JP5994355B2 - 永久磁石形同期電動機の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体電力変換器により永久磁石形同期電動機を駆動するための制御装置に関するものである。
図6は、インバータによりブラシレスモータを駆動するための従来のモータ駆動装置を示している。このモータ駆動装置は特許文献1に記載されており、例えば、洗濯機の洗濯槽駆動用のブラシレスモータを適用対象としている。
図6において、201は交流電源、202は整流回路、203は平滑コンデンサ、204はインバータ主回路、205はブラシレスモータ、206は負荷としての洗濯槽である。
また、301は平滑コンデンサ203の電圧Ed1を検出する直流電圧検出器、302は直流電圧指令値Ed1 を出力する直流電源、303は直流電圧抑制回路、304は位置検出器、305は回転数演算回路、306は回転数指令値N及び回転数演算値Nが入力される回転数制御回路、307はインバータ主回路204の半導体スイッチング素子に対する駆動パルスを出力する制御回路である。
制御回路307は、直流電圧抑制回路303から出力されるd軸電流指令値I と、回転数制御回路306から出力されるq軸電流指令値I と、位置検出器304から出力されるモータ205の磁極位置情報とを用いて、駆動パルスを生成する。
ここで、d軸とは、モータ205の回転子永久磁石(磁極)による磁束に平行な方向の座標軸をいい、q軸とは前記磁束と直交する方向(d軸に直交する方向)の座標軸をいう。
上記構成において、回転数制御回路306は、回転数指令値Nと回転数演算値Nとの偏差を比例積分演算してq軸電流指令値I を生成する。また、直流電圧抑制回路303は、モータ205の定速時及び加速時にはd軸電流指令値I として「0」を出力し、モータ205の減速時であって直流電圧検出値Ed1が直流電圧指令値Ed1 を超えた時に、Ed1とEd1 との偏差を比例積分演算してd軸電流指令値I を生成する。
制御回路307は、電流制御器や2相/3相座標変換器(何れも図示せず)等を備えている。この制御回路307は、q軸電流を調整してモータ205に対するブレーキトルクを所定値に制御し、d軸電流を調整してモータ205からの回生エネルギーを所定値に制御するように駆動パルスを生成する。
特許第4592712号公報(段落[0030]〜[0092]、図1〜図3等)
図6に記載した従来技術では、モータ205からの回生エネルギーを制御するため、d軸電流をq軸電流とは独立して制御することが必要である。従って、通常運転時(定速時及び加速時)に用いられるモータ205の制御系に加えて、回生エネルギーを制御するために直流電圧抑制回路303等を設けなくてはならず、回路が複雑化する。
また、この従来技術において、モータ205の通常運転時の制御と回生時の制御との切り替えは、直流電圧抑制回路303内の制御系レベルで行わなければならない。この場合、制御系の切替時にしばしば生じる不連続や不安定などの問題を回避するためには、切替動作自体を適切に制御することが必要となり、システムが一層複雑化するおそれがある。
更に、図6に示した従来技術では、回生エネルギーをd軸電流により制御し、モータ205のブレーキトルクをq軸電流により、それぞれ独立に制御している。すなわち、この従来技術は、トルクがd軸電流に依存せずq軸電流のみに依存するモータに限って適用可能であり、この種のモータとしては、永久磁石形同期電動機の分野では非突極性の表面磁石形同期電動機のみが該当する。
一方、近年において、永久磁石形同期電動機の一種である埋込磁石形同期電動機は、産業機器やハイブリッド自動車・電気自動車などに幅広く用いられている。この埋込磁石形同期電動機は突極性が大きいため、d軸電流によるリラクタンストルクを無視することができず、むしろ、リラクタンストルクを積極的に利用することが望まれている。
この埋込磁石形同期電動機のトルクとd,q軸電流との関係は非線形であり、トルクを制御することに関してd軸電流とq軸電流とを独立に制御することはできないため、図6に示したような従来技術は適していない。
つまり、図6の従来技術を埋込磁石形同期電動機の駆動システムに適用すると、所望のトルク制御精度を得ることができず、速度制御系や位置制御系などのシステム全体の不安定化を招く恐れがある。
