(57)【要約】モータに取り付けた回転速度検出器からモータの回転速度を検出する装置と、インバータ回路によって駆動されるモータの１次電流を検出する電流検出器と、電流検出器によって検出したモータの１次電流を励磁電流とトルク電流に分割し、検出したモータの回転速度を基に励磁電流とトルク電流に分割した電流を独立して制御するための励磁電圧とトルク電圧を演算するベクトル制御器と、電圧を出力するＰＷＭ回路を有するベクトル制御インバータ装置において、励磁電流とトルク電流からモータの出力トルクを推定する出力トルク推定器と推定されたトルク推定値を正負の値が識別できるパルス列信号として出力するパルス発信装置の組合せと、外部から入力されるパルス列信号を正負の値として受信できるパルス列入力装置と受信したパルス列からモータのトルク指令に変換するトルク指令変換器との組合せ、との少なくとも一方を備えたものである。
2004008628.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータに取り付けた回転速度検出器からモータの回転速度を検出する手段と、インバータ回路によって駆動されるモータの１次電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器によって検出したモータの１次電流を励磁分電流とトルク分電流に分割し、前記検出したモータの回転速度を基にそれぞれの励磁分電流とトルク分電流に分割した電流を独立して制御するための励磁分電圧とトルク分電圧を演算するベクトル制御器と、前記三相出力電圧から実際に電圧を出力するＰＷＭ回路を有するベクトル制御インバータ装置において、
前記励磁分電流と前記トルク分電流からモータの出力トルクを推定する出力トルク推定手段とこの出力トルク推定手段で推定したトルク推定値を正負の値が識別できるパルス列信号として出力するパルス発信手段との組み合わせと、外部から入力されるパルス列信号を正負の値として受信しできるパルス列入力手段とその受信したパルス列からモータの出すべきトルクとしてトルク指令に変換するトルク指令変換手段との組み合わせと、のすくなくとも一方を備えたことを特徴とするベクトル制御インバータ装置。
【請求項２】
スレーブ側でのトルク指令変換手段は個別に発生するサンプリングパルスを基準としてトルク指令値に変換することを特徴とする請求の範囲第１項に記載のベクトル制御インバータ装置。
【請求項３】
サンプリングパルスの周期は可変することができることを特徴とする請求の範囲第２項に記載のベクトル制御インバータ装置。
【請求項４】
基準となるマスタ側とこのマスタ側に追従するスレーブ側とにより同期運転を行う場合に、
マスタ側では前記パルス発信手段からトルク推定値をトルク指令値として出力すると共に、スレーブ側では前記パルス列入力手段に入力したパルス列信号を前記トルク指令変換手段でトルク指令値に変換することを特徴とする請求の範囲第１項に記載のベクトル制御インバータ装置。
【請求項５】
スレーブ側でのトルク指令変換手段は個別に発生するサンプリングパルスを基準としてトルク指令値に変換することを特徴とする請求の範囲第４項に記載のベクトル制御インバータ装置。
【請求項６】
サンプリングパルスの周期は可変することができることを特徴とする請求の範囲第５項に記載のベクトル制御インバータ装置。
【請求項７】
スレーブ側は個別に２台以上の装置により構成したことを特徴とする請求の範囲第４項に記載のベクトル制御インバータ装置。
【請求項８】
スレーブ側でのトルク指令変換手段は個別に発生するサンプリングパルスを基準としてトルク指令値に変換することを特徴とする請求の範囲第７項に記載のベクトル制御インバータ装置。
【請求項９】
サンプリングパルスの周期は可変することができることを特徴とする請求の範囲第８項に記載のベクトル制御インバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、モータを駆動するベクトル制御インバータ装置に係り、特に複数台のモータを同期運転させるベクトル制御インバータ装置に関するものである。
