JP2009177960A - Variable-speed driver for pm motor - Google Patents
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Description
本発明はPMモータの可変速駆動装置に関するものである。 The present invention relates to a variable speed drive device for a PM motor.
永久磁石を界磁源とする同期電動機(PMモータ)をセンサレスで制御する場合、通常、磁気飽和を利用して磁極のN極側とS極側の判定を行っており、その際、ノイズの混入などにより誤差が発生する。この誤差による影響を防止し、磁極位置を精度よく推定する方法として特許文献1が公知となっている。
図3は、特許文献1の図1に記載された構成図で、電圧発生部と電流計測部を有する1パルス計測部(電流変化成分を検出する機能)Aと、発生電圧を指令したり検出電流から磁極の位相を推定するパルス制御・位相推定部(電流変化量の情報から磁極の位相を推定する初期位相の同定機能)Bから構成されている。
When controlling a synchronous motor (PM motor) using a permanent magnet as a field source without a sensor, normally, the magnetic pole is used to determine the N pole side and the S pole side of the magnetic pole. An error occurs due to contamination. Patent Document 1 is known as a method for preventing the influence of this error and estimating the magnetic pole position with high accuracy.
FIG. 3 is a configuration diagram shown in FIG. 1 of Patent Document 1, which is a one-pulse measurement unit (function for detecting a current change component) A having a voltage generation unit and a current measurement unit, and commands and detects the generated voltage. The pulse control / phase estimation unit (initial phase identification function for estimating the phase of the magnetic pole from the information on the current change amount) B is used to estimate the phase of the magnetic pole from the current.
永久磁石の透磁率は真空の値に近く、磁性鉄心に比べて格段に小さい。このため、PMモータは、モータの界磁極の軸(d軸)とその直交軸(q軸)のインダクタンスが異なる突極性がある。位置センサのないモータにおいて、始動時に界磁の位置を調べるためには、インダクタンスの差異、つまり突極性を利用して計測する。特許文献1では、タイミング制御部21から図5(a)のように電気角の1周期分に対して複数の方向に短時間の間だけ電圧を入力する。そして、各電圧を入力したときの電流変化量を計測する。このようにすることで、電流成分を発生位相のズレも考慮して電流の空間ベクトル上で表すと、複数のベクトルは図5(b)のように楕円状に近い形状となる。このベクトルを、電圧の発生位相を横軸にとって入力電圧の振幅を表したものが図4(a)であり、入力した電圧と発生した電流の位相差を表したものが図4(b)である。
図4(a)の電流の変化量(振幅成分)はインダクタンスに逆比例するので、この特性を利用して、電流変化量が最も多い方向をd軸方向と推定している。図4の例では、45゜の方向が最大電流の発生位相であり、この方向の近くにインダクタンスの小さい永久磁石が存在し磁極軸(d軸)が存在する。
The permeability of the permanent magnet is close to the vacuum value, and is much smaller than the magnetic iron core. For this reason, the PM motor has saliency in which the inductance of the motor's field pole (d-axis) and its orthogonal axis (q-axis) are different. In a motor without a position sensor, in order to check the position of the field at the time of starting, measurement is performed using the difference in inductance, that is, saliency. In Patent Document 1, a voltage is input from a
Since the current change amount (amplitude component) in FIG. 4A is inversely proportional to the inductance, the direction in which the current change amount is the largest is estimated as the d-axis direction using this characteristic. In the example of FIG. 4, the direction of 45 ° is the generation phase of the maximum current, and a permanent magnet with a small inductance exists near this direction and the magnetic pole axis (d axis) exists.
d軸成分にはN極とS極が存在するため、この両極の判別を行わなければならない。そこで、PMモータの磁気飽和を利用した方法を使用している。PMモータ中では、永久磁石による磁束と、前述のd軸計測用に電圧を入力した場合の電流によって発生する電機子反作用磁束が合成される。その際、N極側に電流が発生した場合には、永久磁石の磁束と電機子反作用磁束が同一方向になり、合成磁束は大きくなって磁気飽和現象が発生する。磁気飽和現象が発生すると、インダクタンスが小さくなり、大きな電流振幅が発生するようになる。 Since there are N and S poles in the d-axis component, it is necessary to distinguish between these two poles. Therefore, a method using magnetic saturation of the PM motor is used. In the PM motor, the magnetic flux generated by the permanent magnet and the armature reaction magnetic flux generated by the current when the voltage is input for the d-axis measurement are synthesized. At this time, when a current is generated on the N pole side, the magnetic flux of the permanent magnet and the armature reaction magnetic flux are in the same direction, and the resultant magnetic flux increases and a magnetic saturation phenomenon occurs. When the magnetic saturation phenomenon occurs, the inductance is reduced and a large current amplitude is generated.
