(57)【要約】【課題】特定高調波や相間アンバランスの影響を考慮し、よりきめ細やかな制御を行うことのできる電動機制御装置および電動機制御装置の制御方法を得る。【解決手段】スロットが設けられた固定子鉄心および固定子巻線を有し、固定子巻線に電力が供給されることで回転子が回転する電動機を制御対象とし、固定子巻線が２組以上の３相巻線から構成され、各組の３相巻線が少なくとも２組以上の電力供給部に接続され、２組以上の電力供給部から電動機に供給される電力を制御する装置であり、電動機の各相と回転子の相互作用に関する第１の定数と、各組各相間の相互作用に関する第２の定数とがあらかじめ記憶されている記憶部１１と、記憶部１１に記憶された第１の定数および第２の定数を参照して、電動機が所望の特性を有するように電力供給部２０に与える制御量を算出する制御回路部１２とを備える。【選択図】図１
2009278762.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スロットが設けられた固定子鉄心、および前記固定子鉄心に装着された固定子巻線を有し、前記固定子巻線に電力が供給されることで回転自在に設けられた回転子が回転する電動機を制御対象とし、前記電動機の前記固定子巻線が２組以上の３相巻線から構成され、各組の３相巻線が少なくとも２組以上の電力供給部に接続され、前記２組以上の電力供給部から前記電動機に供給される電力を制御するための電動機制御装置であって、
前記電動機の各相と前記回転子の相互作用に関する第１の定数と、各組各相間の相互作用に関する第２の定数とがあらかじめ記憶されている記憶部と、
前記記憶部に記憶された前記第１の定数および前記第２の定数を参照して、前記電動機が所望の特性を有するように前記電力供給部に与える制御量を算出する制御回路部と
を備えることを特徴とする電動機制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電動機制御装置において、
前記記憶部は、制御対象である前記電動機の電流、周波数、および回転子位置の少なくともいずれか１つをパラメータ値とし、前記パラメータ値の変動に応じて前記第１の定数および前記第２の定数を記憶し、
前記制御回路部は、前記パラメータ値の現在値に応じた第１の定数および第２の定数を前記記憶部から取り出して参照して、前記制御量を算出する
ことを特徴とする電動機制御装置。
【請求項３】
請求項１に記載の電動機制御装置において、
前記記憶部は、制御対象である前記電動機の電流、周波数、および回転子位置の少なくともいずれか１つをパラメータ値とし、前記パラメータ値の変動に応じて、前記第１の定数および前記第２の定数を算出する近似関数を記憶し、
前記制御回路部は、前記記憶部に記憶された近似関数に基づいて算出した前記パラメータ値の現在値に応じた第１の定数および第２の定数を参照して、前記制御量を算出する
ことを特徴とする電動機制御装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電動機制御装置において、
制御対象である前記電動機は、固定子巻線の組数をｎ（ｎは、２以上の整数）とした場合の組間の空間的な位相差（電気角）が、６０／ｎ（°）であることを特徴とする電動機制御装置。
【請求項５】
スロットが設けられた固定子鉄心、および前記固定子鉄心に装着された固定子巻線を有し、前記固定子巻線に電力が供給されることで回転自在に設けられた回転子が回転する電動機を制御対象とし、前記電動機の前記固定子巻線が２組以上の３相巻線から構成され、各組の３相巻線が少なくとも２組以上の電力供給部に接続され、前記２組以上の電力供給部から前記電動機に供給される電力を制御するための電動機制御装置の制御方法であって、
前記電動機の各相と回転子の相互作用に関する第１の定数と、各組各相間の相互作用に関する第２の定数とを参照して、前記電動機が所望の特性を有するように前記電力供給部に与える制御量を算出するために、制御対象である前記電動機の電流、周波数、および回転子位置の少なくともいずれか１つをパラメータ値として変更させながら、１相の巻線に電流を印加した際に他相の巻線に発生する誘起電圧を計測することで前記第１の定数および前記第２の定数をあらかじめ計測することを特徴とする電動機制御装置の制御方法。
