JP3676946B2 - 誘導電動機の制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は工作機械の主軸駆動などに利用され、誘導電動機の出力トルクを任意に制御する誘導電動機の制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
工作機械の主軸駆動などの用途には、すべり周波数型ベクトル制御によって駆動される誘導電動機が多く用いられている。
図4に従来の誘導電動機の制御装置の一例を示す。この制御装置に対して外部から回転速度指令ω*が入力される。演算器1は、回転速度指令ω*から磁束密度指令φ*を演算する磁束密度指令演算器である。演算器4は、下式(1)、(2)に基づき励磁電流指令id*より磁束密度推定値φ^を演算する磁束密度推定器である。
【数1】
φ^=M・id*/(1+TS) ・・・(1)
【数2】
T=M/r2 ・・・(2)
ここで、Mは励磁インダクタンス、r2は二次抵抗であり、Tは式(2)で表すことのできる電気的時定数である。
減算器2は、回転速度指令ω*と誘導電動機の回転速度ωmから速度の偏差を算出する。演算器3は、前記減算器2の出力からトルク指令T*を算出するトルク指令演算器である。演算器5bは、磁束密度指令φ*と磁束密度推定値φ^とトルク指令T*を入力とし、励磁電流指令id*とトルク電流指令iq*を出力する電流指令演算器である。dq軸電圧指令算出部9は、励磁電流指令id*と励磁電流検出値idおよびトルク電流指令iq*とトルク電流検出値iqから下式(3)、(4)に基づき励磁電流同相電圧指令ed*,トルク電流同相電圧指令eq*を演算する。
【数3】
ed*=Gd・(id*−id)−ωLσ・iq*+r1・id* ・・・(3)
【数4】
eq*=ωLσ・id*+Gq・(iq*−iq)+r1・iq*+ω・φ^ ・・・(4)
ここで、r1は一次巻線抵抗、Lσは漏れインダクタンスである。また、Gd,Gqは十分に大きなゲインであり、pi演算増幅器などを用いて実現する。
【0003】
dq軸電圧指令算出部9の出力した励磁電流同相電圧指令ed*,トルク電流同相電圧指令eq*は、三相電圧指令発生手段を構成する二相三相変換器10によって三相の交流電圧指令eu*,ev*,ew*に変換され、インバータ15に入力される。インバータ15は直流電源14をエネルギー源として、この三相の交流電圧指令eu*,ev*,ew*に応じた電圧を誘導電動機17に印加することによって三相交流電流iu,iv,iwが流れる。この三相交流電流iu,iv,iwは電流検出器16a,16b,16cによって検出され、三相二相変換器12によって励磁電流検出値idおよびトルク電流検出値iqに変換される。なお、二相三相変換器12と三相二相変換器10とが座標変換に使用する信号sinωt,cosωtは、角周波数指令ωを基に二相正弦波発生器11によって出力される。この角周波数指令ωは、位置検出器19によって検出された誘導電動機17の回転位置を微分器18で微分することによって得た回転速度ωmに、滑り周波数演算器7によりトルク電流指令iq*と磁束密度推定値φ^および二次抵抗r2から演算したすべり角周波数ωsを加算する角周波数指令算出手段8によって得られる。切換器20は、誘導電動機の巻線を切換る巻線切換器である。
【0004】
電流指令演算器5bの詳細図を図3に示す。磁束密度指令φ*と磁束密度推定値φ^の差を減算器21で算出する。演算器22は、下式(5)に基づき減算器21の出力より励磁電流指令値id*'を演算する。
【数5】
id*'=Gφ(φ*−φ^) ・・・(5)
ここで、Gφは十分に大きなゲインであり、pi演算増幅器などを用いて実現する。
リミット器24は、励磁電流指令値id*'を任意の励磁電流指令制限値id*limで制限し励磁電流指令id*を出力する。励磁電流指令制限値id*limは、下記数式(6)で表される範囲以内の値である。
【数6】
|id*lim| ≦ |i1max| ・・・(6)
ここで||は絶対値を示しi1maxは誘導電動機に流すことの可能な一次電流の最大値である。
