(57)【要約】  電動機の種類や負荷条件にもかからずに安定した運転を実現することができる交流電動機の制御装置を提供する。  速度指令周波数に基づいてｄ−ｑ軸電流を制御し指令どおりの速度を得る交流電動機の制御装置において、磁束推定値に基づきｄ軸電流指令を調整するｄ軸電流調整部（２４）と、ｄ軸電流調整ゲインを演算するｄ軸電流調整ゲイン演算部（２４１）と、磁束推定値に基づき１次周波数を調整する周波数調整部の周波数ゲインを演算する周波数ゲイン演算部（２５１）と、を備えた。
2008072574.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
速度指令周波数とすべり周波数から１次周波数を演算する１次周波数演算部と、前記１次周波数からＶ／Ｆパターンに基づき誘起電圧指令を生成する誘起電圧指令生成部と、交流電動機の検出電流をｄ−ｑ軸電流に変換する座標変換部と、前記交流電動機のパラメータと前記ｄ−ｑ軸電流あるいはｄ−ｑ軸電流指令に基づいて前記誘起電圧指令に１次インピーダンス降下電圧を補償してｄ−ｑ軸電圧指令を生成する電圧指令補償部と、前記ｄ−ｑ軸電圧指令と前記１次周波数に基づき出力電圧位相を演算する位相演算部と、前記ｄ−ｑ軸電圧指令と前記出力電圧位相に基づき出力電圧指令を生成する電圧指令生成部と、前記出力電圧指令に基づき交流電動機に電圧を供給するインバータ部と、前記誘起電圧指令と前記ｄｑ軸電流に基づき電圧誤差推定値と磁束推定値を演算する電圧誤差・磁束推定部と、前記電圧誤差推定値に基づき前記ｄ−ｑ軸電圧指令を補正する電圧誤差補正部と、前記磁束推定値に基づき１次周波数を調整する周波数調整部と、前記１次周波数と前記誘起電圧指令から演算される磁束指令と前記磁束推定値に基づき前記ｄ軸電流指令を調整するｄ軸電流調整部と、を備えた交流電動機制御装置において、
前記ｄ軸電流調整部のｄ軸電流調整ゲインを演算するｄ軸電流調整ゲイン演算部と、
前記周波数調整部の周波数ゲインを演算する周波数ゲイン演算部と、
を備えたことを特徴とする交流電動機制御装置。
【請求項２】
前記ｄ軸電流調整部は、ｄ軸電流ＰＩ制御を行い、前記ｄ軸電流調整ゲイン演算部は、ｄ軸電流比例ゲインとｄ軸電流積分ゲインを次式によりに求めることを特徴とする請求項１記載の交流電動機制御装置。
前記ｄ軸電流比例ゲインは、
2008072574.tif 000033
で、前記ｄ軸電流積分ゲインは、
2008072574.tif 000034
であり、ここで、     
ωｃｄ：固有角周波数
Ｍ：相互インダクタンス
Ｔｒ：二次回路時定数
である。
【請求項３】
前記ｄ軸電流調整部はｄ軸電流ＰＩ制御を行い、前記ｄ軸電流調整ゲイン演算部は、前記磁束指令から得られるｄ軸電流指令値に対する調整後のｄ軸電流指令値の変化率ｈを用いて、ｄ軸電流比例ゲインとｄ軸電流積分ゲインを次式により更新することを特徴とする請求項２記載の交流電動機制御装置。
前記ｄ軸電流比例ゲインは、
2008072574.tif 000035
で、前記ｄ軸電流積分ゲインは、
2008072574.tif 000036
である。             
【請求項４】
前記周波数調整部は、周波数ＰＩ制御を行い、前記周波数ゲイン演算部は、周波数比例ゲインと周波数積分ゲインを次式により求めることを特徴とする請求項１乃至３記載の交流電動機制御装置。
前記周波数比例ゲインは、
2008072574.tif 000037
で、前記周波数積分ゲインは、
2008072574.tif 000038
であり、ここで、
ωｃｑ：固有角周波数
Ｍ：相互インダクタンス
Ｉ０：無負荷電流指令値
Ｔｒ：二次回路時定数
である。
【請求項５】
前記周波数調整部は、周波数ＰＩ制御を行い、前記周波数ゲイン演算部は、前記変化率ｈを用いて、周波数比例ゲインと周波数積分ゲインを次式により更新することを特徴とする請求項４記載の交流電動機制御装置。
前記周波数比例ゲインは、
2008072574.tif 000039
で、前記周波数積分ゲインは、
