JP2015233372A

JP2015233372A - 多巻線交流モータの制御方法

Info

Publication number: JP2015233372A
Application number: JP2014118844A
Authority: JP
Inventors: 耕太郎中野; Kotaro Nakano
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 2014-06-09
Filing date: 2014-06-09
Publication date: 2015-12-24

Abstract

【課題】巻線間の電流のバラツキを抑制する多巻線モータの制御方法を提供する。【解決手段】多巻線交流モータ（１）の第１、２の巻線（３、４）のそれぞれに、第１、２のインバータ回路（２２、３０）を設け、各巻線でｄｑ座標における第１、２の電流を検出する。ｄｑ座標における電圧指令が与えられたとき、第１のインバータ回路（２２）については、この電圧指令を交流電圧の各相の相電圧に変換し、それによって制御する。一方、第２のインバータ回路（３０）については、第２の巻線の電流が、第１の電流と一致するように制御する。つまり、第１の電流に対する第２の電流の偏差を得、該偏差からｄｑ座標における補償電圧を演算し、電圧指令に加算して補償後電圧指令を得、これを交流電圧の各相の相電圧に変換して第２のインバータ回路（３０）を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の巻線を備えた多巻線交流モータの制御方法に関するものである。

交流モータ、例えば三相交流モータは、固定ステータにＵ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルが設けられている。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相からなるコイルは３個を１組として、それぞれの巻線が結線され、互いに１２０度の角度で配置されている。容量の大きい交流モータの場合には、このようなコイルの組が複数組設けられている。例えば、６スロットの三相交流モータの場合には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相からなる１組のコイルが２組設けられ、９スロットの三相交流モータの場合には３組設けられている。１組のコイルには１組の巻線が設けられているので、６スロット、９スロットの三相交流モータには２組、３組の巻線が設けられている。このような交流モータを複数巻線交流モータ、あるいは多巻線交流モータと呼んでいる。

多巻線交流モータは、巻線の個数と同数のインバータ回路によって駆動されるようになっており、複数のインバータ回路を制御して交流電圧を供給するようにしている。図２には、多巻線交流モータの制御装置の従来例が示されている。この従来例では、多巻線交流モータ５１は、第１、２の巻線５２、５３の２組の巻線から構成され、それぞれの巻線はＹ結線されている。これら第１、２の巻線５２、５３に対して、第１、２のインバータ回路５５、５６が設けられ、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相からなる三相交流電圧を供給し、多巻線交流モータ５１を駆動するようになっている。このような第１、２のインバータ回路５５、５６は、色々な制御方法で制御することができるが、図２に示されている制御装置５８は、比較的シンプルな制御方法で制御する装置である。制御装置５８は、第１のインバータ回路５５を含み、これを制御するマスター制御部６０と、第２のインバータ回路５６を含み、これを制御するスレーブ制御部６１とからなる。外部から要求される多巻線交流モータ５１の回転速度の目標値、つまり速度指令はマスター制御部６０に与えられるようになっている。マスター制御部６０において、速度指令は速度制御器６３で処理され、これを実現するのに必要となる電流指令が計算される。ところで多巻線モータ５１にはエンコーダ６４が設けられ、このエンコーダ６４で回転速度の実測値つまり実速度も測定されている。速度制御器６３にはこの実速度も入力されている。従って速度制御器６３では、速度指令と実速度の偏差が小さくなるように電流指令を計算する。なお、この電流指令はｄｑ座標における電流指令であり、トルクを発生させるためのｑ軸電流と磁束を発生させるためのｄ軸電流とを計算することになる。このようにして計算された電流指令は電流制御器６５に入力される。ところで、第１のインバータ回路５５から出力される３相の電圧線には、少なくとも２相において電流センサ６６が設けられ、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の相電流が検出されるようになっている。これらは第１の巻線５２の相電流である。これらの相電流はマスター制御部６０の電流検出器６７において、エンコーダ６４の回転位置に基づいてｄｑ座標における電流に変換される。つまり第１の巻線５２の電流である。このような電流も電流制御器６５に入力される。電流制御器６５は、与えられた電流指令を実現するように、かつ電流指令と電流の偏差が小さくなるように、ｄｑ座標における電圧指令を計算し、ＰＷＭ生成器６８に送る。ＰＷＭ生成器６８では、ｄｑ座標における電圧指令をＵ相、Ｖ相、Ｗ相における相電圧に変換し、ＰＷＭ変換してＰＷＭ制御信号を得る。このＰＷＭ制御信号によって第１のインバータ回路５５を制御する。第１のインバータ回路５５によって三相交流電圧が生成され、これが第１の巻線５２に供給される。一方、マスター制御部６０の電流制御器６５が生成する電圧指令は、スレーブ制御部６１のＰＷＭ生成器７０にも送られる。ＰＷＭ生成器７０は、ｄｑ座標における電圧指令をＵ相、Ｖ相、Ｗ相における相電圧に変換し、ＰＷＭ変換してＰＷＭ制御信号を得る。このＰＷＭ制御信号によって第２のインバータ回路５６を制御する。第２のインバータ回路５６によって三相交流電圧が生成され、第２の巻線５３に供給される。

