JP4147970B2

JP4147970B2 - 誘導電動機の制御方法

Info

Publication number: JP4147970B2
Application number: JP2003041978A
Authority: JP
Inventors: 岳小川; 誠司石田; 俊昭奥山; 徹郎児島
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-02-20
Filing date: 2003-02-20
Publication date: 2008-09-10
Anticipated expiration: 2023-02-20
Also published as: JP2004254420A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータ制御の誘導電動機を速度センサレスベクトル制御で駆動制御する制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
誘導電動機の速度センサレスベクトル制御を実現する方法として、例えば下記特許文献１に記載されているように、トルク電流の検出値が指令値に一致するように電流制御を行うことにより、電動機の回転速度を推定する方法がある。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２３８４９７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来技術による制御方法では、電動機の誘起電圧に相当する量を演算して速度推定に利用しているため、誘起電圧が小さくなる低速域では電圧制御誤差の影響で速度推定精度が劣化し、制御が不安定になる。
【０００５】
本発明の目的は、低速域でも安定に誘導電動機を運転できる制御方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の誘導電動機の制御方法は、低速域では、トルク電流の検出値から速度を推定する第１の速度推定手段の出力をマスクし、励磁電流指令とトルク電流指令から速度を推定する第２の速度推定手段により速度を推定する。
【０００７】
さらに、電流指令切り換え手段により第１の励磁電流指令ｉ_d ^*と第１のトルク電流指令ｉ_q ^*を第２の励磁電流指令ｉ_d2 ^*と第２のトルク電流指令ｉ_q2 ^*に切り換え、安定な動作点で運転する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を用いて詳しく説明する。
【０００９】
（実施例１）
本実施例の誘導電動機の制御システムを図１に示す。本発明の誘導電動機の制御システムは、インバータ制御器１と、インバータ制御器１から送られる三相電圧指令ｖ_u ^*，ｖ_v ^*，ｖ_w ^*に従い、可変電圧、可変周波数の交流電圧に変換して誘導電動機４を駆動するインバータ２と、誘導電動機４と、インバータ２から誘導電動機４に流れる電流を検出する電流検出器３とからなる。
【００１０】
インバータ制御器１は、励磁電流指令ｉ_d ^*と、トルク電流指令ｉ_q ^*と、電流検出器３で検出した三相電流検出値ｉ_u，ｉ_v，ｉ_w とを入力して、三相電圧指令ｖ_u ^*，ｖ_v ^*，ｖ_w ^*をインバータ２へ出力する。
【００１１】
このインバータ制御器１の詳細な構成を以下説明する。増磁制御器１０３は、第１の励磁電流指令ｉ_d ^*と第１のトルク電流指令ｉ_q ^*を入力し、後述するアルゴリズムに従って、第２の励磁電流指令ｉ_d2 ^*と第２のトルク電流指令ｉ_q2 ^*とに変換する。
【００１２】
電流変換器１０２は、三相電流検出値ｉ_u，ｉ_v，ｉ_w と、位相指令θ^*とを入力し、三相電流検出値ｉ_u，ｉ_v，ｉ_w を励磁電流ｉ_dとトルク電流ｉ_qとに変換して出力する。
【００１３】
電流制御器１０５ａ，１０５ｂは、励磁電流指令ｉ_d ^*と励磁電流ｉ_d 、トルク電流指令ｉ_q ^*とトルク電流ｉ_qとがそれぞれ一致するよう、電圧補償値Δｖ_d0 ^*と、電圧補償値Δｖ_q0 ^*とを生成し、出力する。
【００１４】
出力ゲイン１１２ａ，１１２ｂは、電流制御器１０５ａ，１０５ｂが出力する電圧補償値Δｖ_d0 ^*，Δｖ_q0 ^*と推定速度の関数であるＧ₁（ω_r＾）とを入力し、電圧補償値Δｖ_d0 ^*，Δｖ_q0 ^*に推定速度の関数であるＧ₁（ω_r＾）を乗じた、電圧補償値Δｖ_d ^*，Δｖ_q ^*を生成し、出力する。
【００１５】
速度推定器１１３は、電流制御器１１１と、出力ゲイン１１２ｃと、基準加速器１０７と、加算器１１６と、積分器１１０とを備えている。
【００１６】
電流制御器１１１は、トルク電流指令ｉ_q2 ^*とトルク電流ｉ_qとの偏差を入力し、この偏差を基にした推定加速度α₁₀を生成し、出力する。
【００１７】
出力ゲイン１１２ｃは、推定加速度α₁₀を入力し、Ｇ₂（ω_r＾）を乗じ、推定加速度α₁ を生成し、出力する。
【００１８】
基準加速器１０７は、励磁電流指令ｉ_d2 ^*とトルク電流指令ｉ_q2 ^*とを入力し、励磁電流指令ｉ_d2 ^*とトルク電流指令ｉ_q2 ^*との積に基づいて推定加速度α₂を生成し、出力する。
【００１９】
加算器１１６によりα₁ と推定加速度α₂ とを加算し、加算した値を積分器１１０に入力し、積分器１１０で積分し、推定速度ω_r＾を生成し、出力する。
【００２０】
すべり演算器１０８は、電流指令ｉ_d2 ^*と、電流指令ｉ_q2 ^*とから（数１）式に基づいてすべり周波数指令ω_s ^*を演算し、出力する。
【００２１】
【数１】

