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JP3672876B2 - Vector control inverter device and rotary drive device - Google Patents

Vector control inverter device and rotary drive device Download PDF

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JP3672876B2
JP3672876B2 JP2002049996A JP2002049996A JP3672876B2 JP 3672876 B2 JP3672876 B2 JP 3672876B2 JP 2002049996 A JP2002049996 A JP 2002049996A JP 2002049996 A JP2002049996 A JP 2002049996A JP 3672876 B2 JP3672876 B2 JP 3672876B2
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Toshiba Corp
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/34Arrangements for starting
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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  • Power Engineering (AREA)
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石を回転子に、電機子巻線を固定子に設けた三相永久磁石モータのセンサレスベクトル制御インバータ装置に関し、特に始動前、フリーラン状態にある永久磁石モータの回転速度を検出し、その検出結果に基づいて適宜始動方法を選択、実行することができるベクトル制御インバータ装置及び該インバータ装置を備えた回転駆動装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、エアコン等のコンプレッサモータやファンモータ、電気自動車の駆動用モータに対しては、広範囲の可変速制御や電力消費量の低減、メンテナンス性の改善等の要請が強まっており、これに応えるため、永久磁石を回転子に使用した永久磁石モータをインバータ装置でもってセンサレスでベクトル制御する方式が多く採用されるようになってきている。
【0003】
ところが、例えばエアコンの室外機などに使用されているファン用モータなどでは、インバータ装置によって始動する前に、モータが自然風などの外力を受けてフリーラン(自走)している場合がある。このようなフリーラン状態にあるモータを、いきなりインバータ装置でもって始動させた場合には、モータの回転方向及び回転速度によっては、モータに急激な変化を強いることになり、動作に乱調をきたしたり、最悪の場合にはモータが破損に至ることがある。
【0004】
モータの回転子位置を検出するセンサが取り付けられている場合には、特開平11−332283号公報、特開平11−187690号公報に開示されているように、直流励磁又は巻線短絡により回転子を所定位置に停止させてから始動したり、回転子の位置を検出して適切な始動方法を選択する方式が開発されている。しかし、回転子位置を検出するセンサを有しないセンサレス方式の場合には、回転子の速度や位置を知ることができない。従って、前述したような不具合の発生を防止するにはモータの自然停止を待って始動するか、直流励磁又は巻線短絡により回転子を所定位置に停止させてから始動するしかないのが実情である。しかし、自然停止を待つのは非能率であるし、直流励磁や巻線短絡では、モータに作用する外力が強い場合に、ブレーキトルクが不足して回転子を停止させることができないという状態も生ずる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる不都合を解決すべく考案されたもので、その目的は、フリーラン状態にある永久磁石モータの回転速度と回転子角度を検出することができ、その検出結果に基づいて適切な始動方法を選択、実行することができる永久磁石モータ用のベクトル制御インバータ装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項1記載のベクトル制御インバータ装置は、永久磁石を回転子に、電機子巻線を固定子に設けた三相永久磁石モータに供給する電流の瞬時値を、永久磁石が作る磁束と同じ速度で回転する回転座標系上の前記磁束に平行なd軸電流と、これよりπ/2位相が進んだq軸電流とに変換し、それぞれを独立に制御する永久磁石モータのベクトル制御インバータ装置において、モータ電流実測値と回転子角度推定値とから計算したd軸電流及びq軸電流、並びにd軸電圧指令値と、回転子角周波数推定値と、モータ回路定数とを用いてd軸誘起電圧推定値を計算する誘起電圧推定手段と、前記d軸誘起電圧推定値を入力とする比例積分演算器と、前記比例積分演算器の出力を回転子の前記角周波数指令値から減算して前記回転子角周波数推定値を計算する減算器と、前記回転子角周波数推定値を積分して回転子角度推定値を計算する積分器と、d軸電流指令値を、外部からのd軸電流指令値とゼロ値とに切り換える第1のスイッチと、q軸電流指令値を、前記比例積分演算器の出力信号を更に比例積分演算して求めた指令値とゼロ値とに切り換える第2のスイッチと、前記回転子角周波数推定値の信号を遅延させる遅延回路と、前記回転子角周波数指令値を、外部からの指令値と前記遅延回路の出力信号とに切り換える第3のスイッチと、を具備していることを特徴とするものである。
【0007】
このように構成したことにより、本インバータ装置は、回転子の位置又は速度を検出するためのセンサを用いることなく、永久磁石モータの励磁電流と回転速度とを独立に制御することができる。
【0008】
更に、請求項1記載のインバータ装置は、d軸電流指令値を、外部からのd軸電流指令値とゼロ値とに切り換える第1のスイッチと、q軸電流指令値を、前記比例積分演算器の出力信号を更に比例積分演算して求めた指令値とゼロ値とに切り換える第2のスイッチと、前記回転子角周波数推定値の信号を遅延させる遅延回路と、前記回転子角周波数指令値を、外部からの指令値と前記遅延回路の出力信号とに切り換える第3のスイッチとを具備することを特徴とするものであって、請求項2記載のように、前記第1及び第2のスイッチを共にゼロ値側に切り換え、前記第3のスイッチを遅延回路の出力側に切り換えることにより、フリーラン状態にある前記永久磁石モータの回転子角周波数(回転速度)と回転子角度を検出することができるようにしたものである。
【0009】
このような構成にしたことにより、本インバータ装置は、始動前に自然風等の外力を受けてフリーラン状態にあるファン用モータ等の回転子の角周波数と回転子角度を、センサを用いることなく検出することが可能である。そして、検出した角周波数と回転方向に基づいて適切な始動方法を選択、実行できるようにしたので、モータに急激な変化を強いることなく、スムーズにモータを始動させることができる。
【0010】
請求項6記載の回転駆動装置は、前記永久磁石モータと該モータを駆動するインバータ装置とを備えた回転駆動装置であって、該インバータ装置として請求項1ないし5の何れかに記載のベクトル制御インバータ装置を用いた回転駆動装置である。このような回転駆動装置は、センサレス且つブラシレスであるためメンテナンスが容易で故障が少なく、また負荷に対応した適切な始動を行うことができる利点を有する。
【0011】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
以下に本発明の第1の実施形態について図面により説明する。図1は、本発明の永久磁石モータのセンサレスベクトル制御に使用するインバータ装置の構成を機能ブロックで表したものである。負荷であるモータ1は、永久磁石を回転子に、電機子巻線を固定子に設けた回転界磁型の三相モータで、回転子位置に応じてインバータ装置から固定子巻線に電流を供給することによりブラシレスで駆動される。
【0012】
本インバータ装置は、モータ1の電流を制御する電流制御手段2と、回転子の角周波数(回転速度)および角度を推定する回転子速度・角度推定手段(回転子上に定めた回転座標系(以下、dq座標系という)の、固定座標系(以下、αβ座標系という)に対する角周波数と位相角を推定する手段をこのように呼ぶこととする。)3とから構成されている。モータ1の電流は電流検出器4により検出され、検出された三相電流Ia、Ib、Icは、abc/αβ変換器5により、これと等価なαβ座標系で表した二相電流Iα、Iβに変換される。次いで二相電流Iα、Iβは、αβ/dq変換器6により、dq座標系で表した電流Id、Iqに変換される。この変換計算の際には、後述する回転子速度・角度推定手段3により推定された回転子角度推定値(d軸とα軸との位相角の推定値をこのように呼ぶこととする。)θ0が用いられる。
