JP2018198479A - 同期電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】同期電動機の最大出力を増大させると共に、高精度なトルク制御を実現可能とした制御装置を提供する。【解決手段】半導体電力変換器７０により同期電動機８０を制御するための制御装置であって、電動機８０のトルク指令値から電流指令値を演算する電流指令演算器１８を備えた制御装置において、電流指令演算器１８は、トルク指令値から磁束上限値を演算する磁束上限値演算器と、トルク指令値から磁束下限値を演算する磁束下限値演算器と、電動機８０の磁束指令値を磁束上限値及び磁束下限値により基準化した基準化磁束指令値を演算する基準化変換器と、前記トルク指令値及び基準化磁束指令値を入力とする関数により前記電流指令値を演算して出力する電流指令生成部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石同期電動機（以下、ＰＭＳＭ）やシンクロナスリラクタンスモータ（以下、ＳｙｎＲＭ）等の同期電動機の最大出力を増大させ、かつ、高精度なトルク制御を実現する技術に関するものである。

従来より、同期電動機の効率を向上し、かつ、高精度なトルク制御を実現する技術が開発されている。
例えば、特許文献１に記載されたＰＭＳＭの制御装置では、電動機の端子電圧が制限値よりも低い場合は、トルク／電流が最大になるように磁束指令値を制御し、端子電圧が制限値よりも高い場合は、端子電圧が制限値以下になるように磁束指令値を制御する。そして、電動機のトルクがトルク指令値に等しくなるように負荷角調節器により負荷角指令値を演算し、磁束指令値と負荷角指令値とから電流指令値を演算する。この電流指令値に従って電動機の電流を制御することにより、効率の向上及び高精度なトルク制御を可能にしている。

特開２００９−１２４８１１号公報（図１〜図５等）

特許文献１に記載された電流指令値の演算方法では、原理的に、負荷角がトルクの増加関数である必要がある。
一方、電動機の端子電圧を制限値に制御した場合、その出力が最大になるのはトルク／電圧が最大になる動作点であり、この動作点は、トルク／磁束が最大になる動作点にほぼ等しい。しかし、トルク／磁束が最大になる動作点では、負荷角がトルクの増加関数ではなくなるので、特許文献１に記載された技術では電流指令値を演算できなくなり、結果として電動機の最大出力まで運転することができないという問題がある。

そこで、本発明の解決課題は、同期電動機の最大出力を増大させると共に効率を向上させ、高精度なトルク制御を実現可能とした同期電動機の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、
半導体電力変換器により同期電動機を制御するための制御装置であって、前記同期電動機のトルク指令値から電流指令値を演算する電流指令演算器を備えた制御装置において、
前記電流指令演算器は、
前記トルク指令値から磁束上限値を演算する磁束上限値演算手段と、
前記トルク指令値から磁束下限値を演算する磁束下限値演算手段と、
前記同期電動機の磁束指令値を前記磁束上限値及び前記磁束下限値により基準化して基準化磁束指令値を演算する基準化変換手段と、
前記トルク指令値及び前記基準化磁束指令値を入力とする関数により前記電流指令値を演算して出力する手段と、を備えたことを特徴とする。
これにより、同期電動機の最大出力まで安定的に運転することができ、しかもトルクを高精度に制御することが可能である。

請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した同期電動機の制御装置において、前記磁束上限値演算手段は、トルクがトルク指令値に等しく、かつ、トルク／電流を最大にするときの磁束を前記磁束上限値として演算することを特徴とする。
これにより、演算誤差を低減でき、トルク制御精度をより向上させることができる。

請求項３に記載した発明は、請求項１または２に記載した同期電動機の制御装置において、前記磁束下限値演算手段は、トルクがトルク指令値に等しく、かつ、トルク／磁束を最大にするときの磁束を前記磁束下限値として演算することを特徴とする。
これにより、演算誤差を低減でき、トルク制御精度をより向上させることができる。

請求項４に記載した発明は、請求項１または２に記載した同期電動機の制御装置において、前記磁束下限値演算手段は、前記同期電動機の電流が電流制限値以上になる場合には、トルクがトルク指令値に等しく、かつ、前記同期電動機の電流が電流制限値に等しいときの磁束を前記磁束下限値として演算することを特徴とする。
これにより、演算誤差を低減すると共にトルク制御精度を一層向上させることができる。