演算器27は、下式(7)に基づきトルク電流制限値iq*limを演算する。
【数7】
iq*lim = √(i1max~2ーid*~2) ・・・(7)
ここで、~2は二乗を示す。
除算器26は、トルク指令T*を磁束密度推定値φ^で除算しトルク電流指令値iq*'を演算する。リミット器25は、トルク電流指令値iq*'をトルク電流制限値iq*limで制限し、トルク電流指令iq*を出力する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
図6に、従来技術における各指令等を示したタイムチャートを示す。T0、T1、T2、T3は時間を示し、T0で停止している誘導電動機に誘導電動機の最高回転数ωmaxの回転速度指令ω*が与えられた場合について各指令および検出値について説明する。T1は磁束密度推定値φ^が磁束密度指令φ*に一致する時点であり、T2は誘導電動機の回転速度ωmが基底回転数に到達した時点であり、T3は誘導電動機の回転速度ωmが最高回転速度に到達した時点である。T0-T1間は、誘導電動機内部の磁束を確立するための磁束フォーシング期間であり、T0-T1間の励磁電流指令id*は、式(6)に基づき一次電流制限値i1maxの値となる。また、トルク電流指令iq*は、式(7)に基づきフォーシング期間中はiq*=0となり、T0-T1間では、式(3)、(4)は下記の様に表すことができる。
【数8】
ed*=Gd・(id*−id)+r1・id* ・・・(8)
【数9】
eq*=ωLσ・id*+ω・φ^ ・・・(9)
T1での一次電圧指令e1*は、励磁電流同相電圧指令ed*,トルク電流同相電圧指令eq*のベクトル合成演算によって算出するため、下式(10)に示す様に表すことができる。
【数10】
e1*=√(ed*~2+eq*~2) ・・・(10)
漏れインダクタンスLσが大きな誘導電動機等においては、T1時点でトルク電流同相電圧指令eq*がインバータの出力飽和電圧esatを越え、T1-T2間の一次電圧指令e1*がインバータの出力飽和電圧esatを越える場合があり、指令通りの一次電圧を誘導電動機に印加することができない。この様な場合、T1の直前およびT1-T2間でid*≠id,iq*≠iqとなり、電流制御が不安定となる現象が発生する。また、T1時点において一次電圧指令e1*がインバータの出力飽和電圧esatを越えているにもかかわらず、磁束フォーシングを行なっており無駄なエネルギーを消費していた。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために本発明にかかる誘導電動機の制御装置は、直流電源をエネルギー源として直流電流からインバータにより変換した三相交流電流によって駆動する誘導電動機の制御装置であって、トルク指令と磁束密度指令の二相指令を前記誘導電動機の1次電流を制御するための三相の一次電圧指令に変換し、前記誘導電動機の三相の1次電流検出値をトルク電流検出値と励磁電流検出値の二相の検出値に変換し、フィードバック制御を行う誘導電動機の制御装置において、前記磁束密度推定値と前記直流電源の直流電圧検出値と漏れインダクタンスと角周波数指令とに基づき、一次電圧指令がインバータの飽和電圧を超えない励磁電流制限値を演算する手段と、前記磁束密度指令と磁束密度推定値の差に基づいて演算した値を、前記励磁電流制限値に基づいて制限して励磁電流指令を出力する励磁電流指令演算手段と、前記励磁電流指令に基づき前記磁束密度推定値を演算する磁束密度演算手段と、前記励磁電流指令と前記励磁電流検出値に基づき励磁電流誤差を算出し、該励磁電流誤差に基づき、励磁電流と同相の励磁電流同相電圧指令を算出するd軸電圧指令算出手段と、前記トルク指令と前記磁束密度推定値と前記励磁電流指令に基づきトルク電流指令を算出するトルク電流指令発生手段と、前記トルク電流指令と前記トルク電流検出値に基づきトルク電流誤差を算出し、該トルク電流誤差に基づき、トルク電流と同相のトルク電流同相電圧指令を算出するq軸電圧指令算出手段と、前記励磁電流同相電圧指令もしくは前記トルク電流同相電圧指令に基づき誘導電動機に印加する三相の一次電圧指令を算出する三相電圧指令発生手段と、を有することを特徴とする。
