JP4143912B2

JP4143912B2 - 電動機の制御装置

Info

Publication number: JP4143912B2
Application number: JP2002349877A
Authority: JP
Inventors: 田浩二野; 長英聡福
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 2002-12-02
Filing date: 2002-12-02
Publication date: 2008-09-03
Anticipated expiration: 2022-12-02
Also published as: JP2004187379A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
直流を交流に変換して出力するインバータの交流側に速度可変の電動機が接続され、この電動機の速度目標値と速度検出値との偏差に加減速ゲインを乗算して得られた値を用いてインバータを制御する電動機の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の従来の電動機の制御装置は、電動機の速度目標値と速度検出値との偏差を求め、この偏差に加減速ゲインを乗算してＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）制御のデューティ比の補正量を求め、負荷変動によって電動機の速度が目標速度より低下した場合にはデューティ比を大きくして加速させ、逆に電動機の速度が目標速度を超過した場合にはデューティ比を小さくして減速させることによって電動機を目標速度に保持する構成になっていた。
【０００３】
この場合、電動機や負荷の種類によっては加減速ゲインを調整する必要がある。このため汎用の電動機の制御装置においては、可変抵抗器やディジタル的な数値入力装置を用いて加減速ゲインを外部から調整可能にしたり、速度検出器によって検出された速度に比例した加減速ゲインに逐次変更したりするものがあった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、種々の電動機を可変速駆動する汎用の電動機の制御装置においては、駆動の対象となる電動機や負荷に様々な態様が存在し、場合によっては駆動速度の相違によって負荷が変動するシステムに用いられる電動機を駆動しなければならない場合もある。このような負荷変動を伴うシステムの場合、従来の装置では速度とは無関係な固定値あるいは速度と比例関係にある値でしか加減速ゲインの調整ができなかっため、ある速度で回転ムラや振動のない安定した運転が行われていたとしても、他の速度では回転ムラや振動が拡大し、これによって電動機やシステムの振動が大きくなると共に、騒音が大きくなるという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記の事情を考慮してなされたもので、回転速度の変化による負荷変動の大きいシステムに使用される電動機であっても、回転ムラや振動を低く抑えることのできる汎用性を持たせた電動機の制御装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１に係る発明は、直流を交流に変換して出力するインバータの交流側に速度可変の電動機が接続され、電動機の速度目標値と速度検出値との偏差に加減速ゲインを乗算して得られた値を用いてインバータの出力を制御する電動機の制御装置において、
電動機の速度可変範囲を複数に区分けした速度ゾーンにそれぞれ対応させて加減速ゲイン情報が格納され、かつ、加減速ゲイン情報を外部から書き換えることが可能な記憶手段を備え、電動機の速度検出値が含まれている速度ゾーンの加減速ゲイン情報を読み出し、この加減速ゲイン情報に対応する加減速ゲインを電動機の速度目標値と速度検出値との偏差に乗算することを特徴とする。
【０００７】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の電動機の制御装置において、記憶手段は複数の速度ゾーンに区分けする閾値を互いに異ならせた複数種類のテーブルを含み、加減速ゲイン情報を読み出すべき１つのテーブルを外部から選択可能にしたことを特徴とする。
