(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電動機の制御電流をｄ軸、ｑ軸の直交座標成分に分離して制御する電動機のベクトル制御装置において、
ｄ軸電流指令id*、ｑ軸電流指令iq*と実電動機電流との偏差に基づき、電圧指令vd，vqを出力する電流制御器と、
前記電流制御器の出力する各軸電圧指令vd，vqを与えられる軸間干渉電圧によって補正する補正器と、
与えられる電動機の回転角に基づき、前記補正器の出力する補正後の各軸電圧指令の２相／３相変換を行なう２相／３相変換器と、
前記２相／３相変換器の出力する三相電圧指令に基づき、電源電力を電力変換して電動機に三相交流電力を供給する電力変換器と、
前記電動機に対する電流を検出する電流センサと、
与えられる前記回転角に基づき、前記電流センサの出力を３相／２相変換する３相／２相変換器と、
前記電動機の特性データを内蔵し、一次遅れモデルの伝達関数により、前記電流制御器の出力する各軸の電圧指令vd，vqに対応する電動機理論電流を演算するモータモデルと、
前記モータモデルの伝達関数の逆伝達関数を内蔵し、前記モータモデルの出力する電動機理論電流と前記３相／２相変換器の出力する電動機実電流との偏差に基づき、軸間干渉電圧を演算して前記補正器に出力する逆伝達関数器と、
前記電動機の回転角を前記２相／３相相変換器及び３相／２相変換器に与える回転角付与器とを備えて成る電動機のベクトル制御装置。
【請求項２】
前記逆伝達関数器の出力する軸間干渉電圧に基づき、電動機の速度を演算する速度演算器を備え、
前記回転角付与器は、前記速度演算器の出力する電動機速度と電気角０度位置とから回転角を算出することを特徴とする請求項１に記載の電動機のベクトル制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機のベクトル制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、３相同期電動機の電流制御において、制御電流をｄ軸、ｑ軸の直交座標成分に分離して制御するベクトル制御装置が一般に知られている。図３に電動機のベクトル電流制御を行なう従来のベクトル制御装置のシステム構成を示している。
【０００３】
この従来のベクトル制御装置は、電流制御器１０１、非干渉制御部１０２、２相／３相変換器１０３、電力変換器１０４、同期電動機１０５、電動機回転角を検出する回転角センサ１０６、電動機電流を検出する電流センサ１０７、３相／２相変換器１０８、そして電動機速度を演算する速度演算器１０９より構成されている。
【０００４】
実プラントとしての電動機１０５を２相電流モデルとして扱うと、電動機の状態方程式は次の数１式にとして与えられる。そしてこのときの制御ブロック図は、図４に示すものである。
【０００５】
【数１】
0003736287.tif 000002
これに基づき、従来のベクトル制御装置の動作を説明すると、次の通りである。電流制御器１０１のｄ軸制御器１５１、ｑ軸制御器１５２それぞれは、ｄ軸電流指令id*（１５５）、ｑ軸電流指令iq*（１５６）と実電動機電流であるｄ軸電流id（１５７）、ｑ軸電流iq（１５８）との偏差それぞれに基づき、ｄ軸電圧指令vd（１５９）、ｑ軸電圧指令vq（１６０）を出力する。非干渉制御器１０２は、電流制御器１０１の出力する各軸電圧指令vd，vqに対して相手軸の干渉成分を除去する操作をして、補正後軸電圧指令１６１，１６２を出力する。
【０００６】
２相／３相変換器１０３は、回転角センサ１０６の検出する回転角θreに基づき、非干渉制御器１０２の出力する補正後の各軸電圧指令の２相／３相変換を行ない、電力変換器１０４に与える。そして電力変換器１０４は、２相／３相変換器１０３の出力する三相電圧指令に基づき、電源電力を電力変換して電動機１０５に三相交流電力を供給する。
【０００７】
このような従来のベクトル制御装置においては、上述した数１式から明らかなように、回転数ωreが生じると、ｄ軸電流id（１５７）及びｑ軸電流iq（１５８）が相互に干渉する。
