JP5618854B2 - Synchronous motor drive system - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、センサレス制御方式により同期電動機を駆動する同期電動機駆動システムに関する。 Embodiments described herein relate generally to a synchronous motor drive system that drives a synchronous motor by a sensorless control method.
回転子に界磁用巻線や永久磁石、鉄心を用いた電動機は、当該電動機の回転に同期して固定子に通電し、トルクを発生させるため、同期電動機と呼ばれる。より詳しく述べるのであれば、界磁巻線を用いて回転子磁束を発生させ、トルクを得るものを単に同期電動機と呼び、回転子に永久磁石を用いて回転子磁束を発生させ、マグネットトルクを得るものを永久磁石同期電動機、さらに回転子に鉄心のみを用いてリラクタンストルクを得るものをリラクタンスモータ等と呼ぶ。 An electric motor using a field winding, a permanent magnet, or an iron core as a rotor is called a synchronous motor because it energizes the stator in synchronization with the rotation of the electric motor and generates torque. In more detail, what generates torque by using a field winding and obtains torque is simply called a synchronous motor, and a permanent magnet is used for the rotor to generate rotor flux, and magnet torque is What is obtained is called a permanent magnet synchronous motor, and what obtains reluctance torque using only an iron core as a rotor is called a reluctance motor or the like.
近年では、これらを組み合わせた埋め込み磁石型永久磁石同期電動機や、非特許文献1のように界磁用巻線として回転子内で短絡されたコイルにダイオードを挿入して、このコイルに高周波界磁をかけて界磁を得る半波整流ブラシなし同期電動機、及びこの電動機と永久磁石同期電動機を組み合わせた半波整流ブラシなし永久磁石同期電動機等も開発されている。 In recent years, a diode is inserted into an embedded magnet type permanent magnet synchronous motor combining these, or a coil short-circuited in a rotor as a field winding as in Non-Patent Document 1, and a high-frequency field is inserted into this coil. A half-wave rectifying brushless synchronous motor that obtains a field by applying a permanent magnet synchronous motor, and a half-wave rectifying brushless permanent motor that combines this motor with a permanent magnet synchronous motor have been developed.
上記のような「同期電動機」の分類に属するモータにおいては、一般的に運転中の回転角度を計測し、適切な位相角に通電することによって高効率に高トルクを得る制御が行われている。しかし、回転角度を計測するためにはレゾルバやエンコーダ(パルスジェネレータ)等に代表される回転角度センサを設置する必要があり、設置スペースの節約やコスト低減の要求から、回転角度センサを必要としない制御方式が開発されている。この制御方式は、一般的に「センサレス制御」と称される。 In motors belonging to the category of “synchronous motors” as described above, control is generally performed to obtain high torque with high efficiency by measuring the rotation angle during operation and energizing the appropriate phase angle. . However, in order to measure the rotation angle, it is necessary to install a rotation angle sensor typified by a resolver, encoder (pulse generator), etc., and the rotation angle sensor is not required because of the need for saving installation space and cost reduction. A control scheme has been developed. This control method is generally referred to as “sensorless control”.
センサレス制御では、電動機に通電される電圧と電流の関係に回転角度情報が含まれていることを利用し、電動機の制御装置で観測した電圧と電流から、回転角度推定器によって回転角度を推定する方式が一般的であり、例えば非特許文献2に詳述されている。
In sensorless control, the rotation angle is estimated by the rotation angle estimator from the voltage and current observed by the motor control device, utilizing the fact that the rotation angle information is included in the relationship between the voltage and current applied to the motor. The method is general and is described in detail in, for example, Non-Patent
センサレス制御は、大きく分けて2つの分類に分けることができる。高速回転域で用いる「高速センサレス制御」と低速回転域で用いる「低速センサレス制御」である。高速センサレス制御は、例えば永久磁石同期電動機の場合、回転子の永久磁石磁束によって固定子に誘起される逆起電圧が回転角度に同期することを利用し、電動機の電圧と電流から逆起電圧成分を抽出することによって回転角を推定する。また低速センサレス制御は、細かくはさまざまな方式が提案されているが、基本概念としては、回転子の電気的突極性に基づいて、高周波電圧や高周波電流を印加し、それらの応答に含まれる回転角情報をバンドパスフィルタ等を用いて抽出することによって回転角度推定を実現している。低速センサレス制御については、特許文献1,2に記載されている。
Sensorless control can be roughly divided into two categories. "High-speed sensorless control" used in the high-speed rotation range and "Low-speed sensorless control" used in the low-speed rotation range. For example, in the case of a permanent magnet synchronous motor, the high speed sensorless control uses the fact that the counter electromotive voltage induced in the stator by the permanent magnet magnetic flux of the rotor is synchronized with the rotation angle, and the counter electromotive voltage component from the voltage and current of the motor. The rotation angle is estimated by extracting. Although various methods have been proposed for low-speed sensorless control, the basic concept is that a high-frequency voltage or high-frequency current is applied based on the electrical saliency of the rotor, and the rotation included in the response. The rotation angle estimation is realized by extracting the angle information using a bandpass filter or the like. The low speed sensorless control is described in
低速センサレス制御において推定される回転角度は、原理的に推定誤差が0°か180°のどちらかになり、その判別は不可能である。これは、低速センサレス制御における推定原理が電気的突極性に基づいているためである。電気的突極性は、推定誤差Δθに対して2Δθの関数となるため、2Δθがゼロとなるように推定を行うと、回転Δθ=0°もしくは180°のどちらかに推定が収束することになる。このような問題に対応するための技術として、「極性判別」という技術が開発されており、非特許文献3に詳述されている。 The rotation angle estimated in the low-speed sensorless control has an estimation error of 0 ° or 180 ° in principle, and cannot be distinguished. This is because the estimation principle in low-speed sensorless control is based on electrical saliency. The electrical saliency is a function of 2Δθ with respect to the estimation error Δθ. Therefore, when the estimation is performed so that 2Δθ becomes zero, the estimation converges to either rotation Δθ = 0 ° or 180 °. . As a technique for dealing with such a problem, a technique called “polarity discrimination” has been developed and is described in detail in Non-Patent Document 3.
極性判別は、基本概念としては、界磁磁束と同一方向に固定子直流電流を印加し、この電流によって発生した磁束と界磁磁束によって磁気飽和が発生し、インダクタンスが低下することを検出するというものである。 The basic principle of polarity discrimination is that a stator DC current is applied in the same direction as the field magnetic flux, and magnetic saturation is generated by the magnetic flux generated by this current and the field magnetic flux, thereby detecting that the inductance is reduced. Is.
界磁磁束と逆方向に固定子直流電流を印加した場合には磁気飽和が発生せず、インダクタンスは低下しない。そこで、極性判別は、正負の固定子直流電流を印加し、それぞれの場合に対してインダクタンスを計測することによって、推定回転角度誤差が0°か180°かを判別することができる。 When a stator DC current is applied in the direction opposite to the field magnetic flux, magnetic saturation does not occur and the inductance does not decrease. Therefore, polarity determination can determine whether the estimated rotation angle error is 0 ° or 180 ° by applying positive and negative stator DC currents and measuring the inductance in each case.
また、非特許文献1に記載の「半波整流ブラシなし同期電動機」のセンサレス始動位置検出法として、非特許文献4に記載されている方式が提案されている。非特許文献4には、ダイオードを挿入した回転子コイルを備えた半波整流ブラシなし同期電動機において、駆動時や磁極判別も含めた低速センサレス制御の実現について記載されている。 Further, as a sensorless starting position detection method of the “half-wave rectifying brushless synchronous motor” described in Non-Patent Document 1, a method described in Non-Patent Document 4 has been proposed. Non-Patent Document 4 describes the realization of low-speed sensorless control including driving and magnetic pole discrimination in a half-wave rectifying brushless synchronous motor having a rotor coil with a diode inserted therein.
