JP2006025541A - Drive controller of motor and control method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、廉価な電流方向センサを用いて高性能、高効率に電動機を制御する装置に関する。 The present invention relates to an apparatus for controlling a motor with high performance and high efficiency using an inexpensive current direction sensor.
一般に、電動機の高性能制御は、電流センサが検出した電機子電流信号に基づき電流制御を行いながら、位置センサが検出した回転子の位置信号に基づき速度(或いは位置)制御を行っている。一方、電動機駆動システムには低価格化が要求されるため、廉価なセンサを使うかセンサを減らすかしたい。
従来は、電流センサを用いず電流の推定値を用いて制御系を構成している(例えば、非特許文献1参照)。
図2は従来技術の電動機の駆動制御装置の構成を示すブロック図である。
図2において、11は制御補償器であり、速度偏差ωerr、回転子速度ωmおよびd、q軸の推定電流ids、iqsに基づきd、q軸電圧指令vdr、vqrを計算する。12は電流推定器であり、d、q軸電圧指令vdr、vqrに基づきd、q軸の推定電流ids、iqsを計算する。13はd―q/3相交流座標変換器であり、d、q軸電圧指令vdr、vqrおよび回転子位置θmに基づき三相電圧指令vur、vvr、vwrを計算する。14はPWMインバータであり、三相電圧指令vur、vvr、vwrに基づき三相電圧vu、vv、vwを出力し、電動機15を駆動する。
オンディレー時間が十分短くその影響が小さい場合は、電圧指令は電動機の入力電圧と、推定電流が電機子の電流と一致するので、電流センサを用いなくても、普通の電動機の駆動システムと同じように安定かつ高性能な制御系を構成することができる。
このように、従来技術の電動機の制御装置は、電圧指令に基づき電流を推定して制御系を構成するものである。
Conventionally, a control system is configured using an estimated current value without using a current sensor (see, for example, Non-Patent Document 1).
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a conventional motor drive control device.
In FIG. 2, 11 is a control compensator, which calculates d and q-axis voltage commands v dr and v qr based on the speed deviation ω err , the rotor speed ω m and d, and the q-axis estimated currents i ds and i qs. To do. Reference numeral 12 denotes a current estimator, which calculates d and q axis estimated currents i ds and i qs based on d and q axis voltage commands v dr and v qr .
When the on-delay time is sufficiently short and the effect is small, the voltage command is the same as the drive system of a normal motor without using a current sensor because the estimated voltage matches the input voltage of the motor and the estimated current. Thus, a stable and high-performance control system can be configured.
As described above, the motor control device according to the prior art estimates the current based on the voltage command and constitutes the control system.
従来の電動機の駆動制御装置は、オンディレーの影響を無視して制御系を構成したので、負荷が重く回転速度が低い場合は、オンディレー時間の影響で電圧指令は電動機の入力電圧と、推定電流が電機子の電流とずれるので、制御系の特性は設計の通りにならず悪くなる。また、正確に非干渉補償できなくなり、d軸電流が大きくなり、電力効率が悪いというような問題も抱えていた。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、オンディレーの影響を補償して制御系を構成することで、電力効率が良く高性能な制御ができる電動機の駆動制御装置およびその制御方法を提供することを目的とする。
Because the conventional motor drive control system ignores the effects of on-delay and configures the control system, when the load is heavy and the rotation speed is low, the voltage command is estimated as the input voltage of the motor due to the effect of on-delay time. Since the current deviates from the armature current, the characteristics of the control system are not as designed and deteriorated. In addition, the non-interference compensation cannot be performed accurately, the d-axis current is increased, and the power efficiency is poor.
The present invention has been made in view of such problems, and by constructing a control system that compensates for the influence of on-delay, a drive control device for an electric motor that can perform high-performance control with high power efficiency and the control system thereof An object is to provide a control method.
