JPH02299493A - 誘導電動機の制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はベクトル制御により誘導電動機のトルクおよび
速度制御を行なう方法に関し、とくに速度センサを用い
ないベクトル制御、いわゆるセンサレスベクトル制御方
法に関する。

［従来の技術］ 従来、速度センサレスベクトル制御においては、誘導電
動機の端子電圧（あるいは電圧指令値）と電流から演算
によって求めた二次鎖交磁束ベクトルを用いてベクトル
制御を実現している。

第４図は従来の速度センサレスベクトル制御装置の構成
の例を示している。ここで、ｌは電流制御形インバータ
、２は電流センサ、３は電圧センサ、４は誘導電動機、
５は定数器、６はベクトル演算器、７はベクトル回転器
、８は磁束演算器、９は位相比較器、１０は周波数制御
器、１１は正弦波発生器、１２はすべり周波数演算器、
１３は速度制御器、１４は電源である。

まず、ベクトル制御について述べる。ベクトル制御にお
いて、−次電流指令値（回転磁界座標量）ｉフはトルク
成分電流指令値■７．と二次鎖交磁束指令値Φ；から定
数器５を経て求められる磁束成分電流指令値Ｉ？ｄを入
力としてベクトル演算器６を用い、式（１）により演算
される。

Ｉフ＝Ｉフεｊ′　　　　　　　　　　　　　　　　　
　・・・　（１）ここに、Ｉフ＝（Ｉ〒３＋Ｉ　＊！　
）　ｌ／！ｒ　　＝　　ｔ　　ａ　　ｎ−’　　　ＣＩ
？＠／　　ｘ　？ｄ）一方、電圧センサ３および電流セ
ンサ２より検出された電動機の電圧伝および電流″Ｌ１
から求められた二次鎖交磁束ベクトル演算値ら夕は正弦
波発生器１１から得られる二次鎖交磁束の基準ベクトル
ｂと位相比較器９を用いて位相比較演算されて、式（２
）で表わされる位相差に比例する信号δ′が出力される
。正弦波発生器１１は入力信号に比例した周波数の二相
の正弦波信号を出力する。

δ’＝Ｉｍ、［θ・φ釣 ＝Φ盲ｓｉｎ　（θ−θ゛） ＝Φ盲ｓｉｎδ　　　　　　　・・・（２）ここで、ｂ
＝εＩ０ φり＝Φ５εＪ＃。

１＝Φ５ε）°。

Φ￥二１の振幅 θ゛　：二次鎮交磁束演算ベクトルの位相θ′　；θ−
δ δ：小りの磁束基準値に対する位相誤差１ｍ、：虚数部
記号 位相差に比例する信号δ°はＰ−Ｉ制御からなる周波数
制御器１０を経て正弦波発生器ＩＩの入力となり、周波
数制御器１０によるフィードバック制御によって０にな
るように制御されている。

正弦波発生器１１の出力である磁束基準ベクトルｂと一
次電流指令ベクトルｉフはベクトル回転器７に入力され
、−次電流指令ベクトル（静止座標量）′Ｌ？となり、
式（３）で示される。

″Ｌ？工■τｅ　Ｉ　Ｌ−・・）　　　　　　　　　・
・・（３）１？は通常、三相に分解され、電流制御形イ
ンバータｌの電流指令値となり、電動機の各相電流が制
御されることは言うまでもない。すなわち、電動機電圧
と電流から演算された磁束と磁束指令値の位相が常に一
致するように電動機の磁束角周波数ωが制御されている
。

つぎに、速度制御について要約する。

ベクトル制御により磁束の回転速度あるいは周波数が定
まることを前記した。誘導電動機においては、磁束の周
波数からすべり周波数を差し引けば回転速度に相当する
周波数が得られる。

この原理を応用して、トルク成分電流指令値Ｉτ９、二
次鎖交磁束指令値Φ；および二次抵抗の設定値Ｒ；を入
力とし、すべり角周波数演算器１２を用い、式（４）に
よりすべり角周波数ω２が演算される。

ω盲＝Ｒ；・Ｉτ、／Φｉ　　　　　　　　・・・（４
）速度の演算値ω？は、式（５）により表わされ、ω？
＝ω−Ｒ；　・　Ｉフ、／Φ；　　　　　　　　　　　
　・・・　（５）磁束の角周波数ωからすべり周波数ω
盲を直接減算する方法もあるが、ここでは正弦波発生器
１１への入力に周波数制御器ｌＯの出力と前記すべり角
周波数演算値ω警をくわえたものを与えるごとにより、
周波数制御器の出力信号を速度推定値ωνとする方法を
示した。速度制御は速度指令値ωフと前記速度推定値ω
テを用いて速度制御器１３により速度のフィードバック
制御される。