【００２２】
ただし、Ｒ₂ はモータの二次抵抗、Ｌ₂ はモータの二次側自己インダクタンスである。
【００２３】
加算器１１４でモータ速度ω_r＾とすべり周波数指令ω_s ^*を加算して、インバータ周波数指令ω₁ ^*を生成する。インバータ周波数指令ω₁ ^*を積分器１０９で積分し、位相指令θ^* を生成する。
【００２４】
電圧指令演算器１０４は、励磁電流指令ｉ_d2 ^*と、トルク電流指令ｉ_q2 ^*と、インバータ周波数指令ω₁ ^*とから、（数２）式と（数３）式とに基づいて電圧指令ｖ_d0 ^*，ｖ_q0 ^*を演算し、出力する。
【００２５】
【数２】

【００２６】
【数３】

【００２７】
ただし、Ｒ₁ はモータの一次抵抗、Ｍはモータの相互インダクタンス、ｌ _σ はモータの一次換算漏れインダクタンスである。
【００２８】
さらに、電圧指令演算器１０４が出力した電圧指令ｖ_d0 ^*，ｖ_q0 ^*と、出力ゲイン１１２ａ，１１２ｂが出力する電圧補償値Δｖ_d ^*，Δｖ_q ^*とを、加算器１１５ａ，１１５ｂで、それぞれ加算し、電圧指令ｖ_d ^*，ｖ_q ^*を生成し出力する。電圧指令変換器１０６は入力した電圧指令ｖ_d ^*，ｖ_q ^*を、位相指令θ^*に基づいて、三相電圧指令ｖ_u ^*，ｖ_v ^*，ｖ_w ^*に変換する。
【００２９】
次に、本実施例のインバータ制御器１の動作の一例を、図４に示すタイムチャートを用いて説明する。図４は、誘導電動機４が低速で逆転している状態から起動し、零速度を通過して正転方向に加速する場合の運転波形を示す。
【００３０】
推定速度がω_r1以下の低速域（期間Ｔ₀）では、図１の出力ゲイン１１２ｃのＧ₂ を０に設定する。この結果、電流制御器１１１が出力する推定加速度α₁₀を基にして出力ゲイン１１２ｃが生成する推定加速度α₁ が０になり、基準加速器１０７により生成する推定加速度α₂のみに基づいて電動機速度を推定する。これにより、低速域では電圧制御誤差の影響を受けることなく、電動機速度を推定できる。
【００３１】
また本実施例では図４に示すように、推定速度がω_r1以下の低速域（期間Ｔ₀）では、図１の出力ゲイン１１２ａ，１１２ｂのＧ₁ を１に設定し、電流制御器１０５ａ，１０５ｂが出力する電圧補償値Δｖ_d0 ^*，Δｖ_q0 ^*と、出力ゲイン１１２ａ，１１２ｂが出力する電圧補償値Δｖ_d ^*，Δｖ_q ^*とを一致させる。これにより、推定速度がω_r1以下の低速域（期間Ｔ₀ ）では、励磁電流およびトルク電流がそれぞれの指令値に一致するように制御される。なお、増磁制御器１０３は、推定速度がω_r1以下の低速域（期間Ｔ₀ ）では、励磁電流指令をｉ_d2 ^* に、トルク電流指令をｉ_q2 ^*に設定する。
【００３２】
一方、推定速度がω_r1以上の高速域では誘起電圧が大きくなるため、励磁電流ｉ_d を低減して誘導電動機内部の磁束を小さくし、誘起電圧を下げることが望ましい。そこで、推定速度がω_r1に達した時点で、後述の図２の動作点Ａへの切り換えを開始する。切り換え期間Ｔ₁ の間に、図１の増磁制御器１０３は、励磁電流指令をｉ_d2 ^*からｉ_d ^*へ、トルク電流指令をｉ_q2 ^*からｉ_q ^*へ、それぞれ図４に示すようなランプ状に切り換える。
【００３３】
また、切り換え期間Ｔ₁ の間に、図１の出力ゲイン１１２ａ，１１２ｂのＧ₁ を図４に示すように１から０へランプ状に切り換え、電流制御器１０５ａ，１０５ｂが出力する電圧補償値Δｖ_d0 ^*，Δｖ_q0 ^*をマスクする。さらに、切り換え期間Ｔ₁ の間に、出力ゲイン１１２ｃのＧ₂ を図４に示すように０から１へランプ状に切り換え、電流制御器１１１の出力する推定加速度α₁₀に基づいた速度推定を行う。
【００３４】
期間Ｔ₂ では、速度センサレスベクトル制御で運転を継続する。これにより、高速域でも良好な制御が可能になる。
【００３５】
前記説明では、予め設定した切り換え期間Ｔ₁ 内に、電流指令とゲインとを時間の関数として切り換えているが、前記推定速度ω_r1より大きな切り換え終了速度ω_r2を別に設定し、推定速度がω_r1からω_r2の間に、電流指令とゲインとを速度の関数として同様に切り換えても良い。
【００３６】
次に、図１の増磁制御器１０３が出力する励磁電流指令ｉ_d2 ^* と、トルク電流指令ｉ_q2 ^* との設定方法を、図２と図３とを用いて説明する。図２は、一次電流の大きさとが一定の場合の誘導電動機のすべり周波数と発生トルクとの関係を示す。
【００３７】
はじめに、図４の期間Ｔ₂ のベクトル制御で用いられる、図２の動作点Ａでの動作を説明する。動作点Ａでは、励磁電流指令ｉ_d2 ^*＝ｉ_d ^* 、トルク電流指令ｉ_q2 ^*＝ｉ_q ^*、すべりω_s0である。仮に速度推定誤差が発生し、推定速度が実速度を上回ったとすると、推定速度と実速度との差の分、すべりが大きくなり、発生トルクは減少する。この結果、誘導電動機が、必要なトルクを発生できなくなり、実速度の加速度が推定速度の加速度より小さくなり、速度推定誤差が増加する。推定速度が実速度を下回った場合も同様である。このように、動作点Ａでは安定した誘導電動機の運転ができない。
【００３８】
