JP2016195523A - Controller for permanent magnet type synchronous electric motor - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a controller capable of stably estimating a magnetic pole position and a speed of a PMSM.SOLUTION: A controller comprises: current detectors 11u, 11w which detect a current of a PMSM 80; an extended induced voltage computing element 31 and an angle difference computing element 32 which compute a position estimation error of a rotor from a current, a terminal voltage and a speed equivalent value of the PMSM 80; a speed estimator 33 which computes a speed by a proportional plus integral operation from a computed value of the position estimation error; an integrator 34 which computes a position estimation value by integrating the speed estimation value; and a gain computing element 35 which computes a proportional gain from the current and speed estimation value of the PMSM 80. The gain computing element 35 has an output limiter 35e which limits an upper-limit value of the proportional gain of the speed estimator 33 with a value proportional to a differential angular frequency, and an output limiter 35f which limits a lower-limit value of an integral time constant with a value inversely proportional to the differential angular frequency.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、永久磁石形同期電動機の磁極位置を演算する技術に関するものである。   The present invention relates to a technique for calculating the magnetic pole position of a permanent magnet type synchronous motor.

永久磁石形同期電動機の制御装置をコストダウンするため、回転子の磁極位置を検出するための磁極位置検出器を使用しないで運転する、いわゆるセンサレス制御が実用化されている。センサレス制御は、電動機の端子電圧や電流の情報から回転子の磁極位置と速度とを演算し、これらに基づいて電流制御を行うことでトルク制御や速度制御を実現するものである。   In order to reduce the cost of a control device for a permanent magnet type synchronous motor, so-called sensorless control that operates without using a magnetic pole position detector for detecting the magnetic pole position of a rotor has been put into practical use. In the sensorless control, torque control and speed control are realized by calculating the magnetic pole position and speed of the rotor from information on the terminal voltage and current of the motor, and performing current control based on these.

センサレス制御において、磁極位置及び速度を演算する従来技術としては、以下に述べるものが知られている。
例えば、非特許文献1では、回転子の磁極方向に対して直交方向に発生する拡張誘起電圧を演算し、拡張誘起電圧の演算値から検出した磁極位置の推定誤差を利用して磁極位置及び速度を演算している。
In the sensorless control, the following are known as conventional techniques for calculating the magnetic pole position and speed.
For example, in Non-Patent Document 1, the expansion induced voltage generated in the direction orthogonal to the magnetic pole direction of the rotor is calculated, and the magnetic pole position and speed are calculated using the estimation error of the magnetic pole position detected from the calculated value of the expansion induced voltage. Is calculated.

また、特許文献1には、図5に示すように、位置・速度推定器90内の磁束オブザーバ91が電動機の端子電圧、電流及び拡張磁束に基づいてδ軸磁束推定値Ψδest及びγ軸磁束推定値Ψγestを演算し、角度誤差演算器93が上記磁束推定値Ψδest,Ψγestの角度として検出した位置推定誤差δestを利用して、速度推定器94及び積分器95により電動機の速度ω及び磁極位置θを推定する技術が開示されている。
特許文献1によると、δ軸磁束推定値Ψδest及びγ軸磁束推定値Ψγestの角度から演算した位置推定誤差δestには、位置推定誤差の情報だけでなく位置推定誤差の微分成分(速度推定誤差に等しい)の情報も含まれており、この速度推定誤差は、電動機の低速かつ重負荷時ほど大きくなるため、速度・位置推定系が不安定になり易い。この不安定現象は、非特許文献1に記載された、拡張誘起電圧を利用したセンサレス制御の場合にも同様に発生する。
In Patent Document 1, as shown in FIG. 5, the magnetic flux observer 91 in the position / speed estimator 90 is based on the terminal voltage, current, and extended magnetic flux of the motor, and the estimated δ-axis magnetic flux Ψ δest and γ-axis magnetic flux. The estimated value Ψ γest is calculated, and the position error δ est detected by the angle error calculator 93 as the angle of the magnetic flux estimated values Ψ δest , Ψ γest is used. A technique for estimating ω 1 and magnetic pole position θ 1 is disclosed.
According to Patent Document 1, the position estimation error δ est calculated from the angles of the δ-axis magnetic flux estimated value Ψ δest and the γ-axis magnetic flux estimated value Ψ γest includes not only the position estimation error information but also the differential component (speed) The speed estimation error becomes larger as the motor speed is lower and the load is heavy, and the speed / position estimation system tends to become unstable. This unstable phenomenon also occurs in the case of sensorless control using an extended induced voltage described in Non-Patent Document 1.

