JPH044784A - 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】 〔発明の目的〕 （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する。

（従来の技術） 誘導電動機は、従来、定速度電動機として使用されるこ
とが多かったが、電力用半導体素子の進歩によって、イ
ンバータやサイクロコンバータなどの電力変換器の普及
が進み、可変速電動機としての用途が著しく拡大してき
た。

誘導電動機の可変速制御方式には、優れた応答性が得ら
れるベクトル制御方式がある。ベクトル制御方式には、
２次磁束をベクトル量として検出して１次電流の制御信
号に用いる磁束検出形ベクトル制御方式と、磁束ベクト
ルを電動機定数に基づいて演算して制御するすべり周波
数形ベクトル制御方式が知られている。

本発明は後者のすべり周波数形ベクトル制御方式の調整
装置に関するものである。

従来のすべり周波数形ベクトル制御装置は、第６図に例
示するように、２次磁束指令値Φ２＊と発生トルク指令
値ＴＭ＊を入力して１次電流指令値■１＊を出力するベ
クトル制御器１′と、前記１次電流指令値工、＊に基づ
いて１次電流値■、を制御する電流形電力変換制御２と
、この１次電流値工、によって所定の速度およびトルク
で回転する誘導電動機３と、この電動機の回転速度ω１
を検出する速度検出器４とから構成されている。

ベクトル制御を実現するには、２次磁束指令値Φ−とト
ルク指令値ＴＭ＊とがら、１次電流のトルク電流指令値
１１Ｒ＊と励磁電流指令値ｊ１１＊、およびすベリ周波
数指令値ωＳ＊を、下式により算出し、電力変換装置へ
の指令値として与えればよい。すなわち、 ここで、Ｒ２は誘導電動機の２次側自己インダクタンス
、Ｒ２は２次抵抗、Ｍは相互インダクタンスである。ベ
クトル制御器１′は、上式に基づいて、２次磁束指令値
Φ２＊とトルク指令値１Ｍ京とを誘導電動機３の伝達特
性に応じて演算し、１次電流の励磁電流指令値１１１＊
とトルク電流指令値１□−１およびすべり周波数指令値
ω♂を出力する各種係数器１１．１１’、　１２．１２
’、除算要素１３、微分要素１４、加算器１５を備えて
いる。なお、２次磁束Φ２と同一の各速度で回転する複
素平面を考え、この平面上でΦ２の方向を実軸、実軸か
らπ／２進んだ軸を虚軸としている。

１次電流の励磁指令値ｉ　ＩＲ＊とトルク電流指令値ｉ
　１ｘ’は演算回路１６に導かれ、１次電流指令絶対値
１１＊とじて出力される。一方、すべり周波数指令値ω
５＊Ｉよ速度検出器４がらの回転周波数信号ω１と共に
加算器１７に導かれ加算された後、ベクトルジェネレー
タ１８によって、２次磁束の予測位置を示す単位ベクト
ルに変換される。乗算器１９はこの単位ベクトルと前記
の１次電流指令絶対値ｉ、′を乗算し、得られた１次電
流指令値■、束を電流形電力変換器２に出力する。

上述のように、１次電流の成分指令値１１Ｒ＊とｊ１工
束およびすべり周波数指令値ω５＊を演算する場合には
、２次抵抗Ｒ２が直接関与するが、従来のベクトル制御
方式では、この２次抵抗Ｒ２の値を設定するに当たり、
使用する誘導電動機の設計値を用いたり、立ち上がり時
の調整で試行錯誤的に値を突き止めたりしていた。

（発明が解決しようとする課題） 誘導電動機の２次抵抗の値は、一定ではなく温度に依存
して変化することが知られている。したがって、２次抵
抗Ｒ２の値を設定するに当たり、使用する誘導電動機の
設計値を用いると、環境条件によって実際の値とは異な
る値になることがある。立ち上げ時の調整で試行錯誤的
に値を突き止める方法では、最終的には実際の値に設定
できる場合も多いであろうが、調整担当者にある程度以
上の経験と勘が必要とされ、調整に時間がかがるという
問題点があった。

以上の説明では誘導電動機の電源を電流形としていたが
、電源が電圧形であっても同様の問題点がある。

本発明は従来技術における上記の問題点を除去し、誘導
電動機のベクトル制御装置の２次抵抗Ｒ２に関連した制
御パラメータ、すなわち２次抵抗Ｒ７そのものや、制御
系の構成によって２次時定数（＝　Ｒ２／Ｒ２）を自動
的に調整する機能をもつ誘導電動機のベクトル制御装置
を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は上記の目的を達成するために、以下の構成にて
誘導電動機のベクトル制御の調整機能をもつ、誘導電動
機のベクトル制御装置である。

