(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
速度指令の周波数に比例した誘起電圧指令を出すＦＶ変換器と、前記速度指令を積分し位置指令を生成する積分器と、電動機に流れる電流を前記位置指令と同位相のγ軸電流と前記位置指令より９０度進んだ位相のδ軸電流と、に座標変換する電流座標変換器と、を備えた電動機制御装置であって、
前記δ軸電流を入力して比例微分制御によりδ軸電圧補正量を出力するδ軸安定器と、
前記速度指令から実速度までの制御系の二次式の伝達関数から導出される減衰係数が１になるように、前記電動機の電気定数及び機械定数の関数である、前記δ軸安定器の比例ゲイン及び微分ゲインを調整するδ軸安定化ゲイン調整器と、を備え、
前記誘起電圧指令と前記δ軸電圧補正量に基づいて、前記電動機を可変速制御することを特徴とする電動機制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータ回路を用いて電動機を目的の制御応答で速度制御するための速度センサレスの電動機制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電動機の速度センサレス駆動方式の一つとして、電動機に印加する電圧と周波数とをほぼ比例させて制御するＶ／ｆ制御方式がある。Ｖ／ｆ制御においては、駆動中の乱調防止や省エネを目的として、電動機のステータから検出した電流に応じて電動機に出力する電圧を調整する方式が提案されている。
【０００３】
第１の従来例である電動機制御装置は、モータ電流と回転位相から無効分電流を求め、無効分電流と無効分電流指令値とから誤差電圧を求めてモータのＶ／ｆ特性を補償している。（例えば、特許文献１参照。）また、第２の従来例である電動機制御装置は、２相分のステータ電流を位置指令値より９０度進んだ電流成分に座標変換する電流座標変換器と、電流座標変換器からの電流を通過させるローパスフィルタから出力された電流に比例した電圧補正量を生成する第１の電圧補正器と、電流座標変換器から出力された電流を通過させるハイパスフィルタから出力された電流に比例した電圧補正量を生成する第２の電圧補正器と、を備え、制御軸のδ軸成分の電流によって同期電動機の印加電圧を補正している。（例えば、特許文献２参照。）
【０００４】
図３は、第１の従来例である電動機制御装置の概略ブロック図である。図において、２はインバータ回路、４はモータ電流検出部、５はインバータ制御部、６は周波数設定部、７は波形生成部、８は無効分電流演算部、９は無効分電流指令部、１０は誤差電圧演算部、１１はＶ／ｆ変換部、１２は出力指令演算部、３１，３２は加算部である。また、１は電源、３はモータである。インバータ制御部５において、周波数設定部６にインバータ回路２を制御する入力信号の周波数が設定され、設定された周波数の入力信号が波形生成部７とＶ／ｆ変換部１１に出力される。波形生成部７は周波数設定部６からの出力信号を入力信号として回転位相信号を生成し、無効分電流演算部８と出力指令演算部１２に出力する。無効分電流演算部８はモータ電流検出部４の検出出力と波形生成部７の出力から無効分電流を求め、加算部３１の一端に入力する。加算部３１の他端には無効分電流指令部９から出力される無効分電流指令値が入力されている。加算部３１の加算出力は誤差電圧演算部１０に入力され、誤差電圧が求められる。誤差電圧演算部１０の出力は、加算部３２においてＶ／ｆ変換部１１の出力と加算され、加算結果の出力が出力指令演算部１２に入力される。出力指令演算部１２の出力はインバータ回路２に入力されインバータ回路２を駆動する。尚、モータ電流検出部４がＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電流を検出したとき出力する検出信号をＩｕ，Ｉｖ，Ｉｗとすると、無効分電流演算部８は式（１）に示す演算を行って、無効分電流検出値Ｉｒを求める。
【０００５】
【数１】
0004671181.tif 000002
【０００６】
図４は、第２の従来例である電動機制御装置の概略ブロック図である。図において、１はＦＶ変換器、２はインバータ回路、３は同期電動機、４は積分器、５は電流座標変換器、６，７は電圧補正器、８はローパスフィルタ、９はハイパスフィルタである。速度指令ωｒｍ＿ｒｅｆがＦＶ変換器１に入力され、ＦＶ変換器１は電圧指令Ｅ＿ｒｅｆを出力する。また、速度指令ωｒｍ＿ｒｅｆは積分器４に入力され、位置指令θ＿ｒｅｆを出力する。一方、同期電動機３の電機子電流Ｉｕ、Ｉｗは電流座標変換器５に入力され、位置指令θ＿ｒｅｆから９０度進んだ軸に座標変換して得られるδ軸電流Ｉδを出力する。δ軸電流Ｉδをローパスフィルタ８に通すことにより、ＬＰＦ＿ｏｕｔが出力される。ＬＰＦ＿ｏｕｔを入力として電圧補正器６は比例制御を行い、電圧補正量ΔＶ１を出力する。また、δ軸電流Ｉδをハイパスフィルタ９に通すことにより、ＨＰＦ＿ｏｕｔが出力される。ＨＰＦ＿ｏｕｔを入力として、電圧補正器７は比例制御を行い、電圧補正量ΔＶ２を出力する。この電圧補正量ΔＶ１とΔＶ２とを電圧指令Ｅ＿ｒｅｆに加え、補正後の電圧指令Ｖ＿ｒｅｆと位置指令θ＿ｒｅｆをインバータ回路２に入力し、インバータ回路２を駆動する。
