JPS62260581A - 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コンモータのベクトル制′４
ｎ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；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１彦編著、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ｉ＋ｑ
＋２火付束φ２を作り出すための励磁電流１゜及び辷り
速度ω５であり、下記の関係がある。

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・０式ここ
に、Ｌｔｔ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ωｒ．トルク電流ｉ＋ｑ及び
励磁電流１０が定められると上記文献ｌに示される手段
により上記上り速度ω３．励磁電流’Ｏｒ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６．９〜６．１９弐を参照されたい。

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ωｒ１１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ｔ員失は［野中作太
部著　電気機器（ＪＴ）、Ｐ２７、図５．２６．６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…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ωｒの２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ｉ。とトルク
電流ｉ＋＋ｓ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””Ｒ１１１”　＋Ｒｚ　　１２２＋　　Ｈｌ”　＝
　ｉ６””　ｌ　ＩＱ”　）・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・０式・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
０式・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・■式Ｔ　　　　　　　　　　　Ｍ２ ここに、ｉｔ”　＝ｉｏｚ＋ＩＩＱ” ｚ Ｒ＋’＝Ｒ１＋ａωｌ′ ωｒ　ニスイツチング周波数 ａ：定数 また、速度変動ΔωｒはトルクＴの高調波分をΔＴとす
れば、励磁電流１０の高調波分を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：回転速度 トルクＴの基本波（直流分）に影響がないように０ｇ（
１０）””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に２ω３とし、１０を１／に
倍することによってｉ６７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 変数 において、回転速度ωｒ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Δω。

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りは、次式で与えられる
。

Ｌ＝Ｒ，’　ｉ、”　＋Ｒ２１ｚ”・・・・・・・・・
・・・０式■弐を　１．、ｉ、９　座標系におきかえる
と損失し＝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。

１゜＋１１（Ｉ　　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ωｒの上限が求まることとなる（第２図参照
）。

計画値ωｒと辷りの上限ω３１の比率をに２とす失態上
となる。

また、前記０式のようにωｒ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）ωよはむしろ大
きい。そこで、上記ｋが「１」よに２ωｒ り大きい（通常２のオーダー）ときには□はωｒ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ｉｌｑの比（
つまり、１０＋’ＩＱ　　の比で定まる辷りしｚｚ　　
　　　ｔ。

に選ぶことにより上記損失りを小さくすることが本発明
は上記問題点を解決するために、指令トルクＴの値によ
って２次磁束Φ２又は励は励磁電流ｉ。の回転速度１ω
ｒ　１に対する関数関係を選択し、指令トルクＴが所定
値のときの２次磁束Φ２又は励磁電流１０を２次磁束φ
２又は励磁電流１０の計画値をΦ２Ｅ又はｉｏｔとする
とき　　　′、上記関係関数は、 指令トルクＴが所定値ＩＴＥ　ｌ以下のときこのインダ
クシヨンモータの辷り速度１ωｒ１は指令トルクＴとこ
のインダクシヨンモータの許容損失りとにより定まる最
大辷り速度１ωｒ１を越えぬように回転速度１〜１が所
定の回転速度｜ω■｜より小さい範囲で回転速度１ωｒ
１が小さくなるに従い２次磁束Φ２又は励磁電流１０を
減少させ、回転速度１叫　１が所定の回転速度１ωｒ１
以上では２次磁束Φ２又は励磁電流１０計画値Φ。

又はｉｏｔになるようにし、指令トルクＴが計画値ｌ’
ｒＥ　１以上のときにはこのインダクシヨンモータの辷
り速度１ω３１のインダクシヨンモータの損失りが最小
となる最小辷り速度）ω〒１１を越えぬように回転速度
｜ωｒ｜の全域または一部の範囲で計画された２次磁束
Φ、または励磁電流ｉｏＥを増大させるように定められ
ており、これら指令トルクＴと２次磁束Φ２又は励磁電
流１０により、このインダクシヨンモータの辷り速度ω
ｒとトルク電流ｊＩ９とがベクトル制御の関係を満たす
ように制御されるようにしたものである。

