JP5418961B2 - 誘導電動機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ベクトル制御により誘導電動機を高精度に制御するための制御装置に関する。

誘導電動機の高性能かつ高精度な制御方法として、ベクトル制御が広く知られている。ベクトル制御では、電動機に流れる電流を検出し、直交する２軸の電流成分である励磁電流ｉ_ｄ及びトルク電流ｉ_ｑを演算する。励磁電流ｉ_ｄは電動機の２次磁束φ_２に比例し、トルク電流ｉ_ｑは電動機の出力トルクＴに比例するので、励磁電流ｉ_ｄ及びトルク電流ｉ_ｑを制御することで電動機の２次磁束及び出力トルクを独立に制御することができる。

ベクトル制御においては、一般的に、２次磁束φ_２が一定となるように制御を行う。この場合、出力トルクＴは数式１によって与えられる。
［数１］
Ｔ＝φ_２×ｉ_ｑ
よって、トルク電流ｉ_ｑにより出力トルクＴを線形に制御することができる。

図６は、１次側に換算した誘導電動機の等価回路を示しており、Ｒ_１は１次抵抗、Ｌ_σは１次漏れリアクタンス、Ｒ_２は２次抵抗の１次換算値、ｓはすべりである。同図において、励磁インダクタンスＬ_ｍに流れる電流が励磁電流に相当し、理想的には励磁電流の大きさに比例して２次磁束φ_２が変化するので、磁束指令に比例するように励磁電流を調整する。
しかし、実際には励磁インダクタンスＬ_ｍの磁気飽和の影響により、励磁電流と２次磁束φ_２とは非線形な関係になる。数式１より、出力トルクＴを高精度に制御するためには、２次磁束φ_２を指令通りに制御することが重要であり、上述した励磁インダクタンスＬ_ｍの磁気飽和を補償する手段が重要となる。

ここで、特許文献１には、励磁インダクタンスの磁気飽和の影響を補償するための技術が開示されている。図７は、特許文献１に記載された誘導電動機の制御装置を示しており、従来のベクトル制御装置と同一の部分に関する説明は省略し、以下では、励磁インダクタンスの磁気飽和による影響を補償する部分を重点的に説明する。

図７において、１０１は誘導電動機２００に交流電力を供給するインバータ等の電力供給器であり、その出力電流ｉ_ｕ，ｉ_ｗは電流検出器１０２により検出され、座標変換器１０３によって２軸成分の励磁電流ｉ_ｄ及びトルク電流ｉ_ｑに変換される。
関数器１０４では、検出した励磁電流ｉ_ｄ及びトルク電流ｉ_ｑに基づいて２次磁束φ_ｄを推定する。すなわち、関数器１０４の内部には、２次磁束φ_ｄと励磁インダクタンスＭ_ｔとの関係を表したテーブルが用意されており、磁束指令に応じた励磁インダクタンスＭ_ｔを用いて、数式２により２次磁束φ_ｄを推定する。
［数２］
φ_ｄ＝Ｍ_ｔ・ｉ_ｄ

図８は、励磁インダクタンスＭ_ｔの特性図の一例であり、図７における関数器１０４の特性に相当する。２次磁束φ_ｄが小さい領域においてＭ_ｔは一定であるが、２次磁束φ_ｄの増加に伴って磁気飽和が発生し、Ｍ_ｔが徐々に低下する特性となっている。
図７に示す磁束調整器１０５では、２次磁束指令値φ_ｄ ^＊と推定値φ_ｄとの偏差をなくして両者を一致させるように励磁電流指令値ｉ_ｄ ^＊を演算する。なお、１０７は励磁電流ｉ_ｄを励磁電流指令値ｉ_ｄ ^＊に一致させるように動作する直軸電流調整器、１０６はトルク電流ｉ_ｑをトルク電流指令値ｉ_ｑ ^＊に一致させるように動作する横軸電流調整器である。
上記構成により、励磁インダクタンスＭ_ｔに磁気飽和現象が発生しても、２次磁束φ_ｄを指令値φ_ｄ ^＊通りに制御してトルク制御精度を向上させることができる。

次に、図９は励磁インダクタンスＭ_ｔの特性図の他の例を示している。この特性図は、磁束指令を定格値よりも弱めた弱め磁束領域において、トルク電流ｉ_ｑの値に応じて励磁インダクタンスＭ_ｔを低下させた特性となっている。これは、トルク電流ｉ_ｑにより２次磁束φ_２が打ち消されるような渦電流が発生し、特に磁束指令が小さくなるほどその影響が大きくなるためである。
以上の原理により、いかなる場合でも誘導電動機の２次磁束φ_２を指令通りに制御することが可能となり、トルク制御精度を向上させることができる。

