WO2005093942A1 - 永久磁石式同期モータの制御装置 - Google Patents

永久磁石式同期モータの制御装置 Download PDF

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loss value
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Inventor
Nobuo Itou
Keita Horii
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Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/02Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation specially adapted for optimising the efficiency at low load
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/06Rotor flux based control involving the use of rotor position or rotor speed sensors
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2207/00Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the type of motor
    • H02P2207/05Synchronous machines, e.g. with permanent magnets or DC excitation

Definitions

  • the present invention relates to a permanent magnet synchronous motor control device that can consume regenerative power by a motor while taking into consideration the load state of the motor.
  • a permanent magnet type synchronous motor control device as described in JP-A-2001-9503, an invertor that inputs a DC voltage and converts it into a variable voltage / variable frequency alternating current.
  • a q-axis current command device for generating a command of a current component in a direction perpendicular to the motor magnetic field based on the torque command, and a current component in the same direction as the motor magnetic field (d-axis). And a device for controlling the inverter so that currents corresponding to the respective command values of the q-axis current component and the d-axis current component flow through the motor.
  • Permanent magnet synchronous mode In the control unit, the command value of the d-axis current directive device definitive the d-axis current component was Ka line operating state or of the motor technology for switching in response to the regenerative operation state is disclosed.
  • a resistor and a switching element are used.
  • the DC voltage increase due to the regenerative power can be suppressed without using the regenerative power consumption circuit composed of As a result, the entire control system can be constructed compactly and economically. Also, in the area where the operating state of the permanent magnet type synchronous motor is regenerated, the regenerative power generated by the motor is consumed inside the motor.
  • a current component (d-axis current component) in the same direction as the magnetic field of the motor is generated according to the generated power of the motor, or according to the DC voltage input in the inverter. By doing so, it is possible to suppress the rise of the input-side DC voltage in the evening.
  • the present invention has been made in order to solve the above-described problems, and it is an object of the present invention to provide a control device for a permanent magnet type synchronous motor that flows a d-axis current determined from a permissible loss consumed in a motor. Aim.
  • a permanent magnet synchronous motor control device is a member that inputs a DC voltage, converts the DC voltage into an AC having a variable voltage and a variable frequency, and drives a permanent magnet synchronous motor with the AC.
  • I-axis current command means for generating a command of a q-axis current component in a direction perpendicular to the magnetic field of the motor based on a speed command signal; and loss calculation for obtaining a loss value from a sum of a copper loss value and an iron loss value of the motor.
  • d-axis current generation means for generating a d-axis current command signal flowing through the motor based on a value obtained by subtracting the loss value from the rated loss value of the motor, and the d-axis current generation means based on the DC voltage. And determining whether the motor is in a regenerative state and, if the motor is in a regenerative state, controlling means for operating the d-axis current generating means.
  • the loss that is currently occurring in the motor is obtained, and the d-axis current that can be consumed all the time by subtracting the loss from the rated loss is caused to flow to the motor.
  • the effect is that the regenerative electric power can be consumed inside the motor while preventing the motor.
  • the control device for the permanent magnet type synchronous motor inputs a DC voltage, Inverter that drives a permanent magnet synchronous motor by converting the voltage into an AC of variable voltage and variable frequency, and a command for a Q-axis current component in a direction perpendicular to the magnetic field of the motor based on a speed command signal.
  • Q-axis current command means Q-axis current command means, d-axis current command means for generating a d-axis current command signal in the same direction as the magnetic field of the motor, and input winding resistance value, field flux constant value of the motor, Storage means for storing a rated loss value; current detection means for detecting a current flowing through the motor to generate a current detection signal; and position detection means for detecting a rotational position of the motor to generate a position detection signal.
  • d-axis current generation means for generating a d-axis current command signal flowing to the motor based on a value obtained by subtracting the loss value from the rated loss value, and whether or not the motor is in a regenerative state based on the DC voltage.
  • a control means for operating the d-axis current generating means if the power is in a regenerative state.
  • the current loss of the motor is determined, and the d-axis current that can be consumed by the motor obtained by subtracting the loss from the rated loss is caused to flow to the motor. It is possible to consume regenerative power inside the module while preventing it, and to easily find the loss that is currently occurring in the module.
  • the control device for a permanent magnet synchronous motor includes a DC voltage input, a variable voltage and a variable frequency AC, which are driven by the AC to drive a permanent magnet synchronous motor, and a speed command.
  • Q-axis current command means for generating a command of a q-axis current component in a direction perpendicular to the magnetic field of the motor based on the signal, and d-axis current generating means for generating a d-axis current command signal in the same direction as the motor magnetic field
  • Storage means for storing a value and a thermal time constant; current detection means for detecting a current flowing through the motor to generate a current detection signal; and a position for detecting a rotational position of the motor and generating a position detection signal.
  • Detecting means determining a copper loss value based on the current detection signal and the resistance value; determining an iron loss value based on the position detection signal and the field flux constant; Iron loss calculating means for calculating a loss value that is the sum of the loss value; estimating means for estimating a temperature rise value of the motor winding based on the loss value and the thermal time constant; D-axis current generating means for generating a d-axis current command signal flowing to the motor based on the DC voltage, determining whether the motor is in a regenerative state, and if the motor is in a regenerative state, the d-axis current And control means for operating the generating means. It is characterized by the following.
  • the d-axis current that can be consumed in the motor is made to flow through the motor by estimating the winding temperature rise value of the motor from the loss of the motor. Therefore, regenerative power can be consumed inside the motor while suppressing the motor temperature rise.
