JPWO2005093943A1 - 永久磁石式同期モータの制御装置 - Google Patents
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Abstract
Description
特に定格速度を超えるような高速回転領域や定格トルクよりも大きな負荷がかかったときに、モータの端子電圧がインバータの最大出力電圧を超えることのないようにしなければならない。また、インバータの直流電源電圧が低下した場合には最大出力電圧も低下するため、このような場合についてもモータの端子電圧がインバータの最大出力電圧を超えないように併せて考慮しなければならない。
この解決法として、インバータの出力電圧を上げることも一つの方法であるが、装置が大型化することもあるため、電機子反作用を利用した弱め界磁制御が用いられることが多い。
従来の永久磁石式同期モータの弱め界磁制御については、例えば、日本特開2000−278982号公報が知られている。この明細書には、電圧センサによりインバータ直流電圧値を検出し、モータの誘起電圧がインバータ直流電圧値を超えないように、界磁方向の電流(d軸電流)をインバータに入力される直流電圧とモータのトルクとモータの回転速度との関係に基づいたd軸電流成分の指令値に追従制御する方法が提案されている。
しかし、従来の永久磁石式同期モータの制御装置では、インバータの直流電源電圧が低下したときやモータの高速運転時など、モータの端子電圧を下げる必要があるときには、モータ回転数やトルク電流(q軸電流)指令、及びモータ定数から平方根や除算を含む複雑な計算式を用いてd軸電流指令値を計算しているため、安価なプロセッサ、例えばマイコン等では演算できず、実装できないという問題点があった。また、モータ定数はモータの負荷状態や温度によって変化するため、それらの影響でd軸電流指令値の誤差が発生し、そのため弱め界磁制御が十分に行われなかった。また、必要以上にd軸電流を流すという問題点があった。
この発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、平方根や複雑な計算式を用いることのない簡単な構成で、モータ定数の変動に対しても精度良くモータの端子電圧の抑制が行える永久磁石式同期モータの制御装置を得ることを目的としている。
実施の形態1.
第1図はこの発明の実施の形態1における永久磁石式同期モータの制御装置を示すブロック図である。図において、永久磁石式同期モータの制御装置は、交流電源1、コンバータ2、平滑コンデンサ3、インバータ4、電流検出器5、永久磁石式同期モータ6、モータ位置検出器7、モータ速度検出器8、PWMパルス発生装置9、変調波発生装置10、電流制御装置12、q軸電流指令装置13、速度制御装置14、及び速度指令装置15から構成されている。交流電源1はコンバータ2に入力される。コンバータ2は直流電圧を出力し、それが平滑コンデンサ3で平滑化され、インバータ4に入力される。インバータ4はPWMパルス発生装置9によりスイッチングを行うことで可変電圧・可変周波数の交流電圧を出力し、永久磁石式同期モータ6を駆動する。
モータ位置検出器7及びモータ速度検出器8はそれぞれ永久磁石式同期モータ6の磁極位置θ、及びモータ速度ωを検出し、それらはモータの駆動制御に用いられる。速度指令装置15は速度指令信号ω*を生成し、速度制御装置14が前記モータ速度ωを前記速度指令信号ω*に追従させるためのトルク指令値T*を出力する。q軸電流指令装置13は前記トルク指令値T*をモータの発生トルクに相当する電流成分(q軸電流)の指令値iq*に変換する。電流検出器5は永久磁石式同期モータ6に流れるモータ電流を検出する。