本発明は次の特徴をもつ誘導電動機の制御装置であってもよい。すなわち、直流電源をエネルギー源として直流電流からインバータにより変換した三相交流電流によって駆動する誘導電動機の制御装置であって、トルク指令と磁束密度指令の二相指令を前記誘導電動機の1次電流を制御するための三相の一次電圧指令に変換し、前記誘導電動機の三相の1次電流検出値をトルク電流検出値と励磁電流検出値の二相の検出値に変換し、フィードバック制御を行う誘導電動機の制御装置において、前記磁束密度推定値と前記誘導電動機の一次電圧指令または一次電圧制限値と漏れインダクタンスと角周波数指令とに基づき、一次電圧指令がインバータの飽和電圧を超えない励磁電流制限値を演算する手段と、前記磁束密度指令と磁束密度推定値の差に基づいて演算した値を、前記励磁電流制限値に基づいて制限して励磁電流指令を出力する励磁電流指令演算手段と、前記励磁電流指令に基づき前記磁束密度推定値を演算する磁束密度演算手段と、前記励磁電流指令と前記励磁電流検出値に基づき励磁電流誤差を算出し、該励磁電流誤差に基づき、励磁電流と同相の励磁電流同相電圧指令を算出するd軸電圧指令算出手段と、前記トルク指令と前記磁束密度推定値と前記励磁電流指令に基づきトルク電流指令を算出するトルク電流指令発生手段と、前記トルク電流指令と前記トルク電流検出値に基づきトルク電流誤差を算出し、該トルク電流誤差に基づき、トルク電流と同相のトルク電流同相電圧指令を算出するq軸電圧指令算出手段と、前記励磁電流同相電圧指令および前記トルク電流同相電圧指令に基づき誘導電動機に印加する三相電圧指令を算出する三相電圧指令発生手段と、を有する。
【0007】
また、本発明の誘導電動機の制御装置においては、前記励磁電流制限値を演算する手段は、前記直流電圧検出値もしくは前記誘導電動機の一次電圧指令または前記一次電圧制限値を前記角周波数指令で除算する演算器と、該演算器の出力から前記磁束密度推定値を減算する減算器とを有し、これらを用いて前記励磁電流制限値を演算し、前記励磁電流指令演算手段は、リミット器を有し、これを用いて前記励磁電流制限値に基づく制限を行うものであってもよい。
【0008】
本発明による誘導電動機の制御装置によれば、磁束フォーシング中の励磁電流指令を直流電圧検出値と回転速度指令と漏れインダクタンスに基づいてリミット処理することにより、一次電圧指令がインバータの飽和電圧を越えないように制御を行なうことができる。また、一次電圧指令がインバータの飽和電圧を越えない範囲で電流制御するため、励磁電流指令とトルク電流指令に対して常に適切な電流分配が可能となる。
【0009】
【発明の実施の形態】
図2は本発明に係る誘導電動機の制御装置の一実施形態のブロック図である。図4に示す従来の誘導電動機の制御装置と同じ構成要素は同一符号で示してあり、その説明は重複するので省略する。
図2中の5は、直流電圧検出値Vdcと回転速度指令ω*と磁束密度指令φ*と磁束密度推定値φ^とトルク指令T*とを入力とし、励磁電流指令id*とトルク電流指令iq*を出力する電流指令演算器である。電流指令演算器5の詳細図を図1に示す。磁束密度指令φ*と磁束密度推定値φ^の差を減算器21で算出する。演算器22は、式(5)に基づき減算器21の出力より励磁電流指令値id*'を演算する。演算器23は、直流電圧検出値Vdcと回転速度指令ω*と磁束密度推定値φ^に基づき励磁電流指令制限値id*limを演算する。リミット器24は、演算器23の出力である励磁電流制限値id*limに基づき前記励磁電流指令値id*'を制限し励磁電流指令id*として出力する。演算器26は、トルク指令T*を磁束密度推定値φ^で除算することでトルク電流指令値iq*'を演算する。演算器27は、式(7)に基づき励磁電流指令式よりトルク電流制限値iq*limを演算する。リミット器25は、演算器27の出力であるトルク電流制限値iq*limに基づき前記トルク電流指令値iq*'を制限し、トルク電流指令iq*として出力する。
【0010】
前記演算器23による励磁電流指令制限値id*limの演算方法に関する例を説明する。
