(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石形同期電動機の制御装置において、トルク指令入力を持つトルク制御手段出力と電流制御手段の第一出力である制御信号とを切り替えるスイッチと、このスイッチ出力を指令入力とし前記電動機に電力を供給する電力変換器を有し、前記電動機に印加される電圧・電流及び電力の各値を出力とする入力量計測手段を設け、前記電流制御手段の第二出力であるトリガ信号により前記入力量計測手段出力と設定記憶手段の第一出力である前記電動機の巻線抵抗とを鉄損コンダクタンス演算手段に入力し、この鉄損コンダクタンス演算手段出力を前記設定記憶手段入力として接続したことを特徴とする前記永久磁石形同期電動機の制御装置。
【請求項２】
前記入力量計測手段出力及び前記設定記憶手段の第一出力である前記電動機の巻線抵抗とを入力とする磁束演算手段を有し、この出力及び前記設定記憶手段の第二出力である前記電動機の鉄損コンダクタンスとを入力とする鉄損分トルク演算手段を有し、この出力とトルク指令を入力とする鉄損補正手段出力を新たなトルク指令入力として、前記トルク制御手段へ接続したことを特徴とする請求項１記載の永久磁石形同期電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石形同期電動機における高精度トルク制御に関するもので、特にそのために必要な前記電動機の電気的定数を自動的に計測、設定する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
永久磁石形同期電動機の電気的定数である鉄損コンダクタンスを求める場合には、交流電流を永久磁石形同期電動機に流し、入力電流と入力電圧及び入力電力の各値を計測して求めるが、計測作業が煩雑になるため、永久磁石形同期電動機をトルク制御する際においても、積極的に前記鉄損コンダクタンスを考慮することはなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
永久磁石形同期電動機を高精度に制御するためには、前記電動機の正確な電気的定数の把握が不可欠であるが、それらの値を得るためには多大な作業と各種計測器等を必要とした。
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、永久磁石形同期電動機の鉄損コンダクタンスを自動的に計測し、設定する機能を提供することで上記計測上の問題点を解決し、さらに電動機の鉄損コンダクタンスを制御に用いることで、永久磁石形同期電動機における高精度のトルク制御を可能にするものである。
【０００４】
［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、トルク指令入力を持つトルク制御手段出力と電流制御手段の第一出力である制御信号とを切り替えるスイッチと、このスイッチ出力を指令入力とし前記電動機に電力を供給する電力変換器を有し、前記電動機に印加される電圧・電流及び電力の各値を出力とする入力量計測手段を設け、前記電流制御手段の第二出力であるトリガ信号により前記入力量計測手段出力と設定記憶手段の第一出力である前記電動機の巻線抵抗とを鉄損コンダクタンス演算手段に入力し、この鉄損コンダクタンス演算手段出力を前記設定記憶手段へ入力し、前記入力量計測手段出力及び前記設定記憶手段の第一出力である前記電動機の巻線抵抗とを入力とする磁束演算手段を有し、この出力及び前記設定記憶手段の第二出力である前記電動機の鉄損コンダクタンスとを入力とする鉄損分トルク演算手段を有し、この出力とトルク指令を入力とした鉄損補正手段出力を前記トルク制御手段へ接続して構成する。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の実施例を示し、この図に基づいて説明する。
スイッチ５は、通常運転時には、電力変換器２への指令入力として、トルク制御手段３出力を選択し、永久磁石形同期電動機１の鉄損コンダクタンスｇ０を設定記憶手段８へ設定記憶させたい場合には、電力変換器２への指令入力として、電流制御手段４出力を選択する。
【０００６】
