JPH04101691A - 同期電動機の磁束演算器 - 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］ この発明は、同期電動機のヘクトル制御システムに用い
る同期電動機の磁束演算器に関するものである。

〔従来の技術］ 従来、同期電動機のベクトル制御システムに用いる磁束
演算器には、電機子電流と界磁電流とを取込んで求める
方法を用いたものと、電機子電流と電機子電圧とから求
める方法を用いたものの２つが知られている。前者は電
流モデル、後者は電圧モデルと呼ばれる。

従来のベクトル制御システムの説明を行う前に座標系に
ついて触れる。一般にベクトル制御システムでは交流量
を回転座標に変換して、その座標上で制御を行っている
。同期電動機のベクトル制御システムでは、磁極方向を
ｄ軸とし、ｄ軸に対し電気磁気的に直交する方向をｑ軸
とする座標系を設定する。第５図は電機子の３相（ｕ、
ｖ、ｗ）とａｑ座標（ｄ、ｑ）の関係を示す図である。

３相からｄｑ座標への変換は（１）式で与えられる。

・・・・・・・・・　（１） 第６図は従来の磁束演算器に電流モデルによる磁束演算
手段を用いた場合の同期電動機のベクトル制御方式によ
る可変速制御システムの構成例である。図において、１
９は電流モデルによる磁束演算手段、３６は同期電動機
、３７は該同期電動機３６の速度位置検出器、４３．４
４は座標変換器、４５は磁束ヘクトル演算器、４６は磁
束指令発生器、４７は速度調節器、４８は磁束調節器、
４９　５０．５１は電流調節器、５２は速度指令発生器
である。

次に動作の概要について説明する。まず、同期電動機３
６の回転子速度はレゾルバの如き速度位置検出器３７に
よって検出され、速度Ｎは速度指令発生器５２の出力と
の偏差をとり、速度調節器４７により該速度指令に一致
するように制御される。そして、前記速度制御ループの
内側には開示のように電流制御ループが設けられ、電機
子電流及び界磁電流が制御される。同期電動機３６のベ
クトル制御では電機子鎖交磁束方向をγ軸とする直交座
標系γδ座標系を用いる。この座標系を用いることで、
電機子電流のδ軸成分ｉδ３はトルクに寄与する電流と
して制御でき、Ｔ軸方向の電流を零にすることで電動機
力率を１．０にすることができる。固定子、回転子及び
磁束座標の関係は第７図のように示される。

例えば、電流検出器（ＣＴ）で検出した電動機相電流１
ｕ＋　　Ｉｖ、！ｗは回転子位置θを用いて座標変換器
４２により回転子座標（ｄｑ座標）に変換される。ｄ軸
は界磁方向になるため検出した界磁電流ｉｒはｄ軸方向
の電流となる。ｃｔｑ座標の電流ｉ４□　１Ｑｌｌ＋Ｉ
ｆを用いて電流モデルによる磁束演算手段１９でｄ９座
標の磁束λｄｌｌ＋　　Ａｑｍを演算によって求める。

磁束ヘクトル演算器４５では磁束の大きさスア、とその
ベクトルのｄ軸に対する角度ψを演算する。

λアーーＪ２ａつ”＋Ａｑ− λｄａ 磁束方向にＴ軸を設定するため、磁束の大きさがＴ軸方
向成分となる。演算した磁束は磁束指令発生器４６の出
力と偏差をとり調節器４８を用いて制御される。一方、
演算した角度ψはｄｑ座標とＴδ座標との変換に用いら
れる。ｄｑ座標の電流は座標変換器４４でＴδ座標に変
換される。

ｉγ、＝ｉ　ｆ　ｃｏｓ　　ψ 変換された電流は夫々指令値との偏差をとり、調節器４
９，５０．５１を用いて制御される。電動機力率を１．
０に制御する場合ｉｒａ”＝ｏ　　ｉδｔは速度調節器
４７の出力、ｉγどは磁束調節器４８の出力となる。電
流調節器４９，５０．５１の出力は座標変換器４３で座
標変換器４４の出力を逆変換し、ｄｑ座標の電圧指令■
。＋”ＱＡｖｆ″を得る。電機子側の電圧指令ｖｄａ　
＋　　ｖＱ□は座標変換器４１で逆変換されて３相交流
電圧指令ｖｕ”　　ｖｖ”　、ｖ、”となりサイクロコ
ンバータの如く電力変換装置３８に入力され、該電力変
換装置３８は同期電動ｆ１３６の界磁に電圧を印加する
。

