JP2009153288A

JP2009153288A - 電力変換装置

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Publication number: JP2009153288A
Application number: JP2007328513A
Authority: JP
Inventors: Hajime Uematsu; 初上松; Kazuaki Tobari; 和明戸張
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2007-12-20
Filing date: 2007-12-20
Publication date: 2009-07-09
Anticipated expiration: 2027-12-20
Also published as: JP5210621B2

Abstract

【課題】試運転により装置のイナーシャ値と速度制御器の制御定数を高精度でかつ短期間に推定し、速度制御部の制御定数自動調整する電力変換装置を提供する。
【解決手段】実運転前の加減速運転により負荷に接続された機械イナーシャ値を推定し、速度制御部２１の制御定数を修正する演算手段を備えた電力変換装置において、前記演算手段は、加減速運転により機械イナーシャ値を推定すると共にこの推定された機械イナーシャ値に基いて次の加減速時間を算出するイナーシャ推定値演算部２４Ｂと、算出された加減速時間に基いて前記速度制御部に速度指令値を出力する速度指令作成部２４Ａと、前記で推定された機械イナーシャ値に基いて前記速度制御部の制御定数を修正する制御定数演算部２４Ｃを備えた。イナーシャの推定処理を繰り返し行うことにより、推定精度の向上を図る。
【選択図】図１

Description

本発明は、産業機械（半導体製造装置、工作機械、射出成形機）などの電動機の駆動制御において、機械のイナーシャを推定して速度制御部の制御定数を修正する電力変換装置に関する。

従来、速度制御部の制御定数を演算する際に用いる機械のイナーシャ値を、実運転を行う前に所定の試運転パターンにより試運転を行い、電動機の発生トルクと加減速時間、回転速度の関係により算出してイナーシャのチューニングを行うのが一般的である。この試運転時における機械イナーシャ推定の関係文献として特許文献１がある。

特開昭６１−８８７８０号公報

誘導モータではイナーシャチューニングの精度が低くても、ひいては応答が多少低下しても、急激な加減速により脱調することは少ないが、電動機として永久磁石同期モータにおいては、負荷トルクが大きい、または急激な変化があった場合には、同期速度から外れ脱調と呼ばれる状態に陥り制御不能となる場合が多い。

この脱調を引き起こさない為に速度応答を設計するが、このときイナーシャの値が実際の負荷イナーシャの値とずれていると設計どおりの応答で制御することが出来ない。特に位置センサおよび、電流センサを用いないセンサレス運転においては、制御対象の情報としては、抵抗、インダクタンス、誘起電圧定数、およびイナーシャンのモータ定数に限られる。このモータ定数の誤差は、直接応答の誤差として表れる。よって、制御に使用するモータ定数を真値に近づけることが、設計どおりの応答の実現、ひいては安定な制御の実現のために求められる。

特許文献１に示される試運転では試運転パターンが適切でないとトルク電流がオーバーシュートの形で現れ、また、試運転時の電動機自体や負荷等に引っ掛かり等があると、外乱となって正確なトルク電流が現れず、精度の良い機械イナーシャ値が得難く、試行錯誤に長い試運転時間を要する。

本発明では、このモータ定数のうち速度応答へ影響するイナーシャのチューニングについて、繰り返しチューニングを行うことにより、イナーシャの値の真値との誤差を出来る限り小さくし、短時間で安定な制御を実現することを目的とする。

本発明は、電動機を駆動する電力変換器と、速度指令値と速度検出値の偏差に応じてトルク電流指令値を出力する速度制御部と、トルク電流指令値に従い出力電流を制御する電流制御部と、実運転前の加減速運転により負荷に接続された機械イナーシャ値を推定し、速度制御部の制御定数を修正する演算手段を備えた電力変換装置において、前記演算手段は、加減速運転により機械イナーシャ値を推定すると共にこの推定された機械イナーシャ値に基いて次の加減速時間を算出するイナーシャ推定値演算部と、算出された加減速時間に基いて前記速度制御部に速度指令値を出力する速度指令作成部と、前記で推定された機械イナーシャ値に基いて前記速度制御部の制御定数を修正する制御定数演算部を備えたことを特徴とする。

