JP3933348B2 - 埋込磁石形同期電動機の制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の永久磁石がロータコアに埋め込まれているロータを備え、永久磁石の直軸であるｄ軸のインダクタンスＬｄとこの直軸と電気角で直交する直交軸であるｑ軸のインダクタンスＬｑとの関係がＬｄ＜Ｌｑとなる埋込磁石形同期電動機の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の埋込磁石形同期電動機の制御装置としては、特開平１０−９４２８５号公報に開示されたものや、「埋込磁石構造ＰＭモータの広範囲可変速制御」（電気学会論文誌Ｄ、１１４巻６号、ｐ６６８〜６７３、平成６年）に開示されたもの等がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前者の制御装置においては、ｄｑ軸電流の分配は座標変換部の位相角を調整することにより達成される。従ってｄｑ軸電流の分配に要する演算量は少なく、また一定電流の状態で位相角を調整することによりｄｑ軸電流の分配を変化させることができ、最大トルク定数を得るための位相角の調整が容易である。この例では、電流制御系を三相電流制御で構成している。しかし三相電流制御は交流量を取り扱うために比例制御を利用するので、定常偏差が残る問題がある。そのため、これが原因になって、特にモータの回転速度が高い場合や電源電圧が変動した場合に電流指令通りに電流が流れなくなる。このため回転速度の上昇に伴ってモータから発生するトルクが低下したり、電源電圧の上昇に従ってトルクが増加することになる。これを抑制して広範囲で安定した定トルク特性を得るためには、回転速度や電源電圧の変動に応じて電流指令量を補正しなければならない。そのためこの従来例では、最大トルク定数を得るための調整が複雑になってしまうという問題が生じる。
【０００４】
一方、後者の制御装置においては、電流制御系はｄｑ軸で構成されており、直流量として取り扱えるために比例積分制御を行うことができ、定常偏差が残ることはない。従って電流指令に相応する電流が流れる。しかしながら、この従来例ではｄ軸及びｑ軸電流の分配を非常に複雑な演算により決定しているため、それぞれの電流指令の算出に長い演算時間を要し、十分に高い制御系の応答特性を得ることができなかった。またｑ軸電流指令に対してリミッタ処理を行い、その後にｄ軸電流指令を算出しているので、電力変換器からの最大出力電流を一定値に制限するためには、モータ定数を考慮してリミット値を設定する必要がある。ところがモータ定数、特にｑ軸インダクタンスは、モータに流す電流によって変化するため、リミット値の設定が難しかった。またモータに流す電流を正確に制限しなければ、過電流保護機能が働いたり、電力変換器が破損するおそれがあった。
【０００５】
本発明は上記のような課題を解消するためになされたもので、ｄｑ軸で構成された電流制御ループに対し、ｄｑ軸の電流指令の分配を簡単かつ短時間に行うことができ、所望のトルクを出力するための調整が容易な埋込磁石形同期電動機の制御装置を提供することを目的とする。
【０００６】
また本発明は、モータの定数を照合することなくＰＷＭ電力変換器の出力電流制限値を設定することができる埋込磁石形同期電動機の制御装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数の永久磁石がロータコアに埋め込まれているロータを備え、この永久磁石の直軸であるｄ軸のインダクタンスＬｄとこの直軸と電気角で直交する直交軸であるｑ軸のインダクタンスＬｑとの関係がＬｄ＜Ｌｑとなる埋込磁石形同期電動機をＰＷＭ電力変換器を用いて可変速制御する埋込磁石形同期電動機の制御装置を改良の対象とする。この埋込磁石形同期電動機の制御装置は、ＰＷＭ電力変換器にＰＷＭ制御信号を出力するＰＷＭ制御器に、ｄ軸電流指令Ｉｄとｑ軸電流指令Ｉｑとに基いて電流制御信号を出力する電流制御部と、速度偏差に基いてｄ軸電流指令Ｉｄ及びｑ軸電流指令Ｉｑを作成する速度制御部とを備えている。