JP6762825B2 - 電動機制御装置およびドライブシステム - Google Patents
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Description
そこで、一般的に、LCフィルタ回路の共振を抑制するためにダンピング制御が適用される。非特許文献1では、ダンピング制御の結果としてトルク指令を生成して、後段の制御系の指令値とすることで、LCフィルタ回路の共振を抑制する方法が示されている。この場合、ダンピング制御が効果的に作用する補償ゲインおよびカットオフ周波数は、トルクの応答速度によって定められる。そのため、電動機のトルクの応答速度は運転状態(トルク、回転数)によらず一定である必要がある。
図1は、第1実施形態のドライブシステムおよび電動機制御装置の構成を概略的に示すブロック図である。
本実施形態のドライブシステムは、電動機としてのシンクロナスリラクタンスモータ1と、電動機制御装置と、を備えている。本実施形態の電動機制御装置は、シンクロナスリラクタンスモータ1の動作を制御する電動機制御装置であって、シンクロナスリラクタンスモータ1と接続可能なインバータ主回路INVと、位相/速度演算器2と、dq/3相座標変換器3と、極座標変換器4と、トルク検出器5と、電流検出器6aおよび6bと、電圧位相制御器7と、を備えている。
トルク検出器5は、シンクロナスリラクタンスモータ1の出力トルクを検出し、トルク検出値Tを出力する。
電圧位相制御器7はPI(比例積分)制御器を含み、トルク指令値Trefとトルク検出値Tとの差分であるトルク偏差ΔT(=Tref‐T)がゼロとなる、電圧位相角γを演算する。
電圧位相制御器7は、ゲイン変更部71と、比例ゲイン乗算器74と、積分ゲイン乗算器75と、積分器72と、加算器73と、を備えている。
積分ゲイン乗算器75は、入力されたトルク偏差ΔTに比例ゲインKIを乗算して出力する。
加算器73は、比例ゲイン乗算器74から出力された値と、積分器72から出力された値とを加算した値を、電圧位相角γ(=(KP+KI/s)・ΔT)として出力する。
ゲイン変更部71は、シンクロナスリラクタンスモータ1の運転状態を示す値に基づいて、上記比例ゲインKPの値と積分ゲインKIの値とを変更する。
シンクロナスリラクタンスモータ1の電圧方程式は、基本波電流に対するインダクタンスと、高調波電流に対するインダクタンスとの振る舞いが異なることに着目し、基本波電流に対するインダクタンス(静的インダクタンス)をLd、Lqとし、高調波電流に対するインダクタンス(動的インダクタンス)をLdh、Lqhとすると、下記式(1)により表される。
ここで、d軸およびq軸電圧Vd、Vqは、電圧ベクトルの振幅Vaとq軸から電圧ベクトルまでの電圧位相角γを用いて、下記式で表される。
上記式(5)で求めたdq軸電流の変化量Δid、Δiqを記述した状態量X(s)を用いて、電圧位相角の微小変化量Δγからトルク変化量ΔTまでの伝達関数を求めることで、制御対象(プラント)の特性を表すことができる。シンクロナスリラクタンスモータ1のトルク方程式は、極対数をPpとすると、下記式(7)で表される。
例えば、以下のように、要求されるトルク応答速度(低次のトルク応答)ωTrq、および、要求されるトルク応答速度に比べて高い周波数のトルク応答(2次遅れ系の共振周波数ω0相当)の安定性に基づいて、ゲインを設計することができる。
ここで、電圧位相制御器(PI制御器)7のゲインKP、KIによって決まる周波数1/TPI(=KI/KP)は、2次遅れ系の共振周波数ω0より低い周波数領域に設定するものとする。
まず、高い周波数のトルク応答の安定性の観点から、電圧位相制御器の比例ゲインKPを求める。ゲインKP、KIによって決まる周波数1/TPIより高い周波数領域に関しては、電圧位相制御器のゲインは比例ゲインKPが支配的となる。そこで、比例ゲインKPと、式(10)で表されるプラントの伝達関数G(s)との閉ループ伝達関数から、下記式(14)により比例ゲインKPを決定する。
トルク応答速度ωTrqを、周波数−ゲイン特性のピークより低い周波数に設定すると、トルク応答速度ωTrq近傍の周波数領域において、プラントの伝達関数G(s)をほぼ一定とみなすことができる。そのときのプラントの伝達関数G(s)のゲインは下記式のように表すことができる。これ以降、これをトルク応答定数Glfと呼ぶ。
図4は、機械回転数Nの変化に対して、シンクロナスリラクタンスモータ1を一定のパワーで駆動したときの、前記式(15)によって求めたトルク応答定数Glfの変化の一例を示めす図である。
図4に示すように、トルク応答定数Glfは、回転速度などの運転状態によって変化する。そのため、式(17)に示すように、電圧位相制御系のゲインKP、KIが一定のままでは、回転速度などの運転状態に応じてトルク応答速度ωTrqが変動してしまう。
そこで、本実施形態では、低次のトルク応答速度ωTrqに影響するトルク応答定数Glfを、式(15)に従って逐次演算し、その結果を式(18)に従って、トルク応答定数Glfの変化を相殺するように、電圧位相制御系のゲインKP、KIに反映している。
