(57)【要約】【課題】  簡単な構成で、振動を抑制し、安定な運転が可能な永久磁石型同期電動機の速度制御装置を提供する。【解決手段】  γ軸に流す電流を与えるγ軸電流設定器１と、δ軸に流す電流を与えるδ軸電流指令演算器３と、電流検出器１０、１１と、電流検出器により検出した電流値をγ−δ座標系に変換する座標変換器１２と、γ軸電流制御器２と、δ軸電流制御器４と、ベクトル演算器７と、インバータ８とを備えた速度制御装置において、電圧指令の振幅をｖとし、電圧指令の振幅値の今回値と前回値の偏差をΔｖとし、調整用の比例係数をｋと定義した場合に、δ軸電流指令値をiδ_refを     iδ_ref = -ｋ・Δｖの計算式に基づいて演算制御するものである。【選択図】        図１
2005184988.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期電動機を所定の速度で運転するための電力を供給する電力変換装置で所定の速度を与える速度指令器と、速度指令器の出力である速度指令に応じて出力電圧の位相を変化させるための位相演算器と、回転子座標系における指令軸の一つをγ軸と定義した場合に、γ軸に流す電流を与えるγ軸電流設定器と、γ軸から９０度進んだ位置の座標軸をδ軸と定義した場合にδ軸に流す電流を与えるδ軸電流指令演算器と、電動機に流れる電流を検出する電流検出器と、電流検出器により検出した電流値を前記γ−δ座標系に変換しγ軸電流検出値とδ軸電流検出値を出力する座標変換器と、γ軸電流指令値とγ軸電流検出値が一致するようにγ軸電圧指令値を出力するγ軸電流制御器と、δ軸電流指令値とδ軸電流検出値が一致するようにδ軸電圧指令値を出力するδ軸電流制御器と、γ軸電圧値およびδ軸電圧値ならびに速度指令を積分して得られる出力位相に基づいて出力電圧指令の振幅と出力電圧の位相を演算するベクトル演算器と、出力電圧指令の振幅と位相に基づいて外部より供給する電源を電力変換素子を用いて所定の振幅の大きさおよび周波数の出力電圧を生成するインバータとを備え、γ軸電流指令値として所定の電流値を与えその電流値による吸引力に基づいて電動機を運転する永久磁石型交流電動機の速度制御装置において、
電圧指令の振幅をｖとし、電圧指令の振幅値の今回値と前回値の偏差をΔｖとし、調整用の比例係数をｋと定義した場合に、δ軸電流指令値をiδ_refを
iδ_ref = -ｋ・Δｖ
の計算式に基づいて演算することを特徴とする永久磁石型交流電動機の速度制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石型交流電動機をインバータを用いて駆動する永久磁石型交流電動機の速度制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の永久磁石型同期電動機の速度制御装置は、非特許文献１に述べられているようにオープンループ制御（Ｖ／ｆ制御とも呼ばれる）により駆動しているものがある。これは、図３に示すようにインバータを用いて速度指令に応じて出力電圧の位相と大きさを変化させることにより駆動するものである。
また、インバータの出力電圧や電流等の情報から制御対象の交流電動機の回転速度および位相を推定して、この推定値および速度指令に基づきインバータの出力量を制御することにより、速度指令どおりに駆動しているものもある（例えば、特許文献１参照）。
【非特許文献１】安川電機編「インバータドライブ技術 第２版」日刊工業新聞社発行、Ｐ．３２３−３２４
【特許文献１】特開平１０−１７４４９９号公報（第４−８頁、図１、図２）
【０００３】
図４は永久磁石型同期電動機のセンサレス制御方法及び装置の構成図であり、図４を参照すると、速度指令ωＲＲＥＦにより分配ゲイン発生器２１が分配ゲインＫ１、Ｋ２を作成する。
γ軸指令ｉγＲＥＦは、ｉγＲＥＦＬ：低速時指令、ｉγＲＥＦＨ：高速時指令とＫ１、Ｋ２をγ軸電流指令発生器２３へ入力して作成する。速度コントローラ２２はδ軸電流ｉδＲＥＦ（Ｋ＋１）を出力し、δ軸電流コントローラ２４及びγ軸電流コントローラ２５よりδ、γ軸電圧指令ｖδＲＥＦ、ｖγＲＥＦを出力し、ベクトル制御回路２６に入力する。インバータ回路２７は同期電動機２８に電流を供給する。３相２相変換器２９にｉｕ、ｉｗを入力し、回転子座標系γ−δ軸電流を作成する。これをγ−δ軸、電流、誘起電圧推定器３０へ入力し、あわせて電圧指令ｖδＲＥＦ、ｖγＲＥＦを入力する。γ−δ軸、電流、誘起電圧推定器３０により、誘起電圧推定値εδｅｓｔ（Ｋ＋１）、εγｅｓｔ（Ｋ＋１）を比例制御用速度演算器３１へ入力し、指令制御用速度ωＲＰｅｓｔを出力する。一方、ｉγｅｓｔ（Ｋ＋１）、ｉδｅｓｔ（Ｋ＋１）はδ軸電流コントローラ２４及びγ軸電流コントローラ２５に入力され、電圧指令を作成する。また、ωＲＰｅｓｔとωＲＲＥＦ、分配ゲインＫ１、Ｋ２が積分、磁軸回転用速度演算器３３へ入力して、磁軸の回転速度ωＲγｅｓｔを出力する。図５に以上説明した処理手順の詳細なフローチャートを示す。