逆に、S極側に電流が発生した場合には、永久磁石の磁束と電機子反作用磁束が逆方向になり、合成磁束は打ち消しあって小さくなり磁気飽和現象は発生しない。そのため、インダクタンスは小さくならず電流振幅が大きくなることはない。したがって、N極とS極はd軸成分の検出電流の対向した2つの成分を比較し、電流の大きい方がN極と推定できる。なお、特許文献1では、電気角の360゜に対して、電流変化の一次分を計算してその最大振幅の位相を計算している。さらに、そのフーリエ積分の演算部において、発生電流の振幅成分図4(a)と発生位相図4(b)の両方の情報を利用して計算することにより、ノイズなどによって電流に誤検出成分が混入しても影響を低減できる特徴を有する。
現在主流のネオジウム鉄ボロン系の永久磁石などは、温度上昇すると永久磁石の残留磁束が変化する特性がある。通常は、温度が低下すれば元の残留磁束に戻るが、温度上昇が異常に高くなったり、巻線電流に起因する電機子反作用により減磁方向の磁界が過大になったりすると、温度や反作用磁界が元に戻っても残留磁束が減少したまま元の値に戻らない現象がある。この現象を不可逆減磁(消磁)などと呼ばれている。 Current mainstream neodymium iron boron permanent magnets have the characteristic that the residual magnetic flux of the permanent magnets changes as the temperature rises. Normally, if the temperature drops, it will return to the original residual magnetic flux, but if the temperature rise becomes abnormally high or the magnetic field in the demagnetizing direction becomes excessive due to the armature reaction caused by the winding current, the temperature and reaction There is a phenomenon that even if the magnetic field returns to the original value, the residual magnetic flux remains reduced and does not return to the original value. This phenomenon is called irreversible demagnetization (demagnetization).
不可逆減磁が発生すると、PMモータの磁束が減少するため、電流に対する発生トルクが減少するという異常が発生する。前述のように、磁石の残留磁束と電機子反作用磁束の合計が磁気飽和に達する現象を利用して、N極とS極の磁極判定をする場合、残留磁束が減少してしまうと磁気飽和が発生しなくなり、磁極のN極とS極の判定ができなくなる。センサレス制御においては、磁極の誤判別による異常な挙動が発生する。例えば、磁極の極性を本来の極性と逆極性に判定すると、誤った逆の磁極方向に電流を流すために発生するトルクが逆になり、その結果、モータは逆転暴走する現象が発生する。 When irreversible demagnetization occurs, the magnetic flux of the PM motor decreases, so that an abnormality that the generated torque with respect to the current decreases occurs. As described above, using the phenomenon that the sum of the residual magnetic flux of the magnet and the armature reaction magnetic flux reaches magnetic saturation, when performing magnetic pole determination of the N pole and the S pole, if the residual magnetic flux decreases, the magnetic saturation is reduced. It will not occur, and the N pole and S pole of the magnetic pole cannot be determined. In sensorless control, abnormal behavior occurs due to erroneous discrimination of magnetic poles. For example, when the polarity of the magnetic pole is determined to be opposite to the original polarity, the torque generated to cause a current to flow in the wrong reverse magnetic pole direction is reversed, and as a result, a phenomenon occurs in which the motor runs backward.
モータ負荷には、逆転を起こすと機械的な損傷が発生する可能性を有する。したがって、初期位置の推定時に、磁気飽和の影響が少ない場合には異常とみなして運転を停止する必要がある。また、モータの不可逆減磁という異常が発生した可能性が高いことを示すために、可変速駆動装置の故障表示機能を利用して、モータの減磁要因が存在することを明示すると異常時の対応が迅速になる。もしも、この異常表示がない場合には、二次的な現象としてモータの逆転異常や過負荷異常などが発生し、最終的にはやはり運転停止となる。その場合、真の原因が不可逆減磁であるにも拘わらず、PMモータの異常減磁に起因して二次的に発生する異常の要因を異常表示することになり、真の原因究明ができず、誤った対策を行う可能性が高い。 The motor load has the possibility of causing mechanical damage when reverse rotation occurs. Accordingly, when the initial position is estimated, if the influence of magnetic saturation is small, it is necessary to consider the operation abnormal and stop the operation. In order to show that there is a high possibility that an abnormality called irreversible demagnetization of the motor has occurred, it is possible to clearly indicate that there is a demagnetizing factor of the motor using the fault display function of the variable speed drive device. Response is quicker. If there is no abnormality display, a secondary phenomenon such as motor reverse rotation abnormality or overload abnormality occurs, and the operation is finally stopped. In that case, although the true cause is irreversible demagnetization, the secondary cause of abnormality due to abnormal demagnetization of the PM motor is displayed abnormally, and the true cause can be investigated. Therefore, there is a high possibility of taking wrong measures.
