JP4380271B2 - 同期電動機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、インバータ回路を用いて永久磁石形同期電動機を安定して速度制御するためのＶ／Ｆ一定方式による制御装置に関する。

従来、永久磁石形同期電動機に印加する電圧と周波数の比を一定に保って制御するＶ／Ｆ制御方式による駆動方法があるが、永久磁石同期電動機は誘導電動機と違って回転子に制動巻線を持たず、ダンピングファクターが０であるため、永久磁石形同期電動機のＶ／Ｆ制御方式での駆動はトルクリップルや脱調を起こしやすい。そのため、特許文献１に開示の「永久磁石形同期電動機の制御装置」には、Ｖ／Ｆ制御方式での駆動において、電圧ベクトル方向の電流成分を印加電圧の周波数指令に帰還させることによりトルクリップル等の乱調を防止する手段も提案されている。
特開２０００−２３６６９４号公報（第３〜５頁、図１） 特開２０００−３２４８８１号公報（第３〜５頁）

図５は特許文献１の永久磁石形同期電動機の制御装置のブロック図である。
図５に示す制御装置においては、３相／２相変換手段１０８により検出電流ｉｕ、ｉｗが２相電流ｉα、ｉβに変換され、座標変換手段１０９において電流ｉｄ、ｉｑに変換される。電圧ベクトルｖ^* に平行な成分の電流ｉｑはハイパスフィルタ１１０により直流分が除去され、比例増幅器１１１により比例ゲインを乗じて周波数補正量Δｆ^* が求められる。この補正量Δｆ^* は加算手段１１２によって元の周波数指令ｆ^* から減算されて、新たな周波数指令ｆ１^* を生成してＰＷＭ制御が行われる。
このように、点線ブロックで示した安定化制御手段１２１は電流フィードバックを構成して、電圧ベクトルｖ^* に平行な電流成分ｉｑの振動分だけを周波数指令ｆ^* に負帰還させるものである。更に、同期電動機の出力限界を超える重負荷がかかったり、負荷が大きく急変するような場合には周波数に回転速度が追従しなくなり脱調する虞があるので、特許文献２に開示の「永久磁石形同期電動機の制御装置」では、低速運転時や重負荷時に、新たに設けられた磁極位置検出センサーの検出値を用いて電流軸の角度を補正制御するように、制御の切換えを行って脱調防止が図られている。

しかしながら、特許文献１、２に記載の同期電動機は印加電圧の周波数指令と同期して駆動するため、周波数指令を調整して乱調を防止する手段では速度指令と実速度がずれ、目的の速度に収束できないという問題があった。
そこで、本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、永久磁石形同期電動機のＶ／Ｆ制御において速度精度を悪化させることなく、安定した運転を可能にする同期電動機の制御装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、請求項１に記載の発明は、インバータ回路からの交流電力により永久磁石形同期電動機を可変速制御する制御装置において、速度指令の周波数に比例した電圧指令を出すＦＶ変換器と、速度指令を積分し位置指令を生成する積分器と、積分器から出力された位置指令値より、同期電動機に供給される少なくとも２相分のステータ電流を位置指令値より９０度進んだ軸に座標変換する電流座標変換器と、前記電流座標変換器によって変換した位相指令より９０度進んだ電流成分に基づいて生成した位相補正量で前記ＦＶ変換器によって変換された電圧を座標変換する手段を備えたことを特徴としている。
また、請求項２に記載の発明は、インバータ回路からの交流電力により永久磁石形同期電動機を可変速制御する制御装置において、速度指令の周波数に比例した電圧指令を出すＦＶ変換器と、速度指令を積分し位置指令を生成する積分器と、積分器から出力された位置指令値に位相補正量を加えた補正位置指令により、同期電動機に供給される少なくとも２相分のステータ電流を補正位置指令値より９０度進んだ軸に座標変換する電流座標変換器と、前記位相補正量を前記電流座標変換器によって変換した補正位相指令より、９０度進んだ電流成分に基づいて生成する手段と、更に前記位相補正量で前記ＦＶ変換器によって変換された電圧を座標変換する手段を備えたことを特徴としている。