界磁電圧指令はサイリスクコンバータの如く電力変換装
置３９に入力され、電力変換装置３９は同期電動機３６
の界磁に電圧を印加する。ベクトル制御方式では以上の
ように可変速制御されるが、一般には座標変換の精度が
制御性能に大きく影響する。３相からｄｑ座標への変換
、またはその逆変換は検出した位置を用いるため正確で
あるが、ｄｑ座標からＴδ座標への変換、または逆変換
は検出値ではなく、演算した磁束を用いるので、演算磁
束の精度に依存する。このため、従来の電流モデルを用
いた方式では精度が悪く、制御軸の軸ずれが生じ、トル
ク制御精度の劣化や電動機力率の低下を招いた。

第８図は、前記第６図で示した電流モデルによる磁束演
算手段１９の実施例を示すプロ・ンク線図である。第８
図において、１は電機子電流のｄ軸成分ｉｄａ、２はそ
の９軸成分ｉ、ａ、３は界磁電流ｉ、、４．５は電機子
漏れインダクタンスら、６は算出された電機子鎖交磁束
のｄ軸成分λ４ａ、７はそのｑ軸成分ハ１．８．９は電
動機定数を含む１次進み遅れである。

一方、電圧モデルによる電圧演算手段２０の実施例のブ
ロック線図を第９図に示す。図において、１０は検出し
た電機子電圧のｄ軸成分Ｖｄａ、１１はそのｑ軸成分Ｖ
Ｑ＆、１２．１３は電機子抵抗ｒ、、１４．１５は積分
器、１６．１７は乗算器、１８は検出した回転子の速度
である。

次に電流モデルによる磁束演算手段１９の細部動作につ
いて説明する。同期電動機３６において、ｄ軸、ｑ軸相
互インダクタンスをＭｄ、Ｍ、とじ、回転子にダンパ巻
線がない場合には（２）式の関係が存在する。

第８図において、１次進み遅れ８，９とｄ軸ｑ軸相互イ
ンダクタンスとの関係はＧ　ａ　（ｓ）　＝　Ｍ　ａＧ
、（ｓ）−ＭＱとなる。ダンパ巻線がある場合はＧ　、
　（ｓ）　、Ｇ　、　（ｓ）はダンパ回路を模擬した１
次進み遅れとなり、電機子鎖交磁束を演算することがで
きる。電流モデルでは、電動機の運転状態（正常な状態
）によらず磁束を演算することが可能である°。

次に、第９図の電圧モデルによる電圧演算手段２０につ
いて説明する。同期電動機３６の電圧の方程式は（３）
式で与えられる。

ここで、Ｓは時間微分を表わし、基本的に電圧を積分す
ることで磁束を演算する。

〔発明が解決しようとする課題］ 従来の同期電動機の磁束演算器における電流モデルは相
互インダクタンス等の電動機定数を用いているため、定
数の誤差が直接磁束の演算誤差となって表われ制御軸の
ずれが生し、トルク制御精度の劣化や電動機力率の低下
を招く等の課題があった。また定数を全ての動作点で正
確に測定することは事実上困難である。

一方、電圧モデルは、電動機定数として電機子抵抗のｒ
ａだけであり、電動機定数の影響は小さい。しかし、誘
起電圧が発生しない停止時には演算することはできない
。また、電圧モデルそのものが振動系のため、演算した
磁束にリップルが含まれて精度が悪くなる等の課題があ
った。

この発明は上記のような課題を解消するためになされた
もので、誘起電圧が発生している場合には電圧モデルの
関係を満足するように電流モデルの算出した磁束を補正
して電動機定数の影響を小さ（抑え、電動機が停止して
いる場合にも電流モデルにより磁束を演算することがで
きる同期電動機の磁束演算器を得ることを目的とする。

なお、近似技術として、例えば特公昭５９１０７３号「
同期電動機の磁束演算器ｊに記載されたものがある。

〔課題を解決するための手段〕

特許請求項（１）記載の発明に係る同期電動機の磁束演
算器は、磁極方向をｄ軸とし、そのｄ軸と電気磁気的に
直交する方向をｑ軸とした座標系を設定してヘクトル制
御を行い、前記同期電動機の電機子電流のｄ構成分、ｑ
構成分と界磁電流とから電機子鎖交磁束のｄ構成分とｑ
構成分を算出する電流モデルによる磁束演算手段と、前
記電機子電流のｄ構成分、ｑ構成分と前記電機子鎖交磁
束のｄ構成分、ｑ構成分と回転子回転速度から電機子電
圧の推定値のｄ構成分とｑ構成分を算出する電圧モデル
による電圧演算手段と、前記電機子電圧の推定値のｄ構
成分、ｑ構成分と電機子電圧のｄ構成分、ｑ構成分との
偏差及び回転子回転速度を入力して前記電流モデル磁束
演算の入力に加算する補正量のｄ構成分、ｑ構成分を出
力する調節器とを設けたものである。