【特許文献１】
特開２００３−２０４６９４号公報（６−８頁、図２）
【特許文献２】
特開２００５−１５１６１０号公報（３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
第１の従来例である電動機制御装置は、無効電流を調整するためエネルギー効率は良くなるが、制御応答や制御系の安定性がイナーシャやモータの電気定数に依存するため、モータによっては目的の制御応答が実現できないという問題があった。また、第２の従来例である電動機制御装置は、電圧補正器のゲインを手動で調整すれば、目的の制御応答を実現するとこが可能であるが、調整方法が実機検証による手動調整であるため、最適な調整を行うには時間がかかり、調整段階で制御系を発振させ装置を破損する危険があるという問題点があった。
なお、制御応答や制御系の安定性がイナーシャやモータの電気定数に依存することは、後述する。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、電流フィードバックによる比例微分制御器のゲインをモータの電気定数や機械定数によってオンラインで調整することにより、所望の制御応答や安定した制御系を実現することができる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】
【０００８】
上記問題を解決するために、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、速度指令の周波数に比例した誘起電圧指令を出すＦＶ変換器と、前記速度指令を積分し位置指令を生成する積分器と、電動機に流れる電流を前記位置指令と同位相のγ軸電流と前記位置指令より９０度進んだ位相のδ軸電流と、に座標変換する電流座標変換器と、を備えた電動機制御装置であって、前記δ軸電流を入力して比例微分制御によりδ軸電圧補正量を出力するδ軸安定器と、前記速度指令から実速度までの制御系の二次式の伝達関数から導出される減衰係数が１になるように、前記電動機の電気定数及び機械定数の関数である、前記δ軸安定器の比例ゲイン及び微分ゲインを調整するδ軸安定化ゲイン調整器と、を備え、前記誘起電圧指令と前記δ軸電圧補正量に基づいて、前記電動機を可変速制御するものである。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に記載の発明によると、所望の制御応答や安定した制御系を実現することができる。また、システム装置が破損する危険性を伴わないゲイン調整をオンラインで実施することができる。
また、モータの既知の電気定数や機械定数を用いることができ、容易にかつ短時間でゲイン調整をすることができる。また、制御するモータが変更となっても変更となるモータの既知の電気定数や機械定数を用いれば対応することができ、電動機制御装置の汎用性を高めることができる。
また、制御応答や制御系の安定性を考慮したゲイン調整をすることができる。また、ゲイン調整時のシステム装置が破損する危険性を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る電動機制御装置の概略ブロック図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る電動機制御装置の概略ブロック図である。
【図３】第１の従来例である電動機制御装置の概略ブロック図である。
【図４】第２の従来例である電動機制御装置の概略ブロック図である。
【符号の説明】
【００１１】
１１  ＦＶ変換器
１２  インバータ回路
１３  同期電動機
１４  積分器
１５，２１  電流座標変換器
１６  δ軸安定器
１７  δ軸安定化ゲイン調整器
１８  加算器
２２  γ軸安定器
２３  γ軸安定化ゲイン調整器
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【実施例１】
【００１３】
先ず、制御応答や制御系の安定性がイナーシャやモータの電気定数に依存することについて説明する。速度指令ωｒｅｆから実速度ωまでの制御系の伝達関数は式（２）で表され、式（２）より制御系の固有振動数ωｎ、減衰係数ξは式（３）で表される。
【００１４】
【数２】
0004671181.tif 000003
【００１５】
ここで、Φは電動機の磁束［ｗｂ］、Ｒは電動機の抵抗［Ω］、Ｌは電動機のインダクタンス［Ｈ］、Ｊは電動機のイナーシャ［ｋｇ・ｍ２］、ｐｏｌｅは電動機の極数である。
よって、式（３）より制御応答や安定性は、モータの電気定数や機械定数の組み合わせによって変動することがわかる。
【００１６】