【0013】
ここでdq座標系とは、回転子上の永久磁石が作り出す磁束方向をd軸に、これよりπ/2進んだ方向をq軸に定めた座標系であって、電流Id はd軸方向、電流Iqはq軸方向の電流成分を意味する。dq座標系は回転子と共に回転し、モータ電流は回転子位置に合わせてインバータ装置から供給されるのでId、Iqは直流量である。
【0014】
このような座標変換により計算されたId、Iqが、減算器7、8において、それぞれの指令値Id-com、Iq-comから減算されて偏差ΔId、ΔIqが計算される。なお第1のスイッチS1(9)、第2のスイッチS2(10 )は、指令値Id-com、Iq-comの値を選択するスイッチで、図はモータ1をベクトル制御によって駆動運転する場合の選択状態を示している。上記計算で求められた偏差ΔId、ΔIqは、それぞれ比例積分演算器11、12で演算されて出力にそれぞれd軸指令電圧Vd、q軸指令電圧Vqを発生させる。すなわち減算器7、8と比例積分演算器11、12とは、モータ電流Id、Iqを対応する指令値Id-com、Iq-comに一致させるための調節器としての役割を果たしている。出力のVd、Vqは、モータ電流を指令値Id-com、Iq-comに近づけるためにモータ1に印加されるべき指令電圧である。
【0015】
この指令電圧Vd、Vqは、dq/αβ変換器13によって、αβ座標系上での値Vα、Vβに変換される。この変換計算にも後述する回転子角度推定値θ0が用いられる。PWM形成器14は、指令電圧Vα、Vβに基づいてPWMインバータ15内のスイッチング素子を駆動する信号を発生させる。PWMインバータ15が、その信号に従ってスイッチング動作を実行することにより、モータ1の固定子巻線にVd、Vqに比例した電圧が印加され、モータ1が駆動される。こうしてモータ1の電流Id、Iqは、前述した調節器の制御動作により指令値Id-com、Iq-comに一致させられる。
【0016】
ここでId-comは、磁束を作る成分(励磁電流成分)の指令値であり、この値は外部より指令値として与えられる。一方、Iq-comは、回転トルクを発生させる成分(トルク電流成分)の指令値であり、モータ1の回転速度に直接的に関係する量である。このIq-comの値は、通常の運転状態では、比例積分演算器16の出力として与えられる。
【0017】
比例積分演算器16は、減算器17と共にモータ1の回転速度を調節する機能を果たすもので、減算器17の+入力端子には回転子の角周波数指令値ω-comが、−入力端子には回転子速度・角度推定手段3により推定されたモータ1の角周波数推定値ω0が入力される。そして、その偏差が比例積分演算器16にて演算され出力にq軸電流指令値Iq-comを発生させる。なお、第3のスイッチS3(18)は、角周波数指令値ω-comの値を選択するもので、図は、モータ1を通常運転する場合の選択状態を示している。
【0018】
このように、励磁電流成分指令値Id-comとトルク電流成分指令値Iq-comを独立に与えて、モータ1にその指令値通りの電流を流すには、αβ/dq変換器6及びdq/αβ変換器13での変換計算に必要な回転子角度θを正確に把握する必要がある。本インバータ装置では、これらの値をセンサを用いることなく、モータ電流測定値とモータ1への電圧指令値を基に、回転座標系での電動機モデルを使用して回転子速度・角度推定手段3の中で推定している。
【0019】
すなわち、誘起電圧推定手段19は、回転子に取り付けられた永久磁石が作る磁束が回転することにより、固定子巻線中に生ずる誘起電圧のd軸成分Edを次式により計算する。
Ed = Vd −(R+P・L)Id +ω0・Iq (1)式
ここに、Rはモータ1の巻線抵抗、Lは巻線のインダクタンス、ω0は回転子の角周波数推定値、Pは微分演算子である。Id 、Iqには実測電流値と回転子角度推定値θ0とから計算した値を用い、Vdには、PWMインバータ15の応答性が良いため実測値に代って指令値を使用している。ただし、実測値を用いても良いことはいうまでもない。
【0020】
角周波数推定値ω0としては、(1)式で求めたEdを比例積分演算器20で演算した出力ωerrorを減算器21にて、角周波数指令値ω-comから減算した次式で求める。(ただし、(1)式、(2)式は共にω0を含むため、(1)のω0には(2)式で計算した微小時間前のω0の値、例えばDSPを使用して計算する場合には、1計算周期前に計算したω0の値を用いる。)
ω0 = ω-com −ωerror (2)式
回転子角度推定値θ0は、上記角周波数推定値ω0を積分器22にて積分することによって求まる。
【0021】
誘起電圧には、(1)式で計算したEdの他にq軸成分Eqも存在し、またωerrorはEdを比例積分演算器20で演算しただけの数値であるので、必ずしも実際の回転子角周波数ωに対する正確な誤差を表している訳ではない。しかし、(2)式で計算した角周波数推定値ω0、及びこれを積分して求めた回転子角度推定値θ0を計算に使用し、調節器の助けを得て誘起電圧のd軸成分推定値Edをゼロに収束させることができた場合を考えると、その時点では誘起電圧推定値は、q軸成分のみとなる。この状態では回転子の永久磁石が作る磁束はd軸と平行であるとみなすことができるので、この時の回転子角度推定値θ0は、実際の回転子角度θに一致しているとみなすことができる。
【0022】
本インバータ装置では、比例積分演算器20が、このEdをゼロに収束させる上での最も重要な調節機能を果たしている。図1のブロック図は、変形すると図2のような等価なブロック図に書き換わる。比例積分演算器20は、比例積分演算器16、積分器22の助けを受けて、Edをその目標とするゼロ値に収束させるようにω0、及びθ0とIq-comの値を調節する。
【0023】
一方、回転子の角周波数については、比例積分演算器16が、角周波数指令値ω-comと角周波数推定値ω0との偏差であるωerrorをゼロに収束させるような調節動作を行う。そしてこれら比例積分演算器20、16の調節動作の結果として、Ed及びωerrorが共にゼロに収束する。このωerrorがゼロに収束した時点では、角周波数推定値ω0は角周波数指令値ω-comに一致し、モータ1は角周波数指令値ω-comで駆動される。
【0024】
このようにしてモータ1の回転子角度θが推定される動作と並行して、回転子角周波数ωが外部から与えられた角周波数指令値ω-comに一致するように調整される。また励磁電流成分Idも比例積分演算器11により、外部から与えられた励磁電流成分指令値Id-comに一致するように調節される。すなわち、角周波数(回転速度)と励磁電流成分とが、外部から与えられる任意の数値に一致するように、それぞれ独立して制御されるベクトル制御が実行される。
【0025】
以上の説明は、モータ1がインバータ装置により駆動されている通常の運転状態についての動作説明であった。次にモータ1が始動前に、外力によりフリーランしている状態における回転子の角周波数ωと回転子角度θを検出する動作について説明する。
この場合には、第1のスイッチS1(9)、第2のスイッチS2(10)、第3のスイッチS3(18)を図3に示したように切り換える。すなわち、Id、Iqの指令値としては“ゼロ "を与える。また、角周波数指令値ω-comとしては、角周波数推定値ω0を遅延回路23を通して遅延させた信号を与える。この遅延回路23の遅延時間は、モータ1の最高応答周波数に相当する周期よりも小さい値とすることが応答性の観点から望ましい。
【0026】
図3において、回転子角度推定値θ0が実際の回転子角度θに等しい値に推定されているとすると、モータ1の電流Id、Iqは、それぞれ比例積分演算器11、12により“ゼロ "に調整される。Id、Iqが共に“ゼロ "になるのは、Iα、IβおよびIa、Ib、Icが全て“ゼロ "の場合である。
【0027】
回転子角度推定値θ0をフリーランしている実際の回転子角度θに収束させるために、角周波数推定値ω0を遅延回路23により遅延させた信号を、角周波数指令値ω-comとして与える。このようにしておくと、前述した通常運転状態の場合と同様に、比例積分演算器20が、誘起電圧推定値Edを“ゼロ "に収束させるように回転子角周波数推定値ω0と回転子角度推定値θ0を調整する。Edが“ゼロ "になった時の回転子角度推定値θ0は、モータ1の実際の回転子角度θと一致する。また、その時の回転子角度推定値θ0を微分した値、すなわち角周波数推定値ω0はその時のモータ1の実際の角周波数ωと一致する。
このような動作により、本発明のインバータ装置によれば、フリーラン状態にあるモータ1の回転子角度θと角周波数ωの値を検知することが可能である。
【0028】
なお、本インバータ装置の制御を、DSP(Digital Signal Processor)などの高速プロセッサにより周期的に演算して実行する方法で実現する場合には、遅延回路23の遅延時間は、DSPの演算周期の1周期分とするとよい。また、DSPの演算速度が十分に速い場合には、遅延回路23で遅延した信号の代わりに、直近の複数の演算周期で求めた角周波数推定値ω0の平均値を指令値として用いてもよい。このようにしても回転子角度推定値θ0は、モータ1の実際の回転子角度θに収束する。
