JP2000324881A - 永久磁石形同期電動機の制御装置 - Google Patents
永久磁石形同期電動機の制御装置Info
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- JP2000324881A JP2000324881A JP11130984A JP13098499A JP2000324881A JP 2000324881 A JP2000324881 A JP 2000324881A JP 11130984 A JP11130984 A JP 11130984A JP 13098499 A JP13098499 A JP 13098499A JP 2000324881 A JP2000324881 A JP 2000324881A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 低分解能で安価な磁極位置検出器を使用し、
ＰＭモータの脱調を防止すると共に、通常時は正弦波電
流を供給できる制御装置を実現する。 【解決手段】 ＰＭモータの電機子電流の大きさを電流
指令値に一致させ、かつ、電機子電流の周波数を周波数
指令値に一致させるように制御する第１制御手段と、端
子電圧の大きさを周波数指令値にほぼ比例させ、かつ、
端子電圧の周波数を周波数指令値に一致させるように制
御する第２制御手段と、高速時には第２制御手段の出力
により電力変換器を制御し、低速時には第１制御手段の
出力により電力変換器を制御するべく制御動作を切換え
る制御装置に関する。磁極位置検出手段３１，３２と、
第１制御手段による制御動作時に、磁極位置に対する電
機子電流の角度に応じてこの角度を所定の制限値に制限
し、かつ、この制限を第２制御手段による制御動作時に
解除する電流角度制限手段３４，１６ａとを備える。
ＰＭモータの脱調を防止すると共に、通常時は正弦波電
流を供給できる制御装置を実現する。 【解決手段】 ＰＭモータの電機子電流の大きさを電流
指令値に一致させ、かつ、電機子電流の周波数を周波数
指令値に一致させるように制御する第１制御手段と、端
子電圧の大きさを周波数指令値にほぼ比例させ、かつ、
端子電圧の周波数を周波数指令値に一致させるように制
御する第２制御手段と、高速時には第２制御手段の出力
により電力変換器を制御し、低速時には第１制御手段の
出力により電力変換器を制御するべく制御動作を切換え
る制御装置に関する。磁極位置検出手段３１，３２と、
第１制御手段による制御動作時に、磁極位置に対する電
機子電流の角度に応じてこの角度を所定の制限値に制限
し、かつ、この制限を第２制御手段による制御動作時に
解除する電流角度制限手段３４，１６ａとを備える。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、界磁に永久磁石を
有する永久磁石形同期電動機の制御装置に関するもので
ある。
有する永久磁石形同期電動機の制御装置に関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】インバータ等の電力変換器を用いて永久
磁石形同期電動機を可変速駆動する装置として、磁極位
置を検出するため電気角で６０°の分解能をもつ位置検
出器を同期電動機に取り付けて、磁極位置に応じて電流
を制御するブラシレスＤＣモータと呼ばれる装置が広く
適用されている。ここで、電力変換器から同期電動機に
供給される３相の電機子電流の波形は、位置検出器の分
解能から図７に示すような１２０°通電の方形波とな
る。本装置を第１の従来技術と呼ぶことにする。
磁石形同期電動機を可変速駆動する装置として、磁極位
置を検出するため電気角で６０°の分解能をもつ位置検
出器を同期電動機に取り付けて、磁極位置に応じて電流
を制御するブラシレスＤＣモータと呼ばれる装置が広く
適用されている。ここで、電力変換器から同期電動機に
供給される３相の電機子電流の波形は、位置検出器の分
解能から図７に示すような１２０°通電の方形波とな
る。本装置を第１の従来技術と呼ぶことにする。
【０００３】一方、位置検出器を用いずに正弦波電流を
供給する装置が知られており、簡単な制御方法としては
本出願人による特願平１１−８７４１６号が提案されて
いる。この先行技術では、低速時と高速時とで制御を切
換えることを特徴としている。すなわち、低速時には電
流を一定に制御し、かつ周波数を徐々に上昇させて永久
磁石形同期電動機を同期引き込みする。所定の速度に達
した高速時には電圧と周波数とをほぼ比例させ、いわゆ
るＶ／ｆ一定制御を行う。本装置を第２の従来技術と呼
ぶことにして、更に詳細に説明する。
供給する装置が知られており、簡単な制御方法としては
本出願人による特願平１１−８７４１６号が提案されて
いる。この先行技術では、低速時と高速時とで制御を切
換えることを特徴としている。すなわち、低速時には電
流を一定に制御し、かつ周波数を徐々に上昇させて永久
磁石形同期電動機を同期引き込みする。所定の速度に達
した高速時には電圧と周波数とをほぼ比例させ、いわゆ
るＶ／ｆ一定制御を行う。本装置を第２の従来技術と呼
ぶことにして、更に詳細に説明する。
【０００４】図６は、上記第２の従来技術の制御ブロッ
ク図を示すものである。第１の周波数指令ｆ0 *の変化率
をランプ関数１１により制限して、第２の周波数指令ｆ
*を演算する。座標変換器２１は、永久磁石形同期電動
機（ＰＭモータ）２４の電流検出値ｉu，ｉwと、第２の
周波数指令ｆ*を周波数積分器２２により積分して求め
た角度θとからｄc，ｑc軸の電流ｉdc，ｉqcを演算す
る。
ク図を示すものである。第１の周波数指令ｆ0 *の変化率
をランプ関数１１により制限して、第２の周波数指令ｆ
*を演算する。座標変換器２１は、永久磁石形同期電動
機（ＰＭモータ）２４の電流検出値ｉu，ｉwと、第２の
周波数指令ｆ*を周波数積分器２２により積分して求め
た角度θとからｄc，ｑc軸の電流ｉdc，ｉqcを演算す
る。
【０００５】図８は各種の直交座標軸と電流との関係を
示しており、反時計方向に回転磁界が生じているとす
る。上記ｄc，ｑc軸は周波数指令ｆ*で回転する任意の
回転座標軸である。ｄ，ｑ軸は回転子上の座標軸であ
