JP3290099B2 - リラクタンス型同期電動機の制御装置 - Google Patents
リラクタンス型同期電動機の制御装置Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、工作機械や産業機
械、電気自動車等に利用される同期電動機の制御装置に
関するものであり、特にリラクタンス型同期電動機の制
御特性改良に関するものである。
械、電気自動車等に利用される同期電動機の制御装置に
関するものであり、特にリラクタンス型同期電動機の制
御特性改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来例を図１１に示す。３相（Ｕ，Ｖ，
Ｗ相）での制御を例にとる。上位制御器より速度指令値
ＳＶＣが指令され減算器１により回転子速度ＳＰＤの差
ＤＩＦが演算される。ＤＩＦが入力されたＰＩ制御器２
により電機子電流指令値ＳＴＣが電流指令演算部５に出
力される。また、回転子速度ＳＰＤを参照して界磁電流
演算部１０１内の界磁電流パターンにより界磁電流指令
値ＳＦＣが電流指令演算部５に出力される。電流指令演
算部５は回転子位置ＳＰ（機械角）を参照し、電気角に
変換後、電機子電流指令値ＳＴＣと界磁電流指令値ＳＦ
Ｃをベクトル演算し、電流指令値ＳＩＣ（ＳＩＵＣ、Ｓ
ＩＶＣ）得る。（なお電機子電流指令値ＳＴＣと界磁電
流指令値ＳＦＣの位相差は電気角でπ／２[rad]であ
る。）その後、Ｕ相電流指令値ＳＩＵＣとそれとの位相
差（２π）／３または（４π）／３［rad]であるＶ相電
流指令値ＳＩＶＣを相分配する。３相中２相が決定され
れば、残りのＷ相の電流（ＳＩＷＣ）は決定されるので
特に図示しない。各相の電流指令値は増幅器８を介して
３相電流として電動機９に印加され電動機９の回転子を
回転させる。回転子にとりつけられた回転子位置検出手
段である検出器１０により回転子位置ＳＰが得られ、電
流指令演算部５および微分器１２にフィードバックされ
る。微分器１２は回転子位置ＳＰを微分して回転子速度
ＳＰＤとして減算器１および界磁電流演算部１０１に出
力される。以上の動作からわかるように、電流指令値Ｓ
ＩＣは界磁電流指令値ＳＦＣと電子電流指令値ＳＴＣを
ベクトル加算して作られる（図２参照）。制御する際、
電機子電流指令値ＳＴＣと電流指令値ＳＩＣが成す角を
動作角α２１と呼ぶことにすると、電機子電流指令値Ｓ
ＴＣおよび界磁電流指令値ＳＦＣが変化した際、動作角
αも変化してしまう。また、界磁弱め制御を行う際、電
機子電流指令値ＳＴＣ＞界磁電流指令値ＳＦＣとなる場
合、動作角α≒０に近づくことになる。界磁弱め領域で
ない場合、界磁電流指令値ＳＦＣは一定の値をとる。こ
の場合の電動機特性は、電機子電流：Ｉｑをｘ軸にとり
出力トルク：τをｙ軸にとった場合、界磁電流：Ｉｄ
（１倍、２倍、３倍、４倍）をパラメータとすると後に
詳述する図６（ａ）のようにそれぞれ線形性のある出力
トルク特性になることが実験で確認されている。しかし
界磁電流が低い場合（図６（ｂ）特性曲線６５、領域
Ａ）や逆に大きな場合（図６（ｂ）特性曲線６５、領域
Ｃ）、図に示すように非線形な特性の部分が発生する。
図６の特性も後に詳述する。
Ｗ相）での制御を例にとる。上位制御器より速度指令値
ＳＶＣが指令され減算器１により回転子速度ＳＰＤの差
ＤＩＦが演算される。ＤＩＦが入力されたＰＩ制御器２
により電機子電流指令値ＳＴＣが電流指令演算部５に出
力される。また、回転子速度ＳＰＤを参照して界磁電流
演算部１０１内の界磁電流パターンにより界磁電流指令
値ＳＦＣが電流指令演算部５に出力される。電流指令演
算部５は回転子位置ＳＰ（機械角）を参照し、電気角に
変換後、電機子電流指令値ＳＴＣと界磁電流指令値ＳＦ
Ｃをベクトル演算し、電流指令値ＳＩＣ（ＳＩＵＣ、Ｓ
ＩＶＣ）得る。（なお電機子電流指令値ＳＴＣと界磁電
流指令値ＳＦＣの位相差は電気角でπ／２[rad]であ
る。）その後、Ｕ相電流指令値ＳＩＵＣとそれとの位相
差（２π）／３または（４π）／３［rad]であるＶ相電
流指令値ＳＩＶＣを相分配する。３相中２相が決定され
れば、残りのＷ相の電流（ＳＩＷＣ）は決定されるので
特に図示しない。各相の電流指令値は増幅器８を介して
３相電流として電動機９に印加され電動機９の回転子を
回転させる。回転子にとりつけられた回転子位置検出手
段である検出器１０により回転子位置ＳＰが得られ、電
流指令演算部５および微分器１２にフィードバックされ
る。微分器１２は回転子位置ＳＰを微分して回転子速度
ＳＰＤとして減算器１および界磁電流演算部１０１に出
力される。以上の動作からわかるように、電流指令値Ｓ
ＩＣは界磁電流指令値ＳＦＣと電子電流指令値ＳＴＣを
ベクトル加算して作られる（図２参照）。制御する際、
電機子電流指令値ＳＴＣと電流指令値ＳＩＣが成す角を
動作角α２１と呼ぶことにすると、電機子電流指令値Ｓ
ＴＣおよび界磁電流指令値ＳＦＣが変化した際、動作角
αも変化してしまう。また、界磁弱め制御を行う際、電
機子電流指令値ＳＴＣ＞界磁電流指令値ＳＦＣとなる場
合、動作角α≒０に近づくことになる。界磁弱め領域で
ない場合、界磁電流指令値ＳＦＣは一定の値をとる。こ
の場合の電動機特性は、電機子電流：Ｉｑをｘ軸にとり
出力トルク：τをｙ軸にとった場合、界磁電流：Ｉｄ
（１倍、２倍、３倍、４倍）をパラメータとすると後に
詳述する図６（ａ）のようにそれぞれ線形性のある出力
トルク特性になることが実験で確認されている。しかし
界磁電流が低い場合（図６（ｂ）特性曲線６５、領域
