JP2615688B2 - 誘導電動機の制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、電気自動車などに用いる誘導電動機の制
御方法、特にそのエネルギー効率の改善に関する。

［従来の技術］ 従来から交流電動機のトルク応答制御として、１次電
流を励磁電流とトルク電流に分解して考えるベクトル制
御が広く行なわれている。そして、誘導電動機のベクト
ル制御は通常励磁電流を一定値としておき、トルク電流
を変更して出力トルクを制御している。

また、特公昭61−59071号公報には誘導電動機の回転
数が所定値まで増加した時には、励磁電流を減少させる
界磁弱め制御について示されている。

さらに、特公昭58−49092号公報には、誘導電動機の
低負荷時において、励磁電流をあらかじめ定められた一
定の比率で減少し、界磁弱め制御を行うことが示されて
いる。

また、各出力トルク毎に最適な励磁電流値、トルク電
流値を実験により求めておき、この実験データに基づい
て、励磁電流値、トルク電流値を制御する方法も知られ
ている。

［発明が解決しようとする問題点］ このような従来の誘導電動機の制御方法においては、
次のような問題点があった。

（Ａ）励磁電流を一定とする場合は、低負荷時にエネル
ギーの損失が大きいという問題点があった。

つまり、励磁電流を一定値とする場合は必要とされる
最大トルクに対応する値に励磁電流を固定する必要があ
る。このため、低負荷領域においては、励磁電流が必要
以上に大きくなり、エネルギー損失が大きくなるという
問題点があった。そして、特に電気自動車の駆動源とし
ての誘導電動機のような場合、発進時、急加速時、上り
坂走行時など高負荷の場合が多くある。このため、この
ような高トルク時に合わせて励磁電流値を設定すると、
低トルク時のエネルギーロスが非常に大きくなる。

（Ｂ）特公昭61−59071号公報記載のように高回転時に
界磁弱め制御を行っても、低負荷時のエネルギー損失を
減少することはできない。

（Ｃ）特開昭57−49092号公報記載のように、低負荷時
に界磁弱め制御を行えば、ある程度のエネルギー効率の
改善は図れる。しかし、励磁電流値を最適値にできる訳
ではなく、十分なエネルギー効率の改善は図れなかっ
た。また、トルク電流と励磁電流の配分を変更すると、
磁束が励磁電流に対して一次遅れになっていることに起
因して、過渡的にトルクはこれらの積に比例しなくなり
最適なトルク制御が行えなかった。

（Ｄ）最適値をあらかじめ求めた実験データによって求
める方法によれば、かなりの場合に適当な励磁電流、ト
ルク電流の設定が行え、エネルギーロスを減少できる。
しかし、この方法で精度を上げるためには、実験量をそ
れだけ多くしなければならず、また実験条件の設定上の
都合上すべての場合に十分な対応をすることは困難であ
った。

この発明は、このような問題点を解決するためになさ
れたものであって、トルク指令値に変化のない時はすべ
り角周波数を誘導電動機の特性値から演算算出した銅損
を最小とする最適すべり角周波数に保持するため、この
状態でのエネルギー効率を最適に保つことができトルク
指令値が変化する時はベクトル制御により応答性の良い
制御が行える誘導電動機の制御方法を提供することを目
的とする。

［問題点を解決するための手段］ この発明の誘導電動機の制御方法は、トルク指令値に
基づいて誘導電動機への電力供給を制御する誘導電動機
の制御方法において、トルク指令値の変化が実質的にあ
る場合は励磁電流を一定値に保ったまますべり周波数お
よびトルク電流を変更するベクトル制御を行い、誘導電
動機の出力トルクを上記トルク指令値に応じたものと
し、トルク指令値の変化が実質的にない場合は、すべり
周波数を上記誘導電動機の１次側抵抗、２次側抵抗、相
互インダクタンス、２次側リアクタンスの各特性値から
演算算出して得た上記誘導電動機における銅損を最小と
する最適すべり角周波数とするとともに、励磁電流及び
トルク電流を上記トルク指令値に応じたものとし、誘導
電動機の出力トルクを上記トルク指令値に応じたものと
することを特徴とするとともに、上記最適すべり角周波
数は次式によって演算算出することを特徴とする誘導電
動機の制御方法である。

