(57)【要約】【課題】  永久磁石型同期電動機の制御装置において、電動機の起動時に過大な電流が流れるのを防止する。【解決手段】  電流指令値発生部１１１および１１２は、ＡＣＲ制御値に、電力変換器４から電動機２に流す電流を指示する電流指令値を発生する。設定部１２０は、電動機２の起動時における電流指令値の時間変化パターンを電流指令値発生部１１１に設定する。電動機２の起動時、電流指令値発生部１１２はｑ軸電流の電流指令値を０とし、電流指令値発生部１１１は、設定部１２０により設定された時間変化パターンに従い、ｄ軸電流の電流指令値を変化させる。時間変化パターンとしては、一定量を越える急激な増加を避け、所定時間を掛けて０から所定の目標値に上昇する時間変化パターンが用いられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換器により永久磁石型同期電動機を駆動制御する制御装置において、
前記電力変換器から前記永久磁石型同期電動機に供給する電流を指示する電流指令値を発生する電流指令値発生手段と、
前記永久磁石型同期電動機の起動時に前記電流指令値発生手段に発生させる電流指令値の時間変化パターンを設定する設定手段と
を具備することを特徴とする制御装置。
【請求項２】
前記設定手段は、前記永久磁石型同期電動機の起動時における電流指令値の時間変化パターンとして、所定時間を掛けて０から所定の目標値に上昇する電流指令値の時間変化パターンを設定することを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
【請求項３】
前記設定手段は、前記永久磁石型同期電動機の起動時における電流指令値の時間変化パターンとして、一定の時間勾配で０から所定の目標値に上昇する電流指令値の時間変化パターンを設定することを特徴とする請求項２に記載の制御装置。
【請求項４】
前記設定手段は、前記永久磁石型同期電動機の起動時における電流指令値の時間変化パターンとして、起動時に０から所定値まで立ち上がり、その後、一定の時間勾配で前記目標値まで上昇する電流指令値の時間変化パターンを設定することを特徴とする請求項２に記載の制御装置。
【請求項５】
前記設定手段は、前記永久磁石型同期電動機の起動時における電流指令値の時間変化パターンとして、起動時に０から所定値まで立ち上がり、その後、一定の時間だけ当該所定値を維持し、その後、一定の勾配で前記目標値まで上昇する電流指令値の時間変化パターンを設定することを特徴とする請求項２に記載の制御装置。
【請求項６】
電力変換器により永久磁石型同期電動機を駆動制御する制御装置において、
前記永久磁石型同期電動機の起動時に前記電力変換器から前記永久磁石型同期電動機に供給する電流を指示する電流指令値を、所定時間を掛けて０から所定の目標値に上昇する電流指令値の時間変化パターンに従って変化させることを特徴とする制御装置。
【請求項７】
電力変換器により永久磁石型同期電動機を駆動制御する制御方法において、
前記永久磁石型同期電動機の起動時に前記電力変換器から前記永久磁石型同期電動機に供給する電流を指示する電流指令値を、設定手段により設定された電流指令値の時間変化パターンに従って変化させることを特徴とする制御方法。
【請求項８】
電力変換器により永久磁石型同期電動機を駆動制御する制御方法において、
前記永久磁石型同期電動機の起動時に前記電力変換器から前記永久磁石型同期電動機に供給する電流を指示する電流指令値を、所定時間を掛けて０から所定の目標値に上昇する電流指令値の時間変化パターンに従って変化させることを特徴とする制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石型同期電動機の駆動制御を行う制御装置および制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石型同期電動機の制御装置では、電動機に流すｄ軸電流とｑ軸電流をソフトウェアにより実現されたｄ軸、ｑ軸それぞれの電流調節器により制御し、電動機のトルクの制御を行っている。