(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流を任意の周波数と電圧の交流に変換して誘導電動機に１次周波数と１次電圧として供給する電力変換器１と、
前記誘導電動機で磁束を発生させる励磁電流指令値及びトルクを発生させるトルク電流指令値を出力する電流ベクトル制御回路２と、
前記誘導電動機に供給される１次電流を励磁電流帰還値とトルク電流帰還値に変換して出力する座標変換回路３と、
前記励磁電流指令値と前記励磁電流帰還値とが一致するように励磁電流方向電圧を制御する励磁電流制御回路５と、
前記トルク電流指令値と前記トルク電流帰還値とが一致するようにトルク電流方向電圧を制御するトルク電流制御回路６と、
前記誘導電動機の漏れインダクタンスと１次抵抗による逆起電力の励磁電流方向成分の電圧を前記励磁電流制御回路からの出力で補正して励磁電流方向電圧指令値を生成し出力する励磁電流方向成分電圧補償回路７と、
前記誘導電動機の磁束で発生し誘起電圧係数による誘起電圧と１次抵抗による逆起電力のトルク電流方向成分の電圧とを前記トルク電流制御回路からの出力で補正してトルク電流方向電圧指令値を生成し出力するトルク電流方向成分電圧補償回路８と、
前記励磁電流方向電圧指令値及び前記トルク電流方向電圧指令値に基づいて出力電圧指令値を演算する出力電圧指令演算回路９と、
前記励磁電流方向電圧指令値及び前記トルク電流方向電圧指令値並びに前記励磁電流指令値及び前記トルク電流指令値から求められる１次角周波数に基づいて位相角指令値を演算する出力電圧位相角指令演算回路１０と、
前記出力電圧指令値及び前記位相角指令値に基づいて前記電力変換器を通じて前記誘導電動機へ供給する１次電圧を生成する空間座標変換回路１１とから成る誘導電動機の制御装置において、
前記出力電圧指令演算回路で得られた出力電圧指令値を監視し、前記電力変換器の出力電圧が飽和することを判別し、前記励磁電流制御回路及び前記トルク電流制御回路の各電流制御のゲインをそれぞれ飽和量に応じて高くするための電流制御ゲイン調整回路１２を備えることを特徴とする誘導電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ベクトル制御により誘導電動機の回転速度を制御する誘導電動機の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、誘導電動機を速度を制御する技術として、インバータを用いた可変電圧可変周波数による速度制御が知られている。さらに、近年では、より高精度に誘導電動機の速度を制御するべく、誘導電動機に供給される１次電流を、トルクに直接関与する励磁電流（磁束を発生させる電流）とトルク電流（トルクを発生させる電流）とでそれぞれ独立に制御することにより、直流電動機と同様にトルク制御可能なベクトル制御が実用化されている。従って、ベクトル制御においては、励磁電流指令及びトルク電流指令どおりに実電流が流れることが必須である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術のベクトル制御による誘導電動機の制御では、電力変換器の出力電圧が飽和する領域では、励磁電流指令及びトルク電流指令どおりの実電流が得られなくなるため、電流制御が不安定になり、よって正確な速度制御ができ難いという問題がある。
【０００４】
そこで、本発明は、上記事情に鑑みて成されたもので、電力変換器の出力電圧が飽和する領域でも、誘導電動機の速度を確実に制御することができる誘導電動機の制御装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、電力変換器の出力電圧が飽和する領域で電流制御のゲインを可変調整することにより、飽和領域で発生する電流制御の不安定を回避したものである。
【０００６】
