JP2005253163A - Motor driving unit - Google Patents

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JP2005253163A JP2004058420A JP2004058420A JP2005253163A JP 2005253163 A JP2005253163 A JP 2005253163A JP 2004058420 A JP2004058420 A JP 2004058420A JP 2004058420 A JP2004058420 A JP 2004058420A JP 2005253163 A JP2005253163 A JP 2005253163A
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Mitsusachi Kiuchi
光幸 木内
Kaneharu Yoshioka
包晴 吉岡
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain the same effect as vector control in simplified sensorless sine wave drive. <P>SOLUTION: This motor driving unit converts AC power 1 into DC power by a rectifying circuit 2, and drives a motor 4 by an inverter circuit 3, and detects the output current of the inverter circuit 3 by a current detection means 5, and controls a reactive current to a specified value at a set number of revolutions, and controls the phase of a motor current by the reactance voltage or the reactance power of the motor. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明はセンサレス正弦波駆動を行うモータ駆動装置に関するものである。   The present invention relates to a motor drive device that performs sensorless sine wave drive.

従来、この種のモータ駆動装置は、ロータ位置センサを省略してセンサレス正弦波駆動することによりモータの振動、騒音を低減し、信頼性を向上させていた(例えば、特許文献1参照)。
特開2000−350489号公報
Conventionally, this type of motor driving device has reduced the vibration and noise of the motor and improved the reliability by driving the sensorless sine wave without the rotor position sensor (see, for example, Patent Document 1).
JP 2000-350489 A

しかしながら、前記従来の構成では、ロータ位置を推定するためにモータ定数、回路パラメータ、あるいはモータ負荷を予め把握し、所定の計算値と測定電流値の誤差を検出して誤差が最小となるようにプロセッサが演算する必要があるので、演算が非常に複雑となり高速高性能の演算機能を有するプロセッサが必要であった。さらに、モータ負荷変動が大きい場合には脱調し易いという課題があった。   However, in the conventional configuration, in order to estimate the rotor position, a motor constant, a circuit parameter, or a motor load is grasped in advance, and an error between a predetermined calculated value and a measured current value is detected to minimize the error. Since the processor needs to perform calculations, the calculation is very complicated, and a processor having a high-speed and high-performance calculation function is required. Furthermore, there is a problem that the motor can easily be stepped out when the motor load fluctuation is large.

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、負荷変動に対して安定に動作し、プロセッサの演算を簡略化し、かつ、最大効率、あるいは最適モータ電流位相となるように制御するセンサレス正弦波駆動のモータ駆動装置を提供するものである。   The present invention solves the above-described conventional problems, and is a sensorless sine wave that operates stably with respect to load fluctuations, simplifies the calculation of the processor, and controls the maximum motor current or the optimum motor current phase. A motor driving device for driving is provided.

上記従来の課題を解決するために、モータ駆動装置は、交流電力を整流回路により直流電力に変換し、モータをインバータ回路により駆動し、インバータ回路の出力電流を電流検出手段により検出して設定回転数となるようにインバータ回路をPWM制御し、インバータ回路の出力電圧と電流位相、あるいは無効電流が所定値となるように制御するようにし、モータのリアクタンス電圧、あるいはリアクタンス電力によりモータ電流位相を制御するようにしたものである。   In order to solve the above-mentioned conventional problems, the motor drive device converts AC power into DC power by a rectifier circuit, drives the motor by an inverter circuit, detects the output current of the inverter circuit by current detection means, and sets rotation. The inverter circuit is PWM controlled so that the output voltage and current phase of the inverter circuit and the reactive current are controlled so that the reactive current becomes a predetermined value, and the motor current phase is controlled by the reactance voltage or reactance power of the motor. It is what you do.

本発明のモータ駆動装置は、モータのリアクタンス電圧、あるいはリアクタンス電力によりモータ電流位相を制御するようにしたものであり、モータ誘起電圧と電流位相を最適に制御できるので、ホールIC等の位置センサを省略し、プロセッサの演算処理を減らすことができ、センサレスベクトル制御と同等の最大効率運転、あるいは、弱め界磁制御が可能となる。   The motor driving device of the present invention controls the motor current phase by the reactance voltage or reactance power of the motor, and can control the motor induced voltage and current phase optimally. Omitted, the processor processing can be reduced, and maximum efficiency operation equivalent to sensorless vector control or field-weakening control is possible.

第1の発明は、交流電源と、前記交流電源の交流電力を直流電力に変換する整流回路と、前記整流回路の直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路により駆動されるモータと、前記インバータ回路の出力電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段の出力信号により前記インバータ回路をPWM制御して設定回転数となるように前記モータを制御する制御手段とを備え、前記制御手段は前記インバータ回路の出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流が所定値となるように制御し、前記モータのリアクタンス電圧、あるいはリアクタンス電力によりモータ電流位相を制御するようにしたもので、プロセッサの演算処理を減らし、最大効率運転、あるいは、弱め界磁制御が可能となる。   A first invention is an AC power source, a rectifier circuit that converts AC power of the AC power source into DC power, an inverter circuit that converts DC power of the rectifier circuit into AC power, and a motor driven by the inverter circuit And current detecting means for detecting the output current of the inverter circuit, and control means for controlling the motor so that the inverter circuit is PWM-controlled by the output signal of the current detecting means to achieve a set rotational speed, The control means controls the phase of the output voltage and output current of the inverter circuit or the reactive current to be a predetermined value, and controls the motor current phase by the reactance voltage or reactance power of the motor. Thus, the arithmetic processing of the processor is reduced, and the maximum efficiency operation or field weakening control becomes possible.

第2の発明は、第1の発明における制御手段はインバータ回路の無効電圧とモータのリアクタンス電圧とを比較してモータ電流位相を制御するようにしたもので、インバータ回路の無効電圧に対するモータのリアクタンス電圧の比率を制御することによりモータ電流位相を所望の値に制御できる。   According to a second aspect of the invention, the control means in the first aspect of the invention compares the reactive voltage of the inverter circuit with the reactance voltage of the motor to control the motor current phase, and the motor reactance with respect to the reactive voltage of the inverter circuit. The motor current phase can be controlled to a desired value by controlling the voltage ratio.

第3の発明は、第2の発明における制御手段はインバータ回路の無効電圧とモータのリアクタンス電圧がほぼ等しくなるようにしたもので、モータ電流と誘起電圧位相をほぼ同じにでき最大効率運転が可能となる。   In the third aspect of the invention, the control means in the second aspect of the invention is such that the reactive voltage of the inverter circuit and the reactance voltage of the motor are substantially equal, so that the motor current and the induced voltage phase can be made substantially the same, and maximum efficiency operation is possible. It becomes.

第4の発明は、第1の発明における制御手段はインバータ回路の無効電力とモータのリアクタンス電力とを比較してモータ電流位相を制御するようにしたもので、インバータ回路の無効電力に対するモータのリアクタンス電力の比率を制御することによりモータ電流位相を所望の値に制御できる。   According to a fourth invention, the control means in the first invention controls the motor current phase by comparing the reactive power of the inverter circuit and the reactance power of the motor, and the reactance of the motor with respect to the reactive power of the inverter circuit. The motor current phase can be controlled to a desired value by controlling the power ratio.

第5の発明は、第4の発明における制御手段はインバータ回路の無効電力とモータのリアクタンス電力がほぼ等しくなるようにしたもので、モータ電流と誘起電圧位相をほぼ同じにでき最大効率運転が可能となる。   In the fifth aspect of the invention, the control means in the fourth aspect of the invention is such that the reactive power of the inverter circuit and the reactance power of the motor are substantially equal, and the motor current and the induced voltage phase can be made substantially the same, and maximum efficiency operation is possible. It becomes.

第6の発明は、第1の発明における制御手段はモータのリアクタンス電圧、あるいはリアクタンス電力が設定値となるように制御するようにしたもので、モータ誘起電圧に対する電流位相を所望の値に制御でき最大効率運転、あるいは弱め界磁制御が可能となる。   In the sixth aspect of the invention, the control means in the first aspect of the invention controls the reactance voltage or the reactance power of the motor to be a set value, and the current phase with respect to the motor induced voltage can be controlled to a desired value. Maximum efficiency operation or field weakening control is possible.

第7の発明は、第1の発明における制御手段はモータ起動後にモータ電流位相を制御するようにしたもので、起動時にはインバータ回路の出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流を起動に対応した所定値に制御して起動安定性を高め、起動後にモータ電流位相を所望の値に制御でき、最大効率運転や弱め界磁制御が可能となる。   In the seventh aspect of the invention, the control means in the first aspect of the invention controls the motor current phase after starting the motor. At the time of starting, the phase of the output voltage and the output current of the inverter circuit or the reactive current corresponds to the starting. By controlling to the predetermined value, the starting stability can be improved, the motor current phase can be controlled to a desired value after the starting, and the maximum efficiency operation and the field weakening control can be performed.

