JP4716680B2 - 永久磁石型同期電動機の制御装置 - Google Patents
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Description
本発明は、永久磁石型同期電動機の制御装置において、永久磁石の減磁の不可逆変化や割れなどの異常を検知する方法に関するものである。
永久磁石型同期電動機の永久磁石の温度を推定する技術の一例のブロック線図を図６に示し、この図に基づいて説明する。
同図において、電力変換器６は、永久磁石型同期電動機１に電力を供給する。位置検出器２は永久磁石型同期電動機１の回転子の永久磁石の位置θを検出する。速度検出器３は永久磁石型同期電動機１の回転子の回転角周波数ωを検出する。電流検出器４は永久磁石型同期電動機１の入力電流を検出する。電圧検出器５は永久磁石型同期電動機１の入力電圧を検出する。
同図において、電力変換器６は、永久磁石型同期電動機１に電力を供給する。位置検出器２は永久磁石型同期電動機１の回転子の永久磁石の位置θを検出する。速度検出器３は永久磁石型同期電動機１の回転子の回転角周波数ωを検出する。電流検出器４は永久磁石型同期電動機１の入力電流を検出する。電圧検出器５は永久磁石型同期電動機１の入力電圧を検出する。
回転座標変換器８は入力電流を入力して回転子の永久磁石の位置θで回転するｄ−ｑ座標成分であるｉｄ、ｉｑを求める。回転座標変換器９は入力電圧を入力して回転子の永久磁石の位置θで回転するｄ−ｑ座標成分であるｖｄ、ｖｑを求める。
電流指令生成器７はトルク指令Ｔ＊を入力し、永久磁石型同期電動機１がトルク指令通りのトルクを出力するようなｄ−ｑ座標の各成分電流指令ｉｄ＊、ｉｑ＊を求めて出力する。減算器１１と減算器１２とで各電流成分の誤差を求めて、電流制御器７において各電流成分ｉｄ、ｉｑがそれらの指令ｉｄ＊、ｉｑ＊に追従するような制御信号を電力変換器６に出力する。
誘起電圧推定器１３はｄ軸電流ｉｄとｑ軸電圧ｖｑと回転角周波数ωとを入力して永久磁石型同期電動機１の誘起電圧を求める。温度推定器１４は永久磁石型同期電動機１の誘起電圧に対する永久磁石型同期電動機１の回転子の永久磁石の温度のテーブルを参照して磁石の温度を求める。異常判定器１５は永久磁石の温度に基づいて永久磁石が減磁したことを検出する。
次に、上述した構成で永久磁石型同期電動機１の回転子の永久磁石の温度を求めることができる理由について説明する。
まず、永久磁石型同期電動機１の電圧方程式は以下の通りである。
まず、永久磁石型同期電動機１の電圧方程式は以下の通りである。
ここで、Ｌｄ、Ｌｑはｄ、ｑ軸インダクタンス、Ｒは電機子巻線抵抗、φは永久磁石の磁束、ｐは微分演算子である。（１）式のｖｑ式に永久磁石型同期電動機１の誘起電圧項ω・φが含まれている。（１）式のｖｑを、Ｒの項を無視した定常状態で表すと、
となり、誘起電圧について求めると以下となる。
永久磁石の磁束φは永久磁石温度と相関関係があるため、永久磁石型同期電動機の誘起電圧が分かれば磁石温度を求めることができる。（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−１０６９７号公報
永久磁石の温度を求めるために、温度推定器１４で永久磁石型同期電動機１の誘起電圧からテーブルを参照している。よって、テーブルを記憶しておくメモリが必要となり、複数の永久磁石型同期電動機に適応するには記憶容量が増加する問題がある。
上記問題点を解決するために、本発明は、永久磁石型同期電動機の回転子の永久磁石の磁束と前記永久磁石型同期電動機の回転子の位置と前記永久磁石型同期電動機の入力電流とから前記永久磁石型同期電動機の磁束ベクトルを演算する磁束演算器と、前記永久磁石型同期電動機の入力電流と入力電圧に基づいて前記永久磁石型同期電動機の磁束ベクトルを演算する実磁束演算器とを具備し前記永久磁石型同期電動機の出力トルクや回転速度をそれらの指令値に追従させる永久磁石型同期電動機の制御装置において、前記磁束演算器の出力の磁束ベクトルと前記実磁束演算器の出力の磁束ベクトルとの位相差が所定値を超えた場合、または前記磁束演算器の出力の磁束ベクトルの大きさと前記実磁束演算器の出力の磁束ベクトルの大きさとの差が所定値を超えた場合、または前記磁束演算器の出力の磁束ベクトルと前記実磁束演算器の出力の磁束ベクトルとの差のベクトルの大きさが所定値を超えた場合に前記永久磁石型同期電動機の回転子の永久磁石の異常を知らせる磁石故障検知器を具備することを特徴とする。
