JP3796556B2 - 磁石埋込型同期電動機の制御方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転子内部に永久磁石が埋め込まれた構造（例えば、実開平４−２８７４５号公報、実開平３−９７３５４号公報参照）を有する同期電動機である磁石埋込型同期電動機の速度とトルクの制御に関し、特に軽負荷時の制御の改善に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３は従来の磁石埋込型同期電動機の制御装置のブロック図である。図３のような構成において、先ずｄｑ軸電流制御部５１１に、回転検出器５０３によって検出された磁石埋込型同期電動機５０２の回転信号がケーブル５０９を介して入力され、回転信号から回転位置信号演算器５１６により磁極の回転角度θが演算され、演算結果が座標変換器Ａ５１５及び座標変換器Ｂ５１２へ供給される。
【０００３】
座標変換器Ａ５１５では回転位置信号演算器５１６からの磁極の回転角度θを用いて、電流検出器５０６により検出した磁石埋込型同期電動機５０２に流れる３相の電流のうちｕ相及びｖ相に流れる電流ｉ_u 、ｉ_v が２相ｄｑ軸座標の信号Ｉ_d 、Ｉ_q に変換される。
【０００４】
次に、アプリケーション制御部５２１ではｑ軸電流指令演算器５２６及びｄ軸電流指令演算器５２７で演算されたｑ軸電流指令Ｉ_q ^* 及びｄ軸電流指令値Ｉ_d ^* に対し、座標変換器Ａ５１５から出力されたｑ軸電流Ｉ_q 及びｄ軸電流Ｉ_d を帰還することによって得られるｑ軸電流制御偏差信号がｑ軸電流制御器５１３にｄ軸電流制御偏差信号がｄ軸電流制御器５１４に夫々入力される。
【０００５】
さらに、速度検出信号演算器５１７により、回転検出器５０３からの回転信号に基づいて電動機回転速度ω_r を得、電動機回転速度ω_r 、ｑ軸電流指令Ｉ_q ^* 及びｄ軸電流指令値Ｉ_d ^* をフィードフォード補償器５１８に入力することにより、ｄｑ軸電流制御の外乱となっている誘起電圧を打ち消すための外乱補償信号が演算される。
【０００６】
次に、比例積分演算器を備えたｄ軸電流制御器５１４において、ｄ軸電流制御の偏差信号を増幅した信号に外乱補償信号を加え、その信号がｄ軸電圧指令Ｖ_d ^* として座標変換器Ｂ５１２に入力される。同様にして、比例積分演算器を備えたｑ軸電流制御器５１３において、ｑ軸電流制御の偏差信号を増幅した信号に外乱信号補償信号を加え、その信号がｑ軸電圧指令Ｖ_q ^* として座標変換器Ｂ５１２に入力される。
【０００７】
座標変換器Ｂ５１２では、ｑ軸電圧指令Ｖ_q ^* 及びｄ軸電圧指令Ｖ_d ^* のｄｑ軸２相電圧指令がＶ_u ^* 、Ｖ_v ^* 、Ｖ_w ^* の３相の電圧指令に変換され、ＰＷＭ制御器５０８に入力される。ＰＷＭ制御器５０８では、３相指令Ｖ_u ^* 、Ｖ_v ^* 、Ｖ_w ^* に対応して電力変換器５０７が作動し、磁石埋込型同期電動機５０２の駆動制御に必要な周波数で電圧が制御されて、磁石埋込型同期電動機５０２の各相にｉ_u 、ｉ_v 、ｉ_w の電流が供給される。
【０００８】
次に、アプリケーション制御部５２１の動作について説明する。
速度検出信号演算器５１７より得られた電動機速度信号ω_r が速度指令信号ω_r ^* に対して帰還され、その偏差信号が比例積分器を備えた速度制御器５２２で増幅され、この信号がｑ軸電流指令演算器５２６及びｄ軸電流指令演算器５２７に供給される。ここで、ｄ軸電流指令演算器５２７に与えられたトルク指令Ｔ^* に対して、以下の式９によって最大トルク効率となるｄ電流指令値Ｉ_d ^* を算出する。
【０００９】
【数９】

