(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源をエネルギー源として直流電流からインバータにより変換した三相交流電流によって駆動する誘導電動機の制御装置であって、トルク指令と磁束密度指令の二相指令を前記誘導電動機の１次電流を制御するための三相の一次電圧指令に変換し、前記誘導電動機の三相の１次電流検出値をトルク電流検出値と励磁電流検出値の二相の検出値に変換し、フィードバック制御を行う誘導電動機の制御装置において、
前記磁束密度推定値と前記直流電源の直流電圧検出値と漏れインダクタンスと角周波数指令とに基づき、一次電圧指令がインバータの飽和電圧を超えない励磁電流制限値を演算する手段と、
前記磁束密度指令と磁束密度推定値の差に基づいて演算した値を、前記励磁電流制限値に基づいて制限して励磁電流指令を出力する励磁電流指令演算手段と、
前記励磁電流指令に基づき前記磁束密度推定値を演算する磁束密度演算手段と、
前記励磁電流指令と前記励磁電流検出値に基づき励磁電流誤差を算出し、該励磁電流誤差に基づき、励磁電流と同相の励磁電流同相電圧指令を算出するｄ軸電圧指令算出手段と、
前記トルク指令と前記磁束密度推定値と前記励磁電流指令に基づきトルク電流指令を算出するトルク電流指令発生手段と、
前記トルク電流指令と前記トルク電流検出値に基づきトルク電流誤差を算出し、該トルク電流誤差に基づき、トルク電流と同相のトルク電流同相電圧指令を算出するｑ軸電圧指令算出手段と、
前記励磁電流同相電圧指令および前記トルク電流同相電圧指令に基づき誘導電動機に印加する三相の一次電圧指令を算出する三相電圧指令発生手段と、
を有することを特徴とする誘導電動機の制御装置。
【請求項２】
直流電源をエネルギー源として直流電流からインバータにより変換した三相交流電流によって駆動する誘導電動機の制御装置であって、トルク指令と磁束密度指令の二相指令を前記誘導電動機の１次電流を制御するための三相の一次電圧指令に変換し、前記誘導電動機の三相の１次電流検出値をトルク電流検出値と励磁電流検出値の二相の検出値に変換し、フィードバック制御を行う誘導電動機の制御装置において、
前記磁束密度推定値と前記誘導電動機の一次電圧指令または一次電圧制限値と漏れインダクタンスと角周波数指令とに基づき、一次電圧指令がインバータの飽和電圧を超えない励磁電流制限値を演算する手段と、
前記磁束密度指令と磁束密度推定値の差に基づいて演算した値を、前記励磁電流制限値に基づいて制限して励磁電流指令を出力する励磁電流指令演算手段と、
前記励磁電流指令に基づき前記磁束密度推定値を演算する磁束密度演算手段と、
前記励磁電流指令と前記励磁電流検出値に基づき励磁電流誤差を算出し、該励磁電流誤差に基づき、励磁電流と同相の励磁電流同相電圧指令を算出するｄ軸電圧指令算出手段と、
前記トルク指令と前記磁束密度推定値と前記励磁電流指令に基づきトルク電流指令を算出するトルク電流指令発生手段と、
前記トルク電流指令と前記トルク電流検出値に基づきトルク電流誤差を算出し、該トルク電流誤差に基づき、トルク電流と同相のトルク電流同相電圧指令を算出するｑ軸電圧指令算出手段と、
前記励磁電流同相電圧指令および前記トルク電流同相電圧指令に基づき誘導電動機に印加する三相電圧指令を算出する三相電圧指令発生手段と、
を有することを特徴とする誘導電動機の制御装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の誘導電動機の制御装置であって、
前記励磁電流制限値を演算する手段は、前記直流電圧検出値もしくは前記誘導電動機の一次電圧指令または前記一次電圧制限値を前記角周波数指令で除算する演算器と、該演算器の出力から前記磁束密度推定値を減算する減算器とを有し、これらを用いて前記励磁電流制限値を演算し、
前記励磁電流指令演算手段は、リミット器を有し、これを用いて前記励磁電流制限値に基づく制限を行う、ことを特徴とする誘導電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は工作機械の主軸駆動などに利用され、誘導電動機の出力トルクを任意に制御する誘導電動機の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械の主軸駆動などの用途には、すべり周波数型ベクトル制御によって駆動される誘導電動機が多く用いられている。