永久磁石型同期電動機の回転子の永久磁石が減磁する等の異常が生じた場合、永久磁石の磁束φが減少するため、永久磁石型同期電動機はトルク指令Ｔ＊より少ないトルクしか出力できないことになる。すると、トルク指令Ｔ＊に追従させようと、電流指令ｉｄ＊、ｉｑ＊が増加して永久磁石型同期電動機の入力電流が大きくなり、永久磁石が脱磁したり電機子巻線が焼き切れるなどの影響が出てくる。
本発明は、特別な部品を追加することなく永久磁石型同期電動機の出力や出力トルク等を計算するソフトウエア上での追加だけで実現が可能であり、更に永久磁石型同期電動機に応じた永久磁石の温度テーブルを必要としないので記憶メモリ縮小の効果がある。
また、永久磁石が脱磁する温度を超えない温度で永久磁石の異常を検知することにより、永久磁石の温度上昇による脱磁を防ぐことが可能となる。
本発明は、特別な部品を追加することなく永久磁石型同期電動機の出力や出力トルク等を計算するソフトウエア上での追加だけで実現が可能であり、更に永久磁石型同期電動機に応じた永久磁石の温度テーブルを必要としないので記憶メモリ縮小の効果がある。
また、永久磁石が脱磁する温度を超えない温度で永久磁石の異常を検知することにより、永久磁石の温度上昇による脱磁を防ぐことが可能となる。
永久磁石型同期電動機の回転子の永久磁石の異常を検知する目的を、最小の部品点数で実現した。
図１は、本発明の１実施例のブロック線図であって、図６の回転座標変換器９と誘起電圧推定器１３と温度推定器１４と異常判定器１５とを除き、図６にトルク演算器１６と出力演算器１７と実出力演算器１８と磁石故障検知器１９とが新たに装備されている。
トルク演算器１６は、永久磁石の磁束φと入力電流と位置検出器２出力の位置θより永久磁石型同期電動機１の出力トルクを演算する。よって、永久磁石が減磁すると永久磁石の磁束φよりも実際の永久磁石の磁束が減少し、トルク演算器１６の出力は間違った値となる。出力演算器１７は、トルク演算器１６の出力のトルクＴｃと速度検出器３の出力の回転子の角周波数ωとの積により永久磁石型同期電動機１の出力電力を求め、Ｐｃとして出力する。実出力演算器１８は、入力電流と入力電圧とから入力電力を求め、それから永久磁石型同期電動機１の内部で消費される損失分を引くことによって永久磁石型同期電動機１出力電力を求め、Ｐｒとして出力する。
磁石故障検知器１９は、出力演算器１７の出力Ｐｃと実出力演算器１８の出力Ｐｒとの差が所定値を超えると永久磁石型同期電動機１の回転子の永久磁石の異常を表す信号Ｓｆを出力する。永久磁石が正常であるならば、トルク演算器１６の出力Ｔｃが正確であり、よって出力演算器１７の出力ＰｃもＰｒと一致するはずである。しかし、もし永久磁石が減磁したり割れたりすると、トルク演算器１６の出力Ｔｃが異常値となり、よって出力演算器１７の出力ＰｃはＰｒと一致しなくなる。つまりＰｃとＰｒとの違いによって磁石故障検知器１９の故障が検知可能となる。磁石故障検知器１９の出力Ｓｆにより、運転停止などの処置を行うことで、永久磁石型同期電動機１の永久磁石の脱磁や電機子巻線が焼き切れるなどの二次災害を早急に避けることが可能となる。
図２は、本発明の２実施例のブロック線図であって、図１の出力演算器１７の入力であるトルク演算器１６の出力Ｔｃの代わりにトルク指令Ｔ＊を用いるような構成にしたものである。永久磁石の異常で永久磁石型同期電動機１の出力トルクがトルク指令Ｔ＊とならなくなるので、図２のＰｃとＰｒは一致しなくなり、図１の場合と同様に磁石故障検知器１９により永久磁石の異常が検知可能となる。
図３は、本発明の３実施例のブロック線図であって、図１の速度検出器３と出力演算器１７と実出力演算器１８とを除き、実トルク演算器２０と図１の磁石故障検知器１９の入力である出力演算器１７の出力Ｐｃと実出力演算器１８の出力Ｐｒとの代わりにトルク演算器１６の出力Ｔｃと実トルク演算器２０の出力Ｔｒとを用いるような構成とした磁石故障検知器２１とが新たに装備されている。
実トルク演算器２０は、入力電流と入力電圧とから永久磁石型同期電動機１の出力トルクＴｒを演算する。例えば、入力電圧から永久磁石型同期電動機１の電機子巻線抵抗Ｒによる電圧降下分を引いたものを時間積分することで永久磁石型同期電動機１の一次鎖交磁束ベクトルを求め、それと入力電流をベクトルに変換した入力電流ベクトルとの外積演算でトルクが演算される。この演算には、永久磁石の磁束φを用いていないので、永久磁石の異常が生じても実トルク演算器２０の出力のＴｒは正確な値となる。
