(57)【要約】【課題】限られた交流電源容量で誘導モータの最大限の加速が得られるモータ制御装置を実現する。【解決手段】モータ制御装置１は、整流器用ＰＷＭ制御信号に従い、交流電源３側の交流と直流との間で電力変換するＰＷＭ整流器１１と、ＰＷＭ整流器１１の直流側にに設けられる直流コンデンサ１２と、インバータ用ＰＷＭ制御信号に従い、直流とモータ３側の交流との間で電力変換するＰＷＭインバータ１３と、モータ２の回転速度と速度指令とに基づき整流器用電圧指令を生成する整流器用制御部１４と、直流コンデンサ１２の直流電圧値と直流電圧指令とに基づきインバータ用電圧指令を生成するインバータ用制御部１６−１、１６−２と、整流器用及びインバータ用の各電圧指令に基づいて整流器用及びインバータ用の各ＰＷＭ制御信号を生成するＰＷＭ制御信号生成部１７とを備える。【選択図】図１
2016052142.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受信した整流器用ＰＷＭ制御信号に基づきスイッチング素子がオンオフ動作することで、交流電源側の交流電力と直流側の直流電力との間で電力変換を行うＰＷＭ整流器と、
前記ＰＷＭ整流器の直流側にある直流リンクに設けられる直流コンデンサと、
受信したインバータ用ＰＷＭ制御信号に基づきスイッチング素子のスイッチング動作がＰＷＭ制御されることで、前記直流リンクにおける直流電力とモータの駆動電力もしくは回生電力である交流電力との間で電力変換を行うＰＷＭインバータと、
モータの回転速度と入力された速度指令とに基づいて、前記ＰＷＭ整流器による電力変換動作を制御するための整流器用電圧指令を生成する整流器用制御部と、
前記直流コンデンサの直流電圧値と入力された直流電圧指令とに基づいて、前記ＰＷＭインバータによる電力変換動作を制御するためのインバータ用電圧指令を生成するインバータ用制御部と、
前記整流器用電圧指令に基づいて前記整流器用ＰＷＭ制御信号を生成し、前記インバータ用電圧指令に基づいて前記インバータ用ＰＷＭ制御信号を生成するＰＷＭ制御信号生成部と、
を備えることを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
前記整流器用制御部は、
前記回転速度と前記速度指令との偏差に基づいて、前記ＰＷＭ整流器が電力変換動作のために交流電源側から取り込むべき交流電力を規定する交流電力指令を生成する交流電力指令生成部と、
前記交流電源指令に基づいて電源電流指令を生成する電源電流指令生成部と、
交流電源側の電源電流と前記電源電流指令との偏差に基づいて、前記整流器用電圧指令を生成する電源電流制御部と、
を有し、
前記回転速度が前記速度指令に追従するよう制御する請求項１に記載のモータ制御装置。
【請求項３】
前記整流器用制御部は、前記交流電力指令生成部により生成された前記交流電力指令が、前記ＰＷＭ整流器が有する最大変換許容量を超えた場合、当該交流電力指令に代えて前記最大変換許容量を前記電源電流指令生成部へ出力し、それ以外の場合は、当該交流電力指令を維持して前記電源電流指令生成部へ出力するリミッタをさらに備える請求項２に記載のモータ制御装置。
【請求項４】
前記インバータ用制御部は、
前記直流電圧値と前記直流電圧指令との偏差に基づいて、モータの回転トルクを指令するトルク指令を生成するトルク指令生成部と、
前記トルク指令に基づいてモータ電流指令を生成するモータ電流指令生成部と、
モータに流れ込むモータ電流と前記モータ電流指令との偏差に基づいて、前記インバータ用電圧指令を生成する電源電流制御部と、
を有し、
前記直流電圧値が前記直流電圧指令に追従するよう制御する請求項１〜３のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電源から供給された交流電力を直流電力に変換して直流リンクへ出力したのちさらにモータの駆動のための交流電力に変換してモータへ供給するモータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘導モータを駆動するモータ制御装置においては、交流電源側から入力された交流電力を直流電力に一旦変換したのちさらに交流電力に変換し、この交流電力を駆動軸ごとに設けられたモータの駆動電力として用いている。このようなモータ制御装置は、商用交流電源のある交流電源側から供給された交流電力を整流して直流電力を出力する整流器（順変換器）と、整流器の直流側である直流リンクに接続され、直流リンクの直流電力と誘導モータの駆動電力もしくは回生電力である交流電力とを相互電力変換するインバータ（逆変換器）と、を備える。