また、指令トルクＴが計画された指令トルクＴＥの≦所
定の回転速度１ωｒ１範囲における計画された２次磁束
Φ２Ｅ又は励磁電流ｉ、、の回転速度ωｒに対する減少
が直線的になるようにしたものである。

さらに、指令トルクＴが計画された指令トルクＴＥより
以上であるときは所定の回転速度１ωｒ１より大きい第
２の所定の回転速度｜ωｒ｜につき回転速度１ωｒ１≦
第２の所定の回転速度１ωｒ１のとき、回転速度ωｒが
小さくなるに従い計画された２次磁束Φ２Ｅ又は励磁電
流Ｌｘを直線的に増大させるようにしたものである。

さらに、指令トルクＴが計画された指令トルクＴ５以上
であるときは所定の回転速度ωｒより全域に亙って計画
された２次磁束Φ２１又は励磁を流ｌｏＥを所定倍する
ようにしたものである。

さらにまた、指令トルクＴの値により選択されるべき２
次磁束Φ２又は励磁電流１０の回転速度対する関数関係
は、指令トルクＴおよび回転速度｜ωｒ｜の組み合わせ
をアドレス入力とし、指令トルクＴと回転速１ωｒ１に
対する２次磁束Φ２又は励磁電流１０の値を格納した記
憶部に指令トルクＴおよび回転回転１−１が出力されに
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ωｒは速度制御増幅器１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。そして、このメモリー２
２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３２と微分器１２と定数設定器１５等に接続され
ている。

また、上記メモリー２２の第２の入力端にはディップス
イッチ１９が接続されていて、このディップスイッチ１
９を設定することによって、必要とするトルクＰを外部
から入力できるようになっている。

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｜ωｒ｜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、損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ωｒ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ωｒ．
励磁電流１０゜トルク電流ｉ工をベクトル制御の関係（
前記■。

０．０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ωｒ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ωｒとで定めるので辷
りωｒ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
１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ω３を操作することによって動作点ＰをＰｍに移
動させ符号Ｌｔで示すように損失が小さくなる。

回転速度ωｒ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はディップスイッチ１９を
設定する事によって外部からメモリー２２に入力される
。

これら回転速度ωｒとディップスイッチで設定されたト
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０で回転速度ωｒがωｒのときには、２次磁
束Φ２はΦ２１で与えられ、トルクＴが大きくなったと
きには回転速度ωｒがωｒＩであるときに、２次磁束φ
２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、設定されたトルク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ζｄ束Φｔ　（例えば上記
Φ２．とΦ２２）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Ｔ１回転速度ωｒと共にベクトル制御の関係を
保つ辷りωｓ．励磁電流１０及びトルク電流ｉｌｑ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［Ｍ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 Ｌｚｚ　　　　Ｔ なので、上式ＯよりΦ２＝Φｚ（ｔ−）とし、Φ２を上
式＠、＠ｌに代入すれば、これらの式［相］、［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
電流１０をトルクＴと回転速度ω。

とで定め、上式［相］、［相］より２次磁束Φ２を消去
した弐を用いて、トルク電流ｉ１ｑ＋辷りω３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。

ローグーの動作の運動方程式 ＋ＴＬ＝Ｔ、＋ΔＴ　・・・・・・・・・・・・・・・
・旧・・・・・０式・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・［相］式・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・０式高調波トルクの周波数スペ
クトルをｍωｒ、とすると。

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・０
式％式％） ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・０
式このときωｒを変化させトルクが低下しないようにω
５＝に２ωｒとする。