上述したように、トルク演算器１６の出力Ｔｃは永久磁石の磁束φを用いているため、永久磁石に異常が生じた場合は永久磁石型同期電動機１の出力トルクと一致しなくなる。よって、磁石故障検知器２１において、ＴｃとＴｒとの差が所定値を超えているかどうかで、永久磁石が異常を生じているかを判断可能となり、それを表す信号Ｓｆを出力する。
図４は、本発明の４実施例のブロック線図であって、図３の磁石故障検知器２１の入力であるトルク演算器１６の出力のＴｃの代わりにトルク指令Ｔ＊を用いるような構成にしたものである。永久磁石の異常で永久磁石型同期電動機１の出力トルクがトルク指令Ｔ＊とならなくなるので、図４のＴ＊とＴｒは一致しなくなり、図３の場合と同様に磁石故障検知器２１により永久磁石の異常が検知可能となる。
図５は、本発明の５実施例のブロック線図であって、図３のトルク演算器１６と実トルク演算器２０とを除き、磁束演算器２２と実磁束演算器２３と図３の磁石故障検知器２１の入力であるトルク演算器１６の出力Ｔｃと実トルク演算器２０の出力Ｔｒとの代わりに磁束演算器２２の出力ｆｃと実磁束演算器２３の出力ｆｒとを用いるような構成とした磁石故障検知器２４とが新たに装備されている。
磁束演算器２２は、永久磁石型同期電動機１の回転子の永久磁石の磁束φと入力電流と位置θとにより永久磁石型同期電動機１の一次鎖交磁束ベクトルを演算し、ｆｃとして出力する。実磁束演算器２３は、入力電圧から永久磁石型同期電動機１の電機子巻線抵抗Ｒの電圧降下分を引いたものを時間積分することで永久磁石型同期電動機１の一次鎖交磁束ベクトルを求め、ｆｒとして出力する。
ｆｒは永久磁石の磁束φに依存しないが、ｆｃは永久磁石の磁束φに依存する。よって、永久磁石の異常でｆｃとｆｒとに位相差や大きさの差が生じたり、ｆｃとｆｒとの差のベクトルが生じる。従って、磁石故障検知器２４において、その位相差または大きさの差またはベクトルの差の大きさが所定値を超えているかどうかで永久磁石の異常を検知可能となり、それを表す信号Ｓｆが出力できる。
上記実施例１から５において、入力電圧と位置θと回転角周波数とは検出値を用いたが、それぞれ推定値を用いても同様な効果を得ることが可能である。
本発明により、新たな部品を追加することなく、永久磁石の異常が検出でき、二次災害を未然に防ぐことが可能となる。
１ 永久磁石型同期電動機
２ 位置検出器
３ 速度検出器
４ 電流検出器
５ 電圧検出器
６ 電力変換器
７ 電流制御器
８、 ９ 回転座標変換器
１０ 電流指令生成器
１１、１２ 減算器
１３ 誘起電圧推定器
１４ 温度推定器
１５ 異常判定器
１６ トルク演算器
１７ 出力演算器
１８ 実出力演算器
１９、２１、２４ 磁石故障検知器
２０ 実トルク演算器
２２ 磁束演算器
２３ 実磁束演算器
２ 位置検出器
３ 速度検出器
４ 電流検出器
５ 電圧検出器
６ 電力変換器
７ 電流制御器
８、 ９ 回転座標変換器
１０ 電流指令生成器
１１、１２ 減算器
１３ 誘起電圧推定器
１４ 温度推定器
１５ 異常判定器
１６ トルク演算器
１７ 出力演算器
１８ 実出力演算器
１９、２１、２４ 磁石故障検知器
２０ 実トルク演算器
２２ 磁束演算器
２３ 実磁束演算器
Claims (1)
- 永久磁石型同期電動機の回転子の永久磁石の磁束と前記永久磁石型同期電動機の回転子の位置と前記永久磁石型同期電動機の入力電流とから前記永久磁石型同期電動機の磁束ベクトルを演算する磁束演算器と、前記永久磁石型同期電動機の入力電流と入力電圧に基づいて前記永久磁石型同期電動機の磁束ベクトルを演算する実磁束演算器とを具備し前記永久磁石型同期電動機の出力トルクや回転速度をそれらの指令値に追従させる永久磁石型同期電動機の制御装置において、
前記磁束演算器の出力の磁束ベクトルと前記実磁束演算器の出力の磁束ベクトルとの位相差が所定値を超えた場合、または前記磁束演算器の出力の磁束ベクトルの大きさと前記実磁束演算器の出力の磁束ベクトルの大きさとの差が所定値を超えた場合、または前記磁束演算器の出力の磁束ベクトルと前記実磁束演算器の出力の磁束ベクトルとの差のベクトルの大きさが所定値を超えた場合に前記永久磁石型同期電動機の回転子の永久磁石の異常を知らせる磁石故障検知器を具備することを特徴とする永久磁石型同期電動機の制御装置。
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| JP2004191383A JP4716680B2 (ja) | 2004-06-29 | 2004-06-29 | 永久磁石型同期電動機の制御装置 |
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