【０００３】
近年は、電源高調波の低減や無効電力の低減への要求から、モータ制御装置に用いられる順変換器（整流器）として、パルス幅変調（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＰＷＭ）を用いた整流器（以下、「ＰＷＭ整流器」と称する。）の適用が広がっている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
図９は、一般的なモータ制御装置の構成を示す回路図である。また、図１０は、図９に示す一般的なモータ制御装置におけるＰＷＭ整流器の制御系を示すブロック線図である。また、図１１は、図９に示す一般的なモータ制御装置におけるＰＷＭインバータの制御系を示すブロック線図である。
【０００５】
図９に示すように、モータ制御装置１は、交流電源３からの交流電力を整流して直流電力を出力するＰＷＭ整流器１１と、ＰＷＭ整流器１１の直流側である直流リンクに接続され、ＰＷＭ整流器１１から出力された直流電力を誘導モータ２の駆動電力として供給される所望の電圧および所望の周波数の交流電力に変換しまたはモータ２から回生される交流電力を直流電力に変換するＰＷＭインバータ１２と、を備える。ＰＷＭ整流器１１とＰＷＭインバータ１２との間の直流リンクには直流コンデンサ１２が設けられる。なお、図９では、一例として交流電源３を単相で表しているのでＰＷＭ整流器１１は単相フルブリッジ回路としたが、交流電源３が三相である場合にはこれに対応してＰＷＭ整流器１１は三相フルブリッジ回路となる。
【０００６】
ＰＷＭ整流器１１およびＰＷＭインバータ１３は、内部に設けられたスイッチング素子のスイッチング動作がスイッチング指令により制御されることで、交流電力と直流電力との間で電力変換動作を行う。ＰＷＭ整流器１１では、交流電源３側から供給された交流電力を直流電力に変換（整流）して直流リンクへ出力する。直流リンクへ出力された直流電力はＰＷＭインバータ１３により交流電力に変換され、この交流電力は誘導モータ２へ供給される。また、モータ２の減速時に発生した交流の回生電力はＰＷＭインバータ１３により直流電力に変換され、この直流電力は直流リンクを介してＰＷＭ整流器１１に入力され、さらにＰＷＭ整流器１１により交流電力に変換されて交流電源３側に電源回生される。
【０００７】
直流リンクにある直流コンデンサ１２の直流電圧値は、ＰＷＭ整流器１１およびＰＷＭインバータ１３の電力変換に応じて変動する。ＰＷＭ整流器１１では、直流コンデンサ１２の直流電圧値が一定となるような制御を行う。例えば、図１０に示すように、直流コンデンサ１２の直流電圧値ｖdcを検出し、これが指令値Ｖdc*に追従するようにフィードバック制御を行う。まず、交流電源３側の電源電流実効値の指令値Ｉs*を、式１に従い計算する。式１において、ゲインをＫVとする。
【０００８】
【数１】
2016052142.tif 000003
【０００９】
電源電流瞬時値の指令値ｉS*は式２で表される。以下、電源の角周波数をωとする。
【００１０】
【数２】
2016052142.tif 000004
【００１１】
そして、交流電源３側の電源電流ｉSの電流フィードバック制御により、電源電流ｉSを電源電流瞬時値の指令値ｉS*に一致させるようなＰＷＭ整流器１１の交流入力側の電圧指令値ｖ*を、式３に従い計算する。ここで、電源電圧をｖSとする。
【００１２】
【数３】
2016052142.tif 000005
【００１３】
その後、例えば電圧指令値ｖ*と所定のキャリア周波数の三角波キャリア信号とを比較してＰＷＭ制御信号を生成する三角波比較方式ＰＷＭ制御などに基づき、ＰＷＭ制御信号を生成する。ＰＷＭ制御信号はＰＷＭ整流器１１内のスイッチング素子Ｓa1、Ｓa2、Ｓb1およびＳb2のゲート端子に印加される。これにより、交流電源３側の電源電流ｉSが制御される。
【００１４】
一方、ＰＷＭインバータ１３では、交流側に接続された三相の誘導モータ２の回転速度、トルク、もしくは回転子の位置を制御する。例えば、図１１に示すように、まず、モータの回転速度ωmと速度指令値ωm*とから回転速度の偏差を計算し、この偏差を低減するようなトルク指令値Ｔ*を式４に従い計算する。式４において、ゲインをＫωとする。
