JP2004153911A - Sensorless vector control method and control apparatus of ac motor - Google Patents

Sensorless vector control method and control apparatus of ac motor Download PDF

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Hideaki Iura
英昭 井浦
Yoichi Yamamoto
陽一 山本
Yuichi Terazono
裕一 寺薗
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a control method for an AC motor and its device capable of smoothly continuing its operation. <P>SOLUTION: In a control method for the AC motor without the use of both a speed detector and a voltage detector, this sensorless vector control method forcibly sets a current command signal at zero for current control so that the current of the AC motor is zero, when the AC motor is in a free running state, determines the magnitude, phase and angular speed of the residual voltage of the AC motor, and estimates the rotative direction and speed of the AC motor in the free running state. A waiting time until the current control is started with the current command signal set at zero is determined corresponding to the operating frequency of a power converter and a secondary circuit time constant of the AC motor, before free running. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は交流電動機を拾い上げ始動する場合に、瞬時停電等の異常により無制御状態であるフリーラン状態の交流電動機の速度を推定して、推定した速度で運転することにより、スムーズに交流電動機を拾い上げることを特徴とする交流電動機のセンサレスベクトル制御方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
交流電動機へ電力を出力する電力変換器を有し、電流指令信号と電力変換器の出力電流検出信号の偏差信号に基づいて、電力変換器の出力電流を制御する電流制御部を備え、速度検出器と電圧検出器を持たない交流電動機の制御方法において、前記交流電動機がフリーラン状態にある場合に、前記交流電動機の電流をゼロにするように強制的に前記電流指令信号をゼロとして電流制御し、この時の前記電流制御部出力を用いて、演算する出力電圧指令信号を基に、前記交流電動機の残留電圧の大きさと位相および角速度を求めることにより、フリーラン状態の前記交流電動機の回転方向及び速度を推定することによりフリーラン状態の前記交流電動機をスムーズに始動する制御方法が本出願人により開示されている（特開２００１−１６１０９４号公報）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１６１０９４
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電流制御器部の応答が悪い場合には、前記交流電動機の電流をゼロにすることが困難となり、前記電力変換器が過電流状態となり、スムーズに始動することができない。また、前記交流電動機が誘導電動機の場合には、フリーラン中の残留電圧は次第に小さくなるため、誘導電動機の電流をゼロにすることが容易であるが、前記交流電動機が永久磁石同期電動機の場合には、高速でフリーランしている時には、大きな誘起電圧が発生し、永久磁石同期電動機の電流をゼロにすることは容易ではない。
【０００５】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、電流制御器部の応答が悪い場合あるいは、前記交流電動機が誘導電動機だけでなく永久磁石同期電動機の場合であっても、確実、スムーズに運転継続することができる交流電動の制御方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため目的達成のため請求項１記載の発明は、交流電動機へ電力を出力する電力変換器を有し、電流指令信号と電力変換器の出力電流検出信号の偏差信号に基づいて電力変換器の出力電流を制御する電流制御部を備え、速度検出器と電圧検出器を持たない交流電動機制御方法であって、前記交流電動機がフリーラン状態にある場合に、前記交流電動機の電流をゼロにするように強制的に前記電流指令信号をゼロとして電流制御し、この時の前記電流制御部出力を用いて演算する出力電圧指令信号を基に前記交流電動機の残留電圧の大きさと位相および角速度を求め、フリーラン状態の前記交流電動機の回転方向及び速度を推定する交流電動機のセンサレスベクトル制御方法において、フリーラン前の前記電力変換器の運転周波数及び前記交流電動機の二次回路時定数に応じて、前記電流指令信号をゼロとして電流制御を開始するまでの待ち時間を決定することを特徴とするものである。
【０００７】
また、請求項２記載の発明は、フリーラン前の前記電力変換器の運転周波数が任意に設定した周波数よりも低い場合には、前記電流指令信号をゼロとして電流制御を開始するまでの待ち時間をゼロに設定することを特徴とするものである。
【０００８】
また、請求項３記載の発明は、前記交流電動機のセンサレスベクトル制御方法において、前記交流電動機の誘起電圧が大きく、前記交流電動機の電流をゼロに制御するのが困難な場合に、前記交流電動機の電流をゼロとする制御を停止し、任意に設定した時間電力変換器により、前記交流電動機の入力が三相共短絡されるようなスイッチングを作ることにより、前記交流電動機に制動力を働かせ、前記交流電動機を減速させた後に再び、前記交流電動機の電流をゼロに制御し、フリーラン状態の前記交流電動機の回転方向及び速度を推定することを特徴とするものである。