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項1に記載の発明は、電動機の回転子位置を検出する位置センサと、前記回転子位置を微分して前記電動機の回転子速度を出力する微分手段と、速度指令を前記回転子速度で減算して速度偏差を得る減算手段と、前記速度偏差と前記回転子速度とd軸推定電流およびq軸推定電流を入力してd軸電圧指令およびq軸電圧指令を出力する制御補償手段と、前記d軸電圧指令および前記q軸電圧指令を入力して前記d軸推定電流および前記q軸推定電流を出力する電流推定手段と、前記d軸電圧指令と前記q軸電圧指令および前記回転子位置を入力して交流三相電圧指令をPWMインバータへ出力する座標変換手段と、前記三相電圧指令を入力とし前記電動機を駆動する三相電圧を出力するPWMインバータとを備えた電流センサレス制御装置において、
前記電動機の三相電機子電流の正負符号を検出する電流方向センサと、
前記三相電機子電流の正負符号を入力して三相オンディレー補償電圧を出力するオンディレー補償電圧推定手段と、
前記交流三相電圧指令に前記三相オンディレー補償電圧を足した新たな交流三相電圧指令を前記PWMインバータへ出力する加算手段と、を備えるものである。
また、請求項2に記載の発明は、請求項1記載の発明において、前記オンディレー補償電圧推定手段は、前記三相電機子電流の正負符号を入力し、オンディレー時間を設けたことによって生じた前記PWMインバータの入力電圧と出力電圧との差の絶対値に前記三相電機子電流の正負符号を付けて前記三相オンディレー補償電圧とすることを特徴とするものである。
また、請求項3に記載の発明は、電動機の回転子位置を検出する位置センサと、前記回転子位置を微分して前記電動機の回転子速度を出力する微分手段と、速度指令を前記回転子速度で減算して速度偏差を得る減算手段と、前記速度偏差と前記回転子速度とd軸推定電流およびq軸推定電流を入力してd軸電圧指令およびq軸電圧指令を出力する制御補償手段と、前記d軸電圧指令および前記q軸電圧指令を入力して前記d軸推定電流および前記q軸推定電流を出力する電流推定手段と、前記d軸電圧指令と前記q軸電圧指令および前記回転子位置を入力して交流三相電圧指令をPWMインバータへ出力する座標変換手段と、前記三相電圧指令を入力とし前記電動機を駆動する三相電圧を出力するPWMインバータとを備えた電流センサレスの電動機の駆動制御方法において、
電流方向センサにより前記電動機の三相電機子電流の正負符号を検出し、
オンディレー補償電圧推定手段へ前記三相電機子電流の正負符号を入力し、オンディレー時間を設けたことによって生じた前記PWMインバータの入力電圧と出力電圧との差の絶対値に前記三相電機子電流の正負符号を付けて前記三相オンディレー補償電圧とし、
加算手段により、前記交流三相電圧指令に前記三相オンディレー補償電圧を足した新たな交流三相電圧指令を前記PWMインバータへ出力するものである。
In order to solve the above problem, the present invention is configured as follows.
The invention according to
A current direction sensor for detecting the sign of the three-phase armature current of the motor;
On-delay compensation voltage estimation means for inputting a positive / negative sign of the three-phase armature current and outputting a three-phase on-delay compensation voltage;
And adding means for outputting a new AC three-phase voltage command obtained by adding the three-phase on-delay compensation voltage to the AC three-phase voltage command to the PWM inverter.
The invention according to
According to a third aspect of the present invention, there is provided a position sensor for detecting a rotor position of an electric motor, a differentiation means for differentiating the rotor position and outputting a rotor speed of the electric motor, and a speed command for the rotor. Subtracting means for subtracting by speed to obtain a speed deviation, and control compensation means for inputting the speed deviation, the rotor speed, the d-axis estimated current and the q-axis estimated current and outputting a d-axis voltage command and a q-axis voltage command Current estimation means for inputting the d-axis voltage command and the q-axis voltage command and outputting the d-axis estimated current and the q-axis estimated current, the d-axis voltage command, the q-axis voltage command, and the rotation Current sensorless comprising coordinate conversion means for inputting a child position and outputting an AC three-phase voltage command to the PWM inverter, and a PWM inverter for inputting the three-phase voltage command and outputting the three-phase voltage for driving the motor In the drive control method of the electric motor,
The sign of the three-phase armature current of the motor is detected by a current direction sensor,
The three-phase electric machine is added to the absolute value of the difference between the input voltage and the output voltage of the PWM inverter generated by inputting the positive / negative sign of the three-phase armature current to the on-delay compensation voltage estimation means and providing an on-delay time. The three-phase on-delay compensation voltage with the sign of the child current added,
The adding means outputs a new AC three-phase voltage command obtained by adding the three-phase on-delay compensation voltage to the AC three-phase voltage command to the PWM inverter.
