JP2000341990A - Acモータの電圧飽和処理装置 - Google Patents
Acモータの電圧飽和処理装置Info
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Abstract
ンを維持し、電流制御演算量の処理負担を抑制し、トル
ク(または電流)リップルが直流電圧リップルから影響
を受けず、dq電流制御の特性(安定性)を持ち、電力
損失を防止できる、ACモータの電圧飽和処理。 【解決手段】指令電圧振幅演算手段と、指令電圧ベクト
ルの大きさと搬送波の最大値を用いて変調率を計算する
電圧変調率演算手段102と、変調率が1以上・未満を
判断する電圧変調率判断手段103と、電圧誤差を演算
する電圧誤差演算手段と、第1の電圧飽和処理判断スイ
ッチ105aと、電圧比例積分構成部と、前記第1の指
令抑制電流を任意範囲設定が設けたリミッタに通して第
2の指令抑制電流を計算する抑制電流リミッタ107
と、速度極性演算手段と、抑制電流掛け算手段と、第2
の電圧飽和処理判断スイッチ105bと、電流減算手段
110を備えた。
Description
工作機械に適用するACモータの電圧飽和処理装置に関
するものである。
変調率(Modulation Index を以下Mindex と略記する)
を説明する。V*は指令電圧ベクトル、Vt は搬送波に
定義すると、指令電圧ベクトルの大きさABS(V*)
は次式(1)で、変調率Mindexは式(2)で示すよう
に指令電圧ベクトルの大きさABS(V*)と搬送波電
圧の最大値ABS(Vt)の比で定義される。 ABS(V*) = (Vd*×Vd*+Vq*×Vq*)1/2 ( 1) Mindex = ABS(V*)/ABS(Vt) (2) ここで、Vq*はq軸の指令電圧、Vd*はd軸の指令電圧
である。ベクトルV*,Vtの絶対値は各々ABS(V
*),ABS(Vt)と表現することにする。ACモータ
の電流制御において、大出力(トルク×モータ速度)を
得る時に指令電圧の飽和が生じる現象がある。その現象
はPWMインバータのゲイン特性を落とさせて、トルク
(または電流)が歪まされる一因となっている。そし
て、指令電圧飽和に対して従来は様々な方法で処理を行
っている。以下に、本出願人が開示した電圧飽和処理に
関する3種類の従来の電圧飽和処理方法を説明する。第
1の従来方法(以外従来例1と称す)は3相のabc座
標で個別3相指令電圧を搬送波の最大値と比較して、搬
送波の最大値を越えた指令電圧の部分をカットして新し
い3相指令電圧を演算する電圧飽和処理方法である(特
願平9−148023)。第2の従来方法(以外従来例
2と称す)は2相のdq座標で指令電圧ベクトルの大き
さと位相を求めて、位相を変えずに指令電圧ベクトルの
大きさだけを変調率1まで縮小し、新しい指令電圧ベク
トルを求める電圧飽和処理方法である(特願平9−14
8023)。第3の従来方法(以外従来例3と称す)は
ACモータの界磁に磁束電流(d軸電流)を流すことに
よって磁界の磁束を弱めさせて、発生誘起電圧を抑制
し、モータ出力特性を改善するために磁束弱め制御を行
う電圧飽和処理方法である(特願平9−17504
4)。
指令電圧の飽和時に十分な出力特性を得ることが出来
ず、PWMインバータのゲイン特性が急激に落ち込ん
で、直流電圧の変動リップルがそのままトルク(または
電流)に影響を与えて大きなトルク(または電流)リッ
プルを生じ、かつモータ速度に相当する周波数のトルク
(または電流)リップルも生じるという問題があること
を従来技術適用時のリップル解析でわかった。AC電圧
をDC電圧変換するAC/DC電力変換手段(整流ダイ
オード用AC/DCコンバータ)において、負荷変動で
直流電圧のリップル変動幅が変わって、特にモータの最
大出力(最大負荷)時はリップル変動幅が一番大きくな
る。直流電圧の変動リップルは単相AC/DCコンバー
タの場合にAC電源周波数の2倍周波数リップル、3相
AC/DCコンバータの場合にAC電源周波数の6倍周
波数リップルが生じる。但し、3相AC/DCコンバー
タが単相AC/DCコンバータより直流電圧の変動幅が
小さい。PWMインバータによるACモータの電流制御
おいて、上記リップル解析によると電圧飽和領域での飽
