(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期電動機の電流を座標変換によりトルク電流成分と励磁電流成分とに変換して制御を行う同期電動機の制御装置において、
界磁電流検出値のみに応じてトルク電流のリミッタ値を演算し、該リミッタ値でトルク電流指令値を制限することを特徴とする同期電動機の制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の同期電動機の制御装置において、前記リミッタ値でトルク電流指令値を制限する場合に、速度信号が予め設定した値を越えた領域でトルク電流指令値を制限することを特徴とする同期電動機の制御装置。
【請求項３】
請求項１記載の同期電動機の制御装置において、前記リミッタ値でトルク電流指令値を制限する場合に、磁束信号が予め設定した値以下の領域でトルク電流指令値を制限することを特徴とする同期電動機の制御装置。
【請求項４】
請求項１に記載の同期電動機の制御装置において、
前記トルク電流のリミッタ値の演算を、前記界磁電流検出値とダンパ時定数とを用いた演算によって行い、該リミッタ値でトルク電流指令値を制限することを特徴とする同期電動機の制御装置。
【請求項５】
同期電動機の電流を座標変換により回転磁極座標（ｄ，ｑ軸）上のｄ軸電流成分とｑ軸電流成分とに変換して制御を行う同期電動機の制御装置において、
界磁電流検出値のみに応じてｄ軸電流のリミッタ値を演算し、該リミッタ値でｄ軸電流指令値を制限することを特徴とする同期電動機の制御装置。
【請求項６】
請求項５に記載の同期電動機の制御装置において、
前記ｄ軸電流のリミッタ値の演算を、前記界磁電流検出値とダンパ時定数とを用いた演算によって行い、該リミッタ値でｄ軸電流指令値を制限することを特徴とする同期電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同期電動機の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
同期電動機のベクトル制御では、回転磁極座標のｄ，ｑ軸から負荷角δだけ回転した、回転磁界座標のＭ，Ｔ軸を基準座標に用いて、電動機電流の励磁電流成分とトルク電流成分を制御する。ここで、ＭＴ軸は磁束ΦのＴ軸成分φt が零となるように選ぶ、即ちＭ軸は磁束の方向と一致する。この時、電機子鎖交磁束ΦはＭ軸にのみ存在するため（Φ＝φm ）、結果としてφm を制御することにより磁束の大きさΦが制御される。そして、Φが一定の時、トルクは電機子電流のＴ軸成分Ｉt に比例するため、Ｉt を制御することによりトルクが制御される。また、電機子電流のＭ軸成分Ｉm を零とすることで、磁束と電流が直交し(Φ⊥Ｉ)、電動機力率を１に制御できる。この時の座標軸の関係は図２のように示され、電機子側と界磁側の電流、磁束がバランスすることで、力率１で安定に運転できることがわかる。
【０００３】
ここで、ベクトル制御により同期電動機を駆動した場合、負荷の大きさにより負荷角δは変化し、また同期電動機を安定に駆動できる範囲は負荷角δが−９０度＜δ＜９０度であることがわかっている。特に界磁弱め域で負荷が急変した場合、同期電動機の負荷角が過渡的に安定範囲を越えてしまい制御不能になる問題がある。
【０００４】
この問題を解決するため、例えば特開平3−212191 号公報に記載されたものがある。この方法は、負荷運転時に負荷角δが設定値を越えると安定運転の限界と判断し、トルク電流設定値を制限する可変リミッタ回路を具備したものである。しかしながら、負荷角δは磁束オブザーバによる電動機磁束推定値に基づいて演算されているため、負荷角δの演算値には、モータ内のδ真値に対して演算誤差や演算遅れが生じる。このため負荷角δの推定値により安定限界を判断し、電流に制限を加える方式では、安定限界の判断ミスや判断遅れが生じる恐れがある。