  • the d-axis current is caused to flow through the motor within the maximum current range that can be passed by the inverter, so that overload of the inverter can be prevented. Also, it is provided with regenerative consuming means in which a resistor and a switching element are connected to a DC voltage, and operating means for judging whether the DC voltage exceeds a predetermined threshold, and operating the switching element when the DC voltage exceeds the predetermined threshold. preferable.
  • FIG. 1 shows a control device for a permanent magnet synchronous motor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is an overall block diagram.
  • FIG. 2 is a block diagram mainly showing the control unit shown in FIG.
  • FIG. 3 is a detailed block diagram of the loss calculator shown in FIG.
  • FIG. 4 is a characteristic curve diagram of the d-axis current regulator shown in FIG.
  • FIG. 5 is a block diagram mainly showing a control unit shown in FIG. 1 according to another embodiment.
  • FIG. 6 is a block diagram for obtaining a rise in winding temperature of a motor according to another embodiment.
  • FIGS. 1 is an overall block diagram of a motor control device according to one embodiment
  • FIG. 2 is a detailed block diagram of a control unit shown in FIG. 1
  • FIG. 3 is a detailed block diagram of a loss calculation unit shown in FIG.
  • the motor control device detects a current flowing through the power converter 10, the control unit 100, and the motor 14 and inputs a current detection signal is to the control unit 100.
  • a current detector (current detecting means) 12 for detecting the rotational position of the motor 14 and inputting a position detection signal 0 s to the control section 100 0 as an encoder 41 as position detecting means.
  • the speed command signal Nr generated from the controller 150 is input to the controller 100.
  • the power converter 10 includes a converter 2 for converting a three-phase AC power supply to a DC, a capacitor 4 for smoothing a DC output voltage having a pulsating component of the converter 2, and a converter for converting a DC voltage to a three-phase AC voltage to be permanent.
  • the inverter 9 drives the synchronous motor 1 4, and the regenerative electric power generated from the motor 14 is connected to the resistor 6 that consumes the regenerative electric power charged to the capacitor 4 via the inverter 9.
  • a switching element 8 is provided as a switching element for controlling on / off of a flowing current. In FIG.
  • the control unit 100 differentiates the position detection signal 0 S of the encoder 41 to obtain a speed detection signal N s, a speed command signal N r and a speed detection signal N s.
  • a voltage is detected to generate a voltage detection signal Vs, and the voltage detection signal Vs is subtracted from a DC voltage detector 30 that inputs the voltage detection signal Vs to a subtractor 34, and a predetermined reference voltage signal Vr.
  • a reference voltage generator 36 to be input to the unit 34,
  • control unit 1000 includes a subtractor 24 for obtaining a Q-axis current deviation signal i qe which is a deviation between the q-axis current command signal i qr and the q-axis current detection signal i qs, and a q-axis current deviation signal i qe is input q-axis current control signal i qc is generated q-axis current controller 26, Q-axis current detection signal i qs, d-axis current detection signal ids, speed detection that is the rotation speed of motor 14
  • the loss calculation unit 50 for calculating the loss of the motor 14 from the signal N s and the d-axis current command signal i dr that can flow through the motor 14 by subtracting the loss value from the rated loss of the motor 14 d-axis
  • control unit 100 controls a predetermined threshold value Vz and a voltage deviation signal (voltage). Voltage value) Ve, and if the voltage deviation signal (voltage value) Ve is too large, it is determined that the regenerative power cannot be consumed in the motor 14 and the transistor 8 is turned on and off.
  • a resistor-on determination unit 58 is provided as an operation means for causing the resistor 6 to consume regenerative power.
  • the loss calculator (loss calculation means) 50 calculates the total loss P 0 (W) of the motor 14.
  • the sum with the iron loss P i (W) generated in the iron core is calculated as the total loss P 0 (W) of the motor 14.
  • the loss of motor 14 includes mechanical loss, such as bearing, caused by rotation of motor 14, but is ignored since it is small compared to the sum of copper loss and iron loss.
  • R w is the resistance value of the winding for one phase ( ⁇ )
  • field magnetic flux constant
  • f ⁇ magnetic flux frequency ( ⁇ ⁇ )
  • the field flux constant K can be obtained from the following equation by measuring the input Pi of the motor 14 by rotating the motor 14 at no load and rotating at the rated speed Nn.
  • the field flux constant K and the resistance R w of the motor 14 are input in advance and stored in the memory 5 O m as storage means, and the rotation speed of the motor 14 is
  • the current detector 12 detects the current flowing through the motor 14 and the coordinate converter 43 obtains the q-axis current detection signal i qs and the d-axis current detection signal I ds,
  • the motor 1 4 ci-axis current detection signal iq S The total loss of the motor 14 can be obtained from the d-axis current detection signal Ids and the speed detection signal Ns.
  • the loss calculation unit 50 obtains a d-axis copper loss P d by multiplying a value obtained by squaring the d-axis current detection signal I ds by a resistance R w, and obtains a d-axis copper loss calculation unit 201.
  • the q-axis copper loss P q is obtained by multiplying the value obtained by squaring the q-axis current detection signal i qs and the resistance R w to obtain the q-axis copper loss P q, the d-axis copper loss, and the (1-axis copper loss
  • the average copper loss P cave is calculated by dividing the integrated value obtained by integrating the total copper loss P c with time by the total time, and adding the total copper loss P c by the total time.
  • the average iron loss P iave is calculated by dividing the integral value by the total time.
  • the average iron loss calculator 2 1 3 and the total loss P Oave obtained by adding the average copper loss P cave and the average iron loss P iave are d-axis current.
  • the d-axis current generator 52 subtracts the total loss generated by the motor 14 from the rated loss of the motor 14 to obtain the loss that can be supplied by the d-axis current of the motor 14. It becomes. Therefore, it is configured to generate this value as the d-axis current command signal idr.