電流制御装置12は前記モータ電流を前記磁極位置θを用いてd軸及びq軸電流成分に分解し、それらがd軸電流指令装置11によって生成されたd軸電流指令値id*とq軸電流指令値iq*にそれぞれ追従するように制御を行う。このときモータの端子に電圧を印加するインバータ4の電圧指令値をd−q軸に変換した値であるvd*とvq*を出力する。d軸電流指令装置11は前記電圧指令値vd*及びvq*を入力とし、d軸電流指令値id*を出力する。この動作の詳細は後述する。変調波発生装置10は前記電圧指令値vd*、vq*を前記磁極位置θを用いてd−q軸から3相交流成分の電圧指令値に変換し、PWMパルス発生装置9に出力する。PWMパルス発生装置9は前記3相交流成分の電圧指令値をインバータ4を駆動するためのPWM信号に変換し、インバータ4に出力する。
第2図はこの発明の永久磁石式同期モータの制御装置に用いるd軸電流指令装置の構成例を示すものであり、この実施の形態1ではd軸電流値の大きさをローパスフィルタを用いて調整する方法について説明する。
d軸電流指令装置11は、モータの端子電圧を推定する端子電圧推定手段21と、インバータ4の出力電圧の上限値を設定する電源電圧設定手段22と、d軸電流量を設定する入力電流値設定手段23と、ローパスフィルタへの入力を切替えて弱め界磁制御を行う入力切替手段24と、ローパスフィルタ25とで構成され、永久磁石式同期モータ6の端子電圧がインバータ4の直流電圧設定値から計算されるインバータ4の最大出力電圧を超えないようなd軸電流指令を生成するものである。以下その動作について説明する。
端子電圧推定手段21は電流制御装置12から出力された電圧指令値vd*とvq*から永久磁石式同期モータ6の端子電圧を推定する。一例として数式1のような推定された端子電圧va2とできる。
電圧上限設定手段22はインバータ4の最大出力電圧値をもとに永久磁石式同期モータ6の端子電圧の上限を数式1に対応させて変換した端子電圧上限値(閾値)Vmax2を設定する。数式1の場合について
がインバータ4の最大出力電圧となるように設定すればよい。よってインバータ4の最大出力電圧をVdcとすると、数式2で計算される値に設定すればよい。
このように設定することで永久磁石式同期モータ6の端子電圧がインバータ4の最大出力電圧を超えないように制限される。なお、電圧の余裕を持たせて数式2の値より小さい値に設定してもよい。なお、数式
が、推定された端子電圧va2はオンラインで演算するため、演算量の少ない数式1及び数式2を採用した方が望ましい。
次に弱め界磁制御を行う入力切替手段24は端子電圧推定手段21によって推定された端子電圧va2と電圧上限設定手段22によって設定された端子電圧上限値(閾値)Vmax2を比較し、va2>Vmax2ならばモータの端子電圧がインバータの最大出力電圧を超えているのでd軸電流値を負の方向に増大させる必要があると判断する。このとき、本実施の形態では1を出力する。また、va2=Vmax2またはva2<Vmax2のときにはd軸電流を負の方向に減少させる必要があると判断し、零を出力する。
入力電流値設定手段23はd軸電流指令の仮の入力値Idcstを設定する。仮の入力値Idcstは負の定数値とし、例えばその絶対値は許容されるd軸電流値の最大値と設定する。
ローパスフィルタ25への入力は弱め界磁制御を行う入力切替手段24と入力電流値設定手段23の出力値を乗算した値が入力される。つまり、va2>Vmax2ならばIdcstが、va2=Vmax2またはva2<Vmax2ならば零が入力されることとなり、入力信号はパルス状となる。
ローパスフィルタ25はこの実施の形態1では1次フィルタとし、Tfidで遮断周波数が設定されている。Tfidを大きくすると帯域が狭くなるので出力信号の応答は遅くなるが、波形は滑らかになる。逆に、Tfidを小さくすると帯域が広くなるため、出力信号の応答は速くなるがその波形は入力信号であるパルス信号の影響が残りやすくなる。前記ローパスフィルタ25は数式3で表され、‘s’はラプラス演算子を表す。
前記ローパスフィルタ25は、前述のようにパルス状の信号が入力され、その入力信号を平滑化して出力するので、d軸電流指令値id*はIdcstから零までの領域内で滑らかな信号として出力される。