(実施の形態1)
図1は、第1の実施の形態におけるモータ駆動装置のブロック図である。図1において、交流電源1より整流回路2に交流電力を加えて直流電力に変換し、インバータ回路3により直流電力を3相交流電力に変換してモータ4を駆動する。整流回路2は、全波整流回路20の直流出力端子にコンデンサ21a、21bを直列接続し、コンデンサ21a、21bの接続点を交流電源入力の一方の端子に接続して直流倍電圧回路を構成し、インバータ回路3への印加電圧を高くする。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram of the motor drive device according to the first embodiment. In FIG. 1, AC power is applied to a rectifier circuit 2 from an AC power source 1 to convert it into DC power, and the inverter circuit 3 converts DC power into three-phase AC power to drive a motor 4. In the rectifier circuit 2, capacitors 21a and 21b are connected in series to the DC output terminal of the full-wave rectifier circuit 20, and a connection point of the capacitors 21a and 21b is connected to one terminal of the AC power supply input to constitute a DC voltage doubler circuit. The voltage applied to the inverter circuit 3 is increased.

インバータ回路3の負電圧側には電流検出手段5を接続し、インバータ回路3の3相各下アームに流れる電流を検出することによりインバータ回路3の出力電流、すなわち、モータ4の各相電流を検出する。   The current detection means 5 is connected to the negative voltage side of the inverter circuit 3, and the current flowing through the lower arms of the three phases of the inverter circuit 3 is detected, whereby the output current of the inverter circuit 3, that is, the phase current of the motor 4 is detected. To detect.

制御手段6は、電流検出手段5の出力信号よりインバータ回路3の出力電流を演算し、設定回転数に応じた所定周波数、所定電圧を印加してモータ4を回転駆動するものであり、モータ負荷に応じて出力電圧に対する出力電流との位相、あるいは無効電流となるように制御することにより設定同期速度でモータ4を回転駆動できる。   The control means 6 calculates the output current of the inverter circuit 3 from the output signal of the current detection means 5, applies a predetermined frequency and a predetermined voltage according to the set rotational speed, and drives the motor 4 to rotate. Accordingly, the motor 4 can be driven to rotate at a set synchronous speed by controlling the phase so as to be a reactive current or phase with respect to the output voltage.

図2はモータ駆動装置のインバータ回路3の詳細な回路図であり、6個のトランジスタとダイオードよりなる3相フルブリッジインバータ回路により構成している。ここで、3相アームの1つのU相アーム30Aについて説明すると、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(以下、IGBTと略す)よりなる上アームトランジスタ31a1と逆並列ダイオード32a1の並列接続体と、IGBTよりなる下アームトランジスタ31a2と逆並列ダイオード32a2の並列接続体を直列に接続し、上アームトランジスタ31a1のコレクタ端子は直流電源の正電位端子Lpに接続し、上アームトランジスタ31a1のエミッタ端子は出力端子Uに接続し、下アームトランジスタ31a2のエミッタ端子は電流検出手段5を構成するシャント抵抗50aを介して直流電源のLn端子側に接続する。   FIG. 2 is a detailed circuit diagram of the inverter circuit 3 of the motor drive device, which is constituted by a three-phase full-bridge inverter circuit comprising six transistors and diodes. Here, one U-phase arm 30A of the three-phase arm will be described. A parallel connection body of an upper arm transistor 31a1 made of an insulated gate bipolar transistor (hereinafter abbreviated as IGBT) and an antiparallel diode 32a1, and a lower arm made of IGBT. A parallel connection body of the transistor 31a2 and the antiparallel diode 32a2 is connected in series, the collector terminal of the upper arm transistor 31a1 is connected to the positive potential terminal Lp of the DC power supply, and the emitter terminal of the upper arm transistor 31a1 is connected to the output terminal U. The emitter terminal of the lower arm transistor 31a2 is connected to the Ln terminal side of the DC power supply via the shunt resistor 50a constituting the current detecting means 5.

上アームトランジスタ31a1は上アーム駆動信号Upに応じて上アームゲート駆動回路33a1により駆動され、下アームトランジスタ31a2は下アーム駆動信号Unに応じて下アームゲート駆動回路33a2によりオンオフスイッチング制御される。上アームゲート駆動回路33a1は、微分信号によりセットリセットされるRSフリップフロップ回路を内蔵し、上アーム駆動信号Upの立ち上がりで上アームトランジスタ31a1をオン動作させ、上アーム駆動信号Upの立ち下がりで上アームトランジスタ31a1をオフ動作させる。下アームゲート駆動回路にはRSフリップフロップは不必要である。   The upper arm transistor 31a1 is driven by the upper arm gate drive circuit 33a1 in accordance with the upper arm drive signal Up, and the lower arm transistor 31a2 is subjected to on / off switching control by the lower arm gate drive circuit 33a2 in accordance with the lower arm drive signal Un. The upper arm gate drive circuit 33a1 incorporates an RS flip-flop circuit that is set and reset by a differential signal, turns on the upper arm transistor 31a1 at the rise of the upper arm drive signal Up, and rises at the fall of the upper arm drive signal Up. The arm transistor 31a1 is turned off. The RS flip-flop is not necessary for the lower arm gate driving circuit.

IGBTのゲート印加電圧は10〜15V必要であり、下アームトランジスタ31a2をオンさせると、15Vの直流電源の+端子B1よりブートストラップ抵抗34a、ブートストラップダイオード35aを介してブートストラップコンデンサ36aが充電されるので、ブートストラップコンデンサ36aの蓄積エネルギーにより上アームトランジスタ31aをオンオフスイッチングできる。また、下アームの逆並列ダイオード32a2が導通した場合にも同様にブートストラップコンデンサ36aが充電される。   The gate application voltage of the IGBT needs 10 to 15V. When the lower arm transistor 31a2 is turned on, the bootstrap capacitor 36a is charged from the + terminal B1 of the 15V DC power supply via the bootstrap resistor 34a and the bootstrap diode 35a. Therefore, the upper arm transistor 31a can be switched on and off by the energy stored in the bootstrap capacitor 36a. Similarly, the bootstrap capacitor 36a is charged when the lower arm antiparallel diode 32a2 is turned on.

V相アーム30B、W相アーム30Cも同様の接続であり、各アームの下アームトランジスタのエミッタ端子は電流検出手段5を構成するシャント抵抗50b、50cに接続し、シャント抵抗50b、50cの他方の端子は直流電源負電位端子Lnに接続している。IGBT、あるいはパワーMOSFETにより下アームトランジスタを構成すると、ゲート電圧を制御することによりスイッチング制御できるので、IGBTの場合はエミッタ端子、パワーMOSFETの場合にはソース端子に接続するシャント抵抗の電圧が1V以下となるように抵抗値を選定すればスイッチング動作にはほとんど影響することなく電圧制御によりオンオフスイッチング制御でき、シャント抵抗の電圧veu、vev、vewを検出することによりインバータ回路出力電流、すなわちモータ電流を検出できる特徴がある。   The V-phase arm 30B and the W-phase arm 30C are similarly connected, and the emitter terminals of the lower arm transistors of each arm are connected to the shunt resistors 50b and 50c constituting the current detecting means 5, and the other of the shunt resistors 50b and 50c is connected. The terminal is connected to the DC power source negative potential terminal Ln. If the lower arm transistor is constituted by an IGBT or a power MOSFET, switching can be controlled by controlling the gate voltage. Therefore, the voltage of the shunt resistor connected to the emitter terminal in the case of IGBT and the source terminal in the case of power MOSFET is 1V or less. If the resistance value is selected, the on / off switching control can be performed by voltage control with little influence on the switching operation, and the inverter circuit output current, that is, the motor current can be determined by detecting the shunt resistance voltages veu, vev, and vew. There are features that can be detected.