速度指令として一定の変化率で値が増大するいわゆるラ
ンプ入力を与えて速度制御を行ない、このランプ入力を
与えている間のトルク電流指令ないしは実際のトルク電
流波形をメモリに記憶し、この記憶しておいた実際のト
ルク電流波形の立ち上がり時間ないしは立ち上がり速度
を抽出し、このトルク電流指令ないしは実際のトルク電
流波形がステップ状の波形に近づくように、前記抽出量
を独立変数とする適当な関数を用いてベクトル制御指令
値演算回路内の２次抵抗ないしは２次時定数の設定を該
修正係数を用いて調整し、以上の過程をトルク電流指令
ないしは実際のトルク電流波形が要求した裕度内でステ
ップ状の波形に近づいたと判定されるまで繰り返して、
ベクトル制御の制御パラメータを適正な値に調整する機
能を付加したことを特徴とする。

（作用） 誘導電動機のベクトル制御における２次抵抗Ｒ２，ある
いは２次時定数の誤設定は、正しく設定したときに比べ
、誘導電動機の発生するトルクがベクトル制御において
トルク電流と定義された電流成分（以後、単にトルク電
流と記す。なお、誘導電動機の発生トルクに１対１に対
応する電流成分を真のトルク電流、電流検出器によって
検出した３相交流電流からｄ−ｑ変換により求めたｑ軸
電流成分を実際のトルク電流と記す。）に対して過小な
いしは過大となる現象として現われる。

これは、２次抵抗Ｒ２、あるいは２次時定数の誤設定に
より、トルク電流ベクトルと磁束ベクトルとの直交関係
が崩れて、トルク電流が真のトルク電流と１対１に対応
しなくなるためである。この現象を観測する１つの方法
は、誘導電動機に速度制御を施し、ランプ状の速度変化
をさせて誘導電動機を定トルク駆動することである。２
次抵抗Ｒ２、あるいは２次時定数が正しく設定されてい
れば、定トルク駆動に対応してトルク電流指令および実
際のトルク電流がステップ状の波形（厳密には実際の速
度の応答時間だけ立ち上がりが遅れたステップ状の波形
に近い波形であるが、記述の簡単のため、以後本明細書
では特に断わらない限り単にステップ状の波形と記した
場合、このステップ状の波形に近い波形を意味するもの
とする。）となる。この設定が狂っていると、トルク電
流指令および実際のトルク電流がステップ状の波形では
なくなる。ステップ状の波形からずれた分により、前記
した誘導電動機の発生するトルクの過不足を埋め合わせ
るのである。したがって、トルク電流指令あるいは実際
のトルク電流の波形を観測して、それがステップ状の波
形でなければ、２次抵抗Ｒ２、あるいは２次時定数の設
定が正しくないことがわかる。さらには、これらの波形
がステップ状の波形となるように２次抵抗Ｒ２、あるい
は２次時定数を調整すれば、正しい設定が実現できたこ
とになる。

上記の理論的考察から、誘導電動機に速度制御を施し、
ランプ状の速度変化をさせて、その間のトルク電流指令
または実際のトルク電流の波形がステップ状の波形にな
るよう２次抵抗Ｒ２、あるいは２次時定数を調整するこ
とにより、（発明が解決しようとする課題）の項で指摘
した従来技術の問題点を解決できる。

（実施例） 以下に本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の第１の実施例に係わる誘導電動機のベ
クトル制御装置のブロック図である。同図において、第
６図と同一の構成要素には同一の記号を付し説明を省略
する。

第１図で、本発明に関わる誘導電動機のベクトル制御器
１は、第６図に示した従来例のベクトル制御器１′に以
下に説明する要素を付加して、ベクトル制御の制御パラ
メータを適正な値に調整する機能を付与している。すな
わち、本発明に関わるベクトル制御器１には、パラメー
タ調整部５が付加されている。５０は、比較器５４で求
めた速度指令ω？と電動機速度ω、の偏差に基づき、速
度指令ω−に実際の電動機速度ω１が追従するよう、ト
ルク指令値１Ｍ京を出力する速度制御器である。

