(57)【要約】【課題】振動継続現象、制御上の不安定、ＰＷＭの出力電圧歪を防止することができる電流制御系の定数決定方法及びその装置を提供する。  【解決手段】負荷である誘導電動機の等価回路定数を、１次抵抗R1、２次抵抗R2、漏れインダクタンスＬとし、電流制御系の比例ゲインＫｐ、変換ゲインＫｃ、積分時定数をＴｉとした伝達関数Ｇ(S)を、Ｇ(S)＝（ａ0+ａ1・ｓ）／（b0+b1・ｓ＋b2・ｓ2）ただし、a0=Ｋ、a1=Ｋ・Ｔｉ、b0=Ｋ、b1=（１+Ｋ+R2/R1）・Ｔｉ、b2=Ｔｉ・L/R1、Ｋ＝Ｋp・Ｋc/R1とし、速度制御系のカットオフ周波数ωcとするとき、０−ωcの全周波数領域での周波数応答の最大振幅値Ｍpが所定値以下になるように電流制御積分時定数Ｔｉを設定する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷である誘導電動機の等価回路定数を、１次抵抗R1、２次抵抗R2、漏れインダクタンスＬとし、電流制御系の比例ゲインＫｐ、変換ゲインＫｃ、積分時定数をＴｉとした伝達関数Ｇ(S)を、Ｇ(S)＝（ａ0+ａ1・ｓ）／（b0+b1・ｓ+b2・ｓ2）ただし、a0=Ｋ、a1=Ｋ・Ｔｉ、b0=Ｋ、b1=（１+Ｋ+R2/R1）・Ｔｉ、b2=Ｔｉ・L/R1、Ｋ＝Ｋp・Ｋc/R1とし、速度制御系のカットオフ周波数ωcとするとき、０−ωcの全周波数領域での周波数応答の最大振幅値Ｍpが所定値以下になるように電流制御積分時定数Ｔｉを設定することを特徴とする電流制御系の定数決定方法。
【請求項２】
周波数応答の前記最大振幅値Ｍp は、およそ1.10以下とすることを特徴とする請求項１に記載する電流制御系の定数設定方法。
【請求項３】
負荷である誘導電動機の等価回路定数を、１次抵抗R1、２次抵抗R2、漏れインダクタンスＬとし、電流制御系の比例ゲインＫｐ、変換ゲインＫｃ、積分時定数をＴｉとした伝達関数Ｇ(S)を、Ｇ(S)＝（ａ0+ａ1・ｓ）／（b0+b1・ｓ+b2・ｓ2）ただし、a0=Ｋ、a1=Ｋ・Ｔｉ、b0=Ｋ、b1=（１+Ｋ+R2/R1）・Ｔｉ、b2=Ｔｉ・L/R1、Ｋ＝Ｋp・Ｋc/R1とし、速度制御系のカットオフ周波数ωcとするとき、０−ωcの全周波数領域での周波数応答の前記最大振幅値Ｍpが所定値以下になるように電流制御積分時定数Ｔｉを設定する定数設定手段を有することを特徴とする電流制御系の定数設定装置。
【請求項４】
周波数応答の前記最大振幅値Ｍpは、およそ1.10以下とする電流制御系の積分時定数を設定することを特徴とする請求項３に記載の電流制御系の定数設定装置。
【請求項５】
容量毎の電流制御ゲイン初期値を記憶する記憶手段と、制御装置あるいは電動機の容量に基づき、前記記憶手段から該当する値を取り出し、取り出した値を電流制御比例ゲインＫｐ、あるいは、電流制御積分時定数Ｔｉの少なくとも一方を設定する定数設定手段とを有することを特徴とする請求項３記載の電流制御系の定数設定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電流制御系の定数設定方法、設定装置に関し、特に、電流制御器出力を用いて速度推定を行う速度センサレス制御での振動抑制に適用して有用なものである。
