JP6033381B2

JP6033381B2 - 誘導電動機の制御装置

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Publication number: JP6033381B2
Application number: JP2015188291A
Authority: JP
Inventors: 山崎　尚徳; 尚徳山崎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-09-25
Filing date: 2015-09-25
Publication date: 2016-11-30
Anticipated expiration: 2032-06-08
Also published as: JP2015228793A

Description

この発明は、交流電力を誘導電動機に供給することで出力トルクを制御する誘導電動機の制御装置に係り、特に、トルク制御精度の改善、およびそのために必要な制御設定調整作業の労力削減に好適な技術に関する。

従来、例えば下記の特許文献１に記載のように、誘導電動機の励磁電流Ｉｏとトルク電流Ｉ２、および電源角周波数ωｏからベクトル演算によってインバータから誘導電動機に供給する一次電流を制御するベクトル制御装置において、次式から求まる鉄損補償分電流Ｉ_ＲＭを前記トルク電流Ｉ２に加算して実際のトルク電流指令とする鉄損分補償手段を備えた構成のものが提案されている。

ここに、Ｍは相互イクダクタンス、ｆ_ＴＲＱは基底周波数（インバータの出力周波数範囲での定トルク領域での最高出力周波数）、Ｒ_ｍＴＲＱは基底周波数の鉄損抵抗、ω_ＯＰＵ＝ωｏ／２πｆ_ＴＲＱ、ωｏは電源角周波数、ｋは定数である。

この特許文献１記載の誘導電動機のベクトル制御装置では、上記の式によって、周波数の影響による鉄損抵抗Ｒ_ｍＴＲＱの変化を含ませた鉄損補償分電流Ｉ_ＲＭを求めて、トルク電流Ｉ２に加算することで、トルク電流Ｉ２を補償することにより、周波数に影響されることなく高精度のトルク制御ができるようになっている。

特許２９５３０３２号公報

上記のように、鉄損補償分電流Ｉ_ＲＭには、鉄損抵抗Ｒ_ｍＴＲＱの項が含まれているので、鉄損補償分電流Ｉ_ＲＭを求める上では、鉄損抵抗Ｒ_ｍＴＲＱを事前に制御器にソフトウェア等の形態により設定する必要がある。鉄損抵抗Ｒ_ｍＴＲＱや鉄損補償分電流Ｉ_ＲＭの値は、磁束の大きさや周波数等の運転条件に応じて変化することが知られており、このため、上記の特許文献１では、相互インダクタンスＭや、電源角周波数ω_ＯＰＵのｋ乗といった計算を上記の式に含めることで対応している。

この場合、トルク制御精度を高めるためには、上記の鉄損補償分電流Ｉ_ＲＭを求める式中の定数（相互インダクタンスＭ、鉄損抵抗Ｒ_ｍＴＲＱ、基底周波数ｆ_ＴＲＱ）について、高精度に設定する必要がある。一般的には、事前に鉄損抵抗Ｒ_ｍＴＲＱを測定する試験を実施して鉄損抵抗Ｒ_ｍＴＲＱを取得するだけでなく、同様に磁束レベルで変化する相互インダクタンスＭの特性も精度良く取得する必要がある。また、電源角周波数ω_ＯＰＵに対する依存性の要素についても調整試験の中で確認、設定する必要がある。このように、従来は、鉄損補償分電流Ｉ_ＲＭを高精度に求める上では、トルク精度の確認と、これらの測定や調整とを繰り返す必要があり、余分な労力を要するという課題があった。

この発明は、上記の課題を解消するためになされたもので、鉄損補償分電流を高精度に、かつ少ない試験時間で取得することができて余分な労力を削減するとともに、トルク制御精度を向上させることが可能な誘導電動機の制御装置を提供することを目的とする。

この発明に係る誘導電動機の制御装置は、誘導電動機に供給する電力を変換する電力変換手段と、上記誘導電動機の速度を検出する速度検出手段と、上記電力変換手段から上記誘導電動機に供給される三相電流を検出する電流検出手段と、上記誘導電動機に対するトルク分と磁束分の各々の電流指令値を発生する電流指令値発生手段と、上記電流検出手段で検出された三相電流を互いに直交する２軸の回転座標の電流値に変換して出力する座標変換手段と、上記電流指令値発生手段からの上記電流指令値と上記座標変換手段で座標変換された上記電流値とに基づいて電圧指令値を発生する電圧指令値発生手段と、上記電圧指令値発生手段からの上記電圧指令値に基づいて上記電力変換手段を駆動制御する駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、上記座標変換手段で座標変換された上記電流値、上記電圧指令値発生手段からの上記電圧指令値、および上記速度検出手段で検出された上記速度に基づいて、磁束推定値とともに電流推定誤差を算出する磁束推定手段と、予め無負荷運転したときに上記磁束推定手段で得られた上記電流推定誤差を鉄損補償分電流として記録する補償電流テーブル記録手段とを備え、通常運転時には上記補償電流テーブル記録手段に記録された鉄損補償分電流を出力し、上記電流指令値発生手段からの上記トルク分と磁束分の各々の電流指令値の内の少なくとも一方に上記鉄損補償分電流を加減算したものを上記電圧指令値発生手段に対して実際の電流指令値として与えることを特徴としている。

この発明の誘導電動機の制御装置によれば、トルク制御精度改善に必要な高精度の鉄損補償電流を、簡易な作業で取得することができ、従来のような余分な労力を削減することができる。また、これにより制御装置としてのトルク制御精度を高めることが可能となる。

この発明の実施の形態１および実施の形態２における誘導電動機の制御装置の構成図である。実施の形態１において鉄損補償用の電流推定誤差を得るための無負荷試験モードを実施する場合のシーケンス図である。実施の形態１の無負荷試験モードにおける速度条件の設定例を示す説明図である。実施の形態１における無負荷試験モードにおける磁束指令の設定と、この無負荷試験モードにより得られる電流推定誤差および鉄損補償分電流の一例を示す特性図である。固定子鉄損を考慮した誘導電動機の等価回路である。従来の誘導電動機の制御装置によるトルク制御結果と、この発明の実施の形態１に係る誘導電動機の制御装置によるトルク制御結果とを比較して示す特性図である。実施の形態２において鉄損補償用の電流推定誤差を得るための無負荷試験モードを実施する場合のシーケンス図である。実施の形態２の無負荷試験モードにおける磁束条件の設定例を示す説明図である。実施の形態２における無負荷試験モードにおける磁束指令の設定と、この無負荷試験モードにより得られる電流推定誤差および鉄損補償分電流の一例を示す特性図である。この発明の実施の形態３における誘導電動機の制御装置の構成図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における誘導電動機の制御装置を示す構成図である。この実施の形態の誘導電動機の制御装置は、主回路手段１と、インバータ制御手段１００を備える。

