JPH10108499A - 誘導電動機のトルク制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高速域でもトルクが指令値に追従することにあ
る。 【解決手段】電圧指令と電圧制御インバータの入力電源
の電圧から前記電圧制御インバータが指令値と等価の電
圧を出力可能か否かを判断する判別手段と、前記判別手
段の出力と前記誘導電動機の回転方向または一次角速度
の回転方向とを入力し前記判別手段により出力不可能と
判断された場合には前記誘導電動機または一次角速度の
回転方向の電圧ベクトルを選択し前記電圧制御インバー
タの電圧指令として出力する電圧ベクトル選択手段と、
磁束誤差増幅手段が比例積分増幅器である場合に、前記
判別手段により出力不可能と判別された場合には磁束誤
差増幅手段の積分器の出力を更新させない磁束誤差積分
値固定手段とを設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インバータにより
誘導電動機のトルクを制御する装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】図２は従来の誘導電動機のトルク制御装
置の一例を示すブロック図であり、図２において、電流
検出器４は、誘導電動機３の一次の電流ベクトルｉを検
出する。また速度検出器５は前記誘導電動機３の回転子
の速度を検出する。電流検出器４、速度検出器５より、
検出された電流ベクトルｉと回転速度ωｍを入力して演
算手段６でトルクの大きさＴと磁束ベクトル大きさφと
その位相角θを演算する。トルクＴとその指令値Ｔ＊と
の誤差をトルク誤差演算手段７１で演算し、トルク誤差
増幅手段８１で増幅されてトルク分電圧指令ＶＴとな
る。演算手段６の出力の磁束ベクトルの大きさφとその
指令値φ＊との誤差を磁束誤差演算手段７２で求め、磁
束誤差増幅手段８２で増幅されて磁束分電圧Ｖφとな
る。

【０００３】トルク分電圧指令ＶＴ、磁束分電圧Ｖφは
座標変換手段９において、電圧指令ベクトルＶ＊は、 Ｖ＊ ＝（Ｖφ＋ｊＶＴ）ｅｘｐ（ｊθ）───（１） の演算式で表せる回転座標変換をする。ここで、ｊは−
１の平方根で虚数部を表す。また式（１）で演算されて
座標変換手段９からの出力は電圧指令ベクトルＶ＊であ
り、これが電圧制御インバータ２に入力される。ここで
は電圧指令ベクトルＶ＊ に応じた三相の電圧を誘導電
動機３に印加して、直流電源１から電力を誘導電動機３
に供給する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来方式にお
いて、トルク誤差増幅手段８１と磁束誤差増幅手段８２
は一般的に比例積分増幅器で構成され、トルク誤差が無
くてもトルク誤差増幅器８１の出力トルク分電圧指令Ｖ
Ｔは誘導電動機３の回転速度にほぼ比例した値となる。
また磁束誤差が無い場合、磁束誤差増幅器８２の出力磁
束分電圧Ｖφは誘導電動機３の一次抵抗の電圧降下程度
の値となる。ここで一次抵抗の電圧降下程度の値はわず
かであり無視すると、式（１）から電圧指令ベクトルＶ
＊の大きさは誘導電動機３の回転速度にほぼ比例する出
力トルク分電圧指令ＶＴに等しいことが解る。

【０００５】ただし、誘導電動機３の運転領域を高速側
に広げようとすると、インバータ２は直流電源１の電圧
により出力電圧の最大値が制限されるため、高速域で指
令通りの電圧が誘導電動機３に印加できない。この領域
では磁束誤差がないものとして成立させた従来の制御方
法では磁束の大きさφは指令値φ＊に追従できるが、ト
ルクの大きさＴが制御ができなくなる。