また特許請求項（２）記載の発明に係る同期電動機の磁
束演算器は、磁極方向をｄ軸とし、そのｄ軸と電気磁気
的に直交する方向をｑ軸とした座標系を設定してヘクト
ル制御を行い、前記同期電動機の電機子電流のｄ構成分
とｑ構成分と界磁電流とから電機子鎖交磁束のｄ構成分
と９構成分を算出する電流モデルによる磁束演算手段と
、前記電機子電流のｄ構成分、ｑ構成分と前記電機子鎖
交磁束のｄ構成分、９構成分と回転子回転速度とから電
機子電圧の推定値のｄ構成分とｑ構成分を算出する電圧
モデルによる電圧演算手段と、前記電機子電圧の推定値
のｄ構成分、ｑ構成分との偏差と回転子回転速度、及び
前記電機子電圧の推定値のｄ構成分、ｑ構成分とを入力
して前記電流モデルによる磁束演算手段の入力に加算す
る補正量のｄ構成分、ｑ構成分を出力する調節器とを設
けたものである。

〔作　用］ 請求項（１）記載の発明における同期電動機の磁束演算
器は、電機子鎖交磁束のｄ構成分、９構成分と電機子電
流のｄ構成分、ｑ構成分、回転子回転速度及び電機子抵
抗とを用いた電圧モデルによる電圧演算手段により演算
した磁束に関係した電機子電圧推定値のｄ構成分、ｑ構
成分を求める。

また調節器の補償器は前記電圧モデルによる電圧演算手
段の出力電圧が電機子電圧のｄ構成分、ｑ構成分に一致
するように回転子回転速度を取り込み補正量のｄ構成分
、ｑ構成分を出力し、電流モデルによる磁束演算手段を
補正する。このため電流モデルによる磁束演算手段の誤
差が補正され電機子鎖交磁束のｄ構成分、ｑ構成分の精
度が向上する。

また、請求項（２）記載の発明における同期電動機の磁
束演算器は、電機子鎖交磁束のｄ軸成分ｑ軸成分と、電
機子電流のｄ構成分、ｑ構成分、回転子回転速度及び電
機子抵抗とを用いた電圧モデルによる電圧演算手段によ
り演算磁束に関係した電機子電圧推定値のｄ構成分、９
構成分を求める。調節器の補償器は前記電圧モデルによ
る電圧演算手段の出力電圧が電機子電圧のｄ構成分、ｑ
構成分に一致するように電機子鎖交磁束のｄ構成分、ｑ
構成分と電機子回転速度とを取り込み補正量のｄ構成分
、ｑ構成分を出力し電流モデルによる磁束演算手段を補
正する。このため電流モデルによる磁束演算手段は補正
され、一方向運転または低速領域での検出電圧が低く、
電流モデルだけで演算するような時に有効となる。

〔発明の実施例］ 以下、この発明の一実施例を回について説明する。第１
図はこの発明を用いた同期電動機可変速システムの構成
例である。図中、第６図と同一の部分は同一の符号をも
って開示した第１図において、従来の電流モデルを用い
た磁束演算器と異なる点は、磁束演算手段１９等におい
て電機子電圧Ｖｄａ　１０　、　　Ｖｑａ　１１と回転
子回転速度ω、１８を用いていることである。電機子電
圧Ｖｄａ　１０　＋　Ｖｑ＋＋１１はパルストランスの
如く検出器で検出し、電機子電流と同様にｄｑ座標に変
換する。検出した速度は速度変換器５３で係数を掛け、
回転子回転速度１８を得る。検出速度がｒｐｍ単位とす
れば同期電動機３６の極対数をｎとして係数２πｎ／６
０を乗算する。

第２図はこの発明の一実施例による同期電動機の磁束演
算器のブロック線図である。図において、１９は電流モ
デルによる磁束演算手段、２０は電圧モデルによる電圧
演算手段、２１は調節器、２２．２３は電圧モデルが算
出した電機子電圧推定値のｄ軸、ｑ軸成分、２４．２５
は微分器、２６．２７は電流モデルヘフィードハックす
る補正量（電流）のｄ軸、ｑ軸成分、２８は補正量のｄ
軸成分２６を発生する補償器、２９は補正量のｑ軸成分
を発生する補償器、３０．３１は乗算器、３２は回転子
回転速度１８の速度極性、３３は回転子回転速度１８の
極性を算出する速度の極性の演算手段である。