ここでは、まず、主回路手段１の動作の概略を説明する。
三相交流電源等による電源手段１１の出力電圧は、ダイオードコンバータ等によるコンバータ主回路１２によって直流電圧に整流され、さらにフィルタコンデンサ１３によって電圧脈動を除去してより安定した直流電圧に変換される。この直流電圧は、インバータ主回路１４によって可変電圧可変周波数の交流電圧に変換され、誘導電動機２に供給される。なお、このインバータ主回路１４が特許請求の範囲の電力変換手段に対応している。

上記のインバータ主回路１４による直流電圧から交流電圧への変換動作は、インバータ制御手段１００から出力されるゲート信号によって、インバータ主回路１４を構成する図示しない半導体スイッチング素子がスイッチング動作することによって実施される。以下、このインバータ制御手段１００の構成と動作、ここでは、先ず一般的な鉄損補償を行わない場合について説明する。

速度指令値発生手段１０１は、誘導電動機２の回転速度に対する速度指令値ωｒｅｆをトルク指令値発生手段１０２に出力する。トルク指令値発生手段１０２は、速度指令値ωｒｅｆに加えて、誘導電動機２の回転速度を検出する速度検出手段３が出力する速度信号ωｒも入力され、速度指令値ωｒｅｆと速度信号ωｒの差分情報に基づいた、いわゆるＰＩ制御演算により、下記の式（１）のようにしてトルク指令値Ｔｒｅｆを算出し、このトルク指令値Ｔｒｅｆを電流指令値発生手段１０３に出力する。

ここに、Ｋｐｓは速度制御比例ゲイン、Ｋｉｓは速度制御積分ゲインである。

なお、式（１）に基づいて得られるトルク指令値Ｔｒｅｆは、別途、インバータや誘導電動機で許容可能なトルクの最大値にてリミット処理されて、電流指定値発生手段１０３に出力される。この最大値にリミットされた状態では、式（１）による速度制御機能が働かず、トルクのリミット値によるトルク指令値Ｔｒｅｆにより制御されることになる。このように、最大加速時や最大減速時のときには、速度制御ではなくトルク制御状態となるため、下位のベクトル制御のトルク制御精度の高さが要求される。

磁束指令値発生手段１０９は、速度指令値発生手段１０１からの速度指令値ωｒｅｆに応じて、誘導電動機２で発生すべき磁束の指令値Φｒ＿ｒｅｆを発生し、この磁束指令値Φｒ＿ｒｅｆを電流指令値発生手段１０３に出力する。すなわち、図４（ａ）に示すように、ある速度ωｒ（あるいはインバータ周波数ω）よりも高速域では、その値ωｒに反比例して磁束の大きさを絞る、いわゆる弱め磁束制御を行うことが一般的であり、そのため、磁束指令値発生手段１０９は、速度指令値発生手段１０１からの速度指令値ωｒｅｆに応じた磁束指令値Φｒ＿ｒｅｆを発生する。なお、インバータ周波数ωは、インバータ主回路１４の基本波周波数に相当する。

電流指令値発生手段１０３は、後述の磁束推定手段１０７が演算出力する磁束推定値Φ＾ｄｒ（ここで記号＾は文字Φの真上にあるものとする。以下同様）、および磁束指令値発生手段１０９が発生する磁束指令値Φｒ＿ｒｅｆの差分情報に基づいた、いわゆるＰＩ制御演算により、下記の式（２）のようにして磁束分に相当する磁束分電流指令値ｉｏ＿ｒｅｆを算出する。

ここに、Ｋｐｆは磁束制御比例ゲイン、Ｋｉｆは磁束制御積分ゲインである。

さらに、上記の電流指令値発生手段１０３は、トルク分に相当するトルク分電流指令値ｉＴ＿ｒｅｆを、トルク指令値発生手段１０２からのトルク指令値Ｔｒｅｆ、磁束推定手段１０７からの磁束推定値Φ＾ｄｒ、および誘導電動機２の回路定数に基づいて、下記の式（３）に基づいて算出する。

ここに、図５に示す誘導電動機の等価回路において、図中、Ｒｓは一次抵抗、ｌｓは一次漏れインダクタンス、ｌｒは二次漏れインダクタンス、Ｒｒは二次抵抗、ｓは滑り、Ｍは相互インダクタンス、Ｒｍは鉄損抵抗であり、一次インダクタンスＬｓはＬｓ＝Ｍ＋ｌｓ、二次インダクタンスＬｒはＬｒ＝Ｍ＋ｌｒであるとした場合、式（３）のｐｍは極対数、Ｍは上記の相互インダクタンス、Ｌｒは二次インダクタンスである。

一方、座標変換手段１０６は、電流検出手段１５が検出した三相電流信号ｉｕ、ｉｖ、ｉｗと、磁束推定手段１０７が算出したインバータ周波数ωを積分器１１０で積分して得られる推定磁束位相θとに基づいて、以下の式（４）に基づいて演算を行い、直流表現の磁束分電流ｉｄｓとトルク分電流ｉｑｓに変換して出力する。

電圧指令値発生手段１０４は、電流指令値発生手段１０３が出力した磁束分電流指令値ｉｏ＿ｒｅｆ、トルク分電流指令値ｉＴ＿ｒｅｆ、および座標変換手段１０６により得られる磁束分電流ｉｄｓとトルク分電流ｉｑｓに基づいて、ｄ軸電圧指令ｖｄｓとｑ軸電圧指令ｖｑｓを算出してゲート信号生成手段１０５に出力する。