また、界磁変換器の異常などにより界磁電流が急激に零となる異常時においては、負荷角δが急激に大きくなり９０度を越え不安定となるが、上記方法では負荷角δが設定値を越えたことをもってトルク電流指令値を制限しているので、負荷角δを抑制する作用が遅れ、異常処理を行う上で不具合が生じる恐れがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、前述した従来方法における問題を考慮してなされたものであり、同期電動機を安定に運転できる制御装置を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による制御装置は、安定条件を満たすトルク電流の制限（上限）値を界磁電流検出値に基づいて予め演算し、前記制限値でトルク電流指令値を制限することで、同期電動機を安定に運転できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１に、本発明の一実施例である同期電動機可変速システムの構成を示す。図１において、１は速度指令発生器で速度指令を出力する。また、１６は同期電動機であり、１７は該同期電動機１６の速度／位置検出器で、同期電動機の磁極位置と速度を検出し出力する。１３は電機子電流検出器で同期電動機１６の電機子の交流電流を検出し出力する。１５は電機子電圧検出器で同期電動機１６に印加される交流電圧を検出し出力する。そして、電機子電流検出器１３の出力と電機子電圧検出器１５の出力が座標変換器１０に入力され、交流信号からｄｑ軸上の直流量への変換が行われ、
ｄｑ軸電流検出値、ｄｑ軸電圧検出値が出力される。ここで、座標変換に必要な磁極位置θreは速度／位置検出器１７より出力され座標変換器１０に入力されている。また、１４は界磁電流検出器で、同期電動機１６の界磁電流を検出し出力する。速度指令発生器１の出力である速度指令と速度位置検出器１７より出力される速度検出値の偏差は２の速度制御器に入力され、この偏差に基づき演算されたトルク電流指令が出力される。トルク電流指令は８の座標変換器に入力され、ＭＴ軸上の電流指令がｄｑ軸上の電流指令に変換され出力される。ここで、座標変換に必要な負荷角δは７の磁束オブザーバより座標変換器８に入力されており、７の磁束オブザーバは電動機の磁束及び負荷角δを演算するもので座標変換器１０より出力されるｄｑ軸電流検出値とｄｑ軸電圧検出値が入力され、負荷角δと磁束Φを出力する。そして、座標変換器８の出力であるｄｑ軸上の電流指令と座標変換器１０の出力であるｄｑ軸の電流検出値の偏差は５の電機子電流制御器に入力され、この偏差に基づき演算されたｄｑ軸電圧指令が出力される。ｄｑ軸電圧指令と９の座標変換器に入力され、ｄｑ軸電圧指令が交流電圧指令に変換され出力される。ここで、座標変換に必要な磁極位置θreは速度／位置検出器１７より出力され座標変換器９に入力されている。座標変換器９の出力である交流電圧指令は電力変換器１１に入力され、交流電圧指令に基づき同期電動機１６に交流電圧が印加される。一方、３は磁束指令演算器で、速度／位置検出器１７より出力される速度検出値に基づき磁束指令を演算し出力する。そして、磁束指令演算器３の出力と磁束オブザーバ７の出力が４の界磁指令演算器に入力され、ここで界磁電流指令が演算され出力される。そして、界磁指令演算器４の出力である界磁電流指令と界磁電流検出器１４の出力である界磁電流検出値の偏差は６の界磁電流制御器に入力され、この偏差に基づき演算された界磁電圧指令が出力される。界磁電流制御器６の出力である界磁電圧指令は界磁変換器１２に入力され、界磁電圧指令に基づき同期電動機１６に界磁電圧が印加される。１８は速度制御器２の出力であるトルク電流指令値を制限する可変リミッタ回路で、リミッタ値演算器１９より可変リミッタ値が入力されている。リミッタ値演算器１９には界磁電流検出器１４の出力である界磁電流検出値が入力されており、界磁電流検出値に基づきリミッタ値が演算され出力されている。
【０００８】
