JP2010136586A - Magnetic pole position estimator for electric motor - Google Patents

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Masahiko Akiyama
雅彦 秋山
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetic pole position estimator for an electric motor, capable of preventing an increase in estimation error in estimating a magnetic pole position while scaling down the electric motor and enhancing output. <P>SOLUTION: The magnetic pole position estimator 10 for an electric motor includes: a magnetic pole position error estimating section 46 for estimating a phase difference Δθe of a γδ coordinate system for a dq coordinate system by utilizing the fact that an induction voltage generated by the motor 11 changes depending on a rotation speed; a rotation speed-magnetic pole position operating section 47 for operating a magnetic pole position estimation value θe from the phase difference Δθe; and a command current generating section 42 for changing a current command value into a value not less than a predetermined value when the current command value is less than the predetermined value in a result of determination for determining whether or not the current command value for the actual value of the motor 11 is less than the predetermined value, and maintaining the torque of the motor 11 at non-changing before and after the change of the current command value. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、電動機の磁極位置推定装置に関する。   The present invention relates to a magnetic pole position estimation device for an electric motor.

従来、例えば筒状のヨーク部とティース部からなる薄板状のコアを積層して構成したステータコアと、ティース部に装着した電機子巻線とを備えたステータを有し、ティース部の幅寸法を先端に向かって狭くなるように多段階的に変化させたACサーボモータが知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開2002−354716号公報
Conventionally, for example, it has a stator core that is formed by laminating a thin plate-like core composed of a cylindrical yoke part and a tooth part, and an armature winding attached to the tooth part. There is known an AC servo motor that is changed in multiple stages so as to narrow toward the tip (see, for example, Patent Document 1).
JP 2002-354716 A

ところで、上記従来技術に係るACサーボモータにおいては、モータ制御が煩雑あるいは困難になることを防止するために、入力電流に対する出力トルクの直線性を有することが望まれている。しかしながら、出力トルクの直線性は、電機子のティース部における磁気飽和に起因するトルク飽和によって劣化してしまうという問題が生じる。
このような問題に対して、従来、例えばティース幅を長くしたり、ティースを短くして、磁気飽和を低減する方法が知られている。
しかしながら、例えばティース幅を広くする場合には、電機子巻線の面積が減少すると共に、ティース先端部同士の間隔が狭くなることで漏れ磁束が増大し、出力特性が悪化してしまうという問題が生じる。また、例えばティースを短くする場合には、電機子巻線の面積が減少すると共に、回転子の外径が増大して回転子の慣性が増大してしまうという問題が生じる。
また、ティース先端部は電機子巻線に通電される巻線電流によって発生する磁束の磁路に含まれることから、ティース部における磁気飽和に起因してインダクタンスが変化してしまうという問題が生じる、そして、このようなインダクタンスの変化により、モータの磁極位置を推定する際の推定誤差が増大してしまうという問題が生じる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、電動機を小型化かつ高出力化しつつ、磁極位置を推定する際の推定誤差が増大することを防止することが可能な電動機の磁極位置推定装置を提供することを目的とする。
By the way, in the AC servomotor according to the above prior art, in order to prevent the motor control from becoming complicated or difficult, it is desired to have linearity of the output torque with respect to the input current. However, there is a problem that the linearity of the output torque is deteriorated due to torque saturation caused by magnetic saturation in the tooth portion of the armature.
In order to solve such a problem, conventionally, for example, a method of reducing magnetic saturation by increasing a tooth width or shortening a tooth is known.
However, for example, when the tooth width is widened, the area of the armature winding is reduced, and the gap between the tooth tip portions is narrowed, so that the leakage magnetic flux is increased and the output characteristics are deteriorated. Arise. Further, for example, when the teeth are shortened, the area of the armature winding is reduced, and the outer diameter of the rotor is increased to increase the inertia of the rotor.
In addition, since the tip of the tooth is included in the magnetic path of the magnetic flux generated by the winding current supplied to the armature winding, there arises a problem that the inductance changes due to magnetic saturation in the tooth. And the problem that the estimation error at the time of estimating the magnetic pole position of a motor will increase by such a change of an inductance will arise.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a magnetic pole position estimating device for an electric motor capable of preventing an increase in estimation error when estimating the magnetic pole position while reducing the size and increasing the output of the electric motor. The purpose is to provide.

上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明の第1態様に係る電動機の磁極位置推定装置は、パルス幅変調信号により3相交流の電動機への通電を順次転流させるインバータ(例えば、実施の形態でのインバータ13)と、前記パルス幅変調信号を搬送波信号により生成するパルス幅変調信号生成手段(例えば、実施の形態でのPWM信号生成部23)と、dq座標系に対して位相差を有するγδ座標系を設定し、前記電動機に通電される電流に応じた実電流と前記電動機の所定モデルの電圧方程式に応じたモデル電流との電流偏差に基づき前記位相差を算出する位相差算出手段(例えば、実施の形態での磁極位置誤差推定部46)と、前記位相差算出手段により算出された前記位相差に基づき前記電動機の磁極位置を演算する磁極位置演算手段(例えば、実施の形態での回転速度−磁極位置演算部47)と、前記実電流に対する電流指令値が所定値未満であるか否かを判定する判定手段(例えば、実施の形態での指令電流生成部42)と、前記判定手段による判定結果において前記電流指令値が所定値未満である場合に、前記電動機のトルクを不変に維持しつつ、前記電流指令値を前記所定値以上に変更する指令電流設定手段(例えば、実施の形態での指令電流生成部42が兼ねる)とを備える。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, the motor magnetic pole position estimation device according to the first aspect of the present invention is an inverter that sequentially commutates energization to a three-phase AC motor by a pulse width modulation signal. For example, with respect to the inverter 13) in the embodiment, pulse width modulation signal generation means (for example, the PWM signal generation unit 23 in the embodiment) that generates the pulse width modulation signal by a carrier wave signal, and the dq coordinate system Γδ coordinate system having a phase difference is set, and the phase difference is calculated based on a current deviation between an actual current according to a current supplied to the motor and a model current according to a voltage equation of a predetermined model of the motor. A magnetic pole for calculating the magnetic pole position of the motor based on the phase difference calculated by the phase difference calculating means (for example, the magnetic pole position error estimating unit 46 in the embodiment) and the phase difference calculating means. Position calculation means (for example, rotational speed-magnetic pole position calculation unit 47 in the embodiment) and determination means for determining whether or not the current command value for the actual current is less than a predetermined value (for example, in the embodiment) If the current command value is less than a predetermined value in the determination result by the command current generation unit 42) and the determination means, the current command value is set to be equal to or greater than the predetermined value while maintaining the torque of the motor unchanged. Command current setting means for changing (for example, the command current generation unit 42 in the embodiment also serves as).

