(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期電動機に電力を供給する電力変換器と、前記同期電動機の一次電流を前記同期電動機の界磁極の方向であるｄ軸とそれと直交する方向であるｑ軸とに分離し各々をｄ軸電流指令とｑ軸電流指令に追従するように独立に調整して前記同期電動機のトルクや速度を制御するための電圧指令を前記電力変換器に出力する電流制御器と前記電圧指令が前記電力変換器で出力可能な最大電圧を越えた時は−１となり、超えない時は１となる電圧飽和信号を出力する飽和検出器と、前記飽和検出器の出力が１の時は正の固定値を時間積分し、前記飽和検出器の出力が−１の時は前記ｄ軸電流指令を初期値として負の固定値を時間積分し、０から前記最大ｄ軸電流演算器の出力までの範囲に制限して出力する飽和積分器とを有する同期機の制御装置において、
前記電力変換器が前記同期電動機に出力可能な最大電圧と前記同期電動機の回転速度とから前記最大電圧で前記同期電動機の最大トルクを得るためｄ軸電流の負の最大制限値を出力する最大ｄ軸電流演算器と、
前記最大ｄ軸電流演算器の出力と前記最大電圧と前記回転速度とから前記最大電圧で前記同期電動機が出力可能なトルクを求め該トルクを前記同期電動機のトルクの制限値として出力するトルク制限値演算器と、
前記同期電動機のトルク指令を前記トルク制限値演算器の出力に制限するトルク指令制限器と、
前記トルク指令制限器の出力の絶対値に高効率ゲインを乗ずることで前記同期電動機を最大効率で運転するためのｄ軸電流指令Ａを出力する高効率ｄ軸電流演算器と、
前記飽和積分器の出力と前記高効率ｄ軸電流演算器の出力とを比較して負の方向に大きい方の出力を選択して前記ｄ軸電流指令として出力するｄ軸電流指令選択器と、
前記トルク指令制限器の出力と前記ｄ軸電流指令選択器の出力とから前記ｑ軸電流指令を出力するｑ軸電流指令演算器とを具備し、
前記ｄ軸電流指令選択器の出力は前記飽和積分器とｑ軸電流指令演算器と電流制御器へ伝達されるよう構成したことを特徴とする同期機の制御装置。
【請求項２】
前記高効率ゲインを前記トルク指令制限器の出力と前記ｑ軸電流指令演算器の出力とから求める前記高効率ｄ軸電流演算器とする請求項１記載の同期機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同期機又は同期発電機のトルクや速度を制御する制御装置において、電圧飽和による制御不能状態を回避するとともに、簡単な構成で高速な応答を行う技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図３に、一例として従来の技術による永久磁石型同期電動機の制御装置のブロック図を示し、以下この図に基づいて従来の技術を説明する。
電流制御器３は、永久磁石型同期電動機１の一次電流のｄ軸電流ｉｄとｑ軸電流ｉｑとがそれぞれｄ軸電流指令ｉｄ＊とｑ軸電流指令ｉｑ＊とに追従するような電圧指令を電力変換器２に出力する。電力変換器２は、電圧指令通りの電圧を永久磁石型同期電動機１に印加する。
【０００３】
ｑ軸電流指令演算器１１は、永久磁石型同期電動機１のトルク指令Ｔ＊とｄ軸電流指令ｉｄ＊とからｑ軸電流指令ｉｑ＊を出力する。永久磁石型同期電動機１の出力トルクＴは、次式（１）に示す
【０００４】
【数１】
0004076348.tif 000002
【０００５】
で表されることから、（１）式をｑ軸電流ｉｑについて解いた式をｑ軸電流指令ｉｑ＊として次式（２）で演算される。
【０００６】
【数２】
0004076348.tif 000003
【０００７】
ここで、φは永久磁石型同期電動機１の永久磁石の磁束、ＬｄとＬｑはｄ軸とｑ軸インダクタンスである。よって、永久磁石型同期電動機１の出力トルクＴはｑ軸電流指令ｉｑ＊を（２）式とすることで、トルク指令Ｔ＊通りに追従することが出来る。
【０００８】