次に動作の概要について説明する。まず、同期電動機１６の回転速度は速度／位置検出器１７により検出され、速度指令発生器１からの指令値との偏差が速度制御器２に加えられ、これにより回転速度は該速度指令に一致するように制御される。そして、前記速度制御ループの内側には図１に示すように電流制御ループが設けられ、電機子電流及び界磁電流は、電機子電流検出器１３及び界磁電流検出器１４により検出され、電機子電流と界磁電流の各指令値に一致するように電機子電流制御器５及び界磁電流制御器６により制御される。ＭＴ座標を用いてベクトル制御を行うためには、負荷角δ及びＭ軸上の磁束Φを検出する必要がある。このため、磁束オブザーバ７において電機子電流と電機子電圧からモータ磁束推定値φd，φqを演算し、これを用いてδ及びΦが演算される。演算されたδ推定値は座標変換器８に用いられる。また、演算された磁束Φと磁束指令演算器３からの指令値が界磁指令演算器４に加えられ、その出力である界磁電流指令Ｉf*に従い界磁電流が制御される。リミッタ値演算器１９には界磁電流検出値が入力されており、界磁電流の大きさに基づいてトルク電流指令値の制限値を演算する。そして、該制限値に応じて可変リミッタ回路１８のリミッタ値を可変することにより、速度制御器２より出力されるトルク電流指令値を制限する。また、トルク電流指令値がリミッタにかかった場合は、速度制御器２の積分項が飽和しないように積分器の動作を停止させる。
【０００９】
次に、実施例における同期電動機の安定運転の原理について説明する。電機子側に対して界磁側の応答は一般に低く、また界磁変換器の出力電圧制限の影響から、トルク電流の変化に対して界磁電流に遅れが生じる。この場合、界磁弱め域でトルクが大きいために、図３に示すように負荷角δが９０度近くとなるような領域でトルクが急変した場合を考えると、従来では、電機子側と界磁側のバランスが崩れ、図４に示すようにφd がついには負となり、負荷角δが９０度を越え不安定領域に入る恐れがある。ここで、負荷角δが９０度以下に制限されるためには、電機子側の電流と界磁電流がバランスしなければならないことに着目し、電機子側のトルク電流指令を次式に従い界磁電流検出値に基づき制限する。
【００１０】
【数１】
｜Ｉt*｜＝Ｋ・Ｉfe …（数１）
Ｋ：リミッタ値演算ゲイン
即ち、本発明の原理はトルク電流と界磁電流の関係がバランスするように界磁電流に関係してトルク電流指令を制限するものであり、これにより、界磁電流の遅れにより不安定となることを確実に防止できる。
【００１１】
次に本発明の他の実施例を図５を用いて説明する。図において部品番号１〜１９は、図１の同じ番号のものと同一である。図１とは、界磁電流検出値に基づきトルク電流指令のリミッタ値を可変することは同じであるが、負荷角δの大きさがある設定値を越えた場合のみで働くようにしたものである。このために、スイッチ回路２０を備え、比較レベル設定器２１のδの上限設定値と負荷角δを比較器２２で比較し、負荷角δが前記設定値を越えた場合のみ、リミッタ値演算器１９の出力を用いて、可変リミッタ回路１８のリミッタ値を可変する。δが設定値を越えない場合は、リミッタ値設定器２３の出力（通常時のトルク電流リミッタ値）を用いて、可変リミッタ回路１８のリミッタ値を設定する。このようにすることで、負荷角δが設定値以下の場合では界磁電流による制限を受けないためトルク電流は所定の応答が得られ、設定値を越える領域においてのみ、トルク電流と界磁電流の関係がバランスするようにトルク電流指令を制限することで、界磁電流の遅れによる不安定を確実に防止できる。
【００１２】
次に、本発明の他の実施例を図６を用いて説明する。図において部品番号１〜２３は、図５の同じ番号のものと同一である。図５とは、界磁電流検出値に応じてトルク電流指令のリミッタ値を可変する動作の入切判断に、速度信号を用いている点が異なる。ここで、速度を用いる理由は、界磁弱め制御を行う場合、速度の上昇に伴い磁束が減少すると、負荷角δが９０度に近づく傾向があり、速度とδに相関があるためである。よって、図５の実施例と同様に、速度が比較レベル設定器２１からの設定値以下の場合では界磁電流による制限を受けないためトルク電流は所定の応答が得られ、設定値を越える領域においてのみ、トルク電流と界磁電流の関係がバランスするようにトルク電流指令を制限することで、界磁電流の遅れによる不安定を確実に防止できる。
