JP2006254572A - 同期電動機の制御方法および制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な方法で最適なｄ軸電流指令を作ることができるようにする。
【解決手段】 同期電動機に与える３相電流値をｄ軸電流とｑ軸電流に変換する３相−２相変換器４と、ｑ軸電流指令と前記ｑ軸電流の差が０になるように制御を行なうｑ軸電流制御演算部６と、ｄ軸電流指令と前記ｄ軸電流の差が０になるように制御を行なうｄ軸電流制御演算部７と、ｑ軸電圧指令とｄ軸電圧指令を３相の電圧指令に変換する２相−３相変換器５と、３相の電圧指令により同期電動機に電力を供給する電力変換部３と、を備えた同期電動機制御装置において、ｄ軸電流指令演算部９で、電力変換装置の電圧最大値Ｖｍａｘの二乗からｄ軸電圧指令Ｖｄ^*の二乗を引いたもの平方根とｑ軸電圧指令Ｖｑ^*との差（Ｖｍａｘ²−Ｖｄ^*2）^1/2 −Ｖｑ^* を求め、その差分によりｄ軸電流指令を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、同期電動機を制御する制御装置のｄ軸電流制御方法および制御装置に関する。

図を用いて、従来のｄ軸電流制御を説明する。
図２において、１は同期電動機である。２は電流検出器であり、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の電流値を検出し、４の３相−２相変換器により、ｄ軸電流とｑ軸電流に変換される。Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の電流値の和は０になるので、Ｕ相，Ｖ相の電流値を検出し、Ｗ相は、式（１）として求めることもできる。
Ｉｗ＝−Ｉｕ−Ｉｖ ・・・ （１）
３は電力変換部で、電圧指令Ｖｕ^*、Ｖｖ^*，Ｖｗ^*を受けて実際の電圧を発生する。５は２相−３相変換器で、同期機の界磁方向であるｄ軸に与える電圧指令Ｖｄ^*とそれと直交する方向でトルクを発生するｑ軸に与える電圧指令Ｖｑ^*で表された２相の電圧指令を、モータの各相に与える電圧指令であるＶｕ^*，Ｖｖ^*，Ｖｗ^*で表される３相の電圧指令に変換する。
６はｑ軸電流制御演算部で、ｑ軸電流指令Ｉｑ^*とフィードバック電流Ｉｑの差が０になるように例えばＰＩ制御を行っている。７はｄ軸電流制御演算部で、ｑ軸電流制御演算部と同様な例えばＰＩ制御をｄ軸電流について行っている。１０はｑ軸電流制限処理部で、ｄ軸電流の増加により、ｑ軸電流の最大値が減少していくので、ｑ軸電流指令Ｉｑ^*をｑ軸電流の最大値に制限するものである。１１はｄ軸電流指令処理部で、ｑ軸電流指令や電圧飽和積分器からの入力を基にｄ軸電流指令を計算する。１２は最大ｄ軸電流演算部で、モータ回転速度ωや電力変換装置の最大電圧Ｖｍａｘなどからｄ軸電流の最大値を計算する。１３は電圧飽和検出器で、電力変換装置の最大電圧Ｖｍａｘと電力変換装置で検出した実電圧との比較を行い、電圧飽和を起こしているかどうかの判断を行う。１４は飽和積分器で、１３の電圧飽和検出器で電圧飽和が検出されたときに負の固定値の積分を行い、負のｄ軸電流指令を作成する。

次に、永久磁石を使用した同期電動機の電圧飽和について説明する。
永久磁石を使用した同期電動機は、回転速度に比例した誘起電圧が、同期電動機のトルクを発生するｑ軸に発生するので、高速になればなるほど同期電動機のトルクを発生するｑ軸電流を流す電圧Ｖｑの最大値が減少する。つまり、高回転速度では、同期電動機のトルクの最大値が減少することになる。この領域を電圧飽和領域と言う。
本発明でも利用しているが、この電圧飽和領域でトルクの減少を抑える方法として、適当な負のｄ軸電流を流して電圧飽和を押さえると言う公知技術がある。以下に原理を説明する。永久磁石を使用した同期電動機の電圧電流方程式とトルクは、次の２式で与えられる。