【請求項６】
請求項５に記載の電動機制御装置の制御方法において、
前記パラメータ値を微小変化させてインダクタンスを変動させた際の前記誘起電圧を計測することで前記第１の定数および前記第２の定数を計測することを特徴とする電動機制御装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多重巻線を持つ電動機に対する電動機制御装置および電動機制御装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
２組以上の３相巻線から構成された電動機において、各組の３相巻線が少なくとも２組以上のインバータなどの電力供給部に接続されている場合における、従来の電動機制御は、次のように行われている。モータのトルクあるいは回転数などを制御するために用いられるモータ定数（インダクタンスや抵抗）は、モータの電流、電圧をｄｑ変換したＶｄ、Ｖｑ、Ｉｄ、Ｉｑとして取り扱い、各組のｄ軸およびｑ軸に関する値として処理を行っている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このため、２組３相巻線の誘導電動機の場合の電圧方程式は、次式（１）で代表される。
【０００４】
【数１】
2009278762.tif 000003
【０００５】
ここで、上式（１）中のそれぞれの符号は、以下の内容を意味するものである。なお、添字１〜３において、１は１組目、２は２組目、３は回転子を意味している。
Ｖ１ｄ,Ｖ１ｑ：１組目の電圧
Ｖ２ｄ,Ｖ２ｑ：２組目の電圧
Ｉ１ｄ,Ｉ１ｑ：１組目の電流
Ｉ２ｄ,Ｉ２ｑ：２組目の電流
Ｉ３ｄ,Ｉ３ｑ：回転子電流
Ｒ１,Ｒ２,Ｒ３：１組目、２組目、回転子のそれぞれの抵抗
Ｌ１,Ｌ２,Ｌ３：１組目、２組目、回転子のそれぞれの自己インダクタンス
Ｍｎｍ：ｎ組目とｍ組目（または回転子）の相互インダクタンス
ω：基本角速度
ｐ＝ｄ／ｄｔ
ｓ：すべり
【０００６】
上式（１）の電圧方程式を元に制御を行う際には、組間の相互作用などが考慮でき、基本波で考える場合には、きめ細やかな制御が可能であった。
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−２６２２９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来技術には次のような課題がある。
例えば、２組３相巻線で、組間の位相差が３０°の場合を考える。この場合、インバータ高調波のうち、５次高調波が１組目の巻線で発生する磁束は、次式（２）で表される。
【０００９】
【数２】
2009278762.tif 000004
【００１０】
また、５次高調波が２組目の巻線で発生する磁束は、次式（３）で表される。
【００１１】
【数３】
2009278762.tif 000005
【００１２】
上式（２）と（３）の和が、トータル磁束となる。従って、１組目の磁束と２組目の磁束が１８０°位相差であるため、磁束が消滅することがわかる。すなわち、インバータ高調波の５次高調波に対するインダクタンスは、ほぼ０となっていることがわかる。このような特徴を有するインバータ高調波の５次高調波を、特定高調波と呼ぶ。
【００１３】
インダクタンスがほぼ０となると、インバータ高調波電圧に対して漏れリアクタンスおよび巻線抵抗のみがインピーダンスとなる。また、この漏れリアクタンス、すなわち漏れ磁束も組間で結合しており、この結合は巻線の配置によって結合度合いが変化し、主磁束の結合と異なるケースがある。この結果、特定高調波に対するインピーダンスが低下し、非常に大きな高調波電流が巻線に流れることになる。これは、モータの温度などの成立性を検討するうえで大きな問題であり、インバータがこのような特定高調波を出している場合には、漏れ磁束に関する結合まで考慮した、十分に細やかな制御をする必要がある。
【００１４】
さらに、インバータの誤差として相間アンバランスがあった場合には、組間の結合が強ければ、この誤差の影響が他の組に影響を及ぼすため、この影響も考慮する必要がある。例えば、可変速電動機の大容量化を複数の三相電圧型インバータの組み合わせで達成する場合を考える。４組の三相電圧型インバータを用いて位相角をそれぞれ１５°とした場合には、巻線間の強い結合が発生し、そのわずかな電圧誤差においても大きな電流ばらつきが発生する。ある実験によると、１％の電圧ばらつきに対して、電流が５０％ばらついた。