特許３５３７５８６号公報（［００１５］〜［００２６］、図１〜図３等）

特許文献１では、励磁電流ｉ_ｄの増加に伴う磁気飽和の影響、及び、弱め磁束領域においてトルク電流ｉ_ｑに起因した渦電流による２次磁束φ_２の低下を補償することにより、トルク制御精度を向上させている。しかし、磁束指令が定格値付近の領域においては、トルク電流ｉ_ｑの変化が２次磁束φ_２に与える影響を考慮していない。

一般的に、誘導電動機は励磁インダクタンスの磁気飽和がすでに発生している領域が磁束の定格値となるように設計されている。よって、励磁インダクタンスの磁気飽和による変化は励磁電流ｉ_ｄによる影響が支配的であるが、トルク電流ｉ_ｑによる励磁インダクタンスの磁気飽和の影響も少なからず発生する。特に、誘導電動機をより高精度に制御したい場合、トルク電流ｉ_ｑによる磁気飽和の影響を補償する必要がある。
そこで、本発明の解決課題は、励磁電流ｉ_ｄのみならずトルク電流ｉ_ｑによる励磁インダクタンスの磁気飽和の影響も補償して、高精度なトルク制御を可能にした誘導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に係る制御装置は、電力変換器により駆動される誘導電動機の電流を前記電動機の磁束と平行な励磁電流及びこの励磁電流に直交するトルク電流に分解する座標変換手段と、磁束指令値から励磁電流指令値を演算する手段と、トルク指令値からトルク電流指令値を演算する手段と、励磁電流検出値を励磁電流指令値に一致させるようなｄ軸電圧指令値を出力する励磁電流調整手段と、トルク電流検出値をトルク電流指令値に一致させるようなｑ軸電圧指令値を出力するトルク電流調整手段と、を備え、前記ｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値を用いて前記電力変換器を制御する誘導電動機の制御装置において、
前記トルク電流指令値またはトルク指令値の大きさに応じた補正値であって、前記トルク電流指令値またはトルク指令値が１００％の状態で試運転を行った時にトルク制御精度が目標を満足するような補正値を出力する補正値演算手段と、前記補正値を前記トルク電流指令値に加算する加算手段と、を有し、前記加算手段から出力される補正後のトルク電流指令値を前記トルク電流調整手段に入力するものである。

なお、前記補正値演算手段により演算される補正値は、請求項２に記載するように、トルク電流指令値またはトルク指令値の２乗値に比例した値とするか、請求項３に記載するように、トルク電流指令値またはトルク指令値に比例した値にすることが望ましい。

本発明によれば、励磁電流ばかりでなくトルク電流による励磁インダクタンスの磁気飽和の影響も補償して高精度なトルク制御を実現することができる。

本発明の実施形態の構成を示すブロック図である。 図１におけるトルク電流指令演算手段の構成図である。 誘導電動機のＴ型等価回路図である。 トルク電流指令補正値演算手段の作用を説明する図である。 トルク電流指令補正値演算手段の作用を説明する図である。 誘導電動機の等価回路図である。 特許文献１に記載された誘導電動機の制御装置を示すブロック図である。 誘導電動機の励磁インダクタンスの特性図である。 誘導電動機の励磁インダクタンスの特性図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る制御装置の構成を示している。本実施形態では、一般的なベクトル制御装置において、トルク電流指令値の演算内容を改良した点に特徴がある。なお、以下の実施形態では、誘導電動機に速度センサが設置されている場合について説明するが、本発明は、速度センサを持たず、誘導電動機への印加電圧・電流から回転速度を推定する速度センサレス制御に対しても適用可能である。

図１において、回転速度検出手段１は、誘導電動機２００に設置された速度センサとしてのパルスジェネレータの出力信号から回転速度を演算する。すべり周波数演算手段２では、指令値通りのトルクを出力するために、トルク電流指令値に比例したすべり周波数を出力する。以上のように演算した回転速度とすべり周波数とを加算手段３にて加算することにより、１次周波数指令値が演算される。

この１次周波数指令値を座標変換手段５にて積分することにより位相角が算出され、電流検出手段４により検出した電力変換器１２の三相の出力電流を上記位相角に基づいて座標変換し、２軸成分の励磁電流及びトルク電流に分解する。

一方、回転速度はトルク指令演算手段６に入力されている。トルク指令演算手段６では、速度指令値と回転速度とが一致するようにトルク指令値を演算し、トルク電流指令演算手段７では、トルク指令値及び磁束指令値からトルク電流指令値を演算する。このトルク電流指令演算手段７の構成、動作については後述する。