【０００８】
そこで従来は、干渉項を除去してｄ軸、ｑ軸を各々独立に制御するために、非干渉制御器１０２を採用して、数２式、数３式による非干渉制御を行うようにしている。
【０００９】
【数２】
0003736287.tif 000003
【数３】
0003736287.tif 000004
この数２式、数３式における第２項それぞれは、非干渉制御を示しており、実プラント内で干渉する電圧項をあらかじめフィードフォワードによってうち消すようにしている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の電動機のベクトル制御装置では、次のような問題点があった。その第１点は、２相／３相変換及び３相／２相変換に用いる回転角θreや非干渉制御に用いる回転数ωreを算出する必要があるため、高分解能の回転角センサが必要とされ、コスト高となることである。
【００１１】
第２の問題点は、誘起電圧による軸間干渉項の影響をその時点の回転数とモータ定数とから推定し、フィードフォワードによって電圧指令に重畳させているために、回転数の精度に対して誤差を生じる上に、回転数の急激な変化に対しては追従性が悪く、過渡応答による軸間の干渉を０に抑えることが困難であることである。
【００１２】
そして第３点は、従来技術による交流電動機のベクトル制御方式を改善するために電動機の状態量のフィードバック制御を行おうとすると、１００μsec周期程度の高速演算が要求される電流フィードバックループ内で複雑な状態方程式を解かなければならず、電動機のベクトル制御には平均以上の実力値を示すクロック３０ＭHz程度の１６ビット汎用マイクロコンピュータを用いても演算負荷が重くなりすぎることである。
【００１３】
本発明はこのような従来の問題点に鑑みてなされたもので、制御演算負荷を軽減することによって、動作クロック３０ＭHz程度の従来の標準的な１６ビットマイクロコンピュータを用いた場合でも所望の演算時間内に所定の処理を実行可能にする電動機のベクトル制御装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、交流電動機の制御電流をｄ軸、ｑ軸の直交座標成分に分離して制御する電動機のベクトル制御装置において、ｄ軸電流指令id*、ｑ軸電流指令iq*と実電動機電流との偏差に基づき、電圧指令vd，vqを出力する電流制御器と、前記電流制御器の出力する各軸電圧指令vd，vqを与えられる軸間干渉電圧によって補正する補正器と、与えられる回転角に基づき、前記補正器の出力する補正後の各軸電圧指令の２相／３相変換を行なう２相／３相変換器と、前記２相／３相変換器の出力する三相電圧指令に基づき、電源電力を電力変換して電動機に三相交流電力を供給する電力変換器と、前記電動機に対する電流を検出する電流センサと、与えられる前記回転角に基づき、前記電流センサの出力を３相／２相変換する３相／２相変換器と、前記電動機の特性データを内蔵し、一次遅れモデルの伝達関数により、前記電流制御器の出力する各軸の電圧指令vd，vqに対応する電動機理論電流を演算するモータモデルと、前記モータモデルの伝達関数の逆伝達関数を内蔵し、前記モータモデルの出力する電動機理論電流と前記３相／２相変換器の出力する電動機実電流との偏差に基づき、軸間干渉電圧を演算して前記補正器に出力する逆伝達関数器と、電動機の回転角を前記２相／３相相変換器及び３相／２相変換器に与える回転角付与器とを備えたものである。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項１の電動機のベクトル制御装置において、前記逆伝達関数器の出力する軸間干渉電圧に基づき、電動機の速度を演算する速度演算器を備え、前記回転角付与器が、前記速度演算器の出力する電動機速度と電気角０度位置とから回転角を算出するようにしたものである。
【００１６】
【発明の効果】
