JP5954313B2 - モータ制御システム、制御装置及び制御方法 - Google Patents

モータ制御システム、制御装置及び制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、モータ制御システム、制御装置及び制御方法に関する。
特許文献1には、複数のモータが協働して糸を紡ぐ紡糸システムにおいて、瞬時停電発生時に、モータを減速させ、それにより生じる回生エネルギーを利用するKEB(Kinetic Energy Back-up)制御を行うことが開示されている。このKEB制御では、糸切れを防止するために、複数のモータの速度を揃えながら減速させている。
特開2002−223592号公報
ところで、上述のような複数のモータを備えるシステムでは、複数のモータの速度を揃えながら減速させた場合、モータの構成や負荷の違いから、一部のモータで回生エネルギーが過度に上昇することがある。このため、過度に上昇した回生エネルギーを消費するための抵抗器を設ける必要がある。特許文献1では、力行状態のモータの電圧を増加させることで、過度に上昇した回生エネルギーを消費させている。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、複数のモータの速度を揃えながら減速させつつ、回生エネルギーの過度な上昇を抑制することが可能なモータ制御システム、制御装置及び制御方法を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明のモータ制御システムは、複数のモータと、前記複数のモータを駆動する複数のインバータであって、直流電力を供給する共通の母線に接続される複数のインバータと、電力供給が遮断された場合に、前記共通の母線の母線電圧が維持されるように周波数指令値を算出し、前記複数のインバータに供給する制御器と、を備える。
また、本発明の一態様では、前記制御器は、前記母線電圧が維持されるように、前記共通の母線に設けられたコンデンサの電流目標値を算出する電流目標値算出部と、前記母線電圧と前記コンデンサの電流目標値とから前記コンデンサの電力目標値を算出する電力目標値算出部と、前記コンデンサの電力目標値に基づいて、前記周波数指令値を算出する周波数指令値算出部と、を含んでもよい。
また、本発明の一態様では、前記制御器は、所定の上限値を超えないように前記周波数指令値を制限してもよい。
また、本発明の一態様では、交流電力を前記直流電力に変換する、スイッチング素子を含むコンバータをさらに備え、前記制御器は、前記交流電力が供給される間に、前記共通の母線の母線電圧が維持されるように前記共通の母線に設けられたコンデンサと前記インバータとに供給する電流目標値を算出し、前記電流目標値に基づいて前記コンバータを制御してもよい。
また、本発明の一態様では、前記制御器は、前記交流電力が供給される間に、前記母線電圧が維持されるように算出された前記コンデンサと前記インバータとに供給する電流目標値に基づいて、前記コンバータを制御する電力供給時制御部と、前記交流電力の電力供給が遮断された場合に、前記母線電圧が維持されるように算出された前記コンデンサに供給する電流目標値に基づいて、前記複数のインバータに供給する周波数指令値を算出する電力遮断時制御部と、を含んでもよい。
また、本発明の制御装置は、直流電力を供給する共通の母線に接続され、複数のモータを駆動する複数のインバータを制御する制御装置であって、電力供給が遮断された場合に、前記共通の母線の母線電圧が維持されるように周波数指令値を算出し、前記複数のインバータに供給する。
また、本発明の制御装置は、交流電力を直流電力に変換する、スイッチング素子を含むコンバータと、前記直流電力を供給する母線に接続され、モータを駆動するインバータと、を制御する制御装置であって、前記交流電力が供給される間に、前記母線の母線電圧が維持されるように前記共通の母線に設けられたコンデンサと前記インバータとに供給する電流目標値を算出し、前記電流目標値に基づいて前記コンバータを制御し、前記交流電力の電力供給が遮断された場合に、前記母線の母線電圧が維持されるように周波数指令値を算出し、前記インバータに供給する。
