JP6266082B2 - 電流指令補正装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電流指令補正装置に係り、より詳細には、電流指令を補正する補正係数の候補値を利用して第１トルク指令区間及び第２トルク指令区間を設定し、トルク指令が含まれる区間に応じて補正係数を算出し、電流指令を補正する電流指令補正装置に関するものである。
一般的に、誘導電動機は巻線が取り付けられた固定子とアルミニウム導体または鉄心で形成された回転子で構成される。このような誘導電動機は、上記固定子に取り付けられた巻線に周期的電流の変化を発生させ、電流変化に応じる磁界の一定した変化により、上記回転子にトルクを発生させることで回転動力を得る装置を言う。
汎用インバーターは、３相電動機の駆動に主に利用されるが、特に誘導電動機を用いた可変速(variable speed)運転分野、巻上(hoist)負荷、電気自動車の牽引用(traction)負荷に用いられる。誘導電動機の運転はベクトル制御(vector controlまたはField Oriented Control：FOC)によって行われる場合が多く、空間制約があったり、システム価格の低減が必要な応用分野では位置センサを使わないベクトル制御(position sensorless vector control)が誘導電動機の制御方法として多く使われている。
特に、位置センサを使わない状態でトルクを指令として有するベクトル制御のトルクモードの場合、センサレスベクトル制御を適用してトルクを制御するようになる。しかし、センサレスベクトル制御を適用しても、磁束推定値は位置センサを通じて得た磁束情報より正確ではないため、低速及び低トルク領域でインバーターの運転が不安定な問題点がある。
よって、従来には不安定であったセンサレストルクモードの運転性能を改善するために、磁束分電流の大きさを運転状況に合わせて変化させて誘導電動機のスリップ周波数を増加させ、これによって磁束推定値の正確度を向上させた。
このとき、従来には磁束分電流の大きさを変化させることに当たり、インバーター及び誘導電動機の運転に求められる制限条件によって補正係数を算出し、算出された補正係数を利用して磁束分電流の大きさを変化させることで、不安定なセンサレストルクモードの運転性能を改善した。
しかし、従来には複雑で、なお、幾つかの制限条件が適用された数式を演算して補正係数を算出しなければならないため、複雑な数式を演算するために高性能の演算処理能力が求められるし、多くの演算量を処理することによって演算時間がかなりかかる問題点があった。
本発明は、電流指令を補正する補正係数の候補値を利用して第１トルク指令区間及び第２トルク指令区間を設定し、トルク指令が第１トルク指令区間に含まれれば、誘導電動機の最小励磁電流条件を満たす補正係数の候補値の中で最小値を補正係数として算出し、トルク指令が第２トルク指令区間に含まれればトルク指令に比例して補正係数を算出し、電流指令を補正することを目的とする。
このような目的を達成するための電流指令補正装置は、電流指令が誘導電動機の定格運転条件を満たすように電流指令を補正する補正係数の候補値を利用して第１トルク指令区間及び第２トルク指令区間を設定し、第１トルク指令区間及び第２トルク指令区間の中でトルク指令が含まれる区間に応じて補正係数を算出する算出部と、補正係数を利用して電流指令を補正する補正部を含むことを特徴とする。
上述のように、本発明によると、トルク指令が第１トルク指令区間に含まれれば、誘導電動機の最小励磁電流条件を満たす補正係数の候補値の中で最小値を補正係数として算出し、トルク指令が第２トルク指令区間に含まれれば、トルク指令に比例して補正係数を算出することで、誘導電動機の定格運転条件を満たす補正係数を抵仕様のコンピューティングパワーで迅速に算出することができる効果がある。
本発明の一実施形態による電流指令補正装置及び誘導電動機システムを図示した図面である。 本発明の一実施形態による電流指令補正装置の構成を図示した図面である。 本発明の一実施形態による電流指令補正装置に含まれた算出部の具体的な構成を図示した図面である。 誘導電動機の定格スリップ周波数条件と最小励磁電流条件を満たす指令係数をトルク指令にしたがって図示したグラフである。 本発明の一実施形態による電流指令補正装置から算出される補正係数をトルク指令にしたがって図示したグラフである。
