JP6079022B2 - 誘導電動機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、誘導電動機のベクトル制御を行う誘導電動機の制御装置に関するものである。

特許文献１には、誘導電動機のベクトル制御を行う誘導電動機の制御装置が開示されている。この誘導電動機の制御装置は、トルク指令値Ｔｅ＊から２次磁束の目標値φｄｎ＊を求め、この目標磁束φｄｎ＊と誘導電動機の現在の回転速度ωｍとから励磁電流指令値ｉφ＊、トルク電流指令値ｉＴ＊、及び、すべり周波数ωｓｅを求めている（例えば、図６を参照）。

具体的には、特許文献１に開示の誘導電動機の制御装置は、まず、トルク指令値Ｔｅ＊から誘導電動機の定常損失が最小となる回転子磁束φＬｍ演算し（定常損失最小磁束演算部１１）、この回転子磁束φＬｍからローパス特性を有する伝達関数に基づいて２次磁束の目標磁束φｄｎ＊を演算する（目標磁束演算部１２）。

次に、目標磁束φｄｎ＊を発生させるための励磁電流指令値ｉφｎ＊を演算し（励磁電流指令値演算部１３）、この励磁電流指令値ｉφｎ＊の正負の上限値を制限して励磁電流指令値ｉφ＊を生成する（励磁電流リミッタ部１４）。また、トルク指令値Ｔｅ＊から所定の伝達特性に基づいて誘導電動機の目標トルクＴｄ＊を演算し（目標トルク演算部１５）、この目標トルクＴｄ＊と目標磁束φｄｎ＊とからトルク電流指令値ｉＴｎ＊を演算し（トルク電流指令値演算部１６）、このトルク電流指令値ｉＴｎ＊の正負の上限値を制限してトルク電流指令値ｉＴ＊を生成する（トルク電流リミッタ部１７）。また、目標磁束φｄｎ＊とトルク電流指令値ｉＴ＊とからすべり周波数ωｓｅを演算する（すべり周波数演算部１８）。

なお、誘導電動機の回転速度（機械角）ωｍに誘導電動機の極対数Ｐを乗算することによって誘導電動機の回転子の角速度（電気角）ωｒｅを演算し（モータ回転数演算部１９）、この角速度ωｒｅとすべり周波数ωｓｅとを加算することによって１次周波数ωを演算する。

そして、特許文献１に開示の誘導電動機の制御装置は、励磁電流指令値ｉφ＊、トルク電流指令値ｉＴ＊、１次周波数ω、及び、誘導電動機の各相の電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗから電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を演算する（座標変換電流制御ブロック２）。この電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊によって、インバータ３は、直流電源６の直流電力をＰＷＭ制御し、３相交流電力（各相の電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）を誘導電動機４に供給する（例えば、図２を参照）。

特開平８−１６３９００号公報

ところで、特許文献１に開示のベクトル制御手法よりも簡易なベクトル制御手法を利用して誘導電動機を制御することが行われている。この簡易なベクトル制御手法は、トルク指令値及び２次磁束の目標値を求める代わりに、誘導電動機の目標回転数（目標速度）及び現在の回転数から直接、励磁電流指令値、トルク電流指令値、及び、すべり周波数を求める手法である。

具体的には、予め誘導電動機をインバータにより駆動して簡易な実験を実施し、誘導電動機の効率が最適となるように、励磁電流を算出するための励磁電流設定値、及び、すべり周波数を算出するためのすべり利得設定値を設定する。そして、通常の誘導電動機の制御時において、これら予め設定された励磁電流設定値及びすべり利得設定値を用いて、励磁電流指令値及びすべり周波数を演算する。

なお、トルク電流指令値は、誘導電動機の目標回転数と現在の回転数などから求められ、すべり周波数は、トルク電流指令値とすべり利得設定値などから求められる。

この簡易なベクトル制御手法では、励磁電流指令値を誘導電動機の回転数によって補正しており、誘導電動機の回転数が基底回転数以下では一定値とし、誘導電動機の回転数が高くなるほど励磁電流指令値を小さくしている。このように制御することにより、誘導電動機の効率を高めている。

しかしながら、誘導電動機の回転数が高くなるのに合わせて励磁電流を小さく絞りすぎると、励磁電流とトルク電流とすべり周波数の最適なバランスが崩れて誘導電動機の効率が低下してしまうという問題がある。詳説すると、弱め励磁により基底回転数以上で励磁電流を小さくし続けると、励磁インダクタンスが急激に低下してしまい、モータ電圧が大きく下がってしまう。すると、目標のモータ出力を得るためにモータ電流（すなわち、トルク電流）を増加する制御が行われ、その結果、モータ効率が低下してしまう。このように、励磁電流とトルク電流及びすべり周波数との適切なバランスが崩れ、モータ効率が低下してしまう。

そこで、本発明は、誘導電動機の回転数が高い場合にも、誘導電動機の効率を高め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。