【０００９】
また、請求項４記載の発明は、交流電動機へ電力を出力する電力変換器を有し、電流指令信号と電力変換器の出力電流検出信号の偏差信号に基づいて、電力変換器の出力電流を制御する電流制御部を備え、速度検出器と電圧検出器を持たない交流電動機の制御装置であって、前記交流電動機がフリーラン状態にある場合に、前記交流電動機の電流をゼロにするように強制的に前記電流指令信号をゼロとして電流制御し、この時の前記電流制御部出力を用いて、演算する出力電圧指令信号を基に、前記交流電動機の残留電圧の大きさと位相および角速度を求めることにより、フリーラン状態の前記交流電動機の回転方向及び速度を推定する交流電動機のセンサレスベクトル制御装置において、フリーラン前の前記電力変換器の運転周波数及び前記交流電動機の二次回路時定数に応じて、前記電流指令信号をゼロとして電流制御を開始するまでの待ち時間を決定することを特徴とするものである。
【００１０】
また、請求項５記載の発明は、フリーラン前の前記電力変換器の運転周波数が任意に設定した周波数よりも低い場合には、前記電流指令信号をゼロとして電流制御を開始するまでの待ち時間をゼロに設定することを特徴とするものである。
【００１１】
また、請求項６記載の発明は、前記交流電動機のセンサレスベクトル制御装置において、前記交流電動機の誘起電圧が大きく、前記交流電動機の電流をゼロに制御するのが困難な場合に、前記交流電動機の電流をゼロとする制御を停止し、任意に設定した時間電力変換器により、前記交流電動機の入力が三相共短絡されるようなスイッチングを作ることにより、前記交流電動機に制動力を働かせ、前記交流電動機を減速させた後に再び、前記交流電動機の電流をゼロに制御し、フリーラン状態の前記交流電動機の回転方向及び速度を推定することを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明における交流電動機の制御装置の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態における電動機の制御装置は、電力変換器１、交流電動機２、電流検出器３、電流座標変換回路４、トルク電流制御回路５、励磁電流制御回路６、位相演算回路７、Ｖ／ｆ変換回路８、出力電圧演算回路９、スイッチングパターン発生回路１０、速度推定回路１１スイッチ１２，１３，１４を備えている。
【００１３】
電力変換器１は、パワー素子により三相交流を順変換した直流電圧をＰＷＭ制御方式により主回路パワー素子をスイッチングして任意の周波数と電圧の交流に変換し、交流電動機２に供給する。電流検出器３は、前記交流電動機２に供給される電流を検出する。電流座標変換回路４は、前記電流検出器３で検出された電流をトルク電流検出値ｉｑｆｂと励磁電流検出値ｉｄｆｂに分離する。トルク電流制御回路５は、与えられたトルク電流指令値ｉｑｒｅｆと前記トルク電流検出値ｉｑｆｂとが一致するように第１のｑ軸電圧指令値Ｖ’ｑｒｅｆを演算する。励磁電流制御回路６は、与えられた励磁電流指令値ｉｄｒｅｆと前記励磁電流検出値ｉｄｆｂとが一致するようにｄ軸電圧指令値Ｖｄｒｅｆを演算する。
【００１４】
位相演算回路７は、与えられた周波数ｆ１を積分することにより、位相θを演算する。Ｖ／ｆ変換回路８は、前記与えられた周波数ｆ１から、交流電動機の誘起電圧に相当する電圧Ｅｒｅｆを演算する。
出力電圧演算回路９は、前記トルク電流制御回路５の出力である第１のｑ軸電圧指令値Ｖ’ｑｒｅｆと前記Ｖ／ｆ変換回路８の出力である電圧Ｅｒｅｆを加算し、第２のｑ軸電圧指令値Ｖｑｒｅｆを演算し、前記第２のｑ軸電圧指令値と前記ｄ軸電圧指令値とから、出力電圧指令値Ｖ１ｒｅｆとその電圧位相θＶを出力する。スイッチングパターン発生回路１０は、前記出力電圧指令値Ｖ１ｒｅｆ及び前記電圧位相θＶと前記位相θを加算した電力変換器出力位相θｄｅｇから、電力変換器１のスイッチングパターンを決定する。
【００１５】
速度推定回路１１は、フリーラン状態の交流電動機２の速度ｆｒを推定する回路である。スイッチ１２はトルク電流指令値ｉｑｒｅｆを零であるＢ側またはトルク電流制御回路５の入力となるＡ側に切り換えるスイッチである。スイッチ１３は励磁電流指令値ｉｄｒｅｆを零であるＢ側または励磁電流制御回路６の入力となるＡ側に切り換えるスイッチである。スイッチ１４は周波数ｆ１を零であるＢ側またはＶ／ｆ変換回路８の入力となるＡ側に切り換えるスイッチである。
【００１６】
次に、フリーラン状態になった交流電動機を再始動する場合の動作について詳細に説明する。前記交流電動機２がフリーラン状態の場合、図１の３つのスイッチ１２，１３，１４がＡ側の通常運転状態から、Ｂ側のフリーラン始動状態になる。これにより、トルク電流指令値ｉｑｒｅｆ＝０及び励磁電流指令値ｉｄｒｅｆ＝０となる。また、通常制御中は出力周波数に応じて、積算される位相も前記交流電動機がフリーランしているので、基準となる位相がないため、ゼロに固定した状態で、前記交流電動機に流れる電流をゼロに制御する。これは前記交流電動機がフリーラン状態の場合、回転速度に応じた誘起電圧を発生し、前記誘起電圧は前記交流電動機２の回転速度で回転するため、前記交流電動機２の回転速度や誘起電圧の大きさと無関係に前記電力変換器１を運転し始めると、前記交流電動機２と前記電力変換器１との間に電流が流れてしまう。前記トルク電流制御回路５及び前記励磁電流制御回路６により、電流をゼロに制御すれば、前記交流電動機２の誘起電圧と前記電力変換器の出力電圧の大きさ、位相、周波数が一致することになる。このように前記交流電動機に流れる電流をゼロに制御することを零電流制御と呼ぶ。
【００１７】
零電流制御時のトルク電流制御回路５、励磁電流制御回路６の出力である第１のｑ軸電圧指令値Ｖ’ｑｒｅｆ、ｄ軸電圧指令値Ｖｄｒｅｆは、前記交流電動機２の回転速度に一致した周波数の正弦波状の電圧指令値となる。出力電圧演算回路９は、前記第１のｑ軸電圧指令値Ｖ’ｑｒｅｆと前記ｄ軸電圧指令値を入力とし、出力電圧指令値Ｖ１ｒｅｆとその電圧位相θＶを出力する。前記出力電圧指令値Ｖ１ｒｅｆは前記交流電動機の誘起電圧の大きさを表し、前記電圧位相θＶは誘起電圧の位相を表す。このため、この誘起電圧の位相の時間変化を、一定時間毎に測定することで、前記速度推定回路１１は誘起電圧の周波数を測定する。前記誘起電圧の周波数は、これまでの説明からわかるように、前記交流電動機２の回転速度に一致する。このため、フリーラン状態の前記交流電動機２の回転速度を推定することができる。前記交流電動機が逆転している場合には、位相の変化率が負になるので、フリーラン状態の交流電動機が正転しているか逆転しているかも推定することができる。このように零電流制御により、前記交流電動機の誘起電圧を観測すれば、交流電動機の回転方向を含めて、回転速度を推定できる。