非特許文献4においては、ダイオードで挿入した回転子コイルによる磁束を駆動用磁束として用いる前提で、回転子コイルを励磁するために三角波状の励磁電流を流す。この時、制御用の固定子電圧に現れる回転角情報を用いて回転角の推定を行っている。 In Non-Patent Document 4, on the premise that magnetic flux generated by a rotor coil inserted by a diode is used as a driving magnetic flux, a triangular wave excitation current is passed to excite the rotor coil. At this time, the rotation angle is estimated using the rotation angle information appearing in the control stator voltage.
ただし、非特許文献4においても、上述した低速センサレスと同様に、2Δθの項に基づいて回転角度を推定しているため、磁極判別が必要となり、0°もしくは180°の位相角を推定した後、固定子巻線のダイオードのオン/オフを推定することによって磁極判別を実現している。すなわち、手順としては、「初期位相推定」、「磁極判別」、「駆動開始」の順である。非特許文献4では、駆動時にも推定を可能としており、磁極判別実施後には位相角は反転しないという前提の下、初期位相推定とほぼ同様の演算方法により2Δθを求め、回転角度を推定している。 However, even in Non-Patent Document 4, since the rotation angle is estimated based on the term of 2Δθ as in the case of the low-speed sensorless described above, it is necessary to determine the magnetic pole, and after estimating the phase angle of 0 ° or 180 ° The magnetic pole discrimination is realized by estimating the on / off state of the stator winding diode. That is, the procedure is “initial phase estimation”, “magnetic pole discrimination”, and “drive start” in this order. In Non-Patent Document 4, estimation is possible even during driving, and on the premise that the phase angle does not reverse after the magnetic pole discrimination is performed, 2Δθ is obtained by a calculation method almost similar to the initial phase estimation, and the rotation angle is estimated. Yes.
また、非特許文献1,4の概念を応用したものとして、非特許文献5がある。この非特許文献5に記載の方法は、半波整流ブラシなし同期電動機を用い、同期電動機のベクトル制御に用いるdq軸座標系において、正回転及び逆回転する回転高周波電圧をそれぞれ印加し、応答の正転高周波電流と逆転高周波電流において、それぞれ空間的に振幅が最大となる位相角を探索し、その平均値を推定回転角とするものであり、この方法によれば、回転子巻線の抵抗成分に起因する推定誤差を除去することが可能であると述べられている。
Further, Non-Patent
上述したように、同期電動機のセンサレス制御には数々の方式があり、方式の提案のみならず実機での駆動も実用化されている。しかし、現状の方式において、特に低速センサレス制御には、未だに以下に示すような問題点が存在する。 As described above, there are a number of methods for sensorless control of a synchronous motor, and not only a method proposal but also a drive with an actual device has been put into practical use. However, the following problems still exist in the current system, particularly in the low speed sensorless control.
まず、回転角推定原理の制約による磁極判別の必要性の問題がある。ダイオードを挿入した回転子コイルを用いない通常の同期電動機は、上述したように回転角推定原理の制約があり、回転角の推定と磁極判別を別々に実施する必要がある。特に、磁極判別は、推定用の高周波電流に比較して大きな正負直流電流を引火する必要があり、駆動トルクに悪影響を及ぼす可能性があるため駆動中に実施するのは現実的でない。したがって、通常は始動時に磁極判別し、その後は推定回転角誤差が±90°以内になるよう制御する必要がある。逆に、推定回転角誤差が±90°を超えた場合には、その状況を検知して再び始動シーケンスを実施し、磁極判別をやり直す必要がある。 First, there is a problem of necessity of magnetic pole discrimination due to restrictions on the rotation angle estimation principle. As described above, a normal synchronous motor that does not use a rotor coil with a diode inserted has limitations on the rotation angle estimation principle, and it is necessary to separately perform rotation angle estimation and magnetic pole discrimination. In particular, the magnetic pole discrimination needs to ignite a large positive / negative direct current compared to the high frequency current for estimation, and it may be adversely affected on the driving torque, so that it is not realistic to carry out the driving. Therefore, it is usually necessary to determine the magnetic pole at the time of starting, and thereafter control so that the estimated rotation angle error is within ± 90 °. Conversely, when the estimated rotation angle error exceeds ± 90 °, it is necessary to detect the situation, perform the start sequence again, and perform the magnetic pole determination again.
そのため、始動時及び再始動時には磁極判別実施分の時間が短くとも0.1秒程度かかり、人間系からトルク指令等が入力されて運転される駆動用途(例えばハイブリッド自動車や電車等)に用いられる場合に、運転者の違和感につながる可能性がある。この問題は、非特許文献4に記載されている半波整流ブラシなし同期電動機のセンサレス制御方式についても言える問題である。 For this reason, at the time of starting and restarting, it takes about 0.1 seconds at the shortest time for magnetic pole discrimination, and it is used for driving applications (for example, hybrid cars, trains, etc.) that are operated by inputting a torque command or the like from a human system. In some cases, this may lead to a driver's discomfort. This problem can also be said for the sensorless control method of the synchronous motor without a half-wave rectifying brush described in Non-Patent Document 4.
さらに、非特許文献5に記載のセンサレス制御方式における演算の複雑性の問題もある。ここで、非特許文献5に記載の方式は、上述した回転角推定原理の制約による磁極判別の必要性の問題に対応した方式であるということもできる。すなわち、非特許文献5に記載の方式は、回転高周波電流の振幅が最大となる位相角を探索することにより、磁極判別と回転角推定を同時に行っているということができる。
Further, there is a problem of calculation complexity in the sensorless control system described in Non-Patent
しかしながら、非特許文献5に記載の方法は、正回転及び逆回転の高周波電圧をそれぞれ印加して回転高周波電流を観測し、振幅が最大となる電流を探索して、正回転及び逆回転それぞれの振幅最大電流の位相角を平均するという複雑な処理が必要となっている。このような演算の複雑性は、一般的に数百〜数キロHzの周波数で処理される電動機の制御周期に対して、本処理にかかる演算の占める割合を増加させ、ひいてはその他の高度な制御演算を組み込めなくなるという制約になる可能性がある。
However, the method described in Non-Patent
逆の視点では、非特許文献5に記載の方法は、演算時間の制約の中で本処理を組み込むために高価で高性能な演算装置(例えば高性能マイコンやDSP:Digital Signal Processor等)が必要となる、ということもできる。
From the opposite perspective, the method described in Non-Patent
また、その原理上、非特許文献5に記載の方法は、正回転及び逆回転の高周波電圧を少なくとも1周期ずつ印加し、両方の応答電流値が得られた段階で初めて推定値の更新ができるようになるが、これは推定値の更新周期を長引かせることとなり、高速な制御応答が可能であるはずの電動機の制御性を劣化させることにつながる可能性がある。この点については、印加する高周波電圧の周波数を高めることにより改善できる可能性もあるが、相対的にはさらに高速な応答が可能であるにも関わらず推定方法の制約によって制御性を劣化させることになるという点は同じである。
Further, in principle, the method described in
本発明は上述した従来技術の問題点を解決するもので、ダイオードを挿入した回転子コイルを備えた同期電動機の低速センサレス制御において、複雑な処理を行う必要無く、回転角度の推定と磁極判別を同時に行うことが可能、言い換えれば推定範囲が−90°≦Δθ≦+90°ではなく、−180°≦Δθ≦+180°であるようなセンサレス制御方式による同期電動機駆動システムを提供することを課題とする。 The present invention solves the above-mentioned problems of the prior art, and in the low-speed sensorless control of a synchronous motor having a rotor coil with a diode inserted, the estimation of the rotation angle and the magnetic pole discrimination can be performed without the need for complicated processing. It is an object of the present invention to provide a synchronous motor drive system based on a sensorless control method that can be performed simultaneously, in other words, the estimated range is not −90 ° ≦ Δθ ≦ + 90 ° but −180 ° ≦ Δθ ≦ + 180 °. .
