JP5074318B2 - Rotor position estimation device for synchronous motor - Google Patents

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Description

本発明は、位置センサを用いることなく、ロータ位置を推定する同期電動機のロータ位置推定装置に関する。   The present invention relates to a rotor position estimation device for a synchronous motor that estimates a rotor position without using a position sensor.

ロータに永久磁石を用いた永久磁石同期電動機(PMSM:Permanent Magnet Synchronous Motor)等の同期電動機においては、ロータの位置情報に基づいてステータの通電制御を行うため、通常はレゾルバ等のロータ位置(ロータの磁極位置)を検出する位置センサが用いられている。   In a synchronous motor such as a permanent magnet synchronous motor (PMSM) using a permanent magnet as a rotor, the energization of the stator is controlled based on the position information of the rotor. The position sensor for detecting the magnetic pole position) is used.

しかし、レゾルバ等の位置センサを用いてロータ位置を検出するためには、位置センサに加えてその検出信号の処理回路が必要となり、さらには、位置センサの取り付け及び調整も必要となるため、同期電動機のコストが高くなるという不都合がある。   However, in order to detect the rotor position using a position sensor such as a resolver, a processing circuit for the detection signal is required in addition to the position sensor, and furthermore, the position sensor must be attached and adjusted. There is a disadvantage that the cost of the electric motor becomes high.

そこで、位置センサを用いずにロータ位置を推定して通電制御を行う、いわゆる位置センサレス制御方式が提案されている(例えば、特許文献1、非特許文献1、非特許文献2参照)。   Therefore, a so-called position sensorless control method has been proposed in which the energization control is performed by estimating the rotor position without using a position sensor (see, for example, Patent Document 1, Non-Patent Document 1, and Non-Patent Document 2).

特許文献1に記載された位置センサレス制御方式では、誘起電圧項を含むモータの電圧方程式に基づいて、ロータ位置の実際値と推定値との差である位置推定誤差Δθeを求め、該位置推定誤差Δθeを解消するようにロータ位置の推定値を更新している。しかし、特許文献1に記載された位置センサレス制御方式では、位置偏差Δθを求める際に微分項を無視する近似を行っているため、急激な加減速運転を行なう時に制御が不安定となるおそれがある。 In the position sensorless control method described in Patent Document 1, a position estimation error Δθ e that is a difference between an actual value of a rotor position and an estimated value is obtained based on a motor voltage equation including an induced voltage term, and the position estimation is performed. updating the estimate of the rotor position so as to eliminate the error [Delta] [theta] e. However, in the position sensorless control method described in Patent Document 1, since the approximation that ignores the differential term is performed when the position deviation Δθ is obtained, the control may become unstable when performing a rapid acceleration / deceleration operation. is there.

また、非特許文献1に記載された位置センサレス制御方式では、拡張誘起電圧の位相からロータ位置を推定している。しかし、非特許文献1に記載された位置センサレス制御方式では、オブザーバを用いて拡張誘起電圧を推定しており、オブザーバの極位置の設計が必要となる。   In the position sensorless control method described in Non-Patent Document 1, the rotor position is estimated from the phase of the expansion induced voltage. However, in the position sensorless control method described in Non-Patent Document 1, the extended induced voltage is estimated using an observer, and the pole position of the observer must be designed.

そして、得られた位置推定誤差Δθeにはノイズ等の影響が含まれるため、一般的には、位置推定誤差Δθeを入力としたPLL(Phase Locked Loop)により角速度の推定値とロータ位置の推定値とを求めるが、その際にPLLのゲイン設定も必要となる。そのため、オブザーバの極設定とPLLのゲイン設定との整合が課題となる。さらに、オブザーバの極は電動機の回転速度によって変化するため、この変化に応じてPLLのゲインも電動機の回転速度に応じて設定する必要がある。したがって、ロータ位置を推定するための設定処理が複雑になる。 Since the obtained position estimation error Δθ e includes the influence of noise or the like, generally, the estimated value of the angular velocity and the rotor position are determined by a PLL (Phase Locked Loop) using the position estimation error Δθ e as an input. The estimated value is obtained. At that time, it is also necessary to set the gain of the PLL. Therefore, matching the observer pole setting and the PLL gain setting becomes an issue. Further, since the observer pole changes depending on the rotation speed of the electric motor, the gain of the PLL needs to be set according to the rotation speed of the electric motor. Therefore, the setting process for estimating the rotor position becomes complicated.

また、非特許文献2に記載された位置センサレス制御方式では、電動機の電圧方程式により算出した推定電流と実電流との誤差から速度起電力を推定し、推定した速度起電力からロータ位置を推定している。しかし、電動機の電圧方程式において、ロータ位置の実際値と推定値との位置推定誤差Δθeがほぼ0であるとする近似を行っているため、ロータ位置の推定精度が悪化するおそれがある。
特開2001−251889号公報 市川真士、他4名,「拡張誘起電圧モデルに基づく突極型永久磁石同期モータのセンサレス制御」,社団法人電気学会,平成14年,電気論D,122巻12号,p.1088−1096 竹下隆晴、他3名,「速度起電力推定に基づくセンサレス突極形ブラシレスDCモータ制御」,社団法人電気学会,平成9年,電気論D,117巻1号,p.98−104
In the position sensorless control method described in Non-Patent Document 2, the speed electromotive force is estimated from the error between the estimated current calculated by the voltage equation of the motor and the actual current, and the rotor position is estimated from the estimated speed electromotive force. ing. However, since the approximation that the position estimation error Δθ e between the actual value and the estimated value of the rotor position is approximately 0 is performed in the voltage equation of the motor, the estimation accuracy of the rotor position may be deteriorated.
JP 2001-251889 A Shinji Ichikawa and 4 others, “Sensorless control of salient-pole permanent magnet synchronous motor based on extended induced voltage model”, The Institute of Electrical Engineers of Japan, 2002, Electrical Theory D, Vol. 122, No. 12, p. 1088-1096 Takaharu Takeshita and three others, “Sensorless salient pole type brushless DC motor control based on speed electromotive force estimation”, The Institute of Electrical Engineers of Japan, 1997, Electrical Theory D, Vol. 117, No. 1, p. 98-104

