(57)【要約】【課題】  誘導モータの励磁電流とトルク電流を円滑に変更し、任意の出力状態での制御方式の切替えを可能にする誘導モータの制御装置を提供する。【解決手段】  トルク指令値と誘導モータＩＭの回転速度とに応じて電流指令値を算出し、算出された電流指令値に対応した三相交流電流で誘導モータを駆動する誘導モータ制御装置であり、与えられたトルク指令値において誘導モータの目標磁束を一定とする電流を演算するベクトル制御電流成分指令演算部１１−１と、与えられたトルク指令値において誘導モータの損失を最小とする電流を演算する最大効率制御電流成分指令演算部１１−２と、電流指令値の切替え時の電流を演算する制御方式切り替え時電流成分指令演算部１１−３と、前記誘導モータに流れる電流を前記電流指令値に追従させるモータ駆動部（１２、１３、１４）と、を備え、前記誘導モータの出力トルクを前記トルク指令値に対応した値とするように制御する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トルク指令値と誘導モータの回転速度とに応じて電流指令値を算出し、算出された電流指令値に対応した三相交流電流で誘導モータを駆動する誘導モータ制御装置において、
与えられたトルク指令値において誘導モータの目標磁束を一定とする電流を演算する第一の電流演算部と、
与えられたトルク指令値において誘導モータの損失を最小とする電流を演算する第二の電流演算部と、
前記第一の電流演算部と前記第二の電流演算部との切替え時、すなわち電流指令値の切替え時の電流を演算する第三の電流演算部と、
前記誘導モータに流れる電流を前記電流指令値に追従させるモータ駆動部と、を備え、
前記誘導モータの出力トルクを前記トルク指令値に対応した値とするように制御する誘導モータ制御装置。
【請求項２】
前記第三の電流演算部は、当該誘導モータの励磁電流Ｉｄ、トルク電流Ｉｑについてあらかじめ計測された、Ｉｄ×Ｉｑ＝一定で規定されるトルク一定曲線を複数種類、トルク一定曲線マップとして記憶装置に記憶しており、該トルク一定曲線マップに記憶されたトルク値に基づいて、一定のトルク指令に対して前記誘導モータの出力トルクが一定となるよう励磁電流とトルク電流の組合せを変化させる演算を行なうことを特徴とする請求項１に記載の誘導モータ制御装置。
【請求項３】
前記第三の電流演算部は、前記誘導モータの出力トルクが更新して与えられた際には、更新されたトルク指令値に追従するようトルク電流を更新する電流演算を行なうことを特徴とする請求項２に記載の誘導モータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は誘導モータの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
フォークリフト等の産業車両の走行動力源として用いられている誘導モータの制御手法として、一次電流Ｉ１（固定子に流れる電流）を励磁電流Ｉｄとトルク電流Ｉｑに分解して制御し、かつＰＧ（パルスジェネレータ）を速度検出に用いるＰＧベクトル制御が広く採用されている。周知のように、ＰＧベクトル制御は、後述されるベクトル制御とは意義が異なる。
【０００３】
図５（ａ）のＩｄ−Ｉｑ特性図上の太線が示すのは、誘導モータの制御手法として広く用いられているベクトル制御（Ｉｄ＝一定）と最大効率制御（Ｉｄ：Ｉｑ＝任意）の一例である。
【０００４】
ベクトル制御（Ｉｄ＝一定）は、既定の滑り速度で励磁電流Ｉｄを一定とすることにより磁束Φｄを一定とし、所望のトルクに比例してトルク電流Ｉｑを変化させる。この制御手法はモータの応答性・安定性で優れており、フォークリフトの操作性能に有利と考えられる。
【０００５】
一方、最大効率制御（Ｉｄ：Ｉｑ＝任意）は、Ｉｄ：Ｉｑの比率を適切に設定することにより励磁電流Ｉｄと磁束Φｄを小さくすることで、銅損や鉄損を抑制しようとする制御手法である。
【０００６】
図５（ｂ）に示すのは、最大効率制御のひとつの手法であり、低トルク領域でＩｄ：Ｉｑの比率を適切な一定値に制御するものである。
【０００７】
