JP5932136B2 - モータ制御装置 - Google Patents
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Description
また、電圧振幅の増加割合については何ら考慮がなされておらず、インバータ直流回路部の電圧が高く回生エネルギーを受け入れる余地がない場合、モータ損失増加が不十分となり、回生エネルギーが平滑コンデンサに蓄積してインバータ直流回路部の過電圧が発生する場合があった。
インバータを用いてモータを減速制御する減速処理実施指令と前記インバータに指令する電圧指令振幅とを入力して前記モータを減速制御するモータ減速制御手段を有し、
前記モータ減速制御手段は、
前記減速処理実施指令と、前記インバータの直流回路部の電圧信号と、を入力して、モータ急減速のための制御に用いる第一の電圧指令振幅増幅率を計算する励磁制御手段、
前記インバータおよび前記モータに通電可能な電流の制限値である電流振幅制限値と、モータ電流信号と、を入力して、過電流抑制のための制御に用いる第二の電圧指令振幅増幅率を計算するモータ電流制御手段、
前記第一の電圧指令振幅増幅率と、前記第二の電圧指令振幅増幅率と、を加算して、モータ急減速制御に用いる第三の電圧指令振幅増幅率を出力する加算手段、
前記電圧指令振幅と、前記第三の電圧指令振幅増幅率と、を乗算し出力する乗算手段、
を備え、前記乗算手段により乗算した後の電圧指令振幅に従って前記インバータを制御するものである。
以下、図を用いて本発明の実施の形態1を説明する。説明の都合上、インバータやモータ、電流検出器なども併記する。ここではモータを誘導電動機とし、モータへの周波数指令と電圧指令振幅の比を一定とするV/f制御を例にとり説明するが、他の種類のモータや制御系などでも問題なく適用できる。
ここで、θは電圧指令位相、Vamp*は電圧指令振幅17、Vu*はU相電圧指令、Vv*はV相電圧指令、Vw*はW相電圧指令、Du*はU相デューティ指令、Dv*はV相デューティ指令、Dw*はW相デューティ指令を示す。
また、インバータ3はこのスイッチング指令13に基づいて電力変換動作を行う。以上に示した各構成要素の動作はごく一般的なものであり、詳細な説明は省略する。
ここで、iα、iβ、iampは、各々、2相静止座標(α、β)上の電流のα方向成分、2相静止座標(α、β)上の電流のβ方向成分、電流振幅を示す。
ここで、σはもれ係数、Lsは一次インダクタンス、Rsは一次抵抗、Wrは定格速度、Tqは定格トルク、Jmは機械慣性モーメント値である。なお(12)式の計算において、定格速度は角周波数の単位([rad/sec])に変換している。このため、モータの機械速度や周波数指令は電気回路系から見ると系の時間変化の遅さのため、定数として取り扱うことができる。これを利用することでモータ減速制御手段14やモータや直流回路部電圧などを線形近似してモデリングすることができ、容易に制御系の設計が実現できる。
ここで、電流振幅制限値14iはPI制御器14jにおける目標指令値に相当する。取り扱う主な信号が微小変動量であり、制御フィードバックループ内の各信号がゼロに収束するような制御系の設計を行えば、制御系の安定が確保できる。また目標指令である電流振幅制限値14iは微小変動が発生するような信号ではないため、ここでは単にゼロとしている。なお、この目標指令の設定値は制御系の設計に対して本質的な影響は与えない。
ここで、I、Jは、次式(14)で表される。
また、Rs:1次抵抗、σ:もれ係数、
Ls:1次インダクタンス、M:相互インダクタンス、p:微分演算子
Lr:2次インダクタンス、Rr:2次抵抗、Vs:1次電圧、is:1次電流、
Φr:2次磁束、ω:電気角周波数、ωse:すべり周波数、である。
また、誘導電動機の2次磁束をd軸とすると、誘導電動機の電圧の主成分はd軸と直交するq軸となる場合が多く、2次磁束が確立している状態で電圧振幅信号(微小変動量)17を調整することはq軸方向の電圧を調整することに相当する。これに伴い電流(微小変動量)15もq軸の成分となる。
なお図2において電圧指令振幅増幅率A1(Ga1)は閾値電圧Vthを超えると一次関数的に増加させる構成をとっている。前記したように速やかな電圧指令の増加を行い、モータ損失を増加させて直流回路部の過電圧を抑制する効果があるが、その他に制御系のゲイン設計を容易にする効果を持つ。モータおよび機械負荷のトルク伝達系を示す図4(b)のY点手前には直流回路部電圧の伝達特性を模擬する積分器があるが、ここでは係数として直流回路部電圧Vdc0の逆数が挿入される。すなわち、直流回路部電圧の値により、X点からY点までオープンループ伝達特性が変化することになる。図2に示すように、図4(b)における14a(電圧指令振幅増幅率設定関数)により、電圧指令振幅増幅率A1を直流回路部電圧に応じて上昇させることで、前記積分器におけるVdc0の逆数の特性をキャンセルできる。これにより直流回路部電圧が変化しても図4(b)におけるオープンループ特性は一定に保たれるので、結果として制御系のゲイン調整を容易できる効果がある。
従って特許文献3に示す技術で必要となる、慣性モーメント値に応じた調整作業が不要となるメリットがある。
実施の形態1では、図4(b)に示すようにモータ急減速制御開始時のモータ回転速度や、直流回路部の電圧値を設計に適用したが、モータの回転速度に応じて適宜変更する構成としてもよい。特に図4(b)に示すように、トルク定数Ktとモータ回転速度Wrm0の積(24)が直達ゲインとなるため、モータ回転速度が低下した場合に制御対象のゲインが低下する。インバータ直流回路部の電圧Vdc0についても、同様にモータ急減速制御時の値に応じて適宜変更することで、インバータ3の直流回路部の過電圧やインバータの過電流を防止しつつ、速やかなモータ急減速制御が達成できる。