また、前記イナーシャ推定値演算部は最初の加減速時間を安全率を加えて長く設定し、推定された機械イナーシャ値に基いて以降の加減速時間を算出し、前記制御定数演算部は以降の加減速運転に備えて、推定された機械イナーシャ値に基いて前記速度制御部の制御定数を修正する。

また、前記イナーシャ推定値演算部は、前回と今回の加減速運転で推定された機械イナーシャ値の推定比を求め、この推定比が所定範囲にあるときはその後の推定を終了し、所定範囲に無いときは再度の加減速運転による機械イナーシャ値を推定し、前記制御定数演算部は、前記推定比に基いて速度制御部の制御定数を修正する。

また、前記イナーシャ推定値演算部は、前回と今回の加減速運転で推定された機械イナーシャ値の推定比を求め、この推定比が所定範囲にあるときは機械イナーシャ値が収束したと判断してその後の推定を終了し、所定範囲に無いときは機械イナーシャ値が収束するまで加減速運転を繰返して機械イナーシャ値を推定する。

また、前記イナーシャ推定値演算部は、前回と今回の加減速運転で推定された機械イナーシャ値の推定比を求め、この推定比が規定値を超えるとき推定比を規定値に置換え、前記制御定数演算部は、規定値に置換えられた推定比に基いて前記速度制御部の制御定数を修正する。

また、前記イナーシャ推定値演算部は、加減速運転の繰返しが所定回数に達したら、運転を終了する。

また、前記イナーシャ推定値演算部は、加減速運転時に加速中および減速中のトルク電流を積算し、加速中のトルク電流の積算値と減速中のトルク電流の積算値の差より電動機および機械イナーシャの加減速に用いられた加速トルクを推定し、この加速トルク積算値と加減速運転における加減速時間から、機械イナーシャ値を推定する。

本発明は、電動機を駆動する電力変換器と、速度指令値と速度検出値の偏差に応じてトルク電流指令値を出力する速度制御部と、トルク電流指令値に従い出力電流を制御する電流制御部と、実運転前の加減速運転により負荷に接続された機械イナーシャ値を推定し、速度制御部の制御定数を修正する演算手段を備えた電力変換装置において、
前記演算手段は、推定された機械イナーシャ値が収束するまで繰返して次の加減速時間を算出するイナーシャ推定値演算部と、算出された加減速時間に基いて前記速度制御部に速度指令値を出力する速度指令作成部と、加減速運転により推定された機械イナーシャ値に基いて前記速度制御部の制御定数を修正する制御定数演算部を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、試運転時の電動機の加減速運転が、最適な運転時間（パターン）を自動で算出して繰返し機械イナーシャ値の推定がなされるので、精度の高い機械イナーシャ値が効率的に推定され、速度制御部の制御定数が適切に修正される。

本発明の実施例１を図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例の電力変換装置のブロック図である。図１で１０は産業機械を駆動する電動機で、永久磁石同期モータあるいは誘導電動機からなる。２０は電動機１０に駆動電力を供給する電力変換装置、３０は電力変換装置２０から電動機１０に供給される電流（Ｉ_ｑｃ、Ｉ_ｄｃ）を検出する電流検出器、４０は電動機１０の実際の回転数（Ｎ）を検出する速度検出器である。ここで、電流検出器３０、および速度検出器４０はセンサ等による直接計測、または、センサを用いない場合の推定処理により電流および速度の情報を電力変換装置２０へ受け渡すものである。

電力変換装置２０は、後述の演算手段２４からの速度指令値Ｎ^＊と速度検出値Ｎとの偏差よりトルク電流指令値Ｉｑ^＊を出力する速度制御部２１と、トルク電流指令値Ｉｑ^＊と検出されたトルク電流検出値Ｉｑｃから、電圧指令値Ｖｄ^＊およびＶｑ^＊を算出する電流制御部２２と、算出された電圧指令値Ｖｄ^＊およびＶｑ^＊から電力変換装置２０の出力を算出する電圧制御部２３と、機械イナーシャ値の推定に関わる演算手段２４を備えている。