図５（ｂ）に示すように、同一のトルク出力であっても、Ｉｄ：Ｉｑを実質上１：１とすれば、モータ１次側の銅損Ｐ１Ｌｏｓｓ＝Ｉ１２×Ｒ１が最小となるように、励磁電流Ｉｄを小さくすることで銅損を抑制することが可能である。Ｒ１は一次側抵抗値である。また、励磁電流Ｉｄを小さくすることは磁束Φｄを小さくすることになり、鉄損を抑制することができる。
【０００８】
ところで、フォークリフトは、走行路面の摩擦係数μや段差や荒れなどにより路面状態が頻繁に変化する中で加速、減速を頻繁に繰り返すため、走行用モータの応答性と安定性の劣化が、車両の操作性や安全性の低下につながる可能性がある。よって、応答性と安定性を劣化させずに、高効率化を実現することが求められる。
【０００９】
これまで、最大効率制御を適用しつつ、応答性や安定性を補償するような手法がいくつか提案されている。その手法は、以下のように、大きく２つに分かれる。
【００１０】
第１の手法：最大効率制御の応答性や安定性を改善する手法
第２の手法：制御方式を切り替えて使い分ける手法
第１の手法の顕著な例として、特許文献１に記載された誘導モータ制御装置がある。この例は、ローパスフィルター特性を用いて磁束を変化させ、電流ピーク値を抑えつつトルク応答を改善する手法として用いられている。
【００１１】
第２の手法としては、産業用途では装置が止まっている時に制御方式を切り替える方式があったが、頻繁に環境や動作状況の変わる車両には適さない。例えば、特許文献２には、エレベータの駆動を対象とし、乗員のいない時や乗員のいる定常運転時は最大効率制御で運転し、乗員のいる加速、減速時はベクトル制御（Ｉｄ＝一定）で運転するベクトル制御装置について記載されている。エレベータ等では、装置が止まっている時に制御方式を切り替えたり、あらかじめ決められた動作において緩やかに制御方式を切り替えたりすることで十分であった。しかしこれは、頻繁に環境や動作状況の変わる車両には適さない。
【００１２】
一方、特許文献３には、第２の手法の別の例として車両向けに提案されたもので、Ｉｄ−Ｉｑ特性図上のある点で制御方式を切替える誘導モータの制御装置が記載されている。この制御装置は、簡単に言えば、低トルク領域では滑り速度一定で励磁電流Ｉｄとトルク電流Ｉｑでトルクを制御し（最大効率制御）、高トルク領域では滑りでトルクを制御する方式に切替える手法であるが、低トルク領域と高トルク領域、すなわち制約された出力状態に対してのみ制御方式の使い分けを可能とするものであった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特許２９１４１０６号公報
【特許文献２】特開２０００−１８４８００号公報
【特許文献３】特開平１０−２１０８００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
定常状態において最大効率制御で運転中に、環境や動作状況が変化した場合などに素早くベクトル制御に切り替えを行うことができれば、銅損や鉄損等の損失を抑制しつつ応答性や安定性を確保することができる。
【００１５】
しかし、図５（ｂ）の２つの矢印先端に示すように、同一トルクであってもＩｄ−Ｉｑ特性図上で２つの制御方式による励磁電流Ｉｄとトルク電流Ｉｑを示す点が近接していない場合、ベクトル制御（Ｉｄ＝一定）と最大効率制御（Ｉｄ：Ｉｑ＝任意）を交互に急激に切替えようとすると、大きな電流が急激に流れ正常動作ができない可能性がある。
【００１６】
本発明の課題は、上記第２の手法である制御方式を切り替える手法であって、新規な手段で誘導モータの励磁電流Ｉｄとトルク電流Ｉｑを円滑に変更し、任意の出力状態での制御方式の切替えを可能にする誘導モータの制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の態様による誘導モータ制御装置は、トルク指令値と誘導モータの回転速度とに応じて電流指令値を算出し、算出された電流指令値に対応した三相交流電流で誘導モータを駆動するものであり、与えられたトルク指令値において誘導モータの目標磁束を一定とする電流を演算する第一の電流演算部と、与えられたトルク指令値において誘導モータの損失を最小とする電流を演算する第二の電流演算部と、前記第一の電流演算部と前記第二の電流演算部との切替え時、すなわち電流指令値の切替え時の電流を演算する第三の電流演算部と、前記誘導モータに流れる電流を前記電流指令値に追従させるモータ駆動部と、を備え、前記誘導モータの出力トルクを前記トルク指令値に対応した値とするように制御する。