【００１５】
しかしながら、上記の特定高調波に関する漏れ磁束の結合度合いや、相間アンバランスによる非対称磁束の結合などの影響については、上式（１）を元にしたｄｑ軸によるモータ定数では検討することができず、きめ細やかな制御が難しくなるという問題があった。このため、電圧ゲインで制御する電圧型インバータにおいては、制御電圧に余裕を多くとる必要があり、電圧利用率の低下、インバータ容量の増大など、システムコストが増大するという問題があった。さらに、本電動機を誘起電圧検出による位置センサレス制御する場合、特定高調波や相間アンバランスの影響で位置検出誤差が増大するという問題点があった。
【００１６】
本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、特定高調波や相間アンバランスの影響を考慮し、よりきめ細やかな制御を行うことのできる電動機制御装置および電動機制御装置の制御方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明に係る電動機制御装置は、スロットが設けられた固定子鉄心、および固定子鉄心に装着された固定子巻線を有し、固定子巻線に電力が供給されることで回転自在に設けられた回転子が回転する電動機を制御対象とし、電動機の固定子巻線が２組以上の３相巻線から構成され、各組の３相巻線が少なくとも２組以上の電力供給部に接続され、２組以上の電力供給部から電動機に供給される電力を制御するための電動機制御装置であって、電動機の各相と回転子の相互作用に関する第１の定数と、各組各相間の相互作用に関する第２の定数とがあらかじめ記憶されている記憶部と、記憶部に記憶された第１の定数および第２の定数を参照して、電動機が所望の特性を有するように電力供給部に与える制御量を算出する制御回路部とを備えるものである。
【００１８】
また、本発明に係る電動機制御装置の制御方法は、スロットが設けられた固定子鉄心、および固定子鉄心に装着された固定子巻線を有し、固定子巻線に電力が供給されることで回転自在に設けられた回転子が回転する電動機を制御対象とし、電動機の固定子巻線が２組以上の３相巻線から構成され、各組の３相巻線が少なくとも２組以上の電力供給部に接続され、２組以上の電力供給部から電動機に供給される電力を制御するための電動機制御装置の制御方法であって、電動機の各相と回転子の相互作用に関する第１の定数と、各組各相間の相互作用に関する第２の定数とを参照して、電動機が所望の特性を有するように電力供給部に与える制御量を算出するために、制御対象である前記電動機の電流、周波数、および回転子位置の少なくともいずれか１つをパラメータ値として変更させながら、１相の巻線に電流を印加した際に他相の巻線に発生する誘起電圧を計測することで第１の定数および第２の定数をあらかじめ計測するものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、電動機の各相と回転子の相互作用に関する第１の定数と、各組各相間の相互作用に関する第２の定数とを参照して、電動機が所望の特性を有するように電力供給部に与える制御量を算出することにより、特定高調波や相間アンバランスの影響を考慮し、よりきめ細やかな制御を行うことのできる電動機制御装置および電動機制御装置の制御方法を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の電動機制御装置および電動機制御装置の制御方法の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
【００２１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における電動機制御装置を用いて電動機を制御する際の制御系の構成図である。この制御系は、電動機制御装置１０、２台の電力供給部２０ａ、２０ｂ、電動機３０で構成される。また、電動機制御装置１０は、制御回路部１１および記憶部１２を備えている。
【００２２】