本発明の誘導電動機の制御装置は、ベクトル制御を用いて、誘導電動機のトルク電流及び励磁電流を制御する誘導電動機の制御装置であって、誘導電動機の回転数に基づいて励磁電流を演算して励磁電流指令値を設定する励磁電流演算部であって、誘導電動機の回転数が基底回転数より大きくなる場合に、弱め励磁により回転数の増加に応じて当該励磁電流が小さくなるように当該励磁電流指令値を設定する当該励磁電流演算部と、励磁電流演算部によって設定される励磁電流指令値が励磁電流制限値以下になる場合に、当該励磁電流制限値を励磁電流指令値として保持する励磁電流制限部とを備える。

この誘導電動機の制御装置によれば、誘導電動機の回転数が基底回転数より大きくなる場合に励磁電流演算部によって弱め励磁が行われ、励磁電流指令値が励磁電流制限値以下になる場合には、励磁電流制限部によって、当該励磁電流制限値を励磁電流指令値として保持するので、誘導電動機の回転数が高い場合にも、誘導電動機の効率を高めることができる。

上記した所定の励磁電流制限値は、誘導電動機の励磁インダクタンスが最大値となるときの励磁電流値である。

本発明によれば、誘導電動機の回転数が高い場合にも、誘導電動機の効率を高めることができる。

本発明の一実施形態に係るモータ駆動系の構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る誘導電動機の制御装置の構成を示す図である。 従来の励磁電流演算部における励磁電流指令値の演算処理を模式的に示す図である。 図２に示す励磁電流演算部及び励磁電流制限部における励磁電流指令値の演算処理を模式的に示す図である。 励磁電流に対するモータ電圧／モータ電流の特性を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

図１は、本発明の一実施形態に係るモータ駆動系の構成を示す図である。このモータ駆動系１は、電気自動車やバッテリフォークリフト等における走行用や荷役用に用いられるものであり、バッテリ２と、インバータ３と、モータ（誘導電動機）４と、回転センサ５と、電流センサ６ｕ，６ｖ，６ｗと、制御装置１０とを備える。

インバータ３は、６個のスイッチング素子によって構成された３相インバータであり、バッテリ２の直流電力を３相交流電力に変換し、この３相交流電力をモータ４へ供給する。モータ４は、３相誘導モータである。回転センサ５は、モータ４の回転数Ｎ_Ａを検知して制御装置１０へ送信する。電流センサ６ｕ，６ｖ，６ｗそれぞれは、各相のモータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検知して制御装置１０へ送信する。

制御装置１０は、ベクトル制御によりインバータを介してモータ４を駆動制御するものであり、目標回転数Ｎ_Ｔと現在の回転数（回転速度）Ｎ_Ａとに基づいて、励磁電流指令、トルク電流指令、及び、１次周波数を生成する。そして、制御装置１０は、これらの励磁電流指令、トルク電流指令、１次周波数、及び、各相のモータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗから、インバータ３における各相用スイッチング素子を駆動するための制御電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを生成する。

図２は、本発明の一実施形態に係る誘導電動機の制御装置の構成を示す図である。この制御装置１０は、励磁電流演算部１１と、励磁電流制限部１２と、トルク電流指令演算部１３と、すべり周波数演算部１４と、モータ速度演算部１５と、１次周波数演算部１６と、制御電圧生成部１７とを備えている。

励磁電流演算部１１は、モータ４の現在の回転数から励磁電流指令値Ｉ_Ｍを演算する。以下では、図３及び図４を参照して励磁電流演算部１１の演算処理を詳細に説明する。図３は、従来の励磁電流演算部における励磁電流指令値の演算処理を模式的に示す図であり、図４は、本実施形態の励磁電流演算部１１及び励磁電流制限部１２における励磁電流指令値の演算処理を模式的に示す図である。

励磁電流演算部１１は、予め、所定のモータ出力にてモータをインバータ駆動する簡易な実験を実施し、モータ電流が最小となるように、励磁電流を算出するための励磁電流設定値Ｉ_Ｍ０を設定する。

励磁電流演算部１１は、図４に示すように、現在のモータ回転数Ｎ_Ａを検出し、その回転数が基底回転数Ｎ_Ｂ以上であるか否か判定する。現在のモータ回転数Ｎ_Ａが基底回転数Ｎ_Ｂ以下である場合には、励磁電流演算部１１は、励磁電流指令値Ｉ_Ｍとして励磁電流設定値Ｉ_Ｍ０を出力する。すなわち、励磁電流演算部１１は、Ｎ_Ａ≦Ｎ_Ｂでは、励磁電流指令値Ｉ_Ｍを励磁電流設定値Ｉ_Ｍ０に制限する（上限値）。