このような機能を果たす速度制御器の制御論理は通常の
ＰＩ（比例・積分）などで十分である。トルク電流指令
値ｉ　１ｘ’の波形は、波形解析部５１に蓄えられ、オ
ーバーシュート、整定時間、立ち上がり時間などの特徴
量が算定される。波形解析部５１で算定された特徴量は
、パラメータ調整部５２に入力され、パラメータ（本実
施例では２水抵抗Ｒ２）の修正方向（増減）とその量が
算定され、係数器１２と１２′　に設定されている２次
抵抗Ｒ２の設定値を修正する。

第２図は、波形解析部５１の構成例を示している。

トルク電流指令値１１１＊の波形はサンプル−ホールド
回路５１１でサンプルされ、メモリ５１２に蓄えられ、
マイクロプロセッサ５３で特徴量を算定する。

特徴量として用いる具体的な特性値とその求め方につい
ては後述する パラメータ調整部５２の構成例は波形解析部５１と同様
マイクロプロセッサとメモリである。これはサンプルホ
ールド回路が無い点を除き第２図と同じなので図は省略
する。この場合、メモリには特徴量に基づいた調整ルー
ルを記憶させておく。調整ルールの例を第３図を用いて
説明する。第３図は、速度制御により電動機速度ω１を
同図（ａ）に示したようにランプ状に増加させたとき、
２次抵抗Ｒ２の誤設定がトルク電流指令値１１１束の応
答波形に与える影響を示すシミュレーション結果である
。

２次抵抗Ｒ７の真値をＲ２＊としたとき、第３図（ｂ）
はＲ２＝Ｒ２＊の場合で、ベクトル制御部に設定した２
次抵抗Ｒ２の値が真値Ｒ２＊に等しい場合である。この
場合は、トルクが過不足なく発生するので、トルク電流
指令値１１１家の応答は速度制御器に設定した速度制御
の応答特性に見合った過渡特性を示していることがわか
る。応答波形は図示のようにほぼステップ状になり、か
つ速度制御により電動機速度ω、をステップ応答させた
ときの電動機速度ω１の応答とほぼ相似になる。したが
って、Ｒ２＝Ｒ２＊の場合、速度のランプ応答に対応す
るトルク電流指令値１０１京の応答の、立ち上がり時間
、整定時間などの特性値は、速度のステップ応答の特性
値とほぼ同じになる。

第３図（ｃ）はＲ２＝Ｒ２＊の場合で、ベクトル制御部
に設定した２次抵抗Ｒ２の値が真値Ｒ２＊より大きい場
合である。この場合は、発生トルクが過大となるので応
答の初期にオーバーシュートが発生し、速度制御により
電動機速度ω、をランプ状に保つよう、この後オーバー
シュートが抑えられる。

このため、トルク電流指令値ｉ□１＊の応答はＲ２＝Ｒ
−の場合よりも立ち上がりが速くなる。

第３図（ｂ）と第３図（ｃ）を比較すると、電動機速度
の応答は両者とも互いに同じであるので実際に発生して
いるトルクも同じであるが、第３図（ｃ）では、先に指
摘したようにトルク電流指令に対し発生トルクが過大に
なるので、トルク電流の整定値は第３図（ｂ）の場合の
約１５Ａより小さい約９Ａになっている。

第３図（ｄ）はＲ２＝　Ｒ２＊で、ベクトル制御部に設
定した２次抵抗Ｒ２の値が真値Ｒ２東より小さい場合で
ある。この場合は、発生トルクが過小となるのでその分
大きなトルク電流指令が必要となり、トルク電流指令値
ｉ□？の応答はＲ２＝Ｒ２＊の場合よりも立ち上がりが
遅くなる。

第３図（ｂ）と第３図（ｄ）を比較すると、電動機速度
の応答は両者とも互いに同じであるので実際に発生して
いるトルクも同じであるが、第３図（ｄ）では、先に指
摘したようにトルク電流指令に対し発生トルクが過小に
なるので、トルク電流の整定値は第３図（ｂ）の場合の
約１５Ａより小さい約２０Ａになっている。

以上で説明したように、２次抵抗Ｒ２の誤設定は、 １）速度制御により電動機速度ω１をランプ状に応答さ
せ、 ２）　その間のトルク電流指令の応答の立ち上がりが、
Ｒ２＝Ｒ２＊の場合よりも速ければ、Ｒ２〉Ｒ２＊であ
るので、ベクトル制御部に設定した２次抵抗Ｒ２の値を
小さくし、 ３）　その間のトルク電流指令の応答の立ち上がりが、
Ｒ２＝Ｒ２＊の場合よりも遅かったら、Ｒ２＜　Ｒ２＊
であるので、ベクトル制御部に設定した２次抵抗Ｒ２の
設定値を大きくする、という調整ルールで、修正できる
。Ｒ２＝　Ｒ２＊の場合立ち上がり時間ないしは速さは
、先に説明したように、速度応答の立ち上がり時間ない
しは速さで置き換えることができる。

