JPS62260579A - インダクシヨンモ−タ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、インダクシヨンモータのベクトル制御装置、
詳しくはモータの定速回転時における回転の円滑さを大
幅に改善し、トルクが大きいときには損失を大幅に低減
するようにしたインダクシヨンモータのベクトル制′４
′Ｂ装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、インダクシヨンモータ（以下、ＩＭと記す）は、
一定周波数の電源のもとで定速モータとして、堅牢、低
度なる特徴を活かして幅広く活用されてきた。

また、最近の電子デバイス、マイクロコンピュータ及び
ソフトウェアの技術の向上によって、上記ＩＭを駆動す
る電源として広範囲の可変周波数の電源が得られるよう
になったことに伴い、上記ＩＭは定速モータからサーボ
モータへと変身しつつある。このような可変周波数電源
は、例えば「上山直音編著、ニュードライブエレクトロ
ニクス、電気書院」　（以下、文献１と記す）及び「難
波江章他著、電気機語学、電気学会」　（以下、文献２
と記す）に示されているようなベクトル制御により動作
する。

上記ベクトル制御に用いる基本式は、トルク電流１１Ｑ
＋２次磁束Φ２を作り出すための励磁電流１０及び辷り
速度ωｒであり、下記の関係がある。

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・０式ここ
に、Ｌ、ｚｚは２次インダクタンスであり、Ｍは相互イ
ンダクタンスであり、Ｔはトルクであり、Φ２は２次磁
束であり、Ｒ２は２次抵抗である。

上記基本式の中でトルクＴはベクトル制御においてベク
トル制御部に与えられる指令値であり、２次磁束Φ２は
、ベクトル制御において予め定められて与えられる数値
である。

上記トルクＴは次の式で与えられる。

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・０
式このようにして辷り速度ωｓ．トルク電流１１４及び
励磁電流１０が定められると上記文献１に示される手段
により上記上り速度ωｒ、励磁電流’Ｏ＋トルク電流１
１ｑでいわゆるインバータを制御し、上記ＩＭを所望の
性能で駆動する電力を供給することができる。

ここで上記文献１に示されている手段として、その第６
・３５図を第７図に示して説明する。

第７図に示すように、従来の「辷り周波数形ベクトル制
御」の基本構成はなっている。

すなわち、上記第７図において、１は速度制御増幅器、
２は割算器、３は定数設定器、４はベクトルアナライザ
、５は掛算器、６は変換器、７は電流増幅器、８は電力
変換器、９はインダクシヨンモータ（ＩＭ）、１１は速
度検出器、１２は微分器、１３，１４，１５．１６は定
数設定器、１７は割算器、１８はベクトル発振器、２０
は加算器である。このような構成によれば、時々刻々変
動する瞬時電流の変化に応じてトルクを制御することが
可能となる。なお、詳細については上記文献１の６．　
２．　１章の６．９〜６．１９式を参照されたい。

また、上記第７図に示した辷り周波数形ベクトル制御の
場合には、２次磁束φ２の計画値Φ、は第８図に示すよ
うに全回転速度範囲、全トルク範囲において一般に一定
値であった（これを定トルク特性といい、この場合には
ＩＭの出力は速度に比例して増大する）。

そして、従来でも特にＩＭの高速範囲で出力を一定とす
ることが要求される場合には、第９図に示すように所定
の速度ωｒｌｌ以下では上記２次磁束φ２を一定とし、
この所定の速度ωｒ、１０以上では２次磁束Φ２を速度
に反比例させる（定出力特性）程度であった（この場合
上記２次磁束Φ２は速度ωｒの関数となっている）。即
ち、従来の辷り周波数形ベクトル制御では、高トルク時
に損失を少なくして高効率にすることと、低負荷時には
回転を滑らかにするといった面で不充分であった。

〔解決しようとする問題点〕

しかしながら、インダクシヨンモータ（ＩＭ）をサーボ
モータとして用いるには次のような問題点に直面してい
た。つまり、サーボモータは、■例えば工作機械のテー
ブル送りの仕上げ加工の場合のような高精度制御を行う
際における主に低速域では特に円滑な回転、即ち回転速
度の変動が小さいことが要求されている。