請求項５に記載した発明は、請求項１〜４の何れか１項に記載した同期電動機の制御装置において、前記磁束指令値からトルク制限値を演算するトルク制限値演算手段と、前記トルク制限値の範囲内に前記トルク指令値を制限する手段と、を備えたことを特徴とする。
これにより、磁束指令値に応じてトルクを適切に制限することができる。

請求項６に記載した発明は、請求項５に記載した同期電動機の制御装置において、前記トルク制限値演算手段は、前記同期電動機の磁束が磁束指令値に等しく、かつ、トルク／磁束を最大にするときのトルクを前記トルク制限値として演算することを特徴とする。
これにより、トルクを同期電動機の最大トルク以下に制限することができる。

請求項７に記載した発明は、請求項５に記載した同期電動機の制御装置において、前記トルク制限値演算手段は、前記同期電動機の電流が電流制限値以上になる場合には、前記同期電動機の磁束が磁束指令値に等しく、かつ、前記同期電動機の電流が電流制限値に等しいときのトルクを前記トルク制限値として演算することを特徴とする。
これにより、同期電動機の電流を電流制限値以下に制御することができる。

請求項８に記載した発明は、請求項１〜７の何れか１項に記載した同期電動機の制御装置において、前記トルク指令値から前記磁束指令値を演算する磁束指令値演算手段を備え、 前記磁束指令値演算手段は、前記同期電動機のトルクが前記トルク指令値に等しく、かつ、トルク／電流を最大にするときの磁束を前記磁束指令値として演算することを特徴とする。
これにより、トルク／電流を最大に制御することができる。

請求項９に記載した発明は、請求項１〜８の何れか１項に記載した同期電動機の制御装置において、前記同期電動機の端子電圧が電圧制限値以下になるように前記磁束指令値を制御する手段を有することを特徴とする。
これにより、同期電動機の端子電圧を電圧制限値以下に制御することができる。

本発明によれば、同期電動機の最大出力を増大させると共に、高精度なトルク制御を実現することができる。

本発明の実施形態に係る制御装置のブロック図である。 図１における電流指令演算器のブロック図である。 図２における基準化変換器の入出力特性を示す図である。 図２における電流指令生成部のトルク指令値と基準化磁束指令値Ψ_{ａ（Ｔａｂｌｅ）} ^＊との関係を示すテーブルである。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
周知のように、同期電動機は、回転子に同期した直交回転座標を構成するｄ，ｑ軸上で制御を行うことで、高性能なトルク制御や速度制御を実現することができる。
ＰＭＳＭの場合、回転子の磁極のＮ極方向をｄ軸と定義し、このｄ軸から９０°進み方向をｑ軸と定義する。また、ＳｙｎＲＭの場合、インダクタンスが最大になる方向をｄ軸と定義し、このｄ軸から９０°進み方向をｑ軸と定義する。

図１は、この実施形態に係るＰＭＳＭ等の同期電動機８０の制御装置を示すブロック図である。
まず、図１に基づいて、同期電動機８０の速度制御、電流制御、及び、電圧制御について説明する。

位置・速度検出回路９１は、同期電動機８０に取り付けられた位置・速度センサ９０の出力信号から、速度検出値ω_ｒと位置検出値θ_ｒとを求める。なお、これらの検出値ω_ｒ，θ_ｒは、位置・速度センサ９０及び位置・速度検出回路９１を用いずに、電動機８０の電流及び端子電圧から演算しても良い。

減算器１６は、速度指令値ω_ｒ ^＊と速度検出値ω_ｒとの偏差を求め、速度調節器１７は上記偏差を零にするように動作してトルク指令値τ^＊を演算する。電流指令演算器１８は、トルク指令値τ^＊、速度検出値ω_ｒ、電圧制限値Ｖ_ａｌｉｍ、電圧指令値振幅Ｖ_ａ ^＊に基づいて、電動機８０の端子電圧が電圧制限値Ｖ_ａｌｉｍ以下の条件で電動機８０の効率を最大にし、かつ、トルクをトルク指令値τ^＊に制御するようなｄ，ｑ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊，ｉ_ｑ ^＊を演算する。