【００１０】
但し、Ｉ₁₁＝φ₁ ／［（Ｌ_d −Ｌ_q ）Ｉ_1r］
（φ₁ ：回転子永久磁石の１次鎖交磁束の最大値、Ｌ_q ：ｑ軸インダクタンス、Ｌ_d ：ｄ軸インダクタンス、Ｉ_1r：電動機定格電流）とする。
【００１１】
上記式９を用いて得られたｄ軸電流指令Ｉ_d ^* 及びトルク指令Ｔ^* に基づいて式１０からｑ軸電流指令Ｉ_q ^* を得、ｑ軸電流指令Ｉ_q ^* 及びｄ軸電流指令Ｉ_d ^* によりｑ軸及びｄ軸の電流を制御する。
【００１２】
【数１０】

【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したよう従来の磁石埋込型同期電動機の制御では、以下に示す問題点がある。すなわち、最大トルク効率制御は負荷率に関係なく適用されているので、負荷率が小さいとき、特に無負荷の場合には、トルク指令Ｔ^* が小さく、それに応じて式４及び式５で決まるｄ軸電流指令Ｉ_d ^* 及びｑ軸電流指令Ｉ_q ^* も小さくなり、電動機電流としても小さな値となる。このように電動機電流が小さい場合には、電流検出器５０６のオフセットや分解能の影響を受けやすくなる。特に、オフセット分は電動機の脈動トルクを発生する要因となり、その脈動トルクが回転リップルの増加につながる。
【００１４】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、軽負荷時でも安定した良好な出力を得ることができる磁石埋込型同期電動機の制御方法および制御装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
以下に、上記目的を達成するための手段について述べる。
磁石埋込型同期電動機の制御において、最大トルク効率制御ｄ軸電流指令Ｉ_d ^* を得る場合、トルク指令Ｔ^* に基づく最大トルク効率とするためのｄ軸電流指令Ｉ_d1 ^* （式１１）に、さらにトルク指令Ｔ^* が小さい場合に電動機電流の下限値Ｉ_d00 が設定されたｄ軸電流指令Ｉ_d0 ^* （式１２）を加算してｄ軸電流制御指令Ｉ_d ^* （式１３）を得る。
【００１６】
【数１１】

