JP4701481B2 - 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はトルク指令から電流指令値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】
このように変動する磁束を推定するものとして、例えば特開平１０−２２９７０号公報，特開平１０−３２７６００号公報に示すものが知られている。前者はトルク電圧指令とトルク電圧推定の差を利用するものであり、後者は電動機のコア温度を利用するものである。これらは、温度により磁石の磁束が変化し、磁束により電流調節器の出力（トルク電圧指令値）が変化するので、磁石の磁束変化は「トルク電圧指令」でも「温度検出値」でも求めることができる、ということに着目したものである。
【０００７】
しかし、前者のトルク電圧指令から求めるものでは、温度以外の影響（出力電圧誤差，繰り返し運転などで電流が一定値になるまでの過渡時の電圧）を強く受けるという問題がある。また、後者のように電動機自身の温度測定としてコアの温度を測定することは一般的に行なわれているが、そのためにはコアに熱電対を取りつけたり特別な配線をする必要が生じ、構造が複雑となりコストが増加するなどの問題がある。
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、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。
【０００８】
【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モデル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は温度検出手段と位置検出手段とをセンサとして組み込んだ同期電動機の熱抵抗モデルを示す。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磁石までの熱抵抗〔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センサまでの熱抵抗〔Ｋ／Ｗ〕，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周囲までの熱抵抗〔Ｋ／Ｗ〕
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る。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。
【００１０】
いま、周囲温度をＴ₀ とすると、磁石温度Ｔ_m ，センサの温度検出値Ｔ_s は次の（４），（５）式で表わされる。
Ｔ_m ＝Ｔ₀ ＋ΔＴ_m ＝Ｔ₀ ＋（Ｒ₃ ＋Ｒ₄ ）Ｒ₂ Ｒ₅ Ｗ₀ ／｛（Ｒ₁ ＋Ｒ₂ ＋Ｒ₃ ＋Ｒ₄ ）Ｒ₅ ＋（Ｒ₁ ＋Ｒ₂ ）（Ｒ₃ ＋Ｒ₄ ）｝ …（４）
Ｔ_s ＝Ｔ₀ ＋ΔＴ_s ＝Ｔ₀ ＋（Ｒ₁ ＋Ｒ₂ ）Ｒ₄ Ｒ₅ Ｗ₀ ／｛（Ｒ₁ ＋Ｒ₂ ＋Ｒ₃ ＋Ｒ₄ ）Ｒ₅ ＋（Ｒ₁ ＋Ｒ₂ ）（Ｒ₃ ＋Ｒ₄ ）｝ …（５）
ここに、ΔＴ_m ，ΔＴ_s は磁石温度，センサの温度検出値の周囲温度からの各温度変化を示している。これら温度変化には、次の（６）式のような関係にあることが分かる。
ΔＴ_m ／ΔＴ_s ＝（Ｒ₃ ＋Ｒ₄ ）Ｒ₂ ／（Ｒ₁ ＋Ｒ₂ ）Ｒ₄ …（６）
【００１１】
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（７）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（８）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 ）…（７）
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 ^* …（８）
【００１２】
以上のことから、請求項１の発明では、磁石の温度変化をセンサの温度検出値から求める方式と、同期電動機の発生損失演算値と熱抵抗モデルとから求める方式とを併用することにより、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。
【００１３】
図１はこの発明の原理に基づく具体例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同期電動機４に組み込まれた温度検出器８と、この温度検出器８の出力である温度検出値から現在の鎖交磁束を演算する鎖交磁束演算器９と、この演算器９の出力である現在の鎖交磁束を用いて電流指令の補正を行なう電流指令補正器１０とが付加されて構成される。
すなわち、温度検出器８にて検出されるセンサ温度検出値から、鎖交磁束演算器９では現在の鎖交磁束を求める。電流指令補償器１０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ないトルクを得るようにするものである。
【００１４】
図２は図１の変形例を示す構成図である。
図４に示すものに対し、現在の鎖交磁束を用いて電流紙指令値を補正する電流指令補正器１０と、位置検出値の時間変化から同期電動機４の回転速度を求める速度検出器１１と、この速度検出器１１からの出力である回転速度と、同期電動機の熱抵抗モデルと、上記電流指令補正器１０の出力である新しい電流指令値とから現在の鎖交磁束を求める鎖交磁束演算器１２とを設けた点が特徴である。そして、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ないトルクを得ることができる。
【００１５】
図３はこの発明の実施例を示す構成図で、図２に示すものに対し温度検出器８を付加する以外は、大きな相違はない。
すなわち、図４に示す従来例に対し、同期電動機４に組み込まれた温度検出器８と、電流指令の補正を行なう電流指令補正器１０と、位置検出値の時間変化から同期電動機４の回転速度を求める速度検出器１１と、この速度検出器１１からの出力である回転速度と、上記温度検出器８からのセンサ温度検出値と、上記電流指令補正器１０の出力である新しい電流指令値と、同期電動機の熱抵抗モデルとから現在の鎖交磁束を求める鎖交磁束演算器１３とを設けた点が特徴で、その他は図２と同様である。
【００１６】
【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でき、高精度の電動機制御を行なうことが可能となる。また、温度検出手段を利用するものでは、従来からもこれをセンサと制御装置間の通信処理装置（ＣＰＵやＩＣ等）の温度保護に利用している経緯もあることから、機器を特別に付加することなく対応できる利点がある。さらに、磁石の温度変化をセンサの温度検出値から求める方式と、同期電動機の発生損失演算値と熱抵抗モデルとから求める方式とを併用するものでは、より精度が上がり制御性能が向上することになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の原理に基づく具体例を示すブロック図である。
【図２】 図１の変形例を示すブロック図である。
【図３】 この発明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モデルを説明するための説明図である。
【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…温度検出器、９，１２，１３…鎖交磁束演算器、１０…電流指令補正器、１１…速度検出器。

Claims (1)

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モデル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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