実施形態の同期電動機駆動システムは、上記課題を解決するために、同期電動機と、前記同期電動機を制御する制御装置とを備え、前記同期電動機は、固定子コイルを有する固定子と、ダイオードが挿入された回転子コイルを持つ回転子とを有し、前記制御装置は、前記固定子に高周波磁束を発生させるための高周波磁束指令を生成する高周波磁束発生制御部と、前記高周波磁束発生制御部により生成された前記高周波磁束指令に応じて前記固定子コイルに発生した高周波電圧と高周波電流との少なくとも一方に基づいて、前記ダイオードに流れる電流の有無に応じた前記高周波電圧の差又は前記高周波電流の差を算出するとともに、算出した前記高周波電圧の差又は前記高周波電流の差に基づいて前記同期電動機の回転角度を推定する回転角度推定部とを有することを特徴とする。
In order to solve the above problems, a synchronous motor drive system according to an embodiment includes a synchronous motor and a control device that controls the synchronous motor. The synchronous motor includes a stator having a stator coil, and a diode inserted therein. A rotor having a rotor coil formed, and the control device includes a high frequency magnetic flux generation control unit that generates a high frequency magnetic flux command for generating a high frequency magnetic flux in the stator, and the high frequency magnetic flux generation control unit. Based on at least one of the high-frequency voltage and the high-frequency current generated in the stator coil according to the generated high-frequency magnetic flux command, the difference in the high-frequency voltage according to the presence or absence of the current flowing through the diode or the high-frequency current It calculates the differential rotation of estimating the rotation angle of the synchronous motor based on the difference of the difference or the high frequency current calculated the high-frequency voltage And having a degree estimation unit.
以下、本発明の同期電動機駆動システムの実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。 Embodiments of a synchronous motor drive system according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の実施例1の同期電動機駆動システムの構成を示すブロック図である。図1に示すように、本実施例の同期電動機駆動システムは、同期電動機の制御装置1、インバータ2、電流検出部6、及び同期電動機7により構成される。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a synchronous motor drive system according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the synchronous motor drive system according to the present embodiment includes a synchronous motor control device 1, an
また、インバータ2を介して同期電動機7を制御する制御装置1は、高周波磁束発生制御部11、電動機制御部12a、PWM処理部13、及び回転角度推定部14により構成される。さらに、電動機制御部12aは、トルク/電流変換部121、電流制御部122、dq/3相変換部123、及び3相/dq変換部124により構成される。各構成についての詳細な説明は後述する。
The control device 1 that controls the synchronous motor 7 via the
インバータ2は、制御装置1内のPWM処理部13により出力されたゲート指令に基づいて、内蔵するスイッチング素子をオン/オフすることにより直流電圧を3相交流電圧に変換する。
The
同期電動機7は、インバータ2により出力された3相交流電圧に基づく3相交流電流が流れることにより磁界を発生させ、回転子3との磁気的相互作用によりトルクを発生させる。この同期電動機7は、回転子3と固定子4とを備えている。この固定子4は、電機子コイルを固定子コイルとして備えている。また、回転子3は、固定子4からの励磁磁束が鎖交するように配置した、1ターン以上のコイル(回転子コイル5)を有しており、回転子コイル5にはダイオードが挿入されている。
The synchronous motor 7 generates a magnetic field when a three-phase AC current based on the three-phase AC voltage output from the
図2は、本実施例の同期電動機駆動システムの同期電動機7における回転子コイル5の等価回路を示す図である。この回転子コイル5は、回路に少なくとも1個以上のダイオードを持ち、コイルに流れる電流の方向に応じてダイオードがオン/オフされるように構成される。図2において、コイルとダイオードとは直列に接続されているが、抵抗やコンデンサなど他の電気部品を挿入することも可能である。図3は、本実施例の同期電動機駆動システムの同期電動機7における回転子コイル5の等価回路の別例を示す図であり、コイルの鎖交磁束変化による電圧が、ダイオードがオンする方向の場合とオフする場合とで、回路の総抵抗が異なるように構成されている。一方、図2の例では、ダイオードがオンのときには、コイルの抵抗値が回路抵抗となり、オフのときには抵抗が実質無限大となる。
FIG. 2 is a diagram showing an equivalent circuit of the
PWM処理部13は、一般的には三角波比較PWM(Pulse Width Modulation)が用いられ、電圧指令と三角波キャリアとを比較することにより、インバータの各スイッチング素子のオン/オフ・ゲート指令を生成する。他のPWM処理方法としては、ヒステリシスPWMや空間ベクトルPWM等が挙げられる。
The
ヒステリシスPWMは、3相電流指令を入力とし、3相電流応答が電流指令に対して指定した誤差幅(ヒステリシス幅)に入っているか否かに応じてスイッチング素子のオン/オフ・ゲート指令を生成する。また空間ベクトルPWMは、3相電圧指令を入力とし、電圧指令をベクトルとして考えた場合の空間的な位置に応じて、インバータの出力すべき電圧ベクトルとその出力時間を計算し、各スイッチング素子のオン/オフ・ゲート指令を生成する。 Hysteresis PWM receives a three-phase current command as input and generates a switching element on / off gate command depending on whether the three-phase current response is within the error width (hysteresis width) specified for the current command. To do. The space vector PWM receives a three-phase voltage command as an input, calculates the voltage vector to be output by the inverter and its output time according to the spatial position when the voltage command is considered as a vector, Generate on / off gate command.
電流検出部6は、同期電動機7に流れる3相交流電流のうち2相あるいは3相の電流応答値を検出する。なお、この電流応答値は、3相電圧指令等の指令値に対する応答値を示し、ここでは同期電動機7を流れる電流の大きさを示す。 The current detection unit 6 detects a two-phase or three-phase current response value in the three-phase AC current flowing through the synchronous motor 7. The current response value indicates a response value with respect to a command value such as a three-phase voltage command, and here indicates the magnitude of the current flowing through the synchronous motor 7.
高周波磁束発生制御部11は、固定子4に高周波磁束を発生させるための高周波磁束指令を生成する。すなわち、高周波磁束発生制御部11は、同期電動機7の固定子コイルに高周波磁束を発生させるように高周波磁束指令を計算して出力するものであり、高周波磁束指令の物理的な意味は、同期電動機7に通電される電圧か電流である。実際の磁束は、固定子コイルに流れる電流によって固定子コイルに発生するため、直接的には固定子電流指令であるが、間接的には、固定子電流を制御するための電圧指令に高周波磁束指令を含ませても良い。本実施例の高周波磁束発生制御部11は、トルク/電流変換部121により出力された電流指令Iδ refに高周波磁束指令を重畳させる。
The high frequency magnetic flux
図4は、本実施例の同期電動機駆動システムの高周波磁束発生制御部11による高周波磁束指令の波形例を示す図である。図4においては、高周波磁束指令が三角波の電流指令として与えられる場合の例を示しているが、矩形波状の電圧指令としてもよいし、形状としては正弦波、その他の高周波波形でもよい。ここでいう高周波とは、同期電動機7の回転に同期する周波数に対して、トルク等の外乱とならない程度の十分に高い周波数の成分を指す。一般的には、本提案の目的とする低速における回転角推定の場合、0〜数十Hzの回転周波数になるため、数百〜数キロHzの周波数成分を高周波とすることが多い。
FIG. 4 is a diagram illustrating a waveform example of a high frequency magnetic flux command by the high frequency magnetic flux
通常、制御装置における制御演算の周波数以上の周波数は選択されないが、FPGA等のハードウェアを用いたり、制御演算を行う演算器とは別に、専用の演算器を設けることで、より高い周波数を選択できるようになる場合もある。 Normally, a frequency equal to or higher than the control calculation frequency in the control device is not selected, but a higher frequency can be selected by using a hardware such as FPGA or providing a dedicated calculation unit separately from the calculation unit performing the control calculation. Sometimes it becomes possible.