ゲート信号生成手段１０５は、電圧指令値発生手段１０４が出力するｄ軸電圧指令ｖｄｓとｑ軸電圧指令ｖｑｓに対して、前述の積分器１１０で得られる推定磁束位相θを用いて以下の式（５）に基づく演算を行って三相電圧指令ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊を算出する。なお、このゲート信号生成手段１０５が特許請求の範囲における駆動信号生成手段に対応している。

次いで、ゲート信号生成手段１０５は、電圧検出手段１６により検出したインバータ主回路１４の入力直流電圧Ｖｄｃを用いて、下記の式（６）により、三相電圧変調率ａｕ、ａｖ、ａｗを算出する。

最終的に三相電圧変調率ａｕ、ａｖ、ａｗは、搬送波信号と比較されることでインバータ主回路１４の各相のスイッチング素子を駆動するゲート信号に変換され、このゲート信号がインバータ主回路１４に出力される。

以上の説明は、例えば、「ＡＣサーボシステムの理論と設計の実際」総合電子出版、１９９０年、に記載されているように、鉄損補償を行わない場合において、三相交流電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを、直流座標上の磁束分電流ｉｄとトルク分電流ｉｑとして捉えてトルク制御を行うベクトル制御の概略である。

次に、鉄損補償を行うための磁束推定手段１０７の動作と役割について説明する。
この磁束推定手段１０７は、電圧指令値発生手段１０４からのｄ軸とｑ軸の各電圧指令ｖｄｓ、ｖｑｓ、座標変換手段１０６からの磁束分電流ｉｄｓとトルク分電流ｉｑｓ、および速度検出手段３からの速度信号ωｒをそれぞれ入力し、基本的には、「抵抗変動にロバストな最適オブザーバを用いた誘導電動機のベクトル制御法」電学論Ｄ１２１巻８号９０５頁、平成１３年、２００１年（以下、非特許文献１という）に記載の下記の式（７）、（８）、（９）に基づく演算を行う。

上記の各式（７）、（８）、（９）は、磁束推定を行う同一次元オブザーバと等価な、すべり周波数演算式となっている。上記の式（７）で算出されるインバータ周波数ωを積分器１１０にて積分処理した出力θが、推定された誘導電動機２の二次磁束の位相情報であり、この推定磁束位相θが既に述べたように、座標変換手段１０６の電流の座標変換処理、およびゲート信号生成手段１０５の電圧指令ｖｄｓ、ｖｑｓの座標変換処理の基準位相として用いられる。

なお、式（７）、式（８）中のフィードバックゲインｈ１１、ｈ１２、ｈ２１、ｈ２２、ｈ３１、ｈ３２、ｈ４１、ｈ４２を適切に設定することにより、磁束推定手段１０７で磁束推定演算する際に用いる誘導電動機２の回路定数、とりわけ抵抗値の熱による変動があっても、推定磁束位相θを精度良く推定演算することが可能であり、ベクトル制御によるトルク制御精度を改善することができる。

次に、本願の最大の特徴である、鉄損補償分電流ｉｄ＿ｃ、ｉｑ＿ｃの取得方法と印加方法について説明する。

磁束推定手段１０７は、前述の式（７）〜式（９）に基づいてインバータ周波数ω、磁束推定値Φ＾ｄｒ、および電流推定誤差ｉｄ＿ｅｒｒ、ｉｑ＿ｅｒｒを生成し、その内、インバータ周波数ωと電流推定誤差ｉｄ＿ｅｒｒ、ｉｑ＿ｅｒｒを補償電流テーブル記録手段１０８ａへ出力する。なお、電流推定誤差ｉｄ＿ｅｒｒ、ｉｑ＿ｅｒｒは、前述の式（４）および式（９）で得られる各値から下記の式（１０）によって算出される。

補償電流テーブル記録手段１０８ａは、図２に示すようなシーケンスに基づいて、誘導電動機２の出力機械に負荷が接続されていない無負荷運転を実施したときに磁束推定手段１０７で得られる電流推定誤差ｉｄ＿ｅｒｒ、ｉｑ＿ｅｒｒを記録する。以下、この電流推定誤差ｉｄ＿ｅｒｒ、ｉｑ＿ｅｒｒを記録する手順を「無負荷試験モード」と称する。

この「無負荷試験モード」では、異なる速度条件毎に電流推定誤差ｉｄ＿ｅｒｒ、ｉｑ＿ｅｒｒを得るために、予め、条件番号ｉに対応した速度指令値ωｒｅｆ（ｉ）を設定しておき、図３（ａ）に示すように、条件番号ｉの順に各速度指令値ωｒｅｆ（ｉ）が次第に大きくなるように設定して試験を実施する、あるいは、図３（ｂ）に示すように、条件番号ｉの順に各速度指令値ωｒｅｆ（ｉ）が次第に小さくなるように設定して試験を実施する、または、図３（ｃ）に示すように、条件番号ｉの順に速度指令値ωｒｅｆ（ｉ）が次第に大きくなるように設定し、最高速度に達した後は、条件番号ｉの順に速度指令値ωｒｅｆ（ｉ）が次第に小さくなるように設定して試験を実施し、同じ速度条件で得られた２回の結果を平均化する。

この場合、条件番号ｉに対応した速度指令値ωｒｅｆ（ｉ）を速度指令値発生手段１０１に順次設定して無負荷運転を実施するが、このとき、無負荷での定常状態に移行して十分に過渡応答が整定した後に、磁束推定手段１０７で得られる電流推定誤差ｉｄ＿ｅｒｒ、ｉｑ＿ｅｒｒを補償電流テーブル記録手段１０８ａに記録する。そして、条件番号ｉが最初のｉ＝１からｉ＝ｉｍａｘまでの全ての速度指令値ωｒｅｆ（ｉ）について無負荷運転で得られた電流推定誤差ｉｄ＿ｅｒｒ、ｉｑ＿ｅｒｒが補償電流テーブル記録手段１０８ａに記録されると、「無負荷試験モード」を終了する。

なお、この「無負荷試験モード」においても、図４（ａ）に示したような弱め磁束制御に対応するため、速度指令値発生手段１０１から条件番号ｉに応じた速度指令値ωｒｅｆ（ｉ）が設定されるたびに、磁束指令値発生手段１０９は、この速度指令値ωｒｅｆ（ｉ）に応じた磁束指令値Φｒ＿ｒｅｆを出力する。