また、本発明の一態様では、前記制御器は、前記交流電力が供給される間に、前記母線電圧が維持されるように算出された前記コンデンサと前記インバータとに供給する電流目標値に基づいて、前記コンバータを制御する電力供給時制御部と、前記交流電力の電力供給が遮断された場合に、前記母線電圧が維持されるように算出された前記コンデンサに供給する電流目標値に基づいて、前記複数のインバータに供給する周波数指令値を算出する電力遮断時制御部と、を含んでもよい。
また、本発明の制御方法は、直流電力を供給する共通の母線に接続され、複数のモータを駆動する複数のインバータを制御する制御方法であって、電力供給が遮断された場合に、前記共通の母線の母線電圧が維持されるように周波数指令値を算出し、前記複数のインバータに供給する。
本発明によると、複数のモータの速度を揃えながら減速させつつ、回生エネルギーの過度な上昇を抑制することが可能である。
本発明の実施形態に係るモータ制御システムを示すブロック図である。 制御器の一の例を示すブロック図である。 制御器の他の例を示すブロック図である。
本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の実施形態に係るモータ制御システム1を示すブロック図である。モータ制御システム1は、交流電源2と、交流電源2に接続されたPWMコンバータ3と、PWMコンバータ3からの共通の母線31に接続された複数のインバータ4と、複数のインバータ4にそれぞれ接続された複数のモータ5と、PWMコンバータ3に設けられた制御器10と、を備えている。
PWMコンバータ3は、交流電源2から供給される交流電力を直流電力に変換し、変換された直流電力を複数のインバータ4に供給する。PWMコンバータ3は、IGBT等のスイッチング素子を含む変換回路を備えており、制御器10からのPWM制御によって交流電力を直流電力に変換する。
PWMコンバータ3に限られず、スイッチング素子を含み、制御器により制御されるコンバータとして、例えば120度方式回生コンバータやサイリスタコンバータなどが適用されてもよい。または、ダイオードブリッジを利用した、制御器を有さないコンバータが適用されてもよい。
インバータ4は、PWMコンバータ3から供給される直流電力を交流電力に変換し、変換された交流電力をモータ5に供給する。インバータ4は、PWMコンバータ3の制御器10から供給される周波数指令値に基づいて、モータ5の回転を制御する。モータ5は、例えば誘導モータである。
制御器10は、本発明の実施形態に係る制御装置であり、例えばマイクロプロセッサを含み、メモリに記憶されたプログラムに従って情報処理を実行する。制御器10は、交流電源2から交流電力が供給される間(以下、通常時という)、PWMコンバータ3をPWM制御する。
さらに、制御器10は、交流電源2からの交流電力の供給が遮断された場合に(以下、瞬時停電時という)、複数のモータ5を減速させて回生エネルギーを得るための共通の周波数指令値を生成し、複数のインバータ4に供給するKEB制御を実行する。以下、瞬時停電時に実行されるKEB制御について説明する。
図2は、制御器10の一の例を示すブロック図である。同図は、制御器10が実行する種々の制御のうち、瞬時停電時のKEB制御に係るブロック群を示している。記憶装置14を除く各ブロックは、マイクロプロセッサがメモリに記憶されたプログラムに従って情報処理を実行することによって実現される。
制御器10には、母線31に接続されたコンデンサ33に印加される母線電圧の検出値である母線電圧検出値Vdcと、母線電圧の指令値である母線電圧指令値Vdc と、上位システムから供給される周波数指令値ωref と、が入力される。一方で、制御器10は、周波数指令値ωを複数のインバータ4に出力する。
制御器10は、スイッチ11と、瞬時停電検出部12と、エッジ検出部13と、記憶装置14と、減算器17と、電圧調整器18と、瞬時電力算出部61と、減速レート算出部62と、積分器63と、リミッタ71と、減算器72と、乗算器73と、減算器74と、を備えている。
スイッチ11は、瞬時停電検出部12からの検出信号に基づいて、制御器10が周波数指令値ωとして出力する値を切り替える。通常時には、上位システムから供給される周波数指令値ωref がそのまま周波数指令値ωとして出力され、瞬時停電時には、積分器63からの周波数指令値ωkeb が周波数指令値ωとして出力される。
