JP2007295716A - 永久磁石型同期電動機のトルク制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ローコストかつ簡単な装置で高精度なトルク制御を実現することができる永久磁石型同期電動機のトルク制御装置を提供する
【解決手段】 永久磁石を設けて成る回転子と巻線コイルを設けて成る固定子とを有する同期電動機（３）と、固定子に取り付けられ温度を電気信号に変換する温度センサ（６）と、温度センサからの電気信号に基づき検出温度を出力する温度検出部（７）と、与えられたトルク指令に基づきｑ軸電流指令を演算する電流指令生成部（１）と、ｑ軸電流指令に基づき前記同期電動機を制御する電流フィードバック制御部（２）とを備えた永久磁石型同期電動機のトルク制御装置において、電流指令生成部は、前記検出温度に基づき、ｑ軸電流指令を補正演算するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石型同期電動機のトルクを制御する永久磁石型同期電動機のトルク制御装置に関する。

一般に、永久磁石型同期電動機のトルク制御は、トルク指令に一定の定数を掛けて電流指令とし、電機子の電流をフィードバックして電流制御を行うことで同期電動機のトルクを制御している。また、回転子に配置されている永久磁石は高エネルギー積が得られる希土類磁石がよく用いられる。ところが、希土類永久磁石の残留磁束密度は磁石の温度により変化し、温度が高くなると残留磁束密度は低くなる。この現象は永久磁石の温度で磁束量が変化することであり、電機子電流を一定に制御して同期電動機の電磁トルクを一定に制御しようとしても同期電動機の電磁トルクは変化することになる。すなわち、実際の同期電動機の電磁トルクと制御部で算定された演算トルクとの間に誤差のない高精度なトルク制御を必要とする場合、検出温度によりトルク補償を行うことが不可欠となる。
従来の永久磁石型同期電動機のトルク制御装置は、永久磁石の温度と該永久磁石の磁束量の関係を予め式表にしておき、永久磁石の温度を温度センサによって計測して磁束量を与え電流指令を演算している（例えば、特許文献１参照）。温度センサで検出した永久磁石の温度に基づいて磁束テーブルより求めた磁束と、トルク指令とに基づいてｑ軸電流指令を演算し、このｑ軸電流指令に基づき同期電動機を制御することで、温度が上昇してもトルク指令に正確に対応した電磁トルクを得られるようにしている。
特開平０９−５１７００号公報

従来の永久磁石型同期電動機のトルク制御装置は、永久磁石の検出温度によりトルク補償を行うので、永久磁石の温度を温度センサによって計測する必要がある。一方、永久磁石は回転子に組み込まれているので、その温度を計測することは高価で複雑なセンサが必要であるという問題があった。また、永久磁石の温度に対する鎖交磁束を磁束テーブルに予め記憶させる必要があり、使用する磁石によって、磁束テーブルを入れ替えなければならない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、同期電動機の固定子に温度センサを取り付けて固定子の温度を計測し、その温度に基づぎ簡単な式用いて補償係数を計算するようにトルクの温度補償を行うことにより、ローコストかつ簡単な装置で高精度なトルク制御を実現することができる永久磁石型同期電動機のトルク制御装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、永久磁石を設けて成る回転子と巻線コイルを設けて成る固定子とを有する同期電動機と、前記固定子に取り付けられ温度を電気信号に変換する温度センサと、温度センサからの電気信号に基づき検出温度を出力する温度検出部と、与えられたトルク指令に基づきｑ軸電流指令を演算する電流指令生成部と、前記ｑ軸電流指令に基づき前記同期電動機を制御する電流フィードバック制御部とを備えた永久磁石型同期電動機のトルク制御装置において、前記電流指令生成部は、前記検出温度に基づき、ｑ軸電流指令を補正演算することを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の永久磁石型同期電動機のトルク制御装置において、前記電流指令生成部は、前記トルク指令に基準トルク電流変換ゲインを掛けて基準ｑ軸電流指令とし、前記検出温度から基準温度を減じて得た変化温度に補償係数の温度変化ゲインを掛けて得た値を１から引いて除算用補償係数とし、前記基準ｑ軸電流指令から前記除算用補償係数で除して得た値を新たなｑ軸電流指令とすることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の永久磁石型同期電動機のトルク制御装置において、前記電流指令生成部は、前記トルク指令に基準トルク電流変換ゲインを掛けて基準ｑ軸電流指令とし、前記検出温度から基準温度を減じて得た変化温度に補償係数の温度変化ゲインを掛けて得た値に１を足して乗算用補償係数とし、前記基準ｑ軸電流指令に前記乗算用補償係数を掛けて得た値を新たなｑ軸電流指令とすることを特徴とするものである。