本発明はかかる点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、不可逆減磁の検出可能なPMモータの可変速駆動装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of this point, and an object thereof is to provide a variable speed drive device for a PM motor capable of detecting irreversible demagnetization.
本発明の請求項1は、PMモータにパルス電圧を印加し、そのときに発生する電流変化成分を検出する機能と、電流変化量の情報から磁極の位相を推定する初期位相の同定機能を有するPMモータのセンサレス制御システムにおいて、
前記検出された電流変化成分のN極の電流振幅とS極方向の電流振幅の差が、予め設定された設定値より小さくなったときに減磁異常として検出する減磁検出手段を、前記電流変化成分を検出する機能の出力側に設けたことを特徴としたものである。
Claim 1 of the present invention has a function of applying a pulse voltage to the PM motor, detecting a current change component generated at that time, and an initial phase identification function of estimating the phase of the magnetic pole from the information of the current change amount In the sensorless control system of PM motor,
A demagnetization detecting means for detecting a demagnetization abnormality when a difference between a current amplitude in the N pole and a current amplitude in the S pole direction of the detected current change component is smaller than a preset value; It is characterized in that it is provided on the output side of the function for detecting the change component.
本発明の請求項2は、前記減磁検出手段は、前記電流変化量の情報から磁極の位相を推定する初期位相の同定機能が有する一次成分抽出部が出力する振幅成分の絶対値と、前記設定値とを比較し、一次成分の絶対値が小さいときに減磁異常として検出することを特徴としたものである。 According to a second aspect of the present invention, the demagnetization detection unit is configured to detect the absolute value of the amplitude component output by the primary component extraction unit included in the initial phase identification function for estimating the phase of the magnetic pole from the information on the amount of current change. The set value is compared, and when the absolute value of the primary component is small, it is detected as a demagnetization abnormality.
本発明の請求項3は、前記減磁検出手段は、検出された減磁異常が設定された回数以上連続して発生したときに減磁異常信号として出力することを特徴としたものである。 A third aspect of the present invention is characterized in that the demagnetization detecting means outputs a demagnetization abnormality signal when the detected demagnetization abnormality occurs continuously for a set number of times.
本発明の請求項4は、前記検出された減磁異常信号を、PMモータ始動時の異常発生信号として運転停止信号とすることを特徴としたものである。 The fourth aspect of the present invention is characterized in that the detected demagnetization abnormality signal is used as an operation stop signal as an abnormality occurrence signal when starting the PM motor.
本発明の請求項5は、前記検出された減磁異常信号を、可変速駆動装置の故障表示部に出力し、減磁要因による故障を表示することを特徴とするものである。 According to a fifth aspect of the present invention, the detected demagnetization abnormality signal is output to a failure display unit of a variable speed drive device, and a failure due to a demagnetization factor is displayed.
以上のとおり、本発明によれば、計測されたパルス電流の変化成分のN極の位相の電流振幅とS極方向の電流振幅の差が、予め定められた設定値より小さくなったとき、又は、一次成分抽出部が出力する振幅成分の絶対値と、前記設定値とを比較し、一次成分の絶対値が小さいときにモータの減磁異常として検出したものである。したがって、この検出信号を用いることにより、モータ始動時に異常を判定して運転の停止や、不可逆減磁の可能性が高いことを可変速駆動装置の故障表示機能を利用して表示させることにより、原因究明が簡単になり、PMモータの異常減磁に起因する二次的現象を発生させることなくPMモータの減磁異常に対して迅速に対処することが可能となるものである。 As described above, according to the present invention, when the difference between the current amplitude of the N pole phase and the current amplitude in the S pole direction of the change component of the measured pulse current becomes smaller than a predetermined set value, or The absolute value of the amplitude component output from the primary component extraction unit is compared with the set value, and when the absolute value of the primary component is small, it is detected as a demagnetization abnormality of the motor. Therefore, by using this detection signal, it is possible to determine that there is a high possibility of stopping operation and irreversible demagnetization by determining an abnormality at the time of starting the motor by using the failure display function of the variable speed drive device, The cause investigation is simplified, and it is possible to quickly cope with the demagnetization abnormality of the PM motor without causing a secondary phenomenon due to the abnormal demagnetization of the PM motor.