本発明によれば、廉価な電流方向センサを用いて検出した電機子電流の方向に基づいてオンディレー補償電圧を計算し、それを電圧指令に加えることで電圧指令が電動機の入力電圧と良く一致するため、推定電流を電機子電流と良く一致させることができ、安定かつ高性能な制御をする電動機の駆動制御装置およびその制御方法を提供できる。また、正確な推定電流を用いてより正確な非干渉補償ができるので、d軸の電流を小さく抑えることで駆動システムの電力効率をアップすることができる。 According to the present invention, the on-delay compensation voltage is calculated based on the direction of the armature current detected by using an inexpensive current direction sensor and added to the voltage command so that the voltage command matches the input voltage of the motor well. Therefore, it is possible to provide an electric motor drive control device and a control method thereof that can make the estimated current well match the armature current and perform stable and high-performance control. In addition, since more accurate non-interference compensation can be performed using an accurate estimated current, the power efficiency of the drive system can be improved by keeping the d-axis current small.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施例を示す電動機の駆動制御装置のブロック図である。図において、11は制御補償器であり、速度偏差ωerr、回転子速度ωmおよびd、q軸の推定電流ids、iqsに基づきd、q軸電圧指令vdr、vqrを計算する。12は電流推定器であり、d、q軸電圧指令vdr、vqrに基づきd、q軸の推定電流ids、iqsを計算する。13はd―q/3相交流座標変換器であり、d、q軸電圧指令vdr、vqrおよび回転子位置θmに基づき三相電圧指令vur、vvr、vwrを計算する。18はオンディレー補償電圧推定器であり、オンディレー時間を設けたことによって生じたPWMインバータの入力電圧と出力電圧との差の絶対値に電流方向センサ20が検出した三相電機子電流の正負符号Sius、Sivs、Siwsを掛けた値を三相オンディレー補償電圧Δvus、Δvvs、Δvwsとする。19は加算器であり、三相電圧指令vur、vvr、vwrに三相オンディレー補償電圧Δvus、Δvvs、Δvwsを足して新たな三相電圧指令vur1、vvr1、vwr1とする。14はPWMインバータであり、新たな三相電圧指令vur1、vvr1、vwr1に基づき三相電圧vu、vv、vwを出力し、電動機15を駆動する。20は電流方向センサであり、三相電機子電流の正負符号を検出する。
本発明が非特許文献1と異なる部分は、オンディレー補償電圧推定器18と加算器19および電流方向センサ20を備えた部分である。また、電流方向センサは電流方向の正負だけを判別するものなので、簡単かつ廉価である。
FIG. 1 is a block diagram of an electric motor drive control apparatus according to an embodiment of the present invention. In the figure, 11 is a control compensator, which calculates d and q-axis voltage commands v dr and v qr based on speed deviation ω err , rotor speed ω m and d, and q-axis estimated currents i ds and i qs. . Reference numeral 12 denotes a current estimator, which calculates d and q axis estimated currents i ds and i qs based on d and q axis voltage commands v dr and v qr .
The present invention differs from
以下、本発明の制御装置の動作原理について説明する。
PWMインバータでは、直流母線の短絡防止のため必ずオンディレー時間を設けなければならない。一方、オンディレー時間を設けると、PWMインバータの出力電圧は入力電圧と差を生じる。その差の絶対値(ここで、オンディレー電圧定数と言う)ΔVは
ΔV=Ed・td・fc …(1)
で表される。ただし、tdはオンディレー時間、Edは直流母線の電圧、fcはPWMキャリア周波数である。また、三相のPWMインバータの入力電圧と出力電圧との差ΔVu、ΔVv、ΔVwはそれぞれ三相電機子電流iu、iv、iwの方向によって符号が違う。電動機へ流入する方向を電流の正方向とすると、ある相の電流方向は正である時その相のPWMインバータの入力電圧と出力電圧との差が正となり、ある相の電流方向は負である時その相のPWMインバータの入力電圧と出力電圧との差が負となる。
また、符号関数Sign(x)を
Hereinafter, the operation principle of the control device of the present invention will be described.
In the PWM inverter, an on-delay time must be provided to prevent a short circuit of the DC bus. On the other hand, when the on-delay time is provided, the output voltage of the PWM inverter is different from the input voltage. The absolute value of the difference (herein referred to as the on-delay voltage constant) ΔV is ΔV = E d · t d · f c (1)
It is represented by Where t d is the on-delay time, E d is the DC bus voltage, and f c is the PWM carrier frequency. Also, the differences ΔV u , ΔV v , ΔV w between the input voltage and the output voltage of the three-phase PWM inverter have different signs depending on the directions of the three-phase armature currents i u , i v , i w , respectively. Assuming that the direction flowing into the motor is the positive direction of the current, when the current direction of a certain phase is positive, the difference between the input voltage and the output voltage of the PWM inverter of that phase is positive, and the current direction of a certain phase is negative At that time, the difference between the input voltage and the output voltage of the PWM inverter of that phase becomes negative.
