(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電動機の１次電流を、静止座標系に対してある位相角を有する回転座標系の磁化電流およびトルク電流に変換する第１のベクトル回転手段と、磁化電流およびトルク電流がそれぞれ磁化電流指令およびトルク電流指令に一致するように調節動作を行う電流調節手段と、この電流調節手段の出力である回転座標系の電圧指令を静止座標系に変換して出力する第２のベクトル回転手段と、この第２のベクトル回転手段から出力される電圧指令に従って電力変換を行い、交流電動機を駆動する電力変換手段と、を備えた交流電動機のベクトル制御装置において、
前記位相角に同期して電力変換手段の出力周波数の６ｋ（ｋは自然数）倍の周波数を持つ変調信号を発生する変調信号発生手段と、
前記変調信号により磁化電流指令およびトルク電流指令を変調する変調手段と、
を備えたことを特徴とする交流電動機のベクトル制御装置。
【請求項２】
交流電動機の１次電流を、静止座標系に対してある位相角を有する回転座標系の磁化電流およびトルク電流に変換する第１のベクトル回転手段と、磁化電流およびトルク電流がそれぞれ磁化電流指令およびトルク電流指令に一致するように調節動作を行う電流調節手段と、この電流調節手段の出力である回転座標系の電圧指令を静止座標系に変換して出力する第２のベクトル回転手段と、この第２のベクトル回転手段から出力される電圧指令に従って電力変換を行い、交流電動機を駆動する電力変換手段と、を備えた交流電動機のベクトル制御装置において、
前記位相角に同期して電力変換手段の出力周波数の６ｋ（ｋは自然数）倍の周波数を持つ変調信号を発生する変調信号発生手段と、
前記変調信号により、第１のベクトル回転手段から出力される磁化電流およびトルク電流を変調する変調手段と、
を備えたことを特徴とする交流電動機のベクトル制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流電動機のベクトル制御装置に関し、詳しくは速度検出器の有無に関わらず交流電動機のトルクリプルや速度むらを低減させるようにしたベクトル制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
誘導電動機等の交流電動機のベクトル制御は、電機子電圧や電流等の諸量を回転磁界上でとらえ、これらの諸量を二次磁束方向及びこれと直交する方向に分離して制御することにより、交流電動機の発生トルクや速度を直流電動機と同様に制御するものである。
このベクトル制御においては、交流電動機の磁束ベクトルを求めるために電動機の回転速度を検出する必要があることから、一般に速度検出器が不可欠であるが、速度検出器の設置環境の制約や配線上の制約により、速度検出器を用いない、いわゆる速度センサレスベクトル制御も提案されてきている。
【０００３】
図６は、速度検出器を有する交流電動機（誘導電動機）のベクトル制御装置の従来技術を示している。
図６において、１０１は交流電動機、１０２は三相インバータ等の電力変換器、１０３は交流電動機１０１に取り付けられた速度検出器、１０４，１０５は磁化電流指令Ｉｄ＊、トルク電流指令Ｉｑ＊と磁化電流Ｉｄ、トルク電流Ｉｑの偏差がそれぞれ入力されて調節動作する電流調節器、１０６は各電流調節器１０４，１０５の出力である電圧指令および位相角（磁束ベクトル角）θが入力されて回転座標系から静止座標系への座標変換を行う第２のベクトル回転器、１０２はベクトル回転器１０６の出力である三相電圧指令に基づいて三相交流電圧を出力し、交流電動機１０１を駆動するインバータ等の電力変換器、１０７は電流検出器１１５により検出した１次電流ｉ１を位相角θに基づき回転座標変換して磁化電流Ｉｄおよびトルク電流Ｉｑに分解する第１のベクトル回転器、１１１は速度検出器１０３による検出速度ωｒが速度指令ωｒ＊に一致するように調節動作してトルク電流指令Ｉｑ＊を出力する速度調節器、１１０は磁化電流指令Ｉｄ＊およびトルク電流指令Ｉｑ＊が入力されてすべり周波数を演算するすべり周波数演算器、１１４はすべり周波数と速度ωｒとを加算して１次周波数ω１を演算する加算器、１０９は１次周波数を積分して位相角θを算出する積分器である。
【０００４】
この制御装置においては、電流調節器１０４，１０５から出力される電圧指令および位相角θをベクトル回転器１０６に与え、その出力である三相電圧指令に基づいて電力変換器１０２により交流電動機１０１に三相交流電圧を印加する。交流電動機１０１が誘導電動機の場合、すべりが存在するため、すべり周波数演算器１１０によってすべり周波数ωｓｌを求め、これに電動機１０１の速度ωｒを加算して１次周波数ω１を得る。この１次周波数ω１を積分することにより位相角θを得て、各ベクトル回転器１０６，１０７に与えている。
