JPH01136596A - 誘導電動機のベクトル制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は誘導電動機のベクトル制御装置に関し、特に、
電圧制御型周波数変換器（インバータ）を用いて誘導電
動機に印加される電圧をその電圧指令値に追従するよう
に誘導電動機を制御する誘導電動機のベクトル制御装置
に関する。

［従来の技術］ 誘導電動機は、直流電動機に比較して、構造か堅牢でメ
ンテナンスが不要であるという特長かあるため、制御用
としても直流電動機に置換えられることか多くなってき
ている。しかしながら、誘導電動機では、励磁に寄与す
る一次電流（ｄ軸一次電流）とこれと直交したトルク発
生に寄与する一次電流（ｑ軸一次電流）を直接には制御
することができない。そのため、誘導電動機を用いて、
直流電動機と同等の高い応答性で制御を行う場合、周知
のように、ベクトル制御と呼ばれる手法が、現在広く採
用されている。ここで、ベクトル制御とは、誘導電動機
の内部定数（一次巻線抵抗、二次巻線抵抗等）を、予め
誘導電動機の制御装置に与えることにより、誘導電動機
を制御するものである。

ところで、ベクトル制御には、電流制御型インバータと
電圧制御型インバータを用いる方法の２種類があるが、
応答性の点で電圧制御型インバータを用いる方が優れて
いる。次に、電圧制御型インバータを用いる従来のベク
トル制御装置について説明する。

誘導電動機の等価回路は、第２図に示されている。第２
図において、ｒｌは一次巻線抵抗、σＬ１は一次巻線漏
れインダクタンス、Ｍは相互インダクタンス、ｒ　２　
／　ｓは等価二次巻線抵抗で、σは漏れ係数（σ＝Ｉ　
　Ｍ２／ＬＩ　Ｌ２　）　、ｓはすべり、Ｌｌは一次巻
線インダクタンス、Ｌ２は二次巻線インダクタンス、ｒ
２は二次巻線抵抗である。また、■１は誘導電動機の一
次巻線に印加される一次電圧、■、は誘導電動機の一次
巻線を流れる一次電流、Ｅｌは励磁に関するインダクタ
ンス成分（相互インダクタンスＭ）に印加される電圧で
ある。一次電圧ｖ１は互いに直交するｄ軸一次電圧■１
ｄとｑ軸一次電圧ＶＩ４の２つの成分で表され、同様に
一次電流１１は互いに直交するｄ軸一次電流、即ち励磁
に寄与する一次電流１１ｄとｑ軸一次電流、即ちトルク
発生に寄与する一次電流１１ｑの２つの成分で表される
。

ここで、誘導電動機を直流電動機と同等の高い応答性で
制御を行う場合、上述したように、ｄ軸一次電流Ｉ＋＋
ｌとｑ軸一次電流Ｉ＋＋を独立に制御しなければならな
い。この様に、ｄ軸一次電流Ｉ＋ｄとｑ軸一次電流Ｉ＋
４を独立に制御する方式をベクトル制御という。換言す
ると、直流電動機と同等に誘導電動機を＄ＪｔｌＪする
ということは、励磁に関するインダクタンス（相互イン
ダクタンス）Ｍに流れる一次電流（ｄ軸一次電流）ｉ、
、、をトルク発生に関する等価二次巻線抵抗ｒ　−ｒ　
／　ｓに流れるで一次電流（ｑ軸一次電流）１１９と関
係なく制御することに等しい。

以下、このベクトル制御について、第３図に示されるよ
うな、磁束の回転角速度ωに同期して回転する直交座標
系のベクトル図を参照して説明する。ｄ軸一次電流１１
ｄをｑ軸一次電流Ｉ！、と関係なく制御するということ
は、第３図において、相互インダクタンスＭに印加され
る電圧Ｅ、を、一次電圧ｖ１と磁束の回転角速度ωとを
制御することにより、ｑ軸に一致させることに等しい。