電圧振幅演算器２１は、ｄ，ｑ軸電圧指令値ｖ_ｄ ^＊，ｖ_ｑ ^＊のベクトル和から、電圧指令値振幅Ｖ_ａ ^＊を演算する。電圧制限値演算器２２は、直流電圧検出回路１２により得た直流電圧検出値Ｅ_ｄｃから、電圧制限値Ｖ_ａｌｉｍを演算する。

一方、ｕ相電流検出器１１ｕ、ｗ相電流検出器１１ｗは、電動機８０に流れる相電流ｉ_ｕ，ｉ_ｗをそれぞれ検出する。座標変換器１４は、これらの相電流検出値ｉ_ｕ，ｉ_ｗ、及び、演算により求めた残りのｖ相電流演算値ｉ_ｖを、位置検出値θ_ｒを用いて二相量のｄ，ｑ軸電流検出値ｉ_ｄ，ｉ_ｑに座標変換する。

減算器１９ａは、ｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊とｄ軸電流検出値ｉ_ｄとの偏差を求め、ｄ軸電流調節器２０ａは、上記偏差を零にするように動作してｄ軸電圧指令値ｖ_ｄ ^＊を演算する。また、減算器１９ｂは、ｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊とｑ軸電流検出値ｉ_ｑとの偏差を求め、ｑ軸電流調節器２０ｂは、上記偏差を零にするように動作してｑ軸電圧指令値ｖ_ｑ ^＊を演算する。
座標変換器１５は、ｄ，ｑ軸電圧指令値ｖ_ｄ ^＊，ｖ_ｑ ^＊を、位置検出値θ_ｒを用いて三相量の相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に座標変換し、ＰＷＭ回路１３に出力する。

整流回路６０は、三相交流電源５０を整流して得た直流電圧をインバータ等の電力変換器７０に供給する。
ＰＷＭ回路１３は、電力変換器７０の出力電圧を相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に制御するためのゲート信号を生成する。電力変換器７０は、ゲート信号に基づいて内部の半導体スイッチング素子を制御し、電動機８０の端子電圧を相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に制御する。
以上に述べた制御により、電動機８０の速度及びトルク等を指令値通りに制御することができる。

次に、図１における電流指令演算器１８の詳細を、図２に基づいて説明する。
図２において、磁束指令演算器１２１は、トルク指令値τ^＊から磁束指令値Ψ_{ａＭＴＰＡ}を演算する。この磁束指令値Ψ_{ａＭＴＰＡ}は、トルクがトルク指令値τ^＊に等しく、かつ、トルク／電流を最大にするときの磁束とする。なお、Ψ_{ａＭＴＰＡ}を演算式により求めるのは困難であるため、折線近似関数を利用して演算する。

磁束制限値演算器１２２は、磁束制限値Ψ_ａｌｉｍを数式１により演算する。

磁束指令演算器１２１から出力された磁束指令値Ψ_{ａＭＴＰＡ}は、出力制限器１２３により上限値が磁束制限値Ψ_ａｌｉｍに制限され、磁束指令値Ψ_ａ０ ^＊として出力される。

また、電圧制限値Ｖ_ａｌｉｍと電圧指令値振幅Ｖ_ａ ^＊との偏差を減算器１２４により求める。積分調節器からなる磁束調節器１２５は、上記偏差を零にするように動作して磁束補正係数Ｋ_Ψａを演算し、この磁束補正係数Ｋ_Ψａは、出力制限器１２６により上限値が１．０倍、下限値が零に制限される。

出力制限器１２３，１２６からそれぞれ出力された磁束指令値Ψ_ａ０ ^＊と磁束補正係数Ｋ_Ψａとは乗算器１２７により乗算され、磁束指令値Ψ_ａ ^＊が演算される。これにより、電動機８０の端子電圧を電圧制限値Ｖ_ａｌｉｍ以下に制御するための磁束指令値Ψ_ａ ^＊を演算することができる。

