JP2008211941A - 誘導電動機のベクトル制御装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】誘導電動機を運転させたときの運転条件に応じて効率よく誘導電動機を制御することができるような励磁電流指令及びトルク電流指令を、容易に確実に設定することができる誘導電動機の制御装置及び方法を提供する。
【解決手段】誘導電動機用のベクトル制御装置であって、回転数、トルク、トルク電流及び励磁電流の関係のデータが記述されたデータテーブルと、回転数及びトルク指令を取得し、前記データテーブルを参照してトルク電流指令ｉ_ｑ ^＊及び励磁電流指令ｉ_ｄ ^＊を生成する電流指令生成器と、前記誘導電動機運転時に前記データテーブルに記述されたデータを、運転状態に合わせたデータに書き換えるデータ更新手段とを有し、新たな励磁電流及びトルク電流を演算する手段と、前記新たな励磁電流及びトルク電流に前記データテーブルを書き換えることによって、誘導電動機の運転状態に合わせて前記データテーブルのデータを更新する。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘導電動機のベクトル制御装置及び方法に関する。

誘導電動機の一次電流を励磁電流成分とトルク電流成分とに分離してそれぞれの電流成分を独立に制御し、ベクトル空間上で合成するベクトル制御と呼ばれる制御方法が知られており、ベクトル制御においては励磁電流成分とトルク電流成分を分離する際のそれぞれの電流値が重要となる。

従来のベクトル制御装置においては、励磁電流指令（ｉ_ｄ ^＊）及びトルク電流指令（ｉ_ｑ ^＊）は、テストベンチでトルク指令と回転数条件から励磁電流指令（ｉ_ｄ ^＊）及びトルク電流指令（ｉ_ｑ ^＊）を読み取ることのできる電流テーブルをあらかじめ作成しておくことで設定入力データとして与えられ、一般的には誘導電動機の定格電流の設計値に対する比率で与えられる。
このような電流テーブルの一例を図６に示した。図６（Ａ）は回転数ω、トルクＴから励磁電流指令（ｉ_ｄ ^＊）を読み取ることのできる電流テーブルの一例であり、図（Ｂ）は回転数ω、トルクＴからトルク電流指令（ｉ_ｑ ^＊）を読み取ることのできる電流テーブルの一例である。

このようにトルク指令と回転数条件から励磁電流指令（ｉ_ｄ ^＊）及びトルク電流指令（ｉ_ｑ ^＊）を出力する制御装置は、例えば特許文献１に開示されている。

特開２００３−７０２８０号公報

しかしながら、上記の従来のベクトル制御においては、設定入力データとして与えられる励磁電流指令（ｉ_ｄ ^＊）及びトルク電流指令（ｉ_ｑ ^＊）は、誘導電動機の実機のモータ定数と設計値の間に誤差があると、その誤差に比例した誤差が発生してしまう。また、設定入力データとして与えられる励磁電流指令（ｉ_ｄ ^＊）及びトルク電流指令（ｉ_ｑ ^＊）は、テストベンチで作成した電流テーブルから設定入力されており、誘導電動機の実運転時には運転条件によって誘導電動機のパラメータが変化するため、実運転時に調整が必要である。

そのため一般的には、励磁電流指令（ｉ_ｄ ^＊）及びトルク電流指令（ｉ_ｑ ^＊）の両設定値を実機毎に調整することで対処しているが、この調整は使用する誘導電動機を実負荷運転や無負荷試験を行ってトルク計測や各種定数算出することを必要とし、多くの時間と費用が必要となる。さらにこの調整は同じ誘導機を用いる場合においても、例えば減定格運転を行う場合にも必要となるため、さらに多くの時間と費用が必要となる。