【０００６】以下にその理由を述べる。まずインバータ
２が指令値通りの電圧を出力できる場合の出力トルク分
電圧指令ＶＴと出力磁束分電圧Ｖφの大きさについて述
べる。インバータ２の出力電圧ベクトルＶと磁束ベクト
ルψの関係は式（２）で表され、 Ｖ＝ｄψ／ｄｔ──────（２） となる。ただし、誘導電動機３の一次抵抗の電圧降下は
考慮していない。ここで、ψ＝φｅｘｐ（ｊθ）とする
と式（２）は式（３）で表され、 Ｖ＝ｄ（φｅｘｐ（ｊθ））／ｄｔ＋ｊωφｅｘｐ（ｊθ）───（３） となる。

【０００７】ここで、ω＝ｄθ／ｄｔである。前述した
従来方式において電圧制御インバータ２が忠実に指令値
通りの電圧ベクトルＶを誘導電動機に印加するならば、
式（１）の電圧指令ベクトルＶ＊は式（３）の出力電圧
ベクトルＶと等しくなるので、実部と虚数部でまとめる
と、式（４），（５）で表され、 Ｖφ＝ｄφ／ｄｔ─────（４） ＶＴ＝ωφ────────（５） となる。磁束の回転角速度ωは、ほぼ誘導電動機の回転
速度ωｍに等しいので式（５）より出力トルク分電圧指
令ＶＴが概略速度に比例し、式（４）より出力磁束分電
圧Ｖφは磁束の変化率に等しいためほとんど値を持たな
いことが解る。したがって、電圧指令ベクトルＶ＊の大
きさを決定付けるのは速度に比例するトルク分電圧指令
ＶＴであることが解る。

【０００８】次にインバータ２が指令値通りの電圧を出
力できる理由とできない理由を述べる。インバータ２の
出力可能な瞬時の電圧ベクトルはゼロベクトルを含んだ
７種類の電圧ベクトルからなり、正六角形の中心が大き
さゼロのゼロベクトルで、６つの頂点が残り6 種類の電
圧ベクトルで構成されており、電圧指令ベクトル（Ｖ
＊）に近いゼロベクトル（Ｖｏ）を含んだ３種類の電圧
ベクトル（Ｖｏ、Ｖａ、Ｖｂ）とそれぞれの出力時間
（Ｔｏ、Ｔａ、Ｔｂ）との積のベクトル和が電圧指令ベ
クトル（Ｖ＊）と前記出力時間の総和（Ｔｓ）との積に
等しくなるように３種類の電圧ベクトル（Ｖｏ、Ｖａ、
Ｖｂ）を順次それぞれの出力時間（Ｔｏ、Ｔａ、Ｔｂ）
出力することにより電圧指令ベクトルＶ＊に等しい電圧
ベクトルＶを出力することができる。つまり次に示す式
（６）の条件を満足する必要がある。 Ｖ＊・Ｔｓ＝Ｖｏ・Ｔｏ＋Ｖａ・Ｔａ＋Ｖｂ・Ｔｂ───（６）

【０００９】ところが、電圧指令ベクトルＶ＊がこの正
六角形の大きさより大きいと指令値に等しい電圧ベクト
ルＶは出力できない。しかも電圧指令ベクトルＶ＊の大
きさを決定付けているのはトルク分電圧指令ＶＴであ
り、トルクの大きさＴと指令値Ｔ＊の誤差によりトルク
誤差増幅手段８１の出力トルク分電圧指令ＶＴが増加す
ると、式（１）より電圧指令ベクトルＶ＊はますます大
きくなる傾向にあり、実際に誘導電動機に印加される電
圧ベクトルＶとの差も増加し、トルクＴが指令値に追従
できない状態になる。

【００１０】磁束の大きさφと指令値φ＊との誤差によ
り磁束分電圧Ｖφが増幅した場合、式（１）より磁束分
電圧Ｖφはトルク分電圧指令ＶＴに対して直角のベクト
ルであり、ＶφはＶＴに対して十分に小さいため、Ｖ＊
の大きさ方向の増加はほとんど無く、Ｖ＊の位相角方向
の変化として現れる。たとえＶ＊が前記正六角形の大き
さより大きいくインバータが指令値に等しい大きさの電
圧ベクトルを出力できない場合でも位相方向の変化には
対応できるため、磁束の大きさφは指令値φ＊に追従す
る。

