JPH10191700A - 同期電動機の制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回転子内部に永久磁石を持つ三相同期電動機
において、定出力範囲を広くとれる特性を損なうことな
く、低速回転領域においての高速応答を満たし、かつ、
出力トルクの低下を防ぐ制御方法を提供する。 【解決手段】 回転子内部に永久磁石を持つ三相同期電
動機５と、前記電動機５を、直交するｄ−ｑ軸の電流成
分により制御する電流制御ループを持つ制御装置と、そ
れぞれトルク指令Ｔ^*及び速度フィードバック信号Ｎ_fb
とに基づいて設定されるｄ軸電流指令Ｉ_d ^*及びｑ軸電流
指令Ｉ_q ^*を与える電流指令作成部９とを備えた同期電動
機の制御方法において、運転モード切替信号が与えられ
たとき、ｑ軸電流指令Ｉ_q ^*をＫ１Ｉ_q ^*（Ｋ１≧１）に、
ｄ軸電流指令Ｉ_d ^*を一定値にそれぞれ切り替える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インバータ等での
回転子内部に永久磁石を持つ三相同期電動機の制御方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、回転子内部に永久磁石を持つ三相
同期電動機の制御法としては、直交ｄ−ｑ理論に基づい
た、ｄ軸電流指令とｑ軸電流指令を各々指令し、磁石に
よるトルク成分（以下「磁石卜ルク」という）とリラク
タンスによるトルク成分（以下「リラクタンストルク」
という）を併用した制御法、いわゆる弱め界磁制御法が
知られている。また回転子表面に永久磁石を持つ三相同
期電動機の制御方法としては、ｄ軸電流指令を常に０に
する制御方法が知られている。