また、図6に示した従来技術では、通常運転時においてd軸電流が0または小さい値であるという運転条件だけが考慮されている。すなわち、永久磁石形同期電動機が高速で運転する定出力領域において必要不可欠な弱め磁束制御の動作として、d軸電流がq軸電流に対して大きなマイナスの値となる運転条件が一切考慮されていない。
通常、電動機の高速運転時における弱め磁束制御では、電動機の回転速度や電動機の電圧指令などの情報に基づいてd軸電流指令値を決定している。しかし、図6の従来技術はこれらの情報を考慮せずに、力率を0近傍に保って回生エネルギーを制御する目的のもとでd軸電流指令値I を独立に決定している。このため、上記従来技術では、弱め磁束制御を行いながら回生エネルギーを制御することが理論上成立せず、定出力領域の高速運転から減速するといった運転パターンは実現不可能である。
更に、回生エネルギーを制御する目的としては、第1に、システムの高効率を保ちながら直流中間電圧の上昇を抑制することと、第2に、効率を犠牲にしてとにかく速やかに直流中間電圧の上昇を抑制することがある。
しかしながら、図6の従来技術では、回生エネルギーによる直流中間電圧の上昇を抑制するときに、力率を0近傍に保つことのみを考慮して制御しているので、前述した第1の目的のみを重視することになる。つまり、図6の従来技術では目的を分けて回生エネルギーを制御できないので、前述した第2の目的のように、直流中間電圧の上昇をできる限り速やかに抑制することが重要なアプリケーションには適用不可能である。
そこで、本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、永久磁石形同期電動機の運転状態に関わらず、電動機からの回生エネルギーによる電力変換器の直流中間電圧の上昇を抑制することにある。
また、本発明の他の目的は、電動機の通常運転時の制御と回生エネルギーの制御とを切り替える必要がなく、シームレスな制御を可能にした制御装置を提供することにある。
更に、本発明の別の目的は、突極性がある埋込磁石形同期電動機にも適用可能な制御装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、請求項1に係る発明は、半導体電力変換器により駆動される永久磁石形同期電動機の電流を、回転子磁極による磁束に平行な成分のd軸電流と前記磁束に直交する成分のq軸電流とに分離して制御することにより、前記電動機を制御する制御装置において、
少なくとも前記電動機のトルク指令値に基づいてd軸電流指令値及びq軸電流指令値を演算する電流指令演算手段を有し、
前記電流指令演算手段は、前記電動機のトルク指令値から演算した第1の磁束指令値を前記電力変換器の電圧制限値及び前記電動機の速度に応じて第1の出力制限手段により制限した第2の磁束指令値と、磁束補正係数と、を乗じて第3の磁束指令値を演算する第1の演算手段と、
前記電動機の回生運転時における前記第3の磁束指令値を、前記電動機の定速運転時及び加速運転時よりも大きい値に調整するための演算手段であって、前記電力変換器の電圧制限値と電圧指令値振幅との偏差を増幅して得た前記磁束補正係数を上下限値により制限して出力する第2の出力制限手段を備えた第2の演算手段と、
前記トルク指令値とトルク演算値との偏差を増幅して得た負荷角指令値と、前記第2の演算手段から出力される前記第3の磁束指令値と、を用いて前記d軸電流指令値及びq軸電流指令値を演算する第3の演算手段と、を備え、
前記第2の演算手段は、
前記直流中間電圧及び速度指令値に応じて、前記磁束補正係数の上限値として、前記電動機の定速運転時及び加速運転時の第1の上限値、または、前記電動機の回生エネルギー制御時の上限値であって前記第1の上限値より大きい第2の上限値または第3の上限値、のうちの何れかを選択して出力する磁束補正係数上限値演算手段を有し、前記第2の上限値が一定値であり、かつ、前記第3の上限値が、予め設定されたパターンに基づき前記直流中間電圧に応じて変化する値であることを特徴とする。
以上のように構成された本発明の作用は、以下の通りである。
電動機の通常運転時においては、上位の制御系から電流指令演算手段に与えられたトルク指令値を磁束指令値及び負荷角指令値のディメンションに換算してから、d,q軸電流指令値を生成する。すなわち、電流指令演算手段は、電動機の回生エネルギーを制御することに直接関係する電動機の磁束量を容易に操作することができる。また、本発明の制御装置は、電動機の通常運転時において、電力変換器の直流中間電圧に比例する電圧制限値と電圧指令値振幅との偏差を磁束調節手段により積分して磁束補正係数を生成し、その上下限値を第2の出力制限手段により制限して磁束補正係数を調整する。