フィルタ１２は、ｑ軸電流指令ｉｑ＊を低域通過フィルタに通したｉｑｆを出力する。高効率ｄ軸電流Ｃ演算器１３は、次式（３）に示される
【０００９】
【数３】
0004076348.tif 000004
【００１０】
を用いて最大効率で運転できるｄ軸電流電流指令ＣとなるｉｄＣを演算する。
（３）式は、公知技術であり、永久磁石型同期電動機１を最大効率運転する条件式である。
【００１１】
高効率ｄ軸電流Ｃ演算器１３にｑ軸電流指令ｉｑ＊をフィルタ１２に通したｉｑｆを用いる理由を説明する。
トルク指令Ｔ＊が変化すると、（２）式よりｑ軸電流指令ｉｑ＊が変化する。
（３）式のｉｑｆの代わりにｉｑ＊を用いると、ｑ軸電流指令ｉｑ＊が変化すると、ｉｄ＊＝ｉｄＣの場合にｄ軸電流ｉｄ＊が変化する。（２）式よりｉｄ＊が変化するとｉｑ＊が変化し、さらにｉｄ＊が変化することになり不安定になる恐れがある。よって、上記不安定性を抑制するために、ｉｑ＊が急変してもゆっくりと変化するｉｑｆを（３）式に用いる。
【００１２】
飽和検出器８は、電力変換器２が出力できる最大電圧Ｖｃよりも入力した電圧指令が大きい場合には電圧飽和信号を−１とし、そうでない場合は電圧飽和信号を１として出力する。つまり、電圧飽和信号が−１の場合は電圧飽和状態で、電圧飽和信号が１の場合は電圧飽和でない状態である。
【００１３】
ｄ軸電流指令生成器１４は、飽和検出器８の出力が１の場合は正の固定値を時間積分し、飽和検出器８の出力が−１の場合は負の固定値を時間積分するｄ軸電流ｉｄｘを求め、ｉｄｘと高効率ｄ軸電流Ｃ演算器１３の出力ｉｄＣとを比較し負の方向に大きい方を選択してｄ軸電流指令ｉｄ＊として出力する。その時間積分の際の初期値はｄ軸電流指令生成器１４の出力のｄ軸電流指令ｉｄ＊とする。またｉｄｘは上限が０に制限される。
【００１４】
次に、ｄ軸電流指令生成器１４の動作について説明する。
永久磁石型同期電動機１の電圧方程式は次式（４）、（５）で表される。
【００１５】
【数４】
0004076348.tif 000005
【００１６】
ここで、ｖｄとｖｑはｄ軸、ｑ軸電圧、Ｒは永久磁石型同期電動機１の電機子巻線抵抗、ｐは微分演算子、ωは永久磁石型同期電動機１の回転速度である。高効率ｄ軸電流Ｃ演算器１３の出力ｉｄＣは、負の値である。電圧飽和でない場合は、ｉｄｘはｄ軸電流指令ｉｄ＊を初期値として最大で０まで正の固定値を時間積分する。よって、通常はｉｄｘ＞ｉｄＣなのでｄ軸電流指令生成器１４は負の方向に大きいｉｄＣをｉｄ＊として出力し、永久磁石型同期電動機１は高効率に運転される。
【００１７】
電圧飽和の場合は、ｄ軸電流指令ｉｄ＊を初期値として負の固定値を時間積分する。よって、ｉｄｘ＜ｉｄＣなのでｄ軸電流指令生成器１４は負の方向に大きいｉｄｘをｉｄ＊として出力する。
（５）式より分かるように、ｄ軸電流ｉｄを負の方向に増加すればｑ軸電圧ｖｑの大きさは減る。よって、電圧飽和の場合に負の固定値を時間積分することで徐々にｄ軸電流を負の方向に増加させ、電圧指令を電力変換器２の出力可能な最大電圧Ｖｃまで減らし、電圧飽和を回避するようにしている。
【００１８】
ここで、ｉｄｘを求める際に最大値を０で制限するのは、Ｌｄ＜Ｌｑの関係があることから（１）式第２項のリラクタンストルクが負となり、永久磁石型同期電動機１が出力するトルクＴが減少するためである。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
永久磁石型同期電動機のトルクは、（１）式から分かるように、第１項の永久磁石による磁石トルクと第２項のインダクタンス差によるリラクタンストルクとに分けられる。同期電動機の一次電流の大きさに制限がある場合、永久磁石の磁束φが小さな永久磁石型同期電動機や又は永久磁石のないシンクロナスリラクタンスモータのような同期電動機を高速な応答が得られるようにするには、リラクタンストルクを用いなければならない。リラクタンストルクにはｄ軸電流も必要である。
