JP4797316B2 - 電動機制御装置および制御逸脱検出方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルスエンコーダ等の速度検出器を不要とする制御方式での交流電動機の制御逸脱状態を検出する制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、交流電動機を駆動する制御装置として、可変電圧可変周波数による速度制御が知られていて、交流電動機に供給される一次電流を、トルクに直接関与する励磁電流（磁束を発生させる電流）とトルク電流（トルクを発生させる電流）とに分けて制御するベクトル制御方式が実用化されている。ベクトル制御方式は周知であるので、説明は省略する。
こうした誘導モータの脱調（制御逸脱状態）の検知を行なうセンサレス制御装置として、例えば、特許文献１に開示の「誘導モータのセンサレス制御装置」がある。これは瞬間空間磁束ベクトル制御法に、また、誘導モータの少なくとも２つの相に電圧センサが取り付けられ、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の瞬時の一次電圧を検出する制御装置に適用されており、一次磁束の角速度が加速し回転子の角速度の制御範囲を大きく越えてしまうと、すべりが増大し必要なトルクが得られず誘導モータが脱調することに基づいて、一次磁束の角速度の大きさが判定値より大きい場合に、制御逸脱状態を判定するものである。
また、従来、パルスエンコーダ等の速度検出器を不要とするすべり周波数形の制御方式での交流電動機の制御逸脱状態を検出する制御装置として、図４に示すＰＧレスベクトル制御装置がある。
図において、電圧形インバータ１は直流電源１６から加えられる直流電圧をＰＷＭ制御方式により任意の周波数と電圧の交流に変換する。電圧形インバータ１の各相Ｕ，Ｖ，Ｗの交流出力端に交流電動機２が接続されている。交流電動機２の各相に流れる電流は電流検出器４-1〜４-3により検出される。
ベクトル制御装置３には、交流電動機２の一次電流を検出して座標変換を行ないトルク電流帰還値Ｉｑおよび励磁電流帰還値Ｉｄを送出するｄ−ｑ変換器５が設けられている。さらに、指令発生器１４から入力された速度指令値ωｒ*と、速度推定器８からの速度推定値ωｒ＾（傘マーク「＾」の直前の記号は「推定値」を表す。以後、同じ）が一致するように設けられた速度制御回路（ＡＳＲ）１１の出力値をトルク電流指令値Ｉｑ*とし、このＩｑ*とｄ−ｑ変換器５が出力するトルク電流帰還値Ｉｑとが一致するように制御するためのトルク電流制御回路（ＡＣＲｑ）７-1、磁束制御器１０からの励磁電流指令値Ｉｄ*とｄ−ｑ変換器５からの励磁電流帰還値Ｉｄとが一致するように励磁電流方向電圧を制御する励磁電流制御回路（ＡＣＲｄ）７-2が設けられている。
また、交流電動機２で発生した誘起電圧や、一次抵抗ｒ１や漏れインダクタンスｌによる逆起電力の電圧を補償する回路は省略している。電圧指令演算器６では、トルク電流制御回路７-1と、励磁電流制御回路７-2の出力と、各逆起電力の電圧補償値との和（Ｖｑｒｅｆ、Ｖｄｒｅｆ）を、積分器１２出力の位相θで座標変換し、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相毎の電圧指令（Ｖu*、Vv*、Vw*）を演算し、電圧指令ベクトル〔ｖ1〕となる（〔 〕内は「ベクトル」を表す。以後、同じ）。
【０００３】
なお、ｄ−ｑ変換器５、電圧指令演算器６は、それぞれ次の１式、２式で演算される。
【数１】

また、滑り周波数指令演算器１５は、磁束指令発生器９出力φ*、トルク電流指令値Ｉｑ*と、設定された二次抵抗ｒ２（図示せず）から、滑り周波数指令値ωｓ*を求め、加算器１３で速度推定器８からの速度推定値ωｒ＾と加算して、一次周波数指令値ω１*を演算し、積分器１２を介して位相θを演算する。
