交流回転機の制御装置

【課題】速度制御系の機械的応答で制約されていたトルクの応答性を改善できる交流回転機の制御装置を提供する。
【解決手段】交流回転機２へ交流電圧を出力する電力変換手段３と、交流回転機２に流れる電流を検出する電流検出手段４と、検出電流を回転二軸座標上の電流へ変換する電流演算手段５と、回転二軸座標上の電流に基づいて交流回転機２が出力する出力トルクを演算するトルク演算手段８と、トルク指令と出力トルクとの偏差に基づいて周波数指令を演算する周波数指令演算手段９と、周波数指令を補正する周波数補償量をトルク指令に基づいて演算する補償器１０と、補正後の周波数指令に基づいて回転二軸座標上に設定した制御座標軸の位相を演算する位相演算手段６と、補正後の周波数指令と制御座標軸の位相とに基づいて電力変換手段に出力する電圧指令を演算する電圧指令演算手段７を備える。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、交流回転機を駆動する電力変換手段を備えた交流回転機の制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
インバータをはじめとする電力変換手段により交流回転機を駆動する際は、一般に機械的応答より電気的応答が速いことから、通常、外部から速度指令を入力し、交流回転機の速度を制御する速度制御系をメジャーループ、交流回転機の相巻線に流れる相電流の電流を制御する電流制御系をマイナーループとするカスケード構成の制御系が用いられる。
しかし、外部から所望のトルクあるいは電力指令を入力してトルクや電力を制御する制御系の場合は、外部からトルク（または電力）指令を与えてフィードバック制御を行うと、急激な速度上昇や交流回転機の機械的な制限速度を超える等の望ましくない事象が発生する。これを改善するため、さらに速度（周波数）を制御するループを追加する制御構成、すなわちトルク（または電力）制御系をメジャーループ、速度（周波数）制御系をマイナーループとするカスケード構成の制御系が提案されている（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】特許第４５０３７６４号公報（段落［００２４］〜［００２６］、図５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の装置では、メジャーループであるトルク（または電力）制御系の応答が、マイナーループの速度制御系の機械的な応答以下に制限されるため、所望のトルク（または電力）制御系の応答が得られない可能性があり、高加速レートで加速したり、起動直後から高トルク駆動で運転したりすることが困難となる問題点があった。
【０００５】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、速度制御系の機械的応答で制約されていたトルク（または電力）の応答性を改善できる交流回転機の制御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】
【０００６】
この発明に係る交流回転機の制御装置は、外部からトルク指令を受ける交流回転機の制御装置において、交流回転機へ交流電圧を出力する電力変換手段と、交流回転機に流れる電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段が検出する電流を回転二軸座標上の電流へ変換する電流演算手段と、回転二軸座標上の電流に基づいて交流回転機が出力する出力トルクを演算するトルク演算手段と、トルク指令とトルク演算手段が演算した出力トルクとの偏差に基づいて周波数指令を演算する周波数指令演算手段と、周波数指令を補正する周波数補償量をトルク指令に基づいて演算する補償器と、補正後の周波数指令に基づいて回転二軸座標上に設定した制御座標軸の位相を演算する位相演算手段と、補正後の周波数指令と制御座標軸の位相とに基づいて、電力変換手段に出力する電圧指令を演算する電圧指令演算手段とを備えるものである。
【０００７】
また、この発明に係る交流回転機の制御装置は、外部からトルク指令を受ける交流回転機の制御装置において、交流回転機へ交流電圧を出力する電力変換手段と、交流回転機に流れる電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段が検出する電流を回転二軸座標上の電流へ変換する電流演算手段と、回転二軸座標上の電流に基づいて交流回転機が出力する出力トルクを演算するトルク演算手段と、トルク指令とトルク演算手段が演算する出力トルクとの偏差に基づいて周波数指令を演算する周波数指令演算手段と、回転二軸座標上に設定した制御座標軸の位相を補正する位相補償量をトルク指令に基づいて演算する補償器と、周波数指令と位相補償量に基づいて制御座標軸の位相を演算する位相演算手段と、周波数指令と補正後の制御座標軸の位相とに基づいて、電力変換手段に出力する電圧指令を演算する電圧指令演算手段とを備えるものである。
【０００８】
また、この発明に係る交流回転機の制御装置は、外部から電力指令を受ける交流回転機の制御装置において、交流回転機へ交流電圧を出力する電力変換手段と、交流回転機に流れる電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段が検出する電流を回転二軸座標上の電流へ変換する電流演算手段と、回転二軸座標上の電圧指令と回転二軸座標上の電流に基づいて交流回転機が出力する出力電力を演算する電力演算手段と、電力指令と電力演算手段が演算する出力電力との偏差に基づいて周波数指令を演算する周波数指令演算手段と、周波数指令を補正する周波数補償量を電力指令に基づいて演算する補償器と、補正後の周波数指令に基づいて回転二軸座標上に設定した制御座標軸の位相を演算する位相演算手段と、補正後の周波数指令と制御座標軸の位相とに基づいて電力変換手段に出力する電圧指令および電力演算手段に出力する回転二軸座標上の電圧指令を演算する電圧指令演算手段とを備えるものである。
【０００９】
また、この発明に係る交流回転機の制御装置は、外部から電力指令を受ける交流回転機の制御装置において、交流回転機へ交流電圧を出力する電力変換手段と、交流回転機に流れる電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段が検出する電流を回転二軸座標上の電流へ変換する電流演算手段と、回転二軸座標上の電圧指令と回転二軸座標上の電流に基づいて交流回転機が出力する出力電力を演算する電力演算手段と、電力指令と電力演算手段が演算する出力電力との偏差に基づいて周波数指令を演算する周波数指令演算手段と、回転二軸座標上に設定した制御座標軸の位相を補正する位相補償量を電力指令に基づいて演算する補償器と、周波数指令と位相補償量に基づいて制御座標軸の位相を演算する位相演算手段と、周波数指令と補正後の制御座標軸の位相とに基づいて、電力変換手段に出力する電圧指令および電力演算手段に出力する回転二軸座標上の電圧指令を演算する電圧指令演算手段とを備えるものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明に係る交流回転機の制御装置は、交流回転機へ交流電圧を出力する電力変換手段と、交流回転機に流れる電流を検出する電流検出手段と、検出電流を回転二軸座標上の電流へ変換する電流演算手段と、回転二軸座標上の電流に基づいて交流回転機が出力する出力トルクを演算するトルク演算手段と、トルク指令と出力トルクとの偏差に基づいて周波数指令を演算する周波数指令演算手段と、周波数指令を補正する周波数補償量をトルク指令に基づいて演算する補償器と、補正後の周波数指令に基づいて回転二軸座標上に設定した制御座標軸の位相を演算する位相演算手段と、補正後の周波数指令と制御座標軸の位相とに基づいて、電力変換手段に出力する電圧指令を演算する電圧指令演算手段とを備えるものであるため、従来の構成では速度制御系の機械的応答で制約されていたトルク応答性を向上することができる。