【００１７】
【数１２】

【００１８】
【数１３】

【００１９】
このようにして、ｄ軸電流制御指令Ｉ_d ^* を得ることにより、トルク指令Ｔ^* が小さいときは、ｄ軸電流指令Ｉ_d1 ^* に電動機電流の下限値Ｉ_d00 が設定されたｄ軸電流指令Ｉ_d0 ^* が加算されるので、軽負荷時でも下限値Ｉ_d00 以上のｄ軸電流指令値Ｉ_d ^* により制御される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る磁石埋込型同期電動機の制御装置のブロック図である。
図１に示されるように、負荷１０４に接続された磁石埋込型同期電動機１０２と、磁石埋込型同期電動機１０２の回転を検出する回転検出器１０３と、制御信号を磁石埋込型同期電動機１０２を駆動するための電力に変換する電力変換部１０１と、磁石埋込型同期電動機１０２の電機子に流れる電流及び回転磁界を制御するｄｑ軸電流制御部１１１と、磁石埋込型同期電動機１０２の速度及びトルクを制御する速度制御器１２２、ｄ軸電流指令演算器（１）１２７とｑ軸電流指令演算器１２６とから成る最大トルク効率制御部、軽負荷時にｄ軸電流指令演算器（１）１２７の出力に補正値を加算するｄ軸電流指令演算器（２）１２８で構成するアプリケーション制御部１２１と、磁石埋込型同期電動機１０２とｄｑ軸電流制御部１１１とを接続する信号ケーブル１０９と、磁石埋込型同期電動機１０２と電力変換部１０１とを接続する電動機回路ケーブル１０５とで構成されている。
【００２１】
以下に、上記のように構成された磁石埋込型同期電動機の制御装置による磁石埋込型同期電動機の駆動方法について説明する。
先ず、速度検出信号演算器１１７で得られる電動機回転速度ω_r と回転検出器１０３により検出した信号に基づいて演算された電動機速度信号ω_r ^* との偏差信号が比例積分器を備えた速度制御器１２２に入力されて増幅された後、電動機トルク指令Ｔ^* として出力される。
【００２２】
次段の最大トルク効率制御部を構成するｄ軸電流指令演算器（１）１２７では、電動機トルク指令Ｔ^* に基づき、先の式１１からｄ軸電流指令演算値Ｉ_d1 ^* が算出される。
ｄ軸電流指令演算器（２）１２８では、電動機トルク指令Ｔ^* に基づき、先の式１２からｄ軸電流指令Ｉ_d0 ^* が算出される。
【００２３】
その後、加算器１２９においてｄ軸電流指令Ｉ_d1 ^* 及びＩ_d0 ^* を先の式１３に基づき加算して最大トルク効率ｄ軸電流指令Ｉ_d ^* を得る。
ｑ軸電流指令演算器１２６では、ｄ軸電流指令Ｉ_d ^* 及びトルク指令Ｔ^* に基づき、先の式１０からｑ軸電流指令Ｉ_q ^* を算出する。
【００２４】
以下、図２を参照してｄ軸電流指令Ｉ_d1 ^* 及びＩ_d0 ^* 並びに最大トルク効率ｄ軸電流指令Ｉ_d ^* の関係を説明する。図２において、縦軸は最大トルク効率ｄ軸電流指令Ｉ_d ^* 、横軸はトルク指令Ｔ^* を示している。
図２に示されるように、ｄ軸電流指令Ｉ_d0 ^* には下限値Ｉ_d00 が設定されているので、最大トルク効率ｄ軸電流指令Ｉ_d ^* は、トルク指令Ｔ^* が０（無負荷）のときに下限値Ｉ_d00 となる。その後、最大トルク効率ｄ軸電流指令Ｉ_d ^* は、トルク指令Ｔ^* の増加に伴い、ｄ軸電流指令Ｉ_d1 ^* にｄ軸電流指令Ｉ_d0 ^* が加算されて底上げされる。従って、ｄ軸電流指令値Ｉ_d ^* は、トルク指令Ｔ^* が小さいとき、つまり軽負荷時でも下限値Ｉ_d00 以上となるように補正され、これにより、磁石埋込型同期電動機１０２の電流が下限値以上に設定され、電流検出器１０６のオフセットや分解能の影響を受け難くなる。
【００２５】
上述のようにして得られたｄ軸電流指令Ｉ_d ^* 及びｑ軸電流指令Ｉ_q ^* が次段のｄｑ軸電流制御部１１１へ供給される。
以下、ｄｑ軸電流制御部１１１について説明する。