図１は、本発明の第１の実施の形態における電動機制御装置の概略ブロック図である。図において、１１はＦＶ変換器、１２はインバータ回路、１３は同期電動機、１４は積分器、１５は電流座標変換器、１６はδ軸安定器、１７はδ軸安定化ゲイン調整器、１８は加算器である。
本発明が特許文献１と異なる部分は、積分器１４と電流座標変換器１５とδ軸安定器１６とδ軸安定化ゲイン調整器１７を備え、特許文献１の図３における無効分電流指令部９と波形生成部７と無効分電流演算部８と誤差電圧演算部１０を備えない点である。
また、本発明が特許文献２と異なる部分は、δ軸安定器１６とδ軸安定化ゲイン調整器１７を備え、特許文献２の図４における電圧補正器６，７とローパスフィルタ８とハイパスフィルタ９を備えない点である。
【００１７】
速度指令ωｒｅｆがＦＶ変換器１１に入力され、ＦＶ変換器１１は誘起電圧指令Ｅｒｅｆを出力する。また、速度指令ωｒｅｆは積分器１４に入力され、位置指令θｒｅｆを出力する。一方、同期電動機の電機子電流Ｉｕ、Ｉｗを電流座標変換器１５によって位置指令θｒｅｆから９０度進んだ位相に座標変換して得られるδ軸電流Ｉδを入力として、δ軸安定器１６は比例微分制御を行ない、δ軸電圧補正量ΔＶδを出力する。
ここで、制御応答や安定性を調整するために、電流を比例微分制御しその出力を電圧指令にフィードバックすると、制御系の伝達関数は式（４）で表され、制御系の固有振動数ωｎ、減衰係数ξは式（５）で表される。
【００１８】
【数３】
0004671181.tif 000004
【００１９】
式（５）より比例微分制御の比例ゲインＫ１、微分ゲインＫ２によって制御応答や安定性を調整できることがわかる。よって、制御応答をωｎ［ｒａｄ／ｓｅｃ］とし、オーバーシュートを防止するために減衰係数ξを臨界制動であるξ＝１になるようにするために、比例ゲインＫ１、微分ゲインＫ２を式（６）に設定すると良い。
【００２０】
【数４】
0004671181.tif 000005
【００２１】
比例微分制御を行なうδ軸安定器１６の比例ゲインＫ１と微分ゲインＫ２は、式（６）の演算処理を行っているδ軸安定化ゲイン調整器１７によって調整する。そして、ＦＶ変換器１１の出力である誘起電圧指令Ｅｒｅｆとδ軸安定器１６の出力であるδ軸電圧補正量ΔＶδとの和を加算器１８より求め、その出力であるδ軸電圧指令Ｖδｒｅｆと積分器１４の出力である位相指令θｒｅｆをインバータ回路１２に入力し、点弧が実施される。
【実施例２】
【００２２】
図２は、本発明の第２の実施の形態における電動機制御装置の概略ブロック図である。図において、２１は電流座標変換器、２２はγ軸安定器、２３はγ軸安定化ゲイン調整器、である。なお、実施例１の図１と同一符号の構成要素は同一の作用効果を奏するため、説明は省略する。
第２の実施の形態が図１に示した第１の実施の形態と異なる部分は、図１における電流座標変換器５の代わりに、同期電動機の電機子電流Ｉｕ、Ｉｗを入力しγ軸電流Ｉγとδ軸電流Ｉδを出力する電流座標変換器２１とγ軸電流を入力としてγ軸電圧補正量を出力するγ軸安定器２２とγ軸安定器の制御ゲインを調整するγ軸安定化ゲイン調整器２３を備える点である。
【００２３】
速度指令ωｒｅｆがＦＶ変換器１１に入力され、ＦＶ変換器１１は誘起電圧指令Ｅｒｅｆを出力する。また、速度指令ωｒｅｆは積分器１４に入力され、位置指令θｒｅｆを出力する。一方、同期電動機の電機子電流Ｉｕ、Ｉｗを電流座標変換器２１によって位置指令θｒｅｆと同位相に座標変換して得られるγ軸電流Ｉγを入力として、γ軸安定器２２は比例微分制御を行ない、γ軸電圧補正量ΔＶγを出力する。γ軸安定器２２の比例ゲインＫ１γと微分ゲインＫ２γは、式（６）の演算処理を行っているγ軸安定化ゲイン調整器２３によって調整する。さらに、同期電動機の電機子電流Ｉｕ、Ｉｗを電流座標変換器２１によって位置指令θｒｅｆから９０度進んだ位相に座標変換して得られるδ軸電流Ｉδを入力として、δ軸安定器１６は比例微分制御を行ない、δ軸電圧補正量ΔＶδを出力する。δ軸安定器１６の比例ゲインＫ１δと微分ゲインＫ２δは、式（６）の演算処理を行っているδ軸安定化ゲイン調整器１７によって調整する。そして、ＦＶ変換器１１の出力である誘起電圧指令Ｅｒｅｆとδ軸安定器１６の出力であるδ軸電圧補正量ΔＶδとの和を加算器１８より求め、その出力であるδ軸電圧指令Ｖδｒｅｆとγ軸電圧補正量ΔＶγと位相指令θｒｅｆをインバータ回路に入力し、点弧が実施される。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
電動機の速度センサレス駆動方式の電動機制御装置であり、インバータ回路を用いて電動機を目的の制御応答で速度制御し、所望の制御応答や安定した制御系を実現することができるので、駆動中の乱調防止や省エネを目的とした、エレベータ、クレーン、空調機等の分野に適用することができる。
【図１】
0004671181.tif 000006
【図２】
0004671181.tif 000007
【図３】
0004671181.tif 000008
【図４】
0004671181.tif 000009