Ｔ＝ＫｔＩｑ＋Ｐ（Ｌｄ−Ｌｑ）ＩｄＩｑ
ただし、Ｉｄ，Ｉｑ：同期電動機のｄ，ｑ軸電流、
Ｖｄ，Ｖｑ：同期電動機のｄ，ｑ軸電圧、
ω：電気角速度、
Ｒ：電気子抵抗、
Ｌｄ，Ｌｑ：ｄ，ｑ軸インダクタンス、
ｐ＝ｄ／ｄｔ，
Ｋ：誘起電圧定数、
Ｋｔ：トルク定数、
Ｐ：極対数。
ここで、同期電動機は非突極構造であるとし、定常状態で考えるとすると、同期電動機のｑ軸電圧Ｖｑは、
Ｖｑ＝ＲＩｑ＋Ｋω＋ωＬＩｄ
となる。
この式より、同期電動機のｑ軸電圧Ｖｑは回転速度に応じて誘起電圧が高くなるが、負のｄ軸電流−Ｉｄを流すと、誘起電圧の増加量を抑える方向に働くことが分かる。

つぎに、図２に基づいて従来技術の動作を説明する。
電圧飽和領域に入ると電圧飽和検出器１３が電圧飽和を検出し、飽和積分器１４で負の一定値を積分し、この飽和積分器１４の値をｄ軸電流指令Ｉｄ^*とすることで、ｄ軸電流が増加し誘起電圧の増加量を抑える方向に働く。誘起電圧の増加量が押さえられ電圧飽和領域でなくなると、今度は正の一定値を飽和積分器１４に積分していくことでｄ軸電流を減少させていく。
そして、また電圧飽和領域に入ると、負の一定値を飽和積分器１４に積分していく。この繰り返しで、ｄ軸電流指令を調整することができる。
上記方法でのみで行うと、電圧飽和領域でない場合、正の一定値を積分していくのでｄ軸電流指令に余分な正の値がたまることになる。このため、電圧飽和領域でない場合、ｄ軸指令処理１１において最適なｄ軸電流を計算する方法がとられている。計算式としてはいろいろなものがあるが、厳密に解く場合には複雑な式を解かなければならないため、ＣＰＵに負担がかかり、処理時間も長くなる問題がある。近似式で解く場合には、今度は誤差が大きくなると言う問題が浮上してくる。
従来技術では、負のｄ軸電流を流すためのｄ軸電流指令をモータ回転速度や電力変換装置の最大電圧、ｑ軸電流指令を基に複雑な計算をして導出してきた。
例えば、特許文献１においては、

を用いて最適なｄ軸電流指令の最大値を計算したりしている。
また、非特許文献１においては、

を用いている。ただし、非特許文献１においては、複雑な計算過程を省くため、ｄ軸電流指令の値をトルクと回転速度の関数となるようにあらかじめ計算しておき、その数値をテーブルとしてＲＡＭに記憶しておくことで、最適なｄ軸電流指令を作っている。
このように、従来の同期電動機のｄ軸電流制御方法では、モータ回転速度や電力変換装置の最大電圧値やｑ軸電流指令などからｄ軸電流指令を複雑な計算で導出したり、複雑な計算過程を省くためにあらかじめ計算した値をＲＡＭの中にテーブルとして記憶しておき、モータの回転速度とｑ軸電流指令に応じた値をテーブルから導出していた。
特開２００３−２０９９９６号公報 「電力変換装置による同期電動機の弱め界磁の一手法」ＩＥＡ−０３−６２

従来のｄ軸電流制御方法では、モータ回転速度や電力変換装置の最大電圧、ｑ軸電流指令などからｄ軸電流指令を計算するという手順をとっているので、複雑な計算が必要になり、ＣＰＵに負担がかかり、処理時間も長くなるという問題があった。
また、複雑な計算を省くために、事前に計算してＲＡＭに記憶しておく場合は、その分、ＲＡＭ容量がたくさん必要になるという問題もあった。また、電圧飽和を検出するための電圧飽和検出器が必要であり、機器の構成が増えるという問題もあった。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、同期電動機の弱め界磁制御においてｑ軸電圧指令と電力変換装置の電圧最大値の二乗からｄ軸電圧指令の二乗を引いたもの平方根との比較を行い、その差分によりｄ軸電流指令を制御することで、簡単な方法かつ簡単な機器構成で誘起電圧の増加を抑制する最適なｄ軸電流指令を作ることができる同期電動機制御方法および制御装置を提供することを目的とする。
また、電圧飽和検出器を不要にすると共に、電圧飽和時に最適なｄ軸指令を短い処理時間内に求めることを目的とする。