上記の不安定現象を回避するため、特許文献1では、位置推定誤差の演算値に含まれる速度推定誤差が零になるように、磁束オブザーバ91の拡張磁束演算に用いるq軸インダクタンス設定値Lを図5のL設定器92により決定している。 In order to avoid the above unstable phenomenon, in Patent Document 1, the q-axis inductance setting value L q used for the extended magnetic flux calculation of the magnetic flux observer 91 is set so that the speed estimation error included in the calculated value of the position estimation error becomes zero. Is determined by the L q setter 92 of FIG.

一方、特許文献2には、特許文献1とは別の方法によって重負荷時における速度・位置推定系の安定性を向上する技術が開示されている。
この従来技術は、図6に示すように、軸誤差推定器96が電動機80の端子電圧及び電流から軸誤差推定値Δθを演算し、軸誤差指令値Δθ と軸誤差推定値Δθとの偏差を速度推定器97により比例積分制御して速度ωを推定すると共に、ゲイン演算器98が、電流及び速度推定値ωから演算した制御応答周波数に基づいて速度推定器97に設定する比例ゲインK及び積分ゲインKを設定している。なお、図6において、100はベクトル制御演算部である。
On the other hand, Patent Document 2 discloses a technique for improving the stability of the speed / position estimation system under heavy load by a method different from that of Patent Document 1.
In this prior art, as shown in FIG. 6, the shaft error estimator 96 calculates the shaft error estimated value Δθ c from the terminal voltage and current of the electric motor 80, and the shaft error command value Δθ c * and the shaft error estimated value Δθ c are calculated. The speed estimator 97 performs proportional integral control to estimate the speed ω 1 , and the gain calculator 98 sets the speed estimator 97 based on the control response frequency calculated from the current and the speed estimated value ω 1. The proportional gain Kp and the integral gain Ki are set. In FIG. 6, reference numeral 100 denotes a vector control calculation unit.

特開2011−67066号公報(段落[0042]〜[0068]、図1等)JP 2011-67066 A (paragraphs [0042] to [0068], FIG. 1 etc.) 特開2011−91976号公報(段落[0030]〜[0032]、図4,図5等)Japanese Patent Laying-Open No. 2011-91976 (paragraphs [0030] to [0032], FIG. 4, FIG. 5, etc.)

田中康司,三木一郎,「拡張誘起電圧を用いた埋込磁石同期電動機の位置センサレス制御」,電気学会論文誌D,Vol.125,No.9,pp.833−838(2005年)Koji Tanaka and Ichiro Miki, “Position Sensorless Control of Embedded Magnet Synchronous Motor Using Extended Inductive Voltage”, IEEJ Transactions D, Vol. 125, no. 9, pp. 833-838 (2005)

特許文献1に記載された従来技術では、γ軸電流、δ軸電流の条件に応じて複雑な評価関数の値が零となるように、q軸インダクタンス設定値Lを予め演算してL設定器92内にテーブルとして保持するか、あるいは、γ軸電流を零にした上で、δ軸電流に応じてL設定器92がオンラインにてq軸インダクタンス設定値Lを演算する必要があり、何れにしても複雑な演算処理が必要である。
また、特許文献2に記載されている方法によって設定される速度推定器97の比例ゲインK及び積分ゲインKは、発明者らの解析による最適値とは異なっており、低速かつ重負荷時における速度・位置推定系の不安定現象を解消できないおそれがあった。
In the prior art described in Patent Document 1, the q-axis inductance set value L q is calculated in advance so that the value of the complicated evaluation function becomes zero according to the conditions of the γ-axis current and the δ-axis current, and L q It is necessary to hold the table in the setting device 92 as a table or to calculate the q-axis inductance setting value L q online by the L q setting device 92 in accordance with the δ-axis current after setting the γ-axis current to zero. In any case, complicated arithmetic processing is required.
Further, the proportional gain K p and integral gain K i of the speed estimator 97 set by the method described in Patent Document 2 are different from the optimum values according to the analysis by the inventors, and are low and under heavy load. There is a possibility that the instability phenomenon of the speed / position estimation system cannot be resolved.

そこで、本発明の解決課題は、低速時や重負荷時に従来よりも安定したセンサレス制御を可能にした永久磁石形同期電動機の制御装置を提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a control device for a permanent magnet type synchronous motor that enables sensorless control that is more stable than conventional ones at low speeds or heavy loads.