  • the rated loss of motor 14 is the value obtained by measuring the input power (W) of motor 14 when motor 14 is generating the rated output (W), and subtracting the rated output from the input power. Is the rated loss.
  • the rated loss is obtained, for example, in an experiment, and the rated loss value is previously input to the memory 5 Om and stored.
  • the rated loss value of the motor 14, the winding resistance R s per phase of the motor 14, and the field magnetic flux constant K are input and stored in the memory 5 Om of the loss calculator 50.
  • the motor 14 is operating in the regenerative state based on the speed command signal Nr, the regenerative power is charged to the capacitor 4 via the inverter 9. Then, the DC voltage that is the voltage between both ends of the capacitor 4 increases.
  • the current detector 12 detects the current flowing through the motor 14, generates a current detection signal is and inputs it to the coordinate conversion section 43, and the encoder 41 detects the rotation position of the motor 14. It is detected by the position detection signal 0 s and input to the coordinate conversion unit 43 and the differentiator 45.
  • the coordinate converter 4 3 converts the current detection signal is into a Q-axis current detection signal i qs and a d-axis current detection signal i ds and inputs them to the loss calculator 50, and subtracts the d-axis current detection signal i ds 5 Enter in 4.
  • the loss calculation section 50 uses the resistance R s of the motor 24 stored in the memory 50 m, and the Q-axis copper loss calculation section 201 obtains the q-axis copper loss from the q-axis current detection signal i qs,
  • the d-axis copper loss calculation unit 203 calculates the d-axis copper loss from the d-axis current detection signal i ds and adds it to the adder 205.
  • the adder 205 obtains the total copper loss Pc, which is the sum of the q-axis copper loss Pq and the d-axis copper loss Pd, and inputs the calculated total copper loss Pc to the average copper loss calculator 217.
  • the average copper loss calculator 2 17 calculates the average copper loss P cave by dividing the integrated value obtained by integrating the total copper loss P c with time by the total time as shown in FIG. To enter.
  • the iron loss calculating section 211 calculates the iron loss P i using the speed detection signal N s and the field magnetic flux constant K of the motor 24 stored in the memory 5 O m to obtain the average iron loss calculating section. Enter in 2 1 and 3.
  • the average iron loss calculating section 2 13 calculates the average iron loss P iave by dividing the integrated value obtained by integrating the iron loss P i with time by the total time, and inputs the average value to the adder 2 15.
  • Adder 2 1 5 is the sum of average copper loss and average iron loss Calculate the total loss P 0 and input the d-axis current generator 52.
  • the d-axis current generator 52 inputs the value obtained by subtracting the total loss of the motor 14 from the rated loss of the motor 14 as a d-axis current command signal idr to the subtractor 54 as shown in FIG.
  • the subtractor 54 obtains the d-axis current deviation signal i de which is the difference between the d-axis current command signal i dr and the d-axis current detection signal i ds, and inputs the same to the d-axis current controller 56 to obtain the d-axis current.
  • the controller 56 inputs the d-axis current control signal i dc to the coordinate converter 18.
  • the subtractor 20 obtains a speed deviation signal Ne that is a difference between the speed command signal Nr and the speed detection signal Ns, and inputs it to the speed controller 22.
  • the speed controller 22 inputs the q-axis current command signal i qr to the subtractor 24, and inputs the q-axis current detection signal i qs from the coordinate converter 43 to the subtractor 24.
  • the subtractor 24 inputs the q-axis current deviation signal i qe, which is the deviation between the q-axis current command signal i qr and the q-axis current detection signal i qs, to the q-axis current controller 26.
  • the q-axis current controller 26 inputs the q-axis current control signal i qc to the coordinate inverter 28, and the coordinate inverter 28 converts the three-phase AC current command signals i ur, i vr, i wr to the inverter. Enter 9 As a result, the regenerative electric power is
  • the d-axis current can flow through the motor 14 within the rated output range of the motor 14.
  • regenerative power can be consumed inside the motor 14 while preventing the motor 14 from being overloaded. 1
  • the regenerative power is consumed by the resistor 6. Therefore, the rated capacity of the resistor 6 and the transistor 8 can be reduced.
  • FIG. 5 is an overall block diagram of a motor control device according to another embodiment. 5, the same reference numerals as those in FIG. 2 denote the same parts, and a description thereof will be omitted.
  • id max (I n 2 + id 2 ) 1/2
  • a current suppressor 103 for limiting the current of the d-axis current generator 52 is provided to prevent the d-axis current command signal id max from flowing.
  • FIG. 6 is a block diagram for obtaining an increase in the winding temperature of a motor according to another embodiment. 6, the same reference numerals as those in FIG. 3 denote the same parts, and a description thereof will be omitted.
  • the block for calculating the temperature rise of the windings in the motor 14 receives the average copper loss P cave which is the output of the average copper loss calculator 2 17 1st temperature estimator that calculates and outputs temperature rise 3
  • Estimator 3 13 for calculating the temperature rise of the core of motor 14 and adder 3 15 for estimating the winding temperature rise by adding the self-temperature rise and the core temperature rise.
  • a d-axis current command signal idr is generated from the d-axis current generator 52 by inputting the winding temperature rise, which is the output of 15, to the d-axis current generator 52. Note that the first and second temperature estimators 3 17 and 3 13 and the adder 3 15 form an estimating means.
  • the permanent magnet synchronous motor control device As described above, the permanent magnet synchronous motor control device according to the present invention is applied to motor control.