速度推定器８は上述した電圧指令ベクトル〔ｖ1〕、一次電流ベクトル〔ｉ1〕を基に交流電動機の磁束φ、速度ωrを推定演算する。交流電動機磁束φは、例えば、次の３式のようにして求められる。
【０００４】
Φ^ ＝∫（〔ｖ1*〕−ｒ１・〔ｉ１〕−ω・ｌ・〔ｉ１〕）ｄｔ …（３）
制御逸脱検出器１７は、３式で求めた交流電動機磁束Φ^{^}（推定値を表す）を用い、
１、交流電動機磁束Φ^{^}が、磁束指令値Φ^*に対して所定値以上の偏差をもった状態が所定時間以上継続した。
２、交流電動機磁束Φ^{^}が、単位時間あたりに所定回数以上、所定値を超えて振動した。
といった、検出した交流電動機磁束Φ^{^}の挙動を基にして、制御逸脱状態を判断し、制御逸脱状態と判断されれば、通電遮断信号を出力し運転を停止させていた。
これは、ベクトル制御が成立していれば、交流電動機磁束Φ^{^}の大きさは過渡状態を除き、指令値Φ^*によく一致するものであるから、これを満足しない交流電動機磁束が検出されれば、制御逸脱した状態になったと判断されるという考えに基づくものである。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−８９９０号公報（段落［００１４］〜［００４６］）、
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術においては、特許文献１記載の誘導モータのセンサレス制御装置では、推定した速度にすべり周波数を加えた一次周波数を出力周波数とするすべり周波数形の制御方式には適用できないこと、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の瞬時の一次電圧を検出する電圧センサを具備しない制御装置には適用できないこと、および低速領域での制御逸脱状態を検出できないという問題があった。
また、第２の従来の電動機制御装置では、交流電動機磁束を演算で求めない、あるいは求める必要のない制御方法には適用できないという問題や、制御逸脱状態と判断するために決定しなければならない所定値の数が多いこと、誤検出しないようにするためには検出時間を長めにすることになり、結果としてクレーンのような垂直方向に用いる用途で吊落し要因となるといった問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、電圧センサを必要とせず、交流電動機磁束を求めない制御方法でも適用できて、短時間に確実に制御逸脱状態の検出を低速・高速域に関わらず、検出可能とする電動機制御装置および制御逸脱検出方法を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、請求項１に記載の電動機制御装置の発明は、誘導電動機の電圧、電流をｄ、ｑの２軸に座標変換して制御し、電圧あるいは電流のｄ、ｑ成分から制御逸脱状態を検出する制御逸脱状態検出器を備え、かつパルスエンコーダ等の速度検出器を用いない電動機制御装置において、前記制御逸脱状態検出器が、電流のｄ成分であるＩｄと、ｑ成分であるＩｑを用いて、θｉ＝ｔａｎ^−１（Ｉｑ／Ｉｄ）を基に演算された値の単位時間あたり変化量（すなわち、前回値との差）の積分値が略３６０度乃至７２０度以上となったときに制御逸脱状態であると判断することを特徴としている。
この電動機制御装置によれば、パルスエンコーダ等の速度検出器を用いないで行なう制御方式における誘導電動機の制御逸脱状態を、次に示すようにして検出することができる。すなわち、誘導電動機の一次電流ベクトル〔ｉ１〕の座標変換を制御位相θで行なったＩｑおよびＩｄは、誘導電動機位相θＭに対し制御位相θが正しく制御できていれば、本来、直流量で検出されるべきものである。ところが、ＩｑおよびＩｄが交流量で検出され、ｄ−ｑ軸上を回転するように検出されるとき、この回転速度は誘導電動機位相θＭと制御位相θの時間変化分である。この時間変化分の積算量が、制御位相θと誘導電動機の実位相θＭの乖離量であるので、この積算量が所定値（略３６０度乃至７２０度）を超えたか否かで制御逸脱状態を検出することができる。