［発明が解決しようとする課題］ このように、速度センサレスベクトル制御においては、
誘導電動機の電圧、電流に基づいてベクトル制御を行な
い、さらに二次抵抗の設定値を用いたすべり周波数演算
値によって電動機速度を推定している。このため、電動
機パラメータの設定値と実際値が異なると磁束演算値や
速度推定値に誤差を生じ、望ましい制御特性が得られな
いことが予想される。とくに、−次抵抗値や二次抵抗値
は温度によって変化し通常５０℃の温度変化に対し、は
ぼ２０％の抵抗値の変化がある。

本発明はこのような従来方式の欠点に鑑みて電動機パラ
メータの制御特性への影響を低減しようとするものであ
る。

（１）ベクトル制御の課題 ベクトル制御の特性は二次鎖交磁束を基準として制御さ
れるため、磁束演算値の特性が直接影響する。

磁束演算値の特性について解析する。

二次鎖交磁束の演算は、端子電圧ＬＪ＋から一次抵抗設
定値Ｒ７による電圧降下Ｒτ″”Ｌ　Ｉ　＋　漏れイン
ダクタンス設定値じによる電圧降下じ（ｄ／ｄｔ）’ｔ
＋を引いて内部誘起電圧ａ、を求め、これを時間積分し
二次鎖交磁束姶を（６）式により演算する。ここで’Ｌ
＋は電流である。

小Ｓ＝ｆ　（Ｌ／ｌ−Ｒ１’ｔｌ）　ｄ　を−じ１１　
　・・・（６）しかし、実際の一次抵抗値Ｒ１，実際の
漏れインダクタンスＬとそれぞれの設定値は必ずしも一
致せず、それぞれ誤差を生じる。−次抵抗値の設定誤差
をΔＲ，＝　Ｒ，−Ｒ？、漏れインダクタンスの設定誤
差ΔＬ＝Ｌ−じと置き、また磁束実際値方向の電流成分
を１１６．これと直交する方向、すなわちトルク成分電
流を＋、、と置くと、定常状態における磁束演算値ら盲
は、式（７）で表わされる。

ｄ’ｉ”ｄｌ＋ΔＬ　ｉｌｄ＋（ＡＲＩ／ω）　Ｌｌ＠
”Ｊ（Δ［ｉｔ＠−（ΔＲ１／ω）Ｌ１．）　　　　　
　　　・・・（７）位相誤差δおよび振幅誤差ΔΦはそ
れぞれ式（８）、（９）で表わされる。

ΔΦ＝［（φ、＋ΔＬｌｌｄ”（ΔＲ，／ω）Ｉ、、）
’＋（Δ［１，、−（ΔＲ，／ω）Ｉｌ、）’：１１′
２−１φ：１　・・・（９）ここで、Ｉ　ｌｄ、Ｉ　＋
ｏは″”ｔｌｄ、′Ｌ１．の振幅である。

すなわち、電動機−次パラメータ誤差によって磁束演算
値は振幅誤差および位相誤差を生じ、とくに−次抵抗の
誤差成分は周波数が小さくなるほど大きくなる。この磁
束演算値によって磁束位相一致形のベクトル制御を行な
うと磁束実際値と指令値が一致せず、と（に低周波であ
る低速領域でベクトル制御の特性が崩れてくることが推
察される。

一次抵抗値は温度によって変化し、通常５０°Ｃの変化
で２０％程度変化する。また、漏れインダクタンスは通
常トルク成分電流の大きさにより回転子および固定子の
鉄心歯部の磁気飽和により変化するが、磁束−斑制御で
は漏′れインダクタンスの変化はトルク電流の関数とし
て補償できるため、それほど問題にならない。

（２）速度制御特性の課題 つぎに、速度制御は磁界の回転角周波数ωからすべり角
周波数ω２をひいて回転子速度に相当する角周波数ωテ
を用いて速度制御がなされる。

ここで、回転角周波数ωは直接実際値を用いることがで
きるが、すべり角周波数演算値ω警はトルク成分電流の
指令値１τい磁束の指令値Φ；および二次抵抗の設定値
Ｒ：により前記式（４）により演算される。