電動機の通常運転時には、直流中間電圧の上昇が比較的少ないため、磁束補正係数の上限値を例えば100%に設定すればよい。一方、電動機の回生エネルギーが発生する場合には直流中間電圧が自然に上昇するため、磁束補正係数も自動的に増加する。また、回生エネルギーによる直流中間電圧の上昇を抑制するために、理論上は磁束量を大きく設定することが必要である。
そこで、回生エネルギー制御が必要な時には、磁束補正係数の上限値を100%より大きい値に設定すれば、直流中間電圧の上昇を自動的に抑制することが可能である。言い換えると、本発明の制御系は、通常運転時の制御と回生エネルギー制御との両方を同一構成の制御系により行うことができる。
通常運転時の制御と回生エネルギー制御との切り替えは、磁束補正係数の上限値の設定のみを変更すればよい。従って、本発明によれば、回生エネルギー制御のために新たな制御系を追加したり制御系レベルを切り替えたりする必要もなく、簡潔かつシームレスなシステムを実現することができる。
また、本発明においては、前述した電圧制御による磁束補正係数の生成に加え、トルク指令値通りにトルクを制御するために、トルク指令値とトルク演算値との偏差を負荷角調節手段により比例積分演算して負荷角の補償量を生成する。回生エネルギー制御時においても同じ制御系の構成を適用するため、直流中間電圧の上昇を抑制するための磁束量の増加に対して、負荷角の補償により電動機のトルクをトルク指令値通りに正確かつ自動的に制御することができる。
更に、負荷角の補償量の演算に用いるトルク演算値を、適用対象である電動機のトルクとd,q軸電流・磁束との関係を示す理論方程式を直接用いて演算することにより、リラクタンストルクが大きい電動機や、磁気飽和の影響によりインダクタンスが変動する場合にも本発明を適用することができる。すなわち、本発明は、回生エネルギー制御及びブレーキトルク制御の目的でd軸電流とq軸電流とを個別に制御するのではなく、回生エネルギー制御及びブレーキトルク制御の両方の目的を達成するために、一括してd,q軸電流指令値を生成する。これにより、リラクタンストルクがない表面磁石形同期電動機は勿論のこと、リラクタンストルクがある埋込磁石形同期電動機に対しても、回生エネルギー制御とブレーキトルク制御との両立が可能となる。
また、本発明では、通常の定出力領域における高速運転時に必要な弱め磁束制御を実現するために、回転速度に応じて磁束を減少させると共に、前述した電圧制御による磁束補正係数の調整によって磁束を減少させている。電動機を高速運転している状態から減速する時のように回生エネルギー制御が必要となる場合では、磁束補正係数の上限値を大きめに設定する。そして、回転速度に応じて低減された磁束量に対して、回生エネルギーにより上昇した直流中間電圧に応じて求められた磁束補正係数を乗算する。これにより、高速運転時における弱め磁束制御と回生エネルギー制御とが両立するようなバランス点で動作させることができる。
すなわち、本発明の制御装置は、定出力領域における弱め磁束制御が常に可能な構成を備えており、永久磁石形同期電動機の定トルク領域は勿論、高速運転となる定出力領域においても、同じ構成の制御系によって回生エネルギー制御を実現することができる。
更に、本発明の制御装置は、回生エネルギー制御時における磁束補正係数の上限値の設定手段として、上限値演算手段の内部に二つの設定手段を備えている。
第1の設定手段は、磁束補正係数の上限値を直接かつ一定値に設定する手段であり、この手段により設定される上限値は、請求項における第2の上限値に相当する。実際の運転条件または電動機のパラメータなどに合わせて、第2の上限値として磁束補正係数の上限値を設定することにより、直流中間電圧の上昇を速やかに抑制することができる。
一方、第2の設定手段は、予め用意した直流中間電圧と磁束補正係数の上限値との関係パターンに基づいて、直流中間電圧の変動に応じて自動的に磁束補正係数の上限値を設定する。この手段により設定される上限値は、請求項における第3の上限値に相当する。この第2の設定手段を用いることにより、必要な磁束量のみを増加させてシステム全体を高効率に維持することができる。
上述した第1または第2の設定手段のうちのどちらを選択するかは、電動機の運転状態や直流中間電圧などの情報を用いて判断する。すなわち、本発明は、効率の観点だけではなく、応答性の観点も考慮しながら、回生エネルギー制御の目的に応じて磁束補正係数の上限値を調整することにより、磁束指令値を制御するものである。