演算手段２４は、前記速度制御部２１に速度指令値Ｎ^＊を供給する速度指令作成部２４Ａと、トルク電流指令値Ｉｑ^＊から機械イナーシャの推定値を算出するイナーシャ推定値演算部２４Ｂと、この演算部２４Ｂで推定された機械イナーシャ値に基いて前記速度制御部２１の制御定数を自動修正する制御定数演算部２４Ｃから構成される。

次に、機械イナーシャ値の推定処理（推定値の算出）について説明する。イナーシャ値の推定処理では、速度指令作成部２４Ａで作成した速度指令Ｎ^＊のパターンに基く加速運転時と減速運転時のそれぞれのトルク電流指令値Ｉｑ^＊よりイナーシャの推定値の算出を行う。図２は、速度指令作成部２４Ａで作成した速度指令Ｎ^＊のパターンと、トルク電流指令値Ｉｑ^＊の関係図である。機械イナーシャ値の推定を行うための試運転では、速度指令値Ｎ１（回転数）からＮ２までの加速運転と、Ｎ２の継続運転後のＮ２からＮ１までの減速運転を行う。また、このときの加速時間ΔＴ_ａｃｃおよび減速時間ΔＴ_ｄｅｃは、ともに等しくΔＴに設定する。

上記推定処理は、イナーシャ推定値演算部２４Ｂで、トルク電流指令値Ｉｑ^＊の積算および、この積算に基いてイナーシャ推定値の演算により行われる。ここで、トルク電流指令値の積算値として、加速運転の期間ΔＴ_ａｃｃのトルク電流Ｉｑ^＊の積算値をΣＩｑ_ａｃｃとし、減速運転の期間ΔＴ_ｄｅｃのトルク電流Ｉｑ^＊の積算値をΣＩｑ_ｄｅｃとする。この積算値ΣＩｑ_ａｃｃとΣＩｑ_ｄｅｃの差は、ΔＴの期間の加速トルクτ_ａｃｃの２倍となる。ここで、加速運転時と減速運転時の差をとることにより、加速トルク以外の負荷トルクとして、一定負荷および回転数依存の負荷の影響を取り除き、機械イナーシャ値のみの推定を行うことができる。

τ_ａｃｃ=（ΣＩｑ_ａｃｃ−ΣＩｑ_ｄｅｃ）／２
τ_ａｃｃ：ΔＴの期間の加速トルク
ΣＩｑ_ａｃｃ：加速中のトルク電流の積算値
ΣＩｑ_ｄｅｃ：減速中のトルク電流の積算値
ここで、ΔＴ間にＮ１からＮ２まで加速するのに要したトルクがτ_ａｃｃであるので、このときの機械イナーシャ値Ｊは以下の式により求めることができる。

Ｊ=Ｋｔ・τ_ａｃｃ・６０／（ΔＴ・２π）
Ｋｔ：トルク換算係数
これにより、機械イナーシャはトルク電流の積算値ΣＩｑ_ａｃｃ、およびΣＩｑ_ｄｅｃを用いて以下の式により求めることができる。

Ｊ＝Ｋｔ・（ΣＩｑ_ａｃｃ−ΣＩｑ_ｄｅｃ）・６０／（２・ΔＴ・２π）…（１）
ここで、推定前の機械イナーシャ値をＪ_０とすると、推定した機械イナーシャ値との推定比Ｋは、次のようになる。

Ｋ=Ｊ／Ｊ_０…（２）
そして、制御定数演算部２４Ｃでは、演算した機械イナーシャの推定値に基づき速度制御部２１の制御定数の修正を行う。ここでは、演算した推定比Ｋを用いて、速度制御部２１の制御定数（比例ゲインＫ_ｓｐ、積分ゲインＫ_ｓｉ）を以下の式に従い自動修正する。