請求項１に記載の発明によると、同期電動機の固定子に取り付けている温度センサからの検出温度に基づいてトルクの温度による変化を補償することができ、ローコストで高精度なトルク制御を実現することができる。
また、請求項２および請求項３に記載の発明によると、簡単な式を用いて補償係数を計算することができ、簡単に制御装置を構成することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の第１実施例を示す永久磁石型同期電動機のトルク制御装置のブロック図である。図１において、温度センサ６は同期電動機３の固定子に取り付けられている。温度検出部７は温度センサ６からの電気信号を検出温度ｔに変換して電流指令生成部１に出力する。電流指令生成部１は、トルク指令Ｔ^＊と検出温度ｔに基づいてｑ軸電流指令Ｉ_ｑ ^＊を演算する。電流フィードバック制御部２は位置検出器５からの同期電動機の磁極位置情報θ_ｍに基づき電機子のｄ軸電流Ｉ_ｄと電機子のｑ軸電流Ｉ_ｑをそれぞれｄ軸電流指令Ｉ_ｄ ^＊とｑ軸電流指令Ｉ_ｑ ^＊に追従させるように制御する。また、同期電動機３はＰＷＭインバータ１３からの出力電圧を受け電機子に電流を流すことによりトルクＴ_ｅを発生して負荷機械４を駆動する。
本発明が従来技術と異なる部分は、電流指令生成部はが磁束テーブルを用いずトルク指令と検出温度に基づいて簡単な式を用いてｑ軸電流指令を算出することを備えた部分である。

