WO1983003929A1

WO1983003929A1 - Induction motor driving device

Info

Publication number: WO1983003929A1
Application number: PCT/JP1982/000137
Authority: WO
Inventors: Hiroshi Ishida; Yoshiki Fujioka; Naoto Ota
Original assignee: Fujitsu Fanuc Limited
Priority date: 1982-04-22
Filing date: 1982-04-22
Publication date: 1983-11-10
Also published as: EP0105930A4; US4558269A; EP0105930A1

Description

明細書

誘導電動機駆動装置

技術分野

本発明は誘導電動機駆動装置に係り、特にマイクロコンビュータを用てディジタル処理により、三相電流指令を出力する誘導電動機駆動装置に関する。

背景技街

誘導電動機の制御方法としてはべクトル制御、或は磁界加速形制御と称される制御方法が提案されている。かる制御方法によれば誘導電動機の 1 次電流を瞬時値制御でき、比較的即応性ある木目細かい制御ができる。

第 1 図はべクトル制御を説明するための誘導電動機の等価回路であり、図中は励磁リアクタンス、 r₂は等価抵抗、 s はすべりである。このように誘導電動機の等価回路を考えると発生トルクは

T = 3 -^lJ 1₂ (1)

s · ω s と ¾る。尚、 ω s はすべり角周波数である。こで 1₂と s · ω ₈ が比例するものとすればトルク Tは 2 次電流に比例し直流電動機と同様 ¾ トルク発生メカニズムを有することにる。ころで第 1 図から ― ノ ω s - £ m - Io =― · ェ2

s . ₈ o> s =^ ^- (2)

ぶ 771 Ιθ

が成り立つから、 1₂と s · ω₂を比例させるためには励磁電

ΟΜΡΙ 流 Ioを一定にしくては ¾ らい。

以上から、べクトル制御にては、励磁電流 1₀と 2 次電流 1₂の直交性を保証し ¾がら、励磁電流 1₀を一定に維持し、且つ 2 次電流 1₂のみを負荷トルクに比例させて変化させてる。そして、かるべクトル制御にいては指令速度と実速度の倔差（速度倡差） E Rをトルク指令とみしているから、速度偏差 E Rに応じて 1 次電流 i!を

∑! = 1₀ · + j · k · E R (3) を潢足するように決定している。

ところで、従来か ^ る 1 次電流の発生は以下の手法により行 ¾つていた。 - 即ち、速度偏差 E E及び実速度 n に応じて互いに直交する 2 相の 1 次電流指令 iな， i を発生し、該 2相の 1 次電流指令 i Ct ， i を 2 相— 3 相変換器を用いて 3 相に変換し、これにより 3 相の 1 次電流指令 in, iv, iw を発生してた。第 2 図はかる従来伺を説明する説明図で、 1 0 は誘導電動機、 1 1 は速度傷差 E E及び実速度 n に応じた振幅及び周波数の電流指令 iな， i S"を発生する 2 栢 1 次電流発生器、 1 2 は 2相— 3 相変換器である , 2 ¾— 5 相変換器 ¹ 1は第—⁵ 図に示すように 2 0 ΚΩ の抵抗 ¾〜E₄ と、 11.55ΚΩの抵抗 B₅と、 1 0101の抵抗と演算増幅器 OPA¹ ，OPA2 により構成されている。そしてこのように各抵抗値を設定することにより、 2相一 3相変換器 1 2 は V7IFO i u = iな (4) i v ― β (5)

1 3

sr = l «. 1 β (6)

¹ 2 2 のべクトル演算を行 ¾つて互いに直交する 2相電流を ³ 相に変換する。

第 2 図に戻って、 1 3 , ¹ 4 は誘導電動機 1 0 の ϋ相、 V.相を流れる相電流 iua . iva を検出する変流器、 ¹ S は演算回路であり、