また、請求項２記載の電動機制御装置の発明は、誘導電動機の電圧、電流をｄ、ｑの２軸に座標変換して制御し、電圧あるいは電流のｄ、ｑ成分から制御逸脱状態を検出する制御逸脱状態検出器を備え、かつパルスエンコーダ等の速度検出器を用いない電動機制御装置において、前記制御逸脱状態検出器が、電圧のｄ成分である指令値Ｖｄ ^＊ と、ｑ成分である指令値Ｖｑ ^＊ を用いて、θｖ＝ｔａｎ^−１（Ｖｑ^＊／Ｖｄ^＊）を基に演算された値の単位時間あたり変化量（すなわち、前回値との差）の積分値が略３６０度乃至７２０度以上となったときに、制御逸脱状態であると判断することを特徴としている。
この電動機制御装置によれば、請求項１に記載の発明と同様にして、ＩｑとＩｄの代わりに指令値Ｖｄ ^＊ と指令値Ｖｑ ^＊ を用いて、誘導電動機の制御逸脱状態を検出することができる。
【０００９】
また、請求項３記載電動機制御装置の制御逸脱検出方法の発明は、誘導電動機の電圧、電流をｄ、ｑの２軸に座標変換して制御し、電圧あるいは電流のｄ、ｑ成分から制御逸脱状態を検出する電動機制御装置の制御逸脱検出方法において、
電流のｄ成分であるＩｄと、ｑ成分であるＩｑを用いて、θｉ＝ｔａｎ^−１（Ｉｑ／Ｉｄ）を基に演算された値の単位時間あたり変化量（すなわち、前回値との差）の積分値が略３６０度乃至７２０度以上となったときに制御逸脱状態であると判断することを特徴としている。
この電動機制御装置の制御逸脱検出方法によれば、本来直流量として検出されるべき電流帰還値Ｉｑ、Ｉｄが交流量としてｄ−ｑ軸上を回転するように検出されるとき、その回転速度は誘導電動機位相θＭと制御位相θの時間変化分であって、この時間変化分の積算量が、制御位相θと誘導電動機の実位相θＭの乖離量なので、この積算量が所定値を超えたか否かで制御逸脱状態を検出出来る。
また、請求項４記載の電動機制御装置の制御逸脱検出方法の発明は、誘導電動機の電圧、電流をｄ、ｑの２軸に座標変換して制御し、電圧あるいは電流のｄ、ｑ成分から制御逸脱状態を検出する電動機制御装置の制御逸脱検出方法において、電圧のｄ成分である指令値Ｖｄ ^＊ と、ｑ成分である指令値Ｖｑ ^＊ を用いて、θｖ＝ｔａｎ^−１（Ｖｑ^＊／Ｖｄ^＊）を基に演算された値の単位時間あたり変化量（すなわち、前回値との差）の積分値が略３６０度乃至７２０度以上となったときに、制御逸脱状態と判断することを特徴としている。
この電動機制御装置の制御逸脱方法によれば、請求項３と同様にして、ＩｑとＩｄの代わりに、指令値Ｖｄ^＊と指令値Ｖｑ^＊を用いて、誘導電動機の制御逸脱状態を検出することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１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の実施の形態に係る電動機制御装置のブロック図である。
図２は図１に示す電動機制御装置の制御逸脱状態の検出アルコリズムを示す図である。
図１において、従来例の図３と異なる所は、制御逸脱検出器１７を１７′に変更したことである。
変更された制御逸脱検出器１７′は、ｄ−ｑ変換器５からトルク電流帰還値Ｉｑ、励磁電流帰還値Ｉｄを入力値として、交流電動機内の回転磁界の位相、つまり、交流電動機位相θMと、積分器１２から出力される制御位相θに差が発生していることで制御逸脱状態であると判断する。
なお、図１中、その他の図３と同一構成には同一符号を付して重複する説明は省略する。
【００１１】
つぎに動作について説明する。