請求項１の発明の電動機のベクトル制御装置では、交流電動機の制御電流をｄ軸、ｑ軸の直交座標成分に分離して制御する。そのために、電流制御器によってｄ軸電流指令id*、ｑ軸電流指令iq*と実電動機電流との偏差に基づき電圧指令vd，vqを求め、補正器によってこの電流制御器の出力する各軸電圧指令vd，vqを逆伝達関数器から与えられる軸間干渉電圧によって補正する。そして回転角付与器によって電動機の回転角を演算により、若しくは計測によって求め、２相／３相変換器によって、回転角付与器から与えられる回転角に基づき補正器の出力する補正後の各軸電圧指令の２相／３相変換を行なう。
【００１７】
電力変換器はこの２相／３相変換器の出力する三相電圧指令に基づき、電源電力を電力変換して電動機に供給し回転駆動する。
【００１８】
この電動機に対する３相交流電流を電流センサによって検出し、３相／２相変換器は回転角付与器から与えられる回転角に基づき、この電流センサの検出電流を３相／２相変換してｄ軸実電流、ｑ軸実電流を得る。一方、モータモデルは、電流制御器の出力する各軸の電圧指令vd，vqに対応する電動機理論電流を、一次遅れモデルの伝達関数により演算する。そして、逆伝達関数器によりモータモデルの伝達関数の逆伝達関数を用いて、モータモデルの出力する電動機理論電流と３相／２相変換器の出力する電動機実電流との偏差に対して軸間干渉電圧を演算し、前述した補正器に与える。
【００１９】
これにより、請求項１の発明によれば、一次遅れ系の電流モデルに追従するように干渉電圧のフィードバック補正を作用させるために、速度変化に対してロバストな非干渉制御が行え、従来の非干渉制御器に比べ急峻な速度変化が発生しても軸間干渉を大幅に抑えることができる。
【００２０】
またモータモデルを一次遅れ系のシンプルなモデルで規定することにより、１００μsec周期程度の高速演算が要求される電流フィードバックループ内でも簡単な演算によって出力電流を算出することができ、動作クロック３０ＭHz程度の従来の標準的な１６ビットマイクロコンピュータを用いた場合でも所望の演算時間内に所定の処理が実行可能な環境を提供することができる。
【００２１】
請求項２の発明の電動機のベクトル制御装置では、速度演算器が逆伝達関数器の出力する軸間干渉電圧に基づき、電動機の速度を演算し、回転角付与器がこの速度演算器の出力する電動機速度と電気角０度位置とから回転角を算出し、２相／３相変換器、３相／２相変換器それぞれに与え、電圧指令の２相／３相変換、また電動機電流の３相／２相変換を行わせる。
【００２２】
これにより、請求項２の発明によれば、軸間干渉電圧がモータパラメータと回転数によって定義されることに着目し、軸間干渉電圧を逆演算することによって電動機の回転数を推定し、この推定回転数と電気角０度位置とから回転角を演算によって求めるので、従来のベクトル制御装置では必須であった回転角センサを省略することができ、コスト低減が図れ、また電動機のレイアウトの自由度が向上する。加えて、回転角センサが不要になったため、ノイズの影響などに起因するセンサトラブルに煩わされることのない制御が可能である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。図１は本発明の１つの実施の形態のシステム構成を示している。この実施の形態の同期電動機のベクトル制御装置は、電流指令２５１と電動機実電流２５７との偏差に基づき、電圧指令２５２を出力する電流制御器２０１と、この電流制御器２０１の出力する各軸電圧指令２５２、を与えられる軸間干渉電圧２５４によって補正し、補正後電圧指令２５３を出力する補正器２１３と、与えられる回転角２５６に基づき、補正器２１３の出力する補正後の各軸電圧指令２５３の２相／３相変換を行なう２相／３相変換器２０３と、この２相／３相変換器２０３の出力する三相電圧指令に基づき、電源電力を三相交流電力に電力変換して電動機２０５に供給する電力変換器２０４を備えている。
【００２４】