【００１８】
次に、零電流制御を止め通常制御に切り替わる場合における、推定した回転方向及び速度を前記電力変換器に設定方法について説明する。零電流制御状態から通常運転に移行する場合に、周波数だけ一致させて前記電力変換器１を始動しても、前記交流電動機には過大な電流が流れたりして、スムーズな始動ができない可能性がある。これを防止するためには、零電流制御中の誘起電圧の大きさと位相が通常制御に移行する瞬間にも連続しなければならない。このため、電力変換器の出力電圧指令値Ｖ１ｒｅｆ及び電力変換器出力位相θｄｅｇ及び出力周波数ｆ１に初期値を設定しなければならない。具体的には、通常運転状態では、前記電力変換器出力位相θｄｅｇは前記交流電動機２の磁束の位相を基準にして制御するが、零電流制御中は、前記交流電動機２の誘起電圧と一致するような位相を出力している。このため、零電流制御中においては、通常制御の位相に対して、正転の場合には９０°位相が進んでいて、逆転の場合には９０°位相が遅れている。従って、前記電力変換器出力位相θｄｅｇの初期値は、零電流制御の最後の位相から回転方向に応じて９０°位相を修正した後、前記速度推定回路１１が出力する交流電動機２の回転速度の推定値ｆｒを位相に換算して加えて補正した値を設定する。こうすることにより位相の連続性が保たれる。
【００１９】
また、零電流制御中に出力していた出力電圧指令値Ｖ１ｒｅｆを誘起電圧に設定すれば、出力電圧の連続性が保たれる。このようにして、零電流制御から通常制御にスムーズに移行することができる。
前記交流電動機が誘導電動機の場合には、二次回路時定数に従って、誘起電圧が減衰しているため、二次回路時定数に応じて、誘起電圧を正規のＶ／ｆレベルに一致した時点でフリーラン状態の交流電動機を正常に始動できたと判断して、３つのスイッチ１２，１３，１４がＡ側に切り替わる。
前記交流電動機が永久磁石式の同期電動機の場合には、誘起電圧が減衰しないため、前記位相の連続性及び出力電圧の連続性を確保する処理を行った時点でフリーラン状態の交流電動機を正常に始動できたと判断して、３つのスイッチ１２，１３，１４がＡ側に切り替わる。
【００２０】
次に本発明である電力変換器を再始動するまでの待ち時間の決定方法について説明する。フリーラン状態の前記交流電動機の速度を推定するためには、零電流制御時のトルク電流制御回路５、励磁電流制御回路６の出力である第１のｑ軸電圧指令値Ｖ’ｑｒｅｆ、ｄ軸電圧指令値Ｖｄｒｅｆが、前記交流電動機の誘起電圧と一致しなければならない。ここで、トルク電流制御回路５、励磁電流制御回路６が十分な能力を発揮し、前記交流電動機に流れる電流をゼロに制御できる場合には問題とならない。
【００２１】
しかし、トルク電流制御回路５、励磁電流制御回路６のゲインが低い場合や前記交流電動機が高速で回転している場合には、大きな誘起電圧が発生しているため、前記電力変換器を始動した直後に過大な電流が流れ、前記電力変換器がトリップしてスムーズな始動ができないことがある。これを防止するため、トルク電流制御回路５、励磁電流制御回路６の応答能力を予め把握しておき、フリーラン状態中に前記交流電動機が発生する電圧レベルが任意の値以下になるようにしておけば、零電流制御を実現でき、速度推定が可能となる。すなわち、前記交流電動機の誘起電圧が任意に設定した電圧レベル以下になるようにすれば良いことになる。
【００２２】
その方法の一つとして、前記電力変換器を再始動するまでの時間を制御することで、それが実現できる。前記交流電動機の誘起電圧は、フリーラン状態になる前の運転周波数で決まるため、誘起電圧が前記任意に設定した電圧レベル以下となる周波数で運転していた場合には、待ち時間は不要となる。その周波数以上で運転していた場合には、待ち時間が必要となるが、フリーラン状態になる前の運転周波数と前記交流電動機の二次回路時定数に応じて演算することができる。最大で必要な待ち時間を前記交流電動機の二次回路時定数で演算し、その時間とすると、必要な待ち時間は、前記交流電動機がフリーラン状態になる前の運転周波数に応じて図２のように決定すればよい。
【００２３】
次にもう一つの本発明である前記交流電動機の誘起電圧が大きく、前記交流電動機の電流をゼロに制御するのが困難な場合の対策方法にについて説明する。
前記交流電動機が二次回路時定数の長い誘導電動機または永久磁石同期電動機の場合には、上記のように待ち時間が経過しても誘起電圧が任意に設定した電圧レベル以下にならない可能性がある。この場合には、零電流制御を途中で停止して、前記電力変換器に前記交流電動機が三相共短絡されるようなスイッチングして、任意に設定した時間、三相短絡を続ける。すると前記交流電動機には、制動力が発生し、前記交流電動機が減速する。
【００２４】
これにより、前記交流電動機の誘起電圧が減少する。任意の時間経過後、再び零電流制御を開始して、誘起電圧が任意に設定した電圧レベル以下になっていたら、零電流制御により速度推定ができる。しかし、誘起電圧が任意に設定した電圧レベル以下になっていない場合には、再び任意の時間、三相短絡されるようなスイッチングをする。このように、前記交流電動機の誘起電圧が任意に設定した電圧レベルに下がるまで、この処理を繰り返すことにより、過大な電流が流れ、前記電力変換器がトリップするのを防止して、前記交流電動機をスムーズ再始動することを特徴としている。
【００２５】
また、上記実施例では、交流電動機２に流れる電流をトルク電流と励磁電流に分離して、それぞれ独立に制御するベクトル制御を行う電力変換装置として説明したが、Ｖ／ｆ一定制御を行う電力変換装置においても、フリーラン始動時に交流電動機に流れる電流をトルク電流と励磁電流に分離して、をそれぞれ独立に制御する電流制御回路を付加すれば、全く同様の処理で本発明を実施することができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように本発明の交流電動機の制御方法及び装置によれば、交流電動機へ電力を出力する電力変換器を有し、電流指令信号と電力変換器の出力電流検出信号の偏差信号に基づいて電力変換器の出力電流を制御する電流制御部を備え、速度検出器と電圧検出器を持たない交流電動機制御方法であって、前記交流電動機がフリーラン状態にある場合に、前記交流電動機の電流をゼロにするように強制的に前記電流指令信号をゼロとして電流制御し、この時の前記電流制御部出力を用いて演算する出力電圧指令信号を基に前記交流電動機の残留電圧の大きさと位相および角速度を求め、フリーラン状態の前記交流電動機の回転方向及び速度を推定する交流電動機のセンサレスベクトル制御方法において、フリーラン前の前記電力変換器の運転周波数及び前記交流電動機の二次回路時定数に応じて、前記電流指令信号をゼロとして電流制御を開始するまでの待ち時間を決定したので、電流制御器部の応答が悪い場合あるいは、前記交流電動機が誘導電動機だけでなく永久磁石同期電動機の場合であっても、確実、スムーズに運転継続することができる交流電動の制御方法及び装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における交流電動機の制御装置の第１の実施形態の構成を表すブロック図
