JP3612636B2 - Vector control method for synchronous motor - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同期電動機の制御方法であって、低速域と高速域との間での急激かつ不断の加速減速性能を必要とするサーボへの応用が可能なベクトル制御方法に関するものである。特に、ベクトル制御の確立に、回転子の磁束と同一方向を回転直交座標系の基軸に選定し、かつ、回転子の磁束位置検出器を必要としないベクトル制御方法に関するものである。
【0002】
【従来技術】
同期電動機を低速域と高速域との間で急激かつ不断の加減速性能を必要とするサーボ応用に用いる場合、従来よりこのための制御方法として、同期電動機の状態を回転子磁束に位相差ゼロで同期した回転dq座標系上で捕らえて制御するベクトル制御方法が知られている。
【0003】
図12は、このベクトル制御方法を装置化し、同期電動機に装着した場合の代表例を概略的にブロック図で示したものである。1は同期電動機を、2は回転子の磁極位置検出器を、3は電力変換器を、4は電流検出器を、5a、5bは夫々3相2相変換器、2相3相変換器を、6a、6bは共にベクトル回転器を、7は電流制御器を、8は正弦信号発生器を、示している。図12では、5a、5bから8までの諸機器がベクトル制御装置を構成している。
【0004】
特に、5a、5b、6a、6b、7の3種の機器は、主として、電機子電流を、回転dq座標系上でd軸成分とq軸成分に分割し各々を制御する手段を構成するものである。電流検出器4で検出された3相電流は、3相2相変換器5aで固定ab座標系上の2相電流に変換された後、ベクトル回転器6aでdq座標系の2相電流id,iqに変換され。電流制御器7へ送られる。電流制御器は、変換電流id,iqが、外部から指令された各々の指令値id*,iq*に追随すべくdq座標系上の指令電圧vd*,vq*を生成しベクトル回転器6bへ送る。6bでは、この2相信号を固定ab座標系の2相指令電圧に変換し、2相3相変換器5bへ送る。5bでは、2相信号を3相指令電圧に変換し、電力変換器3への指令値として出力する。電力変換器3は、指令に応じた電力を発生し、同期電動機1へ印加しこれを駆動する。
【0005】
また、正弦信号発生器8は、回転dq座標系の位相決定の手段を構成している。即ち、正弦信号発生器8は、磁極位置検出器2から磁極位置情報が送られると、この信号を用いて複数の正弦信号(cos、sin信号)を生成し、回転dq座標系の位相情報として、ベクトル回転器6a,6bへ向け出力する。同図では、簡明のため、複数の正弦信号を1つの位相ベクトルとして捕らえ、1本の太線で表現している。なお、以下、他の図においても、太線はベクトル信号線を示すものとする。正弦信号の形の位相情報が電力変換器3に通じるベクトル回転器6bに与えられたことより容易に理解されるように、この位相情報は、電源角周波数を決定することになる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のベクトル制御方法においては、同図が明確に示すように、回転dq座標系の位相決定に、回転子の磁極位置情報が不可欠である。このため、アブソリュートエンコーダに代表される磁極位置検出器を中心とした磁極位置検出系を構成しなければならなかった。しかし、磁極位置検出器を含む磁極位置検出系は同期電動機本体に比較すると極めて脆弱であり、同期電動機含む全駆動システムの信頼性を著しく低下させていた。例えば、磁極位置検出器は電動機が受ける衝撃に対し著しく弱く、また、磁極位置検出器の信号は一般に数ボルトであり送信時にはノイズに対する特別の配慮が必要であり、更には、磁極位置検出器の電源線や信号線の安全な配線にも配慮が求められた。また、脆弱な磁極位置検出系が異常を起こした場合の対策も要求された。このような磁極位置検出系の実装はコスト面でも不利であった。加えて、検出器の実装に際しては、電動機の軸方向の寸法が大きくなるなど、電動機の設置においても不利であった。
【0007】
このため、エンコーダ等の磁極位置検出器を用いないで、磁極位置を推定するような方法が研究されてきたが、これらは、基本的に、単一の方法で回転子磁極位置あるいは回転dq軸座標の位相を決定しようとするものであり、これが主原因の1つとなり、検出磁極位置の検出精度、検出範囲、検出安定性等の諸問題の内の幾つかを誘発し、低速域と高速域との間での急激かつ不断の加速減速性能を必要とするサーボへの応用は進んでいない。ベクトル制御は元来急激な加減速を伴うサーボ応用を狙ったものであり、従来より磁極位置検出器の使用に起因する諸問題がベクトル制御の解決すべき課題として残置されてきた。
【0008】
本発明は、以上の背景のもとになされたものであり、その目的は、磁極位置検出器の使用に起因する諸問題を解決すべく、磁極位置検出器を一切必要としないしかも高い加減速性能を発揮し得るベクトル制御方法を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1の発明は、回転子の磁束と同一方向をd軸に選定しこれと直交する軸をq軸に選定する回転dq座標系上で、電機子電流をd軸成分とq軸成分に分割し制御する工程と、回転dq座標系の位相を決定する工程とを有する同期電動機のベクトル制御方法であって、該回転dq座標系の位相を決定する工程において、低周波領域用の位相決定方法と高周波領域用の位相決定方法の2種の位相決定方法を用い、各々位相を生成し、該低周波領域用の位相決定方法で生成された位相と該高周波領域用の位相決定方法で生成された位相とを周波数的に加重平均して、該回転dq座標系の位相とすることを特徴とするものである。
【0010】
請求項2の発明は、請求項1の同期電動機のベクトル制御方法であって、直流ゲインが1の低域通過フィルタF(s)の周波数特性を該低周波領域用の位相決定方法で生成された位相の主たる加重とし、低域遮断フィルタ(1ーF(s))の周波数特性を該高周波領域用の位相決定方法で生成された位相の主たる加重として、該周波数的加重平均を行うことを特徴とするものである。
請求項3の発明は、回転子の磁束と同一方向をd軸に選定しこれと直交する軸をq軸に選定する回転dq座標系上で、電機子電流をd軸成分とq軸成分に分割し制御する工程と、回転dq座標系の位相を決定する工程とを有する同期電動機のベクトル制御方法であって、該回転dq座標系の位相を決定する工程において、電源角周波数と電機子鎖交磁束のd軸成分あるいはその磁束推定近似値で表現されるd磁束値との積と、電機子電圧のq軸成分あるいはその電圧推定近似値から、電機子電流のq軸成分あるいはその電流推定近似値を直列接続された電機子抵抗と電機子インダクタンスに流した際に発生する降下電圧を減じて得られた残電圧値とを、直接的に等しくすべく、該残電圧値と該d磁束値との演算処理により該電源角周波数を決定し、決定した該電源角周波数の積分及び三角関数処理値を該回転dq座標系の位相の低周波領域部分に使用することを特徴とするものである。
【0011】
請求項4の発明は、請求項3の同期電動機のベクトル制御方法であって、該d磁束値に対し正の下限値を設定し、該d磁束値が該下限値より常時大きな値を取るようにしたことを特徴とするするものである。
【0012】
請求項5の発明は、請求項3の同期電動機のベクトル制御方法であって、該残電圧値の生成工程において、低域通過フィルタによるフィルタリング処理を行うことを特徴とするものである。
【0013】
請求項6の発明は、回転子の磁束と同一方向をd軸に選定しこれと直交する軸をq軸に選定する回転dq座標系上で、電機子電流をd軸成分とq軸成分に分割し制御する工程と、回転dq座標系の位相を決定する工程とを有する同期電動機のベクトル制御方法であって、該回転dq座標系の位相を決定する工程において、回転dq座標系の位相決定の基準となる固定ab座標系上で電機子の電圧と電流を表現し、電機子電圧あるいはその推定近似値から、電機子電流あるいはその推定近似値を直列接続された電機子抵抗と電機子インダクタンスに流した際に発生する降下電圧値を減じることにより得られる信号を、F(s)を直流ゲインが1の低域通過フィルタとするとき(1ーF(s))/sと同様の周波数特性をもつフィルタに通して残電圧値を生成し、該残電圧値のa軸成分とb軸成分より該残電圧値の位相を決定し、決定した位相を該回転dq座標系の位相の高周波領域部分に使用することを特徴とするものである。
【0014】
請求項7の発明は、請求項6の同期電動機のベクトル制御方法であって、該残電圧値が高周波領域に属する場合に限り該残電圧値のノルムを新たに同定し、該残電圧値のa軸成分とb軸成分に対しノルムの最新同定値で除算して、該残電圧値の位相を決定することを特徴とするものである。
【0015】
つぎに本発明の作用について説明する。請求項1の本発明によれば、低周波領域の位相決定にはこれに適した低周波領域用の位相決定方法を用いることができ、高周波領域の位相決定にはこれに適した高周波領域用の位相決定方法を用いることができる。しかも、本発明によれば、各々適した方法で決定された2種の位相が周波数的な加重平均により周波数的に連続に結合され得るので、この最終的な位相を回転dq座標系の位相とすることにより、低速域と高速域との間での急激かつ不断の加減速性能を要求するサーボ応用のためのベクトル制御に利用可能な位相を生成できるという作用が得られる。
【0016】