以上の操作により、d軸電流指令値id*はva2>Vmax2ならば負の方向に増大し、va2=Vmax2またはva2<Vmax2のときには負の方向に減少するので、弱め界磁制御が行われているときには、電圧指令値がインバータ4の最大出力電圧をもとに設定された端子電圧上限値と一致する(va2=Vmax2)ように制御される。電圧指令値は概ねモータの端子電圧と等しいから、モータの端子電圧が端子電圧上限値と一致するように制御される。
第3図はこの実施の形態1による弱め界磁制御の動作を表している。それぞれ上段はモータ速度、中段はモータ電圧指令値、下段はd軸電流を表す。モータ速度ωは、加速−一定速−減速停止のような形状であり、例えば昇降機等ではこのような形状となる。時刻t1において、端子電圧推定値va2が端子電圧上限値Vmax2と等しくなると、va2がVmax2を超えないようにd軸電流量が制御される。また、時刻t2ではモータの回転速度が減速され、モータの端子電圧がVmax2以下となるのでd軸電流が零となる。
以上によりこの発明では、電圧指令値の大きさをもとに弱め界磁制御を行うか行わないかの判断を行い、d軸電流指令値の増減を、一定値及び零の値を持つパルス状の信号にローパスフィルタ25を用いて平滑化するように決定したので、d軸電流指令値の演算をモータ定数を用いることなく簡単に計算することができ、安価なプロセッサで実現できる。
また、d軸電流指令値の演算はモータ定数を用いていないため、モータへの負荷状態の変化や温度変化等によってモータ定数が変化した場合にも、その影響を受けることなくd軸電流が適切な値に調整されて弱め界磁制御が行われる。よって、モータ定数の変化の影響に起因してd軸電流量に誤差が発生し、それによってモータの端子電圧がインバータ4の最大出力電圧を超えて運転不能に陥ったり、また必要以上に多くのd軸電流を流してモータ効率を下げるような現象が発生しなくなる。
さらに、この発明では、交流電源1の電圧が低下したときなど、インバータ4の直流電源電圧(平滑コンデンサ3の電圧と等しい)が低下し、それに伴ってインバータ4の最大出力電圧が低下した場合にも、モータの端子電圧がこれを超えることがなく適切に弱め界磁制御が行われるという効果も奏する。これについて第4図を用いて説明する。
第4図において、時刻t1でインバータ4の直流電源電圧が低下したとする。このとき、電圧指令値が変化しない場合においてもインバータ4の出力電圧が低下する。よって電流制御装置12によってインバータ4の出力電圧が低下しないように制御が行われ、電圧指令値が増加する。つまり、電圧指令値が実際のモータの端子電圧よりも大きくなる。したがって、推定された端子電圧va2が上昇し、これが閾値のVmax2に達すると(時刻t2)、前述したようにd軸電流が流れて弱め界磁制御を行うことでモータの端子電圧を下げてインバータ4の最大出力電圧を超えないように制御される。以上のように交流電源1の電圧が低下したときにはその低下量に応じて、電圧が低下しない通常の場合よりもモータの端子電圧が低い状態で弱め界磁制御に移行するため、低下したインバータの最大出力電圧を超えないように制御が行われる。
逆に、回生運転でインバータ4の直流電源電圧が上昇し、それに伴ってインバータ4の最大出力電圧が上昇した場合には、電圧指令値が変化しない場合においてもインバータ4の出力電圧が平滑コンデンサ3の電圧上昇量に応じて増加する。よって電流制御装置12により電圧指令値が低下し、実際のモータの端子電圧よりも電圧指令値の方が小さくなる。したがって、平滑コンデンサ3の電圧が上昇しない通常の場合と比較して、モータ端子電圧が高い状態で弱め界磁制御に移行するため必要以上に多くのd軸電流を流してモータ効率を下げることもなくなる。
なお、インバータ4の直流電源電圧を検出する電圧センサを設置し、電圧検出値をVdcとして数式2で常時Vmax2を更新しても良い。これにより、インバータ4の最大出力電圧がより正確に評価できるため、より効率のよい弱め界磁制御が行える。また、モータの端子電圧を電圧センサ等により測定し、その測定値を用いてva2を求めてもよい。これにより、モータの端子電圧が正確に検出でき、端子電圧推定手段21が不要となる。
なお、この実施の形態1ではローパスフィルタ25は1次フィルタとしたが、2次フィルタ等の高次のフィルタとしてもよい。
実施の形態2.