― κ iua卞. iva ) -→· i wa

の加算演算を行 ¾い W相を流れる相電流 iwaを出力する。

1 10V, 10Wはそれぞれ各相毎に設けられ、電流差

( i u-i ua ) , ( i v-i va ) , ( iw-i wa ) を演算し、これを増幅する電流制御回路、 1 7 はパルス幅変調器とトランジスタよりるインパークとを含む駆動部である。この駆動部 1 7 は第 4 図に示すように比較器 COMu， COMv , COMw 、ノットゲート N0T，〜N0T₃、ドライバ

よりるるパルス幄変調器 PWM と、 ό 個のパワートランジスタ Q，〜 Q_e とダイ ^ ード D,〜 D_eを有するィンパ一タ I Vと、三相全波整流器 FRFを有している。各比較器 COMu-,- COMv, COMw はそれぞれ図示しい鋸歯状波発生回路から発生する鋸歯状波信号 STS と三相交流信号 ii , iv , iw'の振幅を比教し iu . i . iw'が STSの値より大きいときには " 1 " を、小さいときには " 0" を出力する。即ち、 i U . i V . 1 W

OMFI の振幅に応じてパルス幅変調された三相の電流指令 iuc ivc . iwc が各比較器から出力される。ついで、ノ，トゲート NOT,〜 NO s 、ドライバ回路 DVj〜 DV_eはこれら電流指令 iuc , i , iwcを葸動信号 SQi〜 SQ_eに変換し、ィンパータ INVを構成する各パワートランジスタ Q!〜Q_e を ^ ンフ制御する。

さて、かる従来の方式にては

(1) 直交二相系から三相系へ変換する際に演算誤差を生じる、

(2) 上記演算誤差により

iu + ίν+ ίτ?τ = 0

とらず、このためモータの回転応じて周期的 ¾ うねりが発生する、

(3) 2相分の 1 次電流（ _Sifl と sia( e+Y ) )発生用の関数発生器、 2 相— 3 相変換器、どが必要と ¾ り回路が複雑、高価とる、

¾ どの欠点がある。

又、 3 相の 1 次電流を発生する別の方法としては速度偏差及び実速度 11 に iS じて

sin ( t+<y s t+ψ ) (7)

sin ( t+ω s t + ) (9)

をディジタル的に発生する方法がある。この方法にては第 5 図示すように（？一 (?獰栓、

δ -sin ( θ + 2 π/> ) 獰性、 0— sin ( + 4 a:ノ 3 ) 特性をそれぞ一 ΟΜΠ 曹⁰ れ処理装置 2 1 内蔵のメモリ ^{2 2} にテーブル—として記憶させてき， θ =ω_η - t+6 _s · t + 9 (ωηは誘導電動機の回転速度に比例した角周波数、 "_s はすべり角周波数、は位相差）を演算し、このを用いて前記テーブルから s ? ,

ゥ 7Γ 47

sin( e + ）， _Sifl ( + ）を求めこれを乗算型 D A変換器 ( ナショナル · セミコンク-クタ社製商品名， DAC08 " ) 23 , 24 , 25に入力する。又、メモリ 2 2 にすベり _S と 1 次電流振幅との関係（ S ― I 特性）を記億させてき、該関係よりすべり s に応じたディジタルの ¹ 次霄流 I を発生し D A変換器 2 6 に入力する。 D A変換器 ² ό の出力はそれぞれ乗算型 D Α変換 23 . 24 , 25 に入力され、各乗算型 D A変換器より

l u =ェ -sw σ , l = I · sia ι σ +— ) ， ι vr=丄 'sis ( o +— ) が出力される _β 尚、第 5 図におて第 2 図と同一部分には同一符号を付しその詳細る説明は省略する。

しかし ¾がら * この方法においても

(1) 正確に i u+i v+iw= 0 とらず周期的うねりが発生する、 .

(2) 3 相分のテーブル及び 3 相分の D A変換器を必要とし高価にるる _¼ "

—等の欠—点 ^ある ό ― - . — 従って,、本発明は確実に

i u+ i v+ iw= 0 とすることができ、しかも周期的 ¾ うねりを除去することができ、更には回路が簡単に ¾る誘導電動機駆動装置を提供することを目的とする。

発明の開示 .