■例えば工作機械のテーブル送りの粗加工のような高出
力のときには広い速度範囲で熱損失をできるだけ小さく
してトルクを大きくすることが要求されている。

〔問題点を解決するための手段および作用〕次に、本発
明の詳細な説明する。

一般に工作機械のような負荷を駆動する場合にトルクの
大きい時には、負荷側でのトルク（力）の作用している
部分はトルクが大きいために大きなひずみが発生してお
り、このような場合には先ず高出力を取り出したいので
回転の円滑さを犠牲にしてでも１Ｍの発熱を主体とする
損失を小さくすることが要求される。

ここで損失について説明する。この損失は「野中作太部
著　電気機器（ｎ）、Ｐ２７、図５．２６、森北出版、
１９７１年７月１５日、第１版」（以下、文献３と記す
）に示されているように、■銅損 ■鉄損 ■機械損 等に分類されるが、上記■に示す銅損の比重が最も大き
く、この銅損は一次電流、二次電流の２乗に応じて増大
する。

上記鉄損は励磁電流に応じて大きくなる磁束密度の１．
６〜２乗に作用すると言われており、かつＩＭに印加さ
れる電力の一次周波数ω１の２乗にも作用する。

また、上記殿械損は別の要因であるのでここで述べるこ
とはしない。

かくして、損失を小さくするには励磁電流１０とトルク
電流ｊ＋＋に関する損失を改善することが実用上極めて
大切である。

ここで上記損失しは次式で表わされる。

Ｌ＝Ｒ１ｉｌ”　＋Ｒｚ　　ｉｔ”　ｒ　　（ｉｚ”　
＝ｉｏ”＋　ｉ　、Ｑｚ　）・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・旧・・０式・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・０式
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・■式Ｔ　　　　　　　　　　　　　　Ｍ” ここに、４２２　＝　ｉｌ、ｔ　＋４　、ｑｔＲＩ’　
＝　Ｒ１＋　；１ωｒ２ ω１　；スイッチング周波数 ａ；定数 また、速度変動Δω１はトルクＴの高調渡分をΔＴとす
れば、励磁電流１０の高調渡分を１０のとき後述する運
動方程式より次の式が与えられる。

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・０式ここで次のようである。

Ｊ：イナーシャ ｍ：質量 ｐ：モータの極対数 ωｒ二回転速度 トルクＴの基本波（直流分）に影響がないようにω５（
ｔｏ）”＝一定とするために、辷り速度ωｒをに２倍す
ることによってｋｔω８とし、１０を１／に倍すること
によってｉ、／にとすると一定トルクのもとでは次のよ
うな式となる。

定数 ×□　・・・・・・０式 において、回転速度ω１が段々小さくなるときには、ｋ
を段々大とすれば上記変数を小さく保つことができる。

つまり、回転速度ωｒが小さくなるときには辷りωｒを
増大させれば速度変動Δω１を小さくすることができる
。

また、損失の主要素である損失しは、次式で与えられる
。

Ｌ＝Ｒ，’　ｉ、”　＋Ｒ，ｔ２”・・・・・・・・・
・・・０式■弐を　’Ｏ＋１１４　　座標系におきかえ
ると損失り一一定の曲線は楕円として与えられる（第２
図参照）。これを次式で示す。

またトルクＴは先に０式で与えられているがここに再掲
する。

’Ｏ＋　　ＩＩＱ　　座標系ではトルクＴ＝一定の曲線
は双曲線となる（第２図参照）。

ところで、一般にＩＭにおいては許容できる熱損失が決
まっており、特定のトルクＴが与えられると、許容の損
失りに対しωｓの上限が求まることとなる（第２図参照
）。

失態上となる。

また、前記０式のようにωｓはトルクＴの関数で与えら
れるので低速時のωｒに対しく１／ｐ）ωｒはむしろ大
きい。そこで、上記ｋがｒｌＪよω１に対しずっと大き
くなる。このため０式に示すωｒが小さい時でも充分小
さい範囲に保たれることとなる。

