JP7028515B2 - 電力変換装置の制御装置および電動機駆動システム - Google Patents

電力変換装置の制御装置および電動機駆動システム Download PDF

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Description

この発明は、電力変換装置の制御装置および電動機駆動システムに関する。
特許文献１は、電力変換装置の制御装置を開示する。当該制御装置によれば、応答性のよいブレーキを電動機にかけることができる。
米国特許第９２８１７７２号明細書
しかしながら、特許文献１に記載の制御装置においては、電動機の固定子磁束の推定における誤差が存在する。このため、電動機の速度の遅い領域において、制御の精度を維持することができない。
この発明は、上述の課題を解決するためになされた。この発明の目的は、電動機の速度を遅くしても、制御の精度を維持することができる電力変換装置の制御装置および電動機駆動システムを提供することである。
この発明に係る電力変換装置の制御装置は、電力変換装置に駆動される電動機の速度推定値と速度指令値とに基づいて、前記電力変換装置へのトルク指令値を演算するトルク指令値演算部と、前記トルク指令値演算部により演算されたトルク指令値と前記電動機の固定子磁束と回転子磁束との推定値とに基づいて、前記電力変換装置の出力電圧を制御する出力電圧制御部と、前記電力変換装置の出力電圧に基づいて前記電力変換装置への電圧指令値を補正する電圧指令値補正部と、前記電動機の電気角の推定値と前記電圧指令値補正部により補正された電圧指令値と前記電動機の固定子電流の実測値と前記速度推定値とに基づいて次の制御周期における前記電動機の固定子磁束と回転子磁束との推定値を演算する磁束推定部と、前記磁束推定部により演算された推定値に基づいて次の制御周期における前記電動機の電気角の推定値と前記速度推定値とを演算する電動機速度推定部と、を備え前記磁束推定部は、前記電圧指令値補正部により補正された電圧指令値と前記固定子電流の実測値とに基づいて次の制御周期における前記固定子電流の推定値を演算する電流観察部と、電動機速度推定部により推定された前記電動機の前記電気角の推定値と固定子電流の実測値とに基づいて前記回転子磁束の推定値を演算する第１磁束推定部と、前記電圧指令値補正部により補正された電圧指令値と前記電流観察部により推定された推定値と前記固定子電流の実測値と前記第１磁束推定部により推定された前記回転子磁束の推定値とに基づいて次の制御周期における前記電動機の固定子磁束と回転子磁束との推定値を演算する第２磁束推定部と、を備えたことを特徴とする。
この発明に係る電動機駆動システムは、電動機を駆動する電力変換装置と、前記電力変換装置を制御する前記制御装置と、を備えたことを特徴とする。
これらの発明によれば、電動機の固定子磁束の推定値は、補正された電圧指令値に基づいて演算される。このため、電動機の固定子磁束の推定精度が改善される。その結果、電動機の速度を遅くしても、制御の精度を維持することができる。
この発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置が適用される電動機システム１の構成図である。 この発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置の要部のブロック図である。 この発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置により電圧指令値が補正されない場合の電動機の固定子磁束の推定値を示す図である。 この発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置により電圧指令値が補正される場合の電動機の固定子磁束の推定値を示す図である。 この発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置により制御された電動機の速度の推定値を示す図である。 この発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置により制御された電動機の速度の推定値を示す図である。 この発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置により制御された電動機の速度の推定値を示す図である。 この発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置による制御での速度リップルと逆起電力追跡法による制御での速度リップルとの比較を示す図である。 この発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置による制御での速度リップルと逆起電力追跡法による制御での速度リップルとの比較を示す図である。 この発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置による制御での速度リップルと逆起電力追跡法による制御での速度リップルとの比較を示す図である。 この発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置による制御のトルク指令リップルと逆起電力追跡法による制御のトルク指令リップルとの比較を示す図である。 この発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置による制御のトルク指令リップルと逆起電力追跡法による制御のトルク指令リップルとの比較を示す図である。 この発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置による制御のトルク指令リップルと逆起電力追跡法による制御のトルク指令リップルとの比較を示す図である。 