本発明は速度指令と実速度との速度偏差を用て三相の電流指令を出力し、該電流指令に基て誘導電動核を屘動する誘導電動機駆動装置を開示する。かる誘導電動機駆動装置は、速度偏差と実速度を入力され ϋ , V ,w 相のうち所定の第 1 、第 2相の正弦波信号をディジタル処理で発生する手段と、 ϋ , V ,W相の電流指令の和が零とるように第 1 、第 2 の相電流を用いて第 S 相の相電流を発生する手段を有してる。そして、 W¾の電流指令を、

i u+iv+i"w= 0

が満足されるように決定しているからモータの回転に応じて振動'や周期的るうねりが発生することはく、又回路部品の削減が図れる。

図面の簡単 ¾ 説明 . . 第 ¹ 図はべクトル制御を説明するための誘導電動機の等価回路、第 2 図は従来の方式を説明するブロック図、第 3 図は 2 相一 S 相変換器の回路図、第 4 図は駆動部のブロック図、第 5 図は従来の別の方式を説明するブロック図、第図は本-発明を説-明-するブロック図、.第 7 ·図は- 本発明別の実旎例.ブロック図、第 8 図はデータメモリに記億されてる各種特性説明図である。

発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施例を図面に従って詳細に説明す^ , 第図は本発明の実施例構成図である。 5 1 は υ,ν, W相のうち ² 相の電流指令 Ι ϋ , Ι ν をディジタル処理で発生するマイコン内蔵の電流指令発生部で ¹ 相分の d - s e 特性、 s— I特性等各種特性を記億するデータメモリ（ HOM ) 31a と、制御プログラムメモリ 31b と、処理装置 31 c等を有している。処理装置 51_aは速度偏差 E R 実速度 nが入力されば制御プログラムの制御により 8 を求め、つでデータメモリ 3¹ aから sin 及び ¹ 次電流提幅 I をそれぞれ読^とり、しかる後

I u = I · sin 5 i

I v = I -sifl( Θ+— ) の演算を行るつて Ι ϋ , Ι ν を出力する。この Ι ϋ , Ι νはそれぞれ D A変換器 23 , 2 にいて D A変換されてァナログの U ， V相電流指令 i n , i v にる。ついで漬箕回路 3 2 にて

— { i u+i V )→ i w

の加算演算を施され、該演算回路 3 2 から W相の電流指令が出力される。

以後、 3 相の電流指令 i _U , i v， iw はそれぞれ変流器 1 3 , 1 4 により検出された実際-の相電流. i ua , i v - に演算回路 1 5 の出力 i_waと比鲛され、該差に応じて駆動部 1 7 のインパ一タを駆動する。尚、図中第 5 図と同一部分には同一符号を付している。又、 , 式の演箕は第 5 図の従来例のように乗算型 D A変換器を用いて衧

ΟΜ?Ι_ ってもよ ^。

第 7 図は本発明の別の実旌例ブロック図である。尚、第も図と同一部分には同一符号を付している。

図中、 1 0 は三相誘導電動機、1 CMはパルスジエネレータで三相誘導電動機の回転速度に比例した周波数 ίν を有し、互の位相差を有する第 ¹ 、第 2 のパルス列 Ρ!， Ρ₂ を発生する。 ¹0²は 4 倍回路でありパルス列 ¾を微分して、 4 倍の周波数 ⁴ · :f _vを有するパルス列， Pn.， P r を線い ^に発生する β 尚、パルス列は正回転してるときに発生し、パルス列 Pr は逆回転してるときに凳生する。又、 4 倍回路 102はパルス列： , P₂の位相差を判別して回転方向信号 EDSを出力する。

