(57)【要約】【課題】交流回転機の極低速領域でも、安定した回転角周波数推定値を得ることができ、安定した制御を行なうことのできる交流回転機の制御装置を提案する。【解決手段】角周波数推定出力手段２０を備えた交流回転機の制御装置であり、角周波数推定出力手段２０は、回転角周波数推定値ωｅを含む角周波数演算値ω１に基づいて、角周波数推定値ωｉを出力する。この角周波数推定出力手段２０は、下限定数値ω２を出力する下限定数値出力手段と、角周波数演算値ω１と下限定数値ω２とを比較する比較手段と、比較手段に基づいて、切り替え動作を行なう切り替え手段とを有し、切り替え手段は、角周波数演算値ω１が下限定数値ω２より大きいときには、角周波数演算値ω１を角周波数推定値ωｉとして出力し、また角周波数演算値ω１が下限定数値ω２以下になったときには、下限定数値ω２を角周波数推定値ωｉとして出力する。
2008065719.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流回転機を制御する制御装置であって、
三相電圧指令値と一致するように可変電圧かつ可変周波数の三相交流出力電圧を発生して前記交流回転機に供給する電力変換器と、
前記交流回転機の三相の電流を検出する電流検出手段と、
前記三相交流出力電圧の角周波数の推定値である角周波数推定値を出力する角周波数推定出力手段と、
回転二軸座標系において電流指令値と前記角周波数推定値とに基づいて電圧指令値を演算する電圧指令演算手段と、
前記角周波数推定値から前記回転二軸座標系の位相θを演算する位相演算手段と、
前記位相に基づいて、回転二軸座標系での前記電圧指令値を前記三相電圧指令値に変換するｄｑ軸／三相変換手段と、
前記位相に基づいて、前記電流検出手段で検出した三相の電流を前記回転二軸座標系での電流検出値に変換する三相／ｄｑ軸変換手段と、
前記回転二軸座標系において前記電圧指令値、前記電流検出値及び前記角周波数推定値とに基づいて、前記交流回転機の回転角周波数の推定値である回転角周波数推定値を演算する回転角周波数推定演算手段とを備え、
前記角周波数推定出力手段は、下限定数値を出力する下限定数値出力手段と、前記回転角周波数推定値に基づいて演算された角周波数演算値と前記下限定数値とを比較する比較手段と、この比較手段の比較の結果により前記角周波数演算値と前記下限定数値の何れか大きい方を切替えて前記角周波数推定値として出力する切り替え手段とを有することを特徴とする交流回転機の制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の交流回転機の制御装置であって、前記下限定数値が、前記交流回転機の回転機定数から演算した値であることを特徴とする交流回転機の制御装置。
【請求項３】
請求項２記載の交流回転機の制御装置であって、前記交流回転機の一次抵抗をＲｓ、その一次インダクタンスをＬｓ、一次抵抗の最大値を標準温度における値で割った値をｋとと、前記下限定数値ω２が、ω２＝ｋ×Ｒｓ／Ｌｓで演算した値であることを特徴とする交流回転機の制御装置。
【請求項４】
請求項１記載の交流回転機の制御装置であって、前記交流回転機が誘導電動機であり、前記制御装置が、前記回転二軸座標系での電流指令値に基づいて前記誘導電動機の滑り角周波数指令値を演算する滑り角周波数指令演算手段をさらに備え、前記角周波数推定値と前記滑り角周波数指令値とを加算した値を前記角周波数演算値とすることを特徴とする交流回転機の制御装置。
【請求項５】
請求項１記載の交流回転機の制御装置であって、前記交流回転機が同期電動機であり、前記回転角周波数推定値を前記角周波数演算値とすることを特徴とする交流回転機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、交流回転機の制御装置、特に交流回転機に取り付けられる速度センサを不要とした速度センサレスベクトル制御タイプの交流回転機の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
速度センサレスベクトル制御においては、交流回転機の速度が非常に小さい極低速域の場合、電力変換器から交流回転機へ出力される交流出力電圧の電圧値は、非常に小さい値となる。また、速度センサレスベクトル制御では、使用する交流回転機の回転機定数の設定誤差、電力変換器を構成する半導体素子の上下アームの短絡防止期間による交流出力電圧の電圧値誤差、電力変換器を構成する半導体素子のオン電圧降下による交流出力電圧の電圧値誤差が生じる。したがって、交流出力電圧の電圧値が小さくなる極低速域においては、この交流出力電圧の電圧値誤差の影響が非常に大きくなる。一方、速度センサレスベクトル制御においては、交流出力電圧が電圧指令値に一致するものとして、交流出力電圧の角周波数の推定値である角周波数推定値を演算しており、上述したような要因で電圧値誤差が大きくなると、交流出力電圧の角周波数推定出力の誤差も増大し、制御が不安定となる。このため、速度センサレスベクトル制御では、極低速域まで安定して、交流出力電圧の角周波数推定出力を演算することが課題である。【０００３】
この課題に対応して、下記特許文献１では、ｑ軸電流指令値Ｉｑ*とｑ軸電流検出値Ｉｑとに基づいて、電力変換器から交流回転機へ出力される交流出力電圧の角周波数推定値を生成する第１の推定手段と、ｑ軸電流指令値Ｉｑ*とｄ軸電流指令値Ｉｄ*とに基づいて、交流出力電圧の角周波数推定値を生成する第２の推定手段とを設け、第１の推定手段による交流電圧の角周波数推定値が所定値以下になると、第２の推定手段に切り替えて制御を行なう。この特許文献１の第２の推定手段は、ｄ軸電流指令値Ｉｄ*とｑ軸電流指令値Ｉｑ*との積により加速度指令値を求め、切り替え直前の角周波数推定値を初期値として加速度指令値を積分することにより、角周波数推定値を求める。また、下記特許文献２では、角周波数推定部の出力である角周波数推定値と、予め設定した下限レベル設定値とを比較し、角周波数推定値が下限レベル設定値以下になったときに、角周波数推定値の代わりに関数発生手段の出力信号である設定角周波数を用いるようにスイッチ手段により切り替える監視手段を有している。【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２３８４９７号公報、とくにその段落０００５
【特許文献２】特開平８−８００９８号公報、とくにその要約
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１では、ある程度、交流回転機の速度が高くなったときに、第２の推定手段から第１の推定手段に切り替える必要があるが、その場合、第１の推定手段と第２の推定手段の角周波数推定出力が一致しているとは限らず、第２の推定手段から第１の推定手段に切り替えるタイミングの決定は難しく、複雑なアルゴリズムが必要になる。また、第２の推定手段は、ｑ軸電流指令値Ｉｑ*とｄ軸電流指令値Ｉｄ*とに基づいて、角周波数推定値を生成するため、角周波数推定値の演算の安定性は高いが、電力変換器の直流側の電圧変動および電気車などで発生する空転などの速度変動の外乱などに追従することができない。電圧、速度変動に弱いため、第２の推定手段を使用する場合には、制御装置としての安定性及び信頼性は低下する。【０００６】
また、特許文献２では、角周波数推定出力が下限レベル設定値以下になった場合、角周波数推定出力の代わりに関数発生手段の出力を設定するが、この関数発生手段の設定が困難であり、また交流回転機が変更になると関数発生手段の設定を変更する必要があるため、交流回転機が変更になる毎に時間を掛けて関数発生手段を調整する必要がある。【０００７】
