(57)【要約】【課題】電動機の容量に関係無く精度良く電動機のＲｓ、Ｌｓを測定できる制御装置を提供する。【解決手段】電動機２のインバータ１にて可変電圧可変周波数制御する制御装置において、電動機の定数を測定する手段１０を備え、出力周波数ｆ１あるいは出力トルクｉｑを０に制御して、電動機巻線抵抗値Ｒｓを電流値ｉｄと電圧値Ｖｄの積を累積加算し、それを電流ｉｄの二乗値の累積加算値で除算して求め、インダクタンス値Ｌｓを電圧値Ｖｄの累積加算値と電流ｉｄの積を累積加算し、それを電流ｉｄの二乗値を累積加算した値で除算して測定するものである。【選択図】  図１
2006025548.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電動機をインバータにて可変電圧可変周波数制御する制御装置の制御演算定数設定方法において、前記制御装置は前記電動機の電動機定数を測定する手段を備え、前記電動機定数測定手段は前記電動機の出力周波数あるいは出力トルクをゼロに制御する手段を備え、電動機巻線抵抗値を電流値と電圧値の積を累積加算し、前記累積加算値を電流の二乗値を累積加算した値で除算して測定する手段と、インダクタンス値を電圧値の累積加算値と電流値の積を累積加算し、前記累積加算値を電流の二乗値を累積加算した値で除算して測定する手段を備えたことを特徴とする交流電動機制御装置の制御演算定数設定方法。
【請求項２】
前記制御装置は前記交流電動機に供給される電流を検出する電流検出回路と、前記交流電動機に供給される電流を励磁電流検出値とトルク電流検出値に変換して出力する座標変換回路と、前記励磁電流指令値と前記励磁電流検出値とが一致するように励磁電流方向電圧を制御する励磁電流制御回路、と前記トルク電流指令値と前記トルク電流検出値とが一致するようにトルク電流方向電圧を制御するトルク電流制御回路と、与えられた出力周波数指令を積分することにより得られる位相角を演算する位相角演算回路と前記励磁電流制御回路と前記トルク電流制御回路から出力される電圧指令から出力電圧の大きさ及び位相を演算する出力電圧演算回路を備え、前記出力周波数指令値あるいは前記トルク電流指令値をゼロに設定し，前記出力周波数あるいは前記トルク電流をゼロに制御した状態で、前記電動機定数を測定することを特徴とする交流電動機制御装置の制御演算定数設定方法。
【請求項３】
前記制御演算定数設定方法において、前記測定方法のうち電動機巻線抵抗値は前記励磁電流指令値を固定値あるいは変化の緩やかな値に設定し，前記励磁電流制御回路により前記励磁電流指令値と前記励磁電流検出値とが一致するよう制御した状態で、前記電動機定数を測定す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の制御演算定数設定方法。
【請求項４】
前記測定方法のうちインダクタンス値は前記励磁電流指令値を周期的に変化し，その周期積分がゼロとなる値に設定し，前記励磁電流制御回路により前記励磁電流指令値と前記励磁電流検出値とが一致するよう制御した状態で、前記電動機定数を測定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の制御演算定数設定方法。
【請求項５】
前記電動機定数測定手段は前記トルク電流検出値がゼロでない場合に自動的に前記出力周波数ゼロに制御する手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の交流電動機制御装置の制御演算定数設定方法。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５記載の制御演算定数設定方法を備え，前記測定方法により測定された制御定数あるいは前記制御定数を用いて演算された定数を制御装置に設定することを特徴とする交流電動機の制御装置。
【請求項７】