上述した目的、特徴及び長所は、添付の図面を参照して詳細に後述されるし、これによって本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明の技術的思想を容易に実施することができる。本発明を説明するにあたり、本発明に係る公知の技術に対する具体的な説明が本発明の要旨を不必要に曖昧にすることがあると比較される場合には詳細な説明を省略する。以下、添付された図面を参照して本発明による好ましい実施形態を詳しく説明する。図面において、同一な参照符号は同一または類似の構成要素を示すものに使われる。
図１は、本発明の一実施形態による電流指令補正装置１００及び誘導電動機システム２００を図示した図面である。
図１を参照すれば、本発明の一実施形態による電流指令補正装置１００は、誘導電動機システム２００に含まれることができる。
また、誘導電動機システム２００は、電流指令生成部２１０、電流制御機２２０、２相電流変換器２３０、電流座標変換器２４０、電圧座標変換器２５０、３相電圧変換器２６０、インバーター２７０、回転子の速度及び位置推定器２８０及び誘導電動機２９０を含む。
このとき、誘導電動機システム２００は誘導電動機２９０の回転子位置を測定するセンサを使わずに、トルクを指令として誘導電動機２９０のトルクを制御するセンサレスベクトル制御方法によってトルクを制御することができる。
本発明の一実施形態による電流指令補正装置１００を含む誘導電動機システム２００について具体的に説明する。
電流指令生成部２１０は誘導電動機システム２００に入力されたトルク指令Ｔeから同期座標系上のｑ軸電流指令(iqs e**)及び同期座標系上のｄ軸電流指令(idse**)を生成する。
本発明の一実施形態による電流指令補正装置１００は、誘導電動機システム２００の電流指令生成部２１０と電流制御機２２０の間に連結される。
電流指令補正装置１００は、補正係数Ｋを利用して電流指令生成部２１０から生成された同期座標系上のｑ軸及びｄ軸電流指令(iqs e**、ids e**)を補正し、補正された同期座標系上のｑ軸及びｄ軸電流指令(iqs e*、ids e*)を電流制御機２２０で出力する。
電流制御機２２０は、誘導電動機２９０の相電流(ias、ibs、ics)から変換された同期座標系上のｑ軸及びｄ軸電流(iqs e、ids e)と、電流指令補正装置１００から補正された同期座標系上のｑ軸及びｄ軸の電流指令(iqs e*、ids e*)を比べて、同期座標系上のｑ軸及びｄ軸電圧(Vqs e*、Vds e*)を出力する。
２相電流変換器２３０は、誘導電動機２９０の相電流(ias、ibs、ics)を停止座標系上のｑ軸及びｄ軸電流(iqs s、ids s)に変換し、電流座標変換器２４０は２相電流変換器２３０から変換された停止座標系上のｑ軸及びｄ軸電流(iqs s、ids s)を同期座標系上のｑ軸及びｄ軸電流(iqs e、ids e)に変換して電流制御機２２０で出力する。
電圧座標変換器２５０は、電流制御機２２０から出力される同期座標系上のｑ軸及びｄ軸電圧(Vqs e*、Vds e*)を停止座標系上のｑ軸及びｄ軸電圧(Vqs s*、Vds s*)に変換する。その後、３相電圧変換器２６０は、電圧座標変換器２５０から変換された停止座標系上のｑ軸及びｄ軸電圧(Vqs s*、Vds s*)を停止座標系上の３相電圧(Vas、Vbs、Vcs)に変換して出力する。
インバーター２７０は、３相電圧変換器２６０から出力される停止座標系上の３相電圧(Vas、Vbs、Vcs)を入力され、誘導電動機２９０に印加して誘導電動機２９０のトルクを制御する。
回転子の速度及び位置推定器２８０は、誘導電動機２９０の相電流(ias、ibs、ics)と電圧座標変換器２５０から変換された停止座標系上のｑ軸及びｄ軸電圧(Vqs s*、Vds s*)を利用して誘導電動機２９０の回転子速度及び回転子位置を推定する。
一方、本発明の一実施形態による電流指令補正装置１００は、補正係数Ｋを利用して電流指令を補正するにあたり、補正された電流指令が誘導電動機の定格運転条件を満たすように、誘導電動機システム２００に入力されたトルク指令Ｔeにしたがって補正係数Ｋを違く算出して電流指令を補正することができる。
すなわち、電流指令補正装置１００は誘導電動機システム２００に入力されたトルク指令Ｔeの変化に対応して電流指令が定格運転条件を満たすように補正係数Ｋを算出することができる。
電流指令補正装置１００についてより具体的に説明する。
