JP4086369B2 - 同期電動機の制御方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石形同期電動機を制御するシステムに関わり、特にその調整が簡単で、しかも高精度に行うことができる同期電動機の制御方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、永久磁石形同期電動機の電動機定数である巻線抵抗は、直流試験で測定し、d軸のインダクタンスLdは、永久磁石形同期電動機を固定した状態でd軸電流だけに交流電流を流す拘束試験で測定し、q軸のインダクタンスLqは、永久磁石形同期電動機を固定した状態でq軸電流だけに交流電流を流す拘束試験で測定し、測定された電動機定数は、手動によって制御装置へ入力していた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
永久磁石形同期電動機を高精度に制御するためには、永久磁石形同期電動機の電動機定数の値が必要な場合がある。しかし、例えばd軸のインダクタンスLdとq軸のインダクタンスLqを測定する場合、永久磁石形同期電動機が回転しないように固定する道具が必要であり、そのような試験装置がないと永久磁石形同期電動機を高精度に制御できなかった。
また、電機子抵抗とd軸のインダクタンスLdとq軸のインダクタンスLqとは別々に測定しているため、手間がかかるという問題があった。
【0004】
また、d軸のインダクタンスLdとq軸のインダクタンスLqを測定する場合、永久磁石の方向が必要となる。図2は、永久磁石の方向を検出する位置検出器の出力する信号の一例を示す。位置検出器は、永久磁石の方向によって120度ずつ位相の異なった3つのパルス信号が出力されることから、この3つのパルスの組み合わせによって永久磁石の方向を検出することになる。通常、最初にこの3つのパルスの組み合わせと永久磁石の方向との対応はわからないので、永久磁石の方向がわからず電動機定数を測定することができない。
本発明は上述した点に鑑みて創案されたもので、その目的とするところは、これらの欠点を解決し、試験装置を用いずに電動機定数を同時に測定し、さらに永久磁石の方向がわからないと電動機定数が測定できないことを解消した同期電動機の制御方法を提供するものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
その目的を達成するために、請求項1に示す如く、永久磁石形同期電動機の永久磁石の方向を検出または推定することにより、前記永久磁石形同期電動機に流れる一次電流を前記永久磁石の方向d軸に平行なd軸電流成分と、d軸に垂直なq軸方向の電流成分に分けて制御する同期電動機の制御方法において、
永久磁石形同期電動機の任意方向h軸に直流分を含んだ交流電流を流し、それと垂直な方向v軸にはh軸に流す交流電流に対して90度位相の異なる直流分を含まない交流電流を流し、
永久磁石形同期電動機の回転子停止後にh軸電流の交流成分の大きさと位相及びv軸電流の交流成分の大きさと位相を検出し、永久磁石形同期電動機のh軸電圧の交流成分の大きさと位相及びv軸電圧の交流成分の大きさと位相を検出または推定し、h軸電流の交流成分の大きさと位相及びh軸電圧の交流成分の大きさと位相よりインダクタンス成分Lhを求め、該インダクタンス成分Lhをd軸方向のインダクタンスLdとして設定記憶し、v軸電流の交流成分の大きさと位相及びv軸電圧の交流成分の大きさと位相よりインダクタンス成分Lvを求め、該インダクタンス成分Lvをq軸方向のインダクタンスLqとして設定記憶し、h軸電流の直流成分を検出し、h軸電圧の直流成分を検出または推定して抵抗成分Rdcを求め、該抵抗成分Rdcを永久磁石形同期電動機の巻線抵抗として設定記憶するものである。
【0006】
また、請求項2に示す如く、v軸に流す電流としてh軸に流す交流電流の周波数の整数倍(1を除く)で同位相の直流分を含まない交流電流を流すことによっても請求項1に掲げた方法と同一の効果が得られる。
