(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機を駆動する電力変換装置の制御装置であって、
前記電力変換装置から出力される電流を検出する電流検出部と、
前記電流検出部により検出された電流に基づいて、前記電動機の磁束ベクトルを推定する磁束ベクトル推定部と、
前記磁束ベクトル推定部により推定された前記磁束ベクトルに基づいて、前記電動機の等価的な電気回路を数式化した物理モデルにおいて、次の制御周期において所望のトルクにするラインを示すトルクラインを演算するトルクライン演算部と、
損失量に応じて固定子磁束指令値を演算する固定子磁束指令値演算部と、
前記トルクライン演算部により演算された前記トルクライン及び前記固定子磁束指令値演算部により演算された前記固定子磁束指令値に基づいて、電圧指令値を演算する電圧指令値演算部と、
前記電圧指令値演算部により演算された前記電圧指令値に基づいて、前記電力変換装置の出力電圧を制御する出力電圧制御部と
を備えることを特徴とする電力変換装置の制御装置。
【請求項２】
前記電圧指令値演算部は、制御周期毎に、固定子磁束が前記物理モデルから導出した目標値に達するように前記電圧指令値を演算すること
を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置の制御装置。
【請求項３】
前記固定子磁束指令値演算部は、前記電動機にブレーキを掛ける場合、前記損失量を最大にすること
を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置の制御装置。
【請求項４】
前記固定子磁束指令値演算部は、前記電動機が力行の場合、前記損失量を最小にすること
を特徴とする請求項３に記載の電力変換装置の制御装置。
【請求項５】
電動機と、
前記電動機を駆動する電力変換部と、
前記電力変換部を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、
前記電力変換部から出力される電流を検出する電流検出部と、
前記電流検出部により検出された電流に基づいて、前記電動機の磁束ベクトルを推定する磁束ベクトル推定部と、
前記磁束ベクトル推定部により推定された前記磁束ベクトルに基づいて、前記電動機の等価的な電気回路を数式化した物理モデルにおいて、次の制御周期において所望のトルクにするラインを示すトルクラインを演算するトルクライン演算部と、
損失量に応じて演算される固定子磁束指令値を演算する固定子磁束指令値演算部と、
前記トルクライン演算部により演算された前記トルクライン及び前記固定子磁束指令値演算部により演算された前記固定子磁束指令値に基づいて、電圧指令値を演算する電圧指令値演算部と、
前記電圧指令値演算部により演算された前記電圧指令値に基づいて、前記電力変換部の出力電圧を制御する出力電圧制御部と
を備えることを特徴とするモータドライブシステム。
【請求項６】
前記電圧指令値演算部は、制御周期毎に、固定子磁束が前記物理モデルから導出した目標値に達するように前記電圧指令値を演算すること
を特徴とする請求項５に記載のモータドライブシステム。
【請求項７】
前記固定子磁束指令値演算部は、前記電動機にブレーキを掛ける場合、前記損失量を最大にすること
を特徴とする請求項５に記載のモータドライブシステム。
【請求項８】
前記固定子磁束指令値演算部は、前記電動機が力行の場合、前記損失量を最小にすること
を特徴とする請求項７に記載のモータドライブシステム。
【請求項９】
電動機を駆動する電力変換装置の制御方法であって、
前記電力変換装置から出力される電流を検出し、
検出した電流に基づいて、前記電動機の磁束ベクトルを推定し、
