DE112018008176T5 - MOTOR DRIVING DEVICE - Google Patents

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Inventor
Shinsuke Kadoi
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Mitsubishi Electric Corp
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    • HELECTRICITY
    • 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
    • H02P21/0003Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control
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    • HELECTRICITY
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    • H02P21/00Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/24Vector control not involving the use of rotor position or rotor speed sensors
    • H02P21/32Determining the initial rotor position

Abstract

Eine Motortreibervorrichtung (100) beinhaltet einen Umrichter (1), eine Steuerung (3) und einen Detektor (4). Die Steuerung (3) enthält eine Spannungssteuereinheit (50), eine Koordinatentransformationseinheit (20), eine Pulsations-Extraktionseinheit (30) und eine Phasensynchronisations-Berechnungseinheit (40). Die Steuerung (3) steuert die Spannungsausgabe vom Umrichter (1) an den Motor (2) und führt eine Berechnung durch, die eine Drehposition und eine Drehfrequenz des Motors (2) schätzt. Die Koordinatentransformationseinheit (20) transformiert die vom Detektor (4) erfassten Motorströme in einen Zweiphasenstrom (20a, 20b) in einem stationären Koordinatensystem. Die Pulsations-Extraktionseinheit (30) extrahiert einen pulsierenden Strom (30a, 30b) aus dem Zweiphasenstrom (20a, 20b), und die Phasensynchronisations-Berechnungseinheit (40) berechnet eine geschätzte Pulsationsphase (40a) und eine geschätzte Pulsationsfrequenz (40b). Bei dieser Berechnung errechnet die Spannungssteuereinheit (50) einen Spannungssollwert, bei dem keiner der Motorströme gleich Null ist, und gibt diesen aus.A motor drive device (100) includes an inverter (1), a controller (3) and a detector (4). The controller (3) contains a voltage control unit (50), a coordinate transformation unit (20), a pulsation extraction unit (30) and a phase synchronization calculation unit (40). The controller (3) controls the voltage output from the converter (1) to the motor (2) and performs a calculation that estimates a rotational position and a rotational frequency of the motor (2). The coordinate transformation unit (20) transforms the motor currents detected by the detector (4) into a two-phase current (20a, 20b) in a stationary coordinate system. The pulsation extraction unit (30) extracts a pulsating current (30a, 30b) from the two-phase current (20a, 20b), and the phase synchronization calculating unit (40) calculates an estimated pulsation phase (40a) and an estimated pulsation frequency (40b). During this calculation, the voltage control unit (50) calculates a nominal voltage value at which none of the motor currents is equal to zero, and outputs it.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Motortreibervorrichtung, die einen Synchronmotor mit Salienz ohne Sensor ansteuert bzw. treibt.The present invention relates to a motor drive device which drives a synchronous motor with salience without a sensor.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Ein rotierendes Magnetfeld wird erzeugt, wenn eine mehrphasige Wechselspannung an den Stator eines Synchronmotors angelegt wird. Der Synchronmotor erzeugt ein Drehmoment durch eine magnetische Wechselwirkung zwischen dem rotierenden Magnetfeld und einem Rotor. Die mehrphasige Wechselspannung ist eine Wechselspannung mit drei Phasen oder vier oder mehr Phasen. Wenn sich der Synchronmotor dreht, müssen die Phase und die Frequenz zwischen dem rotierenden Magnetfeld und dem Rotor synchronisiert werden. Um den Synchronmotor anzutreiben bzw. anzusteuern, werden also Informationen über die Drehposition oder die Drehfrequenz des Rotors benötigt. Es gibt eine Methode, einen Positionssensor oder einen Geschwindigkeitssensor zu verwenden, um die Information über die Drehposition oder Drehfrequenz des Rotors zu erhalten. Andererseits verbreitet sich auch die Anwendung eines Antriebssystems, das keine solchen Sensoren verwendet, um die Anzahl der Teile und die Anzahl der Verdrahtungen zu reduzieren. Der Zustand und das Antriebssystem ohne einen Sensor zur Erfassung der Information über die Drehlage oder Drehfrequenz des Rotors werden „sensorlos“ genannt.A rotating magnetic field is generated when a multiphase alternating voltage is applied to the stator of a synchronous motor. The synchronous motor generates torque through magnetic interaction between the rotating magnetic field and a rotor. The polyphase alternating voltage is an alternating voltage with three phases or four or more phases. When the synchronous motor rotates, the phase and frequency between the rotating magnetic field and the rotor must be synchronized. In order to drive or control the synchronous motor, information about the rotational position or the rotational frequency of the rotor is required. There is a method of using a position sensor or a speed sensor to get the information about the rotational position or rotational frequency of the rotor. On the other hand, in order to reduce the number of parts and the number of wirings, the application of a drive system that does not use such sensors is also spreading. The state and the drive system without a sensor to record the information about the rotational position or rotational frequency of the rotor are called "sensorless".

Wenn ein Synchronmotor ohne Sensor gestartet wird, ist es notwendig, eine Schaltsteuerung für Halbleiterelemente des Umrichters zu starten und dabei die Phase und Frequenz der Ausgangsspannung mit dem Drehzustand des Rotors so zu synchronisieren, dass ein Überstrom oder ähnliches nicht auftritt. Daher unterscheidet das sensorlose Antriebssystem des Synchronmotors normalerweise den Fall, in dem der Synchronmotor gestartet wird, von dem anderen Fall, in dem der Synchronmotor nicht gestartet wird. Konkret wird das sensorlose Antriebssystem des Synchronmotors grob in zwei Algorithmen unterteilt, die „Schätzung des stationären Zustands“ und „Anfangsschätzung“ genannt werden.When starting a synchronous motor without a sensor, it is necessary to start a switching control for semiconductor elements of the inverter while synchronizing the phase and frequency of the output voltage with the rotating state of the rotor so that an overcurrent or the like does not occur. Therefore, the sensorless drive system of the synchronous motor normally distinguishes the case in which the synchronous motor is started from the other case in which the synchronous motor is not started. Specifically, the sensorless drive system of the synchronous motor is roughly divided into two algorithms called “steady state estimation” and “initial estimation”.

Der „Schätzung des stationären Zustands“-Algorithmus wird angewendet, wenn die Halbleiterelemente des Umrichters, der den Motor treibt, einen Schaltvorgang durchführen und das Drehmoment oder der Drehzustand des Motors kontinuierlich gesteuert wird. Andererseits wird der Anfangsschätzungs-Algorithmus angewendet, wenn die Halbleiterelemente des Umrichters den Schaltvorgang aus einem Zustand starten, in dem der Schaltvorgang gestoppt ist. Das heißt, die Schätzung des stationären Zustands wird unter Verwendung von Informationen über die Drehposition und die Drehfrequenz des Rotors gestartet, die durch die Anfangsschätzung erhalten wurden.The “steady state estimate” algorithm is used when the semiconductor elements of the inverter driving the motor are switching and the torque or the rotational state of the motor is continuously controlled. On the other hand, the initial estimation algorithm is applied when the semiconductor elements of the inverter start the switching operation from a state in which the switching operation is stopped. That is, the estimation of the steady state is started using information on the rotational position and the rotational frequency of the rotor obtained by the initial estimation.

Als Beispiel für die Anfangsschätzung beschreibt das Patentdokument 1 ein Verfahren zum Schätzen der Drehfrequenz des Rotors auf der Grundlage einer Periode, mit der die Strompolarität einer bestimmten Phase umgekehrt wird, und zum Schätzen der Drehposition des Rotors auf der Grundlage des Zeitpunkts, zu dem die Strompolarität einer bestimmten Phase umgekehrt wird. Es ist zu beachten, dass der Einfachheit halber die Umkehrung der Polarität des Phasenstroms, d.h. des Vorzeichens des Phasenstroms, als „Nulldurchgang“ bezeichnet wird.As an example of the initial estimation, Patent Document 1 describes a method of estimating the rotational frequency of the rotor based on a period with which the current polarity of a certain phase is reversed and estimating the rotational position of the rotor based on the timing at which the current polarity is reversed a certain phase is reversed. It should be noted that, for the sake of simplicity, the reversal of the polarity of the phase current, i.e. the sign of the phase current, is referred to as the "zero crossing".

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2004-336 866 A Patent Document 1: Japanese Patent Application Laid-Open JP 2004-336 866 A

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNGBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION

Mit der Erfindung zu lösende ProblemeProblems to be Solved by the Invention

In einem Umrichter, dessen Ausgangsspannung durch Pulsweitenmodulation (PWM) gesteuert wird, ist bekannt, dass die tatsächliche Ausgangsspannung aufgrund des Einflusses der Einschaltspannung eines im Umrichter enthaltenen Schaltelements, der Totzeit bei der Steuerung des Umrichters und dergleichen von einem durch eine Steuerung beabsichtigten Spannungssollwert abweichen kann. Ein Spannungsfehler, d.h. eine Differenz zwischen dem Spannungssollwert und der tatsächlichen Ausgangsspannung, wird umso auffälliger, je kleiner der durch das Schaltelement fließende Strom ist, d.h. je kleiner der Motorstrom ist. Es ist zu beachten, dass der Motorstrom ein Strom ist, der durch jede Phase des Motors fließt, d.h. ein Phasenstrom des Motors.In a converter whose output voltage is controlled by pulse width modulation (PWM), it is known that the actual output voltage can deviate from a voltage setpoint intended by a control due to the influence of the switch-on voltage of a switching element contained in the converter, the dead time in the control of the converter and the like . A voltage error, ie a difference between the nominal voltage value and the actual output voltage, becomes more noticeable the smaller the current flowing through the switching element, ie the smaller the motor current. It's closed Note that the motor current is a current that flows through each phase of the motor, that is, a phase current of the motor.

Bei der im Patentdokument 1 beschriebenen Anfangsschätzung wird der Strom der jeweiligen Phase so gesteuert, dass er nahe Null pulsiert, so dass der oben erwähnte Spannungsfehler nennenswert ist. Wenn der Spannungsfehler groß ist, wird der Phasenstrom einer anderen Phase zu klein und die Genauigkeit der Schätzung der Frequenz wird verringert. Alternativ wird der Phasenstrom einer anderen Phase zu groß, sodass eine magnetische Sättigung verursacht und die Genauigkeit der Schätzung der Drehposition reduziert werden. Es ist zu beachten, dass mit „anderer Phase“ hier eine Phase gemeint ist, deren Phasenstrom in Bezug auf die spezifische Phase zu klein oder zu groß ist. Wie oben beschrieben, verursacht ein großer Spannungsfehler das Problem, dass die Genauigkeit der Schätzung der Frequenz oder der Drehposition reduziert wird.In the initial estimation described in Patent Document 1, the current of each phase is controlled to pulsate near zero, so that the above-mentioned voltage error is significant. When the voltage error is large, the phase current of another phase becomes too small and the accuracy of estimating the frequency is lowered. Alternatively, the phase current of another phase becomes too large, causing magnetic saturation and reducing the accuracy of the estimation of the rotational position. It should be noted that “other phase” here means a phase whose phase current is too small or too large in relation to the specific phase. As described above, a large voltage error causes a problem that the accuracy of the estimation of the frequency or the rotational position is reduced.

Außerdem enthalten die Signale eines Spannungssensors und eines Stromsensors Rauschen, das in eine analoge Schaltung eintritt. Daher kann der Spannungssensor oder der Stromsensor nicht immer den genauen Zeitpunkt des Nulldurchgangs erkennen.In addition, the signals from a voltage sensor and a current sensor contain noise that enters an analog circuit. Therefore, the voltage sensor or the current sensor cannot always recognize the exact time of the zero crossing.

Darüber hinaus ist die Anzahl der Male, die ein erfasster Wert des Stroms von einer digitalen Schaltung abgetastet werden kann, begrenzt. Insbesondere während einer Hochgeschwindigkeitsdrehung des Motors pulsiert der Motorstrom mit einer kurzen Periode, so dass der erfasste Wert des Stroms oft nicht erfasst wird und der Fehler der Nulldurchgangszeit nennenswert wird.In addition, the number of times that a detected value of the current can be sampled by a digital circuit is limited. In particular, during high-speed rotation of the motor, the motor current pulsates with a short period, so that the detected value of the current is often not detected and the error of the zero-crossing time becomes noticeable.

Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der oben genannten Probleme gemacht und ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Motortreibervorrichtung aufzuzeigen, die mit hoher Genauigkeit Informationen über eine Drehposition oder Drehfrequenz eines Synchronmotors, der sich dreht, schätzen kann.The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a motor drive device which can estimate information on a rotational position or rotational frequency of a synchronous motor that is rotating with high accuracy.

Mittel zum Lösen der ProblemeMeans of solving the problems

Um das obige Problem zu lösen, beinhaltet die Motortreibervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung einen Umrichter, der einen Synchronmotor mit Salienz treibt, eine Steuerung, die den Betriebszustand des Umrichters steuert, und einen Detektor, der Phasenströme des Synchronmotors erfasst. Die Steuerung beinhaltet eine Spannungssteuereinheit, die eine Ausgangsspannung des Umrichters ermittelt, eine Koordinatentransformationseinheit, die die Phasenströme in einen Zweiphasenstrom in einem stationären Koordinatensystem transformiert, eine Pulsations-Extraktionseinheit, die aus dem Zweiphasenstrom einen pulsierenden Strom extrahiert, und eine Phasensynchronisations-Berechnungseinheit, die die Frequenz und die Phase des pulsierenden Stroms schätzt und berechnet. Die Spannungssteuereinheit gibt einen Spannungssollwert aus, bei dem keiner der Phasenströme gleich Null ist.In order to solve the above problem, the motor drive device according to the present invention includes an inverter that drives a synchronous motor with salience, a controller that controls the operating state of the inverter, and a detector that detects phase currents of the synchronous motor. The controller includes a voltage control unit that determines an output voltage of the converter, a coordinate transformation unit that transforms the phase currents into a two-phase current in a stationary coordinate system, a pulsation extraction unit that extracts a pulsating current from the two-phase current, and a phase synchronization calculation unit that the Estimates and calculates the frequency and phase of the pulsating current. The voltage control unit outputs a voltage setpoint at which none of the phase currents is equal to zero.

Effekt der ErfindungEffect of the invention

Die Motortreibervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann mit hoher Genauigkeit die Information über die Drehlage oder die Drehfrequenz des drehenden Synchronmotors abschätzen.The motor drive device according to the present invention can estimate the information on the rotational position or the rotational frequency of the rotating synchronous motor with high accuracy.

FigurenlisteFigure list

  • 1 ist ein Blockdiagramm einer Konfiguration einer Motortreibervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform; 1 Fig. 13 is a block diagram showing a configuration of a motor driving device according to a first embodiment;
  • 2 ist ein Schaltplan, der eine Konfiguration eines in 1 dargestellten Umrichters zeigt; 2 is a circuit diagram showing a configuration of an in 1 shown converter shows;
  • 3 ist ein schematisches Diagramm zur Erläuterung eines Spannungssollwerts, der von einer Spannungssteuereinheit gemäß der ersten Ausführungsform ausgegeben wird; 3 Fig. 13 is a schematic diagram for explaining a voltage target value output from a voltage control unit according to the first embodiment;
  • 4 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Beziehung zwischen einer Phase eines Spannungssollwertvektors und der Größe eines Phasenstroms in der ersten Ausführungsform; 4th Fig. 13 is a diagram showing a relationship between a phase of a voltage command value vector and the magnitude of a phase current in the first embodiment;
  • 5 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Pulsations-Extraktionseinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform veranschaulicht; 5 Fig. 13 is a block diagram illustrating a configuration of a pulsation extraction unit according to a second embodiment;
  • 6 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Phasensynchronisations-Berechnungseinheit gemäß der zweiten Ausführungsform veranschaulicht; 6th Fig. 13 is a block diagram illustrating a configuration of a phase synchronization calculating unit according to the second embodiment;
  • 7 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Phasensynchronisations-Berechnungseinheit gemäß einer dritten Ausführungsform veranschaulicht; 7th Fig. 13 is a block diagram illustrating a configuration of a phase synchronization calculating unit according to a third embodiment;
  • 8 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines Vorgangs zum Umschalten der Verstärkung eines Verstärkers gemäß der dritten Ausführungsform; 8th Fig. 13 is a diagram for explaining an operation for switching the gain of an amplifier according to the third embodiment;
  • 9 ist ein Blockdiagramm einer Konfiguration einer Motortreibervorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform; 9 Fig. 13 is a block diagram showing a configuration of a motor driving device according to a fourth embodiment;
  • 10 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Korrekturberechnungseinheit gemäß der vierten Ausführungsform darstellt; 10 Fig. 13 is a block diagram showing a configuration of a correction calculation unit according to the fourth embodiment;
  • 11 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel einer Hardwarekonfiguration illustriert, die arithmetische Funktionen einer Steuerung der vierten Ausführungsform implementiert, und 11 FIG. 13 is a block diagram illustrating an example of a hardware configuration that implements arithmetic functions of a controller of the fourth embodiment, and FIG
  • 12 ist ein Blockdiagramm, das ein weiteres Beispiel für eine Hardwarekonfiguration zeigt, die die arithmetischen Funktionen der Steuerung der vierten Ausführungsform implementiert. 12th Fig. 13 is a block diagram showing another example of a hardware configuration that implements the arithmetic functions of the controller of the fourth embodiment.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMENDESCRIPTION OF THE EMBODIMENTS

Motortreibervorrichtungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben. Dabei ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die folgenden Ausführungsformen beschränkt ist.Motor driving devices according to embodiments of the present invention will now be described in detail with reference to the drawings. It should be noted that the present invention is not limited to the following embodiments.