この発明は、このような特許文献１、２の問題を改善することのできる交流回転機の制御装置を提案するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明による交流回転機の制御装置は、交流回転機を制御する制御装置であって、三相電圧指令値と一致するように可変電圧かつ可変周波数の三相交流出力電圧を発生し、て前記交流回転機に供給する電力変換器と、前記交流回転機の三相の電流を検出する電流検出手段と、前記三相交流出力電圧の角周波数の推定値である角周波数推定値を出力する角周波数推定出力手段と、回転二軸座標系において電流指令値と前記角周波数推定値とに基づいて電圧指令値を演算する電圧指令演算手段と、前記角周波数推定値から前記回転二軸座標系の位相θを演算する位相演算手段と、前記位相に基づいて、回転二軸座標系での前記電圧指令値を前記三相電圧指令値に変換するｄｑ軸／三相変換手段と、前記位相に基づいて、前記電流検出手段で検出した三相の電流を前記回転二軸座標系での電流検出値に変換する三相／ｄｑ軸変換手段と、前記回転二軸座標系において前記電圧指令値、前記電流検出値及び前記角周波数推定値とに基づいて、前記交流回転機の回転角周波数の推定値である回転角周波数推定値を演算する回転角周波数推定演算手段とを備え、前記角周波数推定出力手段は、下限定数値を出力する下限定数値出力手段と、前記回転角周波数推定値に基づいて演算された角周波数演算値と前記下限定数値とを比較する比較手段と、この比較手段の比較の結果により前記角周波数演算値と前記下限定数値の何れか大きい方を切替えて前記角周波数推定値として出力する切り替え手段とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
この発明による交流回転機の制御装置では、角周波数推定値が下限定数値以上となるようにしているので、交流回転機の極低速域でも安定に制御できるという効果がある。【００１０】
この発明の目的、特徴、観点および効果は、図面を参照する以下のこの発明の詳細な説明から、さらに明らかとされる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明による交流回転機の制御装置の実施の形態１を示すブロック図である。
【図２】実施の形態１における角周波数推定出力手段の詳細を示すブロック図である
【図３】実施の形態１による回転角周波数推定値と交流回転機の実トルクとの関係を示す特性図である。
【図４】従来装置による回転角周波数推定値と交流回転機の実トルクとの関係を示す特性図である。
【図５】この発明による交流回転機の制御装置の実施の形態２を示すブロック図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、この発明による交流回転機の制御装置の実施の形態について図面を用いて説明する。【００１３】
実施の形態１．
まず、この発明による交流回転機の制御装置の実施の形態１について、図１を参照して説明する。この図１に示す実施の形態１の交流回転機の制御装置は、交流回転機１を制御する制御装置１０Ａである。交流回転機１は、具体的には、誘導電動機１Ａであり、この誘導電動機１Ａは、例えば電気車に搭載され、この電気車を駆動する。制御装置１０Ａも、誘導電動機１Ａとともに電気車に搭載され、誘導電動機１Ａを制御する。【００１４】
制御装置１０Ａは、電力変換器１１と、電圧指令演算手段１２と、ｄｑ軸／三相変換手段１３と、電流検出手段１４と、三相／ｄｑ軸変換手段１５と、滑り角周波数指令演算手段１６と、加算手段１７と、角周波数推定出力手段２０と、位相演算手段１８と、回転角周波数推定演算手段１９を含む。【００１５】
電力変換器１１は、既知のＶＶＶＦタイプの電力変換器であり、この電力変換器１１は、直流線路２からの直流電力ＰＤＣを、可変電圧でしかも可変周波数の三相交流出力電力ＰＡＣに変換し、この三相交流出力電力ＰＡＣを、三相給電路３を通じて誘導電動機１Ａに供給する。直流線路２は、電気車の集電シューを通じて、電気車の走行線路に沿って配置された直流給電線路に接続される。電力変換器１１は、直流線路２に接続された一対の直流電路の間に、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各交流スイッチ電路を配置し、これらの各交流スイッチ電路のそれぞれに半導体素子の上下アームを接続し、各交流スイッチ電路に三相給電路３を接続して構成される。この電力変換器１１では、各交流スイッチ電路の各半導体素子がオンとなる位相を三相電圧指令値Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*により制御し、直流電力ＰＤＣを三相交流出力電力ＰＡＣに変換する。この三相交流出力電力ＰＡＣの三相交流電圧を、三相交流出力電圧ＶＡＣとする。この三相交流出力電圧ＶＡＣは、可変電圧かつ可変周波数の三相交流電圧である。【００１６】
電圧指令演算手段１２は、回転二軸座標系でのｄ軸電流指令値Ｉｄ*とｑ軸電流指令値Ｉｑ*と角周波数推定値ωｉとに基づいて、回転二軸座標系でのｄ軸電圧指令値Ｖｄ*とｑ軸電圧指令値Ｖｑ*を演算し、これらのｄ軸電圧指令値Ｖｄ*とｑ軸電圧指令値Ｖｑ*を、ｄｑ軸／三相変換手段１２に供給する。ｄ軸電流指令値Ｉｄ*とｑ軸電流指令値Ｉｑ*は、制御装置１０Ａの外部から、電圧指令演算手段１２に供給される。角周波数推定値ωｉは、角周波数推定出力手段２０から電圧指令演算手段１２に供給される。ｄｑ軸／三相変換手段１３は、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ*とｑ軸電圧指令値Ｖｑ*とに基づいて三相電圧指令値Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*を発生し、この三相電圧指令値Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*を電力変換器１１に供給する。【００１７】
ｄ軸電流指令値Ｉｄ*は、次の式（１）で表わされる。
Ｉｄ*＝φ*／Ｍ      （１）
なお、φ*は誘導電動機１Ａに対する２次磁束指令値であり、Ｍは誘導電動機１Ａのモータ定数である相互インダクタンスである。【００１８】
また、ｑ軸電流指令値Ｉｑ*は、次の式（２）で表わされる。
Ｉｑ*＝τ*／φ*×Ｌｒ／Ｍ／ｐ      （２）
なお、τ*は誘導電動機１Ａに対するトルク指令値、Ｌｒは誘導電動機１Ａのモータ定数である２次インダクタンス、ｐは誘導電動機１Ａの極対数である。【００１９】
ｄ軸電圧指令値Ｖｄ*は、次の式（３）で表わされ、また、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ*は、次の式（４）で表わされる。電圧指令演算手段１２は、これらの式（３）（４）にしたがって、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ*およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ*を演算する。
Ｖｄ*＝Ｒｓ×Ｉｄ*−ωｉ×σ×Ｌｓ×Ｉｑ*      （３）
Ｖｑ*＝Ｒｓ×Ｉｑ*＋ωｉ×Ｌｓ×Ｉｄ*      （４）
なお、Ｒｓは誘導電動機１Ａのモータ定数である１次抵抗、Ｌｓは誘導電動機１Ａのモータ定数である１次インダクタンスである。またσは誘導電動機１Ａのモータ定数から算出される定数であり、次の式（５）で表わされる。
σ＝１−（Ｍ2／Ｌｒ／Ｌｓ）      （５）【００２０】