推定した前記磁束ベクトルに基づいて、前記電動機の等価的な電気回路を数式化した物理モデルにおいて、次の制御周期において所望のトルクにするラインを示すトルクラインを演算し、
損失量に応じて固定子磁束指令値を演算し、
演算した前記トルクライン及び演算した前記固定子磁束指令値に基づいて、電圧指令値を演算し、
演算した前記電圧指令値に基づいて、前記電力変換装置の出力電圧を制御すること
を含むことを特徴とする電力変換装置の制御方法。
【請求項１０】
制御周期毎に、固定子磁束が前記物理モデルから導出した目標値に達するように前記電圧指令値を演算すること
を特徴とする請求項９に記載の電力変換装置の制御方法。
【請求項１１】
前記電動機にブレーキを掛ける場合、前記損失量を最大にすること
を特徴とする請求項９に記載の電力変換装置の制御方法。
【請求項１２】
前記電動機が力行の場合、前記損失量を最小にすることを特徴とする請求項１１に記載の電力変換装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機を駆動する電力変換装置の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、電動機を減速する方法として、回生ブレーキが知られている。回生ブレーキを使用する場合、電動機で発生した回生エネルギーを消費する必要がある。回生エネルギーを消費する方法としては、例えば、インバータの直流側に抵抗を設け、抵抗でエネルギーを消費する方法がある。この場合、新たにハードウェアとして抵抗などを追加する必要がある。もう１つの方法として、電源側にエネルギーを戻す方法がある。この場合、電動機を駆動するインバータに直流電力を供給するコンバータが逆変換できなければならず、ダイオード整流器よりも高価なコンバータに置き換える必要がある。これらの課題に対して、次のようなインバータの制御による方法が提案されている。
【０００３】
第１の方式は、間接型ベクトル制御(IFOC, indirect field oriented control)方式を用いて、直流コンデンサ電圧が上限値を越えない範囲で磁束を強めて電動機にエネルギーを消費させる方法である（非特許文献１参照）。
【０００４】
第２の方式は、他周波数重畳方式である。この方式も上述のＩＦＯＣを用いたブレーキ方式であり、比較的低い次数の周波数の電流を出力電流に重畳させることにより電動機にエネルギーを消費させる方法である（非特許文献２参照）。
【０００５】
第３の方式は、高調波重畳方式であり、上述のＩＦＯＣを用いたブレーキ方式である。この方式では、高調波成分を多く含む電流を出力電流に重畳させることにより電動機にエネルギーを消費させる方法である（非特許文献３参照）。
【０００６】
ＩＦＯＣは一般的なベクトル制御として知られる電動機の制御方法である。しかしながら、上記のいずれの方式も原理的に次のような課題がある。ＩＦＯＣは、電流を制御することにより間接的に磁束を制御する方法であり、電流と磁束との間に電動機定数により決定される一次遅れ系の伝達関数が存在する。このため、この一次遅れを超えた電動機の応答性は期待できない。また、第２及び第３の方法は、どちらもインバータ出力周波数以外の周波数が重畳されており、これにより原理的にトルク脈動が発生する。
【０００７】