次に、誘導電動機のモデルである周知の電圧方程式を示
す。

Ｖ１ｄ＝　（ｒ＋　＋ＰσＬ＋　＞Ｉ＋ｄ−ωσＬ＋　
ＩＩ＋１＋ｐ　（Ｍ／Ｌ２　）φ２ｄ−ω（Ｍ　／　Ｌ
　２　）φ２９以下余日 ＝　　４　− Ｖ、Ｑ＝ωσＬ＋　　Ｉ　ｘ＋　（ｒ＋　　＋Ｐ（７Ｌ
Ｉ　　＞Ｉ　Ｉ４十ω（Ｍ／　Ｌ２　）φｚａ＋Ｐ　（
Ｍ／Ｌ２　　）φ２゜０＝−ｒ２　（Ｍ／Ｌ２　）　　
Ｉ、ｄ＋　（Ｐ＋ｒｚ　／Ｌ２　）φ２．−（ω−ｐω
ｒ）φ２９０−　　ｒｘ　　（Ｍ／Ｌ２　　）Ｉ　ｌｑ
＋（ω−ｐωｒ）φｚｄ＋　（Ｐ＋ｒ２／Ｌ２　）φ２
９ここで、φ２ｄはｄ軸二次鎖交磁束、φ２．はｑ軸二
次鎖交磁束、ω、は回転子回転角速度、Ｐは対極数、Ｐ
は微分演算子（ｄ／ｄｔ）である。

式（１）及び（２）において、定常状態を考え、前述し
たように、相互インダクタンスＭに印加される電圧Ｅ１
をｑ軸に一致させることを考える。

換言すると、微分演算子Ｐが零（Ｐ＝Ｏ）でφ２゜が零
（φ２ｑ＝Ｏ）となる条件を求めると、Ｖｉａ”　＝ｒ
１”　Ｉ＋＋１”　−ωｃｊＬ、＋　　Ｉ＋ｑ　　（５
）ＶＨｑ’　＝ω６　Ｌ、Ｉ　＋ａ”　＋　ｒ　＋　”
、Ｉ　＋＋十ω（Ｍ／Ｌ２）φ２．”　　　　　　　（
６）が得られる。ここで、式（３）より、φ２ｄ＝Ｍ１
１ａであり、かつ漏れ係数σの定義（σ＝１−Ｍ２／Ｌ
Ｉ　Ｌ２　）より、式（６）は、次の式に変形される。

Ｖ　１．°−ｒ、°　Ｉ　Ｉ９＋　ωＬ　Ｉ　　Ｉｌｄ
”　　　　（７）この式（５）及び（７）で表されるア
ルゴリズムに従って誘導電動機を制御する従来のベクト
ル制御装置の構成を第４図に示す。

第４図を参照すると、従来の誘導電動機のベクトル制御
装置は、指令値として、励磁に寄与するｄ軸一次電流指
令値１１．°とこれと直交したトルク発生に寄与するｑ
軸一次電流指令値１１ｑ°とを入力し、ｑ軸一次電流１
１ｑを検出して、電圧制御型ＰＷＭ　（パルス幅変調）
インバータを用いて誘導電動機を制御するものである。

誘導電動機１の一次電流は、電流検出器２によって、Ｕ
相、■相、及びＷ相一次電流Ｉｔｓ、Ｉ、、及び１．と
じて検出される。これら検出されたＵ相、■相、及びＷ
相一次電流Ｉｕ、Ｉｖ、及び■１は、３相２相変換器３
に供給される。３相２相変換器３は、Ｕ相、■相、及び
Ｗ相一次電流Ｉｕ、Ｉｖ、及びＩｗから、後述するよう
に求められるｄ軸とＵ相巻線軸の夾角θの写像として、
ｄ軸及びｑ軸一次電流Ｉ＋ｄ及びＩ＋ｑを発生する。

