JP5559300B2 - 埋込型永久磁石同期電動機を制御する装置 - Google Patents

Description

本発明は、埋込型永久磁石同期電動機を制御する装置に関するものである。

埋込型永久磁石同期電動機(Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ、ＩＰＭＳＭ)は、誘導電動機より効率が高いため、エネルギー節減面において脚光を浴びている。しかし、誘導電動機に比べて制御が複雑である。

一般に、ＩＰＭＳＭは、ベクター制御(磁束基準制御)を基に制御する。ベクター制御は、位置センサーの有無によりセンサード(ｓｅｎｓｏｒｅｄ)ベクター制御、またはセンサーレス(ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ)ベクター制御に分かれる。ベクター制御時、ＩＰＭＳＭの性能確保のためには、電動機定数(固定子抵抗、ｄ軸インダクタンス、ｑ軸インダクタンス、及び永久磁石の磁束)を知ることが必須であり、スムーズな起動のために、永久磁石の磁極位置を知る必要がある。このような理由から、ＩＰＭＳＭの制御は、汎用性が低下する問題がある。

図１は、一般のパルス幅変調(Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ、ＰＷＭ)インバータシステムの構成図である。

図面に示したように、従来のインバータシステムは、ＰＷＭインバータ２００に電源を供給するための３相電源部１００と、３相電源部１００から受信する電力を変換するＰＷＭインバータ部２００と、ＰＷＭインバータ部２００から生成された電圧で運転するＩＰＭＳＭ３００とで構成される。

ＰＷＭインバータ部２００は、ＩＰＭＳＭ３００に電圧を供給する電力転換部２１０と、ＩＰＭＳＭ３００に流れる電流を検出する電流検出部２２０と、ＩＰＭＳＭ３００に供給される電圧及び周波数を調節する制御部２３０とで構成される。

図２は、図１の制御部の詳細構成を概念的に示した図である。基準周波数ｆｒｅｆから基準電圧Ｖｒｅｆを生成するためのＶ／Ｆパターン部２３１と、Ｖ／Ｆパターン部２３１から生成されたＶｒｅｆから３相基準電圧Ｖａｓｒｅｆ、Ｖｂｓｒｅｆ、Ｖｃｓｒｅｆを生成する３相基準電圧変換部２３２とで構成される。

図３は、図１の制御部の電圧／周波数一定制御時のＩＰＭＳＭ３００の電流波形を示した図である。

一般に、従来のＩＰＭＳＭの制御は、ベクター制御が一般的な方式であるが、具現するためには電動機定数を基本的に知るべきであり、複雑な数式が必要である。

それに対して、誘導電動機は、図２のように電圧／周波数一定制御方式を適用すると、電動機定数が分からなくても簡単な数式を利用して運転が可能となる。誘導電動機に普遍的に適用されている電圧／周波数一定制御方式をＩＰＭＳＭに適用すると、埋込型永久磁石の突極性(ｓａｌｉｅｎｃｙ)により無負荷状態における起動が可能となる(図３のＡ区間)。

しかし、電動機の速度(出力周波数)が一定の状態では、負荷が増加すると電圧の大きさが固定されるため、図３のＢ区間のようにＩＰＭＳＭの電流が大きく揺れながら大きさが増加して、ＰＷＭインバータに用いられる電力半導体素子及びＩＰＭＳＭの電流ストレスを増加させるようになる。

このため、単純な電圧／周波数一定制御方式によってはＩＰＭＳＭを運転することが不可能な問題点がある。

本発明が解決しようとする技術的課題は、ＰＷＭインバータを利用したＩＰＭＳＭの電圧／周波数一定制御において、負荷変動に応じて電圧制御を行って、複雑なベクター制御を用いることなく簡単にＩＰＭＳＭを制御するための制御装置を提供することである。

上記の技術的課題を解決するために、埋込型永久磁石同期電動機(ＩＰＭＳＭ)を制御する本発明の一実施形態の制御装置は、基準周波数から同期座標界のｑ軸基準電圧を生成する第１生成部、ＩＰＭＳＭの３相電流から、同期座標界電流を生成する電流変換部、及び負荷変動に応じて電圧を補償するｄ軸基準電圧を生成する電圧制御部を含んでもよい。

本発明の一実施形態において、ｑ軸基準電圧及び前記ｄ軸基準電圧を３相基準電圧に変換して、ＩＰＭＳＭに提供する第１変換部をさらに含んでもよい。

本発明の一実施形態において、ＩＰＭＳＭに入力される３相電流を検出する電流検出部をさらに含み、電流検出部は、電流変換部に３相電流を提供することができる。

本発明の一実施形態において、電流変換部は、３相電流から２相静止座標界電流に変換する第２変換部及び２相静止座標界電流を２相同期座標界電流に変換する第３変換部を含んでもよい。

本発明の一実施形態において、電流変換部は、ＩＰＭＳＭの３相電流をデジタルデータに変換するアナログ／デジタル(Ａ／Ｄ)変換部をさらに含んでもよい。

本発明の一実施形態において、電圧制御部は、電流変換部が取得した同期座標界電流のうちトルク成分電流を観察して、ｄ軸基準電圧を生成することができる。

本発明の一実施形態において、電圧制御部は、電流変換部から受信した同期座標界電流において、直前電流と現電流との誤差を生成する比較部及び誤差に比例利得を適用して、ｄ軸基準電圧を生成する第２生成部を含んでもよい。