また、速度センサ付き制御においても、急加減速運転を行う用途については同様に有用なものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、電力変換器における電流制御系の電流制御ゲインおよび積分時定数は、人又はコンピュータ等により試行錯誤的に決定したり、特許文献１記載のように、回路定数は１次抵抗Ｒ1、２次抵抗Ｒ2’、漏れインダクタンスＬs、制御遅れ時間σ、カットオフ周波数ωcであり、かつ、Ｌ=Ｌs、Ｒ=Ｒ1＋Ｒ2’、ωc＝１／４σとするとき、電流制御ゲインＫp、及び積分時定数Ｔｉは、Ｋp＝Ｌ・ωc、Ｔｉ＝Ｌ/Ｒとする方法が知られている。
従来技術を、特許文献１を基に説明する。
図６は、電流制御系定数を決定する際の簡略化した誘導電動機の等価回路であり、この等価回路に基づいた、図７に示す電流制御系のブロック線図で電流制御ゲインＫp、及び積分時定数Ｔｉを、図６に示される回路定数、すなわち1次抵抗Ｒ１、2次抵抗Ｒ２’、漏れインダクタンスＬｓ、制御遅れ時間σを既知として、最適値を決定する。
図７におけるオープン伝達関数Goは、次式（１）’で表される。
Go=Ｋp/(Ｔｉ・Ｒ)*１/(１＋ｓσ)*（１＋ｓＫp）/{ｓ（１＋ｓＬ/Ｒ）}    …(1)'
ただし、Ｒ=Ｒ1+Ｒ2'、Ｌ=Ｌs
このとき、制御遅れ時間σに対し、Ｌ/Ｒはより応答に対して緩慢であるとして、制御応答性を早くしたい場合には積分時定数Ｔｉによりキャンセルする。したがって、Ｔｉ＝Ｌ/Ｒとする。
Go=Ｋp/(Ｔｉ・Ｒ)*１／（１＋ｓσ）*１／ｓ                            …(2)'
式（２）’で表される伝達関数Goのボード線図に基づきカットオフ周波数ωcは、ωc＝Ｋｐ/Ｌとなり、これから電流制御ゲインＫｐ=Ｌ・ωcとする手順がとられていた。
【特許文献１】特開平９−８４３７８号公報（第３頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の方法では、電流制御比例ゲインＫｐ、及び積分時定数Ｔｉを決定する際、電流制御系の応答速度は非常に速く、また、磁束一定で過渡状態にない誘導電動機の等価回路に簡略化して考えているため、次のような問題があった。
過渡状態を含む場合、ベクトル制御で磁束軸とトルク軸に分離制御されても、２軸間に発生する電圧の干渉があり、２軸間の電圧の干渉があると、モータ磁束が変化することで過渡現象が発生し、このため、磁束応答は、２次定数Ｔ2＝Ｌ2/Ｒ2（L2：2次インダクタンス、R2：２次抵抗）に支配される。モータの２次定数Ｔ2を考慮せず、Ｌs、Ｒの考慮のみで電流制御ゲインＫｐ、及び積分時定数Ｔｉを決定すると、結果的にゲインを過大に設定することになるため、例えば下記の要因で振動現象が発生した場合に、振動の収束に時間を要したり、振動が継続することがあった。
１）速度センサレス制御でかつ、電流制御出力である電圧指令値を速度推定に用いる場合、実速度と速度推定値が必ずしも一致せず、すべりSが変化することと等価な状態となり、低い周波数で振動し、その振動成分の載った電圧指令で速度推定を行うので、振動が継続する場合があった。
２）速度センサ付き制御でも、急加減速運転を行うと、わずかな速度検出誤差のために、定格滑り周波数が小さい大容量モータにおいては、過大にすべりSが変動することと等価な状態となり、制御が不安定となる場合があった。
また、ＰＷＭによる電流フィードバック制御では、ＰＷＭにより発生する高調波電圧に応じた高調波電流成分が電流フィードバック信号を介してＰＷＭ制御系へ混入されるため、電流制御ループゲインが大きいとＰＷＭの出力電圧を歪ませることがあった。