【図２】フリーラン前の運転周波数と再始動までの待ち時間
【符号の説明】
１ 電力変換器
２ 交流電動機
３ 電流検出器
４ 電流座標変換回路
５ トルク電流制御回路
６ 励磁電流制御回路
７ 位相演算回路
８ Ｖ／ｆ変換回路
９ 出力電圧演算回路
１０ スイッチングパターン発生回路
１１ 速度推定回路
１２、１３、１４ スイッチ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention, when picking up and starting an AC motor, estimates the speed of the AC motor in a free-run state, which is in an uncontrolled state due to an abnormality such as a momentary power failure, and operates at the estimated speed to smoothly operate the AC motor. The present invention relates to a sensorless vector control method and apparatus for an AC motor, which is characterized by picking up.
[0002]
[Prior art]
A power converter that outputs power to the AC motor, a current control unit that controls an output current of the power converter based on a current command signal and a deviation signal between an output current detection signal of the power converter, and speed detection. In the method for controlling an AC motor having no current detector and voltage detector, when the AC motor is in a free-run state, the current control signal is forcibly set to zero so that the current of the AC motor becomes zero. Then, by using the output of the current control unit at this time, the magnitude, phase and angular velocity of the residual voltage of the AC motor are obtained based on the output voltage command signal to be calculated, so that the rotation of the AC motor in the free-run state is obtained. A control method for smoothly starting the AC motor in a free-run state by estimating a direction and a speed is disclosed by the present applicant (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-1610). 4 JP).
[0003]
[Patent Document 1]
JP 2001-161094A
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the response of the current controller is poor, it is difficult to reduce the current of the AC motor to zero, and the power converter is in an overcurrent state and cannot start smoothly. Further, when the AC motor is an induction motor, the residual voltage during free running gradually decreases, so that it is easy to reduce the current of the induction motor to zero.However, when the AC motor is a permanent magnet synchronous motor, In the case of free running at high speed, a large induced voltage is generated, and it is not easy to reduce the current of the permanent magnet synchronous motor to zero.
[0005]
The present invention has been made to solve such a problem, and an object thereof is to solve the problem when the response of the current controller is poor or when the AC motor is not only an induction motor but also a permanent magnet synchronous motor. It is an object of the present invention to provide an AC electric control method and apparatus capable of continuing operation smoothly and reliably even in the case of (1).