以下、本発明の制御装置の動作原理について説明する。
まず、トルクＴ_ｅと固定子の温度ｔ_ａとの関係について説明する。
一般に、ｄ軸電流指令Ｉ_ｄ ^＊を０とする場合、同期電動機が発生する電磁トルクＴ_ｅは、式（１）で示される。
Ｔ_ｅ＝Ｋ_ＩＴ×Ｉ_ｑ （１）
ただし、Ｋ_ＩＴはトルク定数であり、鎖交磁束と比例するので永久磁石の温度ｔ_ｍによって式（２）で示されるように変化する。
Ｋ_ＩＴ＝Ｋ_ＩＴ０×｛１＋Ｋ_ｔ×（ｔ_ｍ−ｔ_０）｝ （２）
ただし、Ｋ_ＩＴ０は基準温度ｔ_０におけるトルク定数、Ｋ_ｔは単位変化温度に対するトルク定数の変化率である。
また、巻線コイルの極近い所を除き同期電動機の固定子の温度ｔ_ａは永久磁石の温度ｔ_ｍと一定な線形関係を持ち、式（３）で示される。
ｔ_ｍ＝ｋ_１×ｔ_ａ＋ｔ_１ （３）
ただし、Ｋ_１とｔ_１は同期電動機の構造によって決められた定数である。
式（３）を式（２）に代入して整理すると、式（４）が得られる。
Ｋ_ＩＴ＝Ｋ’_ＩＴ０×｛１＋Ｋ_Δ×（ｔ_ａ−ｔ_０）｝ （４）
ただし、
Ｋ’_ＩＴ０＝Ｋ_ＩＴ０／｛１＋Ｋ_ｔ（ｋ_１×ｔ_０＋ｔ_１−ｔ_０）｝ （５）
および、
Ｋ_Δ＝Ｋ_ｔｋ_１／｛１＋Ｋ_ｔ（ｋ_１×ｔ_０＋ｔ_１−ｔ_０）｝ （６）
が成り立つ。式（５）（６）により、Ｋ’_ＩＴ０とＫ_Δも定数である。
式（１）および式（４）により、式（７）が成り立つ。
Ｔ_ｅ＝Ｋ’_ＩＴ０×｛１＋Ｋ_Δ×（ｔ_ａ−ｔ_０）｝×Ｉ_ｑ （７）
次に、係数Ｋ’_ＩＴ０とＫ_Δを求める方法について説明する。
式（７）より同期電動機の固定子の温度ｔ_ａを変えながら同期電動機の電磁トルクＴ_ｅを測定しておけばＫ’_ＩＴ０とＫ_Δを求められるが、摩擦などの影響でトルクを正確に測定することが困難である。一方、同期電動機において、ｑ軸誘起電圧Ｅ_ｑは電動機の回転速度ω_ｍに比例し式（８）で表される。
Ｅ_ｑ＝Ｋ_Ｅ×ω_ｍ （８）
ただし、Ｋ_Ｅは誘起電圧定数であり、Ｋ_Ｅ＝Ｋ_ＩＴが成り立つ。式（７）より、式（９）が導かれる。
Ｅ_ｑ＝Ｋ’_ＩＴ０×｛１＋Ｋ_Δ×（ｔ_ａ−ｔ_０）｝×ω_ｍ （９）
同期電動機を一定回転速度ω_ｍ０で回転させ、同期電動機の固定子の温度ｔ_ａが基準温度ｔ_０となる時ｑ軸誘起電圧Ｅ_ｑ０を測定すると、Ｋ’_ＩＴ０は式（１０）から求めることができる。
Ｋ’_ＩＴ０＝Ｅ_ｑ０／ω_ｍ０ （１０）
また、同期電動機の固定子はｔ_０と異なる温度ｔ_ａ１におけるｑ軸誘起電圧Ｅ_ｑ１を測定すると、Ｋ_Δは式（１１）から求めることができる。
Ｋ_Δ＝（Ｅ_ｑ１／Ｅ_ｑ０−１）／（ｔ_ａ１−ｔ_０） （１１）
最後に、電流指令生成部の構成方法について説明する。
まず基準温度におけるトルク指令Ｔ^＊からｑ軸電流指令Ｉ_ｑ０ ^＊に換算する基準トルク電流変換ゲインＫ_ＴＩ０を式（１２）のように与える。
Ｋ_ＴＩ０＝１／Ｋ’_ＩＴ０ （１２）
次に除算用補償係数ｋ_Ｄを式（１３）のように与える。
ｋ_Ｄ＝１−Ｋ_Δ×（ｔ_ａ−ｔ_０） （１３）
最後にｑ軸電流指令Ｉ_ｑ ^＊を式（１４）のように与える。
Ｉ_ｑ ^＊＝Ｔ^＊×Ｋ_ＴＩ０／ｋ_Ｄ （１４）
式（１２）と式（１３）を式（１４）に代入して整理すると、式（１５）が導かれる。
Ｔ^＊＝Ｋ’_ＩＴ０／｛１−Ｋ_Δ×（ｔ_ａ−ｔ_０）｝×Ｉ_ｑ ^＊ （１５）
また、電機子の電流はフィードバック制御されていることからＩ_ｑ＝Ｉ_ｑ ^＊が成り立つので、式（７）と式（１５）により、実際の同期電動機の電磁トルクＴ_ｅはトルク指令Ｔ^＊と等しくなる。

このように、同期電動機の回転子の温度を検出してその検出温度に基づぎ簡単な式を用いてトルク指令から電流指令を計算することで、同期電動機の温度が変動しても高精度なトルク制御を実現することができる。