電動機制御部12aは、電動機の回転を制御するための演算を行う。図1においては、電動機制御部12aは、同期電動機7のトルク指令を入力とし、同期電動機7に印加する電圧指令を出力としているが、他の構成を採用することも可能であり、例えば回転速度指令を入力とすることも可能である。
The electric
制御演算の内容としては、同期電動機7のトルクや回転速度等の応答を高速に制御する方式として、ベクトル制御と呼ばれる制御方式が採用される。図1に示す本実施例の構成は、ベクトル制御を用いた構成例である。このベクトル制御について、回転子3に永久磁石を用いた永久磁石同期機を例として説明する。 As a content of the control calculation, a control method called vector control is adopted as a method for controlling the response of the synchronous motor 7 such as torque and rotational speed at high speed. The configuration of this embodiment shown in FIG. 1 is a configuration example using vector control. This vector control will be described using a permanent magnet synchronous machine using a permanent magnet for the rotor 3 as an example.
図5は、同期電動機モデルと座標の定義を示す図である。まず、図5に示すように、永久磁石同期電動機の回転に同期して回転する座標系として、永久磁石の磁束の方向をd軸、d軸に直交する軸をq軸と定義する。また、U相巻線方向をα軸、これに直交する方向をβ軸と定義し、α軸方向を基準としてd軸方向までの角度を同期電動機の回転位相角θと定義する。このような定義に基づくと、永久磁石同期電動機の電圧・電流の関係は、(1)式により表される。
ここで、Vdはd軸電圧であり、Vqはq軸電圧である。また、Idはd軸電流であり、Iqはq軸電流である。Rは抵抗である。Ldはd軸インダクタンスであり、Lqはq軸インダクタンスである。さらに、Φは永久磁石磁束であり、ωは回転速度であり、pは微分演算子である。 Here, V d is a d-axis voltage, and V q is a q-axis voltage. Further, I d is a d-axis current, and I q is a q-axis current. R is a resistance. L d is a d-axis inductance, and L q is a q-axis inductance. Further, Φ is a permanent magnet magnetic flux, ω is a rotational speed, and p is a differential operator.
ただし、制御装置1には回転角度センサがなく、回転角度θそのものを検出することができないため、制御装置1において推定された位相角を代わりに使用する。したがって、図5に示すように、推定位相角をθestとし、これに対応する座標系をγ軸,δ軸と定義する。推定誤差Δθが生じた場合には、γδ軸は、dq軸から推定誤差Δθだけ回転した位置となる。 However, since the control device 1 does not have a rotation angle sensor and the rotation angle θ itself cannot be detected, the phase angle estimated by the control device 1 is used instead. Therefore, as shown in FIG. 5, the estimated phase angle is defined as θ est, and the corresponding coordinate system is defined as γ-axis and δ-axis. When the estimation error Δθ occurs, the γδ axis is a position rotated by the estimation error Δθ from the dq axis.
図1におけるトルク指令は、上位制御系により与えられる。トルク/電流変換部121は、トルク指令に基づいて(2)式を用いることにより、γ軸電流指令Iγ ref、及びδ軸電流指令Iδ refを生成する。
ここで、Trqrefはトルク指令である。また、kは定数であり、トルクと電流との変換比を表すといえる。また、θiは、γδ軸座標系におけるγ軸を基準とした電流位相角である。 Here, Trq ref is a torque command. Further, k is a constant and can be said to represent a conversion ratio between torque and current. Θ i is a current phase angle with respect to the γ axis in the γδ axis coordinate system.
なお、トルク/電流変換部121は、電流指令Iγ ref、Iδ refを生成するに際し、トルク指令をパラメータとして参照できるテーブルを予め用意しておき、このテーブルを参照することによって生成することも可能である。このようなテーブルを用いる方法は、トルクと電流との関係が上記の式のように定式化することが好ましくない場合等に有効である。
The torque /
電流制御部122は、トルク/電流変換部121により生成された電流指令Iγ ref、Iδ refと、同期機に流れる電流のγ軸応答値Iγ res、δ軸応答値Iδ resとを入力として、例えば(3)式に示すような比例積分制御により、γ軸電圧指令Vγ ref、δ軸電圧指令Vδ refを演算して出力する。
ここで、Kpは比例ゲインであり、Kiは積分ゲインであり、sはラプラス演算子である。これにより、電流制御部122は、入力された電流指令値に固定子電流が追従するように制御する。
Here, K p is a proportional gain, K i is an integral gain, and s is a Laplace operator. Thereby, the
dq/3相変換部123は、回転位相角推定手段である回転角度推定部14により出力される回転位相角推定値θestに基づいて、電流制御部122により生成されたγ軸電圧指令Vγ ref、δ軸電圧指令Vδ refを(4)式を用いて座標変換し、3相電圧指令Vu ref,Vv ref,Vw refを生成する。
dq/3相変換部123は、このようにして求めた3相電圧指令をPWM処理部13に出力する。
The dq / 3-
3相/dq変換部124は、ベクトル制御で用いる電流応答を生成するため、回転角度推定部14により出力される回転位相角推定値θestに基づいて、電流検出部6により検出された3相電流応答の座標変換を(5)式により行い、γ軸電流応答値Iγ res、δ軸電流応答値Iδ resを生成する。
ここで、永久磁石同期電動機に流れる3相電流の和が0であることを利用すれば、(6)式で示されるように、3相/dq変換部124は、3相電流のうち2相の電流値からγ軸電流応答値Iγ res、δ軸電流応答値Iδ resを求めることができる。この場合には、電流検出部6を2相分設けるだけで済み、3相分検出する場合よりも装置を簡略化することが可能となる。
回転角度推定部14は、同期電動機7を制御する電圧と電流に基づいて、回転角度を推定する。ここで、図1においては図示されていないが、回転角度推定部14は、例えばPWM処理部13に入力する電圧指令と、電流検出部6により検出された同期電動機7に流れる3相電流値とに基づいて、回転角度を推定することができる。また、回転角度推定部14は、電圧指令値として、例えば実際に同期電動機7に印加されている3相端子電圧を電圧センサ等の計測手段を用いて実測した値を用いることもできる。
The rotation
次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。本実施例における回転角度推定部14は、高周波磁束発生制御部11により生成された高周波磁束指令に応じて固定子コイルに発生した高周波電圧と高周波電流との少なくとも一方に基づいて、ダイオードに流れる電流の有無に応じた指標を算出するとともに、算出した指標に基づいて同期電動機7の回転角度を推定する。
Next, the operation of the present embodiment configured as described above will be described. The
ここで、本提案における回転角度の推定原理について説明する。ここでは永久磁石同期電動機を用いた場合を例示する。 Here, the principle of estimation of the rotation angle in the present proposal will be described. Here, the case where a permanent magnet synchronous motor is used is illustrated.