上記３つの方式に対して、第４の方式として直接トルク制御方式がある。この方式は、トルクと磁束を直接制御することにより、固定子磁束の増加を高速で応答させて、電動機にエネルギーを消費させる方法である。この制御では磁束を直接制御することが可能であるため、一次遅れの影響を受けることがなく、ＩＦＯＣと比べて高い応答性を得ることができる。しかし、電動機を駆動するインバータ側のスイッチングパターンを決定するために、トルク制御と磁束制御にヒステリシスを設ける必要がある。これにより原理的にトルク脈動が発生する（非特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】マルコ・ヒンカネン(Marko Hinkkanen)、外１名、「Braking Scheme for Vector-Controlled Induction Motor Drives Equipped With Diode Rectifier Without Braking Resistor」、IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS、IEEE、2006年9月/10月、VOL. 42、No. 5、p. 1257-1263
【非特許文献２】ムクル・ラストギ(Mukul Rastogi) 、外１名、「Dual-Frequency Braking in AC Drives」、IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS、IEEE、2002年11月、VOL. 17、No. 6、p. 1032-1040
【非特許文献３】ジンシェン・ジャン(Jinsheng Jiang)、外１名、「An Efficient Braking Method for Controlled AC Drives With a Diode Rectifier Front End」、IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS、IEEE、2001年9月/10月、VOL. 37、No. 5、p. 1299-1307
【非特許文献４】クリスチャン・ラスク(Cristian Lascu)、外２名、「A Modified Direct Torque Control for Induction, Motor Sensorless Drive」、IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS、IEEE、2000年1月/2月、VOL. 36, No. 1、p. 122-130
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、トルク脈動を発生させずに応答性の良いブレーキを電動機に掛けることのできる電力変換装置の制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の観点に従った電力変換装置の制御装置は、電動機を駆動する電力変換装置の制御装置であって、前記電力変換装置から出力される電流を検出する電流検出部と、前記電流検出部により検出された電流に基づいて、前記電動機の磁束ベクトルを推定する磁束ベクトル推定部と、前記磁束ベクトル推定部により推定された前記磁束ベクトルに基づいて、前記電動機の等価的な電気回路を数式化した物理モデルにおいて、次の制御周期において所望のトルクにするラインを示すトルクラインを演算するトルクライン演算部と、損失量に応じて固定子磁束指令値を演算する固定子磁束指令値演算部と、前記トルクライン演算部により演算された前記トルクライン及び前記固定子磁束指令値演算部により演算された前記固定子磁束指令値に基づいて、電圧指令値を演算する電圧指令値演算部と、前記電圧指令値演算部により演算された前記電圧指令値に基づいて、前記電力変換装置の出力電圧を制御する出力電圧制御部とを備える。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、トルク脈動を発生させずに応答性の良いブレーキを電動機に掛けることのできる電力変換装置の制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るモータドライブシステムの構成を示す構成図。
