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技術 同期機の制御装置

出願人 東洋電機製造株式会社
発明者 大森洋一
出願日 2004年6月1日 (17年3ヶ月経過) 出願番号 2004-162904
公開日 2005年12月15日 (15年8ヶ月経過) 公開番号 2005-348478
状態 特許登録済
技術分野 交流電動機の一次周波数制御 交流電動機の制御一般
主要キーワード 傾き演算 巻き線抵抗 磁束鎖交数 最大効率運転 絶対値演算器 トルク誤差 静止座標 電流位相指令
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この項目の情報は公開日時点(2005年12月15日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (2)

課題

安価なマイコンで高精度なトルク制御と速いトルク応答最大効率運転とが実現できる同期機制御装置を提供する。

解決手段

軸電流指令トルク指令値の絶対値の一次関数で求めるd軸電流指令演算器6と、d軸電流指令とトルク指令からq軸電流指令を求めるq軸電流指令演算器7と、同期機の回転速度の絶対値を入力して前記一次関数の切片を求めて出力する高効率切片演算器14と、トルク指令の絶対値を低域通過フィルタに通したものとq軸電流指令を低域通過フィルタに通したものと回転速度の絶対値とを入力して同期機の損失が最小となるような一次関数の傾きを求める高効率傾き演算器15とで構成され、d軸電流指令演算器6とq軸電流指令演算器7の処理は短い周期処理ループで実行し、高効率切片演算器14と高効率傾き演算器15の処理を比較的長い周期の処理ループで実行する。

概要

背景

同期機高効率制御は、各種の方法が提案されている。同期機を高い効率で運転するためには、同一出力状態で同期機の銅損鉄損からなる損失を最小にすることが望ましい。そこで、トルク指令や速度に対して損失を最小つまり最大効率とする電流の大きさや位相を数式化あるいはテーブル化することによって最大効率運転を実現できると考えられている。具体的には、トルク指令及び回転速度をパラメータとし、適切な電流振幅指令及び電流位相指令を求める方法が開示されている(例えば特許文献1参照。)。
また、同一電流振幅最大トルクが得られる電流位相を求め、前記最大トルクと前記電流振幅の関係と前記最大トルクと前記電流位相との関係をそれぞれ最大トルクをパラメータとする一次関数もしくは二次関数近似しておき、運転時には最大トルクの代わりにトルク指令を前記近似関数に入力して電流振幅と電流位相を求め、その後直交するd軸とq軸の電流指令成分を得ている。(例えば、特許文献2参照。)。

特開平7−308088号公報
特開2002−360000公報

概要

安価なマイコンで高精度なトルク制御と速いトルク応答と最大効率運転とが実現できる同期機の制御装置を提供する。d軸電流指令トルク指令値の絶対値の一次関数で求めるd軸電流指令演算器6と、d軸電流指令とトルク指令からq軸電流指令を求めるq軸電流指令演算器7と、同期機の回転速度の絶対値を入力して前記一次関数の切片を求めて出力する高効率切片演算器14と、トルク指令の絶対値を低域通過フィルタに通したものとq軸電流指令を低域通過フィルタに通したものと回転速度の絶対値とを入力して同期機の損失が最小となるような一次関数の傾きを求める高効率傾き演算器15とで構成され、d軸電流指令演算器6とq軸電流指令演算器7の処理は短い周期処理ループで実行し、高効率切片演算器14と高効率傾き演算器15の処理を比較的長い周期の処理ループで実行する。

目的

本発明の目的は、適切な電流指令を生成して、同期機の損失を最小とし同期機の出力トルクがトルク指令通りとなる同期機の制御装置を提供することである。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
2件