図6は、同期電動機の模式図である。図6において、回転子コイルに流れる電流irdが正方向(矢印の方向)に流れたときにダイオードがONするとし、その際に回転子コイルが作る磁束は磁石磁束と一致するものとする。ただし、回転子コイルの鎖交磁束方向、電流方向、ダイオードの正逆については本提案の主旨から逸脱しない範囲で自由に設定することが可能である。 FIG. 6 is a schematic diagram of a synchronous motor. In FIG. 6, it is assumed that the diode is turned on when the current i rd flowing through the rotor coil flows in the positive direction (the direction of the arrow), and the magnetic flux generated by the rotor coil at this time coincides with the magnetic flux. However, the interlinkage magnetic flux direction of the rotor coil, the current direction, and the forward / reverse direction of the diode can be freely set without departing from the gist of the present proposal.
ここで、図5に示すdq軸座標系において、電圧vと電流i、磁束λは、(7)式及び(8)式のように表される。
ただしRaは電機子抵抗であり、Rrdは回転子コイル抵抗であり、ωは電動機の回転電気角周波数であり、Ld,Lq,Lrdはdq軸及び回転子コイルの自己インダクタンスであり、Mrdは回転子コイルと固定子コイルの相互インダクタンスである。添え字d,q,rdは、それぞれd軸、q軸、回転子コイルに関する変数であることを表す。また、λPMは、永久磁石磁束である。 Where R a is an armature resistance, R rd is a rotor coil resistance, ω is a rotating electrical angular frequency of the motor, and L d , L q , and L rd are self-inductances of the dq axis and the rotor coil. M rd is the mutual inductance of the rotor coil and the stator coil. The subscripts d, q, and rd represent variables related to the d axis, the q axis, and the rotor coil, respectively. Λ PM is a permanent magnet magnetic flux.
(8)式を(7)式に代入することにより、(9)式を得ることができる。
(9)式において、dq軸電流に高周波電流を重畳することを考えると、他の項に比べて微分項が大きくなるため、抵抗成分及びω成分の項を無視できるとすると、(10)式に示すように簡略化できる。ただし、pは微分演算子である。
回転子コイルのダイオードがオンの時、コイルの端子電圧vrdはゼロとなることから、(10)式の第三式により、以下に示す(11)式及び(12)式が得られる。
(12)式を(10)式の第一式に代入することにより、以下に示す(13)式が得られる。
一方、ダイオードがオフの場合を考えると、同様に以下に示す(14)式が得られる。
本実施例の回転角度推定部14は、高周波電圧に基づいて、回転子コイル5に流れる電流がダイオードによって整流された場合と整流されなかった場合のインダクタンスの差を指標として算出する。(13)式と(14)式とを、図5における制御座標であるγδ軸から見ると、ダイオードオン時を(15)式のように表すことができ、ダイオードオフ時を(16)式のように表すことができる。
ここで、(12)式により、idをマイナス方向に増加させた時に、irdが正となり、ダイオードがオンすることがわかる。 Here, it can be seen from equation (12) that when i d is increased in the minus direction, i rd becomes positive and the diode is turned on.
今、推定誤差Δθ≒90°の場合を考えると、id≒−iδが成り立つことから、iδの増加/減少の方向によってダイオードのオン/オフを判別することができる。例えば、iδの増加時にはダイオードがオンし、減少時にはオフする。 Considering the case of the estimation error Δθ≈90 °, since i d ≈−i δ holds, the on / off state of the diode can be determined based on the direction of increase / decrease of i δ . For example, the diode is turned on when i δ increases and turned off when i δ decreases.
そこで、高周波磁束発生制御部11は、回転子コイル5の鎖交磁束に対して電気的に直交する方向に高周波磁束を発生させる高周波磁束指令を生成し、電流制御が十分成り立つ程度の周波数の三角波電流をiδの指令値に重畳する。言い換えると、高周波磁束発生制御部11は、生成した高周波磁束指令に応じた三角波状の高周波電流指令を電流指令値に重畳したといえる。
Therefore, the high-frequency magnetic flux
重畳した三角波電流の上昇時と下降時の電圧をそれぞれ検出して加算すると、電流微分項は上昇時と下降時で符号が逆になることから、(15)式と(16)式との和は、電圧の差分として(17)式のようになる。
(17)式により、Δvδは、(18)のように表される。
(18)式は、どんなΔθでもマイナス値となることを表しているが、例えば推定誤差がΔθ=−90°の場合を考えると、ダイオードのオン/オフの関係が逆転することから、(17)式、(18)式の符号も逆転し、(18)式は(19)式のようになる。
すなわち、ダイオードのオン/オフ関係も考慮して(18)式、(19)式をグラフ化すると、図7のようになる。図7は、本実施例の同期電動機駆動システムにおける回転子の回転角度を推定する際の推定誤差の指標となるδ軸電圧の差分を示す図であり、横軸は推定誤差Δθである。図7では推定誤差0の点でΔvδもゼロとなることから、これを評価関数として、PLL等によって推定角度を真の角度に近づけることが可能である。 That is, FIG. 7 is a graph of equations (18) and (19) taking into account the diode on / off relationship. FIG. 7 is a diagram showing a difference in the δ-axis voltage that is an index of estimation error when estimating the rotation angle of the rotor in the synchronous motor drive system of the present embodiment, and the horizontal axis is the estimation error Δθ. In FIG. 7, Δv δ also becomes zero at a point where the estimation error is 0, so that this can be used as an evaluation function to bring the estimated angle closer to the true angle by using a PLL or the like.
以上をまとめると、本実施例における回転角度推定部14は、回転子コイル5の鎖交磁束方向に対して直交する磁束を発生させる高周波電流iδを流し、その電流を流すための電圧の、高周波電流と同一方向成分vδから、ダイオードのオン/オフに起因する差成分を検出して指標とし、回転角度を推定する。すなわち、本実施例における回転角度推定部14は、固定子コイルに発生する高周波電圧に基づいて、ダイオードに流れる電流の有無に起因する推定回転角と実際の回転角との角度差を示す指標を算出する。具体的には、回転角度推定部14は、三角波状の高周波電流指令の上昇時と下降時とのそれぞれのタイミングに対応した高周波電圧vδの差に基づいて当該指標を算出する。
Summarizing the above, the rotation
上述のとおり、本発明の実施例1の形態に係る同期電動機駆動システムによれば、ダイオードを挿入した回転子コイル5を備えた同期電動機7の低速センサレス制御において、複雑な処理を行う必要無く、回転角度の推定と磁極判別を同時に行うことが可能であり、言い換えれば推定範囲が−90°≦Δθ≦+90°ではなく、−180°≦Δθ≦+180°であるようなセンサレス制御方式による同期電動機駆動システムを提供することができる。
As described above, according to the synchronous motor drive system according to the first embodiment of the present invention, in the low-speed sensorless control of the synchronous motor 7 including the
すなわち、以上のように構成することによって、本実施例に記載の同期電動機駆動システムでは、回転角度センサを用いることなく、簡単な演算で、低回転での回転子の回転角度を推定することができ、小型化、低コスト化、メンテナンスの容易化はもちろんのこと、低速センサレス制御の原理上の制約であった磁極極性判別も不要とすることが可能となる。 That is, with the configuration as described above, the synchronous motor drive system described in the present embodiment can estimate the rotation angle of the rotor at a low rotation by a simple calculation without using a rotation angle sensor. In addition to miniaturization, cost reduction, and ease of maintenance, magnetic pole polarity discrimination, which is a restriction on the principle of low-speed sensorless control, can be made unnecessary.