り、永久磁石のＮ極方向がｄ軸である。α，β軸は固定
子上の座標軸であり、電流ｉuの作る磁束の方向がα軸
である。α軸とｄc軸との成す角度が前述したθであ
る。
示しており、反時計方向に回転磁界が生じているとす
る。上記ｄc，ｑc軸は周波数指令ｆ*で回転する任意の
回転座標軸である。ｄ，ｑ軸は回転子上の座標軸であ
り、永久磁石のＮ極方向がｄ軸である。α，β軸は固定
子上の座標軸であり、電流ｉuの作る磁束の方向がα軸
である。α軸とｄc軸との成す角度が前述したθであ
る。
【０００６】図６の制御ブロック図において、低速時と
高速時とでは異なった手段により電圧指令値が演算され
る。まず、低速時には、ｄ軸電流調節器１４及びｑ軸電
流調節器１５によりそれぞれ電流指令値ｉdc *，ｉqc *と
検出値ｉdc，ｉqcとの偏差を増幅して電圧指令値ｖ dc *
（低速），ｖqc *（低速）を演算し、高速時には、ｆ／
Ｖ変換器１３によりｆ *からｄc，ｑc軸における電圧指
令値ｖdc *（高速），ｖqc *（高速）を演算する。これら
の電圧指令値の切換えは、制御切換器１２によりｆ*の
大きさから切換スイッチ１６に制御切換信号を出力して
行われる。なお、上述した低速時における電圧指令値の
制御機能を便宜的に第１制御機能、高速時における電圧
指令値の制御機能を便宜的に第２制御機能ということに
する。
高速時とでは異なった手段により電圧指令値が演算され
る。まず、低速時には、ｄ軸電流調節器１４及びｑ軸電
流調節器１５によりそれぞれ電流指令値ｉdc *，ｉqc *と
検出値ｉdc，ｉqcとの偏差を増幅して電圧指令値ｖ dc *
（低速），ｖqc *（低速）を演算し、高速時には、ｆ／
Ｖ変換器１３によりｆ *からｄc，ｑc軸における電圧指
令値ｖdc *（高速），ｖqc *（高速）を演算する。これら
の電圧指令値の切換えは、制御切換器１２によりｆ*の
大きさから切換スイッチ１６に制御切換信号を出力して
行われる。なお、上述した低速時における電圧指令値の
制御機能を便宜的に第１制御機能、高速時における電圧
指令値の制御機能を便宜的に第２制御機能ということに
する。
【０００７】図９に、ｄc，ｑc軸と電圧との関係を示
す。なお、図８と図９との比較からわかるように、低速
時と高速時とで角度θとφの物理的な意味が異なってお
り、そのため制御を切り換えるときにショックが生じな
いように特別な処理がなされているが、本発明との関連
性が少ないので図では省略している。
す。なお、図８と図９との比較からわかるように、低速
時と高速時とで角度θとφの物理的な意味が異なってお
り、そのため制御を切り換えるときにショックが生じな
いように特別な処理がなされているが、本発明との関連
性が少ないので図では省略している。
【０００８】再び図６において、極座標変換器１７は切
換え処理後の電圧指令値ｖdc *，ｖq c *から、端子電圧の
大きさの指令Ｖ*とｄc軸からの角度φとを演算する。電
圧指令演算器１８では、θとφとの和とＶ*から３相電
圧指令ｖu *，ｖv *，ｖw *を演算する。これらの３相電圧
指令をＰＷＭ回路１９により電力変換器（インバータ）
２０の制御信号に変換して同期電動機２４の端子電圧を
制御する。なお、２３は３相交流電源である。この従来
技術では、３相電圧指令を正弦波にすることにより、容
易に正弦波電圧を出力でき、その結果、正弦波電流を同
期電動機２４に供給することができる。なお、電力変換
器２０としては、インバータに代えてサイクロコンバー
タ等を用いても良い。
換え処理後の電圧指令値ｖdc *，ｖq c *から、端子電圧の
大きさの指令Ｖ*とｄc軸からの角度φとを演算する。電
圧指令演算器１８では、θとφとの和とＶ*から３相電
圧指令ｖu *，ｖv *，ｖw *を演算する。これらの３相電圧
指令をＰＷＭ回路１９により電力変換器（インバータ）
２０の制御信号に変換して同期電動機２４の端子電圧を
制御する。なお、２３は３相交流電源である。この従来
技術では、３相電圧指令を正弦波にすることにより、容
易に正弦波電圧を出力でき、その結果、正弦波電流を同
期電動機２４に供給することができる。なお、電力変換
器２０としては、インバータに代えてサイクロコンバー
タ等を用いても良い。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】同期電動機は、回転速
度と電圧あるいは電流の周波数が一致しないと正常なト
ルクを出力できない。周知のように、この状態を脱調と
呼ぶ。第１の従来技術では、磁極位置に応じて電流の位
相が制御されるので脱調することはないが、安価な低分
解能の位置センサを用いた場合には電流が方形波とな
り、トルクリプル、振動、騒音の増加や、高調波電流に
よる効率の低下等の問題が生じる。高分解能な位置セン
サを用いればこの問題は解決できるが、装置が高価格に
なるという問題がある。
度と電圧あるいは電流の周波数が一致しないと正常なト
ルクを出力できない。周知のように、この状態を脱調と
呼ぶ。第１の従来技術では、磁極位置に応じて電流の位
相が制御されるので脱調することはないが、安価な低分
解能の位置センサを用いた場合には電流が方形波とな
り、トルクリプル、振動、騒音の増加や、高調波電流に
よる効率の低下等の問題が生じる。高分解能な位置セン
サを用いればこの問題は解決できるが、装置が高価格に
なるという問題がある。
【００１０】一方、第２の従来技術では、正弦波電流を
供給できるので上記の問題はないが、電力変換器や同期
電動機の出力限界を超える重負荷がかかった場合には、
電力変換器が出力する電圧や電流の周波数に回転速度が
追従しなくなり、脱調する問題がある。また、大きな慣
性モーメントをもつ負荷を加減速する場合や、負荷が大
きく急変する場合には、過度的に出力限界を超える大き
なトルクが必要になる場合があり、脱調する危険性があ
る。そこで本発明は、比較的安価な磁極位置検出手段を
使用しつつ重負荷時や負荷急変時の脱調を防止すると共
に、通常の負荷に対しては正弦波電流の供給により高調
波によるトルクリプル、振動、騒音等の発生、並びに効
率の低下を防ぐことができる永久磁石形同期電動機の制
御装置を提供しようとするものである。
