(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
リラクタンストルクを利用した同期電動機のトルクまたは速度を制御する制御装置であって、トルク指令値と鎖交磁束指令値とから、トルクと鎖交磁束とを線形に制御可能な電流指令値を演算する手段を備えた制御装置において、
トルク指令値が所定値より小さい場合に鎖交磁束指令値をトルク指令値に対する増加関数とし、トルク指令値が所定値より大きい場合に鎖交磁束指令値を上限値以下の一定値に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】
リラクタンストルクを利用した同期電動機のトルクまたは速度を制御する制御装置であって、トルク指令値と鎖交磁束指令値とから、トルクと鎖交磁束とを線形に制御可能な電流指令値を演算する手段を備えた制御装置において、
鎖交磁束指令値を上限値以下の範囲でトルク指令値に対する増加関数と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または２記載の同期電動機の制御装置において、
電動機速度に反比例させて鎖交磁束指令値の前記上限値を変化させ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、リラクタンストルクを利用した同期電動機、例えば突極形永久磁石同期電動機等の突極性または逆突極性を有する永久磁石同期電動機の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図８に、従来技術の例として「埋込磁石構造ＰＭモータの広範囲可変速制御」（電気学会論文誌Ｄ，１１４巻６号，ｐ６６８〜ｐ６７３，平成６年６月２０日発行）に掲載された突極形永久磁石同期電動機の速度制御装置の構成を示す。なお、図において、１０は加算器、２０は速度調節器、３０は直軸電流指令演算器、４０は電流調節器、５０はＰＷＭ変調器、６０は三相交流電源、７０はインバータ等の電力変換器、８０は電流検出器、９０は位置検出器、１００は速度検出器、ＰＭは突極形永久磁石同期電動機である。
【０００３】
速度調節器２０は、同期電動機ＰＭの速度検出値ωが速度指令値ω＊に一致するように横軸電流指令値Ｉｑ＊を調節し、直軸電流指令値Ｉｄ＊と共に電流調節器４０に加える。
ここで、突極形永久磁石同期電動機ＰＭのトルクＴは、直軸電流Ｉｄと横軸電流Ｉｑとから数式１により表わすことができる。なお、数式１において、Ｌｄは直軸インダクタンス、Ｌｑは横軸インダクタンス、φｍは永久磁石の鎖交磁束である。
【０００４】
【数１】
Ｔ＝φｍＩｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）ＩｄＩｑ
【０００５】
数式１の第２項はリラクタンストルクを表しており、突極または逆突極性をもつ永久磁石同期電動機では直軸電流Ｉｄを積極的に流すことにより、電動機出力を大きくすることができる。直軸電流指令値Ｉｄ＊は、トルク／電流が最大となる条件から、数式２により求める。
【０００６】
【数２】
0003570467.tif 000002
【０００７】
また、速度ωが大きくなると電動機の端子電圧が上昇するため、これを抑制する必要がある。
数式２に示したトルク／電流が最大の条件で端子電圧が電力変換器の最大電圧より大きくなるとき、端子電圧が電力変換器の最大出力電圧に等しくなるように直軸電流Ｉｄを数式３により演算する。なお、数式３において、Ｖｍａｘは電力変換器の最大出力電圧である。
【０００８】
【数３】
0003570467.tif 000003
【０００９】
前記図８において、電流調節器４０は直軸・横軸電流指令値と電流検出値及び位置検出値から電圧指令を計算し、電圧指令はＰＷＭ変調器５０により電力変換器７０のゲート信号に変換され、電力変換器７０が制御される。
