JP2010068581A - Electric motor drive unit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ブラシレスDCモータなどの電動機を任意の回転数で駆動する電動機駆動装置に関するものである。 The present invention relates to an electric motor drive device that drives an electric motor such as a brushless DC motor at an arbitrary rotation speed.
近年、空気調和機における圧縮機などの電動機を駆動する装置においては、地球環境保護の観点から消費電力を低減する必要性が大きくなっている。その中で、省電力の技術の一つとして、ブラシレスDCモータのような高効率な電動機を任意の周波数で駆動するインバータなどが広く一般に使用されている。さらに、駆動する技術としては、矩形波状の電流により駆動を行う矩形波駆動に対して、より効率が高く、騒音も低くすることが可能な正弦波駆動技術が注目されている。 In recent years, in an apparatus for driving an electric motor such as a compressor in an air conditioner, there is an increasing need to reduce power consumption from the viewpoint of protecting the global environment. Among them, as one of the power saving techniques, an inverter that drives a highly efficient electric motor such as a brushless DC motor at an arbitrary frequency is widely used. Furthermore, as a driving technique, a sine wave driving technique that is more efficient and can reduce noise is attracting attention as compared with the rectangular wave driving that is driven by a rectangular wave current.
空気調和機における圧縮機に備えられた電動機を駆動する場合、電動機の回転子の位置を検出するセンサを取りつけることが困難であるため、回転子の位置を何らかの方法で推定しながら駆動を行う位置センサレス正弦波駆動の技術が考案されている。回転子の位置を推定する方法としては、電動機の固定子巻線に生ずる誘起電圧を推定することにより行う方法がある(例えば、特許文献1参照)。 When driving an electric motor provided in a compressor of an air conditioner, it is difficult to attach a sensor for detecting the position of the rotor of the electric motor. A sensorless sinusoidal drive technology has been devised. As a method for estimating the position of the rotor, there is a method in which an induced voltage generated in a stator winding of an electric motor is estimated (see, for example, Patent Document 1).
図12に特許文献1の電動機駆動装置のシステム構成を示す。この電動機駆動装置は、直流電源1、電動機3に供給する駆動電圧を生成、出力するインバータ2、およびインバータ2を制御する制御部6を備える。電動機3は中性点を中心にY結線された3つの相巻線(4u、4v、4w)が取り付けられる固定子4、および磁石が装着されている回転子5を備える。 FIG. 12 shows a system configuration of the electric motor drive device of Patent Document 1. This electric motor drive device includes a DC power source 1, an inverter 2 that generates and outputs a drive voltage supplied to the electric motor 3, and a control unit 6 that controls the inverter 2. The electric motor 3 includes a stator 4 to which three phase windings (4u, 4v, 4w) Y-connected around a neutral point are attached, and a rotor 5 to which a magnet is attached.
インバータ2は、一対のスイッチング素子からなるハーフブリッジ回路をU相用、V相用、W相用として三相分備える。ハーフブリッジ回路の一対のスイッチング素子は、直流電源1の高圧側端と低圧側端の間に直列接続され、ハーフブリッジ回路に直流電源1から出力される直流電圧が印加される。U相用のハーフブリッジ回路は、高圧側のスイッチング素子21uおよび低圧側のスイッチング素子21xより成る。V相用のハーフブリッジ回路は、高圧側のスイッチング素子21vおよび低圧側のスイッチング素子21yより成る。W相用のハーフブリッジ回路は、高圧側のスイッチング素子21wおよび低圧側のスイッチング素子21zより成る。また、各スイッチング素子と並列に還流ダイオード(22u〜22z)が接続されている。 The inverter 2 includes a half-bridge circuit composed of a pair of switching elements for three phases for the U phase, the V phase, and the W phase. The pair of switching elements of the half-bridge circuit are connected in series between the high-voltage side end and the low-voltage side end of the DC power supply 1, and a DC voltage output from the DC power supply 1 is applied to the half-bridge circuit. The U-phase half-bridge circuit includes a high-voltage side switching element 21u and a low-voltage side switching element 21x. The V-phase half-bridge circuit includes a high-voltage side switching element 21v and a low-voltage side switching element 21y. The W-phase half-bridge circuit includes a high-voltage side switching element 21w and a low-voltage side switching element 21z. In addition, free-wheeling diodes (22u to 22z) are connected in parallel with the switching elements.
インバータ2に印加されている直流電圧は、上述したインバータ2内のスイッチング素子のスイッチング動作によって三相の交流電圧に変換され、それにより電動機3が駆動される。 The DC voltage applied to the inverter 2 is converted into a three-phase AC voltage by the switching operation of the switching element in the inverter 2 described above, whereby the electric motor 3 is driven.
制御部6は、電流検出部7と、PWM信号生成部10と、誘起電圧推定部11と、回転子位置速度推定部12と、ベースドライバ13と、デューティ補正部14から構成される。 The control unit 6 includes a current detection unit 7, a PWM signal generation unit 10, an induced voltage estimation unit 11, a rotor position speed estimation unit 12, a base driver 13, and a duty correction unit 14.
PWM信号生成部10は、外部より与えられる目標速度を実現すべく、目標速度と現在の速度との誤差から演算により求められた電圧を出力するために、インバータ2の各スイッチング素子(21u〜21z)を駆動するためのPWM信号を生成する。その生成されたPWM信号はデューティ補正部14により補正される。補正後のPWM信号はベースドライバ13により、スイッチング素子を電気的に駆動するためのドライブ信号に変換され
る。そのドライブ信号に従って各スイッチング素子(21u〜21z)が動作する。
The PWM signal generation unit 10 outputs each switching element (21u to 21z) of the inverter 2 in order to output a voltage obtained by calculation from an error between the target speed and the current speed in order to realize a target speed given from the outside. ) Is generated. The generated PWM signal is corrected by the duty correction unit 14. The corrected PWM signal is converted by the base driver 13 into a drive signal for electrically driving the switching element. Each switching element (21u to 21z) operates according to the drive signal.
電流検出部7は、インバータ2の母線電流を観察し、その母線電流に現れる電動機3の相電流を検出する。電流検出部7は実施には母線電流が変化したときから所定期間の間だけ電流を検出する。 Current detector 7 observes the bus current of inverter 2 and detects the phase current of motor 3 that appears in the bus current. In practice, the current detector 7 detects the current only for a predetermined period from when the bus current changes.
誘起電圧推定部11は、電流検出部7で検出された電動機3の相電流と、PWM信号生成部10で演算された電圧と、直流電圧検出部8で検出されたインバータ2の直流電圧の情報により、電動機3の誘起電圧を推定する。さらに、回転子位置速度推定部12は、推定された誘起電圧から電動機3の回転子磁極位置および回転速度を推定する。推定された回転子磁極位置の情報に基づいて、PWM信号生成部10が電動機3を駆動するためのPWM信号を生成する。その際、PWM信号生成部10は、推定された電動機3の回転速度と外部から与えられる目標速度との偏差情報に基づいて、回転速度が目標速度と一致するようにPWM信号を制御する。 The induced voltage estimation unit 11 includes information on the phase current of the motor 3 detected by the current detection unit 7, the voltage calculated by the PWM signal generation unit 10, and the DC voltage of the inverter 2 detected by the DC voltage detection unit 8. Thus, the induced voltage of the electric motor 3 is estimated. Further, the rotor position / speed estimation unit 12 estimates the rotor magnetic pole position and the rotation speed of the electric motor 3 from the estimated induced voltage. Based on the information on the estimated rotor magnetic pole position, the PWM signal generation unit 10 generates a PWM signal for driving the electric motor 3. At that time, the PWM signal generator 10 controls the PWM signal based on deviation information between the estimated rotational speed of the electric motor 3 and the target speed given from the outside so that the rotational speed matches the target speed.