先ず、図２に示す検出アルゴリズムを用いて、制御逸脱状態の検出手順を説明する。
制御状態がベースブロック中でなければ、つまり制御中であれば、
θｉ＝ｔａｎ^-1（Ｉｑ／Ｉｄ）
を演算し、単位時間あたりの変化量（前回値との差）を積算する（ステップ２０）。上述したように、この積算量は交流電動機位相θMと制御位相θの差であるので、この積算量の絶対値が所定値以上になったときを制御逸脱状態と判断する（ステップ３０）。
また、所定値以下であれば、θｉを保存する（ステップ４０）。なお、制御状態が、ベースブロック中であれば、偏差量とθｉの前回値をクリアする（ステップ５０）。
【００１２】
この所定値は、θｉが正常動作で取り得る値の範囲という点と、制御逸脱と判断するまでに交流電動機が、何回転動くことが許容されるかという点から決められ、通常、後者により、電気角で１周期〜２周期（３６０度〜７２０度）、４ポールの電動機では機械角で１回転以下程度に設定される。
以上により、制御逸脱状態の検出を実現することができる。
【００１３】
次に、本発明の第２の実施の形態について図を参照して説明する。
図３は本発明の第２の実施の形態に係る電動機制御装置における制御逸脱状態の検出アルゴリズムを示す図である。
なお、第２の実施の形態と、第１の実施の形態の異なるところは、第１の実施の形態が、電流Ｉｑ、Ｉｄ入力を基に演算を行うのに対して、第２の実施の形態では電圧指令値Ｖｑ^*、Ｖｄ^*を基に演算を行うもので、図１の制御逸脱検出器１７′に対して、第２の実施の形態での制御逸脱検出器を、仮に、１７″とすれば、この場合の相違は演算方法のみなので、第２の実施の形態についてのブロック図は図１と共通として、特に図示しない。
【００１４】
つぎに動作について説明する。
一般に、ベクトル制御が成立しているとき、トルク電流方向電圧指令値Ｖq*とトルク電流方向電圧の実際値Ｖq、励磁電流方向電圧指令値Ｖd*と励磁電流方向電圧の実際値Ｖdは一致しているとすれば、以下の式（４）、式（５）が成立する。
Ｖｑ^*＝Ｅ＋√３・Ｒ１・Iq＋√３・ω1・ｌ・Id ＋ＡＣＲｑ…（４）
Ｖｄ^*＝√３・Ｒ１・Id−√３・ω1・ｌ・Iq ＋ＡＣＲｄ …（５）
なお、ＡＣＲｑ、ＡＣＲｄは、トルク電流制御回路（ＡＣＲｑ）７-1、励磁電流制御回路（ＡＣＲｄ）７-2の出力値を示している。
【００１５】
トルク電流帰還値Ｉｑ、励磁電流帰還値Ｉｄが交流量になれば、４式、５式からもわかるように、トルク電流方向電圧指令値Ｖq*と励磁電流方向電圧指令値Ｖd*も交流量となるので、ｔａｎ^-1（Ｖｑ*／Ｖｄ*）は、ｔａｎ^-1（Ｉｑ／Ｉｄ）と同様にｄ−ｑ軸上を交流電動機のθMとθの時間変化分で回転する。
このように、ｔａｎ^-1（Ｖｑ*／Ｖｄ*）を用いても制御逸脱状態を検出することができるので、第１の実施の形態での制御逸脱検出器１７′において、ｔａｎ^-1（Ｉｑ／Ｉｄ）の替わりに、ｔａｎ^-1（Ｖｑ*／Ｖｄ*）を用いても、全く同様に実現できる。
【００１６】
次に、図３を参照して、その検出手順について説明する、先ず、制御中であれば、θｖ＝ｔａｎ^-1（Ｖｑ^*／Ｖｄ^*）を演算し、単位時間当たりの変化量を積算する（ステップ１２０）。この積算量の絶対値が所定値以上になったときを制御逸脱状態と判断する（ステップ１３０）。また、所定値以下であればθｖを保存する（ステップ１４０）。
また、最初の判断で、制御状態がベースブロック中であれば、偏差量と前回値をクリアする（ステップ１５０）。
ここまでは、本発明のベクトル制御方式を適用した電動機制御装置で説明したが、必ずしも、Ｉｑはトルク電流値、Ｉｄは励磁電流値である必要はないため、検出した一次電流をｄ−ｑ軸に座標変換して、Ｉｄ，Ｉｑを求める制御方式であれば、全く同様に適用可能である。Ｖｄ，Ｖｑについても同様である。
また、交流電動機の例として、誘導電動機に適用した制御装置について説明したが、磁石内蔵形の電動機にも全く同様に適用可能である。