このために、請求項１記載の本発明は、誘導電動機の制御装置に係り、直流を任意の周波数と電圧の交流に変換して誘導電動機に１次周波数と１次電圧として供給する電力変換器１と、前記誘導電動機で磁束を発生させる励磁電流指令値及びトルクを発生させるトルク電流指令値を出力する電流ベクトル制御回路２と、前記誘導電動機に供給される１次電流を励磁電流帰還値とトルク電流帰還値に変換して出力する座標変換回路３と、前記励磁電流指令値と前記励磁電流帰還値とが一致するように励磁電流方向電圧を制御する励磁電流制御回路５と、前記トルク電流指令値と前記トルク電流帰還値とが一致するようにトルク電流方向電圧を制御するトルク電流制御回路６と、前記誘導電動機の漏れインダクタンスと１次抵抗による逆起電力の励磁電流方向成分の電圧を前記励磁電流制御回路からの出力で補正して励磁電流方向電圧指令値を生成し出力する励磁電流方向成分電圧補償回路７と、前記誘導電動機の磁束で発生し誘起電圧係数による誘起電圧と１次抵抗による逆起電力のトルク電流方向成分の電圧とを前記トルク電流制御回路からの出力で補正してトルク電流方向電圧指令値を生成し出力するトルク電流方向成分電圧補償回路８と、前記励磁電流方向電圧指令値及び前記トルク電流方向電圧指令値に基づいて出力電圧指令値を演算する出力電圧指令演算回路９と、前記励磁電流方向電圧指令値及び前記トルク電流方向電圧指令値並びに前記励磁電流指令値及び前記トルク電流指令値から求められる１次角周波数に基づいて位相角指令値を演算する出力電圧位相角指令演算回路１０と、前記出力電圧指令値及び前記位相角指令値に基づいて前記電力変換器を通じて前記誘導電動機へ供給する１次電圧を生成する空間座標変換回路１１とから成る誘導電動機の制御装置において、前記出力電圧指令演算回路で得られた出力電圧指令値を監視し、前記電力変換器の出力電圧が飽和することを判別し、前記励磁電流制御回路及び前記トルク電流制御回路の各電流制御のゲインをそれぞれ飽和量に応じて高くするための電流制御ゲイン調整回路１２を備えるものである。
【０００８】
上記構成の誘導電動機の制御装置によれば、電力変換器の出力電圧が飽和する領域、例えば、その飽和の開始時点から電流制御のゲインを、電流制御動作の不安定を避けるための上限の完全飽和までの間に、その飽和量に応じて高くなるように調整される。この結果、電流制御の応答が一定に保持され、飽和領域を含めた安定な電流制御が行われる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の誘導電動機の制御装置の実施の形態を添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施の形態の誘導電動機の制御装置の全体構成を示すブロック図であり、図２は図１中の要部の処理機能を示すブロック図である。図１において、この誘導電動機の制御装置は、３相交流電源からの交流を直流化したのち、ＰＷＭ制御方式によるインバータで任意の周波数と電圧の交流に再度変換し、この１次周波数及び１次電圧を誘導電動機ＩＭに供給する電力変換器１が設けられている。
【００１１】
さらに、この誘導電動機の制御装置は、外部から入力される速度指令値ωrrefが入力され、かつ、以降で説明する電流座標変換回路３が出力する励磁電流帰還値ｉdfb 及びトルク電流帰還値ｉqfb から速度推定値ωr を求める電流ベクトル制御回路２を有している。さらに、誘導電動機ＩＭへの１次電流（ｕ相電流ｉu ，ｖ相電流ｉv ）を検出して座標変換を行った励磁電流帰還値ｉdfb 及びトルク電流帰還値ｉqfb を送出する電流座標変換回路３が設けられている。
【００１２】
また、この誘導電動機の制御装置は、電流ベクトル制御回路２からの励磁電流指令値ｉdref及びトルク電流指令値ｉqrefに基づいて速度推定値ωr を演算して求め、さらに、この速度推定値ωr から１次角周波数ω1 を演算して出力する１次角周波数演算回路４を有している。また、励磁電流指令値ｉdrefと電流座標変換回路３からの励磁電流帰還値ｉdfb とが一致するように励磁電流方向電圧を制御する励磁電流制御回路５が設けられている。
【００１３】
さらに、この誘導電動機の制御装置には、電流ベクトル制御回路２が出力するトルク電流指令値ｉqrefと電流座標変換回路３が出力するトルク電流帰還値ｉqfb とが一致するように制御するためのトルク電流制御回路６が設けられている。また、誘導電動機ＩＭの漏れインダクタンスや１次抵抗による逆起電力の励磁電流方向成分の電圧を励磁電流制御回路５からの出力で補正した励磁電流方向電圧指令値Ｖdrefを生成して出力する励磁電流方向成分電圧補償回路７を有している。なお、励磁電流制御回路５及びトルク電流制御回路６は電流制御器５６を構成している。