このように、従来の電動機駆動装置は、電流センサなどの電流検出手段をインバータ2と電動機3の間の線間に設けることなく安価なシステム構成で正弦波駆動を実現している。
しかしながら、前記従来の構成では、誘起電圧推定部11においてPWM信号生成部10で演算された電圧を用いて誘起電圧を推定しているが、実際にはPWM信号生成部10で生成されたPWM信号はデューティ補正部14で補正され、補正後のPWM信号に基づいてインバータ2内のスイッチング素子が動作することで電動機3に駆動電圧が供給されるため、誘起電圧の推定に誤差が発生し、その結果回転子磁極位置および回転速度の推定に誤差が発生して電動機3の相電流が歪むなどの影響が生じる恐れがある。 However, in the conventional configuration, the induced voltage is estimated by the induced voltage estimation unit 11 using the voltage calculated by the PWM signal generation unit 10, but actually, the PWM signal generated by the PWM signal generation unit 10 is estimated. Is corrected by the duty correction unit 14, and the drive voltage is supplied to the motor 3 by the operation of the switching element in the inverter 2 based on the corrected PWM signal. Therefore, an error occurs in the estimation of the induced voltage. As a result, an error may occur in the estimation of the rotor magnetic pole position and the rotation speed, and the phase current of the motor 3 may be distorted.
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、デューティ補正部で補正されたPWM信号のデューティの情報から実際に電動機に印加される電圧を推定し、その推定された電動機の印加電圧を用いて誘起電圧を推定することで、誘起電圧の推定誤差を減少させ、高精度な回転子磁極位置および回転速度の推定が実現できる電動機駆動装置を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problem, and estimates the voltage actually applied to the motor from the duty information of the PWM signal corrected by the duty correction unit, and uses the estimated applied voltage of the motor. Thus, an object of the present invention is to provide an electric motor drive device that can reduce the estimation error of the induced voltage and estimate the rotor magnetic pole position and the rotational speed with high accuracy by estimating the induced voltage.
前記従来の課題を解決するために、本発明の電動機駆動装置は、直流電力を所望の周波数、電圧の交流電力に変換して電動機にその電力を供給するインバータと、インバータの母線電流を検出する電流検出手段と、インバータを制御するPWM信号のデューティの情報から電動機に印加される電圧を推定する印加電圧推定手段と、電流検出手段で検出された電流値と印加電圧推定手段で推定された印加電圧推定値とから電動機の誘起電圧を推定する誘起電圧推定手段と、誘起電圧推定手段で推定された誘起電圧推定値に基づいて電動機の回転子磁極位置および回転速度を推定する回転子位置速度推定手段と、回転子位置速度推定手段で推定された回転子磁極位置の情報に基づいてインバータを制御するPWM信号を生成するPWM信号生成手段と、PWM信号生成手段で生成されたPWM信号のデューティを補正するデューティ補正手段とを備え、デューティ補正手段は、電流検出手段でインバータ母線電流を検出している間はPWM信号を変化させないようにデューティを補正し、印加電圧推定手段は、デューティ補正手段で補正したデューティ補正値に基づいた電圧値から電動機の印加電圧を推定するものである。 In order to solve the above-described conventional problems, an electric motor driving device according to the present invention detects DC current of an inverter that converts DC power into AC power of a desired frequency and voltage and supplies the electric power to the motor, and a bus current of the inverter. Current detection means, applied voltage estimation means for estimating the voltage applied to the motor from the duty information of the PWM signal that controls the inverter, current value detected by the current detection means, and application estimated by the applied voltage estimation means Induced voltage estimating means for estimating the induced voltage of the motor from the estimated voltage value, and rotor position speed estimation for estimating the rotor magnetic pole position and the rotating speed of the motor based on the estimated voltage estimated value estimated by the induced voltage estimating means And a PWM signal generator for generating a PWM signal for controlling the inverter based on information on the rotor magnetic pole position estimated by the rotor position speed estimation means And a duty correction means for correcting the duty of the PWM signal generated by the PWM signal generation means, and the duty correction means does not change the PWM signal while detecting the inverter bus current by the current detection means. The duty is corrected, and the applied voltage estimation means estimates the applied voltage of the motor from the voltage value based on the duty correction value corrected by the duty correction means.
これによって、デューティ補正部で補正されたPWM信号のデューティの情報から実際に電動機に印加される電圧を推定し、その推定された電動機の印加電圧を用いて誘起電圧を推定することで、誘起電圧の推定誤差を減少させ、高精度な回転子磁極位置および回転速度の推定が実現できる。 As a result, the voltage actually applied to the motor is estimated from the duty information of the PWM signal corrected by the duty correction unit, and the induced voltage is estimated using the estimated voltage applied to the motor. Thus, the rotor magnetic pole position and the rotational speed can be estimated with high accuracy.
本発明の電動機駆動装置は、デューティ補正部で補正されたPWM信号のデューティの情報から電動機に印加される電圧を推定し、その推定された電動機の印加電圧を用いて誘起電圧を推定することで、誘起電圧の推定誤差を減少させ、高精度な回転子磁極位置および回転速度の推定が実現できる。 The electric motor drive device of the present invention estimates the voltage applied to the electric motor from the duty information of the PWM signal corrected by the duty correction unit, and estimates the induced voltage using the estimated applied voltage of the electric motor. Thus, the estimation error of the induced voltage can be reduced, and the rotor pole position and rotation speed can be estimated with high accuracy.
第1の発明は、直流電力を所望の周波数、電圧の交流電力に変換して電動機にその電力を供給するインバータと、インバータの母線電流を検出する電流検出手段と、インバータを制御するPWM信号のデューティの情報から電動機に印加される電圧を推定する印加電圧推定手段と、電流検出手段で検出された電流値と印加電圧推定手段で推定された印加電圧推定値とから電動機の誘起電圧を推定する誘起電圧推定手段と、誘起電圧推定手段で推定された誘起電圧推定値に基づいて電動機の回転子磁極位置および回転速度を推定する回転子位置速度推定手段と、回転子位置速度推定手段より推定された回転子磁極位置の情報に基づいてインバータを制御するPWM信号を生成するPWM信号生成手段と、PWM信号生成手段で生成されたPWM信号のデューティを補正するデューティ補正手段とを備え、デューティ補正手段は、電流検出手段で前記インバータ母線電流を検出している間はPWM信号を変化させないようにデューティを補正し、印加電圧推定手段は、デューティ補正手段で補正したデューティ補正値に基づいた電圧値から電動機の印加電圧を推定するものである。これにより、デューティ補正部で補正されたPWM信号のデューティの情報から実際に電動機に印加される電圧を推定し、その推定された電動機の印加電圧を用いて誘起電圧を推定することで、誘起電圧の推定誤差を減少させ、高精度な回転子磁極位置および回転速度の推定が実現できる。 According to a first aspect of the present invention, there is provided an inverter for converting DC power into AC power having a desired frequency and voltage and supplying the electric power to the motor, current detection means for detecting the bus current of the inverter, and a PWM signal for controlling the inverter. Estimating the induced voltage of the motor from the applied voltage estimating means for estimating the voltage applied to the motor from the duty information, the current value detected by the current detecting means and the applied voltage estimated value estimated by the applied voltage estimating means Estimated by the induced voltage estimating means, the rotor position speed estimating means for estimating the rotor magnetic pole position and the rotational speed of the electric motor based on the induced voltage estimated value estimated by the induced voltage estimating means, and the rotor position speed estimating means. PWM signal generating means for generating a PWM signal for controlling the inverter based on the information on the rotor magnetic pole position, and PWM generated by the PWM signal generating means Duty correction means for correcting the duty of the signal, the duty correction means corrects the duty so that the PWM signal is not changed while the current detection means detects the inverter bus current, and the applied voltage estimation means The applied voltage of the motor is estimated from the voltage value based on the duty correction value corrected by the duty correction means. As a result, the voltage actually applied to the motor is estimated from the duty information of the PWM signal corrected by the duty correction unit, and the induced voltage is estimated using the estimated voltage applied to the motor. Thus, the rotor magnetic pole position and the rotational speed can be estimated with high accuracy.