2008072574.tif 000040
である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、速度センサを用いずに回転速度を制御する交流電動機の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の交流電動機の制御装置は、次の構成（ａ）〜（ｉ）を備えている（例えば、特許文献１参照）。即ち、（ａ）回転子速度指令周波数とすべり周波数から１次周波数を演算する１次周波数演算部と前記１次周波数からＶ／Ｆパターンに基づき誘起電圧指令を生成する誘起電圧指令生成部と、（ｂ）磁束を発生させる方向をｄ軸、トルクを発生させる方向をｑ軸とするｄ−ｑ軸電流に検出電流を変換する座標変換部と、（ｃ）交流電動機のパラメータと前記ｄｑ軸電流あるいはｄ−ｑ軸電流指令に基づいて前記誘起電圧指令に１次インピーダンス降下電圧を補償してｄ−ｑ軸電圧指令を生成する電圧指令補償部と、（ｄ）前記ｄ−ｑ軸電圧指令と前記１次周波数に基づき出力電圧位相を演算する位相演算部と前記ｄ−ｑ軸電圧指令と前記出力電圧位相に基づき出力電圧指令を生成する電圧指令生成部と、（ｅ）前記出力電圧指令に基づき交流電動機に電圧を供給するインバータ部と、（ｆ）前記誘起電圧指令と前記ｄ−ｑ軸電流に基づき電圧誤差推定値と磁束推定値を演算する電圧誤差・磁束推定部と、（ｇ）前記電圧誤差推定値に基づき前記ｄ−ｑ軸電圧指令を補正する電圧誤差補正部と、（ｈ）前記磁束推定値に基づき１次周波数を調整する周波数調整部と、（ｉ）前記１次周波数と前記誘起電圧指令から演算される磁束指令と前記磁束推定値に基づき前記ｄ軸電流指令を調整するｄ軸電流調整部。
図６は特許文献１の制御ブロック図を示しており、図６において、２４はｄ軸電流調整部であり、誘起電圧指令と１次周波数指令に基づき演算される磁束指令と磁束推定値のｄ軸成分との偏差をゼロとするようにｄ軸電流指令を調整する。２５は周波数調整部であり、推定される磁束推定値のｑ軸成分をゼロとなるように１次周波数を調整する。このように、従来の速度センサを用いずに回転速度を制御する交流電動機の制御装置は、周波数調整部とｄ軸電流調整部を備えており、周波数調整部では過渡状態や交流電動機負荷が急変した場合、磁束推定値のｑ軸成分が発生すると、磁束推定値のｑ軸成分をゼロにするように１次周波数を調整するのであり、ｄ軸電流調整部では磁束指令と磁束推定値のｄ軸成分との偏差が発生すると、ｄ軸電流を調整し、指令磁束を発生させるのに必要な電流を交流電動機に流すためのゲインを演算する。
【特許文献１】特開２００１−１４５４００号公報（第６頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の速度センサを用いずに回転速度を制御する交流電動機の制御装置は、１次周波数を調整する周波数調整部とｄ軸電流指令を調整するｄ軸電流調整部のＰＩゲインは事前に設定された数値を用いるので、電動機種類または負荷条件により安定な運転ができない問題があった。
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、ＰＩゲインの設定を自動的に演算し、電動機種類や負荷条件にもかからずに安定した運転を実現することができる交流電動機の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、回転子速度指令周波数とすべり周波数から１次周波数を演算する１次周波数演算部と前記１次周波数からＶ／Ｆパターンに基づき誘起電圧指令を生成する誘起電圧指令生成部と、ｄ−ｑ軸電流に検出電流を変換する座標変換部と、交流電動機パラメータと前記ｄｑ軸電流あるいはｄ−ｑ軸電流指令に基づいて前記誘起電圧指令に１次インピーダンス降下電圧を補償してｄ−ｑ軸電圧指令を生成する電圧指令補償部と、前記ｄ−ｑ軸電圧指令と前記１次周波数に基づき出力電圧位相を演算する位相演算部と前記ｄ−ｑ軸電圧指令と前記出力電圧位相に基づき出力電圧指令