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, an invention according to claim 1 includes a power converter that outputs power to an AC motor, and is based on a deviation signal between a current command signal and an output current detection signal of the power converter. An AC motor control method comprising a current control unit for controlling an output current of a power converter, and having no speed detector and no voltage detector, wherein the AC motor is in a free-run state, and the current of the AC motor is The current control signal is forcibly set to zero so that the current is zero, and the magnitude and phase of the residual voltage of the AC motor are based on the output voltage command signal calculated using the current control unit output at this time. In the sensorless vector control method for an AC motor for estimating the rotational direction and the speed of the AC motor in a free-run state, the operating frequency of the power converter before free-run is determined. Depending on the secondary circuit time constant of the number and the alternating current motor, it is characterized in that to determine the waiting time until the start of the current control the current command signal as a zero.
[0007]
Further, when the operating frequency of the power converter before free-run is lower than an arbitrarily set frequency, the waiting time until the current command signal is set to zero and current control is started. Is set to zero.
[0008]
According to a third aspect of the present invention, in the sensorless vector control method for an AC motor, when the induced voltage of the AC motor is large and it is difficult to control the current of the AC motor to zero, Stopping the control to make the current zero, and arbitrarily set the power converter to make switching such that the input of the AC motor is short-circuited in all three phases, thereby applying a braking force to the AC motor, After decelerating the AC motor, the current of the AC motor is controlled to zero again to estimate the rotation direction and speed of the AC motor in a free-run state.
[0009]
Further, the invention according to claim 4 has a power converter for outputting power to the AC motor, and based on a deviation signal between the current command signal and the output current detection signal of the power converter, determines the output current of the power converter. A control device for an AC motor having a current control unit for controlling and not having a speed detector and a voltage detector, wherein when the AC motor is in a free-run state, the current of the AC motor is set to zero. The current control signal is forcibly set to zero to control the current, and the magnitude, phase and angular velocity of the residual voltage of the AC motor are obtained based on the output voltage command signal to be calculated using the output of the current control unit at this time. Thereby, in the sensorless vector control device for the AC motor for estimating the rotational direction and the speed of the AC motor in the free-run state, the operating frequency and the operating frequency of the power converter before the free-run are determined. Depending on the secondary circuit time constant of the AC motor, it is characterized in that to determine the waiting time until the start of the current control the current command signal as a zero.
[0010]
Further, the invention according to claim 5 is characterized in that when the operating frequency of the power converter before free-run is lower than an arbitrarily set frequency, the waiting time until the current command signal is set to zero and current control is started. Is set to zero.
[0011]
According to a sixth aspect of the present invention, in the sensorless vector control device for an AC motor, when the induced voltage of the AC motor is large and it is difficult to control the current of the AC motor to zero, Stopping the control to make the current zero, and arbitrarily set the power converter to make switching such that the input of the AC motor is short-circuited in all three phases, thereby applying a braking force to the AC motor, After decelerating the AC motor, the current of the AC motor is controlled to zero again to estimate the rotation direction and speed of the AC motor in a free-run state.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a first embodiment of the control device for an AC motor according to the present invention. The control device of the electric motor in the present embodiment includes a power converter 1, an AC motor 2, a current detector 3, a current coordinate conversion circuit 4, a torque current control circuit 5, an excitation current control circuit 6, a phase calculation circuit 7, a V / f. It includes a conversion circuit 8, an output voltage calculation circuit 9, a switching pattern generation circuit 10, a speed estimation circuit 11, and switches 12, 13, and 14.
[0013]
The power converter 1 converts a DC voltage obtained by forward-converting three-phase AC by a power element into an AC of an arbitrary frequency and voltage by switching a main circuit power element by a PWM control method, and supplies the AC to an AC motor 2. The current detector 3 detects a current supplied to the AC motor 2. Current coordinate converter 4 separates a current detected by the current detector 3 to the torque current detection value i QFB and the exciting current detection value i dfb. The torque current control circuit 5 calculates the first q-axis voltage command value V'qref so that the given torque current command value iqref matches the detected torque current value iqfb . Exciting current control circuit 6 calculates a d-axis voltage command value V dref as given exciting current command value i dref and said exciting current detection value i dfb match.
[0014]
Phase arithmetic circuit 7, by integrating the frequency f 1 given, it calculates the phase theta. V / f conversion circuit 8, from said frequency f 1 given, calculates the voltage E ref which corresponds to the induced voltage of the AC motor.
The output voltage calculation circuit 9 adds the first q-axis voltage command value V ′ qref that is the output of the torque current control circuit 5 and the voltage E ref that is the output of the V / f conversion circuit 8 to obtain a second It calculates a q-axis voltage command value V qref, from the second q-axis voltage command value and the d-axis voltage command value, the output voltage command value V 1ref and outputs the voltage phase theta V. The switching pattern generation circuit 10 determines a switching pattern of the power converter 1 from the output voltage command value V 1ref and the power converter output phase θ deg obtained by adding the voltage phase θ V and the phase θ.
[0015]
Speed estimation circuit 11 is a circuit for estimating the speed f r of the AC motor 2 in the free run state. The switch 12 is a switch for switching the torque current command value iqref to the B side where it is zero or the A side which is an input of the torque current control circuit 5. The switch 13 is a switch for switching the exciting current command value i dref to the B side which is zero or the A side which is an input of the exciting current control circuit 6. Switch 14 is a switch for switching the A side as an input of B-side or V / f conversion circuit 8 is zero frequency f 1.