【００１４】
また、この誘導電動機の制御装置は、誘導電動機ＩＭの磁束で発生し誘導起電力係数による誘起電圧と１次抵抗による逆起電力のトルク電流方向成分の電圧をトルク電流制御回路６からの出力で補正したトルク電流方向電圧指令値Ｖqrefを生成して出力するトルク電流方向成分電圧補償回路８を有している。さらに、励磁電流方向成分電圧補償回路７からの励磁電流方向電圧指令値Ｖdrefとトルク電流方向成分電圧補償回路８からのトルク電流方向電圧指令値Ｖqrefとから求めた出力電圧指令値Ｖref を出力する出力電圧指令演算回路９が設けられている。
【００１５】
さらに、この誘導電動機の制御装置には、励磁電流方向成分電圧補償回路７が出力する励磁電流方向電圧指令値Ｖdrefとトルク電流方向成分電圧補償回路８が出力するトルク電流方向電圧指令値Ｖqrefとの位相角を求め、かつ、１次角周波数演算回路４からの１次角周波数ω1 の積分値とから位相角指令値θref を出力する出力電圧位相角指令演算回路１０を有し、また、出力電圧指令演算回路９が出力する出力電圧（１次電圧）指令値Ｖref と出力電圧位相角指令演算回路１０が出力する位相角指令値θref からＰＷＭ信号を生成して出力する空間座標変換回路１１を有している。
【００１６】
なお、この誘導電動機の制御装置には、出力電圧指令演算回路９からの出力電圧指令値Ｖref を監視して、電流制御器５６（励磁電流制御回路５、トルク電流制御回路６）での電流制御のゲインＧa を調整するための電流制御ゲイン調整回路１２が設けられている。
【００１７】
次に、第１実施形態の動作について説明する。
３相交流電源からの交流を電力変換器１における図示しない電力変換素子で直流化する。この後、ＰＷＭ制御方式のインバータで任意の周波数と電圧の交流に再度変換し、この１次周波数及び１次電圧を誘導電動機ＩＭに供給する。
誘導電動機ＩＭへの１次電流（ｕ相電流ｉu ，ｖ相電流ｉv ）が電流座標変換回路３で検出され、ここで座標変換した励磁電流帰還値ｉdfb 及びトルク電流帰還値ｉqfb を電流ベクトル制御回路２へ出力する。電流ベクトル制御回路２では電流座標変換回路３からの励磁電流帰還値ｉdfb 及びトルク電流帰還値ｉqfb に基づいて速度推定値ωr を求める。
【００１８】
この速度推定値ωr と外部から入力される速度指令値ωrrefとが一致するように励磁電流指令値ｉdref及びトルク電流指令値ｉqrefが演算され、この励磁電流指令値ｉdrefが１次角周波数演算回路４、励磁電流制御回路５及び励磁電流方向成分電圧補償回路７に入力される、また、トルク電流指令値ｉqrefが１次角周波数演算回路４、トルク電流制御回路６、励磁電流方向成分電圧補償回路７及びトルク電流方向成分電圧補償回路８へ入力される。
【００１９】
なお、速度推定値ωr は、速度検出器が設けられている場合、この速度検出器からの速度検出値が用いられる。
次に、電流ベクトル制御回路２からの励磁電流指令値ｉdrefが入力される励磁電流制御回路５では、励磁電流指令値ｉdrefと電流座標変換回路３からの励磁電流帰還値ｉdfb とが一致するように励磁電流方向電圧を制御する。また、電流ベクトル制御回路２からのトルク電流指令値ｉqrefが入力されるトルク電流制御回路６では、このトルク電流指令値ｉqrefと電流座標変換回路３からのトルク電流帰還値ｉqfb とが一致するように、その制御が行われる。
【００２０】
励磁電流方向成分電圧補償回路７は誘導電動機ＩＭの漏れインダクタンスと１次抵抗とによる逆起電力の励磁電流方向成分の電圧を、励磁電流制御回路５からの出力で補正した励磁電流方向電圧指令値Ｖdrefを生成して出力電圧指令演算回路９及び出力電圧位相角指令演算回路１０に出力する。トルク電流方向成分電圧補償回路８は、誘導電動機ＩＭの磁束で発生し誘導起電力係数による誘起電圧と１次抵抗による逆起電力のトルク電流方向成分の電圧をトルク電流制御回路６からの出力で補正したトルク電流方向電圧指令値Ｖqrefを生成して出力電圧指令演算回路９及び出力電圧位相角指令演算回路１０に出力する。