Ausführungsform 1Embodiment 1

1 ist ein Blockdiagramm einer Konfiguration einer Motortreibervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform. 2 ist ein Schaltplan, der die Konfiguration des in 1 dargestellten Umrichters zeigt. In 1 beinhaltet eine Motortreibervorrichtung 100 einen Motor 2 mit einem Rotor 2a, einen Umrichter 1, der den Motor 2 treibt, eine Steuerung 3, die einen Betriebszustand des Umrichters 1 steuert, und einen Detektor 4, der einen Phasenstrom des Motors 2 erfasst. 1 Fig. 13 is a block diagram of a configuration of a motor driving device according to a first embodiment. 2 is a circuit diagram showing the configuration of the in 1 shown converter shows. In 1 includes a motor drive device 100 an engine 2 with a rotor 2a , a converter 1 who is the engine 2 drives, a controller 3 that indicate an operating state of the converter 1 controls, and a detector 4th , the one phase current of the motor 2 recorded.

Der Umrichter 1 erhält Gleichstrom von einer Energiequelle 110 und legt eine Spannung mit variabler Amplitude und variabler Frequenz an den Motor 2 an. Der Umrichter 1 stellt die an den Motor 2 angelegte Spannung ein, indem er eine Pulsweitenmodulationssteuerung (PWM) an einer Vielzahl von in 1 nicht dargestellten Halbleiterelementen durchführt.The converter 1 receives direct current from an energy source 110 and applies a voltage of variable amplitude and variable frequency to the motor 2 at. The converter 1 puts the to the engine 2 applied voltage by applying pulse width modulation (PWM) control to a variety of in 1 performs semiconductor elements, not shown.

Der Motor 2 ist ein Synchronmotor mit Salienz. Ein Beispiel für einen Synchronmotor mit Salienz ist ein Synchron-Reluktanzmotor (im Folgenden als „SynRM“ bezeichnet). Der Rotor des SynRM hat die Eigenschaft, dass sich der magnetische Widerstand in radialer Richtung in Abhängigkeit von einem Drehwinkel zu einer zylindrischen Achse bzw. Drehachse ändert. Eine solche Eigenschaft wird als „Salienz“ bezeichnet. Wenn ein Strom durch einen Stator des SynRM fließt, indem eine Spannung daran angelegt wird, wird ein Magnetfeld erzeugt, das den Umfang des Rotors in radialer Richtung durchquert. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Drehmoment zum Drehen des Rotors in einer Richtung erzeugt, in der der magnetische Fluss zunimmt, d.h. in einer Richtung, in der der magnetische Widerstand eines magnetischen Pfades abnimmt. Das so erzeugte Drehmoment aufgrund der Salienz des Rotors wird als Reluktanzmoment bezeichnet.The motor 2 is a synchronous motor with salience. An example of a synchronous motor with salience is a synchronous reluctance motor (hereinafter referred to as "SynRM"). The rotor of the SynRM has the property that the magnetic resistance changes in the radial direction depending on an angle of rotation to a cylindrical axis or axis of rotation. Such a trait is known as "salience". When a current flows through a stator of the SynRM by applying a voltage to it, a magnetic field is generated that traverses the circumference of the rotor in a radial direction. At this time, a torque is generated to rotate the rotor in a direction in which the magnetic flux increases, that is, in a direction in which the magnetic resistance of a magnetic path decreases. The torque generated in this way due to the salience of the rotor is referred to as the reluctance torque.

2 zeigt eine Schaltungsanordnung, wenn der Umrichter 1 ein dreiphasiger Umrichter ist. Der in 2 dargestellte Umrichter 1 beinhaltet einen Zweig 10A, bei dem ein Halbleiterelement UP eines oberen Zweigs und ein Halbleiterelement UN eines unteren Zweigs in Reihe geschaltet sind, einen Zweig 10B, bei dem ein Halbleiterelement VP eines oberen Zweigs und ein Halbleiterelement VN eines unteren Zweigs in Reihe geschaltet sind, und einen Zweig 10C, bei dem ein Halbleiterelement WP eines oberen Zweigs und ein Halbleiterelement WN eines unteren Zweigs in Reihe geschaltet sind. Die Zweige 10A, 10B und 10C sind parallel zueinander geschaltet. 2 shows a circuit arrangement when the inverter 1 is a three-phase converter. The in 2 inverter shown 1 includes a branch 10A , in which a semiconductor element UP of an upper branch and a semiconductor element UN of a lower branch are connected in series, a branch 10B , in which an upper arm semiconductor element VP and a lower arm semiconductor element VN are connected in series, and one arm 10C , in which a semiconductor element WP of an upper branch and a semiconductor element WN of a lower branch are connected in series. The branches 10A , 10B and 10C are connected in parallel to each other.

Über die Gleichstromschienen 15a und 15b wird eine Busspannung an den Umrichter 1 angelegt. Der Umrichter 1 treibt den Motor 2, indem er die über die Gleichstromschienen 15a und 15b zugeführte Gleichstromleistung der Energiequelle 110 in Wechselstromleistung umwandelt und die durch die Umwandlung erhaltene Wechselstromleistung an den Motor 2 liefert.A bus voltage is applied to the converter via the DC busbars 15a and 15b 1 created. The converter 1 drives the engine 2 by taking the DC power supplied through the DC bus bars 15a and 15b to the power source 110 is converted to AC power and the AC power obtained by the conversion to the motor 2 supplies.

2 zeigt als Beispiel einen Fall, in dem die Halbleiterelemente UP, UN, VP, VN, WP und WN Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistoren (MOSFETs) sind. Das Halbleiterelement UP enthält einen Transistor 10a und eine Diode 10b, die antiparallel zum Transistor 10a geschaltet ist. Die anderen Halbleiterelemente UN, VP, VN, WP und WN haben jeweils eine ähnliche Konfiguration. Antiparallel bedeutet, dass eine Anodenseite der Diode mit einem ersten Anschluss verbunden ist, der einer Source des MOSFETs entspricht, und eine Kathodenseite der Diode mit einem zweiten Anschluss verbunden ist, der einem Drain des MOSFETs entspricht. 2 shows, as an example, a case where the semiconductor elements UP, UN, VP, VN, WP and WN are metal-oxide-semiconductor field effect transistors (MOSFETs). The semiconductor element UP contains a transistor 10a and a diode 10b that are anti-parallel to the transistor 10a is switched. The other semiconductor elements UN, VP, VN, WP and WN each have a similar configuration. Antiparallel means that one anode side the diode is connected to a first terminal corresponding to a source of the MOSFET, and a cathode side of the diode is connected to a second terminal corresponding to a drain of the MOSFET.

Es ist zu beachten, dass die Halbleiterelemente UP, UN, VP, VN, WP und WN anstelle der MOSFETs beispielsweise bipolare Transistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) sein können.It should be noted that the semiconductor elements UP, UN, VP, VN, WP and WN can be, for example, insulated gate bipolar transistors (IGBTs) instead of the MOSFETs.

Darüber hinaus zeigt 2 die Konfiguration mit drei Zweigen, in denen jeweils das Halbleiterelement des oberen Zweigs und das Halbleiterelement des unteren Zweigs in Reihe geschaltet sind. Die Erfindung ist aber nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Die Anzahl der Zweige kann vier oder mehr betragen. Darüber hinaus beinhaltet in 2 ein Zweig ein Paar der Halbleiterelemente des oberen und unteren Zweigs, aber ein Zweig kann eine Vielzahl von Paaren der Halbleiterelemente des oberen und unteren Zweigs aufweisen.In addition, shows 2 the three-branch configuration in which the semiconductor element of the upper branch and the semiconductor element of the lower branch are connected in series. However, the invention is not limited to this configuration. The number of branches can be four or more. In addition, in 2 a branch may have a pair of the semiconductor elements of the upper and lower branches, but a branch may have a plurality of pairs of the semiconductor elements of the upper and lower branches.

Auch wenn der Transistor 10a jedes der Halbleiterelemente UP, UN, VP, VN, WP und WN ein MOSFET ist, kann mindestens eines der Halbleiterelemente UP, UN, VP, VN, WP und WN aus einem Halbleiter mit breiter Bandlücke, wie z.B. Siliziumkarbid, Galliumnitrid oder Diamant gebildet sein.Even if the transistor 10a each of the semiconductor elements UP, UN, VP, VN, WP and WN is a MOSFET, at least one of the semiconductor elements UP, UN, VP, VN, WP and WN may be formed from a wide band gap semiconductor such as silicon carbide, gallium nitride or diamond .

Halbleiter mit breiter Bandlücke haben im Allgemeinen eine höhere Durchbruchsspannungscharakteristik und Wärmebeständigkeit als Silizium-Halbleiter. Daher können verbesserte Effekte der Durchbruchsspannungscharakteristik und der Wärmebeständigkeit erzielt werden, wenn der aus dem Halbleiter mit breiter Bandlücke gebildete MOSFET für mindestens eines der Halbleiterelemente UP, UN, VP, VN, WP und WN verwendet wird.Wide band gap semiconductors generally have higher breakdown voltage characteristics and heat resistance than silicon semiconductors. Therefore, when the MOSFET made of the wide band gap semiconductor is used for at least one of the semiconductor elements UP, UN, VP, VN, WP and WN, improved effects of the breakdown voltage characteristic and the heat resistance can be obtained.

Ein Verbindungspunkt 12 zwischen dem Halbleiterelement UP des oberen Zweigs und dem Halbleiterelement UN des unteren Zweigs ist mit einer ersten Phase (zum Beispiel einer U-Phase) des Motors 2 verbunden, ein Verbindungspunkt 13 zwischen dem Halbleiterelement VP des oberen Zweigs und dem Halbleiterelement VN des unteren Zweigs ist mit einer zweiten Phase (zum Beispiel eine V-Phase) des Motors 2 verbunden und ein Verbindungspunkt 14 zwischen dem Halbleiterelement WP des oberen Zweigs und dem Halbleiterelement WN des unteren Zweigs ist mit einer dritten Phase (z. B. einer W-Phase) des Motors 2 verbunden. Im Umrichter 1 bilden die Verbindungspunkte 12, 13 und 14 jeweils einen Wechselstromanschluss.A connection point 12th between the semiconductor element UP of the upper branch and the semiconductor element UN of the lower branch is with a first phase (for example a U-phase) of the motor 2 connected, a connection point 13th between the semiconductor element VP of the upper arm and the semiconductor element VN of the lower arm is with a second phase (for example a V-phase) of the motor 2 connected and a connection point 14th between the semiconductor element WP of the upper arm and the semiconductor element WN of the lower arm is with a third phase (e.g. a W phase) of the motor 2 tied together. In the converter 1 form the connection points 12th , 13th and 14th an alternating current connection each.

Zurückkommend auf 1 wird die Beschreibung der Motortreibervorrichtung 100 fortgesetzt. Die Steuerung 3 beinhaltet eine Spannungssteuereinheit 50, die die Ausgangsspannung des Umrichters 1 ermittelt, eine Koordinatentransformationseinheit 20, die Phasenströme in einen Zweiphasenstrom in einem stationären Koordinatensystem transformiert, eine Pulsations-Extraktionseinheit 30, die aus dem Zweiphasenstrom einen pulsierenden Strom extrahiert, und eine Phasensynchronisations-Berechnungseinheit 40, die die Frequenz und die Phase des pulsierenden Stroms schätzt und berechnet.Coming back to 1 becomes the description of the motor driving device 100 continued. The control 3 includes a voltage control unit 50 that is the output voltage of the converter 1 determined a coordinate transformation unit 20th , which transforms phase currents into a two-phase current in a stationary coordinate system, a pulsation extraction unit 30th that extracts a pulsating current from the two-phase current, and a phase synchronization calculating unit 40 that estimates and calculates the frequency and phase of the pulsating current.

Die Spannungssteuereinheit 50 berechnet einen Spannungssollwert, der ein Sollwert der vom Umrichter 1 auszugebenden Spannung ist. Auf der Basis des Spannungssollwertes werden die Schaltzustände der Halbleiterelemente UP, UN, VP, VN, WP und WN des Umrichters 1 ermittelt. Dabei muss der Spannungssollwert zum Einstellen des Drehmoments des Motors 2 auf einen gewünschten Wert auf Basis der Drehlage und der Drehfrequenz des Rotors 2a berechnet werden.The voltage control unit 50 calculates a voltage setpoint that is a setpoint from the inverter 1 voltage to be output. The switching states of the semiconductor elements UP, UN, VP, VN, WP and WN of the converter are determined on the basis of the voltage setpoint 1 determined. The voltage setpoint must be used to set the torque of the motor 2 to a desired value based on the rotational position and the rotational frequency of the rotor 2a be calculated.

Es gibt eine Methode, einen Positionssensor oder einen Drehzahlsensor zu verwenden, um Informationen über die Rotationsposition oder Rotationsfrequenz des Rotors 2a zu erhalten. Da solche Sensoren jedoch oft koaxial mit dem Motor installiert werden, wird die zulässige Wellenlänge des Motors reduziert, wenn der Einbauraum des Motors begrenzt ist. Daher hat die Methode der Verwendung des Positionssensors oder des Drehzahlsensors den Nachteil, dass die Motorleistung am Ende begrenzt ist. Außerdem erfordern der Positionssensor oder der Drehzahlsensor eine Verdrahtung der Signalleitung des Sensors mit der Hardware, an der die Steuerung 3 montiert ist. Daher hat die Verwendung des Positionssensors oder des Geschwindigkeitssensors das Problem, dass die Kosten für die Komponenten steigen und die Gefahr einer Unterbrechung der Verbindung besteht. Aus diesen Gründen verbreitet sich die Anwendung des sensorlosen Antriebssystems, d.h. eines Antriebssystems, das weder den Positionssensor noch den Geschwindigkeitssensor verwendet. Die Motortreibervorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform wird auch zum sensorlosen Antrieb des Motors eingesetzt.There is a method of using a position sensor or a speed sensor to get information about the rotational position or rotational frequency of the rotor 2a to obtain. However, since such sensors are often installed coaxially with the motor, the permissible wavelength of the motor is reduced if the installation space of the motor is limited. Therefore, the method of using the position sensor or the speed sensor has the disadvantage that the motor output is limited in the end. In addition, the position sensor or the speed sensor require the signal line of the sensor to be wired to the hardware on which the controller is connected 3 is mounted. Therefore, the use of the position sensor or the speed sensor has a problem that the cost of the components increases and there is a fear of disconnection. For these reasons, the application of the sensorless drive system, that is, a drive system that uses neither the position sensor nor the speed sensor, is spreading. The motor driver device 100 According to the first embodiment, it is also used for the sensorless drive of the motor.

Wenn der Motor 2 ohne Sensor gestartet wird, ist es notwendig, eine Schaltsteuerung des Umrichters 1 zu starten, bei der die Phase und die Frequenz der Ausgangsspannung mit dem Drehzustand des Rotors 2a so synchronisiert sind, dass ein Überstrom oder dergleichen nicht auftritt. Unter diesem Gesichtspunkt wird das sensorlose Antriebssystem des Synchronmotors in zwei Algorithmen unterteilt, d.h. in eine Schätzung des stationären Zustands und eine Anfangsschätzung, wie oben beschrieben.When the engine 2 is started without a sensor, it is necessary to have a switching control of the converter 1 start at which the phase and frequency of the output voltage match the rotating state of the rotor 2a are synchronized so that an overcurrent or the like does not occur. From this point of view, will divided the sensorless drive system of the synchronous motor into two algorithms, ie a steady state estimate and an initial estimate as described above.

Wie oben beschrieben, ist die Schätzung des stationären Zustands der Algorithmus, der angewendet wird, wenn der Umrichter 1 zu schalten beginnt und das Drehmoment oder die Drehfrequenz des Motors 2 kontinuierlich gesteuert wird.As described above, steady state estimation is the algorithm that is applied when the inverter is running 1 starts to switch and the torque or the rotational frequency of the motor 2 is controlled continuously.

Eine typische Methode der Schätzung des stationären Zustands ist eine Methode, die eine induzierte Spannung (auch „gegenelektromotorische Spannung“ genannt) des Motors 2 verwendet. Diese Methode berechnet die induzierte Spannung auf der Grundlage eines mathematischen Modells des Motors und definiert eine Phasendifferenz zwischen einer Koordinatenachse eines wahren dq-Koordinatensystems, das der Position des Rotors 2a entspricht, und einer Koordinatenachse eines geschätzten dq-Koordinatensystems, in dem der Spannungssollwert berechnet wird. Dann wird das geschätzte dq-Koordinatensystem korrigiert, um die Phasendifferenz zu eliminieren, und als Ergebnis erhält man geschätzte Werte für die Position und die Drehfrequenz des Rotors 2a. Es ist zu beachten, dass das dq-Koordinatensystem ein rotierendes Koordinatensystem darstellt, wenn der Motor 2 vektorgesteuert ist, und dass es sich um ein allgemein bekanntes Konzept handelt.A typical method of steady-state estimation is a method using an induced voltage (also called "back electromotive voltage") of the motor 2 used. This method calculates the induced voltage based on a mathematical model of the motor and defines a phase difference between a coordinate axis of a true dq coordinate system that is the position of the rotor 2a and a coordinate axis of an estimated dq coordinate system in which the voltage target value is calculated. Then, the estimated dq coordinate system is corrected to eliminate the phase difference, and as a result, estimated values of the position and the rotational frequency of the rotor are obtained 2a . It should be noted that the dq coordinate system is a rotating coordinate system when the motor 2 is vector driven and that it is a well known concept.