上記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、永久磁石形同期電動機の電流を検出する手段と、
前記電動機の電流、端子電圧及び速度相当値から回転子の位置推定誤差を演算する手段と、
前記位置推定誤差の演算値から前記回転子の速度推定値を演算する手段と、
前記速度推定値を積分して前記回転子の位置推定値を演算する手段と、
前記電動機の電流及び前記速度推定値から前記位置推定誤差演算値に含まれる位置推定誤差の微分成分である微分角周波数を演算する手段と、を備え、
前記速度推定値を演算する手段は比例調節手段を有し、
前記微分角周波数を演算する手段は、
前記比例調節手段における比例ゲインの上限値を前記微分角周波数に比例した値により制限する手段を有するものである。
これにより、速度推定値を位置推定誤差演算値の比例制御により演算する場合の速度・位置推定系の安定性を向上させることができる。
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 1 includes means for detecting a current of a permanent magnet synchronous motor,
Means for calculating a rotor position estimation error from the electric current, terminal voltage and speed equivalent value of the motor;
Means for calculating the estimated speed value of the rotor from the calculated value of the position estimation error;
Means for integrating the speed estimate and calculating a position estimate of the rotor;
Means for calculating a differential angular frequency that is a differential component of a position estimation error included in the position estimation error calculation value from the current of the motor and the speed estimation value;
The means for calculating the speed estimated value has a proportional adjustment means,
The means for calculating the differential angular frequency is:
And a means for limiting the upper limit value of the proportional gain in the proportional adjustment means by a value proportional to the differential angular frequency.
Thereby, the stability of the speed / position estimation system when the speed estimation value is calculated by proportional control of the position estimation error calculation value can be improved.

請求項2に係る発明は、請求項1に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、前記速度推定値を演算する手段は積分調節手段を更に有し、前記微分角周波数を演算する手段は、前記積分調節手段における積分時定数の下限値を前記微分角周波数に反比例した値により制限する手段を更に有するものである。
これにより、速度推定値を位置推定誤差演算値の比例・積分制御により演算する場合の速度・位置推定系の安定性を向上させることができる。
According to a second aspect of the present invention, in the control device for the permanent magnet synchronous motor according to the first aspect, the means for calculating the speed estimated value further includes an integral adjusting means, and the means for calculating the differential angular frequency is And a means for limiting the lower limit value of the integration time constant in the integral adjusting means by a value inversely proportional to the differential angular frequency.
As a result, the stability of the speed / position estimation system when the speed estimation value is calculated by the proportional / integral control of the position estimation error calculation value can be improved.

本発明によれば、低速時や重負荷時において、従来よりも安定したセンサレス制御を実現することができる。   According to the present invention, sensorless control that is more stable than conventional ones can be realized at low speeds and heavy loads.

本発明の実施形態を示すブロック図である。It is a block diagram which shows embodiment of this invention. γ−δ軸直交回転座標系及びd−q軸直交回転座標系の定義を示す図である。It is a figure which shows the definition of (gamma) -delta axis orthogonal rotation coordinate system and dq axis orthogonal rotation coordinate system. 図1における速度・位置推定系の線形近似モデルを示す図である。It is a figure which shows the linear approximation model of the speed and position estimation system in FIG. 図1におけるゲイン演算器の制御ブロック図である。FIG. 2 is a control block diagram of a gain calculator in FIG. 1. 特許文献1に記載された制御装置の主要部を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the principal part of the control apparatus described in patent document 1. 特許文献2に記載された制御装置を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the control apparatus described in patent document 2.

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
始めに、本実施形態における制御演算は、電気角速度ωで回転する仮想的なγ−δ軸直交回転座標系を制御装置内に定義し、このγ−δ軸直交回転座標系に従って永久磁石形同期電動機(以下、PMSMという)の電流、電圧を制御する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, in the control calculation in this embodiment, a virtual γ-δ axis orthogonal rotation coordinate system that rotates at an electrical angular velocity ω 1 is defined in the control device, and a permanent magnet type is defined according to this γ-δ axis orthogonal rotation coordinate system. Controls the current and voltage of a synchronous motor (hereinafter referred to as PMSM).

前後するが、図2は、γ−δ軸直交回転座標系及びd−q軸直交回転座標系の定義を説明するためのものである。
図2において、回転子磁極のN極方向をd軸、このd軸から90°進み方向をq軸としてd−q軸直交回転座標系を定義し、このd−q軸直交回転座標系とγ−δ軸直交回転座標系との角度誤差(位置推定誤差)をθerrとする。なお、ωはd−q軸の角速度(回転子の回転角速度)、ωはγ−δ軸の角速度(速度推定値)である。
センサレス制御ではd−q軸の位置を直接検出することができないため、制御装置は、d−q軸の推定軸であるγ−δ軸上で制御演算を行う。
FIG. 2 is for explaining the definitions of the γ-δ axis orthogonal rotation coordinate system and the dq axis orthogonal rotation coordinate system.
In FIG. 2, a dq axis orthogonal rotation coordinate system is defined with the N pole direction of the rotor magnetic pole as the d axis and the 90 ° advance direction from the d axis as the q axis, and this dq axis orthogonal rotation coordinate system and γ An angle error (position estimation error) with respect to the −δ axis orthogonal rotation coordinate system is θ err . Ω r is the angular velocity of the dq axis (rotational angular velocity of the rotor), and ω 1 is the angular velocity of the γ-δ axis (speed estimation value).
Since sensorless control cannot directly detect the position of the dq axis, the control device performs a control calculation on the γ-δ axis that is the estimated axis of the dq axis.