【図２】第１の実施形態に係る誘導電動機の物理モデルから導出されたトルクラインと、次の制御周期に出力可能な固定子磁束の範囲と、損失モデルを同一の電圧−時間座標系に示した概念図。
【図３】第１の実施形態に係る誘導電動機の固定子磁束の大きさの範囲を解析的に示すグラフ図。
【図４】第１の実施形態に係る制御装置によるブレーキ時の制御による速度の軌跡を示すグラフ図。
【図５】第１の実施形態に係る制御装置によるブレーキ時の制御による磁束指令値の軌跡を示すグラフ図。
【図６】第１の実施形態に係る制御装置によるブレーキ時の制御によるトルクの軌跡を示すグラフ図。
【図７】第１の実施形態に係る制御装置によるブレーキ時の制御による直流電圧の軌跡を示すグラフ図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るモータドライブシステム１０の構成を示す構成図である。なお、図面における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。
【００１４】
モータドライブシステム１０は、制御装置１、交流電源２、ダイオード整流器３、コンデンサ４、インバータ５、誘導電動機６、三相分の電流検出器７ａ，７ｂ，７ｃ、及び位相センサ８を備える。モータドライブシステム１０は、誘導電動機６を動力源として、負荷機械９を運転する。
【００１５】
交流電源２は、三相交流電力をダイオード整流器３に供給する。例えば、交流電源２は、商用電力系統(grid)である。
【００１６】
ダイオード整流器３は、交流電源２から供給された三相交流電力を直流電力に変換する。なお、インバータ５に直流電力を供給する電源であればなんでもよい。但し、交流電源２に電力を回生しないため、回生不可のものでよい。
【００１７】
コンデンサ４は、ダイオード整流器３とインバータ５を接続する直流リンクに設けられている。コンデンサ４は、直流リンクに印加される直流電圧（直流リンク電圧）を平滑化する。
【００１８】
インバータ５は、ダイオード整流器３から供給された直流電力を、誘導電動機６を駆動する三相交流電力に変換する。インバータ５は、電圧形インバータ(voltage source inverter)である。インバータ５は、制御装置１によるＰＷＭ(pulse width modulation)制御により、ＶＶＶＦ(variable voltage variable frequency)制御される。インバータ５の電力変換回路は、３つのアームで構成されている。１つのアームは、上アームと下アームで構成される。上アーム及び下アームは、少なくとも１つのスイッチング素子で構成されている。
【００１９】
誘導電動機６は、インバータ５から出力される三相交流電力により駆動する。
【００２０】
三相分の電流検出器７ａ，７ｂ，７ｃは、インバータ５の出力側の各相に設けられている。電流検出器７ａ，７ｂ，７ｃは、各相の固定子電流Ｉａｓ，Ｉｂｓ，Ｉｃｓをそれぞれ検出する。電流検出器７ａ，７ｂ，７ｃは、検出した三相固定子電流Ｉａｓ，Ｉｂｓ，Ｉｃｓを制御装置１に出力する。固定子電流Ｉａｓ，Ｉｂｓ，Ｉｃｓは、インバータ５から出力され、誘導電動機６の固定子に流れる電流である。なお、二相分の電流を検出すれば、残り１相の電流は演算可能なので、二相分のみに電流検出器が設けられていてもよい。
【００２１】
位相センサ８は、誘導電動機６の回転子角度（電気角）θｒ（ｋ）を推定するために、回転子の回転に応じて出力される信号を検出する。位相センサ８は、検出した信号を制御装置１に出力する。ここで、符号のカッコ内の‘ｋ’は、制御サンプリングのステップ数を表す変数である。以降において付される符号についても、カッコ内は制御サンプリングのステップ数を表すものとする。