具体的例を、以下に示す。第２図において、速度制御に
より電動機速度ω１をランプ状に応答させ、メモリ５１
２にはその間のトルク電流指令値１０１京の応答波形を
適当なサンプリング周期でサンプリングした値が記憶さ
れている。まず、トルク電流指令値１１２の応答の整定
値ｉ　ｓｅｔを求める。

メモリ５１２に蓄える波形を、電流応答が十分整定する
までの波形としておけば、この整定値ｉ　ｓｅｔは最後
にサンプリングした値とすればよい。リプルなどの影響
を避けるために、最後にサンプリングした複数個の値を
平均してもよい。次に、応答の開始から、速度制御器５
１により誘導電動機を速度制御したときの電動機速度の
ステップ応答の整定時間Ｔｓｅｔ（応答がその最終値の
例えば９５％に達するまでの時間）に等しい時間が経過
したときのトルク電流指令値ｉ　ＩＩ’の値を求める。

これは、サンプリングした値の中から該当する時間に等
しいかあるいは最も近い時間でのサンプリング値を求め
ればよい。この値を１ｒｉｓｅとすると、１ｒｉｓｅ＞
　０．９５串Ｉ　Ｓｅｔであれば、立ち上がりが速すぎ
、Ｒ２＞　Ｒ２’である、 ｌ　ｒｉｓｅ　＝　０　、９５串Ｉ　Ｇｅｔであれば、
Ｒ２＝　Ｒ２＊である、 １　、、ｔ、ｓｅ＜０．９５　”　Ｉ　Ｇｅｔであれば
、立ち上がりが遅すぎ、Ｒ２＜Ｒ２＊である、 と判定できる。したがって、２次抵抗Ｒ２の設定値の修
正係数には（１ｒｉｓｅ　　０−９５　”　ｌ　５ｅｔ
）を独立変数といる関数ｆ（ｉ　ｒｉｓｅ　　０．９５
傘ｉ　５ｅｔ）により、Ｋ　＝　ｆ　　（ｉ　ｒｉｓｅ
　　０．９５率ｉ　５ｅｔ）と求められる。具体的には
、たとえば、Ｋ＝Ｎ　”　” Ｎ：実数 このようにすると、 （１？ｉ、ｓｅ　　Ｏ，９５傘１５ｅｔ）　＞　Ｏであ
れば、Ｋ＞１（ｉｒｉｓｅ−０，９５傘１ｓｅｔ）＝０
であれば、Ｋ＝１（１ｒｉｓｅ　　Ｏ，９５傘１ｓｅｔ
）＜０であれば、Ｋ＜１となりＲ２の設定値の大小を操
作できる修正係数が求められる。

このようにして求めたＫを用いてＲ２を修正して、前記
の電動機速度のランプ応答を再度行なう。

以上の手順を、調整が終了したと判定できるまで繰り返
す。調整終了の判定法は、種々考えられるが、要すれば
トルク電流指令の応答波形がＲ２＝Ｒ２＊の時の波形に
なったことが確認できる方法ならどんな方法でもよい。

例えば ０．９５　”　ｉ　５ｅｔ−裕度＜　ｉ　ｒｔｓｅ＜０
．９５傘ｉ　ｓｅｔ＋裕度などの方法がある。

第４図は本発明の第２の実施例に係わる誘導電動機のベ
クトル制御装置のブロック図である。同図において、第
１図と同一の構成要素には同一の記号を付し説明を省略
する。

本実施例では、トルク電流指令の応答波形の代わりに、
トルク電流の応答波形、から特徴量を求め、既に説明し
た他の実施例を適用する。すなわち、電流検出器６１に
より各相の電流を検出し、検出した電流に基づき座標変
換器６２により回転座標上の直流量としてのトルク電流
成分１１工を求め、その波形を波形解析部５１に蓄える
のである。以後の動作は、既に説明した他の実施例と同
じであるので、説明を省略する。

第５図は本発明の第３の実施例に係わる誘導電動機のベ
クトル制御装置のブロック図である。同図において、第
１図と同一の構成要素には同一の′記号を付し説明を省
略する。