電流検出手段１４は、三相給電路３の各相に設けられた電流検出器１４ｕ、１４ｖ、１４ｗを有し、これらの各電流検出器１４ｕ、１４ｖ、１４ｗは、それぞれ誘導電動機１ＡのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相の電流検出値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを検出し、これらを三相／ｄｑ軸変換手段１５へ供給する。三相／ｄｑ軸変換手段１５は、三相の電流検出値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを、回転二軸座標系でのｄ軸電流検出値Ｉｄとｑ軸電流検出値Ｉｑに変換する。【００２１】
電流検出手段１４の各電流検出器１４ｕ、１４ｖ、１４ｗには、例えば電流変成器（ＣＴ）が使用され、この電流変成器は、交流給電路３を流れる三相の電流検出値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを検出する。しかし、電流検出手段１４は、他の既知の手段を用いて、電力変換器１１の内部のＵ相、Ｖ相およびＷ相の交流回路に流れる三相の電流を検出するように構成することもできる。また、ｉｕ＋ｉｖ＋ｉｗ＝０の関係が成立するので、例えばＵ相、Ｖ相の２相分の電流検出値ｉｕ、ｉｖからＷ相の電流検出値ｉｗを求めることもできる。【００２２】
滑り角周波数指令演算手段１６は、回転二軸座標系で、ｄ軸電流指令値Ｉｄ*とｑ軸電流指令値Ｉｑ*とに基づいて、誘導電動機１Ａの滑り角周波数指令値ωｓ*を演算する。この滑り角周波数指令値ωｓ*は、次の式（６）で表わされる。滑り角周波数指令演算手段１６は、この式（６）にしたがって、滑り角周波数指令値ωｓ*を演算する。
ωｓ*＝（Ｉｑ*×Ｒｒ）／（Ｉｄ*×Ｌｒ）      （６）
なお、Ｒｒは誘導電動機１Ａのモータ定数である２次抵抗である。【００２３】
加算手段１７は、滑り角周波数指令演算手段１６からの滑り角周波数指令値ωｓ*と、回転角速度推定演算手段１９からの角周波数推定値ωｅとを加算した角周波数演算値ω１を出力し、この角周波数演算値ω１を角周波数推定出力手段２０に供給する。この角周波数演算値ω１は、次の式（７）で表わされる。
ω１＝ωｓ*＋ωｅ      （７）【００２４】
角周波数推定出力手段２０には、加算手段１７から角周波数演算値ω１が入力され、角周波数推定出力手段２０は、回転二軸座標系での角周波数推定値ωｉを出力する。この角周波数推定値ωｉは、電力変換器１１から出力される三相交流出力電圧ＶＡＣの角周波数を表わす。この角周波数推定値ωｉは、電圧指令演算手段１２、位相演算手段１８および回転角周波数推定演算手段１９にそれぞれ供給される。【００２５】
位相演算手段１８は、角周波数推定値ωｉに基づいて、回転二軸座標系の位相θを演算し、この位相θを、ｄｑ軸／三相変換手段１３および三相／ｄｑ軸変換手段１５にそれぞれ供給する。この位相θは、角周波数推定値ωｉを位相演算手段１８で積分した値である。回転角周波数推定演算手段１９には、電圧指令演算手段１２からのｄ軸電圧指令値Ｖｄ*とｑ軸電圧指令値Ｖｑ*と、三相／ｄｑ軸変換手段１５からのｄ軸電流検出値Ｉｄとｑ軸電流検出値Ｉｑと、さらに、角周波数推定出力手段２０からの角周波数推定値ωｉが供給される。【００２６】
回転角周波数推定演算手段１９は、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ*とｑ軸電圧指令値Ｖｑ*と、ｄ軸電流検出値Ｉｄとｑ軸電流検出値Ｉｑと、角周波数推定値ωｉとに基づいて、回転二軸座標系で、誘導電動機１Ａの回転角周波数を表わす回転角周波数推定値ωｅを演算し、この回転角周波数推定値ωｅを加算手段１７へ供給する。なお、回転角周波数推定演算手段１９による回転角周波数推定値ωｅの演算の詳細は、例えば特開２００３−３０２４１３号公報などに開示された既存の技術であるので、説明を省略する。【００２７】
さて、角周波数推定出力手段２０は、この発明の特徴として、角周波数推定値ωｉを下限定数値ω２以上になるようにして出力する。この角周波数推定出力手段２０の詳細について、図２を参照して説明する。【００２８】
角周波数推定出力手段２０は、図２に示すように、下限定数値出力手段２１と、比較手段２４と、切り替え手段２５を有する。下限定数値出力手段２１は、定数設定手段２２と、乗算手段２３を含む。定数設定手段２２は、誘導電動機１Ａのモータ定数であるＲｓとＬｓを用いて、定数値Ｒｓ／Ｌｓを設定し、この定数値Ｒｓ／Ｌｓを乗算手段２３に供給する。乗算手段２３は、定数値Ｒｓ／Ｌｓにさらに乗算定数ｋを乗算し、下限定数値ω２を出力する。乗算定数ｋは、後述するようにして求めた正の定数とされる。下限定数値ω２は、次の式（８）で表わされる。この下限定数値ω２が、下限定数値出力手段２１から出力される。
ω２＝ｋ×Ｒｓ／Ｌｓ      （８）【００２９】
比較手段２４は、第１入力ａ、第２入力ｂと、出力ｃを有する。比較手段２４の第１入力ａには、加算手段１７から角周波数演算値ω１が供給される。この角周波数演算値ω１は、式（７）で表わされるように、滑り角周波数指令値ωｓ*と回転角周波数推定値ωｅとの加算出力である。比較手段２４の第２入力ｂには、下限定数値出力手段２１から下限定数値ω２が入力される。比較手段２４の出力ｃは、切り替え手段２５を切り替え制御するために、切り替え手段２５に供給される。切り替え手段２５は、第１入力Ａと、第２入力Ｂと、出力Ｃを有する。切り替え手段２５の第１入力Ａには、加算手段１７から角周波数演算値ω１が供給される。切り替え手段２５の第２入力Ｂには、下限定数値出力手段２１から下限定数値ω２が入力される。切り替え手段２５の出力Ｃから、角周波数推定値ωｉが出力される。【００３０】
切り替え手段２５は、入力Ａが出力Ｃに接続され、出力Ｃの角周波数推定値ωｉが角周波数演算値ω１に等しくなる第１状態と、入力Ｂが出力Ｃに接続され、出力Ｃの角周波数推定値ωｉが下限定数値ω２に等しくなる第２状態とを、角周波数演算値ω１と下限定数値ω２とを比較する比較手段２４の出力ｃにより切り替える。出力ｃがω１＞ω２の関係であることを示す値である場合には、比較手段２４は切り替え手段２５を第１状態に制御する。この第１状態では、ωｉ＝ω１となり、角周波数演算値ω１が角周波数推定値ωｉとして、角周波数推定出力手段２５から出力される。誘導電動機１Ａの回転速度が低下して、角周波数演算値ω１が下限定数値ω２以下であり、出力ｃがω１≦ω２であることを示す値である場合には、比較手段２４は切り替え手段２５を第２状態に切り替える。この第２状態では、ωｉ＝ω２となり、下限定数値ω２が角周波数推定値ωｉとして、角周波数推定出力手段２０から出力される。全体として、角周波数推定値ωｉは、誘導電動機１Ａの回転角周波数推定値ωｅが不正確となる誘導電動機１Ａの極低速領域において、下限定数値ω２以上となるように制限され、それ以外の速度領域では、回転角周波数推定値ωｅが正確さを維持するので、角周波数推定値ωｉは、滑り角周波数指令値ωｓ*に回転角速度推定値ωｅを加算した角周波数演算値ω１に等しくなる。【００３１】
誘導電動機１Ａの極低速領域では、回転角周波数推定演算手段１９による回転角周波数推定値ωｅが不正確となるので、この回転角周波数推定値ωｅをそのまま利用すれば、誘導電動機１Ａの制御が不安定となる。しかし、実施の形態１では、下限定数値出力手段２１が、回転角周波数推定値ωｅが不正確となる誘導電動機１Ａの極低速領域において、角周波数推定値ωｉを下限定数値ω２以上となるように制限して、制御を安定化する。【００３２】