図3は、インバータ回路出力電流検出タイミングチャートであり、三角波変調によりPWM制御して、スイッチングノイズの影響を減らすために上下アームIGBTのスイッチングタイミングをはずして高速A/D変換してマイクロコンピュータ等のモータ制御プロセッサにより電流検出する。図3において、ckは三角波変調信号Vtのピーク値、すなわち時間t3にて発生させる同期信号であり、vuはU相電圧制御信号で、三角波変調信号VtとU相電圧制御信号vuを比較してU相上アームトランジスタ31aの駆動信号UpとU相下アームトランジスタ31a2の駆動信号Unを発生させる。t1〜t2区間、t5〜t6区間は上下アームトランジスタの非導通期間でデッドタイムΔtと呼び、A/D変換タイミングは、上アームトランジスタがオフで下アームトランジスタがオンとなる時間t3、あるいは、時間t3からデッドタイムΔt時間ずらした時間t4の範囲内で行うとよい。   FIG. 3 is an inverter circuit output current detection timing chart. PWM control is performed by triangular wave modulation, and the switching timing of the upper and lower arm IGBTs is removed to reduce the influence of switching noise. Current detection is performed by a motor control processor. In FIG. 3, ck is a peak value of the triangular wave modulation signal Vt, that is, a synchronization signal generated at time t3, vu is a U-phase voltage control signal, and the triangular wave modulation signal Vt and the U-phase voltage control signal vu are compared. A drive signal Up for the U-phase upper arm transistor 31a and a drive signal Un for the U-phase lower arm transistor 31a2 are generated. The period between t1 and t2 and the period between t5 and t6 is called the dead time Δt in the non-conducting period of the upper and lower arm transistors, and the A / D conversion timing is the time t3 when the upper arm transistor is off and the lower arm transistor is on, It may be performed within a range of time t4 that is shifted from t3 by dead time Δt.

図4は、本発明によるモータ駆動装置の制御手段のブロック図で、マイクロコンピュータ、あるいはディジタルシグナルプロセッサ等の高速プロセッサによりセンサレス正弦波駆動を実現するものである。   FIG. 4 is a block diagram of the control means of the motor drive device according to the present invention, which realizes sensorless sine wave drive by a high speed processor such as a microcomputer or a digital signal processor.

基本的な制御方法について図5に示す本発明による制御ベクトル図を用いて説明する。図5は、ロータ表面に永久磁石を設けた表面永久磁石モータ(略してSPMモータ)のd−q座標系のベクトル図であり、モータ誘起電圧Vrはq軸と同軸となり、誘起電圧Vrは誘起電圧定数krと回転数N、すなわちモータ駆動周波数fに比例する。言い換えれば、モータ誘起電圧Vrと周波数fの比(Vr/f)はほぼ一定に制御する。   A basic control method will be described with reference to a control vector diagram according to the present invention shown in FIG. FIG. 5 is a vector diagram of the dq coordinate system of a surface permanent magnet motor (abbreviated as SPM motor) having a permanent magnet on the rotor surface. The motor induced voltage Vr is coaxial with the q axis, and the induced voltage Vr is induced. It is proportional to the voltage constant kr and the rotation speed N, that is, the motor drive frequency f. In other words, the ratio (Vr / f) between the motor induced voltage Vr and the frequency f is controlled to be substantially constant.

モータ電流Iをq軸と同軸に制御するとベクトル制御と同等になるが、ロータ位置センサが無くq軸は検出できないので、角度γ進角していると仮定する。モータの電圧方程式は式1で表現されるので、駆動周波数fが固定された場合、d−q座標系においては、電流ベクトルIを固定するとモータ印加電圧ベクトルVaが固定される。逆に、モータ印加電圧ベクトルVaを固定すると電流ベクトルIは固定される。また、モータ印加電圧Va(母線軸)を主軸とするa−r軸に座標変換した場合においても同様であり、電流ベクトルIを固定するとモータ誘起電圧ベクトルVrが固定される。言い換えれば、モータ定数があらかじめわかっておれば、電流ベクトルIを固定することにより誘起電圧Vrと電流Iの位相は一定に制御できるので、q軸電流Iq(すなわちトルク電流)をほぼ一定に制御できベクトル制御とほとんど同じ制御が可能となる。   If the motor current I is controlled coaxially with the q-axis, it is equivalent to vector control. However, since there is no rotor position sensor and the q-axis cannot be detected, it is assumed that the angle γ is advanced. Since the voltage equation of the motor is expressed by Equation 1, when the drive frequency f is fixed, when the current vector I is fixed in the dq coordinate system, the motor applied voltage vector Va is fixed. Conversely, when the motor applied voltage vector Va is fixed, the current vector I is fixed. The same applies to the case where the coordinate conversion is performed on the a-r axis with the motor applied voltage Va (bus axis) as the main axis. When the current vector I is fixed, the motor induced voltage vector Vr is fixed. In other words, if the motor constant is known in advance, the phase of the induced voltage Vr and the current I can be controlled to be constant by fixing the current vector I, so that the q-axis current Iq (that is, the torque current) can be controlled to be substantially constant. Almost the same control as vector control is possible.

Figure 2005253163
Figure 2005253163

図6に示すように、印加電圧の無効電圧成分Va・sinφがリアクタンス電圧ωLIとほぼ同一となるように無効電流Isinφを適当な値に制御することにより、誘起電圧位相とモータ電流位相をほぼ同一にすると、モータ電流Iはトルク電流(q軸電流)Iqと同じとなり、高効率運転が可能となり、モータ損失が減らせるのでモータの温度上昇を減らし、モータを小型化できる。   As shown in FIG. 6, by controlling the reactive current Isinφ to an appropriate value so that the reactive voltage component Va · sinφ of the applied voltage is substantially the same as the reactance voltage ωLI, the induced voltage phase and the motor current phase are substantially the same. Then, the motor current I becomes the same as the torque current (q-axis current) Iq, enabling high-efficiency operation and reducing motor loss, thereby reducing the temperature rise of the motor and miniaturizing the motor.

また図5に示したように、リアクタンス電圧ωLIが印加電圧の無効電圧成分Va・sinφよりも大きくなるように無効電流Isinφ(=Ir)を制御することにより、モータ電流Iをγ進角設定することができ、急激な負荷変動により位相φが変化してもq軸との位相γが遅れてトルクが急減して脱調することがなくなる。特に、急に回転数が低下して位相γがq軸に対して遅れ、かつ、位相φが90度以上になると脱調する可能性が高くなるので、進角制御することにより遅れ位相になる場合が減少し、回転制御の安定性能が向上する。   Also, as shown in FIG. 5, the motor current I is set to advance by controlling the reactive current Isinφ (= Ir) so that the reactance voltage ωLI is larger than the reactive voltage component Va · sinφ of the applied voltage. Therefore, even if the phase φ changes due to a sudden load fluctuation, the phase γ with the q-axis is delayed and the torque is suddenly reduced to prevent step-out. In particular, if the rotational speed is suddenly decreased and the phase γ is delayed with respect to the q-axis and the phase φ is 90 degrees or more, the possibility of step-out increases. The number of cases is reduced, and the stability performance of the rotation control is improved.

さらに、進角制御により弱め界磁制御(d軸電流が負)となるので、トルク電流Iqを増加させて高速回転が可能となる。   Further, since the field-weakening control (d-axis current is negative) is achieved by the advance angle control, the torque current Iq can be increased to enable high-speed rotation.

以上述べたように、モータ定数(巻線抵抗R、巻線インダクタンスL)がわかっているならば、モータ電流ベクトルを制御するために、印加電圧の無効電圧成分Va・sinφとリアクタンス電圧ωLIを演算してモータ印加電圧Vaに対するモータ電流Iの絶対値と位相φを制御すればよい。   As described above, if the motor constants (winding resistance R, winding inductance L) are known, the reactive voltage component Va · sinφ and reactance voltage ωLI of the applied voltage are calculated in order to control the motor current vector. Thus, the absolute value and phase φ of the motor current I with respect to the motor applied voltage Va may be controlled.

図4において、駆動条件設定手段60は、モータ駆動条件に応じて駆動回転数、トルク電流、進み角γを求めて、駆動周波数f、無効電流Isinφ等を設定するもので、回転数設定手段61、無効電流設定手段62に設定信号を送る。キャリヤ信号発生手段63は、PWM変調のための三角波信号Vtと同期信号ckを発生させるもので、キャリヤ周波数(スイッチング周波数)はモータ騒音を減らすために数kHzから15kHz以上の超音波周波数に設定する。同期信号ckは各演算ブロックに送られ、同期信号ckに同期して各演算ブロックが動作する。   In FIG. 4, the drive condition setting means 60 obtains the drive rotation speed, torque current, and advance angle γ according to the motor drive conditions, and sets the drive frequency f, the reactive current Isinφ, etc. Then, a setting signal is sent to the reactive current setting means 62. The carrier signal generator 63 generates a triangular wave signal Vt and a synchronization signal ck for PWM modulation, and the carrier frequency (switching frequency) is set to an ultrasonic frequency of several kHz to 15 kHz or more in order to reduce motor noise. . The synchronization signal ck is sent to each computation block, and each computation block operates in synchronization with the synchronization signal ck.