電圧位相制御器のゲインKP、KIによって決まる周波数1/TPIより低い周波数領域に関しては、電圧位相制御器のゲインは積分ゲインKIが支配的となる。式(18)に示すように、積分ゲインKIはトルク応答定数Glfに反比例する項を有するため、トルク応答定数Glfの変化を打ち消すようにはたらき、トルク応答速度ωTrqを一定に保つことができる。これによって、シンクロナスリラクタンスモータ1の運転状態によらず、一定のトルク応答速度を得られるようにしている。
図5は、第2実施形態のドライブシステムおよび電動機制御装置の構成を概略的に示すブロック図である。
以下の説明において、上述の第1実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。なお、本実施形態の電動機制御装置は、上述の第1実施形態の電動機制御装置の構成と比べて、dq/3相座標変換器3と、電流検出器6a、6bと、を除いた構成となっている点で異なっている。本実施形態の電動機制御装置では、トルク指令Trefとトルク検出値Tとが電圧位相制御器7のゲイン変更部71に入力される。
シンクロナスリラクタンスモータは突極比(Lq/Ld)が大きいため、仕様最大出力で運転する場合、力行運転では(正のq軸からの)電圧位相角は約90度、回生運転では約−90度となる。そこで、sinγ>>cosγ、|sinγ|=1と近似し、また、回転数が高いときは巻線抵抗Raに比べてインピーダンスωeLd、ωeLqが十分に大きいとみなすと、低次のトルク応答定数Glfを下記式(19)のように近似して表現できる。
図6は、図4で示したトルク応答定数Glfと、同条件のもとで式(19)により求めたトルク応答定数の近似値Glfsを比較したものである。
図6によれば、機械回転数Nに対するトルク応答定数Glfとトルク応答定数の近似値Glfsとの両者がほぼ一致することから、上記式(19)に従って、トルク検出値Tと電圧位相角γ0を用いることで、トルク応答定数の近似値Glfsを求め、トルク応答定数Glfとして用いたときに生じる誤差はほぼゼロであると言える。
さらに、電圧位相制御によって、トルク検出値Tがトルク指令Trefと一致しているとすれば、トルク検出値Tの代わりにトルク指令Trefを用いることができる。
前記式(15)に従ってトルク応答定数Glfを求める場合、dq軸電流id0、iq0を使用するため、電流検出器6a、6bが必要であった。それに対して、上記式(19)、または、式(20)に従ってトルク応答定数の近似値Glfsを求める場合は、dq軸電流id0、iq0が不要となるため、電流検出器6a、6bを構成から取り除くことができる。
シンクロナスリラクタンスモータ1のトルクを推定する手段としては、例えば、シンクロナスリラクタンスモータ1に入力される電圧と電流の検出値から求めることが可能である。図1において、直流電圧Vdcと電圧位相角γとから、下記式により、dq軸座標系の電圧vd、vqを演算する。
Claims (6)
- 電動機と接続可能なインバータ主回路と、
前記電動機の出力トルクを検出してトルク検出値を出力するトルク検出器と、
トルク指令値と前記トルク検出値との差分であるトルク偏差がゼロとなるように、前記電動機の電圧位相角を演算する比例積分制御器と、
前記インバータ主回路から出力される前記電動機の駆動電流と、前記電動機の回転速度と、前記電圧位相角と、前記インバータ主回路の直流電圧と、のいずれかに基づいて、前記比例積分制御器のゲインを変更するゲイン変更部と、
前記電圧位相角に基づいて、前記インバータ主回路の駆動信号を出力する極座標変換器と、を備え、
前記比例積分制御器のゲインは、低次のトルク応答速度を周波数−ゲイン特性のピークより低い周波数に設定し、前記トルク応答速度近傍の周波数領域における制御対象の伝達関数のゲインであるトルク応答定数に反比例する項を含む積分ゲインを備える電動機制御装置。 - 電動機と接続可能なインバータ主回路と、
前記電動機の出力トルクを検出してトルク検出値を出力するトルク検出器と、
トルク指令値と前記トルク検出値との差分であるトルク偏差がゼロとなるように、前記電動機の電圧位相角を演算する比例積分制御器と、
前記トルク検出値、あるいは、トルク指令値と、前記電圧位相角と、に基づいて、前記比例積分制御器のゲインを変更するゲイン変更部と、
前記電圧位相角に基づいて、前記インバータ主回路の駆動信号を出力する極座標変換器と、を備え、
前記比例積分制御器のゲインは、低次のトルク応答速度を周波数−ゲイン特性のピークより低い周波数に設定し、前記トルク応答速度近傍の周波数領域における制御対象の伝達関数のゲインであるトルク応答定数に反比例する項を含む積分ゲインを備える電動機制御装置。 - 前記トルク検出器の代わりに、前記電動機の駆動電流と、電圧と、回転速度と、に基づいて、前記電動機の出力トルクの推定値を演算するトルク推定器を備えた請求項1又は請求項2記載の電動機制御装置。
- 前記トルク検出器の代わりに、前記電動機の駆動電流に基づいて、前記電動機の出力トルクの推定値を演算するトルク推定器を備えた請求項1又は請求項2記載の電動機制御装置。
- 前記請求項1または請求項2の電動機制御装置と、
前記電動機と、を備えたことを特徴とするドライブシステム。 - 前記電動機はシンクロナスリラクタンスモータであることを特徴とする請求項5記載のドライブシステム。
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