ここで、上記の角度誤差θerrを、数式1により、PMSMのu相巻線を基準としたγ軸の角度(位置推定値)θとu相巻線を基準としたd軸の角度(磁極位置)θとの差として定義する。

Figure 2016195523
Here, the angle error θ err is expressed by the following equation ( 1 ) using the γ-axis angle (position estimation value) θ 1 with respect to the PMSM u-phase winding and the d-axis angle (with reference to the u-phase winding ( defined as the difference between the magnetic pole position) theta r.
Figure 2016195523

次に、図1に基づいて、本実施形態に係る制御装置の構成及び機能を説明する。
まず、PMSMの速度制御、電流制御及び電圧制御について説明する。
図1において、速度指令値ω と速度推定値ωとの偏差が減算器16により演算される。速度調節器17は、上記偏差が零になるように調節演算を行ってトルク指令値τを生成する。電流指令演算器18は、トルク指令値τ通りのトルクを発生させるようにγ軸電流指令値iγ 及びδ軸電流指令値iδ を演算する。
Next, based on FIG. 1, the structure and function of the control apparatus which concern on this embodiment are demonstrated.
First, PMSM speed control, current control, and voltage control will be described.
In FIG. 1, the difference between the speed command value ω r * and the speed estimated value ω 1 is calculated by the subtractor 16. The speed regulator 17 performs an adjustment calculation so that the deviation becomes zero, and generates a torque command value τ * . The current command calculator 18 calculates the γ-axis current command value i γ * and the δ-axis current command value i δ * so as to generate torque according to the torque command value τ * .

一方、u相電流検出器11u、w相電流検出器11wによる相電流検出値i,iが座標変換器14に入力され、これらの相電流検出値i,iは、位置推定値θを用いてγ,δ軸電流検出値iγ,iδに座標変換される。
減算器19aにより、γ軸電流指令値iγ とγ軸電流検出値iγとの偏差を求め、γ軸電流調節器20aは、上記偏差が零になるように調節演算を行ってγ軸電圧指令値vγ を生成する。また、減算器19bにより、δ軸電流指令値iδ とδ軸電流検出値iδとの偏差を求め、δ軸電流調節器20bは、上記偏差が零になるように調節演算を行ってδ軸電圧指令値vδ を生成する。
γ軸電圧指令値vγ 及びδ軸電圧指令値vδ は、座標変換器15において位置推定値θに基づく座標変換により相電圧指令値v ,v ,v に変換され、PWM回路13に入力される。
On the other hand, phase current detection values i u and i w obtained by the u-phase current detector 11u and the w-phase current detector 11w are input to the coordinate converter 14, and these phase current detection values i u and i w are estimated position values. Coordinates are converted to γ and δ axis current detection values i γ and i δ using θ 1 .
The subtractor 19a obtains a deviation between the γ-axis current command value i γ * and the γ-axis current detection value i γ, and the γ-axis current regulator 20a performs an adjustment calculation so that the deviation becomes zero, thereby performing the γ-axis A voltage command value v γ * is generated. Further, the subtractor 19b obtains a deviation between the δ-axis current command value i δ * and the δ-axis current detection value i δ, and the δ-axis current regulator 20b performs an adjustment calculation so that the deviation becomes zero. A δ-axis voltage command value v δ * is generated.
The γ-axis voltage command value v γ * and the δ-axis voltage command value v δ * are converted into phase voltage command values v u * , v v * , v w * by coordinate conversion based on the position estimation value θ 1 in the coordinate converter 15. It is converted and input to the PWM circuit 13.

三相交流電源50の交流電圧は整流回路60により直流電圧に変換され、インバータ等の電力変換器70に供給される。
PWM回路13は、電力変換器70の出力電圧を前記の相電圧指令値v ,v ,v に制御するためのゲート信号を生成する。電力変換器70は、ゲート信号に基づいて内部のIGBT等の半導体スイッチング素子をオン・オフ制御することにより、PMSM80の各相の端子電圧を相電圧指令値v ,v ,v に制御する。
これにより、PMSM80の回転速度は速度指令値ω に従って制御されることとなる。
The AC voltage of the three-phase AC power supply 50 is converted into a DC voltage by the rectifier circuit 60 and supplied to a power converter 70 such as an inverter.
The PWM circuit 13 generates a gate signal for controlling the output voltage of the power converter 70 to the phase voltage command values v u * , v v * , and v w * . The power converter 70 performs on / off control of a semiconductor switching element such as an internal IGBT based on the gate signal, thereby changing the terminal voltage of each phase of the PMSM 80 to the phase voltage command values v u * , v v * , v w. Control to * .
As a result, the rotational speed of the PMSM 80 is controlled according to the speed command value ω r * .