上記実施の形態1では、d軸電流指令装置11を第2図のように構成したが、第5図のように構成してもよく、このような構成によっても同様の動作を行わせることができる。
第5図はこの発明の実施の形態2における永久磁石式同期モータの制御装置に用いるd軸電流指令装置の構成例を示すものである。
この実施の形態2では新たに電流リミッタ26と、積分操作手段27と、弱め界磁制御を行う入力切替手段24の代わりに処理内容が異なる弱め界磁制御を行う入力切替手段28を備えている。なお、図5において図2と同じ符号で表している構成要素は実施の形態1と同様の動作を行う。
異なる弱め界磁制御を行う入力切替手段28は端子電圧推定手段21によって推定された端子電圧va2と電圧上限設定手段22によって設定された端子電圧上限値Vmax2を比較し、va2>Vmax2ならばモータの端子電圧がインバータの最大出力電圧を超えているのでd軸電流値を負の方向に増大させる必要があると判断する。このときこの実施の形態では1を出力する。また、va2=Vmax2またはva2<Vmax2のときにはd軸電流を負の方向に減少させる必要があると判断し、−1を出力する。従って、実施の形態1とは異なり、d軸電流を負の方向に減少させる場合にはローパスフィルタ25の入力に−Idcstが入力される。これにより、d軸電流を負の方向に減少させる場合の応答速度を速くすることができ、制御性が向上する。
次に電流リミッタ26はローパスフィルタ25から出力された信号idin*を予め設定した上限値及び下限値内に制限してid*を出力する。例えば上限を零、下限を−Idmax(ただしIdmax>0)と指定すると、idin*>0ならばid*=0を出力し、idin*=0または−Idmax<idin*<0ならばid*=idin*を出力し、id*=−Idmaxまたはid*<−Idmaxならばid*=−Idmaxを出力する。これにより正のd軸電流指令値が出力されるのを防ぎ、かつd軸電流を予め指定した範囲内にとどめることができる。
積分操作手段27はローバスフィルタ25を構成している積分器の積分動作を操作する手段であり、前記電流リミッタ26で設定された範囲外のidin*が出力されたときに積分器の出力を保持し、idin*が電流リミッタ26の範囲内に戻ったときには積分器の積分動作を再開するように動作する。これにより、電流リミッタ26で設定された範囲外のidin*が出力されたときにもidin*をリミッタ設定値付近に保持し、id*がリミッタ設定値からリミッタ設定値内へ戻るときの応答速度を速くできる。
以上によりこの発明では、d軸電流指令値を負の方向に減少させるときに、ローパスフィルタ25の入力値を正の値とすること、及びd軸電流指令値が電流リミッタの設定範囲を超えたときにローパスフィルタ25内の積分動作を操作することにより、d軸電流指令値の応答速度を上げることができ、制御性をより向上させることができる。
この実施の形態2ではローパスフィルタ25への入力値Idcstを固定値としたが、d軸電流指令値の値に応じて可変としてもよい。このようにすることでローパスフィルタ25の出力の変化量を調整することができるのでd軸電流指令値の変化量を調節することができる。例えばd軸電流指令値が小さいときにはIdcstを小さくしておき、d軸電流指令値が大きいときにはIdcstを大きくしておくことでd軸電流指令値の大きさによらず、d軸電流指令値の変化量をほぼ一定にすることができる。
さらにモータの負荷状態、及びモータの回転速度に応じてIdcstを可変としてもよい。このようにすることによりモータの負荷状態や回転速度に応じてローパスフィルタの出力の変化量、つまりd軸電流指令値の変化量を調整することができる。Idcstを大きくすることでd軸電流指令値の変化量を大きくでき、Idcstの大きさを小さくすることで変化量を小さくできる。特に急激に負荷がかかるようなときや、モータの回転速度が大きくなるときなどモータの端子電圧が大きく上昇するような場合にIdcstの大きさを大きく設定することでd軸電流指令値の変化量を大きくし、モータの端子電圧の抑制をすばやく行うことができる。これは特に昇降機等、モータの速度パターンやそのときのモータへかかる負荷状態がある程度決まっているようなモータ制御装置であるときに有効である。昇降機等では力行運転時には加速から一定速度になるあたりで負荷と速度がともに最大となるのでモータの端子電圧の上昇速度と端子電圧が最も大きくなる。