ωs min＝［R1・R2²/｛M²R2＋R1（L2＋l2）^２｝］^0.5 （ここで、ωs minは最適すべり角周波数、R1は１次側
抵抗、R2は２次側抵抗、Ｍは１次側２次側の相互インダ
クタンス、L2は２次側インダクタンス、l2は２次側漏れ
インダクタンスである） ［作用］ この発明によれば、最初に誘導電動機の１次側抵抗、
２次側抵抗、相互インダクタンス、２次側リアクタンス
の各特性値から該誘導電動機の銅損を最小とする最適す
べり角周波数を演算算出する。

そして、トルク指令値が変化しない場合は、すべり周
波数をこの最適すべり各周波数にするとともに、励磁電
流及びトルク電流をトルク指令に対応した所定値にす
る。また、トルク指令値が変化する場合は、励磁電流を
一定に保った状態ですべり周波数およびトルク電流を変
更し出力トルクを制御するベクトル制御を行う。

このように、トルク指令値の変化する過渡状態におい
ては応答性の良いベクトル制御を行い、変化のない場合
はすべり角周波数を最適すべり角周波数にするととも
に、トルク指令値に励磁電流及びトルク電流の両方をト
ルク指定値に応じたものとする。このため、トルク指令
値の変化量が大きい場合には応答性の良い制御が行える
にもかかわれず、トルク指令値の変化量がない場合に
は、低トルク領域及び高トルク領域の両方において、エ
ネルギー効率の最適化制御が行え、エネルギー損失を最
小限におさえることができる。

［実施例］ この発明に係る誘導電動機の制御方法を適用した電気
自動車の一実施例について図面に基づいて説明する。

直流電源10からの直流電力は、PWM（パルス幅変調）
制御を行うインバータ主回路12のスイッチングトランジ
スタ（図示せず）のスイッチング制御によって、所定の
交流電力に変換され、誘導電動機14に供給される。そし
て、誘導電動機14が駆動制御されることによって、電気
自動車の走行が制御される。

この誘導電動機14の回転数ωｒはタコジェネレータ16
によって検出される。そして、この回転数ωｒは加算器
18に供給される。また、誘導電動機14への供給電流量は
電流センサ20によって計測され、この電流量の計測値は
２−３相変換器22に供給される。

２−３相変換器22は、励磁電流指令値I0およびトルク
電流指令値ITおよび電源角周波数指令値ω０の供給を受
け、これを３相の電流指令値Iu、Iv、Iwに変換し、イン
バータ主回路12のスイッチングを制御する。

そして、この２−３相変換器22に供給される励磁電流
指令値I0、トルク電流指令値ITおよび電源角周波数指令
値ω０はベクトル制御演算部100、遷移制御演算部200、
すべり一定最適制御演算部300のいずれかから供給され
る。この演算部の選択は、トルク指令値Tqの変化を検出
する制御部決定部400からの選択信号Ｃによって行われ
る。

ここで、第２図に基づいてこの制御全体の流れを説明
する。

スタートすると、最初にベクトル制御演算部100にお
ける励磁電流指令値I0を最大値I0maxに設定する（I0＝I
0max）。これは、スタート時点では最大トルク指令ITma
xに備えておいた方が良いからである。

次に、トルク指令値Tqを制御部決定部400が取込む
（トルク指令値Tq）。そして、ここでこのTqに変化があ
ったかどうかをチェックする（Tq変化あり）。スタート
直後の場合はトルク指令値Tqに変化があるので、制御部
決定部400は選択信号Ｃによってベクトル制御演算部100
を選択する（Yes）。