次に、PMSM80の回転子の速度及び磁極位置の推定動作について説明する。
まず、拡張誘起電圧演算器31は、数式2により、回転子の磁極方向に対して直交方向に発生する拡張誘起電圧を演算する。

Figure 2016195523
Next, the estimation operation of the rotor speed and magnetic pole position of the PMSM 80 will be described.
First, the expansion induced voltage calculator 31 calculates the expansion induced voltage generated in the direction orthogonal to the magnetic pole direction of the rotor by Equation 2.
Figure 2016195523

数式2において、γ軸電圧vγ、δ軸電圧vδには、γ軸電流調節器20a、δ軸電流調節器20bからそれぞれ出力されるγ軸電圧指令値vγ 、δ軸電圧指令値vδ を用いる。
なお、数式2の演算は、図示されていない電圧検出回路を用いてPMSM80の相電圧または線間電圧を測定し、これらの測定値と位置推定値θとから演算したγ軸電圧、δ軸電圧を用いて行っても良い。また、数式2におけるγ軸電流iγ、δ軸電流iδには図1の座標変換器14の出力を用いているが、これらの代わりにγ軸電流指令値iγ 、δ軸電流指令値iδ を用いても良い。更に、数式2における速度推定値ωには後述する速度推定器33の出力を用いているが、代わりに速度指令値ω を用いても良い。
In Equation 2, the γ-axis voltage v γ and the δ-axis voltage v δ include the γ-axis voltage command value v γ * and the δ-axis voltage command value output from the γ-axis current regulator 20a and the δ-axis current regulator 20b, respectively. v δ * is used.
In the calculation of Equation 2, the phase voltage or line voltage of the PMSM 80 is measured using a voltage detection circuit (not shown), and the γ-axis voltage and δ-axis calculated from these measured values and the position estimated value θ 1 are calculated. You may carry out using a voltage. Further, the output of the coordinate converter 14 in FIG. 1 is used for the γ-axis current i γ and the δ-axis current i δ in Formula 2, but instead of these, the γ-axis current command value i γ * and the δ-axis current command are used. The value i δ * may be used. Furthermore, although the output of the speed estimator 33 described later is used for the speed estimated value ω 1 in Equation 2, the speed command value ω r * may be used instead.

次に、γ,δ軸拡張誘起電圧eexγest,eexδestを用いて、速度及び磁極位置を演算する方法について説明する。
角度誤差演算器32は、γ,δ軸拡張誘起電圧eexγest,eexδestから位置推定誤差θerrestを数式3により演算する。

Figure 2016195523
Next, a method of calculating the speed and the magnetic pole position using the γ and δ axis expansion induced voltages e exγest and e exδest will be described.
Angular error calculator 32, gamma, [delta] axis extended electromotive force e exγest, the position estimation error theta Errest from e Exderutaest be calculated by Equation 3.
Figure 2016195523

また、ゲイン演算器35は、γ軸電流iγ、δ軸電流iδ及び速度推定値ωから、速度推定器33に設定する比例ゲインKPωest及び積分時定数TIωestを演算する。ゲイン演算器35の動作については、後に詳述する。
速度推定器33は、位置推定誤差演算値θerrestを比例・積分調節演算して速度推定値ωを求める。具体的には、数式4により速度推定値ωを演算する。

Figure 2016195523
The gain calculator 35 calculates a proportional gain K Pωest and an integration time constant T Iωest set in the speed estimator 33 from the γ-axis current i γ , the δ-axis current i δ, and the estimated speed value ω 1 . The operation of the gain calculator 35 will be described in detail later.
The speed estimator 33 performs a proportional / integral adjustment calculation on the position estimation error calculation value θ errest to obtain the speed estimation value ω 1 . Specifically, the estimated speed value ω 1 is calculated by Equation 4.
Figure 2016195523

積分器34は、速度推定値ωを積分して位置推定値θを演算し、座標変換器14,15に向けて出力する。
これらの演算により、位置推定誤差θerrが零になるように速度推定値ω及び位置推定値θが演算され、これらの値を真値に収束させることができる。
The integrator 34 integrates the speed estimated value ω 1 to calculate the position estimated value θ 1 and outputs it to the coordinate converters 14 and 15.
By these calculations, the speed estimation value ω 1 and the position estimation value θ 1 are calculated so that the position estimation error θ err becomes zero, and these values can be converged to true values.