高効率ｄ軸電流Ｃ演算器１３の出力ｉｄＣをｄ軸電流指令ｉｄ＊に用いる場合、ｑ軸電流指令ｉｑ＊をフィルタに通したｉｑｆを用いて演算している。すると、トルク指令Ｔ＊の変化に対してｉｑｆの変化は遅いためｉｄ＊は高速に変化することが出来ず、同期電動機の高速なトルク応答が得られない。
【００２０】
また、電圧飽和時にはｄ軸電流を徐々に負の方向に増加させている。こうすることによって、（５）式から分かるようにｖｑの大きさが小さくなることが分かる。しかし、ｄ軸電流を負の方向に増加し続けると、（４）式から分かるようにｖｄの大きさが増加するので、ｖｄ、ｖｑを成分とする電圧ベクトルの大きさである電圧は逆に増加するようになる。特に、永久磁石の磁束φが小さな永久磁石型同期電動機や又は永久磁石のないシンクロナスリラクタンスモータのような同期電動機は、その傾向が強い。
【００２１】
本発明は上述した点に鑑みて創案されたもので、その目的とするところは、同期機を最大効率で運転できるｄ軸電流をトルク指令で決定し、さらに同期機に出力可能な電圧によってｄ軸電流とトルクを制限することで上記問題点を解決するものである。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、請求項１に示す如く、同期電動機に電力を供給する電力変換器と、前記同期電動機の一次電流を前記同期電動機の界磁極の方向であるｄ軸とそれと直交する方向であるｑ軸とに分離し各々をｄ軸電流指令とｑ軸電流指令に追従するように独立に調整して前記同期電動機のトルクや速度を制御するための電圧指令を前記電力変換器に出力する電流制御器と前記電圧指令が前記電力変換器で出力可能な最大電圧を越えた時は−１となり、超えない時は１となる電圧飽和信号を出力する飽和検出器と、前記飽和検出器の出力が１の時は正の固定値を時間積分し、前記飽和検出器の出力が−１の時は前記ｄ軸電流指令を初期値として負の固定値を時間積分し、０から前記最大ｄ軸電流演算器の出力までの範囲に制限して出力する飽和積分器とを有する同期機の制御装置において、
前記電力変換器が前記同期電動機に出力可能な最大電圧と前記同期電動機の回転速度とから前記最大電圧で前記同期電動機の最大トルクを得るためｄ軸電流の負の最大制限値を出力する最大ｄ軸電流演算器と、
前記最大ｄ軸電流演算器の出力と前記最大電圧と前記回転速度とから前記最大電圧で前記同期電動機が出力可能なトルクを求め該トルクを前記同期電動機のトルクの制限値として出力するトルク制限値演算器と、
前記同期電動機のトルク指令を前記トルク制限値演算器の出力に制限するトルク指令制限器と、
前記トルク指令制限器の出力の絶対値に高効率ゲインを乗ずることで前記同期電動機を最大効率で運転するためのｄ軸電流指令Ａを出力する高効率ｄ軸電流演算器と、
前記飽和積分器の出力と前記高効率ｄ軸電流演算器の出力とを比較して負の方向に大きい方の出力を選択して前記ｄ軸電流指令として出力するｄ軸電流指令選択器と、
前記トルク指令制限器の出力と前記ｄ軸電流指令選択器の出力とから前記ｑ軸電流指令を出力するｑ軸電流指令演算器とを具備し、
前記ｄ軸電流指令選択器の出力は前記飽和積分器とｑ軸電流指令演算器と電流制御器へ伝達されるよう構成したものである。
【００２３】
また、請求項２に示す如く、前記高効率ゲインを前記トルク指令制限器の出力と前記ｑ軸電流指令演算器の出力とから求める前記高効率ｄ軸電流演算器を具備する請求項１記載のものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図１は、請求項１を表す本発明の一実施例を示すブロック線図であり、この図に基づいて説明するが、従来の技術と同一部分は説明を省略する。
図１において、最大ｄ軸電流演算器４は、永久磁石型同期電動機１の回転速度ωと電力変換器２の出力可能な最大電圧Ｖｃとを入力して、最大電圧Ｖｃで最大トルクが得られるｄ軸電流の負の最大値ｉｄｍを出力する。