乗算定数ｋは、次のようにして決定される。誘導電動機１Ａの実トルクがゼロ、すなわち、ｑ軸電流指令値Ｉｑ*がＩｑ*＝０の無負荷状態において、誘導電動機１Ａの極低速域での回転角周波数推定値ωｅの演算が最も困難であると想定される。この場合、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ*、およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ*は、式（３）（４）において、Ｉｑ*＝０とし、次の式（９）（１０）で表わされる。
Ｖｄ*＝Ｒｓ×Ｉｄ*      （９）
Ｖｑ*＝ωｉ×Ｌｓ×Ｉｄ*      （１０）【００３３】
回転角周波数推定値ωｅを安定に演算するためには、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ*の大きさ（絶対値）がｄ軸電圧指令値Ｖｄ*の大きさ（絶対値）以上とする、すなわち、｜Ｖｄ*｜≦｜Ｖｑ*｜が成立する必要がある。ここで、式（９）、式（１０）を｜Ｖｄ*｜≦｜Ｖｑ*｜に代入して変形すると、以下の式を得る。
Ｒｓ×｜Ｉｄ*｜≦ωｉ×Ｌｓ×｜Ｉｄ*｜
Ｒｓ≦ωｉ×Ｌｓ
ωｉ≧Ｒｓ／Ｌｓ      （１１）
式（１１）は、回転角周波数推定値ωｅを安定に演算するためには角周波数推定値ωｉが下限値以上である必要があることを示している。式（１１）の右辺が下限定数値ω２になるべきであるが、下限定数値ω２を演算する式（８）と式（１１）の右辺を比較すると、式（８）に乗算定数ｋがある点で異なっている。【００３４】
乗算定数ｋは、一次抵抗値Ｒｓが温度によって変化することを考慮した上で安定に回転角周波数ωｅを演算できるようにするために導入した定数である。式（１１）は想定する温度範囲での一次抵抗値Ｒｓすべてに対して成立する必要があり、想定する温度範囲での一次抵抗値Ｒｓの最大値をＲｓｍａｘとすると、式（１１）は以下のようになる。
ωｉ≧Ｒｓｍａｘ／Ｌｓ＝ω２      （１２）
式（８）における一次抵抗値Ｒｓは、厳密には、標準温度における一次抵抗値Ｒｓｓを意味しており、式（８）を式（１２）に代入して変形すると、乗算定数ｋを演算する以下の式を得る。
Ｒｓｍａｘ／Ｌｓ＝ｋ×Ｒｓｓ／Ｌｓ
Ｒｓｍａｘ＝ｋ×Ｒｓｓ
ｋ＝Ｒｓｓ／Ｒｓｍａｘ      （１３）【００３５】
この乗算定数ｋは、標準的な大きさの誘導電動機１Ａでは１．５程度であり、小型の誘導電動機１Ａでは１．２５などの値となる。例えば、誘導電動機１Ａを電気車に搭載される１５０［ｋＷ］の誘導電動機とすると、標準温度における一次抵抗値Ｒｓｓは０．１１７３［Ω］、一次インダクタンスは０．０３７［Ｈ］であり、乗算定数ｋを１．５として、式（８）で下限定数値ω２を計算すると、４．７５［ｒａｄ／ｓｅｃ］、すなわち０．７５６［Ｈｚ］となる。【００３６】
下限定数値出力手段２１による効果を、図３と図４を対比して説明する。図３、図４は、回転角周波数推定値ωｅを下限定数値ω２以上になるように制限することにより安定に速度推定ができるという効果を示すために、シュミレーションにより求めた回転角周波数推定値ωｅと誘導電動機１Ａの実トルクとの関係を示す特性図である。シュミレーションの条件は、回転機定数の中で一次抵抗値が実際よりも大きいという設定誤差がある状態で、誘導電動機１Ａの回転周波数が０．１、０．２５、０．５、１．０、２．０、３．０、４．０［Ｈｚ］の何れかで仮想的に固定し、トルク指令値を最大トルク指令値の０〜１００％の範囲で変化させた場合である。誘導電動機１Ａの回転周波数を固定するのは、速度推定にどの程度の誤差が発生するかを分かりやすくするためである。なお、誘導電動機１Ａの回転周波数は、電力変換器１１が出力する交流電圧の周波数に依存し、電力変換器１１への三相電圧指令値の周波数は回転角周波数推定値ωｅに依存するので、誘導電動機１Ａの回転周波数を回転角周波数推定値ωｅと大きく異なった値に固定することは実際にはできない。【００３７】
図３、図４において、横軸は回転角周波数推定値ωｅを周波数に換算した値［Ｈｚ］を示し、縦軸は誘導電動機１Ａの実トルク［％］を示す。図３は、実施の形態１における特性であり、角周波数推定出力手段２０に、下限定数値出力手段２１と、比較手段２４と、切り替え手段２５を設け、誘導電動機１Ａの極低速領域において、角周波数推定値ωｉを下限定数値ω２以上になるように制限した場合の特性である。これに対し、図４は、実施の形態１における下限定数値出力手段２１と比較手段２４と切り替え手段２５を削除し、角周波数演算値ω１をそのまま角周波数推定値ωｉとして出力する場合の特性である。図３、図４において、特性Ｃ１〜Ｃ７は、それぞれ誘導電動機１Ａの回転周波数０．１、０．２５、０．５、１．０、２．０、３．０、４．０［Ｈｚ］に対応する特性である。【００３８】
図４に示す特性では、誘導電動機１Ａの回転周波数が０．１［Ｈｚ］の場合の極低速領域において、回転角周波数推定値ωｅが不安定となり、回転角周波数推定値ωｅと実トルクがゼロ以下に落ちていることが確認できる。これは、誘導電動機１Ａの極低速領域で、安定した回転角周波数推定値ωｅが得られず、制御が不安定になっていることを示している。これに対して、図３に示す特性では、誘導電動機１Ａの回転周波数が０．１［Ｈｚ］の場合でも、回転角周波数推定値ωｅがゼロ以下に落ち込まず、安定した回転角周波数推定値ωｅを得ることができ、安定したトルク特性を確保することができる。これは、図４の特性と異なり、誘導電動機１Ａの極低速域でも安定した回転角周波数推定値ωｅを得ることができ、安定した制御が行なわれることを示している。【００３９】
このように、実施の形態１によれば、誘導電動機１Ａの極低速領域まで、安定した出力トルクを発生することが可能となり、誘導電動機１Ａの極低速域まで安定した回転角周波数推定値ωｅを得ることができる。そのため、誘導電動機１Ａの制御装置の信頼性を向上することができる。また、下限定数値出力手段２１が、モータ定数Ｒｓ、Ｌｓと乗算定数ｋに基づき、下限定数値を定数として出力することにより、特別な調整をすることなく、下限定数値を容易に決定することができる利点がある。【００４０】
実施の形態２．
図５は、この発明による交流回転機の制御装置の実施の形態２を示すブロック回路図である。この実施の形態２では、交流回転機１が同期電動機１Ｂとされ、実施の形態１の制御装置１０Ａが、制御装置１０Ｂに代えられる。この図５に示す制御装置１０Ｂでは、図１に示す制御装置１０Ａにおける滑り角周波数指令演算装置１６と、加算手段１７が削除され、回転角周波数推定演算手段１９からの回転角周波数推定値ωｅが、そのまま角周波数演算値ω１として角周波数推定出力手段３０に供給される。これ以外では、制御装置１０Ｂは、制御装置１０Ａと同じに構成される。【００４１】
実施の形態２では、交流回転機１を、滑りを持たない同期電動機１Ｂとしたため、回転角周波数推定値ωｅがそのまま角周波数演算値ω１となるが、実施の形態１と同じ効果を得ることができる。【００４２】
この発明の各種の変形または変更は、関連する熟練技術者が、この発明の範囲と精神を逸脱しない中で実現可能であり、この発明に記載された実施の形態には制限されないことと理解されるべきである。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
この発明による交流回転機の制御装置は、電気車に搭載される交流回転機などの各種交流回転機の制御装置として利用される。
【図１】
2008065719.tif 000003
【図２】
2008065719.tif 000004
【図３】
2008065719.tif 000005