次に、ゲイン演算器35の詳細について説明する。
位置推定誤差演算値θerrestを定常状態における動作点近傍で線形近似すると、数式5の関係が成り立つ。

Figure 2016195523
Next, details of the gain calculator 35 will be described.
When the position estimation error calculation value θ errest is linearly approximated in the vicinity of the operating point in the steady state, the relationship of Equation 5 is established.
Figure 2016195523

数式5において、微分角周波数ωdθerrは数式6の関係にある。

Figure 2016195523
In Equation 5, the differential angular frequency ω dθerr has the relationship of Equation 6.
Figure 2016195523

数式5に示すように、位置推定誤差演算値θerrestには、位置推定誤差θerrだけでなく位置推定誤差θerrの微分成分である速度推定誤差ωerrに比例した成分も含まれる。このため、速度推定器33の比例ゲインKPωest及び積分時定数TIωestは、速度推定誤差ωerrに比例した成分を考慮して設計する必要がある。 As shown in Equation 5, the position estimation error calculation value θ errest includes not only the position estimation error θ err but also a component proportional to the speed estimation error ω err which is a differential component of the position estimation error θ err . Therefore, the proportional gain K Pωest and the integration time constant T Iωest of the speed estimator 33 must be designed in consideration of a component proportional to the speed estimation error ω err .

数式4、数式5より、速度・位置推定系の線形近似モデルは、制御遅れを考慮すると図3のようになる。比例ゲインKPωestと積分時定数TIωestとは、微分角周波数ωdθerrが正の場合に、速度・位置推定系の開ループ伝達関数のゲイン|G|のボード線図において、ゲイン|G|が0[dB]のときの傾きが−20[dB/dec]になるように設計すれば良い。具体的には、数式7の関係を満たすように設計する。

Figure 2016195523
From Equations 4 and 5, the linear approximation model of the speed / position estimation system is as shown in FIG. The proportional gain K Pomegaest the integration time constant T Aiomegaest, when the differential angular frequency omega Dishitaerr is positive, the gain of the open-loop transfer function of the speed and position estimation system | in the Bode diagram of the gain | | G 0 G 0 What is necessary is just to design so that the inclination when | is 0 [dB] becomes −20 [dB / dec]. Specifically, it is designed to satisfy the relationship of Equation 7.
Figure 2016195523

前述の数式6より、微分角周波数ωdθerrは速度推定値ωに比例し、δ軸電流iδに反比例する。δ軸電流iδはトルクτの増加関数であるため、微分角周波数ωdθerrは、低速、重負荷時に小さくなる。このため、数式7より、低速、重負荷時には、微分角周波数ωdθerrの絶対値に比例させて比例ゲインKPωestの上限値を制限し、微分角周波数ωdθerrの絶対値に反比例させて積分時定数TIωestの下限値を制限(または、微分角周波数の絶対値に比例させて積分時定数TIωestの逆数の上限値を制限)することで、速度・位置推定系を安定にすることができる。 From Equation 6 described above, the differential angular frequency ω dθerr is proportional to the speed estimation value ω 1 and inversely proportional to the δ-axis current i δ . Since the δ-axis current i δ is an increasing function of the torque τ, the differential angular frequency ω dθerr becomes small at low speed and heavy load. Therefore, from Equation 7, a low speed, during heavy load, in proportion to the absolute value of the differential angular frequency omega Dishitaerr limits the upper limit of the proportional gain K Pomegaest, when integrated in inverse proportion to the absolute value of the differential angular frequency omega Dishitaerr By limiting the lower limit value of the constant T Iωest (or limiting the upper limit value of the reciprocal of the integral time constant T Iωest in proportion to the absolute value of the differential angular frequency), the speed / position estimation system can be stabilized. .

図4は、図1におけるゲイン演算器35の制御ブロック図である。
図4において、微分角周波数演算器35aは、γ軸電流iγ、δ軸電流iδ及び速度推定値ωから、微分角周波数ωdθerrを数式6により演算する。絶対値演算器35bは、微分角周波数ωdθerrの絶対値|ωdθerr|を演算する。
なお、微分角周波数演算器35aによる微分角周波数ωdθerrの演算は、γ軸電流iγ、δ軸電流iδの代わりに、γ軸電流指令値iγ 、δ軸電流指令値iδ を用いても良い。また、速度推定値ωの代わりに速度指令値ω を用いても良い。
FIG. 4 is a control block diagram of the gain calculator 35 in FIG.
In FIG. 4, the differential angular frequency calculator 35 a calculates the differential angular frequency ω dθerr according to Equation 6 from the γ-axis current i γ , the δ-axis current i δ, and the estimated speed value ω 1 . The absolute value calculator 35b calculates the absolute value | ω dθerr | of the differential angular frequency ω dθerr .
Incidentally, the calculation of the differential angular frequency omega Dishitaerr by differential angular frequency calculator 35a, gamma-axis current i gamma, instead of [delta] -axis current i?, Gamma * -axis current value i gamma, [delta] a-axis current value i [delta] * It may be used. Further, the speed command value ω r * may be used instead of the speed estimated value ω 1 .