図２は本発明の一実施形態による電流指令補正装置１００の構成を図示した図面であり、図３は本発明の一実施形態による電流指令補正装置１００に含まれた算出部１１０の具体的な構成を図示した図面である。
図２及び図３を参照すれば、電流指令補正装置１００は算出部１１０及び補正部１２０を含む。
算出部１１０は、電流指令が誘導電動機の定格運転条件を満たすように、電流指令を補正する補正係数の候補値を利用して第１トルク指令区間及び第２トルク指令区間を設定する。
ここで、定格運転条件は誘導電動機を駆動する時に誘導電動機に許容される電流範囲、電圧範囲、スリップ周波数範囲及び励磁電流範囲のいずれか一つの範囲内で駆動環境を維持し、誘導電動機を駆動させる条件でありえる。
例えば、定格運転条件は定格電流制限条件、定格電圧制限条件、定格スリップ周波数条件及び最小励磁電流条件のいずれか一つ以上を含むことができる。
定格電流制限条件は、誘導電動機の相電流を既設定された電流値以下と維持する条件でありえる。
定格電圧制限条件は、誘導電動機に印加される電圧を既設定された電圧値と維持する条件でありえる。
定格スリップ周波数条件は、誘導電動機のスリップ周波数が誘導電動機の定格スリップ周波数に比べて既設定された周波数比以下を維持する条件でありえる。
最小励磁電流条件は、誘導電動機の最小励磁電流を誘導電動機の定格励磁電流に比べて既設定された電流比以上に維持する条件でありえる。
一方、定格運転条件を満たすように電流指令を補正する補正係数の候補値は、定格運転条件の種類とトルク指令によって相違することがある。
例えば、定格運転条件のうち、定格スリップ周波数条件を満たすように電流指令を補正する補正係数の候補値は、誘導電動機システム２００に入力されるトルク指令によって相違することがある。
より具体的に、誘導電動機システム２００に入力されるトルク指令が８０％であれば、定格スリップ周波数条件を満たすように電流指令を補正する補正係数の候補値は０.７ないし２.２でありえるし、入力されるトルク指令が５０％であれば、補正係数の候補値は０.５ないし２.２でありえる。
図３に図示されたように、一実施形態による算出部１１０は、定格運転条件のうち、誘導電動機の定格スリップ周波数条件１１０ａを満たす補正係数の候補値のうちの最小値と、誘導電動機の最小励磁電流条件１１０ｂを満たす補正係数の候補値のうちの最小値が同一である時のトルク指令を基準トルク指令として算出する。
上述したように、定格運転条件の種類と誘導電動機システム２００に入力されるトルク指令によって補正係数の候補値は相違する。このとき、算出部１１０は定格スリップ周波数条件１１０ａと最小励磁電流条件１１０ｂをいずれも満たす補正係数の候補値の中で最小値が同一である時のトルク指令を基準トルク指令として算出する。
このとき、算出部１１０は下記の数式１を利用して基準トルク指令を算出することができる。
Figure 0006266082
Figure 0006266082
ここで、Ｔe,refは基準トルク指令であり、Ｋc1,minは誘導電動機の最小励磁電流条件を満たす補正係数の最小値、aは誘導電動機の最小励磁電流条件において誘導電動機の最小励磁電流と誘導電動機の定格励磁電流の間に既設定された電流比でありえる。
例えば、算出部１１０はあらかじめ設定された誘導電動機の最小励磁電流条件によって、最小励磁電流と誘導電動機の定格励磁電流の間に既設定された電流比が３０：１００であれば、誘導電動機の最小励磁電流条件を満たす補正係数の最小値を０.３で算出し、上述された数式１を利用して基準トルク指令を１８％で算出することができる。
図４は、誘導電動機の定格スリップ周波数条件１００ａと最小励磁電流条件１００ｂを満たす指令係数をトルク指令にしたがって図示したグラフである。
図４に図示されたように、定格運転条件の中で誘導電動機の定格スリップ周波数条件１００ａを満たす補正係数の最小値Ｋc2,minと、誘導電動機の最小励磁電流条件１００ｂを満たす補正係数の最小値Ｋc1,minが誘導電動機システム２００に入力されるトルク指令Ｔeによって図示されている。
このとき、算出部１１０は上述したように、定格スリップ周波数条件１００ａと最小励磁電流条件１００ｂをいずれも満たす補正係数の候補値のうち、最小値が同一である時のトルク指令Ｔeを数式１を利用して基準トルク指令Ｔe,refで算出することができる。