さらに、本発明の第2態様に係る電動機の磁極位置推定装置は、前記電動機に磁極位置検出用の高調波電圧を印加する高調波電圧印加手段(例えば、実施の形態での検出用電圧印加部49)を備え、前記指令電流設定手段は、前記高調波電圧印加手段により前記電動機に印加される前記高調波電圧に応じた前記実電流の電流変化量に基づき、前記電動機のトルクを不変に維持しつつ、前記実電流が前記所定値以上となるように前記電流指令値を変更する。   Furthermore, the magnetic pole position estimation device for an electric motor according to the second aspect of the present invention is a harmonic voltage applying means for applying a harmonic voltage for detecting the magnetic pole position to the electric motor (for example, a detection voltage applying unit in the embodiment). 49), and the command current setting means maintains the torque of the motor unchanged based on a current change amount of the actual current according to the harmonic voltage applied to the motor by the harmonic voltage application means. However, the current command value is changed so that the actual current becomes equal to or greater than the predetermined value.

本発明の第1態様に係る電動機の磁極位置推定装置によれば、電動機のトルクを不変に維持した状態で電流指令値を所定値以上に維持することで、インダクタンスの非線形性が生じる領域、つまり実電流の大きさによってインダクタンスが変化する領域を回避することができる。これにより、電動機を小型化かつ高出力化する際に、ステータのティース先端部同士の間隔を大きくすることができない場合であっても、実電流が所定値未満となって漏れ磁束の寄与が増大して実電流の大きさによってインダクタンスが変化する状態が生じることを防止することができ、電動機の出力特性が悪化してしまうことを防止することができる。そして、電動機の通電においてインダクタンスの非線形性が生じる領域を回避することにより、例えばIPM(Interior Permanent Magnet)モータなどにおいてインダクタンスの突極性を利用して磁極位置の推定をおこなう場合であっても、適切な推定をおこなうことができ、推定精度が低下してしまうことを防止することができる。   According to the magnetic pole position estimation device of the electric motor according to the first aspect of the present invention, an area where the nonlinearity of the inductance is generated by maintaining the current command value at a predetermined value or more while maintaining the torque of the electric motor unchanged, that is, It is possible to avoid a region where the inductance varies depending on the magnitude of the actual current. As a result, when the motor is downsized and increased in output, even if it is not possible to increase the spacing between the teeth tip portions of the stator, the actual current becomes less than the predetermined value and the contribution of leakage flux increases. Thus, it is possible to prevent a state in which the inductance changes depending on the magnitude of the actual current, and it is possible to prevent the output characteristics of the motor from being deteriorated. Even if the magnetic pole position is estimated by using the saliency of the inductance in an IPM (Interior Permanent Magnet) motor, for example, by avoiding the region where the inductance non-linearity occurs when the motor is energized. Therefore, it is possible to prevent the estimation accuracy from being lowered.

さらに、本発明の第2態様に係る電動機の磁極位置推定装置によれば、電動機のインダクタンスが磁極位置により変化することを利用して磁極位置を推定する場合であっても、高調波電圧の印加に応じた実電流の電流変化量に基づき、電動機のトルクを不変に維持しつつ、実電流が変動したとしても的確に所定値以上となるように電流指令値を変更することから、インダクタンスの非線形性が生じる領域を的確に回避し、適切な推定をおこなうことができ、推定精度が低下してしまうことを防止することができる。   Furthermore, according to the magnetic pole position estimation device for an electric motor according to the second aspect of the present invention, even when the magnetic pole position is estimated using the fact that the inductance of the electric motor changes depending on the magnetic pole position, the application of the harmonic voltage Based on the current change amount of the actual current according to the current, the current command value is changed so that the actual current fluctuates accurately while maintaining the motor torque unchanged. Therefore, it is possible to accurately avoid the region where the characteristic occurs and to perform appropriate estimation, and to prevent the estimation accuracy from deteriorating.

以下、本発明の電動機の磁極位置推定装置の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
この実施形態による電動機の磁極位置推定装置10(以下、単に、磁極位置推定装置10と呼ぶ)は、例えば3相交流のブラシレスDCモータ11(以下、単に、モータ11と呼ぶ)の磁極位置(つまり、所定の基準回転位置からのロータの磁極の回転角度)を推定し、このモータ11は、界磁に利用する永久磁石を有するロータ(図示略)と、このロータを回転させる回転磁界を発生するステータ(図示略)とを備えて構成されている。
磁極位置推定装置10は、例えば図1に示すように、バッテリ12を直流電源とするインバータ13と、モータ制御装置14とを備えて構成されている。
Embodiments of a magnetic pole position estimating apparatus for an electric motor according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
The magnetic pole position estimation device 10 (hereinafter simply referred to as the magnetic pole position estimation device 10) of the electric motor according to this embodiment is, for example, a magnetic pole position (that is, simply referred to as the motor 11) of a three-phase AC brushless DC motor 11 (hereinafter simply referred to as the motor 11). The rotation angle of the magnetic pole of the rotor from a predetermined reference rotation position is estimated, and the motor 11 generates a rotor (not shown) having a permanent magnet used for a field and a rotating magnetic field for rotating the rotor. And a stator (not shown).
As shown in FIG. 1, for example, the magnetic pole position estimation device 10 includes an inverter 13 that uses a battery 12 as a DC power source and a motor control device 14.