さらに、サーボモータとしてのＩＭは加減速時の大きい
トルクを必要とするときでも電磁的に飽和しないような
構造をもっている。そこで、励磁電流やトルク電流の一
部を加減しても電磁的には飽和しない構造を持っている
と考えてよい。

かくして、損失りを励磁電流１０．トルク１１ｑの比（
つまり、’＋１＋ｉｌＱ　　の比で定まる辷りに選ぶこ
とにより上記損失りを小さくすることができる。

以上に述べたような原理に本発明はよっている。

本発明は上記問題点を解決するために、インダクシヨン
モータの回転速度ωｒが小さくなったときには辷り速度
ω８を増大することによって回転速度ωｒの変動を低減
させ、かつインダクシヨンモータに対する指令トルクＴ
が大きくなったできには辷り速度ωｓを減少させること
によってインダクシヨンモータの損失を低減するように
したものである。

またインダクシヨンモータの２次磁束Φ２又は励磁電流
１０の値を指令トルクＴと回転速度ωｒとにより定め、
この２次磁束Φ２又は励磁電流１０に基づきベクトル制
御の関係を保つようにインダクシヨンモータの励磁電流
ｉ。とトルク電流ｉ、９と辷り速度ωｒを定めるように
したものである。

また指令トルクＴが所定値以上のときに辷り速度ωｒが
上記指令トルクＴに応じて変化し、インダクシヨンモー
タの回路定数である相互インダクタンスＭ、２次インダ
クタンスＬ２□、１次抵抗Ｒ１゜２次抵抗Ｒ２の値によ
って定まり、指令トルクＴに対するインダクシヨンモー
タの損失（１次及び２次の和）が最少となる所定値まで
増大するように２次磁束Φ２又は励磁電流１０を増大さ
せ、同一トルクのもとて損失を低減させるようにしたも
のである。

さらにまた指令トルクＴが所定値以下であって、インダ
クシヨンモータの回転速度の絶対値１ωｒ、１が所定値
以下のとき、辷り速度ωｒが回転速度ωｒの値によって
変化し、回転速度の絶対値１ωｒ、１が小さくなるとき
には２次磁束Φ２又は励磁電流１０が正規の値から所定
値になるまで減少するようにし、回転速度の絶対値１ω
１１が所定値に向って大きくなるときには、２次磁束中
２又は励磁電流１０が正規の値に復元させ、インダクシ
ヨンモータを低速時に回転速度ωｒの変動を低減させる
ようにしたものである。

さらにまた２次磁束Φ２又は励磁電流１０の値を記憶部
の出力により得られるようにし、この記憶部のアドレス
には指令トルクＴと回転速度ωｒとの組み合わせを対応
させ、この記憶部のアドレスデータとして指令トルクＴ
及び回転速度ωｒを印加したときに、これら指令トルク
Ｔ及び回転速度ωｒに対応して定められた２次磁束φ２
又は励磁電流ｉ、を示すデータが上記記憶部より出力さ
れるように同記憶部を用いたものである。

〔実施例〕 以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明する。

なお、第７図に示した従来例と同一部品には同一符号を
付すにとどめ、重ねて説明することを避ける。

図示のように回転速度ωｒは速度制御増幅器ｌに入力さ
れると共に、アナログ−デジタルコンバータ（以下、Ａ
／Ｄコンバータと記す）２１を介してメモリー２２の第
１の入力端に接続されている。また、上記速度制御増幅
器１の出力端はアナログ−デジタルコンバータ１９を介
して上記メモリー２２の第２の入力端に接続されている
。そして、このメモリー２２の出力端はデジタル−アナ
ログコンバータ２３を介して割算器２と微分器１２と定
数設定器１５等に接続されている。

次に、本発明の基本的な考え方は次のようなものである
。

■回転速度ωｒの絶対値１ωｒ（が小さく、又トルクＴ
が小さいときには速度変動Δωｒを小さくする。

この場合には、境失りを許容範囲で大きくし、辷りωｒ
を増大させる。この辷りωｒはトルクＴと回転速度ωｒ
で定める。また、２次磁束Φ２を媒介として定める。即
ち上記トルクＴと回転速度ω「とを指定して２次磁束Φ
２を求め、このトルクＴと２次磁束Φ２とで辷りω１．
励磁電流ｊ　Ｏ＋トルク電流ｉ工をベクトル制御の関係
（前記■。