Ａ）や逆に大きな場合（図６（ｂ）特性曲線６５、領域
Ｃ）、図に示すように非線形な特性の部分が発生する。
図６の特性も後に詳述する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来技術の制御装置を
使用した場合、電流指令値ＳＩＣは界磁電流指令値ＳＦ
Ｃと電機子電流指令値ＳＴＣをベクトル加算して作られ
るため、電機子電流指令値ＳＴＣおよび界磁電流指令値
ＳＦＣが変化した際、動作角αが不定となる。このこと
は、電流に対して得られるトルクの効率・力率が常に変
化することを意味しており、制御上の不具合（例えば、
界磁電流が低い場合にトルクを得ようとするとき、電機
子電流が増加するので合成電流（電流指令）も増加す
る。しかし大きな電流を流す割に出力されるトルクが小
さいため効率が悪い。しかも、電機子電流を流すｑ軸
（ベクトル制御のｄ−ｑ軸理論）からｄ軸への漏れイン
ダクタスの影響により、界磁弱めを行っているのにも関
わらずｄ軸成分の磁束の増加→誘起電圧の増加→電源電
圧の飽和→印可電流の低下→制御不能といった不具合の
図式が成り立つ。）が発生する。また、上記のように電
機子電流指令値ＳＴＣ＞界磁電流指令値ＳＦＣとなる場
合（動作角α≒０になる場合）、トルク定数が低下し制
御対象が動作をしないのでトルク指令値が増加し、なお
かつ制御的な遅れを生じてハンチング現象や最悪の場合
制御不能に陥る可能性がある。以上のことは、合成電流
が低い場合の非線形な電動機出力特性の領域にも認めら
れる。本発明は上述した事情から成されたものであり、
簡単な構成で安定して効率良い電動機の制御を実現させ
ることができるリラクタンス型同期電動機の制御装置を
提供することを目的とする。
使用した場合、電流指令値ＳＩＣは界磁電流指令値ＳＦ
Ｃと電機子電流指令値ＳＴＣをベクトル加算して作られ
るため、電機子電流指令値ＳＴＣおよび界磁電流指令値
ＳＦＣが変化した際、動作角αが不定となる。このこと
は、電流に対して得られるトルクの効率・力率が常に変
化することを意味しており、制御上の不具合（例えば、
界磁電流が低い場合にトルクを得ようとするとき、電機
子電流が増加するので合成電流（電流指令）も増加す
る。しかし大きな電流を流す割に出力されるトルクが小
さいため効率が悪い。しかも、電機子電流を流すｑ軸
（ベクトル制御のｄ−ｑ軸理論）からｄ軸への漏れイン
ダクタスの影響により、界磁弱めを行っているのにも関
わらずｄ軸成分の磁束の増加→誘起電圧の増加→電源電
圧の飽和→印可電流の低下→制御不能といった不具合の
図式が成り立つ。）が発生する。また、上記のように電
機子電流指令値ＳＴＣ＞界磁電流指令値ＳＦＣとなる場
合（動作角α≒０になる場合）、トルク定数が低下し制
御対象が動作をしないのでトルク指令値が増加し、なお
かつ制御的な遅れを生じてハンチング現象や最悪の場合
制御不能に陥る可能性がある。以上のことは、合成電流
が低い場合の非線形な電動機出力特性の領域にも認めら
れる。本発明は上述した事情から成されたものであり、
簡単な構成で安定して効率良い電動機の制御を実現させ
ることができるリラクタンス型同期電動機の制御装置を
提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明の上記目的は、固
定子スロット内に施された巻線に一定直流電流を流し、
軟磁性体からなる回転子表面の磁気抵抗が固定子から見
て回転方向に高低差を持つよう内部に磁気絶縁手段を備
えた回転子を回転させた場合に回転角θに対して発生す
るトルクτが正負の周期的な特性を持つようなリラクタ
ンス型同期電動の制御装置であって、前記回転子の回転
子位置を検出する手段と、該電動機に電流を流すため
に、前記回転子位置とトルク指令値より電流指令を算出
する電流指令演算部を具備する制御装置において、トル
ク指令値の極性により符号が決定され前記回転子位置に
加算される動作角α（０＜α＜π／２[rad]；電気角）
を持ち、回転子速度を参照して変化する関数パターンＡ
より係数Ａを演算し動作角に乗ずることで回転子速度に
より動作角が変化するような動作角演算部を持ち、電流
振幅制御部内で電流指令値に乗ずることで補正後電流指
令値とするような係数Ｂを、回転子速度を参照して変化
する関数パターンＢより演算するような減衰値演算部を
持ち、また、制御器外部より設定の行えるモード選択器
により、電動機駆動効率もしくは出力トルク特性を優先
するように制御が行えるモードを選択できる減衰値演算
部を持ち、入力された指令値に対して出力される指令値
が線形な電動機特性を持つようにを変換し、電動機の持
つ非線形特性を線形のように扱う電動機特性／指令変換
部を持つことを具備することで達成される。本発明にあ
っては、トルク指令値の極性により符号が決定され前記
回転子位置に加算される動作角α（０＜α＜π／２[ra
d]；電気角）を持ち、回転子速度を参照して変化する関
数パターンＡより係数Ａを演算し動作角に乗ずることで
回転子速度により動作角が変化するような動作角演算部
を持つことにより効率の良い制御装置が得られた。ま
た、制御器外部より設定の行えるモード選択器により、
電動機駆動効率もしくは出力トルク特性を優先するよう
に制御が行えるモードを選択でき、電流振幅制御部内で
電流指令値に乗ずることで補正後電流指令値とするよう
な係数Ｂを、回転子速度を参照して変化する関数パター
ンＢより演算するような減衰値演算部を持つことで、制
御性の良い制御装置が得られた。また、非線形特性を持
つリラクタンス型電動機を永久磁石型同期電動機のよう