Landscapes

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Abstract

直流電圧を入力し、可変電圧・可変周波数の交流に変換して該交流により永久磁石式同期型のモータ14を駆動するインバータ9と、速度指令信号に基づいてモータ14の磁界と直角方向のq軸電流成分の指令を発生する速度制御器22と、モータ14の銅損値と鉄損値との和から損失値を求める損失演算部50と、モータ14の定格損失値から損失値を差し引いた値に基いて前記モータに流れるd軸電流指令信号を発生するd軸電流発生器52と、直流電圧に基いてモータ14が回生状態か否かを判定すると共に、回生状態であれば、d軸電流発生器52を動作させる抵抗オン判断部58とを備えている。

Description

明 細 書 永久磁石式同期モータの制御装置
技術分野
本発明は、 モータの負荷状態を考慮しながらモータによって、 回生電力 を消費し得る永久磁石式同期モータの制御装置に関するものである。 従来の永久磁石式同期モー夕制御装置では、 特開 2 0 0 1— 9 5 3 0 0号公報に記載のように、 直流電圧を入力し、 可変電圧 ·可変周波数の 交流に変換するインバー夕と、 前記ィンバー夕から給電される永久磁石 式同期モータと、 前記モータの速度指令を発生する速度指令装置と、 前 記速度指令に前記モータの速度が追従するようにトルク指令を発生する 速度制御装置と、 前記トルク指令に基づいて前記モー夕の磁界と直角方 向の電流成分 軸電流成分) の指令を発生する q軸電流指令装置と、 前記モータの磁界と同方向の電流成分 (d軸電流成分) の指令を発生す る d軸電流指令装置と、 前記 q軸電流成分及び d軸電流成分の各指令値 に応じた電流が前記モータに流れるように前記インバー夕を制御する装 置を備えた永久磁石式同期モー夕の制御装置において、 前記 d軸電流指 令装置おける前記 d軸電流成分の指令値を前記モータのカ行運転状態ま たは回生運転状態に応じて切替える技術が開示されている。
永久磁石式同期モータからの発電電力がィンバ一夕の直流電圧側に回 生しないように、 モー夕の磁界と同方向の電流成分 (d軸電流成分) を 制御するため、 抵抗とスィツチング素子等で構成される回生電力消費用 の回路を用いることなく、 回生電力による直流電圧の増加を抑制するこ とができる。 この結果、 制御システム全体を小型かつ経済的に構築する ことができる。 また、 永久磁石式同期モータの運転状態が回生になる領 域において、 モータから発生する回生電力がモー夕の内部で消費するよ 'うに、 モ一夕の磁界と同方向の電流成分 (d軸電流成分) をモー夕の発 電電力に応じて発生させることによって、 または、 インバ一夕に入力す る直流電圧に応じて発生させることによって、 ィンバー夕の入力側直流 電圧の上昇を抑制することができるものである。
しかしながら、 従来の永久磁石式同期モータの制御装置は、 d軸電流 を無制限に流すと、 モー夕の銅損が増大してモータの温度が許容値を超 えて、 モー夕の負荷が増大しすぎるという問題点があった。
発明の開示
本発明は、 上記のような問題点を解決するためになされたもので、 モ 一夕で消費する許容損失から定められた d軸電流を流す永久磁石式同期 モータの制御装置を提供することを目的とする。
本発明に係る永久磁石式同期モー夕の制御装置は、直流電圧を入力し、 可変電圧 ·可変周波数の交流に変換して該交流により永久磁石式同期型 のモータを駆動するィンバ一夕と、 速度指令信号に基づいて前記モータ の磁界と直角方向の q軸電流成分の指令を発生する i軸電流指令手段と、 前記モータの銅損値と鉄損値との和から損失値を求める損失算出手段と、 前記モー夕の定格損失値から前記損失値を差し引いた値に基いて前記モ 一夕に流れる d軸電流指令信号を発生する d軸電流発生手段と、 前記直 流電圧に基いて前記モー夕が回生状態か否かを判定すると共に、 回生状 態であれば、 前記 d軸電流発生手段を動作させる制御手段と、 を備えた ことを特徴とするものである。
本発明によれば、 モータが現在発生している損失を求め、 定格損失か ら該損失を差し引いたモ一夕に消費可能な d軸電流を、 モータに流すよ うにしたので、 モータの過負荷を防止しながらモータ内部で回生電力を 消費できるという効果がある。
本発明に係る永久磁石式同期モータの制御装置は、直流電圧を入力し、 可変電圧 ·可変周波数の交流に変換して該交流により永久磁石式同期型 のモー夕を駆動するインバー夕と、 速度指令信号に基づいて前記モー夕 の磁界と直角方向の Q軸電流成分の指令を発生する q軸電流指令手段と、 前記モータの磁界と同方向の d軸電流指令信号を発生する d軸電流発生 手段と、 入力された前記モー夕の巻線抵抗値、 界磁束定数値、 定格損失 値を記憶する記憶手段と、 前記モータに流れる電流を検出して電流検出 信号を発生する電流検出手段と、 前記モー夕の回転位置を検出して位置 検出信号を発生する位置検出手段と、 前記電流検出信号と前記巻線抵抗 , 値とに基いて銅損値を求めると共に、 前記位置検出信号と前記界磁束定 数値とに基いて鉄損値を求め、 該鉄損値と前記銅損値との和となる損失 値を求める演算手段と、 前記定格損失値から前記損失値を差し引いた値 に基いて前記モータに流れる d軸電流指令信号を発生する d軸電流発生 手段と、 前記直流電圧に基いて前記モータが回生状態か否かを判定する と共に、 回生状態であれば、 前記 d軸電流発生手段を動作させる制御手 段と、 を備えたことを特徴とするものである。