記憶部１２には、電動機の各相と前記回転子の相互作用に関する第１の定数と、各組各相間の相互作用に関する第２の定数とがあらかじめ記憶されている。これらの定数については、後で詳細に説明する。
【００２３】
制御回路部１１は、外部からの指令値に応じて電動機３０が所望の特性を有するように、記憶部１２に記憶された第１の定数および第２の定数を参照して、電力供給部２０ａ、２０ｂに与える制御量を算出する。外部からの指令値としては、電動機の目標トルクあるいは目標回転数などが考えられる。
【００２４】
本発明の制御対象である電動機３０は、略等間隔にスロットが設けられた略環状の固定子鉄心、および固定子鉄心に装着された固定子巻線を有している。そして、固定子巻線に電力が供給されることで、回転自在に設けられた回転子が回転する構成となっている。
【００２５】
従来の制御系では、上述した数式（１）で説明したように、各相の電圧、電流の情報を使用せずに、ｄｑ変換することでモータ定数をｄ軸、ｑ軸に対する値として取り扱う制御を行っていた。しかしながら、この制御法では、組間の相互作用により、相電流に発生する高調波電流（特定高調波による高調波電流）の影響を検討することができない。
【００２６】
そこで、本発明では、組間の相互作用を各相におけるモータ定数として取り扱うことにより、特定高調波の影響を考慮することができる点を技術的特徴としている。電動機３０の２組３相巻線の各相をｕ、ｖ、ｗとし、組間位相差が３０°（＝６０°／組数）の場合を考える。
【００２７】
組間位相差が６０／ｎ°（電気角）の電動機では、組間の相互作用が強く、たとえば、ｎ＝２のとき、インバータ高調波の５次、７次成分が特定高調波となり、電流波形への影響が大きくなる。よって、このような電動機では、各相に対するモータ定数で制御する必要が、より大きくなる。このような電動機における電圧方程式は、次式（４）となる。
【００２８】
【数４】
2009278762.tif 000006
【００２９】
ここで、上式（４）中のそれぞれの符号は、以下の内容を意味するものである。
Ｖ１ｕ,Ｖ１ｖ,Ｖ１ｗ：１組目の各相の電圧
Ｖ２ｕ,Ｖ２ｖ,Ｖ２ｗ：２組目の各相の電圧
Ｉ１ｕ,Ｉ１ｖ,Ｉ１ｗ：１組目の各相の電流
Ｉ２ｕ,Ｉ２ｖ,Ｉ２ｗ：２組目の各相の電流
ｒ：相抵抗（各相で等しいとしている）
Ａ〜Ｄ：相間のインダクタンス
Ａ：自己インダクタンス
Ｂ：隣りのスロットに格納される相間の相互インダクタンス
Ｃ：２つ離れたスロットに格納される相間の相互インダクタンス
Ｄ：３つ離れたスロットに格納される相間の相互インダクタンス
ｐ＝ｄ／ｄｔ
【００３０】
ただし、回転子に関する項は、同期機、誘導機などで異なるため、式（４）中では「・・・」として記載し、詳細は省略している。従って、電動機の各相と前記回転子の相互作用に関する第１の定数に関しては、省略されている。ただし、この第１の定数に関しては、従来技術と同じである。一方、相互のインダクタンスを示すＡ〜Ｄは、各組各相間の相互作用に関する第２の定数に相当する。
【００３１】
この式（４）と、従来技術として示した式（１）とを比較すると、相互インダクタンスが１つから３つに増加している。より具体的には、先の式（１）では、各組間の相互インダクタンスＭを考慮していた。これに対して、本発明における上式（４）では、各組各相間の相互インダクタンスＢ〜Ｄを考慮している。
【００３２】
このようにして相互インダクタンスを相ごとに表現することで、特定高調波や相間のアンバランスによる影響を考慮することが可能となる。すなわち、制御に用いるモータ定数として、自己インダクタンスＡに加え、各組各相間の相互インダクタンスＢ〜Ｄを用いることで、特定高調波の影響を考慮することができ、よりきめ細やかな制御が可能となる。
【００３３】
また、電力供給部２０ａ、２０ｂの誤差（相間アンバランスなど）の影響が顕著となる多重巻線を持つ電動機３０では、この影響を計算できる各相のアンバランスを推定して制御することが重要となる。従って、上式（４）のように、組間の相互作用を各相におけるモータ定数として取り扱うことで、相間アンバランスによる影響を考慮することができ、よりきめ細やかな制御が可能となる。
【００３４】