電動機巻線抵抗値およびインダクタンス値を測定する際に、出力周波数指令値およびトルク電流指令をゼロに設定し、励磁電流指令値を固定値あるいは変化の緩やかな値に設定して、所定のサンプリング周期毎に検出した電流値ｉｄと電圧値Ｖｄの積を累積加算し、前記累積加算値を電流ｉｄの二乗値を累積加算した値で除算して電動機巻線抵抗値の測定を行い、インダクタンス測定モードに切換えて前記励磁電流指令値を周期的に変化し、その周期積分がゼロになる値に設定し、電圧値Ｖｄの累積加算値と電流値ｉｄの積を累積加算し、前記累積加算値を電流ｉｄの二乗値を累積加算した値で除算してインダクタンス値の測定を行う電動機定数演算器を有することを特徴とする請求項６記載の交流電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は交流電動機の制御装置において、その制御演算定数をインピーダンスの小さい大容量の電動機でも高精度に電動機定数を測定、制御演算定数を設定できる交流電動機制御装置の制御演算定数設定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来技術として、電動機に直流の電流を流し、電圧検出値あるいは電圧指令値と電流値の関係から電動機巻線抵抗を測定し、また電圧（あるいは電流）をステップ状に印加し、そのときの電流（あるいは電圧）の変化から電気的時定数を測定し、その測定値と先に測定した抵抗からインダクタンスを測定する方法がある。（特許文献１参照）。
図４は特許文献１に開示の「可変速装置」の構成図であり、先ず、（１）、直流電流試験として、電動機１０１を停止状態で、電力変換器１０２の出力電流の位相をある相に固定し、直流電流指令部１０７によって直流電流ＩをＩ１、Ｉ１／２、−Ｉ１、−Ｉ１／２の４種類に設定切替えを行う。これら電流指令による電力変換器１０２の出力電圧のＵ、Ｖ、Ｗ相電圧を電圧計測部１０８で計測し、この計測値から電圧検出部１０９によって回転座標の電圧Ｖ１ｄ、Ｖ１ｑを求める。なお、この場合、代わりに電流制御系１０３の出力電圧指令を用いても良い。
このような電流指令と出力電圧をグラフにすると図５のようになる。ここで、測定点の傾きが等価回路の一次抵抗Ｒ１成分になり、一次抵抗演算手段１１０により求められる。
【０００３】
次に、（２）、無負荷運転／ゼロ電流試験として、速度制御系１０４により電動機１０１を無負荷運転し、この状態で先のトルク軸電圧Ｖ１ｑを得て、この電圧からトルク分電流Ｉ１ｑと電動機の一次抵抗Ｒ１による電圧降下分を減算して速度起電力Ｅ１ｑを求め、Ｅ１ｑが設計値と一致する様に励磁電流指令手段１０６の出力を調整し、無負荷運転時の励磁電流Ｉ１ｄを収束させる。これらの励磁電流を指令値とした無負荷一定速度の運転状態で、電動機への供給電流をステップ状にゼロに変化させた時の電動機１０１の電圧変化より励磁インダクタンスＭ´と、等価漏れインダクタンスＬσと、二次時定数τ２を求めることができる。図６は無負荷運転中にステップ状にゼロ電流に変化させた時の出力電圧、電流のｄ軸、ｑ軸成分の計測波形である。電流はｄ軸、ｑ軸共にゼロになり、ｑ軸電圧は電流指令変化時にＬσ相当の電圧降下が生じ、その後に二次時定数τ２相当の指数関数的な減衰が発生する。
これらの関係は、
Ｅ１ｄ０＝Ｖ１ｄ−Ｒ１・Ｉ１ｄ、Ｅ１ｑ０＝Ｖ１ｑ（Ｌσ）ｄ＝（Ｅ１ｑ−Ｅ２ｑ）／（Ｉ１ｄ・ω１）、
（Ｍ´）ｄ＝Ｅ２ｑ／（Ｉ１ｄ・ω１）、と表すことができることから求められる。
なお、ゼロ電流制御については、電力変換器（インバータ）１０２と電動機１０１を結合したまま、電動機１０１の誘起電圧と同一の電圧出力をインバータ１０２より出力して電位差をゼロとすることでゼロ電流とすることができる。
【０００４】
【特許文献１】特開平０７−７５３９９号公報（図２、図３、図６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の特許文献１の場合は、電動機定数を測定する際には電流値を電動機定格以下に電流制御器などで制限している。電圧値の大きさは電動機インピーダンスに依存することになるので、大容量の電動機はインピーダンスが小さいため、電圧検出値あるいは電圧指令値は非常に小さな値となる。