本発明では、速度制御部を、電動機の回転速度を検出して検出速度を出力する速度検出手段と、速度指令と検出速度との偏差からトルク指令を演算する速度制御器と、トルク指令に電流指令換算係数ＫＴＩを乗算して電流指令Ｉｃを演算する電流指令演算手段と、電流指令Ｉｃを一定値にリミットするリミッタと、リミッタから出力された電流指令Ｉｃに基いてｄ軸電流指令Ｉｄ及びｑ軸電流指令Ｉｑのそれぞれを、Ｉｄ＝｜Ｉｃ｜・ｃｏｓφ及びＩｑ＝Ｉｃ・ｓｉｎφの式（但し、φはｄ軸と電流指令Ｉｃとの間の電気角）により演算するｄ軸・ｑ軸電流指令演算手段とから構成する。
【０００８】
本発明に係る埋込磁石形同期電動機の制御装置では、埋込磁石形同期電動機をＰＷＭ電力変換器により可変速制御し、ＰＷＭ電力変換器にはＰＷＭ制御器からＰＷＭ制御信号を入力する。ＰＷＭ制御器には電流制御部から電流制御信号が入力され、電流制御部はｄ軸電流指令Ｉｄとｑ軸電流指令Ｉｑとに基づいて電流制御信号を出力する。ｄ軸電流指令Ｉｄ及びｑ軸電流指令Ｉｑは速度偏差に基づいて速度制御部において作成される。
【０００９】
速度検出手段は電動機の回転速度を検出し、検出速度を出力する。速度制御器は速度指令と速度検出手段の検出した検出速度との速度偏差からトルク指令を演算する。電流指令演算手段は速度制御器から入力されたトルク指令に電流指令換算係数ＫＴＩを乗算して電流指令Ｉｃを演算する。リミッタは電流指令演算手段から入力された電流指令Ｉｃを一定値にリミットする。ｄ軸・ｑ軸電流指令演算手段は、リミッタから出力された電流指令Ｉｃに基づいてｄ軸電流指令Ｉｄ及びｑ軸電流指令Ｉｑをそれぞれ演算する。
【００１０】
逆突極性（Ｌｄ＜Ｌｑ）を有する埋込磁石形同期電動機のトルクＴは以下のような式で与えられる。
【００１１】
Ｔ＝Ｔｍ＋Ｔｒ
＝Ｋ・ψ・Ｉｑ−Ｋ・（Ｌｑ−Ｌｄ）・Ｉｄ・Ｉｑ
但し、Ｔｍ：磁石トルク、Ｔｒ：リラクタンストルク、ψ：永久磁石による鎖交磁束、Ｋ：比例定数である。
【００１２】
リラクタンストルクＴｒ（下の式の右辺第２項）を有効に利用するためには、ｄ軸電流指令Ｉｄを負の方向すなわち弱め磁束電流とし、磁石トルクＴｍとリラクタンストルクＴｒとを重畳させればよいことがわかる。
【００１３】
その上で所要トルクに対してモータ電流を最小化し、高効率を得るとともに、安定したトルク線形化制御を実現することを可能にするために、本発明ではベクトル制御を採用している。すなわちトルクＴは磁石トルクＴｍとリラクタンストルクＴｒとの合成であるから、所要のトルクＴを発生する電流指令Ｉｃを、ベクトル図（図２参照）に示す通り、直交するｄｑ軸の電流指令にそれぞれ分配するようにｄ軸・ｑ軸電流指令演算手段は演算を行う。式で表すと、
Ｉｄ＝｜Ｉｃ｜・ｃｏｓφ
Ｉｑ＝Ｉｃ・ｓｉｎφ
となる。
【００１４】
ここでφはトルク線形性と最大トルク効率、及びモータ定数等を考慮して、所望のトルクが得られるように定めることができる。また一定電流に対し最大のトルク定数を実現できるφを選択することができる。そしてｄ軸・ｑ軸電流指令演算手段は、検出速度が予め定めた低速領域にあるときにはトルク定数が最大になるようにφを一定とし、検出速度が予め定めた高速領域にあるときにはモータ電圧がＰＷＭ電力変換器の出力電圧以下になるようにφを検出速度に応じて増大させる。このような埋込磁石形同期電動機の制御装置によると、検出速度が予め定めた低速領域にあるときにはトルク定数が最大になるようにφを一定とするので最大トルク効率運転を実現することができ、検出速度が予め定めた高速領域にあるときにはモータ電圧がＰＷＭ電力変換器の出力以下になるようにφを検出速度に応じて増大させるので、モータ定数を照合することなく出力電流を制限することができる。このように構成した場合のφと検出速度（回転数）Ｎとの関係の一例を図３に示す。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明に係る埋込磁石形同期電動機の制御装置の好ましい実施の形態の一例を示す回路のブロック図である。なお、この制御装置の電流制御部及び速度制御部は、例えばデジタル・シグナル・プロセッサ上にソフトウエアにより構成することができる。