Eine weitere Methode zur Schätzung des stationären Zustands ist ein Verfahren, bei dem eine hochfrequente Spannung an den Motor 2 angelegt wird und eine Stromantwort zu diesem Zeitpunkt verwendet wird. Diese Methode erhält geschätzte Werte der Rotationsposition und der Rotationsfrequenz des Rotors 2a, indem die Tatsache genutzt wird, dass der Strom auf den dq-Koordinaten einen elliptischen Verlauf hat, wenn die Hochfrequenzspannung an den Motor 2 mit Salienz angelegt wird. Diese Methode wird häufig unter Betriebsbedingungen mit niedriger Drehzahl verwendet, bei denen die induzierte Spannung klein ist.Another method for estimating the steady state is a method in which a high frequency voltage is applied to the motor 2 is applied and a current response is used at that time. This method obtains estimated values of the rotational position and the rotational frequency of the rotor 2a by taking advantage of the fact that the current on the dq coordinates has an elliptical profile when the high frequency voltage is applied to the motor 2 is applied with salience. This method is often used in low speed operating conditions where the induced voltage is small.

Wie oben beschrieben, ist die Anfangsschätzung der Algorithmus, der angewendet wird, wenn der Umrichter 1 aus einem Zustand, in dem das Schalten gestoppt ist, zu schalten beginnt. Wie oben beschrieben, erfordert der Algorithmus zur Schätzung des stationären Zustands einen Anfangswert von entweder einer oder beiden Informationen über die Drehposition und die Drehfrequenz des Rotors 2a, wenn die Berechnung gestartet wird. Wird die Berechnung gestartet, während die Differenz zwischen dem Anfangswert und dem wahren Wert groß ist, kommt es zu Problemen wie Überstrom. Aus diesem Grund wird die Schätzung des stationären Zustands unter Verwendung der Informationen über die Drehposition und die Drehfrequenz des Rotors 2a, die durch die Anfangsschätzung erhalten wurden, gestartet. Der Anfangsschätzungs-Algorithmus wird also nur für eine kurze Zeit ausgeführt, wenn der Umrichter 1 gestartet wird.As described above, the initial guess is the algorithm that is applied when the inverter is running 1 starts shifting from a state in which shifting is stopped. As described above, the steady state estimation algorithm requires an initial value of either or both pieces of information about the rotational position and the rotational frequency of the rotor 2a when the calculation starts. If the calculation is started while the difference between the initial value and the true value is large, problems such as overcurrent will arise. For this reason, the steady state estimate is made using the information on the rotational position and the rotational frequency of the rotor 2a obtained by the initial estimate. So the initial estimation algorithm is only executed for a short time when the inverter is 1 is started.

Die in 1 dargestellte Funktionsweise der Spannungssteuereinheit 50 wird nun beschrieben. In der ersten Ausführungsform wird ein Verfahren der Anfangsschätzung detailliert beschrieben. Es ist zu beachten, dass das Verfahren der Schätzung des stationären Zustands nicht auf ein bestimmtes Verfahren eingeschränkt ist.In the 1 Functioning of the voltage control unit shown 50 will now be described. In the first embodiment, a method of the initial estimation is described in detail. It should be noted that the steady state estimation method is not limited to any particular method.

Wenn die Spannungssteuereinheit 50 einen Befehl zum Starten des Umrichters 1 von einer übergeordneten Steuerung (nicht dargestellt) erhält, berechnet die Spannungssteuereinheit 50 einen Spannungssollwert, so dass kein Motorstrom der Phasen gleich Null ist. Weiterhin erzeugt die Spannungssteuereinheit 50 den Spannungssollwert, der eine Gleichspannung ist und einen Spannungsvektor in der gleichen Richtung wie oder in der entgegengesetzten Richtung zu einer der Phasen des Motors 2 hat. Ein Grund für die Erzeugung eines solchen Spannungssollwerts wird später beschrieben.When the voltage control unit 50 a command to start the inverter 1 from a higher-level controller (not shown), the voltage control unit calculates 50 a voltage setpoint so that no motor current of the phases is equal to zero. Furthermore, the voltage control unit generates 50 the voltage setpoint, which is a DC voltage and a voltage vector in the same direction as or in the opposite direction to one of the phases of the motor 2 Has. A reason for generating such a voltage command will be described later.

3 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung des von der Spannungssteuereinheit 50 ausgegebenen Spannungssollwerts gemäß der ersten Ausführungsform. Hier wird angenommen, dass der Motor 2 ein Drehstrommotor ist. Die Phasen des Drehstrommotors werden als u-Phase, v-Phase und w-Phase bezeichnet. Die u-Phase, v-Phase und w-Phase bilden ein dreiphasiges Koordinatensystem. Das uvw-Dreiphasenkoordinatensystem ist ein stationäres Koordinatensystem. Es ist zu beachten, dass ein Spannungssollwertvektor zwar in der gleichen Richtung wie die u-Phase liegt, wie in 3 dargestellt, die Richtung jedoch nicht darauf beschränkt ist. Der Spannungssollwertvektor kann in der gleichen Richtung wie die v-Phase oder die w-Phase liegen. 3 Fig. 13 is a diagram for explaining that of the voltage control unit 50 output voltage target value according to the first embodiment. Here it is assumed that the engine 2 is a three-phase motor. The phases of the three-phase motor are called u-phase, v-phase and w-phase. The u-phase, v-phase and w-phase form a three-phase coordinate system. The uvw three-phase coordinate system is a stationary coordinate system. It should be noted that although a voltage setpoint vector lies in the same direction as the u-phase, as in 3 but the direction is not limited thereto. The voltage setpoint vector can be in the same direction as the v-phase or the w-phase.

Zunächst wird ein Durchschnittswert eines u-Phasenstroms durch „iu0“, ein Durchschnittswert eines v-Phasenstroms durch „iv0“ und ein Durchschnittswert eines w-Phasenstroms durch „iw0“ dargestellt. Der Umrichter 1 gibt dann eine Spannung entsprechend dem in 3 dargestellten Spannungssollwert aus. Infolgedessen haben der Mittelwert des V-Phasenstroms und der Mittelwert des W-Phasenstroms das entgegengesetzte Vorzeichen des Mittelwerts des U-Phasenstroms und die halbe Größe desselben.First, an average value of a u-phase current is represented by “i u0”, an average value of a v-phase current is represented by “i v0 ”, and an average value of a w-phase current is represented by “i w0”. The converter 1 then gives a voltage corresponding to that in 3 voltage setpoint shown. As a result, the mean value of the V-phase current and the mean value of the W-phase current have the opposite sign and half the size of the mean value of the U-phase current.

Darüber hinaus zeigen die Pfeile „α“ und „β“ in 3 Koordinatenachsen an, wenn die Spannung und der Strom einer Dreiphasen-zu-Zweiphasen-Transformation unterzogen werden. Das heißt, „α“ und „β“ bilden ein zweiphasiges Koordinatensystem. Das αβ-Zweiphasen-Koordinatensystem ist ein stationäres Koordinatensystem wie das uvw-Dreiphasen-Koordinatensystem. Eine Transformationsmatrix vom uvw-Dreiphasenkoordinatensystem zum αβ-Zweiphasenkoordinatensystem ist durch die folgende Formel gegeben. ( α β ) = 2 / 3 ( 1 1 / 2 1 / 2 0 3 / 2 3 / 2 ) ( u v w )

Figure DE112018008176T5_0001
In addition, the arrows “α” and “β” point in 3 Coordinate axes when the voltage and current are subjected to a three-phase to two-phase transformation. This means that “α” and “β” form a two-phase coordinate system. The αβ two-phase coordinate system is a stationary coordinate system like the uvw three-phase coordinate system. A transformation matrix from the uvw three-phase coordinate system to the αβ two-phase coordinate system is given by the following formula. ( α β ) = 2 / 3 ( 1 - 1 / 2 - 1 / 2 0 - 3 / 2 3 / 2 ) ( u v w )
Figure DE112018008176T5_0001

Es ist zu beachten, dass sich die Transformationsmatrix von der durch die obige Formel (1) dargestellten unterscheidet, je nachdem, wie die Koordinatenachsen definiert sind, aber es ist üblich, die Koordinatenachsen so zu definieren, dass die α-Achse mit einer der u-, v- und w-Achsen zusammenfällt. Wenn die α- und β-Achsen wie in 3 und der obigen Formel (1) definiert sind, muss der Spannungssollwert nur so eingestellt werden, dass ”vα” ungleich Null ist und „vβ”gleich Null ist. Es ist zu beachten, dass die in 3 dargestellten Achsen d und q solche sind, die durch eine rotierende Koordinatentransformation des αβ-Zweiphasenkoordinatensystems um einen Drehwinkel θ des Rotors 2a erhalten werden.It should be noted that the transformation matrix differs from that represented by the above formula (1) depending on how the coordinate axes are defined, but it is common to define the coordinate axes so that the α-axis coincides with one of the following -, v- and w-axes coincide. When the α and β axes are as in 3 and the above formula (1) are defined, the voltage setpoint only needs to be set such that “v α ” is not equal to zero and “v β ” is equal to zero. It should be noted that the in 3 Axes d and q shown are those obtained by a rotating coordinate transformation of the αβ two-phase coordinate system by an angle of rotation θ of the rotor 2a can be obtained.

Wenn nun eine Gleichspannung an den Stator des drehenden Motors angelegt wird, kommt es aufgrund der Salienz zu einer Pulsation des Phasenstroms. Die Eigenschaften des pulsierenden Stroms werden im Folgenden detailliert beschrieben.If a direct voltage is now applied to the stator of the rotating motor, the phase current pulsates due to the salience. The properties of the pulsating current are described in detail below.

Zunächst wird eine Spannungsgleichung des SynRM im αβ-Koordinatensystem durch die folgende Formel dargestellt. ( v α v β ) = ( R s + PL α PL αβ PL αβ R s + PL β ) ( i α i β )

Figure DE112018008176T5_0002
First, a voltage equation of the SynRM in the αβ coordinate system is represented by the following formula. ( v α v β ) = ( R. s + PL α PL αβ PL αβ R. s + PL β ) ( i α i β )
Figure DE112018008176T5_0002

In der obigen Formel (2) stehen „vα“ und „vβ“ für die durch Zweiphasentransformation erhaltenen Spannungen und „iα“ und „iβ“ für die durch Zweiphasentransformation erhaltenen Ströme. Außerdem steht „P“ für einen Differentialoperator und „Rs“ für einen Spulenwiderstand. Des Weiteren sind „Lα“, „Lβ“ und „Lαβ“ durch die folgende Formel definiert. L α = L 0 + L 1 cos 2 θ L β = L 0 L 1 cos 2 θ L αβ = L 1 sin 2 θ L 0 = ( L d + L q ) / 2 L 1 = ( L d L q ) / 2

Figure DE112018008176T5_0003
In the above formula (2), “v α ” and “v β ” represent the voltages obtained by two-phase transformation, and “i α ” and “i β ” represent the currents obtained by two-phase transformation. In addition, “P” stands for a differential operator and “R s ” for a coil resistance. Furthermore, “L α ”, “L β ” and “L αβ ” are defined by the following formula. L. α = L. 0 + L. 1 cos 2 θ L. β = L. 0 - L. 1 cos 2 θ L. αβ = L. 1 sin 2 θ L. 0 = ( L. d + L. q ) / 2 L. 1 = ( L. d - L. q ) / 2
Figure DE112018008176T5_0003

In der obigen Formel (3) steht für eine α-Achsen-Induktivität, für eine β-Achsen-Induktivität und „Lαβ” für eine αβ-Achsen-gegenseitige Induktivität. Weiterhin stehen „θ“ für einen Drehwinkel des Rotors 2a, „L0“ für eine durchschnittliche Induktivität, „L1“ für eine differentielle Induktivität, „Ld“ für eine d-Achsen-Induktivität und „Lq“ für eine q-Achsen-Induktivität.In the above formula (3), α-axis inductance stands for β-axis inductance, and “L αβ ” stands for αβ-axis mutual inductance. Furthermore, “θ” stands for an angle of rotation of the rotor 2a , "L 0 " for an average inductance, "L 1 " for a differential inductance, "L d " for a d-axis inductance and "L q " for a q-axis inductance.

Im Motor mit Salienz sind die d-Achsen-Induktivität Ld und die q-Achsen-Induktivität Lq unterschiedlich, so dass die differentielle Induktivität L1 gemäß der fünften Gleichung der obigen Formel (3) ungleich Null ist. Daher ändern sich, wie durch die erste und zweite Gleichung der obigen Formel (3) dargestellt, die α-Achseninduktivität Lα und die β-Achseninduktivität Lβ entsprechend dem Drehwinkel θ des Rotors 2a.In the motor with salience, the d-axis inductance L d and the q-axis inductance L q are different, so that the differential inductance L 1 according to the fifth equation of the above formula (3) is not equal to zero. Therefore, as shown by the first and second equations of the above formula (3), the α-axis inductance L α and the β-axis inductance L β change according to the rotation angle θ of the rotor 2a .

Außerdem wirkt der Differentialoperator P in der obigen Formel (2) auf die gesamte α-Achsen-Induktivität Lα, die β-Achsen-Induktivität Lβ und die αβ-Achsen-Gegeninduktivität Lαβ sowie den α-Achsen-Strom iα und den β-Achsen-Strom iβ. So erhält man durch Erweitern der Terme des Differentialoperators in der obigen Formel (2) die folgende Formel. ( v α v β ) = { R s + 2 ω L 1 ( sin 2 θ cos 2 θ cos 2 θ sin 2 θ ) } ( i α i β ) + { L 0 + L 1 ( cos 2 θ sin 2 θ sin 2 θ cos 2 θ ) } ( Pi α Pi β )

Figure DE112018008176T5_0004
In addition, the differential operator P in the above formula (2) acts on the total α-axis inductance L α , the β-axis inductance L β and the αβ-axis mutual inductance L αβ and the α-axis current i α and the β-axis current i β . Thus, by expanding the terms of the differential operator in the above formula (2), the following formula is obtained. ( v α v β ) = { R. s + 2 ω L. 1 ( - sin 2 θ cos 2 θ cos 2 θ sin 2 θ ) } ( i α i β ) + { L. 0 + L. 1 ( cos 2 θ sin 2 θ sin 2 θ - cos 2 θ ) } ( pi α pi β )
Figure DE112018008176T5_0004

In der obigen Formel (4) stellt „ω“ die Rotationsfrequenz des Rotors 2a dar, und ω=Pθ. Der erregte Zustand in 3 ist gleichbedeutend mit dem Anlegen eines im Uhrzeigersinn drehenden Magnetfeldes an den Motor, der sich vom Rotor 2a aus gesehen in Ruhe befindet. Daher ist die Pulsationsphase des α-Achsen-Stroms iα und des β-Achsen-Stroms iβ so, dass der α-Achsen-Strom iα dem β-Achsen-Strom iβ um 90 Grad vorauseilt.In the above formula (4), “ω” represents the frequency of rotation of the rotor 2a and ω = Pθ. The excited state in 3 is equivalent to applying a clockwise rotating magnetic field to the motor, which extends away from the rotor 2a from the point of view of being at rest. Therefore, the pulsation phase of the α-axis current i α and the β-axis current i β is such that the α-axis current i α leads the β-axis current i β by 90 degrees.

Außerdem wirkt die Salienz der Induktivität vom Stator aus gesehen gleichermaßen auf die α- und β-Achse, so dass die Amplitude der Pulsation des α-Achsen-Stroms iα und die Amplitude der Pulsation des β-Achsen-Stroms iβ gleich sind. Auf dieser Basis werden der α-Achsen-Strom iα und der β-Achsen-Strom iβ in eine Mittelwertkomponente (iα0, iβ0) und eine pulsierende Stromkomponente (iα1, iβ1) aufgeteilt und dann durch die folgende Formel dargestellt. i α : = i α 0 + i α 1 = i α 0 Δ i sin ( 2 θ + ϕ ) i β : = i β 0 + i β 1 = i β 0 Δ i cos ( 2 θ + ϕ )

Figure DE112018008176T5_0005
In addition, the salience of the inductance, seen from the stator, acts equally on the α- and β-axes, so that the amplitude of the pulsation of the α-axis current i α and the amplitude of the pulsation of the β-axis current i β are the same. On this basis, the α-axis current i α and the β-axis current i β are divided into an average component (i α0 , i β0 ) and a pulsating current component (i α1 , i β1 ) and then represented by the following formula . i α : = i α 0 + i α 1 = i α 0 - Δ i sin ( 2 θ + ϕ ) i β : = i β 0 + i β 1 = i β 0 - Δ i cos ( 2 θ + ϕ )
Figure DE112018008176T5_0005

In der obigen Formel (5) steht „φ“ für einen unbekannten Phasenwinkel und „Δi“ für die Amplitude des pulsierenden Stroms. Hier werden die Durchschnittswerte iα0 und iβ0 des Zweiphasenstroms durch Lösen der Gleichung erhalten, die durch Ignorieren aller Terme in Bezug auf die Induktivitätskomponente in der obigen Formel (2) erhalten wird. Da die β-Achsenspannung vβ wie oben beschrieben null ist, sind der Mittelwert iα0 des α-Achsen-Stroms und der Mittelwert iβ0 des β-Achsen-Stroms iα0= vα/ Rs bzw. iβ0=0.In the above formula (5), “φ” stands for an unknown phase angle and “Δi” for the amplitude of the pulsating current. Here, the average values i α0 and i β0 of the two-phase current are obtained by solving the equation obtained by ignoring all the terms related to the inductance component in the above formula (2). Since the β-axis voltage v β is zero as described above, the mean value i α0 of the α-axis current and the mean value i β0 of the β-axis current are i α0 = v α / R s and i β0 = 0, respectively.