【背景技術】  第５図は、従来におけるベクトル制御装置の構成を示すブロック図である。第５図において、１は三相交流電源、２は三相交流電源１から直流電圧を得るためのダイオード等で構成される整流回路、３は直流電圧平滑用電解コンデンサ、４はトランジスタ等のスイッチング素子で構成されたインバータ回路、５は負荷が接続された誘導電動機（以下、モータと記す）、６はモータ５の回転速度を検出する速度検出器、７はモータ５に流れる三相１次電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検出する電流検出器である。また、８はモータ５の速度指令ω＊を与える速度指令回路、９は三相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗから励磁分電流Ｉ１ｄとトルク分電流Ｉ１ｑを演算する電流三相二相変換器、１０は速度指令回路８の速度指令値ω＊と速度検出器６の検出値ωｒおよび電流検出器７の二相の演算値Ｉ１ｄ，Ｉ１ｑを入力することによりモータ５に与える１次電圧指令値Ｖ１ｄ＊，Ｖ１ｑ＊を演算するベクトル制御演算回路、１１は二相の１次電圧指令値Ｖ１ｄ＊，Ｖ１ｑ＊から三相出力電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を演算する電圧二相三相変換器である。
また、１２は電流三相二相変換器９の演算値Ｉ１ｄ，Ｉ１ｑからモータ５の出力トルクを演算する出力トルク推定器、１３はモータ出力トルク推定器１２の出力トルク推定値をＤ／Ａ変換し、アナログ電圧として出力するアナログ出力装置である。また、１４はアナログ電圧信号をＡ／Ｄ変換し、トルク指令に変換するアナログ入力装置である。ここで、回路構成として第５図では、出力トルク推定器１２、アナログ出力装置１３とアナログ入力装置１４とが存在するが、使用状態がマスタのみに限られるのであれば、出力トルク推定器１２及びアナログ出力装置１３が存在すれば足り、スレーブのみに限られるのであれば、アナログ入力装置１４が存在すれば足りる。
このような構成のベクトル制御インバータ装置にあって、このベクトル制御インバータ装置２台を同期運転する場合の制御方法について説明する。
同期運転においてマスタ側となるベクトル制御インバータ装置においては、２次側回転子の磁束に関してｑ軸電流Ｉ２ｑを零に制御することを条件として、電流三相二相変換器９の演算結果であるＩ１ｄ，Ｉ１ｑを基に、出力トルク推定器１２において、出力トルクを次式（１）で演算することができる。
Ｔｍ＝Ｋｔ・Ｉ１ｑ・Ｉ１ｄ・・・・・（１）
ここで、Ｋｔはモータに応じたトルク係数である。
つぎに、アナログ出力回路１３において、出力トルク推定器１２の演算結果をスレーブ側のアナログ入力回路１４内のＡ／Ｄコンバータのビット数に合わせて規格化するようデジタル値をアナログ値に変換し、スレーブ側となるベクトル制御インバータ装置に対し、アナログ電圧として出力する。
同期運転においてスレーブ側となるベクトル制御インバータ装置では、マスタ側となるベクトル制御インバータ装置から送られてくるアナログ電圧を、アナログ入力回路１４で入力すると、入力したアナログ電圧をトルク指令に換算し、モータ５をトルク制御モードで運転する。
このような従来のベクトル制御インバータ装置を使用した同期運転においては、上述のようにマスタ側となるベクトル制御インバータ装置でトルクを推定し、推定したデジタル値のトルクを一旦アナログ信号に変換し、スレーブ側となるベクトル制御インバータ装置に出力し、スレーブ側となるベクトル制御インバータ装置では入力したアナログ信号をデジタル値のトルクに変換して、スレーブ側のモータ５をトルク制御モードで運転する。このため、同期信号（ここでは、トルクを変換したアナログ信号）の授受において、デジタル値→アナログ信号（マスタ側となるベクトル制御インバータ装置における処理）の変換処理、及びアナログ信号→デジタル値（スレーブ側となるベクトル制御インバータ装置における処理）の変換処理がそれぞれあり、変換処理に当たってアナログ信号のオフセットや、アナログ信号のレベルの変動やばらつきがマスタ側及びスレーブ側を含めた全体の動作に影響する（例えばマスタ側に対するスレーブ側の追従の不一致や変動等が発生する）という問題点があった。また、マスタ側とスレーブ側との間にてアナログ信号を用いるため、途中のノイズの影響も、大きく動作に影響するという問題点があった。