【００１８】
なお、前記第三の電流演算部は、当該誘導モータの励磁電流Ｉｄ、トルク電流Ｉｑについてあらかじめ計測された、Ｉｄ×Ｉｑ＝一定で規定されるトルク一定曲線を複数種類、トルク一定曲線マップとして記憶装置に記憶しており、該トルク一定曲線マップに記憶されたトルク値に基づいて、一定のトルク指令に対して前記誘導モータの出力トルクが一定となるよう励磁電流とトルク電流の組合せを変化させる演算を行なうことが好ましい。前記第三の電流演算部はまた、前記誘導モータの出力トルクが更新して与えられた際には、更新されたトルク指令値に追従するようトルク電流を更新する電流演算を行なうことが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、誘導モータの励磁電流Ｉｄとトルク電流Ｉｑを円滑に変更し、任意の出力状態での制御方式の切替え可能な制御装置を提供することができる。
【００２０】
このような誘導モータ制御装置を、フォークリフト等の産業車両の走行動力源として用いられている誘導モータに適用した場合には、如何なる状態からでも、車両からの要求に応じて制御方式の切替えが可能である。例えば、車両を最大効率制御により省エネ運転中に、急加速指令が入る、あるいはタイヤがスリップにより空回りし車両のトラクション制御（スリップ防止制御）が始動する、等の状況においてベクトル制御（Ｉｄ＝一定）に円滑に切替えることが可能となる。その結果、車両の省エネルギー化と操作性の容易さの両立を実現させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明による誘導モータ制御装置の実施形態のブロック構成図である。
【図２】図１に示された誘導モータ制御装置の第１の動作例を説明するためのＩｄ−Ｉｑ特性図を示す。
【図３】図１に示された誘導モータ制御装置の第２の動作例を説明するためのＩｄ−Ｉｑ特性図を示す。
【図４】図１に示された誘導モータ制御装置の第３の動作例を説明するためのＩｄ−Ｉｑ特性図を示す。
【図５】これまでのベクトル制御と最大効率制御の一例を説明するためのＩｄ−Ｉｑ特性図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
［発明の構成及び動作］
前述のように、図５（ｂ）の２つの矢印先端に示すように、同一トルクであってもＩｄ−Ｉｑ特性図上で２つの制御方式による励磁電流Ｉｄとトルク電流Ｉｑを示す点が近接していない場合、ベクトル制御（Ｉｄ＝一定）と最大効率制御（Ｉｄ：Ｉｑ＝任意）を交互に急激に切替えようとすると、大きな電流が急激に流れ正常動作ができない可能性がある。
【００２３】
図１は、本発明による誘導モータ制御装置の実施形態のブロック構成を示す。本誘導モータ制御装置は、本発明の特徴部とも言える電流成分指令演算部１１のほか、電流成分指令演算部１１からの励磁電流指令値Ｉｄｓ＊、トルク電流指令値Ｉｑｓ＊を入力とする電流成分制御回路１２、電流成分制御回路１２からのｄ軸電圧指令値Ｖｄｓ＊、ｑ軸電圧指令値Ｖｑｓ＊を入力とする電圧指令演算回路１３、電圧指令演算回路１３からのＵ相電圧指令値Ｖｕｓ＊、Ｖ相電圧指令値Ｖｖｓ＊、Ｗ相電圧指令値Ｖｗｓ＊を入力としＵ相電圧Ｖｕｓ、Ｖ相電圧Ｖｖｓ、Ｗ相電圧Ｖｗｓを出力するＰＷＭインバータ１４を含む。電流成分制御回路１２、電圧指令演算回路１３、ＰＷＭインバータ１４は、まとめて誘導モータＩＭに流れる電流を前記電流指令値に追従させるモータ駆動部として機能する。
【００２４】
本誘導モータ制御装置はまた、Ｕ相電流検出器１５−１からのＵ相電流検出値Ｉｕｓ、Ｖ相電流検出器１５−２からのＶ相電流検出値Ｉｖｓを入力とする電流成分演算回路１６、電流成分演算回路１６からの励磁電流演算値Ｉｄｓ、トルク電流演算値Ｉｑｓを入力とするすべり周波数演算回路１７、すべり周波数演算回路１７からのすべり周波数演算値ωｓ’と誘導モータＩＭの速度検出器１８からの速度（角周波数）検出値ωｒとを加算する加算部１９、加算部１９からの加算結果（角周波数）ωを積分して角度θを算出する積分器２０を含む。算出された角度θは電圧指令演算回路１３、電流成分演算回路１６に入力される。また、電流成分演算回路１６からの励磁電流演算値Ｉｄｓ、トルク電流演算値Ｉｑｓは電流成分制御回路１２にも入力される。