本発明によって、ＰＷＭインバータを利用したＩＰＭＳＭの制御時に、複雑な数式及び電動機定数が必要なベクター制御を利用することなく、誘導電動機に一般に利用される電圧／周波数一定制御を基にしたトルク脈動低減電圧制御を行い、簡単にＩＰＭＳＭの制御が行える。

一般のＰＷＭインバータシステムの構成図である。 図１の制御部の詳細構成を概念的に示した図である。 図１の制御部の電圧／周波数一定制御時の埋込型永久磁石同期電動機の電流波形を示した図である。 本発明に係るＩＰＭＳＭの制御装置の一実施形態構成図である。 図４の電流変換部の一実施形態詳細構成図である。 図４の電圧制御部の一実施形態詳細構成図である。 本発明の制御装置を適用したインバータシステムでＩＰＭＳＭの負荷に応じた電流を説明するための一例示図である。

本発明は、多様な変更を加えることができ、多様な実施形態を有することができ、特定実施形態を図面に例示して詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定実施形態に対して限定するものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物乃至代替物を含むものと理解されなければならない。

電動機が適用される負荷は、一定トルク(Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｔｏｒｑｕｅ、ＣＴ)負荷と、可変トルク(Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｔｏｒｑｕｅ、ＶＴ)負荷とに分かれる。一定トルク負荷では、全速度領域においてトルク性能が確保されなければならないが、可変トルク負荷の場合には、多くの場合、速度に比例してトルクが増加するため、全速度領域でトルク性能を確保する必要はない。代表的な可変トルク負荷として、ファン、ポンプ負荷が挙げられる。

このような可変トルク負荷にＩＰＭＳＭを適用すると、ベクター制御のような高性能制御が要求されない。

そこで、本発明では、可変トルク負荷においてＩＰＭＳＭを用いる場合、誘導電動機の簡単な制御方式である電圧／周波数一定制御を導入して、ベクター制御のような複雑なアルゴリズムを適用しなくても電動機の性能を確保することができる。

以下、添付図面を参照して本発明に係る好ましい一実施形態を詳細に説明する。

図４は、本発明に係るＩＰＭＳＭ制御装置の一実施形態構成図である。本発明の制御装置は、図１のようなインバータシステムのＰＷＭインバータ２００の内部に提供されるもので、例えば、制御部２３０に代えて、ＩＰＭＳＭ３００の電圧／周波数一定制御を行うためのものである。

図面に示したように、本発明の制御装置は、Ｖ／Ｆパターン部１０、３相基準電圧生成部２０と、電動機電流を測定して制御する電流変換部３０と、負荷変動に応じて電圧を補償する電圧制御部４０とを含む。

Ｖ／Ｆパターン部１０は、基準周波数ｆｒｅｆから同期座標界のｑ軸基準電圧ＶｑｓｅＲｅｆを生成する。Ｖ／Ｆパターン部１０の詳細な構成及び動作については、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者に広く知られているため、詳細な説明は省略する。

本発明では、電流変換部３０及び電圧制御部４０が、ＩＰＭＳＭ３００の負荷変動によるトルク成分電流脈動を制限するため、ｄ軸基準電圧であるＶｄｓｅＲｅｆを生成して、Ｖ／Ｆパターン部１０の電圧サイズ制御と共にｄ軸電圧を制御することによって位相まで制御する。電流変換部３０及び電圧制御部４０の詳細な構成は後ほど説明する。

３相基準電圧変換部２０は、基準電圧ＶｄｓｅＲｅｆ、ＶｑｓｅＲｅｆを３相基準電圧ＶａｓＲｅｆ、ＶｂｓＲｅｆ及びＶｃｓＲｅｆに変換して、ＰＷＭインバータ２００の電力転換部２１０に供給してＩＰＭＳＭ３００に供給する。

電動機の負荷変動によるトルク成分電流脈動を制限するためのｄ軸基準電圧ＶｄｅＲｅｆは、電動機の３相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを電流検出部２２０から得られたトルク成分電流に該当するＩｑｓｅ電流を観察して生成する。

図５は、図４の電流変換部の一実施形態詳細構成図である。

図面に示したように、本発明の電流変換部３０は、３相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗをデジタルデータに変換するアナログ／デジタル(Ａｎａｌｏｇ／Ｄｉｇｉｔａｌ、Ａ／Ｄ)変換部３１と、デジタルデータに変換されたＩｕ’、Ｉｖ’、Ｉｗ’から静止座標界の２相交流電流に変換する座標変換部１（３２）と、２相交流電流に変換されたＩｄｓｓ、Ｉｑｓｓから同期座標界の２相直流電流に変換する座標変換部２（３３）とを含む。

図１の電流検出部２２０は、電動機電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出して、これを本発明の制御装置に伝送する。