この3相(例えば、U相、V相、W相の3相)交流のモータ11の駆動はモータ制御装置14から出力される制御指令を受けてインバータ13によりおこなわれる。
インバータ13は、スイッチング素子(例えば、MOSFET:Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor)を複数用いてブリッジ接続してなるブリッジ回路13aと平滑コンデンサCとを具備し、このブリッジ回路13aがパルス幅変調(PWM)された信号によって駆動される。
The three-phase (for example, U-phase, V-phase, and W-phase) AC motor 11 is driven by the inverter 13 in response to a control command output from the motor control device 14.
The inverter 13 includes a bridge circuit 13a formed by bridge connection using a plurality of switching elements (for example, MOSFETs: Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistors) and a smoothing capacitor C, and the bridge circuit 13a performs pulse width modulation ( It is driven by the PWM signal.

このブリッジ回路13aでは、例えば各相毎に対をなすハイ側およびロー側U相トランジスタUH,ULと、ハイ側およびロー側V相トランジスタVH,VLと、ハイ側およびロー側W相トランジスタWH,WLとがブリッジ接続されている。そして、各トランジスタUH,VH,WHはドレインがバッテリ12の正極側端子に接続されてハイサイドアームを構成し、各トランジスタUL,VL,WLはソースがバッテリ12の接地された負極側端子に接続されてローサイドアームを構成している。そして、各相毎に、ハイサイドアームの各トランジスタUH,VH,WHのソースはローサイドアームの各トランジスタUL,VL,WLのドレインに接続され、各トランジスタUH,UL,VH,VL,WH,WLのドレイン−ソース間には、ソースからドレインに向けて順方向となるようにして、各ダイオードDUH,DUL,DVH,DVL,DWH,DWLが接続されている。   In this bridge circuit 13a, for example, a high-side and low-side U-phase transistor UH, UL paired for each phase, a high-side and low-side V-phase transistor VH, VL, a high-side and low-side W-phase transistor WH, WL is bridge-connected. Each transistor UH, VH, WH has a drain connected to the positive terminal of the battery 12 to form a high side arm, and each transistor UL, VL, WL has a source connected to the grounded negative terminal of the battery 12. It constitutes the low side arm. For each phase, the sources of the high-side arm transistors UH, VH, WH are connected to the drains of the low-side arm transistors UL, VL, WL, and the transistors UH, UL, VH, VL, WH, WL. Each of the diodes DUH, DUL, DVH, DVL, DWH, DWL is connected between the drain and the source so as to be in the forward direction from the source to the drain.

インバータ13は、例えばモータ11の駆動時等においてモータ制御装置14から出力されて各トランジスタUH,VH,WH,UL,VL,WLのゲートに入力されるスイッチング指令であるゲート信号(つまり、PWM信号)に基づき、各相毎に対をなす各トランジスタのオン(導通)/オフ(遮断)状態を切り替えることによって、バッテリ12から供給される直流電力を3相交流電力に変換し、3相のステータ巻線への通電を順次転流させることで、各相のステータ巻線に交流のU相電流IuおよびV相電流IvおよびW相電流Iwを通電する。   The inverter 13 is, for example, a gate signal (that is, a PWM signal) that is a switching command that is output from the motor control device 14 when driving the motor 11 and is input to the gates of the transistors UH, VH, WH, UL, VL, WL. ), The DC power supplied from the battery 12 is converted into the three-phase AC power by switching the on / off (cut-off) state of each pair of transistors for each phase. By sequentially commutating energization to the windings, AC U-phase current Iu, V-phase current Iv and W-phase current Iw are passed through the stator windings of each phase.

モータ制御装置14は、後述するように、回転直交座標をなすγ−δ座標上で電流のフィードバック制御(ベクトル制御)を行うものであり、指令γ軸電流Iγc及び指令δ軸電流Iδcを演算し、指令γ軸電流Iγc及び指令δ軸電流Iδcに基づいて各相電圧指令Vu,Vv,Vwを算出し、各相電圧指令Vu,Vv,Vwに応じてインバータ13に対するゲート信号であるPWM信号を出力する。そして、実際にインバータ13からモータ11に供給される各相電流Iu,Iv,Iwをγ−δ座標上に変換して得たγ軸電流Iγ及びδ軸電流Iδと、指令γ軸電流Iγc及び指令δ軸電流Iδcとの各偏差がゼロとなるように制御をおこなう。   As will be described later, the motor control device 14 performs feedback control (vector control) of current on the γ-δ coordinates forming the rotation orthogonal coordinates, and calculates the command γ-axis current Iγc and the command δ-axis current Iδc. The phase voltage commands Vu, Vv, and Vw are calculated based on the command γ-axis current Iγc and the command δ-axis current Iδc, and a PWM signal that is a gate signal for the inverter 13 is calculated according to the phase voltage commands Vu, Vv, and Vw. Output. Then, the γ-axis current Iγ and the δ-axis current Iδ obtained by converting the phase currents Iu, Iv, Iw actually supplied from the inverter 13 to the motor 11 on the γ-δ coordinates, the command γ-axis current Iγc, and Control is performed so that each deviation from the command δ-axis current Iδc becomes zero.

モータ制御装置14は、例えば相電流センサI/F(インターフェース)21と、制御装置22と、PWM信号生成部23とを備えて構成されている。
相電流センサI/F(インターフェース)21は、インバータ13のブリッジ回路13aとモータ11との間において、3相の各相電流のうち少なくとも何れか2相の各相電流(例えば、U相電流およびV相電流)を検出する各相電流センサ32に接続され、各相電流センサ32から出力される検出信号を制御装置22に出力する。
The motor control device 14 includes, for example, a phase current sensor I / F (interface) 21, a control device 22, and a PWM signal generation unit 23.
A phase current sensor I / F (interface) 21 is provided between the bridge circuit 13a of the inverter 13 and the motor 11, and each phase current of at least any two of the three phase currents (for example, the U phase current and the V-phase current) is detected, and a detection signal output from each phase current sensor 32 is output to the control device 22.