回転数設定手段61は、モータ駆動周波数fを設定するためにキャリヤ信号周期の位相角Δθを求めて電気角演算手段64に加え、V/f設定手段65に設定周波数信号を送る。電気角演算手段64は、同期信号ckに同期して位相θを求め、規格化された正弦波テーブルを記憶する記憶手段66や座標変換手段等に位相信号θを加える。   The rotation speed setting means 61 obtains the phase angle Δθ of the carrier signal period in order to set the motor drive frequency f, sends the set frequency signal to the V / f setting means 65 in addition to the electrical angle calculation means 64. The electrical angle calculation means 64 obtains the phase θ in synchronization with the synchronization signal ck, and adds the phase signal θ to the storage means 66, the coordinate conversion means, etc. that store the standardized sine wave table.

V/f設定手段65は、駆動周波数fと負荷トルクに応じた印加電圧定数kvnを設定するもので回転数あるいは負荷トルクに応じた値が設定される。   The V / f setting means 65 sets an applied voltage constant kvn corresponding to the drive frequency f and the load torque, and a value corresponding to the rotational speed or the load torque is set.

記憶手段66は、位相角に対応した三角関数の演算を行うために必要な規格化された正弦波テーブルを記憶領域に記憶しており、例えば、位相0度から360度まで−1から+1までの正弦波データを持っている。   The storage means 66 stores a standardized sine wave table necessary for performing a trigonometric function corresponding to the phase angle in the storage area. For example, the phase is 0 to 360 degrees, and −1 to +1. I have sine wave data.

高速A/D変換手段67は、図3のタイミングチャートに示したように三角波変調信号Vtのピーク値にて電流検出手段5の出力信号veu、vev、vewをインバータ出力電流に対応したディジタル信号Iu、Iv、Iwに数マイクロ秒以下でA/D変換して3相/2相・母線軸変換手段68に各相電流の瞬時値を加える。   As shown in the timing chart of FIG. 3, the high-speed A / D conversion means 67 converts the output signals veu, vev and vew of the current detection means 5 into the digital signal Iu corresponding to the inverter output current at the peak value of the triangular wave modulation signal Vt. , Iv and Iw are A / D converted within a few microseconds or less, and instantaneous values of the respective phase currents are added to the three-phase / 2-phase / bus-axis converting means 68.

3相/2相・母線軸変換手段68は、図5に示したようにインバータ回路出力電流の瞬時値を3相/2相変換してインバータ回路出力電圧軸、すなわちモータ母線軸(a−r軸)へ座標変換するもので、式2を用いて絶対変換し、a軸成分Iaとr軸成分Irを求める。IrはIsinφに相当しインバータ出力(母線電圧)からみると無効電流成分となる。座標変換することにより、出力電流瞬時値より瞬時に無効電流成分Irが求まるだけではなく、式3に示す二乗平均により出力電流ベクトル絶対値Iを瞬時に求めることができる。また、インバータ出力(母線電圧)からみた電流位相φ、あるいは無効電流Irはキャリヤ周期に同期して高速検出できるので、電流零クロス検知手段を設けて位相検知するよりも応答性が格段に向上する。   As shown in FIG. 5, the three-phase / two-phase / busbar axis conversion means 68 converts the instantaneous value of the inverter circuit output current into three-phase / two-phase to convert the inverter circuit output voltage axis, that is, the motor busbar axis (ar The coordinate is converted to (axis), and absolute conversion is performed using Equation 2 to obtain the a-axis component Ia and the r-axis component Ir. Ir corresponds to Isinφ and becomes a reactive current component when viewed from the inverter output (bus voltage). By performing coordinate conversion, not only the reactive current component Ir can be obtained instantaneously from the output current instantaneous value, but also the output current vector absolute value I can be obtained instantaneously by the root mean square shown in Equation 3. Further, since the current phase φ or the reactive current Ir seen from the inverter output (bus voltage) can be detected at high speed in synchronization with the carrier cycle, the response is significantly improved compared to the case where the phase is detected by providing the current zero cross detection means. .

Figure 2005253163
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Figure 2005253163
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無効電流比較手段69は、3相/2相・母線軸変換手段68の出力信号Irと無効電流設定手段62の設定信号Irsを比較し誤差信号ΔIrを出力し、誤差信号増幅演算手段70により増幅あるいは積分して印加電圧定数変更信号kvを制御電圧比較設定手段71に出力する。   The reactive current comparing means 69 compares the output signal Ir of the three-phase / two-phase / bus axis converting means 68 with the setting signal Irs of the reactive current setting means 62 and outputs an error signal ΔIr, which is amplified by the error signal amplification calculating means 70. Alternatively, the applied voltage constant change signal kv is integrated and output to the control voltage comparison setting means 71.

制御電圧比較設定手段71は、V/f設定手段65の出力信号kvnと誤差信号増幅演算手段70の出力信号kvを比較してインバータ出力電圧制御信号Vaを発生させるもので、無効電流成分Irが所定値となるようにインバータ出力電圧を制御するもので、インバータ出力電圧制御信号Vaを、2相/3相・母線軸逆変換手段72に加える。   The control voltage comparison setting unit 71 compares the output signal kvn of the V / f setting unit 65 with the output signal kv of the error signal amplification calculation unit 70 to generate the inverter output voltage control signal Va. The reactive voltage component Ir is The inverter output voltage is controlled so as to be a predetermined value, and the inverter output voltage control signal Va is applied to the 2-phase / 3-phase / bus shaft reverse conversion means 72.

2相/3相・母線軸逆変換手段72は、式4に示す逆変換式を用いて3相正弦波電圧信号を発生させる。インバータ出力電圧はa軸と同相なので、Vaのみ演算すればよく、3相電圧vu、vv、vwをPWM制御手段73に出力する。   The two-phase / three-phase / bus axis reverse conversion means 72 generates a three-phase sinusoidal voltage signal using the reverse conversion formula shown in Formula 4. Since the inverter output voltage is in phase with the a-axis, only Va needs to be calculated, and the three-phase voltages vu, vv, vw are output to the PWM control means 73.

Figure 2005253163
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起動制御手段74は、起動時のみ駆動周波数、位相、あるいは無効電流Isinφ(=Ir)設定条件を変更するもので、駆動条件設定手段60に設定信号を加えて、起動時に駆動周波数を時間と共に増加させ、加速に必要な電流を設定する。起動時には負荷に応じて駆動周波数を時間と共に強制的に上昇させ、無効電流Irを一定値、あるいは、加速度に応じた値に設定することにより安定な起動が可能となり、従来提案されている方法の中では最も起動安定性に優れている。   The start control means 74 changes the drive frequency, phase, or reactive current Isinφ (= Ir) setting conditions only at start-up, and adds a set signal to the drive condition setting means 60 to increase the drive frequency with time at start-up. And set the current required for acceleration. At startup, the driving frequency is forcibly increased with time according to the load, and the reactive current Ir is set to a constant value or a value corresponding to the acceleration, thereby enabling stable startup. Among them, it has the best startup stability.

電流演算手段75は式3に示す二乗平均により、Ia、Irより出力電流ベクトル絶対値Iを求めるものである。   The current calculation means 75 obtains the output current vector absolute value I from Ia and Ir by the root mean square shown in Equation 3.

無効電圧演算手段76はインバータ出力電圧Vaの無効電圧成分Va・sinφを演算するもので、sinφは式5により演算できるので、Va・Ir/Iよりインバータ無効電圧を演算することができる。   The reactive voltage calculation means 76 calculates the reactive voltage component Va · sinφ of the inverter output voltage Va. Since sinφ can be calculated by Equation 5, the inverter reactive voltage can be calculated from Va · Ir / I.

Figure 2005253163
Figure 2005253163

リアクタンス電圧演算手段77は、駆動周波数f、モータインダクタンスL、電流Iより電圧降下ωLIを演算する。   The reactance voltage calculation means 77 calculates the voltage drop ωLI from the drive frequency f, the motor inductance L, and the current I.

電圧比較手段78はインバータ出力電圧Vaの無効電圧Va・sinφとリアクタンス電圧ωLIの大小を比較し、力率変更手段79に電圧比較手段78の出力信号を加え、無効電圧の差の信号に応じて駆動条件設定手段60に信号を加えて無効電流設定値Irsを制御する。式6に示すように、インバータ出力電圧Vaの無効電圧Va・sinφとリアクタンス電圧ωLIが等しくなるように制御するとモータ電流を減らして最大効率運転が可能となる。   The voltage comparison means 78 compares the reactive voltage Va · sinφ of the inverter output voltage Va with the reactance voltage ωLI, adds the output signal of the voltage comparison means 78 to the power factor changing means 79, and according to the signal of the difference in reactive voltage. A signal is applied to the drive condition setting means 60 to control the reactive current set value Irs. As shown in Expression 6, when the reactive voltage Va · sinφ of the inverter output voltage Va is controlled to be equal to the reactance voltage ωLI, the motor current is reduced and the maximum efficiency operation is possible.

