JPS62260580A - 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？ＩＩ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
御装置に関する。

〔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て定速モータとして、堅牢、低
度なる特徴を活かして幅広く活用・、５され、できた。

＋、ｊ　＋ｒ　−’−ノ　゛ 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、電気機難字、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１１（
１＋２次磁束中２を作り出すための励磁電流五〇及び辷
り速度ωｓであり、下記の関係がある。

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・０式ここ
に、Ｌｚｚ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
トル制御部に与走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１１ｑ及び
励［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ω１．励磁ｔ　’ａ　ｉ　。

トルク電流ｉｌｑ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Φｒ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０１１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ωｓ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もＩＭ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（ＩＩ）、Ｐ２７、図５．２６、媒化出
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、励磁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。

上記鉄損はトルク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Ω、０２乗にも作用する。

また、上記機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ｉＩＱ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”　＋Ｒｔ　ｉｔ！　＋　　（ｆｔ”　＝
ｆｏ”＋　ｓ　＋ｑ″）・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・旧・・０式・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・０式・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・０式％式％ Ｒ”＝Ｒ１＋　３　ｆ　ｔ ｆＩ　ニスイツチング周波数 ΔＴとすれば、励磁電流１０の冑調波分をｉ。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 ωｓ、：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ω。

をに２倍することによってｋｔω１とし、１０を１／に
倍することによってｉ０／にとすると一部トルクのもと
では次のような式となる。

定数 ｚ 変数 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・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ωｓが小さくなるときには辷りω１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，ｔ　＋”　＋　ＲＺ　ｆ　ｚ”・・・・・・・
・・・・・０式■弐をｉ、、ｉエ　座標系におきかえる
とＬ＝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出
する。

１ＧＩＩＩＱ　　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１
員失りに対しωｓの上限が求まることとなる（第２図参
照）。

熱損失以上となる。

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ωｓに対しく１／Ｉ））ωｓはむしろ
大きい。そこで、上記ｋが「１」よはωｓに対しずっと
大きくなる。このため０式に示すωｓ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ＴＭ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ｉＩｑの比（
つまり、’０＋、’ＩＱ　　の比で定まる辷り上記損失
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
モータへの指令トルクＴの値に応じて辷り速度ω８の変
化範囲を設定し、指令トルクＴの値が所定値より小さい
ときには辷り速度ω８の値の範囲がインダクシヨンモー
タの定格運転（定格トルクおよび定格速度）における辷
り速度ωｓ．を下限として指令トルクＴの値に対し定格
運転におけるインダクシヨンモータの損失の値と等しい
損失を発布する辷り速度ωｓ□を上限とするようにし、
また指令トルクＴの値が所定値より大きいときには辷り
速度ωｓの値の範囲が上記上り速度ω８．を上限とし、
インダクシヨンモータの回路定数（相互インダクタンス
Ｍ、２次インダクタンスＬ２□、１次抵抗Ｒ＋、２次抵
抗Ｒｔ）により定まり、前記損失を最小とするような辷
り速度ω８゜を下限とし、指令トルクＴが小さくなった
ときには辷り速度ωｓを大きくし、指令トルクＴが大き
くなったときには辷り速度ωｓを小さくするようにし、
指令トルクＴが小さいときにはインダクシヨンモータの
速度変動を小さくし、指令トルクＴが大きいときにはイ
ンダクシヨンモータの損失を小さくするようにしたもの
である。

また、指令トルクＴの増減により辷り速度ωｓの減増が
なされるように２次磁束Φ２又は励磁電流１０が増減し
、この２次磁束Φ２又は励磁電流１０と指令トルクＴと
により定まる辷り速度ωよトルク電流ｉ＋ｑとをベクト
ル制御の関係を保つ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の値を格納
し、指令トルクＴがアドレスとして印加されたとき上記
２次磁束Φ２又は励磁電流１０が得られるようにした記
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ω７は速度制御増幅器１に入力
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（以下、Ａ／Ｄコンバータ
と記す）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１ωｒ１が小さく、又トルクＴ
が小さいときにはには速度変動Δωｒを小さくする。