103は周波数電圧変換器変換器という）であり、パルス列 p_n 或いは Pr を入力され、該パルス列の周波数に比例した電圧、換言すれば回転速度に比例した電圧 ( 実速度 TSAとう ) を発生する e 1Q4は加渎箕器であり速度指令 VCMDと実速度 TSAの偏差 E R、換言すればすべり s を発生する。 105は比例稷分回路であり、偏差 E Rに比例積分演算をアナログ的に施して信差 EE' を出力する。 106は偏差 ER'の極性を判別する極性判別回路 107は铯対値回路、 ¹08は電圧—周波教変換器変換器）であり、偏差 EE'の大きさに比例した周波数を有するパルス列 Pe を発生する。 1 09 , 1 1 0 は共にプログラマブル - インターバル ' タイマ（以後 PITとう）である。 PIT109は V/T変換器 108から発生するパルス列 P e をカウントアップすると共に、後述する処理装置によりその内容が読取られる毎にリセグトされる。尚、

PIT109の計数値 e はトルク Tに応じた値にってる。というのはトルクは s ² r₂

= ) ~ 5-： ~ 2 ^

Τζ+ ( s χ_ζ ) で表わせ、又 S が小さときには次式で表わせ、

従ってトルク Τはすべり s 、換言すれば偏差： E Rに略比例するからである。

又、 PIT110は排他的論理和ゲート EOHを介して入力されたパルス列 Pn或いは Prをカウントアップし、処理装置によりその内容が読取られる毎にリセットされる。

尚、 PIT 1 0の内容：はモータ速度に応じた値につて ^る ο

111 はマイクロプロ .セッサであり、処理装置 1 1 1 a と、コントロールプログラム · メモリ ^{1 1} 1 b と、後述する種種の特性及びデータを記億するデータメモリ（ ROM)

1 1 1 c を有してる。尚、データメモリ 1 1 1 c は第 8 図 . 示—すよ— 上- 久対振幅特性（ - I—特性 ) 、トルク対位相差特性（ T 一？ >特性）、回転速度対すべり特性

( V— S特性）、回転角対正弦値獰性（サインパターン）をディジタル的に関数テーブルとして記億している。ここで、 T ー特性は位相差？ > が l ■ , s 2 N -, _Λ

<p = tan ^-1 ( )

r2 ノ

( 但し、 r₂は 2 次卷線 ¹ 相の抵抗、 χ₂は誘導電動機が停止してるときの 2 次卷線 1 相のリアクタンス、 s はす

5 ベりである）で表現され、且つ S が小さいことを考慮すると第 8 図に示す特性に ¾る。又、 Τ— I獰性は 1 次電流；! iが

I, = 1。+ 1/ s E.

= Io -

10 αβ ~ri + ( s ¾ ) ^r

( 但し、 Ioは励磁電流、 1 は 1 次負荷電流、なは巻鎳比、 ^は相数比、 ¾は 2 次誘導起電力である）で表現され、且つ s が小さとき s OtTであることを考廬すると第 8 図に示す特性にる。更に、 V— S特性（すべりパターン） 15 は第 8 図に示す如くすベり _s が基底速度以下では一定値にり、'基底速度以上ではモータ速度に反比例した値とる。コントロールプログラムメモリ 1 1 1 b はコント口ールプログラムを記憶しており、このコントロールプログラムは処理装置 1 1 1 a をしてトルク T、速度 V、後述 20 する回転角等を読取らせ、更にはこれら T , V， 5 及び

—―暴数テ— ブル等思てすべり-局波数制御の演算どを実行させる。

112はプログラマブル ' インターバル . タイマ（PIT) であり、変換器 ¹08から発生するパルス列 Pe を分 25 周する。さて、処理装置 1 1 1 aは一定周期で PIT110の内容（モータ速度）を読取ると共に V— S特性（すべりパターン）を用いて該モータ速度に応じた数値を求め、この数値を PIT112にプリセプトしている。今、 PIT112 の容量を Mとし _k プリセット値を m とすれば、 ( M-m ) 個のパルス Pe が発生する毎に * PIT112から 1 個のすベりパルス p s が出力され、パルス列 P e は 1 （M— m )に分周される。そして、これにより、すべりパルス Ps の周波数は、回転速度に比例した周波数を有するパルス列 Pn或は Prの発生速度に整合される。 "M S , ^{1 1 4} は共に一方向にのみカウントすることができる（可逆計数はでき ¾ ) ィンターパルタイマ（ P IT ) であり、 PIT11S は電動機 1 0 が正方向に回転しているときに発生する正回転バ. ルス列 Pn とすべりパルス Ps をカウントアップし、 PIT114は霉動機 1 0 が逆方向に回転しているときに癸生する負回転パルス列 ΡΓ とすべりパルス Psをカウントァタプする。今、電動機 1 0 が ¹ 回耘するとき 25 個のパルス Pn或いは Prが発生するもの-とし、又 3ΡΙΤ¹*Ι3, 114の容量を 250とすると、 ΡΙΤ113の内容から