上記問題を解決するため、請求項１記載の発明は、永久磁石を使用した同期電動機に電力を供給する電力変換器で、同期電動機の界磁方向であるｄ軸とそれと直交する方向でトルクを発生するｑ軸に分離し各々を制御するように構成された制御部を備え、同期電動機の電圧飽和時におけるｄ軸電流制御方法が、ｑ軸電圧指令と電力変換装置の電圧最大値の二乗からｄ軸電圧指令の二乗を引いたものの平方根との比較を行い、その差分によりｄ軸電流指令をＰＩ制御等とすることを特徴とする。
また、請求項２記載の発明は、前記同期電動機の前記電圧飽和時における前記ｄ軸電流制御方法において、ｑ軸電流指令が、同期電動機の最大電流の二乗からｄ軸電流指令の二乗を引いたものの平方根以下になるように、ｑ軸電流指令にリミットを掛けることを特徴とする。
また、請求項３記載の発明は、前記同期電動機の前記電圧飽和時における前記ｄ軸電流制御方法において、ｑ軸電圧指令を監視し、電圧変換装置の電圧最大値の二乗からｄ軸電圧指令の二乗を引いたものの平方根と前記ｑ軸電圧指令との差分が０になるようにｄ軸電流指令を制御するようにしたことを特徴とする。
また、請求項４記載の発明は、永久磁石を使用した同期電動機に与える３相の電流値を電流検出器により検出して３相−２相変換器によりｄ軸電流とｑ軸電流に変換しｑ軸電流制御演算部およびｄ軸電流制御演算部において夫々ｑ軸電流指令とｄ軸電流指令との差が０になるように制御を行い出力されるｑ軸電圧指令とｄ軸電圧指令を２相−３相変換器により３相の電圧指令に変換して電力変換部により実際の電圧を発生して同期電動機を駆動制御する同期電動機制御装置において、同期電動機の電圧飽和時におけるｄ軸電流制御で、ｑ軸電圧指令と電力変換装置の電力最大値の二乗からｄ軸電圧指令の二乗からｄ軸電圧指令の二乗を引いたものの平方根との比較を行い、その差分によりｄ軸電流指令をＰＩ制御等により出力するｄ軸電流指令演算部を備えたことを特徴とする。
また、請求項５記載の発明は、前記同期電動機の前記電圧飽和時における前記ｄ軸電流制御で、前記ｑ軸電流指令が同期電動機の最大電流の二乗からｄ軸電流指令の二乗を引いたものの平方根以下になるように、前記ｄ軸電流指令にリミットを掛けるリミット処理部を備えたことを特徴とする。
また、請求項６記載の発明は、前記同期電動機の前記電圧飽和時における前記ｄ軸電流制御において、前記ｑ軸電圧指令を監視し、電圧変換装置の電圧最大値の二乗からｄ軸電圧指令の二乗を引いたものの平方根と前記ｑ軸電圧指令との差分が０になるようにｄ軸電流指令を制御するようにしたことを特徴とする。

請求項１および２記載の発明によれば、最適なｄ軸電流を求めるための複雑な計算でＣＰＵに負担が掛かったり、処理時間が延びたりすることなく、また、処理時間の短縮のため、あらかじめ計算した数値をテーブルとしてＲＡＭに記憶させておくためのＲＡＭ容量を増やすことなく、簡単な方法で電圧飽和時に誘起電圧の増加を抑える最適なｄ軸電流指令を作ることができる。
また、請求項３記載の発明によると、電圧飽和検出器が不要となり、簡単な機器の構成で最適なｄ軸電流指令を作ることができる。
請求項４および５記載の発明によれば、ｑ軸電流指令を監視して電圧飽和時に誘起電圧の増加を抑えるための最適なｄ軸電流を求めるｄ軸電流指令演算部とリミット処理部を備えたので、電圧飽和時の最適なｄ軸電流を求める複雑な計算でＣＰＵに負担が掛かったり、処理時間が延びたりすることなく、又処理時間の短縮のために予め計算した数値をテーブルとして記憶させて置くためのＲＡＭ容量を増やすこともなく、簡単に電圧飽和時に誘起電圧の増加を抑えられる最適なｄ軸電流指令を作ることが可能な同期電動機制御装置を得ることができる。
また、請求項６記載の発明によれば、電圧飽和を検出する電圧飽和検出器が不要になり削減できるので、機器構成を削減した簡単な構成により最適なｄ軸電流指令をつくることができる同期電動機制御装置が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。