【0029】
更に、DSPで構成する場合、そのプログラミングは図2のブロック図に基づいて行うとよい。図1では、角周波数指令値ω-comの値が減算器21で用いられ、その演算結果であるω0が減算器17において、ω-comより減算される形になっている。この場合、ω-comを読み込む処理、減算器21での演算、減算器17での演算の実行順序によっては、図1と等価である図2のブロック図を実行することにならない場合があるからである。
【0030】
また、図1中の比例積分演算器11、12、16、20としては、モータ1およびモータ1が駆動する負荷の特性によっては、制御の応答性を改善するために、微分演算を加えた比例積分微分演算器を用いてもよい。
【0031】
以上述べた説明で明らかなように、本発明のインバータ装置は、回転子の位置又は速度を検出するセンサを用いることなく、永久磁石モータ1をベクトル制御できる。更に、始動前にフリーラン状態にあるモータ1の回転速度および回転子角度を、センサを用いることなく検出できるという利点を有する。
【0032】
(第2の実施形態)
本実施形態は、例えばエアコンの室外機に取り付けたファンを駆動するための永久磁石モータを、前述したベクトル制御インバータ装置を用いて適切に始動させる実施形態に関するものである。室外に設置されたファン用モータは、自然風等の外力を受けて、始動前にフリーランしている場合が多い。この場合、フリーラン状態に無関係にインバータ駆動を開始したのでは、モータに急激な変化を強いることになって好ましくない。
【0033】
図4は、モータのフリーラン状態に応じて、無理なく適切に始動するための本発明に係る処理のフローを示したものである。
インバータ装置に電源が供給されると、インバータ装置はステップS1を実行する。ステップS1では、第1の実施形態で説明した手段により、フリーラン状態にある回転子の角周波数ωを検出する。この場合、正確を期すために複数回の検出値の平均値をとることが好ましい。
【0034】
次いでステップS2に移行する。ステップS2以降は、検出した回転子の角周波数ωに対応して適切な始動を行うシーケンスである。ここで、図4中に使用している記号A、B、C、Dは、角周波数を表す正の定数で、A>B、D>Cとし、その値は始動前に予め決めておくものである。ステップS2では、検出した角周波数ωがD以上であるか否かを判定する。Dの値は、ω≧D が満足される場合には、ファン用モータが正転方向にかなり速い速度でフリーランしている状態に対応するように決めておく。従って、ω≧D が満足される場合は、ファン用モータが駆動されなくても正転方向にかなりの速度で回転している状態であるので、インバータによる駆動はせずにそのままの状態を継続させることとし、何もしないでステップS1に戻る。ω≧D が満足されない場合は、ステップS3に移行する。
【0035】
ステップS3においては、インバータ装置は、ω≦−A の条件が満足されているか否かを判定する。ここでAの値は、ω≦−A の条件が満足される場合には、ファン用モータが、逆方向にかなり速い速度で回転している状態に対応するように決めておく。逆方向にかなりの速度で回転しているということは、例えば室外機の場合、十分な風を受けて回転していることを意味する。従って、この場合もインバータによる駆動は不要であるので、そのままの状態を継続させることとし、何もしないでステップS1に戻る。ω≦−A の条件が満足されない場合は、−A<ω<D が満足されている場合に当たり、この場合にはステップS4に移行する。
【0036】
ステップS4においては、インバータ装置は、ω≧C の条件が満足されているか否かを判定する。この条件が満足されるのは、C≦ω<D の場合である。Cの値は、この条件が満足される場合には、ファン用モータが緩やかな速度で正転方向に回転している状態に対応するように決めておく。この状態は、検出した角周波数ω、回転子角度θを基にしてインバータ駆動しても、ファン用モータにそれほどの無理を強いることがない状態である。このステップS4の条件が満足される場合には、ステップS13に移行する。
【0037】
ステップS13では、検出した角周波数ωを角周波数指令値ω-comとして用い、また回転子角度として検出したθを回転子角度推定値θ0としてベクトル制御によるインバータ駆動を開始する。そして、角周波数指令値ω-comを漸増(又は漸減)させて、外部からの指令値まで変速する正転駆動動作を実行する。角周波数指令値ω-comが、外部からの指令値に一致した時点で始動動作は終了する。以後はステップS14に移り、外部からの指令値に従った角周波数でインバータ駆動を継続する定常運転に入る。
【0038】
ステップS4において条件が満足されない場合は、ステップS5に移行する。ステップS5では、インバータ装置は、ω≧−B の条件が満足されているか否かを判定する。この条件が満足されるのは、−B≦ω<C の場合である。この状態は、ファン用モータが停止、又は停止に近い低速度でフリーランしている状態に対応させてある。この条件が満足された場合には、ステップS6に移行する。ステップS6では、固定子巻線に直流電流を流してファン用モータの回転を一旦、停止させる。直流励磁を継続する時間は、予め決められた所定時間であり、ファン用モータを停止させるのに十分な時間である。所定時間経過の判定はステップS7で行う。ステップS7で所定時間の直流励磁を終えた後は、ステップS8に移り、転流を行う。転流は、回転子の位置とは無関係に、固定子巻線に三相交流電流を流して回転磁界を生じさせ、生じた回転磁界と回転子の永久磁石が作る磁界との相互作用でファン用モータを強制的に正転方向に回転させる操作をいう。このような回転磁界は、図3において、dq/αβ変換器13の入力として予め決めておいた一定のVd、Vqを与え、dq/αβ変換器13での計算に使用する回転子角度θ0として、角周波数Cより大きい一定の角周波数にまで変化する回転子角度を与えることによって発生させることができる。このように駆動することにより、ファン用モータは停止状態から角周波数Cに向かって加速されていくことになる。
【0039】
この転流を実行中、インバータ装置は回転子の角周波数ωを検出し続ける。そして、角周波数ωがCを超えた時点、即ちステップS10の条件が満足された時点でステップS13に移行する。このステップS10では、角周波数ωの値により転流の終期を判定しているが、代わりにステップS7のように時間で終期を判定するか、あるいはその両者を組み合わせた条件で判定してもよい。
【0040】
ステップS13では、先に述べたように検出した角周波数ωを角周波数指令値ω-comとして用い、また回転子角度と判定したθを回転子角度推定値θ0としてベクトル制御によるインバータ駆動を開始する。そして、角周波数指令値ω-comが外部からの指令値に一致した時点で始動動作は終了し、その後はステップS14に移って定常運転に入る。
【0041】
なお、上述のようにステップS5の条件が満足された場合に、直流励磁、転流を行うのは、ステップS5の条件が満足される角周波数範囲では、回転子の回転速度が遅いために、検出される回転子角周波数ωの値が必ずしも十分な精度を持っていない場合があり、このような場合にいきなりインバータ駆動を開始すると、ファン用モータに無理を強いる場合が起こり得るからである。
【0042】
ステップS5の条件が満足されない場合には、ステップS11に移行する。ステップS5の条件が満足されないのは角周波数ωが、−A<ω<−B の範囲にある場合である。この状態は、ファン用モータが逆方向に緩やかな速度でフリーランしている状態に対応させてある。このような状態にある場合には、検出した角周波数ωを角周波数指令値ω-comとして用い、また回転子角度と判定したθを回転子角度推定値θ0としてベクトル制御によるインバータ駆動を開始する。すなわち、ファン用モータは検出した角周波数ωで逆方向にインバータ駆動される。このようにして駆動を開始した後、インバータ装置は、角周波数指令値ω-comを漸増させる。つまり正転方向に向かってω-comを変化させる。ω-comがゼロに達した後も更に漸増を続け、外部からの角周波数指令値に一致するまで増加させる。こうして逆方向に回転していたファン用モータは減速され、回転速度がゼロになった後、今度は正転方向に駆動される。この回転方向が反転する動作がステップ12のリターン動作である。
【0043】
ステップS12でリターンした後は、ステップS13に移行する。ステップS13では、角周波数指令値ω-comが更に漸増され続け、ファン用モータもそれにつれて加速され続け、やがて外部からの角周波数指令値にまで増速される。角周波数指令値ω-comが外部からの指令値に一致した時点で始動動作は終了する。以後は、前述した場合と同じく、ステップS14に移り、外部からの指令値に従った角周波数で駆動を継続する定常運転に入る。
【0044】
以上の説明によって明らかなように、本発明のインバータ装置は、始動前にフリーラン状態にあるファン用モータの回転速度をセンサレスで検出することができ、検出した回転速度に合った適切な始動方法を選択することができる。その結果、ファン用モータに無理を強いることなく、スムーズに定常運転に入ることができる効果がある。
【0045】
