JP4771384B2 - 誘導電動機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、入力された速度指令値に従って、速度センサを備えていない誘導電動機を、当該誘導電動機の一次電流を参照しながら制御する制御装置に関する。

従来から、電動機の制御装置は、制御すべき電動機の種類等に応じて様々なタイプのものが使用されている。例えば、速度センサを備えていない誘導電動機をベクトル制御する従来の制御装置としては、非特許文献１に記載の図２のものが知られている。

この制御装置１００は、入力された速度指令値ω_r ^*に従って、誘導電動機２０の一次電流Ｉ_U,V,Wを参照しながら当該誘導電動機２０をベクトル制御するものである。
この制御装置１００において、速度制御部２は、速度指令値ω_r ^*と演算により求められた実際の回転速度ω_rとの偏差が０になるような界磁電流指令値Ｉ_d ^*及びトルク電流指令値Ｉ_q ^*を求める。三相−二相変換部６は、検出した一次電流Ｉ_U,V,Wから実際のトルク電流Ｉ_qを求める。周波数制御部７は、Ｂ部において求められたトルク電流指令値Ｉ_q ^*と実際のトルク電流Ｉ_qとの偏差が０になるような一次角周波数ω₁を求める。

また、電圧演算部１１は、界磁電流指令値Ｉ_d ^*、トルク電流指令値Ｉ_q ^*、一次角周波数ω₁及び誘導電動機２０の定数に基づいて、次式により、ｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*及びｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*を求める。

ここで、Ｒ₁、Ｌ₁、Ｌ₂、Ｌ_Mはそれぞれ誘導電動機２０の一次抵抗、一次インダクタンス、二次インダクタンス、相互インダクタンスである。

二相−三相変換部４は、ｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*及びｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*を三相に変換して一次電圧指令値Ｖ_U,V,Wを出力する。そして、インバータ５は、この一次電圧指令値Ｖ_U,V,Wに基づいて誘導電動機２０を駆動する。

「交流電動機可変速駆動の基礎と応用」、電気学会 交流電動機駆動方式の技術分類・用語整理調査専門委員会 編、１９９８年１０月２８日、ｐ．９３（図４．１６）

前記の通り、この従来の制御装置１００は、一次角周波数ω₁を介したフィードバック制御を行っている。しかしながら、一般に一次角周波数ω₁は誘導電動機２０の負荷の急激な変動等に対して緩やかにしか変動しないので、制御装置１００は、負荷の変動等に対する応答性が悪かった。このため、従来の制御装置１００では、誘導電動機２０の最新の状態に応じてｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*及びｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*が更新されるまでの間に、インバータ５及び誘導電動機２０に過電流が流れ続け、これらが損傷する場合があった。

本発明は上記事情を鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、応答性が良く、しかも構成が比較的簡素な誘導電動機の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る制御装置は、入力された速度指令値に従って、速度センサを備えていない誘導電動機を、該誘導電動機の一次電流を参照しながら制御する制御装置であって、トルク電流指令値と前記一次電流から求めた実際のトルク電流との偏差、及び磁化電流指令値と前記一次電流から求めた実際の磁化電流との偏差が０になるようなｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値を求める電流制御部と、前記ｄ軸電圧指令値及び前記ｑ軸電圧指令値に基づいて、トルク電流予測値を求める電流予測値計算部と、前記トルク電流予測値と前記実際のトルク電流との偏差が０になるような一次角周波数を求める周波数制御部と、前記一次角周波数に滑り角周波数を加味して求めた前記誘導電動機の回転速度と前記速度指令値との偏差が０になるように、少なくとも前記トルク電流指令値を決定する速度制御部とを備えている。

上記制御装置において、前記トルク電流予測値（Ｉ_q ^**）は、次式により計算されることが好ましい。

（ただし、Ｒ₁、Ｌ₁、Ｌ₂、Ｌ_Mはそれぞれ前記誘導電動機の一次抵抗、一次インダクタンス、二次インダクタンス、相互インダクタンス、ω₁は前記一次角周波数、Ｖ_d ^*は前記ｄ軸電圧指令値、Ｖ_q ^*は前記ｑ軸電圧指令値である）

本発明によれば、応答性が良く、しかも構成が比較的簡素な誘導電動機の制御装置を提供することができる。

本発明に係る制御装置のブロック図である。 従来の制御装置のブロック図である。

以下、図１を参照して、本発明に係る誘導電動機の制御装置の好ましい実施形態について説明する。

本発明に係る制御装置１は、入力された速度指令値ω_r ^*に従って、誘導電動機２０の一次電流Ｉ_U,V,Wを参照しながら当該誘導電動機２０をベクトル制御するものである。
速度制御部２は、速度指令値ω_r ^*と演算により求められた実際の回転速度ω_rとの偏差が０になるような界磁電流指令値Ｉ_d ^*及びトルク電流指令値Ｉ_q ^*をＰＩ制御により求める。電流制御部３は、この界磁電流指令値Ｉ_d ^*と一次電流Ｉ_U,V,Wから求められた実際の界磁電流Ｉ_dとの偏差が０になるようなｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*と、トルク電流指令値Ｉ_q ^*と実際のトルク電流Ｉ_qとの偏差が０になるようなｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*とをＰＩ制御により求める。

二相−三相変換部４は、次式を用いてｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*及びｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*を三相に変換し、一次電圧指令値Ｖ_U,V,Wを出力する。なお、次式中のθ₁は、一次角周波数ω₁を積分部８で時間積分して得た磁束角である。