【図４】
2008065719.tif 000006
【図５】
2008065719.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成19年10月26日(2007.10.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流回転機を制御する制御装置であって、
三相電圧指令値と一致するように可変電圧かつ可変周波数の三相交流出力電圧を発生して前記交流回転機に供給する電力変換器と、
前記交流回転機の三相の電流を検出する電流検出手段と、
前記三相交流出力電圧の角周波数の推定値である角周波数推定値を出力する角周波数推定出力手段と、
回転二軸座標系において電流指令値と前記角周波数推定値とに基づいて電圧指令値を演算する電圧指令演算手段と、
前記角周波数推定値から前記回転二軸座標系の位相θを演算する位相演算手段と、
前記位相に基づいて、回転二軸座標系での前記電圧指令値を前記三相電圧指令値に変換するｄｑ軸／三相変換手段と、
前記位相に基づいて、前記電流検出手段で検出した三相の電流を前記回転二軸座標系での電流検出値に変換する三相／ｄｑ軸変換手段と、
前記回転二軸座標系において前記電圧指令値、前記電流検出値及び前記角周波数推定値とに基づいて、前記交流回転機の回転角周波数の推定値である回転角周波数推定値を演算する回転角周波数推定演算手段とを備え、
前記角周波数推定出力手段は、下限定数値を出力する下限定数値出力手段と、前記回転角周波数推定値に基づいて演算された角周波数演算値と前記下限定数値とを比較する比較手段と、この比較手段の比較の結果により前記角周波数演算値と前記下限定数値の何れか大きい方を切替えて前記角周波数推定値として出力する切り替え手段とを有し、
前記下限定数値が、前記交流回転機の一次抵抗をＲｓ、その一次インダクタンスをＬｓとしたとき、Ｒｓ／Ｌｓ以上の値とされたことを特徴とする交流回転機の制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の交流回転機の制御装置であって、前記一次抵抗Ｒｓの最大値を標準温度における値で割った値をｋとしたとき、前記下限定数値が、ｋ×Ｒｓ／Ｌｓとされたことを特徴とする交流回転機の制御装置。
【請求項３】
請求項１記載の交流回転機の制御装置であって、前記交流回転機が誘導電動機であり、前記制御装置が、前記回転二軸座標系での電流指令値に基づいて前記誘導電動機の滑り角周波数指令値を演算する滑り角周波数指令演算手段をさらに備え、前記角周波数推定値と前記滑り角周波数指令値とを加算した値を前記角周波数演算値とすることを特徴とする交流回転機の制御装置。
【請求項４】
請求項１記載の交流回転機の制御装置であって、前記交流回転機が同期電動機であり、前記回転角周波数推定値を前記角周波数演算値とすることを特徴とする交流回転機の制御装置。 
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、交流回転機の制御装置、特に交流回転機に取り付けられる速度センサを不要とした速度センサレスベクトル制御タイプの交流回転機の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
速度センサレスベクトル制御においては、交流回転機の速度が非常に小さい極低速域の場合、電力変換器から交流回転機へ出力される交流出力電圧の電圧値は、非常に小さい値となる。また、速度センサレスベクトル制御では、使用する交流回転機の回転機定数の設定誤差、電力変換器を構成する半導体素子の上下アームの短絡防止期間による交流出力電圧の電圧値誤差、電力変換器を構成する半導体素子のオン電圧降下による交流出力電圧の電圧値誤差が生じる。したがって、交流出力電圧の電圧値が小さくなる極低速域においては、この交流出力電圧の電圧値誤差の影響が非常に大きくなる。一方、速度センサレスベクトル制御においては、交流出力電圧が電圧指令値に一致するものとして、交流出力電圧の角周波数の推定値である角周波数推定値を演算しており、上述したような要因で電圧値誤差が大きくなると、交流出力電圧の角周波数推定出力の誤差も増大し、制御が不安定となる。このため、速度センサレスベクトル制御では、極低速域まで安定して、交流出力電圧の角周波数推定出力を演算することが課題である。
【０００３】
この課題に対応して、下記特許文献１では、ｑ軸電流指令値Ｉｑ*とｑ軸電流検出値Ｉｑとに基づいて、電力変換器から交流回転機へ出力される交流出力電圧の角周波数推定値を生成する第１の推定手段と、ｑ軸電流指令値Ｉｑ*とｄ軸電流指令値Ｉｄ*とに基づいて、交流出力電圧の角周波数推定値を生成する第２の推定手段とを設け、第１の推定手段による交流電圧の角周波数推定値が所定値以下になると、第２の推定手段に切り替えて制御を行なう。この特許文献１の第２の推定手段は、ｄ軸電流指令値Ｉｄ*とｑ軸電流指令値Ｉｑ*との積により加速度指令値を求め、切り替え直前の角周波数推定値を初期値として加速度指令値を積分することにより、角周波数推定値を求める。また、下記特許文献２では、角周波数推定部の出力である角周波数推定値と、予め設定した下限レベル設定値とを比較し、角周波数推定値が下限レベル設定値以下になったときに、角周波数推定値の代わりに関数発生手段の出力信号である設定角周波数を用いるようにスイッチ手段により切り替える監視手段を有している。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２３８４９７号公報、とくにその段落０００５
【特許文献２】特開平８−８００９８号公報、とくにその要約
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１では、ある程度、交流回転機の速度が高くなったときに、第２の推定手段から第１の推定手段に切り替える必要があるが、その場合、第１の推定手段と第２の推定手段の角周波数推定出力が一致しているとは限らず、第２の推定手段から第１の推定手段に切り替えるタイミングの決定は難しく、複雑なアルゴリズムが必要になる。また、第２の推定手段は、ｑ軸電流指令値Ｉｑ*とｄ軸電流指令値Ｉｄ*とに基づいて、角周波数推定値を生成するため、角周波数推定値の演算の安定性は高いが、電力変換器の直流側の電圧変動および電気車などで発生する空転などの速度変動の外乱などに追従することができない。電圧、速度変動に弱いため、第２の推定手段を使用する場合には、制御装置としての安定性及び信頼性は低下する。
【０００６】
また、特許文献２では、角周波数推定出力が下限レベル設定値以下になった場合、角周波数推定出力の代わりに関数発生手段の出力を設定するが、この関数発生手段の設定が困難であり、また交流回転機が変更になると関数発生手段の設定を変更する必要があるため、交流回転機が変更になる毎に時間を掛けて関数発生手段を調整する必要がある。
【０００７】