【００１５】
【数４】
2016052142.tif 000006
【００１６】
トルク指令値Ｔ*を用いて、ベクトル制御やすべり周波数制御などの一般的なトルク制御方法に従ってモータ電流指令値ｉm*を計算する。
【００１７】
そして、交流モータ側のモータ電流ｉmの電流フィードバック制御により、モータ電流ｉmをモータ電流指令値ｉm*に一致させるようなＰＷＭインバータ１３の交流モータ側の電圧指令値ｖm*を、式５に従い計算する。式５において、ゲインをＫCとする。
【００１８】
【数５】
2016052142.tif 000007
【００１９】
その後、例えば電圧指令値ｖm*と所定のキャリア周波数の三角波キャリア信号とを比較してＰＷＭ制御信号を生成する三角波比較方式ＰＷＭ制御などに基づき、ＰＷＭ制御信号を生成する。ＰＷＭ制御信号はＰＷＭインバータ１３内のスイッチング素子Ｓu1、Ｓu2、Ｓv1、Ｓv2、Ｓw1およびＳw2のゲート端子に印加される。これにより、交流モータ側のモータ電流ｉmが制御される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特開平７−２４６３５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
上述した従来の制御方法に従うモータ制御装置においては、誘導モータを急峻に加速する際に、ＰＷＭインバータが直流コンデンサもしくはＰＷＭ整流器から過大な電力を取り込むことがある。このとき、ＰＷＭ整流器の応答が間に合わなければ、直流コンデンサの電圧が異常に低下するという問題があった。
【００２２】
また、ＰＷＭインバータによる過大な電力取り込み要求に対してＰＷＭ整流器が素早く応答したとしても、交流電源側に定格を超える電源電流が流れてしまうことがある。このため、図１１に示すように、ＰＷＭインバータの制御系において、トルク指令値Ｔ*についてトルク最大値Ｔmaxを設定してモータが発生するトルクを制限するリミッタを設ける必要があった。
【００２３】
従って本発明の目的は、上記問題に鑑み、ＰＷＭ整流器とＰＷＭインバータとか直流リンクを介して接続されたモータ制御装置として、限られた交流電源容量であっても誘導モータの最大限の加速を得ることができるモータ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】
【００２４】
上記目的を実現するために、本発明においては、モータ制御装置は、受信した整流器用ＰＷＭ制御信号に基づきスイッチング素子がオンオフ動作することで、交流電源側の交流電力と直流側の直流電力との間で電力変換を行うＰＷＭ整流器と、ＰＷＭ整流器の直流側にある直流リンクに設けられる直流コンデンサと、インバータ用ＰＷＭ制御信号に基づきスイッチング素子のスイッチング動作がＰＷＭ制御されることで、直流リンクにおける直流電力とモータの駆動電力もしくは回生電力である交流電力との間で電力変換を行うＰＷＭインバータと、モータの回転速度と入力された速度指令とに基づいて、ＰＷＭ整流器による電力変換動作を制御するための整流器用電圧指令を生成する整流器用制御部と、直流コンデンサの直流電圧値と入力された直流電圧指令とに基づいて、ＰＷＭインバータによる電力変換動作を制御するためのインバータ用電圧指令を生成するインバータ用制御部と、整流器用電圧指令に基づいて整流器用ＰＷＭ制御信号を生成し、インバータ用電圧指令に基づいてインバータ用ＰＷＭ制御信号を生成するＰＷＭ制御信号生成部と、を備える。
【００２５】
ここで、整流器用制御部は、回転速度と速度指令との偏差に基づいて、ＰＷＭ整流器が電力変換動作のために交流電源側から取り込むべき交流電力を規定する交流電力指令を生成する交流電力指令生成部と、交流電源指令に基づいて電源電流指令を生成する電源電流指令生成部と、交流電源側の電源電流と電源電流指令との偏差に基づいて、整流器用電圧指令を生成する電源電流制御部と、を有し、回転速度が速度指令に追従するよう制御する。
【００２６】
整流器用制御部は、交流電力指令生成部により生成された交流電力指令が、ＰＷＭ整流器が有する最大変換許容量を超えた場合、当該交流電力指令に代えて最大変換許容量を電源電流指令生成部へ出力し、それ以外の場合は、当該交流電力指令を維持して電源電流指令生成部へ出力するリミッタをさらに備えてもよい。
【００２７】