磁束指令値Ψ_ａ ^＊はトルク制限値演算器１３１に入力されてトルク制限値τ_ｌｉｍが演算される。
このトルク制限値τ_ｌｉｍは、磁束が磁束指令値Ψ_ａ ^＊に等しく、かつ、トルク／磁束を最大にするときのトルクとする。ただし、電流が電流制限値以上になる場合は、磁束が磁束指令値Ψ_ａ ^＊に等しく、かつ、電流が電流制限値に等しいときのトルクとする。
トルク制限値τ_ｌｉｍを演算式により求めるのは困難であるため、折線近似関数を利用して演算する。

トルク指令値τ^＊は、出力制限器１３２により上限値がトルク制限値τ_ｌｉｍ、下限値が（−τ_ｌｉｍ）に制限され、トルク指令値τ^＊＊として出力される。これにより、磁束指令値Ψ_ａ ^＊に応じてトルクを電動機８０の最大トルク以下に制限し、かつ、電流を電流制限値以下に制限することができる。

基準化変換器１４１は、図３に示す入出力特性に基づき、後述の磁束上限値Ψ_ａｍａｘ、磁束下限値Ψ_ａｍｉｎを含む磁束指令値Ψ_ａ ^＊に応じた基準化磁束指令値Ψ_{ａ（Ｔａｂｌｅ）} ^＊を演算し、電流指令生成部１４４に出力する。

また、前述のトルク指令値τ^＊＊は磁束上限値演算器１４２及び磁束下限値演算器１４３に入力され、磁束上限値Ψ_ａｍａｘ及び磁束下限値Ψ_ａｍｉｎがそれぞれ演算される。ここで、磁束上限値Ψ_ａｍａｘは、トルクがトルク指令値τ^＊＊に等しく、かつ、トルク／電流を最大にするときの磁束とする。磁束下限値Ψ_ａｍｉｎは、トルクがトルク指令値τ^＊＊に等しく、かつ、トルク／磁束を最大にするときの磁束とする。
ただし、電流が制限値以上になる場合は、トルクがトルク指令値τ^＊＊に等しく、かつ、電流が制限値に等しいときの磁束とする。磁束上限値Ψ_ａｍａｘ及び磁束下限値Ψ_ａｍｉｎを演算式により求めるのは困難であるため、折線近似関数を利用して演算する。

電流指令生成部１４４は、トルク指令値τ^＊＊及び基準化磁束指令値Ψ_{ａ（Ｔａｂｌｅ）} ^＊に基づいて、トルクをトルク指令値τ^＊＊に制御し、かつ、磁束を基準化磁束指令値Ψ_{ａ（Ｔａｂｌｅ）} ^＊に制御するようなｄ，ｑ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊，ｉ_ｑ ^＊を演算する。この演算を演算式により行うのは困難であるため、トルク指令値τ^＊＊と基準化磁束指令値Ψ_{ａ（Ｔａｂｌｅ）} ^＊とを入力とし、ｄ，ｑ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊，ｉ_ｑ ^＊を出力とするテーブルを線形補間することにより、ｄ，ｑ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊，ｉ_ｑ ^＊を演算する。

図４は、電流指令生成部１４４におけるトルク指令値と基準化磁束指令値Ψ_{ａ（Ｔａｂｌｅ）} ^＊とのテーブルの例を示している。
磁束のテーブルは、通常使用する磁束上限値Ψ_ａｍａｘと磁束下限値Ψ_ａｍｉｎとの間を０〜１[ｐｕ]の範囲で用意しておく。これにより、テーブル数を低減し、線形補間に起因する誤差を低減できると共に線形補間演算を簡素化することができる。
また、弱め磁束制御を行う場合には速度が高いため、小さな磁束制御誤差が大きな電圧制御誤差になりやすい。そこで、図４に示すように磁束とトルクとが小さい領域では、テーブルを多く設けることにより、線形補間に起因する磁束制御誤差を低減する。