その後、算出部１１０は算出された基準トルク指令Ｔe,refを利用して基準トルク指令Ｔe,ref未満のトルク指令区間を第１トルク指令区間Ｔe1と設定し、基準トルク指令Ｔe,ref以上のトルク指令区間を第２トルク指令区間Ｔe2と設定する。
算出部１１０は誘導電動機システム２００に入力されるトルク指令Ｔeが第１トルク指令区間Ｔe1に含まれれば、誘導電動機の最小励磁電流条件１００ｂを満たす上記補正係数の候補値の中で最小値Ｋc1,minを補正係数Ｋで算出する。
このとき、算出部１１０は下記の数式２を利用して第１トルク指令区間Ｔe1での補正係数Ｋを算出する。
Figure 0006266082
ここで、Ｋは補正係数で、Ｋc1,minは誘導電動機の最小励磁電流条件を満たす補正係数の最小値で、Ｔeはトルク指令で、Ｔe,refは基準トルク指令である。
上述したように、誘導電動機の最小励磁電流条件を満たす補正係数の最小値は、誘導電動機の最小励磁電流条件において誘導電動機の最小励磁電流と誘導電動機の定格励磁電流の間に既設定された電流比でありえる。
それと逆に、算出部１１０は誘導電動機システム２００に入力されるトルク指令Ｔeが第２トルク指令区間Ｔe2に含まれれば、トルク指令Ｔeに比例して補正係数Ｋで算出する。
このとき、算出部１１０は下記の数式３を利用して第２トルク指令区間Ｔe2での補正係数Ｋを算出する。
Figure 0006266082
ここで、Ｋは補正係数で、Ｋc1,minは誘導電動機の最小励磁電流条件を満たす補正係数の最小値で、Ｔeはトルク指令で、Ｔe,refは基準トルク指令である。
一方、算出部１１０は上述の数式３を演算するための演算モジュール１１０ｃを含むことができる。
上述の数式３のように、誘導電動機システム２００に入力されるトルク指令Ｔeが第２トルク指令区間Ｔe2に含まれる場合、算出部１１０で算出される補正係数の最小値は第１トルク指令区間Ｔe1で算出された補正係数でありえるし、最大値は「１」でありえる。
本発明の他の実施形態による算出部１１０は、算出された基準トルク指令Ｔe,refを利用して基準トルク指令Ｔe,ref以下のトルク指令区間を第１トルク指令区間Ｔe1と設定し、基準トルク指令Ｔe,refを超過するトルク指令区間を第２トルク指令区間Ｔe2と設定する。
これによって、本発明の他の実施形態による算出部１１０は、誘導電動機システム２００に入力されるトルク指令Ｔeが基準トルク指令Ｔe,refと同一であれば、最小励磁電流条件１００ｂを満たす上記補正係数の候補値の中で最小値Ｋc1,minを補正係数Ｋで算出する。
これを通じて、本発明の他の実施形態による算出部１１０は、トルク指令Ｔeが基準トルク指令Ｔe,refと同一であれば、上述の数式３の二次式を演算しなくても、簡単に最小励磁電流条件１００ｂだけを演算して補正係数Ｋを算出することができる。
図５は、本発明の一実施形態による電流指令補正装置１００から算出される補正係数をトルク指令にしたがって図示したグラフである。
図５に図示されたように、算出部１１０から算出される補正係数Ｋは、基準トルク指令Ｔe,ref未満の第１トルク指令区間Ｔe1で誘導電動機の最小励磁電流条件を満たす上記補正係数の候補値の中で最小値Ｋc1,minで算出される。
また、算出部１１０から算出される補正係数Ｋは、基準トルク指令Ｔe,ref以上の第２トルク指令区間Ｔe2で最小値と最大値をそれぞれ第１トルク指令区間Ｔe1で算出された補正係数と「１」にし、トルク指令Ｔeに比例して算出される。
これを通じて、算出部１１０は定格電流制限条件、定格電圧制限条件、定格スリップ周波数条件及び最小励磁電流条件全てを満たす補正係数を実時間で算出せずに、入力されたトルク指令が含まれるトルク指令区間にしたがって、簡単に上述された数式２及び３のいずれかを利用して補正係数を算出することができる。
一方、算出部１１０は補正係数制限モジュール１１０ｄをさらに含み、補正係数制限モジュール１１０ｄは定格スリップ周波数条件１００ａと最小励磁電流条件１００ｂを満たす補正係数の候補値にリミット(Ｌｉｍｉｔ)を取って補正係数で算出することができる。
補正部１２０は、算出部１１０から算出された補正係数を利用して誘導電動機システム２００の電流指令生成部２１０から生成された電流指令を補正する。
より具体的に、補正部１２０は電流指令生成部２１０から生成された同期座標系上のｑ軸電流指令(iqs e**)に補正係数Ｋの逆数を掛けて電流指令を補正する。
また、補正部１２０は電流指令生成部２１０から生成された同期座標系上のｄ軸電流指令(ids e**)に補正係数Ｋを掛けて電流指令を補正する。