和処理方法は重要であり、従来技術の問題点を下記に述
べる。従来例1は指令電圧の飽和程度が大きくなる(変
調率が1以上で大きく増加)ほど電圧リップルが大きく
なり、そしてトルク(または電流)に影響を与えてモー
タ速度に相当するリップルが生じる短所がある。従来例
2では、1)電圧飽和処理を行うために三角関数を用いる
ので演算処理負担が大きくなり、2)電流制御の積分器に
よる積分電圧項が大きくなって飽和し、3)飽和処理前の
指令電圧は2次の非線形関数として急激に増加して電圧
飽和処理前後の指令電圧の比は急激に大きくなる。そし
て、PWMインバータのゲイン特性が急激に落ちてしま
う問題がある。従来例3では、d軸とq軸指令電流を同時
に変えることでdq電流制御特性の狙いを失う可能性が
あり、AC同期モータの種類によっては大きな磁束電流
を流さないと磁束を弱めることができない。したがっ
て、大きな無効電流に相当する磁束電流を流すことで電
力損失が増えるという短所がある。そこで、本発明は前
記問題に鑑みてなされたものであり、得られた上記リッ
プル解析を利用し、前記問題点を解決する電圧飽和処理
装置を提供することを目的とする。即ち、次の1)〜5)を
すべて満足しながらACモータの電圧飽和処理をするも
のである。1)PWMインバータのゲイン特性が常に同一
ゲインを維持すること、2)電流制御演算量の処理負担を
抑制すること、3)トルク(または電流)リップルが直流
電圧リップルから影響を受けないことと、4)dq電流制
御の特性(安定性)を持たすこと、5)電力損失を防止す
ることを目的とする。
め、本発明は、ACモータを駆動するPWM電力変換手
段と前記ACモータの3相電流を検出する3相電流検出
手段と前記ACモータの電気角を検出する電気角検出手
段と、前記電気角を用いて3相検出電流から2相検出電
流への3相/2相座標変換を行う3相/2相座標変換計
算手段と、2相指令電流から前記2相検出電流を引いて
電流誤差を計算する電流誤差演算手段と、前記電流誤差
に第1の比例積分ゲインを掛けて2相指令電圧を計算す
る電流比例積分構成部と、前記電気角を用いて前記2相
指令電圧から3相指令電圧への2相/3相座標変換を行
う2相/3相座標変換計算手段と、前記3相指令電圧と
搬送波を比較してPWMゲートパルスを演算するPWM
ゲートパルス演算手段と、前記PWMゲートパルスを入
力して直流電圧を任意の交流電圧に変換する前記PWM
電力変換手段とを備え、前記電流比例積分構成部の出力
部に電圧飽和処理判断を行うACモータの電圧飽和処理
装置において、前記2相指令電圧から指令電圧ベクトル
の大きさを計算する指令電圧振幅演算手段と、前記指令
電圧ベクトルの大きさと前記搬送波の最大値を用いて変
調率を計算する電圧変調率演算手段と、前記変調率が1
以上・未満を判断する電圧変調率判断手段と、前記指令
電圧ベクトルの大きさから前記搬送波の最大電圧値(変
調率が1ときの電圧値)を引いて電圧誤差を演算する電
圧誤差演算手段と、前記変調率判断がゼロの場合に電圧
誤差をゼロに切り替える第1の電圧飽和処理判断スイッ
チと、前記変調率判断が1の場合に電圧誤差を前記電圧
誤差手段から計算された前記電圧誤差に切り替える前記
第1の電圧飽和処理判断スイッチと、前記電圧誤差に第
2の比例積分ゲインをかけて第1の指令抑制電流を計算
する電圧比例積分構成部と、前記第1の指令抑制電流を
任意範囲設定が設けたリミッタに通して第2の指令抑制
電流を計算する抑制電流リミッタと、前記電気角から求
めたモータ速度を用いて速度の極性を計算する速度極性
演算手段と、前記速度極性を前記第2の指令抑制電流に
かけて指令抑制電流(第3の指令抑制電流)を計算する
抑制電流掛け算手段と、前記変調率判断がゼロの場合に
指令抑制電流をゼロに切り替える第2の電圧飽和処理判
断スイッチと、前記変調率判断が1の場合に指令抑制電
流を前記指令抑制電流(第3の指令抑制電流)に切り替
える前記第2の電圧飽和処理判断スイッチと、前記指令
抑制電流を前記2相指令電流の中のq軸指令電流(トル
ク成分指令電流)から引いて前記q軸指令電流を制限さ
れた新しいq軸指令電流を計算する電流減算手段を備え
たことを特徴とする。また前記指令電圧振幅演算手段は
3相指令電圧から指令電圧ベクトルの大きさを計算する