請求項2の本発明によれば、請求項1のベクトル制御方法であって、周波数的な加重平均用の主たる加重として、直流ゲインが1の低域通過フィルタF(s)の周波数特性と低域遮断フィルタ(1ーF(s))の周波数特性を利用するので、2つの位相決定方法で生成された各々の位相を、単にこれらのフィルタでフィルタリング処理するだけで、周波数的な加重を簡単に付加できるという作用が得られる。しかも、フィルタの周波数特性を単に変更するだけで、この周波数的な加重を簡単に変更できるという作用が得られる。例えば、フィルタの遮断特性を極低周波に設定すると、極低周波領域用と低中高周波領域用との2種の加重を簡単に設定することができる。
【0017】
請求項3の本発明によれば、回転子磁束と同一方向をd軸に選定しこれと直交する軸をq軸に選定する回転dq座標系に必要な位相確立のための電源角周波数が、回転子の磁極位置情報を用いることなく、生成されると言う作用が得れることを、先ずノイズ等を含まない正確な信号を用いて説明する。
【0018】
電源角周波数をω1、電機子鎖交磁束のd軸成分をφd、電機子電圧のq軸成分をvq、電機子電流のd軸成分をid、またq軸成分をiqと表現するならば、本発明は、回転子の磁極位置信号を一切含まない次の関係式(1)が成立するように、式(1)の右辺で示される信号を信号φdによる除算等の演算により、直接的に電源角周波数ω1を生成しようとするものである。
【数1】
ここに、ここにRは電機子抵抗を、Lは電機子インダクタンスを、sは微分演算子d/dtを示している。上式右辺第2項の信号は、電機子電流q軸成分を、直列接続された電機子抵抗と電機子インダクタンスに流した際に発生する降下電圧を示しており、また右辺全体の信号は、電機子電圧q軸成分からこの降下電圧を減じて得られた残電圧値を示している。また、このときの電機子鎖交磁束d軸成分φdは、直接検出することなく、電機子電流d軸成分idを用いたつぎの式(2)に従い推定近似しようとするものである。
【数2】
なお、上式におけるΦは、回転子磁束を2軸直交座標系で表現した場合の最大値である。
【0019】
ところで、同期電動機においては、内部状態において、一般に次式(3)に示す関係が成立している。
【数3】
ここに、φmqは回転子磁束φmのq軸成分である。
【0020】
さてここで、本発明の基本を示す式(1)を式(3)に用いると、sφmq=0なる結果が得られる。sφmq=0なる結果は、φmq=一定を意味し、回転子磁束が電源角周波数に同期して回転していることを示している。特に、式(2)に示したように、φdを構成する回転子磁束分としてその最大値Φを利用する場合には、φmq=0が平衡状態の唯一の解となる。φmq=0は、とりもなおさず、回転子の磁束と同一方向をd軸に選定しこれと直交する軸をq軸に選定する回転dq座標系ための位相が確立されることを意味している。以上の説明より明らかなように、請求項3の本発明によれば、本質的に、回転子磁束と同一方向をd軸に選定しこれと直交する軸をq軸に選定する回転dq座標系の位相確立に必要な電源角周波数が、回転子の磁極位置情報を用いることなく、生成されると言う作用が得れる。更に付言するならば、回転子の磁極位置の推定が困難あるいは実質的に不可能な停止あるいは低速回転領域で使用しうる電源角周波数が生成されるという作用が得られる。
【0021】
請求項3の本発明では、電機子電圧のq軸成分、電機子電流のd軸成分、q軸成分がノイズ等の影響により正確な値が入手できない場合には、これらの近似推定値により電源角周波数を生成するようにしている。本発明は、回転dq座標系の位相確立に必要な本質的条件を直接満足させることを電源角周波数の生成原理としているのでいるので、ノイズ等の影響が強い場合にも、上記信号の近似推定値を利用することにより、現実的な電源角周波数を生成できると言う作用が得られる。
【0022】
請求項4の本発明によれば、請求項3の発明におけるベクトル制御方法であって、d磁束値に対し正の下限値を設定し、d磁束値が該下限値より常時大きな値を取るようにするので、電源角周波数の生成を、残電圧値のd磁束値による除算という簡単な演算で実施する場合にも、ゼロあるいは極小値で除算を行うというゼロ割り現象を確実に回避することができるという作用が得られる。
【0023】
請求項5の本発明によれば、請求項3の発明におけるベクトル制御方法であって、残電圧値の生成工程に、低域通過フィルタによるフィルタリング処理を行うので、残電圧値を与える式(1)の右辺が示すように電機子インダクタンスLが関与する電圧生成には純粋微分が要求されるが、この純粋微分を回避することができると言う作用が得られる。ひいては、残電圧値が現実的な信号に対して不必要な過大値を示したり、ノイズ等の外乱に対し不都合な過激反応することを回避することができると言う作用が得られる。
【0024】
請求項6の本発明によれば、回転子磁束と同一方向をd軸に選定しこれと直交する軸をq軸に選定する回転dq座標系に必要な位相が、高周波領域に限定されるが、生成されると言う作用が得れることを、先ずノイズ等を含まない正確な信号を用いて説明する。
【0025】
固定ab座標系上では、電機子電圧、電機子電流、電機子鎖交磁束の回転子磁束分を2次元のベクトル量として夫々v、i、φmと表現するとき、つぎの関係が成立している。
【数4】
【0026】
式(4)の右辺は、電機子電圧から、電機子電流を直列接続された電機子抵抗Rと電機子インダクタンスLに流した際に発生する降下電圧値を減じることにより得られる信号を示している。式(4)で表現した信号に対し、例えば直流ゲインが1の低域通過フィルタF(s)としてα/(s+α)を考え(1ーF(s))/s=1/(s+α)なるフィルタを用意し、フィルタリング処理すると次式(5)に示す信号、すなわち残電圧値が得られる。
【数5】
【0027】
式(5)の左辺が明確に示すように、上式右辺の残電圧値は、結果として回転子磁束φmを低域遮断フィルタs/(s+α)でフィルタリング処理した信号そのものとなっている。このときの回転子磁束φmに関してはつぎの関係式(6)が成立している。
【数6】
【0028】
式(5)、式(6)より明白なように、式(5)右辺の信号を、回転子磁束の最大値Φで除算すれば、回転dq座標系に必要な位相(cosθ,sinθ)が、高周波領域に限定されるが、生成されるという作用が得られる。即ち、高周波領域に限定されるが、磁極位置検出器を用いることなく、電機子の電圧及び電流の情報から回転dq座標系に必要な位相を生成することができるという作用が得られる。
【0029】
請求項6の本発明では、回転子磁束φmに対しては、実質的に、低域遮断フィルタによるフィルタリングと同等な処理を行っているので、本発明の位相生成法によれば、低周波領域のオフセット、ドリフトに頑健であるという作用も得られる。
【0030】
また、請求項6の本発明では、電機子電圧、電機子電流が高周波領域のノイズ等の影響により正確な値が入手できない場合には、これらの近似推定値により回転dq座標系に必要な位相を生成するようにしているので、高周波領域のノイズ等の影響が強い場合にも、上記信号の近似推定値を利用することにより、現実的な位相を生成できると言う作用が得られる。
【0031】
請求項7の本発明によれば、請求項6の発明におけるベクトル制御方法であて、該残電圧値のノルム値を同定するので、回転子磁束の最大値Φが不明の場合にも、同定したノルム値を回転子磁束の最大値Φとして利用することができるので、回転dq座標系の位相を生成できるという作用が得られる。
【0032】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて、本発明の実施形態を詳細に説明する。本発明のベクトル制御方法を適用したベクトル制御装置と同期電動機の1実施形態例の基本的構造を図1に示す。図1における電動機等の1、2、3は、従来のベクトル制御方法を適用した図12と同一である。同図の12は、回転dq座標系上で、電機子電流をd軸成分とq軸成分に分割し制御する工程を司るベクトルコントローラの基本部であり、これも従来のベクトル制御方法による場合と同様である。図1では、同期電動機に磁極位置検出器は装着されておらず、これに代わって、回転dq座標系の位相を決定する工程を司る機器として、低周波領域位相生成器9、高周波領域位相生成器10及び位相合成器11が新たに用意されている。低周波位相生成器では、回転dq座標系の位相の低周波領域部分を生成している。一方、高周波領域位相生成器は、回転dq座標系の位相の高周波領域部分を生成している。位相合成器は、これらの2種の位相を合成して、最終的な位相(cosθf,sinθf)を生成し、ベクトルコントローラ基本部12へ詳細にはベクトルコントローラ基本部内のベクトル回転器6a、6bへ出力している。このときの2種の位相の合成は、以下詳しく説明するように、周波数的加重平均により実行している。
【0033】
図2は、図1における低周波領域位相生成器9、高周波領域位相生成器10、位相合成器11とベクトルコントローラ基本部12との関係の詳細を示したものである。本実施形態例では、低周波領域位相生成器9には、電機子電流のd軸成分id、q軸成分iq、及び電機子電圧q軸成分の近似推定値としてその指令値vq*が、入力されている。また、高周波領域位相生成器10には、電機子電流のa,b軸成分及び電機子電圧の近似推定値としてその指令値v*のa、b軸成分が、入力されている。
【0034】
