(57)【要約】【課題】誘導機を駆動する電力変換器の起動時に、誘導機の回転速度を従来よりも正確に推定可能とした速度センサレスベクトル制御装置を提供する。【解決手段】速度センサを持たない誘導機を電力変換器により可変速制御する速度センサレスベクトル制御装置であって、誘導機が空転している状態で電力変換器を起動する際に、誘導機の回転速度を推定するための速度初期推定モードを有する速度センサレスベクトル制御装置において、前記速度初期推定モードにて、誘導機１の一次電流検出値及び一次電圧検出値から一次電流推定値及び二次磁束推定値を演算する電流・磁束推定手段１０２と、これらの推定値を用いて誘導機１のトルクを推定するトルク推定手段２０６と、このトルク推定値がゼロになるような演算結果を回転角周波数推定値として出力する回転角周波数推定手段１０３（比例・積分演算手段２０８）と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
速度センサを持たない誘導電動機を電力変換器により可変速制御する速度センサレスベクトル制御装置であって、誘導電動機が空転している状態で電力変換器を起動する際に、誘導電動機の回転速度を推定するための速度初期推定モードを有する速度センサレスベクトル制御装置において、
前記速度初期推定モードにて、誘導電動機の一次電流及び一次電圧から二次磁束を推定する磁束推定手段と、この磁束推定手段により推定した二次磁束を用いて誘導電動機のトルクを推定するトルク推定手段と、このトルク推定手段により推定したトルクから誘導電動機の回転速度を推定する回転速度推定手段と、
を備えたことを特徴とする速度センサレスベクトル制御装置。
【請求項２】
速度センサを持たない誘導電動機を電力変換器により可変速制御する速度センサレスベクトル制御装置であって、誘導電動機が空転している状態で電力変換器を起動する際に、誘導電動機の回転速度を推定するための速度初期推定モードを有する速度センサレスベクトル制御装置において、
前記速度初期推定モードにて、誘導電動機の一次電流検出値及び一次電圧検出値から一次電流推定値及び二次磁束推定値を演算する電流・磁束推定手段と、前記一次電流推定値及び二次磁束推定値を用いて誘導電動機のトルクを推定するトルク推定手段と、このトルク推定手段により推定したトルクから誘導電動機の回転速度を推定する回転速度推定手段と、
を備えたことを特徴とする速度センサレスベクトル制御装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載した速度センサレスベクトル制御装置において、
前記回転速度推定手段は、前記トルク推定手段により得たトルク推定値がゼロになるような演算を行ってその結果を誘導電動機の回転速度推定値として出力することを特徴とする速度センサレスベクトル制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、速度センサを用いることなく、誘導電動機（以下、誘導機という）の可変速制御を行うＰＷＭインバータの速度センサレスベクトル制御装置に関し、特に、誘導機が惰性で回転している状態でＰＷＭインバータを起動（再起動）させるための制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図４は、特許文献１に従来技術として記載されているものと実質的に同一の速度センサレスベクトル制御装置である。
図４において、１は誘導機、２はＰＷＭインバータ、３は速度センサレスベクトル制御を行う制御装置、４ａ，４ｂ，４ｃは電流検出器、５ａ，５ｂ，５ｃは電圧検出器である。
制御装置３は、速度調節手段１０、磁束調節手段１１、トルク軸電流調節手段１２、磁束軸電流調節手段１３、すべり角周波数演算手段１４、誘起電圧演算手段１５、磁束推定手段１６、１次角周波数演算手段１７、積分手段１８、減算手段１９、固定座標変換手段２０、回転座標変換手段２１ａ，２１ｂ、２相／３相変換手段２２、３相／２相変換手段２３ａ，２３ｂ、遅延手段２４、及び切替スイッチ２５，２６によって構成されている。
【０００３】
次に、制御装置３の動作について以下に説明する。