従来の制御装置は、電動機の起動時等、電動機を駆動するインバータ等の電力変換器の出力周波数が低い低速域では、所定の電流指令値を電流調節器に与え、電力変換器から電動機に供給する電流ベクトルの振幅と周波数を一定に制御し、電力変換器の出力に電動機のロータを追従させる。また、従来の制御装置は、低速域よりも出力周波数の高い領域では、同期運転に移行し、周波数指令値に応じて電力変換器の出力周波数の可変制御を行う。なお、この種の永久磁石型同期電動機の制御装置は、例えば特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２８７４９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述した従来の永久磁石型同期電動機の制御装置において、電動機のロータが空転しているときに電動機を起動するような場合がある。そのような場合、起動時に電動機に発生する誘起電圧と電動機に供給される交流電圧との位相関係によっては、電動機に過大な電流が流れ、この結果、過電流保護が働いて電動機が停止する問題が発生することがある。
【０００５】
この発明は以上のような事情に鑑みてなされたものであり、電動機の起動時に過大な電流が流れるのを防止する技術的手段を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
好ましい態様において、この発明による制御装置は、電力変換器により永久磁石型同期電動機を駆動制御する制御装置において、前記電力変換器から前記永久磁石型同期電動機に供給する電流を指示する電流指令値を発生する電流指令値発生手段と、前記永久磁石型同期電動機の起動時に前記電流指令値発生手段に発生させる電流指令値の時間変化パターンを設定する設定手段とを具備することを特徴とする。
【０００７】
他の好ましい態様において、前記設定手段は、前記永久磁石型同期電動機の起動時における電流指令値の時間変化パターンとして、所定時間を掛けて０から所定の目標値に上昇する電流指令値の時間変化パターンを設定する。
【０００８】
また、好ましい態様において、この発明による制御方法は、電力変換器により永久磁石型同期電動機を駆動制御する制御方法において、前記永久磁石型同期電動機の起動時に前記電力変換器から前記永久磁石型同期電動機に供給する電流を指示する電流指令値を、設定手段により設定された電流指令値の時間変化パターンに従って変化させることを特徴とする。
【０００９】
また、他の好ましい態様において、この発明による制御装置または制御方法は、電力変換器により永久磁石型同期電動機を駆動制御する制御装置または制御方法において、前記永久磁石型同期電動機の起動時に前記電力変換器から前記永久磁石型同期電動機に供給する電流を指示する電流指令値を、所定時間を掛けて０から所定の目標値に上昇する電流指令値の時間変化パターンに従って変化させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、電動機の起動時、電力変換器から電動機に流す電流を指示する電流指令値を適切な時間変化パターンに従って変化させることができるので、電動機が空転している状態における電動機の起動時であっても、電動機に過大な電流が流れるのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の一実施形態である永久磁石型同期電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】同実施形態における電動機起動時の電流指令値の変化パターンを例示するタイムチャートである。
【図３】同実施形態における電動機起動時の電流指令値の変化パターンを例示するタイムチャートである。
【図４】同実施形態における電動機起動時の電流指令値の変化パターンを例示するタイムチャートである。
【図５】同実施形態の全体的動作を示すタイムチャートである。
【図６】従来技術における電動機起動時の動作例を示すタイムチャートである。