【０００８】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の電動機の制御装置において、記憶手段は、電動機の速度可変範囲を複数に区分けする閾値情報を外部から切り替え可能にしたことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る電動機の制御装置の一実施形態の構成を、部分的に結線図で示したブロック図である。同図において、商用の交流電源１に、交流を直流に変換する整流回路２が接続されている。整流回路２として、例えば、全波整流ブリッジの出力端子間に平滑コンデンサが接続されたものが用いられる。この整流回路２にインバータ３が接続されている。インバータ３はそれぞれ還流用のダイオードが逆並列接続された、例えば、ＩＧＢＴでなるスイッチング素子３Ｕ，３Ｖ，３Ｗ，３Ｘ，３Ｙ，３Ｚが３相ブリッジ接続されたものでなっている。この場合、スイッチング素子３Ｕと３Ｘ、３Ｖと３Ｙ、３Ｗと３Ｚが互いに直列接続され、これらの直列接続回路が互いに並列接続されており、その一端が整流回路２の正側端子に接続され、その他端が整流回路２の負側端子に接続されている。そして、スイッチング素子３Ｕと３Ｘ、３Ｖと３Ｙ、３Ｗと３Ｚの各接続点に電動機４が接続されている。電動機４には、回転速度の変化により負荷変動の大きい、例えば、圧縮機でなる負荷５が結合されている。
【００１０】
インバータ３と電動機４の各接続経路のうち、少なくとも２つの経路には、抵抗又はホール素子を用いた電流検出素子が接続され、これらが電流検出部１１を構成している。この電流検出部１１の電流検出信号に基づいて、電動機４の回転子位置及び回転速度を検出する位置・速度検出部１２が設けられている。制御用マイクロコンピュータ１３は書換え可能な不揮発性メモリであるＥＥＰＲＯＭ１４を付帯し、位置・速度検出部１２で検出された回転子位置及び回転速度に従って電圧指令を出力するもので、例えば、詳細な構成を省略した周知のサーボ電動機制御機能を備えている。制御用マイクロコンピュータ１３には、ＵＡＲＴ（Universal Asynchronous Receiver Transmitter：万能非同期受信送信装置）端子１６を介して、制御コマンドの送信やステータスの受信などを行う上位制御装置２１及びＥＥＰＲＯＭ１４に対するデータの書き込みや読出しが可能なパーソナルコンピュータ２２が接続されている。
【００１１】
ＥＥＰＲＯＭ１４には、電動機４の速度可変範囲を複数に区分けした速度ゾーンにそれぞれ対応させて予め定めた加減速ゲイン情報がテーブルとして格納されると共に、複数の速度ゾーンに区分けする閾値を互いに異ならせた複数種類のテーブルを備えている。そして、パーソナルコンピュータ２２によって、加減速ゲイン情報の書き込みや書き換えを行ったり、閾値情報を切り替えたりすることができるようになっており、上位制御装置２１は使用機種情報や速度目標値の入力等を行う。
【００１２】
なお、上述した整流回路２、インバータ３、電流検出部１１、位置・速度検出部１２、制御用マイクロコンピュータ１３、ＥＥＰＲＯＭ１４、ＰＷＭ信号生成部１５及びＵＡＲＴ端子１６によって本発明の電動機の制御装置３０を構成している。
【００１３】
上記のように構成された本実施形態の動作について以下に説明する。先ず、電動機の制御装置３０の製造、調整段階にてＵＡＲＴ端子１６にパーソナルコンピュータ２２を接続し、制御用マイクロコンピュータ１３を動作させて、ＥＥＰＲＯＭ１４における制御ゲイン情報の書き込みを行う。この場合、パーソナルコンピュータ２２から機種情報、複数の速度ゾーンに区分けする閾値、速度ゾーンにそれぞれ対応させた加減速ゲイン情報が入力され、制御用マイクロコンピュータ１３はこれらの入力に従って機種毎に閾値を異ならせた複数種類のテーブルとしてＥＥＰＲＯＭ１４に書き込みを行う。
【００１４】
なお、本実施形態における製造、調整段階における情報の書き込みは、速度ゾーン分けの閾値においては、１０ｒｐｓから１００ｒｐｓの間で１ｒｐｓ単位で３つの閾値が設定できる。この結果、ゾーン分けはゾーン０から４の４ゾーンとなる。また、ここで設定されるゾーンの最小値は、この電動機の制御装置が組み込まれる機器における安定運転範囲の最低値となる。一方、各ゾーンにおける加減速ゲインは、２倍から２５５倍の間で１４段階に選択することが可能である。したがって、各速度ゾーンの範囲及びそのゾーンにおける加減速ゲインは、様々な設定が可能となる。また、１つのＥＥＰＲＯＭ内に予め２以上の複数機種の速度ゾーンの範囲及びそのゾーンにおける加減速ゲインが記憶できるようにして、複数機種間での兼用を可能としてる。このため、電動機の制御装置の製造段階においてＥＥＰＲＯＭへデータを書き込み、その後、最終の機器への組み込みという製造方法を採用した場合には最終の複数機種間で電動機の制御装置を兼用することができる。