な線形性をもつ電動機のように制御を行うことが実現で
きたため、工作機械等サーボ用途に使用できるという利
点も得られた。
定子スロット内に施された巻線に一定直流電流を流し、
軟磁性体からなる回転子表面の磁気抵抗が固定子から見
て回転方向に高低差を持つよう内部に磁気絶縁手段を備
えた回転子を回転させた場合に回転角θに対して発生す
るトルクτが正負の周期的な特性を持つようなリラクタ
ンス型同期電動の制御装置であって、前記回転子の回転
子位置を検出する手段と、該電動機に電流を流すため
に、前記回転子位置とトルク指令値より電流指令を算出
する電流指令演算部を具備する制御装置において、トル
ク指令値の極性により符号が決定され前記回転子位置に
加算される動作角α（０＜α＜π／２[rad]；電気角）
を持ち、回転子速度を参照して変化する関数パターンＡ
より係数Ａを演算し動作角に乗ずることで回転子速度に
より動作角が変化するような動作角演算部を持ち、電流
振幅制御部内で電流指令値に乗ずることで補正後電流指
令値とするような係数Ｂを、回転子速度を参照して変化
する関数パターンＢより演算するような減衰値演算部を
持ち、また、制御器外部より設定の行えるモード選択器
により、電動機駆動効率もしくは出力トルク特性を優先
するように制御が行えるモードを選択できる減衰値演算
部を持ち、入力された指令値に対して出力される指令値
が線形な電動機特性を持つようにを変換し、電動機の持
つ非線形特性を線形のように扱う電動機特性／指令変換
部を持つことを具備することで達成される。本発明にあ
っては、トルク指令値の極性により符号が決定され前記
回転子位置に加算される動作角α（０＜α＜π／２[ra
d]；電気角）を持ち、回転子速度を参照して変化する関
数パターンＡより係数Ａを演算し動作角に乗ずることで
回転子速度により動作角が変化するような動作角演算部
を持つことにより効率の良い制御装置が得られた。ま
た、制御器外部より設定の行えるモード選択器により、
電動機駆動効率もしくは出力トルク特性を優先するよう
に制御が行えるモードを選択でき、電流振幅制御部内で
電流指令値に乗ずることで補正後電流指令値とするよう
な係数Ｂを、回転子速度を参照して変化する関数パター
ンＢより演算するような減衰値演算部を持つことで、制
御性の良い制御装置が得られた。また、非線形特性を持
つリラクタンス型電動機を永久磁石型同期電動機のよう
な線形性をもつ電動機のように制御を行うことが実現で
きたため、工作機械等サーボ用途に使用できるという利
点も得られた。
【０００５】
【発明の実施の形態】以下、添付図面をもとに本発明の
実施形態を説明する。なお、特にことわらない限り、同
記号、番号のものは同一の構成および機能を有するもの
である。図１は本発明の制御ブロック図例である。上位
制御器より速度指令値ＳＶＣが指令され減算器１により
回転子速度ＳＰＤとの差ＤＩＦが演算され、ＰＩ制御器
２により電機子電流指令値ＳＴＣを電流指令演算部５に
出力する部分は、従来例と同様である。電機子電流指令
値ＳＴＣは特性補正部４と、動作角演算部３に出力さ
れ、特性補正部４は補正電機子電流指令値ＳＴＣＣを演
算、電流指令演算部５を介して、電流指令値ＳＩＣ（Ｓ
ＩＵＣ、ＳＩＶＣ）とし相分配後、増幅器８により電動
機９を駆動する。電動機９の回転子位置を検出するため
の検出器１０が取り付けられており、回転子位置ＳＰを
電流指令演算部５の電流位相制御部７と微分器１２に出
力する。また微分器１２により回転子位置ＳＰは回転子
速度ＳＰＤとなり、本発明の特徴である動作角演算部３
と減衰値演算部１１に出力される。動作角演算部３には
電機子電流指令値ＳＴＣと回転子速度ＳＰＤが入力さ
れ、補正後動作角ＳＡＣを電流位相制御部７に出力す
る。電流指令演算部５内には電流振幅制御部６と、相分
配器を備えた電流位相制御部７があり、電流振幅制御部
６は減衰値演算部１１からの出力である係数ＳＫ２と補
正電機子電流指令値ＳＴＣＣを演算し、電流指令値ＳＩ
Ｃとする。電流位相制御部７には、電流指令値ＳＩＣが
電流振幅制御部６より入力され、また動作角演算部３よ
り補正後動作角ＳＡＣが入力され、更に検出器１０より
回転子位置ＳＰが入力される。ここで電流位相制御部７
について詳しく説明すると、回転子位置ＳＰを制御に利
用できるように機械角（回転子１回転で２πrad）に対
し、電気角（正弦波１周期で２πradになる。通常は、
回転子の１磁極対で２πradになる。）に変換後、回転
子磁極のｑ軸（電機子電流）に電流が流れる様に位相合
わせを行う。その後、補正後動作角ＳＡＣ分だけ加算器
により位相を移行させ、Ｕ相、Ｖ相の位相操作の後（３
相の場合、２相が決定されると１相（Ｗ相）は自ずと決
定される。）、電流指令値ＳＩＣと移行後の位相を乗算
器により相別に演算し、Ｕ相電流指令値ＳＩＵＣ、Ｖ相
電流指令値ＳＩＶＣとして出力される。減衰値演算部１
１は、外部動作モード選択器からの信号ＭＯＤＥによ
り、駆動効率優先モードまたは定出力制御モードの選択
されたモード別に、回転子速度ＳＰＤを参照して係数Ｓ
Ｋ２を電流振幅制御部６に出力する。また動作角演算部
３も回転子速度ＳＰＤを参照し、内部的に係数Ｋａを演
算、動作角αに乗ずることで、補正後動作角Ｋａ・α
（＝α’）を電流位相制御部７に出力する。
実施形態を説明する。なお、特にことわらない限り、同
記号、番号のものは同一の構成および機能を有するもの
である。図１は本発明の制御ブロック図例である。上位
制御器より速度指令値ＳＶＣが指令され減算器１により
回転子速度ＳＰＤとの差ＤＩＦが演算され、ＰＩ制御器