【００２１】
出力電圧指令演算回路９では励磁電流方向成分電圧補償回路７からの励磁電流方向電圧指令値Ｖdrefとトルク電流方向成分電圧補償回路８からのトルク電流方向電圧指令値Ｖqrefとから出力電圧指令値Ｖref を次式（１）で求め、この出力電圧指令値Ｖref が空間座標変換回路１１及び電流制御ゲイン調整回路１２へ出力される。
【００２２】
Ｖref ＝√（Ｖdref2 ＋Ｖqref2 ）                      …（１）
【００２３】
出力電圧位相角指令演算回路１０では励磁電流方向成分電圧補償回路７が出力する励磁電流方向電圧指令値Ｖdrefとトルク電流方向成分電圧補償回路８が出力するトルク電流方向電圧指令値Ｖqrefとの位相角を次式（２）で求め、かつ、１次角周波数演算回路４が出力する１次角周波数ω１の積分値とを合成した位相角指令値θref を空間座標変換回路１１に出力する。
【００２４】
θL ＝ｔａｎ-1（Ｖqref／Ｖdref）                      …（２）
【００２５】
空間座標変換回路１１は、出力電圧指令演算回路９からの出力電圧指令値Ｖref と、出力電圧位相角指令演算回路１０からの位相角指令値θref からＰＷＭ信号を生成して電力変換器１における図示しないインバータを駆動する。また、電流制御ゲイン調整回路１２は出力電圧指令演算回路９からの出力電圧指令値Ｖref を監視して、電流制御器５６のゲインＧa （励磁電流制御回路５の励磁電流制御ゲインＡＣＲd 、トルク電流制御回路６のトルク電流制御ゲインＡＣＲq ）を制御する。
【００２６】
以下、この第１実施形態の電流制御ゲイン調整回路１２及び電流制御器５６での電流制御のゲインＧa を飽和量に応じて高く可変して、電流制御を安定に行うための制御について説明する。
図３は出力電圧指令値Ｖref に対する電流制御器５６のゲインＧa の特性図であり、図４は出力電圧指令値Ｖref の絶対値がＰＷＭ搬送波の波高値の絶対値以下の場合の電流制御器５６のゲインＧa を説明するための図である。また、図５は出力電圧指令値Ｖref の絶対値がＰＷＭ搬送波の波高値の絶対値以上の場合の電流制御器５６のゲインＧa を説明すのための図である。
【００２７】
図１から図５において、電流制御ゲイン調整回路１２は出力電圧指令演算回路９からの出力電圧指令値Ｖref を監視して、電流制御器５６のゲインＧa （励磁電流制御回路５の励磁電流制御ゲインＡＣＲd 、トルク電流制御回路６のトルク電流制御ゲインＡＣＲq ）を調整する。図３に示すように、このゲインＧa 特性にあっては、出力電圧指令値Ｖref の値が１００％以下ではゲインＧa が一定である。すなわち、図４に示す出力電圧指令値Ｖref の絶対値がＰＷＭ搬送波の波高値の絶対値以下の場合にゲインＧa は一定である。
【００２８】
図３に示すゲインＧa 特性では出力電圧指令値Ｖref の値が１００％以上になると、この電力変換器１の出力電圧の飽和の開始時点から電流制御器５６のゲインＧa が出力電圧指令値Ｖref の（ａ）点まで高くなるように電流制御ゲイン調整回路１２によって調整される。その後、完全飽和の領域では電流制御器５６のゲインＧa が一定になるように電流制御ゲイン調整回路１２によって調整される。
【００２９】
すなわち、図５に示すように出力電圧指令値Ｖref の絶対値がＰＷＭ搬送波の波高値の絶対値以上の電力変換器１の出力電圧の飽和の開始時点から、その飽和の増加に対応して電流制御器５６のゲインＧa が高くなるように電流制御ゲイン調整回路１２によって調整される。なお、さらにゲインＧa を増加させると電流制御動作が不安定になるため、そのゲインＧa は上限を設けて一定になるようにしている。
【００３０】
このように、この第１実施形態では、電力変換器１の出力電圧が飽和する領域での電流制御のゲインＧa を飽和量に応じて高く調整する。換言すれば、電力変換器１の出力電圧が飽和する領域での電流制御の応答を一定に保持して、その電流制御が安定に行われる。
【００３１】
次に第２実施形態ついて説明する。
