JP4622068B2 - 電動機の制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電動機トルクを制御するための電動機の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４に電動機として表面磁石構造の永久磁石形同期電動機（以下、単に同期電動機とも言う）を用いた場合の、出力トルクを制御する制御装置の例を示す。
図４において、１はトルク指令τ^* から電流指令値ｉ_d ^* ，ｉ_q ^* を演算する電流指令演算器、２はその電流指令値通りの電流を流すための電圧指令値を求める電流制御部、３は電圧指令値通りの電圧を出力するインバータ、４は同期電動機、５はこの同期電動機に内蔵されている位置検出器、６は同期電動機に供給されている電流を検出する電流検出器、７は位置検出器の出力と電流検出器の出力とから直交２軸の座標に分解した電流を求める３相／２相変換器を示す（以下、直交２軸の座標系をｄｑ軸という）
【０００３】
動作について説明する。
２反作用理論において、回転子のＮ極方向にｄ軸をとり、ｄ軸から電気角で９０度の方向にｑ軸をとったｄ，ｑ軸座標上での同期電動機のトルクτを下記（１）式に示す（２反作用については、例えば「大学講義 電気・機械エネルギー変換工学」宮入 庄太著 丸善発行の“１１．同期機の動力学”の項を参照されたい。）。
τ＝Ｐ_F ｛Ψ_m ｉ_q ＋（Ｌ_d −Ｌ_q ）ｉ_d ｉ_q ｝ …（１）
τ：トルク、Ｐ_F ：極対数、Ψ_m ：基準温度（Ｔ_m0）での永久磁石が作る鎖交磁束、ｉ_d ，ｉ_q ：ｄ軸，ｑ軸電流、Ｌ_d ，Ｌ_q ：ｄ軸，ｑ軸インダクタンス
表面磁石構造の場合は、ｄ軸インダクタンスＬ_d とｑ軸インダクタンスＬ_q が等しいため（Ｌ_d ＝Ｌ_q ）、上記（１）式は次の（２）式となる。
τ＝Ｐ_F Ψ_m ｉ_q …（２）
【０００４】
外部からトルク指令τ^* が与えられたときは、電流指令演算器１により次の（３）式からｄ，ｑ軸座標上の電流指令（ｉ_d ^* ，ｉ_q ^* ）（以下、これを従来の電流指令という）が演算される。
ｉ_d ^* ＝０，ｉ_q ^* ＝τ^* ／Ｐ_F Ψ_m …（３）
位置検出器５，電流検出器６の各出力からｄ，ｑ軸座標上の電流検出値を３相／２相変換器７で求め、電流制御部２において従来の電流指令値に上記電流検出値が追従するように電圧指令値を演算し、インバータ３にてこの電圧指令値通りの電圧を出力することにより、同期電動機４において所望のトルクを得ることが可能となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
永久磁石が作る鎖交磁束Ψ_m は、永久磁石の残留磁束密度Ｂ_r に比例する。しかし、この残留磁束密度には永久磁石の基準温度Ｔ_m0と現在の磁石温度Ｔ_m1とによる、図５のような温度係数Ｋ_Brがあることが知られている。例えば、希土類磁石であるＮｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石での残留磁束密度の温度係数は約−０．１〔％／Ｋ〕である。そのため、磁石温度の変動により永久磁石が作る鎖交磁束も変動し、電流指令演算器１が（３）式で求めた電流指令値通りに電流を流しても、所望のトルクを得られないという問題が発生する。
【０００６】