【００１３】
次に、本発明の他の実施例を図７を用いて説明する。図において部品番号１〜２３は、図５の同じ番号のものと同一である。図５とは、界磁電流検出値に応じてトルク電流指令のリミッタ値を可変する動作の入切判断に、磁束信号を用いている点が異なる。ここで、磁束を用いる理由は、界磁弱め制御を行う場合、磁束が弱くなるほど負荷角δが９０度に近づく傾向があり、磁束とδは相関があるためである。よって、図５の実施例と同様に、磁束が比較レベル設定器２１からの設定値以上の場合では界磁電流による制限を受けない。このためトルク電流は所定の応答が得られ、設定値以下の場合においてのみ、トルク電流と界磁電流の関係がバランスするようにトルク電流指令を制限することで、界磁電流の遅れによる不安定を確実に防止できる。
【００１４】
図８に本発明の他の実施例を示す。本実施例は、リミッタ値の切替え前後におけるトルク変動を防止したものである。ここで、図４の関係から理解されるように、δが９０度以上または以下をｄ軸磁束φd の極性で判断できることに着目すると、ｄ軸磁束φd を常に正に保持することが安定の条件といえる。従って、トルク電流と界磁電流の関係がこの安定条件を満たすように界磁電流検出値に基づきトルク電流指令を制限すればよい。次に、安定条件を満たすトルク電流指令値を導出する。
【００１５】
ｄ軸磁束の演算式より安定（｜δ｜＜９０度）であるための条件は次式となる。
【００１６】
【数２】
0003680605.tif 000002
【００１７】
数２をｄ軸電流について解くと次式となる。
【００１８】
【数３】
0003680605.tif 000003
【００１９】
また、ｄ軸電流は座標変換により次式となる。
【００２０】
【数４】
Ｉd*＝−Ｉt*sinδ+Im*cosδ                                …（数４）
数３，数４よりトルク電流について解くと次式となる。
【００２１】
【数５】
0003680605.tif 000004
【００２２】
ここで、通常Ｍ軸電流は零であるので、これに関する項を無視すると数５の{}内は次式となる。
【００２３】
【数６】
0003680605.tif 000005
【００２４】
従って、安定条件(φd＞０）を保持するための条件は数５で表され、数６に従い界磁電流に基づいて演算された値を|sinδ｜で割った値でトルク電流を制限する必要がある。
【００２５】
以上を踏まえ、本発明の他の実施例を図８を用いて説明する。図において部品番号１〜１９は、図１の同じ番号のものと同一である。図１と異なる点は、負荷角δのsin 値の絶対値を演算する演算器２４を備え、演算器２４の出力値でリミッタ値演算器１９の出力値を割り算する割算器２５を備え、その演算値を可変リミッタ回路１８のトルク電流指令リミッタ値としている点である。
【００２６】
次に動作について説明する。数６により界磁電流検出値に基づきリミッタ値を演算し、演算した値を|sinδ｜で割った値でトルク電流指令値を制限すれば、常に安定条件が満たされるため、脱調など運転不能になることを防ぐことができる。また、|sinδ｜で割る結果、負荷角δ→０においてリミッタ値が無限大となるので、安定領域（負荷角δ小）ではリミッタの実際の影響は小さく、不安定領域に近づく（負荷角δ→大）につれリミッタが有効に作用する動作を含んでいることがわかる。また、リミッタ値演算器１９の出力を連続的に可変しているため、切替え前後の変動の恐れはない。ここで、数６はダンパの影響を考慮しているため、その分リミッタ値を過渡的に高くでき、トルク制限値を大きくできるが、演算の簡素化のため、ダンパ時定数を無視し、次式で簡単にリミッタ値を計算してもよい。
【００２７】
【数７】
0003680605.tif 000006
【００２８】