この「無負荷試験モード」で得られる電流推定誤差ｉｄ＿ｅｒｒ、ｉｑ＿ｅｒｒの一例を図４（ｂ）に示す。図中の各黒丸は、図３に示したように速度指令値ωｒｅｆ（ｉ）が設定される度に、速度検出手段３で得られる速度信号ωｒに対応して磁束推定手段１０７で得られる電流推定誤差ｉｄ＿ｅｒｒ、ｉｑ＿ｅｒｒを示している。なお、誘導電動機２を無負荷運転した場合には、すべりを発生しないため、速度信号ωｒの値とインバータ周波数ωは等しく、電流推定誤差ｉｄ＿ｅｒｒ、ｉｑ＿ｅｒｒはインバータ周波数ωに対する依存性とみなすことも可能である。

図４（ｂ）において、図中の各黒丸は、図３に示したように各々の条件番号ｉに対応した速度指令値ωｒｅｆ（ｉ）を設定した場合に得られる電流推定誤差ｉｄ＿ｅｒｒ、ｉｑ＿ｅｒｒであるため、速度信号ωｒの値に対して電流推定誤差ｉｄ＿ｅｒｒ、ｉｑ＿ｅｒｒが離散的である。

そこで、どのような速度指令値ωｒｅｆ（ｉ）に対しても電流推定誤差ｉｄ＿ｅｒｒ、ｉｑ＿ｅｒｒが得られるように、補償電流テーブル記録手段１０８ａへの実装形態としては、図４（ｂ）の破線で示すように、「無負荷試験モード」で得た各電流推定誤差ｉｄ＿ｅｒｒ（ｉ）、ｉｑ＿ｅｒｒ（ｉ）について、符号変更をしながら記録していき、「無負荷試験モード」の完了時点で各電流推定誤差ｉｄ＿ｅｒｒ、ｉｑ＿ｅｒｒを補間して連続曲線となるように特性データに加工し、それを鉄損補償分電流ｉｄ＿ｃ、ｉｑ＿ｃとして補償電流テーブルを完成させる。

こうして「無負荷運転モード」の下で補償電流テーブル記録手段１０８ａに記録された鉄損補償分電流ｉｄ＿ｃ、ｉｑ＿ｃは、通常の運転時に、当該補償電流テーブル記録手段１０８ａから磁束推定手段１０７で得られるインバータ周波数ω、或いは速度信号ωｒに応じて読み出され、補償電流加算手段１０８ｂによって電流指令値発生手段１０３が出力する磁束分電流指令値ｉｏ＿ｒｅｆ、トルク分電流指令値ｉＴ＿ｒｅｆにそれぞれ加算される。そして、これが鉄損補償後の実際の磁束分電流指令値ｉｄ＿ｒｅｆとトルク分電流指令値ｉｑ＿ｒｅｆとして電圧指令値発生手段１０４に出力される。

次に、このようにして補償電流テーブル記録手段１０８ａに記録される鉄損補償分電流ｉｄ＿ｃ、ｉｑ＿ｃの物理的意味について説明する。
電流推定誤差ｉｄ＿ｅｒｒ、ｉｑ＿ｅｒｒ（または鉄損補償分電流ｉｄ＿ｃ、ｉｑ＿ｃ）は、前述の式（１０）に示したように、磁束推定手段１０７が出力する電流推定誤差の情報である。磁束推定手段１０７の入力は、実際の電流情報に基づくｄ軸電流ｉｄｓとｑ軸電流ｉｑｓ、実際の印加電圧に相当するｄ軸電圧指令ｖｄｓとｑ軸電圧指令ｖｑｓ、および実際の誘導電動機２の速度信号ωｒである。

磁束推定手段１０７が前述の式（７）〜式（１０）に基づいて演算する電流推定誤差ｉｄ＿ｅｒｒ、ｉｑ＿ｅｒｒが生じる理由は、演算に用いた誘導電動機２の回路モデルと、実際の誘導電動機２との間にモデル化誤差があるために他ならない。このモデル化誤差の生じる原因として、次の（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）の３つの要因が挙げられる。

（ｉ）抵抗値の制御設定誤差（一次抵抗、二次抵抗の発熱要因による変動の影響）
（ｉｉ）インダクタンス値の制御設定誤差（磁束飽和による変動の影響も含む）
（ｉｉｉ）鉄損抵抗の存在

ここで、磁束推定手段１０７は、前述の式（７）、（８）、（９）に基づく演算を行うが、これらに用いる誘導電動機２の回路定数としては、一般的には主だった定数である上記（ｉ）の抵抗値情報と上記（ｉｉ）のインダクタンス情報のみを用いる。上記（ｉｉｉ）の鉄損抵抗等まで磁束推定演算に加えると、演算量が増加するため、より高性能の制御用マイコンが必要になったり、前述の背景技術の特許文献１に関して説明したように、定数の精度が要求されるので、事前調整や試験の労力が必要となるという課題がある。これに対して、この実施の形態１では、既に述べたように、補償電流テーブル記録手段１０８ａに記憶される鉄損補償分電流ｉｄ＿ｃ、ｉｑ＿ｃは、「無負荷試験モード」により取得する。

前述の図５に示す誘導電動機の等価回路において、無負荷試験では、すべりｓが零となり、二次側の抵抗値Ｒｒ／ｓが無限大、すなわち二次側回路に電流が流れていないことを意味する。したがって、上記（ｉ）の内、二次抵抗Ｒｒの設定誤差の感度は鉄損補償分電流ｉｄ＿ｃ、ｉｑ＿ｃには含まれない。また、極低速でない条件下では、磁束による誘起電圧に比して一次抵抗Ｒｓでの電圧降下の量は十分小さいために無視できることから、同様に一次抵抗Ｒｓの設定誤差の感度も低いと言える。