電流検出器４ａ，４ｂ，４ｃにより検出された誘導機１の電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗは、３相／２相変換手段２３ａにより、固定座標上の２相量ｉα，ｉβに変換され、更に回転座標変換手段２１ａにより、磁束軸を基準とする回転座標上のｉｄ（磁束軸電流成分）と、これに直交するｉｑ（トルク軸電流成分）とに変換される。同様に、電圧検出器５ａ，５ｂ，５ｃにより検出されたＰＷＭインバータ２の出力電圧ｖｕ，ｖｖ，ｖｗは、３相／２相変換手段２３ｂにより、固定座標上の２相量ｖα，ｖβに変換され、更に回転座標変換手段２１ｂにより、磁束軸を基準とする回転座標上のｖｄ（磁束軸電圧成分）とこれに直交するｖｑ（トルク軸電圧成分）とに変換される。ここで、固定座標軸から回転座標軸への変換は、インバータ２の出力位相角θに基づいて行われ、この出力位相角θは、積分手段１８によりインバータ２の１次角周波数ω１を積分することで得られる。
【０００４】
誘起電圧演算手段１５では、磁束軸電流ｉｄ、トルク軸電流ｉｑ、磁束軸電圧ｖｄ、トルク軸電圧ｖｑ、及び、１次角周波数指令演算手段１７により演算される１次角周波数ω１より、数式１に基づいてトルク軸に発生する誘起電圧ｅｑを演算する。
【０００５】
【数１】
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【０００６】
数式１におけるＲｓは誘導機１の固定子抵抗、Ｌｓは固定子インダクタンス、σは漏れ係数である。
１次角周波数演算手段１７は、誘起電圧ｅｑ及び磁束推定値φｄ＾より、数式２に基づいて１次角周波数ω１を演算する。
【０００７】
【数２】
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【０００８】
数式２におけるｈ１（ｓ）はフィルタの伝達特性であり、磁束推定値φｄ＾は、磁束推定手段１６により次の数式３に基づいて演算される。なお、数式３におけるｈ２（ｓ）はフィルタの伝達特性を表している。
【０００９】
【数３】
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【００１０】
すべり角周波数演算手段１４は、トルク軸電流ｉｑ及び磁束推定値φｄ＾から、数式４によりすべり角周波数ωｓを演算する。なお、数式４において、Ｒｒは誘導機１の回転子抵抗である。
【００１１】
【数４】
2009165281.tif 000006
【００１２】
そして、減算手段１９にて、１次角周波数ω１からすべり角周波数ωｓを減算することにより、誘導機１の回転角周波数推定値ωｒ＾を演算している。
一方、速度調節手段１０は、回転角周波数指令値（速度指令値）ωｒ＊と回転角周波数推定値ωｒ＾とを一致させる調節演算を行い、その結果として、トルク軸電流指令ｉｑ＊を出力する。そして、トルク軸電流調節手段１２は、トルク軸電流指令ｉｑ＊とトルク軸電流ｉｑとを一致させる調節演算を行い、その結果として、回転座標軸上のトルク軸電圧指令ｖｑ＊を出力する。
また、磁束調節手段１１は、磁束指令値φ＊と磁束推定値φｄ＾とを一致させる調節演算を行い、その結果として、磁束軸電流指令ｉｄ＊を出力する。そして、磁束軸電流調節手段１３は、磁束軸電流指令ｉｄ＊と磁束軸電流ｉｄとを一致させる調節演算を行い、その結果として、回転座標軸上の磁束軸電圧指令ｖｄ＊を出力する。
【００１３】
回転座標上の磁束軸電圧指令ｖｄ＊及びトルク軸電圧指令ｖｑ＊を固定座標変換手段２０に入力して固定座標軸上の２相の電圧指令ｖα＊，ｖβ＊に変換し、更に２相／３相変換手段２２により、３相電圧指令ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊に変換してＰＷＭインバータ２に出力する。
ＰＷＭインバータ２では、３相電圧指令ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊に応じた駆動信号によって内部のスイッチング素子をオンオフ制御することにより、上記３相電圧指令通りの電圧を誘導機１に供給する。
【００１４】
ここで、ＰＷＭインバータ２は、起動信号ｉｎｖｏｎに基づいて起動されるものであり、切替スイッチ２６は、起動信号ｉｎｖｏｎが「１」になると、その出力である磁束指令値φ＊をゼロから指令値φｒｅｆに切り替える。また、遅延手段２４は、起動信号ｉｎｖｏｎが「１」になると、一定時間経過後に指令切替信号ｉｎｖｏｎ１を「０」から「１」に変化させる。切替スイッチ２５は、指令切替信号ｉｎｖｏｎ１が「１」になると、その出力である回転角周波数指令値ωｒ＊をゼロから指令値ωｒｒｅｆに切り替える。
起動信号ｉｎｖｏｎが「０」である場合、磁束指令値φ＊、回転角周波数指令値ωｒ＊は何れもゼロとなり、ＰＷＭインバータ２は停止状態となる。