【図７】同実施形態における電動機起動時の動作例を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照し、この発明の実施形態について説明する。
図１はこの発明の一実施形態である永久磁石型同期電動機の制御装置１の構成を示すブロック図である。なお、この図では、制御装置１の機能の理解を容易にするため、永久磁石型同期電動機２と、電源３と、この電源３から与えられる交流電圧に基づいて電動機２を駆動する電力変換器４が制御装置１とともに図示されている。この例において電力変換器４は、電源３からの交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、この直流電圧を電動機２に供給する３相交流電圧に変換するインバータとにより構成されている。
【００１３】
制御装置１は、電力変換器４から電動機２に与える出力電圧を制御することにより電動機２の駆動制御を行う装置である。制御装置１は、電力変換器４の出力電圧の振幅および周波数を制御するための手段として、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）回路１０１を有している。このＰＷＭ回路１０１は、電力変換器４のインバータを構成する各スイッチング素子に対し、パルス幅変調されたパルス列をゲート信号として供給する回路である。
【００１４】
本実施形態における制御装置１は、電動機４の起動時等、電力変換器４の出力周波数が低い低周波数領域では、ＡＣＲ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ）制御（定電流制御）により、電力変換器４から電動機２に一定電流を供給し、電動機２のロータの角度を電力変換器４の出力電圧に追従させる。以下、この電動機２のロータの角度を電力変換器４の出力電圧に追従させる低周波数領域（例えば、定格周波数の１０％以下の領域）を角度追従領域という。また、本実施形態における制御装置１は、低速域よりも出力周波数の高い高周波数領域では、同期運転に移行し、電力変換器４の出力電圧を周波数指令値ｆにほぼ比例させるＶ／ｆ制御を行う。このＶ／ｆ制御を行う高周波数領域を同期運転領域という。なお、電動機２のロータの磁束軸方向成分をd軸といい、ｄ軸から９０度進んだトルク軸方向成分をｑ軸という。
【００１５】
制御装置１は、角度追従領域での電動機２の駆動制御のための電圧指令値ＶｄおよびＶｑを発生する手段と、同期運転領域での電動機２の駆動制御のための電圧指令値ＶｄおよびＶｑを発生する手段とを有している。ここで、電圧指令値Ｖｄは、電力変換器４に出力させる三相交流電圧の電圧ベクトルのｄ軸方向成分に関する指令値であり、電圧指令値Ｖｑは同電圧ベクトルのｑ軸方向成分に関する指令値である。
【００１６】
前者の角度追従領域での電圧指令値ＶｄおよびＶｑを発生する手段として、制御装置１は、電流指令値発生部１１１および１１２と、設定部１２０と、減算器１３１および１３２と、ｄ軸電流調節器１４１と、ｑ軸電流調節器１４２を有している。
【００１７】
電流指令値発生部１１１は、電力変換器４から電動機２に供給する電流のｄ軸成分に関する電流指令値Ｉｄを発生する手段、電流指令値発生部１１２は、同電流のｑ軸成分に関する電流指令値Ｉｑを発生する手段である。設定部１２０は、図示しない操作手段の操作に応じて、電動機２の起動時における電流指令値Ｉｄの時間変化パターンを電流指令値発生部１１１に設定する手段である。電動機２の起動時において、電流指令値発生部１１１は、この設定部１２０により設定された時間変化パターンに従って電流指令値Ｉｄを変化させる。また、電動機２の起動時において、電流指令値発生部１１２は、所定時間に亙り電流指令値Ｉｑを０に維持する。設定部１２０に関しては、各種の態様が考えられるが、例えば図示しないメモリに電動機２の起動時の電流指令値Ｉｄの時間変化パターンを複数種類記憶させ、図示しない操作手段の操作により、それらの中の１つを選択させ、選択された時間変化パターンを電流指令値発生部１１１に設定させるようにしてもよい。あるいは適切なＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ  Ｕｓｅｒ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）をユーザに提供し、電流指令値Ｉｄの時間変化パターンをユーザに作画させてもよい。なお、電流指令値Ｉｄの時間変化パターンの具体例については、説明の重複を避けるため、本実施形態の動作説明において明らかにする。