図１は、本発明の方法を実施する電力変換装置の構成を示すブロック図である。
図において、１は同期電動機である。２は電流検出器であり、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の電流値を検出し、４の３相−２相変換器により、ｄ軸電流とｑ軸電流に変換される。３は電力変換部で、電圧指令Ｖｕ^*、Ｖｖ^*，Ｖｗ^*を受けて実際の電圧を発生する。５は２相−３相変換器で、同期機の界磁方向であるｄ軸に与える電圧指令Ｖｄ^*とそれと直交する方向でトルクを発生するｑ軸に与える電圧指令Ｖｑ^*で表された２相の電圧指令を、モータの各相に与える電圧指令であるＶｕ^*，Ｖｖ^*，Ｖｗ^*で表される３相の電圧指令に変換する。６はｑ軸電流制御演算部で、ｑ軸電流指令Ｉｑ^*とフィードバック電流Ｉｑの差が０になるように例えばＰＩ制御を行っている。７はｄ軸電流制御演算部で、ｑ軸電流制御演算部と同様な例えばＰＩ制御をｄ軸電流について行っている。８はリミット処理部で、ｑ軸電流指令Ｉｑ^*をｄ軸電流のフィードバックにより制限する。
９はｄ軸電流指令演算部で、電力変換装置の電圧最大値Ｖｍａｘの二乗Ｖｍａｘ²からｄ軸電圧指令Ｖｄ^*の二乗Ｖｄ^*2を引いたもの（Ｖｍａｘ²−Ｖｄ^*2）の平方根（Ｖｍａｘ²−Ｖｄ^*2）^1/2 とｑ軸電流指令Ｖｑ^*との差分、すなわち、
（Ｖｍａｘ²−Ｖｄ^*2）^1/2 −Ｖｑ^*
によりｄ軸電流指令の例えばＰＩ制御を行っている。
つぎに、図１に基づいて本発明の動作を説明する。
非突極構造の同期電動機のトルクはｑ軸電流Ｉｑに比例する。そのため、ｑ軸電流指令Ｉｑ^*を大きくしていくと、トルクもｑ軸電流指令に比例して大きくなる。ところが、高回転速度領域では同期電動機の特徴である誘起電圧が大きくなってしまい、ｑ軸電流を流すためのｑ軸電圧の最大値が制限されてしまう（電圧飽和領域）。ｄ軸電流を流すと、誘起電圧の増加分を押さえることができる事は前述したが、本発明では、簡単な方法で最適なｄ軸電流指令を作るためにｑ軸電圧指令Ｖｑ^*に着目した。
図１に示すように、電力変換装置の電圧最大値の二乗からｄ軸電圧指令の二乗を引いたものの平方根とｑ軸電圧指令との比較を行い、その差分によりｄ軸電流指令を例えばＰＩ制御することにより、電圧飽和領域でｑ軸電圧指令Ｖｑ^*が大きくなり、電力変換装置の最大電圧Ｖｍａｘを越えてしまった時に、ｄ軸電流指令演算部９の入力に負の値が入力され、負のｄ軸電流指令が作られ、負のｄ軸電流指令により負のｄ軸電流を同期電動機に流すことで誘起電圧の増加分を押さえる事ができ、ｑ軸電圧指令Ｖｑ^*が電力変換装置の電圧最大値の二乗からｄ軸電圧指令の二乗を引いたもの平方根（Ｖｍａｘ²−Ｖｄ^*2）^1/2 と等しくなるように、ｄ軸電流を調整する事ができる。
ここで、ｄ軸電流指令演算部９の入力の最大値は０で制限しておく必要がある。電圧飽和でないときには、常に正の値がｄ軸電流指令演算部９に入力されている。この正の値は、電圧飽和になっていないかの判断には利用できるが、実際のｄ軸電流指令値には必要ない値である。そのため、ｄ軸電流指令演算部９の入力の最大値は０で制限しておく。
図１のｑ軸電流指令のリミット処理部８について説明する。同期電動機のｑ軸最大電流は、

によって制限される。ただし、Ｉｍａｘ：同期電動機の最大電流。
電圧飽和の状態の中でも、より高回転速度、高トルクの境域では大きなｄ軸電流が必要となるため、最適なｄ軸電流指令を作るためにはｑ軸電流を減少させてｄ軸電流を増やす必要がある。このため、ｄ軸電流指令とｑ軸電流指令をリミット処理部に入力し、上記式によりｑ軸電流指令にリミットを掛けることによって、最適なｄ軸電流指令Ｉｑ'^*を作ることができる。
以上のように、本発明では、同期電動機の電圧飽和時におけるｄ軸電流制御方法が、ｑ軸電圧指令と電力変換装置の電圧最大値の二乗からｄ軸電圧指令の二乗を引いたもの平方根との比較を行い、その差分によりｄ軸電流指令を例えばＰＩ制御するとしたので、簡単な方法かつ簡単な機器構成で最適なｄ軸電流指令を作ることができる。