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
来のヘ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、・・・・・・ディップスイッチ ２１、・・・・・・アナログ−デジタルコンバータ、２
３、・・・・・・デジタル−アナログコンバータ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、指令トルクＴの値によって２次磁束Φ＿２又は励磁
   電流ｉ＿０の回転速度｜ω＿ｒ｜に対する関数関係を選
   択し、指令トルクＴが所定値のときの２次磁束Φ＿２又
   は励磁電流ｉ＿０を２次磁束Φ＿２又は励磁電流ｉ＿０
   の計画値をΦ＿２＿Ｅ又はｉ＿０＿Ｅとするとき、上記
   関係関数は、 指令トルクＴが所定値｜Ｔ＿Ｅ｜以下のときこのインダ
   クシヨンモータの辷り速度｜ω＿ｓ｜は指令トルクＴと
   このインダクシヨンモータの許容損失Ｌとにより定まる
   最大辷り速度｜ω＿■｜を越えぬように回転速度｜ω＿
   ｒ｜が所定の回転速度｜ω＿■｜より小さい範囲で回転
   速度｜ω＿ｒ｜が小さくなるに従い２次磁束Φ＿２又は
   励磁電流ｉ＿０を減少させ、回転速度｜ω＿ｒ｜が所定
   の回転速度｜ω＿■｜以上では２次磁束Φ＿２又は励磁
   電流ｉ＿０計画値Φ＿２＿Ｅ又はｉ＿０＿Ｅになるよう
   にし、 指令トルクＴが計画値｜Ｔ＿Ｅ｜以上のときにはこのイ
   ンダクシヨンモータの辷り速度｜ω＿ｓ｜はこのインダ
   クシヨンモータの損失Ｌが最小となる最小辷り速度｜ω
   ＿■′｜を越えぬように回転速度｜ω＿ｒ｜の全域また
   は一部の範囲で計画された２次磁束Φ＿２＿Ｅまたは励
   磁電流ｉ＿０＿Ｅを増大させるように定められており、
   これら指令トルクＴと２次磁束Φ＿２又は励磁電流ｉ＿
   ０により、このインダクシヨンモータの辷り速度ω＿ｓ
   とトルク電流ｉ＿１＿ｑとがベクトル制御の関係を満た
   すように制御される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、指令トルクＴが計画された指令トルクＴ＿Ｅ以下で
   あるときは回転速度｜ω＿ｒ｜≦所定の回転度｜ω＿■
   ｜の範囲における計画された２次磁束Φ＿２＿Ｅ又は励
   磁電流ｉ＿０＿Ｅの回転速度ω＿ｒに対する減少が直線
   的であ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、指令トルクＴが計画された指令トルクＴ＿Ｅ以上で
   あるときは所定の回転速度｜ω＿■｜より大きい第２の
   所定の回転速度｜ω＿■′｜につき回転速度｜ω＿ｒ｜
   ≦第２の所定の回転速度｜ω＿■′｜のとき、回転速度
   ω＿ｒが小さくなるに従い計画された２次磁束Φ＿２＿
   Ｅ又は励磁電流ｉ＿０＿Ｅを直線的に増大させることを
   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。 ４、指令トルクＴが計画された指令トルクＴ＿Ｅ以上の
   とき回転速度ω＿ｒの全域に亙って計画された２次磁束
   Φ＿２＿Ｅ又は励磁電流ｉ＿０＿Ｅを一様に所定倍した
   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。 ５、指令トルクＴの値により選択されるべき２次磁束Φ
   ＿２又は励磁電流ｉ＿０の回転速度｜ω＿ｒ｜に対する
   関数関係は、指令トルクＴおよび回転速度｜ω＿ｒ｜の
   組み合わせをアドレス入力とし、指令トルクＴと回転速
   度｜ω＿ｒ｜に対する２次磁束Φ＿２又は励磁電流ｉ＿
   ０の値を格納した記憶部に指令トルクＴおよび回転速度
   ｜ω＿ｒ｜が印加されたとき、２次磁束Φ＿２又は励磁
   電流ｉ＿０が出力さ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１、２、３、４項記載の
   インダクシヨンモータのベクトル制御装置。