ω警＝Ｒ：　・　Ｉフ、／Φ；　　　　　　　　　　　
　　　　　　　・・・　（４）ベクトル制御がうまく成
立しておれば、Ｉ　？、およびΦ；についての誤差は伴
わないが、二次抵抗値Ｒ２については一次抵抗値Ｒ３と
同様に温度により値が変化するため、すべり角周波数ω
２は実際値と異なり速度推定値に誤差を生じ、これを用
いた速度制御特性に速度誤差を生じていた。

このように従来方式では、−次抵抗値の温度変化によっ
て低周波領域でベクトル制御特性が低下し、二次抵抗値
の温度変動によって速度推定値に誤差を生じ速度制御特
性が低下していた。

［課題を解決するための手段］ 本発明は誘導電動機の端子電圧と電流から演算される電
動機二次鎖交磁束値と二次鎖交磁束指令値を一致させる
ように電動機周波数を制御するベクトル制御装置におい
て、前記二次鎖交磁束指令値と前記電動機二次鎖交磁束
演算値の振幅偏差に基づいて、磁束演算回路部の一次抵
抗設定値を修正するベクトル制御方法であり、さらに、
前記ベクトル制御方法を用いてトルク成分電流、磁束振
幅指令値および二次抵抗の設定値より演算したすべり周
波数と電動機磁束の周波数より演算した回転子速度の推
定値に基づいて電動機の速度を制御する装置において、
前記すべり周波数の演算に用いる二次抵抗の設定値を、
前記−次抵抗設定値を修正した比率と同じ比率を用いて
修正することを特徴とするものである。

［作用］ 本発明は磁束演算値における一次抵抗値の作用が大きな
役割をもっている。式（７）、（８）、（９）において
見通しをよくするため、Δ１＝０と置くと、この時の位
相誤差δ、および振幅誤差ΔΦ。

はそれぞれ式（１１）　、（１２）のようになる。

ら５・φ２＋（ΔＲ＋／ω）″”ｔ＋ｑ−ＪＣΔＲ＋／
ω）　′Ｌ＋ａ　　・・・（１０）ΔΦ、＝１↓２１−
１小：１ ・［（屯＋ΔＲ，！、、／ωＰ ＋（ΔＲ山／ω円１／Ｉ−１φ：１　　・・・（１２）
ここで、電動機の電動運転側（１１，≧０）について−
次抵抗値の設定誤差ΔＲ１の極性に対する位相誤差δ、
および振幅誤差ΔΦ、の極性を検討する。

（１）ΔＲ３≧０の場合 式（１１）より明らかにδ、≦Ｏである。またその結果
、１φ２１−１φ；１≧０であるから、式（１２）％式
％ 式（１１，）より明らかにδ、〉０である。また、１１
、が充分大きければ式（１２）よりΔΦ、〈０である。

１１の小さい範囲について、ＩＩＱ＝０を最悪条件とし
て検討する。

式（ｌ　ｌ）、（１２）において、（＋、＝Ｑと置き、
励磁インダクタンスをＭとおくと式（１３）、（１４）
％式％：１ 式（１３）より これを式（１４）に代入して ΔΦ、＝１φ；１−１φ；１＝０　　　　・・・（１５
）となる。したがって、ΔＲ１〈０ならば、ΔΦ、〈Ｏ
である。

すなわち、電動側において次のようになる。

ΔＲ１≧０ならば、ΔΦ、≧０ ΔＲ１〈０ならば、ΔΦ、〈０ また、電動機の回生運転側については、以上の検討結果
より電動側とは一次抵抗値Ｒ１に対する振幅誤差ΔΦ、
の極性は反転することは容易に推察される。

したがって、電動側では、例えば磁束振幅の誤差ΔΦ、
が正ならば設定誤差ΔＲ３を減少させ、ΔΦ、が負なら
ばΔＲ１を増加させるような制御をすれば、ΔＲ１は小
さくなりＲ１の設定値は実際値に近づ（ことが分かる。

