JP7517939B2 - 誘導電動機の駆動制御装置および駆動制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、誘導電動機の駆動制御装置および駆動制御方法に関し、特に、誘導電動機の停車時および惰行時からのフリーラン再起動に好適な駆動制御に関する。

本技術分野の背景技術として、例えば特許文献１には、「電動機の回転速度を検出する速度検出手段を用いることなく速度センサレス制御により電動機を駆動する電動機制御部を備えたインバータ装置である。電動機制御部は、電動機がフリーラン状態であるときの回転速度を所定のパラメータを用いた条件に基づいて同定する速度サーチ機能と、電動機を実際の運転条件に基づいて運転させながらパラメータをティーチングするティーチング機能とを有する。」との記載がある。ここで、フリーラン状態とは、電動機を駆動するインバータのスイッチング素子ゲート指令が全てオフの状態で惰性走行している状態をいう。

特開２０１３－１０６４６１号公報

特許文献１は、フリーラン状態から電動機を再始動（再起動）する時の速度を同定する方法について開示しているが、特許文献１の図２が示すように、トルク電流（ｑ軸電流）の符号反転を利用して速度同定の終了タイミングを判断しているため、トルク偏差が増大することになる。

そこで、本発明の目的は、誘導電動機の運転において、トルク偏差の小さいフリーラン再起動を可能にする駆動制御装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、代表的な本発明に係る誘導電動機の駆動制御装置の一つは、ｄ軸ｑ軸から成る回転座標軸を用い、誘導電動機に電力を出力する電力変換器と、誘導電動機の電動機電流のｑ軸電流検出値およびｑ軸電流指令に基づいて誘導電動機の回転速度を推定して周波数推定値として出力する周波数推定演算部と、ｄ軸電流指令とｑ軸電流指令および周波数推定値に基づいて電力変換器に対する電圧指令を演算する電圧指令演算部と、周波数推定値とｑ軸電流指令補償値との関係を設定したｑ軸電流指令補償値設定部を有し、当該ｑ軸電流指令補償値設定部から周波数推定値に応じたｑ軸電流指令補償値を出力してｑ軸電流指令に加算するｑ軸電流指令補償演算部とを備え、少なくとも誘導電動機のフリーラン再起動時に、周波数推定演算部は、ｑ軸電流指令補償演算部が出力するｑ軸電流指令にｑ軸電流指令補償値を加算した値を用いて周波数推定値を出力することを特徴とする。

本発明によれば、誘導電動機の駆動制御において、トルク偏差の小さいフリーラン再起動を実現することが可能となる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の発明を実施するための形態における説明により明らかにされる。

実施例１に係る誘導電動機の駆動制御装置の全体構成を表すブロック図である。 実施例１の周波数推定演算部の構成を表す機能ブロック図である。 ｑ軸電流指令補償演算部の構成を表す機能ブロック図である。 実施例２の周波数推定演算部の構成を表す機能ブロック図である。 実施例３に係る電気車として、車両の一部を示す概略構成図である。

以下、本発明を実施するための形態として、本発明の実施例１～３について、図面を用いて説明する。なお、同一の要素については、全ての図において、原則として同一の符号を付している。また、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。更に、以下に説明する構成は、あくまで実施例に過ぎず、本発明に係る実施態様が以下の具体的態様に限定されることを意図するものではない。

図１は、本発明の実施例１に係る誘導電動機の駆動制御装置の全体構成を表すブロック図である。
本発明に係る駆動制御装置は、相電流検出回路２、インバータ３およびコントローラ４から構成され、誘導電動機１の駆動制御を行う。

相電流検出回路２は、ホールＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）等から構成され、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の三相交流電流の内、いずれかの２相を検出する態様を示している。三相交流電流が平衡状態であると仮定して、他の１相を演算により求める構成としているが、３相共に検出する構成としてもよい。

インバータ３は、直流電圧電源５、ゲート・ドライバ６および半導体スイッチング素子Ｓ_ｕｐ～Ｓ_ｗｎを備える主回路部７から構成される。なお、本発明に係るインバータの構成は、半導体スイッチング素子の種類によって限定されるものではない。

コントローラ４は、第一の座標変換部８、ｑ軸電流指令補償演算部９、周波数推定演算部１０、電圧指令演算部１１、位相演算部１２、第二の座標変換部１３およびＰＷＭ信号発生部１４から構成される。

第一の座標変換部８は、相電流検出回路２を用いて検出された三相交流電流ｉ_ｕ、ｉ_ｖおよびｉ_ｗをｄｑ軸電流ｉ_ｄおよびｉ_ｑに変換する。なお、座標変換の際に必要な制御軸の位相としては、位相演算部１２が出力する位相を用いる。