この結果、同期電動機ＰＭの電流は指令値に一致するように制御され、その速度ωを指令値ω＊に一致させることができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
数式１より明らかなように、突極形永久磁石同期電動機の電流とトルクとの関係は非線形である。
図８に示した従来技術のように、直軸電流Ｉｄを運転条件により積極的に制御する場合、速度制御系の非線形性により速度調節器２０の応答を速く設計できず、場合によっては速度制御が不安定になることがある。また、トルク指令から必要な電流を直接演算できないため、高精度なトルク制御が要求される用途に適用できない。
【００１１】
これらの問題の対策として特開平７−３０８０８８号公報や特開平７−３０８０８９号公報では、所望のトルクと端子電圧を得る電流の振幅と位相角を補償関数を用いて演算する方法を提案している。しかし、調整が困難であり、また、種々の運転条件に対応するためには多大なメモリ容量を必要とするため高価格化の問題があると考えられる。
【００１２】
そこで本発明は、所望のトルク及び鎖交磁束を得る電流指令値を発生させてトルクと鎖交磁束とを高精度に制御可能であると共に、電動機や電力変換器の利用効率を高めてシステム全体の小型化、低価格化を可能にする、リラクタンストルクを利用した同期電動機の制御装置を提供しようとするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、リラクタンストルクを利用した同期電動機、例えば突極または逆突極性を有する永久磁石同期電動機のトルクまたは速度を制御する制御装置であって、トルク指令値と鎖交磁束指令値とから、トルクと鎖交磁束とを線形に制御可能な電流指令値を演算する手段を備えた制御装置において、トルク指令値が所定値より小さい場合に鎖交磁束指令値をトルク指令値に対する増加関数とし、トルク指令値が所定値より大きい場合に鎖交磁束指令値を上限値以下の一定値に制限するものである。
【００１４】
請求項２記載の発明は、リラクタンストルクを利用した同期電動機、例えば突極または逆突極性を有する永久磁石同期電動機のトルクまたは速度を制御する制御装置であって、トルク指令値と鎖交磁束指令値とから、トルクと鎖交磁束とを線形に制御可能な電流指令値を演算する手段を備えた制御装置において、鎖交磁束指令値を上限値以下の範囲でトルク指令値に対する増加関数とするものである。
【００１５】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の同期電動機の制御装置において、電動機速度に反比例させて鎖交磁束指令値の前記上限値を変化させるものである。
【００１６】
本発明によれば、同期電動機のトルクと電流との関係を線形化し、かつ、端子電圧を任意に制御することができる。トルクと電流との関係を線形化することにより、速度制御や位置制御の特性を向上でき、従来不可能であった高精度なトルク制御が可能になる。また、トルクと同時に端子電圧を制御できることから、定出力運転可能な速度範囲を拡大でき、電力変換器の容量低減が可能になる。
更に、磁気飽和や電力変換器の最大出力電圧を考慮して磁束指令値を与えるため、電動機や電力変換器の利用効率を高めることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、この実施形態の基本的な全体構成図であり、図８と同一の構成要素には同一符号を付してある。
図１において、電流指令演算器２００は、速度調節器２０から出力されるトルク指令値Ｔ＊と突極または逆突極性を有する永久磁石同期電動機ＰＭの速度ωとに基づき、所望のトルクを発生しかつ端子電圧が電力変換器７０の最大出力電圧Ｖｍａｘ以下となるような直軸電流指令値Ｉｄ＊と横軸電流指令値Ｉｑ＊とを計算して出力する。
【００１８】
図２は本実施形態の主要部であり、図１の電流指令演算器２００を詳細に示した図である。