また、回生側についてはトルク成分電流の極性を利用し
てΔΦ、の極性を反転すればよい。

次に、−次抵抗値Ｒ，の修正値を用いて二次抵抗値Ｒ２
を修正する方法について検討しよう。

Ｒ１およびＲ２の初期設定値を周囲温度などの同一温度
における値で設定しておけばＲ７の修正値はＲ１の周囲
温度から温度上昇分に相当する。

したがって、Ｒ１の温度上昇分を用いてＲ２の温度上昇
分を修正することが考えられる。

第５図は固定子巻線温度と回転子温度の実測例である。

１００％負荷時において電源投入時から固定子巻線およ
び回転子の温度上昇を示しており、回転子温度上昇は固
定子巻線の温度上昇にほぼ比例的である。この例では回
転子温度上昇が固定子巻線のそれより高い。このような
場合はＲ５の修正値に一定の係数を乗じてＲ２の修正を
行なえばよい。

［実施例］ 本発明を図に示す実施例について説明する。

第１図は本発明の実施例を示すブロック図で示した説明
図で、第２図は本発明の詳細な説明図である。図におい
て従来の装置と共通する部分は同一の符号番号とし、ま
た一部変更されるものは同一番号に「゛」を付けて示し
た。

従来装置に本発明を用いて新しく付加される要素はＲ１
・Ｒ２推定器１５であり、磁束指令値Φ；、磁束演算値
Φ７、および磁束の角周波数ωが入力され、−次抵抗値
Ｒ２および二次抵抗値Ｒ２の推定値が出力される。

一次抵抗値Ｒ１は磁束演算器８°・のＲ１設定値として
、二次抵抗値Ｒ２はすべり角周波数演算器１２’のＲ２
設定値として用いられる。従来装置では磁束演算器８の
亀設定およびすべり角周波数演算器１２のＲ２設定は一
定値の内部設定であったが、本発明ではＲ１・Ｒ２推定
器１５による実際値を反映した推定値がそれぞれ設定さ
れる。

第２図はＲ１・Ｒ２推定器１５の内部の構成を示すもの
で、乗算器１５１は磁束の振幅誤差ΔΦ１、磁束の角周
波数ωを入力とし、磁束の誤差の大きさが角周波数ωに
関連していることから、ωを乗じることによりωによる
誤差の変動を抑制している。１５２は磁束誤差によりＲ
８の設定値を修正するための閉ループを制御するＰ−Ｉ
制御器で、その出力信号である一次抵抗修正率Δαが基
準値「１」に加えられる。この加算された値は乗算器１
５３により一次抵抗基準設定値Ｒ？に乗じられ、−次抵
抗の推定値Ｒ？とじて磁束演算器８°に設定される。

−次抵抗の実際値Ｒ１および推定値Ｒｅを、Ｒ，＝ＲＴ
＋　Δ　Ｒ，、Ｒフ　＝　　Ｒ１１＋　Δ　Ｒ丁と置く
と、第３図の一次抵抗および二次抵抗の推定を示すブロ
ック図が得られる。ここで、Ｋ、は−次抵抗誤差に対す
る磁束の振幅誤差ΔΦ、の比例係数である。ここで、第
３図より一次抵抗修正率Δαは次のように表わされる。

Δα＝−エ慕ＬΔし１ ■＋ωへ４Ｒ： すなわち、制御器のゲインに８が充分大であればΔα＝
ΔＲ，／ＲＴ　　　　　　　　・・・（１７）となり、
Δαは一次抵抗の初期設定に対する一次抵抗値変動分を
表わすことになる。

つぎに、二次抵抗値Ｒ２の推定は固定子巻線の温度上昇
値と回転子温度上昇値が比例するものとして演算される
。

すなわち、電動機の温度試験データから得られる固定子
巻線温度上昇値と回転子温度上昇値の比例係数に２を係
数設定器１５４によりΔαに乗じてＲ２の温度上昇分と
し、乗算器１５５によりＲ２の基準設定値Ｒ；に乗じて
Ｒ２の推定値Ｒ；とする。推定値Ｒ；はすべり角周波数
演算器１２°に入力され、すべり角周波数の実際値を推
定したことになる。

第６図は本発明を適用した制御装置と従来の制御装置に
おける磁束演算値の特性およびトルク制御特性の実測値
で、一点鎖線１−１．および破線ｌ−２は従来の制御装
置での磁束演算値特性で、一点鎖線１−１は　Δｒ、＝
ΔＲ，／Ｒ？＝０．２　　、破線１−２は　Δｒｌ＝Δ
Ｒ，／Ｒ７＝−０，２の場合を示す。