インバータ用制御部は、直流電圧値と直流電圧指令との偏差に基づいて、モータの回転トルクを指令するトルク指令を生成するトルク指令生成部と、トルク指令に基づいてモータ電流指令を生成するモータ電流指令生成部と、モータに流れ込むモータ電流とモータ電流指令との偏差に基づいて、インバータ用電圧指令を生成する電源電流制御部と、を有し、直流電圧値が直流電圧指令に追従するよう制御する。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、ＰＷＭ整流器とＰＷＭインバータとが直流リンクを介して接続されたモータ制御装置として、限られた交流電源容量であっても誘導モータの最大限の加速を得ることができるモータ制御装置を実現することができる。
【００２９】
すなわち、本発明によれば、ＰＷＭ整流器においては、モータの回転速度が速度指令に追従するよう交流電源側の電源電流が制御され、ＰＷＭインバータにおいては、直流リンクにおける直流コンデンサの直流電圧値が直流電圧指令に追従するよう交流モータ側のモータ電流が制御される。ＰＷＭインバータにおける制御により直流コンデンサの蓄積エネルギーはほぼ一定となるので、ＰＷＭ整流器が交流電源から引き込んだ交流電力は、ＰＷＭインバータがモータへ供給する交流電力の平均値はほぼ等しくなる。したがって、従来のように直流コンデンサ電圧の異常低下や交流電源の過電流を生じることなく、交流電源の電力および電流定格の範囲内で最大のモータ回転加速度を得ることができる。
【００３０】
また、本発明によれば、設計変更等によりＰＷＭインバータおよびモータの定格トルクおよび定格電力が増加した場合であっても、交流電源の許容電流、電力の範囲内で動作させることができる。
【００３１】
また、本発明によれば、モータの回転数と速度指令から電源電流指令値を計算する。交流電源が例えば単相である場合は直流コンデンサの電圧には２倍の周波数の電圧リプルが生じることが一般的に知られているが、本発明にて電源電流指令値の作成に用いるモータの回転数は、モータの慣性モーメントにより一般的に脈動は少ないので、大きなフィルタ回路を設ける必要はない。したがって、本発明によれば、交流電源の電流ひずみを低減しつつ、ＰＷＭ整流器の応答性を従来方法よりも改善でき、限られた交流電源容量であっても誘導モータの最大限の加速を得ることができる。
【００３２】
このように加速特性が改善されると、当該モータを用いた作業の時間短縮を図るとことができ、経済的にも有利である。また、特に高速モータでは、加速中の空気抵抗や摩擦によるエネルギー損失を低減し、省エネルギー化を図ることができる。例えば遠心分離機やスピンナーなど加速特性が重視されるモータ制御装置に特に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施例によるモータ制御装置を示す図である。
【図２】図１に示すモータ制御装置における整流器用制御部を示すブロック線図である。
【図３】図１に示すモータ制御装置におけるインバータ用制御部を示すブロック線図である。
【図４】図２に示す整流器用制御部の変形例を示すブロック線図である。
【図５】本発明の実施例によるモータ制御装置のシミュレーション結果を示す図（その１）である。
【図６】本発明の実施例によるモータ制御装置のシミュレーション結果を示す図（その２）である。
【図７】従来のモータ制御装置のシミュレーション結果を示す図（その１）である。
【図８】従来のモータ制御装置のシミュレーション結果を示す図（その２）である。
【図９】一般的なモータ制御装置の構成を示す回路図である。
【図１０】図９に示す一般的なモータ制御装置におけるＰＷＭ整流器の制御系を示すブロック線図である。
【図１１】図９に示す一般的なモータ制御装置におけるＰＷＭインバータの制御系を示すブロック線図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１は、本発明の実施例によるモータ制御装置を示す図である。以降、異なる図面において同じ参照符号が付されたものは同じ機能を有する構成要素であることを意味するものとする。図１に示すモータ制御装置１の、制御系以外の回路構成は、図９に示した回路構成と同様である。なお、本実施例では、１個の誘導モータ２（以下、単に「モータ２」と称することがある。）を駆動制御するモータ制御装置１について説明するが、駆動制御するモータ２の個数は、本発明を特に限定するものではなく、複数個のモータ２を駆動制御するモータ制御装置にも適用可能である。