先ず、回転検出器１０３により検出した磁石埋込型同期電動機１０２の回転信号が、信号ケーブル１０９を介してｄｑ軸電流制御部１１１を構成する回転位置信号演算器１１６に供給されて、磁石埋込型同期電動機１０２の磁極の回転角度θが算出され、該回転角度θは座標変換器Ａ１１５及び座標変換器Ｂ１１２へ供給される。
【００２６】
座標変換器Ａ１１５は、電力変換器１０１を構成する電流検出器１０６で検出した３相電流の中のｕ相及びｖ相に流れる電流ｉ_u 、ｉ_v を２相ｄｑ軸座標の信号Ｉ_d 、Ｉ_q に変換して出力する。
信号Ｉ_d 、Ｉ_q は、それぞれアプリケーション制御部１２１で得られたｄ軸電流指令値Ｉ_d ^* 及びｑ軸電流指令Ｉ_q ^* に対して帰還され、これにより得られるｄ軸電流制御偏差信号及びｑ軸電流制御偏差信号が、比例積分器を備えたｄ軸電流制御器１１４及びｑ軸電流制御器１１３に入力されて増幅される。
【００２７】
また、磁石埋込型同期電動機１０２の回転信号は速度検出信号演算器１１７にも供給される、速度検出信号演算器１１７で得られる電動機回転速度ω_r と、アプリケーション制御部１２１で得られたｄ軸電流指令値Ｉ_d ^* 及びｑ軸電流指令Ｉ_q ^* とがフィードフォワード補償器１１８へ供給される。フィードフォワード補償器１１８は、ｄｑ軸電流制御の外乱となっている誘起電圧を打ち消すための外乱補償信号を算出する。
【００２８】
フィードフォワード補償器１１８で得られた外乱補償信号は、ｄ軸電流制御器１１４からの出力信号に加算され、ｄ軸電圧指令Ｖ_d ^* として座標変換器Ｂ１１２へ供給される。同様にして、外乱補償信号はｑ軸電流制御器１１３からの出力信号に加算され、ｑ軸電圧指令Ｖ_q ^* として座標変換器Ｂ１１２に供給される。座標変換器Ｂ１１２は、ｄ軸電圧指令Ｖ_d ^* 及びｑ軸電圧指令Ｖ_q ^* の２相電圧指令をＶ_U ^* 、Ｖ_V ^* 、Ｖ_W ^* の３相の電圧指令に変換する。変換された３相電圧指令Ｖ_U ^* 、Ｖ_V ^* 、Ｖ_W ^* はＰＷＭ制御器１０８へ供給され、対応して電力変換器１０７が作動し、磁石埋込型同期電動機１０２の駆動制御に必要な周波数で電圧が制御されて、磁石埋込型同期電動機１０２の各相にｉ_U 、ｉ_V 、ｉ_W の電流が供給される。
【００２９】
以上説明したように、定常状態では、ｄ軸とｑ軸の電流を制御することによって、電動機トルクに対して１次電流が最小となるように制御され、電動機トルクが速度制御器１２２より出力されるトルク指令Ｔ^* に比例するように、線形制御されると同時に、軽負荷時にはＩ_d0 ^* によって補正されたｄ軸電流指令Ｉ_d ^* により制御されるので、電流検出器１０６のオフセットや分解能の影響が軽減される。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、軽負荷時のｄ軸電流指令の下限値が設定された補正用のｄ軸電流指令を加算して、最大トルク効率ｄ軸電流指令Ｉ_d ^* を得ているので、従来、軽負荷時に発生していた電流検出器のオフセット等による電動機の脈動トルクの発生を抑えることができるので、軽負荷時でも安定した良好な出力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る磁石埋込型同期電動機の制御装置のブロック図である。
【図２】図１に示すアプリケーション制御部における制御関数の関係を示す図である。
【図３】従来の磁石埋込型同期電動機の制御装置のブロック図である。
【符号の説明】
１０１ 電力変換部
１０２ 磁石埋込型同期電動機
１０３ 回転検出器
１０４ 負荷
１０５ 電動機回路ケーブル
１０６ 電流検出器
１０７ 電力変換器
１０８ ＰＷＭ制御器
１０９ 信号ケーブル
１１１ ｄｑ軸電流制御部
１１２ 座標変換器Ｂ
１１３ ｑ軸電流制御器
１１４ ｄ軸電流制御器
１１５ 座標変換器Ａ
１１６ 回転位置信号演算器
１１７ 速度検出信号演算器
１１８ ＦＦ補償器
１２１ アプリケーション制御部
１２２ 速度制御器
１２６ ｑ軸電流指令演算器
１２７ ｄ軸電流指令演算器（１）
１２８ ｄ軸電流指令演算器（２）
１２９ 加算器

