JP2005218273A - 永久磁石形同期電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】位置検出器や交流電流検出器を用いることなく、永久磁石形同期電動機を安定に制御できるようにする。
【解決手段】インバータ１１を用いて、永久磁石形同期電動機１２の巻線に印加する電圧とその周波数とをほぼ比例させて制御するに当り、インバータ１１に与える電動機印加電圧の周波数指令値ｆ＊に負帰還して制御の安定化を図るための周波数補正量Δｆ＊を、電流検出器２４，ローパスフィルタ２５および有効電流演算器２６等を利用して求められるようにし、従来必要とされた位置検出器や交流電流検出器を不要としコストを低減させる。
【選択図】図１

Description

この発明は、同期電動機（単に電動機ともいう）、特に永久磁石形同期電動機の制御装置に関する。

この種の制御方式として、電動機の回転軸に取付けた位置検出器から得られる位置情報に基づき同期電動機の電圧や電流を制御するものや、電動機の電圧や電流から回転子の位置を推定して位置検出器を不要とするもの（センサレスベクトル制御）、さらには、電動機に印加する電圧と周波数とをほぼ比例させて制御（Ｖ／ｆ一定制御）するもの等がある。このようなＶ／ｆ制御は、例えば特許文献１に開示されており、位置検出器が不要で制御が簡単であるという特徴がある。

図２は特許文献１に記載のＶ／ｆ一定制御例を示すブロック図である。
同図において、１１は３相インバータ、１２は永久磁石形同期電動機、１３は周波数指令器、１４は周波数／電圧（ｆ／ｖ）変換器、１５はパルス幅変調器、１６，１７は交流電流検出器、１８はベクトル演算器、１９は高域周波数成分を通過させるハイパスフィルタ、２０は比例演算器、２１は加減算器、２２は積分器を示す。

周波数指令器１３には同期電動機１２の同期速度（周波数指令ｆ＊）が設定され、ｆ／ｖ変換器１４は周波数指令ｆ＊に応じた電圧指令ｖ＊を出力する。積分器２２は周波数指令ｆ＊を積分し、同期電動機１２の固定子巻線に印加する電圧の位相θを演算する。パルス幅変調器１５は電圧指令ｖ＊および位相θに基づきパルス幅変調（ＰＷＭ）をして駆動パルスを生成し、３相インバータ１１のスイッチング素子をオン，オフ制御する。
３相インバータ１１からはパルス幅制御された３相の交流電圧が出力され、この電圧は同期電動機１２の巻線に印加されて回転磁界を発生させる。

同期電動機１２に供給される３相電流のうちの２相分、例えばｉｕ，ｉｗを交流電流検出器１６，１７で検出し、これをベクトル演算器１８で直交座標系に変換することにより、有効電流ｉδを次の（１）式の関係から求める。
ｉδ＝[（−１／√３）ｓｉｎθ＋ｃｏｓθ]ｉｕ＋[（−２／√３）ｓｉｎθ]ｉｗ
…（１）

ところで、上記有効電流ｉδは定常状態では直流量となるが、定常状態からの同期速度のずれが生じるとｉδに過渡的な変動が生じ、系が不安定になる。このことは、例えば非特許文献１のように解析，実験され確認されている。
そこで、ｉδの変動分Δｉδを、ハイパスフィルタ１９によりｉδから直流分を除去して求め、比例演算器２０でΔｉδに所定のゲインを乗じることで周波数補正量Δｆ＊として求め、先の周波数指令ｆ＊に負帰還するようにしている。これによって、ｉδの変動を減少させ系の状態を定常状態に近づけ、制御系を安定させることができる。

特開２０００−２３６６９４号公報（第３−４頁、図１） 電機学会論文誌Ｄ，１２２巻３号，平成１４年，ｐｐ．２５３〜２５９「永久磁石同期電動機のＶ／ｆ制御の高性能化」

以上のように、回転子位置検出器を用いるものは機器の小型化を妨げ、検出器の信号を伝達する複数本の配線や受信回路が必要なため信頼性，作業性，価格等に問題があり、また、位置検出器を用いずに電動機の電圧や電流の情報から回転子の位置を検出するものは、複雑かつ高速な演算処理を必要とするという問題がある。
一方、図２で説明した従来のＶ／ｆ一定制御でも、電動機の相電流検出のための交流電流検出器が少なくとも２つ必要であり、コスト高となる。
したがって、この発明の課題は、位置検出器や交流電流検出器を用いずに、簡単な構成で安定した制御を可能にすることにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、直流を交流に変換する電力変換器により永久磁石形同期電動機の巻線に印加する電圧とその周波数とをほぼ比例させて制御する永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記電力変換器を流れる直流電流を検出する電流検出手段と、検出した直流電流にフィルタ処理を行なうフィルタ手段と、このフィルタ手段からの出力信号に基づき生成した周波数補正量を、前記電力変換器に与える電動機印加電圧の周波数指令に負帰還させるフィードバック手段とを設けたことを特徴とする。