【００１５】
上述のように、図４に示した制御装置３では、起動信号ｉｎｖｏｎによりＰＷＭインバータ２を起動・停止させ、回転座標軸上のトルク軸誘起電圧ｅｑに基づいて誘導機１の磁束及び回転速度を推定することにより、速度センサレスベクトル制御を行っている。
また、誘導機１が惰性で回転している状態でＰＷＭインバータ２ひいては誘導機１を再起動する場合には、速度初期推定モードとして、磁束指令値φ＊に基づき磁束軸電流ｉｄを流すことによりトルク軸誘起電圧ｅｑを発生させ、誘導機１の回転速度を推定している。
【００１６】
なお、永久磁石モータの速度センサレスベクトル制御装置としては、例えば、特許文献２に記載されたものが知られている。
この制御装置は、永久磁石モータが高速回転している状態でインバータを再起動するに当たり、インバータの運転を開始してから一定時間はセンサレスベクトル制御を行わず、インバータから永久磁石モータへ流れ込む電流が零を含む所望の値となるように電流フィードバック制御を行い、その結果として求められる電圧指令ベクトルの回転角度変化から回転子の回転速度を推定すると共に、この推定した回転速度を回転子位置推定演算における初期値としたセンサレスベクトル制御を、前記一定時間の経過後に実施するものである。
【００１７】
【特許文献１】特開平８−１３０８８２号公報（段落［０００２］〜［００１６］、図１４等）
【特許文献２】特開２００５−６５４１０号公報（段落［００１７］〜［００３５］、図１，図２等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
特許文献１に記載された速度センサレスベクトル制御装置では、ＰＷＭインバータ２の再起動時に、まず、磁束指令値φ＊に基づいて磁束軸電流ｉｄを流すこととしているが、誘導機１の回転角周波数と等しい角周波数の回転磁界が発生しない場合には誘導機１の回転速度を正確に推定することができず、ＰＷＭインバータ２が過負荷となって非常停止する恐れがある。
また、特許文献２に記載された速度センサレスベクトル制御装置は、誘導機を対象としたものではないと共に、再起動後の一定時間における回転速度を、モータの端子電圧ベクトルの直交する二成分の除算結果から求めた位相を時間微分することにより初期推定しているので、回転速度の推定誤差が生じやすいという問題がある。
【００１９】
そこで、本発明の解決課題は、誘導機を駆動する電力変換器の起動時に、誘導機の回転速度を従来よりも正確に推定可能とした速度センサレスベクトル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】
【００２０】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、速度センサを持たない誘導電動機を電力変換器により可変速制御する速度センサレスベクトル制御装置であって、誘導電動機が空転している状態で電力変換器を起動する際に、誘導電動機の回転速度を推定するための速度初期推定モードを有する速度センサレスベクトル制御装置において、
前記速度初期推定モードにて、誘導電動機の一次電流及び一次電圧から二次磁束を推定する磁束推定手段と、この磁束推定手段により推定した二次磁束を用いて誘導電動機のトルクを推定するトルク推定手段と、このトルク推定手段により推定したトルクから誘導電動機の回転速度を推定する回転速度推定手段と、を備えたものである。
【００２１】
請求項２に係る発明は、速度センサを持たない誘導電動機を電力変換器により可変速制御する速度センサレスベクトル制御装置であって、誘導電動機が空転している状態で電力変換器を起動する際に、誘導電動機の回転速度を推定するための速度初期推定モードを有する速度センサレスベクトル制御装置において、
前記速度初期推定モードにて、誘導電動機の一次電流検出値及び一次電圧検出値から一次電流推定値及び二次磁束推定値を演算する電流・磁束推定手段と、前記一次電流推定値及び二次磁束推定値を用いて誘導電動機のトルクを推定するトルク推定手段と、このトルク推定手段により推定したトルクから誘導電動機の回転速度を推定する回転速度推定手段と、を備えたものである。
【００２２】