図２の磁束指令演算器２０１は、トルク指令値Ｔ＊と同期電動機ＰＭの速度ωとから鎖交磁束指令値φ＊を計算する。なお、後述する図４の例では、鎖交磁束指令値φ＊をトルク指令値Ｔ＊のみから求めている。
同期電動機ＰＭの端子電圧Ｖは、電機子巻線の抵抗分が無視できる場合、鎖交磁束φと速度ωとの積から求められる。従って、鎖交磁束指令値φ＊は、φ＊≦Ｖｍａｘ／ωとする必要がある。前述のように、Ｖｍａｘは電力変換器７０の最大出力電圧である。
【００１９】
トルク電流指令値ＩＴ＊は電流ベクトルの磁束と直交する成分であり、除算器２０２によりトルク指令値Ｔ＊を鎖交磁束指令値φ＊により除算して求められる。
一方、磁化電流指令値ＩＭ＊は電流ベクトルの磁束方向成分であり、磁化電流指令調節器２０６から出力される。
これらのトルク電流指令値ＩＴ＊、磁化電流指令値ＩＭ＊及び鎖交磁束指令値φ＊は座標変換器２０４に入力される。
【００２０】
ここで、図３に、ｄ−ｑ座標軸とＭ−Ｔ座標軸（磁界軸上にとったフィールドオリエンテーション座標）との関係を示す。図３の関係から、図２の座標変換器２０４は磁化電流指令値ＩＭ＊，トルク電流指令値ＩＴ＊及び鎖交磁束指令値φ＊から直軸電流指令値Ｉｄ＊，横軸電流指令値Ｉｑ＊を数式４に基づいて計算し、図１の電流調節器４０及び図２の磁束演算器２０７に出力する。
【００２１】
【数４】
0003570467.tif 000004
【００２２】
磁束演算器２０７は、座標変換器２０４から出力される直軸電流指令値Ｉｄ＊，横軸電流指令値Ｉｑ＊から、数式５により鎖交磁束φを演算する。
【００２３】
【数５】
0003570467.tif 000005
【００２４】
鎖交磁束指令値φ＊と鎖交磁束演算値φとの偏差が加算器２０５により求められ、磁化電流指令調節器２０６は、鎖交磁束演算値φが鎖交磁束指令値φ＊に一致するように磁化電流指令値ＩＭ＊を調節する。この磁化電流指令調節器２０６には、Ｉ（積分）調節器、ＰＩ（比例・積分）調節器、あるいはＰＩＤ（比例・積分・微分）調節器などを用いる。これにより、鎖交磁束演算値φと鎖交磁束指令値φ＊との定常偏差がなくなり、高精度な磁束制御が実現されることになる。
【００２５】
図４は前記磁束指令演算器２０１の第１実施形態を示すブロック図であり、ここでは符号を２０１Ａとしてある。なお、この実施形態の磁束指令演算器２０１Ａでは、前述のように図２に示されている速度ωは鎖交磁束指令値φ＊の導出に使用されない。
その動作としては、トルク指令値Ｔ＊が絶対値に変換された後、メモリ２０８に入力され、この絶対値に対応する鎖交磁束指令値φ＊が出力される。以下、トルク指令値Ｔ＊の関数である鎖交磁束指令値φ＊につき説明する。
【００２６】
前述した数式２から、トルク／電流を最大化するＩｄ，Ｉｑの関係が求まる。
Ｉｄ，Ｉｑの関係が求まると、前記数式１からＩｑとトルクＴとの関係が求まり、更に、前記数式５からＩｑと鎖交磁束φとの関係が求まる。これにより、トルク／電流を最大化するトルクＴと鎖交磁束φとの関係を求めることができる。
【００２７】
図５はトルク指令値Ｔ＊の絶対値｜Ｔ＊｜と鎖交磁束指令値φ＊との関係を示す第１実施例であり、破線で示した関係はトルクの増加に伴って鎖交磁束が増加する特徴を持つ。しかるに、電動機を構成する鉄心には磁気飽和があるため、所定値以上に磁束を増加させることはできない。磁気飽和を無視して界磁磁束指令値を増加させると、例えばトルクが所望の値に制御されず、制御性能を低下させる。この点に鑑み、この第１実施例では磁気飽和に達する以前に実線で示す如く鎖交磁束指令値φ＊を一定値φ１に抑えることにより、磁気飽和及び制御性能の低下を未然に防ぐようにしている。
すなわち、この第１実施例は請求項１記載の発明の実施例に相当するもので、トルク指令値Ｔ＊が所定値より小さい場合には鎖交磁束指令値φ＊をトルク指令値Ｔ＊に対して増加関数とし、トルク指令値Ｔ＊が所定値より大きくなると鎖交磁束指令値φ＊を上限値以下の一定値に保つものである。
【００２８】