【００１６】
同図において、ＩＰＭモータ１は複数の永久磁石がロータコアに埋め込まれているロータを備え、永久磁石の直軸であるｄ軸のインダクタンスＬｄと直軸と電気角で直交する直交軸であるｑ軸のインダクタンスＬｑとの関係がＬｄ＜Ｌｑとなる逆突極性の埋込磁石形同期電動機である。ＩＰＭモータ１はＰＷＭ電力変換器２を用いて可変速制御される。制御装置は、ＩＰＭモータ１の駆動軸の回転を検知するエンコーダ３からの信号と速度指令信号ωｍｃとを入力として、ＩＰＭモータの回転速度と速度指令信号ωｍｃとの速度偏差に基づいて電流制御信号を作成し、ＰＷＭ電力変換器２にＰＷＭ制御信号を出力するＰＷＭ制御器４に電流制御信号を出力する。
【００１７】
この制御装置は、ｄ軸電流指令Ｉｄとｑ軸電流指令Ｉｑとに基いて電流制御信号を出力する電流制御部５と、速度偏差に基いてｄ軸電流指令Ｉｄ及びｑ軸電流指令Ｉｑを作成する速度制御部６とを備えている。
【００１８】
電流制御部５は積分制御器５１及び５２と、ＳＩＮ信号とＣＯＳ信号とを発生する信号発生回路（ＯＳＣ）５３と、ｄｑ座標変換器５４と、三相座標変換器５５と、電流制御器５６とから構成される。積分制御器５１及び５２は、速度制御部６から入力されたｄ軸電流指令Ｉｄ及びｑ軸電流指令Ｉｑと、ｄ軸電流フィードバックＩｄＦ及びｑ軸電流フィードバックＩｑＦとのそれぞれの差からそれぞれの積分補償値を作成する。ＯＳＣ５３は、エンコーダ３により検出されるＩＰＭモータ１のロータの回転位置θｍに基づいてＳＩＮ，ＣＯＳ信号を作成する。ｄｑ座標変換器５４は、ＰＷＭ電力変換器２の出力電流の電流フィードバックＩＵＦ，ＩＶＦを、ＯＳＣ５３から入力されたＳＩＮ，ＣＯＳ信号に従ってｄｑ座標変換し、ｄ軸電流フィードバックＩｄＦ及びｑ軸電流フィードバックＩｑＦを出力する。三相座標変換器５５は、積分制御器５１，５２によりそれぞれ作成された積分補償値を含んだｄ軸電流指令Ｉｄ’及びｑ軸電流指令Ｉｑ’を、ＯＳＣ５３から入力されたＳＩＮ，ＣＯＳ信号に従って三相座標変換し、三相電流指令ＩＵＣ，ＩＶＣ及びＩＷＣを出力する。電流制御器５６は、三相電流指令ＩＵＣ，ＩＶＣ及びＩＷＣと電流フィードバックＩＵＦ，ＩＶＦとの偏差をとり、比例演算して電圧指令ＶＵＣ，ＶＶＣ，ＶＷＣを得てＰＷＭ制御器４に出力する。以上のような電流制御部の構成及び動作は、すでに公知であるから詳細な説明は省略する。
【００１９】
速度制御部６は速度検出器６１と、速度制御器６２と、電流指令演算器６３と、リミッタ６４と、ｑ軸電流指令演算器６５と、絶対値化器６６と、ｄ軸電流指令演算器６７とから構成される。ｑ軸電流指令演算器６５、絶対値化器６６及びｄ軸電流指令演算器６７は、ｄ軸・ｑ軸電流指令演算手段を構成する。速度検出器６１は、エンコーダ３からの信号を受け取ってＩＰＭモータ１の回転速度を検出して検出速度信号ωｍを出力する。速度制御器６２は、速度指令信号ωｍｃと検出速度信号ωｍとの速度偏差からトルク指令Ｔｃを演算する。電流指令演算器６３は、トルク指令Ｔｃに電流指令換算係数ＫＴＩを乗算して電流指令Ｉｃを演算する。リミッタ６４は電流指令Ｉｃを一定値にリミットする。ｑ軸電流指令演算器６５は、リミッタ６４から出力された電流指令ＩｃをＳＩＮφ倍してｑ軸電流指令Ｉｑを算出する。ｄ軸電流指令演算器６７は、絶対値化器６６により絶対値化された電流指令ＩｃをＣＯＳφ倍してｄ軸電流指令Ｉｄを算出する。すなわちｄ軸電流指令Ｉｄ及びｑ軸電流指令Ｉｑはそれぞれ、
Ｉｄ＝｜Ｉｃ｜・ｃｏｓφ
Ｉｑ＝Ｉｃ・ｓｉｎφ
の式（但し、φはｄ軸と電流指令Ｉｃとの間の電気角）により算出される。
【００２０】
