特許 6433411 同期電動機用ドライブ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6433411

(24)【登録日】2018年11月16日

(45)【発行日】2018年12月5日

(54)【発明の名称】同期電動機用ドライブ装置

(51)【国際特許分類】

   H02P 27/06 20060101AFI20181126BHJP

   H02P 6/16 20160101ALI20181126BHJP

【ＦＩ】

   H02P27/06

   H02P6/16

【請求項の数】4

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2015-223433(P2015-223433)

(22)【出願日】2015年11月13日

(65)【公開番号】特開2017-93229(P2017-93229A)

(43)【公開日】2017年5月25日

【審査請求日】2017年11月15日

(73)【特許権者】

【識別番号】501137636

【氏名又は名称】東芝三菱電機産業システム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107928

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 正則

(72)【発明者】

【氏名】林 誠

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 伸也

【審査官】 樋口 幸太郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−０９１２６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１８５１９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０９０５４７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｐ ２７／０６

Ｈ０２Ｐ ６／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転軸にレゾルバが取り付けられた同期電動機を駆動するインバータと、
前記インバータの出力電流である第１の検出電流を検出する第１の電流検出器と、
前記同期電動機の界磁電流である第２の検出電流を検出する第２の電流検出器と、
前記インバータを制御するインバータ制御部を具備し、
前記インバータ制御部は、
前記レゾルバの位置検出角、前記第１及び第２の検出電流から前記同期電動機の負荷角を求める演算手段と、
前記第１の検出電流を、前記レゾルバの位置検出角に前記負荷角を加えた値を基準位相として変換して同期電動機のトルク電流帰還を得る変換手段と、
前記トルク電流帰還とトルク電流基準とを比較してその差分が最小となるように電圧位相補償値を出力する電流制御手段と、
前記電圧位相補償値と前記レゾルバの位置検出角と前記負荷角とを合算して前記インバータの出力電圧位相を得る電圧位相演算手段と、
前記レゾルバの位置検出角を補正する位置補正手段と
を有し、
前記位置補正手段は、
前記同期電動機のトルク電流が所定の閾値以下で且つ前記同期電動機の回転速度が所定の閾値以上のとき、前記電流制御手段の積分増幅器の出力を積分して前記レゾルバの位置検出角に加算するようにしたことを特徴とする同期電動機のドライブ装置。

【請求項2】

前記トルク電流基準は、
前記レゾルバの位置検出角から求められた前記同期電動機の速度帰還と、与えられた速度指令とを比較してその差分が最小となるように制御する速度制御手段の出力であることを特徴とする請求項１に記載の同期電動機用ドライブ装置。

【請求項3】

前記位置補正手段は、
前記トルク帰還電流値の増大に応じてその出力を低減させるような補正手段を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の同期電動機用ドライブ装置。

【請求項4】

前記同期電動機の回転速度が基底速度以下のとき、通常の２軸ベクトル制御を行うようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項３に何れか１項に記載の同期電動機用ドライブ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、同期電動機用ドライブ装置に関し、特に制御特性を改善した同期電動機用ドライブ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

同期電動機の駆動制御を行う場合、一般的にはベクトル制御に基づくパルス幅変調（ＰＷＭ）に従って電動機電流が制御される。そして、基底速度以上で低減トルク特性で運転する場合は、ＰＷＭによる電圧可変制御でなく、電圧は一定で界磁軸に対する電圧の位相を制御することが行われている（例えば特許文献１参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１０−１２４５４４号公報（全体）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に示されるような位相制御によってドライブ装置の出力電流を制御する構成の場合、同期電動機の回転位置を検出する必要があり、通常はレゾルバが用いられる。ところがこのレゾルバは、周囲温度によってその出力が変化するため、例えば同期電動機の周囲温度が調整時から変化したとき、検出誤差が生じ、その結果トルク特性に変化が生じて正常な運転ができない場合があった。この対策として、温度検出を行って位置検出角を補正することが考えられるが、そのためには温度検出器が必要となってしまう。本発明は上記問題点に鑑みて為されたもので、温度検出器を設けることなくレゾルバ出力の温度ドリフト補正が可能となる同期電動機用ドライブ装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上記目的を達成するために、本発明の同期電動機用ドライブ装置は、回転軸にレゾルバが取り付けられた同期電動機を駆動するインバータと、前記インバータの出力電流である第１の検出電流を検出する第１の電流検出器と、前記同期電動機の界磁電流である第２の検出電流を検出する第２の電流検出器と、前記インバータを制御するインバータ制御部を具備し、前記インバータ制御部は、前記レゾルバの位置検出角、前記第１及び第２の検出電流から前記同期電動機の負荷角を求める演算手段と、前記第１の検出電流を、前記レゾルバの位置検出角に前記負荷角を加えた値を基準位相として変換して同期電動機のトルク電流帰還を得る変換手段と、前記トルク電流帰還とトルク電流基準とを比較してその差分が最小となるように電圧位相補償値を出力する電流制御手段と、前記電圧位相補償値と前記レゾルバの位置検出角と前記負荷角とを合算して前記インバータの出力電圧位相を得る電圧位相演算手段と、前記レルバの位置検出角を補正する位置補正手段とを有し、前記位置補正手段は、前記同期電動機のトルク電流が所定の閾値以下で且つ前記同期電動機の回転速度が所定の閾値以上のとき、前記電流制御手段の積分増幅器の出力を積分して前記レゾルバの位置検出角に加算するようにしたことを特徴としている。