制御装置22は、例えば図2に示すように、実際のモータ11が有する回転直交座標のd−q軸に対して、実際の回転角と推定または指定した回転角との差である位相差Δθeおよび回転速度ωeを有する回転直交座標のγ−δ軸を設定し、このγ−δ座標上で電流のフィードバック制御(ベクトル制御)をおこなう。
制御装置22は、指令γ軸電流Iγc及び指令δ軸電流Iδcを生成し、指令γ軸電流Iγc及び指令δ軸電流Iδcに基づいて各相電圧指令Vu,Vv,Vwを算出し、PWM信号生成部23に出力する。
また、制御装置22は、各相電流センサ32から出力される検出信号に応じた各相電流Iu,Iv,Iwをγδ座標上に変換して得たγ軸電流Iγ及びδ軸電流Iδと、指令γ軸電流Iγc及び指令δ軸電流Iδcとの各偏差がゼロとなるように電流のフィードバック制御(ベクトル制御)をおこなう。
なお、この制御装置22の動作の詳細は後述する。
For example, as shown in FIG. 2, the control device 22 has a phase difference Δθe that is a difference between the actual rotation angle and the estimated or designated rotation angle with respect to the dq axes of the rotation orthogonal coordinates of the actual motor 11. Then, a γ-δ axis of rotation orthogonal coordinates having a rotation speed ωe is set, and current feedback control (vector control) is performed on the γ-δ coordinates.
The control device 22 generates a command γ-axis current Iγc and a command δ-axis current Iδc, calculates each phase voltage command Vu, Vv, Vw based on the command γ-axis current Iγc and the command δ-axis current Iδc, and generates a PWM signal. To the unit 23.
In addition, the control device 22 includes a γ-axis current Iγ and a δ-axis current Iδ obtained by converting the phase currents Iu, Iv, and Iw corresponding to the detection signals output from the phase current sensors 32 into γδ coordinates, Current feedback control (vector control) is performed so that each deviation between the command γ-axis current Iγc and the command δ-axis current Iδc becomes zero.
Details of the operation of the control device 22 will be described later.

PWM信号生成部23は、正弦波状の電流を3相のステータ巻線に通電するために、各相電圧指令Vu,Vv,Vwと、三角波などのキャリア信号とを比較して、インバータ13の各トランジスタUH,VH,WH,UL,VL,WLをオン/オフ駆動させるゲート信号(つまり、PWM信号)を生成する。そして、インバータ13において3相の各相毎に対をなす各トランジスタのオン(導通)/オフ(遮断)状態を切り替えることによって、バッテリ12から供給される直流電力を3相交流電力に変換し、3相のモータ11の各ステータ巻線への通電を順次転流させることで、各ステータ巻線に交流のU相電流IuおよびV相電流IvおよびW相電流Iwを通電する。   The PWM signal generation unit 23 compares each phase voltage command Vu, Vv, Vw with a carrier signal such as a triangular wave in order to pass a sinusoidal current to the three-phase stator winding, and A gate signal (that is, a PWM signal) for driving the transistors UH, VH, WH, UL, VL, WL on / off is generated. Then, the inverter 13 converts the DC power supplied from the battery 12 into three-phase AC power by switching the on (conductive) / off (cut-off) state of each transistor that forms a pair for each of the three phases. By sequentially commutating energization to each stator winding of the three-phase motor 11, AC U-phase current Iu, V-phase current Iv, and W-phase current Iw are energized to each stator winding.

制御装置22は、例えば図3に示すように、速度制御部41と、指令電流生成部42と、電流制御部43と、γδ−3相変換部44と、3相−γδ変換部45と、磁極位置誤差推定部46と、回転速度−磁極位置演算部47と、電気角−機械角変換部48とを備えて構成されている。   For example, as illustrated in FIG. 3, the control device 22 includes a speed control unit 41, a command current generation unit 42, a current control unit 43, a γδ-3 phase conversion unit 44, a three phase-γδ conversion unit 45, A magnetic pole position error estimation unit 46, a rotation speed-magnetic pole position calculation unit 47, and an electrical angle-mechanical angle conversion unit 48 are provided.

速度制御部41は、外部から入力される回転速度指令値ωrcに基づき、例えば電気角−機械角変換部48から出力される回転速度ωr(機械角)に応じたクローズループ制御により、トルク指令Tcを演算する。そして、トルク指令Tcを出力する。
なお、制御装置22は、この速度制御部41の代わりにトルク制御部を備え、トルク制御を実行してもよい。
The speed control unit 41 is based on the rotational speed command value ωrc input from the outside, for example, by the closed loop control corresponding to the rotational speed ωr (mechanical angle) output from the electrical angle-mechanical angle conversion unit 48, and the torque command Tc. Is calculated. Then, a torque command Tc is output.
The control device 22 may include a torque control unit instead of the speed control unit 41 and execute torque control.

指令電流生成部42は、速度制御部41から出力されるトルク指令Tcに基づき、指令δ軸電流Iδcおよび指令γ軸電流Iγcを出力する。
なお、指令電流生成部42は、例えば図2に示すように、γ−δ座標上で指令γ軸電流Iγcが各所定値Iγn,(−Iγn)となるγ軸上の2点G1,G2を含み、かつ、原点Oを中心とする円Gによって取り囲まれる領域を、モータ11の実電流の大きさによってインダクタンスが変化するインダクタンス非線形領域とし、このインダクタンス非線形領域を回避するようにして指令δ軸電流Iδcおよび指令γ軸電流Iγcを設定する。
The command current generation unit 42 outputs a command δ-axis current Iδc and a command γ-axis current Iγc based on the torque command Tc output from the speed control unit 41.
For example, as shown in FIG. 2, the command current generator 42 calculates two points G1 and G2 on the γ-axis at which the command γ-axis current Iγc becomes the predetermined values Iγn and (−Iγn) on the γ-δ coordinates. A region surrounded by a circle G centered on the origin O is an inductance non-linear region in which the inductance changes depending on the actual current of the motor 11, and the command δ-axis current is avoided so as to avoid this inductance non-linear region. Iδc and command γ-axis current Iγc are set.