上記第2の実施形態では、理解を容易にするため、定数A、B、C、Dが本発明をエアコンの室外機に適用した場合に適した数値に設定されているような説明をしたが、本発明はエアコンの室外機に適用が限定されるものではない。例えば、室内の空気を室外に排出する換気扇に適用する場合は、換気扇が外部から吹き込む風により高速で逆回転している時に、前記第2の実施形態のようにインバータ駆動せずにそのままの状態を継続させるのは好ましくない。この場合には、前述した−A<ω<−B の場合のように、逆転駆動、リターン、正転駆動、定常運転の順序に駆動して室内の空気を室外に排出する動作に移る必要がある。このような動作は、上記第2の実施形態における−Aの値として、マイナス無限大の数値を設定することにより、図4のシーケンスフローにて実現可能である。
【0046】
このように本発明のインバータ装置は、定数A、B、C、Dの値を、それらが負の値を取る場合を含めて種々変更することにより、モータの駆動対象に最も適したスムーズな始動を可能とするものである。
【0047】
(第3の実施形態)
本実施形態は、本発明のベクトル制御装置と永久磁石モータとを備えた回転駆動装置に関するもので、インバータ装置として本発明のベクトル制御インバータ装置を使用する実施形態である。永久磁石モータをインバータ制御する場合、制御を最適化するためには永久磁石モータの各種モータ定数を把握してインバータ制御に反映させる必要がある。こきため今日では、永久磁石モータとそれを駆動するインバータ装置とを一体化して回転駆動装置として販売されることが多い。この場合にインバータ装置として本発明のベクトル制御インバータ装置を採用すれば、センサレス且つブラシレスで永久磁石モータを駆動できることからメンテナンスが容易で故障が少なく、また負荷に対応した適切な始動を行うことができる回転駆動装置を提供することができる。
【0048】
【発明の効果】
以上の説明から理解されるように、本発明のベクトル制御インバータ装置は、回転子の位置又は速度を検出するためのセンサを用いることなく、永久磁石モータの励磁電流と回転速度とを独立に制御するすることができるため、センサ取り付けに伴うコスト上昇、メンテナンス作業量の増大を避けることができる。更に、始動前にフリーラン状態にあるモータの回転速度を検出することができ、その検出結果に基づいて適切な始動方式を選択、実行できるので、モータに急激な変化を強いることなく、スムーズにモータを始動できる効果を有する。
【0049】
また、本発明のベクトル制御装置と永久磁石モータとを備えた回転駆動装置は、センサレス且つブラシレスであるためメンテナンスが容易で故障が少なく、また負荷に対応した適切な始動を行うことができる利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態を示すベクトル制御インバータ装置の電気的構成を機能ブロックにより示す図
【図2】図1の機能ブロック図と等価な別表現による機能ブロック図
【図3】フリーラン状態にあるモータの回転子角度と角周波数を検出する場合の機能ブロック図
【図4】フリーラン状態にあるモータの始動シーケンスフロー図
【符号の説明】
図中、1は永久磁石モータ、2は電流制御手段、3は回転子速度・ 角度推定手段、9は第1のスイッチ、10は第2のスイッチ、18は第3のスイッチ、11、12、16、20は比例積分演算器、19は誘起電圧推定手段、23は遅延回路を示す。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a sensorless vector control inverter device for a three-phase permanent magnet motor having a permanent magnet as a rotor and an armature winding as a stator, and in particular, the rotational speed of a permanent magnet motor in a free-run state before starting. The present invention relates to a vector control inverter device that can detect and appropriately select and execute a starting method based on the detection result, and a rotary drive device including the inverter device.
[0002]
[Prior art]
In recent years, there has been an increasing demand for compressor motors and fan motors for air conditioners, and drive motors for electric vehicles, such as a wide range of variable speed control, reduced power consumption, and improved maintainability. In many cases, sensorless vector control of a permanent magnet motor using a permanent magnet as a rotor by an inverter device has been adopted.
[0003]
However, for example, in a fan motor used in an outdoor unit of an air conditioner or the like, the motor may be free-running (self-running) by receiving external force such as natural wind before being started by the inverter device. When a motor in such a free-run state is suddenly started with an inverter device, depending on the rotation direction and rotation speed of the motor, the motor may be forced to change suddenly, resulting in erratic operation. In the worst case, the motor may be damaged.
[0004]
When a sensor for detecting the rotor position of the motor is attached, as disclosed in JP-A-11-332283 and JP-A-11-187690, the rotor is subjected to direct current excitation or winding short-circuiting. Has been developed in which the motor is stopped after being stopped at a predetermined position, or a proper starting method is selected by detecting the position of the rotor. However, in the case of a sensorless system that does not have a sensor for detecting the rotor position, the speed and position of the rotor cannot be known. Therefore, in order to prevent the occurrence of the above-mentioned problems, it is only possible to start after waiting for the natural stop of the motor, or to start after the rotor is stopped at a predetermined position by DC excitation or winding short circuit. is there. However, it is inefficient to wait for a natural stop, and in the case of DC excitation or winding short-circuit, when the external force acting on the motor is strong, the brake torque is insufficient and the rotor cannot be stopped. .