このような問題に対し、磁石温度を直接測定しその値を用いて補正する方法、例えば、磁石温度を直接測定するために赤外線を用いる方法や、磁石表面に熱電対を取り付け、スリップリングを介してその出力を電動機の外部に取り出す方法などがあるが、測定機器の取り付けのために電動機の構造が複雑となりコストが増加するなどの問題がある。
また、出願人は先に電動機の発生損失演算値と熱抵抗モデルとから電動機の温度を推定し、この推定温度をもとに所望のトルクを得るための電流指令に補正を加える方式を提案しているが（特願平１２−２３２６８１号）、これは電動機の熱容量が考慮されていないため、電動機始動直後などの過渡的な温度変化を推定することが困難であり、未だ十分なものとは言い難い。
したがって、この発明の課題は、構造を複雑化しコストを増加させることなく、また、電動機の温度が或る温度に整定するまでの時間を待つこともなく、トルクの温度変動による影響を受け難くすることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、温度検出手段および位置検出手段をセンサとして組み込んだ永久磁石形電動機を制御する電動機の制御装置において、
前記電動機の発生損失演算値と電動機の熱抵抗と熱容量モデルとから電動機温度を求め、この求めた温度と前記センサの温度検出手段からの温度検出値とに基づき前記電動機の永久磁石による磁束を推定演算する磁束演算手段と、この磁束演算手段による磁束演算値から電動機のトルクを発生させるための電流に所定の補正を加える電流補正手段とを設け、電動機トルクの温度による変動を抑制することを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明では、温度検出手段および位置検出手段をセンサとして組み込んだ永久磁石形電動機を制御する電動機の制御装置において、
前記電動機の発生損失演算値と電動機の熱抵抗と熱容量モデルとから電動機温度を求め、この求めた温度と前記センサの温度検出手段からの温度検出値と前記センサ部の損失とに基づき前記電動機の永久磁石による磁束を推定演算する磁束演算手段と、この磁束演算手段による磁束演算値から電動機のトルクを発生させるための電流に所定の補正を加える電流補正手段とを設け、電動機トルクの温度による変動を抑制することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
実施の形態について説明する前に、この発明の原理について説明する。図６は同期電動機の熱抵抗と熱容量モデルを示す。ただし、図６の各符号の意味は次の通りである。
Ｗ₀ ：同期電動機の発熱量〔Ｗ〕，Ｒ₁ ：同期電動機発熱部から固定子までの熱抵抗〔Ｋ／Ｗ〕，Ｒ₂ ：磁石から周囲までの熱抵抗〔Ｋ／Ｗ〕，Ｒ₃ ：同期電動機発熱部から磁石までの熱抵抗〔Ｋ／Ｗ〕，Ｃ₁ ：固定子から周囲までの熱容量〔Ｊ／Ｋ〕，Ｃ₂ ：磁石から周囲までの熱容量〔Ｊ／Ｋ〕
ところで、同期電動機で発生する損失には、相電流の２乗に比例する銅損や、回転速度に比例するヒステリシス損，回転速度の２乗に比例する渦電流損等の鉄損があり、これらは次の（４）式で示すことができる。ただし、ｒ：巻線抵抗〔Ω〕，Ｉ：相電流〔Ａ〕，ω：回転速度〔ｒ／ｍｉｎ〕，ｋ₁ ，ｋ₂ ，ｋ₃ ：比例係数を示す。
Ｗ₀ ＝ｋ₁ ｒＩ² ＋ｋ₂ ω＋ｋ₃ ω² …（４）
【００１０】
同期電動機の回転子には電流が流れないため、この同期電動機の発生損失は固定子分の銅損と鉄損となる。そのため、同期電動機の発熱は、固定子部分にあるとして以下説明する。