２により電機子電流指令値ＳＴＣを電流指令演算部５に
出力する部分は、従来例と同様である。電機子電流指令
値ＳＴＣは特性補正部４と、動作角演算部３に出力さ
れ、特性補正部４は補正電機子電流指令値ＳＴＣＣを演
算、電流指令演算部５を介して、電流指令値ＳＩＣ（Ｓ
ＩＵＣ、ＳＩＶＣ）とし相分配後、増幅器８により電動
機９を駆動する。電動機９の回転子位置を検出するため
の検出器１０が取り付けられており、回転子位置ＳＰを
電流指令演算部５の電流位相制御部７と微分器１２に出
力する。また微分器１２により回転子位置ＳＰは回転子
速度ＳＰＤとなり、本発明の特徴である動作角演算部３
と減衰値演算部１１に出力される。動作角演算部３には
電機子電流指令値ＳＴＣと回転子速度ＳＰＤが入力さ
れ、補正後動作角ＳＡＣを電流位相制御部７に出力す
る。電流指令演算部５内には電流振幅制御部６と、相分
配器を備えた電流位相制御部７があり、電流振幅制御部
６は減衰値演算部１１からの出力である係数ＳＫ２と補
正電機子電流指令値ＳＴＣＣを演算し、電流指令値ＳＩ
Ｃとする。電流位相制御部７には、電流指令値ＳＩＣが
電流振幅制御部６より入力され、また動作角演算部３よ
り補正後動作角ＳＡＣが入力され、更に検出器１０より
回転子位置ＳＰが入力される。ここで電流位相制御部７
について詳しく説明すると、回転子位置ＳＰを制御に利
用できるように機械角（回転子１回転で２πrad）に対
し、電気角（正弦波１周期で２πradになる。通常は、
回転子の１磁極対で２πradになる。）に変換後、回転
子磁極のｑ軸（電機子電流）に電流が流れる様に位相合
わせを行う。その後、補正後動作角ＳＡＣ分だけ加算器
により位相を移行させ、Ｕ相、Ｖ相の位相操作の後（３
相の場合、２相が決定されると１相（Ｗ相）は自ずと決
定される。）、電流指令値ＳＩＣと移行後の位相を乗算
器により相別に演算し、Ｕ相電流指令値ＳＩＵＣ、Ｖ相
電流指令値ＳＩＶＣとして出力される。減衰値演算部１
１は、外部動作モード選択器からの信号ＭＯＤＥによ
り、駆動効率優先モードまたは定出力制御モードの選択
されたモード別に、回転子速度ＳＰＤを参照して係数Ｓ
Ｋ２を電流振幅制御部６に出力する。また動作角演算部
３も回転子速度ＳＰＤを参照し、内部的に係数Ｋａを演
算、動作角αに乗ずることで、補正後動作角Ｋａ・α
（＝α’）を電流位相制御部７に出力する。
【０００６】図２に電流のベクトル図を示す。電機子電
流Ｉｄと合成電流Ｉｏの成す角を動作角αとする。図の
ベクトルを関係式に表すと［数１］および［数２］のよ
うになる。
流Ｉｄと合成電流Ｉｏの成す角を動作角αとする。図の
ベクトルを関係式に表すと［数１］および［数２］のよ
うになる。
【数１】界磁電流成分 ：Ｉｄ＝Ｉｏ・sinα
【数２】電機子電流成分：Ｉｑ＝Ｉｏ・cosαつまり、印
加電流（合成電流）Ｉｏを従来のベクトル制御のように
界磁電流成Ｉｄと電機子電流成分Ｉｑに分けて考えるこ
とができる。
加電流（合成電流）Ｉｏを従来のベクトル制御のように
界磁電流成Ｉｄと電機子電流成分Ｉｑに分けて考えるこ
とができる。
【０００７】図３は本発明が適用される電動機の特性例
である。３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）電動機において、Ｖ，Ｗ
相端子を短絡しＵ→Ｖ，Ｗ相に直流電流を流した場合の
回転角θに対する発生するトルクτを示した特性であ
る。特性曲線３６は定格電流Ｉｏ、特性曲線３５は定格
電流Ｉｏの２倍、特性曲線３４は定格電流Ｉｏの３倍、
特性曲線３３は定格電流Ｉｏの４倍、特性曲線３２は定
格電流Ｉｏの５倍を流した場合のトルク特性である。以
上のように直流電流の大きさの違いにより発生するトル
クτの大きさおよびピークトルク（Ｐ１〜Ｐ５）を示す
角度θが異なることがわかる。この図において、直流電
流をＩｏ固定とすると角度θ＝０の場合、［式１］、
［式２］よりＩｏに対して界磁電流成分が０％で電機子
電流成分１００％であり、角度θ＝π／２（電気角）の
場合、界磁電流成分が１００％で電機子電流が０％であ
る。また角度θ＝π／４（電気角）の場合、Ｉｏに対し
て界磁電流成分、電機子電流成分共に約７１％を流した
場合の発生トルクτだとみなすことができる。角度θ＝
動作角αの場合、流した電流値がわかっているので特性
曲線より得られるトルク値もわかる上、前記［式１］お
よび［式２］を使用することで従来のベクトル制御時の
ような界磁電流成分と電機子電流成分とを分離した考え
方を適用することが可能である。
である。３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）電動機において、Ｖ，Ｗ
相端子を短絡しＵ→Ｖ，Ｗ相に直流電流を流した場合の
回転角θに対する発生するトルクτを示した特性であ
る。特性曲線３６は定格電流Ｉｏ、特性曲線３５は定格
電流Ｉｏの２倍、特性曲線３４は定格電流Ｉｏの３倍、
特性曲線３３は定格電流Ｉｏの４倍、特性曲線３２は定
格電流Ｉｏの５倍を流した場合のトルク特性である。以
上のように直流電流の大きさの違いにより発生するトル
クτの大きさおよびピークトルク（Ｐ１〜Ｐ５）を示す
角度θが異なることがわかる。この図において、直流電
流をＩｏ固定とすると角度θ＝０の場合、［式１］、
［式２］よりＩｏに対して界磁電流成分が０％で電機子
電流成分１００％であり、角度θ＝π／２（電気角）の
場合、界磁電流成分が１００％で電機子電流が０％であ
る。また角度θ＝π／４（電気角）の場合、Ｉｏに対し