この制御装置においては、ＩＰＭモータ１を可変速制御するＰＷＭ電力変換器２にＰＷＭ制御器４からＰＷＭ制御信号が入力される。ＰＷＭ制御器４には電流制御部５から電圧指令ＶＵＣ，ＶＶＣ，ＶＷＣが入力され、これらはｄ軸電流指令Ｉｄとｑ軸電流指令Ｉｑとに基づいて作成される。そしてｄ軸電流指令Ｉｄ及びｑ軸電流指令Ｉｑは速度制御部６において作成される。
【００２１】
まず速度検出器６１がエンコーダ３からのエンコーダ値によりＩＰＭモータ１の回転速度を検出し、検出速度信号ωｍを出力する。速度指令信号ωｍｃと検出速度信号ωｍとの速度偏差は速度制御器６２により演算を施され、トルク指令Ｔｃが算出される。トルク指令Ｔｃには、電流指令演算器６３により電流指令換算係数ＫＴＩが乗算されて電流指令Ｉｃが得られる。さらにリミッタ６４により電流指令演算手段から出力された電流指令Ｉｃは一定値にリミットされる。
【００２２】
次に電流指令Ｉｃはｑ軸電流指令演算器６５、絶対値化器６６及びｄ軸電流指令演算器６７からなるｄ軸・ｑ軸電流指令演算手段においてｄ軸電流指令Ｉｄ及びｑ軸電流指令Ｉｄに分配される。すなわち電流指令Ｉｃは図２の電流ベクトル図に示すようにｑ軸成分とｄ軸成分とに分配される。このとき使用されるＳＩＮφ及びＣＯＳφの数値は、電流制御部５のＯＳＣ５３においてｄｑ座標変換に用いられるＳＩＮテーブルから読み出される。本実施の形態においては従来の制御装置内に記憶されているＳＩＮテーブルを参照してｄ軸・ｑ軸電流指令演算を行うようにしたので、特別にメモリを増やす必要がない。またＳＩＮテーブルを参照することにより演算量が少なく、演算時間も短くて済む。
【００２３】
φの値は所望のトルクを最大トルク効率で得られるように調整される。例えば低速時のトルク定数の調整は、電流指令Ｉｃを定格電流とし、この状態でφを変化させ、最大のトルクが発生した角度をφの最適値とすることにより容易に実行される。このようにある一定電流の下でｄ軸・ｑ軸電流指令を分配すればよいため、トルク定数の調整が非常に容易である。
【００２４】
好ましくは、ＩＰＭモータ１の速度が予め定めた低速領域にあるときにはトルク定数が最大になるようにφを一定とし、速度が予め定めた高速領域にあるときにはモータ電圧がＰＷＭ電力変換器２の出力電圧以下になるようにφを速度に応じて増大させる。ＩＰＭモータ１の速度はエンコーダ３により検出される。このような構成においては、検出速度が予め定めた低速領域にあるときにはトルク定数が最大になるようにφを一定とするので最大トルク効率運転を実現でき、検出速度が予め定めた高速領域にあるときにはモータ電圧がＰＷＭ電力変換器の出力以下になるようにφを検出速度に応じて増大させるので、モータ定数を照合することなく出力電流を制限することができる。このように構成した場合のφと検出速度（回転数）Ｎとの関係を図３に示す。
【００２５】
速度制御部６において得られたｄ軸電流指令Ｉｄ及びｑ軸電流指令Ｉｑは、電流制御部５に入力され、積分制御器５１，５２からの積分補償量がをそれぞれ加算され、三相座標変換器５５により三相の電流指令ＩＵＣ，ＩＶＣ，ＩＷＣに座標変換され、さらに電流制御器５６により電圧指令ＶＵＣ，ＶＶＣ，ＶＷＣが作成されてＰＷＭ制御器４に入力される。ＰＷＭ制御器４からのＰＷＭ制御信号を受けて、ＰＷＭ電力変換器２はＩＰＭモータ１を駆動する。
【００２６】
図４は本発明に係る埋込磁石形同期電動機の制御装置の他の実施の形態の回路のブロック図である。図４に示したブロックのうち、図１に示したものと同様のブロックには、同じ符号を付して説明を省略する。
【００２７】
図４においては、電流制御部７が使用されており、このうちＯＳＣ７３及びｄｑ座標変換器７４はそれぞれ図１の電流制御部５に含まれるＯＳＣ５３及びｄｑ座標変換器５４と同じものである。
【００２８】
電流制御部７のｄ軸電流制御器７１及びｑ軸電流制御器７２は、速度制御部６からそれぞれ出力されるｄ軸電流指令Ｉｄ及びｑ軸電流指令Ｉｑと、ｄｑ座標変換器７４からそれぞれ出力されるｄ軸電流フィードバックＩｄＦ及びｑ軸電流フィードバックＩｑＦとの各偏差を、それぞれ電圧に変換してｄ軸電圧指令Ｖｄ及びｑ軸電圧指令Ｖｑをそれぞれ出力する。三相座標変換器７５はｄ軸電圧指令Ｖｄ及びｑ軸電圧指令Ｖｑを座標変換して電圧指令ＶＵＣ，ＶＶＣ及びＶＷＣを算出し、ＰＷＭ制御器４に出力する。