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been devised to solve such inconveniences, and an object of the present invention is to detect the rotation speed and the rotor angle of a permanent magnet motor in a free-run state, and to determine an appropriate value based on the detection result. It is an object of the present invention to provide a vector control inverter device for a permanent magnet motor capable of selecting and executing a starting method.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the vector controlled inverter device according to claim 1 is configured to obtain an instantaneous value of current supplied to a three-phase permanent magnet motor having a permanent magnet as a rotor and an armature winding as a stator. , Converted into a d-axis current parallel to the magnetic flux on the rotating coordinate system rotating at the same speed as the magnetic flux generated by the permanent magnet, and a q-axis current advanced by π / 2 phase therefrom, and each is controlled independently In a vector control inverter device of a permanent magnet motor, a d-axis current and a q-axis current calculated from a measured motor current value and a rotor angle estimated value, a d-axis voltage command value, a rotor angular frequency estimated value, and a motor circuit An induced voltage estimating means for calculating an estimated d-axis induced voltage value using a constant, a proportional-integral calculator having the d-axis induced voltage estimated value as an input, and an output of the proportional-integral calculator to the angle of the rotor Subtract from frequency command value A subtractor for calculating the rotor angular frequency estimate value each, an integrator for calculating the rotor angle estimate by integrating the rotor angular frequency estimate, A first switch for switching the d-axis current command value between an external d-axis current command value and a zero value, and a q-axis current command value are obtained by further proportional-integral calculating the output signal of the proportional-integral calculator. A second switch for switching between the command value and the zero value, a delay circuit for delaying the signal of the rotor angular frequency estimation value, the rotor angular frequency command value, the command value from the outside, and the delay circuit A third switch for switching to the output signal; It is characterized by comprising.
[0007]
With this configuration, the inverter device can independently control the excitation current and the rotation speed of the permanent magnet motor without using a sensor for detecting the position or speed of the rotor.
[0008]
Furthermore, Claim 1 The inverter apparatus described includes a first switch for switching a d-axis current command value between an external d-axis current command value and a zero value, a q-axis current command value, and an output signal of the proportional-plus-integral calculator. A second switch for switching between a command value obtained by proportional integral calculation and a zero value, a delay circuit for delaying the signal of the rotor angular frequency estimation value, and the rotor angular frequency command value from an external command And a third switch for switching between the value and the output signal of the delay circuit, Claim 2 As described, by switching both the first and second switches to the zero value side and switching the third switch to the output side of the delay circuit, the rotor angle of the permanent magnet motor in the free-run state The frequency (rotation speed) and the rotor angle can be detected.
[0009]
By adopting such a configuration, this inverter device uses a sensor for the angular frequency and the rotor angle of a rotor of a fan motor or the like that is in a free-run state under external force such as natural wind before starting. It is possible to detect without. Since an appropriate starting method can be selected and executed based on the detected angular frequency and rotation direction, the motor can be started smoothly without forcing a sudden change in the motor.
[0010]
Claim 6 The rotary drive device described is a rotary drive device including the permanent magnet motor and an inverter device that drives the motor, and the vector control inverter device according to any one of claims 1 to 5 is used as the inverter device. It is the rotational drive device used. Such a rotary drive device is sensorless and brushless, and therefore has an advantage that maintenance is easy and there are few failures, and an appropriate start corresponding to the load can be performed.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a functional block diagram showing the configuration of an inverter device used for sensorless vector control of a permanent magnet motor according to the present invention. The motor 1 as a load is a rotating field type three-phase motor in which a permanent magnet is used as a rotor and an armature winding is provided in a stator. Current is supplied from the inverter device to the stator winding according to the rotor position. By supplying, it is driven brushlessly.
[0012]
This inverter device includes a current control means 2 for controlling the current of the motor 1, and a rotor speed / angle estimation means (rotational coordinate system defined on the rotor) for estimating the angular frequency (rotation speed) and angle of the rotor. Hereinafter, the means for estimating the angular frequency and the phase angle of the dq coordinate system) with respect to the fixed coordinate system (hereinafter referred to as the αβ coordinate system) will be called in this manner. The current of the motor 1 is detected by the current detector 4, and the detected three-phase currents Ia, Ib, Ic are converted by the abc / αβ converter 5 into the two-phase currents Iα, Iβ expressed in the equivalent αβ coordinate system. Is converted to Next, the two-phase currents Iα and Iβ are converted by the αβ / dq converter 6 into currents Id and Iq expressed in the dq coordinate system. In this conversion calculation, the rotor angle estimated value estimated by the rotor speed / angle estimating means 3 described later (the estimated value of the phase angle between the d-axis and the α-axis is referred to in this way). θ 0 Is used.
[0013]
Here, the dq coordinate system is a coordinate system in which the direction of magnetic flux created by the permanent magnet on the rotor is defined as the d axis and the direction advanced by π / 2 is defined as the q axis, and the current Id is in the d axis direction, The current Iq means a current component in the q-axis direction. Since the dq coordinate system rotates together with the rotor, and the motor current is supplied from the inverter device in accordance with the rotor position, Id and Iq are direct current amounts.
[0014]
Id and Iq calculated by such coordinate conversion are subtracted from the command values Id-com and Iq-com in the subtractors 7 and 8 to calculate deviations ΔId and ΔIq. The first switch S1 (9) and the second switch S2 (10) are switches for selecting command values Id-com and Iq-com, and the figure shows a case where the motor 1 is driven by vector control. The selected state is shown. Deviations ΔId and ΔIq obtained by the above calculation are calculated by proportional-integral calculators 11 and 12, respectively, and generate d-axis command voltage Vd and q-axis command voltage Vq, respectively, at the outputs. That is, the subtractors 7 and 8 and the proportional-plus-integral calculators 11 and 12 serve as regulators for matching the motor currents Id and Iq with the corresponding command values Id-com and Iq-com. The outputs Vd and Vq are command voltages to be applied to the motor 1 in order to bring the motor current close to the command values Id-com and Iq-com.
[0015]
The command voltages Vd and Vq are converted by the dq / αβ converter 13 into values Vα and Vβ on the αβ coordinate system. The rotor angle estimation value θ described later also in this conversion calculation 0 Is used. The PWM former 14 generates a signal for driving the switching element in the PWM inverter 15 based on the command voltages Vα and Vβ. When the PWM inverter 15 performs a switching operation according to the signal, a voltage proportional to Vd and Vq is applied to the stator winding of the motor 1 to drive the motor 1. Thus, the currents Id and Iq of the motor 1 are made to coincide with the command values Id-com and Iq-com by the control operation of the regulator described above.
[0016]
Here, Id-com is a command value of a component that generates magnetic flux (excitation current component), and this value is given as a command value from the outside. On the other hand, Iq-com is a command value of a component that generates rotational torque (torque current component), and is an amount directly related to the rotational speed of the motor 1. The value of Iq-com is given as an output of the proportional-plus-integral calculator 16 in a normal operation state.
[0017]
The proportional-plus-integral calculator 16 functions to adjust the rotational speed of the motor 1 together with the subtractor 17, and the angular frequency command value ω-com of the rotor is connected to the + input terminal of the subtractor 17 and the −input terminal. Is the estimated angular frequency value ω of the motor 1 estimated by the rotor speed / angle estimation means 3. 0 Is entered. The deviation is calculated by the proportional-plus-integral calculator 16 to generate the q-axis current command value Iq-com as an output. The third switch S3 (18) selects the value of the angular frequency command value ω-com, and the figure shows a selection state when the motor 1 is normally operated.
[0018]
In this way, in order to apply the excitation current component command value Id-com and the torque current component command value Iq-com independently and to cause the motor 1 to flow a current according to the command value, the αβ / dq converter 6 and the dq / It is necessary to accurately grasp the rotor angle θ necessary for the conversion calculation in the αβ converter 13. In this inverter device, the rotor speed / angle estimation means 3 is obtained by using an electric motor model in the rotating coordinate system based on the measured motor current value and the voltage command value to the motor 1 without using a sensor. Estimated in.
[0019]
In other words, the induced voltage estimating means 19 calculates the d-axis component Ed of the induced voltage generated in the stator winding by the following equation as the magnetic flux generated by the permanent magnet attached to the rotor rotates.
