JPH08205600A - 誘導電動機の速度センサレスベクトル制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 速度センサレスベクトル制御装置を弱励磁運
転したときにも正確な速度制御をする。 【構成】 電流制御演算部５は、誘導電動機２の１次電
流に相当する電流検出値ｉ_1d，ｉ_1qを電流指令値
ｉ_1d ^* ，ｉ_1q ^* に等しくするよう電圧指令値ｖ_1d ^* ，ｖ
_1q ^* を演算して出力する。インバータ１は、電圧指令値
ｖ_1d ^* ，ｖ_1q ^* を座標変換と３相−２相変換した１次電
圧制御指令ｖ_u ，ｖ_v ，ｖ_w に応じた１次電流ｉ _u ，ｉ
_v ，ｉ_w を誘導電動機２へ送る。同一次元磁束オブザー
バ８と速度適応機構９により電動機速度推定値ω_r ^# を
推定演算する。弱励磁運転のため励磁軸電流指令値ｉ_1d
^* を定格値よりも小さくｉ_1dw としたときには、入力値
変換部２２は、電圧指令値ｖ_1dw ^* ，ｖ_1qw ^* 及び電流
検出値ｉ_1d，ｉ_1qを、定格運転時のときの値に換算して
同一次元磁束オブザーバ８へ送る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、誘導電動機の速度セン
サレスベクトル制御装置に係り、励磁を弱めて運転をす
る場合でも、正確且つ容易にベクトル制御ができるよう
に工夫したものである。

【０００２】図２は従来技術に係る誘導電動機の速度セ
ンサレスベクトル制御装置を示す。このベクトル制御装
置では、インバータ１の出力電流である誘導電動機２の
１次電流ｉ_u ，ｉ_w を検出すると共に、１次電流ｉ_u ，
ｉ_w から１次電流ｉ_v を検出する。１次電流ｉ_u ，
ｉ_v ，ｉ_w は３相−２相変換器３により、固定子座標系
の励磁軸電流検出値ｉ_1a及びトルク軸電流検出値ｉ_1bと
なり、励磁軸及びトルク軸の電流検出値ｉ_1a，ｉ_1bは座
標変換器４により、インバータ出力周波数に同期して回
転する同期回転座標系の励磁軸電流検出値ｉ_1d及びトル
ク軸電流検出値ｉ_1qに変換される。

【０００３】電流制御演算部５では、励磁軸電流検出値
ｉ_1d及びトルク軸電流検出値ｉ_1qが、励磁軸電流指令値
ｉ_1d ^* 及びトルク軸電流指令値ｉ_1q ^* に等しくなるよう
な、励磁軸電圧指令値ｖ_1d ^* 及びトルク軸電圧指令値ｖ
_1q ^* を、次式（１）により求める。

【０００４】

【数１】

【０００５】励磁軸及びトルク軸の電圧指令値ｖ_1d ^* ，
ｖ_1q ^* は、座標変換器６により、固定子座標系の励磁軸
電圧指令値ｖ_1a ^* 及びトルク軸電圧指令値ｖ_1b ^* に変換
される。励磁軸及びトルク軸の電圧指令値ｖ_1a ^* ，ｖ_1b
^* は、２相−３相変換器７により１次電圧制御指令
ｖ_u ，ｖ_v ，ｖ_w に変換される。インバータ１は、１次
電圧制御指令ｖ_u ，ｖ_v ，ｖ_w に応じた三相電流である
１次電流ｉ_u ，ｉ_v ，ｉ_wを誘導電動機２へ送る。これ
により、電流指令値ｉ_1d ^* ，ｉ_1q ^* に応じて誘導電動機
２の回転制御が行なわれる。

【０００６】図２の例は、誘導電動機２の速度を検出す
るセンサを有しない、速度センサレスベクトル制御装置
であり、次に述べるように同一次元磁束オブザーバ８及
び速度適応機構９を用いて電動機速度を推定する。