■、■式）を保つようにして求めればよい。

■トルクＴが大きくなるときには損失りを小さくする。

この場合には、速度変動Δωｒを犠牲にし、辷りω５を
減少させ、損失りが小さくなるような辷りωｒを定める
。

り特性又は定出力特性ではトルクＴが大きくなれば辷り
ωｒはトルクＴに比例して太き（なるが、本発明では２
次磁束Φ２をトルクＴと回転速度ωｒとで定めるので辷
りω８がトルクＴに比例して大きくなる従来の場合比べ
て、はるかに小さくすることができ、一定のトルクのも
とでは損失りを最少にすることもできる。

つまり、第２図に示すように、従来の損失特性は符号り
、に示すように大きな楕円形であり、この場合にはトル
クＴ１は一点鎖線で示すようになる。この場合には、Ｉ
Ｍの動作点は符号Ｐで示すようにはなっていたが、本発
明ではωｓを操作することによって動作点ＰをＰｍに移
動させ符号Ｌ２で示すように損失が小さくなる。

回転速度ω１はＡ／Ｄコンバータ２１を介してメモリー
２２に入力し、またトルクＴはＡ／Ｄコンバータ１９を
介してメモリー２２に人力する。

これら回転速度ωｒとトルクＴとの値に応じて、予めメ
モリー２２の中には２次磁束Φ２を格納しておく。例え
ば第３図に示すように、トルクＴがＯで回転速度ωｒが
ω１．のときには、２次磁束Φ２はΦ２．で与えられ、
トルクＴが大きくなったときには回転速度ω１がωｒ１
であるときに、２次磁束Φ２はΦ２□で与えられる格納
データが引き出されることとなる。つまり、トルクＴと
回転速度ωｒとをメモリー２２にアドレスとして入力す
ることにより、このメモリー２２から出力される２次磁
束Φ２　（例えば上記Φ２．とΦ２□）が一義的に定ま
ることとなる。

この場合、上記２次磁束Φ２は損失りが許容範囲にある
ように定めておき、この２次磁束Φ２を媒介として従来
のトルクＴ９回転速度ω１と共にベクトル制御の関係を
保つ辷りωｒ、励磁電流１０及びトルク電流１１Ｑを求
めることとなる。

また、メモリー２２に格納するデーターとしては、上記
第３図に示したような場合の他に、第１、５．６図に示
すようなデーターを格納しておいてもよい。

即ち、第４図に示した場合にはＩＭ及び電源が何れとも
余裕があり、高速時でも大トルクが必要となる場合であ
り、第５図に示した場合はＩＭに余裕があっても電源に
余裕がない場合であって、中低速時に大トルクが必要と
なる場合であり、第６図に示した場合はＩＭ及び電源と
もいずれも余裕がない場合であって、低速時に大トルク
が必要となる場合である。

なお、ベクトル制御の関係式は なので、上式＠よりΦ２＝Φｚ（ｉ−）とし、Φ２を上
式［相］、＠ｌに代入すれば、これらの式［相］、■は
１０の関数となるので２次磁束Φ２を媒介としなくても
よいことは勿論である。

例えば２次磁束Φ２をトルクＴと回転速度ωｒで定める
かわりに、２次磁束Φ２と一対一の対応関係にある励磁
を流１０をトルクＴと回転速度ω１とで定め、上式［相
］、＠ｌより２次磁束Φ２を消去した式を用いて、トル
ク電流１１４＋　辷りωｓを求めても等価となる。この
ようにみかけ上は２次磁束Φ２を用いないやりかたにし
ても、本発明の趣旨に含まれることはいちいち説明する
までもない。

さらに前記０式に用いた運動方程式の算出は次のように
行えばよい。

ローターの動作の運動方程式 ＋’ｌ’Ｌ＝’ｒｍ＋ΔＴ　・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・［相］式・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・［相］式・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・■式畜調波トル
クの周波数スペクトルをｍω１　とする・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・０式・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・０式このときω
ｓを変化させトルクが低下しないようにωｒ＝に２ωｒ
とする。