このときにIdcstの大きさを大きめに設定することにより、モータの端子電圧の抑制がより速やかに行える。Idcstの大きさは負荷状態とモータの回転速度を変数とする関数値としてもよいし、負荷状態とモータの回転速度に応じてテーブル化しておいてもよい。なお、モータの負荷状態はq軸電流値またはその指令値を指標として用いることができる。同様にローパスフィルタの遮断周波数Tfidの決定をモータの負荷状態や回転速度に応じて可変としてもよく、これによってもd軸電流指令値の変化量を調節することができる。ローパスフィルタの遮断周波数を大きくすることによってd軸電流指令値の変化量を大きくすることができ、遮断周波数を小さく設定することによってd軸電流指令値の変化量を小さくすることができるので、前述のIdcstを可変とした場合と類似の効果が得られる。
この実施の形態では端子電圧上限値Vmax2を固定値としたが、モータの負荷状態、及びモータの回転速度に応じて可変としてもよい。例えば、力行運転ではインバータの直流電源電圧(平滑コンデンサの電圧)が低下するのでVmax2を小さめに設定しておき、回生運転時には逆にインバータの直流電源電圧が上昇するので大きめに設定しておくと、より適切なタイミングで弱め界磁制御に切替えることができる。また、昇降機などでは力行時の加速中及び一定速走行中ではモータの負荷が大きいためインバータの直流電源電圧が低下するので、そのときにはVmax2を小さめに設定しておくとよい。また回生運転時での加速中及び一定速走行中では直流電源電圧が上昇するのでVmax2を大きめに設定しておくとよい。走行速度はモータの回転速度を計測することで検出できるし、力行及び回生状態はモータの回転方向とモータの負荷状態(q軸電流またはq軸電流指令値)を計測することにより判断できる。Vmax2は負荷状態とモータの回転速度を変数とする関数値としてもよいし、負荷状態とモータの回転速度に応じてテーブル化しておいてもよい。
Claims (5)
- 直流電圧を入力とし、可変電圧・可変周波数を出力するインバータによって永久磁石式同期モータを駆動するモータの制御装置であって、前記モータの磁界と同一方向のd軸電流成分を流すことにより弱め界磁制御を行うモータの制御装置において、
前記インバータへの電圧指令値の大きさと、前記インバータの最大出力電圧をもとに設定された端子電圧上限値とを比較し、前記電圧指令値が前記端子電圧上限値を超えているときには前記d軸電流成分の電流指令値を負の方向に増大させ、前記電圧指令値が前記端子電圧上限値以下のときには前記d軸電流成分の電流指令値を負の方向に減少させることにより、前記モータの端子電圧の上昇を抑制するd軸電流指令装置を備えたことを特徴とする永久磁石式同期モータの制御装置。 - d軸電流指令装置は、ローパスフィルタを有し、前記ローパスフィルタの入力としてインバータへの電圧指令値がインバータの最大出力電圧をもとに設定された端子電圧上限値を超えているときには負の一定値とし、インバータへの電圧指令値が前記端子電圧上限値以下のときは零とし、前記ローパスフィルタの出力をd軸電流指令値とすることで前記モータの端子電圧の上昇を抑制することを特徴とする請求の範囲第1項記載の永久磁石式同期モータの制御装置。
- d軸電流指令装置は、電流指令値を制限する電流リミッタと、ローパスフィルタと、前記ローパスフィルタの積分を操作する積分操作手段とを有し、前記ローパスフィルタの入力としてインバータの電圧指令値がインバータの最大出力電圧をもとに設定された端子電圧上限値を超えているときには負の一定値とし、インバータへの電圧指令値が前記端子電圧上限値以下のときは正の一定値とし、前記ローパスフィルタの出力を前記電流リミッタで制限した値をd軸電流指令値とし、前記ローパスフィルタの出力が前記電流リミッタで制限された範囲外であるときは前記ローパスフィルタの積分動作を行わないことを特徴とする請求の範囲第1項記載の永久磁石式同期モータの制御装置。
- ローパスフィルタの入力値及び遮断周波数を、d軸電流指令値、モータの負荷状態、及びモータの回転速度に応じて可変とすることを特徴とする請求の範囲第2項又は第3項記載の永久磁石式同期モータの制御装置。
- インバータの最大出力電圧をもとに設定された端子電圧上限値を、モータの負荷状態及びモータの回転速度に応じて可変とすることを特徴とする請求の範囲第1項〜第4項のいずれかに記載の永久磁石式同期モータの制御装置。
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