【発明の効果】

【0006】

この発明によれば、温度検出器を設けることなくレゾルバ出力の温度ドリフト補正が可能となる同期電動機用ドライブ装置を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本発明の実施例１に係る同期電動機用ドライブ装置の回路構成図。

【図2】本発明の実施例１に係る同期電動機用ドライブ装置のトルク電流増幅器の内部構成図。

【図3】本発明の実施例１に係る同期電動機用ドライブ装置の温度補正回路の内部構成図。

【図4】本発明の実施例２に係る同期電動機用ドライブ装置の温度補正回路の内部構成図。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

【実施例1】

【0009】

以下、本発明の実施例１に係る同期電動機用ドライブ装置を図１乃至図３を参照して説明する。

【0010】

図１は、本発明の実施例１に係る同期電動機用ドライブ装置の回路構成図である。交流電源１から整流器２に交流が給電され、これを所望の電圧の直流に変換し、平滑コンデンサ３を介してインバータ４に与える。インバータ４は直流を交流電圧に変換して同期電動機５を駆動する。インバータ４を構成するパワーデバイスはインバータ制御部１０から与えられるゲート信号によってオンオフ制御されている。同期電動機５の回転軸にはレゾルバ６が取り付けられており、この位置検出角はインバータ制御部１０に与えられる。また、インバータ４の出力側には電流検出器７が設けられ、この出力も電流帰還Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗとしてインバータ制御部１０に与えられる。また、同期電動機５の界磁巻線は励磁用電源８によって直流励磁されており、界磁電流は電流検出器９で検出されてインバータ制御部１０に与えられる。

【0011】

次にインバータ制御部１０の内部構成について説明する。

【0012】

外部から与えられた速度基準ωｒ*と速度帰還ωｒの差分は速度制御器１１の入力となる。速度帰還ωｒは、後述するように、補正された位置検出角θｒを入力とする微分器２１の出力である。速度制御器６２においてはこの両者の偏差が最小となるように調節制御し、トルク基準Ｔ*を出力する。トルク基準Ｔ*は除算器１２で磁束指令φ*によって除算され、トルク電流基準ＩT*を得る。このトルク電流基準ＩT*はトルク電流帰還ＩTと比較され、両者の偏差が電流制御器１３の入力となる。トルク電流帰還ＩTは３相−ＭＴ変換器１９の出力であるが、その詳細は後述する。電流制御器１３はトルク電流基準ＩT*とトルク電流帰還ＩTの偏差が最小となるように電圧位相補償値Δθ*を出力して電圧位相演算器１４に与える。電圧位相演算器１４においては、機械角／電気角変換器２０の出力である位置検出角θｒと、磁束演算器１８の出力である負荷角δと、この電圧位相補償値Δθ*を合算して電圧位相基準θ*を得る。この電圧位相基準θ*はインバータ４の出力電圧位相の指令値となるが、上記これらの角度の関連については後述する。

【0013】

電圧位相基準θ*と外部から与えられるインバータ４が出力すべき電圧の電圧振幅基準値Ｖ１とが極座標３相変換器１５に与えられると、極座標３相変換器１５は入力された極座標基準値を３相電圧基準値Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*に変換する。そして、この３相電圧基準値Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*をＰＷＭ変換器１６によってインバータ４を構成するパワーデバイスのゲート信号に変換してインバータ４を駆動する。