したがって、実電圧値と検出誤差値の比、すなわちS/N比低下により正確な定数測定が難しくなり、定数を設定した制御装置の制御性能を劣化させるという問題があった。本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、電動機の容量に関係せず精度よく電動機巻線抵抗値とインダクタンスの測定ができる制御装置と方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題点を解決するため、請求項１に記載の発明は、交流電動機をインバータにて可変電圧可変周波数制御する制御装置において、電動機の電動機定数を測定する手段を備え、前記電動機定数測定手段は前記電動機の出力周波数あるいは出力トルクをゼロに制御する手段を備え、電動機巻線抵抗値を電流値と電圧値の積を累積加算し、前記累積加算値を電流の二乗値を累積加算した値で除算して測定する手段と、インダクタンスを電圧値の累積加算値と電流値の積を累積加算し、前記累積加算値を電流の二乗値を累積加算した値で除算して測定する手段を備えたことを特徴としている。
また、請求項２に記載の発明は、前記制御装置は前記交流電動機に供給される電流を検出する電流検出回路と、前記交流電動機に供給される電流を励磁電流検出値とトルク電流検出値に変換して出力する座標変換回路と、前記励磁電流指令値と前記励磁電流検出値とが一致するように励磁電流方向電圧を制御する励磁電流制御回路、と前記トルク電流指令値と前記トルク電流検出値とが一致するようにトルク電流方向電圧を制御するトルク電流制御回路と、与えられた出力周波数指令を積分することにより得られる位相角を演算する位相角演算回路と前記励磁電流制御回路と前記トルク電流制御回路から出力される電圧指令から出力電圧の大きさ及び位相を演算する出力電圧演算回路を備え、前記出力周波数指令値あるいは前記トルク電流指令値をゼロに設定し，前記出力周波数あるいは前記トルク電流をゼロに制御した状態で、前記電動機定数を測定することを特徴としている。
また、請求項３に記載の発明は、制御演算定数設定方法において，前記測定方法のうち電動機巻線抵抗値は前記励磁電流指令値を固定値あるいは変化の緩やかな値に設定し，前記励磁電流制御回路により前記励磁電流指令値と前記励磁電流検出値とが一致するよう制御した状態で、前記電動機定数を測定することを特徴としている。
また、請求項４に記載の発明は、制御演算定数設定方法において，前記測定方法のうちインダクタンス値は前記励磁電流指令値を周期的に変化し，その周期積分がゼロとなる値に設定し，請求項２記載の励磁電流制御回路により前記励磁電流指令値と前記励磁電流検出値とが一致するよう制御した状態で、前記電動機定数を測定することを特徴としている。
また、請求項５に記載の発明は、請求項１記載の制御演算定数設定設定方法において、前記電動機定数測定手段は、前記トルク電流検出値がゼロでない場合に自動的に前記出力周波数ゼロに制御する手段を備えたことを特徴としている。
また、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至請求項５記載の制御演算定数設定方法を備え，前記測定方法により測定された制御定数あるいは前記制御定数を用いて演算された定数を制御装置に設定することを特徴としている。
また、請求項７に記載の発明は、請求項６記載の交流電動機の制御装置において、電動機巻線抵抗値およびインダクタンス値を測定する際に、出力周波数指令値およびトルク電流指令をゼロに設定し、励磁電流指令値を固定値あるいは変化の緩やかな値に設定して、所定のサンプリング周期毎に検出した電流値ｉｄと電圧値Ｖｄの積を累積加算し、前記累積加算値を電流ｉｄの二乗値を累積加算した値で除算して電動機巻線抵抗値の測定を行い、インダクタンス測定モードに切換えて前記励磁電流指令値を周期的に変化し、その周期積分がゼロになる値に設定し、電圧値Ｖｄの累積加算値と電流値ｉｄの積を累積加算し、前記累積加算値を電流ｉｄの二乗値を累積加算した値で除算してインダクタンス値の測定を行う電動機定数演算器を有することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、電動機の抵抗値を電流値と電圧値の積を累積加算し、その値を電流の二乗値の累積加算値で除算して測定し、インダクタンスは電圧値の累積加算値と電流値の積を累積加算し、その値を電流の二乗値の累積加算値で除算して測定することにより、電動機の容量に関係なく精度良く電動機巻線抵抗値とインダクタンスの測定が可能になるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１は本発明における交流電動機の制御装置の実施形態の一例を示すブロック図である。