【００１１】
また、この発明に係る交流回転機の制御装置は、交流回転機へ交流電圧を出力する電力変換手段と、交流回転機に流れる電流を検出する電流検出手段と、検出電流を回転二軸座標上の電流へ変換する電流演算手段と、回転二軸座標上の電流に基づいて交流回転機が出力する出力トルクを演算するトルク演算手段と、トルク指令と出力トルクとの偏差に基づいて周波数指令を演算する周波数指令演算手段と、回転二軸座標上に設定した制御座標軸の位相を補正する位相補償量をトルク指令に基づいて演算する補償器と、周波数指令と位相補償量に基づいて制御座標軸の位相を演算する位相演算手段と、周波数指令と補正後の制御座標軸の位相とに基づいて、電力変換手段に出力する電圧指令を演算する電圧指令演算手段とを備えるものであるため、従来の構成では速度制御系の機械的応答で制約されていたトルク応答性を向上することができる。
【００１２】
また、この発明に係る交流回転機の制御装置は、交流回転機へ交流電圧を出力する電力変換手段と、交流回転機に流れる電流を検出する電流検出手段と、検出電流を回転二軸座標上の電流へ変換する電流演算手段と、回転二軸座標上の電圧指令と回転二軸座標上の電流に基づいて交流回転機が出力する出力電力を演算する電力演算手段と、電力指令と出力電力との偏差に基づいて周波数指令を演算する周波数指令演算手段と、周波数指令を補正する周波数補償量を電力指令に基づいて演算する補償器と、補正後の周波数指令に基づいて回転二軸座標上に設定した制御座標軸の位相を演算する位相演算手段と、補正後の周波数指令と制御座標軸の位相とに基づいて電力変換手段に出力する電圧指令および電力演算手段に出力する回転二軸座標上の電圧指令を演算する電圧指令演算手段とを備えるものであるため、従来の構成では速度制御系の機械的応答で制約されていた電力応答性を向上することができる。
【００１３】
また、この発明に係る交流回転機の制御装置は、交流回転機へ交流電圧を出力する電力変換手段と、交流回転機に流れる電流を検出する電流検出手段と、検出電流を回転二軸座標上の電流へ変換する電流演算手段と、回転二軸座標上の電圧指令と回転二軸座標上の電流に基づいて交流回転機が出力する出力電力を演算する電力演算手段と、電力指令と出力電力との偏差に基づいて周波数指令を演算する周波数指令演算手段と、回転二軸座標上に設定した制御座標軸の位相を補正する位相補償量を電力指令に基づいて演算する補償器と、周波数指令と位相補償量に基づいて制御座標軸の位相を演算する位相演算手段と、周波数指令と補正後の制御座標軸の位相とに基づいて、電力変換手段に出力する電圧指令および電力演算手段に出力する回転二軸座標上の電圧指令を演算する電圧指令演算手段とを備えるものであるため、従来の構成では速度制御系の機械的応答で制約されていた電力応答性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の実施の形態１の交流回転機の制御装置に係るシステム構成図である。
【図２】この発明の実施の形態２の交流回転機の制御装置に係るシステム構成図である。
【図３】この発明の実施の形態３の交流回転機の制御装置に係るシステム構成図である。
【図４】この発明の実施の形態４の交流回転機の制御装置に係るシステム構成図である。
【図５】この発明の実施の形態４の交流回転機の制御装置に係る第２補償器の構成図である。
【図６】この発明の実施の形態４の交流回転機の制御装置に係る応用例のシステム構成図である。
【図７】この発明の実施の形態５の交流回転機の制御装置に係るシステム構成図の構造図である。
【図８】この発明の実施の形態６の交流回転機の制御装置に係るシステム構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施の形態１．
実施の形態１は、トルク制御系に補償器を設けて、短時間で周波数指令を補正することで、トルク応答性を向上させる本発明の交流回転機の制御装置に関するものである。
以下、本願発明の実施の形態１について、交流回転機の制御装置に係るシステム構成図である図１に基づいて説明する。
【００１６】
まず、本願発明の実施の形態１に係る交流回転機の制御装置のシステム構成について説明する。
図１は、本発明の実施の形態１に係る交流回転機の制御装置１と交流回転機２を含む交流回転機制御システムの構成を表したものである。
以下、交流回転機２として、主に三相同期機を例に挙げて説明するが、本発明は「三相」「同期機」に限定されるものではなく、その他、他の相数（三相以外の二相回転機等）や同期機とは異なる回転機（例えば誘導機）であっても同様に適用できる。また、本発明の交流回転機は、「交流電動機」「交流発電機」のいずれにも適用できる。
【００１７】
図１において、交流回転機の制御装置１は、インバータをはじめとする電力変換手段３と、電流検出手段４と、電流演算手段５と、位相演算手段６と、電圧指令演算手段７と、トルク演算手段８と、周波数指令演算手段９および補償器１０から構成されている。
【００１８】
次に、本発明の実施の形態１に係る交流回転機の制御装置１の機能および動作について、図１のシステム構成図を用いて説明する。
電力変換手段３は、記載されていない電源から直流電源の供給を受け、後述の電圧指令演算手段７から出力される三相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に基づいて三相電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを出力し、交流回転機２を駆動する。
なお、前記の記載されていない電源から直流電源を供給する手段として、例えば、直接直流電圧を出力する電源あるいは電池等の手段、単相あるいは三相の交流電源を公知のコンバータあるいは公知のダイオード（ブリッジ）とコンデンサとを用いた整流回路によって直流電圧に変換して直流電源を得る手段がある。
電流検出手段４は、交流回転機２の出力電流Ｉｕ、Ｉｖを検出し、残りの一相の電流Ｉｗは検出したＩｕ、Ｉｖに基づいて演算する（Ｉｗ＝−Ｉｕ−Ｉｖ）。電流検出手段４は、図１に示すように２つの相だけに設けても、三相全てに設けても良い。
電流演算手段５は、電流検出手段４で検出した交流回転機２の出力電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗと後述の位相演算手段６から出力される回転二軸座標（以下ｄｑ軸と称す）上に設定した制御座標軸の位相θに基づいて、ｄｑ軸上の電流Ｉｄ、Ｉｑへ座標変換する。
出力電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを、ｄｑ軸上の電流Ｉｄ、Ｉｑへ座標変換する式は（１）式である。
【００１９】
【数１】

