｄｑ／２相座標変換器
１２１ ２相／３相座標変換器

Claims (10)

1. ベクトル制御される誘導電動機の制御装置において、
   前記誘導電動機の検出速度又は推定速度と速度指令値とからトルク指令値を生成するトルク指令値生成部と、
   前記トルク指令値生成部からの前記トルク指令値を入力して、ｄ軸の磁束電流及びｑ軸のトルク電流の関係は電流ベクトルの実効値により制約され、且つ前記電流ベクトルが最大トルク動作点で駆動できる前記ｑ軸に対しなす角４５度の直線Ｌ上にくるものとして、定格トルク及び定格電流から、前記トルク指令値に相当する前記電流ベクトルの実効値を演算し、演算した前記電流ベクトルの実効値に基づいて磁束指令値を生成する磁束指令値生成部を備えたことを特徴とする誘導電動機の制御装置。
2. ベクトル制御される誘導電動機の制御装置において、
   前記誘導電動機の検出速度又は推定速度と速度指令値とからトルク指令値を生成するトルク指令値生成部と、
   前記トルク指令値生成部からの前記トルク指令値を入力して、ｄ軸の磁束電流及びｑ軸のトルク電流の関係は電流ベクトルの実効値により制約され、且つ前記電流ベクトルが最大トルク動作点で駆動できる前記ｑ軸に対しなす角４５度の直線Ｌ上にくるものとして、定格トルク及び定格電流から、前記トルク指令値に相当する前記電流ベクトルの実効値を演算し、演算した前記電流ベクトルの実効値に基づいて第１の磁束指令値を生成する磁束指令値生成部と、
   基本磁束指令値と前記検出速度又は前記推定速度とから弱め界磁制御時の第２の磁束指令値を生成する弱め界磁磁束指令値生成部と、
   前記第１の磁束指令値と前記第２の磁束指令値と前記基本磁束指令値とのいずれか一つを選択する磁束指令値選択部と、
   前記磁束指令値選択部によって選択された前記第１の磁束指令値と前記第２の磁束指令値と前記基本磁束指令値とのいずれか一つと前記トルク指令値とに基づいてトルク電流指令値を生成するトルク電流指令値生成部と、を備えることを特徴とする誘導電動機の制御装置。
3. 前記第１の磁束指令値の上限及び下限を制限するリミッタを備えることを特徴とする請求項２記載の誘導電動機の制御装置。
4. 前記基本磁束指令値は、前記誘導電動機の励磁電流に基づいて得られることを特徴とする請求項２又は３記載の誘導電動機の制御装置。
5. 前記磁束指令値生成部は、最大トルク動作点の電流指令値を生成する電流指令値演算部と、前記電流指令値演算部によって生成された前記電流指令値と相互インダクタンスとに基づいて前記第１の磁束指令値を生成する磁束指令換算部を備えることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の誘導電動機の制御装置。
6. ベクトル制御される誘導電動機の制御方法において、
   前記誘導電動機の検出速度又は推定速度と速度指令値とからトルク指令値を生成するトルク指令値生成ステップと、
   前記トルク指令値生成ステップで得られた前記トルク指令値を入力して、ｄ軸の磁束電流及びｑ軸のトルク電流の関係は電流ベクトルの実効値により制約され、且つ前記電流ベクトルが最大トルク動作点で駆動できる前記ｑ軸に対しなす角４５度の直線Ｌ上にくるものとして、定格トルク及び定格電流から、前記トルク指令値に相当する前記電流ベクトルの実効値を演算し、演算した前記電流ベクトルの実効値に基づいて最大トルク動作点で駆動させるための磁束指令値を生成する磁束指令値生成ステップを備えたことを特徴とする誘導電動機の制御方法。
7. ベクトル制御される誘導電動機の制御方法において、
   前記誘導電動機の検出速度又は推定速度と速度指令値とからトルク指令値を生成するトルク指令値生成ステップと、
   前記トルク指令値生成ステップで得られた前記トルク指令値を入力して、ｄ軸の磁束電流及びｑ軸のトルク電流の関係は電流ベクトルの実効値により制約され、且つ前記電流ベクトルが最大トルク動作点で駆動できる前記ｑ軸に対しなす角４５度の直線Ｌ上にくるものとして、定格トルク及び定格電流から、前記トルク指令値に相当する前記電流ベクトルの実効値を演算し、演算した前記電流ベクトルの実効値に基づいて第１の磁束指令値を生成する磁束指令値生成ステップと、
   基本磁束指令値と前記検出速度又は前記推定速度とから弱め界磁制御時の第２の磁束指令値を生成する弱め界磁磁束指令値生成ステップと、
   前記第１の磁束指令値と前記第２の磁束指令値と前記基本磁束指令値とのいずれか一つを選択する磁束指令値選択ステップと、
   前記磁束指令値選択ステップによって選択された前記第１の磁束指令値と前記第２の磁束指令値と前記基本磁束指令値とのいずれか一つと前記トルク指令値とに基づいてトルク電流指令値を生成するトルク電流指令値生成ステップと、
   を備えることを特徴とする誘導電動機の制御方法。
8. 前記第１の磁束指令値の上限及び下限を制限する制限ステップを備えることを特徴とする請求項７記載の誘導電動機の制御方法。
9. 前記基本磁束指令値は、前記誘導電動機の励磁電流に基づいて得られることを特徴とする請求項７又は８記載の誘導電動機の制御方法。
10. 前記磁束指令値生成ステップは、最大トルク動作点の電流指令値を生成する電流指令値演算ステップと、前記電流指令値演算ステップによって生成された前記電流指令値と相互インダクタンスとに基づいて前記第１の磁束指令値を生成する磁束指令換算ステップを備えることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の誘導電動機の制御方法。

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