図１において、電動機の制御装置は、インバータ１、交流電動機２、電流検出器３、電流座標変換回路４、トルク電流制御回路５、励磁電流制御回路６、位相演算回路７、出力電圧演算回路８、スイッチングパターン発生回路９、電動機定数演算器１０、出力周波数補正器１１を備えている。インバータ１は、パワー素子により三相交流入力を直流に変換した直流電圧をＰＷＭ制御方式により任意の周波数と電圧の交流に変換し、交流電動機２に供給する。電流検出器３は、前記交流電動機２に供給される電流を検出する。
電流座標変換回路４は、電流検出器３で検出された電流をトルク電流検出値ｉｑｆｂと励磁電流検出値ｉｄｆｂに分離する。
トルク電流制御回路５は、与えられたトルク電流指令値ｉｑｒｅｆとトルク電流検出値ｉｑｆｂとが一致するように第１のｑ軸電圧指令値Ｖｑｒｅｆを演算する。励磁電流制御回路６は、与えられた励磁電流指令値ｉｄｒｅｆと前記励磁電流検出値ｉｄｆｂとが一致するようにｄ軸電圧指令値Ｖｄｒｅｆを演算する。位相演算回路７は、与えられた周波数ｆ１を積分することにより、位相θを演算する。
出力電圧演算回路８は、前記ｑ軸電圧指令値Ｖｑｒｅｆと前記ｄ軸電圧指令値Ｖｄｒｅｆとから、出力電圧指令値Ｖ１とその電圧位相θｖを出力する。スイッチングパターン発生回路９は、出力電圧指令値Ｖ１及び前記電圧位相θｖと位相θを加算した電力変換器出力位相θｄｅｇから、インバータ１のスイッチングパターンを決定する。
Ｖ１＝｛（Ｖｄｒｅｆ）２＋（Ｖｑｒｅｆ）２｝１／２  ・・・・・（ａ）
θｖ＝ｔａｎ−１（Ｖｑｒｅｆ／Ｖｄｒｅｆ）        ・・・・・（ｂ）
電動機定数演算器１０は、ｄ軸電圧指令値Ｖｄｒｅｆと、励磁電流検出値ｉｄｆｂとトルク電流検出値ｉｑｆｂを入力とし請求項１の発明により電動機巻線抵抗値Ｒｓとインダクタンス値Ｌｓを演算する。出力周波数補正器１１はトルク電流検出値ｉｑｆｂがゼロでない場合に出力周波数指令値ｆ１をゼロにするように第1の出力周波数指令値ｆ１から同値であるｆｃｏｍｐを差し引くものである。
【０００９】
次に、電動機定数演算器１０の処理について誘導電動機の場合を例にあげて説明する。
まず回転磁界に同期して回転するｄ−ｑ制御座標系において、誘導電動機の電流電圧方程式は次式で与えられる。
【数１】
2006025548.tif 000003
ここで、id：励磁電流（一次電流のｄ軸成分）、iq：トルク電流（一次電流のｑ軸成分）、imr：二次界磁電流、Vd：一次電圧のd軸成分、Vq：一次電圧のｑ軸成分、Rs：一次抵抗、Ls：一次自己インダクタンス、σLs：漏れインダクタンス、ω1：回転角速度である。ω1=0、あるいはiq=0に制御し、その定常状態においてimr=idとなる。
【００１０】
したがって、数１の第1式は次式のようになる。
【数２】
2006025548.tif 000004
両辺にidを両辺に掛け，両辺を積分すると
【数３】
2006025548.tif 000005
ここで、c:積分定数
数式３をRsについて解くと
【数４】
2006025548.tif 000006
数式４において、idを固定値あるいは増加の少ない状態にあるとすると右辺第２項第３項は漸近的に減少し、それら最終値はゼロとなる。
【００１１】
したがって、一次抵抗は以下の形態で実装演算することができる。
【数５】
2006025548.tif 000007
ここで、Δtはサンプリング時間である。
一次抵抗を電流値と電圧値の積を累積加算し、前記累積加算値を電流の二乗値を累積加算した値で除算して演算することによって、大容量の電動機で電圧値が小さくなっても十分な演算精度が得られる。
【００１２】
次にインダクタンスの演算方法について述べる。
数２の式の両辺を積分すると、
【数６】
2006025548.tif 000008