この発明は、このような特許文献１、２の問題を改善することのできる交流回転機の制御装置を提案するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明による交流回転機の制御装置は、交流回転機を制御する制御装置であって、三相電圧指令値と一致するように可変電圧かつ可変周波数の三相交流出力電圧を発生し、て前記交流回転機に供給する電力変換器と、前記交流回転機の三相の電流を検出する電流検出手段と、前記三相交流出力電圧の角周波数の推定値である角周波数推定値を出力する角周波数推定出力手段と、回転二軸座標系において電流指令値と前記角周波数推定値とに基づいて電圧指令値を演算する電圧指令演算手段と、前記角周波数推定値から前記回転二軸座標系の位相θを演算する位相演算手段と、前記位相に基づいて、回転二軸座標系での前記電圧指令値を前記三相電圧指令値に変換するｄｑ軸／三相変換手段と、前記位相に基づいて、前記電流検出手段で検出した三相の電流を前記回転二軸座標系での電流検出値に変換する三相／ｄｑ軸変換手段と、前記回転二軸座標系において前記電圧指令値、前記電流検出値及び前記角周波数推定値とに基づいて、前記交流回転機の回転角周波数の推定値である回転角周波数推定値を演算する回転角周波数推定演算手段とを備え、前記角周波数推定出力手段は、下限定数値を出力する下限定数値出力手段と、前記回転角周波数推定値に基づいて演算された角周波数演算値と前記下限定数値とを比較する比較手段と、この比較手段の比較の結果により前記角周波数演算値と前記下限定数値の何れか大きい方を切替えて前記角周波数推定値として出力する切り替え手段とを有し、前記下限定数値が、前記交流回転機の一次抵抗をＲｓ、その一次インダクタンスをＬｓとしたとき、Ｒｓ／Ｌｓ以上の値とされたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
この発明による交流回転機の制御装置では、角周波数推定値が下限定数値以上となるようにしているので、交流回転機の極低速域でも安定に制御できるという効果がある。
【００１０】
この発明の目的、特徴、観点および効果は、図面を参照する以下のこの発明の詳細な説明から、さらに明らかとされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、この発明による交流回転機の制御装置の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１２】
実施の形態１．
まず、この発明による交流回転機の制御装置の実施の形態１について、図１を参照して説明する。この図１に示す実施の形態１の交流回転機の制御装置は、交流回転機１を制御する制御装置１０Ａである。交流回転機１は、具体的には、誘導電動機１Ａであり、この誘導電動機１Ａは、例えば電気車に搭載され、この電気車を駆動する。制御装置１０Ａも、誘導電動機１Ａとともに電気車に搭載され、誘導電動機１Ａを制御する。
【００１３】
制御装置１０Ａは、電力変換器１１と、電圧指令演算手段１２と、ｄｑ軸／三相変換手段１３と、電流検出手段１４と、三相／ｄｑ軸変換手段１５と、滑り角周波数指令演算手段１６と、加算手段１７と、角周波数推定出力手段２０と、位相演算手段１８と、回転角周波数推定演算手段１９を含む。
【００１４】
電力変換器１１は、既知のＶＶＶＦタイプの電力変換器であり、この電力変換器１１は、直流線路２からの直流電力ＰＤＣを、可変電圧でしかも可変周波数の三相交流出力電力ＰＡＣに変換し、この三相交流出力電力ＰＡＣを、三相給電路３を通じて誘導電動機１Ａに供給する。直流線路２は、電気車の集電シューを通じて、電気車の走行線路に沿って配置された直流給電線路に接続される。電力変換器１１は、直流線路２に接続された一対の直流電路の間に、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各交流スイッチ電路を配置し、これらの各交流スイッチ電路のそれぞれに半導体素子の上下アームを接続し、各交流スイッチ電路に三相給電路３を接続して構成される。この電力変換器１１では、各交流スイッチ電路の各半導体素子がオンとなる位相を三相電圧指令値Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*により制御し、直流電力ＰＤＣを三相交流出力電力ＰＡＣに変換する。この三相交流出力電力ＰＡＣの三相交流電圧を、三相交流出力電圧ＶＡＣとする。この三相交流出力電圧ＶＡＣは、可変電圧かつ可変周波数の三相交流電圧である。
【００１５】
電圧指令演算手段１２は、回転二軸座標系でのｄ軸電流指令値Ｉｄ*とｑ軸電流指令値Ｉｑ*と角周波数推定値ωｉとに基づいて、回転二軸座標系でのｄ軸電圧指令値Ｖｄ*とｑ軸電圧指令値Ｖｑ*を演算し、これらのｄ軸電圧指令値Ｖｄ*とｑ軸電圧指令値Ｖｑ*を、ｄｑ軸／三相変換手段１２に供給する。ｄ軸電流指令値Ｉｄ*とｑ軸電流指令値Ｉｑ*は、制御装置１０Ａの外部から、電圧指令演算手段１２に供給される。角周波数推定値ωｉは、角周波数推定出力手段２０から電圧指令演算手段１２に供給される。ｄｑ軸／三相変換手段１３は、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ*とｑ軸電圧指令値Ｖｑ*とに基づいて三相電圧指令値Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*を発生し、この三相電圧指令値Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*を電力変換器１１に供給する。
【００１６】
ｄ軸電流指令値Ｉｄ*は、次の式（１）で表わされる。
Ｉｄ*＝φ*／Ｍ      （１）
なお、φ*は誘導電動機１Ａに対する２次磁束指令値であり、Ｍは誘導電動機１Ａのモータ定数である相互インダクタンスである。
【００１７】
また、ｑ軸電流指令値Ｉｑ*は、次の式（２）で表わされる。
Ｉｑ*＝τ*／φ*×Ｌｒ／Ｍ／ｐ      （２）
なお、τ*は誘導電動機１Ａに対するトルク指令値、Ｌｒは誘導電動機１Ａのモータ定数である２次インダクタンス、ｐは誘導電動機１Ａの極対数である。
【００１８】
ｄ軸電圧指令値Ｖｄ*は、次の式（３）で表わされ、また、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ*は、次の式（４）で表わされる。電圧指令演算手段１２は、これらの式（３）（４）にしたがって、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ*およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ*を演算する。
Ｖｄ*＝Ｒｓ×Ｉｄ*−ωｉ×σ×Ｌｓ×Ｉｑ*      （３）
Ｖｑ*＝Ｒｓ×Ｉｑ*＋ωｉ×Ｌｓ×Ｉｄ*      （４）
なお、Ｒｓは誘導電動機１Ａのモータ定数である１次抵抗、Ｌｓは誘導電動機１Ａのモータ定数である１次インダクタンスである。またσは誘導電動機１Ａのモータ定数から算出される定数であり、次の式（５）で表わされる。
σ＝１−（Ｍ2／Ｌｒ／Ｌｓ）      （５）
【００１９】
電流検出手段１４は、三相給電路３の各相に設けられた電流検出器１４ｕ、１４ｖ、１４ｗを有し、これらの各電流検出器１４ｕ、１４ｖ、１４ｗは、それぞれ誘導電動機１ＡのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相の電流検出値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを検出し、これらを三相／ｄｑ軸変換手段１５へ供給する。三相／ｄｑ軸変換手段１５は、三相の電流検出値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを、回転二軸座標系でのｄ軸電流検出値Ｉｄとｑ軸電流検出値Ｉｑに変換する。
【００２０】