【０００７】まず同一次元磁束オブザーバ８は、一定の
演算周期毎に、励磁軸及びトルク軸の電圧指令値
ｖ_1a ^* ，ｖ_1b ^* と、励磁軸及びトルク軸の電流検出値ｉ
_1a，ｉ_1bを取り込み、取り込んだデータを次式（２）に
適用することにより、励磁軸電流推定値ｉ_1a ^# 及びトル
ク軸電流推定値ｉ_1b ^# と、２次励磁軸磁束推定値λ_2a ^#
及び２次トルク軸磁束推定値λ_2b ^# を求める。

【０００８】

【数２】

【０００９】式（２）の行列に用いた１２個の係数のう
ち、４個の係数Ａ₁₁，Ａ₃₁，Ｂ₁₁，Ｂ₃₁の値は速度によ
って変化しないが、残りの８個の係数Ａ₁₃，Ａ₁₄，
Ａ₃₃，Ａ ₃₄，Ｇ₁ ，Ｇ₂ ，Ｇ₃ ，Ｇ₄ は速度によって変
化する。速度によって変化する係数（これは複雑な数式
を演算することにより求められる）を、オンラインで計
算すると長い計算時間が必要となるので、現状では、所
定の速度きざみ毎にあらかじめ計算した係数値をＲＯＭ
（メモリ）に記憶させておき、速度に応じた係数値を読
み出して式（２）に示すオブザーバ演算をしている。

【００１０】速度適応機構９は、一定の演算周期毎に、
励磁軸及びトルク軸の電流検出値ｉ _1a，ｉ_1bと、同一次
元磁束オブザーバ８で演算した電流推定値ｉ_1a ^# ，ｉ_1b
^# 及び２次磁束推定値λ_2a ^# ，λ_2b ^# を取り込み、取り
込んだデータを次式（３）の適応調整則に適用して電動
機速度推定値ω_r ^# を推定演算する。

【００１１】 ω_r ^# ＝Ｋ_p （ｅ_iaλ_2b ^# −ｅ_ibλ_2a ^# ） ＋Ｋ_i ∫（ｅ_iaλ_2b ^# −ｅ_ibλ_2a ^# ）dt …（３） 但し、 ｅ_ia＝ｉ_1a−ｉ_1a ^# ：推定誤差 ｅ_ib＝ｉ_1b−ｉ_1b ^# ：推定誤差 Ｋ_p ：速度推定部比例ゲイン Ｋ_i ：速度推定部積分ゲイン なお、同一次元磁束オブザーバ８と速度適応機構９とか
らなる速度適応２次磁束オブザーバによって誘導電動機
の実速度の推定を行なう誘導電動機の速度センサレスベ
クトル制御方式については、「電気学会論文誌Ｄ，１１
１巻１１号，平成３年」（久保田、尾崎、松瀬、中野：
「適応２次磁束オブザーバを用いた誘導電動機の速度セ
ンサレス直接形ベクトル制御」）に掲載されている。

【００１２】すべり算出器１０は次式（４）を用いて、
すべり角周波数指令値ω_s ^* を求める。 ω_s ^* ＝ｉ_1q ^* ／ｉ_1d ^* ・τ₂ …（４） 但し τ₂ ：２次時定数（τ₂ ＝Ｌ₂ ／Ｒ₂ ） Ｌ₂ ：２次インダクタンス（Ｈ） Ｒ₂ ：２次抵抗（Ｒ）

【００１３】なお電動機速度推定値ω_r ^# を推定演算す
る演算過程において遅れがあるため、電動機速度推定値
ω_r ^# とすべり角周波数指令値ω_s ^* との加算により得
られた値ω_r ^# ＋ω_s ^* を電源角周波数とすると電源角
周波数が真値からずれてしまい、座標変換軸がずれてし
まう。そこで制御軸ずれ補償器１１では、上記ずれを補
償する、すべり角周波数修正値ω_scを求めて出力する。

【００１４】つまり制御軸ずれ補償器１１は、固定子座
標系の２次トルク軸磁束推定値λ_2b ^# を同期回転座標系
の２次トルク軸磁束推定値λ_2q ^# に変換し、次式（５）
を用いて修正値ω_scを求める。 ω_sc＝Ｋω_i ∫λ_2q ^# ・dt …（５） 但し Ｋω_i ：積分ゲイン