いま、周囲温度をＴ₀ ，同期電動機の発生損失をＷ₀ とすると、或る時間ｔの固定子温度Ｔ_f(t)，磁石温度Ｔ_m(t)は次の（５）式で表わされる。
Ｔ_f(t)＝Ｔ₀ ＋ΔＴ_f ，Ｔ_m(t)＝Ｔ₀ ＋ΔＴ_m …（５）
ただし、ΔＴ_f ，ΔＴ_m は固定子温度，磁石温度の周囲温度からの温度変化を示している。
【００１１】
その温度変化は、ラプラス演算子をｓとおくと、次の（６）式から、また、磁石温度の周囲温度からの温度変化ΔＴ_m は（７）式のように、同期電動機の損失の関数の形で求められる。
Ｃ₁ ｓΔＴ_f(s)＋ΔＴ_f(s)／Ｒ₁ ＋（ΔＴ_f(s)−ΔＴ_m(s)）／Ｒ₃ ＝Ｗ_0(s)
，Ｃ₂ ｓΔＴ_m(s)＋ΔＴ_f(s)／Ｒ₂ −（ΔＴ_f(s)−ΔＴ_m(s)）／Ｒ₃ ＝０
…（６）
ΔＴ_m(s)＝（Ｗ_0(s)／Ｒ₃ ）／｛（Ｃ₁ ｓ＋１／Ｒ₁ ＋１／Ｒ₃ ）（Ｃ₂ ｓ
＋１／Ｒ₂ ＋１／Ｒ₃ ）−（１／Ｒ₃ ）² ｝ …（７）
【００１２】
現在の磁石温度Ｔ_m1で永久磁石のつくる鎖交磁束Ψ_m1（現在の鎖交磁束ともいう）は、残留磁束密度の温度係数を考慮すると次の（８）式となり、また、外部からトルク指令が与えられたときのｄ，ｑ座標上の電流指令を、現在の鎖交磁束を考慮して（９）式で求める。この新しいｄ，ｑ座標上の電流指令値（ｉ_d1 ^* ，ｉ_q1 ^* ：新しい電流指令値という）を用いることで、温度により磁石の鎖交磁束が変化しても所望のトルクを得ることが可能となる。
Ψ_m1＝Ψ_m0｛１−ｋ_Br（Ｔ_m0−Ｔ_m1）｝＝Ψ_m0（１＋ｋ_BrΔＴ_m ）…（８）
ｉ_d1 ^* ＝ｉ_d0 ^* ＝０
，ｉ_q1 ^* ＝τ^* ／Ｐ_F Ψ_m1＝Ψ_m0ｉ_q0 ^* ／Ψ_m1＝ｉ_q0 ^* ／（１＋ｋ_BrΔＴ_m ）
≒（１−ｋ_BrΔＴ_m ）ｉ_q0 ^* …（９）
【００１３】
温度検出手段と位置検出手段とをもつセンサを組み込んだ同期電動機の、熱抵抗と熱容量モデルを図７に示す。図６との相違点は、Ｒ₄ ：センサから周囲までの熱抵抗〔Ｋ／Ｗ〕，Ｒ₅ ：同期電動機発熱部からセンサまでの熱抵抗〔Ｋ／Ｗ〕，Ｃ₃ ：センサから周囲までの熱容量〔Ｊ／Ｋ〕が増えた点である。
或る時間ｔのセンサ温度Ｔ_s(t)は、周囲温度Ｔ₀ からの温度変化をΔＴ_s とすると、次の（１０）式で与えられる。
Ｔ_s(t)＝Ｔ₀ ＋ΔＴ_s …（１０）
このときの周囲温度からの各温度変化は、次の（１１）式から求めることができる。
Ｃ₁ ｓΔＴ_f(s)＋ΔＴ_f(s)／Ｒ₁ ＋（ΔＴ_f(s)−ΔＴ_m(s)）／Ｒ₃ ＝Ｗ_0(s)
，Ｃ₂ ｓΔＴ_m(s)＋ΔＴ_f(s)／Ｒ₂ −（ΔＴ_f(s)−ΔＴ_m(s)）／Ｒ₃ ＝０
，Ｃ₃ ｓΔＴ_s(s)＋ΔＴ_s(s)／Ｒ₄ −（ΔＴ_f(s)−ΔＴ_s(s)）／Ｒ₅ ＝０
…（１１）
【００１４】
（１１）式より、磁石の温度変化ΔＴ_m とセンサの温度変化ΔＴ_s は次の（１２）式に示す関係があり、センサの温度変化を用いて磁石の温度変化を求めることができることを示す。
ΔＴ_m ＝Ｒ₅ （Ｃ₃ ｓ＋１／Ｒ₄ ＋１／Ｒ₅ ）ΔＴ_s(s)／Ｒ₃ （Ｃ₂ ｓ＋１／Ｒ₂ ＋１／Ｒ₃ ）
…（１２）
このことから、請求項１の発明では、磁石の温度変化を求めるにあたり、同期電動機の発生損失を求める方式と、センサの温度検出値の変化より（１２）式を用いて求める方式とを併用することで、磁石の温度変化をより精度良く求め、制御性能を向上させるようにする。