図1は、本発明の第1の実施例を示す構成図で、図3で示す従来と同一部分には同一符号を付している。すなわち、本発明は減磁検出手段Cを設けたもので、この減磁検出手段Cには、1パルス計測部Aの全方向データ保管部29に保管されたデータが入力される。全方向データ保管部29に保管されたデータは、図4
(a)のようなパルス電流の変化成分の振幅データで、この振幅データが減磁検出手段Cの最大振幅データ選択部41と最大振幅の反対位相データ選択部42に入力される。最大振幅データ選択部41では振幅データ(N極)の最大のものが選択され、最大振幅の反対位相データ選択部42では41で選択された最大データとは電気角で180゜反対方向(S極)の計測データが選択され、減算部45でN極とS極方向の差分量が演算された後、判定部43に出力する。
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of the present invention. The same reference numerals are given to the same parts as those shown in FIG. That is, the present invention is provided with the demagnetization detection means C, and the data stored in the omnidirectional
The amplitude data of the change component of the pulse current as in (a) is input to the maximum amplitude
44は予め基準値が設定される判定基準設定部で、試験や試運転調整などの正常時に磁気飽和により生じる差分量を計測しておき、この差分量を基準として電流検出の異常レベルの設定値とする。したがって、通常運転として始動するとき、磁極位置の推定計測を行った結果から、減算部45で算出された差分量と判定基準設定部44からの設定値を判定部43で比較し、差分量が設定値よりも小さい場合に磁気飽和量不足(不可逆減磁)として異常検出する。異常検出時にノイズ等の影響が懸念される場合には、再計測などを行うことによって精度の向上を図る。その場合、設定された回数以上だけ連続して異常信号が発生したとき、不可逆減磁の故障表示を発生させて装置の異常停止を行う。
44 is a determination reference setting unit in which a reference value is set in advance, and measures the amount of difference caused by magnetic saturation at the time of normal test or trial operation adjustment. To do. Therefore, when starting as a normal operation, the difference amount calculated by the
なお、1パルス計測部Aとパルス制御・位相推定部Bの各部の機能は特許文献1で詳述されているが、概略次の通りである。
タイミング制御部21は、制御装置からの計測開始指令に基づき計測パルスの発生位相制御のためのタイミング信号を発生し各部に出力する。パルス発生位相指令部22は、1パルス分の開始タイミングとパルス電圧の発生位相から電流制御器23、電圧発生器24に制御信号を出力する。電流制御器23は電流制御により出力電流をパルス電圧印加前の設定値に近づける制御を実行し、電圧発生器24は電圧指令を生成するための制御を実行する。5は可変速駆動装置で、入力された電圧制御信号に基づいてPMモータ6を制御する。
In addition, although the function of each part of 1 pulse measurement part A and pulse control and phase estimation part B is explained in full detail in patent document 1, it is as follows.
The
7はモータ電流を検出する電流検出部で、検出電流はLレベル電流サンプル部25と、Hレベル電流サンプル部27へそれぞれ入力される。Lレベル電流サンプル部25では、パルス電圧印加前の定められた期間TCにおいてIL電流を検出し、その出力は平均処理部26で平均化される。Hレベル電流サンプル部27では、パルス電圧印加後の定められた期間TEにおいてIH電流を検出し、その出力は平均処理部28で平均化される。全方向データ保管部29は、平均処理部26、28によるサンプルデータを、全周分一旦蓄積する。
一次成分抽出部30は、全方向データ保管部29に蓄積された計測データを入力してフーリエ積分し、電流振幅の最大位相を位相推定演算部32に出力する。二次成分抽出部31は、全方向データ保管部29に蓄積された計測データから二次のフーリエ積分し、電流振幅の最大位相を位相推定演算部32に出力する。位相推定演算部32では、30と31からの信号を元に位相推定演算を実行して推定位相を出力する。
The primary
図2は第2の実施例を示したものである。この実施例は、パルス制御・位相推定部Bの一次成分抽出部30から減磁検出手段C’に信号を取り出すように構成したものである。一次成分抽出部30では、一次成分であるa1、b1の2軸成分を(1)式を用いて算出している。
FIG. 2 shows a second embodiment. In this embodiment, a signal is extracted from the primary
ただし、|ΔI(θV)|は計測された電流差ベクトルの振幅成分の絶対値。 However, | ΔI (θ V ) | is the absolute value of the amplitude component of the measured current difference vector.