請求項１の発明においては、前記フィルタ手段は、前記検出電流から高周波帯域分を除き、検出電流の平均値を求める手段を有することができ（請求項２の発明）、請求項１または２の発明においては、前記周波数補正量を、前記検出電流またはその平均値と、前記電動機印加電圧の指令値または検出値と、前記電力変換器に与えられる直流電圧の指令値または検出値とから求めることができる（請求項３の発明）。

この発明によれば、位置検出器や交流電流検出器、または複雑かつ高速な演算処理装置を必要とすることなく、永久磁石形同期電動機を安定に制御することが可能となる利点がもたらされる。

図１はこの発明の第１の実施の形態を示す構成図である。
図１からも明らかなように、この例は図２の従来例に対し交流電流検出器１６，１７およびベクトル演算器１８を省略し、代わりに電流検出器２４，ローパスフィルタ２５および有効電流演算器２６を付加したものである。以下、その相違点を主に説明する。

電流検出器２４は、インバータ直流電流を検出する。電流検出器２４としては、ホール素子，磁気抵抗素子または磁気インピーダンス素子、もしくはシャント抵抗と電圧検出器を用いることができる。インバータ直流電流はパルス幅変調器１５のスイッチングによりパルス状の電流となるため、電流検出器２４から得られるインバータ直流電流の検出信号Ｉｄｃ₀から、ローパスフィルタ２５によって高周波帯域成分を除去し、インバータ直流電流平均値Ｉｄｃを求める。

次に、有効電流演算器２６は、インバータ直流電流平均値Ｉｄｃから有効電流ｉδを求める。その求め方は、以下のとおりである。
インバータ出力電力Ｗｉｎｖは、インバータ直流電圧をＥｄｃとすると、次の（２）式のように示される。
Ｗｉｎｖ＝Ｅｄｃ・Ｉｄｃ …（２）

また、同期電動機に入力される電力Ｗｍｏｔは、次の（３）式で表わされる。
Ｗｍｏｔ＝３・Ｉｒｍｓ・（ｖ＊／√２）・ｃｏｓφ …（３）
Ｉｒｍｓ：１相当りの電動機相電流の実効値
ｖ＊ ：インバータに与える電圧振幅の指令値
また、φは力率角で、次の（４）式で与えられる。
ｃｏｓφ＝ｉδ／Ｉｒｍｓ …（４）

インバータ出力電力Ｗｉｎｖと、同期電動機に入力される電力Ｗｍｏｔとは等しいから、
上記（２），（３）式より、
ｉδ＝√２・Ｉｄｃ・Ｅｄｃ／（３・ｖ＊） …（５）
となり、インバータ直流電流平均値Ｉｄｃから有効電流ｉδが求められる。なお、（６）式で示されるインバータ変調率λを用いることもでき、計算を簡略化することができる。
λ＝２・ｖ＊／Ｅｄｃ …（６）
以下は、従来と同様にハイパスフィルタ１９によりｉδから直流分を除去してその変動分を求め、比例演算器２０でΔｉδに所定のゲインを乗じることで周波数補正量Δｆ＊を求め、先の周波数指令ｆ＊に負帰還することにより、制御系を安定させることができる。

以上のように、インバータ直流電流を利用することで、相電流検出器なしで安定な制御を行なうことができる。また、インバータ直流電流をフィルタリングすることにより、同期電動機の有効電流の平均値が、上述のように計算可能となる。なお、その計算で用いるインバータ直流電圧は、検出値Ｅｄｃでもその指令値でもよい。同様に、インバータ印加電圧も指令値ｖ＊の代わりに検出値ｖでも良く、変調率λを用いても良い。

この発明の実施の形態を示す構成図 従来例を示す構成図

符号の説明

１０…直流母線、１１…インバータ、１２…永久磁石形同期電動機、１３…周波数指令器、１４…ｆ／ｖ変換器、１５…パルス幅変調器、１６，１７…交流電流検出器、１８…ベクトル演算器、１９…ハイパスフィルタ、２０…比例演算器、２１…加減算器、２２…積分器、２４…電流検出器、２５…ローパスフィルタ、２６…有効電流演算器。

Claims (3)

1. 直流を交流に変換する電力変換器により永久磁石形同期電動機の巻線に印加する電圧とその周波数とをほぼ比例させて制御する永久磁石形同期電動機の制御装置において、
   前記電力変換器を流れる直流電流を検出する電流検出手段と、検出した直流電流にフィルタ処理を行なうフィルタ手段と、このフィルタ手段からの出力信号に基づき生成した周波数補正量を、前記電力変換器に与える電動機印加電圧の周波数指令に負帰還させるフィードバック手段とを設けたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
2. 前記フィルタ手段は、前記検出電流から高周波帯域分を除き、検出電流の平均値を求める手段を有することを特徴とする請求項１に記載の永久磁石形同期電動機の制御装置。
3. 前記周波数補正量を、前記検出電流またはその平均値と、前記電動機印加電圧の指令値または検出値と、前記電力変換器に与えられる直流電圧の指令値または検出値とから求めることを特徴とする請求項１または２に記載の永久磁石形同期電動機の制御装置。
   
   

Images