Außerdem erhält man die folgende Formel, indem man die obige Formel (5) in die obige Formel (4) einsetzt. 0 = 2 ω L 1 i α 0 ( sin 2 θ cos 2 θ ) + R s Δ i ( sin ( 2 θ + ϕ ) cos ( 2 θ + ϕ ) ) 2 ω L 0 Δ i ( cos ( 2 θ + ϕ ) sin ( 2 θ + ϕ ) )

Figure DE112018008176T5_0006
In addition, the following formula is obtained by substituting the above formula (5) into the above formula (4). 0 = 2 ω L. 1 i α 0 ( - sin 2 θ cos 2 θ ) + R. s Δ i ( - sin ( 2 θ + ϕ ) cos ( 2 θ + ϕ ) ) - 2 ω L. 0 Δ i ( cos ( 2 θ + ϕ ) sin ( 2 θ + ϕ ) )
Figure DE112018008176T5_0006

Die folgende Formel erhält man weiterhin durch Umstellen der Formel in der ersten Zeile der obigen Formel (6). 0 = 2 ω L 1 i α 0 sin ( 2 θ ) + Δ i R s 2 + ( 2 ω L 0 ) 2 sin ( 2 θ + ϕ + δ )

Figure DE112018008176T5_0007
The following formula can also be obtained by rearranging the formula in the first line of formula (6) above. 0 = 2 ω L. 1 i α 0 sin ( 2 θ ) + Δ i R. s 2 + ( 2 ω L. 0 ) 2 sin ( 2 θ + ϕ + δ )
Figure DE112018008176T5_0007

Es ist zu beachten, dass in der obigen Formel (7) „δ“ wie in der folgenden Formel gesetzt ist. δ = tan 1 ( 2 ω L 0 /R s )

Figure DE112018008176T5_0008
Note that in the above formula (7), “δ” is set as in the following formula. δ = tan - 1 ( 2 ω L. 0 / R s )
Figure DE112018008176T5_0008

Auf der Grundlage der Bedingung, dass die obige Formel (7) eine Identität ist, werden die Amplitude Δi des pulsierenden Stroms und der unbekannte Phasenwinkel φ wie in den folgenden Formeln erhalten. Δ i = i α 0 × 2 ω L 1 R s 2 + ( 2 ω L 0 ) 2

Figure DE112018008176T5_0009
ϕ = π δ
Figure DE112018008176T5_0010
Based on the condition that the above formula (7) is an identity, the amplitude Δi of the pulsating current and the unknown phase angle φ are obtained as in the following formulas. Δ i = i α 0 × 2 ω L. 1 R. s 2 + ( 2 ω L. 0 ) 2
Figure DE112018008176T5_0009
ϕ = π - δ
Figure DE112018008176T5_0010

Hier ist in der obigen Formel (9) die Widerstandskomponente ausreichend kleiner als die Reaktanzkomponente. Daher kann die obige Formel (8) als δ=π/2 angenähert werden, und die obige Formel (10) kann als φ=π/2 angenähert werden. Zu diesem Zeitpunkt können der α-Achsen-pulsierende Strom iα1 und der β-Achsen-pulsierende Strom iβ1 wie in der folgenden Formel modifiziert werden. i α 1 = Δ icos ( 2 θ ) i β 1 = Δ isin ( 2 θ )

Figure DE112018008176T5_0011
Here, in the above formula (9), the resistance component is sufficiently smaller than the reactance component. Therefore, the above formula (8) can be approximated as δ = π / 2, and the above formula (10) can be approximated as φ = π / 2. At this time, the α-axis pulsating current i α1 and the β-axis pulsating current i β1 can be modified as in the following formula. i α 1 = - Δ icos ( 2 θ ) i β 1 = - Δ isin ( 2 θ )
Figure DE112018008176T5_0011

Die obige Formel (11) stellt dar, dass durch die Extraktion der pulsierenden Ströme aus den Werten des Zweiphasenstroms im stationären Koordinatensystem und die Berechnung der Phasen dieser Stromwerte als Ergebnis die Drehposition des Rotors 2a geschätzt werden kann.The above formula (11) shows that by extracting the pulsating currents from the values of the two-phase current in the stationary coordinate system and calculating the phases of these current values as a result, the rotational position of the rotor 2a can be appreciated.

Konkret führt die Steuerung 3 der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform die folgenden Operationen durch. Zunächst transformiert die Koordinatentransformationseinheit 20 die vom Detektor 4 erfassten Phasenströme in einen α-Achsen-Strom 20a und einen β-Achsen-Strom 20b, die den Zweiphasenstrom auf dem αβ-Zweiphasenkoordinatensystem darstellen, und gibt den α-Achsen-Strom und den β-Achsen-Strom aus. Eine zu diesem Zeitpunkt verwendete Transformationsformel ist z. B. die obige Formel (1).Specifically, the control leads 3 the in 1 illustrated first embodiment performs the following operations. First, the coordinate transformation unit transforms 20th those from the detector 4th detected phase currents into an α-axis current 20a and a β-axis current 20b representing the two-phase current on the αβ-two-phase coordinate system, and outputs the α-axis current and the β-axis current. A transformation formula used at this point in time is e.g. B. the above formula (1).

Als nächstes extrahiert die Pulsations-Extraktionseinheit 30 einen α-Achsen-pulsierenden Strom 30a und einen β-Achsen-pulsierenden Strom 30b auf der Basis des α-Achsen-Stroms 20a und des β-Achsen-Stroms 20b und gibt den α-Achsen-pulsierenden Strom und den β-Achsen-pulsierenden Strom an die Phasensynchronisations-Berechnungseinheit 40 aus. Es ist zu beachten, dass in der folgenden Beschreibung der α-Achsen-pulsierende Strom 30a und der β-Achsen-pulsierende Strom 30b in einigen Fällen gemeinsam als „pulsierender Strom“ bezeichnet werden.Next, the pulsation extraction unit extracts 30th an α-axis pulsating current 30a and a β-axis pulsating current 30b on the basis of the α-axis current 20a and the β-axis current 20b, and outputs the α-axis pulsating current and the β-axis pulsating current to the phase synchronization calculating unit 40 the end. It should be noted that in the following description, the α-axis pulsating current 30a and the β-axis pulsating current 30b in some cases collectively referred to as "pulsating current".

Dann berechnet die Phasensynchronisations-Berechnungseinheit 40 eine geschätzte Pulsationsphase 40a und eine geschätzte Pulsationsfrequenz 40b auf der Basis des α-Achsen-pulsierenden Stroms 30a und des β-Achsen-pulsierenden Stroms 30b und gibt die geschätzte Pulsationsphase und die geschätzte Pulsationsfrequenz aus. Die von der Phasensynchronisations-Berechnungseinheit 40 berechnete geschätzte Pulsationsphase 40a und die geschätzte Pulsationsfrequenz 40b werden in entsprechende Werte umgerechnet, und diese durch die Umrechnung erhaltenen Werte werden im Algorithmus zur Schätzung des stationären Zustands verwendet (nicht gezeigt).Then the phase synchronization calculating unit calculates 40 an estimated pulsation phase 40a and an estimated pulsation frequency 40b based on the α-axis pulsating current 30a and the β-axis pulsating current 30b and outputs the estimated pulsation phase and the estimated pulsation frequency. The one from the phase synchronization calculation unit 40 calculated estimated pulsation phase 40a and the estimated pulsation frequency 40b are converted into corresponding values, and these values obtained by the conversion are used in the algorithm for estimating the steady state (not shown).

Als nächstes wird ein Vorteil beschrieben, den Spannungssollwert auf einen Wert zu setzen, bei dem keiner der Phasenströme gleich Null ist, d.h. ein Wert, bei dem keiner des u-Phasenstroms, des v-Phasenstroms und des w-Phasenstroms gleich Null ist. Es ist zu beachten, dass in der folgenden Beschreibung der u-Phasenstrom, der v-Phasenstrom und der w-Phasenstrom in einigen Fällen gemeinsam als „Dreiphasenstrom“ bezeichnet werden.Next, an advantage of setting the voltage command value at a value at which none of the phase currents is zero, that is, a value at which none of the u-phase current, the v-phase current and the w-phase current is zero will be described. Note that in the following description, the u-phase current, the v-phase current, and the w-phase current are collectively referred to as “three-phase current” in some cases.

Zunächst hat ein PWM-Signal zur Ansteuerung der Halbleiterelemente des oberen und unteren Zweigs eines Umrichters, nicht beschränkt auf den Umrichter 1 der ersten Ausführungsform, eine Pausenperiode, in der ein Aus-Befehl an alle Halbleiterelemente des oberen und unteren Zweigs gegeben wird. Diese Pausenzeit wird als Totzeit bezeichnet. Die Pausenzeit ist so eingestellt, dass ein Kurzschluss zwischen den Gleichstromschienen 15a und 15b verhindert wird.First of all, a PWM signal has to control the semiconductor elements of the upper and lower branches of a converter, not limited to the converter 1 of the first embodiment, a pause period in which an OFF command is given to all semiconductor elements of the upper and lower branches. This pause time is called the dead time. The pause time is set to prevent a short circuit between the DC busbars 15a and 15b.

Das Halbleiterelement erfährt auch einen Spannungsabfall aufgrund der physikalischen Eigenschaften des Halbleiterelements. Wenn das Halbleiterelement ein IGBT ist, gibt es einen Kollektor-Emitter-Spannungsabfall, der Sättigungsspannung genannt wird. Handelt es sich bei dem Halbleiterelement um einen MOSFET, gibt es einen Spannungsabfall aufgrund des Widerstands zwischen Drain und Source.The semiconductor element also experiences a voltage drop due to the physical properties of the semiconductor element. When the semiconductor element is an IGBT, there is a collector-emitter voltage drop called the saturation voltage. If the semiconductor element is a MOSFET, there is a voltage drop due to the resistance between the drain and source.

Um einen durch die oben genannten Faktoren verursachten Spannungsfehler zu reduzieren, wird der Spannungssollwert oft korrigiert. Diese Korrekturen werden als Totzeitkorrektur, Einschaltspannungskorrektur und dergleichen bezeichnet.To reduce a voltage error caused by the above factors, the voltage setpoint is often corrected. These corrections are referred to as dead time correction, turn-on voltage correction, and the like.

Außerdem ist es bei der Steuerung des Halbleiterelements notwendig, die folgenden, dem Halbleiterelement eigenen Eigenschaften zu berücksichtigen.

  • (1) In einem kleinen Strombereich, in dem der durch das Halbleiterelement fließende Strom klein ist, ändert sich die Schaltübergangszeit des Halbleiterelements auf komplizierte Weise.
  • (2) Bei der Korrektur des Spannungssollwerts wird das Vorzeichen eines Spannungskorrekturbetrags anhand der Polarität des Stroms bestimmt, so dass wahrscheinlich Chattering auftritt. Es ist zu beachten, dass Chattering ein Ereignis ist, bei dem sich die Umkehrung des Spannungskorrekturbetrags und der Polarität des Stroms in einem unerwartet schnellen Zyklus wiederholt.
  • (3) Wenn eine Totzone eingestellt wird, um Chattering zu verhindern, wird die Wirkung der Korrektur reduziert.
In addition, in controlling the semiconductor element, it is necessary to consider the following properties inherent in the semiconductor element.
  • (1) In a small current range in which the current flowing through the semiconductor element is small, the switching transition time of the semiconductor element changes in a complicated manner.
  • (2) In correcting the voltage target value, the sign of a voltage correction amount is determined based on the polarity of the current, so that chattering is likely to occur. It should be noted that chattering is an event in which the inversion of the voltage correction amount and the polarity of the current repeats in an unexpectedly fast cycle.
  • (3) If a dead zone is set to prevent chattering, the effect of the correction will be reduced.

Den obigen Punkten (1) bis (3) ist gemeinsam, dass es umso schwieriger wird, den Spannungssollwert zu korrigieren, je kleiner der durch das Halbleiterelement fließende Strom ist. Das heißt, der Spannungsfehler nimmt zu, wenn ein erster Phasenstrom, der ein Phasenstrom unter dem Dreiphasenstrom ist, klein ist. Wenn der Spannungsfehler zunimmt, wird der Phasenstrom eines der anderen Phasenströme, die nicht der erste Phasenstrom sind, erhöht oder verringert. Infolgedessen werden der Mittelwert iα0 des α-Achsen-Stroms und der Mittelwert iβ0 des β-Achsen-Stroms zu klein oder zu groß.The above items (1) to (3) have in common that the smaller the current flowing through the semiconductor element, the more difficult it becomes to correct the voltage command value. That is, the voltage error increases when a first phase current, which is a phase current below the three-phase current, is small. When the voltage error increases, the phase current of one of the other phase currents other than the first phase current is increased or decreased. As a result, the mean value i α0 of the α-axis current and the mean value i β0 of the β-axis current become too small or too large.

Hier ist, wie aus der obigen Formel (9) ersichtlich, die Amplitude Δi des α-Achsen-pulsierenden Stroms iα1 und des β-Achsen-pulsierenden Stroms iβ1 proportional zur Größe des Mittelwerts iα0 des α-Achsen-Stroms. Wenn einer der dreiphasigen Ströme klein ist, kann der Mittelwert iα0 des α-Achsen-Stroms zu klein sein und die Genauigkeit der Schätzung der Drehposition und der Drehfrequenz kann reduziert werden.Here, as can be seen from the above formula (9), the amplitude Δi of the α-axis pulsating current i α1 and the β-axis pulsating current i β1 is proportional to the size of the mean value i α0 of the α-axis current. If one of the three-phase currents is small, the mean value i α0 of the α-axis current may be too small and the accuracy of the estimation of the rotational position and the rotational frequency may be reduced.

Obwohl nicht durch die obige Formel (2) modelliert, schreitet im SynRM die magnetische Sättigung eines magnetischen Elements mit zunehmender Erregung voran. Darüber hinaus unterscheidet sich im SynRM die Leichtigkeit der magnetischen Sättigung erheblich in Abhängigkeit von der Richtung, in der der Rotor magnetisiert wird. Wenn der Mittelwert iα0 des α-Achsen-Stroms und der Mittelwert iβ0 des β-Achsen-Stroms zu groß werden, um einen Anstieg des Grads der magnetischen Sättigung zu bewirken, enthält der erfasste pulsierende Strom daher Oberschwingungen, so dass die Genauigkeit der Schätzung der Rotationsposition und der Rotationsfrequenz reduziert wird.Although not modeled by the above formula (2), in SynRM, the magnetic saturation of a magnetic element progresses as the excitation increases. In addition, in the SynRM, the ease of magnetic saturation differs significantly depending on the direction in which the rotor is magnetized. Therefore, when the mean value i α0 of the α-axis current and the mean value i β0 of the β-axis current become too large to cause the degree of magnetic saturation to increase, the detected pulsating current contains harmonics, so the accuracy of the Estimation of the rotational position and the rotational frequency is reduced.

Auf der Grundlage der obigen Punkte berechnet die Spannungssteuereinheit 50 gemäß der ersten Ausführungsform den Spannungssollwert, bei dem kein Phasenstrom des Drehstroms gleich Null ist, und gibt diesen aus. Dies erleichtert die Korrektur des Spannungssollwertes zur Einstellung der Ausgangsspannung des Umrichters 1 auf einen gewünschten Wert. Dadurch kann der Strom des Motors 2 auf eine geeignete Größe gesteuert werden und somit kann die Genauigkeit der Schätzung der Drehposition und der Drehfrequenz des Rotors 2a erhöht werden.Based on the above points, the voltage control unit calculates 50 According to the first embodiment, the voltage setpoint at which no phase current of the three-phase current is equal to zero, and outputs this. This makes it easier to correct the voltage setpoint for setting the output voltage of the converter 1 to a desired value. This allows the current of the motor 2 can be controlled to an appropriate amount, and thus the accuracy of the estimation of the rotational position and the rotational frequency of the rotor 2a increase.

Es ist zu beachten, dass dann, wenn eine Spannung an den drehenden Motor 2 angelegt wird, der pulsierende Strom aufgrund der Salienz unabhängig von der Größe und Phase der Spannung beobachtet werden kann. Es ist jedoch wünschenswert, dass der von der Spannungssteuereinheit 50 ausgegebene Spannungssollwert eine Gleichspannung ist. Der Grund dafür ist wie folgt.It should be noted that when a voltage is applied to the rotating motor 2 is applied, the pulsating current can be observed regardless of the size and phase of the voltage due to the salience. However, it is desirable that that from the voltage control unit 50 output voltage setpoint is a DC voltage. The reason for this is as follows.

Es wird z.B. angenommen, dass die Spannung für die Anfangsschätzung eine Wechselstromkomponente mit einer Frequenz „f“ enthält. Dann wird auch im Phasenstrom des Motors eine Wechselstromkomponente mit der Frequenz von „f“ erzeugt. Das heißt, der Phasenstrom enthält eine pulsierende Komponente, die mit der Rotationsfrequenz des Motors synchronisiert ist, und die Frequenzkomponente hat die gleiche Frequenz wie die Spannung. Wenn mehrere Frequenzkomponenten im Phasenstrom gemischt werden, ist deren Trennung schwierig, so dass die Genauigkeit der Anfangsschätzung verringert wird. Es ist daher wünschenswert, dass die Spannung für die Anfangsschätzung, d.h. der von der Spannungssteuereinheit 50 ausgegebene Spannungssollwert, eine Gleichstromspannung ist.For example, it is assumed that the voltage for the initial estimate contains an AC component with a frequency “f”. Then an alternating current component with the frequency of "f" is also generated in the phase current of the motor. That is, the phase current contains a pulsating component that is synchronized with the rotational frequency of the motor, and the frequency component has the same frequency as the voltage. When a plurality of frequency components are mixed in the phase current, it is difficult to separate them, so that the accuracy of the initial estimation is lowered. It is therefore desirable that the voltage for the initial estimation, that is, that from the voltage control unit 50 output voltage setpoint is a direct current voltage.

Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf 4 ein Vorteil der Einstellung der Richtung des Spannungsvektors des Spannungssollwerts so beschrieben, dass er gleich oder entgegengesetzt zu irgendeiner der Phasen des Motors 2 ist. 4 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Phase des Spannungssollwertvektors und der Größe des Phasenstroms in der ersten Ausführungsform darstellt. Es ist zu beachten, dass die „Richtung des Spannungsvektors“ als „Phase des Spannungsvektors“ und die „gleiche oder entgegengesetzte Richtung“ als „gleiche oder entgegengesetzte Phase“ umformuliert werden können. In diesem Fall bedeutet die gleiche oder entgegengesetzte Phase, dass dann, wenn die Phase z. B. 60 [Grd] beträgt, die „gleiche Phase“ 60 [Grd] ist und die „entgegengesetzte Phase“ 240 [Grd] ist, die man erhält, indem man 180 [Grd] dazu addiert.Next, referring to FIG 4th an advantage of setting the direction of the voltage vector of the voltage setpoint so that it is equal to or opposite to any of the phases of the motor 2 is. 4th Fig. 13 is a diagram showing a relationship between the phase of the voltage command value vector and the magnitude of the phase current in the first embodiment. It should be noted that the “direction of the voltage vector” can be reformulated as “phase of the voltage vector” and the “same or opposite direction” as “same or opposite phase”. In this case, the same or opposite phase means that when the phase is e.g. B. is 60 [deg], the "same phase" is 60 [deg] and the "opposite phase" is 240 [deg], which is obtained by adding 180 [deg] to it.

Die horizontale Achse von 4 stellt die Phase des Spannungssollwertvektors in Bezug auf die α-Achse dar, und die vertikale Achse stellt die Amplituden der verschiedenen Phasenströme normiert dar. Insbesondere stellt die gepunktete Linie den Durchschnittswert iu0 des u-Phasenstroms dar, ein die e dünne durchgezogene Linie stellt den Durchschnittswert iv0 des v-Phasenstroms dar, die strichpunktierte Linie stellt den Durchschnittswert iw0 des w-Phasenstroms dar, die dünne gestrichelte Linie stellt den Durchschnittswert iα0 des α-Achsen-Stroms dar, und die dicke gestrichelte Linie stellt den Durchschnittswert iβ0 des β-Achsen-Stroms dar.The horizontal axis of 4th represents the phase of the voltage setpoint vector with respect to the α-axis, and the vertical axis represents the amplitudes of the various phase currents in normalized form The average value i v0 of the v-phase current, the dash-dotted line represents the Represents the average value i w0 of the w-phase current, the thin broken line represents the average value i α0 of the α-axis current, and the thick dashed line represents the average value i β0 of the β-axis current.

Darüber hinaus wird die Wellenform der dicken durchgezogenen Linie durch Zeichnen eines Wellenformabschnitts mit dem kleinsten Absolutwert unter den Mittelwerten (iu0, iv0, iw0) der Phasenströme erhalten. Hier wird die Phase mit dem kleinsten Absolutwert unter den Durchschnittswerten (iu0, iv0, iw0) der Phasenströme als „minimale Phase“ definiert. Auch der Strom der minimalen Phase wird als „minimaler Phasenstrom“ definiert.In addition, the waveform of the thick solid line is obtained by drawing a waveform portion having the smallest absolute value among the mean values (i u0, i v0 , i w0 ) of the phase currents. Here, the phase with the smallest absolute value among the average values (i u0 , i v0 , i w0) of the phase currents is defined as the “minimum phase”. The current of the minimum phase is also defined as the “minimum phase current”.

Im bestromten Zustand von 4 entspricht die Phase des Spannungssollvektors dem Wert Null. Zu diesem Zeitpunkt ist die minimale Phase die v-Phase oder die w-Phase, und der Absolutwert des minimalen Phasenstroms ist „0,5“. Es ist zu beachten, dass aus der Wellenform der dicken durchgezogenen Linie in 4, d.h. der Wellenform des minimalen Phasenstroms, ersichtlich ist, dass der Wert von „0,5“ der mögliche Maximalwert ist, wenn die Phase des Spannungssollwertvektors geändert wird.When energized by 4th the phase of the voltage setpoint vector corresponds to the value zero. At this time, the minimum phase is the v-phase or the w-phase, and the absolute value of the minimum phase current is “0.5”. Note that from the waveform of the thick solid line in 4th , ie the waveform of the minimum phase current, it can be seen that the value of “0.5” is the maximum possible value when the phase of the voltage setpoint vector is changed.

Wie oben beschrieben, ist es umso schwieriger, den Spannungssollwert zur Reduzierung des Spannungsfehlers zu korrigieren, je kleiner der Phasenstrom ist. In 3 ist die Richtung des Spannungssollwertvektors so eingestellt, dass sie mit der der u-Phase übereinstimmt, um „den minimalen Phasenstrom zu maximieren“. Außerdem tritt gemäß der Wellenform des minimalen Phasenstroms in 4 der Maximalwert in 60 [Grd]-Inkrementen von 0 [Grd] auf. Das heißt, gemäß 4 ist zu erkennen, dass der Spannungssollwertvektor nur in die gleiche Richtung wie die u-Phase, die v-Phase und die w-Phase oder in die entgegengesetzte Richtung zu diesen ausgerichtet sein muss.As described above, the smaller the phase current, the more difficult it is to correct the voltage command value to reduce the voltage error. In 3 the direction of the voltage setpoint vector is set to match that of the u-phase in order to "maximize the minimum phase current". In addition, according to the waveform of the minimum phase current in 4th the maximum value in 60 [degree] increments from 0 [degree]. That is, according to 4th it can be seen that the voltage setpoint vector only needs to be aligned in the same direction as the u-phase, the v-phase and the w-phase or in the opposite direction to these.

Wenn beispielsweise die Phase des Spannungssollwertvektors 60 [Grd] beträgt, ist der Spannungssollwertvektor in der entgegengesetzten Richtung zur v-Phase ausgerichtet. Wenn die Phase des Spannungssollwertvektors beispielsweise 120 [Grd] beträgt, zeigt der Spannungssollwertvektor in der gleichen Richtung wie die w-Phase.For example, if the phase of the voltage setpoint vector 60 [Grd], the voltage setpoint vector is oriented in the opposite direction to the v-phase. For example, when the phase of the voltage command value vector is 120 [deg], the voltage command value vector points in the same direction as the w-phase.

Wenn jedoch die Phase des Spannungssollwertvektors nicht Null ist, unterscheidet sich der durch die obige Formel (5) definierte Phasenwinkel φ von dem durch die obige Formel (10) dargestellten Wert. Daher ist, wenn die Phase des Spannungssollwertvektors ungleich Null ist, eine entsprechende Korrektur bei der Verarbeitung durch die Phasensynchronisations-Berechnungseinheit 40 erforderlich.However, when the phase of the voltage command value vector is not zero, the phase angle φ defined by the above formula (5) is different from the value shown by the above formula (10). Therefore, if the phase of the voltage command value vector is not equal to zero, there is a corresponding correction in the processing by the phase synchronization calculation unit 40 necessary.

Wie oben beschrieben, berechnet und gibt die Spannungssteuereinheit gemäß der ersten Ausführungsform den Gleichspannungssollwert so aus, dass die Phase des Spannungssollwertvektors gleichsinnig oder gegensinnig zu einer beliebigen Phase des Motors ist. Dies erleichtert die Korrektur des Spannungssollwertes zur Einstellung der Ausgangsspannung des Umrichters auf einen gewünschten Wert. Als Ergebnis kann der Motorstrom auf eine geeignete Größe gesteuert werden, und somit kann die Genauigkeit der Schätzung der Drehposition und der Drehfrequenz des Rotors erhöht werden.As described above, the voltage control unit according to the first embodiment calculates and outputs the DC voltage setpoint value in such a way that the phase of the voltage setpoint value vector is in the same direction or in the opposite direction to any phase of the motor. This makes it easier to correct the voltage setpoint in order to set the output voltage of the converter to a desired value. As a result, the motor current can be controlled to an appropriate amount, and thus the accuracy of the estimation of the rotational position and the rotational frequency of the rotor can be increased.

Ausführungsform 2Embodiment 2

In einer zweiten Ausführungsform werden detaillierte Konfigurationen und Funktionsweisen der in 1 dargestellten Pulsations-Extraktionseinheit 30 und der Phasensynchronisations-Berechnungseinheit 40 beschrieben.In a second embodiment, detailed configurations and modes of operation of the in 1 illustrated pulsation extraction unit 30th and the phase synchronization calculating unit 40 described.

5 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration der Pulsations-Extraktionseinheit 30 gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt. Wie in 5 dargestellt, beinhaltet die Pulsations-Extraktionseinheit 30 gemäß der zweiten Ausführungsform zwei Hochpassfilter (HPF) 301 und 302 mit denselben Eigenschaften. Der α-Achsen-Strom 20a und der β-Achsen-Strom 20b, die den Zweiphasenstrom im stationären Koordinatensystem darstellen, werden den Hochpassfiltern 301 bzw. 302 zugeführt. 5 Fig. 13 is a block diagram showing a configuration of the pulsation extraction unit 30th according to the second embodiment. As in 5 includes the pulsation extraction unit 30th according to the second embodiment, two high-pass filters (HPF) 301 and 302 with the same properties. The α-axis current 20a and the β-axis current 20b, which represent the two-phase current in the stationary coordinate system, become the high-pass filters 301 respectively. 302 fed.

Die Zeit, die zum Entfernen der im α-Achsen-Strom 20a und β-Achsen-Strom 20b enthaltenen Gleichstromkomponente benötigt wird, hängt von der Grenzfrequenz des Hochpassfilters 301 und 302 ab. Je höher die Grenzfrequenz ist, desto kürzer ist die Zeit, die zur Entfernung des Gleichstromanteils benötigt wird, und die später beschriebene Schätzberechnung durch die Phasensynchronisations-Berechnungseinheit 40 kann schnell gestartet werden. Die Frequenz des zu extrahierenden pulsierenden Stroms ändert sich jedoch mit der Drehfrequenz des Rotors 2a. Wenn also die Grenzfrequenz zu hoch ist, wird sogar die Amplitude des pulsierenden Stroms gedämpft, was möglicherweise das S/N-Verhältnis verringert, so dass bei der Konstruktion Vorsicht geboten ist.The time required for removing the DC component contained in the α-axis current 20a and the β-axis current 20b depends on the cutoff frequency of the high-pass filter 301 and 302 away. The higher the cutoff frequency, the shorter the time it takes to remove the DC component and the later-described estimation calculation by the phase synchronization calculation unit 40 can be started quickly. However, the frequency of the pulsating current to be extracted changes with the rotational frequency of the rotor 2a . So if the cutoff frequency is too high, even the amplitude of the pulsating current, which may reduce the S / N ratio, so care must be taken in the design.

Als nächstes wird die Phasensynchronisations-Berechnungseinheit 40 beschrieben. 6 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration der Phasensynchronisations-Berechnungseinheit 40 gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt. Wie in 6 dargestellt, beinhaltet die Phasensynchronisations-Berechnungseinheit 40 gemäß der zweiten Ausführungsform eine Phasenfehler-Berechnungseinheit 401, einen Verstärker 402 und einen Integrierer 403.Next, the phase synchronization calculating unit 40 described. 6th Fig. 13 is a block diagram showing a configuration of the phase synchronization calculating unit 40 according to the second embodiment. As in 6th shown, includes the phase synchronization calculation unit 40 according to the second embodiment, a phase error calculation unit 401 , an amplifier 402 and an integrator 403 .

Die Phasenfehler-Berechnungseinheit 401 empfängt den α-Achsen-pulsierenden Strom 30a (iα1), den β-Achsen-pulsierenden Strom 30b (iβ1), und die geschätzte Pulsationsphase 40a (θ^2). Die geschätzte Pulsationsphase 40a ist der Ausgang des Integrierers 403. Die Notation „θ^2“ ist eine alternative Notation zu einer Notation, bei der ein Hütchensymbol „^“ auf die Spitze des Zeichens „θ“ in „θ2“ aufgesetzt ist. In der vorliegenden Spezifikation wird die alternative Notation mit Ausnahme der als Bilder eingefügten mathematischen Formeln verwendet. Ähnliches gilt für „ω^2“, das später beschrieben wird.The phase error calculation unit 401 receives the α-axis pulsating current 30a (i α1 ), the β-axis pulsating current 30b (i β1 ), and the estimated pulsation phase 40a (θ ^ 2 ). The estimated pulsation phase 40a is the output of the integrator 403 . The notation “θ ^ 2 ” is an alternative notation to a notation in which a cone symbol “^” is placed on the tip of the character “θ” in “θ 2 ”. In the present specification, the alternative notation is used with the exception of the mathematical formulas inserted as images. The same applies to “ω ^ 2 ”, which will be described later.

Die Phasenfehler-Berechnungseinheit 401 berechnet einen Phasenfehler 40f (Δθ2) nach der folgenden Formel. Δ θ 2 : = i α 1 sin θ ^ 2 i β 1 cos θ ^ 2 = Δ i sin ( 2 θ θ ^ 2 ) Δ i ( 2 θ θ ^ 2 ) Δ i ( 2 θ θ ^ 2 )

Figure DE112018008176T5_0012
The phase error calculation unit 401 calculates a phase error 40f (Δθ 2 ) according to the following formula. Δ θ 2 : = i α 1 sin θ ^ 2 - i β 1 cos θ ^ 2 = Δ i sin ( 2 θ - θ ^ 2 ) Δ i ( 2 θ - θ ^ 2 ) Δ i ( 2 θ - θ ^ 2 )
Figure DE112018008176T5_0012

Der Verstärker 402 verstärkt den Phasenfehler 40f (Δθ2) und gibt die geschätzte Pulsationsfrequenz 40b (ω^2) aus. Wie in 6 angedeutet, ist der Verstärker 402 vorzugsweise eine Proportional-Integral (PI)-Regler, der eine Proportional-Integral-Regelung durchführt.The amplifier 402 amplifies the phase error 40f (Δθ 2 ) and gives the estimated pulsation frequency 40b (ω ^ 2 ). As in 6th indicated is the amplifier 402 preferably a proportional-integral (PI) controller that performs proportional-integral control.

Der Integrierer 403 integriert die geschätzte Pulsationsfrequenz 40b und gibt den integrierten Wert als geschätzte Pulsationsphase 40a aus. Die geschätzte Pulsationsphase 40a wird auf die Phasenfehler-Berechnungseinheit 401 zurückgeführt.The integrator 403 integrates the estimated pulsation frequency 40b and gives the integrated value as the estimated pulsation phase 40a the end. The estimated pulsation phase 40a is applied to the phase error calculation unit 401 returned.

In der obigen Formel (12) ist, wenn 2θ>θ^2, positiv, so dass die geschätzte Pulsationsfrequenz ω^2 und die geschätzte Pulsationsphase θ^2 korrigiert werden, um erhöht zu werden. Im Gegenteil, wenn 2θ<θ^2 ist, ist negativ, so dass die geschätzte Pulsationsfrequenz ω^2 und die geschätzte Pulsationsphase θ^2 so korrigiert werden, dass sie verringert werden. Schließlich wird 2θ gleich θ^2 und damit die Phase und Frequenz des pulsierenden Stroms geschätzt. Die Phasensynchronisations-Berechnungseinheit 40 hat somit die Form einer Phasenregelschleife (PLL).In the above formula (12), when 2θ> θ ^ 2 , is positive, so the estimated pulsation frequency ω ^ 2 and the estimated pulsation phase θ ^ 2 are corrected to be increased. On the contrary, when 2θ <θ ^ 2 is negative, so the estimated pulsation frequency ω ^ 2 and the estimated pulsation phase θ ^ 2 are corrected to be decreased. Finally, 2θ is estimated to be equal to θ ^ 2 and thus the phase and frequency of the pulsating current is estimated. The phase synchronization calculation unit 40 thus has the form of a phase locked loop (PLL).

Wenn nun die Phase des Spannungssollwertvektors wie in der ersten Ausführungsform auf Null gesetzt wird, ist der Mittelwert (iβ0) des β-Achsen-Stroms 20b gleich Null, wie in 4 dargestellt. Daher scheint es auf den ersten Blick unnötig, das Hochpassfilter 302 zu verwenden, um den β-Achsen-pulsierenden Strom 30b (iβ1) aus dem β-Achsen-Strom 20b zu extrahieren. Wenn jedoch zwischen der α-Achse und der β-Achse ein Unterschied in Bezug auf das Vorhandensein/Fehlen und die Eigenschaften der Filterung für die pulsierende Stromextraktion besteht, unterscheiden sich die Amplitude und die Phase des zu extrahierenden pulsierenden Stroms zwischen der α-Achse und der β-Achse. Daher werden die beiden Hochpassfilter 301 und 302 unabhängig von der Phase des Spannungssollwertvektors benötigt. Es ist auch wünschenswert, dass beide die gleichen Eigenschaften haben. Es ist zu beachten, dass die gleichen Eigenschaften in diesem Fall nicht bedeuten, dass die physikalischen Eigenschaften vollständig gleich sind, sondern dass sie mit der Erwartung ausgelegt und konfiguriert sind, die gleichen Eigenschaften zu haben. Now, when the phase of the voltage command value vector is set to zero as in the first embodiment, the mean value (i β0) of the β-axis current 20b is zero as in FIG 4th shown. Therefore, at first glance, it seems unnecessary to use the high-pass filter 302 to use the β-axis pulsating current 30b (i β1 ) from the β-axis stream 20b. However, when there is a difference between the α-axis and the β-axis in the presence / absence and the characteristics of the filtering for the pulsating current extraction, the amplitude and the phase of the pulsating current to be extracted differ between the α-axis and the β-axis. Hence the two high pass filters 301 and 302 required regardless of the phase of the voltage setpoint vector. It is also desirable that both have the same characteristics. It should be noted that the same properties in this case do not mean that the physical properties are completely the same, but that they are designed and configured with the expectation of having the same properties.