なお、請求項３に記載するように、前記回転速度推定手段は、前記トルク推定手段により得たトルク推定値がゼロになるような演算を行ってその結果を誘導電動機の回転速度推定値として出力するものである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、誘導機が惰性で回転している状態で電力変換器を起動する場合に、誘導機の一次電流及び一次電圧から二次磁束、更にはトルクを推定し、このトルク推定値に基づいて比例・積分演算等によって回転速度を正確に推定することができ、電力変換器ひいては誘導機を滑らかに起動することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の実施形態を示すブロック図であり、図４の従来技術と同一の構成要素については同一の符号を付してある。以下では、図４と異なる部分を中心に説明する。
【００２５】
この実施形態に係る制御装置１００では、図４における誘起電圧演算手段１５、磁束推定手段１６、１次角周波数演算手段１７及び減算手段１９に代えて、速度初期推定モード判定手段１０１、電流・磁束推定手段１０２、回転角周波数推定手段１０３及び加算手段１０４を備えている。
【００２６】
ここで、速度初期推定モード判定手段１０１は、惰性で回転している誘導機１をＰＷＭインバータ２によって起動するに当たり、起動信号ｉｎｖｏｎから速度初期推定モード（誘導機１の回転角周波数を推定するモード）であることを判定して速度初期推定モード信号Ｓｍｏｄｅを出力する。
電流・磁束推定手段１０２は、トルク軸電流ｉｑ、磁束軸電流ｉｄ、トルク軸電圧ｖｑ、磁束軸電圧ｖｄ、回転角周波数推定値ωｒ＾を用いて、トルク軸電流推定値ｉｑ＾、磁束軸電流推定値ｉｄ＾、トルク軸磁束推定値φｑ＾、磁束軸磁束推定値φｄ＾を演算し、回転角周波数推定手段１０３は、電流・磁束推定手段１０２から出力される上記の各推定値と、トルク軸電流ｉｑ、磁束軸電流ｉｄの各検出値及び前記速度初期推定モード信号Ｓｍｏｄｅに基づいて、誘導機１の回転角周波数推定値ωｒ＾を演算し、出力するものである。
また、加算手段１０４は、すべり角周波数ωｓと回転角周波数推定値ωｒ＾とを加算して１次角周波数ω１を求めるためのものである。
【００２７】
次に、この実施形態により、惰性で回転している誘導機１の回転角周波数を推定して起動する場合の動作を説明する。なお、ベクトル制御に関する部分の動作は図４の従来技術と同じであるため、説明を省略する。
【００２８】
まず、速度初期推定モード判定手段１０１は、起動信号ｉｎｖｏｎが「１」になると、遅延手段２４に設定された遅延時間以下の一定期間にわたり、速度初期推定モード信号Ｓｍｏｄｅを「１」にセットする。
電流・磁束推定手段１０２は、数式５の状態方程式に基づいて、トルク軸電流推定値ｉｑ＾、磁束軸電流推定値ｉｄ＾、トルク軸磁束推定値φｑ＾、磁束軸磁束推定値φｄ＾を演算する。
【００２９】
【数５】
2009165281.tif 000007
【００３０】
数式５において、Ｒｓは誘導機１の固定子抵抗、Ｒｒは回転子抵抗、Ｌｓは固定子インダクタンス、Ｌｒは回転子インダクタンス、Ｌｍは励磁インダクタンス、σは漏れ係数、ω１は１次角周波数、ωｒ＾は回転角周波数推定値、ｇ１１〜ｇ２４は適応オブザーバゲインである。
【００３１】
ここで、回転角周波数推定手段１０３は、図２に示すように、減算手段２００，２０１，２０２，２０３と、乗算手段２０４，２０５と、トルク推定手段２０６と、比例・積分演算手段２０７，２０８と、切替スイッチ２０９とを備えており、切替スイッチ２０９により選択された比例・積分演算手段２０７または２０８の出力が回転角周波数推定値ωｒ＾として図１の加算手段１０４に出力される。
【００３２】
図２におけるトルク推定手段２０６は、トルク軸電流推定値ｉｑ＾、磁束軸電流推定値ｉｄ＾、トルク軸磁束推定値φｑ＾、磁束軸磁束推定値φｄ＾及び極対数Ｐを用いて、数式６によりトルク推定値τ＾を演算する。
【００３３】
【数６】
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【００３４】
トルク推定値τ＾は、図２に示す極性で減算手段２０３に入力されており、その後段の比例・積分演算手段２０８は、トルク推定値τ＾がゼロとなるような比例・積分演算を行って第１の回転角周波数推定値ωｒ１＾を出力する。ここで、上記減算手段２０３及び比例・積分演算手段２０８は、請求項における回転速度推定手段を構成している。
また、切替スイッチ２０９は、速度初期推定モード信号Ｓｍｏｄｅが「１」のときは、第１の回転角周波数推定値ωｒ１＾を選択して、回転角周波数推定値ωｒ＾として出力する。
【００３５】