高回転速度における電圧飽和領域で簡単な構成によって、与える最適なｄ軸電流値を求めることができるという実際的な方法なので、多くの同期電動機、特に、非突極性の同期電動機を用いた各種機器システムに好適に適用される。

本発明の方法を適用する同期電動機の電流制御装置のブロック図である。 従来の方法を適用する同期電動機の電流制御装置のブロック図である。

符号の説明

１ 同期電動機
２ 同期電動機のＵ，Ｖ，Ｗ相電流検出部
３ 電力変換部
４ ３相−２相変換部
５ ２相−３相変換部
６ ｑ軸電流演算部
７ ｄ軸制御演算部
８ リミット処理部
９ ｄ軸電流指令演算部

Claims (6)

1. 永久磁石を使用した同期電動機に与える３相電流値を３相−２相変換して前記同期電動機の界磁方向であるｄ軸とそれと直交する方向でトルクを発生するｑ軸に分離したｄ軸電流とｑ軸電流に変換し、各々ｑ軸電流指令とｄ軸電流指令との差が０になるようにそれぞれ制御出力されるｑ軸電圧指令とｄ軸電圧指令を２相−３相変換して３相電圧指令にし、該３相電圧指令で電力変換により前記同期電動機に電力を供給する同期電動機制御方法において、前記同期電動機の電圧飽和時におけるｄ軸電流制御方法が、電力変換装置の電圧最大値の二乗から前記ｄ軸電圧指令の二乗を引いたものの平方根と前記ｑ軸電圧指令との差分により前記ｄ軸電流指令を演算制御するようにしたことを特徴とする同期電動機制御方法。
2. 前記同期電動機の前記電圧飽和時における前記ｄ軸電流制御方法において、ｑ軸電流指令が、同期電動機の最大電流の二乗からｄ軸電流指令の二乗を引いたものの平方根以下になるように、ｑ軸電流指令にリミットを掛けることを特徴とする請求項１記載の同期電動機制御方法。
3. 前記同期電動機の前記電圧飽和時における前記ｄ軸電流制御方法において、ｑ軸電圧指令を監視し、電圧変換装置の電圧最大値の二乗からｄ軸電圧指令の二乗を引いたものの平方根と前記ｑ軸電圧指令との差分が０になるようにｄ軸電流指令を制御するようにしたことを特徴とする請求項１または２記載の同期電動機制御方法。
4. 永久磁石を使用した同期電動機に与える３相電流値を前記同期電動機の界磁方向であるｄ軸とそれと直交する方向でトルクを発生するｑ軸に分離した各ｄ軸電流とｑ軸電流に変換する３相−２相変換器と、ｑ軸電流指令と前記ｑ軸電流の差が０になるように制御を行なうｑ軸電流制御演算部と、ｄ軸電流指令と前記ｄ軸電流の差が０になるように制御を行なうｄ軸電流制御演算部と、前記ｑ軸電流制御演算部およびｑ軸電流制御演算部から出力されるｑ軸電圧指令とｄ軸電圧指令を３相の電圧指令に変換する２相−３相変換器と、前記３相の電圧指令により同期電動機に電力を供給する電力変換部と、を備えた同期電動機制御装置において、
   同期電動機の電圧飽和時におけるｄ軸電流制御で、電力変換装置の電力最大値の二乗からｄ軸電圧指令の二乗を引いたものの平方根とｑ軸電圧指令との差を求める差分器と、前記差分器の出力により前記ｄ軸電流指令を演算し前記ｄ軸電流制御演算部に出力するｄ軸電流指令演算部とを備えたことを特徴とする同期電動機制御装置。
5. 前記同期電動機の前記電圧飽和時における前記ｄ軸電流制御で、前記ｑ軸電流指令が同期電動機の最大電流の二乗からｄ軸電流指令の二乗を引いたものの平方根以下になるように、前記ｄ軸電流指令にリミットを掛けるリミット処理部を備えたことを特徴とする請求項４記載の同期電動機制御装置。
6. 前記同期電動機の前記電圧飽和時における前記ｄ軸電流制御において、前記ｑ軸電圧指令を監視し、電圧変換装置の電圧最大値の二乗からｄ軸電圧指令の二乗を引いたものの平方根と前記ｑ軸電圧指令との差分が０になるようにｄ軸電流指令を制御するようにしたことを特徴とする請求項４又は５記載の同期電動機制御装置。

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