特開２００７−２４４００９号公報

多巻線交流モータを他の制御方法で制御する制御装置が特許文献１において提案されている。特許文献１に記載の制御装置も、マスター制御部と、スレーブ制御部とから構成されており、マスター制御部とスレーブ制御部のそれぞれのインバータ回路で生成した交流電圧が、多巻線交流モータの第１、２の巻線に供給されるようになっている。この文献の制御装置においては、ＰＷＭ制御信号を載せるＰＷＭキャリアを、マスター制御部とスレーブ制御部とで同期させるようになている。これによってマスター制御部とスレーブ制御部のそれぞれのインバータ回路に与えられるＰＷＭ制御信号は、実質的に完全に同期させることができる。

多巻線交流モータを制御するとき、図２において説明した、比較的シンプルな従来の制御装置によって制御することもできるし、特許文献１に記載の制御装置によって制御することもできる。しかしながら、解決すべき問題も見受けられる。具体的には、巻線間で電流の不均衡が発生して特定の巻線において劣化が進行し易い、または性能が得られないという問題がある。これを説明する。多巻線交流モータのそれぞれの巻線は、電気的および磁気的な特性がほぼ同等になるように製造されているが、必ずしもこれらの特性は等しくはない。例えば抵抗にわずかな違いが生じている。またこのような巻線のそれぞれに交流電圧を供給するインバータ回路も、スイッチング素子の性能等にわずかな違いがあるので、全てのインバータ回路はわずかに性能が相違している。ところで、多巻線交流モータでは、それぞれの巻線のコイルは互いに磁気的に結合しているので、相互に干渉する。つまり干渉インダクタンスが働く。そうすると所定の巻線に対する制御が、他の巻線に対する制御に影響を与えてしまう。前記したように各巻線において電気的、磁気的な特性にはわずかに違いがあり、インバータ回路の性能にもわずかに違いがあるので、仮に全てのインバータ回路を完全に同期させて同じような制御をしても、多巻線交流モータの各巻線の電流はわずかに相違してしまう。ところが実際には干渉インダクタンスによる影響によって、全てのインバータ回路は同等に制御するのは難しいので、巻線間の電流の相違は無視できない大きさになる。つまり、巻線間における電流のバラツキが必然的に発生する。そうすると特定の巻線において劣化が早期に進行したり、多巻線交流モータが故障し易くなってしまう。また期待した性能が得られないことになる。そこで、例えば干渉インダクタンスによる影響を評価して、この影響を相殺するように交流電圧を制御することも考えられる。そうすると電流のバラツキの拡大を抑制でき、このような問題が概ね解消するからである。ところでこのような干渉インダクタンスによる影響を相殺する制御方法は、色々と提案されている。しかしながらいずれの方法も、干渉インダクタンスを正確に測定する必要があったり、複雑な計算が必要であったりして、制御装置が高価になってしまう。つまり干渉インダクタンスによる影響を相殺する制御方法は採用が難しい。さて、巻線間の電流のバラツキについて詳細に検討すると、高周波数で多巻線交流モータを駆動しているときには、干渉インダクタンスの影響は大きいが、電流のバラツキの状態は高速に変化するので長時間累積した状態では巻線間における電流のバラツキは無視することができる。つまり劣化の進行が特定の巻線に集中する問題はほとんどないし、多巻線交流モータにおいて期待した性能は得られる。一方低周波数で多巻線交流モータを駆動しているときには、干渉インダクタンスの影響は相対的に小さいが、電流のバラツキの状態が比較的長い時間継続してしまう。そうすると劣化の進行が特定の巻線に集中してしまう。そして期待した性能が得られない。