一次成分抽出部30により算出されたa1,b1成分は、減磁検出手段C’の絶対値演算部46に入力されて
|I1|=√(a12+b12)が求められる。振幅成分の絶対値を利用して求められた1次成分は、判定部43に出力されて判定基準設定部44の設定値と比較される。一次成分の絶対値が設定値よりも小さい場合には磁気飽和量不足(不可逆減磁)として異常検出する。
なお、この異常検出時にノイズ等の影響が懸念される場合には、再計測などを行うことによって精度の向上を図る。その場合、設定された回数以上だけ連続して異常信号が発生したとき、不可逆減磁の故障表示を発生させて装置の異常停止を行う。
The a1 and b1 components calculated by the primary
If there is a concern about the influence of noise or the like when this abnormality is detected, the accuracy is improved by performing re-measurement or the like. In that case, when an abnormal signal is generated continuously for the set number of times or more, an irreversible demagnetization failure display is generated and the apparatus is abnormally stopped.
以上により、本発明の各実施例によれば、計測されたパルス電流の変化成分のN極の位相の電流振幅とS極方向の電流振幅の差が、予め定められた設定値より小さくなったとき、又は、一次成分抽出部でフーリエ積分などにより求めた振幅成分の絶対値と、前記設定値とを比較し、一次成分の絶対値が小さいときにPMモータの減磁異常として検出したものである。したがって、この検出された減磁異常信号を用いて、モータ始動時に異常を判定して運転の停止ができ、不可逆減磁の可能性の高いことを可変速駆動装置の故障表示部(図示省略)に表示をさせることにより原因究明が簡単になり、PMモータの減磁異常に起因する二次的現象を発生させることなく、PMモータの減磁異常に対して迅速に対処することが可能となるものである。 As described above, according to each embodiment of the present invention, the difference between the current amplitude in the N-pole phase and the current amplitude in the S-pole direction of the change component of the measured pulse current is smaller than a predetermined set value. Or by comparing the absolute value of the amplitude component obtained by Fourier integration or the like in the primary component extraction unit with the set value, and detecting the demagnetization abnormality of the PM motor when the absolute value of the primary component is small. is there. Therefore, using this detected demagnetization abnormality signal, it is possible to stop the operation by determining an abnormality at the time of starting the motor, and to indicate that there is a high possibility of irreversible demagnetization. This makes it easy to investigate the cause and promptly deal with PM motor demagnetization anomalies without causing secondary phenomena due to PM motor demagnetization anomalies. Is.
A… 1パルス計測部
B… パルス制御・位相推定部
C… 減磁検出手段
41… 最大振幅データ選択部
42… 最大振幅の反対位相データ選択部
43… 判定部
44… 判定基準設定部
45… 減算部
46… 絶対値演算部
A ... 1 pulse measurement unit B ... Pulse control / phase estimation unit C ... Demagnetization detection means 41 ... Maximum amplitude
Claims (5)
前記検出された電流変化成分のN極の電流振幅とS極方向の電流振幅の差が、予め設定された設定値より小さくなったときに減磁異常として検出する減磁検出手段を、前記電流変化成分を検出する機能の出力側に設けたことを特徴としたPMモータの可変速駆動装置。 In a sensorless control system for a PM motor that has a function of applying a pulse voltage to a PM motor and detecting a current change component generated at that time, and an initial phase identification function for estimating the phase of a magnetic pole from information on the amount of current change.
A demagnetization detecting means for detecting a demagnetization abnormality when a difference between a current amplitude in the N pole and a current amplitude in the S pole direction of the detected current change component is smaller than a preset value; A variable speed drive device for a PM motor, which is provided on the output side of a function for detecting a change component.
5. The PM motor according to claim 1, wherein the detected demagnetization abnormality signal is output to a failure display unit of a variable speed drive device to display a failure due to a demagnetization factor. Variable speed drive.
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