式(8)においてフィードフォワード補償が適切であるとするとid*−id=0となり、第1項を無視することができるため、式(8)は下式(11)となる。
【数11】
ed*=r1・id* ・・・(11)
式(10)は、式(9)、(11)を用いて表すと、下式(12)となる。
【数12】
e1*=√[(r1・id*)~2+(ωLσ・id*+ω・φ^)~2]・・・(12)
式(12)の第1項は第2項と比較し十分小さいので無視し、電流が安定に制御できるのは一次電圧指令e1*がインバータの飽和電圧esat以下のときであるため、式(12)は、下式(13)となる。
【数13】
e1*=ωLσ・id*+ω・φ^≦esat ・・・(13)
インバータの飽和電圧は、直流電圧値Vdcに等しいので、式(13)より励磁電流指令の範囲を求めると下式(14)の様になる。
【数14】
id*≦ (Vdc/ω−φ^)/Lσ ・・・(14)
正の励磁電流指令制限値id*Plimは式(14)および式(6)より下式(15)、(16)の様に表すことができる。
【数15】
(Vdc/ω−φ^)/Lσ > i1max の場合
id*Plim = i1max ・・・(15)
【数16】
(Vdc/ω−φ^)/Lσ ≦ i1max の場合
id*Plim =(Vdc/ω−φ^)/Lσ ・・・(16)
励磁電流指令id*が負の場合、常にe1*≦Vdcであるので、負の励磁電流制限値は下式(17)の様に表すことができる。
【数17】
id*Nlim = -i1max ・・・(17)
図1中の演算器23は、前式(15)、(16)、(17)に基づき励磁電流制限値id*limを出力する。
【0011】
また、一次電圧指令値e1*がインバータの飽和電圧を越えないように一次電圧指令値に制限値e1*limを設けている制御装置の場合、図1中の演算器23の演算において、直流電圧検出値の代わりに一次電圧指令e1*の制限値e1*limを用いて演算してもよい。
【0012】
図5に、本発明における各指令等を示したタイムチャートを示す。図6で説明した内容は、重複するので省略する。励磁電流指令制限値id*limが式(15)から式(16)に切り替わった時点をT4で示す。T4-T1間では、式(16)に基づき励磁電流制限値id*limによって励磁電流指令がリミット処理されているため、T4-T2間で電圧指令e1*がインバータの出力飽和電圧esatを越えない。さらに、また、T4-T1間で式(16)に基づき励磁電流を制限した分、式(7)に基づきトルク電流指令iq*が指令されている。
【0013】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明による誘導電動機の制御装置によれば、磁束フォーシング中の励磁電流指令を回転速度指令と漏れインダクタンスと直流電圧検出値または一次電圧指令制限値とに基づいてリミット処理することにより、一次電圧指令がインバータの飽和電圧を越えないように制御を行うことができる。その結果、常に安定した電流フィードバック制御ができ、電流制御が不安定となる現象が発生しない。また、一次電圧指令がインバータの飽和電圧を越えない様に電流指令をすることにより、励磁電流指令とトルク電流指令に対して常に適切な電流指令分配が可能であり無駄なエネルギーを消費しないので誘導電動機の加速時における立ち上がり時間が最短となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による誘導電動機の制御装置の電流指令制限値演算器の一実施形態のブロック図である。
【図2】本発明による誘導電動機の制御装置の一実施形態のブロック図である。
【図3】従来の誘導電動機の制御装置の電流指令制限値演算器のブロック図である。
【図4】従来の誘導電動機の制御装置のブロック図である。
【図5】図2に示す誘導電動機の制御装置の各指令および検出値の波形図である。
【図6】図4に示す誘導電動機の制御装置の各指令および検出値の波形図である。
【符号の説明】
1、3、4、5、7、22、23、26、27 演算器
2、21 減算器
24、25 リミット器
8 加算器
9 dq軸電圧指令算出部