ゲイン35cにより、微分角周波数ωdθerrの絶対値|ωdθerr|に比例させて、速度推定器33の比例調節手段における比例ゲインKPωestの上限値KPωestmaxを演算する。ゲイン35cの比例ゲインKは、1[倍]より小さい値とし、安定余裕を持たせて1/2以下とする。
ゲイン35dにより、微分角周波数ωdθerrの絶対値|ωdθerr|に比例させて、速度推定器33の積分調節手段における積分時定数TIωestの下限値の逆数1/TIωestminを演算する。ゲイン35dの比例ゲインKはKより小さい値とし、安定余裕を持たせて1/4以下とする。
The upper limit value K Pωestmax of the proportional gain K Pωest in the proportional adjustment means of the speed estimator 33 is calculated by the gain 35 c in proportion to the absolute value | ω dθerr | of the differential angular frequency ω dθerr . Proportional gain K 1 of the gain 35c is set to 1 [times] value of less than a half or less to have a stability margin.
By the gain 35d, the inverse 1 / T Iωestmin of the lower limit value of the integral time constant T Iωest in the integral adjusting means of the speed estimator 33 is calculated in proportion to the absolute value | ω dθerr | of the differential angular frequency ω dθerr . Proportional gain K 2 of the gain 35d is set to K 1 value smaller than a quarter or less to have a stability margin.

比例ゲインの初期値KPωest0及び積分時定数の初期値TIωest0は、数式7のi)の条件を満たすように設計する。出力制限器35eは、比例ゲインの初期値KPωest0を上限値KPωestmaxにより制限し、比例ゲインKPωestを演算する。出力制限器35fは、積分時定数の初期値の逆数1/TIωest0を上限値1/TIωestminにより制限し、積分時定数の逆数1/TIωestを演算する。 The initial value K Pωest0 of the proportional gain and the initial value T Iωest0 of the integration time constant are designed so as to satisfy the condition of i) of Equation 7. Output limiter 35e sets the initial value K Pomegaest0 proportional gain is limited by the upper limit value K Pomegaestmax, calculates a proportional gain K Pωest. Output limiter 35f is a reciprocal 1 / T Iωest0 initial value of the integral time constant and limited by the upper limit value 1 / T Iωestmin, calculates the reciprocal 1 / T Iωest the integration time constant.

この実施形態によれば、PMSM80の低速、重負荷時に小さくなる微分角周波数ωdθerrの絶対値に応じて速度推定器33における比例ゲインを制限し、また、上記絶対値に反比例させて速度推定器33における積分時定数TIωestの下限値を制限することにより、速度推定値ωひいては位置推定値θが大幅に変化するのを抑制することができる。 According to this embodiment, the proportional gain in the speed estimator 33 is limited in accordance with the absolute value of the differential angular frequency ω dθerr which becomes smaller at the low speed and heavy load of the PMSM 80 , and the speed estimator is inversely proportional to the absolute value. By restricting the lower limit value of the integration time constant T Iωest at 33, it is possible to suppress the speed estimated value ω 1 and thus the position estimated value θ 1 from changing significantly.

次に、本発明の他の実施形態について説明する。この実施形態は、ゲイン演算器35の微分角周波数演算器35aにおける演算を、前述した数式6よりも簡略化したものである。
すなわち、微分角周波数ωdθerrは重負荷時に大きくなる。そこで、微分角周波数ωdθerrを最大トルク時のγ軸電流iγ(=iγmax)及びδ軸電流iδ(=iδmax)を用いて演算することで、微分角周波数ωdθerrの演算を簡略化する。具体的には、微分角周波数演算器35aにおいて、数式8により微分角周波数ωdθerrを演算とする。

Figure 2016195523
Next, another embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, the calculation in the differential angular frequency calculator 35a of the gain calculator 35 is simplified from the above-described Expression 6.
That is, the differential angular frequency ω dθerr increases at the time of heavy load. Therefore, by calculating the differential angular frequency ω dθerr using the γ-axis current i γ (= i γmax ) and the δ-axis current i δ (= i δmax ) at the maximum torque, the calculation of the differential angular frequency ω dθerr is simplified. Turn into. Specifically, in the differential angular frequency calculator 35a, the differential angular frequency ω dθerr is calculated by Equation 8.
Figure 2016195523

