(57)【要約】【課題】本発明は、磁束電流の大きさを誘導電動機運転状況に合うように変更して、誘導電動機のスリップ周波数を増大させて、これによって磁束推定性能を向上する誘導電動機制御装置を提供する。【解決手段】本発明の制御装置は、トルク指令から同期座標系のｄ軸及びｑ軸電流指令を生成して、電動機の回転子の速度を推定して、これを利用してｄ軸及びｑ軸電流指令を修正することによって、スリップ周波数を大きくして、回転子の位置及び速度推定性能を向上する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トルク指令から同期座標系のｄ軸及びｑ軸電流指令を生成する生成部と、
前記同期座標系のｄ軸及びｑ軸電流指令から、比例積分制御を行って同期座標系のｄ軸及びｑ軸電圧を出力する電流制御器と、
前記電流制御器から受信する前記同期座標系のｄ軸及びｑ軸電圧を静止座標界のｄ軸及びｑ軸電圧に変換する第１変換部と、
前記第１変換部から受信する前記静止座標界のｄ軸及びｑ軸電圧から電動機を制御するための電圧を出力するインバータと、
前記インバータから出力される相電流を同期座標系のｄ軸及びｑ軸電流に変換する第２変換部と、
前記インバータから出力される相電流と、前記第１変換部から出力される前記静止座標界のｄ軸及びｑ軸電圧から、前記電動機の回転子の速度と回転子の位置を推定する推定部と、
前記生成部から受信した前記同期座標系のｄ軸及びｑ軸電流指令と、前記推定部から受信した前記回転子の速度を利用して、前記生成部から受信した前記同期座標系のｄ軸及びｑ軸電流指令を修正して前記電流制御器に提供する修正部と、を含み、
前記修正部は、
前記生成部から受信する前記同期座標系のｄ軸電流指令を減少して、これに対応してスリップ周波数の大きさを増加させて、これによって回転子磁束角を速くすることを特徴とする、電動機制御装置。
【請求項２】
前記修正部は、
前記同期座標系のｄ軸電流指令に印加する所定の定数Ｋを決める決定部と、
前記定数Ｋを前記生成部から受信する前記同期座標系のｄ軸電流指令にかける第１演算部と、
前記定数Ｋの逆数を前記生成部から受信する前記同期座標系のｑ軸電流指令にかける第２演算部と、を含む、請求項１に記載の電動機制御装置。
【請求項３】
前記決定部は、電流制限条件、電圧制限条件、スリップ周波数条件、及び励磁電流条件を考慮して前記定数Ｋを決める、請求項２に記載の電動機制御装置。
【請求項４】
前記決定部は、前記定数Ｋが
【数１】
2015216840.tif 000035
の範囲を満たすように前記定数Ｋを決める、請求項２または３に記載の電動機制御装置。
【数２】
2015216840.tif 000036
【請求項５】
【数３】
2015216840.tif 000037
によって決定される、請求項４に記載の電動機制御装置。
【請求項６】
【数４】
2015216840.tif 000038
によって決定される、請求項４または５に記載の電動機制御装置。
【請求項７】
【数５】
2015216840.tif 000039
によって決定される、請求項４乃至６のいずれか一項に記載の電動機制御装置。
【請求項８】
【数６】
2015216840.tif 000040
によって決定される、請求項４乃至７のいずれか一項に記載の電動機制御装置。
【請求項９】
【数７】
2015216840.tif 000041
によって決定される、請求項４乃至８のいずれか一項に記載の電動機制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導電動機制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、エンコーダ（ｅｎｃｏｄｅｒ）、リゾルバ（ｒｅｓｏｌｖｅｒ）のような電動機の回転子（ｒｏｔｏｒ）位置センサーは、電動機駆動の性能を向上するのに役立つが、振動に弱いだけでなく、全体システムの価格を増大させる短所がある。このような問題点により位置センサーなしに電動機を駆動する技術に対する必要性が増大している。
【０００３】
位置センサーなしに（センサレス、ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ）電動機を運転する方式は、ファン（ｆａｎ）、ポンプ、コンプレッサーといったＨＶＡＣ（Ｈｅａｔｉｎｇ、Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ、Ａｉｒ−Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）負荷や、エレベーター、クレーンなどの昇降負荷で速度制御を目的として主に用いられている。