よって、無負荷運転を実施して補償電流テーブル記録手段１０８ａに記録される鉄損補償分電流ｉｄ＿ｃ、ｉｑ＿ｃは、（ｉ）の抵抗変動の影響を廃した、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）の影響を表す電流特性であると言える。（ｉｉ）、（ｉｉｉ）の設定誤差については、抵抗のように運転中の発熱で変動するという特性は殆どなく、一度試験で把握すれば常に再現使用可能となるものである。このように、無負荷運転を実施して補償電流テーブル記録手段１０８ａに記録された鉄損補償分電流ｉｄ＿ｃ、ｉｑ＿ｃは、上記（ｉｉ）のインダクタンスの飽和による変動や、上記（ｉｉｉ）の鉄損抵抗の影響を表現している特性と言える。

したがって、「無負荷試験モード」の下で補償電流テーブル記録手段１０８ａに記録された鉄損補償分電流ｉｄ＿ｃ、ｉｑ＿ｃを、電流指令値発生手段１０３が出力する磁束分電流指令値ｉｏ＿ｒｅｆやトルク分電流指令値ｉＴ＿ｒｅｆに加算することにより、上記（ｉｉ）、（ｉｉｉ）の要因によって発生している電流やトルクの制御モデル化の設定誤差を補償してトルク制御精度を高めることができる。

なお、上記の電流推定誤差要因（ｉｉ）に関するインダクタンスの設定、特に磁束の大きさや飽和に伴う変動特性については、予め誘導電動機２単体での無負荷試験においてある程度は把握可能であり、磁束推定値Φ＾ｄｒや磁束指令値Φｒ＿ｒｅｆに応じたテーブル値を算出可能である。これを制御系に実装しておき、図１の制御系（電流指令値発生手段１０３や磁束推定手段１０７）に用いるインダクタンスの設定値を、磁束推定値Φ＾ｄｒや磁束指令値Φｒ＿ｒｅｆに応じて逐次更新するようにしてもよい。このようにすれば、上記（ｉｉ）のインダクタンス値の設定誤差が少なくなり、「無負荷試験モード」の下で補償電流テーブル記録手段１０８ａに記録される鉄損補償分電流ｉｄ＿ｃ、ｉｑ＿ｃの取得精度が更に向上し、誤差要因（ｉｉｉ）の鉄損の影響をより忠実に抽出できるようになり、トルク制御精度を一層向上させることが可能となる。

さらに、このように上記（ｉｉ）のインダクタンス値の設定誤差が少なくなるようにすると、上記（ｉｉｉ）の鉄損損失による設定誤差の影響が支配的となるので、電流推定誤差としては、図４（ｂ）に示すように、ｄ軸電流に関する電流推定誤差ｉｄ＿ｅｒｒより、ｑ軸電流に関する電流推定誤差ｉｑ＿ｅｒｒの方が大きくなる。これは、ｑ軸電流がトルク分電流、すなわち仕事分電流であることと関係している。図５の等価回路に示したように、鉄損抵抗Ｒｍは、トルクに関係するＲ２／ｓの抵抗成分に並列の抵抗成分として表現され、トルク分電流が分流されて消費されてしまう部分と見なすことができる。すなわち、鉄損抵抗Ｒｍを考慮しない誘導電動機２のモデル式をベースとした磁束推定手段１０７にとって、鉄損で消費される電流は、トルク分電流とほぼ同相の電流推定誤差として認識され、ｄ軸に関する電流推定誤差ｉｄ＿ｅｒｒよりもｑ軸に関する電流推定誤差ｉｑ＿ｅｒｒのほうが支配的となる。

よって、磁束推定手段１０７で得られるｄ軸に関する電流推定誤差ｉｄ＿ｅｒｒをほぼ零とみなし、ｑ軸に関する電流推定誤差ｉｑ＿ｅｒｒにより得られる鉄損補償分電流ｉｑ＿ｃのみを補償電流テーブル記録手段１０８ａに記録し、補償電流加算手段１０８ｂではこの鉄損補償分電流ｉｑ＿ｃを加算処理するような構成としてもよい。この場合でもトルク制御精度を維持しつつ、補償電流テーブル記録手段１０８ａや補償電流加算手段１０８ｂの演算量や調整負荷を下げることが可能となる。

また、上記の（ｉｉ）、（ｉｉｉ）の電流推定誤差要因は、インダクタンスや鉄損抵抗に関連するものであり、いずれも磁束の大きさに応じた特性を伴うものである。誘導電動機２の運転では、一般的に図４（ａ）に示したように、磁束による誘起電圧がインバータ主回路１４の出力限界を超えないよう、いわゆる弱め磁束制御を行う。

したがって、「無負荷試験モード」において、電流推定誤差ｉｄ＿ｅｒｒ、ｉｑ＿ｅｒｒを精度良くサンプリングするためには、（ａ）一定磁束制御から弱め磁束制御に移行して速度指令値ωｒｅｆに対する磁束指令値Φ＿ｒｅｆの変化率が大きくなる速度域では、図３に示した条件番号ｉに対応した速度指令値ωｒｅｆ（ｉ）の設定間隔を細かくし、また、（ｂ）一定磁束制御から弱め磁束制御に切り替わるときの磁束指令値Φ＿ｒｅｆの変曲点に対応した速度指令値ωｒｅｆが、「無負荷試験モード」の速度条件に必ず含まれるようにすることが望ましい。

図６に、誘導電動機２のベクトル制御におけるトルク制御精度に関する概念図を示す。図６（ａ）は、鉄損抵抗Ｒｍを無視した従来のベクトル制御系におけるトルク制御の特性を示すもので、鉄損のモデル化誤差に起因し、鉄損で消費される電流を加味せず制御を行うため、トルク指令に対して理想上は破線で示す出力トルクとなるはずが、実際には実線で示すように、トルク指令に対して力行側でトルク不足、回生側でトルク過大となる方向に制御誤差が生じる。

これに対し、図６（ｂ）は、この実施の形態１において、「無負荷試験モード」により得られた鉄損補償分電流ｉｄ＿ｃ、ｉｑ＿ｃを電流指令値ｉｏ＿ｅｒｆ、ｉＴ＿ｅｒｆに加算して補償した場合のトルク制御特性を示すもので、鉄損補償分電流ｉｄ＿ｃ、ｉｑ＿ｃにより、鉄損で消費される電流を補足しているため、トルク指令に対する理想上の破線で示す出力トルクに対して、実際の出力トルクは実線で示すようになり、従来に比べてトルク制御精度が向上する。