【００２５】
本誘導モータ制御装置は更に、速度検出値ωｒを入力とする電流比マップデータテーブル２１を有する。電流比マップデータテーブル２１には、あらかじめ測定された励磁電流指令値Ｉｄｓ＊に対するトルク電流指令値Ｉｑｓ＊の比の組み合わせがマップデータとして登録されており、速度検出値ωｒに基づいてテーブルを参照して電流比Ｉｑｓ＊／Ｉｄｓ＊を出力する。
【００２６】
本発明による誘導モータ制御装置の要部である電流成分指令演算部１１は、図示しない上位装置からトルク指令、励磁電流指令を受けるほか、電流比マップデータテーブル２１から電流比Ｉｑｓ＊／Ｉｄｓ＊を受ける。電流成分指令演算部１１は、励磁電流指令を受けてベクトル制御を受け持つベクトル制御電流成分指令演算部１１−１、電流比Ｉｑｓ＊／Ｉｄｓ＊を受けて最大効率制御を受け持つ最大効率制御電流成分指令演算部１１−２、ベクトル制御、最大効率制御の切り替えを受け持つ制御方式切り替え時電流成分指令演算部１１−３からなる。
【００２７】
ベクトル制御電流成分指令演算部１１−１は与えられたトルク指令値において誘導モータＩＭの目標磁束を一定とする電流を演算する第一の電流演算部として機能し、最大効率制御電流成分指令演算部１１−２は与えられたトルク指令値において誘導モータの損失を最小とする電流を演算する第二の電流演算部として機能する。一方、制御方式切り替え時電流成分指令演算部１１−３は前記第一の電流演算部と前記第二の電流演算部との切替え時、すなわち電流指令値の切替え時の電流を演算する第三の電流演算部として機能する。
【００２８】
次に、本誘導モータ制御装置における電流成分指令演算部１１によって実現される制御方式の切替え手順を説明する。
【００２９】
ステップ１
まず、定常運転から制御方式の異なる同一トルクの定常運転へ移行する場合の、移行前後について説明する。前述したように、制御方式が異なれば同一トルクであっても励磁電流Ｉｄとトルク電流Ｉｑの組合せが異なる。トルクＴを同一に保つためには、以下の数１よりΦｄ×Ｉｑを同一にする必要がある。
【００３０】
【数１】
2011050217.tif 000003
但し、ｐはポール数、Ｌｒは回転子自己インダクタンス、Ｍは相互インダクタンスで固定値であり、Φｄはｄ軸磁束である。
【００３１】
ｄ軸磁束Φｄと励磁電流Ｉｄが比例関係にあるものとすると、励磁電流Ｉｄとトルク電流Ｉｑの積Ｉｄ×Ｉｑが同一であれば、Φｄ×Ｉｑも同一となりトルクが同一となる。そこで、Ｉｄ×Ｉｑを同一としつつ励磁電流Ｉｄとトルク電流Ｉｑを増減させることにより、制御方式を切り替えても同一トルクとすることが可能である。その一例を図２に示す。
【００３２】
図２に示すのは、ベクトル制御（Ｉｄ＝一定）と、最大効率制御のひとつの手法であって低トルク領域でＩｄ：Ｉｑの比率を適切な一定値に制御するものとを、切り替えて使い分ける手法の例である。トルク一定曲線と各制御方式のＩｄ−Ｉｑ線の交点である矢印両端が、ある同一トルクでの各制御方式によるＩｄとＩｑの組合せを示す。
【００３３】
ステップ２
次に、上記の動作の移行中について説明する。
【００３４】
励磁電流Ｉｄの増減に対し、ｄ軸磁束Φｄの応答を表す伝達関数は以下の数２で表される。
【００３５】
【数２】
2011050217.tif 000004
但し、ｓはラプラス演算子、Ｒｒは回転子抵抗である。
【００３６】
よって、ｄ軸磁束Φｄは励磁電流Ｉｄに対して、時定数Ｌｒ／Ｒｒで１次遅れ応答となる。励磁電流Ｉｄおよびトルク電流Ｉｑの変化量ΔＩｄおよびΔＩｑとトルクＴの変化量ΔＴは、以下の数３で表わせる。
【００３７】
【数３】
2011050217.tif 000005
【００３８】
したがって、励磁電流Ｉｄの増加、減少に対して時定数Ｌｒ／Ｒｒで１次遅れを与えた上でＩｄ×Ｉｑが一定となるようトルク電流Ｉｑを減少、増加させる。これによりΦｄ×Ｉｑを一定に保ち、トルクを一定に保つことができる。一例を図２および図３に示す。
【００３９】
