JP6224093B2 - 同期電動機を制御するシステム - Google Patents

Description

本発明は、同期電動機に接続された可変速ドライブ（variable speed drive）内に実装された制御システムに関する。

同期電動機では、ゼロトルクで電動機の固定子での電流はゼロであるが、電動機は、回転し続けることができ、したがって非ゼロ速度を有することができる。機能安全の文脈のなかで、２つの異なる独立したアルゴリズムを冗長モードで実行することにより、電動機の速度を監視することが知られている。固定子での電流がゼロの間に同期電動機が回転すると、それにより、電動機の速度を固定子での電流に基づいたアルゴリズムで推定することは困難となる可能性がある。

高周波注入を用いた技法により、電動機の角度を推定すること、したがって電動機の回転速度を推定することが可能になる。このことは、特許出願ＵＳ２００７／０２３６１６７Ａ１に当てはまる。このスキームの欠点の１つは、時間尺度を十分に分離する必要があることである（注入は回転数に対して速くなければならない）。さらに、電流リップルが電流センサの非線形効果（例えば量子化）を無視するのに十分であることも必要である。

米国特許出願公開２００７／０２３６１６７（Ａ１）号公報

本発明の目的は、トルクがゼロのときでも、電動機のパラメータに関する知識も高周波注入に関する知識もなしに同期電動機の速度を推定することを可能にする、可変速ドライブ内に実装された制御システムを提案することである。

この目的は、複数の出力相により同期電動機に接続された可変速ドライブに含まれる制御システムであって、前記同期電動機は、前記可変速ドライブにより実行される制御法則（control law）に従って制御され、前記同期電動機の第１の速度は、第１の速度推定器により決定され、前記システムは、前記同期電動機の第２の速度を決定することを可能にする第２の速度推定器と、推定電流（estimation current）による非定常信号（non-constant signal）を発生させるように構成された信号発生モジュールとを備え、前記推定電流は、前記制御法則に入力として印加される補正基準磁束電流（corrected reference flux current）を生成するように基準磁束電流に加えられ、前記制御法則は、前記出力相に印加される複数の電圧を決定するように実行され、前記第２の速度推定器は、前記出力相上の電流による応答を、前記応答から前記同期電動機の前記第２の速度を導出（deduce）する目的で回収（recover）するように構成されている、制御システムにより達成される。

好ましくは、前記電流による信号は、前記電動機の周波数に対して低周波正弦波型である。注入信号の周波数は、電動機の周波数未満でなければならず、例えば１０の比率で電動機の周波数未満でなければならない。

好ましくは、前記電流による信号は、非トルク発生（non-torque-generating）である。

特定の特徴によれば、前記制御システムは、前記同期電動機用に決定された前記第１の速度と前記第２の速度とを比較するように構成された安全ブロックを備える。

別の特定の特徴によれば、前記第１の速度推定器は、前記制御システムにより実行される前記制御法則において構成される。

本発明によれば、前記信号発生モジュールは、前記第２の速度推定器または外部制御部により作動するか、または永続的（permanently）に能動的である。

他の特徴および利点は、添付図面に関して与えられる以下の詳細な説明で明らかになるであろう。

本発明の制御システムを示す。 本発明の制御システムを用いずに算定されたシミュレーション曲線を示す。 本発明の制御システムを用いずに算定されたシミュレーション曲線を示す。 本発明の制御システムを用いて算定されたシミュレーション曲線を示す。 本発明の制御システムを用いて算定されたシミュレーション曲線を示す。

本発明は、同期電動機を制御するための可変速ドライブ内に実装された制御システムに関する。

既知の方法では、可変速ドライブは、
配電網ＲＤに接続された３つの入力相Ａ、Ｂ、Ｃと、
入力に位置し、配電網ＲＤにより供給される交流電圧を直流電圧に変換するよう意図された整流器モジュールＲＥＣと、
上流側で整流器モジュールＲＥＣに接続され、下流側でインバータモジュールＩＮＶに接続され、２本の電源線Ｌ１、Ｌ２を備える直流電源母線（DC power supply bus）であって、２本の電源線Ｌ１、Ｌ２の間に直流電圧が印加される直流電源母線と、
２本の電源線Ｌ１、Ｌ２に接続され、母線の直流電圧を一定値に保って充電される母線キャパシタＣｂｕｓと、
３つの出力相１、２、３により同期電動機Ｍに接続され、決定された制御法則ＬＣを実行する制御ユニットにより生成された制御信号により制御されるインバータモジュールＩＮＶとを備える。可変速ドライブのインバータモジュールＩＮＶは、複数のスイッチングアームを備え、例えば、電動機Ｍが三相である場合に全部で３つのスイッチングアームを備える。各スイッチングアームは、２つの電力トランジスタ（例えばＩＧＢＴ型）を備え、各電力トランジスタは、制御ユニットから複数の制御信号を受け取る制御装置により制御される。