【００２２】
負荷機械９は、誘導電動機６に接続された慣性負荷である。負荷機械９は、誘導電動機６の駆動により運転する。例えば、負荷機械９は、ファン又はブロアなどである。
【００２３】
制御装置１は、電流検出器７ａ，７ｂ，７ｃにより検出された相電流Ｉａｓ，Ｉｂｓ，Ｉｃｓ及び位相センサ８により検出された検出信号に基づいて、誘導電動機６の出力電力を制御する。これにより、誘導電動機６の駆動が制御される。制御装置１は、制御方式として、デッドビート直接トルク＆磁束制御（ＤＢ−ＤＴＦＣ）方式を採用している。
【００２４】
ＤＢ−ＤＴＦＣとは、制御周期毎（１サンプリング毎など）に、誘導電動機６のトルク及び磁束を直接的に目標値に達するように制御する方式である。また、デッドビート制御とは、制御周期毎に誘導電動機６の物理モデルから導出した目標値に達するように逐次制御する方法をいう。制御装置１は、ブレーキ時は回生エネルギーを消費させるために、損失が最大になるように操作する。また、損失モデルを用いれば、力行時に損失最小となる制御を行うことも可能である。
【００２５】
また、ＤＢ−ＤＴＦＣは、ベクトル制御の１つである。この制御で用いる複素ベクトルは、ｄ軸とｑ軸が直交する直交座標系で表したベクトルである。ここで、ｄ軸は虚軸であり、ｑ軸は実軸である。
【００２６】
制御装置１は、速度・位相推定部（オブザーバー）１１、速度制御部１２、ブレーキ用制御切替部１３、損失操作量演算部１４、ＤＢ−ＤＴＦＣ演算部１５、２つの座標変換部１６，１７、及び電流・磁束推定部（オブザーバー）１８を備える。
【００２７】
速度・位相推定部１１には、位相センサ８により検出された検出信号及びブレーキ用制御切替部１３から出力されたトルク指令値Ｔｅｍ＊（ｋ）が入力される。トルク指令値Ｔｅｍ＊（ｋ）は、エアギャップトルクに対する指令値である。速度・位相推定部１１は、入力された位相センサ８からの検出信号及びトルク指令値Ｔｅｍ＊（ｋ）に基づいて、回転子角度推定値θｒ０（ｋ）及び回転子角速度推定値（速度フィードバック値）ωｒ０（ｋ）を演算する。速度・位相推定部１１は、演算した回転子角度推定値θｒ０（ｋ）を電流・磁束推定部１８に、演算した回転子角速度推定値ωｒ０（ｋ）を速度制御部１２に出力する。
【００２８】
速度制御部１２には、回転子角速度指令値ωｒ＊（ｋ）及び速度・位相推定部１１により演算された回転子角速度推定値ωｒ０（ｋ）が入力される。速度制御部１２は、回転子角速度推定値ωｒ０（ｋ）が回転子角速度指令値ωｒ＊（ｋ）に追従するように、トルク指令値Ｔｅｍ１＊（ｋ）を演算する。例えば、速度制御部１２は、比例積分（PI, proportional-plus-integral control)制御を行う。速度制御部１２は、演算したトルク指令値Ｔｅｍ１＊（ｋ）をブレーキ用制御切替部１３に出力する。
【００２９】
ブレーキ用制御切替部１３には、速度制御部１２により演算されたトルク指令値Ｔｅｍ１＊（ｋ）、予め設定された固定子ｄｑ軸磁束指令値λｑｄｓ１＊、ブレーキ準備フラグＦｇ１、及びブレーキ開始フラグＦｇ２が入力される。ブレーキ用制御切替部１３は、ブレーキ準備フラグＦｇ１及びブレーキ開始フラグＦｇ２に基づいて、トルク指令値Ｔｅｍ＊（ｋ）及び固定子ｄｑ軸磁束指令値λｑｄｓ＊（ｋ）を、通常運転時に使用する値と、ブレーキ時に使用する値にそれぞれ切り替える。ブレーキ用制御切替部１３は、トルク指令値Ｔｅｍ＊（ｋ）を速度・位相推定部１１及びＤＢ−ＤＴＦＣ演算部１５に出力し、固定子ｄｑ軸磁束指令値λｑｄｓ＊（ｋ）をＤＢ−ＤＴＦＣ演算部１５に出力する。ここで、ブレーキ用制御切替部１３から出力される固定子ｄｑ軸磁束指令値λｑｄｓ＊（ｋ）は、スカラ量である。
【００３０】