【００１５】
このようにして製造、調整が行われた電動機の制御装置３０が実際のシステムに組み込まれ、交流電源１、モータ４及び負荷５が接続され、さらに、上位制御装置２１がＵＡＲＴ端子１６に接続される。この状態で運転が開始されると上位制御装置２１から機種情報と速度目標値（可変）とが制御用マイクロコンピュータ１３に入力される。
【００１６】
そこで、整流回路２は商用電源電圧を全波整流し、さらに、平滑してインバータ３に供給する。そして、ＰＷＭ信号生成部１５は予め定めた組合せ及び順序にてスイッチング素子３Ｕ，３Ｖ，３Ｗ，３Ｘ，３Ｙ，３Ｚをオン、オフ制御することにより３相交流電圧が電動機４に供給される。これによって、電動機４が負荷５を駆動する。負荷５を駆動中の電動機４の少なくとも２相の電流が電流検出部１１によって検出され、検出信号が位置・速度検出部１２に加えられる。位置・速度検出部１２は各相電流の検出信号に基づいて電動機４のロータ位置を検出し、さらに、回転速度を検出してロータ位置検出値及び速度検出値を制御用マイクロコンピュータ１３に加える。
【００１７】
制御用マイクロコンピュータ１３は上位制御装置２１から入力された電動機４の速度目標値と位置・速度検出部１２で検出された速度検出値との偏差を求め、さらに、上位制御装置２１から入力された機種と、速度検出値に対応する加減速ゲインを読み出して速度偏差に乗算し、得られた値を電流値に換算した後、位置・速度検出部１２で検出されたロータ位置に対して所定のタイミングにてＰＷＭ信号生成部１５に電流指令を加える。ＰＷＭ信号生成部１５は電流指令に対応するＰＷＭ信号を生成し、さらに、このＰＷＭ信号を増幅してインバータ３を構成するスイッチング素子３Ｕ，３Ｖ，３Ｗ，３Ｘ，３Ｙ，３Ｚの各ゲートに印加する。
【００１８】
ここで、上位制御装置２１から、例えば、増加と減少の変速工程が含まれる速度目標値が入力されると制御用マイクロコンピュータ１３は、これらの速度検出値が含まれている速度ゾーンの加減速ゲイン情報をＥＥＰＲＯＭ１４から読み出し、この加減速ゲイン情報に対応する加減速ゲインを電動機４の速度目標値と速度検出値との偏差に乗算する。
【００１９】
図２はＥＥＰＲＯＭ１４のデータ例を示した図表であり、例えば、「機種１」の速度変動範囲を「０」と「１」に区分けする閾値が「２０ｈ（１０ｒｐｓ）」に、「１」と「２」に区分けする閾値が「４０ｈ（２０ｒｐｓ）」に、…、それぞれ設定され、「機種１」を運転中の速度検出値が「ゾーン１」である場合には加減速ゲインが「０８ｈ（４倍）」に設定されている。
【００２０】
この例では、機種１において、ゾーン０が０〜１０ｒｐｓ、ゾーン１が１０〜２０ｒｐｓ、ゾーン２が２０〜３０ｒｐｓ、ゾーン３が３０以上に設定されている。そして、各ゾーンにおける加減速ゲインは、ゾーン０から順に、３、４、６、１０に設定される。実際の加減速ゲインは式：次回のＰＷＭ出力デューティ比＝現行のＰＷＭ出力デューティ比＋現行のＰＷＭ出力デューティ比×（現行速度…目標速度）×加減速ゲイン／１００：で計算され、この結果に基づき次回のインバータのＰＷＭ出力のデューティ比が調整される。この調製は１０ｍｓｅｃ毎程度で更新される。
【００２１】
図３は電動機４の速度変動範囲を「０」「１」「２」「３」の４個のゾーンに区分けする場合の設定閾値と、最新の速度検出値がどのゾーンに属するかを判定する制御用マイクロコンピュータ１３の処理手順を示すフローチャートである。ここで、制御のチャタリングを防止するために、速度が上昇傾向にある場合の閾値と下降傾向にある場合の閾値とに僅かの差を持たせ、それぞれ「Ｖａ又はＶａ′」「Ｖｂ又はＶｂ′」「Ｖｃ又はＶｃ′」を閾値として下記の処理を実行する。
【００２２】