【００２０】
位相演算手段６は、後述の補正された周波数指令ω１＊を積分して、回転二軸座標上に設定した制御座標軸の位相θを求める。位相演算手段６は、電流演算手段５と後述の電圧指令演算手段７へ位相θを出力する。このとき電流検出手段４で検出された出力電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの値が、電力変換手段３から出力される三相電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに反映されるまでの制御演算遅れ時間を考慮し、電流演算手段５へ出力する位相と電圧指令演算手段７へ出力する位相を異なる値にしても良い。この場合、電流演算手段５へ出力する位相をθｘ、電圧指令演算手段７へ出力する位相をθｙとした時、θｘ＝∫ω１ｄｔ（＝θ）、θｙ＝θｘ＋θｄ（θｄ：制御演算遅れ時間に基づく位相補正量）となる。
電圧指令演算手段７は、後述の補正された周波数指令ω１＊とｄｑ軸上の電流Ｉｄ、Ｉｑおよび位相θとに基づいて三相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を演算する。
三相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を演算する方法として、一旦ｄｑ軸上の電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を演算し、Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を位相θとに基づいて三相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊へ座標変換する方法を以下に説明する。
【００２１】
電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を演算する方法の例として、例えば、公知のＶ／Ｆ一定制御と同様の周波数指令ω１＊に比例係数（Ｋ０とする）を掛けた項に、交流回転機の巻線抵抗Ｒにおける電圧降下分と電機子反作用に起因する電圧降下分を加減した値にする方法がある。これを数式で表すと（２）、（３）式となる。
【００２２】
【数２】

【００２３】
【数３】

【００２４】
ただし、Ｌｄ、Ｌｑは、ｄｑ軸上のインダクタンス、Ｋ１、Ｋ２は補正係数を表す。
（２）、（３）式に対して、さらなる安定化のために、（４）、（５）式のように安定化補償電圧Ｖｃｄ、Ｖｃｑを加えても良い。
この安定化補償電圧Ｖｃｄ、Ｖｃｑの例として、交流回転機の形状に起因して発生するような基本波周波数の整数倍の周波数電流の歪みを補償する電圧、あるいは、インバータをはじめとする電力変換手段３のデッドタイム等に起因する電圧誤差を補償する電圧等、制御系をより安定化させるために補償する電圧がある。また、後述する三相電圧指令への座標変換後に補償する方式でも良い。
【００２５】
【数４】

【００２６】
【数５】

【００２７】
さらに、（２）、（３）式において、各式の第１項で振動的となり不安定化の要因となることや、電流検出環境のノイズからの影響を抑制するため、演算に用いるｄｑ軸上の電流Ｉｄ、Ｉｑは、適切な応答に調整したフィルタに通した値を使用しても良い。
【００２８】
（２）、（３）式（あるいは（４）、（５）式）で得られた電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊と位相θ（θの代わりに前記θｙでも良い）とに基づいて、三相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊へ座標変換する。
この座標変換式は（６）式となる。
【００２９】
【数６】

【００３０】
トルク演算手段８は、ｄｑ軸上の電流の内ｑ軸電流Ｉｑを用いて交流回転機出力トルクτを演算する。出力トルク演算式は（７）式となる。
【００３１】
【数７】

【００３２】
ただし、Ｋｔはｑ軸電流Ｉｑに対する発生トルクの比を表すトルク定数と呼ばれるパラメータで、回転機夫々に固有の値である。このＫｔは、交流回転機が界磁磁束を持つ回転機であれば、永久磁石や界磁巻線によって作り出される界磁磁束φと回転機極対数Ｐｍによって決まる値である。
【００３３】
また、実施の形態１では、Ｋｔは出力トルク演算にｑ軸電流Ｉｑのみを用いているが、交流回転機が磁気的突極性を持つ同期機であれば、ｄ軸電流Ｉｄの値も使用して（８）式にしたがって出力トルクτを演算しても良い。
【００３４】
【数８】