従って、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、誘導電動機を運転させたときの運転条件に応じて効率よく誘導電動機を制御することができるような励磁電流指令（ｉ_ｄ ^＊）及びトルク電流指令（ｉ_ｑ ^＊）を、容易に確実に設定することができる誘導電動機の制御装置及び方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明においては、
電流値を励磁電流成分とトルク電流成分とにベクトル分割してそれぞれの電流成分を独立に制御するように構成された誘導電動機用のベクトル制御装置であって、回転数、トルク、トルク電流及び励磁電流の関係のデータが記述されたデータテーブルと、回転数及びトルク指令を取得し、前記データテーブルを参照してトルク電流指令及び励磁電流指令を生成する電流指令生成器と、前記誘導電動機運転時に前記データテーブルに記述されたデータを、運転状態に合わせたデータに書き換えるデータ更新手段と、を有し、前記データ更新手段は、１次抵抗（Ｒ）を求める手段と、前記電流指令生成器で生成した励磁電流及びトルク電流を用いて２次時定数（Ｌ／Ｒ）及びインダクタンス（Ｌ）を求める手段と、前記２次時定数（Ｌ／Ｒ）及びインダクタンス（Ｌ）に基づいて新たな励磁電流及びトルク電流を演算する手段と、前記新たな励磁電流及びトルク電流に前記データテーブルを書き換えることによって、誘導電動機の運転状態に合わせて前記データテーブルのデータを更新する手段とから成ることを特徴とする。

このことで、誘導電動機の運転状態に合わせたデータテーブルの作成が可能となり、その結果、励磁電流指令（ｉ_ｄ ^＊）及びトルク電流指令（ｉ_ｑ ^＊）の設定が可能となるため、高効率な誘導電動機の運転が可能となる。
また、データテーブルの初期データは誘導電動機の設計値を元に設定するとよい。データテーブルの初期データを用意し、トルク指令及び回転数が設定されると、新たな励磁電流及びトルク電流が算出されるため、データテーブルの更新が可能となる。

また、制御方法の発明としては、電流指令生成器で電流値を励磁電流成分とトルク電流成分とにベクトル分割してそれぞれの電流成分を独立に制御する誘導電動機用のベクトル制御方法であって、回転数、トルク、トルク電流及び励磁電流の関係のデータが記述されたデータテーブルを与えるステップと、前記電流指令生成器がトルク指令を取得するステップと、前記電流指令生成器が回転数を取得するステップと、前記電流指令生成器が前記トルク指令及び回転数から、前記データテーブルを参照してトルク電流指令及び励磁電流指令を生成するステップと、前記誘導電動機運転時に前記データテーブルに記述されたデータを運転状態に合わせたデータに書き換えるデータ更新ステップと、を備え、前記データ更新ステップは、１次抵抗（Ｒ）を求めるステップと、前記トルク電流指令及び励磁電流指令を用いて２次時定数（Ｌ／Ｒ）及びインダクタンス（Ｌ）を求めるステップを有し、前記２次時定数（Ｌ／Ｒ）及びインダクタンス（Ｌ）に基づいて新たな励磁電流及びトルク電流を演算し、前記誘導電動機を運転する際にモータの運転状態に合わせたデータに前記データテーブルのデータを更新することを特徴とする。

前記１次抵抗（Ｒ）を求める手段は、前記１次抵抗（Ｒ）に交流電流を供給する手段と、前記交流電流を直流電流に切り替える切替手段とを有し、直流電流の電流値及び電圧値から１次抵抗（Ｒ）を演算する手段であって、前記交流電流を供給し始めてから前記切替手段によって直流電流に切り替えるまでの時間を調整することによって、直流電流に切り替える際の誘導電動機の温度を調整できるようにしたことを特徴とする。

このことにより、誘導電動機の温度を実運転時と近い温度に調整することができるため、実際に誘導電動機を製品装置に取り付けて実運転させることなく、データテーブルの更新が可能となる。従って、データテーブルの更新を行うための誘導電動機の実運転が必要なくなり、低コストでのデータテーブルの更新が可能となる。

以上記載のごとく本発明の誘導電動機の制御装置及び方法によると、誘導電動機を運転させたときの運転条件に応じて効率よく誘導電動機を制御することができるような励磁電流指令（ｉ_ｄ ^＊）及びトルク電流指令（ｉ_ｑ ^＊）を、容易に確実に設定することができる誘導電動機の制御装置及び方法を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１は、実施例１における本発明のベクトル制御装置を有するバッテリ駆動インバータモータの概略構成図である。図１において、１は電流指令生成器、２はデータテーブル、３はｄ軸電流制御器、４はｑ軸電流制御器、５は２相−３相変換機（ＰＷＭ制御手段）、６はインバータ、７はモータ、８は速度検出部、９は３相−２相変換部、１０は電流検出部、１１はバッテリである。