これら図４および図５の処理によって、永久磁石型同期電動機の良好なベクトル制御が実施され、ｄ軸の過渡振動も抑制される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の永久磁石型同期電動機の速度制御装置においては、図３のＶ／ｆ制御の場合は、速度指令に基づいて出力電圧の位相を変化させる構成になっていて交流電動機の速度変動に応じた制御をすることができないので、負荷変動によって交流電動機の回転速度に振動を生じた場合にその振動を抑制するための制御ができないという問題があった。
また、特許文献１に示す例の場合は、推定値に基づいて出力電圧の位相を変化させるので、推定値の誤差や変動によって電動機の回転速度が変動するという問題や推定のために複雑な演算を要するというような問題もあった。
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、速度指令に基づいて出力電圧の位相を変化させて駆動するとともに、負荷変動による交流電動機の回転速度の振動を抑制し、安定した速度制御を実現することができる永久磁石型同期電動の速度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】
【０００５】
上記問題を解決するため、本発明は、同期電動機を所定の速度で運転するための電力を供給する電力変換装置で所定の速度を与える速度指令器と、速度指令器の出力である速度指令に応じて出力電圧の位相を変化させるための位相演算器と、回転子座標系における指令軸の一つをγ軸と定義した場合に、γ軸に流す電流を与えるγ軸電流設定器と、γ軸から９０度進んだ位置の座標軸をδ軸と定義した場合にδ軸に流す電流を与えるδ軸電流指令演算器と電動機に流れる電流を検出する電流検出器と電流検出器により検出した電流値を前記γ−δ座標系に変換しγ軸電流検出値と、δ軸電流検出値を出力する座標変換器と、γ軸電流指令値とγ軸電流検出値が一致するようにγ軸電圧指令値を出力するγ軸電流制御器と、δ軸電流指令値とδ軸電流検出値が一致するようにδ軸電圧指令値を出力するδ軸電流制御器と、γ軸電圧値およびδ軸電圧値ならびに速度指令を積分して得られる出力位相に基づいて出力電圧指令の振幅と出力電圧の位相を演算するベクトル演算器と、出力電圧指令の振幅と位相に基づいて外部より供給する電源を電力変換素子を用いて所定の振幅の大きさおよび周波数の出力電圧を生成するインバータとを備え、γ軸電流指令値として所定の電流値を与えその電流値による吸引力に基づいて電動機を運転する永久磁石型交流電動機の速度制御装置において、
電圧指令の振幅をｖとし、電圧指令の振幅値の今回値と前回値の偏差をΔｖとし、調整用の比例係数をｋと定義した場合に、δ軸電流指令値をiδ_refを
iδ_ref = -ｋ・Δｖ
の計算式に基づいて演算するようにしたものである。
【発明の効果】
【０００６】
したがって、請求項１に記載の発明によると、電圧指令の振幅をｖとし、電圧指令の振幅値の今回値と前回値の偏差をΔｖとし、調整用の比例係数をｋと定義した場合に、δ軸電流指令値をｉδ＿ｒｅｆ＝−ｋ・Δｖ、の計算式に基づいて演算することによって、簡単な演算式で速度振動を打ち消すように速度変化と反対のトルクを与えるようにδ軸電流を流すことでき、速度振動を抑制することができ、安定した電動機の運転を行うことが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は本発明の永久磁石型交流電動機の速度制御装置のブロック図である。
図１において、γ軸電流指令設定器１は電動機を運転するための引込み電流値をあらかじめ設定された値に基づいてγ軸電流指令iγ_refとして出力する。γ軸電流制御器２はγ軸電流指令値iγ_refとγ軸電流検出値iγ_fbが一致するようにγ軸電圧指令値Vγ_refを作成するもので、本実施例では比例−積分演算により構成している。δ軸電流演算器３は後述の方法によってδ軸電流指令iδ_refを決定し速度振動を抑制するように出力する。δ軸電流制御器４はδ軸電流指令値iδ_refとδ軸電流検出値iδ_fbが一致するようにδ軸電圧指令値Vδ_refを作成するもので、本実施例では、比例−積分演算により構成している。速度指令器５は、電動機の回転速度指令を与えるもので、この速度指令器からの周波数指令を位相演算器６で積分して、回転位相θxを作成している。ベクトル演算器７はｖγ_ref、Vδ_refおよびθxから出力電圧の振幅の大きさV1_refおよび出力電圧位相θv_refを作成し、インバータ８に与えている。インバータ８では、V1_refとθv_refに基づき電動機９に電圧を供給している。