本実施例において、回転子3は、回転子コイル5への鎖交磁束の方向が同期電動機7をベクトル制御する場合に定義されるd軸の方向となるように構成されており、高周波磁束発生制御部11は、q軸の方向に高周波磁束が発生するように高周波磁束指令を生成するが、別の方法も考えられる。
In this embodiment, the rotor 3 is configured such that the direction of the interlinkage magnetic flux to the
すなわち、回転子3は、回転子コイル5への鎖交磁束の方向が同期電動機7をベクトル制御する場合に定義されるq軸の方向となるように構成され、且つ高周波磁束発生制御部11は、d軸の方向に高周波磁束が発生するように高周波磁束指令を生成するとしてもよい。これにより、回転子コイル5の磁束方向に磁石磁束が通らないため、磁石磁束の影響を受けにくくすることができる。
That is, the rotor 3 is configured such that the direction of the flux linkage to the
あるいは、回転子3は、回転子コイル5への鎖交磁束の方向が同期電動機7の常用するトルク電流成分による磁束と同じ方向となるように構成され、且つ高周波磁束発生制御部11は、鎖交磁束の方向に直交する方向に高周波磁束が発生するように高周波磁束指令を生成する構成としてもよい。
Alternatively, the rotor 3 is configured such that the direction of the interlinkage magnetic flux to the
次に、本発明の実施例2の同期電動機駆動システムについて説明する。実施例1においては、回転子コイル5の鎖交磁束方向に直交する方向のiδに高周波電流を重畳して、これと同一方向成分のvδを検出して回転角度を推定したが、本実施例の同期電動機駆動システムは、鎖交磁束方向と同一方向であるiγに高周波を重畳して、高周波電流と直交する方向のvδの電圧差分を検出する。したがって、本実施例の同期電動機駆動システムの構成は、実施例1とほぼ同様であり、高周波磁束発生制御部11による高周波電流指令の重畳先がγ電流指令となる。すなわち、本実施例の高周波磁束発生制御部11は、回転子コイル5の鎖交磁束に対して電気的に同一方向に高周波磁束を発生させる高周波磁束指令を生成する。
Next, a synchronous motor drive system according to
その他の構成は、実施例1と同様であり、重複した説明を省略する。 Other configurations are the same as those of the first embodiment, and redundant description is omitted.
次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。本実施例における回転角度推定部14は、検出したΔvδが(20)式のように表されるため、これを指標とすることにより、図8のような特性を得る事ができる。図8の指標でも、図7と同様に推定誤差ゼロの点に収束させることが可能である。
なお、実施例1に示す方法と実施例2に示す方法とは併用することが可能である。具体的には、γδ軸の空間的に回転する高周波電流指令を重畳すれば、iγとiδの両方に高周波を重畳することが可能であり、しかも位相が90°ずれているため、相互に干渉することなく対応する電圧の検出が可能である。 The method shown in Example 1 and the method shown in Example 2 can be used in combination. Specifically, by superimposing a spatially rotating high-frequency current command on the γδ axis, it is possible to superimpose a high frequency on both i γ and i δ , and the phase is shifted by 90 °. It is possible to detect the corresponding voltage without interfering with.
例えば、高周波磁束発生制御部11は、(21)式に示すような振幅I,角周波数ωhの回転高周波を重畳するための高周波磁束指令を生成する。
このときに、高周波電圧は(22)式のように表され、フーリエ級数展開等の処理を用いてsin(ωht)成分とcos(ωht)を抽出すれば、右辺第一行列であるインダクタンス行列の各要素を演算することが可能である。 At this time, the high-frequency voltage is expressed by the equation (22), and if a sin (ω h t) component and cos (ω h t) are extracted using a process such as Fourier series expansion, the first matrix on the right side It is possible to calculate each element of an inductance matrix.
また、高周波電流微分の正負に応じてダイオードオン/オフが切り替わり、この動作に対応してL´dとLdとが入れ替わるため、高周波電流の半周期ごとにインダクタンス行列を計算して(17)式に相当する電圧差分を求めれば、回転角度推定部14は、ダイオードのオン/オフに起因する量として(23)式のように求めることが可能である。
(23)式からインダクタンス行列の要素を求めることができれば、回転角度推定部14は、推定誤差Δθに関連する指標を得る事が可能である。
If the elements of the inductance matrix can be obtained from equation (23), the rotation
実施例1においては、回転子コイル5の鎖交磁束に直交する方向に高周波電流を重畳していたが、図6に示す回転子コイルの構成を持つ同期電動機では、q軸方向の電流を流すことになり、トルクの脈動を引き起こす可能性があった。しかし、本実施例においては、回転子コイル5の鎖交磁束と同一方向に高周波電流を重畳することにより、トルクの脈動を低減することが可能となる。
In the first embodiment, the high-frequency current is superimposed in the direction orthogonal to the interlinkage magnetic flux of the
上述のとおり、本発明の実施例2の形態に係る同期電動機駆動システムによれば、回転角度センサを用いることなく、簡単な演算で、低回転での回転子の回転角度を推定することができ、小型化、低コスト化、メンテナンスの容易化はもちろんのこと、低速センサレス制御の原理上の制約であった磁極極性判別も不要とすることが可能となり、さらにトルク脈動の低減をも可能となる。 As described above, according to the synchronous motor drive system according to the second embodiment of the present invention, the rotation angle of the rotor at a low rotation can be estimated with a simple calculation without using a rotation angle sensor. In addition to miniaturization, cost reduction, and ease of maintenance, it is possible to eliminate magnetic pole polarity discrimination, which is a restriction on the principle of low-speed sensorless control, and to reduce torque pulsation. .
次に、本発明の実施例3の同期電動機駆動システムについて説明する。本実施例の同期電動機駆動システムの構成は、実施例1とほぼ同様でよく、一般的な低速センサレス制御に本提案の推定方法を併用する態様について説明する。すなわち、(15)式、(16)式に示すように、一般的な低速センサレス制御で用いられる非対角成分は本提案の回転子コイルを備えた同期電動機でも現れることから、一般的な低速センサレス制御を実施しつつ、本提案の推定方法を併用することも可能である。 Next, a synchronous motor drive system according to Embodiment 3 of the present invention will be described. The configuration of the synchronous motor drive system of the present embodiment may be substantially the same as that of the first embodiment, and an aspect in which the proposed estimation method is used in combination with general low-speed sensorless control will be described. That is, as shown in the equations (15) and (16), the non-diagonal component used in the general low speed sensorless control also appears in the synchronous motor including the proposed rotor coil. It is also possible to use the proposed estimation method together while performing sensorless control.
ここで、一般的な低速センサレス制御について説明する。基本的な回転角推定の原理式は(16)式に基づいており、(16)式を整理すると(16a)式のように表される。
(16a)式は、電流微分項に着目した式であり、一般的な低速センサレスでは、モータを制御するための電圧・電流(ここでは定常項と呼ぶ)に加えて、高周波電圧もしくは高周波電流を重畳することにより、相対的に定常項に対して微分項が大きくなり、(16a)式の成分を検出しやすくする。 The expression (16a) is an expression that focuses on the current differential term. In the case of a general low-speed sensorless, in addition to the voltage / current for controlling the motor (herein referred to as a steady term), the high-frequency voltage or the high-frequency current is By superimposing, the differential term becomes relatively larger than the steady term, and the component of the equation (16a) is easily detected.
例えば高周波電流として三角波状の電流をiγに重畳すると、piγはほぼ矩形波状の波形となる。この時、iδには高周波電流を重畳しないため、piγはほぼゼロとなり、(16a)式のvδは(16b)式で表される。
(16b)式において、piγの符号に注意すれば、vδはsin(2Δθ)の関数とみなせ、Δθとゼロクロスが一致して、Δθに応じて増減する指標として得ることができる。 In the equation (16b), if attention is paid to the sign of pi γ , v δ can be regarded as a function of sin (2Δθ), and Δθ can be obtained as an index that increases or decreases in accordance with Δθ when the zero cross matches.