本発明は、上記したような問題点を解決した、多巻線交流モータの制御方法をを提供することを目的としており、具体的には、特に低周波数で多巻線交流モータを駆動するときに、特定の巻線に劣化の進行が集中することがなく多巻線交流モータが故障しにくく、そして期待した性能が得られる、多巻線交流モータの制御方法を提供することを目的としている。

本発明は、多巻線交流モータの制御方法として構成し、多巻線交流モータの第１〜ｎの巻線のそれぞれに、第１〜ｎのインバータ回路を設ける。そして、第１〜ｎの巻線のそれぞれについてｄｑ座標における電流である第１〜ｎの電流を検出するようにする。ｄｑ座標における電圧指令が与えられたとき、第１のインバータ回路については、この電圧指令を交流電圧の各相の相電圧に変換し、これをＰＷＭ変換して得たＰＷＭ制御信号によって制御する。一方、他のインバータ回路、つまり第２〜ｎのインバータ回路については、電圧の供給対象の巻線の電流が、第１の電流と一致するように制御する。具体的には、次のようにする。ｍを２〜ｎの任意の数とするとき、第ｍのインバータ回路については、第１の電流に対する第ｍの電流の偏差を得、該偏差からｄｑ座標における補償電圧を演算し、電圧指令に該補償電圧を加算して補償後電圧指令を得、該補償後電圧指令を交流電圧の各相の相電圧に変換し、これをＰＷＭ変換して得られたＰＷＭ制御信号によって制御する。

すなわち、請求項１に記載の発明は、上記目的を達成するために、ｄｑ座標における電圧指令に基づいて第１〜ｎのインバータ回路を制御し、多巻線交流モータの第１〜ｎの巻線のそれぞれに交流電圧を供給して該多巻線交流モータを駆動するとき、前記第１〜ｎの巻線のそれぞれについてｄｑ座標における電流である第１〜ｎの電流を検出し、前記第１のインバータ回路については、前記電圧指令を交流電圧の各相の相電圧に変換し、これをＰＷＭ変換して得られたＰＷＭ制御信号によって制御するようにし、ｍを２〜ｎの任意の数とするとき、前記第ｍのインバータ回路については、前記第１の電流に対する前記第ｍの電流の偏差を得、該偏差からｄｑ座標における補償電圧を演算し、前記電圧指令に該補償電圧を加算して補償後電圧指令を得、該補償後電圧指令を交流電圧の各相の相電圧に変換し、これをＰＷＭ変換して得られたＰＷＭ制御信号によって制御するようにすることを特徴とする、多巻線交流モータの制御方法として構成される。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の制御方法において、外部から与えられる速度指令と前記多巻線交流モータにおいて検出される回転速度とからｄｑ座標における電流指令を計算し、該電流指令と前記第１の電流とから前記電流指令を計算するようにすることを特徴とする、多巻線交流モータの制御方法として構成される。

以上のように、本発明によると、ｄｑ座標における電圧指令に基づいて第１〜ｎのインバータ回路を制御し、多巻線交流モータの第１〜ｎの巻線のそれぞれに交流電圧を供給して該多巻線交流モータを駆動する、多巻線交流モータの制御方法として構成されている。そして、第１〜ｎの巻線のそれぞれについてｄｑ座標における電流である第１〜ｎの電流を検出する。また第１のインバータ回路については、電圧指令を交流電圧の各相の相電圧に変換し、これをＰＷＭ変換して得られたＰＷＭ制御信号によって制御する。従って、少なくとも第１のインバータ回路の制御に関しては一般的な多巻線交流モータの制御と同じである。しかしながら本発明によると、ｍを２〜ｎの任意の数とするとき、第ｍのインバータ回路については、第１の電流に対する第ｍの電流の偏差を得、該偏差からｄｑ座標における補償電圧を演算し、電圧指令に該補償電圧を加算して補償後電圧指令を得、該補償後電圧指令を交流電圧の各相の相電圧に変換し、これをＰＷＭ変換して得られたＰＷＭ制御信号によって制御するように構成されている。つまり第２〜ｎのインバータ回路の制御は、本発明に特有の制御を実施することになる。このように制御すると、結果的に第２〜ｎの巻線の電流が第１の巻線の電流に等しくなる。つまり巻線間の電流のバラツキが抑制され、特定の巻線に劣化の進行が集中することを防止でき、多巻線交流モータが故障しにくくなる。そして多巻線交流モータは期待した性能が得られる。