図3は、低周波領域位相生成器9の内部を示したものである。9aは電源角周波数生成器を、9bは積分器を、9cは正弦信号発生器を、9dは直流ゲインが1の2個の低域通過フィルタF(s)を示している。電源角周波数生成器で電源角周波数ω1を生成すると、これは積分器にて積分処理され電源角θ1として出力される。電源角は正弦信号発生器にて複数の正弦信号(cosθ1、sinθ1)に変換される。この複数の正弦信号は、直流ゲインが1の2個の低域通過フィルタ9dに各々入力される。低域通過フィルタ9dの役割は、正弦信号(cosθ1、sinθ1)に、フィルタF(s)の周波数特性に応じた、低周波を中心とした周波数的な加重を付加することにある。こうして、低域通過フィルタ9dから低周波領域用の位相情報が最終的に出力される。直流ゲインが1の低域通過フィルタF(s)として、例えば簡単な1次フィルタ(α/(s+α))を2個用意するならば(図3の9の出力はこの例を示している)、つぎの信号が、低周波領域用の位相情報として出力される。
【数7】
【0035】
図4は、電源角周波数生成器9aの内部の構成を示したものである。同図の9aaは、電機子電圧q軸成分指令値から電機子電流のq軸成分を直列接続された電機子抵抗と電機子インダクタンスに流した際に発生する降下電圧を減じた残電圧値を生成する残電圧生成部である。9abは、電機子電流d軸成分idと回転子磁束の最大値とから電機子鎖交磁束d軸成分の磁束推定近似値を生成するd磁束生成部であり、9acは、d磁束生成部の出力信号と電源角周波数との積が上記残電圧生成部の出力信号と直接的に等しくなるように電源角周波数を決定する電源角周波数演算部である。
【0036】
図5は、残電圧値生成部9aaの1実施形態例を示したものである。図5の例では、低域通過フィルタf/(s+f)によるフィルタリング処理を実施している点に特徴がある。残電圧生成部の構成は、基本的には式(1)の右辺に従っており、この右辺が示すように電機子インダクタンスLが関与する電圧生成には理想的状況では純粋微分が要求されるが、図5の例は、低域通過フィルタf/(s+f)によりこの純粋微分を回避していることを、明確に示している。
【0037】
図6は、d磁束生成部の1実施形態例の詳細を示したものである。d磁束生成部は、基本的は式(2)に示した信号処理を行い、d磁束値をその出力信号としている。この例では、理解を容易にするため、機能別に構成を分けた3段構成で、d磁束生成部を構成している。d磁束生成部第1段は基本部9abaであり、式(2)に示した関係を忠実に具現化したものである。d磁束生成部第2段9abbはバランス部であり、前述の残電圧生成部の出力信号に対しゲインと位相のバランスを保つことを目的に用意されている。したがって、この1例では、簡単には、残電圧生成部に導入した低域通過フィルタf/(s+f)と同一のものを設置すればよい。d磁束生成部第3段はリミッタ部9abcであり、これにより、d磁束生成部の最終的な出力信号であるd磁束値が予め設定した正の下限値より、常時大きな値を取ることができる。
【0038】
電源角周波数演算部9acの働きは、d磁束生成部の出力信号と電源角周波数との積が該残電圧生成部の出力信号と直接的に等しくなるように電源角周波数を決定することにあるが、本例では、残電圧生成部の出力信号をd磁束生成部の出力信号により除算すると言う最も簡単な決定法を利用している。除算による場合にも、前述のd磁束生成部においてd磁束値が予め設定した下限値より常時大きな値を取るようにしているので、ゼロあるいは極小値で除算を行うというゼロ割り現象を確実に回避することができる。
【0039】
つぎに、高周波領域位相生成器10の1実施形態について説明する。図7は、高周波領域位相生成器10の本実施形態での詳細を示したものである。この高周波領域位相生成器内では、簡明のため、作用の説明で使用したフィルタを用い、式(4)、(5)、(6)に準じた処理を実施する例を示した。また、本実施形態では、固定ab座標系の電機子電圧指令値v*と電機子電流情報iがベクトル信号として入力され、それぞれa軸成分、b軸成分の信号としてまとめられ、例えばa軸成分の信号に関しては、まず次式に示した処理がフィルタ部10aで実施される。
【数8】
図8はフィルタ部10aにおけるフィルタリング処理のための具体的なフィルタの1実現例をブロックで示したものであり、このフィルタの出力信号が、残電圧値となる。式(8)および図8より明白なように、この処理は、電機子電圧の推定近似値の1つである電機子電圧指令値から、電機子電流を直列接続された電機子抵抗と電機子インダクタンスに流した際に発生する降下電圧値を減じることにより得られる信号を、直流ゲインが1の低域通過フィルタF(s)=α/(s+α)と(1ーF(s))/sなる関係をもつフィルタ(1/(s+α))に通して残電圧値を生成している。
a軸成分を例に残電圧値生成の説明したが、フィルタ部10bによるb軸成分の残電圧値生成はa軸成分の場合と同一であるので、説明は省略する。
【0040】
a軸成分、b軸成分の両成分について残電圧値が生成されたならば、図7に示すように、この両信号に対し、演算部10cにおいて回転子磁束の最大値Φで単に除算することにより、該残電圧値の位相を決定する。こうして決定された残電圧値の位相は、図7及び次式(9)に示すように、既に式(7)に双対の周波数的加重を付与したものとなっている。
【数9】
低周波遮断の周波数特性を加重として付与されたこの位相が、回転dq座標系の位相の高周波領域部分として使用される。
【0041】
位相合成器11には、低周波領域位相生成器9によって生成された位相(式(7)参照)が、また高周波領域位相生成器10によって生成された位相(式(9)参照)が、入力されている。位相合成器の入力信号は既に周波数的な加重が付与されているので、位相合成器では、次式が示すように、これらの入力信号を各成分ごとに単純に加算することにより平均化し、回転dq座標系の最終的な位相ベクトル[cosθf,sinθf]を生成し、これをベクトル回転器6a,6bに出力している。
【数10】
【0042】
図9は、本発明を用いた上記実施形態のベクトル制御装置により、同期電動機を駆動制御した場合の実験結果の1例を示したものである。左上が電機子電流q軸成分の指令値を、右上が生成された回転dq座標系用の最終的位相ベクトルの1つであるcosθfを、左下が発生トルクを、右下が回転子の速度を、各々5秒間表示している。実験結果は、α=20と設計した1例であるが、力行・回生性能、1300(r/m)の正転逆転を1.5秒という加減速性能、正確なトルク発生性能と言ったサーボの重要性能を示しており、これから容易に理解されるように、優れたサーボ性能が得られている。
【0043】
以上、1実施形態を説明したが、上記の例に代わって、以下に示すような実施形態も可能であることを、低周波領域位相生成器9、高周波領域位相生成器10、位相合成器11に分けて、指摘しておく。
【0044】
低周波領域位相生成器9に関しては、第1に、電源角周波数生成器9aに使用する電流信号として上の例では電機子電流のd軸成分id及びq軸成分iqを用いたが、この近似推定値の1つとしてこれらの電流指令を用いてもよく、また、電機子電圧q軸成分の信号として上の例ではその指令値vq*を用いたが、当然のことながら、電圧の実測値あるいはこの他の推定近似値を用いてよいことを指摘しておく。
【0045】
また、残電圧生成部9aaに使用したフィルタの次数は1次である必要はなく、2次、3次の高次であってよい。また、このフィルタの第1義的目的は、純粋微分の回避であるので、これが回避できる他の方法・手段によっても差し支えないことを指摘しておく。
【0046】
d磁束生成部9abに関しては、第1、2、3段に分けて構成する1例を示したが、第1段と第2段は順序を入れ替えることが可能である。また、d磁束生成部を第1、2、3段のように分けることなく、一体的に構成するこも可能であることを指摘しておく。また、d磁束生成部内のバランス部は、残電圧生成部で使用したフィルタに対し、両生成部出力信号間のゲインと位相を保つために導入されたものであり、この帯域が十分広い場合、あるいは電機子電流d軸成分の指令値id*が常時一定の場合には、省略可能であることも指摘しておく。当然のことながら、残電圧生成部でフィルタを使用しない場合には、バランス部は必要ない。同期電動機のベクトル制御では、電機子電流d軸成分の指令値id*を常時ゼロに設定する場合が多いが、この場合には、d磁束生成部の出力信号は、回転子磁束の最大値Φそのものであり、回転子磁束の最大値Φが既知であればバランス部もリミッタ部も不要で、極めて簡単にd磁束生成部を構成することができる。
【0047】
回転子磁束の最大値Φが未知の場合には、これを何等かの方法で同定し、d磁束生成部9abではこの同定値を回転子磁束の最大値Φに代わって使用すればよい。回転子磁束の最大値Φの同定方法の1例に関しては、図10、11に関連して、後に詳しく説明する。
【0048】
残電圧生成部9aaの出力信号に対し、スケーリング処理を実施する場合には、d磁束生成部9abの出力信号に対しても、同様なスケーリング処理が当然必要であることを指摘しておく。
【0049】
電源角周波数演算部9acにおける演算処理に関して、除算による方法を上に例示したが、除算を一切使用しない繰り返し的方法で電源角周波数を決定できることを指摘しておく。
【0050】
