JP5157082B2 - 電動機駆動システム - Google Patents

Description

この発明は、インバータによって、永久磁石形同期電動機などの界磁付き同期電動機（単にモータともいう）を駆動する駆動システムに関する。

この種の駆動方式として、電動機の回転軸に取付けた位置検出器から得られる位置情報に基づき同期電動機の電圧や電流を制御するものや、電動機の電圧や電流から回転子の位置を推定して位置検出器を不要とするもの（センサレスベクトル制御）、さらには、電動機に印加する電圧と周波数とをほぼ比例させて制御（Ｖ／ｆ一定制御）するもの等がある。このようなＶ／ｆ制御は、例えば特許文献１に開示されており、位置検出器が不要で制御が簡単であるという特徴がある。

図４は特許文献１に記載のＶ／ｆ一定制御例を示すブロック図である。
同図において、１０は直流母線、１１は３相インバータ、１２は永久磁石形同期電動機、１３は周波数指令器、１４は周波数／電圧（ｆ／ｖ）変換器、１５はパルス幅変調器、１９は高域周波数成分を通過させるハイパスフィルタ、２０は比例演算器、２１は加減算器、２２は積分器、２４は電流検出器、２５は低域周波数成分を通過させるローパスフィルタ、２６は有効電流演算器を示す。

これは、電流検出器２４から得られるインバータ直流母線１０の電流検出信号Ｉｄｃ₀より、ローパスフィルタ２５によって高周波帯域成分を除去し、インバータ直流電流平均値Ｉｄｃを求め、これから有効電流演算器２６で所定の演算をすることにより、有効電流ｉδを求める。その後、ハイパスフィルタ１９によりｉδから直流分を除去してその変動分Δｉδを求め、比例演算器２０にて所定のゲインを乗じることで周波数補正量Δｆ＊を
求め、周波数指令器１３からの周波数指令ｆ＊に負帰還することにより、ｉδの変動を減少させ系の状態を定常状態に近づけ、安定なＶ／ｆ一定制御を可能とするものである。

特開２００５−２１８２７３号公報

上記の例は、いわゆる「位置センサレス駆動方式」であり、電動機の回転速度は推定値になるので、正確な回転速度は不明である。そのため、特に脱調した場合に、それをどのように検出するかが問題となる。脱調検出は電動機の誘起電圧が低くなる、回転速度の低い状態において特に困難となる。なぜならば、脱調時の直流母線電流検出値、またはこれを低域通過フィルタに入力した場合の出力値の変化が、一般に誘起電圧が低いほど小さいからである。
したがって、この発明の課題は、インバータの直流母線電流を検出して電動機を駆動するシステムにおいて、電動機の回転状態、すなわち回転速度や脱調の有無を簡便に検出できるようにすることにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、直流電圧部に接続されるインバータと、このインバータの交流端子に接続される界磁付き同期電動機（電動機）とを備えた電動機駆動システムにおいて、
前記直流電圧部とインバータとの間に流れる直流母線電流またはそのピーク値を検出する検出手段と、検出された直流母線電流またはそのピーク値の、インバータ出力電圧の基本周波数の２Ｎ（Ｎ：インバータおよび電動機の相数を示す２以上の自然数）倍の周波数およびその近傍成分を通過させる帯域フィルタとを設け、この帯域フィルタからの出力に基づき電動機の脱調を検出することを特徴とする。

この発明によれば、インバータの直流母線電流値またはそのピーク値の振動成分に着目することにより、回転速度や脱調の有無を比較的容易に検出することが可能となる利点がもたらされる。

図１はこの発明の実施の形態を示す構成図である。
図１からも明らかなように、この例は従来例に対しピーク値検出手段２７および振動成分抽出器２８を設けた点が特徴である。なお、このようなハード的な構成の代わりに、ソフト的に実現することも可能である。図２は図１の原理を説明するための波形図で、以下、図２も参照して説明する。