瞬時停電検出部12は、交流電源2からの電力供給を監視しており、検出信号をスイッチ11及びエッジ検出部13に出力する。検出信号は、例えば、通常時と瞬時停電時とで切り替わる2値の信号である。瞬時停電検出部12は、例えば母線電圧検出値Vdcが定格電圧(例えば200V)を下回ったときに、検出信号を出力する。また、例えば電源電圧検出値が定格電圧の70%を下回ったときに、検出信号を出力してもよい。
エッジ検出部13は、瞬時停電検出部12からの検出信号において通常時から瞬時停電時に切り替わるエッジを検出すると、初期化のためのトリガー信号を積分器63及び記憶装置14に出力する。
記憶装置14は、上位システムからの周波数指令値ωref が入力されており、エッジ検出部13からのトリガー信号を受けた時点の周波数指令値ωref を保持し、積分器63及びリミッタ71に出力する。
積分器63は、エッジ検出部13からのトリガー信号を受けると、記憶装置14に保持された周波数指令値ωref (トリガー信号を受けた時点の値)を、周波数指令値ωkeb の初期値として設定する。
減算器17は、母線電圧指令値Vdc (詳細には、減算器74により減算された値)と、母線電圧検出値Vdcとの差分値を算出し、電圧調整器18に出力する。
電圧調整器18(AVR:Auto Voltage Regulation)は、電流目標値算出部の一例であり、減算器17からの差分値を抑制するための電流目標値I を算出し、瞬時電力算出部61に出力する。ここで、電流目標値I は、母線電圧検出値Vdcを母線電圧指令値Vdc に維持するためにコンデンサ33に注入すべき電流Iの目標値である。
瞬時電力算出部61は、電力目標値算出部の一例であり、電圧調整器18からの電流目標値I と母線電圧検出値Vdcとを乗算することで、電力目標値P を算出し、減速レート算出部62に出力する。
減速レート算出部62は、瞬時電力算出部61からの電力目標値P に基づいて、減速レート(加速度目標値)dωkeb /dtを算出し、積分器63に出力する。具体的には、モータ5を減速させることによって生じる回生エネルギーが電力目標値P を充足するように、減速レートdωkeb /dtが算出される。
積分器63は、周波数指令値算出部の一例であり、減速レート算出部62からの減速レートdωkeb /dtを積分することで、周波数指令値ωkeb を算出し、インバータ4、リミッタ71及び減算器72に出力する。
ここで、瞬時電力算出部61、減速レート算出部62及び積分器63は、瞬時停電時に電圧調整器18からの電流目標値I に基づいて周波数指令値ωkeb を算出する電力遮断時制御部6である。
リミッタ71、減算器72、乗算器73及び減算器74は、アンチワインドアップループを形成し、周波数指令値ωkeb が所定の上限値を超えないように動作する。
リミッタ71は、記憶装置14に保持された周波数指令値ωref (トリガー信号を受けた時点の値)を、周波数指令値ωkeb の上限値として減算器72に出力する。なお、リミッタ71は、積分器63からの周波数指令値ωkeb が所定の値以下である場合に、周波数指令値ωkeb の上限値を線形的に変化させる。
減算器72は、積分器63からの周波数指令値ωkeb から、リミッタ71からの周波数指令値ωkeb の上限値を差し引いた差分値(すなわち、上限値を超過した分)を算出し、乗算器73に出力する。
乗算器73は、減算器72からの差分値にゲインKを乗算した積を算出し、減算器74に出力する。
減算器74は、母線電圧指令値Vdc から、乗算器73からの積を差し引いた差分値を算出し、減算器17に出力する。
なお、以上に説明した瞬時停電時のKEB制御を実現するブロック群は、複数のインバータ4の1つに設けられた不図示の制御器に含まれてもよいし、PWMコンバータ3及びインバータ4とは独立した装置に含まれてもよい。
以下、瞬時停電時のKEB制御について、より詳細に説明する。
まず、母線31に接続されたコンデンサ33では、下記数式1で表される関係が成り立つ。Vdcはコンデンサ33に印加される母線電圧(母線電圧検出値)であり、Iはコンデンサ33に流れる電流であり、Cはコンデンサ33の容量であり、sはラプラス演算子である。
Figure 0005954313