供給できるので上記の問題はないが、電力変換器や同期
電動機の出力限界を超える重負荷がかかった場合には、
電力変換器が出力する電圧や電流の周波数に回転速度が
追従しなくなり、脱調する問題がある。また、大きな慣
性モーメントをもつ負荷を加減速する場合や、負荷が大
きく急変する場合には、過度的に出力限界を超える大き
なトルクが必要になる場合があり、脱調する危険性があ
る。そこで本発明は、比較的安価な磁極位置検出手段を
使用しつつ重負荷時や負荷急変時の脱調を防止すると共
に、通常の負荷に対しては正弦波電流の供給により高調
波によるトルクリプル、振動、騒音等の発生、並びに効
率の低下を防ぐことができる永久磁石形同期電動機の制
御装置を提供しようとするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は、低分解能な磁極位置検出手段を使用で
き、通常は磁極位置検出信号は用いずに同期電動機に正
弦波電流を供給し、電力変換器や同期電動機の許容値を
超える過大トルクが出力されようとする場合にのみ、磁
極位置に対する電流の位相あるいは電圧の位相を所定値
に制限するものである。
め、本発明は、低分解能な磁極位置検出手段を使用で
き、通常は磁極位置検出信号は用いずに同期電動機に正
弦波電流を供給し、電力変換器や同期電動機の許容値を
超える過大トルクが出力されようとする場合にのみ、磁
極位置に対する電流の位相あるいは電圧の位相を所定値
に制限するものである。
【００１２】すなわち、請求項１記載の発明は、永久磁
石形同期電動機の電機子電流及び端子電圧をベクトルと
してとらえ、電機子電流の大きさを電流指令値に一致さ
せ、かつ、電機子電流の周波数を周波数指令値に一致さ
せるように制御する第１の制御手段と、端子電圧の大き
さを周波数指令値にほぼ比例させ、かつ、端子電圧の周
波数を周波数指令値に一致させるように制御する第２の
制御手段と、周波数が高いときには第２の制御手段の出
力により電力変換器を制御し、周波数が低いときには第
１の制御手段の出力により電力変換器を制御するべく制
御動作を切り換える切換手段とを備えた図６（第２の従
来技術）のごとき永久磁石形同期電動機の制御装置にお
いて、同期電動機の磁極位置を検出する磁極位置検出手
段と、第１の制御手段による制御動作時に、磁極位置に
対する電機子電流の角度に応じてこの角度を所定の制限
値に制限し、かつ、この制限を第２の制御手段による制
御動作時に解除する電流角度制限手段と、を備えたもの
である。
石形同期電動機の電機子電流及び端子電圧をベクトルと
してとらえ、電機子電流の大きさを電流指令値に一致さ
せ、かつ、電機子電流の周波数を周波数指令値に一致さ
せるように制御する第１の制御手段と、端子電圧の大き
さを周波数指令値にほぼ比例させ、かつ、端子電圧の周
波数を周波数指令値に一致させるように制御する第２の
制御手段と、周波数が高いときには第２の制御手段の出
力により電力変換器を制御し、周波数が低いときには第
１の制御手段の出力により電力変換器を制御するべく制
御動作を切り換える切換手段とを備えた図６（第２の従
来技術）のごとき永久磁石形同期電動機の制御装置にお
いて、同期電動機の磁極位置を検出する磁極位置検出手
段と、第１の制御手段による制御動作時に、磁極位置に
対する電機子電流の角度に応じてこの角度を所定の制限
値に制限し、かつ、この制限を第２の制御手段による制
御動作時に解除する電流角度制限手段と、を備えたもの
である。
【００１３】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、同期電動機への通流の初期状態における第
１の電流指令値とこの第１の電流指令値よりも大きい第
２の電流指令値とを切り換える切換スイッチを備え、前
記電流角度制限手段からの電流指令値切換信号により前
記切換スイッチを動作させ、同期電動機への通流の初期
状態では第１の電流指令値を選択し、磁極位置に対する
電機子電流の角度が前記制限値に制限されるときには第
２の電流指令値を選択するものである。
明において、同期電動機への通流の初期状態における第
１の電流指令値とこの第１の電流指令値よりも大きい第
２の電流指令値とを切り換える切換スイッチを備え、前
記電流角度制限手段からの電流指令値切換信号により前
記切換スイッチを動作させ、同期電動機への通流の初期
状態では第１の電流指令値を選択し、磁極位置に対する
電機子電流の角度が前記制限値に制限されるときには第
２の電流指令値を選択するものである。
【００１４】請求項３記載の発明は、請求項１記載の永
久磁石形同期電動機の制御装置において、同期電動機へ
の通流の初期状態における第１の電流指令値とこの第１
の電流指令値よりも大きい第２の電流指令値とを切り換
える切換スイッチと、前記電流角度制限手段からの位相
偏差信号により前記切換スイッチを動作させ、同期電動
機への通流の初期状態では第１の電流指令値を選択し、
磁極位置に対する電機子電流の角度が前記制限値に制限
されるときには第２の電流指令値を選択すると共に、周
波数が所定値を超えた状態で磁極位置に対する電機子電
流の角度が前記制限値に達していなければ第１の電流指
令値を選択する手段と、を備えたものである。
久磁石形同期電動機の制御装置において、同期電動機へ
の通流の初期状態における第１の電流指令値とこの第１
の電流指令値よりも大きい第２の電流指令値とを切り換
える切換スイッチと、前記電流角度制限手段からの位相
偏差信号により前記切換スイッチを動作させ、同期電動
機への通流の初期状態では第１の電流指令値を選択し、
磁極位置に対する電機子電流の角度が前記制限値に制限
されるときには第２の電流指令値を選択すると共に、周
波数が所定値を超えた状態で磁極位置に対する電機子電
流の角度が前記制限値に達していなければ第１の電流指
令値を選択する手段と、を備えたものである。
【００１５】請求項４記載の発明は、図６（第２の従来
技術）のような永久磁石形同期電動機の制御装置におい
て、同期電動機の磁極位置を検出する磁極位置検出手段
と、第２の制御手段による制御動作時に、前記磁極位置
に対する電機子電圧の角度に応じてこの角度を所定の制
限値に制限し、かつ、この制限を第１の制御手段による