Ｋ_ｓｐ＝Ｋ・Ｋ_ｓｐ０
Ｋ_ｓｉ＝Ｋ・Ｋ_ｓｉ０
Ｋ_ｓｐ０：自動修正前の比例ゲイン
Ｋ_ｓｉ０：自動修正前の積分ゲイン
次に図３のフローチャートを用いて、機械イナーシャ値の推定、および速度制御部２１の制御定数の自動修正の処理の一連の流れについて説明する。

まず、機械イナーシャ値を推定（チューニング）するための試運転時において、初回の運転の初めのステップ（Ｓ）１０１で初期値としての加減速時間ΔＴを設定する。ΔＴは演算により次式で算出される。

ΔＴ＝Ｊ_０・（Ｎ２−Ｎ１）・２π／（Ｋｔ・Ｉｑ^＊ _１・６０）・Ａ…（３）
ここで、Ｊ_０は推定前の仮の機械イナーシャ値であり、予め外部から設定されるパラメータとなるが、負荷が接続されたシステムとしての概算値が既知の場合は概算値を設定し、概算値が分からない場合は、電動機の単体のイナーシャ値を設定する。従って、実際のシステムのイナーシャ値よりは小さな値が仮設定される。また、システムのイナーシャの真値が不明のまま運転されるので、電動機の回転数や電流にオーバーシュートが起り得るが、この時でも上式のトルク電流指令値Ｉｑ^＊ _１は、電動機の故障や保護動作が起らず、しかも小さ過ぎない（イナーシャの推定精度が低下しない）電流値が設定される。具体的には、電力変換装置の定格電流相当の値が用いられる。

更に、上式（３）では安全率Ａ（約２０）を掛けてΔＴを大きめに設定してゆっくり加減速を行うことで、前記オーバーシュートが起っても、電流値を抑えて電動機の故障や保護動作が起らないようにしている。なお、２回目以降の機械イナーシャ推定の加減速運転では安全率Ａは加味しない。

次に、上記（３）式で算出されたΔＴを用いて加速運転と減速運転がなされる。速度指令作成部２４Ａからの速度指令値Ｎ^＊に基いて、Ｓ１０２で速度Ｎ１からＮ２までΔＴの時間で加速運転を行い、Ｓ１０４で速度Ｎ２からＮ１までΔＴの時間で減速運転を行う。加速運転の期間はＳ１０３でトルク電流を積算し、積算値ΣＩｑ_ａｃｃとしてイナーシャ推定値演算部２４Ｂに保持する。減速運転の期間はＳ１０５でトルク電流を積算し、積算値ΣＩｑ_ｄｅｃとしてイナーシャ推定値演算部２４Ｂで保持する。このとき積算するトルク電流は、速度制御部２１の出力であるトルク電流指令値Ｉｑ^＊を用いる。

次にＳ１０６において、前記Ｓ１０３とＳ１０５で求めたトルク電流の積算値に基いて、初回の加減速運転によるイナーシャ推定値Ｊ_１と、推定比Ｋが次のように求められる。

Ｊ_１＝Ｋｔ・（ΣＩｑ_ａｃｃ−ΣＩｑ_ｄｅｃ）・６０／（２・ΔＴ・２π）…（４）
Ｋ＝Ｊ_１／Ｊ_０…（５）
続いてＳ１０７において、イナーシャ推定のための加減速運転を繰り返すか否かが判定される。具体的には推定比Ｋが（１−α）〜（１＋α）の範囲に入っていれば、Ｓ１０７でＹｅｓと判断し、Ｓ１１３に移ってイナーシャ推定のための加減速運転を止めて処理を正常終了する。即ち、この判定で推定比Ｋが１に近ければ、イナーシャの推定値が収束して正しい値になったと判断する。