図４に従来の誘導電動機の制御装置の一例を示す。この制御装置に対して外部から回転速度指令ω*が入力される。演算器１は、回転速度指令ω*から磁束密度指令φ*を演算する磁束密度指令演算器である。演算器４は、下式（１）、（２）に基づき励磁電流指令id*より磁束密度推定値φ^を演算する磁束密度推定器である。
【数１】
φ^＝Ｍ・id*／（１＋ＴＳ）                ・・・（１）
【数２】
Ｔ＝Ｍ／ｒ2                ・・・（２）
ここで、Ｍは励磁インダクタンス、ｒ2は二次抵抗であり、Ｔは式（２）で表すことのできる電気的時定数である。
減算器２は、回転速度指令ω*と誘導電動機の回転速度ωmから速度の偏差を算出する。演算器３は、前記減算器２の出力からトルク指令Ｔ*を算出するトルク指令演算器である。演算器５bは、磁束密度指令φ*と磁束密度推定値φ^とトルク指令Ｔ*を入力とし、励磁電流指令id*とトルク電流指令iq*を出力する電流指令演算器である。dq軸電圧指令算出部９は、励磁電流指令id*と励磁電流検出値idおよびトルク電流指令iq*とトルク電流検出値iqから下式（３）、（４）に基づき励磁電流同相電圧指令ｅd*，トルク電流同相電圧指令ｅq*を演算する。
【数３】
ｅd*＝Ｇd・(id*−id)−ωＬσ・iq*＋ｒ1・id*                ・・・（３）
【数４】
ｅq*＝ωＬσ・id*＋Ｇq・(iq*−iq)＋ｒ1・iq*＋ω・φ^                ・・・（４）
ここで、ｒ1は一次巻線抵抗、Ｌσは漏れインダクタンスである。また、Ｇd,Ｇqは十分に大きなゲインであり、ｐi演算増幅器などを用いて実現する。
【０００３】
ｄｑ軸電圧指令算出部９の出力した励磁電流同相電圧指令ｅd*，トルク電流同相電圧指令ｅq*は、三相電圧指令発生手段を構成する二相三相変換器１０によって三相の交流電圧指令ｅu*，ｅv*，ｅw*に変換され、インバータ１５に入力される。インバータ１５は直流電源１４をエネルギー源として、この三相の交流電圧指令ｅu*，ｅv*，ｅw*に応じた電圧を誘導電動機１７に印加することによって三相交流電流iu，iv，iwが流れる。この三相交流電流iu，iv，iwは電流検出器１６a，１６b，１６cによって検出され、三相二相変換器１２によって励磁電流検出値idおよびトルク電流検出値iqに変換される。なお、二相三相変換器１２と三相二相変換器１０とが座標変換に使用する信号sinωｔ，cosωｔは、角周波数指令ωを基に二相正弦波発生器１１によって出力される。この角周波数指令ωは、位置検出器１９によって検出された誘導電動機１７の回転位置を微分器１８で微分することによって得た回転速度ωmに、滑り周波数演算器７によりトルク電流指令iq*と磁束密度推定値φ^および二次抵抗ｒ2から演算したすべり角周波数ωsを加算する角周波数指令算出手段８によって得られる。切換器２０は、誘導電動機の巻線を切換る巻線切換器である。
【０００４】
電流指令演算器５bの詳細図を図３に示す。磁束密度指令φ*と磁束密度推定値φ^の差を減算器２１で算出する。演算器２２は、下式（５）に基づき減算器２１の出力より励磁電流指令値id*'を演算する。
【数５】
id*'＝Ｇφ（φ*−φ^）                ・・・（５）
ここで、Ｇφは十分に大きなゲインであり、ｐi演算増幅器などを用いて実現する。
リミット器２４は、励磁電流指令値id*'を任意の励磁電流指令制限値id*limで制限し励磁電流指令id*を出力する。励磁電流指令制限値id*limは、下記数式（６）で表される範囲以内の値である。
【数６】
｜id*lim｜  ≦  ｜i1max｜                ・・・（６）
ここで｜｜は絶対値を示しｉ1maxは誘導電動機に流すことの可能な一次電流の最大値である。
演算器２７は、下式（７）に基づきトルク電流制限値iq*limを演算する。
【数７】
iq*lim  ＝  √（i1max~2ーid*~2）                ・・・（７）
ここで、~2は二乗を示す。