第2の発明は、特に第1の発明の電動機駆動装置において、印加電圧推定手段は、デューティ補正手段で補正したデューティ補正値に基づいた電圧値から電動機の仮想中性点電位を算出し、算出した仮想中性点電位を、デューティ補正値に基づいた電圧値から減算して印加電圧推定値を導出するものである。これにより、2相変調や3次高調波を重畳させた場合、あるいはPWM信号生成手段で演算された電圧と実際にインバータが出力する電圧(デューティ補正手段で補正された後のPWM信号)との乖離が大きくなる過変調領域(電圧飽和となる場合)においても、確実に電動機に印加される電圧を推定することができる。 According to a second aspect of the invention, in particular, in the motor drive device of the first aspect of the invention, the applied voltage estimation means calculates a virtual neutral point potential of the motor from a voltage value based on the duty correction value corrected by the duty correction means. The estimated neutral voltage is subtracted from the voltage value based on the duty correction value to derive the applied voltage estimated value. As a result, when two-phase modulation or third harmonic is superimposed, or the voltage calculated by the PWM signal generation means and the voltage actually output by the inverter (PWM signal after being corrected by the duty correction means) Even in an overmodulation region where the deviation is large (when voltage saturation occurs), the voltage applied to the electric motor can be reliably estimated.
第3の発明は、特に第2の発明の電動機駆動装置において、インバータのスイッチング動作がPWM変調領域か過変調領域かを判定する動作モード判定手段をさらに備え、印加電圧推定手段は、動作モード判定手段の判定結果が過変調領域の場合にのみ入力値であるデューティ補正値に基づいた電圧値から印加電圧推定値を導出して出力し、動作モード判定手段の判定結果がPWM変調領域の場合には入力値であるデューティ補正値に基づいた電圧値をそのまま出力するものである。これにより、マイコンなどの演算装置の負担を軽減しつつ、特にPWM信号生成手段で演算された電圧と実際にインバータが出力する電圧(デューティ補正手段で補正された後のPWM信号)との乖離が大きくなる過変調領域(電圧飽和の場合)において、確実に電動機に印加される電圧を推定することができる。 According to a third aspect of the invention, particularly in the motor drive device of the second aspect of the invention, the motor drive device further includes an operation mode determination unit that determines whether the switching operation of the inverter is a PWM modulation region or an overmodulation region. Only when the determination result of the means is the overmodulation region, the estimated value of the applied voltage is derived and output from the voltage value based on the duty correction value that is the input value, and when the determination result of the operation mode determination means is the PWM modulation region Is to output the voltage value based on the duty correction value which is an input value as it is. As a result, while reducing the burden on a computing device such as a microcomputer, the difference between the voltage calculated by the PWM signal generating means and the voltage actually output by the inverter (PWM signal corrected by the duty correcting means) In the overmodulation region (in the case of voltage saturation) that increases, the voltage applied to the motor can be reliably estimated.
第4の発明は、特に第3の発明の電動機駆動装置において、動作モード判定手段は、インバータの周波数あるいは回転子位置速度推定手段で推定された回転速度が予め設定され
た所定値以上の場合にインバータの動作が過変調領域であると判定し、予め設定された所定値未満の場合にインバータの動作がPWM変調領域であると判定するものである。これにより、特に電源電圧の変動が少なく、電動機の負荷トルク範囲が比較的狭い場合において、簡単な構成でPWM変調領域(電圧飽和でない場合)か過変調領域(電圧飽和の場合)かを判定することができる。
According to a fourth aspect of the present invention, in the electric motor drive device of the third aspect of the invention, the operation mode determining means is provided when the inverter frequency or the rotational speed estimated by the rotor position speed estimating means is greater than or equal to a predetermined value set in advance. It is determined that the operation of the inverter is in the overmodulation region, and it is determined that the operation of the inverter is in the PWM modulation region when it is less than a predetermined value set in advance. This makes it possible to determine whether the PWM modulation region (when voltage is not saturated) or the overmodulation region (when voltage is saturated) with a simple configuration, particularly when there is little fluctuation in the power supply voltage and the load torque range of the motor is relatively narrow. be able to.
第5の発明は、特に第3の発明の電動機駆動装置において、動作モード判定手段は、PWM信号生成手段で生成されたPWM信号のデューティもしくはそのデューティに基づいた電圧値、あるいはデューティ補正値もしくはデューティ補正値に基づいた電圧値、あるいは変調率が予め設定された所定値以上の場合にインバータの動作が過変調領域であると判定し、予め設定された所定値未満の場合にインバータの動作がPWM変調領域であると判定するものである。 According to a fifth aspect of the invention, in particular, in the electric motor drive device of the third aspect of the invention, the operation mode determination means is the duty of the PWM signal generated by the PWM signal generation means or a voltage value based on the duty, or a duty correction value or duty When the voltage value based on the correction value or the modulation rate is equal to or greater than a predetermined value, the inverter operation is determined to be an overmodulation region, and when the inverter operation is less than the predetermined value, the inverter operation is PWM. It is determined that it is the modulation region.
これにより、電源電圧の変動や電動機の運転領域(回転数/負荷トルク)に依存せず、PWM変調領域(電圧飽和でない場合)か過変調領域(電圧飽和の場合)かを判定することができる。 As a result, it is possible to determine whether the PWM modulation region (when voltage saturation is not performed) or the overmodulation region (when voltage saturation occurs) without depending on fluctuations in the power supply voltage or the operation region (rotation speed / load torque) of the motor. .
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
(実施の形態1)
図1は、本発明の第1の実施の形態における電動機駆動装置のシステム構成図を示すものである。この電動機駆動装置は、直流電源1、電動機3に供給する駆動電圧を生成、出力するインバータ2、およびインバータ2を制御する制御部6を備える。電動機3は中性点を中心にY結線された3つの相巻線(4u、4v、4w)が取り付けられる固定子4、および磁石が装着されている回転子5を備える。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a system configuration diagram of an electric motor drive device according to a first embodiment of the present invention. This electric motor drive device includes a DC power source 1, an inverter 2 that generates and outputs a drive voltage supplied to the electric motor 3, and a control unit 6 that controls the inverter 2. The electric motor 3 includes a stator 4 to which three phase windings (4u, 4v, 4w) Y-connected around a neutral point are attached, and a rotor 5 to which a magnet is attached.
インバータ2は、一対のスイッチング素子からなるハーフブリッジ回路をU相用、V相用、W相用として三相分備える。ハーフブリッジ回路の一対のスイッチング素子は、直流電源1の高圧側端と低圧側端の間に直列接続され、ハーフブリッジ回路に直流電源1から出力される直流電圧が印加される。U相用のハーフブリッジ回路は、高圧側のスイッチング素子21uおよび低圧側のスイッチング素子21xより成る。V相用のハーフブリッジ回路は、高圧側のスイッチング素子21vおよび低圧側のスイッチング素子21yより成る。W相用のハーフブリッジ回路は、高圧側のスイッチング素子21wおよび低圧側のスイッチング素子21zより成る。また、各スイッチング素子と並列に還流ダイオード(22u〜22z)が接続されている。 The inverter 2 includes a half-bridge circuit composed of a pair of switching elements for three phases for the U phase, the V phase, and the W phase. The pair of switching elements of the half-bridge circuit are connected in series between the high-voltage side end and the low-voltage side end of the DC power supply 1, and a DC voltage output from the DC power supply 1 is applied to the half-bridge circuit. The U-phase half-bridge circuit includes a high-voltage side switching element 21u and a low-voltage side switching element 21x. The V-phase half-bridge circuit includes a high-voltage side switching element 21v and a low-voltage side switching element 21y. The W-phase half-bridge circuit includes a high-voltage side switching element 21w and a low-voltage side switching element 21z. In addition, free-wheeling diodes (22u to 22z) are connected in parallel with the switching elements.