【００１５】式（５）は、２次トルク軸磁束が零である
ことを条件に式（１）が成立していることを基にして、
導出された式である。そして本例ではω₀ ＝ω_r ^# ＋ω
_sc＋ω_s ^* としている。よって電源角周波数ω₀ が真値
となる。なお、位相演算器１２は電源角周波数ω₀ を積
分して基本位相角θ₀ を算出する。この基本位相角θ ₀
は座標変換部４，６で使用する単位ベクトル（sin
θ₀ ，cos θ₀ ）を作り出すためのものである。

【００１６】図２に示す例では、励磁軸電流指令値ｉ_1d
^* を一定値としておき、トルク軸電流指令値ｉ_1q ^* を変
化させることによりトルク制御をしていた。また同図に
速度制御器を追加することによって速度制御が可能なこ
とはいうまでもない。

【００１７】一方、誘導電動機の速度を検出する速度セ
ンサを備えた速度センサ付きのベクトル制御装置では、
弱め界磁制御や最大効率運転のため、励磁軸電流指令値
を定格値よりも小さくして弱励磁運転をすることが行な
われている。

【００１８】なお弱め界磁制御とは、出力トルクが低い
時において界磁を弱めて効率を上げる制御をいう。ま
た、高効率運転は、励磁軸電流指令値とトルク軸電流指
令値との比を、損失を最小とする値にすることにより実
行される。この高効率運転は、特願平５−７２６９０号
等に開示されている。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】ところで図２に示す速
度センサレスベクトル制御装置において、弱め界磁制御
や最大効率運転をするために、励磁軸電流指令値ｉ_1d ^*
を定格値よりも小さくして弱励磁運転をしようとしたと
きには、次のような問題が生じる。

【００２０】即ち、前述したように、同一次元磁束オブ
ザーバ８のオブザーバ演算で用いる１２個の係数のうち
速度によって変化する８個の係数の値は、所定の速度き
ざみ毎にあらかじめ計算されており、これら係数値がＲ
ＯＭにデータテーブルとして記憶されている。この場
合、励磁軸電流指令値ｉ_1b ^* （励磁電流）は定格である
ことを条件に係数値の計算が行なわれている。

【００２１】速度センサレスベクトル制御装置において
弱励磁運転をしようとした場合には、励磁軸電流指令値
ｉ_1b ^* を変化（減少）させた各値ごとのデータテーブル
を作り、多数（変化値に応じた数）のデータテーブルを
ＲＯＭに記憶させておかなければならない。しかし、こ
のような多数のデータテーブルを記憶するにはきわめて
大きな記憶容量を必要とするため、実現が困難であっ
た。仮にこのような手法により実現したとしてもハード
ウェアが大きくなり、価格が高くなってしまう。

【００２２】本発明は、上記従来技術に鑑み、多数のデ
ータテーブルを用いることなく弱励磁運転をすることの
できるセンサレスベクトル制御装置を提供することを目
的とする。

【００２３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の構成は、誘導電動機に供給する１次電流を３相−２
相変換してなる励磁軸電流検出値及びトルク軸電流検出
値を、励磁軸電流指令値及びトルク軸電流指令値に等し
くさせる励磁軸電圧指令値及びトルク軸電圧指令値を演
算して出力する電流制御演算部と、前記励磁軸電圧指令
値及びトルク軸電圧指令値を２相−３相変換してなる１
次電圧制御指令に応じた１次電流を前記誘導電動機に供
給するインバータと、前記励磁軸電流検出値及びトルク
軸電流検出値と、前記励磁軸電圧指令値及びトルク軸電
圧指令値を取り込んでオブザーバ演算することにより、
励磁軸電流推定値及びトルク軸電流推定値と、２次励磁
軸磁束推定値及び２次トルク軸磁束推定値を求めて出力
する同一次元磁束オブザーバと、前記励磁軸電流検出値
及びトルク軸電流検出値と、前記同一次元磁束オブザー
バで求めた前記励磁軸電流推定値及びトルク軸電流推定
値と、前記２次励磁軸磁束推定値及び２次トルク軸磁束
推定値を取り込んで適応制御演算することにより、電動
機速度推定値を求める速度適応機構とを備えた誘導電動
機の速度センサレスベクトル制御装置において、前記励
磁軸電流指令値の値を定格値よりも小さくして前記電流
制御部に送ることのできる制御手段と、前記励磁軸電流
指令値の値が定格値よりも小さくなったときには、前記
励磁軸電流検出値及びトルク軸電流検出値と前記励磁軸
電圧指令値及びトルク軸電圧指令値を、定格運転時のと
きの値に換算して前記同一次元磁束オブザーバに送る入
力値変換部と、を備えたことを特徴とする。