Ｊｍｐ　　（ωｒ＋　□ωＳ） 定数 〔効果〕 本発明によれば、従来のベクトル制御の性能をそのまま
維持しながら低速で滑らかな回転を行うことができ、か
つトルクが大のときには従来よりも熱損失を小さくする
ことができる。さらにまた、このような発明を実現する
手段は比較的安価なメモリー素子等を追加するだけです
む。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すベクトル制御の基本構
成を示すブロック図、第２図は本発明に用いる損失特性
を示す図、第３．４，５．６図は本発明のメモリーに格
納されているデータの例をそれぞれ示す図、第７図は従
来のベクトル制御の基本構成を示すブロック図、第８図
及び第９図は、従来のベクトル制御の場合の特性図であ
る。 １・・・速度制御増幅器、 ９・・・インダクシヨンモータ、 １１・・・速度検出器、 １９．２１・・・アナログ−デジタルコンバータ、２２
・・・メモリー（記憶部） ２３・・・デジタル−アナログコンバータ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、インダクシヨンモータの回転速度ω＿ｒが小さくな
   ったときには辷り速度ω＿ｓを増大することによって回
   転速度ω＿ｒの変動を低減させ、かつインダクシヨンモ
   ータに対する指令トルクＴが大きくなったときには辷り
   速度ω＿ｓを減少させることによってインダクシヨンモ
   ータの損失を低減するようにしたことを特徴とするイン
   ダクシヨンモータのベクトル制御装置。 ２、インダクシヨンモータの２次磁束Φ＿２又は励磁電
   流ｉ＿０の値を指令トルクＴと回転速度ω＿ｒとにより
   定め、この２次磁束Φ＿２又は励磁電流ｉ＿０に基づき
   ベクトル制御の関係を保つようにインダクシヨンモータ
   の励磁電流ｉ＿０とトルク電流ｉ＿１＿ｑと辷り速度ω
   ＿ｓとを定めるようにしたことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載のインダクシヨンモータのベクトル制御
   装置。 ３、指令トルクＴが所定値以上のときに辷り速度ω＿ｓ
   が上記指令トルクＴに応じて変化し、インダクシヨンモ
   ータの回路定数である相互インダクタンスＭ、２次イン
   ダクタンスＬ＿２＿２、１次抵抗Ｒ＿１、２次抵抗Ｒ＿
   ２の値によって定まり、指令トルクＴに対するインダク
   シヨンモータの損失（１次及び２次の和）が最小となる
   所定値まで増大するように２次磁束Φ＿２又は励磁電流
   ｉ＿０を増大させ、同一トルクのもとで損失を低減させ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載のインダ
   クシヨンモータのベクトル制御装置。 ４、指令トルクＴが所定値以下であって、インダクシヨ
   ンモータの回転速度の絶対値｜ω＿ｒ｜が所定値以下の
   とき、辷り速度ω＿ｓが回転速度ω＿ｒの値によって変
   化し、回転速度の絶対値｜ω＿ｒ｜が小さくなるときに
   は２次磁束Φ＿２又は励磁電流ｉ＿０が正規の値から所
   定値になるまで減少するようにし、回転速度の絶対値｜
   ω＿ｒ｜が所定値に向って大きくなるときには、２次磁
   束Φ＿２又は励磁電流ｉ＿０が正規の値に復元させ、イ
   ンダクシヨンモータを低速時に回転速度ω＿ｒの変動を
   低減させるようにしたことを特徴とするインダクシヨン
   モータのベクトル制御装置。 ５、２次磁束Φ＿２又は励磁電流ｉ＿０の値を記憶部の
   出力により得られるようにし、この記憶部のアドレスに
   は指令トルクＴと回転速度ω＿ｒとの組み合わせを対応
   させ、この記憶部のアドレスデータとして指令トルクＴ
   及び回転速度ω＿ｒを印加したときに、これら指令トル
   クＴ及び回転速度ω＿ｒに対応して定められた２次磁束
   Φ＿２又は励磁電流ｉ＿０を示すデータが上記記憶部よ
   り出力されるように同記憶部を用いたことを特徴とする
   インダクシヨンモータのベクトル制御装置。