て界磁電流成分、電機子電流成分共に約７１％を流した
場合の発生トルクτだとみなすことができる。角度θ＝
動作角αの場合、流した電流値がわかっているので特性
曲線より得られるトルク値もわかる上、前記［式１］お
よび［式２］を使用することで従来のベクトル制御時の
ような界磁電流成分と電機子電流成分とを分離した考え
方を適用することが可能である。
【０００８】図４に動作角演算部３内の制御ブロック図
の例を示す。また、図５に計数演算４１の関数パターン
を示す。動作角演算部３は、回転子速度ＳＰＤを参照し
て係数Ｋａを出力する係数演算部４１と初期固定値の動
作角αとを乗算器４２で演算し、補正後動作角Ｋａ・α
を出力する。その際、トルク指令値ＳＴＣの極性を極性
判定部４６で判定し、補正後動作角Ｋａ・αの符号スイ
ッチ４３を決定し、それぞれの条件に従い、係数４４、
または係数４５を乗じて補正後動作角ＳＡＣとして出力
する。なお演算部４１は回転子速度ＳＰＤをパラメータ
とする演算式、もしくはデータテーブルを持っており、
図５のように、基底回転数Ｎbaseで関数が変化し、係数
Ｋａを算出する。
の例を示す。また、図５に計数演算４１の関数パターン
を示す。動作角演算部３は、回転子速度ＳＰＤを参照し
て係数Ｋａを出力する係数演算部４１と初期固定値の動
作角αとを乗算器４２で演算し、補正後動作角Ｋａ・α
を出力する。その際、トルク指令値ＳＴＣの極性を極性
判定部４６で判定し、補正後動作角Ｋａ・αの符号スイ
ッチ４３を決定し、それぞれの条件に従い、係数４４、
または係数４５を乗じて補正後動作角ＳＡＣとして出力
する。なお演算部４１は回転子速度ＳＰＤをパラメータ
とする演算式、もしくはデータテーブルを持っており、
図５のように、基底回転数Ｎbaseで関数が変化し、係数
Ｋａを算出する。
【０００９】図６（ａ）は電機子電流Ｉｑに対するトル
クτを示した図で、界磁電流Ｉｄを１、２、３、４倍流
した特性図であり、界磁電流Ｉｄが大きくなっても、ト
ルク特性は比例的に大きくなるわけではない。表現を変
えて、界磁電流Ｉｄと電機子電流Ｉｑの合成電流Ｉｏに
対する特性を図６（ｂ）に示す。これは、合成電流Ｉｏ
に対して発生しうるピークトルク（動作角α＝不定））
を示している。特性曲線６５からわかるように、領域Ａ
では２次関数的に電流に対して出力トルクが増加し、領
域Ｂでは直線的に電流トルクが増加する。領域Ｃの特性
は、電動機の設計にもよるが補２次関数的に特性が変化
する。（通常の電動機の設計では領域Ｃは積極的に使用
しない場合が多い。） 領域Ａの特性になる理由は、印加電流の界磁電流成分が
回転子と固定子間のエアギャップ部で消費されてしま
い、回転子内の界磁磁束が不足するものだと考えられ
る。領域Ｂの直線的な特性の部分は、エアギャップでの
エネルギー消費が飽和し充分に界磁磁束が回転子内に形
成できている場合の特性である。領域Ｃでは界磁磁束が
エアギャップ部および回転子内で飽和してしまうために
起こる特性である。
クτを示した図で、界磁電流Ｉｄを１、２、３、４倍流
した特性図であり、界磁電流Ｉｄが大きくなっても、ト
ルク特性は比例的に大きくなるわけではない。表現を変
えて、界磁電流Ｉｄと電機子電流Ｉｑの合成電流Ｉｏに
対する特性を図６（ｂ）に示す。これは、合成電流Ｉｏ
に対して発生しうるピークトルク（動作角α＝不定））
を示している。特性曲線６５からわかるように、領域Ａ
では２次関数的に電流に対して出力トルクが増加し、領
域Ｂでは直線的に電流トルクが増加する。領域Ｃの特性
は、電動機の設計にもよるが補２次関数的に特性が変化
する。（通常の電動機の設計では領域Ｃは積極的に使用
しない場合が多い。） 領域Ａの特性になる理由は、印加電流の界磁電流成分が
回転子と固定子間のエアギャップ部で消費されてしま
い、回転子内の界磁磁束が不足するものだと考えられ
る。領域Ｂの直線的な特性の部分は、エアギャップでの
エネルギー消費が飽和し充分に界磁磁束が回転子内に形
成できている場合の特性である。領域Ｃでは界磁磁束が
エアギャップ部および回転子内で飽和してしまうために
起こる特性である。
【００１０】図７に特性補正部４のパターン例を示す。
入力として補正前トルク指令値ＳＴＣ、出力として補正
後トルク指令値ＳＴＣＣが得られる。補正曲線７１は、
電動機のトルク特性（図６（ｂ）参照）を補正するため
各領域Ａ、Ｂ、Ｃの補関数形状をしており、補正曲線７
１を使用することで近似的に直線７２のような直線的な
電動機特性が得られる。この特性補正部４は関数パター
ンを電動機特性に合わせることによりキャンセルも可能
である。
入力として補正前トルク指令値ＳＴＣ、出力として補正
後トルク指令値ＳＴＣＣが得られる。補正曲線７１は、
電動機のトルク特性（図６（ｂ）参照）を補正するため
各領域Ａ、Ｂ、Ｃの補関数形状をしており、補正曲線７
１を使用することで近似的に直線７２のような直線的な
電動機特性が得られる。この特性補正部４は関数パター
ンを電動機特性に合わせることによりキャンセルも可能
である。
【００１１】図８に減衰値演算部１１の例と回転子速度
ＳＰＤをパラメータとする関数パターン例を示す。減衰
値演算部１１には回転子速度ＳＰＤと外部モード選択器
からの信号ＭＯＤＥで設定されるスイッチ８３がある。
外部モード選択器により電動機の制御方法は電動機効率
優先モードと定出力優先モードとに選択できる。制御方
法は前記のものに限定するものではなく、演算部８１、
８２に示すような関数パターンを操作することで目的別
の制御を実現できる。（例えば、回転数が低い場合のみ