電動機の相電流とインバータ電流検出器２４によって検出されるインバータ直流母線電流Ｉｄｃとは、図２のような関係にある。すなわち、Ｉｄｃはパルス状の波形であり、そのピーク値はＵ，Ｖ，Ｗ相電流のいずれかと必ず一致する。そして、Ｉｄｃのピーク値の包絡線Ｉｄｃｐ（見易くするため、図２ではＩｄｃの上方にずらして示している）は、電動機の全相電流のピーク値の包絡線に一致する。電動機の全相電流の包絡線は、電動機電流がＮ（Ｎ：２以上の自然数）相平衡正弦波の場合、基本周波数の２Ｎ倍の周波数成分（２Ｎ倍成分）を有する。図２は３相の例で、Ｉｄｃｐには電流の基本周波数の６倍の周波数成分が含まれていることが分かる。

以上のことから、Ｉｄｃのピーク値の振動成分を検出すれば、基本周波数の２Ｎ倍成分が抽出できることになり、その１／２Ｎは電動機の誘起電圧周波数ｆｅを示す。ここで、電動機の磁極対数をｐとし、電動機の回転周波数（回転速度）をｆｍとすれば、
ｆｍ＝ｆｅ／ｐ
なる関係が成立する。つまり、Ｉｄｃのピーク値の振動成分からｆｅを求めれば、上式の関係から電動機の回転周波数ｆｍを求めることが可能となる。

図１は以上のような観点に基づく構成例を示し、ピーク値検出手段２７によりＩｄｃのピーク値Ｉｄｃｐを求め、振動成分抽出器２８でＩｄｃｐから振動成分を抽出するようにしている。このようにすることで、例えば回転速度の外部出力や、速度フィードバック制御を行なうことが可能となる。

ところで、電動機が脱調すると、誘起電圧周波数ｆｅがインバータの出力電圧周波数ｆｉｎｖから大きく外れることになる。このことから、上記のように導出されるｆｅを監視することで、電動機の脱調を検出することが可能となる。なお、脱調を検出したときは、
インバータを停止させるなどの措置を執り、脱調により流れる比較的大きな電流による過熱や、電動機に結合される機械類への異常なトルクを防止することなどが可能となる。

図３はこの発明の他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１に示すものに対し帯域通過（バンドパス）フィルタ２９、および掛算器３０を付加した点が特徴である。
すなわち、本システムが正常に動作していれば、導出される周波数はインバータの出力電圧周波数ｆｉｎｖに近い値となる。そこで、インバータ出力電圧基本周波数ｆｉｎｖの２Ｎ倍の周波数を通過させるフィルタ、例えば２Ｎ×ｆｉｎｖを中心周波数とする帯域通過フィルタ２９に、ピーク値Ｉｄｃｐを入力することにより、Ｉｄｃに含まれる２Ｎ×ｆｅの周波数成分を取り出すようにしている。

２Ｎ×ｆｉｎｖの中心周波数成分は、掛算器３０によりインバータ出力電圧基本周波数ｆｉｎｖを２Ｎ倍して求めるようにしている。なお、ここではピーク値Ｉｄｃｐを求めているが、その代わりに電流検出値Ｉｄｃをそのまま用いるようにしても良い。
図３の場合も図１と同様に、Ｉｄｃｐの２Ｎ倍の周波数成分は、脱調時には通常よりも小さくなるので、これを利用して脱調を検出することができるのは言うまでもない。

この発明の実施の形態を示す構成図 図１の動作を説明するための波形図 この発明の他の実施の形態を示す構成図 従来例を示す構成図

符号の説明

１１…インバータ、１２…永久磁石形同期電動機、２４…電流検出器、２７…ピーク値検出手段、２８…振動成分抽出手段、２９…帯域通過（バンドパス）フィルタ、３０…掛算器。

Claims (1)

1. 直流電圧部に接続されるインバータと、このインバータの交流端子に接続される界磁付き同期電動機（電動機）とを備えた電動機駆動システムにおいて、
   前記直流電圧部とインバータとの間に流れる直流母線電流またはそのピーク値を検出する検出手段と、検出された直流母線電流またはそのピーク値の、インバータ出力電圧の基本周波数の２Ｎ（Ｎ：インバータおよび電動機の相数を示す２以上の自然数）倍の周波数およびその近傍成分を通過させる帯域フィルタとを設け、この帯域フィルタからの出力に基づき電動機の脱調を検出することを特徴とする電動機駆動システム。

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