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請求項1

同期機回転子上で磁気抵抗が最大の方向をd軸とし、前記d軸と直交する方向をq軸として、前記同期機の入力電流を前記d軸とq軸の成分に分けてそれぞれの指令値であるd軸電流指令とq軸電流指令に基づいて制御する同期機の制御装置において、前記d軸電流指令をトルク指令値の絶対値の一次関数で求めるd軸電流指令演算器と、前記d軸電流指令演算器出力であるd軸電流指令と前記トルク指令から前記q軸電流指令を求めるq軸電流指令演算器とを具備することを特徴とする同期機の制御装置。

請求項2

前記同期機の回転速度の絶対値を入力して前記一次関数の切片を求めて出力する高効率切片演算器と、前記トルク指令の絶対値を低域通過フィルタに通したものと前記q軸電流指令を低域通過フィルタに通したものと前記回転速度の絶対値とを入力して前記同期機の損失が最小となるような前記d軸電流指令を得るための前記一次関数の傾きを求める高効率傾き演算器とを具備することを特徴とする請求項1記載の同期機の制御装置。

請求項3

請求項1及び請求項2記載の制御装置を複数の処理ループを持つマイコンによって実現する際に、前記d軸電流指令演算器と前記q軸電流指令演算器の処理は短い周期の処理ループで実行し、前記高効率切片演算器と前記高効率傾き演算器の処理を比較的長い周期の処理ループで実行することを特徴とする請求項1及び2記載の同期機の制御装置。

技術分野

0001

本発明は、同期機制御装置において、特に同期機の効率を高くする技術に関するものである。

背景技術

0002

同期機の高効率制御は、各種の方法が提案されている。同期機を高い効率で運転するためには、同一出力状態で同期機の銅損鉄損からなる損失を最小にすることが望ましい。そこで、トルク指令や速度に対して損失を最小つまり最大効率とする電流の大きさや位相を数式化あるいはテーブル化することによって最大効率運転を実現できると考えられている。具体的には、トルク指令及び回転速度をパラメータとし、適切な電流振幅指令及び電流位相指令を求める方法が開示されている(例えば特許文献1参照。)。
また、同一電流振幅最大トルクが得られる電流位相を求め、前記最大トルクと前記電流振幅の関係と前記最大トルクと前記電流位相との関係をそれぞれ最大トルクをパラメータとする一次関数もしくは二次関数近似しておき、運転時には最大トルクの代わりにトルク指令を前記近似関数に入力して電流振幅と電流位相を求め、その後直交するd軸とq軸の電流指令成分を得ている。(例えば、特許文献2参照。)。

0003

特開平7−308088号公報
特開2002−360000公報

発明が解決しようとする課題

0004

前記特開平7−308088号公報は、電流の大きさと位相をトルク指令値や速度に応じた関数を数式で表し計算で得ているが、具体的な数式が開示されていない。さらに前記特開平7−308088号公報には、関数のパターンメモリ上に記憶させ、トルク指令や速度に応じて値を読み出してくる方法も開示されているが、メモリに記憶させるデータ量が多くなるという欠点がある。

0005

前記特開2002−360000公報においては、電流を最小とする近似関数を用いているので銅損を最小とすることはできるが鉄損は逆に増えることがあり、必ずしも損失最小とはならず最大効率運転は実現できない。またあくまでも近似関数なので近似誤差により必ずしも銅損最小運転とは限らない。同時に近似関数であるために、近似誤差によりトルク指令通りの出力トルクが得られない。

0006

本発明の目的は、適切な電流指令を生成して、同期機の損失を最小とし同期機の出力トルクがトルク指令通りとなる同期機の制御装置を提供することである。

課題を解決するための手段

0007

そこで本発明は、同期機の回転子上で磁気抵抗が最大の方向をd軸とし、前記d軸と直交する方向をq軸として、前記同期機の入力電流を前記d軸とq軸の成分に分けてそれぞれの指令値であるd軸電流指令とq軸電流指令に基づいて制御する同期機の制御装置において、前記d軸電流指令をトルク指令値の絶対値の一次関数で求めるd軸電流指令演算器と、前記d軸電流指令演算器出力であるd軸電流指令と前記トルク指令から前記q軸電流指令を求めるq軸電流指令演算器とを具備することを特徴とする。