Es ist auch eine Methode denkbar, bei der entweder der α-Achsen-pulsierende Strom 30a oder der β-Achsen-pulsierende Strom 30b verwendet wird, um die Pulsationsfrequenz aus dem Nulldurchgangsintervall und die Pulsationsphase aus dem Nulldurchgangszeitpunkt zu berechnen. Da das Signal des Detektors 4 jedoch Rauschen enthält, das in den Schaltkreis des Detektors 4 eindringt, kann der Nulldurchgangszeitpunkt nicht immer genau ermittelt werden. Außerdem nimmt während einer Hochgeschwindigkeitsdrehung des Motors 2 die Anzahl der Abtastungen pro Zyklus, mit denen der Strom pulsiert, ab, so dass ein Fehler des Nulldurchgangszeitpunkts auffälliger wird. Da der pulsierende Strom außerdem aufgrund des Einflusses der magnetischen Sättigung und der räumlichen Oberschwingungen des Motors 2 Oberschwingungen niedriger Ordnung enthält, wird die Beziehung zwischen der Nulldurchgangszeit des pulsierenden Stroms und der Position des Rotors 2a komplizierter.A method is also conceivable in which either the α-axis pulsating current 30a or the β-axis pulsating current 30b is used to calculate the pulsation frequency from the zero crossing interval and the pulsation phase from the zero crossing time. As the signal from the detector 4th however, it contains noise that is in the circuitry of the detector 4th penetrates, the zero crossing time cannot always be precisely determined. It also decreases during high speed rotation of the engine 2 the number of samples per cycle with which the current pulses from, so that an error in the zero crossing time becomes more noticeable. Because the pulsating current is also due to the influence of magnetic saturation and spatial harmonics of the motor 2 Contains low order harmonics, the relationship between the zero crossing time of the pulsating current and the position of the rotor 2a more complicated.

Andererseits beinhaltet die Phasensynchronisations-Berechnungseinheit 40 gemäß der zweiten Ausführungsform eine einer PLL entsprechende Schaltung mit einem Rückkopplungspfad. Wenn die Schaltung, die der PLL entspricht, wie in 6 konfiguriert ist, ist der Integrierer 403 in den Pfad eingeschlossen, bevor die geschätzte Pulsationsphase 40a erhalten wird, so dass er nicht leicht durch das Rauschen beeinflusst wird, das in den Signalpfad des Detektors 4 eintritt. Außerdem wird die geschätzte Pulsationsphase 40a kontinuierlich berechnet, so dass sie der wahren Pulsationsphase folgt. Dadurch ist es auch bei einer geringen Anzahl von Abtastungen pro Zyklus, mit denen der Strom pulsiert, leicht möglich, einen durch Diskretisierung verursachten Fehler zu korrigieren. Darüber hinaus konvergiert die geschätzte Pulsationsphase im Mittel mit der wahren Phase, selbst wenn Störungen wie die magnetische Sättigung und räumliche Oberschwingungen im pulsierenden Strom enthalten sind.On the other hand, includes the phase synchronization calculating unit 40 according to the second embodiment, a circuit corresponding to a PLL with a feedback path. When the circuit corresponding to the PLL is as shown in 6th is configured is the integrator 403 included in the path before the estimated pulsation phase 40a is obtained so that it is not easily affected by the noise that is in the signal path of the detector 4th entry. In addition, the estimated pulsation phase 40a continuously calculated so that it follows the true pulsation phase. As a result, it is easily possible to correct an error caused by discretization even with a small number of samples per cycle with which the current pulsates. In addition, the estimated pulsation phase converges on average with the true phase even if disturbances such as magnetic saturation and spatial harmonics are included in the pulsating current.

Wie oben beschrieben, enthält die Pulsations-Extraktionseinheit 30 gemäß der Ausführungsform die beiden Hochpassfilter, die aus dem Zweiphasenstrom im stationären Koordinatensystem den Gleichstromanteil entfernen und die pulsierenden Ströme ausgeben. Die beiden Hochpassfilter haben die gleichen Eigenschaften. Darüber hinaus enthält die Phasensynchronisations-Berechnungseinheit nach der zweiten Ausführungsform die Phasenfehler-Berechnungseinheit, die aus dem pulsierenden Strom und der geschätzten Pulsationsphase den Phasenfehler berechnet, den Verstärker, der den Phasenfehler verstärkt und die geschätzte Pulsationsfrequenz ausgibt, und den Integrierer, der die geschätzte Pulsationsfrequenz integriert und als geschätzte Pulsationsphase ausgibt. Dies macht ihn weniger anfällig für verschiedene Störungen, so dass die Drehlage und die Drehfrequenz des Rotors mit hoher Genauigkeit abgeschätzt werden können.As described above, contains the pulsation extraction unit 30th According to the embodiment, the two high-pass filters, which remove the direct current component from the two-phase current in the stationary coordinate system and output the pulsating currents. The two high-pass filters have the same properties. In addition, the phase synchronization calculating unit according to the second embodiment includes the phase error calculating unit that calculates the phase error from the pulsating current and the estimated pulsation phase, the amplifier that amplifies the phase error and outputs the estimated pulsation frequency, and the integrator that outputs the estimated pulsation frequency integrated and outputs as an estimated pulsation phase. This makes it less susceptible to various disturbances, so that the rotational position and the rotational frequency of the rotor can be estimated with a high degree of accuracy.

Ausführungsform 3Embodiment 3

In einer dritten Ausführungsform wird die Umschaltung des Betriebsmodus beim Starten des Umrichters 1 beschrieben.In a third embodiment, the operating mode is switched when the converter is started 1 described.

Zunächst benötigt die Pulsations-Extraktionseinheit 30, wie in der zweiten Ausführungsform beschrieben, eine der Grenzfrequenz des Hochpassfilters entsprechende Zeit, um den Gleichstromanteil aus dem Zweiphasenstrom im stationären Koordinatensystem zu entfernen.First of all, the pulsation extraction unit is required 30th , as described in the second embodiment, a time corresponding to the cutoff frequency of the high-pass filter in order to remove the direct current component from the two-phase current in the stationary coordinate system.

Außerdem konvergiert die geschätzte Pulsationsfrequenz nicht, während die Gleichstromkomponente am Signaleingang zur Phasensynchronisations-Berechnungseinheit 40 verbleibt. Wenn der Verstärker 402 und der Integrierer 403 der Phasensynchronisations-Berechnungseinheit 40 die Berechnung starten, während die Gleichstromkomponente verbleibt, divergieren die geschätzte Pulsationsfrequenz 40b (ω^2) und die geschätzte Pulsationsphase 40a (θ^2) oder schwingen auf ungenaue Werte. Infolgedessen wird die Zeit, die für die Anfangsschätzung benötigt wird, lang. Es ist daher wünschenswert, dass der Verstärker 402 und der Integrierer 403 die Berechnung zu einem Zeitpunkt starten, wenn eine erforderliche Zeit nach dem Einschalten des Umrichters 1 verstrichen ist.In addition, the estimated pulsation frequency does not converge while the direct current component at the signal input to the phase synchronization calculation unit 40 remains. When the amplifier 402 and the integrator 403 the phase synchronization calculation unit 40 start the calculation while the DC component remains, the estimated pulsation frequency diverges 40b (ω ^ 2 ) and the estimated pulsation phase 40a (θ ^ 2 ) or oscillate to imprecise values. As a result, the time required for the initial estimation becomes long. It is therefore desirable that the amplifier 402 and the integrator 403 start the calculation at a point in time when a required time after the inverter is switched on 1 has passed.

Eine Phasensynchronisations-Berechnungseinheit 41 gemäß der dritten Ausführungsform ist wie in 7 dargestellt aufgebaut. 7 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration der Phasensynchronisations-Berechnungseinheit 41 gemäß der dritten Ausführungsform zeigt. Beim Vergleich von 7 mit 6 ist in 7 ein Verstärkungsschaltsignal 40c hinzugefügt, welches das Umschalten der Verstärkung des Verstärkers 402 steuert.A phase synchronization calculation unit 41 according to the third embodiment is as in FIG 7th shown constructed. 7th Fig. 13 is a block diagram showing the configuration of the phase synchronization calculating unit 41 according to the third embodiment. When comparing 7th with 6th is in 7th a gain switching signal 40c added which is switching the gain of the amplifier 402 controls.

In der Phasensynchronisations-Berechnungseinheit 41 von 7 wird die Verstärkung, die den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 402 darstellt, unmittelbar nach dem Beginn der Erregung des Umrichters 1 auf Null gesetzt und nach Ablauf einer ersten Zeit seit dem Beginn der Erregung des Umrichters 1 wird die Verstärkung des Verstärkers 402 auf einen Wert ungleich Null, d.h. einen Wert größer als Null, gesetzt. Wenn die Verstärkung des Verstärkers 402 auf Null gesetzt ist, bleibt die geschätzte Pulsationsfrequenz 40b gleich Null, gleichgültig welcher Phasenfehler 40f in den Verstärker 402 eingegeben wird. Infolgedessen ist auch der Eingang des Integrierers 403 gleich Null, und die geschätzte Pulsationsphase 40a bleibt ebenfalls Null.In the phase synchronization calculation unit 41 from 7th becomes the gain, which is the gain of the amplifier 402 represents immediately after the drive starts to be energized 1 set to zero and after an initial time has elapsed since the converter started to be energized 1 becomes the gain of the amplifier 402 set to a value not equal to zero, ie a value greater than zero. When the gain of the amplifier 402 is set to zero, the estimated pulsation rate remains 40b equal to zero, regardless of the phase error 40f into the amplifier 402 is entered. As a result, there is also the input of the integrator 403 equal to zero, and the estimated pulsation phase 40a also remains zero.

Die Zeit vom Beginn der Bestromung des Umrichters 1 bis zum ersten Umschalten der Verstärkung des Verstärkers 402 wird anhand der Grenzfrequenz der Hochpassfilter 301 und 302 in der Pulsations-Extraktionseinheit 30 bestimmt. Genauer gesagt wird dann, wenn die Grenzfrequenz der Hochpassfilter 301 und 302 hoch ist, relativ kurze Zeit zum Entfernen der Gleichstromkomponente benötigt, so dass der Verstärker 402 die Berechnung innerhalb einer relativ kurzen Zeit nach dem Beginn der Erregung des Umrichters 1 beginnen kann. Im Gegensatz dazu wird dann, wenn die Grenzfrequenz der Hochpassfilter 301 und 302 niedrig ist, eine relativ lange Zeit zum Entfernen der Gleichstromkomponente benötigt, so dass eine relativ lange Karenzzeit eingestellt werden muss, bevor der Verstärker 402 die Berechnung beginnt.The time from the start of the drive being energized 1 until the amplifier gain is switched for the first time 402 is based on the cutoff frequency of the high-pass filter 301 and 302 in the pulsation extraction unit 30th certainly. More specifically, when the cutoff frequency is the high-pass filter 301 and 302 is high, it takes a relatively short time to remove the DC component, so the amplifier 402 the calculation within a relatively short time after the drive starts to be energized 1 can begin. In contrast, when the cutoff frequency becomes the high pass filter 301 and 302 is low, one takes a relatively long time to remove the DC component, so that a relatively long waiting time must be set before the amplifier 402 the calculation begins.

Die Verstärkung des Verstärkers 402 muss relativ groß sein von dem Zeitpunkt an, an dem der Verstärker 402 die Berechnung beginnt, bis die geschätzte Pulsationsphase 40a zu einem ersten Wert konvergiert, der nahe am tatsächlichen Wert liegt. Andererseits ist die erforderliche Verstärkung nicht so groß, sobald die geschätzte Pulsationsphase 40a den ersten Wert erreicht. Die erforderliche Verstärkung des Verstärkers 402 hängt davon ab, ob die Näherung von sin (2θ-θ^2)≈2θ-θ^2 in der Definitionsgleichung des Phasenfehlers, die durch die obige Formel (12) dargestellt wird, gilt oder nicht. Das heißt, wenn 2θ als wahrer Wert der Phase des pulsierenden Stroms und die geschätzte Pulsationsphase θ^2 annähernd nahe beieinander liegen, ist eine relativ kleine Verstärkung erforderlich, damit die geschätzte Pulsationsphase θ^2 dem wahren Wert 2θ folgt. Wenn im Gegenteil die Differenz zwischen dem wahren Wert 2θ und der geschätzten Pulsationsphase θ^2 groß ist, ist eine relativ große Verstärkung erforderlich, um die geschätzte Pulsationsphase θ^2 an den wahren Wert 2θ anzunähern.The gain of the amplifier 402 must be relatively large from the time the amplifier is installed 402 the calculation begins until the estimated pulsation phase 40a converges to a first value that is close to the actual value. On the other hand, the required gain is not so great once the estimated pulsation phase 40a reached the first value. The required gain of the amplifier 402 depends on whether or not the approximation of sin (2θ-θ ^ 2 ) ≈2θ-θ ^ 2 in the defining equation of the phase error represented by the above formula (12) holds. That is, when 2θ as the true value of the phase of the pulsating current and the estimated pulsation phase θ ^ 2 are approximately close to each other, a relatively small gain is required for the estimated pulsation phase θ ^ 2 to follow the true value 2θ. On the contrary, when the difference between the true value 2θ and the estimated pulsation phase θ ^ 2 is large, a relatively large gain is required to make the estimated pulsation phase θ ^ 2 approach the true value 2θ.

Andererseits enthalten der α-Achsen-pulsierende Strom 30a und der β-Achsen-pulsierende Strom 30b, wie in der zweiten Ausführungsform beschrieben, aufgrund des Einflusses der räumlichen Harmonischen des Motors 2 und der magnetischen Sättigung des Motors 2 die harmonischen Komponenten niedriger Ordnung. Da solche Oberschwingungen auch durch den Verstärker 402 verstärkt werden, wird die geschätzte Pulsationsphase θ^2 leicht oszillierend. Wenn die geschätzte Pulsationsphase θ^2 oszillatorisch ist, kann ein Fehler gegenüber dem tatsächlichen Wert je nach dem Zeitpunkt des Haltens eines Schätzungsergebnisses groß sein. Es ist daher wünschenswert, dass die Verstärkung des Verstärkers 402 im Hinblick auf die Verbesserung der Genauigkeit der Anfangsschätzung minimiert wird.On the other hand, the α-axis contain pulsating current 30a and the β-axis pulsating current 30b as described in the second embodiment, due to the influence of the spatial harmonics of the motor 2 and the magnetic saturation of the motor 2 the harmonic components of the lower order. Because such harmonics are also caused by the amplifier 402 are amplified, the estimated pulsation phase θ ^ 2 is slightly oscillating. When the estimated pulsation phase θ ^ 2 is oscillatory, an error from the actual value may be large depending on the timing of holding an estimation result. It is therefore desirable to increase the gain of the amplifier 402 is minimized with a view to improving the accuracy of the initial estimate.

Daher wird in der Phasensynchronisations-Berechnungseinheit 41 von 7 die Kennlinie so geschaltet, dass die Verstärkung des Verstärkers 402 nach Ablauf einer zweiten Zeit seit Beginn der Bestromung des Umrichters 1 reduziert wird. Die zweite Zeit ist länger als die erste Zeit. Es wird jedoch angenommen, dass die Verstärkung nach dem Umschalten größer als Null ist.Therefore, in the phase synchronization calculation unit 41 from 7th the characteristic switched so that the gain of the amplifier 402 after a second time has elapsed since the converter began to be energized 1 is reduced. The second time is longer than the first time. However, it is assumed that the gain after switching is greater than zero.

Es kann auch ein Verfahren verwendet werden, bei dem eine Vielzahl von Konstanten im Verstärker 402 gehalten wird und eine der Konstanten auf der Grundlage des Verstärkungsschaltsignals 40c ausgewählt wird. Alternativ kann das Verstärkungsschaltsignal 40c selbst ein Signal sein, das die Konstante selbst enthält, die die Verstärkung des Verstärkers 402 bestimmt.A method can also be used in which a plurality of constants in the amplifier 402 and one of the constants based on the gain switching signal 40c is selected. Alternatively, the gain switching signal 40c itself be a signal that contains the constant itself that is the gain of the amplifier 402 certainly.

Als nächstes wird der Betrieb, wenn die Verstärkung des Verstärkers 402 entsprechend der verstrichenen Zeit umgeschaltet wird, unter Bezugnahme auf 8 beschrieben. 8 ist ein Diagramm zur Erläuterung des Betriebs beim Umschalten der Verstärkung des Verstärkers gemäß der dritten Ausführungsform.Next is the operation when the gain of the amplifier 402 is switched according to the elapsed time, referring to FIG 8th described. 8th Fig. 13 is a diagram for explaining the operation in switching the gain of the amplifier according to the third embodiment.

8 illustriert verschiedene Beispiele für Wellenformen, wenn die Verstärkung des Verstärkers 402 geschaltet wird. Insbesondere illustriert eine erste Ebene von 8 den u-Phasenstrom durch eine strichpunktierte Linie, den v-Phasenstrom durch eine gestrichelte Linie und den w-Phasenstrom durch eine durchgezogene Linie. Eine zweite Ebene von 8 stellt den α-Achsen-Strom durch eine durchgezogene Linie und den β-Achsen-Strom durch eine gestrichelte Linie dar. Eine dritte Ebene von 8 veranschaulicht den α-Achsen-pulsierenden Strom durch eine durchgezogene Linie und den β-Achsen-pulsierenden Strom durch eine gestrichelte Linie. Eine vierte Ebene von 8 zeigt die geschätzte Pulsationsfrequenz durch eine durchgezogene Linie und die wahre Frequenz durch eine gestrichelte Linie. Eine fünfte Ebene von 8 illustriert die geschätzte Pulsationsphase durch eine durchgezogene Linie und die wahre Phase durch eine gestrichelte Linie. 8th illustrates various examples of waveforms when increasing the gain of the amplifier 402 is switched. In particular, illustrates a first level of FIG 8th the u-phase current by a dot-dash line, the v-phase current by a dashed line, and the w-phase current by a solid line. A second level of 8th represents the α-axis current by a solid line and the β-axis current by a broken line. A third plane of FIG 8th illustrates the α-axis pulsating current by a solid line and the β-axis pulsating current by a broken line. A fourth level of 8th shows the estimated pulsation frequency by a solid line and the true frequency by a dashed line. A fifth level of 8th illustrates the estimated pulsation phase with a solid line and the true phase with a dashed line.