【００２６】
定常状態で電機子巻線抵抗Ｒの項を無視したｖｄ、ｖｑを成分とする電圧ベクトルの大きさが最大電圧Ｖｃに等しいとすると、（４）式と（５）式とにより、次式（６）
【００２７】
【数５】
0004076348.tif 000006
【００２８】
となる。
（６）式の平方根は永久磁石型同期電動機１の一次磁束の大きさを表し、（６）式を一次磁束の大きさについて解いたものは永久磁石型同期電動機１が最大電圧Ｖｃで出力できる次式（７）に示す一次磁束の大きさの最大値φ１ｍとなる。
【００２９】
【数６】
0004076348.tif 000007
【００３０】
（７）式に（１）式を代入し、トルクＴの２乗について解くと、次式（８）で表される
【００３１】
【数７】
0004076348.tif 000008
【００３２】
となり、次式（９）、
【００３３】
【数８】
0004076348.tif 000009
【００３４】
を満たすｉｄがｄ軸電流の負の最大値ｉｄｍとなる。よって、最大ｄ軸電流演算器４では、最大電圧Ｖｃと回転速度ωとを入力して、（９）式をｉｄについて解いた負の最大値ｉｄｍを出力する。
【００３５】
トルク制限値演算器５は、最大ｄ軸電流演算器４の出力ｉｄｍと回転速度ωと最大電圧Ｖｃとから最大電圧Ｖｃで永久磁石型同期電動機１が出力可能なトルクの制限値Ｔｍを出力する。（８）式にｉｄｍとωとＶｃとを代入し平方根をとったものが出力可能なトルクの制限値Ｔｍとなる。
【００３６】
トルク指令制限器６は、永久磁石型同期電動機１のトルク指令Ｔ＊’の絶対値をトルク制限値演算器５の出力Ｔｍに制限したものを新たなトルク指令Ｔ＊として出力する。こうすることによって、トルク指令Ｔ＊は最大電圧Ｖｃで出力可能なトルクＴｍに制限されるため、電圧飽和で不安定になることを抑制することが出来る。
【００３７】
高効率ｄ軸電流演算器７は、トルク指令制限器６の出力Ｔ＊の絶対値に高効率ゲインＣを乗じて永久磁石型同期電動機１を最大効率で運転するためのｄ軸電流指令ＡであるｉｄＡを出力する。
【００３８】
永久磁石型同期電動機１の一次電流の大きさＩは次式（１０）で表される。
【００３９】
【数９】
0004076348.tif 000010
【００４０】
（１０）式に（１）式を代入すると、
【００４１】
【数１０】
0004076348.tif 000011
【００４２】
となり、次式（１２）
【００４３】
【数１１】
0004076348.tif 000012
【００４４】
を満たすｉｄが最大効率条件のｉｄＡとなる。
よって、高効率ゲインＣはｉｄ＝Ｃ・Ｔを（１２）式に代入した式を満たす値である。こうして求めた高効率ゲインＣを用いることによって、高効率ｄ軸電流演算器７は、トルク指令制限器６の出力Ｔ＊の絶対値を入力して、永久磁石型同期電動機１を最大効率で運転するためのｄ軸電流指令ＡであるｉｄＡを出力することが出来る。
【００４５】
飽和積分器９は、飽和検出器８の出力である電圧飽和信号が１の場合は正の固定値を時間積分し、電圧飽和信号が−１の場合はｉｄ＊を初期値として負の固定値を時間積分し、０から最大ｄ軸電流演算器４の出力であるｉｄｍまでの範囲に制限したｉｄＢを出力する。
【００４６】
ｄ軸電流指令選択器１０は、飽和積分器の出力ｉｄＢと高効率ｄ軸電流演算器７の出力ｉｄＡとを比較して、負の方向に大きい方をｄ軸電流指令ｉｄ＊として出力する。
【００４７】
ここで、飽和積分器９とｄ軸電流指令選択器１０の動作について説明する。
まず電圧飽和になると、飽和積分器９は速やかに電圧飽和を回避するために、ｄ軸電流指令ｉｄ＊を初期値として負の固定値を時間積分する。こうすることによって、ｄ軸電流指令選択器１０は負の方向に大きい飽和積分器９の出力であるｉｄＢを選択し、電圧飽和を回避することが出来る。
【００４８】