次に、瞬時停電時の電力の関係は下記数式2で表される。ωはモータ5の回転速度であり、Tはモータ5のトルクであり、Plossはシステムが内包するロスである。
Figure 0005954313
ここではPloss=0とする。これにより、下記数式3が得られる。
Figure 0005954313
上記数式1によると、コンデンサ33に流れる電流Iを制御することによって、コンデンサ33に印加される母線電圧Vdcを制御することが可能である。
そこで、PI制御によって母線電圧Vdcを維持するための電流目標値I を算出すると、電流目標値I は下記数式4で表される。Vdc は母線電圧指令値であり、Kはゲインである。
Figure 0005954313
この数式4で表される電流目標値I は、上述の電圧調整器18(AVR:Auto Voltage Regulation)において算出される。
ところで、コンデンサ33に流れる電流Iを直接的に制御することはできないため、モータ5が発生する電力Pを制御することによって電流Iを間接的に制御することを考える。
コンデンサ33側の電力はモータ5側の電力Pと等価であるため、下記数式5が成り立つ。
Figure 0005954313
この数式5から、モータ5に発生させるべき電力Pの目標値である電力目標値P は、下記数式6で表される。
Figure 0005954313
この数式6で表される電力目標値P は、上述の瞬時電力算出部61において算出される。
また、モータ5が発生する電力Pの関係は下記数式7で表される。
Figure 0005954313
この数式7によると、モータ5の回転速度ω又はトルクTを制御することによって、モータ5が発生する電力Pを制御することが可能である。
そこで、モータ5の回転速度ωを制御することによって、モータ5が発生する電力Pを制御することを考える。
まず、モータ5のトルクTの関係は下記数式8で表される。Jは、モータ5のメカニカルイナーシャである。
Figure 0005954313
上記数式7及び数式8から、トルクTの目標値であるトルク目標値Tref は下記数式9で表される。ωkeb は周波数指令値であり、dωkeb /dtは減速レートである。
Figure 0005954313
この数式9を展開すると、減速レートdωkeb /dtを表す下記数式10が得られる。
Figure 0005954313
この数式10で表される減速レートdωkeb /dtは、上述の減速レート算出部62において算出される。
そして、この数式10を積分すると、周波数指令値ωkeb を表す下記数式11が得られる。
Figure 0005954313
この数式11で表される周波数指令値ωkeb は、上述の積分器63において算出される。
以上のように、周波数指令値ωkeb を算出することで、複数のモータ5の速度を揃えながら減速させつつ、回生エネルギーの過度な上昇を抑制することが可能である。
図3は、制御器10の他の例を示すブロック図である。同図は、制御器10が実行する種々の制御のうち、通常時のPWM制御に係るブロック群と、瞬時停電時のKEB制御に係るブロック群と、を示している。上記の例と重複する構成については、同番号を付すことで詳細な説明を省略する。
PWMコンバータ3は、IGBT等のスイッチング素子を含む変換回路35を備えており、制御器10からのPWM制御によって交流電力を直流電力に変換する。
また、PWMコンバータ3は、交流電源2から供給される交流電力の電圧を検出するための電圧検出器37と、交流電源2から供給される交流電力の電流を検出するための電流検出器38と、を備えている。電圧検出器37及び電流検出器38は、検出信号を制御器10に出力する。
また、PWMコンバータ3は、母線31に接続されたコンデンサ33に印加される母線電圧を検出するための電圧検出器39を備えている。電圧検出器39は、検出信号を制御器10に出力する。
制御器10は、スイッチ19と、電流調整器81と、変換制御部82と、PLL回路83と、dq変換器84と、を備えている。また、制御器10は、上述の瞬時停電検出部12、減算器17、電圧調整器18及び電力遮断時制御部6を備えている。これらに限られず、上記図2に示される他のブロックがさらに含まれてもよい。