【０００４】
また、位置センサーなしに誘導電動機を運転する方式は、コンベヤーなどトルク制御を目的として主に用いられている。
【０００５】
しかし、一般のセンサレストルク制御では、低速及び低トルク領域での運転性能が速度制御でより低下すると知られているので、これに対する改善策が求められる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする技術的課題は、磁束電流の大きさを誘導電動機運転状況に合うように変更して、誘導電動機のスリップ周波数を増大させて、これを介して磁束推定性能を向上する誘導電動機制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記のような技術的課題を解決するために、本発明の一実施形態の電動機制御装置は、トルク指令から同期座標系のｄ軸及びｑ軸電流指令を生成する生成部、前記同期座標系のｄ軸及びｑ軸電流指令から比例積分制御を行って同期座標系のｄ軸及びｑ軸電圧を出力する電流制御器、前記電流制御器から受信する前記同期座標系のｄ軸及びｑ軸電圧を静止座標界のｄ軸及びｑ軸電圧に変換する第１変換部、前記第１変換部から受信する前記静止座標界のｄ軸及びｑ軸電圧から、電動機を制御するための電圧を出力するインバータ、前記インバータから出力される相電流を同期座標系のｄ軸及びｑ軸電流に変換する第２変換部、前記インバータから出力される相電流と、前記第１変換部から出力される前記静止座標界のｄ軸及びｑ軸電圧から、前記電動機の回転子の速度と回転子の位置を推定する推定部、及び前記生成部から受信した前記同期座標系のｄ軸及びｑ軸電流指令と、前記推定部から受信した前記回転子の速度を利用して、前記生成部から受信した前記同期座標系のｄ軸及びｑ軸電流指令を修正して前記電流制御器に提供する修正部を含んでもよい。
【０００８】
本発明の一実施形態において、前記修正部は、前記生成部から受信する前記同期座標系のｄ軸電流指令を減少して、これに対応してスリップ周波数の大きさを増加させて、これによって回転子磁束角を速くすることができる。
【０００９】
本発明の一実施形態において、前記修正部は、前記同期座標系のｄ軸電流指令に印加する所定の定数Ｋを決める決定部、前記定数Ｋを前記生成部から受信する前記同期座標系のｄ軸電流指令にかける第１演算部、及び前記定数Ｋの逆数を前記生成部から受信する前記同期座標系のｑ軸電流指令にかける第２演算部を含んでもよい。
【００１０】
本発明の一実施形態において、前記決定部は、電流制限条件、電圧制限条件、スリップ周波数条件及び励磁電流条件を考慮して、前記定数Ｋを決めることができる。
【００１１】
【表１】
2015216840.tif 000003
【００１２】
【表２】
2015216840.tif 000004
【００１３】
【表３】
2015216840.tif 000005
【００１４】
【表４】
2015216840.tif 000006
【００１５】
【表５】
2015216840.tif 000007
【００１６】
【表６】
2015216840.tif 000008
【発明の効果】
【００１７】
前記のような本発明は、磁束電流の大きさを減少することによって、スリップ周波数を増大することによって、回転子磁束角の周波数が速くなって、回転子速度及び位置推定部に印加される電圧と電流の周波数が増加するので、同じ回転子速度に対しても安定的に回転子速度及び位置を推定するようにする効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】一般的な誘導電動機のセンサレストルク制御装置を示す構成図である。
【図２】図１の電流指令生成部の詳細構成図である。
【図３Ａ】図１の電流制御器の詳細構成図である。
【図３Ｂ】図１の電流制御器の詳細構成図である。
【図４】本発明に係る誘導電動機の制御装置の一実施形態構成図である。
【図５】図４の電流指令修正部の一実施形態詳細構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明は、種々の変更を加えることができて、様々な実施形態を有することができ、特定実施形態を図面に例示して詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態に対して限定しようとするのではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物乃至代替物を含むものと理解しなければならない。
【００２０】