さらに、請求項3に示す如くv軸にはh軸に流す交流電流の周波数の整数倍(1を除く)で90度位相が異なり直流分を含まない交流電流を流す場合にも同様の効果が得られる。
【0007】
次に、永久磁石形同期電動機の巻線抵抗として、請求項4に示す如く、h軸電流の交流成分の大きさと位相及びh軸電圧の交流成分の大きさと位相より抵抗成分Rhを求め、v軸電流の交流成分の大きさと位相及びv軸電圧の交流成分の大きさと位相より抵抗成分Rvを求め、抵抗成分Rh、抵抗成分Rv及び前記抵抗成分Rdcの平均値を永久磁石形同期電動機の巻線抵抗として設定記憶するものであり、この場合も直流成分のみで求めた抵抗成分Rdcを永久磁石形同期電動機の巻線抵抗とした請求項1,2又は3と同様の効果が得られる。
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて記述する。
【0008】
【発明の実施の形態】
図1に請求項1、請求項2、請求項3及び請求項4に関わる本発明の一実施例のブロック線図を示す。以下、本図に基づいて発明の詳細を説明する。
電力変換器4は、永久磁石形同期電動機1に電力を供給する。電圧検出器2は、永久磁石形同期電動機1に印加される一次電圧v1を出力する。電流検出器3は、永久磁石形同期電動機1に流れる一次電流i1を出力する。
【0009】
電動機定数計測手段8は、一次電流i1と一次電圧v1とを入力し、永久磁石形同期電動機1の任意方向θgであるh軸に直流分を含んだ交流電流が流れ、それと垂直方向のv軸にはh軸に流した交流電流と90度位相の異なる直流分を含まない交流電流が流れるような制御信号を出力し、h軸電流ihとv軸電流ivとh軸電圧vhとv軸電圧vvとをフーリエ変換して、h軸電流ihの基本波成分の大きさと位相とh軸電圧vhの基本波成分の大きさと位相よりインダクタンス成分Lhと抵抗成分Rhを求め、h軸電流ihの直流成分の大きさとh軸電圧vhの直流成分の大きさより抵抗成分Rdcを求め、v軸電流ivの基本波成分の大きさと位相とv軸電圧vvの基本波成分の大きさと位相よりインダクタンス成分Lvと抵抗成分Rvを求める。
【0010】
設定記憶手段7は、インダクタンス成分Lhを永久磁石形同期電動機1の永久磁石の方向θrに平行なd軸方向のインダクタンスLdとして設定記憶し、インダクタンス成分Lvを永久磁石の方向θrに垂直なq軸方向のインダクタンスLqとして設定記憶する。同様に抵抗成分Rdcを永久磁石形同期電動機1の巻線抵抗Rとして設定記憶する。
【0011】
トルク制御器6は、設定記憶手段7に設定記憶されたインダクタンスLd、インダクタンスLq、巻線抵抗R及び一次電流i1を入力し、永久磁石形同期電動機1をトルク制御するための制御信号として一次電流i1を永久磁石の方向θrに平行なd軸電流成分idと垂直なq軸電流成分iqに分けて出力する。スイッチ5は、永久磁石形同期電動機1をトルク制御する通常の場合はトルク制御器6の出力する制御信号を電力変換器4に与え、インダクタンス成分Lh、インダクタンス成分Lv、抵抗成分Rh、抵抗成分Rv及び抵抗成分Rdcを求める場合は、電動機定数計測手段8が出力する制御信号を電力変換器4に与える。
【0012】
以下は本発明の請求項1によって、前記問題点を解決できる理由を説明する。図4は永久磁石形同期電動機の任意方向θgと実際の永久磁石の方向θrとの関係を座標で表したもので、これらの方向の間に、
【0013】
【数1】
【0014】
の位置誤差Δθがあるとする。h軸電流ihが直流分を含んだ交流電流、v軸電流ivがh軸電流ihの交流電流と90度位相の異なる直流分を含まない交流電流とすると、
【0015】
【数2】
【0016】
と表される。ここで、Iは直流成分、Ihは交流電流の波高値、ωhは交流電流の角周波数、tは時間である。実際に流れるd軸電流idとq軸電流iqは、
【0017】
【数3】
【0018】
となる。永久磁石形同期電動機のトルク式は、
【0019】
【数4】
【0020】
であることから、(4)式と(5)式の電流が流れた場合の永久磁石形同期電動機のトルクは、
【0021】
【数5】
【0022】