制御動作時に解除する電圧角度制限手段と、を備えたも
のである。
技術）のような永久磁石形同期電動機の制御装置におい
て、同期電動機の磁極位置を検出する磁極位置検出手段
と、第２の制御手段による制御動作時に、前記磁極位置
に対する電機子電圧の角度に応じてこの角度を所定の制
限値に制限し、かつ、この制限を第１の制御手段による
制御動作時に解除する電圧角度制限手段と、を備えたも
のである。
【００１６】請求項５記載の発明は、請求項１，２また
は３の何れか１項に記載の永久磁石形同期電動機の制御
装置において、同期電動機の磁極位置を検出する磁極位
置検出手段と、第２の制御手段による制御動作時に、前
記磁極位置に対する電機子電圧の角度に応じてこの角度
を所定の制限値に制限し、かつ、この制限を第１の制御
手段による制御動作時に解除する電圧角度制限手段と、
を備えたものである。
は３の何れか１項に記載の永久磁石形同期電動機の制御
装置において、同期電動機の磁極位置を検出する磁極位
置検出手段と、第２の制御手段による制御動作時に、前
記磁極位置に対する電機子電圧の角度に応じてこの角度
を所定の制限値に制限し、かつ、この制限を第１の制御
手段による制御動作時に解除する電圧角度制限手段と、
を備えたものである。
【００１７】上述のように構成された本発明によれば、
磁極位置に対する電流の位相または電圧の位相を所定値
に制限することにより、重負荷時や負荷の急変時等の脱
調を回避することができる。また、電力変換器や同期電
動機の許容範囲内の負荷では、磁極位置検出信号を用い
ずに同期電動機に正弦波電流を供給するので、安価で低
分解能な磁極位置検出手段を用いたとしても高調波電流
が増加することはない。
磁極位置に対する電流の位相または電圧の位相を所定値
に制限することにより、重負荷時や負荷の急変時等の脱
調を回避することができる。また、電力変換器や同期電
動機の許容範囲内の負荷では、磁極位置検出信号を用い
ずに同期電動機に正弦波電流を供給するので、安価で低
分解能な磁極位置検出手段を用いたとしても高調波電流
が増加することはない。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、図に沿って本発明の実施形
態を説明する。まず、請求項１に記載した発明に相当す
る第１実施形態を説明する。図１の制御ブロック図は、
図６の従来技術に、同期電動機２４の磁極位置を検出す
る磁極位置センサ３１と一点鎖線内の機能を付加するこ
とにより、低速時の脱調を防止するようにしたものであ
る。ここで、一点鎖線により囲んだ機能は請求項１にお
ける制限手段に相当するもので、磁極位置センサ３１の
出力が加えられる磁極位置検出器３２と、磁極位置検出
値θm及び角度指令θ*とが入力される電流角度制限器
（低速用）３４と、この制限器３４の出力及びもとの角
度指令θ *を切り換えてθとして出力する切換スイッチ
１６ａ（前記切換スイッチ１６に連動）とからなってい
る。なお、ここでは、磁極位置センサ３１及び磁極位置
検出器３２をまとめて請求項１における磁極位置検出手
段という。
態を説明する。まず、請求項１に記載した発明に相当す
る第１実施形態を説明する。図１の制御ブロック図は、
図６の従来技術に、同期電動機２４の磁極位置を検出す
る磁極位置センサ３１と一点鎖線内の機能を付加するこ
とにより、低速時の脱調を防止するようにしたものであ
る。ここで、一点鎖線により囲んだ機能は請求項１にお
ける制限手段に相当するもので、磁極位置センサ３１の
出力が加えられる磁極位置検出器３２と、磁極位置検出
値θm及び角度指令θ*とが入力される電流角度制限器
（低速用）３４と、この制限器３４の出力及びもとの角
度指令θ *を切り換えてθとして出力する切換スイッチ
１６ａ（前記切換スイッチ１６に連動）とからなってい
る。なお、ここでは、磁極位置センサ３１及び磁極位置
検出器３２をまとめて請求項１における磁極位置検出手
段という。
【００１９】ここで、ｄ軸電流調節器１４に入力される
電流指令値ｉdc *は一定値Ｉに、また、ｑ軸電流調節器
１５に入力される電流指令値ｉqc *はゼロに設定されて
いる。説明の便宜上、以下では永久磁石形同期電動機２
４に突極性はなく、ｄ軸インダクタンスとｑ軸インダク
タンスとは等しいと仮定する。この場合、同期電動機２
４に生じるトルクＴは以下の数式１によって表される。
電流指令値ｉdc *は一定値Ｉに、また、ｑ軸電流調節器
１５に入力される電流指令値ｉqc *はゼロに設定されて
いる。説明の便宜上、以下では永久磁石形同期電動機２
４に突極性はなく、ｄ軸インダクタンスとｑ軸インダク
タンスとは等しいと仮定する。この場合、同期電動機２
４に生じるトルクＴは以下の数式１によって表される。
【００２０】
【数１】Ｔ＝Ｐ・Φm・Ｉsin（θ−θm）
【００２１】数式１において、Ｐは極対数、Φmは永久
磁石のつくる鎖交磁束、θは図８、図９に示したように
α軸に対するｄc軸の角度、θmはα軸に対するｄ軸の角
度である。数式１から、θ−θm＞０である場合には正
のトルクＴが発生し、負荷が大きくなるに従い（θ−θ
m）が大きくなり、θ−θm＝９０°でトルクＴは最大と
なる。更に負荷が大きくなると、（θ−θm）も増加し
て９０°を超えるためトルクＴは減少し、やがて脱調し
て運転不能となる。
磁石のつくる鎖交磁束、θは図８、図９に示したように
α軸に対するｄc軸の角度、θmはα軸に対するｄ軸の角
度である。数式１から、θ−θm＞０である場合には正
のトルクＴが発生し、負荷が大きくなるに従い（θ−θ
m）が大きくなり、θ−θm＝９０°でトルクＴは最大と
なる。更に負荷が大きくなると、（θ−θm）も増加し
て９０°を超えるためトルクＴは減少し、やがて脱調し
て運転不能となる。
【００２２】そこで第１実施形態では、低速時におい
て、切換スイッチ１６ａを第１制御機能に切り換えて、
磁極位置に対するｄc軸の角度（θ−θm）を電流角度制
限器３４により監視すると共に、（θ−θm）が９０°
以下となるように、磁極位置に対する電機子電流の角度
θを制限して出力する。角度θ*はθを制限する前の信
号であり、軽負荷時はθをθ*に等しくし、（θ*−
θm）が９０°を超える場合には（θ−θm）が９０°に