本発明によれば、永久磁石形同期電動機のいかなる運転状態(加速時・定速時・減速時)においても、電動機からの回生エネルギーによる直流中間電圧の上昇を抑制することができる。
また、本発明によれば、通常運転時の制御と回生エネルギー制御とを切り替える必要がなく、シームレスな制御が可能であると共に、突極性の有無に関わらず各種の永久磁石形同期電動機に適用することができる。
本発明の実施形態を示すブロック図である。 図1における電流指令演算部の構成を示すブロック図である。 図2における磁束補正係数上限値演算器の構成を示すブロック図である。 図3の上限値演算器に設定される直流中間電圧と磁束補正係数上限値との関係を示す図である。 図3の上限値選択器による磁束補正係数上限値の選択動作の一例を示すフローチャートである。 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。図1は、この実施形態に係る制御装置を、永久磁石形同期電動機を駆動する主回路と共に示したブロック図である。
まず、永久磁石形同期電動機80を駆動する主回路について説明する。
図1において、50は三相交流電源であり、整流回路60は交流電源50の三相交流電圧を整流して直流中間電圧に変換する。この直流中間電圧はPWMインバータからなる電力変換器70に供給され、電動機80を駆動するための所定の振幅、周波数を有する三相交流電圧に変換される。
次に、電動機80を電力変換器70により駆動するための制御装置の構成及び作用を説明する。
図1において、電圧検出器12は、電力変換器70の入力となる直流中間電圧Edcを検出する。磁極位置検出器90は永久磁石形同期電動機80の回転子の磁極位置θを検出し、速度検出器91は電動機80の速度ωを検出する。
減算器16は、速度指令値ωと速度検出値ωとの偏差を演算し、その偏差を速度調節器17が増幅してトルク指令値τを演算する。
電圧制限値演算器22は、直流中間電圧Edcにほぼ比例する電圧制限値Valimを演算する。この電圧制限値Valimは、直流中間電圧Edcから決まる電力変換器70の最大出力電圧以下とする。
電流指令演算部18は、トルク指令値τ、電圧制限値Valim、電圧指令値振幅V 及び速度検出値ωから、電動機80の通常運転時において、電動機80の端子電圧が電力変換器70の最大出力電圧以下になる条件でトルク/電流が最大になり、かつ、所望のトルクを出力するようなd,q軸電流指令値i ,i を演算する。
また、電流指令演算部18は、直流中間電圧Edc及び速度指令値ωから、回生エネルギー制御時において、直流中間電圧Edcの上昇を抑制し、かつ、所望のトルクを出力するようなd,q軸電流指令値i ,i を演算する。
上記の電流指令演算部18は本発明の主要部を構成するものであり、その詳細については後述する。
電流座標変換器14は、u相電流検出器11u、w相電流検出器11wからそれぞれ出力された相電流検出値i,iを用いて三相分の電流検出値i,i,iを求める。更に、これらの電流検出値i,i,iを磁極位置検出値θに基づいてd,q軸電流検出値i,iに座標変換する。
減算器19dは、d軸電流指令値i とd軸電流検出値iとの偏差を演算し、この偏差をd軸電流調節器20dが増幅してd軸電圧指令値v を演算する。一方、減算器19qは、q軸電流指令値i とq軸電流検出値iとの偏差をより演算し、この偏差をq軸電流調節器20qが増幅してq軸電圧指令値v を演算する。
電圧振幅演算器21は、d,q軸電圧指令値v ,v のベクトル和から、電圧指令値振幅V を数式1により演算する。また、この電圧指令値振幅V は、電流指令演算部18に入力される。
Figure 0005994355
d,q軸電圧指令値v ,v は、電圧座標変換器15により、磁極位置検出値θに基づいて相電圧指令値v ,v ,v に変換される。
PWM回路13は、相電圧指令値v ,v ,v 及び直流中間電圧Edcからゲート信号を生成する。電力変換器70はこのゲート信号に基づいて内部の半導体スイッチング素子を制御することにより、電動機80の端子電圧を相電圧指令値v ,v ,v に制御する。
次に、図1における電流指令演算部18の構成を、図2に基づいて説明する。