以上のように、この実施の形態１では、補償電流テーブル記録手段１０８ａに、「無負荷試験モード」により鉄損補償分電流ｉｄ＿ｃ、ｉｑ＿ｃ、あるいはトルク分の鉄損補償分電流ｉｑ＿ｃのみを予め記録しておき、通常の運転時に、電流指令値発生手段１０３からの磁束分電流指令値ｉｏ＿ｒｅｆやトルク分電流指令値ｉＴ＿ｒｅｆに対して鉄損補償分電流ｉｄ＿ｃ、ｉｑ＿ｃを加算する、あるいはトルク分電流指令値ｉＴ＿ｒｅｆに対してのみトルク分の鉄損補償分電流ｉｑ＿ｃを加算するので、これにより、鉄損抵抗の存在やインダクタンスの飽和変動などの影響によるトルク制御精度の劣化を抑制することができる。

また、この実施の形態１では、「無負荷試験モード」の下で補償電流テーブル記録手段１０８ａに鉄損補償分電流ｉｄ＿ｃ、ｉｑ＿ｃを記録するという簡易な手順が必要なだけで、特許文献１記載の従来技術のように、トルク制御精度の劣化を抑制するために必要な鉄損抵抗の値を精度よく良く取得するための制御器側の定数調整試験工程などは不要であるので、余分な労力を削減できるという効果も得られる。

実施の形態２．
図７はこの実施の形態２において鉄損補償用の電流推定誤差を得るための「無負荷試験モード」を実施する場合のシーケンス図、図８はこの「無負荷試験モード」における磁束指令の設定例を示す説明図、図９はこの「無負荷試験モード」における磁束指令の設定と、これに伴って得られる電流推定誤差および鉄損補償分電流の一例を示す特性図である。

上記の実施の形態１では、磁束指令値発生手段１０９は、弱め磁束制御を行う上で、図４（ａ）に示したように、速度指令値発生手段１０１からの速度指令値ωｒｅｆに応じて一意に決まる磁束指令値Φｒ＿ｒｅｆを発生するが、この実施の形態２では、図９（ａ）に示すように、磁束指令値Φｒ＿ｒｅｆを速度指令値発生手段１０１からの速度指令値ωｒｅｆだけでなく、トルク指令の大きさに応じて変化する運転を行えるようにしたものである。

従来、「鉄損を考慮した誘導電動機の高効率・高応答ベクトル制御法」，平成７年産業応用部門全国大会，ｐ２０１−２０６（以下、非特許文献２という）に示されるように、誘導電動機２を高効率に制御する目的のため、トルク指令条件に応じて二次磁束指令値を変化させる手法が知られている。

ここで、上記の非特許文献２のように、誘導電動機２を高効率運転するために、磁束指令値Φｒ＿ｒｅｆがトルク指令の大きさに応じた依存性を持つようにする場合、実施の形態１で説明したように、誘導電動機２の実際のインダクタンスや鉄損抵抗の値は、磁束の大きさに応じて変動し、これに伴って磁束推定手段１０７で得られる電流推定誤差ｉｄ＿ｅｒｒ、ｉｑ＿ｅｒｒの大きさも変化する。

そこで、この実施の形態２では、図９（ａ）に示すように、誘導電動機２を高効率運転するために、磁束指令値Φｒ＿ｒｅｆがトルク指令の大きさに応じた依存性を持つように、「無負荷試験モード」において、誘導電動機２の速度信号ωｒ（あるいはインバータ周波数ω）だけでなく、トルク指令の大きさに応じた磁束指令値Φｒ＿ｒｅｆが設定されるようにすることで、磁束の大きさへの依存性を持つ電流推定誤差（ここではトルク分の電流推定誤差ｉｑ＿ｅｒｒ）を取得するようにしている。

具体的には、図７に示す「無負荷試験モード」のシーケンスでは、実施の形態１の無負荷試験モードのシーケンス（図２、図３）と同様、条件番号ｉに対応した速度指令値ωｒｅｆ（ｉ）を設定するとともに、条件番号ｋに対応した磁束指令値Φｒ＿ｒｅｆ（ｋ）も同時に設定しておき、各条件ｉ、ｋに対応した磁束指令値Φｒ＿ｒｅｆ（ｋ）と速度指令値ωｒｅｆ（ｉ）の下で磁束推定手段１０７で得られるトルク分の電流推定誤差ｉｑ＿ｅｒｒを取得し、離散的な電流推定誤差ｉｑ＿ｅｒｒが連続曲線になるように補間したものを鉄損補償分電流ｉｑ＿ｃとして補償電流テーブル記録手段１０８ａに記録する。

この場合の磁束条件の数ｋ、およびそのときの磁束指令値Φｒ＿ｒｅｆ（ｋ）の与え方については、図８（ａ）に示すように、条件番号ｋの順に各磁束指令値Φｒ＿ｒｅｆ（ｋ）が次第に大きくなるように設定して試験を実施する、あるいは、図８（ｂ）に示すように、条件番号ｋの順に各磁束指令値Φｒ＿ｒｅｆ（ｋ）が次第に小さくなるように設定して試験を実施する、または、図８（ｃ）に示すように、条件番号ｋの順に各磁束指令値Φｒ＿ｒｅｆ（ｋ）が次第に大きくなるように設定し、定格磁束に達した後は、条件番号ｋの順に磁束指令値Φｒ＿ｒｅｆ（ｋ）が次第に小さくなるように次設定して試験を実施し、同じ磁束条件で得られた２回の結果を平均化する。

この実施の形態２において「無負荷試験モード」で得られるトルク分の電流推定誤差ｉｑ＿ｅｒｒの一例を図９（ｂ）に示す。図中の各黒丸は、図７に示すシーケンスに沿って各条件番号ｉ、ｋに対応した磁束指令値Φｒ＿ｒｅｆ（ｋ）と速度指令値ωｒｅｆ（ｉ）の下で電流推定誤差ｉｑ＿ｅｒｒを取得した結果を、また、破線は離散的に得られた電流推定誤差ｉｑ＿ｅｒｒを連続曲線になるように補間して得られた鉄損補償分電流ｉｑ＿ｃを、それぞれ示している。