通常時は、ブレーキ用制御切替部１３は、速度制御部１２から出力されたトルク指令値Ｔｅｍ１＊（ｋ）を、最終的に決定したトルク指令値Ｔｅｍ＊（ｋ）として出力し、予め設定された固定子ｄｑ軸磁束指令値λｑｄｓ１＊を固定子ｄｑ軸磁束指令値λｑｄｓ＊（ｋ）として出力する。なお、通常時に用いる固定子ｄｑ軸磁束指令値λｑｄｓ＊（ｋ）は、任意の値にすることができる。
【００３１】
ブレーキが開始される際、制御装置１は、ブレーキ準備フラグＦｇ１を立てて、固定子ｄｑ軸磁束指令値λｑｄｓ＊（ｋ）を損失最大となる値に変化させる。固定子ｄｑ軸磁束が損失最大となる値に到達したら、制御装置１は、ブレーキ開始フラグＦｇ２を立てて、速度制御からトルク制御に切り替え、直流リンク（コンデンサ４）の電圧上昇が許容範囲となる最大のトルク指令値Ｔｅｍ＊（ｋ）でトルク制御をして、ブレーキを掛ける。損失最大となるトルク指令値Ｔｅｍ＊（ｋ）及び固定子ｄｑ軸磁束指令値λｑｄｓ＊（ｋ）は、速度の関数で表される。ブレーキ用制御切替部１３の内部にある損失操作量演算部１４には、予めこれらの速度関数が設定されている。ブレーキ中は、損失操作量演算部１４は、これらの速度関数を用いて、電動機の速度に応じてトルク指令値Ｔｅｍ＊（ｋ）及び固定子ｄｑ軸磁束指令値λｑｄｓ＊（ｋ）を変化させる。
【００３２】
ＤＢ−ＤＴＦＣ演算部１５には、電流・磁束推定部１８により演算された固定子ｄｑ軸磁束推定値λｑｄｓ０（ｋ）及び回転子ｄｑ軸磁束推定値λｑｄｒ０（ｋ）、及びブレーキ用制御切替部１３から出力されたトルク指令値Ｔｅｍ＊（ｋ）及び固定子ｄｑ軸磁束指令値λｑｄｓ＊（ｋ）が入力される。ＤＢ−ＤＴＦＣ演算部１５には、誘導電動機６の物理モデルが予め設定されている。物理モデルは、誘導電動機６を等価的な電気回路に置き換えて数式化したものである。
【００３３】
ＤＢ−ＤＴＦＣ演算部１５は、物理モデルを用いて、トルク指令値Ｔｅｍ＊（ｋ）、固定子ｄｑ軸磁束指令値λｑｄｓ＊（ｋ）、固定子ｄｑ軸磁束推定値λｑｄｓ０（ｋ）、及び回転子ｄｑ軸磁束推定値λｑｄｒ０（ｋ）に基づいて、ＤＢ−ＤＴＦＣを実行するための演算処理を行う。ＤＢ−ＤＴＦＣ演算部１５は、次の制御周期において所望のトルクにするラインを示すトルクラインＴｅ（ｋ＋１）を演算する。即ち、固定子磁束指令値がトルクラインＴｅ（ｋ＋１）上にあれば、次の制御周期において、所望した通りのトルクにすることができる。
【００３４】
ＤＢ−ＤＴＦＣ演算部１５は、トルクラインＴｅ（ｋ＋１）に基づいて、電圧−時間座標系において、損失量を考慮して固定子磁束指令値を決定する。電圧−時間とは、電圧と時間（秒）の積であり、磁束を表す物理量である。ＤＢ−ＤＴＦＣにおける操作量は磁束であるため、磁束を電圧−時間と表記した制御周期とインバータ出力電圧との積として扱うことで、インバータ５の出力電圧を演算する。ブレーキ時は、ＤＢ−ＤＴＦＣ演算部１５は、損失量が最大となるように電圧−時間（磁束）のベクトル量を決定する。ＤＢ−ＤＴＦＣ演算部１５は、決定した電圧−時間のベクトル値に基づいて、インバータ５の出力電圧に対する指令値で、ｄｑ軸座標系で表した固定子ｄｑ軸電圧指令値Ｖｑｄｓ＊を演算する。ＤＢ−ＤＴＦＣ演算部１５は、演算した固定子ｄｑ軸電圧指令値Ｖｑｄｓ＊を座標変換部１６に出力する。また、ＤＢ−ＤＴＦＣ演算部１５は、固定子ｄｑ軸電圧指令値Ｖｑｄｓ＊を電流・磁束推定部１８で用いる固定子ｄｑ軸電圧Ｖｑｄｓ（ｋ）として、電流・磁束推定部１８に出力する。
【００３５】
座標変換部１６は、固定子ｄｑ軸電圧指令値Ｖｑｄｓ＊を三相固定子電圧指令値Ｖａｓ＊，Ｖｂｓ＊，Ｖｃｓ＊に変換する。座標変換部１６は、変換した三相固定子電圧指令値Ｖａｓ＊，Ｖｂｓ＊，Ｖｃｓ＊をインバータ５に出力する。インバータ５は、入力された三相固定子電圧指令値Ｖａｓ＊，Ｖｂｓ＊，Ｖｃｓ＊に従って、三相交流電圧を出力する。