0008

また前記同期機の回転速度の絶対値を入力して前記一次関数の切片を求めて出力する高効率切片演算器と、前記トルク指令の絶対値を低域通過フィルタに通したものと前記q軸電流指令を低域通過フィルタに通したものと前記回転速度の絶対値とを入力して前記同期機の損失が最小となるような前記d軸電流指令を得るための前記一次関数の傾きを求める高効率傾き演算器とを具備することを特徴とする。

0009

また前記各種演算器を複数の処理ループを持つマイコンによって実現する際に、前記d軸電流指令演算器と前記q軸電流指令演算器の処理は短い周期の処理ループで実行し、前記高効率切片演算器と前記高効率傾き演算器の処理を比較的長い周期の処理ループで実行することを特徴とする請求項1及び2記載の同期機の制御装置。

発明の効果

0010

請求項1に係る発明により、トルク指令に応じた適切なd軸電流指令とq軸電流指令を求めることができ、トルク指令通りの出力トルクが得られるようになる。請求項2に係る発明により、定常状態で損失最小となるd軸電流指令を得ることができるようになるため、最大効率運転が実現できる。請求項3に係る発明により、処理速度が比較的遅いマイコンを使用しても、トルク応答を遅くすることなくトルク指令通りの出力トルクが得られ定常状態で最大効率の運転ができる。

発明を実施するための最良の形態

0011

処理速度が遅いマイコン使用で、トルク応答を遅くすることなく、トルク指令通りの出力トルクが得られ、定常状態で最大効率の運転が実現した。

0012

図1は、本発明の1実施例のブロック図である。同期機2の回転子上で磁気抵抗が最大の方向をd軸とし、前記d軸と直交する方向をq軸と定義して、図1に基づいて説明する。絶対値演算器5は、トルク指令Trefを入力してその絶対値を求めて出力する。d軸電流指令演算器6はトルク指令の絶対値|Tref|を入力して
Idref=a・|Tref|+b (1)
の一次関数でd軸電流指令Idrefを求めて出力する。ここで、aは一次関数の傾きであり、bは一次関数の切片である。q軸電流指令演算器7は、トルク指令Trefとd軸電流指令Idrefを入力して
Iqref=Tref/{φ−(Lq−Ld)・Idref} (2)
演算でq軸電流指令Iqrefを求めて出力する。ここでφは、同期機2が永久磁石同期電動機の場合の永久磁石による磁束鎖交数であり、Lqは同期機2のq軸のインダクタンスであり、Ldは同期機2のd軸のインダクタンスであり、前記d−q軸の定義によりLq>Ldである。

0013

位置センサ4は、同期機2の回転子の位置のd軸位置θを検出する。回転座標変換器10は、θに従って電流検出器3で検出された同期機2の入力電流をd軸成分であるIdとq軸成分であるIqに分けて出力する。d軸電流制御器8は、d軸電流Idがd軸電流指令Idrefとd軸鉄損分電流Idmとの和に追従するような電圧指令を出力する。q軸電流制御器9は、q軸電流Iqがq軸電流指令Iqrefとq軸鉄損分電流Iqmとの和に追従するような電圧指令を出力する。ここでd軸鉄損分電流Idmとq軸鉄損分電流Iqmは、等価鉄コンダクタンスに流れる各軸の電流であり、上述のように各軸の電流指令に加算することで鉄損によるトルク誤差補正できる。回転座標逆変換11は、d軸電流制御器8出力とq軸電流制御器9出力の電圧指令を入力し、θに基づいて静止座標に変換して出力する。電力変換器1は、回転座標逆変換11出力の電圧指令通りの電圧を同期機2に印加する。