したがって、ＰＷＭ電流制御においては、制御上の安定性だけで制御比例ゲインを決定できない要因があった。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、電流制御積分時定数Ｔｉを２次定数を考慮して定めることができ、振動継続現象、制御上の不安定、ＰＷＭの出力電圧歪を防止することができる電流制御系の定数決定方法及びその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】
【０００４】
上記問題を解決するため、本発明は、次の点を特徴とする。
１）負荷である誘導電動機の等価回路定数を、１次抵抗R1、２次抵抗R2、漏れインダクタンスＬとし、電流制御系の比例ゲインＫｐ、変換ゲインＫｃ、積分時定数をＴｉとした伝達関数G(S)を、G(S)＝（ａ0+ａ1・ｓ）／（b0+b1・ｓ＋b2・ｓ2）ただし、a0=Ｋ、a1=Ｋ・Ｔｉ、b0=Ｋ、b1=（１+Ｋ+R2/R1）・Ｔｉ、b2=Ｔｉ・L/R1、Ｋ＝Ｋp・Ｋc/R1とし、速度制御系のカットオフ周波数ωcとするとき、０−ωcの全周波数領域での周波数応答の最大振幅値Ｍｐが所定値以下になるように電流制御積分時定数Ｔｉを設定すること。
２)１）の発明において、周波数応答の最大振幅値Ｍｐは、およそ1.10以下とすること。
３）負荷である誘導電動機の等価回路定数を、１次抵抗R1、２次抵抗R2、漏れインダクタンスＬとし、電流制御系の比例ゲインＫｐ、変換ゲインＫｃ、積分時定数をＴｉとした伝達関数G(S)を、G(S)＝（ａ0+ａ1・ｓ）／（b0+b1・ｓ＋b2・ｓ2）ただし、a0=Ｋ、a1=Ｋ・Ｔｉ、b0=Ｋ、b1=（１+Ｋ+R2/R1）・Ｔｉ、b2=Ｔｉ・L/R1、Ｋ＝Ｋp・Ｋc/R1とし、速度制御系のカットオフ周波数ωcとするとき、０−ωcの全周波数領域での周波数応答の最大振幅値Ｍｐが所定値以下になるように電流制御積分時定数Ｔｉを設定する定数設定手段を有すること。
４）３）の発明において、周波数応答の最大振幅値Ｍｐは、およそ1.10以下とする電流制御系の積分時定数を設定すること。
５）容量毎の電流制御ゲイン初期値を記憶する記憶手段と、制御装置あるいは電動機の容量に基づき、前記記憶手段から該当する値を取り出し、取り出した値を電流制御比例ゲインＫｐ、あるいは、電流制御積分時定数Ｔｉの少なくとも一方を設定する定数設定手段とを有すること。
このように、電流制御積分時定数Ｔｉが決定されるので、速度制御系のカットオフ周波数以下の周波数領域で誘導電動機のすべりSの変化をきっかけにした振動が発生しても、電流制御器出力、つまりは速度推定に用いる電圧指令が振られにくくなるので振動は抑制される。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば次の効果を得る。
負荷である誘導電動機の等価回路の回路定数が分かれば、電流制御積分時定数を計算アルゴリズムにより決定することができ、振動継続現象、制御上の不安定、ＰＷＭの出力電圧歪を防止することができる。また、上記計算アルゴリズムが制御装置内で実施できない場合は、事前に容量毎の比例ゲイン、積分時定数を演算しておいて、必要により呼び出すことができるので、高価なＣＰＵを使用しない制御装置にも適用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の実施の形態について、図に基づいて説明する。
【実施例１】
【０００７】
図１は、本発明による第１の実施の形態であり、電流制御積分時定数Ｔｉの決定方法を示すフローチャートである。図１に示すフローチャートの詳細説明の前に、本形態での条件を説明する。