図2において、磁束指令演算器111は、請求項における第1の演算手段に相当し、トルク指令値τから第1の磁束指令値Ψ を演算する。第1の磁束指令値Ψ は、トルク/電流が最大になる条件で演算するが、この演算をオンラインにより実行するのは困難である。そこで、磁束指令演算器111では、トルク/電流が最大になる磁束指令値のテーブルを予め用意しておき、運転時にはこのテーブルを利用することにより、トルク指令値τから第1の磁束指令値Ψ を演算する。
磁束制限値演算器141は、電動機80の端子電圧を電力変換器70の最大出力電圧以下に制限するため、電圧制限値Valim及び速度検出値ωを用いて磁束制限値Ψlimを数式2により演算する。この磁束制限値Ψlimは、後述する第1の出力制限器142に与えられている。
Figure 0005994355
第1の出力制限器142は、磁束指令演算器111から出力される第1の磁束指令値Ψ の上限値を前記磁束制限値Ψlimに制限することにより、第2の磁束指令値Ψ を演算して出力する。
また、減算器121が、電圧制限値Valimと電圧指令値振幅V との偏差を演算し、この偏差を磁束調節器122が増幅して第1磁束補正係数KΨ0を演算する。上記磁束調節器122は、例えば積分調節器によって構成されている。
磁束調節器122の出力側には、第2の出力制限器123が設けられている。この出力制限器123の上限値を「KΨmax」、下限値を「0.0」とすることにより、第1磁束補正係数KΨ0を制限して第2磁束補正係数KΨを得る。上記の上限値KΨmaxは、磁束補正係数上限値演算器124により求められる。なお、磁束補正係数上限値演算器124の詳細については後述する。
乗算器125は、第2磁束補正係数KΨと第2の磁束指令値Ψ とを乗算し、第3の磁束指令値Ψを求める。
ここで、磁束調節器122、第2の出力制限器123、磁束補正係数上限値演算器124、乗算器125等は、請求項における第2の演算手段を構成している。
負荷角指令演算器112は、トルク指令値τに基づき、負荷角指令値のフィードフォワード補償値δ を演算する。また、減算器131は、トルク指令値τとトルク演算値τcalcとの偏差を演算する。負荷角調節器132は、上記の偏差を増幅して負荷角指令値の補正値δPI を演算する。ここで、負荷角調節器132は比例積分増幅器により構成されている。
加算器135は、負荷角指令値のフィードフォワード補償値δ と補正値δPI とを加算して負荷角指令値δを演算する。
トルク演算器134は、d,q軸電流指令値i ,i を用いて、数式3によりトルク演算値τcalcを求める。
Figure 0005994355
電流指令演算器133は、請求項における第3の演算手段に相当する。この電流指令演算器133は、第3の磁束指令値Ψと負荷角指令値δとからd,q軸磁束指令値Ψ ,Ψ を演算する。そして、電流指令演算器133は、d,q軸磁束指令値Ψ ,Ψ から電流指令値i ,i を演算する。d,q軸磁束指令値Ψ ,Ψ の演算式を数式4に示し、電流指令値i ,i の演算式を数式5に示す。
Figure 0005994355
Figure 0005994355
図2に示す電流指令値演算部18の構成は、回生エネルギーによる直流中間電圧Edcの上昇を抑制するための回生エネルギー制御にそのまま適用可能である。
前述したように、磁束調節器122により求められた第1磁束補正係数KΨ0は、出力制限器123により上下限値が制限される。実際、出力制限器123の上限値KΨmaxを調整することのみにより、回生エネルギー制御を実現することができる。
ここで、通常運転時には直流中間電圧Edcの上昇が殆どないため、出力制限器123の上限値KΨmaxを「1.0」と設定すればよい。
一方、回生エネルギー制御時には、電動機80から発生した回生エネルギーによって直流中間電圧Edcが自然に増加することにより、磁束調節器122により演算した第1磁束補正係数KΨ0も自動的に大きくなる。その際、上限値KΨmaxを通常運転時の値「1.0」のままに設定しておくと、第2磁束補正係数KΨは「1.0」以上にならず、直流中間電圧Edcの上昇を抑制することができない。
このため、電動機80の磁束を大きく設定すれば、電動機80の損失(銅損+鉄損)が自動的に増加し、回生エネルギーが電動機80の内部損失として消費されることにより、回生エネルギーによる直流中間電圧Edcの上昇が抑制される。従って、磁束補正係数の上限値KΨmaxのみを「1.0」より大きい値に設定すれば、直流中間電圧Edcの上昇により第3の磁束指令値Ψが自動的に大きくなり、直流中間電圧Edcの上昇を抑制することができる。
図3は、上限値KΨmaxを設定・演算する磁束補正係数上限値演算器124の構成を示している。