電流指令生成器１は、トルク指令Ｔ^＊及び後述する速度検出部８によって検出したモータ７の回転数ωを取得し、データテーブル２を参照することによって励磁電流指令ｉ_ｄ ^＊及びトルク電流指令ｉ_ｑ ^＊を生成し、それぞれをｄ軸電流制御器３及びｑ軸電流制御器４へ出力する。

ｄ軸電流制御器３は、前記電流指令生成器１からの励磁電流指令ｉ_ｄ ^＊を取得するとともに、後述する３相−２相変換器９よりフィードバックされた励磁電流値ｉ_ｄを取得し、前記励磁電流指令ｉ_ｄ ^＊及び励磁電流値ｉ_ｄに基づいてｄ軸電圧指令Ｖ_ｄ ^＊を生成して２相−３相変換器５へ出力する。

また、ｑ軸電流制御器４は、前記電流指令生成器１からのトルク電流指令ｉ_ｑ ^＊を取得するとともに、後述する３相−２相変換機９によりフィードバックされたトルク電流値ｉ_ｑを取得し、前記トルク電流指令ｉ_ｑ ^＊及びトルク電流値ｉ_ｑに基づいてｑ軸電圧指令Ｖ_ｑ ^＊を生成して２相−３相変換器５へ出力する。

２相−３相変換器５は、前記ｄ軸電流制御器３で生成されたｄ軸電圧指令Ｖ_ｄ ^＊及びｑ軸電流制御器４で生成されたｑ軸電圧指令Ｖ_ｑ ^＊を３相の指令電圧Ｖ_ｕ ^＊、Ｖ_ｖ ^＊、Ｖ_ｗ ^＊に変換し、２相−３相変換器５内のＰＷＭ信号制御部で前記指令電圧Ｖ_ｕ ^＊、Ｖ_ｖ ^＊、Ｖ_ｗ ^＊に基づいてインバータ６を制御している。

インバータ６はバッテリ１１が接続されており、バッテリ１１にはバッテリの電圧を検出する電圧センサ１２が設けられている。インバータ６とバッテリ１１により電流Ｉ_ｕ、Ｉ_ｖ、Ｉ_ｗが流され、モータ７のトルクを出力する。モータ７は例えば駆動車両の駆動輪等のトルク回転数を必要とする負荷に連結され、該負荷を駆動する。モータ７には速度検出部８が備えられており、該速度検出部８ではモータの回転数ωを検出し、前記電流指令生成器１へ回転数ωを出力する。モータ７としては例えばインダクションモータが挙げられる。

３相−２相変換機９は、電流検出器１０により検出された電流Ｉ_ｕ、Ｉ_ｖ及びそれらから計算されるＩ_ｗを励磁電流ｉ_ｄ及びトルク電流ｉ_ｑに変換し、それぞれ前記ｄ軸電流制御器３及びｑ軸電流制御器４へ出力する。

ここで、前記データテーブル２は電流指令生成器１中に予め格納されており、図６に示したように回転数ω、トルクＴ及び励磁電流ｉ_ｄの対応関係が記述されたテーブルと、回転数ω、トルクＴ及びトルク電流ｉ_ｑの対応関係が記述されたテーブルから構成されており、これらのテーブルに記述された対応関係はモータ設計値に基づいて定められている。

前記データテーブル２に最初に記述するデータは、以下のようにして設定するとよい。
まず複数の主要な回転数を設定し、続いてその主要な回転数の各々についてモータ７がそのトルクを出力し且つ必要な消費電力が最も少ないトルク電流及び励磁電流の測定を行う。引き続いて回転数、トルク及び測定された励磁電流との関係をプロットし、同様に回転数、トルク及び測定されたトルク電流との関係をプロットする。なお測定されたデータ間のデータは直線補間する。このようにプロットすることで提供されたグラフに基づいてテーブルを作成する。

しかし、このようにして作成されたテーブルの対応関係はモータの運転条件に応じて変化するため、本発明における特に特徴的な構成として、前記データテーブル２に記述された対応関係を調整することができるようにしている。

以下においては、データテーブル２に記述されるデータの調整方法について説明する。
図２は本実施例におけるモータのトルクと回転数の関係を模式的に表したグラフである。図２に示したようにトルクと回転数の間には、トルクが高い場合は回転数が低く、トルクが低い場合には回転数が高いという関係がある。本実施例においてはトルクが高く回転数が低い過励磁２１と、トルクが低く回転数が高い弱め界磁２２の状態で、１次抵抗値を導出するとともにインダクタンス及び２次時定数を推定し、該インダクタンス及び２次時定数から前記データテーブル２の関係を調整するものである。

