(57)【要約】【課題】本発明は、同期電動機、誘導電動機、シンクロナスリラクタンス電動機など電動機の種類を特定することなく、Ｖ／ｆ制御構成で交流電動機を安定に制御することを目的とする。同期電動機駆動に関しては、無効電流に着目したものであるが、交流電動機の負荷変動や回転の過渡変化に強く、更なる振動抑制が実現できる交流電動機制御装置を提供することを目的とする。【解決手段】無効分電流演算部１０の出力Ｉγと基準値設定部５の疑似無効分電流指令値Ｉγ＊との差から誤差量に基づいた演算をする電流調節部１１と、電流調節部１１からの出力で補正し、補正された値を用いて二軸成分電圧のうち一方の軸成分の電圧の大きさを調節する第１のゲイン調節部７１とを含み、無効分電流演算部１０からの出力が前記基準値設定部５からの疑似無効分電流の指令値Ｉγ＊と一致するように前記電流調節部１１の演算を補正する交流電動機制御装置を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源１を交流に変換して交流電動機３に交流電力を供給するインバータ回路２と、
前記交流電動機を流れる電流を検出し検出信号を出力するモータ電流検出部４と、
及び前記インバータ２を制御するインバータ制御部１００
と、
を備え、
前記インバータ制御部１００は、
前記交流電動機３の回転周波数の指令信号を出力する周波数設定部８と、
前記周波数設定部の指令信号ωから回転位相信号を生成する位相信号生成部９と、
前記位相信号生成部９及び前記交流電動機の電流検出部４の検出信号から疑似無効分電流を演算する無効分電流演算部１０と、
前記疑似無効分電流の指令値Ｉγ＊および前記周波数設定部８の指令信号を与える回転速度の基準値Ｎ＊を与える基準値設定部５と、
前記無効分電流演算部１０の出力Ｉγと前記基準値設定部５の疑似無効分電流指令値Ｉγ＊との差から誤差量に基づいた演算をする電流調節部１１と、
前記基準値設定部５の回転速度の基準値Ｎ＊を基にインバータの電圧信号を決定する電圧設定部６と、
前記電圧設定部６からの出力を前記電流調節部１１からの出力で補正し、補正された値を用いて二軸成分電圧のうち一方の軸成分の電圧の大きさを調節する第１のゲイン調節部７１と、
前記電流調節部１１の出力を二軸成分電圧のうち他方の軸成分の電圧の大きさを調節する第２のゲイン調節部７２と、
前記第１のゲイン調節部及び第２のゲイン調節部の出力と前記位相信号生成部９からの回転位相信号を基にインバータに対するＰＷＭ制御信号を発生させるＰＷＭ制御信号発生部１３と、
を備え、
交流電動機３を前記電圧設定部６と前記周波数設定部８により適切な電圧、周波数比関係のもとで、前記無効分電流演算部１０からの出力が前記基準値設定部５からの疑似無効分電流の指令値Ｉγ＊と一致するように、前記第１のゲイン調節部７１及び／又は前記第２のゲイン調節部７２及び／又は前記電流調節部１１の演算を補正して前記インバータ２を制御することを特徴とする交流電動機制御装置。
【請求項２】
前記電圧設定部６は、前記インバータの電圧と周波数との比を制御するためにゲイン調整することを特徴とする請求項１に記載の交流電動機制御装置。
【請求項３】
前記周波数設定部８は、前記インバータの電圧と周波数との比を制御するためにゲイン調整することを特徴とする請求項１に記載の交流電動機制御装置。
【請求項４】
前記基準値設定部５における速度基準量Ｎ＊を周波数基準ω＊に置き換えることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の交流電動機制御装置。
【請求項５】
前記基準値設定部５における速度基準量Ｎ＊を設定速度や設定周波数に比例した電圧基準Ｖ＊に置き換えることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の交流電動機制御装置。
【請求項６】
前記第１のゲイン調節部７１のゲインを１とする、または、前記第１のゲイン調節部７１を省いて前記電流調節部１１の出力で補正した前記電圧設定部６からの出力を前記ＰＷＭ制御信号発生部に直接出力することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の交流電動機制御装置。
【請求項７】
前記第２のゲイン調節部７２のゲインを１とする、または、前記第２のゲイン調節部７２を省いて前記電流調節部１１の出力を前記ＰＷＭ制御信号発生部に直接出力することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の交流電動機制御装置。
【請求項８】
任意の交流電動機を駆動するために、前記基準設定部５の疑似無効電流の基準値Ｉγ＊を調整することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の交流電動機制御装置。
【請求項９】