Ed = Vd− (R + P · L) Id + ω 0 ・ Iq (1) Formula
Where R is the winding resistance of the motor 1, L is the inductance of the winding, and ω 0 Is an estimated angular frequency value of the rotor, and P is a differential operator. Id and Iq include measured current values and estimated rotor angle θ 0 The command value is used for Vd instead of the actual measurement value because the responsiveness of the PWM inverter 15 is good. However, it goes without saying that measured values may be used.
[0020]
Angular frequency estimate ω 0 Is obtained by the following equation obtained by subtracting the output ωerror obtained by calculating the Ed calculated by the equation (1) by the proportional-plus-integral calculator 20 from the angular frequency command value ω-com by the subtractor 21. (However, both equations (1) and (2) 0 (1) ω 0 Is ω before a minute time calculated by equation (2) 0 Value, for example, using a DSP, the ω calculated one calculation cycle before 0 The value of is used. )
ω 0 = Ω-com −ωerror Equation (2)
Estimated rotor angle θ 0 Is the estimated angular frequency ω 0 Is integrated by the integrator 22.
[0021]
In the induced voltage, there is a q-axis component Eq in addition to Ed calculated by the equation (1), and ωerror is a numerical value obtained by calculating Ed by the proportional-plus-integral calculator 20, so that it is not always the actual rotor angle. It does not represent the exact error for frequency ω. However, the angular frequency estimated value ω calculated by equation (2) 0 , And an estimated rotor angle θ obtained by integrating this 0 Is used in the calculation, and the d-axis component estimated value Ed of the induced voltage can be converged to zero with the help of the regulator, at that time, the induced voltage estimated value is only the q-axis component. Become. In this state, the magnetic flux generated by the permanent magnet of the rotor can be considered to be parallel to the d-axis, and therefore the estimated rotor angle θ at this time 0 Can be considered to coincide with the actual rotor angle θ.
[0022]
In this inverter device, the proportional-plus-integral computing unit 20 performs the most important adjustment function for converging this Ed to zero. When the block diagram of FIG. 1 is modified, it is rewritten into an equivalent block diagram as shown in FIG. The proportional-integral calculator 20 is assisted by the proportional-integral calculator 16 and the integrator 22 so that Ed converges to its target zero value. 0 , And θ 0 And adjust the value of Iq-com.
[0023]
On the other hand, with respect to the angular frequency of the rotor, the proportional-plus-integral computing unit 16 calculates the angular frequency command value ω-com and the angular frequency estimated value ω. 0 An adjustment operation is performed so that ωerror, which is the deviation from, converges to zero. As a result of the adjusting operation of the proportional-integral calculators 20 and 16, both Ed and ωerror converge to zero. When this ωerror converges to zero, the angular frequency estimated value ω 0 Coincides with the angular frequency command value ω-com, and the motor 1 is driven with the angular frequency command value ω-com.
[0024]
In parallel with the operation of estimating the rotor angle θ of the motor 1 in this way, the rotor angular frequency ω is adjusted to coincide with the angular frequency command value ω-com given from the outside. The exciting current component Id is also adjusted by the proportional-plus-integral computing unit 11 so as to coincide with the exciting current component command value Id-com given from the outside. In other words, vector control is performed in which the angular frequency (rotational speed) and the excitation current component are controlled independently so that they coincide with arbitrary numerical values given from the outside.
[0025]
The above description is an operation description for a normal operation state in which the motor 1 is driven by the inverter device. Next, an operation for detecting the angular frequency ω and the rotor angle θ of the rotor in a state where the motor 1 is free-running by an external force before starting will be described.
In this case, the first switch S1 (9), the second switch S2 (10), and the third switch S3 (18) are switched as shown in FIG. That is, “zero” is given as the command values of Id and Iq. Also, the angular frequency command value ω-com includes the angular frequency estimated value ω 0 Is delayed through the delay circuit 23. It is desirable from the viewpoint of responsiveness that the delay time of the delay circuit 23 should be a value smaller than a period corresponding to the maximum response frequency of the motor 1.
[0026]
In FIG. 3, the estimated rotor angle θ 0 Is estimated to be equal to the actual rotor angle θ, the currents Id and Iq of the motor 1 are adjusted to “zero” by the proportional-plus-integral calculators 11 and 12, respectively. Id and Iq are both “zero” when Iα, Iβ and Ia, Ib and Ic are all “zero”.
[0027]
Estimated rotor angle θ 0 To converge to the actual rotor angle θ free-running, the angular frequency estimate ω 0 Is delayed by the delay circuit 23 as an angular frequency command value ω-com. By doing so, as in the case of the normal operation state described above, the proportional-plus-integral calculator 20 estimates the rotor angular frequency value ω so that the induced voltage estimated value Ed converges to “zero”. 0 And estimated rotor angle θ 0 Adjust. Estimated rotor angle θ when Ed becomes “zero” 0 Corresponds to the actual rotor angle θ of the motor 1. Also, the estimated rotor angle at that time θ 0 That is, the estimated angular frequency ω 0 Corresponds to the actual angular frequency ω of the motor 1 at that time.
With such an operation, according to the inverter device of the present invention, it is possible to detect the values of the rotor angle θ and the angular frequency ω of the motor 1 in the free-run state.
[0028]
Note that when the control of this inverter device is realized by a method in which it is periodically calculated and executed by a high-speed processor such as a DSP (Digital Signal Processor), the delay time of the delay circuit 23 is one of the DSP calculation cycles. It is good for the period. Further, when the DSP calculation speed is sufficiently high, the angular frequency estimated value ω obtained in the most recent calculation cycles instead of the signal delayed by the delay circuit 23. 0 May be used as the command value. In this way, the estimated rotor angle θ 0 Converges to the actual rotor angle θ of the motor 1.
[0029]
Furthermore, in the case of a DSP, the programming may be performed based on the block diagram of FIG. In FIG. 1, the value of the angular frequency command value ω-com is used in the subtractor 21, and the calculation result ω 0 Is subtracted from ω-com in the subtractor 17. In this case, the block diagram of FIG. 2 equivalent to FIG. 1 may not be executed depending on the process of reading ω-com, the calculation in the subtractor 21, and the execution order of the calculation in the subtractor 17. It is.
[0030]
Further, as the proportional-plus-integral calculators 11, 12, 16, and 20 in FIG. 1, depending on the characteristics of the motor 1 and the load that the motor 1 drives, a proportional value obtained by adding a differential operation in order to improve control responsiveness. An integral / differential calculator may be used.
[0031]
As is apparent from the above description, the inverter device of the present invention can perform vector control of the permanent magnet motor 1 without using a sensor for detecting the position or speed of the rotor. Furthermore, there is an advantage that the rotational speed and the rotor angle of the motor 1 in a free-run state before starting can be detected without using a sensor.
[0032]
(Second Embodiment)
The present embodiment relates to an embodiment in which, for example, a permanent magnet motor for driving a fan attached to an outdoor unit of an air conditioner is appropriately started using the above-described vector control inverter device. In many cases, fan motors installed outdoors are free-running before starting due to an external force such as natural wind. In this case, starting the inverter drive regardless of the free-run state is not preferable because it causes a sudden change in the motor.
[0033]
FIG. 4 shows a flow of processing according to the present invention for reasonably starting properly according to the free-run state of the motor.
When power is supplied to the inverter device, the inverter device executes Step S1. In step S1, the angular frequency ω of the rotor in the free-run state is detected by the means described in the first embodiment. In this case, it is preferable to take an average value of a plurality of detection values for the sake of accuracy.