インバータ2に印加されている直流電圧は、上述したインバータ2内のスイッチング素子のスイッチング動作によって三相の交流電圧に変換され、それにより電動機3が駆動される。 The DC voltage applied to the inverter 2 is converted into a three-phase AC voltage by the switching operation of the switching element in the inverter 2 described above, whereby the electric motor 3 is driven.
制御部6は、電流検出部7と、PWM信号生成部10と、誘起電圧推定部11と、回転子位置速度推定部12と、ベースドライバ13と、デューティ補正部14、印加電圧推定部15から構成される。 The control unit 6 includes a current detection unit 7, a PWM signal generation unit 10, an induced voltage estimation unit 11, a rotor position speed estimation unit 12, a base driver 13, a duty correction unit 14, and an applied voltage estimation unit 15. Composed.
PWM信号生成部10は、外部より与えられる目標速度を実現すべく、目標速度と現在の速度との誤差から演算により求められた電圧を出力するために、インバータ2の各スイッチング素子(21u〜21z)を駆動するためのPWM信号を生成する。その生成されたPWM信号はデューティ補正部14により補正される。補正後のPWM信号はベースドライバ13により、スイッチング素子を電気的に駆動するためのドライブ信号に変換され
る。そのドライブ信号に従って各スイッチング素子(21u〜21z)が動作する。
The PWM signal generation unit 10 outputs each switching element (21u to 21z) of the inverter 2 in order to output a voltage obtained by calculation from an error between the target speed and the current speed in order to realize a target speed given from the outside. ) Is generated. The generated PWM signal is corrected by the duty correction unit 14. The corrected PWM signal is converted by the base driver 13 into a drive signal for electrically driving the switching element. Each switching element (21u to 21z) operates according to the drive signal.
電流検出部7は、インバータ2の母線電流を観察し、その母線電流に現れる電動機3の相電流を検出する。電流検出部7は実施には母線電流が変化したときから所定期間の間だけ電流を検出する。 Current detector 7 observes the bus current of inverter 2 and detects the phase current of motor 3 that appears in the bus current. In practice, the current detector 7 detects the current only for a predetermined period from when the bus current changes.
印加電圧推定部15は、デューティ補正部14で補正されたデューティ補正値に基づいた電圧値から電動機3の仮想中性点電位を算出し、算出した仮想中性点電位を、デューティ補正値に基づいた電圧値から減算して印加電圧推定値を導出する。 The applied voltage estimation unit 15 calculates a virtual neutral point potential of the electric motor 3 from the voltage value based on the duty correction value corrected by the duty correction unit 14, and based on the calculated virtual neutral point potential based on the duty correction value. The applied voltage estimated value is derived by subtracting from the obtained voltage value.
誘起電圧推定部11は、電流検出部7で検出された電動機3の相電流と、印加電圧推定部15で推定された電動機3の印加電圧推定値により、電動機3の誘起電圧を推定する。さらに、回転子位置速度推定部12は、推定された誘起電圧から電動機3の回転子磁極位置および回転速度を推定する。推定された回転子磁極位置の情報に基づいて、PWM信号生成部10が電動機3を駆動するためのPWM信号を生成する。その際、PWM信号生成部10は、推定された電動機3の回転速度と外部から与えられる目標速度との偏差情報に基づいて、回転速度が目標速度と一致するようにPWM信号を制御する。 The induced voltage estimation unit 11 estimates the induced voltage of the electric motor 3 based on the phase current of the electric motor 3 detected by the current detection unit 7 and the applied voltage estimated value of the electric motor 3 estimated by the applied voltage estimation unit 15. Further, the rotor position / speed estimation unit 12 estimates the rotor magnetic pole position and the rotation speed of the electric motor 3 from the estimated induced voltage. Based on the information on the estimated rotor magnetic pole position, the PWM signal generation unit 10 generates a PWM signal for driving the electric motor 3. At that time, the PWM signal generator 10 controls the PWM signal based on deviation information between the estimated rotational speed of the electric motor 3 and the target speed given from the outside so that the rotational speed matches the target speed.
次に、誘起電圧推定部11の動作について説明する。電動機3の各相の巻線に流れる相電流(iu、iv、iw)は電流検出部7により検出されたインバータ2の母線電流から得られる。また、各相の巻線に印加される相電圧(vu、vv、vw)は、印加電圧推定部15により得られる印加電圧推定値を用いる。原理的には、これらの値から、下記式(1)〜(3)の演算により、各相の巻線に誘起される誘起電圧(eu、ev、ew)が求められる。ここで、Rは抵抗、Lはインダクタンスである。また、d(iu)/dt、d(iv)/dt、d(iw)/dtはそれぞれiu、iv、iwの時間微分である。 Next, the operation of the induced voltage estimation unit 11 will be described. The phase currents (iu, iv, iw) flowing through the windings of the respective phases of the electric motor 3 are obtained from the bus current of the inverter 2 detected by the current detection unit 7. Moreover, the applied voltage estimated value obtained by the applied voltage estimation part 15 is used for the phase voltage (vu, vv, vw) applied to the winding of each phase. In principle, the induced voltages (eu, ev, ew) induced in the windings of the respective phases are obtained from these values by the calculations of the following formulas (1) to (3). Here, R is a resistance and L is an inductance. D (iu) / dt, d (iv) / dt, and d (iw) / dt are time derivatives of iu, iv, and iw, respectively.
eu=vu−R・iu−L・d(iu)/dt 式(1)
ev=vv−R・iv−L・d(iv)/dt 式(2)
ew=vw−R・iw−L・d(iw)/dt 式(3)
ここで、式(1)〜(3)をさらに詳細に展開すると、次式(4)〜(6)となる。
eu = vu−R · iu−L · d (iu) / dt Equation (1)
ev = vv−R · iv−L · d (iv) / dt Equation (2)
ew = vw−R · iw−L · d (iw) / dt Equation (3)
Here, when formulas (1) to (3) are developed in more detail, the following formulas (4) to (6) are obtained.