ここで、c1:積分定数である。さらに両辺にidを乗算すると
【数７】
2006025548.tif 000009
【数８】
2006025548.tif 000010
ここで、c2:積分定数である。
【００１３】
数８の式をLsについて解くと
【数９】
2006025548.tif 000011
数９の式において、Siがゼロになるように、すなわちidの積分値が周期的にゼロになるように例えば正弦波、矩形波などの指令値を設定し、idを制御すると右辺第２項、３項はゼロとなり、右辺第４項は漸近的に減少し、その最終値はゼロとなる。したがって、インダクタンスは以下の形態で実装演算することができる。
【数１０】
2006025548.tif 000012
【００１４】
以上のＲｓ、Ｌｓの測定処理について図２、図３のフローチャートを参照して時系列に整理して説明すれば、
先ず、制御装置をＲｓ測定モードに切替え、電動機定数演算器１０による測定を開始する（Ｓ１０１）、Ｒｓの測定条件として、励磁電流指令ｉｄ＊を固定値（例えば、直流値）、又は変化の緩やかな値に設定する（Ｓ１０２）。
一方、ω１＝０、ｉｑ＝０に設定する。つまりｄ軸測定にセットする（Ｓ１０３）。先述のように数２の式より、数５の式を演算導出する（Ｓ１０４）。数５の式に基づいて、サンプリング周期Δｔ毎にＶｄ、ｉｄを検出する（Ｓ１０５）。Δｔ毎に所定回数Ｖｄ、ｉｄの検出を行い、累積加算して、ｉｄの二乗値を累積加算した値で除算して、抵抗値Ｒｓを算出する（Ｓ１０６）。
求めた演算値を制御装置に設定する（Ｓ１０７）。
【００１５】
続いて、Ｌｓ測定モードに切替え（Ｓ１０８）、Ｌｓ測定条件として、ｉｄ＊を周期的に変化させ、その周期積分がゼロとなる、正弦波、矩形波等を指令値に設定する（Ｓ１０９）。
数２の式より数１０の式を導出する（Ｓ１１０）。数１０の式に基づいて、サンプリング周期Δｔ毎にＶｄを検出する（Ｓ１１１）。複数回Δｔ毎に所定回数Ｖｄ検出を行って累積加算し、それとｉｄとの積を、ｉｄの二乗値を累積加算した値で除算し、インダクタンスＬｓを算出する（Ｓ１１２）。求めたインダクタンスＬｓを制御装置に設定する（Ｓ１１３）。
【００１６】
以上、電動機定数演算器１０の基本原理について誘導電動機の場合を例にあげて説明した。つぎに永久磁石同期電動機の場合について説明する。
数１の式と同様にｄ−ｑ制御座標系における同期電動機の電流電圧方程式は次式で与えられる。
【数１１】
2006025548.tif 000013
ここで、φmag:永久磁石による磁束である。
ω1=0、あるいはiq=0に制御している状態では、数１１の第1式は次式のようになる。
【数１２】
2006025548.tif 000014
したがって、数２の式と数１２の式は同じであることがわかる。すなわち、数５の式と数１０の式は同期電動機にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明における交流電動機の制御装置の実施形態の構成を表すブロック図である。
【図２】本発明の図１に示す電動機定数演算器による抵抗値測定のフローチャートである。
【図３】本発明の図１に示す電動機定数演算器によるインダクタンス測定のフローチャートである。
【図４】従来例の可変速装置のブロック図である。
【図５】図４（従来例）に示す可変速装置の定数測定時の電流・電圧の特性を示す図である。
【図６】図４（従来例）に示す可変速装置の定数測定時におけるゼロ電流時の特性を示す図である。
【符号の説明】
【００１８】
１  インバータ
２  交流電動機
３  電流検出器
４  電流座標変換回路
５  トルク電流制御回路
６  励磁電流制御回路
７  位相演算回路
８  出力電圧演算回路
９  スイッチングパターン発生回路
１０  電動機定数演算器
１１  出力周波数補正器
【図１】
2006025548.tif 000015
【図２】
2006025548.tif 000016
【図３】
2006025548.tif 000017
【図４】
2006025548.tif 000018
【図５】
2006025548.tif 000019
【図６】
2006025548.tif 000020