この発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置における動作制御の動剛性を示す図である。 この発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置における動作制御の動剛性を示す図である。 この発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置における動作制御の動剛性を示す図である。 この発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置における動作制御の動剛性のコヒーレンスを示す図である。 この発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置における動作制御の動剛性のコヒーレンスを示す図である。 この発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置における動作制御の動剛性のコヒーレンスを示す図である。 この発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置による制御ではなくて逆起電力追跡法による制御での電動機の速度を示す図である。 この発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置による制御での電動機の速度を示す図である。 この発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置による制御ではなくて逆起電力追跡法による制御での電動機へのトルク指令を示す図である。 この発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置による制御での電動機へのトルク指令を示す図である。 この発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置による制御での電動機の速度を示す図である。 この発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置による制御での電動機２へのトルク指令を示す図である。 この発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置による制御において電動機の負荷トルクがステップ状に変化した際の電動機へのトルク指令を示す図である。 この発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置の制御において電動機の負荷トルクがステップ状に変化した際の電動機へのトルク指令を示す図である。 この発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置の制御において電動機の負荷トルクがステップ状に変化した際の電動機へのトルク指令を示す図である。 この発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置による制御において電動機の負荷トルクがステップ状に変化した際の電動機の速度を示す図である。 この発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置による制御において電動機の負荷トルクがステップ状に変化した際の電動機の速度を示す図である。 この発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置による制御において電動機の負荷トルクがステップ状に変化した際の電動機の速度を示す図である。 この発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置による制御において電動機の負荷トルクがステップ状に変化した際の磁束指令値を示す図である。 この発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置による制御において電動機の負荷トルクがステップ状に変化した際の磁束指令値を示す図である。 この発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置による制御において電動機の負荷トルクがステップ状に変化した際の磁束指令値を示す図である。 この発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置のハードウェア構成図である。
この発明を実施するための形態について添付の図面に従って説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号が付される。当該部分の重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置が適用される電動機システムの構成図である。
図１において、電動機システム１は、電動機２と電動機駆動システム３とを備える。例えば、電動機２は誘導電動機である。
電動機２の出力部は、負荷機械４の入力部に接続される。例えば、負荷機械４は、慣性負荷である。
電動機駆動システム３の入力部は、交流電源５の出力部に接続される。例えば、交流電源５は、商用電力系統である。
電動機駆動システム３は、ダイオード整流器６とコンデンサ７とインバータ８と第１電流検出器９ａと第２電流検出器９ｂと第１電圧検出器１０ａと第２電圧検出器１０ｂと制御装置１１とを備える。
ダイオード整流器６は、交流電源５から供給された三相交流電力を直流電力に変換する。