本発明は、ＰＭＳＭやＳｙｎＲＭ等の各種の同期電動機をインバータ等の電力変換器により駆動する制御装置として利用することができる。

５０ 三相交流電源
６０ 整流回路
７０ 電力変換器
８０ 同期電動機
９０ 位置・速度センサ
９１ 位置・速度検出回路
１１ｕ ｕ相電流検出器
１１ｗ ｗ相電流検出器
１２ 直流電圧検出回路
１３ ＰＷＭ回路
１４ 座標変換器
１５ 座標変換器
１６ 減算器
１７ 速度調節器
１８ 電流指令演算器
１９ａ，１９ｂ 減算器
２０ａ ｄ軸電流調節器
２０ｂ ｑ軸電流調節器
２１ 電圧振幅演算器
２２ 電圧制限値演算器
１２１ 磁束指令演算器
１２２ 磁束制限値演算器
１２３ 出力制限器
１２４ 減算器
１２５ 磁束調節器
１２６ 出力制限器
１２７ 乗算器
１３１ トルク制限値演算器
１３２ 出力制限器
１４１ 基準化変換器
１４２ 磁束上限値演算器
１４３ 磁束下限値演算器
１４４ 電流指令生成部

Claims (9)

1. 半導体電力変換器により同期電動機を制御するための制御装置であって、前記同期電動機のトルク指令値から電流指令値を演算する電流指令演算器を備えた制御装置において、
   前記電流指令演算器は、
   前記トルク指令値から磁束上限値を演算する磁束上限値演算手段と、
   前記トルク指令値から磁束下限値を演算する磁束下限値演算手段と、
   前記同期電動機の磁束指令値を前記磁束上限値及び前記磁束下限値により基準化して基準化磁束指令値を演算する基準化変換手段と、
   前記トルク指令値及び前記基準化磁束指令値を入力とする関数により前記電流指令値を演算して出力する手段と、
   を備えたことを特徴とする同期電動機の制御装置。
2. 請求項１に記載した同期電動機の制御装置において、
   前記磁束上限値演算手段は、トルクがトルク指令値に等しく、かつ、トルク／電流を最大にするときの磁束を前記磁束上限値として演算することを特徴とする同期電動機の制御装置。
3. 請求項１または２に記載した同期電動機の制御装置において、
   前記磁束下限値演算手段は、トルクがトルク指令値に等しく、かつ、トルク／磁束を最大にするときの磁束を前記磁束下限値として演算することを特徴とする同期電動機の制御装置。
4. 請求項１または２に記載した同期電動機の制御装置において、
   前記磁束下限値演算手段は、前記同期電動機の電流が電流制限値以上になる場合には、トルクがトルク指令値に等しく、かつ、前記同期電動機の電流が電流制限値に等しいときの磁束を前記磁束下限値として演算することを特徴とする同期電動機の制御装置。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載した同期電動機の制御装置において、
   前記磁束指令値からトルク制限値を演算するトルク制限値演算手段と、
   前記トルク制限値の範囲内に前記トルク指令値を制限する手段と、
   を備えたことを特徴とする同期電動機の制御装置。
6. 請求項５に記載した同期電動機の制御装置において、
   前記トルク制限値演算手段は、前記同期電動機の磁束が磁束指令値に等しく、かつ、トルク／磁束を最大にするときのトルクを前記トルク制限値として演算することを特徴とする同期電動機の制御装置。
7. 請求項５に記載した同期電動機の制御装置において、
   前記トルク制限値演算手段は、前記同期電動機の電流が電流制限値以上になる場合には、前記同期電動機の磁束が磁束指令値に等しく、かつ、前記同期電動機の電流が電流制限値に等しいときのトルクを前記トルク制限値として演算することを特徴とする同期電動機の制御装置。
8. 請求項１〜７の何れか１項に記載した同期電動機の制御装置において、
   前記トルク指令値から前記磁束指令値を演算する磁束指令値演算手段を備え、
   前記磁束指令値演算手段は、前記同期電動機のトルクが前記トルク指令値に等しく、かつ、トルク／電流を最大にするときの磁束を前記磁束指令値として演算することを特徴とする同期電動機の制御装置。
9. 請求項１〜８の何れか１項に記載した同期電動機の制御装置において、
   前記同期電動機の端子電圧が電圧制限値以下になるように前記磁束指令値を制御する手段を有することを特徴とする同期電動機の制御装置。

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