本発明によれば、 モー夕が現在発生している損失を求め、 定格損失か ら該損失を差し引いたモータに消費可能な d軸電流を、 モータに流すよ うにしたので、 モータの過負荷を防止しながらモ一夕内部で回生電力を 消費できると共に、 モ一夕の現在発生している損失を容易に求めること ができる。
本発明に係る永久磁石式同期モータの制御装置は、直流電圧を入力し、 可変電圧 ·可変周波数の交流に変換して該交流により永久磁石式同期型 のモータを駆動するィンバー夕と、 速度指令信号に基づいて前記モータ の磁界と直角方向の q軸電流成分の指令を発生する Q軸電流指令手段と、 前記モー夕の磁界と同方向の d軸電流指令信号を発生する d軸電流発生 手段と、 入力された前記モータの卷線抵抗値、 界磁束定数値、 定格損失 値、 熱時定数を記憶する記憶手段と、 前記モータに流れる電流を検出し て電流検出信号を発生する電流検出手段と、 前記モ一夕の回転位置を検 出して位置検出信号を発生する位置検出手段と、 前記電流検出信号と前 記抵抗値とに基いて銅揖値を求めると共に、 前記位置検出信号と前記界 磁束定数とに基いて鉄損値を求め、 該鉄損値と前記銅損値との和となる 損失値を求める鉄損演算手段と、 前記損失値と前記熱時定数とに基いて 前記モータの巻線の温度上昇値を推定する推定手段と、 前記温度上昇値 に基いて前記モータに流れる d軸電流指令信号を発生する d軸電流発生 手段と、 前記直流電圧に基いて前記モータが回生状態か否かを判定する と共に、 回生状態であれば、 前記 d軸電流発生手段を動作させる制御手 段と、 を備えたことを特徴とするものである。
本発明によれば、 モータの損失からモータの巻線温度上昇値を推定し てモー夕に消費可能な d軸電流を、モータに流すようにした。このため、 モータ温度上昇を抑制しながらがらモ一夕内部で回生電力を消費できる。 また、 インバー夕が流し得る最大電流に基いて d軸電流指令信号を制 限する d軸電流抑制手段を備えることが好ましい。
この構成により、 ィンバ一夕が流し得る最大電流の範囲内でモータに d軸電流を流すようにしたので、 ィンバ一夕の過負荷を防止できる。 また、 直流電圧に抵抗とスィツチング素子とを接続した回生消費手段 と、 直流電圧が予め定められた閾値を越えるか否かを判断し、 越えると スィツチング素子を動作させる動作手段と、 を備えることが好ましい。
この構成により、 回生電力をモー夕内部で消費しきれない場合、 スィ ツチング素子をオンにして抵抗により回生電力を消費するので、 該スィ ッチング素子、 抵抗の容量を小さくできるという効果がある。
図面の簡単な説明
図 1 は本発明の一実施例を示す永久磁石式同期モータの制御装置の 全体ブロック図である。
図 2は図 1に示す制御部を中心としたブロック図である。
図 3は図 2に示す損失演算部の詳細プロック図である。
図 4は図 2に示す d軸電流調整器の特性曲線図である。
図 5は他の実施例による図 1に示す制御部を中心としたブロック図で ある。
図 6は他の実施例によるモータの巻線温度上昇を求めるプロック図で ある。
発明を実施するための最良の形態
実施例 1 .
本発明の一実施例を図 1乃至図 3によって説明する。 図 1は一実施例 によるモータの制御装置の全体ブロック図、 図 2は図 1に示す制御部の 詳細プロック図、図 3は図 2に示す損失演算部の詳細プロック図である。 図 1乃至図 3において、 モータの制御装置は、 電力変換器 1 0と、 制 御部 1 0 0と、 モータ 1 4に流れる電流を検出して電流検出信号 i sを 制御部 1 0 0に入力する電流検出器 (電流検出手段) 1 2と、 モータ 1 4 の回転位置を検出して位置検出信号 0 s を制御部 1 0 0に入力する位置 検出手段としてのエンコーダ 4 1とを備え、 速度制御部 1 5 0から発生 した速度指令信号 N rを制御部 1 0 0に入力するようにしている。
電力変換器 1 0には、三相交流電源を直流に変換するコンバータ 2と、 コンバータ 2の脈動分を有する直流出力電圧を平滑させるコンデンサ 4 と、 直流電圧を三相交流電圧に変換して永久磁石式同期型のモータ 1 4 を駆動するィンバー夕 9と、 モータ 1 4から発生した回生電力をィンバ —夕 9を介してコンデンサ 4に充電される回生電力を消費する抵抗 6と、 抵抗 6に流れる電流をオン ·オフ制御するスィツチング素子としてのト ランジス夕 8とを備えている。 図 2おいて、 制御部 1 0 0は、 エンコーダ 4 1の位置検出信号 0 S を 微分して速度検出信号 N sを得る微分器 4 5と、 速度指令信号 N rと速 度検出信号 N sとの差となる速度偏差信号 N eを求める減算器 2 0と、 速度偏差信号 N e を入力して QL軸電流指令信号 i qr を得る q軸電流指 令手段としての速度制御器 2 2と、位置検出信号 0 sと電流検出信号 I s とにより座標変換して q軸電流検出信号 i qs、 d軸電流検出信号 i ds を求める座標変換器 4 3と、 電力変換器 1 0内の直流電圧を検出して電 圧検出信号 V sを発生すると共に、 該電圧検出信号 V sを減算器 3 4に 入力する直流電圧検出器 3 0と、 予め定められた基準電圧信号 V rを減 算器 3 4に入力する基準電圧発生器 3 6と、 基準電圧信号 V rと電圧検 出信号 V sとの差となる電圧偏差信号 V eを求める減算器 3 4とを備え ている。