eu=vu−R・iu
−(la+La)・d(iu)/dt
−Las・cos(2θ)・d(iu)/dt
−Las・iu・d{cos(2θ)}/dt
+0.5・La・d(iv)/dt
−Las・cos(2θ−2π/3)・d(iv)/dt
−Las・iv・d{cos(2θ−2π/3)}/dt
+0.5・La・d(iw)/dt
−Las・cos(2θ+2π/3)・d(iw)/dt
−Las・iw・d{cos(2θ+2π/3)}/dt 式(4)
ev=vv−R・iv
−(la+La)・d(iv)/dt
−Las・cos(2θ+2π/3)・d(iv)/dt
−Las・iv・d{cos(2θ+2π/3)}/dt
+0.5・La・d(iw)/dt
−Las・cos(2θ)・d(iw)/dt
−Las・iw・d{cos(2θ)}/dt
+0.5・La・d(iu)/dt
−Las・cos(2θ−2π/3)・d(iu)/dt
−Las・iu・d{cos(2θ−2π/3)}/dt 式(5)
ew=vw−R・iw
−(la+La)・d(iw)/dt
−Las・cos(2θ−2π/3)・d(iw)/dt
−Las・iw・d{cos(2θ−2π/3)}/dt
+0.5・La・d(iu)/dt
−Las・cos(2θ+2π/3)・d(iu)/dt
−Las・iu・d{cos(2θ+2π/3)}/dt
+0.5・La・d(iv)/dt
−Las・cos(2θ)・d(iv)/dt
−Las・iv・d{cos(2θ)}/dt 式(6)
ここで、d/dtは時間微分を表し、三角関数に関する微分の演算に現れるdθ/dtには推定速度ωを電気角速度に変換したものを用いる。また、d(iu)/dt、d(iv)/dt、d(iw)/dtは、1次オイラー近似で求める。なお、u相電流iuは、v相電流ivとw相電流iwとの和の符号を変えたものとする。ここで、Rは巻線一相あたりの抵抗、laは巻線一相あたりの漏れインダクタンス、Laは巻線一相あたりの有効インダクタンスの平均値、Lasは巻線一相あたりの有効インダクタンスの振幅である。
eu = vu-R · iu
− (La + La) · d (iu) / dt
-Las · cos (2θ) · d (iu) / dt
-Las · iu · d {cos (2θ)} / dt
+ 0.5 · La · d (iv) / dt
−Las · cos (2θ−2π / 3) · d (iv) / dt
-Las · iv · d {cos (2θ-2π / 3)} / dt
+ 0.5 · La · d (iw) / dt
−Las · cos (2θ + 2π / 3) · d (iw) / dt
−Las · iw · d {cos (2θ + 2π / 3)} / dt Equation (4)
ev = vv−R · iv
− (La + La) · d (iv) / dt
-Las · cos (2θ + 2π / 3) · d (iv) / dt
-Las · iv · d {cos (2θ + 2π / 3)} / dt
+ 0.5 · La · d (iw) / dt
−Las · cos (2θ) · d (iw) / dt
-Las · iw · d {cos (2θ)} / dt
+ 0.5 · La · d (iu) / dt
-Las · cos (2θ-2π / 3) · d (iu) / dt
-Las · iu · d {cos (2θ-2π / 3)} / dt Equation (5)
ew = vw-R · iw
− (La + La) · d (iw) / dt
-Las · cos (2θ-2π / 3) · d (iw) / dt
-Las · iw · d {cos (2θ-2π / 3)} / dt
+ 0.5 · La · d (iu) / dt
−Las · cos (2θ + 2π / 3) · d (iu) / dt
-Las · iu · d {cos (2θ + 2π / 3)} / dt
+ 0.5 · La · d (iv) / dt
−Las · cos (2θ) · d (iv) / dt
-Las · iv · d {cos (2θ)} / dt Equation (6)
Here, d / dt represents time differentiation, and dθ / dt appearing in the differentiation calculation regarding the trigonometric function is obtained by converting the estimated speed ω into the electrical angular speed. D (iu) / dt, d (iv) / dt, and d (iw) / dt are obtained by first-order Euler approximation. Note that the u-phase current iu is obtained by changing the sign of the sum of the v-phase current iv and the w-phase current iw. Where R is the resistance per winding phase, la is the leakage inductance per winding phase, La is the average effective inductance per winding phase, and Las is the effective inductance amplitude per winding phase. It is.
誘起電圧推定部11においては、式(4)〜(6)を簡略化した、式(7)〜(9)を使用する。ここでは、相電流(iu、iv、iw)が正弦波であると仮定し、電流指令振幅I*と電流指令位相βTとから相電流(iu、iv、iw)を作成して簡略化している。 In the induced voltage estimation unit 11, equations (7) to (9) obtained by simplifying equations (4) to (6) are used. Here, it is assumed that the phase current (iu, iv, iw) is a sine wave, and the phase current (iu, iv, iw) is created and simplified from the current command amplitude I * and the current command phase βT. .
eu=vu+R・I*・sin(θ+βT)
+1.5・(la+La)・cos(θ+βT)
−1.5・Las・cos(θ−βT) 式(7)
ev=vv+R・I*・sin(θ+βT−2π/3)
+1.5・(la+La)・cos(θ+βT−2π/3)
−1.5・Las・cos(θ−βT−2π/3) 式(8)
ew=vw+R・I*・sin(θ+βT+2π/3)
+1.5・(la+La)・cos(θ+βT+2π/3)
−1.5・Las・cos(θ−βT+2π/3) 式(9)
次に、回転子位置速度推定部12の動作について説明する。誘起電圧推定部11で推定された誘起電圧推定値(eu、ev、ew)から、電動機3の回転子磁極位置および回転速度を推定する。回転子位置速度推定部12は、それが認識している推定角度θを誘起電圧の誤差を用いて補正することにより、真値に収束させて求める。また、そこから推定速度ωを生成する。
eu = vu + R · I * · sin (θ + βT)
+1.5 ・ (la + La) ・ cos (θ + βT)
−1.5 · Las · cos (θ−βT) Equation (7)
ev = vv + R · I * · sin (θ + βT−2π / 3)
+ 1.5 · (la + La) · cos (θ + βT-2π / 3)
−1.5 · Las · cos (θ−βT−2π / 3) Formula (8)
ew = vw + R · I * · sin (θ + βT + 2π / 3)
+ 1.5 · (la + La) · cos (θ + βT + 2π / 3)
−1.5 · Las · cos (θ−βT + 2π / 3) Formula (9)
Next, the operation of the rotor position speed estimation unit 12 will be described. The rotor magnetic pole position and rotation speed of the electric motor 3 are estimated from the induced voltage estimated values (eu, ev, ew) estimated by the induced voltage estimation unit 11. The rotor position speed estimator 12 obtains the estimated angle θ recognized by the rotor position by converging it to a true value by using the error of the induced voltage. Also, an estimated speed ω is generated therefrom.
まず、各相の誘起電圧基準値(eum、evm、ewm)を式(10)〜(12)で求める。ここで、誘起電圧振幅値emは、誘起電圧推定値(eu、ev、ew)の振幅値と一致させることにより求める。 First, an induced voltage reference value (eum, evm, ewm) of each phase is obtained by equations (10) to (12). Here, the induced voltage amplitude value em is obtained by matching the amplitude value of the induced voltage estimated values (eu, ev, ew).
eum=em・sin(θ+βT) 式(10)
evm=em・sin(θ+βT−2π/3) 式(11)
ewm=em・sin(θ+βT+2π/3) 式(12)
このようにして求めた誘起電圧基準値esmと、誘起電圧推定値esとの偏差εを求める(s=u、v、w(sは相を表す))。
eum = em · sin (θ + βT) Equation (10)
evm = em · sin (θ + βT−2π / 3) Equation (11)
ewm = em · sin (θ + βT + 2π / 3) Formula (12)
Deviation ε between the induced voltage reference value esm thus obtained and the induced voltage estimated value es is obtained (s = u, v, w (s represents a phase)).
ε=es−esm (s=u、v、w) 式(13)
この偏差εが0になれば推定角度θが真値になるので、偏差εを0に収斂させるように
、推定角度θを、偏差εを用いたPI演算などを行って求める。また、推定角度θの変動値を演算することにより、推定速度ωを求める。
ε = es-esm (s = u, v, w) Equation (13)
Since the estimated angle θ becomes a true value when the deviation ε becomes 0, the estimated angle θ is obtained by performing PI calculation using the deviation ε so that the deviation ε is converged to 0. Further, the estimated speed ω is obtained by calculating the fluctuation value of the estimated angle θ.
PWM信号生成部10は、目標速度ω*を実現するために、目標速度ω*と推定速度ωとの誤差Δωにより、出力すべき電圧V*をPI演算などを用いて計算する。その電圧値V*から各相に出力するべき電圧(vu*、vv*、vw*)を式(14)〜(16)で求める。 In order to realize the target speed ω *, the PWM signal generation unit 10 calculates the voltage V * to be output by using PI calculation or the like based on the error Δω between the target speed ω * and the estimated speed ω. From the voltage value V *, voltages (vu *, vv *, vw *) to be output to each phase are obtained by the equations (14) to (16).
vu*=V*・sin(θ+βT) 式(14)
vv*=V*・sin(θ+βT−2π/3) 式(15)
vw*=V*・sin(θ+βT+2π/3) 式(16)
さらに、このようにして求められた電圧(vu*、vv*、vw*)を出力するための各スイッチング素子(21u〜21z)のPWM信号はデューティ補正部14により補正され、ベースドライバ13に出力される。各スイッチング素子(21u〜21z)は、その補正後のPWM信号に従って駆動され、正弦波状の交流を生成する。
vu * = V * · sin (θ + βT) Equation (14)
vv * = V * · sin (θ + βT−2π / 3) Equation (15)
vw * = V * · sin (θ + βT + 2π / 3) Equation (16)
Further, the PWM signals of the switching elements (21u to 21z) for outputting the voltages (vu *, vv *, vw *) thus obtained are corrected by the duty correction unit 14 and output to the base driver 13. Is done. Each switching element (21u to 21z) is driven according to the PWM signal after the correction, and generates a sine wave AC.