次に動作について説明する。まず、電機子電流のｄ軸、
ｑ軸成分１．２と界磁電流３とより電流モデルによる磁
束演算手段１９を用いて電機子鎖交磁束のｄ軸、ｑ軸成
分６，７を算出する。算出した電機子鎖交磁束を用い電
圧モデルによる電圧演算手段２０において（４）式を演
算し、電機子電圧推定のｄ軸成分、ｑ軸成分２２．２３
を算出する。

・・・・・・　（４） 実際には（３）式の関係があるので、電機子推定値のｄ
軸成分、９構成分２２．２３と検出した電機子電圧のｄ
軸成分、ｑ軸成分１０．１１との偏差は（５）式のよう
になる。

・・・・・　（５） ここで、回転子回転速度１８が十分大きいとすると電圧
の偏差は磁束の偏差に対応する。従って、電圧の偏差を
電流モデルの入力ヘフィードハックすることにより、定
常的に電圧の偏差が零になり、その時、磁束の偏差が零
となって電流モデルが算出する磁束が実際の磁束と一致
する。電圧の偏差は磁束の偏差に速度を掛けたものにな
っているため、第２図の例では補償器２８．２９に入力
する前に速度の極性３２を掛けている。補償器２８゜２
９は比例、積分動作に１次遅れのフィルタを加えたもの
を考えると、補正量のｄ軸、９構成分２６．２７を電流
モデルによる磁束演算手段１９の１次進み遅れ８．９に
入力することにより、電機子電圧のｄ軸、ｑ軸成分１０
．１１から電圧モデルによる電圧演算手段２０が算出す
る電機子電圧推定値のｄ軸、ｑ軸成分２２．２３までの
伝達関数は１次遅れにすることができる。従って、電機
子鎖交磁束のｄ軸、ｑ軸成分６．７は指数関数的に実際
の磁束に収束する。ここで用いた電圧モデルは電圧から
磁束を求めるのではなく、磁束から電圧を求めるので、
従来のようなリップルはない。同期電動機２６が停止し
た場合は補正ループのゲインが零になるため電流モデル
による磁束演算手段１９だけの演算となる。このとき補
償器２８．２９に含まれる積分器は零にクリアする。

また、他の発明として第３図に示すように補償器２８．
２９に含まれる積分器を独立させ、微分器２４．２５を
使用しないようにしてもよい。この場合の電圧モデルは
（６）式となる。

Ｖｑｍ＝ｒ　ａ　Ｉ　Ｑｌｌ＋ω、λｄ、＋ｓλｑ、ｌ
Ｊ・・・・・・　（６） 、従って、乗算器１６と電機子抵抗１３の加算及び乗算
器１７と電機子抵抗１２の加算は、となる。第３図は回
転子回転速度１８が一方向である場合には第２図と等価
となる。第２回の補償器２８．２９に積分器が含まれる
ものとするとその積分器の出力は、 ・・・・・・　（８） Ｓ９□（ωｒ）は速度の極性の演算手段３３の出力であ
る速度の極性３２、ここで、λＱ！１　　）＋ｑａを無
視すると、 ｆ１ω、ｌ（λａ−Ｌ−＞ａｔ となる。第３図では乗算器３０の出力を考えると、ｓ９
．、（ω、）［ｆωｒ（Ｊ　ｄａ　　Ａ　ａａ）ｄｔ＋
　（λ９ａ　　Ａ　ｑａ）］同様にλａａ　　Ｊｑａを
無視すると、５９１１（ωｒ）ｆω、（λａａ　　Ａ　
ａａ）　　ｄｔ　　　　−−（９）となるので速度が反
転すると出力が反転するために応答の遅れが生しる可能
性がある。この例は一方運転、または速度が低い領域で
の検出電圧精度が悪い場合に電流モデルだけに演算する
ような時に有効である。

第４図は他の実施例である。この場合、速度起電力に関
しては第２図と等しいが微分項の方は速度反転時に誤差
が大きくなる。この場合も一方向運転、低速域は電流モ
デルだけの運転の時に有効である。