ベクトル制御演算部100は、I0をI0maxに保持した状態
で入力されるトルク指令値Tqに対応したすべり角周波数
ωｓ、トルク電流指令値ITを演算算出する（ベクトル制
御演算）。そして、この演算によって得たトルク電流指
令値IT、および上記I0maxを励磁電流指令I0として２−
３相変換器22に出力する。また、演算によって得たすべ
り周波数wsを加算器18を開し、２−３相変換器22に出力
する。この出力が終った後、制御部決定部400における
カウント時間Ｔをリセットする（Ｔ＝０）。

２−３相変換器22は供給された励磁電流指令値I0、ト
ルク電流指令値ITから一次電流指令値I1を算出し、これ
を加算器18から供給される電源周波数ω０によって３相
一次電流値Iu、Iv、Iwを決定する。そして、この３相一
次電流指令値に基づいてインバータ主回路12を制御する
（Iu、Iv、Iw出力）。

そして、次のループのトルク指令Tqの取込みに戻る
（トルク指令値Tq）。ここで、トルク電流指令値Tqの変
化をチェックし、変化がある場合は、上述の場合と同じ
ようにベクトル制御を行う。

次に、トルク指令Tqに変化がない場合はカウント時間
Ｔに所定値、例えば１を加算する（Ｔインクリメン
ト）。ベクトル制御を行った時は上述のカウント時間Ｔ
が０になっているので、このカウント時間Ｔは、トルク
指令値Tqの変化がない時間をカウントしたものとなる。

次に、このカウント時間Ｔをあらかじめ記憶されてい
る所定時間ΔＴと比較する（Ｔ＞ΔＴ）。この所定時間
ΔＴは、ベクトル制御から他の制御に移る場合の実質的
にトルク指令値Tqが一定であることを判断する時間とな
っている。そして、このカウント時間Ｔが所定時間ΔＴ
より小さい場合（No）は、トルク指令値Tqが変化してい
ないとの判断はできないため、トルク指令値Tqの取込み
に戻る。

このループを繰返しカウント時間Ｔが所定時間ΔＴよ
り大きくなった場合は、トルク指令値Tqが実質的に一定
とみなせるので、制御部決定部400は選択信号Ｃの変更
によって他の制御部、つまり遷移制御演算部200または
すべり一定最適制御演算部300を選択する。

この選択のため、カウント時間Ｔと所定時間ΔＴの２
倍の値と比較する（Ｔ＞２ΔＴ）。そして、カウント時
間ＴがΔＴと２ΔＴの間にある場合は遷移制御演算部20
0を選択し、２ΔＴ以上の場合は、すべり一定最適制御
演算部300を選択する。つまり、遷移制御演算部200は、
トルク指令値Tqが所定時間Ｔ秒以上一定である場合にベ
クトル制御からすべり一定最適制御に直接切替えず一度
経由する演算部である。なお、ここで、すべり一定最適
制御演算部300に切替えるまでの時間としてΔＴを使用
したが、他の適当な値でも良い。

遷移制御演算部200、すべり一定最適制御演算部300は
独自の演算式によって、励磁電流指令値I0、トルク電流
指令値IT、すべり角周波数ωｓを演算算出し、これを２
−３相変換器22および加算器18に出力する。そして、こ
れらの値に基づいて、２−３相変換器18がインバータ主
回路12におけるスイッチングを制御し、誘導電動機14の
出力トルク制御を行う。

このようにして、トルク指令値Tqの一定な時間がが所
定時間ΔＴから２ΔＴの時は遷移制御演算部200による
制御が行なわれ、一定な時間が２ΔＴを越えた場合はす
べり一定最適制御演算部300による制御が行なわれる。
また、トルク指令値Tsの一定な時間がΔＴ以下の場合は
ベクトル制御演算部100による制御が引き続き行なわれ
る。

次に、ベクトル制御演算部100におけるベクトル制
御、遷移制御演算部200における遷移制御およびすべり
一定最適制御演算部300での演算におけるすべり一定最
適制御について説明する。