すなわち、電動機４の速度を上昇させ、所定の速度に到達した時点で減速に転じる場合、ステップ１０１で最新の速度検出値Ｖを読み取り、ステップ１０２にてその値を前回のものに代えて記憶する。そして、ステップ１０３で速度検出値Ｖが閾値「Ｖａ」以上であるか否かを判定し、閾値「Ｖａ」以上であればステップ１０４にて「ゾーン＝１」と仮決定してステップ１１６の処理に進み、閾値「Ｖａ」未満であればステップ１０５の処理に進む。ステップ１０５においては、前回の速度がゾーン「２」よりも小さく、かつ、速度検出値Ｖが閾値「Ｖｂ」以上であるか否かを判定し、閾値「Ｖｂ」以上であればステップ１０６にて「ゾーン＝２」と仮決定してステップ１１６の処理に進み、閾値「Ｖｂ」未満であればステップ１０７の処理に進む。以下、これ以外の閾値「Ｖｃ」「Ｖｃ′」「Ｖｂ′」「Ｖａ′」を用いてステップ１０７〜１１４にて同様な処理を繰り返し、ステップ１１５にて記憶された値に変化が無いことを確認し、ステップ１１６で最新の速度ゾーンを確定する。
【００２３】
以上のようにして、速度ゾーンを確定し、そのときの機種と速度ゾーンに対応する加減速ゲインを選択して速度検出値との偏差に乗算する。因みに、図２に示すＥＥＰＲＯＭのデータ例に従った場合には、速度が大きくなるほど値の大きい加減速ゲインを使用することになる。
【００２４】
かくして、上記の実施形態によれば、電動機４の速度目標値と速度検出値との偏差に加減速ゲインを乗算して得られた値を用いて加減速制御するに当たり、電動機４の速度検出値が含まれている速度ゾーンの加減速ゲイン情報をＥＥＰＲＯＭ１４から読み出し、この情報に対応する加減速ゲインを電動機４の速度目標値と速度検出値との偏差に乗算することによって、回転速度の変化による負荷変動の大きいシステムに使用される電動機の回転ムラや振動を低く抑えることができる。
【００２５】
また、ＥＥＰＲＯＭ１４が複数の速度ゾーンに区分けする閾値を互いに異ならせた複数種類のテーブルを含み、機種に応じて、加減速ゲイン情報を読み出すべき１つのテーブルを選択するようにしたので、型格又は特性の異なる複数の機種に対応することができる。
【００２６】
さらに、ＥＥＰＲＯＭ１４の加減速ゲイン情報及び閾値情報を外部から切り替え設定可能にしたため、負荷の条件が変化する場合にも対応することができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上の説明によって明らかなように、本発明によれば、回転速度の変化による負荷変動の大きいシステムに使用される電動機であっても、回転ムラや振動を低く抑えることのできる汎用性を持たせた電動機の制御装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電動機の制御装置の一実施形態の構成を、部分的に結線図で示したブロック図。
【図２】図１に示す実施形態を構成するＥＥＰＲＯＭのデータ例を示した図表。
【図３】図１に示す実施形態の動作を説明するために、制御用マイクロコンピュータの具体的処理手順を示したフローチャート。
【符号の説明】
１交流電源
２整流回路
３インバータ
４電動機
５負荷
１１電流検出部
１２位置・速度検出部
１３制御用マイクロコンピュータ
１４ＥＥＰＲＯＭ
１６ＵＡＲＴ端子
１５ＰＷＭ信号生成部
２１上位制御装置
２２パーソナルコンピュータ

Claims

直流を交流に変換して出力するインバータの交流側に速度可変の電動機が接続され、前記電動機の速度目標値と速度検出値との偏差に加減速ゲインを乗算して得られた値を用いて前記インバータの出力を制御する電動機の制御装置において、
前記電動機の速度可変範囲を複数に区分けした速度ゾーンにそれぞれ対応させて加減速ゲイン情報が格納され、かつ、前記加減速ゲイン情報を外部から書き換えることが可能な記憶手段を備え、前記電動機の速度検出値が含まれている前記速度ゾーンの前記加減速ゲイン情報を読み出し、この加減速ゲイン情報に対応する加減速ゲインを前記電動機の速度目標値と速度検出値との偏差に乗算することを特徴とする電動機の制御装置。
前記記憶手段は複数の速度ゾーンに区分けする閾値を互いに異ならせた複数種類のテーブルを含み、前記加減速ゲイン情報を読み出すべき１つの前記テーブルを外部から選択可能にしたことを特徴とする請求項１に記載の電動機の制御装置。
前記記憶手段は、電動機の速度可変範囲を複数に区分けする閾値情報を外部から切り替え可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電動機の制御装置。