コンデンサ７は、ダイオード整流器６の出力側の直流リンクに設けられる。コンデンサ７は、直流リンクに印加される直流電圧を平滑化する。
インバータ８は、ダイオード整流器６から供給された直流電力を三相交流電力に変換する。インバータ８は、三相交流電力を電動機２に出力する。インバータ８は、電圧形インバータである。インバータ８は、ＰＷＭ制御によりＶＶＶＦ制御される。
インバータ８の電力変換回路は、３相回路で構成される。１つの相は、上アームと下アームで構成される。上アーム及び下アームは、少なくとも１つのスイッチング素子を備える。
第１電流検出器９ａは、インバータ８の出力側のｖ相に設けられる。第１電流検出器９ａは、ｖ相固定子電流Ｉｖｓを検出する。第２電流検出器９ｂは、インバータ８の出力側のｗ相に設けられる。第２電流検出器９ｂは、ｗ相固定子電流Ｉｗｓを検出する。
第１電圧検出器１０ａは、インバータ８の出力側のｖ相に設けられる。第１電圧検出器１０ａは、ｖ相固定子電圧Ｖｖｕを検出する。第２電流検出器９ｂは、インバータ８の出力側のｗ相に設けられる。第２電圧検出器１０ｂは、ｗ相固定子電圧Ｖｗｕを検出する。
第１電圧検出器１０ａは、インバータ８の出力側のｕ相とｖ相との間に設けられてもよい。この場合、第１電圧検出器１０ａは、固定子線間電圧Ｖｕｖを検出する。第２電圧検出器１０ｂは、インバータ８の出力側のｕ相とｗ相との間に設けられてもよい。この場合、第２電圧検出器１０ｂは、固定子線間電圧Ｖｕｗを検出する。
制御装置１１は、速度制御部１２とブレーキ用制御切替部１３とＤＢ－ＤＴＦＣ演算部１４と第１座標変換部１５とＰＷＭ制御部１６と第２座標変換部１７と減算部１８と電圧指令値補正部１９と電流・磁束推定部２０と速度・位相推定部２１とを備える。
Figure 0007028515000001
Figure 0007028515000002
Figure 0007028515000003
Figure 0007028515000004
Figure 0007028515000005
Figure 0007028515000006
Figure 0007028515000007
Figure 0007028515000008
Figure 0007028515000009
Figure 0007028515000010
Figure 0007028515000011
Figure 0007028515000012
補正された電圧指令値は、次の（２）式で表される。
Figure 0007028515000013
このように、電圧指令値は、１制御周期分だけ遅れて補正される。
Figure 0007028515000014
Figure 0007028515000015
次に、図２を用いて、電流・磁束推定部２０と速度・位相推定部２１とを説明する。
図２はこの発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置の要部のブロック図である。
図２に示されるように、電流・磁束推定部２０は、電流観察部２２と第１磁束推定部２３と第２磁束推定部２４とを備える。
Figure 0007028515000016
Figure 0007028515000017
具体的には、電流観察部２２は、第１ブロック２２ａと第２ブロック２２ｂと第３ブロック２２ｃと第４ブロック２２ｄと第５ブロック２２ｅと第６ブロック２２ｆと第７ブロック２２ｇとを備える。
Figure 0007028515000018
Figure 0007028515000019
Figure 0007028515000020
Figure 0007028515000021
Figure 0007028515000022
Figure 0007028515000023
Figure 0007028515000024
Figure 0007028515000025
Figure 0007028515000026
Figure 0007028515000027
具体的には、第１磁束推定部２３は、第１ブロック２３ａと第２ブロック２３ｂと第３ブロック２３ｃとを備える。
Figure 0007028515000028
第１ブロック２３ａの出力は、第２ブロック２３ｂの入力である。
第２ブロック２３ｂは、第１ブロック２３ａにより演算された値と次の（５）式で表される伝達関数Ｇ３とを乗じることにより一次ホールドの固定子ｄｑ軸磁束推定値を演算する。
Figure 0007028515000029
第２ブロック２３ｂの出力は、第３ブロック２３ｃの入力である。
Figure 0007028515000030
Figure 0007028515000031
Figure 0007028515000032
具体的には、第２磁束推定部２４は、第１ブロック２４ａと第２ブロック２４ｂと第３ブロック２４ｃと第４ブロック２４ｄと第５ブロック２４ｅと第６ブロック２４ｆと第７ブロック２４ｇと第８ブロック２４ｈと第９ブロック２４ｉと第１０ブロック２４ｊを備える。
Figure 0007028515000033
Figure 0007028515000034
Figure 0007028515000035
第４ブロック２４ｄと第５ブロック２４ｅと第６ブロック２４ｆとは、遷移周波数決定部２４ｋとして機能する。遷移周波数決定部２４ｋは、第１磁束推定部２３と第２磁束推定部２４との間の遷移周波数を決定する。
具体的には、第４ブロック２４ｄは、第２ブロック２４ｂにより演算された値と比例ゲインＫ１とを乗じた値を演算する。
第５ブロック２４ｅは、ゲインＫ２の積分回路である。第５ブロック２４ｅは、第２ブロック２４ｂの出力の積分値を演算する。
第６ブロック２４ｆは、第３ブロック２４ｃにより演算された値と第４ブロック２４ｄにより演算された値と第５ブロック２４ｅにより演算された値とを足し合わせることにより電動機２の入力電圧の値を演算する。