なるようにθを制限する。すなわち、θ＝θm＋９０°
とする。一方、高速時は、切換スイッチ１６ａを第２制
御機能に切り換えて、θ＝θ*の制御動作を行わせる。
て、切換スイッチ１６ａを第１制御機能に切り換えて、
磁極位置に対するｄc軸の角度（θ−θm）を電流角度制
限器３４により監視すると共に、（θ−θm）が９０°
以下となるように、磁極位置に対する電機子電流の角度
θを制限して出力する。角度θ*はθを制限する前の信
号であり、軽負荷時はθをθ*に等しくし、（θ*−
θm）が９０°を超える場合には（θ−θm）が９０°に
なるようにθを制限する。すなわち、θ＝θm＋９０°
とする。一方、高速時は、切換スイッチ１６ａを第２制
御機能に切り換えて、θ＝θ*の制御動作を行わせる。
【００２３】θmは磁極位置検出器３２によって検出さ
れる信号であり、磁極位置検出器３２の分解能が低けれ
ば、第１制御機能により実際の（θ−θm）を９０°に
制限することはできない。しかし、この場合において出
力できるトルクの上限は第１の従来技術と同等であるた
め、出力トルクの上限が低下することはない。なお、負
荷が電力変換器２０や同期電動機２４が許容できる範囲
内の軽負荷である場合には、低速時、高速時共にθ＝θ
*となり、実質的に図６と等価な回路構成となる。すな
わち、磁極位置検出器３２の検出値を用いずに、正弦波
の３相電圧指令ｖu *，ｖv *，ｖw *に基づいて同期電動機
２４に正弦波電流を供給することができる。
れる信号であり、磁極位置検出器３２の分解能が低けれ
ば、第１制御機能により実際の（θ−θm）を９０°に
制限することはできない。しかし、この場合において出
力できるトルクの上限は第１の従来技術と同等であるた
め、出力トルクの上限が低下することはない。なお、負
荷が電力変換器２０や同期電動機２４が許容できる範囲
内の軽負荷である場合には、低速時、高速時共にθ＝θ
*となり、実質的に図６と等価な回路構成となる。すな
わち、磁極位置検出器３２の検出値を用いずに、正弦波
の３相電圧指令ｖu *，ｖv *，ｖw *に基づいて同期電動機
２４に正弦波電流を供給することができる。
【００２４】次に、請求項２に記載した発明に相当する
第２実施形態を説明する。図２の制御ブロック図は、前
記第１の実施形態に一点鎖線内の機能を付加したもの
で、第１制御機能のオン時に電流角度制限器（低速用）
３４から出力される電流指令値切換信号によって切換ス
イッチ３５を切り換えることにより、電流指令値ｉdc *
を切り換えるようにした。例えば、永久磁石形同期電動
機２４を始動する時の加速トルクの上限を最も大きくす
るためには、電流指令値ｉdc *を電力変換器２０または
同期電動機２４が許容できる最大値に設定する必要があ
る。しかし、この方法によると、大きな加速トルクが要
求されない場合にも大きな電流が流れる欠点があり、第
２実施形態はこの点を改善したものである。
第２実施形態を説明する。図２の制御ブロック図は、前
記第１の実施形態に一点鎖線内の機能を付加したもの
で、第１制御機能のオン時に電流角度制限器（低速用）
３４から出力される電流指令値切換信号によって切換ス
イッチ３５を切り換えることにより、電流指令値ｉdc *
を切り換えるようにした。例えば、永久磁石形同期電動
機２４を始動する時の加速トルクの上限を最も大きくす
るためには、電流指令値ｉdc *を電力変換器２０または
同期電動機２４が許容できる最大値に設定する必要があ
る。しかし、この方法によると、大きな加速トルクが要
求されない場合にも大きな電流が流れる欠点があり、第
２実施形態はこの点を改善したものである。
【００２５】図２において、ｉdc1 *，ｉdc2 *の二つの電
流指令値はそれぞれ一定値I1，Ｉ2に設定され、I1はＩ2
より小さな値である。通流の初期状態では、ｉdc1 *＝I1
を選択するように電流指令値切換信号が電流角度制限器
３４から出力され、電流指令値ｉdc *はI1となる。電流
角度制限器３４において前記（θ*−θm）が９０°の制
限値に達したことが検出されたら、すなわち大きなトル
クが必要となったら、前記切換信号が変化して電流指令
値ｉdc *はｉdc1 *＝I1からｉdc2 *＝I2に切り換えられ
る。これにより、加速時に小さな加速トルクでよい場合
には電流は小さく、大きな加速トルクが必要になったと
きには電流を増大することができる。
流指令値はそれぞれ一定値I1，Ｉ2に設定され、I1はＩ2
より小さな値である。通流の初期状態では、ｉdc1 *＝I1
を選択するように電流指令値切換信号が電流角度制限器
３４から出力され、電流指令値ｉdc *はI1となる。電流
角度制限器３４において前記（θ*−θm）が９０°の制
限値に達したことが検出されたら、すなわち大きなトル
クが必要となったら、前記切換信号が変化して電流指令
値ｉdc *はｉdc1 *＝I1からｉdc2 *＝I2に切り換えられ
る。これにより、加速時に小さな加速トルクでよい場合
には電流は小さく、大きな加速トルクが必要になったと
きには電流を増大することができる。
【００２６】次いで、請求項３に記載した発明に相当す
る第３実施形態を説明する。図３の制御ブロック図は、
前記第２の実施形態に一点鎖線内の機能を付加したもの
で、電流指令値切換器３６を別個に設け、この切換器３
６からの電流指令値切換信号により切換スイッチ３５を
動作させて電流指令値ｉdc *を切り換えるようにした。
なお、電流指令値切換器３６には、第２の周波数指令ｆ
*と電流角度制限器（低速用）３４からの位相偏差信号
が入力されている。
る第３実施形態を説明する。図３の制御ブロック図は、
前記第２の実施形態に一点鎖線内の機能を付加したもの
で、電流指令値切換器３６を別個に設け、この切換器３
６からの電流指令値切換信号により切換スイッチ３５を
動作させて電流指令値ｉdc *を切り換えるようにした。
なお、電流指令値切換器３６には、第２の周波数指令ｆ
*と電流角度制限器（低速用）３４からの位相偏差信号
が入力されている。
【００２７】運動体の静止摩擦は動摩擦に比べて大き
く、特に電動機の始動初期では軸受けの潤滑油が十分に
機能してない場合等があり、大きな始動トルクが必要に
なることがある。第３実施形態はこの点を考慮してなさ