【０００５】
図７は、速度検出器を持たないベクトル制御装置（速度センサレスベクトル制御装置）の従来技術である。
この制御装置では、図６の速度検出器１０３の代わりに速度推定器２０１が設けられており、１次電流ｉ１、１次電圧ｖ１から速度推定値ωｒ’を演算して速度調節器１１１および加算器１１４に入力している。その他の構成、動作は図６と同様であるため、説明を省略する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
交流電動機１０１の固定子は、巻線を格納するためのスロットを持っている。ギャップ磁束は回転方向に対して正弦波分布であることが望ましいが、実際はスロットのために空間高調波を発生する。この空間高調波の影響によって、１次周波数（電力変換器の出力周波数）の６ｋ（ｋは自然数）倍のトルクリプルや速度むらが発生する。ところが、従来の制御方式では空間高調波のない理想状態の交流電動機を仮定しているので、トルクリプル等を抑制することが不可能であった。
そこで本発明は、交流電動機の空間高調波に起因するトルクリプルや速度むらを除去することができる交流電動機のベクトル制御装置を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
まず、１次周波数で回転する位相角を基準として回転座標上で制御を行うベクトル制御系から見ると、空間高調波は、トルクリプルと同様に１次周波数の６ｋ倍の成分となる。図５に、回転子から見た実際の磁化電流とトルク電流の波形を示す。
図示するように、磁化電流とトルク電流には空間高調波による１次周波数の６ｋ倍の成分が重畳している。ベクトル制御で使用する位相角は、固定子巻線の機械角（電気角に換算）に１対１で対応している。従って、空間高調波は、回転座標上では位相角に同期した６ｋ倍の成分を磁化電流とトルク電流とに重畳したのと同様の影響を及ぼす。
【０００８】
そこで請求項１記載の発明では、交流電動機の１次周波数の６ｋ倍の周波数を持つ変調信号を生成し、この変調信号を用いて空間高調波による影響とは逆特性で磁化電流指令およびトルク電流指令を変調する。これにより磁化電流指令とトルク電流指令に空間高調波とは逆位相の高調波を注入して空間高調波の影響を相殺し、トルクリプルや速度むらの発生を抑える。
【０００９】
また、請求項２記載の発明では、前記同様に交流電動機の１次周波数の６ｋ倍の周波数を持つ変調信号を生成し、この変調信号を用いて、空間高調波と同じ特性で第１のベクトル回転手段から得られる磁化電流およびトルク電流を変調する。この発明は、空間高調波の影響を推定演算した磁化電流及びトルク電流を制御することで、実際の磁化電流およびトルク電流に空間高調波によるトルクリプルが発生しないように制御するものであり、ベクトル制御装置において直接観測できない電動機内部の実際の磁化電流及びトルク電流と同じ特性の磁化電流及びトルク電流を算出するために、空間高調波の影響と同じ特性で変調を行う。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は請求項１に記載した発明の一実施形態（第１実施形態）を示すブロック図である。この実施形態は速度検出器を持つベクトル制御装置に関するものであり、図６と同一の構成要素には同一の参照符号を付してある。
【００１１】
図１において、１０８は磁化電流指令Ｉｄ＊およびトルク電流指令Ｉｑ＊が入力される変調器であり、変調信号発生器１１７から出力される変調信号に従って磁化電流指令Ｉｄ＊およびトルク電流指令Ｉｑ＊を交流電動機１０１の空間変調波と同じ特性で変調し、新たな磁化電流指令およびトルク電流指令としてそれぞれ電流調節器１０４，１０５に出力する。
ここで、変調信号発生器１１７は、積分器１０９からの位相角θに同期した、１次周波数ω１の６ｋ（ｋは自然数）倍の周波数を持つ変調信号を発生する。
【００１２】
このように構成すると、図５のように本来的に磁化電流Ｉｄおよびトルク電流Ｉｑに重畳される空間高調波の影響を、逆特性の変調信号により変調した磁化電流指令Ｉｄ＊およびトルク電流指令Ｉｑ＊を用いることで相殺することができる。
これにより、空間高調波に起因する電動機１０１のトルクリプルや速度むらを低減することが可能である。
【００１３】