一方、現在のモータ回転数Ｎ_Ａが基底回転数Ｎ_Ｂより大きい場合には、励磁電流演算部１１は弱め励磁を行う。具体的には、励磁電流演算部１１は、Ｎ_Ａ＞Ｎ_Ｂでは、モータ回転数Ｎ_Ａの増加に応じて、励磁電流が次第に小さくなるように、励磁電流指令値Ｉ_Ｍを次第に小さく設定する。なお、励磁電流演算部１１は、励磁電流指令値Ｉ_Ｍを連続的に小さくしてもよいし、段階的に小さくしてもよい。

なお、励磁電流演算部１１による励磁電流指令値の算出方法は、上述した励磁電流設定値を用いる簡易なベクトル制御手法に限定されない。例えば、励磁電流演算部１１は、直接計算によって励磁電流指令値を算出してもよい。

次に、励磁電流制限部１２は、励磁電流指令値Ｉ_Ｍに下限値を設定する。図４に示すように、励磁電流制限部１２は、励磁電流演算部１１によって設定された励磁電流指令値Ｉ_Ｍが所定の励磁電流制限値Ｉ_Ｍ１以下となる場合に、励磁電流指令値Ｉ_Ｍを励磁電流制限値Ｉ_Ｍ１に制限する。

図５は、励磁電流に対するモータ電圧／モータ電流の特性を示す図である。図５に示すモータ電圧／モータ電流は、モータに励磁電流のみを流したときのモータ電圧／モータ電流であり、励磁インダクタンスに相当する。図５に示すように、励磁電流制限値Ｉ_Ｍ１は、励磁インダクタンスが最大値となるときの励磁電流値に設定される。

トルク電流指令演算部１３は、モータ回転数指令値Ｎ_Ｔと現在のモータ回転数Ｎ_Ａとからトルク電流指令値Ｉ_Ｔを演算する。また、すべり周波数演算部１４は、現在のモータ回転数Ｎ_Ａとトルク電流指令値Ｉ_Ｔとからすべり周波数ｆｓを演算する。

モータ速度演算部１５は、現在のモータ回転数Ｎ_Ａに極数又は極対数Ｐを乗算することによってモータ速度ｆｍを演算する。そして、１次周波数演算部１６が、モータ速度ｆｍにすべり周波数ｆｓを加算することにより１次周波数ｆ１を演算する。

制御電圧生成部１７は、励磁電流指令Ｉ_Ｍ、トルク電流指令Ｉ_Ｔ、１次周波数ｆ１、及び、各相のモータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗから、インバータ３における各相のスイッチング素子を駆動するための制御電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを生成する。

ここで、従来、弱め励磁により、図３に示すように所定の回転数Ｎ_１以上の高回転においてもモータ回転数に応じて励磁電流を小さくし過ぎると、図５に示すように励磁電流制限値Ｉ_Ｍ１以下では励磁インダクタンスが急激に低下することとなり、モータ電圧が大きく下がってしまう。すると、目標のモータ出力を得るためにモータ電流（すなわち、トルク電流）を増加する制御が行われ、その結果、モータ効率が低下してしまう。このように、励磁電流とトルク電流及びすべり周波数との適切なバランスが崩れ、モータ効率が低下してしまう。

しかしながら、本実施形態の誘導電動機の制御装置１０によれば、励磁電流演算部１１によって弱め励磁が行われ、励磁電流指令値Ｉ_Ｍが励磁電流制限値Ｉ_Ｍ１以下になる場合には、励磁電流制限部１２によって、励磁電流制限値Ｉ_Ｍ１を励磁電流指令値Ｉ_Ｍの下限値として保持するので、モータ回転数が所定の回転数Ｎ_１以上と高い場合にも、モータ効率を高めることができる。

なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。

１…モータ駆動系、２…バッテリ、３…インバータ、４…モータ（誘導電動機）、５…回転センサ、６ｕ，６ｖ，６ｗ…電流センサ、１０…誘導電動機の制御装置、１１…励磁電流演算部、１２…励磁電流制限部、１３…トルク電流指令演算部、１４…すべり周波数演算部、１５…モータ速度演算部、１６…１次周波数演算部、１７…制御電圧生成部。

Claims (1)

1. ベクトル制御を用いて、誘導電動機のトルク電流及び励磁電流を制御する誘導電動機の制御装置であって、
   前記誘導電動機の回転数に基づいて前記励磁電流を演算して励磁電流指令値を設定する励磁電流演算部であって、前記誘導電動機の回転数が基底回転数より大きくなる場合に、弱め励磁により当該回転数の増加に応じて当該励磁電流が小さくなるように当該励磁電流指令値を設定する当該励磁電流演算部と、
   前記励磁電流演算部によって設定される励磁電流指令値が励磁電流制限値以下になる場合に当該励磁電流制限値を励磁電流指令値として保持する励磁電流制限部と、を備え、
   前記励磁電流制限値は、前記誘導電動機の励磁インダクタンスが最大値となるときの励磁電流値である、誘導電動機の制御装置。

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