まず、ベクトル制御演算部100においては、従来から
周知のように励磁電流を一定値に保持した状態で、出力
トルクＴが所定値となるようにすべり角周波数ωｓおよ
びトルク電流指令値I0を決定する。すなわち、誘導電動
機14の励磁方向およびトルク方向の２軸に分けた状態式
より、次のように各値を決定する。

I0＝Ｉα（一定） Φ２＝MIα（一定） ωｓ＝R2・Tq/Φ2² I_T＝（L2＋l2）ωｓ・Φ2/M・R2 ここで、I0は励磁電流指令値、Ｉαは定数、Φ２は２
次磁束、Ｍは相互インダクタンス、R2は２次抵抗、Tqは
トルク指令値、ωｓはすべり角周波数指令値、L2は２次
インダクタンス、l2は漏れインダクタンス、I_Tはトル
ク、電流指令値である。

このようにして、あらかじめ定められている定数Ｉα
（スタート当初は上述のようにＩαとしてI0maxが採用
される）より２次磁束Φ２を決定し、この２次磁束Φ２
とトルク指令値Tqとよりすべり周波数指令値ωｓ、さら
にトルク電流指令値ITを算出する。そして、これら励磁
電流指令値I0、トルク電流指令値IT、すべり角周波数指
令値ωｓに基づいてインバータ主回路におけるスイッチ
ングを制御する。

これによってトルク指令値Isの変化に対する応答性の
よいベクトル制御が行える。

次に、すべり一定最適制御演算部300における演算に
ついて説明する。このすべり一定最適制御演算部300は
誘導電動機14の特性値より最適すべり角周波数ωs min
を算出し、ここに記憶しており、すべり角周波数をこの
最適角周波数ωs minに保持する。

そこで、この最適すべり角周波数ωsminの算出方法に
ついて以下に説明する。まず、誘導電動機14を２軸変換
した場合の等価回路を第３図に示す。ここで、すべり一
定最適制御演算部300による制御を行う場合は、定常状
態のため、次のような関係が成立つことが分る。

I1d＝Φ2/M I1q＝｛（L2＋l2）/R2｝・ωｓ・Φ2/M I2d＝０ I2q＝−ωｓ・Φ2/R2 ここで、i1dは１次側励磁電流でI0に対応するもので
あり、i1qは１次側トルク電流でITに対応するものであ
り、i2dは、i2qはそれぞれ２次側の励磁電流、トルク電
流である。また、ωｓはすべり角周波数、L2は２次側イ
ンダクタンス、l2は２次側漏れインダクタンス、R2は２
次側抵抗、Φ２は２次側磁束である。

また、出力トルクＴは、 Ｔ＝Φ２・i2q であり、これをすべり周波数ωｓを使って表せば次のよ
うになる。

Ｔ＝ωｓ・Φ2²/R2 る。

ここで、この最適すべり角周波数のωs minの算出
は、誘導電動機14の定常回転時において、特定のすべり
角周波数ωで誘導電動機14の銅損Ｌが最小となること基
本とする。

そして、誘導電動機14における抵抗への電流流通の際
のエネルギー損失である銅損Ｌは、電流の２乗に抵抗を
乗算したものなので、次のように表せることになる。

Ｌ＝（I1d²＋I1q²）R1＋（I2d²＋I2q²）R2 ＝Ｔ［｛１＋（L2＋l2）²/M²×R1/R2｝ωｓ＋R1・R2/M² ×1/ωｓ］ この銅損Ｌを最小にするωｓ、つまり最適すべり角周
波数ωs minを求める為には、この銅損Ｌをωｓで微分
し、これが０となるωｓを求めればよい。このようにし
て、最適すべり角周波数ωs minが次式のように求めら
れる。

ωs min＝［R1・R2²/｛M²・R2＋R1（L2＋l2）^２｝］^0.5 また、すべり周波数ωｓをこの最適すべり角周波数ω
s minに固定すると、励磁電流I0はトルク指令値Tqに応
じて次のように表される。ここで、この時の励磁電流I0
をＩα′とする。