ΡΙΤ114の内容 Β を減算して得られる値（ = 0Α—

はすべりによる負荷角を考慮した指令回転角位置を示すことる。尚、 G - G₂ τ ― ニ _J 、JiQ はノト— ゲート、 0 〜 OR₂はオアゲートであり、偏差 R'が正のときに（極性信号 PL="1" ) 、アンドグートが開らきすべりパルス p_sが PIT113にのみ印加され、又、偏差

E が負のときには（極性信号 PL= 0" ) 、アンドゲート G₂が開らき、すべりパルス Ps は PIT1 14にのみ印加される。 23 , 24 は乗算型ディジタルアナログ変換器、 2 るは D A変換器である。 D A変換器 2 6 は T — I 特性 - を用て読取られた一次電流の振镊（ディジタル値）を 5入力され、そのアナログ信号 I を出力する。乗算型 D A 変換器 23 ， 2 4 は処理装置 1 1 1 a により演算された三相サイン波（ディジタル値）、

Iu =sia ( + ） ·

Iv = sia ( 0 + +マ ) ¾

10

をそれぞれ入力されると共に、 D A変換器 2 όから搌檁 I を入力され、所定の振幅を有するアナログのサイン波 i u » i v.

in = I · sin »

15

ΙΎ = I *sia K o -t-— ) を凳生する。演算回路 3 2 は^式の演算を行 ¾つて i_w を Hi力する。尚

特性、 S— _S (

20 0— 特佺より第 1 相の正弦波 sia を求め、しかる後、

2相の正弦波を発生している。

次に第 7 図の動作を説明する。図示し ¾い速度指令手段から速度指令 VCMDが入力されると、三相誘導電動機 25 1 Q は該指令速度 VCMDで正回転しょうとする。電動接が回転すればパルスジェネレータ ¹ 0 1から該電動機 ¹ 0 の回転速度に比例しえ互いにの位相差を有する第 1 , 第 2 のパルス列， P₂が発生する。 ⁴ 倍回路 10²は、バルス列 P!， Ρ₂ の位相進み Ζ遅れを判別して回転方向信号 5 BDSをパス線 BSLに出力すると共に * 正回転しているときには線 ^に正回転パルス列 Ρη を発生し、負回転しているときには線に負回転パルス列 Pr を発生する。今、正回転しているものとすれば正回転パルス列 Ρ η は F/ 変換器 103及びプログラマブル . インターパル · タイマ

10 1 1 0 , 1 13 にそれぞれ入力されてカウントアップされる。

さて、 iW変換器 103はモータ速度に比例した電圧を有する実速度 TSAを出力する。加渎箕回路は速度指令 VCMDと実速度 TSAの偏差 E Rを出力する。倡差 E H は比例積分回路 105にて比例積分を施され、偏差 E R'と 15 ¾つて極性判別回路 100 と絶対値回路 107に入力される。

極性判別回路 1 G は E I^の正負を判別し極性信号 P Lをパス線 BSLに出力し、又絶対値回路 108は E E'の絶対値 Ι ΕΙ^Ι を出力する。この絶対値 l ER'i は変換器 ¹08 に入力され、該 Vノ T変換器から Ι ΕΙ^Ι に比例した周浚数 20 を有するパルス歹 ij P e 出力される。このバルス歹 P e 一一は

