JP6139476B2 - 電動機の起動判別装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動機の起動判別装置に関するものである。

一般に、誘導電動機（ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍａｃｈｉｎｅ）または同期電動機（ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍａｃｈｉｎｅ）のような３相電動機は、位置センサー（ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｏｎｓｏｒ）がある場合とない場合によってその運転方法が区別される。

エンコーダー（ｅｎｃｏｄｅｒ）、リゾルバ（ｒｅｓｏｌｖｅｒ）のような位置センサーは、回転子の位置と速度を測定するために多く用いられるが、このような位置センサーの使用は、全体システムの価格を増大させて、メンテナンス（ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ）費用を増加させるだけでなく、故障（ｆａｕｌｔ）に脆弱で全体システムの体積（ｖｏｌｕｍｅ）を増大させる問題点がある。

このような問題点を克服するために、産業界では位置センサーがない３相電動機のセンサーレス（ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ）運転に対する要求が増大している。

しかし、従来３相電動機のセンサーレス運転は、センサーレス起動後、起動（ｓｔａｒｔｉｎｇ）失敗時にこれを判別できない場合がある。

これは回転子速度と位置推定の誤差によって発生する。

特に、回転子速度が低速領域では、回転子速度及び位置推定において電動機の運転状態を正確に把握できなくなるため、さらに電動機の機動成功有無を判断するのが難しくなる問題点がある。

本発明が解決しようとする技術的課題は、３相電動機のセンサーレス運転時の起動成功有無を判別できる電動機の起動判別装置を提供することである。

また、本発明が解決しようとする他の技術的課題は、センサーレス運転時の機動成功時には、電動機の運転が持続するようにし、起動失敗時には、運転を停止して再び起動運転できるようにするための電動機の起動判別装置を提供することである。

前記のような技術的課題を解決するために、本発明の一実施形態の電動機の起動判別装置は、インバータから３相電動機に入力される少なくとも一つの相電流の周波数成分に該当する交流信号（第１信号）及び前記交流信号に位相角が９０度遅れる信号（第２信号）を出力する変換部と、前記第２信号から周波数を推定する推定部と、前記推定部が推定した周波数と前記インバータの出力電圧の周波数との差から前記３相電動機の起動有無を判別する判別部とを含んでもよい。

電動機の起動判別装置は、前記推定部の制御帯域幅を決める帯域幅決定部をさらに含んでもよい。

前記帯域幅決定部が決める制御帯域幅は、前記推定部のゲインにより決定されでもよい。

前記推定部のゲインは、前記３相電動機の運転周波数より高い値に選定してもよい。

前記推定部は、前記電動機が運転不可能な陽（ｐｏｓｉｔｉｖｅ）の周波数（入力周波数）を入力として受信して、前記電動機の起動が成り立たない場合には、前記入力周波数を出力して、前記電動機の起動の成功有無を判別できるようにする。

前記判別部は、前記推定部が推定した周波数と前記インバータの出力電圧の周波数との差が、既設定された許容可能な周波数範囲から外れる場合、起動失敗として判断することができる。

本発明は、３相電動機のセンサーレス運転時電動機に入力される相電流の周波数を推定して、電動機を制御するインバータの出力電圧の周波数と比較して、電動機の起動有無を判別できる効果がある。

本発明が適用される電動機制御システムの構成図である。 図１の速度制御部の詳細構成図である。 図１の電流制御部の詳細構成図である。 図１の電流制御部の詳細構成図である。 本発明に係る起動判別装置の一実施形態の詳細構成図である。

本発明は多様な変更を加えることができて、多様な実施形態を有し、特定実施形態を図面に例示して詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態に対して限定するのではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるいずれの変更、均等物乃至代替物を含むものと理解しなければならない。

以下、添付図面を参照して本発明に係る好ましい一実施形態を詳細に説明する。

図１は、本発明が適用される電動機制御システムの構成図であり、本発明の一実施形態の電動機制御システム１は、３相電動機２を運転する。電動機２は、例えば誘導電動機であってもよく動機電動機であってもよい。

図面に示したように、本発明の電動機制御システム１は、速度制御部１０、電流制御部２０、第１変換部３０、第２変換部４０、インバータ５０、回転子速度及び位置推定部６０、電流測定部（７０ａ、７０ｂ、７０ｃ；７０）及び本発明の起動判別装置８０を含み、本発明の制御システム１において起動判別装置８０が電動機２の起動の成功有無を判別して、これを上位制御部（図示せず）に伝送する。

速度制御部１０は、回転子速度指令と実際の回転子速度を入力として、同期座標界（ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｒａｍｅ）上のｑ軸電流指令を出力する。

電流制御部２０は、同期座標界上のｄ、ｑ軸電流指令と実際の電流から同期座標界上のｄ、ｑ電圧を出力する。

第１変換部３０は、電流制御部２０の出力電圧を静止座標界（ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｒａｍｅ）上の電圧に変換する。