図２に示すのは、ベクトル制御（Ｉｄ＝一定）と最大効率制御（Ｉｄ：Ｉｑ＝任意）を切り替えて使い分ける手法の例である。トルク電流Ｉｑと１次遅れを与えた励磁電流Ｉｄを示す点が矢印の線上を移動し、いずれかの端点に到達する。このために、制御方式切り替え時電流成分指令演算部１１−３は、複数のトルク一定曲線（Ｉｄ×Ｉｑ＝一定）を、トルク一定曲線マップとして登録した記憶部を有する。
【００４０】
図３に示すのは、ベクトル制御（Ｉｄ＝一定）と最大効率制御（Ｉｄ：Ｉｑマップ）を切り替えて使い分ける手法の例である。図２の手法と同様に、トルク電流Ｉｑと１次遅れを与えた励磁電流Ｉｄを示す点が矢印の線上を移動し、いずれかの端点に到達する。このために、制御方式切り替え時電流成分指令演算部１１−３は、上記のトルク一定曲線マップに記憶されたトルク値に基づいて、一定のトルク指令に対して誘導モータＩＭの出力トルクが一定となるよう励磁電流Ｉｄとトルク電流Ｉｑの組合せを変化させる演算を行ない、励磁電流指令値Ｉｄｓ＊、トルク電流指令値Ｉｑｓ＊を出力する。なお、図３において斜線で示す領域におけるＩｄ：Ｉｑが最大効率制御のための電流比マップデータとして電流比マップデータテーブル２１に登録されている。
【００４１】
ステップ３
次に、上記の動作の移行中に、トルク指令が更新されたケースについて説明する。
【００４２】
トルク指令が更新された時点のｄ軸磁束Φｄを基準に、電流成分指令演算部１１でトルク電流Ｉｑの指令値を更新する。更新後のトルクおよびｄ軸磁束Φｄとトルク電流Ｉｑを新たな基準に、Φｄ×Ｉｑを一定に保つように上記ステップ２の手続きで励磁電流Ｉｄとトルク電流Ｉｑを演算する。一例を図４に示す。
【００４３】
図４に示すのは、ベクトル制御（Ｉｄ＝一定）と最大効率制御（Ｉｄ：Ｉｑマップ）を切り替えて使い分ける手法の例である。トルク電流Ｉｑと１次遅れを与えた励磁電流Ｉｄを示す点が矢印の線上を移動し、トルク指令更新後は更新後のトルク一定曲線に沿い、いずれかの端点に到達する。このために、制御方式切り替え時電流成分指令演算部１１−３は、誘導モータＩＭのトルク指令値が更新して与えられた際には、更新されたトルク指令値に追従するようトルク電流指令値Ｉｑｓ＊を更新する電流演算を行い、出力する。図４においても、斜線で示す領域におけるＩｄ：Ｉｑが最大効率制御のための電流比マップデータとして電流比マップデータテーブル２１に登録されている。
【００４４】
以上の手法により、出力トルクを一定に保ちつつ円滑に制御方式を切替えることができる。
【００４５】
以上の実施形態によれば、誘導モータの励磁電流Ｉｄとトルク電流Ｉｑを円滑に変更し、任意の出力状態での制御方式の切替えが可能である。
【００４６】
このような誘導モータ制御装置を、フォークリフト等の産業車両の走行動力源として用いられている誘導モータに適用した場合には、如何なる状態からでも、車両からの要求に応じて制御方式の切替えが可能である。例えば、車両を最大効率制御により省エネ運転中に、急加速指令が入る、あるいはタイヤがスリップにより空回りし車両のトラクション制御（スリップ防止制御）が始動する、等の状況においてベクトル制御（Ｉｄ＝一定）に円滑に切替えることが可能となる。その結果、車両の省エネルギー化と操作性の容易さの両立を実現させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、誘導モータを用い、一次電流を励磁電流Ｉｄとトルク電流Ｉｑに分解して制御するベクトル制御を適用し、なおかつ応答性・安定性と効率の両立が要求される、あるいは他の目的で制御方式の切替えが要求されるものであれば、応用可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１５−１、１５−２    電流検出器
１８    速度検出器
１９    加算器
２０    積分器
【図１】
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【図２】
2011050217.tif 000007
【図３】
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【図４】
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【図５】
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