トルク電流指令値はトルク電流調整手段８に入力され、座標変換手段５から出力されたトルク電流がトルク電流指令値と一致するようなｑ軸電圧指令値が演算される。
同様に、励磁電流指令演算手段９では回転速度指令値から決まる磁束指令値に応じた励磁電流指令値を演算する。この励磁電流指令値は励磁電流調整手段１０へ入力され、座標変換手段５から出力された励磁電流が励磁電流指令と一致するようなｄ軸電圧指令値が演算される。

以上のようにして得られたｄ軸及びｑ軸の電圧指令値を座標変換手段１１にて三相の出力電圧指令値に変換し、この指令値をインバータ等の電力変換器１２に与えることにより、電圧指令値通りの三相交流電圧が誘導電動機２００に供給される。この結果、励磁電流指令値及びトルク電流指令値に一致した電流が誘導電動機２００に流れ、電動機２００を高精度に制御することが可能となる。

図２は、前記トルク電流指令演算手段７の構成を示すブロック図であり、図中の点線部分が本実施形態により新たに追加された部分である。
トルク電流指令値は、トルク指令値に比例し、磁束指令値に反比例する。ここでは、まずトルク指令値及び磁束指令値から、比例演算手段７１によりトルク電流指令値を演算する。この処理は一般的なベクトル制御と同一である。

本実施形態では、トルク電流指令演算手段７の内部に、トルク電流指令補正値演算手段７２が設けられている。トルク電流指令補正値演算手段７２は、従来通りの演算により得られたトルク電流指令値に応じた大きさを持つ補正値を出力する。そして、加算手段７３において上記補正値を元のトルク電流指令値に加算したものを最終的なトルク電流指令値として前記トルク電流調整手段８に出力し、電力変換器１２を制御する。
以上の処理により、トルク電流が変化する場合においても、励磁インダクタンスの磁気飽和の影響を受けることなく、高精度にトルクを制御することができる。

次に、本実施形態によりトルク制御精度を改善できる理由、及び、トルク電流指令補正値演算手段７２の具体的な構成方法について説明する。
図３は、１次側に換算した誘導電動機のＴ型等価回路であり、Ｒ_１は１次抵抗、Ｌ_１は１次漏れリアクタンス、Ｌ_２は２次漏れリアクタンスの１次換算値、Ｒ_２は２次抵抗の１次換算値である。図３は図６と同様に誘導電動機の等価回路を示しているが、各定数の物理的意味が若干異なる。図３において、相互インダクタンスＭに流れる電流Ｉ_０は、誘導電動機の１次側と２次側とのギャップにできる磁束を作る電流に相当する。
図３及び図６の回路において、１次電流Ｉ_１、すなわち電力変換器が出力する電流は等しいことを考えると、Ｉ_０の絶対値は数式３によって表される。

数式３から、Ｉ_０の絶対値は、トルク電流Ｉ_ｑの２乗値に応じて変化することが分かる。
相互インダクタンスＭについても、流れる電流の大きさに応じて、磁気飽和が発生する。磁気飽和によりギャップ磁束が減少すると、その減少分だけ２次磁束も減少し、その結果、トルク制御精度が悪化する。数式３から明らかなように、相互インダクタンスＭに流れる電流の大きさはトルク電流Ｉ_ｑによっても変化するので、２次磁束φ_２もトルク電流Ｉ_ｑの大きさにより変化する。
よって、２次磁束φ_２を一定に制御するためには、トルク電流Ｉ_ｑによる磁気飽和の影響も補償する必要がある。

次に、トルク電流による磁気飽和の影響をどのように補償するかを考える。まず、ギャップ磁束φ_Ｇは数式４によって表すことができる。

２次磁束φ_２を一定に制御するためには、トルク電流ｉ_ｑの増加に伴い、ギャップ磁束φ_Ｇを増加させる必要がある。しかし、磁束指令が定格値付近の領域では、磁束指令がある程度大きいため、磁気飽和の影響を受けやすくなる。よって、トルク電流ｉ_ｑが増加しても、ギャップ磁束φ_Ｇはほとんど増加しないものと考えられる。その結果、ギャップ磁束φ_Ｇの誤差分がそのまま２次磁束φ_２の誤差となり、２次磁束φ_２はトルク電流ｉ_ｑの２乗値に応じて減少することになる。