さらに、制御部 1 0 0は、 q軸電流指令信号 i qrと q軸電流検出信号 i qsとの偏差となる Q軸電流偏差信号 i qeを求める減算器 2 4と、 q 軸電流偏差信号 i qeを入力して q軸電流制御信号 i qcを発生する q軸 電流制御器 2 6と、 Q軸電流検出信号 i qs、 d軸電流検出信号 i ds、 モータ 1 4の回転速度となる速度検出信号 N sとからモータ 1 4の損失 を求める損失演算部 5 0と、 モー夕 1 4の定格損失から損失値を差し引 いてモータ 1 4が流し得る d軸電流指令信号 i dr を求める d軸電流発 生器(d軸電流発生手段) 5 2と、 d軸電流指令信号 i drと d軸電流検出 信号 i dsとの偏差を求めて d軸偏差電流信号 i deを発生する制御手段 としての減算器 5 4と、 d軸偏差電流信号 i de を入力して d軸電流制 御信号 i dcを発生する d軸電流制御器 5 6と、 Q軸電流制御信号 i qC, d軸電流制御信号 i dcを入力して三相交流電流指令信号 i ur, i vr, i wrを発生する座標逆変換器 2 8とを備えている。
さらに、 制御部 1 0 0は、 予め定められた閾値 V zと電圧偏差信号 (電 圧値) V eとを比較して、 電圧偏差信号 (電圧値) V eが嵩い場合、 モータ 1 4内で回生電力を消費しきれないと判断し、 トランジスタ 8をオン- オフ制御して抵抗 6に回生電力を消費させる動作手段としての抵抗オン 判断部 5 8を備えている。
損失演算部 (損失算出手段) 5 0は、 モータ 1 4の全損失 P 0(W)を求め るもので、 モータ 1 4の巻線によって生じる銅損 P c (W)、 モー夕 1 4 の鉄心内に生じる鉄損 P i (W)との和をモータ 1 4の全損失 P 0(W)と して演算している。
なお、 モー夕 1 4の損失にはモータ 1 4が回転することによりベアリ ングなどの摩擦となる機械損が存在するが、 銅損と鉄損との和に比較し て少ないので、 無視する。
P c = 3 R w I p 2 = R w( i ps 2 + i ds 2)
ここに、 R w : 1相分の巻線の抵抗値 (Ω )
I p : 1相分の電流の実効値 (A )
P i = K f Φ 1 6
ここに、 Κ :界磁束定数、 f Φ :磁束の周波数 (Η ζ )
f Φ = p N/ 6 0
ここに、 P :極数、 N : モータの回転速度、
また、 界磁束定数 Kはモー夕 1 4を無負荷で定格回転数 N nにより回 転してモータ 1 4の入力 P iを測定し、 下式より求めることができる。
K = (N n/ 6 0 P ) / Ρ i
以上より、 界磁束定数 K、 モ一夕 1 4の抵抗 R wを予め入力し、 記憶 手段としてのメモリ 5 O mに記憶しておいて、 エンコーダ 4 1によりモ —夕 1 4の回転速度を検出し、 電流検出器 1 2がモー夕 1 4に流れる電 流を検出し、 座標変換器 43が q軸電流検出信号 i qs、 d軸電流検出信 号 I dsを求めて、損失演算部 50がモータ 1 4の ci軸電流検出信号 i qS、 d軸電流検出信号 I ds、速度検出信号 N sからモータ 1 4の全損失を求 めることができる。
そして、 図 3において、 損失演算部 5 0は、 d軸電流検出信号 I ds を 2乗した値に抵抗 R wを乗じて d軸銅損 P dを得る d軸銅損算出部 2 0 1と、 q軸電流検出信号 i qs を 2乗した値に抵抗 R wを乗じて q_軸 銅損 P qを得る Q軸銅損算出部 2 0 3と、 d軸銅損と(1軸銅損とを加算 して全銅損 P cを求める加算器 2 0 5と、 全銅損 P cを時間で積分した 積分値を総合時間で除することにより平均銅損 P cave を求める平均銅 損算出部 2 1 7と、モータ 1 4の速度検出信号の 1 . 6乗した値に定数 K φを乗じて鉄損 P iを得る鉄損算出部 2 1 1と、 各時間の時間で積分し た積分値を総合時間で除することにより平均鉄損 P iave を求める平均 鉄損算出部 2 1 3と、 平均銅損 P caveと平均鉄損 P iaveとを加算した 全損失 P Oave を d軸電流発生器 5 2に入力する加算器 2 1 5とを備え ている。
d軸電流発生器 5 2は、 図 4に示すようにモータ 1 4の定格損失から モー夕 1 4が発生している全損失を差し引いた値がモータ 1 4の d軸電 流で流し得る損失となる。 よって、 この値を d軸電流指令信号 i dr と して発生するように構成されている。
なお、 モー夕 1 4の定格損失は、 モータ 1 4が定格出力 (W)を発生し ているときのモータ 1 4の入力電力(W)を測定し、 入力電力から定格出 力を差し引いた値が定格損失となる。 この定格損失を例えば実験におい て求め、 予め該定格損失値をメモリ 5 O mに入力して記憶する。
上記のように構成されたモータの制御装置の動作について図 1乃至図 3によって説明する。 まず、 モー夕 1 4の定格損失値、 モータ 1 4の一 相あたりの巻線抵抗 R s、 界磁磁束定数 Kを入力して損失演算部 5 0の メモリ 5 O mに記憶する。 速度指令信号 N rに基いてモータ 1 4が回生状態で運転していると、 ィンバ一夕 9を介して回生電力がコンデンサ 4に充電される。 そうする と、 コンデンサ 4の両端電圧となる直流電圧が上昇する。