この場合には、損失りを許容範囲で大きくし、辷りωｓ
を増大させる。この辷りωｓ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ωｓ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ωｓ．
励磁電流”Ｏｒトルク電流１１Ｑ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Δωｓを犠牲にし、辷りωｓを
減少させ、損失りが小さくなるような辷りωｓ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
ωｓはトルクＴに比例して大きくなるが、本発明では２
次磁束φ２をトルクＴと回転速度ωｓとで定めるので辷
りω１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Ｌ
＋　に示すように大きな楕円形であり、この場合にはト
ルクは一点鎖線で示すようになる。

この場合には、符号Ｐで示すようになっていたが、本発
明では損失が符号Ｌ２で示すように小さくなるので、辷
りが符号Ｐ、で示すようになる。

回転速度ωｓ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に入力する。

ここで回転速度ω１は速度制御増幅器１に入力し、また
この速度制御増幅器１の出力であるトルクＴは、Ａ　／
　Ｄコンバータ１９を介してメモリー２２に入力する。

トルクＴ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０で辷り速度ω７がωｓ１のときには、２次磁
束Φ２はΦ２Ｉで与えられ、トルクＴが大きくなったと
きには回転速度ωｓがωｓ１であるときに、２次磁束Φ
２はΦ２□で与えられることとなる。つまり、トルクＴ
と回転速度ωｓ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が一義的に定まることとなる。

なお、第３図に示すトルクＴが大のときには低速でも２
次磁束φ２を大とするというカーブ（Φ２□）を考えた
場合、２次磁束Φ２を変化させるためにトルクＴの信号
のみで変化させるので、上記カーブ（Φ２□）の形状は
変わらないこととなる。言い換えると、カーブΦｚ１の
ようにωｓ１より下の方はカーブを換えるという操作は
できなくなっている。

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Ｔ２回転速度ωｓと共にベクトル制御の関係を
保つ辷りω１．励磁電流１゜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４゜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、上式〇よりΦ２＝Φｚ（ｉｏ）とし、Φ２を上
式［相］、＠ｌに代入すれば、これらの式［相］、＠ｌ
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ω２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
電流１０をトルクＴと回転速度ω。

とで定め、上式（１１，＋３１より２次磁束Φ２を消去
した式を用いて、トルク電流１１Ｑ＋　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 ＋７Ｌｘ’ｒａ　＋ΔＴ　・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・［相］式・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・［相］式・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・０式高調波トルク
の周波数スペクトルをｍω８、とすると。

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・０
式・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
０式このときωｓを変化させトルクが低下しないように
。ｓ＝に２ω８とする。

Ｊｍｐ（ωｓ＋　□ωｓ） 定数 変数 〔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・・・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への指令トルクＴの値に応じ
   て辷り速度ω＿ｓの変化範囲を設定し、指令トルクＴの
   値が所定値より小さいときには辷り速度ω＿ｓの値の範
   囲がインダクシヨンモータの定格運転（定格トルクおよ
   び定格速度）における辷り速度ω＿ｓ＿１を下限として
   指令トルクＴの値に対し定格運転におけるインダクシヨ
   ンモータの損失の値と等しい損失を発生する辷り速度ω
   ＿ｓ＿２を上限とするようにし、また指令トルクＴの値
   が所定値より大きいときには辷り速度ω＿ｓの値の範囲
   が上記辷り速度ω＿ｓ＿１を上限とし、インダクシヨン
   モータの回路定数（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
   ）により定まり、前記損失を最小とするような辷り速度
   ω＿ｓ＿３を下限とし、指令トルクＴが小さくなったと
   きには辷り速度ω＿ｓを大きくし、指令トルクＴが大き
   くなったときには辷り速度ω＿ｓを小さくするようにし
   、指令トルクＴが小さいときにはインダクシヨンモータ
   の速度変動を小さくし、指令トルクＴが大きいときには
   インダクシヨンモータの損失を小さくすることを特徴と
   するベクトル制御装置。 ２、指令トルクＴの増減により辷り速度ω＿ｓの減増が
   なされるように２次磁束Φ＿ｓ又は励磁電流ｉ＿０が増
   減し、この２次磁束Φ＿２又は励磁電流ｉ＿０と指令ト
   ルクＴとにより定まる辷り速度ω＿ｓとトルク電流ｉ＿
   １＿ｑとをベクトル制御の関係を保つようにすることを
   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、２次磁束Φ＿２又は励磁電流ｉ＿０の値を格納し、
   指令トルクＴがアドレスとして印加されたとき上記２次
   磁束Φ＿２又は励磁電流ｉ＿０が得られるようにした記
   憶部を用いた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。