【０００３】図４は従来の三相同期電動機の制御ブロッ
ク図を示すものである。図において、１は三相交流電
源、２は交流を直流に変換するコンバータ、３は平滑コ
ンデンサ、４は直流を交流に変換するインバータ、５は
永久磁石同期電動機、６は同期電動機５の回転位置を検
出するエンコーダ、８は速度指令Ｎ^*と速度フィードバ
ック信号Ｎ_fbに基づいてトルク指令Ｔ^*（ｑ軸電流指令
Ｉ_q ^*）を出力する速度制御器、１０は同期電動機５の負
荷電流を検出する電流検出器、１１は同期電動機５の３
相のうち２相の電流に基づいてｄ軸及びｑ軸の電流を生
成する３相／ｄ−ｑ変換器、１２は前記トルク指令Ｔ^*
（ｑ軸電流指令Ｉ_q ^*）とｄ軸電流指令Ｉ_d ^*及びｄ軸及び
ｑ軸の電流に基づいてｑ軸及びｄ軸電圧Ｖ_q及びＶ_dを出
力するベクトル演算器、１３はｑ軸及びｄ軸電圧Ｖ_q及
びＶ_dならびに速度信号に基づいてインバータ４に与え
る電圧の大きさ、位相角を出力するＰＷＭ発生器であ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前者の弱め界磁制御法
では、磁石トルクとリラクタンストルクの間に電流を流
してからトルクが発生するまでに時間差があり、互いの
発生トルクが干渉してしまい、高速応答に適さないとい
う問題があった。また後者の方法では、定出力制御を行
う場合、弱め界磁による誘起電圧の上昇を抑えることが
できず、定出力範囲を広くとることができないという問
題があった。また、回転子内部に永久磁石を持つ三相同
期電動機をｄ軸電流指令Ｉ_d ^*を常に０にして制御すると
リラクタンストルクが利用できず、出力トルクが低下す
るという問題があった。そこで、本発明は従来技術の欠
点を解決するために、回転子内部に永久磁石を持つ三相
同期電動機において、定出力範囲を広くとれる特性を損
なうことなく、低速回転領域においての高速応答を満た
し、かつ、出力トルクの低下を防ぐ制御方法を提供する
ことを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記問題点を解決するた
めに、本発明は、回転子内部に永久磁石を持つ三相同期
電動機と、前記電動機を、直交するｄ−ｑ軸の電流成分
により制御する電流制御ループを持つ制御装置と、それ
ぞれトルク指令Ｔ^*及び速度フィードバック信号Ｎ_fbと
に基づいて設定されるｄ軸電流指令Ｉ_d ^*及びｑ軸電流指
令Ｉ_q ^*を与える電流指令作成部とを備えた同期電動機の
制御方法において、運転モード切替信号が与えられたと
き、前記ｑ軸電流指令Ｉ_q ^*をＫ１Ｉ_q ^*（Ｋ１≧１）に、
前記ｄ軸電流指令Ｉｄ^*を一定値にそれぞれ補正するも
のである。この制御方法は、同期電動機が工作機主軸駆
動用電動機である場合に適用することができる。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明においては、電動機制御シ
ステムの運転モードとして設定した、広範囲な定出力範
囲が要求されるモード１と、低速域において高速応答が
要求されるモード２の２つのモードのいずれかを運転モ
ード切替信号によって切り替える運転モード切替部を有
し、この運転モード切替部で切り替えた運転モードに連
動してｄ軸電流指令Ｉ_d ^*及びｑ軸電流指令Ｉ_q ^*を以下の
ように切り替え制御するものである。 モード１： Ｉ_q ^*＝ｆ（Ｔ^*，Ｎ_fb） Ｉ_d ^*＝ｇ（Ｔ^*，Ｎ_fb） ・・・（１．１） モード２： Ｉ_q ^*＝Ｋ１×ｆ（Ｔ^*，Ｎ_fb） Ｉ_d ^*＝Ｋ２ ・・・（１．２） ただし、Ｉ_q ^*はｑ軸電流指令、Ｉ_d ^*はｄ軸電流指令、Ｔ
^*はトルク指令、Ｎ_fbは速度フィードバック、ｆ（Ｔ^*，
Ｎ_fb）はトルク指令と速度フィードバックを変数とする
ｑ軸電流指令演算式、ｇ（Ｔ^*，Ｎ_fb）はトルク指令と
速度フィードバックを変数とするｄ軸電流指令演算式、
Ｋ１，Ｋ２は以下のような範囲を取る定数、 Ｋ１の範囲： １≦Ｋ１≦Ｉ_max／Ｉ_q1 ・・・（１．３） ただし、Ｉ_max：インバータ最大出力電流、Ｉ_q1：モー
ド１における最大ｑ軸電流 Ｋ２の範囲： −√（Ｉ_max ²−Ｉ_q2 ²）≦Ｋ２≦√（Ｉ_max ²−Ｉ_q2 ²） ・・・（１．４） ただし、Ｉ_max：インバータ最大出力電流、Ｉ_q2：モー
ド２における最大ｑ軸電流。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１に基づいて説明
する。図１において、図２に示した従来の制御系の構成
と同じ構成については同じ符号を付している。本発明の
実施例においては、速度制御器８とベクトル演算器１２
との間に、電流指令作成部９と運転モード切替部１４と
を設けている。具体的に説明すると、３相交流電源１は
コンバータ２に入力され、平滑コンデンサ３からインバ
ータ４に接続されている。インバータ４の出力は回転子
内部に永久磁石を有する同期電動機５につながれ、電動
機回転速度を検出するエンコーダ６が取り付けられてお
り、エンコーダ出力は速度演算器７により、速度Ｎ_fbに
変換される。速度指令Ｎ^*と速度検出部出力の速度フィ
ードバックＮ_fbは、速度制御器８により比較されトルク
指令Ｔ^*を作る。トルク指令Ｔ^*と速度フィードバックＮ
_fbは、電流指令作成部９でｄ，ｑ軸それぞれの電流指令
Ｉ_d ^*、Ｉ_q ^*を作る。すなわち、ｑ軸電流指令Ｉ_q ^*は、速
度指令Ｎ^*と速度フィードバックＮ_fbの偏差に速度ゲイ
ンＡＳＲを乗じ、さらに速度フィードバックゲインＮ_fb
による関数９−１を掛け合わせたものとなる。また、ｄ
軸電流指令Ｉ_d ^*は上記ｑ軸電流指令Ｉ_q ^*と速度フィード
バックの関数９−２を足し合わせ、符号を反転したもの
である。関数９−１は前記（１．１）式の関数ｆ
（Ｔ^*，Ｎ_fb）を表すものであり、関数９−２は関数ｇ
（Ｔ^*，Ｎ_fb）を表すものである。