【００１７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電流のｄ成分の励磁電流帰還値Ｉｄと電流のｑ成分のトルク電流帰還値Ｉｑ、あるいは、励磁電流方向電圧指令値Ｖｄ^*とトルク電流方向電圧指令値Ｖｑ^*という、電動機の制御量を用いた簡単な演算により、制御逸脱状態を正確に短時間で判断できるので、特にクレーンのように垂直方向に動く機械の安全性を向上することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施の形態に係る電動機制御装置のブロック図である。
【図２】図１に示す電動機制御装置における制御逸脱状態の検出アルゴリズムを示す図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る電動機制御装置における制御逸脱状態の検出アルゴリズムを示す図である。
【図４】従来の電動機制御装置のブロック図である。
【符号の説明】
１ 電圧形ＰＷＭインバータ
２ 交流電動機
３ ベクトル制御装置
４ 電流検出器
５ ｄ−ｑ変換器
６ 電圧指令演算器
７ 電流制御器
８ 速度推定器
９ 磁束指令発生器
１１ 速度制御器
１０ 磁束制御器
１２ 積分器
１３ 加算器
１４ 指令発生器
１５ 滑り周波数指令演算器
１６ 直流電源
１７，１７′ 制御逸脱検出器

Claims (4)

1. 誘導電動機の電圧、電流をｄ、ｑの２軸に座標変換して制御し、電圧あるいは電流のｄ、ｑ成分から制御逸脱状態を検出する制御逸脱状態検出器を備え、かつパルスエンコーダ等の速度検出器を用いない電動機制御装置において、
   前記制御逸脱状態検出器が、電流のｄ成分であるＩｄと、ｑ成分であるＩｑを用いて、θｉ＝ｔａｎ^−１（Ｉｑ／Ｉｄ）を基に演算された値の単位時間あたり変化量（すなわち、前回値との差）の積分値が略３６０度乃至７２０度以上となったときに制御逸脱状態であると判断することを特徴とする電動機制御装置。
2. 誘導電動機の電圧、電流をｄ、ｑの２軸に座標変換して制御し、電圧あるいは電流のｄ、ｑ成分から制御逸脱状態を検出する制御逸脱状態検出器を備え、かつパルスエンコーダ等の速度検出器を用いない電動機制御装置において、
   前記制御逸脱状態検出器が、電圧のｄ成分である指令値Ｖｄ ^＊ と、ｑ成分である指令値Ｖｑ ^＊ を用いて、θｖ＝ｔａｎ^−１（Ｖｑ^＊／Ｖｄ^＊）を基に演算された値の単位時間あたり変化量（すなわち、前回値との差）の積分値が略３６０度乃至７２０度以上となったときに、制御逸脱状態であると判断することを特徴とする電動機制御装置。
3. 誘導電動機の電圧、電流をｄ、ｑの２軸に座標変換して制御し、電圧あるいは電流のｄ、ｑ成分から制御逸脱状態を検出する電動機制御装置の制御逸脱検出方法において、
   電流のｄ成分であるＩｄと、ｑ成分であるＩｑを用いて、θｉ＝ｔａｎ^−１（Ｉｑ／Ｉｄ）を基に演算された値の単位時間あたり変化量（すなわち、前回値との差）の積分値が略３６０度乃至７２０度以上となったときに制御逸脱状態であると判断することを特徴とする電動機制御装置の制御逸脱検出方法。
4. 誘導電動機の電圧、電流をｄ、ｑの２軸に座標変換して制御し、電圧あるいは電流のｄ、ｑ成分から制御逸脱状態を検出する電動機制御装置の制御逸脱検出方法において、
   電圧のｄ成分である指令値Ｖｄ ^＊ と、ｑ成分である指令値Ｖｑ ^＊ を用いて、θｖ＝ｔａｎ^−１（Ｖｑ^＊／Ｖｄ^＊）を基に演算された値の単位時間あたり変化量（すなわち、前回値との差）の積分値が略３６０度乃至７２０度以上となったときに、制御逸脱状態と判断することを特徴とする電動機制御装置の制御逸脱検出方法。

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