直流電圧検出器 3 0から発生した電圧検出信号 V sを減算器 3 4に入 力し、 同時に、 基準電圧発生器 3 6から基準電圧信号 V rを減算器 3 4 に入力すると、 減算器 3 4が電圧検出信号 V sと基準電圧信号 V rとの 差となる電圧偏差信号 V eを d軸電流発生器 5 2に入力する。 一方、 電 流検出器 1 2がモータ. 1 4に流れる電流を検出し電流検出信号 i sを発 生して座標変換部 4 3に入力し、 エンコーダ 4 1がモー夕 1 4の回転位 置を位置検出信号 0 s により検出して座標変換部 4 3及び微分器 4 5に 入力する。座標変換器 4 3が電流検出信号 i sを Q軸電流検出信号 i qs、 d軸電流検出信号 i ds に変換して損失演算部 5 0に入力すると共に、 d軸電流検出信号 i dsを減算器 5 4に入力する。
損失演算部 5 0は、 メモリ 5 0 mに記憶されたモータ 2 4の抵抗 R s を用いて Q軸銅損算出部 2 0 1が q軸電流検出信号 i qs により q軸銅 損を求め、 d軸銅損算出部 2 0 3が d軸電流検出信号 i ds により d軸 銅損を求めて加算器 2 0 5に加える。 加算器 2 0 5は、 q軸銅損 P qと d軸銅損 P dとの和となる全銅損 P cを求めて平均銅損算出部 2 1 7に 入力する。 平均銅損算出部 2 1 7は、 図 3に示すように全銅損 P cを時 間で積分した積分値を総合時間で除することにより平均銅損 P cave を 求めて加算器 2 1 5に入力する。
一方、 鉄損算出部 2 1 1が速度検出信号 N sとメモリ 5 O mに記憶さ れたモータ 2 4の界磁磁束定数 Kとを用いて鉄損 P iを求めて平均鉄損 算出部 2 1 3に入力する。 平均鉄損算出部 2 1 3は、 鉄損 P iを時間で 積分した積分値を総合時間で除することにより平均鉄損 P iave を求め て加算器 2 1 5に入力する。 加算器 2 1 5は平均銅損と平均鉄損との和 となる全損失 P 0を求めて d軸電流発生器 5 2 こ入力する。
d軸電流発生器 5 2は、 図 4に示すようにモータ 1 4の定格損失から モータ 1 4の全損失を差し引いた値を d軸電流指令信号 i dr として減 算器 5 4に入力する。 減算器 5 4が d軸電流指令信号 i dr と d軸電流 検出信号 i dsとの差となる d軸電流偏差信号 i deを求めて d軸電流制 御器 5 6に入力し、 d軸電流制御器 5 6が d軸電流制御信号 i dc を座 標変換器 1 8に入力する。
一方、 減算器 2 0が速度指令信号 N rと速度検出信号 N sとの差とな る速度偏差信号 N eを求めて速度制御器 2 2に入力する。 速度制御器 2 2が q軸電流指令信号 i qrを減算器 2 4に入力し、 座標変換器 4 3か ら q軸電流検出信号 i qsを減算器 2 4に入力する。 減算器 2 4が q軸 電流指令信号 i qrと q軸電流検出信号 i qsとの偏差となる q軸電流偏 差信号 i qeを q軸電流制御器 2 6に入力する。 q軸電流制御器 2 6が q 軸電流制御信号 i qcを座標逆変換器 2 8に入力し、座標逆変換器 2 8が 三相交流電流指令信号 i ur, i vr, i wrをインバー夕 9に入力する。 これ よりモータ 1 4に d軸電流を流すことにより回生電力をモータ 1
4の抵抗で消費する。
さらに、 モータ 1 4の回生電力が増加すると、 モー夕 1 4の内部抵抗 で回生電力が消費しきれないと、インバー夕 9内部の直流電圧が上昇し、 電圧偏差信号 V eが抵抗オン判断部 5 8に入力される。 抵抗オン判断部
5 8が電圧偏差信号 V eと閾値 V zとを比較して、閾値 V zを越えると、 オン'オフ信号を発生してトランジスタ 8をオン'オフ制御して抵抗 6に より回生電力を消費する。
このようにしてモータ 1 4の定格出力範囲において、 d軸電流をモー 夕 1 4に流すことができる。 これにより、 モータ 1 4の過負荷を防止し ながら回生電力をモータ 1 4の内部で消費できる。 1 さらに、 モータ 1 4の内部で回生電力を消費しきれないと、 抵抗 6に より回生電力を消費するようにした。 このため、 抵抗 6及びトランジス 夕 8の定格容量を小さくできる。
実施例 2 .
本発明の他の実施例を図 5によって説明する。 図 5は他の実施例によ るモータの制御装置の全体ブロック図である。 図 5中、 図 2と同一符号 は同一部分を示し、その説明を省略する。
インバ一タ 9を構成するトランジスタの定格電流 I nとすると、 モー 夕 1 4に流れる Q軸電流、 d軸電流について下記の関係がある。
I n = ( i q 2 + i d " 1 / 2
これより、 流し得る最大の d軸電流指令信号 i d maxは下記となる。 i d max= ( I n 2 + i d 2 ) 1 / 2
この d軸電流指令信号 i d max 以上流れなくするために図 5に示す ように d軸電流発生器 5 2の電流を制限する電流抑制器 1 0 3を設けた ものである。
このようなモータの制御装置によれば、 モータ 1 4に d軸電流を流し てもインバ一タ 9を構成するトランジスタの定格電流以内になるように したので、 ィンバ一タ 9が過電流になることを防止できる。
実施例 3 .