【００３５】
本発明の実施例によるモータ制御装置１は、ＰＷＭ整流器１１と、直流コンデンサ１２と、ＰＷＭインバータ１３と、整流器用制御部１４と、インバータ用制御部１５と、ＰＷＭ制御信号生成部１６−１および１６−２と、を備える。
【００３６】
ＰＷＭ整流器１１は、受信した整流器用ＰＷＭ制御信号に基づきスイッチング素子がオンオフ動作することで、交流電源側の交流電力と直流側の直流電力との間で電力変換を行う。なお、ここでは、一例として交流電源３を単相で表したのでＰＷＭ整流器１１は単相フルブリッジ回路としたが、ＰＷＭ整流器１１の相数は本発明を限定するものではなく、交流電源３が多相電源である場合にはこれに対応してＰＷＭ整流器１１は多相フルブリッジ回路とすればよい。例えば、交流電源３が三相である場合にはこれに対応してＰＷＭ整流器１１は三相フルブリッジ回路とする。
【００３７】
ＰＷＭ整流器１１は、スイッチング素子Ｓa1、Ｓa2、Ｓb1およびＳb2およびこれに逆並列に接続されたダイオードの単相ブリッジ回路からなる。スイッチング素子Ｓa1、Ｓa2、Ｓb1およびＳb2の例としては、ＩＧＢＴ、サイリスタ、ＧＴＯ（Ｇａｔｅ  Ｔｕｒｎ−ＯＦＦ  ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ：ゲートターンオフサイリスタ）、トランジスタなどがあるが、スイッチング素子の種類自体は本発明を限定するものではなく、その他の素子であってもよい。ＰＷＭ整流器１１内のスイッチング素子Ｓa1、Ｓa2、Ｓb1およびＳb2は、その各ゲート端子に後述するＰＷＭ制御信号生成部１６−１により生成された整流器用ＰＷＭ制御信号が印加されてオンオフ動作することで、交流電源３側の交流電力と直流リンクにおける直流電力との間で電力変換を行う。すなわち、受信した整流器用ＰＷＭ制御信号に従い、交流電力を直流電力に変換する力行動作（順変換動作）および直流電力を交流電力に変換する回生動作（逆変換動作）のいずれかを行う。
【００３８】
直流コンデンサ１２は、ＰＷＭ整流器１１の直流側にある直流リンクに設けられる。
【００３９】
ＰＷＭインバータ１３は、受信したインバータ用ＰＷＭ制御信号に基づきスイッチング素子のスイッチング動作がＰＷＭ制御されることで、直流リンクにおける直流電力とモータ２の駆動電力もしくは回生電力である交流電力との間で電力変換を行う。なお、ここでは、一例としてモータ２を三相誘導モータとしたのでＰＷＭインバータ１１は三相フルブリッジ回路としたが、ＰＷＭインバータ１３の相数は本発明を限定するものではなく、モータ２の相数に対応してＰＷＭインバータ１３のブリッジ回路を構成すればよい。
【００４０】
ＰＷＭインバータ１３は、スイッチング素子Ｓu1、Ｓu2、Ｓv1、Ｓv2、Ｓw1およびＳw2およびこれに逆並列に接続されたダイオードの三相ブリッジ回路からなる。スイッチング素子Ｓu1、Ｓu2、Ｓv1、Ｓv2、Ｓw1およびＳw2の例としては、ＩＧＢＴ、サイリスタ、ＧＴＯ（Ｇａｔｅ  Ｔｕｒｎ−ＯＦＦ  ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ：ゲートターンオフサイリスタ）、トランジスタなどがあるが、スイッチング素子の種類自体は本発明を限定するものではなく、その他の素子であってもよい。ＰＷＭインバータ１３内のスイッチング素子Ｓu1、Ｓu2、Ｓv1、Ｓv2、Ｓw1およびＳw2は、その各ゲート端子に後述するＰＷＭ制御信号生成部１６−２により生成されたインバータ用ＰＷＭ制御信号が印加されてオンオフ動作することで、直流リンクにおける直流電力とモータ２側の交流電力との間で電力変換を行う。すなわち、受信した整流器用ＰＷＭ制御信号に従い、交流電力を直流電力に変換する力行動作（順変換動作）および直流電力を交流電力に変換する回生動作（逆変換動作）のいずれかを行う。
【００４１】
整流器用制御部１４は、モータ２の回転速度ωmと外部から入力された速度指令ωm*とに基づいて、上述のＰＷＭ整流器１１による電力変換動作を制御するための整流器用電圧指令ｖ*を生成する。なお、モータ２の回転速度ωmは、モータ２の回転子（図示せず）の近傍に設置された速度検出部５１によって検出される。整流器用制御部１４の動作の詳細については後述する。
【００４２】