尚、この従来の誘導電動機のベクトル制御装置において
は、ｑ軸一次電流Ｉ　＋ｌｌＬか用いない。

減算器４は、ｑ軸一次電流指令値１１ａ°からｑ軸一次
電流１１ａを減算し、ｑ軸一次電流偏差信号ΔＩｌａを
発生する。このｑ軸一次電流偏差信号ΔＩｌｑは電流制
御装置５に供給される。電流制御装置５は、ｑ軸一次電
流偏差信号ΔＩ１４をＰＩ補償して、磁束の回転角速度
ωを発生する。この磁束の回転角速度ωは位相制御装置
６に供給される。

位相制御装置６は、磁束の回転角速度ωを積分して、上
述したｄ軸とＵ相巻線軸の夾角θを発生する。

ｄ軸一次電流指令値１１．°は、増幅器７により、一次
巻線抵抗指令値ｒ１°倍されて、減算器８の一方の入力
（十人力）に供給される。ｑ軸一次電流ＩＩ４は、増幅
器９で一次巻線漏れインダクタンスσＬ１倍された後、
掛算器１０で磁束の回転角速度ωと掛算されて、減算器
８の他方の入力（−人力）に供給される。これにより、
減算器８の出力からは、ｄ軸一次電圧指令値ｙ、、”が
発生する。

このｄ軸一次電圧指令値Ｖｌｄ”は２相３相変換器１１
に供給される。

また、ｄ軸一次電流指令値Ｉ　１ａ’は、増幅器１２に
より、一次巻線インダクタンスし０倍された後、掛算器
１３で磁束の回転角速度ωと掛算されて、加算器１４の
一方の入力に供給される。ｑ軸一次電流１１ｑは、増幅
器１５で一次巻線抵抗指令値ｒ、°倍されて、加算器１
４の他方の入力に供給される。これにより、加算器１４
の出力からは、ｑ軸一次電圧指令値ｙ、ｑ”が発生する
。このｑ軸一次電圧指令値ｖ１９°は２相３相変換器１
１に供給される。

２相３相変換器１１は、ｄ軸及びｑ軸一次電圧指令値■
１．°及びＶｌ、”から、ｄ軸とＵ相巻線軸の夾角θの
写像として、Ｕ相、■相、及びＷ相一次電圧指令値■。

°、■、゛、及びＶｗ”を発生する。これらＵ相、■相
、及びＷ相一次電圧指令値Ｖｕ　”　、Ｖ−°、及びＶ
ｙ”は、電圧制御型ｐｗＭインバータ１６に供給される
。電圧制御型ＰＷＭインバータ１６は、電源１７からの
電力の供給を受け、誘導電動機１に印加されるＵ相、■
相、及びＷ相一次電圧ｖ、Ｊ、ｖｖ、及び■１をＵ相、
■相、及びＷ相一次電圧指令値■。”　、ｖｖ”　、及
び。

Ｖｗ’に追従するように誘導電動機１を制御する。

尚、実際の一次電圧■１と目標値としての一次電圧指令
値■１°との間に角度誤差があった際の座標系の回転に
ついては、トルク発生に寄与するｑ軸一次電流指令値Ｉ
３．°と実際のトルク発生に寄与するｑ軸一次電流ＩＩ
４の差分に基づいて行われる。

ところで、このような従来の誘導電動機のベクトル制御
装置では、誘導電動機の温度変動に伴って、誘導電動機
の内部定数（一次巻線抵抗ｒ１、二次巻線抵抗ｒ２等）
の値が２０％〜３０％も変化するので、ｑ軸二次鎖交磁
束φ２９の値が零からずれてきて、結果として高精度の
トルク制御を行うことが困難になるという欠点がある。