以下、添付図面を参照して従来のセンサレストルク制御を説明して、本発明に係る一実施形態を詳細に説明する。
【００２１】
図１は、一般的な誘導電動機のセンサレストルク制御装置を示す構成図である。
【００２２】
電流指令生成部１０は、トルク指令（ｔｏｒｑｕｅ  ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）から同期座標系（ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ  ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  ｆｒａｍｅ）のｄ軸及びｑ軸電流指令を生成する。電流制御器２０は、前向補償（ｆｅｅｄ−ｆｏｒｗａｒｄ）を含む比例−積分（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ  ａｎｄ  ｉｎｔｅｇｒａｌ）電流制御器であって、同期座標系のｄ軸及びｑ軸電圧を出力し、第１座標変換部３０が同期座標系のｄ軸及びｑ軸電圧を静止座標界（ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ  ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  ｆｒａｍｅ）の電圧に変換する。
【００２３】
一方、第２座標変換部４０は、電流センサー（７０ａ、７０ｂ、７０ｃ）が測定した誘導電動機２の相電流を同期座標系上ｄ軸及びｑ軸電流に変換し、インバータ５０は、誘導電動機２に電圧を印加する。
【００２４】
また、回転子速度及び位置推定部６０は、電流センサー７０から受信した誘導電動機２の相電流と第１座標変換部３０の出力電圧を受信して、３相誘導電動機２の回転子の速度と位置を推定する。
【００２５】
以下、図１の装置の構成を詳細に説明する。
【００２６】
図２は、図１の電流指令生成部１０の詳細構成図であり、ユニット１（１１）は、定格回転子磁束から同期座標系のｄ軸電流指令を決める。この時、Ｌｍは励磁インダクタンス（ｍａｇｎｅｔｉｚｉｎｇ  ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ）である。
【００２７】
ユニット２（１２）は、同期座標系のｑ軸電流指令を求めるために計算を行って、ユニット３（１３）は、初期トルク指令の最大値を制限する。ユニット４（１４）は、ユニット３（１３）の出力であるトルク指令と定格回転子磁束の関係から同期座標系のｑ軸電流指令を出力する。この時、誘導電動機のトルクは下記の通りである。
【数１】
2015216840.tif 000009
式（１）からｑ軸電流指令を下記の通り求めることができる。
【数２】
2015216840.tif 000010
【００２８】
図３Ａ及び図３Ｂは、図１の電流制御器２０の詳細構成図であり、図３Ａは、ｄ軸電流制御器の構成図で、図３Ｂは、ｑ軸電流制御器の構成図である。
【００２９】
図３Ａ及び図３Ｂに示したように、ｄ軸及びｑ軸電流制御器は、同期座標系のｄ軸及びｑ軸電流を各々制御するための比例−積分形態の制御器と前向補償で構成される。この時、ユニット１（２１ａ）、ユニット２（２１ｂ）と、ユニット５（２４ａ）、ユニット６（２４ｂ）は、電流指令トル帰還電流から電流制御を行うための比例−積分ゲインを提供し、ユニット３（２２）とユニット７（２５）は、前向補償を行うもので、誘導電動機２のモデリングにより多様に構成される。
【００３０】
また、ユニット４（２３）とユニット８（２６）は、電流制御器２０の出力がインバータ５０が合成できる電圧の大きさを超える場合、ユニット２（２１ｂ）及びユニット６（２４ｂ）の発散を防ぐためのアンチ−ワインドアップゲインを提供する。
【００３１】
図１の第１座標変換部３０は、電流制御器２０の出力である同期座標系の電圧を静止座標系上の電圧に下記の式によって変換する。
【数３】
2015216840.tif 000011
【数４】
2015216840.tif 000012
【００３２】
図１の第２座標変換部４０は、電流センサー７０ａ、７０ｂ、７０ｃが測定した誘導電動機２の相電流を同期座標系のｄ軸及びｑ軸電流に下記の式によって変換する。
【数５】
2015216840.tif 000013
【数６】
2015216840.tif 000014
【数７】
2015216840.tif 000015
【数８】
2015216840.tif 000016
【００３３】