[0016]
Next, the operation when restarting the AC motor in the free-run state will be described in detail. When the AC motor 2 is in the free-run state, the three switches 12, 13, and 14 in FIG. 1 change from the normal operation state on the A side to the free-run start state on the B side. Thereby, the torque current command value i qref = 0 and the excitation current command value i dref = 0. Also, during the normal control, the integrated phase is also free running in accordance with the output frequency because the AC motor is free running.Therefore, there is no reference phase, so that the current flowing through the AC motor is fixed to zero. Control to zero. This is because when the AC motor is in a free-run state, an induced voltage is generated in accordance with the rotation speed, and the induced voltage rotates at the rotation speed of the AC motor 2, so that the rotation speed and the induced voltage of the AC motor 2 are changed. When the operation of the power converter 1 is started regardless of the size, a current flows between the AC motor 2 and the power converter 1. If the current is controlled to be zero by the torque current control circuit 5 and the exciting current control circuit 6, the magnitude, phase, and frequency of the induced voltage of the AC motor 2 and the output voltage of the power converter match. Become. Controlling the current flowing through the AC motor to zero in this manner is called zero current control.
[0017]
The first q-axis voltage command value V ′ qref and the d-axis voltage command value V dref output from the torque current control circuit 5 and the exciting current control circuit 6 at the time of zero current control match the rotation speed of the AC motor 2. It becomes a sine-wave voltage command value of the frequency determined. The output voltage operation circuit 9 receives as input said first q-axis voltage command value V 'qref and the d-axis voltage command value, the output voltage command value V 1ref and outputs the voltage phase theta V. The output voltage command value V 1ref indicates the magnitude of the induced voltage of the AC motor, and the voltage phase θ V indicates the phase of the induced voltage. For this reason, the speed estimation circuit 11 measures the frequency of the induced voltage by measuring the time change of the phase of the induced voltage at regular intervals. The frequency of the induced voltage coincides with the rotation speed of the AC motor 2 as can be seen from the above description. Therefore, the rotational speed of the AC motor 2 in the free-run state can be estimated. When the AC motor is rotating in the reverse direction, the rate of change of the phase becomes negative, so that it can be estimated whether the AC motor in the free-run state is rotating forward or in the reverse direction. As described above, if the induced voltage of the AC motor is observed by the zero current control, the rotation speed including the rotation direction of the AC motor can be estimated.
[0018]
Next, a method of setting the estimated rotation direction and speed in the power converter when the zero current control is stopped and the control is switched to the normal control will be described. When shifting from the zero-current control state to the normal operation, even if the power converter 1 is started with the same frequency, an excessive current may flow in the AC motor, and a smooth start may not be performed. There is. In order to prevent this, the magnitude and phase of the induced voltage during the zero current control must be continuous at the moment when the control shifts to the normal control. For this reason, initial values must be set for the output voltage command value V 1ref of the power converter, the output phase θ deg of the power converter, and the output frequency f 1 . Specifically, in the normal operation state, the output phase θ deg of the power converter is controlled based on the phase of the magnetic flux of the AC motor 2, but during zero current control, the output phase θ deg coincides with the induced voltage of the AC motor 2. Is output. For this reason, during zero current control, the phase of normal control is advanced by 90 ° in the case of normal rotation, and is delayed by 90 ° in the case of reverse rotation. Accordingly, the initial value of the power converter output phase θ deg is obtained by correcting the 90 ° phase from the last phase of the zero current control according to the rotation direction, and then outputting the rotation speed of the AC motor 2 output by the speed estimation circuit 11. in addition to converting the estimate f r the phase setting the corrected values. By doing so, phase continuity is maintained.
[0019]
Further, if the output voltage command value V 1ref output during the zero current control is set to the induced voltage, the continuity of the output voltage is maintained. In this way, it is possible to smoothly shift from the zero current control to the normal control.
When the AC motor is an induction motor, the induced voltage is attenuated in accordance with the secondary circuit time constant. Therefore, when the induced voltage matches the regular V / f level in accordance with the secondary circuit time constant. When it is determined that the AC motor in the free-run state has been normally started, the three switches 12, 13, and 14 are switched to the A side.
When the AC motor is a permanent magnet synchronous motor, the induced voltage does not attenuate, so that the AC motor in the free-run state is normally restored when the process for ensuring the continuity of the phase and the continuity of the output voltage is performed. , The three switches 12, 13, and 14 are switched to the A side.
[0020]
Next, a method of determining a waiting time until restarting the power converter according to the present invention will be described. In order to estimate the speed of the AC motor in the free-run state, the first q-axis voltage command value V ′ qref , which is the output of the torque current control circuit 5 and the exciting current control circuit 6 during the zero current control, and the d-axis The voltage command value V dref must match the induced voltage of the AC motor. Here, there is no problem if the torque current control circuit 5 and the excitation current control circuit 6 exhibit sufficient performance and can control the current flowing through the AC motor to zero.