なお、図７に示したシーケンスに従えば、図９（ｂ）の符号ａ、ｂ、ｃ、ｄ、…で示す順に電流推定誤差ｉｑ＿ｅｒｒが得られるが、この方法に限らず、速度指令値ωｒｅｆに応じて弱め界磁制御となるように磁束指令値Φｒ＿ｒｅｆが変化する条件を複数設定して、各条件ごとに電流推定誤差ｉｑ＿ｅｒｒを順次取得するようにすることも可能である。

こうして「無負荷運転モード」の下で補償電流テーブル記録手段１０８ａに記録された鉄損補償分電流ｉｑ＿ｃは、通常の運転時に、当該補償電流テーブル記録手段１０８ａから磁束推定手段１０７等で得られるインバータ周波数ω或いは速度信号ωｒ、および磁束推定値Φ＾ｄｒ或いは磁束指令値Φｒ＿ｒｅｆに応じて読み出され、補償電流加算手段１０８ｂによって電流指令値発生手段１０３が出力する両電流指令値ｉｏ＿ｒｅｆ、ｉＴ＿ｒｅｆの内、トルク分電流指令値ｉＴ＿ｒｅｆに加算され、これが鉄損補償後の実際のトルク分電流指令値ｉｑ＿ｒｅｆとして電圧指令値発生手段１０４に出力される。

以上のように、この実施の形態２では、「無負荷試験モード」において、磁束指令値Φｒ＿ｒｅｆ（ｋ）と速度指令値ωｒｅｆ（ｉ）とを切り替えた場合に得られたトルク分の鉄損補償分電流ｉｑ＿ｃを補償電流テーブル記録手段１０８ａに記録しておき、通常の運転時には、この鉄損補償分電流ｉｑ＿ｃをトルク分電流指令値ｉＴ＿ｒｅｆに対して加算するので、これにより、鉄損抵抗の存在やインダクタンスの飽和変動などの影響によるトルク制御精度の劣化を抑制することができる。また、実施の形態１と同様、トルク制御精度の劣化を抑制するために必要な制御器側の定数調整の試験工程を削減する効果が得られる。

なお、この実施の形態２では、「無負荷試験モード」において、速度条件と磁束条件を切り替えた場合に得られたトルク分の鉄損補償分電流ｉｑ＿ｃを補償電流テーブル記録手段１０８ａに記録しておき、通常の運転時にはこの鉄損補償分電流ｉｑ＿ｃをトルク分電流指令値ｉｑ＿ｅｒｆに加算する構成としたが、「無負荷試験モード」において、速度条件と磁束条件を変えて磁束分とトルク分の鉄損補償分電流ｉｄ＿ｃ、ｉｑ＿ｃの双方を補償電流テーブル記録手段１０８ａに記録しておき、通常の運転時にはこの鉄損補償分電流ｉｄ＿ｃｉ、ｑ＿ｃを磁束分電流指令値ｉｏ＿ｅｒｆとトルク分電流指令値ｉｑ＿ｅｒｆにそれぞれ加算する構成とすることも可能である。

実施の形態３．
図１０は、この実施の形態３における誘導電動機の制御装置の構成図であり、実施の形態１と対応もしくは相当する構成部分には同一の符号を付す。

この実施の形態３における誘導電動機の制御装置の特徴は、実施の形態１、２の場合のような補償電流テーブル記録手段１０８ａを設けず、その代わりに、誘導電動機２にサーミスタ等からなる抵抗温度検出手段４を設置し、この温度情報に基づいて磁束推定手段１０７が前述の式（７）、式（８）の演算を行う際に用いる抵抗値Ｒ１、Ｒ２を補正する構成にするとともに、補償電流減算手段１０８ｃが、磁束推定手段１０７が出力する電流推定誤差ｉｄ＿ｅｒｒ、ｉｑ＿ｅｒｒを常時減算する構成としていることである。その他の構成は、実施の形態１と同様である。以下、この実施の形態３の構成における動作について説明する。

磁束推定手段１０７は、誘導電動機２の回路定数を用いて磁束推定演算を行うが、このときに得られる電流推定誤差ｉｄ＿ｅｒｒ、ｉｑ＿ｅｒｒは、実施の形態１において言及したように、（ｉ）抵抗値の制御設定誤差、（ｉｉ）インダクタンス値の制御設定誤差、（ｉｉｉ）鉄損抵抗の存在、の各要因に応じて発生する。

この３つの誤差要因（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）の内、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）の影響は、主に誘導電動機２の磁束の依存性を有するが、トルク分電流の大きさや、電動機の発熱、温度変化に依存しない特徴を持つ。

一方、（ｉ）の誤差要因の影響は、トルク指令値（トルク分電流）と、抵抗値設定誤差の積に応じた依存性を持ちながら電流推定誤差ｉｄ＿ｅｒｒ、ｉｑ＿ｅｒｒに現れる。このため、実施の形態１、２では、「無負荷試験モード」、すなわちトルク指令やトルク分電流が零の条件下で抽出した電流推定誤差を取得してテーブル化しておき、通常の運転時にこれを重畳することで、（ｉ）の誤差要因のトルク指令値（トルク分電流）および抵抗値設定誤差の影響を電流推定誤差から廃した構成とした。

これに対して、この実施の形態３では、抵抗温度検出手段４による温度検出値を用いて、磁束推定手段１０７において、前述の式（７）、式（８）の演算を行う際に用いる設定抵抗値Ｒ１、Ｒ２を、例えば以下の式（１１）のように補償して精度を維持することで、（ｉ）の影響による電流推定値誤差ｉｄ＿ｅｒｒ、ｉｑ＿ｅｒｒの発生を回避する構成としている。

この式（１１）に基づく抵抗値の補償設定処理によって、（ｉ）の影響を回避することができるので、「無負荷試験モード」で予め（ｉ）の影響を回避した鉄損補償分電流ｉｄ＿ｃ、ｉｑ＿ｃを取得して補償電流テーブル記録手段１０８ａに記録しておく必要がなくなり、常時、磁束推定手段１０７で得られる電流推定誤差ｉｄ＿ｅｒｒ、ｉｑ＿ｅｒｒを電流指令値発生手段１０３からの電流指令値ｉｏ＿ｒｅｆ、ｉＴ＿ｒｅｆから減算する構成によって運転することが可能となる。このため、実施の形態１、２と比べて、「無負荷試験モード」を設ける必要がないので、制御系の事前調整作業の手間を廃することができる。