Also, the sign function Sign (x) is
と定義すると、
ΔVu=Vur1−Vu=Sign(iu)・ΔV …(3)
ΔVv=Vvr1−Vv=Sign(iv)・ΔV …(4)
ΔVw=Vwr1−Vw=Sign(iw)・ΔV …(5)
となる。
一方、電流方向センサの検出信号は
Sius=Sign(iu) …(6)
Sivs=Sign(iv) …(7)
Siws=Sign(iw) …(8)
となる。よって、三相オンディレー補償電圧は
ΔVus=Sign(iu)・ΔV …(9)
ΔVvs=Sign(iv)・ΔV …(10)
ΔVws=Sign(iw)・ΔV …(11)
となる。
式(3)〜式(5)および式(9)〜式(11)により、
ΔVus=ΔVu=Vur1−Vu …(12)
ΔVvs=ΔVv=Vvr1−Vv …(13)
ΔVws=ΔVw=Vwr1−Vw …(14)
となる。従って、三相電圧指令は
Vur=Vur1−ΔVus=Vu …(15)
Vvr=Vvr1−ΔVvs=Vv …(16)
Vwr=Vwr1−ΔVws=Vw …(17)
となる。すなわち、d、q軸電圧指令vdr、vqrは電動機のd、q軸電圧と一致する。よって、d、q軸電圧指令vdr、vqrに基づいて推定した電流は電機子電流と一致する。
このように、廉価な電流方向センサを用いて検出した電機子電流の正負符号に基づいて計算したオンディレー補償電圧を電圧指令に加えオンディレー時間の影響を補償することによって、電圧指令を電動機の入力電圧と一致させることができ、この電圧指令に基づいて推定した電流を電機子電流と一致させることができる。そして、この推定電流を用いて安定化補償および非干渉化補償を行うと、高価な電流センサを用いなくても高性能かつ高効率な制御をすることができる。
Defined as
ΔV u = V ur1 −V u = Sign (i u ) · ΔV (3)
ΔV v = V vr1 −V v = Sign (i v ) · ΔV (4)
ΔV w = V wr1 −V w = Sign (i w ) · ΔV (5)
It becomes.
On the other hand, the detection signal of the current direction sensor is S ius = Sign (i u ) (6)
S ivs = Sign (i v ) (7)
S iws = Sign (i w ) (8)
It becomes. Therefore, the three-phase on-delay compensation voltage is ΔV us = Sign (i u ) · ΔV (9)
ΔV vs = Sign (i v ) · ΔV (10)
ΔV ws = Sign (i w ) · ΔV (11)
It becomes.
From Formula (3) to Formula (5) and Formula (9) to Formula (11),
ΔV us = ΔV u = V ur1 −V u (12)
ΔV vs = ΔV v = V vr1 −V v (13)
ΔV ws = ΔV w = V wr1 −V w (14)
It becomes. Therefore, the three-phase voltage command is V ur = V ur1 −ΔV us = V u (15)
V vr = V vr1 -ΔV vs = V v (16)
V wr = V wr1 −ΔV ws = V w (17)
It becomes. That is, the d and q-axis voltage commands v dr and v qr coincide with the d and q-axis voltages of the motor. Therefore, the current estimated based on the d and q-axis voltage commands v dr and v qr matches the armature current.
Thus, by adding the on-delay compensation voltage calculated based on the sign of the armature current detected using an inexpensive current direction sensor to the voltage command, the voltage command is compensated for by the motor. The input voltage can be matched, and the current estimated based on this voltage command can be matched with the armature current. When stabilization compensation and non-interference compensation are performed using this estimated current, high-performance and high-efficiency control can be performed without using an expensive current sensor.
次に、本発明の効果を具体例を用いて説明する。同期電動機に対して従来技術と本発明の技術を用いたシミュレーション結果をそれぞれ図4と図5に示す。従来技術を用いた場合と較べ、、本発明の技術を用いた場合は、推定電流が電機子電流と良く一致し、速度応答が速度指令に良く追従し、d軸電流も小さいことが分かる。 Next, the effects of the present invention will be described using specific examples. The simulation results using the prior art and the technique of the present invention for the synchronous motor are shown in FIGS. 4 and 5, respectively. It can be seen that when the technique of the present invention is used, the estimated current agrees well with the armature current, the speed response follows the speed command better, and the d-axis current is smaller than when the conventional technique is used.
本発明の技術は、オンディレーの影響を補償することによって正確に電流を推定することができるので、PWMインバータを用いた他の電磁アクチュエータの制御にも適用することができる。 Since the technique of the present invention can accurately estimate the current by compensating for the influence of on-delay, it can also be applied to control of other electromagnetic actuators using a PWM inverter.