Ａ／Ｄ変換部３１がデジタル変換した電流Ｉｕ’、Ｉｖ’、Ｉｗ’を利用して、座標変換部１（３２）は下記式（１）から静止座標界上の２相交流電流Ｉｄｓｓ、Ｉｑｓｓを求める。

座標変換部２（３３）は、座標変換部１（３２）が求めた静止座標界の電流Ｉｄｓｓ、Ｉｑｓｓから下記式（２）を利用して同期座標界の２相直流電流Ｉｄｓｅ、Ｉｑｓｅに変換する。

ｄ軸基準電圧ＶｄｅＲｅｆは、電流変換部３０が取得したトルク成分電流Ｉｑｓｅを観察して電圧制御部４０が生成するが、これについて図面を参照して説明する。

図６は、図４の電圧制御部の一実施形態詳細構成図であり、電圧制御部４０は、トルク成分電流に該当するＩｑｓｅ電流の脈動を制限するための電圧ＶｄｓｅＲｅｆを最終的に生成する。

図面に示したように、本発明の電圧制御部４０は、直前電流Ｉｑｓｅ[ｎ-１]と現電流Ｉｑｓｅ[ｎ]との誤差を生成する比較部４１及びｄ軸基準電圧生成部４２を含む。

比較部４１は、上述したように、直前電流Ｉｑｓｅ[ｎ-１]と現電流Ｉｑｓｅ[ｎ]との誤差を生成する。

ｄ軸基準電圧生成部４２は、比較部４１の出力である直前の電流Ｉｑｓｅ[ｎ-１]と現電流Ｉｑｓｅ[ｎ]との誤差に比例利得Ｋを乗じて、ｄ軸基準電圧を生成する。

本発明の電圧制御部４０は、現電流Ｉｑｓｅ[ｎ]が直前電流Ｉｑｓｅ[ｎ-１]より大きい場合、ｄ軸基準電圧を減少させ、逆の場合は、増加させて、トルク成分電流Ｉｑｓｅを一定に制御して、ＩＰＭＳＭ３００の負荷変動によるトルクリップルを減少することができる。

ｄ軸基準電圧ＶｄｓｅＲｅｆは、下記式（３）によって求められる。

図７は、本発明の制御装置を適用したインバータシステムにおけるＩＰＭＳＭの負荷による電流を説明するための一例示図である。

図面に示したように、本発明によって制御するＩＰＭＳＭは、図３のように負荷による電流脈動がなくなり正常運転することが分かる。

以上、代表的な実施形態を参照して本発明について詳細に説明したが、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者は、前記実施形態について本発明の範疇から逸脱しない限度内で多様な変形が可能であることを理解するであろう。従って、本発明の権利範囲は、説明された実施形態に限定されることなく、後述する特許請求の範囲だけでなく、この特許請求の範囲及び均等物によって定めなければならない。

１００ ３相電源部
２００ ＰＷＭインバータ部
２１０ 電力転換部
２２０ 電流検出部
２３０ 制御部
１０、２３１ Ｖ／Ｆパターン部
２０、２３２ ３相基準電圧変換部
３００ ＩＰＭＳＭ
３０ 電流変換部
３１ Ａ／Ｄ変換部
３２ 座標変換部１
３３ 座標変換部２
４０ 電圧制御部
４１ 比較部
４２ ｄ軸基準電圧生成部

Claims (6)

1. 埋込型永久磁石同期電動機(ＩＰＭＳＭ)を制御する装置であって、
   基準周波数から同期座標界のｑ軸基準電圧を生成するように構成されたたＶ／Ｆパターン部と、
   前記ＩＰＭＳＭの３相電流から、同期座標界電流を生成するように構成された電流変換部と、
   前記同期座標界電流を観察することによって、負荷変動に応じて電圧を補償するｄ軸基準電圧を生成するように構成された電圧制御部と、
   前記ｑ軸基準電圧及び前記ｄ軸基準電圧を３相基準電圧に変換して、該変換された３相基準電圧を前記ＩＰＭＳＭに提供するように構成された３相基準電圧変換部と、
   を備える装置。
2. 前記ＩＰＭＳＭに入力される３相電流を検出するように構成された電流検出部をさらに備え、前記電流検出部は、前記電流変換部に検出された３相電流を提供する、請求項１に記載の装置。
3. 前記電流変換部は、
   ３相電流から静止座標界電の２相電流に変換するように構成された第２変換部と、
   前記静止座標界電の２相電流を同期座標界の２相電流に変換するように構成された第３変換部と、を備える、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記電流変換部は、
   前記ＩＰＭＳＭの３相電流をデジタルデータに変換するように構成されたアナログ／デジタル(Ａ／Ｄ)変換部をさらに備える、請求項３に記載の装置。
5. 前記電圧制御部は、
   前記電流変換部が取得した同期座標界電流のうちトルク成分電流を観察して、前記ｄ軸基準電圧を生成する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記電圧制御部は、
   前記電流変換部から受信した同期座標界電流から、直前電流と現電流との誤差を生成するように構成された比較部と、
   前記誤差に比例利得を適用して、前記ｄ軸基準電圧を生成するように構成されたｄ軸基準電圧生成部と、を備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。

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