I0＝Ｉα′ Ｉα′＝（R2・Tq/ωs min）^0.5/M さらにトルク電流指令値IT、２次磁束Φ２は次のよう
になる。

IT＝｛（L2＋l2）/M・R2｝・（ωs min・Tq/R2）^0.5 Φ２＝（R2・Tq/ωs min）^0.5 このようにすべり一定最適制御演算部300では、誘導
電動機14の特性値より定常状態における銅損Ｌの最小と
なる最適すべり角周波数ωs min算出する。そして、す
べり周波数ωｓを最適周波数ωs minにした状態で励磁
電流指令値I0、トルク電流指令値ITをトルク電流指令値
Tqに応じた値とする。このため、定常状態においてエネ
ルギー効率の非常に良い運転が可能となる。なお、この
最適すべり角周波数ωs minはすべり角周波数指令値と
して加算器18にを介し、励磁電流指令値I0、トルク電流
指令値ITは直接２−３相変換器22に供給される。

次に、ベクトル制御からすべり一定制御に移行する際
の制御である遷移制御演算部200における遷移制御につ
いて説明する。

つまり、トルク指令TqがΔＴ秒間変化しない場合は、
次のΔＴ秒間は出力トルクを一定として、すべり角周波
数ωｓを最適すべり角周波数ωs minに変化させる。こ
こで、出力トルクＴをトルク指令値Tgに応じたものとす
るためには、励磁電流I0を最適すべり周波数ωs minに
対応した励磁電流指令値Ｉα′とする必要がある。

この励磁電流I0の変更を瞬時に行うと、その制御が滑
かでなくなるため、遷移制御演算部200によってこの接
続を滑かにする制御を行う。

第１の例としては、この励磁電流I0をベクトル制御に
おける一定値Ｉαからすべり一定最適制御における励磁
電流Ｉα′に変更する際２次関数とする。

つまり、遷移制御演算部300における制御がΔＴ秒間
で完了するとして励磁電流I0が次のように変化させる。

I0＝（Ｉα−Ｉα′）（ｔ−ΔＴ）²/ΔT²＋Ｉα′ この式に従えば、励磁電流I0はＩαからＩα′に２次
関数で滑かに変化する。

なお、上式に代えて下式のような直線で変化させても
良い。

I0＝（Ｉα′−Ｉα）t/ΔＴ＋Ｉα ここで、第４図に励磁電流I0を２次関数で変化させた
場合と直線で変化させた場合の変化の状態を示す。

このように、励磁電流I0を変更した場合の２次磁束Φ
２は次のようになる。

そして、このような２次磁束Φ２に対し、出力トルク
をトルク指令値Tqに対応したものとするため、トルク電
流指令値IT、すべり角周波数ωｓは次のようになる。

IT＝（Ｋ・R2・Tq）/M・Φ２ ωｓ＝Ｍ・IT/K・Φ２ このようにして、ベクトル制御からすべり一定最適制
御への切替えが行なわれる。

また、遷移制御またはすべり一定最適制御を行ってい
る時にトルク指令値Tqが変化した場合は第２図のフロー
チャートから明らかなようにベクトル制御に戻る。ここ
で、ベクトル制御の場合励磁電流I0を一定値に保持す
る。そこで、この励磁電流I0は直前の値を保持すること
とする。つまり、すべり一定最適制御などにおける励磁
電流値I0をそのままＩαとして保持することとなる。

なお、トルク指令値Tqが例えば最大トルク指令値Tq m
axとなった場合には、励磁電流指令値I0も最大励磁電流
指令値I0maxとする必要がある。このため、励磁電流I0
が低いために十分なトルクを得られない場合には、励磁
電流指令値I0を変更できるようにするとよい。例えば、
遷移制御で用いた励磁電流指令値I0の変更方法をそのま
ま用いて、励磁電流指令値I0を最大励磁電流指令値I0ma
xに変更してもよい。