【００３５】
周波数指令演算手段９は、交流回転機制御システム外部から入力されるトルク指令τ＊とトルク演算手段８で演算された出力トルクτとの偏差に基づいて、周波数指令ω＊を出力する。具体的には、トルク指令τ＊と出力トルクτとの偏差Δτ（＝τ＊−τ）を加減算器１１で演算し、偏差Δτを入力とする公知の比例積分（ＰＩ）制御演算を行い、比例積分演算出力ω０を求め、このω０に所定の周波数設定値ωｓｅｔを加えた値を最終的に周波数指令ω＊として出力する。
【００３６】
具体的には、出力トルクがトルク指令に達していないτ＊＞τの場合、Δτ＞０となり、周波数設定値ωｓｅｔに対して出力トルクを上げるように比例積分演算出力ω０を増やす動作となる。また、出力トルクがトルク指令を超えたτ＞τ＊の場合、Δτ＜０となり、周波数設定値ωｓｅｔに対して出力トルクを下げるように比例積分演算出力ω０を減らす動作となる。
この演算を数式で表すと（９）式となる。
【００３７】
【数９】

【００３８】
ただし、Ｋｃｐは、比例積分（ＰＩ）制御演算の比例ゲイン、Ｋｃｉは比例積分（ＰＩ）制御演算の積分ゲイン、ｓはラプラス演算子である。なお、Ｋｃｐ＝０、すなわち積分（Ｉ）制御演算のみを行うようにしても良い。
【００３９】
このように周波数指令ω＊を設定すれば、出力トルクτがトルク指令τ＊に追従しながら、かつ、所定の周波数設定値ωｓｅｔを中心とした周波数補償が行われるため、周波数設定値ωｓｅｔから大きく逸脱することなく、交流回転機２を駆動（加減速）することできる。
【００４０】
補償器１０は、トルク指令τ＊に基づいて周波数補償量Δωｃを演算する。補償器１０は、短時間で周波数指令ω＊を調整するように、入力に対して主に比例制御、あるいは微分制御、さらにはその両方を組み合わせた制御演算を行う。
補償器１０で行われる演算を数式で表すと（１０）式となる。
【００４１】
【数１０】

【００４２】
ただし、Ｋｔｐは比例微分（ＰＤ）制御演算の比例ゲイン、Ｋｔｄは比例積分（ＰＤ）制御演算の微分ゲイン、ｓはラプラス演算子である。なお、Ｋｔｐ、Ｋｔｄの何れか０であっても良い。
【００４３】
補償器１０で演算された周波数補償量Δωｃは、加減算器１２において周波数指令ω＊と加算されて、補正された周波数指令ω１＊（＝ω＊＋Δωｃ）となる。周波数指令ω１＊は位相演算手段６と電圧指令演算手段７に入力される。
【００４４】
トルク制御系によるフィードバック制御構成では、トルク応答を高くするのは容易ではないが、この補償器１０を追加し、周波数補償量Δωｃに基づく周波数指令ω＊の補正を行うことで、短時間で周波数指令ω＊を調整することができるため、トルク応答性が向上する。
【００４５】
以上説明したように、実施の形態１に係る交流回転機の制御装置１では、トルク制御系に補償器１０を追加したので、短時間で周波数指令ω＊を調整することができ、従来の構成では速度制御系の機械的応答で制約されていたトルク応答性の向上が可能となり、所望のトルク追従性が得られる効果がある。
【００４６】
実施の形態２．
実施の形態２は、トルク制御系に補償器を設けて、短時間で制御座標軸の位相θを調整することで、トルク応答性を向上させる本発明の交流回転機の制御装置に関するものである。
【００４７】
図２は、本発明の実施の形態２に係る交流回転機の制御装置２１と交流回転機２を含む交流回転機制御システムの構成を表したものである。図２において、図１と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
本願発明の実施の形態２について、実施の形態１に係る交流回転機の制御装置１と異なる位相補償量Δθｃを演算する補償器２３と位相補償量Δθｃが入力される位相演算手段２２の機能、動作を中心に、図２のシステム構成図を用いて説明する。
【００４８】
本実施の形態２では、補償器２３によりトルク指令τ＊に基づいて位相補償量Δθｃを演算する点と、周波数指令ω１＊を積分することで得られる位相に位相補償量Δθｃを加算し、回転二軸座標上に設定した制御座標軸の位相θを補正する点が実施の形態１と異なる。この点以外は、実施の形態１と同一の構成である。
【００４９】
補償器２３は、トルク指令τ＊に基づいて位相補償量Δθｃを演算する。本補償器２３は、実施の形態１の補償器１０と同様に、トルク応答性の向上が目的であり、短時間で回転二軸座標上に設定した制御座標軸の位相θを調整する（主に位相を進ませる）。
具体的には、入力に対して主に比例制御、あるいは微分制御、さらにはその両方を組み合わせた制御演算を行う。補償器２３で行われる演算を数式で表すと（１１）式となる。
【００５０】
【数１１】