トルクを増加しようとする場合、低回転部分の係数を
１．０以上に設定することで可能。減衰値演算部とは、
関数パターンの設定次第で増幅作用も可能である。） スイッチ８３に選択された回転子速度ＳＰＤをパラメー
タとする関数パターンにより、係数ＳＫ２を電流振幅制
御部６に出力する。
ＳＰＤをパラメータとする関数パターン例を示す。減衰
値演算部１１には回転子速度ＳＰＤと外部モード選択器
からの信号ＭＯＤＥで設定されるスイッチ８３がある。
外部モード選択器により電動機の制御方法は電動機効率
優先モードと定出力優先モードとに選択できる。制御方
法は前記のものに限定するものではなく、演算部８１、
８２に示すような関数パターンを操作することで目的別
の制御を実現できる。（例えば、回転数が低い場合のみ
トルクを増加しようとする場合、低回転部分の係数を
１．０以上に設定することで可能。減衰値演算部とは、
関数パターンの設定次第で増幅作用も可能である。） スイッチ８３に選択された回転子速度ＳＰＤをパラメー
タとする関数パターンにより、係数ＳＫ２を電流振幅制
御部６に出力する。
【００１２】図９にモード選択器による図3に示すよう
な電動機特性図の動作点の違いを具体的に示す。どちら
も、界磁電流成分が同じ場合に制御モードを選択器で切
り替えた場合の動作点（動作角αおよび出力トルクτ）
の違いを示す。定出力モードの動作点をＱ、効率優先モ
ードをＰとする。同じ界磁電流でも動作角αが異なるた
め、電流指令値（合成電流Ｉｏ）の大きさが異なってい
る。動作点Ｑでは、出力トルクが大きいが効率の面から
みると、特性曲線９２のピークよりずれている為、電流
の絶対値に対して得られるトルク（＝エネルギー変換
率）が低いこととなり、特性曲線９１のピークで制御す
る動作点Ｐに比べて、効率が低いことになる。（動作点
Ｐでは特性曲線９１のピークにあるため、電流に対して
得られるトルクの効率が良い。） つまり、界磁電流が同じ場合に、得られるトルクの絶対
値が大きいのは流す合成電流が大きい動作点Ｑの場合
で、逆に効率が良いのは動作点Ｐだといえる。制御モー
ドを選択するのは、動作点αを選択するのと同義であ
り、動作角演算部と減衰値演算部、および電動機特性補
正部の各関数パターンを操作することで、この動作点α
を回転子速度ＳＰＤと電流指令値ＳＩＣをパラメータと
して制御することが可能である。
な電動機特性図の動作点の違いを具体的に示す。どちら
も、界磁電流成分が同じ場合に制御モードを選択器で切
り替えた場合の動作点（動作角αおよび出力トルクτ）
の違いを示す。定出力モードの動作点をＱ、効率優先モ
ードをＰとする。同じ界磁電流でも動作角αが異なるた
め、電流指令値（合成電流Ｉｏ）の大きさが異なってい
る。動作点Ｑでは、出力トルクが大きいが効率の面から
みると、特性曲線９２のピークよりずれている為、電流
の絶対値に対して得られるトルク（＝エネルギー変換
率）が低いこととなり、特性曲線９１のピークで制御す
る動作点Ｐに比べて、効率が低いことになる。（動作点
Ｐでは特性曲線９１のピークにあるため、電流に対して
得られるトルクの効率が良い。） つまり、界磁電流が同じ場合に、得られるトルクの絶対
値が大きいのは流す合成電流が大きい動作点Ｑの場合
で、逆に効率が良いのは動作点Ｐだといえる。制御モー
ドを選択するのは、動作点αを選択するのと同義であ
り、動作角演算部と減衰値演算部、および電動機特性補
正部の各関数パターンを操作することで、この動作点α
を回転子速度ＳＰＤと電流指令値ＳＩＣをパラメータと
して制御することが可能である。
【００１３】
【発明の効果】以上のように、本発明で示す同期電動機
の制御装置によれば、回転子速度を参照して変化する係
数を演算する動作角演算部および制御モード設定可能な
減衰値演算部を具備したため、ベクトル制御を行うのと
同等な制御（界磁弱め制御を含む）ができるようになっ
た。また、界磁電流成分は合成電流に含まれているた
め、小トルク時の界磁電流を少なくでき、省電力化と巻
線の小発熱化、および高効率な制御が実現できた。加減
速時などの大トルクが必要な場合、合成電流が大きくな
り界磁電流成分も大きくなるためトルク定数の増加がで
き、加速時間の短縮が実現できる。さらに入力トルク指
令に対し補正トルク特性を出力するような電動機特性補
正部を持たせた為、非線形なトルク特性を持つ電動機を
線形性の良い特性を持つ電動機のように制御できるよう
になった。なお、本発明は前述の第１図から第１０図に
示した本発明の実施例に限定されるものではなく、その
主旨を逸脱しない範囲で下記のような変形を行なっても
よい。 （１）本実施形態では、３相電動機で説明したが２相以
上の多相電動機でも良い。 （２）本実施形態では、回転子を持つ電動機について説
明したが、可動子を持つ構造のリニア型電動機に適用し
ても良い。 （３）本実施形態では、合成電流Ｉｏと動作角αを制御
する方法について説明したが、図１０には本発明と同等
のベクトル演算（ｄ軸、ｑ軸電流独立で制御）に適用し
た例を示す。その場合の演算式と関数パターンの例を以
下に示す。動作点αを制御する場合に、界磁電流Ｉｄ、
電機子電流Ｉｑを独立にベクトル演算する場合の演算を
示すと［数３］のようになる。
の制御装置によれば、回転子速度を参照して変化する係
数を演算する動作角演算部および制御モード設定可能な
減衰値演算部を具備したため、ベクトル制御を行うのと
同等な制御（界磁弱め制御を含む）ができるようになっ
た。また、界磁電流成分は合成電流に含まれているた
め、小トルク時の界磁電流を少なくでき、省電力化と巻