In 8 wird zunächst der Gate-Start zum Zeitpunkt t0 durchgeführt, zu dem der Umrichter 1 mit der Ausgabe der Spannung beginnt. Sobald der Gate-Start durch den Umrichter 1 erfolgt ist, beginnt der Drehstrom zu fließen. Zu diesem Zeitpunkt überlagern sich, wie durch die Kurvenverläufe in der ersten Ebene dargestellt, die pulsierenden Ströme, die proportional zur Größe der Gleichstromkomponente sind. Außerdem wird der Dreiphasenstrom in der ersten Ebene in den Zweiphasenstrom im stationären Koordinatensystem umgewandelt, der durch die Kurvenformen in der zweiten Ebene dargestellt wird. Des Weiteren wird der Zweiphasenstrom in der zweiten Ebene in die Pulsations-Extraktionseinheit 30 eingegeben, und ein Ergebnis der Extraktion der pulsierenden Ströme wird durch die Wellenformen in der dritten Ebene dargestellt.In 8th the gate start is first carried out at time t0, at which the converter 1 begins with the output of the voltage. As soon as the gate start by the inverter 1 is done, the three-phase current begins to flow. At this point in time, as shown by the curves in the first level, the pulsating currents, which are proportional to the magnitude of the direct current component, are superimposed. In addition, the three-phase current in the first level is converted into the two-phase current in the stationary coordinate system, which is represented by the curve shapes in the second level. Furthermore, the two-phase flow is fed into the pulsation extraction unit in the second level 30th is input, and a result of the extraction of the pulsating currents is represented by the waveforms in the third level.

Betrachtet man die Wellenform des α-Achsen-pulsierenden Stroms in der dritten Ebene, so ist zu erkennen, dass die Gleichstromkomponente nach Ablauf einer bestimmten Zeit zwischen dem Zeitpunkt t0 und dem Zeitpunkt t1 entfernt wird. Zum Zeitpunkt t1 wird die Verstärkung des Verstärkers 402 von Null auf einen positiven Wert umgeschaltet und die Schätzungsberechnung durch die Phasensynchronisations-Berechnungseinheit 41 wird gestartet. Die Zeit vom Zeitpunkt t0 bis zum Zeitpunkt t1 ist die Zeit, die dem oben beschriebenen ersten Zeitpunkt entspricht. Zum Zeitpunkt des Starts der Schätzungsberechnung ist die Gleichstromkomponente des Zweiphasenstroms ausreichend entfernt, so dass die Verstärkung des Verstärkers 402 relativ hoch eingestellt ist. Daher konvergieren die geschätzte Pulsationsfrequenz 40b und die geschätzte Pulsationsphase 40a schnell zu Werten, die nahe an den wahren Werten liegen, wie durch die Wellenformen in der vierten und fünften Ebene dargestellt.Looking at the waveform of the α-axis pulsating current in the third plane, it can be seen that the direct current component is removed after a certain time has elapsed between time t0 and time t1. At time t1 the gain of the amplifier becomes 402 from zero is switched to a positive value and the estimation calculation by the phase synchronization calculation unit 41 is started. The time from time t0 to time t1 is the time that corresponds to the first time described above. At the time of starting the estimation calculation, the direct current component of the two-phase current is sufficiently removed so that the gain of the amplifier 402 is set relatively high. Therefore, the estimated pulsation frequency converge 40b and the estimated pulsation phase 40a quickly to values that are close to the true values, as shown by the waveforms in the fourth and fifth levels.

Als nächstes wird zum Zeitpunkt t2 die Verstärkung des Verstärkers 402 so geschaltet, dass sie verringert wird. Dies hat zur Folge, dass die geschätzte Pulsationsfrequenz 40b und die geschätzte Pulsationsphase 40a reduziert werden. Die Zeit vom Zeitpunkt t0 bis zum Zeitpunkt t2 ist die Zeit, die der oben beschriebenen zweiten Zeit entspricht. Next, at time t2, the gain of the amplifier becomes 402 switched so that it is decreased. As a result, the estimated pulsation frequency 40b and the estimated pulsation phase 40a be reduced. The time from time t0 to time t2 is the time that corresponds to the second time described above.

Schließlich wird zum Zeitpunkt t3 das Schätzergebnis festgehalten, und der Algorithmus zur Schätzung des stationären Zustands wird unter Verwendung des Ergebnisses gestartet.Finally, at time t3, the estimation result is recorded, and the algorithm for estimating the steady state is started using the result.

Wie oben beschrieben, schaltet die Phasensynchronisations-Berechnungseinheit gemäß der dritten Ausführungsform die Verstärkung des Verstärkers von Null auf den Wert größer Null um, nachdem die erste Zeit seit Beginn der Erregung des Umrichters verstrichen ist. Dadurch kann die Zeit, die für die Anfangsschätzung benötigt wird, reduziert werden. Außerdem schaltet die Phasensynchronisations-Berechnungseinheit gemäß der dritten Ausführungsform die Verstärkung des Verstärkers so, dass sie nach der zweiten Zeit, die seit Beginn der Erregung des Umrichters verstrichen ist, verringert wird. Dadurch werden der Verstärkungsgrad der im pulsierenden Strom enthaltenen Oberwellen reduziert und die Genauigkeit des Schätzergebnisses verbessert.As described above, the phase synchronization calculating unit according to the third embodiment switches the gain of the amplifier from zero to the value greater than zero after the first time has elapsed since the converter was energized. This can reduce the time required for the initial estimation. In addition, according to the third embodiment, the phase synchronization calculating unit switches the gain of the amplifier so that it is decreased after the second time that has elapsed since the inverter was energized. This reduces the degree of amplification of the harmonics contained in the pulsating current and improves the accuracy of the estimation result.

Ausführungsform 4Embodiment 4

Als nächstes wird eine Motortreibervorrichtung für einen Synchronmotor gemäß einer vierten Ausführungsform beschrieben. 9 ist ein Blockdiagramm einer Konfiguration einer Motortreibervorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform. Eine in 9 dargestellte Motortreibervorrichtung 101 ergibt sich durch Hinzufügen einer Korrekturberechnungseinheit 60 zur Steuerung 3 in der Konfiguration der Motortreibervorrichtung 100 gemäß der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform. Aufgrund der Hinzufügung der Korrekturberechnungseinheit 60 ist die Steuerung 3 außerdem als Steuerung 3A dargestellt. Es ist zu beachten, dass die anderen Konfigurationen identisch oder äquivalent zu denen von 1 sind und daher mit den gleichen Bezugsziffern wie in 1 bezeichnet werden, wobei auf eine redundante Beschreibung verzichtet wird.Next, a motor driving device for a synchronous motor according to a fourth embodiment will be described. 9 Fig. 13 is a block diagram showing a configuration of a motor driving device according to the fourth embodiment. One in 9 illustrated motor drive device 101 results from adding a correction calculation unit 60 for controlling 3 in the configuration of the motor driver device 100 according to the in 1 illustrated first embodiment. Due to the addition of the correction calculation unit 60 is the controller 3 also as a control 3A shown. Note that the other configurations are identical or equivalent to those of 1 are and therefore with the same reference numerals as in 1 are designated, whereby a redundant description is dispensed with.

Der Ausgang der Pulsations-Extraktionseinheit 30 der Steuerung 3 hat die Phase, die gegenüber dem im ursprünglichen Zweiphasenstrom enthaltenen pulsierenden Strom vorgeschoben ist. Der Grad der Voreilung der Phase ist abhängig von der Grenzfrequenz des Hochpassfilters und der Frequenz des pulsierenden Stroms, d.h. der Drehfrequenz des Rotors 2a. Daher führt die Phasensynchronisations-Berechnungseinheit 41 gemäß der dritten Ausführungsform die Schätzungsberechnung an dem Signal durch, dessen Pulsationsphase vorverlegt ist. Dadurch wird ein Fehler in die Drehposition des Rotors 2a einbezogen, die durch Umrechnung des Ausgangs der Phasensynchronisations-Berechnungseinheit 41 erhalten wird. In der vierten Ausführungsform wird im Folgenden ein Verfahren zur Eliminierung des Fehlers detailliert beschrieben.The output of the pulsation extraction unit 30th the control 3 has the phase that is advanced compared to the pulsating current contained in the original two-phase current. The degree of advance of the phase depends on the cutoff frequency of the high-pass filter and the frequency of the pulsating current, ie the rotational frequency of the rotor 2a . Therefore, the phase synchronization calculation unit performs 41 according to the third embodiment, performs the estimation calculation on the signal whose pulsation phase is advanced. This creates an error in the rotational position of the rotor 2a included by converting the output of the phase synchronization calculation unit 41 is obtained. In the fourth embodiment, a method for eliminating the error will be described in detail below.

In 9 berechnet und gibt die Korrekturberechnungseinheit 60 eine geschätzte Rotorphase 60a und eine geschätzte Rotorfrequenz 60b auf der Basis der geschätzten Pulsationsphase 40a und der geschätzten Pulsationsfrequenz 40b als Ausgang der Phasensynchronisations-Berechnungseinheit 41 aus.In 9 calculates and gives the correction calculation unit 60 an estimated rotor phase 60a and an estimated rotor frequency 60b based on the estimated pulsation phase 40a and the estimated pulsation frequency 40b as the output of the phase synchronization calculation unit 41 the end.

Als nächstes wird eine detaillierte Konfiguration der Korrekturberechnungseinheit 60 unter Bezugnahme auf 10 beschrieben. 10 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration der Korrekturberechnungseinheit gemäß der vierten Ausführungsform zeigt. Wie in 10 dargestellt, beinhaltet die Korrekturberechnungseinheit 60 gemäß der vierten Ausführungsform ein Tiefpassfilter (LPF) 601, eine Nachschlage-Tabelle 602, einen Subtrahierer 603 und eine Umrechnungseinheit 604.Next, a detailed configuration of the correction calculation unit will be presented 60 with reference to 10 described. 10 Fig. 13 is a block diagram showing a configuration of the correction calculation unit according to the fourth embodiment. As in 10 shown includes the correction calculation unit 60 according to the fourth embodiment, a low-pass filter (LPF) 601 , a look-up table 602 , a subtracter 603 and a conversion unit 604 .

Das Tiefpassfilter 601 hat eine hochfrequente Sperrkennlinie und glättet die geschätzte Pulsationsfrequenz 40b zur Ausgabe einer geglätteten Pulsationsfrequenz 60d. Die Nachschlage-Tabelle 602 gibt einen Phasenkorrekturbetrag 60e auf der Basis der geglätteten Pulsationsfrequenz 60d aus. Der Subtrahierer 603 subtrahiert den Phasenkorrekturbetrag 60e von der geschätzten Pulsationsphase 40a, und gibt ein Ergebnis der Subtraktion als korrigierte Pulsationsphase 60c aus. Die Umrechnungseinheit 604 rechnet die korrigierte Pulsationsphase 60c mit einer Konstante um, um die geschätzte Rotorphase 60a zu erhalten, und rechnet die geglättete Pulsationsfrequenz 60d mit einer Konstante um, um die geschätzte Rotorfrequenz 60b zu erhalten.The low pass filter 601 has a high-frequency blocking characteristic and smooths the estimated pulsation frequency 40b for outputting a smoothed pulsation frequency 60d . The look-up table 602 gives a phase correction amount 60e based on the smoothed pulsation frequency 60d the end. The subtracter 603 subtracts the phase correction amount 60e from the estimated pulsation phase 40a , and gives a result of the subtraction as the corrected pulsation phase 60c the end. The conversion unit 604 calculates the corrected Pulsation phase 60c with a constant order to get the estimated rotor phase 60a and calculates the smoothed pulsation frequency 60d with a constant around to get the estimated rotor frequency 60b to obtain.

Die geschätzte Pulsationsfrequenz 40b pulsiert aufgrund des Einflusses der magnetischen Sättigung und der räumlichen Harmonischen des Motors 2. In der dritten Ausführungsform wird das Verfahren beschrieben, bei dem die Pulsation durch Schalten der Verstärkung des Verstärkers 402 entsprechend der verstrichenen Zeit reduziert wird. Das Schalten der Verstärkung kann jedoch die Pulsation nicht vollständig beseitigen. Um die Genauigkeit weiter zu verbessern, wird daher die geschätzte Pulsationsfrequenz 40b durch Verwendung des Tiefpassfilters 601 geglättet.The estimated pulsation rate 40b pulsates due to the influence of the magnetic saturation and the spatial harmonics of the motor 2 . In the third embodiment, the method is described in which the pulsation is controlled by switching the gain of the amplifier 402 is reduced according to the elapsed time. Switching the gain, however, cannot completely eliminate the pulsation. Therefore, in order to further improve the accuracy, the estimated pulsation frequency 40b by using the low pass filter 601 smoothed.

Das Tiefpassfilter kann von der Art sein, wie ein Filter, bei dem die Übertragungsfunktion eine temporäre Verzögerung ist, oder es kann eine Operation der Mittelung des Eingangssignals über eine bestimmte Zeit durchführen. Es ist zu beachten, dass die Pulsation der geschätzten Pulsationsfrequenz 40b umso stärker entfernt werden kann, je höher die Grenzleistung des Tiefpassfilters für hohe Frequenzen ist, aber die Einschwingzeit für die geglättete Pulsationsfrequenz 60d wird länger. Mit anderen Worten: Die Charakteristik des Tiefpassfilters 601 muss so bestimmt werden, dass die geglättete Pulsationsfrequenz 60d innerhalb einer Zielzeit für die Anfangsschätzung ausgesteuert wird. Dabei ist die „Zielzeit für die Anfangsschätzung“ die Zeit vom Beginn der Bestromung des Umrichters 1 bis zum Beginn der Schätzung des stationären Zustands.The low pass filter may be of the type such as a filter in which the transfer function is a temporary delay, or it may perform an operation of averaging the input signal over a certain time. It should be noted that the pulsation is the estimated pulsation frequency 40b the more it can be removed, the higher the limit power of the low-pass filter for high frequencies, but the settling time for the smoothed pulsation frequency 60d gets longer. In other words: the characteristics of the low-pass filter 601 must be determined so that the smoothed pulsation frequency 60d is controlled within a target time for the initial estimate. The "target time for the initial estimation" is the time from when the converter began to be energized 1 until the beginning of the steady state estimation.

Weiterhin wird die Nachschlage-Tabelle 602 entsprechend der Phasenkennlinie der Hochpassfilter 301 und 302 in der Pulsations-Extraktionseinheit 30 ermittelt. Die Nachschlage-Tabelle 602 enthält Daten, die angeben, wie stark sich die Phase des Signals, das die Pulsations-Extraktionseinheit 30 durchlaufen hat, in Abhängigkeit von der Frequenz des Signals ändert. Im Subtrahierer 603 wird der Phasenkorrekturbetrag 60e von der geschätzten Pulsationsphase 40a subtrahiert. Als Ergebnis stimmt die korrigierte Pulsationsphase 60c genau mit der Pulsationsphase des Zweiphasenstroms überein, bevor sie von den Hochpassfiltern 301 und 302 verarbeitet wird.Furthermore, the look-up table 602 according to the phase characteristic of the high-pass filter 301 and 302 in the pulsation extraction unit 30th determined. The look-up table 602 contains data indicating how much the phase of the signal sent by the pulsation extraction unit has changed 30th has passed through, depending on the frequency of the signal changes. In the subtracter 603 becomes the phase correction amount 60e from the estimated pulsation phase 40a subtracted. As a result, the corrected pulsation phase is correct 60c exactly matched the pulsation phase of the two-phase current before being passed by the high-pass filters 301 and 302 is processed.

Abschließend wird noch ein Zweck der Umrechnungseinheit 604 beschrieben. Die korrigierte Pulsationsphase 60c und die geglättete Pulsationsfrequenz 60d sind die Phase und Frequenz der dem Zweiphasenstrom überlagerten Pulsationskomponente. Wie in der obigen Formel (11) dargestellt, pulsiert der Zweiphasenstrom mit einer Frequenz, die doppelt so groß ist wie der Drehwinkel θ des Rotors 2a. Um Informationen über die Rotationsposition und die Rotationsfrequenz des Rotors 2a zu erhalten, müssen daher die Phase und die Frequenz des pulsierenden Stroms jeweils nur mit 0,5 multipliziert werden.Finally, there is another purpose of the conversion unit 604 described. The corrected pulsation phase 60c and the smoothed pulsation frequency 60d are the phase and frequency of the pulsation component superimposed on the two-phase current. As shown in the above formula (11), the two-phase current pulsates at a frequency twice as large as the rotation angle θ of the rotor 2a . To get information about the rotational position and the rotational frequency of the rotor 2a To obtain, therefore, the phase and the frequency of the pulsating current only need to be multiplied by 0.5 each.

Außerdem sind in der vierten Ausführungsform die Einheiten der geschätzten Rotorphase 60a und der geschätzten Rotorfrequenz 60b nicht besonders begrenzt. Darüber hinaus kann die Umrechnungseinheit 604 eine Umrechnung zwischen einem mechanischen Winkel und einem elektrischen Winkel, eine Umrechnung zwischen einem Gradmaß und einem Bogenmaß und dergleichen gleichzeitig durchführen, abhängig von der Konfiguration des Algorithmus zur Schätzung des stationären Zustands (nicht gezeigt).In addition, in the fourth embodiment, the units are the estimated rotor phase 60a and the estimated rotor frequency 60b not particularly limited. In addition, the conversion unit 604 perform a conversion between a mechanical angle and an electrical angle, a conversion between a degree and a radian measure, and the like at the same time depending on the configuration of the steady-state estimation algorithm (not shown).