【００５１】
ただし、Ｋｔｐ１は比例微分（ＰＤ）制御演算の比例ゲイン、Ｋｔｄ１は比例積分（ＰＤ）制御演算の微分ゲイン、ｓはラプラス演算子である。なお、Ｋｔｐ１、Ｋｔｄ１の何れか０であっても良い。
【００５２】
位相演算手段２２は、周波数指令ω＊を積分して、さらに位相補償量Δθｃを加えることにより、回転二軸座標上に設定した制御座標軸の位相θを求める。位相演算手段２２は電流演算手段５と後述の電圧指令演算手段７へ補正後の位相θを出力するが、実施の形態１同様に、電流検出手段４で検出された出力電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの値が電力変換手段３から出力される三相電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに反映されるまでの制御演算遅れ時間を考慮し、電流演算手段５へ出力する位相と電圧指令演算手段７へ出力する位相を異なる値にしても良い。この場合、電流演算手段５へ出力する位相をθｘ、電圧指令演算手段７へ出力する位相をθｙとした時、θｘ＝∫ω１ｄｔ＋Δθｃ（＝θ）、θｙ＝θｘ＋θｄ（θｄ：制御演算遅れ時間に基づく位相補正量）となる。
【００５３】
トルク制御系によるフィードバック制御構成では、トルク応答を高くするのは容易ではないが、この補償器２３を追加し、位相補償量Δθｃに基づく回転二軸座標上に設定した制御座標軸の位相θの補正を行うことで、短時間で制御座標軸の位相θを調整できるため、トルク応答性が向上する。
【００５４】
実施の形態２では、実施の形態１で説明した周波数指令ω＊に対して補償する補償器は設けていないが、本実施の形態２の構成に加えて、実施の形態１で説明したような周波数指令ω＊に対して周波数補償量Δωｃ分を補償する補償器を追加する構成とすることもできる。
【００５５】
以上説明したように、実施の形態２に係る交流回転機の制御装置２１では、トルク制御系に補償器２３を追加したので、短時間で制御座標軸の位相θを調整することができ、従来の構成では速度制御系の機械的応答で制約されていたトルク応答性の向上が可能となり、所望のトルク追従性が得られる効果がある。
【００５６】
実施の形態３．
実施の形態３は、実施の形態２の交流回転機の制御装置２１に対して、トルク指令と負荷角の関係から制御座標軸の位相θを調整する構成とした交流回転機の制御装置に関するものである。
【００５７】
図３は、本発明の実施の形態３に係る交流回転機の制御装置３１と交流回転機２を含む交流回転機制御システムの構成を表したものである。図３において、図２と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
本願発明の実施の形態３について、実施の形態２に係る交流回転機の制御装置２１と異なる電圧指令演算手段３２と補償器３３の機能、動作を中心に、図３のシステム構成図を用いて説明する。
【００５８】
電圧指令演算手段３２は、実施の形態２における電圧指令演算手段７と演算内容は同じであるが、補償器３３へｄｑ軸上の電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を出力する点が異なる。
【００５９】
補償器３３は、トルク指令τ＊と負荷角δとに基づいて位相補償量Δθｃを演算する。負荷角δとは、ｑ軸に対するｄ軸電圧（Ｖｄ）ベクトルとｑ軸電圧（Ｖｑ）ベクトルの合成ベクトルとの成す角であり、（１２）式の関係により得られる。
この負荷角δによって、トルクの操作が可能であることが一般的に知られている。
【００６０】
【数１２】

【００６１】
したがって、電圧指令演算手段３２において（２）、（３）式（あるいは（４）、（５）式）で演算されるｄｑ軸上の電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊に基づいて負荷角δを演算し、予め求めておいたトルク指令τ＊と負荷角δとの関係から、適切な位相補償量Δθｃを求める。あるいは、負荷角δそのものの値を位相補償量Δθｃとしても良い。
【００６２】
トルク制御系によるフィードバック制御構成では、トルク応答を高くするのは容易ではないが、この補償器３３を追加し、実施の形態２とは異なる演算により得られた位相補償量Δθｃに基づく回転二軸座標上に設定した制御座標軸の位相θの補正を行うことで、短時間で前記制御座標軸の位相θを調整することができるため、トルク応答性が向上する。
【００６３】
以上説明したように、実施の形態３に係る交流回転機の制御装置３１では、トルク制御系に補償器３３を追加したので、短時間で制御座標軸の位相θを調整することができ、従来の構成では速度制御系の機械的応答で制約されていたトルク応答性の向上が可能となり、所望の出力トルク追従性が得られる効果がある。
【００６４】
実施の形態４．
実施の形態４は、実施の形態１の交流回転機の制御装置１に対して、さらに第２補償器を設けて、出力トルクや電流の振動を抑制し安定した制御が可能な交流回転機の制御装置に関するものである。
【００６５】
図４は、本発明の実施の形態４に係る交流回転機の制御装置４１と交流回転機２を含む交流回転機制御システムの構成を表したものである。図５は、交流回転機の制御装置４１の構成機器である第２補償器の構成図である。
図４において、図１と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
本願発明の実施の形態４について、実施の形態１に係る交流回転機の制御装置１に追加された第２補償器４２の機能、動作を中心に、図４のシステム構成図および図５の構成図を用いて説明する。
【００６６】
第２補償器４２は、電流を所望の値に制御する電流偏差に基づく比例積分（ＰＩ）制御系を構成しない場合における負荷変化時や急加速時に発生する振動、脱調現象およびオーバーシュートによる過電流現象を抑制する機能を有する。実施の形態１の補償器１０による周波数補償動作に加えて、第２補償器４２をさらに追加することで、出力トルクτに影響するｑ軸電流Ｉｑに基づいて新たな補償を行う。
【００６７】
図５において、第２補償器４２は、第１フィルタ４４と第２フィルタ４５の２つのローパスフィルタとから構成される。第２フィルタ４５の遮断周波数は、第１フィルタ４４の遮断周波数の１／１０〜１／１００程度に設定される。
第１フィルタ４４は、ｑ軸電流Ｉｑの高周波数成分を低減させ、Ｉｑｆ１を出力する。第２フィルタ４５は、Ｉｑｆ１に対して、さらに低い周波数成分を減衰させたＩｑｆ２を出力する。
【００６８】
フィルタリングした値Ｉｑｆ１とＩｑｆ２の差分に所定の比例ゲインＫｆを乗算した値を第２補償器４２の出力である第２周波数補償量Δωｃ２とし、加減算器４３において、周波数指令ω＊と周波数補償量Δωｃとの加算値から第２周波数補償量Δωｃ２を減算する。
すなわち、ｑ軸電流Ｉｑに含まれる電力変換手段３起因の電流高周波成分のような高い周波数成分と、直流成分および低周波成分とを除去した比較的駆動周波数帯域（周波数指令ω＊）に近接した周波数成分のみに基づいて周波数指令ω＊に対する周波数補償を行う。
第２補償器４２と加減算器４３で行われる演算を数式で表すと（１３）、（１４）式となる。
【００６９】
【数１３】