この指標に基づいて、指標がゼロとなるように図9のようにPLLを構成することにより、図1に示す電流制御系を介して回転角推定のフィードバックループが構成されるため、Δθをゼロ、すなわち実回転角度と推定回転角度を一致させることができる。 Based on this index, by configuring the PLL as shown in FIG. 9 so that the index becomes zero, a feedback loop for rotation angle estimation is configured via the current control system shown in FIG. That is, the actual rotation angle and the estimated rotation angle can be matched.
以上のように例示した低速センサレス制御に対して、本提案の併用方法を説明する。(16a)式の非対角成分にはLdが含まれており、回転子のダイオードがオンすると(15)式のようにLd´に置き換わるが、ダイオードがオフの間はダイオードによる影響はなく、(16)式、(16a)式のように、一般的な低速センサレスの原理式のままとなる。したがって、ダイオードのオン/オフは電流増減の方向でほぼ検知できると仮定すれば、ダイオードのオフ期間に(16b)式を計算することにより、一般的な低速センサレスも実施することが可能となる。さらに、ダイオードのオン/オフでの差分を取れば(23)式を得ることができるため、本提案の推定方法も実施することができる。 The proposed method will be described for the low-speed sensorless control exemplified above. The off-diagonal component of the equation (16a) includes Ld, and when the rotor diode is turned on, it is replaced by Ld ′ as in the equation (15), but there is no influence of the diode while the diode is off. As in Expressions (16) and (16a), a general low-speed sensorless principle is maintained. Therefore, if it is assumed that on / off of the diode can be almost detected in the direction of current increase / decrease, it is possible to implement general low-speed sensorless by calculating the equation (16b) during the diode off period. Furthermore, since the equation (23) can be obtained by taking the difference between ON / OFF of the diode, the proposed estimation method can also be implemented.
また、併用方法としては、回転角推定だけでなく、単に磁極極性の判別のみに用いても良い。例えば、iγに高周波を重畳してvγを検出すれば、(17)式において、cos2Δθの成分を得ることができ、Δθ=0°とΔθ=180°とでは、ダイオードのオン/オフによる符号の異なる値として得る事ができる。 Further, as a combination method, not only the rotation angle estimation but also the magnetic pole polarity determination may be used. For example, if v γ is detected by superimposing a high frequency on i γ , the component of cos 2Δθ can be obtained in the equation (17). When Δθ = 0 ° and Δθ = 180 °, the diode is turned on / off. It can be obtained as a value with a different sign.
図10は、本実施例の同期電動機駆動システムの磁極位置の指標となるγ軸電圧の差分Δvγを示す図である。この情報に基づき、cos2Δθの成分が正のときは正常な磁極位置、負の時は逆転した磁極位置と判別することができるため、低速センサレス制御を行いながら、常時磁極極性判別を行うことも可能である。 FIG. 10 is a diagram illustrating a γ-axis voltage difference Δv γ serving as an index of the magnetic pole position of the synchronous motor drive system of the present embodiment. Based on this information, when the cos2Δθ component is positive, it can be determined as a normal magnetic pole position, and when it is negative, it can be determined as a reverse magnetic pole position. Therefore, it is possible to always perform magnetic pole polarity determination while performing low-speed sensorless control. It is.
上述のとおり、本発明の実施例3の形態に係る同期電動機駆動システムによれば、従来の低速センサレス制御を行いながら、常時磁極極性を判別することが可能となり、例えば同期電動機の急加減速などによって推定誤差が瞬時に拡大し、推定原理上、磁極が逆転している位置(推定誤差が180°の位置)に収束してしまうような状況に陥ることを防止することができる。 As described above, according to the synchronous motor drive system according to the third embodiment of the present invention, it is possible to always determine the magnetic pole polarity while performing the conventional low-speed sensorless control. For example, sudden acceleration / deceleration of the synchronous motor, etc. Thus, it is possible to prevent the estimation error from expanding instantaneously and, in the estimation principle, the situation where the magnetic poles are reversed to the position where the estimation error is converged (position where the estimation error is 180 °) is prevented.
次に、本発明の実施例4の同期電動機駆動システムについて説明する。実施例1乃至実施例3の形態では、高周波電流を重畳して高周波電圧から指標を検出する方式であったが、実際には電流制御部の制御帯域が十分高速に確保できない場合が多く、例えば電流制御周期が500μsecの場合、選択できる高周波はその4〜8倍以上の周期、周波数では1/4〜1/8以下となる。このような場合、重畳した高周波電流の周波数が低くなることから、推定誤差が発生した場合の収束も遅くなる上、無視できないトルク脈動となって現れることも考えられる。 Next, a synchronous motor drive system according to Embodiment 4 of the present invention will be described. In the forms of the first to third embodiments, the high-frequency current is superimposed and the index is detected from the high-frequency voltage. However, in practice, the control band of the current control unit is often not sufficiently fast, for example, When the current control period is 500 μsec, the high frequency that can be selected is 4 to 8 times or more, and the frequency is 1/4 to 1/8 or less. In such a case, since the frequency of the superimposed high-frequency current is lowered, the convergence when an estimation error occurs is delayed, and it can be considered that torque pulsation that cannot be ignored appears.
そこで、本実施例においては、高周波電圧を重畳し、それによって発生する高周波電流を検出して指標を演算することを考える。電動機に流れる電流の検出は、電流制御周波数よりもはるかに高い周波数のサンプリング周波数を持つAD変換器を使用するのが一般的であるため、電流制御周波数と同等の周波数を持つ高周波電圧を重畳しても、それによって発生する高周波電流を精度よく検出することができる。 Therefore, in this embodiment, it is considered that the high frequency voltage is superimposed and the high frequency current generated thereby is detected to calculate the index. Since it is common to use an AD converter with a sampling frequency that is much higher than the current control frequency to detect the current flowing through the motor, a high-frequency voltage with a frequency equivalent to the current control frequency is superimposed. However, the high-frequency current generated thereby can be detected with high accuracy.