本発明に係る同期電動機の制御装置について、図２を参照してまず、先行発明の原理について説明する。永久磁石形同期電動機における回転子の磁極方向をｄ軸とし、更にｄ軸から９０度進んだ軸をｑ軸とした直交座標をｄ−ｑ軸とする。 また、この方式では位置検出器といった磁極位置を測定する手段を要しておらず、回転子の磁極位置、つまりｄ−ｑ軸の検出は不可能なので、位相指令θ＿ｒｅｆ上の軸をγ軸とし、更にγ軸から９０度進んだ軸をδ軸とした直交座標系γ−δ軸を設定し、制御はγ−δ軸上で行なう。
Ｖ／Ｆ制御で駆動を開始すると、インバータ回路から電圧が供給され、永久磁石形同期電動機の固定子に電機子電流Ｉが発生する。その時の磁束の大きさをΦとし、電機子電流の大きさＩとし、γ−δ軸上の電流ベクトル位相をθｉとし、制御軸γ軸と磁極位置ｄ軸との位相差をθｅとすると、同期電動機には、
Φ＊Ｉ＊ｓｉｎ（θｅ＋θｉ）
のトルクが発生し、同期電動機は回転する。ここで位相差θｅが微小であると仮定すると、
Φ＊Ｉ＊ｓｉｎ（θｅ＋θｉ）＝Φ＊Ｉδ
となり、磁束の大きさΦは同期電動機によって一定であるため、同期電動機のトルクはδ軸電流に比例している。つまり、トルクリップルやトルク変動はδ軸電流により判別が可能である。
先行発明は上記のことを利用し、Ｖ／Ｆ制御駆動において、δ軸電流に応じて同期電動機に印加する電圧を調整することにより、電動機の動作を安定させることができる。
次ぎに、請求項１に記載の発明について、図２を参照してその原理について説明する。永久磁石形同期電動機における回転子の磁極方向をｄ軸とし、更にｄ軸から９０度進んだ軸をｑ軸とした直交座標をｄ−ｑ軸とする。また、本方式では位置検出器といった磁極位置を測定する手段を要しておらず、回転子の磁極位置、つまりｄ−ｑ軸の検出は不可能なので、位相指令θ＿ｒｅｆ上の軸をγ軸とし、更にγ軸から９０度進んだ軸をδ軸とした直交座標系γ−δ軸を設定し、制御はγ−δ軸上で行なう。
Ｖ／Ｆ制御で駆動を開始すると、インバータ回路から電圧が供給され、同期電動機の固定子に電機子電流Ｉが発生する。同期電動の磁束の大きさをΦとし、極対数をＰとし、電機子電流の大きさＩとし、γ−δ軸上の電流ベクトル位相をθｉとし、制御軸γ軸と磁極位置ｄ軸との位相差をθｅとすると、同期電動機にはＰ＊Φ＊Ｉ＊ｓｉｎ（θｅ＋θｉ）
のトルクが発生し、同期電動機は回転する。ここで位相差θｅが微小であると仮定すると、略、
Ｐ＊Φ＊Ｉ＊ｓｉｎ（θｅ＋θｉ）＝Ｐ＊Φ＊Ｉδ
となり、磁束の大きさΦと極対数Ｐは同期電動機によって一定であるため、同期電動機のトルクはδ軸電流に比例している。つまり、トルクリップルやトルク変動はδ軸電流により判別が可能である。
上記のことを利用し、請求項１の発明はＶ／Ｆ制御駆動において、δ軸電流に応じて同期電動機に印加する電圧の位相を調整することにより、電動機の動作を安定させることができる。
また、請求項２に記載の発明については、Ｖ／Ｆ制御駆動において、δ軸電流に応じて電流変換同期電動機に印加する電圧の位相を調整し、かつ電流座標変換器で用いる位相を調節することにより、電動機の動作を安定させることができる。

本発明によれば、制御軸のδ軸成分の電流によって同期電動機の印加電圧、および位相を補正することによって、Ｖ／Ｆ制御時でも安定した駆動を実現することができる。

〈第１の実施の形態〉
以下、本発明の第１の実施の形態について図に基づいて説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態に係る同期電動機の制御装置のブロック線図である。図２は図１に示す同期電動機の制御軸を示すベクトル図である。
図１において、速度指令ω＿ｒｅｆがＦＶ変換器１に入力され、ＦＶ変換器１は電圧指令Ｅ＿ｒｅｆを出力する。また、速度指令ω＿ｒｅｆは積分器４に入力され、位置指令θ＿ｒｅｆを出力する。
一方、同期電動機３の電機子電流Ｉｕ、Ｉｗを電流座標変換器５によって位置指令θ＿ｒｅｆから９０度進んだ軸に座標変換して得られるδ軸電流Ｉδを入力として、電圧補正器６は比例制御を行い、電圧補正量ΔＶを出力する。
この電圧補正量ΔＶを加算器で前記電圧指令Ｅ＿ｒｅｆに加え補正後の電圧指令Ｖ＿ｒｅｆと前記位置指令θ＿ｒｅｆをインバータ回路２に入力し、点弧が実施される。
このように、同期電動機３のトルクは、図２のベクトル図に示す、γ−δ軸のδ軸電流Ｉδに比例することから、δ軸電流Ｉδの変動分を電圧指令Ｅｒｅｆに、電圧補正量ΔＶとしてフィードバックすることにより、同期電動機３の動作は安定化される。