れたものである。すなわち、電流指令値切換器３６は、
電流角度制限器３４からの位相偏差信号（θ*−θm）を
受けて、同期電動機２４を始動する初期状態では電流指
令値としてｉdc1 *を使用し、前記（θ*−θm）が９０°
の制限値に達したら、電流指令値ｉdc *をｉdc1 *からｉ
dc2 *に切り換えるように切換スイッチ３５を動作させ
る。更に、第２の周波数指令ｆ*を監視していて、周波
数が所定値以上に達した時に（θ*−θm）が９０°の制
限値に達していないければ、電流指令値をｉdc2 *からｉ
dc1 *に切り換えるような動作を行う。
く、特に電動機の始動初期では軸受けの潤滑油が十分に
機能してない場合等があり、大きな始動トルクが必要に
なることがある。第３実施形態はこの点を考慮してなさ
れたものである。すなわち、電流指令値切換器３６は、
電流角度制限器３４からの位相偏差信号（θ*−θm）を
受けて、同期電動機２４を始動する初期状態では電流指
令値としてｉdc1 *を使用し、前記（θ*−θm）が９０°
の制限値に達したら、電流指令値ｉdc *をｉdc1 *からｉ
dc2 *に切り換えるように切換スイッチ３５を動作させ
る。更に、第２の周波数指令ｆ*を監視していて、周波
数が所定値以上に達した時に（θ*−θm）が９０°の制
限値に達していないければ、電流指令値をｉdc2 *からｉ
dc1 *に切り換えるような動作を行う。
【００２８】ここで、電流指令値ｉdc1 *，ｉdc2 *に設定
される値は、第２実施形態と同様にそれぞれ一定値I1と
Ｉ2であり、I1はＩ2より小さな値である。このため、
（θ*−θm）が９０°の制限値に達してからは大きな始
動トルクを得ることができるが、所定の周波数、すなわ
ち所定の速度に達したら電流指令値がｉdc2 *からｉdc 1 *
に切り換わるので電流が減少し、不要な電流を流すこと
がなくなる。但し、（θ*−θm）が９０°の制限値に達
したら、電流指令値は常にｉdc2 *を選択することとし、
かつ、所定の時間以上その状態を維持するのが前提であ
る。
される値は、第２実施形態と同様にそれぞれ一定値I1と
Ｉ2であり、I1はＩ2より小さな値である。このため、
（θ*−θm）が９０°の制限値に達してからは大きな始
動トルクを得ることができるが、所定の周波数、すなわ
ち所定の速度に達したら電流指令値がｉdc2 *からｉdc 1 *
に切り換わるので電流が減少し、不要な電流を流すこと
がなくなる。但し、（θ*−θm）が９０°の制限値に達
したら、電流指令値は常にｉdc2 *を選択することとし、
かつ、所定の時間以上その状態を維持するのが前提であ
る。
【００２９】次に、請求項４に記載した発明に相当する
第４実施形態を説明する。図４の制御ブロック図は、図
６の従来技術に磁極位置センサ３１と一点鎖線内の機能
を付加することにより、高速時の脱調を防止するように
したものであり、低速時の脱調防止を図った図１の第１
実施形態と対をなしている。すなわち、高速時は、切換
スイッチ１６ａが第２制御機能側に切り換えられ、電圧
角度制限器（高速用）３７により、軽負荷であればθ＝
θ*を出力し、重負荷になればθ＝θm＋９０°に制限し
て出力される。一方、低速時は、切換スイッチ１６ａを
第１制御機能側に切り換えることにより、θ＝θ*の制
御動作を行わせる。
第４実施形態を説明する。図４の制御ブロック図は、図
６の従来技術に磁極位置センサ３１と一点鎖線内の機能
を付加することにより、高速時の脱調を防止するように
したものであり、低速時の脱調防止を図った図１の第１
実施形態と対をなしている。すなわち、高速時は、切換
スイッチ１６ａが第２制御機能側に切り換えられ、電圧
角度制限器（高速用）３７により、軽負荷であればθ＝
θ*を出力し、重負荷になればθ＝θm＋９０°に制限し
て出力される。一方、低速時は、切換スイッチ１６ａを
第１制御機能側に切り換えることにより、θ＝θ*の制
御動作を行わせる。
【００３０】第１実施形態と同様に、電圧指令値ｖdc *
はゼロに、ｖqc *は一定値Ｖに設定されている。高速時
では電機子電圧が大きいので、電機子抵抗による電圧降
下を無視すると、トルクＴは数式２によって表される。
はゼロに、ｖqc *は一定値Ｖに設定されている。高速時
では電機子電圧が大きいので、電機子抵抗による電圧降
下を無視すると、トルクＴは数式２によって表される。
【００３１】
【数２】 Ｔ＝（Ｖ／ω）・（Φm／Ｌd）・sin（θ−θm）
【００３２】ここで、ωは回転子の角速度、Ｌdはｄ軸
インダクタンスである。高速時では、Ｖとωとをほぼ比
例させて制御するので、数式２から、トルクＴは低速時
と同様にsin（θ−θm）に比例する。数式２から、（θ
−θm）＞０であった場合には、低速時と同様に正のト
ルクが発生し、負荷が大きくなるに従って（θ−θm）
が大きくなり、θ−θm＝９０°でトルクＴは最大とな
る。更に負荷が大きくなると（θ−θm）も増加して９
０°を超えるため、同期電動機２４のトルクは低減し、
やがて脱調して運転不能となる。
インダクタンスである。高速時では、Ｖとωとをほぼ比
例させて制御するので、数式２から、トルクＴは低速時
と同様にsin（θ−θm）に比例する。数式２から、（θ
−θm）＞０であった場合には、低速時と同様に正のト
ルクが発生し、負荷が大きくなるに従って（θ−θm）
が大きくなり、θ−θm＝９０°でトルクＴは最大とな
る。更に負荷が大きくなると（θ−θm）も増加して９
０°を超えるため、同期電動機２４のトルクは低減し、
やがて脱調して運転不能となる。
【００３３】そこで、磁極位置に対するｄc軸の角度
（θ−θm）を電圧角度制限器（高速用）３７により監
視するとともに、（θ−θm）が９０°以下となるよう
にθを制限する。脱調を防止する方法は低速時と同様で
あるが、低速時は電流角度制限器（低速用）３４によっ
て磁極位置に対する電機子電流の角度を制限するのに対
し、高速時には電圧角度制限器（高速用）３７によって
磁極位置に対する電機子電圧の角度を制限する。
（θ−θm）を電圧角度制限器（高速用）３７により監
視するとともに、（θ−θm）が９０°以下となるよう
にθを制限する。脱調を防止する方法は低速時と同様で
あるが、低速時は電流角度制限器（低速用）３４によっ