実施の形態1では特にモータを誘導電動機としたが、他の種類のモータでも本発明によるモータ減速制御手段14は適用できる。ここ永久磁石同期電動機における、図4の誘導電動機の回路モデル18に相当するモデルを考えると、永久磁石同期モータの場合、2次磁束は永久磁石により確立して時間変化しない。また永久磁石同期モータの1次側(固定子側)回路モデル構造は誘導電動機と同じであるため、(17)式をベースに(18)式で表現される。
ここで、R:モータの電機子抵抗、L:モータの電機子インダクタンス、である。
実施の形態1ではモータ減速制御手段14に示したモータの急減速制御のため、モータ損失を増加させる動作を行ったが、次のような使用方法もできる。すなわちモータ損失を急増させるという特徴を生かしてモータの暖機運転を実施することができる。誘導電動機では、すべり周波数計算や2次磁束推定などに、誘導電動機の1次抵抗値や2次抵抗値など、モータ温度によって変化するパラメータ値を用いる。また永久磁石同期モータなどでも、1次抵抗値はセンサレス制御系の構築などに要するパラメータとなる。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
5 モータ、6 モータ制御手段、7 周波数指令発生手段、
8 周波数指令、9 V/f変換手段、10 電圧指令振幅(補償前)、
11 インバータ直流回路部の電圧信号、12 PWM手段、
13 スイッチング指令、14 モータ減速制御手段、
14a 電圧指令振幅増幅率設定関数、
14b フィルター処理前電圧指令振幅増幅率(減速制御時)A1、
14c フィルター処理前電圧指令振幅増幅率(非減速制御時)A2、
14d 選択手段、14e ローパスフィルタ、
14f 第一の電圧指令振幅増幅率、14g 電流振幅演算手段、
14h 電流振幅信号、14i 電流振幅制限値、14j PI制御器、
14k 第二の電圧指令振幅増幅率、14l 加算器、
14m 第三の電圧指令増幅率、14n 乗算器、
14o 励磁制御手段 、14p モータ電流制御手段、
14q 直流回路部電圧信号(微小変動量)指令、
15 検出電流信号、16 減速処理実施指令、
17 電圧指令振幅(補償後)、18 誘導電動機の回路モデル、
19 機械モデル、20 モータ回転速度(微小変動量)、
21 モータ電力(微小変動量)、
22 平滑コンデンサ電流(微小変動量)、23 ゲイン、24 ゲイン、
25 直流回路部の電圧モデル、26 減速処理実施指令出力手段。
Claims (7)
- インバータを用いてモータを減速制御する減速処理実施指令と前記インバータに指令する電圧指令振幅とを入力して前記モータを減速制御するモータ減速制御手段を有し、
前記モータ減速制御手段は、
前記減速処理実施指令と、前記インバータの直流回路部の電圧信号と、を入力して、モータ急減速のための制御に用いる第一の電圧指令振幅増幅率を計算する励磁制御手段、
前記インバータおよび前記モータに通電可能な電流の制限値である電流振幅制限値と、モータ電流信号と、を入力して、過電流抑制のための制御に用いる第二の電圧指令振幅増幅率を計算するモータ電流制御手段、
前記第一の電圧指令振幅増幅率と、前記第二の電圧指令振幅増幅率と、を加算して、モータ急減速制御に用いる第三の電圧指令振幅増幅率を出力する加算手段、
前記電圧指令振幅と、前記第三の電圧指令振幅増幅率と、を乗算し出力する乗算手段、
を備え、前記乗算手段により乗算した後の電圧指令振幅に従って前記インバータを制御することを特徴とするモータ制御装置。 - 前記励磁制御手段は、
前記減速処理実施指令により減速制御を実施する場合には、前記インバータの直流回路部の電圧信号の関数の出力となる減速用のフィルター処理前電圧指令増幅率を選択し、
減速制御を実施しない場合には、非減速制御時用のフィルター処理前電圧指令増幅率を選択するとともに、
選択後のフィルター処理前電圧指令振幅増幅率にローパスフィルタ処理を行って、前記第一の電圧指令振幅増幅率として出力することを特徴とする請求項1に記載のモータ制御装置。 - 前記モータ電流制御手段は、
モータ電流信号の振幅を計算する電流振幅計算手段、
前記電流振幅計算手段で計算された電流振幅信号と、前記電流振幅制限値との差分を入力するPI制御手段、を備え、
前記PI制御手段の出力を前記第二の電圧指令振幅増幅率として出力することを特徴とする請求項1に記載のモータ制御装置。 - 前記励磁制御手段のローパスフィルタのカットオフ周波数、及び前記モータ電流制御手段のPI制御手段のゲインの設定は、
モータ減速制御開始時のモータ回転速度または周波数指令に基づいて実施されることを特徴とする請求項2または3に記載のモータ制御装置。 - 前記励磁制御手段のローパスフィルタのカットオフ周波数、及び前記モータ電流制御手段のPI制御手段のゲインの設定は、
モータの最高回転速度仕様値に基づいて実施されることを特徴とする請求項2または3に記載のモータ制御装置。 - 前記励磁制御手段のローパスフィルタのカットオフ周波数、及び前記モータ電流制御手段のPI制御手段のゲインの設定は、
モータ回転速度または周波数指令に基づいて前記モータの減速制御中に実施されることを特徴とする請求項2または3に記載のモータ制御装置。 - モータ減速手段を用いてモータ損失を増加させ前記モータの暖機運転を実施することを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載のモータ制御装置。
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