本発明は上記背景を鑑みてなされたものであり、位置センサを用いることなく、比較的簡易な演算処理によってロータ位置を精度良く推定することができる同期電動機のロータ位置推定装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above background, and provides a rotor position estimation device for a synchronous motor that can accurately estimate a rotor position by a relatively simple calculation process without using a position sensor. Objective.

本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、同期電動機のロータ位置を推定するロータ位置推定装置であって、前記電動機のステータコイルに電圧を印加する電圧印加手段と、前記電動機のステータコイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、前記電動機のステータコイルの指令電圧とステータコイルに流れる電流との関係を、ロータ位置の実際値と推定値との差である位置推定誤差を用いて表した電圧方程式から、該位置推定誤差を含む項とロータ角速度を含む項とを除外した前記電動機の簡易モデル式に、該指令電圧にロータ位置の推定値に基づく所定電圧を適用して算出した第1の電流値と、前記電動機のステータコイルに該所定電圧に応じた駆動電圧を印加したときに、前記電流検出手段により検出される第2の電流値との差である電流推定偏差を算出する電流推定偏差算出手段と、前記電流推定偏差に基づいて、前記位置推定誤差を算出する位置推定誤差算出手段と、前記位置推定誤差算出手段により算出された位置推定誤差を解消するように、前記電動機のロータ位置の推定値を更新するロータ位置推定手段とを備えたことを特徴とする。   The present invention has been made to achieve the above object, and is a rotor position estimation device for estimating the rotor position of a synchronous motor, the voltage applying means for applying a voltage to a stator coil of the motor, Using a position estimation error that is a difference between the actual value and the estimated value of the rotor position, the current detection means for detecting the current flowing through the stator coil and the relationship between the command voltage of the stator coil of the motor and the current flowing through the stator coil are used. Calculated by applying a predetermined voltage based on the estimated value of the rotor position to the command voltage to the simplified model formula of the motor excluding the term including the position estimation error and the term including the rotor angular velocity from the voltage equation expressed as The second current detected by the current detection means when a driving voltage corresponding to the predetermined voltage is applied to the stator coil of the motor and the stator coil of the motor. Current estimation deviation calculation means for calculating a current estimation deviation that is a difference from the value, position estimation error calculation means for calculating the position estimation error based on the current estimation deviation, and position estimation error calculation means. Rotor position estimating means for updating the estimated value of the rotor position of the electric motor so as to eliminate the position estimation error.

かかる本発明によれば、前記電動機の簡易モデル式は、前記電動機のロータ位置の実際値と推定値との差である位置推定誤差を含む項とロータ角速度を含む項とを除外したものである。そのため、前記簡易モデル式に前記所定電圧を適用して算出した第1の電流値と、前記電動機のステータコイルに前記所定電圧に応じた電圧を印加したときに、前記電流検出手段により検出される第2の電流値との差である電流推定偏差は、前記位置推定誤差の情報を含んだものとなる。   According to the present invention, the simple model formula of the electric motor excludes a term including a position estimation error that is a difference between an actual value and an estimated value of the rotor position of the electric motor and a term including a rotor angular velocity. . Therefore, when the first current value calculated by applying the predetermined voltage to the simplified model formula and a voltage corresponding to the predetermined voltage are applied to the stator coil of the electric motor, the current detection means detects the current value. The current estimation deviation which is the difference from the second current value includes information on the position estimation error.

そこで、前記位置推定誤差算出手段は、前記電流推定偏差算出手段により算出された電流推定偏差に基づいて、前記位置推定誤差を算出することができる。そして、この場合には、詳細は後述するが、簡易な演算処理によって、近似処理を行うことなく前記電流推定偏差から直接的に前記位置推定誤差を算出することができる。そのため、前記ロータ位置推定手段は、位置推定誤差を解消するようにロータ位置の推定値を更新することによって、ロータ位置を精度良く推定することができる。   Therefore, the position estimation error calculation means can calculate the position estimation error based on the current estimation deviation calculated by the current estimation deviation calculation means. In this case, although details will be described later, the position estimation error can be directly calculated from the current estimation deviation without performing an approximation process by a simple calculation process. Therefore, the rotor position estimation means can accurately estimate the rotor position by updating the estimated value of the rotor position so as to eliminate the position estimation error.

また、前記ロータ位置推定手段は、前記位置推定誤差算出手段により算出された位置推定誤差を、PLL(Phase Locked Loop)により減少させて、前記電動機のロータ位置の推定値を更新することを特徴とする。   Further, the rotor position estimating means updates the estimated value of the rotor position of the electric motor by reducing the position estimation error calculated by the position estimation error calculating means by a PLL (Phase Locked Loop). To do.