図２は、周波数推定演算部１０の構成を表す機能ブロック図である。図２に示す、比例ゲインＫ_Ｐ１０１は以下の（１）式で表され、積分ゲインＫ_Ｉ１０２は以下の（２）式で表される。

周波数推定演算部１０は、図２に示すｑ軸電流指令補償値Δｉ_ｑ ^＊を考慮せずｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊のみの場合には、以下の（３）式によって周波数推定値を演算する。

ただし、ω_ｒは回転子周波数、ω_ａｃｒは電流制御応答角周波数、Ｌ_σ ^＊は一次換算漏れインダクタンス設定値、 Ｍ^＊は相互インダクタンス設定値、Ｌ_２ ^＊は二次自己インダクタンス設定値、Φ_２ｄ ^＊はｄ軸二次磁束指令、ｉ_ｑ ^＊はｑ軸電流指令、Ｒ_σ ^＊は一次換算抵抗設定値、ｓはラプラス演算子である。なお、（３）式では、ｄ軸電流ｉ_ｄを用いておらず、図２ではｄ軸電流ｉ_ｄを省略している。

次に、本発明の特徴部分であるｑ軸電流指令補償演算部９について説明する。
図３は、ｑ軸電流指令補償演算部９の構成を表す機能ブロック図である。ｑ軸電流指令補償値設定部９１が、周波数推定演算部１０が出力する周波数推定値ω_ｒ＾に応じたｑ軸電流指令補償値Δｉ_ｑ ^＊を出力する。このｑ軸電流指令補償値Δｉ_ｑ ^＊がｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊に加算され、ｑ軸電流指令補償演算部９の出力（ｉ_ｑ ^＊＋Δｉ_ｑ ^＊）となる。

このように、ｑ軸電流指令補償演算部９によってｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊にｑ軸電流指令補償値Δｉ_ｑ ^＊が加算されるため、周波数推定演算部１０が周波数推定値ω_ｒ＾の演算に用いる（３）式は、次式のように書き替えられる。

続いて、電圧指令演算部１１は、ｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊、ｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊および周波数推定演算部１０が出力する周波数推定値ω_ｒ＾を入力として、ｄ軸電圧指令ｖ_ｄ ^＊およびｑ軸電圧指令ｖ_ｑ ^＊を、以下の（５）式および（６）式によって計算して出力する。

ただし、Ｒ_１ ^＊は一次抵抗設定値、Ｔ_２ ^＊は二次時定数設定値である。

位相演算部１２は、周波数推定演算部１０が出力する周波数推定値ω_ｒ＾を積分し、制御軸の位相θを演算する。求められた位相θは、第一の座標変換部８および第二の座標変換部１３に出力され、座標変換に用いられる。

第二の座標変換部１３は、電圧指令演算部１１が出力するｄ軸とｑ軸の電圧指令ｖ_ｄ ^＊およびｖ_ｑ ^＊を三相交流電圧指令ｖ_ｕ ^＊、ｖ_ｖ ^＊およびｖ_ｗ ^＊に変換する。第二の座標変換部１３が座標変換の際に必要とする制御軸の位相としては、位相演算部１２が出力する位相θを用いる。

ＰＷＭ信号発生部１４は、図示しないキャリア周波数決定器にて演算されるキャリア周波数に基づいた三角波キャリアと、第二の座標変換部１３が出力する三相交流電圧指令ｖ_ｕ ^＊、ｖ_ｖ ^＊およびｖ_ｗ ^＊との大小比較を行い、それを基にパルス幅変調（ＰＷＭ）を行う。パルス幅変調された信号は、ゲート・ドライバ６に出力される。

次に、実施例１が解決する課題について説明する。
ｄ軸二次磁束Φ_２ｄは、以下の（７）式で、また、トルクτ_ｍは、以下の（８）式で、表される。

ただし、Ｔ_２は二次時定数、Ｍは相互インダクタンス、ω_ｓはすべり周波数、Φ_２ｑはｑ軸二次磁束、Ｌ_２は二次自己インダクタンス、Ｐ_ｍは極対数である。

（７）式より、ω_ｓ＜０、Φ_２ｑ＞０となる場合には、ω_ｓＴ_２Φ_２ｑ＜０となることから、Φ_２ｑ＞０の状態ですべり周波数ω_ｓが負となるとｄ軸二次磁束Φ_２ｄの確立が妨げられる。なおここで、すべり周波数ω_ｓが負になるとは、回転子周波数推定値と実際の回転子周波数との偏差が負になるということである。