また、図６はトルク指令値Ｔ＊の絶対値｜Ｔ＊｜と鎖交磁束指令値φ＊との関係を線形状にした第２実施例であり、トルク指令値Ｔ＊の増加に伴って鎖交磁束指令値φ＊も増加させている。
なお、鎖交磁束指令値φ＊の最大値は磁気飽和から決まるため、その上限値を図５と同様の一定値φ１に制限している。
この第２実施例は請求項２記載の発明の実施例に相当しており、鎖交磁束指令値φ＊を上限値以下の範囲でトルク指令値Ｔ＊に対して増加関数としたものである。
【００２９】
図７は、磁束指令演算器２０１の第２実施形態を示すブロック図であり、ここでは符号を２０１Ｂとしてある。この実施形態では、トルク指令値Ｔ＊の絶対値｜Ｔ＊｜に応じてメモリ２０８から出力される補助的な鎖交磁束指令値φ＊＊が制限器２０９に入力される。
制限器２０９では、下記の数式６に示されるように、速度ωに反比例させて鎖交磁束指令値φ＊の上限値φｌｉｍ（前述のφ１に相当）を変化させる。数式６におけるφｍａｘは、図５、図６に示した磁気飽和による磁束の上限値とする。また、数式６のωＢは基底速度である。
この実施例が、請求項３に記載した発明の実施例に相当する。
【００３０】
【数６】
0003570467.tif 000006
【００３１】
この実施例によれば、電動機が基底速度ωＢを超えて高速回転する場合に鎖交磁束指令値φ＊の上限値を減少させ、鎖交磁束φと速度ωとの積に比例する電動機端子電圧を一定に制御して電力変換器の容量を低減することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、リラクタンストルクを利用した同期電動機、例えば突極性または逆突極性を有する永久磁石同期電動機の制御装置において、所望のトルクと鎖交磁束を発生し、かつ端子電圧が電力変換器の最大出力電圧以下となるような電流指令値を演算して出力することにより、トルク、鎖交磁束及び端子電圧を高精度に制御することができる。
また、トルク／電流の向上と共に磁気飽和や電力変換器の最大出力電圧を考慮して界磁磁束指令値を与えるので、電動機や電力変換器の利用率が向上し、駆動システムを小型化、低価格化することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の全体構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態の主要部を示すブロック図である。
【図３】本発明におけるｄ−ｑ座標軸とＭ−Ｔ座標軸との関係を示すベクトル図である。
【図４】図２における磁束指令演算器の第１実施形態を示すブロック図である。
【図５】トルク指令値の絶対値と界磁磁束指令値との関係を示す第１実施例の説明図である。
【図６】トルク指令値の絶対値と界磁磁束指令値との関係を示す第２実施例の説明図である。
【図７】図２における磁束指令演算器の第２実施形態を示すブロック図である。
【図８】従来技術の全体構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
ＰＭ  永久磁石同期電動機
１０  加算器
２０  速度調節器
４０  電流調節器
５０  ＰＷＭ変調器
６０  三相交流電源
７０  電力変換器
８０  電流検出器
９０  位置検出器
１００  速度検出器
２００  電流指令演算器
２０１，２０１Ａ，２０１Ｂ  磁束指令演算器
２０２  除算器
２０４  座標変換器
２０５  加算器
２０６  磁化電流指令調節器
２０７  磁束演算器
２０８  メモリ
２０９  制限器
【図１】
0003570467.tif 000007
【図２】
0003570467.tif 000008
【図３】
0003570467.tif 000009
【図４】
0003570467.tif 000010
【図５】
0003570467.tif 000011
【図６】
0003570467.tif 000012
【図７】
0003570467.tif 000013
【図８】
0003570467.tif 000014