ここで、電流調整器81及び変換制御部82は、通常時に、電圧調整器18からの電流目標値I に基づいてPWMコンバータ3を制御する電力供給時制御部8である。
スイッチ19は、瞬時停電検出部12からの検出信号に基づいて、電圧調整器18からの電流目標値I の供給先を切り替える。通常時には電力供給時制御部8に電流目標値I が供給され、瞬時停電時には電力遮断時制御部6に電流目標値I が供給される。
言い換えると、スイッチ19は、通常時には電力供給時制御部8を動作させ、瞬時停電時には電力遮断時制御部6を動作させる。
電圧調整器18は、瞬時停電検出部12からの検出信号に基づいて、電流目標値I の算出方法を切り替える。通常時において、電圧調整器18は、母線電圧検出値Vdcを母線電圧指令値Vdc に維持するためにコンデンサ33に供給すべきコンデンサ電流成分に、インバータ4に供給すべきインバータ電流成分を加算した値を、電流目標値I として算出する。瞬時停電時においては、上述した通りである。
電流調整器81(ACR:Auto Current Regulation)は、電圧調整器18からの電流目標値I と、dq変換器84からの電流検出値Idqとの差分値を抑制するための電圧目標値Vdq を算出し、変換制御部82に出力する。
変換制御部82は、電流調整器81からの電圧目標値Vdq と、PLL回路83からの位相θとに基づいて、変換回路35をPWM制御するための制御信号Vrst を算出し、変換回路35に出力する。
PLL回路83は、電圧検出器37からの検出信号に基づいて、交流電源2から供給される交流電力の位相θを算出し、変換制御部82に出力する。
dq変換器84は、電流検出器38からの検出信号に基づいて、dq変換された電流検出値Idqを算出し、電流調整器81に出力する。
本例によると、制御器10は、通常時にPWMコンバータ3のPWM制御を実行し、瞬時停電時にモータ5のKEB制御を実行することが可能である。
特に、本例では、減算器17及び電圧調整器18が、通常時のPWM制御と瞬時停電時のKEB制御との両方で利用されている、すなわち両方に共通の構成となっているため、制御器10の簡素化を図ることが可能である。
なお、本例では、インバータ4及びモータ5は単数であってもよい。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が当業者にとって可能であるのはもちろんである。
1 モータ制御システム、2 交流電源、3 PWMコンバータ、4 インバータ、5 モータ、10 制御器、11 スイッチ、12 瞬時停電検出部、13 エッジ検出部、14 記憶装置、17 減算器、18 電圧調整器(電流目標値算出部)、19 スイッチ、31 母線、33 コンデンサ、35 変換回路、37 電圧検出器、38 電流検出器、39 電圧検出器、6 電力遮断時制御部、61 瞬時電力算出部(電力目標値算出部の一例)、62 減速レート算出部、63 積分器(周波数指令値算出部の一例)、71 リミッタ、72 減算器、73 乗算器、74 減算器、8 電力供給時制御部、81 電流調整器、82 制御部、83 PLL回路、84 dq変換器。

Claims (9)

  1. 複数のモータと、
    前記複数のモータを駆動する複数のインバータであって、直流電力を供給する共通の母線に接続される複数のインバータと、
    電力供給が遮断された場合に、前記共通の母線の母線電圧が維持されるように周波数指令値を算出し、前記複数のインバータに供給する制御器と、
    を備え
    前記制御器は、
    前記母線電圧が維持されるように、前記共通の母線に設けられたコンデンサの電流目標値を算出する電流目標値算出部と、
    前記母線電圧と前記コンデンサの電流目標値とから前記コンデンサの電力目標値を算出する電力目標値算出部と、
    前記コンデンサの電力目標値に基づいて、前記周波数指令値を算出する周波数指令値算出部と、
    を含む、モータ制御システム。
  2. 前記制御器は、所定の上限値を超えないように前記周波数指令値を制限する、
    請求項1に記載のモータ制御システム。
  3. 複数のモータと、
    前記複数のモータを駆動する複数のインバータであって、直流電力を供給する共通の母線に接続される複数のインバータと、