図１の回転子速度及び位置推定部６０は、誘導電動機２の出力電流とインバータ５０の出力電圧を受信して、回転子速度と磁束の位置を出力するもので、多様な方式によって構成できる。
【００３４】
このような従来の誘導電動機トルク制御装置は、磁束電流（ｍａｇｎｅｔｉｚｉｎｇ  ｃｕｒｒｅｎｔ）の大きさが一定で、一定トルク指令ではトルク電流が固定される。これによって同じ回転子速度状況で、スリップ周波数が低い状態に維持されるので、センサレス誘導電動機制御で必須である磁束推定性能が低下して、回転子速度及び磁束角の推定が難しくなる。
【００３５】
従って、本発明は、磁束電流の大きさを制御状況に適合するように変化させることによって、誘導電動機のスリップ周波数を増加させ、これを介して磁束推定性能を向上するものである。
【００３６】
図４は、本発明に係る誘導電動機の制御装置の一実施形態構成図である。
【００３７】
図面に示したように、本発明の制御装置１は、電流指令生成部１０、電流指令修正部８０、電流制御器２０、第１座標変換部３０、第２座標変換部４０、インバータ５０、回転子速度及び位置推定部６０、及び電流センサー７０ａ、７０ｂ、７０ｃを含み、誘導電動機２を制御する。
【００３８】
電流指令生成部１０は、トルク指令から同期座標系のｄ軸及びｑ軸電流指令を生成することができる。電流指令生成部１０の詳細な動作については、図２において詳細に説明したのと同様である。電流制御器２０は、前向補償を含む比例−積分電流制御器を含み、同期座標系のｄ軸及びｑ軸電圧を出力する。電流制御器２０の詳細な動作については、図３Ａ及び図３Ｂにおいて詳細に説明したのと同様である。
【００３９】
第１座標変換部３０は、電流制御器２０から受信する同期座標系のｄ軸及びｑ軸電圧を静止座標界のｄ軸及びｑ軸電圧に変換することができる。
【００４０】
また、第２座標変換部４０は、電流センサー７０ａ、７０ｂ、７０ｃから誘導電動機２の相電流を受信して、同期座標系のｄ軸及びｑ軸電流に変換し、インバータ５０は、第１座標変換部３０から受信した静止座標界のｄ軸及びｑ軸電圧を利用して誘導電動機２を制御するための電圧を出力することができる。
【００４１】
回転子速度及び位置推定部６０は、電流センサー７０ａ、７０ｂ、７０ｃから誘導電動機２の相電流を、第１座標変換部３０から静止座標界のｄ軸及びｑ軸電圧を受信して、誘導電動機２の回転子の速度と回転子の位置を推定することができる。
【００４２】
電流指令修正部８０は、電流指令生成部１０の出力である同期座標系のｄ軸及びｑ軸電流指令と、回転子速度及び位置推定部６０の回転子の磁束速度を受信して、同期座標系のｄ軸及びｑ軸電流指令を修正することができる。
【００４３】
以下、図４の制御装置１の動作を説明し、この中電流指令修正部８０を除いた構成要素の動作は、図１〜図３を参照して説明したのと同様であるため、主に電流指令修正部８０の動作を説明する。
【００４４】
まず、誘導電動機２の定常状態（ｓｔｅａｄｙ  ｓｔａｔｅ）トルク式は、下記の通りである。この時、ｄ軸電流は、磁束電流に該当し、ｑ軸電流は、トルク電流に該当する。
【数９】
2015216840.tif 000017
【００４５】
【表７】
2015216840.tif 000018
【数１０】
2015216840.tif 000019
【００４６】
また、誘導電動機２の駆動で、回転子磁束角は下記の通り決定できる。
【数１１】
2015216840.tif 000020
【００４７】
式（９）で、誘導電動機２のｄ軸電流を変化させると、トルク指令を満たすためにｑ軸電流が変化するが、特にｄ軸電流を減らすとｑ軸電流の大きさが増加して、結果的に式（１０）の関係によってスリップ周波数の大きさが大きくなり、式（１１）の関係によって同じ回転子速度で回転子磁束角が速く変わることになる。
【００４８】
本発明は、このような現象を利用して、ｄ軸電流（磁束電流）の大きさを減らして安定的に誘導電動機２を制御するためのものであり、本発明の電流指令修正部８０は、下記の四つの条件を持って同期座標系のｄ軸及びｑ軸電流を修正することができる。
１．電流制限条件
２．電圧制限条件
３．スリップ周波数条件
４．励磁電流条件
【００４９】
まず、電流制限条件は下記の式のように表現することができる。
【数１２】
2015216840.tif 000021
【００５０】
もし、ｄ軸電流をＫ倍（０<Ｋ≦１の実数）だけ変化させると、式（１２）は、下記の通り表現することができる。
【数１３】
2015216840.tif 000022
【００５１】
これから、定数Ｋの範囲を下記の通り求めることができる。
【数１４】
2015216840.tif 000023
【００５２】