低周波領域位相生成器9内の低域通過フィルタ9dは、直流ゲインが1で、かつ高周波領域位相生成器10内のフィルタと周波数加重としての周波数特性に関して合致していれば、上の示した実施形態例のように1次フィルタに限定する必要はない。2次、3次のフィルタを利用してよいことを指摘しておく。
【0051】
d軸インダクタンスLdとq軸インダクタンスLqが異なる突極性を有する同期電動機に対しては、これまで説明における電機子電流のd軸成分に関連したインダクタンスLをLdに、電機子電流のq軸成分に関連したインダクタンスLをLqに置換すれば、これまでの説明してきた方法がそのまま成立することを指摘しておく。
【0052】
つぎに、高周波領域位相生成器10に関する他の実施形態について指摘しておく。高周波領域位相生成器10で使用するフィルタとしては、F(s)を直流ゲインが1の低域通過フィルタとするとき(1ーF(s))/sと同様の周波数特性をもつフィルタであればよく、正確に(1ーF(s))/sである必要はない。F(s)に比較し十分に通過帯域が広くかつ直流ゲインが1の低域通過フィルタをG(s)とするとき、高周波領域位相生成器10で使用するフィルタとしてG(s)(1ーF(s))/sを用いてよいことを指摘しておく。
【0053】
高周波領域位相生成器10では、回転子磁束の最大値Φが未知の場合には、これを同定し、所要の高周波領域の位相を出力することが可能であることを指摘しておく。図10は、この1実施形態をブロック図で示したものである。図10と図9の違いは、新たにノルム同定器10dが付加されている点にある。図11は、このノルム同定器10dの同定処理の内容を流れ図で示したものである。起動前にすなわちステップs1で先ずノルムの同定初期値を可能な限り適切に与えておく。起動後、ステップs2で10a、10bから残電圧値のa軸成分、b軸成分を取得する。シテップs3でこの取得信号の周波数を検査する。つぎのステップs4で検査した周波数が高周波領域に属するか否かを判定する。このときの高周波領域とは、高周波位相生成器が位相生成を担う周波数領域である。周波数が高周波領域に問題なく属すると判定された場合に限りつぎのステップs5へ進み、取得信号からノルム値を新たに計算し、これを用いて旧ノルム値を更新する。更新された最新のノルム同定値がつぎのステップs6で演算部10cへ向け出力される。ステップs4で周波数が高周波領域に問題なく属さないと判定された場合には、旧ノルム値の更新は行われず、ステップs6では、最新のノルム同定値として、旧ノルム値がそのまま出力される。以下、ステップs2に戻り、同様な処理が繰り返される。図10に示すように、演算部10cでは、最新の同定値をノルム同定器10dより受け取ると、これを用いて残電圧値のa軸成分、b軸成分を除算して、該残電圧値の位相を決定する。この残電圧値の位相は、これまでの説明で明白なように、回転dq座標系の位相の高周波領域部分として使用される。
【0054】
本高周波領域位相生成器に図3ー6に示した低周波領域位相生成器を併用する実施形態では、ステップs3における周波素の領域判定に使用する周波数は、図3の電源角周波数生成器9aの出力信号ω1を利用すればよい。また、本高周波領域位相生成器で同定したノルム値は、電源角周波数生成器9a内のd磁束生成部9abで必要とされる回転子磁束の最大値Φが未知の場合には、この同定値として利用することができる。
【0055】
図2を用いて説明した実施形態では、低周波領域用の位相決定方法を装置化した低周波領域位相生成器9として、図3ー6に示したものを使用した。また、高周波領域用の位相決定方法を装置化した高周波領域位相生成器10として、図7、8、10に示したものを使用した。本発明の基本構成を示した図1においては、低周波領域位相生成器9、高周波領域位相生成器10としてはこれら2個の位相生成器いずれか1つまたは全部を、他のものと置換してよいことを指摘しておく。
【0056】
図2を用いて説明した実施形態では、低周波領域位相生成器9、高周波領域位相生成器10の内部で位相に周波数的加重を付加した。このため、位相合成器では、単に2種の加重付き位相を加算すれば、加重平均を実施できた。例示した実施形態以外の低周波領域位相生成器あるいは高周波領域位相生成器による場合には、位相合成器内で周波数加重を実施し、加重平均する方が合理的であり得る可能性があることを指摘しておく。
【0057】
以上説明した低周波領域位相生成器9、高周波領域位相生成器10、位相合成器11の実現は、連続時間的な実現と同様に、離散時間的実現も可能であることを指摘しておく。離散時間的実現に際しては、z演算子による離散時間表現が必要であるが、これには、例えば簡単には、これまでの説明で使用したs演算子をオイラー近似、台形近似等を用いてz演算子の表現に置換すればよい。離散時間的実現に際しては、ハードウェアー的実現のみならず、ソフトウェアー的実現も、当然ながら、可能であることを指摘しておく。特に、本発明の実行に要する演算量は、最近のマイクロプロセッサ等の演算素子によれば、何等の問題なくソフトウェアー的実現を達成することができる。
【0058】
【発明の効果】
低速域と高速域との間での急激かつ不断の加速減速性能を必要とする同期電動機のベクトル制御方法においては、回転dq座標系の位相の決定は不可欠であり、従来よりこれに関連して回転子の磁極位置検出器が使用されており、この使用に起因する種々の問題が不可避的に残置されてきた。しかし、以上の説明より明白なように、本発明によれば、磁極位置検出器を一切必要としない、かつ低速域と高速域との間での急激かつ不断の加速減速性能を達成できるベクトル制御方法を実現できるので、従来の方法が不可避的に内臓していた磁極位置検出器に起因する種々の問題を解決でき、本発明の目的を十分に達成し得る優れた効果が得られる。
【0059】
特に、請求項1の本発明によれば、回転子の磁極位置検出器を用いない場合にも、低速域と高速域との間での急激かつ不断の加速減速性能を必要とするサーボ性能を発揮し得るベクトル制御に必要な回転dq座標系の位相を生成できるので、この結果、回転子の磁極位置検出器を用いることなく、サーボ応用に必要な低速域と高速域との間での急激かつ不断の加速減速性能を発揮し得るベクトル制御を実現できるという効果が得られる。
【0060】
特に、請求項2の本発明によれば、位相信号にフィルタリング処理を施すという簡単処理で位相信号に周波数的な加重を付加できるので、周波数的な加重平均を通じて最終位相を生成する請求項1のベクトル制御方法を簡単に実現できるという効果が得られる。
【0061】
特に、請求項3の本発明によれば、回転dq座標系の位相確立に必要な電源角周波数が、回転子の磁極位置の推定が困難あるいは実質的に不可能な停止あるいは低速回転領域で使用しうる電源角周波数が生成されるという作用が得られるので、この作用の結果、磁極検出器を一切用いない低周波領域用のベクトル制御方法を実現できるという効果が得られる。
【0062】
特に、請求項4の本発明によれば、電源角周波数の生成を、残電圧値にd磁束値による除算という簡単な演算で実施する場合にも、ゼロあるいは極小値で除算を行うというゼロ割り現象を確実に回避することができるという作用が得られるので、この結果、請求項3のベクトル制御方法を簡単に実現できるようになるという効果が得られる。
【0063】
特に請求項5の本発明によれば、残電圧値の生成工程において、純粋微分を回避することができると言う作用が、ひいては、残電圧値が現実的な信号に対して不必要な過大値を示したり、ノイズ等の外乱に対し不都合な過激反応することを回避することができると言う作用が得られるので、この結果、請求項3のベクトル制御方法の実現に、ノイズ等の外乱に対しロバスト性を付与できると言う効果が得られる。
【0064】
特に、請求項6の本発明によれば、回転子の磁極位置検出器を用いない場合にも、回転dq座標系に必要な位相が、高周波領域に限定されるが、生成されると言う作用が得れるので、この結果、回転子検出器を一切用いないで高周波領域用のベクトル制御方法を実現できるという効果が得られる。
【0065】
特に、請求項7の本発明によれば、回転子磁束の最大値Φを正の有意の値で近似同定できるので、回転子磁束の最大値Φが不明の場合にも、請求項6のベクトル制御方法を実現できるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】1実施形態に係わるベクトル制御装置の基本構成を示すブロック図
【図2】1実施形態に係わるベクトル制御装置の概略構成を示すブロック図
【図3】同ベクトル制御装置の低周波領域位相生成器内部の概略構成を示すブロック図
【図4】同低周波領域位相生成器内部の電源角周波数生成器の概略構成を示すブロック図
【図5】同電源角周波数生成器を構成する残電圧生成部の概略構成を示すブロック図
【図6】同電源角周波数生成器を構成するd磁束生成部の概略構成を示すブロック図
【図7】図2における高周波領域位相生成器の概略構成を示すブロック図
【図8】同高周波領域位相生成器内部のフィルタ部の構成を示すブロック図
【図9】実施形態に係わる実験結果の1例
【図10】図2における高周波領域位相生成器の他の実施形態による概略構成を示すブロック図
【図11】同高周波領域位相生成器内のノルム同定部における処理内容を示す流れ図
【図12】従来のベクトル制御装置の概略構成を示すブロック図
【符号の説明】
1 同期電動機
2 磁極位置検出器
3 電力変換器
4 電流検出器
5a 3相2相変換器
5b 2相3相変換器
6a ベクトル回転器
6b ベクトル回転器
7 電流制御器
8 正弦信号発生器