【００２４】

【作用】本発明では、弱励磁運転をする場合には、同一
次元磁束オブザーバに入力する励磁軸及びトルク軸の電
圧指令値と励磁軸及びトルク軸の電流検出値を、入力値
変換部により、定格運転時のときの値に換算する。この
ため弱励磁運転時においても定格運転時と同様に、正確
に電動機速度の推定ができる。

【００２５】

【実施例】以下に本発明の実施例を図面に基づき詳細に
説明する。なお、従来技術と同一機能をはたす部分には
同一符号を付し、重複する説明は省略する。

【００２６】図１は本発明の実施例に係る速度センサレ
スベクトル制御装置を示す。この実施例では、図２に示
す従来装置に、更に励磁電流指令部２１、入力値変換部
２２、座標変換器２３，２４及び弱励磁運転制御部２５
を備えた構成となっており、他の部分の構成は従来技術
と同一である。したがって同一次元磁束オブザーバ８の
ＲＯＭには、励磁軸電流指令値ｉ_1d ^* が定格値であり励
磁電流が定格であるときの条件で求めた係数値が、デー
タテーブルとして記憶されている。

【００２７】励磁電流指令部２１は、誘導電動機２の速
度を基底速度Ｎ_b 以下にするときには、励磁軸電流指令
値ｉ_1d ^* を定格値とし、基底速度Ｎ_b を越えて高速にす
るときには、速度増加に伴い励磁軸電流指令値ｉ_1b ^* を
漸減させる。弱励磁運転制御部２５は、弱め界磁制御や
最大効率運転のときには、励磁軸電流指令値ｉ_1bを弱め
て弱励磁運転を行なわせる。ここでは、励磁軸電流指令
値の符号を、定格運転時ではｉ_1d ^* とし弱励磁運転時に
はｉ_1dw ^* とする。またトルク軸電流指令値の符号を、
定格運転時ではｉ_1q ^* とし弱励磁運転時にはｉ_1qw ^* と
する。

【００２８】電流制御演算部５は、前述した式（１）の
計算をして励磁軸電圧指令値ｖ_1d ^*（ｖ_1dw ^* ）及びト
ルク軸電圧指令値ｖ_1q ^* （ｖ_1qw ^* ）を求める。なおカ
ッコ内に示したｖ_1dw ^* 及びｖ_1qw ^* は弱励磁運転時の
値である。弱励磁運転時の電圧指令値ｖ_1dw ^* ，ｖ_1qw
^* を求める時には、ｉ_1dw ^* ，ｉ_1q ^* を式（１）に代入
して演算をする。