前記交流電動機は、同期電動機、誘導電動機、シンクロナスリラクタンス電動機、または誘導同期機であることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかに記載の交流電動機制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電動機を回転速度・回転位置センサを用いずに制御するための交流電動機制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｖ／ｆ比一定制御による交流電動機制御システムは比較的簡単に構成できるため、幅広く用いられている。
【０００３】
特に誘導電動機のＶ／ｆ制御による駆動法は、回転速度・回転位置センサを用いずに構成できるため、簡便な駆動法として古くから用いられているが、速度制御を行う中間の周波数付近で振動現象を伴うことが報告されている。
【０００４】
同期電動機のＶ／ｆ制御による駆動法は、回転位置センサを使用しないで構成できるため、制御システムが簡便となるが、本質的に振動を伴うために、種々の振動抑制手法が提案されており、特許文献１や特許文献２が知られている。
【０００５】
特許文献１では、インバータから交流同期電動機への電流を検出して、回転座標変換を行い、有効成分電流の一部を周波数演算部にフィードバックすることにより、Ｖ／ｆ制御における振動系に制動項を付加することで振動を抑制している。
特許文献２では、インバータから交流同期電動機への電流を検出して、回転座標変換を行い、無効成分電流を電圧しれ位置の補正に用いることにより、無効電流を抑制するとともに、振動を抑制している。
これ以外にも、有効成分電流や無効成分電流を用いた数多くの手法が提案されている。
【０００６】
従来からの手法は、制御対象となる電動機の回路定数を用いるものが多く、始動から運転に至るまでに、始動制御システムと運転制御システムを別に構成されるものが多く、制御システムの複雑化を招いている。また、交流電動機の負荷変動や指令値の急変など過渡変化への追従や振動抑制の課題は完全に拭いきれず、高度な制御要求に対しては、複雑な制御系を加えたり、高度な演算やモータ定数の把握によるマッチングを行う必要があった。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−２３６０９４
【特許文献２】特開２００３−２０４６９４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、同期電動機、誘導電動機、シンクロナスリラクタンス電動機など電動機の種類を特定することなく、Ｖ／ｆ制御構成で交流電動機を安定に制御することを目的とする。同期電動機駆動に関しては、特許文献２と同様に無効電流に着目したものであるが、交流電動機の負荷変動や回転の過渡変化に強く、更なる振動抑制が実現できる交流電動機制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１発明の交流電動機制御装置は、直流電源１を交流に変換して交流電動機３に交流電力を供給するインバータ回路２と、前記交流電動機を流れる電流を検出し検出信号を出力するモータ電流検出部４と、及び前記インバータ２を制御するインバータ制御部１００
と、を備え、前記インバータ制御部１００は、前記交流電動機３の回転周波数の指令信号を出力する周波数設定部８と、前記周波数設定部の指令信号ωから回転位相信号を生成する位相信号生成部９と、前記位相信号生成部９及び前記交流電動機の電流検出部４の検出信号から疑似無効分電流を演算する無効分電流演算部１０と、前記疑似無効分電流の指令値Ｉγ＊および前記周波数設定部８の指令信号を与える回転速度の基準値Ｎ＊を与える基準値設定部５と、前記無効分電流演算部１０の出力Ｉγと前記基準値設定部５の疑似無効分電流指令値Ｉγ＊との差から誤差量に基づいた演算をする電流調節部１１と、前記基準値設定部５の回転速度の基準値Ｎ＊を基にインバータの電圧信号を決定する電圧設定部６と、前記電圧設定部６からの出力を前記電流調節部１１からの出力で補正し、補正された値を用いて二軸成分電圧のうち一方の軸成分の電圧の大きさを調節する第１のゲイン調節部７１と、前記電流調節部１１の出力を二軸成分電圧のうち他方の軸成分の電圧の大きさを調節する第２のゲイン調節部７２と、前記第１のゲイン調節部及び第２のゲイン調節部の出力と前記位相信号生成部９からの回転位相信号を基にインバータに対するＰＷＭ制御信号を発生させるＰＷＭ制御信号発生部１３と、を備え、交流電動機３を前記電圧設定部６と前記周波数設定部８により適切な電圧、周波数比関係のもとで、前記無効分電流演算部１０からの出力が前記基準値設定部５からの疑似無効分電流の指令値Ｉγ＊と一致するように、前記第１のゲイン調節部７１及び／又は前記第２のゲイン調節部７２及び／又は前記電流調節部１１の演算を補正して前記インバータ２を制御することを特徴とする。
【００１０】
第２発明の交流電動機制御装置は、第１発明において、前記電圧設定部６は、前記インバータの電圧と周波数との比を制御するためにゲイン調整することを特徴とする。
【００１１】
第３発明の交流電動機制御装置は、第１発明において、前記周波数設定部８は、前記インバータの電圧と周波数との比を制御するためにゲイン調整することを特徴とする。
【００１２】
第４発明の交流電動機制御装置は、第１、２または第３発明において、前記基準値設定部５における速度基準量Ｎ＊を周波数基準ω＊に置き換えることを特徴とする。