かかる本発明によれば、前記位置推定誤差をPLLにより減少させることによって、ノイズの影響を緩和してロータ位置を推定することができる。   According to the present invention, by reducing the position estimation error by the PLL, it is possible to reduce the influence of noise and estimate the rotor position.

また、前記電動機を、前記電動機の界磁の磁束方向であるd軸と、d軸と直交するq軸とを有する等価回路に変換して、d軸に対して位相がすれたγ軸及びγ軸と直交するδ軸からなる推定回転座標系で扱い、前記電流推定偏差算出手段は、前記電動機の簡易モデル式として、以下の式(2)を用いることを特徴とする。   Further, the motor is converted into an equivalent circuit having a d-axis that is a magnetic flux direction of the field of the motor and a q-axis that is orthogonal to the d-axis, and a γ-axis and a γ-phase that are out of phase with respect to the d-axis The current estimated deviation calculating means uses the following equation (2) as a simple model equation of the electric motor, which is handled by an estimated rotational coordinate system consisting of a δ axis orthogonal to the axis.

Figure 0005074318
Figure 0005074318

但し、iγδ_M[n]:制御サイクルnにおける簡易モデルの電流ベクトル(推定γ軸電流iγ_M[n],推定δ軸電流iδ_M[n])、R:抵抗、Ld:d軸インダクタンス、Ts:制御周期、I:2行2列の単位行列、iγδ[n-1]:制御サイクルn−1における簡易モデルの電流ベクトル(実γ軸電流iγ[n-1],実δ軸電流iδ[n-1])、vγδ[n-1]:制御サイクルn−1における電動機の電圧ベクトル(γ軸電圧vγ[n-1],δ軸電圧vδ[n-1])。 However, i γδ _M [n]: current vector of the simplified model in the control cycle n (estimated gamma-axis current i γ _M [n], the estimated [delta] -axis current i δ _M [n]), R: resistance, Ld: d-axis Inductance, Ts: Control period, I: Unit matrix of 2 rows and 2 columns, i γδ [n−1]: Current vector (actual γ-axis current i γ [n−1], actual in the control cycle n−1 δ-axis current i δ [n-1]), v γδ [n-1]: voltage vector of the motor in the control cycle n-1 (γ-axis voltage v γ [n-1], δ-axis voltage v δ [n- 1]).

かかる本発明によれば、前記電動機をd軸びq軸を有する等価回路に変換し、d軸に対して位相がずれたγ軸及びγ軸と直交するδ軸からなる推定回転座標系で扱うときに、前記電流推定偏差算出手段は、前記電動機の簡易モデルとして前記式(2)を用いて前記電流推定偏差を算出することができる。   According to the present invention, the electric motor is converted into an equivalent circuit having a d-axis and a q-axis, and is handled by an estimated rotational coordinate system including a γ-axis that is out of phase with the d-axis and a δ-axis that is orthogonal to the γ-axis. In some cases, the current estimated deviation calculating means can calculate the current estimated deviation using the equation (2) as a simple model of the electric motor.

本発明の実施の形態について、図1〜図4を参照して説明する。図1は本発明の同期電動機のロータ位置推定装置の構成を含む同期電動機の制御装置1(以下、制御装置1という)の構成図であり、制御装置1はマイクロコンピュータ等により構成された電子ユニットである。   Embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a configuration diagram of a synchronous motor control device 1 (hereinafter referred to as a control device 1) including the configuration of a synchronous motor rotor position estimation device of the present invention. The control device 1 is an electronic unit configured by a microcomputer or the like. It is.

図1を参照して、制御装置1は、IPMSM(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)タイプのモータ40(本発明の同期電動機に相当する)の速度制御を行うものである。制御装置1は、モータ40のロータ位置を検出する位置センサ(レゾルバ等)を設けずに、ロータ位置を推定してモータ40の速度制御を行う。   Referring to FIG. 1, control device 1 performs speed control of an IPMSM (Interior Permanent Magnet Synchronous Motor) type motor 40 (corresponding to the synchronous motor of the present invention). The controller 1 estimates the rotor position and controls the speed of the motor 40 without providing a position sensor (such as a resolver) that detects the rotor position of the motor 40.

なお、モータ40の回転速度の情報は、ロータ位置の推定値ではなく、モータ40により駆動される負荷の位置信号(機械端検出器による検出信号)により得られる情報を用いてもよい。また、位置制御器を追加して位置制御を行う構成、或いは速度制御器を削除したトルク制御を行う構成としてもよい。   Note that the information on the rotational speed of the motor 40 may be information obtained from a position signal of a load driven by the motor 40 (a detection signal from the machine end detector), instead of an estimated value of the rotor position. Moreover, it is good also as a structure which adds position controller and performs position control, or the structure which performs torque control which deleted the speed controller.

制御装置1は、モータ40をロータ(図示しない)の界磁極の磁束方向であるd軸と該d軸と直交するq軸とを有するdq座標系による等価回路に変換し、図2(a)に示したように、dq座標系に対してロータ位置の実際値と推定値との差である位置推定誤差Δθeを有するγδ座標系により、モータ40を扱う。 The control device 1 converts the motor 40 into an equivalent circuit based on a dq coordinate system having a d-axis which is a magnetic flux direction of a field pole of a rotor (not shown) and a q-axis orthogonal to the d-axis. As shown in FIG. 5, the motor 40 is handled by a γδ coordinate system having a position estimation error Δθ e that is a difference between an actual value and an estimated value of the rotor position with respect to the dq coordinate system.