【００１１】このように、従来では電圧指令ベクトルＶ
＊の大きさがインバータの入力直流電圧により制限され
る最大の電圧ベクトルＶの大きさより大きい場合にトル
クの制御ができないという問題があった。本発明は上述
した点に鑑みて創案されたもので、その目的とするとこ
ろは、これらの欠点を解決する誘導電動機のトルク制御
装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】つまり、その目的を達成
するための手段は、電圧指令と電圧制御インバータの入
力電源の電圧から前記電圧制御インバータが指令値と等
価の電圧を出力可能か否かを判断する判別手段と、この
判別手段の出力と前記誘導電動機の回転方向または一次
角速度の回転方向とを入力し前記判別手段により出力不
可能と判断された場合には前記誘導電動機または一次角
速度の回転方向の電圧ベクトルを選択し前記電圧制御イ
ンバータの電圧指令として出力する電圧ベクトル選択手
段と、磁束誤差増幅手段が比例積分増幅器である場合
に、前記判別手段により出力不可能と判別された場合に
は磁束誤差増幅手段の積分器の出力を更新させない磁束
誤差積分値固定手段とを設けることによって構成されて
いる。

【００１３】前記判別手段により電圧指令ベクトルＶ＊
が正六角形の外側にあると判断した場合には、インバー
タは電圧指令ベクトルＶ＊と等価の電圧を出力できな
い。そこで、電圧ベクトル選択手段により、回転方向の
電圧ベクトルＶ＊＊正６角形の頂点の１つ）を選択し、
電圧指令ベクトルＶ＊に置き換えると、磁束誤差積分値
固定手段により磁束の大きさφは指令値φ＊に追従せず
に小さくなり、トルクの大きさＴは指令値Ｔ＊にほぼ追
従することができる。従ってトルクの制御ができる。以
下に理由を述べる。

【００１４】いま電圧指令ベクトルＶ＊がインバータが
出力できる電圧範囲（正六角形）の外側にある場合、電
圧ベクトル選択手段により磁束ベクトルの回転方向の電
圧ベクトルを選択することにより磁束の大きさφを指令
値φ＊より小さくすることができる。

【００１５】つまり、トルク分電圧指令ＶＴが式（５）
（４）で示されるように磁束分電圧指令に対して十分に
大きい場合はＶ＊に対して回転方向の電圧ベクトルＶ＊
は式（１）で示されるＶφに対してマイナス方向に存在
し、Ｖ＊を出力することにより強制的にマイナスのＶφ
を出力したことになる。すると式（４）より磁束の大き
さφは指令値φ＊によらずに小さくなることが解る。磁
束の大きさφが小さくなると、式（５）よりＶＴも小さ
くなることが解る。

【００１６】また、磁束の大きさφが指令値φ＊より小
さくなると磁束誤差増幅手段によりＶφはプラス方向に
増加するが、磁束誤差積分値固定手段によりＶφの誤差
積分による増加を防ぎ、Ｖφは単に磁束の大きさφと指
令値φ＊との誤差に比例した値と固定された積分値との
和になる。