この実施の形態のベクトル制御装置はまた、電動機２０５に対する電流を検出する電流センサ２０７と、与えられる回転角に基づき、電流センサ２０７の出力を３相／２相変換して電動機実電流２５７を出力する３相／２相変換器２０８と、電動機２０５の特性データを内蔵し、電流制御器２０１の出力する各軸の電圧指令２５２に対応する電動機理論電流２５８を、一次遅れモデルの伝達関数により演算するモータモデル２１０と、このモータモデル２１０の伝達関数の逆伝達関数を内蔵し、モータモデル２１０の出力する電動機理論電流２５８と３相／２相変換器２０８の出力する電動機実電流２５７との偏差に基づき、軸間干渉電圧２５４を演算して補正器２１３に出力する逆伝達関数器２１１を備えている。
【００２５】
この実施の形態のベクトル制御装置はさらに、逆伝達関数器２１１の出力する軸間干渉電圧２５４に基づき、電動機２０５の速度を推定演算する速度演算モデル２０９と、速度演算モデル２０９の出力する電動機速度と外部から得る電気角０度位置とから回転角を算出し、前述の２相／３相変換器２０３、３相／２相変換器２０８それぞれに与える回転角演算器２１２を備えている。
【００２６】
次に、上記構成の電動機のベクトル制御装置の動作を説明する。電流制御器２０１によってｄ軸，ｑ軸の電流指令２５１と３相／２相変換器２０８の出力する実電動機電流値２５７との偏差に基づきｄ軸，ｑ軸の電圧指令２５２を求め、補正器２１３によってこの電流制御器２０１の出力する各軸電圧指令２５２を逆伝達関数器２１１から与えられる軸間干渉電圧２５４によって補正する。
【００２７】
速度演算モデル２０９が逆伝達関数器２１１の出力する軸間干渉電圧２５４に基づき、電動機２０５の速度を演算し、回転角演算器２１２がこの速度演算モデル２０９の出力する電動機速度と、外部の磁極位置センサまたは磁極位置推定器（図示せず）から与えられる初期磁極位置及び電気角０度位置とから回転角２５６を算出し、２相／３相変換器２０３、３相／２相変換器２０８それぞれに与えている。
【００２８】
２相／３相変換器２０３は、回転角演算器２１２から与えられる回転角２５６に基づき補正器２１３の出力する補正後の各軸電圧指令２５３の２相／３相変換を行ない、電力変換器２０４がこの２相／３相変換器２０３の出力する三相電圧指令に基づき、電源電力を電力変換して電動機２０５に供給し回転駆動する。
【００２９】
この電動機２０５に対する３相交流電流は電流センサ２０７によって検出し、３相／２相変換器２０８が回転角演算器２１２から与えられる回転角２５６に基づき、この電流センサ２０７の検出電流を３相／２相変換してｄ軸，ｑ軸の実電流値２５７を得て出力する。
【００３０】
モータモデル２１０は、電流制御器２０１の出力する各軸の電圧指令２５２に対応する電動機理論電流２５８を演算する。そして、逆伝達関数器２１１によりモータモデル２１０の伝達関数の逆伝達関数を用いて、モータモデル２１０の出力する電動機理論電流２５８と３相／２相変換器２０８の出力する電動機実電流２５７との偏差２５５に対して軸間干渉電圧２５４を演算して前述した補正器２１３に与えている。
【００３１】
次に、このベクトル制御装置のさらに具体的な制御動作を、図２の制御ブロック図を用いて説明する。本実施の形態のベクトル制御装置では、制御装置の中にｄ軸，ｑ軸の軸間干渉のない単純な一次遅れのモータモデル（すなわち、ｄ軸モデルGmd（３０６）、ｑ軸モデルGmq（３０７））を持ち、電動機２０５で成る実プラント３０３に印加される２軸電圧指令値vd（３１５），vq（３１６）を、制御装置内のモータモデルのそれぞれｄ軸モデルGmd（３０６）とｑ軸モデルGmq（３０７）に入力し、干渉のないｄ軸及びｑ軸の出力電流演算値idｍ（３１９）及びiqｍ（３２０）を得ている。そしてこれらと実プラント３０３の出力電流値id（３１３），iq（３１４）との差を演算して干渉項による電流偏差３２１，３２２を導出し、この差電流３２１，３２２をそれぞれ一次遅れモデルの逆関数モデル３０８，３０９に入力することにより軸間の干渉電圧vde（３２３），vqe（３２４）を導出する。そしてこの干渉電圧vde（３２３），vqe（３２４）を前述の２軸電圧指令値vd（３１５），vq（３１６）より差し引いて補正後の電圧指令vd’（３１７），vq’（３１８）を得、これを実プラント３０３に入力している。