電流制御手段４の第一出力は、所定の周波数ｆｒで大きさの異なる３相交流電流が流れる二つの信号を出力する。これら二つの信号により、前記電動機１は周波数ｆｒに相当する速度において、二つの異なる電流モードで運転する。この二つのモード時、電流制御手段４の第二出力は鉄損コンダクタンス演算手段７にそれぞれトリガ信号を出力し、入力量計測手段６出力の永久磁石形同期電動機１の入力電力Ｐ１、Ｐ２と入力電流Ｉ１、Ｉ２と入力電圧Ｖ１、Ｖ２とをそれぞれ鉄損コンダクタンス演算手段７に取り込む。
【０００７】
鉄損コンダクタンス演算手段７は、前記入力電力Ｐ１、Ｐ２と入力電流Ｉ１、Ｉ２と入力電圧Ｖ１、Ｖ２と永久磁石形同期電動機１の巻線抵抗Ｒとを入力し、永久磁石形同期電動機１の鉄損コンダクタンスｇ０を演算出力する。設定記憶手段８は、鉄損コンダクタンスｇ０を入力して設定記憶し、巻線抵抗Ｒと鉄損コンダクタンスｇ０を出力する。
【０００８】
磁束演算手段９は、入力電流ｉと入力電圧ｖと巻線抵抗Ｒとを入力して、永久磁石形同期電動機１の一次鎖交磁束ベクトルφを演算出力する。鉄損分トルク演算手段１０は、磁束演算手段９出力である一次鎖交磁束ベクトルφの大きさの２乗値と設定記憶手段８出力である鉄損コンダクタンスｇ０との積に比例する量Ｔｇを演算出力する。鉄損補正手段１１は、トルク指令Ｔｃと前記鉄損分トルク演算手段１０出力Ｔｇとを入力し、トルク指令ＴｃにＴｇを加算して、新たなトルク指令Ｔｒを出力する。
【０００９】
トルク制御手段３は、前記トルク指令Ｔｒを入力とし、永久磁石形同期電動機１の出力トルクがトルク指令Ｔｒに追従する信号を出力する。電力変換器２は、スイッチ５を介して前記トルク制御手段３出力を入力し、永久磁石形同期電動機１に電力を供給する。
【００１０】
ここで、本発明によって、前述の問題点を解決できる根拠について説明する。まず第一に、鉄損コンダクタンスｇ０が測定可能となる根拠について説明する。異なる２つの大きさの３相交流電流を流したときの入力電力Ｐ１とＰ２の関係式は、次式で表される。
【００１１】
【数１】
0004274646.tif 000002
【００１２】
ここで、Ｐｃ１とＰｃ２は銅損、Ｐｍ１とＰｍ２は機械損、Ｐｉ１とＰｉ２は鉄損である。
【００１３】
銅損は、永久磁石形同期電動機１の巻線抵抗をＲとすると、
【００１４】
【数２】
0004274646.tif 000003
【００１５】
で表される。また、機械損は永久磁石形同期電動機１の回転速度が同じであることから、
【００１６】
【数３】
0004274646.tif 000004
の関係となる。
【００１７】
鉄損は、永久磁石形同期電動機１の鉄損コンダクタンスｇ０を用いると、
【００１８】
【数４】
0004274646.tif 000005
【００１９】
で表される。よって、（１）式から（２）式を引いて、（３）、（４）、（５）、（６）、（７）式を用いて鉄損コンダクタンスｇ０を求めると、
【００２０】
【数５】
0004274646.tif 000006
となる。
【００２１】
以上説明したように、永久磁石形同期電動機１に所定の周波数ｆｒで異なる２つの大きさの３相交流電流を流し、巻線抵抗Ｒと入力電力Ｐ１、Ｐ２と入力電流Ｉ１、Ｉ２と入力電圧Ｖ１、Ｖ２とから、鉄損コンダクタンスｇ０を演算することができる。
【００２２】
第二に、前述の鉄損補正手段１１出力である新たなトルク指令Ｔｒに基づいた、永久磁石形同期電動機１の出力トルク制御について説明する。
図２に永久磁石形同期電動機１の等価回路ブロックを示し、永久磁石形同期電動機の等価回路の一部１２は、巻線抵抗Ｒと永久磁石形同期電動機１の各回転角周波数ωでの鉄損コンダクタンスｇ０′を除く前記永久磁石形同期電動機１の等価回路成分を表わす。
一般に、永久磁石形同期電動機１の出力トルクＴは、次式で表される。
【００２３】
【数６】
0004274646.tif 000007
【００２４】
ここで、式中の、ｉ１は永久磁石形同期電動機１の入力電流ベクトル、ｉ０は鉄損コンダクタンスｇ０′に流れる電流ベクトル、ｉ１′は入力電流ベクトルｉ１から鉄損コンダクタンスｇ０′に流れる電流ベクトルｉ０を減じた電流ベクトル、×はベクトル積をそれぞれ表わす。
（９）式より、電流ベクトルｉ１′を制御することにより永久磁石形同期電動機１のトルクを制御できることがわかる。