Claims (2)

1. 回転子内部に永久磁石が埋め込まれた構造を有する同期電動機である磁石埋込型同期電動機のｄ軸電流Ｉ_d およびｑ軸電流Ｉ_q を制御することによって前記磁石埋込型同期電動機の速度とトルクを周期演算を用いて制御する磁石埋込型同期電動機の制御方法において、電動機１次鎖交磁束の最大値をφ₁ 、ｑ軸インダクタンスをＬ_q 、ｄ軸インダクタンスをＬ_d 及び電動機定格電流をＩ_1rとした場合に、Ｉ₁₁＝φ₁ ／［（Ｌ_q −Ｌ_d ）Ｉ_1r］、かつ前記周期演算により得られる電動機トルク指令をＴ^* とし、
   前記電動機トルク指令Ｔ^* に基づき、
   

   

   から前記ｄ軸電流Ｉ_d を制御する最大トルク効率ｄ軸電流指令Ｉ_d ^* を得るための第１のｄ軸電流指令Ｉ_d1 ^* を算出するとともに、前記電動機トルク指令Ｔ^* 及び前記ｄ軸電流指令Ｉ_d ^* に基づき、
   

   

   から前記ｑ軸電流Ｉ_q を制御するｑ軸電流指令Ｉ_q ^* を算出し、さらに、前記電動機トルク指令Ｔ^* に基づき、
   

   

   から前記電動機トルク指令Ｔ^* に応じて前記ｄ軸電流指令Ｉ_d ^* の下限値Ｉ_d00 が設定された第２のｄ軸電流指令値Ｉ_d0 ^* を算出し、前記第１のｄ軸電流指令Ｉ_d1 ^* 及び第２の前記ｄ軸電流指令値Ｉ_d0 ^* に基づき、
   

   

   から前記ｄ軸電流指令Ｉ_d ^* を算出することを特徴とする磁石埋込型同期電動機の制御方法。
2. 回転子内部に永久磁石が埋め込まれた構造を有する同期電動機である磁石埋込型同期電動機に接続され、前記磁石埋込型同期電動機のｄ軸電流Ｉ_d 及びｑ軸電流Ｉ_q を制御することによって前記磁石埋込型同期電動機の速度とトルクを周期演算を用いて制御する磁石埋込型同期電動機の制御装置において、電動機１次鎖交磁束の最大値をφ₁ 、ｑ軸インダクタンスをＬ_q 、ｄ軸インダクタンスをＬ_d 及び電動機定格電流をＩ_1rとした場合に、Ｉ₁₁＝φ₁ ／［（Ｌ_q −Ｌ_d ）Ｉ_1r］とし、
   前記周期演算により電動機トルク指令Ｔ^* を得る速度制御器と、
   前記電動機トルク指令Ｔ^* に基づき、
   

   

   から前記ｄ軸電流Ｉ_d を制御する最大トルク効率ｄ軸電流指令Ｉ_d ^* を得るための第１のｄ軸電流指令Ｉ_d1 ^* を算出する最大トルク効率制御ｄ軸電流指令演算器と、
   前記電動機トルク指令Ｔ^* 及び前記ｄ軸電流指令Ｉ_d ^* に基づき、
   

   

   から前記ｑ軸電流Ｉ_q を制御するｑ軸電流指令Ｉ_q ^* を算出するｑ軸電流指令演算器とを有し、
   さらに、前記電動機トルク指令Ｔ^* に基づき、
   

   

   から前記電動機トルク指令Ｔ^* に応じて前記ｄ軸電流指令Ｉ_d ^* の下限値Ｉ_d00 が設定された第２のｄ軸電流指令値Ｉ_d0 ^* を算出するｄ軸電流指令演算器と、
   前記第１のｄ軸電流指令Ｉ_d1 ^* 及び第２の前記ｄ軸電流指令値Ｉ_d0 ^* に基づき、
   

   

   から前記ｄ軸電流指令Ｉ_d ^* を算出する加算器と、
   を具備したことを特徴とする磁石埋込型同期電動機の制御装置。

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