図11は、本発明の実施例4の同期電動機駆動システムの構成を示すブロック図である。図1に示す実施例1の構成と異なる点は、高周波磁束発生制御部11が高周波電圧指令をγ電圧指令に重畳させている点と、回転角度推定部14が3相/dq変換部124により出力されたγδ電流応答に基づいて回転角度推定を行う点である。その他の構成は、実施例1と同様であり、重複した説明を省略する。
FIG. 11 is a block diagram showing the configuration of the synchronous motor drive system according to the fourth embodiment of the present invention. The difference from the configuration of the first embodiment shown in FIG. 1 is that the high-frequency magnetic flux
次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。高周波磁束発生制御部11は、生成した高周波磁束指令に応じた高周波電圧指令を固定子4を制御するための電圧指令値(γ電圧指令)に重畳する。高周波電圧を電圧指令に重畳する場合における高周波成分に関する応答は、(15)式もしくは(16)式から、以下に示す(24)式のように導くことができる。
ただし、(24)式は、回転子コイル5のダイオードがオフの場合であり、オンの場合にはLdをL´dに置き換えればよい。ダイオードのオン/オフはidの増加/減少に依存するが、推定誤差Δθが十分小さければ、ほぼiγによってダイオードのオン/オフが決まるといってよい。したがって、(24)式においてΔθ=0とおき、vγに矩形波状の高周波電圧を重畳すれば、iγは(25)式の応答となり、図12のような波形となる。
ただし、1/pは積分演算を意味する。したがって、本実施例の高周波磁束発生制御部11は、矩形波状の高周波電圧指令を固定子4を制御するための電圧指令値(γ電圧指令)に重畳する。実際には抵抗分があるため、図12のような整った三角波にはならないが、重畳する高周波電圧の周波数を高くすることによって相対的に抵抗分の効果が減少し、ほぼ三角波とみなすことができるようになる。
However, 1 / p means an integral operation. Therefore, the high frequency magnetic flux
図12より、高周波電圧の正側ではiγが増加し、負側では減少することがわかり、回転子コイルのダイオードはそれぞれオフ,オンとなる。そこで、矩形波の正側と負側それぞれの電流変化分を計算して加算すると、(24)式から(26)式が導き出される。
ただし、Δtは矩形波半周期に相当する時間である。(26)式において、Δiδを検出すると、図8と同様な特性になるため、回転角度推定部14は、これを指標とすることによって回転角度を推定することが可能となる。すなわち、本実施例における回転角度推定部14は、固定子コイルに発生する高周波電流に基づいて、ダイオードに流れる電流の有無に起因する推定回転角と実際の回転角との角度差を示す指標を算出するものであり、高周波電流に基づいて、回転子コイル5に流れる電流がダイオードによって整流された場合と整流されなかった場合のインダクタンスの差を指標として算出するといえる。
However, Δt is a time corresponding to a half period of the rectangular wave. When Δi δ is detected in the equation (26), the same characteristics as in FIG. 8 are obtained, so that the rotation
具体的には、回転角度推定部14は、矩形波状の高周波電圧指令の正と負とのそれぞれのタイミングに対応した高周波電流の傾きの差に基づいて当該指標を算出する。
Specifically, the rotation
上述のとおり、本発明の実施例4の形態に係る同期電動機駆動システムによれば、重畳する周波数に比べて電流制御応答を十分高くできない場合においても、高周波電圧指令を用いることによって得られる高周波電流から指標を演算でき、安定に回転角度を推定できる。さらに、電流に高周波指令を重畳する場合よりも重畳する周波数を高くすることが可能なため、それによって発生するトルク脈動の周波数も高くなり、一定のトルク指令に対する外乱としての影響を低くすることが可能である。 As described above, according to the synchronous motor drive system according to the fourth embodiment of the present invention, the high-frequency current obtained by using the high-frequency voltage command even when the current control response cannot be sufficiently high compared to the superimposed frequency. The index can be calculated from the above, and the rotation angle can be estimated stably. Furthermore, since the frequency to be superimposed can be made higher than when the high frequency command is superimposed on the current, the frequency of the torque pulsation generated thereby is also increased, and the influence of disturbance on a constant torque command can be reduced. Is possible.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
1 制御装置
2 インバータ
3 回転子
4 固定子
5 回転子コイル
6 電流検出部
7 同期電動機
11 高周波磁束発生制御部
12a,12b 電動機制御部
13 PWM処理部
14 回転角度推定部
121 トルク/電流変換部
122 電流制御部
123 dq/3相変換部
124 3相/dq変換部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (12)
前記同期電動機を制御する制御装置とを備え、
前記同期電動機は、
固定子コイルを有する固定子と、
ダイオードが挿入された回転子コイルを持つ回転子とを有し、
前記制御装置は、
前記固定子に高周波磁束を発生させるための高周波磁束指令を生成する高周波磁束発生制御部と、
前記高周波磁束発生制御部により生成された前記高周波磁束指令に応じて前記固定子コイルに発生した高周波電圧と高周波電流との少なくとも一方に基づいて、前記ダイオードに流れる電流の有無に応じた前記高周波電圧の差又は前記高周波電流の差を算出するとともに、算出した前記高周波電圧の差又は前記高周波電流の差に基づいて前記同期電動機の回転角度を推定する回転角度推定部とを有することを特徴とする同期電動機駆動システム。 A synchronous motor,
A control device for controlling the synchronous motor,
The synchronous motor is
A stator having a stator coil;
A rotor having a rotor coil in which a diode is inserted;
The controller is
A high-frequency magnetic flux generation control unit that generates a high-frequency magnetic flux command for generating high-frequency magnetic flux in the stator;
The high- frequency voltage corresponding to the presence or absence of a current flowing through the diode based on at least one of a high-frequency voltage and a high-frequency current generated in the stator coil in response to the high-frequency magnetic flux command generated by the high-frequency magnetic flux generation control unit And a rotation angle estimation unit for estimating a rotation angle of the synchronous motor based on the calculated difference in the high frequency voltage or the difference in the high frequency current. Synchronous motor drive system.
前記高周波磁束発生制御部は、生成した前記高周波磁束指令に応じた高周波電流指令を前記電流指令値に重畳することを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項記載の同期電動機駆動システム。 The control device has a current control unit that controls the stator current to follow the input current command value,
The synchronous motor drive according to any one of claims 1 to 5, wherein the high-frequency magnetic flux generation control unit superimposes a high-frequency current command corresponding to the generated high-frequency magnetic flux command on the current command value. system.
前記回転角度推定部は、三角波状の前記高周波電流指令の上昇時と下降時とのそれぞれのタイミングに対応した前記高周波電圧の差に基づいて前記指標を算出することを特徴とする請求項6記載の同期電動機駆動システム。 The high frequency magnetic flux generation control unit superimposes a triangular wave high frequency current command on the current command value,
The said rotation angle estimation part calculates the said parameter | index based on the difference of the said high frequency voltage corresponding to each timing at the time of the rise of the high frequency current command of the triangular wave shape, and a fall. Synchronous motor drive system.
前記回転角度推定部は、矩形波状の前記高周波電圧指令の正と負とのそれぞれのタイミングに対応した前記高周波電流の傾きの差に基づいて前記指標を算出することを特徴とする請求項8記載の同期電動機駆動システム。 The high-frequency magnetic flux generation control unit superimposes a rectangular wave-shaped high-frequency voltage command on the voltage command value,
The said rotation angle estimation part calculates the said parameter | index based on the difference of the inclination of the said high frequency current corresponding to each timing of the positive and negative of the said high frequency voltage instruction | command of rectangular wave shape. Synchronous motor drive system.
前記高周波磁束発生制御部は、q軸の方向に高周波磁束が発生するように高周波磁束指令を生成することを特徴とする請求項1乃至請求項9のいずれか1項記載の同期電動機駆動システム。 The rotor is configured such that the direction of the flux linkage to the rotor coil is the d-axis direction defined when the synchronous motor is vector-controlled,
The synchronous motor drive system according to any one of claims 1 to 9, wherein the high-frequency magnetic flux generation control unit generates a high-frequency magnetic flux command so that a high-frequency magnetic flux is generated in a q-axis direction.
前記高周波磁束発生制御部は、d軸の方向に高周波磁束が発生するように高周波磁束指令を生成することを特徴とする請求項1乃至請求項9のいずれか1項記載の同期電動機駆動システム。 The rotor is configured such that the direction of the flux linkage to the rotor coil is a q-axis direction defined when the synchronous motor is vector-controlled,
The synchronous motor drive system according to any one of claims 1 to 9, wherein the high-frequency magnetic flux generation control unit generates a high-frequency magnetic flux command so that a high-frequency magnetic flux is generated in a d-axis direction.
前記高周波磁束発生制御部は、前記鎖交磁束の方向に直交する方向に高周波磁束が発生するように高周波磁束指令を生成することを特徴とする請求項1乃至請求項9のいずれか1項記載の同期電動機駆動システム。 The rotor is configured such that the direction of the interlinkage magnetic flux to the rotor coil is the same as the magnetic flux due to the torque current component commonly used by the synchronous motor,
10. The high frequency magnetic flux generation control unit generates a high frequency magnetic flux command so that a high frequency magnetic flux is generated in a direction orthogonal to the direction of the interlinkage magnetic flux. Synchronous motor drive system.
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