実線１−３は本発明を適用した場合の磁束演算値の特性
で、Δｒｌ＝ΔＲ，／Ｒ〒＝０，２および−０，２の場
合とも特性は一致した。

また、一点鎖線２−１および破線２−２は従来装置のト
ルク制御特性で、 −一点鎖線２−１は　Δｒ、＝ΔＲ＋　／　Ｒ？　＝　
０．２　　、破線２−２は　Δｒｌ＝ΔＲ，／Ｒ？＝−
０．２　　の場合である。

実線２−３は本発明を適用した場合のトルク制御特性で
、Δｒ＋＝ΔＲ＋／Ｒ？＝０．２および−０，２の場合
とも特性は一致した。

第７図は本発明を適用した制御装置と従来制御装置にお
ける速度制御特性を示したものである。

実線ｌは速度の設定値で定格速度の５％の低速の場合で
ある。破線２−１および破線２−２は従来装置の特性で
、 破線２−１は　ΔＲ，／Ｒ：＝−０．２、破線２−２は
　ΔＲ，／Ｒ：＝０．２の場合である。

実線３−１，３−２は本発明を適用した場合の速度制御
特性で、ΔＲｚ／Ｒ；＝−０，２および０．２の場合に
おいて、速度変動は従来装置のほぼ１１５に抑制された
。

このように、本発明を適用すると、−次抵抗値の変化に
対するトルク特性の変化が抑制され、また二次抵抗値の
変動に対する速度変動が著しく抑制された。

［発明の効果］ 速度センサレスベクトル制御装置は誘導電動機に速度セ
ンサを設けずにトルク制御および速度制御の高性能化を
図ろうとす、るものであるが、直接的センサに代わって
磁束や速度を全て電動機の電圧、電流および電動機パラ
メータを用いて演算していたため、制御特性が電動機パ
ラメータの影響を受ける課題があった。しかし以上のよ
うに、本発明によれば特に変動が大きい一次および二次
抵抗値にパラメータ適応制御を用いることにより、実際
値に追従させることが可能になった。これによって、速
度センサレスベクトル制御ドライブによる制御特性は太
き（向上し、産業界に対する貢献は大きく、また本発明
の基本的手法は他のベクトル制御ドライブに適用可能な
制御装置を提供するなどの効果がある。

図面の簡単な説明 第１図は本発明の実施例を示すブロック図、第２図は本
発明の要部を示すブロック図、第３図は一次抵抗値およ
び二次抵抗値の推定を示すブロック図、第４図は従来例
の実施例を示すブロック図、第５図は固定子巻線温度と
回転子温度の実測例を示す説明図、第６図は磁束演算値
の特性およびトルク制御特性の実測値を示す説明図、第
７図は速度制御特性を示した説明図である。

１・・・電流制御形インバータ、２・・・電流センサ、
３・・・電圧センサ、４・・・誘導電動機、５・・・定
数器、６・・・ベクトル演算器、７・・・ベクトル回転
器、８・・・磁束演算器、９・・・位相比較器、１０・
・・周波数制御器、１１・・・正弦波発生器、１２・・
・すべり周波数演算器、１３・・・速度制御器、１４・
・・電源、１５・・・Ｒ２・Ｒ２推定器、１５１，１５
３．１５５・・・乗算器、１５２・・・Ｐ−１制御器、
１５４・・・係数設定器第１図 第２図 第３図 第５図 （”Ｃ） 電源投入からの経過時間（分） 第４図 第６図 ０　　　　　０．２　　　　０．４　　　　０．６　　
　　０．８　　　　１０トルク指令’ｌ＠　ｍｕ） 第７図 ０　０．２　０．４　０．６　０．８　１．０トルク、
（ｐ、ｕ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、誘導電動機の端子電圧と電流から演算される電動機
   二次鎖交磁束値と二次鎖交磁束指令値を一致させるよう
   に電動機周波数を制御するベクトル制御装置において、
   前記二次鎖交磁束指令値と前記電動機二次鎖交磁束演算
   値の振幅偏差に基づいて、磁束演算回路部の一次抵抗設
   定値を修正することを特徴とする誘導電動機のベクトル
   制御方法。 ２、請求項１記載のベクトル制御装置を用いてトルク成
   分電流、磁束振幅指令値および二次抵抗の設定値より演
   算したすべり周波数と電動機磁束の周波数より演算した
   回転子速度の推定値に基づいて電動機の速度を制御する
   装置において、前記すべり周波数の演算に用いる二次抵
   抗の設定値を、請求項１記載の一次抵抗設定値を修正し
   た比率と同じ比率を用いて修正することを特徴とする誘
   導電動機の速度制御方法。