さらに、近年の誘導電動機は、電力消費量削減のために低すべりに設計されるため、二次抵抗Ｒ_２が小さい。よって、二次時定数Ｔ_２は大きくなる傾向にあり、ω_ｓＴ_２Φ_２ｑの項の影響は大きくなっている。

また、ｄ軸二次磁束Φ_２ｄが確立せず０に収束する場合、速度起電力も０となり、周波数推定ができなくなる。これを防ぐために、ｄ軸二次磁束Φ_２ｄを確立させるべくｄ軸電流ｉ_ｄを増加させると、（８）式よりｉ_ｄΦ_２ｑの項によるトルクが増大する。さらに、低すべりの誘導電動機においては、ω_ｓＴ_２Φ_２ｑの項の影響が大きいので、ｄ軸二次磁束Φ_２ｄを確立させるためにｄ軸電流ｉ_ｄを増加させる方針では、トルク偏差が一層増加することになる。

そこで、実施例１に係る原理について説明する。
停止または惰行状態からフリーラン再起動指令がＯＮとなると、インバータ３に通電が開始される。この時、誘導電動機１の回転子周波数ω_ｒは不明であるため、周波数推定演算部１０が誘導電動機１の回転子周波数ω_ｒを推定する。

ここで、（３）式で回転子周波数ω_ｒを推定できる理由は、以下の（９）式で表されるように、周波数推定値の偏差は、ｑ軸電流の偏差と比例関係にあるため、ｑ軸電流ｉ_ｑをｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊に一致するよう制御すれば、周波数推定値ω_ｒ＾が回転子周波数ω_ｒに一致するためである。

また、前述したように、ｄ軸二次磁束Φ_２ｄを確立させるために、ｄ軸電流ｉ_ｄを増加させるとトルク偏差が増加する。そこで、実施例１では、フリーラン再起動期間において、ｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊にｑ軸電流指令補償値Δｉ_ｑ ^＊を加算することで、周波数推定値ω_ｒ＾が回転子周波数ω_ｒをアンダーシュートする量またはオーバーシュートする量を低減する。つまり、周波数推定値ω_ｒ＾が回転子周波数ω_ｒをアンダーシュートまたはオーバーシュートした結果により生じる負のすべりの絶対値の最大値を低減する。これにより、ω_ｓＴ_２Φ_２ｑの項の影響を小さくし、Φ_２ｑ＞０の状態においてもｄ軸二次磁束Φ_２ｄを確立させる。

以上のように、実施例１では、フリーラン再起動時にｑ軸電流指令補償演算部９によって周波数推定演算部１０の入力を補正するのみである。したがって、実施例１によれば、ｄ軸二次磁束Φ_２ｄを確立させるために、ｄ軸電流ｉ_ｄを増加させることはないため、トルク偏差の小さいフリーラン再起動が可能となる。

実施例２は、先の実施例１と異なり、周波数推定演算部１０が可変ゲインを有する。以下、実施例１との相違点について説明する。
図４は、実施例２の周波数推定演算部１０の構成を表す機能ブロック図である。実施例２では、図２に示す実施例１の周波数推定演算部１０の構成要素に、可変ゲイン１０４を追加している。すなわち、共に周波数推定演算部１０の構成要素を示す図２と図４との差分が、可変ゲイン１０４である。

ここで、可変ゲイン１０４は、周波数推定値ω_ｒ＾に応じて、そのゲインを変更する。ゲインの設定については、予め、周波数推定値対ゲインとなるテーブルを準備し、低速側で高速側よりもハイゲインとなるように設定する。可変ゲイン１０４を設けたことにより（３）式は以下のようになる。

次に、実施例２が解決する課題について説明する。
フリーラン再起動における周波数推定の初期値が駆動周波数範囲の中間値から最高速の間で設定される場合がある。この場合、回転子周波数ω_ｒが低速である時には、周波数推定値ω_ｒ＾が回転子周波数ω_ｒに収束するまでに時間を要するため、フリーラン再起動期間が長くなる。

続いて、実施例２に係る原理について説明する。
停止または惰行状態からフリーラン再起動指令がＯＮとなると、インバータ３に通電が開始される。この時、フリーラン再起動における周波数推定の初期値が、駆動周波数範囲の中間値から最高速の間で設定され、周波数推定値ω_ｒ＾が、低速の回転子周波数ω_ｒに向かって収束を開始する。周波数推定値ω_ｒ＾が低速となるにつれて可変ゲイン１０４に設定されているゲインがハイゲインとなるため、低速域となるにつれて周波数推定演算部１０が高応答化する。これにより、低速域でも周波数推定値ω_ｒ＾を回転子周波数ω_ｒに高速に収束させることができる。