以上のように、実施の形態１によれば、電動機の各相と回転子の相互作用に関する第１の定数と、各組各相間の相互作用に関する第２の定数とを用いた制御を行うことにより、特定高調波の影響および相間アンバランスによる影響を考慮することができ、きめ細やかな制御が可能な電動機制御装置を実現できる。この結果、電力供給部の発生電圧に対して制御のための余裕を大きくとることが不要となり、電圧利用率の向上と電力供給部の容量の削減を達成し、システムコストを低減することができる。
【００３５】
なお、上述の説明では、制御対象である電動機が２組３相巻線である場合について説明したが、本発明はこのような構成に限定されるものではない。組数が２以上の場合、あるいは組間位相差が３０°（＝６０°／組数）でない場合にも、同様の効果を奏することは明らかである。
【００３６】
実施の形態２．
先の実施の形態１で説明した数式（１）におけるＡ〜Ｄの値は、電流による磁気飽和の度合い、周波数および回転子位置により変化することが考えられる。従って、これらの値を、これら変動要素に対応してデータベース化することで、それぞれの状況にあったきめ細やかな制御が可能となる。
【００３７】
変動要素に対応して、第１の定数および第２の定数に相当するＡ〜Ｄをデータベース化する方法について、フローチャートを用いて説明する。図２は、本発明の実施の形態２における第１の定数および第２の定数を求めるための一連処理のフローチャートである。まず始めに、制御回路部１１は、変動要素のパラメータである回転子の位置、モータ電流、周波数の値を読み取る（ステップＳ２０１）。回転子の位置、モータ電流は、センサから読み取ることができ、周波数は、指令値として与えられる。また、数値解析を行う場合には、これらの値は、単純に入力データとして与えられる。
【００３８】
次に、制御回路部１１は、各相の誘起電圧をＦＥＭ計算により求める（ステップＳ２０２）。さらに、制御回路部１１は、１相のみ電流値を微小変化させ（ステップＳ２０３）、各相の誘起電圧をＦＥＭ計算により求める（ステップＳ２０４）。そして、制御回路部１１は、ステップＳ２０２とＳ２０４の計算結果を比較することで、自己インダクタンスＡ、相互インダクタンスＢ〜Ｄを算出する（ステップＳ２０５）。
【００３９】
制御回路部１１は、データベース化に必要なパラメータ変更が必要かどうかを判断し（ステップＳ２０６）、必要であれば回転子の位置、周波数を変更し（ステップＳ２０７）、ステップＳ２０２以降の処理を繰り返す。全てのデータを取り終えたら、制御回路部１１は、取得したデータを記憶部１２に記憶させることにより、データベース化が終了する。
【００４０】
以上のように、実施の形態２によれば、電流による磁気飽和の度合い、周波数および回転子位置により変化する定数の値を、その変動要素に応じてデータベース化しておくことにより、それぞれの状況にあった、よりきめ細やかな制御が可能な電動機制御装置を実現できる。
【００４１】
なお、制御系の演算速度を向上させるためには、上述したようなデータベース化されたデータを適当な近似関数である近似式で表し、記憶部１２に記憶させておくことが考えられる。これにより、高速に対応する制御系が構築できる。
【００４２】
また、Ａ〜Ｄの値の測定方法として、ある１相にのみ通電し、自相および他相に発生する誘起電圧を測定することで、自己および相互インダクタンスを測定する方法を説明したが、有限要素法などの数値解析によりＡ〜Ｄを計算することもできる。
【００４３】
この場合にも、ある１相に通電した場合を模擬し、自相および他相に発生する誘起電圧を計算することで、自己および相互インダクタンスを計算することができる。また、数値解析による方法では、電流や回転子位置などの微小変化によるインダクタンスの変化を計算することが可能であり、インダクタンスの変動を詳しく見ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施の形態１における電動機制御装置を用いて電動機を制御する際の制御系の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態２における第１の定数および第２の定数を求めるための一連処理のフローチャートである。
【符号の説明】
【００４５】
１０  電動機制御装置、１１  制御回路部、１２  記憶部、２０ａ、２０ｂ  電力供給部、３０  電動機。
【図１】
2009278762.tif 000007
【図２】
2009278762.tif 000008