JP4622068B2 - 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】
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id * ,iq * 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=PF {Ψm iq +(Ld −Lq )id iq } …(1)
τ:トルク、PF :極対数、Ψm :基準温度(Tm0)での永久磁石が作る鎖交磁束、id ,iq :d軸,q軸電流、Ld ,Lq :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Ld とq軸インダクタンスLq が等しいため(Ld =Lq )、上記(1)式は次の(2)式となる。
τ=PF Ψm iq …(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(id * ,iq * )(以下、これを従来の電流指令という)が演算される。
id * =0,iq * =τ* /PF Ψm …(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Ψm は、永久磁石の残留磁束密度Br 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Tm0と現在の磁石温度Tm1とによる、図5のような温度係数KBr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Tf(t),磁石温度Tm(t)は次の(5)式で表わされる。
Tf(t)=T0 +ΔTf ,Tm(t)=T0 +ΔTm …(5)
ただし、ΔTf ,ΔTm 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ΔTm 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 sΔTf(s)+ΔTf(s)/R1 +(ΔTf(s)−ΔTm(s))/R3 =W0(s)
,C2 sΔTm(s)+ΔTf(s)/R2 −(ΔTf(s)−ΔTm(s))/R3 =0
…(6)
ΔTm(s)=(W0(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Tm1で永久磁石のつくる鎖交磁束Ψm1(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(id1 * ,iq1 * :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。
Ψm1=Ψm0{1−kBr(Tm0−Tm1)}=Ψm0(1+kBrΔTm )…(8)
id1 * =id0 * =0
,iq1 * =τ* /PF Ψm1=Ψm0iq0 * /Ψm1=iq0 * /(1+kBrΔTm )
≒(1−kBrΔTm )iq0 * …(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Ts(t)は、周囲温度T0 からの温度変化をΔTs とすると、次の(10)式で与えられる。
Ts(t)=T0 +ΔTs …(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 sΔTf(s)+ΔTf(s)/R1 +(ΔTf(s)−ΔTm(s))/R3 =W0(s)
,C2 sΔTm(s)+ΔTf(s)/R2 −(ΔTf(s)−ΔTm(s))/R3 =0
,C3 sΔTs(s)+ΔTs(s)/R4 −(ΔTf(s)−ΔTs(s))/R5 =0
…(11)
【0014】
(11)式より、磁石の温度変化ΔTm とセンサの温度変化ΔTs 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。
ΔTm =R5 (C3 s+1/R4 +1/R5 )ΔTs(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Ws0〔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 sΔTf(s)+ΔTf(s)/R1 +(ΔTf(s)−ΔTm(s))/R3 =W0(s)
,C2 sΔTm(s)+ΔTf(s)/R2 −(ΔTf(s)−ΔTm(s))/R3 =0
,C3 sΔTs(s)+ΔTs(s)/R4 −(ΔTf(s)−ΔTs(s))/R5 =Ws0(s)
…(13)
【0016】
(13)式より、磁石の温度変化ΔTm 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。
ΔTm(s)={R5 (C3 s+1/R4 +1/R5 )ΔTs(s)−R5 Ws0(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id * ,iq * とから、新しい電流指令値id1 * ,iq1 * 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id * ,iq * とから、新しい電流指令値id1 * ,iq1 * 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)
- 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。 - 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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