【００３２】
このように、本実施の形態の電流ベクトル制御装置では、実プラント３０３を次の数４式、数５式に示すような単純な一次遅れモデル３０４，３０５として制御可能となる。
【００３３】
【数４】
0003736287.tif 000005
【数５】
0003736287.tif 000006
本実施の形態ではまた、実プラント３０３及びモータモデル３０６，３０７共に同じ速度演算値を用いて軸間の干渉を抑えるようにしているので、速度の過渡的な変化に対しても速度依存項が残らず、過渡特性の良い非干渉制御が行える。
【００３４】
さらに、本実施の形態では、逆関数モデル３０８，３０９により導出されるｄ軸，ｑ軸の軸間の干渉電圧vde（３２３），vqe（３２４）が、実プラント３０３の出力電流id，iqと一次遅れモデルGmd，Gmqの出力電流idm，iqmとの差電流３２１，３２２の逆演算によって導出される。このことから、ｄ軸を例にとると、実プラント３０３のｄ軸電流idは次の数６式、また一次遅れのモータモデルGmdの出力電流idmは次の数７式として与えられる。
【００３５】
【数６】
0003736287.tif 000007
【数７】
0003736287.tif 000008
そこでこの数６式から数７式を引くと、次の数８式が得られる。ただし、Gmは１次遅れモデルの伝達関数である。
【００３６】
【数８】
0003736287.tif 000009
したがって、この数８式によりGmdの逆関数を用いることにより、次の数９式に示すように回転速度ωreを算出することができる。すなわち、ｄ軸の干渉電圧項vde（３２３）を電動機定数Lq・iqで除することにより、回転数ωreが導出可能となるのである。
【００３７】
【数９】
0003736287.tif 000010
そしてこの回転数ωreの時間積分値と０度位置情報とにより、現在の回転角θreも導出できる。
【００３８】
このようにして本実施の形態の電動機のベクトル制御装置によれば、一次遅れ系の電流モデルに追従させるように干渉電圧のフィードバック補正を行っているので、速度変化に対してロバストな非干渉制御が行え、従来の非干渉制御器に比べ急峻な速度変化が発生しても軸間干渉を大幅に抑えることができる。
【００３９】
またモータモデルを一次遅れ系のシンプルなモデルで規定することにより、１００μsec周期程度の高速演算が要求される電流フィードバックループ内でも簡単な演算によって出力電流を算出することができ、動作クロック３０ＭHz程度の従来の標準的な１６ビットマイクロコンピュータを用いた場合でも所望の演算時間内に所定の処理が実行可能な環境を実現できる。
【００４０】
さらに、図１における軸間干渉電圧２５４はモータパラメータと回転数によって定義されるので、この軸間干渉電圧を逆演算することによって電動機の回転数を推定し、この推定回転数と電気角０度位置とから回転角を演算によって求めることができ、従来のベクトル制御装置では必須であった回転角センサを省略できてコスト低減が図れ、また電動機のレイアウトの自由度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１つの実施の形態のシステム構成を示すブロック図。
【図２】上記実施の形態による制御ブロック図。
【図３】従来例のシステム構成を示すブロック図。
【図４】従来例による制御ブロック図。
【符号の説明】
２０１  電流制御器
２０３  ２相／３相変換器
２０４  電力変換器
２０５  電動機
２０７  電流センサ
２０８  ３相／２相変換器
２０９  速度演算モデル
２１０  モータモデル
２１１  逆伝達関数器
２１２  回転角演算器
２１３  補正器
【図１】
0003736287.tif 000011
【図２】
0003736287.tif 000012
【図３】
0003736287.tif 000013
【図４】
0003736287.tif 000014