0014

一般に同期機2の出力トルクTは、
T={φ−(Lq−Ld)・(Id−Idm)}・(Iq−Iqm) (3)
で表されるので、d軸電流制御器8とq軸電流制御器9により、Id,IqがそれぞれIdref+Idm、Iqref+Iqmと一致するように制御されるので、上記の構成で同期機2はトルク指令Tref通りのトルクを出力することができることになる。従ってq軸電流指令演算器7においてIdrefの代わりに(Id−Idm)を用いてもよい。

0015

高効率切片演算器14は、同期機2の回転速度の絶対値|ω|を入力してd軸電流指令演算器6の一次関数の切片bを
b=−φ・C/A (4)
で求めて出力する。ここで、A、Cは(5)(6)式で、Gは(7)式で定義される。またRは同期機2の固定子巻き線抵抗、ωrは同期機2の定格回転時の入力電流の角周波数であり、g0rは同期機2の定格回転時の等価鉄損コンダクタンスである。

0016

0017

高効率傾き演算器15は、トルク指令の絶対値|Tref|を低域通過フィルタ13に通したものTlpfとq軸電流指令Iqrefを低域通過フィルタ12に通したものIqlpfと回転速度の絶対値|ω|と切片bを入力してd軸電流指令演算器6の一次関数の傾きaを(8)式で求めて出力する。ここでB、Dは(9)(10)式で定義される。なお(8)式の演算ができないトルク指令が0の時は、a=0とする。

0018

0019

以上の構成により、低域通過フィルタ12や13の入力と出力が一致する定常状態では、同期機2が銅損と鉄損からなる損失を最小つまり最大効率で運転できることを以下に説明する。まず、鉄損コンダクタンスが周波数反比例すると仮定すると、各軸の鉄損分電流は(11)(12)式で表される。但し、回転方向が逆となると符号も逆になる。すると鉄損は(13)式で表される。また銅損は(14)式で表されるので、(13)式と(14)式の和をIdrefで偏微分して(15)式のように0と置くことで損失を最小とする条件を導き出すことができる。ここで(2)式とId=Idref+Idm、Iq=Iqref+Iqmを考慮している。そして(15)式を解くと(16)式が得られる。

0020

0021

つまり、IdrefとIqrefの関係を(16)式とすれば、最小損失つまり最大効率での運転が可能となるわけである。定常状態では|Tref|=Tlpf、Iqref=Iqlpfが成り立つので、d軸電流指令演算器6では(8)式に|Tref|を乗じて(4)式のbを加算してIdrefを求めるわけであるから、その計算は(16)式と同じになり、結果としてd軸電流指令演算器6により最大効率となるd軸電流指令が得られることになる。

0022

図1の5〜15を複数の処理ループを持つマイコンで実現するならば、5〜11を短い周期の処理ループで実行することで速いトルク応答を確保し、12〜15をそれよりも長い周期の処理ループで実行することで複雑な計算を要する14や15の単位時間当たりの処理回数を減らすことができるため、処理速度の速い高価なマイコンを使用しなくても、速いトルク応答と定常状態での最大効率運転が両立可能となる。

0023

なお(5)(6)(10)式の|ω|+R・Gは|ω|と近似しても差し支えない。また、図1では位置センサを用いているが、その代わりに同期機2の入力電流や電圧から推定された位置を用いてもよい。

0024

本発明により、処理速度の遅い安価なマイコンで高精度なトルク制御と速いトルク応答と定常状態での鉄損を考慮した最大効率運転が両立できることから、産業上の利用の可能性は大いにある。

図面の簡単な説明

0025

本発明の実施例を示した説明図である。

符号の説明

0026

1電力変換器
2同期機
3電流検出器
4位置センサ
5絶対値演算器
6 d軸電流指令演算器
7 q軸電流指令演算器
8 d軸電流制御器
9 q軸電流制御器
10回転座標変換
11回転座標逆変換
12、13低域通過フィルタ
14 高効率切片演算器
15 高効率傾き演算器

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