図３は、誘導機１が惰性で回転している状態における回転角周波数ωｒと回転角周波数推定値ωｒ＾との偏差Δωｒ（＝ωｒ−ωｒ＾）と、トルクとの関係を示している。
図３から明らかなように、偏差Δωｒが負のときは正トルクが発生し、偏差Δωｒが正のときは負トルクが発生する。そして、偏差Δωｒがゼロの時はトルクもゼロとなる。
従って、図２に示したようにトルク推定値τ＾がゼロになるように比例・積分演算処理を行うことにより、偏差Δωｒがゼロ、すなわち、回転角周波数推定値ωｒ＾を惰性で回転している誘導機１の回転角周波数ωｒに一致させることができ、回転角周波数を正確に推定することができる。
【００３６】
なお、上述した電流・磁束推定手段１０２及び回転角周波数推定手段１０３は適応オブザーバを構成しており、この適応オブザーバについては、松本康，菊池寿江，松本英彦による「適応オブザーバを用いた誘導機速度センサレスベクトル駆動装置の高性能化技術」（電気学会研究会資料，ＭＩＤ−０６−１８〜２４，社団法人電気学会，金属産業研究会，２００６年１２月２２日発行）等に記載されている。
【００３７】
一方、図２において、比例・積分演算手段２０７は、速度初期推定モード信号Ｓｍｏｄｅが「１」から「０」に変化したときに、切替スイッチ２０９から出力されている回転角周波数推定値ωｒ＾を積分項にプリセットする。そして、速度初期推定モード信号Ｓｍｏｄｅが「０」となっている間（可変速制御を行う通常運転時）は、数式７により第２の回転角周波数推定値ωｒ２＾を演算すると共に、この第２の回転角周波数推定値ωｒ２＾は、速度初期推定モード信号Ｓｍｏｄｅにより比例・積分演算手段２０７側に切り替えられた切替スイッチ２０９により選択されて回転角周波数推定値ωｒ＾として出力される。
【００３８】
【数７】
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【００３９】
なお、数式７において、Ｋｐは比例・積分演算手段２０７における比例ゲイン、Ｋｉは同じく積分ゲインである。また、図２における減算手段２００，２０１，２０２、乗算手段２０４，２０５は、数式７の右辺における｛  ｝内の演算を行う。
【００４０】
上述したように、速度初期推定モード信号Ｓｍｏｄｅが「１」であるときには第１の回転角周波数推定値ωｒ１＾が、速度初期推定モード信号Ｓｍｏｄｅが「０」であるときには第２の回転角周波数推定値ωｒ２＾が切替スイッチ２０９により選択され、回転角周波数推定値ωｒ＾として出力されると共に、この回転角周波数推定値ωｒ＾が図１の加算手段１０４によりすべり角周波数ωｓと加算されて１次角周波数ω１が演算されるものである。
【００４１】
以上のように本実施形態は、前述した特許文献１のように、誘導機１に磁束軸電流を流して発生させた誘起電圧に基づいて回転速度を推定する方法によらないため、回転角周波数と等しい角周波数の回転磁界が発生しない場合であっても、誘導機１の回転速度を正確に推定して速やかに起動することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】図１における回転角周波数推定手段の構成図である。
【図３】本発明の実施形態における回転角周波数の偏差とトルクとの関係を示す図である。
【図４】従来技術の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４３】
１：誘導機
２：ＰＷＭインバータ
３：制御装置
４ａ，４ｂ，４ｃ：電流検出器
５ａ，５ｂ，５ｃ：電圧検出器
１０：速度調節手段
１１：磁束調節手段
１２：トルク軸電流調節手段
１３：磁束軸電流調節手段
１４：すべり角周波数演算手段
１５：誘起電圧演算手段
１６：磁束推定手段
１７：１次角周波数演算手段
１８：積分手段
１９：減算手段
２０：固定座標変換手段
２１ａ，２１ｂ：回転座標変換手段
２２：２相／３相変換手段
２３ａ，２３ｂ：３相／２相変換手段
２４：遅延手段
２５，２６：切替スイッチ
１００：制御装置
１０１：速度初期推定モード判定手段
１０２：電流・磁束推定手段
１０３：回転角周波数推定手段
１０４：加算手段
２００，２０１，２０２，２０３：減算手段
２０４，２０５：乗算手段
２０６：トルク推定手段
２０７，２０８：比例・積分演算手段
２０９：切替スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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