Wie oben beschrieben, enthält die Steuerung gemäß der vierten Ausführungsform ein Tiefpassfilter, das die geschätzte Pulsationsfrequenz glättet. Dadurch werden die in der geschätzten Pulsationsfrequenz enthaltenen Oberschwingungen weiter reduziert, und die Schätzgenauigkeit wird verbessert. Die Steuerung gemäß der vierten Ausführungsform beinhaltet weiterhin die Nachschlage-Tabelle zur Referenzierung des Phasenkorrekturbetrages auf Basis des Ausgangs des Tiefpassfilters und korrigiert die geschätzte Pulsationsphase mit dem Phasenkorrekturbetrag unter Bezugnahme auf die Nachschlage-Tabelle. Die Nachschlage-Tabelle wird anhand der Frequenz-Phasen-Kennlinie des in der Pulsations-Extraktionseinheit enthaltenen Hochpassfilters ermittelt. Dadurch wird die Phasenverschiebung des Signals in der Pulsations-Extraktionseinheit korrigiert und die Phase des pulsierenden Stroms genau ermittelt. Daher kann eine genaue Information über die Rotationsposition des Rotors erhalten werden.As described above, according to the fourth embodiment, the controller includes a low-pass filter that smooths the estimated pulsation frequency. This further reduces the harmonics contained in the estimated pulsation frequency and improves the estimation accuracy. The controller according to the fourth embodiment further includes the look-up table for referencing the phase correction amount based on the output of the low-pass filter and corrects the estimated pulsation phase with the phase correction amount with reference to the look-up table. The look-up table is determined on the basis of the frequency-phase characteristic of the high-pass filter contained in the pulsation extraction unit. This corrects the phase shift of the signal in the pulsation extraction unit and precisely determines the phase of the pulsating current. Therefore, accurate information on the rotational position of the rotor can be obtained.

Es ist zu beachten, dass in der vierten Ausführungsform ein Beispiel beschrieben wird, in dem das Verfahren zur Glättung der geschätzten Pulsationsfrequenz und zur Korrektur der geschätzten Pulsationsphase unter Verwendung der Nachschlage-Tabelle auf die dritte Ausführungsform angewendet wird, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Eine ähnliche Korrektur kann auch auf die zweite Ausführungsform angewendet werden, wodurch ein ähnlicher Effekt erzielt werden kann.Note that, in the fourth embodiment, an example will be described in which the method of smoothing the estimated pulsation frequency and correcting the estimated pulsation phase using the look-up table is applied to the third embodiment, but the present invention is not applicable to this limited. A similar correction can also be applied to the second embodiment, whereby a similar effect can be obtained.

Die Beschreibung der ersten bis vierten Ausführungsform geht davon aus, dass der Motor 2 ein SynRM ist, es kann aber auch ein anderer Motortyp verwendet werden. Zum Beispiel kann der Motor 2 ein innenliegender Permanentmagnet-Synchronmotor (IPMSM) sein. Wie oben beschrieben, wird in der ersten bis vierten Ausführungsform die Information über die Drehposition und die Drehfrequenz des Rotors 2a geschätzt, indem die Tatsache genutzt wird, dass der Motorstrom bei Anlegen der Gleichspannung an den drehenden Motor 2 aufgrund der Salienz mit der doppelten Frequenz pulsiert. Daher kann ein IPMSM, der so ausgelegt ist, dass er nicht nur das Magnetmoment, sondern auch das Reluktanzmoment erhalten kann, den Anfangsschätzungs-Algorithmus gemäß der ersten bis vierten Ausführungsform anwenden.The description of the first to fourth embodiments assumes that the engine 2 is a SynRM, but another type of motor can be used. For example, the engine can 2 be an internal permanent magnet synchronous motor (IPMSM). As described above, in the first through fourth Embodiment the information about the rotational position and the rotational frequency of the rotor 2a estimated using the fact that the motor current when the DC voltage is applied to the rotating motor 2 because of the salience it pulsates at twice the frequency. Therefore, an IPMSM designed to be able to obtain not only the magnetic torque but also the reluctance torque can apply the initial estimation algorithm according to the first to fourth embodiments.

Ausführungsform 5Embodiment 5

Als nächstes wird eine Hardwarekonfiguration zur Implementierung der arithmetischen Funktionen der Steuerung 3A der vierten Ausführungsform unter Bezugnahme auf 11 und 12 beschrieben. 11 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel der Hardwarekonfiguration zeigt, die die arithmetischen Funktionen der Steuerung der vierten Ausführungsform implementiert. 12 ist ein Blockdiagramm, das ein weiteres Beispiel für die Hardwarekonfiguration zeigt, die die arithmetischen Funktionen der Steuerung der vierten Ausführungsform implementiert.Next, a hardware configuration is made to implement the arithmetic functions of the controller 3A of the fourth embodiment with reference to FIG 11 and 12th described. 11 Fig. 13 is a block diagram showing an example of the hardware configuration that implements the arithmetic functions of the controller of the fourth embodiment. 12th Fig. 13 is a block diagram showing another example of the hardware configuration that implements the arithmetic functions of the controller of the fourth embodiment.

Wenn einige oder alle arithmetischen Funktionen der Steuerung 3A der vierten Ausführungsform durch Software implementiert werden, wie in 11 dargestellt, kann die Konfiguration einen Prozessor 90, der arithmetische Operationen durchführt, einen Speicher 91, der von dem Prozessor 90 zu lesende Programme speichert, und eine Schnittstelle 92, die Signale ein- und ausgibt, aufweisen.When some or all of the arithmetic functions of the controller 3A of the fourth embodiment can be implemented by software as shown in FIG 11 shown, the configuration can have a processor 90 that performs arithmetic operations, a memory 91 by the processor 90 saves programs to be read, and an interface 92 that input and output signals.

Der Prozessor 90 kann ein arithmetisches Mittel wie ein Rechenwerk, ein Mikroprozessor, ein Mikrocomputer, eine Zentraleinheit (CPU) oder ein digitaler Signalprozessor (DSP) sein. Der Speicher 91 kann beispielsweise einen nichtflüchtigen oder flüchtigen Halbleiterspeicher wie einen Direktzugriffsspeicher (RAM), einen Nur-Lese-Speicher (ROM), einen Flash-Speicher, ein löschbares programmierbares ROM (EPROM) oder ein elektrisches EPROM (EEPROM (eingetragene Marke)), eine Magnetplatte, eine flexible Platte, eine optische Platte, eine Compact Disc, eine Mini-Disc oder eine Digital Versatile Disc (DVD) umfassen.The processor 90 can be an arithmetic means such as an arithmetic unit, a microprocessor, a microcomputer, a central processing unit (CPU) or a digital signal processor (DSP). The memory 91 For example, it can be a non-volatile or volatile semiconductor memory such as a random access memory (RAM), a read-only memory (ROM), a flash memory, an erasable programmable ROM (EPROM) or an electrical EPROM (EEPROM (registered trademark)), a magnetic disk , a flexible disc, an optical disc, a compact disc, a mini-disc, or a digital versatile disc (DVD).

Der Speicher 91 speichert Programme zur Ausführung aller oder einiger der arithmetischen Funktionen der Steuerung 3A. Der Prozessor 90 sendet und empfängt notwendige Informationen über die Schnittstelle 92 und führt die im Speicher 91 gespeicherten Programme aus, um die PWM-Steuerung des Umrichters 1 und die Anfangsschätzung, die die Drehposition und die Drehfrequenz des Motors 2 schätzt, durchführen zu können.The memory 91 stores programs to perform all or some of the controller's arithmetic functions 3A . The processor 90 sends and receives necessary information via the interface 92 and performs that in memory 91 saved programs to the PWM control of the inverter 1 and the initial estimate showing the rotational position and the rotational frequency of the motor 2 appreciate being able to perform.

Außerdem können der in 11 dargestellte Prozessor 90 und der Speicher 91 durch eine Verarbeitungsschaltung 93 wie in 12 ersetzt werden. Die Verarbeitungsschaltung 93 entspricht einer Einzelschaltung, einer komplexen Schaltung, einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC), einem feldprogrammierbaren Gate-Array (FPGA) oder einer Kombination davon.In addition, the in 11 illustrated processor 90 and the memory 91 by a processing circuit 93 as in 12th be replaced. The processing circuit 93 corresponds to a single circuit, a complex circuit, an application-specific integrated circuit (ASIC), a field-programmable gate array (FPGA) or a combination thereof.

Wie oben beschrieben, ist in einer fünften Ausführungsform die Hardwarekonfiguration zur Implementierung der arithmetischen Funktionen der Steuerung 3A der vierten Ausführungsform beschrieben worden, aber die vorliegende Erfindung ist darauf nicht beschränkt. Selbstverständlich kann auch die Steuerung 3 der ersten bis dritten Ausführungsform mit einer ähnlichen Hardwarekonfiguration implementiert werden.As described above, in a fifth embodiment, the hardware configuration for implementing the arithmetic functions is the controller 3A the fourth embodiment has been described, but the present invention is not limited thereto. Of course, the control can also 3 of the first to third embodiments can be implemented with a similar hardware configuration.

Die in den vorgenannten Ausführungsformen dargestellten Konfigurationen stellen lediglich Beispiele für den Inhalt der vorliegenden Erfindung dar und können daher mit einer anderen bekannten Technik kombiniert oder teilweise weggelassen und/oder modifiziert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.The configurations shown in the aforementioned embodiments merely represent examples of the content of the present invention and can therefore be combined with another known technique or partially omitted and / or modified without departing from the scope of the present invention.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
UmrichterConverter
22
Motorengine
2a2a
Rotorrotor
3, 3A3, 3A
Steuerungsteering
44th
Detektordetector
10A, 10B, 10C10A, 10B, 10C
Armpoor
10a10a
Transistortransistor
10b10b
Diodediode
12, 13, 1412, 13, 14
VerbindungspunktConnection point
2020th
KoordinatentransformationseinheitCoordinate transformation unit
20a20a
α-Achsen-Stromα-axis current
20b20b
β-Achsen-Stromβ-axis current
3030th
Pulsations-ExtraktionseinheitPulsation extraction unit
301, 302301, 302
HochpassfilterHigh pass filter
30a30a
α-Achsen-pulsierender Stromα-axis pulsating current
30b30b
β-Achsen-pulsierender Stromβ-axis pulsating current
40, 4140, 41
Phasensynchronisations-BerechnungseinheitPhase synchronization calculation unit
401401
Phasenfehler-BerechnungseinheitPhase error calculation unit
402402
Verstärkeramplifier
403403
IntegriererIntegrator
40a40a
geschätzte Pulsationsphaseestimated pulsation phase
40b40b
geschätzte Pulsationsfrequenzestimated pulsation frequency
40c40c
VerstärkungsschaltsignalGain switching signal
40f40f
PhasenfehlerPhase error
5050
SpannungssteuereinheitVoltage control unit
6060
KorrekturberechnungseinheitCorrection calculation unit
601601
TiefpassfilterLow pass filter
602602
Nachschlage-TabelleLookup table
603603
SubtrahiererSubtracter
604604
UmrechnungseinheitConversion unit
60a60a
geschätzte Rotorphaseestimated rotor phase
60b60b
geschätzte Rotorfrequenzestimated rotor frequency
60c60c
korrigierte Pulsationsphasecorrected pulsation phase
60d60d
geglättete Pulsationsfrequenzsmoothed pulsation frequency
60e60e
PhasenkorrekturbetragPhase correction amount
9090
Prozessorprocessor
9191
SpeicherStorage
9292
Schnittstelleinterface
9393
VerarbeitungsschaltungProcessing circuit
100, 101100, 101
MotortreibervorrichtungMotor driving device
110110
EnergiequelleEnergy source

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • JP 2004336866 A [0006]JP 2004336866 A [0006]

Claims (10)

Motortreibervorrichtung, die Folgendes aufweist: einen Umrichter zum Treiben eines Synchronmotors mit Salienz; eine Steuerung, um den Betriebszustand des Umrichters zu steuern; und einen Detektor zum Erfassen von Phasenströmen des Synchronmotors, wobei die Steuerung Folgendes aufweist: eine Spannungssteuereinheit zur Bestimmung einer Ausgangsspannung des Umrichters; eine Koordinatentransformationseinheit zum Transformieren der Phasenströme in einen Zweiphasenstrom in einem stationären Koordinatensystem; eine Pulsations-Extraktionseinheit zur Extraktion eines pulsierenden Stroms aus dem Zweiphasenstrom; und eine Phasensynchronisations-Berechnungseinheit zum Schätzen und Berechnen einer Frequenz und einer Phase des pulsierenden Stroms, wobei die Spannungssteuereinheit einen Spannungssollwert ausgibt, bei dem keiner der Phasenströme gleich Null ist.A motor driving device comprising: a converter for driving a synchronous motor with salience; a controller to control the operating state of the converter; and a detector for detecting phase currents of the synchronous motor, the controller comprising: a voltage control unit for determining an output voltage of the converter; a coordinate transformation unit for transforming the phase currents into a two-phase current in a stationary coordinate system; a pulsation extraction unit for extracting a pulsating stream from the two-phase stream; and a phase synchronization calculating unit for estimating and calculating a frequency and a phase of the pulsating current, the voltage control unit outputting a voltage target value at which none of the phase currents is equal to zero. Motortreibervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Spannungssollwert eine Gleichstromspannung ist.Motor driver device according to Claim 1 , where the voltage setpoint is a DC voltage. Motortreibervorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Richtung des Spannungsvektors des Spannungssollwerts gleich oder entgegengesetzt zu einer Phase des Synchronmotors ist.Motor driver device according to Claim 2 , wherein the direction of the voltage vector of the voltage setpoint is equal to or opposite to a phase of the synchronous motor. Motortreibervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Pulsations-Extraktionseinheit zwei Hochpassfilter enthält, um eine Gleichstromkomponente des Zweiphasenstroms zu entfernen, und die beiden Hochpassfilter die gleiche Charakteristik aufweisen.Motor driving device according to one of the Claims 1 until 3 wherein the pulsation extraction unit includes two high-pass filters for removing a direct current component of the two-phase current, and the two high-pass filters have the same characteristic. Motortreibervorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Phasensynchronisations-Berechnungseinheit Folgendes aufweist: eine Phasenfehler-Berechnungseinheit zur Berechnung eines Phasenfehlers auf der Basis des pulsierenden Stroms und einer geschätzten Pulsationsphase; einen Verstärker zur Verstärkung des Phasenfehlers und Ausgabe einer geschätzten Pulsationsfrequenz; und einen Integrierer, um die geschätzte Pulsationsfrequenz zu integrieren und ein Ergebnis der Integration als geschätzte Pulsationsphase auszugeben.Motor driver device according to Claim 4 wherein the phase synchronization calculating unit comprises: a phase error calculating unit for calculating a phase error on the basis of the pulsating current and an estimated pulsation phase; an amplifier for amplifying the phase error and outputting an estimated pulsation frequency; and an integrator to integrate the estimated pulsation frequency and output a result of the integration as an estimated pulsation phase. Motortreibervorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Verstärkung des Verstärkers nach Ablauf einer ersten Zeit seit Beginn der Bestromung des Umrichters von Null auf einen Wert größer Null geschaltet wird.Motor driver device according to Claim 5 , the gain of the amplifier being switched from zero to a value greater than zero after a first time has elapsed since the converter was energized. Motortreibervorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Verstärkung des Verstärkers so geändert wird, dass sie nach einer zweiten Zeit, die seit dem Beginn der Erregung des Umrichters verstrichen ist, verringert wird.Motor driver device according to Claim 5 or 6th wherein the gain of the amplifier is changed so that it is decreased after a second time that has elapsed since the converter was started to be energized. Motortreibervorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Steuerung Folgendes aufweist: ein Tiefpassfilter zur Glättung der geschätzten Pulsationsfrequenz; und eine Nachschlage-Tabelle zum Referenzieren eines Phasenkorrekturbetrages auf der Basis der Ausgabe des Tiefpassfilters, wobei die geschätzte Pulsationsphase um den Phasenkorrekturbetrag korrigiert wird, um eine geschätzte Rotorphase zu erhalten, und der Ausgang des Tiefpassfilters mit einer Konstanten multipliziert wird, um eine geschätzte Rotorfrequenz zu erhalten.Motor driving device according to one of the Claims 5 until 7th wherein the controller comprises: a low pass filter for smoothing the estimated pulsation frequency; and a look-up table for referencing a phase correction amount based on the output of the low-pass filter, wherein the estimated pulsation phase is corrected by the phase correction amount to obtain an estimated rotor phase, and the output of the low-pass filter is multiplied by a constant to become an estimated rotor frequency obtain. Motortreibervorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Nachschlage-Tabelle auf der Basis einer Frequenz-Phasen-Kennlinie des Hochpassfilters ermittelt wird.Motor driver device according to Claim 8 , wherein the look-up table is determined on the basis of a frequency-phase characteristic of the high-pass filter. Motortreibervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Spannungssteuereinheit den Spannungssollwert ausgibt, bei dem keiner der mehreren Phasenströme gleich Null ist, während einer Periode der Anfangsschätzung, die beim Start des Umrichters ausgeführt wird und die Drehlage und eine Frequenz des Synchronmotors schätzt.Motor driving device according to one of the Claims 1 until 9 , wherein the voltage control unit outputs the voltage setpoint at which none of the plurality of phase currents is equal to zero, during a period of the initial estimation which is carried out when the converter is started and which estimates the rotational position and a frequency of the synchronous motor.
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