除算器２６は、トルク指令Ｔ*を磁束密度推定値φ^で除算しトルク電流指令値iq*'を演算する。リミット器２５は、トルク電流指令値iq*'をトルク電流制限値iq*limで制限し、トルク電流指令iq*を出力する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図６に、従来技術における各指令等を示したタイムチャートを示す。T0、T1、T2、T3は時間を示し、T0で停止している誘導電動機に誘導電動機の最高回転数ωmaxの回転速度指令ω*が与えられた場合について各指令および検出値について説明する。T1は磁束密度推定値φ^が磁束密度指令φ*に一致する時点であり、T2は誘導電動機の回転速度ωmが基底回転数に到達した時点であり、T3は誘導電動機の回転速度ωmが最高回転速度に到達した時点である。T0-T1間は、誘導電動機内部の磁束を確立するための磁束フォーシング期間であり、T0-T1間の励磁電流指令id*は、式（６）に基づき一次電流制限値i1maxの値となる。また、トルク電流指令iq*は、式（７）に基づきフォーシング期間中はiq*＝0となり、T0-T1間では、式（３）、（４）は下記の様に表すことができる。
【数８】
ｅd*＝Ｇd・(id*−id)＋ｒ1・id*                ・・・（８）
【数９】
ｅq*＝ωＬσ・id*＋ω・φ^                ・・・（９）
T1での一次電圧指令ｅ1*は、励磁電流同相電圧指令ｅd*，トルク電流同相電圧指令ｅq*のベクトル合成演算によって算出するため、下式（１０）に示す様に表すことができる。
【数１０】
ｅ1*＝√（ｅd*~2＋ｅq*~2）                ・・・（１０）
漏れインダクタンスＬσが大きな誘導電動機等においては、T1時点でトルク電流同相電圧指令ｅq*がインバータの出力飽和電圧ｅsatを越え、T1-T2間の一次電圧指令ｅ1*がインバータの出力飽和電圧ｅsatを越える場合があり、指令通りの一次電圧を誘導電動機に印加することができない。この様な場合、T1の直前およびT1-T2間でid*≠id，iq*≠iqとなり、電流制御が不安定となる現象が発生する。また、T1時点において一次電圧指令ｅ1*がインバータの出力飽和電圧ｅsatを越えているにもかかわらず、磁束フォーシングを行なっており無駄なエネルギーを消費していた。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために本発明にかかる誘導電動機の制御装置は、直流電源をエネルギー源として直流電流からインバータにより変換した三相交流電流によって駆動する誘導電動機の制御装置であって、トルク指令と磁束密度指令の二相指令を前記誘導電動機の１次電流を制御するための三相の一次電圧指令に変換し、前記誘導電動機の三相の１次電流検出値をトルク電流検出値と励磁電流検出値の二相の検出値に変換し、フィードバック制御を行う誘導電動機の制御装置において、前記磁束密度推定値と前記直流電源の直流電圧検出値と漏れインダクタンスと角周波数指令とに基づき、一次電圧指令がインバータの飽和電圧を超えない励磁電流制限値を演算する手段と、前記磁束密度指令と磁束密度推定値の差に基づいて演算した値を、前記励磁電流制限値に基づいて制限して励磁電流指令を出力する励磁電流指令演算手段と、前記励磁電流指令に基づき前記磁束密度推定値を演算する磁束密度演算手段と、前記励磁電流指令と前記励磁電流検出値に基づき励磁電流誤差を算出し、該励磁電流誤差に基づき、励磁電流と同相の励磁電流同相電圧指令を算出するｄ軸電圧指令算出手段と、前記トルク指令と前記磁束密度推定値と前記励磁電流指令に基づきトルク電流指令を算出するトルク電流指令発生手段と、前記トルク電流指令と前記トルク電流検出値に基づきトルク電流誤差を算出し、該トルク電流誤差に基づき、トルク電流と同相のトルク電流同相電圧指令を算出するｑ軸電圧指令算出手段と、前記励磁電流同相電圧指令もしくは前記トルク電流同相電圧指令に基づき誘導電動機に印加する三相の一次電圧指令を算出する三相電圧指令発生手段と、を有することを特徴とする。