ものである。また前記抑制電流リミッタの電流制限値は
1サンプリング前の制御時間で計算された前記新しいq
軸指令値で演算する抑制電流制限値演算手段を備えたこ
とを特徴とするものである。
いて説明する。図1は本発明の実施例の形態に係るdq
電流制御(ベクトル電流制御)によるACモータの電流
制御ブロック図である。図2は本発明の実施例の形態に
係る2相指令電圧を用いたq軸指令電流制限法という電
圧飽和処理方法に関する制御ブロック図である。図5は
PWMインバータにおいて、PWMゲートパルス発生器
に関する制御ブロック図である。本発明の実施の形態
は、図1に示すACモータのdq電流制御(ベクトル電
流制御)上で、図2に示す電圧飽和処理方法を行うもの
である。ACモータ電流制御の電圧飽和処理方法は、図
1中のACモータ11を除く構成である。即ち、このA
Cモータの電圧飽和処理装置は、ACモータ11を駆動
するPWM電力変換手段12と前記ACモータの3相電
流を検出する3相電流検出手段13と前記ACモータの
電気角を検出する電気角検出手段14と、前記電気角を
用いて3相検出電流から2相検出電流への3相/2相座
標変換を行う3相/2相座標変換計算手段15と、2相
指令電流から前記2相検出電流を引いて電流誤差を計算
する電流誤差演算手段16と、前記電流誤差に第1の比
例積分ゲインを掛けて2相指令電圧を計算する電流比例
積分構成部17と、前記2相指令電圧を用いて電圧飽和
処理を行う電圧飽和処理手段100と、前記電気角を用
いて前記2相指令電圧から3相指令電圧への2相/3相
座標変換を行う2相/3相座標変換計算手段18と、前
記3相指令電圧と搬送波19を比較してPWMゲートパ
ルスを演算するPWMゲートパルス演算手段と、前記P
WMゲートパルスを入力して直流電圧20を任意の交流
電圧に変換する前記PWM電力変換手段12とを備えて
いる。
明の電圧飽和処理が前記電流比例積分構成部のdq軸の
指令電圧を用いて電圧飽和処理を行う電圧飽和処理手段
を示す図である。前記2相指令電圧から指令電圧ベクト
ルの大きさABS(V*)を計算する指令電圧振幅演算
手段101−aと、前記指令電圧ベクトルの大きさAB
S(V*)と前記搬送波の最大値ABS(Vt)を用いて
変調率Mindexを計算する電圧変調率演算手段102
と、前記変調率Mindexが1以上かあるいは未満を判断
する電圧変調率判断手段103と、前記指令電圧ベクト
ルの大きさABS(V*)から前記搬送波の最大電圧値
ABS(Vt)(変調率が1ときの電圧値)を引いて電
圧誤差ΔVを演算する電圧誤差演算手段104と、前記
変調率判断がゼロの場合に電圧誤差ΔVをゼロに切り替
える第1の電圧飽和処理判断スイッチ105と、前記変
調率判断が1の場合に電圧誤差ΔVを前記電圧誤差手段
104から計算された前記電圧誤差に切り替える前記第
1の電圧飽和処理判断スイッチ105と、前記電圧誤差
ΔVに第2の比例積分ゲイン(PI2)をかけて第1の
指令抑制電流I*1を計算する第2の電圧比例積分構成
部106と、前記第1の指令抑制電流I*1を任意範囲
設定が設けたリミッタに通して第2の指令抑制電流I*
2を計算する抑制電流リミッタ107と、前記電気角θ
eから求めたモータ速度を用いて速度の極性(+1、−
1)を計算する速度極性演算手段108と、前記速度極
性(+1、−1)を前記第2の指令抑制電流I*2にか
けて指令抑制電流I*(第3の指令抑制電流I*3)を計
算する抑制電流掛け算手段109と、前記変調率判断M
indexがゼロの場合に指令抑制電流I*をゼロに切り替え
る第2の電圧飽和処理判断スイッチ101-bと、前記
変調率判断Mindexが1の場合に指令抑制電流I*を前記
抑制指令電流I*(第3の指令抑制電流I*3)に切り替
える前記第2の電圧飽和処理判断スイッチ101-b
と、前記指令抑制電流I*を前記2相指令電流の中のq軸
指令電流Iq*(トルク成分指令電流)から引いて制限さ
れた新しいq軸指令電流Iq*'を計算する電流減算手段1
10を備えて電圧飽和処理を行うことからなる構成であ
る。
令電圧を用いたq軸指令電流制限法という電圧飽和処理
方法に関する制御ブロック図である。前記指令電圧振幅
演算手段101が3相指令電圧Va*、Vb*、Vc*から指