【０００８】関数９−１、９−２の一例について述べ
る。トルク指令をＴ^*、電動機基底回転速度をＮ_BASE、
速度演算器７で演算された電動機回転速度（速度フィー
ドバック）をＮ_fb、またその絶対値をａｂｓ｛Ｎ_fb｝と
すると、関数９−１は次式で表され、図２のようにな
る。 ０≦ａｂｓ｛Ｎ_fb｝≦Ｎ_BASEのとき、ゲイン＝Ｔ^* ａｂｓ｛Ｎ_fb｝≧のとき、ゲイン＝｛Ｎ_BASE／Ｎ_fb｝×
Ｔ^* また、関数９−２は次式で表され、図３のようになる。 ０≦ａｂｓ｛Ｎ_fb｝≦Ｎ_BASEのとき、ゲイン＝０ ａｂｓ｛Ｎ_fb｝≧のとき、ゲイン＝｛（Ｎ_fb−Ｎ_BASE）
／Ｎ_BASE｝×ｊ ｊの範囲は、Ｉ_max：インバータ最大出力電流、Ｉ_q：ｑ
軸電流指令、Ｉ_d：ｄ軸電流指令としたとき、Ｉ_max≧√
（Ｉ_q ²＋Ｉ_d ²）となるように選ぶ。なお、図１において
９−３、９−４はリミッタである。

【０００９】インバータ出力電流を検出する電流検出器
１０の出力は３相／ｄ−ｑ変換器１１により直交２軸成
分に変換され、ｄ、ｑ軸それぞれの電流指令と、ベクト
ル演算器１２により比較され、ｄ、ｑ軸それぞれの電圧
指令Ｖ_d、Ｖ_qを作り、ＰＷＭ発生器１３に入る。ＰＷＭ
発生器１３では、電圧指令Ｖ_d、Ｖ_qと速度演算器７の出
力より、インバータを駆動するゲート信号を作る。電流
指令作成部９で作られたｄ、ｑ軸それぞれの電流指令
は、切替信号により、表１に説明するようにｄ，ｑ軸そ
れぞれの電流指令を切り替える。工作機械の場合ではＮ
Ｃなどの上位コントローラの制御信号を取り込むことに
よって切替信号を与えることもできるし、また単独運転
の場合は速度指令は速度フィードバックの値に応じて切
替信号を与えることもできる。

【００１０】

【表１】 モード１： Ｉ_q ^*＝ｆ（Ｔ^*，Ｎ_fb） Ｉ_d ^*＝ｇ（Ｔ^*，Ｎ_fb） ・・・（２．１） ただし、Ｉ_q ^*：ｑ軸電流指令、Ｉ_d ^*：ｄ軸電流指令、Ｔ
^*：トルク指令、Ｎ_fb：速度フィードバック、ｆ（Ｔ^*，
Ｎ_fb）はトルク指令と速度フィードバックを変数とする
ｑ軸電流指令演算、ｇ（Ｔ^*，Ｎ_fb）はトルク指令と速
度フィードバックを変数とするｄ軸電流指令演算であ
る。回転子内部に永久磁石を有する同期電動機５は、電
流をｄ−ｑ理論の直軸成分Ｉ_qと横軸成分Ｉ_dに振り分
け、ｄ軸電流を負（マイナス）となるように流すことに
より弱め界磁制御が行え、電動機の端子電圧（誘起電
圧）を抑えることができ、広範囲の定出力運転が可能と
なる。

【００１１】低速域において、高速応答が要求される運
転状態（モード２）では、（２．２）式のようにｄ、ｑ
軸電流指令を作成する。 ・モード２： Ｉ_q ^*＝Ｋ１×ｆ（Ｔ^*，Ｎ_fb） Ｉ_d ^*＝０ ・・・（２．２） ただし、Ｉ_q ^*：ｑ軸電流指令、Ｉ_d ^*：ｄ軸電流指令、Ｔ
^*：トルク指令、Ｎ_fb：速度フィードバック、ｆ（Ｔ^*，
Ｎ_fb）はトルク指令と速度フィードバックを変数とする
ｑ軸電流指令演算、Ｋ１は（２．３）式の範囲をもつ定
数である。 １≦Ｋ１≦Ｉ_max／Ｉ_q1 ・・・（２．３） ただし、Ｉ_max：インバータ最大出力電流、Ｉ_q1：モー
ド１における最大ｑ軸電流である。ｄ軸電流指令を０と
することは、弱め界磁による広範な定出力を確保するこ
とをさまたげるが、電動機の誘起電圧の十分低い低速回
転域においては、有効に利用できる。ｄ軸電流を０とす
ることで、リラクタンストルクは発生せず、磁石トルク
のみ制御するので高速応答が可能となる。