そして、制御装置1は、外部から与えられる角速度の指令値ωr_cと、後述する処理により算出した角速度の推定値ωr_eとの偏差を減少させるように、モータ40に対する通電制御を行う。 Then, the control device 1 performs energization control on the motor 40 so as to reduce a deviation between an angular velocity command value ω r — c given from the outside and an estimated angular velocity value ω r — e calculated by processing to be described later.

また、モータ40のステータコイルに流れる電流を検出する電流センサ31,32(本発明の電流検出手段に相当する)の電流検出信号iu(U相のステータコイルに流れる電流の検出信号)及びiv(V相のステータコイルに流れる電流の検出信号)が、制御装置1に入力される。なお、3相のうち、少なくとも2相分の電流検出を行えばよい。 Further, current detection signals i u (detection signals of current flowing in the U-phase stator coil) and i of current sensors 31 and 32 (corresponding to current detection means of the present invention) that detect current flowing in the stator coil of the motor 40 and i. v (a detection signal of the current flowing through the V-phase stator coil) is input to the control device 1. Of the three phases, current detection for at least two phases may be performed.

また、制御装置1からPDU(Power Drive Unit)30(本発明の電圧印加手段に相当する)に対して、3相(u,v,w相)の電圧指令値vu_c,vv_c,vw_cが入力される。そして、PDU30は、3相の電圧指令値vu_c,vv_c,vw_cに応じた3相の駆動電圧を生成してモータ40のステータコイルに印加する。 Further, the control device 1 supplies three-phase (u, v, w phase) voltage command values v u — c, v v — c, to a PDU (Power Drive Unit) 30 (corresponding to the voltage applying means of the present invention). v w _c is input. The PDU 30 generates a three-phase drive voltage corresponding to the three-phase voltage command values v u — c, v v — c, and v w — c and applies it to the stator coil of the motor 40.

制御装置1に備えられたマイクロコンピュータに、所定の制御用プログラムを実行させることによって、該マイクロコンピュータは、速度制御部10、指令電流発生部11、電流制御部12、γδ/uvw変換部13、位置推定誤差取得部14、ロータ位置推定部15、除算器16、及びuvw/γδ変換部17として機能する。   By causing the microcomputer provided in the control device 1 to execute a predetermined control program, the microcomputer has a speed control unit 10, a command current generation unit 11, a current control unit 12, a γδ / uvw conversion unit 13, It functions as a position estimation error acquisition unit 14, rotor position estimation unit 15, divider 16, and uvw / γδ conversion unit 17.

速度制御部10は、角速度の指令値ωr_cと推定値ωr_eとの偏差を減少させるためのトルク指令値Tr_cを決定する。指令電流発生部11は、トルク指令値Tr_cを生じさせるための指令γ軸電流iγ_cと指令δ軸電流iδ_cを決定する。 The speed control unit 10 determines a torque command value T r _c for reducing a deviation between the angular velocity command value ω r _c and the estimated value ω r _e. Command current generating unit 11 determines the command gamma-axis current i gamma _c the command [delta] -axis current i [delta] _c for generating a torque command value T r _c.

電流制御部12は、指令γ軸電流iγ_cと実γ軸電流iγ(uvw/γδ変換部17により算出される)の偏差と、指令δ軸電流iδ_cと実δ軸電流iδ(uvw/γδ変換部17により算出される)の偏差とを減少させるように、指令γ軸電圧vγ_cと指令δ軸電圧vδ_cを決定する。 The current control unit 12, a deviation between the command gamma-axis current i gamma _c and actual gamma-axis current i gamma (calculated by uvw / the ?? converting section 17), the command [delta] -axis current i [delta] _c and the actual [delta] -axis current i [delta] The command γ-axis voltage v γ — c and the command δ-axis voltage v δ — c are determined so as to reduce the deviation (calculated by the uvw / γδ converter 17).

γδ/uvw変換部13は、指令γ軸電圧vγ_cと指令δ軸電圧vδ_cを、モータ40のロータ位置(ロータの電気角度)の推定値θe_eを用いて、3相(u,v,w相)の電圧指令値vu_c,vv_c,vw_cに変換する。 the ?? / uvw converting section 13, a command [delta] -axis voltage v [delta] _c and command gamma-axis voltage v gamma _c, using the estimated value theta e _e rotor position of the motor 40 (electric angle of the rotor), 3-phase (u , V, w phase) voltage command values v u — c, v v — c, v w — c.

位置推定誤差取得部14は、指令γ軸電圧vγ_c及び指令δ軸電圧vδ_cと、実γ軸電流iγ及び実δ軸電流iδとに基づいて、モータ40のロータ位置の実際値と推定値との差である位置推定誤差Δθeを求める。 The position estimation error acquisition unit 14 determines the actual rotor position of the motor 40 based on the command γ-axis voltage v γ — c, the command δ-axis voltage v δ — c, the actual γ-axis current i γ, and the actual δ-axis current i δ. A position estimation error Δθ e that is a difference between the value and the estimated value is obtained.