インバータ用制御部１５は、直流コンデンサ１２の直流電圧値ｖdcと外部から入力された直流電圧指令Ｖdc*とに基づいて、上述のＰＷＭインバータ１３による電力変換動作を制御するためのインバータ用電圧指令ｖm*を生成する。なお、直流コンデンサ１２の直流電圧値ｖdcは、電圧検出部５２によって検出される。インバータ用制御部１５の動作の詳細については後述する。
【００４３】
ＰＷＭ制御信号生成部１６−１は、整流器用電圧指令ｖ*に基づいて整流器用ＰＷＭ制御信号を生成する。整流器用ＰＷＭ制御信号には、例えば整流器用電圧指令値ｖ*と所定のキャリア周波数の三角波キャリア信号とを比較することによる三角波比較方式が用いられる。生成された整流器用ＰＷＭ制御信号は、ＰＷＭ整流器１１内のスイッチング素子Ｓa1、Ｓa2、Ｓb1およびＳb2の各ゲート端子に印加される。
【００４４】
ＰＷＭ制御信号生成部１６−２は、インバータ用電圧指令ｖm*に基づいてインバータ用ＰＷＭ制御信号を生成する。インバータ用ＰＷＭ制御信号には、例えばインバータ用電圧指令値ｖm*と所定のキャリア周波数の三角波キャリア信号とを比較することによる三角波比較方式が用いられる。生成されたインバータ用ＰＷＭ制御信号は、ＰＷＭ整流器１１内のスイッチング素子Ｓu1、Ｓu2、Ｓv1、Ｓv2、Ｓw1およびＳw2の各ゲート端子に印加される。
【００４５】
なお、上述した整流器用制御部１４、インバータ用制御部１５、ＰＷＭ制御信号生成部１６−１および１６−２は、例えばソフトウェアプログラム形式で構築されてもよく、あるいは各種電子回路とソフトウェアプログラムとの組み合わせで構築されてもよい。例えばこれらの手段をソフトウェアプログラム形式で構築する場合は、モータ制御装置１内の演算処理装置はこのソフトウェアプログラムに従って動作することで上述の各部の機能が実現される。また、既存のモータ制御装置にこれら手段に係るソフトウェアプログラムを当該モータ制御装置内の演算処理装置に追加的にインストールすることで本発明を適用することも可能である。
【００４６】
図２は、図１に示すモータ制御装置における整流器用制御部を示すブロック線図である。本発明の実施例によるモータ制御装置１における整流器用制御部１４は、モータ２の回転速度ωmと速度指令ωm*とに基づいて、ＰＷＭ整流器１１による電力変換動作を制御するための整流器用電圧指令ｖ*を生成するために、交流電力指令生成部２１と、電源電流指令生成部２２と、電源電流制御部２３と、を備える。
【００４７】
交流電力指令生成部２１は、速度検出部５１によって検出された回転速度ωmと外部から入力された速度指令ωm*との偏差に基づいて、ＰＷＭ整流器１１が電力変換動作のために交流電源３側から取り込むべき交流電力を規定する交流電力指令ＰS*を生成する。すなわち、交流電力指令ＰS*は、ゲインをＫとしたとき式６のように表される。
【００４８】
【数６】
2016052142.tif 000008
【００４９】
電源電流指令生成部２２は、交流電源指令ＰS*に基づいて電源電流指令ｉS*を生成する。電源電流指令の実効値ＩS*は、電源電圧実効値をＶSとしたとき式７のように表される。
【００５０】
【数７】
2016052142.tif 000009
【００５１】
したがって、電源電流瞬時値の指令値ｉS*は式８のように表される。
【００５２】
【数８】
2016052142.tif 000010
【００５３】
電源電流制御部２３は、交流電源３側の電源電流ｉSと電源電流指令ｉS*との偏差に基づいて、整流器用電圧指令ｖ*を生成する。なお、電源電流ｉSは、ＰＷＭ整流器１１の交流電源３側に設けられた交流電流検出部（図示せず）によって検出される。整流器用電圧指令ｖ*は、ゲインをＫsとし、電源電圧をｖSとしたとき式９で表される。
【００５４】
【数９】
2016052142.tif 000011
【００５５】
その後、ＰＷＭ制御信号生成部１６−１において、例えば整流器用電圧指令値ｖ*と所定のキャリア周波数の三角波キャリア信号とを比較してＰＷＭ制御信号を生成する三角波比較方式ＰＷＭ制御などに基づき、整流器用ＰＷＭ制御信号を生成する。整流器用ＰＷＭ制御信号はＰＷＭ整流器１１内のスイッチング素子Ｓa1、Ｓa2、Ｓb1およびＳb2のゲート端子に印加される。これにより、モータ２の回転速度ωmが速度指令ωm*に追従するよう、交流電源３側の電源電流ｉSが制御される。
【００５６】