【００１８】
減算器１３１は、電流指令値Ｉｄと、電動機２に供給される電流のｄ軸成分の検出結果であるｄ軸電流検出値Ｉ１ｄとの差分を算出する手段である。また、減算器１３２は、電流指令値Ｉｑと、電動機２に供給される電流のｑ軸成分の検出結果であるｑ軸電流検出値Ｉ１ｑとの差分を算出する手段である。ｄ軸電流調節器１４１は、減算器１３１により算出された差分をなくす電圧指令値Ｖｄ、すなわち、電動機２に供給される電流のｄ軸成分Ｉ１ｄを電流指令値Ｉｄに一致させる電圧指令値Ｖｄを生成する手段である。また、ｑ軸電流調節器１４２は、減算器１３２により算出された差分をなくす電圧指令値Ｖｑ、すなわち、電動機２に供給される電流のｑ軸成分Ｉ１ｑを電流指令値Ｉｑに一致させる電圧指令値Ｖｑを生成する手段である。なお、ｄ軸電流検出値Ｉ１ｄおよびｑ軸電流検出値Ｉ１ｑは不図示の電流検出器で検出した電力変換器４の出力電流を不図示の座標変換器により座標変換して求められる。
【００１９】
後者の同期運転領域での電圧指令値ＶｄおよびＶｑを発生する手段として、制御装置１は、ｆ／Ｖ変換器１５０を有する。このｆ／Ｖ変換器１５０は、周波数指令値ｆにほぼ比例させて電圧指令値ＶｄおよびＶｑを変化させることにより、電力変換器４の出力周波数を周波数指令値ｆに一致させる手段である。
【００２０】
制御切換器１６０は、周波数指令値ｆを角度追従領域と同期運転領域との境界をなす閾値と比較することにより制御切換信号を発生し、この制御切換信号によりスイッチ１６１および１６２の切り換えを行う。さらに詳述すると、周波数指令値ｆが角度追従領域に属する場合、制御切換器１６０は、ｄ軸電流調節器１４１が出力する電圧指令値Ｖｄおよびｑ軸電流調節器１４２が出力する電圧指令値Ｖｑをスイッチ１６１および１６２により選択し、座標変換器１７０に供給する。また、周波数指令値ｆが同期運転領域に属する場合、制御切換器１６０は、ｆ／Ｖ変換器１５０が電圧指令値ＶｄおよびＶｑをスイッチ１６１および１６２により選択し、座標変換器１７０に供給する。
【００２１】
座標変換部１７０は、スイッチ１６１および１６２を介して供給される電圧指令値ＶｄおよびＶｑに座標変換を施すことにより、電力変換器４に出力させる３相の交流電圧に関する電圧指令値ＶＵ、ＶＶ、ＶＷを発生し、ＰＷＭ回路１０１に供給する手段である。
【００２２】
ＰＷＭ回路１０１は、電圧指令値ＶＵ、ＶＶ、ＶＷに基づいて、電力変換器４のインバータを構成する各スイッチング素子に供給するゲート信号のパルス幅変調を行い、電圧指令値ＶＵ、ＶＶ、ＶＷにより指示された３相の交流電圧を電力変換器４に出力させる回路である。
以上が本実施形態による制御装置１の構成である。
【００２３】
次に本実施形態の動作について説明する。既に述べたように、本実施形態では、設定部１２０により電動機２の起動時における電流指令値Ｉｄの時間変化パターンを電流指令値発生部１１１に設定することができる。図２〜図４は、この電動機２の起動時における電流指令値Ｉｄの時間変化パターンの例を示すものである。いずれの時間変化パターンにおいても、電動機２の起動時、一定量を越える電流指令値Ｉｄの急激な増加を避け、所定時間を掛けて電流指令値Ｉｄを０から所定の目標値まで上昇させる。電動機２の起動時における電流指令値Ｉｄの時間変化パターンとして、このような時間変化パターンを採用しているのは、電動機２の応答性を大きく損なうことなく、電動機２に過電流が流れるのを防止するためである。
【００２４】