従来技術のように電圧飽和でない場合もｄ軸電流指令ｉｄ＊を初期値として正の固定値を時間積分すると、ｉｄＢはｉｄＡより少し正の方向に大きな値となる。トルク指令Ｔ＊が大きな値から小さな値に急変すると、ｉｄＡは最大が０で正の方向に増加する。すると、トルク指令Ｔ＊の変化速度と正の固定値を時間積分する速度との関係によっては、ｉｄＡ＞ｉｄＢとなる。そうすると、ｄ軸電流指令選択器１０はｉｄＢを選択し、トルク指令Ｔ＊が急変しているにも拘わらずｉｄ＊がなかなか変化しないため、応答性が悪くなるとともに高効率な運転が不可能となる。そのために、電圧飽和でない場合は初期値をｉｄ＊としないで正の固定値を時間積分する。
【００４９】
飽和積分器９の出力は、０からｉｄｍの間に制限している。まず、飽和積分器９の出力を０で制限するのは、前述したように出力トルクＴの減少を防ぐためである。また、飽和積分器９の出力をｉｄｍに制限するのは、ｉｄが負に増加しすぎて最大電圧Ｖｃで最大トルクＴｍが得られるｄ軸電流の負の最大値を超えないようにするためである。
【００５０】
図２は、請求項２を表す本発明の一実施例を示すブロック線図であり、この図に基づいて説明するが、従来の技術と図１で示した本発明の実施例と同一部分は説明を省略する。
高効率ゲイン演算器１５は、トルク指令制限器６の出力とｑ軸電流指令演算器１１の出力とを入力して、永久磁石型同期電動機１を最大効率で運転するためのｄ軸電流指令Ａをトルク指令Ｔ＊の絶対値に高効率ゲインＣを乗じて演算する際のその高効率ゲインＣを出力する。
【００５１】
高効率ゲインＣは、上述したようにｉｄ＝Ｃ・Ｔを（１２）式に代入した式を満たす値であるが、ｉｄ＝Ｃ・Ｔを（１２）式に代入した式をＣで解くことは困難なので、高効率ゲインＣはニュートン法などの数値解析手法で求めなければならなくなる。そこで、（３）式の最大効率条件式よりｉｄＣ＝Ｃ・Ｔを満たす高効率ゲインＣを高効率ゲイン演算器１５で次式（１３）で求める。
【００５２】
【数１２】
0004076348.tif 000013
【００５３】
ここで、ｉｑｆはｑ軸電流指令ｉｑｆを低域通過フィルタに通した値で、Ｔｆ＊はトルク指令Ｔ＊の絶対値を低域通過フィルタに通した値である。（１３）式にｉｑ＊とＴ＊とを用いると、トルク指令Ｔ＊が変化するとｉｄ＊も変化する。するとｉｑ＊が変化しさらにｉｄ＊が変化して不安定となるために、（１３）式にはゆっくりと変化する低域通過フィルタを通したｉｑｆとＴｆ＊とを用いる。
【００５４】
本発明の一例として永久磁石型同期電動機について説明したが、この制御装置は永久磁石のないシンクロリラクタンスモータ等の同期電動機にも有効に適用できることは明らかである。
【００５５】
また、同期電動機を同期発電機としても同様である。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、電圧飽和により制御不可能状態を回避することが可能となり、さらに高速な応答特性を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１を表す本発明の１実施例を表したブロック図である。
【図２】請求項２を表す本発明の１実施例を表したブロック図である。
【図３】従来の技術による永久磁石型同期電動機の制御装置のブロック図である。
【符号の説明】
１      永久磁石型同期電動機
２      電力変換器
３      電流制御器
４      最大ｄ軸電流演算器
５      トルク制限値演算器
６      トルク指令制限器
７      高効率ｄ軸電流演算器
８      飽和検出器
９      飽和積分器
１０    ｄ軸電流指令選択器
１１    ｑ軸電流指令演算器
１２    フィルタ
１３    高効率ｄ軸電流Ｃ演算器
１４    ｄ軸電流指令生成器
１５    高効率ゲイン演算器
【図１】
0004076348.tif 000014
【図２】
0004076348.tif 000015
【図３】
0004076348.tif 000016