以上のように、本発明の電動機駆動装置は、誘起電圧推定値と誘起電圧基準値との偏差εを用いて推定角度θを作成し、正弦波状の相電流を流すことにより電動機3の正弦波駆動を実現している。 As described above, the electric motor drive device of the present invention creates the estimated angle θ using the deviation ε between the induced voltage estimated value and the induced voltage reference value, and flows the sinusoidal phase current to cause the sine wave of the electric motor 3 to flow. Drive is realized.
ここで、インバータ2の母線電流に電動機3の相電流が現れる様子を、図3〜8を用いて説明する。図3は、電動機3の各相の巻線に流れる相電流の状態と、電気角60°毎の各区間における各相の巻線に流れる電流の方向とを示した図である。図3を参照すると、電気角0〜60°の区間においては、U相巻線4uとW相巻線4wには非結線端から中性点に向けて、V相巻線4vには中性点から非結線端に向けて電流が流れている。また、電気角60〜120°の区間においては、U相巻線4uには非結線端から中性点に向けて、V相巻線4vとW相巻線4wには中性点から非結線端に向けて電流が流れている。以降、電気角60°毎に各相の巻線に流れる相電流の状態が変化していく様子が示されている。 Here, how the phase current of the electric motor 3 appears in the bus current of the inverter 2 will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a diagram showing the state of the phase current flowing through the windings of each phase of the electric motor 3 and the direction of the current flowing through the windings of each phase in each section at every electrical angle of 60 °. Referring to FIG. 3, in the section where the electrical angle is 0 to 60 °, the U-phase winding 4u and the W-phase winding 4w are neutral from the unconnected end to the neutral point, and the V-phase winding 4v is neutral. Current flows from the point toward the unconnected end. Further, in the section of electrical angle of 60 to 120 °, the U-phase winding 4u is connected from the non-connection end toward the neutral point, and the V-phase winding 4v and the W-phase winding 4w are not connected from the neutral point. Current is flowing toward the edge. Hereinafter, it is shown that the state of the phase current flowing through the windings of each phase changes every electrical angle of 60 °.
例えば、図3において電気角30°の時にPWM信号生成手段10で生成されたPWM信号が図4のように変化した場合を考える。ここで、図4において、信号Uはスイッチング素子21uを、信号Vはスイッチング素子21vを、信号Wはスイッチング素子21wを、信号Xはスイッチング素子21xを、信号Yはスイッチング素子21yを、信号Zはスイッチング素子21zを動作させる信号を示す。これらの信号はアクティブ・ハイで記載している。この場合、インバータ2の母線には図5に示すように、タイミング1では電流が現れず、タイミング2ではW相巻線4wに流れる電流(W相電流)が現れ、タイミング3ではV相巻線4vに流れる電流(V相電流)が現れる。 For example, consider the case where the PWM signal generated by the PWM signal generation means 10 changes as shown in FIG. 4 when the electrical angle is 30 ° in FIG. Here, in FIG. 4, the signal U is the switching element 21u, the signal V is the switching element 21v, the signal W is the switching element 21w, the signal X is the switching element 21x, the signal Y is the switching element 21y, and the signal Z is A signal for operating the switching element 21z is shown. These signals are listed as active high. In this case, as shown in FIG. 5, no current appears at the timing 1 on the bus of the inverter 2, a current (W-phase current) flowing through the W-phase winding 4 w appears at the timing 2, and a V-phase winding at the timing 3. A current flowing in 4v (phase V current) appears.
別の例として、図3において電気角30°の時にPWM信号生成部10で生成されたPWM信号が図6のように変化する場合を考える。この場合、インバータ2の母線には図7に示すように、タイミング1では電流が現れず、タイミング2ではU相巻線4uに流れる電流(U相電流)が現れ、タイミング3ではV相巻線4vに流れる電流(V相電流)が現れる。 As another example, consider the case where the PWM signal generated by the PWM signal generation unit 10 changes as shown in FIG. 6 when the electrical angle is 30 ° in FIG. In this case, as shown in FIG. 7, no current appears at the timing 1 at the bus of the inverter 2, current (U-phase current) flowing through the U-phase winding 4 u appears at the timing 2, and V-phase winding at the timing 3. A current flowing in 4v (phase V current) appears.
このように、インバータ2の母線上にスイッチング素子(21u〜21z)の状態に応じた電動機3の相電流が現れることが分かる。 Thus, it can be seen that the phase current of the electric motor 3 corresponding to the state of the switching elements (21u to 21z) appears on the bus of the inverter 2.
上述のように近接したタイミングで二相分の電流を判断することができれば、次式の関係から各相の相電流(iu、iv、iw)が求められることは明らかである。 If the currents for two phases can be determined at close timings as described above, it is clear that the phase currents (iu, iv, iw) of each phase can be obtained from the relationship of the following equation.
iu+iv+iw=0 式(17)
しかしながら、図3において電気角30°の時にPWM信号生成部10で生成されたPWM信号が図8のように変化する場合、インバータ2の母線上には、タイミング1では電流が現れず、タイミング3ではV相電流のみが現れる。つまり、この場合は一相分の電流しか検出できない。従って、このように変化するPWM信号が繰り返されると三相それぞれの電流を求めることができず、誘起電圧推定部11で誘起電圧の推定が不能になり、電動機3の駆動ができなくなる。
iu + iv + iw = 0 Formula (17)
However, when the PWM signal generated by the PWM signal generation unit 10 changes as shown in FIG. 8 when the electrical angle is 30 ° in FIG. 3, no current appears on the bus of the inverter 2 at the timing 1, and the timing 3 Then, only the V-phase current appears. That is, in this case, only the current for one phase can be detected. Therefore, if the PWM signal changing in this way is repeated, the currents of the three phases cannot be obtained, and the induced voltage estimation unit 11 cannot estimate the induced voltage, and the motor 3 cannot be driven.
上記のような不具合を回避すべく、デューティ補正部14は、電動機3の各相の巻線流れる相電流を検出する必要がある期間においては、PWM信号生成部10で生成されるPWM信号をチェックし、もし、そのPWM信号が二相分の相電流の検出を不可とする信号(例えば、図8に示すようなPWM信号)である場合、そのPWM信号を二相分の相電流を確実に検出可能とするPWM信号(例えば、図4や図6に示すようなPWM信号)に補正し、その補正したPWM信号は、電流検出部7にてインバータ2の母線電流を検出している期間は変化させないようにする。また、デューティ補正部14から出力されたPWM信号のデューティ情報は電流検出部7にも入力される。電流検出部7はインバータ2の母線電流に電動機3のどの相の電流が現れているのか判断し、各相の電流値に変換する。電流検出部7による各相の検出電流値は誘起電圧推定部11での誘起電圧推定演算に活用される。 In order to avoid the above problems, the duty correction unit 14 checks the PWM signal generated by the PWM signal generation unit 10 during the period in which it is necessary to detect the phase current flowing through the winding of each phase of the motor 3. If the PWM signal is a signal that disables detection of the phase current for two phases (for example, a PWM signal as shown in FIG. 8), the PWM signal can be used to ensure the phase current for two phases. It is corrected to a PWM signal that can be detected (for example, a PWM signal as shown in FIGS. 4 and 6), and the corrected PWM signal is a period during which the current detection unit 7 detects the bus current of the inverter 2. Do not change. The duty information of the PWM signal output from the duty correction unit 14 is also input to the current detection unit 7. The current detection unit 7 determines which phase current of the electric motor 3 appears in the bus current of the inverter 2, and converts it into a current value of each phase. The detected current value of each phase by the current detection unit 7 is used for the induced voltage estimation calculation in the induced voltage estimation unit 11.