本発明の実施の形態に係る多巻線交流モータの制御方法を示すブロック図である。従来の多巻線交流モータの制御方法を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。本実施の形態に係る多巻線交流モータの制御方法は、２組あるいはそれ以上の複数組の巻線を備えた多巻線交流モータを対象としているが、以下では、２組の巻線を備えた多巻線交流モータを対象として説明する。

本実施の形態に係る多巻線交流モータ１は、三相交流電圧で駆動される交流モータであり、図１に示されているように、第１、２の巻線３、４を備えている。つまり多巻線交流モータ１は、ステータにＵ相、Ｖ相、Ｗ相からなるコイルの組が２組設けられた６スロットのモータになっており、それぞれの組のコイルに第１、２の巻線３、４が設けられている。多巻線交流モータ１には、エンコーダ６が設けられ、回転角度が検出されるようになっている。また、第１の巻線３を構成しているＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧線には、少なくとも２相の電圧線に電流センサ１６が設けられている。これによって少なくとも２相については相電流が検出でき、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相はＹ結線されているので、残りの１相の相電流についても他相の相電流から簡単に計算できる。つまり実質的に相電流が検出できる。また第２の巻線４を構成しているＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧線にも、同様に少なくとも２相の電圧線に電流センサ１７が設けられ、これによって各相の相電流が検出できるようになっている。なお、電流センサ１６、１７は、３相全てに設けられていてもよい。

このような本実施の形態に係る多巻線交流モータ１は、本実施の形態に係る制御装置８によって駆動されるようになっている。制御装置８は、第１の巻線３に供給する三相交流電圧を制御するマスター制御部１０と、第２の巻線４に供給する三相交流電圧を制御するスレーブ制御部１１とからなる。多巻線交流モータ１の目標回転速度つまり速度指令は、図には示されていないコントローラ等の外部の装置から制御装置８に入力され、マスター制御部１０に入力される。具体的には、マスター制御部１０には速度制御器１３が設けられ、この速度制御器１３に入力されるようになっている。速度制御器１３にはエンコーダ６で検出される多巻線交流モータ１の回転速度つまり実速度も入力されるようになっている。速度制御器１３は、目標回転速度である速度指令を達成できるように目標電流つまり電流指令を計算するが、速度指令と実速度の偏差が小さくなるようにフィードバック制御により電流指令を補正する。このようにして計算される電流指令は、ｄｑ座標におけるｄ軸電流とｑ軸電流の目標電流からなる。つまりトルクを発生させるためのｑ軸電流と磁束を発生させるためのｄ軸電流からなる指令になっている。マスター制御部１０の電流制御器１５は、このような電流指令の入力を受ける。また、電流制御器１５は、電流検出器１９から第１の電流の入力も受ける。第１の電流は第１の巻線３を流れる電流であり、電流センサ１６で検出されるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の相電流とエンコーダ６で検出される回転角度とから、電流検出器１９においてｄｑ座標の電流に変換されたものである。つまり第１の電流は、第１の巻線３を流れる実測電流であってｄｑ座標で表わされた電流ということができる。電流制御器１５は、入力された電流指令が実現されるようにｄｑ座標における電圧指令を計算するが、電流指令に対する第１の電流の偏差が小さくなるようにフィードバック制御により電圧指令を補正する。このようにして計算された電圧指令はＰＷＭ生成器２１に入力される。ＰＷＭ生成器２１は、ｄｑ座標で表された電圧指令を変換してＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相の相電圧を得、これらをＰＷＭ変換してＰＭＷ制御信号を得る。得られたＰＷＭ制御信号によって、マスター制御部１０の第１のインバータ回路２２を制御する。そうすると第１のインバータ回路２０から三相交流電圧が生成されて第１の巻線３に供給される。