9 低周波領域位相生成器
9a 電源角周波数生成器
9aa 残電圧生成部
9ab d磁束生成部
9aba 基本部
9abb バランス部
9abc リミッタ部
9ac 電源角周波数演算部
9b 積分器
9c 正弦信号発生器
9d 低域通過フィルタ
10 高周波領域位相生成器
10a フィルタ部
10b フィルタ部
10c 演算部
10d ノルム同定部
11 位相合成器
12 ベクトルコントローラ基本部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for controlling a synchronous motor, and relates to a vector control method that can be applied to a servo that requires rapid and constant acceleration / deceleration performance between a low speed range and a high speed range. In particular, the present invention relates to a vector control method in which the same direction as the magnetic flux of the rotor is selected as the base axis of the rotation orthogonal coordinate system and the rotor magnetic flux position detector is not required for establishing the vector control.
[0002]
[Prior art]
When using a synchronous motor in a servo application that requires rapid and constant acceleration / deceleration performance between a low speed range and a high speed range, as a control method for this purpose, the state of the synchronous motor is changed to zero in the rotor flux. There is known a vector control method for capturing and controlling on a rotating dq coordinate system synchronized with.
[0003]
FIG. 12 is a block diagram schematically showing a representative example when this vector control method is implemented as an apparatus and mounted on a synchronous motor. 1 is a synchronous motor, 2 is a rotor magnetic pole position detector, 3 is a power converter, 4 is a current detector, 5a and 5b are a 3-phase 2-phase converter and a 2-phase 3-phase converter, respectively. 6a and 6b are vector rotators, 7 is a current controller, and 8 is a sine signal generator. In FIG. 12, various devices from 5a, 5b to 8 constitute a vector control device.
[0004]
In particular, the three types of
[0005]
The
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the above conventional vector control method, as clearly shown in the figure, the magnetic pole position information of the rotor is indispensable for determining the phase of the rotating dq coordinate system. For this reason, a magnetic pole position detection system centered on a magnetic pole position detector represented by an absolute encoder must be constructed. However, the magnetic pole position detection system including the magnetic pole position detector is extremely fragile as compared with the synchronous motor main body, and the reliability of the entire drive system including the synchronous motor is remarkably lowered. For example, the magnetic pole position detector is extremely weak against the impact received by the motor, and the signal of the magnetic pole position detector is generally a few volts, and special consideration must be given to noise during transmission. Consideration was also required for safe wiring of power lines and signal lines. In addition, countermeasures are required when a weak magnetic pole position detection system is abnormal. The implementation of such a magnetic pole position detection system is disadvantageous in terms of cost. In addition, when the detector is mounted, the axial dimension of the motor is increased, which is disadvantageous in the installation of the motor.
[0007]
For this reason, methods for estimating the magnetic pole position without using a magnetic pole position detector such as an encoder have been studied. However, these methods basically use a single method for the rotor magnetic pole position or the rotating dq axis. This is to determine the phase of the coordinates, and this is one of the main causes, inducing several of the problems such as detection magnetic pole position detection accuracy, detection range, detection stability, low speed range and high speed Applications to servos that require rapid and constant acceleration / deceleration performance with the region are not progressing. Vector control is originally intended for servo applications with rapid acceleration / deceleration, and various problems resulting from the use of the magnetic pole position detector have been left as problems to be solved by vector control.