以上より、励磁電流ｉ_ｄを一定に制御していても、トルク電流ｉ_ｑの増加に伴い２次磁束φ_２が減少していくことになる。誘導電動機の出力トルクＴは数式１により表されるので、トルク電流ｉ_ｑが増加するにつれてトルク制御精度が悪化することになる。この現象を補償する１つの方法としては、トルク電流ｉ_ｑの大きさに応じて励磁電流指令値ｉ_ｄ ^＊を調整し、２次磁束φ_２の減少分を補償することが考えられる。
しかし、磁気飽和がすでに発生している状態であるため、２次磁束φ_２の減少分を補償するには励磁電流ｉ_ｄを大幅に増加させる必要があり、好ましくない。

そこで、本実施形態では、図２に示したようにトルク電流指令値に、その電流値に応じた補正値を加算することにより、２次磁束φ_２が減少しても出力トルクＴが一定となるように制御する。出力トルクＴを一定に保つには、２次磁束φ_２の減少分だけトルク電流指令値を増加させればよい。よって、２次磁束φ_２がトルク電流ｉ_ｑの２乗値に応じて減少していくことを考えると、補正値もトルク電流ｉ_ｑの２乗に比例させるべきである。

図４は、トルク電流指令補正値演算手段７２の入出力特性を示しており、請求項２に係る発明に相当する。
このトルク電流指令補正値演算手段は、トルク指令値またはトルク電流指令値を入力とし、その２乗値に比例した補正値を出力する。例えば、トルク電流指令値が０の場合に補正量が０となるような２次曲線状の補正パターンである。これは、前述した理論に基づく補正パターンであり、トルク制御精度の改善効果を最も期待することができる。

なお、この例において、最適な補正値については、例えばトルク電流指令値が１００％の状態で試運転を行い、トルク制御精度が目標を満足するようにそのときの補正値（図４のＡに相当）を調整すればよい。トルク電流指令値はトルク指令値に比例するので、トルク指令値をトルク電流指令値の代わりに入力しても、同様の作用効果を得ることができる。

図５は、トルク電流指令補正値演算手段７２の他の入出力特性を示しており、請求項３に係る発明に相当している。
このトルク電流指令補正値演算手段では、入力値に比例した補正値を出力する。すなわち、入力値が０の場合に補正量が０となる直線状の補正パターンとなる。図４と同様に、入力はトルク指令値、トルク電流指令値の何れでも構わない。

図５に記載した入出力特性は理論に厳密に基づいたものではないので、請求項２の発明と比較すると、トルク制御精度の改善効果は低くなる。しかし、補正値を演算するためのＣＰＵの演算負荷が軽くなるため、演算量の増加を最小限に抑えたい場合に有効である。

１：回転速度検出手段
２：すべり周波数演算手段
３：加算手段
４：電流検出手段
５：座標変換手段
６：トルク指令演算手段
７：トルク電流指令演算手段
７１：比例演算手段
７２：トルク電流指令補正値演算手段
７３：加算手段
８：トルク電流調整手段
９：励磁電流指令演算手段
１０：励磁電流調整手段
１１：座標変換手段
１２：電力変換器
２００：誘導電動機

Claims (3)

1. 電力変換器により駆動される誘導電動機の電流を前記電動機の磁束と平行な励磁電流及びこの励磁電流に直交するトルク電流に分解する座標変換手段と、磁束指令値から励磁電流指令値を演算する手段と、トルク指令値からトルク電流指令値を演算する手段と、励磁電流検出値を励磁電流指令値に一致させるようなｄ軸電圧指令値を出力する励磁電流調整手段と、トルク電流検出値をトルク電流指令値に一致させるようなｑ軸電圧指令値を出力するトルク電流調整手段と、を備え、前記ｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値を用いて前記電力変換器を制御する誘導電動機の制御装置において、
   前記トルク電流指令値またはトルク指令値の大きさに応じた補正値であって、前記トルク電流指令値またはトルク指令値が１００％の状態で試運転を行った時にトルク制御精度が目標を満足するような補正値を出力する補正値演算手段と、前記補正値を前記トルク電流指令値に加算する加算手段と、を有し、前記加算手段から出力される補正後のトルク電流指令値を前記トルク電流調整手段に入力することを特徴とする誘導電動機の制御装置。
2. 請求項１に記載した誘導電動機の制御装置において、
   前記補正値演算手段は、トルク電流指令値またはトルク指令値の２乗値に比例した補正値を出力することを特徴とする誘導電動機の制御装置。
3. 請求項１に記載した誘導電動機の制御装置において、
   前記補正値演算手段は、トルク電流指令値またはトルク指令値に比例した補正値を出力することを特徴とする誘導電動機の制御装置。

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