【００３６】
座標変換部１７には、電流検出器７ａ，７ｂ，７ｃにより検出され、インバータ５から出力された三相固定子電流Ｉａｓ，Ｉｂｓ，Ｉｃｓが入力される。なお、座標変換部１７には、二相分の電流が入力され、座標変換部１７は、残り１相の電流を演算してもよい。座標変換部１７は、三相固定子電流Ｉａｓ，Ｉｂｓ，Ｉｃｓを、電流・磁束推定部１８の演算で用いる固定子ｄｑ軸電流ｉｑｄｓ（ｋ）に変換する。  電流・磁束推定部１８は、速度・位相推定部１１により演算された回転子角度推定値θｒ０（ｋ）、座標変換部１７により演算された固定子ｄｑ軸電圧指令値Ｖｑｄｓ＊（ｋ）、及び座標変換部１７により演算された固定子ｄｑ軸電流ｉｑｄｓ（ｋ）が入力される。電流・磁束推定部１８は、回転子角度推定値θｒ０（ｋ）、固定子ｄｑ軸電圧指令値Ｖｑｄｓ＊（ｋ）、及び固定子ｄｑ軸電流ｉｑｄｓ（ｋ）に基づいて、固定子ｄｑ軸磁束推定値λｑｄｓ０（ｋ）及び回転子ｄｑ軸磁束推定値λｑｄｒ０（ｋ）を演算する。電流・磁束推定部１８は、演算した２つの磁束推定値λｑｄｓ０（ｋ），λｑｄｒ０（ｋ）をＤＢ−ＤＴＦＣ演算部１５に出力する。
【００３７】
次に、ＤＢ−ＤＴＦＣの制御原理(control law)について説明する。
【００３８】
図２は、本実施形態に係る誘導電動機６の物理モデルから導出されたトルクラインＴｅ（ｋ＋１）と、次の制御周期に出力可能な固定子磁束の範囲と、損失モデルを同一の電圧−時間座標系に示した概念図である。
【００３９】
ＤＢ−ＤＴＦＣで用いる制御変数は、トルク指令値（エアーギャップトルク）Ｔｅｍ＊（ｋ）と固定子磁束ベクトル指令値λｑｄｓ＊（ｋ）である。
【００４０】
ここで、インバータ５の電力変換回路は、上アーム及び下アームがそれぞれ１つのスイッチング素子で構成されているものとする。このとき、電力変換回路は、６つのスイッチング素子で構成される。６つのスイッチング素子のスイッチングパターンは、全部で８通りである。この８通りのスイッチングパターンで、インバータ５から出力可能な電圧ベクトルは、図２に示すように、六角形になる。従って、インバータ５から出力可能な範囲は、この六角形の内側になる。
【００４１】
トルクラインＴｅ（ｋ＋１）は、次の制御周期において所望のトルクにするための固定子磁束ベクトルλｑｄｓ（ｋ＋１）を示すラインである。トルクラインＴｅ（ｋ＋１）は、トルク指令値Ｔｅｍ＊（ｋ）、固定子磁束ベクトルλｑｄｓ（ｋ）、及び回転子磁束ベクトルλｑｄｒ（ｋ）により決定される。
【００４２】
損失は、固定子磁束ベクトルλｑｄｓ（ｋ＋１）と誘導電動機６の電気回路に基づいて予め設定された損失モデルとの距離により決まる。従って、固定子磁束ベクトルλｑｄｓ（ｋ＋１）を、損失モデルに応じてトルクラインＴｅ（ｋ＋１）上の値を決定することにより、所望のトルクを出力しつつ損失を変化させることができる。
【００４３】
図３は、本実施形態に係る誘導電動機６の固定子磁束の大きさの範囲を解析的に示すグラフ図である。縦軸は固定子磁束の大きさを示し、横軸は回転子の速度を示し、奥行きはトルクの大きさを示している。
【００４４】
ＤＢ−ＤＴＦＣでは、固定子磁束の大きさを図３に示す範囲内で制御する必要がある。固定子磁束の大きさの範囲は、電圧、電流、及び負荷条件(loading condition)により制限される。固定子磁束の大きさの下限Ｌｍ３は、負荷条件によりトルクに応じて決定される。回転子の速度が比較的遅い場合、固定子磁束の大きさの上限Ｌｍ１は、インバータ５又は誘導電動機６の定格電流により制限される。回転子の速度が所定値（図３では、約０．７ｐ．ｕ）を超えると、固定子磁束の大きさの上限Ｌｍ２は、発生する誘起電圧に応じて制限される。
【００４５】