【００７０】
【数１４】

【００７１】
実施の形態４の交流回転機の制御装置４１は、実施の形態１の交流回転機の制御装置１の構成に第２補償器４２を追加したものであるが、実施の形態２（あるいは実施の形態３）の交流回転機の制御装置２１（あるいは３１）に第２補償器４２を追加することもできる。
実施の形態２の交流回転機の制御装置２１に第２補償器４２を追加した交流回転機の制御装置５１のシステム構成を図６に示す。
【００７２】
以上説明したように、実施の形態４に係る交流回転機の制御装置４１では、実施の形態１に係る交流回転機の制御装置１に、第２補償器４２を追加したので、実施の形態１の効果、すなわち、従来の構成では速度制御系の機械的応答で制約されていたトルク応答性の向上が可能となり、所望のトルク追従性が得られる効果に加えて、さらに出力トルクや電流の振動を抑制し、脱調を防止して安定した制御が実現可能になる効果がある。
【００７３】
実施の形態５．
実施の形態５は、電力制御系に補償器を設けて、短時間で周波数指令を補正することで、電力応答性を向上させる本発明の交流回転機の制御装置に関するものである。
図７は、本発明の実施の形態５に係る交流回転機の制御装置６１と交流回転機２を含む交流回転機制御システムの構成を表したものである。図７において、図１と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
本発明の実施の形態５に係る交流回転機の制御装置６１の機能および動作について、図７のシステム構成図を用いて説明する。
【００７４】
図７において、交流回転機の制御装置６１は、インバータをはじめとする電力変換手段３と、電流検出手段４と、電流演算手段５と、位相演算手段６と、電圧指令演算手段６３と、電力演算手段６２と、周波数指令演算手段６４、補償器６５とから構成される。
これらの機能、動作について以下に説明する。
交流回転機の制御装置６１は、電力変換手段３と、電流検出手段４と、電流演算手段５と、位相演算手段６に関しては、実施の形態１と同一であるため説明を省略し、電力演算手段６２、電圧指令演算手段６３、周波数指令演算手段６４および補償器６５の機能、動作を中心に説明する。
【００７５】
電圧指令演算手段６３は、実施の形態１における電圧指令演算手段７と演算内容は同じであるが、（２）、（３）式（あるいは（４）、（５）式）で演算されるｄｑ軸上の電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を後述の電力演算手段６２へ出力する点と、交流回転機２の演算回転速度ωｒを演算し、除算器６７へ出力する点が異なる。
【００７６】
交流回転機２の演算回転速度ωｒは、交流回転機２が同期回転機であれば、電圧指令演算手段６３へ入力される補正された周波数指令ω１＊と一致し、この周波数ω１＊をそのまま、あるいは適切な補正を加えた上で除算器６７へ出力される。
交流回転機２が誘導回転機であれば、周波数ω１＊に対してすべり周波数相当分の周波数補正を加えた上で除算器６７へ出力される。
【００７７】
電力演算手段６２は、ｄｑ軸上の電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊とｄｑ軸上の電流Ｉｄ、Ｉｑとを用いて、交流回転機出力電力Ｐを演算する。出力電力Ｐの演算式は（１５）式となる。
【００７８】
【数１５】

【００７９】
周波数指令演算手段６４は、交流回転機制御システム外部から入力される電力指令Ｐ＊と電力演算手段６２で演算された出力電力Ｐとの偏差ΔＰを演算回転速度ωｒで除算した値に基づいて周波数指令ω＊を出力する。
具体的には、電力指令Ｐ＊と出力電力Ｐの偏差ΔＰ（＝Ｐ＊−Ｐ）を加減算器６６で演算し、除算器６７で偏差ΔＰを演算回転速度ωｒで除算する。この値は実施の形態１のΔτに相当し、この入力に対して公知の比例積分（ＰＩ）制御演算を行い、比例積分演算出力ω０を求め、このω０に所定の周波数設定値ωｓｅｔを加えた値を最終的に周波数指令ω＊として出力する。
【００８０】
具体的には、出力電力が電力指令に達していないＰ＊＞Ｐの場合、ΔＰ＞０となり、周波数設定値ωｓｅｔに対して出力電力を上げるようにω０を増やす動作となる。また、出力電力が電力指令を超えたＰ＞Ｐ＊の場合、ΔＰ＜０となり、周波数設定値ωｓｅｔに対して出力電力を下げるようにω０を減らす動作となる。
この演算を数式で表すと（１６）式となる。
【００８１】
【数１６】

【００８２】
ただし、Ｋｃｐ１は比例積分（ＰＩ）制御演算の比例ゲイン、Ｋｃｉ１は比例積分（ＰＩ）制御演算の積分ゲイン、ｓはラプラス演算子である。なお、Ｋｃｐ１＝０、すなわち積分（Ｉ）制御演算のみを行うようにしても良い。
【００８３】
このように周波数指令ω＊を設定すれば、出力電力Ｐが電力指令Ｐ＊に追従しながら、かつ、所定の周波数設定値ωｓｅｔを中心とした周波数補償が行われるため、周波数設定値ωｓｅｔから大きく逸脱することなく、交流回転機２を駆動することできる。
【００８４】
補償器６５は、電力指令Ｐ＊に基づいて周波数補償量Δωｃを演算する。本補償器６５は、短時間で周波数指令ω＊を調整するように、入力に対して主に比例制御、あるいは微分制御、さらにはその両方を組み合わせた制御演算を行う。補償器６５で行われる演算を数式で表すと（１７）式となる。
【００８５】
【数１７】