図２に示す時間変化パターン例では、電動機２の起動に応じて、一定の時間勾配で０から所定の目標値に電流指令値Ｉｄを上昇させる。
【００２５】
図３に示す時間変化パターンでは、電動機２の起動時に電流指令値Ｉｄを０から所定値Ｉｄ０まで立ち上げ、その後、一定の時間勾配で目標値まで上昇させる。ここで、所定値Ｉｄ０は、過電流保護が働かないように、その値を定めるものであり、負荷に応じて予め設定される値である。この時間変化パターンでは、図２に示す時間変化パターンよりも早い応答性が得られ、電動機２を迅速に起動することができる。
【００２６】
図４に示す時間変化パターンでは、電動機２の起動時に電流指令値Ｉｄを０から所定値Ｉｄ０まで立ち上げ、その後、予め設定された一定の時間Ｔ０だけ当該所定値Ｉｄ０を維持させ、その後、一定の勾配で目標値まで上昇させる。図３の時間パターンを採用すると過電流保護が働くような場合、この図４に示すように、時間Ｔ０だけ電流指令値Ｉｄを所定値Ｉｄ０とすると、過電流保護が働くのを回避することができる。この図４に示す時間変化パターンにおいても、図２に示すものよりも、早い応答性が得られる。
【００２７】
図５（ａ）〜（ｄ）は本実施形態の全体的な動作例を示すタイムチャートである。ここで、図５（ａ）は電流指令値Ｉｄを、図５（ｂ）は周波数指令値ｆを、図５（ｃ）は電力変換器４の出力周波数を、図５（ｄ）は運転指令を各々示している。なお、図５（ａ）には、本実施形態と従来技術との差異を明確にするため、従来技術における電流指令値Ｉｄが破線で、本実施形態における電流指令値Ｉｄが実線で示されている。
【００２８】
本実施形態において、運転指令がＯＮになると、制御装置１は、周波数指令値ｆを０から徐々に増加させつつ、電力変換器４の制御を行う。
【００２９】
周波数指令値ｆが閾値以下である角度追従領域では、ＡＣＲ制御が行われる。このＡＣＲ制御では、ｄ軸電流調節器１４１が出力する電圧指令値Ｖｄおよびｑ軸電流調節器１４２が出力する電圧指令値Ｖｑがスイッチ１６１および１６２により選択される。そして、この電圧指令値ＶｄおよびＶｑは、電流指令値発生部１１１および１１２が発生する電流指令値ＩｄおよびＩｑに依存する。
【００３０】
本実施形態において運転指令がＯＮになると、制御装置１の電流指令値発生部１１２は、ＡＣＲ制御における電流の目標値である電流指令値Ｉｑを０％とし、電流指令値発生部１１１は、図５（ａ）に実線で示すように電流指令値Ｉｄを所定時間を掛けて目標値まで上昇させる。この例では、電流指令値Ｉｄの時間変化パターンとして、図４に示す時間変化パターンが採用されている。
【００３１】
ここで、電動機２のロータが空転している状態において運転指令がＯＮとなった場合、従来技術のように最初から電流指令値Ｉｄを目標値に設定すると（破線参照）、そのときに電動機２に発生する誘起電圧と電力変換器４の出力電圧との位相関係によっては電動機２に過電流が流れる場合がある。
【００３２】
しかしながら、本実施形態では、図５（ａ）に実線で示すような時間変化パターンに従って電流指令値Ｉｄを目標値まで上昇させるため、電動機２に発生する誘起電圧と電力変換器４の出力電圧との位相関係が最悪な状態になっていたとしても、電動機２に流れる電流を少なくすることができる。
【００３３】
そして、周波数指令値ｆが閾値を越え、同期運転領域になると、ｆ／Ｖ変換器１５０が出力する電圧指令値ＶｄおよびＶｑがスイッチ１６１および１６２により選択され、Ｖ／ｆ制御が行われる。
以上が本実施形態の全体的な動作である。
【００３４】
次に図６および図７を参照し、従来技術と比較しつつ本実施形態の効果を説明する。図６は従来技術において電動機２を起動した場合の各部の波形を示しており、図７は本実施形態において電動機２を起動した場合の各部の波形を示している。図６および図７において、（ａ）は運転指令、（ｂ）は電力変換器４のＵ相出力端子と中性点Ｎとの間の電圧であるＵ−Ｎ間電圧（すなわち、Ｕ相電圧）、（ｃ）は電力変換器４の出力周波数、（ｄ）は電動機２に流れるＵ相電流の測定結果である。
【００３５】