電流検出手段１４の各電流検出器１４ｕ、１４ｖ、１４ｗには、例えば電流変成器（ＣＴ）が使用され、この電流変成器は、交流給電路３を流れる三相の電流検出値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを検出する。しかし、電流検出手段１４は、他の既知の手段を用いて、電力変換器１１の内部のＵ相、Ｖ相およびＷ相の交流回路に流れる三相の電流を検出するように構成することもできる。また、ｉｕ＋ｉｖ＋ｉｗ＝０の関係が成立するので、例えばＵ相、Ｖ相の２相分の電流検出値ｉｕ、ｉｖからＷ相の電流検出値ｉｗを求めることもできる。
【００２１】
滑り角周波数指令演算手段１６は、回転二軸座標系で、ｄ軸電流指令値Ｉｄ*とｑ軸電流指令値Ｉｑ*とに基づいて、誘導電動機１Ａの滑り角周波数指令値ωｓ*を演算する。この滑り角周波数指令値ωｓ*は、次の式（６）で表わされる。滑り角周波数指令演算手段１６は、この式（６）にしたがって、滑り角周波数指令値ωｓ*を演算する。
ωｓ*＝（Ｉｑ*×Ｒｒ）／（Ｉｄ*×Ｌｒ）      （６）
なお、Ｒｒは誘導電動機１Ａのモータ定数である２次抵抗である。
【００２２】
加算手段１７は、滑り角周波数指令演算手段１６からの滑り角周波数指令値ωｓ*と、回転角速度推定演算手段１９からの角周波数推定値ωｅとを加算した角周波数演算値ω１を出力し、この角周波数演算値ω１を角周波数推定出力手段２０に供給する。この角周波数演算値ω１は、次の式（７）で表わされる。
ω１＝ωｓ*＋ωｅ      （７）
【００２３】
角周波数推定出力手段２０には、加算手段１７から角周波数演算値ω１が入力され、角周波数推定出力手段２０は、回転二軸座標系での角周波数推定値ωｉを出力する。この角周波数推定値ωｉは、電力変換器１１から出力される三相交流出力電圧ＶＡＣの角周波数を表わす。この角周波数推定値ωｉは、電圧指令演算手段１２、位相演算手段１８および回転角周波数推定演算手段１９にそれぞれ供給される。
【００２４】
位相演算手段１８は、角周波数推定値ωｉに基づいて、回転二軸座標系の位相θを演算し、この位相θを、ｄｑ軸／三相変換手段１３および三相／ｄｑ軸変換手段１５にそれぞれ供給する。この位相θは、角周波数推定値ωｉを位相演算手段１８で積分した値である。回転角周波数推定演算手段１９には、電圧指令演算手段１２からのｄ軸電圧指令値Ｖｄ*とｑ軸電圧指令値Ｖｑ*と、三相／ｄｑ軸変換手段１５からのｄ軸電流検出値Ｉｄとｑ軸電流検出値Ｉｑと、さらに、角周波数推定出力手段２０からの角周波数推定値ωｉが供給される。
【００２５】
回転角周波数推定演算手段１９は、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ*とｑ軸電圧指令値Ｖｑ*と、ｄ軸電流検出値Ｉｄとｑ軸電流検出値Ｉｑと、角周波数推定値ωｉとに基づいて、回転二軸座標系で、誘導電動機１Ａの回転角周波数を表わす回転角周波数推定値ωｅを演算し、この回転角周波数推定値ωｅを加算手段１７へ供給する。なお、回転角周波数推定演算手段１９による回転角周波数推定値ωｅの演算の詳細は、例えば特開２００３−３０２４１３号公報などに開示された既存の技術であるので、説明を省略する。
【００２６】
さて、角周波数推定出力手段２０は、この発明の特徴として、角周波数推定値ωｉを下限定数値ω２以上になるようにして出力する。この角周波数推定出力手段２０の詳細について、図２を参照して説明する。
【００２７】
角周波数推定出力手段２０は、図２に示すように、下限定数値出力手段２１と、比較手段２４と、切り替え手段２５を有する。下限定数値出力手段２１は、定数設定手段２２と、乗算手段２３を含む。定数設定手段２２は、誘導電動機１Ａのモータ定数であるＲｓとＬｓを用いて、定数値Ｒｓ／Ｌｓを設定し、この定数値Ｒｓ／Ｌｓを乗算手段２３に供給する。乗算手段２３は、定数値Ｒｓ／Ｌｓにさらに乗算定数ｋを乗算し、下限定数値ω２を出力する。乗算定数ｋは、後述するようにして求めた正の定数とされる。下限定数値ω２は、次の式（８）で表わされる。この下限定数値ω２が、下限定数値出力手段２１から出力される。
ω２＝ｋ×Ｒｓ／Ｌｓ      （８）
【００２８】
比較手段２４は、第１入力ａ、第２入力ｂと、出力ｃを有する。比較手段２４の第１入力ａには、加算手段１７から角周波数演算値ω１が供給される。この角周波数演算値ω１は、式（７）で表わされるように、滑り角周波数指令値ωｓ*と回転角周波数推定値ωｅとの加算出力である。比較手段２４の第２入力ｂには、下限定数値出力手段２１から下限定数値ω２が入力される。比較手段２４の出力ｃは、切り替え手段２５を切り替え制御するために、切り替え手段２５に供給される。切り替え手段２５は、第１入力Ａと、第２入力Ｂと、出力Ｃを有する。切り替え手段２５の第１入力Ａには、加算手段１７から角周波数演算値ω１が供給される。切り替え手段２５の第２入力Ｂには、下限定数値出力手段２１から下限定数値ω２が入力される。切り替え手段２５の出力Ｃから、角周波数推定値ωｉが出力される。
【００２９】
切り替え手段２５は、入力Ａが出力Ｃに接続され、出力Ｃの角周波数推定値ωｉが角周波数演算値ω１に等しくなる第１状態と、入力Ｂが出力Ｃに接続され、出力Ｃの角周波数推定値ωｉが下限定数値ω２に等しくなる第２状態とを、角周波数演算値ω１と下限定数値ω２とを比較する比較手段２４の出力ｃにより切り替える。出力ｃがω１＞ω２の関係であることを示す値である場合には、比較手段２４は切り替え手段２５を第１状態に制御する。この第１状態では、ωｉ＝ω１となり、角周波数演算値ω１が角周波数推定値ωｉとして、角周波数推定出力手段２５から出力される。誘導電動機１Ａの回転速度が低下して、角周波数演算値ω１が下限定数値ω２以下であり、出力ｃがω１≦ω２であることを示す値である場合には、比較手段２４は切り替え手段２５を第２状態に切り替える。この第２状態では、ωｉ＝ω２となり、下限定数値ω２が角周波数推定値ωｉとして、角周波数推定出力手段２０から出力される。全体として、角周波数推定値ωｉは、誘導電動機１Ａの回転角周波数推定値ωｅが不正確となる誘導電動機１Ａの極低速領域において、下限定数値ω２以上となるように制限され、それ以外の速度領域では、回転角周波数推定値ωｅが正確さを維持するので、角周波数推定値ωｉは、滑り角周波数指令値ωｓ*に回転角速度推定値ωｅを加算した角周波数演算値ω１に等しくなる。
【００３０】
誘導電動機１Ａの極低速領域では、回転角周波数推定演算手段１９による回転角周波数推定値ωｅが不正確となるので、この回転角周波数推定値ωｅをそのまま利用すれば、誘導電動機１Ａの制御が不安定となる。しかし、実施の形態１では、下限定数値出力手段２１が、回転角周波数推定値ωｅが不正確となる誘導電動機１Ａの極低速領域において、角周波数推定値ωｉを下限定数値ω２以上となるように制限して、制御を安定化する。
【００３１】
乗算定数ｋは、次のようにして決定される。誘導電動機１Ａの実トルクがゼロ、すなわち、ｑ軸電流指令値Ｉｑ*がＩｑ*＝０の無負荷状態において、誘導電動機１Ａの極低速域での回転角周波数推定値ωｅの演算が最も困難であると想定される。この場合、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ*、およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ*は、式（３）（４）において、Ｉｑ*＝０とし、次の式（９）（１０）で表わされる。
Ｖｄ*＝Ｒｓ×Ｉｄ*      （９）
Ｖｑ*＝ωｉ×Ｌｓ×Ｉｄ*      （１０）
【００３２】
回転角周波数推定値ωｅを安定に演算するためには、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ*の大きさ（絶対値）がｄ軸電圧指令値Ｖｄ*の大きさ（絶対値）以上とする、すなわち、｜Ｖｄ*｜≦｜Ｖｑ*｜が成立する必要がある。ここで、式（９）、式（１０）を｜Ｖｄ*｜≦｜Ｖｑ*｜に代入して変形すると、以下の式を得る。