[0034]
Next, the process proceeds to step S2. Steps S2 and after are a sequence for performing appropriate starting in accordance with the detected angular frequency ω of the rotor. Here, the symbols A, B, C, and D used in FIG. 4 are positive constants representing the angular frequency, and A> B, D> C, and their values are determined in advance before starting. It is. In step S2, it is determined whether or not the detected angular frequency ω is D or more. The value of D is determined so as to correspond to a state where the fan motor is free-running at a considerably high speed in the forward rotation direction when ω ≧ D is satisfied. Therefore, if ω ≧ D is satisfied, the motor is rotating at a considerable speed in the forward rotation direction even if the fan motor is not driven. Return to step S1 without doing anything. If ω ≧ D is not satisfied, the process proceeds to step S3.
[0035]
In step S3, the inverter apparatus determines whether or not the condition of ω ≦ −A is satisfied. Here, the value of A is determined so as to correspond to a state in which the fan motor is rotating at a considerably high speed in the reverse direction when the condition of ω ≦ −A is satisfied. The fact that it is rotating at a considerable speed in the reverse direction means that it is rotating under a sufficient wind, for example, in the case of an outdoor unit. Therefore, in this case as well, driving by the inverter is unnecessary, so that the state is continued as it is and the processing returns to step S1 without doing anything. When the condition of ω ≦ −A is not satisfied, this is a case where −A <ω <D is satisfied. In this case, the process proceeds to step S4.
[0036]
In step S4, the inverter apparatus determines whether or not the condition of ω ≧ C is satisfied. This condition is satisfied when C ≦ ω <D. The value of C is determined so as to correspond to the state in which the fan motor rotates in the forward rotation direction at a moderate speed when this condition is satisfied. In this state, even if the inverter is driven based on the detected angular frequency ω and rotor angle θ, the fan motor is not forced so much. If the condition in step S4 is satisfied, the process proceeds to step S13.
[0037]
In step S13, the detected angular frequency ω is used as the angular frequency command value ω-com, and θ detected as the rotor angle is used as the rotor angle estimated value θ. 0 Inverter drive by vector control is started. Then, the angular frequency command value ω-com is gradually increased (or gradually decreased), and a forward drive operation for shifting to the command value from the outside is executed. The starting operation ends when the angular frequency command value ω-com matches the command value from the outside. Thereafter, the process proceeds to step S14, and a steady operation is started in which the inverter drive is continued at an angular frequency according to an external command value.
[0038]
If the condition is not satisfied in step S4, the process proceeds to step S5. In step S5, the inverter apparatus determines whether or not the condition of ω ≧ −B is satisfied. This condition is satisfied when -B ≦ ω <C. This state corresponds to a state where the fan motor is stopped or is free running at a low speed close to the stop. If this condition is satisfied, the process proceeds to step S6. In step S6, a direct current is passed through the stator winding to temporarily stop the rotation of the fan motor. The time for which the DC excitation is continued is a predetermined time that is determined in advance, and is sufficient for stopping the fan motor. The determination of the elapse of the predetermined time is performed in step S7. After the DC excitation for a predetermined time is finished in step S7, the process proceeds to step S8 to perform commutation. Regardless of the position of the rotor, commutation generates a rotating magnetic field by passing a three-phase alternating current through the stator windings, and the interaction between the generated rotating magnetic field and the magnetic field created by the permanent magnet of the rotor An operation for forcibly rotating the motor in the forward direction. Such a rotating magnetic field gives constant Vd and Vq determined in advance as inputs of the dq / αβ converter 13 in FIG. 3, and the rotor angle θ used for calculation in the dq / αβ converter 13. 0 Can be generated by giving a rotor angle that changes to a constant angular frequency greater than the angular frequency C. By driving in this way, the fan motor is accelerated toward the angular frequency C from the stopped state.
[0039]
During this commutation, the inverter device continues to detect the angular frequency ω of the rotor. Then, when the angular frequency ω exceeds C, that is, when the condition of step S10 is satisfied, the process proceeds to step S13. In this step S10, the end of commutation is determined by the value of the angular frequency ω, but instead the end may be determined by time as in step S7, or may be determined by a combination of both. .
[0040]
In step S13, the angular frequency ω detected as described above is used as the angular frequency command value ω-com, and θ determined as the rotor angle is the rotor angle estimated value θ. 0 Inverter drive by vector control is started. Then, when the angular frequency command value ω-com matches the command value from the outside, the starting operation is finished, and thereafter, the process proceeds to step S14 to enter the steady operation.
[0041]
In addition, when the condition of step S5 is satisfied as described above, the direct current excitation and commutation are performed because the rotational speed of the rotor is low in the angular frequency range where the condition of step S5 is satisfied. This is because the detected value of the rotor angular frequency ω may not always have sufficient accuracy, and if the inverter driving is suddenly started in such a case, the fan motor may be forced.
[0042]
If the condition in step S5 is not satisfied, the process proceeds to step S11. The condition of step S5 is not satisfied when the angular frequency ω is in the range of −A <ω <−B. This state corresponds to a state where the fan motor is free-running in the reverse direction at a moderate speed. In such a state, the detected angular frequency ω is used as the angular frequency command value ω-com, and θ determined as the rotor angle is the estimated rotor angle θ 0 Inverter drive by vector control is started. That is, the fan motor is inverter-driven in the reverse direction at the detected angular frequency ω. After starting the driving in this way, the inverter device gradually increases the angular frequency command value ω-com. That is, ω-com is changed in the forward direction. After ω-com reaches zero, it continues to increase gradually until it matches the external angular frequency command value. The fan motor rotating in the reverse direction is decelerated and the rotational speed becomes zero, and then it is driven in the forward direction. The operation of reversing the rotation direction is the return operation of step 12.
[0043]
After returning in step S12, the process proceeds to step S13. In step S13, the angular frequency command value ω-com is further increased gradually, the fan motor is also accelerated accordingly, and is eventually increased to the external angular frequency command value. The starting operation ends when the angular frequency command value ω-com matches the command value from the outside. Thereafter, as in the case described above, the process proceeds to step S14, and a steady operation in which driving is continued at an angular frequency according to an external command value is entered.
[0044]
As is apparent from the above description, the inverter device of the present invention can detect the rotational speed of the fan motor in a free-run state before starting without a sensor, and an appropriate starting method that matches the detected rotational speed. Can be selected. As a result, there is an effect that it is possible to smoothly enter the steady operation without forcing the fan motor.
[0045]
In the second embodiment, in order to facilitate understanding, the constants A, B, C, and D have been described as being set to values suitable for the case where the present invention is applied to an outdoor unit of an air conditioner. The application of the present invention is not limited to the outdoor unit of an air conditioner. For example, when applied to a ventilation fan that discharges indoor air to the outside, when the ventilation fan is reversely rotated at high speed by the wind blown from the outside, the inverter is not driven as in the second embodiment. It is not preferable to continue. In this case, as in the case of −A <ω <−B described above, it is necessary to shift to an operation of driving in the order of reverse rotation drive, return, normal rotation drive, and steady operation to discharge indoor air to the outside. is there. Such an operation can be realized in the sequence flow of FIG. 4 by setting a minus infinity numerical value as the value of -A in the second embodiment.
[0046]
As described above, the inverter device of the present invention can smoothly change the values of the constants A, B, C, and D, including the case where they take negative values, so that the smooth start that is most suitable for the motor drive target is achieved. Is possible.
[0047]
(Third embodiment)
The present embodiment relates to a rotary drive device including the vector control device of the present invention and a permanent magnet motor, and is an embodiment in which the vector control inverter device of the present invention is used as an inverter device. When performing inverter control of a permanent magnet motor, it is necessary to grasp various motor constants of the permanent magnet motor and reflect them in inverter control in order to optimize the control. Therefore, today, a permanent magnet motor and an inverter device for driving the permanent magnet motor are often integrated and sold as a rotary drive device. In this case, if the vector control inverter device of the present invention is employed as the inverter device, the permanent magnet motor can be driven sensorlessly and brushlessly, so that maintenance is easy, there is little failure, and appropriate start corresponding to the load can be performed. A rotational drive device can be provided.