Figure 2005253163
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また、無効電圧Va・sinφに対してリアクタンス電圧ωLIを増加させると進角制御となるので、無効電圧Va・sinφに対するリアクタンス電圧ωLIの比率を1以上に設定することにより進角制御できる。   Further, when the reactance voltage ωLI is increased with respect to the reactive voltage Va · sinφ, the advance angle control is performed. Therefore, the advance angle control can be performed by setting the ratio of the reactance voltage ωLI to the reactive voltage Va · sinφ to 1 or more.

図7は、PWM制御による各部波形のタイミングチャートを示す。Euは中性点からみたモータ誘起電圧波形で、IuはU相電流波形ありモータ誘起電圧Euからわずかに進んでいる。vu、vv、vwはU相、V相、W相の各PWM制御入力信号、すなわち、2相/3相・母線軸逆変換手段72の出力信号で三角波変調信号Vtと比較することによりPWM制御出力信号Upを生成する。信号vuとU相出力電圧位相は同じであり、U相電流Iuの位相は信号vuから位相φ遅れる。   FIG. 7 shows a timing chart of each part waveform by PWM control. Eu is a motor-induced voltage waveform as viewed from the neutral point, and Iu has a U-phase current waveform and is slightly advanced from the motor-induced voltage Eu. vu, vv, and vw are PWM control input signals of U-phase, V-phase, and W-phase, that is, output signals of the 2-phase / 3-phase / bus-axis reverse conversion means 72 and compared with the triangular wave modulation signal Vt. An output signal Up is generated. The signal vu and the U-phase output voltage phase are the same, and the phase of the U-phase current Iu is delayed from the signal vu by the phase φ.

図8は、本発明によるモータ駆動装置の動作を示すフローチャートである。ステップ100よりモータ駆動プログラムが開始し、ステップ101にて駆動回転数、V/f設定、無効電流等の各種設定を行う。次にステップ102に進んで起動運転かどうかの判定を行い、起動運転ならばステップ103に進んで起動制御サブルーチンを実行する。   FIG. 8 is a flowchart showing the operation of the motor driving apparatus according to the present invention. In step 100, the motor drive program starts. In step 101, various settings such as drive speed, V / f setting, and reactive current are performed. Next, the routine proceeds to step 102, where it is determined whether or not it is a startup operation. If it is a startup operation, the routine proceeds to step 103 and the startup control subroutine is executed.

起動制御サブルーチン103は、回転数零から設定回転数(駆動周波数fs)となるまで、駆動周波数fを直線的に上昇させるもので、駆動周波数fに応じて無効電流設定値Irsを変更する。ポンプやファン等の流体負荷の場合、トルクは回転数の3乗により変化するので、厳密には回転数に対応したトルク電流Iqを実験等により求め、ロータ位相が回転磁界よりも遅れると仮定してIsinφを計算し起動制御することにより安定な起動が可能となる。起動時には加速のためにトルク電流を大きくする必要があり、脱調を防ぐために無効電流設定値Irsはトルクに対応した値よりも大きめに設定する必要がある。   The start-up control subroutine 103 linearly increases the drive frequency f from zero rotation speed to the set rotation speed (drive frequency fs), and changes the reactive current set value Irs according to the drive frequency f. In the case of a fluid load such as a pump or a fan, the torque varies depending on the cube of the rotational speed. Strictly speaking, it is assumed that the torque phase Iq corresponding to the rotational speed is obtained by experiments and the rotor phase lags behind the rotating magnetic field. Thus, stable startup is possible by calculating Isinφ and controlling the startup. At startup, the torque current needs to be increased for acceleration, and the reactive current set value Irs needs to be set larger than the value corresponding to the torque in order to prevent step-out.

本発明による駆動方式は起動安定性がよく、V/f設定値、無効電流設定値Irsを大きく変更させなくても起動可能となる場合が多い。   The drive system according to the present invention has good start-up stability, and can often be started without greatly changing the V / f set value and the reactive current set value Irs.

次に、ステップ104に進んでキャリヤ信号割込の有無を判定し、キャリヤ信号割込が有ればステップ105のキャリヤ信号割込サブルーチンとステップ106の回転数制御サブルーチンを実行する。   Next, the routine proceeds to step 104, where it is determined whether there is a carrier signal interrupt. If there is a carrier signal interrupt, the carrier signal interrupt subroutine at step 105 and the rotation speed control subroutine at step 106 are executed.

図9は、キャリヤ信号割込サブルーチンのフローチャートである。ステップ200よりプログラムが開始し、ステップ201にてキャリヤ同期信号ckのカウント数kがモータ駆動周波数fの1周期内のキャリヤ数kcかどうか判定し、等しければステップ202に進んでキャリヤカウント数kをクリヤする。モータ駆動周波数fの1周期内のキャリヤ数kcは、駆動周波数設定時に予め求める。   FIG. 9 is a flowchart of the carrier signal interrupt subroutine. The program starts from step 200. In step 201, it is determined whether or not the count number k of the carrier synchronization signal ck is the number of carriers kc within one cycle of the motor drive frequency f. Clear. The carrier number kc within one cycle of the motor drive frequency f is obtained in advance when the drive frequency is set.

例えば、8極モータの回転数4040rpmにおける駆動周波数fは269.3Hz、周期Tは3.712msecとなり、キャリヤ周期Tcが64μsec(キャリヤ周波数15.6kHz)の場合、パルス数kcは58となる。1キャリヤ周期Tcの位相Δθは、駆動周波数fの1周期を2πとすると、Δθ=2π/kcとなる。   For example, when the drive frequency f of an 8-pole motor at a rotational speed of 4040 rpm is 269.3 Hz, the period T is 3.712 msec, and the carrier period Tc is 64 μsec (carrier frequency 15.6 kHz), the pulse number kc is 58. The phase Δθ of one carrier period Tc is Δθ = 2π / kc, where one period of the driving frequency f is 2π.

ステップ203にてキャリヤ同期信号のカウント数をインクリメントとし、次にステップ204に進んで、キャリヤ数kと1キャリヤ周期Tcの位相Δθより電気角θの演算を行う。次にステップ205に進んで電流検出手段5からの信号を検出してインバータ出力電流Iu、Iv、Iwを検出する。次にステップ206に進んで式2に従い3相/2相・母線軸座標変換を行い無効電流Irと有効電流Iaを求め、ステップ207に進んでIr、Iaをメモリする。   In step 203, the count number of the carrier synchronization signal is incremented, and then the process proceeds to step 204, where the electrical angle θ is calculated from the carrier number k and the phase Δθ of one carrier cycle Tc. Next, the routine proceeds to step 205 where signals from the current detection means 5 are detected to detect inverter output currents Iu, Iv, Iw. Next, the process proceeds to step 206, where the three-phase / two-phase / bus axis coordinate conversion is performed according to the equation 2, the reactive current Ir and the effective current Ia are obtained, and the process proceeds to step 207 to store Ir and Ia.

次に、ステップ208に進んでモータ電流のベクトル絶対値Iを式3により求め、次にステップ209に進んで演算値IとIrよりsinφを求める。   Next, the routine proceeds to step 208, where the absolute vector value I of the motor current is obtained from Equation 3, and then the routine proceeds to step 209, where sin φ is obtained from the calculated values I and Ir.

次にステップ213に進んで式5に従い、2相/3相・母線軸座標変換を行いインバータ各相制御信号vu、vv、vwを求め、ステップ214に進んでPWM制御を行い、ステップ215に進んでリターンする。   Next, the process proceeds to step 213, and 2-phase / 3-phase / bus axis coordinate conversion is performed in accordance with Equation 5 to obtain inverter phase control signals vu, vv, vw. The process proceeds to step 214 to perform PWM control, and the process proceeds to step 215. Return at.