Ｒｓ×｜Ｉｄ*｜≦ωｉ×Ｌｓ×｜Ｉｄ*｜
Ｒｓ≦ωｉ×Ｌｓ
ωｉ≧Ｒｓ／Ｌｓ      （１１）
式（１１）は、回転角周波数推定値ωｅを安定に演算するためには角周波数推定値ωｉが下限値以上である必要があることを示している。式（１１）の右辺が下限定数値ω２になるべきであるが、下限定数値ω２を演算する式（８）と式（１１）の右辺を比較すると、式（８）に乗算定数ｋがある点で異なっている。
【００３３】
乗算定数ｋは、一次抵抗値Ｒｓが温度によって変化することを考慮した上で安定に回転角周波数ωｅを演算できるようにするために導入した定数である。式（１１）は想定する温度範囲での一次抵抗値Ｒｓすべてに対して成立する必要があり、想定する温度範囲での一次抵抗値Ｒｓの最大値をＲｓｍａｘとすると、式（１１）は以下のようになる。
ωｉ≧Ｒｓｍａｘ／Ｌｓ＝ω２      （１２）
式（８）における一次抵抗値Ｒｓは、厳密には、標準温度における一次抵抗値Ｒｓｓを意味しており、式（８）を式（１２）に代入して変形すると、乗算定数ｋを演算する以下の式を得る。
Ｒｓｍａｘ／Ｌｓ＝ｋ×Ｒｓｓ／Ｌｓ
Ｒｓｍａｘ＝ｋ×Ｒｓｓ
ｋ＝Ｒｓｓ／Ｒｓｍａｘ      （１３）
【００３４】
この乗算定数ｋは、標準的な大きさの誘導電動機１Ａでは１．５程度であり、小型の誘導電動機１Ａでは１．２５などの値となる。例えば、誘導電動機１Ａを電気車に搭載される１５０［ｋＷ］の誘導電動機とすると、標準温度における一次抵抗値Ｒｓｓは０．１１７３［Ω］、一次インダクタンスは０．０３７［Ｈ］であり、乗算定数ｋを１．５として、式（８）で下限定数値ω２を計算すると、４．７５［ｒａｄ／ｓｅｃ］、すなわち０．７５６［Ｈｚ］となる。
【００３５】
下限定数値出力手段２１による効果を、図３と図４を対比して説明する。図３、図４は、回転角周波数推定値ωｅを下限定数値ω２以上になるように制限することにより安定に速度推定ができるという効果を示すために、シュミレーションにより求めた回転角周波数推定値ωｅと誘導電動機１Ａの実トルクとの関係を示す特性図である。シュミレーションの条件は、回転機定数の中で一次抵抗値が実際よりも大きいという設定誤差がある状態で、誘導電動機１Ａの回転周波数が０．１、０．２５、０．５、１．０、２．０、３．０、４．０［Ｈｚ］の何れかで仮想的に固定し、トルク指令値を最大トルク指令値の０〜１００％の範囲で変化させた場合である。誘導電動機１Ａの回転周波数を固定するのは、速度推定にどの程度の誤差が発生するかを分かりやすくするためである。なお、誘導電動機１Ａの回転周波数は、電力変換器１１が出力する交流電圧の周波数に依存し、電力変換器１１への三相電圧指令値の周波数は回転角周波数推定値ωｅに依存するので、誘導電動機１Ａの回転周波数を回転角周波数推定値ωｅと大きく異なった値に固定することは実際にはできない。
【００３６】
図３、図４において、横軸は回転角周波数推定値ωｅを周波数に換算した値［Ｈｚ］を示し、縦軸は誘導電動機１Ａの実トルク［％］を示す。図３は、実施の形態１における特性であり、角周波数推定出力手段２０に、下限定数値出力手段２１と、比較手段２４と、切り替え手段２５を設け、誘導電動機１Ａの極低速領域において、角周波数推定値ωｉを下限定数値ω２以上になるように制限した場合の特性である。これに対し、図４は、実施の形態１における下限定数値出力手段２１と比較手段２４と切り替え手段２５を削除し、角周波数演算値ω１をそのまま角周波数推定値ωｉとして出力する場合の特性である。図３、図４において、特性Ｃ１〜Ｃ７は、それぞれ誘導電動機１Ａの回転周波数０．１、０．２５、０．５、１．０、２．０、３．０、４．０［Ｈｚ］に対応する特性である。
【００３７】
図４に示す特性では、誘導電動機１Ａの回転周波数が０．１［Ｈｚ］の場合の極低速領域において、回転角周波数推定値ωｅが不安定となり、回転角周波数推定値ωｅと実トルクがゼロ以下に落ちていることが確認できる。これは、誘導電動機１Ａの極低速領域で、安定した回転角周波数推定値ωｅが得られず、制御が不安定になっていることを示している。これに対して、図３に示す特性では、誘導電動機１Ａの回転周波数が０．１［Ｈｚ］の場合でも、回転角周波数推定値ωｅがゼロ以下に落ち込まず、安定した回転角周波数推定値ωｅを得ることができ、安定したトルク特性を確保することができる。これは、図４の特性と異なり、誘導電動機１Ａの極低速域でも安定した回転角周波数推定値ωｅを得ることができ、安定した制御が行なわれることを示している。
【００３８】
このように、実施の形態１によれば、誘導電動機１Ａの極低速領域まで、安定した出力トルクを発生することが可能となり、誘導電動機１Ａの極低速域まで安定した回転角周波数推定値ωｅを得ることができる。そのため、誘導電動機１Ａの制御装置の信頼性を向上することができる。また、下限定数値出力手段２１が、モータ定数Ｒｓ、Ｌｓと乗算定数ｋに基づき、下限定数値を定数として出力することにより、特別な調整をすることなく、下限定数値を容易に決定することができる利点がある。
【００３９】
実施の形態２．
図５は、この発明による交流回転機の制御装置の実施の形態２を示すブロック回路図である。この実施の形態２では、交流回転機１が同期電動機１Ｂとされ、実施の形態１の制御装置１０Ａが、制御装置１０Ｂに代えられる。この図５に示す制御装置１０Ｂでは、図１に示す制御装置１０Ａにおける滑り角周波数指令演算装置１６と、加算手段１７が削除され、回転角周波数推定演算手段１９からの回転角周波数推定値ωｅが、そのまま角周波数演算値ω１として角周波数推定出力手段３０に供給される。これ以外では、制御装置１０Ｂは、制御装置１０Ａと同じに構成される。
【００４０】
実施の形態２では、交流回転機１を、滑りを持たない同期電動機１Ｂとしたため、回転角周波数推定値ωｅがそのまま角周波数演算値ω１となるが、実施の形態１と同じ効果を得ることができる。
【００４１】
この発明の各種の変形または変更は、関連する熟練技術者が、この発明の範囲と精神を逸脱しない中で実現可能であり、この発明に記載された実施の形態には制限されないことと理解されるべきである。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
この発明による交流回転機の制御装置は、電気車に搭載される交流回転機などの各種交流回転機の制御装置として利用される。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】この発明による交流回転機の制御装置の実施の形態１を示すブロック図である。
【図２】実施の形態１における角周波数推定出力手段の詳細を示すブロック図である
【図３】実施の形態１による回転角周波数推定値と交流回転機の実トルクとの関係を示す特性図である。
【図４】従来装置による回転角周波数推定値と交流回転機の実トルクとの関係を示す特性図である。
【図５】この発明による交流回転機の制御装置の実施の形態２を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４４】
１：交流回転機、１１：電力変換器、１２：電圧指令演算手段、
１３：ｄｑ軸／三相変換手段、１４：電流検出手段、１５：三相／ｄｑ軸変換手段、
１９：回転角周波数推定演算手段、２０：角周波数推定出力手段、
２１：下限定数値出力手段、２４：比較手段、２５：切り替え手段。
【国際調査報告】
2008065719.tif 000008
2008065719.tif 000009
2008065719.tif 000010
2008065719.tif 000011