次に、動作点Ａと同一のトルクを発生できる図２の動作点Ｂでの動作を説明する。図２の動作点Ｂでは、励磁電流指令ｉ_d2 ^*＝ｉ_q ^*、トルク電流指令ｉ_q2 ^*＝ｉ_d ^*、すべりω_s1であるとする。動作点Ｂでは、すべりが増加するとトルクも増加するため、速度推定誤差が発生した場合に速度推定誤差を低減する方向にトルクが変化する。このように、動作点Ｂでは安定して電動機の加速ができる。
【００３９】
すなわち、図２で、すべり変化に対するトルク変化のグラフの傾きが正であるような、トルク変化のグラフの極大値である動作点Ｃよりすべりの大きさが小さい範囲では安定であり、逆にグラフの傾きが負である、動作点Ｃよりすべりが大きい範囲では不安定になることがわかる。
【００４０】
次に動作点Ａ及び動作点Ｂと電流ベクトルの関係について図３を用いて説明する。図３は、図２の動作点Ａ及び動作点Ｂでの電流ベクトルを示し、電流ベクトルの大きさは等しい。図３に示す長方形Ｏ−ｉ_d−Ａ−Ｉ_qおよびＯ−ｉ_d2−Ｂ−ｉ_q2の面積は、各動作点Ａ，Ｂで発生するトルクに比例する。図２で説明したように、動作点Ａと動作点Ｂとではトルクが等しい。なお、図３の説明では、磁束飽和の影響は無視している。
【００４１】
また、トルクが最大となる図２上の動作点Ｃは、図３に示すように、励磁電流ｉ_d とトルク電流ｉ_q とが等しいことを表す一点鎖線と、電流一定を表す円弧との交差点である。
【００４２】
以上説明したように、図１の増磁制御器１０３が出力する励磁電流指令ｉ_d2 ^* をトルク電流指令ｉ_q2 ^* よりも大きくなるように、すなわち図３で斜線を施した領域に励磁電流指令ｉ_d2 ^* とトルク電流指令ｉ_q2 ^* とが入るように、選べば、誘導電動機を安定に制御できる。
【００４３】
さらに、増磁制御器１０３が出力する励磁電流指令ｉ_d2 ^* が、増磁制御器１０３に入力するトルク電流指令ｉ_q ^*と等しく、増磁制御器１０３が出力するトルク電流指令ｉ_q2 ^* が、増磁制御器１０３に入力する励磁電流指令ｉ_d ^*と等しくなるように選べば、誘導電動機の発生トルクを、励磁電流指令ｉ_d ^*とトルク電流指令ｉ_q ^*とに対応するトルクに、等しくすることが可能になり、安定に制御できるだけでなく、過渡的な速度推定誤差の発生も抑制できる。
【００４４】
また、増磁制御器１０３が出力する励磁電流指令ｉ_d2 ^*とトルク電流指令ｉ_q2 ^*との積が、増磁制御器１０３に入力する励磁電流指令ｉ_d ^*とトルク電流指令ｉ_q ^*との積に等しくなるように選んでも、誘導電動機の発生トルクを、励磁電流指令ｉ_d ^*とトルク電流指令ｉ_q ^*とに対応するトルクに、等しくできる。この場合、励磁電流指令ｉ_d2 ^*とトルク電流指令ｉ_q2 ^*との組み合わせを適当に選ぶことで、誘導電動機の発生トルクを変化せずにモータ電流の大きさを低減できる。
【００４５】
（実施例２）
本実施例の電気車両を図５に示す。図５において、インバータ制御器１，インバータ２，電流検出器３，誘導電動機４は図１に示す実施例１と同一の構成であり、電気車両に搭載されている。
【００４６】
本実施例では、架線２０１および軌道２０７から、それぞれ集電器２０２および車輪２０６を介して受電した直流電圧を、受電フィルタ２０３を経由してインバータ２に入力する。受電フィルタ２０３はフィルタリアクトル２０３ａとフィルタコンデンサ２０３ｂとを備えている。
【００４７】
主幹制御器２１１は、運転士のノッチ操作をノッチ指令α^*に変換して出力する。ノッチ指令α^*を電流指令生成器２１４に入力し、電流指令生成器２１４が、励磁電流指令ｉ_d ^*と、トルク電流指令ｉ_q ^*とを生成し出力する。インバータ制御器１に励磁電流指令ｉ_d ^*と、トルク電流指令ｉ_q ^*とを入力し、インバータ制御器１は実施例１と同様に三相電圧指令ｖ_uvw ^*をインバータ２に出力する。誘導電動機４は、インバータ２から供給された交流電圧によりトルクを発生し、図示していないギアを介して車輪２０６を駆動する。なお、図５では誘導電動機４が１台の場合を示すが、１台のインバータ２の出力に２〜４台の複数台の誘導電動機４を並列に接続し、インバータ２の出力電流の検出値をインバータ制御器１に入力して実施例１と同様に制御しても良い。
【００４８】
本実施例によれば、後退起動を含む低速域でも安定に運転できる電気車両駆動システムが構成できる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、後退起動を含む低速域でも安定に誘導電動機を運転できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の誘導電動機の制御システムの説明図。
【図２】周波数と、一次電流の大きさとが一定の場合の、誘導電動機のすべり周波数と発生トルクとの関係を示す説明図。
【図３】電流指令と安定性の関係の説明図。
【図４】実施例１のインバータ制御器の動作の一例を示すタイムチャート。
【図５】実施例２の電気車両の制御ブロックの説明図。
【符号の説明】
１…インバータ制御器、２…インバータ、３…電流検出器、４…誘導電動機、１０３…増磁制御器、１０４…電圧指令演算器、１１３…速度推定器。