本発明の他の実施例を図 6によって説明する。 図 6は他の実施例によ るモータの巻線温度上昇を求めるブロック図である。 図 6中、 図 3と同 一符号は同一部分を示し、その説明を省略する。
図 6において、 モータ 1 4における巻線の温度上昇を求めるブロック は、 平均銅損算出部 2 1 7の出力となる平均銅損 P cave 入力して、 モ —夕 1 4の巻線のみの自己温度上昇を求めて出力する第 1温度推定器 3
1 7と、平均鉄損算出部 2 1 3の出力となる平均鉄損 P iaveを入力とし てモータ 1 4の鉄心温度上昇を求める第 2推定器 3 1 3と、 自己温度上 昇と鉄心温度上昇とを加算して巻線温度上昇を推定する加算器 3 1 5を 備え、 加算器 3 1 5の出力となる巻線温度上昇を d軸電流発生器 5 2に 入力することにより d軸電流発生器 5 2から d軸電流指令信号 i dr を 発生している。 なお、 第 1及び第 2温度推定器 3 1 7、 3 1 3、 加算器 3 1 5により推定手段となる。
産業上の利用可能性
以上のように本発明に係る永久磁石式同期モー夕の制御装置は、 モー 夕制御に適用している。

Claims

請 求 の 範 囲
1 .直流電圧を入力し、 可変電圧 ·可変周波数の交流に変換して該交流に より永久磁石式同期型のモータを駆動するィンバ一夕と、
速度指令信号に基づいて前記モータの磁界と直角方向の q軸電流成分 の指令を発生する Q軸電流指令手段と、
前記モータの銅損値と鉄損値との和から損失値を求める損失算出手段 と、
前記モー夕の定格損失値から前記損失値を差し引いた値に基いて前記 モータに流れる d軸電流指令信号を発生する d軸電流発生手段と、 前記直流電圧に基いて前記モ一夕が回生状態か否かを判定すると共に、 回生状態であれば、 前記 d軸電流発生手段を動作させる制御手段と、 を備えたことを特徴とする永久磁石式同期モータの制御装置。
2 .直流電圧を入力し、 可変電圧 ·可変周波数の交流に変換して該交流に より永久磁石式同期型のモータを駆動するィンバー夕と、
速度指令信号に基づいて前記モータの磁界と直角方向の Q軸電流成分 の指令を発生する q軸電流指令手段と、
前記モータの磁界と同方向の d軸電流指令信号を発生する d軸電流発 生手段と、 .
入力された前記モ一夕の巻線抵抗値、 界磁束定数値、 定格損失値を記 憶する記憶手段と、
前記モータに流れる電流を検出して電流検出信号を発生する電流検出 手段と、
前記モータの回転位置を検出して位置検出信号を発生する位置検出手 段と、
前記電流検出信号と前記巻線抵抗値とに基いて銅損値を求めると共に、 前記位置検出信号と前記界磁束定数値とに基いて鉄損値を求め、 該鉄損 値と前記銅損値との和となる損失値を求める演算手段と、
前記定格損失値から前記損失値を差し引いた値に基いて前記モー夕に 流れる d軸電流指令信号を発生する d軸電流発生手段と、
前記直流電圧に基いて前記モー夕が回生状態か否かを判定すると共に、 回生状態であれば、 前記 d軸電流発生手段を動作させる制御手段と、 を備えたことを特徴とする永久磁石式同期モータの制御装置。
3 .直流電圧を入力し、 可変電圧 ·可変周波数の交流に変換して該交流に より永久磁石式同期型のモータを駆動するィンバー夕と、
速度指令信号に基づいて前記モー夕の磁界と直角方向の q軸電流成分 の指令を発生する q軸電流指令手段と、
前記モータの磁界と同方向の d軸電流指令信号を発生する d軸電流発 生手段と、
入力された前記モータの巻線抵抗値、 界磁束定数値、 定格損失値、 熱 時定数を記憶する記憶手段と、
前記モータに流れる電流を検出して電流検出信号を発生する電流検出 手段と、
前記モー夕の回転位置を検出して位置検出信号を発生する位置検出手 段と、
前記電流検出信号と前記抵抗値とに基いて銅損値を求めると共に、 前 記位置検出信号と前記界磁束 数とに基いて鉄損値を求め、 該鉄損値と 前記銅損値との和となる損失値を求める鉄損演算手段と、
前記損失値と前記熱時定数とに基いて前記モータの巻線の温度上昇値 を推定する推定手段と、
前記温度上昇値に基いて前記モー夕に流れる d軸電流指令信号を発生 する d軸電流発生手段と、 前記直流電圧に基いて前記モータが回生状態か否かを判定すると共に、 回生状態であれば、 前記 d軸電流発生手段を動作させる制御手段と、 備えたことを特徴とする永久磁石式同期モータの制御装置。
4 . 前記ィンバ一夕が流し得る最大電流に基いて前記 d軸電流指令信号 を制限する d軸電流抑制手段を、
備えたことを特徴とする請求の範囲 2又は 3に記載の永久磁石式同期 モータの制御装置。
5 前記直流電圧に抵抗とスィツチング素子とを接続した回生消費手段 と、
前記直流電圧が予め定められた閾値を越えるか否かを判断し、 越える と前記スィツチング素子を動作させる動作手段と、
を備えたことを特徴とする請求の範囲 2又は 3記載の永久磁石式同期 モー夕の制御装置。
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