て磁極位置に対する電機子電流の角度を制限するのに対
し、高速時には電圧角度制限器（高速用）３７によって
磁極位置に対する電機子電圧の角度を制限する。
【００３４】図５は本発明の第５実施形態であり、上述
した第３実施形態（図３）及び第４実施形態（図４）を
組み合わせたものである。その動作は、各実施形態の動
作から明らかであるため説明を省略するが、通常は同期
電動機２４に正弦波電流を供給すると共に、過大トルク
が出力されようとする場合には、低速時は磁極位置に対
する電機子電流の角度を、また、高速時は磁極位置に対
する電機子電圧の角度を各制限器３４，３７により制限
して所定のトルクを出力させ、何れの場合にも脱調を防
止することができる。
した第３実施形態（図３）及び第４実施形態（図４）を
組み合わせたものである。その動作は、各実施形態の動
作から明らかであるため説明を省略するが、通常は同期
電動機２４に正弦波電流を供給すると共に、過大トルク
が出力されようとする場合には、低速時は磁極位置に対
する電機子電流の角度を、また、高速時は磁極位置に対
する電機子電圧の角度を各制限器３４，３７により制限
して所定のトルクを出力させ、何れの場合にも脱調を防
止することができる。
【００３５】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、磁極位置
検出器として低分解能で安価な磁極位置検出手段を使用
した場合にも、電力変換器や同期電動機が許容できない
ような重負荷時に脱調を防止できると共に、許容範囲内
の通常の負荷に対しては正弦波電流を供給することがで
きるため、高調波によるトルクリプル、振動、騒音の増
加や効率の低下がなく、安価で高性能な制御装置を実現
することができる。
検出器として低分解能で安価な磁極位置検出手段を使用
した場合にも、電力変換器や同期電動機が許容できない
ような重負荷時に脱調を防止できると共に、許容範囲内
の通常の負荷に対しては正弦波電流を供給することがで
きるため、高調波によるトルクリプル、振動、騒音の増
加や効率の低下がなく、安価で高性能な制御装置を実現
することができる。
【図１】本発明の第１実施形態を示す制御ブロック図で
ある。
ある。
【図２】本発明の第２実施形態を示す制御ブロック図で
ある。
ある。
【図３】本発明の第３実施形態を示す制御ブロック図で
ある。
ある。
【図４】本発明の第４実施形態を示す制御ブロック図で
ある。
ある。
【図５】本発明の第５実施形態を示す制御ブロック図で
ある。
ある。
【図６】第２の従来技術の制御ブロック図である。
【図７】１２０°通電（第１の従来技術）時の電流波形
を示す図である。
を示す図である。
【図８】各種の直交座標軸と電流との関係を示す図であ
る。
る。
【図９】ｄc軸、ｄq軸と電圧との関係を示す図である。
１１ ランプ関数 １２ 制御切換器 １３ ｆ／Ｖ変換器 １４ ｄ軸電流調節器 １５ ｑ軸電流調節器 １６，１６ａ，３５ 切換スイッチ １７ 極座標変換器 １８ 電圧指令演算器 １９ ＰＷＭ回路 ２０ 電力変換器 ２１ 座標変換器 ２２ 周波数積分器 ２３ ３相交流電源 ２４ 永久磁石形同期電動機（ＰＭモータ） ３１ 磁極位置センサ ３２ 磁極位置検出器 ３４ 電流角度制限器（低速用） ３６ 電流指令値切換器 ３７ 電圧角度制限器（高速用）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 野村 尚史 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (72)発明者 糸魚川 信夫 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 Ｆターム(参考） 5H560 BB04 BB12 DA01 DC12 DC13 EB01 EC02 GG04 JJ07 SS06 XA02 XA03 XA05 XA12 XA13 5H576 BB10 DD02 DD05 EE01 EE04 EE11 EE18 FF03 GG01 GG04 GG05 HB01 JJ03 JJ15 KK05 LL14 LL15 LL22 LL24 LL41
Claims (5)
- 【請求項１】 永久磁石形同期電動機の電機子電流及び
端子電圧をベクトルとしてとらえ、電機子電流の大きさ
を電流指令値に一致させ、かつ、電機子電流の周波数を
周波数指令値に一致させるように制御する第１の制御手
段と、端子電圧の大きさを周波数指令値にほぼ比例さ
せ、かつ、端子電圧の周波数を周波数指令値に一致させ
るように制御する第２の制御手段と、周波数が高いとき
には第２の制御手段の出力により電力変換器を制御し、
周波数が低いときには第１の制御手段の出力により電力
変換器を制御するべく制御動作を切り換える切換手段と
を備えた永久磁石形同期電動機の制御装置において、 同期電動機の磁極位置を検出する磁極位置検出手段と、 第１の制御手段による制御動作時に、前記磁極位置に対
する電機子電流の角度に応じてこの角度を所定の制限値
に制限し、かつ、この制限を第２の制御手段による制御
動作時に解除する電流角度制限手段と、 を備えたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御
装置。 - 【請求項２】 請求項１記載の永久磁石形同期電動機の
制御装置において、 同期電動機への通流の初期状態における第１の電流指令
値とこの第１の電流指令値よりも大きい第２の電流指令
値とを切り換える切換スイッチを備え、 前記電流角度制限手段からの電流指令値切換信号により
前記切換スイッチを動作させ、同期電動機への通流の初
期状態では第１の電流指令値を選択し、磁極位置に対す
る電機子電流の角度が前記制限値に制限されるときには
第２の電流指令値を選択することを特徴とする永久磁石
形同期電動機の制御装置。 - 【請求項３】 請求項１記載の永久磁石形同期電動機の
制御装置において、 同期電動機への通流の初期状態における第１の電流指令
値とこの第１の電流指令値よりも大きい第２の電流指令
値とを切り換える切換スイッチと、 前記電流角度制限手段からの位相偏差信号により前記切
換スイッチを動作させ、同期電動機への通流の初期状態