Claims

入力された第１の励磁電流指令と第１のトルク電流指令に基づいて演算された可変電圧可変周波数の交流電圧により誘導電動機を制御する制御方法において、
第１の励磁電流指令と第１のトルク電流指令を入力し、第２の励磁電流指令と第２のトルク電流指令を出力する第１の制御ステップと、
前記第２の励磁電流指令と前記第２のトルク電流指令を入力し、第１の速度推定値を出力する第２の制御ステップと、
前記誘導電動機に流れる電流値と前記第２のトルク電流指令を入力し、第２の速度推定値を出力する第３の制御ステップと、を備え、
前記誘導電動機の速度が小さい領域では、前記第２の励磁電流指令の大きさを前記第２のトルク電流指令の大きさ以上となるよう制御され、かつ前記第１の速度推定値に基づき前記可変電圧可変周波数が制御され、
前記誘導電動機の速度が大きい領域では、前記第１の励磁電流指令と前記第２の励磁電流指令が一致するよう制御され、かつ前記第１のトルク電流指令と前記第２のトルク電流指令が一致するよう制御され、かつ前記第２の速度推定値に基づき前記可変電圧可変周波数が制御され、
前記第２の励磁電流指令と前記第２のトルク電流指令の積の大きさは、前記第１の励磁電流指令と前記第１のトルク電流指令との積の大きさ以上に制御されることを特徴とする誘導電動機の制御方法。
請求項１に記載の誘導電動機の制御方法において、
前記第２の励磁電流指令と前記第２のトルク電流指令とは時間に対して連続に制御されることを特徴とする誘導電動機の制御方法。
請求項１または２に記載の誘導電動機の制御方法を具備し、
前記誘導電動機により車輪を駆動することを特徴とする電気車両。