[0008]
The present invention has been made based on the background described above, and its object is to solve the problems caused by the use of the magnetic pole position detector, without requiring any magnetic pole position detector, and to achieve high acceleration / deceleration. An object of the present invention is to provide a vector control method capable of exhibiting performance.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention according to
[0010]
The invention according to
In the invention of
[0011]
The invention according to
[0012]
A fifth aspect of the present invention is the vector control method for a synchronous motor according to the third aspect, wherein a filtering process using a low-pass filter is performed in the step of generating the residual voltage value.
[0013]
According to the sixth aspect of the present invention, the armature current is converted into the d-axis component and the q-axis component on the rotating dq coordinate system in which the same direction as the magnetic flux of the rotor is selected as the d-axis and the orthogonal axis is selected as the q-axis. A vector control method for a synchronous motor having a step of dividing and controlling, and a step of determining a phase of a rotating dq coordinate system, wherein the phase of the rotating dq coordinate system is determined in the step of determining the phase of the rotating dq coordinate system. The armature voltage and current are expressed on a fixed ab coordinate system as a reference of the armature, and the armature current and the estimated approximate value thereof are connected in series from the armature voltage or the estimated approximate value thereof. When the signal obtained by reducing the drop voltage value generated when the signal is passed through is a low-pass filter with a DC gain of 1 (1−F (s)) / s, the same frequency as F (s) Pass through a filter with characteristics A pressure value is generated, a phase of the residual voltage value is determined from an a-axis component and a b-axis component of the residual voltage value, and the determined phase is used for a high frequency region portion of the phase of the rotating dq coordinate system. It is what.
[0014]
The invention according to claim 7 is the vector control method for a synchronous motor according to claim 6, wherein the norm of the residual voltage value is newly identified only when the residual voltage value belongs to a high frequency region, and the residual voltage value The phase of the residual voltage value is determined by dividing the a-axis component and the b-axis component by the latest identification value of the norm.
[0015]
Next, the operation of the present invention will be described. According to the present invention of
[0016]
According to the second aspect of the present invention, in the vector control method according to the first aspect, the frequency characteristic of the low-pass filter F (s) having a DC gain of 1 and low frequency can be used as a main weight for frequency weighted averaging. Since the frequency characteristics of the band cut-off filter (1-F (s)) are used, the frequency weighting can be simplified by simply filtering each phase generated by the two phase determination methods with these filters. The effect that it can be added is obtained. In addition, the frequency weighting can be easily changed by simply changing the frequency characteristics of the filter. For example, when the cutoff characteristic of the filter is set to an extremely low frequency, two types of weights for the extremely low frequency region and the low, medium, and high frequency regions can be easily set.
[0017]
According to the third aspect of the present invention, the power supply angular frequency for establishing the phase necessary for the rotating dq coordinate system in which the same direction as the rotor magnetic flux is selected as the d axis and the axis orthogonal thereto is selected as the q axis is: The fact that the action of being generated without using the magnetic pole position information of the rotor can be obtained will be described first using an accurate signal that does not include noise or the like.
[0018]
If the power supply angular frequency is expressed as ω1, the d-axis component of the armature flux linkage as φd, the q-axis component of the armature voltage as vq, the d-axis component of the armature current as id, and the q-axis component as iq, In the present invention, the signal represented by the right side of the equation (1) is directly calculated by an operation such as division by the signal φd so that the following relational expression (1) including no rotor magnetic pole position signal is satisfied. The power source angular frequency ω1 is to be generated.
[Expression 1]
Here, R represents an armature resistance, L represents an armature inductance, and s represents a differential operator d / dt. The signal in the second term on the right side of the above equation indicates the voltage drop that occurs when the armature current q-axis component is passed through the armature resistor and the armature inductance connected in series, and the signal on the entire right side is: The residual voltage value obtained by subtracting this drop voltage from the armature voltage q-axis component is shown. Further, the armature flux linkage d-axis component φd at this time is to be estimated and approximated according to the following equation (2) using the armature current d-axis component id without being directly detected.
[Expression 2]
In the above equation, Φ is the maximum value when the rotor magnetic flux is expressed in a biaxial orthogonal coordinate system.
[0019]
By the way, in the synchronous motor, the relationship represented by the following equation (3) is generally established in the internal state.
[Equation 3]
Here, φmq is a q-axis component of the rotor magnetic flux φm.
[0020]
Here, when Expression (1) indicating the basis of the present invention is used for Expression (3), a result of sφmq = 0 is obtained. The result of sφmq = 0 means that φmq = constant, and indicates that the rotor magnetic flux rotates in synchronization with the power supply angular frequency. In particular, as shown in Equation (2), when the maximum value Φ is used as the rotor magnetic flux component constituting φd, φmq = 0 is the only solution in the equilibrium state. φmq = 0 means that, for the time being, the phase for the rotating dq coordinate system is established in which the same direction as the magnetic flux of the rotor is selected as the d axis and the axis orthogonal to this is selected as the q axis. Yes. As is apparent from the above description, according to the present invention of
[0021]
According to the third aspect of the present invention, when accurate values of the q-axis component of the armature voltage, the d-axis component of the armature current, and the q-axis component cannot be obtained due to the influence of noise or the like, An angular frequency is generated. Since the present invention uses the generation principle of the power supply angular frequency to directly satisfy the essential condition necessary for establishing the phase of the rotating dq coordinate system, even if the influence of noise or the like is strong, the approximate estimation of the signal is performed. By using the value, an effect that a realistic power angular frequency can be generated is obtained.
[0022]
According to the fourth aspect of the present invention, in the vector control method according to the third aspect of the invention, a positive lower limit value is set for the d magnetic flux value so that the d magnetic flux value is always larger than the lower limit value. Therefore, even when the generation of the power supply angular frequency is performed by a simple calculation such as division of the residual voltage value by the d magnetic flux value, it is possible to reliably avoid the zero division phenomenon of dividing by zero or the minimum value. The effect that it can be obtained.
[0023]
According to the fifth aspect of the present invention, in the vector control method according to the third aspect of the present invention, since the filtering process using the low-pass filter is performed in the residual voltage value generation step, the equation (1) As shown on the right side of (), a pure differentiation is required for the voltage generation involving the armature inductance L, and an effect that this pure differentiation can be avoided is obtained. As a result, it is possible to avoid an unnecessary excessive reaction with respect to a disturbance such as noise or a residual voltage value indicating an unnecessary excessive value with respect to a realistic signal.
[0024]
According to the present invention of claim 6, the phase required for the rotating dq coordinate system in which the same direction as the rotor magnetic flux is selected as the d-axis and the axis orthogonal thereto is selected as the q-axis is limited to the high frequency region. The fact that the action of being generated can be obtained will be described first using an accurate signal that does not include noise or the like.
[0025]
On the fixed ab coordinate system, when the armature voltage, the armature current, and the rotor flux component of the armature linkage flux are expressed as two-dimensional vector quantities as v, i, and φm, respectively, the following relations are established. Yes.
[Expression 4]
[0026]
The right side of equation (4) shows a signal obtained by subtracting the voltage drop generated when the armature current is passed through the armature resistor R and the armature inductance L connected in series from the armature voltage. Yes. For the signal expressed by Equation (4), for example, α / (s + α) is considered as a low-pass filter F (s) having a DC gain of 1 (1−F (s)) / s = 1 / (s + α). When a filter is prepared and subjected to filtering processing, a signal represented by the following equation (5), that is, a residual voltage value is obtained.
[Equation 5]
[0027]
As clearly shown on the left side of Equation (5), the residual voltage value on the right side of the above equation is the signal itself obtained by filtering the rotor magnetic flux φm with the low-frequency cutoff filter s / (s + α). With respect to the rotor magnetic flux φm at this time, the following relational expression (6) is established.
[Formula 6]
[0028]
As is clear from the equations (5) and (6), if the signal on the right side of the equation (5) is divided by the maximum value Φ of the rotor magnetic flux, the phase (cos θ, sin θ) required for the rotating dq coordinate system is obtained. Although it is limited to the high frequency region, the effect of being generated can be obtained. That is, although it is limited to a high frequency region, an effect is obtained that a phase necessary for the rotating dq coordinate system can be generated from information on the voltage and current of the armature without using a magnetic pole position detector.