従来、この誘導電動機の内部定数を補償するため、誘導
電動機の内部に温度センサを埋め込み、誘導電動機の温
度を測定することにより、誘導電動機の内部定数の変動
を検出し、それを補正するという方法がとられていた。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、この方法では、温度センサを必要とする
ため、制御装置が高価で複雑なものとなった。また、温
度センサと制御装置とを接続するための信号線が存在す
ることにより、誘導電動機の信顆性を低下させてしまう
という欠点がある６本発明の目的は、温度センサを用い
ることなく、一次巻線抵抗を補正することができる誘導
電動機のベクトル制御装置を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 本発明による誘導電動機のベクトル制御装置は、励磁に
寄与するｄ軸一次電流指令値とこれと直交したトルク発
生に寄与するｑ軸一次電流指令値とを入力し、ｑ軸一次
電流を検出し、該検出されたｑ軸一次電流と前記ｑ軸一
次電流指令値とから磁束の回転角速度を求め、原末めら
れた磁束の回転角速度、前記ｄ軸一次電流指令値、一次
巻線抵抗指令値、一次巻線インダクタンス、及び一次巻
線漏れインダクタンスを用いて、ｄ軸及びｑ軸一次電圧
指令値を算出し、該算出されたｄ軸及びｑ軸一次電圧指
令値を２相３相変換してＵ相、■相、及びＷ相一次電圧
指令値を求め、原末められたＵ相、■相、及びＷ相一次
電圧指令値を指令値として入力する電圧制御型周波数変
換器を用いて誘導電動機を制御する誘導電動機のベクト
ル制御装置において、ｄ軸一次電流を検出する手段と、
前記ｄ軸一次電流指令値と前記検出されたｄ軸一次電流
の偏差を求め、ｄ軸一次電流偏差信号を発生する手段と
、該ｄ軸一次電流偏差信号に応答して、予め定められた
演算式により、前記一次巻線抵抗指令値を補正する手段
とを有することを特徴とする。

［実施例］ 以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

本発明では、温度センサを用いることなく、一次巻線抵
抗ｒ１を補正するため、誘導電動機の温度変動（熱）に
よる一次巻線抵抗ｒ１の変化分く一次巻線抵抗偏差）Δ
ｒ１を、ｄ軸一次電流指令値Ｉ　ｌｄｏとｄ軸一次電流
１１ｄの偏差ΔＩ＋ａを用い、後述する演算式の基づい
て算出する。以下、この演算式、即ち、一次巻線抵抗ｒ
１の熱変動による一次巻線抵抗偏差Δｒ、を相殺するた
めのｄ軸一次電流■ｌｄの条件を導出する６ 先ず、式（１）と式（５）を比較し、定常状態の場合を
考える。電圧制御型インバータの持つ制御特性、即ち、
電圧指令値に対して瞬時に電圧が応答する特性を考慮す
ると、ｄ軸一次電圧指令値Ｖｌ（１°とｄ軸一次電圧Ｖ
（４とは等しい（Ｖ　１ａ”　−Ｖ　＋ｄ）ものとして
考えて良く、また、定常状態を考えているので、Ｐ−０
である故に、次式が成立つ。

ｒ　１１　＋ａ−ω（Ｍ／　Ｌ２　）φ２９＝ｒ１°Ｉ
＋＋”　　　　　　　（８）完全にベタ１〜ル制御され
ている場合には、φ２Ｑ＝　　１２　− ＝０、ｒ＋　＝ｒ＋　”　、Ｉｔａ−■＋”である。今
、一次巻線抵抗ｒ、の変動に伴い、 ｒ１→ｒ１＋Δｒ１、 Ｉ　ｌｄ→Ｉｌｄ＋Δ１１ｄ、 φ２９→Δφ、、　　　　　　　　　（９）となった場
合を考える。式（９）を式（８）に代入し、（Δ）２の
項は零として、近似すると、Δｒ＋Ｉ＋ｄ＋ｒ＋ΔＩ＋
ｄ ＝ω（Ｍ／Ｌ２）Δφ２ｑ　　　（１０）が得られる。