この実施形態によれば、最大トルクに対応して固定されたγ軸電流最大値iγmax及びδ軸電流最大値iδmaxを用いて微分角周波数ωdθerrを演算可能であるため、変化するγ軸電流iγ及びδ軸電流iδに応じて微分角周波数ωdθerrを演算する数式6に比べて、演算処理を簡略化することができる。 According to this embodiment, since the differential angular frequency ω dθerr can be calculated using the γ- axis current maximum value i γmax and the δ-axis current maximum value i δmax fixed corresponding to the maximum torque, the changing γ-axis Compared with Equation 6 for calculating the differential angular frequency ω dθerr according to the current i γ and the δ-axis current i δ , the calculation process can be simplified.

本発明は、各実施形態のように拡張誘起電圧を利用したセンサレス制御だけでなく、前述した特許文献1のように、拡張磁束を利用してPMSMをセンサレス制御する制御装置としても使用することができる。   The present invention can be used not only for sensorless control using an extended induced voltage as in the embodiments, but also as a control device for sensorless control of PMSM using extended magnetic flux as described in Patent Document 1 described above. it can.

11u:u相電流検出器
11w:w相電流検出器
13:PWM回路
14,15:座標変換器
16,19a,19b:減算器
17:速度調節器
18:電流指令演算器
20a:γ軸電流調節器
20b:δ軸電流調節器
31:拡張誘起電圧演算器
32:角度差演算器
33:速度推定器
34:積分器
35:ゲイン演算器
35a:微分角周波数演算器
35b:絶対値演算器
35c,35d:ゲイン
35e,35f:出力制限器
50:三相交流電源
60:整流回路
70:インバータ
80:永久磁石形同期電動機(PMSM)
11u: u-phase current detector 11w: w-phase current detector 13: PWM circuit 14, 15: coordinate converters 16, 19a, 19b: subtractor 17: speed controller 18: current command calculator 20a: γ-axis current controller 20b: δ-axis current regulator 31: extended induced voltage calculator 32: angle difference calculator 33: speed estimator 34: integrator 35: gain calculator 35a: differential angular frequency calculator 35b: absolute value calculator 35c, 35d: Gain 35e, 35f: Output limiter 50: Three-phase AC power supply 60: Rectifier circuit 70: Inverter 80: Permanent magnet synchronous motor (PMSM)

Claims (2)

永久磁石形同期電動機の電流を検出する手段と、
前記電動機の電流、端子電圧及び速度相当値から回転子の位置推定誤差を演算する手段と、
前記位置推定誤差の演算値から前記回転子の速度推定値を演算する手段と、
前記速度推定値を積分して前記回転子の位置推定値を演算する手段と、
前記電動機の電流及び前記速度推定値から前記位置推定誤差演算値に含まれる位置推定誤差の微分成分である微分角周波数を演算する手段と、を備え、
前記速度推定値を演算する手段は比例調節手段を有し、
前記微分角周波数を演算する手段は、
前記比例調節手段における比例ゲインの上限値を前記微分角周波数に比例した値により制限する手段を有することを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
Means for detecting the current of the permanent magnet type synchronous motor;
Means for calculating a rotor position estimation error from the electric current, terminal voltage and speed equivalent value of the motor;
Means for calculating the estimated speed value of the rotor from the calculated value of the position estimation error;
Means for integrating the speed estimate and calculating a position estimate of the rotor;
Means for calculating a differential angular frequency that is a differential component of a position estimation error included in the position estimation error calculation value from the current of the motor and the speed estimation value;
The means for calculating the speed estimated value has a proportional adjustment means,
The means for calculating the differential angular frequency is:
A control device for a permanent magnet type synchronous motor, characterized by comprising means for limiting an upper limit value of a proportional gain in the proportional adjustment means by a value proportional to the differential angular frequency.
請求項1に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記速度推定値を演算する手段は積分調節手段を更に有し、
前記微分角周波数を演算する手段は、
前記積分調節手段における積分時定数の下限値を前記微分角周波数に反比例した値により制限する手段を更に有することを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
In the control device for the permanent magnet type synchronous motor according to claim 1,
The means for calculating the speed estimated value further includes an integral adjusting means,
The means for calculating the differential angular frequency is:
The controller for a permanent magnet type synchronous motor further comprising means for limiting a lower limit value of an integration time constant in the integral adjusting means by a value inversely proportional to the differential angular frequency.
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