〈第２の実施の形態〉
次に、本発明の第２の実施の形態について図に基づいて説明する。
図３は本発明の第２の実施の形態に係る同期電動機の制御装置のブロック線図である。
図３において、図１に示した第１の実施の形態と異なる構成は、電圧補正器６に代えて電圧の位相補正量Δθを出力する位相補正器７を備え、電圧補正値Δｖの加算器に代えて位相補正量Δθによって電圧指令Ｖｒｅｆを座標変換したＶγｒｅｆ、Ｖδｒｅｆを出力する電流座標変換器５を備えた点である。
先ず、速度指令ω＿ｒｅｆがＦＶ変換器１に入力され、ＦＶ変換器１は電圧指令Ｖ＿ｒｅｆを出力する。また、速度指令ω＿ｒｅｆは積分器４に入力され、位置指令θ＿ｒｅｆを出力する。
一方、同期電動機の電機子電流Ｉｕ、Ｉｗを電流座標変換器５によって位置指令θ＿ｒｅｆから９０度進んだ軸に座標変換して得られるδ軸電流Ｉδを入力として、位相補正器７は比例制御を行い位相補正量Δθを出力する。
この位相補正量Δθによって前記電圧指令Ｖ＿ｒｅｆを座標変換した電圧指令Ｖγ＿ｒｅｆとＶδ＿ｒｅｆと前記位置指令θ＿ｒｅｆをインバータ回路２に入力し、点弧が実施される。

〈第３の実施の形態〉
次に、本発明の第３の実施の形態について図に基づいて説明する。
図４は本発明の第３の実施の形態に係る同期電動機の制御装置のブロック線図である。
図４において、図３に示した第２の実施の形態と異なる構成は、位置指令θｒｅｆと位相補正器７からの位相補正量Δθとの加算器８を設けた点である。
先ず、速度指令ω＿ｒｅｆがＦＶ変換器１に入力され、ＦＶ変換器１は電圧指令Ｖ＿ｒｅｆを出力する。また、速度指令ω＿ｒｅｆは積分器４に入力され、位置指令θ＿ｒｅｆを出力する。
一方、同期電動機の電機子電流Ｉｕ、Ｉｗを電流座標変換器５によって位置指令θ＿ｒｅｆと位相補正器６から出力された位相補正量Δθとの和を加算器８により求め、求めた補正位置指令θ’＿ｒｅｆから９０度進んだ軸に座標変換して得られるδ軸電流Ｉδを入力として、位相補正器７は比例制御を行い位相補正量Δθを出力する。この位相補正量Δθによって前記電圧指令Ｖ＿ｒｅｆを座標変換した電圧指令Ｖγ＿ｒｅｆとＶδ＿ｒｅｆと前記位置指令θ＿ｒｅｆをインバータ回路２に入力し、点弧が実施される。

本発明の第１の実施の形態に係る同期電動機の制御装置のブロック図である。 図１に示す同期電動機の制御軸を示すベクトル図である。 本発明の第２の実施の形態に係る同期電動機の制御装置のブロック図である。 本発明の第３の実施の形態に係る同期電動機の制御装置のブロック図である。 従来の永久磁石形同期電動機の制御装置のブロック図である。

符号の説明

１ ＦＶ変換器
２ インバータ回路
３ 同期電動機
４ 積分器
５ 電流座標変換器
６ 電圧補正器
７ 位相補正器
８ 加算器

Claims (2)

1. インバータ回路からの交流電力により永久磁石形同期電動機を可変速制御する制御装置において、速度指令の周波数に比例した電圧指令を出すＦＶ変換器と、前記速度指令を積分し位置指令を生成する積分器と、前記積分器から出力された位置指令値より、同期電動機に供給される少なくとも２相分のステータ電流を位置指令値より９０度進んだ軸に座標変換する電流座標変換器と、前記電流座標変換器によって変換した位相指令より９０度進んだ電流成分に基づいて生成した位相補正量で前記ＦＶ変換器によって変換された電圧を座標変換する手段を備えたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
2. インバータ回路からの交流電力により永久磁石形同期電動機を可変速制御する制御装置において、速度指令の周波数に比例した電圧指令を出すＦＶ変換器と、前記速度指令を積分し位置指令を生成する積分器と、前記積分器から出力された位置指令値に位相補正量を加えた補正位置指令により、同期電動機に供給される少なくとも２相分のステータ電流を補正位置指令値より９０度進んだ軸に座標変換する電流座標変換器と、前記位相補正量を前記電流座標変換器によって変換した補正位相指令より、９０度進んだ電流成分に基づいて生成する手段と、更に前記位相補正量で前記ＦＶ変換器によって変換された電圧を座標変換する手段を備えたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。

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