磁束補正係数上限値演算器124では、通常運転時と回生エネルギー制御時とを場合分けして上限値KΨmaxを選択し、出力する。
まず、通常運転時の上限値KΨmaxは、「1.0」に設定される。この通常運転時の上限値KΨmaxは、請求項における第1の上限値である。
これに対し、回生エネルギー制御時には、上限値設定器126または上限値演算器127の何れか一方を使用して上限値KΨmaxを決定する。上限値設定器126により設定される上限値KΨmaxは、請求項における第2の上限値に相当し、上限値演算器127により演算される上限値KΨmaxは、請求項における第3の上限値に相当する。
これらの上限値設定器126と上限値演算器127とは、アプリケーションの目的に応じて使い分ければよい。
上限値設定器126は、上限値KΨmaxを「1.0」より大きい一定値に設定する機能を有する。ここで、上限値KΨmaxは、実際の運転条件や電動機80のパラメータに合わせて、回生エネルギーによる直流中間電圧Edcの上昇を速やかに抑制するための調整パラメータである。
一方、上限値演算器127は、図4に示すように予め設定された直流中間電圧Edcと上限値KΨmaxとの関係を示すパターンに基づいて上限値KΨmaxを決定する。すなわち、上限値演算器127では、上記パターンをテーブルに保存しておき、直流中間電圧Edcに基づいて上記テーブルを参照することにより、上限値KΨmaxを自動的に算出する。
上限値演算器127では、直流中間電圧Edcの増加分だけに対して上限値KΨmaxを増加させることにより磁束を増加するため、システムの高効率を維持しながら、回生エネルギー制御を実現可能である。図4に示すパターンでは、上限値KΨmaxの最大値を「1.5」と設定してあるため、通常運転時の磁束に対して1.5倍まで磁束を増加させることができる。なお、実際には、電動機の許容できる磁束最大値が異なるため、電動機に応じて上限値KΨmaxの最大値を設定することが必要である。
なお、図4の横軸に示すEdcrated,Edcmaxは、それぞれ定格直流中間電圧,最大許容可能な直流中間電圧を意味する。
図3に示す上限値選択器128は、運転状態(速度指令値ω)または直流中間電圧Edcに応じて通常運転時か回生エネルギー制御時かを判断し、その判断結果に応じて上限値KΨmaxを第1〜第3の上限値の中から選択する。また、回生エネルギー制御時と判断された場合には、上限値設定器126の出力(第2の上限値)または上限値演算器127の出力(第3の上限値)の何れか一方を上限値KΨmaxとして選択する。
上限値選択器128による上限値KΨmaxの選択動作は、アプリケーションによって異なる。図5は、上限値KΨmaxの選択動作の一例を示すフローチャートである。
上限値選択器128は、まず、運転状態(速度指令値ω)と直流中間電圧検出値Edcとを取得する(ステップS1)。そして、速度指令値ωに基づき、運転状態が減速時と判断された場合には(ステップS2 Yes)、回生エネルギーにより直流中間電圧Edcが確実かつ顕著に上昇する減速状態に対して速やかに直流中間電圧Edcを抑制するために、磁束補正係数の上限値KΨmaxを「1.0」より大きい一定値とする(ステップS3)。すなわち、上限値設定器126により設定された上限値KΨmaxを選択する。
一方、運転状態が加速終了時(速度のオーバーシュートが発生時)と判断された場合には(ステップS2 No,S4 Yes)、直流中間電圧Edcの増加量が比較的小さいため、上限値演算器127により演算した上限値KΨmaxを選択する(ステップS5)。つまり、図4に示した特性により、直流中間電圧Edcに応じた上限値KΨmaxを選択して出力する。
また、加速終了時ではなく(ステップS4 No)、電動機80が定速運転されている運転状態において、外部の負荷機により電動機80を回転させることで回生エネルギーが生じている状態では、速度指令値ωの情報により運転状態を判断できない。従って、直流中間電圧Edcの検出値に基づいて運転状態を判断する。なお、定速運転状態では、直流中間電圧Edcの上昇が比較的遅いため、上限値演算器127により直流中間電圧Edcに応じて変動する上限値KΨmaxを演算し、この上限値KΨmaxを選択する(ステップS6 Yes,ステップS5)。
更に、直流中間電圧Edcが上昇していない場合には、通常運転時と判断し、上限値KΨmaxとして「1.0」を選択する(ステップS7)。