ロータ位置推定部15は、モータ40の位置推定誤差Δθeを解消するように、ロータ位置の推定値θe_e及び角速度(電気角速度)の推定値ωe_eを更新する。また、除算器16は、電気角速度の推定値ωe_eを極対数qで除して、モータ40の機械的な角速度の推定値ωr_eを算出する。 The rotor position estimation unit 15 updates the estimated value θ e _e of the rotor position and the estimated value ω e _e of the angular velocity (electric angular velocity) so as to eliminate the position estimation error Δθ e of the motor 40. Further, the divider 16 divides the estimated electrical angular velocity value ω e — e by the number of pole pairs q to calculate the estimated mechanical angular velocity value ω r — e of the motor 40.

uvw/γδ変換部17は、電流センサ31,32から出力される電流検出信号iu及びivを、ロータ位置の推定値θe_eに基づいて、実γ軸電流iγ及び実δ軸電流iδに変換する。 uvw / the ?? converter 17, a current detection signal i u and i v are output from the current sensors 31 and 32, based on an estimate theta e _e rotor position, the actual gamma-axis current i gamma and actual δ-axis current i Convert to δ .

制御装置1は、位置推定誤差取得部14とロータ位置推定部15とを備えて、ロータ位置の推定値θe_eと電気角速度の推定値ωe_eを求めている。そのため、レゾルバ等のロータの位置を検出するセンサを設ける必要がない。 The control device 1 includes a position estimation error acquisition unit 14 and a rotor position estimation unit 15, and obtains an estimated value θ e — e of the rotor position and an estimated value ω e — e of the electrical angular velocity. Therefore, there is no need to provide a sensor for detecting the position of the rotor such as a resolver.

以下、位置推定誤差取得部14による位置推定誤差Δθeの算出手順と、ロータ位置推定部15によるロータ位置の推定値θe_e及び角速度の推定値ωe_eの算出手順について説明する。 A procedure for calculating the position estimation error Δθ e by the position estimation error acquisition unit 14 and a procedure for calculating the rotor position estimation value θ e _e and the angular velocity estimation value ω e _e by the rotor position estimation unit 15 will be described below.

先ず、図2(b)及び図3を参照して、位置推定誤差取得部14による位置推定誤差Δθeの算出手順について説明する。図2(b)を参照して、位置推定誤差取得部14は、モータ40の簡易モデル20を用いて、位置推定誤差Δθeを算出する。 First, a procedure for calculating the position estimation error Δθ e by the position estimation error acquisition unit 14 will be described with reference to FIGS. With reference to FIG. 2B, the position estimation error acquisition unit 14 calculates a position estimation error Δθ e using the simplified model 20 of the motor 40.

ここで、γδ座標系におけるモータの電圧方程式は、以下の式(3)、式(4)により表すことができる。   Here, the voltage equation of the motor in the γδ coordinate system can be expressed by the following equations (3) and (4).

Figure 0005074318
Figure 0005074318

Figure 0005074318
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但し、vγ:γ軸電圧、vδ:δ軸電圧、R:抵抗、p:時間による微分演算子、Ld:d軸インダクタンス、Δθe:位置推定誤差(ロータ位置の実際値と推定値との差)、ωe:電気角速度、Lq:q軸インダクタンス、iγ:γ軸電流、iδ:δ軸電流、id:d軸電流、iq:q軸電流、φ:誘起電圧定数。 Where v γ : γ-axis voltage, v δ : δ-axis voltage, R: resistance, p: differential operator by time, L d : d-axis inductance, Δθ e : position estimation error (actual value and estimated value of rotor position) ), Ω e : electrical angular velocity, L q : q-axis inductance, i γ : γ-axis current, i δ : δ-axis current, i d : d-axis current, i q : q-axis current, φ: induced voltage constant.

上記式(3)、式(4)をベクトル形式で表すと以下の式(5)〜(8)となる。   When the above equations (3) and (4) are expressed in a vector format, the following equations (5) to (8) are obtained.

Figure 0005074318
Figure 0005074318

Figure 0005074318
Figure 0005074318

Figure 0005074318
Figure 0005074318

Figure 0005074318
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但し、vγδ=(vγ,vδT、iγδ=(iγ,iδTHowever, v γδ = (v γ , v δ ) T , i γδ = (i γ , i δ ) T.

そして、モータの通常の運転時においては、位置推定誤差Δθeの時間微分がモータの回転速度よりも小さいと仮定して、以下の式(9)、式(10)を仮定する。 In the normal operation of the motor, the following equations (9) and (10) are assumed on the assumption that the time derivative of the position estimation error Δθ e is smaller than the rotational speed of the motor.

Figure 0005074318
Figure 0005074318

Figure 0005074318
Figure 0005074318

θe_r:ロータ位置(ロータの電気角度)の実際値、θe_e:ロータ位置(ロータの電気角度)の推定値、ωe_r:ロータの角速度(電気角速度)の実際値、ωe_e:ロータの角速度(電気角速度)の推定値。 θ e _r: actual value of rotor position (electrical angle of rotor), θ e _e: estimated value of rotor position (electrical angle of rotor), ω e _r: actual value of angular velocity (electrical angular velocity) of rotor, ω e _e : Estimated value of rotor angular velocity (electrical angular velocity).