本発明は次の特徴をもつ誘導電動機の制御装置であってもよい。すなわち、直流電源をエネルギー源として直流電流からインバータにより変換した三相交流電流によって駆動する誘導電動機の制御装置であって、トルク指令と磁束密度指令の二相指令を前記誘導電動機の１次電流を制御するための三相の一次電圧指令に変換し、前記誘導電動機の三相の１次電流検出値をトルク電流検出値と励磁電流検出値の二相の検出値に変換し、フィードバック制御を行う誘導電動機の制御装置において、前記磁束密度推定値と前記誘導電動機の一次電圧指令または一次電圧制限値と漏れインダクタンスと角周波数指令とに基づき、一次電圧指令がインバータの飽和電圧を超えない励磁電流制限値を演算する手段と、前記磁束密度指令と磁束密度推定値の差に基づいて演算した値を、前記励磁電流制限値に基づいて制限して励磁電流指令を出力する励磁電流指令演算手段と、前記励磁電流指令に基づき前記磁束密度推定値を演算する磁束密度演算手段と、前記励磁電流指令と前記励磁電流検出値に基づき励磁電流誤差を算出し、該励磁電流誤差に基づき、励磁電流と同相の励磁電流同相電圧指令を算出するｄ軸電圧指令算出手段と、前記トルク指令と前記磁束密度推定値と前記励磁電流指令に基づきトルク電流指令を算出するトルク電流指令発生手段と、前記トルク電流指令と前記トルク電流検出値に基づきトルク電流誤差を算出し、該トルク電流誤差に基づき、トルク電流と同相のトルク電流同相電圧指令を算出するｑ軸電圧指令算出手段と、前記励磁電流同相電圧指令および前記トルク電流同相電圧指令に基づき誘導電動機に印加する三相電圧指令を算出する三相電圧指令発生手段と、を有する。
【０００７】
また、本発明の誘導電動機の制御装置においては、前記励磁電流制限値を演算する手段は、前記直流電圧検出値もしくは前記誘導電動機の一次電圧指令または前記一次電圧制限値を前記角周波数指令で除算する演算器と、該演算器の出力から前記磁束密度推定値を減算する減算器とを有し、これらを用いて前記励磁電流制限値を演算し、前記励磁電流指令演算手段は、リミット器を有し、これを用いて前記励磁電流制限値に基づく制限を行うものであってもよい。
【０００８】
本発明による誘導電動機の制御装置によれば、磁束フォーシング中の励磁電流指令を直流電圧検出値と回転速度指令と漏れインダクタンスに基づいてリミット処理することにより、一次電圧指令がインバータの飽和電圧を越えないように制御を行なうことができる。また、一次電圧指令がインバータの飽和電圧を越えない範囲で電流制御するため、励磁電流指令とトルク電流指令に対して常に適切な電流分配が可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図２は本発明に係る誘導電動機の制御装置の一実施形態のブロック図である。図４に示す従来の誘導電動機の制御装置と同じ構成要素は同一符号で示してあり、その説明は重複するので省略する。
図２中の５は、直流電圧検出値Ｖdcと回転速度指令ω*と磁束密度指令φ*と磁束密度推定値φ^とトルク指令Ｔ*とを入力とし、励磁電流指令id*とトルク電流指令iq*を出力する電流指令演算器である。電流指令演算器５の詳細図を図１に示す。磁束密度指令φ*と磁束密度推定値φ^の差を減算器２１で算出する。演算器２２は、式（５）に基づき減算器２１の出力より励磁電流指令値id*'を演算する。演算器２３は、直流電圧検出値Ｖdcと回転速度指令ω*と磁束密度推定値φ^に基づき励磁電流指令制限値id*limを演算する。リミット器２４は、演算器２３の出力である励磁電流制限値id*limに基づき前記励磁電流指令値id*'を制限し励磁電流指令id*として出力する。演算器２６は、トルク指令Ｔ*を磁束密度推定値φ^で除算することでトルク電流指令値iq*'を演算する。演算器２７は、式（７）に基づき励磁電流指令式よりトルク電流制限値iq*limを演算する。リミット器２５は、演算器２７の出力であるトルク電流制限値iq*limに基づき前記トルク電流指令値iq*'を制限し、トルク電流指令iq*として出力する。
【００１０】
前記演算器２３による励磁電流指令制限値id*limの演算方法に関する例を説明する。
式（８）においてフィードフォワード補償が適切であるとするとid*−id＝０となり、第１項を無視することができるため、式（８）は下式（１１）となる。
【数１１】
ｅd*＝ｒ1・id*                ・・・（１１）
式（１０）は、式（９）、（１１）を用いて表すと、下式（１２）となる。
【数１２】
ｅ1*＝√[（ｒ1・id*）~2＋（ωＬσ・id*＋ω・φ^）~2］・・・（１２）
式（１２）の第１項は第２項と比較し十分小さいので無視し、電流が安定に制御できるのは一次電圧指令ｅ1*がインバータの飽和電圧ｅsat以下のときであるため、式（１２）は、下式（１３）となる。
【数１３】