また、別の方策としてマスタとスレーブとの間でシリアル通信のネットワークを使用して、デジタル信号によりデータを授受する方法がある。この場合、同期運転においては、マスタ側となるベクトル制御インバータ装置のトルク信号をリアルタイムにスレーブ側となるベクトル制御インバータ装置で反映する必要があり、さらに複数台のスレーブ側で同期運転を行う場合には、マスタ側となるベクトル制御インバータ装置のトルク信号を各スレーブ側となるベクトル制御インバータ装置にほぼ同時に反映させる必要がある。
このため、シリアル通信のネットワークで同期運転を行う場合には、マスタ／スレーブ間のデータ送受信速度を高速に行うための通信制御ハードウェアと各インバータ間の同期を取るための信号と、各インバータ装置がデータを受け取り同期信号に合わせて処理を行う通信ソフトウェアが必要となり、システムが複雑になってしまうという問題点があった。
また、別の先行技術として特開平９−１８２４８１号公報には、パルス列制御を用いて、マスタ側サーボモータの回転速度に対し、スレーブ側サーボモータの回転速度を所定の速度差で追従させる速度差制御装置において、マスタ側サーボモータの回転速度の検出値のパルス列周波数と、所定の速度差のパルス列周波数との和又は差に基づいて、スレーブ側サーボモータの回転速度をパルス列制御してなることを特徴とする速度差制御装置が記載される。しかしながら、この方式では、マスタ側１台とスレーブ側１台との構成からなる同期運転は可能であるが、スレーブ側が２台以上から構成されるシステムにおいてはマスタ側に対してスレーブ側を全て同じ条件にて同期運転する必要があるにも拘らず、個別に和或いは差を得るので、同じ条件での同期運転ができないという問題点があった。
また、先行技術として特開平１１−４１９６７号公報には、回転駆動される複数の車輪を有する走行装置の運動制御装置であって、目標速度設定器によって設定された移動速度に基づいて、１つの車輪の速度制御を行う１台の速度制御モードのインバータ装置と、速度制御モードのインバータ装置のトルクモニタ信号に基づいて、速度制御モードのインバータ装置の発生トルクと等しいトルクを発生し、速度制御モードのインバータ装置によって速度制御されている車輪以外の他の車輪に対してトルク制御を行うトルク制御モードのインバータ装置とを具備した構成について記載される。しかしながら、この先行技術にあっては、構造上同期運転中に、スレーブ軸を切り離すこと、またはスレーブ軸を追加することができないという問題点があった。
従って、本発明は、デジタル信号とアナログ信号との変換処理を行わず同期信号（デジタル信号）の授受を可能としたベクトル制御インバータ装置を得ることを目的とする。
また、マスタ側ベクトル制御インバータ装置１台とスレーブ側ベクトル制御インバータ装置が２台以上から構成されるシステムにおいて同期運転することができ、さらに同期運転中に、スレーブ軸を切り離すこと、またはスレーブ軸を追加することができるベクトル制御インバータ装置を得ることを目的としている。
【発明の開示】
本発明にかかるベクトル制御インバータ装置にあっては、モータに取り付けた回転速度検出器からモータの回転速度を検出する手段と、インバータ回路によって駆動されるモータの１次電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器によって検出したモータの１次電流を励磁分電流とトルク分電流に分割し、前記検出したモータの回転速度を基にそれぞれの励磁分電流とトルク分電流に分割した電流を独立して制御するための励磁分電圧とトルク分電圧を演算するベクトル制御器と、前記三相出力電圧から実際に電圧を出力するＰＷＭ回路を有するベクトル制御インバータ装置において、前記励磁分電流と前記トルク分電流からモータの出力トルクを推定する出力トルク推定手段とこの出力トルク推定手段で推定したトルク推定値を正負の値が識別できるパルス列信号として出力するパルス発信手段との組み合わせと、外部から入力されるパルス列信号を正負の値として受信しできるパルス列入力手段とその受信したパルス列からモータの出すべきトルクとしてトルク指令に変換するトルク指令変換手段との組み合わせと、のすくなくとも一方を備えたことを特徴とする。