上記式(9)、式(10)を上記式(5)に適用することによって、以下の式(11)が得られ、式(11)を状態方程式で表すと以下の式(12)の形になる。   By applying the above formulas (9) and (10) to the above formula (5), the following formula (11) is obtained. When the formula (11) is expressed by a state equation, the form of the following formula (12) is obtained. become.

Figure 0005074318
Figure 0005074318

Figure 0005074318
Figure 0005074318

上記式(12)を離散化すると以下の式(13)になり、式(13)からモータの電流方程式である以下の式(14)が得られる。   When the above equation (12) is discretized, the following equation (13) is obtained, and the following equation (14) which is a current equation of the motor is obtained from the equation (13).

Figure 0005074318
Figure 0005074318

但し、Ts:制御周期。n,n−1:制御周期の周期番号。   Where Ts: control cycle. n, n-1: The cycle number of the control cycle.

Figure 0005074318
Figure 0005074318

上記式(14)の右辺において、ロータ位置と角速度に関する項である角速度ωe_eとeγδを含む項を外乱として捉えて削除した以下の式(15)を、モータの簡易モデル式とする。 On the right side of the above equation (14), the following equation (15) in which terms including angular velocities ω e — e and e γδ , which are terms relating to the rotor position and angular velocity, are regarded as disturbances and deleted is defined as a simple model equation of the motor.

Figure 0005074318
Figure 0005074318

但し、iγδ_M=(iγ_M,iδ_M)T:式(15)によるモータの簡易モデルにおけるγ軸電流及びδ軸電流。 However, i γδ _M = (i γ _M, i δ _M) T: Equation (15) gamma-axis current in the simple model of a motor by and [delta] -axis current.

ここで、上記式(14)による電流ベクトルiγδ[n]から、上記式(15)による電流ベクトルiγδ_M[n]を減じることにより、以下の式(16)の電流推定偏差Δiγδを算出することができる。 Here, from the equation current vector i γδ [n] by (14), by subtracting the current vector i γδ _M [n] according to the equation (15), the current estimated differential .DELTA.i the ?? of the formula (16) Can be calculated.

Figure 0005074318
Figure 0005074318

上記式(16)による電流推定偏差Δiγδには、上記式(14)で削除した外乱の情報が反映される。 The current estimation deviation Δi γδ according to the equation (16) reflects the disturbance information deleted in the equation (14).

上記式(16)を変形して以下の式(17)、式(18)の形とし、さらに上記式(6)を用いて変形すると以下の式(19)、式(20)が得られる。   When the above equation (16) is modified into the following equations (17) and (18), and further modified using the above equation (6), the following equations (19) and (20) are obtained.

Figure 0005074318
Figure 0005074318

Figure 0005074318
Figure 0005074318

Figure 0005074318
Figure 0005074318

Figure 0005074318
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そこで、位置推定誤算Δθeを、以下の式(21)、式(22)により、誘起電圧を推定することなく、電流推定偏差Δiγδに基づいて直接的に求めることができる。 Accordingly, the position estimation miscalculation Δθ e can be directly obtained based on the current estimation deviation Δi γδ without estimating the induced voltage by the following equations (21) and (22).

Figure 0005074318
Figure 0005074318

Figure 0005074318
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そこで、図2(b)を参照して、位置推定誤差取得部14は、所定電圧vγδ_cに応じた電圧をモータ40に印加したときに、uvw/γδ変換部17(図1参照)により算出されるγ軸及びδ軸の実電流iγδ(iγ,iδ)(本発明の第2の電流値に相当する)と、該所定電圧vγδを上記式(15)によるモータの簡易モデル20に入力して算出したγ軸及びδ軸電流値iγδ_M(iγ_M,iδ_M)(本発明の第1の電流値に相当する)との差を、電流推定偏差Δiγδとして減算器21により算出する。なお、このように電流推定偏差Δiγδを算出する構成が、本発明の電流推定偏差算出手段に相当する。 Referring now to FIG. 2 (b), the position estimation error acquisition unit 14, a voltage corresponding to a predetermined voltage v the ?? _c when applied to the motor 40, the uvw / the ?? converter 17 (see FIG. 1) The calculated actual current i γδ (i γ , i δ ) of the γ-axis and δ-axis (corresponding to the second current value of the present invention) and the predetermined voltage v γδ are calculated by the above formula (15). The difference between the γ-axis and δ-axis current values i γδ —M (i γ —M, i δ —M) (corresponding to the first current value of the present invention) calculated by inputting to the model 20 is the current estimated deviation Δi γδ. Is calculated by the subtractor 21. The configuration for calculating the current estimated deviation Δi γδ in this way corresponds to the current estimated deviation calculating means of the present invention.

そして、位置推定誤差取得部14は、位置推定誤差算出部22により、図3に示したように、上記式(22)のiγδ(iγ,iδ)にγ軸及びδ軸の実電流iγδ(iγ,iδ)を代入すると共に、電流推定偏差Δiγδ(Δiγ,Δiδ)を代入して、位置推定誤差Δθeを算出する。なお、このように電流推定偏差Δiγδに基づいて位置推定誤差Δθeを算出する構成が、本発明の位置推定誤差算出手段に相当する。 The position estimation error acquisition unit 14, the position estimation error calculating unit 22, as shown in FIG. 3, the actual current of i γδ (i γ, i δ ) in gamma-axis and [delta] axis of the formula (22) Substituting i γδ (i γ , i δ ) and substituting the current estimation deviation Δi γδ (Δi γ , Δi δ ), the position estimation error Δθ e is calculated. The configuration for calculating the position estimation error Δθ e based on the current estimation deviation Δi γδ in this way corresponds to the position estimation error calculating means of the present invention.