【００１２】また、回転子内部に永久磁石を有する同期
電動機の発生トルクは（２．４）式のようにあらわせ
る。 Ｔ＝Ｐ_n×Φ_a×Ｉ_q＋Ｐ_n×（Ｌ_d−Ｌ_q）×Ｉ_q×Ｉ_d ・・・（２．４） ただし、Ｔ：同期電動機発生トルク、Ｐ_n：同期電動機
のポール極対数、Φ_a：永久磁石による電機子鎖磁束、
Ｌ_d：ｄ軸インダクタンス、Ｌ_q：ｑ軸インダクタンス、
Ｉ_d：ｄ軸電流、Ｉ_q：ｑ軸電流である。（２．２）式に
おいてｄ軸電流を０とすることは、（２．４）式の右辺
第２項が０となり、電動機出力トルクが低下してしま
う。低速回転領域での出力トルクの低下を防ぐために、
（２．２）式における定数Ｋ１を以下のように設定す
る。インバータの出力できる最大電流は（２．５）式で
あらわせる。 Ｉ_max≧√（Ｉ_q ²＋Ｉ_d ²） ・・・（２．５） ただし、Ｉ_max：インバータ最大出力電流、Ｉ_q：ｑ軸電
流、Ｉ_d：ｄ軸電流である。モード２ではｄ軸電流指令
は０であるので（２．５）式は（２．６）のように表せ
る。 Ｉ_max≧Ｉ_q ・・・（２．６） すなわち、モード２では、モード１よりも大きなｑ軸電
流を流すことができる。したがって、定数Ｋ１の範囲は
以下のようになる。 １≦Ｋ１≦Ｉ_max／Ｉ_q1 ・・・（２．７） ただし、Ｉ_max：インバータ最大出力電流、Ｉ_q1：モー
ド１における最大ｑ軸電流である。定数Ｋ１の範囲を１
より大きくした場合、（２．４）式の右辺第１項のＩ_q
が増加するので、出力トルクは増す。なお、上記実施例
ではＩ_d ^*＝０とした例を示したが、一般的にはＩ_d ^*＝Ｋ
２という固定値とすることができる。ここで、Ｋ２の範
囲は次式で表される。 −√（Ｉ_max ²−Ｉ_q2 ²）≦Ｋ２≦√（Ｉ_max ²−Ｉ_q2 ²） ただし、Ｉ_max：インバータ最大出力電流、Ｉ_q2：モー
ド２における最大ｑ軸電流

【００１３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、運
転モード切替信号が与えられたとき、ｑ軸電流指令Ｉ_q ^*
とｄ軸電流指令Ｉ_d ^*をそれぞれ切り替えることにより、
低速回転領域においての出力トルクを低下させることな
しに高速応答が可能となり、しかも広範な定出力特性を
あわせ持つ制御が可能となり、回転子内部に永久磁石を
持つ三相同期電動機を有効に使用、特に低速回転時に高
速応答が要求される工作機主軸制御に適用したときに有
用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例を示す制御ブロック図であ
る。

【図２】 本発明における関数の例を示す説明図であ
る。

【図３】 本発明における関数の例を示す説明図であ
る。

【図４】 従来例を示す制御ブロック図である。

【符号の説明】

１ 三相交流電源、２ コンバータ、３ 平滑コンデン
サ、４ インバータ、５永久磁石同期電動機、６ エン
コーダ、７ 速度演算器、８ 速度制御器、９電流指令
作成部、１０ 電流検出器、１１ ３相／ｄ−ｑ変換
器、１２ ベクトル演算器、１３ ＰＷＭ発生器、１４
運転モード切替部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 沢 俊裕 福岡県北九州市八幡西区黒崎城石２番１号 株式会社安川電機内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転子内部に永久磁石を持つ三相同期電
   動機と、前記電動機を、直交するｄ−ｑ軸の電流成分に
   より制御する電流制御ループを持つ制御装置と、それぞ
   れトルク指令Ｔ^*及び速度フィードバック信号Ｎ_fbとに
   基づいて設定されるｄ軸電流指令Ｉ_d ^*及びｑ軸電流指令
   Ｉ_q ^*を与える電流指令作成部とを備えた同期電動機の制
   御方法において、 運転モード切替信号が与えられたとき、前記ｑ軸電流指
   令Ｉ_q ^*をＫ１Ｉ_q ^*（Ｋ１≧１）に、前記ｄ軸電流指令Ｉ
   _d ^*を一定値にそれぞれ切り替えることを特徴とする同期
   電動機の制御方法。
2. 【請求項２】 前記同期電動機が工作機主軸駆動用電動
   機である請求項１記載の同期電動機の制御方法。