Figure 0007028515000036
Figure 0007028515000037
Figure 0007028515000038
Figure 0007028515000039
Figure 0007028515000040
Figure 0007028515000041
例えば、電動機２の回転子磁束の周波数が遷移周波数よりも低い場合、第１磁束推定部２３が支配的となる。例えば、電動機２の回転子磁束の制御周波数が遷移周波数よりも高い場合、第２磁束推定部２４が支配的となる。その結果、固定子ｄｑ軸磁束推定値が正確に演算される。
速度・位相推定部２１は、位相推定部２５とすべり角度推定部２６と磁束ベクトル回転部２７と位相誤差推定部２８と速度／位置観察部２９とを備える。
Figure 0007028515000042
Figure 0007028515000043
Figure 0007028515000044
Figure 0007028515000045
Figure 0007028515000046
Figure 0007028515000047
Figure 0007028515000048
具体的には、速度／位置観察部２９は、第１ブロック２９ａと第２ブロック２９ｂと第３ブロック２９ｃと第４ブロック２９ｄと第５ブロック２９ｅと第６ブロック２９ｆと第７ブロック２９ｇと第８ブロック２９ｈと第９ブロック２９ｉと第１０ブロック２９ｊと第１１ブロック２９ｋとを備える。
Figure 0007028515000049
第２ブロック２９ｂは、位相誤差推定部２８により推定された推定値θｅｒｒとゲインＫｓｏとを乗じることにより位相誤差推定部２８により推定された推定値θｅｒｒを補正する。
第３ブロック２９ｃは、位相誤差推定部２８により推定された推定値θｅｒｒとゲインｂｏとを乗じる。
第４ブロック２９ｄは、第１ブロック２９ａにより演算された値と第２ブロック２９ｂにより演算された値とを足し合わせた値を演算する。
Figure 0007028515000050
Figure 0007028515000051
Figure 0007028515000052
Figure 0007028515000053
Figure 0007028515000054
Figure 0007028515000055
Figure 0007028515000056
図３と図４とに示されるように、電圧指令値が補正される場合、電動機２の固定子磁束の推定値の歪みが低減される。その結果、電圧指令値が補正される場合、電動機２の固定子磁束はより正確に推定される。
Figure 0007028515000057
図５から図７に示されるように、負荷の条件が０から１．０ｐｕの全ての条件において、電動機２の速度（回転子の角速度）は、０．０１ｐｕまで下げられる。その結果、制御装置１１による制御の動作範囲は、かなり広がる。
次に、図８から図１３を用いて、速度リップルとトルク指令リップルとを説明する。
図８から図１０はこの発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置による制御での各負荷条件（ＴＬ）における速度リップルと逆起電力追跡法による制御での速度リップルとの比較を示す図である。図１１から図１３はこの発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置による各負荷条件（ＴＬ）における制御のトルク指令リップルと逆起電力追跡法による制御のトルク指令リップルとの比較を示す図である。
制御装置１１による制御においては、逆起電力追跡法による制御に比べてリップルが少ない。このため、トルク指令値に対しても、ノイズが少ない。
逆起電力追跡法による制御においては、信号対雑音比が電動機２の速度が下がることにより悪くなる。この際、速度リップルとトルク指令リップルとは急激に増える。これに対し、制御装置１１による制御においては、速度リップルとトルク指令リップルとは、電動機２の速度が下がっても大きく増えない。
例えば、図８から図１０に示されるように、制御装置１１による制御の速度リップルは、逆起電力追跡法による制御の速度リップルに比べて減る。
例えば、図１１から図１３に示されるように、制御装置１１による制御のトルク指令リップルは、逆起電力追跡法による制御のトルク指令リップルに比べて減る。
その結果、制御装置１１による制御の動作範囲は、逆起電力追跡法による制御の動作範囲に比べて大幅に広がる。
次に、図１４から図１９を用いて、制御装置１１における動剛性を説明する。
図１４から図１６はこの発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置における各負荷条件（ＴＬ）における制御の動剛性を示す図である。図１７から図１９はこの発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置における各負荷条件（ＴＬ）における制御の動剛性のコヒーレンスを示す図である。
図１４から図１９に示されるように、負荷の条件が０から０．８ｐｕの条件に対し、電動機２の速度が０．０１ｐｕでも、動剛性は優れている。その結果、電動機２の固定子磁束の追跡がより容易になる。
Figure 0007028515000058
図２０から図２４において、速度指令値は、０．０５ｐｕから－０．０５ｐｕを経て０．０５ｐｕに戻る。この際、加速率は、０．０８４ｐｕ／ｓである。図２０と図２１の比較及び図２２と図２３の比較に示されるように、制御装置１１による制御でのゼロ速度交差動作は、逆起電力追跡法による制御でのゼロ速度交差動作に比べて滑らかである。