図６および図７に示す例では、運転指令がＯＮになる前、電動機２のロータが空転しており、電動機２から正弦波状の誘起電圧が出力されている（図６（ｂ）、図７（ｂ）参照）。そして、運転指令がＯＮになると、ＰＷＭ回路１０１から電力変換器４にパルス幅変調されたゲート信号の供給が開始されるため、電力変換器４から電動機２にパルス列状の３相交流電圧が供給される。このため、図６（ｂ）、図７（ｂ）に示すように、電動機２のＵ−Ｎ間電圧はパルス列状の波形の電圧となる。そして、図６および図７に示す例では、運転指令がＯＮになった後、ＡＣＲ制御により、電力変換器４の出力周波数を角度追従領域内の周波数である２０Ｈｚまで増加させている（図６（ｃ）、図７（ｃ）参照）。
【００３６】
図６に示す従来技術では、運転指令がＯＮになった直後、図５（ａ）に破線で示すように、当初から電流指令値Ｉｄを目標値に設定している。このため、図６（ｄ）に示すように、過大な電流が電動機２に流れ、過電流保護動作が行われ、電動機２が停止される可能性がある。
【００３７】
これに対し、図７に示す本実施形態において、電流指令値発生部１１１は、設定部１２０により設定された時間変化パターン、具体的には図５（ａ）に実線で示すように一定量を越える急激な増加を避け、所定時間を掛けて０から所定の目標値に上昇する時間変化パターンに従って電流指令値Ｉｄを変化させている。このため、図７（ｄ）に示すように、電動機２に流れる電流は０Ａから徐々に増加し、過電流保護が働くような過電流が電動機２に流れることはない。
【００３８】
以上のように、本実施形態によれば、設定部１２０によって適切な時間変化パターンを設定することにより、電動機２が空転している状態における電動機２の起動時であっても、電動機２に過大な電流が流れるのを防止することができる。
【００３９】
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明には他にも実施形態が考えられる。例えば次の通りである。
【００４０】
（１）上記実施形態では、電動機２のロータが停止しているか空転しているかに拘わらず、電動機２の起動時には、設定部１２０により設定された時間変化パターンに従って、電動機２に流す電流を指示する電流指令値を変化させた。しかし、そのようにする代わりに、例えば電動機２の起動時におけるロータの回転速度を検出する手段を設け、電動機２のロータが空転している状態における電動機２の起動時のみ設定部１２０により設定された時間変化パターンに従って電流指令値を変化させ、電動機２のロータが停止している状態における電動機２の起動時は、起動当初から電流指令値を所定の目標値に設定するようにしてもよい。
【００４１】
（２）上記実施形態において、電流指令値発生部１１１は、電動機２の起動時、設定部１２０により設定された時間変化パターンに従って、電流指令値Ｉｄを変化させた。しかし、適切な電流指令値の時間変化パターンが１種類である場合には、設定部１２０を省略し、電流指令値発生部１１１が、電動機２の起動時、この適切な時間変化パターンに従って、電流指令値Ｉｄを変化させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１……制御装置、２……永久磁石型同期電動機、３……電源、４……電力変換器、１１１，１１２……電流指令値発生部、１２０……設定部、１３１，１３２……減算器、１４１……ｄ軸電流調節器、１４２……ｑ軸電流調節器、１５０……ｆ／Ｖ変換器、１６０……制御切換器、１６１，１６２……スイッチ、１７０……座標変換器、１０１……ＰＷＭ回路。
【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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【図６】
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【図７】
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