例えば、指令電流生成部42は、トルク指令Tcに基づき算出した指令γ軸電流Iγcが所定値(−Iγn)以上かつゼロ以下の範囲内である場合には、指令γ軸電流Iγcを所定値(−Iγn)とし、トルク指令Tcに基づき算出した指令γ軸電流Iγcがゼロ以上かつ所定値Iγn以下の範囲内である場合には、指令γ軸電流Iγcを所定値Iγnとする。
そして、例えば下記数式(1)に示すように、速度制御部41から出力されるトルク指令Tcと、新たに設定した指令γ軸電流Iγcと、モータ11の極対数qと、永久磁石の磁束成分φと、d軸インダクタンスLdおよびq軸インダクタンスLqとに基づき、指令δ軸電流Iδcを演算する。
For example, when the command γ-axis current Iγc calculated based on the torque command Tc is in a range greater than or equal to a predetermined value (−Iγn) and less than or equal to zero, the command current generation unit 42 sets the command γ-axis current Iγc to a predetermined value ( −Iγn), and when the command γ-axis current Iγc calculated based on the torque command Tc is in the range of zero to a predetermined value Iγn, the command γ-axis current Iγc is set to the predetermined value Iγn.
For example, as shown in the following formula (1), the torque command Tc output from the speed control unit 41, the newly set command γ-axis current Iγc, the number of pole pairs q of the motor 11, and the magnetic flux component of the permanent magnet Based on φ, d-axis inductance Ld, and q-axis inductance Lq, command δ-axis current Iδc is calculated.

Figure 2010136586
Figure 2010136586

なお、所定値Iγn,(−Iγn)は、予め、実施される試験などに基づいて設定される。例えば図4(A),(B)に示す試験結果では、指令q軸電流Iqcが各所定値a,0,(−a)であるときのd軸インダクタンスLdと指令d軸電流Idcとの対応関係、および、指令q軸電流Iqcが各所定値a,(−a)であるときのq軸インダクタンスLqと指令d軸電流Idcとの対応関係から、指令d軸電流Idcの絶対値が所定値aよりも小さい場合にインダクタンスが急激に変化する非線形性を有することが判る。この場合には、所定値Iγn=a,所定値(−Iγn)=(−a)とすることにより、インダクタンス非線形領域を回避することができる。   The predetermined values Iγn, (−Iγn) are set in advance based on tests to be performed. For example, in the test results shown in FIGS. 4A and 4B, the correspondence between the d-axis inductance Ld and the command d-axis current Idc when the command q-axis current Iqc is each predetermined value a, 0, (−a). From the relationship and the correspondence between the q-axis inductance Lq and the command d-axis current Idc when the command q-axis current Iqc is each predetermined value a, (−a), the absolute value of the command d-axis current Idc is a predetermined value. It can be seen that there is a nonlinearity in which the inductance changes abruptly when it is smaller than a. In this case, by setting the predetermined value Iγn = a and the predetermined value (−Iγn) = (− a), the inductance nonlinear region can be avoided.

電流制御部43は、指令電流生成部42から出力される指令γ軸電流Iγcと3相−γδ変換部45から出力されるγ軸電流Iγとの偏差ΔIγを算出し、指令電流生成部42から出力される指令δ軸電流Iδcと3相−γδ変換部45から出力されるδ軸電流Iδとの偏差ΔIδを算出する。そして、例えばPI(比例・積分)動作などにより、偏差ΔIγを制御増幅してγ軸電圧指令値Vγを算出し、偏差ΔIδを制御増幅してδ軸電圧指令値Vδを算出する。そして、γ軸電圧指令値Vγおよびδ軸電圧指令値Vδを出力する。   The current control unit 43 calculates a deviation ΔIγ between the command γ-axis current Iγc output from the command current generation unit 42 and the γ-axis current Iγ output from the three-phase-γδ conversion unit 45, and the command current generation unit 42 A deviation ΔIδ between the output command δ-axis current Iδc and the δ-axis current Iδ output from the three-phase-γδ converter 45 is calculated. Then, for example, by PI (proportional / integral) operation, the deviation ΔIγ is controlled and amplified to calculate the γ-axis voltage command value Vγ, and the deviation ΔIδ is controlled and amplified to calculate the δ-axis voltage command value Vδ. Then, the γ-axis voltage command value Vγ and the δ-axis voltage command value Vδ are output.

γδ−3相変換部44は、回転速度−磁極位置演算部47から出力されるモータ11の磁極位置推定値θeにより、γ−δ座標上でのγ軸電圧指令値Vγおよびδ軸電圧指令値Vδを、静止座標である3相交流座標上での電圧指令値であるU相電圧指令VuおよびV相電圧指令VvおよびW相電圧指令Vwに変換する。
3相−γδ変換部45は、相電流センサI/F(インターフェース)21から出力される各相電流Iu,Ivの検出信号に基づき、同一タイミングでの各相電流の電流値の総和はゼロであることを用いて、2相の相電流(例えば、各相電流Iu,Iv)の電流値から、他の1相の相電流(例えば、W相電流Iw)の電流値を算出する。そして、回転速度−磁極位置演算部47から出力されるモータ11の磁極位置推定値θeにより、各相電流Iu,Iv,Iwを、γ−δ座標上でのγ軸電流Iγ及びδ軸電流Iδに変換する。
The γδ-3 phase conversion unit 44 uses the estimated magnetic pole position value θe of the motor 11 output from the rotation speed-magnetic pole position calculation unit 47 to generate a γ-axis voltage command value Vγ and a δ-axis voltage command value on the γ-δ coordinates. Vδ is converted into a U-phase voltage command Vu, a V-phase voltage command Vv, and a W-phase voltage command Vw, which are voltage command values on a three-phase AC coordinate that is a stationary coordinate.
The three-phase-γδ converter 45 is based on the detection signals of the phase currents Iu and Iv output from the phase current sensor I / F (interface) 21 and the sum of the current values of the phase currents at the same timing is zero. Using this, the current value of the other one-phase phase current (for example, W-phase current Iw) is calculated from the current value of the two-phase phase current (for example, each phase current Iu, Iv). Then, the phase currents Iu, Iv, Iw are converted into the γ-axis current Iγ and δ-axis current Iδ on the γ-δ coordinates based on the estimated magnetic pole position θe of the motor 11 output from the rotation speed-magnetic pole position calculation unit 47. Convert to