なお、第２図の実施例では、補償器２８．２９に比例、
積分動作、更にフィルタを加えたものを示したが、比例
動作だけ、もしくは積分動作だけでもよく、また、フィ
ルタを加えない比例積分動作でもよい。更に、補償器２
８．２９のゲインを回転子回転速度１８に反比例するよ
うに変化させてもよい。補正量のｄ軸、ｑ軸成分２６．
２７は電機子電流のｄ軸、ｑ軸成分１，２にフィードバ
ックしてもよい。

〔発明の効果］ 以上のように、請求項（１）記載の発明によれば、電流
モデルによる磁束演算手段により演算した磁束を用いて
電圧モデルによる電圧演算手段で電機子電圧を算出し、
検出した電機子電圧との偏差を調節器を介して前記電流
モデルによる磁束演算手段にフィードバックしたので、
電流モデルの誤差が補正されて電機子鎖交磁束のｄ軸成
分、ｑ軸成分の精度が向上し、機能の高いヘクトル制御
方弐による可変速制御が行える効果がある。

また、請求項（２）記載の発明によれば、電流モデルに
よる磁束演算手段により演算した磁束を用いて電圧モデ
ルによる電圧演算手段で電機子電圧を算出し、検出した
電機子電圧との偏差及び該偏差と電機子鎖交磁束との偏
差を求め、調節器を介して前記電流モデルによる磁束演
算手段にフィードバックしたので、電流モデルの誤差が
補正されて電機子鎖交磁束のｄ軸成分、ｑ軸成分の精度
が向上し、一方向運転または低速域での電機子電圧の検
出精度が悪く電流モデルのみによる可変速運転時などに
特に高精度な可変速運転が行える効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１回はこの発明の一実施例による同期電動機可変速制
御システムのブロック構成図、第２図はこの発明の一実
施例による同期電動機の磁束演算器のブロック図、第３
図及び第４図は他の発明の一実施例による同ブロック図
、第５図は３相の座標とｄ９座標の相互関係を示す説明
図、第６図は従来の同期電動機可変速制御システムのブ
ロック構成図、第７図は固定子座標、回転子座標及び磁
束座標の関係を示す説明図、第８図は従来の電流モデル
による磁束演算器のブロック図、第９図は従来の電圧モ
デルによる磁束演算器のブロック図である。 図において、１９は電流モデルによる磁束演算手段、２
０は電圧モデルによる電圧演算手段、２１は調節器、３
６は同月電動機でる。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）磁極方向をｄ軸とし、そのｄ軸と電気磁気的に直
   交する方向をｑ軸とした座標系を設定し、ベクトル制御
   を行う同期電動機の磁束演算器において、前記同期電動
   機の電機子電流のｄ軸成分とｑ軸成分と界磁電流とから
   電機子鎖交磁束のｄ軸成分とｑ軸成分を算出する電流モ
   デルによる磁束演算手段と、前記電機子電流のｄ軸成分
   、ｑ軸成分と前記電機子鎖交磁束のｄ軸成分、ｑ軸成分
   と回転子回転速度から電機子電圧の推定値のｄ軸成分と
   ｑ軸成分を算出する電圧モデルによる電圧演算手段と、
   前記電機子電圧の推定値のｄ軸成分、ｑ軸成分と電機子
   電圧のｄ軸成分、ｑ軸成分との偏差及び回転子回転速度
   を入力して前記電流モデルによる磁束演算手段の入力に
   加算する補正量のｄ軸成分、ｑ軸成分を出力する調節器
   とを備えたことを特徴とする同期電動機の磁束演算器。
2. （２）磁極方向をｄ軸とし、そのｄ軸と電気磁気的に直
   交する方向をｑ軸とした座標系を設定し、ベクトル制御
   を行う同期電動機の磁束演算器において、前記同期電動
   機の電機子電流のｄ軸成分とｑ軸成分と界磁電流とから
   電機子鎖交磁束のｄ軸成分とｑ軸成分を算出する電流モ
   デルによる磁束演算手段と、前記電機子電流のｄ軸成分
   、ｑ軸成分と前記電機子鎖交磁束のｄ軸成分、ｑ軸成分
   と回転子回転速度から電機子電圧の推定値のｄ軸成分と
   ｑ軸成分を算出する電圧モデルによる電圧演算手段と、
   前記電機子電圧の推定値のｄ軸成分、ｑ軸成分と電機子
   電圧のｄ軸成分、ｑ軸成分との偏差と、回転子回転速度
   及び前記電機子電圧の推定値のｄ軸成分、ｑ軸成分とを
   入力して前記電流モデルによる磁束演算手段の入力に加
   算する補正量のｄ軸成分、ｑ軸成分を出力する調節器と
   を備えたことを特徴とする同期電動機の磁束演算器。