推定比Ｋが（１−α）〜（１＋α）の範囲外である場合は、イナーシャの推定値が収束しておらずＳ１０７でＮｏと判断し、再度のイナーシャ値推定のための加減速運転の準備を始める。Ｓ１０８において（４）式で算出したイナーシャ推定値Ｊ_１に基いて次式により加減速時間ΔＴが新たに算出される。ここでは安全率Ａが加味されてない。

ΔＴ＝Ｊ_１・（Ｎ２−Ｎ１）・２π／（Ｋｔ・Ｉｑ^＊ _１・６０）…（６）
次いでＳ１０９において、先の（５）式で求められた推定比Ｋが規定値Ｂと比較される。比較の結果、規定値Ｂより大きい場合、Ｓ１１０で推定比Ｋを強制的に規定値Ｂに置き換え、この置き換えられたＫ（Ｂ）に基いてＳ１１１において速度制御の制御定数が修正される。なお、この修正時に制御定数が大きく変化すると加減速運転の動作が不安定となる場合があるため、推定比Ｋに上限値（規定値）Ｂを設けている。実施例では規定値Ｂは２に設定される。

次いでＳ１１２に移り、加減速運転の処理回数が所定回数Ｃと比較され、超えていれば異常として終了する。これは推定されたイナーシャ値が所定回数Ｃを超えても収束しない場合に、装置の異常または暴走から装置を保護するためである。加減速運転の処理回数が所定回数Ｃを超えていなければＳ１０２に戻って、イナーシャ推定のための再度の加減速運転が行われる。この加減速運転は、Ｓ１０６で算出されたΔＴの時間とＳ１１１で修正された制御定数とに基いて行われる。そして前記Ｓ１０２〜Ｓ１１２のステップが繰返される。

この２回目のイナーシャの推定処理は、初回で推定して得られたイナーシャ値Ｊ_１に基いた加減速時間と修正された制御定数とにより加減速運転が行われるので、イナーシャ値Ｊ_２が収束方向に算出されるので、推定精度が初回より向上する。そして、この推定処理が繰返し行われることによりイナーシャ値の推定精度は加速度的に向上する。このように永久磁石同期モータや誘導電動機についてイナーシャ値の推定精度の大幅向上をはかることができる。

前記推定処理を何回か繰返してイナーシャの推定値が収束するとＳ１０７でＹｅｓと判断され、Ｓ１１３で収束したイナーシャ値に基いて速度制御の制御定数が実運転用の値に修正され、イナーシャ値の推定のための試運転が終了（正常終了）し、電動機の実運転に備える。

また、推定値が収束しなかった場合の暴走を避けるため、繰り返し回数がＣ以上となった場合は、異常終了として推定が収束していない場合にも処理を終了する。

ここで、本実施例の動作例を図４、図５に示す。図４は、初回のイナーシャ値の推定処理における、速度指令Ｎ^＊（実線で示す。）と、検出した速度Ｎ（破線で示す。）、及びトルク電流指令値Ｉｑ^＊の関係図である。初回の推定処理のため、速度制御部の制御定数に用いるイナーシャ値を実際の値の約２０分の１の小さな値に設定しているため、速度、および電流指令値にオーバーシュートが見られる。図５は、イナーシャ値の推定処理により推定値が収束したときの速度（Ｎ^＊、Ｎ）と電流指令値（Ｉｑ^＊）の関係図である。収束したイナーシャ値が図４に示す初回の約２０倍と大きくなり、実際の値とほぼ一致したため速度、電流指令値にオーバーシュートが見られず安定に制御できていることが分かる。

本発明実施例の電力変換装置のブロック図である。本発明実施例の加減速運転時の速度指令とトルク電流指令値の関係図である。本発明実施例のイナーシャ値の推定処理動作のフローチャートである。本発明実施例の初回のイナーシャ値の推定処理における、速度指令と、検出した速度、及びトルク電流指令値の関係説明図である。本発明実施例の収束したイナーシャ値における、速度指令と、検出した速度、及びトルク電流指令値の関係説明図である。