[0048]
【The invention's effect】
As can be understood from the above description, the vector control inverter device of the present invention independently controls the excitation current and rotation speed of the permanent magnet motor without using a sensor for detecting the position or speed of the rotor. Therefore, it is possible to avoid an increase in cost and an increase in maintenance work amount due to sensor attachment. Furthermore, it is possible to detect the rotational speed of the motor in a free-running state before starting, and to select and execute an appropriate starting method based on the detection result, so that the motor can be smoothly changed without forcing a sudden change. This has the effect of starting the motor.
[0049]
In addition, the rotary drive device provided with the vector control device and the permanent magnet motor of the present invention is sensorless and brushless, so that maintenance is easy and there are few failures, and an appropriate start corresponding to the load can be performed. Have.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a functional block diagram showing an electrical configuration of a vector control inverter device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a functional block diagram according to another expression equivalent to the functional block diagram of FIG.
FIG. 3 is a functional block diagram for detecting the rotor angle and angular frequency of a motor in a free-run state.
FIG. 4 is a flowchart showing the start sequence of a motor in a free-run state
[Explanation of symbols]
In the figure, 1 is a permanent magnet motor, 2 is current control means, 3 is rotor speed / angle estimation means, 9 is a first switch, 10 is a second switch, 18 is a third switch, 11, 12, 16 and 20 are proportional-plus-integral calculators, 19 is an induced voltage estimating means, and 23 is a delay circuit.

Claims (6)

永久磁石を回転子に、電機子巻線を固定子に設けた三相永久磁石モータに供給する電流の瞬時値を、永久磁石が作る磁束と同じ速度で回転する回転座標系上の前記磁束に平行なd軸電流と、これよりπ/2位相が進んだq軸電流とに変換し、それぞれを独立に制御する永久磁石モータのベクトル制御インバータ装置において、
モータ電流実測値と回転子角度推定値とから計算したd軸電流及びq軸電流、並びにd軸電圧指令値と、回転子角周波数推定値と、モータ回路定数とを用いてd軸誘起電圧推定値を計算する誘起電圧推定手段と、
前記d軸誘起電圧推定値を入力とする比例積分演算器と、
前記比例積分演算器の出力を回転子の前記角周波数指令値から減算して前記回転子角周波数推定値を計算する減算器と、
前記回転子角周波数推定値を積分して回転子角度推定値を計算する積分器と、
d軸電流指令値を、外部からのd軸電流指令値とゼロ値とに切り換える第1のスイッチと、
q軸電流指令値を、前記比例積分演算器の出力信号を更に比例積分演算して求めた指令値とゼロ値とに切り換える第2のスイッチと、
前記回転子角周波数推定値の信号を遅延させる遅延回路と、
前記回転子角周波数指令値を、外部からの指令値と前記遅延回路の出力信号とに切り換える第3のスイッチと、を具備することを特徴とするベクトル制御インバータ装置。
The instantaneous value of the current supplied to the three-phase permanent magnet motor with the permanent magnet as the rotor and the armature winding as the stator is changed to the magnetic flux on the rotating coordinate system that rotates at the same speed as the magnetic flux generated by the permanent magnet. In a vector control inverter device of a permanent magnet motor that converts a parallel d-axis current into a q-axis current that is advanced by π / 2 phase and controls each independently,
Estimating d-axis induced voltage using d-axis current and q-axis current, d-axis voltage command value, rotor angular frequency estimated value, and motor circuit constant calculated from actual measured motor current value and estimated rotor angle value An induced voltage estimating means for calculating a value;
A proportional-plus-integral calculator with the d-axis induced voltage estimated value as an input;
A subtractor for subtracting the output of the proportional-plus-integral calculator from the angular frequency command value of the rotor to calculate the rotor angular frequency estimate;
An integrator that integrates the rotor angular frequency estimate to calculate a rotor angle estimate;
a first switch for switching a d-axis current command value between an external d-axis current command value and a zero value;
a second switch for switching a q-axis current command value between a command value and a zero value obtained by further performing a proportional-integral operation on the output signal of the proportional-integral calculator;
A delay circuit for delaying the signal of the rotor angular frequency estimation value;
And a third switch for switching the rotor angular frequency command value between an external command value and an output signal of the delay circuit .
前記第1及び第2のスイッチを共にゼロ値側に切り換え、
前記第3のスイッチを前記遅延回路の出力側に切り換えることにより、フリーラン状態にある前記永久磁石モータの回転子角周波数と回転子角度を検出することを特徴とする請求項1記載のベクトル制御インバータ装置。
Both the first and second switches are switched to the zero value side,
2. The vector control according to claim 1, wherein a rotor angular frequency and a rotor angle of the permanent magnet motor in a free-run state are detected by switching the third switch to the output side of the delay circuit. Inverter device.
フリーラン状態にある前記永久磁石モータの回転子角周波数と回転子角度の検出値に基づいて前記永久磁石モータの始動方法を選択することを特徴とする請求項2記載ベクトル制御インバータ装置。 The vector control inverter device according to claim 2, wherein a starting method of the permanent magnet motor is selected based on a detected rotor angular frequency and a detected value of the rotor angle of the permanent magnet motor in a free-running state . フリーラン状態にある前記永久磁石モータの回転子角周波数の検出値をω、A、B、C、Dを正の定数とするとき、
( ). ω≧D又はω≦−Aの場合にはフリーラン状態を継続させ、
( ). C≦ω<Dの場合には回転子の角周波数指令値をωより漸増又は漸減させつつインバータ駆動して外部からの指令値に一致するように変速し、
( ). −B≦ω<Cの場合には直流励磁により一旦停止させた後、強制転流して正転加速し、ω≧Cに加速された後は回転子の角周波数指令値をCより漸増させつつインバータ駆動して外部からの指令値に一致するまで加速し、
( ). −A<ω<Bの場合には回転子の角周波数指令値を−Aより漸増させつつインバータ駆動して外部からの指令値に一致するまで加速する、
ことによって前記永久磁石モータを始動させることを特徴とする請求項2記載のベクトル制御インバータ装置。
When the detected value of the rotor angular frequency of the permanent magnet motor in the free-run state is ω, A, B, C, D as positive constants,
( a ). When ω ≧ D or ω ≦ −A, the free-run state is continued,
( b ). In the case of C ≦ ω <D, the rotor angular frequency command value is gradually increased or decreased from ω, and the inverter is driven to shift to match the command value from the outside,
( c ). When −B ≦ ω <C, the motor is temporarily stopped by direct current excitation, then forced commutation to accelerate forward rotation, and after acceleration to ω ≧ C, the angular frequency command value of the rotor is set to C Drive the inverter while gradually increasing and accelerate until it matches the command value from the outside,
( d ). In the case of -A <ω <B, the rotor angular frequency command value is gradually increased from -A and the inverter is driven to accelerate until it matches the command value from the outside.
3. The vector control inverter device according to claim 2, wherein the permanent magnet motor is started by this .
前記永久磁石モータは、ファン駆動用モータであることを特徴とする請求項1ないし4の何れかに記載のベクトル制御インバータ装置。 5. The vector control inverter device according to claim 1, wherein the permanent magnet motor is a fan driving motor . 前記永久磁石モータと該モータを駆動するインバータ装置とを備えた回転駆動装置であって、該インバータ装置は請求項1ないし4の何れかに記載のベクトル制御インバータ装置からなることを特徴とする回転駆動装置。A rotation drive device comprising the permanent magnet motor and an inverter device for driving the motor, wherein the inverter device comprises the vector control inverter device according to any one of claims 1 to 4. Drive device.
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