次に、図4(a)及び図4(b)を参照して、ロータ位置推定部15によるロータ位置の推定値θe_eと角速度の推定値ωe_eの算出処理について説明する。 Next, with reference to FIG. 4A and FIG. 4B, the calculation process of the estimated value θ e _e of the rotor position and the estimated value ω e _e of the angular velocity by the rotor position estimating unit 15 will be described.

図4(a)は、ロータ位置推定部15をPLLによる位相同期部50を用いて構成した例を示したものである。本実施の形態では、位相同期部50を、以下の式(23)による最もシンプルなPI(比例積分)制御器と同じ構成として、推定応答性を決定している。但し、位相同期部の構成は、以下の式(23)によるPI制御器に限るものではない。   FIG. 4A shows an example in which the rotor position estimation unit 15 is configured using a phase synchronization unit 50 using a PLL. In the present embodiment, the estimated responsivity is determined with the phase synchronization unit 50 having the same configuration as the simplest PI (proportional integration) controller according to the following equation (23). However, the configuration of the phase synchronization unit is not limited to the PI controller according to the following equation (23).

Figure 0005074318
Figure 0005074318

但し、Kp:比例ゲイン、Ki:積分ゲイン。   However, Kp: proportional gain, Ki: integral gain.

ここでは、位置推定誤差Δθeをゼロにすることを目的とするため、ロータ位置θeから位置推定誤差Δθeへの閉ループ伝達関数を算出すると以下の式(24)となる。 Here, in order to make the position estimation error Δθ e zero, when the closed loop transfer function from the rotor position θ e to the position estimation error Δθ e is calculated, the following equation (24) is obtained.

Figure 0005074318
Figure 0005074318

上記式(24)においては、PI制御のゲインKp,Kiにより、位置推定誤差Δθeの収束速度(制御系の固有角周波数)ωnとダンピングファクタ(減衰係数)ζが決定される。また、モータ40が一定速度(角速度ωeが一定)で作動しているときには、入力θeはランプ入力となるため、ロータ位相差Δθeをゼロに収束させるには、位相同期部50を2型コントローラとする必要がある。 In the above equation (24), the convergence speed (natural angular frequency of the control system) ω n and the damping factor (attenuation coefficient) ζ of the position estimation error Δθ e are determined by the PI control gains Kp and Ki. When the motor 40 is operating at a constant speed (the angular speed ω e is constant), the input θ e becomes a ramp input. Therefore, in order to converge the rotor phase difference Δθ e to zero, the phase synchronization unit 50 is set to 2 Must be a type controller.

次に、図4(b)は、ロータ位置推定部15を同一次元オブザーバ60を用いて構成した例を示したものである。この場合には、例えば、以下の式(25)による同一次元オブザーバを用いればよい。   Next, FIG. 4B shows an example in which the rotor position estimation unit 15 is configured using the same-dimensional observer 60. In this case, for example, a one-dimensional observer according to the following equation (25) may be used.

Figure 0005074318
Figure 0005074318

但し、Ts:制御周期、K1,K2:演算ゲイン。   However, Ts: Control cycle, K1, K2: Calculation gain.

なお、このように位置推定誤差Δθeを解消するように、ロータ位置の推定値θe_eを更新する構成が、本発明のロータ位置推定手段に相当する。 Incidentally, so as to eliminate such a position estimation error [Delta] [theta] e, configured to update the estimate theta e _e rotor position corresponds to the rotor position estimation means of the present invention.

なお、本実施の形態においては、本発明の同期電動機として、IPMSM40を示したが、SPMSM(Surface Permanent Magnet Synchronous Motor)やSynRM(Synchronous Reluctance Motor)等、他の種類の同期電動機に対しても本発明の適用が可能である。   In the present embodiment, the IPMSM 40 is shown as the synchronous motor of the present invention. The invention can be applied.

また、本実施の形態において、制御装置1はモータ40をγδ座標系のモデルにより扱って、上記式(15)により本発明の簡易モデルを規定したが、ロータ位置とロータ角速度に関する項を削除したものであれば、他の座標系や形態による簡易モデルを用いてもよい。   Further, in the present embodiment, the control device 1 treats the motor 40 by the model of the γδ coordinate system and defines the simple model of the present invention by the above equation (15), but the terms relating to the rotor position and the rotor angular velocity are deleted. If it is a thing, you may use the simple model by another coordinate system and form.

本発明のロータ位置推定装置の構成を含む同期電動機の制御装置の構成図。The block diagram of the control apparatus of the synchronous motor containing the structure of the rotor position estimation apparatus of this invention. γδ座標系の説明図と、位置推定誤差算出部及びロータ位置推定部の構成図。Explanatory drawing of (gamma) delta coordinate system, and a block diagram of a position estimation error calculation part and a rotor position estimation part. 位置推定誤差算出部の説明図。Explanatory drawing of a position estimation error calculation part. ロータ位置推定部の説明図。Explanatory drawing of a rotor position estimation part.