図10は回転数制御サブルーチンのフローチャートである。回転数制御サブルーチンはキャリヤ信号毎に必ずしも行う必要がないので、例えば、2キャリヤ信号毎に実行してもよい。キャリヤ周波数が超音波周波数になるとキャリヤ周期内のプログラム処理時間が問題となるので、位相計算や電流検出演算、あるいはPWM制御等のキャリヤ毎に必ず実行する処理と、座標変換や図10に示したキャリヤ毎に必ずしも実行する必要のない処理を分け、キャリヤ毎に必ずしも実行する必要のない処理を複数に分割して処理することによりモータ制御以外のシーケンスプログラムを実行させることができる。   FIG. 10 is a flowchart of the rotation speed control subroutine. Since the rotation speed control subroutine does not necessarily have to be executed for each carrier signal, it may be executed for every two carrier signals, for example. When the carrier frequency becomes an ultrasonic frequency, the program processing time within the carrier period becomes a problem. Therefore, processing that is always executed for each carrier, such as phase calculation, current detection calculation, or PWM control, coordinate conversion, and that shown in FIG. A sequence program other than motor control can be executed by dividing a process that is not necessarily executed for each carrier and dividing a process that is not necessarily executed for each carrier into a plurality of processes.

ステップ300より回転数制御サブルーチンが開始し、ステップ301にて駆動周波数設定値fsを呼び出し、次にステップ302に進んで周波数設定値fsに対応した無効電流設定値Irsを呼び出し、ステップ303に進んで3相/2相・母線軸座標変換より求めた無効電流Irを呼び出し、ステップ304に進んで印加電圧定数設定値V/fを呼び出す。次にステップ305に進んでIrsとIrを比較し誤差信号ΔIrより印加電圧定数kvを演算し、次に、ステップ306に進んで印加電圧定数設定値V/fと印加電圧定数kvの差Δkvを演算する。次にステップ307に進んでΔkvより母線軸印加電圧信号Vaを演算してVaをメモリし、ステップ308に進んでサブルーチンをリターンする。   The rotation speed control subroutine is started from step 300, the drive frequency set value fs is called in step 301, and then the process proceeds to step 302 to call the reactive current set value Irs corresponding to the frequency set value fs. The reactive current Ir obtained from the three-phase / 2-phase / bus axis coordinate conversion is called, and the process proceeds to step 304 to call the applied voltage constant set value V / f. Next, the routine proceeds to step 305, where Irs and Ir are compared, and the applied voltage constant kv is calculated from the error signal ΔIr. Next, the routine proceeds to step 306 where the difference Δkv between the applied voltage constant set value V / f and the applied voltage constant kv is calculated. Calculate. Next, the routine proceeds to step 307, where the bus axis applied voltage signal Va is calculated from Δkv, and Va is stored, and the routine proceeds to step 308 where the subroutine is returned.

再び、図8に示すモータ駆動プログラムに戻り、ステップ107にて起動フラグの有無を判定し、起動フラグがなければステップ108に進んでインバータ出力電圧Vaの無効電圧Va・sinφを演算し、次にステップ109に進んでモータのリアクタンス電圧ωLIを演算し、次にステップ110に進んでインバータ出力電圧Vaの無効電圧Va・sinφとモータのリアクタンス電圧ωLIの差、あるいは比率を演算し、次にステップ111に進み無効電圧差、あるいは無効電圧比率に応じて無効電流Irを制御する力率変更サブルーチンを実行し、ステップ112に進んでモータ駆動プログラムをリターンする。   Returning to the motor drive program shown in FIG. 8 again, the presence or absence of the start flag is determined in step 107. If there is no start flag, the process proceeds to step 108 to calculate the invalid voltage Va · sinφ of the inverter output voltage Va. Proceeding to step 109, the reactance voltage ωLI of the motor is calculated, and then proceeding to step 110, the difference or ratio between the reactive voltage Va · sinφ of the inverter output voltage Va and the reactance voltage ωLI of the motor is calculated. Then, the power factor changing subroutine for controlling the reactive current Ir according to the reactive voltage difference or the reactive voltage ratio is executed, and the routine proceeds to step 112 where the motor driving program is returned.

図11は無効電圧Va・sinφとモータのリアクタンス電圧ωLIの差に応じて無効電流Irを制御する制御特性図である。   FIG. 11 is a control characteristic diagram for controlling the reactive current Ir according to the difference between the reactive voltage Va · sinφ and the reactance voltage ωLI of the motor.

インバータ無効電圧に対してリアクタンス電圧ωLIが増加すると進角し過ぎなので、無効電流Irを下げるために無効電流操作量δIrを負にして無効電流Irを減少させ、リアクタンス電圧ωLIを減少させることにより進角値を所定値に制御できる。   If the reactance voltage ωLI increases with respect to the inverter reactive voltage, the advance angle is excessive. Therefore, in order to reduce the reactive current Ir, the reactive current operation amount δIr is made negative, the reactive current Ir is decreased, and the reactive current ωLI is decreased. The angle value can be controlled to a predetermined value.

無効電圧差に応じて無効電流をフィードバック制御することにより、インバータ出力電圧Vaの無効電圧とモータのリアクタンス電圧、あるいは比率を一定に制御できるので、モータ誘起電圧と電流をほぼ同相にして最大効率運転、あるいは、モータ誘起電圧よりも電流位相を進角させ弱め界磁制御ができる。   By controlling the reactive current according to the reactive voltage difference, the reactive voltage of the inverter output voltage Va and the reactance voltage or ratio of the motor can be controlled to be constant. Alternatively, field weakening control can be performed by advancing the current phase with respect to the motor induced voltage.

ステップ107にて起動フラグがあればステップ108からステップ111は実行されず、起動時には所定の無効電流で起動し、所定回転数経過、あるいは所定時間経過した起動後に誘起電圧と電流の位相γを最適値に制御するので、起動時の制御が簡単となり起動が安定し、起動後には位相を最適制御するので最大効率運転、あるいは進角制御により回転数アップが可能となる。   If there is a start flag in step 107, steps 108 to 111 are not executed. At the time of start-up, the start is performed with a predetermined reactive current, and the phase γ of the induced voltage and current is optimized after the start of the predetermined rotation speed or the predetermined time Since it is controlled to a value, the control at the time of start-up becomes simple and the start-up is stable, and the phase is optimally controlled after the start-up, so that the maximum number of revolutions can be increased by maximum efficiency operation or advance angle control.

以上述べたように本発明によれば、インバータ母線電圧の無効電圧とモータのリアクタンス電圧を比較してモータ誘起電圧に対する電流位相を制御するもので、インバータ無効電圧とリアクタンス電圧が等しくなるように制御するとSPMモータの場合には最大効率運転となり、インバータ無効電圧に対してリアクタンス電圧が大きくなるように制御すると弱め界磁制御ができ、モータを高速回転駆動できる。   As described above, according to the present invention, the reactive voltage of the inverter bus voltage and the reactance voltage of the motor are compared to control the current phase with respect to the motor induced voltage, and the inverter reactive voltage and the reactance voltage are controlled to be equal. Then, in the case of the SPM motor, the maximum efficiency operation is performed. When the reactance voltage is controlled so as to increase with respect to the inverter reactive voltage, the field weakening control can be performed, and the motor can be driven to rotate at high speed.

また、IPMモータの場合には進角値を適切に選ぶことにより最大効率運転となり、進角制御により高速運転で最大トルク制御ができる。   In the case of an IPM motor, the maximum efficiency operation can be achieved by appropriately selecting the advance value, and the maximum torque can be controlled at a high speed by the advance control.

また、起動時にはインバータ母線電圧と電流位相、あるいは無効電流を制御することにより起動の安定化が可能となり、起動後にリアクタンス電圧を演算してフィードバック制御することによりモータ誘起電圧に対する電流位相の制御をするので最適位相で運転できる。   In addition, during startup, it is possible to stabilize the startup by controlling the inverter bus voltage and current phase, or reactive current, and after the startup, the reactance voltage is calculated and feedback control is performed to control the current phase with respect to the motor induced voltage. So it can be operated at the optimal phase

以上は無効電流Isinφを制御する実施例について説明したが、式5に示すようにIr/IをIsinφの代わりに使うと位相φを制御できることは明らかである。   Although the embodiment for controlling the reactive current Isinφ has been described above, it is obvious that the phase φ can be controlled by using Ir / I instead of Isinφ as shown in Equation 5.

(実施の形態2)
以下、本発明の第2の実施の形態について図12を用いて説明する。
(Embodiment 2)
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

図12は、本発明の第2の実施の形態におけるモータ駆動装置の制御手段のブロック図で、図4を一部変更したものであり、異なるブロックのみ説明する。   FIG. 12 is a block diagram of the control means of the motor drive apparatus according to the second embodiment of the present invention. FIG. 12 is a partial modification of FIG. 4, and only different blocks will be described.