と表すことができる。(7)式の3項以下の項は交流成分なので、平均すれば零となることは明らかである。また、1項と2項はトルクに直流成分があることを示しており、位置誤差Δθが零でないときはトルクが発生し、位置誤差Δθが0度又は180度になるように動作する。つまり、任意方向θgに直流電流Iを流すことにより、永久磁石形同期電動機は永久磁石の方向θrが任意方向θgに一致するまで回転させて固定するか又は位置誤差Δθが180度で固定することができる。
【0023】
永久磁石形同期電動機の特性方程式は、
【0024】
【数12】
【0025】
と表すことができる。ここで、ωは永久磁石形同期電動機の回転速度、pは微分演算子である。永久磁石形同期電動機に(2)式と(3)式の電流を流すことにより永久磁石の方向θrが任意方向θgに一致するまで回転すると、位置誤差Δθが零になり(4)式のd軸電流idと(2)式のh軸電流ihが等しくなり、(5)式のq軸電流iqと(3)式のv軸電流ivも等しくなる。位置誤差Δθが180度の場合は、(4)式のd軸電流idの符号が逆のものと(2)式のh軸電流ihとが等しくなり、(5)式のq軸電流iqの符号が逆のものと(3)式のv軸電流ivとは等しくなる。さらに、永久磁石形同期電動機の永久磁石の方向θrは固定していることから、永久磁石形同期電動機の回転速度ωは零であり、(18)式のd軸電圧vdと(19)式のq軸電圧vqは次式となる。
【0026】
【数13】
【0027】
(20)式と(21)式より、永久磁石形同期電動機が停止し位置誤差Δθが零の場合の永久磁石形同期電動機の等価回路は図3のように表される。位置誤差Δθが180度の場合は、d軸電流idとq軸電流iqの方向が逆になるだけであり、同様に等価回路は図3で表される。
よって、(20)式から、h軸電圧vhの交流成分の大きさと位相とh軸電流ihの交流成分の大きさと位相より、d軸のインダクタンスLdと巻線抵抗Rhが演算できることがわかる。さらに(20)式から、h軸電圧vhの直流成分の大きさとh軸電流ihの直流成分の大きさより巻線抵抗Rdcが演算できることがわかる。(21)式からも同様に、v軸電圧vvの交流成分の大きさと位相とv軸電流ivの交流成分の大きさと位相より、q軸のインダクタンスLqと巻線抵抗Rvが演算できることは明らかである。
以上に説明したようにh軸とq軸に(2)式及び(3)式で示す電流を流すことにより、d軸のインダクタンスLdとq軸のインダクタンスLqと巻線抵抗Rを同時に演算することができ、従来のように永久磁石形同期電動機を固定して電流を測定することなく、自動的に測定し、設定することが可能になった。
【0028】
次に請求項2について説明する。この場合、h軸には請求項1の場合と同様に、直流分を含んだ交流電流を流し、v軸電流ivとしてはh軸に流した交流電流の周波数の1を除く整数倍で同位相の直流分を含まない交流電流である、
【0029】
【数6】
【0030】
を流すと、実際に流れるd軸電流idとq軸電流iqは、
【0031】
【数7】
【0032】
となり、永久磁石形同期電動機のトルクは(6)式より、
【0033】
【数8】
【0034】
と表すことができる。ただし、nは1を除いた整数である。(12)式のトルクの直流成分は(7)式と同じであることから、任意方向θgに直流電流Iを流すと、永久磁石形同期電動機は永久磁石の方向θrが任意方向θgに一致するかΔθが180度の位置まで回転させて固定することができる。この状態は請求項1の場合と同一状態であるので、請求項1と同一の効果が得られる。
【0035】
次に請求項3について説明する。この場合もh軸電流ihとしては直流分を含んだ交流電流を流し、v軸電流ivはh軸電流ihに流した交流電流の周波数の1を除く整数倍で90度位相が異なる直流分を含まない交流電流である、
【0036】
【数9】
【0037】
とすると、実際に流れるd軸電流idとq軸電流iqは、
【0038】
【数10】
【0039】
となり、永久磁石形同期電動機のトルクは(6)式より、
【0040】
【数11】
【0041】