つぎの発明にかかるベクトル制御インバータ装置にあっては、基準となるマスタ側とこのマスタ側に追従するスレーブ側とにより同期運転を行う場合に、マスタ側では前記パルス発信手段からトルク推定値をトルク指令値として出力すると共に、スレーブ側では前記パルス列入力手段に入力したパルス列信号を前記トルク指令変換手段でトルク指令値に変換することを特徴とする。
つぎの発明にかかるベクトル制御インバータ装置にあっては、スレーブ側は個別に２台以上の装置により構成したことを特徴とする。
つぎの発明にかかるベクトル制御インバータ装置にあっては、スレーブ側でのトルク指令変換手段は個別に発生するサンプリングパルスを基準としてトルク指令値に変換することを特徴とする。
つぎの発明にかかるベクトル制御インバータ装置にあっては、サンプリングパルスの周期は可変することができることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】  第１図は、本発明にかかる実施の形態を示すベクトル制御インバータ装置のブロック図であり、第２図は、実施の形態にかかるベクトル制御インバータ装置を２台使用して同期運転を行うシステム構成を示すブロック図であり、第３図は、実施の形態にかかるベクトル制御インバータ装置にて、マスタ軸の回転速度に対するスレーブ軸のトルク指令タイミングチャートであり、第４図は、ベクトル制御インバータで同期運転にて使用するパルス列信号を三種類例示する説明図であり、第５図は、従来のベクトル制御装置を示すブロック図である。
【発明を実施するための最良の形態】  以下に、本発明にかかるベクトル制御インバータ装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
第１図は、この発明の実施の形態にかかるベクトル制御インバータの構成を示す図である。第１図において、符号１〜１２は第５図と同様である。すなわち、１は三相交流電源、２は三相交流電源１から直流電圧を得るためのダイオード等で構成される整流回路、３は直流電圧平滑用電解コンデンサ、４はトランジスタ等のスイッチング素子で構成されたインバータ回路、５は負荷が接続されたモータ、６はモータ５の回転速度を検出する速度検出器、７はモータ５に流れる三相１次電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検出する電流検出器である。また、８はモータ５の速度指令ω＊を与える速度指令回路、９は三相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗから励磁分電流Ｉ１ｄとトルク分電流Ｉ１ｑを演算する電流三相二相変換器、１０は速度指令回路８の速度指令値ω＊と速度検出器６の検出値ωｒおよび電流検出器７の二相の演算値Ｉ１ｄ，Ｉ１ｑを入力することによりモータ５に与える１次電圧指令値Ｖ１ｄ＊，Ｖ１ｑ＊を演算するベクトル制御演算回路、１１は二相の１次電圧指令値Ｖ１ｄ＊，Ｖ１ｑ＊から三相出力電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を演算する電圧二相三相変換器、１２は電流三相二相変換器９の演算値Ｉ１ｄ，Ｉ１ｑからモータ５の出力トルクを演算する出力トルク推定器である。