図３は、図１に示すモータ制御装置におけるインバータ用制御部を示すブロック線図である。本発明の実施例によるモータ制御装置１におけるインバータ用制御部１５は、直流コンデンサ１２の直流電圧値ｖdcと直流電圧指令Ｖdc*とに基づいて、ＰＷＭインバータ１３による電力変換動作を制御するためのインバータ用電圧指令ｖm*を生成するために、トルク指令生成部３１と、モータ電流指令生成部３２と、電源電流制御部３３とを備える。
【００５７】
トルク指令生成部３１は、電圧検出部５２によって検出された直流電圧値ｖdcと外部から入力された直流電圧指令Ｖdc*との偏差に基づいて、モータ２の回転トルクを指令するトルク指令Ｔ*を生成する。すなわち、トルク指令Ｔ*は、ゲインをＫTとしたとき式１０のように表される。
【００５８】
【数１０】
2016052142.tif 000012
【００５９】
モータ電流指令生成部３２は、トルク指令Ｔ*に基づいてモータ電流指令ｉm*を生成する。モータ電流指令ｉm*の生成には、ベクトル制御やすべり周波数制御などの一般的なトルク制御方法を用いればよい。
【００６０】
電源電流制御部３３は、モータ２に流れ込むモータ電流ｉmとモータ電流指令ｉm*との偏差に基づいて、インバータ用電圧指令ｖm*を生成する。なお、モータ電流ｉmは、ＰＷＭインバータ１３のモータ２側に設けられた交流電流検出部（図示せず）によって検出される。インバータ用電圧指令ｖm*は、ゲインをＫCとしたとき式１１で表される。
【００６１】
【数１１】
2016052142.tif 000013
【００６２】
その後、ＰＷＭ制御信号生成部１６−２において、例えばインバータ用電圧指令値ｖm*と所定のキャリア周波数の三角波キャリア信号とを比較してＰＷＭ制御信号を生成する三角波比較方式ＰＷＭ制御などに基づき、インバータ用ＰＷＭ制御信号を生成する。インバータ用ＰＷＭ制御信号はＰＷＭインバータ１３内のスイッチング素子Ｓu1、Ｓu2、Ｓv1、Ｓv2、Ｓw1およびＳw2のゲート端子に印加される。これにより、直流コンデンサ１２の直流電圧値ｖdcが直流電圧指令Ｖdc*に追従するよう、モータ２側のモータ電流ｉmが制御される。
【００６３】
なお、整流器用制御部１４に、交流電力指令がＰＷＭ整流器１１が有する最大変換許容量を超えないようにするリミッタを設けてもよい。図４は、図２に示す整流器用制御部の変形例を示すブロック線図である。
【００６４】
本変形例によれば、整流器用制御部１４は、交流電力指令生成部２１と電源電流指令生成部２２との間にリミッタ２４をさらに備える。リミッタ２４は、交流電力指令生成部２１により生成された交流電力指令ＰS*が、ＰＷＭ整流器１１が有する最大変換許容量Ｐmaxを超えた場合、当該交流電力指令ＰS*に代えて最大変換許容量Ｐmaxを新たなる交流電力指令として電源電流指令生成部２２へ出力し、それ以外の場合は、当該交流電力指令ＰS*を維持してこれを電源電流指令生成部２２へ出力する。すなわち、リミッタ２４から電源電流指令生成部２２へ出力される交流電源指令ＰS*’は式１２で表される。
【００６５】
【数１２】
2016052142.tif 000014
【００６６】
電源電流指令生成部２２は、交流電源指令ＰS*’に基づいて電源電流指令ｉS*を生成する。電源電流指令の実効値ＩS*は、電源電圧実効値をＶSとしたとき式１３のように表される。
【００６７】
【数１３】
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【００６８】
したがって、式１３で表される電源電流指令の実効値ＩS*が式８に代入されて電源電流瞬時値の指令値ｉS*が得られる。
【００６９】
なお、本変形例については、これ以外の回路構成要素については図２に示す回路構成要素と同様であるので、同一の回路構成要素には同一符号を付して当該回路構成要素についての詳細な説明は省略する。
【００７０】
本発明の実施例によるモータ制御装置１の構成によれば、インバータ用制御部１５によってＰＷＭインバータ１３が十分に早くモータ２のトルクすなわちモータ２に与える交流駆動電力を制御すれば、直流コンデンサ１２の直流電圧値ｖdcをほぼ一定にできる。つまり直流コンデンサ１２の蓄積エネルギーはほぼ一定となるので、整流器用制御部１４の制御によってＰＷＭ整流器１１が交流電源３から引き込んだ交流電力は、インバータ用制御部１５の制御によってＰＷＭインバータ１３がモータ２へ供給する交流電力の平均値はほぼ等しくなる。したがって、本発明の実施例によれば、従来のように直流コンデンサ電圧の異常低下や交流電源の過電流を生じることなく、交流電源の電力および電流定格の範囲内で最大のモータ回転加速度を得ることができる。