Δφ２．を零にするには、Δｒ　＋　＝　　（ｒ　１”
　／　Ｉ　１〆）ΔＩ、ｄ　　（１１）とすれば良い。

従って、式（１１）に従って一次巻線抵抗指令値ｒ１°
に補正を加えれば、ベクトル制御状態（式（５）、式（
７））を最適に維持することかできる。

第１図を参照すると、本発明の一実施例による誘導電動
機のベクトル制御装置は、減算器１８が付加され、増幅
器７及び１５の利得が可変であることを除いて第４図に
示されたものと同様の構成を有する。

減算器１８は、ｄ軸一次電流指令値■、、１１から３相
２相変換器３で得られたｄ軸一次電流Ｉ＋ｄを引いて、
ｄ軸一次電流偏差信号ΔＬ、を発生する。

増幅器７及び１５は、ｄ軸一次電流偏差信号Δ１１ａを
受け、式（１１）に従ってその利得（一次巻線抵抗指令
値ｒ、°）を補正する。

このように、一次巻線抵抗指令値ｒ１°を補正すること
により、高精度のトルク制御を行うことが可能になる。

［発明の効果コ 以上の説明で明らかなように、本発明によれば、ｄ軸一
次電流を検出し、この検出されたｄ軸一次電流とｄ軸一
次電流指令値との偏差を求め、この偏差を用いて予め定
められた演算式により一次巻線抵抗指令値を補正してい
るので、温度センサを用いることなく、一次巻線抵抗を
補正することができ、高精度のトルク制御を行うことが
できるという効果かある。

以下余日

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による誘導電動機のベクトル
制御装置の構成を示すブロック図、第２図は誘導電動機
の等価回路を示す回路図、第３図は誘導電動機の磁束の
回転角速度に同期して回転する直交座標系のベクトル図
、第４図は従来の誘導電動機のベクトル制御装置の構成
を示すブロック図である。 １・・・誘導電動機、２・・・電流検出器、３・・・３
相２相変換器、４・・・減算器、５・・・電流制御装置
、６・・・位相制御装置、７・・・増幅器、８・・・減
算器、９・・・増幅器、１０・・・掛算器、１１・・・
３相２相変換器、１２・・・増幅器、１３・・・掛算器
、１４・・・加算器、１５・・・増幅器、１６・・・電
圧制御型ＰＷＭインバータ、１７・・・電源、１８・・
・減算器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、励磁に寄与するｄ軸一次電流指令値とこれと直交し
   たトルク発生に寄与するｑ軸一次電流指令値とを入力し
   、ｑ軸一次電流を検出し、該検出されたｑ軸一次電流と
   前記ｑ軸一次電流指令値とから磁束の回転角速度を求め
   、該求められた磁束の回転角速度、前記ｄ軸一次電流指
   令値、一次巻線抵抗指令値、一次巻線インダクタンス、
   及び一次巻線漏れインダクタンスを用いて、ｄ軸及びｑ
   軸一次電圧指令値を算出し、該算出されたｄ軸及びｑ軸
   一次電圧指令値を２相３相変換してＵ相、Ｖ相、及びＷ
   相一次電圧指令値を求め、該求められたＵ相、Ｖ相、及
   びＷ相一次電圧指令値を指令値として入力する電圧制御
   型周波数変換器を用いて誘導電動機を制御する誘導電動
   機のベクトル制御装置において、ｄ軸一次電流を検出す
   る手段と、前記ｄ軸一次電流指令値と前記検出されたｄ
   軸一次電流の偏差を求め、ｄ軸一次電流偏差信号を発生
   する手段と、該ｄ軸一次電流偏差信号に応答して、予め
   定められた演算式により、前記一次巻線抵抗指令値を補
   正する手段とを有することを特徴とする誘導電動機のベ
   クトル制御装置。