を生成する電圧指令生成部と、前記出力電圧指令に基づき交流電動機に電圧を供給するインバータ部と、前記誘起電圧指令と前記ｄ−ｑ軸電流に基づき電圧誤差推定値と磁束推定値を演算する電圧誤差・磁束推定部と、前記電圧誤差推定値に基づき前記ｄ−ｑ軸電圧指令を補正する電圧誤差補正部と、前記磁束推定値に基づき１次周波数を調整する周波数調整部と、前記１次周波数と前記誘起電圧指令から演算される磁束指令と前記磁束推定値に基づき前記ｄ軸電流指令を調整するｄ軸電流調整部とを備えた交流電動機制御装置において、前記ｄ軸電流調整部のｄ軸電流調整ゲインを演算するｄ軸電流調整ゲイン演算部と、前記周波数調整部の周波数ゲインを演算する周波数ゲイン演算部と、を備えたことを特徴とするものである。
また、請求項２に記載の発明は、前記ｄ軸電流調整部はｄ軸電流ＰＩ制御を行い、前記ｄ軸電流調整ゲイン演算部は、ｄ軸電流比例ゲインとｄ軸電流積分ゲインを式（１）、式（２）によりに求めることを特徴とするものである。【０００５】
2008072574.tif 000003
ωｃｄ：固有角周波数
Ｍ：相互インダクタンス
Ｔｒ：二次回路時定数【０００６】
2008072574.tif 000004
また、請求項３に記載の発明は、前記ｄ軸電流調整部はｄ軸電流ＰＩ制御を行い、前記ｄ軸電流調整ゲイン演算部は、ｄ軸電流比例ゲインとｄ軸電流積分ゲインを式（３）、式（４）により更新することを特徴とするものである。【０００７】
2008072574.tif 000005
ｈ：初期ｄ軸電流指令値と調整後のｄ軸電流指令値との変化率【０００８】
2008072574.tif 000006
また、請求項４に記載の発明は、前記周波数調整部は、周波数ＰＩ制御を行い、前記周波数ゲイン演算部は、周波数比例ゲインと周波数積分ゲインを式（５）、式（６）により求めることを特徴とするものである。【０００９】
2008072574.tif 000007
【００１０】
2008072574.tif 000008
また、請求項５に記載の発明は、前記周波数調整部は、周波数ＰＩ制御を行い、前記周波数ゲイン演算部は、周波数比例ゲインと周波数積分ゲインを式（７）、式（８）により更新することを特徴とするものである。【００１１】
2008072574.tif 000009
ｈ：初期ｄ軸電流指令値と調整後のｄ軸電流指令値との変化量【００１２】
2008072574.tif 000010
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に記載の発明によると、交流電動機パラメータの設定誤差が大きくても制御不能とならず、電動機パラメータのチューニングをしなくても、速度センサを用いずに速度制御を実現することができる。
請求項２乃至５に記載の発明によると、制御ゲインが自動に設定され、電動機種類と負荷条件にかかわずに安定した電動機の運転ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す交流電動機の制御装置の構成図
【図２】本発明のｄ軸電流調整ゲイン演算部の構成図
【図３】本発明の周波数ゲイン演算部の構成図
【図４】本発明の第２の実施におけるｄ軸電流調整ゲイン演算部の構成図
【図５】本発明の第２の実施における周波数ゲイン演算部の構成図
【図６】従来の交流電動機の制御装置の構成図
【図７】ｄ軸電流調整部の制御ブロック図
【図８】周波数調整部の制御ブロック図
【符号の説明】
【００１５】
１  交流電動機
２  座標変換部
３  電流検出部
４  インバータ部
５  電圧指令生成部
６  誘起電圧指令生成部
７  電圧誤差・磁束推定部
８  １周波数演算部
９１、９２  電圧指令補償部
１０  位相演算部
１１１、１１２  電流制御部
１２  トルク電流指令生成部
１３  トルクリミット
１４  ローバスフィルタ
１５、２０４  除算器
１６、１７、２１、２２、２０１、３０１  減算器
１８、２０  加算器  
２３  電圧誤差補正部
２４  ｄ軸電流調整部