以上のように、この実施例の方法によればトルク指令
値Tqが一定の場合には誘導電動機14の特性値から銅損Ｌ
を最小とできるすべり周波数ωs minに保持し、エネル
ギー効率の非常に良い制御が行える。

（Ｂ）トルク指令値Tqが変化する過渡期には、従来と同
様の励磁電流指令値I0を一定に保持するベクトル制御に
より応答性の良い制御が行える。

（Ｃ）さらに、ベクトル制御からすべり一定最適制御に
移行する際には、励磁電流指令値I0を変更しなければな
らないが、遷移制御演算部200によりこの移行をスムー
ズに行うことができる。

なお、以上の実施例においては、トルク指令値Tqに変
化があるかどうかの判定に、所定の時間ΔＴ秒間トルク
指令値Tqに変化がないかどうかのチェックを行ったが、
これに限らず下記のような方法でも良い。

つまり、ある時間TAにおけるトルク指令値をTqAとし
所定の時間Δ後のトルク指令値をTqΔとし、下記の場合
にトルク指令値Tqに変化があると判定することなどが考
えられる。

（Ａ）ΔTq＝|TqΔ−TqA|≠０ （Ｂ）トルク指令値Tqの微分値の絶対値が所定の微小値
ε以上の場合。

つまり、 ｜（TqΔ−TqA）／Δ｜＞ε （Ｃ）トルク指令値TqΔが所定の定数αより大きい場
合。

TqΔ＞α （Ｄ）トルク指令値Tqの変化の絶対値が所定の定数βを
越える場合。

ΔTq＞β ［発明の効果］ 以上のように、この発明に係る誘導電動機の制御方法
によれば、トルク指令値が一定の場合にすべり角周波数
を銅損を最小とできる最適角周波数とするので、エネル
ギー損失の少ない誘導伝動機の運転が行え、トルク指令
値が変化している場合にはベクトル制御を行うので、応
答性の良い制御が行える。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る誘導電動機の制御方
法を適用したシステムのブロック図、 第２図は同実施例の動作を示すフローチャート図、 第３図は同実施例の誘導電動機14の等価回路図、 第４図は遷移制御における励磁電流の変化を示す特性図
である。 10……直流電源 12……インバータ主回路 14……誘導電動機 100……ベクトル制御演算部 200……遷移制御演算部 300……すべり一定最適制御演算部 400……制御部決定部

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】トルク指令値に基づいて誘導電動機への電
   力供給を制御する誘導電動機の制御方法において、 トルク指令値の変化が実質的にある場合は励磁電流を一
   定値に保ったまますべり周波数及びトルク電流を変更す
   るベクトル制御を行い、誘導電動機の出力トルクを上記
   トルク指令値に応じたものとし、 トルク指令値の変化が実質的にない場合は、すべり周波
   数を上記誘導電動機の１次側抵抗、２次側抵抗、相互イ
   ンダクタンス、２次側リアクタンスの各特性値から式ω
   s min＝［R1・R2²/｛M²R2＋R1（L2＋l2）^２｝］^0.5（こ
   こで、ωs minは最適すべり角周波数、R1は１次側抵
   抗、R2は２次側抵抗、Ｍは１次側２次側の相互インダク
   タンス、L2は２次側インダクタンス、l2は２次側漏れイ
   ンダクタンスである）で演算算出して得た上記誘導電動
   機における銅損を最小とする最適すべり角周波数とする
   とともに、励磁電流及びトルク電流を上記トルク指令値
   に応じたものとし、誘導電動機の出力トルクを上記トル
   ク指令値に応じたものとすることを特徴とする誘導電動
   機の制御方法。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項記載の方法におい
   て、上記ベクトル制御を行う際の励磁電流は、そのベク
   トル制御を始める直前の値に保持することを特徴とする
   誘導電動機の制御方法。