【００８６】
ただし、Ｋｔｐ２は比例微分（ＰＤ）制御演算の比例ゲイン、Ｋｔｄ２は比例積分（ＰＤ）制御演算の微分ゲイン、ｓはラプラス演算子である。
なお、Ｋｔｐ２、Ｋｔｄ２の何れか０であっても良い。
【００８７】
補償器６５で演算された周波数補償量Δωｃは、加減算器１２において周波数指令ω＊と加算されて、補正された周波数指令ω１＊（＝ω＊＋Δωｃ）となる。周波数指令ω１＊は実施の形態１と同様に位相演算手段６と電圧指令演算手段６３に入力される。
【００８８】
電力制御系によるフィードバック制御構成では、電力応答を高くするのは容易ではないが、この補償器６５を追加し、周波数補償量Δωｃに基づく周波数指令ω＊の補正を行うことで、短時間で周波数指令ω＊を調整することができるため、電力応答性が向上する。
【００８９】
実施の形態５の交流回転機の制御装置６１に、実施の形態４で説明した第２補償器４２を追加することもできる。
【００９０】
また、実施の形態５の交流回転機の制御装置６１では、周波数指令演算手段６４は、外部から入力される電力指令Ｐ＊と電力演算手段６２で演算された出力電力Ｐとの偏差ΔＰを演算回転速度ωｒで除算した値に基づいて周波数指令ω＊を出力する構成としたが、偏差ΔＰを直接に周波数指令演算手段に入力し、周波数指令ω＊を演算する構成とすることもできる。
【００９１】
以上説明したように、実施の形態５に係る交流回転機の制御装置６１では、電力制御系に補償器６５を追加したので、短時間で周波数指令ω＊を調整することができ、従来の構成では速度制御系の機械的応答で制約されていた電力応答の向上性が可能となる効果がある。
また、実施の形態５に係る交流回転機の制御装置６１では、偏差ΔＰを演算回転速度ωｒで除算した値に基づいて周波数指令ω＊を出力する構成としているため、出力電力の応答性を回転速度に依らず一定にできる効果もある。
【００９２】
実施の形態６．
実施の形態６は、電力制御系に補償器を設けて、短時間で制御座標軸の位相θを調整することで、電力応答性を向上させる本発明の交流回転機の制御装置に関するものである。
図８は、本発明の実施の形態６に係る交流回転機の制御装置７１と交流回転機２を含む交流回転機制御システムの構成を表したものである。図８において、図７と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
本願発明の実施の形態６について、実施の形態５に係る交流回転機の制御装置６１と異なる電力指令Ｐ＊に基づいて位相補償量Δθｃを演算する補償器７２の機能、動作を中心に、図８のシステム構成図を用いて説明する。
【００９３】
補償器７２は、電力指令Ｐ＊に基づいて位相補償量Δθｃを演算する。本補償器７２は、実施の形態５の補償器６５と同様に、電力応答性の向上が目的であり、短時間で回転二軸座標上に設定した制御座標軸の位相θを調整する（主に位相を進ませる）。
具体的には、入力に対して主に比例制御、あるいは微分制御、さらにはその両方を組み合わせた制御演算を行う。補償器７２で行われる演算を数式で表すと（１８）式となる。
【００９４】
【数１８】