本実施例では、誘導電動機を駆動する電源として電圧形
電力変換装［１２’　を用いている。このため、図示の
ごとく、電流制御ループを設け、電流制御を施している
。すなわち、電流検出器６１により各相の電流を検出し
、検出した電流に基づき座標変換器６２により回転座標
上の直流量としてのトルク電流成分ｉ□工と励磁電流成
分１□、を求め、これらとおのおのの指令値との偏差を
比較器６３および６４で計算し、電流制御器６５および
６６で電圧形電力変換装置２′に与える電圧指令■１工
と■□Ｒを算出する。この電流制御系により電流応答が
指令値によく追従するよう調整しておけば、電流制御ル
ープ付きの電圧形電力変換装置２′は電流形電力変換装
置とみなすことができ、既に説明した他の実施例を適用
できる。本実施例の第５図では、トルク電流指令の応答
波形からその特徴量を求め以後の調整を行なっているが
、第２の実施例と同様、トルク電流指令の応答波形の代
わりに、トルク電流の応答波形から特徴量を求めて、以
後の調整を行なってもよいことは言を待たない。

以上の実施例では、トルク電流指令ないしはトルク電流
の応答波形の特徴量として、オーバーシュートと整定時
間を用いたが、第３図に示したＲ２の誤設定を反映でき
るのであれば特徴量として何を用いてもよい。

〔発明の効果〕

以上に説明したように、本発明では、誘導電動機のベク
トル制御器の２次抵抗Ｒ２の誤設定による影響を、速度
制御ループを設けて誘導電動機の速度にランプ状の応答
をさせたときのトルク電流指令またはトルク電流の応答
波形のステップ状の波形からのずれとして定量化し、そ
の結果に基づいてベクトル制御器の２次抵抗Ｒ２の設定
を調整している。これにより、誘導電動機のベクトル制
御装置の２次抵抗Ｒ２に関連した制御パラメータ、すな
わち２次抵抗Ｒ２そのものや、制御系の構成によっては
２次時定数（＝Ｌ２／Ｒ２）を自動的に調整する機能を
もつ誘導電動機のベクトル制御装置を提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に関わる誘導電動機のベ
クトル制御装置のブロック図、第２図は第１図の波形解
析部５１の構成図、第３図は本発明を説明するための電
動機速度ω１をランプ応答させたときのシミュレーショ
ン波形図、第４図。 第５図は本発明のそれぞれ異なる他の実施例を示すブロ
ック図、第６図は従来のすベリ周波数形ベクトル制御装
置のブロック図である。 １．１′・・・ベクトル制御器、 ２・・・電流形電力変換装置、３・・・誘導電動機、４
・・・速度検出器、　１１．１１’、　１２．１２’・
・・係数器、１３・・・除算要素、１４・・・微分要素
、１５・・・加算器、１６・・・演算回路、　１７・・
・加算器、１８・・・ベクトルジェネレータ、　１９・
・・乗算器。 ５０・・・速度制御器、　５１・・・波形解析部、５２
・・・パラメータ調整部、 ５３・・・マイクロプロセッサ、 ５１１・・・サンプル−ホールド回路、５１２・・・メ
モリ、６１・・・電流検出器、　６２・・・座標変換器
、５４．６３．６４・・比較器、　６５．６６・・・電
流制御器。 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 誘導電動機のベクトル制御装置において、速度指令と実
   際の速度の偏差をとって該誘導電動機のベクトル制御装
   置へトルク電流指令を出す速度制御ループを備え、 速度指令として一定の変化率で値が増大するランプ入力
   を与えて速度制御を行ない、このランプ入力を与えてい
   る間のトルク電流指令ないしは実際のトルク電流波形を
   メモリに記憶し、この記憶しておいた実際のトルク電流
   波形の立ち上がり時間ないしは立ち上がり速度を抽出し
   、このトルク電流指令ないしは実際のトルク電流波形が
   ステップ状の波形に近づくように、前記抽出量を独立変
   数とする適当な関数を用いてベクトル制御指令値演算回
   路内の２次抵抗ないしは２次時定数の設定を該修正係数
   を用いて調整し、 以上の過程をトルク電流指令ないしは実際のトルク電流
   波形が要求した裕度内でステップ状の波形に近づいたと
   判定されるまで繰り返して、ベクトル制御の制御パラメ
   ータを適正な値に調整する機能を具備したことを特徴と
   する、誘導電動機のベクトル制御装置。