このとき、補正部１２０は下記の数式４を利用して電流指令生成部２１０から生成された電流指令を補正する。
Figure 0006266082
ここで、iqs e**は補正前同期座標系上のｑ軸電流指令で、iqs e*は補正後同期座標系上のｑ軸電流指令で、ids e**は補正前同期座標系上のｄ軸電流指令で、ids e*は補正後同期座標系上のｄ軸電流指令で、Ｋは補正係数である。
その後、誘導電動機システム２００は、補正された電流指令を利用して誘導電動機２９０のトルクを定格運転条件に満たされるように制御することができる。
上述の本発明は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が、本発明の技術的思想を脱しない範囲内でさまざまな置換、変形及び変更が可能であるので、上述の実施形態及び添付された図面によって限定されるものではない。

Claims (8)

  1. 誘導電動機のトルクを制御するために、トルク指令から生成された電流指令を補正する電流指令補正装置において、
    上記電流指令が上記誘導電動機の定格運転条件を満たすように、上記電流指令を補正する補正係数の候補値を利用して第１トルク指令区間及び第２トルク指令区間を設定し、上記第１トルク指令区間及び上記第２トルク指令区間のうち、上記トルク指令が含まれる区間によって上記補正係数を算出する算出部；及び
    上記補正係数を利用して上記電流指令を補正する補正部を含み、
    上記定格運転条件が、定格電流制限条件、定格電圧制限条件、定格スリップ周波数条件及び最小励磁電流条件のうちの一つ以上の条件を含み、
    上記補正係数の候補値が、上記定格運転条件の種類とトルク指令によって決定され、
    上記第１トルク指令区間及び第２トルク指令区間が、上記補正係数の候補値から算出される基準トルク指令によって設定される電流指令補正装置。
  2. 上記算出部は、
    上記定格運転条件のうち、上記誘導電動機の定格スリップ周波数条件を満たす上記補正係数の最小値と上記誘導電動機の最小励磁電流条件を満たす上記補正係数の最小値が同一である時の上記トルク指令を基準トルク指令で算出する、請求項１に記載の電流指令補正装置。
  3. 上記算出部は、
    下記の数式を利用して上記基準トルク指令を算出する、請求項２に記載の電流指令補正装置。
    Figure 0006266082
     ここで、Ｔe,refは基準トルク指令であり、Ｋc1,minは誘導電動機の最小励磁電流条件を満たす補正係数の最小値である。
  4. 上記算出部は、
    上記基準トルク指令未満のトルク指令区間を第１トルク指令区間に設定し、上記基準トルク指令以上のトルク指令区間を第２トルク指令区間に設定する、請求項２又は請求項３に記載の電流指令補正装置。
  5. 上記算出部は、
    上記トルク指令が上記第１トルク指令区間に含まれれば、上記誘導電動機の最小励磁電流条件を満たす上記補正係数の候補値のうち、最小値を上記補正係数で算出する、請求項２ないし請求項４のいずれかに記載の電流指令補正装置。
  6. 上記算出部は、
    上記トルク指令が上記第１トルク指令区間に含まれれば、下記の数式を利用して上記補正係数で算出する、請求項５に記載の電流指令補正装置。
    Figure 0006266082
     ここで、Ｋは補正係数で、Ｋc1,minは誘導電動機の最小励磁電流条件を満たす補正係数の最小値で、Ｔeはトルク指令で、Ｔe,refは基準トルク指令である。
  7. 上記算出部は、
    上記トルク指令が上記第２トルク指令区間に含まれれば、上記トルク指令に比例して上記補正係数を算出する、請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の電流指令補正装置。
  8. 上記算出部は、
    上記トルク指令が上記第２トルク指令区間に含まれれば、下記の数式を利用して上記補正係数で算出する、請求項７に記載の電流指令補正装置。
    Figure 0006266082
     ここで、Ｋは補正係数で、Ｋc1,minは誘導電動機の最小励磁電流条件を満たす補正係数の最小値で、Ｔeはトルク指令で、Ｔe,refは基準トルク指令である。
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