本発明は、開ループ制御法則に従って動作する可変速ドライブに適用される。本発明は、機能安全の枠組の中で非常に特有の利益を示す。

開ループでは、制御リレーにより実行される第１の推定器により、同期電動機Ｍの第１の推定速度Ｗ１ｓを決定することが可能になる。同期電動機の速度を推定するために、この第１の速度推定器Ｅ１は例えば、制御法則ＬＣに基づくか、または出力相１、２、３の電圧の測定結果などのデータが利用可能であればそのデータに基づく。

機能安全の文脈のなかで、同期電動機の第２の推定速度Ｗ２ｓを決定するように第２の推定器Ｅ２が必要である。制御システムは、第２の推定速度Ｗ２ｓと第１の推定速度Ｗ１ｓとを比較することを可能にする安全ブロックＢＳを備える。２つの推定速度の間に相違が現れた場合、安全ブロックＢＳは例えば、同期電動機Ｍを停止させるよう要求される。

機能安全の分野において、障害の共通点を回避する目的で、２つの推定器Ｅ１、Ｅ２は、それらの動作原理およびそれらの実現化が異なる。

２つの推定器Ｅ１、Ｅ２による速度の冗長モードでのモニタリングには種々の目的があり、既知の規格（例えばＩＥＣ６１８００−５−２）には、例えば速度の安全限界（ＳＬＳ “Ｓａｆｅ Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｓｐｅｅｄ”）や安全停止（ＳＳ１ “Ｓａｆｅ Ｓｔｏｐ １”）などが規定されている。

同期電動機Ｍでは、トルクがゼロのときに固定子での電流はゼロである。しかしながら、この状況では、電動機Ｍはそれにもかかわらず回転し続けることができ、したがって非ゼロ速度を有することができる。したがって、同期電動機のゼロトルクでの速度の推定は、固定子での電流に基づいて行うことはできない。

本発明によれば、トルクがゼロのとき、第２の速度推定器Ｅ２により、固定子での電流がゼロの間に同期電動機の速度を推定することが可能になる。制御システムは、出力相１、２、３に、非トルク発生である、推定電流Ｉｄ_ｅｓｔによる信号と呼ばれる電流による信号を代表する電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を印加するとともに、出力相上の電流による応答を、その応答から同期電動機の速度を導出する目的で測定するように構成されている。

この推定電流Ｉｄ_ｅｓｔによる信号は、同期電動機Ｍの磁石の永久磁束の方向に、すなわち磁束軸と呼ばれる制御の軸線ｄに沿って印加される。磁石の磁束の方向に電流を印加することにより、電動機が動いているときに電動機Ｍ内に外乱をもたらさないことが可能になる。

本発明によれば、推定電流Ｉｄ_ｅｓｔによる信号は非定常であり、好ましくは正弦波である。非定常信号は、導関数が決定持続時間（determined duration）にわたってゼロでない信号を意味すると理解される。したがって、非定常信号は、同期電動機Ｍのパラメータおよび電圧制限の制御法則とは無関係である。実際、制御法則ＬＣの関数として、磁束電流の平均値は必ずしも実磁束電流に等しくない。したがって、設定値が非ゼロでありかつ一定であっても、出力相の電流はゼロであり得る。非定常信号により、この問題を回避すること、および、電動機の速度を推定することを可能にする非ゼロ実信号（いくつかの点を除く）を保証することが可能になる。

さらに、推定電流Ｉｄ_ｅｓｔによる信号は非トルク発生であることが好ましい。電流による非トルク発生信号は、トルク外乱をもたらさないように十分に低い周波数を有する信号を意味すると理解される。

非トルク発生信号の振幅は、固定することができ、例えば同期電動機の公称電流の関数として選択することができ、あるいは、出力相上で測定される電流を考慮して可変とすることもできる。

図１を参照すると、推定電流Ｉｄ_ｅｓｔによる信号は信号発生モジュールＭＳから生じる。信号発生モジュールＭＳは推定電流Ｉｄ_ｅｓｔによる信号を生成し、推定電流Ｉｄ_ｅｓｔは、通常は制御法則ＬＣに入力として印加される基準磁束電流Ｉｄ_ｒｅｆに加えられる。したがって、制御法則ＬＣに入力として印加される補正基準磁束電流Ｉｄ_{ｒｅｆ＿ｃ}は、推定電流Ｉｄ_ｅｓｔによる上述した信号を代表している。既知の方法では、補正基準磁束電流Ｉｄ_{ｒｅｆ＿ｃ}と磁束電流Ｉｄおよびトルク電流Ｉｑの測定結果（これらは変換Ｔ１後に得られる）とに基づいて、制御法則ＬＣは、例えばコンコルディア変換およびパーク変換（Concordia and Park transformations）Ｔ２を経由して出力相１、２、３に印加される複数の電圧を決定する。したがって、計算された電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３はインバータモジュールＩＮＶのＰＷＭ（パルス幅変調）制御により出力相に印加される。