２４１、４４１  ｄ軸電流調整ゲイン演算部
２５  周波数調整部
２５１、４５１  周波数ゲイン演算部
２０２、３０２  補正器
２０３、３０３  加算器
７０１  ｄ軸電流調整部の制御ブロック
８０１  周波数調整部の制御ブロック
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１は、本発明の交流電動機の制御装置の第１の実施例を示す制御ブロック図である。
図１は、図６の従来の制御装置にｄ軸電流調整ゲイン演算部２４１と周波数ゲイン演算部２５１を備えている。図１において、１は交流電動機、２は座標変換部、３は電流検出部、４はインバータ部、５は電圧指令生成部、６は誘起電圧指令生成部、７は電圧誤差・磁束推定部、８は１次周波数演算部、９１，９２は電圧指令補償部、１０は位相演算部、１１１，１１２はそれぞれｑ軸電流制御部、ｄ軸電流制御部、１２はトルク電流指令生成部、１３はトルクリミッタ、１４はローバスフィルタ、１５は除算器、１６，１７，２１，２２は減算器、２３は電圧誤差補正部、２４はｄ軸電流調整部、２４１はｄ軸電流調整ゲイン演算部、２５は周波数調整部、２５１は周波数ゲイン演算部である。
次に、ｄ軸電流制御ゲイン演算部の導出について説明する。
周波数調整部２５により、ｑ軸磁束がゼロに制御されるときｄ軸電流とｄ軸磁束の関係は次式となる。【００１８】
2008072574.tif 000011
Ｔｒ：ニ次回路時定数
Φｄ：ｄ軸磁束
Ｍ：相互インダクタンス
式（９）より、ｄ軸電流からｄ軸磁束までの伝達関数は次式で表される。【００１９】
2008072574.tif 000012
電圧誤差・磁束演算部７は、ｄ軸磁束を、式（１０）に基づき推定する。ｄ軸電流調整部２４はｄ軸磁束推定値とｄ軸磁束指令値の偏差がゼロとなるようにｄ軸電流指令値を調整する。ｄ軸電流調整部２４を制御ブロック図で表すと、図７の７０１のようになる。図７の７０１に基づき閉ループの伝達関数を式（１１）と式（１２）で求める。ハット記号（＾）は推定値であることを示す記号である（以下同じ）。【００２０】
2008072574.tif 000013
【００２１】
2008072574.tif 000014
ここで、ωｃｄは任意の固有角周波数であり、次式の関係となる。【００２２】
2008072574.tif 000015
また、Ｋｐは、制御システムの応答性を調整するもので次式の関係となる。【００２３】
2008072574.tif 000016
Ｋαがゼロ、あるいはＫα＝１−ωｃｄＴｒのときは安定な１次遅れ系であり、その固有角周波数はそれぞれωｃｄ、１／Ｔｒである。また、Ｋα＝１のときに設定しているＭが真値に一致していれば、ｄ軸電流調整部２４はｄ軸磁束指令値にＫα／Ｍを乗算し、ｄ軸電流指令値ｉｄｒｅｆを生成するものが主として機能することになる。Ｍが真値と異なる場合は比例積分制御部が機能することになる。その比例積分制御の制御ゲインＫｐｄ、Ｋφｉｄは固有角周波数のみを設定して、モータ定数により自動演算されるのである。【００２４】
2008072574.tif 000017
【００２５】
2008072574.tif 000018
式（１５）、式（１６）に基づくゲイン演算は図２のｄ軸電流調整ゲイン演算部２４１で実施される。
つぎに周波数ゲイン演算部２５１ついて説明する。電圧誤差・磁束演算部７は、ｑ軸磁束の演算を式（１７）に基づいて実行する。【００２６】
2008072574.tif 000019
ω＾ｓｔ：すべり角周波数推定値
Ｍ：相互インダクタンス
φ＾ｑ：ｑ軸磁束推定値
ｉ＾ｑ：ｑ軸電流推定値
これに対し、制御においてｑ軸磁束はゼロとして扱うため、すべり角周波数の指令値とｑ軸電流の関係は次式（１８）となる。【００２７】
2008072574.tif 000020
式（１７）から式（１８）を差し引くと、式（１９）になる。【００２８】
2008072574.tif 000021
電圧誤差・磁束演算部７で、ｉｑ＝ｉ＾ｑとなるように磁束を推定しているので、式（１９）は式（２０）になる。【００２９】