【0014】

電流検出器７で検出されたＩｕ、Ｉｖ、Ｉｗの３相電流帰還は、３相ｄｑ変換器１７に与えられ、ここで２軸の電流帰還Ｉｄ及びＩｑに変換される。このときの変換基準位相は補正された位置検出角θｒである。ここで、補正された位置検出角θｒは、レゾルバ６の検出位置を機械角／電気角変換器２０で電気角に換算したものを後述する位置補正回路２１で補正したものである。機械角／電気角変換器２０は、同期電動機５の極数をＰとすると、検出機械角にＰ／２を乗算して求める。この補正された位置検出角θｒは同期電動機５の磁極である界磁巻線の位置を示しているので、ｄ軸電流帰還Ｉｄは界磁巻線軸の電流、ｑ軸電流帰還Ｉｑはこれと直交する軸の電流となる。

【0015】

ここで、ｑ軸電流帰還Ｉｑはトルク電流帰還ＩTとは異なる。トルク電流帰還ＩTは、３相電流帰還Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを３相−ＭＴ変換器１９で変換して求める。３相−ＭＴ変換器１９の変換基準位相は、上記磁極位置検出値θｒに負荷角δを加算した値となっている。この負荷角δは同期電動機５に負荷電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗが流れたとき、その負荷電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの電機子反作用によって電動機の主磁束が界磁巻線軸からずれる角度を示す。従って３相−ＭＴ変換器１９のトルク軸に相当するトルク電流帰還ＩTはこのずれた主磁束に直交するので、実際の同期電動機５を２軸制御する場合のトルク軸電流となる。尚、負荷角δはトルク電流帰還ＩTが少ない領域ではトルク電流帰還ＩTに比例する角度であり、内部相差角とも称される。この負荷角δは、ｄ軸電流帰還Ｉｄ及びｑ軸電流帰還Ｉｑと、電流検出器９で検出された界磁電流Ｉｆとを磁束演算器１８に与えることによって得ることができる。磁束演算器１８は、これらの電流と同期電動機５の定数からギャップ磁束を演算し、更にｄｑ軸のギャップ磁束から負荷角δを演算する。尚、界磁電流Ｉｆは励磁用電源８の出力であるが、この励磁用電源８には磁束指令φ＊を入力とする界磁電流演算器２２の出力によって制御されている。

【0016】

次に、位置補正回路２１の構成及び動作について、図２及び図３も参照して以下に説明する。図２は電流制御器１３の内部構成図である。電流制御器１３は、トルク電流基準ＩT*とトルク電流帰還ＩTの差分を、比例増幅器１３１で増幅したものと積分増幅器１３２で増幅したものとの合算値が電圧位相補償値Δθ*となるように構成されたＰＩ制御器である。そして、積分増幅器１３２の出力を位置補正回路２１の入力とする。

【0017】

図３は位置補正回路２１の内部構成図である。積分増幅器１３２の出力は、スイッチ回路２１６を介して積分回路２１７に与えられ、この積分回路２１７の出力が位置補正量ΔθTとなる。スイッチ回路２１６の閉路条件は、以下の構成で作成されている。トルク電流帰還ＩTは絶対値回路２１１を介して比較回路２１２のａ端子に与えられる。比較回路２１２のｂ端子には最小電流設定値Ｉminが与えられる。そして比較回路２１２は電流帰還ＩTの絶対値が最小電流設定値Ｉmin以下のとき、信号１をＡＮＤ回路２１３に出力する。同様に速度帰還ωｒは絶対値回路２１４を介して比較回路２１２のａ端子に与えられる。比較回路２１２のｂ端子には最大速度設定値ωmaxが与えられる。そして比較回路２１５は速度帰還ωｒの絶対値が最大速度設定値ωmax以上のとき、信号１をＡＮＤ回路２１３に出力する。そしてＡＮＤ回路２１３は両方の条件が成立したとき、スイッチ回路２１６を閉路する。

【0018】

以上の説明により、位置補正回路２１は、同期電動機５の回転速度が所定の閾値以上で且つ負荷率が所定値以下のとき、位置補正量ΔθTを出力する。同期電動機５が無負荷運転されている状態であって、機械角／電気角変換器２０の出力である位置検出角θｒが正確であれば、位置補正量ΔθTは０になる筈であるので、この状態で位置検出角θｒに位置補正量ΔθTを加えた状態で全体の閉ループ系がバランスしていれば、位置検出角θｒは温度ドリフト等で位置補正量ΔθTだけ誤差が生じたと考えることができる訳である。この位置補正量ΔθTは積分回路２１７によって積分ホールドされているので、ＡＮＤ回路２１３の出力が０になってスイッチ回路２１６が開路状態になってもその値が保持される。