【００２９】入力値変換部２２は、下式（６）〜（９）
により求めたオブザーバ計算用のトルク軸電圧指令値ｖ
_1d0 ^* 、トルク軸電圧指令値ｖ_1q0 ^* 、励磁軸電流検出
値ｉ _1d0 及びトルク軸電流検出値ｉ_1q0 を出力する。更
に説明すると定格運転時には、ｖ_1d0 ^* ＝ｖ_1d ^* 、ｖ
_1q0 ^* ＝ｖ_1q ^* 、ｉ_{1d 0} ＝ｉ_1d、ｉ_1q0 ＝ｉ_1qとする。
つまり定格運転時（弱励磁運転をしていない時）には、
ｉ_1d ^* ＝ｉ_1dw ^* 、ｉ_1q ^* ＝ｉ_1qw ^* であり、しかもこ
のように電流値が等しい関係にあるときには、（１）式
からわかるように、ｖ_1d ^* ＝ｖ_1dw ^* 、ｖ_1q ^* ＝ｖ_1qw
^* となる。よって式（６）〜（９）を演算してｖ_1d0 ^*
＝ｖ_1d ^*、ｖ_1q0 ^* ＝ｖ_1q ^* 、ｉ_1d0 ＝ｉ_1d、ｉ_1q0 ＝
ｉ_1qを出力する。また弱励磁運転時には次式（６）、
（７）、（８）、（９）の演算により求めた値とする。

【００３０】 ｖ_1d0 ^* ＝ｖ_1d ^* ／ｖ_1dw ^* ×ｖ_1d ^* …（６） ｖ_1q0 ^* ＝ｖ_1q ^* ／ｖ_1qw ^* ×ｖ_1q ^* …（７） ｉ_1d0 ＝ｉ_1d ^* ／ｉ_1dw ^* ×ｉ_1d …（８） ｉ_1q0 ＝ｉ_1q ^* ／ｉ_1qw ^* ×ｉ_1q …（９）

【００３１】上述した（６）〜（９）式の変換を行うこ
とにより、弱励磁運転をしたときにも、電圧指令値ｖ
_1d0 ^* ，ｖ_1q0 ^* 及び電流検出値ｉ_1d0 ，ｉ_1q0 は、定
格運転時のときの値に換算される。

【００３２】このように定格運転時の値に換算された同
期回転座標系の電圧指令値ｖ_1d0 ^*，ｖ_1q0 ^* 及び電流
検出値ｉ_1d0 ，ｉ_1q0 は、座標変換器２３，２４により
固定子座標系の電圧指令値ｖ_1a ^* ，ｖ_1b ^* 及び電流検出
値ｉ_1a，ｉ_1bに変換される。

【００３３】同一次元磁束オブザーバ８には、弱励磁運
転時であっても定格運転時の値に換算された値ｖ_1a ^* ，
ｖ_1b ^* ，ｉ_1a，ｉ_1bが入力されることになる。したがっ
て同一次元磁束オブザーバ８は、オブザーバ演算用の係
数値として定格時のデータテーブルを記憶しておくだけ
で、定格運転時であっても弱励磁運転時であっても、正
確に電流推定値ｉ_1a ^# ，ｉ_1b ^# 及び２次磁束推定値λ_2a
^# ，λ_2b ^# を求めることができる。したがって速度セン
サレスベクトル制御装置においても、励磁軸電流指令値
ｉ_1d ^* （ｉ_1dw ^* ）を小さくして弱め界磁制御をしたり
最大効率運転をすることができる。

【００３４】なおモータトルクＴは、同期回転座標系で
示すと次式（１０）のようになる。 Ｔ＝Ｋ・ｉ_1d・ｉ_1q …（１０） 但しＫは定数 式（１０）からもわかるように、インバータが電圧飽和
して電流ｉ_1dを増やせなくなった場合、電流検出値ｉ_1d
を絞っても電流指令値ｉ_1qを増やしてやればトルクを出
すことができる。このような制御をするときにも励磁軸
電流指令値ｉ_1d ^* （ｉ_1dw ^* ）を小さくしていくが、本
実施例ではかかる制御をしたときにも、安定した制御が
できる。

【００３５】

【発明の効果】以上実施例と共に具体的に説明したよう
に本発明によれば、励磁軸電流指令値を定格値よりも小
さくして弱励磁運転する時には、入力値変換部により、
励磁軸電流検出値及びトルク軸電流検出値と励磁軸電圧
指令値及びトルク軸電圧指令値を、定格運転時の値に換
算し、換算した各値を同一次元磁束オブザーバへ送るよ
うにしたので、速度センサレスベクトル制御装置であっ
ても弱励磁運転時の電動機速度の推定が正確にでき、正
確・容易に速度制御ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る誘導電動機の速度センサ
レスベクトル制御装置を示すブロック構成図。