2008072574.tif 000022
式（２０）を用いて、ｑ軸磁束をゼロとなるように制御し、すべり角周波数指令値をすべり角周波数推定値で差分して一次周波数を調整する周波数調整部２５を制御ブロック図で表すと、図８の８０１になる。図８の８０１に基づき一巡伝達関数を求めると式（２１）になる。【００３０】
2008072574.tif 000023
Ｋφｉｑ＝Ｋφｐｑ／Ｔｒと置くと、式（２１）は式（２２）になる。【００３１】
2008072574.tif 000024
式（２２）に基づき図８の８０１の閉ループの伝達関数を求めると式（２３）になる。【００３２】
2008072574.tif 000025
したがって、閉ループの伝達関数は安定な一次遅れ系とすることができる。
ここで、ωｃｑは任意の固有角周波数であり、式（２４）になる。【００３３】
2008072574.tif 000026
このように式（２４）のφ＾ｄを制御初期状態で設定される無負荷電流Ｉ０と相互インダクタンスの積に置き換えると制御ゲインＫφｐｑ、Ｋφｉｑは固有角周波数のみを設定して、モータ定数により自動演算される。【００３４】
2008072574.tif 000027
【００３５】
2008072574.tif 000028
式（２５）、式（２６）に基づくゲイン演算は図３の周波数ゲイン演算部２５１で実施される。
【実施例２】
【００３６】
つぎに第２の実施例について説明する。図２の除算器２０４はｄ軸電流指令値調整前と調整後の変化率を求めるもので、その結果をｈとしている。ｈは相互インダクタンスＭの設定値と真値との比率と一致しており、ｈ＝１のときは設定値と真値が一致し、ｈが１より小さい場合はＭの設定値が真値にくらべて小さく、ｈが１より大きい場合はＭの設定値が真値にくらべて大きいことになる。実施例２では、このｈを利用して、実施例１で説明したｄ軸電流調整部と周波数調整部の制御ゲインに用いているＭを自動補正するようにしたのである。図４に実施例２におけるｄ軸電流調整ゲイン演算部の構成図を示す。ｈを用いてｄ軸電流調整ゲイン演算部４４１にて次式（２７）、式（２８）のように補正する。【００３７】
2008072574.tif 000029
【００３８】
2008072574.tif 000030
また、図５に実施例２における周波数調整ゲイン演算部の構成図を示す。ｈを用いてｄ軸電流調整ゲイン演算部４５１にて式（２９）のように補正する。【００３９】
2008072574.tif 000031
【００４０】
2008072574.tif 000032
このように実施例１と実施例２によるとｄ軸電流調整ゲインと周波数調整ゲインを自動的に設定でき、実施例２では相互インダクタンスの設定値が真値からずれていても自動的に補正するようになっている。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明を交流電動機の運転に適用することによって、自動的にｄ軸電流と周波数を調整することができるので、電動機定数の初期設定が異なる場合や運転中に電動機定数が変化する場合にも安定した運転を行うことができる。
【図１】
2008072574.tif 000041
【図２】
2008072574.tif 000042
【図３】
2008072574.tif 000043
【図４】
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【図５】
2008072574.tif 000045
【図６】
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【図７】
2008072574.tif 000047
【図８】
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【国際調査報告】
2008072574.tif 000049
2008072574.tif 000050