図２は本発明の第２実施例を示す永久磁石型同期電動機のトルク制御装置のブロック図である。本実施例が第１実施例と異なる部分は、トルク指令からｑ軸電流指令へ換算する際に用いた温度補償方法が違うことである。詳細は以下に説明する。
乗算用補償係数ｋ_Ｍを
ｋ_Ｍ＝１／ｋ_Ｄ （１６）
とすると、式（１３）より式（１７）が導かれる。
ｋ_Ｍ＝１／｛１−Ｋ_Δ×（ｔ_ａ−ｔ_０）｝ （１７）
また、Ｋ_Δが小さく、一般的に０．００１前後であるので、温度が１００℃変化しても、Ｋ_Δ×（ｔ_ａ−ｔ_０）は０．１前後である。すなわち、Ｋ_Δ×（ｔ_ａ−ｔ_０）≪１が成り立つ。よって、ｋ_Ｄの近似式は式（１８）で表される。
ｋ_Ｍ≒１＋Ｋ_Δ×（ｔ_ａ−ｔ_０） （１８）
また、式（１４）と式（１６）よりｑ軸電流指令Ｉ_ｑ ^＊を式（１９）のように与える。
Ｉ_ｑ ^＊＝Ｔ^＊×Ｋ_ＴＩ０×ｋ_Ｍ （１９）

このように、第１実施例と較べ、補償精度が少し落ちるが、複雑な除算を使わず簡単な乗算で同期電動機のトルクの温度補償を行うことができるので、同期電動機の温度が変動しても簡単に高精度なトルク制御を実現することができる。

永久磁石の温度による起磁力の変化を補償することによって、温度が変動しても一定な力を維持することができるので、永久磁石型電磁気アクチュエータを用いて高精度な力を出力するという用途にも適用できる。

本発明の第１実施例を示す永久磁石型同期電動機のトルク制御装置のブロック図 本発明の第２実施例を示す永久磁石型同期電動機のトルク制御装置のブロック図

符号の説明

１ 電流指令生成部
２ 電流フィードバック制御部
３ 同期電動機
４ 負荷機械
５ 位置検出器
６ 温度センサ
７ 温度検出部
８ 基準トルク電流変換ゲイン
９ 除算器
１０ 除算用補償係数の計算式
１２ 電流制御部
１３ ｄｑ／３相交流座標変換部
１４ ＰＷＭインバータ
１５ 電流センサ
１６ ３相交流／ｄｑ座標変換部
１１、１７ 減算器
１８ 乗算器
１９ 乗算用補償係数の計算式

Claims (3)

1. 永久磁石を設けて成る回転子と巻線コイルを設けて成る固定子とを有する同期電動機と、前記固定子に取り付けられ温度を電気信号に変換する温度センサと、温度センサからの電気信号に基づき検出温度を出力する温度検出部と、与えられたトルク指令に基づきｑ軸電流指令を演算する電流指令生成部と、前記ｑ軸電流指令に基づき前記同期電動機を制御する電流フィードバック制御部とを備えた永久磁石型同期電動機のトルク制御装置において、
   前記電流指令生成部は、前記検出温度に基づき、ｑ軸電流指令を補正演算する
   ことを特徴とする永久磁石型同期電動機のトルク制御装置。
2. 前記電流指令生成部は、前記トルク指令に基準トルク電流変換ゲインを掛けて基準ｑ軸電流指令とし、前記検出温度から基準温度を減じて得た変化温度に補償係数の温度変化ゲインを掛けて得た値を１から引いて除算用補償係数とし、前記基準ｑ軸電流指令を前記除算用補償係数で除して得た値を新たなｑ軸電流指令とすることを特徴とする請求項１記載の永久磁石型同期電動機のトルク制御装置。
3. 前記電流指令生成部は、前記トルク指令に基準トルク電流変換ゲインを掛けて基準ｑ軸電流指令とし、前記検出温度から基準温度を減じて得た変化温度に補償係数の温度変化ゲインを掛けて得た値に１を足して乗算用補償係数とし、前記基準ｑ軸電流指令に前記乗算用補償係数を掛けて得た値を新たなｑ軸電流指令とすることを特徴とする請求項１記載の永久磁石型同期電動機のトルク制御装置。

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