次に、図２は請求項１に記載した発明の他の実施形態（第２実施形態）を示しており、速度センサレスベクトル制御装置の例である。
この実施形態が図１と異なるのは、図１における速度検出器１０３の代わりに速度推定器２０１を用いる点であり、その他の構成は図１と同様である。
【００１４】
すなわち、速度推定器２０１は、電動機１０１の１次電流ｉ１および１次電圧ｖ１に基づいて速度推定値ωｒ’を演算する。
ここで、速度推定方法は種々存在し、回転座標上において１次電流ｉ１から演算した２次磁束と１次電圧ｖ１から演算した２次磁束とが一致するように電流モデルの速度項を調整して速度を同定する方法（たとえば、玉井ほかによる「MRASを用いた速度センサレスベクトル制御とその応用」（平成３年電気学会全国大会S.9-5-3）を参照）等が考えられるが、これ以外にも、種々の方法がある（海田英俊「誘導機のベクトル制御の基礎と制御システムの実際構成，III速度センサレスベクトル制御システムの実際構成」（電気学会論文誌Ｄ，117巻５号，平成９年）等を参照）。
【００１５】
上記速度推定値は加算器１１４においてすべり周波数ωｓｌと加算され、１次周波数ω１が演算される。なお、以下の動作は図１の実施形態と同一である。
この実施形態においても、磁化電流指令Ｉｄ＊およびトルク電流指令Ｉｑ＊を１次周波数ω１の６ｋ倍の周波数を持つ変調信号により変調することで、空間高調波による影響を相殺してトルクリプル等を低減することができる。
【００１６】
図３は請求項２に記載した発明の一実施形態（第３実施形態）を示しており、速度検出器を持つベクトル制御装置の例である。
この実施形態では、１次電流ｉ１を磁化電流Ｉｄおよびトルク電流Ｉｑに分解する第１のベクトル回転器１０７の出力側に変調器３０１が設けられており、１次周波数の６ｋ倍の変調信号によって磁化電流Ｉｄおよびトルク電流Ｉｑを空間高調波とは逆の特性で変調する。そして、変調された磁化電流Ｉｄおよびトルク電流Ｉｑがそれぞれ電流調節器１０４，１０５に入力される。
なお、これらの変調手段以外の構成、動作は、図１と同一である。
【００１７】
本実施形態では、図５に示す空間高調波の影響を受けた磁化電流およびトルク電流を空間高調波の影響と同じ特性で変調することで、変調しない場合の磁化電流およびトルク電流のようにすることができ、見かけ上は空間高調波の影響のない磁化電流Ｉｄおよびトルク電流Ｉｑを得ることができる。
これにより、空間高調波に起因する電動機１０１のトルクリプルや速度むらを低減することが可能である。
【００１８】
図４は請求項２に記載した発明の他の実施形態（第４実施形態）を示しており、速度センサレスベクトル制御装置の例である。
速度推定器２０１の動作は前述した図２の実施形態と同様であり、変調信号発生器１１７および変調器３０１の動作は前述した図３の実施形態と同様であるため、動作説明を省略する。
この実施形態においても、ベクトル回転器１０７の出力である磁化電流Ｉｄおよびトルク電流Ｉｑから空間高調波の影響を除去し、電動機１０１のトルクリプルや速度むらを低減することができる。
【００１９】
【発明の効果】
以上のように請求項１または請求項２記載に記載した発明によれば、交流電動機のスロット構造によらず、磁化電流およびトルク電流の変調によって空間高調波の影響を電気的に打ち消すことができ、電動機のトルクリプルや速度むらを生じない滑らかな駆動特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示すブロック図である。
【図２】本発明の第２実施形態を示すブロック図である。
【図３】本発明の第３実施形態を示すブロック図である。
【図４】本発明の第４実施形態を示すブロック図である。
【図５】回転子から見た等価的な磁化電流、トルク電流の波形図である。
【図６】従来技術を示すブロック図である。
【図７】従来技術を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０１  交流電動機
１０２  電力変換器
１０３  速度検出器
１０４，１０５  電流調節器
１０６，１０７  ベクトル回転器
１０８，３０１  変調器
１０９  積分器
１１０  すべり周波数演算器
１１１  速度調節器
１１４  加算器
１１５  電流検出器
１１７  変調信号発生器
２０１  速度推定器
【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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