【００９５】
ただし、Ｋｔｐ３は比例微分（ＰＤ）制御演算の比例ゲイン、Ｋｔｄ３は比例積分（ＰＤ）制御演算の微分ゲイン、ｓはラプラス演算子である。なお、Ｋｔｐ３、Ｋｔｄ３の何れか０であっても良い。
【００９６】
電力制御系によるフィードバック制御構成では、電力応答を高くするのは容易ではないが、この補償器７２を追加することで、位相補償量Δθｃに基づく回転二軸座標上に設定した制御座標軸の位相θの補正を行うことで、短時間で制御座標軸の位相θを調整できるため、電力応答性が向上する。
【００９７】
実施の形態６の交流回転機の制御装置７１において、補償器７２は、実施の形態３に示したように負荷角δに基づいて位相補償量Δθｃを演算する構成とすることができる。
また、実施の形態６の交流回転機の制御装置７１に実施の形態４に示した第２補償器４２を追加する構成とすることもできる。
【００９８】
また、実施の形態６の交流回転機の制御装置７１では、周波数指令演算手段６４は、外部から入力される電力指令Ｐ＊と電力演算手段６２で演算された出力電力Ｐとの偏差ΔＰを演算回転速度ωｒで除算した値に基づいて周波数指令ω＊を出力する構成としたが、偏差ΔＰを直接に周波数指令演算手段に入力し、周波数指令ω＊を演算する構成とすることもできる。
【００９９】
以上説明したように、実施の形態６に係る交流回転機の制御装置７１では、電力制御系に補償器７２を追加したので、短時間で制御座標軸の位相θを調整することができ、従来の構成では速度制御系の機械的応答で制約されていた電力応答性の向上が可能となる効果がある。
また、実施の形態６に係る交流回転機の制御装置７１では、偏差ΔＰを演算回転速度ωｒで除算した値に基づいて周波数指令ω＊を出力する構成としているため、出力電力の応答性を回転速度に依らず一定にできる効果もある。
【符号の説明】
【０１００】
１，２１，３１，４１，５１，６１，７１交流回転機の制御装置、２交流回転機、３電力変換手段、４電流検出手段、５電流演算手段、６，２２位相演算手段、
７，３２，６３電圧指令演算手段、８トルク演算手段、
９，６４周波数指令演算手段、１０，２３，３３，６５，７２補償器、
１１，１２，４３，５２，６６加減算器、４２第２補償器、６７除算器。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部からトルク指令を受ける交流回転機の制御装置において、
交流回転機へ交流電圧を出力する電力変換手段と、
前記交流回転機に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段が検出する電流を回転二軸座標上の電流へ変換する電流演算手段と、
前記回転二軸座標上の電流に基づいて前記交流回転機が出力する出力トルクを演算するトルク演算手段と、
前記トルク指令と前記トルク演算手段が演算した前記出力トルクとの偏差に基づいて周波数指令を演算する周波数指令演算手段と、
前記周波数指令を補正する周波数補償量を前記トルク指令に基づいて演算する補償器と、
前記補正後の周波数指令に基づいて前記回転二軸座標上に設定した制御座標軸の位相を演算する位相演算手段と、
前記補正後の周波数指令と前記制御座標軸の位相とに基づいて、前記電力変換手段に出力する電圧指令を演算する電圧指令演算手段と、
を備えた交流回転機の制御装置。
【請求項２】
外部からトルク指令を受ける交流回転機の制御装置において、
交流回転機へ交流電圧を出力する電力変換手段と、
前記交流回転機に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段が検出する電流を回転二軸座標上の電流へ変換する電流演算手段と、
前記回転二軸座標上の電流に基づいて前記交流回転機が出力する出力トルクを演算するトルク演算手段と、
前記トルク指令と前記トルク演算手段が演算する前記出力トルクとの偏差に基づいて周波数指令を演算する周波数指令演算手段と、
前記回転二軸座標上に設定した制御座標軸の位相を補正する位相補償量を前記トルク指令に基づいて演算する補償器と、
前記周波数指令と前記位相補償量に基づいて前記制御座標軸の位相を演算する位相演算手段と、
前記周波数指令と前記補正後の制御座標軸の位相とに基づいて、前記電力変換手段に出力する電圧指令を演算する電圧指令演算手段と、
を備えた交流回転機の制御装置。
【請求項３】
前記補償器は、さらに前記電圧指令演算手段で演算する前記回転二軸座標上の電圧指令に基づいて負荷角を演算し、前記トルク指令と前記負荷角に基づいて位相補償量を演算する請求項２に記載の交流回転機の制御装置。
【請求項４】
外部から電力指令を受ける交流回転機の制御装置において、
交流回転機へ交流電圧を出力する電力変換手段と、
前記交流回転機に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段が検出する電流を回転二軸座標上の電流へ変換する電流演算手段と、
前記回転二軸座標上の電圧指令と前記回転二軸座標上の電流に基づいて前記交流回転機が出力する出力電力を演算する電力演算手段と、
前記電力指令と前記電力演算手段が演算する前記出力電力との偏差に基づいて周波数指令を演算する周波数指令演算手段と、
前記周波数指令を補正する周波数補償量を前記電力指令に基づいて演算する補償器と、
前記補正後の周波数指令に基づいて前記回転二軸座標上に設定した制御座標軸の位相を演算する位相演算手段と、
前記補正後の周波数指令と前記制御座標軸の位相とに基づいて前記電力変換手段に出力する電圧指令および前記電力演算手段に出力する前記回転二軸座標上の前記電圧指令を演算する電圧指令演算手段と、
を備えた交流回転機の制御装置。
【請求項５】
外部から電力指令を受ける交流回転機の制御装置において、
交流回転機へ交流電圧を出力する電力変換手段と、
前記交流回転機に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段が検出する電流を回転二軸座標上の電流へ変換する電流演算手段と、
前記回転二軸座標上の電圧指令と前記回転二軸座標上の電流に基づいて前記交流回転機が出力する出力電力を演算する電力演算手段と、
前記電力指令と前記電力演算手段が演算する前記出力電力との偏差に基づいて周波数指令を演算する周波数指令演算手段と、
前記回転二軸座標上に設定した制御座標軸の位相を補正する位相補償量を前記電力指令に基づいて演算する補償器と、
前記周波数指令と前記位相補償量に基づいて前記制御座標軸の位相を演算する位相演算手段と、
前記周波数指令と前記補正後の制御座標軸の位相とに基づいて、前記電力変換手段に出力する電圧指令および前記電力演算手段に出力する前記回転二軸座標上の電圧指令を演算する電圧指令演算手段と、
を備えた交流回転機の制御装置。
【請求項６】
前記補償器は、さらに前記電圧指令演算手段で演算する前記回転二軸座標上の電圧指令に基づいて負荷角を演算し、前記電力指令と前記負荷角に基づいて位相補償量を演算する請求項５に記載の交流回転機の制御装置。
【請求項７】
前記電圧指令演算手段で交流回転機の演算回転速度を演算し、前記電力指令と前記電力演算手段が演算する前記出力電力との偏差を前記演算回転速度で除算して、トルク偏差を算出する除算器を追加し、前記周波数指令演算手段は前記トルク偏差に基づいて前記周波数指令を演算する構成とした請求項４ないし６のいずれか１項に記載の交流回転機の制御装置。
【請求項８】
前記回転二軸座標上の電流に基づいて、前記周波数指令演算手段が演算した周波数指令に近接した周波数成分からなる第２周波数補償量を演算する第２補償器を追加し、前記第２周波数補償量に基づいて前記周波数指令を補正する請求項１ないし７のいずれか１項に記載の交流回転機の制御装置。

【図１】