線の小発熱化、および高効率な制御が実現できた。加減
速時などの大トルクが必要な場合、合成電流が大きくな
り界磁電流成分も大きくなるためトルク定数の増加がで
き、加速時間の短縮が実現できる。さらに入力トルク指
令に対し補正トルク特性を出力するような電動機特性補
正部を持たせた為、非線形なトルク特性を持つ電動機を
線形性の良い特性を持つ電動機のように制御できるよう
になった。なお、本発明は前述の第１図から第１０図に
示した本発明の実施例に限定されるものではなく、その
主旨を逸脱しない範囲で下記のような変形を行なっても
よい。 （１）本実施形態では、３相電動機で説明したが２相以
上の多相電動機でも良い。 （２）本実施形態では、回転子を持つ電動機について説
明したが、可動子を持つ構造のリニア型電動機に適用し
ても良い。 （３）本実施形態では、合成電流Ｉｏと動作角αを制御
する方法について説明したが、図１０には本発明と同等
のベクトル演算（ｄ軸、ｑ軸電流独立で制御）に適用し
た例を示す。その場合の演算式と関数パターンの例を以
下に示す。動作点αを制御する場合に、界磁電流Ｉｄ、
電機子電流Ｉｑを独立にベクトル演算する場合の演算を
示すと［数３］のようになる。
【数３】Ｉｏ＝ＫIq・Ｉｑ＋ＫId1・ＫId2・Ｉｄ 図１０（ａ）は、電動機回転数Ｎをパラメータとする界
磁電流Ｉｄに乗ずる係数ＫId1（界磁弱め係数）の関数
パターン例である。図１０（ｂ）は、電動機回転数Ｎを
パラメータとする電機子電流Ｉｑに乗ずる係数ＫIq（ト
ルク減衰係数）の関数パターン例である。図１０（ｃ）
は、トルク指令値ＳＴＣをパラメータとする界磁電流Ｉ
ｄに乗ずる係数ＫId2（トルク低減係数）の関数パター
ン例である。この係数を回転数に関係なく一定（例えば
ＫId2＝１．０）とすることで、トルク指令値に関係な
く界磁電流一定値（ただし、回転数Ｎの関数である。）
で制御することも可能である。
磁電流Ｉｄに乗ずる係数ＫId1（界磁弱め係数）の関数
パターン例である。図１０（ｂ）は、電動機回転数Ｎを
パラメータとする電機子電流Ｉｑに乗ずる係数ＫIq（ト
ルク減衰係数）の関数パターン例である。図１０（ｃ）
は、トルク指令値ＳＴＣをパラメータとする界磁電流Ｉ
ｄに乗ずる係数ＫId2（トルク低減係数）の関数パター
ン例である。この係数を回転数に関係なく一定（例えば
ＫId2＝１．０）とすることで、トルク指令値に関係な
く界磁電流一定値（ただし、回転数Ｎの関数である。）
で制御することも可能である。
【図１】 本発明の同期電動機の制御装置の実施形態を
示す説明図である。
示す説明図である。
【図２】 本発明の同期電動機の制御装置に使用される
電流ベクトル図である。
電流ベクトル図である。
【図３】 本発明の同期電動機の制御装置に使用される
電動機の特性例である。
電動機の特性例である。
【図４】 本発明の同期電動機の制御装置に具備される
動作角演算部のブロック図の例である。
動作角演算部のブロック図の例である。
【図５】 本発明の同期電動機の制御装置に具備される
動作角演算部の関数パターンの例である。
動作角演算部の関数パターンの例である。
【図６】 本発明の同期電動機の制御装置に使用される
電動機の特性例である。
電動機の特性例である。
【図７】 本発明の同期電動機の制御装置に具備される
電動機特性補正部の説明図である。
電動機特性補正部の説明図である。
【図８】 本発明の同期電動機の制御装置に具備される
減衰値演算部のモード選択器の動作例である。
減衰値演算部のモード選択器の動作例である。
【図９】 本発明の同期電動機の制御装置に具備される
減衰値演算部のモード選択器による動作点の説明図であ
る。
減衰値演算部のモード選択器による動作点の説明図であ
る。
【図１０】 本発明の同期電動機の制御装置の変更実施
適用例である。
適用例である。
【図１１】 従来の同期電動機の制御装置のブロック図
である。
である。
１ 減算器、２ ＰＩ制御器、３ 動作角演算部、４
特性補正部、５ 電流指令演算部、６ 電流振幅制御
部、７ 電流位相制御部、８ 増幅器、９ 電動機、１
０ 検出器、１１ 減衰値演算部、１２ 微分器、２１
動作角：α、２２ 界磁電流成分：ＳＦＣ（Ｉｄ）、
２３ 電機子電流成分：ＳＴＣ（Ｉｑ）、２４ 合成電
流：ＳＩＣ（Ｉｏ）、３１〜３６ トルク特性（回転角
−トルク）、４１ 係数演算部、４２ 乗算器、４３
スイッチ、４４，４５ 係数乗算器、４６ 極性判定
部、５１ 係数Ｋａ関数パターン、６１〜６４ トルク
特性（電機子電流−トルク（界磁電流））、６５ トル
ク特性（合成電流−トルク）、７１ 特性補正曲線、７
２ 補正後特性曲線、８１，８２ 係数演算部、８３モ
ードスイッチ、９１ トルク特性（電流：Ｉｏ）、９２
トルク特性（電流：Ｉｏ／２）、１０１ 界磁電流演
算部、１１１〜１１３ 係数演算部関数パターン。
特性補正部、５ 電流指令演算部、６ 電流振幅制御
部、７ 電流位相制御部、８ 増幅器、９ 電動機、１
０ 検出器、１１ 減衰値演算部、１２ 微分器、２１
動作角：α、２２ 界磁電流成分：ＳＦＣ（Ｉｄ）、
２３ 電機子電流成分：ＳＴＣ（Ｉｑ）、２４ 合成電
流：ＳＩＣ（Ｉｏ）、３１〜３６ トルク特性（回転角
−トルク）、４１ 係数演算部、４２ 乗算器、４３
スイッチ、４４，４５ 係数乗算器、４６ 極性判定
部、５１ 係数Ｋａ関数パターン、６１〜６４ トルク
特性（電機子電流−トルク（界磁電流））、６５ トル
ク特性（合成電流−トルク）、７１ 特性補正曲線、７
２ 補正後特性曲線、８１，８２ 係数演算部、８３モ