そして、インバータ５は、この一次電圧指令値Ｖ_U,V,Wに基づいて誘導電動機２０を駆動する。

三相−二相変換部６は、インバータ５から誘導電動機２０に向かって流れる一次電流Ｉ_U,V,W（三相）を参照し、次式により、実際の界磁電流Ｉ_d及びトルク電流Ｉ_qを求める。

前記の通り、界磁電流Ｉ_d及びトルク電流Ｉ_qは、電流制御部３において、ｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*及びｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*を求める際に使用される。
つまり、本発明に係る制御装置１では、界磁電流Ｉ_d及びトルク電流Ｉ_qが直接フィードバックされ、そのフィードバック結果に応じたｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*及びｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*が求められる。したがって、本発明によれば、一次角周波数ω₁を介したフィードバックを行う従来のものよりも、応答性が良い制御装置を実現することができる。

ところで、本発明に係る制御装置１では、電流制御部３において従来の電流演算部１１（図２参照）で用いられていた（１）式を使用しない。したがって、このままでは、界磁電流指令値Ｉ_d ^*及びトルク電流指令値Ｉ_q ^*と、ｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*及びｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*との間で（１）式の関係が成立せず、誘導電動機２０をベクトル制御することはできない。

そこで、本発明に係る制御装置１は、一次角周波数ω₁、ｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*及びｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*に基づいて、実際に流れるであろうトルク電流Ｉ_q（＝トルク電流予測値Ｉ_q ^**）を求める電流予測値計算部１０を備えている。トルク電流予測値Ｉ_q ^**は、次式により求められる。

上記（６）式は、（１）式で用いられている行列の逆行列を用いている。したがって、ｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*及びｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*と、この式で得られる界磁電流予測値Ｉ_d ^**及びトルク電流予測値Ｉ_q ^**との間には、（１）式の関係が成立することになる。

なお、トルク電流予測値Ｉ_q ^**は、ｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*及びｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*ではなく、誘導電動機２０の一次電圧を参照することによっても求めることができるが、この場合は、トルク電流予測値Ｉ_q ^**を求めるための計算が上記（６）式の計算よりも複雑なものとなってしまう。したがって、構成を比較的簡素にするという観点から、トルク電流予測値Ｉ_q ^**は、（６）式に示すようにｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*及びｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*に基づいて求めるのが望ましい。

周波数制御部７は、Ａ部において求められたトルク電流予測値Ｉ_q ^**と実際のトルク電流Ｉ_qとの偏差が０になるような一次角周波数ω₁を求める。その後、一次角周波数ω₁は、滑り角周波数計算部９から出力される滑り角周波数ω_slが加味されて誘導電動機２０の実際の回転速度ω_rとなる。そして、速度制御部２は、この回転速度ω_rと速度指令値ω_r ^*との偏差が０になるような界磁電流指令値Ｉ_d ^*及びトルク電流指令値Ｉ_q ^*を求める。

結局、本発明に係る制御装置によれば、界磁電流Ｉ_d及びトルク電流Ｉ_qを直接フィードバックし、その結果に応じたｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*及びｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*が求めることにより、一次角周波数ω₁を介したフィードバックを行う従来の制御装置よりも、応答性を向上させることができる。
また、本発明に係る制御装置によれば、（６）式を用いてトルク電流予測値Ｉ_q ^**を求め、そのトルク電流予測値Ｉ_q ^**と実際のトルク電流Ｉ_qとの偏差が０になるような一次角周波数ω₁を求めることにより、比較的簡素な構成で（１）式の関係を維持することができる。

以上、本発明に係る制御装置の好ましい実施形態について説明してきたが、本発明は上記構成に限定されるものではない。
例えば、界磁電流指令値Ｉ_d ^*は、速度制御部２でＰＩ制御により求められるのではなく、予め決められた定数とすることができる。また、界磁電流指令値Ｉ_d ^*及びトルク電流指令値Ｉ_q ^*は、実際の回転数ω_rに応じた必要トルクに基づいて求めることもできる。
この他、速度制御部２、電流制御部３及び周波数制御部７における制御はＰＩ制御に限定されず、ＰＩＤ制御等の他の制御方法とすることもできる。

１ 制御装置
２ 速度制御部
３ 電流制御部
４ 二相−三相変換部
５ インバータ
６ 三相−二相変換部
７ 周波数制御部
８ 積分部
９ 滑り角周波数計算部
１０ 電流予測値計算部
２０ 誘導電動機

Claims (2)

1. 入力された速度指令値に従って、速度センサを備えていない誘導電動機を、当該誘導電動機の一次電流を参照しながら制御する制御装置であって、
   トルク電流指令値と前記一次電流から求めた実際のトルク電流との偏差、及び磁化電流指令値と前記一次電流から求めた実際の磁化電流との偏差が０になるようなｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値を求める電流制御部と、
   前記ｄ軸電圧指令値及び前記ｑ軸電圧指令値に基づいて、トルク電流予測値を求める電流予測値計算部と、
   前記トルク電流予測値と前記実際のトルク電流との偏差が０になるような一次角周波数を求める周波数制御部と、
   前記一次角周波数に滑り角周波数を加味して求めた前記誘導電動機の回転速度と前記速度指令値との偏差が０になるように、少なくとも前記トルク電流指令値を決定する速度制御部と、
   を備えたことを特徴とする制御装置。
2. 次式により、前記トルク電流予測値（Ｉ_q ^**）が計算されることを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
   

   

   （ただし、Ｒ₁、Ｌ₁、Ｌ₂、Ｌ_Mはそれぞれ前記誘導電動機の一次抵抗、一次インダクタンス、二次インダクタンス、相互インダクタンス、ω₁は前記一次角周波数、Ｖ_d ^*は前記ｄ軸電圧指令値、Ｖ_q ^*は前記ｑ軸電圧指令値である）

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