第２の速度推定器Ｅ２は、電動機Ｍの３つの相に注入される少なくとも２つの電流Ｉ１、Ｉ３の測定結果を回収し、次いで、もっぱらこれらの測定値に基づいて（電動機のデータを用いずに）同期電動機Ｍの第２の推定速度Ｗ２ｓを決定する。第２の速度の決定は、位相ロックループ（ＰＬＬ）を使用することにより行われる。

上述したように、電動機の第１の推定速度Ｗ１ｓは、例えば制御法則ＬＣから直接生じる。その後、安全ブロックＢＳが第１の推定速度Ｗ１ｓと第２の推定速度Ｗ２ｓとを比較する。相違が現れた場合、安全ブロックＢＳは、例えばインバータモジュールをディスエーブルにすることにより電動機を停止させるよう要求されうる。

推定電流Ｉｄ_ｅｓｔによる信号の注入により、第２の速度推定器Ｅ２は、トルクがゼロの間に速度の第２の推定を保存することが可能になり、したがって同期電動機Ｍの動作スパンの全体にわたって機能安全の原理を実施することが可能になる。

信号発生モジュールＭＳは、トルクがゼロであり、したがって固定子での電流がゼロのときにのみ、永続的に能動的であるか、または作動することができる。信号発生モジュールＭＳは、例えば、第２の推定器Ｅ２または外部制御部により作動することが可能となる。トルクがゼロでなくかつ固定子での電流が検出可能であるとき、電流Ｉｄ_ｅｓｔによる信号の発生は実際には必要ない。というのは、同期電動機Ｍの速度を固定子での電流に基づいて推定することが可能であるからである。

図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａおよび図３Ｂは本発明の利点を示している。

図２Ａおよび図２Ｂでは、本発明の第２の推定器は実装されていない。１０秒と２０秒との間に、電動機電流がゼロであることが分かる。その場合、電動機の推定速度はゼロと見なされるが、電動機の実際の速度はそうではない。したがって、電動機の速度の誤差は重要であり、機能安全の原理と相いれない。

図３Ａおよび図３Ｂでは、本発明の第２の推定器が実装されている。したがって正弦波磁束電流Ｉｄが印加され、したがって電流Ｉ１、Ｉ２およびＩ３は出力相上で観測することができる。したがってトルクを全く発生させない電動機電流が認識できる。電動機の推定速度の曲線は電動機の実速度の曲線に近接しているので、速度の誤差を最小限に抑え、それにより一定の安全レベルを保証することが可能になる。

Claims (6)

1. 複数の出力相（１、２、３）により同期電動機（Ｍ）に接続された可変速ドライブに含まれる制御システムであって、前記同期電動機（Ｍ）は、前記可変速ドライブにより実行される制御法則（ＬＣ）に従って制御され、前記同期電動機の第１の速度（Ｗ１ｓ）は、前記制御システムにより実行される前記制御法則（ＬＣ）において構成される第１の速度推定器（Ｅ１）により決定され、前記制御システムは、トルクがゼロのときに前記同期電動機（Ｍ）の第２の速度（Ｗ２ｓ）を決定することを可能にする第２の速度推定器（Ｅ２）を備え、前記制御システムは、推定電流（Ｉｄ_ｅｓｔ）による非定常かつ非トルク発生の信号を発生させるように構成された信号発生モジュール（ＭＳ）を備え、前記推定電流（Ｉｄ _ｅｓｔ ）は、前記同期電動機（Ｍ）のパラメータおよび電圧制限の前記制御法則とは無関係であり、前記推定電流（Ｉｄ_ｅｓｔ）は、前記制御法則（ＬＣ）に入力として印加される補正基準磁束電流（Ｉｄ_{ｒｅｆ＿ｃ}）を生成するように基準磁束電流（Ｉｄ_ｒｅｆ）に加えられ、前記制御法則は、前記出力相上の電流（Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３）による応答に基づいて前記出力相（１、２、３）に印加される複数の電圧を決定するように実行され、前記第２の速度推定器は、前記制御法則により決定される前記電圧に由来する前記出力相上の電流（Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３）による応答を、前記応答から前記同期電動機の前記第２の速度（Ｗ２ｓ）を導出する目的で回収するように構成されていることを特徴とする制御システム。
2. 前記推定電流（Ｉｄ_ｅｓｔ）による信号は、前記電動機の周波数に対して低周波正弦波型であることを特徴とする、請求項１に記載の制御システム。
3. 前記同期電動機用に決定された前記第１の速度（Ｗ１ｓ）と前記第２の速度（Ｗ２ｓ）とを比較するように構成された安全ブロック（ＢＳ）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の制御システム。
4. 前記信号発生モジュールは、前記第２の速度推定器により作動することを特徴とする、請求項１から３の一項に記載の制御システム。
5. 前記信号発生モジュールは、外部制御部により作動することを特徴とする、請求項１から４の一項に記載の制御システム。
6. 前記信号発生モジュールは、永続的に能動的であることを特徴とする、請求項１から４の一項に記載の制御システム。

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