【００２９】
その他の構成及び作用は、図１に示したものと同一である。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように本発明に係る埋込磁石形同期電動機の制御装置によれば、ｄｑ軸の電流分配を複雑な演算を要することなく短時間で実行できる。またリミッタを設けて電流指令を一定値にリミットすることにより一定電流の下でｄ軸電流とｑ軸電流との割合を調整することで、容易に所定のトルクを発生させることができる利点がある。またリミッタを設ければ、検出速度が予め定めた低速領域にあるときにはトルク定数が最大になるようにφを一定として最大トルク効率運転を実現することができる。そしてトルク定数を可能な限り最大にしつつＰＷＭ電力変換器の出力電流をモータ定数に関係なく制限できるので、最大トルク効率運転を実現するとともに過電流保護が働いたりＰＷＭ電力変換器を破損したりする不具合を防止することができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る埋込磁石形同期電動機の制御装置の一つの実施の形態の構成を示す回路のブロック図である。
【図２】 本発明における電流指令のｄｑ軸電流への分配の原理を示す電流ベクトル図である。
【図３】 図１の実施の形態における一定電流の下でのφとモータ回転速度との関係を示す図である。
【図４】 本発明に係る埋込磁石形同期電動機の制御装置の他の実施の形態の構成を示す回路のブロック図である。
【符号の説明】
１ ＩＰＭモータ
２ ＰＷＭ電力変換器
３ エンコーダ
４ ＰＷＭ制御器
５ 電流制御部
５１，５２ 積分制御器
５３ ＯＳＣ
５４ ｄｑ座標変換器
５５ 三相座標変換器
５６ 電流制御器
６ 速度制御部
６１ 速度検出器
６２ 速度制御器
６３ 電流指令演算器
６４ リミッタ
６５ ｑ軸電流指令演算器
６６ 絶対値化器
６７ ｄ軸電流指令演算器

Claims (1)

1. 複数の永久磁石がロータコアに埋め込まれているロータを備え、前記永久磁石の直軸であるｄ軸のインダクタンスＬｄと前記直軸と電気角で直交する直交軸であるｑ軸のインダクタンスＬｑとの関係がＬｄ＜Ｌｑとなる埋込磁石形同期電動機をＰＷＭ電力変換器を用いて可変速制御する埋込磁石形同期電動機の制御装置であって、
   前記ＰＷＭ電力変換器にＰＷＭ制御信号を出力するＰＷＭ制御器に、ｄ軸電流指令Ｉｄとｑ軸電流指令Ｉｑとに基いて電流制御信号を出力する電流制御部と、
   速度偏差に基いて前記ｄ軸電流指令Ｉｄ及び前記ｑ軸電流指令Ｉｑを作成する速度制御部とを備え、
   前記速度制御部は、
   前記電動機の回転速度を検出して検出速度を出力する速度検出手段と、
   速度指令と前記検出速度との偏差からトルク指令を演算する速度制御器と、
   前記トルク指令に電流指令換算係数ＫＴＩを乗算して電流指令Ｉｃを演算する電流指令演算手段と、
   前記電流指令Ｉｃを一定値にリミットするリミッタと、
   前記リミッタから出力された前記電流指令Ｉｃに基いて前記ｄ軸電流指令Ｉｄ及び前記ｑ軸電流指令Ｉｑのそれぞれを、
   Ｉｄ＝｜Ｉｃ｜・ｃｏｓφ
   Ｉｑ＝Ｉｃ・ｓｉｎφ
   の式（但し、φはｄ軸と電流指令Ｉｃとの間の電気角）により演算するｄ軸・ｑ軸電流指令演算手段とから構成され、
   前記ｄ軸・ｑ軸電流指令演算手段は、前記検出速度が予め定めた低速領域にあるときにはトルク定数が最大になるように前記φを一定とし、前記検出速度が予め定めた高速領域にあるときにはモータ電圧が前記ＰＷＭ電力変換器の出力電圧以下になるように前記φを前記検出速度に応じて増大させることを特徴とする埋込磁石形同期電動機の制御装置。

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