【００１３】
第５発明の交流電動機制御装置は、第１、２または第３発明において、前記基準値設定部５における速度基準量Ｎ＊を設定速度や設定周波数に比例した電圧基準Ｖ＊に置き換えることを特徴とする。
【００１４】
第６発明の交流電動機制御装置は、第１、２、３、４または第５発明において、前記第１のゲイン調節部７１のゲインを１とする、または、前記第１のゲイン調節部７１を省いて前記電流調節部１１の出力で補正した前記電圧設定部６からの出力を前記ＰＷＭ制御信号発生部に直接出力することを特徴とする。
【００１５】
第７発明の交流電動機制御装置は、第１、２、３、４または第５発明において、前記第２のゲイン調節部７２のゲインを１とする、または、前記第２のゲイン調節部７２を省いて前記電流調節部１１の出力を前記ＰＷＭ制御信号発生部に直接出力することを特徴とする。
【００１６】
第８発明の交流電動機制御装置は、第１、２、３、４、５、６または第７発明において、任意の交流電動機を駆動するために、前記基準設定部５の疑似無効電流の基準値Ｉγ＊を調整する。
【００１７】
第９発明の交流電動機制御装置は、第１、２、３、４、５、６、７または第８発明において、  前記交流電動機は、同期電動機、誘導電動機、シンクロナスリラクタンス電動機、または誘導同期機であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
一般のＶ／ｆ制御では、電動機に加える電圧をスカラー制御するため二軸成分電圧の一軸成分のみに指令電圧を与え、一方は零に固定されているため、制御の自由度を阻害していた。本発明は、特許文献２に用いられている無効電流制御ループに加えて、無効電流制御ループにおける電流調節器の出力をゲイン調節部を通して零に固定されていた軸成分電圧に入力して、電圧ベクトル演算した電圧をインバータから出力させることにより、振動抑制等の制御特性の改善を行うことができる。
【００１９】
また、無効電流制御における電流調節器の出力を、二軸成分電圧の制御量として用いることにより、インバータで出力する電圧を制御することにより、Ｖ／ｆ制御で課題となっている振動現象を抑制できる効果がある。
【００２０】
また、Ｖ／ｆ比が任意に変えられるため、電動機の負荷状態の変化範囲や指令値の変化範囲に対応した適切なＶ／ｆ比制御が行える効果がある。
【００２１】
また、疑似無効電流の基準値を変えることにより、交流電動機駆動で必要な適切な無効電流制御が可能なために、同期電動機だけでなく誘導電動機、シンクロナスリラクタンス電動機など、任意の交流電動機をＶ／ｆ制御で駆動できる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。
【００２３】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係わるセンサレスで交流電動機を駆動する主回路部とインバータ制御部１００である。主回路部は、直流電源１、インバータ２および交流電動機３からなっており、インバータ制御部は、電圧ベクトル演算部１２と位相信号生成部９からの信号でインバータへの制御信号を発生させるＰＷＭ制御信号発生部１３および各演算入力部からなっている。
【００２４】
図１１は、電圧ベクトル演算で二軸成分電圧を制御することにより、インバータが出力する電圧ベクトルのδ’軸と、疑似無効電流が零となる制御によりインバータから電動機に流れる交流電流ベクトルのδ軸に位相差φが生じることを表しているベクトル図である。
図中で、ｑ軸は電動機の起電力ベクトルに一致しており、インバータの出力電圧ベクトルとβの相差角を生じることを示している。
前記疑似無効分電流の基準値設定値をほぼ零に設定することにより、無効電流演算部の出力をほぼ零に制御することができるが、インバータは電圧ベクトル演算電圧で制御されるため、インバータから出力される電圧ベクトルと電流ベクトルには位相差が生じるため、疑似無効電流基準電流を零に制御しても、その位相差に応じた無効電流が流れる。
そこで、前記疑似無効分電流の基準値設定値を変えることにより、Ｖ／ｆ制御における無効成分電流を制御することができ、駆動する交流電動機の種類に応じて、必要な無効成分電流を供給することができる。
【００２５】
Ｖ／ｆ制御比は、基準設定部における疑似無効電流基準値を変えることにより無効電流を調整して、間接的に制御することができる。
【００２６】
電圧ベクトル演算部では、二軸成分電圧の大きさを、前記電圧設定部６からの出力を前記電流調節部１１の出力で補正して得られる一軸成分電圧の大きさと、前記電流調節部１１の出力を二軸成分電圧のうち他軸成分電圧の大きさを、共にゲイン調節器を通してインバータで出力する電圧ベクトルを決定することができる。
【００２７】
電圧ベクトル演算部では、二軸成分電圧の大きさを、前記電圧設定部６からの出力を前記電流調節部１１の出力で補正して得られる一軸成分電圧の大きさと、前記電流調節部１１の出力を二軸成分電圧のうち他軸成分電圧の大きさの一方のみゲイン調節器を通した出力と、他方はゲイン調節器を通さずに直接得た出力により電圧ベクトルを決定することができる。