また、１５はトルク推定器１２からの出力トルクを受け、そのトルク値に見合うパルス数を演算し、パルス発信器からトルク推定値をパルス列信号として出力するパルス発信装置、１６はパルス列信号を受けるパルスカウンタとそのカウント値からトルク指令に換算するパルス列指令入力装置である。ここで、回路構成として第１図では、パルス発信装置１５、パルス列入力装置１６が存在するが、使用状態がマスタのみに限られるのであれば、パルス発信装置１５が存在すれば足り、スレーブのみに限られるのであれば、パルス列入力装置１６が存在すれば足りる。
第２図は、この発明の実施の形態にかかるベクトル制御インバータ装置を２台使用して同期運転を行うシステム構成を示す図である。第２図において、符号５〜１２，１５、１６は第１図と同様の部分であり、その説明を省略する。また、第２図は第１図と同じ構成であるが、簡略して図示している。
この第２図では、マスタ側のベクトル制御インバータ装置でのパルス発信装置１５は、スレーブ側のベクトル制御インバータ装置でのパルス列入力装置１６に接続された構成となっている。そして、このパルス発信装置１５とパルス列入力装置１６とは、パルス列の授受が行われる。
第３図は、この実施の形態にかかるベクトル制御インバータ装置において、マスタ軸の回転速度に対するトルク指令の流れを示した図で、（ａ）は加速度一定の加速モード、一定速モード、加速度（減速度）一定の減速モードを実施した場合のマスタ軸の回転速度の変化を示す図、（ｂ）はマスタ軸の出力トルク推定器１２での出力トルクを示す図、（ｃ）は出力トルクに応じてマスタ軸が出力するパルス発信装置１５でのパルス列出力を示す図、（ｄ）はスレーブ軸１のＣＰＵ（図示省略）に基づくサンプリングによるサンプリング時間を示す図、（ｅ）はスレーブ軸１が受信したトルク指令値を示す図、（ｆ）はスレーブ軸２のＣＰＵ（図示省略）に基づくサンプリングによるサンプリング時間を示す図、（ｇ）はスレーブ軸２が受信したトルク指令値を示す図である。
マスタ軸でのパルス列出力は、図（ｃ）に示すように、出力トルクが高いほどパルス列出力のパルスが密になり、出力トルクが低下するとパルス列出力のパルスが疎になる。そして、スレーブ軸では、この疎密によってトルク指令値が決定される。
第４図は、この実施の形態にかかるベクトル制御インバータで同期運転にて使用するパルス列信号の三つの種類を示す図で、正転（プラス）の場合と逆転（マイナス）の場合を示している。すなわち（ａ）正負個別パルス列では回転方向側にパルスを有し、（ｂ）パルス列＋符号信号では符号信号にて回転方向を示し、（ｃ）Ａ相、Ｂ相パルスではパルス位相差にて回転方向を示しているという形態を採る。
第１図〜第４図により、実施の形態にかかるベクトル制御インバータ装置を複数台使用した同期運転について説明する。
マスタ側となるベクトル制御インバータ装置において、パルス列発信器１５は、出力トルク推定器１２で推定したトルク推定値を基に、下式（２）に基づく出力パルス列の周波数を求め、そのパルス列をスレーブ側へ出力する（この式では、インバータで設定した基準となるトルクを出力している時、１ｋＨｚのパルス列を出力すると仮定した）。
パルス列周波数＝（１ｋＨｚ・出力トルク推定値）／トルク基準値
・・・・・（２）
スレーブ側となるベクトル制御インバータ装置のパルス列指令入力装置１６は、マスタ側となるベクトル制御インバータ装置から出力されたパルス列信号を、パルスカウンタにて受け、決まったサンプリング時間Ｔｓ毎にカウンタ値を読みにいく。
ｎ回目処理のカウンタ値をＣｎとし、つぎのｎ＋１回目処理のカウンタ値をＣｎ＋１とすると、ｎ＋１回目のパルス周波数は、下式（３）で求められる。
ｎ＋１回目のパルス周波数＝（Ｃｎ＋１  −  Ｃｎ）／Ｔｓ
・・・・・（３）
式（３）で求められたパルス周波数を、式（２）を使用して逆算することにより、トルク指令として換算することができる。
上述により、マスタ側となるベクトル制御インバータ装置で推定したトルク推定値を、アナログ変換することなく、スレーブ側となるベクトル制御インバータ装置でトルク指令として受けることができる。