以上のように、電流センサなどの電流検出手段をインバータ2と電動機3の間の線間に2つ以上設けることなく安価なシステム構成で正弦波駆動を実現している。 As described above, sinusoidal driving is realized with an inexpensive system configuration without providing two or more current detection means such as a current sensor between the lines between the inverter 2 and the electric motor 3.
次に、本発明の特徴である印加電圧推定部15の動作について説明する。 Next, the operation of the applied voltage estimation unit 15 that is a feature of the present invention will be described.
まず、印加電圧推定部15では、デューティ補正部14で補正されたデューティ補正値に基づいた電圧値(vuh*、vvh*、vwh*)から電動機3の仮想中性点電位を次式で求める。 First, the applied voltage estimation unit 15 obtains the virtual neutral point potential of the motor 3 from the voltage values (vuh *, vvh *, vwh *) based on the duty correction value corrected by the duty correction unit 14 by the following equation.
vn=(vuh*+vvh*+vwh*)/3 式(18)
なお、デューティ補正値に基づいた電圧値(vuh*、vvh*、vwh*)については、デューティ補正部14で補正されたPWM信号のデューティ値を、直流電圧検出部8で検出されたインバータ2の直流電圧の情報により電圧値に変換する。
vn = (vuh * + vvh * + vwh *) / 3 Formula (18)
For the voltage values (vuh *, vvh *, vwh *) based on the duty correction value, the duty value of the PWM signal corrected by the duty correction unit 14 is the value of the inverter 2 detected by the DC voltage detection unit 8. It is converted into a voltage value based on DC voltage information.
このようにして求めた仮想中性点電位vnと、デューティ補正値に基づいた電圧値(vuh*、vvh*、vwh*)とから電動機3の印加電圧推定値を式(19)〜(21)で求める。 From the virtual neutral point potential vn thus obtained and the voltage values (vuh *, vvh *, vwh *) based on the duty correction value, the applied voltage estimated value of the electric motor 3 is expressed by the equations (19) to (21). Ask for.
vu=vuh*−vn 式(19)
vv=vvh*−vn 式(20)
vw=vwh*−vn 式(21)
このようにして求めた印加電圧推定値(vu、vv、vw)は、誘起電圧推定部11での誘起電圧推定演算に活用される。
vu = vuh * -vn Formula (19)
vv = vvh * −vn Formula (20)
vw = vwh * -vn Formula (21)
The applied voltage estimated values (vu, vv, vw) obtained in this way are used for the induced voltage estimation calculation in the induced voltage estimation unit 11.
ここで、デューティ補正値に基づいた電圧値(vuh*、vvh*、vwh*)は、2相変調や3次高調波を重畳させた場合、あるいはPWM信号生成手段で演算された電圧と実際にインバータが出力する電圧(デューティ補正手段で補正された後のPWM信号)との乖離が大きくなる過変調領域(電圧飽和となる場合)においても、確実に電動機3に印加される電圧を推定できることについて図9〜図11を用いて説明する。 Here, the voltage values (vuh *, vvh *, vwh *) based on the duty correction value are actually the same as the voltage calculated by the PWM signal generation means when two-phase modulation or third-order harmonics are superimposed. The voltage applied to the motor 3 can be reliably estimated even in an overmodulation region (when voltage saturation occurs) in which the deviation from the voltage output by the inverter (PWM signal after being corrected by the duty correction means) is large. This will be described with reference to FIGS.
図9は3相変調の場合、図10は3次高調波を重畳させた場合、図11は2相変調の場合のデューティ補正値に基づいた電圧値(一相分)、仮想中性点電位、印加電圧推定値(一相分)の波形を示した図であり、図9〜図11において、それぞれ(a)がPWM変調領域(電圧飽和でない場合)、(b)が過変調領域(電圧飽和の場合)を示している。いずれの場合においても、電動機3の印加電圧を求めることできる。 9 shows a case of three-phase modulation, FIG. 10 shows a case where a third harmonic is superimposed, FIG. 11 shows a voltage value (for one phase) based on a duty correction value in the case of two-phase modulation, a virtual neutral point potential. FIG. 9 is a diagram showing a waveform of an applied voltage estimated value (for one phase). In FIGS. 9 to 11, (a) is a PWM modulation region (when voltage is not saturated), and (b) is an overmodulation region (voltage), respectively. In the case of saturation). In any case, the applied voltage of the electric motor 3 can be obtained.
以上のように、2相変調や3次高調波を重畳させた場合、あるいはPWM信号生成手段で演算された電圧と実際にインバータが出力する電圧(デューティ補正手段で補正された後のPWM信号)との乖離が大きくなる過変調領域(電圧飽和となる場合)においても、デューティ補正部14で補正されたデューティ補正値に基づいた電圧値から確実に電動機に印加される電圧を推定することができ、その推定された印加電圧を用いて誘起電圧を推定することで、誘起電圧の推定誤差を減少させ、高精度な回転子磁極位置および回転速度の推定が実現できる。 As described above, when two-phase modulation or third-order harmonics are superimposed, or the voltage calculated by the PWM signal generation means and the voltage actually output by the inverter (PWM signal after being corrected by the duty correction means) Even in the overmodulation region (when voltage saturation occurs) in which the deviation from the voltage increases, the voltage applied to the motor can be reliably estimated from the voltage value based on the duty correction value corrected by the duty correction unit 14. By estimating the induced voltage using the estimated applied voltage, the estimation voltage estimation error can be reduced, and the rotor pole position and rotation speed can be estimated with high accuracy.
(実施の形態2)
図2は、本発明の第2の実施の形態における電動機駆動装置のシステム構成図を示すものである。図1に示す第1の実施の形態における電動機駆動装置と同じ構成要素は同一符号で示してあり、その説明は重複するため省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
(Embodiment 2)
FIG. 2 is a system configuration diagram of an electric motor drive device according to the second embodiment of the present invention. The same components as those of the electric motor driving apparatus in the first embodiment shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted because it is duplicated.
動作モード判定部16は、インバータの周波数あるいは回転子位置速度推定部12で推定された回転速度が予め設定された所定値(周波数F、あるいは回転数N)以上の場合にインバータ2の動作が過変調領域(電圧飽和の場合)であると判定し、予め設定された所定値(周波数F、あるいは回転数N)未満の場合にインバータの動作がPWM変調領域(電圧飽和でない場合)であると判定するのが好ましい。この場合は、特に電源電圧の変動が少なく、電動機の負荷トルク範囲が比較的狭い場合において、簡単な構成でPWM変調領域(電圧飽和でない場合)か過変調領域(電圧飽和の場合)かを判定することができる。 The operation mode determination unit 16 performs excessive operation of the inverter 2 when the frequency of the inverter or the rotation speed estimated by the rotor position speed estimation unit 12 is equal to or greater than a predetermined value (frequency F or rotation speed N). It is determined that it is in the modulation region (in the case of voltage saturation), and it is determined that the operation of the inverter is in the PWM modulation region (in the case of not voltage saturation) when it is less than a predetermined value (frequency F or rotation speed N). It is preferable to do this. In this case, especially when there is little fluctuation in the power supply voltage and the load torque range of the motor is relatively narrow, it is determined whether the PWM modulation area (when voltage saturation is not) or overmodulation area (when voltage saturation) with a simple configuration can do.