10 二相三相変換器
11 二相正弦波発生器
12 三相二相変換器
14 直流電源
15 インバータ
16 電流検出器
17 誘導電動機
18 微分器
19 位置検出器
20 巻線切替器
Claims (3)
- 直流電源をエネルギー源として直流電流からインバータにより変換した三相交流電流によって駆動する誘導電動機の制御装置であって、トルク指令と磁束密度指令の二相指令を前記誘導電動機の1次電流を制御するための三相の一次電圧指令に変換し、前記誘導電動機の三相の1次電流検出値をトルク電流検出値と励磁電流検出値の二相の検出値に変換し、フィードバック制御を行う誘導電動機の制御装置において、
前記磁束密度推定値と前記直流電源の直流電圧検出値と漏れインダクタンスと角周波数指令とに基づき、一次電圧指令がインバータの飽和電圧を超えない励磁電流制限値を演算する手段と、
前記磁束密度指令と磁束密度推定値の差に基づいて演算した値を、前記励磁電流制限値に基づいて制限して励磁電流指令を出力する励磁電流指令演算手段と、
前記励磁電流指令に基づき前記磁束密度推定値を演算する磁束密度演算手段と、
前記励磁電流指令と前記励磁電流検出値に基づき励磁電流誤差を算出し、該励磁電流誤差に基づき、励磁電流と同相の励磁電流同相電圧指令を算出するd軸電圧指令算出手段と、
前記トルク指令と前記磁束密度推定値と前記励磁電流指令に基づきトルク電流指令を算出するトルク電流指令発生手段と、
前記トルク電流指令と前記トルク電流検出値に基づきトルク電流誤差を算出し、該トルク電流誤差に基づき、トルク電流と同相のトルク電流同相電圧指令を算出するq軸電圧指令算出手段と、
前記励磁電流同相電圧指令および前記トルク電流同相電圧指令に基づき誘導電動機に印加する三相の一次電圧指令を算出する三相電圧指令発生手段と、
を有することを特徴とする誘導電動機の制御装置。 - 直流電源をエネルギー源として直流電流からインバータにより変換した三相交流電流によって駆動する誘導電動機の制御装置であって、トルク指令と磁束密度指令の二相指令を前記誘導電動機の1次電流を制御するための三相の一次電圧指令に変換し、前記誘導電動機の三相の1次電流検出値をトルク電流検出値と励磁電流検出値の二相の検出値に変換し、フィードバック制御を行う誘導電動機の制御装置において、
前記磁束密度推定値と前記誘導電動機の一次電圧指令または一次電圧制限値と漏れインダクタンスと角周波数指令とに基づき、一次電圧指令がインバータの飽和電圧を超えない励磁電流制限値を演算する手段と、
前記磁束密度指令と磁束密度推定値の差に基づいて演算した値を、前記励磁電流制限値に基づいて制限して励磁電流指令を出力する励磁電流指令演算手段と、
前記励磁電流指令に基づき前記磁束密度推定値を演算する磁束密度演算手段と、
前記励磁電流指令と前記励磁電流検出値に基づき励磁電流誤差を算出し、該励磁電流誤差に基づき、励磁電流と同相の励磁電流同相電圧指令を算出するd軸電圧指令算出手段と、
前記トルク指令と前記磁束密度推定値と前記励磁電流指令に基づきトルク電流指令を算出するトルク電流指令発生手段と、
前記トルク電流指令と前記トルク電流検出値に基づきトルク電流誤差を算出し、該トルク電流誤差に基づき、トルク電流と同相のトルク電流同相電圧指令を算出するq軸電圧指令算出手段と、
前記励磁電流同相電圧指令および前記トルク電流同相電圧指令に基づき誘導電動機に印加する三相電圧指令を算出する三相電圧指令発生手段と、
を有することを特徴とする誘導電動機の制御装置。 - 請求項1または請求項2に記載の誘導電動機の制御装置であって、
前記励磁電流制限値を演算する手段は、前記直流電圧検出値もしくは前記誘導電動機の一次電圧指令または前記一次電圧制限値を前記角周波数指令で除算する演算器と、該演算器の出力から前記磁束密度推定値を減算する減算器とを有し、これらを用いて前記励磁電流制限値を演算し、
前記励磁電流指令演算手段は、リミット器を有し、これを用いて前記励磁電流制限値に基づく制限を行う、ことを特徴とする誘導電動機の制御装置。
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