と表すことができる。(17)式のトルクの直流成分も(7)式と同じであることから、任意方向θgに直流電流Iを流すと、永久磁石形同期電動機は永久磁石の方向θrが任意方向θgに一致するかΔθが180度になるまで回転させて固定することができる。この状態も請求項1の場合と同一状態であるので、請求項1と同一の効果が得られる。
【0042】
次に請求項4について説明する。前述の如く、h軸とq軸に所定の電流を流すと永久磁石形同期電動機の回転子が回転し、h軸がd軸に一致し、v軸がq軸に一致する位置で停止するか、h軸とv軸とがd軸とq軸とから180度進んだ位置で停止のでそのときに求めた巻線抵抗Rh、巻線抵抗Rv及びRdcの平均値を求め、これを永久磁石形同期電動機の巻線抵抗として設定記憶し、先に説明したインダクタンスLd、Lqと組み合わせて利用することにより、請求項1〜3の場合と同様の効果が得られるようになる。
【0043】
【発明の効果】
本発明により、永久磁石形同期電動機の電動機定数を測定する装置を用いないで制御装置に設定できることから、制御装置の調整が簡単で高精度になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を表すブロック線図である。
【図2】位置検出器の出力信号例である。
【図3】停止時の永久磁石形同期電動機の等価回路である。
【図4】本発明の原理を説明する座標図である。
【符号の説明】
1 永久磁石形同期電動機
2 電圧検出器
3 電流検出器
4 電力変換器
5 スイッチ
6 トルク制御器
7 設定記憶手段
8 電動機定数計測手段
Claims (4)
- 永久磁石形同期電動機の永久磁石の方向を検出または推定することにより、前記永久磁石形同期電動機に流れる一次電流を前記永久磁石の方向(以下、d軸という)に平行なd軸電流成分と、d軸に垂直な軸(以下、q軸という)方向のq軸電流成分に分けて制御する同期電動機の制御方法において、
前記永久磁石形同期電動機の任意方向(以下、h軸という)に直流分を含んだ交流電流を流し、それと垂直な方向(以下、v軸という)には前記h軸に流す交流電流に対して90度位相の異なる直流分を含まない交流電流を流し、
前記永久磁石形同期電動機の回転子停止後に前記h軸電流の交流成分の大きさと位相及び前記v軸電流の交流成分の大きさと位相を検出し、前記永久磁石形同期電動機のh軸電圧の交流成分の大きさと位相及びv軸電圧の交流成分の大きさと位相を検出または推定し、前記h軸電流の交流成分の大きさと位相及びh軸電圧の交流成分の大きさと位相よりインダクタンス成分Lhを求め、該インダクタンス成分Lhを前記d軸方向のインダクタンスLdとして設定記憶し、前記v軸電流の交流成分の大きさと位相及びv軸電圧の交流成分の大きさと位相よりインダクタンス成分Lvを求め、該インダクタンス成分Lvを前記q軸方向のインダクタンスLqとして設定記憶し、前記h軸電流の直流成分を検出し、前記h軸電圧の直流成分を検出または推定して抵抗成分Rdcを求め、該抵抗成分Rdcを前記永久磁石形同期電動機の巻線抵抗として設定記憶することを特徴とする同期電動機の制御方法。 - 前記v軸に流す電流は、前記h軸に流す交流電流の周波数の整数倍(1を除く)で同位相の直流分を含まない交流電流とすることを特徴とする請求項1記載の同期電動機の制御方法。
- 前記v軸に流す電流は、前記h軸に流す交流電流の周波数の整数倍(1を除く)で90度位相が異なり直流分を含まない交流電流とすることを特徴とする請求項1記載の同期電動機の制御方法。
- 前記h軸電流の交流成分の大きさと位相と前記h軸電圧の交流成分の大きさと位相より抵抗成分Rhを求め、前記v軸電流の交流成分の大きさと位相と前記v軸電圧の交流成分の大きさと位相より抵抗成分Rvを求め、前記抵抗成分Rh、前記抵抗成分Rv及び前記抵抗成分Rdcの平均値を前記永久磁石形同期電動機の巻線抵抗として設定記憶することを特徴とする請求項1,2又は3記載の同期電動機の制御方法。
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