令電圧ベクトルの大きさABS(V*)を式(3)を用
いて計算することを備えたことからなる構成である。 ABS(V*) = (Va*×Va*+Vb*×Vb*+Vc*×Vc*)1/2 (3)
電流リミッタの電流制限値演算方法に関する制御ブロッ
ク図である。前記抑制電流リミッタ107において、前
記抑制電流リミッタの電流制限値Ilimitが1サンプリ
ング前の制御時間で計算された前記新しいq軸指令値Iq
*'で演算する抑制電流制限値演算手段111を備えたこ
とを特徴とする。上記で述べた電圧飽和処理手段を下記
に示す手順で行う。 ステップ1:式(1)と(2)、または式(3)と(2)
を用いて指令電圧ベクトルの大きさABS(V*)と電
圧変調率Mindexを計算する。 ステップ2:電圧変調率Mindexが1以上・未満かを判
断する。 ステップ3:電圧変調率判断の結果で第1と第2の電圧
飽和処理判断スイッチ(変調率が1未満の時はゼロスイ
ッチ、変調率が1以上の時はスイッチ1に切り替える電
圧飽和処理判断スイッチ)を動作する。ここで、「ステ
ップ番号A」は変調率1未満ときに行うステップ、「ス
テップ番号B」は変調率1以上ときに行うステップであ
り、「ステップ番号」は共通で行うステップである。 ステップ4:式(4)で指令電圧ベクトルの大きさAB
S(V*)から電圧制限値(搬送波の最大値ABS(V
t)で、変調率が1である値)を引いて電圧誤差ΔVを
演算する。 ステップ5A:電圧飽和処理判断スイッチがゼロに切り
替えた場合、電圧誤差ΔVをゼロで入力する。 ステップ5B:電圧飽和処理判断スイッチがゼロに切り
替えた場合、電圧誤差ΔVをステップ4で計算した電圧
誤差ΔVで入力する。 ステップ6:式(5)で電圧誤差ΔVを第2の比例積分
ゲインをかけて第1の指令抑制電流I*1を計算する。 ステップ7:式(6)で第1の指令抑制電流I*1を任
意設定範囲の抑制電流リミッタ(リミッタ関数)に通し
て第2の指令抑制電流I*2を計算する。 ステップ8:式(7)で速度ωrの極性判断(+1と−
1)を行い、速度極性判断の結果を式(8)で第2の指
令抑制電流I*2に掛け算して指令抑制電流I*(第3の
指令抑制電流I*3)を計算する。 ステップ9A:電圧飽和処理判断スイッチがゼロに切り
替えた場合、式(9)を用いて指令抑制電流I*(=ゼ
ロ)をq軸指令電流Iq*から引いて新しいq軸指令電流
Iq*'を計算する。 ステップ9B:電圧飽和処理判断スイッチが1に切り替
えた場合、式(9)を用いてゼロ値の指令抑制電流I*
(第3の指令抑制電流)でq軸指令電流Iq*から引いて
新しいq軸指令電流Iq*'を計算する。 ステップ10:ステップ9Bで計算した新しいq軸指令
電流を抑制電流制限値で改めて演算する。
電流制御の演算負担(従来例2)の低減、2)積分電圧飽
和(従来例1と従来例2)を抑制し、3)無効電流増大に
よる電力損失(従来例3)を抑制し、4)モータ速度に相
当するリップル(従来例1と従来例3)を抑制し、5)A
C/DCコンバータの直流電圧の変動による影響(従来
例1〜3)を低減することができるという効果がある。
ブロック図。
法(q軸指令電流制限法)に関する制御ブロック図
法(q軸指令電流制限法)に関する制御ブロック図
値演算方法に関する制御ブロック図
ク図
の指令電圧 Va,Vb,Vc 3相座標に於いてa軸、b軸、c軸のイ
ンバータの出力電圧 Iq*,Id* 2相座標に於いてd軸とq軸の指令電流 Iq*',Id*' 2相座標に於いてd軸とq軸の新しい指
令電流 Iq,Id 2相座標に於いてd軸とq軸の実際電流 Ia,Ib,Ic 3相座標に於いてa軸、b軸、c軸の実
際電流 Iafd,Ibfd,Icfd 3相座標に於いてa軸、b軸、c
軸のフィードバック(検出)電流 ΔIq,ΔId 2相座標に於いてq軸とd軸の電流誤差 ΔV 電圧誤差 I*1,I*2,I*3 第1、第2、第3の指令抑制電流 I* 指令抑制電流 Kp2, KI2 第2の比例ゲインと積分ゲイン PM 速度極性判断結果(+1、-1) θe 検出電気角 ωr 検出速度 Ilimit 抑制電流制限値 PWMINVERTER PWMインバータ Gau, Gad, Gbu, Gbd, Gcu, Gcd PWMインバー