第２変換部４０は、電流測定部７０で測定した電動機２の相電流（ｐｈａｓｅ ｃｕｒｒｅｎｔ）を動機座標計上のｄ、ｑ軸電流に変換する。

インバータ５０は、電動機２に電圧を印加し、回転子速度及び位置推定部６０は、電流測定部７０が測定した電動機の相電流と第１変換部３０の出力電圧を入力として、３相電動機２の回転子速度（ｒｏｔｏｒ ｓｐｅｅｄ）と回転子位置（ｒｏｔｏｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎ）を推定する。

電流測定部７０は、電動機２に入力される相電流を測定する。

本発明の起動判別装置８０は、電動機２の起動が成功した場合には「Ｓ」を出力し、失敗した場合には「Ｆ」を出力して、上位制御部（図示されない）に伝送することができる。

起動判別装置８０は、再起動のための信号をさらに出力することができる。

各構成要素をより詳細に説明する。

図２は、図１の速度制御部１０の詳細構成図である。

図面に示したように、本発明の速度制御部１０は、指令速度（ｓｐｅｅｄ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）とフィードバック速度（ｆｅｅｄｂａｃｋ ｓｐｅｅｄ）との差を比例積分（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ａｎｄ ｉｎｔｅｇｒａｌ）制御を利用して、ｑ軸電流指令を出力する。

本発明の速度制御部１０は、比例積分制御器（１１ａ、１１ｂ）、制限器１２及びアンチワインドアップ（Ａｎｔｉ−ｗｉｎｄｕｐ）ゲイン設定部１３を含むが、比例積分制御器１１ａ、１１ｂは、速度を制御し、制限器１２は、速度制御部１０の出力を制限し、ゲイン設定部１３は、制限器１２が動作する時に積分器１１ｂの発散を防ぐ。

速度制御部１０の出力は、同期座標界上のｑ軸電流となる。

図３Ａ及び図３Ｂは、図１の電流制御部２０の詳細構成図であり、図３Ａは、同期座標界上のｄ軸電流制御部の構成を、図３Ｂは、同期座標界上のｑ軸電流制御部の構成を示した図面である。

図面に示したように、ｄ、ｑ軸電流制御部は、同期座標界上のｄ、ｑ軸電流を各々制御するための比例積分制御器とフィードフォワード補償（ｆｅｅｄ−ｆｏｒｗａｒｄ）からなってもよい。即ち、本発明の電流制御部２０は、電流指令とフィードバック電流（ｆｅｅｄｂａｃｋ ｃｕｒｒｅｎｔ）から電流を制御するための比例積分制御器（２１ａ、２１ｂ、２４ａ、２４ｂ）とフィードフォワード補償部２２、２５及びアンチワインドアップゲイン設定部２３、２６を含む。

フィードフォワード補償部２２、２５は、３相電動機２のモデリング（ｍｏｄｅｌｉｎｇ）により多様に構成されでもよい。また、ゲイン設定部２３、２６は、電流制御部２０の出力がインバータ５０が合成できる電圧の大きさから外れる場合、積分器２１ｂ、２４ｂの発散を防ぐためのものである。

図１の第１変換部３０は、電流制御部２０の出力である同期座標界上の電圧を静止座標界上の電圧に変換するもので、下記を出力することができる。

また、第２変換部２０は、電流測定部７０から受信した電動機２の相電流から同期座標界上のｄ、ｑ軸電流を下記の過程を経て出力する。

回転子速度及び位置推定部６０は、電動機２に入力される電流とインバータ５０に入力される電圧を入力として、回転子の速度と回転子磁束の位置を出力する。これの詳細な構成に関しては、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者には自明な事項であるため、その詳細な説明は省略する。

図１において、起動判別装置８０は、電動機２に入力される電流から電動機２に入力される電流の周波数を通して電動機２の起動を判別するものである。

図１において、起動判別装置８０は、電動機２の入力電流を電流測定部７０から全部受信するものと図示されているが、一つまたは二つの電流の入力を受けてもよい。

以下、図面を参照して本発明の起動判別装置を詳細に説明する。

図４は、本発明に係る起動判別装置８０の一実施形態の詳細構成図である。

図面に示したように、本発明の起動判別装置８０は、電流変換部８１、周波数推定部８２、帯域幅決定部８３及び判別部８４を含む。

電流変換部８１は、電動機２に入力される相電流（ｘ=ａ、ｂ、ｃ）からインバータ５０が印加した周波数に該当する交流（ＡＣ）信号であるｉ'_xs、及びｉ'_xsに位相角（ｐｈａｓｅ ａｎｇｌｅ）が９０度遅れる信号であるｑｉ'_xsを生成し、減算部８１ａ、ゲイン設定部８１ｂ、減算部８１ｃ、乗算部８１ｄ、積分部８１ｅ、積分部８１ｆ及び乗算部８１ｇを含む。