図３は本実施例におけるモータのＴ型等価回路図である。電流指令（１次電流）の実行値をＩとし、電圧値をＶとする。またＲ_１は１次抵抗、Ｒ_２は２次抵抗、Ｌはインダクタンスである。電圧値Ｖは図１に示した電圧センサ１２を用いることで検出するが、インバータ６内部の電圧指令情報を用いるようにすると、電圧センサ１２が不要となるため、本発明を低コストで実施することができるためさらに好ましい。

まず１次抵抗Ｒ_１を導出する方法を図１、図３及び図４を参照して説明する。
この際、トルクが大きく回転数が小さい過励磁の状態とする。この時トルク指令Ｔ^＊及び回転数ωに応じて、励磁電流ｉ_ｄ ^＊及びトルク電流ｉ_ｑ ^＊は、前述のようにデータテーブル２に予め格納されたモータ設計値に基づいて定められている関係から求められ、該励磁電流ｉ_ｄ ^＊及びトルク電流ｉ_ｑ ^＊からモータに流れる１次電流Ｉが決定できる。

また、過励磁状態では、インダクタンスが小さく、図３における３２を流れる電流は３１を流れる電流と比較すると十分小さく無視できる。

図４は１次抵抗Ｒ_１を導出する際の１次電流Ｉの時間変化を表したグラフであり、縦軸は電流値、横軸は時間ｔである。１次電流として交流電流を使用し、時間ｔ_１において直流電流に切り替える。この時の直流電流の電流値をＩ_１、電圧値をＶ_１とすると、オームの法則により、

の関係が成り立ち、さらに、Ｒ_２がＲ_１がと比べて十分小さく無視できるとすると、

と、表すことができ、１次電流Ｒ_１が求められる。

次にインダクタンスＬを導出する方法を図３及び図４を参照して説明する。
この際、図３における３１を流れる電流と３２を流れる電流とを運転する領域のｉ_ｑとｉ_ｄにあわせて通電させておく。

図４を参照し、Ｒ_１を求めた時と同様に、１次電流として交流電流を使用し、時間ｔ_１において直流電流に切り替える。この時、過渡応答の電流４１をＩ_２とし、巻線の巻数をＮ、磁束をφとすると、インダクタンスＬは以下の式で表すことができる。

ここで、２次時定数Ｔは、前記Ｒ_１及びＬを用いて以下の式で表すことができる。

さらに、インダクタンスＬ、２次時定数Ｔ及びインダクションモータの極対数である定数ｐを用いると、以下の式が成立する。

従って、励磁電流ｉ_ｄとトルク電流ｉ_ｑの関係を求めることができ、このようにして求めた励磁電流ｉ_ｄとトルク電流ｉ_ｑの関係にしたがってデータテーブル２を書き換えることで、運転状態に応じた励磁電流ｉ_ｄとトルク電流ｉ_ｑを設定することができる。

図５はモータ温度と、１次電流として交流電流を１次抵抗に供給した時間の関係を模式的に表したグラフである。図５に示したようにモータ温度は交流電流を供給した時間に比例する。従って、予め図５に示したグラフのようなモータ温度と時間の関係を測定して関係式を求めておき、モータ温度がモータの実運転時の温度に到達するような時間ｔ_１で交流電流から直流電流に切り替えるようにすると、モータの実運転時の温度で励磁電流ｉ_ｄとトルク電流ｉ_ｑの関係を求めることができるため、より実運転時に近い励磁電流ｉ_ｄとトルク電流ｉ_ｑの関係を得ることができる。

さらに、モータに温度検出手段を設けて、１次電流を交流電流から直流電流に切り替えたときのモータ温度を検出し、該検出結果と前記モータ温度と時間の関係式に応じて得られた１次抵抗Ｒ_１を補正するようにすると、さらに実運転時に近い励磁電流ｉ_ｄとトルク電流ｉ_ｑの関係を得ることができる。

誘導電動機を運転させたときの運転条件に応じて効率よく誘導電動機を制御することができるような励磁電流指令（ｉ_ｄ ^＊）及びトルク電流指令（ｉ_ｑ ^＊）を、容易に確実に設定することができるため、誘導電動機の制御装置及び方法として用いられる。