[0021]
However, when the gains of the torque current control circuit 5 and the excitation current control circuit 6 were low or the AC motor was rotating at high speed, the power converter was started because a large induced voltage was generated. Immediately after that, an excessive current flows, and the power converter may trip, and smooth starting may not be performed. In order to prevent this, the response capabilities of the torque current control circuit 5 and the excitation current control circuit 6 are grasped in advance, and the voltage level generated by the AC motor during the free-run state is set to an arbitrary value or less. If it does, zero current control can be realized, and speed estimation becomes possible. That is, it is sufficient that the induced voltage of the AC motor is equal to or lower than an arbitrarily set voltage level.
[0022]
As one of the methods, it can be realized by controlling the time until the power converter is restarted. Since the induced voltage of the AC motor is determined by the operating frequency before the free-run state, if the induced voltage is operated at a frequency lower than the arbitrarily set voltage level, no waiting time is required. . If the operation is performed at a frequency higher than that frequency, a waiting time is required. However, the operation can be performed according to the operation frequency before the free-run state and the secondary circuit time constant of the AC motor. The maximum required waiting time is calculated by the secondary circuit time constant of the AC motor, and assuming that time, the required waiting time depends on the operating frequency before the AC motor enters the free-run state. It may be determined as follows.
[0023]
Next, another countermeasure method of the present invention when the induced voltage of the AC motor is large and it is difficult to control the current of the AC motor to zero will be described.
When the AC motor is an induction motor or a permanent magnet synchronous motor having a long secondary circuit time constant, there is a possibility that the induced voltage does not fall below the arbitrarily set voltage level even after the waiting time elapses as described above. . In this case, the zero-current control is stopped halfway, the AC converter is switched to the power converter such that all three phases are short-circuited, and the three-phase short circuit is continued for an arbitrarily set time. Then, a braking force is generated in the AC motor, and the AC motor is decelerated.
[0024]
Thereby, the induced voltage of the AC motor is reduced. After an elapse of an arbitrary time, the zero current control is started again, and if the induced voltage is equal to or lower than the arbitrarily set voltage level, the speed can be estimated by the zero current control. However, if the induced voltage is not lower than the arbitrarily set voltage level, switching is performed again so that the three phases are short-circuited for an arbitrary time. In this way, by repeating this process until the induced voltage of the AC motor drops to an arbitrarily set voltage level, an excessive current flows and the power converter is prevented from tripping, and the AC motor is prevented from tripping. It is characterized by a smooth restart.
[0025]
Further, in the above embodiment, the power converter that separates the current flowing in the AC motor 2 into a torque current and an excitation current and performs vector control for controlling each independently is described. Also in the device, if the current flowing through the AC motor at the time of free-run start is separated into a torque current and an exciting current, and a current control circuit for independently controlling the current is added, the present invention can be implemented by exactly the same processing. it can.
[0026]
【The invention's effect】
As described above, according to the AC motor control method and apparatus of the present invention, a power converter that outputs power to an AC motor is provided, based on a deviation signal between a current command signal and an output current detection signal of the power converter. An AC motor control method comprising a current control unit for controlling an output current of a power converter, and having no speed detector and no voltage detector, wherein the AC motor is in a free-run state, and the current of the AC motor is The current control signal is forcibly set to zero so that the current is zero, and the magnitude and phase of the residual voltage of the AC motor are based on the output voltage command signal calculated using the current control unit output at this time. In the sensorless vector control method for an AC motor for estimating the rotational direction and the speed of the AC motor in a free-run state, the operating frequency of the power converter before free-run is determined. The waiting time until current control is started with the current command signal set to zero is determined according to the number and the secondary circuit time constant of the AC motor. Can be provided even if it is not only an induction motor but also a permanent magnet synchronous motor.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a first embodiment of a control device for an AC motor according to the present invention. FIG. 2 is an operating frequency before coasting and a waiting time until restarting.
REFERENCE SIGNS LIST 1 power converter 2 AC motor 3 current detector 4 current coordinate conversion circuit 5 torque current control circuit 6 excitation current control circuit 7 phase calculation circuit 8 V / f conversion circuit 9 output voltage calculation circuit 10 switching pattern generation circuit 11 speed estimation circuit 12, 13, 14 switch

Claims (6)