によりカウントアップされ、その計数値 N e は前述の如くトルク Tに応じた数値にってり、一定周期で処理装置 1 1 1 a により読み取られる。

25 ―方、プログラマブル · インタ一ノル * タイマ 110の計数値 Nv は回転速度に応じた数値に ¾つてり、

PIT109の内容（トルクで ) と同様に一定周期毎に処理装置 1 1 1 a により読み取られ、読み取られる毎にその計数値はリセクトされる。そして、 ^理装置 1 ^{1 1} aは . . ΡΙΊ 10の内容（回転速度）を読み取る毎にコントロールプログラムの制御により、 V— S特性（すべりパターソ ) の関数テーブルから該回転速度に応じた数値 mを求め該数値 mを ¹2にプリセットする。さて、 Vノ変換器 108-の出力パルス歹 if p_e はプログラマブル · インタ — バル ' タイマ（P IT ) 112にも入力され、こで前述の通り ¹ノ（M— m) に; §周されてすベりパルス列 Ps に変換される。すべりパルス列 Ps はオアゲ一ト G, (PL=，1 " ) 及びオアケ- — ト 01^ を介してプログラマブル · インターバル，タイマ 113にカウントァタブされる。ところで、プログラマブル · インタ一バル · タイマ（PIT ) 1 13 はすべりパルス列 P s のほかに正回転パルス Ρη をも計数するから、その内容は総正回転角を示すことにる。尚、同様にプログラマブル · インターパル · タイマ 114 の内容は総逆回転角を示す。

さて、 S B は処理装置 ^{1 1 1} _a により一定周期で読み取られ、一その都度 0 =n- : B— —る箕が施さ £—る-。一尚—、

Θ は現在回転角位置を示す。

しかる後、：&理装置 1 1 1 a はコントロールプログラムの制御下にて、データメモリ 1 1 1 c に記億されてる T一？特性、 T一 I特性、サインパターン及び前記湞 VIrO 算された回転角 0 、トルク Tを用て , 式に示す三相サイン波 Ι ιτ , Iv並びに 1 次電流振輻 I を求め、これらを乗算型 D A変換器 2 3 , 2 4 及び D A変換器 ² ό に入力し所定捩幅を有するアナログのサイン波 i u , i v を発

5 生する。これにより、演算回路 3 ² は^式の滨算を行 ¾

つて iv を発生する β 以後、 3 相の電流指令 i _u , i V , i w は変流器 1 S ， 1 4 に'より検出された実際の相電流

iua , i va 並びに演算回 1 5 の出力 iwaと比較され、誤差応じて駆動部 1 7 のインパータを制御して三相誘導電動機 1 G に所定の周波数、提幅を有する三相交流を印加する。

産業上の利用可能性

このように本発明によれば 1 相分のみの関数発生用テ —ブル（ <?— sii ^ テーブル）を記億する ROMと、 2相分の

D A変換器を用意するだけでよいので回路が簡単になると共に，コストダウンが図れる。又、 W稆の電流指令 iw を、

i u + i V 4- i w= 0

が満足されるように決定しているからモータの回転に応じて振動や周期的るうねりが発生することはるく、三相

―.誘導電動機の.駆動-に-適用—し」て—好適-である-。 '

fUREA __OU7l IPO

¾NAT 0

Claims

請求の範囲

1 速度指令と実速度との速度偏差を用て三相の電流指令を出力し、該電流指令に基いて誘導電動機を ¾動する誘導電動搂蘊動装置にいて、前記速度偏差に応じた信号及び実速度を入力され、 IJ ， V ， W相のうち所定の第

1 第 2 相の正弦波僵号をディジタル処理で発生す.^正弦波僵号発生手段、 II , v , w稆の電流指令'の和が零とるように前記第 1 、第 2相の相電流を用 ^:第 3 相の相電流を発生する手段を有することを特徵とする誘導電動機駆動装置。

2. 前記正弦波信号癸生手段は、角度と i S の関保 ( 0— sii^特性）を記億するメモリと、該特性から第 1 相の正弦波 sin を求め、つで該第 1 相の正弦波の位相を

2 ノ 3進み或いは遅らせて第 2 招或は第 3 相の一方の正弦波を発生する滇算部を有することを獰徵とする請求の範囲第 1 項記載の誘導電動機厘動装置。