磁極位置誤差推定部46は、例えば、電流制御部43から出力されるγ軸電圧指令値Vγ及びδ軸電圧指令値Vδと、3相−γδ変換部45から出力されるγ軸電流Iγ及びδ軸電流Iδとに基づき、モータ11の回転時にモータ11が発生する誘起電圧が回転速度によって変化することを利用して位相差Δθeを推定する。例えば磁極位置誤差推定部46は、モータ11に通電される電流に応じた実電流(つまり、γ軸電流Iγ及びδ軸電流Iδ)とモータ11の所定モデルの電圧方程式に応じたモデル電流との電流偏差に基づき位相差Δθeを算出する。   The magnetic pole position error estimation unit 46, for example, the γ-axis voltage command value Vγ and the δ-axis voltage command value Vδ output from the current control unit 43 and the γ-axis currents Iγ and δ output from the three-phase-γδ conversion unit 45. Based on the shaft current Iδ, the phase difference Δθe is estimated using the fact that the induced voltage generated by the motor 11 when the motor 11 rotates changes with the rotational speed. For example, the magnetic pole position error estimation unit 46 calculates the actual current (that is, the γ-axis current Iγ and the δ-axis current Iδ) corresponding to the current supplied to the motor 11 and the model current corresponding to the voltage equation of a predetermined model of the motor 11. A phase difference Δθe is calculated based on the current deviation.

回転速度−磁極位置演算部47は、磁極位置誤差推定部46から出力される位相差Δθeに基づき、PLL(Phase-locked loop)による位相同期処理あるいは同一次元オブザーバによる追従演算処理などをおこない、回転速度推定値ωeと磁極位置推定値θeを演算する。   Based on the phase difference Δθe output from the magnetic pole position error estimator 46, the rotation speed-magnetic pole position calculator 47 performs phase synchronization processing using a PLL (Phase-locked loop) or tracking calculation processing using the same-dimensional observer, and the like. The speed estimated value ωe and the magnetic pole position estimated value θe are calculated.

電気角−機械角変換部48は、モータ11の極対数qに応じて、回転速度−磁極位置演算部47から出力される回転速度推定値ωeを回転速度ωr(機械角)に変換し、回転速度ωr(機械角)を出力する。   The electrical angle-mechanical angle conversion unit 48 converts the rotational speed estimated value ωe output from the rotational speed-magnetic pole position calculation unit 47 into a rotational speed ωr (mechanical angle) according to the number of pole pairs q of the motor 11 and rotates. The speed ωr (mechanical angle) is output.

上述したように、本実施形態による電動機の磁極位置推定装置10によれば、モータ11のトルク指令Tcを不変に維持した状態で指令γ軸電流Iγcの絶対値を所定値a以上に維持することから、指令γ軸電流Iγc及び指令δ軸電流Iδcに応じた電流ベクトルの大きさが、インダクタンスの非線形性が生じる領域つまりモータ11に通電される電流の大きさによってインダクタンスが変化する領域内の値となることを回避することができる。これにより、モータ11を小型化かつ高出力化する際に、ステータのティース先端部同士の間隔を大きくすることができない場合であっても、モータ11に通電される電流の大きさが所定値未満となって漏れ磁束の寄与が増大して電流の大きさによってインダクタンスが変化する状態が生じることを防止することができ、モータ11の出力特性が悪化してしまうことを防止することができる。そして、モータ11の通電においてインダクタンスの非線形性が生じる領域を回避することにより、例えばIPM(Interior Permanent Magnet)モータなどにおいてインダクタンスの突極性を利用して磁極位置の推定をおこなう場合であっても、適切な推定をおこなうことができ、推定精度が低下してしまうことを防止することができる。   As described above, according to the magnetic pole position estimation device 10 of the motor according to the present embodiment, the absolute value of the command γ-axis current Iγc is maintained at a predetermined value a or more while the torque command Tc of the motor 11 is maintained unchanged. From the above, the magnitude of the current vector corresponding to the command γ-axis current Iγc and the command δ-axis current Iδc is a value within a region where inductance nonlinearity occurs, that is, a region where the inductance varies depending on the magnitude of the current supplied to the motor 11. Can be avoided. Thereby, when the motor 11 is reduced in size and increased in output, even if the interval between the teeth tip portions of the stator cannot be increased, the magnitude of the current supplied to the motor 11 is less than a predetermined value. Thus, it can be prevented that the contribution of the leakage magnetic flux increases and the state in which the inductance changes depending on the magnitude of the current, and the output characteristics of the motor 11 can be prevented from deteriorating. Even when the magnetic pole position is estimated by using the saliency of the inductance in an IPM (Interior Permanent Magnet) motor, for example, by avoiding a region where inductance nonlinearity occurs when the motor 11 is energized, Appropriate estimation can be performed, and a reduction in estimation accuracy can be prevented.

なお、上述した実施の形態において、磁極位置誤差推定部46は、モータ11の回転時にモータ11が発生する誘起電圧が回転速度によって変化することを利用して位相差Δθeを推定するとしたが、これに限定されず、上述した実施の形態の変形例として、例えば電流制御部43から出力されるγ軸電圧指令値Vγ及びδ軸電圧指令値Vδに高調波電圧を印加し、インダクタンスが磁極位置により変化することを利用して位相差Δθeを推定してもよい。
この変形例に係る磁極位置推定装置10の制御装置22は、例えば図5に示すように、速度制御部41と、指令電流生成部42と、電流制御部43と、γδ−3相変換部44と、3相−γδ変換部45と、磁極位置誤差推定部46と、回転速度−磁極位置演算部47と、電気角−機械角変換部48と、検出用電圧印加部49とを備えて構成されている。
つまり、この変形例に係る磁極位置推定装置10と、上述した実施の形態に係る磁極位置推定装置10との間で、装置の構成上で異なる点は、変形例に係る磁極位置推定装置10において検出用電圧印加部49が追加されている点である。
In the above-described embodiment, the magnetic pole position error estimation unit 46 estimates the phase difference Δθe by utilizing the fact that the induced voltage generated by the motor 11 changes according to the rotation speed when the motor 11 rotates. As a modification of the embodiment described above, for example, a harmonic voltage is applied to the γ-axis voltage command value Vγ and the δ-axis voltage command value Vδ output from the current control unit 43, and the inductance depends on the magnetic pole position. The phase difference Δθe may be estimated using the change.
As shown in FIG. 5, for example, the control device 22 of the magnetic pole position estimation device 10 according to this modification includes a speed control unit 41, a command current generation unit 42, a current control unit 43, and a γδ-3 phase conversion unit 44. And a three-phase-γδ conversion unit 45, a magnetic pole position error estimation unit 46, a rotation speed-magnetic pole position calculation unit 47, an electrical angle-mechanical angle conversion unit 48, and a detection voltage application unit 49. Has been.
That is, the magnetic pole position estimation apparatus 10 according to the modification differs from the magnetic pole position estimation apparatus 10 according to the above-described embodiment in the configuration of the apparatus in the magnetic pole position estimation apparatus 10 according to the modification. The detection voltage application unit 49 is added.