[0029]
In the present invention of claim 6, since the rotor magnetic flux φm is processed substantially equivalent to the filtering by the low-frequency cutoff filter, according to the phase generation method of the present invention, the low-frequency region It is also possible to obtain an effect that is robust against offset and drift.
[0030]
Further, in the present invention of claim 6, when the armature voltage and the armature current cannot obtain accurate values due to the influence of noise in the high frequency region, the phase necessary for the rotating dq coordinate system is calculated based on these approximate estimates. Therefore, even when the influence of high-frequency noise or the like is strong, an effect that a realistic phase can be generated by using the approximate estimated value of the signal can be obtained.
[0031]
According to the present invention of claim 7, in the vector control method of the invention of claim 6, the norm value of the residual voltage value is identified, so that the identification is performed even when the maximum value Φ of the rotor magnetic flux is unknown. Since the norm value can be used as the maximum value Φ of the rotor magnetic flux, there is an effect that the phase of the rotating dq coordinate system can be generated.
[0032]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows the basic structure of an embodiment of a vector control apparatus and a synchronous motor to which the vector control method of the present invention is applied. 1, 2 and 3 of the electric motor etc. in FIG. 1 are the same as FIG. 12 which applied the conventional vector control method. 12 in the figure is a basic part of a vector controller that controls the process of dividing the armature current into the d-axis component and the q-axis component on the rotating dq coordinate system. This is also the case with the conventional vector control method. It is the same. In FIG. 1, the magnetic pole position detector is not mounted on the synchronous motor. Instead, the low frequency
[0033]
FIG. 2 shows details of the relationship between the low frequency
[0034]
FIG. 3 shows the inside of the low frequency
[Expression 7]
[0035]
FIG. 4 shows the internal configuration of the power supply
[0036]
FIG. 5 shows an embodiment of the remaining voltage value generation unit 9aa. The example of FIG. 5 is characterized in that a filtering process using a low-pass filter f / (s + f) is performed. The configuration of the residual voltage generation unit basically follows the right side of Equation (1), and as shown on the right side, the voltage generation involving the armature inductance L requires a pure differentiation in an ideal situation. The example of FIG. 5 clearly shows that this pure differentiation is avoided by the low-pass filter f / (s + f).
[0037]
FIG. 6 shows details of one embodiment of the d magnetic flux generator. The d magnetic flux generator basically performs the signal processing shown in Equation (2), and uses the d magnetic flux value as its output signal. In this example, in order to facilitate understanding, the d magnetic flux generation unit is configured in a three-stage configuration in which the configuration is divided according to function. The first stage of the d magnetic flux generation unit is a basic unit 9aba, which faithfully embodies the relationship shown in Expression (2). The d magnetic flux generation unit second stage 9abb is a balance unit, and is prepared for the purpose of maintaining a balance between gain and phase with respect to the output signal of the residual voltage generation unit. Therefore, in this example, the same filter as the low-pass filter f / (s + f) introduced into the residual voltage generation unit may be simply installed. The third stage of the d magnetic flux generation unit is a limiter unit 9abc, which allows the d magnetic flux value, which is the final output signal of the d magnetic flux generation unit, to always take a value larger than a preset positive lower limit value. .
[0038]
The function of the power supply angular frequency calculation unit 9ac is to determine the power supply angular frequency so that the product of the output signal of the d magnetic flux generation unit and the power supply angular frequency is directly equal to the output signal of the residual voltage generation unit. However, in this example, the simplest determination method of dividing the output signal of the residual voltage generation unit by the output signal of the d magnetic flux generation unit is used. Even in the case of division, since the d magnetic flux value is always larger than the preset lower limit value in the above-described d magnetic flux generation section, the zero division phenomenon of dividing by zero or a minimum value is surely avoided. can do.
[0039]
Next, an embodiment of the high frequency
[Equation 8]
FIG. 8 is a block diagram showing a specific implementation example of a filter for filtering processing in the
Although the residual voltage value generation has been described by taking the a-axis component as an example, the generation of the residual voltage value of the b-axis component by the
[0040]
If the residual voltage values are generated for both the a-axis component and the b-axis component, as shown in FIG. 7, the two signals are simply divided by the maximum value Φ of the rotor magnetic flux in the
[Equation 9]
This phase provided with the frequency characteristic of the low frequency cutoff as a weight is used as a high frequency region portion of the phase of the rotating dq coordinate system.
[0041]
The
[Expression 10]
[0042]
FIG. 9 shows an example of an experimental result when the synchronous motor is driven and controlled by the vector control apparatus of the above embodiment using the present invention. The upper left is the command value of the armature current q-axis component, the upper right is cos θf, which is one of the final phase vectors for the generated rotation dq coordinate system, the lower left is the generated torque, and the lower right is the rotor speed. Each is displayed for 5 seconds. The result of the experiment is an example designed with α = 20, but the power running / regenerative performance, 1300 (r / m) forward / reverse rotation 1.5 seconds acceleration / deceleration performance, accurate torque generation servo As can be easily understood, excellent servo performance is obtained.
[0043]
In the above, one embodiment has been described. However, in place of the above example, the following embodiments are also possible. The low frequency
[0044]
Regarding the low frequency
[0045]
Further, the order of the filter used in the residual voltage generation unit 9aa need not be the first order, and may be the second order or the third order higher order. Also, it should be pointed out that the primary purpose of this filter is to avoid pure differentiation, so that other methods and means that can avoid this may be used.
[0046]
As for the d magnetic flux generation unit 9ab, an example in which the first magnetic flux generation unit 9ab is divided into the first, second, and third stages is shown, but the order of the first stage and the second stage can be changed. Further, it should be pointed out that the d magnetic flux generation unit can be integrally configured without being divided into the first, second, and third stages. Moreover, the balance part in d magnetic flux generation part was introduced in order to maintain the gain and phase between both generation part output signals to the filter used in the residual voltage generation part, and when this band is sufficiently wide, Alternatively, it should be pointed out that it can be omitted if the command value id * of the armature current d-axis component is always constant. As a matter of course, when no filter is used in the residual voltage generation unit, the balance unit is not necessary. In the vector control of the synchronous motor, the command value id * of the armature current d-axis component is often set to zero at all times. In this case, the output signal of the d magnetic flux generator is the maximum value Φ of the rotor magnetic flux. In other words, if the maximum value Φ of the rotor magnetic flux is known, neither the balance unit nor the limiter unit is necessary, and the d magnetic flux generation unit can be configured very easily.
[0047]
When the maximum value Φ of the rotor magnetic flux is unknown, this is identified by some method, and the d magnetic flux generation unit 9ab may use this identification value instead of the maximum value Φ of the rotor magnetic flux. One example of a method for identifying the maximum value Φ of the rotor magnetic flux will be described in detail later with reference to FIGS.
[0048]
It should be pointed out that when the scaling process is performed on the output signal of the residual voltage generator 9aa, the same scaling process is naturally necessary for the output signal of the d magnetic flux generator 9ab.
[0049]
Regarding the calculation processing in the power supply angular frequency calculation unit 9ac, the method by division is exemplified above, but it should be pointed out that the power supply angular frequency can be determined by an iterative method without using any division.
[0050]
The low-
[0051]
For a synchronous motor having a saliency in which the d-axis inductance Ld and the q-axis inductance Lq are different, the inductance L related to the d-axis component of the armature current in the description so far is set to Ld, and the q-axis component of the armature current is set to It should be pointed out that if the related inductance L is replaced with Lq, the method described so far can be applied as it is.
[0052]
Next, other embodiments relating to the high frequency
[0053]
It is pointed out that the high-frequency
[0054]
In the embodiment in which the low frequency domain phase generator shown in FIGS. 3-6 is used in combination with the high frequency domain phase generator, the frequency used for the frequency domain domain determination in step s3 is the power supply
[0055]
In the embodiment described with reference to FIG. 2, the low frequency
[0056]
In the embodiment described with reference to FIG. 2, frequency weighting is added to the phase inside the low frequency
[0057]
It should be pointed out that the low-frequency
[0058]
【The invention's effect】
In a vector control method for a synchronous motor that requires rapid and constant acceleration / deceleration performance between a low speed region and a high speed region, it is essential to determine the phase of the rotating dq coordinate system. Rotor magnetic pole position detectors have been used, and various problems resulting from this use have inevitably remained. However, as is clear from the above description, according to the present invention, the vector control that does not require any magnetic pole position detector and can achieve rapid and constant acceleration / deceleration performance between the low speed range and the high speed range. Since the method can be realized, it is possible to solve various problems caused by the magnetic pole position detector that is unavoidably incorporated in the conventional method, and an excellent effect that can sufficiently achieve the object of the present invention is obtained.