スレーブ軸が複数台あった場合でも、式（３）の処理は各軸個別に処理できるものであり、各スレーブ軸ごとに常に決まったサンプリング周期でパルス列のカウンタを更新するようにしておけば、マスタ軸が始動してからどのタイミングでもスレーブ軸が同じトルクで運転を開始できる。さらに、運転中にスレーブ軸を切り離したり、追加したりすることも容易である。
実施の形態にかかるベクトル制御インバータ装置においては、マスタ軸と複数台の各スレーブ軸間に同期信号がなくても、スレーブ軸毎に決まったサンプリング時間（第３図のスレーブ軸１の（ｄ）およびスレーブ軸２の（ｆ））で受け取ったパルス値をカウントし、式（３）で処理するため、マスタ軸―スレーブ軸間の遅れ時間は最大でもサンプリング２周期分の遅れを見ておけばよく（第３図のスレーブ軸１の（ｅ）およびスレーブ軸２の（ｇ））、サンプリング時間をモータの出力軸が応答できない程度に充分短くしておけば、同期運転の実動作には支障は出ない。
このため、アナログのような電圧レベルの変動やノイズの影響を受けず、シリアル通信より、簡単な構成で高速同期運転が可能となる。
スレーブ軸のサンプリング周期については、その周期の長短にて分解能と応答性に関係し、長ければ分解能がよく、短ければ応答性が良くなる。したがって、モータ負荷の特性等を勘案してその特性等に応じたサンプリング周期を決定することができる。
以上の説明のように本発明によれば、モータに取り付けた回転速度検出器からモータの回転速度を検出する手段と、インバータ回路によって駆動されるモータの１次電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器によって検出したモータの１次電流を励磁分電流とトルク分電流に分割し、前記検出したモータの回転速度を基にそれぞれの励磁分電流とトルク分電流に分割した電流を独立して制御するための励磁分電圧とトルク分電圧を演算するベクトル制御器と、前記三相出力電圧から実際に電圧を出力するＰＷＭ回路を有するベクトル制御インバータ装置において、前記励磁分電流と前記トルク分電流からモータの出力トルクを推定する出力トルク推定手段とこの出力トルク推定手段で推定したトルク推定値を正負の値が識別できるパルス列信号として出力するパルス発信手段との組み合わせと、外部から入力されるパルス列信号を正負の値として受信しできるパルス列入力手段とその受信したパルス列からモータの出すべきトルクとしてトルク指令に変換するトルク指令変換手段との組み合わせと、のすくなくとも一方を備えたことにより、デジタル信号とアナログ信号との変換処理を行わず同期信号（デジタル信号）の授受を可能とすることができ、アナログ信号を用いる弊害をなくすことができる。
また、本発明によれば、基準となるマスタ側とこのマスタ側に追従するスレーブ側とにより同期運転を行う場合に、マスタ側では前記パルス発信手段からトルク推定値をトルク指令値として出力すると共に、スレーブ側では前記パルス列入力手段に入力したパルス列信号を前記トルク指令変換手段でトルク指令値に変換することにより、従来の通信ソフトやハードウエアを用いることなく、スレーブの追加や切り離しが可能となる。
この場合、スレーブ側は個別に２台以上の装置により構成することができる。
また、本発明では、スレーブ側でのトルク指令変換手段は個別に発生するサンプリングパルスを基準としてトルク指令値に変換することにより、簡単に同期を取ることができる。
この場合、スレーブ側でのトルク指令変換手段は個別に発生するサンプリングパルスを基準としてトルク指令値に変換することができ、スレーブの独立性を保つことができる。
この発明では、サンプリングパルスの周期は可変することができることにより、分解能と応答性とに対する適用を選択できる。
【産業上の利用可能性】  以上のように、本発明にかかるベクトル制御インバータ装置では、モータ制御に当たってマスタ、スレーブの制御が可能となり、しかもスレーブの独立性を保つことができ、複数モータの同期制御に適している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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