この変形例では、電流制御部43は、指令電流生成部42から出力される指令γ軸電流Iγcと3相−γδ変換部45から出力されるγ軸電流Iγとの偏差ΔIγを算出し、指令電流生成部42から出力される指令δ軸電流Iδcと3相−γδ変換部45から出力されるδ軸電流Iδとの偏差ΔIδを算出する。そして、例えばPI(比例・積分)動作などにより、偏差ΔIγを制御増幅してγ軸電圧指令値Vγcを算出し、偏差ΔIδを制御増幅してδ軸電圧指令値Vδcを算出する。そして、γ軸電圧指令値Vγcおよびδ軸電圧指令値Vδcを出力する。   In this modification, the current control unit 43 calculates a deviation ΔIγ between the command γ-axis current Iγc output from the command current generation unit 42 and the γ-axis current Iγ output from the three-phase-γδ conversion unit 45, A deviation ΔIδ between the command δ-axis current Iδc output from the current generator 42 and the δ-axis current Iδ output from the three-phase-γδ converter 45 is calculated. Then, for example, by PI (proportional / integral) operation, the deviation ΔIγ is controlled and amplified to calculate the γ-axis voltage command value Vγc, and the deviation ΔIδ is controlled and amplified to calculate the δ-axis voltage command value Vδc. Then, the γ-axis voltage command value Vγc and the δ-axis voltage command value Vδc are output.

検出用電圧印加部49は、電流制御部43から出力されるγ軸電圧指令値Vγcおよびδ軸電圧指令値Vδcに重畳される高調波電圧として、例えば所定周波数のパルス電圧などからなるγ軸検出用電圧Vhγおよびδ軸検出用電圧Vhδを出力する。
そして、電流制御部43から出力される各γ軸電圧指令値Vγcおよびδ軸電圧指令値Vδcと、検出用電圧印加部49から出力される各γ軸検出用電圧Vhγおよびδ軸検出用電圧Vhδとは加算され、各γ軸電圧指令値Vγ(=Vγc+Vhγ)およびδ軸電圧指令値Vδ(=Vδc+Vhδ)として、γδ−3相変換部44および磁極位置誤差推定部46に入力される。
The detection voltage applying unit 49 detects the γ-axis detected from, for example, a pulse voltage having a predetermined frequency as a harmonic voltage superimposed on the γ-axis voltage command value Vγc and the δ-axis voltage command value Vδc output from the current control unit 43. Output voltage Vhγ and δ-axis detection voltage Vhδ.
Then, each γ-axis voltage command value Vγc and δ-axis voltage command value Vδc output from the current control unit 43, and each γ-axis detection voltage Vhγ and δ-axis detection voltage Vhδ output from the detection voltage application unit 49. Are added to the γδ-3 phase converter 44 and the magnetic pole position error estimator 46 as γ-axis voltage command values Vγ (= Vγc + Vhγ) and δ-axis voltage command values Vδ (= Vδc + Vhδ).

磁極位置誤差推定部46は、例えば、電流制御部43から出力されるγ軸電圧指令値Vγ及びδ軸電圧指令値Vδと、3相−γδ変換部45から出力されるγ軸電流Iγ及びδ軸電流Iδとに基づき、モータ11の回転時にインダクタンスが磁極位置により変化することを利用して位相差Δθeを推定する。   The magnetic pole position error estimation unit 46, for example, the γ-axis voltage command value Vγ and the δ-axis voltage command value Vδ output from the current control unit 43 and the γ-axis currents Iγ and δ output from the three-phase-γδ conversion unit 45. Based on the shaft current Iδ, the phase difference Δθe is estimated using the fact that the inductance changes depending on the magnetic pole position when the motor 11 rotates.

この変形例では、指令電流生成部42は、検出用電圧印加部49によるγ軸検出用電圧Vhγおよびδ軸検出用電圧Vhδの印加時のインダクタンスによる電流変化を考慮して、指令δ軸電流Iδcおよび指令γ軸電流Iγcを設定する。
例えば、指令電流生成部42は、例えば下記数式(2)に示すように、予め既知とされるキャリア信号の1周期Tsおよびd軸インダクタンスLdおよびq軸インダクタンスLqと、位相差Δθと、γ軸検出用電圧Vhγおよびδ軸検出用電圧Vhδに応じたγδ軸高調波電圧ΔVγδとに基づき、電流変化ΔIγδの最大値を算出する。なお、電流変化ΔIγδの最大値は、予め実施される試験などに基づいて設定されてもよい。そして、この電流変化ΔIγδの最大値によってモータ11に通電される電流の大きさが変化した場合であってもインダクタンス非線形領域を回避するようにして、指令δ軸電流Iδcおよび指令γ軸電流Iγcを設定する。
In this modification, the command current generator 42 takes into account the current change caused by the inductance when the detection voltage application unit 49 applies the γ-axis detection voltage Vhγ and the δ-axis detection voltage Vhδ, and the command δ-axis current Iδc. The command γ-axis current Iγc is set.
For example, the command current generation unit 42, for example, as shown in the following formula (2), one cycle Ts of the carrier signal that is known in advance, the d-axis inductance Ld, the q-axis inductance Lq, the phase difference Δθ, and the γ-axis Based on the detection voltage Vhγ and the γδ-axis harmonic voltage ΔVγδ corresponding to the δ-axis detection voltage Vhδ, the maximum value of the current change ΔIγδ is calculated. Note that the maximum value of the current change ΔIγδ may be set based on a test that is performed in advance. The command δ-axis current Iδc and the command γ-axis current Iγc are determined so as to avoid the inductance nonlinear region even when the magnitude of the current supplied to the motor 11 is changed by the maximum value of the current change ΔIγδ. Set.