ードスイッチ、９１ トルク特性（電流：Ｉｏ）、９２
トルク特性（電流：Ｉｏ／２）、１０１ 界磁電流演
算部、１１１〜１１３ 係数演算部関数パターン。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−206391（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−143285（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−87997（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−290184（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−79588（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−308088（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H02P 5/05
Claims (2)
- 【請求項１】 固定子スロット内に施された巻線に一定
直流電流を流し、軟磁性体からなる回転子表面の磁気抵
抗が固定子から見て回転方向に高低差を持つよう内部に
磁気絶縁手段を備えた回転子を回転させた場合に回転角
θに対して発生するトルクτが正負の周期的な特性を持
つようなリラクタンス型電動機の制御装置であって、 前記回転子の回転子位置を検出する手段と、該電動機に
電流を流すために、前記回転子位置とトルク指令値より
電流指令を算出する電流指令演算部を具備する制御装置
において、 トルク指令値の極性により符号が決定され前記回転子位
置に加算される動作角α（０＜α＜π／２[rad]；電気
角）を持ち、 回転子速度を参照して所定の回転子速度以上で低減する
関数Ａに従い係数Ａを演算し、 前記動作角に係数Ａを 乗ずることで回転子速度により動
作角が変化するような動作角演算部を持つことを特徴と
するリラクタンス型同期電動機制御装置。 - 【請求項２】 回転子速度を参照して、回転子速度に無
関係に一定あるいは所定の回転子速度以上で低減する関
数Ｂに従い演算される係数Ｂを演算する減衰値演算部を
持ち、 前記係数Ｂを電流振幅指令値に乗ずることで補正後電流
振幅指令値とするような電流振幅制御部を持つことを特
徴とする請求項１に記載の リラクタンス型同期電動機の
制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16142997A JP3290099B2 (ja) | 1997-06-18 | 1997-06-18 | リラクタンス型同期電動機の制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16142997A JP3290099B2 (ja) | 1997-06-18 | 1997-06-18 | リラクタンス型同期電動機の制御装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1118468A JPH1118468A (ja) | 1999-01-22 |
| JP3290099B2 true JP3290099B2 (ja) | 2002-06-10 |
Family
ID=15734949
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP16142997A Expired - Fee Related JP3290099B2 (ja) | 1997-06-18 | 1997-06-18 | リラクタンス型同期電動機の制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3290099B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP7374620B2 (ja) | 2019-06-17 | 2023-11-07 | 株式会社荏原製作所 | ポンプ用舌片部材、ポンプ装置及び舌部の補修方法 |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5285246B2 (ja) * | 2007-07-27 | 2013-09-11 | オークマ株式会社 | リラクタンス型同期電動機の制御装置 |
| JP5357232B2 (ja) * | 2011-10-11 | 2013-12-04 | 三菱電機株式会社 | 同期機制御装置 |
| JP5567701B2 (ja) * | 2013-01-21 | 2014-08-06 | オークマ株式会社 | リラクタンス型同期電動機の制御装置 |
-
1997
- 1997-06-18 JP JP16142997A patent/JP3290099B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP7374620B2 (ja) | 2019-06-17 | 2023-11-07 | 株式会社荏原製作所 | ポンプ用舌片部材、ポンプ装置及び舌部の補修方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH1118468A (ja) | 1999-01-22 |
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