実施例１における本発明のベクトル制御装置を有するバッテリ駆動インバータモータの概略構成図である。 実施例１におけるモータのトルクと回転数の関係を模式的に表したグラフである。 実施例１におけるモータのＴ型等価回路図である。 １次抵抗Ｒ_１を導出する際の１次電流Ｉの時間変化を表したグラフである。 モータ温度と、１次電流として交流電流を１次抵抗に供給した時間の関係を模式的に表したグラフである。 図６（Ａ）は回転数ω、トルクＴから励磁電流指令（ｉ_ｄ ^＊）を読み取ることのできる電流テーブルの一例であり、図（Ｂ）は回転数ω、トルクＴからトルク電流指令（ｉ_ｑ ^＊）を読み取ることのできる電流テーブルの一例である。

符号の説明

１ 電流指令生成器
２ データテーブル
３ ｄ軸電流制御器
４ ｑ軸電流制御器
５ ２相−３相変換機
６ インバータ
７ モータ
８ 速度検出器
９ ３相−２相変換機
１０ 電流検出部
１１ バッテリ
２１ 過励磁状態
２２ 弱め界磁状態

Claims (3)

1. 電流値を励磁電流成分とトルク電流成分とにベクトル分割してそれぞれの電流成分を独立に制御するように構成された誘導電動機用のベクトル制御装置であって、
   回転数、トルク、トルク電流及び励磁電流の関係のデータが記述されたデータテーブルと、
   回転数及びトルク指令を取得し、前記データテーブルを参照してトルク電流指令及び励磁電流指令を生成する電流指令生成器と、
   前記誘導電動機運転時に前記データテーブルに記述されたデータを、運転状態に合わせたデータに書き換えるデータ更新手段と、を有し、
   前記データ更新手段は、
   １次抵抗（Ｒ）を求める手段と、
   前記電流指令生成器で生成した励磁電流及びトルク電流を用いて２次時定数（Ｌ／Ｒ）及びインダクタンス（Ｌ）を求める手段と、
   前記２次時定数（Ｌ／Ｒ）及びインダクタンス（Ｌ）に基づいて新たな励磁電流及びトルク電流を演算する手段と、
   前記新たな励磁電流及びトルク電流に前記データテーブルを書き換えることによって、誘導電動機の運転状態に合わせて前記データテーブルのデータを更新する手段とから成ることを特徴とする誘導電動機のベクトル制御装置。
2. 電流指令生成器で電流値を励磁電流成分とトルク電流成分とにベクトル分割してそれぞれの電流成分を独立に制御する誘導電動機用のベクトル制御方法であって、
   回転数、トルク、トルク電流及び励磁電流の関係のデータが記述されたデータテーブルを与えるステップと、
   前記電流指令生成器がトルク指令を取得するステップと、
   前記電流指令生成器が回転数を取得するステップと、
   前記電流指令生成器が前記トルク指令及び回転数から、前記データテーブルを参照してトルク電流指令及び励磁電流指令を生成するステップと、
   前記誘導電動機運転時に前記データテーブルに記述されたデータを運転状態に合わせたデータに書き換えるデータ更新ステップと、を備え、
   前記データ更新ステップは、１次抵抗（Ｒ）を求めるステップと、前記トルク電流指令及び励磁電流指令を用いて２次時定数（Ｌ／Ｒ）及びインダクタンス（Ｌ）を求めるステップを有し、前記２次時定数（Ｌ／Ｒ）及びインダクタンス（Ｌ）に基づいて新たな励磁電流及びトルク電流を演算し、前記誘導電動機を運転する際にモータの運転状態に合わせたデータに前記データテーブルのデータを更新することを特徴とする誘導電動機のベクトル制御方法。
3. 前記１次抵抗（Ｒ）を求める手段は、
   前記１次抵抗（Ｒ）に交流電流を供給する手段と、
   前記交流電流を直流電流に切り替える切替手段と、を有し、
   直流電流の電流値及び電圧値から１次抵抗（Ｒ）を演算する手段であって、
   前記交流電流を供給し始めてから前記切替手段によって直流電流に切り替えるまでの時間を調整することによって、直流電流に切り替える際の誘導電動機の温度を調整できるようにしたことを特徴とする請求項１記載の誘導電動機のベクトル制御装置。

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