図２４と図２５において、速度指令値は、０．０１ｐｕから－０．０１ｐｕを経て０．０１ｐｕに戻る。この際、加速率は、０．０３４ｐｕ／ｓである。図２２から図２５に示されるように、制御装置１１による制御でのゼロ速度交差動作は、非常に小さな加速率においても比較的滑らかである。
Figure 0007028515000059
図２６から図２８に示されるように、トルク指令は、電動機２の負荷トルクがステップ状に変化した際に０．４ｐｕから０．７ｐｕまで変化する。
図２９から図３１に示されるように、電動機２の速度は、負荷トルクがステップ状に増えたときに下がるものの、直ぐに速度指令値を追跡する。
図３２から図３４に示されるように、電動機２の固定子磁束指令値は、電動機２の速度推定値と負荷トルクとの条件に基づいて定常状態の損失が最小となるようにオンラインで演算される。例えば、負荷のトルクが小さい場合、当該固定子磁束指令値は、全体的な損失を減らすように小さくなる。例えば、負荷のトルクが大きい場合、当該固定子磁束指令値は、大きくなる。
以上で説明した実施の形態１によれば、電動機２の固定子磁束の推定値は、補正された電圧指令値に基づいて演算される。このため、電動機２の固定子磁束の推定精度が大幅に改善される。その結果、電動機２の速度を遅くしても、制御の精度を維持することができる。
また、電流・磁束推定部２０は、電流観察部２２と第１磁束推定部２３と第２磁束推定部２４とを備える。このため、電動機２の固定子磁束と回転子磁束の推定値をより正確に演算することができる。
また、電動機２のトルクは、固定子磁束の推定値と回転子磁束と推定値とに基づいて推定される。このため、電動機２のトルクの推定値をより正確に算出することができる。
次に、図３５を用いて、制御装置１１の例を説明する。
図３５はこの発明の実施の形態１における電力変換装置の制御装置のハードウェア構成図である。
図３５に示されるように、制御装置１１の各機能は、処理回路により実現し得る。処理回路は、プロセッサ３０ａとメモリ３０ｂとを備える。
例えば、プロセッサ３０ａは、中央処理装置、処理装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ又はＤＳＰなどのＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）である。
例えば、メモリ３０ｂは、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ等の不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤである。
処理回路において、メモリ３０ｂに格納されたプログラムがプロセッサ３０ａによって実行される。
１ 電動機システム、 ２ 電動機、 ３ 電動機駆動システム、 ４ 負荷機械、 ５ 交流電源、 ６ ダイオード整流器、 ７ コンデンサ、 ８ インバータ、 ９ａ 第１電流検出器、 ９ｂ 第２電流検出器、 １０ａ 第１電圧検出器、 １０ｂ 第２電圧検出器、 １１ 制御装置、 １２ 速度制御部、 １３ ブレーキ用制御切替部、 １４ ＤＢ－ＤＴＦＣ演算部、 １５ 第１座標変換部、 １６ ＰＷＭ制御部、 １７ 第２座標変換部、 １８ 減算部、 １９ 電圧指令値補正部、 ２０ 電流・磁束推定部、 ２１ 速度・位相推定部、 ２２ 電流観察部、 ２３ 第１磁束推定部、 ２４ 第２磁束推定部、 ２５ 位相推定部、 ２６ すべり角度推定部、 ２７ 磁束ベクトル回転部、 ２８ 位相誤差推定部、 ２９ 速度・位置観察部、 ３０ａ プロセッサ、 ３０ｂ メモリ

Claims (3)

  1. 電力変換装置に駆動される電動機の速度推定値と速度指令値とに基づいて、前記電力変換装置へのトルク指令値を演算するトルク指令値演算部と、
    前記トルク指令値演算部により演算されたトルク指令値と前記電動機の固定子磁束と回転子磁束との推定値とに基づいて、前記電力変換装置の出力電圧を制御する出力電圧制御部と、
    前記電力変換装置の出力電圧に基づいて前記電力変換装置への電圧指令値を補正する電圧指令値補正部と、
    前記電動機の電気角の推定値と前記電圧指令値補正部により補正された電圧指令値と前記電動機の固定子電流の実測値と前記速度推定値とに基づいて次の制御周期における前記電動機の固定子磁束と回転子磁束との推定値を演算する磁束推定部と、
    前記磁束推定部により演算された推定値に基づいて次の制御周期における前記電動機の電気角の推定値と前記速度推定値とを演算する電動機速度推定部と、
    を備え、
    前記磁束推定部は、
    前記電圧指令値補正部により補正された電圧指令値と前記固定子電流の実測値とに基づいて次の制御周期における前記固定子電流の推定値を演算する電流観察部と、
    電動機速度推定部により推定された前記電動機の前記電気角の推定値と固定子電流の実測値とに基づいて前記回転子磁束の推定値を演算する第１磁束推定部と、
    前記電圧指令値補正部により補正された電圧指令値と前記電流観察部により推定された推定値と前記固定子電流の実測値と前記第１磁束推定部により推定された前記回転子磁束の推定値とに基づいて次の制御周期における前記電動機の固定子磁束と回転子磁束との推定値を演算する第２磁束推定部と、
    を備えた電力変換装置の制御装置。
  2. 前記電動機速度推定部は、前記磁束推定部により演算された推定値に基づいて磁束ベクトルの位相の推定値を演算し、当該磁束ベクトルの位相の推定値に基づいて次の制御周期における前記電動機の速度の推定値を演算する請求項１に記載の電力変換装置の制御装置。
  3. 電動機を駆動する電力変換装置と、
    前記電力変換装置を制御する請求項１または請求項２に記載の制御装置と、
    を備えた電動機駆動システム。
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