尚、数６，数７において、Ｍd／Ｌdは定数誤差が分母と分子で打ち消し合うことより、本方式における電動機定数のずれによる演算誤差の影響は小さく、さらにＭd／Ｌd≒１の近似を行ってもよい。また、負荷角δが大きい所では１／    sinδ≒１でありδの演算誤差の影響も少ない。
【００２９】
次に、本発明の他の実施例を図９を用いて説明する。図において部品番号１〜１９は、図１の同じ番号のものと同一である。図１とは、速度制御器内の演算処理によりｄｑ軸電流指令が直接出力されており、前記実施例のように可変リミッタ回路１８，リミッタ値演算器１９によりトルク電流指令値を制限する代りに、ｄ軸電流指令値を制限する点が異なる。
【００３０】
次に動作について説明する。安定条件(φd＞０）を保持するためのｄ軸電流に関する条件は数３で示されているので、上記リミッタ値演算器１９において数３を用いて界磁電流に基づきｄ軸電流指令値を制限するリミッタ値を演算する。そして、演算したリミッタ値でｄ軸電流指令値を制限することで、図１と同様の効果が得られる。尚、数３はダンパの影響を考慮しているため、その分リミッタ値を過渡的に高くでき、トルク制限値を大きくできるが、演算の簡素化のため、ダンパ時定数を無視し数８に従いリミッタ値を計算してもよい。
【００３１】
【数８】
0003680605.tif 000007
【００３２】
また、さらにＭd／Ｌd≒１と近似してもよい。
【００３３】
上記各実施例において、同機電動機が安定に運転できる原理は、トルク電流と界磁電流がバランスするように界磁電流検出値に基づきトルク電流指令値を制限することにより、δの増加を抑制し、常に安定運転を実現するものである。このため、例えば界磁変換器の異常などにより界磁電流が急激に零となる異常時においても、負荷角δが９０度を越え不安定となることなく、安定状態を保ちつつ速やかにトルク電流を下げる作用があり、異常処理を行う上で望ましい効果がある。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、安定条件を満たすように、界磁電流検出値に基づいてリミッタ値を演算し、遅れなくトルク電流指令値を制限するように構成したので、脱調など運転不能になることがなく電動機を常に安定に運転できる。また、界磁変換器の異常などにより界磁電流が急激に零となる異常時においても、負荷角δが９０度を越え不安定となることがなく、安定状態を保ちつつ速やかにトルク電流を下げる作用があり、異常処理を行う上で望ましい効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す同期電動機可変速制御システムのブロック構成図。
【図２】同期電動機の動作を説明するベクトル図（回転子座標（ｄｑ軸）と磁束座標（ＭＴ軸）の関係を示す説明図）。
【図３】界磁弱め、負荷印加時のベクトル図。
【図４】界磁弱め、負荷印加時におけるトルク急変時のベクトル図。
【図５】本発明の他の実施例を示す同期電動機可変速制御システムのブロック構成図。
【図６】本発明の他の実施例を示す同期電動機可変速制御システムのブロック構成図。
【図７】本発明の他の実施例を示す同期電動機可変速制御システムのブロック構成図。
【図８】本発明の他の実施例を示す同期電動機可変速制御システムのブロック構成図。
【図９】本発明の他の実施例を示す同期電動機可変速制御システムのブロック構成図。
【符号の説明】
１６…同期電動機、１８…可変リミッタ回路、１９…リミッタ値演算器。
【図１】
0003680605.tif 000008
【図２】
0003680605.tif 000009
【図３】
0003680605.tif 000010
【図４】
0003680605.tif 000011
【図５】
0003680605.tif 000012
【図６】
0003680605.tif 000013
【図７】
0003680605.tif 000014
【図８】
0003680605.tif 000015
【図９】
0003680605.tif 000016