交流電動機へ電力を出力する電力変換器を有し、電流指令信号と電力変換器の出力電流検出信号の偏差信号に基づいて電力変換器の出力電流を制御する電流制御部を備え、速度検出器と電圧検出器を持たない交流電動機制御方法であって、前記交流電動機がフリーラン状態にある場合に、前記交流電動機の電流をゼロにするように強制的に前記電流指令信号をゼロとして電流制御し、この時の前記電流制御部出力を用いて演算する出力電圧指令信号を基に前記交流電動機の残留電圧の大きさと位相および角速度を求め、フリーラン状態の前記交流電動機の回転方向及び速度を推定する交流電動機のセンサレスベクトル制御方法において、
フリーラン前の前記電力変換器の運転周波数及び前記交流電動機の二次回路時定数に応じて、前記電流指令信号をゼロとして電流制御を開始するまでの待ち時間を決定することを特徴とする交流電動機のセンサレスベクトル制御方法。A speed detector including a power converter that outputs power to the AC motor, and a current control unit that controls an output current of the power converter based on a deviation signal between a current command signal and an output current detection signal of the power converter. And an AC motor control method without a voltage detector, wherein when the AC motor is in a free-run state, the current control signal is forcibly set to zero so that the current of the AC motor is zero. Then, the magnitude, phase, and angular velocity of the residual voltage of the AC motor are obtained based on an output voltage command signal calculated using the current control unit output at this time, and the rotational direction and speed of the AC motor in the free-run state are determined. In the sensorless vector control method for an AC motor to be estimated,
According to an operating frequency of the power converter before a free-run and a secondary circuit time constant of the AC motor, a waiting time until starting the current control with the current command signal set to zero is determined. Sensorless vector control method for electric motor. フリーラン前の前記電力変換器の運転周波数が任意に設定した周波数よりも低い場合には、前記電流指令信号をゼロとして電流制御を開始するまでの待ち時間をゼロに設定することを特徴とする請求項１に記載の交流電動機のセンサレスベクトル制御方法。If the operating frequency of the power converter before free-run is lower than an arbitrarily set frequency, the wait time until the current control is started with the current command signal set to zero is set to zero. The sensorless vector control method for an AC motor according to claim 1. 前記交流電動機のセンサレスベクトル制御方法において、前記交流電動機の誘起電圧が大きく、前記交流電動機の電流をゼロに制御するのが困難な場合に、前記交流電動機の電流をゼロとする制御を停止し，任意に設定した時間電力変換器により、前記交流電動機の入力が三相共短絡されるようなスイッチングを作ることにより、前記交流電動機に制動力を働かせ、前記交流電動機を減速させた後に再び、前記交流電動機の電流をゼロに制御し、フリーラン状態の前記交流電動機の回転方向及び速度を推定することを特徴とする請求項１または２記載の交流電動機のセンサレスベクトル制御方法。In the sensorless vector control method for an AC motor, when the induced voltage of the AC motor is large and it is difficult to control the current of the AC motor to zero, the control of setting the current of the AC motor to zero is stopped; By arbitrarily set time power converter, by making switching such that the input of the AC motor is short-circuited in three phases, a braking force is applied to the AC motor, and after the AC motor is decelerated, the AC motor is decelerated again. The sensorless vector control method for an AC motor according to claim 1 or 2, wherein the current of the AC motor is controlled to be zero, and the rotation direction and the speed of the AC motor in a free-run state are estimated. 交流電動機へ電力を出力する電力変換器を有し、電流指令信号と電力変換器の出力電流検出信号の偏差信号に基づいて、電力変換器の出力電流を制御する電流制御部を備え、速度検出器と電圧検出器を持たない交流電動機の制御装置であって、前記交流電動機がフリーラン状態にある場合に、前記交流電動機の電流をゼロにするように強制的に前記電流指令信号をゼロとして電流制御し、この時の前記電流制御部出力を用いて、演算する出力電圧指令信号を基に、前記交流電動機の残留電圧の大きさと位相および角速度を求めることにより、フリーラン状態の前記交流電動機の回転方向及び速度を推定する交流電動機のセンサレスベクトル制御装置において、
フリーラン前の前記電力変換器の運転周波数及び前記交流電動機の二次回路時定数に応じて、前記電流指令信号をゼロとして電流制御を開始するまでの待ち時間を決定することを特徴とする交流電動機のセンサレスベクトル制御装置。A power converter that outputs power to the AC motor, a current control unit that controls an output current of the power converter based on a current command signal and a deviation signal between an output current detection signal of the power converter, and speed detection. A control device for an AC motor having no detector and a voltage detector, wherein when the AC motor is in a free-run state, the current command signal is forcibly set to zero so that the current of the AC motor becomes zero. The AC motor in the free-run state is controlled by obtaining the magnitude, phase and angular velocity of the residual voltage of the AC motor based on an output voltage command signal to be calculated using the current control unit output at this time. In a sensorless vector control device for an AC motor for estimating the rotation direction and speed of
According to an operating frequency of the power converter before a free-run and a secondary circuit time constant of the AC motor, a waiting time until starting the current control with the current command signal set to zero is determined. Sensorless vector control device for electric motor. フリーラン前の前記電力変換器の運転周波数が任意に設定した周波数よりも低い場合には、前記電流指令信号をゼロとして電流制御を開始するまでの待ち時間をゼロに設定することを特徴とする請求項４記載の交流電動機のセンサレスベクトル制御装置。If the operating frequency of the power converter before free-run is lower than an arbitrarily set frequency, the wait time until the current control is started with the current command signal set to zero is set to zero. The sensorless vector control device for an AC motor according to claim 4. 前記交流電動機のセンサレスベクトル制御装置において、前記交流電動機の誘起電圧が大きく、前記交流電動機の電流をゼロに制御するのが困難な場合に、前記交流電動機の電流をゼロとする制御を停止し，任意に設定した時間電力変換器により、前記交流電動機の入力が三相共短絡されるようなスイッチングを作ることにより、前記交流電動機に制動力を働かせ、前記交流電動機を減速させた後に再び、前記交流電動機の電流をゼロに制御し、フリーラン状態の前記交流電動機の回転方向及び速度を推定することを特徴とする請求項４または５記載の交流電動機のセンサレスベクトル制御装置。In the sensorless vector control device for an AC motor, when the induced voltage of the AC motor is large and it is difficult to control the current of the AC motor to zero, the control of setting the current of the AC motor to zero is stopped; By arbitrarily set time power converter, by making switching such that the input of the AC motor is short-circuited in three phases, a braking force is applied to the AC motor, and after the AC motor is decelerated, the AC motor is decelerated again. The sensorless vector control device for an AC motor according to claim 4 or 5, wherein the current of the AC motor is controlled to be zero, and the rotation direction and the speed of the AC motor in a free-run state are estimated.
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