符号の説明Explanation of symbols

1…同期電動機の制御装置、14…位置推定誤差取得部、15…ロータ位置推定部、20…モータの簡易モデル、22…位置推定誤差算出部、50…PLL(PI制御器)、60…PLL(同一次元オブザーバ)   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Control apparatus of synchronous motor, 14 ... Position estimation error acquisition part, 15 ... Rotor position estimation part, 20 ... Simple model of motor, 22 ... Position estimation error calculation part, 50 ... PLL (PI controller), 60 ... PLL (Same dimension observer)

Claims (3)

同期電動機のロータ位置を推定するロータ位置推定装置であって、
前記電動機のステータコイルに電圧を印加する電圧印加手段と、
前記電動機のステータコイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電動機のステータコイルの指令電圧とステータコイルに流れる電流との関係を、ロータ位置の実際値と推定値との差である位置推定誤差を用いて表した電圧方程式から、該位置推定誤差を含む項とロータ角速度を含む項とを除外した前記電動機の簡易モデル式に、該指令電圧にロータ位置の推定値に基づく所定電圧を適用して算出した第1の電流値と、前記電動機のステータコイルに該所定電圧に応じた駆動電圧を印加したときに、前記電流検出手段により検出される第2の電流値との差である電流推定偏差を算出する電流推定偏差算出手段と、
前記電流推定偏差に基づいて、前記位置推定誤差を算出する位置推定誤差算出手段と、
前記位置推定誤差算出手段により求められた位置推定誤差を解消するように、前記電動機のロータ位置の推定値を更新するロータ位置推定手段とを備えたことを特徴とする同期電動機のロータ位置推定装置。
A rotor position estimation device for estimating a rotor position of a synchronous motor,
Voltage applying means for applying a voltage to the stator coil of the motor;
Current detection means for detecting a current flowing in the stator coil of the motor;
The position estimation error is included from a voltage equation that expresses the relationship between the command voltage of the stator coil of the motor and the current flowing through the stator coil using a position estimation error that is the difference between the actual value and the estimated value of the rotor position. A first current value calculated by applying a predetermined voltage based on an estimated value of the rotor position to the command voltage, and a simple model formula of the motor excluding the term and a term including the rotor angular velocity, and a stator coil of the motor Current estimation deviation calculation means for calculating a current estimation deviation that is a difference from the second current value detected by the current detection means when a driving voltage corresponding to the predetermined voltage is applied to
Position estimation error calculation means for calculating the position estimation error based on the current estimation deviation;
A rotor position estimating device for a synchronous motor, comprising: rotor position estimating means for updating an estimated value of the rotor position of the electric motor so as to eliminate the position estimation error obtained by the position estimation error calculating means. .
請求項1記載の同期電動機のロータ位置推定装置において、
前記ロータ位置推定手段は、前記位置推定誤差算出手段により算出された位置推定誤差を、PLL(Phase Locked Loop)により減少させて、前記電動機のロータ位置の推定値を更新することを特徴とする同期電動機のロータ位置推定装置。
The rotor position estimation device for a synchronous motor according to claim 1,
The rotor position estimation means updates the estimated value of the rotor position of the motor by reducing the position estimation error calculated by the position estimation error calculation means by a PLL (Phase Locked Loop). An apparatus for estimating the rotor position of an electric motor.
請求項1又は請求項2記載の同期電動機のロータ位置推定装置において、
前記電動機を、前記電動機の界磁の磁束方向であるd軸と、d軸と直交するq軸とを有する等価回路に変換し、d軸に対して位相がずれたγ軸及びγ軸と直交するδ軸からなる推定回転座標系のモデルとして扱い、
前記電流推定偏差算出手段は、前記電動機の簡易モデル式として、以下の式(1)を用いることを特徴とする同期電動機のロータ位置推定装置。
Figure 0005074318

但し、iγδ_M[n]:制御サイクルnにおける簡易モデルの電流ベクトル(推定γ軸電流iγ_M[n],推定δ軸電流iδ_M[n])、R:抵抗、Ld:d軸インダクタンス、Ts:制御周期、I:2行2列の単位行列、iγδ[n-1]:制御サイクルn−1における電動機の電流ベクトル(実γ軸電流iγ[n-1],実δ軸電流iδ[n-1])、vγδ[n-1]:制御サイクルn−1における電動機の電圧ベクトル(γ軸電圧vγ[n-1],δ軸電圧vδ[n-1])。
In the synchronous motor rotor position estimating apparatus according to claim 1 or 2,
The electric motor is converted into an equivalent circuit having a d-axis that is a magnetic flux direction of the field of the electric motor and a q-axis that is orthogonal to the d-axis, and is orthogonal to the γ-axis and the γ-axis that are out of phase with the d-axis. Treated as a model of an estimated rotational coordinate system consisting of
The current estimation deviation calculating means uses the following formula (1) as a simple model formula of the electric motor, the rotor position estimating device for a synchronous motor:
Figure 0005074318

However, i γδ _M [n]: current vector of the simplified model in the control cycle n (estimated gamma-axis current i γ _M [n], the estimated [delta] -axis current i δ _M [n]), R: resistance, Ld: d-axis Inductance, Ts: Control period, I: 2 × 2 unit matrix, i γδ [n−1]: Current vector of motor in control cycle n−1 (real γ-axis current i γ [n−1], real δ Shaft current i δ [n-1]), v γδ [n-1]: voltage vector of the motor in the control cycle n-1 (γ-axis voltage v γ [n-1], δ-axis voltage v δ [n-1] ]).
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