しかしながら、電流ベクトルｉ１を検出することはできるが、電流ベクトルｉ０とｉ１′は直接検出することができないため、このままではトルク指令Ｔｃ通りの出力トルクＴが得られない。
【００２５】
従って、（９）式中の最右辺第２項の鉄損コンダクタンスｇ０′分に相当するトルクを計算により求める。
簡単のため、永久磁石形同期電動機１の鉄損は回転周波数に比例すると仮定すれば、永久磁石形同期電動機１の各回転角周波数ωでの鉄損コンダクタンスｇ０′は、
【００２６】
【数７】
0004274646.tif 000008
【００２７】
と表せる。ここで、ωｒは鉄損コンダクタンスｇ０を測定したときの回転角周波数であり、次式で表される。
【００２８】
【数８】
0004274646.tif 000009
【００２９】
よって、鉄損コンダクタンスｇ０′に流れる電流ベクトルｉ０は、
【００３０】
【数９】
0004274646.tif 000010
【００３１】
と表せる。一方、一次鎖交磁束ベクトルφは、
【００３２】
【数１０】
0004274646.tif 000011
【００３３】
となる。ここで、ｖ０は永久磁石形同期電動機１の入力電圧ベクトルｖ１から巻線抵抗Ｒの電圧降下分を除いた電圧ベクトルであり、定常状態では、一次鎖交磁束ベクトルφは（１３）式より、次式となる。
【００３４】
【数１１】
0004274646.tif 000012
ここで、ｊは虚数単位である。
【００３５】
（１４）式から、電圧ベクトルｖ０を求めると、
【００３６】
【数１２】
0004274646.tif 000013
【００３７】
となる。よって、（１０）式と（１２）式と（１５）式とを（９）式に代入すると、
【００３８】
【数１３】
0004274646.tif 000014
【００３９】
となり、（１６）式最右辺第２項の鉄損コンダクタンスｇ０′分トルクの大きさは、永久磁石形同期電動機１の一次鎖交磁束の大きさ｜φ｜の２乗値と鉄損コンダクタンスｇ０の積に比例した値となることがわかる。
また、永久磁石形同期電動機１の出力トルクは電流ベクトルｉ１によって制御しているため、鉄損コンダクタンスｇ０′分のトルクをＴｇとしてトルク指令Ｔｃに加えて補正し新たなトルク指令Ｔｒとすればよい。
【００４０】
ここで、磁束演算手段９によって、永久磁石形同期電動機１の一次鎖交磁束ベクトルφが演算できる根拠について説明する。図２の永久磁石形同期電動機の等価回路から、（１３）式の一次鎖交磁束ベクトルφは、
【００４１】
【数１４】
0004274646.tif 000015
【００４２】
と表される。よって、入力電流ｉの電流ベクトルｉ１と入力電圧ｖの電圧ベクトルｖ１と巻線抵抗Ｒとから、一次鎖交磁束ベクトルφを演算することができる。
【００４３】
以上説明したように、永久磁石形同期電動機１の一次鎖交磁束ベクトルの大きさ｜φ｜の２乗値と鉄損コンダクタンスｇ０との積に比例した量を、トルク指令Ｔｃに加えた新たなトルク指令Ｔｒに基づいて永久磁石形同期電動機１の出力トルクＴを制御することができる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明により、永久磁石形同期電動機を高精度な制御が可能となり、さらにそのために必要な永久磁石形同期電動機の電気的定数を高精度で自動設定できることから多大な作業や各種計測器等が不要となり大いに有用である。
なお、本願において、入力量計測手段として、理解を容易とするために、センサ等から直接計測されるよう記述したが、制御信号を加工して構成しても本願の主旨を損なわないことはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を表すブロック線図である。
【図２】永久磁石形同期電動機の等価回路である。
【符号の説明】
１ 永久磁石形同期電動機
２ 電力変換器
３ トルク制御手段
４ 電流制御手段
５ スイッチ
６ 入力量計測手段
７ 鉄損コンダクタンス演算手段
８ 設定記憶手段
９ 磁束演算手段
１０ 鉄損分トルク演算手段
１１ 鉄損補正手段
１２ 永久磁石形同期電動機の等価回路の一部
【図１】
0004274646.tif 000016
【図２】
0004274646.tif 000017