【００１７】以上の働きによりＶ＊がインバータの出力
できる電圧範囲を超えると、電圧指令ベクトルＶ＊に対
して、回転方向の電圧ベクトルＶ＊＊を誘導電動機に印
加し、磁束の積分器の働きを停止させることにより、Ｖ
φの増加を防ぎながら磁束の大きさφを指令値φ＊に追
従させずにＶＴを下げ、Ｖ＊とＶ＊＊の誤差を発散させ
ないことにより、トルクＴを指令値Ｔ＊に追従させるこ
とを可能にしている。以下、本発明の一実施例を図面に
基づいて詳述する。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施例を示すブ
ロック図であり、図中、図２の従来技術を示すブロック
図と同一な部分は説明を省略し異なる部分（図１の点線
内）のみ説明する。図１において、判別手段１１は検出
器１０より検出された直流電源１の電圧Ｖｄｃと、座標
変換手段９から出力される電圧指令ベクトルＶ＊とを入
力し、式（６）を満足する出力時間Ｔａ、Ｔｂの和が総
和Tsより大きいときはＡ＝１、小さいときはＡ＝０を出
力する。電圧ベクトル選択手段１２は判別手段１１の出
力Ａと、電圧指令ベクトルＶ＊と、検出器５の回転速度
ωｍを入力してＡ＝０ならＶ＊＊＝Ｖ＊ を、Ａ＝１な
らωｍの極性に応じて式（６）の電圧ベクトルＶａ、Ｖ
ｂのうち回転方向の電圧ベクトルを選び、Ｖ＊＊＝Ｖ
ａ、またはＶ＊＊＝Ｖｂを出力し、インバータ２に入力
する。

【００１９】また、磁束誤差積分値固定手段１３は判別
手段１１の出力Ａを入力し、Ａ＝１の場合に磁束誤差増
幅手段８２１の積分器の値を更新させない。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、従来は電圧指令ベ
クトルＶ＊の大きさがインバータの入力直流電圧により
制限される最大の電圧ベクトルＶの大きさより大きい場
合はトルクの制御ができなかったことが、本発明によ
り、電圧指令ベクトルＶ＊の大きさがインバータの入力
直流電圧により制限される最大の電圧ベクトルＶの大き
さより大きい場合でもトルクの制御ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の一実施例を示すブロック図であ
る。

【図２】図２は従来技術の一例を示すブロック図であ
る。

【符号の説明】

１ 直流電源 ２ 電圧制御インバータ ３ 誘導電動機 ４ 電流検出器 ５ 速度検出器 ６ 演算手段 ７１ トルク誤差演算手段 ７２ 磁束誤差演算手段 ８１ トルク誤差増幅手段 ８２ 磁束誤差増幅手段 ８２１ 磁束誤差増幅手段 ９ 座標変換手段 １０ 電圧検出器 １１ 判別手段 １２ 電圧ベクトル選択手段 １３ 磁束誤差積分値固定手段

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 三相誘導電動機の磁束ベクトルとトルク
   を演算する演算手段と、該演算手段の出力の磁束ベクト
   ルとトルクの大きさとこれら磁束ベクトル及びトルクの
   指令値とを比較するトルク誤差演算手段および磁束誤差
   演算手段と、これらの誤差演算手段の出力を増幅するト
   ルク誤差増幅手段および磁束誤差増幅手段と、これらの
   誤差増幅手段の出力を前記演算手段の出力の磁束ベクト
   ルの位相角で回転座標変換する座標変換手段と、該座標
   変換手段の出力を電圧指令として入力して電圧波形に変
   換する電圧ベクトル選択手段を経て三相の電圧を前記誘
   導電動機に印加する電圧制御インバータとで構成される
   誘導電動機のトルク制御装置において、前記電圧指令と
   電圧制御インバータの入力電源の電圧から前記電圧制御
   インバータが指令通りの電圧を出力できないことを判断
   する判別手段と、該判別手段の出力と前記誘導電動機の
   回転方向または一次角速度の回転方向とを入力し、電圧
   が制限状態にあることを示す前記判別手段の出力に応じ
   て前記誘導電動機または一次角速度の回転方向の電圧ベ
   クトルを選択し、前記電圧制御インバータの電圧指令と
   して出力するように為した電圧ベクトル選択手段とを設
   けたことを特徴とする誘導電動機のトルク制御装置。
2. 【請求項２】 前記磁束誤差増幅手段が比例積分増幅器
   である場合に、前記判別手段により出力不可能と判別さ
   れた場合には磁束誤差増幅手段の積分器の出力を更新さ
   せない磁束誤差積分値固定手段を設けた請求項１記載の
   誘導電動機のトルク制御装置。