インバータ８は外部電源より作成される直流電圧を半導体電力変換素子のオン、オフにより所定の出力電圧を発生するものである。電動機９に流れる相電流は電流検出器（１）１０と、電流検出器（２）１１で検出し、座標変換器１２で検出器の出力値を電流指令と同じ単位に変換するとともに、検出した固定子座標系の電流値を回転子座標系の電流値に座標変換しγ電流軸検出値iγ_fbおよびδ軸電流検出値iδ_fbに変換する演算を行う。三相対称交流（各相の電流値の代数和が０）であるので、任意の２相を検出すれば、残りの１相も分かるため、検出器は２相分としている。なお、前述のγ軸電流制御器２、δ軸電流制御器４、ベクトル演算器７、インバータ８、座標変換器１２については公知の構成ある。
【０００８】
つぎに動作について説明する。
図２は本発明の原理を示す電動機の回転子座標系におけるベクトル図である。
先ず、図２を主に参照して、本発明の原理について説明する。
同期電動機の電圧方程式は次の式（１）のように表される。
【０００９】
【数１】
2005184988.tif 000003
ここで、ρ：微分演算子、
ωｉ：インバータ出力角周波数、
ωｍ：電動機の電気的回転角周波数、
ｒ：抵抗値、
Ld：ｄ軸インダクタンス、
Lq：ｑ軸インダクタンス、
φ：鎖交磁束数
である。
同期電動機はインバータ出力周波数と電動機の回転速度が一致しているので、ωi＝ωmとし、rおよび回転中のid、iqの変化分は、ωi・Lq・iq、ωi・Ld・id、ωmφの項に対して無視できるものと仮定すると式（１）は、
【００１０】
【数２】
2005184988.tif 000004
となる。
ｖd,ｖqの合成電圧の大きさＶは、
【００１１】
【数３】
2005184988.tif 000005
となる。
id、iqの変化の影響は小さいと仮定したので、式（３）の平方根の中は定数となり、Ｖはωmに比例するという結果が得られる。すなわち、ωmの変動はVを観測することで推定することが出来る。
【００１２】
図２はγ軸に電流指令値を与えて運転するときのベクトル図で、図示のようにδ軸はγ軸から９０度進んだ位相に取った座標軸、ｄ軸は、電動機の磁束軸すなわち回転子位置、ｑ軸はｄ軸から９０度進んだ位相に取った座標軸である。つまりｑ軸電流成分がトルク成分となる。本発明における運転では、回転座標として設定したγ軸に所定の電流を流して運転するので、実際の回転子の位置である磁束軸ｄ軸は、所定の負荷トルクが得られるようにｑ軸電流が流れる条件として、γ軸から負荷に応じた角度εだけずれた位置にある。
図２は電動負荷の場合であり、正のトルクが出るためにはｑ軸電流が正方向となるため、角度εだけγ軸がｄ軸よりも進んだ位置にある。このとき、δ軸の正方向に電流を与えれば、トルクは増し、負方向に流せばトルクは減少する。したがって、δ軸とｑ軸が完全に一致していなくてもδ軸成分をｑ軸成分に分解したときの方向はｑ軸成分を与えた場合と一致するので、速度振動を打ち消すように速度変化と反対のトルクを与えるようにδ軸電流を流すことで、速度振動を抑制できることが本発明の原理である。
【００１３】
以上の原理に基づき実施例として、次に、δ軸電流指令演算器３における電流指令値iδ_refの演算の方法について説明する。
先に述べたように速度変動は電圧値Vに比例するので、Vの変化量Δｖが正の時には減速トルクを与えるように−iδ_ref、Δｖが負の時には加速トルクを与えるように＋iδ_refを与えることで電動機の回転振動が抑制出来る。したがって、図１に示す本装置の構成に置いてδ軸電流演算器は次式、
iδ_ref = -ｋ・Δｖ
として、δ軸電流指令を演算している。本実施例では、ｋは特性が最適となるように実測値、若しくはシミュレーションで特性を測定して与えている。
この演算式を図１のδ軸電流指令演算器 ３に適用することで、前述のように、電動機の回転の側で変動を打ち消すように電流を流すことが出来るので、安定した制御が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の永久磁石型交流電動機の速度制御装置のブロック図である。
【図２】本発明の原理を示す電動機の回転子座標系におけるベクトル図である。
【図３】従来の同期電動機の速度制御装置のブロック図である。
【図４】従来の永久磁石型同期電動機のセンサレス制御装置のブロック図である。
【図５】図４に示す同期電動機制御装置の処理のフローチャートである。
【符号の説明】
【００１５】
１   γ軸電流指令設定器
２   γ軸電流制御器
３   δ軸電流指令演算器
４   δ軸電流制御器
５   速度指令器
６   位相演算器
７   ベクトル演算器
８   インバータ
９   電動機
１０   電流検出器１
１１   電流検出器２
１２   座標変換器
【図１】
2005184988.tif 000006
【図２】
2005184988.tif 000007
【図３】
2005184988.tif 000008
【図４】
2005184988.tif 000009
【図５】
2005184988.tif 000010