【００１５】
センサ部の損失を考慮した熱抵抗と熱容量モデルを図８に示す。センサ部の損失は、同期電動機の運転によらず一定値で、これをＷ_s0〔Ｗ〕とする。このときの周囲温度からの各温度変化は、次の（１３）式から求めることができる。
Ｃ₁ ｓΔＴ_f(s)＋ΔＴ_f(s)／Ｒ₁ ＋（ΔＴ_f(s)−ΔＴ_m(s)）／Ｒ₃ ＝Ｗ_0(s)
，Ｃ₂ ｓΔＴ_m(s)＋ΔＴ_f(s)／Ｒ₂ −（ΔＴ_f(s)−ΔＴ_m(s)）／Ｒ₃ ＝０
，Ｃ₃ ｓΔＴ_s(s)＋ΔＴ_s(s)／Ｒ₄ −（ΔＴ_f(s)−ΔＴ_s(s)）／Ｒ₅ ＝Ｗ_s0(s)
…（１３）
【００１６】
（１３）式より、磁石の温度変化ΔＴ_m は次の（１４）式に示す関係があり、センサの温度変化とセンサ部の損失とを用いて磁石の温度変化が求められることを示す。
ΔＴ_m(s)＝｛Ｒ₅ （Ｃ₃ ｓ＋１／Ｒ₄ ＋１／Ｒ₅ ）ΔＴ_s(s)−Ｒ₅ Ｗ_s0(s) ｝
／｛Ｒ₃ （Ｃ₂ ｓ＋１／Ｒ₂ ＋１／Ｒ₃ ）｝ …（１４）
このことから、請求項２の発明では、磁石の温度変化を求めるにあたり、同期電動機の発生損失を求める方式と、センサの温度検出値とセンサ部の損失を用いて（１４）式より求める方式とを併用することで、磁石の温度変化をより精度良く求め、制御性能を向上させる。
【００１７】
図１はこの発明の原理構成を示す構成図である。
同図から明らかなように、図４に示す従来例に対し、位置検出器５の出力から同期電動機４の回転速度を検出する速度検出器９と、その速度検出値と電動機の熱抵抗と熱容量モデルとから現在の鎖交磁束を演算する鎖交磁束演算器１０と、この演算器１０の出力である現在の鎖交磁束を用いて電流指令演算器１からの電流指令の補正を行なう電流指令補正器８とが付加されて構成される。
つまり、鎖交磁束演算器１０では電流指令値と回転速度から求めた電動機の発生損失と、電動機の熱抵抗と熱容量モデルとを用いて現在の鎖交磁束を求める。電流指令補正器８では、この現在の鎖交磁束と電流指令演算器１によって求めた従来の電流指令値ｉ_d ^* ，ｉ_q ^* とから、新しい電流指令値ｉ_d1 ^* ，ｉ_q1 ^* を求める。以下は従来と同じく、電流制御部２において新しい電流指令値に電流検出値が追従するように電圧指令値を演算し、インバータ３にてこの電圧指令値通りの電圧を出力することにより、同期電動機４の磁石温度の影響を受けず、電動機の温度が整定するまでの時間を待つことのないトルクを精度良く得られるようにしている。
【００１８】
図２はこの発明の第１の実施の形態を示す構成図である。
図４に示す従来例に対し、位置検出器５の出力から同期電動機４の回転速度を検出する速度検出器９と、その速度検出値と電動機の熱抵抗と熱容量モデルとから現在の鎖交磁束を演算する鎖交磁束演算器１２と、この演算器１２の出力である現在の鎖交磁束を用いて電流指令演算器１からの電流指令の補正を行なう電流指令補正器８と、電動機に組み込まれた温度検出器１１とが付加されて構成される。
そして、鎖交磁束演算器１２では温度検出器１１からの温度検出値と、電流指令値と回転速度から求めた電動機の発生損失と、電動機の熱抵抗と熱容量モデルとを用いて現在の鎖交磁束を求め、この現在の鎖交磁束と電流指令演算器１によって求めた従来の電流指令値ｉ_d ^* ，ｉ_q ^* とから、新しい電流指令値ｉ_d1 ^* ，ｉ_q1 ^* を電流指令補正器８により求める。この新しい電流指令値を用いることで、上記と同じく同期電動機４の磁石温度の影響を受けず、電動機の温度が整定するまでの時間を待つことのないトルクを精度良く得ることができる。