また、動作モード判定部16は、PWM信号生成部10で生成されたPWM信号のデューティもしくはそのデューティに基づいた電圧値、あるいはデューティ補正部14で補正されたデューティ補正値もしくはデューティ補正値に基づいた電圧値、あるいは変調率が予め設定された所定値(デューティD、あるいは電圧値V、あるいは変調率σ)以上の場合にインバータの動作が過変調領域であると判定し、予め設定された所定値(デューティD、あるいは電圧値V、あるいは変調率σ)未満の場合にインバータの動作がPWM変調領域であると判定するのが好ましい。この場合は、電源電圧の変動や電動機の運転領域(回転数/負荷トルク)に依存せず、PWM変調領域(電圧飽和でない場合)か過変調領域(電圧飽和の場合)かを判定することができる。 Further, the operation mode determination unit 16 is based on the duty of the PWM signal generated by the PWM signal generation unit 10 or a voltage value based on the duty, or the duty correction value or duty correction value corrected by the duty correction unit 14. When the voltage value or the modulation rate is equal to or greater than a predetermined value (duty D, voltage value V, or modulation rate σ), it is determined that the operation of the inverter is an overmodulation region, and the predetermined value is set in advance. It is preferable to determine that the operation of the inverter is in the PWM modulation region when it is less than (duty D, voltage value V, or modulation factor σ). In this case, it is possible to determine whether the PWM modulation region (when voltage saturation is not performed) or the overmodulation region (when voltage saturation occurs) without depending on fluctuations in the power supply voltage or the operation region (rotation speed / load torque) of the motor. it can.
なお、PWM信号生成部10で生成されたPWM信号のデューティに基づいた電圧値やデューティ補正値に基づいた電圧値については、直流電圧検出部8で検出されたインバータ2の直流電圧の情報により電圧値に変換する。また、この電圧値の最大値と直流電圧の比率から変調率は導出できる。 Note that the voltage value based on the duty of the PWM signal generated by the PWM signal generation unit 10 and the voltage value based on the duty correction value are determined based on the DC voltage information of the inverter 2 detected by the DC voltage detection unit 8. Convert to value. Further, the modulation rate can be derived from the ratio between the maximum value of the voltage value and the DC voltage.
印加電圧推定部15では、動作モード判定部16の判定結果が過変調領域(電圧飽和でない場合)にのみ、式(18)〜式(21)を用いて、入力値であるデューティ補正値に基づいた電圧値(vuh*、vvh*、vwh*)から電動機3の印加電圧推定値(vu、vv、vw)を導出して出力し、動作モード判定部16の判定結果がPWM変調領域(電圧飽和でない場合)には、入力値であるデューティ補正値に基づいた電圧値(vuh*、vvh*、vwh*)をそのまま出力する。その出力値が誘起電圧推定部11での誘起
電圧推定演算に活用される。
In the applied voltage estimation unit 15, the determination result of the operation mode determination unit 16 is based only on the duty correction value that is an input value using Expressions (18) to (21) only in the overmodulation region (when voltage saturation is not performed). The applied voltage estimation values (vu, vv, vw) of the electric motor 3 are derived from the measured voltage values (vuh *, vvh *, vwh *) and output, and the determination result of the operation mode determination unit 16 is the PWM modulation region (voltage saturation) If not, the voltage values (vuh *, vvh *, vwh *) based on the duty correction value that is the input value are output as they are. The output value is utilized for the induced voltage estimation calculation in the induced voltage estimation unit 11.
以上により、第1の実施の形態における電動機駆動装置に対してマイコンなどの演算装置の負担を軽減しつつ、特にPWM信号生成手段で演算された電圧と実際にインバータが出力する電圧(デューティ補正手段で補正された後のPWM信号)との乖離が大きくなる過変調領域(電圧飽和の場合)において、確実に電動機に印加される電圧を推定することができる。 As described above, the voltage calculated by the PWM signal generation unit and the voltage actually output by the inverter (duty correction unit) are reduced while reducing the burden on the arithmetic unit such as the microcomputer with respect to the motor driving device in the first embodiment. In the overmodulation region (in the case of voltage saturation) in which the deviation from the PWM signal after correction in (1) becomes large, the voltage applied to the motor can be reliably estimated.
以上のように、本発明の電動機駆動装置によれば、デューティ補正部で補正されたPWM信号のデューティの情報から電動機に印加される電圧を推定し、その推定された電動機の印加電圧を用いて誘起電圧を推定することで、誘起電圧の推定誤差を減少させ、高精度な回転子磁極位置および回転速度の推定が実現できるため、ルームエアコンなどの空気調和機における圧縮機の電動機駆動装置に応用することができる。 As described above, according to the motor drive device of the present invention, the voltage applied to the motor is estimated from the duty information of the PWM signal corrected by the duty correction unit, and the estimated voltage applied to the motor is used. By estimating the induced voltage, the estimation error of the induced voltage can be reduced and the rotor pole position and rotation speed can be estimated with high accuracy, so it can be applied to the motor drive device of the compressor in an air conditioner such as a room air conditioner. can do.
1 直流電源
2 インバータ
21u〜21z スイッチング素子
22u〜22z 還流ダイオード
3 電動機
4 固定子
4u〜4w 固定子巻線
5 回転子
6 制御部
7 電流検出部
8 直流電圧検出部
10 PWM信号生成部
11 誘起電圧推定部
12 回転子位置速度推定部
13 ベースドライバ
14 デューティ補正部
15 印加電圧推定部
16 動作モード判定部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 DC power supply 2 Inverter 21u-21z Switching element 22u-22z Freewheeling diode 3 Electric motor 4 Stator 4u-4w Stator winding 5 Rotor 6 Control part 7 Current detection part 8 DC voltage detection part 10 PWM signal generation part 11 Induced voltage Estimating unit 12 Rotor position speed estimating unit 13 Base driver 14 Duty correction unit 15 Applied voltage estimating unit 16 Operation mode determining unit
Claims (5)
前記デューティ補正手段は、前記電流検出手段で前記インバータ母線電流を検出している間はPWM信号を変化させないようにデューティを補正し、
前記印加電圧推定手段は、前記デューティ補正手段で補正したデューティ補正値に基づいた電圧値から前記電動機の印加電圧を推定することを特徴とする電動機駆動装置。 From inverter information for converting DC power into AC power of desired frequency and voltage and supplying the electric power to the motor, current detection means for detecting the bus current of the inverter, and duty information of the PWM signal for controlling the inverter An induced voltage of the electric motor is estimated from an applied voltage estimating means for estimating a voltage applied to the electric motor, a current value detected by the current detecting means and an applied voltage estimated value estimated by the applied voltage estimating means. Induced voltage estimating means, rotor position speed estimating means for estimating the rotor magnetic pole position and rotation speed of the electric motor based on the induced voltage estimated value estimated by the induced voltage estimating means, and the rotor position speed estimating means PWM signal generating means for generating a PWM signal for controlling the inverter based on the information on the rotor magnetic pole position estimated by And a duty correction means for correcting the duty of the generated PWM signal generating means,
The duty correction means corrects the duty so as not to change the PWM signal while the inverter bus current is detected by the current detection means,
The motor drive apparatus according to claim 1, wherein the applied voltage estimation means estimates the applied voltage of the motor from a voltage value based on the duty correction value corrected by the duty correction means.
前記印加電圧推定手段は、前記動作モード判定手段の判定結果が過変調領域の場合にのみ入力値であるデューティ補正値に基づいた電圧値から印加電圧推定値を導出して出力し、前記動作モード判定手段の判定結果がPWM変調領域の場合には入力値であるデューティ補正値に基づいた電圧値をそのまま出力することを特徴とする請求項2に記載の電動機駆動装置。 An operation mode determination means for determining whether the switching operation of the inverter is a PWM modulation region or an overmodulation region;
The applied voltage estimating means derives and outputs an applied voltage estimated value from a voltage value based on a duty correction value that is an input value only when the determination result of the operation mode determining means is an overmodulation region, and the operation mode 3. The electric motor drive device according to claim 2, wherein when the determination result of the determination means is in the PWM modulation region, the voltage value based on the duty correction value which is an input value is output as it is.
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