では第１の電流指令値を選択し、磁極位置に対する電機
子電流の角度が前記制限値に制限されるときには第２の
電流指令値を選択すると共に、周波数が所定値を超えた
状態で磁極位置に対する電機子電流の角度が前記制限値
に達していなければ第１の電流指令値を選択する手段
と、 を備えたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御
装置。 - 【請求項４】 永久磁石形同期電動機の電機子電流及び
端子電圧をベクトルとしてとらえ、電機子電流の大きさ
を電流指令値に一致させ、かつ、電機子電流の周波数を
周波数指令値に一致させるように制御する第１の制御手
段と、端子電圧の大きさを周波数指令値にほぼ比例さ
せ、かつ、端子電圧の周波数を周波数指令値に一致させ
るように制御する第２の制御手段と、周波数が高いとき
には第２の制御手段の出力により電力変換器を制御し、
周波数が低いときには第１の制御手段の出力により電力
変換器を制御するべく制御動作を切り換える切換手段と
を備えた永久磁石形同期電動機の制御装置において、 同期電動機の磁極位置を検出する磁極位置検出手段と、 第２の制御手段による制御動作時に、前記磁極位置に対
する電機子電圧の角度に応じてこの角度を所定の制限値
に制限し、かつ、この制限を第１の制御手段による制御
動作時に解除する電圧角度制限手段と、 を備えたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御
装置。 - 【請求項５】 請求項１，２または３の何れか１項に記
載の永久磁石形同期電動機の制御装置において、 同期電動機の磁極位置を検出する磁極位置検出手段と、 第２の制御手段による制御動作時に、前記磁極位置に対
する電機子電圧の角度に応じてこの角度を所定の制限値
に制限し、かつ、この制限を第１の制御手段による制御
動作時に解除する電圧角度制限手段と、 を備えたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御
装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11130984A JP2000324881A (ja) | 1999-05-12 | 1999-05-12 | 永久磁石形同期電動機の制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11130984A JP2000324881A (ja) | 1999-05-12 | 1999-05-12 | 永久磁石形同期電動機の制御装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000324881A true JP2000324881A (ja) | 2000-11-24 |
Family
ID=15047207
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11130984A Withdrawn JP2000324881A (ja) | 1999-05-12 | 1999-05-12 | 永久磁石形同期電動機の制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000324881A (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006014554A (ja) * | 2004-06-29 | 2006-01-12 | Toyo Electric Mfg Co Ltd | 永久磁石型同期電動機の制御装置 |
| KR100763964B1 (ko) * | 2001-08-24 | 2007-10-05 | 삼성테크윈 주식회사 | 전동기의 제어 방법 |
| JP2008011627A (ja) * | 2006-06-28 | 2008-01-17 | Toshiba Corp | モータ制御装置 |
| JP2008131766A (ja) * | 2006-11-22 | 2008-06-05 | Toyo Electric Mfg Co Ltd | 同期機の制御装置 |
| WO2012124157A1 (ja) * | 2011-03-15 | 2012-09-20 | オムロン株式会社 | モータ速度測定装置およびモータ速度監視装置 |
| JP2014187744A (ja) * | 2013-03-22 | 2014-10-02 | Meidensha Corp | 永久磁石式同期電動機の始動方法 |
| CN111034022A (zh) * | 2017-10-24 | 2020-04-17 | 株式会社日立产机系统 | 电力转换装置及其控制方法 |
| WO2023073953A1 (ja) * | 2021-10-29 | 2023-05-04 | 東芝三菱電機産業システム株式会社 | ドライブシステム及び制御方法 |
-
1999
- 1999-05-12 JP JP11130984A patent/JP2000324881A/ja not_active Withdrawn
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CN111034022A (zh) * | 2017-10-24 | 2020-04-17 | 株式会社日立产机系统 | 电力转换装置及其控制方法 |
| CN111034022B (zh) * | 2017-10-24 | 2023-06-13 | 株式会社日立产机系统 | 电力转换装置及其控制方法 |
| WO2023073953A1 (ja) * | 2021-10-29 | 2023-05-04 | 東芝三菱電機産業システム株式会社 | ドライブシステム及び制御方法 |
| JP7325660B1 (ja) * | 2021-10-29 | 2023-08-14 | 東芝三菱電機産業システム株式会社 | ドライブシステム及び制御方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20060801 |