Figure 2010136586
Figure 2010136586

なお、上述した実施の形態においては、各相電流センサ32の代わりに、インバータ13のブリッジ回路13aとバッテリ12の負極側端子あるいは正極側端子との間においてインバータ13のブリッジ回路13aの直流側電流Idcを検出する直流側電流センサを設けてもよい。この場合には、直流側電流センサから出力される検出信号と、PWM信号生成部23からインバータ13に入力されるゲート信号とに基づき各相電流を推定し、各相電流の推定値を3相−γδ変換部45に入力すればよい。   In the above-described embodiment, instead of each phase current sensor 32, the DC side current of the bridge circuit 13a of the inverter 13 is between the bridge circuit 13a of the inverter 13 and the negative terminal or the positive terminal of the battery 12. A DC-side current sensor that detects Idc may be provided. In this case, each phase current is estimated based on the detection signal output from the DC-side current sensor and the gate signal input from the PWM signal generation unit 23 to the inverter 13, and the estimated value of each phase current is set to three phases. What is necessary is just to input into -γdelta conversion part 45.

本発明の実施形態に係る電動機の磁極位置推定装置の構成図である。It is a block diagram of the magnetic pole position estimation apparatus of the electric motor which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る回転直交座標のγ−δ軸およびd−q軸の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the (gamma) -delta axis | shaft of a rotation orthogonal coordinate and dq axis which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る電動機の磁極位置推定装置の構成図である。It is a block diagram of the magnetic pole position estimation apparatus of the electric motor which concerns on embodiment of this invention. 図4(A)は指令q軸電流Iqcが各所定値a,0,(−a)であるときのd軸インダクタンスLdと指令d軸電流Idcとの対応関係を示すグラフ図であり、図4(B)は指令q軸電流Iqcが各所定値a,(−a)であるときのq軸インダクタンスLqと指令d軸電流Idcとの対応関係を示すグラフ図である。FIG. 4A is a graph showing the correspondence between the d-axis inductance Ld and the command d-axis current Idc when the command q-axis current Iqc is each predetermined value a, 0, (−a). (B) is a graph showing the correspondence between the q-axis inductance Lq and the command d-axis current Idc when the command q-axis current Iqc is the predetermined values a and (−a). 本発明の実施形態の変形例に係る電動機の磁極位置推定装置の構成図である。It is a block diagram of the magnetic pole position estimation apparatus of the electric motor which concerns on the modification of embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 電動機の磁極位置推定装置
11 モータ
13 インバータ
22 制御装置
23 PWM信号生成部(パルス幅変調信号生成手段)
42 指令電流生成部(判定手段、指令電流設定手段)
46 磁極位置誤差推定部(位相差算出手段)
47 回転速度−磁極位置演算部(磁極位置演算手段)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Electric pole position estimation apparatus 11 Motor 13 Inverter 22 Control apparatus 23 PWM signal generation part (pulse width modulation signal generation means)
42 Command current generator (determination means, command current setting means)
46 Magnetic pole position error estimation unit (phase difference calculation means)
47 Rotational speed-magnetic pole position calculator (magnetic pole position calculator)

Claims (2)

パルス幅変調信号により3相交流の電動機への通電を順次転流させるインバータと、前記パルス幅変調信号を搬送波信号により生成するパルス幅変調信号生成手段と、
dq座標系に対して位相差を有するγδ座標系を設定し、前記電動機に通電される電流に応じた実電流と前記電動機の所定モデルの電圧方程式に応じたモデル電流との電流偏差に基づき前記位相差を算出する位相差算出手段と、前記位相差算出手段により算出された前記位相差に基づき前記電動機の磁極位置を演算する磁極位置演算手段と、
前記実電流に対する電流指令値が所定値未満であるか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段による判定結果において前記電流指令値が所定値未満である場合に、前記電動機のトルクを不変に維持しつつ、前記電流指令値を前記所定値以上に変更する指令電流設定手段と
を備えることを特徴とする電動機の磁極位置推定装置。
An inverter that sequentially commutates energization of a three-phase AC motor using a pulse width modulation signal; and a pulse width modulation signal generation unit that generates the pulse width modulation signal using a carrier wave signal;
A γδ coordinate system having a phase difference with respect to the dq coordinate system is set, and based on the current deviation between the actual current according to the current supplied to the motor and the model current according to the voltage equation of the predetermined model of the motor. A phase difference calculating means for calculating a phase difference; a magnetic pole position calculating means for calculating a magnetic pole position of the electric motor based on the phase difference calculated by the phase difference calculating means;
Determination means for determining whether or not a current command value for the actual current is less than a predetermined value;
Command current setting means for changing the current command value to the predetermined value or more while maintaining the torque of the motor unchanged when the current command value is less than a predetermined value in the determination result by the determination means. An apparatus for estimating the magnetic pole position of an electric motor.
前記電動機に磁極位置検出用の高調波電圧を印加する高調波電圧印加手段を備え、
前記指令電流設定手段は、前記高調波電圧印加手段により前記電動機に印加される前記高調波電圧に応じた前記実電流の電流変化量に基づき、前記電動機のトルクを不変に維持しつつ、前記実電流が前記所定値以上となるように前記電流指令値を変更することを特徴とする請求項1に記載の電動機の磁極位置推定装置。
Harmonic voltage application means for applying a harmonic voltage for magnetic pole position detection to the electric motor,
The command current setting means maintains the torque of the motor unchanged while maintaining the torque of the motor unchanged based on the current change amount of the actual current according to the harmonic voltage applied to the motor by the harmonic voltage application means. The apparatus for estimating a magnetic pole position of an electric motor according to claim 1, wherein the current command value is changed so that a current becomes equal to or greater than the predetermined value.
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