【００２８】
（第２の実施の形態）
図１では、Ｖ／ｆ比の設定方法を個別の電圧設定部６と周波数設定部１１で構成しているが、電圧設定部でＶ／ｆ比設定を行ったものが図２であり、周波数設定部でＶ／ｆ比設定を行ったものが図３である。
【００２９】
Ｖ／ｆ制御比は、基準設定部における速度設定指令値、周波数設定指令値あるいは電圧設定指令値を入力として、電圧設定部と周波数設定部の出力割合を変えることにより制御することができる。
【００３０】
Ｖ／ｆ制御比は、基準設定部における速度設定指令値、周波数設定指令値あるいは電圧設定指令値を入力として、出力電圧を決めるＶ／ｆ比設定部と周波数指令のためのゲイン設定部により制御することができる。
【００３１】
Ｖ／ｆ制御比は、基準設定部における速度設定指令値、周波数設定指令値あるいは電圧設定指令値を入力として、周波数指令値を決めるＶ／ｆ比設定部と電圧設定を行うゲイン設定部により制御することができる。
【００３２】
（第３の実施の形態）
図４〜図５は、基準値設定部５において、速度基準設定を周波数設定にしたものが図４であり、電圧設定にしたものが図５である。
【００３３】
（第４の実施の形態）
図６〜図７は、二軸成分電圧指令値を得る電圧ベクトル演算を個別に行っている図１に対して、二軸成分電圧のうち一方をゲイン調節部を介さずに構成したものである。
【００３４】
（第５の実施の形態）
インバータの制御対象である交流電動機が、同期電動機の制御システムの構成図を図８、誘導電動機の場合の構成図が図９、シンクロナスリラクタンス電動機の場合の構成図が図１０である。
【００３５】
（実施例１）
図１２は、交流電動機を同期電動機とし、図６に示す制御システムを具現化したＶ／ｆ制御による同期電動機の制御システムである。同図では、無効電流は回転座標変換により得ている例を示している。二軸成分電圧は回転逆座標変換したのちＰＷＭ制御信号を発生さる一例を示している。
【００３６】
以下、実施例１（図１２）に係る交流電動機制御装置の実験例１〜３について説明する。
【００３７】
［実験例１］
実施例１について、図１３の表のパラメータにてシミュレーションを行った結果が図１４である。図１４より、本発明の制御により、振動を伴うことなく安定に始動できていることが確認できる。
図１５は、比較として、２ｋＷの同期電動機に対して、一般的なＶγ＝０で制御したときの始動動作波形であり、速度指令Ｎｒに対して速度Ｎの振動現象が見られる。
【００３８】
［実験例２］
実施例１について、図１６のパラメータにて、０．５ｋＷの同期電動機に対して実験を行った。図１７は負荷時、図１８は無負荷時における始動動作波形であり、振動現象を伴うことなく安定に制御できることが確認できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る構成図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る構成図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る構成図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係る構成図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係る構成図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態に係る構成図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態に係る構成図である。
【図８】本発明の第５の実施の形態に係る構成図である。
【図９】本発明の第５の実施の形態に係る構成図である。
【図１０】本発明の第５の実施の形態に係る構成図である。
【図１１】本発明の第１の実施の形態の動作を説明するベクトル図である。
【図１２】本発明の実施例１に係る制御システム図である。
【図１３】本発明の実験例１に係るパラメータの表である。
【図１４】本発明の実験例１の波形である。
【図１５】本発明の実施例１の比較例の波形である。
【図１６】本発明の実験例２に係るパラメータの表である。
【図１７】本発明の実験例２の波形である。
【図１８】本発明の実験例２の波形である。
【符号の説明】
【００４０】
１  直流電源
２  インバータ回路
３  交流電動機
４  モータ電流検出部
５  基準値設定部
６  電圧設定部
７１  第１のゲイン調節部
７２  第２のゲイン調節部
８  周波数設定部
９  位相信号生成部
１０  無効電流演算部
１１  電流調節部
１２  電圧ベクトル演算部
１３  ＰＷＭ制御信号発生部
１６  電圧／周波数比設定部
１００  インバータ制御部
【図１】
2008228409.tif 000003
【図２】
2008228409.tif 000004
【図３】
2008228409.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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