【0019】

尚、図１において位置補正回路２１の出力位置補正量ΔθTに外部から与えられる位置検出器取付誤差補正量ΔθPが加えられているが、これは文字通りレゾルバ６の取り付け時の誤差を補正するものであり、何らかの方法で得られた取付誤差を常時補正するようにしているものである。この実施例１によれば、位置検出器取付誤差補正量ΔθPに誤差を含んでいても、その誤差と前述の温度ドリフト誤差を包括して位置補正量ΔθTが得られるので、その誤差も補正することが可能となる。また、位置検出器取付誤差補正量ΔθPを与えなくてもその取付誤差を含む補正が可能となる。

【0020】

次に位置補正量ΔθTの符号について考察する。温度ドリフト等に起因する位置ずれが、負荷角δを小さくする方向に生じたときには、この位置ずれを補正する位置補正量ΔθTは正符号となり、逆の場合は負符号となる。位置ずれが、負荷角δを小さくする方向に生じるということは、同期電動機５が正回転時に逆転方向にずれていることになり、逆に位置ずれが、負荷角δを大きくする方向に生じるということは、同期電動機５が正回転時に正回転方向にずれていることになる。

【実施例2】

【0021】

図４は本発明の実施例２に係る同期電動機用ドライブ装置の温度補正回路２１Ａの内部構成図である。この実施例２の各部について、図３の本発明の実施例１に係る同期電動機用ドライブ装置の位置補正回路２１の内部構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、トルク電流帰還ＩTを入力とする低減特性回路２１８を設け、この出力と積分回路２１７の出力とを乗算器２１９で乗算することによって位置補正量ΔθTを得るようにした点である。

【0022】

同期電動機５が所定の速度以上で運転されている条件においては、同期電動機５の鉄損及び機械損が必然的に生じているので、トルク電流帰還ＩTは０にはならない。トルク電流帰還ＩTが０でなければ、積分増幅器１３２の出力が常に生じている状態であるので、図３における積分器２１７の出力の位置補正量ΔθTはその分過補正になっていると考えられる。このため図４の低減特性回路２１８によってこの過補正分を吸収する。尚、低減特性回路２１８はトルク電流帰還ＩTに反比例するような演算を行えば良いが、実測データ等に基づいたテーブルを参照して求めるようにしても良い。

【0023】

以上、いくつかの実施例について説明したが、これらの実施例は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施例やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【0024】

例えば、図１に示した電圧位相演算器１４による位相制御は同期電動機５が所定の速度以上のときに行い、所定速度未満においては通常の２軸ベクトル制御に切り替えて運転するようにしても良い。この場合は、所定速度以上で磁束指令φ*を速度に比例して弱める界磁弱め制御を行うのが普通である。

【0025】

また、図１の速度制御器１１は必ずしも必要ではなく、トルク電流基準ＩTを電流制御器１３に直接与えてトルク制御を行うようにしても良い。

【0026】

また、界磁電流演算器２２の出力と界磁電流Ｉｆを突き合わせて閉ループ制御する構成としても良く、更に、同期電動機５の無効電流が所定の値となるような界磁電流制御を行っても良い。

【符号の説明】

【0027】

１ 交流電源
２ 整流器
３ 平滑コンデンサ
４ インバータ
５ 同期電動機
６ レゾルバ
７ 励磁用電源
８、９ 電流検出器
１０ インバータ制御部
１１ 速度制御器
１２ 除算器
１３ 電流制御器
１４ 電圧位相演算器
１５ 極座標３相変換器
１６ ＰＷＭ制御器
１７ ３相ｄｑ変換器
１８ 磁束演算器
１９ ３相−ＭＴ変換器
２０ 機械角／電気角変換器
２１、２１Ａ 位置補正回路
２２ 界磁電流演算器
１３１ 比例増幅器
１３２ 積分増幅器
２１１、２１４ 絶対値回路
２１２、２１５ 比較回路
２１３ ＡＮＤ回路
２１６ スイッチ回路
２１７ 積分回路
２１８ 低減特性回路
２１９ 乗算器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】