【００７１】
また、設計変更等によりＰＷＭインバータ１３およびモータ２の定格トルクおよび定格電力が増加した場合であっても、交流電源３の許容電流、電力の範囲内で動作させることができる。
【００７２】
また、交流電源が単相である場合は直流コンデンサ１２の電圧には原理的に電源周波数の２倍の周波数の電圧リプルが生じることが一般的に知られている。この電圧リプルは交流電源の電流ひずみを引き起こす。このため、従来方法では、ＰＷＭ整流器の制御系内に交流電源の電流ひずみを除去するためのフィルタ回路を設けており、したがってＰＷＭ整流器の応答は低速とならざるを得なかった。これに対し、本発明の実施例によれば、上述したようにモータ２の回転数ωmと速度指令ωm*から電源電流指令値ｉs*を計算するが、モータ２の慣性モーメントにより回転数ωmの脈動は少ないため、大きなフィルタ回路を設ける必要はない。したがって、本発明の実施例によれば、交流電源３の電流ひずみを低減しつつ、ＰＷＭ整流器１１の応答性を従来方法よりも改善でき、限られた交流電源容量であっても誘導モータの最大限の加速を得ることができる。
【００７３】
このように加速特性が改善されると、当該モータを用いた作業の時間短縮を図るとことができ、経済的にも有利である。また、特に高速モータでは、加速中の空気抵抗や摩擦によるエネルギー損失を低減し、省エネルギー化を図ることができる。例えば遠心分離機やスピンナーなど加速特性が重視されるモータ制御装置に特に有用である。
【００７４】
次に、本発明の実施例によるモータ制御装置によるシミュレーション結果について、従来方法と比較しながら説明する。シミュレーションには、単相２００［Ｖ］、１０［Ａ］の交流電源と、５．５［ｋＷ］、４極、６０［Ｈｚ］の誘導モータを用いた。誘導モータの一次巻線抵抗を０．７２［Ω］、一次インダクタンスを０．１３３［Ｈ］、二次巻線抵抗を ０．７７［Ω］、二次インダクタンスを０．１３５［Ｈ］、相互インダクタンスを０．１３［Ｈ］とした。また、誘導モータの負荷トルクを５［Ｎｍ］、負荷慣性モーメントを１［ｋｇｍ2］とした。図５および図６は、本発明の実施例によるモータ制御装置のシミュレーション結果を示す図であり、図７および図８は、従来のモータ制御装置のシミュレーション結果を示す図である。図５および図７において、（Ａ）は電源電流実効値を示し、（Ｂ）は直流コンデンサの直流電圧値を示し、（Ｃ）はモータ電流を示す。また、図６および図８において、（Ａ）はモータのトルクを示し、（Ｂ）はモータの回転子の回転速度を示す。従来のモータ制御装置では、加速中のトルクは１５［Ｎｍ］で一定であり、回転子の回転速度は直線的に増加する。電源電流実効値に注目すると、加速開始の直後の電流は少なく、回転速度の増加に伴って電流も増加している。これ以上の速度に加速した場合、電流制限値を超える可能性がある。また、直流コンデンサ電圧は、回転速度の増加にともなって低下している。一方、本発明によるモータ制御装置によれば、加速開始直後から電源電流の制限値１０［Ａ］程度で一定となっている。その結果、加速開始直後のトルクは３０［Ｎｍ］程度で、従来法の２倍に増加している。その結果、加速に要した時間は約１／２に低減できており、ＰＷＭ整流器の応答性およびモータの加速特性が改善されていることが分かる。
【符号の説明】
【００７５】
１    モータ制御装置
２    モータ
３    交流電源
１１    ＰＷＭ整流器
１２    直流コンデンサ
１３    ＰＷＭインバータ
１４    整流器用制御部
１５    インバータ用制御部
１６−１、１６−２    ＰＷＭ制御信号生成部
２１    交流電力指令生成部
２２    電源電流指令生成部
２３    電源電流制御部
３１    トルク指令生成部
３２    モータ電流指令生成部
３３    電源電流制御部
５１    速度検出部
５２    電圧検出部
Ｓa1、Ｓa2、Ｓb1、Ｓb2    スイッチング素子
Ｓu1、Ｓu2、Ｓv1、Ｓv2、Ｓw1、Ｓw2    スイッチング素子
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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