10 減算器
11 制御補償器
12 電流推定器
13 d―q/3相交流座標変換器
14 PWMインバータ
15 電動機
16 位置センサ
17 微分器
18 オンディレー補償電圧推定器
19 加算器
20 電流方向センサ
181 オンディレー電圧定数
182 乗算器
10 subtractor 11 control compensator 12
Claims (3)
前記電動機の三相電機子電流の正負符号を検出する電流方向センサと、
前記三相電機子電流の正負符号を入力して三相オンディレー補償電圧を出力するオンディレー補償電圧推定手段と、
前記交流三相電圧指令に前記三相オンディレー補償電圧を足した新たな交流三相電圧指令を前記PWMインバータへ出力する加算手段とを備えたことを特徴とする電動機の駆動制御装置。 A position sensor for detecting the rotor position of the electric motor; a differentiation means for differentiating the rotor position to output the rotor speed of the electric motor; and a subtraction means for subtracting a speed command by the rotor speed to obtain a speed deviation. Control compensation means for inputting the speed deviation, the rotor speed, the d-axis estimated current and the q-axis estimated current and outputting a d-axis voltage command and a q-axis voltage command; and the d-axis voltage command and the q-axis Current estimation means for inputting a voltage command and outputting the d-axis estimated current and the q-axis estimated current; and the d-axis voltage command, the q-axis voltage command, and the rotor position are input, and an AC three-phase voltage command In a current sensorless control device comprising: coordinate conversion means for outputting a PWM inverter; and a PWM inverter that outputs the three-phase voltage for driving the motor by receiving the three-phase voltage command.
A current direction sensor for detecting the sign of the three-phase armature current of the motor;
On-delay compensation voltage estimation means for inputting a positive / negative sign of the three-phase armature current and outputting a three-phase on-delay compensation voltage;
An electric motor drive control device comprising: addition means for outputting a new AC three-phase voltage command obtained by adding the three-phase on-delay compensation voltage to the AC three-phase voltage command to the PWM inverter.
とすることを特徴とする請求項1記載の電動機の駆動制御装置。 The on-delay compensation voltage estimation means inputs the positive / negative sign of the three-phase armature current and sets the absolute value of the difference between the input voltage and the output voltage of the PWM inverter generated by providing an on-delay time. 2. The drive control apparatus for an electric motor according to claim 1, wherein the three-phase on-delay compensation voltage is added with a positive / negative sign of a phase armature current.
電流方向センサにより前記電動機の三相電機子電流の正負符号を検出し、
オンディレー補償電圧推定手段へ前記三相電機子電流の正負符号を入力し、オンディレー時間を設けたことによって生じた前記PWMインバータの入力電圧と出力電圧との差の絶対値に前記三相電機子電流の正負符号を付けて前記三相オンディレー補償電圧とし、
加算手段により、前記交流三相電圧指令に前記三相オンディレー補償電圧を足した新たな交流三相電圧指令を前記PWMインバータへ出力することを特徴とする電動機の駆動制御方法。 A position sensor for detecting the rotor position of the electric motor; a differentiating means for differentiating the rotor position to output the rotor speed of the electric motor; and a subtracting means for subtracting a speed command by the rotor speed to obtain a speed deviation. Control compensation means for inputting the speed deviation, the rotor speed, the d-axis estimated current and the q-axis estimated current and outputting a d-axis voltage command and a q-axis voltage command; and the d-axis voltage command and the q-axis Current estimation means for inputting a voltage command and outputting the d-axis estimated current and the q-axis estimated current; and the d-axis voltage command, the q-axis voltage command, and the rotor position are input, and an AC three-phase voltage command In a current sensorless motor drive control method comprising: coordinate conversion means for outputting a PWM inverter to the PWM inverter; and a PWM inverter for receiving the three-phase voltage command and outputting a three-phase voltage for driving the motor.
The sign of the three-phase armature current of the motor is detected by a current direction sensor,
The three-phase electric machine is added to the absolute value of the difference between the input voltage and the output voltage of the PWM inverter generated by inputting the positive / negative sign of the three-phase armature current to the on-delay compensation voltage estimation means and providing an on-delay time. The three-phase on-delay compensation voltage with the sign of the child current added,
A drive control method for an electric motor, wherein a new AC three-phase voltage command obtained by adding the three-phase on-delay compensation voltage to the AC three-phase voltage command is output to the PWM inverter by an adding means.
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KR101255882B1 (en) * | 2008-10-10 | 2013-04-17 | 주식회사 만도 | Apparatus for Implementing Interlock of Electric Power Steering System |
CN113507241A (en) * | 2021-07-16 | 2021-10-15 | 哈尔滨工业大学 | Inverter nonlinear compensation method for permanent magnet synchronous motor driving system |
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2004
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