SPMモータにおいては図5あるいは図6のベクトル図が成立するが、永久磁石をロータ鉄心内に埋め込む埋込磁石モータ(IPMモータ)の場合のベクトル図は少し複雑となり、単なる無効電圧比較では最大効率運転はできない。よって、IPMモータでも同様の制御を行う方法として、無効電力比較を行う第2の実施の形態について説明する。   Although the vector diagram of FIG. 5 or FIG. 6 is established for the SPM motor, the vector diagram for the embedded magnet motor (IPM motor) in which the permanent magnet is embedded in the rotor iron core is a little complicated. You cannot drive. Therefore, a second embodiment in which reactive power comparison is performed will be described as a method for performing similar control in an IPM motor.

無効電力演算手段76aは、インバータ出力電圧Vaと無効電流Irの積より無効電力を演算する。リアクタンス電力演算手段77aは、駆動周波数f、インダクタンスL、電流Iの二乗よりリアクタンス電力を演算するもので、無効電力演算手段76aとリアクタンス電力演算手段77aの出力信号を電力比較手段78aに加え、電力比較手段78aの出力信号を力率変更手段79aに加えて無効電流Irを制御することにより進角制御を行う。   The reactive power calculation means 76a calculates reactive power from the product of the inverter output voltage Va and the reactive current Ir. The reactance power calculation means 77a calculates the reactance power from the square of the drive frequency f, the inductance L, and the current I, and adds the output signals of the reactive power calculation means 76a and the reactance power calculation means 77a to the power comparison means 78a, Lead angle control is performed by adding the output signal of the comparison means 78a to the power factor changing means 79a to control the reactive current Ir.

SPMモータの場合には、式7に示すようにインバータ無効電力とリアクタンス電力が等しくなるように制御すると、モータ誘起電圧と電流位相をほぼ同位相にすることができ最大効率運転が可能となる。   In the case of the SPM motor, if the inverter reactive power and the reactance power are controlled to be equal as shown in Expression 7, the motor induced voltage and the current phase can be made substantially the same phase, and the maximum efficiency operation is possible.

Figure 2005253163
Figure 2005253163

また、リアクタンス電力をインバータ無効電力よりも大きくなるように制御することにより進角制御が可能となる。IPMモータの場合には回転角度によりインダクタンスが変化するので、平均インダクタンス、あるいは最大インダクタンスにより無効電力を演算する。   Further, the advance angle control can be performed by controlling the reactance power to be larger than the inverter reactive power. In the case of an IPM motor, the inductance changes depending on the rotation angle, so the reactive power is calculated based on the average inductance or the maximum inductance.

以上述べたように、本発明によればインバータ無効電力とモータリアクタンス電力を比較してモータ誘起電圧に対する電流位相を制御するもので、インバータ無効電力とリアクタンス電力が等しくなるように制御するとSPMモータの場合には最大効率運転となり、インバータ無効電力に対してリアクタンス電力が大きくなるように制御すると弱め界磁制御ができ、モータを高速回転駆動できる。   As described above, according to the present invention, the inverter reactive power and the motor reactance power are compared to control the current phase with respect to the motor induced voltage. When the inverter reactive power and the reactance power are controlled to be equal, the SPM motor In such a case, the maximum efficiency operation is achieved, and if the reactance power is controlled to be larger than the inverter reactive power, field-weakening control can be performed and the motor can be driven to rotate at high speed.

(実施の形態3)
以下、本発明の第3の実施の形態について図13を用いて説明する。
(Embodiment 3)
Hereinafter, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

図13は、本発明の第3の実施の形態におけるモータ駆動装置の制御手段のブロック図であり、図4を一部変更したもので、異なるブロックのみ説明する。   FIG. 13 is a block diagram of the control means of the motor drive device according to the third embodiment of the present invention. FIG. 13 is a partial modification of FIG. 4, and only different blocks will be described.

図13はモータインダクタンスの無効電圧を設定値と比較し、モータのリアクタンス電圧が設定値とほぼ等しくなるように制御するものである。モータのリアクタンス電力が設定値とほぼ等しくなるように制御しても同じなので、リアクタンス電圧を制御する実施例についてのみ説明する。   FIG. 13 compares the reactive voltage of the motor inductance with a set value and controls the motor reactance voltage to be approximately equal to the set value. Since it is the same even if the reactance power of the motor is controlled to be substantially equal to the set value, only an embodiment for controlling the reactance voltage will be described.

無効電圧設定手段76bは、駆動周波数fに応じて最適な進角値となるように所定のリアクタンス電圧を設定する。リアクタンス電圧演算手段77は図4と同じもので、駆動周波数f、モータインダクタンスL、電流Iよりリアクタンス電圧ωLIを演算し、無効電圧比較手段78により電圧差を求め、電圧差に応じて力率変更手段79により無効電流Irを制御する。   The reactive voltage setting unit 76b sets a predetermined reactance voltage so as to obtain an optimum advance value in accordance with the driving frequency f. The reactance voltage calculation means 77 is the same as that shown in FIG. 4. The reactance voltage ωLI is calculated from the drive frequency f, motor inductance L, and current I, the voltage difference is obtained by the reactive voltage comparison means 78, and the power factor is changed according to the voltage difference. The reactive current Ir is controlled by means 79.

図14は制御特性図を示し、リアクタンス電圧ωLIと設定電圧Vzとを比較して無効電流操作量δIrを制御する。設定電圧Vzに対してリアクタンス電圧ωLIが増加すると進角量が大きいので無効電流Irを小さくするように無効電流操作量δIrを負に制御する。また、設定電圧Vzに対してリアクタンス電圧ωLIが減少すると進角量が小さいので無効電流Irを大きくするように無効電流操作量δIrを正に制御する。   FIG. 14 is a control characteristic diagram, in which the reactive current manipulated variable δIr is controlled by comparing the reactance voltage ωLI and the set voltage Vz. When the reactance voltage ωLI increases with respect to the set voltage Vz, the amount of advance is large, so the reactive current manipulated variable δIr is controlled to be negative so as to reduce the reactive current Ir. Further, when the reactance voltage ωLI decreases with respect to the set voltage Vz, the advance amount is small, so the reactive current manipulated variable δIr is positively controlled so as to increase the reactive current Ir.

以上述べたように、本発明は、3相インバータ出力電流を検出し、3相/2相変換後、インバータ回路出力電圧母線軸に座標変換してモータ無効電流、あるいは電流位相を制御することによりDCブラシレスモータ(永久磁石式同期モータ)のセンサレス正弦波駆動が可能となり、さらに、モータリアクタンス電圧、あるいはリアクタンス電力を演算して所定値となるように制御することによりモータ誘起電圧と電流位相を制御するものである。   As described above, the present invention detects the three-phase inverter output current, converts the phase to the inverter circuit output voltage bus axis after the three-phase / two-phase conversion, and controls the motor reactive current or the current phase. Sensorless sinusoidal drive of DC brushless motor (permanent magnet type synchronous motor) is possible, and motor induced voltage and current phase are controlled by calculating motor reactance voltage or reactance power to be a predetermined value. To do.

すなわち本発明は、インバータからモータに供給する無効電圧あるいは電力と、モータのリアクタンス電圧あるいは無効電力とを比較して、無効電圧あるいは無効電力比率を制御することによりモータ誘起電圧と電流位相を高速に制御するものであり、電流位相を最適に設定すれば最大効率運転が可能となり、さらに弱め界磁制御により高速運転が可能となる。   That is, the present invention compares the reactive voltage or power supplied to the motor from the inverter with the reactance voltage or reactive power of the motor, and controls the reactive voltage or reactive power ratio, thereby speeding up the motor induced voltage and current phase. If the current phase is set optimally, maximum efficiency operation is possible, and further, high-speed operation is possible by field weakening control.

さらに、モータ起動時には無効電流のみ検出して無効電流を所定値に制御し、起動後にモータ誘起電圧と電流位相を所定値に制御することにより最適制御するようにしたので、フィードバック制御ループを減らすことができ安定な起動ができる。   Furthermore, only the reactive current is detected at the start of the motor, the reactive current is controlled to a predetermined value, and the motor induced voltage and the current phase are controlled to a predetermined value after the start, so that the feedback control loop is reduced. And stable startup.

また、従来のセンサレス正弦波駆動においては位置推定のための演算が複雑となってプロセッサの負担が大きく、さらに、位置推定演算に必要なモータパラメータを求めるための各種試験に時間を必要としたが、本発明によれば、位置推定が不必要なのでプロセッサの演算ステップが少なくてすみ、演算データビット数も減らすことができ、モータパラメータもほとんど必要とせず、かつ、自動的に最大効率運転が可能となるので、プロセッサの負担を減らしてベクトル制御と同等の最大効率運転が可能となり、安価で信頼性の高いセンサレス制御によるモータ駆動装置を実現できる。   Further, in the conventional sensorless sine wave drive, the calculation for position estimation is complicated and the burden on the processor is large, and furthermore, various tests for obtaining the motor parameters necessary for the position estimation calculation require time. According to the present invention, since position estimation is not required, the number of computation steps of the processor can be reduced, the number of computation data bits can be reduced, almost no motor parameters are required, and maximum efficiency operation can be performed automatically. Therefore, it is possible to reduce the load on the processor and perform the maximum efficiency operation equivalent to the vector control, and it is possible to realize a motor drive device by sensorless control that is inexpensive and highly reliable.