タのゲート6パルス 11 ACモータ 12 PWM電力変換手段 13 三相交流電流センサ(CT) 14 位置センサ(エンコーダ) 15 3/2座標変換計算手段 16 減算器 17 2相座標での第1の比例積分制御構成部 18 2/3座標変換計算手段 19 三角搬送波 20 直流電源装置 100 本発明の電圧飽和処理手段 101−a, 101−b 2相と3相指令電圧ベクトル
の大きさの演算手段 102 電圧変調率演算手段 103 電圧変調率判断手段 104 電圧誤差演算手段 105−a,105−b 第1と第2の電圧飽和処理判
断スイッチ 106 第2の比例積分構成部 107 抑制電流リミッタ 108 速度極性判断手段 109 乗算器 110 減算器 111 リミット設定値の演算手段 112 ゼロ値 201 PWMゲートパルス発生器
Claims (3)
- 【請求項1】 ACモータを駆動するPWM電力変換手
段と前記ACモータの3相電流を検出する3相電流検出
手段と前記ACモータの電気角を検出する電気角検出手
段と、前記電気角を用いて3相検出電流から2相検出電
流への3相/2相座標変換を行う3相/2相座標変換計
算手段と、2相指令電流から前記2相検出電流を引いて
電流誤差を計算する電流誤差演算手段と、前記電流誤差
に第1の比例積分ゲインを掛けて2相指令電圧を計算す
る電流比例積分構成部と、前記電気角を用いて前記2相
指令電圧から3相指令電圧への2相/3相座標変換を行
う2相/3相座標変換計算手段と、前記3相指令電圧と
搬送波を比較してPWMゲートパルスを演算するPWM
ゲートパルス演算手段と、前記PWMゲートパルスを入
力して直流電圧を任意の交流電圧に変換する前記PWM
電力変換手段とを備え、前記電流比例積分構成部の出力
部に電圧飽和処理判断を行うACモータの電圧飽和処理
装置において、 前記2相指令電圧から指令電圧ベクトルの大きさを計算
する指令電圧振幅演算手段と、前記指令電圧ベクトルの
大きさと前記搬送波の最大値を用いて変調率を計算する
電圧変調率演算手段と、前記変調率が1以上・未満を判
断する電圧変調率判断手段と、前記指令電圧ベクトルの
大きさから前記搬送波の最大電圧値(変調率が1ときの
電圧値)を引いて電圧誤差を演算する電圧誤差演算手段
と、前記変調率判断がゼロの場合に電圧誤差をゼロに切
り替える第1の電圧飽和処理判断スイッチと、前記変調
率判断が1の場合に電圧誤差を前記電圧誤差手段から計
算された前記電圧誤差に切り替える前記第1の電圧飽和
処理判断スイッチと、前記電圧誤差に第2の比例積分ゲ
インをかけて第1の指令抑制電流を計算する電圧比例積
分構成部と、前記第1の指令抑制電流を任意範囲設定が
設けたリミッタに通して第2の指令抑制電流を計算する
抑制電流リミッタと、前記電気角から求めたモータ速度
を用いて速度の極性を計算する速度極性演算手段と、前
記速度極性を前記第2の指令抑制電流にかけて第3の指
令抑制電流を計算する抑制電流掛け算手段と、前記変調
率判断がゼロの場合に指令抑制電流をゼロに切り替える
第2の電圧飽和処理判断スイッチと、前記変調率判断が
1の場合に指令抑制電流を前記第3の指令抑制電流に切
り替える前記第2の電圧飽和処理判断スイッチと、前記
指令抑制電流を前記2相指令電流の中のq軸指令電流か
ら引いて前記q軸指令電流を制限された新しいq軸指令電
流を計算する電流減算手段を備えたことを特徴とするA
Cモータの電圧飽和処理装置。 - 【請求項2】 前記指令電圧振幅演算手段は3相指令電
圧から指令電圧ベクトルの大きさを計算するものである
請求項1記載のACモータの電圧飽和処理装置。 - 【請求項3】 前記抑制電流リミッタの電流制限値は1
サンプリング前の制御時間で計算された前記新しいq軸
指令値で演算する抑制電流制限値演算手段を備えたこと
を特徴とする請求項1記載のACモータの電圧飽和処理
装置。
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1999
- 1999-05-28 JP JP15025599A patent/JP4231970B2/ja not_active Expired - Fee Related
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