上記のように、本実施形態によれば、磁束補正係数の上限値KΨmaxというパラメータを変更するだけで、通常運転時の制御と回生エネルギー制御との両方を同一の制御系により実現することができる。
なお、図2に示した磁束指令演算器111、負荷角指令演算器112、電流指令演算器133、及びトルク演算器134においては、永久磁石形同期電動機80の磁束と電流との関係方程式、及び、トルクと電流との関係方程式を直接導入することが望ましい。これにより、埋込磁石形同期電動機などの突極性が大きい電動機に対しても、回生エネルギー制御をしながら所望のトルクを正確かつ自動的に制御することができる。
更に、図2において、磁束制限値演算器141や磁束調節器122などを設けたことにより、電圧指令値振幅V が電圧制限値Valimを超えないための弱め磁束制御演算が常に実行される。このため、電動機80の高速運転時に弱め磁束制御及び回生エネルギー制御を両立させることが可能である。
なお、本実施形態では、速度制御系を備えた制御装置について説明したが、位置制御系を有する場合には、図1における速度制御ループに加えて外ループとなる位置制御ループを追加すればよい。また、トルク制御系を有する場合には、速度制御ループが不要になり、電流指令演算部18にトルク指令を直接与えればよい。
更に、図1では電動機80の磁極位置情報、速度情報を磁極位置検出器90、速度検出器91により検出しているが、本発明は、いわゆる位置・速度センサレス方式により、磁極位置・速度を演算により推定する場合にも適用可能である。
11u:u相電流検出器
11w:w相電流検出器
12:電圧検出器
13:PWM回路
14:電流座標変換器
15:電圧座標変換器
16,19d,19q:減算器
17:速度調節器
18:電流指令演算部
20d:d軸電流調節器
20q:q軸電流調節器
21:電圧振幅演算器
22:電圧制限値演算器
50:三相交流電源
60:整流回路
70:電力変換器
80:永久磁石形同期電動機
90:磁極位置検出器
91:速度検出器
111:磁束指令演算器
112:負荷角指令演算器
121,131:減算器
122:磁束調節器
123:出力制限器
124:磁束補正係数上限値演算器
125:乗算器
126:上限値設定器
127:上限値演算器
128:上限値選択器
132:負荷角調節器
133:電流指令演算器
134:トルク演算器
135:加算器
141:磁束制限値演算器
142:出力制限器

Claims (1)

  1. 半導体電力変換器により駆動される永久磁石形同期電動機の電流を、回転子磁極による磁束に平行な成分のd軸電流と前記磁束に直交する成分のq軸電流とに分離して制御することにより、前記電動機を制御する制御装置において、
    少なくとも前記電動機のトルク指令値に基づいてd軸電流指令値及びq軸電流指令値を演算する電流指令演算手段を有し、
    前記電流指令演算手段は、
    前記電動機のトルク指令値から演算した第1の磁束指令値を前記電力変換器の電圧制限値及び前記電動機の速度に応じて第1の出力制限手段により制限した第2の磁束指令値と、磁束補正係数と、を乗じて第3の磁束指令値を演算する第1の演算手段と、
    前記電動機の回生運転時における前記第3の磁束指令値を、前記電動機の定速運転時及び加速運転時よりも大きい値に調整するための演算手段であって、前記電力変換器の電圧制限値と電圧指令値振幅との偏差を増幅して得た前記磁束補正係数を上下限値により制限して出力する第2の出力制限手段を備えた第2の演算手段と、
    前記トルク指令値とトルク演算値との偏差を増幅して得た負荷角指令値と、前記第2の演算手段から出力される前記第3の磁束指令値と、を用いて前記d軸電流指令値及びq軸電流指令値を演算する第3の演算手段と、
    を備え
    前記第2の演算手段は、
    前記直流中間電圧及び速度指令値に応じて、前記磁束補正係数の上限値として、前記電動機の定速運転時及び加速運転時の第1の上限値、または、前記電動機の回生エネルギー制御時の上限値であって前記第1の上限値より大きい第2の上限値または第3の上限値、のうちの何れかを選択して出力する磁束補正係数上限値演算手段を有し、
    前記第2の上限値が一定値であり、かつ、前記第3の上限値が、予め設定されたパターンに基づき前記直流中間電圧に応じて変化する値であることを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
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