したがって、実施例２によれば、実施例１よりも低速域の周波数推定を高速に行うことができる。

図５は、実施例３に係る電気車車両として、車両の一部を示す概略構成図である。実施例３は、実施例１または実施例２に係る誘導電動機の駆動制御装置を、電気車に搭載した場合の実施例である。
実施例３に係る電気車が搭載する駆動制御装置（２、３および４）には、架線１５より電力が供給され、この駆動制御装置（２、３および４）によって、電気車が搭載する複数台の誘導電動機１が駆動される。

実施例１または実施例２に係る駆動制御装置を電気車に搭載することで、車両の惰行および停止状態からトルク偏差の小さいフリーラン再起動を行うことが可能となる。そのため、電気車の車体動揺を低減することができ、乗客の乗り心地等を改善することが可能である。

また、本発明は、以上の各実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

１ 誘導電動機、２ 相電流検出回路、３ インバータ、４ コントローラ、
５ 直流電圧電源、６ ゲート・ドライバ、７ 主回路部、８ 第一の座標変換部、
９ ｑ軸電流指令補償演算部、１０ 周波数推定演算部、１１ 電圧指令演算部、
１２ 位相演算部、１３ 第二の座標変換部、１４ ＰＷＭ信号発生部、１５ 架線、
９１ ｑ軸電流指令補償値設定部、１０１ 比例ゲイン、１０２ 積分ゲイン、
１０３ 積分器、１０４ 可変ゲイン

Claims (6)

1. ｄ軸ｑ軸から成る回転座標軸を用い、
   誘導電動機に電力を出力する電力変換器と、
   前記誘導電動機の電動機電流のｑ軸電流検出値およびｑ軸電流指令に基づいて前記誘導電動機の回転速度を推定して周波数推定値として出力する周波数推定演算部と、
   ｄ軸電流指令と前記ｑ軸電流指令および前記周波数推定値に基づいて前記電力変換器に対する電圧指令を演算する電圧指令演算部と、
   前記周波数推定値とｑ軸電流指令補償値との関係を設定したｑ軸電流指令補償値設定部を有し、当該ｑ軸電流指令補償値設定部から前記周波数推定値に応じた前記ｑ軸電流指令補償値を出力して前記ｑ軸電流指令に加算するｑ軸電流指令補償演算部と
   を備え、
   少なくとも前記誘導電動機のフリーラン再起動時に、前記周波数推定演算部は、前記ｑ軸電流指令補償演算部が出力する前記ｑ軸電流指令に前記ｑ軸電流指令補償値を加算した値を用いて前記周波数推定値を出力する
   ことを特徴とする誘導電動機の駆動制御装置。
2. 請求項１に記載の誘導電動機の駆動制御装置であって、
   前記周波数推定演算部により、前記ｑ軸電流指令に前記ｑ軸電流指令補償値を加算した値と前記ｑ軸電流検出値とを一致させる
   ことを特徴とする誘導電動機の駆動制御装置。
3. 請求項１または２に記載の誘導電動機の駆動制御装置であって、
   前記周波数推定演算部は、前記フリーラン再起動時に、当該周波数推定演算部が有し前記周波数推定値を求めるために用いる可変ゲインを、前記周波数推定値に応じて低速域では高速域よりも高く設定する
   ことを特徴とする誘導電動機の駆動制御装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の誘導電動機の駆動制御装置を備えた電気車。
5. ｄ軸ｑ軸から成る回転座標軸を用い、
   誘導電動機の電動機電流のｑ軸電流検出値およびｑ軸電流指令に基づいて当該誘導電動機の回転速度を推定して周波数推定値として出力する周波数推定演算ステップと、
   ｄ軸電流指令とｑ軸電流指令および前記周波数推定値に基づいて、前記誘導電動機に電力を出力する電力変換器に対する電圧指令を演算する電圧指令演算ステップと、
   前記誘導電動機のフリーラン再起動時に、予め設定された前記周波数推定値とｑ軸電流指令補償値との関係に基づいて前記周波数推定値に応じた前記ｑ軸電流指令補償値を求め前記ｑ軸電流指令に加算して当該ｑ軸電流指令を補正するｑ軸電流指令補償演算ステップと
   を有する誘導電動機の駆動制御方法。
6. 請求項５に記載の誘導電動機の駆動制御方法であって、
   前記周波数推定演算ステップは、前記フリーラン再起動時に、前記周波数推定値を求めるために用いる可変ゲインを前記周波数推定値に応じて低速域では高速域よりも高く設定する
   ことを特徴とする誘導電動機の駆動制御方法。

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