    電力供給が遮断された場合に、前記共通の母線の母線電圧が維持されるように周波数指令値を算出し、前記複数のインバータに供給する制御器と、
    を備え、
    交流電力を前記直流電力に変換する、スイッチング素子を含むコンバータをさらに備え、
    前記制御器は、前記交流電力が供給される間に、前記共通の母線の母線電圧が維持されるように前記共通の母線に設けられたコンデンサと前記インバータとに供給する電流目標値を算出し、前記電流目標値に基づいて前記コンバータを制御する、
    モータ制御システム。
  4. 前記制御器は、
    前記交流電力が供給される間に、前記母線電圧が維持されるように算出された前記コンデンサと前記インバータとに供給する電流目標値に基づいて、前記コンバータを制御する電力供給時制御部と、
    前記交流電力の電力供給が遮断された場合に、前記母線電圧が維持されるように算出された前記コンデンサに供給する電流目標値に基づいて、前記複数のインバータに供給する周波数指令値を算出する電力遮断時制御部と、
    を含む、
    請求項に記載のモータ制御システム。
  5. 直流電力を供給する共通の母線に接続され、複数のモータを駆動する複数のインバータを制御する制御装置であって、
    電力供給が遮断された場合に、前記共通の母線の母線電圧が維持されるように周波数指令値を算出し、前記複数のインバータに供給し、
    前記制御装置は、
    前記母線電圧が維持されるように、前記共通の母線に設けられたコンデンサの電流目標値を算出する電流目標値算出部と、
    前記母線電圧と前記コンデンサの電流目標値とから前記コンデンサの電力目標値を算出する電力目標値算出部と、
    前記コンデンサの電力目標値に基づいて、前記周波数指令値を算出する周波数指令値算出部と、
    を含む、制御装置。
  6. 交流電力を直流電力に変換する、スイッチング素子を含むコンバータと、前記直流電力を供給する母線に接続され、モータを駆動するインバータと、を制御する制御装置であって、
    前記交流電力が供給される間に、前記母線の母線電圧が維持されるように前記共通の母線に設けられたコンデンサと前記インバータとに供給する電流目標値を算出し、前記電流目標値に基づいて前記コンバータを制御し、
    前記交流電力の電力供給が遮断された場合に、前記母線の母線電圧が維持されるように周波数指令値を算出し、前記インバータに供給する、
    制御装置。
  7. 前記制御装置は、
    前記交流電力が供給される間に、前記母線電圧が維持されるように算出された前記コンデンサと前記インバータとに供給する電流目標値に基づいて、前記コンバータを制御する電力供給時制御部と、
    前記交流電力の電力供給が遮断された場合に、前記母線電圧が維持されるように算出された前記コンデンサに供給する電流目標値に基づいて、前記複数のインバータに供給する周波数指令値を算出する電力遮断時制御部と、
    を含む、
    請求項に記載の制御装置。
  8. 直流電力を供給する共通の母線に接続され、複数のモータを駆動する複数のインバータを制御する制御方法であって、
    電力供給が遮断された場合に、前記共通の母線の母線電圧が維持されるように、前記共通の母線に設けられたコンデンサの電流目標値を算出し、
    前記母線電圧と前記コンデンサの電流目標値とから前記コンデンサの電力目標値を算出し、
    前記コンデンサの電力目標値に基づいて、前記周波数指令値を算出し、
    前記周波数指令値を前記複数のインバータに供給する制御方法。
  9. 交流電力を直流電力に変換する、スイッチング素子を含むコンバータと、前記直流電力を供給する母線に接続され、モータを駆動するインバータと、を制御する制御方法であって、
    前記交流電力が供給される間に、前記母線の母線電圧が維持されるように前記共通の母線に設けられたコンデンサと前記インバータとに供給する電流目標値を算出し、前記電流目標値に基づいて前記コンバータを制御し、
    前記交流電力の電力供給が遮断された場合に、前記母線の母線電圧が維持されるように周波数指令値を算出し、前記インバータに供給する、
    制御方法。
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