符号の説明

１０…電動機、２０…電力変換装置、３０…電流検出器、４０…速度検出器、２１…速度制御部、２２…電流制御部、２３…電圧制御部、２４…演算手段、２４Ａ…速度指令作成部、２４Ｂ…イナーシャ推定値演算部、２４Ｃ…制御定数演算部。

Claims

電動機を駆動する電力変換器と、速度指令値と速度検出値の偏差に応じてトルク電流指令値を出力する速度制御部と、トルク電流指令値に従い出力電流を制御する電流制御部と、実運転前の加減速運転により負荷に接続された機械イナーシャ値を推定し、速度制御部の制御定数を自動修正する演算手段を備えた電力変換装置において、
前記演算手段は、加減速運転により機械イナーシャ値を推定すると共にこの推定された機械イナーシャ値に基いて次の加減速時間を算出するイナーシャ推定値演算部と、算出された加減速時間に基いて前記速度制御部に速度指令値を出力する速度指令作成部と、前記で推定された機械イナーシャ値に基いて前記速度制御部の制御定数を修正する制御定数演算部を備えたことを特徴とする電力変換装置。
前記イナーシャ推定値演算部は最初の加減速時間を安全率を加味して長く設定し、推定された機械イナーシャ値に基いて以降の加減速時間を算出し、前記制御定数演算部は以降の加減速運転に備えて、推定された機械イナーシャ値に基いて前記速度制御部の制御定数を修正することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記イナーシャ推定値演算部は、前回と今回の加減速運転で推定された機械イナーシャ値の推定比を求め、この推定比が所定範囲にあるときはその後の推定を終了し、所定範囲に無いときは再度の加減速運転による機械イナーシャ値を推定し、前記制御定数演算部は、前記推定比に基いて速度制御部の制御定数を修正することを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
前記イナーシャ推定値演算部は、前回と今回の加減速運転で推定された機械イナーシャ値の推定比を求め、この推定比が所定範囲にあるときは機械イナーシャ値が収束したと判断してその後の推定を終了し、所定範囲に無いときは機械イナーシャ値が収束するまで加減速運転を繰返して機械イナーシャ値を推定することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電力変換装置。
前記イナーシャ推定値演算部は、前回と今回の加減速運転で推定された機械イナーシャ値の推定比を求め、この推定比が規定値を超えるとき推定比を規定値に置換え、前記制御定数演算部は、規定値に置換えられた推定比に基いて前記速度制御部の制御定数を修正することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電力変換装置。
前記イナーシャ推定値演算部は、加減速運転の繰返しが所定回数に達したら、運転を終了することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電力変換装置。
前記イナーシャ推定値演算部は、加減速運転時に加速中および減速中のトルク電流を積算し、加速中のトルク電流の積算値と減速中のトルク電流の積算値の差より電動機および機械イナーシャの加減速に用いられた加速トルクを推定し、この加速トルク積算値と加減速運転における加減速時間から、機械イナーシャ値を推定することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の電力変換装置。
電動機を駆動する電力変換器と、速度指令値と速度検出値の偏差に応じてトルク電流指令値を出力する速度制御部と、トルク電流指令値に従い出力電流を制御する電流制御部と、実運転前の加減速運転により負荷に接続された機械イナーシャ値を推定し、速度制御部の制御定数を修正する演算手段を備えた電力変換装置において、
前記演算手段は、推定された機械イナーシャ値が収束するまで繰返して次の加減速時間を算出するイナーシャ推定値演算部と、算出された加減速時間に基いて前記速度制御部に速度指令値を出力する速度指令作成部と、加減速運転により推定された機械イナーシャ値に基いて前記速度制御部の制御定数を修正する制御定数演算部を備えたことを特徴とする電力変換装置。
前記イナーシャ推定値演算部は、加減速運転時に加速中および減速中のトルク電流を積算し、加速中のトルク電流の積算値と減速中のトルク電流の積算値の差より電動機および機械イナーシャの加減速に用いられた加速トルクを推定し、この加速トルク積算値と加減速運転における加減速時間から、機械イナーシャ値を推定することを特徴とする請求項８に記載の電力変換装置。