本実施の形態に係る制御装置８では、マスター制御部１０の電流制御器１５において計算されたｄｑ座標の電圧指令は、スレーブ制御部１１にも送られ、スレーブ制御部１１もこの電圧指令に基づいて、第２の巻線４に供給する交流電圧を制御する。ただし、スレーブ制御部１１においては、第２の巻線４に流れる電流が第１の巻線３に流れる電流に等しくなるように制御する。具体的には補償電圧を、電圧指令に加算して、補正後の指令によって制御をするようにするが、最初に補償電圧について説明する。補償電圧は、第１の巻線３の電流つまり第１の電流に対して、第２の巻線４の電流つまり第２の電流が一致するようにすることを目的として、電圧指令に加算してこれを調整する電圧であり、ｄｑ座標によって表される電圧である。この補償電圧はスレーブ制御部１１の電流偏差補償演算器２５において演算されるが、演算に先立って電流偏差補償演算器２５は、第１、２の電流の入力を受ける。第１の電流については既に説明したようにマスター制御部１０の電流検出器１９で計算されているので、この入力を受ける。一方第２の電流は、スレーブ制御部１１の電流検出器２７で計算される。つまり電流検出器２７は、電流センサ１７から第２の巻線４の三相の相電流を読み取り、エンコーダ６から得られる回転角度に基づいてｄｑ座標における電流に変換し、第２の電流を得る。電流偏差補償演算器２５は、入力された第１、２の電流について偏差を計算する。つまりｄ軸の電流の偏差、ｑ軸の電流の偏差を計算する。次いでこの偏差に基づいて補償電圧を計算する。例えば第１、２の電流の偏差に対して所定の定数を乗じて補償電圧を得るようにしてもよいし、第１、２の電流の偏差を時間積分し、この積分値に所定の定数を乗じて補償電圧を得るようにしてもよい。マスター制御部１０の電流制御器１５からの電圧指令と、電流偏差補償演算器２５からの補償電圧との入力を受けて加算器２４においてこれらを加算して補償後電圧指令を得る。スレーブ制御部１１では、ＰＷＭ生成器２８においてこの補償後電圧指令を変換してＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相の相電圧を得、これらをＰＷＭ変換してＰＭＷ制御信号を得る。得られたＰＷＭ制御信号によって、スレーブ制御部１１の第２のインバータ回路３０を制御する。そうすると第２のインバータ回路３０から三相交流電圧が生成されて第２の巻線４に供給される。スレーブ制御部１１はこのように制御するので、第２の巻線４に流れる第２の電流が、第１の巻線３に流れる第１の電流に一致するように制御されることになる。つまり巻線間３、４における電流のバラツキは抑制される。

上では２組の巻線３、４から構成されている多巻線交流モータ１を例として説明したが、３組以上の巻線を備えた多巻線交流モータであっても同様に制御することができる。３組以上の巻線を備えている場合には、第１の巻線に対してはマスター制御部１０によって制御し、それ以外の巻線、つまり第２、３、…の巻線に対してはスレーブ制御部１１によって制御するようにする。このようにすれば、当業者であれば容易に理解できるように、第２、３、…の巻線の電流である第２、３、…の電流は、第１の巻線の電流である第１の電流に一致するように制御される。

１多巻線交流モータ３第１の巻線
４第２の巻線６エンコーダ
８制御装置１０マスター制御部
１１スレーブ制御部１３速度制御器
１５電流制御器１６電流センサ
１７電流センサ１９電流検出器
２１ＰＷＭ生成器２２第１のインバータ回路
２４加算器２５電流偏差補償演算器
２７電流検出器２８ＰＷＭ生成器
３０第２のインバータ回路

Claims

ｄｑ座標における電圧指令に基づいて第１〜ｎのインバータ回路を制御し、多巻線交流モータの第１〜ｎの巻線のそれぞれに交流電圧を供給して該多巻線交流モータを駆動するとき、
前記第１〜ｎの巻線のそれぞれについてｄｑ座標における電流である第１〜ｎの電流を検出し、
前記第１のインバータ回路については、前記電圧指令を交流電圧の各相の相電圧に変換し、これをＰＷＭ変換して得られたＰＷＭ制御信号によって制御するようにし、
ｍを２〜ｎの任意の数とするとき、前記第ｍのインバータ回路については、前記第１の電流に対する前記第ｍの電流の偏差を得、該偏差からｄｑ座標における補償電圧を演算し、前記電圧指令に該補償電圧を加算して補償後電圧指令を得、該補償後電圧指令を交流電圧の各相の相電圧に変換し、これをＰＷＭ変換して得られたＰＷＭ制御信号によって制御するようにすることを特徴とする、多巻線交流モータの制御方法。
請求項１に記載の制御方法において、外部から与えられる速度指令と前記多巻線交流モータにおいて検出される回転速度とからｄｑ座標における電流指令を計算し、該電流指令と前記第１の電流とから前記電流指令を計算するようにすることを特徴とする、多巻線交流モータの制御方法。