【図２】従来の速度センサレスベクトル制御装置を示す
ブロック構成図。

【符号の説明】 １ インバータ ２ 誘導電動機 ３ ３相−２相変換器 ４ 座標変換器 ５ 電流制御演算部 ６ 座標変換器 ７ ２相−３相変換器 ８ 同一次元磁束オブザーバ ９ 速度適応機構 １０ すべり算出器 １１ 制御軸ずれ補償器 １２ 位相演算器 ２１ 励磁電流指令部 ２２ 入力値変換部 ２３，２４ 座標変換器 ２５ 弱励磁運転制御部 ｉ_1a，ｉ_1d 励磁軸電流検出値 ｉ_1b，ｉ_1q トルク軸電流検出値 ｉ_1d0 オブザーバ計算用励磁軸電流検出値 ｉ_1q0 オブザーバ計算用トルク軸電流検出値 ｉ_1d ^* ，ｉ_1dw ^* 励磁軸電流指令値 ｉ_1q ^* ，ｉ_1qw ^* トルク軸電流指令値 ｉ_1a ^# 励磁軸電流推定値 ｉ_1b ^# トルク軸電流推定値 ｉ_u ，ｉ_v ，ｉ_w １次電流 ｖ_1a ^* ，ｖ_1d ^* ，ｖ_1dw ^* 励磁軸電圧指令値 ｖ_1b ^* ，ｖ_1q ^* ，ｖ_1qw ^* トルク軸電圧指令値 ｖ_1d0 ^* オブザーバ計算用励磁軸電圧指令値 ｖ_1q0 ^* オブザーバ計算用トルク軸電圧指令値 ｖ_u ，ｖ_v ，ｖ_w １次電圧制御指令 λ_2a ^# ２次励磁軸磁束推定値 λ_2b ^# ２次トルク軸磁束推定値 ω₀ 電源角周波数 ω_r ^# 電動機速度推定値 ω_s ^* すべり角周波数指令値 ω_sc ^* すべり角周波数修正値

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 誘導電動機に供給する１次電流を３相−
   ２相変換してなる励磁軸電流検出値及びトルク軸電流検
   出値を、励磁軸電流指令値及びトルク軸電流指令値に等
   しくさせる励磁軸電圧指令値及びトルク軸電圧指令値を
   演算して出力する電流制御演算部と、 前記励磁軸電圧指令値及びトルク軸電圧指令値を２相−
   ３相変換してなる１次電圧制御指令に応じた１次電流を
   前記誘導電動機に供給するインバータと、 前記励磁軸電流検出値及びトルク軸電流検出値と、前記
   励磁軸電圧指令値及びトルク軸電圧指令値を取り込んで
   オブザーバ演算することにより、励磁軸電流推定値及び
   トルク軸電流推定値と、２次励磁軸磁束推定値及び２次
   トルク軸磁束推定値を求めて出力する同一次元磁束オブ
   ザーバと、 前記励磁軸電流検出値及びトルク軸電流検出値と、前記
   同一次元磁束オブザーバで求めた前記励磁軸電流推定値
   及びトルク軸電流推定値と、前記２次励磁軸磁束推定値
   及び２次トルク軸磁束推定値を取り込んで適応制御演算
   することにより、電動機速度推定値を求める速度適応機
   構とを備えた誘導電動機の速度センサレスベクトル制御
   装置において、 前記励磁軸電流指令値の値を定格値よりも小さくして前
   記電流制御部に送ることのできる制御手段と、 前記励磁軸電流指令値の値が定格値よりも小さくなった
   ときには、前記励磁軸電流検出値及びトルク軸電流検出
   値と前記励磁軸電圧指令値及びトルク軸電圧指令値を、
   定格運転時のときの値に換算して前記同一次元磁束オブ
   ザーバに送る入力値変換部と、を備えたことを特徴とす
   る誘導電動機の速度センサレスベクトル制御装置。