[0059]
In particular, according to the first aspect of the present invention, even when the magnetic pole position detector of the rotor is not used, the servo performance that requires rapid and constant acceleration / deceleration performance between the low speed range and the high speed range is achieved. As a result, the phase of the rotating dq coordinate system necessary for vector control that can be exhibited can be generated. As a result, a rapid change between the low speed range and the high speed range required for servo application can be achieved without using the magnetic pole position detector of the rotor. And the effect that the vector control which can exhibit a constant acceleration deceleration performance is realizable is acquired.
[0060]
In particular, according to the present invention of
[0061]
In particular, according to the present invention of
[0062]
In particular, according to the present invention of
[0063]
In particular, according to the present invention of
[0064]
In particular, according to the present invention of claim 6, even when the magnetic pole position detector of the rotor is not used, the phase required for the rotating dq coordinate system is limited to the high frequency region but is generated. As a result, it is possible to obtain a vector control method for the high frequency region without using any rotor detector.
[0065]
In particular, according to the present invention of claim 7, since the maximum value Φ of the rotor magnetic flux can be approximately identified with a positive significant value, the vector of claim 6 can be used even when the maximum value Φ of the rotor magnetic flux is unknown. The effect that a control method is realizable is acquired.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a basic configuration of a vector control apparatus according to an embodiment.
FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of a vector control apparatus according to one embodiment.
FIG. 3 is a block diagram showing a schematic configuration inside a low frequency region phase generator of the vector control device;
FIG. 4 is a block diagram showing a schematic configuration of a power supply angular frequency generator inside the low frequency region phase generator.
FIG. 5 is a block diagram showing a schematic configuration of a residual voltage generation unit constituting the power supply angular frequency generator.
FIG. 6 is a block diagram showing a schematic configuration of a d magnetic flux generation unit constituting the power source angular frequency generator.
7 is a block diagram showing a schematic configuration of a high-frequency region phase generator in FIG.
FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of a filter unit in the high frequency region phase generator
FIG. 9 shows an example of experimental results according to the embodiment.
10 is a block diagram showing a schematic configuration according to another embodiment of the high-frequency region phase generator in FIG.
FIG. 11 is a flowchart showing processing contents in a norm identification unit in the high frequency region phase generator;
FIG. 12 is a block diagram showing a schematic configuration of a conventional vector control apparatus.
[Explanation of symbols]
1 Synchronous motor
2 Magnetic pole position detector
3 Power converter
4 Current detector
6a vector rotator
6b vector rotator
7 Current controller
8 Sine signal generator
9 Low frequency phase generator
9a Power supply angular frequency generator
9aa residual voltage generator
9ab d magnetic flux generator
9aba basic part
9abb balance
9abc limiter
9ac Power supply angular frequency calculator
9b integrator
9c sine signal generator
9d low-pass filter
10 High-frequency domain phase generator
10a Filter section
10b Filter section
10c arithmetic unit
10d norm identification part
11 Phase synthesizer
12 Vector controller basic part
Claims (7)
該回転dq座標系の位相を決定する工程において、低周波領域用の位相決定方法と高周波領域用の位相決定方法の2種の位相決定方法を用い、各々位相を生成し、該低周波領域用の位相決定方法で生成された位相と該高周波領域用の位相決定方法で生成された位相とを周波数的に加重平均して、該回転dq座標系の位相とすることを特徴とする同期電動機のベクトル制御方法。On the rotating dq coordinate system in which the same direction as the rotor magnetic flux is selected as the d-axis and the axis orthogonal to this is selected as the q-axis, the armature current is divided and controlled into a d-axis component and a q-axis component; A vector control method for a synchronous motor having a step of determining a phase of a rotating dq coordinate system,
In the step of determining the phase of the rotating dq coordinate system, two types of phase determination methods, a phase determination method for a low frequency region and a phase determination method for a high frequency region, are used to generate phases, respectively, A synchronous motor characterized in that the phase generated by the phase determination method of (1) and the phase generated by the phase determination method for the high frequency region are weighted and averaged in frequency to obtain the phase of the rotating dq coordinate system. Vector control method.
該回転dq座標系の位相を決定する工程において、電源角周波数と電機子鎖交磁束のd軸成分あるいはその磁束推定近似値で表現されるd磁束値との積と、電機子電圧のq軸成分あるいはその電圧推定近似値から、電機子電流のq軸成分あるいはその電流推定近似値を直列接続された電機子抵抗と電機子インダクタンスに流した際に発生する降下電圧を減じて得られた残電圧値とを、直接的に等しくすべく、該残電圧値と該d磁束値との演算処理により該電源角周波数を決定し、決定した該電源角周波数の積分及び三角関数処理値を該回転dq座標系の位相の低周波領域部分に使用することを特徴とする同期電動機のベクトル制御方法。On the rotating dq coordinate system in which the same direction as the rotor magnetic flux is selected as the d-axis and the axis orthogonal to this is selected as the q-axis, the armature current is divided and controlled into a d-axis component and a q-axis component; A vector control method for a synchronous motor having a step of determining a phase of a rotating dq coordinate system,
In the step of determining the phase of the rotation dq coordinate system, the product of the power source angular frequency and the d-axis component of the armature linkage flux or the d-magnetic flux value expressed by the estimated magnetic flux approximation value and the q-axis of the armature voltage The residual voltage obtained by subtracting the voltage drop generated when the q-axis component of the armature current or the estimated current value of the armature current is passed through the armature resistor and the armature inductance connected in series from the component or the estimated voltage value thereof. In order to directly equalize the voltage value, the power supply angular frequency is determined by calculating the residual voltage value and the d magnetic flux value, and the determined integral of the power supply angular frequency and the trigonometric function processing value are rotated. A vector control method for a synchronous motor, wherein the vector control method is used for a low frequency region portion of a phase of a dq coordinate system.
該回転dq座標系の位相を決定する工程において、回転dq座標系の位相決定の基準となる固定ab座標系上で電機子の電圧と電流を表現し、電機子電圧あるいはその推定近似値から、電機子電流あるいはその推定近似値を直列接続された電機子抵抗と電機子インダクタンスに流した際に発生する降下電圧値を減じることにより得られる信号を、F(s)を直流ゲインが1の低域通過フィルタとするとき(1ーF(s))/sと同様の周波数特性をもつフィルタに通して残電圧値を生成し、該残電圧値のa軸成分とb軸成分より該残電圧値の位相を決定し、決定した位相を該回転dq座標系の位相の高周波領域部分に使用することを特徴とする同期電動機のベクトル制御方法。On the rotating dq coordinate system in which the same direction as the rotor magnetic flux is selected as the d-axis and the axis orthogonal to this is selected as the q-axis, the armature current is divided and controlled into a d-axis component and a q-axis component; A vector control method for a synchronous motor having a step of determining a phase of a rotating dq coordinate system,
In the step of determining the phase of the rotating dq coordinate system, the voltage and current of the armature are expressed on a fixed ab coordinate system that is a reference for determining the phase of the rotating dq coordinate system, and from the armature voltage or an estimated approximate value thereof, A signal obtained by subtracting a voltage drop generated when an armature current or an estimated approximate value thereof is passed through an armature resistor and an armature inductance connected in series, and F (s) is a low DC gain. When a band-pass filter is used, a residual voltage value is generated through a filter having a frequency characteristic similar to (1−F (s)) / s, and the residual voltage is calculated from the a-axis component and the b-axis component of the residual voltage value. A vector control method for a synchronous motor, wherein a phase of a value is determined and the determined phase is used for a high frequency region portion of a phase of the rotating dq coordinate system.
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