この第２の実施形態の構成は第１実施形態と同様である。さらに、電力変換器１から電流制御ゲイン調整回路１２までの基本的な動作も同様である。以下、前記の図１から図５を重複して用いて第２実施形態に対応した電流制御のゲインＧa を低下させる動作について説明する。
【００３２】
図６は出力電圧指令値Ｖref に対する電流制御器５６のゲインＧa の特性図であり、図１から図６において、電流制御ゲイン調整回路１２は出力電圧指令値Ｖref を監視し、電流制御器５６のゲインＧa （励磁電流制御回路５の励磁電流制御ゲインＡＣＲd 、トルク電流制御回路６のトルク電流制御ゲインＡＣＲq ）を調整する。図５及び図６に示すように、この第２実施形態のゲインＧa 特性では出力電圧指令値Ｖref の値が１００％以上になると電流制御器５６のゲインＧa が、出力電圧指令値Ｖref の（ｂ）点まで低下するように電流制御ゲイン調整回路１２によって調整される。
【００３３】
すなわち、図４に示すように出力電圧指令値Ｖref の絶対値がＰＷＭ搬送波の波高値の絶対値以下の場合にゲインＧa は一定である。
また、図５及び図６に示すように、このゲインＧa 特性では出力電圧指令値Ｖref の値が１００％以上では電流制御器５６のゲインＧa が低下するように電流制御ゲイン調整回路１２によって調整される。すなわち、図５及び図６に示すように出力電圧指令値Ｖref の絶対値がＰＷＭ搬送波の波高値の絶対値以上の飽和開始の時点からゲインＧa が低下して零になる。なお、出力電圧指令値Ｖref の値が１００％以上の飽和開始の時点で電流制御器５６のゲインＧa が、零になるように電流制御ゲイン調整回路１２で電流制御器５６を調整するようにしても良い。
【００３４】
このように、この第２実施形態では、電力変換器１の出力電圧が飽和する領域での電流制御のゲインＧa を低下させ、又は零に調整している。この結果、電力変換器１の出力電圧が飽和する領域で、次第に電流制御器５６の依存性が低くなり、この結果、閉ループの電流源駆動から電圧源駆動に制御動作が切り替わることになり、その電流制御が安定に行われるようになる。
【００３５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の誘導電動機の制御装置によれば、電力変換器の出力電圧が飽和する領域での電流制御のゲインを高くなるように調整した場合は、その電流制御の応答が一定に保持できるようになるため、飽和領域でも誘導電動機の速度を確実に制御することができる。
【００３６】
また、電力変換器の出力電圧が飽和する領域での電流制御のゲインが低下するように調整した場合、又は、飽和開始の時点で電流制御のゲインを零に調整した場合は、しだいに電流源駆動から電圧源駆動に制御動作が切り替わるため、飽和領域で発生する電流制御の不安定が回避され、よって、飽和領域でも誘導電動機の速度を確実に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の誘導電動機の制御装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】図１の要部の処理機能を示すブロック図である。
【図３】第１実施形態での出力電圧指令値に対する電流制御器のゲイン特性図である。
【図４】第１実施形態にあって出力電圧指令値がＰＷＭ搬送波の波高値以下の場合の電流制御器のゲインを説明すのための図である。
【図５】第１実施形態にあって出力電圧指令値がＰＷＭ搬送波の波高値以上の場合の電流制御器のゲインを説明すのための図である。
【図６】第２実施形態での出力電圧指令値に対する電流制御器のゲイン特性図である。
【符号の説明】
１  電力変換器
２  電流ベクトル制御回路
３  電流座標変換回路
４  １次角周波数演算回路
５  励磁電流制御回路
６  トルク電流制御回路
７  励磁電流方向成分電圧補償回路
８  トルク電流方向成分電圧補償回路
９  出力電圧指令演算回路
１０  出力電圧位相角指令演算回路
１１  空間座標変換回路
１２  電流制御ゲイン調整回路
５６  電流制御器
【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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