周波数推定部８２は、電動機２に入力される相電流の周波数を推定し、乗算部（８２ａ、８２ｂ）、ゲイン設定部８２ｃ、積分部８２ｄ及び合算部８２ｅを含む。

帯域幅決定部８３は、周波数推定部８２の制御帯域幅を決め、乗算部（８３ａ、８３ｂ）、合算部８３ｃ、除算部８３ｄ及びゲイン設定部８３ｅを含む。

判別部８４は、電動機２の周波数推定部８２の出力を利用して起動が成功または失敗したかを判別して、減算部８４ａ及び決定部８４ｂを含む。

以下、本発明の起動判別装置８０の動作を詳細に説明する。

電動機２に印加される相電流の周波数がω'の場合、電流変換部８１は、下記式を利用して、ｉ'_xs及びｑｉ'_xsを決めることができる。

この時、下記式（１０）のような関係の場合、正常状態では、式（１１）の条件を有する。

式（１１）の条件を利用して式（８）をまとめると下記の通りである。

前記式（１２）をまとめると下記の関係が決定される。

次に、帯域幅決定部８３の動作を説明する。

各変数の平均を利用すると、下記の通り決定される。

式（１５）において、ω'²−ω²項は、２ω'（ω'−ω）（＠ω'≒ω）に簡略化することができ、従って、帯域幅決定部８３は、推定周波数が、下記の制御帯域幅を有するように決めることができる。

従って、式（１６）を参照すると、制御帯域幅は、周波数推定部８２のゲイン設定部８２ｃのゲインによって決定されることがわかる。従って、ゲイン設定部８２ｃのゲインは、電動機２の運転周波数より高い値に選定するのが好ましい。

判別部８４の減算部８４ａは、周波数推定部８２の出力である推定された電流の周波数ω'と、インバータ５０が出力する電圧の周波数ω_INVとの差を出力し、決定部８４ｂは、減算部８４ａの差が既設定されている許容可能な周波数範囲であるΔωを越えると、起動失敗として判断して「Ｆ」を出力し、設定された許容可能な周波数範囲以内の場合には機動成功として判断して「Ｓ」を出力する。

３相電動機２のセンサーレス運転が正常に動作する場合、インバータ５０が印加する電圧の周波数と同じ電流周波数が出力されなければならない。この時、インバータ５０が印加する電圧の周波数ω１は、上位制御部（図示せず）がすでに周知している変数であるため、正常動作時周波数推定部８２が推定した電動機２に入力される相電流の周波数ω'は同じでなければならない（ω１＝ω'）。即ち、周波数推定部８２の出力がインバータ５０の出力電圧周波数と同じ場合には、３相電動機２が正常に動作する場合であり、その値が互いに異なる場合には、３相電動機２のセンサーレス制御上に問題があると判別して、上位制御部は運転を停止して再起動するようにすることができる。

この時、周波数推定部８２の入力であるω'_cを電動機２が運転不可能な陽の値に選定すれば、電動機２の起動ができない場合には、周波数推定部８２の出力がω'_cとなって、電動機２の起動の成功有無を簡単に判別することができる。

前記で説明したように、本発明の起動判別装置８０は、電動機２に入力される三つの電流全てに対して測定することもでき、または、一つまたは二つの電流に対して測定することもできるが、全ての電流で「Ｓ」が出力されない場合、上位制御部は起動失敗として判断する。

以上、本発明に係る実施形態を説明したが、これは例示的なものに過ぎず、当分野において通常の知識を有する者であれば、これから多様な変形及び均等な範囲の実施形態が可能である点を理解するであろう。

従って、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲によって決まらなければならない。

８１ 電流変換部
８２ 周波数推定部
８３ 帯域幅決定部
８４ 判別部

Claims (5)

1. インバータから３相電動機に入力される少なくとも一つの相電流の周波数成分に該当する第１交流信号及び前記第１交流信号に位相角が９０度遅れる第２交流信号を出力する変換部と、
   前記第２交流信号から周波数を推定する推定部と、
   前記推定部が推定した周波数と前記インバータの出力電圧の周波数との差から前記３相電動機の起動有無を判別する判別部と、
   前記推定部の制御帯域幅を決める帯域幅決定部と、
   を含むことを特徴とする、電動機の起動判別装置。
2. 前記帯域幅決定部が決める制御帯域幅は、
   前記推定部のゲインにより決定されることを特徴とする、請求項１に記載の電動機の起動判別装置。
3. 前記推定部のゲインは、前記３相電動機の運転周波数より高い値に選定されることを特徴とする、請求項２に記載の電動機の起動判別装置。
4. 前記推定部は、
   前記電動機の運転が不可能な範囲に該当する陽の入力周波数を受信したときに、前記陽の入力周波数を出力した場合は、前記電動機が起動されていないと判断することを特徴とする、請求項１または２に記載の電動機の起動判別装置。
5. 前記判別部は、
   前記推定部が推定した周波数と前記インバータの出力電圧の周波数との差が既設定された許容可能な周波数範囲から外れる場合、起動失敗として判断することを特徴とする、請求項１〜３いずれか一項に記載の電動機の起動判別装置。

Images