電流制御積分時定数を求めるに当たり、制御装置に負荷として接続されるのは誘導電動機であり、図２に示す等価回路を持ち、この回路定数、すなわち、１次抵抗R1、２次抵抗R2、漏れインダクタンスＬは既知である。図３は、このときの電流制御系のブロック線図である。
このとき、図３に示す電流制御系の一巡伝達関数G（S）は次式(1)で表される。
【０００８】
G（S）＝（ａ0+ａ1・ｓ）／（b0+b1・ｓ+b2・ｓ2）                            …(1)
ただし、a0=Ｋ、a1=Ｋ・Ｔｉ、b0=Ｋ、b1=（１+Ｋ+R2/R1）・Ｔｉ、
b2=Ｔｉ・L/R1、Ｋ＝Ｋp・Ｋc/R1
なお、制御上の安定性に加えてＰＷＭ波形の安定性を考慮して電流制御比例ゲインＫｐは決定され、速度制御系のカットオフ周波数をωcは既知であるものとしている。
【０００９】
次に、図１のフローチャートを基に、電流制御積分時定数Ｔｉの決定方法を説明する。
電流制御積分時定数Ｔｉを仮設定し、仮設定値と誘導電動機の回路定数である１次抵抗R1、２次抵抗R2、漏れインダクタンスＬと比例ゲインＫを用いて、a0=Ｋ、a1=Ｋ・Ｔｉ、b0=Ｋ、b1=（１+Ｋ+R2/R1）・Ｔｉ、b2=Ｔｉ・L/R1、（ただし、Ｋ＝Ｋp・Ｋc/R1）により、各係数a0、a1、ｂ0、b1、b2を演算し、ｆｌｇを0とする。（ステップ１）
【００１０】
次に、５、１０、…、ωc[rad/sec]の各角周波数での｜Ｇ（ｊω）｜を演算し、その最大値をMpに格納する。なお、｜Ｇ（ｊω）｜＝√（ａ02+（ａ1・ω）2）／√（（b0-b2・ω2）2+（b1・ω）2）である。（ステップ２）
【００１１】
次に、Ｍｐが所定値以上か否かを判断する。（ステップ３）Ｍｐが所定値以上の場合は、ｆｌｇを１に設定し、ＴｉをΔＴｉだけ大きくした後、係数a0,b2を演算し、ステップ２に戻る。（ステップ４）Ｍｐが所定値未満の場合は、ｆｌｇが０であればＴｉをΔＴｉだけ小さくした後、係数a0,b2を演算し、ステップ２に戻る。（ステップ５）Ｍｐが所定値未満の場合は、ｆｌｇが１であれば、このときのＴｉを電流制御積分時定数として設定する。（ステップ６）
【００１２】
なお、Ｍｐと比較する所定値は1.10程度、ΔＴｉは５ms程度とする。
以上のようにして、Ｍｐ＜所定値となる最小値のＴｉを見つけ、電流制御積分時定数Ｔｉを決定する。
なお、速度制御系のカットオフ周波数ωcは既知であるとしたが、不明である場合はカットオフ周波数ωcの見込まれる最大値がわかれば良い。
【００１３】
図４は、上述の如き方法により電流制御系の積分時定数Ｔｉを設定する電流制御系を含むフィードバック制御系を制御する制御装置の例を示すブロック図である。同図中、１は電流制御器（ＡＣＲ）であり電流指令値ｉ*と電流検出値ｉが一致するようにＰＩ制御する制御器、２は例えばＩＧＢＴで構成する電力変換器であり、電流制御器（ＡＣＲ）１出力の電圧指令値をＰＷＭして出力する変換器、３は負荷である誘導電動機、４は電流制御器（ＡＣＲ）に電流制御系ゲインを設定する電流制御系ゲイン設定部、５は図１の決定方法に基づき電流制御系ゲインを演算する定数演算処理部、６は定数演算処理部に必要な電動機定数等を設定する電動機定数設定部であり、当該フィードバック制御系における電流制御積分時定数Ｔｉは、図２の誘導電動機の回路定数に基づき、図１に示すフローチャートにより決定する。
このようにして、電流制御積分時定数Ｔｉは電流制御器（ＡＣＲ）１に設定される。