また、インバータ５の直流電圧を、ある程度の幅（例えば、５％）を許容する構成にすることで、インバータ５の直流電圧を一定に維持する場合と比較して、ブレーキのトルク（力行方向を正とすると負のトルク）を強めることができる。
【００４６】
図４〜図７を参照して、制御装置１によるブレーキ時の制御について説明する。図４〜図７は、ブレーキ時の各パラメータの軌跡Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を示している。軌跡Ｌ１は、コンデンサ４の電圧変動（上昇）を許容しない場合を示している。軌跡Ｌ２は、コンデンサ４の電圧変動（上昇）を５％以内で許容する場合を示している。また、軌跡Ｌ３は、本実施形態と比較するため、磁束を一定（１［ｐ．ｕ．］）にした場合を示している。図４は、速度の軌跡Ｌ１〜Ｌ３を示している。図５は、磁束指令値の軌跡Ｌ１〜Ｌ３を示している。図６は、トルクの軌跡Ｌ１〜Ｌ３を示している。図７は、直流電圧の軌跡Ｌ１〜Ｌ３を示している。図５〜図７に示す各パラメータの軌跡Ｌ１〜Ｌ３は、それぞれ図４に示す速度の軌跡Ｌ１〜Ｌ３に応じて変化したものである。
【００４７】
まず、ブレーキを実行するために、ブレーキ準備フラグＦｇ１が立つと、制御装置１は、予め設定されている固定子磁束指令値に従って、速度制御を継続しつつ固定子磁束を上昇させる。
【００４８】
固定子磁束が損失最大となる値に上昇すると、ブレーキ開始フラグＦｇ２が立ち、予め設定されているトルク指令値に従って、直流リンク電圧の上限の範囲内で、最大のブレーキを掛けるようにトルク制御を実施する。このとき、誘導電動機６の速度に応じて、磁束及びトルクを変化させる。これにより、ブレーキが掛かり、速度が減少する。目標の速度まで減少すると、速度制御に戻して、磁束を定格値（１［ｐ．ｕ．］）まで減少させる。
【００４９】
本実施形態によれば、以下の作用効果を得ることができる。
【００５０】
新たにハードウェアを追加しなくとも、ＤＢ−ＤＴＦＣを実行するソフトウェアを適用することで、ブレーキ時に誘導電動機６の損失を大きくして誘導電動機６に回生エネルギーを消費させることができる。
【００５１】
これにより、回生エネルギーを、誘導電動機６の内部で消費することができ、より短い時間で電動機を減速させることができる。
【００５２】
インバータ５から出力される電圧−時間（即ち、磁束）を操作して、誘導電動機６に与えることで、磁束を直接的に制御して、損失が最大になるように電動機を動作させることができる。
【００５３】
誘導電動機６の固定子磁束を操作することで、回生エネルギーを消費するために有効な損失を急激に発生させることができる。また、本実施形態では、磁束を直接制御することが可能なため、不要なトルク脈動を発生させることなく、制御に一次遅れ系の伝達関数の影響を受けずに応答性の良いブレーキを実行することができる。
【００５４】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００５５】
１…制御装置、２…交流電源、３…ダイオード整流器、４…コンデンサ、５…インバータ、６…誘導電動機、７ａ，７ｂ，７ｃ…電流検出器、８…位相センサ、９…負荷機械、１０…モータドライブシステム、１１…速度・位相推定部、１２…速度制御部、１３…ブレーキ用制御切替部、１４…損失操作量演算部、１５…ＤＢ−ＤＴＦＣ演算部、１６，１７…座標変換部、１８…電流・磁束推定部
【図１】
0006260029.tif 000002
【図２】
0006260029.tif 000003
【図３】
0006260029.tif 000004
【図４】
0006260029.tif 000005
【図５】
0006260029.tif 000006
【図６】
0006260029.tif 000007
【図７】
0006260029.tif 000008