特に、洗濯乾燥機や食器洗い洗浄機のモータ制御とシーケンス制御は複雑なプログラムが必要であり、さらに、キャリヤ周波数は超音波周波数にして騒音を減らす必要があるので、従来のセンサレス正弦波駆動方式ならば制御プロセッサに対するプログラム容量と演算性能への負担が非常に大きくなり、高価格のプロセッサを必要としたが、本発明によれば安価なプロセッサによりセンサレスベクトル制御と同等の性能を得ることがてきるので、位置センサレスにより安価で信頼性の高いモータを使用できるモータ駆動装置を実現できる。   In particular, motor control and sequence control for washing and drying machines and dishwashers require complex programs. Furthermore, the carrier frequency must be an ultrasonic frequency to reduce noise. For example, the load on the program capacity and calculation performance for the control processor becomes very large, and an expensive processor is required. However, according to the present invention, an inexpensive processor can obtain the same performance as sensorless vector control. Therefore, a motor driving device that can use an inexpensive and highly reliable motor without a position sensor can be realized.

なお、本発明は主として無効電圧、あるいは無効電力を演算して制御する実施例について説明したが、有効電圧、あるいは有効電力を演算比較しても原理的には可能である。しかし、インバータの有効電圧や有効電力は簡単に演算できるが、モータの有効電圧(誘起電圧)あるいは有効電力の演算誤差が大きいので無効電力演算方式が誤差が少ないという特長がある。   In the present invention, the reactive voltage or reactive power is mainly calculated and controlled. However, in principle, the reactive voltage or active power can be calculated and compared. However, although the inverter effective voltage and active power can be calculated easily, the reactive power calculation method has few errors because the calculation error of the motor effective voltage (induced voltage) or active power is large.

以上のように、本発明によるモータ駆動装置は、交流電力を整流回路により直流電力に変換し、モータをインバータ回路により駆動し、インバータ回路の出力電流を電流検出手段により検出して設定回転数となるようにインバータ回路をPWM制御し、インバータ回路の出力電圧と電流位相、あるいは無効電流が所定値となるように制御するようにし、モータのリアクタンス電圧、あるいはリアクタンス電力によりモータ電流位相を制御するようにしたものであるから、モータの最大効率運転あるいは弱め界磁制御が容易となり、食器洗い機のポンプモータ、空気調和機のコンプレッサーモータ、ファンモータ、あるいは、洗濯機や洗濯乾燥機の脱水兼洗濯槽や回転ドラムの回転制御の用途にも適用できる。   As described above, the motor driving device according to the present invention converts AC power into DC power by the rectifier circuit, drives the motor by the inverter circuit, detects the output current of the inverter circuit by the current detection means, and sets the set rotational speed. The inverter circuit is PWM controlled so that the output voltage and current phase of the inverter circuit or the reactive current becomes a predetermined value, and the motor current phase is controlled by the reactance voltage or reactance power of the motor. Therefore, maximum efficiency operation of the motor or field-weakening control is facilitated, and the dishwasher pump motor, air conditioner compressor motor, fan motor, dewatering / washing tub and rotation of the washer / washer / dryer It can also be applied to drum rotation control.

本発明の第1の実施の形態におけるモータ駆動装置のブロック図The block diagram of the motor drive device in the 1st Embodiment of this invention 同モータ駆動装置のインバータ回路図Inverter circuit diagram of the motor drive device 同モータ駆動装置の電流検出タイミングチャートCurrent detection timing chart of the motor drive device 同モータ駆動装置の制御手段のブロック図Block diagram of control means of the motor drive device 同モータ駆動装置の制御ベクトル図Control vector diagram of the motor drive device 同モータ駆動装置の電流位相制御時のベクトル図Vector diagram for current phase control of the motor drive 同モータ駆動装置の制御手段の各部波形とタイミングチャートWaveform and timing chart of each part of control means of the motor drive device 同モータ駆動装置のモータ制御プログラムフローチャートMotor control program flowchart of the motor drive device 同モータ駆動装置のモータ制御プログラムのキャリヤ信号割込サブルーチンのフローチャートFlowchart of carrier signal interrupt subroutine of motor control program of the motor drive device 同モータ駆動装置のモータ制御プログラムの回転数制御サブルーチンのフローチャートFlowchart of rotation speed control subroutine of motor control program of the same motor drive device 同モータ駆動装置の無効電圧とリアクタンス電圧比較による制御特性図Control characteristics diagram by comparing reactive voltage and reactance voltage of the motor drive unit 本発明の第2の実施の形態におけるモータ駆動装置の制御手段のブロック図The block diagram of the control means of the motor drive device in the 2nd Embodiment of this invention 本発明の第3の実施の形態におけるモータ駆動装置の制御手段のブロック図The block diagram of the control means of the motor drive unit in the 3rd Embodiment of this invention 同モータ駆動装置の設定値とリアクタンス電圧比較による制御特性図Control characteristics diagram by comparison of set value and reactance voltage of the motor drive unit

符号の説明Explanation of symbols

1 交流電源
2 整流回路
3 インバータ回路
4 モータ
5 電流検出手段
6 制御手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 AC power supply 2 Rectifier circuit 3 Inverter circuit 4 Motor 5 Current detection means 6 Control means

Claims (7)

交流電源と、前記交流電源の交流電力を直流電力に変換する整流回路と、前記整流回路の直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路により駆動されるモータと、前記インバータ回路の出力電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段の出力信号により前記インバータ回路をPWM制御して設定回転数となるように前記モータを制御する制御手段とを備え、前記制御手段は前記インバータ回路の出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流が所定値となるように制御し、前記モータのリアクタンス電圧、あるいはリアクタンス電力によりモータ電流位相を制御するようにしたモータ駆動装置。 An AC power source, a rectifier circuit that converts AC power of the AC power source into DC power, an inverter circuit that converts DC power of the rectifier circuit into AC power, a motor driven by the inverter circuit, and the inverter circuit Current detection means for detecting an output current; and control means for controlling the motor so that the inverter circuit is PWM-controlled by an output signal of the current detection means to achieve a set rotational speed, the control means being the inverter A motor driving device that controls a phase of an output voltage and an output current of a circuit or a reactive current to be a predetermined value, and controls a motor current phase by a reactance voltage or reactance power of the motor. 制御手段は、インバータ回路の無効電圧とモータのリアクタンス電圧とを比較してモータ電流位相を制御するようにした請求項1記載のモータ駆動装置。 2. The motor drive apparatus according to claim 1, wherein the control means compares the reactive voltage of the inverter circuit with the reactance voltage of the motor to control the motor current phase. 制御手段は、インバータ回路の無効電圧とモータのリアクタンス電圧がほぼ等しくなるようにした請求項2記載のモータ駆動装置。 3. The motor driving apparatus according to claim 2, wherein the control means makes the reactive voltage of the inverter circuit substantially equal to the reactance voltage of the motor. 制御手段は、インバータ回路の無効電力とモータのリアクタンス電力とを比較してモータ電流位相を制御するようにした請求項1記載のモータ駆動装置。 2. The motor driving apparatus according to claim 1, wherein the control means compares the reactive power of the inverter circuit with the reactance power of the motor to control the motor current phase. 制御手段は、インバータ回路の無効電力とモータのリアクタンス電力がほぼ等しくなるようにした請求項4記載のモータ駆動装置。 5. The motor driving apparatus according to claim 4, wherein the control means makes the reactive power of the inverter circuit substantially equal to the reactance power of the motor. 制御手段は、モータのリアクタンス電圧、あるいはリアクタンス電力が設定値となるように制御するようにした請求項1記載のモータ駆動装置。 2. The motor driving apparatus according to claim 1, wherein the control means controls the reactance voltage or the reactance power of the motor to be a set value. 制御手段は、モータ起動後にモータ電流位相を制御するようにした請求項1記載のモータ駆動装置。 2. The motor driving apparatus according to claim 1, wherein the control means controls the motor current phase after the motor is started.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2009284627A (en) * 2008-05-21 2009-12-03 Panasonic Corp Electric motor driver
JP2015062329A (en) * 2013-08-23 2015-04-02 株式会社東芝 Semiconductor integrated circuit and motor drive device

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