ｅ1*＝ωＬσ・id*＋ω・φ^≦ｅsat                ・・・（１３）
インバータの飽和電圧は、直流電圧値Ｖdcに等しいので、式（１３）より励磁電流指令の範囲を求めると下式（１４）の様になる。
【数１４】
id*≦  （Ｖdc／ω−φ^）／Ｌσ                ・・・（１４）
正の励磁電流指令制限値id*Plimは式（１４）および式（６）より下式（１５）、（１６）の様に表すことができる。
【数１５】
（Ｖdc／ω−φ^）／Ｌσ ＞ i1max  の場合
id*Plim ＝ i1max                ・・・（１５）
【数１６】
（Ｖdc／ω−φ^）／Ｌσ ≦ i1max  の場合
id*Plim ＝（Ｖdc／ω−φ^）／Ｌσ    ・・・（１６）
励磁電流指令id*が負の場合、常にｅ1*≦Ｖdcであるので、負の励磁電流制限値は下式（１７）の様に表すことができる。
【数１７】
id*Nlim ＝ -i1max                ・・・（１７）
図１中の演算器２３は、前式（１５）、（１６）、（１７）に基づき励磁電流制限値id*limを出力する。
【００１１】
また、一次電圧指令値ｅ1*がインバータの飽和電圧を越えないように一次電圧指令値に制限値ｅ1*limを設けている制御装置の場合、図１中の演算器２３の演算において、直流電圧検出値の代わりに一次電圧指令ｅ1*の制限値ｅ1*limを用いて演算してもよい。
【００１２】
図５に、本発明における各指令等を示したタイムチャートを示す。図６で説明した内容は、重複するので省略する。励磁電流指令制限値id*limが式（１５）から式（１６）に切り替わった時点をT4で示す。T4-T1間では、式（１６）に基づき励磁電流制限値id*limによって励磁電流指令がリミット処理されているため、T4-T2間で電圧指令ｅ1*がインバータの出力飽和電圧ｅsatを越えない。さらに、また、T4-T1間で式（１６）に基づき励磁電流を制限した分、式（７）に基づきトルク電流指令iq*が指令されている。
【００１３】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明による誘導電動機の制御装置によれば、磁束フォーシング中の励磁電流指令を回転速度指令と漏れインダクタンスと直流電圧検出値または一次電圧指令制限値とに基づいてリミット処理することにより、一次電圧指令がインバータの飽和電圧を越えないように制御を行うことができる。その結果、常に安定した電流フィードバック制御ができ、電流制御が不安定となる現象が発生しない。また、一次電圧指令がインバータの飽和電圧を越えない様に電流指令をすることにより、励磁電流指令とトルク電流指令に対して常に適切な電流指令分配が可能であり無駄なエネルギーを消費しないので誘導電動機の加速時における立ち上がり時間が最短となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による誘導電動機の制御装置の電流指令制限値演算器の一実施形態のブロック図である。
【図２】本発明による誘導電動機の制御装置の一実施形態のブロック図である。
【図３】従来の誘導電動機の制御装置の電流指令制限値演算器のブロック図である。
【図４】従来の誘導電動機の制御装置のブロック図である。
【図５】図２に示す誘導電動機の制御装置の各指令および検出値の波形図である。
【図６】図４に示す誘導電動機の制御装置の各指令および検出値の波形図である。
【符号の説明】
１、３、４、５、７、２２、２３、２６、２７    演算器
２、２１    減算器
２４、２５    リミット器
８    加算器
９      ｄｑ軸電圧指令算出部
１０    二相三相変換器
１１    二相正弦波発生器
１２    三相二相変換器
１４    直流電源
１５    インバータ
１６    電流検出器
１７    誘導電動機
１８    微分器
１９    位置検出器
２０    巻線切替器
【図１】
0003676946.tif 000002
【図２】
0003676946.tif 000003
【図３】
0003676946.tif 000004
【図４】
0003676946.tif 000005
【図５】
0003676946.tif 000006
【図６】
0003676946.tif 000007