【００１９】
図３はこの発明の別の実施の形態を示す構成図である。
図３からも明らかなように、図２の鎖交磁束演算器１２を鎖交磁束演算器１３とした点が異なるだけである。すなわち、図２の鎖交磁束演算器１２では温度検出器１１からの温度検出値と、電流指令値と回転速度から求めた電動機の発生損失と、電動機の熱抵抗と熱容量モデルとを用いて現在の鎖交磁束を求めるようにしているのに対し、図３の鎖交磁束演算器１３では上記に加えてセンサ部の損失を考慮して現在の鎖交磁束を求めるようにした点で異なり、他は図２と同様なので詳細は省略する。
【００２０】
【発明の効果】
この発明によれば、温度によるトルク変動を抑制し、電動機の温度が或る程度整定するまでの時間を待つ必要の無い、高精度の電動機制御を行なうことが可能となる。さらに、磁石の温度変化を、同期電動機の発生損失から求める方式とセンサの温度検出値から求める方式とを併用するもの、または、同期電動機の発生損失から求める方式とセンサの温度検出値とセンサ部の損失から求める方式とを併用するものでは、磁石の温度変化をより高精度に求めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の原理構成を示すブロック図である。
【図２】 この発明の第１の実施の形態を示すブロック図である。
【図３】 この発明の別の実施の形態を示すブロック図である。
【図４】 従来例を示すブロック図である。
【図５】 磁石の残留磁束密度の温度依存特性を示す特性図である。
【図６】 同期電動機の熱抵抗と熱容量モデルを説明するための説明図である。
【図７】 センサを組み込んだ同期電動機の熱抵抗と熱容量モデル説明図である。
【図８】 センサ部の損失を考慮した同期電動機の熱抵抗と熱容量モデル説明図である。
【符号の説明】
１…電流指令演算器、２…電流制御部、３…インバータ、４…同期電動機、５…位置検出器、６…電流検出器、７…３相／２相変換器、８…電流指令補正器、９…速度検出器、１０，１２，１３…鎖交磁束演算器、１１…温度検出器。

Claims (2)

1. 温度検出手段および位置検出手段をセンサとして組み込んだ永久磁石形電動機を制御する電動機の制御装置において、
   前記電動機の発生損失演算値と電動機の熱抵抗と熱容量モデルとから電動機温度を求め、この求めた温度と前記センサの温度検出手段からの温度検出値とに基づき前記電動機の永久磁石による磁束を推定演算する磁束演算手段と、この磁束演算手段による磁束演算値から電動機のトルクを発生させるための電流に所定の補正を加える電流補正手段とを設け、電動機トルクの温度による変動を抑制することを特徴とする電動機の制御装置。
2. 温度検出手段および位置検出手段をセンサとして組み込んだ永久磁石形電動機を制御する電動機の制御装置において、
   前記電動機の発生損失演算値と電動機の熱抵抗と熱容量モデルとから電動機温度を求め、この求めた温度と前記センサの温度検出手段からの温度検出値と前記センサ部の損失とに基づき前記電動機の永久磁石による磁束を推定演算する磁束演算手段と、この磁束演算手段による磁束演算値から電動機のトルクを発生させるための電流に所定の補正を加える電流補正手段とを設け、電動機トルクの温度による変動を抑制することを特徴とする電動機の制御装置。

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