なお、この式（１１）の処理について、上記の説明ではサーミスタ等の抵抗温度検出手段４による温度検出値に基づく補正方法を示したが、これに限らず、例えば通電時間と周囲温度、および誘導電動機の熱伝搬モデルから推定演算で巻線温度推定値を取得して、この値を用いるようにしてもよい。

また、上記抵抗値補正や、インダクタンス設定の高精度化により、電流推定誤差の発生要因を（ｉｉｉ）の鉄損抵抗の影響に限定できる場合には、実施の形態１、２で述べたように、ｑ軸電流推定誤差ｉｑ＿ｃが支配的となるため、補償電流減算手段１０８ｃで補償電流減算処理を行う際に、ｄ軸の補償処理は省略してｑ軸電流推定誤差ｉｑ＿ｃのみを用いてトルク分電流指令値ｉＴ＿ｒｅｆを補償するようにしてもよい。

以上のように、この実施の形態３では、磁束推定手段１０７が常時出力する２つの電流推定誤差ｉｄ＿ｅｒｒ、ｉｑ＿ｅｒｒを鉄損補償分電流として電流指令値発生手段１０３からの磁束分電流指令値ｉｏ＿ｒｅｆやトルク分電流指令値ｉＴ＿ｒｅｆに対して減算する、あるいはｑ軸電流推定誤差ｉｑ＿ｅｒｒのみを電流指令値発生手段１０３からのトルク分電流指令値ｉＴ＿ｒｅｆに対して減算処理することにより、鉄損抵抗の存在やインダクタンスの飽和変動などの影響によるトルク制御精度の劣化を抑制することができる。また、実施の形態１、２の場合と同様、トルク制御精度の劣化を抑制するために必要な制御器側の定数調整の試験工程を削減することができるという効果が得られる。

なお、この発明は、上記の実施の形態１〜３の構成のみに限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜、変形や省略することが可能であり、また、各実施の形態１〜３を適宜組み合わせることが可能である。

１主回路手段、２誘導電動機、３速度検出手段、４抵抗温度検出手段、
１００インバータ主回路（電力変換手段）、１０１速度指令値発生手段、
１０２トルク指令値発生手段、１０３電流指令値発生手段、
１０４電圧指令値発生手段、１０５ゲート信号生成手段（駆動信号生成手段）、
１０６座標変換手段、１０７磁束推定手段、１０８ａ補償電流テーブル記録手段、１０８ｂ補償電流加算手段、１０８ｃ補償電流減算手段、
１０９磁束指令値発生手段。

Claims

誘導電動機に供給する電力を変換する電力変換手段と、
上記誘導電動機の速度を検出する速度検出手段と、
上記電力変換手段から上記誘導電動機に供給される三相電流を検出する電流検出手段と、
上記誘導電動機に対するトルク分と磁束分の各々の電流指令値を発生する電流指令値発生手段と、
上記電流検出手段で検出された三相電流を互いに直交する２軸の回転座標の電流値に変換して出力する座標変換手段と、
上記電流指令値発生手段からの上記電流指令値と上記座標変換手段で座標変換された上記電流値とに基づいて電圧指令値を発生する電圧指令値発生手段と、
上記電圧指令値発生手段からの上記電圧指令値に基づいて上記電力変換手段を駆動制御する駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、
上記座標変換手段で座標変換された上記電流値、上記電圧指令値発生手段からの上記電圧指令値、および上記速度検出手段で検出された上記速度に基づいて、磁束推定値とともに電流推定誤差を算出する磁束推定手段と、
予め無負荷運転したときに上記磁束推定手段で得られた上記電流推定誤差を鉄損補償分電流として記録する補償電流テーブル記録手段とを備え、
通常運転時には上記補償電流テーブル記録手段に記録された鉄損補償分電流を出力し、上記電流指令値発生手段からの上記トルク分と磁束分の各々の電流指令値の内の少なくとも一方に上記鉄損補償分電流を加減算したものを上記電圧指令値発生手段に対して実際の電流指令値として与えることを特徴とする誘導電動機の制御装置。
上記補償電流テーブル記録手段には、予め速度条件を変更して無負荷運転を行ったときの上記磁束推定手段が出力する上記電流推定誤差が速度条件毎、或いは上記電力変換手段の基本波周波数条件毎に上記鉄損補償分電流として記録されていることを特徴とする請求項１に記載の誘導電動機の制御装置。
上記補償電流テーブル記録手段には、予め磁束条件を変更して無負荷運転を行ったときの上記磁束推定手段が出力する上記電流推定誤差が上記磁束条件に応じて上記鉄損補償分電流として記録されていることを特徴とする請求項１に記載の誘導電動機の制御装置。
上記速度条件を変更して無負荷運転を行う場合、磁束一定制御から弱め磁束制御に変化する変曲点となる速度条件、或いは上記電力変換手段の基本波周波数条件を含むものである、ことを特徴とする請求項２に記載の誘導電動機の制御装置。
通常の運転時に、上記補償電流テーブル記録手段から上記速度条件、或いは上記電力変換手段の基本波周波数条件に対応した上記鉄損補償分電流を出力し、上記電流指令値発生手段からの上記トルク分と磁束分の各電流指令値の内の少なくとも一方に上記鉄損補償分電流を加減算したものを上記電圧指令値発生手段に対して実際の上記電流指令値として与えることを特徴とする請求項２または請求項４に記載の誘導電動機の制御装置。
通常の運転時に、上記補償電流テーブル記録手段から上記磁束条件に対応した上記鉄損補償分電流を出力し、上記電流指令値発生手段からの上記トルク分と磁束分の各電流指令値の内の少なくとも一方に上記鉄損補償分電流を加減算したものを上記電圧指令値発生手段に対して実際の上記電流指令値として与えることを特徴とする請求項３に記載の誘導電動機の制御装置。