次に、電圧制限条件について調べると下記の通りである。
【数１５】
2015216840.tif 000024
【００５３】
式（１５）は、下記の式で近似化することができる。
【数１６】
2015216840.tif 000025
【００５４】
式（１６）から、下記の条件を設定することができる。
【数１７】
2015216840.tif 000026
【数１８】
2015216840.tif 000027
【００５５】
次に、スリップ周波数条件に対し調べれば下記の通りである。
【００５６】
式（１０）からスリップ周波数条件は、下記式のように示すことができる。
【数１９】
2015216840.tif 000028
【００５７】
式（１９）は、一定トルク指令に対してスリップ周波数が定格スリップ周波数に対してＭ倍以下に維持されるのを意味し、通常Ｍは下記条件を満たす。
【数２０】
2015216840.tif 000029
【００５８】
式（２０）は、修正された電流指令から誘導電動機２のスリップ周波数が定格スリップ周波数の２倍以下に制御されるようにするためのものであり、式（２０）の範囲は、誘導電動機２の種類によって変更されてもよい。
【００５９】
これから、下記の条件を求めることができる。
【数２１】
2015216840.tif 000030
【００６０】
最後に、励磁電流条件について調べると下記の通りである。
【００６１】
誘導電動機２０の制御は、通常励磁（ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ）が十分である場合、不安定になるので、誘導電動機２により最小励磁電流を下記の通り選定することができる。
【数２２】
2015216840.tif 000031
【００６２】
式（２２）では、最小励磁電流の比を定格励磁電流対比２０%に選定した例を説明したが、これは誘導電動機２により変更されてもよい。
【００６３】
式（１４）、式（１７）、式（１８）及び式（２２）からＫの範囲を下記の通り求めることができる。
【数２３】
2015216840.tif 000032
【００６４】
前記で、Ｍａｘ関数は最大値を探す関数であり、ｍｉｎ関数は最小値を探す関数である。
【００６５】
本発明では、Ｋ値を式（２３）の範囲を満たす最小値に選定することによって、スリップ周波数が最大になるようにする。これにより、電流指令生成部１０が生成した電流指令から一定トルクを維持する同期座標系のｄ軸及びｑ軸電流指令は、下記の式のように修正できる。
【数２４】
2015216840.tif 000033
【数２５】
2015216840.tif 000034
【００６６】
図５は、図４の電流指令修正部の一実施形態詳細構成図である。
【００６７】
図面に示したように、本発明の制御装置１の電流指令修正部８０は、Ｋ決定部８１及び掛け算部８２ａ、８２ｂを含んでもよい。
【００６８】
Ｋ決定部８１は、前記で説明した制限条件により決定された式（２３）によってＫを決め、掛け算部８２ａ、８２ｂは、Ｋを利用して式（２４）及び式（２５）のように修正された電流指令を出力することができる。
【００６９】
このように、本発明によると、スリップ周波数が増加すると、式（１１）の関係により回転子磁束角の周波数が速くなって、回転子速度及び位置推定部６０に印加される電圧と電流の周波数が増加するので、同じ回転子速度に対しても安定的に回転子速度及び位置を推定することができる。
【００７０】
即ち、本発明は、一定トルク指令でスリップ周波数を最大になるようにすることによって、低速及び低トルクで誘導電動機の性能を向上することができる。
【００７１】
以上、本発明に係る実施形態を説明したが、これは例示的なものに過ぎず、当分野で通常の知識を有する者であれば、これらから多様な変形及び均等な範囲の実施形態が可能であることを理解するであろう。従って、本発明の真の技術的保護範囲は、下記の特許請求範囲によって定まらなければならない。
【符号の説明】
【００７２】
１０    電流指令生成部
２０    電流制御器
３０、４０    座標変換部
５０    インバータ
６０    回転子速度及び位置推定部
７０ａ、７０ｂ、７０ｃ    電流センサー
８０    電流指令修正部
２    誘導電動機
【図１】
2015216840.tif 000042
【図２】
2015216840.tif 000043
【図３Ａ】
2015216840.tif 000044
【図３Ｂ】
2015216840.tif 000045
【図４】
2015216840.tif 000046
【図５】
2015216840.tif 000047