【実施例２】
【００１４】
図５は、本発明による第２の実施の形態を示すブロック図であり、図１記載の定数演算処理が制御装置内で実施できない場合に適用する制御装置を示すものである。同図中、図４と同符号のものは、同じものを示す。図４と異なるところは、定数演算処理部５，電動機定数設定部６を取り去り、電流制御系ゲインテーブル７を追加したことである。電流制御系ゲインテーブル７は、制御装置、あるいは電動機容量に応じた電流制御系ゲインの初期値テーブルである。これは、予め、代表的な電動機シリーズを用いて、あるいは、複数のシリーズの平均値を用いて、事前に容量毎の比例ゲイン、積分時定数を演算しておいて制御装置内に記憶している。これは、制御装置、あるいは電動機容量決定時に定数設定管理部（図示せず）からの容量設定信号に基づき、該当容量の電流制御系ゲインを電流制御系ゲイン設定部４に出力する。
【００１５】
このようにして、電流制御系ゲインＫｐ、Ｔｉは電流制御器（ＡＣＲ）１に設定される。
また、一旦電流制御ゲインが設定されても、電動機定数値がオートチューニング等で決定された際に、積分時定数Ｔｉを補正演算するようにしてもよい。
以上、速度センサレス制御への適用について説明したが、速度センサ付き制御においても同様に実施し適用できるし、フィードフォワード制御で前向きに電圧指令値を入力し補償するようにした制御方式でも同様に適用できる。
また、電流制御器は比例積分（ＰＩ）制御されているとしたが、積分比例（Ｉ_Ｐ）制御では(1)式のa1が０になることを考慮すれば、全く同様に適用できる。
また、１台の電動機制御装置（いわゆるインバータ装置）で同時に使用しない複数台の電動機を適宜切換えて駆動する用途として、荷役クレーン、自動倉庫におけるスタッカクレーン等がある。かかる用途では、横行、走行用の電動機と巻き上げ用の電動機との定格トルク、定格電力容量は桁違いの差異がある場合がある。このような場合、一方の電動機から他方の電動機へと接続を切換えるとき抵抗、インダクタンス等のモータ定数も同時に切換えられる。このモータ定数を切換えるときに、本発明により求めた電流制御積分時定数を同時に切換えるようにする。これにより容量差の大きく２次定数が大幅に異なる電動機を切換えて使用する場合でも振動継続現象、制御上の不安定、ＰＷＭの出力電圧歪を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明第１実施の電流制御積分時定数Ｔｉの決定方法を示すフローチャート
【図２】負荷が誘導電動機である場合の等価回路を示す回路図
【図３】負荷が図２の等価回路を持つ電動機の場合の電流制御系ブロック線図
【図４】電流制御系のゲイン設定するフィードバック制御系を制御する制御装置
【図５】本発明第２実施の形態を示す定数演算処理が制御装置内で実施できない場合に適用する制御装置
【図６】従来の方法で負荷である誘導電動機の等価回路を簡略した等価回路を示す回路図
【図７】図６に示す等価回路に流れる電流を制御する電流制御系を示すブロック線図
【符号の説明】
【００１７】
１  電流制御器（ＡＣＲ）
２  電力変換器
３  誘導電動機
４  電流制御系ゲイン設定部
５  定数演算処理部
６  電動機定数設定部
７  電流制御系ゲインテーブル
【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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